JPH11108864A

JPH11108864A - パターン欠陥検査方法および検査装置

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Publication number: JPH11108864A
Application number: JP9269500A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Shinada; 博之品田; Yusuke Yajima; 裕介矢島; Hisaya Murakoshi; 久弥村越; Masaki Hasegawa; 正樹長谷川; Mari Nozoe; 真理野副; 敦子 ▲高▼藤; Atsuko Takato; Katsuya Sugiyama; 勝也杉山; Katsuhiro Kuroda; 勝廣黒田; Kaoru Umemura; 馨梅村; Yasutsugu Usami; 康継宇佐見
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-10-02
Filing date: 1997-10-02
Publication date: 1999-04-23
Anticipated expiration: 2017-10-02
Also published as: US6797954B2; US20020117635A1; KR20050103266A; KR19990036747A; KR20050047054A; KR100721846B1; TW392071B; US7242015B2; US20030164460A1; JP3534582B2; US20040222377A1; US20060017014A1; US6979823B2

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体装置の製造過程にあるウェハ上の同一設
計パターンの欠陥，異物，残渣等を電子線により検査す
る装置において、検査の高速化を実現すること。【解決手段】半導体試料７の表面に一定の面積を持った
電子ビーム(面積ビーム)を照射し、試料表面からの反射
電子を結像レンズ１１により結像して、半導体試料７表
面の複数の領域の画像を取得して画像記憶部１８，１９
に記憶させ、この記憶された複数の領域の画像同士を比
較することによって、上記領域内における欠陥の有無お
よび欠陥の位置を計測する。【効果】半導体試料表面に照射する電子ビームを面積ビ
ームとしたので、点状ビームを用いる場合に比べ、検査
の高速化，効率化が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料(半導体装置
等)の表面状態を検査する方法および装置に関し、特
に、電子ビームを用いて、半導体装置表面の微細なパタ
ーン欠陥を高感度，高分解能で、かつ高速に画像化して
検査することのできる検査方法および検査装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造過程において、ウェハ
上に形成された回路パターンの欠陥を比較検査して検出
する検査方法として、１つのウェハ上の２つ以上の同種
ＬＳＩパターンの画像を光を用いて取得し、これら複数
の画像を比較してパターン欠陥の有無等を検査する方法
があり、既に実用化されている。この検査方法の概要は
「月刊セミコンダクタワールド」１９９５年８月号，ｐ
ｐ．１１４−１１７に述べられている。このような光学
的検査方法で半導体装置の製造過程におけるパターン欠
陥を検査した場合、光が透過してしまうシリコン酸化膜
や感光性レジスト材料等の残渣は検出できなかった。ま
た、光学系の分解能以下となるエッチング残りや微小導
通孔の非開口不良等も検出できなかった。

【０００３】このような光学的検査方法における問題点
を解決するために、電子線を用いたパターンの比較検査
方法が、特開昭59-192943号公報， J. Vac. Sci. Tech.
B,Vol.9, No.6, pp.3005-3009 (1991)， J. Vac. Sc
i. Tech. B, Vol.10, No.6,pp.2804-2808 (1992)，SPIE
Vol.2439, pp.174-183，および特開平05-258703号公
報等に記載されている。そこでは、実用的な検査速度を
得るために非常に高速にパターンの画像を取得する必要
が有る。そして、高速で取得した画像のＳ／Ｎ比を確保
するために、通常の走査型電子顕微鏡の１００倍以上
(１０ｎＡ以上)のビーム電流を用いている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記した電子線を用い
た従来の検査技術では、検査可能なＳ／Ｎ比を維持した
画像を形成するために、電子ビームを大電流化してい
る。しかし、電子ビームを点状に絞ってこの「点ビーム」
を試料表面上で平面状(２次元的)に走査しているがため
に、高速化(検査時間の短縮)には限界があった。また、
使用電子源の輝度や空間電荷効果等によって、使用電子
ビームの大電流化にも限界がある。例えば、０.１μｍ
程度の分解能を得ようとした場合は、使用電子ビーム電
流は数百ｎＡ程度が理論限界であり、実際には、１００
ｎＡ程度が用いられ得るに過ぎない。画像のＳ／Ｎ比
は、画像を形成するのに用いられる電子の数、すなわ
ち、ビーム電流値と画像取得に要する時間との積により
決まる。画像処理が可能なレベルのＳ／Ｎ比を確保する
必要があることを考慮すると、ビーム電流値が１００ｎ
Ａで０.１μｍの分解能を得ようとすると、試料表面の
面積１ｃｍ² を検査するのに約１００ｓｅｃ以上を必要
とする。一方、前述した従来の光学式検査装置では、検
査面積１ｃｍ² 当りの検査所要時間が約５ｓｅｃ程度と
非常に高速であった。

【０００５】従って、本発明の目的は、電子ビームを用
いたパターンの比較検査方法の検査所要時間を従来の光
学式検査方法のそれと同等か、またはそれ以上に高速化
することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記した本発明の目的、
すなわち電子ビームを用いたパターン比較検査方法の高
速化は、試料表面の複数の照射領域(面積領域)に、電子
ビームを「点ビーム」としてではなく２次元的な広がりを
持った「面積ビーム」として順次照射し、これら複数の照
射領域(面積領域)からの後方散乱電子または二次電子を
結像させて上記複数の照射領域の拡大像を順次形成し、
これら複数の照射領域の拡大像を電気的な画像信号に変
換して、上記複数の照射領域についての画像信号同士を
比較することにより上記各照射領域についてのパターン
欠陥を検出することによって達成される。

【０００７】すなわち、本発明のパターン欠陥検査方法
においては、電子源からの電子ビームを所謂「面積ビー
ム」として半導体試料表面の複数の照射領域(面積領域)
に順次照射し、これら複数の照射領域からの後方散乱電
子または二次電子を電子光学的に結像させて上記複数の
照射領域の拡大像を順次形成させ、これら複数の照射領
域の拡大像を順次電気的な画像信号に変換して記憶さ
せ、上記複数の照射領域についての記憶画像信号同士を
比較することにより上記各照射領域についてのパターン
欠陥を検出するようにしている。本方法によれば、従来
のような各照射領域(面積領域)内での「点ビーム」の２次
元走査が不要であるので、検査時間の大幅な短縮が可能
となり、欠陥検査の高速化が可能となる。

【０００８】また、本発明によるパターン欠陥検査装置
は、電子源からの電子ビームを面積ビームとして半導体
試料表面に照射し該照射領域(面積領域)からの後方散乱
電子または二次電子を結像させて上記照射領域の拡大像
を形成するための電子光学系と，上記半導体試料を載せ
て該半導体試料表面上の所望位置に上記電子ビームが照
射されるように上記半導体試料を移動させるための試料
移動ステージと，上記拡大像を電気的な画像信号に変換
して検出する画像信号検出手段と，該画像信号検出手段
により検出された上記半導体試料表面の複数の照射領域
についての画像信号同士を比較して各照射領域における
パターン欠陥を検出するための画像信号処理手段とによ
って構成されることができる。

【０００９】なお、上記試料に負電位を印加することに
より上記試料表面に照射される電子ビームを減速して、
この減速された電子ビームが上記試料表面に入射するよ
うにするか、または、この減速された電子ビームが上記
試料表面には入射せずにその極近傍で反射されるように
するのが有効である。

【００１０】また、上記試料移動ステージは、上記試料
をほぼ等速度で連続的に移動させるよう動作設定するこ
とにより、欠陥検査のより高速化が実現できる。この場
合、上記試料移動ステージの位置をモニタするステージ
位置モニタ手段を備えることによって、上記試料表面へ
の電子ビーム照射領域が、所定時間の間、試料表面上の
同一箇所となるよう制御する必要があることは云うまで
もない。

【００１１】さらに、上記の画像信号検出手段は、上記
電子光学系によって結像形成された上記照射領域の拡大
電子像を蛍光板上に投射することによって光学像に変換
し、この光学像を光学レンズまたは光ファイバーを介し
て光学画像検出素子上に結像させる。または、上記電子
光学系で結像された拡大電子像を電子感応性を有する画
像検出素子上に直接結像させるようにしてもよい。な
お、画像検出素子としては、電荷結合型素子(ＣＣＤセ
ンサ)，または時間遅延して入力した光信号を積分し出
力する素子(ＴＤＩセンサ)を用いることができる。ま
た、画像検出素子からの検出信号の読み出しは、並列に
多チャンネルで読み出す方式とする。

