JP2014225476A - 検出装置及び検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】欠陥検査の詳細評価を効率化する。【解決手段】試料表面からの電子ビーム（ｅ）が電子偏向器４１により偏向され、該偏向された電子ビームは、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３及びカメラ４４を備えたＣＣＤ検出装置１１に入射される。試料表面に法線方向に進行する電子ビームは、試料表面の法線方向に位置するＴＤＩ検出器１２により検出される。ＴＤＩ検出装置１２は、ＭＣＰ１４、蛍光板１５、ＦＯＰ１６、ＴＤＩセンサ１７からなる。電子偏向器によって電子ビームの進行方向を切り換えることにより、２つの検出装置１１及び１２を切り換えて動作させることができるので、１つの検査装置で２つの欠陥装置それぞれに適する検査を効率的に行うことができる。【選択図】図７

Description

本発明は、電子ビームまたは光信号を取得する検出装置に関する。特に、本発明は、２つ以上の検出装置を一つの鏡筒内に配置し、電子または光の信号量やＳ／Ｎによって検出器を選択して用いることにより、試料表面の画像検出や測定を行うができる検査装置に関する。

この検査装置を用いて、試料表面の構造評価、拡大観察、材質評価、電気的導通状態等の検査を効率的に行うことができる。したがって、本発明は、このような検査装置を用いて、最小線幅0.1５μｍ以下の高密度パターンの欠陥を高精度、高信頼性且つ高スループ
ットで検査を行う方法、及び、デバイス製造プロセス途中のパターン検査を行うデバイス製造方法に関するものである。

従来の検査装置においては、電子又は光を検出する場合、電子を検出する電子センサを備える検出装置と光を検出する光センサを備える検出装置とを取り替えて使用している。特に、同一の対象物から送出された電子又は光を取得して電子や光の量や変化量を検出し、或いは画像を取得する場合には、上記のように、検出装置を取り替えて使用する。例えば、ＣＣＤ（charge coupled device）検出装置により検出された条件に基づいて電子又
は光の入射条件を調整してから、ＣＣＤ検出装置をＴＤＩ（time delay integration）検出装置に取り替えて対象物の高速検査、測定等を行う。

従来の検査装置の例を図２８と図２９に示す。図２８の（Ａ）はＣＣＤ検出装置３００を示す。ＣＣＤ検出装置３００のＣＣＤセンサ３０１及びカメラ３０２は大気中に設置される。試料（図示せず）から放出された二次電子は、ＭＣＰ（マイクロ・チャンネル・プレート）３０３によって増幅されてから蛍光板３０４に入射し、試料の像を表す光信号に変換される。蛍光板３０４から出力された光信号は、真空容器ＭＣに形成されたフィード・スルー３０５を介して大気側の光学レンズ３０６によって収束されてＣＣＤセンサ３０１に結像され、カメラ３０２に試料の像を形成する。

一方、図２８の（Ｂ）はＴＤＩ検出装置３１０を示しており、ＴＤＩセンサ３１１は真空容器ＭＣ内に設置されている。その前段にＦＯＰ（fiber optic plate）３１２等の光
伝達手段を介して蛍光板３１３が設置されており、試料からの二次電子はＭＣＰ３１４を介して蛍光板３１３に入り、そこで光信号に変換されてＴＤＩセンサ３１１に伝達される。ＴＤＩセンサ３１１から出力された電気信号はフィードスルー部３１５に設けられたピン３１６を介してカメラ３１７に伝達される。

したがって、図２８の場合、ＣＣＤ検出装置３００からＴＤＩ検出器３１０への交換は、フランジ及びそれに設置されている必要部品一式のユニットを交換する。つまり、大気開放を行い、ＣＣＤ検出装置３００のフランジと蛍光板３０４、光学レンズ３０６、ＣＣＤセンサ３０１を取外し、次いで、ＴＤＩ検出器３１０のフィードスルー・フランジ３１５、蛍光板３１３、ＦＯＰ３１２、ＴＤＩセンサ３１１及びカメラ３１７のユニットを取り付ける。ＴＤＩ検出装置３１０をＣＣＤ検出装置３００と交換する場合は、上記の手順と反対の手順で作業が行われる。なお、観察する試料から発せられた光または電子を光学系によって拡大し、拡大された電子や光を増幅した後、増幅された信号を検出装置にて観察することもある。

一方、図２９の（Ａ）及び（Ｂ）においては、真空容器ＭＣ内にＭＣＰ３０３、３１４
と蛍光板３０４、３１３が配置される。したがって、図２９に示す構成においては、ＣＣＤ検出装置３００とＴＤＩ検出装置３１０とのを交換する場合には、大気中に設置された要素、すなわち、光学レンズ３０６、ＣＣＤセンサ３０１及びカメラ３０２を含むセットと、ＴＤＩセンサ３１１、カメラ３１７及び光学レンズ３１８を含むセットとを交換することになる。

こうして検出装置によって取得された検出結果を用いて試料の画像データを作成し、ダイ毎のデータと比較することによって試料の欠陥を検査する装置は公知である（特許文献１、２参照）。
特開平５−２５８７０３号公報 特開平６−１８８２９４号公報

上記の如き従来の方式を用いると、検出装置の交換に伴う組立、真空廃棄、調整等に多大の時間を必要とするばかりでなく、検出装置の交換による電子又は光の軸中心調整作業が余儀なくされる。例えば、図２８に示すように、真空容器ＭＣ内で二次電子ビームを光信号に変換するＣＣＤ検出装置３００をＴＤＩ検出器３１０に取り替える場合を考えると、装置の停止、パージ、大気開放、検出装置の取り替え、真空排気、コンディショニング等耐圧調整、ビーム軸の調整等の作業を順に行うことになり、それに必要とされる時間は１回当たり５０〜１００時間となる。したがって、電子光学系の調整や条件作業を１年に例えば１０回行うとすると、その度に上記の作業が生じるので、それに要する時間は５００〜１０００時間にも及ぶことになる。

図２８についての上記の問題を解決する方式として、図２９に示す構成が従来から用いられている。これは、図２９に示すように、真空容器ＭＣ内にＭＣＰ３０３、３１４と蛍光板３０４、３１３を設置してあるので、大気中にて、ＣＣＤセンサ３０１とカメラ３０２のユニットをＴＤＩセンサ３１１とカメラ３１７のユニットに容易に交換できるからである。しかし、広い視野を取れないうえ、ハーメチックの光学ガラスからなるフィードスルー３０５によるＭＴＦの劣化という問題がある。この結果、通常は、蛍光板の位置で１×１〜１０×１０ｍｍ程度の視野となり、これより広い視野を得るには、光学ガラスの平坦度不良や不均一性によるＭＴＦの劣化及び焦点変動を防止することが必要であり、また、光学レンズを視野の５〜6倍程度取ってＭＴＦ劣化と輝度劣化とを防がなければならな
い。これを達成する光学レンズ系は高精度で高価なレンズを必要とし、例えば１０〜１５倍のコストがかかる。さらに、光学系のサイズが５〜１５倍大きくなるので、装置の高さに制約がある場合には使用不可能となることがある。

上記の問題点を解決するため、本発明は、複数の検出装置を真空容器に設置し、該検出装置のうちの一つを用いて、電子又は光の信号を検出することを可能とする。取得する電子または光の信号の量やＳ／Ｎ比等に応じて、それに適した検出装置を選択し、選択された検出装置に信号を入射させて所要の検出動作を行う。

これにより、従来と比べ、検出装置を交換するのに要した時間を削減することができるだけでなく、必要な時に最適な検出装置を即時に使用して、ビーム条件調整、検査、測定等の作業を実施できるという利点がある。更に、光学レンズやレンズ系によるＭＴＦの劣化や像の歪がなく、画質劣化を最小限にして、検出装置へ信号を与えることが可能となる。なお、ＭＴＦとコントラストは解像度の指標として用いられる。

例えば、静止画像と光軸の調整をＣＣＤ検出装置で行い、その後、従来必要だった検出
装置の交換作業を行うことなく、ＴＤＩ検出装置にビームを入射させて画像取得を行うことで、高速で試料表面の検査、測定、観察を行うことができる。

従来は、種々の使用条件の調整時に検出装置の交換が行われるので、年平均１０回程度の交換作業が行われるのが普通である。つまり、交換作業に１０×１００＝１０００時間を毎年使っていたが、本発明によれば、こうした時間の損失を削減できる。また、真空容器を大気開放すると、パーティクルやダストが真空容器の内壁や真空容器内の部品に付着するリスクがあるが、本発明はこうしたリスクを除去することができる。また、大気開放による真空部品の表面酸化をも防止することができるので、部品の酸化による不安定動作による影響を無くし、電極や磁極等から発生する電圧や磁束を安定に使用することができる。特に、電子ビームが衝突するＮＡ開口等の小径のアパーチャでは、大気開放時に、大気中の水分や酸素がアパーチャに付着することによるコンタミの付着・生成が促進されると考えられるが、本発明により、こうした問題は解消される。

ウェーハ等の試料表面より発生した電子ビームを検出装置に導く電子光学系を調整する際には、センサに信号が集中する場合が多い。つまり、センサに、信号強度の高い区域と低い区域とが同時に存在する状態ができる。その結果、信号強度が高い区域でダメージが生じてしまうと、センサ感度が不均一になり、このような不均一な感度となったセンサで検査や測定を行うと、その不均一となった区域で取得された画像を表す信号は小さいので、測定結果に大きな変化が生じてしまい、擬似欠陥が発生する。例え、入射する電子等の強度が均一であっても、ダメージが発生した区域からの出力信号強度が変動するため、得られたセンサ出力は結果的に不均一となる。こうしたセンサ出力の不均一に起因して、測定ミスが発生することが考えられる。こうした問題は本発明により解消され得る。

本発明に係る検査装置において、試料に照射されるビームは、電子ビームであっても、ＵＶ光、ＤＵＶ光、レーザー光等の光であっても、電子ビームと光との組み合わせであってもよい。電子ビームとしては、反射電子、二次電子、後方散乱電子及びオージェ電子のうちのいずれを用いても、所要の画像を取得することができる。ＵＶ光、ＤＵＶ光、レーザー光等の光を用いる場合には、光電子により画像検出がなされる。また、こうした光が試料表面に照射された場合に発生する散乱光を用いて試料表面の欠陥検出を行うことも可能である。ＵＶ光、ＤＵＶ光、レーザー光等の光を試料表面に導入するために石英ファイバーや中空ファイバを用いると効率的である。

試料表面を照射するビームとして、電子ビームと光とを併用した場合、電子ビームのみを用いたときに表面の電位がチャージアップのために変化して均一な電子照射ができなくなるという問題を解消することができる。このため、表面の電位に関係なく照射できる光を用いることにより、画像取得に用いる試料表面からの電子を安定して且つ効率よく取得することができる。例えば、試料にＵＶ光を照射すると、光電子が発生するだけでなく、準安定状態に励起された電子も多く形成されるので、そこに電子ビームが照射されると自由電子が増加し、結果的に二次電子放出が効率よく行われることになる。

