JPS6184510A - 粒子ビームを使用する長さ測定装置とその方法 - 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、粒子ビーム走査Ｃ二より試料物体内の空間
長寸法を測定する装置とその方法に関するものである。

〔従来の技術〕

マイクロエレクトロニクス技術において集積度の上昇と
共に七の個別部品の寸法は次第に小さくなり、幾何学的
構造寸法が回路の電気特性を決定する度合が増大して来
た。従って極めて狭い寸法許容度の保持と監視が集積回
路の開発とその製造にとって必要な条件となっている。

マイクロ度量衡学という概念には微細構造の寸法と形状
を捕捉し計量することを可能にする総ての測定技術的研
究法が包括されている。

半導体構造の度量衡学的研究の場合必要な測定精度と測
定範囲の拡がりの点が極めて要求度の高い問題提起とな
っている。

半心体技術においては比較的大きな空間的の長さを高精
度で計測するという問題が起る。この師の測定課題の例
としては直径が５インチに達するマスクの計測、製作工
程中のウェーハの遅滞の決定、リングラフィ機器の誤動
作の決定等が挙げられる。例えば測定区間の長さがｌ０
０Ｍであり、０、　＋μ島の縁辺長側定精度が必要であ
ると丁れば必要な相対的測定精度はｔｏ−’　となる。

元顕微鏡と走置型電子顕微鏡の視野はこのように大きな
区間の長さ測定に対しては狭過ぎるので、現在はこれら
の顕微鏡にレーザー光線でフントロールされる試料台を
約合せて使用している。この系においては顕微鏡を通し
て観察しながら測定対象区間の一端を顕微鏡に設けられ
た指標に合致させた後測定区間の他端が計測顕微鏡の指
標に合致するまで試料台を移動させる。測定区間の一端
から他端までの全長を計測顕微鏡の指標に相対的に移動
させる操作員をレーザー干渉計で測定する。この干渉計
で測定された操作員が測定幻象区間の長さに灼紀；する
。

レーザー干渉計と絹合わされた試料台を備える測定装置
はレーザ一台光顕微鏡組ならびレーザ一台走査電子顕微
鏡組としてサブミクロン領域の分解能を示す長さ測定に
使用されている。しかしこの種の市販測定系は常に試料
台のコントロールに高価なレーザー干渉計を必要とする
ので測定系の元値は著しく高価となる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この発明の目的は、実施容易でありしかも大きな空間長
の精確な測定を可能にする測定方法と装置を高価な補助
装置を必要とすることなく簡単な走査型粒子線顕微鏡に
よつ℃実現させることである。

〔問題点の解決手段〕

この目的は特許請求の範囲第＋ｉ＋二記載した装置と同
第９項（＝記載した方法（：よって達成される。この発
明の種々の実施態様とその長所は以下の説明と図面に示
されている。

〔発明の作用効果〕

個々の構造を高精度で計測する必要がある場合には空間
分解能が高い計器が必要となる。走査型電子顕微鏡は光
顕微鏡（＝比べて１０倍以上の高分解能を示す。この発
明の装置と方法によれば測定区間の絶対長が１００篩で
あってもｌｏ−６の相対的測定精度の達成が可能である
。従ってこの測定区間長において０．１μ鶏の絶対的縁
端位置決定精度が達成される。

電気絶縁性物体上の区間の長さも一次粒子エネルギーが
一定のしきい値を超えない限りこの発明の装置と方法に
よって計測することができる。この一定のしきい値は測
定対象物体の材料組成と試料取りつけ装置と検出装置に
関係する。通常の検出装置と試料装置に対して電子ビー
ムを使用する場合物体の材料組成と一次電子エネルギー
しきい値の間には次の関係がある。