【００１２】一方、電子ビームを同時に照射することに
より同時に得られる半導体試料表面の拡大像の大きさが
画像検出素子の受光面の大きさとほぼ等しくなるように
設定する方法がより簡便である。その一方、半導体試料
表面の拡大像の大きさが画像検出素子の受光面に比べて
小さくなるように上記電子ビームの照射領域の大きさを
設定して、該電子ビームを上記半導体試料表面上で走査
することによって、該画像検出素子の受光面全体に一定
の時間をかけて上記拡大像が投射されるようにして、上
記電子ビームの走査信号には照射位置と照射範囲の変動
要因を補正する信号を重畳させるようにすることによっ
て、さらに高精度化を達成できる方法もある。

【００１３】また、半導体試料に照射する電子ビームを
減速し、試料に照射される時の電子ビームのエネルギー
値を減速前のエネルギー値に比べて十分に小さくして、
この減速後の電子ビームの照射により試料表面から発生
する後方散乱電子のエネルギー分散が結像系の分解能に
影響を及ぼさない範囲となるようにするために、上記半
導体試料に負電位を印加する。または、電子ビームの照
射により発生する後方散乱電子または二次電子をエネル
ギー分別するためのフィルタを備え、ある特定のエネル
ギー幅の後方散乱電子または二次電子のみを結像させる
ことによって、高速検査の課題を解決すると同時に、分
解能をも向上させることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
き、実施例を挙げて詳細に説明する。

【００１５】〈実施例１〉図１に、本発明の一実施例に
なる検査装置の概略構成を示す。本実施例による検査装
置は、大別して、電子光学系１０１，試料室１０２，画
像検出部１０３，画像処理部１０４および制御部１０５
より構成されている。

【００１６】先ず、電子光学系１０１について説明す
る。加速電源２３により負の高電位が与えられている電
子源１から放出された加速電子ビームは、コンデンサレ
ンズ２によって収束され、矩形開口を有する絞り４を照
射する。なお、この電子ビームは、絞り４上を照射する
前に、電磁偏向器３によって偏向を受ける。電磁偏向器
３は、電子源１からの入射電子ビームと試料からの反射
電子（後方散乱電子または二次電子）ビームの光路を分
離するためのものである。絞り４の矩形絞り開口を通過
した入射電子ビームは、対物レンズ６によって結像され
て、半導体試料７表面上に矩形絞り開口の像を形成す
る。絞り４上での矩形絞り開口の大きさは例えば４００
μｍ角であり、対物レンズ６によってこれを１／４に縮
小し、試料７表面上では１００μｍ角の絞り開口像（照
射領域）が得られるようにする。この絞り開口像（照射
領域）は、照射系偏向器５によって試料７表面上の任意
の位置に移動（または、走査）され得る。電子源１に
は、先端部が平面状でその平面状部分が１０μｍφ以上
のＬaＢ₆熱電子源を用いた。これによって、試料７表面
上での広い面積（照射領域）にわたって均一に電子ビー
ムを照射することが可能となる。

【００１７】試料７，試料移動ステージ８には、電源９
により、電子源１よりも低い（絶対値の小さい）負電
位，または僅かに高い（絶対値の大きい）負電位を印加
する。電子源１の電位よりも僅かに低い負電位を印加す
るのは、試料７からの後方散乱電子を用いて検査する場
合であり、その場合には、入射電子ビームは、上記の負
電位によって試料７の手前で減速されて試料７表面に向
かい、試料７表面の原子によって後方散乱される。この
後方散乱電子を電磁偏向器３，結像系偏向器１０を介し
て結像レンズ１１に導き散乱電子像１２として結像させ
る。さらに、この散乱電子像１２を拡大レンズ１３，１
４によって蛍光板１５上に拡大投影させることによっ
て、試料７表面のパターンを反映した蛍光像（顕微鏡
像）を得ることができる。

【００１８】試料室１０２内では、２次元(Ｘ，Ｙ，θ)
方向に移動可能な試料移動ステージ８上に試料７が載置
され、試料７には電源９により上記したような負電位が
印加されている。試料移動ステージ８にはステージ位置
測定器２７が付設され、ステージ位置をリアルタイムで
正確に計測している。これは、ステージ８を連続移動さ
せながら画像を取得するためである。このステージ位置
測定器２７には例えばレーザ干渉計が用いられる。ま
た、半導体試料(ウェハ)表面の高さを正確に計測するた
めに、光学的な試料高さ測定器２６も取りつけられてい
る。これには、例えば、ウェハ表面上の検査すべき領域
に斜め方向から光を入射させ、その反射光の位置変化か
らウェハ表面の高さを計測する方式のものを用いること
ができる。この他、試料室１０２には、検査領域の位置
決め用に用いられる光学顕微鏡３０も付設されている。

【００１９】次に、画像検出部１０３について説明す
る。画像検出には、散乱電子像１２の拡大像を光学像に
変換するための蛍光板１５と光学画像検出素子（例えば
ＣＣＤ素子）１７とを光ファイバー束１６でもって光学
結合させることにより、蛍光板１５上の光学像を光学画
像検出素子１７の受光面上に結像させる。光ファイバー
束１６は、細い光ファイバーを画素数と同じ本数束ねた
ものである。また、上記光ファイバー束１６の代わりに
光学レンズを用い、該光学レンズによって蛍光板１５上
の光学像を光学画像検出素子(ＣＣＤ)１７の受光面上に
結像させるようにしてもよい。蛍光板１５の両面には電
極３００と透明電極３０１を設け、両電極間に透明電極
３０１側が正の高電圧を印加して電子ビームの散乱を防
いでいる。光学画像検出素子(ＣＣＤ)１７は、その受光
面上に結像された光学像を電気的な画像信号に変換して
出力する。出力された画像信号は、画像処理部１０４に
送られ、そこで画像信号処理が行なわれる。

【００２０】画像処理部１０４は、画像信号記憶部１８
及び１９，演算部２０，欠陥判定部２１より構成されて
いる。なお、取り込まれた画像信号はモニタ２２により
画像表示される。装置各部の動作命令および動作条件
は、制御部１０５内の制御計算機２９から入出力され
る。制御計算機２９には、予め電子線発生時の加速電
圧，電子線偏向幅・偏向速度，試料ステージ移動速度，
画像検出素子からの画像信号取り込みタイミング等々の
諸条件が入力されている。ビーム制御系２８は、制御計
算機２９からの指令を受けて、ステージ位置測定器２
７，試料高さ測定器２６からの信号を基にして補正信号
を生成し、電子線が常に正しい位置に照射されるように
対物レンズ電源２５や走査信号発生器２４に補正信号を
送る。

【００２１】以下に、本検査装置の動作条件を示すこと
によって、従来の電子ビームによるパターン検査装置と
比べてどの程度の検査の高速化が図れたかについて述べ
る。画像比較検査法によってパターン欠陥の検査をする
には、画像のＳ／Ｎ比が１０以上必要である。ここに云
うＳ／Ｎ比の「Ｓ」は電子の平均信号量，「Ｎ」は信号の３
σ値で定義される。σ値は照射電子数のショットノイズ
で決まり、１画素当りに照射される電子数Ｓの平方根
(√Ｓ)となる。従って、Ｓ／Ｎ比はＳ／(３√Ｓ)＝√Ｓ
／３となる。これにさらに試料からの電子放出を考慮す
ると、Ｓ／Ｎ比は√Ｓ／(３√２)となる。例えば、約１
８のＳ／Ｎ比を得るためにはＳ≧６２５０となり、一画
素当り６２５０個の電子を照射する必要がある。一方、
欠陥検査に必要な分解能は０.１μｍ以下である。従っ
て、電子ビームを点状に絞り、これを試料表面上で走査
して行く従来方法では、電子ビームを０.１μｍ以下に
絞る必要がある。このような微細なビームを作るには電
子源の輝度と空間電荷効果によりビーム電流値には限界
があり、ビーム電流値Ｉとしては高々１００ｎＡ程度し
か得られない。照射ビーム電流が１００ｎＡでは、１秒
間当り１００(ｎＡ)／(１.６×１０^-19(Ｃ))＝６.２５
×１０⁺¹¹個の電子が照射されることになる。従って、
１画素当り６２５０個の電子照射を行なうには１０ｎｓ
ｅｃの照射時間が必要である。そうすると、面積１ｃｍ
²を検査するのには(１ｃｍ／０．１μｍ)²×１０ｎｓｅ
ｃ＝１００ｓｅｃの検査時間が必要となる。