本発明に係る検査装置をプロセス途中のウェーハの欠陥検査に適用することにより、高スループットで且つ歩留まりよく半導体デバイスを製造することができる。

半導体検査系の全体構成を示す図である。 検査装置の一般的な構成を示す図である。 本発明に係る検査装置の第１の実施の形態を概略的に示す図である。 本発明に係る検査装置の第２の実施の形態を概略的に示す図である。 本発明に係る検査装置の第３の実施の形態を概略的に示す図である。 本発明に係る検査装置の第４の実施の形態を概略的に示す図である。 本発明に係る検査装置の第５の実施の形態を概略的に示す図である。 本発明に係る検査装置の第６の実施の形態を概略的に示す図である。 図８に示すＥＢ−ＴＤＩセンサの構成を概略的に示す図である。 図８に示すＥＢ−ＴＤＩセンサの動作を説明するための図である。 本発明に係る検査装置の第７の実施の形態を概略的に示す図である。 本発明に係る検査装置の第８の実施の形態を概略的に示す図である。 本発明に係る検査装置の第９の実施の形態を概略的に示す図である。 本発明に係る検査装置の第１０の実施の形態を概略的に示す図である。 本発明に係る検査装置の第１１の実施の形態を概略的に示す図である。 本発明に係る検査装置の第１２の実施の形態を概略的に示す図である。 本発明に係る検査装置に使用する移動機構の一つの例を示す図である。 本発明に係る検査装置に使用する移動機構の他の例を示す図である。 本発明に係る検査装置に使用する移動機構の別の例を示す図である。 本発明に係る検査装置の全体的な構成の第１の例を示す図である。 本発明に係る検査装置の全体的な構成の第２の例を示す図である。 本発明に係る検査装置の全体的な構成の第３の例を示す図である。 本発明に係る検査装置の全体的な構成の第４の例を示す図である。 （Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、本発明に係る検査装置で行われるステップ・アンド・リピートを説明する図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、本発明に係る検査装置で行われるステップ・アンド・リピートにおけるアライメント・マークを示す図である。 半導体デバイス製造方法を構成する工程を示すフロー図である。 図２６のウェーハ・プロセッシング工程を構成する工程を示すフロー図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、従来の検査装置を説明するための図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、従来の検査装置を説明するための図である。

まず、図１を用いて半導体検査系の全体構成を説明する。半導体検査系は検査装置、電源ラック、制御ラック、画像処理ユニット、成膜装置、エッチング装置等から構成される。ドライポンプ等の粗引きポンプはクリーンルームの外に置かれる。検査装置内部の主要部分は、電子ビーム真空容器、真空搬送系、ステージを収容している主ハウジング、除振台、ターボ分子ポンプ等から構成されている。

検査系を機能からみた場合、電子ビーム真空容器は主に電子光学系、検出系、光学顕微鏡等から構成される。電子光学系は電子銃、レンズ等、搬送系は真空搬送ロボット、大気搬送ロボット、カセットローダ、各種位置センサ等から構成されている。

成膜装置、エッチング装置、洗浄装置（図示していない）は検査装置近くに並べて設置しても、検査装置に組み込んでも良い。これらは、例えば試料の帯電抑制のために又は試料表面のクリーニングに使用される。スパッタ方式を用いると、一台で制膜及びエッチングの両方の機能を持たせることができる。

図示していないが、使用用途によってはその関連装置を検査装置近くに並べて設置するか、それらの関連装置を検査装置に組み込んで使用しても良い。或いは、それらの関連装置を検査装置に組み込んでもよい。例えば、化学的機械研磨装置（ＣＭＰ）と洗浄装置を検査装置に組み込んでも良く、或いは、ＣＶＤ（化学蒸着法）装置を検査装置に組み込んでもよく、この場合、設置面積や試料搬送のためのユニットの数を節約でき、搬送時間を短縮できるなどのメリットが得られる。同様に、メッキ装置等の成膜装置を検査装置に組
み込んでも良い。同様にリソグラフィ装置と組み合わせて使用することもできる。

図２は、検査装置における電子光学系の一般的な構成を試料及び検出系との位置関係とともに示す図である。電子光学系は真空容器の中に設けられ、一次電子ビームを放出して試料ＳＬに導き試料ＳＬを照射する一次電子光学系（以下、単に一次光学系という）ＰＲと、試料ＳＬから放出されて二次電子ビームを検出系ＤＴに導く二次電子光学系（以下、単に二次光学系という）ＳＥとを備える。一次光学系ＰＲは、電子ビームを検査対象である試料ＳＬの表面に照射する光学系で、電子ビームを放出する電子銃１と、電子銃１から放出された一次電子ビームを集束する静電レンズからなるレンズ系２と、ウイーンフィルタすなわちＥ×Ｂ分離器３と、対物レンズ系４とを備え、電子銃１から放出される一次電子ビームの光軸は、試料ＳＬを照射する電子ビームの照射光軸（試料の表面に垂直になっている）に関して斜めになっている。対物レンズ系４と試料ＳＬとの間には電極５が配置され、この電極５は一次電子ビームの照射光軸に関して軸対称の形状になっていて、電源６によって電圧制御される。

二次光学系ＳＥは、Ｅ×Ｂ分離器３により一次光学系から分離された二次電子を通す静電レンズから成るレンズ系７を備えている。このレンズ系７は二次電子像を拡大する拡大レンズとして機能する。検出系ＤＴは、レンズ系７の結像面に配置された検出ユニット８及び画像処理部９を備えている。

本発明は、上で説明したような検査装置における検出ユニットの改良に関するもので、以下、図を参照しながら本発明に係る検査装置の実施の形態について詳述する。なお、全図を通じて、同一の参照数字は同一又は同様の構成要素を指すものとする。

図３は、本発明に係る検査装置の第１の実施の形態を概略的に示す図で、電子センサを備える検出装置と光センサを備える検出装置とを一つの容器に配置した構成を有する。同図において、真空容器ＭＣの内部に、ＣＣＤ検出装置１１とＴＤＩ検出装置１２とが、ＣＣＤ検出装置１１のＥＢ−ＣＣＤ（electron bombardment charge coupled device）センサ１３の方が試料に近い側にあるよう設置される。図において、ＣＣＤ検出装置１１及びＴＤＩ検出装置１２の電子入射面は図面に対して垂直である。ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３は真空容器ＭＣの外部に設けられた移動機構Ｍによって図の左右方向に並進移動可能に支持されている。これによって、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３は電子ビームｅを受け取る位置と電子ビームｅをＴＤＩ検出装置１２に直接入射させる位置とに選択的に移動することができ、ＣＣＤ検出装置１１とＴＤＩ検出装置１２とを選択的に使用することが可能になる。なお、図示しないが、ＣＣＤ検出装置１１は、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３に接続されたカメラ、コントローラ、フレームグラバー・ボード、ＰＣ等を備え、ＥＢ-ＣＣＤセンサ１３の
出力の取込み、画像表示、ＣＣＤ検出装置１１の制御が行われる。

ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３は、二次元的に配列された複数の画素を備え、試料から放出された電子ビームｅを受け取って試料の二次元画像を表す信号を出力する。ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３は、電子ビームｅが直接入射すると、入射した電子ビームのエネルギーに対応したゲインを得る、つまり、電子増幅がなされてチャージの蓄積が達成されるセンサであり、このチャージが各画素毎に蓄積され、規定時間(例えば３３Ｈｚ)にて読み出されて１フレームの二次元像の電気信号として出力される。例えば、ＥＢ-ＣＣＤセンサ１３として
は、画素数６５０(水平方向)×４８５(垂直方向)、画素サイズ１４μｍ×１４μｍ、１フレーム取得周波数３３Ｈｚ、ゲイン１００〜１０００のものを用いる。このとき、ＥＢ―ＣＣＤセンサ１３のゲインは入射電子のエネルギーで決まり、例えば入射エネルギ４ｋｅＶの時にゲイン３００を得ることができる。ゲインはＥＢ―ＣＣＤセンサ１３の構造により調整可能である。

一方、ＴＤＩ検出装置１２は、試料から放出された電子ビームｅを増幅するＭＣＰ１４と、増幅された電子ビームを受け取って光に変換する蛍光板１５と、蛍光板１５から発せられた光を伝達するＦＯＰ１６と、ＦＯＰ１６からの光信号を受け取るＴＤＩセンサ１７とを備える。ＴＤＩセンサ１７の出力は、図２８の（Ｂ）に示すと同様に、ピン１８を介してカメラ１９に伝達される。なお、ＭＣＰ１４は電子増幅の必要があるときに設置されるものであって、省略されることもある。

ＭＣＰ１４、蛍光板１５、ＦＯＰ１６及びＴＤＩセンサ１７は１つのパッケージに形成され、ＴＤＩセンサ１７の出力ピンはワイヤーボンディングその他の接続手段で、フィードスルー部ＦＴのピン１８に接続される。ＴＤＩセンサ１７が高速で動作して画素数が大きい場合には、ピン１８が多量に必要となり、例えば１００〜１０００本になることがある。カメラ１９は画像取込みのための制御信号にしたがって画像信号の入出力を行う。なお、図示していないが、カメラ１９の他に、カメラ１９用の電源及びコントローラ、並びにカメラ１９からの画像信号を取込んで処理する画像処理システムが設けられている。該画像処理システムにより得られた画像データを加工することで画像評価値を算出することができ、例えば欠陥検査に用いる場合には、欠陥部位、欠陥種、欠陥サイズ等の抽出処理とそれらの画面表示とを行うことができる。

ＣＣＤ検出装置１１を使用する場合とＴＤＩ検出装置１２を使用する場合とを選択的に実現する機構として、真空容器ＭＣの外に移動機構Ｍが設置されてＥＢ-ＣＣＤセンサ１
３と機械的に連結される。ＣＣＤ検出装置１１を使用する場合、移動機構Ｍを作動させてＥＢ−ＣＣＤセンサ１３の中心を電子ビームｅの光軸位置に来るよう移動させる。この状態で電子ビームｅをＥＢ-ＣＣＤセンサ１３に入射させ、試料の二次元像を表す画像信号
を得ることができる。一方、ＴＤＩ検出装置１２を使用する場合には、ＥＢ-ＣＣＤセン
サ１３を移動機構Ｍによって電子光学系の光軸から離れた場所、例えば、電子像や電子軌道に影響のない距離(例えば５〜３００ｍｍ程度)離れた位置に移動させる。これによって試料からの電子ビームｅはＥＢ−ＣＣＤセンサ１３に邪魔されることなくＴＤＩ検出装置１２のＭＣＰ１４に入射する。なお、移動機構ＭをＥＢ−ＣＣＤセンサ１３と連結する部分にはチャージアップ防止用のシールドを設けることが好ましい（これについては後述する）。

図４は、本発明に係る検査装置の第２の実施の形態を概略的に示す図である。図３に示す移動機構Ｍは１軸方向（例えばＸ方向）に並進移動できるのみである。そこで、これに代えて、図４に示す第２の実施の形態は、移動機構Ｍを３軸(Ｘ、Ｙ及びＺ方向)に移動可能に構成し、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３の中心を電子光学系の光軸中心に対して微調整できるように構成したものである。なお、電子光学系の光軸の調整を行うために、ＥＢ―ＣＣＤセンサ１３の前段（試料側）に電子偏向機構を設け、電子ビームの位置を調整することも可能である。

