JP3814968B2 - 検査装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビームを利用して、例えば、半導体ウェーハの集積回路パターン像等を取得する検査装置に関し、特に、均質かつ鮮明な画像を取得することができる検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）とは異なり、電子ビームのビーム断面を一次光学系で線状あるいは矩形状にして試料に照射し、試料から発生する反射電子、二次電子等を、二次光学系を介して電子検出器で検出し、試料の表面画像を取得するシステムがある。しかしながら、このようなシステムは、論文に記載されているだけで、実用的な公知例はまだない。
【０００３】
また、二次光学系の構成例として、ウィーンフィルタを使用した論文（K.Tsuno, Ultramicroscopy 55(1994)127-140 「Simulation of a Wien filter as beam separator in a low energy electron microscope」)があるが、この論文では、計算結果だけで、装置として実用化されていない。
そこで、本出願人は、ウィーンフィルタを利用した検査装置として実用化する際の諸問題を検討し、特願平９−９１４２１号出願および特願平９−９１４２２号出願において、この検査装置の具体的構成例を提案した。
【０００４】
図７を参照して、この検査装置を説明する。
図７において、検査装置は、一次コラム５０、ウィーンフィルタ５１、ステージ５２および二次コラム５４を有している。
ステージ５２上には、試料５３が載置されており、また、二次コラム５４の内部には、カソードレンズ５５および二次光学系５６が配置されている。さらに、二次コラム５４の内部には、開口絞りであるニューメニカルアパーチャ５７が配置され、その後方には、径の異なるフィールド孔が複数形成されているフィールドアパーチャ（視野絞り）５８が、引き出し可能に挿入されている。
【０００５】
一方、二次光学系５６を介して二次電子、反射電子が集束する位置に検出器５９が配置される。検出器５９は検出電子を光信号に変換し、さらに撮像素子によって光電信号に再変換する。光電信号はコントロールユニット６０を介して、ＣＰＵ６１に入力される。
ＣＰＵ６１は、一次コラム制御ユニット６２および二次コラム制御ユニット６３に制御信号を出力する。一次コラム制御ユニット６２は、一次コラム５０内の一次光学系に対して、また、二次コラム制御ユニット６３は、カソードレンズ５５および二次光学系５６に対してレンズ電圧の制御を行う。
【０００６】
次に、この検査装置の動作について説明する。
一次コラム５０内の一次光学系は、電子銃から放射される電子ビームを、ウィーンフィルタ５１に入射させる。ウィーンフィルタ５１は、電磁プリズムとして作用する偏向器で、一次コラム５０からの特定のエネルギーを有する電子ビームを、その加速電圧で決定される角度で曲げて、試料５３に垂直に照射させる。一方、試料５３から発生する二次ビームに対しては、そのまま直進させ、二次コラム５４内の二次光学系５６に入射させる。なお、このウィーンフィルタの詳細については後述する。
【０００７】
二次ビームは、二次光学系５６により集束され、検出器５９の検出面に所定の倍率で拡大投影され、画像信号に変換される。このとき、ニューメニカルアパーチャ５７は、二次光学系５６の収差を抑える役割を果たすと共に、装置内に散乱する余計な電子が、検出器５９で検出されることを防ぐ役割を果たす。
また、フィールドアパーチャ５８に形成されるフィールド孔を選択することにより、検出電子の種類を選択することができる。すなわち、二次電子は、反射電子より電子数が多いため、二次電子を中心に検出したい場合には、径の小さいフィールド孔を選択する。また、反射電子を多く検出したい場合には、逆に径の大きなフィールド孔を選択する。これにより、試料の状態に合わせて収率の高い電子を選択して検出することができる。
【０００８】
