JP4979246B2

JP4979246B2 - 欠陥観察方法および装置

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Publication number: JP4979246B2
Application number: JP2006057471A
Authority: JP
Inventors: 英利西山; 敏文本田; 幸雄宇都
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2026-03-03
Also published as: JP2007235023A; US8093557B2; US20080073524A1; US7601954B2; US20100019150A1; US20120074319A1; US8975582B2

Description

本発明は、半導体製造工程で発生した欠陥を観察する欠陥観察技術に係り、特に、電子顕微鏡やＸ線分析装置等を用いた欠陥観察方法およびその装置に適用して有効な技術に関する。

例えば、半導体製造工程では、半導体基板（ウェハ）上に異物や欠陥（以下、欠陥と記述するが異物やパターン欠陥を含むものとする）が存在すると配線の絶縁不良や短絡などの不良原因になる。また、回路パターンの微細化に伴い、より微細な欠陥がキャパシタの絶縁不良やゲート酸化膜などの破壊原因にもなる。これらの欠陥は、搬送装置の可動部から発生するものや、人体から発生するもの、プロセスガスにより処理装置内で反応生成されたもの、薬品や材料に混入していたものなど、種々の原因により種々の状態で混入される。このため、製造工程中に発生した欠陥を検出し、欠陥の発生源をいち早く突き止め、不良の作り込みを食い止める必要がある。

従来、欠陥の発生原因を追求する方法は、まず、欠陥検査装置で欠陥位置を特定し、ＳＥＭ（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：走査型電子顕微鏡）等で該欠陥を詳細に観察および分類し、データベースと比較して欠陥の発生原因を推定する方法が採られていた。

ここで、欠陥検査装置とは、半導体基板の表面をレーザ光で暗視野照明し、欠陥からの散乱光を検出して欠陥の位置を特定する光学式異物検査装置や、ランプ光やレーザ光、または電子線を照明光として、半導体基板の明視野光学像を検出して、これを参照情報と比較することにより半導体基板上の欠陥の位置を特定する光学式外観検査装置やＳＥＭ式検査装置である。

このような観察方法に関しては、特開２００１−１３３４１７号公報（特許文献１）、特開２００３−７２４３号公報（特許文献２）及び、特開平５−４１１９４号公報（特許文献３）、特開２００５−１５６５３７号公報（特許文献４）に開示されている。
特開２００１−１３３４１７号公報特開２００３−７２４３号公報特開平５−４１１９４号公報特開２００５−１５６５３７号公報

ところで、光学式異物検査装置を用いて半導体基板の欠陥を検出する場合、検査のスループットを上げるために、大きいスポットサイズのレーザ光で半導体基板を走査して検出している。このため、半導体基板を走査するレーザ光のスポット位置から求められる欠陥位置の精度は大きな誤差成分を含んでしまう。

このような誤差成分を含んだ欠陥の位置情報に基づいてＳＥＭで欠陥を詳細に観察する場合、光学式異物検査装置の光学系の倍率よりも遥かに高い倍率（＝小さい視野）で観察するために、ＳＥＭの視野内に観察したい欠陥が入らない場合がある。ＳＥＭの視野内に観察対象の欠陥を入れるためには、ＳＥＭの視野を移動させながら欠陥を捜すことになるが、視野が小さいために時間がかかってしまう。このため、ＳＥＭ観察のスループットが低下し、欠陥の解析に時間が掛かってしまうという問題がある。

前記問題を解決するために、前記特許文献１〜４において、ＳＥＭと光学式顕微鏡を併設することが開示されている。しかし、光学式顕微鏡で欠陥を高感度に検出するためには、光学式顕微鏡の焦点合わせが必要であるが、焦点合わせのために半導体基板を上下させるステージを用いた場合、水平方向への高速・高精度な移動が可能なステージに上下方向への移動ステージを積み増しするため、装置が高価で大きくなってしまうという課題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、光学式異物検査装置または光学式外観検査装置で検出した欠陥をＳＥＭで詳細に観察する方法およびその装置において、観察対象の欠陥を確実にＳＥＭ等の視野内に入れることができ、かつ、装置規模を小さくできる方法およびその装置を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

上記目的を達成するために、本発明では、ＳＥＭで試料の欠陥を観察する方法において、ＳＥＭに搭載された光学式顕微鏡を用いて、予め試料の欠陥を他の光学式検査装置で検出して得た情報に基づいて試料に焦点合わせを行う工程と、光学式顕微鏡で欠陥を再検出する工程と、再検出された欠陥の位置情報に基づいて欠陥の位置情報を補正する工程と、位置情報を補正された欠陥をＳＥＭで観察する工程を有し、焦点合わせを行う工程において、試料に対して斜方から入射した光学式顕微鏡の照明位置と検出位置を変化させないことを特徴とする。

また、本発明では、ＳＥＭで試料の欠陥を観察する方法において、ＳＥＭに搭載された光学式顕微鏡を用いて、予め試料の欠陥を他の光学式検査装置で検出して得た情報に基づいて欠陥を再検出する工程と、再検出された欠陥の位置情報に基づいて欠陥の位置情報を補正する工程と、位置情報を補正された欠陥をＳＥＭで観察する工程を有し、再検出する工程において、光学式顕微鏡で照射角度の異なる照明を行うことを特徴とする。