【００２２】一方、本実施例の検査装置の場合には、一
辺がｘの正方形の領域にビーム電流Ｉの電子ビーム(面
積ビーム)を照射する(これを１ショットと呼ぶことにす
る)。それによって照射電流のη倍の後方散乱電子が放
出されたとする。この後方散乱電子により試料表面の拡
大像を形成し、分解能０.１μｍの画像として画像検出
素子(ＣＣＤ)で検出する場合を考える。比較条件とし
て、０.１μｍ角当りからの必要な信号数(後方散乱電
子数)は従来例と同じ６２５０個とする。１ショットの
所要時間をｔ，面積１ｃｍ² を検査するに必要な時間を
Ｔとすると、ｔは次式で表わされる。６２５０＝[Ｉ・η・ｔ／(１.６×１０^-19)]・[１×１０^-7／ｘ]² ∴ ｔ＝０.１・[ｘ²／(Ｉ・η)] ・・・(１) また、Ｔは次式で表わされる。Ｔ＝(０.０１／ｘ)²・ｔ ∴ Ｔ＝１×１０^-4・(ｔ／ｘ²)＝１×１０^-5・[１／(Ｉ・η)] ・・・(２) この式に、実際の値を代入して、検査所要時間Ｔを求め
る。本実施例では、１ショット１００μｍ×１００μｍ
の面積領域を１００μＡの面積ビームで照射した。画像
検出素子(ＣＣＤ)には、１０２４×１０２４の画素を持
つものを用い、該ＣＣＤ素子上での一画素が試料上での
０.１μｍ角に対応するように電子光学系およびＣＣＤ
素子への結像光学系の倍率を設定した。この場合、画像
の周辺部では歪みが発生するので、この歪みが補正され
るように、光ファイバー束１６の代わりに光学レンズを
用いる場合は、非球面レンズを用いることとした。さら
に、これで補正しきれない歪みを画像処理により補正し
てから使用した。ここで、上式中のη値を０.２とする
と、１ショットの所要時間ｔは５０μｓｅｃとなり、ま
た、面積１ｃｍ² 当りの検査所要時間Ｔを計算すると、
０.５ｓｅｃとなる。このように、照射電子数のショッ
トノイズから要求される検査所要時間は飛躍的に短縮さ
れ、高速検査が可能になることが判る。

【００２３】次に、試料移動ステージ８の整定時間につ
いて述べる。ステージ８の移動方法を例えばステッフ゜
・アンド・リピート方式とすると、ステージ８の整定時
間はｍｓｅｃオーダが必要となるため、十分に検査時間
を短縮することができない。従って、ステージ８の移動
方法は、ステージが常に等速で移動している連続移動方
式とした。これによりステージの整定時間による検査時
間の制約はなくなる。ただし、ステージ８が連続移動し
ていると、１ショット時間例えば５０μｓｅｃの間にも
ステージ８が移動して、試料表面上での照射位置が変化
してしまう。そこで、１ショットの間に照射位置が変化
しないように、偏向器５により照射電子ビームをステー
ジ８の移動に追従させるようにした。また、静止座標系
である電子光学系から見ると、電子ビーム照射位置は移
動しているから結像レンズ１１により作られる像１２も
移動してしまう。この移動が生じないようにするため
に、偏向器１０を偏向器５と連動動作させるようにし
た。

【００２４】次に、画像検出素子(ＣＣＤ)の読み取り時
間について述べる。本実施例では、ＣＣＤ１７に蓄積さ
れた電荷を３２チャンネルの読み出し口から１Ｍライン
／秒の読出速度で多チャンネル並列読み出しできるよう
にした。１ライン当りの画素数は３２で、１ライン当り
の読出所要時間は１μｓｅｃである。従って、１画素当
りの読出所要時間は１(μｓｅｃ)／３２(画素)＝３２ｎ
ｓｅｃとなる。これに対し、ＣＣＤからの画像データの
読み出しが１チャンネル方式では１画素当りの読出所要
時間が１ｎｓｅｃと非常に高速での読み出しが必要とな
り、現在の技術では実現不可能である。本実施例では、
ＣＣＤからの画像データの読み出し口を３２チャンネル
に分け、この３２チャンネルで並列同時読み出しする方
式とすることによって、１画素当りの読出所要時間を３
２ｎｓｅｃとし、十分実現可能な読出速度としている。
これを模式的に示したのが図３である。ＣＣＤ１７から
の画像データの読出チャンネル数は３２ｃｈであり、各
チャンネル毎に３２画素×１０２４ラインがあるから、
このＣＣＤから一枚の画像データを読み出すに必要な時
間は約１ｍｓｅｃとなる。すなわち、１００μｍ角の１
ショット領域の画像信号を１ｍｓｅｃで取り込めること
になり、試料表面積１ｃｍ² 当りの検査所要時間は１０
ｓｅｃとなる。以上のように、従来方式による試料面積
１ｃｍ² 当りの検査所要時間１００ｓｅｃに比べて、１
０倍もの高速化が達成できた。また、本実施例では、検
査所要時間を決めているのはＣＣＤ素子からの信号読出
速度であるので、将来ＣＣＤ素子におけるより高速のデ
ータ読出方式が実現されれば、さらなる検査の高速化が
期待できる。

【００２５】以上では、検査速度の改善効果について説
明したが、その他の特長についても述べる。本実施例で
は、半導体試料７に負の高電圧を印加して、照射電子ビ
ームを試料表面の直前で急激に減速して照射している。
これにより、次に示すような特長が得られる。すなわ
ち、電子ビームを固体試料に照射すると二次電子や反射
電子が発生する。二次電子は、入射電子が固体中の電子
にエネルギーを与えて、このエネルギー付与された固体
中の電子が真空中に放出されるものである。このため
に、二次電子の持つエネルギーの拡がりは大きい。一
方、反射電子は、入射電子が固体中の原子核や電子と相
互作用してその軌道を変え、再び真空中に放出する電子
である。この時、相互作用が弾性散乱のみであれば、入
射エネルギーと同じエネルギーの反射電子が放出され
る。これを模式的に表わしたのが、図２である。入射電
子のエネルギーが高いと、固体内部に奥深く侵入する電
子が増えるため、真空中に再び放出する反射電子は少数
である。さらに、非弾性散乱が増加するために、低エネ
ルギー側に広い裾野を引きエネルギーの広がりが大きく
なる(同図(ａ))。エネルギーの広がりが大きい電子を電
子光学系により結像する場合には、色収差により分解能
が低下するという問題が生じる。一方、低エネルギーの
電子を照射する場合には、弾性散乱の割合が増加するた
め、低エネルギー側の裾野が減少し、また、二次電子の
放出も減少するがため、同図(ｂ)に示すようになる。す
なわち、本実施例では、エネルギーの低い電子を試料表
面に入射させることで、まずエネルギーの広がりの大き
い二次電子の放出を抑え、かつ反射電子すなわち後方散
乱電子の放出割合を増加させ、さらに後方散乱電子のエ
ネルギーの広がりをも小さく抑えることができるため、
高分解能の画像を形成することができるという特長があ
る。

【００２６】次に、実際の検査に当っての手順について
説明する。まず、光学顕微鏡３０と電子線画像を用いて
のアライメントの方法について説明する。試料７を試料
移動ステージ(Ｘ−Ｙ−θステージ)８上に載置し、光学
顕微鏡３０の下へ移動する。モニタ２２により試料７表
面の光学顕微鏡画像を観察し、画面内の例えば中央に現
われた任意のパターンを記憶する。この際、選択するパ
ターンは電子線画像上でも観察可能なパターンである必
要がある。

