JPH0322336A - 走査電子顕微鏡の倍率補償装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は走査電子顕微鏡に用いられる倍率補償装置に
関する。この装置は試料に焦点合せする際の倍率変化を
補償可能とするものである。この補償は観察しようとす
る試料が種々の表面高さを有するときに有用である。本
発明は特に半導体ウェハの分析及び寸法測定に用いられ
る走査電子顕微鏡に適用し得るものであるが、この種の
適用に限定されるものではない。

（従来技術） 走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の作業距離を決定し、該走査
顕微鏡の焦点合わせ及び倍率の較正に必要な情報を提供
するには、レンズコイルにおける電流を測定して当該電
子顕微鏡における現在の対物レンズの磁界強度を評価す
る必要がある。対物レンズ磁界強度と電子ビームエネル
ギーを結合することにより何れ程の距離をもって試料が
焦点合わせされるかを決定する。試料の焦点合わぜを一
旦行うと、現在の倍率を決定するため当該作業距離を正
確に測定することが必要となる。この作業距離の測定は
一般に対物レンズコイル中の電流を測定するとともにそ
こに発生された磁界の強さを算定することにより行われ
る。倍率は実際の倍率値の１０％内の精度をもって算定
される。

しかしながら、上述したような不確さは、高精度の測定
が要求される場合には容許し難いものである。集積回路
半導体ウエハの製造においては、製造者はｌ％内の厳密
な精度をもって測定を行わねばならないから、そのよう
な高精度が要求される。更に、ウエハはしばし２ば包装
され、非常に小さな表面波状起伏を有することから要望
があり、その表面上の種々の領域を観察するとき、再焦
点合わせが必要となり、しかも当該電子顕微鏡の倍率較
正を迅速に行って同じ精度を保存する必要がある。

１％内の精度をもって読取りを行うために、走査電子顕
微鏡の対物レンズのコアにおける磁気ヒステリンス問題
を解決しなければならない。即ち、対物レンズの瞬時磁
界強度はコイルに存在する現在の電流のみならず、これ
まで該コイルに存在したことのある全ての電流に基づく
ものである。この問題は大低の走査電子顕微鏡がビーム
電圧を補償されたレンズを有するという事実により強調
される。即ち、公称ビーム電圧は使用者によって変更さ
れるから、レンズ電流が自動的に焦点を維持するように
調節される。理想的なビーム電圧を設定するため、新し
い試料の観察を行う毎に公称電流設定が変更される。こ
のため、焦点を補償しかつ維持するためにレンズ電流が
絶えず変化することになる。その結果、レンズの電流履
歴が−層複雑なものとなり、それによりそのヒステリシ
スルーブが拡大するとともに倍率精度が低下する。本発
明はヒステリシス問題を解消して倍率較正後に必然的に
生ずるレンズ電流変化を除去することにある。

磁気レンズヒステリシスを取り扱うようにした最近の先
行技術はレンズ材料を“消磁”するもので、その方法は
電流履歴を有効に除去するもの−Ｃある。この操作は走
査電子顕微鏡を再焦点合わせするために所要の電流変更
毎に要求される。一旦レンズが消磁されると、急激では
なく零から単調に新しいレンズ電流に近づけられる。こ
の場合、材料の消磁操作はレンズコイルに指数関数的に
減衰する正弦波電流を加えることを含む。新しい所望電
流を得るためには、該コイルに僅かであるが純粋な直流
電流を供給する必要があり、所望のレンズ電流値に到達
するまで供給電流の振幅値を線型に増大させな１ブれば
ならない。該電流は所望値をオーバーシュートしてはな
らず、そのようにしなければヒステリシスが誘起される
ことになる。

このような操作を所要の精度をもって行うには、指数関
数的に減衰する双極性電流を発生するとともに、雑音の
無い安定した直流電流を発生ずることができる、複雑か
つ高価ｉｉレンズ電源が必要である。

もう１つは、線型的に増大する直流電流に対しコイル及
びコア材料を非理想的方注で作用させなければならない
ことである。その結果、コイル及びコア材料の物性を電
気的かつ磁気的に特殊なものとし、従ってそれに加える
信号も調節しなければならず、この方法は増々高価なも
のとなる。

高価であることに加えて、作業距離を変更する毎に上記
レンズの消磁に時間を要するため、補償制御装置で素早
く焦点合わせすること力咄来なかった。更にまずいこと
には、１回の焦点合わせ操作時、反復して理想レンズ電
流に近付ける必要があり、その結果、一旦再焦点合わせ
を行ってもレンス゛を数回ｌ肖！ｉｆｆしな（すればな
らない。

