JP4792074B2 - 基板検査方法および基板検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板検査方法および基板検査装置に関し、例えば電子ビームを用いた半導体パターン等の検査を対象とする。

近年、電子ビームを利用して半導体パターンの欠陥を検査する手法が提案されている。
例えば特許文献１には、矩形状の電子ビームを電子照射手段にて形成して一次電子ビームとして試料に照射し、その試料表面の形状／材質／電位の変化に応じて発生した二次電子、反射電子および後方散乱電子である二次電子ビームを写像投影光学手段にて電子検出部に拡大投影し、試料表面画像を得る手法が記載されている。さらに、この手法に加え、例えば特許文献２には、一次電子ビームを電子ビーム偏向手段であるウィーンフィルタにて偏向させ、試料表面に対してほぼ垂直に入射させ、なおかつ二次電子ビームを同一のウィーンフィルタ内を直進させて写像投影手段に導入する方法が提案されている。

特許文献２に開示の装置では、一次電子ビームを試料に対して垂直に入射するために、ウィーンフィルタを用いてケーラー（Koehler）照明系を形成している。即ち、ウィーンフィルタに入射してきた一次電子ビームに対し、ウィーンフィルタとカソードレンズとの間で一次電子ビームの焦点と２次ビームの焦点とが一致するようにウィーンフィルタが一次電子ビームを偏向する。さらに、ウィーンフィルタでの偏向収差の影響を最小限にするため、二次電子ビームをウィーンフィルタ中心面上で一旦結像させている。

しかしながら、特許文献２に開示の装置においては、ウィーンフィルタと試料との間で、一次電子ビームと二次電子ビームが重複する領域が存在する。この重複領域内では、電子密度が高いために電子の相互作用、所謂空間電荷効果が大きく作用し、二次電子ビームの収差増大を引き起こすという問題があった。特に、二次電子ビームの焦点位置は二次電子ビームの電流密度が最も高く、なおかつ一次電子ビームの電流密度が最も高い一次電子ビームの焦点位置も同じ位置に存在するので、上記重複領域内で二次電子ビームの空間電荷効果がもっとも大きく作用してしまう。
特開平７−２４９３９３号公報 特開平１１−１３２９７５号公報

本発明の目的は、一次電子ビームと二次電子ビームとの重複領域で二次電子ビームの空間電荷効果による収差増大を抑制することにより高感度での検査を実現することにある。

本発明は、以下の手段により上記課題の解決を図る。

即ち、本発明によれば、
電子ビームを生成して試料である基板に一次電子ビームとして照射する工程と、
前記一次電子ビームの照射を受けて前記基板から放出される二次電子、反射電子および後方散乱電子の少なくともいずれかを導き、二次電子ビームとして拡大投影して結像させる工程と、
結像した前記二次電子ビームを検出して前記基板の状態を表わす信号を出力する工程と、
前記一次電子ビームの焦点面に前記二次電子ビームの焦点が含まれるように前記一次電子ビームおよび前記二次電子ビームの少なくともいずれかを偏向する工程と、
を備え、
前記拡大投影して結像させる工程は、前記一次電子ビームについては前記基板の手前で減速させる一方、前記二次電子ビームについては検出面側へ導かれるように前記二次電子、前記反射電子および前記後方散乱電子の少なくともいずれかを加速させる第１の電界を形成する工程を含み、
前記焦点面を内部に含むように前記第１の電界と前記検出面との間に設けられ、前記二次電子ビームを前記焦点面で加速させる第２の電界を形成する工程をさらに備える、ことを特徴とする、
基板検査方法が提供される。

また、本発明によれば、
電子ビームを生成して試料である基板に一次電子ビームとして照射する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放出される二次電子、反射電子および後方散乱電子の少なくともいずれかを検出して前記基板の状態を表わす信号を出力する検出手段と、
前記二次電子、前記反射電子および前記後方散乱電子の少なくともいずれかを導いて二次電子ビームとして拡大投影し、前記検出手段の検出面に結像させる写像投影手段と、
前記一次電子ビームの焦点面に前記二次電子ビームの焦点が含まれるように前記一次電子ビームおよび前記二次電子ビームの少なくともいずれかを偏向する偏向手段と、
前記二次電子ビームを前記焦点面で加速させる電界を形成する加速電界形成手段と、
を備え、
前記写像投影手段は、前記一次電子ビームについては前記基板の手前で減速させる一方、前記二次電子ビームについては検出面側へ導かれるように前記二次電子、前記反射電子および前記後方散乱電子の少なくともいずれかを加速させる第１の電界を形成する手段を含み、
前記加速電界形成手段は、前記焦点面を内部に含むように、前記第１の電界と前記検出面との間に設けられる、ことを特徴とする、
基板検査装置が提供される。

