JPWO2002037526A1 - Electron beam apparatus and semiconductor device manufacturing method using the apparatus - Google Patents

Electron beam apparatus and semiconductor device manufacturing method using the apparatus Download PDF

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Abstract

本発明は、一次電子線を試料に照射する一次電子光学系と、検出系と、一次電子線の照射によって試料面から発生する二次電子線を検出系に指向させる二次電子光学系とを備えた、試料面の評価を行うための電子線装置を提供する。該電子線装置は、一次電子光学系に含まれ、電子銃から放出された電子を複数の一次電子線として生成するマルチビーム生成装置と、一次電子光学系に含まれ、複数の一次電子線を試料上に同時に走査させる走査用偏向器と、一次電子光学系及び二次電子光学系に共通に含まれ、複数の一次電子線を減速して試料に照射するとともに、試料の一次電子線の照射点から放出された複数の二次電子線を加速する対物レンズと、一次電子光学系及び二次電子光学系に含まれ、対物レンズを通過した複数の二次電子線を一次電子光学系から二次電子光学系に偏向させる二次電子線分離装置と、二次電子光学系に含まれ、偏向された複数の二次電子線を拡大する少なくとも１段の拡大レンズと、検出系に含まれ、二次電子光学系からの複数の二次電子線に対応して設けられ、二次電子線を検出する複数の検出器とからなることを特徴としている。The present invention provides a primary electron optical system that irradiates a sample with a primary electron beam, a detection system, and a secondary electron optical system that directs a secondary electron beam generated from the sample surface by irradiation of the primary electron beam to the detection system. Provided is an electron beam apparatus for evaluating a sample surface. The electron beam device is included in the primary electron optical system, a multi-beam generating device that generates electrons emitted from the electron gun as a plurality of primary electron beams, and included in the primary electron optical system, a plurality of primary electron beams A scanning deflector that scans the sample simultaneously and is included in the primary electron optical system and the secondary electron optical system in common, decelerates multiple primary electron beams and irradiates the sample with the primary electron beam. An objective lens for accelerating a plurality of secondary electron beams emitted from a point, and a plurality of secondary electron beams included in the primary electron optical system and the secondary electron optical system, which pass through the objective lens and are transmitted from the primary electron optical system. A secondary electron beam separator that deflects the secondary electron optical system, an at least one-stage magnifying lens that is included in the secondary electron optical system and expands a plurality of deflected secondary electron beams, and is included in the detection system, Multiple secondary electron beams from secondary electron optics Provided corresponding, it is characterized by comprising a plurality of detectors for detecting secondary electron beam.

Description

発明の技術分野
本発明は、複数の電子ビームを用いて、ウエハ等の試料の表面の性状を検査する技術に関する。より詳細には、本発明は、半導体製造工程におけるウエハの欠陥検出及び線幅測定等のように、電子ビームを試料に照射し、その表面の性状に応じて変化する二次電子を捕捉して画像データを形成し、該画像データに基づいて試料表面に形成されたパターン等を高スループットで評価するための電子線装置、並びに、該装置を用いた半導体デバイスの評価システム及び半導体デバイス製造方法に関する。なお、本明細書において、試料の「評価」とは、試料の欠陥検出及び線幅測定等の任意の「検査」を含むものとする。
背景技術
半導体プロセスにおいて、デザインルールは１００ｎｍの時代を迎えようとしており、また生産形態はＤＲＡＭに代表される少品種大量生産からＳＯＣ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　ｃｈｉｐ）のように多品種少量生産へ移行しつつある。それに伴い、製造工程数が増加し、各工程毎の歩留まり向上は必須となり、プロセス起因の欠陥検査が重要になる。
そして、半導体デバイスの高集積化及びパターンの微細化に伴い、高分解能、高スループットの検査装置が要求されている。１００ｎｍデザインルールのウエハの欠陥を調べるためには、１００ｎｍ以下の分解能が必要であり、デバイスの高集積化による製造工程の増加により、検査量が増大するため、高スループットが要求されている。また、デバイスの多層化が進むにつれて、層間の配線をつなぐビアのコンタクト不良（電気的欠陥）を検出する機能も、検査装置に要求されている。現在は主に光方式の欠陥検査装置が使用されているが、分解能及び、コンタクト不良検査の点では、光方式の欠陥検査装置に代わって電子ビームを用いた欠陥検査装置が、今後、主流になると予想される。但し、電子ビーム方式の欠陥検査装置にも弱点があり、それはスループットの点で光方式に劣ることである。このため、高分解能、高スループット、且つ電気的欠陥検出が可能な電子ビーム方式の検査装置の開発が要求されている。
光方式での分解能は、使用する光の波長の１／２が限界と言われており、実用化されている可視光の例では、０．２μｍ程度である。一方電子ビームを使用する方式では、通常、走査型電子ビーム方式（ＳＥＭ方式）が実用化されており、分解能は０．１μｍ、検査時間は８時間／枚（２０ｃｍウエハ）である。電子ビーム方式はまた、電気的欠陥（配線の断線、導通不良、ビアの導通不良等）も検査可能であることが大きな特徴である。しかし、上記したように、検査時間が非常に遅く、検査速度の速い欠陥検査装置の開発が期待されている。また、電子ビーム方式の検査装置は、高価でありまたスループットも他のプロセス装置に比べて低いことから、一般に、現状では重要な工程の後、例えばエッチング、成膜（銅メッキを含む）、又はＣＭＰ（化学機械研磨）平坦化処理後等に使用されている。
電子ビームを用いた走査（ＳＥＭ）方式の検査装置について説明する。ＳＥＭ方式の検査装置は、電子ビームを細く絞って（このビーム径が分解能に相当する）これを走査してライン状にウエハを照射する。一方、ステージを電子ビームの走査方向に直角の方向に移動させることにより、平面状に観察領域を電子ビームで照射する。電子ビームの走査幅は、一般に数１００μｍである。細く絞られた、電子ビーム（一次電子線と呼ぶ）の照射により発生したウエハからの二次電子を検出器（シンチレータ＋フォトマルチプライヤ（光電子増倍管）又は半導体方式の検出器（ＰＩＮダイオード型）等）で検出する。照射位置の座標と二次電子の量（信号強度として得られる）を合成して画像化し、記憶装置に記憶し、あるいはＣＲＴ（ブラウン管）等のモニタ上に画像を出力する。以上がＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）の原理であり、この方式で得られた画像から、工程途中の半導体（通常はＳｉ）ウエハの欠陥を検出する。検査速度（スループットに相当する）は、一次電子線の量（電流値）、ビーム径、検出器の応答速度で決まる。ビーム径０．１μｍ（分解能と同じと考えてよい）、一次電子線の電流値１００ｎＡ、検出器の応答速度１００ＭＨｚが、現在の最高値であり、この場合で検査速度は、２０ｃｍ径のウエハ１枚あたり約８時間と言われている。このように、検査速度が光に比べてきわめて遅い（１／２０以下）ことが、大きな問題点（欠点）となっている。
また、高スループットにするためにビーム電流を大きくすると、絶縁膜が表面にあるウエハでは、帯電して良好なＳＥＭ画像が得られないという問題があった。
ＳＥＭ方式の欠点である検査速度を向上する別の方法として、複数の電子線を用いたＳＥＭ（マルチビームＳＥＭ）方式及び装置が開示されている。この従来例の方式及び装置では、複数の電子線の本数分だけ検査速度を向上できるが、複数の一次電子線を斜め入射し、ウエハからの複数の二次電子線を斜め方向に取り出すため、ウエハから放出される二次電子も、斜めの方向に放出されたもののみを検出器が拾うことになる。また、画像に影ができてしまったり、さらに、複数の電子線からのそれぞれの二次電子を分離することが困難であって、二次電子が互いに混入してしまうという問題が生じている。
さらに、マルチビーム方式の電子線装置を用いた評価システムにおいて、電子線装置と他のサブシステムとの間の相互作用等については、今までほとんど提案されておらず、結局、高スループットの評価システムの完成された全体システムが提案されていない。更に、検査すべきウエハ等の大型化が図られてきており、サブシステムもウエハの大型化に対処できるようにする必要があるが、この点についても、提案されていない。
発明の開示
本発明は、このような従来例の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、マルチビームを用いたＳＥＭ方式の電子線装置を用いた評価システムであって、検査処理のスループットを向上させることができる評価システムを提供することである。
本発明の別の目的は、マルチビームを用いたＳＥＭ方式の電子線装置であって、検査処理のスループットを向上させるとともに、検出精度を向上させることができる電子線装置を提供することである。
本発明の他の目的は、このような電子線装置又は評価システムを用いて、プロセス途中又はプロセス終了後の半導体ウエハの評価を行うことができる半導体デバイス製造方法を提供することである。
上記した目的を達成するために、本発明は、概略的に述べると、一次電子線を複数すなわちマルチビームとし、複数の電子線を一次元方向（Ｘ軸方向）に走査しながら、Ｅ×Ｂフィルタ（ウィーンフィルタ）を通して試料表面に電子線を垂直に入射させ、試料から放出された二次電子をＥ×Ｂフィルタにより一次電子線と分離して一次電子線の軸に対して斜め方向に取り出し、更に、レンズ系により検出系に結像あるいは集光させる。そして、一次電子線の走査方向（Ｘ軸方向）に対してステージを直角方向（Ｙ軸方向）に移動させ、連続した画像を取得する。
一次電子線がＥ×Ｂフィルタを通過するときは、電子線が電界から受ける力と磁界から受ける強さが逆向きで等しくなる条件（ウィーン条件）に設定され、一次電子線は直進する。一方、二次電子は、一次電子線とは方向が逆向きのために二次電子に作用する電界及び磁界の力の方向が同じになるために、一次電子線の軸方向から曲げられる。この結果、一次電子線と二次電子線は分離される。Ｅ×Ｂフィルタを電子線が通過するとき、直進のときよりも曲げられた場合の収差が大きくなるため、高い精度が必要とされる一次電子線を直進させ、比較的高い精度が要求されない二次電子線を曲げるように光学系が設計されている。
検出系としては、複数の一次電子線の一本一本に対応した検出器が備えられており、対応する一次電子線からの二次電子は、結像系により必ず対応する検出器に入射するよう設定されている。このため、信号の混入すなわちクロストークを低減することが可能となる。検出器としては、シンチレータ＋光電子増倍管（フォトマルチプライヤ）を使用し、又は、ＰＩＮダイオード（半導体検出器）等を使用することもできる。本発明の一実施例の電子線装置では、例えば、１６本の一次電子線でそれぞれビーム径０．１μｍ、１本当たりのビーム電流２０ｎＡが得られており、１６本の合計では、現在市販されている装置の３倍の電流値が得られている。
また、本発明に係る電子線装置に用いられる電子銃においては、電子線源として熱電子線源を使用している。電子放出（エミッタ）材は、ＬａＢ６である。高融点（高温での蒸気圧が低い）で仕事関数の小さい材料であれば、他の材料を使用することが可能である。複数の電子線を得るために、２通りの方法を用いている。一つは、一本のエミッタ（突起が一つ）から一本の電子線引き出し、複数の穴のあいた薄板（開口板）を通すことにより、複数の電子線を得る方法、もう一つの方法は、一本のエミッタに複数の突起を形成して、これら突起から直に複数の電子線を引き出す方法である。いずれの場合も、電子線が突起の先端から放出されやすい性質を利用している。他の方式の電子線源からの電子線、例えば熱電界放出型の電子線も、使用可能である。なお、熱電子線源は、電子放出材を加熱することにより電子を放出する方式であり、熱電界放出電子線源とは、電子放出材に高電界をかけることにより電子を放出させ、更に電子線放出部を加熱することにより、電子放出を安定させた方式である。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照して、本発明に係る評価システムの実施形態について、検査試料として表面にパターンが形成された半導体基板すなわちウエハを評価する場合について、説明する。なお、ウエハ以外の試料の評価に適用可能であることは、勿論である。
図１及び図２は、本発明の一実施形態に係る評価システム１の主要な構成要素を示す立面図及び平面図である。評価システム１は、複数枚のウエハを収納したカセットを保持するカセットホルダ１０と、ミニエンバイロメント装置２０と、主ハウジング３０と、ミニエンバイロメント装置２０と主ハウジング３０との間に配置されていて、二つのローディングチャンバを画成するローダハウジング４０と、ウエハをカセットホルダ１０から主ハウジング３０内に配置されたステージ装置５０上に装填するローダ６０と、主ハウジング３０内に配置され、ウエハであるウエハＷを載置して移動させるステージ装置５０と、主ハウジング３０に取り付けられた電子光学系７０とを備え、それらは、図１及び図２に示したような位置関系で配置されている。評価システム１は、更に、真空の主ハウジング３０内に配置されたプレチャージユニット８１と、ウエハに電位を印加する電位印加機構８３（図１１に図示）と、電子ビームキャリブレーション機構８５（図１２に図示）と、ステージ装置５０上でのウエハの位置決めを行うためのアライメント制御装置８７を構成する光学顕微鏡８７１とを備えている。
以下に、評価システム１の主要な要素（サブシステム）それぞれの構成について、詳細に説明する。
カセットホルダ１０
カセットホルダ１０は、複数枚（例えば２５枚）のウエハが上下方向に平行に並べられた状態で収納されたカセットｃ（例えば、アシスト社製のＳＭＩＦ、ＦＯＵＰのようなクローズドカセット）を複数個（この実施形態では２個のカセット）保持するようになっている。このカセットホルダとしては、カセットをロボット等により搬送して自動的にカセットホルダ１０に装填する場合には、それに適した構造のものを、また人手により装填する場合には、それに適したオープンカセット構造のものを、それぞれ任意に選択して設置できるようになっている。カセットホルダ１０は、この実施形態では、自動的にカセットｃが装填される形式であり、例えば昇降テーブル１１と、その昇降テール１１を上下移動させる昇降機構１２とを備えている。カセットｃは、昇降テーブル上に図２において鎖線で示した状態に自動的に装填可能であり、装填後、図２において実線で示した状態に自動的に回転され、ミニエンバイロメント装置２０内の第１の搬送ユニットの回動軸線に向けられる。また、昇降テーブル１１は、図１において鎖線で示した状態に降下される。このように、自動的に装填する場合に使用するカセットホルダ、或いは人手により装填する場合に使用するカセットホルダは、いずれも既知の構造のものを適宜選択して使用すれば良いので、その構造及び機能の詳細な説明は、ここでは省略する。
別の実施形態では、図３に示すように、複数の３００ｍｍウエハＷを箱本体５０１の内側に固定した溝型ポケット（不図示）に収納した状態で収容し、搬送、保管等を行うものである。この基板搬送箱２４は、角筒状の箱本体５０１と基板搬送出入り口ドアの自動開閉装置とに連結されて、箱本体５０１の側面の開口部を機械により開閉可能な基板搬送出入りドア５０２と、開口部と反対側に位置し、フィルタ類及びファンモータの着脱を行うための開口部を覆う蓋体５０３と、ウエハＷを保持するための溝型ポケット５０７とから構成されている。この実施形態では、ローダー６０のロボット式の搬送ユニット６１により、ウエハを出し入れする。
