JP2004327121A

JP2004327121A - 写像投影方式電子線装置

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Publication number: JP2004327121A
Application number: JP2003117014A
Authority: JP
Inventors: Toru Satake; 徹佐竹; Shinji Nomichi; 伸治野路; Takuji Sofugawa; 拓司曽布川; Masaki Hatakeyama; 雅規畠山; Takeshi Murakami; 武司村上; Kenji Watanabe; 賢治渡辺; Toshifumi Kaneuma; 利文金馬; Tsutomu Karimata; 努狩俣
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2003-04-22
Filing date: 2003-04-22
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】面ビームで試料を照射できる高分解能且つ高スループットの写像投影方式電子線装置を提供すること。
【解決手段】面ビームを形成する一次電子によって試料Ｗを照射することがけ切る写像投影方式電子線装置ＥＢＩは、一次電子を発射する電子銃ＥＧと、電子銃ＥＧからの一次電子のビーム形状を調整する一次光学系２と、一次光学系２を通過した一時電子の進行方向を変えるウィーンフィルタ３と、ウィーンフィルタ３からの一次電子のビーム形状を調整して試料Ｗを面ビームによって照射させるレンズ系５と、試料Ｗから発せられた二次電子を導く二次光学系６、７と、二次光学系からの二次電子を検出するための二次電子検出系８とを具備する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、面ビームで検査対象を照射することができ、検査対象に応じて二次電子と反射電子とを切り換えて使用することが可能な高分解能且つ高スループットの写像投影方式電子線装置に関する。このように、試料上の１点ではなく少なくとも一次元方向に広がった視野に電子ビームを照射してその視野の像を形成する方式は「写像投影方式」と呼ばれている。
【０００２】
【従来の技術】
これまでも、光や電子線を用いてウェーハやマスク等の検査対象に欠陥が存在するか否かの検査を行う装置が知られている。例えば、不要なパーティクルの有無を検出するために、移動ステージ上に検査対象を配置しておき、検査対象を二次元的に移動させながらレーザー光で照射する。そのとき発生する散乱光から検査対象を画像化し、散乱強度に基づいてパーティクルの存在を検出することが行われている。パーティクルやパターン欠陥を検査するには白色光が利用されており、白色光を移動ステージ上の検査対象に照射してその反射光から得た画像からパーティクルの存在やパターン欠陥の有無が検査される。また、パーティクルやパターン欠陥の有無ばかりでなく非導通、容量破壊、断線等の電気的欠陥をも検査するために電子線が利用されるようになり、移動ステージ上の検査対象に電子線を照射したときに発生する二次電子を用いて検査対象を画像化して欠陥検査を行う。
【０００３】
欠陥検査装置としては、例えば、微細な欠陥をその位置とともに検出するものが公知である。この欠陥検査装置においては、パターンの欠陥を検査するに当たり、参照画像を被検査画像に対して二次元的に所定の量だけ各周辺方向にずらせた位置に配置し、それぞれの位置において参照画像と被検査画像との差の絶対値の画像を取得して、この差の絶対値の画像を処理することにより欠陥画像を得るようにしている。また、こうした画像処理を行うに際して、画像の濃度を平均化する処理、例えば平滑化処理を施すことも知られている。
【０００４】
このように半導体検査装置が種々開発され提案されてきた背景には、ＤＲＡＭやＭＰＵ等のための少品種大量生産からシステムＬＳＩのための他品種少量生産へと半導体製造プロセスが変化していたのに加えて、ウェーハやマスクの一層の微細化、多層化、高集積化が進んだという事実が存在すると言える。ウェーハやマスクの高集積化によるパターンの微細化は、内部的な電気的欠陥、例えば、金属配線の接続不良、ビアやコンタクト等の層間接続孔の導通不良、を高分解能で検査する必要性を増大させ、電子線検査装置の需要を拡大することになった。また、微細化と多層化の進行により、工程間で高分解能且つ高スループットで検査を行うための欠陥検査装置の重要性が増し、そうした装置の開発が必須になったため、欠陥検査装置の市場が拡大された。
【０００５】
図１０の（Ａ）は、ビーム走査方式を採用した従来の欠陥検査装置の基となっている走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の構成を概略的に示しており、（Ｂ）は検査画面を示している。フィラメント１０１、ウェーネルト１０２及びアノード１０３を有する電子銃ＥＧから発射された一次電子１０４は第２レンズ１０５で径を絞られ、第１レンズ１０６によって再び径を絞られて、例えば直径０．１μｍのビームスポットとしてウェーハ等の試料１０７を照射する。第１レンズ１０５及び第２レンズ１０６は磁界レンズである。
【０００６】
一次電子１０４の照射により試料１０７から放出された二次電子１０８は、一次電子１０４の光軸から外れた位置に配置された検出器１０９によって検出されて電気信号に変換され、増幅器１１０によって増幅されてＣＲＴ１１１の画面上に表示される。図１０の（（Ａ）に示すとおり、一次電子１０４は、ＣＲＴ１１１の走査電源１１２と同期して動作する偏向電極１１３によって偏向されて試料１０７の表面上をラスタ状に走査する。一次電子１０４による試料１０７のラスタ走査にしたがって、図１０の（Ｂ）に示すように、ＣＲＴ１１１には、ビームスポットに対応した点の行が順に表示される。
