JP2005129546A - Method and apparatus for inspecting pattern defect - Google Patents

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Hiroyuki Shinada
博之 品田
Hisaya Murakoshi
久弥 村越
Hideo Todokoro
秀男 戸所
Hiroshi Makino
浩士 牧野
Yoshihiro Anami
義弘 阿南
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-resolution and high-speed defect inspection apparatus for inspecting the defect of a pattern on a wafer, foreign particles, residues, steps or the like by an electron beam in a process for manufacturing a semiconductor device. <P>SOLUTION: The defect inspection apparatus is constructed as to store images of a plurality of areas of a semiconductor surface to be inspected by forming images by a image forming lens 11 by reflecting an electron beam (a planar electron beam) at the near surface of a semiconductor to be inspected. The electron beam contains an energy component that can not reach the surface of the semiconductor to be inspected caused by a decelerating electronic field formed for decelerating the electron beam on the surface of the semiconductor 7 to be inspected. The defect inspection apparatus is constituted to detect the presence or absence of defects and positions of the defects in the area by comparing stored images in the plurality of areas. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、試料(半導体装置等)の表面状態を検査する方法および装置に関する。   The present invention relates to a method and apparatus for inspecting the surface state of a sample (semiconductor device or the like).

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、点状に絞った電子ビームを走査するいわゆるSEM方式によるパターンの比較検査方法が、「特開昭59−192943号公報」、「J. Vac. Sci. Tech. B、Vol.9、No.6、pp.3005-3009 (1991)」、「J. Vac. Sci. Tech. B、Vol.10、No.6、pp.2804-2808 (1992)」、「SPIE Vol.2439、 pp.174-183」、および「特開平05−258703号公報」等に記載されている。   As a method for detecting a defect of a circuit pattern formed on a wafer by a comparative inspection of an image in a manufacturing process of a semiconductor device, a so-called SEM pattern comparative inspection method that scans a point-shaped electron beam is “ JP-A-59-192943 "," J. Vac. Sci. Tech. B, Vol. 9, No. 6, pp. 3005-3009 (1991) "," J. Vac. Sci. Tech. B, Vol. 10, No. 6, pp. 2804-2808 (1992) ”,“ SPIE Vol. 2439, pp. 174-183 ”,“ Japanese Patent Laid-Open No. 05-258703 ”, and the like.

これらの技術は、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。これらの技術では、実用的な検査速度を得るために非常に高速にパターンの画像を取得する必要が有る。そして、高速で取得した画像のS/N比を確保するために、通常の走査型電子顕微鏡の100倍以上(10nA以上)のビーム電流を用いている。   These techniques are used to detect electrical defects such as minute etching residue and minute pattern defects that are less than the resolution of an optical microscope, and non-opening defects of minute conduction holes. In these techniques, it is necessary to acquire a pattern image at a very high speed in order to obtain a practical inspection speed. In order to secure an S / N ratio of an image acquired at high speed, a beam current that is 100 times or more (10 nA or more) that of a normal scanning electron microscope is used.

さらに、「特開平7−249393号公報」、「特開平10−1974627号公報」、特開2000−340160号公報」、「特開平11−108864号公報」等には、矩形状の電子ビーム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記載されている。   Further, in “JP-A-7-249393”, “JP-A-10-194627”, JP-A-2000-340160, “JP-A-11-108864”, etc., a rectangular electron beam is used. An apparatus for inspecting a semiconductor wafer at high speed by a so-called projection method is described, such as forming an image of reflected electrons, secondary electrons, or electrons reflected without being irradiated on the wafer by forming a reverse electric field by a lens. .

また、試料に電位を与えて電子ビームが照射されずに表面近くで電界により反射される状況を作り出し、試料最表面の画像を取得する技術としてはミラー顕微鏡として知られている(例えば、「Rheinhold Godehardt、ADVANCES IN IMAGING AND ELECTRON PHYSICS、VOL.94、p.81-150」)。   In addition, a technique for obtaining an image of the outermost surface of the specimen by applying a potential to the specimen and creating a situation in which an electron beam is not irradiated and reflected by the electric field near the surface is known as a mirror microscope (for example, “Rheinhold Godehardt, ADVANCES IN IMAGING AND ELECTRON PHYSICS, VOL.94, p.81-150 ").

特開昭59−192943号公報JP 59-192943 A 特開平05−258703号公報JP 05-258703 A 特開平7−249393号公報JP 7-249393 A 特開平10−1974627号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-1974627 特開2000−340160号公報JP 2000-340160 A 特開平11−108864号公報JP-A-11-108864 J. Vac. Sci. Tech. B、Vol.9、No.6、pp.3005-3009 (1991)J. Vac. Sci. Tech. B, Vol. 9, No. 6, pp. 3005-3009 (1991) J. Vac. Sci. Tech. B、Vol.10、No.6、pp.2804-2808 (1992)J. Vac. Sci. Tech. B, Vol.10, No.6, pp.2804-2808 (1992) SPIE Vol.2439、 pp.174-183SPIE Vol.2439, pp.174-183 Rheinhold Godehardt、ADVANCES IN IMAGING AND ELECTRON PHYSICS、VOL.94、p.81-150Rheinhold Godehardt, ADVANCES IN IMAGING AND ELECTRON PHYSICS, VOL.94, p.81-150

上記の電子ビームを用いた従来の検査技術では、SEM方式、反射電子や二次電子のプロジェクション方式はいずれも下記の課題が残っていた。   In the conventional inspection technique using the above-described electron beam, the following problems remain in both the SEM method, the reflected electron and secondary electron projection methods.

まず、SEM方式に関しては検査可能なS/N比を維持した画像を形成するために、電子ビームを一般のSEMよりも大電流化している。しかし、電子ビームを点状に絞ってこの「点ビーム」を試料表面上で平面(2次元的)に走査しているがために高速化(検査時間の短縮)には限界があった。   First, with respect to the SEM method, in order to form an image that maintains an inspectable S / N ratio, the electron beam has a larger current than a general SEM. However, since the electron beam is focused into a point and this “point beam” is scanned in a plane (two-dimensionally) on the sample surface, there is a limit to speeding up (reducing the inspection time).

また、採用する電子源の輝度や空間電荷効果等によって、電子ビームの大電流化にも限界がある。例えば、0.1μm程度の分解能を得ようとした場合は、電子ビーム電流は数百nA程度が理論限界であり、実際には100nA程度が用いられ得るに過ぎない。画像のS/N比は、画像を形成するのに用いられる電子の数、すなわち、ビーム電流値と画像取得に要する時間との積により決まる。画像処理が正常に動作できる画像のS/N比を確保するにはビーム電流値が100nAで0.1μmの場合、試料表面の面積1cmを検査するのに100sec以上を必要とする。 Further, there is a limit to increasing the current of the electron beam due to the brightness of the electron source employed, the space charge effect, and the like. For example, when trying to obtain a resolution of about 0.1 μm, the electron beam current has a theoretical limit of about several hundred nA, and in practice, only about 100 nA can be used. The S / N ratio of an image is determined by the number of electrons used to form an image, that is, the product of the beam current value and the time required for image acquisition. In order to ensure an S / N ratio of an image in which image processing can be normally performed, when the beam current value is 0.1 μm at 100 nA, 100 sec or more is required to inspect an area of 1 cm 2 on the sample surface.

一方、プロジェクション方式では、SEM方式よりも大電流の電子ビームを一度に照射でき、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、「LSIテスティングシンポジウム/1999会議録、P142」に記載の図6から容易に判断することができる。これは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を示したものである。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。   On the other hand, in the projection method, it is possible to irradiate an electron beam having a larger current than in the SEM method at a time, and it is possible to form an image at a time. However, the emission angle distribution of secondary electrons is spread over a wide angle, and the energy is also spread with about 1 to 10 eV. It is stated in "LSI Testing Symposium / 1999 Conference Proceedings, P142" that sufficient resolution cannot be obtained unless most of the secondary electrons are cut when forming an enlarged image of the sample by imaging such electrons. It can be easily judged from the described FIG. This shows the negative sample applied voltage for accelerating the secondary electrons emitted from the sample and the imaging resolution of the secondary electrons. According to this, when the sample applied voltage is -5 kV, the resolution is approximately 0.2 μm.

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。   Not all of 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 total number of secondary electrons within the range of the opening angle is about 10%. Furthermore, the energy width of the secondary electrons used for imaging is calculated at 1 eV. However, the energy width of the emitted secondary electrons is actually emitted with a width of several eV or more. The side skirt exists up to about 50 eV. Of the secondary electrons having such a wide energy distribution, when only those having an energy width of at most 1 eV are extracted, it becomes a fraction.

このように、電子ビーム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。   As described above, it is difficult to ensure the S / N ratio of the image because the ratio of electrons that can actually contribute to the image formation is low even if an electron beam is an area beam and a large current is applied to form an image collectively. As a result, it is impossible to shorten the inspection time as expected. Similarly, in the case of using reflected electrons, only an emission amount two orders of magnitude smaller than the irradiation beam current can be obtained, and it is difficult to achieve both high resolution and high speed as in the case of secondary electrons.

また、先に述べたミラー顕微鏡技術については、この技術を半導体ウエハの検査に適用する手法や装置に関してはこれまで報告がなかった。また、試料に向けられる電子ビームの軌道の方向性に関する制約がなく、広い角度をもって電子ビームが試料に照射されるため分解能がサブμm程度と現状の半導体を観察するには分解能が不充分であった。   In addition, regarding the above-described mirror microscope technique, there has been no report on a technique and an apparatus for applying this technique to inspection of a semiconductor wafer. In addition, there is no restriction on the direction of the trajectory of the electron beam directed at the sample, and the electron beam is irradiated onto the sample with a wide angle. Therefore, the resolution is about sub-μm, which is insufficient to observe the current semiconductor. It was.

本発明は、上述の点に着目してなされたものであり、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方法及び欠陥検査装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made paying attention to the above points, and an object thereof is to provide a defect inspection method and a defect inspection apparatus for detecting a defect portion in a pattern formed on a wafer with high resolution and at high speed. And

本発明の目的は、以下の方法で達成できる。   The object of the present invention can be achieved by the following method.

すなわち、試料表面の複数の照射領域(面積領域)に、電子ビームを「点ビーム」としてではなく2次元的な広がりを持った「面積ビーム」(面状の電子ビーム)として順次照射する。ウエハには負の電位を印加する。この負の電位は、ウエハの最表面付近で大部分の電子ビームが戻される程度の値とする。具体的には電子源の電位よりも0.5V〜5V高い負の電位とする。これにより引き戻された電子を結像させる(以降、試料に衝突せずに電界により引き戻された電子を「引き戻された電子」または「ミラー電子」と呼ぶことにする。)。そして、上記複数の照射領域の拡大像を順次形成し、これら複数の照射領域の拡大像を電気的な画像信号に変換して、上記複数の照射領域についての画像信号同士を比較する。これにより上記各照射領域についてのパターン欠陥を高分解能でかつ高速に検出することが可能となる。   That is, a plurality of irradiation regions (area regions) on the sample surface are sequentially irradiated as an “area beam” (planar electron beam) having a two-dimensional spread instead of “point beam”. A negative potential is applied to the wafer. This negative potential is set to such a value that most of the electron beam is returned near the outermost surface of the wafer. Specifically, the negative potential is 0.5 V to 5 V higher than the potential of the electron source. As a result, the electron withdrawn is imaged (hereinafter, the electron withdrawn by the electric field without colliding with the sample will be referred to as “retracted electron” or “mirror electron”). Then, enlarged images of the plurality of irradiation regions are sequentially formed, the enlarged images of the plurality of irradiation regions are converted into electrical image signals, and the image signals for the plurality of irradiation regions are compared with each other. Thereby, it becomes possible to detect the pattern defect about each said irradiation area | region with high resolution and high speed.

本発明の代表的な構成例を挙げると、先ず、本発明によるパターン欠陥検査方法は、2次元的な広がりを有する面状の電子ビームを、負の電位を印加された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拡大電子像を順次形成し、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して、前記複数の照射領域についての画像信号同士を比較することにより、前記試料に形成されたパターン欠陥を検出するよう構成したことを特徴とする。ここで、前記面状の電子ビームは、前記試料表面に対して進行方向を略平行にそろえ略垂直に入射するようにして、前記複数の照射領域の各々を照射するよう構成される。   A typical configuration example of the present invention will be described. First, a pattern defect inspection method according to the present invention applies a planar electron beam having a two-dimensional extent to a plurality of irradiations of a sample surface to which a negative potential is applied. Sequentially irradiating a region, forming an image of electrons drawn back near the surface of the sample without colliding with the sample, sequentially forming enlarged electron images of the plurality of irradiated regions, and forming the plurality of irradiations formed It is configured to detect pattern defects formed in the sample by converting an enlarged electronic image of the region into an electrical image signal and comparing the image signals for the plurality of irradiation regions. To do. Here, the planar electron beam is configured to irradiate each of the plurality of irradiation regions so that the traveling direction is aligned substantially parallel to the sample surface and is incident substantially perpendicularly.

また、本発明によるパターン欠陥検査装置は、電子源からの電子ビームを2次元的な広がりを有する面状の電子ビームとして試料表面の複数の照射領域に照射する第1の電子光学系と、前記試料に向けて照射した前記電子ビームを形成する電子が前記試料の最表面付近で引き戻されるような電界を発生させるための手段と、前記複数の照射領域から引き戻された電子を結像させて前記複数の照射領域の拡大像を形成するための第2の電子光学系と、前記複数の照射領域の拡大像をそれぞれ電気的な画像信号に変換して検出する画像信号検出手段と、検出された前記試料表面の複数の照射領域の画像信号同士を比較して各照射領域におけるパターン欠陥を検出するための画像信号処理手段とを有し、前記試料に形成されたパターン欠陥を検出するよう構成したことを特徴とする。   The pattern defect inspection apparatus according to the present invention includes a first electron optical system that irradiates a plurality of irradiation regions on a sample surface with an electron beam from an electron source as a planar electron beam having a two-dimensional spread, Means for generating an electric field such that electrons forming the electron beam irradiated toward the sample are pulled back near the outermost surface of the sample, and images the electrons pulled back from the plurality of irradiation regions to form an image A second electron optical system for forming a magnified image of the plurality of irradiation areas, an image signal detection means for detecting each of the magnified images of the plurality of irradiation areas by converting them into electrical image signals, and Image signal processing means for detecting pattern defects in each irradiation region by comparing image signals of a plurality of irradiation regions on the sample surface, and detecting pattern defects formed in the sample Characterized by being configured.

