JP4235284B2 - パターン検査装置およびその方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子線または光などを用いて半導体ウェハ、ＴＦＴ、ホトマスクなどの対象物の物理的性質を現した画像を得、その画像を用いて対象物の欠陥を検査するパターン検査装置およびその方法に係り、特に、複数の検出光学系によって検査を高速に行うようにしたパターン検査技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、試料表面に形成されたパターンの検査においては、光学式顕微鏡あるいは電子顕微鏡などを応用して、パターンの画像を検出し、これらの画像を処理することにより、その表面の欠陥を検出する方法が用いられている。
【０００３】
今日の半導体集積回路装置の高集積化に伴い、半導体ウェハ上に形成される回路パターンは急速に微細化している。このため、回路パターンの検査手段として、従来から用いられている光学式の検査装置に加え、原理的に分解能が高く、また電気的な性質の違いを画像として得ることができることから、走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと称する）を用いる必要性が高まってきている。
【０００４】
これに関連する技術としては、例えば、特開平５−２５８７０３号公報には、エックス線マスクやこれと同等の導電性基板に形成されたパターンを、ＳＥＭを使用して検査する方法とそのシステムが開示されている。
【０００５】
また、特開昭５９−１６０９４８号公報には、電子線を一方向に走査し、半導体ウェハを設置したステージをこれとは垂直な方向に連続的に移動させて、ＳＥＭ像を生成し、これを用いて高速に回路パターンの検査を行う手法が開示されている。
【０００６】
さらに、特開昭６３−２１８８０３号公報には、像取得時の半導体ウェハへの電子線照射時間を精密に制御して、半導体ウェハのチャージアップや階調ドリフトが像質に与える影響を低減し、検査に用いるＳＥＭ像の信頼性および感度を向上させる手法が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
今日の半導体集積回路装置の製造技術分野においては、上述したような回路パターンの微細化と歩調を合わせて、半導体ウェハの大型化が進展している。したがって、回路パターンの検査には、より高い分解能で、より広い領域を検査することが要求されている。このためには、検査の高速化が必須である。
【０００８】
上述したように、特開昭５９−１６０９４８号公報には、電子線走査とステージの連続移動を併用することにより、ＳＥＭ像を用いた回路パターン検査を高速化する手法が開示されている。しかし、このような高速化手法を講じても、現在半導体集積回路装置の製造に用いられている８インチウェハの全面検査の所要時間は、光学式検査装置が数分〜数十分であるのに対し、ＳＥＭ式では数十時間を必要としている。今後さらに大型の１２インチウェハが本格的に利用されるようになることは確実であり、現状の検査速度では対応が非常に困難になると見込まれる。
【０００９】
本発明は上記の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、被非検査物の表面を複数の検査領域に分割し、これらを複数の検出光学系を用いて同時に検査することで、検査の高速化を図ることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記した目的を達成するため、複数の電子光学系および画像処理系を利用する。検査領域を複数に分け、それぞれの領域毎に電子光学系を配置し、これらから同時にＳＥＭ像を生成して、処理すれば、電子光学系の数に応じて検査時間の短縮が可能となることは、容易に想像できる。しかし、複数の電子光学系を用いる場合には、単独の電子光学系を用いる場合にはなかった新たな問題が発生するため、実際にはこれを解決しなければ、複数の電子線を利用してもその利点を活かすことができない。この問題とは、使用する複数の検出光学系の特性の違いにより生じる検査感度のばらつきである。特に、ＳＥＭ式の検査装置においては、主に電子銃の特性によって、分解能などの検出画像の特性が決まるが、画像を用いた検査装置においては、この像質の良否によって検査性能が左右される。したがって、複数の電子光学系を用いた検査装置の実現のためには、これら複数の検出光学系の特性を揃える必要がある。しかし、完全に特性の揃った電子源や検出器を製作することは困難であり、また、これらの性能は各々の光軸調整などによっても変化するため、複数の電子光学系の特性を同程度に保つことは困難となる。製作後の選別などにより、ある程度特性の揃ったものを使用したとしても、電子源は消耗品であり、交換時にはまた特性の異なるものを使用することとなる。
【００１１】
本発明では、この複数の電子光学系間の感度ばらつきの問題を、画像処理パラメータの調整や、検査結果のフィルタリング処理によって、抑えることにより解決する。
【００１２】
また、このような検出光学系の特性差によって性能のばらつきを生じるのは、電子光学系の場合に限らない。光学式の検査装置においても、検出レンズ歪みなどの違いにより、欠陥検出性能にばらつきを生じる。このため、同様に複数の検出光学系を導入した検査装置を構成する場合には、本発明により感度ばらつきを抑制することができるが、本発明は、分解能が高く、画像生成に時間がかかる、ＳＥＭ式の装置において特に大きな効果をもたらす。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の１実施形態に係る検査装置の全体概略構成図で、本実施形態は、検出光学系をＮ組持つＳＥＭ式の自動検査装置となっている。
【００１４】