【０００７】
しかしながら、こうしたビーム走査方式の欠陥検査装置の検査時間即ちスループットは、ウェーハ１枚当たり約６時間が限界で、これよりもスループットを向上させることは困難であった。これは、電子銃から発射された電子の間に空間電荷効果が働くため、一次電子１０４のビーム電流を増そうにも、１００ｎｍピクセル・サイズ当たり２００ｎＡ付近が限度となるばかりでなく、微細な一次電子による一筆書きの走査を行うために１００ＭＰＰＳ程度が上限であり、スループットの向上を望むことができないからである。図１１は、検査時間（単位は時間／ウェーハ）がプローブ電流（単位はｎＡ）及び取り込み速度（単位はＭＰＰＳ）とどのような関係にあるかを示しており、斜線で示す部分Ａが、空間電荷効果によってビーム電流が制限される領域である。直線１２１は現状の欠陥検査装置における上記関係を示し、直線１２２は現状の欠陥検査装置のシステムノイズを改善した場合を示しており、このグラフから、検査時間の限界は約６時間／ウェーハであることが分かる。
【０００８】
実際、従来の欠陥検査装置によって例えば８インチのウェーハを検査する場合、分解能を０．１μｍとすると、ウェーハ１枚当たりの検査時間は７時間から１１時間にも達し、検査に長時間を要するという問題がある。
【０００９】
そのうえ、従来のビーム走査方式の欠陥検査装置においては、大電流の電子銃を使用する必要があるばかりでなく、欠陥検出率が７５〜８０％程度に止まり、分解能は０．１μｍ前後でしかなかった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は上記の課題を解決するために提案されたものであり、この発明の目的は、空間電荷効果を回避でき、信号対雑音比が高く、並列処理による画像処理速度を向上させた高分解能且つ高スループットの写像投影方式電子線装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、
一次電子線を試料上の少なくとも一次元方向に広がった視野に照射する写像投影方式電子線装置であって、
一次電子を発射するための電子銃と、
第１の方向の光軸を有し、前記電子銃から発射された前記一次電子のビーム形状を調整するための一次光学系と、
前記一次光学系を通過した前記一次電子を前記第１の方向とは異なる試料方向への第２の方向へ進行させるウィーンフィルタと、
前記第２の方向へ進行する前記一次電子のビーム形状を調整して前記試料を照射させるレンズ系と、
前記試料から発せられた二次電子又は反射電子を前記レンズ系と協働して前記第２の方向とは逆の方向へ進行させる二次光学系と、
前記二次光学系を通過した前記二次電子と前記反射電子の少なくとも一方を検出するための検出系と、
を具備することを特徴とする電子線装置、
を提供する。
【００１２】
請求項２の発明は、こうした電子線装置において、前記レンズ系及び前記二次光学系におけるレンズが静電レンズであることを特徴とする。
また、上記の目的を達成するために、請求項３の発明は、
面ビームを形成する一次電子によって試料を照射することができる写像投影方式電子線装置であって、
一次電子を発射するための電子銃と、
前記電子銃から発射された前記一次電子のビーム形状を調整し且つ前記一次電子を第１の方向に進行させて前記面ビームによって前記試料を照射させる一次光学系と、
前記面ビームによって照射された前記試料から発せられた二次電子又は反射電子を前記第１の方向とは異なる第２の方向とは逆の方向へ進行させるウィーンフィルタと、
前記ウィーンフィルタを通過した前記二次電子又は前記反射電子を拡大結像させる二次光学系と、
前記二次光学系を通過した前記二次電子と前記反射電子のいずれか一方を検出するための検出系と、
を具備することを特徴とする電子線装置、
を提供する。
【００１３】
請求項４の発明は、こうした電子線装置において、前記一次光学系及び前記二次光学系におけるレンズが静電レンズであることを特徴とする。
請求項５の発明は、前記電子銃の加速電圧と前記試料に印加される試料電圧とから決定される前記一次電子の照射エネルギ及び前記二次電子又は前記反射電子の信号電子エネルギを選択的に変更して、前記電子線装置を正帯電モード、負帯電モード及び反射電子撮像モードのいずれか一つで動作することを可能としたことを特徴とする。
【００１４】
請求項６の発明は、前記検出系が、真空環境に設けられ、前記二次電子を受け取って光信号へ変換する電子−光変換部と、前記真空環境と大気環境との境界に設けられ、前記光信号を通過させるライトガイドと、前記大気環境に設けられ、前記ライトガイドを通過した前記光信号を受信して電気信号へ変換する光−電気変換部とを備えるようにしたことを特徴とする。
【００１５】
請求項７の発明は、前記電子線装置をマルチビーム型としたことを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る写像投影方式電子線装置の若干の実施の形態を、この発明を欠陥検査装置として具体化した場合について、図１〜図７を参照しながら詳述する。なお、これらの図において、同一の参照数字又は参照符号は同じ又は対応する構成要素を指すものとする。
【００１７】