また、本発明では、前記照射角度の異なる照明は異なる波長を同時に照射することを特徴とする。

また、本発明では、ＳＥＭで試料の欠陥を観察する装置において、光学式欠陥検査装置で検出された欠陥の位置を再検出する光学式顕微鏡と、光学式顕微鏡に搭載されていて試料の焦点合わせを行う焦点合わせ手段と、再検出された欠陥の位置情報に基づいて欠陥の位置情報を補正する位置補正手段と、位置情報を補正された欠陥を観察するＳＥＭを有し、焦点合わせ手段は、試料に対して斜方から入射した光学式顕微鏡の照明位置と検出位置を変化させないことを特徴とする。

また、本発明では、ＳＥＭで試料の欠陥を観察する装置において、光学式欠陥検査装置で検出された欠陥の位置を再検出する光学式顕微鏡と、再検出された欠陥の位置情報に基づいて欠陥の位置情報を補正する位置補正手段と、位置情報を補正された欠陥を観察するＳＥＭを有し、光学式顕微鏡に照射角度の異なる照明手段を配置したことを特徴とする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

本発明によれば、光学式欠陥検査装置で検出した欠陥をＳＥＭ等で詳細に観察する場合において、観察対象の欠陥を確実にＳＥＭ等の観察視野内に入れることができるようになり、ＳＥＭ等を用いた欠陥の詳細検査のスループットを上げることができる。また、被検査試料を搭載するステージの規模を小さくすることができるようになり、装置を安価および小規模にすることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（第１の実施の形態）
図１〜図１３により、本発明の第１の実施の形態における欠陥観察方法およびその装置の一例を説明する。

図１に、本発明の第１の実施の形態における欠陥観察装置の構成の一例を示す。本実施の形態の欠陥観察装置は、半導体デバイス等の基板上に回路パターンを形成するデバイス製造工程において、製造工程中に発生する欠陥を観察する装置であって、被検査対象の試料１、この試料１を搭載する試料ホルダ２、この試料ホルダ２を移動させて試料１の全面を顕微鏡の下に移動可能なステージ３、真空チャンバ４、電子顕微鏡（以下では「ＳＥＭ」と記述する）５、光学式顕微鏡（以下では「ＯＭ」と記述する）６、高さ検出システム７、制御システム８、ユーザインターフェイス９、データベース１０、上位システムへ接続するネットワーク１１で構成されている。

さらに、ＯＭ６は、暗視野照明ユニット６０１、干渉性低減ユニット６０２、落射ミラー６０３、一体型斜方ミラー６０４、検出光学系６０５、ミラー６０６、ハーフミラー６０７、光学フィルタ６０８、ズームレンズ６０９、検出器６１０、明視野照明ユニット６１１、真空遮断ガラス６１２、Ｚ移動機構（ベローズを含む）６１３および図示していないレンズ群で構成されている。また、ステージ３、真空チャンバ４、ＳＥＭ５、ＯＭ６、高さ検出システム７、ユーザインターフェイス９、データベース１０、ネットワーク１１は制御システム８と接続されている。

以上のように構成される欠陥観察装置において、特に、ＯＭ６は光学式欠陥検査装置で検出された試料１の欠陥の位置を再検出（単に「検出」とも記述する）する機能を有し、Ｚ移動機構６１３や高さ検出システム７等はＯＭ６に搭載されていて試料１の焦点合わせを行う焦点合わせ手段としての機能を有し、制御システム８等はＯＭ６で再検出された欠陥の位置情報に基づいて欠陥の位置情報を補正する位置補正手段としての機能を有し、ＳＥＭ５は制御システム８等で位置情報を補正された欠陥を観察する機能を有し、ＯＭ６で焦点合わせを行う時に、試料１に対してＯＭ６の照明位置と検出位置を変化させない構成となっている。

以下、各部の詳細を、図２〜図１３に基づいて説明する。

図２は、暗視野照明ユニット６０１の詳細を示す。暗視野照明ユニット６０１は、照明光源６０１１、照明光の偏光方向を調整する波長板６０１２、照明光の照射のＯＮ／ＯＦＦを制御するシャッター６０１３で構成されている。

照明光源６０１１は、レーザ発振器やランプハウスである。レーザ発振器は波長５３２ｎｍや４８８ｎｍ、４０５ｎｍ等の可視光レーザや波長３５５ｎｍ等の紫外光レーザ、波長２６６ｎｍや１９９ｎｍ等の深紫外光レーザ、多波長レーザが使用可能であり、連続発振レーザやパルス発振レーザのどちらでも使用可能である。また、ランプ光は、ＨｇランプやＸｅランプが使用可能である。これらの選択方法としては、可視光レーザやランプは安定で安価な装置が実現可能であり、短波長のレーザは欠陥検出感度の高い装置が実現可能である。

次に、干渉性低減ユニット６０２は、レーザなどの干渉性を低減して検出信号を安定化させるために用いる。この干渉性低減ユニット６０２の機能は、空間的コヒーレンシや時間的コヒーレンシを低減することであり、一例を図３に示す。図３（ａ）は干渉性低減ユニット６０２の側面図であり、図３（ｂ）が正面図である。干渉性低減ユニット６０２は、拡散板６０２１、拡散板の回転用モータ６０２２で構成されており、回転モータ６０２２のモータ軸を中心に拡散板６０２１が回転する。暗視野照明ユニット６０１から射出された光が拡散板６０２１を通過することによって、コヒーレンシ低減が可能である。なお、本実施の形態では拡散板の例を示したが、空間的な位置や時間毎に光の位相を変化させるものであれば良く、図４に示すように、長さの違うファイバを束ねることによって、各ファイバから射出する光の位相を変化させたものを用いても良い。

