特許 6255448 荷電粒子線装置の装置条件設定方法、および荷電粒子線装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6255448

(24)【登録日】2017年12月8日

(45)【発行日】2017年12月27日

(54)【発明の名称】荷電粒子線装置の装置条件設定方法、および荷電粒子線装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/22 20060101AFI20171218BHJP

   G01B 15/04 20060101ALI20171218BHJP

   H01J 37/28 20060101ALI20171218BHJP

【ＦＩ】

   H01J37/22 502H

   G01B15/04 K

   H01J37/28 B

【請求項の数】14

【全頁数】26

(21)【出願番号】特願2016-120354(P2016-120354)

(22)【出願日】2016年6月17日

(62)【分割の表示】特願2014-558582(P2014-558582)の分割

【原出願日】2014年1月22日

(65)【公開番号】特開2016-171087(P2016-171087A)

(43)【公開日】2016年9月23日

【審査請求日】2016年6月17日

(31)【優先権主張番号】特願2013-9731(P2013-9731)

(32)【優先日】2013年1月23日

(33)【優先権主張国】JP

(31)【優先権主張番号】特願2013-9735(P2013-9735)

(32)【優先日】2013年1月23日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】100091720

【弁理士】

【氏名又は名称】岩崎 重美

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 誠

(72)【発明者】

【氏名】山口 聡

(72)【発明者】

【氏名】酒井 計

(72)【発明者】

【氏名】伊澤 美紀

(72)【発明者】

【氏名】高田 哲

(72)【発明者】

【氏名】蓮見 和久

(72)【発明者】

【氏名】井古田 まさみ

【審査官】 山口 敦司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０９２９４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６１−１３５４５８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平０３−１９００４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２０３１０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 生井準人ら他５名，自己組織化材料の半導体微細パターニングへの応用，JSR TECHNICAL REVIEW，２０１２年，No.119，p.7-12

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ ３７／２２

Ｇ０１Ｂ １５／０４

Ｈ０１Ｊ ３７／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料に荷電粒子ビームを走査するときの走査条件を設定する荷電粒子線装置の装置条件設定方法において、
自己組織化リソグラフィ技術に用いられる高分子化合物に荷電粒子ビームを走査することによって得られる荷電粒子に基づいて画像を形成するときに、前記高分子化合物に対して荷電粒子ビームを走査、及び当該走査に基づいて得られる画像の評価を行い、前記荷電粒子ビームの走査によって前記高分子化合物に含まれる特定のポリマーを収縮させるまで、前記荷電粒子ビームの走査と画像の評価を繰り返し、前記特定のポリマーを収縮させたときの走査条件を、積算用画像取得用の走査前の前記荷電粒子ビームの走査条件として設定することを特徴とする荷電粒子線装置の装置条件設定方法。

【請求項2】

請求項１において、
前記走査に基づいて得られる画像は、異なるフレームにて取得された画像の差画像であることを特徴とする荷電粒子線装置の装置条件設定方法。

【請求項3】

請求項１において、
前記走査に基づいて得られる画像は、１のフレームと、その１つ前、或いは１つ後のフレーム走査によって得られる画像であって、当該１のフレームの画像と、その１つ前、或いは１つ後のフレームの画像との差分が所定値以下となったときに、上記所定の条件を満たしたと判定することを特徴とする荷電粒子線装置の装置条件設定方法。

【請求項4】

請求項１において、
前記評価結果が所定の条件を満たした走査の後の走査によって得られる荷電粒子の検出に基づいて、積算画像を形成することを特徴とする荷電粒子線装置の装置条件設定方法。

【請求項5】

請求項１において、
前記走査に基づいて得られる画像は、異なるフレームにて取得された画像の差画像であって、当該差画像を積算して積算差画像を形成することを特徴とする荷電粒子線装置の装置条件設定方法。

【請求項6】

請求項５において、
前記積算差画像に基づいて、ホールパターンの中心を検出することを特徴とする荷電粒子線装置の装置条件設定方法。

【請求項7】

請求項１において、
前記画像に含まれるホールパターンの中心の検出に基づいて、パターンを測定するための測長ボックスを設定することを特徴とする荷電粒子線装置の装置条件設定方法。

【請求項8】

荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを走査する走査偏向器と、試料に対する前記荷電粒子ビームの走査によって得られる荷電粒子を検出する検出器と、当該検出器の出力を積算して画像を形成する制御装置を備えた荷電粒子線装置において、
当該制御装置は、前記荷電粒子ビームの走査に基づいて得られる画像を評価し、前記荷電粒子ビームの走査によって自己組織化リソグラフィ技術に用いられる高分子化合物に含まれる特定のポリマーを収縮させるまで、前記荷電粒子ビームの走査と画像の評価を繰り返し、前記特定のポリマーを収縮させたときの前記荷電粒子ビームの走査条件を、積算用画像取得用の走査前の前記荷電粒子ビームの走査条件として設定することを特徴とする荷電粒子線装置。

【請求項9】

請求項８において、
前記走査に基づいて得られる画像は、異なるフレームにて取得された画像の差画像であることを特徴とする荷電粒子線装置。

【請求項10】

請求項８において、
前記走査に基づいて得られる画像は、１のフレームと、その１つ前、或いは１つ後のフレーム走査によって得られる画像であって、前記制御装置は、当該１のフレームの画像と、その１つ前、或いは１つ後のフレームの画像との差分が所定値以下となったときに、上記所定の条件を満たしたと判定することを特徴とする荷電粒子線装置。

【請求項11】

請求項８において、
前記制御装置は、前記評価結果が所定の条件を満たした走査の後の走査によって得られる荷電粒子の検出に基づいて、積算画像を形成することを特徴とする荷電粒子線装置。

【請求項12】

請求項８において、
前記走査に基づいて得られる画像は、異なるフレームにて取得された画像の差画像であって、前記制御装置は当該差画像を積算して積算差画像を形成することを特徴とする荷電粒子線装置。

【請求項13】

請求項１２において、
前記制御装置は、前記積算差画像に基づいて、ホールパターンの中心を検出することを特徴とする荷電粒子線装置。

【請求項14】

請求項８において、
前記制御装置は、前記画像に含まれるホールパターンの中心の検出に基づいて、パターンを測定するための測長ボックスを設定することを特徴とする荷電粒子線装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、パターン測定方法及び荷電粒子線装置に係り、特に自己組織化リソグラフィに用いられる高分子化合物の測定に好適なパターン測定方法、及び荷電粒子線装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年の半導体デバイスは微細化パターンの生成のため、Ｄｉｒｅｃｔｅｄ Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ（ＤＳＡ）法を用いたエッチング用マスクパターンの形成が検討されている。ＤＳＡ法では、２種類のポリマーを連結ないし混合した複合ポリマー材の自己整列特性を利用する。特許文献１にはＤＳＡ技術によって形成されたパターンを走査電子顕微鏡によって観察した例やパターンの寸法測定を行う例が説明されている。

【0003】

走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）に代表される微細なパターンの測定や検査が可能な荷電粒子線装置は、ＤＳＡ技術の発展においても重要な役割を担うものと予想される。特許文献２、３には試料を帯電させ、試料の特徴を顕在化した上で試料を観察する手法が説明されている。

【0004】

また、特許文献４には、電子顕微鏡によるパターン測定を行う場合に、複数の画像データを積算して画像を形成すると共に、当該積算対象となるフレームの数をパターン認識が可能であるか否かの判断に基づいて、自動的に決定する手法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１０−２６９３０４号公報（対応米国特許ＵＳＰ８，１１４，３０６）