また、本発明によるパターン欠陥検査装置は、電子源からの電子ビームを2次元的な広がりを有する面状の電子ビームとして試料表面の複数の照射領域に照射する電子ビーム照射光学系と、前記面状の電子ビームを形成する電子の全てもしくは一部が前記試料の表面に衝突する直前で引き戻されるような電界を生じさせる手段と、前記複数の照射領域から引き戻された電子を結像させて前記複数の照射領域の拡大像を形成するための結像光学系と、前記試料を載置して前記複数の照射領域の各々に前記電子ビームが照射されるように前記試料を移動させるための試料移動ステージと、前記複数の照射領域の拡大像の各々を電気的な画像信号に変換して検出する画像信号検出手段と、検出された前記試料表面の複数の照射領域の画像信号同士を比較し、所定の閾値を上回る相違が存在するか否かを判定して各照射領域におけるパターン欠陥を検出する画像信号処理手段とを有してなることを特徴とする。   The pattern defect inspection apparatus according to the present invention includes an electron beam irradiation optical system that irradiates a plurality of irradiation regions of a sample surface with a two-dimensionally spread electron beam from an electron source, and the surface. Means for generating an electric field such that all or a part of the electrons forming the electron beam are drawn back immediately before they collide with the surface of the sample, and images the electrons drawn back from the plurality of irradiation regions to form an image. An imaging optical system for forming magnified images of a plurality of irradiation regions, and a sample for moving the sample so that the sample is placed and the electron beam is irradiated to each of the plurality of irradiation regions A moving stage, image signal detection means for detecting each of the enlarged images of the plurality of irradiation areas by converting them into electrical image signals, and image signals of the plurality of irradiation areas detected on the sample surface Compare to, and characterized by having an image signal processing means for detecting a pattern defect by determining whether differences exist above a predetermined threshold at each irradiation area.

また、本発明によるパターン欠陥検査装置は、前記試料移動ステージの移動方向の所定位置に、試料のSEM画像を取得するための電子光学系を設けてなることを特徴とする。   The pattern defect inspection apparatus according to the present invention is characterized in that an electron optical system for acquiring an SEM image of a sample is provided at a predetermined position in the moving direction of the sample moving stage.

前記第1の電子光学系または電子ビーム照射光学系は、電子ビームを発生する電子銃と、前記電子銃から放出した電子ビームを集束するコンデンサレンズと、前記コンデンサレンズと試料との間に配置された対物レンズと、電子ビーム偏向機構とを有し、前記コンデンサレンズによって前記対物レンズの電子源側の焦点面に前記電子ビームの焦点を配置して、前記試料表面に対して進行方向を略平行にそろえ略垂直に入射する面状の電子ビームを形成し、前記試料表面の複数の照射領域に照射するよう構成する。   The first electron optical system or the electron beam irradiation optical system is disposed between an electron gun that generates an electron beam, a condenser lens that focuses the electron beam emitted from the electron gun, and the condenser lens and the sample. An objective lens and an electron beam deflection mechanism, the condenser lens is used to place the focal point of the electron beam on the focal plane on the electron source side of the objective lens, and the traveling direction is substantially parallel to the sample surface. Then, a planar electron beam incident substantially perpendicularly is formed and irradiated to a plurality of irradiation regions on the sample surface.

試料に向けて照射した電子が試料最表面で引き戻されるような電界を発生させるための前記手段は、たとえば試料を保持する導電性の試料ホルダに所定の負電位を印加する電源で構成される。また、表面に絶縁膜を有する半導体等の試料においては、画像構成用の電子ビームの光軸から離れた場所に第2の電子銃を備え、画像形成前に試料に電子を照射する予備帯電制御手段を備える。さらに、試料と第2の電子銃の間に電位を印加できるグリッドを備え、そのグリッドに印加する電圧を制御しながら第2の電子銃を用いて試料に電子を照射する手段を備える。   The means for generating an electric field such that electrons irradiated toward the sample are pulled back on the outermost surface of the sample is constituted by, for example, a power source that applies a predetermined negative potential to a conductive sample holder that holds the sample. In addition, in a sample such as a semiconductor having an insulating film on the surface, a pre-charge control is provided in which a second electron gun is provided at a position away from the optical axis of the electron beam for image formation and the sample is irradiated with electrons before image formation. Means. Furthermore, a grid capable of applying a potential between the sample and the second electron gun is provided, and means for irradiating the sample with electrons using the second electron gun while controlling a voltage applied to the grid is provided.

また、試料移動ステージは、試料をほぼ等速度で連続的に移動させるよう設定することにより欠陥検査の高速化が実現できる。この場合、試料移動ステージの位置をモニタすることによって、試料表面への電子ビーム照射領域が所定時間、同一箇所となるよう制御する必要があることは云うまでもない。すなわち、連続移動する前記試料移動ステージの位置をリアルタイムに計測するステージ位置計測機構を備え、かつ、連続移動に伴い前記ステージ移動中に発生する位置変動を前記ステージ位置計測機構により測定し、前記電子ビーム照射光学系の前記電子ビーム偏向機構にフィードバックするようにして、前記電子ビームと前記試料との位置関係が、所定の方向にほぼ等速に移動するように構成する。   Further, the sample moving stage can be set to move the sample continuously at substantially the same speed, so that the defect inspection can be speeded up. In this case, it is needless to say that it is necessary to control the electron beam irradiation area on the sample surface to be the same position for a predetermined time by monitoring the position of the sample moving stage. That is, a stage position measuring mechanism that measures the position of the sample moving stage that continuously moves in real time is measured, and a position variation that occurs during the stage movement with continuous movement is measured by the stage position measuring mechanism, and the electronic Feedback is provided to the electron beam deflection mechanism of the beam irradiation optical system so that the positional relationship between the electron beam and the sample moves at a substantially constant speed in a predetermined direction.

また、前記画像信号検出手段は、前記第2の電子光学系または結像光学系によって結像形成された照射領域の拡大電子像を蛍光板上に投射することによって光学像に変換し、この光学像を光学レンズまたは光ファイバーを介して光学画像検出素子上に結像させる。または、上記光学系で結像された拡大電子像を電子感応性を有する画像検出素子上に直接結像させるようにしてもよい。なお、画像検出素子としては、電荷結合型素子(CCDセンサ)、または時間遅延して入力した光信号を積分し出力する素子(TDIセンサ)を用いることができる。また、画像検出素子からの検出信号の読み出しは、並列に多チャンネルで読み出す方式とする。   Further, the image signal detection means converts an enlarged electronic image of an irradiation area formed by the second electron optical system or the imaging optical system onto a fluorescent plate to convert it into an optical image, and this optical image Is imaged on the optical image detection element via an optical lens or an optical fiber. Alternatively, the enlarged electron image formed by the optical system may be directly formed on an image sensing element having electron sensitivity. As the image detection element, a charge-coupled element (CCD sensor) or an element (TDI sensor) that integrates and outputs an optical signal input with a time delay can be used. In addition, reading of detection signals from the image detection element is performed in a multi-channel reading method in parallel.

本発明によれば、電子ビームを用いて、半導体装置等の試料表面の微細なパターン欠陥およびオープン、ショート、リーク等の電気的欠陥を高感度、高分解能で、かつ高速に画像化して検査することのできる検査方法および検査装置を実現する。   According to the present invention, a fine pattern defect on a sample surface of a semiconductor device or the like and an electrical defect such as an open, short, and leak are imaged and inspected with high sensitivity, high resolution, and high speed using an electron beam. An inspection method and an inspection apparatus capable of performing the above are realized.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(実施例1)
図1に、本発明の動作原理を説明するために必要な最低限の構成要素を示したものである。電子源1より放出された電子ビームは、コンデンサレンズ2により収束されビームセパレータ3の周辺で、かつ対物レンズの前焦点面にクロスオーバを形成する。電子ビームは、ビームセパレータ3によりウェハ7に垂直な光軸に偏向される。ビームセパレータ3は上方からの電子ビームに対してのみ偏向作用を持つ。たとえば、電場と磁場を直行させたExB偏向器を用いる。ビームセパレータ3により偏向された電子ビームは、対物レンズ6により試料(ウェハ)表面に垂直な方向にそろった面状の電子ビームが形成される。
(Example 1)
FIG. 1 shows the minimum components necessary for explaining the operating principle of the present invention. The electron beam emitted from the electron source 1 is converged by the condenser lens 2 and forms a crossover around the beam separator 3 and on the front focal plane of the objective lens. The electron beam is deflected to the optical axis perpendicular to the wafer 7 by the beam separator 3. The beam separator 3 has a deflection action only with respect to the electron beam from above. For example, an ExB deflector in which an electric field and a magnetic field are orthogonal is used. The electron beam deflected by the beam separator 3 is formed by the objective lens 6 into a planar electron beam aligned in a direction perpendicular to the sample (wafer) surface.

試料(ウェハ)7には、電子ビームの加速電圧とほぼ等しいか、わずかに高い負の電位が電源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ビームの大部分がウェハ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。   A negative potential that is substantially equal to or slightly higher than the acceleration voltage of the electron beam is applied to the sample (wafer) 7 by the power source 9, and the shape of the semiconductor pattern formed on the surface of the wafer 7 and the state of charging are changed. A reflected electric field is formed. By this electric field, most of the planar electron beam is pulled back immediately before it collides with the wafer 7 and rises with a direction and intensity reflecting the pattern information of the wafer 7.

引き戻された電子ビームは、対物レンズ6により収束作用を受け、ビームセパレータ3は下方から進行した電子ビーム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、結像レンズ11により画像検出部103上にウェハ7表面の画像を結像させる。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。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。   The pulled back electron beam is converged by the objective lens 6, and the beam separator 3 has no deflection effect on the electron beam traveling from below, so it rises vertically, and the imaging lens 11 causes the image detection unit to move upward. An image of the surface of the wafer 7 is formed on 103. As a result, a local change in charging potential on the surface of the wafer 7 and a structural difference such as unevenness are formed as an image. This image is converted into an electrical signal and sent to the image processing unit 104.

ウェハ7に形成された半導体パターンの欠陥を検出するためには、画像処理部104により周辺の同一形状パターン部との画像比較や、あらかじめ取得された無欠陥部の画像との比較を行い、異なっている場所を欠陥として記憶する。ウェハ7はステージ(図示せず)に載置されており、ステージはステージ制御系30により連続的に移動される。ステージ制御系30とビーム制御系28は連動しており、ステージの移動に伴って電子ビームの位置を偏向器(図示せず)により微調整しながら画像取得領域を連続的に移動させていく。   In order to detect defects in the semiconductor pattern formed on the wafer 7, the image processing unit 104 compares the image with the surrounding same shape pattern unit or the image of the defect-free unit acquired in advance. Remember where you are. The wafer 7 is placed on a stage (not shown), and the stage is continuously moved by a stage control system 30. The stage control system 30 and the beam control system 28 are linked to move the image acquisition region continuously while finely adjusting the position of the electron beam by a deflector (not shown) as the stage moves.

ウェハ7の表面に絶縁物が存在する場合には、電源9だけではウェハ7の表面電位を決定できない。そのために、ウェハ表面の電位を所望の電位に帯電させるための機能として予備帯電制御装置32を備えている。ウェハ7表面に近接したグリッド電極へ電圧を印加しつつ電子ビームをウェハ7に照射することでウェハ7の表面の帯電電位を制御する装置である。その動作原理と構造については後述する。ウェハ7の表面を検査前にあらかじめ帯電させる場合には、この予備帯電制御装置32の下を通過させて検査領域を所望の帯電電圧に設定した後に対物レンズ6の直下を通過させて画像を取得するようにする。   When an insulator is present on the surface of the wafer 7, the surface potential of the wafer 7 cannot be determined only by the power source 9. For this purpose, a preliminary charging control device 32 is provided as a function for charging the wafer surface potential to a desired potential. The apparatus controls the charged potential of the surface of the wafer 7 by irradiating the wafer 7 with an electron beam while applying a voltage to the grid electrode adjacent to the surface of the wafer 7. The operation principle and structure will be described later. When the surface of the wafer 7 is charged in advance before the inspection, the image is acquired by passing under the preliminary charging control device 32 to set the inspection area to a desired charging voltage and then directly under the objective lens 6. To do.

次に、ウェハ7の表面で電子ビームが引き戻され条件において、ウェハ表面の欠陥を画像化する原理について説明する。   Next, the principle of imaging defects on the wafer surface under the condition that the electron beam is pulled back on the surface of the wafer 7 will be described.

図2は、ウェハ7の最表面付近の等電位線205に垂直入射した電子ビーム201が引き戻される様子を模式的に示したものである。ウェハ7の表面に存在する欠陥202により等電位線205は欠陥の存在する場所で不均一な形状になる。そこへ垂直入射した電子ビームはこれにより垂直に引き戻されず、図示のような角度をもって引き戻されてレンズ204に入射する。レンズ204は対物レンズ6と結像レンズ11の動作を一枚の等価なレンズで示したものである。このレンズにより結像面203に像を形成すると、欠陥202の部分からの電子ビームが結像面の一箇所に集中し、その部分が周囲と比較して明るくなることが、図2からわかる。この画像から欠陥の存在と欠陥の位置を検出することが可能となる。   FIG. 2 schematically shows how the electron beam 201 perpendicularly incident on the equipotential line 205 near the outermost surface of the wafer 7 is pulled back. Due to the defects 202 existing on the surface of the wafer 7, the equipotential lines 205 have a non-uniform shape where the defects exist. Accordingly, the electron beam vertically incident thereon is not pulled back vertically, but is pulled back at an angle as shown and enters the lens 204. The lens 204 shows the operation of the objective lens 6 and the imaging lens 11 with a single equivalent lens. It can be seen from FIG. 2 that when an image is formed on the imaging surface 203 by this lens, the electron beam from the defect 202 portion is concentrated at one place on the imaging surface and the portion becomes brighter than the surroundings. It is possible to detect the presence of a defect and the position of the defect from this image.

