JPH11224640A

JPH11224640A - 電子顕微鏡およびその分解能評価方法並びにそれを用いた半導体製造方法

Info

Publication number: JPH11224640A
Application number: JP10028069A
Authority: JP
Inventors: Taiji Kitagawa; 泰治北川; Takanori Ninomiya; 隆典二宮; Minoru Noguchi; 稔野口; Tatsuo Horiuchi; 立夫堀内; Keisuke Kawame; 啓介川目; Goroku Shimoma; 五六下間; Tadanori Takahashi; 忠範高橋; Masayuki Yukii; 正幸雪井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-02-10
Filing date: 1998-02-10
Publication date: 1999-08-17

Abstract

(57)【要約】【課題】目視官能評価によらない走査形電子顕微鏡の性
能評価を行い、走査形電子顕微鏡の経時変化や個体間の
性能差を低減する。【解決手段】金蒸着試料を電子顕微鏡で撮像した画像デ
ータを取得後、周波数解析等の手段を用いて、電子顕微
鏡の性能評価を安定かつ定量的に行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査形電子顕微鏡
の分解能、解像度等を均一にすることを目的とする試料
とその試料を内蔵した走査形電子顕微鏡、及びその走査
形電子顕微鏡を用いた半導体製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子顕微鏡の分解能の評価は、目
視確認できる試料の２点間の距離で評価され、特開平５
−４５２６５号公報のようにカーボン上に金粒子を蒸着
した試料を電子顕微鏡で観察し、分離されている二つの
金粒子間の最小隙間を分解能としている。また電子顕微
鏡の解像度評価は粒子境界のぼけ具合によって評価され
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の分解能評価にお
いては、電子顕微鏡の撮像画像は金粒子などを撮像する
際に、金粒子の大きさ、形状にばらつきがあり、測定に
個人差が生じ、さらにおなじ試料を再現することができ
ないため正確な定量評価は望めない。また電子顕微鏡で
観察中の金粒子の隙間の評価は目視でおこなわれるた
め、高い再現精度が得られない。また、電子顕微鏡の分
解能は装置ごとによって機差がある。このため半導体製
品の製造プロセスにおいて、複数の電子顕微鏡を用いて
半導体各部の寸法を計測する場合、これらの電子顕微鏡
間で観察像が異り、欠陥等が観察する電子顕微鏡によっ
て見えたり、見えなかったし、一元的かつ一定の管理値
に基づいた製造が行えない等の問題がある。

【０００４】本発明の目的は、上記課題を解決するべく
電子顕微鏡の分解能計測用試料および電子顕微鏡の分解
能評価方法およびその調整方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を達成するた
めに、本発明ではＳＥＭに蒸着試料と、ＳＥＭ撮像画像
取得する画像入力装置と、取得した画像を周波数解析等
により評価する演算処理装置等を内蔵させる。周波数解
析結果から信号特性の定量化を行い電子顕微鏡の解像度
を算出する。このような試料を内蔵した複数の電子顕微
鏡は、各電子顕微鏡のフォーカス電圧等を調整すること
により同じ分解能、解像度に揃えることが可能となり、
異なる機種の電子顕微鏡でも同じ条件の観察が可能とな
る。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態の例とする走査
形電子顕微鏡（以下ＳＥＭと呼ぶ）の概略図を図１を用
いて説明する。図１の電子光学系は電子銃１３から発せ
られる電子線を電磁レンズ１４により集束させ試料表面
を任意の順序で走査することができる。電子線の照射に
より試料１の表面において発生する２次電子信号は２次
電子検出器１５により検出され画像入力装置１６に画像
データとして入力される。被検査物である試料１はＸ−
Ｙ−Ｚステージ１７により３次元方向すべての方向に移
動可能である。ステージ移動に同期した電子ビームの照
射および画像入力が可能であり、ステージの移動は制御
用計算機２０により制御される。図１では２次電子像を
用いたＳＥＭの例を示しているが、試料を観察する手段
は２次電子以外に、後方散乱電子、反射電子、透過電子
等による像を用いてもよい。

