JPH1131472A - 電子ビーム検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】分解能が高く、かつ高速に試料像を観察・検査
可能な電子ビーム検査装置を提供する。 【解決手段】電子ビーム３を複数の開口を有する制限絞
り４によって複数の分離した電子ビームの束３′にする
と同時に、ビーム分布関数を予め記憶した上記電子ビー
ム束３′の配置を使ってデルタ関数を合成して形成し、
上記多重の試料像を上記ビーム分布関数でデコンボリュ
ーション演算することで単一の試料像にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は走査型電子顕微鏡に
関わり、特に半導体装置等の外観形状や表面組成の観察
または検査を行うのに好適な電子ビーム検査装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体の製造工程において、パタ
ーンのある半導体試料上を電子ビームで走査して得られ
る試料像（試料から発生する二次電子や反射電子等の二
次粒子信号をビーム走査位置に対応させて形成した像）
を基準画像（または基準パターン）と比較することによ
り異物等の試料異常を検出する方法および装置として、
特開平5−258703 号が知られている。この方法は、光学
像を使う検査方法に比べ分解能が圧倒的に高く、サブミ
クロンのパターン検査に大変有効である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のような検査で
は、分解能が向上した分だけ検査量が増えるため、スル
ープットを向上させる必要がある。しかし、上記従来技
術では、試料像形成を高速化するために電子ビームの電
流を増やすと、一般にビーム径が大きくなる。すなわ
ち、観察・検査のスループットを向上させると、分解能
が低下してしまう問題があった。

【０００４】本発明の課題は、分解能が高く、かつ高速
に試料像を観察・検査可能な電子ビーム検査装置を提供
することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題は、電子ビーム
検査装置において、電子ビームを複数の分離した電子ビ
ームを束にする手段を設けると同時に、この電子ビーム
束を試料上で走査して得られた試料像に対して予め記憶
した上記電子ビーム束の配置(または強度分布)を使っ
て、像の多重性を除去する手段（デコンボリューション
演算）を設けることにより解決される。

【０００６】具体的には、電子ビームを試料上で走査し
て得られた試料像を基準画像と比較して試料の異常を検
出する電子ビーム検査装置において、上記電子ビームを
上記試料上で複数の電子ビームに分離させ、かつ上記複
数の電子ビームを連動して走査可能にする手段と、上記
複数の電子ビームを上記試料上で走査して得た多重の試
料像を、上記複数の電子ビームの配置を用いた演算によ
り単一の像にする手段を有することを特徴とする電子ビ
ーム検査装置によって解決される。

【０００７】また、電子ビームを試料上で走査して得ら
れた試料像を基準画像と比較して試料の異常を検出する
電子ビーム検査装置において、上記電子ビームを上記試
料上で複数の電子ビームに分離させ、かつ上記複数の電
子ビームを連動して走査可能にする手段と、単一の画像
を位置をずらして複数枚合成して上記基準画像を形成す
る手段と、上記多重の試料像と上記合成基準画像との差
分画像を演算する手段と、上記差分画像を、上記複数の
電子ビームの配置を用いた演算により単一の像にする手
段を有することを特徴とする電子ビーム検査装置によっ
て解決される。

【０００８】走査電子顕微鏡において試料像ｉは、試料
表面の二次粒子放出率分布をＳとし、電子ビームの強度
分布をｂとして、数１のようにＳとｂのコンボリューシ
ョンで表される。

【０００９】

【数１】

【００１０】ここで、（ｘ，ｙ）は二次元座標である。

【００１１】本発明では、走査型電子顕微鏡において電
子ビームを複数の分離した電子ビームの束にする。これ
ら分離した電子ビームの束は相対位置関係を保ったまま
試料上で走査される。電子ビーム束の強度分布をＢとし
て、得られる試料像Ｉは、数２のようにＳとＢのコンボ
リューションで表される。

【００１２】

【数２】

【００１３】この場合の試料像Ｉは、多重像となる。こ
こで、電子ビーム束Ｂは複数の電子ビームｂを一定の相
対位置関係に置いたものであるとする。この相対位置関
係を表すデルタ関数の合成関数をＤとすると、Ｂは数３
のようにｂとＤのコンボリューションで表される。

