JP6871833B2 - 形状計測装置および形状計測方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、形状計測装置および形状計測方法に関する。

試料に設けられたパターンの三次元形状は、試料へのビーム照射により試料を破壊せずに計測することが可能である。この場合、試料へのビーム照射により取得されたデータと、パターンの形状モデルから予想される散乱強度データとをフィッティングすることで、三次元形状が計測される。しかしながら、パターンが複雑になると形状モデルのパラメータの個数が多くなり、計測時間の長時間化や計測精度の低下が問題となる。

特開２０１６−１１８５６３号公報

試料に設けられたパターンの三次元形状を好適な態様で計測可能な形状計測装置および形状計測方法を提供する。

一の実施形態によれば、形状計測装置は、試料に設けられたパターンに関する情報として、前記試料の表面に平行な面内の二次元情報を記憶する記憶部と、前記試料の表面にビームを照射する照射部とを備える。前記装置はさらに、前記二次元情報に基づいて、前記試料に対する前記ビームの照射方向を制御する照射制御部と、前記試料の表面で反射された前記ビームの散乱強度データを取得する取得部とを備える。前記装置はさらに、前記パターンの三次元形状をパラメータを用いて表した形状モデルに基づいて、前記ビームの予想散乱強度データを算出する算出部と、前記形状モデルのパラメータを調整して前記散乱強度データと前記予想散乱強度データとをフィッティングすることで、前記パターンの三次元形状を計測する計測部とを備える。

第１実施形態の三次元形状計測装置の構成を示す模式図である。 第１実施形態の試料に設けられたパターンの例を示す上面図である。 第１実施形態のビームの入射方位について説明するための上面図である。 第１実施形態の散乱強度データと形状対象パターンの形状モデルとについて説明するための図である。 第１実施形態の形状計測の結果について説明するための図である。 第１実施形態の三次元形状計測装置の動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の三次元形状計測装置１の構成を示す模式図である。

図１の三次元形状計測装置１は、二次元情報記憶部１１と、条件算出部１２と、Ｘ線管球１３と、光源制御部１４と、発散スリット１５と、二次元検出器１６と、データ処理部１７と、シミュレーション部１８と、形状算出部１９と、ステージ２０と、ステージ制御部２１とを備えている。図１はさらに、二次元形状計測装置２と試料３とを示している。

以下、図１を参照して三次元形状計測装置１の詳細を説明する。この説明の中で、図２から図５も適宜参照する。

二次元情報記憶部１１は、試料３に設けられたパターンに関する情報として、試料３の表面に平行な面内の二次元情報を記憶している。二次元情報記憶部１１は、記憶部の一例である。

試料３は例えば、半導体ウェハ、ＩＣ（Integrated Circuit）チップ、露光用のマスク、ナノインプリント用のテンプレートである。図１は、試料３の表面に平行で互いに垂直なＸ方向およびＹ方向と、試料３の表面に垂直なＺ方向を示している。本明細書では、＋Ｚ方向を上方向として取り扱い、−Ｚ方向を下方向として取り扱う。−Ｚ方向は、重力方向と一致していてもよいし、重力方向と一致していなくてもよい。

図２は、第１実施形態の試料３に設けられたパターンの例を示す上面図である。

図２は、二次元状に配置された複数のホールパターン４を示している。これらのホールパターン４の例は、コンタクトホール、ビアホール、メモリホールなどである。これらのホールパターン４は、第１方向に延びる複数の第１直線Ｌ１と、第２方向に延びる複数の第２直線Ｌ２との交点に配置されている。符号βは、第１直線Ｌ１と第２直線Ｌ２との間の角度を示しており、ここでは０°＜β＜９０°である。