【特許文献2】特開平１０−３１３０２７号公報（対応米国特許ＵＳＰ６，０９１，２４９）

【特許文献3】特開２００６−２３４７８９号公報（対応米国特許ＵＳＰ７，６８３，３１９）

【特許文献4】特開２０１０−０９２９４９号公報（対応米国特許公開公報ＵＳ２０１１／０１９４７７８）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ＤＳＡ技術は、一般的なリソグラフィ法によって形成された微細パターン間に、複数種のポリマーが化学的に結合した高分子化合物が充填されるようにウエハ上に塗布し、熱処理によってポリマーを相分離させることによってパターン形成を行う技術である。光近接効果（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ Ｅｆｆｅｃｔ）による縮小露光の限界を超えた微細なパターニングが可能な技術であるが、熱処理後の高分子化合物は表面が平坦であるため、主にエッジ効果によって発生する二次電子を検出する走査電子顕微鏡の場合、コントラストが十分に得られない場合がある。特許文献１には、ＤＳＡ技術によって形成されたパターンを、電子顕微鏡を用いて観察することについての開示はあるものの、コントラストを如何に向上するのか具体的な手法が述べられていない。また、特許文献２、３にはＤＳＡ技術によって形成されたパターンを観察対象とすることについての開示がない。

【0007】

以下に、ＤＳＡ技術によって形成されたパターンを、高コントラスト画像、或いは信号を用いて高精度に測定、或いは検査することを第１の目的とするパターン測定方法、及び荷電粒子線装置について説明する。

【0008】

また、基板上に光学リソグラフィとエッチングによって形成されたガイドとなるホールパターンにブロックコポリマーやブレンドされたポリマーを塗布してアニールすると誘導組織化現象によって円筒状にポリマーが分離する。その後、現像によって一方のポリマーが取り除かれ、エッチング工程を経てホールのパターニングが完成する。

【0009】

一方、アニールによって分離したパターンを電子顕微鏡等を用いて測定する場合において、ブロックコポリマーやブレンドされたポリマーによる誘導組織化後の状態ではパターンの凹凸はほとんどなく計測可能なパターンエッジを検出することも計測することも困難である。また、適切な計測範囲や照射時間を設定することも難しい。特に、半導体製造工程において、パターンの出来栄えを評価する荷電粒子線装置では、予め装置条件を決定しておく必要がある。特許文献１にはそのような装置条件を如何に決定するのか具体的な説明がない。また、特許文献４には積算対象となる画像データのフレーム数を自動的に決定する手法が開示されているが、凹凸の殆どないパターンを測定する際にどのように装置条件を設定すべきか具体的な解決出段の開示がない。

【0010】

一方、発明者らは、荷電粒子ビームの照射によって特定のポリマーが収縮する現象を確認した。通常、分離した複数のポリマーの内、ビームの照射によって収縮するポリマーは、現像によって除去される側のポリマーであるため、ビーム条件を適切に設定すれば、試料に実質的なダメージを与えることなく、凹凸のついたパターンを対象とした高精度な測定が可能となる。

【0011】

以下に、ＤＳＡパターンのような凹凸がなく、エッジ効果を利用した荷電粒子ビームの走査による測定や検査が困難なパターンであっても、適切な装置条件設定に基づく高精度なパターン測定や検査を行うことを第２の目的とする荷電粒子線装置の装置条件設定方法、及び荷電粒子線装置について説明する。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記第１の目的を達成するための一態様として以下に、自己組織化リソグラフィ技術に用いられる高分子化合物に対し、荷電粒子を照射して当該高分子化合物を形成する複数のポリマーの内、特定のポリマーを他のポリマーに対して大きく収縮させた後に、或いは収縮と併せて当該他のポリマーを含む領域に荷電粒子ビームの走査によって得られる信号に基づいて、前記他のポリマーの複数のエッジ間の寸法測定を行うパターン測定方法、或いは当該測定を実現する荷電粒子線装置を提案する。

【0013】

更に、上記第２の目的を達成するための一態様として、自己組織化リソグラフィ技術に用いられる高分子化合物に荷電粒子ビームを走査することによって得られる荷電粒子に基づいて画像を形成するときの荷電粒子ビームの走査条件を設定する荷電粒子装置の装置条件設定方法であって、前記高分子化合物に対して荷電粒子ビームを走査、及び当該走査に基づいて得られる画像の評価を行い、当該評価の結果が所定の条件を満たすまで、前記荷電粒子ビームの走査と画像の評価を繰り返し、前記画像が当該所定の条件を満たしたときの走査条件を、積算用画像取得用の走査前の前記荷電粒子ビームの走査条件として設定する荷電粒子線装置の装置条件設定方法を提案する。

【0014】

また、荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを走査する走査偏向器と、試料に対する前記荷電粒子ビームの走査によって得られる荷電粒子を検出する検出器と、当該検出器の出力を積算して画像を形成する制御装置を備えた荷電粒子線装置であって、当該制御装置は、前記荷電粒子ビームの走査に基づいて得られる画像を評価し、当該評価結果が所定の条件を満たすまで、前記荷電粒子ビームの走査と画像の評価を繰り返し、前記評価結果が前記所定の条件を満たすときの前記荷電粒子ビームの走査条件を、積算用画像取得用の走査前の前記荷電粒子ビームの走査条件として設定する荷電粒子線装置を提案する。

【0015】

上記照射条件は例えば測定や検査を行うための画像形成に用いられる画像信号取得前の特定ポリマーの収縮のためのものであり、特定ポリマーの収縮が行われた後に、測定や検査のためのビーム走査、或いは画像取得を実行する。

【発明の効果】

【0016】

上記第１の構成によれば、表面が平坦な複数のポリマーが結合した高分子化合物であっても、高コントラスト信号を用いた高精度な測定が可能となる。

【0017】

また、上記第２の構成によれば、ＤＳＡパターンのような凹凸がなく、エッジ効果を利用した荷電粒子ビームの走査による測定や検査が困難なパターンであっても、適切な装置条件設定に基づく高精度なパターンの測定や検査が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】ＤＳＡ法によって作成されるパターンの一例を示す図。

【図2】走査電子顕微鏡の概要を示す図。

【図3】ＤＳＡパターンの断面とＳＥＭ画像との関係を示す図。

【図4】ＤＳＡパターンの断面と斜方検出器の出力に基づいて形成されるＳＥＭ画像との関係を示す図。

【図5】４つの斜方検出器を示す図。

【図6】４素子に分割した検出素子からなる斜方検出器を示す図。

【図7】加工用電子源を備えた走査電子顕微鏡の一例を示す図。

【図8】面状電子源の一例を示す図。

【図9】面状電子源の配置例を示す図。

【図10】面状電子源の配置例を示す図。

【図11】面状電子源の配置例を示す図。

【図12】面状電子源を備えた走査電子顕微鏡の一例を示す図。

【図13】加工用ビームを照射したときの電子の軌道を示す図。

【図14】ＤＳＡパターンの加工からＤＳＡパターンの測定に至るまでの工程を示すフローチャート。

【図15】予備照射条件の設定を行うためのＧＵＩ画面の一例を示す図。

【図16】予備照射目的ごとに設けられたパターンの種類に応じた予備照射条件を記憶するテーブル例を示す図。

【図17】走査電子顕微鏡を含むパターン寸法測定システムの一例を示す図。

【図18】走査型電子顕微鏡の概略を示した図。

【図19】ガイドパターン付きＤＳＡホールパターン画像の一例を示す図。

【図20】電子線を照射した場合にガイドパターンとＤＳＡホールパターンが映像化される様子を示したフレーム画像。

【図21】前後のフレーム画像の差分画像を示す図。

【図22】図２０のフレーム画像群から求めた評価値をプロットしたグラフ。

【図23】図２１の差画像群から求めた評価値をプロットしたグラフ。

【図24】積算画像を用いた測定工程を示すフローチャート。

【図25】差画像を積算した画像例を示す図。

【図26】テンプレートを用いたホールパターン中心を検出する手法を説明する図。

【図27】ガイドパターンの検出法を説明する図。

【図28】計測パラメータを入力するためのＧＵＩ画面の一例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0019】

