JPH0982264A - パターン検査装置および走査型電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ステージを移動させながらパターン検査を行
えるようにして検査処理のスループット向上を図る。 【解決手段】 電子銃１からの電子線は、アパーチャー
を通過した後、コンデンサレンズ２により集光され、副
偏向器３および主偏向器４を通過した後、対物レンズ６
を通過してステージ５に載置された被検体上の所定箇所
に結像される。被検体に電子線が照射されると、被検体
から反射電子または２次電子が放出されて検出器１４に
入力されて増幅器１５で増幅された後、主偏向器４のＸ
軸（水平）方向走査用のクロックに同期してＡ／Ｄ変換
器１６でデジタル値に変換される。また、副偏向系を制
御することで、ステージ５の移動速度が変化しても、被
検体上での電子線の移動速度が常に所定速度以下となる
ようにし、ステージ５を停止することなくパターン検査
を行えるようにし、検査処理のスループット向上を図
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハや、
その原板となるレチクルやマスク等に形成されたパター
ンの検査を行う装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の材料となる半導体ウエハ
や、半導体製造工程で用いられるレチクル・マスク等に
形成されるパターンは、時代の進展とともに微細化およ
び高密度化が進んでおり、半導体製造時の工程数や、パ
ターンを検査および測定する頻度は従来よりも増える傾
向にある。このため、微細なパターン欠陥でも確実かつ
高速に検出できるように検査精度の向上と検査処理のス
ループットの向上が強く求められている。特に、インラ
インで使用されるパターン検査装置は、半導体製造装置
と同程度の速度でパターン検査を行う必要がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】微細パターンの検査に
ついては、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた画像処
理による方法が一般的となりつつある。この検査方法
は、被検体をステージに載置して予め決められた測定点
にステージを移動させ、焦点合わせを行った後に被検体
のパターン画像を検出して検査を行うものである。その
際、画像のぶれをなくすために、ステージを測定点まで
移動させるといったん停止させ、その測定点での検査が
終了すると、ステージを次の測定点に移動させるとい
う、ステージの移動と停止を繰り返しながら検査を行う
のが一般的である。ところが、ステージをいったん停止
して検査を行うようにすると、ステージの駆動を制御す
る駆動部材に物理的な性能の限界により、ステージの移
動および停止を高速度で切り換えることはできず、検査
処理の大幅なスループットの向上は図れない。

【０００４】本発明の目的は、ステージを移動させなが
らパターン検査を行えるようにして検査処理のスループ
ット向上を図ったパターン検査装置および走査型電子顕
微鏡を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】一実施の形態を示す図１
に対応づけて本発明を説明すると、本発明は、上面に被
検体が載置され、少なくとも一方向に移動可能なステー
ジ５と、電子線源１から射出された電子線を被検体上で
走査する主走査手段４と、電子線の照射に起因して被検
体から発生される２次電子または反射電子に基づいて被
検体上に形成されたパターンの検査を行うパターン検査
手段８とを備えたパターン検査装置に適用され、主走査
手段４とは別個に設けられ、ステージ５を停止すること
なくパターン検査手段８によるパターン検査を行えるよ
うに、主走査手段４による走査およびステージ５の移動
に応じて電子線を被検体上で走査する副走査手段３を備
えることにより、上記目的は達成される。請求項１に記
載の発明では、主走査手段４とは別個に副走査手段３を
設け、主走査手段４による走査およびステージ５の移動
に応じて副走査手段３を走査し、例えば被検体面上での
電子線の移動速度が所定速度を超えないように副走査手
段３を走査し、ステージ５を移動せずにパターン検査を
行えるようにする。

