JPH0458104A

JPH0458104A - 電子線寸法計測装置

Info

Publication number: JPH0458104A
Application number: JP2166732A
Authority: JP
Inventors: Kazumitsu Nakamura; 一光中村; Shinichi Kato; 慎一加藤; Yoshio Hokotani; 鉾谷　義雄; Yoshihisa Namikawa; 南川　佳久
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-06-27
Filing date: 1990-06-27
Publication date: 1992-02-25
Anticipated expiration: 2012-08-27
Also published as: JP2647732B2; US5117111A

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］本発明は電子ビームによる半導体ウェハ等の固体表面に
形成された微小パターンの寸法計測に関わり、とくに上
記ウェハ表面の汚染を防止し寸法計測の精度を向上する
電子線寸法計測装置に係る。

［従来技術］従来の電子線寸法計測装置では測定精度を高めるために
、電子ビーム電流値を高め、同時にそのスポット形状を
出来るだけ細く絞るようにしていた。

しかしながら、電子ビームの電流密度を高めると測長す
べき半導体ウェハ表面のレジストパターンや拡散、配線
パターン等が損傷を受けるようになるので、たとえば、
特開昭６４−１５６０４号公報や特開昭６４−３１００
８号公報に記載のように、一つまたは二つの矩形アパー
チャを用いて、電子ビームの断面形状を矩形に整形し、
細長い線状の電子ビーム（以下、線状ビームと呼ぶ）を
上記各種パターンのエツジ線に並行させてこれを横切る
方向に走査し、このときに得られる２次電子または反射
電子を検出してエツジ間距離を測定するようにしていた
。

第２図（ａ）、（ｂ）は上記パターンと線状ビームの関
係を説明する図である。

第２図（ａ）に示すように、線状ビーム２１を試料のパ
ターン３０上を横方向に走査して試料からの２次電子ま
たは反射電子を検出すると、同図（ｂ）に示すような反
射電子信号が得られる。したがって、この反射電子信号
を比較レベルｖ１と比較すればパターン３０の幅Ｗを検
出することができる。

同様に、線状ビーム２１を縦方法に走査すると、パター
ン３０の長さしを検出することができる。

上記測定精度は線状ビームの幅が小さいほど、また、電
子ビーム電流値が大きいほど向上する。

また、線状ビームの電流密度はスポットの長さを長くす
ると減らすことができる。したがって、スポットの幅を
小さくシ、長さを長くするようにすると、電流密度を低
下させて上記パターンの損傷を防止したうえ、測定精度
を向上させることができる。

第２図（ｃ）は円形ビーム２２を用いた場合を示す図で
あり、円形ビーム２２の直径りを同図（８）の線形ビー
ム２１の幅と等しくすると。

長さが違う分だけ円形ビーム２２の電流密度が増加し、
パターン３０を損傷する度合いが大きくなるのである。

さらに線形ビームでは、パターン３０のエツジを一度に
長くカバーするので、エツジの微小な凹凸による誤差を
平均化して低減するという効果が得られる。その反面、
パターン３ｏのエツジ方向に応じて線形ビームの向きを
変える必要が生じる。

［発明が解決しようとする課題］上記従来技術では矩形スリットを電子線寸法計測装置の
真空容器本体内に設けるので、その取り付はスペースの
確保が困難、或いは交換の工数が過大という問題があっ
た。

さらに、上記細長の電子ビームスポットは位置測定すべ
きパターンエツジに合すせてその向きを変える必要があ
るため、真空容器本体内に上記スリットの方向調整機構
を設け、外部より同方向を調整できるようにし、同時に
スリット形状も調整できるようにする必要があった。

しかしながら、上記スリットの方向調整機構により真空
が汚染される怖れがあり、さらに、電子線寸法計測装置
の価格を不相応に高め、同時に信頼性を低下せしめると
いう問題があった。

本発明の目的は、従来の電子線寸法計測装置の上記真空
容器内構造を大幅に変更することなく電子ビームスポッ
トを任意の細長形状にすることができ、同時にその向き
を電子的に変更することのできる電子線寸法計測装置を
提供することにある。