図１は、ＤＳＡ法による微細パターンを模式的に示したものである。図１（ａ）は、パターン生成の基板となるシリコンウェハ１０１を示している。図１（ｂ）にて、１０１の上にリソグラフィ技術によって所望の微細パターンの繰り返しピッチよりも広い広ピッチパターン１０２を生成する。その後、図１（ｃ）にて複合ポリマー材１１０を塗布する。適切な熱処理（アニール）により、１１０はパターン１０２をガイドとして特定方向へ自己整列する。１１０は２種類の異なるポリマー１１１とポリマー１１２の繰り返しで構成されている。図１（ｄ）で、一方のポリマー（例えば１１２）を選択除去することにより、ガイドパターン１０２よりもピッチの狭い狭ピッチパターン１０３を生成することができる。

【0020】

熱処理後、エッチング前に相分離が適正に行われたか否かを判定することは、適正な高分子材料が選択されたか、アニールの条件が適切であったか等を早期に知る上で重要であるが、図１（ｃ）に例示するように、高分子材料内には複数のポリマーが含まれているのにも関わらず、表面が平坦であるため、走査電子顕微鏡では高コントラストの画像が得られない。発明者らは上記のような状況に基づいて、ＤＳＡパターンの検査・計測を行うＳＥＭが備えるべき構成の一つは、コントラスト強調のための表面処理であることを新たに見出した。パターンの測定や検査では、パターンの不良をできるだけ早く検知することが時間的・経済的コストを低減するために重要であり、図１（ｄ）のステップを経ず図１（ｃ）の段階で実施するほうが好ましい。この状態では、ポリマー１１１とポリマー１１２に高低差がなく、通常のＳＥＭ観察は難しい。さらに、ポリマー１１１とポリマー１１２の質量密度にも大きな違いがなく、質量密度の差を利用したコントラストも得られない。また、ポリマー１１１とポリマー１１２の電気特性は共に絶縁体である場合が多く、帯電電位差を利用した電位コントラストも得られない。

【0021】

以下に説明する実施例では、ＤＳＡ法により生成された狭ピッチパターンの観察のために、荷電粒子線をあらかじめ被観察領域に照射してから観察を行う方法およびその装置を提供する。あらかじめ被観察領域に荷電粒子線を照射することで、一対のポリマー（図１の１１１と１１２）の一方を体積減少させることが可能となる。この方法により、ポリマー表面にパターン形状に応じた段差を形成することが可能となり、高精度な計測・検査が実施できる。また、被観察領域にあらかじめ照射する荷電粒子線は、その後の観察に使用する荷電粒子線と同一であることを一つの特徴とする。

【実施例1】

【0022】

高コントラスト信号に基づくＤＳＡパターンの高コントラスト信号測定を可能とする走査電子顕微鏡の一例を図面を用いて説明する。図２は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略図を示している。電子源２０１は制御電源２３１により、試料に対して負電位に保持されている。引出電極２０２は、前記制御電源２３１に重畳した正電圧電源２３２により、電子源２０１よりも正電位に設定され、電子線２２０を引き出す。電子線２２０は集束レンズ２０３と対物レンズ２０８を経て観察試料２１０上へ照射される。観察試料２１０上での電子線２２０の直径は、レンズ制御回路２３３および２３８によって適切に制御される。また、電子線２２０の電流量は、ファラデーカップ２０５によって検知し、電流計測手段２３５にて計測される。電子線２２０は偏向制御回路２３７によって動作する偏向器２０７によって観察視野を走査される。電子線２２０を試料２１０から退避させるときには、ブランカ電源２３４を用いてブランカ２０４を動作させる。試料２１０から発生した信号電子は、対物レンズ２０８よりも電子源２０１側に設置されたインレンズ検出器２０６あるいは、特定方向に設置された斜方検出器２０９によって検出される。インレンズ検出器は試料から様々な方向へ出射した低速の信号電子を効率よく検出することで、表面段差のエッジ部を強調するエッジコントラスト像の取得に適した検出器を与える。一方、斜方検出器２０９は、試料の特定方向へ出射した高エネルギーの信号電子を検出するのに適している。

【0023】

ＤＳＡ法で作成されたパターンを観察するにあたり、試料ステージ２１１に観察試料２１０を載せ、対物レンズ２０８の下へ搬送する。観察部位をあらかじめ電子線２２０で走査し、一方のポリマーを体積減少させて表面段差を形成する。このプロセスを加工のための照射と呼ぶことにする。その上で、再度電子線２２０で観察部位を走査し、インレンズ検出器２０６の信号を信号処理装置２３６で画像化して顕微鏡像を取得する。この際、加工のための照射が十分であれば、ＤＳＡ法によるパターンのエッジ部に段差が形成され、得られる顕微鏡画像には二種類のポリマーの境界に明確なエッジコントラストが顕われる。このエッジ線を利用することで、被観察試料上のパターン寸法の高精度計測、あるいは被観察試料上のパターン形状の欠陥検査が実施できる。

【0024】

自己組織化リソグラフィ技術に用いられる高分子化合物に対し、荷電粒子を照射して当該高分子化合物を形成する複数のポリマーの内、特定のポリマーを他のポリマーに対して大きく収縮させた後に、当該他のポリマーを含む領域に荷電粒子ビームの走査によって得られる信号に基づいて、前記他のポリマーの複数のエッジ間の寸法測定を行う上記構成によれば、ＤＳＡパターンの高精度な評価を迅速に行うことが可能となる。

【0025】

図１７は、ＳＥＭ１７０１を含むパターン測定システムの一例を示す図であり、当該システムは主にＳＥＭ１７０１、ＳＥＭ１７０１を制御する制御装置１７０２、制御装置１７０２に所望の装置条件を設定するための光学条件設定装置１７０３．及びＳＥＭによる測定条件を設定するための設定装置１７０４からなる。設定装置１７０４に設けられた表示装置には、例えば図１５に例示するようなＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）画面が表示可能となっている。図１５に例示するＧＵＩ画面には、パターン（Ｐａｔｔｅｒｎ）の種類を入力するための入力ウィンドウ１５０１、測定のためのビーム走査の前のビーム照射条件を入力するための入力ウィンドウ１５０２が設けられている。本実施例の場合、電位コントラスト（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒａｓｔ）、コンタクトホール観察（Ｃｏｎｔａｃｔ Ｈｏｌｅ（Ｃ／Ｈ） Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ）、上述の一方のポリマーの体積を減少させて、他方のポリマーのエッジを強調するエッジ強調（Ｅｄｇｅ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ）の３つから予備走査（Ｐｒｅ−Ｓｃａｎ）モードの選択が可能となっている。

【0026】

電位コントラストモードの予備走査では、視野内に含まれる素子を帯電させるためのビームコンデョションによるビーム走査が行われる（第１の走査モード）。コンタクトホール観察モードの予備走査では、試料表面のレジストを正に帯電させるためのビーム走査が行われる（第２の走査モード）。そして、エッジ強調モードの予備走査では、１のポリマーを縮小させるための走査が行われる（第３の走査モード）。

【0027】

この３つの走査モードの内、第３の走査モードだけが試料を帯電させることを目的としない走査モードとなる。本実施例ではこのようなＤＳＡパターン測定用の予備照射条件を設定するためのウィンドウが設けられたＧＵＩ画面について説明する。

【0028】

以上のように予備走査には種々の種類があり、ビームコンディションも異なるため、例えば図１６に例示するように走査モードごとに、パターンの種類ごとのビームコンデョションを記憶するデータベースを用意しておき、パターンの種類と走査モードの選択に基づいて、ビーム条件を読み出せるようにしておけば、予備走査条件の選択が容易になる。また、このようなデータベースを用意し、未知の試料を測定したときの条件を更新するようにすれば、過去の設定条件を容易に設定することが可能となる。図１５に例示するＧＵＩ画面にて予備走査の際の視野の大きさ（ＦＯＶ（Ｆｉｅｌｄ Ｏｆ Ｖｉｅｗ））、照射時間（Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｔｉｍｅ）、ビーム電流（Ｂｅａｍ Ｃｕｒｒｅｎｔ）、試料へのビームの到達エネルギー（Ｌａｎｄｉｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ）、及びフレーム（Ｆｒａｍｅ）数の選択と、パターンの種類、及び予備走査モードの選択を行い、図１６に例示するようなデータベースを更新するようにしても良い。