各ホールパターン４は、楕円型の平面形状を有している。図２は、各ホールパターン４のＸ方向の寸法Ｄ１（長径）と、各ホールパターン４のＹ方向の寸法Ｄ２（短径）と、各ホールパターン４の曲率Ｒとを示している。図２はさらに、ホールパターン４間のＸ方向のピッチＰ１と、ホールパターン４間のＹ方向のピッチＰ２とを示している。本実施形態では、以下の説明において、計測対象のパターンがホールである場合を説明しているが、例えばラインアンドスペース等の他のパターンでもよい。

上述のように、二次元情報記憶部１１は、試料３に設けられたパターンに関する情報として、試料３の表面に平行な面内の二次元情報を記憶している。本実施形態の二次元情報は、試料３の表面（ＸＹ平面）における各ホールパターン４の二次元形状やホールパターン４同士の二次元配置に関する情報である。前者の情報の例は、寸法Ｄ１、寸法Ｄ２、曲率Ｒなどである。後者の情報の例は、第１直線Ｌ１の方向、第２直線Ｌ２の方向、ピッチＰ１、ピッチＰ２、角度βなどである。

二次元情報は、図１の試料３を用いて三次元形状計測装置１の外部で測定され、二次元情報記憶部１１に記憶される。本実施形態の二次元情報は、二次元形状計測装置２により計測される。二次元形状計測装置２の例は、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）やＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）である。二次元形状計測装置２は、その他の装置（例えばイオンビーム顕微鏡）でもよい。また、二次元形状計測装置２では計測できない広範囲な二次元情報が必要な場合には、設計データより二次元情報を取得してもよい。三次元形状計測装置１内で試料３を用いて形状計測を行う前に、少なくとも１種類の二次元情報（例えば寸法）が二次元形状計測装置２から二次元情報記憶部１１に事前に記憶される。

以下、図１を参照して三次元形状計測装置１の説明を続ける。

条件算出部１２は、二次元情報記憶部１１から二次元情報を取得し、二次元情報に基づいて形状計測の条件を算出する。このような条件の例は、ＸＹ平面に対するビームの入射角度、ＸＹ平面内でのビームの入射角度（入射方位）、ビーム波長、発散スリット幅、計測時間などである。

Ｘ線管球１３は、符号Ｘ１で示すようにビームを発生させ、試料３の表面にビームを照射する。Ｘ線管球１３は、照射部の一例である。本実施形態のビームは、粒子線や電磁波であり、ここでは１ｎｍ以下の波長を有するＸ線である。

光源制御部１４は、上記の二次元情報に基づいて、Ｘ線管球１３、発散スリット１５、ステージ２０等の動作を制御する。具体的には、光源制御部１４は、二次元情報から算出された形状計測の条件を条件算出部１２から受け取り、この条件に従ってＸ線管球１３等の動作を制御する。この際、光源制御部１４は、二次元情報から条件算出部１２が算出した条件に基づいて、Ｘ線管球１３やステージ２０等の動作を制御する。または、条件を二次元情報から算出できない場合には、光源制御部１４は、予め準備しておいた条件（入射角度、入射方位、ビームの波長、発散角度、計測時間等）を使用して、Ｘ線管球１３やステージ２０等の動作を制御してもよい。光源制御部１４と条件算出部１２は、照射制御部の一例である。

光源制御部１４は例えば、試料３に対するビームの照射方向を制御する。ビームの照射方向の例は、ＸＹ平面に対するビームの入射角度や、ＸＹ平面内でのビームの入射角度である。前者の入射角度は、ビームの照射方向を示す仰角に相当し、以下、ビームの仰角とも表記する。後者の入射角度は、ビームの照射方向を示す方位角に相当し、以下、ビームの方位角（または入射方位）とも表記する。

ビームの仰角は、試料３の表面と符号Ｘ１で示す矢印との間の角度である。本実施形態の仰角は、Ｘ線であるビームが試料３を透過せず、試料３の表面で全反射される角度に調整される。このような仰角は、例えば１°以下である。このように、本実施形態では小角Ｘ線散乱による形状計測が行われる。光源制御部１４は、二次元情報から条件算出部１２が算出した条件に基づいて仰角を設定してもよいし、予め準備しておいた条件に基づいて仰角を設定してもよい。光源制御部１４は、Ｘ線管球１３の動作を制御することで、ビームの仰角を制御する。

