JP5374167B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線装置に係り、特に、半導体ウェハ、磁気ディスク装置に用いられる磁気記録媒体、等の観察及び検査に適した荷電粒子線装置に関する。

半導体ウェハの異物や回路パターンの欠陥等を検査する装置として、電子線を用いた検査装置が使用されている。これらの電子線検査装置は電子線を点状に絞って走査する走査電子線方式が主流となっている。電子線検査装置では、観察試料の損傷を抑え、所望の分解能や感度で検査するために、半導体ウェハに電圧を印加して電子線の照射エネルギーを制御している。この電圧の印加をリターディングと呼ぶ。リターディングにより試料の上方に電界が生じるが、この電界は試料端部付近では均一でなく乱れている。その結果、電子線の軌道が不規則に曲げられるため、ビームシフトやシェーディングなどが生じ、試料端部では正確な画像を観察することが困難であった。このような電界の乱れによる影響は、荷電粒子線を用いてリターディングを使用している装置であれば発生する可能性がある。

リターディング電圧を試料に印加し、電子線を用いた観察手法の一種として、プロジェクション式検査装置と呼ばれる検査装置が特許文献１等によって知られている。この手法は、走査電子線を用いた手法より検査速度を高速にするために、電子線を「点ビーム」として走査する代わりに、２次元的な広がりを持った「面積ビーム」として照射するものである。試料には加速電圧とほぼ同じ絶対値を持った負のリターディング電圧が印加されており、試料に照射された電子線は試料に衝突する直前で軌道を反転させる。照射電子線はリターディング電圧によって試料上方に形成される等電位面で軌道を反転させられ、この等電位面の傾きに応じたコントラストが像として形成される。この手法は等電位面の傾きに対し非常に感度が良い反面、試料端部では等電位面の歪みによって大きくビームシフトしてしまい、画像を取得するのが困難になってしまう。

リターディングによる試料の上方に発生した電界を試料全面に渡って均一化し、画像の乱れを軽減させる方法として、試料外周部に電界を均一にする電極を設ける方法が、特許文献２に提案されている。この方法は、試料表面とほぼ同じ高さの導体板を、試料外周部に試料と微小な隙間を空けて試料ホルダ上に配置し、導体板を試料ホルダと電気的に導通させておくものである。

また、別の方法が特許文献３や特許文献４に記載されている。これらの方法は、試料外周部の試料ホルダ上に、絶縁体によって試料ホルダと電気的に絶縁された導体板を設置する。導体板はリターディング電圧供給用の電源とは別の電源と結線されており、導体板に任意の電圧を印加することにより、試料上方の電界の乱れを抑制する。

特開平１１−１０８８６４号公報 特開２０００−１４９８４５号公報 特開２００４−２３５１４９号公報 特開２００４−１４２５１号公報

試料全面を観察する場合、試料ステージは並進ステージのみによる構成よりも並進ステージと回転ステージを組み合わせた構成の方が、真空チャンバーの容積を削減でき、チャンバー材料の削減および真空排気時間の削減に有利である。例えば、直径ｄの試料の全面を観察する場合、並進ステージのみを用いるステージでは４ｄ^２の稼働面積が必要になるが、回転ステージと並進ステージを組み合わせたステージでは１．５ｄ^２の稼働面積で済むため、真空チャンバーの容積を６３％削減することができる。

また、特にプロジェクション式検査装置においては、試料端部における電界歪みの影響を大きく受けるため、より高精度に電界歪みを抑制し、いかなる試料に対しても試料端部まで電界歪みを抑制する必要がある。

特許文献２に記載の方法は、試料ホルダに供給される電圧はリターディング電圧のみであるため、配線は1本で済み、回転ステージを回転させたときにも配線が絡むことはない。しかし、導体板の電圧を変えることができないため、導体板の高さと試料との隙間によって等電位面は一意に決まってしまい、等電位面を細かく制御し、試料端部まで電界歪みを補正し、試料全面をくまなく観察することは難しい。

特許文献３及び特許文献４に記載の方法は、試料ホルダと導体板は電気的に絶縁され、リターディング電圧とは異なる電圧を導体板に印加することができるため、試料や試料と導体板の距離に依存せず、試料の観察に最適な等電位面を形成させることが可能である。しかし、リターディング電圧を印加する配線と導体板に電圧を印加する配線の２本が必要であるため、回転ステージを無限回転させた場合、２本の配線が絡んでしまう。したがって、回転ステージの回転角θは、0°≦θ＜360°に制限されてしまい、任意の観察場所に移動する際、回転方向が制限される場合があり、無限回転に比べて時間がかかってしまう。

そこで、本発明の目的は、上記問題を解決し、無限回転できる回転ステージを有し、試料端部における電界歪みを細かく制御する荷電粒子線装置を提供することにある。

本発明の代表的なものの一例を示せば以下の通りである。即ち、本発明の荷電粒子線装置は、荷電粒子線を観察対象試料に照射する照射光学系と、前記試料から放出もしくは反射した荷電粒子線を結像させる結像光学系と、前記試料に電圧を印加する機構と、前記試料を移動させるベースステージと、前記ベースステージ上において前記試料を回転させる回転ステージと、前記回転ステージの周囲に該回転ステージから独立して設置され、前記試料上の等電位面を変化させる試料電界制御機構とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、リターディング電圧を印加でき、なおかつ無限回転可能な試料ステージを有し、試料全面を画像歪みなく観察可能な荷電粒子線装置を実現することができる。

