JP2007280614A - Reflection image forming electron microscope and defect inspecting device using it - Google Patents

Reflection image forming electron microscope and defect inspecting device using it Download PDF

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Hisaya Murakoshi
久弥 村越
Hideo Todokoro
秀男 戸所
Hiroyuki Shinada
博之 品田
Masaki Hasegawa
正樹 長谷川
Momoyo Maruyama
百代 圓山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a defect inspecting technology capable of observing or inspecting a sample by distinguishing a contrast resulting from a shape from another contrast resulting from a potential condition. <P>SOLUTION: In this reflection image forming electron microscope, a defect inspecting device has a preliminary charge control device 40 to control electrostatic charge of a sample surface by charging the sample surface by irradiation of a planar electron beam, and a means to separate the contrast resulting from the shape defect of the sample from another contrast resulting from a potential defect from a mirror electron image obtained, by structuring it so as to control the potential of the sample depending on the kinds of objective defect of the sample. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、欠陥検査技術に係り、特に、試料(半導体試料等)の表面状態を観察するミラー電子顕微鏡などの反射結像型電子顕微鏡、およびそれを用いて試料上に形成されるパターン欠陥や異物などを検査する欠陥検査装置に関する。   The present invention relates to a defect inspection technique, and in particular, a reflection imaging electron microscope such as a mirror electron microscope for observing a surface state of a sample (semiconductor sample or the like), and pattern defects formed on the sample using the same. The present invention relates to a defect inspection apparatus for inspecting foreign matters and the like.

半導体装置の製造過程において、ウェハ上に形成された回路パターンの欠陥を画像の比較検査により検出する方法として、電子線を試料に照射することにより、光学顕微鏡の分解能以下となる微小なエッチング残り、微小パターン欠陥などの形状欠陥の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が可能となっている。   In the process of manufacturing a semiconductor device, as a method of detecting a defect in a circuit pattern formed on a wafer by comparative inspection of an image, a minute etching residue that becomes below the resolution of an optical microscope by irradiating a sample with an electron beam, It is possible to detect shape defects such as minute pattern defects and electrical defects such as non-opening defects of minute conduction holes.

ここで、点状の電子線を試料上で走査する走査型電子顕微鏡を用いた方式では、実用的な検査速度を得るためには限界があるので、矩形状の電子線を半導体ウェハに照射して、二次電子や後方散乱電子、または逆電界の形成によりウェ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が提案されている(例えば、特許文献1、2、3参照)。   Here, in a method using a scanning electron microscope that scans a sample with a dotted electron beam, there is a limit to obtain a practical inspection speed. Therefore, a semiconductor beam is irradiated with a rectangular electron beam. Thus, an apparatus for inspecting at high speed by a so-called projection method has been proposed, in which secondary electrons, backscattered electrons, or electrons reflected without being irradiated onto the wafer by forming a reverse electric field are imaged by a lens (for example, Patent Documents 1, 2, and 3).

特開平7−249393号公報JP 7-249393 A 特開平10−197462号公報JP-A-10-197462 特開2003−202217号公報JP 2003-202217 A

しかし、二次電子等やミラー電子によるプロジェクション方式は、下記の課題を有する。     However, the projection method using secondary electrons or mirror electrons has the following problems.

検出電子として二次電子や後方散乱電子を拡大投影させる装置は、低エネルギー電子顕微鏡と呼ばれている。この方式では、SEM(走査型電子顕微鏡)方式よりも大電流の電子線を一度に照射でき、かつ一括で画像を取得できるためSEM方式と比較して超高速に画像を形成できることが期待できる。ところが、二次電子の放出角度分布は広い角度に広がっており、しかもエネルギーも約1〜10eVと広がっている。このような電子を結像して試料の拡大像を形成するとき、大部分の二次電子をカットしないと十分な分解能が得られないことは、容易に判断することができる(参照文献:「LSIテスティングシンポジウム/1999会議録、P142」に記載の図6)。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との関係によると、試料印加電圧−5kVのとき、分解能はほぼ0.2μmである。   An apparatus for enlarging and projecting secondary electrons and backscattered electrons as detection electrons is called a low energy electron microscope. In this method, it is possible to irradiate an electron beam with a larger current at a time than in the SEM (scanning electron microscope) method, and it is possible to obtain 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. When such an electron is imaged to form a magnified image of the sample, it can be easily determined that sufficient resolution cannot be obtained unless most of the secondary electrons are cut (reference document: “ LSI Testing Symposium / 1999 Proceedings, P142 ”FIG. 6). According to the relationship between the negative sample applied voltage for accelerating the secondary electrons emitted from the sample and the imaging resolution of the secondary electrons, the resolution is approximately 0.2 μm when the sample applied voltage is −5 kV.

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、たとえば上記文献の計算では、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低減する。   Not all of the emitted secondary electrons can be used for image formation. For example, in the calculation in the above 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%. Further, although the energy width of the secondary electrons used for imaging is calculated at 1 eV, the energy width of the emitted secondary electrons is actually emitted with a width of several eV or more. The base on the energy side 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, the number is further reduced to a fraction.

このように、電子線を面積ビームとして試料に大電流を照射して得られる二次電子を用い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。画像形成に後方散乱電子を用いても、後方散乱電子は、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。   In this way, even if an image is formed all at once using secondary electrons obtained by irradiating a sample with a large current using an electron beam as an area beam, the percentage of electrons that can actually contribute to image formation is low. Therefore, it is difficult to secure the S / N ratio, and it is impossible to shorten the inspection time as much as expected. Even when backscattered electrons are used for image formation, backscattered electrons can only be emitted by two orders of magnitude less than the irradiation beam current, and it is difficult to achieve both high resolution and high speed as in the case of secondary electrons. is there.

二次電子や後方散乱電子に替わり、試料の直前で試料に当たらないで反射するミラー電子を拡大投影する装置は、ミラー電子顕微鏡と呼ばれている。このミラー電子を用いて欠陥を起因として生じる電位や形状の乱れを検出することによって、欠陥を検出することができる。パターンが凸形状か負帯電している場合には、試料直上に形成される等電位面は入射電子に対して凸面鏡レンズのように作用し、パターンが窪んだ形状か周りより正帯電している場合には、試料直上に形成される等電位面は入射電子に対して凹面鏡レンズとして作用する。このように、ミラー電子は試料直上に形成されるレンズにより若干軌道を変えるが、結像レンズの焦点条件を調整すれば、これらのミラー電子のほとんどを画像形成に用いることができる。すなわち、ミラー電子を用いれば、S/N比の高い画像が得られ、検査時間の短縮が期待できる。   An apparatus for enlarging and projecting mirror electrons reflected instead of hitting a sample immediately before the sample instead of secondary electrons or backscattered electrons is called a mirror electron microscope. By using this mirror electron to detect a potential or shape disturbance caused by the defect, the defect can be detected. When the pattern is convex or negatively charged, the equipotential surface formed immediately above the sample acts like a convex mirror lens on the incident electrons, and the pattern is depressed or positively charged from the surroundings. In some cases, the equipotential surface formed immediately above the sample acts as a concave mirror lens for incident electrons. As described above, the orbits of the mirror electrons slightly change depending on the lens formed immediately above the sample, but most of these mirror electrons can be used for image formation by adjusting the focus condition of the imaging lens. That is, if mirror electrons are used, an image with a high S / N ratio can be obtained, and shortening of the inspection time can be expected.

しかしながら、たとえば試料が負帯電状態あるいは凸面形状をしていても試料直上の等電位面が凸面形状をしているので、ミラー電子画像から電位欠陥なのか異物が混入したのかを判定することができないという課題が生じていた。   However, for example, even if the sample is negatively charged or convex, the equipotential surface directly above the sample has a convex shape, so it cannot be determined from the mirror electron image whether there is a potential defect or foreign matter is mixed in. The problem that has arisen.

本発明は、上述の点に着目してなされたものであり、ミラー電子画像から形状に起因するコントラストと電位状態に起因するコントラストを分離して検出することを可能にする欠陥検査技術を提供することを目的とする。   The present invention has been made by paying attention to the above-described points, and provides a defect inspection technique that makes it possible to separately detect a contrast caused by a shape and a contrast caused by a potential state from a mirror electronic image. For the purpose.

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.

形状に起因する等電位面の歪は変化させることはできないが、帯電に起因する等電位面の歪は、帯電条件によって変化させることができる。   Although the strain on the equipotential surface due to the shape cannot be changed, the strain on the equipotential surface due to charging can be changed depending on the charging conditions.

例えば、凸形状の形状欠陥とパターンの電位欠陥が存在する構造の試料について、図4(a)でパターンの電位が周りより負電位の場合には、凸形状の欠陥とパターンの電位欠陥上の等電位面は凸面形状となり、例えば、結像系のフォーカス条件を試料の上方にフォーカスを合わせるオーバーフォーカス条件にすると、図4(b)に示すように、両欠陥とも周りより暗いコントラスト条件となり、試料の下方にフォーカスを合わせるアンダーフォーカス条件にすると、図4(c)に示すように、両欠陥とも周りより明るいコントラスト条件となるので、パターンの明るさから形状欠陥と電位欠陥を識別することは困難である。   For example, in the case of a sample having a structure having a convex shape defect and a pattern potential defect, if the pattern potential in FIG. The equipotential surface has a convex shape. For example, if the focus condition of the imaging system is an overfocus condition in which the focus is above the sample, as shown in FIG. If the under-focus condition for focusing below the sample is used, both defects have a brighter contrast condition as shown in FIG. 4C. Therefore, it is possible to distinguish shape defects and potential defects from the brightness of the pattern. Have difficulty.