ビームの方位角は、試料３の表面に垂直な回転軸Ｋを中心にビームの照射方向を回転させることで変更可能である。ビームの照射方向の回転については、光源制御部１４が試料３を支持するステージ２０を回転軸Ｋを中心に回転させることで、ビームの方位角を制御してもよいし、Ｘ線管球１３または発散スリット１５の位置を変化させることで、ビームの方位角を制御してもよい。なお、光源制御部１４がステージ２０の回転を制御する方法の詳細については後述する。

以下、ビームの方位角（入射方位）について、図３を参照して説明する。

図３は、第１実施形態のビームの入射方位について説明するための上面図である。

図３(ａ)は、図２に示すホールパターン４に対し、本実施形態の比較例の形状計測を適用する様子を示している。これらのホールパターン４は二次元マトリクス状に配置されていることから、ホールパターン４の三次元形状を計測するためには、ビームの入射方位を０°から９０°まで変化させる必要がある。すなわち、入射方位を変化させる最大角度範囲を９０°に設定する必要がある。

この形状計測により、寸法Ｄ１、Ｄ２、曲率Ｒ、ピッチＰ１、Ｐ２、角度βなどのパラメータの少なくとも１つが計測される。これらは、二次元情報として二次元情報記憶部１１に記憶されている寸法Ｄ１、Ｄ２、曲率Ｒ、ピッチＰ１、Ｐ２、角度βなどのパラメータとは別のパラメータである。さらには、この形状計測により、各ホールパターン４の深さ（高さ）や、各ホールパターン４の断面における開口部の曲率や、各ホールパターン４の断面における底部の曲率などが計測される。

以上のように、本比較例では、ビームの入射方位を０°から９０°まで変化させることで、ホールパターン４の三次元形状を計測している。しかしながら、寸法Ｄ１、Ｄ２、曲率Ｒ、ピッチＰ１、Ｐ２、角度βの少なくとも１つの値が二次元情報から事前に判明している場合には、ビームの入射方位を予め算出する機構等を設けることでビームの入射方位を０°から９０°まで変化させなくても、上記の形状計測を行うことができる。そこで、本実施形態では、ビームの入射方位を０°から９０°まで変化させずに、上記の形状計測を行う。このような形状計測について、図３(ｂ)を参照して説明する。

図３(ｂ)は、事前に二次元情報より寸法Ｄ１およびＤ２が判明しており、図２に示すホールパターン４に対し、本実施形態の形状計測を適用する様子を示している。本実施形態では、これらのホールパターン４の三次元形状を計測するために、ビームの入射方位を０°からα°まで変化させる。すなわち、入射方位を変化させる最大角度範囲をα°に設定する。条件算出部１２は、このα°の値を二次元情報から取得して、光源制御部１４に提供する。

この形状計測により、寸法Ｄ１、曲率Ｒ、ピッチＰ１、Ｐ２、角度βの計測値が取得される。一方、寸法Ｄ２の計測値は、寸法Ｄ１の計測値と、二次元情報に含まれる寸法Ｄ１および寸法Ｄ２の値とを用いて算出される。具体的には、二次元情報に含まれる寸法Ｄ１および寸法Ｄ２の値を用いて寸法比Ｄ２／Ｄ１を算出し、寸法Ｄ１の計測値にＤ２／Ｄ１を掛けて寸法Ｄ２の計測値を算出する。