ａ）二酸化ケイ素基板上のＡＺ１４７０　　レジスト構
造を測定する場合には、−次電子エネルギーは０すｋｅ
Ｖ　を超えてはならない。

ｂ）ポリシリコン＆板上のＡＺ１４７０レジスト構造を
測定する場合には、−次電子エネルギーは１．１ｋｅＶ
　を超えてはならない。

Ｃ）　　クロムのリングラフィマスク上のＰＢＳ　レジ
スト構造を測定する場合には、−次電子エネルギーはＱ
、７ｋｅＶ　を超えてはならない。

ｄ）ガラス基板上のクロム構造上の長さ測定に対しては
、−次電子エネルギーは２．０ｋｅＶを超えてはならな
い。

この発明による装置と方法は半導体技術においてリング
ラフィマスクや半導体クエーハの計測に有利である。こ
の場合それぞれの試料に対して特定の一次電子エネルギ
ーを超えないことが前提となる。このしきい値は半導体
技術において使用される材料に対してはほとんど３ｋｅ
、Ｖ以下であるから、半導体技術（＝おいての計測には
高性能の低電圧走査型電子顕微鏡が必要となる。電界放
出陰極を備える走査型電子ＢＲ微鏡はこの用途に特に適
し−〔いる。

６（す定精度な薗め又自動ａ１測に進む’Ｊｆ−Ｏｉｆ
として測定信号のＳＮ比を改善することは脣利である。

このことはｔｋｅｙ以下の一次電子エネルギーを必要と
する対象物体の計測の場合特Ｃ二重要である。

この目的に対しては測定信号のディジタル処理が８Ｎ比
を照射線量の増大なしに後から改善できる点で特に適し
ている。

微細構造の計測に際して光学測定による場合測定信号の
強度分布とそれぞれの縁端位置の対応は簡単（畷ま求め
られない。光学測定法の場合長さ測定の結果は測定信号
内に任意に選ばれた強度しきい値に関係する。光学的の
構造寸法測定器はこの理由からそのままでは微細構造の
絶対的計測Ｃ二使用されない。これに反して走置電子顕
微鏡における線走査によって構造計測が行われると測定
精度の著しい改善が達成可能である。線走査ｆＳ号は微
細構造の計測に際し″ｃ元生学測定よる測定信号よりも
著しく急峻な上昇、下降を示し、こ八がそれどれのｔメ
端装置にλ」Ｌとンｒる。走査型゛−゛［丁・始（敗鏡
を使用すればＩＩＪ１１定［１を即ら試料上の長さが測
定イシ号中のしきい値位置にほとんど関係しないから精
確な長さ測定が可能となる。

この発明は走査型粒子線顕微鏡内に高価な補助装置を必
要とすることなく糺込み可能である大きな空間寸法の簡
単で精確な測定方法と測定装置を提供するものである。

〔実施例〕

この発明の実施例を図面に示すと共に次にその詳細を説
明する。

第１図Ｃ：示すこの発明の実施例は主として通常の定食
型電子顕微鏡から構成されるが、その試料台Ｔの上には
第２の台Ｍが測定台として載せられている。この測定台
は大きな面積の校正された格子マスクＧを備え、測定試
料としての基板Ｐを例えば約１０μｍの間隔を保って覆
っている。格子マスクＧは予めレーザー干渉計を使用し
て計測されているもので標準尺となり、大きい焦点深度
Δ２に裁きへ仮１″と共に鮮鋭に投像される。走査型電
子顕微鏡投像の場合分解Ｉｎ失０．１μシルにおいて焦
　・点深役Δ２は約１０μｍである。

校正された標準尺Ｇを走査型電子顕微鏡内に置くことに
より、長さ計測が簡単に実施されるようになる。校正さ
れた測定格子Ｇは例えば格子定数１０μｍ、線幅１μ賜
のものである。測定子べき長さが測定格子Ｇの格子開口
より小さいときは、走査電子顕微鏡像から直接決定する
ことができる。これは格子マスクＧの格子間隔が標準尺
となり、又走置電子顕微鏡投像の直線性が格子Ｇの格子
開口区域内で充分良好であることに基くものである。