図3は、本発明におけるウェハの表面付近の等電位線305と、電子ビームの軌道306を数値シミュレーションした結果である。パターン断面部304には70nmの大きさの導電材料部302(白)と絶縁膜部301(斜線部)が存在し、中央の導電材料部(導通部)303のみ1Vでありその他の導電材料部は0Vであると仮定した。すなわち、中央の導電材料部のみ基板との導通が不充分であるために周囲と比べて1V正に帯電した場合を想定した。   FIG. 3 shows the result of numerical simulation of the equipotential lines 305 near the wafer surface and the electron beam trajectory 306 in the present invention. The pattern cross-sectional portion 304 includes a conductive material portion 302 (white) and an insulating film portion 301 (shaded portion) having a size of 70 nm, and only the central conductive material portion (conductive portion) 303 is 1 V, and other conductive material portions. Was assumed to be 0V. That is, it was assumed that only the central conductive material portion was charged with 1V positive compared with the surroundings because of insufficient conduction with the substrate.

電子ビームのエネルギーは、ウェハの電位を基準として−1eVとした。すなわち、ウェハに印加する電位が−5000Vである場合には電子ビームのエネルギーは4999eVであるとして計算した。この場合、中央の電位の異なるパターンが形成する等電位線の乱れの影響を電子ビームが強く受け、垂直に入射したビームが大きく角度を持って反射していくのが示されている。   The energy of the electron beam was set to −1 eV with respect to the wafer potential. That is, when the potential applied to the wafer is −5000V, the energy of the electron beam is calculated to be 4999eV. In this case, it is shown that the electron beam is strongly influenced by the disturbance of the equipotential lines formed by the patterns having different central potentials, and the vertically incident beam is reflected with a large angle.

ウェハ表面の電界により引き戻された電子ビームの密度を計算したのが、図4である。図中「構造」欄に示すように3×3に並んだ部分が導電物であり、中央の電位のみを周囲から1V異なる電位とした。下図は、この場合に電子ビームのエネルギー幅(ΔE)を2eVとして電子ビームの軌道計算を実施し、ウェハ表面から戻ってきた電子をプロットしたものである。点の密度が高いところが電子密度が高いところである。中央部に電子が集中し、電子密度が高い部分が存在することが示されており、図2で説明した原理により70nm微細パターンの1Vの変化を検出でき、すなわち導通不良欠陥が検出できることを示している。   FIG. 4 shows the density of the electron beam drawn back by the electric field on the wafer surface. As shown in the “Structure” column in the drawing, the portion arranged in 3 × 3 is a conductive material, and only the central potential is set to a potential different from the surrounding by 1V. The figure below plots the electrons returning from the wafer surface after performing the electron beam trajectory calculation with the energy width (ΔE) of the electron beam being 2 eV in this case. Where the density of dots is high, the electron density is high. It is shown that electrons are concentrated in the center and there is a part with a high electron density, and it is possible to detect a change of 1V of a 70 nm fine pattern by the principle explained in FIG. ing.

ここでは、ポイントビームを走査する方式や二次電子を結像する方式と比較して、本発明により検査速度がけた違いに向上することを説明する。電子ビームを用いた画像形成装置の場合、画像取得の速度を制限するものは最終的に画像に必要とされるS/N比に帰着する。画像のS/N比はすなわち画像を形成するのに使われる電子の数で決定される。また必要とされるS/N比は、検出すべき欠陥が画像に生じさせるコントラストの大きさで決まる。すなわち、欠陥コントラストを信号Cとすればそれよりもノイズが小さい必要がある。ノイズNは信号の3σ値で定義される。σ値は照射電子数のショットノイズで決まり、1画素当たりに照射される電子数Sの平方根 (√S)となる。従って、ノイズNは3√Sとなる。   Here, it will be described that the present invention improves the inspection speed by a difference compared to the method of scanning a point beam and the method of imaging secondary electrons. In the case of an image forming apparatus using an electron beam, what limits the speed of image acquisition ultimately results in the S / N ratio required for the image. The S / N ratio of the image is determined by the number of electrons used to form the image. The required S / N ratio is determined by the magnitude of contrast that the defect to be detected causes in the image. That is, if the defect contrast is signal C, the noise needs to be smaller than that. Noise N is defined by the 3σ value of the signal. The σ value is determined by shot noise of the number of irradiated electrons, and is a square root (√S) of the number of electrons S irradiated per pixel. Therefore, the noise N is 3√S.

従来のように電子ビームをウェハ7に衝突させてそのとき発生する二次電子を検出する場合には、さらに試料からの二次電子放出という確率過程が存在するために、二次電子放出をポアソン過程であると仮定すれば、ノイズNはN=(3√2)√Sとなる。そして、たとえば、欠陥コントラストCが平均信号量Sの5%であるとすればC=0.05×Sとなり、ノイズNはN≦0.05×Sである必要があるため、S≧7200となる。この考え方に基づき1cmあたりの検査時間Tを求めると、以下のようになる。
T=(0.01/x)2・t
=(1.6e-19・0.012・(3√2)2)/(I・η・C2・Pix2) ・・・(1)
なお、t=((1.6e-19・(3√2)2)/(I・η・C2))・(x2/Pix2)
ここで、tはノイズをコントラストCよりも小さくするために電子ビームが同一場所にとどまっていなければならない時間である。つまりSEM式の場合は電子ビームプローブが一画素を照射する時間である。また、面ビーム照射の場合はある一点にビームが向けられている必要がある時間でありこの時間をショット時間と呼ぶことにする。
In the case where the electron beam is made to collide with the wafer 7 as in the prior art and the secondary electrons generated at that time are detected, there is a stochastic process of secondary electron emission from the sample. Assuming that this is a process, the noise N is N = (3√2) √S. For example, if the defect contrast C is 5% of the average signal amount S, C = 0.05 × S, and the noise N needs to satisfy N ≦ 0.05 × S, so that S ≧ 7200. Become. Based on this concept, the inspection time T per 1 cm 2 is obtained as follows.
T = (0.01 / x) 2 · t
= (1.6e-19 ・ 0.01 2・ (3√2) 2 ) / (I ・ η ・ C 2・ Pix 2 ) (1)
T = ((1.6e-19 · (3√2) 2 ) / (I · η · C 2 )) · (x 2 / Pix 2 )
Here, t is the time that the electron beam must stay in the same place in order to make the noise smaller than the contrast C. That is, in the case of the SEM type, it is the time for the electron beam probe to irradiate one pixel. In the case of surface beam irradiation, it is time that the beam needs to be directed to a certain point, and this time is called shot time.

Pixは必要な解像度、xは面積ビーム一辺の長さ(SEM式の場合は画素サイズすなわちPixと同一)、Iはビーム電流、ηは画像形成に使用できる電子の効率である。一方、本発明においては電子ビームはウェハ7の表面に衝突することはなく電界により散乱されるだけなので二次電子放出に伴う確率過程は存在しない。したがって(1)式の√2が不要となり(2)式のようになる。
T=(0.01/x)2・t
=(1.6e-19・0.012・(3)2)/(I・η・C2・Pix2) ・・・(2)
なお、t=((1.6e-19・(3)2)/(I・η・C2))・(x2/Pix2)
ここで、各方式におけるη、Cを見積もることにする。SEM式の場合は照射した電子ビームとほぼ同数の二次電子が放出し、そのほぼ100%を検出器に取り込むことができるためηはほぼ1である。
Pix is the required resolution, x is the length of one side of the area beam (in the case of SEM, the pixel size, ie, the same as Pix), I is the beam current, and η is the efficiency of electrons that can be used for image formation. On the other hand, in the present invention, since the electron beam does not impinge on the surface of the wafer 7 and is only scattered by the electric field, there is no stochastic process associated with secondary electron emission. Therefore, √2 in the equation (1) is not necessary, and the equation (2) is obtained.
T = (0.01 / x) 2 · t
= (1.6e-19 ・ 0.01 2・ (3) 2 ) / (I ・ η ・ C 2・ Pix 2 ) (2)
T = ((1.6e-19 · (3) 2 ) / (I · η · C 2 )) · (x 2 / Pix 2 )
Here, η and C in each method are estimated. In the case of the SEM type, almost the same number of secondary electrons as the irradiated electron beam are emitted, and almost 100% of them can be taken into the detector, so that η is almost 1.

一方、面状の電子ビームをウェハ7に照射し、発生した二次電子を結像する二次電子プロジェクション方式においては、放出する二次電子のうちのごく限られた垂直方向成分の二次電子のみで結像しないと分解能が劣化してしまう。これを図5、図6により説明する。   On the other hand, in the secondary electron projection method in which the wafer 7 is irradiated with a planar electron beam and the generated secondary electrons are imaged, secondary electrons having a limited vertical direction component among the emitted secondary electrons. If only the image is not formed, the resolution is deteriorated. This will be described with reference to FIGS.

図5は,結像に寄与する二次電子または反射電子の放出半角βに対する画像の分解能を求めたものである。すなわち、結像系に取り込む電子の半開角である。たとえば、放出角100mrad以下の二次電子により画像を形成した場合の分解能は約100nmであることを示している。計算条件として、ウェハに照射する電子のエネルギーは500eV、ウェハ表面は5kV/mmの強電界下にあり、二次電子のエネルギー幅は5eVである。二次電子のエネルギー分布は10eV以上に広がって分布しているが、放出エネルギー2eVを中心とした±2.5eVの成分のみを結像に利用することとした。これは全二次電子のおよそ1/2に相当する。   FIG. 5 shows the resolution of an image with respect to the emission half angle β of secondary electrons or reflected electrons contributing to imaging. That is, the half-open angle of electrons taken into the imaging system. For example, it is shown that the resolution when an image is formed by secondary electrons having an emission angle of 100 mrad or less is about 100 nm. As calculation conditions, the energy of electrons irradiated on the wafer is 500 eV, the wafer surface is under a strong electric field of 5 kV / mm, and the energy width of secondary electrons is 5 eV. The energy distribution of the secondary electrons is spread over 10 eV or more, but only a component of ± 2.5 eV centered on the emission energy 2 eV is used for imaging. This corresponds to about 1/2 of all secondary electrons.

また、反射電子は弾性散乱電子のみを考慮することとして、エネルギー幅は1eVとした。これらの図から、二次電子において例えば分解能を40nmとするためには放出角25mradとする必要があり、この場合放出角β内に二次電子が散乱される確率は約0.1%である。二次電子の放出効率(照射電子数に対する二次電子数の割合)はおよそ1とすると、二次電子結像型の場合のηは1/2×0.001×1=0.0005となる。   Further, considering only the elastic scattered electrons as the reflected electrons, the energy width was set to 1 eV. From these figures, it is necessary to set the emission angle to 25 mrad for the secondary electron to have a resolution of, for example, 40 nm. In this case, the probability that the secondary electron is scattered within the emission angle β is about 0.1%. . Assuming that the emission efficiency of secondary electrons (ratio of the number of secondary electrons to the number of irradiated electrons) is about 1, η in the case of the secondary electron imaging type is 1/2 × 0.001 × 1 = 0.0005. .

一方、反射電子の場合に分解能を40nmとするためには、試料放出角(β)80mradで、その角度内に反射電子の存在する確率は、図6から0.2%である。反射電子の放出効率(照射電子数に対する反射電子数の割合)は、参考文献「Image Formation in Low-Voltage Scanning Electron microscopy、SPIE、Bellingham、p.43、p67、1993」によると、照射エネルギー500eVにおいて0.02〜0.03程度である。したがって、反射電子結像型におけるηは、0.002×0.025=5e-5とかなり小さい値となる。   On the other hand, in order to obtain a resolution of 40 nm in the case of reflected electrons, the probability of the presence of reflected electrons within the sample emission angle (β) of 80 mrad is 0.2% from FIG. According to the reference document “Image Formation in Low-Voltage Scanning Electron Microscopy, SPIE, Bellingham, p.43, p67, 1993”, the emission efficiency of reflected electrons is as follows. It is about 0.02 to 0.03. Therefore, η in the backscattered electron imaging type is a very small value of 0.002 × 0.025 = 5e−5.

一方、本発明においては、平坦なウェハ面において電子ビームがそのまま垂直上方に跳ね返されるためビームの開き角は照射ビームの角度ばらつきと同等で非常に小さい(数mrad)。図7は、これまでの説明をさらに理解するための説明図である。   On the other hand, in the present invention, since the electron beam is bounced vertically upward as it is on a flat wafer surface, the opening angle of the beam is very small (several mrad), equivalent to the angular variation of the irradiation beam. FIG. 7 is an explanatory diagram for further understanding the above description.

図7中の左図に示すように、二次電子は試料から180度の広がりをもって真空中に放出されるのに対し、本発明においては、右図に示すようにすべての電子がほぼ真上に上ってくるため照射電子を有効に画像として利用することができる。一方、表面に凹凸や電位分布が存在する場合は垂直方向でなく、ある角度を持って上方に進むことになる。その場合は結像に直接寄与する電子の割合は減少するが、この角度の変化自体がウェハ表面の画像を形成する要因であるためコントラストが高くなる。すなわち、欠陥のコントラストCが大きくなることと等価で、欠陥検出には有利となる。   As shown in the left diagram in FIG. 7, secondary electrons are emitted from the sample into the vacuum with a spread of 180 degrees, whereas in the present invention, all the electrons are almost directly above as shown in the right diagram. Therefore, the irradiated electrons can be effectively used as an image. On the other hand, when unevenness or potential distribution exists on the surface, it proceeds upward with a certain angle, not in the vertical direction. In that case, the proportion of electrons that directly contribute to imaging decreases, but the change in angle itself is a factor that forms an image on the wafer surface, so the contrast increases. That is, it is equivalent to increasing the defect contrast C, which is advantageous for defect detection.