先行技術におけるもう１つの対物レンズヒステリシス対
策のアプローチに、コンビューターソフトウェア補償装
置が含まれる。数学的モデル或果は該レンズの電流履歴
を表す。走査１子囲微鏡はそのようなモデルを２種類の
方法のうちいずれかの方法で使用することができる。第
１の方法では、走査電子顕微鏡は該レンズ履歴を用いて
作業距離誤差を推定することにより倍率１凋節可能とさ
れる。

第２の方法では、数学的モデルか既知のヒステリシスを
有するレンズコイルに加えられたときに所望の磁界を生
起する補償電流信号を発生するのに用いられ、該磁界に
より磁気ヒステリシスが修正される。

一般に、電流履歴の数学的モデルに係る問題は所望精度
を達成するため該モデルに要求される情報量の蓄積が出
来ず、該情報の入力が不経済なことである。また、レン
ズのコイル及びコア特性は益々高価なものになるものと
考えられる。

数学的モデルを組み込んだ第２の方法、即ち浦償電流の
生成に数学的モデルを使用する方法はもう１つの厄介な
問題を惹起する。当該モデルにより要求される電流の極
性は正負のいずれもありうるので、高価なバイボーラｍ
ｌが要求されることである。

対物レンズの磁気ヒステリシス問題を処理する、第３の
先行技術の方法はレンズ電流を一定に維持することによ
り該問題を完全に除去しようとするものである。この場
合走査電子頷微鏡はステージの垂直運動を用いて機械的
に焦点合わせされる。

一巨、倍率が較正されると、上記ステージの垂直機械的
運動によって作業距離が一定値に保持される。

機械的焦点合わせ方ｄ；はかなりの運動回数及び焦点合
わせ後消滅せしめる微振動回数のため緩慢である。更に
は、高倍率で電子ビームに平行にステージ運動を維持し
て操作者に移動視界を生起させることが困難であり、自
動焦点合わせ装置とすることが更に困難である。

（解決しようとする課題及びその手段）本発明は再焦点
合わせにも拘わらず精確な倍率値とする装置を構或する
、走査電子顕微鏡を提（ｊｉｌＨしようとするものであ
る。ヒステリシスにより，で、起される種々の問題点は
、当該走査電子顕微鏡を一旦黒点合わせしかつ較正すれ
ばレンズ′己流を−＝・定に保持することにより解消さ
れる。この場合、偏歪した試料の種々の領域が観察され
た際、焦点は電子ビームエネルギーを種々に変化させる
ことにより作業距離を変化させながら調節可能どされる
。これは電子顕微鏡のビーム電圧を変化させることによ
り達或される。これは作業距離の変化を補償する電圧を
変化させ、よって上述した先行技術の１つにおけるよう
な機械的作業距ｌ！！調節が不要である。更に、レンズ
電流は操作時一定に保持されるから、複雑な数学的モデ
ル及びレンズ消磁方法が不要とされる。

Ｌ／　ン７：７Ｎ流ヲ一定に維持しながらビームエネル
ギーを変化させて行う焦点合わせは倍率変化を算定可能
なものにするとともに補償容易なものにする。倍率は試
料上を走査する作業距離の関数であるから、新しいビー
ムエネルギー作用効果を補償するように当該操作電子顕
微鏡の走査コイル電流を変化させることにより倍率を高
精度に維持できる。

本発明は、ビームエネルギー信号に応じて予め定められ
たエネルギーレベルで電子ビームを発生する手段、及び
走査信号に応じて上記電子ビームを走査する手段を含む
、走査電子顕微鏡に使用される倍率補償装置を提供する
ものである。この装置はビームエ不ルギー信号を予め定
められた工不ルキーレベルに対応する公称値に応じて変
化させる再焦点合わせ手段を有する。また、この装置は
上記再焦点合わせ手段と接続され、ビームエネルギー信
号と上記公称値との偏差に応じた倍率補償信号を発生す
る倍率補償手段を含む。

以下に、本発明を添付図面とともに説明する。

（実施例） 第１図は本発明の１実施例の固定レンズ電流を用いる走
査電子顕微鏡（ＳＥＭ）のブロノク図を示す。この走査
電子顕微鏡は司変ビーム電圧を有するとともに焦点及び
倍率較正を保持する制御回路とするものである。この実
施例において、電子ビームｌ５は電子銃１２に供給する
可変高圧電源１０により生成される。電子ビームはまず
ビームを縮小するコンデンサーレンズｌ６を通過させら
れる。次に、該ビームは磁界を発生する走査コイル２０
を通過させられ、該磁界を横切る際偏向させられ、この
ようにして試料ｌ４を走査する。ズ４物レンズｌ８はビ
ームを焦点合わせし、コンデンサーレンズｌ６と共同し
て標的試料にビームを集束させる。