走査型電子顕微鏡には一次電子ＰＥを放出する電子線Ｅ
があり、この−次電子は偏向系Ａｔ二より二次元的に偏
向され、基板Ｐの一部分を例えば測定格子Ｏの複数の格
子開口に亘って走査する。偏向糸Ａの作用により１格子
間口又は数格子開口より短い長さを直接疋食電子顕微鏡
画ｆ象から決定することかできる。この場合格子マスク
Ｇはこの決定に必要な校正標準尺となる。−次電子ｐｇ
は対物レンズ０によって基板Ｐの一点に集められる。

対物レンズＯの外にいくつかのレンズを使用することが
できる。−次電子が基板Ｐに当ると二次電子が放出され
、二次電子検出器りで検出され測定信号が送り出される
。

この発明による装置は米国特許第４２２３２２０号明細
書に記載されているように走査型電子顕微鏡を改造して
構成することができる。

試料台ＴはＸ方向とｙ方向に移動可能であり。

測定台Ｍは試料台ＴＣ相対的に移動可能であるから、基
板Ｐの全表面が一次電子ＰＥにより走査可能である。特
に格子マスクＧと基板Ｐの特定の相対位置において格子
マスクＧの格子線によって一次電子ビームから遮蔽され
ている基板表面区域にも試料移動（：より一次電子が到
達可能となる。

第２図、第３図について短い窒間長の測定法を説明する
。第２図は例えば１つの格子開口を第１図の走な電子顕
微鏡で撮影した゛電子顕微鏡像を小す。この２次元図は
鋭い縁端の反復＋１°１７造を持つクロムマスクの一部
である。この構造の周１［Ｕｐは３μｍ１つの構造幅は
Ｗである。第２図の構造が線りに沿ってＸ軸方向に電子
ビームによって走査されると、第３図に示す二次電子測
定信号Ｓ［が得られる。信号は急な上昇下降を示すから
容易に計算機計測に適した形にすることができる。その
ためには例えば二次検出器Ｄに続く信号処理回路に信号
ＳＩの計測のためのしきい値を含む計測ユニットを接続
する。この計測ユニットとしては例えばシュミットトリ
ガ回路が使用される。

１格子間隔内の縁端位置は常に線走査によって求める必
要はなく、例えば第２図に示すような走査電子顕微鏡で
撮影した格子開口像を測定精度の向上と自動測長の準備
のためディジタル画像メモ！Ｊｌｌと画像処理装置ｔ：
６き処理することかできる。これにより後からＳＮ比を
基板Ｐの照射線量を増大させることなく改善することが
できる。従って第２図の二次電子像に約して例えば構造
方向だけに作用する低域フィルタを使用する。このフィ
ルタの作用は光学的の間隙走査に対応し、この間隙走査
に使用された間隙は低域フィルタの有効範囲によって模
倣される。これによって強度分布全体が容易にかつ精確
Ｃ二計測可能の画像が形成され５自動線幅測定のため計
算機に入れることも可能である。第２図の構造の縁端は
勾配形成と判別によって分離される。これによって計算
機はこの二進画像に基いて選ばれた測定枠内部の長さを
計算することができる。このようにして例えば格子マス
クＧの縁端と格子線の間の間隔の平均値が求められる。