結局、本発明においては、ηとCは連動しており、ηを制限すればその分Cが増大することになる。厳密にはパターンの種類欠陥の種類によって異なるが、ここでは欠陥部において画像として検出できる信号は全電子の1/2とする。残りの1/2の信号はコントラストに寄与する分である。したがってη=0.5、C=0.5とする。   After all, in the present invention, η and C are linked, and if η is limited, C increases accordingly. Strictly speaking, the type of pattern differs depending on the type of defect, but here, the signal that can be detected as an image in the defective portion is 1/2 of all electrons. The remaining half of the signal contributes to the contrast. Therefore, η = 0.5 and C = 0.5.

以上をまとめると、図8の(a)に示す表のようになる。この場合に、ビーム電流と検査時間の関係を表したものが、図8の(b)である。なお、この関係は、Pix=40nmで計算した。本発明が、他の方式と比較して圧倒的な短時間で検査可能であることがわかる。   The above is summarized as a table shown in FIG. In this case, FIG. 8B shows the relationship between the beam current and the inspection time. This relationship was calculated with Pix = 40 nm. It can be seen that the present invention can be inspected in an overwhelmingly short time compared to other methods.

次に、本発明の一実施例の構成について詳しく説明する。図9に、本発明の一実施例になる検査装置の構成を示す。本実施例による検査装置は、大別して、電子光学系101、試料室102、画像検出部103、画像処理部104および制御部105より構成されている。それぞれの部分について以下に説明する。   Next, the configuration of an embodiment of the present invention will be described in detail. FIG. 9 shows the configuration of an inspection apparatus according to an embodiment of the present invention. The inspection apparatus according to the present embodiment is roughly composed of an electron optical system 101, a sample chamber 102, an image detection unit 103, an image processing unit 104, and a control unit 105. Each part will be described below.

まず、電子光学系101について説明する。加速電源23により負の高電位が与えられている電子源1から放出された加速電子ビームは、コンデンサレンズ2によって収束され、矩形開口を有する絞り4を照射する。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の均一な面状電子ビームを安定に形成できる。そして、ビームセパレータ3によってウェハ7の方向に偏向される。ビームセパレータ3は、電子源1からの入射電子ビームと試料からのミラー電子ビームの光路を分離するためのものである。コンデンサレンズ2は、クロスオーバを対物レンズ6の前焦点面に形成する。また、対物レンズ6によってウェハ7表面上に絞り4の像を形成するように絞りやレンズの配置を最適化してある。   First, the electron optical system 101 will be described. The acceleration electron beam emitted from the electron source 1 to which a negative high potential is applied by the acceleration power source 23 is converged by the condenser lens 2 and irradiates the diaphragm 4 having a rectangular opening. As the electron source 1, a Zr / O / W type Schottky electron source was used. A uniform planar electron beam having a large current beam (for example, 1.5 μA) and an energy width of 1.5 eV can be stably formed. Then, it is deflected in the direction of the wafer 7 by the beam separator 3. The beam separator 3 is for separating the optical path of the incident electron beam from the electron source 1 and the mirror electron beam from the sample. The condenser lens 2 forms a crossover on the front focal plane of the objective lens 6. Further, the arrangement of the diaphragm and the lens is optimized so that an image of the diaphragm 4 is formed on the surface of the wafer 7 by the objective lens 6.

これにより、ウェハ7表面に垂直な方向を向き、各電子同士の軌道がほぼ平行に揃ったビームで、かつ絞り4の開口形状に整形された面状の電子ビームが形成される。絞り4上での矩形絞り開口の大きさは、例えば100μm角であり、対物レンズ6によってこれを1/2に縮小し、ウェハ7表面上では50μm角の面状電子ビームが得られるようにした。この面状電子ビームは、照射系偏向器5によってウェハ7表面上の任意の位置に移動(または、走査)され得る。   As a result, a planar electron beam which is oriented in a direction perpendicular to the surface of the wafer 7 and whose orbits of the electrons are aligned substantially in parallel and which is shaped into the aperture shape of the diaphragm 4 is formed. The size of the rectangular aperture on the aperture 4 is, for example, 100 μm square, and this is reduced to 1/2 by the objective lens 6 so that a 50 μm square planar electron beam can be obtained on the surface of the wafer 7. . This planar electron beam can be moved (or scanned) to an arbitrary position on the surface of the wafer 7 by the irradiation system deflector 5.

対物レンズの前焦点面とクロスオーバ位置を完全に一致できなくてもある許容範囲内であれば問題ない。また、クロスオーバの大きさも理想的にはゼロであるが、実際は電子銃やコンデンサレンズの収差により有限の大きさを持っている。この大きさもある許容範囲であれば問題ない。このクロスオーバの位置を正確に制御し、しかも電子銃やコンデンサレンズの収差を十分に低減させた電子光学系では、試料入射角の広がりは0.5mrad以下に抑えることができた。この入射角広がりはミラー電子による試料表面の拡大像の分解能を決める要因のひとつであり以下の式で表される。   There is no problem as long as the front focal plane of the objective lens and the crossover position cannot be perfectly matched but are within a certain allowable range. Also, the size of the crossover is ideally zero, but in reality it has a finite size due to the aberration of the electron gun and condenser lens. If this size is within a certain allowable range, there is no problem. In the electron optical system in which the position of the crossover is accurately controlled and the aberrations of the electron gun and condenser lens are sufficiently reduced, the spread of the sample incident angle can be suppressed to 0.5 mrad or less. This incident angle spread is one of the factors that determine the resolution of the magnified image of the sample surface by mirror electrons, and is expressed by the following equation.

r0=β2・Zm ・・・(3)
ここで、r0は入射角の広がりで決まる分解能、βは最大入射半角、Zmは電子を引き戻す電界が生じている距離である。
r0 = β 2 · Zm (3)
Here, r0 is the resolution determined by the spread of the incident angle, β is the maximum incident half angle, and Zm is the distance in which the electric field that pulls back the electrons is generated.

本実施例では、βは0.25mrad、Zmは5mmである。これを(3)式に代入すると、r0は0.3nmとなり、本実施例では分解能に影響を与えないことがわかる。したがって、ビーム電流は必要に応じてもっと増やすことが可能である。   In this embodiment, β is 0.25 mrad and Zm is 5 mm. If this is substituted into the equation (3), r0 becomes 0.3 nm, and it can be seen that this embodiment does not affect the resolution. Therefore, the beam current can be further increased as necessary.

なお、分解能が30nm程度でも半導体の欠陥検出には十分であると考えられるので、Zmが5mmとすれば、βは2.4mradまで許容できることになる。この場合は、対物レンズの前焦点面とクロスオーバの位置のずれやクロスオーバの大きさにはかなり余裕が生じる。   Note that even if the resolution is about 30 nm, it is considered sufficient for detecting defects in semiconductors. Therefore, if Zm is 5 mm, β can be tolerated to 2.4 mrad. In this case, there is a considerable margin in the displacement of the position of the crossover between the front focal plane of the objective lens and the size of the crossover.

前焦点面でのビーム開き半角をαとし、対物レンズの焦点距離をf、クロスオーバの位置ずれをΔf、面状電子ビームの半径をXとすれば、次の式が成り立つ
Δf=f・β/α ・・・(4)
α=X/(2f) ・・・(5)
式(4)(5)から、例えば対物レンズの焦点距離fが10mmで面状ビームの大きさXを40μmとしたときは、クロスオーバ位置のずれΔfが10mm程度ずれても問題ない。これを前焦点面でのビーム直径に換算すると約40μmとなる。いずれにしろ、電子ビームのクロスオーバを対物レンズの前焦点面の近傍に配置させることで十分な分解能を得られることがわかる。
Assuming that the beam opening half-angle at the front focal plane is α, the focal length of the objective lens is f, the crossover positional deviation is Δf, and the radius of the planar electron beam is X, the following equation is established: Δf = f · β / α (4)
α = X / (2f) (5)
From Expressions (4) and (5), for example, when the focal length f of the objective lens is 10 mm and the size X of the planar beam is 40 μm, there is no problem even if the deviation Δf of the crossover position is displaced by about 10 mm. When this is converted into the beam diameter at the front focal plane, it is about 40 μm. In any case, it can be seen that sufficient resolution can be obtained by arranging the electron beam crossover in the vicinity of the front focal plane of the objective lens.

ここで、ビームセパレータ3について簡単に説明する。ビームセパレータ3は、電子源1から放出された電子ビームをウェハ7の方向に電子ビームを偏向し、一方、ウェハ7から引き戻されたミラー電子は電子源1の方向ではなく結像レンズ11の方向に偏向する。このような作用の偏向器には磁場による偏向器が最適である。磁場による偏向作用は電子の入射方向によって偏向作用の方向が異なるからである。   Here, the beam separator 3 will be briefly described. The beam separator 3 deflects the electron beam emitted from the electron source 1 in the direction of the wafer 7, while the mirror electrons drawn back from the wafer 7 are not in the direction of the electron source 1 but in the direction of the imaging lens 11. To deflect. A deflector using a magnetic field is optimal for the deflector having such an action. This is because the direction of the deflection action by the magnetic field differs depending on the incident direction of electrons.

また、実施例2として図10を用いて後述するが、結像レンズの光軸と対物レンズ6の光軸を一直線上に配置した光学系の場合は電場と磁場を直行させて、下からのミラー電子は直進させ、上からの電子ビームのみに偏向作用を持たせるExB偏向器を用いる。   Further, as will be described later with reference to FIG. 10 as Example 2, in the case of an optical system in which the optical axis of the imaging lens and the optical axis of the objective lens 6 are arranged in a straight line, an electric field and a magnetic field are made to go straight, The ExB deflector is used that makes the mirror electrons go straight and deflects only the electron beam from above.

ウェハ7、ウェハ(試料)移動ステージ8には、電源9により、電子源1よりも僅かに高い(絶対値の大きい)負電位を印加する。具体的には0.5〜5Vだけ負電位にするのが良い。あまり高い負電位にすると画像の分解能が劣化する。また、あまり小さい電位では表面の凹凸や電位等のわずかな変化を極端に強いコントラストとして画像化してしまい、真に必要な欠陥のみを検出することが困難となってしまう。   A negative potential slightly higher (absolute value) than that of the electron source 1 is applied to the wafer 7 and the wafer (sample) moving stage 8 by the power source 9. Specifically, it is preferable to set the negative potential by 0.5 to 5V. If the negative potential is too high, the resolution of the image deteriorates. In addition, if the potential is too small, a slight change in surface irregularities or potential is imaged as extremely strong contrast, making it difficult to detect only the truly necessary defects.

ウェハ7表面に垂直に向けられた電子ビームは、上記の負電位によってウェハ7の手前で減速されてウェハ7表面の電界によって上方に引き戻される。この電子はウェハ7の表面の情報を反映していることは既に説明した。このミラー電子は、対物レンズ6により焦点を結び、ビームセパレータにより結像系偏向器10および結像レンズ11の方向に偏向される。そして結像レンズ11によりウェハ7表面の状態を電子像として結像させる。この電子像を拡大レンズ13、14によって蛍光板15上に拡大投影させることによって、ウェハ7表面のパターンや帯電状態を反映した蛍光像(顕微鏡像)を得ることができる。   The electron beam directed perpendicular to the surface of the wafer 7 is decelerated in front of the wafer 7 by the negative potential and pulled back upward by the electric field on the surface of the wafer 7. As described above, the electrons reflect the information on the surface of the wafer 7. The mirror electrons are focused by the objective lens 6 and deflected in the direction of the imaging system deflector 10 and the imaging lens 11 by the beam separator. Then, the state of the surface of the wafer 7 is formed as an electronic image by the imaging lens 11. By magnifying and projecting this electronic image onto the fluorescent plate 15 by the magnifying lenses 13 and 14, a fluorescent image (microscopic image) reflecting the pattern on the surface of the wafer 7 and the charged state can be obtained.

この電子像のコントラストと分解能を向上するために、クロスオーバ面にコントラストアパーチャ12を挿入できるようになっている。このコントラストアパーチャ12によって、ウェハ7表面電場で引き戻されたときに垂直方向から大きく外れた電子を取り除くことにより画像の分解能とコントラストが強調できる。   In order to improve the contrast and resolution of this electronic image, a contrast aperture 12 can be inserted into the crossover surface. With this contrast aperture 12, the resolution and contrast of the image can be enhanced by removing electrons that are greatly deviated from the vertical direction when pulled back by the surface electric field of the wafer 7.

本発明の画像形成原理において、ウェハ表面の帯電の微妙な違いを検出するための感度や画像の分解能は面状電子ビームのエネルギー幅によって決まってくる。これをシミュレーションにより比較した結果が、図10である。図4と同様のパターンを仮定し、電子ビームのエネルギー幅(ΔE)を2eVと4eVの二通りの場合について得られる画像を比較した。   In the image forming principle of the present invention, the sensitivity for detecting subtle differences in the charging of the wafer surface and the resolution of the image are determined by the energy width of the planar electron beam. FIG. 10 shows the result of comparison by simulation. Assuming the same pattern as in FIG. 4, the images obtained for two cases where the energy width (ΔE) of the electron beam is 2 eV and 4 eV were compared.