【０００７】ＳＥＭの分解能を評価するための試料につ
いて説明する。カーボン等の被蒸着材に対し、原子番号
の大きな金粒子等を蒸着させると、図２に見られるよう
なコントラストのはっきりとした像が得られる。従来の
分解能評価法を示す。カーボン面と蒸着金粒子を横から
見た模式図を図３のようにあらわしたときＳＥＭ像の中
からもっとも小さい隙間Ｗを探して、分解能と定義して
いる。

【０００８】本発明ではこのような画像に対し２次元フ
ーリエ変換等の手法により周波数解析を行うことにより
ＳＥＭの分解能を計測する。画像を取得する手段を図１
において説明する。金蒸着粒子を試料ホルダー２４の上
に設置し、電子銃１３から電子ビームを照射し、２次元
的に走査させる。走査したときに試料表面から発生する
電子を２次電子検出器１５で検出し、その強度を画像入
力装置１６に入力し、２次元の濃淡画像を得る。得た濃
淡画像はディジタルの画像データとして演算処理装置１
９に入力する。

【０００９】画像データは必要に応じて制御用計算機２
０のメモリ内に保存したり、制御用計算機２０を介して
表示装置３０に取得した画像データを表示することがで
きる。また試料表面の蒸着粒子の大きさは不均一である
ため、試料上の異なる部位を繰り返し取得する。この
時、測定部位が試料上の近傍であれば、電磁レンズ１４
で発生させる磁界を調節し、測定部位を変えることがで
きる。大きく測定部位を変えるときはＸ−Ｙ−Ｚステー
ジ１７を駆動させる。試料を繰り返し測定し、周波数解
析の結果の平均をとることによって分解能の測定精度を
向上させることが可能となる。

【００１０】図４、図５、図６を用いて分解能の定量評
価方式を述べる。図２は金蒸着粒子像を５１２画素×５
１２画素でディジタル画像にしたものである。この画像
を２次元フーリエ変換し、実部と虚部の平方和をとり、
さらに各画素の値の対数をとった像が図４である。たと
えば図４の中心部を通る水平軸Ａの部分のプロファイル
をとった結果が図５である。これが図２の画像における
水平方向の周波数スペクトルであり、パワースペクトル
と呼ぶ。図５には分解能４ｎｍ，４．５ｎｍ，５ｎｍと
目視等級判別等で判定された図２の３枚分にあたるＳＥ
Ｍのパワースペクトルを表示している。パワースペクト
ルは中心を通る任意の面で得ることができる。このため
任意の角度での分解能を得ることができる。

【００１１】図５では縦軸が信号強度、横軸が周波数を
あらわす。この場合の周波数とは像内で１周期の明暗を
繰り返しである。よって水平方向での最高周波数は５１
２画素×５１２画素の像の場合では２５６周期となる。
図５の状態では、分解能４ｎｍ，４．５ｎｍ，５ｎｍと
判定されたＳＥＭのパワースペクトルは互いに重なり合
っており、分解能の評価は困難である。このため金蒸着
粒子像を繰り返し取得し、パワースペクトルの平均値を
とる。またさらに移動平均やメディアンフィルタなどの
平滑化処理を施す等の処理を行うと図６のようにＳＥＭ
のパワースペクトルは分解能の違いにより容易に分離可
能となる。

【００１２】実験によってあらかじめＳＥＭの分解能を
従来の方式や薄膜層の断面の見え方により、４ｎｍ，
４．５ｎｍ，５ｎｍ等定義しておき、その値をパワース
ペクトルの周波数に換算し、その周波数でのパワースペ
クトルの値を分解能にプロットして行くと図６の中に示
した分解能判定曲線または分解能判定直線を得ることが
できる。たとえば、水平方向での分解能Ｒを波長と考え
れば、その周波数Ｆとの関係は画像の幅（５１２画素）
をＬとしたとき、以下の関係にある。

