JP2004342341A - Mirror electron microscope, and pattern defect inspection device using it - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料(半導体試料等)の表面状態を観察するミラー電子顕微鏡あるいはミラー型電子顕微鏡を用いて半導体ウェハ上に形成されるパターン欠陥を検査するパターン欠陥検査装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の製造過程において、ウエハ上に形成された回路パターンの欠陥を画像の比較検査により検出する方法として、電子線を試料に照射して、光学顕微鏡の分解能以下となる微小なエッチング残りや微小パターン欠陥検出や微小導通孔の非開口不良等の電気的な欠陥の検出に活用されている。
【0003】
ここで、点状の電子線を試料上で走査する走査型電子顕微鏡を用いた方式では、実用的な検査速度を得るためには限界があるので、矩形状の電子線を半導体ウエハに照射して反射電子や二次電子または逆電界の形成によりウエハに照射されずに反射される電子をレンズにより結像させる等、いわゆるプロジェクション方式により高速に検査する装置について提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
また、このプロジェクション方式において、試料から放出した二次電子を加速するための負の試料印加電圧と二次電子の結像分解能についての報告も為されている(例えば、非特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開平7−249393号公報
【非特許文献1】
LSIテスティングシンポジウム/1999会議録、P.142、図6
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、反射電子や二次電子のプロジェクション方式は、下記の課題が残っていた。
【0007】
プロジェクション方式では、SEM方式よりも大電流の電子線を一度に照射でき、かつ一括で画像を取得できるためSEM方式と比較して超高速に画像を形成できることが期待できる。ところが、二次電子の放出角度分布は広い角度に広がっており、しかもエネルギーも約1〜10eVと広がっている。このような電子を結像して試料の拡大像を形成するとき大部分の二次電子をカットしないと十分な分解能が得られないことが、上述の従来技術(非特許文献1)から容易に判断することができる。これによると、試料印加電圧−5kVのとき分解能はほぼ0.2μmである。
【0008】
そして、放出した二次電子がすべて画像形成に使用できるわけではなく、たとえば当該引用文献の計算では対物レンズ通過後の像面において1.1mradの開き角以下のビームを使用した場合となっている。この開き角の範囲内の二次電子は全体のたかだか10%程度である。さらに結像に使用する二次電子のエネルギーの幅を1eVで計算しているが、放出される二次電子のエネルギー幅は実際には数eV以上の幅を持って放出しており、高エネルギー側の裾野はおよそ50eVまで存在する。そのような幅広いエネルギー分布を持つ二次電子のうち、たかだか1eVのエネルギー幅のもののみを抽出した場合はさらに数分の一になってしまう。
【0009】
このように、電子線を面積ビームとして大電流を照射して一括で画像を形成しようとしても実際に画像形成に寄与できる電子の割合が低いために画像のS/N比を確保することが困難となり、結局期待できるほどの検査時間の短縮は不可能である。反射電子を用いる場合も同様に照射ビーム電流に比べて二桁少ない放出量しか得られず、二次電子の場合と同様に高分解能と高速性の両立は困難である。
【0010】
2次電子や反射電子に替わり、試料の直前で試料に当たらないで反射するミラー電子(引き戻された電子)を利用すれば、欠陥を起因として生じる電位を乱れを検出することによって、欠陥検出することができる。図に示すように、パターンが負帯電している場合には試料直上に形成される等電位面は入射電子に対して凸面鏡のように作用し、ミラー電子の軌道を帰る。他方、パターンが回りより正帯電している場合には、試料直情に形成される等電位面は入射電子に対して凹面鏡として作用する。このように、ミラー電子は試料直上に形成されるレンズにより軌道を変えるが、結像レンズの焦点条件を調整すれば、これらのミラー電子のほとんどを画像形成に用いることができる。すなわち、ミラー電子を用いれば、S/N比の高い画像が得られ、検査時間の短縮が期待できる。
【0011】
ミラー電子を結像させる装置構成は、入射電子線を試料に照射する照射電子レンズと、試料から反射される電子を結像する結像レンズと、照射電子線と結像電子線を分離させるセパレータとにより構成される。先に述べた2次電子や反射電子を結像させる従来例でも、同様の装置構成が記載されている。すなわち、照射レンズ、結像レンズ及び、セパレータとしては電界と磁界を直交させて動作させるE×B偏向器を用いている。E×B偏向器を通過した電子には色収差などの収差が発生する。ここで、2次電子を結像させる装置では、試料から放出される2次電子の分布は照射電子線の照射角にあまり依存しないので、照射電子線の入射角度はそろっていなくてもよい。そこで、E×B偏向器の配置については、結像電子線に対する収差が最小に成るような位置に配置、例えば結像電子の像面位置近傍に配置させれば、結像電子線に対する収差が最小になり、高分解能像が得られる。この配置で、照射電子線に対して、大きな収差が発生しても、2次電子線には影響を及ぼさない。そこで、従来の構成では、照射電子線の収差を最小にすることについては考慮されていなかった。
【0012】
しかし、ミラー電子を結像させる装置構成では、照射電子線および結像電子線両方に対して、E×B偏向器などのセパレータを通過するときに発生する収差を最小にしなければならない。
【0013】
高分解能なミラー電子像を得るためには、試料に垂直にほぼ平行な電子線を照射する必要がある。このためには、照射電子線を対物レンズの焦点面近傍に結像させれば、試料にほぼ平行な電子線を照射することができる。そこで、照射電子線と結像電子線を分離するためのE×B偏向器を対物レンズの焦点面近傍に配置すれば、照射電子線に対する収差は最小になる。しかし、この配置では、結像電子線に対してE×B偏向器で発生する収差が大きくなるので、照射電子線に最適化しても、高分解能な結像ができないという問題があった。
【0014】
本発明は、上述の点に着目してなされたものであり、照射電子線および反射電子線に対して発生する収差を最小にすることにより、高分解能なミラー電子顕微鏡の構成を実現させるとともに、このミラー電子顕微鏡を用いて、ウエハ上に形成されたパターンにおける欠陥部分を、高分解能でかつ高速で検出する欠陥検査装置を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、ビームセパレータとして、E×B偏向器を採用し、E×B偏向器は片側から入射した電子線は直進し、反対側から入射した電子線は偏向される特徴を有する。
【0016】
以下、本発明の基本的構成について説明する。
【0017】
E×B偏向器は、電界と磁界を直交かつ重畳して動作させて動作させる偏向器である。加速電圧V0の電子線が、図2に示す長さ2l、間隔dの平行平板電極型の静電偏向器で偏向される偏向角θEおよび長さ2lの均一磁界偏向器で偏向される偏向角θMは、それぞれ次式で与えられる。
【0018】
【数1】
なお、上式で、e/mは、比電荷である。
電界Eによる偏向と磁界Bによる偏向が打ち消しあう条件、
【0019】
【数2】
を、Wien条件と呼び、図2でWien条件に設定されたE×B偏向器に上方から入射した電子線は直進し、下方から入射した電子線はθE+θM=2θEの偏向を受ける。Wien条件で、e(V0+ΔV)のエネルギーの電子線の偏向量Δyは、E×B偏向器の偏向色収差となり、次式で近似される。
【0020】
【数3】
また、Wien条件で反対方向から入射した場合の偏向量Δy’は、上式の括弧内を加算して、
【0021】
【数4】
となり、Wien条件で反対方向から入射した電子線は直進する電子線より約3倍の色収差をもつことになることがわかる。
【0022】
ここで、電子レンズの物面上の1点からあらゆる方向に出射した電子線は像面上の1点に集束するので、E×B偏向器が電子レンズの物面上にある場合には、E×B偏向器の色収差によって偏向角度のずれが生じても像面では1点に集束するので、偏向収差は発生しないと考えられる。
【0023】
LEEM(Low Energy Electron Microscopy)と呼ばれる二次電子を二次元結像させる従来装置では、ビームセパレータとしてE×B偏向器を用い、E×B偏向器を結像系の対物レンズ像面すなわち中間レンズの物面近傍に配置することにより、中間レンズ以降への収差の影響を最小にする構成としていた。しかし、結像対物レンズの像面と照射系のクロスオーバ位置は一致しないので、この構成では照射電子線に対する収差が大きくなる。二次電子を結像する方式では二次電子の放出角度分布が照射電子線の入射条件にあまり依存しないので、照射系の収差が大きくても二次電子像への影響がなかったものと推定される。ミラー電子顕微鏡については、この構成では試料を平行照射できなくなるので所望の性能を達成することができない。
【0024】
そこで、E×B偏向器を次のような構成とした。E×B偏向器の配置は照射系のクロスオーバ位置か、結像系の像面(ミラー像面)位置近傍とし、収差が発生したもう一方の光学系内に、もうひとつE×B偏向器を配置して、逆方向に動作させることにより、セパレータで発生した色収差を補正する構成とした。図3に示すように、E×B偏向器L及びE×B偏向器Uが、像面上からそれぞれLL及びLU離れて配置する2つのE×B偏向器の像面上の色収差を逆向きに等しくなるように動作させる。ここで、θL、θUを、それぞれ、偏向器Lの色収差ΔyL=θLLL(ΔV/2V0)、偏向器Uの色収差ΔyU=θULU(ΔV/2V0)で与えられる偏向角とすると、ΔyL=ΔyU、すなわち、