本発明の第一の実施例になる検査装置の全体構成を説明する図。 第一の実施例のステージ機構および電界制御機構の構造を概略的に示した断面図。 第一の実施例のステージ機構および電界制御機構の構造を概略的に示した平面図。 第一の実施例の試料端部における等電位面を概略的に示した図 第一の実施例による電界制御機構を調整するためのＧＵＩ画面。 第一の実施例による電界制御機構の調整手順のフローを示す図。 第一の実施例における、θステージの回転角に対する電界制御電極-試料間距離Ｌの変化と電界制御電極への印加電圧Ｖｃの関係を示す概略図。 図６のフローで、メモリのテーブルに記録することにより得られた、θステージ回転角と電界制御電極への印加電圧の関係を示したルックアップテーブル一例を示す図。 第一の実施例における、試料の観察・検査の手順のフローを示す図。 第一の実施例における、試料面上の電子線の軌跡を示す図。 本発明の第二の実施例における、試料の観察・検査の手順のフローを示す図。 第二の実施例における、試料面上の電子線の軌跡を示す図。 本発明の第三の実施例になるステージ機構および電界制御機構の構造を概略的に示した断面図。 第三の実施例のステージ機構および電界制御機構の構造を概略的に示した平面図。 第三の実施例の試料端部における電荷の様子を概略的に示した図 本発明の第四の実施例になるステージ機構および電界制御機構の構造を概略的に示した断面図。 第四の実施例のステージ機構および電界制御機構の構造を概略的に示した平面図。

本発明は、試料へのリターディング電圧は回転中心から電圧印加することで、回転ステージが無限回転できるようにし、試料の周囲には試料端部における電界歪みを補正するための電界制御電極が設置されていることを特徴とする。電界制御電極は試料の回転時でも回転せずに電圧を印加することができ、電界制御電極に印加される電圧を調整することで、試料上の等電位面を変化させ、試料上の電界歪みを抑制する。

本発明によれば、離散的な回転ステージの回転角ごとに最適な電界制御電極の印加電圧を測定し、測定角度の間の回転角については近接の印加電圧から補間計算することで求める。以上の手順により、ビームシフトなどによる画像乱れがなくなり、試料全面を観察可能になる。

また、別の手法として、試料ホルダ上に絶縁体を介し、試料の周囲を囲むように、電界制御板を設置する。電界制御板は非接触の電界制御電極と近接しており、試料回転時でも電界制御電極は回転しない。電界制御電極に電圧を印加することで、電界制御板内の電荷を移動させ電界制御板上の等電位面を変化させる。それに伴い試料上の等電位面を変化させ、試料上の電界歪みを抑制する。

また、別の手法として、試料ホルダ上に絶縁体を介し、試料の周囲を囲むように電界制御板を設置し、電界制御板に照射するための帯電制御電子銃と紫外光源を設置する。電界制御板に電子線を照射することで電界制御板に電子を蓄積させ、紫外光を照射することで光電効果によって電子を除去する。電界制御板に蓄積する電荷を制御することで、電界制御板上の等電位面を変化させ、それに伴い試料上の等電位面を変化させ、試料上の電界歪みを抑制する。
以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。

本発明の第一の実施例になる検査装置を、図１〜図１０を参照しながら説明する。まず、図１に、本発明の一実施例になる検査装置、すなわち荷電粒子線装置の全体的な構成を示す。本装置は、大別すると、電子ビーム照射光学系、ミラー電子結像光学系、ステージ機構系、電界制御機構系、画像検出系、制御系より構成されている。ただし、本図では、真空排気用ポンプやその制御装置、排気系配管などは略されている。電子ビーム照射光学系は、例えば電子銃１、引き出し電極２、コンデンサレンズ３、偏向器４、ビームを平行にする手段を主な要素とする。他にも色々な構成要素が付く場合もあるが、詳細は省略する。ミラー電子結像光学系は、円孔電極８、対物レンズ７、Ｅ×Ｂ偏向器５、中間レンズ１１、投影レンズ１２を主な構成要素とする。ミラー電子結像光学系に関しても、他に色々な構成要素が付く場合もあるが、詳細は省略する。

電子ビーム照射光学系において、引き出し電極２には電圧が印加されており、電子源１から放出する照射電子線の引き出し電圧と加速電圧を調整できるようになっている。電子源１から放出された照射電子線は、コンデンサレンズ３によって集束させ、かつＥ×Ｂ偏向器５によって偏向されて、クロスオーバーを形成した後、対物レンズ７により平行束となって（または、特定の面積を持つ電子ビームとなって）、試料９上に照射される。

照射電子線はＥ×Ｂ偏向器５によって試料９に垂直な光軸に偏向されるため、Ｅ×Ｂ偏向器５は、電子源側から試料側へ向かう方向からの電子線に対してのみ偏向作用を持ち、ビームセパレータとして機能している。Ｅ×Ｂ偏向器５により偏向された照射電子線は対物レンズ７により平行束となるため、数１０μｍといった大きな広がりをもった領域を照射する。

試料９には、電子線の加速電圧と絶対値がほぼ等しいか、絶対値が加速電圧より僅かに大きい負電圧（リターディング電圧）Ｖが電源ユニット２２によって印加されている。照射電子線はこのリターディング電圧によって試料９の手前で減速、反射してミラー電子として上方に引き戻される。入射電子は表面に触ることがないか、触ったとしても僅かであるため、試料表面に電荷が溜まりにくい。したがって、コンタミはほとんど付かず、試料表面を汚すことはない。このミラー電子は表面の電位分布を反映した情報を持っている。つまり表面の凹凸情報や材料の違いによる帯電の情報などを反映している。このミラー電子は対物レンズ７により集束作用を受け、Ｅ×Ｂ偏向器５は下方からの進行した電子線に対しては偏向作用を持たないので、そのまま垂直に上昇し、中間レンズ１１、投影レンズ１２によって蛍光板１３に投影される。２１は結像系偏向器である。