【００２７】次に、上記の光学顕微鏡画像を用いて試料
(半導体ウエハ)７表面上の回路パターンがステージ移動
方向と平行あるいは直交となるように、Ｘ−Ｙ−θステ
ージ８により回転補正を行なう。回転補正時には、ある
ステージ位置におけるウエハ７表面上の回路パターンの
任意のチップ内の任意のパターン部分の光学画像を取り
込んでモニタ２２に表示させて、表示画面内の任意箇所
にマーキングを付した後、その光学画像信号を記憶部１
８に記憶させる。次に、ウエハ７表面上の回路パターン
の数チップ分の距離だけステージ８をｘ方向またはｙ方
向に移動させ、新たなチップ内の先と同一のパターン部
分の光学画像を取り込んでモニタ２２に表示させ、先の
マーキング箇所に対応する箇所にやはりマーキングを付
した後、その新たな光学画像信号を記憶部１９に記憶さ
せる。次いで、演算部２０において、記憶部１８，１９
に記憶された光学画像信号同士を比較演算して、両画像
間でのマーキング箇所の位置ずれ量を算出する。このマ
ーキング箇所の位置ずれ量と両画像間でのステージ移動
量とから、ウエハ７の回転角度誤差を算出し、その分ス
テージ８を回転させて回転角度を補正する。以上の回転
補正操作を数回繰り返して、回転角度誤差が所定値以下
となるようにする。さらに、光学顕微鏡画像を用いてウ
エハ７表面上の回路パターンを観察し、ウエハ上でのチ
ップの位置やチップ間の距離(例えば、メモリセルのよ
うな繰返しパターンの繰返しピッチ)を予め測定し、そ
の値を制御計算機２９に入力する。そして、ウエハ７表
面上の被検査チップおよびそのチップ内の被検査領域を
モニタ２２の光学顕微鏡画像上で設定する。光学顕微鏡
画像は、比較的低倍率で観察が可能であり、また、ウエ
ハ７表面の回路パターンが例えばシリコン酸化膜のよう
な透明な膜で覆われている場合でもその下地まで観察可
能であるので、チップ内回路パターンのレイアウト等が
簡便に観察でき、検査領域の設定が簡便に行なえる。

【００２８】次に、試料(ウエハ)７を電子光学系の下へ
移動する。そこで、先に光学顕微鏡画像上で設定した被
検査領域を含むと予想される領域に電子線を照射して電
子線画像を取得する。この時、１ショットの電子線照射
領域内に上記の被検査領域が入るようにする。この電子
線画像上においても、先の光学顕微鏡画像上においてマ
ーキングしたのと同じ画面内位置に先にマーキングした
箇所のパターンが現われるようにステージ８を移動する
ことで、予め検査開始前に、電子線照射位置と光学顕微
鏡観察位置との間の対応をつけ、かつ、電子線照射位置
を校正することができるようになる。そして、この電子
線画像上において、先に光学顕微鏡像上で行なったのと
同様の操作を実施する。これにより、光学顕微鏡を用い
ての簡便な観察位置の確認や位置合せおよび電子線照射
位置の調整、さらには、ある程度の回転補正も実施した
後に、この光学顕微鏡画像に比べて分解能が高く、高倍
率画像を得ることのできる電子線画像を用いての高精度
な回転補正ができるようになる。さらに、この電子線画
像を用いて、被検査領域または同一パターン領域を高倍
率で高精度に観察確認・補正することができる。ただ
し、半導体ウエハ７の表面の全部(または一部)が絶縁物
で覆われている場合には、電子線を照射するとこの絶縁
物が帯電して、一度電子線を照射した場所は検査できな
くなってしまう場合がある。そこで、上記のような検査
に先だっての検査条件設定のための電子ビーム照射は、
実際には検査を行なう予定のない領域であってかつ被検
査領域と同じパターンを有する場所を選択して行なうよ
うにすればよい。

【００２９】上記した検査条件の設定が完了したら、半
導体ウエハ７表面上の被検査領域の一部を実際の検査条
件と全く同一の条件で電子線画像化し、被検査領域の材
質や形状に依存した画像の明るさの情報およびそのばら
つき範囲を算出しテーブルにして記憶する。そして、後
の検査工程において該記憶テーブルを参照して実際に画
像化検出された被検査領域内のパターン部分が欠陥であ
るか否かを判定する際の判定条件を決定する。

【００３０】上記の手順によって被検査領域および欠陥
判定条件の設定が完了したら、実際に検査を開始する。
検査時には、試料(半導体ウエハ)７を搭載したステージ
８はＸ方向に一定速度で連続移動する。その間、電子線
は各１ショットの間ウエハ７表面上の同一照射領域(面
積領域)を一定のショット時間（本実施例では、５０μ
ｓｅｃ以上）照射する。ステージ８は連続移動している
ので、電子ビームは偏向器５によってステージ８の移動
に追従して偏向走査させる。

【００３１】電子線の照射領域あるいは照射位置は、ス
テージ８に設けられたステージ位置測定器２７，試料高
さ測定器２６等により常時モニタされ、これらのモニタ
情報が制御計算機２９に転送されて詳細に位置ずれ量が
把握され、かつこの位置ずれ量はビーム制御系２８によ
って正確に補正される。これにより、パターンの比較検
査に必要な正確な位置合わせが高速・高精度で行なわれ
得る。

【００３２】また、半導体ウエハ７の表面高さを、電子
ビーム以外の手段、例えば、レーザ干渉方式や反射光の
位置変化を計測する方式等による光学式の高さ測定器２
６でリアルタイムに測定し、電子ビームを照射するため
の対物レンズ６や結像レンズ１１の焦点距離をダイナミ
ックに補正することにより、常に被検査領域の表面に焦
点のあった電子ビーム像を形成することができる。ま
た、予め検査前にウエハ７の反りを測定しておき、その
測定データを基に上記の焦点距離補正をするようにし
て、実検査時にはウエハ７の表面高さ測定を行なう必要
がないようにしてもよい。

【００３３】電子線を半導体ウエハ７表面に照射し、反
射電子(後方散乱電子)によりウエハ７表面上の所望の被
検査領域(面積領域)についての拡大光学像を蛍光板１５
上に形成し、さらにこの拡大光学像をＣＣＤ素子１７に
より電気的な画像信号に変換し、この画像信号を画像処
理部１０４に取り込む。そして、制御計算機２９からの
指令を受けて制御部２８により与えられた電子線照射位
置に対応した面積領域についての電子線画像信号とし
て、記憶部１８(または１９)に格納する。

【００３４】半導体ウエハ７表面上に形成された同一設
計パターンを有する隣接チップＡ，Ｂ間でのパターンの
比較検査をする場合には、先ず、チップＡ内の被検査領
域についての電子線画像信号を取り込んで、記憶部１８
内に記憶させる。次に、隣接するチップＢ内の上記と対
応する被検査領域についての画像信号を取り込んで、記
憶部１９内に記憶させながら、それと同時に、記憶部１
８内の記憶画像信号と比較する。さらに、次のチップＣ
内の対応する被検査領域についての画像信号を取得し、
それを記憶部１８内に上記したチップＡ内の被検査領域
についての記憶画像信号に上書き記憶させながら、それ
と同時に、記憶部１９内のチップＢ内の被検査領域につ
いての記憶画像信号と比較する。このような動作を繰返
して、全ての被検査チップ内の互いに対応する被検査領
域についての画像信号を順次記憶させながら、比較して
行く。

【００３５】上記の方法以外に、予め、標準となる良品
（欠陥のない）試料についての所望の検査領域の電子線
画像信号を記憶部１８内に記憶させておく方法を採るこ
とも可能である。その場合には、予め制御計算機２９に
上記良品試料についての検査領域および検査条件を入力
しておき、これらの入力データに基づき上記良品試料に
ついての検査を実行し、所望の検査領域についての取得
画像信号を記憶部１８内に記憶する。次に、検査対象と
なる試料７をステージ８上にロードして、先と同様の手
順で検査を実行し、上記と対応する検査領域についての
取得画像信号を記憶部１９内に取り込むと同時に、この
検査対象試料についての画像信号と先に記憶部１８内に
記憶された上記良品試料についての画像信号とを比較し
て、上記検査対象試料の上記所望の検査領域についての
パターン欠陥の有無を検出する。なお、上記標準（良
品）試料としては、上記検査対象試料とは別の予めパタ
ーン欠陥が無いことが判っている試料(ウエハ)を用いて
も良いし、上記検査対象試料表面の予めパターン欠陥が
無いことが判っている領域(チップ)を用いても良い。例
えば、半導体試料(ウエハ)表面にパターンを形成する
際、ウエハ全面にわたり下層パターンと上層パターン間
での合わせずれ不良が発生することがある。このような
場合には、比較対象が同一ウエハ内あるいは同一チップ
内のパターン同士であると、上記のようなウエハ全面に
わたり発生した不良(欠陥)は見落とされてしまうが、本
実施例によれば、予め良品(無欠陥)であることが判って
いる領域の画像信号を記憶しておき、この記憶画像信号
と検査対象領域の画像信号とを比較することにより、上
記したようなウエハ全面にわたり発生した不良をも精度
良く検出することができる。