この結果によると、4eVのエネルギー幅を仮定した場合、パターン中央部の電位の異なる部分のコントラストが認められない。半導体の微細化の進展を考慮したとき、図10に示したような微細パターンにおいて1V程度の帯電電位の違いを欠陥として検出することが必要となってくる。したがって、本発明において用いる電子ビームのエネルギー幅は2eV以下であることが望ましいことがわかる。   According to this result, when an energy width of 4 eV is assumed, the contrast of the portion having a different potential at the center of the pattern is not recognized. Considering the progress of semiconductor miniaturization, it is necessary to detect a difference in charging potential of about 1 V as a defect in a fine pattern as shown in FIG. Therefore, it can be seen that the energy width of the electron beam used in the present invention is desirably 2 eV or less.

前述のように、Zr/O/Wショットキー電子源を用いた本実施例においては、エネルギー幅が1.5eVであるので問題ない。たとえば、もっとエネルギー幅の大きい電子源を用いた場合には、電子ビームの光路上にエネルギーフィルタを設け、電子源から電子が放出されてから最終的に画像が形成されるまでの間に電子のエネルギー幅を2eV以下にする必要がある。エネルギーフィルタは電子源からウェハ7の間に設けることが望ましいが、ウェハ7からのミラー電子に対してエネルギーフィルタリングを実施しても同様の効果は得られる。   As described above, in this embodiment using the Zr / O / W Schottky electron source, there is no problem because the energy width is 1.5 eV. For example, when an electron source having a larger energy width is used, an energy filter is provided on the optical path of the electron beam, and the electron is not emitted from the electron source until the final image is formed. The energy width needs to be 2 eV or less. Although it is desirable to provide the energy filter between the electron source and the wafer 7, the same effect can be obtained by performing energy filtering on the mirror electrons from the wafer 7.

本発明では、電子ビームがウェハ7に衝突することがない。したがって、原則的にはウェハ7表面に絶縁膜が存在していても表面が帯電することはない。したがって、帯電させない状態で検査を実施すれば、検出できる欠陥は形状欠陥(形状が正常部と異なっているもの)のみである。   In the present invention, the electron beam does not collide with the wafer 7. Therefore, in principle, even if an insulating film exists on the surface of the wafer 7, the surface is not charged. Therefore, if inspection is performed in a state where charging is not performed, the only defects that can be detected are shape defects (those whose shape is different from the normal part).

しかし、電子ビームを用いた半導体パターンの欠陥検査において、導通不良や、絶縁されるべきものがショートしている、またはリーク電流が正常部と比べて大きいというような、いわゆる電気的欠陥と呼ばれているものを電子ビームの照射によって帯電させ、その電位の違いによって発生するSEM画像の電位コントラストにより検出する方法が行われている。   However, in semiconductor pattern defect inspection using an electron beam, it is called a so-called electrical defect, such as a continuity failure, a thing to be insulated is short-circuited, or a leakage current is larger than a normal part. A method has been used in which an object is charged by irradiation with an electron beam and detected by a potential contrast of an SEM image generated by a difference in potential.

このような欠陥を高感度に検出できるように、本発明では検査画像を取得する前にあらかじめ帯電制御専用の電子ビームを照射する予備帯電制御装置を備えている。この装置によりウェハ7をあらかじめ所定の電位に帯電させてから検査を実施すれば、形状欠陥だけでなく導通不良部のような電気的欠陥を検出できる。以下、この動作と構成について説明する。   In order to detect such defects with high sensitivity, the present invention includes a preliminary charging control device that irradiates an electron beam dedicated to charging control in advance before acquiring an inspection image. If the inspection is performed after the wafer 7 is charged to a predetermined potential in advance by this apparatus, not only a shape defect but also an electrical defect such as a conduction failure portion can be detected. Hereinafter, this operation and configuration will be described.

図11は、予備帯電制御装置の動作原理を説明する図である。電子源41は、大電流の電子ビームをある程度の広さ(数百μm〜数十mm)を持った面から放出する電子源である。たとえば、カーボンナノチューブを束ねた電子源やタングステンフィラメント熱電子源、あるいはLaB6電子源等を用いることが可能である。引出グリッド42に引出電極48により電圧引出電圧を印加して電子源41から電子ビーム43を放出させる。電子ビームは、制御グリッド44を通過して絶縁膜46に照射される。これにより二次電子45が放出する。   FIG. 11 is a diagram for explaining the operating principle of the preliminary charging control device. The electron source 41 is an electron source that emits a high-current electron beam from a surface having a certain extent (several hundred μm to several tens of mm). For example, an electron source in which carbon nanotubes are bundled, a tungsten filament thermoelectron source, a LaB6 electron source, or the like can be used. A voltage extraction voltage is applied to the extraction grid 42 by the extraction electrode 48 to emit the electron beam 43 from the electron source 41. The electron beam passes through the control grid 44 and irradiates the insulating film 46. As a result, secondary electrons 45 are emitted.

この二次電子は、絶縁膜46の表面の電位を基準としておよそ2eVのエネルギーを持っている。絶縁膜表面が基板47の電位と同等であれば電子ビームの照射エネルギーは加速電源49の電圧であり、この電圧は二次電子放出効率が1以上となるような値に設定しておく。一般的な半導体デバイス用の絶縁膜材料では500Vで良い。このとき、二次電子放出効率が1より大きいため、絶縁膜表面は正に帯電していく。   The secondary electrons have an energy of about 2 eV with respect to the surface potential of the insulating film 46. If the surface of the insulating film is equal to the potential of the substrate 47, the irradiation energy of the electron beam is the voltage of the accelerating power supply 49, and this voltage is set to a value such that the secondary electron emission efficiency is 1 or more. In general, the insulating film material for a semiconductor device may be 500V. At this time, since the secondary electron emission efficiency is larger than 1, the surface of the insulating film is positively charged.

制御グリッド44には制御電源50が接続されており任意の正または負の電圧を印加できるようになっているので、絶縁膜表面の電位が制御グリッド44の設定電位よりも正になり、二次電子が絶縁膜表面に引き戻されるようになると絶縁膜表面の正への帯電が止まる。このとき、絶縁膜表面の帯電電位は制御グリッドの電位よりやや低い(約2V)正の電位で安定することになる。制御グリッドの電位と等しくならないのは、二次電子がエネルギーを持っているためである。以上のような原理によって、絶縁膜46表面の電位を制御グリッド44の電位によって制御することが可能となる。   Since the control power supply 50 is connected to the control grid 44 so that an arbitrary positive or negative voltage can be applied, the potential of the insulating film surface becomes more positive than the set potential of the control grid 44, and the secondary voltage When electrons are drawn back to the surface of the insulating film, the positive charging of the surface of the insulating film stops. At this time, the charging potential on the surface of the insulating film is stabilized at a positive potential slightly lower (about 2 V) than the potential of the control grid. The reason why it is not equal to the potential of the control grid is that secondary electrons have energy. Based on the principle described above, the potential on the surface of the insulating film 46 can be controlled by the potential of the control grid 44.

図12は、カーボンナノチューブ電子源を用いた予備帯電制御装置の構成である。電子源41は、碍子51により真空内に保たれた状態で保持され、電位を印加できるようになっている。制御グリッド44はウェハ7に面して配置され、引出グリッド42が電子源51から電子を引き出す。   FIG. 12 shows a configuration of a preliminary charging control device using a carbon nanotube electron source. The electron source 41 is held in a vacuum state by an insulator 51 so that a potential can be applied. The control grid 44 is arranged facing the wafer 7, and the extraction grid 42 extracts electrons from the electron source 51.

図13は、LaB6電子源を利用した予備帯電制御装置の構成である。LaB6電子源を顕微鏡に用いる場合は、ウェーネルト電極を用いて電子放出直後にクロスオーバを形成させるが、この場合は光源が小さい必要がないので代わりに引出電極42’を設けている。   FIG. 13 shows a configuration of a preliminary charging control device using a LaB6 electron source. When a LaB6 electron source is used for a microscope, a Wehnelt electrode is used to form a crossover immediately after electron emission. In this case, since the light source does not need to be small, an extraction electrode 42 'is provided instead.

試料室102内では、2次元(X、Y)方向に移動可能な試料移動ステージ8上にウェハ7が載置され、ウェハ7には電源9により前述のように電子ビームの大部分がウェハ7に衝突しないような負電位が印加されている。試料移動ステージ8にはステージ位置測定器27が付設され、ステージ位置をリアルタイムで正確に計測している。これは、ステージ8を連続移動させながら画像を取得するためである。このステージ位置測定器27には、例えばレーザ干渉計が用いられる。   In the sample chamber 102, a wafer 7 is placed on a sample moving stage 8 that can move in a two-dimensional (X, Y) direction. As described above, most of the electron beam is placed on the wafer 7 by the power source 9. A negative potential is applied so as not to collide with. A stage position measuring device 27 is attached to the sample moving stage 8 to accurately measure the stage position in real time. This is for acquiring images while continuously moving the stage 8. For the stage position measuring device 27, for example, a laser interferometer is used.

また、半導体試料(ウェハ)表面の高さを正確に計測するために、光学的な試料高さ測定器26も取りつけられている。これには、例えば、ウェハ表面上の検査すべき領域に斜め方向から光を入射させ、その反射光の位置変化からウェハ表面の高さを計測する方式のものを用いることができる。この他、試料室102には、検査領域の位置決め用に用いられる光学顕微鏡31も付設されている。   In addition, an optical sample height measuring device 26 is attached in order to accurately measure the height of the surface of the semiconductor sample (wafer). For example, a system in which light is incident on an area to be inspected on the wafer surface from an oblique direction and the height of the wafer surface is measured from a change in position of the reflected light can be used. In addition, the sample chamber 102 is also provided with an optical microscope 31 used for positioning the inspection region.

次に、試料移動ステージ8の整定時間について述べる。ステージ8の移動方法をステッフ゜・アンド・リピート方式とすると、ステージ8の整定時間は、msec
オーダが必要となるため、画像S/N比を向上させて画像取得時間を短縮してもステージ移動に時間がかかってしまい検査時間を短縮することができない。従って、ステージ8の移動方法は、ステージが常にほぼ等速で移動している連続移動方式とした。これによりステージの整定時間による検査時間の制約はなくなる。ただし、ステージ8が連続移動していると、同一場所の画像を形成するのに必要な時間である1ショットの間にもステージ8が移動して、試料表面上での照射位置が変化してしまう。そこで、1ショットの間に照射位置が変化しないように、照射系偏向器5により照射電子ビームをステージ8の移動に追従させるようにした。また、静止座標系である電子光学系から見ると、電子ビーム照射位置は移動するから結像レンズ11により作られる像12も移動してしまう。この移動が生じないようにするために、結像系偏向器10を照射系偏向器5と連動動作させるようにした。
Next, the settling time of the sample moving stage 8 will be described. If the movement method of stage 8 is the step and repeat method, the settling time of stage 8 is msec.
Since an order is required, even if the image S / N ratio is improved and the image acquisition time is shortened, it takes time to move the stage and the inspection time cannot be shortened. Therefore, the moving method of the stage 8 is a continuous moving method in which the stage is always moving at a substantially constant speed. This eliminates the restriction of the inspection time due to the stage settling time. However, if the stage 8 is continuously moving, the stage 8 also moves during one shot, which is the time required to form an image at the same location, and the irradiation position on the sample surface changes. End up. Therefore, the irradiation electron beam is caused to follow the movement of the stage 8 by the irradiation system deflector 5 so that the irradiation position does not change during one shot. Further, when viewed from the electron optical system which is a stationary coordinate system, the electron beam irradiation position moves, so that the image 12 formed by the imaging lens 11 also moves. In order to prevent this movement, the imaging system deflector 10 is operated in conjunction with the irradiation system deflector 5.

次に、画像検出部103について説明する。画像検出には、散乱電子像12の拡大像を光学像に変換するための蛍光板15と光学画像検出素子(例えばCCD素子)17とを光ファイバー束16により光学結合させる。これにより蛍光板15上の光学像を光学画像検出素子17の受光面上に結像させる。光ファイバー束16は、細い光ファイバーを画素数と同じ本数束ねたものである。また、上記光ファイバー束16の代わりに光学レンズを用い、光学レンズによって蛍光板15上の光学像を光学画像検出素子(CCD)17の受光面上に結像させるようにしてもよい。蛍光板15の両面には電極300と透明電極301を設け、両電極間に透明電極301側が正の高電圧を印加して電子ビームの散乱を防いでいる。光学画像検出素子(CCD)17は、その受光面上に結像された光学像を電気的な画像信号に変換して出力する。出力された画像信号は、画像処理部104に送られ、そこで画像信号処理が行われる。   Next, the image detection unit 103 will be described. For image detection, a fluorescent plate 15 for converting an enlarged image of the scattered electron image 12 into an optical image and an optical image detection element (for example, a CCD element) 17 are optically coupled by an optical fiber bundle 16. Thereby, an optical image on the fluorescent plate 15 is formed on the light receiving surface of the optical image detection element 17. The optical fiber bundle 16 is a bundle of thin optical fibers equal to the number of pixels. An optical lens may be used in place of the optical fiber bundle 16, and an optical image on the fluorescent plate 15 may be formed on the light receiving surface of the optical image detection element (CCD) 17 by the optical lens. Electrodes 300 and transparent electrodes 301 are provided on both surfaces of the fluorescent plate 15, and the transparent electrode 301 side applies a positive high voltage between the two electrodes to prevent scattering of the electron beam. The optical image detection element (CCD) 17 converts the optical image formed on the light receiving surface into an electrical image signal and outputs it. The output image signal is sent to the image processing unit 104 where image signal processing is performed.

次に、画像検出素子(CCD)の読み取り時間について述べる。本実施例では、CCD17に蓄積された電荷を128チャンネルの読み出し口から8Mライン/秒の読出速度で多チャンネル並列読み出しできるようにした。1チャンネル1ライン当たりの画素数は8で、1ライン当たりの読み出所要時間は125nsecである。従って、1画素当たりの読み出所要時間は125nsec/8(画素)=16nsecとなる。これに対し、CCDからの画像データの読み出しが1チャンネル方式では、非常に高速での読み出しが必要となり、実現困難である。   Next, the reading time of the image detection element (CCD) will be described. In this embodiment, the charges accumulated in the CCD 17 can be read out in parallel from the 128-channel reading port at a reading speed of 8 Mlines / sec. The number of pixels per line per channel is 8, and the required readout time per line is 125 nsec. Therefore, the required readout time per pixel is 125 nsec / 8 (pixel) = 16 nsec. On the other hand, when the reading of image data from the CCD is a one-channel method, reading at a very high speed is required, which is difficult to realize.