図５の（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明に係る検査装置の第３の実施の形態を概略的に示す図で、（Ａ）は正面から見た図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は側面から見た図である。図示のように、この実施の形態における移動機構Ｍは１軸又は３軸方向の移動ではなく回転移動を利用する。なお、この実施の形態においては、電子増幅を必要としないので、ＴＤＩ検出装置１２はＭＣＰを設けていない。

図５の（Ａ）において、必要な回路や基板等を内蔵する平板状のＥＢ―ＣＣＤセンサ１３の一端に回転シャフト２１の一端が連結され、回転シャフト２１の他端は移動機構Ｍに連結される。図５の（Ｂ）及び（Ｃ）は、（Ａ）に示す構成を移動機構Ｍの方から見た図で、ＣＣＤ検出装置１１を使用する場合には、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３に電子ビームｅが入射するよう、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３のセンサ面が電子ビームｅに垂直になるよう移動
される。ＴＤＩ検出装置１２を使用する場合には、（Ｃ）に示すように、移動機構Ｍによって回転シャフト２１を回転させてＥＢ−ＣＣＤセンサ１３を電子光学系の光軸に平行になるよう移動させる。したがって、電子ビームｅは蛍光板１５に入射して光信号に変換され、該光信号がＦＯＰ１６を介してＴＤＩセンサ１７に入射する。

図５に示す回転を利用する移動機構は、図３及び図４で説明した１軸又は３軸方向の移動を利用する移動機構に比べ、サイズ及び重量を例えば１／２〜１／１０まで低減することができるという利点がある。

図６は、本発明に係る検査装置の第４の実施の形態を概略的に示す図で、第１及び第３の実施の形態における１つのＥＢ−ＣＣＤセンサに代えて、２つのＥＢ−ＴＤＩセンサを設け、これらのＥＢ−ＣＣＤセンサとＴＤＩ検出装置１２とのうちのいずれか一つを選択することができるようにしたものである。すなわち、移動機構Ｍは性能が異なる２つのＥＢ−ＣＣＤセンサ１３_１、１３_２と連結されている。例えば、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３_１は画素サイズが１４×１４μｍであり、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３_２の画素サイズは７×７μｍであり、これらのＥＢ−ＣＣＤセンサは画素サイズの大小によって異なる電子像分解能を有する。つまり、小さい方の画素サイズ(７μｍ)で得られた画像は、大きい方の画素サイズ(１４μｍ)に比べて２倍以上の分解能を達成して電子像を得ることが可能となる。なお、ＥＢ−ＣＣＤセンサは２つに限られるものではなく、必要に応じて、３つ以上のＥＢ−ＣＣＤセンサを設けてもよい。

ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３_１、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３_２及びＴＤＩ検出装置１２の３つの装置が同一の真空容器ＭＣ内に設置された検査装置の使用例は以下のとおりである。ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３_１の画素サイズを１４×1４μｍ、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３_２の画
素サイズを７×７μｍとすると、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３_１は電子ビームの光軸調整、画像調整、電子像取得条件の抽出等に用いられる。次いで、移動機構ＭにてＥＢ−ＣＣＤセンサ１３_１を光軸から離れる位置に移動させ、電子ビームが蛍光板１５に入射する様にする。蛍光板１５で電子から変換された光信号はＦＯＰ１６を介してＴＤＩセンサ１７に入射する。こうしてＴＤＩセンサ１７の出力を用いてカメラ１９は連続的に電子像を撮像する。これによって、例えば、ＬＳＩ用ウェーハの欠陥検査や露光用マスクの検査等を行うことができる。ＥＢ-ＣＣＤセンサ１３_１により抽出された電子光学系の設定条件を用い
て又はこれを参考にして、ＴＤＩ検出装置１２での撮像がカメラ１９において行われる。こうした撮像は欠陥検査と同時に(つまりオンラインで)又は撮像後に(つまりオフライン
で)行うことができる。

欠陥検査においては、欠陥の場所、種類及び大きさ等の情報を得ることができる。ＴＤＩ検出装置１２での撮像と欠陥検査の後に、移動機構Ｍを再作動させてＥＢ−ＣＣＤセンサ１３_２を光軸位置に移動させてＥＢ−ＣＣＤセンサ１３_２による撮像を行う。この場合、ＴＤＩ検出装置１２での撮像による欠陥検査の結果が既に取得されており、欠陥の場所がわかっているので、欠陥の詳細な評価を行うためにＥＢ−ＣＣＤセンサ１３_２にて撮像を行う。このとき、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３_２による小画素サイズ且つ高分解能の撮像に加え、画像取得電子数を増加させて、つまり、撮像時間を長くして電子像を取得することができる。撮像時間を長くして１画素当たりの取得電子数(電子数/画素)を増すと、微小
な欠陥を一層鮮明に高コントラスト(ＭＴＦが高い条件)で電子像を撮像してデータを取得することが可能となる。これは、電子数/画素が高くなると、輝度変動等によるノイズ成
分が低減されて、Ｓ／Ｎ比やＭＴＦが向上するためである。このように、画素サイズの小さいＥＢ-ＣＣＤセンサ１３_２を用いて、欠陥部の詳細な評価、例えば、欠陥種、サイズ
等の詳細な評価を行うことができる。欠陥種の詳細な評価ができると、どの工程で発生した欠陥であるか、同種の欠陥がどこに何個発生したか等の情報を工程プロセスにフィードバックをしてプロセスを改良することができる。

輝度変動は、入射電子数の変動、電子−光変換量の変動、センサのノイズ・レベルの変動、統計ノイズ等に起因する。また、ＭＣＰ等の電子増幅器がある場合には、電子増幅による電子数の変動も要因となる。これらの変動ノイズは、電子数を増加することによって低減することが可能であり、最良のノイズ変動レベルでは出力輝度値の平方根値程度に低減できる（例えば、７００階調値のとき、ノイズ変動値７００＾０．５）。各検出装置での電子数/画素の一例を示すと、ＥＢ-ＣＣＤセンサ１３_１では２０〜１００００個／画素、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３_２では２００〜２０００００個／画素、ＴＤＩ検出装置１２では１０〜１０００個／画素である。

図６に示すように複数の検出器を切り換えて使用する機能が実現されると、同一の検査装置によって検査と欠陥の詳細評価とが可能となる。従来は、検査後、専用の分析装置(
レビューＳＥＭ等)にウェーハを移動して欠陥種やサイズの詳細評価を実行していた。同
一の装置で詳細評価が可能となると、欠陥検査の詳細評価とプロセス改良の短縮化・効率化が可能となる。

なお、図３〜図５について説明したような、１つのＥＢ-ＣＣＤセンサ１３が設けられ
た場合においても、ＴＤＩ検出装置１２を用いた撮像による欠陥検査後に、欠陥の評価を行うことが可能であるが、この場合には、電子取得数/画素を大きくしてノイズの変動成
分を小さくし、欠陥の評価を行う。これによって欠陥種やサイズの評価が求まり、専用の欠陥分析装置を使用しなくともよくなり、使用するとしても欠陥分析装置を低減することができ、プロセス改良と工程管理の効率化が実現できる。

これまで説明した実施の形態においては、ＣＣＤ検出装置１１とＴＤＩ検出装置１２とを切り換える機構は機械的な移動を利用するものであった。これに対し、図７は、本発明に係る検査装置の第５の実施の形態を概略的に示す図で、切り換え機構として電子偏向器を利用するものである。この実施の形態も１つのＣＣＤ検出装置１１と１つのＴＤＩ検出装置１２を選択的に切り換えて使用するが、図示のとおり、ＣＣＤ検出装置１１は光軸（電子ビームｅの軌道）から外れて、光軸と所定の角度をなして設置され、また、電子ビームｅの軌道をＣＣＤ検出装置１１とＴＤＩ検出装置１２との間で切り換えるための偏向器４１が光軸上に設置される。偏向器４１の偏向角は例えば３〜３０°である。

この実施の形態においては、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３は配線４２及びフィードスルー・フランジ４３を介してカメラ４４と電気的に接続される。そこで、ＣＣＤ検出装置１１を使用する場合は、偏向器４１にて電子ビームｅの軌道を偏向して電子ビームｅをＥＢ-Ｃ
ＣＤセンサ１３に直角に入射させる。入射した電子ビームｅはＥＢ−ＣＣＤセンサ１３によって電気信号に変換され、配線４２を介してカメラ４４へ伝達される。一方、ＴＤＩ検出装置１２を使用する場合は偏向器４１を動作させない。そこで、電子ビームｅは蛍光板１５に、又はＭＣＰ１４を介して蛍光板１５に直接入射する。蛍光板１５に入射した電子ビームは光信号に変換され、ＦＯＰ１６を介してＴＤＩセンサ１７に伝達され、そこで電気信号に変換されてカメラ１９に伝達される。

図８は、本発明に係る検査装置の第６の実施の形態を概略的に示す図で、ＣＣＤ検出装置１１及びＴＤＩ検出装置１２は電子ビームを受け取る電子センサを備える。すなわち、ＣＣＤ検出装置１１はＥＢ−ＣＣＤセンサ１３を用い、ＴＤＩ検出装置１２も電子センサとしてＥＢ−ＴＤＩ（electron bombardment time delay integration）センサ５１を用
い、ＥＢ−ＴＤＩセンサ５１に直接に電子ビームｅを入射させる。この構成においては、ＣＣＤ検出装置１１は、電子ビームの光軸調整、画像撮像条件の調整と最適化を行うのに使用される。一方、ＴＤＩ検出装置１２のＥＢ−ＴＤＩセンサ５１を使用する場合には、既に説明したとおり、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３を移動機構Ｍによって光軸から離れた位置
に移動させてから、ＣＣＤ検出装置１１を使用するときに求めた条件を使用して又はそれを参考にしてＴＤＩ検出装置１２による撮像を行って、評価又は測定を行う。

上記のとおり、この実施の形態においては、ＣＣＤ検出装置１１を使用するときに求めた電子光学条件を用いて又はそれを参考にして、ＥＢ−ＴＤＩセンサ５１による半導体ウェーハの欠陥検査を行うことができる。ＴＤＩ検出装置１２による欠陥検査の後に、ＣＣＤ検出装置１１を使用して欠陥種や欠陥サイズ等の欠陥評価を行うことも可能である。

ＥＢ−ＴＤＩセンサ５１は電子ビームｅを直接受け取って電子像を形成するために使用することができるよう画素を二次元的に配列した例えば矩形形状をしており、画素サイズは５〜２０μｍで、画素数は水平方向に１０００〜８０００個、スキャン方向に１〜８０００個であり、ゲインは１０〜５０００であって、１ｋＨｚ〜１ＭＨｚのラインレートで使用可能である。ゲインは入射電子のエネルギにより決まる。例えば、入射する電子ビームのエネルギが４ｋｅｖのとき、ゲインを２００〜９００に設定でき、同一エネルギのときは、センサ構造により、ゲインは調整可能である。このように、電子像を取得する装置でＥＢ−ＴＤＩセンサを使用すると、連続で撮像することが可能となるばかりでなく、光を感知するＴＤＩセンサに比べ、高いＭＴＦ（又はコントラスト）を得ることができ、高い分解能を達成できるという利点がある。