［課題を解決するための手段］本発明では上記課題を解決するために、実質的に非点収
差調整装置であるスポット制御装置により上記電子ビー
ムのスポット形状を線状に整形し、回転コイルにより上
記線状ビームを回転させるるようにする。

このため、上記スポット制御装置により上記電子ビーム
の中心軸を含んで互いに直交する二つの面上における上
記電子ビームの各焦点位置を相互にづらすようにする。

また、上記回転コイルは、少なくとも１対のコイルを含
み、それぞれにより生成される磁界の大きさと向きにを
調整して上記線状ビームを回転させるようにする。

さらに、上記線状ビームを試料のパターン面に複数回走
査し、得られた各反射電子信号の微分値の中の最大値を
検出し上記線状ビームの幅とその向きを設定するように
する。

このため、上記電子ビームの二つの焦点位置の少なくと
も一方を変化させながら電子ビームを繰返し走査するよ
うにして、各反射電子信号の微分値の最大値を自動的に
検出するようにする。

同様に、上記回転コイルにより上記線状ビームを回転さ
せながら電子ビームを繰返し走査するようにして、各反
射電子信号の微分値の最大値を自動的に検出するように
する。

さらに、同一パターン部に上記線状ビームを複数回走査
して得られる上記パターンの幅またはパターンエツジ位
置の各計測値を平均化するようにする。

［作用］以上のように構成した本発明の電子線寸法計測装置は、
上記電子ビームを線状に整形してその長手方向がパター
ンエツジに対向するようにする。

このため、上記電子ビームの中心軸を含んで互いに直交
する二つの面上における上記電子ビームの各焦点位置を
相互にづらせることにより上記電子ビームを線状に整形
する。

また、１対のコイルのそれぞれが生成する各磁界の大き
さと向きにより上記線状ビームを回転させる。

さらに、上記電子ビームの二つの焦点位置の少なくとも
一方を変化させながら上記線状ビームを試料のパターン
面に複数回走査して得られる各反射電子信号の微分値の
中の最大値により上記線状ビームの幅を最小に設定する
。

同様に、線状ビームを自動的に回転させながら上記線状
ビームを試料のパターン面に複数回走査して得られる各
反射電子信号の微分値の中の最大値により上記線状ビー
ムの向きをパターンエツジに正確に対向させる。

さらに、同一パターン部の複数回走査によるパターン幅
またはパターンエツジ位置の各計測値を平均化して測定
誤差を低減する。

［実施例］第１図は本発明による電子線寸法計測装置の１実施例の
構成を説明する図である。

を子銃１より放出された電子ビーム２は絞り３１と３２
により絞られ、電子レンズ４１及び対物レンズ４２によ
り焦点を調整されて試料１２の面上に照射される。電子
ビーム２のスポット形状は対物レンズ４２内に設けられ
たスポット制御装置９により線状に整形され、回転コイ
ル９２によりその向きを設定され、偏向器８により偏向
される。また、ブランカ５により電子ビームの照射を停
止することができる。

試料１２からの反射電子は検出器１０により検出され、
検出回路１４により第２図（ｂ）に示したような走査位
置信号Ｓ工、ＳＬに変換されてコンピュータ１５に入力
される。

コンピュータ１５は偏向制御系１３を介して、ブランカ
コントローラ６にブランキング指令を送ってブランカ５
を制御し、スポット８１４１回路７にスポット信号を送
ってスポット制御装置９を制御し、回転コイル９２に方
向信号を送って線状ビームの向きを制御する。また、偏
向器８に偏向信号を送って電子ビームを偏向させる。

また、コンピュータ１５はレーザ制御系１７に指令を送
り、モータ制御系１６を介してサーボモータ１８を駆動
し、ステージ１１をＸとｙの２方向に移動して試料１２
を電子ビームの照射範囲内に設定する。上記ステージ１
１の位置はレーザ干渉計１９により検出されてレーザ制
御系１７とモータ制御系１６を介してサーボモータ１８
にフィードバックされ、ステージ１１の位置を正確に制
御する。