第４図についてこの発明による測定法の１つを説明する
。多数の格子線に亘って延びる長さを測定するには試料
台Ｔを移動させなければならない。この場合試料台の位
置合せには高い精度は要求されない。従って測定は次の
３段階で構成される。まず１つの測定縁端に１から隣り
の格子線Ｇ＋よでの間隔１＋を決定−ｒる。次に別の測
定縁端に２が走査電子顕微鏡の視野（＝入るまで試料台
′１′を移動させる。この移動に際して走査電子顕微鏡
の視野を通過した格子周期の数島が求められる。最後に
第２測定縁端に２かうその隣りの格子線端Ｇ２までの間
隔１３を決定する。測定縁端Ｋｌとに２の間の間隔りは
長さ１＋、１２−ｍＧｋおよび１３の和および差によっ
て与えられる。第４図の例ではに１とに２の間の間隔り
が１２と１３の和から１１を引いたもので与えられる（
Ｌ−１２＋１３−１１）。格子開口内で測定＠Ｋ１、Ｋ
２からＧ１．０２以外の格子線縁端までの間隔が測定さ
れるときは、これらの別の間隔には対応する個数の格子
定数ＧＫ？：ｊｄ１合せて全体の長さＬとしなければな
らない。長さｌ＋、１３は第２図、第３図について説明
した方法で決定される。

測定台Ｍが試料台Ｔに対して校正された微小移動ＦＶを
行うと、それまで格子マスクＧの格子線の下に隠されて
いた基板Ｐ上の構造も捕捉される。微小移動ｔ’　ｖは
格子線の幅よりいくらか大きくする必要がある。この移
動は例えば圧電効果を利用して実施される。微小移動Ｆ
Ｖは測定縁端に１、に２間の全長りを決定する際適当に
考慮しなければならない。

上記の格子マスクＧを利用する長さ測定は電子リングラ
フィにおける位置決め伝を採用できるので容易に自動化
される。ｉつの測定縁端とその隣りの格子線縁端からの
間隔決定には規定の歩動幅を持つディジタル線走査法文
は走置反転法が利用される。後者の方法では測定縁端を
含む格子開口が１つの行に沿って両方向に互に等しい速
さで走青さねる。ディジタル定量の場合行の起点から測
定端に運するまで進行する間に第１歩動数が測定さね、
行の終点から測定端まで逆進する間に第２歩動奴が測定
される。１回の往復走査が終ると第１と第２の歩動数の
差によって格子線縁端から測定端までの間隔が与えられ
る。

試料台Ｔの粗移動中の測定格子Ｇの格子周期数のＬｉｌ
数は一次電子ビームの走計をＪｌ！！断して７４７られ
た二次電子信号ＳＩにおいて行われる。この粗移動は機
械的の線走歪に対応するもので、その信号では格子線が
強調されている。

二次電子信号を増幅して測定精度を高めるためには測定
格子Ｇに電位を印那する。電子ビームを使用する場合（
＝は正の格子電圧が有利であり、基板Ｐから出た二次電
子を吸引して検出器りに向って卯速する。

基板Ｐの上方にあって特定の電位に置かれている格子Ｇ
は他の点においても有利である。電気絶縁性の基板Ｐの
鳴合照射ビームによる充電とそれによって生ずる電場は
基板Ｐの上方の空間のそれ程遠くまでは作用しないから
、−次電子ＰＨのビームはそこで大きな影響を受けるこ
とはない。従って充電に基く結像欠陥は充分避けられ、
測定精度が向上する。

