JP2007227116A - 電子線検査方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 視野が大きくなるにつれ，対物レンズの像面湾曲が問題となり，像面位置が椀状に変化するため，視野の中心と外側で異なるフォーカス条件において画像を取得することになるため像がぼけて見え，大面積検査を行うことは困難である。
【解決手段】 視野の形状を光軸を中心とした円の円弧形状とする，あるいは，蛍光板を像面湾曲と同形状となるように湾曲させて電子を検出することにより，視野の全面において，蛍光板上で同じフォーカス条件となるように電子を取得する手段を提供する。
【選択図】 図４

Description

本発明は，半導体ウェハ上に作成された微細な回路の電気的欠陥を検査する方法及び装置に関する。

従来、微細加工のプロセス技術を用いてウェハ上に形成された回路パターンの欠陥を検出する検査装置が実用化され、産業界で広く用いられている。そのような検査装置は、例えば、半導体デバイスや磁気ヘッドなどの製造過程において，製造プロセスの問題点を発見するための用途に使用されている。例えば、特許文献１には、点状に絞った電子線を被検査試料上で走査する方式の装置、いわゆるＳＥＭ方式によるパターンの比較検査方法が開示されている。しかしながら、ＳＥＭ式検査装置は，電子線を試料表面上で２次元的に走査して像を得るため，検査のための画像を取得するのに非常に長い時間を要する。よって、原理的に検査の高速化は困難である。

また特許文献２には，矩形状の電子線を半導体ウェハに照射し，発生する反射電子や二次電子を電子レンズにより結像する写像型の検査装置が開示されている。写像型検査装置は，検査画像を電子線走査を行わずに一括して取得できるため、ＳＥＭ方式よりも高速に画像を形成でき、ＳＥＭ式検査装置よりも高速に検査を行うことが可能である。

更にまた、特許文献３には、ミラー電子検出方式によるウェハ検査装置が開示されている。ミラー反射電子とは、ウェハ直上の逆電界によって試料に衝突する前に引き戻される電子のことであり、ミラー電子またはミラー反射電子と称される。特許文献３には、結像電子として、上記ミラー反射電子を用いたウェハ検査装置が開示されており、反射電子や二次電子写像検出式の検査装置と同様、ＳＥＭ式検査装置よりも高速に検査を行うことが可能である。また、反射電子や二次電子写像検出式の検査装置に比べて、高感度な欠陥検出を行うことが可能である。

図１(a)に、二次電子写像型検査装置や反射電子写像型検査装置、あるいはミラー反射電子型検査装置などの一括写像型検査装置の結像光学系を模式図で示した。試料ステージ１００上に被検査対象物である半導体ウェハが載置されており、電子源１０４から照射された面状電子ビームが照射されている。照射された電子ビームは試料表面で反射され、対物レンズ１０２および結像レンズ１０５を通過して、検出器１０６に到達する。電子源１０４から照射される面状電子ビームと試料からの反射電子は、ビームセパレータ１０３より分離され、検出器に到達する。ウェハ全面を検査するためには、面状電子ビームの照射領域１０７を移動して、各照射領域で画像を取得する。取得画像の大きさは、大凡照射領域１０７の大きさと対応するが、実際に検査に使用できる画像領域の大きさは、エッジ部分の画像の歪みなどにより、取得画像の大きさよりも若干小さくなる。しかしながら、一括写像型検査装置における面状電子ビームの照射領域１０７は、ＳＥＭ式検査装置の電子線走査領域よりも遙かに大きいため、取得画像領域の大きさと実際に検査に使用できる画像領域の大きさの差を考慮しても、十分に検査が高速化される。

図１(b)には、従来の一括写像型検査装置における取得画像領域１０７と検査に使用できる画像領域１０８との関係を模式図で示した。領域１０７と領域１０８とは、面積には殆ど差が無く、取得画像領域、即ち一次電子ビームの照射領域の大きさと、検査に使用できる画像領域の大きさとがほぼ一対一の対応関係にある。

特開平０５−２５８７０３号

特開平０７−２４９３９３号 特開平１１−１０８８６４号

一括写像型検査装置において、検査速度を更に向上させる場合、一次電子ビームの照射領域を大きくする必要がある。しかしながら、１次電子線の照射領域を現状以上に拡大すると、電子線の軸外収差、特に像面湾曲の影響により、電子ビームの照射領域の大きさと検査に使用できる画像領域との間に一対一の対応関係が成り立たなくなる。ここで、像面湾曲とは、レンズを通過する電子線が光軸から離れた位置を通過する場合に、像面がガウス平面からずれて曲面になる現象をいう。

以下、図２(a)を用いて像面湾曲について簡単に説明する。図２(a)は、一括写像型検査装置における結像光学系の模式図であり、２０１が試料台、２０２が被検査ウェハ、２０３が被検査ウェハから反射された反射電子線（二次電子、反射電子、ミラー反射電子など）の光軸である。対物レンズ２０４を通過した反射電子線２１２は、クロスオーバ２０５を形成した後、結像レンズ系２０６により、検出器２０８の受光面上に投影される。像面湾曲が無い場合、理想的には像面は、図２で理想像面２０７bとして示されるように、検出器２０８の受光面一面にわたって形成される。しかし、実際には、像面湾曲の影響により、形成される像面位置は、光軸２０３からの距離に従って２０７aのように湾曲する。検査画像を取得する場合、通常は、光軸２０３上でフォーカスを合わせて取得する。従って，光軸２０３からある程度以上距離が離れた領域では、光軸付近と異なるフォーカス条件で画像を取得することになり、得られる画像がぼけて見える。よって、１次電子ビームの照射領域を拡大して取得画像のサイズを大きくしても、実際に検査に使用できる画像の大きさはさほど大きくならず、結果的に、検査速度を向上できないという課題がある。