次に、第１図の本発明実施例装置により電子ビーム２を
線状ビームに整形する手段に付き説明する。

第３図はスポットの線状化とその向きの設定を説明する
図である。９１は電子ビーム２のスポット形状を線状に
整形するためのスポット制御装Ｗ９内のスポット制御コ
イルであり、９２は上記線状ビームを回転するための回
転コイルである。

まず、スポット制御装置９内のスポット制御コイル９１
により、電子ビーム２の焦点位置が試料１２の面上のＸ
方向とＸ方向において異なるようにする。すなわち、電
子ビーム２に非点収差を与えるようにする。

上記非点収差により、第３図（ａ）に示すように、実線
で示すＸ方向の電子ビーム面の焦点を試料１２の面に合
わせると、Ｘ方向の焦点位置は点線で示すように浅くな
るのでスポット形状はＸ方向が狭く、Ｘ方向に広がった
線状となる。

同様に、同図（ｂ）に示すように、Ｘ方向の電子ビーム
面の焦点を試料１２の面に合わせると、Ｘ方向の焦点位
置が深くなるのでスポット形状はＸ方向が狭く、Ｘ方向
に広がった線状となる。

実際には上記線状ビームの幅を測定して確認する必要が
あり、例えば第４図（ａ）に示すような方法でこれを測
定する。線状ビーム２１をファラデーカップ２４に当て
ながら走査すると、途中からナイフェツジ２３により蹴
られるのでファラデーカップ２４が検出するビーム電流
は同図（ｂ）のように変化する。同図（ｃ）はこのビー
ム電流の微分波形である。ＩｌＡ状ビーム２１の幅が細
いほどこの微分波形の高さｍが増加するのでこれより線
状ビーム２１の幅を求めることができる。

本発明では幅が０．１μｍ、長さが１μｍ程度の線状ビ
ームが得られている。

次に、上記の方法で得られた線状ビーム２１を回転コイ
ル９２により回転させて所定の走査方向に合わせる。

第５図は上記線状ビーム２１の向きを調整する回転コイ
ル９２の原理的な構成と、同コイル電流と線状ビーム２
１の向きとの関係を示す図である。

４個の回転コイル９２１〜９２４のそれぞれを通電して
、各コイルにより矢印で示した向きの磁界を生成すると
、線状ビーム２１は同図（ａ）の場合には垂直方向を、
また、同図（ｂ）の場合には水平方向を向くようになる
。ＮとＳは各コイル端部における磁場の極性を示してい
る。また、各コイルの磁界の向きや大きさを変えると、
線状ビーム２１向きを任意の角度に設定することができ
る。

第５図においては４個の回転コイル９２１〜９２４が示
されているが、実際上は８個、あるいはそれ以上の数の
回転コイルを用いて、回転に伴う線状ビームの中心位置
の変動や形状変化等を防止することができる。

次いで線状ビーム２１の向きを走査方向θに合わせ、最
後にもう一度上記スポット調整コイルを調整して線状ビ
ーム２１の幅かを最小になるようにする。

線状ビーム２１の向きも第４図の方法で測定することが
できる。ナイフェツジ２３の向きを所定の方向θ。に設
定した後、線状ビーム２１の走査方向θを調整すると第
６図（ａ）に示すようにθがθ。に一致した点で上記ｍ
が最大になるので、これより線状ビーム２１の走査方向
θをθ。に設定することができる。

上記θの調整後、上記ナイフェツジを用いた測定法にに
より線状ビームの幅を最終的に調整する。第６図（ｂ）
はスポット制御コイル９１の調整量φに対する上記ｍの
変化特性の１例であり、φ。においてｍは最大になり、
ここで線状ビーム２１の幅が最も狭くなるので、上記φ
をこのφ。に固定する。

また、上記線状ビームの幅や向きの他の調整方法として
、ナイフェツジ２３の代わりに測定すべきパターンのエ
ツジを用いることができる。

この場合、パターンエツジより得られる第２図（ｂ）に
示すような反射電子信号を同様に微分してその高さｍの
最大値より線、状ビーム２１の幅やその向きを調整する
。この場合は真空容器内にナイフェツジ２３の方向を設
定する機構を設ける必要がないという利点が得られる。