なお、カセットｃ内に収納されるウエハは、半導体製造工程中でウエハを処理するプロセスの後、若しくはプロセスの途中で行われる。具体的には、成膜工程、ＣＭＰ、イオン注入等を受けたウエハ、表面に配線パターンが形成されたウエハ、又は配線パターンが未だに形成されていないウエハが、検査のためにカセットｃ内に収納される。カセットｃ内に収容されるウエハは、多数枚上下方向に隔ててかつ平行に並べて配置されており、カセット中の任意の位置のウエハを、後述する第１の搬送ユニットで保持できるようにするために、第１の搬送ユニットのアームを上下移動できるようになっている。
ミニエンバイロメント装置２０
図４は、ミニエンバイロメント装置２０を図１とは異なる方向から見た立面図である。この図４並びに先の図１及び図２に示したように、ミニエンバイロメント装置２０は、雰囲気制御されるミニエンバイロメント空間２１を画成するハウジング２２と、ミニエンバイロメント空間２１内で清浄空気等の気体を循環して雰囲気制御するための気体循環装置２３と、ミニエンバイロメント空間２１内に供給された空気の一部を回収して排出する排出装置２４と、ミニエンバイロメント空間２１内に配設されていて試料であるウエハの粗位置決めを行うプリアライナ２５とを備えている。
ハウジング２２は、頂壁２２１、底壁２２２及び四周を囲む周壁２２３を有し、ミニエンバイロメント空間２１を外部から遮断する構造になっている。ミニエンバイロメント空間２１を雰囲気制御するために、気体循環装置２３は、図４に示されるように、ミニエンバイロメント空間２１内において、頂壁２２１に下向きに取り付けられていて、気体（この実施形態では空気）を清浄にして一つ又はそれ以上の気体吹き出し口（図示せず）を通して清浄空気を真下に向かって層流状に流す気体供給ユニット２３１と、底壁２２２の上に配置されていて、底に向かって流れ下った空気を回収する回収ダクト２３２と、回収ダクト２３２と気体供給ユニット２３１とを接続して回収された空気を気体供給ユニット２３１に戻す導管２３３とを備えている。
この実施形態では、気体供給ユニット２３１は、供給する空気の約２０％をハウジング２２の外部から取り入れて、ミニエンバイロメント空間２１の雰囲気を清浄にするよう構成されている。しかしながら、この外部から取り入れられる気体の割合は、任意に選択可能である。気体供給ユニット２３１は、清浄空気をつくりだすための既知の構造のＨＥＰＡ若しくはＵＬＰＡフィルタを備えている。清浄空気の層流状の下方向の流れすなわちダウンフローは、主に、ミニエンバイロメント空間２１内に配置された後述する第１の搬送ユニットによる搬送面を通して流れるように供給され、これにより、搬送ユニットにより発生する恐れのある塵埃がウエハに付着するのを防止する。したがって、ダウンフローの噴出口は、必ずしも図示のように頂壁に近い位置である必要はなく、搬送ユニットによる搬送面より上側にあればよい。また、ミニエンバイロメント空間全面に亘って流す必要もない。なお、場合によっては、清浄空気としてイオン風を使用することによって、清浄度を向上させることができる。また、ミニエンバイロメント空間内には清浄度を観察するためのセンサを設け、清浄度が悪化したときに、装置をシャットダウンすることもできる。ハウジング２２の周壁２２３のうち、カセットホルダ１０に隣接する部分には、出入り口２２５が形成されている。出入り口２２５近傍には公知の構造のシャッタ装置を設けて出入り口２２５をミニエンバイロメント装置側から閉じるようにしてもよい。ウエハ近傍でつくる層流のダウンフローは、例えば０．３〜０．４ｍ／ｓｅｃの流速でよい。気体供給ユニット２３１は、ミニエンバイロメント空間２１内でなく、その外側に設けてもよい。
排出装置２４は、後に説明する搬送ユニットのウエハ搬送面より下側の位置で搬送ユニットの下部に配置された吸入ダクト２４１と、ハウジング２２の外側に配置されたブロワー２４２と、吸入ダクト２４１とブロワー２４２とを接続する導管２４３と、を備えている。この排出装置２４は、搬送ユニットの周囲を流れ下り搬送ユニットにより発生する可能性のある塵埃を含んだ気体を、吸入ダクト２４１により吸引し、導管２４３、２４４及びブロワー２４２を介してハウジング２２の外側に排出する。この場合、ハウジング２２の近くに引かれた排気管（図示せず）内に排出してもよい。
ミニエンバイロメント空間２１内に配置されたプリアライナー２５は、ウエハに形成されたオリエンテーションフラット（円形のウエハの外周に形成された平坦部分を言い、以下においてオリフラと呼ぶ）や、ウエハの外周縁に形成された一つ又はそれ以上のＶ型の切欠きすなわちノッチを光学的に或いは機械的に検出し、それに基づいて、ウエハの軸線Ｏ１−Ｏ１の周りの回転方向の位置を、約±１度の精度で予め位置決めする。プリアライナー２５は、ウエハであるウエハの座標を決める機構の一部を構成し、ウエハの粗位置決めを担当する。このプリアライナー自体は既知の構造のものでよいので、その構造、動作の説明は、ここでは省略する。なお、図示しないが、プリアライナー２５の下部にも排出装置用の回収ダクトを設けて、プリアライナー２５から排出された塵埃を含んだ空気を外部に排出するようにしてもよい。
主ハウジング３０
図１及び図２に示したように、ワーキングチャンバ３１を画成する主ハウジング３０は、ハウジング本体３２を備え、そのハウジング本体３２は、台フレーム３６上に配置された振動遮断装置すなわち防振装置３７の上に載せられたハウジング支持装置３３によって支持されている。ハウジング支持装置３３は矩形に組まれたフレーム構造体３３１を備えている。ハウジング本体３２は、フレーム構造体３３１上に配設固定されており、フレーム構造体上に載せられた底壁３２１と、頂壁３２２と、底壁３２１及び頂壁３２２に接続されて四周を囲む周壁３２３とを備え、ワーキングチャンバ３１を外部から隔離している。底壁３２１は、この実施形態では、上に載置されるステージ装置５０等の機器による加重で歪みが発生しないように比較的肉厚の厚い鋼板で構成されているが、その他の適宜の構造にしてもよい。この実施形態においては、ハウジング３２本体及びハウジング支持装置３３は、剛構造に組み立てられていて、台フレーム３６が設置されている床からの振動がこの剛構造に伝達されるのを、防振装置３７で阻止している。ハウジング３２の周壁３２３の内、ローダハウジング４０に隣接する周壁には、ウエハ出し入れ用の出入り口３２５が形成されている。
防振装置３７は、空気バネ、磁気軸受け等を有するアクティブ式のものでも、或いはこれらを有するパッシブ式のものでもよい。いずれも汎用の構造のものでよいので、その構造及び機能の説明を省略する。ワーキングチャンバ３１は、汎用の真空装置（図示せず）により、真空雰囲気に保たれる。台フレーム３６の下には、評価システム１全体の動作を制御する制御装置２が配置されている。
なお、評価システム１においては、主ハウジング３０を含めて、種々のハウジングを真空排気しているが、そのための真空排気系は、真空ポンプ、真空バルブ、真空ゲージ、真空配管等から構成され、電子光学系、検出器部、ウエハ室、ロードロック室等を、所定のシーケンスに従って真空排気を行う。各部においては、必要な真空度を達成するように、真空バルブが制御される。そして、常時、真空度の監視を行い、異常時には、インターロック機能により隔離バルブ等によるチャンバ間又はチャンバと排気系との間の遮断緊急制御を行い、各部において必要な真空度を確保をする。真空ポンプとしては、主排気にターボ分子ポンプ、粗引き用としてルーツ式のドライポンプを使用する。検査場所（電子線照射部）の圧力は、１０−３〜１０−５Ｐａ、好ましくは、その１桁下の１０−４〜１０−６Ｐａが実用的である。
ローダハウジング４０
図５は、図１とは別の方向から見たローダハウジング４０の立面図を示している。図５並びに図１及び図２に示すように、ローダハウジング４０は、第１のローディングチャンバ４１と第２のローディングチャンバ４２とを画成するハウジング本体４３を備えている。ハウジング本体４３は、底壁４３１と、頂壁４３２と、四周を囲む周壁４３３と、第１のローディングチャンバ４１と第２のローディングチャンバ４２とを仕切る仕切壁４３４とを有しており、２つのローディングチャンバを外部から隔離している。仕切壁４３４には、２つのローディングチャンバ間でウエハＷの受け渡しを行うための開口すなわち出入り口４３５が形成されている。また、周壁４３３のミニエンバイロメント装置２０及び主ハウジング３０に隣接した部分には、出入り口４３６及び４３７が形成されている。このローダハウジング４０のハウジング本体４３は、ハウジング支持装置３３のフレーム構造体３３１上に載置されて支持されている。したがって、このローダハウジング４０にも、床の振動が伝達されない。
ローダハウジング４０の出入り口４３６とミニエンバイロメント装置２０のハウジング２２の出入り口２２６とは整合されているが、これら出入り口４３６、２２６の間には、ミニエンバイロメント空間２１とローディングチャンバ４１との連通を選択的に阻止するシャッタ装置２７が設けられている。シャッタ装置２７は、出入り口２２６及び４３６の周囲を囲んで側壁４３３と密に接触して固定されたシール材２７１と、シール材２７１と協働して出入り口を介しての空気の流通を阻止する扉２７２と、その扉を動かす駆動装置２７３とを有している。同様に、ローダハウジング４０の出入り口４３７と主ハウジング３０のハウジング本体３２の出入り口３２５とは整合されているが、これら出入り口４３６、３２５の間には、ローディングチャンバ４２とワーキンググチャンバ３１との連通を選択的に密封阻止するシャッタ装置４５が設けられている。シャッタ装置４５は、出入り口４３７及び３２５の周囲を囲んで側壁４３３及び３２３と密に接触し、それら側壁に固定されたシール材４５１、シール材４５１と協働して、出入り口を介しての空気の流通を阻止する扉４５２と、その扉を動かす駆動装置４５３とを有している。更に、仕切壁４３４に形成された開口には、扉４６１により開口を閉じて、第１及び第２のローディングチャンバ間の連通を選択的に密封阻止するシャッタ装置４６が設けられている。これらのシャッタ装置２７、４５及び４６は、閉じ状態にあるとき、各チャンバを気密シールできるようになっている。これらのシャッタ装置は汎用のものでよいので、その構造及び動作の詳細な説明は省略する。
なお、ミニエンバイロメント装置２０のハウジング２２の支持方法とローダハウジング４０の支持方法が異なり、ミニエンバイロメント装置２０を介して床からの振動がローダハウジング４０及び主ハウジング３０に伝達されるのを防止するために、ミニエンバイロメント装置２０のハウジング２２とローダハウジング４０との間に、出入り口の周囲を気密に囲む防振用のクッション材を配置しておけば良い。
第１のローディングチャンバ４１内には、複数枚（この実施形態では２枚）のウエハＷを上下に隔てて水平に支持するウエハラック４７が配設されている。ウエハラック４７は、図６に示すように、矩形の基板４７１の四隅に互いに隔てて直立状態で固定された支柱４７２を備え、各支柱４７２には、それぞれ２段の支持部４７３及び４７４が形成され、その支持部の上に、ウエハＷの周縁を載せて保持する。このようにウエハＷを載置下状態で、後述する第１及び第２の搬送ユニットのアームの先端を隣接する支柱間からウエハＷに接近させ、該アームによりウエハを把持させ、そしてウエハを搬送させる。
第１及び第２のローディングチャンバ４１及び４２は、真空ポンプを含む汎用の真空排気装置（図示せず）によって、高真空状態（真空度としては、１０−５〜１０−６Ｐａ）に雰囲気制御される。この場合、第１のローディングチャンバ４１を低真空チャンバとして低真空雰囲気に保ち、第２のローディングチャンバ４２を高真空チャンバとして高真空雰囲気に保つことにより、ウエハの汚染防止を効果的に行うこともできる。このような２つのローディングチャンバを備えたローディングハウジング構造を採用することによって、ウエハＷをローディングチャンバからワーキングチャンバ内に遅滞なく搬送することができる。このようなローディングチャンバ構造を採用することによって、マルチビーム型の電子光学系と協働して欠陥等の検査のスループットを向上させ、更に、保管状態が高真空状態であることを要求される電子源周辺の真空度を、可能な限り高真空状態にすることができる。
第１及び第２のローディングチャンバ４１及び４２にはそれぞれ、真空排気配管と不活性ガス（例えば乾燥純窒素）用のベント配管（それぞれ図示せず）が接続されている。これによって、各ローディングチャンバ内の大気圧状態において、不活性ガスベント（不活性ガスを注入して、不活性ガス以外の酸素ガス等が表面に付着するのを防止する）が達成される。このような不活性ガスベントを行う装置自体は汎用の構造のものでよいので、その詳細な説明は省略する。
なお、電子線を使用する本発明の主ハウジング３０において、後述する電子光学系７０の電子源すなわち電子銃として使用される代表的な六硼化ランタン（ＬａＢ６）等は、一度熱電子を放出する程度まで高温状態に加熱された場合には、酸素等に可能な限り接触させないことがその寿命を縮めないために肝要である。本発明においては、主ハウジング３０の電子光学系７０が配置されているワーキングチャンバにウエハＷを搬入する前段階で、上記のような雰囲気制御を行うことにより、酸素に接触する可能性が低減されるため、電子源の寿命を縮めてしまう可能性が低くなる。
ステージ装置５０
ステージ装置５０は、主ハウジング３０の底壁３２１上に配置された固定テーブル５１と、固定テーブル上でＹ方向（図１において紙面に垂直の方向）に移動するＹテーブル５２と、Ｙテーブル上でＸ方向（図１において左右方向）に移動するＸテーブル５３と、Ｘテーブル上で回転可能な回転テーブル５４と、回転テーブル５４上に配置されたホルダ５５とを備えている。該ホルダ５５のウエハ載置面５５１上にウエハＷを解放可能に保持する。ホルダ５５は、ウエハＷを機械的に或いは静電チャック方式で解放可能に把持できる汎用の構造のものでよい。ステージ装置５０は、サーボモータ、エンコーダ及び各種のセンサ（図示せず）を用いて、上記した複数のテーブル５２〜５４を動作させることにより、載置面５５１上でホルダ５５に保持されたウエハＷを電子光学系７０から照射される電子ビームに対してＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向（図１において上下方向）に、更には、ウエハの支持面に鉛直な軸線の回り方向（θ方向）に、高い精度で位置決めすることができる。なお、Ｚ方向の位置決めは、例えばホルダ５５上の載置面の位置をＺ方向に微調整可能にしておけばよい。この場合、載置面の基準位置を微細径レーザによる位置測定装置（干渉計の原理を使用したレーザ干渉測距装置）によって検知し、その位置をフィードバック回路（不図示）によって制御したり、それと共に或いはそれに代えて、ウエハのノッチ或いはオリフラの位置を測定して、ウエハの電子ビームに対する平面位置及び回転位置を検知し、回転テーブル５４を微小角度制御可能なステッピングモータなどにより回転させて制御する。ホルダ５５を設けずに、回転テーブル５４上にウエハＷを直接載置してもよい。ワーキングチャンバ３１内での塵埃の発生を極力防止するために、ステージ装置５０用のサーボモータ５２１、５３１及びエンコーダ５２２、５３２は、主ハウジング３０の外側に配置されている。なお、ステージ装置５０は、例えばステッパー等で使用されている汎用構造のもので良いので、その構造及び動作の詳細な説明は省略する。また、上記したレーザ干渉測距装置も汎用構造のものでよいので、その構造、動作の詳細な説明は省略する。
電子ビームに対するウエハＷの回転位置やＸ−Ｙ座標位置を、後述する信号検出系或いは画像処理系に予め入力することによって、信号の基準化を図ることもできる。更に、このホルダ５５に設けられたウエハチャック機構は、ウエハをチャックするための電圧を静電チャックの電極に印加するよう構成され、ウエハＷの外周部の３点（好ましくは、周方向に等隔に隔てられた３点）を押さえて位置決めするようになっている。ウエハチャック機構は、二つの固定位置決めピンと、一つの押圧式クランクピンとを備えている。クランプピンは、自動チャック及び自動リリースを実現できるよう構成され、かつ電圧印加用の導通部を構成している。
なお、この実施形態では図２で左右方向に移動するテーブルをＸテーブルとし、上下方向に移動するテーブルをＹテーブルとしたが、同図で左右方向に移動するテーブルをＹテーブルとし、上下方向に移動するテーブルをＸテーブルとしてもよい。
ローダ６０
ローダ６０は、ミニエンバイロメント装置２０のハウジング２２内に配置されたロボット式の第１の搬送ユニット６１と、第２のローディングチャンバ４２内に配置されたロボット式の第２の搬送ユニット６３とを備えている。
第１の搬送ユニット６１は、駆動部６１１に関して軸線Ｏ１−Ｏ１の回りで回転可能になっている多節のアーム６１２を有している。多節のアームとして任意の構造のものを使用できるが、この実施形態では、互いに回動可能に取り付けられた三つの部分を有している。第１の搬送ユニット６１のアーム６１２の一つの部分すなわち最も駆動部６１１側の第１の部分は、駆動部６１１内に設けられた汎用構造の駆動機構（図示せず）により、回転可能な軸６１３に取り付けられている。アーム６１２は、軸６１３により軸線Ｏ１−Ｏ１の回りで回動可能であると共に、部分間の相対回転により全体として軸線Ｏ１−Ｏ１に関して半径方向に伸縮可能である。アーム６１２の軸６１３から最も離れた第３の部分の先端には、汎用構造の機械式チャック又は静電チャック等のウエハ把持用の把持装置６１６が設けられている。駆動部６１１は、汎用構造の昇降機構６１５により上下方向に移動可能である。
この第１の搬送ユニット６１において、カセットホルダ１０中に保持された二つのカセットｃの内のいずれか一方の方向Ｍ１又はＭ２（図２）に向かって、アーム６１２が伸び、そして、カセットｃ内に収容されたウエハＷをアームの上に載せるか又はアームの先端に取り付けたチャック（図示せず）により把持して取り出す。その後、アームが縮み（図２に示した状態）、アームがプリアライナ２５の方向Ｍ３に向かって伸長できる位置まで回転して、その位置で停止する。するとアームが再び伸びてアームに保持されたウエハＷをプリアライナ２５に載せる。プリアライナ２５から前記と逆にしてウエハを受け取った後、アームは更に回転し、第１のローディングチャンバ４１に向かって伸長できる位置（向きＭ４）で停止し、第１のローディングチャンバ４１内のウエハ受け４７に、ウエハを受け渡す。なお、機械的にウエハを把持する場合には、ウエハの周縁部（周縁から約５ｍｍの範囲）を把持する。これは、ウエハには周縁部を除いて全面にデバイス（回路配線）が形成されており、周縁部以外の部分を把持すると、デバイスの破壊、欠陥の発生を生じさせるからである。
