JPH11135056A

JPH11135056A - 検査装置

Info

Publication number: JPH11135056A
Application number: JP9301669A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Hirose; 寛広瀬; Muneki Hamashima; 宗樹浜島; Akihiro Goto; 明弘後藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-11-04
Filing date: 1997-11-04
Publication date: 1999-05-21

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、電子ビームを利用して、例えば半
導体ウェーハの集積回路パターン像等を取得する検査装
置に関し、特に試料面の高さに応じて的確に焦点を合わ
せを行う検査装置を提供することを目的とする。【解決手段】試料面上に電子ビームを照射する照射手
段２４と、電子ビームの照射により、試料から発生する
二次電子、反射電子、または後方散乱電子の少なくとも
一種を二次ビームとして検出し、試料を撮像する電子検
出手段３５と、電子検出手段３５と試料２７との間に配
置され、電子検出手段３５の検出面に、二次ビームを結
像させる写像電子光学系２８、３１と、試料２７の高さ
を検出する高さ検出手段４１と、試料の高さに応じて写
像電子光学系２８、３１の焦点合わせを行う焦点制御手
段３９とを備えて構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子ビームを利用
して、例えば、半導体ウェーハの集積回路パターン像等
を取得する検査装置に関し、特に、試料の高さ変動に関
わらず常時鮮明な画像を取得することができる検査装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、スポット状に集束した電子ビー
ムが試料面上を走査し、試料から発生する二次電子、反
射電子等を検出して試料画像を取得する走査型電子顕微
鏡が知られている。この走査型電子顕微鏡においては、
ビーム径を絞った電子ビームで試料を走査するため、試
料画像の検出に大幅な時間を要するという問題点があっ
た。また、試料画像の検出時間を短縮化するには、ビー
ム走査速度を高速にすればよいのだが、これでは１画素
あたりの注入電子量が低下し、画像コントラストの低下
を招くという問題点があった。

【０００３】そこで、本出願人は、以上の問題点を解決
し、画質低下を招くことなく、短時間に試料画像を検出
することができる検査装置を提案した（特願平９−２２
２１８７号）。この検査装置を、図１１を参照して説明
する。図１１において、検査装置は、一次コラム７０、
二次コラム７１、チャンバー７２を有している。

【０００４】一次コラム７０の内部には、電子銃７３が
配置され、電子銃７３から照射される電子ビーム（一次
ビーム）の光軸上に、一次光学系７４が配置される。さ
らにその先には、二次コラム７１内部にあるウィーンフ
ィルタ７５が、光軸に対して斜めに配置される。

【０００５】一方、チャンバー７２の内部には、ステー
ジ７６が設置され、ステージ７６上には、試料７７が載
置される。また、二次コラム７１の内部には、試料から
の二次ビームの光軸上に、カソードレンズ７８、ウィー
ンフィルタ７５および二次光学系７９が配置される。さ
らに、二次光学系７９を介して二次電子、反射電子等が
集束する位置に検出器８０が配置される。検出器８０は
検出電子を光信号に変換し、さらにアレイ状のＣＣＤ撮
像素子によって光電信号に再変換する。光電信号はコン
トロールユニット８１を介して、ＣＰＵ８２に入力され
る。

【０００６】ＣＰＵ８２は、一次コラム制御ユニット８
３および二次コラム制御ユニット８４に制御信号を出力
する。一次コラム制御ユニット８３は、一次光学系７４
に対して、また、二次コラム制御ユニット８４は、カソ
ードレンズ７８および二次光学系７９に対してレンズ電
圧の制御を行う。次に、この検査装置の動作について説
明する。

【０００７】一次コラム７０内の電子銃７３から一次ビ
ームが照射される。電子ビームは、一次光学系７４によ
ってビーム断面が矩形状または楕円形状に成形され、ウ
ィーンフィルタ７５に入射する。ウィーンフィルタ７５
は、電磁プリズムとして作用する偏向器で、一次コラム
７０からの特定のエネルギーを有する電子ビームを、そ
の加速電圧で決定される角度で曲げて、試料７７に垂直
に照射させる。一方、試料７７から発生する二次ビーム
に対しては、そのまま直進させ、二次コラム７１内の二
次光学系７９に入射させる。なお、このウィーンフィル
タの詳細については後述する。

【０００８】ウィーンフィルタ７５を通過した一次ビー
ムは、試料面上に照射されるが、そのビーム照射領域
は、一定面積を有する矩形状または楕円形状になる。試
料にビームが照射されると、そのビーム照射領域から二
次ビームが発生する。二次ビームは、ウィーンフィルタ
７５を通過し、二次光学系７９により集束され、検出器
８０の検出面に、所定の倍率で拡大投影されて画像信号
に変換される。このとき、検出面には、試料のビーム照
射領域がそのまま拡大投影されるので、試料の所定領域
の画像を一括して検出することができる。