図１の（Ａ）は、この発明に係る写像投影方式電子線装置の一つの実施の形態である欠陥検査装置ＥＢＩの構成を概略的に示す図であり、（Ｂ）はこの欠陥検査装置ＥＢＩの二次光学系及び検出系の構成を概略的に示している。図において、電子銃ＥＧは大電流で動作可能な熱電子放出型のＬａＢ_６製カソード１を有し、電子銃ＥＧから第１の方向へ発射された一次電子は数段の四極子レンズ２を含む一次光学系を通過してビーム形状を調整されてからウィーンフィルタ３を通過する。ウィーンフィルタ３によって一次電子の進行方向は、検査対象であるウェーハＷに対して入力するよう第２の方向へ変更される。ウィーンフィルタ３を出て第２の方向へ進む一次電子は、ＮＡ開口板４によってビーム径を絞られ、対物レンズ５を通過してウェーハＷを照射する。対物レンズ５は高精度の静電レンズである。
【００１８】
このように、一次光学系においては、電子銃ＥＧとしてＬａＢ_６製の高輝度のものを使用しているので、従来の走査型の欠陥検査装置に比較して低エネルギで大電流且つ大面積の一次ビームを得ることができる。
【００１９】
この実施の形態においては、ウェーハＷは一次光学系によって断面が例えば２００μｍ×５０μｍの矩形に形成された面ビームによって照射されるので、ウェーハＷ上の所定の広さの小さな領域を照射することができるようになる。この面ビームでウェーハＷを走査するために、ウェーハＷは例えば３００ｍｍ対応の高精度のＸＹステージ（図示せず）上に載置され、面ビームを固定した状態でＸＹステージを二次元的に移動させる。また、一次電子をビームスポットに絞り込む必要がないので面ビームは低電流密度であり、ウェーハＷのダメージが少ない。例えば、従来のビーム走査方式の欠陥検査装置においてはビームスポットの電流密度は１０^３Ａ／ｃｍ^２であるが、図１の欠陥検査装置においては面ビームの電流密度は０．１Ａ／ｃｍ^２〜０．０１Ａ／ｃｍ^２でしかない。一方、ドーズは、従来のビーム走査方式では１×１０^−５Ｃ／ｃｍ^２であるのに対して、本方式では１×１０^−４Ｃ／ｃｍ^２〜３×１０^−５Ｃ／ｃｍ^２であり、本方式の方が高感度になっている。
【００２０】
面ビーム状の一次電子によって照射されたウェーハＷの領域からは二次電子と反射電子が出てくる。反射電子については後述するとして、まず二次電子の検出について説明すると、ウェーハＷから放出された二次電子は、前記第２の逆の方向へ進むよう、対物レンズ５によって拡大されてＮＡ開口板４及びウィーンフィルタ３を通過してから、中間レンズ６によって再び拡大され、投影レンズ７によって更に拡大されて二次電子検出系Ｄに入射する。二次電子を導く二次光学系においては、対物レンズ５、中間レンズ６及び投影レンズ７はいずれも高精度の静電レンズであり、二次光学系の倍率は可変であるよう構成される。一次電子をウェーハＷにほぼ垂直に入射し、二次電子をほぼ垂直に取り出すので、ウェーハＷの表面の凹凸による陰影を生じない。
【００２１】
投影レンズ７からの二次電子を受け取る二次電子検出系Ｄは、入射された二次電子を増殖するマイクロチャンネルプレート８と、マイクロチャンネルプレート８から出た電子を光に変換する蛍光スクリーン９と、蛍光スクリーン９から出た光を電気信号へ変換するセンサユニット１０とを備える。センサユニット１０は、二次元に配列された多数の固体撮像素子からなる高感度のラインセンサ１１を有しており、蛍光スクリーン９から発せられた蛍光はラインセンサ１１によって電気信号へ変換されて画像処理部１２に送られ、並列、多段且つ高速に処理される。
【００２２】
ウェーハＷを移動させてウェーハＷ上の個々の領域を順に面ビームで照射して走査していく間に、画像処理部１２は、欠陥を含む領域のＸＹ座標と画像とに関するデータを順次蓄積していき、一つのウェーハについて欠陥を含む検査対象の全ての領域の座標と画像とを含む検査結果ファイルを生成する。こうして、検査結果を一括して管理することができる。この検査結果ファイルを読み出すと、画像処理部１２のディスプレイ上には当該ウェーハの欠陥分布と欠陥詳細リストとが表示される。
【００２３】
実際には、欠陥検査装置ＥＢＩの各種の構成要素のうち、センサユニット１０は大気中に配置されるが、その他の構成要素は真空に保たれた鏡筒内に配置されるため、この実施の形態においては、鏡筒の適宜の壁面にライトガイドを設け、蛍光スクリーン９から出た光をライトガイドを介して大気中に取り出してラインセンサ１１に中継する。
【００２４】
図２は、図１の欠陥検査装置ＥＢＩにおける電子検出系Ｄの具体的な構成例を示している。投影レンズ７によってマイクロチャンネルプレート８の入射面に二次電子像又は反射電子像１３が形成される。マイクロチャンネルプレート８は例えば分解能が１６μｍ、ゲインが１０^３〜１０^４、実効画素が２１００×５２０であり、形成された電子像１３に対応して電子を増殖して蛍光スクリーン９を照射する。これによって蛍光スクリーン９の電子で照射された部分から蛍光が発せられ、発せられた蛍光は低歪み（歪みが例えば０．４％）のライトガイド１４を介して大気中へ放出される。放出された蛍光は光学リレーレンズ１５を介してラインセンサ１１に入射される。例えば、光学リレーレンズ１５は倍率が１／２、透過率が２．３％、歪みが０．４％であり、ラインセンサ１１は２０４８×５１２個の画素を有している。光学リレーレンズ１５はラインセンサ１１の入射面に電子像１３に対応した光学像１６を形成する。ライトガイド１４及びリレーレンズ１５の代わりにＦＯＰ（ファイバ・オプティック・プレート）を使うこともでき、この場合の倍率は１倍である。
【００２５】