図１において、１はＳＥＭ部で、このＳＥＭ部１は、電界放出型電子源を含む電子発生装置２と、静電偏向系を含む走査装置３と、静電レンズ系を含む収束装置４と、半導体検出器を含む検出装置５とから構成される。ＳＥＭ部１は、Ｎ組（図１の例ではＮ＝２）備えられており、その各々より収束された電子線６が試料７に照射される。試料７は連続移動可能なステージ８上に保持されており、電子線６の走査とステージ８の移動との組み合わせにより、試料７表面の２次電子画像を得ることができる。ステージ８は試料７を平面内で移動させることができる。
【００１５】
得られた２次電子画像信号９は、Ａ／Ｄ変換器１０によりディジタル信号に変換された後、画像処理部１１へ入力される。画像処理部１１は、ＳＥＭ部１により取得した２次電子画像を処理することにより、欠陥検出および像質の評価を行う機能を有している。この画像処理部１１は、ＳＥＭ部１と同じＮ組備えられており、それぞれのＳＥＭ部から入力される２次電子画像を同時に処理する機能を有している。
【００１６】
Ｎ組のＳＥＭ部１および画像処理部１１により得られた画像処理結果は、全体制御部１２へと入力される。全体制御部１２は、ステージ制御装置１３、走査制御装置１４および焦点制御装置１５を統括制御しており、これらを用いて最適な条件で２次電子画像を入力する機能を有している。また、本自動検査装置は、全体制御部１２に接続されて、ユーザからの指示を受けるための入力装置１６、装置の状態や検査結果などを表示する表示手段１７および記憶装置１８を備えている。全体制御部１２は、各部を制御して２次電子画像入力を行う他に、Ｎ組のＳＥＭ部１および画像処理部１１から得られる欠陥検出結果あるいは像質評価結果を用いて、得られる検査性能あるいはレビュー時の画像の質が、各々のＳＥＭ部１により異なることのないように調整する機能を備えている。この調整機能の詳細については後述する。
【００１７】
次に、本実施形態による画像取得方法の１例について、図２および図３を用いて説明する。
【００１８】
図２は、図１の装置構成の一部を拡大し、３次元で表示したものであるが、ここではＳＥＭ部１の数が、Ｎ＝４の場合の配置例を示している。図２に示すように、試料７はステージ８上に保持されており、ステージ８は直交する２軸の方向への移動が可能である。このステージ８の移動と電子線６の走査の組み合わせにより、高速な画像入力を実現する。
【００１９】
検査時は電子線６は一方向に走査される。この電子線の走査方向と垂直な移動方向を連続移動方向、電子線６の走査方向と平行な移動方向を送り方向と称する。また、これに対応してステージ８を連続移動ステージ２０と送りステージ２１とに分ける。ステージ８の移動はステージ制御装置１３により制御され、ステージの移動量は図１に示した測長器１９により検出され、そのステージ移動量に応じて電子線の位置を制御し、ステージの速度変動に対応した電子線走査が可能である。検査時は、連続移動ステージ２０により連続移動方向に移動して、各ＳＥＭ部に割り当てられた検査領域の端まで画像を取得し、次に走査幅に対応する分だけ送りステージ２１を送り、折り返し連続移動を行い、先ほどの隣の走査幅の範囲内の画像を取得していく。以後、このＳＥＭ部をＳｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）として説明する。
【００２０】
図３は、試料７のウェハ上面から見たＳＥＭ部の配置の１例と、各々のＳＥＭ部の検査領域を示している。図３に示すように、これら４組のＳＥＭ部は、Ｄ／２の間隔で並べられている（Ｄはウェハ直径、図３中のＤ’は直径Ｄからウェハのオリフラ分を差し引いたものであるが、ノッチの場合はＤで良い。簡単のためここではＤで説明する）。
【００２１】
図３のように各ＳＥＭ部１を配置すれば、各ＳＥＭ部１による検査領域は、単一のＳＥＭ部を用いて検査を行う場合の４分の１になり、ステージに必要なストロークは２分の１となる。各々のＳＥＭ部１は対応する画像処理部１１を持ち、４組のＳＥＭ部により得られる画像信号９は同時に処理されるため、検査に必要な時間は単一のＳＥＭ部１および画像処理部１１を用いる場合の４分の１となり、検査の高速化が実現できる。
【００２２】
同様に、Ｎ組の検出光学系および画像処理系を用いれば、検査に必要な時間を約Ｎ分の１に低減することが可能となる。以後、この検査領域をＳＥＭ部に対応させて、Ｒｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）として説明する。ここで、図１および図２では、各検出光学系に１つずつ画像処理部が配置されているが、画像検出の速度に対して十分に早い処理が可能であれば、画像処理部は必ずしも１つずつは必要ない。
【００２３】
本発明が解決する課題について、図４を用いて説明する。図４は、図２、図３と同様に、ＳＥＭ部がＮ＝４組の場合の例である。図３に示したように、４組のＳＥＭ部の検査領域が分割されているとき、これらＳＥＭ部の特性が互いに異なると、次のような問題が生じる。
【００２４】
本発明の自動検査装置のように、検査対象物の画像を用いて検査を行う場合には、検査性能はその画像の質に大きく依存する。ここで像質とは、分解能や歪み、Ｓ／Ｎなどのことであり、それぞれの検出光学系の特性により違いが生じる。したがって、図２、３に示したように４組のＳＥＭ部を持つ自動検査装置により、試料表面の領域を分割して検査を行うと、各々のＳＥＭ部の特性のばらつきにより、検査領域毎に検査感度が異なることとなる。
【００２５】
図４にその１例を示す。図４の菱形は検出された欠陥２２を示しており、その大きさは欠陥の面積を示している。各々のＳＥＭ部の特性が異なると、図４に示すように、検出できる欠陥数やサイズも領域毎に異なってしまう。領域Ｒ１では非常に多く、また小さい欠陥も検出されているのに対し、領域Ｒ２では大きな欠陥のみしか検出されていない。このようになる所以は、存在する欠陥が検出されない現象や、実際には欠陥が存在しないのに欠陥として出力される（虚報）といった問題が生じているためであり、上記したごとく検出光学系の特性の違いにより生じる。像質と欠陥検出結果との関係については後述する。このように複数の検出光学系を同時に用いる場合には、それらの特性の違いを考慮してやらなければ、安定な検査結果が得られなくなってしまうのである。