【0029】

データベースは、光学条件設定装置１７０３に内蔵されるメモリ１７０５に登録され、設定装置１７０４による設定によってＳＥＭ１７０１の光学条件として設定される。光学条件設定装置１７０３内に設けられた演算処理部１７０６には、測定のためのビーム条件を設定する光学条件設定部１７０７、メモリ１７０５に登録されたデータベース、或いは設定装置１７０４にて設定された設定条件に基づいて、予備走査条件を設定する予備照射条件設定部１７０８、後述する予備照射を停止する条件を求める輝度条件抽出部１７０９、及び測定のためのビーム走査に基づいて、プロファイル波形を形成し、パターンの寸法を測定するパターン測定部１７１０が含まれている。

【0030】

以上のような構成によれば、加工に基づいて顕在化したエッジを用いた測定を高精度に行うことが可能となる。

【0031】

図３は、ＤＳＡパターンの断面とＳＥＭ画像との関係を示す図である。図３ａでは、加工のための照射実施前のＤＳＡパターンとＳＥＭ像である。２種類のポリマー３０１と３０２の間に表面段差がないことに対応して、ＳＥＭ像のコントラストがついていない。図３ｂは、ビーム照射により、ポリマー３０２を体積縮小させた場合である。体積縮小しないポリマー３０１の側壁から多くの信号電子が発生し、ポリマー３０１とポリマー３０２の境界に明確な強信号領域（ホワイトバンド）３０３を形成する。これにより、ＤＳＡパターンの計測・検査が可能になる。図３ｃは、本発明の方法を用いるが、体積縮小が不十分な場合を示している。この場合、ポリマー３０１の側壁からの信号電子量が十分でなく、ホワイトバンド３０４も弱い。より具体的には、一番端のポリマー３０２が充填されていない部分に接するエッジ３０５と比較して、十分な加工が施されたパターンエッジのホワイトバンド３０３より、加工が不十分なパターンエッジ３０４の信号が弱いことが、図３のパターンの拡大図からもわかる。

【0032】

特に未知の試料の場合、十分な計測精度を確保するためには、加工のための照射が十分かどうか、判定する方法の採用が望ましい。

【0033】

図１４は加工から測定に至るまでの工程を示すフローチャートである。以下の処理は、光学条件設定装置１７０３によって設定された設定条件に基づいて、制御装置１７０２がＳＥＭ１７０１を制御することによって実行する。まず、加工と加工が適正に行われているか否かの確認のためのビーム走査を行い（ステップ１４０１）、加工状態モニタ用のプロファイルを形成する（ステップ１４０２）。ここでエッジ部の輝度をモニタし、ピークトップとピークボトムの輝度差を判定する（ステップ１４０３）。ここでその値が所定値未満である場合にはステップ１４０１に戻り、所定値以上である場合は、寸法測定用のビーム走査を行う（ステップ１４０４）。このステップ１４０４におけるビーム走査の結果得られた荷電粒子に基づいてプロファイルを形成し（ステップ１４０５）、形成されたプロファイルを用いたパターンの寸法測定を実行する（ステップ１４０６）。

【0034】

ある特定の素子が選択的に帯電する場合等と異なり、予備照射が進むにつれて、エッジとそれ以外の部分の輝度信号が相対的に異なってくるため、エッジ部分とそれ以外の部分との相対的な違いの推移を評価することによって、適正な加工終点を求めることが可能となる。また、輝度情報はピークの高さの比較ではなく、例えばピーク幅の変化を評価するようにしても良い。なお、寸法測定用に形成するプロファイルには、加工モニタ用のプロファイル信号を含めないようにすることによって、高精度な寸法測定が可能となる。

【0035】

なお、後述するように、加工モニタのための荷電粒子検出と、パターン寸法測定のための荷電粒子検出を同時に行う場合は、測定用のプロファイル形成の際に選択的に加工終了後の信号を用いるようにしても良いし、加工終了後に検出器の出力信号を受け入れるようにしても良い。

【0036】

図４は、図３と同じ観察対象をビーム光軸に対して斜め方向に配置された斜方検出器２０９にて検出された荷電粒子に基づいて形成した画像を示す図である。斜方検出器２０９による画像では、検出器の方向にその法線方向を向けた試料傾斜面は明るく、検出器とは反対方向にその法線方向を向けた試料面は暗く画像化される。換言すれば検出器側に面する断面を持つエッジは明るくなり、検出器側とは逆に面する断面を持つエッジは暗くなる。

【0037】

図４ａは加工のためのビーム照射実施前のＤＳＡパターンのＳＥＭ像である。２種類のポリマー４０１と４０２との間には表面段差がないので、斜方検出器の検出に基づくＳＥＭ像であったとしてもコントラストはつかない。図４ｂおよび図４ｃはビーム照射による加工によって、ポリマー４０２を体積縮小させた場合のＳＥＭ画像である。

【0038】

体積縮小しないポリマー４０１の側壁のうち、斜方検出器の方向に面した側壁部分やポリマー４０２の一部は明るく、反対向きの側壁およびポリマー４０２の一部は暗く画像化される。なお、図４ではポリマー上部の輝度４０３、加工が十分になされたときの検出器側に対面する断面部分の輝度４０４、加工が十分になされたときの検出器側とは逆の方向に対面する断面部分の輝度４０５、加工が不十分なときの検出器側に対面する断面部分の輝度４０６、加工が不十分なときの検出器側とは逆の方向に対面する断面部分の輝度４０７を、異なる表示形態で表現している。

【0039】

この明るい部分と暗い部分の明るさ差が大きいほど表面段差が深く、明るさ差が小さいほど表面段差が浅いことから、斜方検出器の画像を用いて、加工のための照射が十分か判断することができる。より具体的には、制御装置によって、特定方向に配置された斜方検出器の信号出力に基づいて、輝度を横軸、検出数を縦軸とするヒストグラムを形成し、所定の輝度を持つヒストグラム内の２つのピークの輝度差が所定値以上となったときに、加工が完了したと判断するようにすることが考えられる。また、加工が進むにつれて検出器側に面する断面が明るくなるため、検出器側のエッジ部分の輝度が所定値以上となったときに、加工が完了したと判定するようにしても良い。但し、エッジ部分の輝度は断面の形状やポリマーの材質によっても異なるため、暗い部分と明るい部分の輝度の相対比に基づいて判定を行う手法の方がより高精度に加工終了検出を行うことが可能となる。

【0040】

高精度に加工終了検出を行うことによって、測定の長時間化や過剰なビーム照射を行うことなく、高精度な測定を実現することが可能となる。また、測定用の検出器と加工モニタ用の検出器を別に設けることによって、加工後、即座に測定に移行することも可能となる。

【0041】

上述の加工量判定において、必ずしもパターンの側壁方向と斜方検出器の方位が一致しない場合が想定される。斜方検出器として、異なる方位に対応する複数個の斜方検出器を設置しても良い。図５は、４方位に独立した斜方検出器を配置した例である。電子線２２０により試料２１０から発生した信号電子５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃ、５０１ｄは、その出射方向に応じてそれぞれ斜方検出器５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ、５０２ｄにて検出される。あるいは、それぞれ単一の検出面を有する検出器を複数分割した検出素子（半導体検出器、マルチチャネルプレート、アバランシェ型ホトダイオード、ＣＣＤ）を用いても良い。図６は、４素子に分割した検出素子を配置した斜方検出器の例である。信号電子は、その出射方向に応じて素子６０１ａ、６０１ｂ、６０１ｃ、６０１ｄのいずれかにて検出される。

【0042】

さらに、加工のための照射をより効率的に行うために、レンズ制御回路２３３あるいは２３８を使用して観察時の電子線と異なる試料上の直径を有するように変更できる、また、制御電源２３１を利用して観察時の電子線と異なるエネルギーで照射することも可能である。同様に、電流量、走査速度、走査領域なども、加工を効率的に行うため、観察時とは異なる設定をすることができる。