【０００６】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
されたパターン検査装置において、ステージ５の移動速
度および移動方向にかかわらず一定の走査速度および走
査範囲で電子線の走査を行うように主走査手段４を構成
し、副走査手段３は、主走査手段４による被検体の走査
範囲よりも広い範囲で走査可能とされ、主走査手段４の
走査範囲の略中央部に電子線が照射されるように電子線
の走査を行うものである。請求項２に記載の発明では、
主走査手段４の走査範囲の略中央部に電子線が照射され
るように副走査手段３を走査し、被検体上の測定ポイン
トが主走査手段４の走査範囲からはずれることがないよ
うにする。

【０００７】請求項３に記載の発明は、請求項１または
２に記載されたパターン検査装置において、ステージ５
の移動に応じて検出された被検体の複数箇所からの２次
電子または反射電子に基づいてパターン検査を行う１次
検査と、この１次検査の検査結果に基づいて再度２次電
子または反射電子を検出してパターン検査を行う２次検
査とを行うようにパターン検査手段８を構成し、副走査
手段３は、少なくとも２次検査時にステージ５を停止す
ることなくパターン検査を行えるように、主走査手段４
による走査およびステージ５の移動に応じて電子線の走
査を行うものである。請求項３に記載の発明では、２次
検査時にはステージ５を不規則に動かすことが多いこと
に着目し、少なくとも２次検査時に副走査手段３を走査
することで、ステージ５を停止せずに２次検査を行える
ようにする。

【０００８】請求項４に記載の発明は、請求項３に記載
されたパターン検査装置において、副走査手段３は、少
なくとも２次検査時に被検体上での電子線の走査速度が
所定速度以下となるように電子線の走査を行うものであ
る。請求項４に記載の発明では、被検体上での電子線の
走査速度が所定速度以下になるように副走査手段３を走
査し、ステージ５の移動速度が変化しても同一精度でパ
ターン検査を行えるようにする。

【０００９】請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の
いずれか１項に記載されたパターン検査装置において、
被検体上での電子線のビーム口径を光学的に調節する焦
点調節系６，１９と、被検体およびステージ５の高さ方
向のばらつきを検出する高さ検出手段１１〜１３と、高
さ検出手段１１〜１３による検出結果に基づいて、ステ
ージ５が移動している最中でも電子線が被検体上に結像
されるように焦点調節系６，１９を制御する焦点調節制
御手段とを備えるものである。請求項５に記載の発明で
は、被検体およびステージ５の高さ方向のばらつきを検
出し、その検出結果に基づいて焦点調節系６，１９を制
御することで、高さ方向にばらつきがあっても常に電子
線を被検体上に結像させる。これにより、ステージ５を
移動させながらパターン検査を行う場合でも、被検体上
に照射される電子線のビーム口径が常に等しくなる。

【００１０】請求項６に記載の発明は、上面に被検体が
載置され、少なくとも一方向に移動可能なステージ５
と、電子線源１から射出された電子線を被検体上で走査
する主偏向器４と、被検体上での電子線のビーム口径を
調節する焦点調節系７と、電子線の照射に起因して被検
体から発生される２次電子または反射電子を検出する検
出系８とを備えた走査型電子顕微鏡に適用され、主偏向
器４とは別個に設けられ、ステージを停止することなく
検出系８にて２次電子または反射電子を検出できるよう
に、主偏向器４による走査およびステージの移動に応じ
て電子線を被検体上で走査する副偏向器３を備えること
により、上記目的は達成される。

【００１１】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために一実施の形態の図を用いたが、これにより
本発明が一実施の形態に限定されるものではない。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図１〜３に基づいて本発明
の一実施の形態について説明する。図１は本発明による
パターン検査装置の一実施の形態の概略を示す図であ
る。図１のパターン検査装置は走査型電子顕微鏡（ＳＥ
Ｍ）をベースにしたものであり、電子線Ｌを射出する電
子銃１と、コンデンサレンズ２と、電子線Ｌの走査を行
う副偏向器３および主偏向器４と、電子線Ｌをステージ
５上の試料面に結像させる対物レンズ６と、試料面上で
の電子線Ｌのビーム口径を調節する焦点調節系７と、試
料面からの反射電子または２次電子を検出する検出系８
と、装置の各部を制御する制御系９と、ステージ５を駆
動する駆動系１０とを備える。