【００３６】記憶部１８，１９内に記憶された両画像信
号は、それぞれ演算部２０内に取り込まれ、そこで、既
に求めてある欠陥判定条件に基づき、各種統計量（具体
的には、画像濃度の平均値，分散等の統計量）、周辺画
素間での差分値等が算出される。これらの処理を施され
た両画像信号は、次いで欠陥判定部２１内に転送され
て、そこで比較されて両画像信号間での差信号が抽出さ
れ、既に求めて記憶してある欠陥判定条件を参照して欠
陥判定がなされ、欠陥と判定されたパターン領域の画像
信号とそれ以外の領域の画像信号とが分別される。

【００３７】これまでに述べてきた検査方法および検査
装置により、半導体試料７から発生する反射電子（後方
散乱電子や二次電子）による画像を形成し、互いに対応
するパターン領域についての画像信号を比較検査するこ
とによって、パターン欠陥の有無を検出することが可能
となった。これにより、従来の電子線による検査装置と
比べ非常に高速な検査が可能になった。

【００３８】〈実施例２〉上記の実施例１では、１ショ
ットの電子ビーム照射領域の面積が１００μｍ×１００
μｍとかなり大きいため、半導体試料の拡大像の周辺部
に歪みが生じると云う問題や照射領域内でのビーム電流
密度の均一性に問題が生じる場合がある。画像歪みや電
流密度の不均一性が固定的に生じている場合には、光フ
ァイバー束１６のファイバー素線配列に変化を付けるこ
とで補正可能であるし、また、画像信号の取得感度や画
像処理に重みを付けることでも補正できるが、それらが
時間的に変動する場合には、それらの方法では対応が困
難となる。本実施例では、１ショットの照射領域を５μ
ｍ角として、１ショットの照射領域内では歪みや電流密
度の不均一性の問題が生じないようにした。照射電子ビ
ーム電流は１ショット当り５μＡである。この時、電子
ビームの照射時間は電子の散乱効率 ηを０.２とする
と、先の(１)式より、１ショット当りの照射時間ｔは、
２.５ μｓｅｃとなる。ショット時間２.５ μｓｅｃで
一つの照射領域(５μｍ角)を照射した後、電子ビームは
偏向器５により隣接する次の照射領域(５μｍ角)上に移
動される。このようにして、次々に照射位置を移動し
て、ｘ方向１００μｍ×ｙ方向１００μｍの範囲全体を
２０×２０＝４００ショットで照射する。

【００３９】この時、ＣＣＤ素子１７上には、各１ショ
ット毎に、その時の電子ビーム照射位置に対応した位置
に拡大像が得られ、電子ビームの走査による電子ビーム
照射位置の移動に応じてＣＣＤ素子に得られる拡大像位
置も移動して行く。この様子を示したのが図４である。
ＣＣＤ素子１７には１０２４×１０２４画素のものを用
いた。ＣＣＤ素子上での１画素は試料７表面上での０.
１ μｍ角の領域に相当し、従って、試料７表面上での
１ショットの照射領域(５μｍ角)は、ＣＣＤ素子受光面
上での５０×５０画素の領域（ＣＣＤ素子受光面全体の
１／４００に相当する）となる。そして、ＣＣＤ素子の
受光面全体で試料表面上の１００μｍ角の領域をカバー
できるようにした。従って、試料表面上での１００μｍ
角の領域の拡大像を得るためには２.５(μｓｅｃ)×４
００(ショット)＝１(ｍｓｅｃ)を要することとなる。

【００４０】上述のようにして、試料７表面上の１００
μｍ角の領域の画像を１ｍｓｅｃでＣＣＤ上に形成させ
たら、該ＣＣＤに蓄積された画像信号をデジタル信号と
して画像記憶部１８に記憶させる。試料表面上の隣接す
る次の領域の画像信号を取得するためにはステージ８を
１００μｍ移動させる必要がある。このステージ移動に
は、先の実施例１の場合と同様、ステージ８を一定速度
で連続移動させる方式を採った。その際、照射電子ビー
ムに対してステージ８があたかも静止しているかの状態
になる様、偏向器５によって照射電子ビームをステージ
８の移動に追従させて偏向走査するようにした。これに
より、ステージ８を移動・停止させる際に生じる無駄時
間をゼロにした。このステージ８の連続移動への照射電
子ビームの追従走査に当っては、ビーム制御系２８内
で、ステージ位置測定器２７からの信号を参照して偏向
補正信号を計算し、この偏向補正信号を偏向器５に送り
照射電子ビームの偏向を制御させる。さらに、電子線に
よる試料拡大像の歪みや位置ドリフト等に関する補正分
も上記の偏向補正信号に重畳させることにより、これら
の補正も行なうようにした。また、偏向器５と連動して
偏向器１０も動作させて、ＣＣＤ上での試料拡大像の位
置が上記のステージ追従によるビーム位置移動の影響を
受けないようにした。これにより、ステージ移動による
無駄時間を無くし、高速・高精度の検査を実現すること
ができた。なお、上記以後の欠陥検査のための画像処理
等については、先の実施例１の場合と同様である。

【００４１】以上説明した手順により検査を進めていく
と、試料表面１ｃｍ² 当りについての拡大像をＣＣＤ上
に順次形成するに要する時間Ｔは１０ｓｅｃとなる。一
方、先の実施例１の場合と同様に、ＣＣＤから１Ｍライ
ン／秒の読出速度で画像信号を読み出すので、一枚の画
像(試料表面１００μｍ角についての画像)を読み出すの
に１ｍｓｅｃが必要であるため、試料表面積１ｃｍ² 当
り１０ｓｅｃが必要となる。ＣＣＤ素子における画像形
成と画像信号の読み出しは並行して行なわれるから、検
査に要する時間は、画像形成に要する時間と画像信号読
み出しに要する時間との内何れか長い方の時間となる。
本実施例では、画像形成所要時間と画像信号読出所要時
間とが、双方共に試料表面積１ｃｍ² 当り１０ｓｅｃ
と、互いに等しくなっており、従って、本実施例におけ
る試料表面積１ｃｍ² 当りについての検査所要時間は１
０ｓｅｃとなる。

【００４２】本実施例では、先の実施例１の場合に比
べ、１ショット当りの電子ビーム照射面積が小さく、従
って照射ビーム電流も小さくて済むので、電子源１とし
ては、先の実施例１の場合の先端部を広げたＬａＢ₆ 電
子源に比べ、より先端の尖ったＬａＢ₆ 電子源を用い
た。なお、本実施例では、ＬａＢ₆ 電子源に代えて熱電
界放出型の電子源、例えばＺｒ/Ｏ/Ｗ電子源を用いるこ
ともできる。

【００４３】以上の説明では、１ショットの電子ビーム
照射領域を５μｍ角の大きさに固定した場合について例
示したが、半導体試料７表面でのパターン繰り返しピッ
チに応じて、この電子ビーム照射領域の大きさを可変で
きるようにしても良い。上述したように、本実施例で
は、１ショットの電子ビーム照射領域をより小さく設定
しているので、各照射領域間のつなぎ部分に多少の歪み
が生じたとしても、常に同一箇所に同程度の歪みが生じ
ることになり、相互比較すべき二つの画像上での歪みの
現われ方も等しくなるため、歪みによる誤検出の問題が
無くなる。これにより、信頼性の高いパターン欠陥検査
が実現できる。

【００４４】〈実施例３〉本実施例では、試料表面画像
を電気信号に変換する素子として、時間蓄積型のＣＣＤ
センサを用いた。この素子はＴＤＩセンサと呼ばれるも
ので、光学式検査装置において一般的に使用されてい
る。それ以外は、先の実施例２の場合と同様である。こ
のＴＤＩセンサの動作概念を図５を参照して説明する。
ＴＤＩセンサでは、各受光領域で受光した光の強度に応
じて生成された電荷をｘ方向のラインに移動させて行く
と同時に、その移動先で受光した光の強度に応じて生成
された電荷を順次足し合わせて行くように動作する。そ
して、受光面の最終ラインに達した時点で電気信号とし
て外部に出力する。従って、ｘ方向の電荷の移動速度と
受光面上の画像のｘ方向の移動速度を同一にすること
で、画像がセンサ上を移動する間の信号を積分して出力
することになる。