【実施例2】

【0043】

これまでの説明では主に、測定のためのビーム、或いは測定のためのビームのビーム条件を変えたビームを用いて、測定前の加工を行うことについて説明したが、以下に、測定用のビームのビーム源とは異なるビーム源を荷電粒子線装置内に設け、当該異なるビーム源を用いて加工を行う例について説明する。

【0044】

本実施例では、試料面に対して垂直な方向から加工用ビームを照射すべく、加工用ビーム源を試料面に沿って平行に形成する例について説明する。加工用のビーム源を荷電粒子線装置内に設けるためには、測定用のビーム源から放出されるビーム軌道以外の位置に配置する必要がある。例えば、加工用のビーム源を測定用のビームのビーム軌道に対して斜めの位置に配置した場合、ビームが試料表面に対して斜めの方向から照射されることになるため、ポリマーは不均一に除去され、検査・計測の誤差が発生する可能性がある。

【0045】

また、観察部位に対して垂直にビームを照射するために、斜方から導入したビームを偏向器により屈曲させて観察部位へ導くことも考えられるが、屈曲のための偏向器は、一般に観察用電子線に収差を発生させるため、表面処理と観察とを同時に実施する場合、分解能の劣化を引き起こす。分解能の劣化は、狭ピッチパターン計測の測定精度を低下させてしまう可能性がある。

【0046】

また、フラッドガン等の他の電子源を設けようとすると、真空チャンバが大型化してしまう可能性もある。

【0047】

本実施例では、観察に使用する第一の荷電粒子線と、被観察領域にあらかじめ照射する第二の荷電粒子線とは同一でない構成を主に説明する。また、前記第一の荷電粒子線による観察と前記第二の荷電粒子線の照射を同時に実施する例についても併せて説明する。さらにまた、前記第一の荷電粒子線の放出源（第一の荷電粒子線源）は、前記第二の荷電粒子線の放出源（第二の荷電粒子線源）とその粒子線光軸を同一とする例についても説明する。

【0048】

光軸を同一とすることで、狭ピッチパターンに対して偏りなく荷電粒子を照射して加工することが可能になり、かつ加工と観察を試料移動せずに実施できるため、真空チャンバを小型化できる。また、加工用ビームの放出源から放出されるビームは、試料面に対し垂直であり、加工用のビームと測定用のビームは同軸となるため、偏向器の偏向による分解能低下のない加工、測定を行うことが可能になる。

【0049】

本実施例によれば、ＤＳＡ法によって形成された表面段差がなく質量密度に差が少ない分子ポリマーの配列であっても、高い視認性で分子境界を認識できる荷電粒子線装置を提供することができる。また、分解能を維持したまま、短時間で効率よく均質にポリマーを体積減少させることができ、微細パターンの高精度な検査・計測が可能になる。

【0050】

以下図面を用いて、本実施例の具体例を説明する。図７は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略図を示している。電子源７０１は制御電源７３１により、試料に対して負電位に保持されている。引出電極７０２は、前記制御電源７３１に重畳した正電圧電源７３２により、電子源７０１よりも正電位に設定され、電子線７２０を引き出す。電子線７２０は集束レンズ７０３と対物レンズ７０８を経て観察試料７１０上へ照射される。観察試料７１０上での電子線７２０の直径は、レンズ制御回路７３３および７３８によって適切に制御される。また、電子線７２０の電流量は、ファラデーカップ７０５によって検知し、電流計測手段７３５にて計測される。電子線７２０は偏向制御回路７３７によって動作する偏向器７０７によって観察視野を走査される。電子線７２０を試料７１０から退避させるときには、ブランカ電源７３４を用いてブランカ７０４を動作させる。試料７１０から発生した信号電子は、検出器７０６によって検知され、信号処理装置７３６で画像化して顕微鏡像を取得する。

【0051】

試料７１０と対物レンズ７０８の間には、面状電子源７０９が配置され、制御電源７３９によってその動作がコントロールされる。面状電子源は、もっぱらＤＳＡパターンに対して加工のための照射を行うものとする。面状電子源７０９は観察のための電子源７０１と光軸を共有している。図８は同軸配置された面状原子源７０９の具体的な形態を示している。

【0052】

面状電子源７０９は円盤形状をなし中央に孔を有する円環型である。特に中央の孔と電子線７２０が共通の軸を持つことをもって、二つの電子源７０９と７０１が同軸配置されているとみなす。試料７１０の観察部位付近が均等加工できればよいので、面状電子源７０９の外径部は円形以外であっても本発明の特徴を損なうものではない。図８に示す通り、面状電子源７０９は放出面８０２と引き出し面８０３からなる。制御電源７３９は、面状電子源７０９の加速電圧を定める高圧電源８０５と、引き出し面８０３と放出面８０２の間の電位差を定め、電子線を引き出す高圧電源８０６からなる。

【0053】

図７の構成では、試料から発生する信号電子の大部分が面状電子源７０９に遮られ、検出器７０６まで届く電子の数はわずかである。この場合、図９に示すように、面状電子源７０９の外側に斜方検出器９０１を設置してもより。特に、第一の実施例で述べたとおり、斜方検出器による観察パターンのエッジ部検出が重要であるから、この斜方検出器９０１を主要な検出器とすることができる。

【0054】

あるいは、図１０に示す通り、面状電子源７０９を対物レンズ７０８および検出器７０６よりも電子源７０１側に設置してもよい。本構成により、信号電子１００１の効率的な検出が実現できる。この場合、面上電子源７０９が試料７１０を見込む角度が狭くなり、照射電子量が減ってしまう可能性がある。対物レンズ７０８あるいは別途付加するレンズによって面状電子源７０９からの照射電流を効率的に試料７１０へ導く必要がある。

【0055】

あるいは、図１１に示す通り、面状電子源７０９の配置する高さを、信号電子１１０１の集束点１１０２と同一になるように配置する構成も可能である。集束点１１０２が十分小さく、面状電子源７０９の中央の孔を通過することができる。この方法により、面状電子源７０９を検出器７０９よりも試料７０８側へ近づけて配置することが可能になり、照射電流を効率的に試料７１０へ導くことができる。

【実施例3】

【0056】

更に、他の実施例について図面を用いて説明する。図１２は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略図を示している。電子源１２０１は制御電源１２３１により、観察試料１２１１に対して負電位に保持されている。前記試料１２１１に対する前記電子源１２０１の電位をＶＰ（＜０）とする。引出電極１２０２は、前記制御電源１２３１に重畳した正電圧電源１２３２により、電子源１２０１よりも正電位ＶＰ１に設定され、電子線１２２０を引き出す。電子線１２２０は集束レンズ１２０３と対物レンズ１２０８を経て前記試料１２１１上へ照射される。観察試料１２１１上での電子線１２２０の直径は、レンズ制御回路１２３３および１２３８によって適切に制御される。また、電子線１２２０の電流量は、ファラデーカップ１２０５によって検知し、電流計測手段１２３５にて計測される。電子線１２２０は偏向制御回路１２３７によって動作する偏向器１２０７によって観察視野を走査される。電子線１２２０を試料１２１１から退避させるときには、ブランカ電源１２３４を用いてブランカ１２０４を動作させる。

【0057】

試料１２１１から発生した信号電子は、対物レンズ１２０８よりも電子源１２０１側に設置されたインレンズ検出器１２０６あるいは、特定方向に設置された斜方検出器１２１４によって検出され、信号処理装置１２３６あるいは１２４４で画像化して顕微鏡像を取得する。前記斜方検出器１２１４と前記試料１２１１の間には、エネルギーフィルタ１２１３が配置されている。エネルギーフィルタ１２１３のしきい電圧は、高圧電源１２４３によって制御される。