図１に示す欠陥検査装置ＥＢＩは、電子銃ＥＧの加速電圧及びウェーハＷに印加されるウェーハ電圧を調整するとともに電子検出系Ｄを使用することにより、二次電子の場合、正帯電モードと負帯電モードのいずれかで動作可能である。更に、電子銃ＥＧの加速電圧、ウェーハＷに印加されるウェーハ電圧及び対物レンズ条件を調整することにより、欠陥検査装置ＥＢＩを、一次電子の照射によってウェーハＷから発せられる高エネルギの反射電子を検出する反射電子撮像モードで動作させることができる。反射電子は、一次電子がウェーハＷ等の試料に入射するときのエネルギと同じエネルギを持っており、二次電子に比べてエネルギが高いので、試料表面の帯電等による電位の影響を受けずらいという特徴がある。電子検出系は、二次電子又は反射電子の強度に対応した電気信号を出力する電子衝撃型ＣＣＤ、電子衝撃型ＴＤＩ等の電子衝撃型検出器を使用することもできる。この場合は、マイクロチャンネルプレート８、蛍光スクリーン９、リレーレンズ１５（又はＥＯＰ）を使用せずに、結像位置に電子衝撃型検出器を設置して使用する。このように構成することにより、欠陥検査装置ＥＢＩは検査対象に適したモードで動作することが可能になる。例えば、メタル配線の欠陥、ＧＣ配線の欠陥、レジストパターンの欠陥を検出するには、負帯電モード又は反射電子撮像モードを利用すればよいし、ビアの導通不良やエッチング後のビア底の残渣を検出するには反射電子撮像モードを利用すればよい。
【００２６】
図３の（Ａ）は図１の欠陥検査装置ＥＢＩを上記の３つのモードで動作させるための要件を説明する図である。電子銃ＥＧの加速電圧をＶ_Ａ、ウェーハＷに印加されるウェーハ電圧をＶ_Ｗ、ウェーハＷを照射するときの一次電子の照射エネルギをＥ_ＩＮ、電子検出系Ｄに入射する二次電子の信号エネルギをＥ_ＯＵＴとする。電子銃ＥＧは加速電圧Ｖ_Ａを変えることができるよう構成され、ウェーハＷには適宜の電源（図示せず）から可変のウェーハ電圧Ｖ_Ｗが印加される。そこで、加速電圧Ｖ_Ａ及びウェーハ電圧Ｖ_Ｗを調整し且つ電子検出系Ｄを使用すると、欠陥検査装置ＥＢＩは、図３の（Ｂ）に示すように、二次電子イールドが１よりも大きい範囲では正帯電モード、１よりも小さい範囲では負帯電モードで動作することができる。また、加速電圧Ｖ_Ａ、ウェーハ電圧Ｖ_Ｗ及び対物レンズ条件を調整することにより、欠陥検査装置ＥＢＩは二次電子と反射電子とのエネルギ差を利用して反射電子撮像モードで動作することができる。なお、図３の（Ｂ）において、正帯電領域と負帯電領域との境界における電子照射エネルギＥ_ＩＮの値は、実際には試料によって異なる。
【００２７】
欠陥検査装置ＥＢＩを反射電子撮像モード、負帯電モード及び正帯電モードで動作させるためのＶ_Ａ、Ｖ_Ｗ、Ｅ_ＩＮ及びＥ_ＯＵＴの値の一例を挙げると、
反射電子撮像モード
Ｖ_Ａ＝−４．０ｋＶ
Ｖ_Ｗ＝−２．５ｋＶ
Ｅ_ＩＮ＝１．５ｋｅＶ
Ｅ_ＯＵＴ＝４ｋｅＶ＋α （α＝二次電子のエネルギ幅）
負帯電モード
Ｖ_Ａ＝−７．０ｋＶ
Ｖ_Ｗ＝−４．０ｋＶ
Ｅ_ＩＮ＝３．０ｋｅＶ
Ｅ_ＯＵＴ＝４ｋｅＶ＋α （α＝二次電子のエネルギ幅）
正帯電モード
Ｖ_Ａ＝−４．５ｋＶ
Ｖ_Ｗ＝−４．０ｋＶ
Ｅ_ＩＮ＝０．５ｋｅＶ
Ｅ_ＯＵＴ＝４ｋｅＶ
となる。
【００２８】
実際、二次電子と反射電子の検出量は、ウェーハＷ上の被検査領域の表面組成、パターン形状及び表面電位によって変わってくる。即ち、ウェーハＷ上の被検査対象の表面組成によって二次電子収率及び反射電子量は異なり、パターンの尖った個所や角では二次電子収率及び反射電子量は平面に比べて大きい。また、ウェーハＷ上の被検査対象の表面電位が高いと、二次電子放出量が減少する。こうして、検出系Ｄによって検出された二次電子及び反射電子から得られる電子信号強度は材料、パターン形状及び表面電位によって変動する。
【００２９】
図４は、図１に示す欠陥検査装置ＥＢＩの電子光学系に使用される静電レンズの各電極の断面形状を示している。図に示すように、ウェーハＷからマイクロチャンネルプレート８までの距離は例えば８００ｍｍであり、対物レンズ５、中間レンズ６及び投影レンズ７は特殊形状をした複数枚の電極を有する静電レンズである。いま、ウェーハＷに−４ｋＶを印加したとすると、対物レンズ５のウェーハＷに最も近い電極には＋２０ｋＶが印加され、残りの電極には−１４７６Ｖが印加される。同時に、中間レンズ６には−２４５０Ｖが、投影レンズ７には−４１２０Ｖが印加される。この結果、二次光学系で得られる倍率は、対物レンズ５によって２．４倍、中間レンズ６によって２．８倍、投影レンズ７によって３７倍となり、合計では２６０倍となる。なお、図４における参照数字１７、１９はビーム径を制限するためのフィールド・アパーチャであり、参照数字１８は偏光器である。
【００３０】
図５の（Ａ）は、この発明に係る写像投影方式電子線装置の第２の実施の形態であるマルチビーム・マルチピクセル型の欠陥検査装置ＥＢＩの構成を概略的に示す図である。この欠陥検査装置ＥＢＩにおける電子銃ＥＧｍはＬａＢ_６製のカソードを有し、複数本の一次電子ビーム２０を発射することのできるマルチビーム型の電子銃である。電子銃ＥＧｍから発せられた複数本の一次電子ビーム２０は、各一次電子ビームに対応した位置に小孔が形成された開口板２１によってビーム径を調整された後、２段の軸対称レンズ２２、２３によって各ビームの位置を調整されて第１の方向へ進み、ウィーンフィルタ３を通過して進行方向を第１の方向から第２の方向へ変えてウェーハＷに入射するよう進行する。その後、それぞれの一次電子ビーム２０はＮＡ開口板４、対物レンズ５を通過してウェーハＷの所定の領域を照射する。
【００３１】
複数本の一次電子ビーム２０の照射によってウェーハＷから放出された二次電子及び反射電子２４は、図１の（Ａ）について既に説明したと同様に、第２の方向とは逆の方向へ進行して対物レンズ５、ＮＡ開口板４、ウィーンフィルタ３、中間レンズ６、投影レンズ７を通って検出系Ｄに入射し、センサユニット１０によって電気信号化される。
【００３２】