落射ミラー６０３は、図５に示すように、入射した光をＺ軸方向に反射する機能を有するものである。また、一体型斜方ミラー６０４は、落射ミラー６０３から出た光を検出光学系６０５の焦点位置に集光させるミラーであり、検出光学系６０５に設置されている。これは、ミラー以外にもプリズムでも良い。

検出光学系６０５は、複数のレンズ群で構成されており、試料１から反射・散乱される光を集光し、光学フィルタ６０８およびズームレンズ６０９を通して検出器６１０に結像する機能を有する。ここで、光学フィルタ６０８に入射する光は平行光であるのが望ましい。平行光の利点は、光学フィルタ６０８による光路長の変化がないことである。

光学フィルタ６０８は光を変調するフィルタであり、例えば偏光板である。ただし、光学フィルタを用いない場合は、図示していない移動機構によりガラス板に変更可能な構成である。

次に、ズームレンズ６０９の詳細を説明する。ズームレンズ６０９の機能は、ＯＭ６の結像倍率を変化させることである。結像倍率の変更は、主に試料１のアライメント時に用いる。例えば、試料ホルダ２に搭載された試料１は回転方向やＸＹ平面方向にずれが生じていることが多い。従って、試料１のアライメントが必要となるが、試料１の搭載当初は、ずれ量が大きいため、アライメント用のテクスチャを探索するためには広い視野で探索する必要がある。一方、欠陥観察には高精度な位置決めが必要であり、それに伴う高精度なアライメントが必要であるため、高倍率な観察によるアライメントが必要となる。この時、視野は小さくなるため、複数の倍率を持つことが望ましい。

図６に示すように、ズームレンズ６０９は、レンズ群６０９１，６０９２，６０９３と、各レンズをＺ方向に移動させる移動機構６０９４で構成されている。本実施の形態では、試料１と検出器６１０との距離を変えないで倍率を変化させるために、レンズ６０９１，６０９２，６０９３のレンズ間距離を変えることにより、倍率を変化させる構成である。

検出器６１０は、例えば二次元ＣＣＤカメラである。性能としては、明視野照明ユニット６０１１の照明光源の波長に対して感度を有していれば良く、ＴＤＩ（ＴｉｍｅＤｅｌａｙＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ：時間遅延積分）機能を有していても良く、ＣＣＤ部は裏面照射型を用いても良い。ＴＤＩ機能を有している場合は、微小な光の高感度な検出が可能となるため、照明光量が少なくても良い利点があり、裏面照射型のＣＣＤを用いる利点は、紫外光や深紫外光の波長域において高感度な検出が可能である。また、撮像時に試料１を照明光でスキャンする構成の場合は一次元ＣＣＤセンサでも良い。また、カラーカメラでも良い。カラーカメラを用いる利点は、試料１のカラー画像を取得でき、試料１の色情報から欠陥の識別が行える点である。

ＳＥＭ５を図７で説明する。ＳＥＭ５は、一次電子を発生させる電子源５０１、一次電子を加速するための加速電極５０２、集束レンズ５０３、一次電子を二次元走査用に偏向する偏向器５０４、一次電子を試料１上に集束させるための対物レンズ５０５、試料１から発生した二次電子を検出する二次電子検出器５０６、試料１から発生した反射電子を検出する反射電子検出器５０７で構成されている。なお、検出器５０６および５０７は２個以上設置しても良い。

図１に示した欠陥観察装置の構成における動作を説明する。まず、試料１は、図示していないロードロック室を介して真空チャンバ４内の試料ホルダ２上に移送される。そして、試料１は、ステージ３の制御によりＯＭ６の視野位置に移動される。この時点では、試料１がＯＭ６の焦点位置からずれている可能性がある。試料１の高さが焦点位置からずれている場合は、ＯＭ６の焦点位置に試料１が設定されるようにＺ移動機構６１３を用いて検出光学系６０５をＺ方向に移動する。この時、一体型斜方ミラー６０４、ミラー６０６、ハーフミラー６０７、光学フィルタ６０８、ズームレンズ６０９、検出器６１０は検出光学系６０５に設置されているため、検出光学系６０５と共に移動する。なお、Ｚ方向の移動量の決定方法は後述する。

検出光学系６０５のＺ位置を適正化した後、試料１のアライメントを行う。アライメントは、主に試料１のＸＹ平面内の平行移動量と回転量を補正し、検査装置の座標系と本実施の形態の欠陥観察装置との座標系を合わせることを目的としている。アライメントの方法としては、ＯＭ６で試料１の画像を取得し、取得した画像を処理して基準となる位置を算出すれば良い。この時、回路パターンが作られていない試料の場合は試料１の外形のエッジ部でアライメントを行い、回路パターンが作られている試料の場合は事前に決めた位置に存在する回路パターンで画像処理を行う。

アライメントは、明視野検出方法で取得した画像を用いて行う。明視野検出時には、明視野照明ユニット６１１から照明光を射出し、ハーフミラー６０７、ミラー６０６で反射されて試料１に照射される。試料１からの反射光は、ミラー６０６、ハーフミラー６０７で反射され、ズームレンズ６０９で検出器６１０に結像される。ここで、明視野照明ユニット６１１は、例えばランプ照明である。また、本実施の形態の明視野検出では、図示していない移動機構を用いて光学フィルタ６０８を同厚のガラス板に切替えを行う。試料１の外形のエッジでアライメントを行う場合は、試料１の位置決めポイント（試料１がウェハの場合はノッチやオリエンテーションフラット）および外形の数点の画像を取得して処理すれば良い。