LLθL=LUθU ...........(3)
となるように、E×B偏向器の強度を調整すれば、像面上の色収差は補正できると考えられる。
【0025】
具体的な構成は、以下のようにした。すなわち、図4に示すように、照射系のクロスオーバ位置すなわち対物レンズの焦点面近傍にセパレータとして動作するE×B偏向器を配置して、照射系の収差を最小にする。結像系で発生した収差は、結像系像面位置とE×B偏向器の間にもうひとつ収差補正用のE×B偏向器を配置、動作させて補正する構成とした。
【0026】
あるいは、図5に示すように、セパレータ用のE×B偏向器は、結像電子線(反射電子線)に対してWien条件となるように動作させ、結像系の像面位置に配置させる。すなわち、ミラー電子による結像電子線はE×B偏向器を直進して、収差も最小条件となるようにする。照射電子線(入射電子線)に対してE×B偏向器は偏向器として動作し、照射系のクロスオーバとE×B偏向器は離れてしまうので、E×B偏向器により照射系で発生する収差を補正するためにもうひとつの収差補正用のE×B偏向器を照射レンズとE×B偏向器の間に配置させることにより、色収差を補正する構成とした。この場合、Wien条件で動作するセパレータ用のE×B偏向器は照射系に対して電子線を偏向させる偏向器として動作するので、色収差は直進する電子線の場合より約3倍大きくなる。ここで、θL、θUを、それぞれ、偏向器Lの色収差ΔyL=3θLLL(ΔV/2V0)、偏向器Uの色収差ΔyU=θULU(ΔV/2V0)で与えられる偏向角とすると、ΔyL=ΔyU、すなわち、
3LLθL=LUθU ..........(4)
となるように、E×B偏向器の強度を調整すれば、クロスオーバ上の色収差は補正できる。
【0027】
また、試料が傾斜した場合にも常に試料に垂直に照射電子線を照射できるように、結像レンズの像面近傍に偏向器を配置して、試料照射角度を調整できる構成とした。
【0028】
以下、本発明の代表的な構成例を述べる。
【0029】
(1)電子源から出射した照射電子線を照射レンズにより対物レンズの焦点面に結像させて、前記照射電子線の加速電圧と略等しい電位もしくは負の電位に印加された試料に照射する第1の電子光学系と、前記第1の電子光学系により前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子によって形成される反射電子線を投影拡大して試料像を投影結像させる第2の電子光学系と、前記対物レンズにより前記試料の投影像が形成されるミラー像面近傍に配置され、前記照射電子線と前記反射電子線とを分離するためのビームセパレータとを有し、かつ、前記ビームセパレータで発生した収差を補正するための偏向器を前記第1の電子光学系に設けてなることを特徴とするミラー電子顕微鏡。
【0030】
(2)電子源から出射した照射電子線を照射レンズにより対物レンズの焦点面に結像させて、前記照射電子線の加速電圧と略等しい電位もしくは負の電位に印加された試料に照射する第1の電子光学系と、前記第1の電子光学系により前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子によって形成される反射電子線を投影拡大して試料像を投影結像させる第2の電子光学系と、前記対物レンズの焦点面近傍に配置され、前記照射電子線と前記反射電子線とを分離するためのビームセパレータとを有し、かつ、前記ビームセパレータで発生した収差を補正するための偏向器を前記第2の電子光学系に設けてなることを特徴とするミラー電子顕微鏡。
【0031】
(3)電子源と、前記電子源から出射した照射電子線を照射レンズにより対物レンズの焦点面に結像させて、前記照射電子線の加速電圧と略等しい電位もしくは負の電位を印加された試料に2次元的な広がりを有する面状の前記照射電子線を照射する照射手段と、前記照射手段により前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻されたミラー電子によって形成される反射電子線を投影拡大して試料像を投影結像させる結像手段と、前記対物レンズにより前記試料の投影像が形成されるミラー像面近傍に配置され、前記照射電子線と前記反射電子線とを分離するためのビームセパレータとを有し、かつ、前記照射電子線の前記ビームセパレータと前記照射レンズとの間に、前記ビームセパレータで発生した収差を補正するための偏向器を設けたことを特徴とするミラー電子顕微鏡。
【0032】
(4)電子源と、前記電子源から出射した照射電子線を照射レンズにより対物レンズの焦点面に結像させて、前記照射電子線の加速電圧と略等しい電位もしくは負の電位を印加された試料に2次元的な広がりを有する面状の照射電子線を照射する照射手段と、前記照射手段により前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子によって形成される反射電子線を投影拡大して試料像を投影結像させる結像手段と、前記対物レンズの焦点面近傍に配置され、前記照射電子線と前記反射電子線とを分離するビームセパレータとを有し、かつ、前記反射電子線の前記ビームセパレータと、前記対物レンズにより前記試料の投影像が形成される対物レンズ像面との間に、前記ビームセパレータで発生した収差を補正するための偏向器を設けたことを特徴とするミラー電子顕微鏡。
【0033】
(5)前記ミラー電子顕微鏡において、前記ビームセパレータは、前記照射電子線と前記反射電子線とを分離する機能に重畳して、偏向器の強度を調整することにより、前記照射電子線を前記試料に垂直に照射し得る機能を有することを特徴とするミラー電子顕微鏡。
【0034】
(6)電子源から出射した照射電子線を照射レンズにより対物レンズの焦点面に結像させて、前記照射電子線の加速電圧と略等しい電位もしくは負の電位を印加された前記試料に2次元的な広がりを有する面状の照射電子線を照射する照射手段と、前記照射手段により前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子によって形成される反射電子線を投影拡大して試料像を投影結像させる結像手段とを備えたミラー電子顕微鏡において、前記対物レンズにより前記試料の投影像が形成されるミラー像面近傍に偏向支点を有する偏向器を設置して、前記偏向器の強度を調整することにより、前記照射電子線を前記試料に垂直に照射し得るよう構成したことを特徴とするミラー電子顕微鏡。
【0035】
(7)電子源と、前記電子源から出射した照射電子線を照射レンズにより対物レンズの焦点面に結像させて、前記照射電子線の加速電圧と略等しい電位もしくは負の電位を印加された前記試料に2次元的な広がりを有する面状の照射電子線を照射する照射手段と、前記照射手段により前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子によって形成される反射電子線を投影拡大して試料像を投影結像させる結像手段と、前記対物レンズにより前記試料の投影像が形成されるミラー像面近傍に配置され、前記照射電子線と前記反射電子線を分離するためのビームセパレータと、前記照射電子線の前記ビームセパレータと前記照射レンズとの間に配置され、前記ビームセパレータで発生した収差を補正するための偏向器と、前記面状の照射電子線を、前記試料表面の複数の照射領域に順次照射し、前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子を結像せしめて、前記複数の照射領域の全域もしくは一部の拡大電子像を順次形成する手段と、形成された前記複数の照射領域の拡大電子像を電気的な画像信号に変換する手段と、前記複数の照射領域についての画像信号同士を比較して、前記試料に形成されたパターン欠陥を検出する手段とを具備することを特徴とするパターン欠陥検査装置。
【0036】
(8)電子源と、前記電子源から出射した照射電子線を照射レンズにより対物レンズの焦点面に結像させて、前記照射電子線の加速電圧と略等しい電位もしくは負の電位を印加された前記試料に2次元的な広がりを有する面状の照射電子線を照射する照射手段と、前記照射手段により前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子によって形成される反射電子線を投影拡大して試料像を投影結像させる結像手段と、前記照射電子線の前記対物レンズの焦点面近傍に配置され、前記照射電子線と前記反射電子線を分離するためのビームセパレータと、前記反射電子線の前記ビームセパレータと前記照射レンズとの間に配置され、前記ビームセパレータで発生した収差を補正するための偏向器と、前記面状の照射電子線を、前記試料表面の複数の照射領域に順次照射し、前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子を結像せしめて、前記複数の照射領域の全域もしくは一部の拡大電子像を順次形成する手段と、形成された前記複数の照射領域の拡大電子像を電気的な画像信号に変換する手段と、前記複数の照射領域についての画像信号同士を比較して、前記試料に形成されたパターン欠陥を検出する手段とを具備することを特徴とするパターン欠陥検査装置。
【0037】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【0038】
(実施例1)
図1は、実施例1の動作を説明するための構成を示したものである。セパレータとしてE×B偏向器3を結像電子線302の結像面(ミラー像面)304近傍に配置させる。この配置では、照射電子線301に対してE×B偏向器で収差が発生する。この収差を補正するために照射系コンデンサレンズ2とE×B偏向器3の間にもうひとつ収差補正用のE×B偏向器4を配置させる構成とする。
【0039】
