JP3851740B2 - 基板検査装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビームを用いた基板検査装置および基板検査システム並びに基板検査方法に関し、特に、半導体ウェーハやフォトマスクの欠陥の検査に好適な検査装置および検査システム並びに検査方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の高集積度化に伴い、半導体ウェーハやフォトマスク上の欠陥、異物の検出に要求される感度がますます高くなっている。一般に、製品の品質上重大な不良を発生させるパターン欠陥および異物を検査するには、パターン配線幅の１／２以下の検出感度が必要となるため、１／４μｍ以下のデザインルールの半導体ウェーハの欠陥検査において、近年は、光学式によるパターン欠陥検査の限界に近づいてきている。そこで、光学式に替わり、電子ビームを用いたパターン欠陥検査装置が開発されており、特開平５−２５８７０３号公報、特開平７−２４９３９３号公報などに提案されている。
【０００３】
電子ビームによる半導体ウェーハのパターン欠陥検査の高速処理を達成させるためには、特開平７−２４９３９３号公報に提案の電子光学系の構成が最も有力な手段と予想される。その実現のために、特願平９−３００２７５では光学系の提案もなされている。ここでは、特願平９−３００２７５記載の電子ビーム検査装置を図６に示す。
【０００４】
同図に示す検査装置は、その概略構成として、一次電子ビーム照射部とその制御部、試料搭載用のステージ１２とその制御部、二次電子、反射電子および後方散乱電子ビーム写像投影光学部（以下、単に写像投影光学部という）とその制御部、電子ビーム検出部とその制御部、さらに、電子ビーム偏向部とその制御部を備えている。
【０００５】
一次電子ビーム照射部は、ステージ１２に搭載された半導体ウェーハ又はフォトマスク等の試料１１の表面に垂直な方向に対し、一定の角度θ（例えば３０〜４０度）を有するように斜め上方向に配置されている。
【０００６】
この一次電子ビーム照射部は、電子銃と、２段構成の四極子レンズとを備えている。より具体的な構成として、電子銃は、１００μｍ×１０μｍの矩形の電子放出面を有するランタンヘキサボライド（以下、ＬａＢ6という）陰極１と、矩形開口を有するウェーネルト（Wehnelt）電極２と、矩形開口部を有する陽極３と、光軸調整用の偏向器４とを備えている。ここで、陰極１は矩形の電子放出面を有しているので、一次電子ビームの断面形状は矩形となる。矩形の他に、例えば線状、長楕円等の細長形状の断面を有する電子ビームを用いると、電流密度が高くなるので、検出信号のＳ／Ｎ比を高くすることができる。しかし、細長形状に限らず様々な断面形状の電子ビームを用いてもよい。
【０００７】
ＬａＢ6陰極１、ウェーネルト電極２、陽極３、偏向器４の動作は、制御部７〜１０により制御され、一次電子ビーム３１ａおよび３１ｂの加速電圧、エミッション電流、光軸が調整される。
【０００８】
また、２段構成の静電型四極子レンズ５および６と、このレンズ５および６の動作を制御する制御部１０とが設けられている。陰極１から放出された一次電子ビーム３１ａおよび３１ｂが、試料１１面上で約１００μｍ×２５μｍの矩形ビームを形成するように、レンズ５および６によって集束される。集束された一次電子ビームは、電子ビーム偏向部２７に入射する。このように、一次電子ビーム照射部から照射された一次電子ビームは、試料１１面に対して斜めの角度θ方向から電子ビーム偏向部２７に入射される。ここで、四極子レンズに限らず、１つのレンズ、あるいは２つ以上の多極子レンズで電子光学レンズ系が構成されていてもよい。
【０００９】
一次電子ビーム３１ａ、３２ｂが電子ビーム偏向部２７に入射すると、試料１１の表面に対してほぼ垂直になるように偏向された後、電子ビーム偏向部２７を出射する。出射した一次電子ビームは、電源１５により所定の電圧を印加された回転対称静電レンズ１４によって縮小されて、試料１１表面上に垂直に照射される。後述するように、試料１１表面から発生する二次電子、反射電子および後方散乱電子（以下、単に二次／反射／後方散乱電子という）が写像投影光学系に取り込まれる角度は、試料１１表面に対して垂直である。よって、試料１１への一次電子ビームの入射角と、試料１１表面から発生する二次／反射／後方散乱電子が写像投影光学系に取り込まれる角度とは、共に試料１１表面に対して垂直である。しかし、この二つの角度は必ずしも完全に一致している必要はなく、−５度から＋５度の範囲内に納まっていればよい。
【００１０】
試料１１には、電源１３により所定の電圧が印加されている。ステージ１２は、制御部４５によってＸ−Ｙ平面上の移動が制御される。ここで、試料１１に印加すべき電圧値は、後述する写像投影光学部の解像性能に基づいて決定する必要がある。例えば、０．１μｍ以下の解像度を得るためには、二次／反射／後方散乱電子ビーム（二次電子ビーム）は５ｋＶ程度の電圧を有することが要求されるので、試料に印加する電圧として約５ｋＶが望ましい。しかし、一方で二次電子ビームのエネルギーは試料１１に印加する電圧と、試料１１へ入射される一次電子ビームが有する電圧との差によって決定される。試料１１として半導体ウェーハを検査する場合には、電子ビームの照射ダメージの低減および帯電防止の観点から、半導体ウェーハへの印加電圧は８００Ｖ程度が一般に用いられている。従って、一次電子ビームの電圧は５．８ｋＶ程度が望ましいことになる。
【００１１】
一次電子ビーム３１ａおよび３１ｂが試料１１の表面上に照射されると、試料１１の表面からウェーハ表面の形状／材料／電位情報をもった二次／反射／後方散乱電子３２ａおよび３２ｂが放出される。この電子は、上述したように電源１３により試料１１に印加された電圧により試料１１と静電レンズ１４との間に発生している加速電界によって加速され、さらに静電レンズ１４によって無限遠に焦点をもつ軌道を描きながら二次電子ビームとして電子ビーム偏向部２７に入る。
【００１２】
ここで、電子ビーム偏向部２７は、制御部４３ａおよび４３ｂ、４４ａおよび４４ｂの制御によって、試料１１側から入射された二次電子ビーム３２ａおよび３２ｂが直進するように動作する。この結果、二次電子ビーム３２ａおよび３２ｂは、電子ビーム偏向部２７の中を直進して写像投影光学部に入射される。
【００１３】
この写像投影光学部は、その光軸が試料１１の表面に対して垂直方向になるように配置されており、３段構成の回転対称静電レンズ１６、１８および２０を備えている。二次電子ビーム３２ａおよび３２ｂは、静電レンズ１６、１８および２０によって拡大される。ここで、静電レンズ１６、１８および２０の電圧は、それぞれ制御部１７、１９および２１により制御される。
【００１４】
拡大された二次電子ビーム３２ａおよび３２ｂは、電子ビーム検出部により検出される。電子ビーム検出部は、ＭＣＰ（Micro-Channel Plate)検出器２２、蛍光面２３、ライトガイド２４およびＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ２５を備えている。ＭＣＰ検出器２２に入射された二次電子ビーム３２ａおよび３２ｂは、入射時の電子量の１０4倍から１０6倍に増幅されて蛍光面２３を照射する。蛍光面２３に二次電子ビームが照射されると蛍光像が発生し、ライトガイド２４を介してＣＣＤカメラ２５がこの蛍光像を検出する。さらにＣＣＤカメラ２５は、制御部２７の制御に従い、検出した蛍光像を画像データとして信号制御部２８を介してホストコンピュータ２９に転送する。ホストコンピュータ２９は、表示器３０上への画像表示と、画像データ保存および画像処理等の処理を行う。ここで、ＣＣＤエリアセンサによる画像取り込みを例に挙げているが、基板ステージ１２の移動と同期させて蛍光像をＴＤＩＣＣＤセンサ（Time Delay Integration Charge Coupled Device Sensor）に取込むことも可能である。この手法は、より高速で検査する場合に非常に有効な手段である。
