JP3441955B2 - 投射方式の荷電粒子顕微鏡および基板検査システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は投射方式の荷電粒子
顕微鏡および基板検査システム、特に基板に照射ビーム
を照射し、それによってその表面から発生する荷電粒子
を投射し結像する投射方式の荷電粒子顕微鏡および基板
検査システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】荷電粒子を用いて微細な構造を観察する
方法のーつに、検査試料を細く絞った電子ビームで走査
し、それによって試料から発生するニ次電子、反射電子
等の、試料を特徴づける電子を検出し、その検出信号を
輝度変調信号とし、ＣＲＴ(陰極線管)上に試料の形状を
表す像を表示する走査方式の電子顕微鏡がある(走査電
子顕微鏡）。この走査電子顕微鏡は、半導体産業でプロ
セス加工中の微細構造の観察あるいは寸法の計測に用い
られている。現在は、微細加工した試料の形状検査と寸
法の計測に用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようする課題】そのような走査電子顕微
鏡を用いての寸法計測については既に自動化が図られ、
１時間に数１０枚程度のウエーハ（試料）を処理する能
力を持っている。しかし、これはウエーハ内の数１０点
程度の寸法を計測する場合である。もし、測定箇所をた
とえばその１０倍にするとか、あるいは加工形状の検査
をウエーハ全面に広げるとすると、処理能力すなわちス
ループットは極端に低下してしまう。

【０００４】本発明の目的はスループットを高めるのに
適した投射方式の荷電粒子顕微鏡および基板検査システ
ムを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、試料に
照射ビ一ムを照射する照射手段と、その照射によって前
記試料の表面から発生した荷電粒子を特定のエネルギー
を有する前記荷電粒子に選択するエネルギー選択手段
と、該選択された前記荷電粒子を投射し結像する投射結
像手段と、その結像された荷電粒子像を撮像する撮像手
段と、前記試料を保持してX及ぴY方向に移動させ位置制
御する試料ステージとを具備し、前記エネルギー選択手
段は、前記照射手段の照射ビームを前記試料方向に偏向
する第３磁極と、該偏向された前記照射ビームを前記試
料表面に対し垂直な方向に入射するように偏向させると
共に前記試料の表面で発生した前記荷電粒子を偏向し出
射させる第2磁極と、該第2磁極より出射した前記荷電粒
子を前記第２磁極に戻し出射させる第１磁極とを含むこ
とを特徴とし、好ましくは第３磁極によって偏向された
前記照射ビームを前記試料表面に対し垂直に入射するよ
うに偏向すると共に前記試料の表面で発生した前記荷電
粒子を前記第３磁極から入射した前記照射ビームの入射
方向と反対の方向に偏向し出射させる第2磁極と、該第2
磁極より出た前記荷電粒子を前記第２磁極に戻す第１磁
極とを含み、前記第２磁極は前記第１磁極から出た前記
荷電粒子を前記試料に入射する前記照射ビームの入射方
向と反対の方向に偏向させることを特徴とする投射方式
の荷電粒子顕微鏡にある。

【０００６】本発明の特徴は、基板に照射ビ一ムを照射
する照射手段と、その照射によって前記基板の表面から
発生した荷電粒子を特定のエネルギーを有する前記荷電
粒子に選択するエネルギー選択手段と、該選択された前
記荷電粒子を投射し結像する投射結像手段と、その結像
された荷電粒子像を撮像する撮像手段と、前記基板を保
持してX及ぴY方向に移動させ位置制御するステージと、
前記基板の微調整による位置補正を行うアライメント手
段とを具備し、前記エネルギー選択手段は、前記照射手
段の照射ビームを前記基板方向に偏向する第３磁極と、
該偏向された前記照射ビームを前記基板表面に対し垂直
な方向に入射するように偏向させると共に前記基板の表
面で発生した前記荷電粒子を偏向し出射させる第2磁極
と、該第2磁極より出射した前記荷電粒子を前記第２磁
極に戻し出射させる第１磁極とを含むことを特徴とし、
好ましくは該偏向された前記照射ビームを前記基板表面
に対し垂直に入射するように偏向すると共に前記基板の
表面で発生した前記荷電粒子を前記第３磁極から入射し
た前記照射ビームの入射方向と反対の方向に偏向し出射
させる第2磁極と、該第2磁極より出た前記荷電粒子を前
記第２磁極に戻す第１磁極とを含み、前記第２磁極は前
記第１磁極から出た前記荷電粒子を前記基板に入射する
前記照射ビームの入射方向と反対の方向に偏向させるこ
とを特徴とする投射方式の基板検査システムにある。

【０００７】本発明の特徴は、基板に照射ビ一ムを照射
する照射手段と、その照射によって前記基板の表面から
発生した荷電粒子を特定のエネルギーを有する前記荷電
粒子に選択するエネルギー選択手段と、該選択された前
記荷電粒子を投射し結像する投射結像手段と、その結像
された荷電粒子像を撮像する撮像手段と、前記基板を保
持してX及ぴY方向に移動させ位置制御するステージと、
前記基板の位置を測定するレーザ測長器とを具備し、前
記エネルギー選択手段は、前記照射手段の照射ビームを
前記基板方向に偏向する第３磁極と、該偏向された前記
照射ビームを前記基板表面に対し垂直な方向に入射する
ように偏向させると共に前記基板の表面で発生した前記
荷電粒子を偏向し出射させる第2磁極と、該第2磁極より
出射した前記荷電粒子を前記第２磁極に戻し出射させる
第１磁極とを含むことを特徴とし、好ましくは前記第３
磁極によって偏向された前記照射ビームを前記基板表面
に対し垂直に入射するように偏向すると共に前記基板の
表面で発生した前記荷電粒子を前記第３磁極から入射し
た前記照射ビームの入射方向と反対の方向に偏向し出射
させる第2磁極と、該第2磁極より出た前記荷電粒子を前
記第２磁極に戻す第１磁極とを含み、前記第２磁極は前
記第１磁極から出た前記荷電粒子を前記基板に入射する
前記照射ビームの入射方向と反対の方向に偏向させるこ
とを特徴とする投射方式の基板検査システムにある。