本実施形態によれば、入射方位の角度範囲を９０°からα°に絞ることが可能となる（０°＜α°＜９０°）。これにより、形状計測に要する時間を短縮することが可能となる。

なお、本実施形態では、ビームの入射方位をα°から９０°まで変化させて、入射方位の角度範囲を９０−α°に設定してもよい。この場合には、上記の例とは逆に、寸法Ｄ１の計測値を、寸法Ｄ２の計測値と、二次元情報に含まれる寸法Ｄ１および寸法Ｄ２の値とを用いて算出する。

以上のように、光源制御部１４は、試料３に対するビームの入射方位を回転軸Ｋを中心に回転させ、入射方位を変化させる最大角度範囲を二次元情報に基づいて設定する。これにより、この最大角度範囲を９０度より小さく設定することが可能となる。

後述するように、形状算出部１９は、ビームの計測散乱強度データと予想散乱強度データとをフィッティングすることで、パターンの三次元形状を計測する。この際、形状算出部１９は、９０度分のデータではなく、９０度よりも小さい角度（α）分のデータを用いてフィッテングを行う。これにより、形状計測に要する時間を短縮することが可能となる。

以下、図１を参照して三次元形状計測装置１の説明を続ける。

発散スリット１５は、光源制御部１４による制御の下、試料３の表面におけるビームの照射面積を決定する。本実施形態のビームは、Ｘ線管球１３内の凹面鏡によりその光路が調整され、発散スリット１５を通り、所望の仰角および方位角で試料３上の計測点に入射する。

二次元検出器１６は、符号Ｘ２で示すように、試料３の表面で反射（散乱）されたビームを検出し、ビームの散乱強度データを取得（計測）する。二次元検出器１６は、取得部の一例である。

データ処理部１７は、二次元検出器１６により検出された散乱強度から散乱強度データを算出する。この散乱強度データの一例を図４(ａ)に示す。図４は、第１実施形態の散乱強度データと形状対象パターンの形状モデルとについて説明するための図である。図４(ａ)の散乱強度データは、複数の曲線Ｃ１で示すように、試料３の表面で反射されたビームの出射角と散乱強度との関係を示している。以下、データ処理部１７で算出した散乱強度データを「計測散乱強度データ」と表記する。なお、出射角とは、パターン表面から反射（散乱）したビームの角度のことを指す。

シミュレーション部１８は、試料３に設けられたパターンの形状モデルを例えば二次元情報記憶部１１に記憶されたパラメータを用いずに予測して設定し、設定した形状モデルに基づいてビームの予想散乱強度データを算出する。シミュレーション部１８は、算出部の一例である。形状モデルとは、試料３のパターンの三次元形状を１つ以上のパラメータを用いて表したものである。パラメータの例は、各パターンの寸法Ｄ１、Ｄ２、曲率Ｒ、深さ（高さ）や、パターン間のピッチＰ１、Ｐ２や、各パターンの断面における開口部や底部の曲率などである。ここでは、計測対象となるパターンの形状を可能な範囲で予め予測して設定する。形状モデルを設定することで後述するフィッティング処理が容易になる。

シミュレーション部１８が算出する予測散乱強度データの一例を図４(ｂ)に示す。図４(ｂ)の予測散乱強度データは、複数の曲線Ｃ２で示すように、出射角と散乱強度との関係の予想結果を示している。また、図４(ｄ)および図４(ｅ)は、シミュレーション部１８が設定する試料３に設けられたホールパターン４の形状モデルの一例を示している。

形状算出部１９は、形状モデルの１つ以上のパラメータを調整しながら、計測散乱強度データと予想散乱強度データとをフィッティングする（図４(ｃ)）。例えば、形状算出部１９は、形状モデルのいくつかのパラメータを様々な値に変動させ（すなわち、パラメータをフローティングし）、これにより様々な種類の予想散乱強度データを算出し、これらの予想散乱強度データを計測散乱強度データとフィッテングする。そして、形状算出部１９は、計測散乱強度データと最も近い予想散乱強度データを判定し、この予想散乱強度データに対応する三次元形状を計測結果として出力する。こうして、試料３に設けられたパターンの三次元形状が計測される。

