膜厚度测量设备与膜厚度测量方法

摘要

一种测量薄膜厚度的设备，它使第一能量和第二能量的电子束轰击形成在硅衬底上的待测量薄膜，并测量在第一能量的电子束轰击衬底时，在衬底内流动的电流的第一衬底电流值和在第二能量的电子束轰击衬底时，在衬底内流动的电流的第二衬底电流值。该薄膜测量设备获得表示膜厚度与作为变量的基准函数之间关系的基准数据，该基准函数具有在第一能量的电子束轰击标准采样时的衬底电流和第二能量的电子束轰击标准采样时的衬底电流，该薄膜测量设备还考虑基准数据，根据第一和第二衬底电流值计算在测薄膜的厚度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用电子束测量待测量膜的厚度的设备以及一种利用电子束测量待测量膜的厚度的方法。

背景技术

在过去，例如，在第H6-273297号日本未审专利公开(KOKAI)披露的方法中，在使采样的厚度变薄以使采样具有类似于通过对采样辐照离子束配置的薄膜时，在对采样辐照离子束的同时，对其辐照电子束，并利用法拉第圆盘检测通过采样的电子束以避免过渡腐蚀采样。

第H8-5528号日本未审专利公开(KOKAI)披露了一种技术，该技术利用离子束处理设备使采样用于传输电子显微镜，并且在电子束照射到待处理的位置上时，检测通过处理部分的电子束的电流量以控制处理的离子束量。

然而，在第H6-273297号和第H8-5528号日本未审专利公开(KOKAI)披露的方法中，待测量的采样必须薄到这样的厚度，以致电子束可以通过它，这样难以测量形成在支持衬底上的薄膜的膜厚度，如在传统半导体器件中的支持衬底。

为了解决相关技术中的上述问题，本发明的发明人已经成功开发出一种技术，该技术用于在使电子束轰击或照射成型在支持衬底上的薄膜时，通过测量流过衬底的衬底电流值，计算待测量薄膜的膜厚度，以及根据基准数据计算薄膜的膜厚度，而且本申请人已经提交了一份关于此技术的专利申请(第2000-180143号日本未审专利公开(KOKAI))。

在此方法中，不是测量通过采样的电子束的数量，而是直接从衬底测量衬底电流值，因此，甚至可以测量成型在支持衬底上的薄膜的厚度。

附图中的图1示出了第2000-180143号日本未审专利公开(KOKAI)披露的膜厚度测量设备的方框图。该设备具有：电子枪3，将电子束照射到衬底1的薄膜2上；电极4，与衬底1的底部接触设置该电极4；以及电流测量部分5，用于测量在电极4采集的衬底电流值。

利用电流放大器6和差动放大器7对在电流测量电极5测量的电流进行调节，并利用A/D转换器9将该电流转换为数字信号。

膜厚度测量设备还具有：测量电流存储部分10，用于存储被转换为数字信号的测量电流值；校准曲线数据存储部分11，用于存储利用现有标准采样测量的校准曲线数据；以及校准曲线数据比较器12，用于将校准曲线数据与测量电流值进行比较。

具有上述配置的膜厚度测量设备能够测量膜的膜厚度，而且还适于测量薄膜的膜厚度，更适于测量超薄膜的厚度。

第2000-180143号日本未审专利申请所述的发明采用如下原理。

当用几百keV(电子伏特)和几个keV的低能电子束轰击采样时，采样表面附近区域发射二次电子。

一般来说，导体和半导体的二次电子发射能力通常低，而绝缘体具有大的二次电子发射能力。

例如，与硅具有的约0.9的二次电子发射能力相比，属于绝缘体的氧化硅膜具有约2的二次电子发射能力。

因此，在使电子束辐射到在其硅衬底表面上形成由氧化硅膜构成的薄膜的半导体器件上时，氧化硅膜发射更多的二次电子。

在发生此现象时，电子从硅衬底流入氧化硅膜以对氧化硅膜发射的二次电子进行补偿。

也就是说，衬底电流流过硅衬底，该衬底电流是因为电子束轰击硅衬底产生的电流与在相反方向流过衬底的补偿电流之和。

图2是上述原理的图解说明。

如图2(a)所示，在由氧化硅构成的薄膜形成在硅衬底上的情况下，如果电子束中的一个电子轰击其表面，则氧化硅膜发射两个电子作为二次电子。

因为氧化硅膜发射一个电子，所以为了对氧化硅膜发射的电子进行补偿，从该硅衬底流入氧化硅膜一个电子。

在这种情况下，衬底电流以与电子束产生的电流方向的相反方向在硅衬底中流动。

另一方面，如图2(b)所示，在硅衬底上没有氧化硅膜情况下，当一个电子束电子轰击衬底表面时，硅衬底发射0.9个电子作为二次电子发射。

为此原因，其电子量为从这样轰击衬底产生的电子量中减去释放的电子量获得的电子量的衬底电流以该电子束产生的电流方向相同的方向在衬底中流动。

如上所述，因为在硅衬底上没有氧化硅膜时发射的二次电子少，所以此电流的主要部分来源于电子束，但是由于增加了氧化硅膜的膜厚度，所以也提高了补偿电流。

然而，因为提高了属于绝缘体的氧化硅膜的电阻值，所以当氧化硅膜的厚度进一步提高时，补偿电流难以流过，因此降低了衬底电流。

图3示出说明衬底电流值与膜厚度之间关系的曲线图。

如图3(a)所示，如果将以电子束引起的电流方向流动的电流看作正向电流，所以在氧化硅膜的厚度达到预定厚度d之前，负向电流在增加，此后，衬底电流值降低并收敛到0。

因为第2000-180143号日本未审专利公开(KOKAI)解决了测量栅极氧化物膜等的问题，栅极氧化物膜具有几纳米的较薄厚度，例如超薄膜，如图3(b)所示，衬底电流值与薄膜的膜厚度之间具有1∶1的关系。