また、電子ビームは調整の始めにはデフォーカスされて
電子密度が低下され、その後は線状化されているのでこ
の調整過程でパターンは損傷を受けない。

第７図は上記各スポット調整コイル９１や回転コイル９
２等の電流値を設定する回路構成の１例を示す図である
。これらのコイルを代表して９９とすると、コンピュー
タ１５はコイル９９の電流指令値をＤＡコンバータ７１
に出力し、ＤＡコンバータ７１は上記電流指令値をアナ
ログ電圧に変換して駆動増幅器７２によりコイル９９を
駆動する。コイル９９の電流は電流検出増幅器７３によ
り検出され、駆動増幅器７２にフィードバックされＤＡ
コンバータ７１の出力電圧と比較される。

上記電流指令値を調整する必要のある場合には、コンピ
ュータ１５の調整指令により電流検出増幅器７３の電流
検出抵抗７４の抵抗値を調整する。

上記各調整の結果は第１図のコンピュータ１５内に記憶
され、パターンの寸法計測の都度読みだされて使用され
、また、随時較正されて更新される。

例えば、第３図にて説明した電子ビーム２に所要の非点
収差を与えるためのスポット制御コイル９１の駆動電流
値、得られた線状ビーム２１の幅、長さ等の形状情報、
ＩＩＡ状ビーム２１に所要の回転角を与えるための回転
コイル９２の駆動電流値等が記憶される。これらには例
えば第４図の装置や、或いは試料のパターンを用いて得
られる第６図（ａ）、（ｂ）に示す各特性上のθ。、φ
。に対応する上記各コイルの駆動電流値等が含まれる。

さらに、第６図（ａ）、（ｂ）等の特性曲線のθ。、φ
０等を含むように回転コイル９２の電流やスポット制御
コイル９１の電流を掃引し、この間に繰返し測定される
上記ｍ値を比較して、その中の最大値を検出し、これよ
り上記各コイルの電流を設定するようにすることもでき
る。

また、第６図（ａ）、（ｂ）等の特性曲線の形状を予め
知ることが出来るので、θ０．φ０等の前後の位置のｍ
値よりθ。、φ。に対応する各コイルの駆動電流値を演
算して導出するようにすることもできる。

上記回転コイル９２やスポット制御コイル９１の電流を
所定の幅で掃引する指令や、上記ｍの最大値を検出する
演算等は第１図のコンピュータ１５が行う。

第８図、第９図は上記線状ビーム２１による寸法計測の
精度を向上する方法を説明する図である。

第８図（ａ）では同一パターン幅の部分に線状ビーム２
１を複数回（ｎ回）走査させるようにする。各走査で得
られる同図（ｂ）の幅１を加算平均するとパターンエツ
ジの微小な凹凸やうねりによる測定誤差を低減すること
ができる。

第９図では線状ビーム２１をパターンエッジ３１に沿っ
て高速に往復走査させ、その位置信号を加算平均して位
置測定の精度を向上するようにする。

［発明の効果］本発明によれば、電子線寸法計測装置の対物レンズ内に
設けた実質的に非点収差コイルであるスポット制御装置
と回転コイルにより、上記電子ビームを線状に整形し、
その方向を変えることができるので、従来装置における
矩形アパーチャを省略することができ、同時にこれに伴
う上記矩形アパーチャの着脱、位置調整、清掃等の保守
作業を省略することができる。

さらに、上記矩形アパーチャの取り付け、位！！調整機
構を電子線寸法計測装置の本体真空容器内に設ける必要
がないので、これにより真空が汚染されることがなく、
また、上記スポット制御装置と回転コイル等は対物レン
ズ内に収容できるので、本発明は従来の電子線寸法計測
装置にきわめて容易に適用することができる。

