JP4606969B2 - 写像投影型電子線式検査装置及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、検査対象物に面状電子ビームを照射して検査対象物上の欠陥または欠陥候補を検査する写像投影型電子線式検査装置及びその方法に関する。

半導体ウエハの電子線式検査装置において、スループット向上の切り札として、点状の電子ビームを照射する走査型に代わり、面状の電子ビームを照射する写像投影型の電子線式検査装置が、特開２００３−２０２２１７号公報（特許文献１）、「長谷川ら、“ミラー電子を用いたＢＥ式ウエハ検査技術の開発”,ＬＳＩテスティングシンポジウム, 2004」（非特許文献１）、「村上ら，“写像投影型電子線欠陥検査装置の開発”，ＬＳＩテスティングシンポジウム, pp.85-87, 2004」（非特許文献２）、「Nagahama et al, 的nspection performances of the electron beam inspection system based on projection electron microscopy pp.921-928, SPIE Vol.5375, 2004」（非特許文献３）、「Satake et al, 摘lectron beam inspection system for semiconductor wafer based on projection electron microscopy pp.1125-1134, SPIE Vo.5375, 2004」（非特許文献４）、及び特開２００４−３６３０８５号公報（特許文献２）において知られている。

特許文献１には、被検査対象物の表面に電子ビームを減速させる電界を形成し、該減速電界により被検査対象物の表面に到達し得ないエネルギーの成分を含む、一定の面積を持った面状の電子ビームを被検査対象物の表面の極近傍で反射させて結像レンズにより結像し、被検査対象物の表面の複数の領域の画像を取得して画像記憶部に記憶し、該記憶させた複数の領域の画像同士を比較して領域内の欠陥の有無および欠陥の位置を検出する欠陥検査装置が記載されている。

また、特許文献２には、電子を発生させて所望の倍率で結像してクロスオーバーを作り、所望の断面形状で前記基板に照射する電子照射手段と、前記基板に照射される電子と前記基板を保持するステージとのうちの少なくとも一方を移動させて基板上の被荷電粒子照射領域を相対移動させる手段と、前記基板の表面の情報を得た電子を検出する検出器と、該検出器で検出された基板表面の情報に基づいて被検査ダイの検出画像を取得する手段と、該被検査ダイの検出画像の比較基準となる参照用ダイの画像を取得する手段と、前記被検査ダイの画像と前記参照用ダイの画像とを比較する比較手段とを備えた検査装置が記載されている。

特開２００３−２０２２１７号公報 特開２００４−３６３０８５号公報 「長谷川ら、"ミラー電子を用いたＢＥ式ウエハ検査技術の開発",ＬＳＩテスティングシンポジウム, 2004」 「村上ら，"写像投影型電子線欠陥検査装置の開発"，ＬＳＩテスティングシンポジウム, pp.85-87, 2004」 「Nagahama et al, "Inspection performances of the electron beam inspection system based on projection electron microscopy", pp.921-928, SPIE Vol.5375, 2004」 「Satake et al, "Electron beam inspection system for semiconductor wafer based on projection electron microscopy", pp.1125-1134, SPIE Vo.5375, 2004」

しかしながら、上記特許文献１、２並びに非特許文献１〜４の何れにも、写像投影型電子線式検査技術において、被検査対象物の表面の帯電状態の経時変化に起因する焦点オフセットの変化をリアルタイムに補正する自動焦点合わせ技術について考慮されていなかった。

本発明の目的は、上記課題を解決すべく、校正用測定以降、特に検査実行中に帯電状態の変化に起因する焦点オフセットの変化を補正することができるようにした写像投影型電子線式検査装置及びその方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、電子源からの電子ビームを面状電子ビームとして対物レンズにより収束させて検査対象物の表面に照射する電子照射光学系と、該電子照射光学系により照射された面状電子ビームを前記検査対象物の表面付近から引き戻すような電界を発生させる電界発生手段と、該電界発生手段により発生した電界により前記検査対象物の表面付近から引き戻された電子を電子線像として結像させる電子結像光学系と、
該電子結像光学系によって結像された前記検査対象物の検査領域の合焦検査画像を検査
画像信号に変換して検出する検査画像検出センサ部と、該検査画像検出センサ部によって検出された検査画像信号を画像処理して検査対象物に形成された欠陥を検出する画像処理部とを備えた写像投影型電子線式検査装置及びその方法であって、前記検査領域の合焦検査画像を前記検査画像検出センサ部で検出するように前記対物レンズの焦点位置を制御する焦点位置制御部を更に備え、該焦点位置制御部は、焦点オフセットが互いに異なる複数の焦点位置において前記電子結像光学系によって結像された電子線像を画像信号に変換する合焦測度センサ部を有し、該合焦測度センサ部で変換された複数の画像信号から合焦測度を算出する合焦測度算出手段と、該合焦測度算出手段で算出された合焦測度を基に、前記電子結像光学系に関し前記対物レンズによる前記面状電子ビームの収束面と共役な共焦点面の高さを算出し、該算出された共焦点面の高さに基づいて前記検査領域の合焦検査画像を前記検査画像検出センサ部で検出するための前記対物レンズの焦点位置を算出する焦点位置算出手段と、 該焦点位置算出手段によって算出された対物レンズの焦点位置に応じて対物レンズの焦点位置を補正する焦点位置補正手段と、各種の複数のダイが配列された検査対象物について、複数のダイから収集されるグローバルオフセットマップＧｇｌｏｂａｌ（ｘ，ｙ）とダイ内ローカルオフセットマップＧｌｏｃａｌ（ｘ，ｙ）とからなるフォーカスマップを格納した記憶手段を有し、前記焦点位置算出手段は、前記検査対象物を移動して検査領域の先頭位置において、前記記憶手段に格納されたフォーカスマップの内、前記検査対象物に対応したフォーカスマップの値を合焦測度探索の初期値として設定し、該設定された合焦測度探索の初期値及び前記合焦測度算出手段で算出される合焦測度を基に前記検査領域での合焦測度の予測を行い、該合焦測度の予測に基づいて前記検査領域の合焦検査画像を前記画像検出部で検出するための対物レンズの焦点位置を算出するように構成したことを特徴とする。

また、本発明は、電子源からの電子ビームを面状電子ビームとして対物レンズにより収束させて検査対象物の表面に照射する電子照射光学系と、該電子照射光学系により照射された面状電子ビームを前記検査対象物の表面付近から引き戻すような電界を発生させる電界発生手段と、該電界発生手段により発生した電界により前記検査対象物の表面付近から引き戻された電子を電子線像として結像させる電子結像光学系と、該電子結像光学系によって結像された前記検査対象物の検査領域の合焦検査画像を検査画像信号に変換して検出する検査画像検出センサ部と、該検査画像検出センサ部によって検出された検査画像信号を画像処理して検査対象物に形成された欠陥を検出する画像処理部とを備えた写像投影型電子線式検査装置及びその方法であって、前記検査領域の合焦検査画像を前記検査画像検出センサ部で検出するように前記対物レンズの焦点位置を制御する焦点位置制御部を更に備え、該焦点位置制御部は、焦点オフセットが互いに異なる複数の焦点位置において前記電子結像光学系によって結像された電子線像を画像信号に変換する合焦測度センサ部を有し、該合焦測度センサ部で変換された複数の画像信号から合焦測度を算出する合焦測度算出手段と、該合焦測度算出手段で算出された合焦測度を基に、前記電子結像光学系に関し前記対物レンズによる前記面状電子ビームの収束面と共役な共焦点面の高さを算出し、該算出された共焦点面の高さに基づいて前記検査領域の合焦検査画像を前記検査画像検出センサ部で検出するための前記対物レンズの焦点位置を算出する焦点位置算出手段と、該焦点位置算出手段によって算出された対物レンズの焦点位置に応じて対物レンズの焦点位置を補正する焦点位置補正手段とを備え、前記検査画像検出センサ部及び前記合焦測度センサ部が、前記検査対象物の最表面付近の等電位面から反射するミラー電子像を検出する場合、前記検査画像検出センサ部の合焦点面と前記合焦測度センサ部の合焦点面との間でシフトさせ、前記検査画像検出センサ部を負帯電欠陥又は正帯電欠陥の合焦点面に合わせることを特徴とする。

本発明によれば、写像投影型電子線式検査装置及びその方法において、検査実行中に生じている帯電による焦点オフセットをリアルタイムで補正することにより、次のような効果を奏する。
（１）帯電しやすいサンプルの検査が可能になる。
（２）検査実行中の再フォーカス合わせによる検査時間の増大がない。
（３）帯電しやすいサンプルでの検査条件の設定が容易になる。