【００１３】主偏向器４および副偏向器３は試料面上で
二次元方向に電子線Ｌを走査させ、副偏向器３は主偏向
器４よりも広範囲での走査が可能とされている。焦点調
節系７は、照明光源および集光レンズ１１と、被検体か
らの反射光を受光する受光レンズおよび光電センサ１２
と、信号処理制御部１３とを有し、照明光源１１からの
照明光を被検体に照射し、その反射光を光電センサ１２
で検出することで、被検体およびステージ５のＺ軸（高
さ）方向のばらつきを検出し、その検出結果に基づいて
対物レンズ６の焦点調節を行う。

【００１４】検出系８は、検出器１４と、アンプ１５
と、サンプルホールド回路およびＡ／Ｄ変換器１６とを
有し、電子線Ｌの照射に起因してステージ５から反射さ
れる反射電子または２次電子を検出器１４で検出してア
ンプ１５で増幅した後、Ａ／Ｄ変換器１６でデジタル値
に変換する。制御系９は、装置全体を制御する制御部１
７と、ステージ５の位置を検出するレーザ干渉計または
リニアエンコーダ１８と、副偏向器３を制御するドライ
バ１９と、主偏向器４を制御するドライバ２０と、対物
レンズ６の焦点位置を制御するドライバ２０とを有す
る。

【００１５】次に、本実施の形態のパターン検査装置の
動作原理を説明する。被検体上に形成されたパターンの
欠陥や異物等を検出する場合、被検体の全面を走査して
欠陥候補点を検出する１次検査を行った後に、欠陥候補
点の位置にステージ５を移動させて再検査する２次検査
を行うのが一般的である。欠陥候補点は通常離散的に存
在するため、２次検査時には各欠陥候補点の位置に最短
距離でステージ５を移動させるのが一般的である。

【００１６】ステージ５は通常、１００〜２００mm/sec
程度の速度で動かすことが多いが、ステージ５を動かし
ながら欠陥検出を行うためには、ステージ５の移動中も
継続して被検体上のパターンに焦点を合わせる処理が必
要となる。このため、図１の焦点調節系７が自動的に焦
点調節を行える速度以上の速度でステージ５を動かして
も、高精度の欠陥検出は望めない。

【００１７】本実施の形態のように、光学的手法により
パターン検査を行う場合、焦点調節に要する時間は一般
に焦点調節系７のメカ部分の駆動応答性に依存する。す
なわち、焦点調節系７のメカ部分の構成により焦点調節
に要する時間が左右され、通常は、周波数にして数Ｈｚ
〜数１０Ｈｚ程度、応答時間にして数１０〜数１００ms
ec程度の時間がかかる。したがって、この時間よりも速
い速度でステージ５を動かすことはできない。そこで、
本実施の形態では、焦点調節系７のメカ部分の駆動応答
性を考慮に入れてステージ５の移動速度を設定する。

【００１８】また、ステージ５または被検体にＺ軸（高
さ）方向のばらつきがあり、対物レンズ６の焦点深度を
超える領域が数多く存在する場合には、焦点調節系７が
焦点調節をやり直す回数が増えるため、焦点調節系７の
処理負担が増大するおそれがある。このため、本実施の
形態では、ステージ５および被検体の高さ方向のばらつ
きも考慮に入れてステージ５の移動速度を設定する。

【００１９】以下、図１の装置を用いてパターンの２次
検査を行う例について説明する。電子銃１からの電子線
Ｌは、アパーチャーＡＰを通過した後、コンデンサレン
ズ２により集光され、副偏向器３および主偏向器４を通
過することで所定方向に偏向される。主偏向器４を通過
した電子線Ｌは対物レンズ６を通過してステージ５に載
置された被検体上の所定箇所に結像される。被検体に電
子線Ｌが照射されると、被検体から反射電子または２次
電子が放出される。この反射電子または２次電子は検出
器１４により検出されて増幅器１５で増幅された後、主
偏向器４のＸ軸（水平）方向走査用のクロックに同期し
てＡ／Ｄ変換器１６でデジタル値に変換される。Ａ／Ｄ
変換器１６は主偏向器４のＹ軸（垂直）方向走査用のク
ロックにも同期して動作しており、Ａ／Ｄ変換器１６の
出力は２次元の画像信号となる。