【００１３】

【数１】Ｆ＝Ｌ／Ｒ（式１）つぎに金粒子間の最小隙間を分解能Ｒとするときには、
金粒子間の最小隙間は暗部であり、明暗繰り返し１回を
１周期とすることから、これを２倍することにより１周
期の波長とする。この全長を分解能Ｒの波長で割ること
により、任意の分解能に対し、２次元フーリエ変換時の
相当する周波数を算出することができる。周波数の算出
式は

【００１４】

【数２】Ｆ＝Ｌ／（２×Ｒ）（式２）で表わされる。この式より逆に分解能Ｒの算出式

【００１５】

【数３】Ｒ＝Ｌ／（２×Ｆ）（式３）が成立し、任意のＳＥＭの解像度を計測することができ
る。例えば図６においては、Ｌが１１４０ｎｍであり、
その値から解像度４ｎｍ，４．５ｎｍ，５ｎｍを周波数
に換算すると１１４Ｈｚ，１２６Ｈｚ，１４２Ｈｚとな
る。ただし、ここで定義するＨｚとは全長Ｌ内に存在す
る波の数である。

【００１６】解像度を算出する手順を図７のフローに示
す。まず異なる部位での複数の金蒸着試料像を取得する
（１００）。次に複数の画像について２次元フーリエ変
換を行いパワースペクトルを得る（１０２）。得られた
パワースペクトルは周波数毎に加算平均を行う（１０
４）。さらに、移動平均やメディアンフィルタ等の平滑
化処理を行う（１０６）。その結果得られたパワースペ
クトルとあらかじめ算出しておいた解像度算出曲線との
交点を算出する（１０８）。その周波数を［数３］のＦ
に代入し、該当ＳＥＭの解像度Ｒが算出される（１１
０）。

【００１７】これによりＳＥＭに試料を搭載しておけ
ば、装置自身がＳＥＭの解像度を常時管理することがで
きる。

【００１８】以上の説明は、一次元（Ｘ軸方向）につい
て説明したが、２次元に個別に適用することができるこ
とは明らかである。また、加速電圧を変えると解像度も
変化することは明らかである。

【００１９】また、解像度が満足できない場合には、電
磁レンズ１４を制御する条件設定値を制御用計算機２０
に入力することによってフォーカス条件を任意に変え
て、所望の解像度が選られるように最適調整することが
できる。また真空制御系を制御する条件設定値を入力す
ることによって真空制御条件を任意に変えて、所望の解
像度が選られるよう真空度を調整することができる。電
子銃１３の条件が悪い場合も考えられるので、その場合
には電子銃１３にかける電圧等を所望の解像度が選られ
るように調整することが必要となる。

【００２０】また演算処理装置１９に接続された記憶装
置には分解能に関する履歴データが格納されているの
で、いつでも例えば制御用計算機２０と表示装置３０と
を用いることによって、ユーザに知らせることができ
る。

【００２１】また、半導体製品等の生産ラインにおいて
制御用計算機２０を介して複数台のＳＥＭをネットワー
ク接続することにより、複数のＳＥＭを同時に管理し、
性能差を計測し、差異が認められた場合には、上記の解
像度調整手段を用いて調整することから、各工程間の生
産品質の差異を低減し、製品の品質の安定化が可能とな
る。また、異なる場所にある工場とも通信を行い、同様
に品質の安定した製品を生産することが可能となる。図
８を用いて半導体製品等の生産ラインにおける本発明の
実施形態を説明する。