【００４５】本実施例では、先の実施例１，実施例２の
場合のＣＣＤセンサと同様に、信号読み出しを３２チャ
ンネルに分割しそれぞれ並行して読み出すことにより、
読出速度を１Ｍライン／秒とした。また、受光領域の大
きさは、ｘ方向に６４画素，ｙ方向に１０２４画素のも
のを用いた。１ラインのｘ方向長さは、試料表面上の
０.１ μｍ，ｙ方向長さは約１００μｍに相当する。こ
のとき、縦０.１ μｍ，横１００μｍの画像が１Ｍ／秒
の速度で出力されることになるため、ステージの連続移
動速度もこれと同じ速度(０.１μｍ／１μｓｅｃ＝１
００ｍｍ／ｓｅｃ)としている。このように、検査領域
のｘ方向移動はステージ８を移動させることにより行な
う。一方、１ショットの照射領域は５μｍ角であるの
で、図５のように、照射領域のｙ方向移動は電子線を走
査して行なう必要が生じる。すなわち、ステージ８がｘ
方向に１ショット分（５μｍ）だけ移動する間に電子ビ
ームをｙ方向に１００μｍ走査する必要がある。１ショ
ットの所要時間を２.５μｓｅｃとすると、ｙ方向に１
００μｍ（２０ショット分）を走査するには５０μｓｅ
ｃ必要となる。一方、ステージ８のｘ方向移動速度は１
００ｍｍ／ｓｅｃであるから、ステージ８がｘ方向に丁
度１ショット分（５μｍ）移動するに要する時間は５０
μｓｅｃとなる。このように、ｘ方向に１ショット分
（５μｍ）のステージ移動に要する時間とｙ方向に２０
ショット分（１００μｍ）の電子ビーム走査に要する時
間とを一致させ、無駄時間が生じるのを防いでいる。こ
の方法によって試料表面積１ｃｍ² の画像を取得するに
は、上述の５μｍ×１００μｍの単位走査領域について
の走査所要時間（５０μｓｅｃ）の２×１０⁵ 倍を要す
ることになるので、試料表面積１ｃｍ² 当りの検査所要
時間は１０ｓｅｃとなる。なお、ＴＤＩセンサからの信
号出力速度が上記した例の２倍の２Ｍライン／秒を実現
できれば、検査所要時間はその半分の５ｓｅｃとなる。

【００４６】上述したように、本実施例では、ＴＤＩセ
ンサの信号出力速度から決まるステージの移動速度が１
００ｍｍ／ｓｅｃであるから、十分ステージ移動による
検査領域のｘ方向移動が可能であり、しかもその間に電
子ビーム走査による検査領域のｙ方向走査のための十分
な時間を確保できる。また、本実施例では、検査速度を
決めているのはＴＤＩセンサの信号出力速度であるた
め、この信号出力速度が改善されれば、さらに高速での
検査が実現できる。

【００４７】〈実施例４〉先の実施例１〜３では、半導
体試料表面に減速した電子線を照射していたが、本実施
例では、電子線が試料表面に入射せずに試料表面直前で
反射されてしまうように、試料表面に電子線の加速電圧
よりも僅かに高い負電位を印加する。試料表面画像の形
成には、この試料直前で反射された電子を用いる。その
他は、先の第１の実施例の場合と全く同様である。近年
半導体プロセスにＣＭＰ，ＣＭＬ等の表面研磨加工プロ
セスが導入されつつあり、半導体試料表面の凹凸が平坦
化される傾向にある。本実施例では、このような平坦化
プロセス後の表面の微妙な凹凸を、先の実施例１の場合
に比較して、非常に感度よく検出することができる。す
なわち、本実施例の特徴は、先の実施例１，２，３に比
べ、試料に印加する負電圧をより高くして、照射電子が
実際には半導体試料内に入射せずに、試料表面に存在し
ている原子核や電子と相互作用して試料表面の直前で反
射されてしまうような条件に設定していることである。
かかる条件の下で検査することにより、表面の微妙な凹
凸の変化として現われるプロセスの欠陥を実施例１の場
合よりもさらに感度良く検出できる等の利点が得られ
る。

【００４８】〈実施例５〉先の実施例１〜４において
は、蛍光板を用いて電子線画像を光学像に変換した後
に、光センサ（ＣＣＤやＴＤＩ）センサで画像検出して
いた。本実施例では、電子線に対し直接感度のあるセン
サ５７を用いることにより、先の実施例１〜４における
蛍光板と光ファイバー束とを省略したものである。その
構成図を図６に示す。センサ５７の断面構造は、通常の
光センサの受光面の最表面に数百オングストロームの導
電膜を施したものである。これにより、試料表面の電子
線による画像を直接に検出できるので、先の実施例１〜
４におけるような光ファイバー束(または、それに代わ
る光学レンズ)や蛍光板等が不要となり、装置構成が簡
単になることで誤差要因が減少し、より信頼性の高い検
査が可能となる。

【００４９】〈実施例６〉先の実施例１〜３，および５
では、半導体試料７に負の電位を印加し、試料に照射さ
れる電子のエネルギーを小さくすることで、試料から放
出される後方散乱電子のエネルギー分散を小さくする効
果が得られるようにしていた。本実施例では、新たにエ
ネルギーフィルタ３１を半導体試料７から結像レンズ１
１に到る間に設けて、検査画像を形成する電子のエネル
ギー分散をさらに小さくしている。その装置構成例を、
図７に示す。エネルギーフィルタ３１には、静電偏向と
電磁偏向とを組み合わせたウィーンフィルタと呼ばれる
ものを用いた。このウィーンフィルタは、ある特定エネ
ルギーの電子ビームに対して静電偏向作用と電磁偏向作
用とが相殺し合ってビームを偏向させずに直進させるよ
う機能する。従って、このエネルギーフィルタ３１の後
段の結像レンズ１１の後方に絞り３２を設けることによ
って、特定のエネルギーの電子ビームのみがこの絞り３
２の開口を通過して試料電子線像を形成するようにする
ことができる。従って、結像レンズ１１や拡大レンズ１
３，１４での色収差が低減され、センサ５７(または蛍
光板１５)上に形成される画像の分解能が向上すると云
う効果がある。

【００５０】〈実施例７〉本実施例では、先の実施例５
(図６)、実施例６(図７)において利用した電子線に対し
感度のあるセンサ５７と同様の機能を有し中心にビーム
通過孔が設けられた絞り兼センサ２０４を、丁度半導体
試料７における電子線照射領域の逆空間像(フーリエ変
換像)が形成される位置に設置した。この絞り兼センサ
２０４からの電子線強度分布像（信号）は、信号切換装
置２０５を介して画像処理部１０４内の画像記憶部１
８，１９に入力されるようにしてある。すなわち、この
信号切換装置２０５は、制御計算機２９からの制御信号
を受けて絞り兼センサ２０４からの画像信号およびＣＣ
Ｄ１７からの画像信号の何れか一方を選択して画像処理
部１０４内の画像記憶部１８，１９に供給するよう機能
する。

【００５１】半導体試料７表面の電子線照射領域の逆空
間像(フーリエ変換像)は、試料表面から同一散乱角で放
出した後方散乱電子が対物レンズ６により一点に結像さ
れる面に形成される。一般に半導体試料表面に形成され
た回路パターンは規則正しい繰り返し構造を基本として
いるため、その逆空間像は少数のスポットや線から成る
単純なものである。従って、互いに異なる領域の逆空間
像間での比較は、それぞれ対応する実空間像間での比較
よりも容易である。そこで、この逆空間像比較を用いる
ことにより、実空間像比較を利用する場合に比べ、電子
線照射領域内における欠陥の有無の判定をより効率的か
つ高信頼度で実行できる。しかし、言うまでもなく、上
述したような逆空間像の比較からは電子線照射領域内の
どの位置に欠陥が存在しているのかを特定することはで
きない。そこで、本実施例では、先ず、絞り兼センサ２
０４からの逆空間像信号を用いての比較検査によって簡
便かつ迅速に検査対象領域内での欠陥の有無を判定し、
次いで、ＣＣＤセンサ１７からの実空間像信号を用いて
の比較検査によって、その欠陥の存在位置を正確に同定
できるようにした。これにより、実空間像比較による詳
細な欠陥位置同定に先立って欠陥発生領域の概略を簡便
に知ることができ、欠陥検査の効率化が達成される。

【００５２】ここで、絞り兼センサ２０４を設置する位
置は、電子線照射領域の逆空間像が形成される位置でさ
えあれば、必ずしも本実施例のように対物レンズの後段
位置のみに限定されないことは云うまでもない。また、
先の実施例１〜６においても本実施例と同様な構成変更
を行なうことによって、本実施例と同様な効果を実現で
きることも云うまでもない。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば、電子線によるウェハパ
ターン検査装置の検査速度が飛躍的に高速化する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例になる検査装置の概略構
成図。