【００１４】

【数３】

【００１５】ここで、コンボリューション演算は可交換
なので、数１〜数３から数４が求められる。

【００１６】

【数４】

【００１７】ここで、各ビームの相対位置関係Ｄを予め
測定して記憶しておくことにより、数４におけるコンボ
リューションの逆演算すなわちデコンボリューション演
算によって、多重像の試料像Ｉから試料像ｉが分離でき
る。また、電子ビーム束の強度分布Ｂを予め正確に測定
できれば、数２におけるデコンボリューション演算によ
って多重の試料像Ｉから試料の二次粒子放出分布Ｓを求
められる。

【００１８】実際に得られる分離像は、ノイズの影響に
より、Ｓよりもｉに近い高分解能の像になる。多重試料
像Ｉは、電子ビーム束に含まれる電子ビームの本数分だ
け多量の信号を含む。逆にこの本数分だけ電子ビーム束
の走査を短時間にして得られる多重試料像に含まれる信
号量は、単一の電子ビームで走査して得られる試料像と
同じ信号量である。したがって、本発明によれば、導入
した手段により走査型電子顕微鏡の試料像が分解能を落
とさずに短時間で取得できるようになる。なお、上記演
算処理の時間は、並列化した計算機により試料像取得時
間程度まで短縮可能である。

【００１９】

【発明の実施の形態】

（実施例１）図１は本発明の第１の実施例である電子ビ
ーム外観検査装置の構成図である。装置本体１は、主に
ＦＥ電子源２，可変の制限絞り４，電子レンズ５，
５′，偏向器７，試料６を可動に保持する試料ステージ
９、および二次粒子検出器８で構成される。ここで、こ
れらを収納している真空容器は省略してある。また、二
次粒子検出器８は蛍光板とフォトマルチプライヤーで構
成される、二次電子を検出する。装置本体１は、偏向制
御系２０と二次粒子信号制御系２１を介して制御回路３
０に接続されている。ここで、電子源２，可変絞り４，
電磁レンズ５、および試料ステージ７等の制御系は省略
してある。制御回路３０には、ディスプレイ３１，試料
像メモリ３２、および検査部を構成する基準像メモリ４
０，画像差分演算器４１，差分像メモリ４２が接続され
ている。

【００２０】次にこの装置の動作を説明する。電子源２
から放出された電子ビーム３を、可変の制限絞り４でそ
のビーム量を制御し、電子レンズ５，５′で集束して、
試料６上に照射する。電子ビーム３′は、電子レンズ
５′で減速しており、試料上での電子ビーム３′の加速
電圧は８００Ｖである。試料６に電子ビーム３′が照射
されると、照射された部分から試料の材質や形状に応じ
た二次電子や反射電子が発生する。二次粒子検出器８は
二次電子を検出して電気信号（二次電子信号）に変え
る。偏向制御系２０内のスキャン回路の発生する走査偏
向信号によって、偏向器７は電子ビーム３′を偏向して
試料６上を走査させる。制御回路３０は、走査偏向信号
と連動して二次粒子検出系２１内のバッファメモリに蓄
えられた二次電子信号を、試料像メモリ３２に記憶させ
るとともに、ディスプレイ３１に送って二次電子信号を
輝度信号とする試料のＳＥＭ像（走査電子顕微鏡像）と
して表示させる。

【００２１】また、制御回路３０は、上記試料像を検査
部に送り、基準像との比較により異物などの試料異常を
検出させる。この検査部では、あらかじめ基準像メモリ
４０に記憶した基準画像と試料像メモリ３２に記憶した
試料像とを画像差分演算器４１によって比較して、その
結果を差分像メモリ４２に記憶するとともに、差分像が
任意の基準を満たせば異常として図示しない記憶装置に
記憶し、ディスプレイ３１に表示する。

【００２２】本実施例で特徴的なことは、（１）電子光
学系内に電子ビームを既知の位置および配列で複数に分
離する手段を持たせ、（２）前記分離した電子ビームを
試料上で走査して得られる多重の試料像を分離して単一
ビームの試料像を形成する手段を持たせたことである。