【００１５】
ここで、電子ビーム偏向部２７の詳細な構造について、図７の横断面図、および図７のＡ−Ａ線に沿う縦断面を示した図８を用いて説明する。図７に示すように、電子ビーム偏向部２７の場は、上記写像投影光学部の光軸に垂直な平面内において、電界と磁界とを直交させた構造、即ちＥ×Ｂ構造とする。電界は平行平板電極４０ａおよび４０ｂにより発生させる。平行平板電極４０ａおよび４０ｂが発生する電界は、それぞれ制御部４３ａおよび４３ｂにより制御される。一方、電界発生用の平行平板電極４０ａおよび４０ｂと直交するように、電磁コイル４１ａおよび４１ｂを配置させることにより、磁界を発生させている。
【００１６】
図７のＡ−Ａ線に沿う縦断面における電子ビームの挙動は、図８に示されるようである。照射された一次電子ビーム３１ａおよび３１ｂは、平行平板電極４０ａおよび４０ｂが発生する電界と、電磁コイル４１ａおよび４１ｂが発生する磁界とによって偏向された後、静電レンズ１４を通過して試料１１面上に対して垂直方向に入射する。一方、試料１１面で発生した二次／反射／後方散乱電子は、試料１１と静電レンズ１４との間において発生した加速電界で加速されて試料１１面に対して垂直な方向に進み、二次電子ビーム３２ａおよび３２ｂとして静電レンズ１４を通過した後に電子ビーム偏向部２７に入射する。
【００１７】
一次電子ビーム３１ａおよび３１ｂの電子ビーム偏向部２７への入射位置および角度は、電子のエネルギーが決定されると一義的に決定される。さらに、二次電子ビーム３２ａおよび３２ｂが直進するように、電界および磁界の条件、即ちｖＢ＝ｅＥとなるように平行平板電極４０ａおよび４０ｂが発生する電界と、電磁コイル４１ａおよび４１ｂが発生する磁界とを、それぞれの制御部４３ａおよび４３ｂ、４４ａおよび４４ｂが制御することで、二次電子ビームは電子ビーム偏向部２７を直進して、写像投影光学部に入射する。ここで、ｖは電子３２の速度（ｍ／ｓ）、Ｂは磁場（Ｔ）、ｅは電荷量（Ｃ）、Ｅは電界（Ｖ／ｍ）である。
【００１８】
以上の構成により、特願平９−３００２７５記載の電子ビーム検査装置は、試料表面に照射する矩形ビームのアスペクト比を適当に設定し、かつ電子ビーム検出手段において並列に信号処理することで高速にウェーハパターンの欠陥検査を出来ることを特徴としている。
【００１９】
基板検査装置の写像投影光学系に設定される拡大率は、電子ビーム検出系の分解能、即ち、２点または２線を見分ける能力によって決定される。上述した特願平９−３００２７５に記載の写像投影光学部においては、２次電子ビーム３２ａ，３２ｂにより形成される電子像３４をＭＣＰ２２の入射面に結像させる。
【００２０】
図９に既知の電子ビーム検査装置に備えられた電子ビーム検出器の一例のより詳細な構成を示す。同図に示す電子ビーム検出器は、ＭＣＰ５０２，５０３、蛍光板５０４、ライトガイド５０５、レンズ５０６、ＣＣＤカメラ５０７を備えている。この電子ビーム検出器は、ＭＣＰの増倍率（ｇａｉｎ）を得るために、ＭＣＰを２段（５０２，５０３）に組み合わせた構成になっている。ＭＣＰ５０２，５０３は、いずれも内径１０μｍ、長さ６００μｍの空芯のガラスチューブを接着して形成したものであり、チューブの内面には２次電子放出効率の高い材質が塗布されている。ＭＣＰ５０２の電子入射面は接地されて０電位となっており、各ＭＣＰの電子出射面は、それぞれ接続される電源５０９，５１０によってＭＣＰ５０２の電子入射面に対して段階的に増大する正の電位に保たれており、これにより、チューブ内には入射面から出射面に向けた加速電界が形成される。
【００２１】
入射された電子５０１は一段目のＭＣＰ５０２の各チューブ内で散乱を繰り返しながら、増倍されてＭＣＰ５０２の出射面から出射され、二段目のＭＣＰ５０３に入射されて増倍される。二段目のＭＣＰ５０３の出射面から放出された電子は、さらに接続される電源５１１で形成された加速電解により蛍光板５０４の蛍光面に向けて加速されて、この蛍光面を照射して発光させる。このようにして、ＭＣＰの入射面に結像された電子像をＭＣＰで増倍させながら、蛍光面を発光させることで光学像に変換させることができる。ＭＣＰは分解能を維持したまま、電子増倍できることから、電子像のＳ／Ｎ向上には非常に有効な手段である。この蛍光面で発生した光学像は、光学レンズ５０６もしくは縮小型ＦＯＰ（taperd fiber optical plate）によって縮小し、その光学像をラインセンサ、ＴＤＩセンサ、エリアセンサ等を備えたＣＣＤカメラ５０７にて検出する。
【００２２】
このように従来の技術においては、電子像の検出に当っては、電子ビームをエリアセンサ等に直接照射するのでなく、一旦光学像に変換した後にＣＣＤカメラで光電変換することにより電子ビーム画像を取得する方法を採用している。これは、ＣＣＤ素子の表面に多数のポリシリコン電極を形成するために、この電極に電子ビームを直接照射してもその大部分が転送電極に吸収されてしまい、光電変換部に十分な電子ビームが到達せず、良好な電子ビーム画像を取得するために十分な信号電荷を発生させることができない、というきわめて感度の低い構成となるからである。
【００２３】
図１０に、一般的なＣＣＤ素子の電極構造の一具体例を示す。同図に示すＣＣＤ素子は、３相駆動方式のＣＣＤ素子であり、表面部に不純物拡散層が形成されたシリコン基板１００上に酸化膜１０１を介してゲート／転送電極１０２がポリシリコンで形成されている。被写体から照射された光は、ポリシリコンのゲート電極を通過して不純物拡散層で電子−正孔対を発生させ、このうちの電子が信号電荷として酸化膜１０１と不純物拡散層との界面に蓄積され、各転送電極に３相のクロックパルスＰ１〜Ｐ３をそれぞれ印加することにより信号電荷を順次転送していく構造になっている。
【００２４】
電子ビームを高速で走査させるためには、この走査速度に同期するように信号電荷を効率良く転送させることが不可欠の条件となり、転送電極１０２を相互に接近させて多数配列することとしている。この結果、ＣＣＤ素子の表面領域の大部分はポリシリコン電極に被覆される。従って、ＣＣＤ素子の表面に電子ビームを照射してもその大部分はポリシリコン電極で吸収され、電子−正孔対が十分に形成されないので、電子画像の形成に必要な量の信号電荷が発生しない。さらに、電子ビームをＣＣＤ素子に照射させた場合には、素子表面の絶縁膜やＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）構造の酸化膜でチャージアップ等の問題が発生する。以上の理由から従来は電子ビームから信号電荷を直接取得することなく、光画像に変換した後ＣＣＤ素子で画像信号を取得していた。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電子ビーム検出器では、ＭＣＰの分解能が４０μｍ程度しかないために、写像投影光学系において、ウェーハ上のパターンからの電子像を大幅に拡大してＭＣＰ上に結像させる必要がある。例えば、ウェーハ上のパターン像で０．１μｍの分解能を得るためには、写像投影光学系にて４００倍以上に拡大させてＭＣＰ入射面で結像させなくては、分解能の劣化を発生させてしまう。ＭＣＰの分解能は、（１）ＭＣＰの段間での電子の漏れ、（２）ＭＣＰ出射面から蛍光面までの間に電子ビームが拡がることによる電子像のぼけの２つの要因によって決定される。これらのぼけは電子の増倍率にも影響され、この増倍率が大きいほど分解能は劣化する。
【００２６】
この一方、写像投影光学系は、その拡大率が大きいほど軸外収差および像面湾曲を増大させる特徴を有している。そのため、ＭＣＰの分解能に対応して電子像を拡大する光学系では、光学系自身の分解能の低下および電子像の歪を発生させるという問題点があった。