第２の搬送ユニット６３も、第１の搬送ユニット６１と構造が基本的に同じであり、ウエハＷの搬送を、ウエハラック４７とステージ装置５０の載置面上との間で行う点でのみ相違するだけであるから、詳細な説明は省略する。
第１及び第２の搬送ユニット６１及び６３は、カセットホルダに保持されたカセットｃからワーキングチャンバ３１内に配置されたステージ装置５０上への及びその逆のウエハの搬送を、ウエハをほぼ水平状態に保ったままで行う。そして、搬送ユニット６１、６３のアームが上下動するのは、単に、カセットｃからのウエハの取り出し及びそれへの挿入、ウエハラックへのウエハの載置及びそこからの取り出し、並びに、ステージ装置５０へのウエハの載置及びそこからの取り出しのときるだけである。したがって、例えば直径３０ｃｍ等の大型のウエハであっても、その移動をスムースに行うことができる。
ここで、上記構成を有する評価システム１において、カセットホルダ１０に支持されたカセットｃからワーキングチャンバ３１内に配置されたステージ装置５０までへのウエハの搬送を、順を追って説明する。
カセットホルダ１０は、前述のように人手によりカセットをセットする場合にはそれに適した構造のものが、また自動的にカセットをセットする場合にはそれに適した構造のものが使用される。この実施形態において、カセットｃがカセットホルダ１０の昇降テーブル１１の上にセットされると、昇降テーブル１１は昇降機構１２によって降下され、カセットｃが出入り口２２５に整合される。カセットが出入り口２２５に整合されると、カセットｃに設けられたカバー（不図示）が開き、また、カセットｃとミニエンバイロメント装置２０の出入り口２２５との間には、筒状の覆いが配置されて、カセット及びミニエンバイロメント空間２１を、外部から遮断する。これらの構造は汎用のものであるから、その構造及び動作の詳細な説明は省略する。なお、ミニエンバイロメント装置２０側に出入り口２２５を開閉するシャッタ装置が設けられている場合には、そのシャッタ装置が動作して、出入り口２２５を開く。
一方、第１の搬送ユニット６１のアーム６１２は、方向Ｍ１又はＭ２ののいずれかに向いた状態（この説明では、Ｍ１の方向）で停止しており、出入り口２２５が開くと、アームが伸びてその先端でカセットｃに収容されているウエハのうち１枚を受け取る。なお、アームと、カセットから取り出されるべきウエハとの上下方向の位置調整は、この実施形態では、第１の搬送ユニット６１の駆動部６１１及びアーム６１２の上下移動で行うが、カセットホルダ１０の昇降テーブルの上下動によって行っても、或いはその両者で行ってもよい。
アーム６１２によるウエハの受け取りが完了すると、該アームは縮み、シャッタ装置が動作して出入り口を閉じ（シャッタ装置がある場合）、次に、アーム６１２は軸線Ｏ１−Ｏ１の回りで回動し、方向Ｍ３に向けて伸長できる状態となる。そして、アームが伸びて先端に載せられ或いはチャックで把持されたウエハをプリアライナ２５の上に載せ、該プリアライナによって、ウエハの回転方向の向き（ウエハ平面に垂直な中心軸線の回りの向き）を、所定の範囲内に位置決めする。位置決めが完了すると、第１の搬送ユニット６１は、アーム６１２の先端にプリアライナ２５からウエハを受け取った後にアームを縮ませ、方向Ｍ４に向けてアームを伸長できる姿勢になる。すると、シャッタ装置２７の扉２７２が動いて出入り口２２６及び４３６を開き、アーム６１２が伸びてウエハを第１のローディングチャンバ４１内のウエハラック４７の上段側又は下段側に載せる。なお、シャッタ装置２７が開いてウエハラック４７にウエハが受け渡される前に、仕切壁４３４に形成された開口４３５は、シャッタ装置４６の扉４６１により気密状態に閉じられている。
上記した第１の搬送ユニット６１によるウエハの搬送過程において、ミニエンバイロメント装置２０のハウジング本体２２に設けられた気体供給ユニット２３１からは清浄空気が層流状に流れ（ダウンフローとして）、搬送途中で塵埃がウエハの上面に付着するのを防止する。搬送ユニット周辺の空気の一部（この実施形態では、供給ユニットから供給される空気の約２０％で主に汚れた空気）は、排出装置２４の吸入ダクト２４１から吸引されて、ハウジング外に排出される。残りの空気は、ハウジング本体２２の底部に設けられた回収ダクト２３２を介して回収され、再び気体供給ユニット２３１に戻される。
ローダハウジング４０の第１のローディングチャンバ４１内のウエハラック４７に第１の搬送ユニット６１によりウエハが載せられると、シャッタ装置２７が閉じて、ローディングチャンバ４１を密閉する。すると、該ローディングチャンバ４１内には空気が追い出されて不活性ガスが充填された後、その不活性ガスも排出されて、ローディングチャンバ４１内は真空雰囲気となる。ローディングチャンバ４１の真空雰囲気は、低真空度でよい。ローディングチャンバ４１の真空度がある程度得られると、シャッタ装置４６が動作して、扉４６１で密閉していた出入り口４３４を開き、次いで、第２の搬送ユニット６３のアーム６３２が伸びて先端の把持装置でウエハ受け４７から１枚のウエハを受け取る（先端の上に載せて或いは先端に取り付けられたチャックで把持して）。ウエハの受け取りが完了するとアームが縮み、シャッタ装置４６が再び動作して扉４６１により出入り口４３５を閉じる。なお、シャッタ装置４６が開く前に、アーム６３２は予めウエハラック４７の方向Ｎ１に向けて伸長できる姿勢になる。また、前記のように、シャッタ装置４６が開く前に、シャッタ装置４５の扉４５２により出入り口４３７、３２５を閉じて、第２のローディングチャンバ４２内とワーキングチャンバ３１内との連通を阻止しており、かつ、第２のローディングチャンバ４２内は真空排気される。
シャッタ装置４６が出入り口４３５を閉じると、第２のローディングチャンバ４２は再度真空排気され、第１のローディングチャンバ４１よりも高真空度で真空にされる。その間に、第２の搬送ユニット６１のアームは、ワーキングチャンバ３１内のステージ装置５０の方向に向いて伸長できる位置に回転される。一方ワーキングチャンバ３１内のステージ装置５０では、Ｙテーブル５２が、Ｘテーブル５３の中心線Ｘ０−Ｘ０が第２の搬送ユニット６３の回動軸線Ｏ２−Ｏ２を通るＸ軸線Ｘ１−Ｘ１とほぼ一致する位置まで、図２で上方に移動し、また、Ｘテーブル５３が図２で最も左側の位置に接近する位置まで移動し、この状態で待機している。第２のローディングチャンバ４２がワーキングチャンバ３１の真空状態と略同じになると、シャッタ装置４５の扉４５２が動いて出入り口４３７、３２５を開き、アームが伸びて、ウエハを保持したアームの先端がワーキングチャンバ３１内のステージ装置５０に接近する。そして、ステージ装置５０の載置面５５１上にウエハＷを載置する。ウエハの載置が完了するとアームが縮み、シャッタ装置４５が出入り口４３７、３２５を閉じる。
以上は、カセットｃ内のウエハＷをステージ装置５０の載置面５５１上に搬送載置するまでの動作に付いて説明した。検査処理が完了したウエハＷをステージ装置５０からカセットｃに戻すには、前述と逆の動作を行う。また、ウエハラック４７に複数のウエハを載置しているため、第２の搬送ユニット６３がウエハラック４７とステージ装置５０との間でウエハの搬送を行っている間に、第１の搬送ユニットがカセットｃとウエハラック４７との間でウエハの搬送を行うことができる。したがって、検査処理を効率良く行うことができる。
具体的には、第２の搬送ユニットのウエハラック４７に、既に処理済みのウエハＡと未処理のウエハＢとがある場合、▲１▼まず、ステージ装置５０に未処理のウエハＢを移動し、処理を開始する。そして、▲２▼この処理中に、処理済みウエハＡを、アームによりステージ装置５０からウエハラック４７に移動し、未処理の別のウエハＣを同じくアームによりウエハラックから抜き出し、プリアライナで位置決めした後、ローディングチャンバ４１のウエハラック４７に移動する。このようにすることにより、ウエハラック４７の中では、ウエハＢの処理中に、処理済みのウエハＡを未処理のウエハＣに置き換えることができる。
また、検査や評価を行うこのような装置の利用の仕方によっては、ステージ装置５０を複数台並列に置き、各ステージ装置に１つのウエハラック４７からウエハを移動することにより、複数枚のウエハを同じに処理することができる。
図７の［Ａ］及び［Ｂ］は、主ハウジング３０の支持方法の変形例を示している。図７［Ａ］に示した変形例では、ハウジング支持装置３３ａを厚肉で矩形の鋼板３３１ａで構成し、その鋼板の上にハウジング本体３２ａが載せられている。したがって、ハウジング本体３２ａの底壁３２１ａは、図１の実施形態の底壁に比較して、薄い構造になっている。図７［Ｂ］に示した変形例では、ハウジング支持装置３３ｂのフレーム構造体３３６ｂによりハウジング本体３２ｂ及びローダハウジング４０ｂを吊下状態で支持している。フレーム構造体３３６ｂに固定された複数の縦フレーム３３７ｂの下端は、ハウジング本体３２ｂの底壁３２１ｂの四隅に固定され、その底壁により周壁及び頂壁を支持している。そして、防振装置３７ｂは、フレーム構造体３３６ｂと台フレーム３６ｂとの間に配置されている。また、ローダハウジング４０も、フレーム構造体３３６に固定された吊り下げ部材４９ｂによって吊り下げられている。図７［Ｂ］に示した変形例では、吊り下げ式に支えているので、主ハウジング３０ｂ及びその中に設けられた各種機器全体の低重心化が可能である。主ハウジング及びローダハウジングをつり下げて支持する方法によれば、床からの振動がこれらに伝わらないため、好適である。
図示しない別の変形例では、主ハウジングのハウジング本体のみがハウジング支持装置によって下から支持され、ローダハウジングは隣接するミニエンバイロメント装置と同じ方法で、床上に配置される。また、図示しない更に別の変形例では、主ハウジングのハウジング本体のみがフレーム構造体に吊り下げ式で支持され、ローダハウジングは隣接するミニエンバイロメント装置と同じ方法で床上に配置される。
電子光学系７０
電子線装置に具備される電子光学系７０は、ハウジング本体３２に固定された鏡筒７１を備え、該鏡筒中には、一次電子光学系（以下、「一次光学系」）及び二次電子光学系（以下、「二次光学系」）と検出系とが配置されている。
図８は、このような電子光学系７０の実施形態を示した概略図であり、図において、７２は一次光学系、７４は二次光学系、７６は検出系である。なお、図８においては、ウエハＷを載置した状態のステージ装置５０、及び制御装置の一部である走査信号発生回路７６４も示している。一次光学系７２は、電子線を試料であるウエハＷの表面に照射する光学系であり、電子線を放出する電子銃７２１と、電子銃７２１から放出された一次電子線を集束する静電レンズすなわちコンデンサレンズ７２２と、該コンデンサレンズ７２２の下方に配置されかつ複数の開口が形成されていて、一次電子線を複数の一次電子ビームすなわちマルチビームに形成するマルチ開口板７２３と、一次電子ビームを縮小する静電レンズである縮小レンズ７２４と、ウイーンフィルタすなわちＥ×Ｂ分離器７２５と、対物レンズ７２６とを備えている。それらは、図８に示すように、電子銃７２１を最上部にして順に配置され、しかも、電子銃から放出される一次電子線の光軸がウエハＷの表面に直交して照射されるように設定される。
縮小レンズ７２４及び対物レンズ７２６の像面湾曲収差の影響をなくすため、マルチ開口板７２３に形成される複数（この実施形態では９個）の開口７２３ａが、図９の［Ａ］に示されるように、光軸を中心とした円の円周上に形成され、しかも、その開口のＸ軸上への投影像のＸ方向の間隔Ｌｘが同一となるように配置されている。
二次光学系７４は、Ｅ×Ｂ分離器７２５により一次光学系から分離された二次電子を通す２段の静電レンズである拡大レンズ７４１及び７４２と、マルチ開口検出板７４３とを備えている。マルチ開口検出板７４３に形成される開口７４３ａは、図９の［Ａ］に示すように、一次光学系のマルチ開口板７２３に形成されている開口７２３ａと一対一に対応するように配置されている。
検出系７６は、二次光学系７４のマルチ開口検出板７４３の複数の開口７４３ａに対応し、かつこれらに近接して配置された複数（この実施形態では９個）の検出器７６１と、各検出器７６１にＡ／Ｄ変換器７６２を介して電気的に接続された画像処理部７６３とを備えている。画像処理部７６３は、電子光学系７０内に物理的に位置する必要がない。
次に、上記構成の電子光学系７０の動作を説明する。電子銃７２１から放出された一次電子線は、一次光学系７２のコンデンサレンズ７２２によって集束されて点Ｐ１においてクロスオーバを形成する。コンデンサレンズ７２２によって集束された一次電子線がマルチ開口板７２３の複数の開口７２３ａを通過することにより、複数の一次電子線が形成され、これらの一次電子線は、縮小レンズ７２４によって縮小されて、位置Ｐ２に投影される。位置Ｐ２で合焦した後、更に対物レンズ７２６によってウエハＷの表面上に合焦される。このとき、一次電子線は、縮小レンズ７２４と対物レンズ７２６との間に配置された偏向器７２７によって、ウエハＷの表面上を走査するように偏向される。偏向器７２７には、走査信号が印加され、該信号に基づいて、一次電子線の偏向走査が実行される。
一次光学系７２による一次電子線の照射方法を、図９の［Ｂ］を用いて説明する。なお、この図の例では、説明を簡単にするために、４本の一次電子線１０１、１０２、１０３、１０４を用いる例について説明する。それぞれの電子線は、５０μｍ幅をスキャンするものとする。電子線１０１を例にとると、まず、電子線１０１は左端から右方向にスキャンし、右端に到着後、すみやかに左端にもどり、改めて、右方向にスキャンする。このように、４つの電子線により、同時にウエハ表面を走査しているので、スループットが向上する。
合焦された複数（図８の実施形態では９本）の一次電子線によってウエハＷ上の複数の点が照射され、照射されたこれらの複数の点から二次電子が放出される。この二次電子は、対物レンズ７２６の電界に引かれて細く集束され、Ｅ×Ｂ分離器７２５によって偏向されて、二次光学系７４に投入される。二次電子による像は、Ｅ×Ｂ分離器７２５からみて、位置Ｐ２より近い位置Ｐ３において焦点を結ぶ。これは、一次電子ビームがウエハ面上で５００ｅＶ程度のエネルギを有しているのに対して、二次電子が数ｅｖ程度のエネルギしか有していないためである。
ここで、図１０を参照してＥ×Ｂ分離器７２５について説明する。図１０［Ａ］は、本発明の電子光学系７０に使用可能なＥ×Ｂ分離器の一例を示している。この分離器は、静電偏向器と電磁偏向器とにより構成されており、図１０においては、光軸ＯＡ１（図面に垂直な軸）に直交するＸ−Ｙ平面上の断面として示されている。Ｘ軸方向及びＹ軸方向は互いに直交している。
静電偏向器は、真空容器中に設けられた一対の電極（静電偏向電極）７２５１を備え、Ｘ軸方向に電界を生成する。これら静電偏向電極７２５１は、絶縁スペーサ７２５２を介して真空容器の真空壁７２５３に取り付けられており、これらの電極間距離Ｄｐは、静電偏向電極７２５１のＹ軸方向の長さ２Ｌｐよりも小さく設定されている。このような設定により、Ｚ軸すなわち光軸ＯＡ１の回りの形成される電界強度が一様な範囲を比較的大きくすることができるが、理想的には、Ｄｐ＜Ｌｐであれば、電界強度が一様な範囲をより大きくすることができる。
すなわち、電極の端部からＤｐ／２の範囲は、電界強度が一様でないため、電界強度がほぼ一様な領域は、一様でない端部領域を除いた中心部の２Ｌｐ−Ｄｐの領域となる。このため、電界強度が一様な領域が存在するためには、２Ｌｐ＞Ｄｐとする必要があり、更に、Ｌｐ＞Ｄｐと設定することにより、電界強度が一様な領域がより大きくなる。
真空壁７２５３の外側には、Ｙ軸方向に磁界を生成するための電磁偏向器が設けられている。この電磁偏向器は、電磁コイル７２５４及び電磁コイル７２５５を備え、これらコイルはそれぞれ、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に磁界を生成する。なお、コイル７２５５だけでもＹ軸方向の磁界を生成できるが、電界と磁界との直交度を向上させるために、Ｘ軸方向に磁界を生成するコイル７２５４を設けている。すなわち、コイル７２５４によって生成された−Ｘ軸方向の磁界成分によって、コイル７２５５によって生成された＋Ｘ軸方向を打ち消すことによって、電界と磁界との直交度を良好にすることができる。
これら磁界生成用のコイル７２５４及び７２５５は、真空容器の外に設けるため、それぞれを二分割して構成し、真空壁７２５３の両側から取り付け、部分７２５７においてねじ止め等によって締め付けて一体化すればよい。
Ｅ×Ｂ分離器の最外層７２５６は、パーマロイ或いはフェライト製のヨークとして構成する。この最外層７２５６は、コイル７２５４及び７２５５と同様に、２分割して両側からコイル７２５５の外周に取り付けて、部分７２５７においてねじ止め等により一体化してもよい。
図１０の［Ｂ］は、本発明の電子光学系７０に適用可能なＥ×Ｂ分離器の他の例を、光軸に直交する断面図として示している。このＥ×Ｂ分離器においては、静電偏向電極７２５１は６極設けられている点が、図１０の［Ａ］に示した形態と異なっている。図１０の［Ｂ］において、図１０［Ａ］に示されたＥ×Ｂ分離器の構成要素に対応する構成要素は同じ参照番号に「′」（ダッシュ）を付して示し、それらの説明は省略する。これらの静電偏向電極７２５１′には、それぞれの電極の中央と光軸とを結んだ線と、電界の方向（Ｘ軸方向）との角度θｉ（ｉ＝０、１、２、３、４、５）としたときに、ｃｏｓθｉに比例する電圧ｋ・ｃｏｓθｉ（ｋは定数）が供給される。ただし、θｉは、任意の角度である。
図１０の［Ｂ］に示したＥ×Ｂ分離器においても、［Ａ］のＥ×Ｂ分離器と同様に、Ｘ軸方向の電界しか作れないので、Ｘ軸及びＹ軸方向の磁界を生成するコイル７２５４′及び７２５５′を設け、直交度の修正を行う。
図１０の［Ｂ］に示したＥ×Ｂ分離器によれば、図１０の［Ａ］に示したＥ×Ｂ分離器に比べて、電界強度が一様な領域を更に大きくすることができる。
なお、図１０の［Ａ］及び［Ｂ］に示したＥ×Ｂ分離器において、磁界を生成するためのコイルはサドル型に形成しているが、トロイダル型のコイルを用いてもよい。また、図１０に示したＥ×Ｂ分離器の構成は、図８に示した電子線装置の電子光学系７０だけでなく、以降で説明する他の実施形態の電子線装置の電子光学系に適用可能である。