本発明に係る写像投影型電子線式検査装置及びその方法の実施の形態について図面を用いて説明する。

［第１の実施の形態］
まず、本発明に係る写像投影型電子線式検査装置の第１の実施の形態について図１を用いて説明する。図１は、本発明に係る第１の実施の形態の構成を示す。第１の実施の形態は、大別して電子照射光学系１１と、試料室１２と、電子結像光学系１３と、画像処理部１４と、各種制御部（照射系偏向器１０５と結像系偏向器１１０とを制御する走査制御部１５１、対物レンズ１０６と焦点補正コイル１（１１９）と焦点補正コイル２（１２０）とを制御する焦点位置制御部１５２、ステージ１０８を制御するステージ制御部１５３、及び電源（電界発生手段）１０９を制御する電位制御部１５４を有する。）１５と、各種制御部１５及び画像処理部１４等の全体を制御する全体制御部１６とから構成される。

電子照射光学系１１は、電子源１０１と、コンデンサレンズ１０２、１２１と、絞り１０３と、ビームセパレータ１０４と、照射系偏向器１０５と、焦点補正コイル１（１１９）と、対物レンズ１０６とを備えて構成される。

電子結像光学系１３は、結像系偏向器１１０と、焦点補正コイル２（１２０）と、結像レンズ１１１と、コントラストアパーチャ１１２と、拡大レンズ１１３と、電子線像を検出するセンサ部（蛍光板２０１、光ファイバー束２０２及びＴＤＩ等の１次元又は２次元のＣＣＤ等のラインセンサ部２０３から構成される。）２００ａとを備えて構成される。

試料室１２内には、試料１０７を載置し、ステージ制御部１５３によって制御される移動ステージ１０８と、電子ビームを試料（検査対象物）１０７の表面付近から引き戻すような電界を発生させる電界発生手段であり、電位制御部１５４によって負の電位が制御される電源１０９と、試料１０７の表面高さを光学的に検出する光学式高さ検出センサ１１７が設けられて構成される。

画像処理部１４は、フォーカスマップ作成時および検査実行時において、光学式高さ検出センサ１１７で検出された試料表面の高さを基準にして複数の焦点オフセットにおけるセンサ部２００ａで検出される電子像信号に基づいて合焦測度を測定する合焦測度算出部（合焦測度測定部）１４１と、合焦測度算出部１４１で測定された合焦測度に基づいて結像光学系（電子結像光学系）１３に関し対物レンズ等による照射面状電子ビームの収束面と共役な共焦点面（合焦点面）の高さを算出し、該算出された共焦点面の高さを基に、検査対象物の検査領域の合焦検査画像を前記センサ部２００ａで検出するように対物レンズの焦点位置を算出する焦点位置算出部１４２と、センサ部２００ａによって検査対象物から検出される検査画像信号を記憶する画像メモリ１４３と、参照画像信号を記憶する画像メモリ１４４と、検査画像信号と欠陥が存在しない参照画像信号（しきい値画像信号でもよい。）と比較して欠陥又は欠陥候補を検出する欠陥判定部１４５とを備えて構成される。

全体制御部１６は、更にキーボードやマウス等の入力手段１６１、ＧＵＩ等を表示するデイスプレイ１６２、及びフォーカスマップや検査対象のレイアウト等のデータを記憶する記憶装置１６３を接続して構成される。

まず、電子照射光学系１１について具体的に説明する。加速電源（図示せず）により負の高電位が与えられている電子源１０１から放出された加速電子ビームは、コンデンサレンズ１０２、１２１によって収束されると共に、矩形開口を有する絞り１０３によって絞られる。電子源１には、Ｚｒ／Ｏ／Ｗ型のショットキー電子源を用いた。該電子源を用いると、大電流ビーム（例えば、１．５μＡ）で、かつエネルギー幅が１．５ｅＶの均一な面状電子ビームを安定にできる。そして、ビームセパレータ１０４は、電子源１０１からの入射電子ビームと試料（検査対象物）１０７からのミラー電子ビームの光路を分離するためのものである。コンデンサレンズ１０２、１２１は、クロスオーバを対物レンズ１０６の前焦点面に形成する。また、対物レンズ１０６によって試料１０７の表面上に絞り１０３の像を形成するように絞りやレンズの配置を最適化してある。

これにより、試料１０７の表面に垂直な方向を向き、各電子同士の軌道がほぼ平行に揃ったビームで、かつ絞り１０３の開口形状に整形された面状の電子ビームが試料１０７の表面に向って形成されることになる。絞り１０３上での矩形絞り開口の大きさは、例えば１００μｍ角であり、対物レンズ１０６によってこれを例えば１／２程度に縮小し、試料１０７の表面上では例えば５０μｍ角程度の面状電子ビームが得られるように構成した。この面状電子ビームは、走査制御部１５１によって制御される照射系偏向器１０５によって試料１０７の表面上の任意の位置に移動（または走査）され得る。

対物レンズ１０６の前焦点面とクロスオーバ位置を完全に一致できなくてもある許容範囲内であれば問題はない。また、クロスオーバの大きさも理想的にはゼロであるが、実際には電子銃やコンデンサレンズの収差により有限の大きさを持っている。この大きさもある許容範囲であれば問題はない。このクロスオーバの位置を正確に制御し、しかも電子銃１０１やコンデンサレンズ１０２、１２１の収差を十分に低減させた電子照射光学系１１では、試料入射角の拡がりはミラー電子による試料表面の拡大像の分解能を決める要因の一つであり次の（１）で表される。

ｒ0＝β^２・Ｚm （１）
ここで、ｒ0は入射角の拡がりで決まる分解能、βは最大入射半角、Ｚmは電子を引き戻す電界が生じている距離である。

本実施の形態では、βは０．２５mrad、Ｚmは５ｍｍである。これを（１）式に代入すると、ｒ0は０．３ｎｍとなり、本実施の形態では分解能に影響を与えないことがわかる。従って、ビーム電流は必要に応じてもっと増やすことが可能である。なお、分解能が３０ｎｍ程度でも半導体ウエハの欠陥検出には十分と考えられるので、Ｚmが５ｍｍとすれば、βは２．４mradまで許容できることになる。この場合は、対物レンズ１０６の前焦点面クロスオーバとの位置ずれやクロスオーバの大きさにはかなり余裕が生じる。

前焦点面でのビーム開き半角をαとし、対物レンズ１０６の焦点距離をｆ、クロスオーバの位置ずれをΔｆ、面状電子ビームの半径をＸとすれば、次の（２）式及び（３）式が成り立つ。

Δｆ＝ｆ・β／α （２）
α＝Ｘ／（２ｆ） （３）
（２）式及び（３）式から、例えば対物レンズ１０６の焦点距離ｆが１０ｍｍで面状ビームの大きさＸを４０μｍとしたときは、クロスオーバの位置ずれΔｆが１０ｍｍ程度ずれても問題ない。これを前焦点面でのビーム直径に換算すると約４０μｍとなる。いずれにしろ、電子ビームのクロスオーバを対物レンズ１０６の前焦点面の近傍に配置させることで十分な分解能が得られることが分かる。

次に、ビームセパレータ１０４について説明する。ビームセパラレータ１０４は、電子源１０１から放出された電子ビームを試料１００７の方向に電子ビームを偏向し、一方、試料１０７から引き戻された２次電子又はミラー電子は電子源１０１の方向ではなく結像レンズ１１１の方向に偏向する。このような作用の偏向器には磁場による偏向器が最適である。磁場による偏向作用は電子の入射方向によって偏向作用の方向が異なるからである。また、結像レンズ１１１の光軸と対物レンズ１０６の光軸を一直線上に配置した光学系の場合は電場と磁場を直交させて、下からの２次電子又はミラー電子を直進させ、上からの１次電子ビームのみに偏向作用を持たせるＥｘＢ偏向器を用いる。

試料１０７及び試料移動ステージ１０８には、電子ビームを試料（検査対象物）１０７の表面付近から引き戻すような電界を発生させる電界発生手段である電源１０９により、電子源１０１よりも僅かに高い（絶対値の大きい）負電位を印加する。なお、電源１０９は、電位制御部１５４によって負電位が制御されるように構成される。具体的には、電源１０９により試料１０７を０．５〜５Ｖだけ負電位にするのが良い。あまり高い負電位にすると画像の分解能が劣化する。また、あまりに小さい負電位では表面の凹凸や電位等の僅かな変化を極端に強いコントラストとして画像化してしまい、真に必要な欠陥のみを検出することが困難となる。即ち、試料１０７及び移動ステージ１０８に印加する電源１０９は、電子結像光学系１３で試料表面から２次電子を検出する場合には試料表面からたたき出された２次電子を効率よく収集できるように電界をかけて上方に２次電子を吸い上げるためである。また、電子結像光学系１３で試料表面から反射するミラー電子を検出する場合には、試料表面ぎりぎりで照射ビームの電子が戻ってくる程度の電界をかけるためである。