一方、図5(a)に示すように、パターンの電位が周りより正電位(パターン部以外に対して相対的に正電位)の場合には、パターン上の等電位面は凹面形状となる。したがって、例えば、結像系のフォーカス条件をオーバーフォーカス条件にすると、図5(b)に示すように、凸形状の欠陥が周りより暗く、電位欠陥が周りより明るいコントラストになり、結像系のフォーカス条件をアンダーフォーカス条件にすれば、図5(c)に示すように、凸形状の欠陥が周りより明るく、電位欠陥が周りより暗いコントラストに変化することがわかる。そこで、ミラー電子画像を取得する前に、試料の絶縁物を正帯電させるようにプリチャージすれば、凸形状の欠陥と電位欠陥を分離することができる。さらに、結像系のフォーカス条件をオーバーフォーカスあるいはアンダーフォーカスに設定することにより、着目する欠陥の画像を明るいコントラストに調整することができる。   On the other hand, as shown in FIG. 5A, when the potential of the pattern is a positive potential (a relatively positive potential relative to other than the pattern portion) from around, the equipotential surface on the pattern has a concave shape. Therefore, for example, when the focus condition of the imaging system is set to the overfocus condition, as shown in FIG. 5B, the convex defects are darker than the surroundings and the potential defects are brighter than the surroundings. If the focus condition is set to the under focus condition, it can be seen that, as shown in FIG. 5C, the convex defect changes to a brighter contrast and the potential defect changes to a darker contrast. Therefore, if the sample insulator is precharged so as to be positively charged before acquiring the mirror electron image, the convex defect and the potential defect can be separated. Furthermore, by setting the focus condition of the imaging system to overfocus or underfocus, the image of the defect of interest can be adjusted to a bright contrast.

また、例えば、凹形状の形状欠陥とパターンの電位欠陥が存在する構造の試料についても、図7(a)に示すように、パターンの電位が周りより正電位の場合には、凹面形状の欠陥と絶縁物の欠陥上の等電位面は凹面形状となり、例えば結像系のフォーカス条件をオーバーフォーカス条件にすれば、図7(b)に示すように、両欠陥とも周りより明るいコントラスト条件となり、結像系のフォーカス条件をアンダーフォーカス条件にすれば、図7(c)に示すように、両欠陥とも暗いコントラスト条件となり、形状欠陥と電位欠陥を識別することは困難である。   Further, for example, for a sample having a structure having a concave shape defect and a pattern potential defect, as shown in FIG. 7A, when the pattern potential is more positive than the surrounding, the concave shape defect The equipotential surface on the defect of the insulator becomes concave, and for example, if the focus condition of the imaging system is set to the overfocus condition, as shown in FIG. If the focus condition of the imaging system is an under focus condition, as shown in FIG. 7C, both defects become dark contrast conditions, and it is difficult to distinguish between a shape defect and a potential defect.

一方、図6(a)に示すように、パターンの電位が周りより負電位(パターン部以外に対して相対的に負電位)の場合には、負電位のパターン上の等電位面は凸面形状となるので、例えば結像系のフォーカス条件をオーバーフォーカス条件にすれば、図6(b)に示すように、凹形状の欠陥が周りより明るく、電位欠陥が周りより暗いコントラストとなり、結像系のフォーカス条件をアンダーフォーカス条件にすれば、図6(c)に示すように、凹形状の欠陥が周りより暗く、電位欠陥が周りより明るいコントラストに変化することがわかる。そこで、ミラー電子画像を取得する前に、試料の絶縁物を負帯電させるようにプリチャージすれば、凹形状の欠陥と電位欠陥を分離することができる。さらに、結像系のフォーカス条件をオーバーフォーカスあるいはアンダーフォーカスに設定することにより、着目する欠陥の画像を明るいコントラストに調整することができる。   On the other hand, as shown in FIG. 6A, the equipotential surface on the negative potential pattern is convex when the potential of the pattern is a negative potential (relatively negative with respect to other than the pattern portion). Therefore, for example, if the focus condition of the imaging system is set to the overfocus condition, as shown in FIG. 6B, the concave defect becomes brighter and the potential defect becomes darker than the surrounding. When the under-focus condition is set to the under-focus condition, as shown in FIG. 6C, it is understood that the concave defect is darker than the surrounding and the potential defect is changed to a brighter contrast. Therefore, if the sample insulator is precharged so as to be negatively charged before acquiring the mirror electron image, the concave defect and the potential defect can be separated. Furthermore, by setting the focus condition of the imaging system to overfocus or underfocus, the image of the defect of interest can be adjusted to a bright contrast.

本発明の目的は、次の方法でも達成できる。帯電に起因する等電位面の歪は帯電電圧に大きく依存するが、形状に起因する等電位面の歪は帯電電圧で変化しない。そこで、帯電条件の異なる2つの画像を取得して、コントラストが変化した箇所は帯電に起因するものと判定することができる。   The object of the present invention can also be achieved by the following method. The strain on the equipotential surface due to charging largely depends on the charging voltage, but the strain on the equipotential surface due to the shape does not change with the charging voltage. Therefore, two images with different charging conditions are acquired, and it can be determined that the portion where the contrast has changed is caused by charging.

凸形状の形状欠陥とパターンの電位欠陥が存在する構造の試料について、図9(a)は、プリチャージ手段を用いてパターンの電位(Vs)を周りより0.5V負電位にさせた場合の電位分布であり、図10(a)は、プリチャージ手段(予備帯電装置)を用いてパターンの電位を周りより2.0V負電位にさせた場合の電位分布である。パターンの電位状態により試料直上の等電位面の歪が異なり、試料からの仮想的な物面が変化する。すなわち、凸形状のパターンはプリチャージ条件によらず、パターン直上の等電位面はほとんど変形しないが、電位欠陥パターンではパターン直上の等電位面が変化する。例えば、結像レンズのフォーカス位置を、図8、図9に示す凸形状のパターンに合わせると、それぞれのミラー電子画像は、図8(b)、図9(b)のようになるが、図8(b)の電位欠陥パターンではデフォーカス条件となり、パターンの明るさに変化を生じるので、例えば、図9(c)に示すように、両画像の差画像を取得することにより、電位欠陥部分のみを抽出することができる。   FIG. 9A shows a sample having a convex shape defect and a pattern potential defect. FIG. 9A shows a case where the pattern potential (Vs) is set to a negative potential of 0.5 V from the surroundings by using precharge means. FIG. 10A shows the potential distribution when the pattern potential is set to a negative potential of 2.0 V from the surroundings using the precharge means (preliminary charging device). The distortion of the equipotential surface immediately above the sample varies depending on the potential state of the pattern, and the virtual object surface from the sample changes. That is, in the convex pattern, the equipotential surface immediately above the pattern is hardly deformed regardless of the precharge condition, but in the potential defect pattern, the equipotential surface immediately above the pattern changes. For example, when the focus position of the imaging lens is adjusted to the convex pattern shown in FIGS. 8 and 9, the respective mirror electronic images are as shown in FIGS. 8B and 9B. In the potential defect pattern of 8 (b), the defocus condition is set, and the brightness of the pattern is changed. For example, as shown in FIG. 9C, the potential defect portion is obtained by obtaining a difference image between the two images. Only can be extracted.

プリチャージ手段としては、電子顕微鏡カラムとは別に、予備帯電装置を配置して、検査画像取得前に試料を予備帯電装置に移動してプリチャージを行うことで実現できる。二種類の帯電条件としては、予備帯電装置で2種類の帯電条件を設定して対応する2種類の画像を比較するか、帯電しない状態の画像と予備帯電装置で帯電させた状態の画像で比較するか、あるいは予備帯電装置で帯電させた後の経過時間の異なる、すなわち帯電緩和の異なる2種類の画像を取得して比較してもよい。   The precharging means can be realized by arranging a precharging device separately from the electron microscope column and moving the sample to the precharging device and performing precharging before acquiring the inspection image. As the two types of charging conditions, two types of charging conditions are set with the preliminary charging device and the corresponding two types of images are compared, or comparison is made between an uncharged image and an image charged with the preliminary charging device. Alternatively, two types of images having different elapsed times after charging by the preliminary charging device, that is, different charging relaxation may be acquired and compared.

あるいは、予備帯電装置を用いずに、電子ビーム照射初期画像と一定の照射時間が経過した状態の画像を比較してもよい。電子ビームを電流リークが少ない絶縁物試料に照射すると、試料の表面電位は試料に電子が当たらなくなる負の電位まで上昇する。すなわち、図10(a)に示すように照射電子ビームの高エネルギー側に裾があると、試料の絶縁物部の電位は照射初期には電位Vsで帯電していないが、照射を続けると、図10(b)に示すように、裾の一番高エネルギー側の電子が当たらなくなる電位まで上昇する。したがって、照射初期と経過画像を比較することで、絶縁物部の帯電状態の変化を検出することができる。一般にはSNの高い画像を得るために同一場所からの信号を複数回加算して画像を取得するので、加算初期の画像と加算後期の画像を比較すれば、帯電状態の変化を検出することができる。   Alternatively, an initial electron beam irradiation image may be compared with an image after a certain irradiation time has elapsed without using a preliminary charging device. When an electron beam is irradiated onto an insulating sample with little current leakage, the surface potential of the sample rises to a negative potential at which electrons do not hit the sample. That is, as shown in FIG. 10 (a), if there is a skirt on the high energy side of the irradiation electron beam, the potential of the insulator portion of the sample is not charged at the potential Vs in the initial stage of irradiation, but if irradiation continues, As shown in FIG. 10B, the potential rises to a potential at which the electrons on the highest energy side of the tail do not hit. Therefore, a change in the charged state of the insulator portion can be detected by comparing the irradiation initial stage and the progress image. In general, in order to obtain an image with a high SN, signals from the same place are added a plurality of times to obtain an image. Therefore, a change in the charged state can be detected by comparing an initial image and an late image. it can.