【０００８】

【発明の実施の形態】既述のように、寸法計測用の通常
の走査電子顕微鏡は１時間に数１０枚程度のウエーハ
（試料）を処理する能力を持っているが、これはウエー
ハ内の数１０点程度の寸法を計測する場合であるにすぎ
ない。したがって、測定箇所を例えばその１０倍にする
とか、あるいは加工形状の検査をウエーハ全面に広げる
とすると、処理能力は極端に低下してしまう。

【０００９】この処理能力の限界は試料を電子ビームで
走査する走査電子顕微鏡の基本的な原理に起因する。本
発明はこの処理能力すなわちスループットの改善を図る
のに適している。この改善には像形成を走査形像形成か
らパラレルに画像を形成する投射形像形成に変える必要
がある。これは、投射形にすることにより、走査形にお
いて２次元像を形成する場合の画素数に相当するスルー
プットの改善(原理としてのスループット改善係数)が得
られるからである。たとえば、走査形において５００×
５００の画素でニ次元像が形成されているとすると、投
射形ではそれに対してスループットが２５万倍となる
(観察に要する時間が１２万分の１)。この目的に合致す
る装置はいまだ開発されていないが、これに関連する技
術は、Ultramicroscopy, 31(1989), 49-57 に、Surface
studies by low-energy Electron microscopy(LEEM) a
nd conventional UV photoemission electron microsco
py(PEEM) という題名で記載されている。

【００１０】この技術の概要を図１を参照して説明する
に、電子銃１０２で加速された電子ビーム１１６はレン
ズ１０３及び偏向システム１１０を通過して、セパレー
タ１０４に入る。セパレータ１０４には紙面に垂直な方
向に磁界Ｈが印加されている。このため、電子ビーム１
１６は偏向され、対物レンズ１１７を通って試料１０１
を照射する。

【００１１】試料１０１には負電圧が印加されている
(図示省略)。このため、電子ビーム１１６は試料１０１
と陰極レンズ１１５の間で減速される。その減速によっ
て、試料１０１を照射する電子ビーム１１６のエネルギ
ーは１００ eV 以下に調整される。試料１０１で後方散
乱した電子ビーム１１８は陰極レンズ１１５で加速さ
れ、対物レンズ１１７を通過してセパレータ１０４に入
る。電子ビーム１１８は電子ビーム１１６と方向が逆で
あるため、セパレータ１０４により電子銃１０２とは反
対の方向に偏向される。

【００１２】偏向された電子ビーム１１８は中間レンズ
１０６及び投射レンズ１０７により拡大されて、ＭＣＰ
(マルチチャンネルブレート)１０８の面に結像される。
ＭＣＰ１０８で増幅された電子像は蛍光スクリーン１０
９に加速され、蛍光スクリーン１０９上に光の２次元像
が形成される。この２次元像は撮像管１１９に映して観
察される。

【００１３】焦点の調整は対物レンズ１１７で、倍率の
調整は中間レンズ１０６及び投射レンズ１０７でそれぞ
れ行う。

【００１４】前述の説明は後方散乱した電子を結像する
例であるが、試料１０１を予備電子銃１１４からの電子
により斜めから照射し、発生したニ次電子を陰極レンズ
１１５で加速することでニ次電子を観察することも可能
になっている。１１２はハロゲンランプで、これからの
光で試料１０１が照射され、それによって電子が励起さ
れ、その励起された電子が投射され、像を作る。

【００１５】なお、図１において、１１１は四重極、５
は対物絞り、１１３は電子衝撃用ヒータである。偏向シ
ステム１１０は中間レンズ１０６の前段並びに投射レン
ズ１０７の前段及び後段にも配置されている。

【００１６】試料１０１は１００ V 以下のエネルギー
をもつ電子ビームで照射され、それによって試料１０１
から得られる後方散乱電子が投射形の像形成のために用
いられる。この１００ V 以下の後方散乱電子による投
射形像観察は試料１０１の表面の結晶状態の観察に威力
を発揮する。すなわち、それは非常に平坦な試料表面の
原子オーダーでの観察に適している。しかし、ミクロン
オーダーの凸凹をもつ半導体ウエハのような基板からな
る試料の場合は、その凸凹が作る電界の影響を受けてし
まう。したがって、観察する対象は平坦な試料に限られ
る。

【００１７】そこで、半導体ウエハのような基板からな
る試料を観察する場合は、照射電子ビームの加速電圧
（エネルギー）を高めて、試料の凸凹が作る電界の影響
を少なくする必要がある。

【００１８】一方、半導体ウエハのような基板からなる
試料内には絶縁物が使われているため、試料を照射する
電子ビームのエネルギーは絶縁物が帯電しない５００ V
〜１ kV の領域に制限される。また、電子ビームによ
り発生する２次電子及び後方散乱電子は共に放出時のエ
ネルギーのばらつきが大きいため分解能を向上させるの
が難しいという問題がある。

【００１９】更に、試料中のホール内部を観察するため
には、試料を照射する電子ビームを試料に対して垂直に
入射させることが必須になる。

【００２０】本発明の実施例では、以上のような課題を
解決するために、次の２点が考慮されている。第１点は
２次電子を発生させるために試料を照射する電子ビーム
が試料に垂直に入射するようにしたことである。第２点
は２次電子および後方散乱電子の投射結像光学系がエネ
ルギーフイルターを備え、それによって２次電子と後方
散乱電子を分離すると共にエネルギーの分布を制限し、
投射像の分解能の改善を図ることである。