電子銃ＥＧｍから見て下流側の軸対称レンズ２３とウィーンフィルタ３との間には、複数本の一次電子ビーム２０を偏向するための偏向器２５が配置される。そこで、複数本の一次電子ビーム２０によってウェーハＷ上の或る領域Ｒを走査するため、図５の（Ｂ）に示すように、ウェーハＷをＹ軸方向に移動させながら、偏向器２５によって、複数本の一次電子ビーム２０をＹ軸に垂直なＸ軸方向に同時に偏向させる。これにより、複数本の一次電子ビーム２０によって、領域Ｒがラスタ走査されることになる。
【００３３】
図６の（Ａ）は、この発明に係る写像投影方式電子線装置の第３の実施の形態であるマルチビーム・モノピクセル型の欠陥検査装置ＥＢＩの概略的な構成を示している。同図において、電子銃ＥＧｍは複数本の一次電子ビーム２０を発射することができ、発射された複数本の一次電子ビーム２０は、図５の（Ａ）について説明したと同様に、第１の方向へ進行するよう、開口板２１、軸対称レンズ２２、２３、偏向器２５、ウィーンフィルタ３、対物レンズ５によって導かれてウェーハＷを照射する。
【００３４】
複数本の一次電子ビーム２０によって照射されてウェーハＷから放出された二次電子又は反射電子２４は、対物レンズ５を通過した後、ウィーンフィルタ３によって所定の角度だけ進行方向を変えられた後、中間レンズ６、投影レンズ７を通過してマルチ検出系Ｄ´に入射する。図のマルチ検出系Ｄ´は二次電子検出系であって、開口電極２１に形成されたｎ個の小孔と同数の孔が形成されたマルチ開口板２６と、開口板２６のｎ個の孔を通過した二次電子を捕捉して該二次電子の強度を表す電気信号へ変換するようマルチ開口板２６の各孔に対応して設けられたｎ個の検出器２７と、各検出器２７から出力された電気信号を増幅するｎ個の増幅器２８と、それぞれの増幅器２８によって増幅された電気信号をディジタル信号へ変換してウェーハＷ上の被走査領域Ｒの画像信号を記憶、表示、比較等を行う画像処理部１２´とを備える。
【００３５】
図６の（Ａ）に示す欠陥検査装置ＥＢＩにおいては、複数本の一次電子ビーム２０による領域Ｒの走査は、図６の（Ｂ）に示すように行われる。即ち、図６の（Ｂ）に示すように、領域Ｒを一次電子ビーム２０の数だけＹ軸方向に分割して小領域ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４を想定し、それぞれの一次電子ビーム２０をこれらの小領域ｒ１〜ｒ４のそれぞれに割り当てる。そこで、ウェーハＷをＹ軸方向に移動させながら、偏向器２５によって、それぞれの一次電子ビーム２０をＸ軸方向に同時に偏向させ、各一次電子ビーム２０にその割り当てられた小領域ｒ１〜ｒ４を走査させる。これにより、複数本の一次電子ビーム２０によって領域Ｒが走査されることになる。
【００３６】
なお、マルチビームの一次光学系は、図５に限定されるものではなく、試料上に照射される時点でマルチビームであればよく、例えば、単一の電子銃であってもよい。
【００３７】
これまで説明してきた欠陥検査装置ＥＢＩにおいては、ウェーハＷをステージ上に載置し、該ステージを真空チャンバ内で精度良く位置決めすることができる機構を使用することが好ましい。かかるステージの高精度の位置決めために、例えば、ステージを静圧軸受けによって非接触支持する構造が採用される。この場合、静圧軸受けから供給される高圧ガスが真空チャンバに排気されないよう、高圧ガスを排気する差動排気機構を静圧軸受けの範囲に形成して真空チャンバの真空度を維持することが望ましい。
【００３８】
図７は、ウェーハＷを載置したステージを真空チャンバ内で精度良く位置決めするための機構の構成の一例と不活性ガスの循環配管系を示す図である。図７において、一次電子をウェーハＷに向かって照射する鏡筒２９の先端部すなわち一次電子照射部３０が真空チャンバＣを画成するハウジング３１に取り付けられる。鏡筒２９の直下には、高精度なＸＹステージ３２のＸ方向（図７において左右方向）の可動テーブル上に載置されたウェーハＷが配置される。ＸＹステージ３２をＸ方向及びＹ方向（図７において紙面に垂直の方向）に移動させることにより、ウェーハＷの面上の任意の位置に対して正確に一次電子を照射することができる。
【００３９】
ＸＹステージ３２の台座３３はハウジング３１の底壁に固定され、Ｙ方向に移動するＹテーブル３４が台座３３の上に載っている。Ｙテーブル３４の両側面（図７において左右側面）には突部が形成され、これら突部は台座３３に設けられた一対のＹ方向ガイド３５ａ及び３５ｂに形成された凹溝とそれぞれ嵌合する。各凹溝はＹ方向ガイド３５ａ、３５ｂのほぼ全長に亘ってＹ方向に伸びている。凹溝内に突出する突部の上、下面及び側面には公知の構造の静圧軸受け（図示せず）がそれぞれ設けられる。これらの静圧軸受けを介して高圧且つ高純度の不活性ガス（Ｎ２ガス、Ａｒガス等）を吹き出すことにより、Ｙテーブル３４はＹ方向ガイド３５ａ、３５ｂに対して非接触で支持され、Ｙ方向に円滑に往復運動できる。また、台座３３とＹテーブル３４との間には、Ｙテーブル３４をＹ方向に駆動するために、公知の構造のリニアモータ３６が配置される。
【００４０】
Ｙテーブル３４の上側にはＸテーブル３７がＸ方向に移動可能に載置されている。Ｘテーブル３７を挟むように、Ｙテーブル３４のためのＹ方向ガイド３５ａ、３５ｂと同じ構造の一対のＸ方向ガイド３８ａ、３８ｂ（図７には３８ａのみ図示されている）が設けられる。これらＸ方向ガイドのＸテーブル３７に面した側にも凹溝が形成され、Ｘテーブル３７のＸ方向ガイドに面した側部には、上記凹溝内に突出する突部が形成されている。これらの凹溝はＸ方向ガイドのほぼ全長に亘って伸びている。凹溝内に突出するＸ方向テーブル３７の突部の上、下面及び側面には、Ｙテーブル３４の非接触支持のための静圧軸受けと同様の静圧軸受け（図示せず）が設けられる。これらの静圧軸受けに高圧且つ高純度の不活性ガスを供給して静圧軸受けからＸ方向ガイド３８ａ、３８ｂの案内面に対して噴出させることにより、Ｘテーブル３７はＸ方向ガイド３８ａ、３８ｂに対して高精度に非接触で支持される。Ｙテーブル３４には、Ｘテーブル３７をＸ方向に駆動するために公知の構造のリニアモータ３９が配置される。