【０００９】コントロールユニット８１は、検出器８０
から画像信号を取り出し、ＣＰＵ８２に出力する。ＣＰ
Ｕ８２は、取り出された画像信号からテンプレートマッ
チング等によってパターンの欠陥検査を実施する。この
ように、この検査装置では、従来の走査型電子顕微鏡の
ように電子ビームをスポット状に集束させて、試料面上
の検査対象領域を走査させるのではなく、電子ビームを
矩形状または楕円形状に成形して、検査対象領域の全面
に照射し、一括して試料の表面画像を取得することがで
きる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】通常、試料が完全な平
面である場合は皆無である。例えば、半導体ウェーハに
おいても、半導体デバイス製造にかかわる複数の工程を
経るため、ウェーハ自身に反りや歪みが生じる。また、
ステージを駆動して試料の各部分を検査する場合では、
ステージの上下動を完全に抑えてステージを水平移動さ
せることは困難であり、ステージ移動に伴ってステージ
に微小の高さ変動が起こる。

【００１１】このような状態では、試料の検査箇所によ
って試料面までの距離にばらつきがあるため、ある検査
箇所では、二次ビームが検出器の検出面で結像して鮮明
な画像になっても、別の検査箇所では、二次ビームが検
出面で結像せず、不鮮明な画像になるという問題点が考
えられた。すなわち、試料面の高さ変動が起きると、焦
点がずれた不鮮明な画像を検出することになり、検査の
信頼性を著しく低下させることが考えられた。

【００１２】そこで、請求項１、２に記載の発明は、上
述の問題点を解決するために、試料面の高さに応じて的
確に焦点を合わせることが可能な検査装置を提供するこ
とを目的とする。また、請求項３に記載の発明は、不要
な電子を排除することができる検査装置を提供すること
を目的とする。

【００１３】また、請求項４に記載の発明は、電子レン
ズの収差を低減させることができる検査装置を提供する
ことを目的とする。また、請求項５〜７に記載の発明
は、高さ検出手段について具体的な構成を提供すること
を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の検査装
置は、試料面上に電子ビームを照射する照射手段と、電
子ビームの照射により、試料から発生する二次電子、反
射電子、または後方散乱電子の少なくとも一種を二次ビ
ームとして検出し、試料を撮像する電子検出手段と、電
子検出手段と試料との間に配置され、電子検出手段の検
出面に、二次ビームを結像させる写像電子光学系と、試
料の高さを検出する高さ検出手段と、試料の高さに応じ
て写像電子光学系の焦点合わせを行う焦点制御手段とを
備えて構成する。

【００１５】請求項２に記載の検査装置は、請求項１に
記載の検査装置において、写像電子光学系は、複数の電
子レンズから構成され、焦点制御手段は、複数の電子レ
ンズの少なくとも２つの電子レンズの焦点距離を調節す
ることにより、試料の高さに応じた焦点合わせを行うこ
とを特徴とする。このような構成においては、撮影倍率
を変えることなく、焦点合わせを実行することができ
る。

【００１６】請求項３に記載の検査装置は、請求項２に
記載の検査装置において、電子検出手段と写像電子光学
系との間に配置され、電子像をマスクする第１のアパー
チャと、第１のアパーチャを透過した二次ビームを、電
子検出手段の検出面に結像させる写像電子レンズとを備
え、写像電子光学系は、試料から発生する二次ビーム
を、第１のアパーチャに結像させることを特徴とする。

【００１７】請求項４に記載の検査装置は、請求項２ま
たは請求項３に記載の検査装置において、写像電子光学
系は、カソードレンズを有し、該カソードレンズの焦点
位置に、二次ビーム量を制限する第２のアパーチャが配
置されることを特徴とする。請求項５に記載の検査装置
は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の検
査装置において、高さ検出手段は、試料面に斜めに光を
照射する発光手段と、発光手段から照射された光が試料
面で反射した反射光を、受光面で受光する受光手段とを
備えて構成され、該受光面における反射光のスポット位
置に基づいて、試料の高さを検出することを特徴とす
る。

【００１８】請求項６に記載の検査装置は、請求項１な
いし請求項４のいずれか１項に記載の検査装置におい
て、高さ検出手段は、発光手段と、発光手段から照射さ
れる光を部分的に遮光し、光束の一部が遮られた部分光
を形成する遮光手段と、部分光を反射することにより、
該部分光の光路を試料面の垂直方向に向けるハーフミラ
ーと、ハーフミラーを反射した部分光を集光する集光レ
ンズと、集光レンズにより集光された部分光が試料面で
反射し、その反射光を、集光レンズおよびハーフミラー
を介して受光面で受光する受光手段とを備えて構成さ
れ、該受光面における反射光のスポット位置に基づい
て、試料の高さを検出することを特徴とする。請求項７
に記載の検査装置は、請求項５または請求項６に記載の
検査装置において、高さ検出手段は、試料の高さを先行
して検出し、その試料の高さを記憶し、焦点制御手段
は、電子ビームが試料面上に照射されると、その照射領
域における試料の高さを高さ検出手段から読み出し、そ
の試料の高さに基づいて写像電子光学系の焦点距離を調
節することを特徴とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
形態を説明する。（第１の実施形態）以下、図面を用いて本発明の実施形
態を説明する。