然而，对于从几十纳米到几千纳米范围内的较厚厚度，因为衬底电流值与膜厚度之间的关系变成1∶2，如图3(a)所示，所以我们发现存在的问题是，在测量衬底电流时，所测量的衬底电流值不具有唯一薄膜厚度。

不仅在测量超薄膜的厚度时，而且在测量大厚度范围膜的厚度时，应用第2000-180143号日本未审专利公开(KOKAI)披露的方法也存在上述问题。

为了解决上述问题，本发明对第2000-180143号日本未审专利公开(KOKAI)披露的技术进行了改进。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供用于测量成型在衬底上的膜(包括薄膜)的膜厚度的技术，具体地说，本发明提供了一种对大厚度范围膜的膜厚度进行测量的技术。为了实现本发明的上述目的，本发明采用以下基本技术内容。

具体地说，本发明提供了一种在电子束辐射成型在衬底上的待测量膜时，利用在衬底内流动的电流的衬底电流值，对成型在衬底上的膜的膜厚度进行测量的方法。

本发明的基本技术概念是一种利用在电子束辐射形成在衬底上的待测量膜时，在衬底内流动的电流的衬底电流值，对形成在衬底上的膜的膜厚度进行测量的方法，其中具有第一能量的第一电子束和具有不同于所述第一能量的第二能量的第二电子束分别照射其材料与成型在所述衬底上、事先已知特定厚度的待测量所述膜的材料相同或接近的膜的标准采样，以分别检测第一标准衬底电流值和第二标准衬底电流值，从而获得表示衬底电流值与膜标准采样的厚度之间的相关关系的基准数据；并且其中，第一和第二电子束分别照射形成在衬底上的待测量膜，以分别检测第一测试衬底电流值和第二测试衬底电流值；并且其中，以规定的计算方式，对第一和第二测试衬底电流值以及基准数据进行处理，计算待测量膜的厚度。

更具体地说，根据本发明用于测量形成在衬底上的膜的厚度的方法包括如下处理过程，例如：

获得表示作为变量的基准函数与膜标准采样的膜厚度之间关系的基准数据，该基准函数包括在第一电子束照射膜标准采样时的第一标准衬底电流值以及第二电子束照射膜标准采样时的第二标准衬底电流值；

获得在第一电子束照射形成在衬底上的待测量膜时在衬底内流动的电流的第一测试衬底电流值；

获得在第二电子束照射形成在衬底上的待测量膜时在衬底内流动的电流的第二测试衬底电流值；以及

考虑基准数据，根据第一测试衬底电流值和第二测试衬底电流值，计算待测量膜的膜厚度。

在上述根据本发明的膜厚度测量方法中，在获得基准数据的步骤中，基准函数保持f(a，b)的形式(其中a和b分别表示在第一和第二电子束分别照射标准采样时的各个标准衬底电流)，并且膜的标准采样的厚度d与基准函数f(a，b)之间的关系保持d＝Γ[[f(a，b)]形式。

并且进一步在计算膜厚度的步骤中，通过将第一测试衬底电流值和第二测试衬底电流值分别代入等式d＝Γ[f(a，b)]的a和b，计算在测膜的膜厚度d。

根据该方法，即使膜厚度落入不能在给定能量的衬底电流值与膜厚度之间建立1∶1关系的范围内时，利用分别具有互相不同的相应能量的多个电子束，可以在作为变量的、具有在多个电子束能量下获得的各个衬底电流值的函数与膜厚度之间建立1∶1的相关性，从而测量大范围的膜厚度。

衬底电流是因为电子束照射硅衬底产生的电流与表示为了补偿电子束照射膜时该膜发射的二次电子而从衬底流入膜的电子量的补偿电流之和。

衬底电流值可以是通过测量在电子束照射待测量膜时，在衬底内流动的衬底电流获得的原始数据，而且还可以是通过进行放大等调节上述数据获得的数据，作为一种选择，还可以是通过将上述数据转换为数字信号获得的数据。衬底电流值还可以进一步是根据测量的衬底电流值求得的任何其它形式的数据。

在此方法中使用的电子束的能量(加速电位)最好是这样的程度，即该电子束不通过衬底，例如至多约为10keV。

优选地，该方法应用于测量绝缘膜，但是并不局限于绝缘膜，而且该方法可以用于测量：在电子束照射该膜时其材料可以发射的二次电子的数量大于照射电子的数量的膜的膜厚度、在其厚度超过规定膜厚度时其材料的电阻值可以升高的膜的膜厚度、或者其材料具有这两种特性的膜的膜厚度。

该方法还可以进一步用于测量形成在半导体衬底或导体衬底上的薄膜的膜厚度。

基准函数可以是反映第一和第二衬底电流值之间差值的函数，并且本发明的计算步骤可以以基准函数相同的方式计算第一与第二衬底电流值之间的差值，并通过将该计算的差值与基准函数进行比较，计算膜的厚度。

在这种情况下，术语差值可以指衬底电流值之间的差值和比值，而且可以是表示这些衬底电流值之问的差值部分的任何函数。

基准函数可以是每个衬底电流值之间的差值，并且计算步骤可以计算第一衬底电流值与第二衬底电流值之间的差值，而且通过将该计算差值与基准函数进行比较，计算膜厚度。

在根据本发明获得第一测试衬底电流值的所述步骤，可以根据第一测试衬底电流值，获得表示具有第一能量的电子束照射待测量膜的位置的位置信息，而在根据本发明获得第二测试衬底电流值的步骤，还可以根据第二测试衬底电流值，获得表示具有第二能量的电子束照射待测量膜的位置的位置信息。