さらに、上記線状ビームによる試料のパターンエツジ検
出動作を利用して、上記線状ビームの幅を自動的に最小
値に設定し、同時にその長手方向を上記パターンエツジ
に自動的に対向するようにして、調整時間を短縮し、調
整誤差を低減する。また、この調整過程で試料は電子線
照射により汚染されることがない。

さらに、同一パターン部を複数回走査して各計測値を平
均化することにより、パターンエツジの微小な凹凸、う
ねり等による測定誤差を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による電子線寸法計測装置実施例の構成
を示す図、第２図（ａ）〜（ｃ）は従来の電子ビームに
よるパターン寸法測定法を説明する図、第３図（ａ）、
（ｂ）は本発明による線状ビームの生成法を説明する図
、第４図（ａ）〜（ｃ）は線状ビームの幅の測定法と各
信号波形を説明する図、第５図（ａ）、（ｂ）は本発明
の回転コイルによる線状ビームの回転を説明する図、第
６図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ線状ビームの幅の測定デ
ータの一例を示す図、第７図は本発明による電子ビーム
整形用コイルの電流制御回路図、第８図および第９図は
それぞれ本発明の線状ビームを用いてパターン寸法計測
の精度を向上する方法の説明図である。１・・・電子銃、２・・・電子ビーム、３１．３２・・
・各絞り、４１・・・電子レンズ、４２・・・対物レン
ズ、５・・・ブランカ、７・・・スポット制御回路、７
１・・・ＤＡコンバータ、７２・・・駆動増幅器、７３
・・・電流検出増幅器、７４・・・電流検出抵抗、８・
・・偏向器、９・・・スポット制御装置、９１・・・ス
ポット制御コイル、９２・・・回転コイル、９２１〜９
２４・・・各回転コイル、９９・・・コイル、１０・・
・検出器、１１・・・ステージ、１２・・・試料、１３
・・・偏向制御系、１４・・・検出回路、１５・・・コ
ンピュータ、２１・・・線状ビーム、２２・・・円形ビ
ーム、２３・・・ナイフェツジ、２４・・・ファラデー
カップ、３０・・・パターン、３１・・・パターンエツ
ジ。第２図（ａ）（ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】１、電子ビームを試料表面に走査して得られる反射電子
信号により試料表面上のパターンの寸法を計測する電子
線寸法計測装置において、上記電子ビームのスポット形
状を線状に整形して線状ビームを生成するスポット制御
装置と、上記線状ビームを回転させる回転コイルとを備
えたことを特徴とする電子線寸法計測装置。２、請求項１において、上記スポット制御装置は、上記電子ビームの中心軸を含
んで互いに直交する二つの面上における上記電子ビーム
の各焦点位置を調整するものであることを特徴とする電
子線寸法計測装置。３、請求項１および２において、上記回転コイルは、少なくとも１対のコイルを備え、上
記各コイルの電流により生成される磁界の大きさと向き
により上記線状ビームの回転角度を設定するものである
ことを特徴とする電子線寸法計測装置。４、請求項１ないし３において、上記線状ビームを試料表面に走査して得られる反射電子
信号を微分する手段と、複数回の上記走査により得られ
る上記微分信号の中の最大値を検出する手段と、上記を
微分信号の最大値を記憶する手段とを備えたことを特徴
とする電子線寸法計測装置。５、請求項４において、上記電子ビームの中心軸を含んで互いに直交する二つの
面上における上記電子ビームの焦点位置の少なくとも一
方を自動的に変化させる上記スポット制御装置の駆動手
段を備え、上記スポット制御装置の駆動手段の動作信号
により上記微分信号の最大値検出手段を動作させるよう
にしたことを特徴とする電子線寸法計測装置。６、請求項４および５において、線状ビームを自動的に回転させる上記回転コイルの駆動
手段を備え、上記回転コイルの駆動手段の動作信号によ
り上記微分信号の最大値検出手段を動作させるようにし
たことを特徴とする電子線寸法計測装置。７、請求項１において、試料表面の同一パターン部に上記線状ビームを複数回走
査して得られる上記パターンの幅またはパターンエッジ
位置の各計測値を平均化する手段を備えたことを特徴と
する電子線寸法計測装置。