【００２７】
このような問題点に対し、ＭＣＰの分解能を向上させる研究が進められており、将来的には２５μｍ程度の高分解能化が可能であるといわれている。
【００２８】
しかし、図９に示すように、ＭＣＰを用いた電子ビーム検出器では、写像投影光学系で拡大させた電子像を光学像に一旦変換した後、再度光学レンズまたはＦＯＰなどにより縮小させるという構造を採用するため、構成が複雑になり、検出器全体のサイズが大きくなる上、蛍光面で残像現象が発生し、ＣＣＤカメラで画像を取込んだ直後も所定時間だけ蛍光像が残存するので、高速での画像取込みが困難であり、装置の処理速度の向上を妨げるという問題があった。
【００２９】
さらに、写像投影光学系で電子像を拡大したにもかかわらず、ＣＣＤカメラ上で結像させるため、レンズまたはＦＯＰなどより光学像を縮小させる必要があり、効率が悪い上、レンズ等により透過率が低下する、という問題点があり、従来のＭＣＰを用いた電子ビーム検出器では限界が見えてきている。
【００３０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、分解能に優れ、かつ検査効率の高い基板検査装置およびこれを備えた基板検査システム並びに基板検査方法を提供することにある。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の手段により上記課題の解決を図る。
【００３２】
即ち、本発明によれば、
試料である基板に電子ビームを一次電子ビームとして照射する一次電子ビーム照射手段と、前記一次電子ビームの照射を受けて、前記基板から発生する二次電子および反射電子を導いて二次電子ビームとして電子像を拡大投影する写像投影手段と、前記写像投影手段により拡大投影された前記二次電子ビームを、光学像への変換を介することなく画像信号に変換する電子ビーム検出手段と、前記電子ビーム検出手段から供給される前記画像信号を受けて電子ビーム画像を表示する表示手段と、を備え、前記電子ビーム検出手段は、前記二次電子ビームが入射する入射面と反対側の表面部に信号電荷を発生させる信号電荷発生部と、前記信号電荷を転送する電荷転送部とを含む薄型イメージセンサを含み、前記信号電荷発生部は、厚さが前記イメージセンサの分解能と略同一以下である半導体領域に形成されることを特徴とする、基板検査装置が提供される。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の一形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の各図において同一の部分には同一の参照番号を付してその説明を適宜省略する。
【００４１】
図１は、本発明に係る基板検査システムの実施の一形態のブロック図である。同図に示す基板検査システムは、その概略構成として、電子ビーム照射部とその制御部、電子ビーム偏向部とその制御部、ステージ１２とその制御部、写像投影光学部とその制御部、本実施形態において特徴的な電子ビーム検出部とその制御部、およびホストコンピュータ２９と表示器３０とメモリ６３とを備えている。
【００４２】
以上の構成のうち、電子ビーム照射部とその制御部、電子ビーム偏向部とその制御部、ステージ１２とその制御部、写像投影光学部とその制御部、および、ホストコンピュータ２９と表示器３０は、図６に示す基板検査装置と同様であるためこれらの説明は省略し、以下では電子ビーム検出部とその制御部に関して詳細に説明する。
【００４３】
本実施形態の基板検査システムは、写像投影光学部により拡大投影された電子像を電子ビームに感度の高い裏面照射型のＣＣＤ素子を備えたＣＣＤカメラ６０に直接照射させて画像信号を取得する構造を採用している。ＣＣＤカメラ６０は、ＣＣＤカメラ制御部６１により制御され、取得した画像信号を画像処理部６２に供給する。画像処理部６２は、画像信号に対して補正等の各種画像処理を行い、画像データとしてホストコンピュータ２９に転送する。ホストコンピュータ２９は、表示器３０上への画像表示と、画像データ処理およびメモリ６３への画像データ格納等の欠陥検査処理を行う。
【００４４】
裏面照射型ＣＣＤ素子とは、微少な強度のＸ線やＵＶ光を検出するため開発されたものであり、基板側の裏面をエッチング処理により薄くし、この裏面へＸ線等を照射させることにより感度を向上させたものである（M.Lemonier et.al.,“Thinned Backside-Bombarded RGS-CCD for Electron Imaging",Advanced in Electronics and Electron Physics, vol.64A,pp257-265,1985）。
【００４５】
裏面照射型ＣＣＤの構造および動作を図３の模式図（J.Janesick,“CCD charge collection efficiency and the photon transfer technique",SPIE vol.570, pp7-19）を用いて説明する。
【００４６】
同図に示すＣＣＤ素子は、転送電極１１０が形成される側を表面側とし、これと反対の裏面側をＸ線等の光検出領域としたものである。このＣＣＤ素子の形成方法の一具体例は次のとおりである。
【００４７】
まず、既知のＣＣＤ素子と同様に、ｐ型シリコン基板１２０の表面部にｎ型のチャネル不純物層１２１を形成し、表面に酸化膜１１１を形成した後、転送電極１１０を形成する。次に、基板１２０の裏面側を化学エッチング（chemical etching）によりエッチング処理してＣＣＤ素子の分解能と略同等の厚さにまで薄くする。次に、ｐ型不純物イオン、例えば、Ｂ（ホウ素）をイオン注入し、アニール処理により、裏面の近傍に高濃度の不純物拡散層（accumulation layer）１２４を形成させ、基板内に電位勾配を発生させる。その後、裏面の自然酸化膜を除去した後、Ａｌ等の金属薄膜１１２を形成する。
【００４８】
このＣＣＤ素子の動作は、次のとおりである。即ち、素子の裏面にＸ線やＵＶ光が照射されると、基板１２０内の裏面近傍の無電界領域１２３で電子−正孔対が発生する。この電子−正孔対のうちの電子は、基板１２０内に形成された電位勾配によって空乏領域１２２内を移動し、素子表面側のチャネル不純物層１２１のｐｎ接合部で信号電荷として蓄積される。その後の電荷転送は、通常のＣＣＤ素子と同様の原理で行われ、画像データが形成される。なお、電子−正孔対のうちの正孔は、裏面近傍の高濃度不純物拡散層１２４内で蓄積される。
【００４９】
本実施形態の基板検査システムは、このような構成の裏面照射型ＣＣＤが有する高い感度に着目し、電子ビーム画像の検出に利用したものである。
【００５０】
図２は、図１に示すＣＣＤカメラ６０の拡大図である。ＣＣＤカメラ６０が備える裏面照射型ＣＣＤ素子５８は、画素のサイズが約１０μｍ×約１０μｍで２，０８４ｐｉｘｅｌ以上の大領域画像の取り込みが可能となっている。ＣＣＤ素子５８の厚さも約１０μｍであり、その裏面には、Ａｌ薄膜が数百オングストローム以下の厚さで形成されている。
【００５１】
写像投影光学部により拡大投影された二次電子ビームは、ＣＣＤ素子５８の裏面に入射し、このＡｌ薄膜を通過して基板内で電子−正孔対を発生させる。ＣＣＤ素子５８の厚さが素子自身の分解能と略同一なので、電子ビーム像が必要以上に拡大されて劣化することが防止される。基板内で発生した電子−正孔対のうち、電子は、基板内に形成された電位勾配によって、表面側のチャネル不純物層に移動して蓄積した後、転送電極により信号電荷として順次転送されて取出される。
【００５２】