在根据本发明计算膜厚度的步骤中，分别根据对应于同一个位置的第一测试衬底电流值和第二测试衬底电流值，计算在测膜的厚度。

请注意，在根据本发明测量膜厚度的方法中，利用分别具有互相不同的、事先已知厚度的多个膜的标准采样获得作为根据本发明的基准函数的一部分的、表示衬底电流与膜标准采样厚度之间关系的基准数据。

如上所述，根据本发明，为了测量膜厚度，利用表示第一电子束和第二电子束分别照射待测量膜的位置的位置信息，分别测量第一测试衬底电流值和第二测试衬底电流值。

更特别的是，如上所述，在本发明中，基准函数是每个标准衬底电流值之间的差值，并且该计算步骤计算第一测试衬底电流值与第二测试衬底电流值之间的差值，并通过将测试衬底电流值的计算差值与基准函数进行比较来确定膜厚度。

此外，如上所述，在根据本发明测量膜厚度的方法中，该方法包括如下步骤，例如：

在获得第一测试衬底电流值的步骤中，获得与第一测试衬底电流值具有相关关系的、表示第一电子束照射待测量膜的位置的位置信息。

在获得第二测试衬底电流值的步骤中，获得与第二测试衬底电流值具有相关关系的、表示第二电子束照射待测量膜的位置的位置信息。

在计算膜厚度的步骤中，利用分别对应于进行照射的一个和相同位置的第一和第二测试衬底电流值，考虑基准数据来计算待测量膜的厚度。

另一方面，在本发明中，基准函数可以是每个标准衬底电流值之间的比，且该计算步骤可以计算第一测试衬底电流值与第二测试衬底电流值之间的比值，并且通过将测试衬底电流值的计算比值与基准函数进行比较，来确定膜厚度。

接着，以下将对用于测量待测量膜厚度的测量方法的另一个实施例进行说明。

也就是说，本发明还提供了一种用于测量膜厚度的单独方法，该方法使用在使电子束照射形成在衬底上的在测膜时在衬底内流动的衬底电流值。

该方法具有：

获得表示在第一能量的第一电子束照射膜的标准采样时的第一标准衬底电流值与膜厚度之间关系的第一基准数据的步骤；

获得在第一能量的第一电子束照射形成在衬底上的待测量膜时，在衬底内流动的电流的第一测试衬底电流值的步骤；

根据第一测试衬底电流值，考虑第一基准数据，以提取在测膜的膜厚度候选值的步骤；

获得表示在具有不同于第一能量的第二能量的第二电子束照射膜标准采样时的标准衬底电流值与膜厚度之间关系的第二基准数据的步骤；

获得在具有第二能量的第二电子束照射形成在衬底上的待测量膜时，在衬底内流动的电流的第二测试衬底电流值的步骤；以及

根据第二测试衬底电流值，考虑第二基准数据，从膜厚度候选值中确认膜厚度。

根据该方法，即使在膜厚度落入不能在给定能量的衬底电流值与膜厚度之间建立1∶1关系的范围内时，可以根据给定能量的衬底电流值与膜厚度的相关性选择候选值，并且可以根据另一个能量的衬底电流值与膜厚度之间的相关函数唯一确定膜厚度，从而能够测量大范围的膜厚度。

本发明还提供了一种方法，该方法包括：

在具有第一能量的第一电子束照射膜标准采样情况下，获得表示第一标准衬底电流值与膜厚度之间关系的第一基准数据的步骤；

在第一电子束照射形成在衬底上的待测量膜时，获得在衬底内流动的第一测试衬底电流值的步骤；

在第一测试衬底电流值与第一基准数据内的多个膜厚度具有对应关系情况下，获得表示在具有不同于第一能量的第二能量的第二电子束照射膜标准采样时的第二标准衬底电流与膜厚度之间关系的第二基准数据的步骤；

在第二电子束照射膜标准采样时，进一步获得在衬底内流动的电流的第二测试衬底电流值的步骤；以及

根据第一测试衬底电流值和第二测试衬底电流值，考虑第一基准数据和第二基准数据，来计算膜厚度的步骤。

根据该方法，即使在膜厚度落入不能在给定能量的衬底电流值与膜厚度之间建立1∶1关系的范围内时，可以根据给定能量的衬底电流值与膜厚度的相关性选择候选值，并且可以根据另一个能量的衬底电流值与膜厚度之间的相关函数唯一确定膜厚度，从而能够测量大范围的膜厚度。

本发明还提供了一种利用在使电子束轰击成型在衬底上的待测量膜时在衬底内流动的电流的衬底电流值，测量膜厚度的设备。

对根据本发明用于测量膜厚度的设备进行配置，以使用在使电子束轰击形成在衬底上的待测量膜时在衬底内流动的电流的衬底电流值，该设备包括：

基准数据存储部分，用于存储表示作为变量的基准函数与膜的标准采样的膜厚度之间关系的基准数据，该基准函数具有在第一能量的第一电子束照射膜标准采样时的第一标准衬底电流值以及具有第二能量的第二电子束照射所述膜的标准采样时的第二标准衬底电流值；

电子束发射部分，可以使第一电子束和第二电子束分别照射形成在衬底上的在测膜；

电子束控制器，用于对电子束发射部分发射的各电子束的能量进行控制；

电流测量部分，用于测量在第一电子束照射形成在衬底上的待测量膜时，在衬底内流动的电流的第一测试衬底电流值；以及在第二电子束照射它时，在衬底内流动的电流的第二测试衬底电流值；

测量数据记录部分，用于分别记录与第一电子束有关的第一测试衬底电流值和与第二电子束有关的第二测试衬底电流值；以及

计算处理器，根据第一测试衬底电流值和第二测试衬底电流值，考虑基准数据，计算在测膜的厚度。

如上所述，所述基准数据存储部分保持基准函数为f(a，b)形式(其中a和b分别表示在第一和第二电子束分别照射膜标准采样时的第一和第二标准衬底电流)；并且膜的标准采样的厚度d与基准函数f(a，b)之间的关系保持d＝Γ[f(a，b)]的形式。