【００２０】図１は、第１の実施形態の全体構成図であ
る。また、図２は、一次ビームの軌道を示す図であり、
図３は、二次ビームの軌道を示す図である。また、図
４、図５は、Ｚセンサを説明する図である。なお、本実
施形態は、請求項１〜５に記載の発明に対応する。図１
において、検査装置は、一次コラム２１、二次コラム２
２およびチャンバー２３を有している。

【００２１】二次コラム２２の側面には、一次コラム２
１が斜めに接続しており、二次コラム２２の下部にはチ
ャンバー２３が配置される。一次コラム２１の内部に
は、電子銃２４が設けられており、電子銃２４から照射
される電子ビーム（一次ビーム）の光軸上に、一次光学
系２５が配置され、さらにその先には、二次コラム２２
内部にあるウィーンフィルタ２９が光軸に対して斜めに
配置される。

【００２２】一方、チャンバー２３の内部にはステージ
２６が設置され、ステージ２６上には試料２７が載置さ
れる。また、二次コラム２２の内部には、試料２７から
発生する二次ビームの光軸上に、カソードレンズ２８、
ウィーンフィルタ２９、ニューメニカルアパーチャ３
０、第１レンズ３１、フィールドアパーチャ３２、第２
レンズ３３、第３レンズ３４および検出器３５が配置さ
れる。

【００２３】検出器３５の入出力端子は、コントロール
ユニット３６を介してＣＰＵ３７の入出力端子と接続さ
れる。ＣＰＵ３７は、レンズ制御ユニット３８、レンズ
制御部３９、ステージ駆動機構４０、Ｚセンサ４１、メ
モリ４２と接続される。一方、レンズ制御ユニット３８
は、一次光学系２５のレンズ電圧を制御し、レンズ制御
部３９は、カソードレンズ２８、第１レンズ３１、第２
レンズ３３、第３レンズ３４の各レンズ電圧を制御し、
ステージ駆動機構４０は、ステージ２６のＸＹ方向の駆
動制御を行う。

【００２４】また、ＣＰＵ３７には、Ｚセンサ４１から
の高さ変動情報およびレーザ干渉計ユニット４３からの
位置情報が入力される。さらに、一次コラム２１、二次
コラム２２、チャンバー２３は、真空排気系（不図示）
と繋がっており、真空排気系のターボポンプにより排気
されて、内部は真空状態を維持している。

【００２５】なお、検出器３５は、ＭＣＰ（マイクロチ
ャネルプレート）４４と、蛍光板４５を有するＦＯＰ
（ファイバオプティックプレート）４６と、ＣＣＤカメ
ラ４７とから構成される。また、図４に示すように、Ｚ
センサ４１は、試料面上に斜めに光を照射する発光素子
５０と、発光素子５０の光軸上に配置されるコリメータ
レンズ５１と、試料面上で反射した光の光路上に配置さ
れるレンズ５２と、その反射光を受光する２分割ディテ
クタ５３とから構成される。

【００２６】なお、本発明と本実施形態との対応関係に
ついては、照射手段は、電子銃２４および一次光学系２
５に対応し、電子検出手段は、検出器３５に対応し、写
像電子光学系は、カソードレンズ２８および第１レンズ
３１に対応し、高さ検出手段は、Ｚセンサ４１に対応
し、焦点制御手段は、ＣＰＵ３７およびレンズ制御部３
９に対応する。

【００２７】また、第１のアパーチャは、フィールドア
パーチャ３２に対応し、写像電子レンズは、第２レンズ
３３および第３レンズ３４に対応し、第２のアパーチャ
は、ニューメニカルアパーチャ３０に対応する。また、
発光手段は、発光素子５０およびコリメータレンズ５１
に対応し、受光手段は、レンズ５２および２分割ディテ
クタ５３に対応する。

【００２８】次に、この検査装置の動作について説明す
る。ＣＰＵ３７から高さ検出開始信号がＺセンサ４１に
出力される。Ｚセンサ４１は、後述する試料の高さ変動
の検出動作を行う。ここでは、まず、高さ変動がなかっ
た場合について説明する。図２に示すように、電子銃２
４からの一次ビームは、一次光学系２５によってレンズ
作用を受けて、ウィーンフィルタ２９に入射する。

【００２９】ここでは電子銃のチップとして、矩形陰極
で大電流を取り出すことができるランタンヘキサボライ
ト（ＬａＢ₆）を用いる。また、一次光学系２５は、回
転軸非対称の四重極または八重極の静電レンズを使用す
る。このレンズは、いわゆるシリンドリカルズと同様
に、矩形陰極の長軸（Ｘ軸）、短軸（Ｙ軸）各々で集束
と発散とを引き起こすことができる。図２では、矩形陰
極のＸ方向断面に放出された電子の軌道とＹ方向断面に
放出された電子の軌道とを示している。