図４は、本実施形態の電子ビーム検出部の分解能と、２００μｍ視野でのウェーハ上での写像投影光学系の分解能との関係を示す特性図である。同図から、検出器の分解能が向上するに従い、写像投影光学系の分解能も比例して向上させることができることがわかる。例えば、既知のＭＣＰの分解能である４０μｍ程度では、ウェーハ上での画像の分解能は０．１５μｍ程度まで劣化してしまうが、本実施形態により検出器の分解能を１０μｍ程度まで向上させることで、写像投影光学系の分解能は０．０７μｍ以下となり、高分解能化が可能となる。
【００５３】
図５は、電子ビーム検出部の分解能と、写像投影光学系において０．１μｍの分解能を維持できる視野サイズとの関係を示す特性図である。同図から、電子ビーム検出部の分解能の向上に比例して視野サイズが増大することが分かる。
【００５４】
このように、電子ビーム検出部の分解能を向上させることにより視野サイズが大きくとれるため、一度に取り込むことができる検査領域を大幅に拡大することができる。この結果、検査のスループットを向上させることができる。本実施形態においては、電子ビーム検出部の分解能を約１０μｍに上げることができるため、従来のＭＣＰの分解能では実現出来なかった、０．１μｍ分解能を維持したままで４００μｍ以上の検査領域を確保することができる。検査のスループットは検査領域に比例するため、大幅なスループット向上が期待できる。
【００５５】
また、電子ビーム検出部の分解能が向上することにより、写像投影光学系で電子ビームを拡大投影する倍率を大幅に低下させることが可能になる。本実施形態では、電子ビーム検出部の分解能が約１０μｍにまで向上するため、拡大倍率が約半分にまで低下させることができる。これにより、写像投影光学部の筐体であるコラムの長さを約半分にすることができ、装置全体のサイズを大幅に縮小することができ、同時に装置全体の重量も約半分に軽減することができる。
【００５６】
さらに、ＣＣＤ素子５８をＴＤＩ（Time Delay Integration）モードで動作させ、ステージの走査と同期させて画像取り込みを行うこととすれば、検査速度の向上と画像信号のＳ／Ｎ向上を同時に達成することができる。
【００５７】
以上、本発明の実施の一形態について説明したが、本発明は上記形態に限るものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して適用することができる。電子ビーム検出部の裏面照射型ＣＣＤ素子も、画素のサイズが約１０μｍ×約１０μｍで半導体領域の厚さが約１０μｍのものについて説明したが、画素サイズが２０μｍ×約２０μｍ、画像領域約１０００ｐｉｘｅｌで半導体領域の厚さが２０μｍ程度のものであっても、図４および図５の特性図から明らかなように、ＭＣＰを用いた場合と比較して十分に高い分解能と広い検査領域を有する基板検査システムが提供される。
【００５８】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明は、以下の効果を奏する。
【００５９】
即ち、本発明に係る基板検査装置によれば、写像投影手段により拡大投影された二次電子ビームを直接画像信号に変換する電子ビーム検出手段を備えているので、電子ビーム画像を直接ＣＣＤ素子で検出することができる。これにより検出器における透過率の低減を防止することができ、電子ビーム画像を効率よく取得できる。また、従来の技術のように蛍光板を用いて一旦蛍光像に変換することがないので、残像現象を考慮する必要がない。これにより画像取込みの速度を向上させることができる。さらに、電子ビーム入射面の面積を拡大することができるので、分解能に優れたＣＣＤ素子を用いることができ、電子ビーム検出手段の分解能を大幅に向上させることができる。この結果、写像投影手段の拡大率を低減させることができるので、装置全体のサイズを縮小し、軽量化できる上、写像投影手段による軸外収差および歪みが大幅に低減され、高い感度で鮮明な電子ビーム画像を取得することができる基板検査装置が提供される。
【００６０】
上記電子ビーム検出手段として、上記二次電子ビームが入射する入射面と反対側の表面部に信号電荷を発生させる信号電荷発生部と、この信号電荷を転送する電荷転送部とを含む薄型イメージセンサを備える場合は、きわめて単純な構成で、分解能に優れ、鮮明な電子ビーム画像を取得できる基板検査装置が提供される。
【００６１】
厚さが上記イメージセンサの分解能と略同一以下である導体領域に上記信号電荷発生部が形成される場合は、二次電子ビームが必要以上に拡大されてビーム画像が劣化することを防止することができる。
【００６２】
また、上記イメージセンサの分解能が２０μｍ以下である場合は、電子ビーム検出手段の分解能が向上する他、その視野サイズを拡大することができるので、検査領域が拡大する。これにより、基板検査のスループットが大幅に向上した基板検査装置が提供される。
【００６３】
また、本発明に係る基板検査方法によれば、二次電子ビームをイメージセンサにより直接画像信号に変換する第３の過程を備えているので、高い分解能と広い視野サイズで電子ビーム画像を検出できるので、残像現象を考慮する必要もなく鮮明な電子ビーム画像を優れた効率で取得することができ、高速での画像取込みができる基板検査方法が提供される。
【００６４】
さらに、本発明に係る基板検査システムによれば、上述の効果を奏する基板検査装置と、上記効果を奏する基板検査方法に基づいて上記基板検査装置と信号処理手段と記憶手段とを制御する制御手段とを備えているので、鮮明な電子ビーム画像に基づく画像データを高い効率で取得することができる基板検索システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る基板検査システムの実施の一形態のブロック図である。
【図２】図１に示す基板検索システムが備えるＣＣＤカメラの拡大図である。
【図３】裏面照射型ＣＣＤの構造および動作を示す模式図である。
【図４】図１に示す基板検索システムが備える電子ビーム検出部の分解能と、２００μｍ視野でのウェーハ上での写像投影光学部の分解能との関係を示す特性図である。
【図５】図１に示す基板検索システムが備える電子ビーム検出部の分解能と、写像投影光学部において０．１μｍの分解能を維持できる視野サイズの関係を示す特性図である。
【図６】特願平９−３００２７５記載の電子ビーム検査装置の概略構成を示すブロック図である。
【図７】図６に示す基板検索システムが備える電子ビーム偏向部の詳細な構成を示す横断面図である。
【図８】図７のＡ−Ａ断面図である。
【図９】従来の電子ビーム検査装置に備えられた電子ビーム検出器の一例のより詳細な構成を示すブロック図である。
【図１０】一般的なＣＣＤ素子の電極構造の一具体例を示す略示断面図である。
【符号の説明】
１ （ＬａＢ6）陰極
２ ウェーネルト電極
３ 陽極
４ 偏向器
５、６ 静電型四極子レンズ
７〜１０、１７、１９、２１、２６、２７、４３ａ、４３ｂ、４４ａ、４４ｂ 制御部
１１ 試料
１２ ステージ
１３、１５ 電源
１４ 回転対称静電レンズ
１６、１８、２０ 静電レンズ
２２ ＭＣＰ検出器
２３ 蛍光面
２４ ライトガイド
２５，６０ ＣＣＤカメラ
２９ 画像データホストコンピュータ
３０ 表示器
４０ａ、４０ｂ 平行平板電極
４１ａ、４１ｂ 電磁コイル
５８ 裏面照射型ＣＣＤ素子
６２ 画像処理部
６３ メモリ
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビームを用いた基板検査装置および基板検査システム並びに基板検査方法に関し、特に、半導体ウェーハやフォトマスクの欠陥の検査に好適な検査装置および検査システム並びに検査方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の高集積度化に伴い、半導体ウェーハやフォトマスク上の欠陥、異物の検出に要求される感度がますます高くなっている。一般に、製品の品質上重大な不良を発生させるパターン欠陥および異物を検査するには、パターン配線幅の１／２以下の検出感度が必要となるため、１／４μｍ以下のデザインルールの半導体ウェーハの欠陥検査において、近年は、光学式によるパターン欠陥検査の限界に近づいてきている。そこで、光学式に替わり、電子ビームを用いたパターン欠陥検査装置が開発されており、特開平５−２５８７０３号公報、特開平７−２４９３９３号公報などに提案されている。