【００２６】
次に、画像を用いたパターン検査方法の１例について簡単に説明し、像質が欠陥検出性能に与える影響について説明する。半導体装置のウェハ上には、チップあるいはセルといった単位で繰り返し形成されたパターンがあり、これらの繰り返しパターンの実画像を比較し、その差から欠陥を検出する手法が多く用いられている。
【００２７】
図５に欠陥検出手法の１例を示す。図５中のａ）、ｂ）に示すような試料７表面の画像を、ＳＥＭ部１により取得する。これら２枚の画像は、検査位置における検査部画像２３と、その近傍にある同様のパターンの画像（比較画像２４）である。これらの濃淡画像を比較し、それらの差から欠陥画像２５を取得する。欠陥画像出力２６のうち、しきい値（Ｔｈ）２７を用いて、出力がしきい値２７を超えた部分を欠陥２２とする。このようにして、２枚の画像の違いを欠陥として検出することができる。ここで、しきい値２７は、欠陥部出力２８よりも大きい値を設定すると欠陥が検出できず、ノイズ２９よりも小さい値を設定すると虚報を発生することとなる。欠陥部出力２８としきい値２７の差であるマージン３０が大きいほど安定な検査が可能であり、このようなしきい値２７を設定してやる必要がある。通常、この検査時のしきい値２７は実際に検査を試してみて、操作者が所望の感度になるよう設定する。
【００２８】
しかし、上記のような欠陥画像出力２６は、検出光学系の特性により変化する。検出信号量が少なく、十分なコントラストの検査画像２３が得られなければ、欠陥部出力２８を十分に得ることができない。また、検査画像２３の分解能が悪ければ、欠陥部出力も鈍ってしまう。これに対し、Ｓ／Ｎが悪い画像では、ノイズ２９のレベルが上がってしまい、しきい値２７を大きく取らざるをえなくなってしまう。また、比較する画像間で異なる歪みを有する場合には、正常部の異なる場所を比較してしまうため、正常部であるにもかかわらず、欠陥画像出力が大きくなってしまう。このため、本発明の自動検査装置では、各検出光学系毎にその特性に応じたしきい値を決定しなければ、図４の例で示したような領域毎に検査感度が異なる問題が生じてしまうのである。しかし、複数の検出光学系の検査感度をそれぞれ人手により調整するのは、非常に困難な上、多くの時間を要する。そこで、本発明ではこれらの検出光学系の特性を評価し、その評価結果を用いて安定な検査感度を得る手法を提供する。
【００２９】
以下に、検出光学系の違いにより生じる検査感度のばらつきを低減する手法について説明する。
【００３０】
検出光学系の違いにより生じる、画像の明るさおよびノイズの評価方法と、その結果を用いた画像の補正方法の例について、図６、図７、図８、図９を用いて説明する。ここでは、簡単のため検出光学系Ｎ＝２組の場合について説明するが、検出光学系の数が増えても方法は全く同じである。なお、異なる検出光学系間で同程度の欠陥検出性能を得るためには、検出画像の明るさは必ずしも同じである必要はないが、目視確認のための検査画像の表示などでは、同じパターンは同じ明るさで表示されなければ、操作者の混乱を招くこととなるため、同じ明るさであることが望ましい。
【００３１】
ＳＥＭ式の検査装置の場合、検出される画像の明るさは、試料表面の２次電子放出効率のみではなく、照射電子線の電流量や検出器の捕捉効率、検出系の回路のゲインなど、様々な要因により決定される。また同様に、検出される画像信号９に含まれるノイズの大きさも、電子源のノイズや伝送系のノイズなどに依存するため、加算的なものや乗算的なものなど様々である。
【００３２】
上記の、検出光学系の違いによる明るさおよびノイズの違いを評価する簡単な方法について、図６を用いて説明する。画像の明るさの違いを評価するためには、同じ試料表面の画像を検出し、その画像信号９の明るさを評価すればよい。
【００３３】
そこで、パターンの無いシリコンウェハなどを試料として用いて、その画像を取得すると、図６のａ）のようなヒストグラムが得られる。各検出光学系についても、同様にヒストグラムを得ることができる。ここでは、図６のａ）、ｃ）をＳＥＭ部Ｓ１による処理内容、図６のｂ）、ｄ）をＳＥＭ部Ｓ２による処理内容として説明する。パターンが無く表面が均一な試料を用いれば、検出される画像信号の値は一様となるはずであるが、実際にはノイズによるばらつきを含むこととなる。図６のａ）、ｂ）に示すように、ＳＥＭ部Ｓ１とＳ２では検出される画像の明るさとばらつきが異なる。この明るさをＳＥＭ部Ｓ１とＳ２で同じにするために、それぞれの入力画像の平均値と暗レベルの値（電子線照射無しの場合の検出値）を用いて、図６のｃ）、ｄ）に示すような階調変換を行えば良い。すなわち、
Ｉ０（Ｉｉ）＝（Ｉｉ−ｄｉ）＊（ｍ０−ｄ０）／（ｍｉ−ｄｉ）＋ｄ０
（i＝１，２，……，Ｎ） （１）式
上記（１）式により階調変換を行えば良い。
【００３４】
ここで、ｍ０およびｄ０は、階調変換後の平均値および暗レベルであり、適当な値を決めればよい。例えば、常に基準としてＳＥＭ部Ｓ１を用いるものとするならば、ｍ０＝ｍ１、ｄ０＝ｄ１とすればよい。また、Ｓ１からＳＮ全ての平均を用いて、ｍ０＝Σｍｉ／Ｎ、ｄ０＝Σｄｉ／Ｎとしても良い。実際には暗レベルに近い出力レベルを示すサンプルを検査することがないのであれば、暗レベルの値ｄ０は負の値としても良い。広いレンジで画像を検出しておいて、その中で必要な部分のみを階調変換により取り出してデータ量を小さくして処理すれば、明るさの異なる様々な試料に対応することができる（例えば、１０ビットで画像検出し、そのうち必要な階調を８ビットに変換して用いる）が、このような場合には、検査対象の試料の明るさに応じて、画像信号の劣化が生じないように適当なｍ０、ｄ０を決定すればよい。
【００３５】