【００３０】このレンズを３段で構成し、各レンズ条件
を最適化することによって、照射電子を損失することな
く、試料面上のビーム照射領域を、任意の矩形状、また
は楕円形状に成形することができる。一次ビームがウィ
ーンフィルタ２９に入射すると、ウィーンフィルタ２９
の偏向作用により軌道が曲げられる。ウィーンフィルタ
２９は、磁界と電界を直交させ、電界をＥ、磁界をＢ、
荷電粒子の速度をｖとした場合、Ｅ＝ｖＢのウィーン条
件を満たす荷電粒子のみを直進させ、それ以外の荷電粒
子の軌道を曲げる。図７に示すように、一次ビームに対
しては、磁界による力ＦBと電界による力ＦEとが発生
し、ビーム軌道は曲げられる。一方、二次ビームに対し
ては、力ＦBと力ＦEとが逆方向に働くため、互いに相殺
されて二次ビームはそのまま直進する。

【００３１】カソードレンズ２８を通過した一次ビーム
は、試料２７に垂直に照射される。ここでは、試料２７
に照射される一次ビームの照射領域は矩形状である。試
料２７のビーム照射領域全面からは、二次電子、反射電
子または後方散乱電子が二次ビームとして発生する。す
なわち、この二次ビームは、矩形状の二次元画像情報を
有していることになる。さらに、一次ビームは、試料２
７に垂直に照射されるので、二次ビームは影のない鮮明
な電子像を有する。

【００３２】二次ビームは、カソードレンズ２８による
レンズ作用を受けながら、レンズを通過し、ウィーンフ
ィルタ２９に入射する。ところで、カソードレンズ２８
は、３枚の電極で構成されている。一番下の電極は、試
料２７側の電位との間で、二次ビームに対して正の電界
を形成し、電子（特に、指向性が小さい二次電子）を引
き込み、効率よくレンズ内に導くように設計されてい
る。また、レンズ作用は、カソードレンズ２８の下から
１番目、２番目の電極に電圧を印加し、３番目の電極を
ゼロ電位にすることで行われる。

【００３３】カソードレンズ２８を通過した二次ビーム
は、ウィーンフィルタ２９の偏向作用を受けずに、その
まま直進して、ニューメニカルアパーチャ３０を通過す
る。なお、ウィーンフィルタ２９に印加する電磁界を変
えることで、二次ビームから、特定のエネルギーを持つ
電子（例えば２次電子、又は反射電子、又は後方散乱電
子）のみを検出器３５に導くことができる。

【００３４】また、ニューメニカルアパーチャ３０は、
開口絞りに相当するもので、二次ビームに対して第１レ
ンズ３１、第２レンズ３３および第３レンズ３４のレン
ズ収差を抑える役割を果たしている。ところで、二次ビ
ームを、カソードレンズ２８のみで結像させると、レン
ズ作用が強くなり収差が発生しやすい。そこで、図３に
示すように、第１レンズ３１と合わせて、１回の結像を
行わせる。二次ビームは、カソードレンズ２８および第
１レンズ３１により、フィールドアパーチャ３２上で中
間結像を得る。

【００３５】この場合、通常、二次光学系として必要な
撮影倍率が、不足することが多いため、中間像を拡大す
るためのレンズとして、第２レンズ３３および第３レン
ズ３４を加えた構成にする。二次ビームは、第２レンズ
３３および第３レンズ３４によって拡大結像し、合計２
回結像する。

【００３６】なお、第１レンズ３１、第２レンズ３３お
よび第３レンズ３４はすべて、ユニポテンシャルレンズ
またはアインツェルレンズとよばれる回転軸対称型のレ
ンズである。各レンズは、３枚電極の構成で、通常は外
側の２電極をゼロ電位とし、中央の電極に印加する電圧
で、レンズ作用を行わせて制御する。また、中間の結像
点には、フィールドアパーチャ３２が配置されている
が、このフィールドアパーチャ３２は光学顕微鏡の視野
絞りと同様に、視野を必要範囲に制限している。それと
同時に、電子ビームの場合、装置内に散乱する余計な電
子を、後段の第２レンズ３３および第３レンズ３４と共
に遮断して、検出器３５のチャージアップや汚染を防い
でいる。なお、撮影倍率は、この第２レンズ３３および
第３レンズ３４のレンズ条件（焦点距離）を変えること
で設定される。