コンデンサレンズ2と対物レンズの間にはビームセパレータとしてE×B偏向器3が配置されており、電子源1より放出された照射電子線301は、E×B偏向器3によりウェハ7に垂直な光軸に偏向される。E×B偏向器3により偏向された照射電子線301は、コンデンサレンズ2により対物レンズの焦点面303の近傍に集束され、試料上7をほぼ平行に照射される。
【0040】
試料7には、電子線の加速電圧V0とほぼ等しいか、わずかに高い負の電位VSが試料7に印加されている。試料7に対向する円孔電極41には、電圧Vrが印加されている。円孔電極41と試料7との間に生ずる電界によって面状の照射電子線301の大部分が試料7に衝突する直前で引き戻され、ミラー電子となり、試料7の形状や電位、磁界などを反映した方向や強度を持って上がってくる。
【0041】
このミラー電子による結像電子線302は、対物レンズ6により投影されてミラー像を対物レンズ6によるミラー像面位置304に結ぶ。E×B偏向器3はこのミラー像面304近傍に配置され、このE×B偏向器3は、結像電子線にはWien条件で作用する。したがって、結像電子線302に対してはE×B偏向器3は偏向作用を持たず、ミラー像面位置304近傍に配置されるので偏向収差も発生しない。この対物レンズ6によるミラー像は、中間レンズ13および投影レンズ14により投影され、シンチレータ15上に拡大されたミラー電子像が形成される。このミラー電子はシンチレータ15により光に変換され、光学レンズ16あるいは光ファイバー束33によりCCDカメラ17上に投影され、CCDカメラ17により電気信号に変換され、モニタ22によりミラー像が表示される。
【0042】
この構成では、照射電子線301のクロスオーバ位置とE×B偏向器3の位置が離れているので、照射電子線301に対してE×B偏向器3の収差が発生する。この収差を補正するために、照射系のコンデンサレンズ2とE×B偏向器3の間に収差補正用のE×B偏向器4を配置させる。
【0043】
E×B偏向器3を光軸垂直方向から見た断面は、図6に示す8極電磁極構造であり、各電磁極51はパーマロイなどの磁性体で構成されている。各電磁極に電位を与えることによって電極として動作し、各電磁極にN回巻かれているコイル53に電流を流すことによって磁極として動作する。
【0044】
図6に示す電圧配分で各電磁極に電圧Vxを印加すると電子は、x方向に偏向作用を受ける。また、図7に示すような電流配分で電流Iyを各コイルに流すと、図3の紙面の裏側から表へ運動する電子はx方向の正方向、紙面の表から裏側へ運動する電子はx方向の負方向へ偏向作用を受ける。各電極の電圧および電流配分は実際の電磁極形状に電位あるいは磁位を与えた電磁界計算により均一な電磁界が発生するように最適化されており、例えば、図中のα=0.414に設定している。また、図8に示すような、電圧配分あるいは電流配分で電磁極51を動作させると、この8個の電磁極は非点収差補正器としても動作する。
【0045】
図9は、E×B偏向器3の光軸を含む断面図である。E×B偏向器をビームセパレータとして用いる場合、電子線偏向角は二つの光学系が互いに干渉しない配置関係を考慮すると、30度以上は曲げる必要がある。照射電子線301を30度偏向しても電磁極に当たらないようにするためには、開口部の直径を電磁極長さより大きくしなければならないが、開口を広げると偏向させる電圧を増加させなければならないので、電磁極51形状は電子軌道にほぼ沿った末広がりの円錐形状とした。また、電磁極の上下にはシールド電磁極54を設け、電磁界の滲みだしを抑えるとともに、電界と磁界が同一の空間で作用するようにして、空間内で常にWien条件が成り立つ完全なE×B偏向器として動作するようにした。
【0046】
この二つのE×B偏向器の強度比の配分について以下に説明する。E×B偏向器3は結像電子線302に対しては、Wien条件で動作し、照射電子線301に対しては偏向器として動作する。すなわち、照射系と結像系が2θ1の角度で互いに傾斜しているとすると、E×B偏向器3は、照射電子線に対してE×B偏向器3を構成する電界偏向器でθ1、磁界偏向器でθ1の角度で同じ方向に作用するように動作し、結像電子線に対してE×B偏向器3を構成する電界偏向器でθ1、磁界偏向器でθ1の角度で反対方向に作用するように動作する。
【0047】
E×B偏向器4は、照射電子線に対してE×B偏向器4を構成する電界偏向器でθ2、磁界偏向器でθ2の角度で反対方向に作用するWien条件で動作するように動作する。照射電子線301のE×B偏向器3の焦点面上までの光路長をLLと置き、E×B偏向器4から焦点面上までの光路長をLUと置くと、(4)式でθUをθ2、θLをθ1で置き換えて(4)式が成り立つようにθ2の強度を設定すれば、焦点面上で照射電子線301の色収差を概ね補正できる。
【0048】
上記の動作を実行する制御部28の機能について、以下に説明する。E×B偏向器3に供給する電圧Vxと電子線の偏向角θ1との関係は電子線がE×B偏向器3に入射するエネルギー、電子源に印加する加速電圧V0に依存するので、あらかじめ電子線の軌道計算結果や実験から求めた所望の偏向角に対するV0とVxの関係が制御部28にインプットされている。E×B偏向器3に供給するコイル電流IyとVxのWien条件が成り立つ強度関係は、電子線の軌道計算結果から求めた値があらかじめ制御部28にインプットされているか、表示装置22の画像上で試料上の偏向量が完全にキャンセルするようにマニュアルあるいは自動的に設定される。加速電圧V0が一定の条件では、Wien条件が成り立つVxとIyの強度比は一定であるので、VxとIyの強度比を一定にしたまま変化させることによって、Wien条件を保持したまま入射電子線に対する偏向角を変化させる制御が可能である。このようにして、制御部28からセパレータ用E×B偏向器電源31へ供給するVxとIyを制御することにより、E×B偏向器3で偏向する偏向角θ1を制御することができる。
【0049】
また、E×B偏向器4に供給する電圧Vx’と電子線偏向角θ2との関係も、あらかじめ電子線の軌道計算結果や実験から求めた所望の偏向角に対する加速電圧V0とVx’の関係が制御部28にインプットされている。E×B偏向器4に供給するコイル電流Iy’とVx’のWien条件が成り立つ強度関係は、電子線の軌道計算結果から求めた値があらかじめ制御部28にインプットされているか、表示装置22の画像上で試料上の偏向量が完全にキャンセルするようにマニュアルあるいは自動的に設定される。加速電圧V0が一定の条件では、Wien条件が成り立つVx’とIy’の強度比は一定であるので、Vx’とIy’の強度比を一定にしてWien条件を保持したまま、θ2を変化させることが可能である。このようにして、制御部28から収差補正用E×B偏向器電源32へ供給するVx’とIy’を制御することにより、E×B偏向器4で偏向する偏向角θ2を制御することができる。
【0050】
制御部28は、セパレータ用E×B偏向器電源31を通じて、照射系と結像系の傾斜角2θ1と加速電圧V0の関係が成り立つように、E×B偏向器3の各電磁極に電圧Vx、αVx、−αVx、および−Vxを供給し、コイル電流Iy、αIy、−αIy、および−Iyを供給する。
【0051】
また、制御部28は(4)式の演算を行い、(4)式が成り立つような偏向角θ2と加速電圧V0の関係が成り立つように、収差補正用E×B偏向器電源32を通じてE×B偏向器4の各電磁極に電圧Vx’、αVx’、−αVx’、および−Vx’を供給し、コイル電流Iy’、αIy’、−αIy’、および−Iy’を供給する。このような動作を行うことによって、セパレータ用のE×B偏向器3で発生した収差を収差補正用E×B偏向器4で補正することができる。
【0052】
なお、上記の動作は、E×B偏向器3およびE×B偏向器4のx方向の偏向方向について説明したが、y方向への偏向成分の補正についても8極の電磁極にy方向の偏向成分の電圧あるいは電流を供給することによって同様の手順で行うことができる。例えば、E×B偏向器に周辺の磁界レンズからの磁束の漏れが生じている場合には、このようなy方向の電磁界を重畳させる回転補正が必要である。
【0053】
また、図7においては、各コイルの巻き数は等しくN回としたが、磁極に流す電流Iとの関係がNIが一定になる範囲で電流IおよびNを変化させても良い。
【0054】
照射系のクロスオーバの収差が補正されているかどうかは、クロスオーバの大きさを計測する手段があれば達成される。例えば、このクロスオーバが試料上で再びスポットになるように対物レンズを動作させて、試料上を走査する手段を設け、試料に電子線を衝突させて発生した二次電子を検出してSEM像を取得できるような手段を設ければ、SEM像の分解能を評価することによってクロスオーバの大きさを計測することができる。
【0055】
または、このクロスオーバが対物レンズの焦点面に形成されて、試料を平行照射できるが、このクロスオーバの大きさが試料を照射する電子線の平行度に関係し、クロスオーバが大きくなるほど平行度が劣化するが、この照射電子線の平行度は結像電子線の電子線回折像を観察することにより確認することができる。すなわち、試料として鏡面状の試料を置けば、照射電子線が鏡面反射して試料の構造を含まないミラー電子として結像電子線となり、ミラー電子の電子線回折像が対物レンズ像面に形成されるが、この電子線回折像を中間レンズ及び投影レンズにより拡大して、シンチレータ15上に投影して、CCDカメラ17で観察する。この電子線回折像が一番小さくなるように、収差補正用E×B偏向器4に供給する電圧Vx’及び電流Iy’を、Wien条件を保持したまま、調整することによって、照射系クロスオーバを最小にすることができる。
【0056】
(実施例2)
図10は、第2の実施例の動作を説明するための構成を示したものである。本実施例では、照射系のクロスオーバ位置303近傍にセパレータ用のE×B偏向器3を配置して、照射系の収差を最小にする。結像系で発生した収差は、結像系像面位置304とE×B偏向器3の間にもうひとつE×B偏向器4を配置、動作させて補正する構成とした。
【0057】