本発明によれば、一次電子ビームと二次電子ビームとの重複領域で二次電子ビームの空間電荷効果による収差増大を抑制できるので、より高感度での検査を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（１）第１の実施の形態
図１は、本発明の第１の実施の形態による基板検査装置の概略構成を示すブロック図である。後に詳述するように、本実施形態の特徴は、複数段四極子レンズ１５とウィーンフィルタ４１との間に偏向器６８を設置し、この偏向器６８により一次電子ビームＢｐの軌道を制御して一次電子ビームＢｐおよび二次電子ビームＢｓの重複領域を縮小する点にある。

図１に示す基板検査装置１は、一次光学系１０と、二次光学系２０と、電子検出部３０と、ウィーンフィルタ（Wien filter）４１と、ステージ４３と、各種制御部１６，１７，５１〜５６，７０と、画像信号処理部５８と、ホストコンピュータ６０と、表示部６２と、を備える。

一次光学系１０は、電子銃部１１と複数段の四極子レンズ１５を含む。電子銃部１１は、例えば電子ビーム照射手段に対応し、長軸１００〜７００μｍ、短軸１５μｍの矩形の電子放出面を有するＬａＢ_６線状陰極１１２、ウェーネルト電極１１４、電子ビームの引き出しを行う陽極１１６および光軸調整用の偏向器１１８を有する。ＬａＢ_６線状陰極１１２、ウェーネルト電極１１４、陽極１１６および偏向器１１８は制御部１６に接続され、この制御部１６からの信号により一次電子ビームＢｐの加速電圧、出射電流、光軸Ａｐが制御される。四極子レンズ１５は、四極子レンズ制御部１７に接続される。線状陰極１１２より放出した一次電子ビームＢｐは、四極子レンズ制御部１７からの信号により制御される四極子レンズ１５によって収束され、ウィーンフィルタ４１に対して斜めから入射する。一次電子ビームＢｐはウィーンフィルタ４１によって試料Ｓに対して垂直な方向に偏向され、その後、二次光学系２０内のカソードレンズ２１によってレンズ作用を受け、試料Ｓに対して垂直に照射される。

試料Ｓはステージ４３の上面に設置され、ステージ電圧制御部５１により試料Ｓに負電圧が印加できるようになっている。この機構は、一次電子ビームＢｐによる試料Ｓへの入射ダメージを低減し、一次電子ビームＢｐの照射によって、試料Ｓ表面の形状／材質／電位の変化に応じて発生した二次電子、反射電子および後方散乱電子で構成される二次電子ビームＢｓのエネルギ向上を目的としたものである。

ウィーンフィルタ４１の具体的構成を図２に示し、その作動原理を図３および図４を参照しながら簡単に説明する。図２に示すように、ウィーンフィルタ４１の場は、２次光学系の光軸Ａｓに垂直な平面ＣＳｗ内で電界Ｅと磁界Ｂを直交させた構造になっており、入射した電子に対して、ウィーン条件ｑＥ＝ｖＢ（ｑは電子電荷、ｖは直進電子の速度）を満たす電子のみ直進させる働きをする。図３に示すように、この検査装置１では、一次電子ビームＢｐに対しては磁界による力Ｆ_Ｂと電界による力Ｆ_Ｅが同一方向に作用し、一次電子ビームＢｐは試料Ｓに対して垂直に入射するように偏向される。また、二次電子ビームＢｓに対しては、図４に示すように、Ｆ_ＢとＦ_Ｅが逆方向に作用し、なおかつウィーン条件Ｆ_Ｂ＝Ｆ_Ｅが成立しているため、二次電子ビームＢｓは偏向されずに直進して２次光学系に入射する。