試料表面における２次電子放出効率と検出される画像の明るさが、線形関係である場合には、図６に示した方法で、全ての明るさの試料に対応した階調変換を実現することができるが、前述のように検出される画像の明るさは２次電子放出効率のみでは決まらず、線形である保証はない。この場合、評価に用いた試料と検査対象の試料の２次電子放出効率が大きく異なる場合には、図６の方法では十分な対応ができない場合が考えられる。かような場合の、他の階調変換パラメタ調整方法については後述する。
【００３６】
さらに、図５、図６を用いて、ノイズの評価結果を用いた検査感度の調整方法の例について説明する。図６のａ）、ｂ）に示したように、明るさが一様な試料の画像を検出しても、ノイズにより検出画像の明るさにばらつきを生じる。このノイズは画像の標準偏差σにより評価し、その評価結果をもとに、各検出光学系により得られる画像でのしきい値を調整する。以下に、手順を説明する。
【００３７】
図６の例で示したように、パターンの無い試料の画像を取得し、明るさが同程度となるように階調変換を施す。次に、階調変換後の画像にて、各検出光学系毎に標準偏差σｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）を求める。図５に示したノイズの成分は、この標準偏差σｉと同様に変化するため、しきい値Ｔｈｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）もこれに応じて変更すればよい。例えば、しきい値を設定したＳＥＭ部をＳｓとして、
Ｔｈｉ＝（Ｔｈｓ−ｄｄ）＊σｉ／σｓ ＋ ｄｄ （２）式とすれば良い。ここで、ｄｄは人手により設定したしきい値とノイズの最大値の差であり、しきい値設定時に測定するか、あるいは経験的に適当な値を与えてやればよい。
【００３８】
（２）式の方法を用いれば、各検出光学系のノイズレベルに応じたしきい値の設定が可能となるが、各々の検出光学系によりしきい値の値が異なると、検査感度も検出光学系毎に異なってしまうおそれがある。そこで、（２）式の代わりに次の（３）式を用いて、全ての検出光学系における検査しきい値を同じものにしてやれば良い。
Ｔｈｉ＝（Ｔｈｓ−ｄｄ）＊σＭａｘ／σｓ ＋ ｄｄ （３）式
ここで、σＭａｘは、ノイズ評価結果の最大値σＭａｘ＝Ｍａｘ（σｉ）である。ノイズにより欠陥部出力２８も変化するため、完全に感度を一致させることはできないが、検出光学系毎の感度ばらつきを低減できる。
【００３９】
しかし、このしきい値設定方法についても、図６で示した階調変換の場合と同様に、評価した試料と検査する試料の画像の明るさが大きく異なる場合には、問題が生じる。図７のａ）に示すように、通常、画像に含まれるノイズは画像の明るさに対して非線形な特性を持つ。このため、例えば２つのＳＥＭ部Ｓｓ、Ｓｋが、図７のａ）に示すようなノイズ特性を持つ場合には、図７のｂ）に示すように、それらの比Ｓｓ／Ｓｋは、入力される画像の明るさにより変化することとなる。例えば、標準偏差σによりノイズ評価を行った試料の明るさが図７のｂ）のＩｂ、検査対象の画像の明るさがＩａであったとすると、Ｉａにおける各検出光学系間のノイズの関係を知ることはできない。
【００４０】
この場合の他のしきい値設定方法については後述するが、検査するパターンと同じ材質で構成された一様な領域を用いれば、本方式によりしきい値の設定は可能である。前述の階調変換も同様であるが、ノイズの評価を行うためには１００画素程度の画像があれば十分である。このため、半導体装置であれば、周辺回路の比較的パターンの疎な部分から、明るさの一様な適当な領域を切り出して評価すればよい。この評価位置の設定は、操作者がマニュアルで指示してもよいし、また、周辺回路部の画像を処理し領域分割して、その中で検査領域と同程度の明るさの領域を自動的に選択して評価を行ってもよい。
【００４１】
なお、実際の標準偏差σを用いるノイズ評価では、階調変換後の画像は量子化により画像の劣化が生じる可能性が高いため、階調変換前の画像で標準偏差σを求め、階調変換の際のゲインを乗じて変換してやればよい。例えば、（１）式の場合は（ｍ０−ｄ０）／（ｍｉ−ｄｉ）を掛ければよい。
【００４２】
次に、階調変換のパラメタを調整する別の方法として、実際に検査を行うパターンの画像を用いる例について、図８を用いて説明する。検査対象である試料は、主に下地ｂとパターンｐの２つの異なる材質から構成されており、その画像のヒストグラムは、図８のａ）、ｂ）に示すように、それぞれ下地ｂとパターンｐに対応する２つの山を持つものとなる。
【００４３】
そこで、図８に示すように、検査対象の画像を用いて、それぞれの検出光学系においてヒストグラムを取得する。これらのヒストグラムの２つの極大値Ｉｂｉ、Ｉｐｉを用いて、図６で示した例と同様に階調変換を行えばよい。つまり、次の（４）式により階調変換を行えばよい。
Ｉ０（Ｉｉ）＝（Ｉｉ−Ｉｂｉ）＊（Ｉｐ−Ｉｂ）／（Ｉｐｉ−Ｉｂｉ）
＋Ｉｂｉ （４）式
但し、Ｉｐｉ＞Ｉｂｉの場合である。Ｉｐｉ＜Ｉｂｉの場合は、ＩｐｉとＩｂｉを入れ替える。この場合も図６の例と同様に、ＩｐとＩｂは適当なものを設定してやればよい。
【００４４】
検出光学系に応じて階調変換を行う他の方法について、図９を用いて説明する。図９に示しているのは、像質評価用サンプル３１の１例である。図９の例では、それぞれ材質の異なる５つの領域からなるサンプルを示している。それぞれの領域内にはパターンはなく、一様な画像が取得できるようになっており、またその材質は導電性で帯電による像の変化のないものである。この評価用サンプル３１を用いて、予め検出光学系毎に階調変換テーブルを作成しておけば、試料交換の度に明るさの評価を行う必要はない。
【００４５】
前述の図６および図８の例と同様に、基準のＳＥＭ部を選択するか、あるいは全てのＳＥＭ部の平均を用いるなどの手段で、はじめに図９に示した各サンプルの基準明るさＩ０を決定する。同様に、各ＳＥＭ部において各サンプルの明るさＩｉを測定し、横軸をＩ０、縦軸をＩｉとしてプロットすると、図９のようになる。これらの明るさの関係がどのようになるかは検出系に依存するが、その系に応じて最小自乗近似などの手法を用いて、適当な関数の近似曲線を求める。この曲線を用いれば、ＳＥＭ部Ｓｉにより検出された画像Ｉｉから、基準明るさＩ０への階調変換を行うことができる。