另一方面，计算处理器通过将第一测试衬底电流值和第二测试衬底电流值分别代入所述等式d＝Γ[f(a，b)]中的a和b，计算在测膜的膜厚度d。

根据该设备，即使膜厚度落入不能在给定能量的衬底电流值与膜厚度之间建立1∶1关系的范围内时，可以在作为变量的、具有在多个电子束能量下获得的各个衬底电流值的函数与膜厚度之间建立1∶1的相关性，从而能够测量大范围的膜厚度。

该设备进一步包括：入射位置控制器，该入射位置控制器控制电子束照射膜的入射位置；测量数据记录部分可以记录与电子束照射待测量膜的入射位置有关的第一和第二测试衬底电流值；以及计算部分，它可以根据与上述入射位置有关的第一和第二测试衬底电流值，计算入射位置的膜厚度。

电流测量部分可以包括电极，设置该电极以与衬底接触，而且电流测量部分可以测量流过电极的电流的测试衬底电流值。

基准数据存储部分可以存储反映第一和第二标准衬底电流值之间的差值的函数作为基准数据，而且计算部分可以以基准函数的相同方式计算第一测试衬底电流值与第二测试衬底电流值之间的差值，并可以通过将计算的差值与基准函数进行比较，来计算膜厚度。

基准数据存储部分可以存储每个标准衬底电流值之间的差值作为基准函数，而且计算部分可以计算第一测试衬底电流值与第二测试衬底电流值之间的差值，并可以通过将计算差值与基准函数进行比较，来计算膜厚度。

本发明还提供了一种程序，该程序使计算机执行利用在电子束照射到形成在衬底上的待测量膜上时而在衬底内流动的电流的衬底电流值，测量膜厚度的测量过程。

该程序使计算机执行如下过程，包括：

用于获得表示作为变量的基准函数与膜厚度之间关系的基准数据执行的处理过程，该基准函数具有在第一能量的第一电子束照射膜标准采样时的第一标准衬底电流值以及具有不同于第一能量的第二能量的第二电子束照射膜标准采样时的第二标准衬底电流值；

用于获得在第一电子束照射形成在衬底上的在测膜时在衬底内流动的电流的第一测试衬底电流值的处理过程；

用于获得在第二电子束照射形成在衬底上的在测膜时在衬底内流动的电流的第二测试衬底电流值的处理过程；以及

考虑基准数据，根据第一测试衬底电流值和第二测试衬底电流值，计算在测膜的厚度的处理过程。

在用于获得基准数据进行的处理过程中，基准函数保持f(a，b)的形式(其中a表示第一能量的第一电子束照射膜的标准采样时的第一标准衬底电流，而b表示在具有不同于第一能量的第二能量的第二电子束照射膜标准采样时的第二标准衬底电流)，并且标准采样的厚度d与基准函数f(a，b)之间的关系保持d＝Γ[f(a，b)]形式。

在计算膜厚度的处理过程中，根据本发明的程序通过将第一测试衬底电流值代入上述公式d＝Γ[f(a，b)]的a，并将第二测试衬底电流值代入上述公式d＝Γ[f(a，b)]的b，来计算膜厚度d。

本发明还提供了一种程序，该程序使计算机利用在使电子束照射形成在衬底上的待测量膜上时而在衬底内流动的电流的测试衬底电流值，进行测量膜厚度的测量过程。

该程序使计算机执行控制数据控制器的过程，该数据控制器包括：

基准数据获取装置，用于获得表示作为变量的基准函数与标准膜的膜厚度之间关系的基准数据，该基准函数具有在第一能量的第一电子束照射膜标准采样时的第一标准衬底电流值以及具有不同于第一能量的第二能量的第二电子束照射膜标准采样时的第二标准衬底电流值；

测量数据获取装置，用于获得在电子束照射形成在衬底上的在测膜时在衬底内流动的电流的测试衬底电流值；以及

计算处理装置，它考虑基准数据，根据获得的测试衬底电流值，来计算待测量膜的厚度。

更具体地说，根据本发明的程序使计算机执行下列过程，例如：

使基准数据获取装置获得基准数据的处理过程；

使测量数据获取装置获得在第一能量的第一电子束照射膜时在衬底内流动的电流的第一测试衬底电流值的处理过程；

使测量数据获取装置获得在具有不同于第一能量的第二能量的第二电子束照射膜时在衬底内流动的电流的第二测试衬底电流值的处理过程；以及

使计算处理装置考虑基准数据，根据获得的第一测量衬底电流值和第二测试衬底电流值，来计算在测膜的厚度。

本发明进一步提供了一种计算机可读媒体，在该计算机可读媒体上记录使计算机执行利用在使电子束照射形成在衬底上的待测量膜上时而在衬底内流动的电流的测试衬底电流值，以测量待测量膜的厚度的测量过程的程序。

可以在该记录媒体上记录使计算机执行下列过程的程序：

用于获得表示作为变量的基准函数与膜厚度之间关系的基准数据的处理过程，该基准函数具有在第一能量的第一电子束照射膜标准采样时的第一标准衬底电流值以及具有不同于第一能量的第二能量的第二电子束照射所述膜的标准采样时的第二标准衬底电流值；