走査コイルは電子ビームを試料を横切らせて走査せしめ
る。電子ビームの走査時に垂線に対して威す最大角度は
揺れ角ｌ７として知られている。

この揺れ角はビーム揺動点からの距離、すなわち作業距
離２１と組み合わせて試料上を走査すべき距離、したが
って当該顕微鏡の倍率を指令する。

実倍率は試料上の走査距離と該試料の画像を観察できる
表示器、好ましくはＣＲＴ（陰極線管）２２上を走査す
べき距離との比率で判定される。試料？実像は標準的な
走査電子顕微鏡技術を用いてＣＲＴ２２に加えられる。

検出器２６は試料からの信号を検出し、次いで該検出信
号は増幅器２４により増幅され、陰極線管ＣＲＴ２２の
輝度入力に加えられる。

繰り返しランプ関数信号は陰極線管ＣＲＴ２２の輝点を
駆動する。ここでランプ関数（３号はラスク一発生謂３
０から供給される。また、ラスター発生器３０は出力を
倍率調節器４４からの入力信号Ｖｍａｔｎｌｌｌｃｍ■
．と共同して出力信号を発生し、該信号は増幅器２８に
より増幅されて走査コイル２０に加えられる。これらの
走査コイル２０は電子ビームエ不ルギーと共同して上記
揺れ角、したがって試料上を走査すべき距離を指令し、
これらの走査コイル２０に信号を供給する倍率調節器へ
の入力は当該顕微鏡の倍率を指令する。ラスター発生器
及び倍率調節器がｔｉｉｌｔれ角を調節して倍率設定を
行う方広について更に詳しいことはｌ９８７年１１月３
日付出願のカナタ国特許出願第５５０，９５５号明細書
に見られる。

？記装置の補償回路及びその動作を説明する前に、当該
走査電子顕微鏡の予備設定について説明する必要がある
。公称ビーム電圧Ｖ　ｎｏＩｌｌＩｒｗｔ１か選定され
、手動操作ノブ又はコンピュータ一入力器４２ににより
設定される。手動操作ノブ又はコンピューター制御され
る、焦点入力４０がＯに設定される。可変高圧電ｉｆＱ
ｔｏに対する入力はこの点Ｖ　ｎ６■，，．ｌとされ、
公ｆ３トビームエ不ルギーか発生される。これと同時に
、公称電圧Ｖ　ｎｏｆｆｉ　ｌ　ｎａ　ｌかレンズ電源
４８の入力に加えられる。次いでタ〈１物レンズｌ８に
おける電流又は試料ｌ４の高さを変化させることにより
予備焦点含わせが行われる。この走査電子顕微鏡の倍率
の較正はｉ？ｆ述したような公知の方法、例えばカナダ
国特許出願第５５０９５５号明細書に記載の方法で行わ
れる。

操作において、焦点入力４０及び公称ビーム電圧入力４
２が合算器４６に入力される。この合算器は２つの入力
を合算して出力Ｖ　ａｃｔｕａ＋を発生し、次いで該信
号Ｖ　ａｃｌｕ１が電子ビームエネルギーを制御するた
め高圧電１１０に入力される。この信号？　ｎｏ＋＋＋
Ｉｎａｌは上連したように予備設定した後変化しない。

その結果、レンズ電源４８はコンデンサーレンズｌ６及
び対物レンズｌ８に一定電流を供給する。これらのレン
ズｌ６及び１８に供給される電流は変化しないから、ヒ
ステリシスは発生しない。

また、信号Ｖ　ａｃｔｕａｌ及びＶ。０■ｎ１が倍率補
償器５０に入力として加えられる。このモジュールは次
の変換関数式の演算を実行する、演算回路を構成する。

ＶＣ。，，．ｐ．１．ａ．。、・［ＯＤ−Ｃ−■．，，
ｌｕ．，■１／［ＯＤ−Ｃ・Ｖｎｏ＋ｎｌｎａ＋］×［
ｖ．。１ｎａｌ／Ｖｎｏ１ｎ■１０５ここで、ＯＤは対
物レンズから下方のコンデンサーレンズを廣切るビーム
までの距離である。このＯＤの代表値は２００ｍｍとす
ることができる；Ｃはビーム電圧と対物レンズの焦点距
離間の比例係数である。このＣの代表値は０．ＯＯ１ｍ
ｍ／ボルトとすることができる。