【００２１】図２は本発明の、電子光学系を主体とする
基本的な部分の一実施例を示す。Ｘ及びＹ軸方向に移動
可能な試料ステージ２３５に絶縁板２３４を挟んで試料
ホールダ２３３が載置され、その上面に半導体ウエーハ
のような基板からなる試料２０１が載置されている。試
料ホールダ２３３には１０ kV の負電圧が電源２０２か
ら印加される。試料２０１はその裏面で試料ホールダ２
３３と接触しているため、試料２０１にも１０ kV の負
電圧が印加される。これによって、試料２０１の表面に
は電界が生成される。

【００２２】電子銃２１２から放出される照射電子ビー
ム２１６はエネルギーフィルター２０７の磁界で偏向さ
れ、第１投射レンズ２０５と対物レンズ２０３を通り、
試料２０１を照射する。照射電子ビーム２１６の加速電
圧は１１ kV で、第１投射レンズ２０５と対物２０３を
通過した後、試料２０１に印加された１０ KV の負電圧
で lkV に減速される。既述のように、１ kV にする
と、試料２０１が半導体のような絶縁性のものであって
も帯電することなしにその観察を行うことができる。

【００２３】１ kV に減速された照射電子ビーム２１６
の照射によって試料２０１から２次電子が発生する。発
生した２次電子は試料２０１に印加された負電圧すなわ
ちその表面に生成された電界によって加速されて２次電
子ビーム２１８になる。２次電子ビーム２１８は対物レ
ンズ２０３と第１投射レンズ２０５を通過し、エネルギ
ーフィルター２０７に入る。２次電子ビーム２１８はエ
ネルキーフィルター２０７の磁界により図のように１回
転の偏向を受け、これにより大きなエネルギー分散が起
こる。エネルギーフィルター２０７の出口にはエネルギ
ー選別絞り２０８が設置され、これによってエネルギー
分散された２次電子のうちの特定のエネルギーの２次電
子が選択される。すなわち、試料２０１から発生する２
次電子は０から５０ V のエネルギーの範囲に分布して
いるが、このエネルギー分布のー部分のエネルギーを持
つ２次電子だけがエネルギー選別絞り２０８を通過す
る。具体的には、そのエネルギー分布のピークである２
V を中心として例えば１ Vの範囲の２次電子のみがエ
ネルギー選別絞り２０８を通過する。エネルギー選別絞
り２０８を通過した２次電子ビーム２１８は第２投射レ
ンズ２０９を通り、撮像装置２１０に２次電子の像を投
射する(撮像装置２１０は図１に示されるようにＭＣ
Ｐ、蛍光スクリーン、撮像管で構成されるが、ここでは
これらを撮像装置２１０としてまとめて示されてい
る)。

【００２４】対物レンズ２０３、第１投射レンズ２０５
および第２投射レンズ２０９は磁界形の拡大投射レンズ
を構成している。これらのレンズで構成される投射結像
レンズ系は試料２０１から発生する電子が通る直線状の
軸を持っていて、この軸は電子銃２１０から放出される
照射電子ビーム２１６の軸と直交している。照射電子ビ
ーム２１６によって励起された２次電子の強度分布(２
次電子像)は拡大投射レンズ系によって拡大されて撮像
装置２１０に投射され、これがＣＲＴ２１１に表示され
る。

【００２５】２段の投射レンズは高い倍率を得るために
３段あるいはそれ以上とされてもよい。対物レンズ２０
３、第１投射レンズ２０５および第２投射レンズ２０９
には、それぞれ関口角を制限するための絞り２０４、２
０６および２１９が設けられている。

【００２６】実施例では２次電子を結像させているが、
１ kV の照射電子ビーム２１６で試料２０１を照射し、
それによって後方散乱した後方散乱電子をエネルギー選
別絞り２０８で選択して結像させてもよい。この場合
は、対物レンズ２０３、第１投射レンズ２０５、第２投
射レンズ２０９およびエネルギーフィルター２０７は後
方散乱電子のエネルギーに調整される。

【００２７】試料２０１に入射する照射電子ビーム２１
６の照射面積の調整は電子銃２１２内に設けられた第２
コンデンサレンズ２２１によって調整される。第１コン
デンサレンズ２２８と第２コンデンサレンズ２２１の中
間には静電偏向器２２３が設けられている。試料２０１
の照射電子ビーム２１６による照射のオン／オフを行う
ように静電偏向器２２３はブランキング制御回路２２４
により制御される。これにより、試料２０１の電子ビー
ムによる無用な照射を避けて、試料２０１の損傷を防ぐ
ことができる。

【００２８】また、記載していないが、例えば試料２０
１としての半導体回路が外部に接続された電源で駆動さ
れている場合は、試料２０１の位置がその駆動周期で変
化する。このような場合は、試料２０１をその駆動周期
と同期させてパルス的に照射電子ビーム２１６により照
射することで、周期的な動作を、これがあたかもなかっ
たかのように観察することができる(ストロボ観察)。こ
こで観察される動作は配線上の電圧である。この電圧の
検知にもエネルギーフイルター２０７は有効である。外
部の電源で駆動しない場合でも、試料２０１の表面に電
圧が存在する場合には、その電位の分布を観察すること
ができる。例えば、材料に依存する表面電圧、あるいは
ＰＮ接合で起こる電圧等である。

【００２９】電子銃２１２とエネルギーフイルター２０
７の間にある静電偏向器２２０は励起用電子ビーム２１
６が第１投射２０５および対物レンズ２０３の中心を通
過するように調整する偏向器である。