【００４６】
図８の例では、試料を交換する度に各検出光学系により得られた画像の評価が必要であった。しかし、図９の方法であれば、各ＳＥＭ部に対し同様の曲線をもとめ、一度階調変換テーブルを作成しておけば、部品の交換などにより検出光学系の特性が変更されるまでは、同じテーブルを用いることができる。通常は定期的に評価を行えばよく、また、その変化をモニタしておくことで、検出光学系の異常を発見することもできる。
また、検査対象の試料の画像を取得からその明るさ（例えば平均値）のみを測定できれば、必要な階調を切り出すのも容易である。
【００４７】
同様にノイズ評価に関しても、図９に示した評価用サンプル３１を用いることで、図７で説明した問題を解決することができる。評価用サンプル３１を用いて、図９の明るさの評価と同様に、全ての階調における明るさとノイズの関係（図７）を求め、各ＳＥＭ部と基準値との標準偏差の比σｉ／σｓを求めることができる。このようにして求めた標準偏差の比σｉ／σｓを、（２）式、（３）式に適用すれば、様々な２次電子放出効率を有する試料に対しても、容易に各検出光学系間のしきい値調整が可能となる。
【００４８】
次に、分解能の評価方法と、その結果による検査感度の調整方法の例について説明する。
【００４９】
従来、ＳＥＭの分解能の評価は、カーボン上に蒸着した金粒子などを人間が目視で評価していたが、本発明の装置では、分解能の絶対値が必要なのではなく、検査に同時に使用する複数のＳＥＭ部の分解能の違いを、自動で評価することが重要である。そこで、図１０に示すような分解能評価用サンプル３２を用いて分解能を評価し、その結果により画像処理パラメタを調整し、複数の検出光学系における感度調整を行う方法について説明する。
【００５０】
各ＳＥＭ部の分解能を評価するために、図１０に示すような評価用サンプルを用いる。図１０に示すように、コントラストが顕著な試料の境界部の画像を取得する。ビーム径が小さく、分解能がよい程、境界部における画像信号の傾きは急峻となる。このため、この傾きを１次微分を用いてその大きさで評価することができる。また、この１次微分値を見れば、電子線が境界部を走査し始める位置と走査し終わる位置を知ることができる。例えば、図１０に示すような１次微分値が描く曲線の半値幅等を電子線のビーム径とすることができる。
【００５１】
なお、図１０で示した例の他の分解能評価方法としては、微細な縞状のパターンの画像を取得し、その振幅で評価する方法や、２つのスリットあるいはスポット状の近接したパターンの画像を取得し、その分離度を評価するといった方法も考えられる。また、分解能評価用サンプル３２で顕著なコントラストを得るためには、その材質は原子番号の差異の大きなもの、例えばタンタルとシリコンなどを選択すればよい。また、図１０で示した分解能評価用サンプル３２は、図９で示した像質評価用サンプル３１の一部分を用いても同様の評価が可能であるので、例えば図９の領域ＡとＢにコントラストが顕著になるような材質を並べて、分解能の評価に使用すればよい。
【００５２】
次に、図１０の分解能評価用サンプル３２を用いて分解能を評価した結果を用いて、検出光学系の分解能の違いによる検査感度のばらつきを抑える方法について説明する。
【００５３】
画像処理による欠陥検出を行う場合、ノイズ成分の除去やエッジの強調を目的として、平滑化などの機能をもつフィルタを画像入力時に使用することがある。そこで、先の例により評価した分解能の結果に基づいて、分解能の良い検出光学系の入力画像に、より平滑化の効果の高いフィルタを用いて、それぞれの検出光学系によって得られる画像の分解能がほぼ同じ程度になるように調節することができる。このとき、分解能の悪いものをよくすることはできないので、分解能評価を行い、複数のＳＥＭ部のうち最も分解能の悪いものに合わせるよう処理を施す。
【００５４】
例えば、図１０に示した１次微分の半値幅をビーム径として評価を行い、各々のＳＥＭ部のビーム径をｄｂｉ（ｉ＝１，２，……，Ｎ）とし、そのうち最も分解能の悪かったＳＥＭ部のビーム径評価結果をｄｂｗ（ｉ＝ｗ）とする。一般に平滑化のフィルタとして用いられるガウシアンフィルタを用いる場合を考えて、フィルタのパラメタである標準偏差の大きさを変更することで感度の調整を行う。ＳＥＭ部Ｓｉにおける入力フィルタの標準偏差をＦｉとして、次の（５）式により、他のＳＥＭ部のフィルタのパラメタを決定すればよい。
Ｆｉ＝Ｆｗ＊ｄｂｗ／ｄｂｉ （５）式
ここで、Ｆｗはノイズ除去に十分なフィルタを予め設定しておく。
【００５５】
このように、入力フィルタを使用して分解能の調整を行うと、入力フィルタの平滑化の効果により、ノイズの特性が変化してしまう。このため、前述のノイズ評価を行う際には、入力フィルタ通過後の画像を用いて行うか、あるいは、入力フィルタによるノイズ除去の効果は、フィルタ係数の自乗和の平方根で推定することができるため、それを考慮してしきい値を決定すればよい。
【００５６】
分解能のばらつきを低減するための他の方法として、検査はそのままの画像で行い、その結果をフィルタリングする方法もある。図５に示したように、画像処理により欠陥を検出することができるが、このとき欠陥の位置のみでなく、その形状や大きさといった情報も同時に得ることができる。そこで、検出された欠陥情報から分解能の悪い光学系の出力に合わせて、分解能の高い光学系により得られた検査結果を欠陥の寸法によりフィルタリングすれば、各光学系の分解能が異なっていても、検出される欠陥の最小寸法つまり検査感度は一定となるため、図４に示したような検査結果のばらつきを抑えることが可能となる。この最小欠陥寸法は操作者が所望の感度に設定すればよいが、その最小値は、装置として、ばらつきがあっても最低限保障されている感度を限度として決めればよい。この場合は特に分解能の評価は必要としないため、明るさやノイズの評価を検査対象である試料を用いて行えば、特別に評価用のサンプルを作成する必要はない。