【００４１】
ＸＹステージ３２として、大気中で用いられる静圧軸受け付きステージ機構をほぼそのまま使用することが可能なので、露光装置等で用いられる大気用の高精度のステージと同等の精度を有するＸＹステージを、ほぼ同等のコスト及び大きさで欠陥検査装置用のＸＹステージとして実現することができる。なお、ウェーハＷはＸテーブル３７上に直接載置されるのではなく、ウェーハＷを取り外し可能に保持し且つＸＹステージ３２に対して微少な位置変更を行なう機能を有する試料台の上に載置されるのが普通である。
【００４２】
上記不活性ガスはフレキシブル配管４０、４１及びＸＹステージ３２内に形成されたガス通路（図示せず）を介して上記静圧軸受けに供給される。静圧軸受けに供給された高圧の不活性ガスは、Ｙ方向ガイド３５ａ、３５ｂ及びＸ方向ガイド３８ａ、３８ｂの対向する案内面との間に形成された数ミクロンから数十ミクロンの隙間に噴出してＹテーブル３４及びＸテーブル３７を案内面に対してＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向（図７において上下方向）に正確に位置決めする。静圧軸受けから噴出した不活性ガスのガス分子は真空チャンバＣ内に拡散し、排気口４２、４３ａ、４３ｂ及び真空配管４４、４５を通してドライ真空ポンプ４６によって排気される。排気口４３ａ、４３ｂの吸い込み口は台座３３を貫通してその上面に設けられる。これにより、吸い込み口はＸＹステージ３２から高圧ガスが排出される位置の近くに開口するので、静圧軸受けから噴出される高圧ガスにより真空チャンバＣ内の圧力が上昇するのが防止される。
【００４３】
ドライ真空ポンプ４６の排気口は、配管４７を介して圧縮機４８に接続され、圧縮機４８の排気口は配管４９、５０、５１及びレギュレータ５２、５３を介してフレキシブル配管４０、４１に接続される。このため、ドライ真空ポンプ４６から排出された不活性ガスは、圧縮機４８によって再び加圧されレギュレータ５２、５３で適正な圧力に調整された後、再びＸＹテーブルの静圧軸受けに供給される。こうすることによって、高純度の不活性ガスを循環させて再利用できるので、不活性ガスを節約でき、また、欠陥検査装置ＥＢＩから不活性ガスが放出されないので、不活性ガスによる窒息等の事故の発生を防止することができる。なお、圧縮機４８の排出側の配管４９の途中にコールドトラップやフィルタ等の除去手段５４を設け、循環するガス中に混入した水分や油分等の不純物質をトラップして静圧軸受けに供給されないようにすることが好ましい。
【００４４】
鏡筒２９の先端部すなわち一次電子照射部３０の周囲には、差動排気機構５５が設けられる。これは、真空チャンバＣ内の圧力が高くても一次電子照射空間５６の圧力が十分低くなるようにするためである。一次電子照射部３０の周囲に取り付けられた差動排気機構５５の環状部材５７は、その下面（ウェーハＷと対向する面）とウェーハＷとの間に数ミクロンから数百ミクロンの微少な隙間が形成されるようにハウジング３１に対して位置決めされる。
【００４５】
環状部材５７の下面には環状溝５８が形成され、環状溝５８は排気口５９に接続される。排気口５９は真空配管６０を介して超高真空ポンプであるターボ分子ポンプ６１に接続される。また、鏡筒２９の適所には排気口６２が設けられ、排気口６２は真空配管６３を介してターボ分子ポンプ６４に接続される。これらのターボ分子ポンプ６１、６４は真空配管６５、６６によってドライ真空ポンプ４６に接続される。したがって、差動排気機構５５や荷電ビーム照射空間５６に侵入した不活性ガスのガス分子は環状溝５８、排気口５９及び真空配管６０を介してターボ分子ポンプ６１によって排気されるので、真空チャンバＣから環状部材５７によって囲まれた空間５６内に侵入したガス分子は排気されてしまう。これにより、一次電子照射空間５６内の圧力を低く保つことができ、一次電子を問題なく照射することができる。また、鏡筒２９の先端部から吸引されたガス分子は排気口６２、真空配管６３を通ってターボ分子ポンプ６４によって排気される。ターボ分子ポンプ６１、６４から排出されたガス分子はドライ真空ポンプ４６によって収集されて圧縮機４８に供給される。
【００４６】
なお、環状溝５８は、真空チャンバＣ内の圧力や一次電子照射空間５６内の圧力によっては、二重或いは三重の構造にしてもよい。また、図７に示す検査装置では、ターボ分子ポンプの粗引きポンプと真空チャンバの真空排気用ポンプを１台のドライ真空ポンプで兼用するようにしているが、ＸＹステージの静圧軸受けに供給する高圧ガスの流量、真空チャンバの容積や内表面積、真空配管の内径や長さ等に応じて、別系統のドライ真空ポンプで排気することも可能である。
【００４７】
ＸＹステージ３２の静圧軸受けに供給する高圧ガスとして、一般にドライ窒素が使用される。しかしながら、可能ならば、更に高純度の不活性ガスを用いることが好ましい。これは、水分や油分等の不純物がガス中に含まれると、これらの不純物分子が真空チャンバＣを画成するハウジング３１の内面やステージ構成部品の表面に付着して真空度を悪化させたり、ウェーハＷの表面に付着して一次電子照射空間５６の真空度を悪化させてしまうからである。また、水分や油分が極力含まれないようにする必要があるため、ターボ分子ポンプ６１、６４、ドライ真空ポンプ４６及び圧縮機４８は、ガス流路に水分や油分が混入しないような構造であることが求められる。
【００４８】