アライメントの後、欠陥検査装置から出力された欠陥の位置情報に従って、欠陥位置をＯＭ６の視野位置に移動し、ＯＭ６の暗視野検出方法で欠陥の画像を取得する。この時、各欠陥位置において試料１の高さがＯＭ６の焦点位置からずれている場合は、上述した方法で焦点合わせを行う。

ここで、暗視野検出方法について説明する。暗視野検出方法は、主に回路パターンの形成されていない試料に対して適用する。暗視野検出時には、まず、暗視野照明ユニット６０１から照明光を射出する。照明光はレーザ光でもランプ光でも良いが、レーザ光の方が照度を強くできるため、レーザ光を用いるのが望ましい。ただし、アルミニウム膜などのように反射率の高い膜が試料表面に塗布されている試料１の場合は、照度が低くても良いためランプ光でも良い。

暗視野照明ユニット６０１から射出された光は、干渉性低減ユニット６０２で光の干渉性を低減する。これは、主にレーザ光のスペックル低減を目的としており、ランプ光を用いる場合は無くても良い。干渉性低減ユニット６０２を通過した光は、真空遮断ガラス６１２を通って、真空チャンバ４内に入り、落射ミラー６０３でＺ方向に折り曲げられる。落射ミラー６０３で反射された光は、一体型斜方ミラー６０４で検出光学系６０５の焦点位置にある試料１に照射される。試料１から反射、散乱された光は、検出光学系６０５のレンズで集光し、ミラー６０６、ハーフミラー６０７で反射され、光学フィルタ６０８に入射する。光学フィルタ６０８を通過した光は、ズームレンズ６０９を通って検出器６１０の撮像位置に結像され、検出器６１０でディジタル信号に変換され、制御システム８に送信される。

以上のＯＭ６の暗視野検出方法で取得された画像は、図８（ａ）のような濃淡画像またはカラー画像として制御システム８に蓄積される。制御システム８では、図８（ｂ）のようにＳＥＭ５の視野範囲と欠陥位置のずれ量を算出し、該ずれ量を座標補正値として登録する。ずれ量の算出方法は、例えば、ＳＥＭ５の視野中心を画像中心とすると、画像における欠陥位置の重心座標と該画像中心との画素数を算出し、該画素数に画素寸法を乗算すれば良い。この後、座標補正値を用いて欠陥がＳＥＭ５の視野範囲に入るようにステージ３で試料１を移動し、ＳＥＭ５で欠陥を観察する。観察された欠陥の画像は、制御システム８に送信され、ユーザインターフェイス９への表示やデータベース１０への登録、また、自動欠陥分類処理等を行う。

次に、ＳＥＭ５の動作を図７で説明する。電子源５０１から射出された一次電子は、加速電極５０２で所望の速度に加速され、集束レンズ５０３、対物レンズ５０５で試料１上に集束される。試料１からは一次電子に誘発された二次電子や反射電子が放出される。該放出された電子を二次電子検出器５０６および反射電子検出器５０７で検出し、図示していない光電変換器、Ａ／Ｄ変換器でディジタル信号に変換する。以上の動作を偏向器５０４で一次電子を偏向させることによって、試料１上の二次元領域を走査し、該領域の信号を得る。得られた信号はディジタル化され、制御システム８に送信され、画像として構成される。なお、ＳＥＭ５の焦点位置は各位置で焦点合わせを行っても良いし、ＯＭ６の観察時に算出したＺ位置情報を保存しておき、ＳＥＭ５で観察するときの焦点位置を算出して用いても良い。

欠陥観察の流れを図９で説明する。まず、試料１のアライメントを行う（Ｓ１３０１）。これは、上述したようなＯＭ６によるアライメントである。次に、欠陥検査装置によって検出された欠陥の位置情報に従って、試料１上の観察したい欠陥をＯＭ６の視野に移動する（Ｓ１３０２）。ＯＭ６を移動して焦点合わせを行う（Ｓ１３０３）。ＯＭ６で取得した画像から欠陥位置を探索し（Ｓ１３０４）、欠陥を検出したならば（Ｓ１３０５−Ｙｅｓ）、ＯＭ６による欠陥検出位置とＳＥＭ５の視野位置とのずれ量を算出する（Ｓ１３０６）。該ずれ量を基に、前記欠陥の位置情報を補正し（Ｓ１３０７）、補正した欠陥位置をＳＥＭ５の視野へ移動し、観察を行う（Ｓ１３０８）。この時、観察された情報は制御システム８に送信される。次に、他の欠陥の観察が必要でない場合（Ｓ１３０９−Ｎｏ）は、観察終了とし（Ｓ１３１０）、観察が必要である場合（Ｓ１３０９−Ｙｅｓ）は、観察したい欠陥の位置情報を取得し（Ｓ１３１１）、上述したＯＭ６へ欠陥を移動するシーケンス（Ｓ１３０２）へ戻って処理を進める。なお、上述した欠陥検出シーケンスで欠陥検出ができなかった場合（Ｓ１３０５−Ｎｏ）は、欠陥位置が視野範囲以上にずれていることが考えられるため、ＯＭ６の視野周辺部を探索しても良い。視野周辺部を探索する場合（Ｓ１３１２−Ｙｅｓ）は、視野に相当する大きさ分だけ試料１を移動し（Ｓ１３１３）、上述した欠陥探索シーケンス（Ｓ１３０４）から処理を行う。また、視野周辺部を探索しない場合（Ｓ１３１２−Ｎｏ）は、シーケンス（Ｓ１３０９）に従って処理を行う。