図２(b)には、従来の一括写像型検査装置における取得画像領域と検査に利用する検査画像領域２０９との関係について、概念的に示した。像面湾曲が存在する場合、検出器２０８の受光面には、実像面２０７aに相当する領域の反射電子が投影されて検出される。図２(b)の２１０は取得画像領域を示す円であり、実像面２０７aの検出器２０８の受光面への投影面に対応する。領域２０９は、光軸２０３付近の反射電子により形成された画像を示す領域であり、実際に検査に使用される領域に対応する。実際には、検査画像領域２０９は矩形であるが、わかりやすさを考慮し、図２(b)では円状領域で示している。検出器２０８で検出される画像は、光軸から外れるに従ってフォーカスの度合いが同心円状に低下し、取得画像領域２１０の最外周付近で、最も低くなる。図２(b)の同心円２１１は、フォーカス度合いが同心円状に低下する様子を概念的に示したものである。

一方、極紫外線(ＥＵＶ)やＸ線露光装置など、電子線ではない光学画像の応用装置にも像面湾曲が発生する。しかしながら、光学画像応用装置の場合は、凸凹両レンズの組み合わせ、あるいは非球面反射鏡の最適設定によって、発生した収差を打ち消すことが可能であるため、照射光の照射領域を拡大しても取得画像の利用効率はさほど低下しない。

他方、電子線などの荷電粒子線を用いた場合、荷電粒子線用のレンズでは、光学レンズの凹レンズに相当するレンズを形成することが困難であり、従って、像面湾曲をキャンセルするための機構を形成するのが非常に困難である。従って、荷電粒子線画像を利用する荷電粒子線応用装置の技術分野においては、画像取得あるいは取得画像を利用する際、軸外収差の影響が最も小さくなる光軸近傍の荷電粒子線により得られる画像を用いるのが常識であり、かつ装置の性能上も、像面湾曲が問題になるほどの大視野は要求されてこなかった。

そこで、本発明は、検査装置に限らず、一括写像方式で画像を取得する荷電粒子線応用装置において、荷電粒子線の照射領域拡大に伴って発生する軸外収差の弊害を除去し、取得画像の利用効率低下を防止する手段を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明においては、取得画像領域内でほぼ同じフォーカス条件となるように、荷電粒子線の照射領域または荷電粒子線の検出領域を設定する。具体的には、荷電粒子線の照射領域または荷電粒子線の検出領域の形状を、光軸を中心とした円の円弧形状とする。あるいは、反射荷電粒子線検出器の受光面を像面湾曲に沿って湾曲させる。

本構成により、取得画像領域が大きくなった場合にも取得画像の利用効率が低下しない荷電粒子線応用装置、ないしは像面湾曲の影響の少ない荷電粒子線応用装置を実現することが可能となる。

ミラー電子結像式のような一括結像方式の荷電粒子線装置において、取得画像の利用効率を低下させずに大視野での画像取得が可能となり，スループットが向上する。

以下、実施形態について説明する。図３には、本実施例のミラー電子結像式ウェハ検査装置の装置構成を示す模式図である。本実施例のミラー電子結像式ウェハ検査装置は、照射光学系カラム３２３、結像光学系カラム３２４，試料室３２５，画像処理部３１６等の情報処理装置，検査装置制御部３１７，電子光学系制御ユニット３２２，モニタ付入出力装置３１８などにより構成される。なお、図３では、真空排気用のポンプやその制御装置，排気系配管などは図示を省略した。
（照射光学カラム）
電子銃３０１から放出された照射電子線３００ａは，コンデンサレンズ３０２によって収束されながら，Ｅ×Ｂ偏向器３０３により偏向される。電子銃３０１としては、通常Zr/O/W型のショットキー電子源が用いられる。電子銃３０１への引出電圧，引き出された電子線への加速電圧，および電子源フィラメントの加熱電流などの，運転に必要な電圧電流は電子銃制御装置３０５により供給，制御されている。Ｅ×Ｂ偏向器３０３は、照射電子線３００ａをウェハ３０４に垂直な軸に沿うように偏向する機能を実現する要素であり、かつ照射電子線と反射電子線とを分離するビームセパレータの機能を実現する要素でもある。偏向された照射電子線３００aは、クロスオーバー３００ｂを形成した後，試料ウェハ３０４上に平行束となって照射される。図３では、コンデンサレンズ３０２は、一つのレンズにより構成されるように示されているが、より光学条件を最適化するために複数のレンズを組み合わせた構成であっても良い。