【００３０】電子銃２１２は電子源２２７、ウエーネル
ト２２６、アノード２２５、第１コンデンサレンズ２２
８、第２コンデンサレンズ２２１および制限絞り２２２
から構成されている。この例の電子源は熱放射形である
が、電界放出形等であってもよい。

【００３１】偏向器２２９は２次電子ビーム２１８を第
１投射レンズ２０５の軸に合わせるための調整に用いら
れる。偏向器２３１は同様にエネルギーフイルター２０
７を通過した２次電子ビーム２１８を第２投射レンズ２
０９の軸に合わせるための調整に用いられるものであ
る。エネルギー選別絞り２０８と偏向器２３１の位置関
係は逆であってもよい。また、偏向器２３０は投射像の
撮像位置を調整するもので、検査観察する位置の自動調
整に用いられる。偏向器２３６は磁界と静電界を組み合
わせた偏向器で、照射電子ビーム２１６と２次電子ビー
ム２１８の調整を独立に行うことができる。例えば、２
次電子ビーム２１８に対して静電界による偏向が磁界に
よる偏向で打ち消されるようにすると２次電子ビーム２
１８に何ら偏向を与えることなく励起用電子ビーム２１
６の試料２０１への照射位置を調整することができる。

【００３２】試料２０１の直上に設置されたシールド板
２３４には試料２０１と同じ電圧が印加されている。こ
のシールド板２３４は、試料２０１の裏面に絶縁膜があ
り、試料２０１に電圧が印加できない場合に有効であ
る。この原理は同電圧で囲まれた内部は同じ電圧になる
原理による。このシールド板２３４の電子ビームを通す
開口の大きさ（直径）は１０ mm で、したがって、その
開口の、試料２０１と対物レンズ２０３との間の電界に
与える影響は少ない。

【００３３】図３は図２の実施例を加速電圧を異ならせ
て動作させる場合の概念を示すもので、（１）および
（２）は加速電圧が１ kV および５００ V である場合
の２次電子の結像の例を、（３）および（４）は加速電
圧が１ kV および５００ V である場合の後方散乱電子
の結像の例をそれぞれ示す。この実施例では、ェネルギ
ーフィルターの強度(励起強度)はー定にされている。す
なわち、10 kV のエネルギーの電子のみがエネルギーフ
イルターを通過するようにエネルギーフイルターの磁界
強度が調整されている。

【００３４】加速電圧を lkV として２次電子を観察す
る場合には、図３の（１）に示すように、１０．９９８
kV の照射電子をー９．９９８ kV が印加された試料に
照射する。１０．９９８ kV の照射電子はー９．９９８
kV の試料電圧で減速されて、１ kV で試料を照射す
る。試料で発生したニ次電子のうち２ eV の２次電子は
減速電圧の９．９９８ kV の電圧で逆に加速され、１０
kV のエネルギーになってエネルギーフィルターを通過
する。これを拡大して投射し、撮像する。加速電圧を５
００ V にする場合には、図３（２）に示すように、照
射電子の加速電圧を１０．４９８ kV にする。

【００３５】加速電圧を１ kV として後方散乱電子を観
察する場合には、図３の（３）に示すように、照射電子
のエネルギーを１０ kV とし、試料にー９ kV の電圧を
印加する。試料で後方散乱した１ kV の後方散乱電子は
減速電圧で逆に１０ kV に加速され、エネルギーフィル
ターを通過する。５００ V の後方散乱電子の場合は、
図３の（４）に示すように、励起用電子のエネルギーを
９．５ kV とする。ここで、エネルギーフィルターは１
０ kV の電子のみを通過させるように励起強度を固定し
てあるため、エネルギーが変化する照射電子を軸に合わ
せる機能が必要になる。

【００３６】図４は照射電子の加速電圧変化に対応でき
るエネルギーフイルターの構造例を示す。このエネルギ
ーフィルターは第１磁極４０１、第２磁極４０２および
第３磁極４０３の３つから成り立っている。この磁極内
では、紙面に垂直な方向の均一磁界が作られている。第
２磁極４０２では、下方から入ってくる１０ kV の電子
ビーム４０４を半径Ｒで右回転させる。電子ビームは９
０度回転したところで第２磁極４０２を離れ、第１磁極
４０１に入る。電子ビームは第１磁極４０１内で半径Ｒ
２で１８０度回転し、第２磁極４０２に戻る。半径Ｒ２
は（ＲーＬ／２）の式で計算される。ここで、Ｌは第２
磁極４０２の、第２磁極４０２への入射電子ビーム４０
４方向の寸法である。第２磁極４０２に戻った電子ビー
ムは再び半径Ｒで回転し、ビーム入射の延長線位置で第
２磁極４０２を出射する。

【００３７】次に照射電子４０５の入射について説明す
る。照射電子の加速電圧は９．５ kV から１１ kVの範
囲にある。この範囲の加速電圧の照射電子を図２の第１
投射レンズ２０５と対物レンズ２０３の中心軸に合わせ
なければならない。まず、１０ kV の場合を考える。こ
の場合は、第３磁極４０３に第２磁極４０２と同じ強度
の磁界を与える。１０ kV の照射電子４０８は半径Ｒで
回転し、電子ビーム４０４と同じ軸を下方に進み、試料
を照射する。照射電子のエネルギーが１０ kV以上の場
合には、第２磁極４０２内の回転半径がＲより大きくな
る(４０７)。そこで、第３磁極４０３の磁界を強く、か
つ偏向器４０６で上方向に偏向を与え、軌道４０７を作
るようにし、電子ビーム４０４とー致させる。具体的な
調整法を示すと、偏向器４０６を高速で上下偏向しなが
ら、第３磁極４０３の磁界をゆっくりと変化させる。こ
の操作により容易に軌道を探すことができる。励起用電
子のエネルギーが低い場合には、電子ビームは軌道４０
９を通るが、この場合も同様な方法で調整することがで
きる。