【００２０】Ａ／Ｄ変換器１６の出力は制御部１７に入
力され、制御部１７内の不図示のメモリに取り込まれ
る。制御部１７は、Ａ／Ｄ変換器１６の出力に基づいて
パターン欠陥の有無を判断するとともに、不図示のモニ
タに被検体の画像を表示する。図２は不図示のモニタに
表示される画像信号の一例である。図２において、画像
信号の信号レベルが急激に変化する図示のＡ，Ｂ点がパ
ターンのエッジを示す。

【００２１】制御部１７は、２次検査を行う際、１次検
査により検出された欠陥候補点の位置にステージ５を移
動させ、ステージ５の位置をレーザ干渉計１８で計測し
て位置合わせを行う。そして、ステージ５の移動速度に
かかわらず、試料面上の電子線Ｌが一定間隔および一定
速度で試料面上を走査するように主偏向器４および副偏
向器３を制御する。１つの欠陥候補点についての走査が
終了すると、次の欠陥候補点にステージ５を移動させ、
同時に電子線Ｌを初期走査位置に移動させて主偏向器４
および副偏向器３を制御して被検体画像の取り込みを行
う。制御部１７は、以上の処理を制御部１７内部に設け
られるＣＰＵまたはコンピュータにより行い、メモリに
取り込んだ検査データは種々の検査アルゴリズムによ
り、ＣＰＵまたはＣＰＵに付属のコプロセッサ等で演算
処理される。

【００２２】一方、ステージ５上の被検体には照明光源
１１からの照明光が照射され、この照明光に対する被検
体からの反射光は光電センサ１２で電気信号に変換され
て信号処理部１３に入力される。信号処理部１３は、被
検体およびステージ５の高さ方向のばらつきにかかわら
ず常に電子線Ｌが被検体上で結像するように焦点調節系
７を制御する。また、制御部１７は、焦点調節系７のメ
カ部分の性能や被検体の高さ方向のばらつき等を考慮に
入れてステージ５の移動速度を決定し、駆動系１０を制
御する。

【００２３】図３はステージ５の移動経路を示す図であ
り、図示の「＋」は、１次検査により検出された欠陥候
補点の位置を示す。ステージ５は、図示の矢印の経路に
従って移動する。図示のように、欠陥候補点は等間隔で
存在しているわけではなく、隣接する欠陥候補点間の距
離はそれぞれ異なるのが一般的である。このため、隣接
する欠陥候補点間の距離が長い場合には、ステージ５を
高速で動かして画像の取り込みを行うことも可能であ
る。

【００２４】一方、１つの欠陥候補点についての画像取
り込みが終了すると、ステージ５を次の欠陥候補点に移
動し、かつ主偏向器４および副偏向器３を制御して電子
線Ｌの照射位置を初期走査位置に戻さなければならな
い。このため、隣接する欠陥候補点間の距離が短い場合
には、電子線Ｌの照射位置を初期走査位置に戻せるよう
にステージ５の移動速度を遅くする必要がある。

【００２５】このように、２次検査時には、ステージ５
の移動速度を欠陥候補点間の距離に応じて変える必要が
あるが、本実施の形態では、副偏向器３により電子線Ｌ
の照射位置を制御するため、ステージ５を移動させる際
には、単に欠陥候補点間の最短距離だけを考慮に入れた
制御を行えばよい。したがって、高精度の位置決めサー
ボを設けて欠陥候補点ごとにステージ５を移動させて被
検体の画像を取り込むよりは、はるかに高速度で測定を
行える。