【００３７】二次ビームは、第２レンズ３３および第３
レンズ３４を通過して検出器３５の検出面に結像する。
二次ビームは、ＭＣＰ４４に入射し、その電流量をＭＣ
Ｐ４４内で増幅しながら、蛍光板４５に衝突する。蛍光
板４５では、電子を光学像に変換し、光学像は、ＦＯＰ
４６を通過して、ＣＣＤカメラ４７で撮像される。この
とき、蛍光板４５での画像サイズとＣＣＤカメラ４７の
撮像サイズとを合わせるために、ＦＯＰ４６で縮小して
投影する。

【００３８】光学像は、ＣＣＤカメラ４７のＴＤＩアレ
イＣＣＤセンサにより光電変換され、ＴＤＩアレイＣＣ
Ｄセンサには、信号電荷が蓄積される。コントロールユ
ニット３６は、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサから画像情報
をシリアルに読み出し、ＣＰＵ３７へ出力する。ＣＰＵ
３７は、画像情報をメモリ４２に転送する。次に、本実
施形態の特徴点である焦点調節の動作について説明す
る。

【００３９】Ｚセンサ４１は、ＣＰＵ３７からの高さ検
出開始信号に従って、一次ビームの照射領域の中心付近
の高さ変動を検出する。図４に示すように、発光素子５
０から照射される光は、コリメータレンズ５１により平
行光束に直され、試料２７の一次ビーム照射領域の中心
付近に照射される。試料面上で反射した光は、レンズ５
２により集光され、２分割ディテクタ５３によって受光
される。このとき、例えば、試料面がＡの位置にあると
きを基準位置（合焦している状態）と考える。この状態
のとき、試料面上の点ａで反射した光は２分割ディテク
タ５３の中央付近で受光される（図５(１)(Ａ)）。した
がって、２分割ディテクタ５３の差動信号は、図５
（２）に示すようにほぼ０になる。

【００４０】次に、試料面の高さが、基準位置Ａより上
側にΔＺ変動してＢの位置になったとする。光は点ｂで
反射して左方向にΔＤだけずれてレンズ５２に入射し、
２分割ディテクタ５３で受光される。このとき、光は、
図５(１)(Ｂ)に示されるように、受光領域が右側にずれ
て受光される。また、試料が下側にΔＺ変動してＣの位
置になると、光は点ｃで反射して右方向にΔＤだけずれ
てレンズ５２に入射し、２分割ディテクタ５３で受光さ
れる。このとき、光は、図５(１)(Ｃ)に示されるよう
に、受光領域が左側にずれて受光される。

【００４１】２分割ディテクタ５３の差動信号は、図５
（２）に示されるように、試料面の位置がＢのときは負
の出力、Ｃのときは正の出力になる。このように試料が
Ａの位置にあるときを０として基準にとり、ΔＺに応じ
たフォーカス信号が出力される。フォーカス信号は、Ａ
／Ｄ変換部（不図示）によりデジタル信号に変換され、
ＣＰＵ３７に入力される。ＣＰＵ３７は、フォーカス信
号に応じて焦点制御するが、どのレンズを、どんな励磁
電圧値に制御するかは、結像条件と収差の計算により最
適な値が制御テーブルとして予め与えられている。な
お、この時、撮影倍率は変わらないようにレンズ条件を
設定する。この焦点調節動作を図６を参照して説明す
る。

【００４２】図６（Ａ）は、図４の試料面がＡの位置に
ある状態に対応し、図６（Ｂ）は試料面がＢの位置にあ
る状態に対応し、図６（Ｃ）は試料面がＣの位置にある
状態に対応している。

【００４３】図６（Ｂ）では、試料面とカソードレンズ
２８間（ＷＤ）がΔＺ分小さくなっている。そこで、カ
ソードレンズ２８および第１レンズ３１の２つのレンズ
の焦点距離を小さくすることにより焦点調節を行う。焦
点距離を小さくするには、レンズに印加する電圧の絶対
値を大きくする。例えば、印加する電圧値が＋３ｋＶな
らば＋４ｋＶに、−３ｋＶなら−４ｋＶのように変更す
る。このとき、両レンズに印加する電圧値は、撮影倍率
を一定にする（すなわち、フィールドアパーチャ３２上
に結像する際のビームが、第１レンズ３１に対して張る
角度を一定角度にする）条件を満たすレンズ電圧値に設
定する。

【００４４】また、図６（Ｃ）では、ＷＤがΔＺ分大き
くなっている。そこで、カソードレンズ２８および第１
レンズ３１に印加する電圧の絶対値を小さくし、２つの
レンズの焦点距離を大きくすることにより焦点調節を行
う。その際、２つのレンズ電圧値は、撮影倍率を一定に
する条件を満たすレンズ電圧値に設定する。以上の焦点
調節動作が完了すると、前述したように電子ビームを照
射して試料画像を検出する。

【００４５】（第１の実施形態の効果）このように、第
１の実施形態の検査装置では、Ｚセンサ４１によって試
料の高さ変動を検出し、その変動に応じてカソードレン
ズ２８および第１レンズ３１の焦点距離を調節すること
で、撮影倍率を一定に保ったまま二次ビームをフィール
ドアパーチャ３２上に結像させることができる。これに
より、試料に反りやひずみが存在しても、画像検出前に
焦点調節を実行することができ、鮮明な画像を取得する
ことができる。