次に、Ｚ位置の算出方法を図１０で説明する。図１０は、高さ検出システム７の構成を示しており、照明光源７０１、照明用集光レンズ７０２、検出用集光レンズ７０３、検出器７０４で構成されている。詳細に述べると、照明光源７０１は、例えばレーザ発振器やランプハウスであり、検出器７０４は、例えばＣＣＤカメラ、ＣＣＤリニアセンサである。

高さ検出システム７の動作を説明する。照明光源７０１から射出された光は、照明用集光レンズ７０２で試料１上に集光される。試料１では、試料１への入射角度に応じた方向へ光が反射される。該反射光は、検出用集光レンズ７０３を通って検出器７０４に集光される。Ｚ位置の算出方法としては、まず、試料１の基準高さにおける検出器７０４の光検出位置を記憶しておく。次に、試料１の高さが変化すると、検出器７０４における光検出位置が移動するため、光検出位置の移動量（検出器７０４の画素数）と試料１の高さの変化量との関係を予め測定しておくことによって、移動量から高さを算出することができる。

なお、照明にレーザ光を用いる場合、集光効率が良いために、低出力の光源を用いて高精度な検出が可能となる利点がある。また、ランプ光（＝多波長の光）を用いる場合は、試料１の最表面に透明な膜が塗布されている試料に対しても安定した検出が可能となる利点がある。これは、膜厚の変動に対する平均化効果によるものである。

Ｚ位置を算出する別の方法を図１１で説明する。図１１は、Ｚ位置算出シーケンスを示している。本方法は、ＯＭ６で取得した画像を用いる例である。まず、Ｚ移動機構６１３を用いて検出光学系６０５を最下点（＝試料に近い点）に移動させる（Ｓ１４０１）。次に、検出器６１０で画像を取得し、制御システム８に送信する（Ｓ１４０２）。この時、試料のエッジの画像を使用する場合や回路パターンが形成されている試料の場合は明視野検出方法を使用するのが望ましく、回路パターンが存在しない試料の場合は、暗視野検出方法を使用するのが望ましい。画像取得後、Ｚ移動機構６１３で検出光学系６０５を１段階、上に移動させる（Ｓ１４０３）。ここで、１段階とは、Ｚ位置を検出するための分解能の単位であり、概ねＯＭ６の焦点深度の１／２以下が望ましい。検出光学系６０５を移動した後、検出光学系６０５の位置が事前に決めた移動範囲内であれば（Ｓ１４０４−Ｙｅｓ）、再び画像取得（Ｓ１４０２）を行う。一方、検出光学系６０５の位置が前記移動範囲を超えた場合（Ｓ１４０４−Ｎｏ）は、Ｚ位置算出処理（Ｓ１４０５）のシーケンスに進む。

Ｚ位置算出処理の一例を説明する。まず、画像内の最大輝度を探索し、Ｚ位置と該最大輝度をプロットしたグラフ１４１１を作成する。次に、グラフ１４１１におけるピーク位置を算出する。この時、計測点を基にして多次元曲線で近似し、ピーク位置を算出するのが望ましい。そして、該ピーク位置に対応するＺ位置が検出光学系６０５を移動すべき位置となる。

なお、上述した高さ検出システム７を使用する例では、高さ検出システム７をＳＥＭ５の位置に配置し、ＳＥＭ５の位置における試料１の高さからＯＭ６の高さを決めたが、高さ検出システム７をＯＭ６の位置に設置しても良く、また、ＳＥＭ５とＯＭ６の両方の位置に設置しても良い。高さ検出システム７の数が少なければ安価な装置が製作可能であり、また、それぞれに設置すれば焦点合わせ精度を向上できる利点がある。

次に、自動欠陥分類の一例を図１２で説明する。図１２は、ＯＭ６における欠陥の検出結果とＳＥＭ５における欠陥の検出結果の組合せを示している。一般に、光学的に透明な膜が試料の最表面に成膜されている場合、膜下の欠陥であっても光学的には検出可能であるが、ＳＥＭでは検出が難しい。これは、ＳＥＭが試料表面から放出される二次電子や反射電子を検出しているためである。この性質を利用すると、図１２の分類欠陥が得られる。つまり、ＯＭ６による検出が可能で、かつ、ＳＥＭ５で検出可能な欠陥は試料表面に存在する欠陥であり、ＯＭ６による検出が可能で、かつ、ＳＥＭ５で検出不可能な欠陥は膜中または膜下の欠陥と分類できる。また、ＯＭ６による検出が不可能で、ＳＥＭ５による検出も不可能な場合は、欠陥検査装置の擬似欠陥、つまり、誤検出であると分類できる。

以上説明した例では、各欠陥に対して欠陥位置の補正量を算出し、その都度、ＳＥＭ５で観察する場合で説明したが、複数の欠陥の位置補正量をＯＭ６で登録しておき、複数の欠陥または全欠陥の補正量算出が終了した後にＳＥＭ５で観察する場合にも適用できる。また、欠陥検査装置が検出した欠陥の位置ずれ量が、一定方向の平行移動量と一定方向の回転成分のみであると見込まれる場合は、数点（３点程度）の欠陥の位置補正量から全欠陥の位置の補正式を作成し、ＯＭ６の観察をしないで前記補正式による算出位置を用いてＳＥＭ５で観察しても良く、観察対象の欠陥の近傍に観察済みの欠陥が存在する場合は、該観察済み欠陥の位置補正量を該観察対象の欠陥の位置補正量として適用しても良い。また、前記補正式を初期データとし、ＯＭ６による座標補正を行う毎に補正式を修正して用いても良い。さらに、欠陥検査装置で検出される欠陥位置のずれ量が、試料に依らず、ほぼ同一値であると見込まれる場合は、測定済み試料の補正式を用いて、新規試料の位置を補正しても良い。以上のように補正量を算出する欠陥数を少なくする利点は、観察作業を高スループット化できることである。