【００２６】また、本実施の形態では、ステージ５の移
動速度や移動方向にかかわらず、主偏向器４による走査
範囲と走査速度は一定にする。これにより、被検体上の
どの位置を走査する場合でも、同一のＳ／Ｎ比で、かつ
同一の応答性で欠陥検出を行える。

【００２７】このように、本実施の形態では、ステージ
５の移動に合わせて副偏向系により電子線Ｌの走査を行
うことで、ステージ５を動かしながらでも欠陥検出を行
えるようにする。すなわち、本実施の形態は、副偏向系
により電子線の走査を行うことで、ステージ５の移動速
度にかかわらず、被検体上での電子線Ｌの移動速度を常
に所定速度以下にするため、ステージ５を停止すること
なくパターン検査を行うことができ、検査処理のスルー
プットが従来に比べて格段に向上する。また、焦点調節
系７のメカ部分の性能、ステージ５や被検体のＺ軸（高
さ）方向のばらつき、および欠陥候補点間の距離等を考
慮に入れてステージ５の移動速度を設定するため、常に
最適な速度でステージ５を動かすことができ、検査処理
のスループットと検査精度の双方を向上できる。

【００２８】さらに、本実施の形態では、電子線Ｌの焦
点ずれを光学的に検出して電磁レンズからなる対物レン
ズ６を制御するため、対物レンズ６をメカ駆動する場合
に比べて高速度で焦点調節を行える。すなわち、光学的
に検出した焦点ずれの誤差信号に応じて対物レンズ６の
コイルの励磁電流をフィードバック制御するため、ステ
ージ５を高速度で移動可能となる。

【００２９】上記実施の形態では２次検査を例にとって
説明したが、１次検査においても、副偏向系を制御する
ことで、ステージ５を動かしながら目標位置に精度よく
電子線を照射でき、検査処理のスループットを上げるこ
とができる。

【００３０】なお、本実施の形態では、図１の構造のパ
ターン検査装置を用いたが、主偏向器４や副偏向器３等
の配置は図１に限定されず、種々の変更が可能である。

【００３１】このように構成した発明の実施の形態にあ
っては、電子銃１が電子線源に、主偏向系４が主走査手
段に、検出系８がパターン検査手段に、副偏向器３が副
走査手段に、照明光源１１、光電センサ１２および信号
処理制御部１３が高さ検出手段に、それぞれ対応する。

【００３２】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、主走査手段とは別個に副走査手段を設け、主走査
手段による走査およびステージの移動に応じて副走査手
段を走査するため、ステージを移動させながらパターン
検査を行うことができ、検査処理のスループットを向上
できる。請求項２に記載の発明によれば、副走査手段の
走査範囲を主走査手段の走査範囲よりも広くし、電子線
が主走査手段の走査範囲の略中央部に照射されるように
するため、主走査手段による電子線の走査がやりやすく
なる。また、主走査手段の走査速度や走査範囲は一定に
するため、電子線の走査位置を大きく変更する場合等は
副走査手段のみを制御すればよく、制御が簡易化する。
請求項３に記載の発明によれば、少なくとも２次検査の
際にステージを停止せずにパターン検査を行えるように
したため、２次検査を行う測定ポイントでステージを停
止させずに済み、検査処理のスループットを向上でき
る。請求項４に記載の発明によれば、ステージの移動速
度が変化しても、被検体上での電子線の走査速度を所定
速度以下にするため、常に同一精度でパターン検査を行
うことができる。請求項５に記載の発明によれば、被検
体やステージの高さ方向のばらつきにかかわらず、常に
電子線が被検体上に結像するようにしたため、高さ方向
にばらつきがあってもパターン検査精度が変動すること
はない。