具体的には、ある予想散乱強度データが計測散乱強度データに最も近い場合、この予想散乱強度データを算出する際に用いられたパラメータの値が、試料３に設けられたパターンの寸法、曲率、深さ等の計測値となる。そして、この場合の形状モデルの三次元形状が、試料３に設けられたパターンの三次元形状の計測結果となる。

なお、形状算出部１９は、フィッティングの際に、すべてのパラメータの値を変化させてもよいし、一部のパラメータの値を固定値としてもよい。形状算出部１９は例えば、パラメータの値の調整をシミュレーション部１８と協働して行う。

別のフィッテング方法として、パラメータの値を変動させずに１つの予想散乱強度データで計測散乱強度データとフィッティングさせ、合致しないパラメータがある場合に合致しないパラメータのみを変化させた別の予想散乱強度データと計測散乱強度データをフィッティングさせることを繰り返してもよい。

図５は、第１実施形態の形状計測の結果について説明するための図である。

図５は、ホールパターン４の平面形状と、Ｘ断面の断面形状と、Ｙ断面の断面形状とを示している。本実施形態の形状計測によれば、ホールパターン４の任意の断面の断面形状を計測することができる。図５に示す２つの断面形状は、その一例である。

以下、図１を参照して三次元形状計測装置１の説明を続ける。

ステージ２０は、試料３を載置するために使用される。試料３は、そのパターン面が上を向くようにステージ２０上に載置される。

ステージ制御部２１は、ステージ２０の動作を制御する。例えば、ステージ制御部２１は、ステージ２０を±Ｘ方向、±Ｙ方向、および±Ｚ方向に移動させることや、回転軸Ｋを中心にステージ２０を回転させることができる。

試料３にビームを照射する際、光源制御部１４は、例えばステージ制御部２１に指示を送ることでステージ２０を回転させる。これにより、ビームの入射方位を変化させながら、試料３にビームを照射することが可能となる。この際、光源制御部１４は、ステージ制御部２１への指示によりビームの入射方位を０°からα°まで変化させ、入射方位を変化させる最大角度範囲をα°に限定する。二次元検出器１６は、ビーム照射が継続する間、ビームの散乱強度を積算した二次元画像を取得する。この二次元画像が散乱強度データとしてデータ処理部１７に提供される。なお、上述のようにステージ２０を回転させずにＸ線管球１３または／および散乱スリット１５の制御によってビームの入射方位を変化させることも可能である。

図６は、第１実施形態の三次元形状計測装置１の動作を示すフローチャートである。

まず、二次元形状計測装置２が、試料３について二次元計測を行い（ステップＳ１１）、試料３の二次元情報を取得する（ステップＳ１２）。取得した二次元情報は、三次元形状計測装置１の二次元情報記憶部１１内に記憶される（ステップＳ１）。条件算出部１２は、この二次元情報に基づいて形状計測の条件を算出する（ステップＳ２）。

一方、三次元形状計測装置１に試料３がセットされると、試料３についての三次元計測が開始される（ステップＳ３）。まず、Ｘ線管球１３が試料３にＸ線（ビーム）を照射し、二次元検出器１６が試料３から散乱されたＸ線を検出する（ステップＳ４）。この際、光源制御部１４は、試料３に対するＸ線の入射方位を変化させる。

次に、二次元検出器１６は、Ｘ線の散乱強度の分布を示す二次元画像を取得し、これをデータ処理部１７に提供する（ステップＳ５）。データ処理部１７は、二次元画像から計測散乱強度データを算出し、これを形状算出部１９に提供する（ステップＳ６）。一方、シミュレーション部１８は、試料３のパターンの形状モデルを設定し（ステップＳ９）、形状モデルに基づいてビームの予想散乱強度データを算出する（ステップＳ１０）。