また、暗視野照明ユニット６０１から射出されるビーム径が大きく、視野範囲に対して照明範囲が十分大きい場合や、一体型斜方ミラー６０４による斜方照明の角度が小さい場合は、落射ミラー６０３と一体型斜方ミラー６０４の代わりに、図１３に示すような一体型プリズム６２１を用いても良い。この一体型プリズム６２１は、入射光を試料１側に反射し、されに試料１に対して斜方照明する機能を有する。このような一体型プリズム６２１を使用する利点は、落射ミラー６０３および一体型斜方ミラー６０４を用いる場合よりも構成が容易となることである。

また、本実施の形態では、主に電子顕微鏡を用いて観察する場合を説明したが、電子顕微鏡以外にＸ線分析機やＦＩＢ（ＦｏｃｕｓｅｄＩｏｎＢｅａｍ）を用いた分析機等、光学式よりも詳細に観察可能なものに適用可能である。

（第２の実施の形態）
図１４により、本発明の第２の実施の形態における欠陥観察方法およびその装置の一例を説明する。

本実施の形態における欠陥観察装置において、ＯＭ６の別の例を図１４で説明する。ＯＭ６は、暗視野照明ユニット６０１、干渉性低減ユニット６０２、斜方ミラー６３１、検出光学系６０５、ミラー６０６、ハーフミラー６０７、光学フィルタ６０８、ズームレンズ６０９、検出器６１０、明視野照明ユニット６１１、真空遮断ガラス６１２、検出器６１０を移動させるためのガイドレール６３２、検出器６１０の位置を算出するための原点センサ６３３、検出器６１０を移動させるためのパルスモータ６３４、真空遮断ガラス６３５および図示していないレンズ群で構成されている。なお、斜方ミラー６３１は、試料１の高さ変動に伴う移動が必要ないため、検出光学系６０５に固定されていても良い。

上述の第１の実施の形態では、検出光学系６０５に付随した構成要素をＺ方向に移動することによって焦点合わせを行っているが、本実施の形態は、検出光学系６０５を固定し、検出器６１０をＺ方向へ移動することによって焦点合わせを行う構成である。本実施の形態の構成は、検出光学系６０５を移動させる必要がないため、Ｚ移動機構の構成が容易となる利点がある。ただし、検出器６１０への結像倍率が変動するため、倍率変動が問題になる場合は倍率補正等を行う必要がある。

図１４に示したＯＭ６を含む欠陥観察装置の構成における動作を説明する。明視野検出方式および暗視野検出方式による画像を取得する動作は、上述の第１の実施の形態と同様であるので、ここでは、焦点合わせの方法と倍率補正の方法について述べる。

まず、試料１の高さを測定する方法は、上述の高さ検出システム７を使用すれば良い。この時、試料１と検出光学系６０５の物体側主平面との距離をａ、検出光学系６０５の像側主平面と検出器６１０の受光面との距離をｂ、検出光学系６０５の焦点距離をｆとすると、上述の高さ検出システム７から得られる情報により、前記ａは既知であり、前記焦点距離ｆも既知であるため、（式１）の関係式からｂの値を算出することができる。従って、ｂの距離となる位置に検出器６１０を移動させれば焦点合わせが完了する。

１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ・・・（式１）
検出器６１０の移動方法は、例えば、パルスモータ６３４を使ってガイドレール６３２に沿ってＺ方向に移動させる方法である。パルスモータ６３４による移動量は、原点センサ６３３からのパルス数を算出すれば良い。この時、結像倍率Ｍは（式２）となるため、基準位置における倍率をＭ０とすると、（式３）で算出される値ｋが倍率変動量となる。従って、画像から算出した欠陥位置のずれ量に対して、倍率変動量ｋを乗算することによって、倍率補正後の位置補正量を算出することができる。

Ｍ＝ｂ／ａ・・・（式２）
ｋ＝Ｍ／Ｍ０・・・（式３）
なお、高さ検出システム７を用いない場合は、上述の第１の実施の形態で説明した検出光学系６０５の移動による画像取得の代わりに、検出器６１０を移動させて画像を取得することにより、検出した画像から焦点合わせが可能である。この場合、原点センサ６３３からのパルス数で検出器６１０の位置を算出し、該算出値を上述したｂの値に代入して倍率Ｍを算出すれば良い。

（第３の実施の形態）
図１５、図１６により、本発明の第３の実施の形態における欠陥観察方法およびその装置の一例を説明する。

本実施の形態における欠陥観察装置において、ＯＭ６の別の例を図１５で説明する。ＯＭ６は、レーザ照明ユニット６４１、干渉性低減ユニット６０２、ランプ照明ユニット６４２、ミラー６４３、ハーフミラー６４４、検出光学系６４５、光学フィルタ６４６、ズームレンズ６０９、検出器６１０、Ｚ移動機構６１３および図示していないレンズ群で構成されている。本実施の形態は、照明光路を落射照明のみにした例であり、構成が簡易である利点がある。

図１５に示したＯＭ６を含む欠陥観察装置の構成における動作を説明する。まず、レーザ光による暗視野画像を得る方法を説明する。レーザ照明時には、ミラー６４３を図示していない機構を用いてレーザ照明用光路から排除する。レーザ照明ユニット６４１から射出された光は、干渉性低減ユニット６０２を通って検出光学系６４５内に設置されたハーフミラー６４４で試料１側に反射され、試料１に照射される。試料１からの反射光・散乱光は、検出光学系６４５で検出され、光学フィルタ６４６を通過した光をズームレンズ６０９で検出器６１０に結像させる。