位置Ｐ３で合焦された二次電子の像は、２段の拡大レンズ７４１、７４２でマルチ開口検出板７４３の対応する開口７４３ａに合焦され、各開口７４３ａに対応して配置された検出器７６１で検出する。検出器７６１は、検出した電子線を、その強度を表す電気信号に変換する。各検出器７６１から出力された電気信号は、Ａ／Ｄ変換器７６２でデジタル信号に変換された後、画像処理部７６３に入力される。検出器７６１として、例えば電子線強度を直接検出するＰＮ接合ダイオード、或いは、電子により発光する蛍光板を介して発光強度を検出するＰＭＴ（光電子増倍管）などを用いることができる。
画像処理部７６３は、入力されたデジタル信号を画像データに変換する。画像処理部７６３には、一次電子線を偏向させるための走査信号が制御装置２（図１）から供給されており、したがって、画像処理部は、ウエハ表面上を走査される一次電子ビームの照射点の画像に対応する電気信号を受け取ることになり、よって、ウエハ表面を表すを表す画像を得ることができる。このようにして得られた画像を、予め設定された標準パターンと比較することによって、ウエハＷの被評価パターンの良否を判定することができる。
更に、レジストレーションによりウエハＷの被評価パターンを一次光学系の光軸の近くへ移動させ、ラインスキャンすることによって線幅評価信号を取り出し、これを適宜校正することによって、ウエハの表面に形成されたパターンの線幅を測定することができる。
なお、従来の電子線装置では、一次電子線をウエハに照射した時発生する二次電子を一次電子と共通の二段のレンズで集束させ、この集束位置にＥ×Ｂ分離器を設けて二次電子を一次電子より分離し、その後はレンズ無しでマルチ検出器に結像させる方式が用いられている。このため、一次及び二次光学系に共通の二段のレンズは、一次光学系のレンズ条件を優先して調節される必要があるので、二次光学系の合焦条件や拡大率の調整を行うことができないことから、これらの合焦条件や拡大率が設計値からズレた場合に、調整できないという欠点があった。
しかしながら、二次電子をＥ×Ｂ分離器７２５で分離後、これを二次光学系のレンズで拡大するようにしたので、一次光学系のレンズ条件とは独立して、二次光学系の合焦条件や拡大率を調整することができる。
また、一次光学系のマルチ開口板７２３の開口を通過した一次電子ビームをウエハＷの表面に合焦させ、ウエハから放出される二次電子を検出器７６１に結像させる際に、一次光学系で生じる歪み、軸上色収差及び視野非点という３つの収差による影響を最小にするよう特に配慮する必要がある。
特に、一次電子線と二次電子線が光路を共有する場合、共通の光路に一次電子流と二次電子流が流れるので、ほぼ２倍のビーム電流が流れ、その結果、空間電荷効果による一次電子線のボケや合焦条件の狂いがほぼ２倍になる。また、共通の光路では、一次電子線と二次電子線の軸合わせが困難である。一次電子線の軸合わせを行うと、二次電子線の軸が狂い易く、逆に二次電子線の軸合わせを行うと、一次電子線の軸が狂い易い。また、共通の光路では、レンズを一次電子線の合焦条件に合わせると、二次電子線の合焦条件が外れ易く、逆に二次電子線の合焦条件に合わせると、一次電子線の合焦条件が外れ易い。
したがって、共通の光路はできるだけ短くする必要があるが、そのために対物レンズ７２６の下方にＥ×Ｂ分離器７２５を設けると、対物レンズの像面距離が長くなり、収差が大きくなる問題を生ずる。そこで、本発明においては、対物レンズ７２６から見て電子銃７２１側にＥ×Ｂ分離器７２５を設けており、その結果、一次光学系と二次光学系とは、一つのレンズのみを共有する構成となっている。
また、複数の一次電子ビーム間の間隔と、二次光学系との関係については、一次電子ビーム間の間隔を二次光学系の収差（この場合は、対物レンズの二次電子に対する収差）よりも大きい距離だけ離すことにより、複数のビーム間のクロストークを無くすことができる。
さらに、静電偏向器７２７の偏向角度を、Ｅ×Ｂ分離器７２５のうち電磁偏向器による電磁偏向角度の−１／２倍に近い値にすることが好ましく、これによって、偏向の色収差を小さくできるので、Ｅ×Ｂ分離器を通してもビーム径があまり大きくならないようにすることができる。
プレチャージユニット８１
プレチャージユニット８１は、図１に示したように、ワーキングチャンバ３１内で電子光学系７０の鏡筒７１に隣接して配設されている。本発明の評価システム１では、ウエハに電子線を走査して照射することによってウエハ表面に形成されたデバイスパターン等を検査する形式の装置であるため、ウエハ材料、照射電子のエネルギ等の条件によって、ウエハ表面が帯電（チャージアップ）することがある。更に、ウエハ表面でも強く帯電する箇所、弱い帯電箇所が生じる可能性がある。そして、電子線の照射により生じる二次電子等の情報をウエハ表面の情報としているが、ウエハ表面の帯電量にむらがあると、二次電子の情報もむらを含み、正確な画像を得ることができない。そこで、この実施形態では、帯電むらを防止するために、プレチャージユニット８１が設けられている。該プレチャージユニット８１は荷電粒子照射部８１１を含み、ウエハ上に検査のために一次電子を照射する前に、荷電粒子照射部８１１から荷電粒子を照射することにより、帯電むらを無くす。なお、ウエハ表面の帯電状態は、電子光学系７０を用いて予めウエハ面の画像を形成し、その画像を評価することで検出することができ、そして、検出された帯電状態に基づいて、荷電粒子照射部８１１からの荷電粒子の照射を制御する。プレチャージユニット８１では、一次電子線をぼかして照射してもよい。
また、ウエハの電気的欠陥を検査する方法としては、本来電気的に絶縁されている部分とその部分が通電状態にある場合では、その部分の電圧が異なることを利用することもできる。それは、まず、ウエハに事前に電荷を付与することで、本来電気的に絶縁されている部分の電圧と、本来電気的に絶縁されている部分ではあるが、何らかの原因で通電状態にある部分の電圧とに電圧差を生じさせ、その後、電子ビームを照射することにより、電圧差のデータを取得し、この取得データを解析して、通電状態となっていることを検出することができる。
このような電気的欠陥の検出方法において、予めウエハに事前に電荷をチャージさせるために、プレチャージユニット８１を用いることもできる。
電圧印加機構８３
図１１は、電圧印加機構８３の構成を示すブロック図である。電位印加機構８３は、ウエハから放出される二次電子発生率が、ウエハの電位に依存すると言う事実に基づいて、ウエハを載置するステージの設置台に±数Ｖの電位を印加することにより、二次電子の発生が最適化するよう制御するものである。また、この電位印加機構８３は、照射される一次電子が当初有しているエネルギを減速し、ウエハ上の電子エネルギを１００〜５００ｅＶ程度に制御するためにも用いられる。
電位印加機構８３は、図１１に示されるように、ステージ装置５０の載置面５５１と電気的に接続された電圧印加装置８３１と、チャージアップ調査及び電圧決定システム（以下、「調査及び決定システム」）８３２とを備えている。調査及び決定システム８３２は、電子光学系７０の検出系７６の画像処理部７６３に電気的に接続されたモニタ８３３と、モニタ８３３に接続されたオペレーション入力部８３４と、該オペレーション入力部８３４に接続されたＣＰＵ８３５とを備えている。ＣＰＵ８３５は、制御装置２（図１）に含まれ、電圧印加装置８３１に電圧調整信号を供給する。なお、ＣＰＵ８３５はさらに、電子光学系７０の偏向器７２７（図８）に走査信号を供給する等、種々構成要素に制御信号を供給する。電位印加機構８３は、画像処理部７６３によって形成された画像をモニタ８３３に表示し、オペレーション入力部８３４及びＣＰＵ８３５によって、ウエハが帯電し難い電位を探し、得られた電位を、電圧印加装置８３１からステージ装置５０のホルダ５５に印加する。
電子ビームキャリブレーション機構８５
電子ビームキャリブレーション機構８５は、図１２の［Ａ］及び［Ｂ］に示すように、回転テーブル５４上でウエハ載置面５４１の側部の複数箇所に設置された、ビーム電流測定用の複数のファラデーカップ８５１及び８５２を備えている。ファラデーカップ８５１は細いビーム用（φ＝約２μｍ）で、ファラデーカップ８５２は太いビーム用（φ＝約３０μｍ）である。細いビーム用のファラデーカップ８５１では、回転テーブル５４をステップＳ送りすることにより、ビームプロフィルを測定し。太いビーム用のファラデーカップ８５２では、ビームの総電流量を計測する。ファラデーカップ８５１及び８５２は、上表面が載置面５４１上に載せられたウエハＷの上表面と同じレベルになるように配置される。このようにして、電子銃から放出される一次電子線を常時監視し、ウエハ表面に照射される電子線の強度がほぼ一定となるように、電子銃への電力供給を制御する。電子銃が常時一定の電子線を放出できるわけでなく、経年変化等によりその放出量が変化するため、このような機構により、電子線強度を較正する。
アライメント制御装置８７
アライメント制御装置８７は、ステージ装置５０を用いてウエハＷを電子光学系７０に対して位置決めさせる装置である。アライメント制御装置８７は、光学顕微鏡８７１（図１）を用いた広視野観察によるウエハの概略位置合わせである低倍率合わせ（電子光学系によるよりも倍率が低い位置合わせ）、電子光学系７０の電子光学系を用いたウエハの高倍率合わせ、焦点調整、検査領域設定、パターンアライメント等の制御を行うようになっている。なお、このように低倍率でウエハを検査するのは、ウエハのパターンの検査を自動的に行うためには、電子線を用いた狭視野でウエハのパターンを観察してウエハアライメントを行うときに、電子線によるアライメントマークを容易に検出する必要があるからである。
光学顕微鏡８７１は、主ハウジング３０内に設けられているが、主ハウジング３０内で移動可能に設けられていてもよい。光学顕微鏡８７１を動作させるための光源（不図示）も主ハウジング３０内に設けられている。また高倍率の観察を行う電子光学系は、電子光学系７０の電子光学系（一次光学系７２及び二次光学系７４）を共用するものである。
アライメント制御装置８７の構成を概略図示すれば、図１３に示すようになる。ウエハＷ上の被観察点を低倍率で観察するには、ステージ装置５０のＸステージ又はＹステージを動かすことによって、ウエハの被観察点を光学顕微鏡の視野内に移動させる。光学顕微鏡８７１を用いて広視野でウエハを視認し、そのウエハ上の観察すべき位置をＣＣＤ８７２を介してモニタ８７３に表示させ、観察位置すなわち被観察点の位置を、おおよそ決定する。この場合、光学顕微鏡８７１の倍率を低倍率から高倍率に徐々に変化させていってもよい。
次に、ステージ装置５０を電子光学系７０の光軸と光学顕微鏡８７１の光軸との間隔δｘに相当する距離だけ移動させることにより、光学顕微鏡８７１を用いて予め決めたウエハ上の被観察点を電子光学系７０の視野位置に移動させる。この場合、電子光学系７０の軸線Ｏ３−Ｏ３と光学顕微鏡８７１の光軸Ｏ４−Ｏ４との間の距離（この実施形態では、Ｘ軸方向にのみ両者は位置ずれしているものとするが、Ｙ軸方向に位置ずれしていてもよい）δｘは予めわかっているので、その値δｘだけ移動させれば、被観察点を視認位置に移動させることができる。電子光学系７０の視認位置への被観察点の移動が完了した後、電子光学系により高倍率で被観察点をＳＥＭ撮像して画像を記憶したり、モニタ７６５に表示させる。
このようにして、電子光学系によって高倍率でウエハの観察点をモニタに表示させた後、公知の方法により、ステージ装置５０の回転テーブル５４の回転中心に関するウエハの回転方向の位置ずれ、すなわち電子光学系の光軸Ｏ３−Ｏ３に対するウエハの回転方向のずれδθを検出し、また電子光学系７０に関する所定のパターのＸ軸及びＹ軸方向の位置ずれを検出する。そして、その検出値並びに別途得られたウエハに設けられた検査マークのデータ、或いはウエハのパターンの形状等に関するデータに基づいて、ステージ装置５０の動作を制御してウエハのアライメントを行う。
制御装置２
制御装置２の制御系は、主にメインコントローラ、制御コントローラ、ステージコントローラから構成されている。
メインコントローラには、マンーマシンインターフェースが備えられており、オペレータの操作は、ここを通して行われる（種々の指示／命令、レシピなどの入力、検査スタートの指示、自動と手動検査モードの切り替え、手動検査モード時等の必要な全てのコマンドの入力等）。その他、工場のホストコンピュータとのコミュニケーション、真空排気系の制御、ウエハの搬送、位置合わせの制御、制御コントローラやステージコントローラへのコマンドの伝達や情報の受け取り等も、メインコントローラで行われる。また、光学顕微鏡からの画像信号の取得、ステージの変動信号を電子光学系にフィードバックさせて像の悪化を補正するステージ振動補正機能、ウエハ観察位置のＺ軸方向（二次光学系の軸方向）の変位を検出して、電子光学系へフィードバックし、自動的に焦点を補正する自動焦点補正機能を備えている。電子光学系へのフィードバック信号等の授受、及びステージ装置からの信号の授受は、それぞれ制御コントローラ及びステージコントローラを介して行われる。
制御コントローラは、主に電子光学系の制御、すなわち、電子銃、レンズ、アライナー、ウィーンフィルタ用等の高精度電源の制御等を担う。具体的には、照射領域に、倍率が変わったときにも常に一定の電子電流が照射されるように電源を制御すること、各倍率に対応した各レンズ系やアライナーへ自動的に電圧を設定すること等の、各オペレーションモードに対応した各レンズ系やアライナーへの自動電圧設定等の制御（連動制御）が行われる。
ステージコントローラは、主にステージの移動に関する制御を行い、精密なＸ軸方向およびＹ軸方向のμｍオーダーの移動（±０．５μｍ程度の許容誤差）を可能にしている。また、ステージの移動制御では、誤差精度±０．３秒程度以内で、回転方向の制御（θ制御）も行われる。
上記した本発明に係るこのような評価システムによれば、マルチビームを用いた電子線装置を評価システムの各構成機器を機能的に組み合わせることができたため、高いスループットで検査対象を処理することができる。また、エンバイロメント空間内に清浄度を観察するセンサを設けることにより、その空間内の塵埃を監視しながら検査対象の検査を行うことができる。さらに、プレチャージユニットを設けているので、絶縁物でできたウエハも帯電による影響を受けがたい。
次に、本発明に係る評価システム１に具備される電子線装置のステージ装置５０と電子光学系７０との組合せについて、種々の実施形態を説明する。
半導体ウエハ等のように、超精密加工が施された試料を検査する場合には、ウエハを真空のワーキングチャンバ３１中で精度良く位置決め可能なステージ装置５０を使用する必要がある。このように非常に高精度な位置決めが要求される場合のステージ装置として、ＸＹステージを静圧軸受けによって非接触支持する構造が採用されている。この場合、静圧軸受けから供給される高圧ガスが直接真空チャンバすなわちワーキングチャンバ３１に排出されないように、高圧ガスを排気する差動排気機構を静圧軸受けの範囲に形成することによって、ワーキングチャンバ３１の真空度を維持している。なお、本明細書において、「真空」とは、等技術分野において呼ばれる真空状態であって、必ずしも絶対真空を指すものではない。
このようなステージ装置５０と電子光学系７０の荷電ビーム照射部７２との組合せの従来例を、図１４に示している。図１４において、［Ａ］は正面図、［Ｂ］は側面図である。この従来例において、真空チャンバ３１を構成する主ハウジング３０に、荷電ビームを発生しウエハＷに照射する電子光学系装置の鏡筒７１の先端部すなわち荷電ビーム照射部７２が取り付けられている。鏡筒７１の内部は、真空配管１０−１によって真空排気されており、真空チャンバ３１は真空配管１１−１ａによって真空排気されている。そして、荷電ビームは、鏡筒７１の先端部７から、その下に置かれたウエハＷ等のウエハに対して照射される。
ウエハＷは、ウエハ載置台すなわちホルダ５５に公知の方法により取り外し可能に保持されており、ホルダ５５は、ＸＹステージを構成するＹテーブル５２の上面に取り付けられている。Ｙテーブル５２には、Ｘテーブル５３のガイド面５３ａ−１と向かい合う面（図１４の［Ａ］において、左右両面及び下面）に、静圧軸受け９−１が複数取り付けられており、この静圧軸受け９−１の作用により、ガイド面との間に微小隙間を維持しながら、Ｙ方向（図１２の［Ｂ］において、左右方向）に移動できる。さらに静圧軸受け９−１の周りには、静圧軸受け９−１に供給される高圧ガスが真空チャンバ３１の内部にリークしないように、差動排気機構が設けられている。この様子を図１５に示す。
図１５に示すように、静圧軸受け９−１の周囲には、二重に溝１８−１と１７−１とが構成されており、これらの溝は、図示していない真空配管と真空ポンプにより、常時真空排気されている。このような構造により、Ｙテーブル５２は、真空中を非接触状態で支持され、Ｙ方向に自在に移動することが可能である。二重の溝１８−１と１７−１は、Ｙテーブル５２の静圧軸受け９−１が設けられている面に、その静圧軸受けを囲むように形成される。なお、静圧軸受け９−１の構造は公知のもので良いので、その詳細な説明は省略する。
Ｙテーブル５２を搭載しているＸテーブル５３は、図１４に示すように、上方に開口している凹形の形状を有し、そして、Ｘテーブル５３にも、上記と同様の静圧軸受け及び溝が設けられている。これにより、ステージ台すなわち固定テーブル５１に対して、非接触で支持されており、Ｘ方向に自在に移動することができる。
これらのＹテーブル５２及びＹテーブル５３の移動を組み合わせることによって、ウエハＷを鏡筒７１の先端部７２すなわち荷電ビーム照射部に関して水平方向任意の位置に移動させ、ウエハＷの所望の位置に荷電ビームを照射することができる。
図１４に示したステージ装置５０及び電子光学系７０の荷電ビーム照射部７２の組合せも、本発明の評価システム１に用いることができるものの、以下の問題点がある。
上記した静圧軸受け９−１と差動排気機構を組み合わせた従来例では、ＸＹステージが移動する際に、静圧軸受け９−１に対向するガイド面５３ａ及び５１ａは、静圧軸受け部の高圧ガス雰囲気とワーキングチャンバ３１内の真空環境の間を往復運動することになる。この時、これらガイド面には、高圧ガス雰囲気に曝されている間にガスが吸着し、その後真空環境に露出されると吸着していたガスが放出される、という状態が繰り返される。このため、ＸＹステージが移動する度に、ワーキングチャンバ３１内の真空度が悪化するという現象が起こり、上述した荷電ビームによる露光や検査や加工等の処理を安定して行うことができなかったり、ウエハが汚染されてしまうという問題がある。
したがって、真空度の低下を防止し、かつ荷電ビームによる検査や加工の処理を安定して行うことができる装置が必要となる。図１６は、このような作用効果を奏することができるステージ装置５０及び電子光学系７０の荷電ビーム照射部７２の実施形態を示している。なお、図１６において、［Ａ］は正面図、［Ｂ］は側面図である。