【００３８】図５は本発明を半導体プロセスの寸法評価
に適用した場合の一実施例を示す。

【００３９】図５においては、図２に示される電子光学
系が採用されるものであり、したがって、その部分の図
示は省略されている。検査対象（試料）は半導体ウエー
ハからなる基板である。撮像系５０１は撮後系制御部５
０２により制御され、ここに投射された２次元像が取り
込まれる。取り込まれた２次元像は画像ファイル５０３
に記録される。記録された２次元像は順次寸法計測部５
０４に転送され、線幅あるいはホール径等の計測が実行
される。一般には、ラインプロファイルを用いて、しき
い値法等で測定される。また、複雑な形状では基準の面
積と比較する方法、あるいは設計した形状と比較する方
法等が用いられる。画像処理部５０５では、２次元像の
コントラスト強調等の画像処理、あるいはフーリエ変換
による自動焦点合わせの情報出力、さらには測定位置を
確認する２次元像のパターン認識が実行される。

【００４０】試料からの後方散乱電子、二次電子を投射
結像するレンズおよび偏向系、エネルギーアナライザー
（フイルター）の制御はレンズおよび偏向系制御部５０
６で実行される。試料ステージ５０８はステージサーボ
制御部５０９で制御される。ステージの位置の決定およ
び制御はリニアーセンサーあるいはレーザー測長器で、
ミクロンあるいはそれ以下の精度で行われる。ステージ
５０８にはビエソ素子が組み込まれ、試料の高さが変え
られるようになっている。この高さ制御部５１０は画像
処理部５０５のフーリエ変換による焦点合わせと組み合
わされ、自動焦点合わせが実現される。励起用電子光学
系５０７は励起用光学系制御部５１１によって制御され
る。ここではレンズおよび偏向系の制御、照射電子のエ
ネルギー設定、試料への電圧印加の制御が実行される。

【００４１】ステージ５０８へのウェーハの搭載は複数
の真空予備室(図示していない)を経由して実行される。
例えば、２段の真空予備室を備えたものでは、第１の真
空予備室で１０のマイナス２乗トール程度まで排気し、
第２の予備排気室で１０のマイナス４乗まで排気し、試
料室内に導入する。試料２０１を試料室内の試料ステー
ジに搭載する場合には予め試料ホールダ２３３に印加し
ている負電圧をオフにする。この制御は試料室と真空予
備室間のゲートバルブの開閉と連動させる等のシーケン
ス動作で行われる。ウエーハの搬送はウェーハハンドラ
ー５１２で行われ、その制御はハンドラー制御部５１３
で行われる。これらの制御部、画像ファイル５０３、寸
法計測部５０４、画後処理部５０５はすべてシステム制
御部５１４の計算機によって制御される。この計算機に
よって装置の動作条件を記憶することはもちろんのこ
と、測定を実行する際の測定箇所、測定順序、データの
管理等の命令を行う。

【００４２】図６は図５の実施例を用いて寸法計測を行
う際の実行フローを示す。まず、照射電子電圧設定、撮
影時間設定、結像電子種の設定(２次電子像/後方散乱電
子像)、測定箇所、測定倍率等の条件設定がなされる
（Ｓ１）。これらの光学条件は予め調整され、各要素の
設定値が計算機に記憶されている。条件設定が完了する
と、ウエーハがステージに載せられる（Ｓ２）。すなわ
ち、まず、カセット内に収納されているウエーハはロボ
ットハンドで引き出され、第１の真空予備室内に移動さ
れ、搭載される。一般には、この移動の過程で、ウエー
ハのオリエンテ−ションフラット位置の検知がなされ、
ウエハは常に同じ向きにセットされる。ウエーハが載置
され、真空排気がなされる。次に、第２の真空予備室に
移動され、さらに高真空に排気される。その後、試料室
との間のゲート（エアーロックバルブ）が開放され、予
備室内のウエーハが試料室内のステージに載置される。
この搬送もロボットハンドが行う。真空予備室を２系統
持つことにより試料を真空排気する時間を短縮すること
ができる。この場合には、ステージに搭載されたウエー
ハを検査している間に次のウエーハを真空排気する。こ
の方式では検査のスループットを著しく改善することが
できる。

【００４３】次に、ウエーハのアライメントを行う（Ｓ
３）。これはステージ上に置かれたウエーハの位置補正
を行うもので、ウエーハ内の特定位置に作られた２箇所
のマーカーを観察することで行われる。アライメント
は、光学顕微鏡を設置し、電子投射像による補正前に光
学顕微鏡像で実施する場合もある。光学顕微鏡は電子顕
微鏡と同軸である必要はない。この場合は、相互位置の
補正を行う。ウエーハが位置的に再現するようにステー
ジに載せられるが、完全には再現しない。このずれを計
測し、その値をステージの位置制御にフィードバックす
ることで、位置のずれを補正する。この説明では特定の
マーカーを用いたが、ウエーハ内に作られたパターンで
代用することも可能である。２箇所を用いる補正ではウ
エーハの回転ずれも補正できる。

【００４４】ウエーハアライメントが終了すると、予め
登録されていた測定点が光学軸下に位置付けられるよう
に順次ステージを移動させ、その位置確認を行う（Ｓ
４、Ｓ５）。ステージの位置は光学的に位置決め(レー
ザー測長)されているため、ステージは数ミクロン以下
の精度で停止する。これ以下の精度が要求される場合
は、測定箇所(所望箇所)および周辺の像を予めメモリに
登録し、登録像との関連においてパターンの認識を行
い、測定箇所を像の中心に自動的に合わせる。この位置
合わせは、ステージ移動と図２のＸおよびＹ方向の偏向
器２３０を用いて行う。また、対象とする箇所が観察像
内にある場合には、寸法計測を行うプロファイルの作成
位置を移動させてもよい。