実際には、この実施の形態においても、ＴＤＩ検出装置１２はパッケージの形に形成され、パッケージ自体がフィードスルーの役目を果たし、パッケージのピン１８は大気側にてカメラ１９に接続される。図８に示すように構成すると、これまで説明した第１〜第５の実施の形態と比較して、ＦＯＰ、ハーメチック用の光学ガラス、光学レンズ等による光変換損失、光伝達時の収差及び歪み、それによる画像分解能劣化、検出不良、高コスト、大型化等の欠点を解消することができる。

図９は、ＥＢ−ＴＤＩセンサ５１のセンサ面５１′における画素Ｐ１１〜Ｐｉｊを示す平面図である。同図において、矢印Ｔ１はセンサ面５１′の積算方向を示し、Ｔ２積算方向Ｔ１と垂直な方向、すなわち、ステージＳの連続移動方向を示す。センサ５１の画素Ｐ１１〜Ｐｉｊは、積算方向Ｔ１に５００段（積算段数ｉ＝５００）、ステージＳの連続移動方向Ｔ２に４０００個（ｊ＝４０００）配置される。

図１０はＥＢ−ＴＤＩセンサ５１と二次電子ビームとの位置関係を概略的に示す図である。図１０において、ウェーハＷから放出された二次電子ビームＥＢが或る時間だけウェーハＷの同一個所から放出されるとき、二次電子ビームＥＢは、ステージＳの連続移動に伴って、写像投影型光学系ＭＯ上の一連の場所ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、・・・、ｉに対してａからｉの順に順次入射する。写像投影型光学系ＭＯへ入射された二次電子ビームＥＢは写像投影型光学系ＭＯ上の一連の場所ａ′、ｂ′、ｃ′、ｄ′、ｅ′、・・・、ｉ′から順次放出される。このとき、ＥＢ−ＴＤＩセンサ５１の積算方向Ｔ１へのチャージ積算移動をステージＳの連続移動と同期させると、写像投影型光学系ＭＯの場所ａ′、ｂ′、ｃ′、ｄ′、ｅ′、・・・、ｉ′から放出される二次電子ビームＥＢはセンサ面５１′の同一個所へ順次入射され、積算段数ｉだけチャージを積算することが可能である。このようにして、センサ面５１′の各画素Ｐ１１〜Ｐｉｊはより多くの放射電子の信号を取得することができ、それにより、高いＳ／Ｎ比を実現し、且つ、二次元電子像を高速で得ることができる。写像投影型光学系ＭＯは例えば３００倍の倍率を有する。

図１１は、本発明に係る検査装置の第７の実施の形態を概略的に示す図で、図から理解されるように、図７の第５の実施の形態における、光センサを備えるＴＤＩ検出装置１２の代わりに、電子ビームを検出する電子センサを備えるＴＤＩ検出装置１２を用いるようにしたものである。

この実施の形態においても、ＣＣＤ検出装置１１のＥＢ−ＣＣＤセンサ１３は配線４２及びフィードスルー・フランジ４３を介してカメラ４４と電気的に接続され、ＣＣＤ検出装置１１を使用する場合は、偏向器４１にて電子ビームの軌道を偏向して電子ビームｅをＥＢ-ＣＣＤセンサ１３に直角に入射させる。入射した電子ビームはＥＢ−ＣＣＤセンサ
１３によって電気信号に変換され、配線４２を介してカメラ４４へ伝達される。一方、ＴＤＩ検出装置１２を使用する場合は、偏向器を動作させず、電子ビームｅをＥＢ−ＴＤＩセンサ５１に直接入射させて電気信号に変換し、カメラ１９に伝達する。

図１２は、本発明に係る検査装置の第８の実施の形態を概略的に示す図で、ＣＣＤ検出装置１１及びＴＤＩ検出装置１２は共に光を検出する光センサを備え、電子ビームの偏向を利用して切り換えを行うよう構成されている。すなわち、ＣＣＤ検出装置１１は、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３に代えて、光を検出するＣＣＤセンサを備えている。ＣＣＤ検出装置１１は電子ビームを増幅するＭＣＰ６１と、増幅された電子ビームを光に変換する蛍光板６２と、蛍光板６２から出てフィードスルー・フランジ４３の透光部を透過した光を収束する光学レンズ６３と、光学レンズ６３で収束された光を電気信号に変換するＣＣＤセンサ６４と、該電気信号を用いて撮像を行うカメラ４４とを備えている。

なお、この実施の形態においては、ＴＤＩ検出装置１２とＣＣＤ検出装置１１の２つの検出装置を一つの真空容器に設けているが、真空容器のサイズが許すならば、３つ以上の検出装置を設けてもよい。また、前述のとおり、ＭＣＰ１４、６１は電子増幅を必要としないときには省略してもよい。

電子ビームの軌道をＴＤＩ検出装置１２とＣＣＤ検出装置１１とに切り換えるために、この実施の形態は偏向器４１を設ける。そこで、ＣＣＤ検出装置１１を使用する場合には、電子ビームｅを偏向器４１にて５〜３０度程度偏向させて、ＭＣＰ６１を通して、又はＭＣＰ６１を介することなく蛍光板６２に電子を入射させる。ここで電子−光変換を行った後、光像情報は、フィールドスルー・フランジ４３に設置されている光学レンズ６３で収束されてＣＣＤセンサ６４に入射する。光学レンズ６３とＣＣＤセンサ６４は大気中に設置されている。なお、光学レンズ６３には、収差や焦点を調整するためのレンズ(図示
せず)が設けられる。

一方、ＴＤＩ検出装置１２を使用する場合は、偏向器４１を動作させず、電子ビームｅを直進させてＭＣＰ１４に、又はＭＣＰ１４を用いないときには蛍光板１５に入射させる。蛍光板１５により電子−光変換がなされ、該光情報がＦＯＰ１６を介してＴＤＩセンサ１７に伝達される。

図１２に示す第８の実施の形態では、ＣＣＤセンサ６４は大気側に設置され、ＴＤＩセンサ１７は真空中に設置されている。これに対し、図１３に概略的に示す、本発明に係る検査装置の第９の実施の形態においては、ＴＤＩセンサ１７とＣＣＤセンサ６４とが大気側に設置される。この実施の形態においては、ＣＣＤ検出装置１１の構成は図１２に示すものと同じであるので、ここでの説明は省略する。ＴＤＩ検出装置１２はＭＣＰ１４、蛍光板１５、光学レンズ７１、ＴＤＩセンサ１７及びカメラ１９を備えている。偏光器４１によって偏向されずに直進した電子ビームｅはＭＣＰ１４で増幅されて、又はＭＣＰ１４を用いないときには直接に蛍光板１５に入射して電子−光変換され、該光情報がハーメチック・フランジ７２に設置された光学レンズ７１によって収束されてＴＤＩセンサ１７に入射される。こうして、偏光器４１によって電子ビームｅの軌道を切り換えてＣＣＤ検出装置１１′とＴＤＩ検出装置１２とを選択的に使用することができる。

図１４は、本発明に係る検査装置の第１０の実施の形態を概略的に示す図で、ＣＣＤ検
出装置１１及びＴＤＩ検出装置１２は共に光を検出する光センサを備え、これらの光センサを一つの容器内に配置すると共に、検出装置の切り換えを並進移動又は回転移動によって行うよう構成したものである。すなわち、ＣＣＤ検出装置１１のＣＣＤセンサ６４とＴＤＩ検出装置１２のＴＤＩセンサ１７とは、一つの真空容器ＭＣ内に設置されている。この実施の形態においては、ＴＤＩ検出装置１２は図１２に示すものと同じであるから、ここでの重ねての説明は省略する。ＣＣＤ検出装置１１はＭＣＰ６１、蛍光板６２、ＦＯＰ８１及びＣＣＤセンサ６４を備えており、ＴＤＩ検出装置１２を使用するときにはＣＣＤ検出装置１１は移動機構Ｍによって電子ビームｅの光軸から離れるように（図においては右方向に）移動される。いずれの検出装置においても、その使用時には、電子ビームｅをＭＣＰ１４、６１で増幅して、又はＭＣＰ１４、６１を用いることなく直接に蛍光板１５、６２に入射させて電子−光変換を行い、該光情報をＦＯＰ１６、８１を介してセンサ１７、６４に伝達して電気信号に変換し、カメラで撮像する。

図１５は、本発明に係る検査装置の第１１の実施の形態を概略的に示す図で、切り換え機構として移動機構Ｍと偏向器４１とを併用することによって５つの検出装置のうちの一つを選択することができるようにしたものである。図１５において、移動機構Ｍによって矢印の方向に並進移動する筒状のシールド・ブロック９１に、第１の検出装置のＥＢ−ＣＣＤセンサ９２、第２の検出装置のＥＢ−ＣＣＤセンサ９３、第３の検出装置のＥＢ−ＣＣＤセンサ９４が取り付けられる。シールド・ブロック９１の適所には、電子ビームｅを通過させるシールド孔９５が設けられ、シールド孔９５を通過した電子ビームｅが直進する軌道上に第４の検出装置のＥＢ−ＴＤＩセンサ５１が設けられる。さらに、偏向器４１で軌道方向を偏向され且つシールド孔９５を通過した電子ビームを受ける位置に第５の検出装置であるＴＤＩ検出装置１２が設けられる。なお、シールド・ブロック９１として、例えば直径１〜１００ｍｍの筒状構造を用いることができ、その材質はチタン、燐青銅、アルミ等の金属である。

そこで、第１〜第３の検出装置のＥＢ−ＣＣＤセンサ９２〜９４のいずれかで撮像するときには、偏向器４１を作動させないままで移動機構Ｍによってシールド・ブロック９１を移動させ、いずれかのＥＢ−ＴＤＩセンサの中心を電子ビームｅの軌道位置まで移動させればよい。第４の検出装置のＥＢ−ＴＤＩセンサに電子ビームを入射させるときには、偏向器４１を作動させず且つ移動機構Ｍによってシールド・ブロック９１を移動させてシールド孔９５を電子ビームが通過できる位置まで移動させる。また、第５の検出装置であるＴＤＩ検出装置１２で撮像するときには、偏向器４１を作動させ且つ移動機構Ｍによってシールド・ブロック９１を移動させてシールド孔９５を電子ビームが通過できる位置まで移動させればよい。

この実施の形態において使用されるＥＢ−ＣＣＤセンサ９２〜９４、ＴＤＩセンサ１７及びＥＢ−ＴＤＩセンサ５１は、それぞれの使用目的に応じて、素子サイズ、駆動周波数及びセンサ・サイズ等の性能が異なっており、その一例を挙げると次のとおりである。