【００２３】具体的には、図１に示すように、制限絞り
４に同一径の５個の孔を持たせてあり、これによって電
子ビーム３はほぼ同一の分布を持つ複数の電子ビーム
３′に分離する。電子光学系は電子源２の像を試料６上
に結像するから、一見これらの分離した電子ビーム３′
は試料６上で一点に収束するように思える。しかし、電
子光学系の球面収差のために試料６上で約０.３μｍ 間
隔に分離する。一方、制御回路３０には、制御回路３０
に像分離部が接続してあることが特徴である。デコンボ
リューション演算器５１は、前記分離した電子ビーム
３′によって得られた多重の試料像を試料像メモリ３２
から呼び出し、ビーム分布メモリ５０に蓄えた電子ビー
ムのビーム分布関数の成分を除去することによって単一
ビームの試料像、すなわち分離像を生成し、これを分離
像メモリ５２に記憶する。ここで、ビーム分布関数は、
あらかじめ測定した試料上での分離電子ビームの相対位
置を用いて、デルタ関数を合成して生成した。

【００２４】外観異常を検出するためには、従来、検査
部において試料像メモリ３２に記憶された試料像を直接
基準像と比較した。しかし、本実施例では、分離像メモ
リ５２に記憶された試料像と基準像メモリ４０に記憶さ
れた基準像の比較を行うことでこれを実現する。

【００２５】図２にはこれらの一連の処理の流れが分か
るような表示画面を示した。多重の試料像１３２からビ
ーム分布１５０の成分をデコンボリューション演算によ
り分離して得られる分離像１５２と基準像１４０を画像
差分演算によって比較して差分像１４２を形成すること
によって、試料上の異物を検出する。

【００２６】ここで、分離電子ビーム３′は幅約０.１
μｍ の５本の電子ビームの束であり、同じ電子光学系
で得られる幅０.１μｍ の単一電子ビームと比較する
と、その電流は５倍である。試料像を取得するに当たっ
ては、この電子ビーム束の走査の速度を従来の５倍に速
めてある。すなわち、試料像取得にかかる時間は従来の
５分の１である。デコンボリューション演算器５１で得
られた分離像の分解能およびＳＮ(信号対ノイズ比）
は、幅０.１μｍの単一のビームを走査して得られた試
料像と同程度であった。したがって、試料の異常を検出
する能力を落とさずに、試料像の取得時間を短縮できた
ことになる。

【００２７】なお、本実施例のデコンボリューション演
算器５１で行っているデコンボリューション演算は、コ
ンボリューション演算と繰り返し比較を使った次のよう
な方法を使っている。すなわち、（１）初期に適当な分
離像を仮定して、（２）仮定した分離像とビーム分布関
数とのコンボリューションを演算した結果を求め、
（３）この結果と実際の試料像とを比較してこれらの差
を求め、（３）その差が小さくなるように前記分離像を
補正して（２）の処理に戻る、ということを繰り返し行
う方法である。なお、この演算にかかる時間は、積和演
算を並列化した専用回路を用いて１００ｍｓである。図
１では、制御回路３０に接続された像分離部を１チャン
ネル分しか表示していないが、実際には５０チャンネル
を並列に用意して多重化してあるので実質の演算時間は
２ｍｓである。１０２４×１０２４ピクセルで構成され
る試料像を取得する時間が２ｍｓであるので、この多重
化により、検査全体における上記演算時間の影響は完全
に除去できる。

【００２８】以上、本実施例によれば、分解能を維持し
たまま実質のビーム電流を従来に比べ５倍にできる。す
なわち、試料像の形成時間を５分の１に短縮できるの
で、電子ビーム外観検査装置のスループットを大幅に向
上できる効果がある。

【００２９】なお、本実施例では、電子ビームのビーム
分布関数として、分離した電子ビームのピークの相対位
置関係を用いてデルタ関数を合成して生成したが、ナイ
フエッジ法等の方法で実際に測定したビームの強度分布
を用いれば、さらに試料像の分解能が向上する効果があ
る。また、本実施例では試料像を外観検査に用いたが、
測長等の他の検査に用いても、検査時間の短縮に効果が
ある。