用于获得在第一能量的第一电子束照射形成在衬底上的在测膜时在衬底内流动的电流的第一测试衬底电流值的处理过程；

用于获得在具有不同于第一能量的第二电子束照射形成型在衬底上的在测膜时在衬底内流动的电流的第二测试衬底电流值执行的处理过程；以及

用于考虑基准数据，根据第一测试衬底电流值和第二测试衬底电流值，计算在测膜的厚度执行的处理过程。

上述组成单元任意组合、对本发明所做的上述说明在方法、设备、系统、记录媒体以及计算机程序等之间所做的任何变换均属于本发明的有效方面。

附图说明

图1是示出过去膜测量设备的方框图。

图2是示出在电子束轰击成型在衬底上的膜时衬底电流在衬底内流动的原理的图解说明。

图3是示出衬底电流与膜厚度之间关系的图解说明的曲线图。

图4是示出在本发明实施例中测量衬底电流的测量过程的流程图。

图5是示出考虑基准数据，根据测量的数据计算所测膜的膜厚度的计算过程的流程图。

图6是示出根据本发明实施例的膜测量设备的方框图。

图7是采样的剖视图，利用膜测量设备测量其膜厚度。

图8是电子束扫描采样的图解说明。

图9是示出基准数据存储部分的内部配置的示意图。

图10是示出通过利用膜测量设备测量衬底电流获得的测量数据的示意图，将该测量数据记录到测量数据记录部分。

图11是示出存储在基准数据存储部分内的基准数据特定例子的示意图。

图12是示出存储在基准数据存储部分内的基准数据特定例子的  示意图。

图13是示出入射位置与衬底电流之间关系的曲线图。

图14是示出存储在基准数据存储部分内的基准数据例子的曲线图。

具体实施方式

以下将参考有关附图详细说明本发明实施例。

图4是示出作为本发明的第一实施例，在利用电子束照射衬底上  的膜时，测量衬底内流动的衬底电流的测量过程的流程图。

首先，设置将要照射在衬底上的膜的电子束的能量(步骤S10)。

接着，设定电子束照射形成在衬底上的膜上的位置(步骤S12)。

然后，在步骤S10和步骤S12设定的条件下，发射电子束以照射膜(步骤S14)。

随后，测量电子束照射膜时衬底内流动的衬底电流值(步骤S16)。

通过进行放大等过程调节衬底电流的测量值(步骤S18)，并记录调节后的衬底电流值作为与电子束的能量以及与电子束的照射位置有关的测量数据(步骤S20)。

此后，判定是否对所有要求范围完成了测量(步骤S22)，并且如果测量过程还未完成(步骤S22的“不是”结果)，则返回步骤S12，并设定必须进行电子束照射的新位置。

如果已经完成测量膜上的所有的要求位置(步骤S22的“是”结果)，则判定是否已经完成了对所有要求的能量的电子束进行测量(步骤S24)。

如果该测量过程还未完成(步骤S24的“不是”结果)，则返回步骤S10，在步骤S10设定新能量。

如果已经完成对所有要求能量的电子束进行测量(步骤S24的“是”结果)，则结束此测量过程。

在此测量过程中，尽管可以将电子束设置为任意数量的不同能量，但是必须至少设置为两个不同能量。

图5示出了考虑给定的基准数据，根据测量的数据计算在测膜的膜厚度的计算过程的流程图，基准数据表示作为变量的基准函数与膜的标准采样厚度之间的关系，其基准函数分别代表采用具有不同能量并分别照射膜的标准采样的各电子束的多种情况下的多个标准衬底电流。

首先，对于电子束照射的每个位置，对于各自分别具有互相不同能量电子束分别照射膜的各种情况，计算各衬底电流的差值(步骤S30)。

接着，读取基准数据(步骤S32)，并将衬底电流差值与基准数据进行比较(步骤S34)。

计算与衬底电流值差值的基准函数相关的膜的厚度(步骤S36)。

最后，将计算的膜厚度与电子束照射的位置的数据一起输出(步骤S38)。

以下将参考图6说明实现上述膜测量方法的薄膜测量设备的配置，结合图6，图6是示出根据本发明实施例的薄膜测量设备的方框图。

图6所示的薄膜测量设备18具有：电子束处理器20、电子束控制器40、偏转控制器42、晶晶片级控制器44、照射位置46、电流测量部分48、电流放大器50、差动放大器52、A/D转换器54、测量的数据记录部分56、计算处理器58、基准数据存储部分60、数字万用表62、CPU 64以及显示器66。

电子束处理器20具有：电子枪22，可以产生电子束；偏转部分24，用于偏转电子束以照射采样上的规定区域；晶片级26，保持采样；以及晶片级驱动器28，用于驱动晶片级26。

在此实施例中，电子束处理器20包括：电极30，设置在晶片级26上，用于检测流过待测膜采样的电流。

尽管未示出，但是电子束处理器20仍具有加速电位发生器，且电子束控制器40控制加速电位发生器，以便电子枪22发射具有规定加速电位的电子束。

偏转控制器42控制偏转部分24。晶片级控制器44控制晶片级驱动器28，以便将晶片级26移动到规定位置。

照射位置控制器46控制偏转控制器42和晶片级控制器44以对膜采样上的规定位置照射电子束。

尽管未示出，但是膜厚度测量设备18仍可以具有电子束运动装置，并且照射位置控制器46可以控制该电子束运动装置来移动电子枪，以便该电子束可以照射到膜采样上的规定位置。

电流测量部分48与电极30相连，并测量由电极30检测的衬底电流。

电流放大器50放大测量的衬底电流值。差动放大器52具有调节偏置(offset)的功能，并且消除导致膜厚度测量设备18产生泄漏电流的偏置，同时还对衬底电流值提供进一步放大。

差动放大器52利用没有电子束照射到膜采样上时的衬底电流值与存在电子束照射膜采样时的衬底电流值之间的差值来偏置电压补偿。

数字万用表62显示调节后的衬底电流值。

A/D转换器54将由差动放大器52调节后的衬底电流值转换为数字形式。测量数据记录部分56记录数字转换后的衬底电流值。

测量数据记录部分56从电子束控制器40等处获得诸如发射电子束加速电位的能量数据，并从入射位置控制器46获得关于电子束照射位置的位置数据。

测量数据记录部分56记录将这样获得的、与测量的衬底电流值有关的能量数据和位置数据。

基准数据存储部分60存储表示作为变量的基准函数与膜的标准采样厚度之间关系的基准数据，基准函数代表分别具有不同能量、具有互相不同加速电位的各电子束分别照射膜的标准采样的多种情况下的多个标准衬底电流。