本実施例のミラー電子結像式ウェハ検査装置においては、取得画像領域内でほぼ同じフォーカス条件となるように荷電粒子線の照射領域または荷電粒子線の検出領域を設定する手段として、円弧形状の開口を備えた絞りが照射光学カラムに備えられている。コンデンサレンズ３０２を通過した照射電子線は、円弧形状の開口が設けられた絞り２００を通過することにより、円弧形状に整形される。

また、本実施例のミラー電子結像式ウェハ検査装置は、照射光学カラムに、収差補正用のＥ×Ｂ偏向器３０６を備える。このＥ×Ｂ偏向器３０６は、Ｅ×Ｂ偏向器３０３により、照射電子線３００ａに対して発生する収差を除去するものであり、照射系コンデンサレンズ３０２とＥ×Ｂ偏向器３０３の間に配置される。収差除去用のＥ×Ｂ偏向器３０６は原理的には不要であるが、実際には、Ｅ×Ｂ偏向器３０３は、結像電子線３００ｃの結像面３００ｄ近傍に設置される場合が多く、Ｅ×Ｂ偏向器３０３による収差が無視できない場合が多い。
（試料室）
Ｅ×Ｂ偏向器３０３によって偏向された照射電子線３００ａは、対物レンズ３０７により面状かつ試料に対して平行な電子線束に形成されて、試料ウェハ３０４の表面に照射される。対物レンズ３０７の焦点面上には，照射系コンデンサレンズ３０２により微細なクロスオーバーが形成されるので，平行性の良い電子線を試料ウェハ３０４に照射できる。本実施例のミラー電子結像式ウェハ検査装置においては、照射電子線３００ａの一回の電子線照射によるウェハの照射領域は、２５００μｍ^２（５０μｍ×５０μｍ）から１００００μｍ^２（１００μｍ×１００μｍ）程度の面積である。

ウェハステージ３０８に搭載された試料ウェハ３０４には，電子線の加速電圧とほぼ等しいか，僅かに強い（電圧値の絶対値の大きい）負電位が印加されている。負電位の印加により、照射電子線３００ａは，ウェハ３０４に殆ど衝突することなくウェハ３０４の手前で減速、かつ反射され、ミラー電子として上方に引き戻される。ウェハ３０４に印加される電圧は、電源を含むウェハ電圧制御装置３０９により供給かつ制御される。ウェハの極近傍で照射電子を反射させるため，照射電子線３００ａの加速電圧と印加する負電圧の差は、精度良く調整される必要がある。従って、電子銃制御装置３０５とウェハ電圧制御装置３０９とは、互いに連動して制御を実行している。
（結像光学カラム）
ウェハ側から飛来したミラー電子は、ウェハ３０４上の回路パターンの電気的欠陥に関する情報を反映しており，電子結像光学系を用いた像形成により，欠陥判定のための画像として装置に取り込まれる。ミラー電子は対物レンズ３０７により収束作用を受ける。Ｅ×Ｂ偏向器３０３は下方から進行した電子線に対しては偏向作用を持たないように制御されており、ミラー反射電子はそのまま垂直に上昇し，中間レンズ３１０，投影レンズ３１１によって画像検出部３１２に拡大投影される。図３に示された投影レンズ３１１は１つだけであるが，拡大倍率の増大や像歪の補正などの目的で、複数の電子レンズで構成される場合もある。画像検出部３１２は、検出された像を電気信号に変換し、画像処理部３１６に伝送する。画像検出部３１２により検出された像は、ウェハ３０４表面の局部的な帯電電位の分布に対応しており、画像検出部３１２より出力される画像信号を解析することにより、欠陥検査が実行される。結像光学系は、照射光学系と同様、電子光学系制御装置３１３により制御される。

次に，画像検出部３１２について説明する。画像検出部３１２は，ミラー反射電子を光学像に変換するための蛍光板３１２aと、光学画像検出装置３１２ｂとが光学像伝達系３１２ｃにより光学結合されることにより構成されている。光学像伝達系３１２ｃとしては、光ファイバー束が用いられている。光ファイバー束は，細い光ファイバーを画素数と同じ本数束ねたもので，光学像を効率よく伝達できる。また，十分な光量をもった蛍光像が得られる場合は光学伝達効率を低くしても良く，光ファイバー束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３１２a上の光学像を光学画像検出素子３１２ｂの受光面上に結像させる場合もある。光学像伝達系は、光アンプ等の増幅装置を備えていても良い。光学画像検出装置３１２ｂ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。
（画像処理部）
画像処理部３１６は，画像信号記憶部３１６ａ，欠陥判定部３１６ｂより構成されている。画像記憶部３１６ａは，電子光学系に設けられた各種偏向器、レンズなどの駆動条件，画像検出部３１２より出力される画像データ，検出画素のステージとの位置座標データなどを，電子光学系制御装置３１３，画像検出部３１２，ステージ制御装置３１５からそれぞれ取得し，画像データを試料ウェハ上の座標系に関係付けて記憶する。欠陥判定部３１６ｂは，ウェハ上の座標付けがされた画像データを用い，あらかじめ設定された値との比較，あるいは隣接パターン像との比較，または隣接ダイにおける同一パターン箇所の像との比較，などの様々な欠陥判定法により検査画像領域内での欠陥有無を判定する。欠陥の座標および，対応するピクセルの信号強度は検査装置制御部３１７に転送，記憶される。これらの欠陥判定の方法は，ユーザーが設定するかまたは，あらかじめウェハの種類に対応付けられた方法を検査装置制御部３１７が選択する。
（検査装置制御部３１７）
装置各部の動作条件は，検査装置制御部３１７から入出力される。検査装置制御部３１７には，予め電子線発生時の加速電圧，電子線偏向幅・偏向速度，ウェハステージ移動速度，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おり，各要素の制御装置を総括的に制御し，ユーザーとのインターフェースとなる。検査装置制御部３１７は，役割を分担し通信回線で結合された複数の計算機から構成される場合もある。また，モニタ付入出力装置３１８が設置されている。