セパレータとして動作するE×B偏向器3は、照射電子線に対してE×B偏向器3を構成する電界偏向器でθ1、磁界偏向器でθ1の角度で同じ方向に作用するように動作し、結像電子線に対してE×B偏向器3を構成する電界偏向器でθ1、磁界偏向器でθ1の角度で反対方向に作用するように動作する。E×B偏向器3の配置は照射電子線301のクロスオーバ位置に配置されるので、照射系に対する色収差は発生しない。結像電子線302に対しては、E×B偏向器3の収差が発生するので、E×B偏向器3と対物レンズによるミラー像面303の間に収差補正用のE×B偏向器4を配置する。結像電子線302に対しては、E×B偏向器3はWien条件で動作するので、照射電子線301のE×B偏向器3の焦点面上までの光路長をLLと置き、E×B偏向器4から焦点面上までの光路長をLUと置くと、(3)式が成り立つように、E×B偏向器4を構成する電界偏向器で偏向させるθ2、磁界偏向器で偏向させる角度θ2を設定することによって、像面上の色収差を補正することが可能となる。
【0058】
(実施例3)
図11は、第3の実施例の動作を説明するための構成を示したものである。
【0059】
本実施例では、セパレータとしてE×B偏向器3を結像電子線の結像面304近傍に配置させる。この配置では、照射レンズに対してE×B偏向器で収差が発生する。この収差を補正するために、照射系コンデンサレンズ2とE×B偏向器3の間にもうひとつ収差補正用のE×B偏向器4を配置させる構成とした。また、本実施例では、結像系は正立とし、照射系は傾斜する構成とした。
【0060】
E×B偏向器3は照射電子線301に対しては、Wien条件で動作し、結像電子線302に対しては偏向器として動作する。すなわち、照射系と結像系が2θ1の角度で互いに傾斜しているとすると、E×B偏向器3は、照射電子線に対してE×B偏向器3を構成する電界偏向器でθ1、磁界偏向器でθ1の角度で反対の方向に作用するWien条件で動作し、結像電子線に対してE×B偏向器3を構成する電界偏向器でθ1、磁界偏向器でθ1の角度で同じ方向に作用する偏向器として動作する。E×B偏向器4は、照射電子線に対してE×B偏向器4を構成する電界偏向器でθ2、磁界偏向器でθ2の角度で反対方向に作用するWien条件で動作するように動作する。照射電子線301のE×B偏向器3の焦点面上までの光路長をLLと置き、E×B偏向器4から焦点面上までの光路長をLUと置くと、(3)式が成り立つようにθ2の強度を設定すれば、焦点面上で照射電子線301の色収差を概ね補正できる。制御部28は、(3)式が成り立つように演算を行い、セパレータE×B偏向器電源31および収差補正用E×B偏向器電源32に供給する電圧および電流を制御する。
【0061】
(実施例4)
図12は、実施例4の動作を説明するための構成を示したものである。
本実施例では照射系のクロスオーバ位置にE×B偏向器を配置して、照射系の収差を最小にする。結像系で発生した収差は、結像系像面位置とE×B偏向器の間にもうひとつE×B偏向器を配置、動作させて補正する構成とした。また、本実施例では、実施例3と同様に、結像系は正立とし、照射系は傾斜する構成とした。
【0062】
E×B偏向器3は照射電子線301に対しては、Wien条件で動作し、結像電子線302に対しては偏向器として動作する。すなわち、照射系と結像系が2θ1の角度で互いに傾斜しているとすると、E×B偏向器3は、照射電子線に対してE×B偏向器3を構成する電界偏向器でθ1、磁界偏向器でθ1の角度で反対の方向に作用するWien条件で動作し、結像電子線に対してE×B偏向器3を構成する電界偏向器でθ1、磁界偏向器でθ1の角度で同じ方向に作用する偏向器として動作する。E×B偏向器4は、照射電子線に対してE×B偏向器4を構成する電界偏向器でθ2、磁界偏向器でθ2の角度で反対方向に作用するWien条件で動作するように動作する。結像電子線302のE×B偏向器3の焦点面上までの光路長をLLと置き、E×B偏向器4から焦点面上までの光路長をLUと置くと、(4)式が成り立つようにθ2の強度を設定すれば、ミラー像面上で結像電子線302の色収差を概ね補正できる。制御部28は、(4)式が成り立つように演算を行い、セパレータE×B偏向器電源31および収差補正用E×B偏向器電源32に供給する電圧および電流を制御する。
【0063】
(実施例5)
図13は、第5の実施例を示し、ウェハが傾斜した場合にも、試料に垂直に電子線が入射するための偏向器を設けたものである。z方向を光軸に取り、通常はz=0のxy平面内にある試料表面が、x方向にθだけ傾斜しているとすると、試料7と円孔電極41間の距離をL0と置けば、電界強度のz方向成分Ezおよびx方向成分Exは、それぞれ、Ez≒E、Ex≒(1−z/L0)Eで与えられる。
【0064】
x方向およびz方向について運動方程式を解けば、電子線が試料に一番近づく条件で試料にほぼ垂直に入射する条件、すなわちz方向の速度が0で、x方向の速度成分も0になるような条件は、円孔電極41を通過する角度βが、
【0065】
【数5】
をおおむね満たすことであることがわかる。
【0066】
さらに、円孔電極41の焦点距離f=4L0と置けば、円孔電極41に入射する電子線の角度β2を2sinθ(≒2θ)だけ傾ければ良いことがわかる。
【0067】
そこで、たとえば、円孔電極41の上方にアライナ42を配置して、試料がx方向にθ傾いた場合には、2θだけ傾斜するように作用させれば、常に試料に垂直に電子線を照射することができる。ここでアライナ42の配置が対物レンズによって投影されるミラー像面302近傍にあれば、物面上の1点からあらゆる方向に出た電子線は像面上の1点に集束するので、アライナ42により試料上の照射角度が変化しても、常に同一の視野を照射することができる。このアライナ42はミラー像面302近傍にあるひとつのアライナ42であってもよいし、上下2つのアライナにより構成され、アライナの仮想偏向支点がミラー像面302近傍にあるように上下のアライナの偏向比率を調整する構成でもよい。
【0068】
また、対物レンズによって投影されるミラー像面302近傍に照射電子線301と結像電子線302を分離するセパレータとしてE×B偏向器3が配置されている場合には、電界と磁界が反対方向に同じ力が作用するWien条件に加えてアライナとして作用する成分を重畳させることにより、上記の機能を実現することができる。
【0069】
ただし、このアライナ42は、照射ビームと結像ビームとで同じ方向に作用するように静電型のアライナを用いるほうが望ましい。すなわち、図14は、静電型のアライナを示し、図15は、磁界型のアライナを用いた場合の照射電子線および結像電子線の軌道を示したものであるが、磁界型アライナでは、アライナより上方の入射電子線と反射電子線の軌道が一致しなくなるので、アライナを動作させることにより、アライナより上方の電子光学系の再調整が必要になってしまうからである。図16を用いて、調整手順を説明する。
【0070】
セパレータとしてE×B偏向器3を結像電子線302の結像面304近傍に配置させる。この配置では、照射電子線301に対してE×B偏向器で収差が発生する。この収差を補正するために照射系コンデンサレンズ2とE×B偏向器3の間にもうひとつ収差補正用のE×B偏向器4を配置させる構成とする。E×B偏向器3の各電磁極にはセパレータとして、図6および図7に示されるようなWien条件を満足する供給電圧Vxとコイル電流Iyに加えて、照射電子線301を試料に対し垂直に照射させる偏向電圧が供給される。静電偏向器には、試料傾斜角調整用電源(図示してない)から垂直照射調整用の電圧が供給される。
【0071】
試料7の傾斜分布は、あらかじめ観察前に試料内の数点以上の位置について、高さ測定器26や電子線による合焦点レンズ強度などの高さ計測手段を用いて、面内の傾斜分布を算出する。観察時には、この検査位置座標に対応した試料傾斜データに基づいて、制御部28で試料傾斜角θが算出され、対物レンズ出射時の傾斜角2θを計算する。本実施例ではE×B偏向器3は対物レンズ6の上方に配置されているので、対物レンズ倍率より対物レンズ出射角θに対応する偏向角θ’を算出し、偏向角θ’に相当する偏向電圧を、Wien条件を満足する供給電圧Vxに重畳して、各電磁極に供給する。以上のように制御することにより、試料面内で常に試料に垂直に電子線を照射することが可能となる。
【0072】
(実施例6)
図17に示す本実施例は、ミラー電子顕微鏡を高速ウェハ検査に適用した構成である。
【0073】
電子光学系101において、電子源1より放出された電子線は、コンデンサレンズ2により収束され試料上をほぼ平行に照射される。電子源1には、Zr/O/W型のショットキー電子源を用いた。大電流ビーム(例えば、1.5μA)で、かつエネルギー幅が1.5eVの均一な面状電子線を安定に形成できる。
【0074】
セパレータとしてE×B偏向器3を結像電子線302の結像面304近傍に配置させる。この配置では、照射電子線301に対してE×B偏向器で収差が発生する。この収差を補正するために照射系コンデンサレンズ2とE×B偏向器3の間にもうひとつ収差補正用のE×B偏向器4を配置させる構成とする。
【0075】
電子線は、E×B偏向器3によりウェハ7に垂直な光軸に偏向される。E×B偏向器3は上方からの電子線に対してのみ偏向作用を持つ。E×B偏向器3より偏向された電子線は、対物レンズ6により試料(ウェハ)表面に垂直な方向に面状の電子線が形成される。E×B偏向器4よりセパレータE×B偏向器3の偏向収差が補正されるので、対物レンズ6の焦点面上には微細なクロスオーバが形成されるので、平行性の良い照射電子線301を試料に照射できる。
【0076】
試料室102内の試料移動ステージ8に搭載された試料(ウェハ)7には、電子線の加速電圧とほぼ等しいか、わずかに高い負の電位が試料印加電源9によって印加されており、ウェハ7の表面には形成された半導体パターン形状や帯電の状態を反映した電界が形成されている。この電界によって面状電子線の大部分がウェハ7に衝突する直前で引き戻され、ウェハ7のパターン情報を反映した方向や強度を持って上がってくる。
【0077】