コントロールユニット６０は、検出器５９から画像信号を取り出し、ＣＰＵ６１に出力する。ＣＰＵ６１は、取り出された画像信号からテンプレートマッチング等によってパターンの欠陥検査を実施する。ＣＰＵ６１は、ステージ５２を駆動し、次の検査箇所に位置を合わせて、以上の検査動作を繰り返す。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上の検査装置では、以下の点については考慮されていなかった。
【００１０】
通常、電子銃のチップからは不均一な電子ビームが照射される場合があり、試料のビーム照射領域には、ビームの強度むらが生じる。この状態で、試料からの二次ビームを捕獲し、検出面に拡大投影すると、ビームの強度むらがノイズとなって現れ、画像信号のＳ／Ｎが低下するいう問題点があった。
また、試料からの二次ビームは、けられなどにより、周辺光量の減光が起き、検出される画像信号の周辺部分の輝度が低下するという問題点があった。
【００１１】
さらに、ステージを駆動して試料を検査する際に、試料面とカソードレンズ５５との距離（被写体距離）が変動することがある。このとき、カソードレンズ５５のレンズ電圧を制御し、レンズの焦点距離を変えて焦点合わせを行うと、検出面での拡大倍率が変化してしまうという問題点があった。
そこで、請求項１〜３に記載の発明は、上述の問題点を解決するために、検出画像のＳ／Ｎを向上させ、均質かつ鮮明な画像を取得することができる検査装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
図１は、請求項１、２に記載の発明の原理ブロック図である。
請求項１に記載の発明は、電子ビームを試料面上に照射する照射手段１と、電子ビームの照射により、試料から発生する二次電子、反射電子または後方散乱電子の少なくとも１種を二次ビームとして検出する電子検出手段２と、照射手段１および電子検出手段２と、試料との間に配置され、照射手段１から照射される電子ビームを試料面上に照射させ、かつ試料から発生する二次ビームを、電子検出手段２に導く偏向手段３と、偏向手段３と試料との間に配置される対物電子光学系４と、対物電子光学系４の焦点位置に配置され、二次ビーム量を制限するビーム制限手段５とを備え、対物電子光学系４とビーム制限手段５とは、テレセントリックな電子光学系を構成することを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の検査装置において、対物電子光学系４の焦点位置に、電子ビームが集束することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の検査装置において、電子ビームのビーム断面の形状が、矩形状または楕円形状であることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の検査装置において、照射手段は、回転軸非対称の静電レンズまたは電磁レンズを備えることにより、電子ビームのビーム照射領域を、矩形状または楕円形状に整形することを特徴とする。
【００１４】
（作用）
請求項１に記載の検査装置では、照射手段１は、試料に電子ビーム（一次ビーム）を照射する。電子ビームは、偏向手段３、ビーム制限手段５および対物電子光学系４を介して試料面上に照射される。
試料面上に電子ビームが照射されると、試料のビーム照射面から二次ビームとして二次電子、反射電子または後方散乱電子が発生する。二次ビームは、対物電子光学系４および偏向手段３を介して電子検出手段２で検出される。
【００１５】
このとき、ビーム制限手段５が、対物電子光学系４の焦点位置に配置されており、対物電子光学系４とビーム制限手段５とは、テレセントリックな電子光学系を構成している。
したがって、図１（２）に示すように、試料から発生する二次ビームの主光線は、必ず、対物電子光学系４の焦点位置でクロスオーバーを形成するので、二次ビームはけられることなく、電子検出手段２で検出される。なお、試料から発生する二次ビームの主光線は、一般的には、一次ビームの照射角度に依存せずに、試料から垂直に出射する。
【００１６】