画像検出系は、蛍光板１３、光学像伝達部１４、光学像検出器１５、検出器回転機構２７を含み、投影されたミラー電子を電気信号に変換する。光学像検出器１５としてＣＣＤカメラもしくはＴＤＩセンサを用いる。ＴＤＩセンサとは、時間遅延積分型の画像取得を行うモードを備えた撮像デバイスである。試料９を回転させながら連続で撮影する場合は、ＴＤＩセンサが好ましい。光学像検出器１５としてＴＤＩセンサを用いる場合、検出器回転機構２７を用いてＴＤＩセンサ１５の画素積分方向と観察像の回転の線速度ベクトル方向を一致させる。また、任意信号発生器２５からＴＤＩセンサ１５に出力されるトリガー信号及び回転ステージ１７の回転速度を調整することで、ＴＤＩセンサ１５の電荷移動速度と受光面上の画像移動速度を一致させる。画像処理ユニット２６は、試料９の構造の設計パターンを記憶しており、取得画像から画像処理ユニット２６が欠陥を検出したとき、その信号は装置制御ユニット２４に送られ、ステージから送られてきた座標位置と関連づけられて保存される。なお、ここで、画像とは、光学像検出器の出力信号、二次元強度分布データ、等を含む。

荷電粒子線装置各部の動作命令および動作条件は、装置制御ユニット２４を介して入出力される。装置制御ユニット２４はＣＰＵ、メモリ、プログラム等を備えた情報処理装置で構成される。装置制御ユニット２４は、本発明に関係する機能として、試料９の観察・検査を行う機能を有する検査部２４１、試料端部における等電位面を補正する機能を有する電圧調整部２４２、及びそれらに関係するデータを保持する記憶部２４３を備えている。

画像処理ユニット２６はモニタ３６に接続されており、取り込まれた電子線画像あるいは光学画像がモニタ３６に出力表示される。このモニタ３６はＧＵＩ機能を備えている。モニタ３６の表示画面や他の入力手段（図示略）を操作することで、装置制御ユニット２４に、電子線発生時の加速電圧、電子線偏向幅、偏向速度、試料台１０の移動速度等の条件を、目的に応じて適宜入力できるように構成されている。

ステージ機構系は、並進ステージや回転ステージを組み合わせた構成となっている。すなわち、主に、試料をＸ−Ｙ平面で並進移動させる並進ステージを構成するＸステージ１８とＹステージ１９、試料をＸ−Ｙ平面で回転させる回転ステージを構成するθステージ１７、試料の高さ（Ｚ）方向の位置を変えるＺステージ２０、及びこれらを制御するステージ制御ユニット２３を有している。このように、回転ステージは、並進ステージ及びＺステージからなるベースステージ上に設置されている。

装置制御ユニット２４の電圧調整部２４２は、回転ステージの所定の回転角度ごとに、試料の端部から離れた位置を観察後、電界制御機構の方向に並進ステージを移動させ、取得画像がイメージシフトし始めたら並進ステージの移動を停止させ、電界制御機構を制御し試料上の等電位面を変化させることで、イメージシフトを解消する。すなわち、装置制御ユニット２４は、並進ステージによる移動と電界制御機構を制御しイメージシフトを解消することを繰り返すことにより、試料端部まで観察できるような、電界制御機構の設定電圧を求め、そのデータを記憶部２４３に保持する。

また、装置制御ユニット２４の検査部２４１は、記憶部２４３のデータ、すなわち、回転ステージの離散的な回転角における試料端部まで観察可能な電界制御電極の設定電圧を求め、測定角度の間の設定電圧は近傍の測定角度における設定電圧から補間計算することで求め、試料全面をイメージシフトすることなく観察可能にする。

ステージ（１７〜２０）には電圧を印加せず、試料９にリターディング電圧を印加するために、試料ホルダ１０とθステージ１７の間に絶縁体１６が取り付けられ、電源ユニット２２から試料９と試料ホルダ１０に電圧を印加する。図１は、試料９と試料ホルダ１０にのみリターディング電圧を印加する場合を示しているが、θステージ１７にも電圧印加する場合は、θステージ１７とＸステージ１８の間に絶縁体を挿入する。

電界制御機構系は、試料９の外周部に設置されており、電界制御電極２８を有し、絶縁体１６を介しＸステージ１８上に設置されている。試料９端部における電界の乱れを抑制するために、電源ユニット２２から第一の配線４４を通じて所定の電圧が電界制御電極２８に印加される。

本実施例のステージ機構は、θステージ１７が、Ｘステージ１８以下に対して相対的に、試料を回転させる機能を備えている。一方、電界制御電極２８はθステージ１７から独立してＸステージ１８上に設置されており、θステージ１７による試料の回転時に、電界制御電極２８は回転しない。

本実施例のステージ機構系および電圧印加機構系について、図２で説明する。図２は第一の実施例における試料ステージ付近の縦断面図であり、Ｘステージ１８以下を省略して描かれている。θステージ１７は、Ｘステージ１８上に設置される固定側ステージ１７Ｂ、試料９と一体的に回転する回転側ステージ１７Ａ、ベアリング３１及び回転側ステージ１７Ａを駆動するモータ、例えばステップモータ（図示略）、を備えており、回転側ステージ１７Ａを固定側ステージ１７Ｂに対して相対的に任意の角度ごとに回転できるようになっている。試料ホルダ１０と絶縁体１６の間にはホルダ受け２９が設置されており、リターディング電圧を印加するためのリターディング電極３０が接触している。試料９および試料ホルダ１０には、電源ユニット２２から第二の配線４５及びホルダ受け２９を通じてリターディング電圧が印加される。リターディング電極３０はその回転中心にてホルダ受け２９と接触しており、この接触部分には導電性グリースなどを塗布することで、導電性を確保しつつ摩擦を減らしている。

このことにより、θステージ（回転側ステージ１７Ａ）の回転時におけるリターディング電極３０が接触するホルダ受け２９側の面積を減らすことができ、粉塵の発生を軽減させることができる。また、リターディング電極３０とホルダ受け２９の接触時の相対速度を小さくすることにもつながり、試料９におけるリターディング電圧の安定化にも効果的である。リターディング電極３０の配線がホルダ受け２９に対し固定されていず、接触しているため、θステージ１７が無限回転したときでも配線が絡まることはない。また、電界制御電極２８はＸステージ１８上に設置されているため、θステージ１７の回転時にも電界制御電極２８に電圧を印加している配線と絡まることはない。