ここで、光学フィルタ６４６は検出光学系６４５の瞳位置に設置されており、図１６に示す形状のフィルタである。図１６（ａ）は光学フィルタ６４６の断面図、図１６（ｂ）は上面図である。光学フィルタ６４６は、光軸を中心とした部分に遮光部を有し、前記遮光部と瞳外形との間に位置する光を透過させるフィルタである。前記遮光部は、試料１の正反射光を遮光する領域に設定されている。また、光透過部はガラス板または偏光板である。光透過部がガラス板の場合は通常の暗視野検出となり、光透過部が偏光板の場合は暗視野の偏光検出が可能となる。

また、明視野検出を行う場合は、光学フィルタ６４６を図示していない機構で光路中から除外すれば良い。さらに、ランプ照明で観察する場合は、ミラー６４３を光路中に挿入し、ランプ照明ユニット６４２から射出された光をミラー６４３で反射して用いれば良い。

（第４の実施の形態）
図１７により、本発明の第４の実施の形態における欠陥観察方法およびその装置の一例を説明する。

本実施の形態における欠陥観察装置において、ＯＭ６の別の例を図１７で説明する。ＯＭ６は、暗視野照明ユニット６０１ａ，６０１ｂ、干渉性低減ユニット６０２ａ，６０２ｂ、ミラー６５１ａ，６５１ｂ、真空遮断ガラス６１２ａ，６１２ｂ、一体型斜方ミラー６５２ａ，６５２ｂ、検出光学系６５３、ハーフミラー６４４、光学フィルタ６０８、ズームレンズ６０９、ダイクロイックミラー６５４、検出器６１０ａ，６１０ｂ、明視野照明ユニット６１１、Ｚ移動機構６１３および図示していないレンズ群で構成されている。

ここで、本実施の形態における添字のａおよびｂは異なる波長に対応した部品であることを示している。つまり、暗視野照明ユニット６０１ａと６０１ｂは異なる波長の光を照射する。例えば、暗視野照明ユニット６０１ａが波長５３２ｎｍのレーザ光、暗視野照明ユニット６０１ｂが波長４０５ｎｍのレーザ光であり、前述の波長に限らず、他の波長の組合せでも良い。ダイクロイックミラー６５４は、前記異なる波長を分離する性能を有するものである。また、一体型斜方ミラー６５２ａと６５２ｂは、試料１への照射角度が異なる構造である。つまり、一体型斜方ミラー６５２ａは試料１へ角度αで照射し、一体型斜方ミラー６５２ｂは試料１へ角度βで照射するが、αとβは異なる角度である。さらに、一体型斜方ミラー６５２ａと６５２ｂは、検出光学系６５３に設置されており、検出光学系６５３のＺ方向の移動に伴って一体型斜方ミラー６５２ａと６５２ｂも移動する構成である。本実施の形態は、照明角度の違いにより欠陥検出性能の違いがある場合に用いる例である。

図１７に示したＯＭ６を含む欠陥観察装置の構成における動作を説明する。明視野検出方法および高さ検出方法については、上述の第３の実施の形態と同様のため、ここでは、暗視野検出方法について説明する。

暗視野照明ユニット６０１ａおよび６０１ｂから射出された光は、それぞれ、干渉性低減ユニット６０２ａ，６０２ｂを通過し、ミラー６５１ａ，６５１ｂで試料１側に反射される。該反射光は、一体型斜方ミラー６５２ａ，６５２ｂで試料１に照射される。試料１から反射・散乱された光は、検出光学系６５３で集光され、光学フィルタ６０８を通過した光がズームレンズ６０９で検出器６１０ａおよび６１０ｂに結像される。この時、ダイクロイックミラー６５４によって波長分離されるため、前記異なる照明角度で照射された光による反射・散乱光は、それぞれ別の検出器６１０ａ，６１０ｂで検出されることになる。検出器６１０ａおよび６１０ｂで得られた信号は、制御システム８に送信されて欠陥検出処理が行われる。

なお、本実施の形態は、異なる照明角度による欠陥検出を同時に行う例で説明しているが、欠陥検出時間に余裕がある場合は、順次、照明角度を変えて検出しても良い。この場合、検出器６１０は一式で良い。また、本実施の形態では、二種類の照明角度の例を説明したが、必要に応じて照明角度の種類を増やしても良い。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明は、半導体製造工程で発生した欠陥を観察する欠陥観察技術に係り、特に、電子顕微鏡やＸ線分析装置等を用いた欠陥観察方法およびその装置に適用して有効である。

本発明の第１の実施の形態における欠陥観察装置の構成の一例を示す図である。本発明の第１の実施の形態において、暗視野照明ユニットを詳細に示す図である。本発明の第１の実施の形態において、干渉性低減ユニットを詳細に示す側面図（ａ）と正面図（ｂ）である。本発明の第１の実施の形態において、干渉性低減ユニットの別の例を詳細に示す図である。本発明の第１の実施の形態において、落射ミラーを詳細に示す図である。本発明の第１の実施の形態において、ズームレンズを詳細に示す図である。本発明の第１の実施の形態において、電子顕微鏡を詳細に示す図である。本発明の第１の実施の形態において、光学式顕微鏡の暗視野検出方法で取得された画像（ａ）と欠陥の位置ずれ量算出画像（ｂ）を示す図である。本発明の第１の実施の形態において、欠陥観察の流れを示す図である。本発明の第１の実施の形態において、高さ検出システムを詳細に示す図である。本発明の第１の実施の形態において、Ｚ位置算出のシーケンスを示す図である。本発明の第１の実施の形態において、自動欠陥分類の区分を示す図である。本発明の第１の実施の形態において、斜方照明用ミラーの別の例を詳細に示す図である。本発明の第２の実施の形態における欠陥観察装置において、光学式顕微鏡の別の例を詳細に示す図である。本発明の第３の実施の形態における欠陥観察装置において、光学式顕微鏡の別の例を詳細に示す図である。本発明の第３の実施の形態における欠陥観察装置において、光学フィルタを詳細に示す断面図（ａ）と上面図（ｂ）である。本発明の第４の実施の形態における欠陥観察装置において、光学式顕微鏡の別の例を詳細に示す図である。