請求項２に記載の検査装置では、対物電子光学系４の焦点位置に、電子ビームがクロスオーバーを形成する。したがって、図１（１）に示すように、電子ビームは、分散均一化し、平行ビームとなって試料に照射する。
請求項３に記載の検査装置では、電子ビームが試料に照射されると、その照射領域は、矩形状または楕円形状になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
図２は、本実施形態の全体構成図である。また、図３は、一次ビームの軌道を示す図であり、図４は、二次ビームの軌道を示す図である。なお、本実施形態は、請求項１〜４に記載の発明に対応する。
【００１８】
図２〜図４において、検査装置は一次コラム２１、二次コラム２２およびチャンバー２３を有している。一次コラム２１の内部には、電子銃２４が設けられており、電子銃２４から照射される電子ビーム（一次ビーム）の光軸上に一次光学系２５が配置される。
また、チャンバー２３の内部には、ステージ２６が設置され、ステージ２６上には試料２７が載置される。
【００１９】
一方、二次コラム２２の内部には、試料２７から発生する二次ビームの光軸上に、カソードレンズ２８、ニューメニカルアパーチャ２９、ウィーンフィルタ３０、第２レンズ３１、フィールドアパーチャ３２、第３レンズ３３、第４レンズ３４および検出器３５が配置される。
なお、ニューメニカルアパーチャ２９は、開口絞りに相当するもので、円形の穴が開いた金属製（Ｍｏ等）の薄膜である。そして、開口部が一次ビームの集束位置およびカソードレンズ２８の焦点位置になるように配置されている。したがって、カソードレンズ２８とニューメニカルアパーチャ２９とは、テレセントリックな電子光学系を構成している。
【００２０】
一方、検出器３５の出力は、コントロールユニット３６に入力され、コントロールユニット３６の出力は、ＣＰＵ３７に入力される。
ＣＰＵ３７の制御信号は、一次コラム制御ユニット３８、二次コラム制御ユニット３９およびステージ駆動機構４０に入力される。
一次コラム制御ユニット３８は、一次光学系２５のレンズ電圧制御を行い、二次コラム制御ユニット３９は、カソードレンズ２８、第２レンズ３１〜第４レンズ３４のレンズ電圧制御およびウィーンフィルタ３０に印加する電磁界制御を行う。
【００２１】
また、ステージ駆動機構４０は、ステージの位置情報をＣＰＵ３７に伝達する。
さらに、一次コラム２１、二次コラム２２、チャンバー２３は、真空排気系（不図示）と繋がっており、真空排気系のターボポンプにより排気されて、内部は真空状態を維持している。
なお、請求項１〜３に記載の発明と、本実施形態との対応関係については、照射手段１は、電子銃２４および一次光学系２５に対応し、電子検出手段２は、第２レンズ３１、第３レンズ３３、第４レンズ３４および検出器３５に対応し、偏向手段３は、ウィーンフィルタ３０に対応し、対物電子光学系４は、カソードレンズ２８に対応し、ビーム制限手段５は、ニューメニカルアパーチャ２９に対応する。
【００２２】
次に、本実施形態の動作について説明する。
（一次ビーム）
電子銃２４からの一次ビームは、一次光学系２５によってレンズ作用を受けながら、ウィーンフィルタ３０に入射する。
ここでは、電子銃のチップとしては、矩形陰極で大電流を取り出すことができるＬａＢ₆を用いる。また、一次光学系２５は、回転軸非対称の四重極または八重極の静電(または電磁)レンズを使用する。これは、いわゆるシリンドリカルズレンズと同様にＸ軸、Ｙ軸各々で集束と発散とを引き起こすことができる。このレンズを２段、３段で構成し、各レンズ条件を最適化することによって、照射電子を損失することなく、試料面上のビーム照射領域を、任意の矩形状、または楕円形状に整形することができる。
【００２３】
具体的には、図５（１）に示すように、静電レンズを用いた場合、４つの円柱ロッドを使用する。対向する電極同士（ａとｂ、ｃとｄ）を等電位にし、互いに逆の電圧特性を与える。
【００２４】
なお、図４（２）に示すように、四重極レンズとして円柱形ではなく、静電偏向器で、通常使用される円形板を４分割した形状のレンズを用いてもよい。この場合レンズの小型化を図ることができる。