図３は、図２の試料９および電界制御電極２８を上から見た図である。回転ステージを備えている場合、試料全面を観察するのに必要な電子線の照射領域は、図３の例ではθステージの回転中心Ｏ１から電界制御電極２８に向かって（図の例ではＸ軸方向に）伸びている特定の半径上だけで十分である。したがって、電界制御電極２８は試料９の全周にわたって設置される必要はない。実験の結果から、電界制御電極２８の円周方向の長さは１０ｍｍ以上あれば良く、あまり長くする必要も無い。

次に、図４を用いて、電界制御電極２８の印加電圧調整手順について説明する。図４は試料９および試料ホルダ１０にリターディング電圧が印加され、電界制御電極２８にも電圧が印加されたときの、試料９および電界制御電極２８上に形成される等電位面１０２の状態および照射電子線１００の軌道を模式的に示している。（ａ）は試料９および試料ホルダ１０に印加されたリターディング電圧Ｖと同じ電圧Ｖが、電界制御電極２８に印加されたときの等電位面の状態を示している。電界制御電極２８には、電源ユニット２２から印加される負の電圧によって負の電荷が蓄積されている。試料９と電界制御電極２８の間には隙間があるため、隙間部分では等電位面１０２は下がる。この隙間部分に近づくにつれて、試料９上の等電位面１０２も徐々に下がっている。照射電子線１００は等電位面で反射し、試料９上の等電位面が水平な部分では電子線の入射方向に対し軌道を１８０°反転させる（１００−１’）。試料端部に近づくにしたがって等電位面は傾き始め、電子線の反射角度は試料９の法線方向からずれ始める（１００−２’）。このずれはプロジェクション像ではイメージシフトとして現れ、画像が蛍光板の中心からずれる。さらに試料端部に近づくと電子線反射方向はさらに試料９の法線方向からずれ（１００−３’）、イメージシフト量が大きくなり、プロジェクション像は蛍光板から完全に外れてしまい観察できなくなる。実験の結果から、試料端部から半径方向に約５ｍｍの位置からイメージシフトは始まることが判明している。

そこで、電界制御電極２８に図４の（ａ）の状態の電圧より負の電圧を印加すると、（ｂ）のように電界制御電極２８上の等電位面は持ち上がる。それに伴い、試料９上の等電位面の傾きは水平に近づき、照射電子線が試料９の法線方向に反射する領域を試料端部の方向に拡張することができる。さらに電界制御電極２８に負の電圧を印加していくと、（ｃ）、（ｄ）のようにさらに電解制御電極２８上の等電位面は持ち上がり、それに伴い試料９上の等電位面も持ち上がり、試料９の端部まで等電位面を水平にすることができる。これにより、試料９の端部の電子線も入射方向に対し軌道を１８０°反転させることができるようになる（１００−３’）。この時の電界制御電極２８の電圧を保っておくことによって、試料９の端部までプロジェクション像を観察可能になる。

実際の荷電粒子線装置では、ステージの製作精度や試料のホルダへのセットの仕方などの誤差要因のため、試料９と電界制御電極２８の間の距離Ｌおよび高さは、θステージ１７の回転角によって変化する。それに伴い、等電位面の形状も変化し、試料９の端部まで観察可能な電界制御電極２８の印加電圧も変化する。そこで、θステージ１７のある回転角ごとに、試料９の端部まで観察可能な電界制御電極２８の印加電圧をそれぞれ測定する。そして、測定角度間の印加電圧については、近傍の印加電圧から補完して、計算する。θステージ１７の任意の回転角に対し、以上の手順によって求めた電圧を電解制御電極２８に印加することによって、試料９の全面をプロジェクション像によって観察可能となる。

次に、図５を用いて、モニタ３６の構成、特に、電圧調整部２４２の機能を実現するために必要なＧＵＩ画面の構成とそこに含まれる最低限の機能について説明する。モニタ３６のＧＵＩ画面３７は観察画像３８を表示する画像表示部３９と、ステージ位置および電界制御電極２８への印加電圧を操作するステージ・電圧操作部４０から構成される。オペレータは、試料端部における等電位面を補正するために、ステージ・電圧操作部４０に表示される試料の観察位置の画像４１を見ながら、ステージ位置操作部４２を操作してステージ位置（回転角θｘ、半径位置Ｒ）を移動させ、それに伴う画像表示部３９の画像（プロジェクション像）３８の変化（イメージシフト）を観察しながら、電圧操作部４３を操作して電界制御電極２８への印加電圧Ｖｃを調整する。

装置制御ユニット２４の電圧調整部２４２により実行される、電界制御電極２８の印加電圧調整の処理手順をフローとしてまとめると、図６のようになる。

まず、ステップ６００で、オペレータがモニタ３６のＧＵＩ画面３７からの入力操作などにより観察条件についての初期設定を行う。このとき、θステージ１７の回転角θｘ＝θｏとする。次に、ステップ６０１で、電源ユニット２２からリターディング電圧と同じ電圧Ｖを電界制御電極２８に印加する。ステップ６０２で、等電位面が水平な試料位置を観察し、電子光学系（電子ビーム照射光学系およびミラー電子結像光学系）を調整する。試料位置の観察は試料中心位置から観察を開始しても良いが、前記したように試料端部から半径方向に約５ｍｍの位置からイメージシフトが始まるので、予め、試料端部から約５ｍｍの位置よりもやや内側の位置から観察を開始するように設定するのが望ましい。ステップ６０３で、観察する半径上の位置を外側すなわち電界制御電極２８に近い方向に移動する。