【００４６】（第２の実施形態）第１の実施形態では、
ビーム照射領域と高さ変動の検出箇所とが一致していた
が、本実施形態ではビーム照射領域と高さ変動の検出箇
所とが一致しない検査装置について説明する。

【００４７】図８は、第２の実施形態の全体構成図であ
る。第２の実施形態の構成上の特徴点は、Ｚセンサ４１
ａ、４１ｂ、ＣＰＵ３７ａである。その他の構成要素に
ついては、図１と同じ参照番号を付与して示し、ここで
の説明は省略する。なお、第２の実施形態は、請求項１
〜４、６、７に対応する。図９はＺセンサ４１ａ、４１
ｂを説明する図である。図９に示されるように、Ｚセン
サ４１ａは、発光素子５０ａとその光軸上にコリメータ
レンズ５１ａ、スリット５４ａ、ナイフエッジ５５ａ、
ビームスプリッタ５６ａが配置される。

【００４８】ビームスプリッタ５６ａ直下には、レンズ
５７ａが配置される。また、ビームスプリッタ５６ａ直
上には、２分割ディテクタ５３ａが配置される。Ｚセン
サ４１ｂは、Ｚセンサ４１ａと同様の構成を有してお
り、２つのＺセンサ４１ａ、４１ｂは、電子ビームを挟
む位置に配置される。なお、本発明と第２の実施形態と
の対応関係は、上述した対応関係と併せて、高さ検出手
段はＺセンサ４１ａ、４１ｂおよびＣＰＵ３７ａの内部
メモリに対応し、焦点制御手段はＣＰＵ３７ａおよびレ
ンズ制御部３９に対応し、発光手段は発光素子５０ａ、
５０ｂに対応し、遮光手段はナイフエッジ５５ａ、５５
ｂに対応し、ハーフミラーはビームスプリッタ５６ａ、
５６ｂに対応し、集光レンズはレンズ５７ａ、５７ｂに
対応し、受光手段は２分割ディテクタ５３ａ、５３ｂに
対応する。

【００４９】次に、Ｚセンサの動作について図９、図１
０を参照して説明する。Ｚセンサ４１ａは、電子ビーム
の照射領域とは異なる箇所Ａについて高さ変動を検出す
る。まず、発光素子５０ａから照射される光は、コリメ
ータレンズ５１ａを介してコリメートされる。スリット
５４ａは、平行光束の一部分を透過し、その透過光は、
ナイフエッジ５５ａにより瞳の片側の光束だけに制限さ
れ、部分光に成形される。

【００５０】部分光は、ビームスプリッタ５６ａの反射
面で反射し、レンズ５７ａにより集光されて試料面に照
射される。試料面で反射した光は、レンズ５７ａ、ビー
ムスプリッタ５６ａを透過して、２分割ディテクタ５３
ａで受光される。このとき、例えば、試料面がＡの位置
にあるときを基準位置（合焦している状態）と考える。
この状態のとき、試料面の位置Ａで反射した光は、２分
割ディテクタ５３ａの中央付近で受光される（図１
０）。したがって、２分割ディテクタ５３ａの差動信号
はほぼ０になる。

【００５１】次に、試料面の高さが、基準位置ＡよりΔ
Ｚ上側に変動してＢの位置になったとする。光は試料面
の位置Ｂで反射し、レンズ５７ａおよびビームスプリッ
タ５６ａを介して２分割ディテクタ５３ａで受光され
る。このとき、光の集束する位置が、２分割ディテクタ
５３ａより後側になるため、光の受光領域が右側に広が
る。したがって、２分割ディテクタ５３ａの差動信号は
負の出力になる。また、試料面がΔＺ下側に変動してＣ
の位置にあるときは、光の集束する位置が２分割ディテ
クタ５３ａより前側になるため、光の受光領域が左側に
広がる。したがって、２分割ディテクタ５３ａの差動信
号は正になる。このように試料がＡの位置にあるときを
０として基準にとり、ΔＺに応じたフォーカス信号が出
力される。

【００５２】しかしながら、高さ変動の検出箇所と電子
ビーム照射領域とは異なっている。そこで、Ｚセンサ４
１ａ、４１ｂを用いて予測制御を行う。具体的には、例
えば、図９に示すように、方向にステージ２６が駆動
しているとする。このとき、ＣＰＵ３７ａはＺセンサ４
１ａを選択し、Ｚセンサ４１ａに高さ検出開始信号を出
力する。