【0058】

試料１２１１と対物レンズ１２０８の間には、面状電子源１２０９が配置される。面状電子源１２０９の電位は、制御電源１２３９によって制御される。前記試料１２１１に対する面状電子源１２０９の電位をVFとする。さらに面状電子源１２０９はメッシュ状の引き出し面１２１０を有する。この引き出し面１２１０は、制御電源１２３９に重畳した高圧電源１２４０によって、面状電子源１２０９に対する引き出し面１２１０の電位ＶＦ１が制御される。面状電子源１２０９から試料１２１１へ照射される電子線は、専らＤＳＡパターンに対して加工のための照射を行う。面状電子源１２０９から試料１２１１へ照射を行わないとき、前記面状電子源１２０９と前記試料１２１１の間にブランカを設置することも原理的には可能である。しかし、照射面積が大きく、ブランカによる電子線偏向には困難が伴うため、前記電位差ＶＦを十分小さくするか正の値にして試料へ到達する電子数と低減させる方法、あるいは前記電位差ＶＦ１を十分小さくするか負の値にして面状電子源１２０９から放出される電子数と低減させる方法を用いる。

【0059】

次に図１３を用いて、面状電子源１２０９による加工のための電子線照射と、ＳＥＭ画像の取得を同時に行う方法について述べる。図１３は、図１２に示した面状電子源と斜方検出器の詳細に示したものである。なお、必ずしも斜方検出器を使用する必要はなく、インレンズ検出器１２０６による類似の構成による実施も可能である。

【0060】

加工のための照射とＳＥＭ画像の取得を同時に行う場合、電子線１２２０だけでなく、加工のために照射された電子線１３０３も試料１２１１から信号電子１３０４を発生させる。ＳＥＭ画像の空間分解能は、電子線１２２０の試料１２１１上における直径で決まる。加工のための電子線１３０３の空間的な広がりは、電子線１２２０の直径よりも十分大きいため、加工のための電子線１３０３が発生させる信号電子は高い空間分解能を与えることはできず、両電子線によって発生させられた信号電子が同時に検出されるとＳＥＭ画像の分解能は劣化する。この問題を避けるため、電子源１２０１の電位ＶＰを面状電子源１２０９の電位ＶＦよりも負電位に設定する（ＶＰ＜ＶＦとする）。

【0061】

これにより、観察のための電子線１２２０が、試料１２１１に入射する際に有する運動エネルギーは、加工のための電子線１３０３が、試料１２１１に入射する際に有する運動エネルギーよりも大きくなる。従って、観察のための電子線１２２０によって発生した信号電子の最大エネルギーＥＰは、加工のための電子線１３０３によって発生した信号電子の最大エネルギーＥＦよりも必ず大きくなる（ＥＰ＞ＥＦ）。

【0062】

次に前記エネルギーフィルタ１２１３のしきい電圧Ｅｔｈを、ＥＰ＞Ｅｔｈ＞ＥＦとなるように選んでおけば、斜方検出器１２１４に検出されるフィルタ後の信号電子１３０５は、観察のための電子線１２２０によって発生させられた電子のみから構成されることになる。以上の方法により、像質を劣化させることなく、加工と観察を同時に効率よく実施することができる。

【実施例4】

【0063】

以下に説明する実施例は、主に試料パターンに荷電粒子線を走査して、試料の検査や測定を行う荷電粒子線装置に関する。観察する試料パターンはブロックコポリマーおよびブレンドされたポリマーがガイドパターンに誘導組織化によって形成されるコンタクトホールやビアパターンである。

【0064】

一般的な半導体デバイスでは回路パターンを複数層に渡って形成する。それら各層の回路パターンを接続するためにビアやコンタクトホールが形成される。ビアやコンタクトホールは下層のトランジスターと回路配線、その他の素子と回路配線、配線同士などさまざまな接続に用いられる。従来のビアパターンやコンタクトホールを製造する工程では設計データで決められた位置およびサイズでリソグラフィとエッチングを順に実施する方法が一般的である。最新の液浸リソグラフィとドライエッチングでは約３０ｎｍ前後のビアパターンの形成が可能であるが２２ｎｍノード以降のビアパターンを解像するためには従来の光学式リソグラフィを用いることは難しくなってきている。このような半導体デバイスパターンの微細化の根本的な問題に対して２重露光や超解像技術、ＥＵＶ露光や電子線露光などさまざまな取り組みがなされているが現時点で全面的に製造コストや技術レベルの点で量産の要求を満たしていない。

【0065】

ブロックコポリマーやブレンドされたポリマーによる誘導組織化を用いたパターンニング技術は高価な露光装置を用いることなく微細なパターンの形成が可能である。特にガイドとなるホールパターンを用いたＤＳＡホールの形成においてはパターンの位置を制御しながら微細なホールパターンを生成することが可能となってきている。

【0066】

基板上に光学リソグラフィとエッチングによって形成されたガイドとなるホールパターンにブロックコポリマーやブレンドされたポリマーを塗布してアニールすると誘導組織化現象によって円筒状にポリマーが分離する。その後、現像によって一方のポリマーが取り除かれ、エッチング工程を経てホールのパターニングが完成する。

【0067】

誘導組織化後の状態において現像の代わりに荷電粒子線を照射することによって荷電粒子線に反応しやすいポリマー成分(例えばＰＭＭＡなど)がシュリンク現象によってパターニングされる。このように現像前に荷電粒子線を照射する検査装置によっても局所的に分離したＤＳＡパターン画像を得ることができる。

【0068】

このようにして得られた画像からＤＳＡホールの径やガイドパターンと形成されたＤＳＡホールの位置ずれなどを計測して評価することができる。

【0069】

評価結果に問題なければ現像工程を実施し、エッチング工程を経てホールパターンが形成される。評価結果がよくなければリワークを実施したり前の工程の製造装置の条件を変更して再度パターンを形成する。このように荷電粒子線による微細なホールパターンの計測や評価によって得られた情報を製造装置へフィードバックすることで半導体工程の歩留まりや品質の向上が図れる。

【0070】

測長ＳＥＭなどの半導体工程の検査に使用される荷電粒子線装置では自動運転のためにあらかじめ走査フレーム枚数など決定しておく必要がある。ＤＳＡ工程のパターンでは電子線を照射することでパターンエッジが観察できるようになるがシュリンク現象などの荷電粒子線とポリマー成分との相互作用は一般に不安定であるため、積算フレーム数の一意に決定することが困難である。このため登録したテンプレートを用いたテンプレートマッチング等によってパターン位置を検出することが困難となる。

【0071】

本方式において荷電粒子線装置の特性上、信号ノイズ比は低く、少ない加算信号によって信号とノイズを分離してパターンエッジを検出することは難しい。

【0072】

ＤＳＡ工程では前述のように一定時間、荷電粒子線を照射しないと画像が安定しないため、最適な画像取得前の電子線照射時間を決めることが困難である。

【0073】

登録したテンプレートを用いてパターン検出する場合でもＤＳＡ工程で観察されるパターンが荷電粒子線の照射によって変化しやすいことから位置ずれ発生させる可能性があった。

【0074】

ＤＳＡ工程においてガイドパターンと形成されたＤＳＡパターンの位置ずれを計測してモニタすることが求められる。

【0075】

以下の実施例では、ブロックコポリマーやブレンドされたポリマーによる誘導組織化後の状態で荷電粒子線を走査し、走査箇所から放出される荷電粒子から得られる情報と評価基準に基づいてパターン位置を認識し、計測する走査電子顕微鏡について説明する。また、電子線を照射することによってＤＳＡ工程のパターンからの信号や画像の変化を捉えて評価値に基づいて積算フレーム数などの条件を決定する手法についても説明する。

【0076】

評価値を信号強度や画像の輝度変化、エッジ先鋭度やエッジ連続性を適切に組み合わせて使うことで計測範囲やパターン位置を検出する例についても説明する。

【0077】

パターンエッジ信号とノイズを分離する目的でＤＳＡパターン荷電粒子線照射初期段階の画像からあらかじめ分散値などのノイズレベルを計測しておき、評価基準として用いる例についても説明する。

【0078】

ガイドパターンのエッジやＤＳＡパターンの輝度が安定する時間をＤＳＡ工程のパターンからの信号や画像の変化を捉えて決定する例についても説明する。

【0079】

テンプレートを登録してパターン検出する場合でもＤＳＡ工程の不安定なパターン信号を使わず、エッチング後のガイドパターン画像や設計データから生成される疑似画像をテンプレートとして登録し、パターン検出に用いる例についても説明する。