そして、形状算出部１９は、形状モデルの１つ以上のパラメータを調整しながら、計測散乱強度データと予想散乱強度データとをフィッティングする（ステップＳ７）。その結果、パターンの三次元計測情報が算出され、三次元形状の計測結果が出力される（ステップＳ８）。三次元形状の計測結果は、三次元形状計測装置１内やこれに接続された情報処理装置内に保存されてもよいし、三次元形状計測装置１のモニタ上やこれに接続された情報処理装置のモニタ上に表示されてもよい。

以上のように、本実施形態の光源制御部１４は、二次元形状計測装置２から提供された試料３の二次元情報に基づいて、試料３に対するビームの照射方向を制御する。具体的には、光源制御部１４は、試料３に対するビームの入射方位を回転軸Ｋを中心に回転させ、入射方位を変化させる角度範囲を二次元情報に基づいて設定する。これにより、この角度範囲を９０度より小さく設定することが可能となる。

本実施形態によれば、ビームの照射方向を変化させる角度範囲を狭くすることで、計測時間の短縮や、パラメータ数を限定することによる計測精度の向上を実現することが可能となる。よって、実施形態によれば、試料３に設けられたパターンの三次元形状を、短時間で高精度に計測するなど、好適な態様で計測することが可能となる。

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置および方法は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置および方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

１：三次元形状計測装置、２：二次元形状計測装置、３：試料、
４：ホールパターン、１１：二次元情報記憶部、１２：条件算出部、
１３：Ｘ線管球、１４：光源制御部、１５：発散スリット、
１６：二次元検出器、１７：データ処理部、１８：シミュレーション部、
１９：形状算出部、２０：ステージ、２１：ステージ制御部

Claims (5)

1. 試料に設けられたパターンに関する情報として、前記試料の表面に平行な面内の二次元情報を記憶する記憶部と、
   前記二次元情報に基づいて、前記試料の表面に照射するビームの入射方位を変化させる最大角度範囲を含む、前記パターンの形状計測の条件を算出する条件算出部と、
   前記算出された条件に基づいて、前記試料の表面に前記ビームを照射する照射部と、
   前記試料の表面で反射された前記ビームの散乱強度データを取得する取得部と、
   前記パターンの三次元形状をパラメータを用いて表した形状モデルに基づいて、前記ビームの予想散乱強度データを算出する算出部と、
   前記形状モデルのパラメータを調整して前記散乱強度データと前記予想散乱強度データとをフィッティングすることで得られた計測値と、前記二次元情報とに基づいて、前記パターンの三次元形状を計測する計測部と、
   を備える形状計測装置。
2. 前記二次元情報は、前記試料の表面に平行な面内における各パターンの二次元形状またはパターン同士の二次元配置に関する情報を含む、請求項１に記載の形状計測装置。
3. 前記二次元情報は、前記試料の表面に平行な面内における各パターンの二方向の寸法を含む、請求項２に記載の形状計測装置。
4. 前記二次元情報は、前記形状計測装置の外部で計測された情報である、請求項１から３のいずれか１項に記載の形状計測装置。
5. 試料に設けられたパターンに関する情報として、前記試料の表面に平行な面内の二次元情報を取得し、
   前記二次元情報に基づいて、前記試料の表面に照射するビームの入射方位を変化させる最大角度範囲を含む、前記パターンの形状計測の条件を算出し、
   前記算出された条件に基づいて、前記試料の表面に前記ビームを照射し、
   前記試料の表面で反射された前記ビームの散乱強度データを取得し、
   前記パターンの三次元形状をパラメータを用いて表した形状モデルに基づいて、前記ビームの予想散乱強度データを算出し、
   前記形状モデルのパラメータを調整して前記散乱強度データと前記予想散乱強度データとをフィッティングすることで得られた計測値と、前記二次元情報とに基づいて、前記パターンの三次元形状を計測する、
   ことを含む形状計測方法。

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