一次光学系２５を通過した一次ビームは、ウィーンフィルタ３０の偏向作用により軌道が曲げられる。ウィーンフィルタ３０は、磁界と電界を直交させ、電界をＥ、磁界をＢ、荷電粒子の速度をｖとした場合、Ｅ＝ｖＢのウィーン条件を満たす荷電粒子のみを直進させ、それ以外の荷電粒子の軌道を曲げる。図６に示すように、一次ビームに対しては、磁界による力ＦBと電界による力ＦEとが発生し、ビーム軌道は曲げられる。一方、二次ビームに対しては、力ＦBと力ＦEとが逆方向に働くため、互いに相殺されるので二次ビームはそのまま直進する。
【００２５】
一次光学系２５のレンズ電圧は、一次ビームがニューメニカルアパーチャ２９の開口部で結像するように、予め設定されている。このニューメニカルアパーチャ２９は、装置内に散乱する余計な電子ビームが試料面に到達することを阻止し、試料２７のチャージアップや汚染を防いでいる。
さらに、ニューメニカルアパーチャ２９とカソードレンズ２８とはテレセントリックな電子光学系を構成しているので、図３に示すように、カソードレンズ２８を透過した一次ビームは平行ビームになり、試料２７に均一かつ一様に照射する。すなわち、光学顕微鏡でいうケーラー照明が実現される。
【００２６】
（二次ビーム）
一次ビームが試料に照射されると、試料のビーム照射面からは、二次ビームとして、二次電子、反射電子または後方散乱電子が発生する。
二次ビームは、カソードレンズ２８によるレンズ作用を受けながら、レンズを透過する。
【００２７】
ところで、カソードレンズ２８は、３枚の電極で構成されている。一番下の電極は、試料２７側の電位との間で、正の電界を形成し、電子（特に、指向性が小さい二次電子）を引き込み、効率よくレンズ内に導くように設計されている。
【００２８】
また、レンズ作用は、カソードレンズ２８の１番目、２番目の電極に電圧を印加し、３番目の電極をゼロ電位にすることで行われる。
一方、ニューメニカルアパーチャ２９は、カソードレンズ２８の焦点位置、すなわち試料２７からのバックフォーカス位置に配置されている。
したがって、図４に示すように、視野中心外（軸外）から出た電子ビームの光束も、平行ビームとなって、このニューメニカルアパーチャ２９の中心位置を、けられが生じることなく通過する。
【００２９】
なお、ニューメニカルアパーチャ２９は、二次ビームに対しては、第２レンズ３１〜第４レンズ３４のレンズ収差を抑える役割を果たしている。
ニューメニカルアパーチャ２９を通過した二次ビームは、ウィーンフィルタ３０の偏向作用を受けずに、そのまま直進して通過する。なお、ウィーンフィルタ３０に印加する電磁界を変えることで、二次ビームから、特定のエネルギーを持つ電子（例えば２次電子、又は反射電子、又は後方散乱電子）のみを検出器３５に導くことができる。
【００３０】
二次ビームを、カソードレンズ２８のみで結像させると、レンズ作用が強くなり収差が発生しやすい。そこで、第２レンズ３１と合わせて、１回の結像を行わせる。二次ビームは、カソードレンズ２８および第２レンズ３１により、フィールドアパーチャ３２上で中間結像を得る。
この場合、通常、二次光学系として必要な拡大倍率が、不足することが多いため、中間像を拡大するためのレンズとして、第３レンズ３３、第４レンズ３４を加えた構成にする。二次ビームは、第３レンズ３３、第４レンズ３４各々により拡大結像し、ここでは、合計３回結像する。なお、第３レンズ３３と第４レンズ３４とを合わせて１回（合計２回）結像させてもよい。
【００３１】
また、第２レンズ３１〜第４レンズ３４はすべて、ユニポテンシャルレンズまたはアインツェルレンズとよばれる回転軸対称型のレンズである。各レンズは、３枚電極の構成で、通常は外側の２電極をゼロ電位とし、中央の電極に印加する電圧で、レンズ作用を行わせて制御する。
また、中間の結像点には、フィールドアパーチャ３２が配置されている。フィールドアパーチャ３２は光学顕微鏡の視野絞りと同様に、視野を必要範囲に制限しているが、電子ビームの場合、余計なビームを、後段の第３レンズ３３および第４レンズ３４と共に遮断して、検出器３５のチャージアップや汚染を防いでいる。なお、拡大倍率は、この第３レンズ３３および第４レンズ３４のレンズ条件（焦点距離）を変えることで設定される。