本実施例では、CCDからの画像データの読み出し口を128チャンネルに分け、この128チャンネルで並列同時読み出しする方式とすることによって、1画素当たりの読み出し所要時間を16nsecとし、十分実現可能な読出速度としている。これを模式的に示したのが、図14である。   In this embodiment, the readout port for image data from the CCD is divided into 128 channels, and the parallel readout is performed on these 128 channels, so that the required readout time per pixel is 16 nsec, and a sufficiently realizable readout speed. It is said. This is schematically shown in FIG.

CCD17からの画像データの読出チャンネル数は128chであり、各チャンネル毎に8画素×1024ラインがあるから、このCCDから一枚の画像データを読み出すに必要な時間は約125μsecとなる。すなわち、1ショット領域の画像信号を125μsecで取り込めることになり、画素サイズ50nm、1ショット領域を50μm角とすれば試料表面積1cm当たりの検査所要時間は5secとなる。 Since the number of channels for reading image data from the CCD 17 is 128 channels and there are 8 pixels × 1024 lines for each channel, the time required to read one piece of image data from the CCD is about 125 μsec. That is, the image signal of one shot area can be taken in 125 μsec. If the pixel size is 50 nm and the one shot area is 50 μm square, the time required for inspection per 1 cm 2 of the sample surface area is 5 sec.

以上のように、画素サイズ50nmで検査した場合の従来方式による試料面積1cm当たりの検査所要時間約400secに比べて、80倍もの高速化が達成できた。また、本実施例では、検査所要時間を決めているのはCCD素子からの信号読み出し速度であるので、将来CCD素子におけるより高速のデータ読み出し方式が実現されれば、さらなる検査の高速化が期待できる。 As described above, a speed increase of 80 times can be achieved as compared with the time required for inspection of about 400 sec per 1 cm 2 of the sample area according to the conventional method when inspecting at a pixel size of 50 nm. In this embodiment, the time required for the inspection is determined by the signal reading speed from the CCD element. Therefore, if a higher-speed data reading method in the CCD element is realized in the future, further inspection speed is expected. it can.

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。   The image processing unit 104 includes image signal storage units 18 and 19, a calculation unit 20, and a defect determination unit 21. The image storage units 18 and 19 store images of adjacent portions of the same pattern, and both the images are calculated by the calculation unit 20 to detect different locations of both images. This result is determined as a defect by the defect determination unit 21 and the coordinates thereof are stored. The captured image signal is displayed on the monitor 22 as an image.

装置各部の動作命令および動作条件は、制御部105内の制御計算機29から入出力される。制御計算機29には、予め電子ビーム発生時の加速電圧、電子ビーム偏向幅・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、電子ビーム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。   Operation commands and operation conditions of each part of the apparatus are input / output from the control computer 29 in the control unit 105. The control computer 29 is preliminarily inputted with various conditions such as an acceleration voltage at the time of generating an electron beam, an electron beam deflection width / deflection speed, a sample stage moving speed, and an image signal capturing timing from the image detection element. The beam control system 28 receives a command from the control computer 29, generates a correction signal based on the signals from the stage position measuring device 27 and the sample height measuring device 26, and the electron beam is always irradiated to the correct position. Thus, a correction signal is sent to the objective lens power supply 25 and the scanning signal generator 24. The stage control system 30 receives a command from the control computer 29 and controls the sample moving stage 8.

次に、実際の検査手順について説明する。まず、光学顕微鏡31と電子ビーム画像を用いてのアライメントの方法について説明する。ウェハ7をウェハ移動ステージ(X−Y-θステージ)8上に載置し、光学顕微鏡31の下へ移動する。モニタ22によりウェハ7表面の光学顕微鏡画像を観察し、画面内の例えば中央に現れた任意のパターンを記憶する。この際、選択するパターンは電子ビーム画像上でも観察可能なパターンである必要がある。   Next, an actual inspection procedure will be described. First, an alignment method using the optical microscope 31 and an electron beam image will be described. The wafer 7 is placed on a wafer moving stage (XY-θ stage) 8 and moved below the optical microscope 31. An optical microscope image of the surface of the wafer 7 is observed by the monitor 22, and an arbitrary pattern appearing in the center of the screen is stored. At this time, the pattern to be selected needs to be a pattern that can be observed on the electron beam image.

次に、上記の光学顕微鏡画像を用いてウェハ7表面上の回路パターンがステージ移動方向と平行あるいは直交となるように、ウェハ移動ステージ8により回転補正を行う。回転補正時には、あるステージ位置におけるウェハ7表面上の回路パターンの任意のチップ内の任意のパターン部分の光学画像を取り込んでモニタ22に表示させて、表示画面内の任意箇所にマーキングを付す。そして、その光学画像信号を記憶部18に記憶させる。   Next, rotation correction is performed by the wafer movement stage 8 so that the circuit pattern on the surface of the wafer 7 is parallel or orthogonal to the stage movement direction using the optical microscope image. At the time of rotation correction, an optical image of an arbitrary pattern portion in an arbitrary chip of a circuit pattern on the surface of the wafer 7 at a certain stage position is captured and displayed on the monitor 22, and marking is given to an arbitrary position in the display screen. Then, the optical image signal is stored in the storage unit 18.

次に、ウェハ7表面上の回路パターンの数チップ分の距離だけステージ8をx方向またはy方向に移動させ、新たなチップ内の先と同一のパターン部分の光学画像を取り込んでモニタ22に表示させる。そして先のマーキング箇所に対応する箇所にやはりマーキングを付した後、その新たな光学画像信号を記憶部19に記憶させる。次いで、演算部20において、記憶部18、19に記憶された光学画像信号同士を比較演算して、両画像間でのマーキング箇所の位置ずれ量を算出する。このマーキング箇所の位置ずれ量と両画像間でのステージ移動量とから、ウェハ7の回転角度誤差を算出し、その分ステージ8を回転させて回転角度を補正する。以上の回転補正操作を数回繰り返して、回転角度誤差が所定値以下となるようにする。   Next, the stage 8 is moved in the x direction or y direction by a distance of several chips of the circuit pattern on the surface of the wafer 7, and an optical image of the same pattern portion as the tip in the new chip is captured and displayed on the monitor 22. Let Then, after marking the part corresponding to the previous marking part, the new optical image signal is stored in the storage unit 19. Next, the arithmetic unit 20 compares the optical image signals stored in the storage units 18 and 19 and calculates the amount of positional deviation of the marking portion between the two images. The rotation angle error of the wafer 7 is calculated from the positional deviation amount of the marking portion and the stage movement amount between both images, and the rotation angle is corrected by rotating the stage 8 correspondingly. The above rotation correction operation is repeated several times so that the rotation angle error becomes a predetermined value or less.

さらに、光学顕微鏡画像を用いてウェハ7表面上の回路パターンを観察し、ウェハ上でのチップの位置やチップ間の距離(例えば、メモリセルのような繰り返しパターンの繰り返しピッチ)を予め測定し、その値を制御計算機29に入力する。そして、ウェハ7表面上の被検査チップおよびそのチップ内の被検査領域をモニタ22の光学顕微鏡画像上で設定する。光学顕微鏡画像は、比較的低倍率で観察が可能であり、また、ウェハ7表面の回路パターンが例えばシリコン酸化膜のような透明な膜で覆われている場合でもその下地まで観察可能である。したがって、チップ内回路パターンのレイアウト等が簡便に観察でき、検査領域の設定が簡便に行える。   Furthermore, the circuit pattern on the surface of the wafer 7 is observed using the optical microscope image, and the position of the chip on the wafer and the distance between the chips (for example, the repetition pitch of the repeating pattern such as a memory cell) are measured in advance. The value is input to the control computer 29. Then, the inspected chip on the surface of the wafer 7 and the inspected area in the chip are set on the optical microscope image of the monitor 22. The optical microscope image can be observed at a relatively low magnification, and even when the circuit pattern on the surface of the wafer 7 is covered with a transparent film such as a silicon oxide film, the substrate can be observed. Therefore, the layout of the in-chip circuit pattern can be easily observed, and the inspection area can be easily set.

次に、ウェハ7を電子光学系の下へ移動する。そこで、先に光学顕微鏡画像上で設定した被検査領域を含むと予想される領域の電子ビーム画像を取得する。この時、1ショット領域内に上記の被検査領域が入るようにする。この電子ビーム画像上においても、先の光学顕微鏡画像上においてマーキングしたのと同じ画面内に、先にマーキングした箇所のパターンが現れるようにステージ8を移動する。これにより、予め検査開始前に電子ビーム照射位置と光学顕微鏡観察位置との間の対応をつけ、かつ、画像取得位置を校正することができるようになる。そして、この電子ビーム画像上において、先に光学顕微鏡像上で行ったのと同様の操作を実施する。これにより、光学顕微鏡を用いての簡便な観察位置の確認や位置合わせ、および電子ビーム照射位置の調整が可能となる。   Next, the wafer 7 is moved under the electron optical system. Therefore, an electron beam image of an area expected to include the inspected area previously set on the optical microscope image is acquired. At this time, the region to be inspected is placed in one shot region. Also on the electron beam image, the stage 8 is moved so that the pattern of the previously marked portion appears on the same screen as that marked on the previous optical microscope image. As a result, it is possible to make a correspondence between the electron beam irradiation position and the optical microscope observation position in advance before starting the inspection, and to calibrate the image acquisition position. Then, on this electron beam image, the same operation as that previously performed on the optical microscope image is performed. As a result, it is possible to easily confirm and align the observation position using the optical microscope and adjust the electron beam irradiation position.

さらには、ある程度の回転補正も実施した後に、光学顕微鏡画像に比べて分解能が高く、高倍率画像を得ることのできる電子ビーム画像を用いてさらに高精度な回転補正ができるようになる。さらに、この電子ビーム画像を用いて、被検査領域または同一パターン領域を高倍率で高精度に観察確認・補正することができる。ただし、半導体ウェハ7の表面の全部(または一部)が絶縁物で覆われている場合には、絶縁物表面の帯電電位が基板電位と等しくなっていない可能性があるので画像取得前に呼び帯電制御装置32によって表面の帯電電圧を制御しておく必要がある。   Furthermore, after performing a certain degree of rotation correction, it is possible to perform more accurate rotation correction using an electron beam image that has a higher resolution than an optical microscope image and can obtain a high-magnification image. Furthermore, using this electron beam image, it is possible to confirm and correct the region to be inspected or the same pattern region with high magnification and high accuracy. However, if the entire surface (or part) of the semiconductor wafer 7 is covered with an insulator, the charge potential on the insulator surface may not be equal to the substrate potential, so call it before image acquisition. It is necessary to control the charging voltage on the surface by the charge control device 32.

上記した検査条件の設定が完了したら、半導体ウェハ7表面上の被検査領域の一部を実際の検査条件と全く同一の条件で電子ビーム画像化し、被検査領域の材質や形状に依存した画像の明るさの情報およびそのばらつき範囲を算出しテーブルにして記憶する。そして、後の検査工程において該記憶テーブルを参照して実際に画像化検出された被検査領域内のパターン部分が欠陥であるか否かを判定する際の判定条件を決定する。   When the setting of the inspection conditions is completed, a part of the inspection area on the surface of the semiconductor wafer 7 is converted into an electron beam image under exactly the same conditions as the actual inspection conditions, and an image depending on the material and shape of the inspection area is obtained. Brightness information and its variation range are calculated and stored in a table. Then, a determination condition for determining whether or not the pattern portion in the inspection region actually imaged and detected in the subsequent inspection process is defective is determined.

上記の手順によって被検査領域および欠陥判定条件の設定が完了したら、実際に検査を開始する。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。その間、電子ビームは各1ショットの間ウェハ7表面上の同一照射領域(面積領域)を一定のショット時間(本実施例では、50μsec以上)照射する。ステージ8は連続移動しているので、電子ビームは照射系偏向器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。   When the setting of the inspection area and the defect determination condition is completed by the above procedure, the inspection is actually started. At the time of inspection, the stage 8 on which the sample (semiconductor wafer) 7 is mounted continuously moves at a constant speed in the x direction. Meanwhile, the electron beam irradiates the same irradiation area (area area) on the surface of the wafer 7 for each shot for a certain shot time (in this embodiment, 50 μsec or more). Since the stage 8 is continuously moving, the electron beam is deflected and scanned by the irradiation system deflector 5 following the movement of the stage 8.

電子ビーム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。   The irradiation region or irradiation position of the electron beam is constantly monitored by a stage position measuring device 27, a sample height measuring device 26 and the like provided on the stage 8. The monitor information is transferred to the control computer 29 so that the amount of misalignment is grasped in detail, and the misalignment amount is accurately corrected by the beam control system 28. As a result, accurate alignment required for pattern comparison inspection can be performed at high speed and with high accuracy.

また、半導体ウェハ7の表面高さを、電子ビーム以外の手段でリアルタイムに測定し、電子ビーム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。電子ビーム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ビーム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、実検査時にはウエハ7の表面高さ測定を行う必要がないようにしてもよい。   Further, the surface height of the semiconductor wafer 7 is measured in real time by means other than the electron beam, and the focal lengths of the objective lens 6 and the imaging lens 11 for irradiating the electron beam are dynamically corrected. As means other than the electron beam, for example, there is an optical height measuring device 26 by a laser interference method, a method of measuring a change in position of reflected light, or the like. Thereby, an electron beam image always focused on the surface of the inspection area can be formed. Further, the warpage of the wafer 7 is measured in advance before the inspection, and the above focal length correction is performed based on the measurement data so that it is not necessary to measure the surface height of the wafer 7 during the actual inspection. May be.