利用膜厚度测量设备18，通过在电子束照射已知厚度的膜标准采样时测量的衬底电流值与已知膜厚度，获得基准数据。

构成作为标准采样一部分的膜的材料最好与待测膜34的材料相同，而且也可以由与膜34具有相同二次电子发射能力的不同材料构成。

在另一个例子中，可以利用考虑到待测膜和衬底32的二次电子发射能力的理论计算过程，确定基准数据。

在薄膜34由SiON构成情况下，通过对SiO₂和SiN测量的衬底电流值分别进行比例计算，可以确定基准数据。

根据测量的衬底电流值、考虑到存储在基准数据存储部分60内的基准数据，计算处理器58计算在测膜34的厚度。

CPU64控制整个膜厚度测量设备18。显示器66形式计算结果。

图7是示出根据本发明实施例的利用膜测量设备18测量的采样例子的剖视图。

如图7(a)所示，膜厚度测量设备18测量形成在衬底32上的、待测量膜(例如薄膜34)的厚度。

衬底32最好是导体或半导体。在此实施例中，衬底32由硅制成。

薄膜34优选地由其二次电子发射能力为1或更大的材料制成，这样，在电子束照射在薄膜34上时，膜采样发射的二次电子的数量超过在此辐照的电子的数量。

因为绝缘体的二次电子发射能力通常大于1，所以薄膜34优先为绝缘体。

例如，薄膜34可以由SiO₂(氧化硅膜、包括含有P或B的材料)、SiN(氮化硅膜)、SiON(氮氧化硅膜)、SiOF(加氟的氧化硅膜)、SiONF(加氟的氮氧化硅膜)、USG(非掺杂硅酸盐玻璃)、BPSG(硼磷硅玻璃)、PSG(磷硅玻璃)、诸如有机聚合物这样的聚合物、无机氧化物膜、硅化物、氮化物膜、铁电物质、聚酰亚胺、抗蚀剂、碳氟化合物、碳、蛋白质、DNA、SOG(旋涂式玻璃)、FOX(可流动氧化物)、聚对亚苯基二甲基、cytop、BCB(苯并环丁烯)、HSQ(氢倍半硅氧烷(hydrogensilsequinxane))、MSQ(甲基倍半硅氧烷(methyl silsesquinxane))、或如“Silk”(Dow Chemical公司拥有的注册商标)的低介电常数(低k)材料。

在此实施例中，薄膜34由氧化硅膜制成。

如图7(b)所示，薄膜测量设备18还可以用于测量在衬底32上的氧化硅膜层70上成型的孔的底部形成的薄膜34。

图8是电子束扫描采样的图解说明。

用于控制电子束的照射位置的照射位置控制器46通过控制晶片级控制器44和偏转控制器42等使电子束在x方向和y方向对采样进行二维扫描。

尽管在测膜是平坦的膜，但是并不绝对要求电子束垂直于测量面，优选地，电子束应该以对整个测量区域的同样角度照射到膜采样上的所有位置。

通过这样做，由于可以保持同样数量的发射二次电子，所以可以从测量的衬底电流值准确计算膜厚度。

如果测量成型在孔或槽的底部的薄膜厚度，则电子束最好保持垂直，这样电子束就可以充分、直接达到底部。

在这些情况下，为了确保电子束垂直于待测量膜的表面，不是偏转电子束，而是优选地通过移动晶片级26或电子枪22扫描电子束。

在电子束以此方式扫描采样时，膜厚度测量设备18测量衬底电流值，并将与电子束照射位置有关的该测量的衬底电流值存储到测量数据存储部分56。

图9是示出基准数据存储部分60的内部配置的示意图。

对应于膜厚度d1、d2、d3等，基准数据存储部分60存储：第一标准衬底电流值Ir(E1)，具有第一能量E1的第一电子束照射标准膜采样情况；第二标准衬底电流值Ir(E2)，具有第二能量E2的第二电子束照射标准膜采样情况；以及第一标准衬底电流值Ir(E1)与第二标准衬底电流值Ir(E2)之间的差值[Ir(E1)-Ir(E2)]。

基准数据存储部分60还可以选择性地存储对应于其厚度已知的与标准膜采样的厚度有关的第一标准衬底电流值Ir(E1)与第二标准衬底电流值Ir(E2)的比值[Ir(E1)/Ir(E2)]，作为一种选择，基准数据存储部分60还可以进一步对应于有关标准膜采样的膜厚度存储根据第一标准衬底电流值Ir(E1)与第二标准衬底电流值Ir(E2)确定的任何基准函数。

尽管在此实施例情况下，两种不同能量的标准衬底电流值用作基准数据，但是基准数据存储部分60存储与有关标准膜采样厚度相对应的利用具有3个或多个不同能量的电子束获得的这些标准衬底电流值确定的基准函数。

基准函数最好是这样的，即它与要求膜厚度测量范围内的膜厚度具有1∶1的关系。

以下将参考图6至图9说明根据本发明此实施例的膜测量设备18的运行过程。

在图6中，将其上成型了待测量薄膜34的衬底32放置在位于晶片级26的电极30上作为采样。电子束控制器40控制加速电位发生器以使电子枪22发射的具有第一能量E1的电子束照射该采样。