第１項は対物レンズの像の距離比を示す。平方根項は揺
れ角比を示す。

像距離はビーム電圧が公称ビーム電圧を」二回ったとき
大きくなる。これは走査線の長さを増大せしめ、したか
って倍率を低減せしめる。

揺れ角はビーム電圧の平方根にしたがって低減し、これ
は走査線長さを短縮し、したがって倍率を高める。

この変換関数はその入力値が等しいとき値が１となり、
代表的には焦点入力４０−０の場合である。一方、歪曲
試料の側方運動により作業距離が変化すると、焦点入力
４０が手動又はフンビュータ一入力により変更されて新
しい作業距離で再び焦点合わせされる。第４図はＶ　ａ
ｅ、、、６、とＶ　ｎｏｍｉｎａｌに変化に対する作業
距離変化を示す。一旦再焦点合わせが行われると、倍率
の修正か必要となり、これは倍率補償２Ｊ５０により実
行される。さて、焦点入力４０ｆ＝０，よってＶ１、１
≠Ｖ　ｎｏ＋ｍｌｎａｌであるとする。このとき、倍率
補償器は１とは僅かに異なった値を出力する。２つの入
力の差が大きくなればなる程、−上記変換関数にしたが
って第３図に示すように倍率補償器の出力は１とのずれ
？大きくなる。第３図に、ビーム電圧の公称電圧からの
変化に対する倍率補償帯出力の関係のグラフが示される
。

次に、上記出力値Ｖ。．■＊ｎｍａｌｌｏｈは所望倍率
設定入力４４と一緒に割り算謂５２の標準として入力さ
れる。作業距離が変化しなければ、Ｖ　ｎｏｍｉｎａｌ
一Ｖ　６ｅｌｕａｌ、Ｖ　ｃｏｍｐｓｎｍａｔ　ｔｏｎ
＝　１であり、したがって該割り算器５２の出力変化は
ない。しかしながら、作業距離が変化、例えば歪曲試料
力＜ｆｌｌｌ１方に運動するとき、ｌとは若干違ったＶ
　ｃｏユｐａｎｅｓ■。、値が所望倍率設定値４４て除
算され、これが倍率調節器３２に入力され、したがって
走査コイル２０における電流を変化させる。

いま、高圧電源１０への入力Ｖ　ａｅＬｕａｌが初期値
”　Ｖ　ｎｏｍｌｎａ■から変化したとする。この変化
は再焦点合わせの結果、したがってその後の焦点入力４
０の変化として現れる。このようにして高圧電源は前述
した走査フイル電流変化により補償される前とは違った
エネルギーレベルを有する電子ビームを発生する。

一般に、もし走査コイル電流が一定であると、ビームエ
ネルギーが高まるにつれて揺れ角が低減するとともに走
査幅が低減する。これとは反対に、ビームエネルギーが
低くなるにつれて揺れ角か増大するとともに走査幅が増
犬ずる。走査コイル電流の変化、即ち倍率調節器３２の
出力変化は逆比例の関係にある。走査コイル電流か大き
くなればなる程、ビーム偏向が大きくなり、したかって
走査幅が増大する。これら２つの作用効果を組み合わせ
て本実施例における再黒点合わせに起因する倍率変化を
抑制することができる。

第２図は本発明のもうｌつの実施例を示す。この実施例
において、任意の再焦点合わせを自動的に補償するため
倍率補償器５０の出力を割り算器を介して直接倍率調節
器３２に入力する代わりに、掛け算器５８の出力を単に
倍率読み取り表示ａｇ５６に入力するようにしたもので
ある。その桔果、倍率変化は、第１実施例におけるよう
に、補償されない。作業距離変化、したがって再焦点合
わせの結果として生じた新しい倍率が表示器５６で表？
され、よってどのような測定方法で行われようと倍率変
化に見合った演算を行うことができる。

この実施例では調節鼎へのフィードバックか存在しない
から、所望倍率設定値４４は直接倍率調節器３２に入力
される。

例えば、半導体ウェハ試料に対する所望倍率がｔｏ，０
００とする。該試料における表面波状起伏を評価するに
あたり、焦点入力４０が調整され、１き率が変更される
。Ｖ　ａｃｔｕａｌ及び■。。ｎ＋ｉｎ■が同等でない
と、倍率補償２ｇ５０は１とは若干違った値を有するＶ
　ｃｏｍｐ。ｎｓａ■。。を出力する。この出力Ｖ　ｃ
ｏｍｐｅｎｓａ　ｔ　ｉ　ｏｎが例えば１．０００３で
あるどすると、掛け算器５８から入力された倍率読み取
り表示器５６は倍率１０，００３を表示する。したがっ
て、操作者は該表示を臨界寸法ｆｆｌｌｌ定用として記
録することが出来る。それとも掛け算謂５８は精密加工
の自動補償用にコンピューターに出力するようにしても
よい。