以上説明したように、ビームセパレータ１０４により偏向された電子ビームは、対物レンズ１０６により試料（検査対象物）１０７の表面に垂直な方向に揃った面状の電子ビームが形成される。そして、試料１０７には、電子ビームの加速電圧とほぼ等しいか、僅かに高い負の電位が電源（電界発生手段）１０９によって印加され、試料１０７の表面に形成された回路パターン形状や帯電の状態を反映した電界が形成されている。

従って、試料（検査対象物）１０７の表面に垂直に向けられた面状電子ビーム３１０の大部分は、上記負電位によって試料１０７の手前で減速されて試料１０７の表面の電界によって上方に引き戻され、試料１０７の回路パターン情報を反映した方向や強度を持って上昇していくことになる。このように引き戻された２次電子又はミラー電子は、対物レンズ１０６により焦点を結び、ビームセパレータ１０４により結像系偏向器１１０及び結像レンズ１１１の方向に偏向される。そして結像レンズ１１１により試料１０７の表面の状態を２次電子線像またはミラー電子線像として結像面１１２に結像させる。

このように結像させた電子線像を拡大レンズ１１３によって蛍光板２０１上に拡大投影させることによって、試料（検査対象物）１０７の表面の回路パターンや帯電状態を反映した蛍光像（顕微鏡像）を得ることができる。

そして、上記電子線像のコントラストと分解能を向上させるために、クロスオーバ面にコントラストアパーチャ１１２を挿入して構成される。このコントラストアパーチャ１１２は、試料１０７の表面電場で引き戻されたときに結像されない電子を取り除くため、蛍光板２０１は高解像度で、高コントラストの欠陥の顕微鏡像が得られることになる。

一方、半導体の微細化の進展に伴って、微細パターンにおいて１Ｖ程度の帯電電位の違いを欠陥として検出することが必要となってくる。そのため、本発明において用いる電子ビームのエネルギー幅は２ｅＶ以下であることが望ましい。なお、上述したように、電子源１０１としてＺｒ／Ｏ／Ｗ型のショットキー電子源を用いた場合には、エネルギー幅が１．５ｅＶであるので問題はない。もっとエネルギー幅の大きい電子源を用いた場合には、電子ビームの光路上にエネルギーフィルタを設け、電子源から電子が放出されてから最終的に画像が形成されるまでの間に電子のエネルギー幅を２ｅＶ以下にする必要がある。エネルギーフィルタは電子源１０１から試料１０７の間に設けることが望ましいが、試料１０７からの２次電子又はミラー電子に対してエネルギーフィルタリングを実施しても同様な効果が得られる。

ミラー電子を検出する場合は、電子ビームが試料１０７に衝突することはない。従って、原則的には試料１０７の表面に絶縁膜が存在していても表面に帯電することはない。このように帯電させない状態で検査を実施すれば、検出できる欠陥は立体形状欠陥（形状が正常部と異なっているもの）となる。また、ショートや短絡などの電気的欠陥をミラー像として顕在化させるために、検査用の画像を検出する前に、帯電制御装置１１８で検査対象箇所に電子線シャワーを照射し、電気的欠陥部を正常部に対して相対的に正または負に帯電させ、電気的欠陥部近傍での試料表面上の等電位面の形状は正常部と異ならしめる。この結果、ミラー電子像中で、電気的欠陥部が顕在化される。

次に、合焦点位置の算出原理について図２を用いて説明する。図２は、面状電子ビーム３１０を試料（検査対象物）１０７に照射した際、試料１０７から得られる２次電子線像又はミラー電子線像が焦点オフセットに応じて合焦点補正が可能な対物レンズ１０６並びに焦点補正コイル１１９及び１２０を介して結像光学系１１１、１１２、１１３によってセンサ部２００ａの受光面に受光されて合焦測度に応じた電子線像信号が検出される状態を示した図である。図２に示すように、試料上の測定点又は合焦位置において、まず光学式高さ検出センサ１１７で測定して基準高さを求める。そして、全体制御部１６は、焦点位置制御部１５２に対して、該基準高さを基準にして対物レンズ１０６の焦点位置を互いに異なる複数の高さ（焦点オフセット）に逐次設定する。なお、移動ステージ１０８にＺステージを有する場合には、試料表面を上記基準高さに合わせることも可能である。次に、焦点位置制御部１５２は、逐次設定された互いに異なる複数の高さに焦点位置を変えて電子照射光学系１１により面状電子ビーム３１０を上記測定点又は合焦位置に照射し、その時の測定点又は合焦位置から得られる２次電子線像又はミラー電子線像をセンサ部２００ａで検出する。合焦測度算出部（合焦測度測定部）１４１は、該検出された電子線像信号に基づいて合焦測度を測定し、焦点位置算出部１４２は、上記測定された合焦測度に基づいてピーク位置で示される結像光学系１３に関し照射面状電子ビームの収束面と共役な共焦点面の高さ（合焦位置）を算出し、該算出された共焦点面の高さ（合焦位置）に基づいて、試料表面の検査領域の合焦検査画像を上記センサ部２００ａで検出するように焦点補正コイル１１９及び１２０を含めて対物レンズ１０６のフォーカス位置を算出することが可能となる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明に係る写像投影型電子線式検査装置の第２の実施の形態について図３乃至図６を用いて説明する。図３はセンサ部２００ｂを示す拡大図である。図４は各センサ部と検出領域との対応関係を示す図である。図５は、面状電子ビームの移動方向による各センサの動作の違いを示す図で、図５（ａ）は面状電子ビーム３１０の照射領域２３０を＋方向、即ち試料１０７を−方向に移動した場合を示し、図５（ｂ）は面状電子ビーム３１０の照射領域２３０を−方向、即ち試料１０７を＋方向に移動した場合を示す。上記第２の実施の形態において、第１の実施の形態と相違する点は、図３及び図４（ａ）に示すように、センサ２００ｂを、検査画像信号を検出するセンサ部２１０と、該センサ部２１０の両側に合焦測度検出用センサ部２２０ａ、２２０ｂとに分けて構成したことにある。さらに、センサ部２１０は、電子線像を蛍光に変換する蛍光板２１２、蛍光を導く光ファイバー束２１３及び蛍光を画像信号に変換するＴＤＩセンサ部２１１によって構成される。合焦測度検出用センサ部２２０ａ；２２０ｂの各々は、段差付き蛍光板２２３ａ、２２４ａ；２２３ｂ、２２４ｂ、光ファイバ束２２５ａ、２２６ａ；２２５ｂ、２２６ｂ、及びラインセンサ１（２２１ａ）、ラインセンサ２（２２２ａ）；ラインセンサ１’（２２１ｂ）、ラインセンサ２’（２２２ｂ）によって構成される。ラインセンサ１、２、１’、２’は、ＣＣＤ等の１次元又は２次元のラインセンサで構成される。そして、段差付き蛍光板２２３ａ、２２４ａ；２２３ｂ、２２４ｂの中間面（ラインセンサ１及び２並びに１’及び２’の合焦点面）が、センサ部（ＴＤＩセンサ）２１０としての蛍光板２１２の受光面である合焦点面（合焦位置：面状電子ビームの収束面と共役な共焦点面）として設定される。即ち、ラインセンサ１の受像面とラインセンサ２の受像面との中間面及びラインセンサ１’の受像面とラインセンサ２’の受像面との中間面が、検査画像信号を検出するセンサ部２１０の合焦点面に設定される。このように、ラインセンサ１及び２並びに１’及び２’は、焦点オフセットが互いに異なる複数の焦点位置を有することになる。なお、センサ部２１０とセンサ部２２０ａ、２２０ｂとの間には仕切りが設けられている。

その結果、図４（ｂ）及び図５（ａ）に示すように、面状電子ビーム照射領域２３０が＋方向に移動した際、ＴＤＩセンサ検出領域２５０の手前のラインセンサ２検出領域２４２ａ及びラインセンサ１検出領域２４１ａで合焦測度制御用の電子線像信号が検出され、検査領域２５０の先頭位置で試料表面からのフォーカス位置を測定することができることになる。

フォーカス位置の測定においては、ラインセンサ１（２２１ａ）の電子線像信号ｆ１とラインセンサ２（２２２ａ）の電子線像信号ｆ２の比が、センサ部２１０の受光面の合焦位置からのずれｚの関数になる。すなわち、二つの電子線像信号の比はＲ(ｚ)＝ｆ１／ｆ２として表現されることに着目する。検査に先立って、校正用の領域を用いて二つの電子線像信号の比Ｒ(ｚ)を求め、更に、Ｒ(ｚ)の逆関数Ｒ^−１を算出し、ルックアップテーブルに記憶しておく。検査実行時には、ラインセンサ１、２から得られた電子線像信号ｆ１、ｆ２から、センサ部２１０の受光面の合焦位置からのずれｚをｚ＝Ｒ^−１(ｆ１／ｆ２)として求める。