図10(a)では、試料が帯電していない状態でのミラー電子像は、試料の凹凸のみを反映した画像となり、凸形状のパターンからの仮想的な物面が下方に移動するため、結像系の焦点を試料下方に合わせれば、図10(b)に示すような試料の凸形状部が明るくなる画像が得られる。照射後期では絶縁物の負帯電により試料直上の等電位面が歪み、図11(a)のような電位分布となるので、結像レンズを試料下方に合わせると、図11(b)のような試料の凸形状部と負帯電部が明るい画像が得られる。そこで、この照射初期と照射後期の画像を比較して、例えば、図11(c)に示すように、差画像を取得することでコントラストが変化しない箇所は形状に起因し、コントラストが変化した箇所は帯電に起因したコントラストと判定することができる。   In FIG. 10 (a), the mirror electron image in a state where the sample is not charged is an image reflecting only the unevenness of the sample, and the virtual object surface from the convex pattern moves downward. When the focus of the image system is adjusted to the lower side of the sample, an image in which the convex portion of the sample becomes bright as shown in FIG. 10B is obtained. In the latter stage of irradiation, the equipotential surface directly above the sample is distorted due to the negative charging of the insulator, resulting in a potential distribution as shown in FIG. 11A. Therefore, when the imaging lens is aligned below the sample, as shown in FIG. A bright image is obtained in the convex portion and the negatively charged portion of the sample. Therefore, by comparing the images at the initial stage and the latter stage of the irradiation, for example, as shown in FIG. 11C, the part where the contrast is not changed by acquiring the difference image is caused by the shape, and the part where the contrast is changed. It can be determined that the contrast is caused by charging.

以上のように、形状欠陥と電位欠陥とでコントラストが異なるような前処理を施すか、帯電状態の異なる2つの画像を比較する手段を設ければ、形状に起因するコントラストと電位状態に起因するコントラストを区別して観察あるいは検査することが可能となる。   As described above, if pre-processing is performed so that the contrast between the shape defect and the potential defect is different, or if a means for comparing two images with different charged states is provided, the contrast caused by the shape and the potential state are caused. It becomes possible to observe or inspect while distinguishing the contrast.

本発明によれば、ミラー電子画像から形状に起因するコントラストと電位状態に起因するコントラストを分離して検出することを可能にする欠陥検査技術が提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the defect inspection technique which makes it possible to isolate | separate and detect the contrast resulting from a shape and the contrast resulting from an electric potential state from a mirror electronic image can be provided.

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は、本発明の第1の実施例の動作を説明するための構成を示したものである。照射電子線301と反射電子線302を分離させるビームセパレータとしてE×B偏向器4を、ミラー電子線を含む反射電子線302の結像面近傍に配置させる。照射系の光軸105とウェハ7に垂直な結像系の光軸106とは、互いにθINの角度で交叉している。コンデンサレンズ3と対物レンズ5との間には、ビームセパレータとしてのE×B偏向器4が配置されており、電子源1より放出された照射電子線301は、E×B偏向器4によりウェハ7に垂直な光軸に偏向される。E×B偏向器4により偏向された照射電子線301は、コンデンサレンズ電源33を介してコンデンサレンズ3により対物レンズの焦点面303近傍に集束され、試料上7をほぼ平行な照射電子線で照射することができる。なお、図中、2は電子銃レンズ、32は電子銃レンズ電源である。
Example 1
FIG. 1 shows a configuration for explaining the operation of the first embodiment of the present invention. The E × B deflector 4 is disposed in the vicinity of the imaging surface of the reflected electron beam 302 including the mirror electron beam as a beam separator for separating the irradiation electron beam 301 and the reflected electron beam 302. The optical axis 106 of the vertical imaging system with the optical axis 105 and the wafer 7 of the illumination system, and intersect at an angle of theta IN together. An E × B deflector 4 serving as a beam separator is disposed between the condenser lens 3 and the objective lens 5, and the irradiated electron beam 301 emitted from the electron source 1 is transferred to the wafer by the E × B deflector 4. 7 is deflected to an optical axis perpendicular to 7. The irradiation electron beam 301 deflected by the E × B deflector 4 is focused on the vicinity of the focal plane 303 of the objective lens by the condenser lens 3 via the condenser lens power source 33, and irradiated on the sample 7 with the substantially parallel irradiation electron beam. can do. In the figure, 2 is an electron gun lens, and 32 is an electron gun lens power source.

試料(本例では、ウエハ)7には、電子源印加電源31により電子源1に印加される加速電圧V0とほぼ等しい負の電位が試料7を保持するステージ8を通じて、試料印加電源37より印加されている。試料と対向する円孔電極6には円孔電極印加電源36により、試料7に対して数kVから数十kVの範囲の正電圧が印加されており、この円孔電極6と試料7との間の減速電界によって面状の照射電子線301の大部分が試料7に衝突する直前で引き戻されてミラー電子となり、試料7の形状や電位、磁界などを反映した方向や強度を持って再び対物レンズ5に入射する。 A sample (wafer in this example) 7 has a negative potential substantially equal to the acceleration voltage V 0 applied to the electron source 1 by the electron source application power source 31 through the stage 8 holding the sample 7 from the sample application power source 37. Applied. A positive voltage in the range of several kV to several tens of kV is applied to the sample 7 by the circular electrode application power source 36 to the circular hole electrode 6 facing the sample. Most of the planar irradiation electron beam 301 is pulled back immediately before it collides with the sample 7 due to the deceleration electric field between them to become mirror electrons, and again has the objective and direction with the direction and intensity reflecting the shape, potential, magnetic field, etc. of the sample 7. The light enters the lens 5.

このミラー電子による反射電子線302は、対物レンズ5により拡大されて、E×B偏向器4近傍にミラー投影像304を結ぶ。このE×B偏向器4は、反射電子線にはウィーン条件で作用する。すなわち、反射電子線302に対しては、E×B偏向器4は偏向作用を持たず、また、ミラー電子像がE×B偏向器4の近傍に結像投影されるので、E×B偏向器4による偏向収差もほとんど発生しない。この対物レンズ5により投影された反射電子線302による像は、中間レンズ13および投影レンズ14により投影され、シンチレータ15上に拡大されたミラー電子像が形成される。このミラー電子像はシンチレータ15により光学像に変換され、光学レンズ16あるいは光ファイバー束によりCCDカメラ17上に投影され、CCDカメラ17により電気信号に変換されたミラー像がモニタ22により表示される。   The reflected electron beam 302 by the mirror electrons is magnified by the objective lens 5 and forms a mirror projection image 304 in the vicinity of the E × B deflector 4. The E × B deflector 4 acts on the reflected electron beam under Wien conditions. That is, for the reflected electron beam 302, the E × B deflector 4 does not have a deflecting action, and the mirror electron image is formed and projected in the vicinity of the E × B deflector 4, so that the E × B deflection is performed. Almost no deflection aberration due to the device 4 occurs. The image of the reflected electron beam 302 projected by the objective lens 5 is projected by the intermediate lens 13 and the projection lens 14, and an enlarged mirror electron image is formed on the scintillator 15. The mirror electronic image is converted into an optical image by the scintillator 15, projected onto the CCD camera 17 by the optical lens 16 or the optical fiber bundle, and the mirror image converted into an electric signal by the CCD camera 17 is displayed on the monitor 22.

照射条件などにより、反射電子線302にはミラー電子のほかに試料に衝突した電子が後方に散乱された後方散乱電子、試料から二次的に発生した二次電子なども含まれる場合があるが、後方散乱電子や二次電子の出射方向のばらつきにより、シンチレータに入射する電子はほぼ垂直に出射した電子に制限されてしまうので、ミラー電子に対する後方散乱電子や二次電子の割合は少なく、画像のコントラストには通常条件では影響を及ぼさない。もし、画像に後方散乱電子や二次電子の割合が多く含まれる場合には、対物レンズ5の焦点面に形成される電子線回折像面、あるいは中間レンズ13によりこの電子線回折像が投影される面上に反射電子線の角度を制限する制限絞り挿入することで、後方散乱電子や二次電子の割合を調整することができる。   Depending on irradiation conditions, the reflected electron beam 302 may include backscattered electrons in which electrons colliding with the sample are scattered backward, secondary electrons generated secondary from the sample, etc. in addition to the mirror electrons. Because of the variation in the emission direction of backscattered electrons and secondary electrons, the electrons incident on the scintillator are limited to electrons emitted almost vertically, so the ratio of backscattered electrons and secondary electrons to the mirror electrons is small, and the image It does not affect the contrast under normal conditions. If the image contains a large proportion of backscattered electrons and secondary electrons, this electron beam diffraction image is projected by the electron beam diffraction image surface formed on the focal plane of the objective lens 5 or the intermediate lens 13. The ratio of backscattered electrons and secondary electrons can be adjusted by inserting a limiting aperture that restricts the angle of the reflected electron beam on the surface.