【００２２】図８はＳＥＭ検査を、ウェハ投入、成膜、
露光、エッチング、ウェハテスト等の後または前に行う
半導体製品の生産ラインの概略図である。

【００２３】解像度評価をライン上のすべてのＳＥＭに
おいて行い、ネットワークサーバー４０へ分解能、フォ
ーカス設定条件、電子ビーム設定条件、電磁レンズ設定
条件、真空度設定条件等のデータをＬＡＮ（Ｌocal Ａr
ea Ｎetwork）を介して送る。全ＳＥＭの分解能が一致
していない場合は、一致しないＳＥＭに対して、ネット
ワークサーバー４０からフォーカス設定条件、電子ビー
ム設定条件、電磁レンズ設定条件、真空度設定条件を変
化させて、ＳＥＭを制御し、所望の分解能が得られるま
でフィードバック調整を行う。ネットワークサーバー４
０にはライン上のＳＥＭのいずれかを代用しても良い。

【００２４】また、他の場所にある半導体製品の生産ラ
インに対しても同様に、複数ＳＥＭの分解能調整をネッ
トワークサーバー４０によって行うことができる。

【００２５】上記発明により、工場間、工程間のＳＥＭ
検査の安定性向上の結果、生産製品の品質の差異を低減
し、生産ラインの異常等を正確に把握することが可能と
なり、製品の品質の安定化が可能となる。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、電子顕微鏡の分解能、
解像度を、金蒸着試料を用いて、電子顕微鏡による撮像
結果を周波数解析等の手段で定量的に評価することによ
り、異なる電子顕微鏡間の性能差や経時変化を正確に把
握することが可能となる。これは特に半導体検査など、
複数の電子顕微鏡を用いる製造プロセスにおいて、電子
顕微鏡間の個体差を低減し、検査の正確性を向上させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】走査形電子顕微鏡の概略図。

【図２】本発明の実施例である金蒸着試料の電子顕微鏡
撮像結果の図。

【図３】本発明の金蒸着試料の模式図。

【図４】図２の金蒸着試料の電子顕微鏡像を周波数変換
した結果の図。

【図５】本発明の金蒸着試料の電子顕微鏡像を周波数変
換した結果のプロファイル図。

【図６】本発明の電子顕微鏡の分解能評価法を説明する
図。

【図７】本発明の電子顕微鏡の分解能評価フロー図。

【図８】本発明の半導体製品製造ラインにおけるＳＥＭ
ネットワーク概略図。

【符号の説明】

１…試料、８…電子線、１３…
電子銃、１４…電磁レンズ、１５…２次電子検出器、
１６…画像入力装置、１７…Ｘ−Ｙ−Ｚステージ、
１９…演算処理装置、２０…制御
用計算機、２４…試料ホルダー、３０…表示装
置、４０…ネットワークサーバ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者堀内立夫神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者川目啓介神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者下間五六茨城県ひたちなか市市毛882番地株式会社日立製作所計測器事業部内 (72)発明者高橋忠範茨城県ひたちなか市市毛882番地株式会社日立製作所計測器事業部内 (72)発明者雪井正幸茨城県ひたちなか市市毛882番地株式会社日立製作所計測器事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子顕微鏡の分解能および解像度の計測、
調整のために微粒子を蒸着させた試料を１回または複数
回撮像する手段と、前記撮像した画像を記憶する手段
と、前記記憶された画像のデータを周波数解析等の手順
を用いて解析する演算手段と、前記解析結果より分解能
および解像度を定量評価する手段を有する電子顕微鏡。
【請求項２】電子顕微鏡の分解能および解像度の計測、
調整のために微粒子を蒸着させた試料を１回または複数
回撮像する過程と、前記撮像した画像を記憶する過程
と、前記記憶された画像のデータを周波数解析等を用い
て解析する演算過程と、前記解析結果より分解能および
解像度を定量評価する過程よりなる電子顕微鏡の分解能
評価方法。
【請求項３】請求項１記載の走査形電子顕微鏡を１台ま
たは複数台用いて、半導体の複数の製造工程における半
導体製品を同一の条件で検査する半導体製造方法。
【請求項４】請求項２記載の方式により、性能を同一に
調整した走査形電子顕微鏡を１台または複数台用いて、
半導体の複数の製造工程における半導体製品を同一の条
件で検査する半導体製造方法。