【図２】本発明の効果を説明するための放出電子のエネ
ルギー分布図。

【図３】本発明の第１の実施例になる検査装置の一構成
要素であるＣＣＤセンサの動作説明図。

【図４】本発明の第２の実施例による検査装置の動作説
明図。

【図５】本発明の第３の実施例になる検査装置の一構成
要素であるＴＤＩセンサの動作説明図。

【図６】本発明の第５の実施例になる検査装置の概略構
成図。

【図７】本発明の第６の実施例になる検査装置の概略構
成図。

【図８】本発明の第７の実施例になる検査装置の概略構
成図。

【符号の説明】

１：電子源，２：コンデンサレンズ，３：偏向器，４：絞り，５：照射系偏向器，６：対物レンズ，７：試料，８：Ｘ−Ｙ−θステージ，９：電源，１０：結像系偏向器，１１：結像レンズ，１２：電子像，１３：拡大レンズ，１４：拡大レンズ，１５：蛍光板，１６：光ファイバー束，１７：ＣＣＤ，１８：画像記憶部，１９：画像記憶部，２０：演算部，２１：欠陥判定部，２２：モニタ，２３：加速電源，２４：走査信号発生器，２５：対物レンズ電源，２６：試料高さ測定器，２７：ステージ位置測定器，２８：ビーム制御系，２９：制御計算機，３０：光学顕微鏡，３１：エネルギーフィルタ，３２：絞り，５７：電子線画像センサ，１０１：電子光学系，１０２：試料室，１０３：画像検出部，１０４：画像処理部，１０５：制御部，２０４：絞り兼センサ，２０５：信号切換装置，３００：電極，３０１：電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 21/66 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５０２Ｖ (72)発明者長谷川正樹東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者野副真理東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 ▲高▼藤敦子東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者杉山勝也東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者黒田勝廣東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者梅村馨東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者宇佐見康継茨城県ひたちなか市市毛882番地株式会社日立製作所計測器事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子源からの電子ビームを試料表面の一定
の面積領域に拡げて同時に照射する電子ビーム照射手段
と、該面積領域より得られる後方散乱電子または二次電
子を結像させて上記面積領域についての拡大像を形成す
る像形成手段と、上記試料表面の所望位置に上記電子ビ
ームが照射されるよう上記試料を移動させる試料移動手
段と、上記像形成手段により形成された上記面積領域に
ついての上記拡大像を画像信号に変換する画像信号取得
手段と、該画像信号取得手段により取得された上記試料
表面上の一の面積領域についての画像信号を他の面積領
域についての画像信号と比較して上記一の面積領域にお
けるパターン欠陥を検出する欠陥検出手段とを有してな
ることを特徴とするパターン欠陥検査装置。
【請求項２】上記の電子ビーム照射手段は、上記電子源
からの電子ビームを上記試料表面に照射する際に、該電
子ビームを減速するためのビーム減速機構を含んでなる
ことを特徴とする請求項１に記載のパターン欠陥検査装
置。
【請求項３】上記のビーム減速機構は、上記試料表面に
負電位を印加することによって、該試料表面に照射され
る上記電子ビームを減速するものであることを特徴とす
る請求項２に記載のパターン欠陥検査装置。
【請求項４】上記のビーム減速機構は、上記試料に照射
される上記電子ビームが、上記試料表面には入射せず
に、該試料表面の極近傍において反射されるように、上
記電子ビームを減速するものであることを特徴とする請
求項２または３に記載のパターン欠陥検査装置。
【請求項５】上記の試料移動手段は、上記試料をほぼ等
速で連続的に移動させるものであることを特徴とする請
求項１〜４のいずれかに記載のパターン欠陥検査装置。
【請求項６】上記の試料移動手段は、上記試料を載せて
ほぼ等速で連続的に移動する試料ステージと該試料ステ
ージの位置を計測するステージ位置計測機構とを備え、
上記の電子ビーム照射手段は、上記ステージ位置計測機
構からの計測信号に基づいて上記電子ビームが上記ステ
ージの連続移動に拘らず一定時間の間上記試料表面の同
一領域に固定照射されるよう上記電子ビームを上記ステ
ージの移動に連動して偏向制御する電子ビーム偏向制御
機構を備えてなることを特徴とする請求項５に記載のパ
ターン欠陥検査装置。
【請求項７】上記の画像信号取得手段は、上記像形成手
段により形成された上記面積領域についての拡大像を蛍
光板上に投射することによって光学像に変換し、該光学
像を光学画像検出素子の受光面上に投射することによっ
て該光学画像検出素子からの出力信号として上記画像信
号を取得するものであることを特徴とする請求項１〜６
のいずれかに記載のパターン欠陥検査装置。
【請求項８】上記の光学画像検出素子は、ＣＣＤセンサ
またはＴＤＩセンサであることを特徴とする請求項７に
記載のパターン欠陥検査装置。
【請求項９】上記の光学画像検出素子は、検出した画像
信号を並列に多チャンネルで読み出せるものであること
を特徴とする請求項７または８に記載のパターン欠陥検
査装置。
【請求項１０】上記の画像信号取得手段は、上記像形成
手段により形成された上記面積領域についての拡大像を
電子に対して検出感度を有する電子画像検出素子の受光
面上に直接投射することによって該電子画像検出素子の
出力信号として上記画像信号を取得するものであること
を特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のパターン
欠陥検査装置。
【請求項１１】上記の電子画像検出素子は、ＣＣＤセン
サまたはＴＤＩセンサであることを特徴とする請求項１
０に記載のパターン欠陥検査装置。
【請求項１２】上記の電子画像検出素子は、検出した画
像信号を並列に多チャンネルで読み出すものであること
を特徴とする請求項１０または１１に記載のパターン欠
陥検査装置。
【請求項１３】上記の光学画像検出素子の受光面の大き
さが、該受光面上に投射される上記試料表面上の一定の
面積領域についての光学像の大きさと略等しく設定され
ていることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載
のパターン欠陥検査装置。
【請求項１４】上記の電子画像検出素子の受光面の大き
さが、該受光面上に投射される上記試料表面上の一定の
面積領域についての電子像の大きさと略等しく設定され
ていることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに
記載のパターン欠陥検査装置。
【請求項１５】上記の光学画像検出素子の受光面の大き
さが、該受光面上に投射される上記試料表面上の一定の
面積領域についての光学像の大きさより大きく設定され
ていることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載
のパターン欠陥検査装置。
【請求項１６】上記の電子画像検出素子の受光面の大き
さが、該受光面上に投射される上記試料表面上の一定の
面積領域についての電子像の大きさより大きく設定され
ていることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれかに
記載のパターン欠陥検査装置。
【請求項１７】上記のビーム減速機構は、該ビーム減速
機構により減速された上記電子ビームの照射により上記
試料表面から放出される上記後方散乱電子のエネルギー
分散が上記像形成手段によって形成される上記試料表面
の拡大像の分解能に殆ど影響を及ぼさなくなるようなエ
ネルギー範囲まで上記電子ビームを減速するものである
ことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のパタ
ーン欠陥検査装置。
【請求項１８】上記の像形成手段は、上記試料表面への
上記電子ビームの照射によって該試料表面から放出され
る後方散乱電子をエネルギー分別するためのエネルギー
フィルタを備えてなり、それにより、ある特定のエネル
ギー幅内の後方散乱電子のみによって上記面積領域につ
いての拡大像が形成されるように構成されていることを
特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載のパターン
欠陥検査装置。
【請求項１９】上記の電子ビーム照射手段は、上記電子