E×B偏向器4を光軸垂直方向から見た断面は、図12に示す8極電磁極構造であり、各電磁極51はパーマロイなどの磁性体で構成されている。各電磁極51は、電位を与えられることによって電極として動作し、各電磁極51のボビン52にN回巻かれているコイル53に励磁電流を流すことによって磁極として動作する。図12に示す電圧配分で、E×B偏向器用電源34により各電磁極に電圧Vを印加すると、電子はx方向に偏向作用を受ける。また、図13に示すような電流配分で電流Iを各コイルに流すと、図13の紙面の裏側から表へ運動する電子はx方向の正方向、紙面の表から裏側へ運動する電子はx方向の負方向へ偏向作用を受ける。各電極の電圧および電流配分は実際の電磁極形状に電位あるいは磁位を与えた電磁界計算により均一な電磁界が発生するように最適化されており、例えば、図中のα=0.414に設定されている。 A cross section of the E × B deflector 4 viewed from the direction perpendicular to the optical axis has an octupole electromagnetic pole structure shown in FIG. 12, and each electromagnetic pole 51 is made of a magnetic material such as permalloy. Each electromagnetic pole 51 operates as an electrode when a potential is applied thereto, and operates as a magnetic pole by passing an exciting current through a coil 53 wound N times around a bobbin 52 of each electromagnetic pole 51. In the voltage distribution shown in FIG. 12, when the voltage V X is applied to each electromagnetic pole by the E × B deflector power supply 34, the electrons are deflected in the x direction. When current I Y is passed through each coil with current distribution as shown in FIG. 13, electrons moving from the back side to the front side of the paper in FIG. 13 are positive in the x direction, and electrons moving from the front side to the back side of the paper are It is deflected in the negative x direction. The voltage and current distribution of each electrode is optimized so that a uniform electromagnetic field is generated by electromagnetic field calculation in which a potential or magnetic potential is applied to the actual electromagnetic pole shape. For example, α = 0.414 in the figure. Is set to

図14は、E×B偏向器4の光軸を含む断面図である。E×B偏向器をビームセパレータとして用いる場合、照射系の光軸105と結像系の光軸106との交叉角θINは、二つの光学系が互いに干渉しない配置関係を考慮すると、略30度程度は取る必要がある。照射電子線301を略30°偏向しても電磁極に当たらないようにするためには、開口部の直径を電磁極長さより大きくしなければならないが、開口を広げると偏向させる電圧を増加させなければならないので、電磁極51の形状は電子軌道にほぼ沿った末広がりの円錐形状とした。また、電磁極の上下にはシールド電磁極54を設け、電磁界の滲みだしを抑えるとともに、電界と磁界が同一の空間で作用するようにして、空間内で常にウィーン条件が成り立つ完全なE×B偏向器として動作するようにした。 FIG. 14 is a cross-sectional view including the optical axis of the E × B deflector 4. When the E × B deflector is used as a beam separator, the crossing angle θ IN between the optical axis 105 of the irradiation system and the optical axis 106 of the imaging system is approximately 30 considering the arrangement relationship in which the two optical systems do not interfere with each other. It is necessary to take a degree. In order to prevent the irradiation electron beam 301 from hitting the electromagnetic pole even if it is deflected by approximately 30 °, the diameter of the opening must be made larger than the length of the electromagnetic pole. Therefore, the shape of the electromagnetic pole 51 is a conical shape that spreads substantially along the electron trajectory. In addition, shield electromagnetic poles 54 are provided above and below the electromagnetic poles to suppress the bleeding of the electromagnetic field, and the electric field and the magnetic field act in the same space so that the Wien condition is always satisfied in the space. It was made to operate as a B deflector.

なお、上記の動作はE×B偏向器4のx方向の偏向方向について説明したが、y方向への偏向成分の補正についても8極の電磁極にy方向の偏向成分の電圧あるいは電流を供給することによって同様の手順で行うことができる。例えば、E×B偏向器に周辺の磁界レンズからの磁束の漏れが生じている場合には、このようなy方向の電磁界を重畳させる回転補正が必要である。   Although the above operation has been described with respect to the deflection direction in the x direction of the E × B deflector 4, the voltage or current of the deflection component in the y direction is supplied to the eight electromagnetic poles for correction of the deflection component in the y direction. This can be done in the same procedure. For example, when leakage of magnetic flux from the surrounding magnetic lens occurs in the E × B deflector, such a rotation correction that superimposes the electromagnetic field in the y direction is necessary.

また、図13においては、各コイルの巻き数は等しくN回としたが、磁極に流す電流Iとの関係NIが一定になる範囲で、電流IおよびNを変化させても良い。   In FIG. 13, the number of turns of each coil is equal to N. However, the currents I and N may be changed in a range where the relationship NI with the current I flowing through the magnetic poles is constant.

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40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 40 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15は、予備帯電制御装置40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LaB電子源等を用いることが可能である。引出グリッド42に引出グリッド電源48により電圧引出電圧を印加することにより、電子源41から電子ビーム43が放出される。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。この電子ビーム照射により二次電子45が放出される。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、この加速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、例えば加速電圧として500V程度が良い。この条件では、絶縁物材料の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。 FIG. 15 is a diagram for explaining the operating principle of the preliminary charging control device 40. 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 LaB 6 electron source, or the like can be used. An electron beam 43 is emitted from the electron source 41 by applying a voltage extraction voltage to the extraction grid 42 by the extraction grid power supply 48. The electron beam passes through the control grid 44 and irradiates the insulating film 46. Secondary electrons 45 are emitted by this electron beam irradiation. 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 equivalent to the potential of the substrate 47, the irradiation energy of the electron beam is the voltage of the acceleration power supply 49, and this acceleration voltage is set to a value that makes the secondary electron emission efficiency 1 or more. In an insulating film material for a general semiconductor device, for example, an acceleration voltage of about 500 V is preferable. Under this condition, since the secondary electron emission efficiency of the insulating material is greater than 1, the surface of the insulating film is positively charged.

制御グリッド44には制御グリッド電源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。例えば、酸化膜がSiOで構成されている場合には、絶縁膜表面の帯電電位は制御グリッドの電位より約2V高い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 grid 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, When secondary electrons are pulled back to the surface of the insulating film, the positive charging of the surface of the insulating film stops. For example, when the oxide film is made of SiO 2 , the charging potential on the surface of the insulating film is stabilized at a potential about 2V higher 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.

本実施例では、電子源1として大電流で高輝度の照射電子線が得られるZr/O/W型などのショットキー電子源を用いる。図16に、Zr/O/W型などのショットキー電子源について、電子線のエネルギー分布とエネルギー準位の関係を示す。ショットキー放出電子は引き出し電界により、真空準位よりポテンシャル障壁が下がって放出されるものであり、放出電子のエネルギーは電子源の真空準位の近傍に分布する。通常、電子源の真空準位のエネルギーから放出された電子が試料印加電源37によって試料印加電圧Vに設定される試料の直前まで近づくためには、電子源印加電圧Vと試料印加電圧Vsの電位差が、電子源と試料の仕事関数差ΔVwにおおむね等しければよい。ここで、絶縁物の電位が制御グリッド印加によって制御される場合、絶縁物電圧Viは制御グリッド電位Vgに対して、おおむねVi=Vg+2ボルトの電圧に制御されるので、電子源の真空準位のエネルギーから放出された電子が絶縁膜直前まで近づけるためには、電子源印加電圧をVi上昇させるか、試料印加電圧をVi下降させるように設定しなおす必要がある。 In this embodiment, a Schottky electron source such as a Zr / O / W type that can obtain an irradiation electron beam with a large current and a high luminance is used as the electron source 1. FIG. 16 shows the relationship between the energy distribution of the electron beam and the energy level in a Zr / O / W type Schottky electron source. The Schottky emission electrons are emitted with the potential barrier lowering than the vacuum level due to the extraction electric field, and the energy of the emission electrons is distributed in the vicinity of the vacuum level of the electron source. Usually, in order for electrons emitted from the energy at the vacuum level of the electron source to approach the sample immediately before the sample set to the sample application voltage V 0 by the sample application power source 37, the electron source application voltage V 0 and the sample application voltage Vs are used. It is sufficient that the potential difference of 0 is substantially equal to the work function difference ΔVw between the electron source and the sample. Here, when the potential of the insulator is controlled by applying the control grid, the insulator voltage Vi is generally controlled to a voltage of Vi = Vg + 2 volts with respect to the control grid potential Vg. In order for the electrons emitted from the energy to approach to just before the insulating film, it is necessary to reset the electron source applied voltage to increase Vi or to decrease the sample applied voltage to Vi.

厳密には、電子源と制御グリッドの仕事関数差ΔVw及び電子源から出射する電子線のエネルギー分布も考慮する必要がある。電子源の電子の最大エネルギーeVmaxはΔVほど真空準位より大きく、電子源のエネルギー分布の最大値に相当するエネルギーeVpの真空準位との電位差はΔVだけ異なる。ユーザーは、最大エネルギーの電子線が絶縁膜直前まで近づく試料印加電圧Vsを、Vs=V−ΔVw+ΔV−Viとなるように定めればよい。このΔVの値は電子源の曲率半径の実測値、加熱温度、引き出し電圧などの条件をパラメータとした実測値のデータベースなどより、電子源の動作条件に応じて自動的に設定されても良いし、ユーザーがプリセット値として設定しても良い。あるいは、金属間の接触によって生じるゼーベック効果などの補正値を加えても良い。 Strictly speaking, it is necessary to consider the work function difference ΔVw 2 between the electron source and the control grid and the energy distribution of the electron beam emitted from the electron source. Electronic maximum energy eVmax of the electron source is greater than the vacuum level as [Delta] V 1, the potential difference between the vacuum level energy eVp corresponding to the maximum value of the energy distribution of the electron source differ by [Delta] V 2. The user may determine the sample applied voltage Vs 0 that the electron beam with the maximum energy approaches just before the insulating film so that Vs 0 = V 0 −ΔVw 2 + ΔV 1 −Vi. The value of ΔV 1 may be automatically set according to the operating condition of the electron source from a measured value database of measured values of the radius of curvature of the electron source, heating temperature, extraction voltage, and the like as parameters. The user may set the preset value. Or you may add correction values, such as the Seebeck effect produced by the contact between metals.

モニタ上25の操作画面には、絶縁物の帯電電圧Viが設定できるようになっている。この帯電電圧の入力情報はユーザーが入力インターフェイス26を通じて入力する。ユーザーが入力した帯電電圧Viの値から、予備帯電時には、制御グリッド電源50を通じて予備帯電制御装置の制御グリッド44に印加する制御電圧Vg=Vi−2が設定できるようにされる。また、このグリッド制御電圧と帯電電圧の差2ボルトは、例えば帯電電圧をAFMなどの電位測定装置で実測することにより、ユーザが走査画面上で書き換えることも可能である。   On the operation screen on the monitor 25, the charging voltage Vi of the insulator can be set. The charging voltage input information is input by the user through the input interface 26. From the value of the charging voltage Vi input by the user, the control voltage Vg = Vi−2 to be applied to the control grid 44 of the preliminary charging control device through the control grid power supply 50 can be set at the time of preliminary charging. Further, the difference of 2 volts between the grid control voltage and the charging voltage can be rewritten on the scanning screen by the user by actually measuring the charging voltage with a potential measuring device such as AFM.