【００３２】
二次ビームは、二次光学系により拡大投影され、検出器３５の検出面に結像する。
検出器３５は、電子を増幅するＭＣＰと、電子を光に変換する蛍光板と、真空系と外部との中継および光学像を伝達させるためのレンズやその他の光学素子と、撮像素子（ＣＣＤ等）とから構成される。二次ビームは、ＭＣＰ検出面で結像し、増幅され、蛍光板によって電子は光信号に変換され、撮像素子によって光電信号に変換される。
【００３３】
コントロールユニット３６は、検出器３５から試料の画像信号を読み出し、ＣＰＵ３７に伝達する。
ＣＰＵ３７は、画像信号からテンプレートマッチング等によってパターンの欠陥検査を実施する。
また、ステージ２６は、ステージ駆動機構４０により、ＸＹ方向に移動可能となっている。ＣＰＵ３７は、ステージ２６の位置を読み取り、ステージ駆動機構４０に駆動制御信号を出力し、ステージ２６を駆動させ、順次画像の検出、検査を行う。
【００３４】
このように、本実施形態の検査装置では、ニューメニカルアパーチャ２９とカソードレンズ２８とが、テレセントリックな電子光学系を構成しているので、一次ビームに対しては、ビームを試料に均一に照射させることができる。すなわち、ケーラー照明を容易に実現することができる。
【００３５】
さらに、二次ビームに対しては、試料２７からの全ての主光線が、カソードレンズ２８に垂直（レンズ光軸に平行）に入射し、ニューメニカルアパーチャ２９を通過するので、周辺光もけられることがなく、試料周辺部の画像輝度が低下することがない。
また、電子が有するエネルギーのばらつきによって、結像する位置が異なる、いわゆる倍率色収差が起こる（特に、二次電子は、エネルギーのばらつきが大きいため、倍率色収差が大きい）が、カソードレンズ２８の焦点位置に、ニューメニカルアパーチャ２９を配置することで、この倍率色収差を抑えることができる。
【００３６】
さらに、試料２７とカソードレンズ２８との距離に変動が生じ、焦点合わせを実行しても、テレセントリック光学系のため、拡大倍率に変化が生じない。なお、焦点合わせは、カソードレンズ２８の焦点距離を変えることで行われるが、焦点ずれは、非常に小さいため、焦点距離を変えてもテレセントリック電子光学系の構成が損なわれることはない。
【００３７】
また、拡大倍率の変更は、ニューメニカルアパーチャ２９の通過後に行われるので、第３レンズ３３、第４レンズ３４のレンズ条件の設定倍率を変えても、検出側での視野全面に均一な像が得られる。
なお、本実施形態では、むらのない均一な像を取得することができるが、通常、拡大倍率を高倍にすると、像の明るさが低下するという問題点が生じた。そこで、これを改善するために、二次光学系のレンズ条件を変えて拡大倍率を変更する際、それに伴って決まる試料面上の有効視野と、試料面上に照射される電子ビームとを、同一の大きさになるように一次光学系のレンズ条件を設定する。
【００３８】
すなわち、倍率を上げていけば、それに伴って視野が狭くなるが、それと同時に電子ビームの照射エネルギー密度を上げていくことで、二次光学系で拡大投影されても、検出電子の信号密度は、常に一定に保たれ、像の明るさは低下しない。
【００３９】
また、本実施形態の検査装置では、一次ビームの軌道を曲げて、二次ビームを直進させるウィーンフィルタ３０を用いたが、それに限定されず、一次ビームの軌道を直進させ、二次ビームの軌道を曲げるウィーンフィルタを用いた構成の検査装置でもよい。
また、本実施形態では、矩形陰極と四極子レンズとから矩形ビームを形成したが、それに限定されず、例えば、円形ビームから矩形ビームや楕円形ビームを作り出してもよいし、円形ビームをスリットに通して矩形ビームを取り出してもよい。
【００４０】
【発明の効果】
請求項１に記載の検査装置では、対物電子光学系とビーム制限手段とでテレセントリックな電子光学系を構成している。