【００４５】次に測定のための画像を取得する（Ｓ
６）。すなわち、まず、焦点合わせを実施する。焦点合
わせはレーザー光による斜め照射を行う光学的方法(静
電容量を用いる方法も可能)による粗調整と対物レンズ
の電流を微調整し、画像内の高周波成分が最も高くなる
対物レンズの電流値を選択する画後処理による最終調整
の２段階で行われる。

【００４６】次に、取得した像を用いて、指定された間
隔の測定を行う（Ｓ７）。紙幅、孔径はもちろんのこ
と、面積計算等も実施する。

【００４７】指定された複数箇所の測定を完了すると、
ステージからウエーハを予備室に搬送し、ゲート（エア
ーロックバルブ）を閉めた後に予備室を大気圧にし、ウ
エーハをカセットに戻し、終了する（Ｓ８）。継続する
場合には、次のウエーハを予備室に搬送する。

【００４８】次に図５の実施例を用いてウエーハの形状
検査を行う例を説明する。寸法測定では、ウエーハ内の
５チップを選択し、その各々のチップ内の５箇所を、す
なわち合計２５箇所を計測するのが典型的な例である。
これは部分検査であるに他ならない。ところが、形状検
査では、全面の形状を検査する。そこで、図５の実施例
を用いての形状検査は図５の実施例を用いての寸法測定
と次の３点で異なる。すなわち、（１）スループットの
向上を図るため、ステージを連続的に移動させ、移動の
過程で、データの収集を行う。（２）ステージの連続移
動に伴い、撮像部に１次元の撮像デバイスを用いる（Ｓ
／Ｎの改善のため複数個の１次元撮像デバイスを用いる
ことが多い)。（３）形状の異常の判定のためにウエー
ハ内の同一パターン同士での比較を行う（チップ同士で
比較するかあるいはメモリセル同士で比較する方法が用
いられる）。

【００４９】図７は連続移動で試料としての、ウエーハ
からなる基板を検査する様子を説明する図である。ウエ
ーハ内にＮ×ｎ個のチップが配列されている。全チップ
を含むように（Ｓ）からスタートし、（Ｅ）で終わるス
テージの往復走査をする。図では、観察領域が移動して
いるように表現されているが、視察領域は停止してい
る。（Ａ）で示す間隔が１回の走査で観察できる幅であ
る。この幅は観察分解能あるいは１次元撮像デバイスの
解像度で決まる。通常は数％の重畳があるように設定さ
れる。全面を1回走査することで、ウエーハ全面の像が
形成できる。ステージの走査速度の変動と走査の非直線
性はステージに組み込まれたレーザー位置計測で測定
し、設定値からのずれを電子ビームの偏向器(図２の２
３０)にフィードバックすることで補正する。チップ同
士の比較では、例えばチップ(１、１)のデータ(画像)を
記憶しておき、チップ(１、２)と比較して両者の差を検
知する。次にチップ(１、２)のデータとチップ(１、３)
を比較する。ここで同じ箇所に差が検知されれば、チッ
プ(１、２)に形状の欠陥があると判定される。説明の都
合上、チップ全体の像を比較するように説明したが、チ
ップ内の観察領域の比較で良く、順次消去し、記憶容量
が増大することを防ぐことができる。

【００５０】図８はチップ内の同一形状を用いて検査す
るセル比較を説明する図である。この方法は同一形状の
メモリーセルが配列されるメモリー部に用いられる。ウ
エーハの形状の検査では、１個の１次元の撮像デバイス
で実施したが、複数個用いることによりＳ／Ｎの改善を
図ることができ、結果的にはスループットが向上する。
なお、実施例では、Ｘ及びＹ方向に移動可能な試料ス
テージの連続移動としたが、回転と１軸移動を組み合わ
せたｒーθ方式すなわち極座標方式の試料ステージであ
ってもよい。

【００５１】本発明の実施例によれば、今までの電子ビ
ーム走査による寸法計測や基板検査では達成することが
できなかった高いスループットを実現することができ
る。例えば、走査方式では１枚のウエーハを全面検査す
るのに１０時間必要としたものが、数分で実施すること
ができる。

【００５２】

【発明の効果】本発明によれば、スループットを高める
のに適した投射方式の荷電粒子顕微鏡および基板検査シ
ステムが提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】既知の投射方式の電子顕微鏡の電子光学系を示
す図。