例えば、オペレータが観察モニタ３６のＧＵＩ画面３７で観察画像３８や観察位置の画像４１を確認し、ステージ・電圧操作部４０を介して対話的な操作を行い、電圧操作部４３を操作して電界制御電極２８への印加電圧Ｖｃを調整する。画像処理により装置が自動的に調整を行ってもよい。

ステップ６０４で、モニタ３６の表示画面上でイメージシフトが発生したらステージ移動を停止する。ステップ６０５で、電界制御電極２８の印加電圧Ｖｃを調整しイメージシフトを元に戻す。例えば、オペレータが観察モニタ３６の観察画像３８や観察位置の画像４１を観察し、ステージ位置操作部４２を介して対話的な操作を行い、ステージ位置Ｒを調整する。画像処理により装置が自動的に調整を行ってもよい。

以下、ステップ６０３からステップ６０５までのステップを繰り返し、試料外周端部まで観察可能な電界制御電極２８の印加電圧値を求める。

ステップ６０７で、回転角θｘにおける印加電圧Ｖｃをメモリのテーブルに記録する。ステップ６０８で、回転ステージをΔθだけ回転させる（θｘ＝θｘ＋Δθ）。Δθは、例えば３０°、６０°あるいは９０°等予め所定の値に設定しておく。ステップ６０９で、回転ステージ１７の回転角度が３６０°、すなわちθｘ＝θｏになったかを判定し、θｘ＝θｏでない場合は、ステップ６０２からステップ６０９を同様に、繰り返す。これにより、任意の角度θｘに対する試料の全面を観察可能な電界制御電極２８の印加電圧Ｖｃを求めることができる。

図７は、θステージ１７の回転角に対する電界制御電極-試料間距離Ｌの変化と電界制御電極への印加電圧Ｖｃの関係を示す概略図である。θステージ回転角θｘの変化に対して電界制御電極と試料間の距離Ｌが図７の実線のように変化し、これに対応して、電界制御電極への印加電圧Ｖｃも図７の破線のように変化する。

図８は、図６のステップ６０７でメモリのテーブルに記録することにより得られた、θステージ回転角と電界制御電極への印加電圧の関係を示したルックアップテーブル２５０の一例を示している。

ルックアップテーブル２５０を参照すれば、任意のθステージ回転角に対して、電界制御電極へ印加すべき印加電圧Ｖｃが得られる。

次に、本実施例の装置において、装置制御ユニット２４の検査部２４１により実行される、照射電子線１００の照射による試料９の観察・検査を行う機能を、図９〜図１０を参照しながら説明する。

まず、オペレータがモニタ３６のＧＵＩ画面（検査用画面）からの入力操作などにより検査条件についての初期設定を行う。次に、図９のステップ９０１でＸステージ１８およびＹステージ１９を、検査スタート半径位置Ｒに移動させる。本実施例では、試料９の外周端（Ｒ＝Ｒｏ）から照射電子線１００の照射による検査を開始するものとする。ステップ９０２で、θステージ１７を角速度ωで回転させる。ステップ９０３で、回転角θをモニタする。ステップ９０４で、装置制御ユニット２４の記憶装置内に保存されたルックアップテーブル２５０の値を基に、モニタした回転角θに対する最適印加電圧Ｖｃを求める。モニタした回転角θに直接対応するデータが無い角度範囲については、装置制御ユニット２４の演算処理装置により最適印加電圧Ｖcを補間計算で求める。ステップ９０５で、得られた電圧Ｖcを電界制御電極に印加する。これにより、モニタした回転角において、電子線は試料９の端部であっても照射電子線１００の入射方向に対し軌道を１８０°反転させることができる状態になる。このような状態で、次に、ステップ９０６として、画像を取得する。この取得画像は、画像処理ユニット２６において処理され、試料表面の欠陥の有無の検出処理がなされる。ステップ９０７で、θステージ１７が３６０°回転したかを判定し、回転していない場合は、ステップ９０２からの処理を繰り返す。θステージ１７が３６０°回転した場合、ステップ９０８で、Ｘステージ１８およびＹステージ１９を半径位置Ｒ＝Ｒｏ＋ΔＲに移動させる。本実施例の場合は、検査位置が試料の半径方向内側になるように移動させる。ステップ９０９で、検査位置が終端、例えば試料の中心に到達したかを判定し、到達していない場合は、ステップ９０２からの処理を繰り返す。

本実施例のように、３６０°検査した後に半径を微小距離ΔＲだけ移動させる操作を繰り返すと、試料面上の照射電子線１００軌跡は、図１０に示すように、半径の異なる複数の同心円状の円で表される。すなわち、回転ステージが無限回転できるため、１枚の試料面上の検査を行うに際して、回転ステージを同じ方向に連続して複数回、回転させることができる。これにより、試料面の全面、あるいは任意の領域を短時間で検査することができる。試料面上の電子線の軌跡は、図１０に示した例に限定されるものではなく、例えば、試料の中心側から外側へ一方向に連続回転させてもよい。あるいはまた、半径方向の移動量ΔＲや回転方向の変更も含めて、任意の走査パターンを設定し、コンタミの存在している可能性のある任意の観察場所について、より詳細な追加検査を行うようにすることなどもできる。

本実施例によれば、荷電粒子線装置毎に、上記のようにして得られたルックアップテーブル２５０のデータを利用して、電界制御電極に印加される電圧を調整することで、試料上の等電位面を変化させ、試料端部における電界歪みを抑制することができる。本実施例によれば、電界制御電極の構成は簡単なものとなる。また、試料へのリターディング電圧は回転中心から電圧印加することで、回転ステージが無限回転できる。そのため、回転ステージの回転方向が制限されることも無く、したがって、任意の観察場所に速やかに移動できるので、観察時間を短縮できる。