電子ビームをウェハ7表面に向け、ミラー電子によりウェハ7表面上の所望の被検査領域(面積領域)についての拡大光学像を蛍光板15上に形成する。この拡大光学像をCCD素子17により電気的な画像信号に変換し、この画像信号を画像処理部104に取り込む。そして、制御計算機29からの指令を受けて制御部28により与えられた電子ビーム照射位置に対応した面積領域についての電子ビーム画像信号として、記憶部18(または19)に格納する。   An electron beam is directed toward the surface of the wafer 7, and an enlarged optical image of a desired inspection area (area area) on the surface of the wafer 7 is formed on the fluorescent plate 15 by mirror electrons. The enlarged optical image is converted into an electrical image signal by the CCD element 17 and the image signal is taken into the image processing unit 104. Then, it receives an instruction from the control computer 29 and stores it in the storage unit 18 (or 19) as an electron beam image signal for the area region corresponding to the electron beam irradiation position given by the control unit 28.

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ビーム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。   In the case of performing a pattern inspection between adjacent chips A and B having the same design pattern formed on the surface of the semiconductor wafer 7, first, an electron beam image signal for a region to be inspected in the chip A is captured. And stored in the storage unit 18. Next, an image signal for the inspection region corresponding to the above in the adjacent chip B is captured and stored in the storage unit 19, and at the same time, compared with the stored image signal in the storage unit 18. Further, an image signal for the corresponding inspection area in the next chip C is acquired and stored in the storage unit 18 by overwriting, and at the same time, the storage for the inspection area in the chip B in the storage unit 19 is stored. Compare with image signal. Such an operation is repeated, and comparison is performed while sequentially storing image signals for corresponding inspection regions in all inspection chips.

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ビーム画像信号を記憶部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。   In addition to the above method, it is also possible to adopt a method in which the electron beam image signal of a desired inspection region for a standard non-defective product (having no defect) is stored in the storage unit 18 in advance. In that case, the inspection area and the inspection condition for the non-defective sample are previously input to the control computer 29, the inspection for the non-defective sample is executed based on these input data, and the acquired image for the desired inspection area is obtained. The signal is stored in the storage unit 18. Next, the wafer 7 to be inspected is loaded on the stage 8 and the inspection is executed in the same procedure as before.

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。   Then, the acquired image signal for the inspection region corresponding to the above is taken into the storage unit 19, and at the same time, the image signal for the sample to be inspected and the image signal for the non-defective sample previously stored in the storage unit 18 Compare Thereby, the presence / absence of a pattern defect in the desired inspection region of the inspection object sample is detected. The standard (non-defective) sample may be a wafer that is known to be free of pattern defects in advance, different from the sample to be inspected, or may have no pattern defects in advance on the surface of the sample to be inspected. A known area (chip) may be used. For example, when a pattern is formed on the surface of a semiconductor sample (wafer), misalignment failure between the lower layer pattern and the upper layer pattern may occur over the entire wafer surface. In such a case, if the comparison object is a pattern in the same wafer or the same chip, the defect (defect) generated over the entire wafer surface is overlooked.

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。   However, according to this embodiment, the image signal of the area that is known to be non-defective (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 that has occurred over the entire wafer surface can be detected with high accuracy.

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。   Both image signals stored in the storage units 18 and 19 are respectively taken into the calculation unit 20, where various statistics (specifically, average values of image density) are calculated based on the already determined defect determination conditions. , Statistics such as variance), difference values between neighboring pixels, and the like are calculated. Both image signals subjected to these processes are transferred to the defect determination unit 21 and compared there to extract a difference signal between the two image signals. These difference signals are compared with the already determined and stored defect determination conditions to determine the defect, and the image signal of the pattern area determined to be a defect and the image signal of the other area are separated.

これまでに述べてきた検査方法および検査装置により、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、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、従来の電子ビームによる検査装置と比べ非常に高速な検査が可能になった。   Presence or absence of pattern defects by forming an image reflecting the potential and shape information of the surface of the wafer 7 by the inspection method and inspection apparatus described so far, and comparing and inspecting the image signal for the corresponding pattern region Can be detected. As a result, the inspection can be performed at a very high speed as compared with the conventional inspection apparatus using an electron beam.

(実施例2)
実施例1では、1ショットの電子ビーム照射領域の面積が50μm×50μmとかなり大きいため、半導体試料の拡大像の周辺部に歪みが生じると云う問題や照射領域内でのビーム電流密度の均一性に問題が生じる場合がある。画像歪みや電流密度の不均一性が固定的に生じている場合には、光ファイバー束16のファイバー素線配列に変化を付けることで補正可能である。また、画像信号の取得感度や画像処理に重みを付けることでも補正できるが、それらが時間的に変動する場合には、それらの方法では対応が困難となる。
(Example 2)
In Example 1, since the area of the one-shot electron beam irradiation region is as large as 50 μm × 50 μm, there is a problem that distortion occurs in the peripheral portion of the enlarged image of the semiconductor sample, and the uniformity of the beam current density in the irradiation region. May cause problems. When image distortion or current density non-uniformity occurs in a fixed manner, it can be corrected by changing the fiber strand arrangement of the optical fiber bundle 16. Further, although correction can also be performed by weighting the acquisition sensitivity of image signals and image processing, if they fluctuate with time, it is difficult to cope with these methods.

本実施例では、1ショットの照射領域を5μm角として、1ショットの照射領域内では歪みや電流密度の不均一性の問題が生じないようにした。照射電子ビーム電流は1ショット当たり1μAである。この時、電子ビームの照射時間は電子の結像効率ηを0.5とすると、先の(1)式より、1ショット当たりの照射時間tは、0.18μsecとなる。ショット時間0.18μsecで一つの照射領域(5μm角)を照射した後、電子ビームは照射系偏向器5により隣接する次の照射領域(5μm角)上に移動される。このようにして、次々に照射位置を移動して、x方向100μm×y方向100μmの範囲全体を20×20=400ショットで照射する。   In this embodiment, the one-shot irradiation area is set to 5 μm square, and problems of distortion and non-uniformity of current density are prevented from occurring in the one-shot irradiation area. The irradiation electron beam current is 1 μA per shot. At this time, when the electron imaging efficiency η is 0.5, the irradiation time t per shot is 0.18 μsec from the above equation (1). After irradiating one irradiation area (5 μm square) with a shot time of 0.18 μsec, the electron beam is moved onto the next adjacent irradiation area (5 μm square) by the irradiation system deflector 5. In this way, the irradiation position is moved one after another, and the entire range of 100 μm in the x direction and 100 μm in the y direction is irradiated with 20 × 20 = 400 shots.

この時、CCD素子17上には、各1ショット毎に、その時の電子ビーム照射位置に対応した位置に拡大像が得られ、電子ビームの走査による電子ビーム照射位置の移動に応じてCCD素子に得られる拡大像位置も移動して行く。この様子を示したのが、図15である。   At this time, an enlarged image is obtained on the CCD element 17 for each shot at a position corresponding to the electron beam irradiation position at that time, and the CCD element is moved according to the movement of the electron beam irradiation position by scanning the electron beam. The magnified image position obtained also moves. This is shown in FIG.

CCD素子17には1024×1024画素のものを用いた。CCD素子上での1画素はウェハ7表面上での50nm角の領域に相当し、従って、ウェハ7表面上での1ショットの照射領域(5μm角)は、CCD素子受光面上での100×100画素の領域(CCD素子受光面全体の1/100に相当する)となる。そして、CCD素子の受光面全体で試料表面上の50μm角の領域をカバーできるようにした。従って、試料表面上での50μm角の領域の拡大像を得るためには、0.18(μsec)×100(ショット)=18(μsec)を要することとなる。   A CCD element 17 having 1024 × 1024 pixels was used. One pixel on the CCD element corresponds to a 50 nm square area on the surface of the wafer 7, and therefore, one shot irradiation area (5 μm square) on the wafer 7 surface is 100 × on the light receiving surface of the CCD element. The area is 100 pixels (corresponding to 1/100 of the entire CCD light receiving surface). The entire light-receiving surface of the CCD element can cover a 50 μm square area on the sample surface. Therefore, 0.18 (μsec) × 100 (shot) = 18 (μsec) is required to obtain an enlarged image of a 50 μm square region on the sample surface.

上述のようにして、ウェハ7表面上の50μm角の領域の画像を18μsecでCCD上に形成させたら、CCDに蓄積された画像信号をデジタル信号として画像記憶部18に記憶させる。試料表面上の隣接する次の領域の画像信号を取得するためにはステージ8を50μm移動させる必要がある。このステージ移動には、先の実施例1の場合と同様、ステージ8を一定速度で連続移動させる方式を採った。その際、照射電子ビームに対してステージ8があたかも静止しているかの状態になる様、照射系偏向器5によって照射電子ビームをステージ8の移動に追従させて偏向走査するようにした。これにより、ステージ8を移動・停止させる際に生じる無駄時間をゼロにした。   As described above, when an image of a 50 μm square area on the surface of the wafer 7 is formed on the CCD in 18 μsec, the image signal accumulated in the CCD is stored in the image storage unit 18 as a digital signal. In order to acquire an image signal of the next adjacent region on the sample surface, it is necessary to move the stage 8 by 50 μm. For this stage movement, as in the case of the first embodiment, the stage 8 is continuously moved at a constant speed. At that time, the irradiation system deflector 5 performs the deflection scanning by following the movement of the stage 8 by the irradiation system deflector 5 so as to make the stage 8 stand still with respect to the irradiation electron beam. As a result, the dead time generated when the stage 8 is moved and stopped is reduced to zero.

このステージ8の連続移動への照射電子ビームの追従走査に当たっては、ビーム制御系28内で、ステージ位置測定器27からの信号を参照して偏向補正信号を計算し、この偏向補正信号を照射系偏向器5に送り照射電子ビームの偏向を制御させる。さらに、電子ビームによる試料拡大像の歪みや位置ドリフト等に関する補正分も上記の偏向補正信号に重畳させることにより、これらの補正も行うようにした。また、照射系偏向器5と連動して結像系偏向器10も動作させて、CCD上での試料拡大像の位置が上記のステージ追従によるビーム位置移動の影響を受けないようにした。これにより、ステージ移動による無駄時間を無くし、高速・高精度の検査を実現することができた。なお、上記以後の欠陥検査のための画像処理等については、先の実施例1の場合と同様である。   In the follow-up scanning of the irradiation electron beam to the continuous movement of the stage 8, a deflection correction signal is calculated by referring to a signal from the stage position measuring device 27 in the beam control system 28, and this deflection correction signal is used as the irradiation system. The deflector 5 is sent to control the deflection of the irradiation electron beam. Furthermore, corrections related to distortion of the magnified specimen image due to the electron beam, position drift, and the like are also superimposed on the deflection correction signal to correct these. In addition, the imaging system deflector 10 is also operated in conjunction with the irradiation system deflector 5 so that the position of the magnified sample image on the CCD is not affected by the beam position movement due to the stage following. This eliminates wasted time due to moving the stage and enables high-speed and high-precision inspection. Note that image processing and the like for defect inspection after that are the same as those in the first embodiment.

以上説明した手順により検査を進めていくと、試料表面1cm当たりについての拡大像をCCD上に順次形成するに要する時間Tは0.72secとなる。一方、先の実施例1の場合と同様に、CCDから一枚の画像(試料表面50μm角についての画像)を読み出すのに125μsecが必要であるため、試料表面積1cm当たり5secが必要となる。CCD素子における画像形成と画像信号の読み出しは並行して行われるから、検査に要する時間は、画像形成に要する時間と画像信号読み出しに要する時間との内何れか長い方の時間となる。本実施例では、画像形成所要時間より画像信号読み出し所要時間が長く、1cm当たり5secとなっており、従って、本実施例における試料表面積1cm当たりについての検査所要時間は5secとなる。 When the inspection proceeds according to the procedure described above, the time T required to sequentially form enlarged images per 1 cm 2 of the sample surface on the CCD becomes 0.72 sec. On the other hand, as in the case of the first embodiment, since 125 μsec is required to read out one image (image with respect to the sample surface of 50 μm square) from the CCD, 5 sec is required per 1 cm 2 of the sample surface area. Since image formation and image signal readout in the CCD element are performed in parallel, the time required for inspection is the longer of the time required for image formation and the time required for image signal readout. In this embodiment, the time required for reading out an image signal is longer than the time required for image formation, and is 5 seconds per cm 2. Therefore, the time required for inspection per sample surface area of 1 cm 2 in this embodiment is 5 seconds.

以上の説明では、1ショットの電子ビーム照射領域を5μm角の大きさに固定した場合について例示したが、半導体ウェハ7表面でのパターン繰り返しピッチに応じて、この電子ビーム照射領域の大きさを可変できるようにしても良い。上述したように、本実施例では、1ショットの電子ビーム照射領域をより小さく設定している。したがって、各照射領域間のつなぎ部分に多少の歪みが生じたとしても、常に同一箇所に同程度の歪みが生じることになり、相互比較すべき二つの画像上での歪みの現れ方も等しくなるため、歪みによる誤検出の問題が無くなる。これにより、信頼性の高いパターン欠陥検査が実現できる。   In the above description, the case where the one-shot electron beam irradiation region is fixed to a size of 5 μm square is illustrated, but the size of the electron beam irradiation region can be changed according to the pattern repetition pitch on the surface of the semiconductor wafer 7. You may be able to do it. As described above, in this embodiment, the one-shot electron beam irradiation area is set smaller. Therefore, even if some distortion occurs at the connection between the irradiation areas, the same distortion always occurs at the same location, and the appearance of distortion on the two images to be compared with each other is also equal. Therefore, the problem of erroneous detection due to distortion is eliminated. Thereby, highly reliable pattern defect inspection can be realized.