図１６に示すように、この実施形態でのステージ装置５０は、Ｙテーブル５２の上面に、±Ｙ軸方向（図１６の［Ｂ］で左右方向）に大きくほぼ水平に張り出した仕切り板１４−１が取り付けられ、Ｘテーブル５３の上面との間に、コンダクタンスが常時小さい絞り部５０−１が生じるよう構成されている。また、Ｘテーブル５３の上面にも、同様の仕切り板１２−１が±Ｘ軸方向（図１４の［Ａ］で左右方向）に張り出すよう取り付けられており、固定テーブル５１の上面との間に常に絞り部５１−１が形成されるよう構成されている。固定テーブル５１は、主ハウジング３０内において、底壁の上に公知の方法で固定されている。
これにより、ウエハ台すなわちホルダ５５がどの位置に移動しても、常に絞り部５０−１及び５１−１が形成されるので、Ｙテーブル５２及びＸテーブル５３の移動時にガイド面５３ａ及び５１ａからガスが放出されても、絞り部５０−１及び５１−１によって放出ガスの移動が妨げられる。したがって、荷電ビームが照射されるウエハ近傍の空間２４−１の圧力上昇も、極めて低く押さえることができる。
ステージ装置５０の可動部であるＹテーブル５２の側面及び下面、並びにＸテーブル５３の下面には、静圧軸受け９−１の周囲に、図１５に示した差動排気用の溝が形成され、この溝によって真空排気されるため、絞り部５０−１、５１−１が形成されている場合は、ガイド面からの放出ガスはこれらの差動排気部によって主に排気されることになる。このため、ステージ装置５０内部の空間１３−１及び１５−１の圧力は、ワーキングチャンバ３１内の圧力よりも高い状態になっている。したがって、空間１３−１及び１５−１を差動排気溝１７−１や１８−１で排気するだけでなく、真空排気する箇所を別に設けることにより、これら空間の圧力を下げることができ、ウエハＷの近傍２４−１の圧力上昇を、更に小さくすることができる。このための排気通路１１−１ｂ及び１１−１ｃが設けられている。排気通路１１−１ｂは、固定テーブル５１及び主ハウジング３０を貫通し、主ハウジング３０の外部に通じている。また、排気通路１１−１ｃは、Ｘテーブル５３に形成され、該Ｘテーブルの下面に開口している。
また、仕切り板１２−１及び１４−１を設置すると、ワーキングチャンバ３１とこれら仕切り板が干渉しないように、ワーキングチャンバ３１を大きくする必要が生じるが、仕切り板を伸縮可能な材料や構造にすることによって、この点を改善することが可能である。この改善例として、仕切り板をゴムで構成したり蛇腹状に構成し、その移動方向の端部を、仕切り板１４−１の場合はＸテーブル５３に固定し、仕切り板１２−１の場合はハウジング８の内壁に固定することが好適である。
図１７は、ステージ装置５０及び電子光学系７０の荷電ビーム照射部７２の別の実施形態を示している。この実施態様では、鏡筒７１の先端部すなわち荷電ビーム照射部７２の周囲に、試料であるウエハＷの上面との間に絞り部ができるように、円筒状の仕切り１６−１が構成されている。この構成によれば、ＸＹステージからガスが放出されてワーキングチャンバ３１内の圧力が上昇しても、仕切りの内部２４−１は仕切り１６−１で仕切られておりかつ真空配管１０−１により排気されているので、ワーキングチャンバ３１内と仕切りの内部２４−１との間に圧力差が生じ、仕切り内部２４−１の圧力上昇を低く抑えることができる。仕切り１６−１とウエハＷ面との隙間は、ワーキングチャンバ３１内とビーム照射部７２周辺の圧力をどの程度に維持するかによって調整すべきであるが、数十μｍ〜数ｍｍ程度が適当である。なお、仕切り１６−１内と真空配管１０−１とは公知の方法により連通されている。
また、電子光学系７０においては、ウエハＷに数ｋＶ程度の高電圧を印加することがあり、導電性の材料をウエハの近傍に設置すると、放電を起こす恐れがある。この場合には、仕切り１６−１の材質をセラミックス等の絶縁物で構成すれば、ウエハＷと仕切り１６−１との間で放電を起こすことがない。
なお、ウエハＷの周囲に配置したリング部材４−１は、ウエハ台すなわちホルダ５５に固定された板状の調整部品である。このリング部材４−１は、仕切り１６−１の先端部全周に亘って微小隙間５２−１が形成されるように、ウエハＷと同一の高さに設定されている。これによって、ウエハの端部を含む任意の位置に荷電ビームを照射しても、仕切り１６−１の先端部には常に一定の微小隙間５２−１が形成され、鏡筒７１の先端部周囲の仕切り内部空間２４−１の圧力を、安定に保つことができる。
図１８は、ステージ装置５０及び電子線装置の荷電ビーム照射部７２の組合せの他の実施態様を示している。この実施形態においては、鏡筒７１の荷電ビーム照射部２の周囲に、差動排気構造を内蔵した仕切り１９−１が設けられている。仕切り１９−１は円筒形状をしており、その内部に円周溝２０−１が形成され、その円周溝から上方に排気通路２１−１が延びている。該排気通路は、内部空間２２−１を経由して、真空配管２３−１に繋がれている。仕切り１９−１は、その下端とウエハＷの上面との間に数１０μｍ〜数ｍｍ程度の微小隙間を形成するよう配置される。
図１８の構成によれば、ＸＹステージの移動に伴ってステージ装置５０からガスが放出され、ワーキングチャンバ３１内の圧力が上昇して荷電ビーム照射部７２にガスが流入しようとしても、仕切り１９−１がウエハＷとの隙間を絞ってコンダクタンスを極めて小さくしているため、ガスは流入を邪魔され流入量は減少する。更に、流入したガスは、円周溝２０−１から真空配管２３−１へ排気されるため、荷電ビーム照射部７２の周囲の空間２４−１へ流入するガスはほとんどなくなり、荷電ビーム照射部７２の圧力を、所望の高真空のまま維持することができる。
図１９は、ステージ装置５０及び電子光学系７０の荷電ビーム照射部７２のさらに別の実施態様を示している。この実施形態においては、ワーキングチャンバ３１内の荷電ビーム照射部７２の周囲には仕切り２６−１が設けられ、これにより、荷電ビーム照射部７２をワーキングチャンバ３１から隔てている。仕切り２６−１は、銅やアルミニュウム等の熱伝導性の良い材料からなる支持部材２９−１を介して冷凍機３０−１に連結されており、−１００℃〜−２００℃程度に冷却される。部材２７−１は、冷却されている仕切り２６−１と鏡筒７１との間の熱伝導を遮断するためのものであり、セラミックスや樹脂材等の熱伝導性の悪い材料で形成されている。また、部材２８−１は、セラミックス等の非絶縁体からなり、仕切り２６−１の下端に形成され、ウエハＷと仕切り２６−１との間で放電が生じることを防止するためのものである。
図１９の構成によれば、ワーキングチャンバ３１内から荷電ビーム照射部７２に流入しようとするガス分子は、仕切り２６−１で流入を阻害されるとともに、流入しても仕切り２６−１の表面に凍結捕集されてしまうため、荷電ビーム照射部７２の圧力を低く保つことができる。
なお、冷凍機３０−１として、液体窒素による冷却や、Ｈｅ冷凍機、パルスチューブ式冷凍機等の様々な冷凍機を使用することができる。
図２０は、ステージ装置５０及び電子光学系７０の荷電ビーム照射部７２の組合せのさらに他の実施態様を示している。ＸＹステージの両可動部すなわちＹテーブル５２及びＸテーブル５３には、図１６の構成と同様に、仕切り板１２−１、１４−１が設けられており、ウエハ台すなわちホルダ５５が任意の位置に移動しても、これらの仕切りによって、ステージ装置内の空間１３−１とワーキングチャンバ３１内とが絞り５０−１、５１−１を介して仕切られる。更に、荷電ビーム照射部７２の周りには、図１７の構成と同様に仕切り１６−１が形成されており、ワーキングチャンバ３１内と荷電ビーム照射部７２のある空間２４−１とが絞り５２−１を介して仕切られている。このため、ＸＹステージの移動時に、該ステージに吸着しているガスが空間１３−１に放出されて該空間の圧力を上昇させたとしても、ワーキングチャンバ３１の圧力上昇は低く抑えられ、空間２４−１の圧力上昇は更に低く抑えられる。これにより、荷電ビーム照射部７２の空間２４−１の圧力を低い状態に保つことができる。また、仕切り１６−１を、差動排気機構を内蔵した仕切り１９−１としたり、図１８に示したように冷凍機で冷却された仕切り２６−１とすることによって、空間２４−１を更に低い圧力で安定に維持することができる。
上記した荷電ビーム照射部の構造によれば、ステージ装置を真空のワーキングチャンバ内で高精度に位置決めすることができ、また、照射部の圧力が上昇しにくいため、高精度の画像データを得ることができる。
図２１は、ステージ装置５０及び電子光学系７０の荷電ビーム照射部７２の組合せの他の実施形態を示している。この実施形態においては、電子光学系７０の先端部すなわち荷電ビーム照射部７２がワーキングチャンバ３１を画成する主ハウジング３０に取り付けられている。ステージ装置５０におけるＸＹステージの台座すなわち固定テーブル５１は、主ハウジング３０の底壁に固定され、Ｙテーブル５２が固定テーブル５１の上に載っている。Ｙテーブル５２の両側面（図１９において左右側面）には、固定テーブル５１に載置された一対のＹ方向ガイド７ａ−２及び７ｂ−２のＹテーブル５２に面した側に形成された凹溝内に突出する突部が形成されている。その凹溝は、Ｙ方向ガイドのほぼ全長に亘ってＹ方向（図面と直交する方向）に伸びている。凹溝内に突出する突部の上、下面及び側面には、公知の構造の静圧軸受け１１ａ−２、９ａ−２、１１ｂ−２、９ｂ−２がそれぞれ設けられ、これらの静圧軸受けを介して高圧ガスを吹き出すことにより、Ｙテーブル５２は、Ｙ方向ガイド７ａ−２、７ｂ−２に対して非接触で支持され、Ｙ方向に円滑に往復運動できるようになっている。また、固定テーブル５１とＹテーブル５２との間には、Ｙ方向の駆動を行うための公知の構造のリニアモータ１２−２が配置されている。Ｙテーブル５２には、高圧ガス供給用のフレキシブル配管２２−２によって高圧ガスが供給され、Ｙテーブル内に形成されたガス通路（図示せず）を通じて、静圧軸受け９ａ−２〜１１ａ−２及び９ｂ−２〜１１ｂ−２に対して高圧ガスが供給される。静圧軸受けに供給された高圧ガスは、Ｙ方向ガイドの対向する案内面との間に形成された数ミクロンから数十ミクロンの隙間に噴出して、Ｙテーブル５２を案内面に対してＸ方向及びＺ方向（図２１において、図面の上下方向）に正確に位置決めする役割を果たす。
Ｙテーブル５２上にはＸテーブル５３がＸ方向（図２１において、図面の左右方向）に移動可能に載置されている。Ｙテーブル５２上には、Ｙテーブル用のＹ方向ガイド７ａ−２、７ｂ−２と同じ構造の一対のＸ方向ガイド８ａ−２、８ｂ−２（８ａ−２のみ図示）が、Ｘテーブル５３を間に挟んで設けられている。Ｘ方向ガイドのＸテーブル５３に面した側にも凹溝が形成され、Ｘテーブルの側部（Ｘ方向ガイドに面した側部）には、該凹溝内に突出する突部が形成されている。その凹溝は、Ｘ方向ガイドのほぼ全長に亘って伸びている。凹溝内に突出するＸ方向テーブル５３の突部の上、下面及び側面には、先に説明した静圧軸受け１１ａ−２、９ａ−２、１０ａ−２、１１ｂ−２、９ｂ−２、１０ｂ−２と同様の静圧軸受け（図示せず）が、同様の配置で設けられている。Ｙテーブル５２とＸテーブル５３との間には、Ｘテーブル５３の駆動を行うための公知の構造のリニアモータ１３−２が配置されている。Ｘテーブル５３にはフレキシブル配管２１−２によって高圧ガスが供給され、静圧軸受けに高圧ガスを供給する。この高圧ガスが静圧軸受けからＸ方向ガイドの案内面に対して噴出されることによって、Ｘテーブル５３がＹ方向ガイドに対して高精度に非接触で支持されている。真空のワーキングチャンバ３１は、公知の構造の真空ポンプ等に接続された真空配管１９−２、２０ａ−２、２０ｂ−２によって排気される。配管２０ａ−２、２０ｂ−２の入口側（ワーキングチャンバ内側）は、固定テーブル５１を貫通してその上面において、ＸＹステージから高圧ガスが排出される位置の近くで開口しており、ワーキングチャンバ３１内の圧力が静圧軸受けから噴出される高圧ガスにより上昇するのを極力防止している。
荷電ビーム照射部７２の周囲には、差動排気機構２５−２が設けられ、ワーキングチャンバ３１内の圧力が高くても、荷電ビーム照射空間３０−２の圧力が十分低くなるように構成されている。すなわち、荷電ビーム照射部７２の周囲に取り付けられた差動排気機構２５−２の環状部材２６−２は、その下面（ウエハＷ側の面）とウエハとの間で微少隙間（数ミクロン〜数百ミクロン）４０−２が形成されるように、主ハウジング３０に対して位置決めされており、その下面には、環状溝２７−２が形成されている。環状溝２７−２は排気管２８−２により図示しない真空ポンプ等に接続されている。したがって、微少隙間４０−２は、環状溝２７−２及び排気口２８−２を介して排気され、ワーキングチャンバ３１から環状部材２６−２によって囲まれた荷電ビーム照射空間３０−２内にガス分子が侵入しようとしても、排気されてしまう。これにより、空間３０内の圧力を低く保つことができ、荷電ビームを問題なく照射することができる。
環状溝２７−２は、チャンバ内の圧力、荷電ビーム照射空間３０内の圧力によっては、二重構造或いは三重構造にしてもよい。
静圧軸受けに供給する高圧ガスは、一般に、ドライ窒素が使用される。しかしながら、可能ならば、更に高純度の不活性ガスにすることが好ましい。これは、水分や油分等の不純物がガス中に含まれると、これらの不純物分子が主ハウジング３０の内面やステージ装置５０の構成部品の表面に付着して真空度を悪化させたり、ウエハ表面に付着して荷電ビーム照射空間の真空度を悪化させてしまうからである。
なお、試料であるウエハＷは、通常、Ｘテーブル５３上に直接載置されるのでなく、ウエハを取り外し可能に保持したりＸＹステージに対して微少な位置変更を行うなどの機能を持たせたウエハ台すなわちホルダの上に載置されているが、ホルダの有無及びその構造は本願発明の要旨には関係ないので、上記説明においては、説明を簡素化するために省略している。
以上に説明した荷電ビーム装置では、大気中で用いられる静圧軸受けのステージ機構をほぼそのまま使用できるので、露光装置等で用いられる大気用の高精度ステージと同等の高精度のＸＹステージを、ほぼ同等のコスト及び大きさで荷電ビーム装置用のＸＹステージとして実現できる。
以上説明した静圧ガイドの構造や配置及びアクチュエータ（リニアモータ）はあくまでも一実施例であり、大気中で使用可能な静圧ガイドやアクチュエータであるならば、任意のものを適用可能である。
図２２は、差動排気機構の環状部材２６−２及び該部材に形成される環状溝２７−２の大きさの数値例を示している。この例では、環状溝は、２つの環状溝２７−２ａ及び２７−２ｂの二重構造を有しており、それらは半径方向に隔てられている。
静圧軸受けに供給される高圧ガスの流量は、通常、約２０Ｌ／ｍｉｎ（大気圧換算）程度である。ワーキングチャンバ３１を、内径５０ｍｍで長さ２ｍの真空配管を介して２００００Ｌ／ｍｉｎの排気速度を有するドライポンプで排気すると仮定すると、該チャンバ３１内の圧力は、約１６０Ｐａ（約１．２Ｔｏｒｒ）となる。この時、差動排気機構の環状部材２６−２及び環状溝等の寸法を、図２２に示したように設定することにより、荷電ビーム照射空間３０−２内の圧力を１０−４Ｐａ（１０−６Ｔｏｒｒ）にすることができる。
図２３は、図２１に示した実施形態におけるワーキングチャンバ３１に対する排気機構を示している。ワーキングチャンバ３１には、真空配管７４−２、７５−２を介して、ドライ真空ポンプ５３−２が接続されている。また、差動排気機構２５−２の環状溝２７−２は、排気口２８−２に接続された真空配管７０−２を介して、超高真空ポンプであるターボ分子ポンプ５１−２に接続されている。更に、鏡筒７１の内部は、排気口１８−２に接続された真空配管７１−２を介して、ターボ分子ポンプ５２−２に接続されている。これらのターボ分子ポンプ５１−２、５２−２は、真空配管７２−２、７３−２によって、ドライ真空ポンプ５３−２に接続されている。（図２３では、ターボ分子ポンプの粗引きポンプと真空チャンバの真空排気用ポンプを１台のドライ真空ポンプで兼用したが、ＸＹステージの静圧軸受けに供給する高圧ガスの流量、真空チャンバの容積や内表面積、真空配管の内径や長さに応じて、それらを別系統のドライ真空ポンプで排気する場合もある。）
ＸＹステージの静圧軸受けには、フレキシブル配管２１−２、２２−２を通して、高純度の不活性ガス（Ｎ２ガス、Ａｒガス等）が供給される。静圧軸受けから噴出したこれらのガス分子は、ワーキングチャンバ３１内に拡散し、排気口１９−２、２０ａ−２、２０ｂ−２を通して、ドライ真空ポンプ５３−２によって排気される。また、差動排気機構や荷電ビーム照射空間に侵入したこれらのガス分子は、環状溝２７−２或いは鏡筒７１の先端部から吸引され、排気口２８−２、１８−２を通って、ターボ分子ポンプ５１−２、５２−２によって排気され、そしてその後、ドライ真空ポンプ５３−２によって排気される。このようにして、静圧軸受けに供給された高純度不活性ガスは、ドライ真空ポンプに集められて排出される。
一方、ドライ真空ポンプ５３−２の排気口は、配管７６−２を介して圧縮機５４−２に接続され、圧縮機５４−２の排気口は、配管７７−２、７８−２、７９−２及びレギュレータ６１−２、６２−２を介して、フレキシブル配管２１−２、２２−２に接続されている。このため、ドライ真空ポンプ５３−２から排出された高純度不活性ガスは、圧縮機５４−２によって再び加圧され、レギュレータ６１−２、６２−２で適正な圧力に調整された後、再びＸＹテーブルの静圧軸受けに供給される。
なお、静圧軸受けに供給されるガスは、上述したように、できるだけ高純度でかつ水分や油分が極力含まれないようにする必要があるため、ターボ分子ポンプ、ドライポンプ及び圧縮機は、ガス流路に水分や油分が混入しないような構造であることが求められる。また、圧縮機の排出側配管７７−２の途中にコールドトラップやフィルタ等（６０−２）を設け、循環するガス中に混入した水分や油分等の不純物質をトラップして、静圧軸受けに供給されないようにすることも有効である。
こうすることによって、高純度不活性ガスを循環させて再利用できるので、高純度不活性ガスを節約でき、また、本装置が設置された部屋に不活性ガスをたれ流さないので、不活性ガスによる窒息等の事故が発生する恐れもなくすことができる。
循環配管系には高純度不活性ガス供給系６３−２が接続されており、該不活性ガス供給系は、ガスの循環を始める際に、ワーキングチャンバ３１や真空配管７０−２〜７５−２及び加圧側配管７６−２〜８０−２を含む全ての循環系に高純度不活性ガスを満たす役割と、何らかの原因で循環するガスの流量が減少した際に不足分を供給する役割とを担っている。