【００５７】
検査手順の概要について説明する。図１１は図１の一部を拡大し、画像処理部１１の内部を示したものである。
【００５８】
像質評価時には、評価用サンプルあるいは検査対象試料の画像信号９を入力し、像質評価部３３により評価を行い、像質評価結果３４は全体制御部１２に渡される。全体制御部１２にて、各々のＳＥＭ部Ｓiについて同様の評価を行った結果を総合評価し、その結果から各ＳＥＭ部の処理パラメタを決定する。分解能評価を行い、入力フィルタを変更する場合には、設定するフィルタ係数３５を前処理部３６に設定する。前処理部３６では、入力時のフィルタ処理や、像歪み補正などの処理を行う。処理結果をフィルタリングする場合には、検出する欠陥の最小寸法を出力フィルタ３８に設定する。画像の明るさ評価の結果より、各ＳＥＭ部に適切な階調変換テーブル３９を定め、これを階調変換部４０に設定する。検査しきい値４１は、予め操作者が所望の検査感度が得られるように、どれか一組のＳＥＭ部を用いて設定した値をもとに、各ＳＥＭ部のしきい値をノイズ評価結果を考慮して決定し、欠陥検出部４２に設定する。
【００５９】
これまでは、像質評価結果のみを用いて検査感度を調整する方法について説明した。次に、実際に検査を行って検査パラメタを最適化する方法について説明する。
【００６０】
図３にＳＥＭ部が４組の場合の、試料上の検査領域の分割例を挙げたが、図１２に示すように、互いのＳＥＭ部により検査可能な領域が重なり合うように設定すれば、この共通の領域を用いて検査感度の違いを評価することが可能となる。図１２は、Ｒ１とＲ２の共通検査領域４３の幅がＭの場合を示しており、Ｒ３、Ｒ４は図示していないが、同様に設定する。すると、図１２に細かい斜線で示した領域が、隣り合うＳＥＭ部１間で共通な領域となり、中央の領域は全てのＳＥＭ部で検査可能な共通検査領域４３となる。
【００６１】
このような共通検査領域４３を持つ場合に、実際に検査を行い、ＳＥＭ部間の感度を調整する方法について、図１３を用いて説明する。
【００６２】
前述した方法により像質評価を行い、その結果にもとづいて全てのＳＥＭ部の検査パラメタの設定を行う。次に、共通検査領域４３の画像を、全てのＳＥＭ部にて検出してメモリに保存する。次に、得られた画像を検査して、検出された欠陥情報を比較する。例えば、複数のＳＥＭ部により得られた結果の中で、検出位置が一致する欠陥が存在しないものの数をカウントし、その個数ｄｅｆ＿ｎｕｍがあるしきい値εよりも多い場合には、検査パラメタの微調整を行う。この微調整は、例えば、予め像質評価を行った結果、検査感度が高いと判断されたＳＥＭ部に寸法の小さい欠陥が多く出力されていれば、入出力フィルタやしきい値を変更して感度を下げる。予め雑音が多いと評価されていたＳＥＭ部の結果に多くの欠陥情報が出力された場合には、虚報の可能性が高いので、しきい値を上げるといった調整を行えばよい。微調整の結果、全てのＳＥＭ部による検査感度が同程度になれば、その条件で検査を行う。
【００６３】
ここで、共通領域の画像を一度メモリに保存するのは、パラメタの微調整の際に、画像取得のやり直しを避けるためである。これは、全てのＳＥＭ部で同一箇所の画像を取得するためには、ステージを大きく動かして順に取得する必要があり、多くの時間を要することと、同じ場所の画像取得を続けて何度も行うと、電子線照射によって試料へダメージを与えるおそれがあるためである。同一箇所の画像検出を複数回行う場合には、その検出順による画質の補正や、光学系により検出順序を変えるといった作業がある方が望ましい。また、図１２の例では全てのＳＥＭ部の共通検査領域が存在しているが、さらに多くのＳＥＭ部を有し、それらが離れている場合には、隣り合うＳＥＭ部に共通領域があればそれを用いて互いの検査感度を調整すればよく、必ずしも全てのＳＥＭ部の共通領域は必要ではない。
【００６４】
図１２に示した例のように、一部のみを共通検査領域として設けるのではなく、全てのＳＥＭ部で試料ウェハ全体を検査可能とすることもできる。この場合は、ＳＥＭ部を複数にしてもステージの移動範囲を低減することはできないが、他の利点がある。例えば、複数のＳＥＭ部のうちの１つが電子銃の寿命等で使用できなくなった場合に、その交換作業中の待ち時間にも他のＳＥＭ部を用いて検査を実施しておくことができる。
【００６５】
例えば図１４に示すように、像質評価結果あるいは検査結果などから、例えば信号量が急激に低下したといった異常を検知することができる。このような異常が検知されると、ＳＥＭ部Ｓｅの異常を操作者へ知らせ、現象によって疑わしい部分を表示し、修理の依頼を促す。このとき、単一のＳＥＭ部しか持たない検査装置では、依頼によりサービスエンジニアが修理に来るまでの間、検査ができなくなってしまう。しかし、複数のＳＥＭ部を持ち、かつ、１つのＳＥＭ部で全ての領域を検査する機能を有していれば、修理の必要なＳＥＭ部Ｓｅの代わりに、他のＳＥＭ部を用いて検査を行うことができる。同様に、部品の交換などで、ＳＥＭ部の一部を取り外し交換作業する場合にも、取り外して修理している間も、他のＳＥＭ部で検査を行うことができる。
【００６６】
図２０に示すように、真空試料室４９および各ＳＥＭ部のそれぞれは、真空排気系５０を有しており、かつ、各ＳＥＭ部と真空試料室の間には、真空遮断可能な開閉部５１が設けられている。ＳＥＭ部に故障等の不具合が起きた場合には、不具合の起きたＳＥＭ部のみを試料室から遮断し、必要に応じて修理あるいは交換を行うことが可能である。図１４では、電子源交換の例を示している。耐熱部材や磁気シールドなどを用いて装置を構成し、ＳＥＭ部のベーキング中も、他のＳＥＭ部に影響を与えないようにできれば、非常に長時間を要する電子源交換後のベーキングの間にも、検査を実施することができる。例えば、図２０に示すように、ベーキング中のＳＥＭ部が他へ影響を与えないようなカバー５２を取り付ければよい。
【００６７】