(実施例3)
本実施例では、試料表面画像を電気信号に変換する素子として、時間蓄積型のCCDセンサを用いた。この素子はTDIセンサと呼ばれるもので、光学式検査装置において一般的に使用されている。それ以外は、先の実施例2の場合と同様である。このTDIセンサの動作概念を、図16を参照して説明する。
(Example 3)
In this embodiment, a time accumulation type CCD sensor is used as an element for converting a sample surface image into an electric signal. This element is called a TDI sensor and is generally used in an optical inspection apparatus. The rest is the same as in the case of the second embodiment. The operation concept of this TDI sensor will be described with reference to FIG.

TDIセンサでは、各受光領域で受光した光の強度に応じて生成された電荷をx方向のラインに移動させて行くと同時に、その移動先で受光した光の強度に応じて生成された電荷を順次足し合わせて行くように動作する。そして、受光面の最終ラインに達した時点で電気信号として外部に出力する。従って、x方向の電荷の移動速度と受光面上の画像のx方向の移動速度を同一にすることで、画像がセンサ上を移動する間の信号を積分して出力することになる。   In the TDI sensor, the electric charge generated according to the intensity of the light received in each light receiving area is moved to the line in the x direction, and at the same time, the electric charge generated according to the intensity of the light received at the destination is changed. It works to add up sequentially. Then, when the final line of the light receiving surface is reached, it is output to the outside as an electrical signal. Accordingly, by making the movement speed of the charge in the x direction equal to the movement speed of the image on the light receiving surface in the x direction, the signals during the movement of the image on the sensor are integrated and output.

本実施例では、先の実施例1から実施例4の場合のCCDセンサと同様に、信号読み出しを128チャンネルに分割しそれぞれ並行して読み出すことにより、読出速度を4Mライン/秒とした。また、受光領域の大きさは、x方向に64画素、y方向に2048画素のものを用いた。1ラインのx方向長さは、試料表面上の50nm、y方向長さは約100μmに相当する。このとき、縦50nm、横100μmの画像が4M/秒の速度で出力されることになるため、ステージの連続移動速度もこれと同じ速度(50nm/250nsec=200mm/sec)としている。このように、検査領域のx方向移動はステージ8を移動させることにより行う。   In the present embodiment, like the CCD sensor in the first to fourth embodiments, the signal reading is divided into 128 channels and each is read in parallel, so that the reading speed is 4M lines / second. The size of the light receiving area was 64 pixels in the x direction and 2048 pixels in the y direction. The length of one line in the x direction corresponds to 50 nm on the sample surface, and the length in the y direction corresponds to about 100 μm. At this time, since an image having a length of 50 nm and a width of 100 μm is output at a speed of 4 M / sec, the continuous moving speed of the stage is set to the same speed (50 nm / 250 nsec = 200 mm / sec). As described above, the x-direction movement of the inspection region is performed by moving the stage 8.

一方、1ショットの照射領域は5μm角であるので、図16のように、照射領域のy方向移動は電子ビームを走査して行う必要が生じる。すなわち、ステージ8がx方向に1ショット分(5μm)だけ移動する間に電子ビームをy方向に100μm走査する必要がある。1ショットの所要時間を1.25μsecとすると、y方向に100μm(20ショット分)を走査するには25μsec必要となる。一方、ステージ8のx方向移動速度は200mm/secであるから、ステージ8がx方向に丁度1ショット分(5μm)移動するに要する時間は25μsecとなる。このように、x方向に1ショット分(5μm)のステージ移動に要する時間とy方向に20ショット分(100μm)の電子ビーム走査に要する時間とを一致させ、無駄時間が生じるのを防いでいる。この方法によって試料表面積1cmの画像を取得するには、上述の5μm×100μmの単位走査領域についての走査所要時間(25μsec)の2×10倍を要することになるので、試料表面積1cm当たりの検査所要時間は5secとなる。 On the other hand, since the irradiation area of one shot is 5 μm square, it is necessary to move the irradiation area in the y direction by scanning the electron beam as shown in FIG. That is, it is necessary to scan the electron beam by 100 μm in the y direction while the stage 8 moves by one shot (5 μm) in the x direction. If the time required for one shot is 1.25 μsec, 25 μsec is required to scan 100 μm (20 shots) in the y direction. On the other hand, since the moving speed of the stage 8 in the x direction is 200 mm / sec, the time required for the stage 8 to move exactly one shot (5 μm) in the x direction is 25 μsec. As described above, the time required for moving the stage for one shot (5 μm) in the x direction and the time required for the electron beam scanning for 20 shots (100 μm) in the y direction are matched to prevent the generation of dead time. . To obtain an image of the sample surface area 1 cm 2 by this method, since it takes 2 × 10 5 times the scan time required (25 .mu.sec) for the unit scan area of 5 [mu] m × 100 [mu] m described above, the sample surface area 1 cm 2 per The inspection required time is 5 seconds.

上述したように、本実施例では、TDIセンサの信号出力速度から決まるステージの移動速度が200mm/secであるから、十分ステージ移動による検査領域のx方向移動が可能である。しかもその間に電子ビームの検査領域上y方向走査のための十分な時間を確保できる。また、本実施例では、検査速度を決めているのはTDIセンサの信号出力速度であるため、この信号出力速度が改善されれば、さらに高速での検査が実現できる。   As described above, in this embodiment, the stage moving speed determined from the signal output speed of the TDI sensor is 200 mm / sec. Therefore, the inspection area can be sufficiently moved in the x direction by moving the stage. In addition, a sufficient time for scanning in the y direction on the inspection region of the electron beam can be secured. In this embodiment, since the inspection speed is determined by the signal output speed of the TDI sensor, if this signal output speed is improved, the inspection can be performed at a higher speed.

(実施例4)
本実施例は、SEM画像が取得可能な電子光学系を採用したものである。図17に、その構成を示す。
Example 4
In this embodiment, an electron optical system capable of acquiring an SEM image is employed. FIG. 17 shows the configuration.

電子源201、コンデンサレンズ202およびSEM用対物レンズ233は、SEMの電子光学系を構成する要素をそのまま採用している。電子源201は、Zr/O/Wショットキー電子源を採用した。この電子源から引出した電子はビームセパレータ243により偏向を受け、静電セクタ型の電子偏向器205により代角度の変更を受けてビームセパレータ203に導かれ対物レンズ206に垂直入射する。電子ビームは対物レンズの前焦点面でクロスオーバを結んでおり対物レンズ206によりウェハ207の表面に垂直な方向にそろった面状電子ビームとなる。ウェハ207に印加する電圧や絞りの配置等に関しては実施例1と同等である。   The electron source 201, the condenser lens 202, and the SEM objective lens 233 employ the elements constituting the SEM electron optical system as they are. The electron source 201 is a Zr / O / W Schottky electron source. The electrons extracted from the electron source are deflected by the beam separator 243, are subjected to the change of the alternative angle by the electrostatic sector type electron deflector 205, are guided to the beam separator 203, and are vertically incident on the objective lens 206. The electron beam forms a crossover at the front focal plane of the objective lens, and becomes a planar electron beam aligned in a direction perpendicular to the surface of the wafer 207 by the objective lens 206. The voltage applied to the wafer 207, the arrangement of the diaphragm, etc. are the same as in the first embodiment.

本実施例では、ウェハ検査後に検出した欠陥の画像を詳細に観察したい場合に装置からウェハ7を取り出さずに高分解能なSEM画像を観察できることが特徴である。すなわち、ビームセパレータ243を動作させずに電子ビームを直進させるようにし、同時にウェハ移動ステージ208によりウェハ207をSEM用対物レンズ233の光軸下に移動すればウェハ207の任意の位置の観察が実行できる。なお、図中、211は結像レンズ、213、214は拡大レンズ、222はSEM用コンデンサレンズ、228はビーム制御系、232は予備帯電制御装置、252は試料室、263は画像検出部を示す。   The present embodiment is characterized in that a high-resolution SEM image can be observed without taking out the wafer 7 from the apparatus when it is desired to observe in detail a defect image detected after the wafer inspection. That is, if the electron beam is caused to go straight without operating the beam separator 243 and at the same time the wafer 207 is moved under the optical axis of the SEM objective lens 233 by the wafer moving stage 208, observation of an arbitrary position of the wafer 207 is executed. it can. In the figure, 211 is an imaging lens, 213 and 214 are magnifying lenses, 222 is a condenser lens for SEM, 228 is a beam control system, 232 is a preliminary charging control device, 252 is a sample chamber, and 263 is an image detection unit. .

この機能は、検出した欠陥の観察だけでなく検査前のウェハのパターン確認や検査条件設定、アライメント等でも活用できる。   This function can be used not only for observing detected defects, but also for wafer pattern confirmation, inspection condition setting, alignment, etc. before inspection.

本発明の第1の実施例になる検査装置の概略構成を示す図。The figure which shows schematic structure of the test | inspection apparatus which becomes a 1st Example of this invention. 本発明の原理を説明する図。The figure explaining the principle of this invention. 本発明の原理を説明する図。The figure explaining the principle of this invention. 本発明で得られる欠陥の画像例を示す図。The figure which shows the example of an image of the defect obtained by this invention. 従来例において画像形成に利用できる電子の効率を説明する図。The figure explaining the efficiency of the electron which can be utilized for image formation in a prior art example. 従来例において画像形成に利用できる電子の効率を説明する図。The figure explaining the efficiency of the electron which can be utilized for image formation in a prior art example. 従来例と本発明の画像形成に利用できる電子の効率の違いを説明する図。The figure explaining the difference in the efficiency of the electron which can be utilized for the image formation of a prior art example and this invention. 従来例と本発明のコントラスト(a)と検査時間(b)を比較する図。The figure which compares the contrast (a) and inspection time (b) of a prior art example and this invention. 本発明の第1の実施例の構成を説明する図。The figure explaining the structure of the 1st Example of this invention. 電子のエネルギー幅と欠陥検出感度の関係を説明する図Diagram explaining the relationship between electron energy width and defect detection sensitivity 本発明の第1の実施例における予備帯電制御装置の原理を説明する図。FIG. 3 is a diagram illustrating the principle of a preliminary charging control device according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施例における予備帯電制御装置の一構成を説明する図。1 is a diagram illustrating a configuration of a preliminary charging control device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 本発明の第1の実施例における予備帯電制御装置の他の構成を説明する図。The figure explaining other structures of the preliminary charging control apparatus in the 1st Example of the present invention. 本発明の第1の実施例における画像信号検出手段を説明する図。The figure explaining the image signal detection means in 1st Example of this invention. 本発明の第2の実施例における画像信号検出手段を説明する図。The figure explaining the image signal detection means in 2nd Example of this invention. 本発明の第3の実施例における画像信号検出手段を説明する図。The figure explaining the image signal detection means in the 3rd Example of this invention. 本発明の第4の実施例における電子光学系の構成を説明する図。The figure explaining the structure of the electron optical system in the 4th Example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1:電子源、
2:コンデンサレンズ、
3:ビームセパレータ、
4:絞り、
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、
9:電源、
10:結像系偏向器、
11:結像レンズ、
12:コントラストアパーチャ、
13:拡大レンズ、
14:拡大レンズ、
15:蛍光板、16:光ファイバー束、
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:光学顕微鏡、32:予備帯電制御装置、
101:電子光学系、
102:試料室、
103:画像検出部、
104:画像処理部、
105:制御部、201:電子銃、202:コンデンサレンズ、203:ビームセパレータ、205:偏向器、206:対物レンズ、207:試料(ウェハ)、208:ウェハ移動ステージ、211:結像レンズ、213、214:拡大レンズ、222:SEM用コンデンサレンズ、228:ビーム制御系、232:予備帯電制御装置、233:SEM用対物レンズ、243:ビームセパレータ、252:試料室、263:画像検出部。
1: electron source
2: Condenser lens,
3: Beam separator,
4: Aperture,
5: Irradiation system deflector,
6: Objective lens,
7: Sample (wafer),
8: Wafer moving stage,
9: Power supply,
10: Imaging system deflector,
11: Imaging lens,
12: Contrast aperture,
13: Magnifying lens,
14: Magnifying lens,
15: fluorescent plate, 16: optical fiber bundle,
17: CCD,
18: Image storage unit
19: Image storage unit
20: arithmetic unit,
21: Defect determination unit,
22: Monitor,
23: Acceleration power supply,
24: Scanning signal generator,
25: Objective lens power supply, 26: Sample height measuring device,
27: Stage position measuring device, 28: Beam control system,
29: control computer, 30: stage control system, 31: optical microscope, 32: preliminary charging control device,
101: Electron optical system,
102: Sample chamber,
103: Image detection unit,
104: an image processing unit,
105: control unit, 201: electron gun, 202: condenser lens, 203: beam separator, 205: deflector, 206: objective lens, 207: sample (wafer), 208: wafer moving stage, 211: imaging lens, 213 , 214: magnifying lens, 222: SEM condenser lens, 228: beam control system, 232: preliminary charging control device, 233: objective lens for SEM, 243: beam separator, 252: sample chamber, 263: image detector.

Claims (1)

試料に対して電子ビームを照射する電子光学系と、前記試料を保持する試料ステージと、前記試料に照射された電子ビームの一部または全てが試料に入射せずに反射されるような電圧を前記試料ステージまたは前記試料に印加する手段と、前記反射された電子を検出して画像を形成する画像検出部と、得られた画像を解析して前記試料の欠陥検査を行なう画像処理部と、前記試料を帯電させる予備帯電制御装置とを備えたことを特徴とする欠陥検査装置。   An electron optical system that irradiates the sample with an electron beam, a sample stage that holds the sample, and a voltage at which a part or all of the electron beam irradiated on the sample is reflected without entering the sample. Means for applying to the sample stage or the sample, an image detection unit for detecting the reflected electrons to form an image, an image processing unit for analyzing the obtained image and inspecting the sample for defects, A defect inspection apparatus comprising: a preliminary charging control device for charging the sample.
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