【図２】本発明に基づく一実施例中の電子光学系を主体
とする基本的な部分の概念図。

【図３】図２の実施例を加速電圧を異ならせて動作させ
る場合の概念図。

【図４】図２の実施例中の、照射電子の加速電圧変化に
対応できるエネルギーフイルターの構造例を示す図。

【図５】本発明を半導体プロセスの寸法評価に適用した
場合の一実施例の概念図。

【図６】図５の実施例を用いて寸法計測を行う際の実行
フローを示す図。

【図７】図５の実施例において連続移動で試料として
の、ウエーハからなる基板を検査する様子を説明する
図。

【図８】図５の実施例においてチップ内の同一形状を用
いて検査するセル比較を説明する図。

【符号の説明】 ２０１：試料ステージ、２０２：電源、２０３：対物レ
ンズ、２０４、２０６、２１９：絞り、２０５：第１投
射レンズ、２０７：エネルギーフイルタ、２０８：エネ
ルギー選別絞り、２０９：台２投射レンズ、２１０：撮
像装置、２１１：ＣＲＴ、２１２：電子銃、２１６：照
射電子ビーム、２１８：２次電子ビーム、２２０：静電
偏向器、２２１：第２コンデンサレンズ、２２２：制限
絞り、２２３：静電偏向器、２２４：ブランキング制御
回路、２２５：アノード、２２６：ウエーネルト、２２
７：電子源、２２８：第１コンデンサレンズ、２２９、
２３０、２３１、２３６：偏向器、２３３：試料ホール
ダ、２３４：シールド板、２３５：試料ステージ、４０
１：第１電極、４０２：第２電極、４０３：第３電極、
４０４：電子ビーム、４０５：照射電子ビーム、４０
６：偏向器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｊ 37/28 Ｈ０１Ｊ 37/28 Ｂ Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｊ (72)発明者 田谷 俊陸 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株式会社 日立製作所 計測器事業部内 (72)発明者 品田 博之 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社 日立製作所 中央研究所内 (72)発明者 二宮 拓 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株式会社 日立製作所 計測器事業部内 (72)発明者 大西 毅 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株式会社 日立製作所 計測器事業部内 (56)参考文献 特開 平５−109381（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−270241（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−35641（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−82264（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−162987（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−73905（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−108864（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/29 H01J 37/05 H01J 37/244 H01J 37/28