ミラー電子結像式ウェハ検査装置は，電子線がウェハ３０４に殆ど衝突することがないので，試料ウェハが十分帯電しない場合がある。しかし，電気的欠陥を検出するためには正常部との差が生じるための十分な帯電をさせる必要がある。そこで，予備帯電装置３１９ａ，３１９ｂを備えている。これらはいずれも予備帯電制御装置３２０により制御されている。予備帯電装置３１９ａおよび３１９ｂによって形成されたウェハ上の帯電電位は，照射電子線がウェハ表面極近傍で反射する状態を乱さないようにするため，予備帯電制御装置３２０はウェハ電圧制御装置３０９及び電子銃制御装置３０５と、互いに連動して制御を実行している。

図４(a)には、照射光学カラム３２３に設けられた絞り３２１の断面図４００及び上面図４０１を示した。絞り３２１には、光軸４０５から半径方向に所定距離だけ離れた同心円上の位置に、円弧形状の開口部が設けられており、照射電子線の断面形状が円弧形状となる。ミラー反射された結像電子線３００ｃの光軸方向に垂直な断面形状も円弧形状を保ち，最終的に画像検出部３１２に拡大投影される電子線の投影形状は円弧形状となる。図２(a)の２０７aに示されるように、結像面位置は、像面湾曲収差により、光軸、即ち対物レンズ３０７あるいは投影レンズ３１１の中心付近を通過する電子線から遠くなるにつれ、試料側にずれる。結像光学系のフォーカス条件を光軸近傍に合わせた場合、検査画像領域として使用できる画像領域の大きさは、図２の２０９に示すように、ウェハ移動方向に直交する方向の寸法では、実際に取得可能な画像領域２１０の高々２分の１程度である。原理的には、ウェハ検査のスループットは、検査に使用できる画像領域の面積に影響されるが、現実には、面積よりもむしろ、ウェハ移動方向に直交する方向の寸法（長さ）の方に、より影響を受ける。理由は後述する。

本実施例のミラー電子結像式ウェハ検査装置においては、照射電子線の断面形状（あるいは試料面への投射形状）を円弧形状に整形し、かつ、ミラー反射電子のフォーカス位置が円弧形状に沿うように結像光学系の結像条件を制御する。これは、像面湾曲の程度が、光軸を中心とする同心円状に変化するという特性を利用したもので、画像検出部３１２に投影される円弧形状のミラー反射電子線は、その像面が円弧形状の各位置でほぼ一致する。つまり、検出される画像のほぼ全領域でフォーカスの合った像を得ることができ、取得画像の利用効率が、従来よりも格段に向上する。

図４(b)には、本実施例の装置により得られる検査画像領域の大きさを、従来の一括写像型検査装置により得られる検査画像領域の大きさと対比して示した。図４(b)において、領域４０２は、従来の一括写像型検査装置において得られる検査画像領域、領域４０３が本実施例のミラー電子結像式ウェハ検査装置において得られる検査画像領域、領域４０４が、絞りが無く、かつ像面湾曲が存在しないと仮定した場合の、理想像面により形成される取得画像領域である。ウェハの移動方向に垂直な方向で、領域４０３の長さＬ２は、領域４０２の長さＬに比べて倍程度になっており、利用可能な画像領域の大きさが増大している。なお、図４(b)は、強調のため、各領域４０３，４０４の大きさと実際のウェハの大きさの比率は無視している。

仮に、従来の荷電粒子線応用装置において、取得画像領域を領域４０４程度に拡大できたとしても、像面湾曲の影響により、実際に検査に利用できる画像の領域は高々領域４０２程度にしかならない。つまり、画像取得領域の大きさは、事実上、領域４０２程度までしか拡大できない。本実施例のミラー電子結像式ウェハ検査装置においては、１次電子線の照射領域を円弧形状にすることにより、画像の利用効率を落とすことなく、取得画像領域の大きさを増大できるという効果を達成することができる。

図３に示す構成の装置においては、円弧開口絞り３２１を照射光学系中に配置した。これは、照射領域の形状を、意図する取得画像領域と同じ形状に整形するためである。さもないと、意図する取得画像領域以外の領域にも電子線が照射され，そこから出射したミラー電子線がノイズとなる。