次に、実施例１の装置において、装置制御ユニット２４の検査部２４１により実行される、試料９の観察・検査を行う他の例を、図１１〜図１２を参照しながら説明する。

まず、オペレータがモニタ３６のＧＵＩ画面（検査用画面）からの入力操作などにより検査条件についての初期設定を行う。図１１のステップ１１０１からステップ１１０６までは、実施例１の図９のステップ９０１からステップ９０６までと、同じである。ステップ１１０６で取得された画像は、画像処理ユニット２６において処理され、試料表面の欠陥の有無の検出処理がなされる。本実施例では、Ｘステージ１８およびＹステージ１９を半径位置Ｒｏから少しずつ連続的に、例えば半径方向内側へ、移動させる（ステップ１１０７）。次に、ステップ１１０８で、検査位置が終端、例えば試料の中心に到達したかを判定し、到達していない場合は、ステップ１１０２以降の処理を繰り返す。

本実施例のように、連続的に半径を移動させる操作を繰り返すと、試料面上の照射電子線１００の軌跡は、図１２に示すように、連続した１本の螺旋状の曲線で表される。すなわち、回転ステージが無限回転できるため、１枚の試料面上の検査を行うに際して、回転ステージを同じ方向に連続して複数回、回転させることができる。これにより、試料面の全面、あるいは任意の領域を短時間で検査することができる。試料面上の電子線の軌跡は、図１２に示した例に限定されるものではなく、例えば、試料の中心側から外側へ一方向に連続回転させてもよい。

本実施例によれば、荷電粒子線装置毎に、上記のようにして得られたルックアップテーブル２５０のデータを利用して、電界制御電極に印加される電圧を調整することで、試料上の等電位面を変化させ、試料端部における電界歪みを抑制することができる。本実施例によれば、電界制御電極の構成は簡単なものとなる。また、試料へのリターディング電圧は回転中心から電圧印加することで、回転ステージが無限回転できる。そのため、回転ステージの回転方向が制限されることも無く、したがって、任意の観察場所に速やかに移動できるので、観察時間を短縮できる。

次に、本発明の第三の実施例になる検査装置を、図１３〜図１５を参照しながら説明する。まず、図１３は、第三の実施例になる荷電粒子線装置の試料ステージ付近の断面図である。ステージ機構系および電圧印加機構系以外は実施例１と同じ構成であり、Ｘステージ１８以下は省略して描かれている。試料ホルダ１０上の試料９の外周部に、絶縁体１６によって絶縁された電界制御板３２が設置されている。さらに、電界制御板３２に近接して、電界制御電極２８がＸステージ１８上に設置されている。試料９および試料ホルダ１０、には、ホルダ受け２９を通じて電源ユニット２２からリターディング電圧が印加される。電界制御電極２８には、電源ユニット２２から所定の印加電圧Ｖｃが供給される。電界制御板３２と電界制御電極２８は、極めて近接して設置されているが、接触はしていないため、電界制御板３２の回転時、電界制御電極２８との摩擦による粉塵等は発生しない。

図１４は、電界制御部分を上から見た図である。電界制御板３２は試料９の全外周に渡り設置されている。また、電界制御電極２８は電界制御板３２の一部（外周付近）を円周方向に約１０ｍｍあるいはそれより若干長い範囲に渡り覆うように設置されている。

図１５は、試料端部における電荷の様子を模式的に示したものである。電界制御電極２８に負の電圧を印加すると、電界制御電極２８には負の電荷が溜まる。一方、電界制御板３２の電界制御電極２８近傍には、電界制御電極２８内の負の電荷に誘導された正の電荷が溜まり、それ以外の部分には負の電荷が溜まる。電界制御板３２内の試料９近傍に溜まった負の電荷によって、等電位面を変化させ、試料９上の等電位面を水平に近づけることができる。

θステージ１７の任意の回転角θｘに対する最適な電界制御電極２８への印加電圧Ｖｃの調整方法については、図６に示したフローで得られたルックアップテーブル２５０のデータを利用して実施すれば良い。また、装置制御ユニット２４の検査部２４１により実行される、試料９の観察・検査は、図９、図１１のような処理フローで実現される。

本実施例によれば、電界制御電極に印加される電圧を調整することで、試料上の等電位面を変化させ、試料端部における電界歪みを抑制することができる。電界制御板を設けたことで電界制御電極の構成はやや複雑になるが、試料端部と電界制御電極間の電磁気的な距離が短くなり、実施例１や２に比べて、図４の（ｄ）の状態に到達するまでの時間を短縮できる。また、試料へのリターディング電圧は回転中心から電圧印加することで、回転ステージが無限回転できる。そのため、回転ステージの回転方向が制限されることも無く、したがって、任意の観察場所に速やかに移動できるので、観察時間を短縮できる。

次に、本発明の第四の実施例になる検査装置を、図１６〜図１７を参照しながら説明する。まず、図１６は、第四の実施例になる荷電粒子線装置の試料ステージ付近の断面図であり、図１７は図１６の試料ステージ付近を上から見た図である。ステージ機構系、電圧印加機構系および追加された電子銃３３と紫外光源３４以外は実施例１と同じであり、Ｘステージ１８以下は省略して描かれている。

試料ホルダ１０上には、試料９を全周に渡り取り囲むように絶縁体１６および電界制御板３２が設置されている。帯電制御電子銃３３および紫外光源３４は電界制御板３２を照射できる位置に設置されている。試料９および試料ホルダ１０、には、ホルダ受け２９を通じて電源ユニット２２−１からリターディング電圧が印加される。

本実施例のステージ機構でも、θステージ１７が、Ｘステージ１８以下に対して相対的に、試料を回転させる機能を備えている。実施例１〜３と異なり、電界制御板３２はθステージ１７上に設置されており、θステージ１７による試料の回転時に、電界制御板３２も回転する。

電界制御板３２は、実施例１〜３のように電源ユニット２２から配線を介して電圧の供給を受けない代わりに、ワイヤレス方式、すなわち他の電源及び帯電制御電子銃３３と紫外光源３４を用い、等電位面を制御する。