【００５３】まず、前述したように、Ｚセンサ４１ａ
は、例えば高さ変動の検出箇所Ａにおいて、高さ変動Δ
Ｚに基づいたフォーカス信号を求める。フォーカス信号
は、Ａ／Ｄ変換され、ＣＰＵ３７ａに入力される。ＣＰ
Ｕ３７ａは、予め用意されている制御テーブルから、フ
ォーカス信号に基づいて制御対象のレンズおよびそのレ
ンズに印加する励磁電圧値（以下、「焦点制御量」とい
う）を読み取る。

【００５４】ＣＰＵ３７ａは、焦点制御量をＣＰＵ３７
ａの内部メモリに格納する。このとき、ＣＰＵ３７ａ
は、検出箇所Ａの試料上における位置座標を、レーザ干
渉計ユニット４３からの位置情報に基づいて算出し、そ
の位置座標に対応するメモリアドレスに格納する。すな
わち、試料のどの位置の焦点制御量かが分かるようにな
っている。

【００５５】ステージ２６が移動して、先程高さ変動を
検出した箇所Ａに電子ビームを照射することになると、
ＣＰＵ３７ａは内部メモリからその位置における焦点制
御量を読み出す。そして、前述したように、カソードレ
ンズ２８および第１レンズ３１の焦点距離を変更して焦
点調節を行う。このように、ステージが移動する毎に、
Ｚセンサ４１ａによって先行して試料の高さ変動が検出
され、高さ変動の検出箇所の焦点制御量が内部メモリに
格納されていく。そして、電子ビームを照射する際は、
内部メモリからビーム照射領域の焦点制御量を読み出
し、焦点調節を行った後、ビームを照射して試料画像を
取得する。

【００５６】一方、ビーム照射領域が試料２７の端点ま
でくると、今度は折り返されて方向にステージが駆動
される。ＣＰＵ３７ａは、Ｚセンサ４１ｂに高さ検出開
始信号を出力し、今度はＺセンサ４１ｂが先行して高さ
変動を検出する。以下、これを繰り返して試料全面を走
査しながら焦点調節を行う。（第２の実施形態の効果等）このように第２の実施形態
では、Ｚセンサ４１ａ、４１ｂを切り替えることにより
ステージ２６が双方向に駆動しても、電子ビーム照射よ
りも常に先行して焦点制御量を獲得することができ、常
時焦点調節を実行することができる。

【００５７】また、本実施形態のＺセンサは、斜入射式
ではなく、ＴＴＬ検出方式を採用したため、Ｚセンサの
占めるスペースを小さくすることができる。なお、上述
の第１、第２の実施形態では、焦点制御量を求める際に
制御テーブルを用いたが、それに限定されず、ＣＰＵが
逐一算出してもよい。

【００５８】また、電子レンズ、ニューメニカルアパー
チャ、フィールドアパーチャの配置位置および配置数
は、本実施形態の構成に限定されるものではない。ま
た、カソードレンズ２８、第１レンズ３１の２つの電子
レンズにより焦点調節を行ったが、３つ以上の電子レン
ズを用いて焦点調節してもよい。また、第２レンズ３
３、第３レンズ３４を利用して焦点調節しても構わな
い。

【００５９】また、第１の実施形態では、Ｚセンサ４１
をチャンバー２３内に配置しているが、機構的に余裕が
あれば、チャンバー２３に窓を設けて、外部に配置した
Ｚセンサ４１から斜入射で光を入れ、反射光はもう一方
の窓から取り出す構造にしてもよい。また、第２の実施
形態では、Ｚセンサによる高さ変動の検出と電子ビーム
による画像検出とを並行して行ったが、それに限定され
ず、電子ビームによる画像検出前に、試料全面に対して
高さ変動の検出を行い、試料全面の焦点制御量マップを
予め作成してもよい。また、例えば、このとき電子ビー
ム軸に隣接する位置に光学顕微鏡を配置して、この光学
顕微鏡によって試料の高さ変動を検出してもよい。ま
た、高さ変動の検出は、まず大まかに試料の数箇所につ
いて高さ変動を検出し、それ以外のデータ空白箇所につ
いては補間処理で補ってもよい。

【００６０】

【発明の効果】請求項１、５〜７に記載の検査装置で
は、試料の高さに応じて電子光学系の焦点距離を調節し
ているため、試料に歪みや反りが存在しても的確かつ迅
速に焦点を合わせを実行することができ、鮮明な試料画
像を取得することができる。請求項２に記載の検査装置
では、２つ以上の電子レンズの焦点距離を変化させて焦
点合わせを行っているため、焦点調節を実行しても撮影
倍率を一定不変にすることができる。

【００６１】請求項３に記載の検査装置では、第１のア
パーチャを設けることにより、不要な散乱電子が電子検
出手段に到達することを防ぎ、チャージアップや汚染、
誤検出を防止することができる。請求項４に記載の検査
装置では、第２のアパーチャを設けることにより、後段
に配置される電子レンズの収差を抑制することができ
る。これにより焦点調節を行った際に、より一層鮮明な
画像を取得することができる。