したがって、試料からの全ての主光線が、垂直に対物電子光学系に入射し、ビーム制限手段を通過するので、周辺光がけられることがなく、試料周辺部の画像輝度が低下することがない。すなわち、試料周辺部も中央部も均質かつ鮮明な像を取得することができる。
【００４１】
また、試料と対物電子光学系との距離に変動が生じ、焦点合わせを実行しても、テレセントリック電子光学系のため、拡大倍率に変化が生じることがない。
請求項２に記載の検査装置では、電子ビームが対物電子光学系の焦点位置に集束する。このため、電子ビームは、試料に対して均一に照射される、すなわち、ケーラー照明を容易に実現することができる。したがって、たとえ、電子ビームに強度むらがあったとしても、対物電子光学系４によりビームの強度むらが分散均質化されて、試料に照射されるので、強度むらによるノイズを低減することができる。
【００４２】
請求項３に記載の検査装置では、電子ビームの断面形状を矩形状、楕円形状に整形することができる。したがって、試料面上のビーム照射領域は矩形状、楕円形状の一定面積を有する。このとき、照射面積全域にビームを均一に照射するには、複雑なレンズ制御が必要になるが、本発明では、このような場合でも容易に電子ビームを分散均一化して照射することができる。
このようにして、本発明を適用した検査装置では、検出画像のＳ／Ｎの向上を図ることができるため、信頼性の高い検査装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１、２に記載の発明の原理ブロック図である。
【図２】本実施形態の全体構成図である。
【図３】一次ビームの軌道を示す図である。
【図４】二次ビームの軌道を示す図である。
【図５】一次光学系の構成を示す図である。
【図６】ウィーンフィルタを説明する図である。
【図７】ウィーンフィルタを用いた検査装置を説明する図である。
【符号の説明】
１ 照射手段
２ 電子検出手段
３ 偏向手段
４ 対物電子光学系
５ ビーム制限手段
２１、５０ 一次コラム
２２、５４ 二次コラム
２３ チャンバー
２４ 電子銃
２５ 一次光学系
２６、５２ ステージ
２７、５３ 試料
２８、５５ カソードレンズ
２９、５７ ニューメニカルアパーチャ
３０、５１ ウィーンフィルタ
３１ 第２レンズ
３２、５８ フィールドアパーチャ
３３ 第３レンズ
３４ 第４レンズ
３５、５９ 検出器
３６、６０ コントロールユニット
３７、６１ ＣＰＵ
３８、６２ 一次コラム制御ユニット
３９、６３ 二次コラム制御ユニット
４０ ステージ駆動機構
５６ 二次光学系

Claims (4)

1. 電子ビームを試料面上に照射する照射手段と、
   前記電子ビームの照射により、前記試料から発生する二次電子、反射電子または後方散乱電子の少なくとも１種を二次ビームとして検出する電子検出手段と、
   前記照射手段および前記電子検出手段と、前記試料との間に配置され、前記照射手段から照射される電子ビームを前記試料面上に照射させ、かつ前記試料から発生する二次ビームを、前記電子検出手段に導く偏向手段と、
   前記偏向手段と前記試料との間に配置される対物電子光学系と、
   前記対物電子光学系の焦点位置に配置され、前記二次ビーム量を制限するビーム制限手段とを備え、
   前記対物電子光学系と前記ビーム制限手段とは、テレセントリックな電子光学系を構成する
   ことを特徴とする検査装置。
2. 請求項１に記載の検査装置において、
   前記対物電子光学系の焦点位置に、前記電子ビームが集束する
   ことを特徴とする検査装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の検査装置において、
   前記電子ビームのビーム断面の形状が、矩形状または楕円形状である
   ことを特徴とする検査装置。
4. 請求項３に記載の検査装置において、
   前記照射手段は、回転軸非対称の静電レンズまたは電磁レンズを備えることにより、
   前記電子ビームのビーム照射領域を、矩形状または楕円形状に整形する
   ことを特徴とする検査装置。

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