引き戻された電子線は、対物レンズ6により収束作用を受け、ビームセパレータとしての偏向器3は下方から進行した電子線に対しては偏向作用を持たないので、そのまま垂直に上昇し、対物レンズ6、中間レンズ13、投影レンズ14により投影拡大されて、シンチレータ15、光学レンズ16、CCD17よりなる画像検出部上にウェハ7表面の画像を結像させる。また、対物レンズ6、あるいは中間レンズ13により形成される電子線回折像面上にコントラストアパーチャ12を配置して、像のコントラストが調整される。
【0078】
これにより、ウェハ7表面の局部的な帯電電位の変化や凹凸等の構造の違いが画像として形成される。収差を補正することにより、平行性の良い照射電子線301を照射でき、高分解能なミラー像を形成することができるので、100nm以下の帯電電位の変化や凹凸等の構造の違いを検出することが可能となる。この画像は電気信号に変換され画像処理部104に送られる。
【0079】
画像処理部104は、画像信号記憶部18及び19、演算部20、欠陥判定部21より構成されている。画像記憶部18と19は同一パターンの隣接部の画像を記憶するようになっており、両者の画像を演算部20で演算して両画像の異なる場所を検出する。この結果を欠陥判定部21により欠陥として判定しその座標を記憶する。なお、取り込まれた画像信号はモニタ22により画像表示される。
【0080】
半導体ウェハ7表面上に形成された同一設計パターンを有する隣接チップA、B間でのパターンの比較検査をする場合には、先ず、チップA内の被検査領域についての電子線画像信号を取り込んで、記憶部18内に記憶させる。次に、隣接するチップB内の上記と対応する被検査領域についての画像信号を取り込んで、記憶部19内に記憶させながら、それと同時に、記憶部18内の記憶画像信号と比較する。さらに、次のチップC内の対応する被検査領域についての画像信号を取得し、それを記憶部18に上書き記憶させながら、それと同時に、記憶部19内のチップB内の被検査領域についての記憶画像信号と比較する。このような動作を繰り返して、全ての被検査チップ内の互いに対応する被検査領域についての画像信号を順次記憶させながら、比較して行く。
【0081】
上記の方法以外に、予め、標準となる良品(欠陥のない)試料についての所望の検査領域の電子線画像信号を記憶部18内に記憶させておく方法を採ることも可能である。その場合には、予め制御計算機29に上記良品試料についての検査領域および検査条件を入力しておき、これらの入力データに基づき上記良品試料についての検査を実行し、所望の検査領域についての取得画像信号を記憶部18内に記憶する。次に、検査対象となるウェハ7をステージ8上にロードして、先と同様の手順で検査を実行する。
【0082】
そして、上記と対応する検査領域についての取得画像信号を記憶部19内に取り込むと同時に、この検査対象試料についての画像信号と先に記憶部18内に記憶された上記良品試料についての画像信号とを比較する。これにより上記検査対象試料の上記所望の検査領域についてのパターン欠陥の有無を検出する。なお、上記標準(良品)試料としては、上記検査対象試料とは別の予めパターン欠陥が無いことが判っているウェハを用いても良いし、上記検査対象試料表面の予めパターン欠陥が無いことが判っている領域(チップ)を用いても良い。例えば、半導体試料(ウェハ)表面にパターンを形成する際、ウェハ全面にわたり下層パターンと上層パターン間での合わせずれ不良が発生することがある。このような場合には、比較対象が同一ウェハ内あるいは同一チップ内のパターン同士であると、上記のようなウェハ全面にわたり発生した不良(欠陥)は見落とされてしまう。
【0083】
しかし、本実施例によれば、予め良品(無欠陥)であることが判っている領域の画像信号を記憶しておき、この記憶画像信号と検査対象領域の画像信号とを比較するので、上記したようなウェハ全面にわたり発生した不良をも精度良く検出することができる。
【0084】
記憶部18、19内に記憶された両画像信号は、それぞれ演算部20内に取り込まれ、そこで、既に求めてある欠陥判定条件に基づき、各種統計量(具体的には、画像濃度の平均値、分散等の統計量)、周辺画素間での差分値等が算出される。これらの処理を施された両画像信号は、欠陥判定部21内に転送されて、そこで比較されて両画像信号間での差信号が抽出される。これらの差信号と、既に求めて記憶してある欠陥判定条件とを比較して欠陥判定がなされ、欠陥と判定されたパターン領域の画像信号とそれ以外の領域の画像信号とが分別される。
【0085】
装置各部の動作命令および動作条件は、制御計算機29から入出力される。制御計算機29には、予め電子線発生時の加速電圧、電子線偏向幅・偏向速度、試料ステージ移動速度、画像検出素子からの画像信号取り込みタイミング等々の諸条件が入力されている。ビーム制御系28は、制御計算機29からの指令を受けて、ステージ位置測定器27、試料高さ測定器26からの信号を基にして補正信号を生成し、電子線が常に正しい位置に照射されるように対物レンズ電源25や走査信号発生器24に補正信号を送る。ステージ制御系30は、制御計算機29から指令を受けて試料移動ステージ8を制御する。
【0086】
検査時には、試料(半導体ウェハ)7を搭載したステージ8はx方向に一定速度で連続移動する。ステージ8は連続移動しているので、電子線は照射系偏向器5によってステージ8の移動に追従して偏向走査させる。
【0087】
電子線の照射領域あるいは照射位置は、ステージ8に設けられたステージ位置測定器27、試料高さ測定器26等により常時モニタされる。これらのモニタ情報が制御計算機29に転送されて詳細に位置ずれ量が把握され、かつこの位置ずれ量はビーム制御系28によって正確に補正される。これにより、パターンの比較検査に必要な正確な位置合わせが高速・高精度で行われ得る。
【0088】
また、半導体ウェハ7の表面高さを、電子線以外の手段でリアルタイムに測定し、電子線を照射するための対物レンズ6や結像レンズ11の焦点距離をダイナミックに補正する。電子線以外の手段としては、例えば、レーザ干渉方式や反射光の位置変化を計測する方式等による光学式の高さ測定器26である。これにより、常に被検査領域の表面に焦点のあった電子線像を形成することができる。また、予め検査前にウェハ7の反りを測定しておき、その測定データを基に上記の焦点距離補正をするようにして、実検査時にはウェハ7の表面高さ測定を行う必要がないようにしてもよい。
【0089】
以上で述べた検査方法および検査装置により、収差が補正された平行性の良い照射電子線301を照射でき、高分解能なミラー像を形成することができるので、ウェハ7の表面の電位および形状の情報を反映した画像を形成し、対応するパターン領域についての画像信号を比較検査することによって、100nm以下のパターン欠陥の有無を検出することが可能となった。これにより、従来の電子線による検査装置と比べ非常に高速かつ高分解能な検査が可能になった。
【0090】
【発明の効果】
本発明によれば、照射電子線および反射電子線に対して発生する収差を最小にすることにより、高分解能なミラー電子顕微鏡の構成を実現させるとともに、このミラー電子顕微鏡を用いて、ウェハ上に形成されたパターンにおける欠陥部分を、高分解能でかつ高速で検出する欠陥検査装置を実現する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例になるミラー電子顕微鏡の構成を示す図。
【図2】E×B偏向器の動作を説明する図。
【図3】E×B偏向器の収差補正を説明する図。
【図4】E×B偏向器の収差補正の構成(1)を説明する図。
【図5】E×B偏向器の収差補正の構成(2)を説明する図。
【図6】8極型E×B偏向器の電圧配分の例(1)を説明する図。
【図7】8極型E×B偏向器の電流配分の例(2)を説明する図。
【図8】8極型E×B偏向器の非点収差補正を説明する図。
【図9】8極型E×B偏向器の断面図。
【図10】本発明の第2の実施例の構成を説明する図。
【図11】本発明の第3の実施例の構成を説明する図。
【図12】本発明の第4の実施例の構成を説明する図。
【図13】本発明の第5の実施例を説明する図。
【図14】本発明の第5の実施例による静電偏向器の動作を説明する図。
【図15】本発明の第5の実施例による磁界偏向器の動作を説明する図。
【図16】本発明の第5の実施例の構成を説明する図。
【図17】本発明の第6の実施例の構成を説明する図。
【符号の説明】
1…電子源、2…コンデンサレンズ、3…E×B偏向器、4…E×B偏向器、5…照射系偏向器、6…対物レンズ、7…試料(ウェハ)、8…ウェハ移動ステージ、10…結像系偏向器、12…コントラストアパーチャ、13…中間レンズ、14…投影レンズ、15…シンチレータ、16…光学レンズ、17…CCD、18…画像記憶部、19…画像記憶部、20…演算部、21…欠陥判定部、22…モニタ、23…加速電源、24…走査信号発生器、25…対物レンズ電源、26…試料高さ測定器、27…ステージ位置測定器、28…ビーム制御系、29…制御計算機、30…ステージ制御系、31…セパレータ用E×B偏向器電源、32…収差補正用E×B偏向器電源、33…光ファイバー束、41…円孔電極、42…アアライナ、51…電磁極、52…ボビン、53…コイル、54…シールド、101…電子光学系、102…試料室、104…画像処理部、201…電子銃、202…コンデンサレンズ、203…アライナ、301…照射電子線、302…結像電子線、303…照射系クロスオーバ、304…ミラー像面。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a pattern defect inspection apparatus for inspecting a pattern defect formed on a semiconductor wafer using a mirror electron microscope or a mirror electron microscope for observing a surface state of a sample (such as a semiconductor sample).