【０００３】
電子ビームによる半導体ウェーハのパターン欠陥検査の高速処理を達成させるためには、特開平７−２４９３９３号公報に提案の電子光学系の構成が最も有力な手段と予想される。その実現のために、特願平９−３００２７５では光学系の提案もなされている。ここでは、特願平９−３００２７５記載の電子ビーム検査装置を図６に示す。
【０００４】
同図に示す検査装置は、その概略構成として、一次電子ビーム照射部とその制御部、試料搭載用のステージ１２とその制御部、二次電子、反射電子および後方散乱電子ビーム写像投影光学部（以下、単に写像投影光学部という）とその制御部、電子ビーム検出部とその制御部、さらに、電子ビーム偏向部とその制御部を備えている。
【０００５】
一次電子ビーム照射部は、ステージ１２に搭載された半導体ウェーハ又はフォトマスク等の試料１１の表面に垂直な方向に対し、一定の角度θ（例えば３０〜４０度）を有するように斜め上方向に配置されている。
【０００６】
この一次電子ビーム照射部は、電子銃と、２段構成の四極子レンズとを備えている。より具体的な構成として、電子銃は、１００μｍ×１０μｍの矩形の電子放出面を有するランタンヘキサボライド（以下、ＬａＢ6という）陰極１と、矩形開口を有するウェーネルト（Wehnelt）電極２と、矩形開口部を有する陽極３と、光軸調整用の偏向器４とを備えている。ここで、陰極１は矩形の電子放出面を有しているので、一次電子ビームの断面形状は矩形となる。矩形の他に、例えば線状、長楕円等の細長形状の断面を有する電子ビームを用いると、電流密度が高くなるので、検出信号のＳ／Ｎ比を高くすることができる。しかし、細長形状に限らず様々な断面形状の電子ビームを用いてもよい。
【０００７】
ＬａＢ6陰極１、ウェーネルト電極２、陽極３、偏向器４の動作は、制御部７〜１０により制御され、一次電子ビーム３１ａおよび３１ｂの加速電圧、エミッション電流、光軸が調整される。
【０００８】
また、２段構成の静電型四極子レンズ５および６と、このレンズ５および６の動作を制御する制御部１０とが設けられている。陰極１から放出された一次電子ビーム３１ａおよび３１ｂが、試料１１面上で約１００μｍ×２５μｍの矩形ビームを形成するように、レンズ５および６によって集束される。集束された一次電子ビームは、電子ビーム偏向部２７に入射する。このように、一次電子ビーム照射部から照射された一次電子ビームは、試料１１面に対して斜めの角度θ方向から電子ビーム偏向部２７に入射される。ここで、四極子レンズに限らず、１つのレンズ、あるいは２つ以上の多極子レンズで電子光学レンズ系が構成されていてもよい。
【０００９】
一次電子ビーム３１ａ、３２ｂが電子ビーム偏向部２７に入射すると、試料１１の表面に対してほぼ垂直になるように偏向された後、電子ビーム偏向部２７を出射する。出射した一次電子ビームは、電源１５により所定の電圧を印加された回転対称静電レンズ１４によって縮小されて、試料１１表面上に垂直に照射される。後述するように、試料１１表面から発生する二次電子、反射電子および後方散乱電子（以下、単に二次／反射／後方散乱電子という）が写像投影光学系に取り込まれる角度は、試料１１表面に対して垂直である。よって、試料１１への一次電子ビームの入射角と、試料１１表面から発生する二次／反射／後方散乱電子が写像投影光学系に取り込まれる角度とは、共に試料１１表面に対して垂直である。しかし、この二つの角度は必ずしも完全に一致している必要はなく、−５度から＋５度の範囲内に納まっていればよい。
【００１０】
試料１１には、電源１３により所定の電圧が印加されている。ステージ１２は、制御部４５によってＸ−Ｙ平面上の移動が制御される。ここで、試料１１に印加すべき電圧値は、後述する写像投影光学部の解像性能に基づいて決定する必要がある。例えば、０．１μｍ以下の解像度を得るためには、二次／反射／後方散乱電子ビーム（二次電子ビーム）は５ｋＶ程度の電圧を有することが要求されるので、試料に印加する電圧として約５ｋＶが望ましい。しかし、一方で二次電子ビームのエネルギーは試料１１に印加する電圧と、試料１１へ入射される一次電子ビームが有する電圧との差によって決定される。試料１１として半導体ウェーハを検査する場合には、電子ビームの照射ダメージの低減および帯電防止の観点から、半導体ウェーハへの印加電圧は８００Ｖ程度が一般に用いられている。従って、一次電子ビームの電圧は５．８ｋＶ程度が望ましいことになる。
【００１１】
一次電子ビーム３１ａおよび３１ｂが試料１１の表面上に照射されると、試料１１の表面からウェーハ表面の形状／材料／電位情報をもった二次／反射／後方散乱電子３２ａおよび３２ｂが放出される。この電子は、上述したように電源１３により試料１１に印加された電圧により試料１１と静電レンズ１４との間に発生している加速電界によって加速され、さらに静電レンズ１４によって無限遠に焦点をもつ軌道を描きながら二次電子ビームとして電子ビーム偏向部２７に入る。
【００１２】
ここで、電子ビーム偏向部２７は、制御部４３ａおよび４３ｂ、４４ａおよび４４ｂの制御によって、試料１１側から入射された二次電子ビーム３２ａおよび３２ｂが直進するように動作する。この結果、二次電子ビーム３２ａおよび３２ｂは、電子ビーム偏向部２７の中を直進して写像投影光学部に入射される。
【００１３】
この写像投影光学部は、その光軸が試料１１の表面に対して垂直方向になるように配置されており、３段構成の回転対称静電レンズ１６、１８および２０を備えている。二次電子ビーム３２ａおよび３２ｂは、静電レンズ１６、１８および２０によって拡大される。ここで、静電レンズ１６、１８および２０の電圧は、それぞれ制御部１７、１９および２１により制御される。
【００１４】
拡大された二次電子ビーム３２ａおよび３２ｂは、電子ビーム検出部により検出される。電子ビーム検出部は、ＭＣＰ（Micro-Channel Plate)検出器２２、蛍光面２３、ライトガイド２４およびＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ２５を備えている。ＭＣＰ検出器２２に入射された二次電子ビーム３２ａおよび３２ｂは、入射時の電子量の１０4倍から１０6倍に増幅されて蛍光面２３を照射する。蛍光面２３に二次電子ビームが照射されると蛍光像が発生し、ライトガイド２４を介してＣＣＤカメラ２５がこの蛍光像を検出する。さらにＣＣＤカメラ２５は、制御部２７の制御に従い、検出した蛍光像を画像データとして信号制御部２８を介してホストコンピュータ２９に転送する。ホストコンピュータ２９は、表示器３０上への画像表示と、画像データ保存および画像処理等の処理を行う。ここで、ＣＣＤエリアセンサによる画像取り込みを例に挙げているが、基板ステージ１２の移動と同期させて蛍光像をＴＤＩＣＣＤセンサ（Time Delay Integration Charge Coupled Device Sensor）に取込むことも可能である。この手法は、より高速で検査する場合に非常に有効な手段である。
【００１５】
ここで、電子ビーム偏向部２７の詳細な構造について、図７の横断面図、および図７のＡ−Ａ線に沿う縦断面を示した図８を用いて説明する。図７に示すように、電子ビーム偏向部２７の場は、上記写像投影光学部の光軸に垂直な平面内において、電界と磁界とを直交させた構造、即ちＥ×Ｂ構造とする。電界は平行平板電極４０ａおよび４０ｂにより発生させる。平行平板電極４０ａおよび４０ｂが発生する電界は、それぞれ制御部４３ａおよび４３ｂにより制御される。一方、電界発生用の平行平板電極４０ａおよび４０ｂと直交するように、電磁コイル４１ａおよび４１ｂを配置させることにより、磁界を発生させている。