また、ミラー画像取得時には、絶縁物表面直上で反射するような試料印加電圧Vs=V−ΔVw+ΔV−Viが設定されるが、反射面は、以下のように調整することもできる。 In addition, when acquiring a mirror image, a sample application voltage Vs 0 = V 0 −ΔVw 2 + ΔV 1 −Vi is set so as to reflect directly on the surface of the insulator, but the reflection surface can also be adjusted as follows. .

ミラー電子線の反射面は、最大となるエネルギー値の電子線が試料直前まで近づくミラー電子線反射面の高さHを0に設定するか、ユーザーが指定する高さを入力することにより、操作画面上に表示される。ミラー電子線反射面の高さHの変動ΔHとV−Vsの変動値ΔV0−Sとの関係は、ΔH=ΔV0−S/Eで表されるので、ユーザーが反射面連動モードを指定すると、ΔHの入力値に対して、ΔV0−Sが連動して変化するように制御される。また、試料印加電圧Vs、円孔電極電圧Va、円孔電極−試料間距離Lの変化に対する円孔電極−試料間の電界強度E=(Va−Vs)/Lの変化に連動して、ΔH=ΔV0−S/Eの表示も補正して設定される。 The mirror electron beam reflecting surface can be operated by setting the height H of the mirror electron beam reflecting surface at which the electron beam with the maximum energy value approaches just before the sample to 0 or by inputting the height specified by the user. Displayed on the screen. The relationship between the fluctuation ΔH in the height H of the mirror electron beam reflecting surface and the fluctuation value ΔV 0-S in V 0 -Vs is expressed by ΔH = ΔV 0-S / E. When designated, ΔV 0-S is controlled to change in conjunction with the input value of ΔH. Further, in conjunction with the change in the electric field strength E = (Va−Vs) / L between the circular hole electrode and the sample with respect to the change in the sample applied voltage Vs, the circular hole electrode voltage Va, and the circular hole electrode-sample distance L, ΔH = ΔV 0−S / E is also corrected and set.

試料直前で反射したおもにミラー電子から構成される反射電子線303は、結像レンズ系すなわち対物レンズ5、中間レンズ13および投影レンズ14を用いてシンチレータ15上に拡大投影される。この結像系の動作条件はあらかじめ、制御部24に記憶されており、ユーザーが拡大倍率あるいは試料上の視野を設定すれば、試料上にジャストフォーカスとなる各レンズ設定値が設定されるように動作する。また、絶縁物帯電電圧Viを設定するのに連動して、フォーカス条件が補正されるように動作する。また、ジャストフォーカスに対して、試料の上方にフォーカスを合わせるオーバーフォーカス、および試料の下方にフォーカスを合わせるアンダーフォーカスの設定も、例えば、試料に対するフォーカス位置の高さをユーザーが操作画面上で設定できるように構成されている。ここで、デフォーカスさせるためには、対物レンズ電源35を用いて対物レンズ5の焦点距離を変化させるのが一般的であるが、対物レンズ5は照射電子線301にもレンズ作用を及ぼすので、例えば、中間レンズ13の焦点距離を変化させてフォーカスをぼかしても良い。中間レンズ13の焦点距離を変化させても、照射電子線301には影響を及ぼさないので、結像レンズの調整を照射レンズの調整とは独立に行えるという利点がある。操作画面上で、ユーザーはアンダーフォーカスおよびオーバーフォーカス条件で変化させるレンズを指定することができる。   The reflected electron beam 303 mainly composed of mirror electrons reflected immediately before the sample is enlarged and projected on the scintillator 15 by using the imaging lens system, that is, the objective lens 5, the intermediate lens 13 and the projection lens 14. The operating conditions of this imaging system are stored in advance in the control unit 24, and if the user sets the magnification or the field of view on the sample, each lens setting value for the just focus is set on the sample. Operate. In addition, the focus condition is corrected in conjunction with the setting of the insulator charging voltage Vi. In addition, with respect to just focus, over focus that focuses on the top of the sample and under focus that focuses on the bottom of the sample can also be set on the operation screen by the user, for example, the height of the focus position relative to the sample. It is configured as follows. Here, in order to perform defocusing, it is common to change the focal length of the objective lens 5 using the objective lens power source 35, but the objective lens 5 also exerts a lens action on the irradiation electron beam 301. For example, the focus may be blurred by changing the focal length of the intermediate lens 13. Even if the focal length of the intermediate lens 13 is changed, the irradiation electron beam 301 is not affected. Therefore, there is an advantage that the imaging lens can be adjusted independently of the irradiation lens. On the operation screen, the user can specify a lens to be changed under underfocus and overfocus conditions.

例えば、ウェハパターン上の異物を検査する場合には、異物によって生じる等電位面は凸形状に変形するので、結像系のフォーカス条件をアンダーフォーカス側に設定すれば、異物が明るくなるコントラストが得られる。ここで、ウェハ試料を形成するパターン部をパターン部以外に対して相対的に正電位になるように予備帯電条件を設定すれば、パターン直上の等電位面は凹形状に変形して、アンダーフォーカス条件ではパターンが暗くなるコントラストが得られ、異物のみを着目して検査することが可能になる。例えば、絶縁膜の間にポリシリコンなどを埋め込んだプラグパターンの検査の場合には、絶縁膜を負帯電させるように予備帯電すれば、ポリシリコンパターンは絶縁膜に対して相対的に正電位になるので、パターン直上の等電位面は凹面形状に歪み、異物とは区別して観察することができる。   For example, when inspecting foreign matter on a wafer pattern, the equipotential surface caused by the foreign matter is deformed into a convex shape. Therefore, if the focus condition of the imaging system is set to the underfocus side, a contrast that makes the foreign matter brighter is obtained. It is done. Here, if the pre-charging condition is set so that the pattern portion forming the wafer sample has a positive potential relative to other than the pattern portion, the equipotential surface immediately above the pattern is deformed into a concave shape, and under focus Under the conditions, a contrast that darkens the pattern is obtained, and it is possible to inspect only the foreign matter. For example, in the case of inspection of a plug pattern in which polysilicon or the like is embedded between insulating films, if the insulating film is precharged so as to be negatively charged, the polysilicon pattern has a relatively positive potential relative to the insulating film. Therefore, the equipotential surface immediately above the pattern is distorted into a concave shape and can be observed separately from the foreign matter.

予備帯電の順序も、モニタ上25の操作画面上でユーザーが選択することができる。すなわち、ウェハ試料全面を帯電させてから画像取得するか、ステージ移動X方向1ライン毎に帯電させてから画像取得するか、選択することができる。   The order of preliminary charging can also be selected by the user on the operation screen on the monitor 25. That is, it is possible to select whether to acquire an image after charging the entire surface of the wafer sample, or to acquire an image after charging every line in the stage movement X direction.

ユーザーはあらかじめ、画像を取得する範囲を選択するが、予備帯電させる範囲は画像を取得する範囲と独立に設定することもできる。   The user selects an image acquisition range in advance, but the preliminary charging range can be set independently of the image acquisition range.

ウェハ全体を検査するためには、ステージ8は、例えばx方向にステップアンドリピートで移動する。予備帯電制御装置40は検査する前に検査領域を照射できるような位置に配置されている。例えば、X軸方向に予備帯電制御装置と照射系光軸は一列に並んでいる。さらに、X軸方向に照射系光軸をはさんで予備帯電制御装置40を2つ配置することによって、X軸の正負の移動方向に予備帯電が対応できるとともに、検査前後に帯電状態を制御できるようにした。   In order to inspect the entire wafer, the stage 8 moves step-and-repeat in the x direction, for example. The preliminary charging control device 40 is arranged at a position where the inspection area can be irradiated before the inspection. For example, the preliminary charging control device and the irradiation system optical axis are aligned in the X-axis direction. Furthermore, by arranging two preliminary charging control devices 40 across the irradiation optical axis in the X-axis direction, preliminary charging can be accommodated in the positive and negative movement directions of the X-axis, and the charged state can be controlled before and after the inspection. I did it.

シンチレータ15により光学像に変換されたミラー電子像は光学レンズ16あるいは光ファイバー束によりCCDカメラ17上に投影され電気信号に変換されて、画像処理部103に送られる。   The mirror electronic image converted into the optical image by the scintillator 15 is projected onto the CCD camera 17 by the optical lens 16 or the optical fiber bundle, converted into an electric signal, and sent to the image processing unit 103.

画像処理部103は、画像信号記憶部18、演算部20、欠陥判定部21、記憶部23より構成されている。画像記憶部18は、ミラー電子画像を記憶するようになっており、演算部20で設定レベル以上の明るさあるいは設定レベル以下の明るさの場所を検出する。この結果を欠陥判定部21により欠陥として判定し、その座標を記憶部23に格納する。欠陥判定部21は、フォーカス条件、帯電条件などの情報により、欠陥の種類を判定する。例えば、パターンの帯電条件として正帯電、フォーカス条件としてアンダーフォーカスの情報が入力されていれば、設定レベル以上の明るさの場所を凸形状の欠陥、設定レベル以下の場所を電位欠陥と判定する。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 103 includes an image signal storage unit 18, a calculation unit 20, a defect determination unit 21, and a storage unit 23. The image storage unit 18 stores a mirror electronic image, and the calculation unit 20 detects a place where the brightness is higher than the set level or lower than the set level. The result is determined as a defect by the defect determination unit 21, and the coordinates are stored in the storage unit 23. The defect determination unit 21 determines the type of defect based on information such as a focus condition and a charging condition. For example, if positive charge information is input as the pattern charging condition and under focus information is input as the focus condition, a place having a brightness higher than the set level is determined as a convex defect, and a place lower than the set level is determined as a potential defect. The captured image signal is displayed on the monitor 22 as an image.