本実施例において、帯電制御電子銃３３から放出された電子線が電界制御板３２に衝突すると、電界制御板３２には電子が蓄積される。すると、電界制御板３２内の負の電荷によって、電界制御板３２上の等電位面は上昇する。それに伴い試料９上の等電位面も上昇し、試料９上の水平な等電位面の範囲は拡張する。一方、電界制御板３２に蓄積した電子を除去し、等電位面を下げたい場合は、紫外光源３４から放出された紫外線を電界制御板３２に照射する。紫外線による光電効果によって、電界制御板３２から電子が放出され、電界制御板３２に蓄積された電子は減少する。帯電制御電子銃３３と紫外光源３４を使うことによって、電界制御板３２内の電荷量を制御することができ、試料９上の等電位面を制御することができる。

例えば、電源ユニット２２−１から供給されるリターディング電圧をＶＡ、帯電制御電子銃３３による電界制御板３２の帯電量（電圧）をＶ１（−）、紫外光源３４による電界制御板３２の除電量（電圧）をＶ２（＋）としたとき、電界制御板３２に印加される印加電圧Ｖｃ＝Ｖ１＋Ｖ２が、実施例１の図７に示した例のように、θステージ１７の回転角に応じた調整値を含む電圧に制御される。また、装置制御ユニット２４の検査部２４１により実行される、試料９の観察・検査は、図９、図１１のような処理フローで実現される。

本実施例によれば、電界制御電極に印加される電圧を調整することで、試料上の等電位面を変化させ、試料端部における電界歪みを抑制することができる。回転ステージ上に電界制御板を設けたことで電界制御電極の構成はやや複雑になるが、試料端部と電界制御電極間の電磁気的な距離が短くなり、実施例1や２に比べて、図４の（ｄ）の状態に到達するまでの時間を短縮できる。また、試料へのリターディング電圧は回転中心から電圧印加することで、回転ステージが無限回転できる。そのため、回転ステージの回転方向が制限されることも無く、したがって、任意の観察場所に速やかに移動できるので、観察時間を短縮できる。

なお、実施例１〜４の手法は試料への照射電子線が面積ビームであるプロジェクション方式の場合を例として示したが、走査電子線方式やイオンなどの荷電粒子線を用いた装置にも有効である。

１…電子源、２…引き出し電極、３…コンデンサレンズ、４…偏向器、５…Ｅ×Ｂ偏向器、６…照射系偏向器、７…対物レンズ、８…円孔電極、９…試料、１０…試料ホルダ、１１…中間レンズ、１２…投影レンズ、１３…蛍光板、１４…光学像伝達部、１５…光学像検出器（ＴＤＩセンサ）、１６…絶縁体、１７…θステージ、１７Ａ…回転側ステージ、１７Ｂ…固定側ステージ、１８…Ｘステージ、１９…Ｙステージ、２０…Ｚステージ、２１…結像系偏向器、２２…電源ユニット、２３…ステージ制御ユニット、２４…装置制御ユニット、２５…任意信号発生器、２６…画像処理ユニット、２７…検出器回転機構、２８…電界制御電極、２９…ホルダ受け、３０…リターディング電極、３１…ベアリング、３２…電界制御板、３３…帯電制御電子銃、３４…紫外光源、３６…モニタ、３７…ＧＵＩ画面、３８…観察画像、３９…画像表示部、４０…ステージ・電圧操作部、４１…試料の観察位置の画像、４２…ステージ位置操作部、４３…電圧操作部、４４…第一の配線、４５…第二の配線、１００…照射電子線、１０２…等電位面、２４１…検査部、２４２…電圧調整部、２４３…記憶部。

Claims (20)