格子マスクＯに与えられた前記の寸法はそれに限定さｎ
るものではなく、測定目的と測定対象構造に適合して選
定されるものである。測定格子Ｏとして適当なのは電子
投射に使用される格子マスクである。その他のマスク、
例えば特定の孔を持つマスクも測定格子Ｇとして使用可
能である。更にこの発明は電子ビームの使用Ｃ二限定さ
れるものではなく、充分な分解能と焦点深度を示す総て
の放射線と装置に約して応用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による装置の一例の概略の構成を示し
、第２図と第３図は短い長さの測定を説明する図面、第
４図はこの発明（；よる方法の実施情況を説明する図面
である。第１図においてＥ・・・電子ビーム源、　　Ａ
・・・偏向系、　Ｏ・・・対物レンズ、　Ｇ・・・格子
マスク、　Ｍ・・・測定台、　　Ｔ・・・試料台、　　
Ｐ・・・測定対象基板、Ｄ・・・二次電子検出器。 ＩＧ　１ ＩＧ　２ ＩＧ　３ ＩＧ　４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）試料台（Ｔ）の上に第２の台（Ｍ）が載せられ、こ
   の台に試料（Ｐ）の測定区域を覆う校正された格子構造
   （Ｇ）が設けられていること、格子構造（Ｇ）と試料（
   Ｐ）の間の間隔が装置の焦点深度に等しいかそれより小
   さいことを特徴とする粒子ビーム（ＰＥ）と試料（Ｐ）
   を載せる試料台（Ｔ）を備える長さ測定装置。 ２）格子構造（Ｇ）がレーザー干渉測定法によつて計測
   されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装
   置。 ３）格子構造（Ｇ）が約１０μｍの格子定数（（Ｇｋ）
   を示すことを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２
   項記載の装置。 ４）試料台（Ｔ）に対して格子構造を精密移動させる装
   置（Ｍ）が設けられていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項乃至第３項の１つに記載の装置。 ５）試料（Ｐ）が充電されないように粒子ビーム（ＰＥ
   ）のエネルギーが選定されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項乃至第４項の１つに記載の装置。 ６）測定信号をディジタル処理する装置（Ｒ）が設けら
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第
   ５項の１つに記載の装置。 ７）格子構造（Ｇ）が格子マスクであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項乃至第６項の１つに記載の装置
   。 ８）格子構造（Ｇ）が特定の孔を持つマスクであること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第６項の１つに
   記載の装置。 ９）試料台（Ｔ）の上に格子構造を備える台（Ｍ）を載
   せこの格子構造を試料の計測区域と共に鮮鋭に投像する
   ことを特徴とする試料台（Ｔ）上の試料（Ｐ）を粒子ビ
   ーム（ＰＥ）で走査して試料の長さを計測する方法。 １０）格子間隔よりも短い長さ（ｌ１、ｌ３）を直接投
   像によつて決定することを特徴とする特許請求の範囲第
   ９項記載の方法。 １１）１つ以上の格子間隔（Ｇｋ）に亘つて延びた長さ
   （Ｌ）を計測するため試料台（Ｔ）を移動させること、
   第１測定端（Ｋ１）からこの測定端に隣り合せる格子縁
   端（Ｇ１）までの間隔（ｌ１）を決定すること、第２の
   測定端（Ｋ２）からこの測定端に隣り合せる格子縁端（
   Ｇ２）までの間隔（ｌ３）を決定すること、両格子縁端
   （Ｇ１、Ｇ２）間の間隔（ｌ２）をそれらの縁端間にあ
   る格子間隔数（ｍ）の関数として求めること、最後に３
   つの測定された間隔（ｌ１、ｌ２、ｌ３）から第１と第
   ２の測定端（Ｋ１、Ｋ２）間の間隔（Ｌ）が決定される
   ことを特徴とする特許請求の範囲第９項又は第１０項記
   載の方法。 １２）格子線の下に隠されている測定端を捕捉するため
   格子構造を微小移動させること、この微小移動（ＦＶ）
   の量を長さの計測に際して考慮することを特徴とする特
   許請求の範囲第９項乃至第１１項の１つに記載の方法。 １３）１つの測定端（Ｋ１、Ｋ２）と１つの格子縁端（
   Ｇ１、Ｇ２）間の間隔を規定歩動幅のディジタル線走査
   によつて決定することを特徴とする特許請求の範囲第９
   項乃至第１２項の１つに記載の方法。 １４）２つの格子縁端（Ｇ１、Ｇ２）間の間隔を決定す
   るため粒子ビーム（ＰＥ）の偏向を停止することを特徴
   とする特許請求の範囲第９項乃至第１３項の１つに記載
   の方法。 １５）測定信号の改善のために格子構造（Ｇ）に電位を
   印加することを特徴とする特許請求の範囲第９項乃至第
   １４項の１つに記載の方法。 １６）測定信号をディジタル化することを特徴とする特
   許請求の範囲第９項乃至第１５項の１つに記載の方法。