上記に示すように、対象とする欠陥の種類に応じて予備帯電条件を調節することにより、形状欠陥や電位欠陥を区別して検査することが可能となる。   As described above, it is possible to distinguish and inspect the shape defect and the potential defect by adjusting the preliminary charging condition according to the type of the target defect.

(実施例2)
図2は、本発明の第2の実施例の構成を示し、帯電状態の異なる2つの画像を比較することで、形状欠陥と電位欠陥を識別する。
(Example 2)
FIG. 2 shows a configuration of the second embodiment of the present invention, and a shape defect and a potential defect are identified by comparing two images having different charged states.

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には試料印加電源37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38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38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, and most of the electron beam is applied to the wafer 7 by a sample applying power source 37 as described above. A negative potential that does not collide with the wafer 7 is applied. A stage position measuring device 38 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 example, a laser interferometer is used for the stage position measuring device 38.

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の移動方式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。   Next, the settling time of the sample moving stage 8 will be described. If the movement of the stage 8 is a step-and-repeat method, the settling time of the stage 8 needs to be on the order of msec. Therefore, even if the image acquisition time is shortened by improving the image S / N ratio, it takes time to move the stage. 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.

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38、試料高さ測定器(図示していない)、等により常時モニタされる。これらのモニタ情報が制御部24によって詳細に位置ずれ量として把握され、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 38 provided on the stage 8, a sample height measuring device (not shown), or the like. The monitor information is grasped in detail by the control unit 24 as the amount of positional deviation and is accurately corrected. As a result, accurate alignment required for pattern comparison inspection can be performed at high speed and with high accuracy.

試料直前で反射したおもにミラー電子から構成される反射電子線303は、結像レンズ系すなわち対物レンズ5、中間レンズ13および投影レンズ14を用いてシンチレータ15上に拡大投影される。このミラー電子像はシンチレータ15により光学像に変換され、光学レンズ16あるいは光ファイバー束によりこのミラー電子像はシンチレータ15により光学像に変換され、光学レンズ16あるいは光ファイバー束によりCCD素子17上に投影される。このCCD素子17により電気的な画像信号に変換された画像信号は画像処理部103に取り込まれる。すなわち、制御部24からの指令を受けた電子ビーム照射位置に対応した面積領域の電子ビーム画像信号として、記憶部18(または19)に格納される。   The reflected electron beam 303 mainly composed of mirror electrons reflected immediately before the sample is enlarged and projected on the scintillator 15 by using the imaging lens system, that is, the objective lens 5, the intermediate lens 13 and the projection lens 14. This mirror electronic image is converted into an optical image by the scintillator 15, and this mirror electronic image is converted into an optical image by the scintillator 15 by the optical lens 16 or the optical fiber bundle and projected onto the CCD element 17 by the optical lens 16 or the optical fiber bundle. . The image signal converted into an electrical image signal by the CCD element 17 is taken into the image processing unit 103. That is, it is stored in the storage unit 18 (or 19) as an electron beam image signal of an area region corresponding to the electron beam irradiation position that has received a command from the control unit 24.

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、先述した実施例1の場合と同様である。このTDIセンサの動作概念を、以下に説明する。   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 first embodiment described above. The operation concept of this TDI sensor will be described below.

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、例えば、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。例えば、1ラインのx方向長さが、試料表面上の50nm、y方向長さは約100μmに相当すれば、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)に設定される。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 this embodiment, for example, the signal reading is divided into 128 channels, and the reading speed is set to 4M lines / second by reading the signals in parallel. The size of the light receiving area was 64 pixels in the x direction and 2048 pixels in the y direction. For example, if the x-direction length of one line corresponds to 50 nm on the sample surface and the y-direction length is about 100 μm, an image with 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 also 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.

ユーザはモニタ上25の操作画面上で、2種類の帯電条件で画像を取得するモードを選択することができる。ユーザがこのモードを選択すると、第一の予備帯電条件および第二の予備帯電条件で絶縁物を帯電させる電圧を選択することができる。あるいは一方の帯電条件として、予備帯電無しの画像取得を選択することもできる。   The user can select a mode for acquiring an image under two kinds of charging conditions on the operation screen on the monitor 25. When the user selects this mode, the voltage for charging the insulator under the first precharging condition and the second precharging condition can be selected. Alternatively, image acquisition without preliminary charging can be selected as one charging condition.

ユーザが帯電条件を設定して、検査をスタートさせると、第一のステップとして、まず検査領域を予備帯電装置40に移動して、第一の予備帯電を行う。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、パターンを比較して行く。   When the user sets the charging conditions and starts the inspection, as a first step, the inspection area is first moved to the preliminary charging device 40 to perform the first preliminary charging. 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. By repeating such an operation, the patterns are compared while sequentially storing the image signals for the corresponding inspected areas in all the inspected chips.

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、比較手段として、例えば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が画像記憶部23に記憶される。   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 that have been subjected to these processes are transferred into the defect determination unit 21 and are compared as, for example, comparison means, and a difference signal between the two image signals is extracted. These difference signals are compared with the defect determination conditions that have already been obtained and stored to determine the defect, and the image signal of the pattern area determined to be a defect is stored in the image storage unit 23.

次に、検査領域を再び予備帯電装置40へ移動させて第二の予備帯電を行なった後、電子ビーム画像信号を取得して画像記憶部27に格納する。画像記憶部60に格納する画像は検査領域内の前画像でも良いが、第一の予備帯電後の検査で欠陥と判定されたパターン領域のみの画像を取得しても良い。次に、第一の予備帯電で欠陥と判定されたパターン領域の画像信号と、同一領域における第二の予備帯電を行なった後の画像信号を比較して、欠陥種判定部28は欠陥種を判定する。例えば、両画像信号間での差信号を取得して、ある一定レベルの閾値を基準として欠陥部の明るさが変化しない場合には、形状に起因する欠陥、欠陥部の明るさが変化する場合には、電位差に起因した欠陥と判定して、判定情報を記憶部29に格納する。   Next, after the inspection area is moved again to the preliminary charging device 40 to perform the second preliminary charging, an electron beam image signal is acquired and stored in the image storage unit 27. The image stored in the image storage unit 60 may be a previous image in the inspection area, but an image of only the pattern area determined to be defective in the inspection after the first preliminary charging may be acquired. Next, the defect type determination unit 28 compares the image signal of the pattern area determined to be defective in the first preliminary charging with the image signal after the second preliminary charging in the same area, and the defect type determination unit 28 determines the defect type. judge. For example, when the difference signal between the two image signals is acquired and the brightness of the defective part does not change with reference to a certain threshold level, the defect due to the shape, the brightness of the defective part changes Is determined as a defect caused by a potential difference, and the determination information is stored in the storage unit 29.

あるいは、第二の予備帯電後に再び、パターンの比較検査を行っても良い。この場合、第一の予備帯電後に抽出された欠陥と第一の予備帯電後に抽出された欠陥のなかで、両方の条件で抽出された欠陥のみを抽出しても良いし、どちらかの条件で抽出された欠陥を含めて抽出しても良い。欠陥抽出後は、欠陥と判定されたパターン領域における、第一の予備帯電を行なった後の画像信号と第二の予備帯電を行なった後の画像信号を比較して、欠陥種判定部28は欠陥種を判定する。例えば、欠陥種判定部28で両画像信号間での差信号を取得して、ある一定レベルの閾値を基準として欠陥部の明るさが変化しない場合には、形状に起因する欠陥、欠陥部の明るさが変化する場合には、電位差に起因した欠陥と判定して、判定情報を記憶部29に格納する。   Alternatively, the pattern comparison inspection may be performed again after the second preliminary charging. In this case, only the defect extracted under both conditions may be extracted from the defect extracted after the first preliminary charging and the defect extracted after the first preliminary charging. You may extract including the extracted defect. After the defect extraction, the defect type determination unit 28 compares the image signal after the first preliminary charging and the image signal after the second preliminary charging in the pattern area determined to be a defect. Determine the defect type. For example, when the defect type determination unit 28 obtains a difference signal between the two image signals and the brightness of the defect portion does not change with reference to a certain level threshold, the defect due to the shape, the defect portion When the brightness changes, it is determined that the defect is caused by the potential difference, and the determination information is stored in the storage unit 29.

予備帯電装置40による第一と第二の予備帯電の間隔は、ウェハ全面ごとに行うか、ウェハ上のステージ移動方向の1ライン分ごとに行う。予備帯電制御装置40は検査する前に検査領域を照射できるような位置に配置されている。例えば、X軸方向に予備帯電制御装置と照射系光軸は一列に並んでいる。ここで、X軸方向に照射系光軸をはさんで予備帯電制御装置40を2つ配置することによって、画像取得直後に第二の予備帯電を行うことができるし、X軸方向の終端部から折り返して、X軸反対方向に移動しながら検査する場合にも、画像取得直前の予備帯電が可能となる。   The interval between the first and second preliminary charges by the preliminary charging device 40 is performed for the entire wafer surface or for each line of the stage movement direction on the wafer. The preliminary charging control device 40 is arranged at a position where the inspection area can be irradiated before the inspection. For example, the preliminary charging control device and the irradiation system optical axis are aligned in the X-axis direction. Here, by arranging two preliminary charging control devices 40 across the irradiation system optical axis in the X-axis direction, the second preliminary charging can be performed immediately after the image acquisition, and the end portion in the X-axis direction. Even when the inspection is performed while turning back and moving in the direction opposite to the X axis, preliminary charging immediately before the image acquisition is possible.

上記に示すように、二つの帯電状態の画像を比較することで、形状欠陥や電位欠陥を区別して検査することが可能となる。   As described above, it is possible to distinguish and inspect shape defects and potential defects by comparing two charged images.

(実施例3)
図3は、本発明の第3の実施例の構成を示し、照射初期の画像と照射後期の画像を比較することで、形状欠陥と電位欠陥を識別する。
(Example 3)
FIG. 3 shows a configuration of a third embodiment of the present invention, and a shape defect and a potential defect are identified by comparing an image in the early stage of irradiation with an image in the latter stage of irradiation.