第１のＥＢ−ＣＣＤセンサ９２：
画素サイズ１４μｍ、フレーム・レート１００Ｈｚ、センサ・サイズ３５００×３５００μｍ
第２のＥＢ−ＣＣＤセンサ９３：
画素サイズ７μｍ、フレーム・レート３３Ｈｚ、センサ・サイズ３５００×３５００μｍ
第３のＥＢ−ＣＣＤセンサ９４：
画素サイズ３μｍ、フレーム・レート１０Ｈｚ、センサ・サイズ３０００×３０００μｍ
ＥＢ−ＴＤＩセンサ５１：
画素サイズ14μｍ、スキャン・レート１００〜１０００ｋＨｚ対応、センサ・サイズ５６×２８ｍｍ
ＴＤＩセンサ１７：
画素サイズ１４μｍ、スキャン・レート１〜１００ｋＨｚ対応、センサ・サイズ５６×２８ｍｍ。

上記のような複数のセンサの使用例を説明すると、ＥＢ−ＣＣＤセンサ９２は電子ビームの電子光学系の調整、つまり、レンズ条件、アライナ条件、倍率、スティグ条件の最適化に用いられる。画像処理によりレンズ電圧、アライナ電圧、スティグ電圧等が制御されるが、このような制御や画像処理は自動制御機能が組み込まれたパーソナル・コンピュータを用いて全自動化されている。フレーム・レートが高いＥＢ−ＣＣＤセンサ９２を用いて高速の画像取込を行い、自動条件調整を行う。

ＥＢ−ＣＣＤセンサ９３は、通常、良く用いられる３３Ｈｚのフレーム・レートで動作するが、これは人間の目により充分判断できる速度である。そこで、その画像を見ながら、調整の確認作業や試料の観察、例えば，欠陥検査後の欠陥像の観察・評価等を行う。観察中に、微細な欠陥が見つかり、更に高分解能で観察・評価・欠陥分類を行いたいときには、ＥＢ−ＣＣＤセンサ９４を用いる。ＥＢ−ＣＣＤセンサ９４は画素が小さく高分解能であるが、フレーム・レートが低いので撮像に時間が掛かる。したがって、観察すべき部位を選択して撮像することが必要である。

ＴＤＩ検出器１２とＥＢ−ＴＤＩセンサの使い分けは、スキャン・レート(ライン・レ
ート)が異なることで決まる。通常、ＴＤＩセンサのスキャン・レートは、それに対応す
る周波数が回路の周波数対応領域で限定される。また、低周波数と高周波数の両方を満足する駆動回路を設計することは困難である。そこで、高い周波数で高速に検査するためにＥＢ−ＴＤＩセンサ５１を使用し、低周波数の１〜１００ｋＨｚで欠陥検査を行うときにはＴＤＩ検出装置１２を用いる。しかし、高周波数と低周波数とにＴＤＩ検出装置１２とＥＢ−ＴＤＩセンサ５１とのどちらを用いても支障はない。ただし、電子ビームが直接にセンサに入力するので、センサ温度はＥＢ−ＴＤＩセンサ５１の方が高くなる。また、ＥＢ−ＴＤＩセンサ５１は熱的ノイズが比較的多くなるので、画像取得時間の小さい高周波数対応に適している。

なお、図１５に示す第１１の実施の形態においては、必要に応じて、任意の数の検出装置を一つの真空容器に設けることが可能である。例えば、シールド・ブロック９１には、その長さと必要性に応じて１個以上のＥＢ−ＣＣＤセンサを取り付けることが可能であり、また、ＥＢ−ＴＤＩセンサ５１を有する検出装置とＴＤＩ検出装置１２とのうちのいずれかを省略してもよい。

図１６は、本発明に係る検査装置の第１２の実施の形態を概略的に示す図である。これまで説明した実施の形態のうち、第８と第９の実施の形態を除く全部の実施の形態においては、一つの真空容器ＭＣ内に複数の検出装置又はセンサを設置するものであった。この第１２の実施の形態においては、一つの真空容器ＭＣに真空空間を２つ設け、それぞれの真空空間に検出装置を配置するようにしたものである。すなわち、真空容器ＭＣの一方の空間にＴＤＩ検出装置１２のＥＢ−ＴＤＩセンサ５１を設置し、真空容器ＭＣに連結された他の真空空間にＣＣＤ検出装置１１のＥＢ−ＣＣＤセンサが設置される。これを実現するため、図１６においては、真空容器ＭＣの適宜の個所から突出するようにポート１０１を設け、その一端をゲートバルブ１０２を介して、他の真空空間を提供する真空容器ＭＣ′の一端に接続する。真空容器ＭＣ′の他端はフィードスルー・フランジＦＦ′によって密封されている。他の真空空間を提供する真空容器ＭＣ′内にはＥＢ−ＣＣＤセンサ１３が設置され、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３はフィードスルー・フランジＦＦ′を通る配線４２
を介して、大気側のカメラ４４と接続される。

図１６においては、電子ビームを真空容器ＭＣ′に設置されているＥＢ−ＣＣＤセンサ１３に入射させるときは、偏向器４１によって電子ビームｅの進行方向を切り換えるとともにゲートバルブ１０２を開く。ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３からの出力信号は配線４２を介してカメラ４４に伝達される。

このように、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３を、ＥＢ−ＴＤＩセンサ５１が配置された真空空間とは別の真空空間に設けると、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３を交換するとき、ゲートバルブ１０２を閉じておけば、一方の真空空間が大気に開放されることがないという利点がある。ただし、センサ面への結像条件(距離や倍率等)が異なってくるので、偏向器４１の前段にあるレンズ(図示せず)に印加する電圧を制御することにより、電子ビームの適切な結像条件を達成する必要がある。

以上説明したように、第１〜第１２の実施の形態においては、ＥＢ-ＣＣＤセンサ、Ｔ
ＤＩセンサ、ＥＢ-ＴＤＩセンサ及びＣＣＤセンサが真空容器内に設置されているため、
高コントラスト、高分解能で画像取得ができ、且つ、従来手法と比較すると光伝達損失が無いので高スループット、低コスト化が実現される。

画素数に関しては、第１〜第１２の実施の形態に用いられているＴＤＩセンサ、ＣＣＤセンサ、ＥＢ−ＴＤＩセンサ、ＥＢ−ＣＣＤセンサの画素数は任意に選択してよい。通常用いられる画素数を以下に示す。

CCDセンサ：
６４０（横）×４８０（縦）、１０００（横）×１０００（縦）、２０００（横）×２０００（縦）
ＥＢ−ＣＣＤセンサ：
６４０（横）×４８０（縦）、１０００（横）×１０００（縦）、２０００（横）×２０００（縦）
ＴＤＩセンサ：
１０００(横)×１００(縦)、２０００(横)×５００(縦)、４０００(横)×１０００(縦)
、４０００(横)×２０００(縦)
ＥＢ-ＴＤＩセンサ：
１０００(横)×１００(縦)、２０００(横)×５００(縦)、４０００(横)×１０００(縦)
、４０００(横)×２０００(縦)。

上記画素数は一例にすぎず、上記の画素数の中間の値や更に多い画素数を用いることも可能である。ＴＤＩセンサとＥＢ−ＴＤＩセンサの場合、縦方向に積算する（スキャン）のが通常であるが、入力信号が充分多い場合には縦方向に1画素であってもよい(例えば２０００×1)。また、ＴＤＩセンサとＥＢ−ＴＤＩセンサの場合、ライン・レート(積算方
向の移動速度)は１ｋＨｚ〜１ＭＨｚであるが、通常は１０〜５００ｋＨｚがよく用いら
れる。ＣＣＤセンサとＥＢ-ＣＣＤセンサのフレーム・レートは１〜１０００Ｈｚである
が、通常は１〜１００Ｈｚが用いられる。これらの周波数は電子光学系の調整やレビュー観察等の用途により、適切な値に選択される。

真空容器ＭＣの中に設置されるセンサの画素サイズが大きい場合、センサの駆動・信号、制御信号及び出力信号を伝送するピンや共通のピン等のピンの数が多くなる。例えば、ピン数が１００〜５００程度になる場合もある。このようにピン数が多くなると、フィードスルー・フランジとの接続に通常のコンタクト・ソケットを用いることが困難となり、また、通常のコンタクト・ソケットでは挿入圧力が高く、１００ｇ／本を超えてしまう。
センサのパッケージを固定するとき、挿入圧力が１ｋｇ／ｃｍ^２を超えると、パッケージが損傷する可能性がある。例えば、4ｃｍ²程度の固定用抑え部材であれば、４ｋｇ／4ｃ
ｍ²以下の抑え圧力にする必要がある。ピン数が１００で１００ｇ／本の挿入圧力を要す
るとすると、抑え圧力は１０ｋｇとなり、パッケージの破損が生じる。そこで、パッケージとフィードスルー・フランジのピンを接続する接続ソケットに、ばね等の弾性体を有する接続ソケットを用いることが重要である。この弾性体を組み込んだ接続ソケットを用いると、５〜３０ｇ／本の挿入圧力で使用でき、パッケージが損傷することなく固定でき、駆動信号や出力信号も問題なく伝達できる。また、センサを真空中で使用する場合、ガス放出が問題となる。そこで、接続用ソケットにガス抜き用の穴を形成し且つその内外に金メッキが施されているものを用いるのがよい。

なお、センサは通常はセラミック・パッケージに設置され、セラミック・パッケージの配線パッドにワイヤーボンド等で所要の配線を接続する。セラミック・パッケージは内部に配線が組み込まれており、接続用のピンが裏面(センサ面とは逆の面)に設けられている。この接続ピンはフィードスルー・フランジのピンに接続部品により接続される。フィードスルー・フランジの外側(大気側)のピンはカメラに接続される。

ここで、これまで説明した実施の形態において使用される移動機構Ｍについて説明する。図１７は、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３に並進移動を行わせるための移動機構を概略的に示している。この移動機構Ｍは、真空容器ＭＣの適所に形成された開口１１１の中を通る筒状または空洞の角柱部材であるシールド・ブロック１１２を備え、シールド・ブロック１１２の中にＥＢ−ＣＣＤセンサ１３と回路基板１１３が設けられる。シールド・ブロック１１２には、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３のサイズと同等又は０．５〜１ｍｍ程度のシールド穴１１４が形成されており、そこを通して電子ビームがＥＢ−ＣＣＤセンサ１３に入射する。シールド穴１１４はノイズカット・アパーチャの役目を行い、不要な電子を除去する。シールド・ブロック１１２は、絶縁部分に電子ビームが当たってチャージアップを生じ、正常な動作が妨害されるのを防ぐために設けられる。

シールド・ブロック１１２の一端は、開口１１１の周囲を囲むように設けられたベローズ１１５に固定されたフィードスルー・フランジ１１６に連結される。そこで、回路基板１１３から出る配線４２はフィードスルー・フランジ１１６のフィードスルー部１１７を介してカメラ１１８に接続される。配線４２はシールド・ブロック１１２の中空部を通るよう設置され、電子ビームが当たるのを防止するように考慮されている。これは、電子ビームが当たると配線４２にチャージアップが生じ、電子ビームの軌道を変化させる等の悪影響が生じるからである。