また、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、面状電子ビーム照射領域２３０が−方向に移動した際、ＴＤＩセンサ検出領域２５０の手前のラインセンサ１’の検出領域２４１ｂ及びラインセンサ２’の検出領域２４２ｂで合焦点制御用の電子線像信号が検出され、検査領域２５０の先頭位置（手前位置）で試料表面からのフォーカス位置を測定することができることになる。

フォーカス位置の測定においては、ラインセンサ１’（２２１ｂ）の電子線像信号ｆ１’とラインセンサ２’（２２２ｂ）の電子線像信号ｆ２’の比が、センサ部２１０の受光面の合焦位置からのずれｚの関数になる。すなわち、二つの電子線像信号の比はＲ(ｚ)＝ｆ１’／ｆ２’として表現されることに着目する。検査に先立って、校正用の領域を用いて二つの電子線像信号の比Ｒ(ｚ)を求め、更に、Ｒ(ｚ)の逆関数Ｒ^−１を算出し、ルックアップテーブルに記憶しておく。検査実行時には、ラインセンサ１’、２’から得られた電子線像信号ｆ１’、ｆ２’から、センサ部２１０の受光面の合焦位置からのずれｚをｚ＝Ｒ^−１(ｆ１’／ｆ２’)として求める。

以上説明したように、各センサの使用の仕方を纏めると次に示す表１のようになる。

このように、検査領域２５０の先頭位置（手前位置）でフォーカス位置を測定することができるので、該測定されたファーカス位置を検査領域２５０でのフォーカス調整にフィードバックすることが可能となる。

次に、第２の実施の形態における全体のシーケンスについて図６を用いて説明する。勿論、この全体のシーケンスについて第１の実施の形態に適用することは可能である。

まず、予めオフラインで実行するフォーカスマップ作成手順について図６（ａ）を用いて説明する。まず、フォーカスマップ作成用の各種試料１０７ａを移動ステージ１０８上に順次搭載する（Ｓ３１）。そして、アライメント光学系を用いて上記順次搭載された各種試料１０７ａをアライメントする（Ｓ３２）。次に、全体制御部１６は、記憶装置１６３に記憶された各種試料のダイ及びダイ内の回路パターンのレイアウトデータをデイスプレイ１６２に表示し、画面上において例えば検査領域毎にフォーカス位置を測定する測定点を指定することによって各種試料のフォーカスマップ用レシピを作成して記憶装置１６３に登録する（Ｓ３３）。次に、全体制御部１０６は、該作成された各種試料のフォーカスマップ用レシピに従ってステージ制御部１５３を介して移動ステージ１０８を移動して試料１０７ａの例えば検査領域毎に指定された各測定点に位置決めする（Ｓ３４）。各測定点において、まず光学式高さ検出センサ１１７で測定して基準高さを求める。そして、全体制御部１６は、焦点位置制御部１５２に対して、図２に示すように、該基準高さを基準にして対物レンズ１０６の焦点位置を互いに異なる複数の高さ（焦点オフセット）に逐次設定する。なお、移動ステージ１０８にＺステージを有する場合には、試料表面を上記基準高さに合わせることも可能である。次に、焦点位置制御部１５２は、逐次設定された互いに異なる複数の高さに焦点位置を変えて電子照射光学系１１により面状ビーム３１０を上記各測定点に照射し、その時の測定点の試料表面から得られる２次電子線像又はミラー電子線像をセンサ部２００ａ又は２２０ａ若しくは２２０ｂで検出する。合焦測度算出部（合焦測度測定部）１４１は、該検出された電子像信号に基づいて合焦測度を測定し、焦点位置算出部１４２は、上記測定された合焦測度に基づいて結像光学系１３に関し面状電子ビームの収束面と共役な共焦点面の高さを求め、該共焦点面の高さに基づいて、試料表面の検査領域の合焦検査画像を上記センサ部２００ａ又は２００ｂの２１０で検出するように対物レンズの合焦点位置（フォーカス位置）を算出して測定する（Ｓ３５）。なお、図３及び図４（ａ）に示すセンサ部２００ｂの場合は、合焦測度検出用センサ２２０ａ又は２２０ｂの段差蛍光板の中間点がセンサ部２００における合焦検査画像の受光面となる。以上により、全体制御部１６は、上記焦点位置算出部１４２によって算出された結果である、各種試料について試料内に配列されたダイ毎に指定される各測定点における対物レンズによる合焦点位置（フォーカス位置）のフォーカスマップ（各種試料毎のグローバルオフセットマップＧ_{ｇｌｏｂａｌ}（ｘ，ｙ）とダイ内ローカルオフセットＧ_{ｌｏｃａｌ}（ｘ，ｙ）とで構成される。）が作成されて記憶装置１６３に記憶される（Ｓ３６）。

試料内の帯電状態の違いなどによるグローバルな焦点オフセットを示すグローバルオフセットマップＧ_{ｇｌｏｂａｌ}（ｘ，ｙ）は、図７に示すように、各種試料毎に試料内に配列された複数のダイ（ｉ，ｊ）からダイ内座標（ｘ，ｙ）が同じ点の合焦位置情報Ｄ_{（ｉ，ｊ）}（ｘ，ｙ）を収集し、例えばダイ間で平均化することによって得られる。また、ダイ内の帯電状態の違いによるローカルな焦点オフセットで示されるダイ内ローカルオフセットＧ_{ｌｏｃａｌ}（ｘ，ｙ）は、図８に示すように、各種試料毎に試料内に配列された複数のダイ（ｉ，ｊ）毎のダイ内の合焦位置情報Ｄ_{（ｉ，ｊ）}（ｘ，ｙ）からグローバルオフセットマップＧ_{ｇｌｏｂａｌ}（ｘ，ｙ）を減算（補正）することによって複数のダイ毎のダイ内ローカルオフセットが求まり、該求まったダイ毎のダイ内ローカルオフセットを例えば複数のダイ間で平均化することによって得られる。なお、（ｉ，ｊ）は試料（ウエハ）内のダイの配列位置を示し、（ｘ，ｙ）はダイ内の位置座標を示す。

従って、オフラインで、各種試料毎に推定される試料内の検出点（ｉ，ｊ；ｘ，ｙ）の次に示す（１）式で示されるフォーカスマップが作成されたことになる。これにより、検査領域の先頭位置での推定フォーカス位置を、合焦点探索の初期値として設定することが可能となる。

検査点での合焦位置推定値Ｆ（ｉ，ｊ；ｘ，ｙ）＝Ｓ（ｉ，ｊ；ｘ，ｙ）＋Ｇ_{ｇｌｏｂａｌ}（ｘ，ｙ）＋Ｇ_{ｌｏｃａｌ}（ｘ，ｙ） （１）
Ｓ（ｉ，ｊ；ｘ，ｙ）は、光学式高さ検出センサ１１７で測定される各種試料毎の試料表面の高さ推定値である。

以上、予め、各種試料について、フォーカスマップをオフラインで作成することについて説明したが、過去の検査実行履歴を基に作成しても良い。

次に、実際の検査実行時のフォーカス位置補正について図６（ｂ）を用いて説明する。まず、実際の検査対象の試料（ウエハ）１０７を移動ステージ１０８上に搭載する（Ｓ４１）。そして、アライメント光学系（図示せず）を用いて上記搭載された試料１０７をアライメントする（Ｓ４２）。次に、全体制御部１６は、ステージ制御部１５３を介して移動ステージ１０８を制御して試料１０７の検査領域の先頭位置に移動する（Ｓ４３）。そして、全体制御部１６は、記憶装置１６３に記憶された対応する試料のフォーカスマップを読み出して上記検査領域に対応する測定点の推定フォーカス位置Ｆ（ｉ，ｊ；ｘ，ｙ）を、光学式高さ検出センサ１１７で測定される基準高さｓ（ｉ，ｊ；ｘ，ｙ）を基準にして、合焦点探索する焦点オフセットの初期値として焦点位置制御部１５２に対して設定し、該設定された対物レンズ１０６の焦点オフセット（図２に示すように高さを変えた複数の焦点オフセットにしても良い。）で電子照射光学系１１により面状ビーム３１０を検査領域の先頭位置に照射し、該検査領域の先頭位置からの２次電子線像又はミラー電子線像をセンサ部２００ａ又は２２０ａ若しくは２２０ｂで検出して検査領域の先頭位置でのフォーカス位置（合焦位置）ｆ（ｉ，ｊ；ｘ，ｙ）を測定する（Ｓ４５）。次に、全体制御部１６は、ステージ制御部１５３を介して移動ステージ１０８を走査方向に移動して面状電子ビーム３１０による検査領域の走査を開始する（Ｓ４５）。全体制御部１６は、更に、上記フォーカス位置ｆのリアルタイム測定に基づいて焦点位置制御部１５２を介して例えば焦点補正コイル１１９、１２０を制御してフォーカス位置の補正を行う（Ｓ４６）。引き続いて、センサ部２００ａ又は２００ｂの２１０は、検査領域の検査画像信号の検出を行う（Ｓ４７）。以上、移動ステージ１０８を移動させて、試料（ウエハ）１０７上における検出幅（ＴＤＩセンサの長手方向の幅）での検査領域（ダイに対応する領域）毎に、ステップＳ４４からステップＳ４７を繰り返して実行する。そして、試料１０７上の全領域に亘って面状電子ビームが走査照射されて検査画像信号の検出が終了すると、移動ステージ１０８から試料が搬出される（Ｓ４８）。