【0080】

上記構成によれば、ブロックコポリマーやブレンドされたポリマーによる誘導組織化後の状態でパターン位置を認識し、計測することが可能となる。本方式では計測範囲は自動で設定される。

【0081】

荷電粒子線装置の自動運転時にＤＳＡ工程のパターンを撮像する際、適切なフレーム数やプリドーズ時間を決定することができる。また、複数の評価値を用いることで安定したパターン位置検出や計測が可能となる。さらにＤＳＡパターン荷電粒子線照射初期段階の画像からノイズレベルを計測しておきパターンエッジ信号とノイズを分離することでパターンの誤検出を減らすことができる。

【0082】

テンプレートを登録して自動運転する場合は、エッチング後のガイドパターン画像や設計データから生成される疑似画像をテンプレートとして登録し、パターン検出に用いることで安定したパターン検出が可能となる。

【0083】

図１８は走査型電子顕微鏡の構成概要のブロック図である。全体制御部１８２５はユーザーインターフェース１８２８から作業者によって入力された電子の加速電圧、ウェーハ１１１の情報、観察位置情報などを基に、電子光学系制御装置１８２６、ステージ制御装置１８２７を介して、装置全体の制御を行っている。ウェーハ１８１１は図示されない試料搬送装置を介して、試料交換室を経由した後試料室１８１３にあるステージ１８１２上に固定される。

【0084】

電子光学系制御装置１８２６は全体制御部１８２５からの命令に従い高電圧制御装置１８１５、第一コンデンサレンズ制御部１８１６、第二コンデンサレンズ制御部１８１７、二次電子信号増幅器１８１８、アライメント制御部１８１９、偏向信号制御部１８２２、対物レンズ制御部１８２１を制御している。

【0085】

引出電極１８０２により電子源１８０１から引き出された一次電子線１８０３は第一コンデンサレンズ１８０４、第二コンデンサレンズ１８０６、対物レンズ１８１０により収束され試料１８１１上に照射される。途中電子線は絞り１８０５を通過し、アライメントコイル１８０８によりその軌道を調整され、また、偏向信号増幅器１８２０を介して偏向信号制御部１８２２から信号を受けた偏向コイル１８０９により試料上を二次元的に走査される。ウェーハ１８１１への一次電子線１８０３の照射に起因して、試料１８１１から放出される二次電子１８１４は二次電子検出器１８０７により捕捉され、二次電子信号増幅器１８１８を介して二次電子像表示装置１８２４の輝度信号として使用される。二次電子像表示装置１８２４の偏向信号と、偏向コイルの偏向信号とは同期しているため、二次電子像表示装置１８２４上にはウェーハ１８１１上のパターン形状が忠実に再現される。

【0086】

また、パターンの寸法計測に使用する画像を作成するため、二次電子信号増幅器１８１８から出力される信号を画像処理プロセッサ１８２３内でＡＤ変換し、デジタル画像データを作成する。さらにデジタル画像データから二次電子プロファイルを作成する。本実施例では画像処理プロセッサ１８２３のような演算装置を用いて、後述するような積算対象となる画像データの選択が行われる。また、演算装置や制御部を含めて単に制御装置と称することもある。

【0087】

作成された二次電子プロファイルから計測する範囲を、手動、もしくは一定のアルゴリズムに基づいて自動選択し、選択範囲の画素数を算出する。一次電子線１８０３により走査された観察領域の実寸法と当該観察領域に対応する画素数から試料上での実寸法を計測する。

【0088】

なお、以上の説明では荷電粒子線装置の一例として、電子線を用いる走査型電子顕微鏡を例にとって説明したが、これに限られることはなく、例えばイオンビームを用いるイオンビーム照射装置であってもよい。

【0089】

図１９にガイドパターン付きＤＳＡホールパターン計測に用いられる代表的なパターン画像の模式図１９００を示す。ＤＳＡホールパターン画像の模式図１９００には４つのガイドパターン付きＤＳＡホールパターン(１９０１、１９０２、１９０３、１９０４)がある。ガイドとなるホールパターン(１９１１、１９１２、１９１３、１９１４)は一般に従来の光学式の露光装置によるリソグラフィ工程とエッチング工程によって形成される。通常ＤＳＡホールパターン(１９２１、１９２２、１９２３、１９２４)はブロックコポリマーやブレンドされたポリマーを塗布した後、アニール工程でポリマーが分離することによって誘導組織化される。その後、現像によって１つのポリマーが取り除かれエッチング工程を経てパターニングが完成する。しかしながら誘導組織化後の現像の代わりに電子線を照射することによって電子線に反応しやすいポリマー(例えばＰＭＭＡなど)がシュリンク現象によってもＤＳＡホールのエッジが見えるようになる。このように現像前に電子線を照射する検査装置によっても局所的(検査点のみ)に分離したＤＳＡパターン画像を得ることができる。なお、以下ではブロックコポリマーについて記載しているがブレンドされたポリマーに関しても同様である。

【0090】

図２０はブロックコポリマーを塗布したＤＳＡホールパターンに電子線を照射した場合にＤＳＡホールが映像化される様子をフレームごとの画像を示した模式図である。電子線照射前の画像２０００から徐々にガイドパターンとＤＳＡホールパターンが現れてくる様子を示す(２０００、２０１０、２０２０、２０３０、２０４０、２０５０)。電子線を照射した直後の画像２０００ではガイドパターンもＤＳＡホールもほとんど観察できない。電子線を十分照射した画像２０５０ではガイドパターンホールのエッジ２０５２とブロックコポリマーが分離した後のＤＳＡホールパターンのボトム部２０５３がはっきりと観察できるようになる。ここではホールパターンのフレーム画像ごとの図を示したがラインパターンの場合は１ラインスキャンごとの信号プロファイルでもよい。またフレームを加算平均した画像を数枚おきに使用してもよい。

【0091】

図２１は図２０で説明したフレームごとの画像において、前後の画像の差分を計算した画像である。差画像２１１０はフレーム画像２０１０から２０００を引いて求めた画像であり、同様に差画像２１２０はフレーム画像２０２０から２０１０を、差画像２１３０はフレーム画像２０３０から２０２０をそれぞれ引いて求めている。差画像２１５０はフレーム画像２０５０からフレーム画像２０４０を引いて求めているがその輝度値は０に近い値となっている。これはフレーム画像２０５０とフレーム画像２０４０でほとんど変化がなかったことを示している。本特許ではこの変化を捉えてフレーム数やガイドパターン位置およびＤＳＡパターン位置を検出する。このように同じ対象物に対するビーム走査の過程で抽出された複数の画像間の比較を行うことによって、適正な装置条件の選択が可能となる。異なるフレーム数によって得られた複数の画像は、基本的には同じ対象物であり、言わば自己相関評価を行っていることになる。例えば、予め参照画像を用意しておき、その参照画像との比較に基づいて装置条件を選択する場合等に比較して、高精度な評価を行うことが可能となる。

【0092】

図２２は図２０のフレーム画像から求めた評価値(例えば画素分散)をプロットしたグラフ２２００である。プロット点２２１０は図２０の画像２０００の評価値であり、プロット点２２１１は画像２０１０の評価値である。以下、同様にプロット点２２１２は画像２０２０の評価値、プロット点２２１３は画像２０３０の評価値、プロット点２２１４は画像２０４０の評価値、プロット点２２１５は画像２０５０の評価値である。電子線を照射して徐々にパターンが鮮明になるにつれて評価値が大きくなり（２２１１、２２１２）、十分に電子線が照射されると評価値の変化は飽和している（２２１３、２２１４、２２１５）様子が分かる。