フィードスルー・フランジ１１６の一端はボールスクリュー機構１１９と連結され、ボールスクリュー機構１１９の端部には回転モータ１２０又は回転ハンドルが接続される。更に、フィードスルー・フランジ１１６の両端部は真空容器ＭＣから突設されたガイドレール１２１と結合されている。したがって、回転モータ１２０を作動させ又はハンドルを回すと、ボールスクリュー機構１１９が真空容器ＭＣの壁面に対して垂直な方向において並進し、それに伴って、フィードスルー・フランジ１１６がガイドレール１２１に沿って移動するので、シールド・ブロック１１２及びその中のＥＢ−ＣＣＤセンサ１３と回路基板１１３が並進移動する。この結果、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３に電子ビームを入射させる場合と、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３を移動させてＴＤＩ検出装置１２に電子ビームを入射させる場合とを選択的に実現することができる。

次に、図１８は、回転モータの代わりにエア・アクチュエータ機構を用いて並進移動を行わせる移動機構Ｍの構成を概略的に示す。図１７において説明したように、真空容器ＭＣの適所に形成された開口１１１の中を通るシールド・ブロック１１２の中にＥＢ−ＣＣ
Ｄセンサ１３と回路基板１１３が設けられる。シールド・ブロック１１２には、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３に電子ビームを入射させるためのシールド穴１１４が形成される。また、シールド・ブロック１１２の一端は、開口１１１の周囲を囲むように設けられたベローズ１１５に固定されたフィードスルー・フランジ１１６に連結される。回路基板１１３から出る配線４２はフィードスルー・フランジ１１６のフィードスルー部１１７を介してカメラ１１８に接続される。更に、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３を移動させてＴＤＩ検出装置１２に電子ビームを入射させるためのシールド穴１１４′が、シールド・ブロック１１２の適所に形成されている。

一方、開口１１１に対向する壁面にも開口１３１が形成され、開口１３１を囲むように、中空の円筒部材１３２が突設され、その一端に、エア・アクチュエータ機構１３３が取り付けられたフランジ１３４が固定される。エアー・アクチュエータ機構１３３はシールド・ブロック１１２の端部に連結されたピストン１３５を備え、ピストン１３５はオーリング又はオムニシール１３６により真空シールされた状態でフランジ１３４に対して移動可能にされている。また、エア・アクチュエータ機構１３３は、ピストン１３５を図面の左又は右の方向に移動させるために気密室１３７に圧縮空気を導入し又は排気するための孔１３８を備える。

したがって、エアー・アクチュエータ機構１３３が作動して圧縮空気を孔１３８を通して気密室に導入・排気してピストン１３５を右方向へ移動させると同時にシールド・ブロック１１２がガイドレール１２１に沿って同方向へ移動し、電子ビームをＴＤＩ検出装置１２に入射させる位置にシールド穴１１４′が移動する。逆に、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３に電子ビームを入射させるには、ピストン１３５を左に移動させ、シールド・ブロック１１２のシールド穴１１４を電子ビームの光軸位置に置けばよい。エアー・アクチュエータ機構１３３は空気圧力０．１〜０．５ＭＰａで動作可能であり、例えば電磁バルブにより圧縮空気の導入・排気方向を切り替えてピストン１３５に圧力差を発生させ、アクチュエータ動作が行われる。これにより、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３に電子ビームを入射させる場合と、ＥＢ−ＣＣＤセンサ１３を移動させてＴＤＩ検出装置１２に電子ビームを入射させる場合とを選択的に実現することができる。

更に、図１９は、回転移動を利用した移動機構である。真空容器ＭＣの壁面の適所に開口１１１が形成され、それを囲むように円筒部材１４１が突設される。円筒部材１４１に対して回転できるように筒状シャフト１４２がベアリング１４３によって支持され、また、筒状シャフト１４２はシール部材１４４によって円筒部材１４１を真空シールする。オムニシールはテフロン製のシール部材であり、動摩擦係数が小さいので、回転や並進等の移動を伴ったシール部材１４４に有効である。また、ベアリング１４３を用いることにより筒状シャフト１４２の回転を安定させることができるとともに回転軸の変動を小さく抑えることができる。

筒状シャフト１４２の中にＥＢ−ＣＣＤセンサ１３、回路基板１１３、配線４２が設置されている。筒状シャフト１４２の端部はフランジ状であり、その外周にギア１４５が取り付けられている。該フランジに、Ｏーリング又はＩＣＦ真空シール構造１４６を介してフィードスルー・フランジ１１６が取り付けられ、フィードスルー・フランジ１１６にカメラ１１８が接続される。なお、ＩＣＦ真空シール構造の場合は、ＩＣＦ用のシール部材が用いられて真空シールされる。筒状シャフト１４２内の配線４２はフィードスルー・フランジ１１６の接続用の複数のピンにより中継されてカメラ１１８に接続される。

筒状シャフト１４２の端部のフランジに設けられたギア１４５に対応してギア１４７が設けられ、ギア１４７はロータリー・アクチュエータ１４８によって駆動される。そこで、ロータリー・アクチュエータ１４８の回転軸が回転すると、ギア１４７が回転して、ギ
ア１４５を回転させる。ギア１４５の回転角度はロータリー・アクチュエータ１４８の角度調整により可能であり、９０度や１８０度等の所望の規定の角度のアクチュエータを使用することができる。例えば、ギア比を1：1とすると、ロータリー・アクチュエータ１４８の回転角度は９０°でよい。このように、９０回転させることにより、ＥＢ-ＣＣＤセ
ンサ１３とＴＤＩ検出装置１２のいずれかに電子ビームを選択的に入射させることができる。

ここまでは、検出装置を中心に、その構成や選択的使用のための機構を説明してきた。以下、こうした検出装置を備えた検査装置の全体的な構成を、電子光学系を含めて、図２０〜図２３を用いて説明する。これらの図において、検出ユニットＤＵには第１〜第１２の実施の形態のいずれか一つが設けられ、検出ユニットＤＵの前段に電子光学系が設けられる。検出ユニットＤＵは二次元の像を形成する機能を有することが好ましい。このためには、二次元の電子の像を表す電子ビームを受け取って二次元像を形成する検出装置を用いる必要がある。既に説明したとおり、検出装置には、電子が直接入射するＥＢ−ＣＣＤセンサやＥＢ−ＴＤＩセンサを用いるものと、入射した電子が光に変換されてＣＣＤセンサやＴＤＩセンサで検出されるものとがある。

まず、図２０に示す検査装置は、電子発生源と写像光学系と複数の検出装置を含む検出ユニットとを合体させた例である。電子銃１５１から放出された一次電子ビームはレンズ１５２、アパーチャ１５３、１５４、レンズ１５５をこの順に通過してＥ×Ｂフィルタ１５６に入射する。Ｅ×Ｂフィルタ１５６で進行方向を偏向された一次電子ビームは、レンズ１５７、アパーチャ１５８、レンズ１５９、１６０を通過して、ＸＹＺθステージＳの上に載置されたウェーハＷの表面に照射される。ウェーハＷは例えば直径３００ｍｍのＳｉウェーハであり、その表面に半導体回路製造工程途中のパターン構造が形成されている。ステージＳはＸ、Ｙ、Ｚの直交する３方向への移動とθ方向即ち回転移動とが可能であり、ウェーハＷは静電チャックによってステージＳに固定される。

ウェーハＷの表面から放出される電子ビームはウェーハ表面に形成されたパターンの形状を反映した二次元の電子像を表す。ウェーハＷから放出された電子ビームはレンズ１６０、１５９、アパーチャ１５８、レンズ１５７通過し、Ｅ×Ｂフィルタ１５６で曲げられることなく直進してレンズ１６１、アパーチャ１６２、レンズ１６３、アライナ１６４を通過し、検出ユニットＤＵに導入される。こうして検出ユニットＤＵに導入された電子ビームは、第１〜第１２の実施の形態において説明した複数の検出装置のうち、選択された検出装置に入射する。なお、アパーチャ１５８、１６２はノイズカット動作を行う。

なお、それぞれのレンズに印加される電圧は、放出された電子が規定の倍率で結像する条件に設定されている。また、焦点調整、歪み調整、アライナ調整、アパーチャ位置調整及びＥ×Ｂ条件調整は、光軸調整として行われる。レンズ１５７、１５９はダブレットレンズであって両テレセントリックであり、低収差且つ低歪みを実現する。このレンズ系により、５〜１０００倍の拡大率を実現することができる。歪みの補正はスティグ（図示せず）で行い、基準ウェーハを用いて定期的に調整条件を算出しておく。アライナ及びアパーチャ位置を調整するには、使用する規定倍率に対して予め求めておいた値が使用され、Ｅ×Ｂ調整は、電子源１５１の電圧、つまり、一次電子ビームのエネルギに対応して予め求めておいた値を用いて行われる。

ウェーハが酸化膜や窒化膜のパターンを有する場合には、光学系の歪の補正のみでは不十分なので、取得した画像より評価点をサンプリングして位置ズレを評価し、歪み補正を行う。例えば、水平度、垂直度、座標位置等に関して、ＣＡＤデータやレビューＳＥＭ像と比較して評価を行ってもよい。その後、ダイ・ツー・ダイ、セル・ツー・セル等の欠陥検査を行うことができる。ダイ・ツー・ダイの欠陥検査では、ダイの中に検査領域を設定
し、同じ検査領域について他のダイの取得像と比較して欠陥の有無や種類を判定する。

なお、ウェーハＷから放出される電子ビームは、二次電子、反射電子、後方散乱電子、オージェ電子のいずれかであってよい。これらの電子はそれぞれエネルギが異なるため、取得したい電子のエネルギでの結像条件を選んで電子像を取得する。シミュレーション等により、結像のための電圧条件を予め算出しておくことができる。

検出ユニットＤＵにおけるウェーハＷの像の検出は、まず、ウェーハＷの所定位置を検出できるようステージＳを移動させ、次いで、その位置における倍率に対応した視野、例えば２００×２００μｍの領域の像を例えば倍率３００倍にて検出することにより行われる。この動作を高速で繰り返すことで、ウェーハＷの複数の場所を検出する。画像比較を行う場合も同様で、ウェーハＷ上の比較したい領域が検出ユニットＤＵによって検出できるようステージＳを移動させて画像を取得する動作を繰り返し、取得されたデータどおしを比較する。こうした検査工程を通じて、ゴミ、導通不良、パターン不良、パターン欠落等の欠陥の有無や、状態判定、種類分別を行うことができる。

図２０に示す検査装置の具体的な動作条件の一例は次のとおりである：
真空容器ＭＣ内の動作時の圧力 １×１０−６〜１×１０−４Ｐａ、
ステージ移動速度 ０．１〜１００ｍｍ／ｓ
ウェーハへの照射電流密度 １×１０−５〜１×１０−１Ａ／ｃｍ^２、
照射電子ビームのサイズ ５００×３００〜１０×５μmの楕円形、
倍率 １０〜２０００、
検出ユニットへの入射電子量 １０ｐＡ〜１ｍＡ、
検出ユニットへの入射エネルギー １〜８ｋｅＶ。