照射位置控制器46控制晶片级控制器44和偏转控制器42以使电子束照射膜采样上的规定位置。

电子束控制器40将第一能量E1输出到测量数据记录部分56，而照射位置控制器46将电子束所照射位置的位置信息输出到测量数据记录部分56。

当电子枪22发射的第一能量E1的电子束照射膜采样时，膜采样发射二次电子。

为此原因，为了对薄膜34发射的二次电子进行补偿，电子从衬底32流入薄膜34，因此补偿电流在衬底32内流动。

在衬底32上，对着衬底32的电子枪22产生的电子束中未照射到采样的电子束部分产生的电流在衬底32内流动。

在衬底内流动的电流是这些电流之和。电极30检测衬底电流，而电流测量部分48测量衬底电流值。

通过电流放大器50、差动放大器52以及A/D转换器54对测量的标准衬底电流值进行调节。

对应于有关第一能量E1和入射位置数据，测量数据记录部分56存储数字转换的衬底电流值。

照射位置控制器46控制电子束照射在膜采样上的位置，并在每个位置，重复测量每个照射位置的衬底电流值。

对应于有关第一能量E1和照射位置数据，测量数据记录部分56存储每个位置的衬底电流值。

当完成利用第一能量E1的电子束测量衬底电流值时，电子束控制器40控制加速电位控制器以使从电子枪22发射第二能量E2的电子束。

以对应于第一能量E1的电子束的同样方式，对于第二能量E2的电子束测量衬底电流值。

图10示出记录到测量数据记录部分的测量数据。对应于在其上照射电子束的有关位置(x1，y1)、(x1，y2)、(x1，y3)，测量数据记录部分56分别记录第一能量E1的第一电子束的第一标准衬底电流值Im(E1)和第二能量E2的第二电子束的第二标准衬底电流值Im(E2)。

计算处理器58计算位于电子束照射的一个或相同位置的第一标准衬底电流值Im(E1)与第二标准衬底电流值Im(E2)之间的差值。

如图8所示，对应于电子束照射的有关位置，测量数据记录部分56存储第一标准衬底电流值Im(E1)与第二标准衬底电流值Im(E2)之间的差值[Im(E1)-Im(E2)]。

计算处理器58从基准数据存储部分60读取基准数据，并将该基准数据与测量数据进行比较以计算位于电子束照射位置的薄膜34的厚度。

图9示出作为基准的标准衬底电流值的表的例子，并且根据此表可以获得表示膜厚度与标准衬底电流值之间关系的函数，如图12所示。

在另一方面，利用如图10所示的表，将在照射电子束的每个位置获得的每个测试衬底电流值(测量值)存储到测量电流存储部分10，因此，通过将存储在测量电流存储部分10的测量测试衬底电流值与表示膜厚度与标准衬底电流值之间关系的函数进行比较，可以计算电子束照射的每个薄膜位置的膜厚度。

上述运行过程是利用CPU46和对其进行控制的控制程序实现的，并在显示器66上显示该计算结果。

测量数据记录部分56可以进一步存储与表示电子束照射位置的相应位置数据有关的计算膜厚度。

图11和图12示出存储在基准数据存储部分60内的基准数据的特定例子。

图11示出膜厚度与在使分别具有0.5keV、0.7keV、1.0keV、1.5keV、2.0keV和3.0keV各加速电位能量的多个电子束分别照射成型在硅衬底32上的氧化硅薄膜34情况下获得的标准衬底电流值之间的相关性。

如图11所示，在氧化硅膜的厚度为10nm或更大时，衬底电流值与膜厚度之间具有非1∶1的关系。

在构成薄膜34和衬底32的材料不同于上述材料的情况下，则膜厚度不局限于在此指出的膜厚度范围，而且在作为基准数据的薄膜34的厚度落入在基准数据中不能在基准衬底电流与膜厚度之间建立1∶1关系的范围内时，膜厚度测量设备18可以用于测量薄膜厚度。

图12示出膜厚度与在利用0.5keV加速电位表示其能量的电子束与利用1.0keV加速电位表示其能量的电子束照射标准采样时获得的衬底电流值之间差值的相关性关系。

如图12所示，即使在氧化硅构成的膜采样的厚度超过10nm时，膜厚度与在两个不同电子束能量获得的衬底电流值的差值之间的关系仍可以显示1∶1的关系。

为此原因，如果确定测试衬底电流值之间的差值，则可以通过考虑此基准数据来唯一计算膜厚度。

应该理解，尽管图11和图12示出基准数据的曲线图，但是，基准数据存储部分60还可以将这些数据作为数值存储。

此外，在图11和图12所示的例子中，基准数据存储部分60可以存储表示膜厚度与根据在多个能量获得的标准衬底电流值确定的基准变量之间的相关性的任何基准数据。

在这种情况下，基准数据存储部分60可以存储计算等式以确定对应于每个有关数据的变量。

图13是示出电子束的照射位置与衬底电流值之间关系的曲线图。

图13(a)示出在氧化硅(SiO2)构成的薄膜34成型在平坦硅衬底32上情况下，照射位置与衬底电流值之间的关系，其中例如移动晶片级26以使电子束以这样的方向照射薄膜34，以使电子束横向通过薄膜34。

在这种情况下，将电子束产生的电流方向看作正向。

尽管因为电子束产生的电流被控制在衬底上未成型薄膜34的位置，而使衬底电流值为正值，然而由于在成型薄膜34的位置，补偿电流变得大于电子束产生的电流，所以在这些位置，衬底电流值变成负值、变小。

如上所述，通过将获得的测量数据与基准数据进行比较，可以计算薄膜34的厚度，然而还可以进一步检测薄膜34的图形宽度。

根据本发明此实施例的膜厚度测量设备18，通过在分别具有互相不同的相应能量的各电子束分别照射衬底32时，测量多个在衬底32内流动的衬底电流值，可以根据考虑基准数据获得的这些测量衬底电流值，唯一确定薄膜34的厚度。

因此，可以以较好的精度检测薄膜34的图形宽度。

图13(b)示出在测量由氧化硅(SiO2)构成的、并且提供在成型于硅衬底32上的氧化硅膜层70上的孔72的底部的薄膜34情况下，照射位置与衬底电流值之间的关系，其中电子束横向扫描薄膜34。