このように、それぞれのＳＥＭ部が試料全体を検査可能であれば、部品交換や修理の際の装置の占有時間を少なくすることができる。また、図１４の例で示したように、像質評価を定期的に行い、その変化をモニタしておくことで、装置の異常をモニタする機能を持たせることもできるのである。ＳＥＭ部１内の部品交換や調整などを行うと、その特性が変化するため、再度必ず像質評価を行い、検査パラメタを自動で再調整するか、または操作者に再調整が必要であることを指示する。
【００６８】
次に、像質評価の別の例として、像歪みの評価を行う例を図１５を用いて説明する。前述のように、比較する画像間で異なる像歪みが生じている場合には、虚報の原因となる。そこで、像歪みを評価し、その結果を画像処理に反映させる。
【００６９】
像歪みの評価は、図１５に示すように、同じパターンの繰り返しの画像を用いて行う。検査対象パターンあるいは評価用に作成したパターンの中から、図１５に示すように適当なテンプレートを選択し、一般によく知られたテンプレートマッチングなどの手法により、そのピッチの変化を測定する。本来一定であるはずのピッチのばらつきが像歪みであり、これが大きいと虚報の原因となる。定期的に評価を行い、この歪みが定常的なものであれば、図１１の前処理部にその歪み評価結果を与え、補正を行う。また、図１４に示した例と同様に、像歪みも定期的にモニタし続け、これが許容値を超えた場合には、操作者に警告を与えるようにする。像歪みは電子線の光路途中にコンタミなどで汚れが生じると、その帯電などにより電子線が曲げられることがあるため、像歪みが大きくなって、問題が生じていないか確認する必要があるからである。
【００７０】
次に、図９あるいは図１０に示したような像質評価用サンプルの配置について説明する。
【００７１】
像質評価用のパターンを検査対象の試料と同様にウェハ上に形成すれば、ウェハの交換により像質の評価を行うことができる。また、試料を保持するステージ上に作成することもできる。例えば、図１６のように、ＳＥＭ部の間隔と同じ間隔で評価用サンプル４４を配置しておけば、Ｐ１とＰ２およびＰ３とＰ４は同時に評価が可能となる。ステージの可動範囲が十分広い場合には、評価用サンプルは１つあればよく、ステージを移動して像を取得すればよい。
【００７２】
また、像質評価用の異なるサンプルの例を図１７に示す。図９あるいは図１０のサンプルでは、検査感度までは評価することができず、実際の試料７を検査して調整を行ったが、図１７に示すように、予め寸法の明らかな欠陥を作り込んだ、感度評価用サンプル４５を作成すれば、それを用いて検査を実施することで、感度評価も行える。
【００７３】
次に、本発明による効果について図１８を用いて説明する。本発明では、検査の高速化を実現すると共に、検査に必要な移動ステージの移動範囲を小さくすることが可能となる。
【００７４】
図１８のａ）に示すように、従来通常の、単一の検出光学系しか持たない装置４６では、ウェハ全面を検査するために、２軸のステージは共にウェハの直径Ｄよりも大きな可動範囲を備えていなければならない。しかし、例えば図１８のｂ）に示すように、３組の検出光学系を配置すれば、検査時に必要なステージの移動範囲は、ウェハの直径Ｄの３分の１となる。このように、ステージ移動の軸方向にＮ組の検出光学系をＤ／Ｎの間隔で配置すれば、検査時に必要なステージの移動量をＮ分の１に低減することができる。
【００７５】
一般に、ステージ移動量の検出はレーザ干渉計などを用いて行うが、移動範囲を小さくできれば、このようなステージ移動量検出においても、その精度を確保することが比較的容易になるという利点がある。さらに大きな利点として、装置を小型化可能である点が挙げられる。図１８のａ）に示すように通常の単一の検出光学系を用いる場合には、ウェハ移動ステージはウェハ径Ｄの２倍以上の寸法を必要とする。これに対し、図１８のｂ）に示すように複数の検出光学系を用いることにより、ステージの移動量を小さくすることができれば、ステージの寸法も小さくすることが可能となり、その結果、検査装置の占有床面積を小さくすることができる。
【００７６】
最後に、本発明の像質評価結果を用いた検査パラメタの調整機能の応用例について、図１９を用いて説明する。
【００７７】
例えば、同じ製造ライン上で使われている複数のＳＥＭ式検査装置４８に対しても、複数のＳＥＭ部を調整する場合と同様にパラメタを調整すれば、検査装置間の機差を低減することができる。図１９に示す例のように、装置間がネットワークでつながれていれば、データのやりとりは容易にできる。
【００７８】
【発明の効果】
本発明によれば、複数の検出光学系の検査感度が同程度になるように、検査パラメタを調整することができる。これを複数の検出光学系を持つ検査装置に適用することにより、非検査物の表面を複数の検査領域に分割し、これらを同時に検査することで、従来困難であった電子線式検査装置の高速化を図ることが可能となる。これは、今後大口径化の進む半導体ウェハの検査に対して非常に有効である。また、検査領域を分割することにより、各々の検査領域が小さくなり、試料移動用のステージの移動範囲を小さくすることができ、装置の占有床面積を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態に係る検査装置の概略構成図である。
【図２】図１の検査装置における要部を斜視して示す図である。
【図３】本発明の実施形態における各ＳＥＭ部の検査領域の１例を示す図である。
【図４】４組のＳＥＭ部の特性が異なる場合に生じる問題を説明するための図である。
【図５】欠陥検出方法の１例を説明するための図である。
【図６】検出光学系の明るさ評価および階調変換の方法を説明するための図である。
【図７】検出光学系毎のノイズ特性の違いに対応する方法の１例を説明するための図である。
【図８】図６とは異なる、検出光学系の明るさ評価および階調変換の方法を説明するための図である。
【図９】明るさおよびノイズ評価用のサンプルの１例を示す図である。