実施例では、試料表面画像を電気信号に変換するCCD素子17として、時間蓄積型のCCDセンサ(TDI)を用いた。CCDセンサの信号読み出しを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 embodiment, a time accumulation type CCD sensor (TDI) is used as the CCD element 17 for converting the sample surface image into an electrical signal. The signal reading of the CCD sensor was divided into 128 channels and read out in parallel, so that the reading speed was 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 area is performed by moving the stage 8.

モニタ上25の操作画面には、TDIで加算するライン数が表示されており、通常モードでは最大64ライン加算まで選べる構成となっている。欠陥種判定モードを選択すると、64ラインのうち、照射初期取り込み画像のライン範囲の選択、照射後期の取り込み画像のライン範囲の選択画面が表示される。ライン範囲の入力情報はユーザーが入力インターフェイス26を通じて入力する。例えば、64ラインのうち、照射初期は前半32ライン、照射後期は後半32ラインとして選択できる。   On the operation screen on the monitor 25, the number of lines to be added by TDI is displayed. In the normal mode, a maximum of 64 lines can be selected. When the defect type determination mode is selected, a screen for selecting the line range of the initial captured image of the irradiation among 64 lines and the screen for selecting the line range of the captured image in the later stage of irradiation are displayed. The user inputs the line range input information through the input interface 26. For example, among the 64 lines, the first half of irradiation can be selected as the first half 32 lines, and the second half of the irradiation can be selected as the second half 32 lines.

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、64ライン分の積算画像を記憶部18内に記憶させると同時に、前半32ライン分を記憶部61に、後半32ライン分を記憶部62に格納する。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、64ライン分の積算画像を記憶部19内に記憶させると同時に、前半32ライン分を記憶部63に、後半32ライン分を記憶部64に格納する。記憶部19内に記憶させた画像は、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、64ライン分の積算画像を記憶部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. The accumulated images for 64 lines are stored in the storage unit 18, and at the same time, the first 32 lines are stored in the storage unit 61 and the latter 32 lines are stored in the storage unit 62. Next, an image signal for the region to be inspected corresponding to the above in the adjacent chip B is captured, and an integrated image for 64 lines is stored in the storage unit 19, and at the same time, the first 32 lines are stored in the storage unit 63. , The latter 32 lines are stored in the storage unit 64. The image stored in the storage unit 19 is simultaneously 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 the accumulated image for 64 lines is overwritten and stored in the storage unit 18, and at the same time, the image in the chip B in the storage unit 19 is simultaneously stored. The stored image signal for the inspection area is compared. Such an operation is repeated, and comparison is performed while sequentially storing image signals for corresponding inspection regions in all inspection chips.

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が画像記憶部23に記憶される。欠陥と判定されたパターン領域の画像信号については、前半32ライン分および後半32ライン分の画像が記憶部61と記憶部62か、記憶部63と記憶部64に格納されている。   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 defect determination conditions that have already been obtained and stored to determine the defect, and the image signal of the pattern area determined to be a defect is stored in the image storage unit 23. For the image signal of the pattern area determined to be defective, images for the first half 32 lines and the second half 32 lines are stored in the storage unit 61 and storage unit 62 or in the storage unit 63 and storage unit 64.

欠陥判定部21は、欠陥と判定されたパターン領域の前半部分の画像と後半部分の画像を比較する。例えば、両画像信号間での差信号を取得して、ある一定レベルの閾値を基準として欠陥部の明るさが変化しない場合には、形状に起因する欠陥、欠陥部の明るさが変化する場合には、電位差に起因した欠陥と判定して、判定情報を記憶部29に格納する。   The defect determination unit 21 compares the first half image and the second half image of the pattern area determined to be defective. For example, when the difference signal between the two image signals is acquired and the brightness of the defective part does not change with reference to a certain threshold level, the defect due to the shape, the brightness of the defective part changes Is determined as a defect caused by a potential difference, and the determination information is stored in the storage unit 29.

このように、照射初期の画像と照射後期の画像を比較することで、ステージ移動なしで帯電状態の異なる画像を取得できるので、形状欠陥や電位欠陥を高スループットで区別して検査することが可能となる。   In this way, by comparing the image at the initial stage of irradiation with the image at the latter stage of irradiation, it is possible to acquire images with different charged states without moving the stage, so that shape defects and potential defects can be distinguished and inspected with high throughput. Become.

以上詳述したように、本発明によれば、形状に起因するコントラストと電位状態に起因するコントラストとを区別して観察あるいは検査することが可能となる欠陥検査技術を提供できる。半導体デバイス等を製造する一連の工程において、試料の欠陥検査に適用して効果大である。   As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide a defect inspection technique that enables observation or inspection by distinguishing between the contrast caused by the shape and the contrast caused by the potential state. In a series of processes for manufacturing a semiconductor device or the like, it is effective when applied to a defect inspection of a sample.

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. 本発明の第2の実施例の構成を説明する図。The figure explaining the structure of the 2nd Example of this invention. 本発明の第3の実施例の構成を説明する図。The figure explaining the structure of the 3rd Example of this invention. 凸面形状と負電位状態のパターンがある場合の等電位面歪と画像とを示す図。The figure which shows equipotential surface distortion and an image in case there exists a pattern of a convex surface shape and a negative electric potential state. 凸面形状と正電位状態のパターンがある場合の等電位面歪と画像とを示す図。The figure which shows equipotential surface distortion and an image in case there exists a pattern of a convex surface shape and a positive potential state. 凹面形状と負電位状態のパターンがある場合の等電位面歪と画像とを示す図。The figure which shows the equipotential surface distortion and image in case there exists a concave surface shape and the pattern of a negative electric potential state. 凹面形状と正電位状態のパターンがある場合の等電位面歪と画像とを示す図。The figure which shows the equipotential surface distortion and image in case there exists a concave surface shape and the pattern of a positive potential state. 凸面形状と−0.5Vの負電位状態のパターンがある場合の等電位面歪と画像とを示す図。The figure which shows an equipotential surface distortion and image in case there exists a pattern of a convex surface shape and a negative potential state of -0.5V. 凸面形状と−2.0Vの負電位状態のパターンがある場合の等電位面歪と画像とを示す図。The figure which shows the equipotential surface distortion and image in case there exists a pattern of a convex surface shape and a negative potential state of -2.0V. 凸面形状と負電位状態のパターンがある場合の照射初期の等電位面歪と画像とを示す図。The figure which shows the equipotential surface distortion and image of an irradiation initial stage in case there exists a pattern of a convex surface shape and a negative electric potential state. 凸面形状と負電位状態のパターンがある場合の照射後期の等電位面歪と画像とを示す図。The figure which shows the equipotential surface distortion and image of the latter stage of irradiation in case there exists a pattern of a convex surface shape and a negative electric potential state. 8極型E×B偏向器のx方向偏向の電圧配分を説明する図。The figure explaining the voltage distribution of the x direction deflection | deviation of an 8-pole type ExB deflector. 8極型E×B偏向器のx方向偏向の電流配分を説明する図。The figure explaining the electric current distribution of the x direction deflection | deviation of an 8 pole type ExB deflector. 8極型E×B偏向器の断面図。Sectional drawing of an 8-pole type ExB deflector. 本発明における予備帯電装置の構成を説明する図。The figure explaining the structure of the preliminary charging device in this invention. ショットキー電子源のエネルギー分布とエネルギー準位の関係を説明する図。The figure explaining the relationship between the energy distribution of a Schottky electron source, and an energy level.

符号の説明Explanation of symbols

1…電子源、2…電子銃レンズ、3…コンデンサレンズ、4…E×B偏向器、5…対物レンズ、6…円孔電極、7…試料、8…ステージ、9…エネルギーフィルタ、10…E×B偏向器、11…制限絞り、12…第二コンデンサレンズ、13…中間レンズ、14…投影レンズ、15…シンチレータ、16…光ファイバー束、17…CCDカメラ、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…記憶部、24…制御部、25…モニタ、26…入力インターフェイス、27…ステージ位置測定器、28…高さ測定器、30…ステージ制御系、31…電子源印加電源、32…電子銃レンズ印加電源、33…コンデンサレンズ電源、34…E×B偏向器用電源、35…対物レンズ電源、36…円孔電極印加電源、37…試料印加電源、38…ステージ位置測定器、39…高さ測定器、40…予備帯電制御装置、41…電子源、42…引出グリッド、43…電子ビーム、44…制御グリッド、45…二次電子、46…絶縁膜、47…基板、48…引出グリッド電源、49…加速電源、50…制御グリッド電源、51…電磁極、52…ボビン、53…コイル、54…シールド、101…電子光学系、102…試料室、103…画像処理部、301…照射電子線、302…反射電子線、303…対物レンズ焦点面。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electron source, 2 ... Electron gun lens, 3 ... Condenser lens, 4 ... ExB deflector, 5 ... Objective lens, 6 ... Circular electrode, 7 ... Sample, 8 ... Stage, 9 ... Energy filter, 10 ... E × B deflector, 11 ... Restriction aperture, 12 ... Second condenser lens, 13 ... Intermediate lens, 14 ... Projection lens, 15 ... Scintillator, 16 ... Optical fiber bundle, 17 ... CCD camera, 18 ... Image storage unit, 19 ... Image storage unit, 20 ... calculation unit, 21 ... defect determination unit, 22 ... monitor, 23 ... storage unit, 24 ... control unit, 25 ... monitor, 26 ... input interface, 27 ... stage position measuring device, 28 ... height measurement 30 ... Stage control system, 31 ... Electron source application power supply, 32 ... Electron gun lens application power supply, 33 ... Condenser lens power supply, 34 ... ExB deflector power supply, 35 ... Objective lens power supply, 36 ... Round hole electrode Power source, 37 ... Sample application power source, 38 ... Stage position measuring device, 39 ... Height measuring device, 40 ... Preliminary charging control device, 41 ... Electron source, 42 ... Drawer grid, 43 ... Electron beam, 44 ... Control grid, 45 ... Secondary electrons, 46 ... Insulating film, 47 ... Substrate, 48 ... Extraction grid power supply, 49 ... Acceleration power supply, 50 ... Control grid power supply, 51 ... Electromagnetic pole, 52 ... Bobbin, 53 ... Coil, 54 ... Shield, 101 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Electron optical system, 102 ... Sample chamber, 103 ... Image processing part, 301 ... Irradiation electron beam, 302 ... Reflection electron beam, 303 ... Objective lens focal plane.