【００６２】このように本発明を適用した検査装置で
は、試料の反りや歪みに対しても的確に焦点合わせを実
行することが可能となり、常時鮮明な画像を検出するこ
とができ、検査の信頼性向上を果たすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態の全体構成図である。

【図２】一次ビームの軌道を示す図である。

【図３】二次ビームの軌道を示す図である。

【図４】Ｚセンサを説明する図（１）である。

【図５】Ｚセンサを説明する図（２）である。

【図６】焦点調節動作を説明する図である。

【図７】ウィーンフィルタを説明する図である。

【図８】第２の実施形態の全体構成図である。

【図９】Ｚセンサを説明する図（３）である。

【図１０】Ｚセンサを説明する図（４）である。

【図１１】電子ビームを一括照射する検査装置の構成図
である。

【符号の説明】

２１一次コラム２２二次コラム２３チャンバー２４電子銃２５一次光学系２６ステージ２７試料２８カソードレンズ２９ウィーンフィルタ３０ニューメニカルアパーチャ３１第１レンズ３２フィールドアパーチャ３３第２レンズ３４第３レンズ３５検出器３６コントロールユニット３７、３７ａＣＰＵ３８、３９レンズ制御ユニット４０ステージ駆動機構４１、４１ａ、４１ｂＺセンサ４２メモリ４３レーザ干渉計ユニット４４ＭＣＰ４５蛍光板４６ＣＣＤカメラ５０、５０ａ、５０ｂ発光素子５１、５１ａ、５１ｂコリメータレンズ５２、５７ａ、５７ｂレンズ５３、５３ａ、５３ｂ２分割ディテクタ５４ａ、５４ｂスリット５５ａ、５５ｂナイフエッジ５６ａ、５６ｂビームスプリッタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料面上に電子ビームを照射する照射手
段と、前記電子ビームの照射により、前記試料から発生する二
次電子、反射電子、または後方散乱電子の少なくとも一
種を二次ビームとして検出し、前記試料を撮像する電子
検出手段と、前記電子検出手段と前記試料との間に配置され、前記電
子検出手段の検出面に、前記二次ビームを結像させる写
像電子光学系と、前記試料の高さを検出する高さ検出手段と、前記試料の高さに応じて前記写像電子光学系の焦点合わ
せを行う焦点制御手段とを備えたことを特徴とする検査
装置。
【請求項２】請求項１に記載の検査装置において、前記写像電子光学系は、複数の電子レンズから構成さ
れ、前記焦点制御手段は、前記複数の電子レンズの少なくとも２つの電子レンズの
焦点距離を調節することにより、前記試料の高さに応じ
た焦点合わせを行うことを特徴とする検査装置。
【請求項３】請求項２に記載の検査装置において、前記電子検出手段と前記写像電子光学系との間に配置さ
れ、電子像をマスクする第１のアパーチャと、前記第１のアパーチャを透過した二次ビームを、前記電
子検出手段の検出面に結像させる写像電子レンズとを備
え、前記写像電子光学系は、前記試料から発生する二次ビー
ムを、前記第１のアパーチャに結像させることを特徴と
する検査装置。
【請求項４】請求項２または請求項３に記載の検査装
置において、前記写像電子光学系は、カソードレンズを有し、該カソードレンズの焦点位置に、前記二次ビーム量を制
限する第２のアパーチャが配置されることを特徴とする
検査装置。
【請求項５】請求項１ないし請求項４のいずれか１項
に記載の検査装置において、前記高さ検出手段は、前記試料面に斜めに光を照射する発光手段と、前記発光手段から照射された光が前記試料面で反射した
反射光を、受光面で受光する受光手段とを備えて構成さ
れ、該受光面における反射光のスポット位置に基づい
て、前記試料の高さを検出することを特徴とする検査装
置。
【請求項６】請求項１ないし請求項４のいずれか１項
に記載の検査装置において、前記高さ検出手段は、発光手段と、前記発光手段から照射される光を部分的に遮光し、光束
の一部が遮られた部分光を形成する遮光手段と、前記部分光を反射することにより、該部分光の光路を前
記試料面の垂直方向に向けるハーフミラーと、前記ハーフミラーを反射した部分光を集光する集光レン
ズと、前記集光レンズにより集光された部分光が前記試料面で
反射し、その反射光を、前記集光レンズおよびハーフミ
ラーを介して受光面で受光する受光手段とを備えて構成
され、該受光面における反射光のスポット位置に基づい
て、前記試料の高さを検出することを特徴とする検査装
置。
【請求項７】請求項５または請求項６に記載の検査装
置において、前記高さ検出手段は、前記試料の高さを先行して検出
し、検出された試料の高さを記憶し、前記焦点制御手段は、前記電子ビームが試料面上に照射されると、その照射領
域における試料の高さを前記高さ検出手段から読み出
し、その試料の高さに基づいて前記写像電子光学系の焦
点距離を調節することを特徴とする検査装置。