また、ドライ真空ポンプ５３−２に大気圧以上まで圧縮する機能を持たせることによって、ドライ真空ポンプ５３−２と圧縮機５４−２を１台のポンプで兼ねさせることも可能である。更に、鏡筒７２の排気に用いる超高真空ポンプには、ターボ分子ポンプの代わりにイオンポンプやゲッタポンプ等のポンプを使用することも可能である。ただし、これらの溜込み式ポンプを用いた場合は、この部分には循環配管系を構築することはできないことになる。また、ドライ真空ポンプの代わりに、ダイヤフラム式ドライポンプ等、他方式のドライポンプを使用することももちろん可能である。
上記した荷電ビーム照射部の構造及び排気機構によれば、ステージ装置を真空のワーキングチャンバ内で高精度に位置決めすることができ、また、照射部の圧力が上昇しにくいため、高精度の画像データを得ることができる。また、これらの構造は、図８に示した電子線装置の実施形態だけではなく、以下に説明する実施形態及びそれらの変形にも適用できることは勿論である。
次に、本発明に係る電子線装置の電子光学系７０とウエハＷとの検査開始時の位置合わせについて、図２４を参照して説明する。ウエハ上には、通常、１又は複数のアライメントマークが形成されており、検査開始時に一次電子線を走査することによりアライメントマークを検出して、ウエハと電子線装置との位置決めを行っている。図２４は、位置合わせ時のアライメントマークと一次電子線による走査領域との関係を模式的に表しており、図２４において、Ｍ１〜Ｍ３はウエハ上のアライメントマーク、ＢＳ１〜ＢＳ９は９つの一次電子線によってウエハＷの表面上にそれぞれ形成されるビームスポット、Ｒ１〜Ｒ９はこれら一次電子線によって検査開始時に走査される領域、Ｚは電子線装置の一次光学系の光軸を示している。
図２４において、アライメントマークＭ１〜Ｍ３ののいずれかが光軸Ｚの近傍、すなわち領域Ｒ１〜Ｒ９のいずれにも含まれていない場合は、該アライメントマークの位置を検出することができない。また、アラインメントマークＭ３のように、２つの領域Ｒ７及びＲ８の両方に存在する場合には、１つのアライメントマークが２回検出されることになり、間違ったマーク検出が行われる可能性がある。
一方、アライメントマークＭ１及びＭ２のように、１つの領域のみに存在する場合には、正確なマーク検出を行うことができる。すなわち、１つのアライメントマークを単一の一次電子線のみが走査している場合にのみ、それにより検出された信号をアライメント信号として利用する。また、図の例では、領域Ｒ１及びＲ６を走査する一次電子線が最も相互に離れており、また重複領域も少ないので、これらの一方の電子線をマーク検出用に利用するように、ＸＹステージを移動させることが好適である。このように設定することにより、最も広い領域を位置合わせ時に走査した場合でも、単一の電子ビームのみでアライメントマークを走査する場合と同じ条件を満足することができる。
上記した位置合わせは、図８に示した実施形態の電子線装置の他、以降で説明する他の実施形態及びそれらの変形においても適用可能である。
次に、本発明の電子線装置において採用可能な、Ｓ／Ｎ比を向上させるための方法について説明する。以下の説明においては、電子線のビーム径Ｄは、電子線のウエハ表面上の像の径寸法（直径又は対角線長）を意味するものとし、電子線の間隔は、隣接する電子線のウエハ表面上における隣接する像の中心間の距離を意味するものとする。また変調伝達関数ＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）は、正弦波応答関数、コントラスト伝達関数とも呼ばれる光学系の性能評価法の１つであり、光学系を通した時の物体コントラストに対する像コントラストの比を意味するものとする。電子線装置によりパターンの欠陥を検出する場合においては、最小線幅は、検出すべき欠陥の最小寸法に相当する。
なお、従来は、検出すべきパターンの最小線幅ｄと検査用電子線のビーム径Ｄとの比の最適値を明かにすることなく、経験的に、０．１μｍの最小線幅ｄを検出するには、０．１μｍφより十分小さいビーム径Ｄを使用し、最小線幅ｄが０．０５μｍのパターンを評価するには、０．０５μｍφより十分小さいビーム径Ｄのビームを用いていた。
しかしながら、評価すべきパターンの最小線幅ｄに対して、電子線のビーム径Ｄが小さいと、解像度は上がるが、ビーム電流Ｉが小さくピクセル当りの二次電子数が少ないため、Ｓ／Ｎ比（信号／雑音比）が小さくなり、評価のスループットすなわち単位時間当り処理量が向上しないという問題があった。逆に、ビーム径Ｄが大きいと、パターン像がボケる、即ちＭＴＦが小さく、パターンのコントラストが低く高精度の検査を行うことができないという問題、及びＳ／Ｎ比が小さいため、評価の精度及びスループットを向上させることができないという問題があった。
本発明者は、評価すべきパターンの最小線幅（又は欠陥サイズ）ｄに対する電子線のビーム径Ｄの比Ｄ／ｄと、Ｓ／Ｎ比との関係を明かにし、Ｓ／Ｎ比を最大にできるＤ／ｄ、及び高Ｓ／Ｎ比を与えることのできるＤ／ｄを求めることにより、高精度、高スループットで線幅の検出及び欠陥検出等ができるようにした。以下に、ビーム径の設定について、詳細に説明する。
図２５は、Ｓ／Ｎ比が最大値又は最大値付近になるビーム径Ｄ／最小線幅ｄの値を求めるために使用されるグラフであり、本発明者によるシミュレーションの結果得られたものである。図２５において、グラフＧ１１はビーム径Ｄとビーム電流Ｉとの関係（Ｉ∝Ｄ４）を表し、グラフＧ１２はＤ／ｄとＭＴＦとの関係を表し、グラフＧ１３はＤ／ｄと（ＭＴＦ）２との関係を表し、グラフＧ１４はＤ／ｄと（ＭＴＦ）２Ｉとの関係を表している。これらのグラフＧ１１〜Ｇ１４は、以下のようにして生成された。
まず、細く絞った一次電子線でウエハ表面を走査しウエハから発生される二次電子を検出する際に得られる信号のＳ／Ｎ比は、次の式で表すことができる。
Ｓ／Ｎ
＝｛信号／（オフセット値＋信号）｝（ＭＴＦ）（Ｎ＊／２）１／２　　（１）
ここで、ＭＴＦは、有限寸法のビームで有限寸法の一次元パターンを横断する方向に走査する際に得られる信号のコントラストの低下であり、ビーム径／最小線幅＝Ｄ／ｄの関数となる。Ｎ＊は、走査の１ピクセル当りに検出される二次電子の数であり、ビーム電流Ｉと二次電子透過率の積に比例する。即ち、
Ｎ＊∝（ビーム電流Ｉ）（二次電子透過率）　　　　　　　　　　　（２）
Ｓ／Ｎ比を最大にするには、（Ｓ／Ｎ）２を最大にすれば良いことから、式（１）及び式（２）から、式（３）が得られる。
（Ｓ／Ｎ）２∝（ＭＴＦ）２Ｉ　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）
ＭＴＦは、次の計算式により求めた。
ＭＴＦ＝Ｍａｘ（ｆ１，ｆ２のたたみ込み関数）　　　　　　　　（４）
ｆ１＝１　　ＮＰ／２≦ｘ＜（Ｎ＋１）Ｐ／２のとき
ｆ１＝０　　（Ｎ＋１）Ｐ／２≦ｘ＜（ＮＰ／２）のとき　　　　（５）
ｆ２＝１／σ√（２π）ｅｘｐ｛−ｘ２／２σ２｝　　　　　　　（６）
ただし、Ｎ：整数
Ｐ＝２．３４σ（Ｄ／ｄ）
σ：ガウス関数の定数で分散値
例えば、図２５のグラフの横軸の比Ｄ／ｄが１．０の時のＭＴＦの値は、Ｐ＝２．３４σとして、関数ｆ１を決め、関数ｆ２とのたたみ込み関数を求め、得られた関数の振幅（最小値は０だから最大値）を求めると、図２５の横軸の１．０に対するＭＴＦの値が求まる。
同様にして上記の比Ｄ／ｄを０．５、１．５、２．０、・・・・・等としてＭＴＦの値を求め、その値をプロットすると、ＭＴＦとＤ／ｄとの関係を示すグラフＧ１２が得られる。
このグラフＧ１２から（ＭＴＦ）２を求めてグラフＧ１３を作成し、そして、Ｉを表すグラフＧ１１と（ＭＴＦ）２を表すグラフＧ１３との積（ＭＴＦ）２Ｉとして計算することにより、式（３）の右辺を表すグラフＧ１４が得られる。
図２５から明らかなように、グラフＧ１４は、Ｄ／ｄ≒１．１で（ＭＴＦ）２Ｉが最大値を取り、したがって、（Ｓ／Ｎ）２すなわちＳ／Ｎ比が最大となる。このときのＭＴＦは、ほぼ０．３５である。また、グラフＧ１４は、Ｄ／ｄが０．８〜１．４の範囲で、（ＭＴＦ）２Ｉ（すなわちＳ／Ｎ比）が最大値に近い値であることを示している。このときのＭＴＦは、０．２〜０．６である。更に、グラフＧ４によれば、Ｄ／ｄが０．９５〜１．２５の範囲であれば、Ｓ／Ｎ比がさらに良好であることを示している。このときのＭＴＦは、０．２５〜０．４５である。
従って、Ｄ／ｄを１．１に極めて近似させることにより、最大のＳ／Ｎ比を得ることができ、Ｄ／ｄを０．９５〜１．２５の範囲に選択することにより、最大値に近いＳ／Ｎ比を得ることができ、Ｄ／ｄを０．８〜１．４の範囲に選択することにより、比較的高いＳ／Ｎ比を得ることができる。よって、どの程度のＳ／Ｎ比を得る必要があるかに応じて、Ｄ／ｄの値を設定すればよい。例えば、Ｄ／ｄ比を０．６６〜１．５の範囲にあるようにしてもよい。
これをＭＴＦの範囲に換算して示すと、ＭＴＦが０．３５のとき、最大のＳ／Ｎ比を得ることができ、ＭＴＦが０．２５〜０．４５の範囲にあるとき、ほぼ最大値に近いＳ／Ｎ比を得ることができ、ＭＴＦが０．２〜０．６の範囲にあるとき、比較的高いＳ／Ｎ比を得ることができる。
また、１台の電子線装置を用いて、評価すべきパターンの最小線幅ｄ１であって検査時間をＴにしたい場合と、例えば最小線幅ｄ２が２倍（ｄ２＝２ｄ１）で検査時間をＴ／４に短縮したい場合との、両方の要求がある場合等のように、２つ以上の検出モードを実行することが必要な場合がある。このように２つ以上の検出モードがある場合であって、ビーム径Ｄを変化させる時間を十分小さくできる場合には、それぞれの最小線幅ｄ１、ｄ２に対して使用するビーム径Ｄ１、Ｄ２を以下の２つの条件
０．８≦Ｄ１／ｄ１≦１．４
０．８≦Ｄ２／ｄ２≦１．４
を同時に満足するように、ビーム径Ｄ１、Ｄ２を変化させれば、それぞれの最小線幅に対して最も適した電子線を使用することができる。この場合、ビーム径の変化は、レンズを２段以上設け、ズーム作用で焦点面を変えずに、縮小率のみを可変にすることで実行することができる。この場合には、図８に示した電子線装置の電子光学系７０において、一次光学系のマルチ開口板７２３の開口７２３ａの縮小像位置をＺ軸（光軸）方向へ変化させることによって、開口７２３ａからウエハＷまでに関する縮小率を変化させ、Ｄ／ｄの値を例えば０．８〜１．４の範囲に入るようにビーム径Ｄを変化させる。これにより、Ｓ／Ｎ比をほぼ最大値に近い値にすることができる。
上記したＳ／Ｎ比を向上させるためのビーム径Ｄの設定については、図８に示した実施形態の電子線装置の他、以降で説明する他の実施形態の電子線装置及びそれらの変形においても適用可能である。
次に、図８に示した電子線装置を用いて、ウエハＷ上の配線パターンの短絡を検出する方法について説明する。上記したように、ウエハ面の欠陥検査、試料面に形成されたパターンの評価を行うには、ウエハをステージ装置５０上にセットし、ウエハ表面への複数の電子線の照射による電荷注入によって付与される電位に応じて変動する二次電子の放出量を、複数の検出器７６１で観測する。したがって、例えばＬＳＩを電子線により走査して電荷注入を行う場合、ＬＳＩの短絡配線部分は、電位の初期値が正常な配線部と異なり、これを利用することにより、短絡配線部分を検出することができる。
なお、軸対称電極７３０にウエハＷよりも低い電圧を与えると、軸対称電極７３０は一定の電位障壁を形成する。二次電子は、ウエハＷのパターンが持っている電位によって、この電位障壁を越えたり又は電位障壁により阻止される。従って、一定の電位障壁を越えた二次電子のみが対応する各々の検出器７６１により検出され、パターンが持っている電位に依存して二次電子の検出量が増減することとなる。一方、ウエハのパターンには、電子ビームの照射によって電荷が注入され、それらの電荷の持つ静電容量に依存して決まる電位が発生する。従って、例えば、異なったチップであってもパターンが同一であれば、同じ静電容量を有し、電荷注入量が同じであれば、同じ電位を有すると想定することができる。このような論理に基づいて二次電子を観測し、同じ電位になることが予想されるパターンに関して、その予想値より低い電位が観測された場合には、パターンの短絡が存在していると判定することができる。
以上の短絡の検出も、図８に示した実施形態の電子線装置に限らず、以降で説明する他の実施形態およびそれらの変形に適用可能である。
次に、本発明に係る電子線装置において実行されるチャージアップによる影響の低減方法について説明する。従来、マルチビームすなわち複数の一次電子線をウエハ上に照射する方式の電子線装置においては、様々な技術的な課題が未解決のまま残されており、その課題の１つとして、ウエハ面に生じるチャージアップの問題がある。チャージアップ即ち帯電は、絶縁体や浮遊導体などが存在する被観察体すなわち試料において、入射する電子数と二次電子あるいは反射電子として放出される電子数とが同一でない場合に、照射部分が正又は負に帯電してしまう現象である。チャージアップは、絶縁体や浮遊導体などが存在する半導体ウエハにおいては避けられない現象であり、これが発生すると、ウエハ面を等電位にできないばかりか、局所的な帯電により視野内で電位が大きく異なる現象が発生してしまう。
一方、二次電子等の低エネルギ電子を加速し、静電レンズで高倍率に拡大投影する場合、マルチビームは、軸上色収差のため結像できるエネルギ幅が狭く、視野全体でのエネルギの均一性に敏感である。よって、ウエハ面上の電位分布が大きく異なると、その近傍で像が歪んだり、結像できなかったりして、まともな観察ができなくなってしまうという問題がある。これに加えて、ウエハが帯電しすぎると、放電や絶縁破壊を起こして試料そのものを損傷させることもある。
チャージアップの発生は、二次電子発生効率によって決定される。二次電子発生効率とは、発生する二次電子と反射電子の数を、ウエハに照射される電子で割った値であり、二次電子発生効率が１より大きい場合は、ウエハは正に帯電し、二次電子発生効率が１よりも小さい場合は、ウエハは負に帯電する。したがって、絶縁体や浮遊導体に対しては、極力二次電子の発生効率が１に近くなるように一次電子線を照射すれば、前記のような問題点は低減できることがわかるはずであるが、実際はそれ程単純ではない。
その結果、半導体ウエハ上には、二次電子発生効率の異なる複数種の絶縁体や浮遊導体が混在する場合が多いので、これらをチャージアップさせずに画像を得ることが非常に困難であった。また、電位コントラスト像など、わざとある程度チャージアップさせないと観察できない像もあり、このような場合に、チャージアップの程度を制御することが困難であった。
例えば、絶縁体を含む半導体ウエハの実際の例として、図２６に示すような断面構造を有するものについて検討する。図２６において、Ｓｕはシリコン基板であって半導体であり、ｍ１、ｍ２は別種の絶縁体であり、半導体ウエハの表面は、ＣＭＰ等のプロセスで平坦化されているため、光学顕微鏡観察ではもちろんのこと、通常のエッジ強調型のＳＥＭ観察でも、像コントラストが低く、良好な観察像を得ることができない。
このウエハをランディングエネルギ（入射エネルギ）がＶ１の電子Ｅｂで照射すると、チャージアップが起こってランディングエネルギがシフトする。リーク電流がない限り、そのシフト量は、絶縁体ｍ１及びｍ２の二次電子発生効率を表す図２７の「Ａ」及び［ｂ］のグラフのａ、ｂまで達し、そこで平衡状態になる。その結果、チャージアップ電位はそれぞれ、Ｕｓ／Ａ（＝ａ−Ｖ１）及びＵｓ／Ｂ（＝ｂ−Ｖ１）だけ上昇する。
この場合、
Ｕｍｉｎ＜Ｕｓ／Ａ＜Ｕｍａｘ　　　　　　　　　　　　　　　　　（７）
Ｕｍｉｎ＜Ｕｓ／Ｂ＜Ｕｍａｘ　　　　　　　　　　　　　　　　　（８）
の２つの不等式を同時に満足すればよいが、図２７のグラフにおいて、ランディングエネルギＶ１の位置を変えても、一般的には達成できない場合が多い。
そこで、本発明に係る電子線装置７０においては、図２８に示すように、ランディングエネルギＶ１の電子に加えて、ランディングエネルギＶ２の電子Ｅｂ’でも照射する。ここで、ランディングエネルギＶ１及びＶ２は、図２９に示すように、絶縁体ｍ１及びｍ２の平衡点ａ及びｂを挟んで両側に位置するように設定する。
二つの異なるエネルギを持つ電子で照明されたそれぞれの絶縁体ｍ１及びｍ２のチャージアップ電位は、次のようにして検出する。照射電子のエネルギＶに対する絶縁体ｍ１及びｍ２の二次電子効率曲線をそれぞれＦＡ（Ｖ）及びＦＢ（Ｖ）とする。また、ウエハ上のランディングエネルギＶ１及びＶ２の照射電子密度をそれぞれＩ１及びＩ２とする。これら二つのエネルギ照射により、絶縁体ｍ１及びｍ２の表面から放出される二次電子量密度Ｑ１及びＱ２はそれぞれ、以下のように表すことができる。
Ｑ１＝Ｉ１・ＦＡ（Ｖ１）＋Ｉ２・ＦＡ（Ｖ２）
Ｑ２＝Ｉ１・ＦＢ（Ｖ１）＋Ｉ２・ＦＢ（Ｖ２）
一般に、Ｑ１及びＱ２の値は、照射電子密度Ｉ１及びＩ２と同じでない。その結果、チャージアップが起こり、それぞれの絶縁体Ｕｓ／Ａ及びＵｓ／Ｂだけ表面電位の変化が生じた後に、平衡状態に達する。平衡状態は、以下のように表すことができる。
Ｉ１＋Ｉ２＝Ｉ１＊ＦＡ（Ｖ１＋Ｕｓ／Ａ）＋Ｉ２＊ＦＡ（Ｖ２＋Ｕｓ／Ａ）
（９）
Ｉ１＋Ｉ２＝Ｉ１＊ＦＢ（Ｖ１＋Ｕｓ／Ｂ）＋Ｉ２＊ＦＢ（Ｖ２＋Ｕｓ／Ｂ）
（１０）
これらの２つの式（９）及び（１０）は、Ｉ１／（Ｉ１＋Ｉ２）＝αとおいて変形すると、以下のように書き換えることができる。
１＝α＊ＦＡ（Ｖ１＋Ｕｓ／Ａ）＋（１−α）＊ＦＡ（Ｖ２＋Ｕｓ／Ａ）
（１１）
１＝α＊ＦＢ（Ｖ１＋Ｕｓ／Ｂ）＋（１−α）＊ＦＢ（Ｖ２＋Ｕｓ／Ｂ）
（１２）
Ｕｓ／Ａ及びＵｓ／Ｂを、不等式（７）及び（８）を満たす特定の値に決め、Ｖ１、Ｖ２及び照射総電流密度に対するＩ１の比αの内の一つを規定値として、式（１１）及び（１２）が同時に成立するように残りの二つを演算して設定すれば、絶縁体を含んだウエハを良好なる結像状態で観察することができる。そして、その上で、照射総電流密度を調整することにより、最も好ましい照射条件で照明を行うことができる。
なお、式（１１）、（１２）中のＶ１、Ｖ２及び照射総電流密度に対する比αの全てを変数として求めれば、３種類の絶縁体にまで対応できる。更に照射電子エネルギを１種増す毎に、新たなＶとＩの二つの変数が増すので、対応できる絶縁体は２種づつ増えていく。
以上説明したように、複数の電子線によりウエハを同時に照射でき、各電子源からの電流量と入射エネルギを独立に制御できるので、各絶縁体又は浮遊導体のチャージアップによる表面電位の変化を、それぞれ目標値にするように電流量と入射エネルギを設定することができる。よって、各絶縁体又は浮遊導体のチャージアップによる表面電位の変化（Ｕｓ）を、像観察に必要な最低量（Ｕｍｉｎ）と、ウエハ自身を損傷させることなくかつ歪みの少ない観察画像を得られる最大量（Ｕｍａｘ）との間になるように制御することができ、明瞭で歪みの無い画像を得ることができる。なお、視野内を均一な照射条件で照明することが好ましく、これにより、部分的なチャージアップや、視野内での照射むらに基づく画像の明暗がなくなり、より明瞭な画像を得ることができる。