次に、検査実行時のオートフォーカス方法について説明する。説明を簡単にするために、一つのダイ内において、既検査位置（フォーカス検出位置）を（ｘ）とし、次検査位置（検査画像検出位置）を（ｘ＋１）とした場合について説明する。該＋１は、センサ部２００ａ又は２２０ａ若しくは２２０ｂから検出される電子線像信号を基に合焦位置を算出処理するために要する処理時間遅れによって試料が走行される走行量に相当する。

次検査位置（ｘ＋１）の合焦位置予測値Ｆ（ｘ＋１）は、フォーカスマップとして上記（１）式から次の（２）式で作成されている。

Ｆ（ｘ＋１）＝Ｓ（ｘ＋１）＋Ｇ_{ｇｌｏｂａｌ}（ｘ＋１）＋Ｇ_{ｌｏｃａｌ}（ｘ＋１） （２）
ただし、Ｓ（ｘ＋１）は次検査位置（ｘ＋１）での試料表面高さの推定値、Ｇ_{ｇｌｏｂａｌ}（ｘ＋１）は次検査位置（ｘ＋１）での試料内の帯電状態の違いなどによるグローバルな焦点オフセットの推定値、Ｇ_{ｌｏｃａｌ}（ｘ＋１）は次検査位置（ｘ＋１）でのダイ内の帯電状態の違いによるローカルな焦点オフセットの推定値である。

一方、検査実行の際、既検査位置（ｘ）において、光学式高さ検出センサ１１７によって試料表面の高さｓ（ｘ）が測定されると共にセンサ部２００ａ又は２２０ａ若しくは２２０ｂによって電子線像による合焦位置ｆ（ｘ）が次の（３）式によって測定されて記憶装置１６３に記憶される。

ｆ（ｘ）＝ｓ（ｘ）＋ｇ（ｘ） （３）
そこで、全体制御部１６は、上記処理時間遅れによって試料が走行されるため、図９に示すように、既検出位置（ｘ）で検出して算出される合焦位置ｆ（ｘ）を基に、次検出位置（検査画像検出位置）（ｘ＋１）での合焦位置（試料表面の高さ）を予測することが必要となる。図９は、面状電子ビームがダイ内において、位置ｘ０−ｘ３（時刻ｔ０−ｔ３）まで走査方向に走査され、次に位置ｘ４に走行されようとする状態を示す。このように、全体制御部１６は、既検出位置（ｘ）の段階で、次検出位置（ｘ＋１）における合焦位置（試料表面の高さ）を次のように外挿補間によって予測する。即ち、全体制御部１６は、既検出位置（ｘ）において測定した上記（３）式の値から外挿補間することによって、（１）次検出位置（ｘ＋１）における試料表面高さの推定値Ｓ（ｘ＋１）、（２）次検出位置（ｘ＋１）でのグローバルな焦点オフセット推定値Ｇ_{ｇｌｏｂａｌ}（ｘ＋１）、及び（３）次検出位置（ｘ＋１）でのローカルな焦点オフセットの推定値Ｇ_{ｌｏｃａｌ}（ｘ＋１）を求め、上記（２）式に従って、次検出位置（ｘ＋１）での合焦位置を予測する。この予測によって、焦点位置制御部１５２は、次検出位置（検査画像検出位置）（ｘ＋１）において、例えば焦点補正コイル１１９、１２０を制御することによって、センサ部２００は、合焦状態で検査画像を検出できることになる。

なお、図９内のステージ位置に対する高さを示す図において、○は、光学式高さ検出センサ１１７によって検出された試料表面の高さを示す。鎖線は、外挿補間を示す。また、４０１は時刻ｔ３での面状電子ビームの照射領域２３０を示す。４０２は時刻ｔ３での画像検出領域２５０を示す。面状電子ビームの照射領域２３０は、前述したように矩形領域等で形成される。

［第３の実施の形態］
次に、本発明に係る写像投影型電子線式検査装置の第３の実施の形態について図１０及び図１１を用いて説明する。図１０は全体構成とスリット部拡大とセンサ部拡大とを示す図である。図１１は各センサ部と検出領域との対応関係を示す図である。

第３の実施の形態において、第２の実施の形態との相違点は、絞り１０３の代わりに開口部５０１１の両側に斜め縞パターン５０１２ａ、５０１２ｂを形成したスリット５０１を設けたことにある。従って、図１１（ｂ）に示すように、ラインセンサ１及び２の検出領域２６１ａ、２６２ａ並びにラインセンサ１’及び２’の検出領域２６１ｂ、２６２ｂは、試料表面上に照射される試料の走査方向に対して傾けた斜め縞パターン状電子ビーム照射領域２６５ａ、２６５ｂに合わせる必要がある。

このように構成することによって、第３の実施の形態によれば、試料表面がテクスチャや無地の場合でも、合焦点検出用の高コントラストの電子線像信号がラインセンサ１及び２の検出領域２６１ａ及び２６２ａ並びにラインセンサ１’及び２’の検出領域２６１ｂ及び２６２ｂから検出することができ、合焦点制御をすることが可能となると共に、下地に回路パターンが形成されていても、縞パターンが該回路パターンの主要方向成分に対して傾いているので、下地の回路パターンの影響を大きく受けることなく、合焦点検出用の高コントラストの電子線像信号がラインセンサ１及び２の検出領域２６１ａ及び２６２ａ並びにラインセンサ１’及び２’の検出領域２６１ｂ及び２６２ｂから検出することができ、合焦点制御を正確に実行することが可能となる。

なお、各センサの用途との関係は、上記表１と同様になる。

［第４の実施の形態］
次に、本発明に係る写像投影型電子線式検査装置の第４の実施の形態について図１２乃至図１５を用いて説明する。図１２はセンサ部２００ｃを拡大して示す図である。図１３は各センサ部と検出領域との対応関係を示す図である。図１４は面状電子ビーム移動方向による合焦制御動作の違いを示した図である。図１５はミラー電子によって負帯電欠陥及び正帯電欠陥を検出する原理についての説明図である。第５の実施の形態において、第２の実施の形態と相違する点は、図１２及び図１３（ａ）に示すように、センサ２００ｃを、検査画像信号を検出するセンサ部２１０と、該センサ部２１０の両側に合焦測度検出用センサ部２７０ａ、２７０ｂとに分けて構成したことにある。さらに、センサ部２１０は、蛍光板２１２、光ファイバー束２１３及びＴＤＩセンサ部２１１によって構成される。合焦点検出用センサ部２７０ａ；２７０ｂの各々は、段差付き蛍光板２７３ａ、２７４ａ；２７３ｂ、２７４ｂ、光ファイバ束２７５ａ、２７６ａ；２７５ｂ、２７６ｂ、及びラインセンサ１（２７１ａ）、ラインセンサ２（２７２ａ）；ラインセンサ３（２７１ｂ）、ラインセンサ４（２７２ｂ）によって構成される。そして、段差付き蛍光板２７３ａ、２７４ａの中間面２９１は、センサ部（ＴＤＩセンサ）２１０としての蛍光板２１２の受像面２９０から正方向にシフトされ、段差付き蛍光板２７３ｂ、２７４ｂの中間面２９２は、センサ部（ＴＤＩセンサ）２１０としての蛍光板２１２の受光面２９０から負方向にシフトされて形成される。このように、ラインセンサ１及び２並びに３及び４は、焦点オフセットが互いに異なる複数の焦点位置を有することになる。なお、２８１ａはラインセンサ１（２７１ａ）の検出領域、２８２ａはラインセンサ２（２７２ａ）の検出領域、２８１ｂはラインセンサ３（２７１ｂ）の検出領域、２８２ｂはラインセンサ４（２７２ｂ）の検出領域を示す。２５０はＴＤＩセンサ（２１１）の検出領域を示す。