【００１６】
図７のＡ−Ａ線に沿う縦断面における電子ビームの挙動は、図８に示されるようである。照射された一次電子ビーム３１ａおよび３１ｂは、平行平板電極４０ａおよび４０ｂが発生する電界と、電磁コイル４１ａおよび４１ｂが発生する磁界とによって偏向された後、静電レンズ１４を通過して試料１１面上に対して垂直方向に入射する。一方、試料１１面で発生した二次／反射／後方散乱電子は、試料１１と静電レンズ１４との間において発生した加速電界で加速されて試料１１面に対して垂直な方向に進み、二次電子ビーム３２ａおよび３２ｂとして静電レンズ１４を通過した後に電子ビーム偏向部２７に入射する。
【００１７】
一次電子ビーム３１ａおよび３１ｂの電子ビーム偏向部２７への入射位置および角度は、電子のエネルギーが決定されると一義的に決定される。さらに、二次電子ビーム３２ａおよび３２ｂが直進するように、電界および磁界の条件、即ちｖＢ＝ｅＥとなるように平行平板電極４０ａおよび４０ｂが発生する電界と、電磁コイル４１ａおよび４１ｂが発生する磁界とを、それぞれの制御部４３ａおよび４３ｂ、４４ａおよび４４ｂが制御することで、二次電子ビームは電子ビーム偏向部２７を直進して、写像投影光学部に入射する。ここで、ｖは電子３２の速度（ｍ／ｓ）、Ｂは磁場（Ｔ）、ｅは電荷量（Ｃ）、Ｅは電界（Ｖ／ｍ）である。
【００１８】
以上の構成により、特願平９−３００２７５記載の電子ビーム検査装置は、試料表面に照射する矩形ビームのアスペクト比を適当に設定し、かつ電子ビーム検出手段において並列に信号処理することで高速にウェーハパターンの欠陥検査を出来ることを特徴としている。
【００１９】
基板検査装置の写像投影光学系に設定される拡大率は、電子ビーム検出系の分解能、即ち、２点または２線を見分ける能力によって決定される。上述した特願平９−３００２７５に記載の写像投影光学部においては、２次電子ビーム３２ａ，３２ｂにより形成される電子像３４をＭＣＰ２２の入射面に結像させる。
【００２０】
図９に既知の電子ビーム検査装置に備えられた電子ビーム検出器の一例のより詳細な構成を示す。同図に示す電子ビーム検出器は、ＭＣＰ５０２，５０３、蛍光板５０４、ライトガイド５０５、レンズ５０６、ＣＣＤカメラ５０７を備えている。この電子ビーム検出器は、ＭＣＰの増倍率（ｇａｉｎ）を得るために、ＭＣＰを２段（５０２，５０３）に組み合わせた構成になっている。ＭＣＰ５０２，５０３は、いずれも内径１０μｍ、長さ６００μｍの空芯のガラスチューブを接着して形成したものであり、チューブの内面には２次電子放出効率の高い材質が塗布されている。ＭＣＰ５０２の電子入射面は接地されて０電位となっており、各ＭＣＰの電子出射面は、それぞれ接続される電源５０９，５１０によってＭＣＰ５０２の電子入射面に対して段階的に増大する正の電位に保たれており、これにより、チューブ内には入射面から出射面に向けた加速電界が形成される。
【００２１】
入射された電子５０１は一段目のＭＣＰ５０２の各チューブ内で散乱を繰り返しながら、増倍されてＭＣＰ５０２の出射面から出射され、二段目のＭＣＰ５０３に入射されて増倍される。二段目のＭＣＰ５０３の出射面から放出された電子は、さらに接続される電源５１１で形成された加速電解により蛍光板５０４の蛍光面に向けて加速されて、この蛍光面を照射して発光させる。このようにして、ＭＣＰの入射面に結像された電子像をＭＣＰで増倍させながら、蛍光面を発光させることで光学像に変換させることができる。ＭＣＰは分解能を維持したまま、電子増倍できることから、電子像のＳ／Ｎ向上には非常に有効な手段である。この蛍光面で発生した光学像は、光学レンズ５０６もしくは縮小型ＦＯＰ（taperd fiber optical plate）によって縮小し、その光学像をラインセンサ、ＴＤＩセンサ、エリアセンサ等を備えたＣＣＤカメラ５０７にて検出する。
【００２２】
このように従来の技術においては、電子像の検出に当っては、電子ビームをエリアセンサ等に直接照射するのでなく、一旦光学像に変換した後にＣＣＤカメラで光電変換することにより電子ビーム画像を取得する方法を採用している。これは、ＣＣＤ素子の表面に多数のポリシリコン電極を形成するために、この電極に電子ビームを直接照射してもその大部分が転送電極に吸収されてしまい、光電変換部に十分な電子ビームが到達せず、良好な電子ビーム画像を取得するために十分な信号電荷を発生させることができない、というきわめて感度の低い構成となるからである。
【００２３】
図１０に、一般的なＣＣＤ素子の電極構造の一具体例を示す。同図に示すＣＣＤ素子は、３相駆動方式のＣＣＤ素子であり、表面部に不純物拡散層が形成されたシリコン基板１００上に酸化膜１０１を介してゲート／転送電極１０２がポリシリコンで形成されている。被写体から照射された光は、ポリシリコンのゲート電極を通過して不純物拡散層で電子−正孔対を発生させ、このうちの電子が信号電荷として酸化膜１０１と不純物拡散層との界面に蓄積され、各転送電極に３相のクロックパルスＰ１〜Ｐ３をそれぞれ印加することにより信号電荷を順次転送していく構造になっている。
【００２４】
電子ビームを高速で走査させるためには、この走査速度に同期するように信号電荷を効率良く転送させることが不可欠の条件となり、転送電極１０２を相互に接近させて多数配列することとしている。この結果、ＣＣＤ素子の表面領域の大部分はポリシリコン電極に被覆される。従って、ＣＣＤ素子の表面に電子ビームを照射してもその大部分はポリシリコン電極で吸収され、電子−正孔対が十分に形成されないので、電子画像の形成に必要な量の信号電荷が発生しない。さらに、電子ビームをＣＣＤ素子に照射させた場合には、素子表面の絶縁膜やＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）構造の酸化膜でチャージアップ等の問題が発生する。以上の理由から従来は電子ビームから信号電荷を直接取得することなく、光画像に変換した後ＣＣＤ素子で画像信号を取得していた。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電子ビーム検出器では、ＭＣＰの分解能が４０μｍ程度しかないために、写像投影光学系において、ウェーハ上のパターンからの電子像を大幅に拡大してＭＣＰ上に結像させる必要がある。例えば、ウェーハ上のパターン像で０．１μｍの分解能を得るためには、写像投影光学系にて４００倍以上に拡大させてＭＣＰ入射面で結像させなくては、分解能の劣化を発生させてしまう。ＭＣＰの分解能は、（１）ＭＣＰの段間での電子の漏れ、（２）ＭＣＰ出射面から蛍光面までの間に電子ビームが拡がることによる電子像のぼけの２つの要因によって決定される。これらのぼけは電子の増倍率にも影響され、この増倍率が大きいほど分解能は劣化する。
【００２６】
この一方、写像投影光学系は、その拡大率が大きいほど軸外収差および像面湾曲を増大させる特徴を有している。そのため、ＭＣＰの分解能に対応して電子像を拡大する光学系では、光学系自身の分解能の低下および電子像の歪を発生させるという問題点があった。
【００２７】
このような問題点に対し、ＭＣＰの分解能を向上させる研究が進められており、将来的には２５μｍ程度の高分解能化が可能であるといわれている。
【００２８】
しかし、図９に示すように、ＭＣＰを用いた電子ビーム検出器では、写像投影光学系で拡大させた電子像を光学像に一旦変換した後、再度光学レンズまたはＦＯＰなどにより縮小させるという構造を採用するため、構成が複雑になり、検出器全体のサイズが大きくなる上、蛍光面で残像現象が発生し、ＣＣＤカメラで画像を取込んだ直後も所定時間だけ蛍光像が残存するので、高速での画像取込みが困難であり、装置の処理速度の向上を妨げるという問題があった。