【0093】

図２１の差画像から求めた評価値(例えば輝度積算値)をプロットしたものを図２３に示す。プロット点２３１０は図２１の画像２１１０の評価値であり、プロット点２３１１は画像２１２０の評価値である。以下、プロット点２３１２は画像２１３０の評価値、プロット点２３１３は画像２１４０の評価値、プロット点２３１４は画像２１５０の評価値である。電子線が照射される始めた直後は画像の変化が大きいためプロット点２３６１０やプロット点２３１１の評価値は大きい値となっている。画像の変化が飽和する後半(プロット点２３１２、プロット点２３１３、プロット点２３１４)では徐々に一定の評価値に収束していることが分かる。

【0094】

以上のような電子線の照射によるブロックコポリマーが分離してく様子を捉えた評価値を利用してガイドパターンとＤＳＡホールパターンの位置を検出する手順を図２４に示す。

【0095】

ステージ１８１２を駆動して計測パターンの存在するウェーハ上の位置へ視野を移動する（Ｓ２４０１）。倍率等の撮像条件を設定した後（Ｓ２４０２）、電子線をスキャンしながら（Ｓ２４０３）画像を取得する（Ｓ２４０４）。取得した画像は画像処理プロセッサ１８２３に転送され、画像処理プロセッサ１８２３において各画像に対する評価値を計算する（Ｓ２４０５）。評価値は例えば画像分散値や微分画像の画素値の総和などを使用する。対象とする領域は全画素値でもよいし、パターンを認識した後のエッジ部の画素値を選択的に使用して計算してもよい。

【0096】

各画像の評価値に対してあらかじめ決めておいたしきい値に対する条件に従ってスキャン、画像取得、評価値の計算を繰り返す（Ｓ２４０６）。評価値がしきい値に対して判定条件を満たした場合、積算画像を作成する（Ｓ２４０７）。図２２の場合、しきい値２２４０以上となったフレーム数の区間２２５０の評価値２２１３、２２１４、２２１５に対するフレーム画像２０３０、２０４０、２０５０を加算平均した画像を出力する。

【0097】

図２３の差画像から求められた評価値を使う場合、しきい値２３４０以下となったフレーム数２３３０以降の区間２３５０に含まれるフレーム画像２０３０、２０４０、２０５０を加算平均した画像を出力する。

【0098】

即ち、図２４の例では、シュリンク量が所定の値以下となるまでのフレーム数が、特定ポリマーを収縮、及びその経過をモニタするためのものであり、それ以降のフレームによって得られる信号が、測定用画像を形成するための積算対象となる。このような条件を制御装置内等に設けられた記憶媒体に、ＤＳＡパターンの種類に関連付けて記憶させておくことによって、後に対象パターンに応じた適切な装置条件を読み出すことが可能になる。

【0099】

次にガイドパターン中心およびＤＳＡホールパターン中心を検出する方法を説明する。まず図２２において、しきい値２２４０以下となったフレーム数の区間２２６０または図２３のしきい値２３４０以上となったフレーム区間２３６０に対する図２３の評価値２３１０、２３１１、２３１２に対応する差画像を積算した図２５のような画像２５８００を作成する。ガイドパターン部のエッジ２５８０２およびＤＳＡホールパターン部２５０３のように電子線照射による輝度値の変化が大きい部分がパターンエッジとして輝度が高くなる。

【0100】

差画像の累積加算画像２５８００からホールパターンの中心位置を検出する（Ｓ２４０８）。中心位置の検出にはブロブ抽出後の重心や一般化ハフ変換によってガイドパターンのエッジとＤＳＡパターンのエッジを別々に検出することができる（Ｓ２４０９）（Ｓ２４１０）。ブロブを解析することでエッジの連続性を評価値とすることも可能である。画像の空間微分から微分強度を算出して、エッジ位置における微分強度のばらつきを評価値とすることも可能である。エッジの連続性、微分強度のばらつきを評価値として用いる方法はラインパターンでも応用が可能である。また一般化ハフ変換によればハフ空間の累積値を評価値として用いることができる。

【0101】

ホールパターン中心を検出する別の方法としては、あらかじめ登録しておいたパターンのテンプレートとのマッチング等でホールパターンの中心位置を検出することもできる。この場合、あらかじめ登録する画像は電子線を十分に照射後の画像２０５０のような画像をテンプレートとして使用する。

【0102】

図２２で説明した評価値は画素分散であったがテンプレートマッチングを実行する場合は相関値を評価値として使用することもできる。

【0103】

テンプレートを用いたホールパターン中心を検出する別の方法として図２６に示すようなテンプレートに設計データから生成したエッジ輪郭線２６０１やポリマー塗布前のガイドパターンの画像２６０２を使用することもできる。設計データを用いる場合はパターンのエッジ情報のみとなるので積算した差画像２６００とマッチングを実施して中心位置を検出する。ポリマー塗布前のガイドパターン画像を使用する場合もソーベルフィルタなどの微分フィルタを適用したエッジ強調画像２６０３をテンプレートとして使用し差画像２５００とマッチングを実施して中心位置を検出する。中心位置を検出した後、測長カーソルを配置し（Ｓ２４１１）、測長を実行する（Ｓ２４１２）。図２０のように画像内に複数のパターンが含まれる場合はすべてのパターンに対して（Ｓ２４０９）〜（Ｓ２４１２）を実施する。中心位置と測長カーソルとの位置関係を予め登録しておくことによって、測長対象となるホールのエッジ部分に正確に測長ボックスを設定することが可能となる。

【0104】

図２４のフローにおいて撮像条件をあらかじめ記憶しておき、自動運転時に再現してスキャンを実行することもできる。この場合、図２２のしきい値２２４０以下となったフレーム数２２３０または図２３のしきい値２３４０以上となったフレーム区間６３０からプリドーズするフレーム数やフレーム数から換算した時間を撮像条件としてすることも可能である。

【0105】

ＤＳＡパターンのエッジ強度が弱く検出が困難な場合の検出について図２７に示す。まず、ガイドパターン（２７０２）のみをエッジ検出しガイドパターンの重心を求め（２７０４）、その重心を基準として放射状にＤＳＡパターンのエッジを検出する(図２７)。角度方向を横軸に半径方向を縦軸にしてグラフを描くと２７０５のようになり、この波のうねりを検出すればエッジのばらつきを評価することが可能である。エッジが安定していない場合、２７０５のようにエッジ位置のばらつきが大きいいが、２７０６、２７０８のようにエッジが安定してくるとエッジの変化が緩やかになる(２７０７,２７０９)。このようにエッジのばらつきをモニタすることで、パターンが安定してきてから画像積算を開始することが可能である。

【0106】

これまで説明したＤＳＡパターンの計測に関して、計測に必要なパラメータを設定するユーザーインターフェースの例を図２８に示す。評価値しきい値は、図２２(２２３０)、図２３(２３３０)で積算開始枚数を設定するしきい値として設定する。自動判定を実行する場合はＡｕｔｏ(２８０２)にチェックをつけ、手動で設定するにはそのしきい値を設定する(２８０３)。Ｆｒａｍｅ数は図２２(２２５０),図２３(２３５０)における計測画像の積算Ｆｒａｍｅ数を設定する。自動で実行する場合は、Ａｕｔｏ（２８０５）、手動で実行する場合はＭａｎｕａｌ（２８０６）を設定する。Ｐａｔｔｅｒｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ（２８０７）では、ガイドパターン（２８０８）、ＤＳＡパターン（２８０９）の最小許容サイズ、最大許容サイズ、ガイドパターンとＤＳＡパターンの重心ずれ許容値（２８１０）を設定する。これらの値が許容値範囲外の場合は計測エラーとすればパターンサイズ、ずれ量をリアルタイムモニタできる。

【符号の説明】

【0107】

１０１ シリコンウェハ
１０２ ガイドパターン
１１０ 複合ポリマー材
１１１ ポリマー
１１２ ポリマー
２０１ 電子源
２０２ 引出電極
２０３ 集束レンズ
２０４ ブランカ
２０５ ファラデーカップ
２０６ インレンズ検出器
２０７ 偏向器
２０８ 対物レンズ
２０９ 斜方検出器
２１０ 観察試料
２１１ 試料ステージ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】