照射電流密度は、検出ユニットＤＵの出力をフィードバックすることによって制御される。ＣＣＤ検出装置及びＴＤＩ検出装置の出力が飽和値の５０〜８０％になる様に制御すると、これら検出装置の入出力関係が線形性を維持できる範囲(すなわち、リニアリティ
のズレが３％以下の範囲)で使用できるので、精度のよい画像評価が行える。特に、バッ
クグランド・ノイズを差し引くシェーディング処理等を行うと、線形性の悪いところでは処理効果が低く、逆に擬似欠陥を発生することがある。なお、検出ユニットＤＵの出力ではなく、画像処理システムによる画像評価値等を用いて照射電流密度を制御することもできる。画像のコントラスト、最大輝度、最小輝度、平均輝度等により照射電流密度を制御すると、安定した画像取得に効果的である。また、比較する画像の輝度やコントラストを規格化して、つまり同一条件にして、安定した画像比較を行うことも可能である。

図２１は、図２０において説明した検査装置における電子ビームの代わりに、ＵＶ光、ＵＶレーザ光及びＸ線のうちのいずれか一つを用いるよう構成した例を示している。具体的には、電子銃１５１、レンズ１５２、１５５及びアパーチャ１５３、１５４の代わりに、例えば、ＵＶ光でウェーハＷを照射するためのＵＶ光発生源１７１が設けられる。これにより、ＵＶ光が一次ビームとしてウェーハＷの表面に入射し、そこから放出される光電子を図示した電子光学系のレンズやアパーチャ等により拡大して検出ユニットＤＵに入射させ、ウェーハＷ上のパターンの画像を検出する。

ＵＶ光発生源１７１からのＵＶ光は、実際には、中空ファイバによってウェーハＷまで伝達され、ウェーハＷの中心付近の視野領域、例えば直径３００μｍの領域を照射する。なお、Ｘ線やＵＶレーザ光を一次ビームとして用いた場合も同様であって、照射されたウェーハＷから放出された光電子を利用して、ウェーハＷ上のパターンの電子像を得ることができる。

一方、図２２は、１次ビームとして、電子銃１５１からの一次電子ビームとＵＶレーザー発生源１８１からのＵＶレーザー光との２種類のビームを併用してウェーハＷの表面を照射する構成とした例を示している。この例においては、既に図２０及び図２１について説明したところから理解されるように、電子銃１５１から放出された一次電子ビームは、Ｅ×Ｂフィルタ１５６により電子光学系の光軸に沿って進行するように偏向されてウェーハＷを照射する。ウェーハＷから放出された電子ビームは電子光学系を直進する。これと併用されるＵＶレーザー光も一次ビームとしてウェーハＷの表面に入射し、そこから放出される光電子を図示した電子光学系のレンズやアパーチャ等により拡大して検出ユニットＤＵに入射させ、ウェーハＷ上のパターンの画像を検出する。ＵＶレーザー光としては、ＹＡＧの４倍波又はエキシマレーザー光が用いられ、中空ファイバによってウェーハＷの表面に導入される。

これまで図２０〜図２２を用いて説明した検査装置において、レンズ１６０は制御電極として動作する。ウェーハＷが表面に酸化膜や窒化膜を多く含む構造の場合、電子ビームを照射すると、表面の酸化膜等でチャージアップが起こり易い。このため、ウェーハＷの表面からの放出される電子ビームの軌道が曲がり、又は、ウェーハＷと例えばレンズ１５９等の電極との間に放電を生じる場合がある。この影響は特に図２０〜図２２に示す写像光学系において大きい。これは、写像光学系の場合、照射電子ビームが矩形や楕円形状をしているので、ＳＥＭ方式と比較して広い領域に一度に電子ビームが当たるためである。ＳＥＭ方式では、収束された電子ビームがスキャンされるため、チャージアップの緩和が起こり、比較的少量のチャージアップで済む。しかし、上述した理由により、写像光学系では、チャージアップが発生し易く、その影響が大きい。

ウェーハＷとレンズ１５９との間で放電が起こるのは、レンズ１６０の電位は低く且つ自由に変化させることができるのに対し、レンズ１５９には１５〜３０ｋＶという高く且つ変動できない電圧が印加されているからである。この場合、ウェーハＷの表面のレンズ電界分布はレンズ１５９に印加される電圧とウェーハＷに印加される電圧(例えば−３ｋ
Ｖ)とで決まり、例えば１〜３ｋＶ／ｍｍである。そこで、レンズ１６０は、該レンズに
印加される電圧を調整することにより、ウェーハＷの表面での電界分布を調整するために用いられる。レンズ１６０の電圧調整により、ウェーハＷの表面での電界分布を０．１〜１ｋＶ／ｍｍに調整することができ、放電を抑制することができる。これは、正の電界分布を弱めることにより、ウェーハＷの表面から放出される電子の初期加速度を緩めて、つまり、放出電界強度を弱め、放電に寄与する電子の放出を弱くすることができるからである。

実際、放電は角部や電界強度の強い個所で電子が放出され易い状態が作られているために生じると考えられる。例えば、絶縁膜が正にチャージアップし、その絶縁膜の中に、下層に導通した微細なプラグ構造がある場合を考えると、プラブは基板電位（例えば−３ｋＶ）であり、その周りが正にチャージアップした絶縁物である。プラグの表面の直径が１００ｎｍであり、チャージアップが＋１０Ｖであれば、プラグの平均電界強度は１００ｋＶ／ｍｍとなる。さらに、プラグと絶縁物との境界部の微細な隙間や凹凸形状における電界強度が上がって、例えば１０^８〜１０^９Ｖ／ｍｍを超えると、電子の放出が起こり、放電が発生し易くなる。

次に、図２３は透過型の検査装置の例を示している。図２０〜図２２に示す検査装置はウェーハに電子ビームやＵＶ光、ＵＶレーザー光を照射し、ウェーハから放出される電子を用いるものであるが、図２３に示す検査装置は、試料を透過して得られた電子を利用して試料の検査を行う。すなわち、電子銃１５１より放出された電子ビームは、レンズ１９１とアパーチャ１９２を通過して、ズームレンズ１９３、１９４に入射する電子の角度と電子量が制御される。これらのズームレンズによりアパーチャ１９５に対する入射角度が
調整される。アパーチャ１９５で電子量が調整された電子ビームはレンズ１９６によって光軸に平行にされて試料ＳＬを照射する。なお、ズームレンズ１９３、１９４に印加する電圧を調整することにより、ズーム倍率が例えば１〜２００倍に変更され、試料ＳＬを照射する電子ビームのサイズが例えば直径５〜１０００μｍまで制御される。

試料ＳＬを通過もしくは透過した電子ビームは、レンズ１９７、１９８、２００、２０１、２０３とアパーチャ１９９、２０２を備える２次光学系によって拡大されて検出ユニットＤＵに導入される。レンズ１９７は試料ＳＬとの電界強度を調整する電極である。レンズ１９８、２００はダブレットレンズであり、両テレセントリック条件を満足するので低収差の電子像を実現する。レンズ２０１、２０３は電子像を拡大するためのレンズである。レンズ２０３は電子ビームが検出ユニットＤＵのセンサ、蛍光板又はＭＣＰの表面に結像するように調整される。アパーチャ１９９、２０２は収差と検出ユニットＤＵに導入する電子の量とを制御する。

試料ＳＬは、半導体ウェーハや半導体素子のほか、露光用のマスク、ステンシル・マスク、微細構造を有するマイクロマシン、ＭＥＭＳ部品等の任意のものであり得る。試料ＳＬの材質やパターン形状等の試料毎の特性に応じて、試料ＳＬを照射する電子ビームのエネルギーを所要の値にする必要がある。電子ビームに試料ＳＬを透過させるには、高いエネルギーが必要となり、５０〜１０００ｋｅＶにもなる場合も有る。試料ＳＬに孔やスリット等の開口や隙間が存在する構造である場合、その開口や隙間を通過した電子ビームを撮像するのであれば、電子銃１５１は１０〜１００００ｅＶの電子を発生させることが必要である。例えば、電子銃１５１から５ｋｅＶのエネルギーの電子ビームを発生して試料ＳＬを照射したとする。このとき、試料の電位は−４ｋＶとすると、電子ビームは１ｋｅｖで試料ＳＬに入射する。試料ＳＬを通過した電子ビームは試料ＳＬ上のパターンを反映しており、検出ユニットＤＵに導入される。

以上説明した検査装置において、ＣＣＤセンサ又はＥＢ−ＣＣＤセンサを用いる際、ステップ・アンド・リピートの機能を利用して試料の観察、欠陥検査、レビュー観察、測定、評価を行うことができる。以下、図２４を用いて、ステップ・アンド・リピートの機能について説明する。図２４の（Ａ）はウェーハＷと複数のダイ２１１の配置関係を概略的に示している。図に示すように、ノッチ２１２が右にある。ダイ２１１は複数のパターンを含んでいて、セルパターン・エリアとランダムパターン・エリアとがあり、したがって複数の種類のセルとランダムパターン・エリアとが存在する。ダイのサイズは、プロセスのウェーハによって異なるが、通常、１×１ｍｍ〜３０×３０mm程度である。

図２４の（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、こうしたパターンの中で、検査、測定又は評価を行いたいパターン部分をケアエリア２１３と呼び、このケアエリア２１３の中で、特に注目したい部分を特定部位２１４と呼ぶことにする。特定部位の中には、例えば、パターン・サイズが小さくてプロセスが困難であり、プロセス期間に欠陥が出やすい部位、欠陥検査を行った後の欠陥がある部位、積層のプロセスにおいて下層との位置ズレを評価する部位、又は、電子光学系の歪や収差を評価するターン部位等が含まれる。上記のような特定部位に対して、ＣＣＤセンサ又はＥＢ−ＣＣＤセンサを用いて、ステップ・アンド・リピートを行い、必要な画像比較、ズレレ評価、詳細観察等を行う。

セル部のケアエリアの欠陥検査では、セル部における繰り返しパターン部のパターン同士を相互に比較する。例えば、倍率を５０〜１０００程度として、試料面上の５×５〜５００×５００μmの視野を、撮像時間１０〜１００分で観察することができる。一つの静
止像(ＣＣＤ像又はＥＢ−ＣＣＤ像)を取得すると、規定距離だけ観察領域を移動させ、同じパターンを同様に取得する。繰り返しパターンであれば、連続する次のパターンの撮像を行う。このようにして、同じパターンの撮像を複数、通常は３枚以上取得し、得られた
象の比較を行う。比較の結果、1つだけ異なったパターン又はコントラスト等があると、
その部分を欠陥とみなす。このような検査を撮像と同時に(オンラインで)、又は検査像の撮像後に（オフラインで)行い、欠陥部位の座標と種類の分類を行う。