【図１０】分解能評価用のサンプルの１例を示す図である
【図１１】像質評価結果を用いた画像処理パラメタ設定手順の１例を説明するための図である。
【図１２】複数の検出光学系の検査領域の設定方法の１例を示す図である。
【図１３】複数の検出光学系における検査感度を調整する手順の１例を示す図である。
【図１４】検出光学系の異常時の対処方法の１例を示す図である。
【図１５】像歪みの評価方法の１例を説明するための図である。
【図１６】像質評価用サンプルの配置方法の１例を示す図である。
【図１７】感度評価用サンプルの１例を示す図である。
【図１８】本発明により検査装置の占有床面積を低減できることを説明するための図である。
【図１９】複数の検査装置の感度調整を行う方法を説明するための図である。
【図２０】検出光学系の異常時に施す修理あるいは交換方法の１例を説明するための図である。
【符号の説明】
１ ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）部
２ 電子線発生装置
３ 走査装置
４ 収束装置
５ 検出装置
６ 電子線
７ 試料
８ ステージ
９ 画像信号
１０ Ａ／Ｄ変換器
１１ 画像処理部
１２ 全体制御部
１３ ステージ制御装置
１４ 走査制御装置
１５ 焦点制御装置
１６ 入力装置
１７ 表示手段
１８ 記憶装置
１９ 測長器
２０ 連続移動ステージ
２１ 送りステージ
２２ 欠陥（検査結果）
２３ 検査部画像
２４ 比較画像
２５ 欠陥画像
２６ 欠陥画像出力
２７ しきい値
２８ 欠陥部出力
２９ ノイズ
３０ マージン
３１ 像質評価用サンプル
３２ 分解能評価用サンプル
３３ 像質評価部
３４ 像質評価結果
３５ フィルタ係数
３６ 前処理部
３７ 最小欠陥寸法設定値
３８ 出力フィルタ
３９ 階調変換テーブル
４０ 階調変換部
４１ 検査しきい値
４２ 欠陥検出部
４３ 共通検査領域
４４ 像質評価用サンプル
４５ 感度評価用サンプル
４６ 単一のＳＥＭ部を持つ検査装置
４７ ３組のＳＥＭ部を持つ検査装置
４８ ＳＥＭ式検査装置
４９ 真空試料室
５０ 真空排気系
５１ 開閉部
５２ カバー

Claims (13)

1. 対象物上が複数の領域に区分され、該領域毎に設けられて該対象物の割り当てられた該領域の表面の物理的性質を現した画像を検出する複数の検出光学系と、
   該各々の検出光学系により検出された画像信号を処理可能な画像処理部と、
   対象物を保持し移動可能なステージと、
   上記検出光学系により得られる画像の質としての検出信号量，分解能，検出信号の雑音，画像歪みのうち少なくとも１つ以上を定量的に評価する像質評価手段と、
   該像質評価手段による像質評価結果にもとづいて、複数の上記検出光学系間の特性の違いにより生ずる検査感度のばらつきを低減させるように画像を平滑化するためのフィルタのパラメータを調整する画像処理パラメータ調整手段と
   を有することを特徴とするパターン検査装置。
2. 請求項１記載において、
   隣り合って配置される２つの前記検出光学系が、少なくとも１箇所以上の共通な検査領域を有することを特徴とするパターン検査装置。
3. 請求項２記載において、
   前記隣り合って配置される２つの前記検出光学系による前記共通な検査領域の検出画像の像質あるいは検査結果あるいはその両方にもとづいて、２つの前記検出光学系の検査感度が同程度となる前記フィルタのパラメータを決定することを特徴とするパターン検査装置。
4. 請求項１記載において、
   複数の前記検出光学系全てが、被検査領域全体、あるいは、被検査領域全体と像質評価用試料の画像検出が可能なことを特徴とするパターン検査装置。
5. 請求項１記載において、
   複数の前記検出光学系のうち、１つ以上の任意の検出光学系を選択して使用することにより、被検査領域全体の検査が可能なことを特徴とするパターン検査装置。
6. 請求項１記載において、
   前記した像質評価結果により装置の不具合を検知する手段と、該不具合を操作者に提示する手段とを有することを特徴とするパターン検査装置。
7. 請求項１記載において、
   複数の前記検出光学系が、電子光学系であることを特徴とするパターン検査装置。
8. 対象物上が複数の領域に区分され、該領域毎に設けられた複数の検出光学系にて該対象物の表面の物理的性質を現した画像を検出し、
   該複数の検出光学系により得られる画像の質としての検出信号量，分解能，検出信号の雑音，画像歪みのうち少なくとも１つ以上を定量的に評価して、この画像の質を定量的に評価した結果にもとづいて複数の上記検出光学系間の特性の違いにより生ずる検査感度のばらつきを低減させるように画像を平滑化するためのフィルタのパラメータを調整し、
   このパラメータが調整されたフィルタを用いて複数の上記検出光学系により検出された検出感度のばらつきが低減された画像信号を同時に処理する
   ことを特徴とするパターン検査方法。
9. 請求項８記載において、
   隣り合って配置される２つの前記検出光学系が、少なくとも１箇所以上の共通な検査領域を有することを特徴とするパターン検査方法。
10. 請求項８記載において、
    複数の前記検出光学系全てが、被検査領域全体、あるいは、被検査領域全体と像質評価用試料の画像検出が可能なことを特徴とするパターン検査方法。
11. 請求項８記載において、
    複数の前記検出光学系のうち、１つ以上の任意の検出光学系を選択して使用することにより、被検査領域全体の検査が可能なことを特徴とするパターン検査方法。
12. 請求項８記載において、
    前記した像質評価結果により装置の不具合を検知し、該検知した不具合を操作者に提示 するようにしたことを特徴とするパターン検査方法。
13. 請求項８記載において、
    複数の前記検出光学系が、電子光学系であることを特徴とするパターン検査方法。

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