Claims (14)

第1の電子源から出射した第1の電子線を二次元的な広がりを有する面状の照射電子線として試料に照射する照射光学系と、前記試料に衝突しないで反射するミラー電子線を投影拡大して結像させる結像光学系と、前記結像したミラー電子像を光学像に変換し、画像処理を行う手段と、前記照射電子線と前記ミラー電子線とを分離するビームセパレータとを備えた反射結像型電子顕微鏡において、前記試料面を第2の電子線の照射により帯電させ、前記試料面の帯電を制御する予備帯電制御装置を有し、前記予備帯電制御装置は、前記結像光学系の光軸をはさんで2個配置されていることを特徴とする反射結像型電子顕微鏡。   An irradiation optical system that irradiates the sample with a first electron beam emitted from the first electron source as a planar irradiation electron beam having a two-dimensional extension, and a mirror electron beam that is reflected without colliding with the sample is projected An imaging optical system that forms an enlarged image, means for converting the imaged mirror electron image into an optical image and performing image processing, and a beam separator that separates the irradiation electron beam and the mirror electron beam The reflection imaging electron microscope includes a preliminary charging control device that charges the sample surface by irradiation with a second electron beam and controls charging of the sample surface, and the preliminary charging control device includes: 2. A reflection imaging electron microscope characterized in that two image optical systems are arranged across the optical axis. 前記予備帯電制御装置は、面状の第2の電子線を放出する第2の電子源を有し、制御グリッドに印加する電圧を制御することにより、前記試料面の電位を制御することを特徴とする請求項1に記載の反射結像型電子顕微鏡。   The preliminary charging control device has a second electron source that emits a planar second electron beam, and controls the potential applied to the control grid to control the potential of the sample surface. The reflection imaging electron microscope according to claim 1. 前記ビームセパレータは、電界と磁界を直交かつ重畳させたE×B偏向器で構成され、前記照射電子線に対する偏向角をほぼ一定に保ちながら、前記ミラー電子線に対して、電界と磁界による偏向作用が打ち消し合うウイーン条件となるように前記偏向器に供給する電圧および電流を制御してなることを特徴とする請求項1又は2に記載の反射結像型電子顕微鏡。   The beam separator is composed of an E × B deflector in which an electric field and a magnetic field are orthogonal and superimposed, and the electric field and the magnetic field are deflected with respect to the mirror electron beam while the deflection angle with respect to the irradiation electron beam is kept substantially constant. 3. The reflection imaging electron microscope according to claim 1, wherein a voltage and a current supplied to the deflector are controlled so that a Wien condition in which the action cancels out is achieved. 第1の電子源から出射した第1の電子線を二次元的な広がりを有する面状の照射電子線として試料に照射する照射光学系と、前記試料に衝突しないで反射するミラー電子線を投影拡大して結像させる結像光学系と、前記結像した前記ミラー電子線を画像化し、画像処理を行う手段と、前記照射電子線と前記ミラー電子線とを分離するビームセパレータとを備えた反射結像型電子顕微鏡にあって、前記試料面を第2の電子線の照射により帯電させ、前記試料面の帯電を制御する予備帯電制御装置と、前記試料の対象とする欠陥の種類に応じて前記試料の電位を制御するよう構成して、取得した前記ミラー電子画像から、前記試料の形状欠陥に起因するコントラストと電位欠陥に起因するコントラストとを分離する手段とを有することを特徴とする欠陥検査装置。   An irradiation optical system that irradiates the sample with a first electron beam emitted from the first electron source as a planar irradiation electron beam having a two-dimensional extension, and a mirror electron beam that is reflected without colliding with the sample is projected An imaging optical system for forming an image by enlarging, means for imaging the imaged mirror electron beam and performing image processing, and a beam separator for separating the irradiation electron beam and the mirror electron beam In a reflection imaging electron microscope, the sample surface is charged by irradiation with a second electron beam, and a pre-charging control device that controls charging of the sample surface, and according to the type of defect targeted by the sample And a means for separating the contrast caused by the shape defect of the sample and the contrast caused by the potential defect from the acquired mirror electron image. Defect inspection apparatus. 前記試料の欠陥の種類および前記試料中の予め帯電させる絶縁物の電位に応じて、前記結像光学系の投影結像条件を設定するよう構成したことを特徴とする請求項4に記載の欠陥検査装置。   5. The defect according to claim 4, wherein a projection imaging condition of the imaging optical system is set according to a type of defect of the sample and a potential of an insulator to be charged in advance in the sample. Inspection device. 前記試料の欠陥の種類に応じて前記試料中の絶縁物の電位を制御して、帯電状態の異なる複数のミラー電子画像を検出し、該複数のミラー電子画像を比較する手段を有し、前記該複数のミラー電子画像を比較することにより、前記試料の形状欠陥と電位欠陥とを識別するよう構成したことを特徴とする請求項4に記載の欠陥検査装置。   Means for controlling a potential of an insulator in the sample according to the type of defect of the sample, detecting a plurality of mirror electron images having different charged states, and comparing the plurality of mirror electron images; The defect inspection apparatus according to claim 4, wherein the defect inspection apparatus is configured to identify a shape defect and a potential defect of the sample by comparing the plurality of mirror electronic images. 前記試料を形成するパターン部を、該パターン部以外に対して相対的に正電位になるように、前記絶縁物の電位を予め設定し、前記投影結像条件をアンダーフォーカス条件に設定して、前記パターン上の欠陥を検査することを特徴とする請求項5に記載の欠陥検査装置。   The potential of the insulator is set in advance so that the pattern part forming the sample is relatively positive with respect to other than the pattern part, and the projection imaging condition is set to an underfocus condition, The defect inspection apparatus according to claim 5, wherein a defect on the pattern is inspected. 前記試料を形成するパターン部を、該パターン部以外に対して相対的に負電位になるように、前記絶縁物の電位を予め設定し、前記投影結像条件をアンダーフォーカス条件もしくはオーバーフォーカス条件に設定して、前記パターン上の欠陥を検査することを特徴とする請求項5に記載の欠陥検査装置。   The potential of the insulator is set in advance so that the pattern portion forming the sample has a relatively negative potential with respect to other than the pattern portion, and the projection imaging condition is set to an underfocus condition or an overfocus condition. The defect inspection apparatus according to claim 5, wherein the defect inspection apparatus sets and inspects a defect on the pattern. 帯電条件の異なる2つのミラー電子画像を取得して、両画像信号間の差信号をもとに、前記試料の形状欠陥と電位欠陥とを識別するよう構成したことを特徴とする請求項4に記載の欠陥検査装置。   5. The apparatus according to claim 4, wherein two mirror electronic images having different charging conditions are acquired and a shape defect and a potential defect of the sample are identified based on a difference signal between the two image signals. Defect inspection apparatus as described. 前記比較手段は、前記第2の電子線の初期照射によって検出されるミラー電子画像と、照射後期のミラー電子画像とを比較することにより、前記比較をもとに前記試料の形状欠陥と電位欠陥とを識別することを特徴とする請求項6に記載の欠陥検査装置。   The comparison means compares the mirror electron image detected by the initial irradiation of the second electron beam with the mirror electron image of the latter irradiation stage, and based on the comparison, the shape defect and the potential defect of the sample The defect inspection apparatus according to claim 6, wherein: 前記予備帯電制御装置は、面状の第2の電子線を放出する第2の電子源を有し、制御グリッドに印加する電圧を制御することにより、前記試料面の電位を制御することを特徴とする請求項4乃至10のいずれか一項に記載の欠陥検査装置。   The preliminary charging control device has a second electron source that emits a planar second electron beam, and controls the potential applied to the control grid to control the potential of the sample surface. The defect inspection apparatus according to any one of claims 4 to 10. 前記予備帯電制御装置は、前記結像光学系の光軸をはさんで2個配置されていることを特徴とする請求項4乃至11のいずれか一項に記載の欠陥検査装置。   The defect inspection apparatus according to any one of claims 4 to 11, wherein two preliminary charging control devices are arranged across the optical axis of the imaging optical system. 前記ビームセパレータは、電界と磁界を直交かつ重畳させたE×B偏向器で構成され、前記照射電子線に対する偏向角をほぼ一定に保ちながら、前記ミラー電子線に対して、電界と磁界による偏向作用が打ち消し合うウイーン条件となるように前記偏向器に供給する電圧および電流を制御してなることを特徴とする請求項4乃至12のいずれか一項に記載の欠陥検査装置。   The beam separator is composed of an E × B deflector in which an electric field and a magnetic field are orthogonal and superimposed, and the electric field and the magnetic field are deflected with respect to the mirror electron beam while the deflection angle with respect to the irradiation electron beam is kept substantially constant. The defect inspection apparatus according to any one of claims 4 to 12, wherein a voltage and a current supplied to the deflector are controlled so as to satisfy a Wien condition in which the actions cancel each other. 前記結像光学系の投影結像条件の異なる複数のミラー電子画像を取得し、該複数のミラー電子画像をもとに、前記試料の欠陥検査を行うことを特徴とする請求項5に記載の欠陥検査装置。
6. The defect inspection of the sample according to claim 5, wherein a plurality of mirror electronic images having different projection imaging conditions of the imaging optical system are acquired, and defect inspection of the sample is performed based on the plurality of mirror electronic images. Defect inspection equipment.
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