図１に戻り、二次光学系２０は、例えば写像投影手段に対応し、回転対称静電レンズであるカソードレンズ２１、第二レンズ２２、第三レンズ２３と、第二レンズと第三レンズ間に設置された開き角絞り２４と視野絞り２６とを含む。カソードレンズ２１、第二レンズ２２、第三レンズ２３は、二次光学系レンズ制御部５２、５４、５５にそれぞれ接続され、これらの制御部から与えられる制御信号により、二次電子ビームＢｓを拡大投影し、二次電子ビーム像をＭＣＰ（Micro Channel Plate）検出器３１の検出面に結像させる。

電子検出部３０は、例えば検出手段に対応し、ＭＣＰ検出器３１と、蛍光板３２と、ライトガイド３３と、ＣＣＤ（Charged Coupled Device）等の撮像素子３４とを含む。ＭＣＰ検出器３１に入射した二次電子ビームＢｓはＭＣＰにより増幅されて蛍光板３２に照射する。蛍光板３２で発生した蛍光像はライトガイド３３を介して撮像素子３４で検出される。撮像素子３４から出力された信号は、画像信号処理部５８で処理されて画像データとしてホストコンピュータ６０に転送される。

ホストコンピュータ６０は、各種制御部１６，１７，５１〜５６，７０に接続され、これらの制御部を介して装置全体を制御する。ホストコンピュータ６０はまた画像信号処理部５８および表示部６２にも接続され、画像信号処理部５８から画像データの供給を受け、図示しない画像メモリに保存し、二次電子ビーム像を表示部６２に表示させる他、検査目的に応じた画像処理による欠陥検出処理等を実行する。

本装置では、一次電子ビームＢｐを試料Ｓに対して垂直に入射するために、ケーラー照明系を形成している。従来、ケーラー照明系を形成するため、一次電子ビーム焦点ＦＰｐと二次電子ビーム焦点ＦＰｓを一致させる対処法が用いられていた。これは、ウィーンフィルタ４１とカソードレンズ２１の間において一次電子ビーム焦点ＦＰｐと二次電子ビーム焦点ＦＰｓとが一致するようにウィーンフィルタ４１によって一次電子ビームＢｐを偏向させることにより実現できる。

しかしながら、ウィーンフィルタ４１と試料Ｓとの間には、一次電子ビームＢｐの軌道と二次電子ビームＢｓの軌道とが重複する領域が存在する（図５参照）。この領域内では、電子密度が高いために電子の相互作用、いわゆる空間電荷効果が大きく作用してしまい、二次電子ビームＢｓの収差増大を引き起こすという問題があった。特に、一次電子ビーム焦点位置ＦＰｐおよび二次電子ビームの焦点位置ＦＰｓのいずれにおいても、各ビームの電流密度が最も高いために、一次電子ビーム焦点ＦＰｐと二次電子ビーム焦点ＦＰｓとを一致させると、空間電荷効果が相乗的に作用して二次電子ビームＢｓの収差が顕著に増大してしまう。二次電子ビームＢｓの収差を低減させるためには、二次電子ビーム焦点位置ＦＰｓでの空間電荷効果を低減することが最も効果的である。

本実施形態の基板検査装置１は、複数段四極子レンズ１５とウィーンフィルタ４１間に配設された偏向器６８により一次電子ビームＢｐの偏向を制御することにより、一次電子ビームＢｐのケーラー照明を大きく損なうことなく、二次電子ビームＢｓの空間電荷効果による収差増大を抑制する。偏向器６８は偏向制御部７０に接続され、さらに偏向制御部７０はホストコンピュータ６０に接続される。ホストコンピュータ６０は、二次電子ビームの焦点位置ＦＰｓでの空間電荷効果を低減して二次電子ビーム像の分解能が向上するように一次電子ビームＢｐを偏向させるための制御信号を生成して偏向制御部７０へ送信する。偏向制御部７０はホストコンピュータ６０からの制御信号を受け、これに応じた偏向電圧を偏向器６８の各電極へ印加し、これにより偏向器６８は偏向電界を形成して一次電子ビームＢｐを偏向させる。ただし、一次電子ビームＢｐを偏向させ過ぎると、試料Ｓ上の照明領域中心が二次光学系光軸Ａｓに対して大きくずれてしまい、最も低い収差が期待される、二次光学系光軸Ａｓと試料Ｓの表面との交点およびその近傍に一次電子ビームＢｐが十分に照射しなくなる。この結果、二次光学系光軸Ａｓと試料Ｓの表面との交点およびその近傍から十分な量の二次電子／反射電子／後方散乱電子が放出されず、撮像素子３４からの出力信号におけるＳ／Ｎが低下して検査画像が劣化してしまう。ホストコンピュータ６０は、これらの弊害が検査上で問題にならない範囲内で、一次電子ビームＢｐに対する偏向制御の最適化を行う。