[0002]
[Prior art]
In the process of manufacturing a semiconductor device, as a method of detecting a defect of a circuit pattern formed on a wafer by a comparative inspection of an image, a sample is irradiated with an electron beam and a minute etching residue or a minute residue having a resolution lower than that of an optical microscope is obtained. It is utilized for detecting pattern defects and detecting electrical defects such as non-opening failure of minute conduction holes.
[0003]
Here, in a method using a scanning electron microscope that scans a point-like electron beam on a sample, there is a limit in obtaining a practical inspection speed, so that a semiconductor wafer is irradiated with a rectangular electron beam. There has been proposed an apparatus for performing high-speed inspection by a so-called projection method, such as forming reflected electrons, secondary electrons, or electrons reflected without being irradiated onto a wafer due to formation of a reverse electric field by a lens (for example, Patent Document 1). 1).
[0004]
In addition, in this projection system, a report is also made on a negative sample applied voltage for accelerating secondary electrons emitted from the sample and an imaging resolution of the secondary electrons (for example, see Non-Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-7-249393
[Non-patent document 1]
LSI Testing Symposium / Proceedings of 1999, P.S. 142, FIG.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the projection method of reflected electrons and secondary electrons has the following problems.
[0007]
In the projection method, an electron beam having a larger current can be irradiated at a time than in the SEM method, and images can be acquired at a time. Therefore, it can be expected that an image can be formed at an ultra-high speed as compared with the SEM method. However, the emission angle distribution of the secondary electrons is spread over a wide angle, and the energy is also spread at about 1 to 10 eV. It can be easily understood from the above-mentioned conventional technique (Non-Patent Document 1) that sufficient resolution cannot be obtained unless most of the secondary electrons are cut when forming an enlarged image of a sample by forming such electrons. You can judge. According to this, when the sample applied voltage is −5 kV, the resolution is approximately 0.2 μm.
[0008]
Then, not all the emitted secondary electrons can be used for image formation. For example, in the calculation of the cited document, a beam having an opening angle of 1.1 mrad or less is used on the image plane after passing through the objective lens. . The secondary electrons within the range of the opening angle are only about 10% of the whole. Furthermore, the energy width of the secondary electrons used for imaging is calculated at 1 eV, but the energy width of the emitted secondary electrons is actually emitted with a width of several eV or more. Side tails exist up to about 50 eV. When only electrons having an energy width of at most 1 eV are extracted from the secondary electrons having such a wide energy distribution, the number is further reduced to a fraction.
[0009]
As described above, it is difficult to secure the S / N ratio of an image even when attempting to form an image by irradiating a large current using an electron beam as an area beam because the ratio of electrons that can actually contribute to image formation is low. Therefore, it is impossible to reduce the inspection time as much as expected. Similarly, in the case of using the backscattered electrons, the emission amount is smaller by two orders of magnitude than the irradiation beam current, and it is difficult to achieve both high resolution and high speed as in the case of the secondary electrons.
[0010]
By using mirror electrons (retracted electrons) that reflect without hitting the sample immediately before the sample instead of secondary electrons and reflected electrons, defect detection is performed by detecting disturbance caused by a defect and detecting potential. be able to. As shown in the figure, when the pattern is negatively charged, the equipotential surface formed immediately above the sample acts on the incident electrons like a convex mirror, returning the orbit of the mirror electrons. On the other hand, when the pattern is more positively charged, the equipotential surface formed directly on the sample acts as a concave mirror for incident electrons. As described above, the trajectory of the mirror electrons is changed by the lens formed immediately above the sample, but if the focus condition of the imaging lens is adjusted, most of these mirror electrons can be used for image formation. That is, if mirror electrons are used, an image having a high S / N ratio can be obtained, and a reduction in inspection time can be expected.
[0011]
The device configuration for imaging mirror electrons includes an irradiation electron lens that irradiates the sample with an incident electron beam, an imaging lens that images electrons reflected from the sample, and a separator that separates the irradiation electron beam from the imaging electron beam. It is composed of A similar device configuration is described in the above-described conventional example in which secondary electrons and reflected electrons are imaged. That is, an E × B deflector that operates with an electric field and a magnetic field orthogonal to each other is used as the irradiation lens, the imaging lens, and the separator. Electrons that have passed through the E × B deflector generate aberrations such as chromatic aberration. Here, in an apparatus for imaging secondary electrons, the distribution of secondary electrons emitted from the sample does not depend much on the irradiation angle of the irradiation electron beam, and therefore the incident angles of the irradiation electron beams may not be uniform. Therefore, regarding the arrangement of the E × B deflector, if it is arranged at a position where the aberration with respect to the imaging electron beam is minimized, for example, it is arranged near the image plane position of the imaging electron, the aberration with respect to the imaging electron beam will be reduced. Minimized and a high-resolution image is obtained. With this arrangement, even if a large aberration occurs in the irradiation electron beam, it does not affect the secondary electron beam. Therefore, the conventional configuration does not consider minimizing the aberration of the irradiation electron beam.
[0012]
However, in a device configuration for imaging mirror electrons, it is necessary to minimize the aberration that occurs when both the irradiation electron beam and the imaging electron beam pass through a separator such as an E × B deflector.
[0013]
In order to obtain a high-resolution mirror electron image, it is necessary to irradiate the sample with an electron beam that is substantially parallel to the sample. For this purpose, a sample can be irradiated with a substantially parallel electron beam by forming an image of the irradiated electron beam near the focal plane of the objective lens. Therefore, if an E × B deflector for separating the irradiation electron beam and the imaging electron beam is arranged near the focal plane of the objective lens, the aberration with respect to the irradiation electron beam is minimized. However, in this arrangement, the aberration generated in the E × B deflector becomes large with respect to the imaging electron beam, so that there is a problem that high-resolution imaging cannot be performed even if the irradiation electron beam is optimized.
[0014]
The present invention has been made by paying attention to the above-described points, and realizes the configuration of a high-resolution mirror electron microscope by minimizing aberrations generated for the irradiation electron beam and the reflected electron beam, It is an object of the present invention to provide a defect inspection apparatus that detects a defective portion in a pattern formed on a wafer at high resolution and at high speed by using the mirror electron microscope.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the present invention, an E × B deflector is employed as a beam separator. In the E × B deflector, an electron beam incident from one side goes straight and an electron beam incident from the other side is deflected. It has the following characteristics.
[0016]
Hereinafter, the basic configuration of the present invention will be described.
[0017]
The E × B deflector is a deflector that operates by operating the electric field and the magnetic field orthogonally and superimposedly. Acceleration voltage V 0 Deflection angle θ at which the electron beam is deflected by a parallel plate electrode type electrostatic deflector having a length of 2 l and an interval d shown in FIG. E And the deflection angle θ deflected by the uniform magnetic deflector having a length of 2 l M Are given by the following equations, respectively.
[0018]
(Equation 1)
In the above equation, e / m is a specific charge.
A condition in which the deflection by the electric field E and the deflection by the magnetic field B cancel each other,
[0019]
(Equation 2)
Is referred to as the Wien condition, and the electron beam incident from above on the E × B deflector set in the Wien condition in FIG. E + Θ M = 2θ E To be deflected. Under Wien conditions, e (V 0 The deflection amount Δy of the electron beam having the energy of + ΔV) becomes the deflection chromatic aberration of the E × B deflector and is approximated by the following equation.