Claims (26)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料に照射ビ一ムを照射する照射手段と、
   その照射によって前記試料の表面から発生した荷電粒子
   を特定のエネルギーを有する前記荷電粒子に選択するエ
   ネルギー選択手段と、該選択された前記荷電粒子を投射
   し結像する投射結像手段と、その結像された荷電粒子像
   を撮像する撮像手段と、前記試料を保持してＸ及びＹ方
   向に移動させ位置制御する試料ステージとを具備し、 前記エネルギー選択手段は、前記照射手段からの照射ビ
   ームを前記試料方向に偏向させる第３磁極と、該偏向さ
   れた前記照射ビームを前記試料表面に対し垂直な方向に
   入射するように偏向させると共に前記試料の表面で発生
   した前記荷電粒子を偏向し出射させる第２磁極と、該第
   ２磁極より出射した前記荷電粒子を前記第２磁極に戻し
   出射させる第１磁極とを含むことを特徴とする投射方式
   の荷電粒子顕微鏡。
2. 【請求項２】請求項１において、前記第３磁極によって
   偏向された前記照射ビームを前記試料表面に対し垂直に
   入射するように偏向すると共に前記基板の表面で発生し
   た前記荷電粒子を前記第３磁極から入射した前記照射ビ
   ームの入射側と反対の側に偏向し出射させる第2磁極
   と、該第2磁極より出射した前記荷電粒子を前記第２磁
   極に戻す第１磁極とを含み、前記第２磁極は前記第１磁
   極から出射した前記荷電粒子を前記試料に入射する前記
   照射ビームの入射方向と反対の方向に偏向させることを
   特徴とする投射方式の荷電粒子顕微鏡。
3. 【請求項３】請求項１において、前記基板の表面に電界
   を生成して前記荷電粒子を加速する電場生成手段を備え
   ていることを特徴とする投射方式の荷電粒子顕微鏡。
4. 【請求項４】請求項１において、前記荷電粒子は電子を
   含み、前記投影結像手段は磁界形の電子レンズ系を含む
   ことを特徴とする投射方式の荷電粒子顕微鏡。
5. 【請求項５】請求項１において、前記荷電粒子は２次電
   子及び後方散乱電子を含み、前記エネルギー選択手段は
   前記２次電子及び後方散乱電子の一方を選択することを
   特徴とする投射方式の荷電粒子顕微鏡。
6. 【請求項６】請求項１において、偏向装置を備え、前記
   投射結像手段は前記荷電粒子が通る直線状の第１の軸を
   有し、前記照射手段は前記照射ビームが通る、前記第１
   の軸と直交する第２の軸を有し、前記偏向装置は前記第
   ２の軸を通る前記照射ビームが前記第１の軸に沿って前
   記基板を照射するように前記照射ビームを偏向すること
   を特徴とする投射方式の荷電粒子顕微鏡。
7. 【請求項７】請求項６において、前記エネルギー選択手
   段は磁界形のエネルギーフイルターを含み、該エネルギ
   ーフイルターは前記偏向手段を兼用していることを特徴
   とする投射方式の荷電粒子顕微鏡。
8. 【請求項８】請求項１において、前記荷電粒子を加速す
   るように前記基板の表面を負電位に保つ手段を備え、前
   記投射結像手段は磁界形の対物レンズを含み、前記エネ
   ルギー選択手段は磁界形であり、前記対物レンズおよび
   エネルギー選択手段の動作条件をそれぞれ固定した状態
   において、前記照射ビ−ムの加速電圧及び前記負電位を
   変えることにより前記結像される荷電粒子のエネルギー
   を選択することを特徴とする投射方式の荷電粒子顕微
   鏡。
9. 【請求項９】請求項８において、前記基板と前記対物レ
   ンズの間に磁界形の偏向手段と静電形の偏向手段を具備
   したことを特徴とする投射方式の荷電粒子顕微鏡。
10. 【請求項１０】基板に照射ビ一ムを照射する照射手段
    と、その照射によって前記基板の表面から発生した荷電
    粒子を特定のエネルギーを有する前記荷電粒子に選択す
    るエネルギー選択手段と、該選択された前記荷電粒子を
    投射し結像する投射結像手段と、その結像された荷電粒
    子像を撮像する撮像手段と、前記基板を保持してＸ及び
    Ｙ方向に移動させ位置制御するステージと、前記基板の
    微調整による位置補正を行うアライメント手段とを具備
    し、 前記エネルギー選択手段は、前記照射手段の照射ビーム
    を前記基板方向に偏向させる第３磁極と、該偏向された
    前記照射ビームを前記基板表面に対し垂直な方向に入射
    するように偏向させると共に前記基板の表面で発生した
    前記荷電粒子を偏向し出射させる第２磁極と、該第２磁
    極より出射した前記荷電粒子を前記第２磁極に戻し出射
    させる第１磁極とを含むことを特徴とする投射方式の基
    板検査システム。
11. 【請求項１１】請求項１０において、前記第３磁極によ
    って偏向された前記照射ビームを前記試料表面に対し垂
    直に入射するように偏向すると共に前記基板の表面で発
    生した前記荷電粒子を前記第３磁極から入射した前記照
    射ビームの入射側と反対の側に偏向し出射させる第2磁
    極と、該第2磁極より出射した前記荷電粒子を前記第２
    磁極に戻す第１磁極とを含み、前記第２磁極は前記第１
    磁極から出射した前記荷電粒子を前記試料に入射する前
    記照射ビームの入射方向と反対の方向に偏向させること
    を特徴とする投射方式の基板検査システム。
12. 【請求項１２】請求項１１において、前記アライメント
    手段は光学顕微鏡によるアライメント実行手段と前記撮
    像された投影像によるアライメント実行手段とを含む投
    射方式の基板検査システム。
13. 【請求項１３】請求項１１において、前記基板を前記照
    射ビームで照射している間に次にその照射ビームで照射
    されるべき別の基板が導入されて真空排気される予備室
    を備えていることを特徴とする投射方式の基板検査シス
    テム。
14. 【請求項１４】請求項１１において、前記基板の位置を
    測定して基板上の所望位置を定め、その定められた位置
    と前記照射ビームで照射されるべき位置とを合わせる手
    段を備えていることを特徴とする投射方式の基板検査シ
    ステム。
15. 【請求項１５】請求項１１において、偏向装置を備え、
    前記結像投射手段は前記選択されたエネルギーを持つ荷
    電粒子を投射する最終投射レンズを含み、前記偏向装置
    は前記投射される荷電粒子の位置を調整するように前記
    最終投射レンズと前記撮像手段の間に配置されているこ
    とを特徴とする投射方式の基板検査システム。
16. 【請求項１６】請求項１１において、前記アライメント
    手段は前記基板の画像パターンを使用して前記基板のア
    ライメントを自動的に行うことを特徴とする投射方式の
    基板検査システム。
17. 【請求項１７】請求項１１において、前記アライメント
    手段は前記基坂を自動的にアライメントを行う認識手段
    を有していることを特徴とする投射方式の基板検査シス
    テム。
18. 【請求項１８】請求項１１において、前記基板の像を予
    め保存するメモリを有し、前記アライメント手段は前記
    基板のアライメントを自動的に行うために、前記保存さ
    れた像を使用することを特徴とする投射方式の基板検査
    システム。
19. 【請求項１９】請求項１１において、前記撮像手段の出
    力を記憶する手段と、前記基板の同一パターン箇所同士
    の像を比較し、そのパターンの差を検出する手段とを有
    していることを特徴とする投射方式の基板検査システ
    ム。
20. 【請求項２０】基板に照射ビ一ムを照射する照射手段
    と、その照射によって前記基板の表面から発生した荷電
    粒子を特定のエネルギーを有する前記荷電粒子に選択す
    るエネルギー選択手段と、該選択された前記荷電粒子を
    投射し結像する投射結像手段と、その結像された荷電粒
    子像を撮像する撮像手段と、前記基板を保持してＸ及び
    Ｙ方向に移動させ位置制御するステージと、前記基板の
    位置を測定するレーザ測長器とを具備し、 前記エネルギー選択手段は、前記照射手段の照射ビーム
    を前記基板方向に偏向する第３磁極と、該偏向された前
    記照射ビームを前記基板表面に対し垂直な方向に入射す
    るように偏向すると共に前記基板の表面で発生した前記
    荷電粒子を偏向し出射させる第2磁極と、該第2磁極より
    出射した前記荷電粒子を前記第２磁極に戻し出射させる
    第１磁極とを含むことを特徴とする投射方式の基板検査
    システム。
21. 【請求項２１】請求項２０において、前記第３磁極によ
    って偏向された前記照射ビームを前記試料表面に対し垂
    直に入射するように偏向すると共に前記基板の表面で発
    生した前記荷電粒子を前記第３磁極から入射した前記照
    射ビームの入射方向と反対の方向に偏向し出射させる第
    2磁極と、該第2磁極より出射した前記荷電粒子を前記第
    ２磁極に戻す第１磁極とを含み、前記第２磁極は前記第
    １磁極から出射した前記荷電粒子を前記試料に入射する
    前記照射ビームの入射方向と反対の方向に偏向させるこ
    とを特徴とする投射方式の基板検査システム。
22. 【請求項２２】請求項２１において、前記撮像手段によ
    る撮像中に前記基板を連続的に移動する手段を有するこ
    とを特徴とする投射方式の基板検査システム。
23. 【請求項２３】請求項２１において、前記基板の位置を
    測定して、前記撮像手段との関連において前記基板の所
    望位置を決定し、その決定された所望位置に前記投射さ
    れる荷電粒子を偏向する手段を有することを特徴とする
    投射方式の基板検査システム。
24. 【請求項２４】請求項２３において、前記撮像手段によ
    る前記基板の所望位置の撮像された投射像を記録する手
    段を有することを特徴とする投射方式の基抜検査システ
    ム。
25. 【請求項２５】請求項２１において、前記基板の像を予
    め保存する手段を有し、前記基板の撮像された像を前記
    保存された像と比較するようにしたことを特徴とする投
    射方式の基板検査システム。
26. 【請求項２６】請求項２１において、前記基板を保持
    し、かつ前記撮像手段による撮像中に前記基板に連続移
    動と連続回転を与える極座標方式の試料ステージを有す
    ることを特徴とする投射方式の基板検査システム。