チャージアップによる表面電位の変化を目標値に制御するための上記方法は、図８に示した実施形態の電子線装置に適用可能であるだけでなく、以下に説明する他の実施形態及びそれらの変形に適用可能である。
なお、少なくとも１つの電子銃の電流量とウエハへの入射エネルギとを時分割的に制御可能にすることにより、あたかも電流量と入射エネルギが異なる複数の電子銃を具備しているかのような効果を持たせることが好適である。チャージアップにおいては、時間的、空間的な重ね合わせが成り立つので、このようにしても、チャージアップの問題を低減することができる。
この場合、二次電子を受光して電気信号に変える検出器は、二次電子−光変換器とＰＭＴ等の光電変換器を組み合わせて使用し、時分割的に切り換えて照射される照明の１周期分の電荷をＣＣＤに貯えた上で取り出すことにより、全ての異なる照明光に対する出力を加え合わせたものを出力することができる。この場合でも、視野内を均一な照明条件で照明することが好ましい。
次に図８に示した電子線装置を用いて、ウエハＷを走査する方法について、図３０〜図３２を参照して説明する。
１つの走査方法においては、図３０に示すように、ウエハＷは、分割された小領域２００単位で一次電子線が走査される。電子線装置では、一次電子線の視野が、小領域２００より少し大きい領域３００となるように、小領域２００が設定される。小領域２００は、一次電子線を電気的に偏向できる領域に対応している。ウエハから発生される二次電子を検出後、ウエハを移動させて次の小領域２００を照射するが、該次の領域は、隣接する小領域を少なくとも１以上スキップした未照射の小領域とする。荷電電荷は、時間とともに減少するので、照射済の小領域の帯電による影響が十分に小さく時間の経過後に、スキップした小領域を照射する。照射順序の選択方法の一例として、図３０に示したように、６４に分割した小領域を、▲１▼、▲２▼、▲３▼、……の順序で照射すると、１つの小領域を照射後の該小領域に隣接する小領域の照射まで、十分な時間をおくことができる。なお、ウエハＷを移動中に、照射済みの小領域から検出した二次電子に基づく検査を実行することが好適である。
このような小領域の照射順序の選択は、１つの一次電子線を用いる電子線装置にも適用できる。
図３１は、別の走査方法を示しており、この例では、ウエハＷをストライプ状の小領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、……に分割している。そして、一次電子線を小領域の短軸方向（Ｘ軸方向）に走査しながら、小領域の長軸方向（Ｙ軸方向）に移動させる。小領域を１つスキップさせる場合、走査しながら＋Ｙ軸方向にウエハを移動させ、小領域Ｒ１の照射を行い、次いで、ウエハをＸ軸方向へ移動させた後、−Ｙ軸方向にウエハを移動させながら小領域Ｒ３の照射を行う。順次、１つおきに照射を行い、小領域Ｒｉの照射後、小領域Ｒ（ｉ＋１）　（ｉ＝１，２，…，ｎ−１）の照射を行う。
図３２は、さらに別の走査方法を示している。この方法においては、小領域を走査により照射するに際して、走査を行う小領域に近い側から走査を開始し、遠い側へ進めるものである。すなわち、一列毎に走査を進める場合、小領域Ｒ１１を走査した後、小領域Ｒ１２をスキップして、小領域Ｒ１３走査するが、その場合、小領域Ｒ１の走査は、小領域Ｒ１３に近い点Ｐ１１から開始し、最も遠い点Ｐ１２で終了する。小領域Ｒ１１の走査が終了すると、ウエハＷをステップ移動させて、小領域Ｒ１３の走査を点Ｐ１３から開始し、点Ｐ１４まで行う。その後、小領域Ｒ１３に隣接するＲ１４をスキップして、小領域Ｒ１５をおこなう。その行が終了すると次の行に移動して、小領域毎に同様に走査を行う。このような走査方法によれば、帯電による影響を少なくすることができる。なお、直前に走査した小領域Ｒｉｊの走査終了点と離れている小領域の点から走査を開始すると言う前提で、小領域Ｒｉｊの終了後、隣接する小領域Ｒｉ（ｊ＋１）をスキップせずに、該小領域Ｒｉ（ｊ＋１）を走査してもよい。
また、図３２の各小領域の走査において、例えば、小領域Ｒ２２に示すように、点Ｐ１５から走査を開始し、点Ｐ１６に到達した時点で点Ｐ１７に戻り、そして、点Ｐ１８まで走査する用にしてもよい。なお、小領域Ｒ２２内の破線は、帰線を示している。このように、各小領域内において、１つおきにラスタスキャンすることにより、直前の走査による影響を小さくすることができる。スキップする線を１本ではなく、任意の複数本とすることができる。
図３０〜図３２に示した走査方法においては、小領域のスキップは、電気的に制御することができるので、時間的なロスはほとんどなく、しかも帯電による影響を少なくすることができる。
以下に、本発明に係る電子線装置の図８に示した実施形態以外の種々の実施形態について説明する。
図３３は、本発明に係る電子線装置に適用可能な電子光学系７０の一実施形態を示している。この実施形態は、放出された電子をマルチビームに生成するためのマルチ開口板の複数の開口を、光軸の周りに回転させて調整する機能を持たせたものである。
図３３に示すように、この実施形態の電子光学系７０は、電子線１７−３を発生する電子銃１−３と、電子線を照射されたウエハＷ表面からの二次電子をマルチ開口板１４−３の開口に結像させる二次光学系（写像投影部）２５−３を備えている。電子銃１−３は、ＺｒＯの熱電界放出電子銃であり、＜００１＞方位のタングステンの針状カソードにＺｒを溶接し、針の先端にＺｒを拡散させ、酸素雰囲気中で活性化させたものである。このように形成された電子銃１−３は、図３４のＸ−Ｙ平面上のビーム断面として示すように、光軸（すなわち図３３において紙面の上下方向であり、図３４において紙面と直交する方向であるＺ軸）の方向に強い電子線２０−３を放出するが、それよりさらに強い電子線１７−３を側面の４つの＜００１＞方位の方向へ放出することが知られている。この強い電子線１７−３は、図３４に示すように、光軸の周囲の４つの方向に放出される。
図３４に示す５つの強い電子線１７−３、２０−３をコンデンサレンズ２−３により収束してクロスオーバ像５−３を形成する。コンデンサレンズ２−３とクロスオーバ像５−３との間に開口４−３ａを有するマルチ開口板４−３を光軸に垂直に配置する。マルチ開口板４−３は、光軸方向の電子線２０−３を捨て、光軸のまわりの４つの方向の強い電子線１７−３を通す４個の小さい開口４−３ａを有する。４個の開口４−３ａを通過した電子線は、縮小レンズ６−３、８−３で縮小され、ステージ装置５０上のウエハＷ上に、４個の直径１００ｎｍのマルチビームを結像させる。
電子線１７−３の強度が最大の場所の中央部と開口４−３ａの位置は、一般に、光軸（Ｚ軸）を中心として所定角度ずれているので、回転レンズ３−３を設け、強い電子線１７−３を図３３において時計まわり方向へ回転させ、電子線１７−３の強度が最大の場所の中央部と開口４−３ａの位置を一致させる。また、ステージ装置５０によりウエハＷをＹ軸方向へ連続移動させながら、開口４−３ａを通過した４つの強い電子線１７−３をＸ軸方向へ走査させる。ウエハの評価を行うために、電子線１７−３のＸ軸方向へ投影した間隔は、いずれのビーム間においても等しいことが好ましい。これは、図９の［Ａ］を参照して説明した電子線装置の電子光学系７０の場合と同様である。
回転レンズ３−３は、コンデンサレンズ２−３と同じＺ軸方向位置に配置される。回転レンズ３−３は、断面がコの字型の軸対象の強磁性体のコアと、その内部に光軸の周りに巻いたコイルとから構成されており、コイルに流す電流の強さで回転料を制御できる。されにコンデンサレンズ２−３は、上極及び下極が接地され、中央電極に負の高圧を与えたユニポテンシャルレンズとして構成されている。従って、各電子線は、中央電極位置でエネルギが小さく、回転レンズの小さい磁場で回転することができる。
図３４は、走査方向（Ｘ軸方向）に平行の、光軸を通るＸ−Ｙ平面上の４つの強い電子線１７’−３を、Ｙ軸からの角度φ変位した位置に示している。図３５に示すように、Ｘ軸方向の間隔ｅ、ｆ、ｇが互いに等しいためには、
ｅ＝ｃｏｓφ−ｓｉｎφ、ｆ＝２ｓｉｎφ、及びｇ＝ｃｏｓφ−ｓｉｎφであるから、
２ｓｉｎφ＝ｃｏｓφ−ｓｉｎφ
を満たすように、角度φを設定すれば、４つの電子線１７’−３のＸ軸方向間隔ｅ、ｆ、ｇを等しくすることができる。
４つの電子線１７’−３の角度φを調整する工程は、回転レンズ１８−３により行う。回転レンズ１８−３は、電子線１７’−３のクロスオーバ位置に一致させて配置し、回転レンズ１８−３の強度を変化させても、クロスオーバ像の倍率が変化しないようにする。
ウエハＷから放出された二次電子は、対物レンズ４０−３で拡大され、ウイーンフィルタ（Ｅ×Ｂフィルタ）２３−３の手前で約４倍の拡大像を作り、Ｅ×Ｂフィルタで図２８の右方へ偏向され、拡大レンズ１２−３、１３−３により、二次光学系側のマルチ開口板１４−３に結像される。マルチ開口板１４−３は４つの開口１４−３ａ（開口４−３ａよりも大きい）を備え、これらの近くへきた電子はすべて、その開口を通過して、検出器１５−３により検出される。しかしながら、４つの一次電子線１７’−３のそれぞれによりウエハ表面から発生された電子が対応する開口１４−３ａに入らず、隣接する開口へ入ることのないように、各開口１４−３ａの回転角度が各電子線１７’−３の回転角度に合っている必要がある。この回転角度を合わせる工程は、拡大レンズ１２−３、１３−３とマルチ開口板１４−３との間に配置した回転レンズ１９−３により実行される。
図３３に示した電子光学系７０の分解能は、対物レンズ４０−３の収差により決定される。この収差を小さくするため、対物レンズ４０−３の近傍に磁気レンズ２１−３が配置される。磁気レンズ２１−３は、レンズ電界とレンズ磁界を重畳させ、収差を低減する。回転レンズ３−３のＺ軸（光軸）方向位置は、静電レンズ２−３の各電極に付与される電圧を考慮し、最も低い電圧を付与される電極位置に磁場の最大値が一致するような位置として設定される。図３３において、電子銃１−３から光軸方向へ放出される電子線２０−３は、対応する開口がマルチ開口板４−３に設けられておらず、したがって利用されていない。
図３３に示した電子光学系７０において、ウエハ表面の欠陥検出は、得られた画像信号により生成される画像を標準のパターンデータと比較するか、又はダイ同士の検出画像間を比較することにより行われ、ウエハ表面の欠陥レビューは、ウエハ表面上における一次電子線の走査と同期させたモニタ上のビームの走査により得られる画像観察により行われる。また、パターン線幅測定は、ウエハ表面上における一次電子線の走査をパターンの短辺方向に行ってそのときに得られた画像に基づいて行われ、パターン電位測定は、ウエハ表面に最も近い電極に負の電位を与え、ウエハ表面の高い電位を持つパターンから放出される二次電子を選択的にウエハ側へ追い戻すことにより行われる。
上記したように、図３３に示した電子光学系７０は、電子銃の近傍に回転レンズを設け、電子線を光軸のまわりに回転させ、電子線強度が最大の場所の中央部と穴すなわち開口の位置のずれを解消する。これにより、電子線強度が最大の場所の中央部と穴の位置が精度良く一致される。また、４つの強い電子線をウエハ上でＸ軸方向へ走査する工程において、回転レンズを設けて４つの電子線を回転させることにより、４つの電子線のＸ軸方向へ投影した間隔をいずれのビーム間においても等しくするように調整することができる。この回転レンズを、電子線のクロスオーバ位置に一致させて配置することにより、回転レンズの強度を変化させても、クロスオーバ像の倍率及び結像条件に影響を与えないようにすることが可能である。
さらに、対物レンズの近傍に磁気レンズを備え、このレンズを調整することにより、光学系の分解能を決定する対物レンズの収差を小さくすることができる。この磁気レンズは、ウエハ上の開口像の近傍に配置されるため、クロスオーバ像の結像条件又は開口像の結像条件に影響を与えることなく、電子線の回転を制御できる。そして、レンズ電界とレンズ磁界を重畳させることにより、対物レンズの収差を低減することができる。さらにまた、二次光学系のマルチ開口板の検出用の開口の回転角度と二次電子線の回転角度を、拡大レンズ１２−３、１３−３と検出用の開口の間に配置した回転レンズ１９−３により、調整して一致させることができるので、二次電子線による像と検出開口の回転方向を一致させることができ、クロストークを小さくすることができる。
なお、マルチビームの数が４個に限定されないことは、言うまでもない。
図３６は、本発明に係る電子線装置の他の実施形態を示している。この実施形態は、特に、一次光学系におけるマルチビームを生成するためのマルチ開口板の構成、電子線の強度の時間変動を実時間で補正可能である点、並びに、マルチ開口板のバラツキや二次電子の透過率を増幅器の利得を調整することにより補正可能である点に特徴を有している。
図３６に示した電子線装置は、一次光学系１０−４と、二次光学系２０−４と、検査部３０−４とを備えている。一次光学系１０−４は、電子線を放出する電子銃１１−４と、電子銃１１−４から放出された電子線を集束する静電レンズ１２−４と、複数の小開口が形成されたマルチ開口板（この実施形態では、電極として機能するので、開口板電極と称する）１３−４と、電子線を集束する静電中間レンズ１４−４と、静電偏向器１５−４と、Ｅ×Ｂ分離器兼偏向器１６−４と、静電偏向器１７−４と、静電対物レンズ１８−４とを備え、それらは、図３６に示したように、電子銃１１−４を最上部にして順に、しかも電子銃から放出される電子線の光軸ＯがウエハＷの表面（試料面）に鉛直になるように、配置されている。
電子銃１１−４は、この実施形態では、熱電界放出が可能なように、先端を尖らせたタングステンの針にＺｒをコーティングした単一のカソードを有する熱電界放出電子銃である。なお、カソードのＺｒのコーティングは、その後、酸素雰囲気中で処理されてＺｒＯに変化し、仕事関数が下がる。この電子銃１１−４から放出される電子線の強度分布は、図３７にグラフＣＬで示したように、中央（光軸位置）が最大で、光軸から離れるにしたがって軸対称に減少する形状を有している。
光軸から遠く離れても強度があまり減少しない電子銃として、ＬａＢ６カソードを持った電子銃を用いた方が良い場合もあるが、この場合は、電子銃のエミッタンスが大きく取れるため、多くのビームを作れる。また、この電子銃は、空間電荷制限領域で使う方が、がショット雑音が小さくて有利である。
開口板電極１３−４は、一次光学系１０−４の像面湾曲を補正するために、図３６及び図３８の「Ａ」に示したように、中央部分１３１−４が周囲の他の部分１３２−４よりも電子銃１１−１側に突出し、かつ四隅の部分１３４−４が反電子銃側に突出した３段の段付き構造になっている。開口板電極１３は、例えば、Ｔａ、Ｐｔ等の高融点金属でつくられており、この例では、図３８に示したように、３行３列で合計９個の開口すなわち小孔１３３−４ａ〜１３３−４ｉが形成されている。中央部分１３１−４には孔１３３−４ａが形成され、周囲の部分１３２−４には孔１３３−４（１３３−４ｂ、１３３−４ｃ、１３３−４ｄ及び１３３−４ｇ）が、更に四隅の部分１３４−４には孔１３３−４（１３３−４ｅ、１３３−４ｆ、１３３−４ｈ及び１３３−４ｉ）が形成され、図３８の［Ａ］に示したように配置されている。これらの孔の数は、９個に限定されるものではない。これらの孔は、例えば、２μｍφの円形で、隣接する孔の間のピッチは１０００μｍであるが、大きさ及びピッチは任意に選択できる。ただし、孔１３３−４ｂ、１３３−４ｃ、１３３−４ｄ及び１３３−４ｇは、光軸を中心とした同一の円周上に配置され、孔１３３−４ｅ、１３３−４ｆ、１３３−４ｈ及び１３３−４ｉは同一の円周上にされている。そして、この段付き構造のずれ量λは、一次光学系の像面湾曲に相当する値であり、光軸Ｏ上にある孔１３３−４ａが、他の孔１３３−４ｂ、１３３−４ｃ、１３３−４ｄ及び１３３−４ｇより像面湾曲に相当する値λで電子銃側に接近しており、かつ孔１３３−４ｂ、１３３−４ｃ、１３３−４ｄ及び１３３−４ｇが孔１３３−４ｅ、１３３−４ｆ、１３３−４ｈ及び１３３−４ｉより像面湾曲に相当する値λで電子銃側に接近している。なお、図３８の［Ａ］に示す開口板電極１３−４では、中央部分１３１−４が円形に突出させているが、方形に突出させてもよく、また中央部分１３１−４、部分１３２−４を部分１３４−４に対して円形に突出させてもよい。更に、開口板電極は、図３８の［Ｂ］において１３’−４で示したように、中央部が中高になる曲面形状にしてもよい。この場合、図３８の［Ａ］の開口板電極と同様に、孔１３３−４ｂ、１３３−４ｃ、１３３−４ｄ及び１３３−４ｇは光軸を中心とした同一の円周上に配置され、孔１３３−４ｅ、１３３−４ｆ、１３３−４ｈ及び１３３−４ｉは同一の円周上にされている。そして、光軸Ｏにある孔１３３−４ａが他の孔１３３−４ｂ、１３３−４ｃ、１３３−４ｄ及び１３３−４ｇより像面湾曲に相当する値λで電子銃側に接近しており、かつ孔１３３−４ｂ、１３３−４ｃ、１３３−４ｄ及び１３３−４ｇが孔１３３−４ｅ、１３３−４ｆ、１３３−４ｈ及び１３３−４ｉより像面湾曲に相当する値λで電子銃側に接近している。
静電偏向器１５−４及び１７−４は、この実施形態では、８極静電偏向器である。８極静電偏向器１５−４及び１７−４、静電レンズ１２−４、１４−４及び１８−４自体は公知の構造のものであるから、それらの詳細な説明は省略する。Ｅ×Ｂ分離器すなわちＥ×Ｂ型偏向器１６−４については、図１０に示した。また、開口板電極に形成される小孔は、３行３列に限定されるものではなく、図３９に開口板電極１３”−４として示したように、孔１３５−４ａ〜１３５−４ｄの４個の円形の小孔とするか、或いは、１３６−４ａ及び１３６−４ｂの２個の円形の小孔とすると、各小孔を通過する電子線のビーム強度をほぼ同じにできる。また、光軸からの距離がそれぞれ等しいため、像面湾曲も補正する必要がない。