なお、図７に示すように、不活性ガスの循環配管系には高純度不活性ガス供給系６７が接続されており、ガスの循環を始める際に、真空チャンバＣや真空配管４４、４５、６０、６３、６５及び加圧側配管４７、４９、５０、５１、６８を含む全ての循環系に高純度不活性ガスを満たす役割と、何らかの原因で循環するガスの流量が減少した際に不足分を供給する役割とを担っている。また、ドライ真空ポンプ４６に大気圧以上まで圧縮する機能を持たせることによって、ドライ真空ポンプ４６に圧縮機４８の機能を兼用させることも可能である。更に、鏡筒２９の排気に用いる超高真空ポンプとして、ターボ分子ポンプ６４の代わりにイオンポンプやゲッタポンプ等のポンプを使用することも可能である。ただし、これらの溜込み式ポンプを用いた場合には、循環配管系を構築することができなくなる。ドライ真空ポンプ４６の代わりに、ダイヤフラム式ドライポンプ等、他方式のドライポンプを使用することも可能である。
【００４９】
図８は、差動排気機構５５の環状部材５７及びそれに形成された環状溝５８の大きさの数値の例を示している。ここでは、半径方向に隔てられた二重構造の環状溝が用いられている。静圧軸受けに供給される高圧ガスの流量は、通常おおよそ２０Ｌ／ｍｉｎ（大気圧換算）程度である。真空チャンバＣを、内径５０ｍｍで長さ２ｍの真空配管を介して２００００Ｌ／ｍｉｎの排気速度を有するドライポンプで排気すると仮定すると、真空チャンバ内の圧力は、約１６０Ｐａ（約１．２Ｔｏｒｒ）となる。この時、差動排気機構５５の環状部材５７及び環状溝５８等の寸法を図８に示すように設定すると、一次電子照射空間５６内の圧力を１０^−４Ｐａ（１０^−６Ｔｏｒｒ）にすることができる。
【００５０】
図９は、これまで図１〜図８によって説明してきた欠陥検査装置ＥＢＩを搭載した検査システムの全体的な構成を概略的に示している。図示のとおり、欠陥検査装置ＥＢＩの一次光学系からウェーハＷ、二次光学系を経て検出系Ｄに至る経路の構成要素は、磁気シールド機能を奏する鏡筒２９の内部に収容され、鏡筒２９は、外部からの振動が伝わるのを防止するようにアクティブ除振ユニットにより支持された除振台６９の上面に設置される。鏡筒２９の内部は真空排気系７０によって真空に保たれる。鏡筒２９の内部の一次光学系及び二次光学系の各構成要素に対しては、制御電源７１から高圧ケーブル７２を介して所要の電圧が供給される。
【００５１】
鏡筒２９の適宜の個所に、光学顕微鏡とオートフォーカス手段とを備えたアライメント機構７３が設けられ、一次光学系及び二次光学系を構成する各要素を所定の光軸上に適正に配置するとともに電子銃から発射された一次電子がウェーハＷ上に焦点を自動的に結ぶよう調整される。
【００５２】
除振台６９の上面には、ウェーハＷを載置して固定するためのチャック（図示せず）を備えたＸＹステージ３２が設置され、走査期間におけるＸＹステージ３２の位置は所定間隔でレーザー干渉計によって検出される。更に、除振台６９の上面には、検査対象である複数枚のウェーハＷを蓄積するためのローダー７４と、ローダー７４内のウェーハＷを把持して鏡筒２９内のＸＹステージ３２に載置し、検査終了後にウェーハＷを鏡筒２９内から取り出すための搬送ロボット７５とが設置される。
【００５３】
システム全体の動作は、所要のプログラムがインストールされたメインコントローラ７６によって制御される。メインコントローラ７６はディスプレイ７７を備えており、また、ケーブル７８を介して検出系Ｄと接続される。これにより、メインコントローラ７６は検出系Ｄからケーブル７８を介してディジタル画像信号を受け取って画像処理部１２によって処理し、ウェーハＷの走査によって得られた検査結果ファイルの内容やウェーハＷの欠陥分布等をディスプレイ７７に表示させることができる。また、メインコントローラ７６はシステム全体の動作を制御するためにシステムの動作状態をディスプレイ７７に表示する。
【００５４】
ここまで、この発明に係る写像投影方式電子線装置を、その実施の形態である欠陥検査装置について詳述してきたが、この発明はこうした実施の形態に限られるものではない。例えば、ウェーハＷを載置するステージはＸＹ平面内で移動可能であるとして説明してきたが、これに加えて、ステージは、ＸＹ平面に垂直な又はＸＹ平面を通る任意の軸の回りに回転可能であってもよい。また、検査対象はウェーハに限られるものではなく、マスク等の電子線によって検査可能な試料を含むものとする。更に、この発明に係る写像投影型電子線装置と従来のビーム走査方式の欠陥レビュー装置とサーバとメインコントローラとをＬＡＮで相互に結合することにより、分散型の欠陥検査網を構築することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上、この発明に係る写像投影型電子線装置の実施の形態について詳述したところから理解されるように、この発明は、
（１）面ビームによって試料を照射するので、スループットを向上させることができ、例えばウェーハ１枚あたりの欠陥検査時間を従来のビーム走査方式の検査装置に比べてほぼ１／７に短縮することができる、
（２）一次電子をビームスポットに絞る必要が無いので、空間電荷効果を回避することができるうえ、試料を低電流密度で照射するので、試料のダメージが小さい、
（３）面ビームによって試料を照射するので、１ピクセルよりも小さいサイズまで検査することができる、
（４）電子銃の加速電圧及び試料に印加される電圧を選定するとともに、対物レンズを調整することにより、正帯電モード、負帯電モード及び反射電子撮像モードのうちのいずれかの動作モードで動作することができるので、試料における検査部位に応じて適正は検査を実施することができる、
（５）静電レンズを使用することにより、一次光学系及び／又は二次光学系を小型で高精度にすることができる、
等の格別の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は、この発明に係る写像投影方式電子線装置の第１の実施の形態の構成を概略的に示す図であり、（Ｂ）は、その二次光学系の構成を概略的に示す図である。