【図面の簡単な説明】

【図１】パターン検査装置の一実施の形態の概略を示す
図。

【図２】不図示のモニタに表示される画像信号の一例を
示す図。

【図３】ステージの移動経路を示す図。

【符号の説明】

１ 電子銃 ２ コンデンサレンズ ３ 副偏向器 ４ 主偏向器 ５ ステージ ６ 対物レンズ ７ 焦点調節系 ８ 検出系 ９ 制御系 １０ 駆動系 １１ 照明光源および集光レンズ １２ 受光レンズおよび光電センサ １３ 信号処理制御部 １４ 検出器 １５ アンプ １６ サンプルホールド回路およびＡ／Ｄ変換器 １７ 制御部 １８ レーザ干渉計およびリニアエンコーダ １９〜２１ ドライバ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上面に被検体が載置され、少なくとも一
   方向に移動可能なステージと、 電子線源から射出された電子線を前記被検体上で走査す
   る主走査手段と、 前記電子線の照射に起因して前記被検体から発生される
   ２次電子または反射電子に基づいて前記被検体上に形成
   されたパターンの検査を行うパターン検査手段とを備え
   たパターン検査装置において、 前記主走査手段とは別個に設けられ、前記ステージを停
   止することなく前記パターン検査手段によるパターン検
   査を行えるように、前記主走査手段による走査および前
   記ステージの移動に応じて前記電子線を前記被検体上で
   走査する副走査手段を備えることを特徴とするパターン
   検査装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載されたパターン検査装置
   において、 前記主走査手段は、前記ステージの移動速度および移動
   方向にかかわらず一定の走査速度および走査範囲で前記
   電子線の走査を行い、 前記副走査手段は、前記主走査手段による前記被検体の
   走査範囲よりも広い範囲で走査可能とされ、前記主走査
   手段の走査範囲の略中央部に前記電子線が照射されるよ
   うに前記電子線の走査を行うことを特徴とするパターン
   検査装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載されたパターン
   検査装置において、 前記パターン検査手段は、前記ステージの移動に応じて
   検出された前記被検体の複数箇所からの前記２次電子ま
   たは反射電子に基づいて前記パターン検査を行う１次検
   査と、この１次検査の検査結果に基づいて再度前記２次
   電子または反射電子を検出してパターン検査を行う２次
   検査とを行い、 前記副走査手段は、少なくとも前記２次検査時に前記ス
   テージを停止することなく前記パターン検査を行えるよ
   うに、前記主走査手段による走査および前記ステージの
   移動に応じて前記電子線の走査を行うことを特徴とする
   パターン検査装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載されたパターン検査装置
   において、 前記副走査手段は、少なくとも前記２次検査時に前記被
   検体上での前記電子線の走査速度が所定速度以下となる
   ように前記電子線の走査を行うことを特徴とするパター
   ン検査装置。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１項に記載され
   たパターン検査装置において、 前記被検体上での前記電子線のビーム口径を光学的に調
   節する焦点調節系と、 前記被検体および前記ステージの高さ方向のばらつきを
   検出する高さ検出手段と、 前記高さ検出手段による検出結果に基づいて、前記ステ
   ージが移動している最中でも前記電子線が前記被検体上
   に結像されるように前記焦点調節系を制御する焦点調節
   制御手段とを備えることを特徴とするパターン検査装
   置。
6. 【請求項６】 上面に被検体が載置され、少なくとも一
   方向に移動可能なステージと、 電子線源から射出された電子線を前記被検体上で走査す
   る主偏向器と、 前記被検体上での前記電子線のビーム口径を調節する焦
   点調節系と、 前記電子線の照射に起因して前記被検体から発生される
   ２次電子または反射電子を検出する検出系とを備えた走
   査型電子顕微鏡において、 前記主偏向器とは別個に設けられ、前記ステージを停止
   することなく前記検出系にて前記２次電子または反射電
   子を検出できるように、前記主偏向器による走査および
   前記ステージの移動に応じて前記電子線を前記被検体上
   で走査する副偏向器を備えることを特徴とする走査型電
   子顕微鏡。