一方、円弧開口絞り３２１は、結像光学系に配置してもよい。中間レンズ３１０，投影レンズ３１１等、拡大投影レンズ群の途中に絞りを配置することにより、検出器３１２の受光面に投影されるミラー反射電子の形状を円弧形状に整形することができる。また、円弧開口絞りを照射光学系と結像光学系の両方に設けることで、更にノイズを低減する効果が期待できる。なお、本実施例においては，円弧開口絞り３２１を固定としたが，可動絞りを用いても良い。あるいは自動制御によって絞りの光軸上の位置を移動させ、円弧の半径を調整できるようにしてもよい。なお、円弧開口絞り３２１以外に１次電子線を整形する手段としては、図３の照射光学カラム３２３において、四極子，八極子などの多極子レンズを円弧開口絞り３２１の替わりに設けても良い。また、多極子レンズと円弧開口絞り３２１の両方を備えると、整形した１次電子線を円弧開口絞りを通過させることになるため、照射電子線を目的の照射領域により集中して照射することができる。円弧形状の絞りを配置せず，検出器の形状が円弧形状である場合，または，ＴＤＩセンサの配列のみが円弧形状の場合も本発明の効果を失わない。

図５(a)には、図４(a)に示した絞りの変形例に付いて示した。図４(a)で示した絞りは、理想像面により形成される取得画像領域に相当する領域の最外周付近に開口部を配置しているが、最外周よりも内側に開口部を設けている。このように、必ずしも最外周部に開口を設けた絞りで無くとも本実施例の効果は得られ、図５(b)に示すように、従来の検査画像領域４０２の長さＬよりも大きな検査画像領域Ｌ３を得ることができる。従って、理想像面により形成される画像取得領域４０４の端部よりも内側に取得画像領域を設定しても、本実施例の効果は得られる。但し、取得画像領域の大きさ自体は、領域４０４の最外周部で画像を取得した場合に比べて小さくなる。

図６は、図４(b)に示した領域４０３と領域４０４内の各位置における像面湾曲の程度（分布）をシミュレーションにより求め、点状ビームのスポットサイズの変化により表現した図である。図６において、分布６００が図４(b)の領域４０３，分布６０１が領域４０４内の像面湾曲分布に対応する。但し、厳密には、分布６００は、領域４０３よりも多少広い領域内での分布を示している。分布６００においては、分布の中心付近ではビームスポットの大きさが比較的小さく、像面湾曲の程度が小さいことが分かる。しかし、矩形領域６００の外周部に向かうに伴い、ビームスポットサイズが大きくなり像面湾曲の程度が大きくなっていることが分かる。

一方，分布６０１においては領域内のほぼ全面に渡ってビームスポットサイズの大きさがほぼ等しく、像面湾曲の程度がほぼ均一であることが分かる。従って、本実施例の装置においては、取得画像領域のほぼ１００％を装置の使途目的に使用できることが確認できる。また、取得される画像領域自体も、従来技術と比較して、２倍程度大きくとれることが確認できる。

図７には、本実施例のミラー電子結像式ウェハ検査装置で用いられる対物レンズ３０７の詳細な構成について示す。ミラー電子線は，検出装置の受光面の位置と像面位置とが一致した場合であっても，他の軸外収差の影響により，光軸から遠いときほど得られる像がぼける。これを緩和するため、対物レンズの形状の最適化を行うことが好ましい。図７に示される対物レンズは３枚の電極から構成されており，図では、検査試料７０３に近い方から順に，電極７０２ａ，７０２ｂ，７０２ｃで表示されている。検査試料７０３と電極７０２ａの間の距離がＳ，電極７０２ａ，７０２ｂの間の距離がl₁，電極７０２ｂ，７０２ｃの間の距離がl₂，電極７０２ａ，７０２ｂの穴半径がそれぞれr₁，r₂，である。ウェハ７０３と電極７０２ａの間には電圧V_apが印加されている。本実施例では、光軸からどの程度離れた位置の画像を取得できるか見積もるため、R_MAXという指標を用いた。R_MAXとは、幾何収差が特定の値を取るときの試料上における軸からの距離のことである。従って、像面湾曲が一定の値を取る領域に焦点を合わせて画像を取得するという条件下においては、R_MAXが大きいほど、取得画像の寸法が大きくなることになる。即ち、R_MAXが大きいほど大視野検査が可能になる。本実施例では、幾何収差が３０nmになるときのウェハ表面上における光軸からの距離をR_MAXとした。R_MAXの変化量は、対物レンズ中の形状及び電位の変化量を用いて，次式によって記述することができる。

上式中、各変数に係る係数のうち、距離Sに対する係数が最も大きく、従って、R_MAXの変化量に対しては検査試料７０３とその直上の電極７０２ａとの距離Sの影響が一番強い。よって、大視野検査のためには試料とその直上の電極との距離Sを大きくする必要がある。一方，ミラー電子結像式ウェハ検査装置の分解能は検査試料７０３近傍の電界強度に依存し，10nmの欠陥検出感度を得るためには電界強度5kV/mm以上が必要であるから，非破壊の耐圧となるよう考慮して，Sを5mmとする。