そのため、図１３（ｂ）及び図１４（ａ）に示すように、面状電子ビーム３１０の照射領域２３０を＋方向、即ち試料を−方向に移動した際、試料表面から正方向にシフトした面をＴＤＩセンサ合焦点面として結像光学系１０６、１１９、１２０、１１１〜１１３によって結像された検査電子線像を検査画像信号としてＴＤＩセンサ２１１によって検出することができる。また、図１３（ｂ）及び図１４（ｂ）に示すように、面状電子ビーム３１０の照射領域２３０を−方向、即ち試料を＋方向に移動した際、試料表面から負方向にシフトした面をＴＤＩセンサの合焦点面として結像光学系１０６、１１９、１２０、１１１〜１１３によって結像された検査電子線像を検査画像信号としてＴＤＩセンサ２１１によって検出することができることになる。

このようにＴＤＩセンサの合焦点面を正方向及び負方向にシフトさせることによって、図１５に示す如く、ミラー電子によって負帯電欠陥（凸状欠陥）や正帯電欠陥（凹状欠陥）を検出するのに適している。図１５は、試料１０７の最表面付近の等電位面３２０に垂直入射した面状電子ビーム３１０が電界によって引き戻される様子を模式的に示したものである。試料１０７の表面に存在する欠陥３３１、３３２により等電位面３２０は欠陥の存在する場所で不均一な形状となる。そのため、垂直入射した電子ビームは垂直方向には引き戻されず、図示のように角度を持って引き戻されて対物レンズ１０６及び結像レンズ１１１から構成されるレンズに入射し、結像面１１２、即ちセンサ部２１０の蛍光板２１２上に欠陥３３１、３３２の像が集中して明るく結像されることになる。

そこで、欠陥が負帯電欠陥（凸状欠陥）３３１の場合には、フォーカス位置（合焦点位置）３４１は試料１０７の表面の下方に位置し（負方向にシフトし）、このフォーカス位置３４１から恰もミラー電子が発生するようにある角度を持って引き戻されて結像面１１２上に結像して凸状欠陥の像が検出されることになる。他方、欠陥が正帯電欠陥（凹状欠陥）３３２の場合には、フォーカス位置（合焦点位置）３４２は試料１０７の表面の上方に位置し（負方向にシフトし）、このフォーカス位置（合焦点位置）３４２から恰もミラー電子が発生するようにある角度を持って引き戻されて結像面１１２上に結像して凹状欠陥の像が検出されることになる。このように、負帯電欠陥３３１にＴＤＩセンサの合焦点位置２９０を合わせた場合、正帯電欠陥３３２から引き戻されるミラー電子は結像面１１２に結像されることなく、正常面よりも暗部の像として検出されることになる。逆に、正帯電欠陥３３２にＴＤＩセンサの合焦点位置２９０を合わせた場合、負帯電欠陥３３１から引き戻されるミラー電子は結像面に結像されることなく、正常面よりも暗部の像として検出されることになる。また、凸状欠陥や凹状欠陥の大きさの応じて合焦点位置（合焦点面）が変動することになる。そこで、ＴＤＩセンサ部２１０を取り付けるベース部（図示せず）に対してラインセンサ部２５０ａ、２５０ｂを高さ方向に微動機構によって微動できる構成にすればなお好ましい。

また、第４の実施の形態によれば、面状電子ビームの照射領域２３０を試料１０７に対して＋方向に移動する際、ＴＤＩセンサの合焦点面は、正常な等電位面の合焦位置として検出されるラインセンサ１及び２の中間合焦位置から負方向にシフトして、負帯電欠陥３３１のフォーカス位置３４１に合っているため、負帯電欠陥３３１が検出されることになる。また、面状電子ビームの照射領域２３０を試料１０７に対して−方向に移動する際、ＴＤＩセンサの合焦点面は、正常な等電位面の合焦位置として検出されるラインセンサ３及び４の中間合焦位置から正方向にシフトして、正帯電欠陥３３２のフォーカス位置３４２に合っているため、正帯電欠陥３３２が検出されることになる。

以上説明したように、試料の移動方向によって検出する欠陥の種類を変えたが、図１６に示すように、更に、ラインセンサ１、２部（２７０ａ）をラインセンサ３、４部側に設け、ラインセンサ３、４部（２７０ｂ）をラインセンサ１、２部側に設けてラインセンサの検出領域（２８１ａ，２８２ａ；２８１ｂ，２８２ｂ）を４つにすることによって、試料を２回＋方向及び−方向への走査を繰返すことによって、フォーカス位置の異なる負帯電欠陥（凸状欠陥）３３１及び正帯電欠陥（凹状欠陥）３３２の両方を検出することが可能となる。

以上説明したように、第４の実施の形態によれば、合焦点位置を異ならしめた少なくとも２つの検査画像信号が検出されることによって、画像処理部１４内の欠陥判定部１４５においてそれぞれを欠陥のない参照画像信号と比較することによって、負帯電欠陥３３１及び正帯電欠陥３３２を感度よく判定することが可能となる。

［第５の実施の形態］
次に、本発明に係る写像投影型電子線式検査装置の第５の実施の形態について図１７乃至図２０を用いて説明する。図１７は全体構成を示し、更にセンサ部２００ｄを拡大して示す図である。図１８は各センサ部の検出領域を示す図である。図１９はミラー電子を検出する場合の各センサ部の合焦位置を示す図である。図２０は合焦位置の算出フォローを示す図である。

第５の実施の形態において、第２の実施の形態と相違する点は、センサ部２００ｄとして、合焦位置が異なる複数のＴＤＩセンサ部４０１、４０２、４０３を並べて構成したことにある。各ＴＤＩセンサ部は、ＴＤＩセンサ２１１と蛍光板２１２と光ファイバ束２１３とで構成される。そして、受光面である蛍光板２１２同士は異なる合焦位置を有するように段差が付けられて構成される。従って、各ＴＤＩセンサの検出領域４１１、４１２、４１３は、図１８に示すようになる。

その結果、図１９に示すように、面状電子ビーム３１０を照射領域２３０に照射した際、試料１０７の最表面付近の等電位面３２０から反射するミラー電子による像を、各ＴＤＩセンサ１（４０１）、２（４０２）、３（４０３）からほぼ同時に合焦点位置を異ならしめた検査画像１、２、３として検出することができる。検査画像１は、負帯電欠陥（凸状欠陥）３３１に対して焦点合わせされた画像である。検査画像２は、試料１０７の表面に対して焦点合わせされた画像である。検査画像３は、正帯電欠陥（凹状欠陥）３３２に対して焦点合わせされた画像である。このように合焦点位置を異ならしめた検査画像１、２、３が検出されることによって、画像処理部１４内の欠陥判定部１４５においてそれぞれを欠陥のない参照画像と比較することによって、負帯電欠陥３３１、正帯電欠陥３３２、及びその他の欠陥を感度よく判定することが可能となる。

次に、第５の実施の形態における合焦位置の算出について図２０を用いて説明する。まず、試料上の同じ検査領域が、時刻（ｔ−１）においてはＴＤＩセンサ３によって合焦測度が測定されて算出され、時刻（ｔ）においてはＴＤＩセンサ２によって合焦測度が測定されて算出され、時刻（ｔ＋１）においてはＴＤＩセンサ１によって合焦測度が測定されて算出される。このとき、図１７の拡大図で示すように、ＴＤＩセンサ３の合焦点位置は、ＴＤＩセンサ２の合焦点位置から段差に応じて高い方にシフトしていることになる。同様に、ＴＤＩセンサ１の合焦点位置は、ＴＤＩセンサ２の合焦点位置から段差に応じて低い方にシフトしていることになる。このように、試料上の同じ検査領域（ｘ）から、ステップＳ５１、Ｓ５２、Ｓ５３において３つの焦点測度の情報が算出されるので、上記（３）式で示されるそのピーク位置である合焦点位置ｆ（ｘ）を算出することができ、次の検査領域（次検出位置（ｘ＋１））での合焦点位置Ｆ（ｘ＋１）を推定することが可能となる。即ち、全体制御部１６は、既検査領域（既検出位置）（ｘ）において測定した上記（３）式の値から外挿補間することによって、（１）次検査領域（次検出位置）（ｘ＋１）における試料表面高さの推定値Ｓ（ｘ＋１）、（２）次検査領域（ｘ＋１）でのグローバルな焦点オフセット推定値Ｇ_{ｇｌｏｂａｌ}（ｘ＋１）、及び（３）次検査領域（ｘ＋１）でのローカルな焦点オフセットの推定値Ｇ_{ｌｏｃａｌ}（ｘ＋１）を求め、上記（２）式に従って、次検査領域（ｘ＋１）での合焦位置を予測する。この予測によって、焦点位置制御部１５２は、次検査領域（検査画像検出位置）（ｘ＋１）において、例えば焦点補正コイル１１９、１２０を制御することによって、センサ部２００ｄの各ＴＤＩセンサ１、２、３は、合焦状態で検査画像１、２、３を検出できることになる。そして、次検査領域（ｘ＋１）において、時刻（ｔ−１）に検出される検査画像３を基に正帯電欠陥３３２を検出することができ（Ｓ５４）、次検査領域（ｘ＋１）において、時刻（ｔ）に検出される検査画像２を基に試料表面画像を検出することができ（Ｓ５５）、次検査領域（ｘ＋１）において、時刻（ｔ＋１）に検出される検査画像１を基に負帯電欠陥３３１を検出することができる（Ｓ５４）。