源からの電子ビームを矩形絞り開口を通して矩形断面形
状のビームに成形してから、該矩形断面形状ビームを上
記試料表面に照射するよう構成されていることを特徴と
する請求項１〜１８のいずれかに記載のパターン欠陥検
査装置。
【請求項２０】上記の像形成手段は、さらに、上記試料
表面への上記電子ビームの照射により該電子ビーム照射
領域から放出される後方散乱電子または二次電子によっ
て上記電子ビーム照射領域についての逆空間像を形成す
る機能を備えてなり、上記の画像信号取得手段は上記逆
空間像を画像信号に変換する機能をさらに備えてなり、
上記欠陥検出手段は、上記画像信号取得手段により取得
された上記試料表面上の一の面積領域についての逆空間
像の画像信号と他の面積領域についての逆空間像の画像
信号とを比較して上記一の面積領域におけるパターン欠
陥の有無を検出する機能をさらに備えてなることを特徴
とする請求項１〜１９のいずれかに記載のパターン欠陥
検査装置。
【請求項２１】電子源からの電子ビームを試料表面の第
１の面積領域に拡げて同時に照射する第１の電子ビーム
照射段階と、上記第１の面積領域から放出された後方散
乱電子または二次電子を結像させて上記第１の面積領域
についての第１の電子像を形成する第１の電子像形成段
階と、上記第１の面積領域についての上記第１の電子像
の画像信号を取得する第１の画像信号取得段階と、上記
電子ビームの照射位置を上記試料表面の上記第１の面積
領域から第２の面積領域へと移動させる照射位置移動段
階と、上記電子源からの上記電子ビームを上記試料表面
の上記第２の面積領域に拡げて同時に照射する第２の電
子ビーム照射段階と、上記第２の面積領域から放出され
た後方散乱電子または二次電子を結像させて上記第２の
面積領域についての第２の電子像を形成する第２の電子
像形成段階と、上記第２の面積領域についての上記第２
の電子像の画像信号を取得する第２の画像信号取得段階
と、上記第１の画像信号取得段階において取得された上
記第１の面積領域についての上記第１の電子像の画像信
号と上記第２の画像信号取得段階において取得された上
記第２の面積領域についての上記第２の電子像の画像信
号とを比較して、上記第１の面積領域または上記第２の
面積領域におけるパターン欠陥を検出する欠陥検出段階
とを少なくとも含んでなることを特徴とするパターン欠
陥検査方法。
【請求項２２】上記第１および第２の電子ビーム照射段
階における上記電子ビームの上記試料表面への照射に際
して、上記電子源からの上記電子ビームが上記試料表面
に到達する前に、上記電子ビームを減速してから上記試
料表面に照射することを特徴とする請求項２１に記載の
パターン欠陥検査方法。
【請求項２３】上記電子ビームの減速は、上記試料表面
に負電位を印加することにより行なわれることを特徴と
する請求項２３に記載のパターン欠陥検査方法。
【請求項２４】上記電子ビームの減速は、上記試料表面
に照射される上記電子ビームが、上記試料表面には入射
せずに、該試料表面の極近傍において反射されるような
条件の下に行なわれることを特徴とする請求項２２また
は２３に記載のパターン欠陥検査方法。
【請求項２５】上記第１および第２の電子ビーム照射段
階における上記電子ビームの上記試料表面への照射は、
上記試料を連続的に移動させながら行なわれることを特
徴とする請求項２１〜２４のいずれかに記載のパターン
欠陥検査方法。
【請求項２６】上記第１および第２の電子ビーム照射段
階における上記電子ビームの上記試料表面への照射は、
上記試料の連続的な移動にも拘らず一定時間の間上記試
料表面の同一領域に固定照射されるように上記電子ビー
ムを上記試料の移動と連動して偏向制御しながら行なわ
れることを特徴とする請求項２５に記載のパターン欠陥
検査方法。
【請求項２７】上記第１および第２の画像信号取得段階
における画像信号の取得は、上記第１および第２の電子
像形成段階において得られた上記第１および第２の電子
像を蛍光板上に投射することによって一旦光学像に変換
し、次いで、上記光学像を光学画像検出素子の受光面上
に投射して上記光学像を上記画像信号に変換することに
より行なわれることを特徴とする請求項２１〜２６のい
ずれかに記載のパターン欠陥検査方法。
【請求項２８】上記光学画像検出素子は、ＣＣＤセンサ
またはＴＤＩセンサであることを特徴とする請求項２７
に記載のパターン欠陥検査方法。
【請求項２９】上記光学画像検出素子は、検出した画像
信号を多チャンネルで同時並列に読み出しできるもので
あることを特徴とする請求項２７または２８に記載のパ
ターン欠陥検査方法。
【請求項３０】上記第１および第２の画像信号取得段階
における画像信号の取得は、上記第１および第２の電子
像形成段階において得られた上記第１および第２の電子
像を電子に対して検出感度を有する電子画像検出素子の
受光面上に直接投射することによって上記電子像を上記
画像信号に変換することにより行なわれることを特徴と
する請求項２１〜２６のいずれかに記載のパターン欠陥
検査方法。
【請求項３１】上記電子画像検出素子は、ＣＣＤセンサ
またはＴＤＩセンサであることを特徴とする請求項３０
に記載のパターン欠陥検査方法。
【請求項３２】上記電子画像検出素子は、検出した画像
信号を多チャンネルで同時並列に読み出しできるもので
あることを特徴とする請求項３０または３１に記載のパ
ターン欠陥検査方法。
【請求項３３】上記光学画像検出素子の受光面の大きさ
が、該受光面上に投射される上記試料表面上の一定の面
積領域についての光学像の大きさとほぼ等しく設定され
ていることを特徴とする請求項２７〜２９のいずれかに
記載のパターン欠陥検査方法。
【請求項３４】上記電子画像検出素子の受光面の大きさ
が、該受光面上に投射される上記試料表面上の一定の面
積領域についての電子像の大きさとほぼ等しく設定され
ていることを特徴とする請求項３０〜３２のいずれかに
記載のパターン欠陥検査方法。
【請求項３５】上記光学画像検出素子の受光面の大きさ
が、該受光面上に投射される上記試料表面上の一定の面
積領域についての光学像の大きさよりも大きく設定され
ていることを特徴とする請求項２７〜２９のいずれかに
記載のパターン欠陥検査方法。
【請求項３６】上記電子画像検出素子の受光面の大きさ
が、該受光面上に投射される上記試料表面上の一定の面
積領域についての電子像の大きさよりも大きく設定され
ていることを特徴とする請求項３０〜３２のいずれかに
記載のパターン欠陥検査方法。
【請求項３７】上記した電子ビームの減速は、減速後の
上記電子ビームの照射により上記試料表面から放出され
る後方散乱電子のエネルギー分散が該後方散乱電子によ
り形成される上記試料表面の電子像の分解能に実質上影
響を及ぼさなくなるようなエネルギー範囲にまで上記電
子ビームを減速するものであることを特徴とする請求項
２２〜２４のいずれかに記載のパターン欠陥検査方法。
【請求項３８】上記した第１および第２の電子像形成段
階における電子像の形成に際しては、上記試料表面への
上記電子ビームの照射によって該試料表面から放出され
る後方散乱電子をエネルギーフィルタを用いてエネルギ
ー分別し、ある特定のエネルギー幅内の後方散乱電子の
みにより上記電子像を形成することを特徴とする請求項
２１〜３７のいずれかに記載のパターン欠陥検査方法。
【請求項３９】上記した第１および第２の電子ビーム照
射段階における上記電子ビームの照射は、上記電子源か
らの電子ビームを矩形絞り開口を通して矩形断面形状の
ビームに成形してから、該矩形断面形状のビームを上記
試料表面に照射することにより行なわれることを特徴と
する請求項２１〜３８のいずれかに記載のパターン欠陥
検査方法。
【請求項４０】電子源からの電子ビームを試料表面の第
１の面積領域に拡げて同時に照射する第１の電子ビーム
照射段階と、上記第１の面積領域から放出された後方散
乱電子または二次電子を結像させて上記第１の面積領域
についての逆空間像を形成する第１の逆空間像形成段階
と、上記第１の面積領域についての上記第１の逆空間像
の画像信号を取得する第１の画像信号取得段階と、上記
電子ビームの照射位置を上記試料表面の上記第１の面積
領域から第２の面積領域へと移動させる照射位置移動段
階と、上記電子源からの上記電子ビームを上記試料表面
の上記第２の面積領域に拡げて同時に照射する第２の電
子ビーム照射段階と、上記第２の面積領域から放出され
た後方散乱電子または二次電子を結像させて上記第２の
面積領域についての第２の逆空間像を形成する第２の逆
空間像形成段階と、上記第２の面積領域についての上記
第２の逆空間像の画像信号を取得する第２の画像信号取
得段階と、上記第１の画像信号取得段階において取得さ
れた上記第１の面積領域についての上記第１の逆空間像
の画像信号と上記第２の画像信号取得段階において取得
された上記第２の面積領域についての上記第２の逆空間
像の画像信号とを比較して上記第１の面積領域または上
記第２の面積領域におけるパターン欠陥を検出する欠陥
検出段階とを少なくとも含んでなることを特徴とするパ
ターン欠陥検査方法。