図８には、円弧形状の画像取得に適した画像検出器の構成（図８(b)）に付いて、従来のミラー反射電子検出器の構造（図８(a)）とを対比させて示した。ウェハ検査実行時には、ウェハステージが駆動されてウェハは連続的に移動されるため，画像検出装置としてはＴＤＩセンサが使用される。ＴＤＩセンサは，時間遅延積分（TDI）型動作モードで動作することが可能である。図８(a)(b)に示した升目は画素一つに対応し、画素の配列によって画像検出器の構成を表現している。通常は、画素８０１，８０２は正方形であり、画素の大きさは、1画素に対応するウェハ上の領域のサイズに換算した値Dで表現される。これは、実際に画像を構成する画素のサイズには電子光学系の倍率が影響するため，ＴＤＩセンサの画像素子1画素の実際の大きさとイコールではないためである。なお、本実施例においては、画素サイズは、大体0nmから250nmの範囲である。ＴＤＩセンサの画素の配列を、荷電粒子線の照射領域形状と同じ円弧形状とすることで，従来の矩形形状の検出器に比べて、試料側から飛来するミラー反射電子をもれなく検出できる。

次に、ミラー電子結像式ウェハ検査装置の検査速度と像面湾曲の関係について説明する。一括写像型検査装置の検査速度は、単位時間当たりに検査できるウェハの面積で定義される。TDI方式では，ウェハの移動に同期して，ウェハの移動方向に画像信号を送りつつ積算が実行される。図８では、ウェハの移動方向は、白抜きの矢印で表示されている。ウェハ移動方向に1画素分信号を送る周期はPであり、画像領域のウェハ移動方向と垂直な方向（図８では横方向）の長さをLとする。

検査速度Vは結局，長さL幅Dの面積の像（図中灰色で示した領域）を周期Pで画像処理装置に送っていることになるので，D，P，Lを用いて
V＝D×L×P
で表すことができ，検査速度Vを高速にするためには，D，L，Pを大きくすることが必要となる。ここで，Dは電子光学系の倍率によって決まり，PはＴＤＩセンサの処理速度によって決まるため調整可能である。従って，検査速度V の向上の点では、Lをどれだけ広く取れるかが一番問題になる。検査のスループットに対して、検査画像領域の面積よりもむしろウェハ移動方向に直交する方向の寸法が影響するのはこのためである。しかしながら、Ｌが大きくなるにつれて，対物レンズの軸外収差の影響が無視できなくなる。今回，電子光学シミュレーションで収差の影響の程度を調査した結果，軸外収差に影響する最も主要な要因は像面湾曲であることが判明した。本発明は、この知見に基づき着想されたものである。

図９には、本実施例のミラー電子結像式ウェハ検査装置において，ウェハ上の意図する検査対象領域と実際に取得される画像領域とを対比して示す。通常、ウェハ検査装置においては、ウェハ表面を多数の矩形領域に区切って、当該区切られた領域（便宜上、単位検査領域と称する）内で画像取得を行う。ウェハ全面検査を行う場合は、上記の単位検査領域を移動して画像を取得する。単位検査領域は、例えば、チップやダイなどの形状に合わせて設定される。

本実施例のウェハ検査装置は、電子線の照射領域形状が、９０１のような円弧形状であるため，通常の単位検査領域９００の寸法に合わせてステージを移動すると、取得される画像領域の形状は、実線で示した領域９０３のような湾曲した矩形状になる。そこで、本実施例のウェハ検査装置では、単位検査領域と電子線照射領域の形状の差に基づいてステージ制御を行う。以下、具体的に説明する。一回のステージ移動で検査すべき領域は、一点鎖線で示した領域９０２であるため、領域９０２と領域９０３で不一致が生じ、ステージ移動の始点あるいは終点において、画像取得領域９０３のステージ移動方向に沿った中心線と、ステージ移動方向に垂直な方向に対する端部での差Dｘだけ不足する。そこで，ステージの移動量を、ステージ移動の始点及び終点の外側にDｘだけ多く設定し、取得画像領域９０３に単位検査領域９０２が全て包含されるようにする。実際に単位検査領域内でステージ移動制御を行う場合、ステージを連続移動の始点においては、単位検査領域端部の座標からDｘだけ減算して、終点においては単位検査領域端部の座標にDｘを加算して、始点および終点の座標がそれぞれ設定される。

ここで、Dｘは、図４に示される円弧開口の半径をR、円弧開口の範囲をL2として、以下の式により表現される。

検査装置制御部３１７は、照射系のコンデンサレンズ条件からL2およびRを計算し、更にDｘを計算する。ステージ制御装置３１５は、検査装置制御部３１７から伝送されたDｘの値に基づいて、上で説明したステージ制御を実行する。なお、画像取得は、必ずしも矩形に区切られた単位検査領域毎に行う必要はなく、ステージの移動範囲をウェハ全面の長さに設定して画像を取得しても良い。また、取得画像をモニタ付入出力装置３１８に画像表示する場合には、２Dｘだけ外側にはみ出して取得された画像から、単位検査領域に相当する画像情報を画像処理部３１６によりトリミングされた画像を表示する。

以上説明した装置により、従来よりも検査速度の大きなミラープロジェクション式ウェハ検査装置を実現することが可能となる。

本実施例においては、実施例１に示した光学画像検出装置とは別の検出装置を用いた検査装置について説明する。装置の主要な構成は、図３に示した構成とほぼ同じであるため、同じ部分については説明は省略する。