符号の説明

１…試料、２…試料ホルダ、３…ステージ、４…真空チャンバ、５…電子顕微鏡、６…光学式顕微鏡、７…高さ検出システム、８…制御システム、９…ユーザインターフェイス、１０…データベース、１１…ネットワーク、５０１…電子源、５０２…加速電極、５０３…集束レンズ、５０４…偏向器、５０５…対物レンズ、５０６…二次電子検出器、５０７…反射電子検出器、６０１，６０１ａ，６０１ｂ…暗視野照明ユニット、６０２，６０２ａ，６０２ｂ…干渉性低減ユニット、６０３…落射ミラー、６０４…一体型斜方ミラー、６０５…検出光学系、６０６…ミラー、６０７…ハーフミラー、６０８…光学フィルタ、６０９…ズームレンズ、６１０，６１０ａ，６１０ｂ…検出器、６１１…明視野照明ユニット、６１２，６１２ａ，６１２ｂ…真空遮断ガラス、６１３…Ｚ移動機構、６２１…一体型プリズム、６３１…斜方ミラー、６３２…ガイドレール、６３３…原点センサ、６３４…パルスモータ、６３５…真空遮断ガラス、６４１…レーザ照明ユニット、６４２…ランプ照明ユニット、６４３…ミラー、６４４…ハーフミラー、６４５…検出光学系、６４６…光学フィルタ、６５１ａ，６５１ｂ…ミラー、６５２ａ，６５２ｂ…一体型斜方ミラー、６５３…検出光学系、６５４…ダイクロイックミラー、６０１１…照明光源、６０１２…波長板、６０１３…シャッター、６０２１…拡散板、６０２２…回転用モータ、６０９１，６０９２，６０９３…レンズ群、６０９４…移動機構、７０１…照明光源、７０２…照明用集光レンズ、７０３…検出用集光レンズ、７０４…検出器。

Claims

電子顕微鏡で試料の欠陥を観察する方法であって、
前記電子顕微鏡に搭載された光学式顕微鏡を用いて、予め前記試料の欠陥を他の光学式検査装置で検出して得た情報に基づいて前記試料に焦点合わせを行う第１の工程と、
前記光学式顕微鏡で前記欠陥を再検出する第２の工程と、
前記第２の工程で再検出された欠陥の位置情報に基づいて前記欠陥の位置情報を補正する第３の工程と、
前記第３の工程で位置情報を補正された欠陥を前記電子顕微鏡で観察する第４の工程を有し、
前記第１の工程では、前記光学式顕微鏡の検出光学系の一部または全部を移動させて前記光学式顕微鏡の焦点位置が前記試料の表面にくるように調整し、前記試料に対して斜方から入射したときに前記光学式顕微鏡の照明位置と前記光学式顕微鏡の観察位置とが一致することを特徴とする欠陥観察方法。
請求項１記載の欠陥観察方法において、
前記第２の工程による前記欠陥の再検出結果と前記第４の工程による前記電子顕微鏡での観察結果とを比較して、欠陥の種類を分類する第５の工程を有することを特徴とする欠陥観察方法。
請求項１または２記載の欠陥観察方法において、
前記第１の工程では、前記光学式顕微鏡の検出光学系の対物レンズおよびミラーを移動させることにより前記光学式顕微鏡の焦点位置が前記試料の表面にくるように調整することを特徴とする欠陥観察方法。
電子顕微鏡で試料の欠陥を観察する装置であって、
光学式欠陥検査装置で検出された前記試料の欠陥の位置を再検出する光学式顕微鏡と、
前記光学式顕微鏡に搭載されていて前記試料の焦点合わせを行う焦点合わせ手段と、
前記光学式顕微鏡で再検出された欠陥の位置情報に基づいて前記欠陥の位置情報を補正する位置補正手段と、
前記位置補正手段で位置情報を補正された欠陥を観察する電子顕微鏡を有し、
前記焦点合わせ手段は、前記光学式顕微鏡の検出光学系の一部または全部を移動させて前記光学式顕微鏡の焦点位置が前記試料の表面にくるように調整し、前記試料に対して斜方から入射したときに前記光学式顕微鏡の照明位置と前記光学式顕微鏡の観察位置とが一致することを特徴とする欠陥観察装置。
請求項４記載の欠陥観察装置において、
前記光学式顕微鏡により再検出された前記試料の欠陥と前記電子顕微鏡により観察された前記欠陥とを比較して、欠陥の種類を分類する分類部を有することを特徴とする欠陥観察装置。
請求項４または５記載の欠陥観察装置において、
前記焦点合わせ手段では、前記光学式顕微鏡の検出光学系の対物レンズおよびミラーを移動させることにより前記光学式顕微鏡の焦点位置が前記試料の表面にくるように調整することを特徴とする欠陥観察装置。