【図２】図１の（Ａ）における二次電子検出系の具体的構成を示す図である。
【図３】（Ａ）及び（Ｂ）は、図１の（Ａ）に示す欠陥検査装置の異なる動作モードを説明するための図である。
【図４】図１の（Ａ）に示す欠陥検査装置における二次光学系のレンズの具体的構成を示す図である。
【図５】（Ａ）は、この発明に係る写像投影方式電子線装置の第２の実施の形態を概略的に示す図であり、（Ｂ）は、その走査方法を説明するための図である。
【図６】（Ａ）は、この発明に係る写像投影方式電子線装置の第３の実施の形態を概略的に示す図であり、（Ｂ）は、その走査方法を説明するための図である。
【図７】本発明に係る欠陥検査装置の一つの実施の形態における真空チャンバ及びＸＹステージの構造とそのための不活性ガス循環配管系を示す図である。
【図８】図７に示す差動排気機構の一例を示す図である。
【図９】この発明に係る写像投影方式電子線装置を搭載した検査システムの全体的構成を概略的に示す図である。
【図１０】（Ａ）は、従来のビーム走査型の欠陥検査装置の構成を概略的に示す図であり、（Ｂ）は、その走査方法を説明するための図である。
【図１１】従来のビーム走査型の欠陥検査装置における検査時間の限界を説明するための図である。
【符号の説明】
ＥＢＩ：欠陥検査装置、ＥＧ：電子銃、１：カソード、２：４極子レンズ、３：ウィーンフィルタ、４：ＮＡ開口板、５：対物レンズ、６：中間レンズ、７：投影レンズ、Ｄ：二次電子検出系、８：マイクロチャンネルプレート、９：蛍光スクリーン、１０：センサユニット、１１：ラインセンサ、Ｗ：ウェーハ、１２：画像処理部、
１４：ライトガイド、１５：光学リレーレンズ、
ＥＧｍ：電子銃、２０：一次電子ビーム、２１：開口板、２２、２３：軸対称レンズ、２５：偏向器、
２６：マルチ開口板、２７：検出器、２８：増幅器、Ｄ´：マルチ検出系、１２´：画像処理部、
２９：鏡筒、３０：一次電子照射部、３１：ハウジング、３２：ＸＹステージ、３３：台座、３４：Ｙテーブル、３５ａ、３５ｂ：Ｙ方向ガイド、３６：リニアモータ、３７：Ｘテーブル、３８ａ、３８ｂ：Ｘ方向ガイド、３９：リニアモータ、４０、４１：フレキシブル配管、４２，４３ａ、４３ｂ：排気口、４４、４５：真空配管、４６：ドライ真空ポンプ、４７：配管、４８：圧縮機、４９、５０、５１：配管、５２、５３：レギュレータ、５４：除去手段、５５：差動排気機構、５６：一次電子照射空間、
５７：環状部材、５８：環状溝、５９：排気口、６０：真空配管、６１：ターボ分子ポンプ、６２：排気口、６３：真空配管、６４：ターボ分子ポンプ、６５、６６：真空配管、６７：不活性ガス供給系、６８：配管、６９：除振台、７０：真空排気系、７５：搬送ロボット、７６：メインコントローラ

Claims

一次電子線を試料上の少なくとも一次元方向に広がった視野に照射する写像投影方式電子線装置であって、
一次電子を発射するための電子銃と、
第１の方向の光軸を有し、前記電子銃から発射された前記一次電子のビーム形状を調整するための一次光学系と、
前記一次光学系を通過した前記一次電子を前記第１の方向とは異なる試料方向への第２の方向へ進行させるウィーンフィルタと、
前記第２の方向へ進行する前記一次電子のビーム形状を調整して前記試料を照射させるレンズ系と、
前記試料から発せられた二次電子又は反射電子を前記レンズ系と協働して前記第２の方向とは逆の方向へ進行させる二次光学系と、
前記二次光学系を通過した前記二次電子と前記反射電子の少なくとも一方を検出するための検出系と、
を具備することを特徴とする電子線装置。
前記レンズ系及び前記二次光学系におけるレンズが静電レンズであることを特徴とする、請求項１記載の電子線装置。
面ビームを形成する一次電子によって試料を照射することができる写像投影方式電子線装置であって、
一次電子を発射するための電子銃と、
前記電子銃から発射された前記一次電子のビーム形状を調整し且つ前記一次電子を第１の方向に進行させて前記面ビームによって前記試料を照射させる一次光学系と、
前記面ビームによって照射された前記試料から発せられた二次電子又は反射電子を前記第１の方向とは異なる第２の方向とは逆の方向へ進行させるウィーンフィルタと、
前記ウィーンフィルタを通過した前記二次電子又は前記反射電子を拡大結像させる二次光学系と、
前記二次光学系を通過した前記二次電子と前記反射電子のいずれか一方を検出するための検出系と、
を具備することを特徴とする電子線装置。
前記一次光学系及び前記二次光学系におけるレンズが静電レンズであることを特徴とする、請求項３記載の電子線装置。
前記電子銃の加速電圧と前記試料に印加される試料電圧とから決定される前記一次電子の照射エネルギ及び前記二次電子又は前記反射電子の信号電子エネルギを選択的に変更して、正帯電モード、負帯電モード及び反射電子撮像モードのいずれか一つで動作することが可能であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の電子線装置。
前記検出系が、
真空環境に設けられ、前記二次電子を受け取って光信号へ変換する電子−光変換部と、
前記真空環境と大気環境との境界に設けられ、前記光信号を通過させるライトガイドと、
前記大気環境に設けられ、前記ライトガイドを通過した前記光信号を受信して電気信号へ変換する光−電気変換部と、
を備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の電子線装置。
マルチビーム型であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の電子線装置。