【００３０】（実施例２）図１に示した電子ビーム外観
検査装置において、制御回路３０の内容を変更すること
で、実施例１と同様な効果を得る方法について説明す
る。本実施例では、基準像メモリ４０に記憶しておく基
準像はあらかじめ、多重化処理を施してある。すなわ
ち、通常の基準像に対して、分離した電子ビームの数だ
け位置をずらして重ね合わせる処理をして、これを改め
て基準像メモリ４０に記憶しておく。そして、検査部で
は通常の検査を行い、試料異常が検出された場合のみ、
差分画像に対して像分離の処理を行う。

【００３１】図３にはこれらの一連の処理の流れが分か
るような表示画面を示した。多重の試料像１３２と多重
の基準像１４０を画像差分演算によって比較して差分像
142を形成し、これによって試料上の異物を検出する。
異常が発見された場合のみ、この差分像１４２からビー
ム分布１５０の成分をデコンボリューション演算により
分離して分離像１５２を取得し、これを試料像とともに
記憶保存する。以上、本実施例では一部の試料像にしか
像分離処理を行わないので、像分離部の演算スループッ
トを低下させても実施例１のような検査時間短縮の効果
が得られるので、装置のコストを下げられる効果があ
る。

【００３２】以上、本発明は電子ビームに関するもので
あるが、同様の技術を、イオン・光・Ｘ線等の他のマイ
クロビームを使う検査装置にも応用できることは容易に
考えられる。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、実質的にビーム電流が
増えるため、短時間で高分解能の試料像が形成できる効
果がある。すなわち、半導体素子等の寸法や外観異常の
検査を高い分解能で、かつ高速に行えるので、微細な構
造異常を発見する確率を向上させる効果がある。また、
このデータを用いた不良解析により、半導体集積回路の
歩留まりを早期に向上させる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子ビーム外観検査装置の一実施例を
示すブロック図。

【図２】本発明の電子ビーム外観検査装置の表示画面の
一実施例を示す図。

【図３】本発明の電子ビーム外観検査装置の表示画面の
一実施例を示す図。

【符号の説明】

１…電子ビーム装置本体、２…電子源、３，３′…電子
ビーム、４…制限絞り、５，５′…電子レンズ、６…試
料、７…２段静電偏向器、８…二次電子検出器、９…試
料ステージ、２０…偏向制御系、２１…二次粒子検出
系、３０…制御回路、３１…デイスプレイ、３２…試料
像メモリ、４０…基準像メモリ、４１…画像差分演算
器、４２…差分像メモリ、５０…ビーム分布メモリ、５
１…デコンボリューション演算器、５２…分離像メモ
リ、１３２…試料像、１４０…基準像、１４２…差分
像、１５０…ビーム分布、１５２…分離像。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５０２Ｖ ５４１Ｕ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子ビームを試料上で走査して得られた試
   料像を基準画像と比較して試料の異常を検出する電子ビ
   ーム検査装置において、上記電子ビームを上記試料上で
   複数の電子ビームに分離させ、かつ上記複数の電子ビー
   ムを連動して走査可能にする手段と、上記複数の電子ビ
   ームを上記試料上で走査して得た多重の試料像を、上記
   複数の電子ビームの配置を用いた演算により単一の像に
   する手段を有することを特徴とする電子ビーム検査装
   置。
2. 【請求項２】電子ビームを試料上で走査して得られた試
   料像を基準画像と比較して試料の異常を検出する電子ビ
   ーム検査装置において、上記電子ビームを上記試料上で
   複数の電子ビームに分離させ、かつ上記複数の電子ビー
   ムを連動して走査可能にする手段と、単一の画像を位置
   をずらして複数枚合成して上記基準画像を形成する手段
   と、上記多重の試料像と上記合成基準画像との差分画像
   を演算する手段と、上記差分画像を、上記複数の電子ビ
   ームの配置を用いた演算により単一の像にする手段を有
   することを特徴とする電子ビーム検査装置。