図１０(a)(b)には、本実施例の光学画像検出装置の配置について、斜視図と上面図を示す。実施例１で説明した検査装置においては、光学画像検出装置としてＴＤＩセンサを用いているため，ステージが静止しているときには画像を取得することが難しい。そこで，本実施例では，図１０(a)(b)に示すように，光軸１００１を中心とした画像取得領域に蛍光板１００３aを、円弧形状の画像取得領域に相当する位置に蛍光板１００３bをそれぞれ配置した。蛍光板１００３a、１００３bにより検出された光信号は、それぞれ蛍光板１００３aから検出される光信号は第１の光ファイバ１００７を、蛍光板１００３bから検出される光信号は第２の光ファイバ１００８をそれぞれ介して、ＣＣＤカメラ１００５及びＴＤＩセンサ１００６に入力される。１００２は、像面湾曲を示す仮想的な面であり、図２(a)の２０７aに相当する。１００４は複数の光ファイバを束ねる伝送ケーブルである。本実施例の構成により，ステージ静止時にも画像を取得することができ，プレビュー機構を備えたウェハ検査装置が実現できる。なお、本実施例の構成は，電子線露光装置に適用しても同様の効果が得られる。

実施例２では，円弧形状の画像取得領域に相当する位置に蛍光板配置することにより、検査画像を取得した。本実施例は、像面湾曲の仮想曲面に合わせて画像検出装置を構成した実施例について説明する。なお、画像検出装置以外の装置構成は、図３に示した装置構成とほぼ同じであるため説明は省略する。

図１１(a)には、本実施例の画像検出装置の斜視図を示す。図１１(a)に示す画像検出装置は、例えば、図３の結像光学系カラムの３１２の位置に配置される。１１００は、画像検出装置の中心軸であり、通常は反射電子線の光軸に合わせて配置される。１１０３は画像検出装置の荷電粒子検出面であり、像面湾曲の仮想曲面に合わせて湾曲している。ウェハから飛来する二次電子や反射電子、あるいはミラー反射電子などの反射荷電粒子は、図１１(a)に示す画像検出装置の下部側から入射し、検出面１１０３に到達する。検出面には蛍光体が塗布してあり、電子線入射により発生する蛍光光は、光ファイバ１１０４を介してＣＣＤカメラ１１０６に伝送される。１１０５は、光ファイバ１１０４を検出面に導入するための光ファイバコネクタである。１１０２は、被覆材により被覆された複数の光ファイバにより構成されるワイヤーハーネスである。ワイヤーハーネス１１０２を構成する光ファイバは、最終的に伝送ケーブル１１０１にまとめられ、ＣＣＤカメラ１１０６に接続される。

図１１(b)には、本実施例の画像検出装置の断面図を示す。１１０６は、画像検出装置を構成する基体であり、像面湾曲に合わせて精密に曲面を構成する必要から、碗型の金属を削り出して作製されている。基体１１０６の内側には、ＩＴＯなどの透明導電層１１０７がコーティングされている。透明導電層１１０７の表面には蛍光体が塗布されており、当該蛍光体の塗布面が反射電子の検出面を形成する。光ファイバコネクタ１１０５は、基体１１０６を貫通しており、コネクタ内部を通る光ファイバの端部は、透明導電層１１０７まで到達している。光ファイバコネクタ１１０５は、光ファイバの端部を反射電子の検出面の法線方向に対してほぼ垂直に結合させるために用いられる。これは，ミラー電子の主光線は像面に対して垂直に到達するため，光ファイバ端面が像面に対して垂直なときが最も電子の検出効率が高くなるためである。

以上説明した画像検出装置を装置の結像光学系に用いることで、実施例１，実施例２で説明した装置よりも、遙かに広い領域の画像を取得することが可能となる。また、像面湾曲の仮想面で電子を検出するため、本実施例のウェハ検査装置は、理論上、像面湾曲の影響を完全に除去した状態で検査画像を取得することができる。従って、電子線の照射領域がいかに大きくなっても、取得画像の利用効率が落ちることが無い。

なお、本実施例のウェハ検査装置においては、電子線の照射領域は円弧形状である必要はなく、矩形または円形、あるいは楕円形状など、任意形状の面状ビームを照射して構わない。

従来の一括結像方式の荷電粒子線装置の光学系を示す模式図。 像面湾曲の発生原理を説明する概念図。 第１の実施例に係る検査装置の構成を示す模式図。 円弧開口絞りの断面図、上面図。及び従来の装置と実施例１の装置の取得画像領域の対比図。 円弧開口絞りの変形例を示す図。 円弧形状視野と通常視野の像面上でのビーム拡がりを比較した図。 実施例１のミラー電子結像式検査装置の対物レンズの詳細構成を示す図。 従来装置のＴＤＩセンサと、実施例１の装置のＴＤＩセンサとの画素配置を示す対比図。 単位検査領域と、実施例１の装置による取得画像領域とを対比する図。 実施例２の検査装置における画像検出装置の構成を示す模式図。 実施例３の検査装置における画像検出装置の構成を示す模式図。