そこで、図５の電子ビーム軌道図に示すように、一次電子ビームＢｐの焦点面ＦＳ１と二次電子ビームＢｓの焦点面ＦＳ２とが一致し、上記重複領域内にて二次電子ビーム電流密度が最も高い二次電子ビーム焦点位置ＦＰｓと、一次電子ビームＢｐおよび二次電子ビームＢｓの重複領域内で一次電子ビームＢｐ電流密度が最も高い一次電子ビーム焦点位置ＦＰｐとが一致しない状態になるように一次電子ビームＢｐを偏向制御する。これにより、一次電子ビームＢｐのケーラー照明を大きく損なうことなく、二次電子ビームＢｓの空間電荷効果による収差増大を効果的に抑制することが可能になる。なお、本実施形態では一次電子ビームＢｐの軌道を制御することにより一次電子ビームＢｐおよび二次電子ビームＢｓの重複領域を縮小したが、これに限ることなく、二次電子ビームＢｓの軌道を制御することによっても上記重複領域を縮小することは可能である。

（２）第２の実施の形態
図６は、本発明の第２の実施の形態による基板検査装置の概略構成を示すブロック図であり、また、図７は本実施形態の基板検査方法を説明する電子ビーム軌道図である。本実施形態の基板検査装置３の特徴は、ウィーンフィルタ４１とカソードレンズ２１の間に配設され電源７４，８４にそれぞれ接続された回転対称円孔電極７２，８２をさらに備え、これらの電極７２，８２により加速電界を形成することにより、一次電子ビームＢｐおよび二次電子ビームＢｓの重複領域内で二次電子ビームＢｓを加速させる点にある。

図８は、電極７２の斜視図を示し、図９（ａ）は、電極７２の平面図を示し、さらに、図９（ｂ）は図９（ａ）のＡ−Ａ線に沿った側面図を示す。図８および図９に代表的に示すように、電極７２，８２には、二次電子ビームＢｓの通過を許容するための円孔が中央に設けられている。

図６に戻り、電極電圧印加電源７４，８４はホストコンピュータ６０にさらに接続される。ホストコンピュータ６０は、二次電子ビームＢｓを加速させる加速電界を形成するための制御信号を生成してこれらの電源７４，８４に供給する。電極電圧印加電源７４，８４は、ホストコンピュータ６０からの制御信号に応じた電圧を電極７２，８２へ印加し、電極７２，８２間で二次電子ビームＢｓを加速させる。二次電子ビームＢｓ用の加速電界を形成するためには、例えば電極７２に正の電圧を、電極８２に電極７２への印加電圧以下の正の電圧もしくは負の電圧または０の電圧を印加すればよい。

二次電子ビームＢｓの焦点位置は電流密度が最も高いので、二次電子ビームＢｓが加速される領域内に二次電子ビームＢｓの焦点位置が含まれると、一次電子ビームＢｐのケーラー照明系を損なうことなく、二次電子ビームＢｓの空間電荷効果による収差増大を効果的に抑制することが可能になる。本実施形態では、図７の電子ビーム軌道図に示すように、一次電子ビーム焦点面ＦＳ１と二次電子ビーム焦点面ＦＳ２とが一致し、一次電子ビームＢｐおよび二次電子ビームＢｓの重複領域内で一次電子ビームＢｐの電流密度が最も高い一次電子ビーム焦点位置ＦＰｐと、上記重複領域内で二次電子ビームＢｓの電流密度が最も高い二次電子ビーム焦点位置ＦＰｓとが一致し、かつ、二次電子ビーム焦点面ＦＳ２が電極７２と電極８２との間に存在するようにこれらの電極７２，８２が配設される。