1. 荷電粒子線を観察対象試料に照射する照射光学系と、
   前記試料から放出もしくは反射した荷電粒子線を結像させる結像光学系と、
   前記試料に電圧を印加する機構と、
   前記試料を移動させるベースステージと、
   前記ベースステージ上において前記試料を回転させる回転ステージと、
   前記回転ステージの周囲に該回転ステージから独立して設置され、前記試料上の等電位面を変化させる試料電界制御機構とを具備する
   ことを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１において、
   前記ベースステージは、前記試料を並進移動させる並進ステージと、試料の高さ位置を変えるＺステージを備えており、
   前記ベースステージ上に前記試料電界制御機構の全体若しくは一部が設置されている
   ことを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項１において、
   前記回転ステージは、前記ベースステージ上において無限回転可能なθステージである
   ことを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項１において、
   前記回転ステージ上に、絶縁体を介してホルダ受けが設置され、該ホルダ受け上に試料ホルダが設置されており、
   前記試料に電圧を印加する機構は、前記回転ステージの回転中心にて前記ホルダ受けに接触する電極を有する
   ことを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項４において、
   前記電極は、導電性グリースを介して前記回転ステージの回転中心にて前記ホルダ受けに接触する
   ことを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項１において、
   前記試料電界制御機構は、前記ベースステージ上に設置され前記試料の外側に位置する電界制御電極を有し、
   該電界制御電極に、電源ユニットから前記試料に印加する電圧とは別の電圧が印加される
   ことを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項６において、
   前記電界制御電極は、前記試料の周囲の一部または全周にわたり設置されている
   ことを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 荷電粒子線を観察対象試料に照射する照射光学系と、
   前記試料から放出もしくは反射した荷電粒子線を結像させる結像光学系と、
   前記試料に電圧を印加する機構と、
   前記試料を移動させるベースステージと、
   前記ベースステージ上において前記試料を回転させる回転ステージと、
   前記試料上の等電位面を変化させる試料電界制御機構とを具備し、
   前記試料電界制御機構は、
   前記試料の外周を囲み、該試料を保持する試料ホルダとの間に絶縁体を挟んで前記回転ステージ上に配置された電界制御板と、
   前記ベースステージ上に設置され、前記試料の回転時にも回転せず、前記電界制御板内の電荷を移動させるため前記電界制御板と非接触の電界制御電極とを有し、
   前記電界制御電極への印加電圧を制御することで、前記試料上の等電位面を変化させる
   ことを特徴とする荷電粒子線装置。
9. 荷電粒子線を観察対象試料に照射する照射光学系と、
   前記試料から放出もしくは反射した荷電粒子線を結像させる結像光学系と、
   前記試料に電圧を印加する機構と、
   前記試料を移動させるベースステージと、
   前記ベースステージ上において前記試料を回転させる回転ステージと、
   前記試料上の等電位面を変化させる試料電界制御機構とを具備し、
   前記試料電界制御機構は、
   前記試料の外周を囲み、該試料を保持する試料ホルダとの間に絶縁体を挟んで前記回転ステージ上に配置された電界制御板と、
   該電界制御板に電子線を照射し帯電させるための帯電制御電子銃と、
   前記電界制御板に紫外線を当て該電界制御板を除電するための紫外光源とを有し、
   前記帯電制御電子銃による電子線照射と前記紫外光源による紫外線照射とで前記電界制御板の電圧を制御する
   ことを特徴とする荷電粒子線装置。
10. 請求項１において、
    装置制御ユニットと、
    前記結像光学系で得られた画像を処理する画像処理ユニットと、
    前記画像処理ユニットに接続されＧＵＩ機能を有するモニタとを備えており、
    前記モニタの表示画面は、観察画像を表示する画像表示部と、前記回転ステージの位置および前記試料電界制御機構への印加電圧を操作するステージ・電圧操作部とを備えている
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
11. 請求項１０において、
    前記モニタの画像表示部に、前記ベースステージを移動させたときの、取得画像のイメージシフトの状態を表示する
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
12. 荷電粒子線を観察対象試料に照射する照射光学系と、
    前記試料から放出もしくは反射した荷電粒子線を結像させる結像光学系と、
    前記試料を移動させるベースステージと、
    前記ベースステージ上において前記試料を回転させる回転ステージと、
    前記回転ステージ上に、絶縁体を介して設置されたホルダ受けと、
    該ホルダ受けの上に設置された試料ホルダと、
    前記回転ステージの回転中心にて前記ホルダ受けに接触する電極を有し、前記試料に電圧を印加する機構と、
    前記回転ステージ上若しくはその周囲に設置され、前記試料上の等電位面を変化させる試料電界制御機構とを具備する
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
13. 請求項１２において、
    前記ベースステージは、前記試料を並進移動させる並進ステージであり、
    前記回転ステージは、前記並進ステージ上において前記試料を回転させるθステージであり、
    前記試料電界制御機構は、前記θステージの周囲でかつ前記ベースステージの上に設置され、電源ユニットから第一の配線を通じて所定の電圧が供給される
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
14. 請求項１２において、
    前記試料電界制御機構は、
    前記試料の外周を囲み、該試料を保持する前記試料ホルダとの間に絶縁体を挟んで前記回転ステージ上に配置された電界制御板と、
    前記ベースステージ上に設置され、前記試料の回転時にも回転せず、前記電界制御板内の電荷を移動させるため前記電界制御板と非接触の電界制御電極とを有し、
    前記電界制御電極への印加電圧を制御することで、前記試料上の等電位面を変化させる
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
15. 請求項１２において、
    前記試料電界制御機構は、
    前記試料の外周を囲み、該試料を保持する前記試料ホルダとの間に絶縁体を挟んで前記回転ステージ上に配置された電界制御板と、
    該電界制御板に電子線を照射し帯電させるための帯電制御電子銃と、
    前記電界制御板に紫外線を当て該電界制御板を除電するための紫外光源とを有し、
    前記帯電制御電子銃による電子線照射と前記紫外光源による紫外線照射とで前記電界制御板の電圧を制御する
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
16. 荷電粒子線を検査対象の試料に照射する照射光学系と、
    前記試料から放出もしくは反射した荷電粒子線を結像させる結像光学系と、
    前記試料に電圧を印加する機構と、
    前記試料を移動させるベースステージと、
    前記ベースステージ上において前記試料を回転させる回転ステージと、
    前記回転ステージの周囲に該回転ステージから独立して設置され、前記試料上の等電位面を変化させる試料電界制御機構と、
    装置制御ユニットと、
    前記結像光学系で得られた画像を処理する画像処理ユニットと、
    前記回転ステージの離散的な測定回転角と、前記試料の回転角ごとの前記試料電界制御機構への印加電圧との関係を与えるデータを保持した記憶装置とを備えており、
    前記装置制御ユニットは、前記データから補間計算により、前記回転ステージの任意の回転角に対する設定電圧を求め、前記試料電界制御機構の電圧を制御する
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
17. 請求項１６において、
    前記回転ステージは無限回転可能である
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
18. 請求項１７において
    前記回転ステージ上に、絶縁体を介してホルダ受けが設置され、該ホルダ受け上に試料ホルダが設置されており、
    前記試料に電圧を印加する機構は、前記回転ステージの回転中心にて前記ホルダ受けに接触する電極を有する
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
19. 請求項１７において、
    前記回転ステージを１回転させながら前記試料を検査した後、前記試料面上の前記荷電粒子線の照射位置を半径方向にΔＲだけ移動させ、さら前記回転ステージを同じ方向に回転させながら前記試料の検査を行う操作を順次繰り返すことにより、前記試料面上における複数の同心円状上で、前記試料面の検査を行う
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
20. 請求項１７において、
    前記回転ステージを一方向に回転させつつ前記荷電粒子線の照射位置を半径方向にΔＲだけ移動させながら、前記試料の検査を連続的に行うことにより、前記試料面上で連続した１本の螺旋状の曲線に沿って、前記試料面の検査を行う
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。

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