【００２９】
さらに、写像投影光学系で電子像を拡大したにもかかわらず、ＣＣＤカメラ上で結像させるため、レンズまたはＦＯＰなどより光学像を縮小させる必要があり、効率が悪い上、レンズ等により透過率が低下する、という問題点があり、従来のＭＣＰを用いた電子ビーム検出器では限界が見えてきている。
【００３０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、分解能に優れ、かつ検査効率の高い基板検査装置およびこれを備えた基板検査システム並びに基板検査方法を提供することにある。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の手段により上記課題の解決を図る。
【００３２】
即ち、本発明によれば、
試料である基板に電子ビームを一次電子ビームとして照射する一次電子ビーム照射手段と、前記一次電子ビームの照射を受けて、前記基板から発生する二次電子および反射電子を導いて二次電子ビームとして電子像を拡大投影する写像投影手段と、前記写像投影手段により拡大投影された前記二次電子ビームを、光学像への変換を介することなく画像信号に変換する電子ビーム検出手段と、前記電子ビーム検出手段から供給される前記画像信号を受けて電子ビーム画像を表示する表示手段と、を備え、前記電子ビーム検出手段は、前記二次電子ビームが入射する入射面と反対側の表面部に信号電荷を発生させる信号電荷発生部と、前記信号電荷を転送する電荷転送部とを含む薄型イメージセンサを含み、前記信号電荷発生部は、厚さが前記イメージセンサの分解能と略同一以下である半導体領域に形成されることを特徴とする、基板検査装置が提供される。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の一形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の各図において同一の部分には同一の参照番号を付してその説明を適宜省略する。
【００４１】
図１は、本発明に係る基板検査システムの実施の一形態のブロック図である。同図に示す基板検査システムは、その概略構成として、電子ビーム照射部とその制御部、電子ビーム偏向部とその制御部、ステージ１２とその制御部、写像投影光学部とその制御部、本実施形態において特徴的な電子ビーム検出部とその制御部、およびホストコンピュータ２９と表示器３０とメモリ６３とを備えている。
【００４２】
以上の構成のうち、電子ビーム照射部とその制御部、電子ビーム偏向部とその制御部、ステージ１２とその制御部、写像投影光学部とその制御部、および、ホストコンピュータ２９と表示器３０は、図６に示す基板検査装置と同様であるためこれらの説明は省略し、以下では電子ビーム検出部とその制御部に関して詳細に説明する。
【００４３】
本実施形態の基板検査システムは、写像投影光学部により拡大投影された電子像を電子ビームに感度の高い裏面照射型のＣＣＤ素子を備えたＣＣＤカメラ６０に直接照射させて画像信号を取得する構造を採用している。ＣＣＤカメラ６０は、ＣＣＤカメラ制御部６１により制御され、取得した画像信号を画像処理部６２に供給する。画像処理部６２は、画像信号に対して補正等の各種画像処理を行い、画像データとしてホストコンピュータ２９に転送する。ホストコンピュータ２９は、表示器３０上への画像表示と、画像データ処理およびメモリ６３への画像データ格納等の欠陥検査処理を行う。
【００４４】
裏面照射型ＣＣＤ素子とは、微少な強度のＸ線やＵＶ光を検出するため開発されたものであり、基板側の裏面をエッチング処理により薄くし、この裏面へＸ線等を照射させることにより感度を向上させたものである（M.Lemonier et.al.,“Thinned Backside-Bombarded RGS-CCD for Electron Imaging",Advanced in Electronics and Electron Physics, vol.64A,pp257-265,1985）。
【００４５】
裏面照射型ＣＣＤの構造および動作を図３の模式図（J.Janesick,“CCD charge collection efficiency and the photon transfer technique",SPIE vol.570, pp7-19）を用いて説明する。
【００４６】
同図に示すＣＣＤ素子は、転送電極１１０が形成される側を表面側とし、これと反対の裏面側をＸ線等の光検出領域としたものである。このＣＣＤ素子の形成方法の一具体例は次のとおりである。
【００４７】
まず、既知のＣＣＤ素子と同様に、ｐ型シリコン基板１２０の表面部にｎ型のチャネル不純物層１２１を形成し、表面に酸化膜１１１を形成した後、転送電極１１０を形成する。次に、基板１２０の裏面側を化学エッチング（chemical etching）によりエッチング処理してＣＣＤ素子の分解能と略同等の厚さにまで薄くする。次に、ｐ型不純物イオン、例えば、Ｂ（ホウ素）をイオン注入し、アニール処理により、裏面の近傍に高濃度の不純物拡散層（accumulation layer）１２４を形成させ、基板内に電位勾配を発生させる。その後、裏面の自然酸化膜を除去した後、Ａｌ等の金属薄膜１１２を形成する。
【００４８】
このＣＣＤ素子の動作は、次のとおりである。即ち、素子の裏面にＸ線やＵＶ光が照射されると、基板１２０内の裏面近傍の無電界領域１２３で電子−正孔対が発生する。この電子−正孔対のうちの電子は、基板１２０内に形成された電位勾配によって空乏領域１２２内を移動し、素子表面側のチャネル不純物層１２１のｐｎ接合部で信号電荷として蓄積される。その後の電荷転送は、通常のＣＣＤ素子と同様の原理で行われ、画像データが形成される。なお、電子−正孔対のうちの正孔は、裏面近傍の高濃度不純物拡散層１２４内で蓄積される。
【００４９】
本実施形態の基板検査システムは、このような構成の裏面照射型ＣＣＤが有する高い感度に着目し、電子ビーム画像の検出に利用したものである。
【００５０】
図２は、図１に示すＣＣＤカメラ６０の拡大図である。ＣＣＤカメラ６０が備える裏面照射型ＣＣＤ素子５８は、画素のサイズが約１０μｍ×約１０μｍで２，０８４ｐｉｘｅｌ以上の大領域画像の取り込みが可能となっている。ＣＣＤ素子５８の厚さも約１０μｍであり、その裏面には、Ａｌ薄膜が数百オングストローム以下の厚さで形成されている。
【００５１】
写像投影光学部により拡大投影された二次電子ビームは、ＣＣＤ素子５８の裏面に入射し、このＡｌ薄膜を通過して基板内で電子−正孔対を発生させる。ＣＣＤ素子５８の厚さが素子自身の分解能と略同一なので、電子ビーム像が必要以上に拡大されて劣化することが防止される。基板内で発生した電子−正孔対のうち、電子は、基板内に形成された電位勾配によって、表面側のチャネル不純物層に移動して蓄積した後、転送電極により信号電荷として順次転送されて取出される。
【００５２】
図４は、本実施形態の電子ビーム検出部の分解能と、２００μｍ視野でのウェーハ上での写像投影光学系の分解能との関係を示す特性図である。同図から、検出器の分解能が向上するに従い、写像投影光学系の分解能も比例して向上させることができることがわかる。例えば、既知のＭＣＰの分解能である４０μｍ程度では、ウェーハ上での画像の分解能は０．１５μｍ程度まで劣化してしまうが、本実施形態により検出器の分解能を１０μｍ程度まで向上させることで、写像投影光学系の分解能は０．０７μｍ以下となり、高分解能化が可能となる。
【００５３】
図５は、電子ビーム検出部の分解能と、写像投影光学系において０．１μｍの分解能を維持できる視野サイズとの関係を示す特性図である。同図から、電子ビーム検出部の分解能の向上に比例して視野サイズが増大することが分かる。