[0020]
[Equation 3]
In addition, the deflection amount Δy ′ when incident from the opposite direction under the Wien condition is obtained by adding the values in parentheses in the above equation,
[0021]
(Equation 4)
It can be seen that the electron beam incident from the opposite direction under the Wien condition has about three times the chromatic aberration as the electron beam traveling straight.
[0022]
Here, since the electron beam emitted from one point on the object surface of the electron lens in all directions converges to one point on the image surface, when the E × B deflector is on the object surface of the electron lens, Even if the deviation of the deflection angle occurs due to the chromatic aberration of the E × B deflector, it converges to one point on the image plane, and it is considered that no deflection aberration occurs.
[0023]
In a conventional apparatus called LEEM (Low Energy Electron Microscopy) for two-dimensional imaging of secondary electrons, an E × B deflector is used as a beam separator, and the E × B deflector is connected to an objective lens image plane of an imaging system, that is, an intermediate lens. In this case, the arrangement near the object surface minimizes the influence of aberration on the intermediate lens and the subsequent lenses. However, since the image plane of the imaging objective lens does not coincide with the crossover position of the irradiation system, aberrations with respect to the irradiation electron beam are increased in this configuration. In the secondary electron imaging method, the secondary electron emission angle distribution does not depend much on the incident conditions of the irradiation electron beam, so it is estimated that the secondary electron image was not affected even if the irradiation system aberration was large. Is done. With this configuration, the mirror electron microscope cannot achieve the desired performance because the sample cannot be irradiated in parallel.
[0024]
Therefore, the E × B deflector has the following configuration. The E × B deflector is located at the crossover position of the irradiation system or in the vicinity of the image plane (mirror image plane) position of the imaging system, and another E × B deflector is provided in the other optical system where the aberration has occurred. Are arranged and operated in the opposite direction to correct the chromatic aberration generated in the separator. As shown in FIG. 3, the E × B deflector L and the E × B deflector U are respectively L from the image plane. L And L U The two E × B deflectors arranged apart are operated so that the chromatic aberrations on the image plane are equal in the opposite directions. Where θ L , Θ U Is the chromatic aberration Δy of the deflector L, respectively. L = Θ L L L (ΔV / 2V 0 ), Chromatic aberration Δy of deflector U U = Θ U L U (ΔV / 2V 0 ), Δy L = Δy U That is,
L L θ L = L U θ U . . . . . . . . . . . (3)
It is considered that the chromatic aberration on the image plane can be corrected by adjusting the intensity of the E × B deflector such that
[0025]
The specific configuration was as follows. That is, as shown in FIG. 4, an E × B deflector that operates as a separator is arranged near the crossover position of the irradiation system, that is, near the focal plane of the objective lens, to minimize the aberration of the irradiation system. The aberration generated in the imaging system is corrected by disposing and operating another E × B deflector for aberration correction between the image plane position of the imaging system and the E × B deflector.
[0026]
Alternatively, as shown in FIG. 5, the E × B deflector for the separator is operated so as to satisfy the Wien condition with respect to the imaging electron beam (reflected electron beam), and is arranged at the image plane position of the imaging system. . That is, the imaging electron beam generated by the mirror electrons travels straight through the E × B deflector so that the aberration is also minimized. The E × B deflector operates as a deflector for the irradiation electron beam (incident electron beam), and the crossover of the irradiation system and the E × B deflector are separated from each other. To correct the chromatic aberration, another E × B deflector for correcting the aberration is disposed between the irradiation lens and the E × B deflector to correct the chromatic aberration. In this case, since the E × B deflector for the separator that operates under the Wien condition operates as a deflector that deflects the electron beam with respect to the irradiation system, the chromatic aberration is about three times larger than that of the electron beam that goes straight. Where θ L , Θ U Is the chromatic aberration Δy of the deflector L, respectively. L = 3θ L L L (ΔV / 2V 0 ), Chromatic aberration Δy of deflector U U = Θ U L U (ΔV / 2V 0 ), Δy L = Δy U That is,
3L L θ L = L U θ U . . . . . . . . . . (4)
By adjusting the intensity of the E × B deflector so as to obtain the following formula, the chromatic aberration on the crossover can be corrected.
[0027]
A deflector is arranged near the image plane of the imaging lens so that the sample irradiation angle can be adjusted so that the sample can always be irradiated with the irradiation electron beam vertically even when the sample is tilted.
[0028]
Hereinafter, a typical configuration example of the present invention will be described.
[0029]
(1) The irradiation electron beam emitted from the electron source is formed into an image on the focal plane of the objective lens by the irradiation lens, and is irradiated on the sample applied to a potential substantially equal to the acceleration voltage of the irradiation electron beam or a negative potential. And projecting and enlarging a reflected electron beam formed by electrons drawn back near the surface of the sample without colliding with the sample by the first electron optical system and the first electron optical system to project and form a sample image. A second electron optical system to be formed, and a beam separator disposed near a mirror image plane on which a projection image of the sample is formed by the objective lens, for separating the irradiation electron beam and the reflected electron beam. A mirror electron microscope, wherein a deflector for correcting aberration generated in the beam separator is provided in the first electron optical system.
[0030]
(2) forming an image of the irradiation electron beam emitted from the electron source on the focal plane of the objective lens by the irradiation lens, and irradiating the sample applied with a potential substantially equal to the acceleration voltage of the irradiation electron beam or a negative potential. And projecting and enlarging a reflected electron beam formed by electrons drawn back near the surface of the sample without colliding with the sample by the first electron optical system and the first electron optical system to project and form a sample image. A second electron optical system to be provided, and a beam separator arranged near the focal plane of the objective lens for separating the irradiation electron beam and the reflected electron beam, and generated by the beam separator. A mirror electron microscope, wherein a deflector for correcting aberration is provided in the second electron optical system.
[0031]
(3) An electron source and an irradiation electron beam emitted from the electron source were imaged on a focal plane of an objective lens by an irradiation lens, and a potential substantially equal to the acceleration voltage of the irradiation electron beam or a negative potential was applied. Irradiation means for irradiating the sample with the planar irradiation electron beam having a two-dimensional spread, and reflection formed by mirror electrons pulled back near the surface of the sample without colliding with the sample by the irradiation means Image forming means for projecting and enlarging an electron beam to project and form a sample image, and arranged near a mirror image plane on which a projected image of the sample is formed by the objective lens, and the irradiation electron beam and the reflected electron beam A beam separator for separating the irradiation electron beam, and between the beam separator and the irradiation lens of the irradiation electron beam, a deflector for correcting aberration generated in the beam separator. Mirror electron microscope, characterized in that digit.
[0032]
(4) An electron source and an irradiation electron beam emitted from the electron source are imaged on a focal plane of an objective lens by an irradiation lens, and a potential substantially equal to the acceleration voltage of the irradiation electron beam or a negative potential is applied. Irradiating means for irradiating a sample with a planar irradiation electron beam having a two-dimensional spread, and a reflected electron beam formed by electrons returned near the surface of the sample by the irradiation means without colliding with the sample Imaging means for projecting and projecting a sample image by projecting and enlarging, and a beam separator arranged near the focal plane of the objective lens and separating the irradiation electron beam and the reflected electron beam, and A deflector for correcting aberration generated in the beam separator is provided between the beam separator of the reflected electron beam and an objective lens image plane on which a projection image of the sample is formed by the objective lens. Mirror electron microscope, characterized in that the.
[0033]
(5) In the mirror electron microscope, the beam separator overlaps a function of separating the irradiation electron beam and the reflected electron beam, and adjusts the intensity of a deflector, thereby changing the irradiation electron beam to the sample. A mirror electron microscope having a function of irradiating light vertically.
[0034]
(6) The irradiation electron beam emitted from the electron source is imaged on the focal plane of the objective lens by the irradiation lens, and a two-dimensional image is applied to the sample to which a potential substantially equal to the acceleration voltage of the irradiation electron beam or a negative potential is applied. Irradiating means for irradiating a planar irradiating electron beam having a general spread, and projecting and enlarging a reflected electron beam formed by electrons returned near the surface of the sample without colliding with the sample by the irradiating means. A mirror electron microscope having an image forming means for projecting and forming a sample image by setting a deflector having a deflection fulcrum near a mirror image plane on which a projected image of the sample is formed by the objective lens; A mirror electron microscope characterized in that the sample is irradiated with the irradiation electron beam vertically by adjusting the intensity of a deflector.