代表的な半導体ウェハサンプルに関して、試料における
高さ偏差が半導体ウェハの全厚みに匹敵するような極端
な場合、像の大きさは約１％をもって変化する。このよ
うな変化は簡単に演算され、そのような試料に対する臨
界寸法演算の補償に用いることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の再焦点合わせ時の倍率を一
定に保持する、走査電子顕微鏡のプロ，ク図、 第２図は本発明の変形例の再焦点合わせ時の新しい倍率
を表示する回路を有する、走査電子顕微鏡のブロック図
、 第３図は倍率補償器のビーム電圧対公称電圧出力を示す
グラフ、及び 第４図は対応する作業距離変化を示すグラフである。 ｌＯ・・・可変高圧電源、ｌ２・・・電子銃、ｌ４・・
・試料、１５・・・１ｉ子ヒーム、ｌ６・・・コンデン
サーレンズ、１７・・・揺れ角、１８・・・対物レンズ
、２０・・・走査コイル、２２・・・陰極線管’（ＣＲ
Ｔ）　、２６・・・検出器、３０・・・ラスター発生器
、３２・・・倍率調節器、４０・・焦点入力、４２・・
・公称ビーム電圧入力、４４・・・所望倍率設定入力、
４８・・・レンズ電源、５０・・・倍率補償器、５２・
・割り算器、５６・・倍率表示器、５８・掛け算語。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）ビームエネルギー信号に応じて予め定められたエ
   ネルギーレベルで電子ビームを発生する手段（１２）、
   及び走査信号に応じて上記電子ビームを走査する手段（
   ２０）を含む、走査電子顕微鏡の倍率補償装置において
   、 上記ビームエネルギー信号を上記予め定められたエネル
   ギーレベルに対応する公称値に応じて変化させる再焦点
   合わせ手段（４０、４２、４６）、及び 上記再焦点合わせ手段と接続され、上記ビームエネルギ
   ー信号と上記公称値との偏差に応じた倍率補償信号を発
   生する、倍率補償手段（５０、５２又は５８）を含むこ
   とを特徴とする、倍率補償装置。
2. （２）倍率補償信号と変換走査信号とを組み合わせて当
   該走査顕微鏡の倍率を調整することにより再焦点合わせ
   を補償する手段（３２、２８）を含む、第１項記載の装
   置。
3. （３）倍率補償信号を用いて当該走査電子顕微鏡の実倍
   率を表示する手段を有する、第１項記載の装置。
4. （４）倍率補償手段（５０、５２又は５８）が第１及び
   第２入力と出力とを有する倍率補償器（５０）を含み、
   該倍率補償器（５０）は第１入力と第２入力とが等しい
   とき１を表す信号を出力する一方、該第１入力と第２入
   力とが異なるとき１とは僅かに異なる値を表す信号を出
   力し、該倍率補償器（５０）の出力値が上記第１及び第
   ２入力間の差が大きくなるに応じて１との差が大きくな
   る、第１項記載の装置。
5. （５）倍率補償器（５０）が次式 Ｖｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ＝［ＯＤ−ｃ・Ｖａｃｔｕ
   ａｌ］／［ＯＤ−ｃ・Ｖｎｏｍｉｎａｌ］×［Ｖｎｏｍ
   ｉｎａｌ／Ｖａｃｔｕａ１］＾０＾．＾５（ここで、Ｏ
   Ｄは対物レンズから下方のコンデンサレンズを横断する
   ビームまでの対物距離；ｃはビーム電圧と対物レンズの
   焦点距離間の比例係数である）で示される変換作用を行
   う、第５項記載の装置。
6. （６）倍率補償手段（５０、５２又は５８）が倍率補償
   信号に対応する入力、所望倍率設定値に対応する入力、
   及び倍率調節器（３２）に送給して走査信号を生成せし
   める出力有する、割り算器（５２）を含む、第２項記載
   の装置。
7. （７）倍率補償手段（５０、５２又は５８）が倍率補償
   信号に対応する第１入力、所望倍率設定に対応する第２
   入力、及び倍率読取り表示器（５６）へ送給する出力を
   有する、掛け算器（５８）を含む、第３項記載の装置。