【００５４】
このように、電子ビーム検出部の分解能を向上させることにより視野サイズが大きくとれるため、一度に取り込むことができる検査領域を大幅に拡大することができる。この結果、検査のスループットを向上させることができる。本実施形態においては、電子ビーム検出部の分解能を約１０μｍに上げることができるため、従来のＭＣＰの分解能では実現出来なかった、０．１μｍ分解能を維持したままで４００μｍ以上の検査領域を確保することができる。検査のスループットは検査領域に比例するため、大幅なスループット向上が期待できる。
【００５５】
また、電子ビーム検出部の分解能が向上することにより、写像投影光学系で電子ビームを拡大投影する倍率を大幅に低下させることが可能になる。本実施形態では、電子ビーム検出部の分解能が約１０μｍにまで向上するため、拡大倍率が約半分にまで低下させることができる。これにより、写像投影光学部の筐体であるコラムの長さを約半分にすることができ、装置全体のサイズを大幅に縮小することができ、同時に装置全体の重量も約半分に軽減することができる。
【００５６】
さらに、ＣＣＤ素子５８をＴＤＩ（Time Delay Integration）モードで動作させ、ステージの走査と同期させて画像取り込みを行うこととすれば、検査速度の向上と画像信号のＳ／Ｎ向上を同時に達成することができる。
【００５７】
以上、本発明の実施の一形態について説明したが、本発明は上記形態に限るものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して適用することができる。電子ビーム検出部の裏面照射型ＣＣＤ素子も、画素のサイズが約１０μｍ×約１０μｍで半導体領域の厚さが約１０μｍのものについて説明したが、画素サイズが２０μｍ×約２０μｍ、画像領域約１０００ｐｉｘｅｌで半導体領域の厚さが２０μｍ程度のものであっても、図４および図５の特性図から明らかなように、ＭＣＰを用いた場合と比較して十分に高い分解能と広い検査領域を有する基板検査システムが提供される。
【００５８】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明は、以下の効果を奏する。
【００５９】
即ち、本発明に係る基板検査装置によれば、写像投影手段により拡大投影された二次電子ビームを直接画像信号に変換する電子ビーム検出手段を備えているので、電子ビーム画像を直接ＣＣＤ素子で検出することができる。これにより検出器における透過率の低減を防止することができ、電子ビーム画像を効率よく取得できる。また、従来の技術のように蛍光板を用いて一旦蛍光像に変換することがないので、残像現象を考慮する必要がない。これにより画像取込みの速度を向上させることができる。さらに、電子ビーム入射面の面積を拡大することができるので、分解能に優れたＣＣＤ素子を用いることができ、電子ビーム検出手段の分解能を大幅に向上させることができる。この結果、写像投影手段の拡大率を低減させることができるので、装置全体のサイズを縮小し、軽量化できる上、写像投影手段による軸外収差および歪みが大幅に低減され、高い感度で鮮明な電子ビーム画像を取得することができる基板検査装置が提供される。
【００６０】
上記電子ビーム検出手段として、上記二次電子ビームが入射する入射面と反対側の表面部に信号電荷を発生させる信号電荷発生部と、この信号電荷を転送する電荷転送部とを含む薄型イメージセンサを備える場合は、きわめて単純な構成で、分解能に優れ、鮮明な電子ビーム画像を取得できる基板検査装置が提供される。
【００６１】
厚さが上記イメージセンサの分解能と略同一以下である導体領域に上記信号電荷発生部が形成される場合は、二次電子ビームが必要以上に拡大されてビーム画像が劣化することを防止することができる。
【００６２】
また、上記イメージセンサの分解能が２０μｍ以下である場合は、電子ビーム検出手段の分解能が向上する他、その視野サイズを拡大することができるので、検査領域が拡大する。これにより、基板検査のスループットが大幅に向上した基板検査装置が提供される。
【００６３】
また、本発明に係る基板検査方法によれば、二次電子ビームをイメージセンサにより直接画像信号に変換する第３の過程を備えているので、高い分解能と広い視野サイズで電子ビーム画像を検出できるので、残像現象を考慮する必要もなく鮮明な電子ビーム画像を優れた効率で取得することができ、高速での画像取込みができる基板検査方法が提供される。
【００６４】
さらに、本発明に係る基板検査システムによれば、上述の効果を奏する基板検査装置と、上記効果を奏する基板検査方法に基づいて上記基板検査装置と信号処理手段と記憶手段とを制御する制御手段とを備えているので、鮮明な電子ビーム画像に基づく画像データを高い効率で取得することができる基板検索システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る基板検査システムの実施の一形態のブロック図である。
【図２】図１に示す基板検索システムが備えるＣＣＤカメラの拡大図である。
【図３】裏面照射型ＣＣＤの構造および動作を示す模式図である。
【図４】図１に示す基板検索システムが備える電子ビーム検出部の分解能と、２００μｍ視野でのウェーハ上での写像投影光学部の分解能との関係を示す特性図である。
【図５】図１に示す基板検索システムが備える電子ビーム検出部の分解能と、写像投影光学部において０．１μｍの分解能を維持できる視野サイズの関係を示す特性図である。
【図６】特願平９−３００２７５記載の電子ビーム検査装置の概略構成を示すブロック図である。
【図７】図６に示す基板検索システムが備える電子ビーム偏向部の詳細な構成を示す横断面図である。
【図８】図７のＡ−Ａ断面図である。
【図９】従来の電子ビーム検査装置に備えられた電子ビーム検出器の一例のより詳細な構成を示すブロック図である。
【図１０】一般的なＣＣＤ素子の電極構造の一具体例を示す略示断面図である。
【符号の説明】
１ （ＬａＢ6）陰極
２ ウェーネルト電極
３ 陽極
４ 偏向器
５、６ 静電型四極子レンズ
７〜１０、１７、１９、２１、２６、２７、４３ａ、４３ｂ、４４ａ、４４ｂ 制御部
１１ 試料
１２ ステージ
１３、１５ 電源
１４ 回転対称静電レンズ
１６、１８、２０ 静電レンズ
２２ ＭＣＰ検出器
２３ 蛍光面
２４ ライトガイド
２５，６０ ＣＣＤカメラ
２９ 画像データホストコンピュータ
３０ 表示器
４０ａ、４０ｂ 平行平板電極
４１ａ、４１ｂ 電磁コイル
５８ 裏面照射型ＣＣＤ素子
６２ 画像処理部
６３ メモリ
Claims (2)
- 試料である基板に電子ビームを一次電子ビームとして照射する一次電子ビーム照射手段と、
前記一次電子ビームの照射を受けて、前記基板から発生する二次電子および反射電子を導いて二次電子ビームとして電子像を拡大投影する写像投影手段と、
前記写像投影手段により拡大投影された前記二次電子ビームを、光学像への変換を介することなく画像信号に変換する電子ビーム検出手段と、
前記電子ビーム検出手段から供給される前記画像信号を受けて電子ビーム画像を表示する表示手段と、を備え、
前記電子ビーム検出手段は、前記二次電子ビームが入射する入射面と反対側の表面部に信号電荷を発生させる信号電荷発生部と、前記信号電荷を転送する電荷転送部とを含む薄型イメージセンサを含み、
前記信号電荷発生部は、厚さが前記イメージセンサの分解能と略同一以下である半導体領域に形成されることを特徴とする、基板検査装置。 - 前記写像投影手段は、ＭＣＰ（Micro-Channel Plate)を用いて前記二次電子ビームを間接的に画像信号に変換する場合の約半分の拡大倍率で前記電子像を拡大投影することを特徴とする請求項１に記載の基板検査装置。
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