なお、第５の実施の形態では、焦点測度を測定するセンサ部と検査画像を検出するセンサ部と同一のＴＤＩセンサを用いているので、焦点測度を測定する検出位置を、検査画像を検出する検査領域と定義した。

また、第５の実施の形態によれば、対物レンズ１０６等に対して焦点位置が互いに異なる複数の高さに逐次設定しなくても、３つのＴＤＩセンサ４０１、４０２、４０３から焦点位置が互いに異なる３点の合焦測度を有す電子線像信号を得ることができるので、該３点の合焦測度を有す電子線像信号を基に、図２と同様に焦点オフセットと合焦測度との特性から合焦位置を算出することが可能である。

［第６の実施の形態］
次に、本発明に係る写像投影型電子線式検査装置の第６の実施の形態について図２１を用いて説明する。第６の実施の形態において、第５の実施の形態と相違する点は、センサ部２００ｅとして、受光面が連続的に変化する複数の１次元または２次元のＣＣＤ等のラインセンサ部１（５１１）、２（５１２）、３（５１３）を並べて構成し、受光面である蛍光板２１２を傾斜させたことにある。５１０は１次元または２次元のＣＣＤ等のラインセンサであり、２１３は光ファイバ束によって構成される。従って、ラインセンサ部１〜３に亘る各ラインセンサからは連続して合焦位置を変えた電子線像信号が得られることになる。従って、既検査領域（既検出位置）（ｘ）での合焦位置を正確に算出することが可能となる。

本発明によれば、写像投影型電子線式検査装置において適用可能である。

本発明に係る写像投影型電子線式検査装置の第１の実施の形態を示す全体構成図である。 本発明に係る合焦位置の算出原理の説明図である。 本発明に係る写像投影型電子線式検査装置の第２の実施の形態であるセンサ部を示す拡大図である。 本発明に係る第２の実施の形態における各センサ部と検出領域との対応関係を示す図である。 本発明に係る第２の実施の形態において、面状電子ビームの移動方向による合焦点動作の違いを説明するための図である。 本発明に係る写像投影型電子線式検査装置における焦点位置制御の全体シーケンスの一実施例を示す図である。 本発明に係る各種試料（ウエハ）に対するオフラインでのグローバルな焦点オフセットの推定のための説明図である。 本発明に係る各種試料（ウエハ）に対するオフラインでのダイ内のローカルな焦点オフセットの推定のための説明図である。 本発明に係る試料に面状電子ビームを走査照射した際の試料表面高さの推定の説明図である。 本発明に係る写像投影型電子線式検査装置の第３の実施の形態の全体構成と拡大したセンサ部を示す図である。 本発明に係る第３の実施の形態における各センサ部と検出領域との対応関係を示す図である。 本発明に係る写像投影型電子線式検査装置の第４の実施の形態であるセンサ部を示す拡大図である。 本発明に係る第４の実施の形態における各センサ部と検出領域との対応関係を示す図である。 本発明に係る第４の実施の形態において、面状電子ビームの移動方向による合焦点動作の違いを説明するための図である。 本発明に係る第４の実施の形態のミラー電子を検出する場合において各種欠陥に合焦させて検出する原理を説明するための図である。 本発明に係る第４の実施の形態における変形例である４つの検出領域を示す図である。 本発明に係る写像投影型電子線式検査装置の第５の実施の形態の全体構成と拡大したセンサ部を示す図である。 本発明に係る第５の実施の形態における各ＴＤＩセンサの検出領域を示す図である。 本発明に係る第５の実施の形態のミラー電子を検出する場合において各種欠陥と各ＴＤＩセンサの合焦位置との関係を示す図である。 本発明に係る第５の実施の形態における合焦測度の算出フローを示す図である。 本発明に係る写像投影型電子線式検査装置の第６の実施の形態であるセンサ部を示す拡大図である。

符号の説明

１１…電子照射光学系、１２…試料室、１３…電子結像光学系、１４…画像処理部、１４１…合焦測度算出部（合焦測度測定部）、１４２…焦点位置算出部、１４３、１４４…画像メモリ、１４５…欠陥判定部、１５…各種制御部、１５１…走査制御部、１５２… 焦点位置制御部、１５３…ステージ制御部、１５４…電位制御部、１６…全体制御部、１６１…入力手段、１６２…デイスプレイ部、１６３…記憶装置、１０１…電子源、１０２、１２１…コンデンサレンズ、１０３…絞り、１０４…ビームセパレータ、１０５…照射系偏向器、１０６…対物レンズ、１０７…検査対象物（試料：ウエハ）、１０８…移動ステージ、１０９…電源（電界発生手段）、１１０…結像系偏向器、１１１…結像レンズ、１１２…コントラストアパーチャ、１１３…拡大レンズ、１１７…光学式高さ検出センサ、１１８…帯電制御装置、２００ａ〜２００ｅ…センサ部、２０１…蛍光板、２０２…光ファイバー束、２０３…ラインセンサ部、２１０…検査画像検出センサ部、２１１…ＴＤＩセンサ、２１２、２２３ａ、２２３ｂ、２２４ａ、２２４ｂ、２７３ａ、２７３ｂ、２７４ａ、２７４ｂ…蛍光板、２１３、２２５ａ、２２５ｂ、２２６ａ、２２６ｂ、２７５ａ、２７５ｂ、２７６ａ、２７６ｂ…光ファイバー束、２２０ａ、２２０ｂ、２７０ａ、２７０ｂ…合焦測度検出用センサ部、２２１ａ、２２１ｂ、２２２ａ、２２２ｂ…ラインセンサ１、１'、２、２’、２３０…面状電子ビームの照射領域、２４１ａ、２４１ｂ、２４２ａ、２４２ｂ、２６１ａ、２６１ｂ、２６２ａ、２６２ｂ…ラインセンサ１、１'、２、２’の検出領域、２５０…ＴＤＩセンサの検出領域、２６５ａ、２６５ｂ…斜め縞パターン状電子ビーム照射領域、２７１ａ、２７１ｂ、２７２ａ、２７２ｂ…ラインセンサ１、３、２、４、２８１ａ、２８１ｂ、２８２ａ、２８２ｂ…ラインセンサ１、３、２、４の検出領域、３１０…面状電子ビーム、３２０…等電位面、３３１…負帯電欠陥（凸状欠陥）、３３２…正帯電欠陥（凹状欠陥）、４０１…ＴＤＩセンサ１、４０２…ＴＤＩセンサ２、４０３…ＴＤＩセンサ３、４１１〜４１３…ＴＤＩセンサ１〜３の検出領域、５０１…スリット、５１０…ラインセンサ、５１１〜５１３…ラインセンサ１〜３、５０１１…開口部、５０１２ａ、５０１２ｂ…斜め縞パターン。

Claims (4)