符号の説明

１００ａ：照射電子線，１００ｂクロスオーバー，１００ｃ：結像電子線，１００ｄ：結像面，１０１：電子銃，１０２：コンデンサレンズ，１０３：Ｅ×Ｂ偏向器，１０４：試料ウェハ，１０５：電子銃制御装置，１０６：Ｅ×Ｂ偏向器，１０７：対物レンズ，１０７ａ：対物レンズを構成する下電極，１０７ｂ：対物レンズを構成する中間電極，１０７ｃ：対物レンズを構成する上電極，１０８：ウェハステージ，１０９：ウェハ電圧制御装置，１１０：中間レンズ，１１１：投影レンズ，１１２：画像検出部，１１２ａ：蛍光板，１１２ａａ：光軸を中心に配置した蛍光板，１１２ａｂ：光軸に対して円弧形状に配置した蛍光板，１１２ｂ：光学画像検出装置１１２ｃ：光学像伝達系，１１３：電子光学系制御装置，１１４：位置検出器，１１５：ステージ制御装置，１１６：画像処理部，１１６ａ：画像信号記憶部，１１６ｂ：欠陥判定部，１１７：検査装置制御部，１１８：モニタ付入出力装置，１１９ａ：予備帯電装置，１１９ｂ：予備帯電装置，１２０：予備帯電制御装置，１２１：光軸を中心とした視野，１２２：像面位置，１２３：光軸，１２４：画素，２００：円弧形状の開口を持つ絞り，２０１：光軸に対して円弧形状の視野，３００：視野１２１に対応するビーム拡がり，３０１：視野２０１に対応するビーム拡がり，４００：ウェハ上の全検査領域，４０１：一回のステージ移動により検査すべき領域，４０２：視野２０１を使用する場合に，一回のステージ移動によって検査される領域。

Claims (14)

1. 面状の電子ビームを試料に照射する照射光学系と、該試料から出射した電子線を投影結像させる結像光学系とを有する一括結像型電子線検査装置において、
   前記結像した電子を検出する手段と、
   当該検出電子を画像信号に変換する手段と、
   該画像信号を処理して前記試料を検査する情報処理装置とを備え、
   前記結像電子が構成する像面において、前記検出手段は、像面湾曲の程度がほぼ等しい位置に配置されたことを特長とする一括結像方式電子線検査装置。
2. 請求項１に記載の一括結像方式電子線検査装置において、
   前記照射光学系が、前記面状電子ビームを円弧形状に整形する手段を備えたことを特徴とする一括結像方式電子線検査装置。
3. 請求項１に記載の一括結像方式電子線検査装置において、
   前記結像光学系が、前記面状電子ビームを円弧形状に整形する手段を備えたことを特徴とする一括結像方式電子線検査装置。
4. 請求項２または３に記載の一括結像方式電子線検査装置において、
   前記円弧形状に整形する手段は、前記照射光学系または結像光学系に設けられた円弧開口絞りであることを特徴とする一括結像方式電子線検査装置。
5. 請求項２に記載の一括結像方式電子線検査装置において、
   前記円弧形状に整形する手段は、前記照射光学系に設けられた多極子レンズであることを特徴とする一括結像方式電子線検査装置。
6. 請求項１に記載の一括結像方式電子線検査装置において、
   前記結像電子検出手段が蛍光板を含み、
   前記画像化手段がＴＤＩセンサを含み、
   更に、前記蛍光板から発生した光信号を前記ＴＤＩセンサに伝送する光ファイバーを備えたことを特長とする一括結像方式電子線検査装置。
7. 請求項１に記載の一括結像方式電子線検査装置において、
   前記結像した電子を検出する手段および当該検出電子を画像信号に変換する手段として、電子検出素子が円弧形状に配置されたＴＤＩセンサを備えたことを特徴とする一括結像方式電子線検査装置。
8. 請求項１に記載の一括結像方式電子線検査装置において、
   前記電子検出手段は、前記像面湾曲に合わせて構成された電子検出面を備えることを特徴とする一括結像方式電子線検査装置。
9. 請求項１に記載の一括結像方式電子線検査装置において、
   前記電子検出手段が、結像電子線における光軸近傍の電子を検出する第１の検出器と、該光軸の周囲に前記第１の検出器とは離れて配置された第２の検出器とを備え、
   前記変換手段が、前記第１の検出器の出力を変換するＣＣＤカメラと、前記第２の検出器の出力を変換するＴＤＩセンサとを備えたことを特徴とする一括結像方式電子線検査装置。
10. 請求項９に記載の一括結像方式電子線検査装置において、
    前記試料を載置する可動ステージと、当該可動ステージの移動を制御するステージ制御手段とを備え、
    前記可動ステージを連続的に移動する場合には、前記第２の検出器により画像を取得し、
    前記可動ステージの静止時には、前記第１の検出器により画像を取得することを特徴とする一括結像方式電子線検査装置。
11. 面状の電子ビームを試料に照射して、該試料から出射した電子線を投影結像させて検出し、検出電子による信号を処理して前記試料を検査する試料検査方法において、
    前記投影結像された電子線が構成する像面において、像面湾曲の程度がほぼ等しい位置に配置された検出器を用いて、前記結像電子の検出を行うことを特長とする試料検査方法。
12. 請求項１１に記載の試料検査方法において、
    前記面状電子ビームを円弧形状に整形することを特徴とする試料検査方法。
13. 請求項１２に記載の試料検査方法において、
    円弧形状の開口を備えた絞りを用いて、前記電子ビームの整形を行うことを特徴とする試料検査方法。
14. 請求項１２に記載の試料検査方法において、
    多極子レンズを用いて、前記電子ビームの整形を行うことを特徴とする試料検査方法。

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