ランダム・パターンの欠陥検査の場合、各ダイのケアエリアのランダム・パターン同士の比較を行う。その場合には、1つのダイのランダム・パターンのケアエリアを撮像する
。なお、これには、一度に複数の静止像を取得する手法と、一枚づつ取得する手法とのいずれを用いても良い。次に、他のダイのケアエリアのランダム・パターンに移動して撮像を行う。このようにして３枚以上の静止像を取得し、対応するパターンどおしを比較し、1枚だけに存在する異常を見出すことで、パターン欠陥、ゴミ、コントラスト異常等を検
知する。この検査により欠陥の座標や欠陥の種類の分類をオンラインまたはオフラインにて行うことができる。これは、ステップ・アンド・リピートによるダイ・ツー・ダイ検査と呼ばれる。

他に、プロセスにおける下層との位置ズレを評価するのに用いる場合もある。この場合は、下層とその上に積層された上層とにアライメント・マークが付される。これらアライメント・マークの重なり度合の測定、例えば、重心位置のズレ、代表長さの中心部相互のズレ等の測定によって位置ズレを評価する。この評価は、例えば、下層は配線構造でＣＭＰ後に、上層はレジスト形成後に、又は、レジスト被覆及び露光後に行われる。

アライメント・マークの例を図２５に示す。（Ａ）は、上層と下層とに設けられた十字型のアライメント・マークで、長さ１５μｍの長方形を十字型に重ね合わした形状をしている。これらのアライメント・マークの重なり度合で、下層と上層の重心位置や縦横の長さから算出したパターン中心位置等の代表位置のズレ量を求め、上下層の比較を行う。（Ｂ）は、下層に付された２０μｍ四方の正方形のアライメント・マーク２２２と、上層に付された７μｍ四方の正方形のアライメント・マーク２２３とが重なり合った状態を示している。この場合も、同様に重心位置のズレやダイ行長さからマークの中心位置を算出して位置ズレの評価を行う。なお、アライメント・マークのサイズは図２５に示す値に限られるものではなく、もっと小さなサイズ、例えば、トータルサイズが1×1μmのものでも
よい。

このようなアライメント・マークが1枚のウェーハに１０〜５０個程度設けられる。そ
れぞれのアライメント・マークについてズレ量を算出し、ズレ量に相対的な方向性が存在すれば（例えば、左方向に全体的にズレが大きいときは）、その補正をするように露光位置の調整を行う。このように、ステップ・アンド・リピートの機能を用いると、CCDセン
サ又はＥＢ−ＣＣＤセンサの方がＴＤＩ検出装置に比べて分解能及びＭＴＦが高く、画素当たりの取得電子数が多い状況で画像取得できる場合に、ＣＣＤセンサ及びＥＢ−ＣＣＤセンサの特徴を生かして、高精度の欠陥検査、レビュー検査、位置ズレ検査等を行うことが可能である。

ここで、以上説明してきた検査装置を用いて行う半導体デバイス製造方法の一例について、図２６及び図２７のフロー図により説明する。半導体デバイス製造方法は、図２６に示すように、主工程として、ウェーハを製造するウェーハ製造工程２３１又はウェーハを準備するウェーハ準備工程、露光に使用するマスクやレチクルを製作するマスク製造工程２３６又はマスクを準備するマスク準備工程、ウェーハに所要の加工を行うウェーハ・プロセッシング工程２３２、ウェーハ上に形成されたチップを１個ずつ切り出して動作可能にならしめるチップ組立工程２３３、チップ組立工程で製作されたチップを検査するチップ検査工程２３４、及び、検査に合格したチップから製品（半導体デバイス）を得る工程２３５を含む。なお、ウェーハ製造工程２３１、ウェーハ・プロセッシング工程２３２及びリソグラフィ工程２３２_３は周知のものであるので、ここでの説明は省略する。これら
の主工程は、それぞれ幾つかのサブ工程を含む。

半導体デバイスの性能に決定的な影響を及ぼす主工程はウェーハ・プロセッシング工程２３２である。この工程では、設計された回路パターンをウェーハ上に順次積層し、メモリやＭＰＵとして動作するチップを多数形成する。ウェーハ・プロセッシング工程２３２は、図の点線で囲まれた部分に示すようなサブ工程を含む。すなわち、ウェーハ・プロセッシング工程２３２は、絶縁層となる誘電体薄膜や配線部或いは電極部を形成する金属薄膜等をＣＶＤやスパッタリング等を用いて形成する薄膜形成工程２３２_１、金属薄膜やウェーハ基板を酸化する酸化工程２３２_２、薄膜層やウェーハ基板等を選択的に加工するマスクやレチクルを用いてレジストのパターンを形成するリソグラフィ工程２３２_３、例えばドライ・エッチング技術を用いてレジスト・パターンにしたがって薄膜層や基板を加工するエッチング工程２３２_４、イオンや不純物を注入・拡散する工程２３２_５、レジスト剥離工程、加工されたウェーハを検査する検査工程２３２_６を含む。なお、ウェーハ・プロセッシング工程２３２は必要な層数だけ繰り返して行われる。本発明に係る検査装置を検査工程２３２_６に適用することにより、微細なパターンを有する半導体デバイスでもスループットよく検査することができ、全数検査が可能になるので、設計どおりに動作する半導体デバイスを製造することができて製品の歩留まりが向上し、欠陥製品の出荷が防止される。

図２７は、図２６のリソグラフィ工程２３２_３で行われる工程を示している。リソグラフィ工程２３２_３は、前段の工程で回路パターンが形成されたウェーハ上にレジストを被覆するレジスト塗布工程２４１、レジストを露光する露光工程２４２、露光されたレジストを現像してレジスト・パターンを得る現像工程２４３、現像されたレジスト・パターンを安定化するアニール工程２４４を含む。

以上、本発明に係る検査装置について、その各種の実施の形態を図面を参照しながら説明してきたが、本発明はこうした実施の形態に限定されるものではない。例えば、これまで説明した実施の形態では真空容器内にセンサや電子光学系が配置されているが、ＣＣＤセンサ、ＴＤＩセンサ等のセンサが動作できる環境であれば、必ずしも真空容器を用いる必要はない。

また、図３〜図７図１２、図１４、図１５図１７〜図１９にはＦＯＰを１段で使用している実施の形態を示したが、ＦＯＰは１段に限られるものではなく、複数段のＦＯＰを用いることも可能である。例えば、ＭＣＰと組み合わされて用いられる蛍光剤のコートされたＦＯＰと、ＴＤＩセンサに接着されたＦＯＰとを密着させた２段のＦＯＰを用いることができる。こうすると、組立の精度と効率が向上する。つまり、蛍光剤をコートされたＦＯＰをＴＤＩセンサに接着したとすると、ＦＯＰの蛍光剤にコンタミや接着剤が付着したとき、洗浄が困難になる。また、接着後に蛍光剤をコートする場合には、蛍光剤がＴＤＩセンサ自体にコートされないように、特別の工程と工夫が必要になる。更に、分解能や耐放電性能に影響がでないよう、蛍光剤のコートされたＦＯＰとＭＣＰの平行度等の組立精度には高度の厳密さが求められる。こうした煩雑さは、上記の２段のＦＯＰの使用によって解消される。複数段のＦＯＰを用いたときも同様である。

以上の説明から理解されるように、本発明においては、適切な性能の検出装置の選択を移動機構又は偏向手段によって行い、従来のような検出装置の交換作業を必要としないので、検出装置の交換による大気開放後の真空状態の再現に要する長い時間を削減でき、検出装置の選択により、所要の電子光学系調整、連続検査、欠陥評価等の作業を効率よく行うことができる。また、作業効率の大幅な向上と低コスト化が実現され、表面検査の高性能化、高スループット化が実現される等、技術的、産業上の意義は大きい。

１１：ＣＣＤ検出装置、 １２：ＴＤＩ検出装置、１３：ＥＢ−ＣＣＤセンサ、１７：ＴＤＩセンサ、１８：接続ピン、 Ｍ：移動機構、ＭＣ：真空容器、 ＦＴ：フィードスルー、２１：回転シャフト、４１：偏向器、 ４２：配線、 ４３：フィードスルー・フランジ、 ５１：ＥＢ−ＴＤＩセンサ、 ９１：シールド・ブロック、 ９５：シールド穴、 １０１：ポート、 １０２：ゲートバルブ、 １１２：シールド・ブロック、 １１３：回路基板、 １１４、１１４′：シールド穴、 １１５：ベローズ、 １１９：ボールスクリュー機構、 １２１：ガイドレール、１３３：エア・アクチュエータ機構、１３５：ピストン、 １５１：電子銃、 １７１：ＵＶ光発生源、 １８１：ＵＶレーザー発生源

Claims (10)

1. 試料表面からの電子ビームを受け取って、前記試料表面の画像データを取得する複数の検出装置を具備し、前記複数の検出装置が真空容器内に配置されている検査装置であって、
   前記電子ビームを前記複数の検出装置のうちの一つに入射させるための電子偏向器を備え、
   前記複数の検出装置が、前記試料表面からの電子ビームを受け取る側に配置された第１及び第２の検出装置を備え、
   前記第１の検出装置は、前記電子偏向器により偏向された前記電子ビームを受け取って直接電気信号へ変換する電子センサを備え、
   前記第２の検出装置は、前記試料表面の法線方向に進行する前記電子ビームを受け取って電気信号へ変換する電子センサを備えている
   ことを特徴とする検査装置。
2. 請求項１記載の検査装置において、前記第１の検出装置の電子センサは複数の画素を有するＥＢ−ＣＣＤセンサであり、前記第２の検出装置の電子センサは複数の画素を有するＥＢ−ＴＤＩセンサであることを特徴とする検査装置。
3. 請求項１又は２記載の検査装置において、
   前記第２の検出装置が第１の真空容器内に配置され、
   前記第１の検出装置が、ゲートバルブを介して前記第１の真空容器に結合された第２の真空容器内に配置されている
   ことを特徴とする検査装置。
4. 請求項１〜３いずれかに記載の検査装置において、前記第１及び第２の検出装置の少なくとも一方は、前記試料表面の２次電子像を拡大して前記電子センサに投影する手段を備えていることを特徴とする検査装置。
5. 請求項１〜４いずれかに記載の検査装置において、該検査装置はさらに、前記電子ビームの軌道を制御する電子光学系を備えていることを特徴とする検査装置。
6. 請求項５記載の検査装置において、前記電子光学系は、ノイズカット・アパーチャを備えることを特徴とする検査装置。
7. 請求項５又は６記載の検査装置において、前記電子光学系は、写像投影光学系を備えることを特徴とする検査装置。
8. 請求項１〜７いずれかに記載の検査装置において、前記第１の検出装置で前記電子ビームを受け取る場合と前記第２の検出装置で前記電子ビームを受け取る場合とで、電子発生源により照射される電子の前記試料表面上の照射位置は変わらないことを特徴とする検査装置。
9. 請求項１〜８いずれかに記載の検査装置において、前記第１及び第２の検出装置は、前記試料表面からの前記電子ビームがこれら検出装置の検出表面に垂直に入射するように配置されていることを特徴とする検査装置。
10. 請求項１〜９いずれかに記載の検査装置において、前記第１の検出装置が光軸調整等の画像調整のためのものであり、前記第２の検出装置が前記試料表面の２次元画像データを取得するためのものであることを特徴とする検査装置。

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