1. 電子源からの電子ビームを面状電子ビームとして対物レンズにより収束させて検査対象
   物の表面に照射する電子照射光学系と、
   該電子照射光学系により照射された面状電子ビームを前記検査対象物の表面付近から引
   き戻すような電界を発生させる電界発生手段と、
   該電界発生手段により発生した電界により前記検査対象物の表面付近から引き戻された
   電子を電子線像として結像させる電子結像光学系と、
   該電子結像光学系によって結像された前記検査対象物の検査領域の合焦検査画像を検査
   画像信号に変換して検出する検査画像検出センサ部と、
   該検査画像検出センサ部によって検出された検査画像信号を画像処理して検査対象物に
   形成された欠陥を検出する画像処理部とを備えた写像投影型電子線式検査装置であって、
   前記検査領域の合焦検査画像を前記検査画像検出センサ部で検出するように前記対物レ
   ンズの焦点位置を制御する焦点位置制御部を更に備え、該焦点位置制御部は、
   焦点オフセットが互いに異なる複数の焦点位置において前記電子結像光学系によって結
   像された電子線像を画像信号に変換する合焦測度センサ部を有し、該合焦測度センサ部で
   変換された複数の画像信号から合焦測度を算出する合焦測度算出手段と、
   該合焦測度算出手段で算出された合焦測度を基に、前記電子結像光学系に関し前記対物
   レンズによる前記面状電子ビームの収束面と共役な共焦点面の高さを算出し、該算出され
   た共焦点面の高さに基づいて前記検査領域の合焦検査画像を前記検査画像検出センサ部で
   検出するための前記対物レンズの焦点位置を算出する焦点位置算出手段と、
   該焦点位置算出手段によって算出された対物レンズの焦点位置に応じて対物レンズの焦
   点位置を補正する焦点位置補正手段と、
   各種の複数のダイが配列された検査対象物について、複数のダイから収集されるグローバルオフセットマップＧｇｌｏｂａｌ（ｘ，ｙ）とダイ内ローカルオフセットマップＧｌｏｃａｌ（ｘ，ｙ）とからなるフォーカスマップを格納した記憶手段を有し、
   前記焦点位置算出手段は、前記検査対象物を移動して検査領域の先頭位置において、前
   記記憶手段に格納されたフォーカスマップの内、前記検査対象物に対応したフォーカスマ
   ップの値を合焦測度探索の初期値として設定し、該設定された合焦測度探索の初期値及び
   前記合焦測度算出手段で算出される合焦測度を基に前記検査領域での合焦測度の予測を行
   い、該合焦測度の予測に基づいて前記検査領域の合焦検査画像を前記画像検出部で検出す
   るための対物レンズの焦点位置を算出するように構成したことを特徴とする写像投影型電子線式検査装置。
2. 電子源からの電子ビームを面状電子ビームとして対物レンズにより収束させて検査対象
   物の表面に照射する電子照射光学系と、
   該電子照射光学系により照射された面状電子ビームを前記検査対象物の表面付近から引
   き戻すような電界を発生させる電界発生手段と、
   該電界発生手段により発生した電界により前記検査対象物の表面付近から引き戻された
   電子を電子線像として結像させる電子結像光学系と、
   該電子結像光学系によって結像された前記検査対象物の検査領域の合焦検査画像を検査
   画像信号に変換して検出する検査画像検出センサ部と、
   該検査画像検出センサ部によって検出された検査画像信号を画像処理して検査対象物に
   形成された欠陥を検出する画像処理部とを備えた写像投影型電子線式検査装置であって、
   前記検査領域の合焦検査画像を前記検査画像検出センサ部で検出するように前記対物レ
   ンズの焦点位置を制御する焦点位置制御部を更に備え、該焦点位置制御部は、
   焦点オフセットが互いに異なる複数の焦点位置において前記電子結像光学系によって結
   像された電子線像を画像信号に変換する合焦測度センサ部を有し、該合焦測度センサ部で
   変換された複数の画像信号から合焦測度を算出する合焦測度算出手段と、
   該合焦測度算出手段で算出された合焦測度を基に、前記電子結像光学系に関し前記対物
   レンズによる前記面状電子ビームの収束面と共役な共焦点面の高さを算出し、該算出され
   た共焦点面の高さに基づいて前記検査領域の合焦検査画像を前記検査画像検出センサ部で
   検出するための前記対物レンズの焦点位置を算出する焦点位置算出手段と、
   該焦点位置算出手段によって算出された対物レンズの焦点位置に応じて対物レンズの焦
   点位置を補正する焦点位置補正手段とを備え、
   前記検査画像検出センサ部及び前記合焦測度センサ部が、前記検査対象物の最表面付近
   の等電位面から反射するミラー電子像を検出する場合、前記検査画像検出センサ部の合焦
   点面と前記合焦測度センサ部の合焦点面との間でシフトさせ、前記検査画像検出センサ部
   を負帯電欠陥又は正帯電欠陥の合焦点面に合わせることを特徴とする写像投影型電子線式検査装置。
3. 電子照射光学系により面状電子ビームを対物レンズにより収束させて検査対象物の表面
   に照射する電子照射ステップと、
   該電子照射ステップで照射された面状電子ビームを前記検査対象物の表面付近から引き
   戻すような電界を発生させる電界発生ステップと、
   該電界発生ステップで発生した電界により前記検査対象物の表面付近から引き戻された
   電子を電子結像光学系により電子線像として結像させる電子結像ステップと、
   該電子結像ステップで結像された前記検査対象物の検査領域の合焦検査画像を検査画像
   検出センサ部で検査画像信号に変換して検出する検査画像検出ステップと、
   該検査画像検出ステップで検出された検査画像信号を画像処理して検査対象物に形成さ
   れた欠陥を検出する画像処理ステップとを有する写像投影型電子線式検査方法であって、
   前記検査領域の合焦検査画像を前記検査画像検出センサ部で検出するように前記対物レ
   ンズの焦点位置を制御する焦点位置制御ステップを更に有し、該焦点位置制御ステップは
   、
   焦点オフセットが互いに異なる複数の焦点位置において前記電子結像光学系によって結
   像された電子線像を合焦測度センサ部で受像して画像信号に変換する合焦測度測定ステッ
   プを含み、前記合焦測度センサ部で変換された複数の画像信号から合焦測度を算出する合
   焦測度算出ステップと、
   該合焦測度算出ステップで算出された合焦測度を基に、前記電子結像光学系に関し前記
   対物レンズによる前記面状電子ビームの収束面と共役な共焦点面の高さを算出し、該算出
   された共焦点面の高さに基づいて前記検査領域の合焦検査画像を前記画像検出部で検出す
   るための対物レンズの焦点位置を算出する焦点位置算出ステップと、
   該焦点位置算出ステップによって算出された対物レンズの焦点位置に応じて対物レンズ
   の焦点位置を補正する焦点位置補正ステップと、
   各種の複数のダイが配列された検査対象物について、複数のダイから収集されるグローバルオフセットマップＧｇｌｏｂａｌ（ｘ，ｙ）とダイ内ローカルオフセットマップＧｌｏｃａｌ（ｘ，ｙ）とからなるフォーカスマップを記憶手段に格納しておく格納ステップを含み、
   前記焦点位置算出ステップは、更に、前記検査対象物を移動して検査領域の先頭位置に
   おいて、前記記憶手段に格納されたフォーカスマップの内、前記検査対象物に対応したフ
   ォーカスマップの値を合焦測度探索の初期値として設定し、該設定された合焦測度探索の
   初期値及び前記合焦測度算出ステップで算出される合焦測度を基に前記検査領域での合焦
   測度の予測を行い、該合焦測度の予測に基づいて前記検査領域の合焦検査画像を前記画像
   検出部で検出するための対物レンズの焦点位置を算出することを特徴とする写像投影型電子線式検査方法。
4. 電子照射光学系により面状電子ビームを対物レンズにより収束させて検査対象物の表面
   に照射する電子照射ステップと、
   該電子照射ステップで照射された面状電子ビームを前記検査対象物の表面付近から引き
   戻すような電界を発生させる電界発生ステップと、
   該電界発生ステップで発生した電界により前記検査対象物の表面付近から引き戻された
   電子を電子結像光学系により電子線像として結像させる電子結像ステップと、
   該電子結像ステップで結像された前記検査対象物の検査領域の合焦検査画像を検査画像
   検出センサ部で検査画像信号に変換して検出する検査画像検出ステップと、
   該検査画像検出ステップで検出された検査画像信号を画像処理して検査対象物に形成さ
   れた欠陥を検出する画像処理ステップとを有する写像投影型電子線式検査方法であって、
   前記検査領域の合焦検査画像を前記検査画像検出センサ部で検出するように前記対物レ
   ンズの焦点位置を制御する焦点位置制御ステップを更に有し、該焦点位置制御ステップは
   、
   焦点オフセットが互いに異なる複数の焦点位置において前記電子結像光学系によって結
   像された電子線像を合焦測度センサ部で受像して画像信号に変換する合焦測度測定ステッ
   プを含み、前記合焦測度センサ部で変換された複数の画像信号から合焦測度を算出する合
   焦測度算出ステップと、
   該合焦測度算出ステップで算出された合焦測度を基に、前記電子結像光学系に関し前記
   対物レンズによる前記面状電子ビームの収束面と共役な共焦点面の高さを算出し、該算出
   された共焦点面の高さに基づいて前記検査領域の合焦検査画像を前記画像検出部で検出す
   るための対物レンズの焦点位置を算出する焦点位置算出ステップと、
   該焦点位置算出ステップによって算出された対物レンズの焦点位置に応じて対物レンズ
   の焦点位置を補正する焦点位置補正ステップとを有し、
   前記検査画像検出ステップにおいて検出する前記検査画像検出センサ部が、前記検査対
   象物の最表面付近の等電位面から反射するミラー電子像を検出する場合、前記検査画像検
   出センサ部を負帯電欠陥又は正帯電欠陥の合焦点面に合わせることを特徴とする写像投影型電子線式検査方法。

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