（３）半導体装置の製造方法
上述した基板検査方法を半導体装置の製造工程で用いることにより、高感度で半導体装置を検査できるので、短いＴＡＴ（Turn Around Time）で、かつ、高い歩留まりで半導体装置を製造することが可能になる。

本発明の第１の実施の形態による基板検査装置の概略構成を示すブロック図である。 図１に示す基板検査装置が備えるウィーンフィルタの具体的構成を示す斜視図である。 図２に示すウィーンフィルタの作動原理の説明図である。 図２に示すウィーンフィルタの作動原理の説明図である。 本発明の第１の実施の形態による基板検査方法を説明する電子ビーム軌道図である。 本発明の第２の実施の形態による基板検査装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態による基板検査方法を説明する電子ビーム軌道図である。 図６に示す基板検査装置が備える円孔電極の斜視図である。 図６に示す基板検査装置が備える円孔電極の平面図および側面図である。

符号の説明

１，３ 基板検査装置
１０ 一次光学系
１１ 電子銃部
１５ 四極子レンズ
１６，５１〜５６ 制御部
１７ 四極子レンズ制御部
２０ 二次光学系
３０ 電子検出部
３１ ＭＣＰ検出器
４１ ウィーンフィルタ
４３ ステージ
５８ 画像信号処理部
６０ ホストコンピュータ
６２ 表示部
６８ 偏向器
７２，８２ 回転対称円孔電極
７４，８４ 電源
１１２ ＬａＢ_６線状陰極
Ｂｐ 一次電子ビーム
Ｂｓ 二次電子ビーム

Claims (4)

1. 電子ビームを生成して試料である基板に一次電子ビームとして照射する工程と、
   前記一次電子ビームの照射を受けて前記基板から放出される二次電子、反射電子および後方散乱電子の少なくともいずれかを導き、二次電子ビームとして拡大投影して結像させる工程と、
   結像した前記二次電子ビームを検出して前記基板の状態を表わす信号を出力する工程と、
   前記一次電子ビームの焦点面に前記二次電子ビームの焦点が含まれるように前記一次電子ビームおよび前記二次電子ビームの少なくともいずれかを偏向する工程と、
   を備え、
   前記拡大投影して結像させる工程は、前記一次電子ビームについては前記基板の手前で減速させる一方、前記二次電子ビームについては検出面側へ導かれるように前記二次電子、前記反射電子および前記後方散乱電子の少なくともいずれかを加速させる第１の電界を形成する工程を含み、
   前記焦点面を内部に含むように前記第１の電界と前記検出面との間に設けられ、前記二次電子ビームを前記焦点面で加速させる第２の電界を形成する工程をさらに備える、ことを特徴とする、
   基板検査方法。
2. 前記焦点面において、前記一次電子ビームの焦点と前記二次電子ビームの焦点とが一致することを特徴とする請求項１に記載の基板検査方法。
3. 電子ビームを生成して試料である基板に一次電子ビームとして照射する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放出される二次電子、反射電子および後方散乱電子の少なくともいずれかを検出して前記基板の状態を表わす信号を出力する検出手段と、
   前記二次電子、前記反射電子および前記後方散乱電子の少なくともいずれかを導いて二次電子ビームとして拡大投影し、前記検出手段の検出面に結像させる写像投影手段と、
   前記一次電子ビームの焦点面に前記二次電子ビームの焦点が含まれるように前記一次電子ビームおよび前記二次電子ビームの少なくともいずれかを偏向する偏向手段と、
   前記二次電子ビームを前記焦点面で加速させる電界を形成する加速電界形成手段と、
   を備え、
   前記写像投影手段は、前記一次電子ビームについては前記基板の手前で減速させる一方、前記二次電子ビームについては検出面側へ導かれるように前記二次電子、前記反射電子および前記後方散乱電子の少なくともいずれかを加速させる第１の電界を形成する手段を含み、
   前記加速電界形成手段は、前記焦点面を内部に含むように、前記第１の電界と前記検出面との間に設けられる、ことを特徴とする、
   基板検査装置。
4. 前記偏向手段は、前記一次電子ビームの焦点面において、前記一次電子ビームの焦点と前記二次電子ビームの焦点とが一致するように前記一次電子ビームおよび前記二次電子ビームの少なくともいずれかを偏向することを特徴とする請求項３に記載の基板検査装置。

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