在这样做时，为了使电子束直接照射到孔72内的薄膜34上，电子束优选地垂直照射薄膜34。

优选地，孔72可以具有使电子束照射在薄膜34上的任何孔径形状。

在电子束轰击时，从薄膜34发射其数量与膜厚度等量的二次电子。发射的二次电子可以到达孔72的外部，并且还存在它们被在其上成型孔72的氧化硅膜层70吸收的情况。

通过使电子束在孔72内垂直地照射到薄膜34上，减少氧化硅膜层70吸收的二次电子数量，从而更准确计算薄膜34的厚度。

如果将因为电子束产生的电流方向看作正向，则当使电子束照射在氧化硅膜层70上时，会因为氧化硅膜层70的膜厚度相当厚而降低补偿电流，而且衬底电流值在正方向上升高。

然而，在形成薄膜34的位置，补偿电流比电子束产生的电流大，因此衬底电流值呈现负极性而且小。

如上所述，通过将这些获得的测量数据与基准数据进行比较，不仅可以计算薄膜34的厚度，而且可以检测孔72的形状。

孔72的一个特定例子是完成蚀刻之后保留的接触孔。对于具有大长宽比的接触孔，存在口径部分的尺寸不同于底部部分的尺寸的情况，而且尤其重要的是要知道接触孔上暴露硅衬底的基体部分的尺寸。

利用根据此实施例测量薄膜厚度的方法，可以测量接触孔的底部形状，或者可以确定位于底部的剩余硅衬底的宽度、表面积或形状。

与上述第一实施例不同，通过使多个能量的电子束照射薄膜，计算处理器58计算多个衬底电流值的差值，并通过将计算结果与基准数据进行比较，计算薄膜厚度，作为一种可能的选择，作为本发明的第二实施例，计算处理器58还可以根据使第一能量的第一电子束照射待测量薄膜测量的第一测试衬底电流值，提取待测量薄膜的膜厚度的候选值，然后根据使第二能量的第二电子束照射待测量薄膜而测量的第二测试衬底电流值，从候选值中选择膜厚度。

图14是示出存储在基准数据存储部分60内的基准数据例子的图解说明。

该图示出在第一能量E1的第一电子束和第二能量E2的第二电子束分别照射标准膜采样时产生的、用作基准数据的第一和第二标准衬底电流值与膜厚度之间的相关性。

薄膜测量设备18测量在第一能量的第一电子束照射待测量的膜34的采样时产生的第一测试衬底电流值Im(E1)。

如果测量结果是Im(E1)＝n，则计算处理器58根据图14所示的曲线图提取d2和d3作为薄膜34可能膜厚度的候选值。

接着，薄膜测量设备18测量在第二能量的第二电子束照射待测量的膜34的采样时产生的第二测试衬底电流值Im(E2)。

如果测量结果是Im(E2)＝o，则计算处理器58证明薄膜34的厚度为d2。

如上所述，参考用于实现本发明的几个实施例对本发明进行了说明。

然而，上述这些实施例是本发明的例子，而且可以确认通过改变每个组成单元或每个处理过程等的组合，本发明存在许多变化，并且本技术领域内的熟练技术人员应该明白，本发明的基本技术原理可以涵盖这些变换例。

如下实施例属于上述情况。

以上是对本发明实施例的描述，上面描述了薄膜测量设备18通过改变轰击薄膜的电子束的加速电位来改变电子束的能量的情况。

请注意，在改变电子束的加速电位时，即使对偏转部分24施加的偏转信号保持不变，电子束的偏转仍发生变化。

为此原因，入射点控制器46可以将入射点数据输出到测量数据记录部分56，该数据考虑了对应于加速电位在偏转部分引起的偏转误差。通过这样做，即使在改变加速电位时进行测量，仍可以保持固定入射位置。

本发明的另一个实施例涉及计算机程序，并且其特征在于计算机程序，该计算机程序使计算机执行利用在电子束照射到待测量膜上时，使电子束轰击成型在衬底上的待测量薄膜而在衬底内流动的电流的衬底电流值，以测量形成在衬底上的待测量膜的厚度的测量过程，该测量过程包括：

用于获得表示作为变量的基准函数与膜标准采样的膜厚度之间关系的基准数据执行的处理过程，该基准函数具有在第一能量的第一电子束照射膜标准采样时的第一标准衬底电流值以及具有不同于第一能量的第二能量的第二电子束照射膜标准采样时的第二标准衬底电流值；

用于获得在第一电子束照射成型在衬底上的待测量膜时，在衬底内流动的电流的第一测试衬底电流值执行的处理过程；

用于获得在第二电子束照射成型在衬底上的待测量膜时，在衬底内流动的电流的第二测试衬底电流值执行的处理过程；

用于考虑到基准数据根据第一测试衬底电流值和第二测试衬底电流值，计算待测量膜的膜厚度执行的处理过程。

本发明的其它单独实施例是计算机程序，该计算机程序是上述计算机程序的改进，并且其特征在于上述计算机程序，其中在用于获得基准数据的处理过程中，基准函数保持f(a，b)的形式(其中a和b分别表示在第一和第二电子束分别照射标准采样时的各标准衬底电流)，并且膜标准采样的厚度d与基准函数f(a，b)之间的关系保持为d＝Γ[f(a，b)]的形式，并且其中；

在计算膜厚度的处理过程中，通过将第一测试衬底电流值代入d＝Γ[f(a，b)]的a，而将第二测试衬底电流值代入等式d＝Γ[f(a，b)]的b，计算在测膜的膜厚度d。

根据上述详细说明的、所建立的用于测量薄膜的厚度的设备和方法，可以以较好精度在宽的膜厚度范围内测量形成在衬底上的薄膜的厚度。