[0035]
(7) An electron source and an irradiation electron beam emitted from the electron source are imaged on a focal plane of an objective lens by an irradiation lens, and a potential substantially equal to the acceleration voltage of the irradiation electron beam or a negative potential is applied. Irradiating means for irradiating the sample with a planar irradiation electron beam having a two-dimensional spread, and reflected electrons formed by electrons returned near the surface of the sample without colliding with the sample by the irradiating means. Imaging means for projecting and enlarging a line to project and form a sample image, and being arranged near a mirror image plane on which a projection image of the sample is formed by the objective lens, separating the irradiation electron beam and the reflected electron beam A beam separator for arranging the irradiation electron beam between the beam separator and the irradiation lens, and a deflector for correcting aberration generated in the beam separator; A plurality of irradiation areas on the sample surface are sequentially irradiated with an electron beam to form an image of electrons pulled back near the surface of the sample without colliding with the sample, thereby forming an image of all or one of the plurality of irradiation areas. Means for sequentially forming an enlarged electronic image of the portion, means for converting the formed enlarged electronic image of the plurality of irradiation areas into an electric image signal, and comparing image signals of the plurality of irradiation areas with each other. Means for detecting a pattern defect formed on the sample.
[0036]
(8) An electron source and an irradiation electron beam emitted from the electron source are imaged on a focal plane of an objective lens by an irradiation lens, and a potential substantially equal to the acceleration voltage of the irradiation electron beam or a negative potential is applied. Irradiating means for irradiating the sample with a planar irradiation electron beam having a two-dimensional spread, and reflected electrons formed by electrons returned near the surface of the sample without colliding with the sample by the irradiating means. Imaging means for projecting and enlarging a line to project and form a sample image, and a beam separator disposed near the focal plane of the objective lens for the irradiation electron beam, for separating the irradiation electron beam and the reflected electron beam A deflector disposed between the beam separator of the reflected electron beam and the irradiation lens for correcting aberrations generated in the beam separator; and By sequentially irradiating a plurality of irradiation regions on the surface, the electrons drawn back near the surface of the sample without colliding with the sample are imaged, and an enlarged electron image of the whole or a part of the plurality of irradiation regions is sequentially formed. Means for forming, means for converting the formed enlarged electronic images of the plurality of irradiation areas into electrical image signals, and comparing the image signals for the plurality of irradiation areas with each other to form on the sample A pattern defect inspection device, comprising: means for detecting a pattern defect.
[0037]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0038]
(Example 1)
FIG. 1 shows a configuration for explaining the operation of the first embodiment. The E ×
[0039]
An E ×
[0040]
[0041]
The
[0042]
In this configuration, since the crossover position of the
[0043]
A cross section of the E ×
[0044]
When a voltage Vx is applied to each of the electromagnetic poles according to the voltage distribution shown in FIG. 6, the electrons are deflected in the x direction. When a current Iy is applied to each coil with a current distribution as shown in FIG. 7, electrons moving from the back side of the drawing to the front in FIG. 3 are positive in the x direction, and electrons moving from the front to the back of the drawing are x. It is deflected in the negative direction. The distribution of the voltage and current of each electrode is optimized so that a uniform electromagnetic field is generated by an electromagnetic field calculation in which a potential or magnetic potential is applied to the actual electromagnetic pole shape. For example, α = 0.414 in the figure Is set to When the
[0045]
FIG. 9 is a sectional view including the optical axis of the E ×
[0046]
The distribution of the intensity ratio between the two E × B deflectors will be described below. The E ×
[0047]
The E × B deflector 4 is an electric field deflector constituting the E × B deflector 4 with respect to the irradiation electron beam, and θ 2 , With magnetic field deflector θ 2 To operate under the Wien condition acting in the opposite direction at an angle of. The optical path length of the
[0048]
The function of the
[0049]
Further, the voltage Vx ′ supplied to the E × B deflector 4 and the electron beam deflection angle θ 2 And the acceleration voltage V for a desired deflection angle obtained in advance from the results of electron beam trajectory calculations and experiments. 0 The relationship between Vx ′ and Vx ′ is input to the
[0050]
The
[0051]
Further, the
[0052]
Although the above operation has been described with respect to the deflection directions of the
[0053]
Further, in FIG. 7, the number of turns of each coil is set equal to N, but the currents I and N may be changed within a range in which the relation with the current I flowing through the magnetic pole is constant.
[0054]
Whether or not the crossover aberration of the irradiation system has been corrected can be achieved by means of measuring the magnitude of the crossover. For example, the objective lens is operated so that this crossover becomes a spot again on the sample, a means for scanning the sample is provided, and secondary electrons generated by colliding an electron beam with the sample are detected, and an SEM image is obtained. Is provided, the magnitude of the crossover can be measured by evaluating the resolution of the SEM image.
[0055]
Alternatively, the crossover is formed on the focal plane of the objective lens, and the sample can be irradiated in parallel. The magnitude of the crossover is related to the parallelism of the electron beam irradiating the sample, and the larger the crossover, the more the parallelism. However, the degree of parallelism of the irradiation electron beam can be confirmed by observing the electron diffraction image of the imaging electron beam. In other words, if a mirror-like sample is placed as a sample, the irradiated electron beam is specularly reflected and becomes an image-forming electron beam as mirror electrons not including the structure of the sample, and an electron beam diffraction image of the mirror electrons is formed on the image plane of the objective lens. However, the electron beam diffraction image is enlarged by an intermediate lens and a projection lens, projected on the
[0056]
(Example 2)
FIG. 10 shows a configuration for explaining the operation of the second embodiment. In this embodiment, the E ×
[0057]
The E ×
[0058]
(Example 3)
FIG. 11 shows a configuration for explaining the operation of the third embodiment.
[0059]
In the present embodiment, the E ×
[0060]
The E ×
[0061]
(Example 4)
FIG. 12 shows a configuration for explaining the operation of the fourth embodiment.
In this embodiment, an E × B deflector is arranged at the crossover position of the irradiation system to minimize the aberration of the irradiation system. The aberration generated in the imaging system is corrected by arranging and operating another E × B deflector between the image plane position of the imaging system and the E × B deflector. In the present embodiment, as in the third embodiment, the imaging system is erected and the irradiation system is inclined.
[0062]
The E ×
[0063]
(Example 5)
FIG. 13 shows a fifth embodiment, in which a deflector for allowing an electron beam to be incident on a sample vertically even when the wafer is tilted is provided. Assuming that the z direction is taken as the optical axis and the surface of the sample, which is usually in the xy plane at z = 0, is inclined by θ in the x direction, the distance between the
[0064]
If the equations of motion are solved in the x and z directions, the condition that the electron beam enters the sample almost perpendicularly under the condition that it is closest to the sample, that is, the velocity in the z direction is 0 and the velocity component in the x direction is also 0 Is that the angle β passing through the
[0065]
(Equation 5)
Is generally satisfied.
[0066]
Further, the focal length f of the
[0067]
Therefore, for example, when the
[0068]
When the E ×
[0069]
However, it is desirable to use an electrostatic aligner for the
[0070]
The E ×
[0071]
The inclination distribution of the
[0072]
(Example 6)
The present embodiment shown in FIG. 17 has a configuration in which a mirror electron microscope is applied to high-speed wafer inspection.
[0073]
In the electron
[0074]
The E ×
[0075]
The electron beam is deflected by the E ×
[0076]
To the sample (wafer) 7 mounted on the
[0077]
The retracted electron beam is converged by the
[0078]
As a result, a structural change such as a local change in the charged potential and unevenness on the surface of the
[0079]
The
[0080]
When performing a comparative inspection of patterns between adjacent chips A and B having the same design pattern formed on the surface of the
[0081]
In addition to the above method, it is also possible to adopt a method in which an electron beam image signal of a desired inspection area for a standard non-defective (no defect) sample is stored in the
[0082]
Then, at the same time as capturing the acquired image signal of the inspection area corresponding to the above into the
[0083]
However, according to the present embodiment, the image signal of the area known to be good (no defect) is stored in advance, and the stored image signal is compared with the image signal of the inspection target area. Such a defect occurring over the entire surface of the wafer can be accurately detected.
[0084]
The two image signals stored in the
[0085]
Operation commands and operation conditions of each unit of the device are input and output from the
[0086]
At the time of inspection, the
[0087]
The irradiation area or irradiation position of the electron beam is constantly monitored by a stage
[0088]
Further, the surface height of the
[0089]
The inspection method and the inspection apparatus described above can irradiate the
[0090]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to realize a configuration of a high-resolution mirror electron microscope by minimizing aberrations generated with respect to the irradiation electron beam and the reflected electron beam, and to use the mirror electron microscope on a wafer. A defect inspection apparatus that detects a defective portion in a formed pattern at high resolution and at high speed is realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a mirror electron microscope according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating the operation of an E × B deflector.
FIG. 3 is a view for explaining aberration correction of an E × B deflector.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration (1) of aberration correction of an E × B deflector.
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration (2) of aberration correction of an E × B deflector.
FIG. 6 is a view for explaining an example (1) of voltage distribution of an 8-pole E × B deflector.
FIG. 7 is a view for explaining an example (2) of current distribution of an 8-pole E × B deflector.
FIG. 8 is a view for explaining astigmatism correction of an 8-pole E × B deflector.
FIG. 9 is a sectional view of an 8-pole type E × B deflector.
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of a second example of the present invention.
FIG. 11 is a view for explaining the configuration of a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a view for explaining the configuration of a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a view for explaining a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a view for explaining the operation of the electrostatic deflector according to the fifth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a diagram illustrating the operation of a magnetic field deflector according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a view for explaining the configuration of a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a view for explaining the configuration of a sixth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
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