図３６に戻って、二次光学系２０−４は、一次光学系のＥ×Ｂ型偏向器１６−４近くの焦点面ＦＰ近傍で光軸Ｏに対して所定の角度で傾斜している光軸Ｏ’に沿って配置された偏向レンズ２１−４及び２２−４と、マルチ開口板２３−４とを備えている。マルチ開口板２３−４には、開口（図３６では、３つの開口のみを図示）が、一次光学系のマルチ開口板１３−４の孔に対応して、３行３列で９個形成されている。電子光学系７０は、マルチ開口板２３−４の開口毎に、検出器３１−４（図３６では、３１−４ａ、３１−４ｂ、３１−４ｃのみ図示）を有している。それぞれの検出器３１−４にはそれぞれ増幅器３２−４（図３６では３２−４ａ、３２−４ｂ、３２−４ｃのみを図示）を介して、信号処理部３３−４（図３６では３３−４ａ、３３−４ｂ、３３−４ｃのみを図示）が接続されている。各増幅器には、利得調整器３４−４（図３６では３４−４ａ、３４−４ｂ、３４−４ｃのみを図示）がそれぞれ設けられ、その増幅器の利得或いはオフセット値を調整する。利得調整器３４−４は、共通の増幅器３５−４を介して開口板電極１３−４に電気的に接続され、該開口板電極を流れる電流の変化の信号を、利得調整器３４−４に送る。これは、熱電界放出電子銃１１−４から放出される電子線のビーム強度が時間的に変動するので、開口板電極１３−４をアースから絶縁しておき、ビーム電流を測定してビーム電流変動の測定値を二次電子信号の増幅率すなわち利得或いはオフセット値に実時間でフィードバックし、ビーム電流の変動が信号に影響を与えないようにするためである。なお、開口板電極に形成される孔の数は９個に限定されるものではないことは、上記した通りである。この場合、当然ながら、マルチ開口板２３−４に形成される開口、検出器、増幅器等の数も、それに合わせた数及び配置となる。また、開口の大きさは、２μｍφの円形で、隣接する開口間のピッチは１２００μｍである。開口板電極の孔及び開口板の開口は、円形だけでなく、方形に形成してもよい。
次に、図３６に示した電子線装置の動作について説明する。単一のカソードを有する電子銃１１−４から放出された電子線は、コンデンサレンズすなわち静電レンズ１２−４により集束され、開口板電極１３−４を照射する。電子線は開口板電極１３−４に形成された複数の小孔１３３−４を通過して試料に向かって進み、途中に設けられた静電中間レンズ１４−４及び静電対物レンズ１８−４により縮小されてウエハＷの表面（試料面）に結像する。ウエハ面からは一次電子の照射により二次電子が放出され、その二次電子は、静電対物レンズ１８−４とウエハＷとの間に印加された、二次電子に対する加速電界で加速、収束され、比較的小さな口径のビームとなって静電対物レンズ１８−４を通過し、一次ビームの焦点面ＦＰの手前でほぼ焦点を結ぶ。二次電子は、焦点面ＦＰの位置において、Ｅ×Ｂ型偏向器１６−４により光軸Ｏ’に沿って移動するように偏向される。偏向された二次電子は、静電レンズ２１−４に入射する。静電レンズ２１−４は、ウエハ面で２ｅＶの電子に対してレンズ２１−４の手前に結像するように励磁されている。二次電子は、更に静電レンズ２２−４で拡大されて検出用のマルチ開口板２３−４において結像する。なお、開口板電極１３−４の各孔１３３−４を通ったビームによりウエハ面から放出された二次電子は、開口板２３−４の対応する開口を通して、対応する検出器に導かれる。
上記のようにしてマルチ開口板２３−４で形成された像は、該開口板の各開口を介して、該開口板の背面に開口毎に配置された検出器３１−４により検出され、これらの検出器３１−４によって、電気信号に変換される。検出器からの信号は増幅器３２−４によって増幅され、それぞれ対応する信号処理回路３３−４に送られ、それらの信号処理回路により、ウエハ面の欠陥検査、形成されたパターンの線幅の測定、欠陥のレビュー等が行われる。そして、８極静電偏向器１５−４及び１７−４により、一次光学系１０−４を進む複数の電子線のビームでウエハ面の所定の区域を走査させて、その区域に付いての検査等を行なう。この場合、８極静電偏向器の偏向感度比を公知の方法により最適化することにより、偏向軌道が光軸上のＺ軸方向位置を静電対物レンズ１８−４の主面近傍のどの位置にするかによって、大きく偏向した時のビームボケを最小にすることができる。ウエハ面全体に付いてビームで走査するには、上記区域内でのビームの走査とウエハ面のＸ−Ｙ方向の移動とを組み合わせて行う。
増幅器３４−４により信号を増幅する際には、開口板電極１３−４の小孔を通過した電子線量の不均一を補正するため、利得調整器により個々の増幅器毎に利得或いはオフセット値を調整する。この場合、電子線の照射により開口板電極を流れる電流の時間変動を測定し、その測定結果を利得調整器に入力させて利得或いはオフセット値の調整に使用することが可能である。なお、段付き形状の開口板電極１３−４と、利得或いはオフセット値を調整可能な増幅器とを組み合わせて使用した例について説明したが、平坦の開口板電極と利得を調整可能な増幅器とを組み合わせて使用してもよい。
図３６に示した電子線装置を使用してウエハ面の欠陥検査、パターンの線幅の測定、欠陥のレビュー等を行うには、まず、開口板でビームを形成する小孔の大小、及び二次電子透過率の大小を予め補正するため、パターンが形成されていないウエハを所定の位置にセットして電子線装置を動作させる。そして、各増幅器３２−４の出力が同じになるように、各利得調整器３４−４により、それぞれの増幅器の利得とオフセット値を補正する。次に、検査すべきウエハをセットし、電子線装置を上述のように動作させて、ウエハ面から放出された二次電子を検出器により検出し、増幅器により増幅された電気信号を信号処理回路３３−４で処理する。この信号処理回路を、処理した信号を例えば図示しない比較回路で記憶部に記憶されている設計通りのパターンに関する参照データと比較することによって、ウエハに形成されたパターンの欠陥の有無や欠陥位置を検出する欠陥検出回路に置き代えることによって、欠陥検査を行うことができる。また、信号処理回路を線幅測定装置に置き代えれば、ウエハ面に形成されたパターンの線幅を測定できる。更に、信号処理回路に更にＣＲＴ等のモニタを接続すれば、欠陥のレビューが可能になる。更にまた、一次光学系のどこかにビームをブランキングする機能を持たせれば、ＥＢテスタとして使用することもできる。
図３６に示した電子線装置によれば、電子銃からの電子線の強度の時間変動を実時間で補正することができるので、検査を正確に行うことができる。また、マルチ開口板のバラツキや二次電子の透過率を、増幅器の利得を調整することにより補正することができるので、各検出器からの出力にバラツキがない。
図４０は、本発明に係る電子線装置に適用可能な電子光学系７０を示している。この実施形態においては、図４０に示すように、電子銃１−５から放出された電子線を３段のコンデンサレンズ３−５、５−５、６−５で光源像を拡大させて最終レンズ８−５の入射瞳上に結像させる（図面中では、実線１６−５で示す）。コンデンサレンズ３−５のウエハＷ側には、光軸を中心にした同一円周上に等間隔で４つの穴を設けたマルチ開口板４−５が設けられ、それらの穴を通過した電子線は、２つのコンデンサレンズ５−５、６−５と対物レンズ８−５で縮小されて、ウエハＷ上に結像される（破線１４−５で示す）。対物レンズ８−５の電子銃側にはＥ×Ｂ分離器７−５が設けられており、一次電子ビームを進行方向の右へ１０°、二次電子ビームを進行方向の右に３０°偏向させる。すなわち、一次電子線のＥ×Ｂ分離器７−５の電界による偏向量は磁界による偏向量の半分に設定されている。電界による偏向色収差は、磁界による偏向色収差の半分であるから、電界による偏向色収差と磁界による偏向色収差は互いに打ち消し合い、偏向色収差をほぼ０にすることができる。さて、ウエハＷ上の４つの一次電子ビーム照射点から放出される二次電子は、拡大レンズ１０−５の手前に４つの拡大像を形成し、さらに該拡大レンズ１０−５で拡大され、４つの穴を有するマルチ開口板１１−５に像を結ぶ（一点鎖線１２−５で示す）。マルチ開口板の各穴の背後には検出器１３−５が配置され、結像された二次電子像を検出し、電子信号として出力する。
Ｅ×Ｂ分離器７−５の偏向中心が一次電子ビームの結像点ではないので、一次電子ビームに偏向色収差が大きくなる恐れがあり、このため、磁界での偏向量を電界での偏向量の２倍にすることにより、偏向色収差を小さくしている。具体的には、電界で１０°左へ偏向し、磁界で右へ２０°偏向し、差し引き１０°右へ偏向する様にしている。これに対応し、ウエハＷは、入射する一次電子ビームを垂直に受けるために、１０°傾けて配置してある。もちろん、ウエハを水平にして一次光学系を１０°傾けててもよい。
電子銃内部のカソード２−５は、熱電界放出電子銃のカソードで、光軸方向は＜１００＞方位で、＜３１０＞又は側面の＜１００＞方位の４つの方向に光軸方向より強いビーム放出があるので、＜１００＞方位の放出（ｅｍｉｓｓｉｏｎ）は捨て、＜３１０＞または側面の＜１００＞方位の放出のみ下へ通すようにする。＜３１０＞または側面の＜１００＞方位の放射は十分広い方向に放出されるので、コンデンサレンズ３−５の励起を変え、対物レンズ８−５上のクロスオーバ寸法を大きく変えても、マルチ開口板４−５の各穴を照射するビーム電流はほとんど変らず、ビーム電流を不変にすることができる。
コンデンサレンズ５−５、６−５をズームレンズ動作させ、即ち、クロスオーバ結像条件及び開口像結像条件を変えないで、クロスオーバの拡大率を可変としてビーム寸法やビーム電流を調整してもよい。また、２つのレンズをズームレンズにすることにより、ビーム間隔を調整するようにしてもよい。
図４０に示した電子光学系７０によれば、一次光学系を４つのレンズで構成し、二次光学系を１つのレンズで構成しているので、構造が簡単であり、その制御、すなわち、ビーム間隔、ビーム寸法（径）、ビーム電流の制御が容易になる。クロスオーバは、すべてのレンズによる拡大により形成され、開口像は総てのレンズによる縮小により形成されるので、光学系が簡単になる。また、二次光学系において、対物レンズとＥ×Ｂ分離器後の１つのレンズで十分な拡大率が得られる。
マルチ開口板４−５及び１１−５の開口は、対応して配置される必要があるが、４個に限定されず任意の複数個に設定可能であることは、勿論である。
図４１は、本発明に係る電子線装置に適用可能な電子光学系７０のさらに別の実施形態を示している。この実施形態は、レンズ段数を極力減少させ、簡単化したものである。レンズ段数が少ないため、一次電子線と二次電子線の合焦及び軸合わせを容易に行うことができ、しかも、電子線間のクロストークを低減することができるものである。
図４１に示した電子光学系７０において、電子銃１−６の内部には、単結晶ＬａＢ６カソードが、円周上に突起が並んだ形状に加工され配置されている。電子銃から放出される電子線は、コンデンサレンズ３−６により集束され、マルチ開口板４−６に照射される。マルチ開口板４−６は、同一円上に設けられた９個の開口を有しているおり、Ｘ軸上に投影した場合の開口の相互の間隔が等しくなるように設定されている。これは、図８に示した電子線装置の電子光学系７０に関連して図９の［Ａ］に示した場合と同様である。また、後述する二次光学系のマルチ開口板１４−６の開口及び複数の検出器１５−６の配置関係も、図９の［Ａ］に示した場合と同様である。
電子銃１−６から放出された電子線は、マルチ開口板４−６の開口を通過してマルチビーム化され、縮小レンズ５−６により点７−６に結像され、さらに、対物レンズ１０−６を介してウエハＷ上に結像される。対物レンズ１０−６は、中央電極に正の高電圧が印加されるユニポテンシャルで、これにより、複数の一次電子線すなわちマルチビームは、ウエハＷに射照されるときに減速される。
一方、マルチビームの照射によりウエハから放出される二次電子は、対物レンズ１０−６が作る電界で加速され、静電偏向器８−６及び電磁偏向器９−９からなるＥ×Ｂフィルタにより二次光学系側へ偏向され、拡大レンズ１３−６を介して二次光学系用のマルチ開口板１４−６に合焦される。点線１８−６は、マルチビームの照射により放出された二次電子のうち、ウエハから垂直に出た二次電子の軌道であり、この二次電子がクロスオーバを作る位置に、二次電子の開口を決めるアパーチャ板２０−６を設けている。これにより、大きい収差のビーム取り除くことができる。
図４１の電子光学系７０において、一次電子線と二次電子線の両方に共通する光路は、Ｅ×ＢフィルタとウエハＷの間で、レンズは対物レンズ１０−６しか存在しない。従って、一次電子線及び二次電子線に関するレンズの合焦やレンズの軸合せは簡単である。この点は、図８等に示した電子光学系においても同様である。即ち、図４１の電子光学系７０に関して言えば、対物レンズ１０−６は、一次電子線の合焦条件のみ満たせばよく、二次電子線の合焦は、例えば、マルチ開口板１４−６、開口アパーチャ板２０−６の位置を機械的に移動させることにより、行うことができる。
対物レンズ１０−６への軸合せは、軸合せ装置１９−６により行えば二次電子の軸を狂わせないで行うことでき、拡大レンズ１３−６への軸合せは、Ｅ×ＢフィルタすなわちＥ×Ｂ分離器を、一次電子線のウィーン条件を満たしながら偏向量を調整すれば、一次電子線の軸に影響を与えないで、レンズ１３−６への軸合せが可能である。
ウエハＷ上のマルチビーム照射点から放出された二次電子が合焦されるマルチ開口板１４−６でのボケは、市販のソフトウェアでシミュレーションを行えば容易に計算できる。また、ウエハ上でのマルチビームのビーム間隔が決まっている場合には、マルチ開口板１４−６でのボケ量を、ウエハＷから該開口板１４−６迄の拡大率で割算することにより、ウエハ上でのボケが算出できる。このボケ量がビーム間隔より小さくなるように、開口アパーチャ板２０−６の口径を決めてもよい。他の方法としては、開口アパーチャ板２０−６の口径を一定の値とし、ウエハ上での値に換算した二次電子像のボケよりもマルチビーム間隔を大きくしてもよい。
図４１に示した電子光学系７０においては、他の実施形態の電子光学系と同様に、一次電子線を減速するので収差が小さくなり、細く絞ることができる。また、二次電子を対物レンズで加速するので、光軸に対して大きい角度で放出された二次電子も対物レンズで細いビーム束に絞られ、よって、二次光学系の開口を小さくすることができる。
図４２は、本発明に係る電子線装置に適用可能な電子光学系７０の別の実施形態を示している。この実施形態においては、電子線をウエハＷの表面に照射する一次光学系１０−７と、ウエハＷから放出された二次電子を検出面に結像する電子線結像光学系としての二次光学系２０−７と、二次電子を検出する検出系３０−７とを備えている。同図において、電子銃１１−７から放出された電子線（一次電子線）は、静電レンズからなるコンデンサレンズ１２−７により集束されて、点ＣＯにおいてクロスオーバを形成する。このクロスオーバ点ＣＯに、ＮＡを決める開口１４１−７を有する絞り１４−７が配置されている。
コンデンサレンズ１２−７の下方には、複数の開口を有するマルチ開口板１３−７が配置され、これによって複数の一次電子線が形成される。マルチ開口板１３−７によって形成された一次電子線のそれぞれは、静電レンズからなる縮小レンズ１５によって縮小されて、Ｅ×ＢフィルタすなわちＥ×Ｂ分離器１６−７の偏向主面ＤＳに合焦される。そして、点ＤＳで合焦した後、静電レンズからなる対物レンズ１７−７によってウエハＷに合焦される。マルチ開口板１３−７から出た複数の一次電子ビームは、縮小レンズ１５−７と対物レンズ１７−７との間に配置された偏向器により、同時にウエハＷの表面上を走査するよう偏向される。
縮小レンズ１５−７及び対物レンズ１７−７の像面湾曲収差を補正するため、図４２に示したように、マルチ開口板１３−７は、中央部から周辺部に向かうにしたがってコンデンサレンズ１２からの距離が大きくなるように、段が付けられた構造を有している。
合焦された複数の一次電子線によって、ウエハＷ上の複数の点が照射され、照射されたこれらの複数の点から、二次電子が放出される。放出された二次電子は、対物レンズ１７−７の電界に引かれて細く集束され、Ｅ×Ｂ分離器１６−７の手前の点ＦＰにおいて焦点を結ぶ。これは、各一次電子線がウエハＷの表面上で５００ｅＶのエネルギを持っているのに対して、二次電子線は数ｅＶのエネルギしか有していないためである。ウエハＷから放出された複数の二次電子線は、Ｅ×Ｂ分離器１４−７により、一次光学系１０−７の光軸の外方向に偏向されて一次電子線から分離され、二次光学系２０−７に入射する。
二次光学系２０−７は、静電レンズからなる拡大レンズ２１−７、２２−７を備えており、これらの拡大レンズ２１−７、２２−７を通過した二次電子線は、二次光学系のマルチ開口板２３−７の複数の開口を通って複数の検出器３１−７に結像する。なお、検出器３１−７の前に配置されたマルチ開口板２３−７に形成された複数の開口と、一次光学系のマルチ開口板１３−７に形成された複数の開口とは１対１に対応し、また、複数の検出器３１−７もこれらに１対１に対応する。
それぞれの検出器３１−７は、検出した二次電子線を、その強度を表す電気信号に変換する。こうして各検出器から出力された電気信号は増幅器３２−７によってそれぞれ増幅された後、画像処理部３３−７によって受信され、画像データに変換される。画像処理部３３−７には、一次電子線を偏向させるための走査信号が供給され、該走査信号に基づいて電気信号を処理することにより、画像処理部３３−７は、ウエハＷの表面を表す画像データを形成することができる。このようにして得られたウエハの画像を標準パターンと比較することにより、ウエハの欠陥を検出することができる。
また、レジストレーションによりウエハを一次光学系の光軸の近くへ移動させ、そしてラインスキャンすることによって、線幅評価信号を取り出し、これを適宜に校正することにより、ウエハ上のパターンの線幅を測定することができる。
一次光学系のマルチ開口板１３−７の開口を通過した一次電子線をウエハの表面上に合焦させ、ウエハから放出された二次電子を検出器３１−７に結像させる際に、一次光学系及び二次光学系で生じるコマ収差、像面湾曲、及び視野非点という三つの収差による影響を最小にするように特に配慮する必要がある。また、複数の一次電子線の照射点の間隔と二次光学系との関係については、一次電子線の間隔を、二次光学系の収差よりも大きい距離だけ離せば、複数の電子線の間のクロスストロークをなくすことができる。
図４３は、本発明に係る電子線装置に適用可能な電子光学系７０のさらに別の実施形態を示している。この実施形態においては、Ｅ×Ｂ分離器による偏向色収差を無くすことができるようにしたものである。
すなわち、Ｅ×Ｂ分離器を用いた電子光学装置においては、Ｅ×Ｂ分離器が一次光学系に対して収差を持つことが避けられず、特に偏向色収差が大きい等の問題がある。この偏向色収差により、ウエハ表面で所定のビーム径となるように一次電子線を絞ることができない。
図４３に示した電子光学系７０は、一次光学系２０−８、二次光学系３０−８、及び検出器１５−８を含む。一次光学系２０−８は、複数の一次電子線をウエハＷの表面（試料面）に照射する照射光学系であり、一次電子線を放出する電子銃１−８、二次元的に配列された複数の小孔４ａを有するマルチ開口板４−８、電子銃１−８から放出された一次電子線を集束する静電レンズ３−８、５−８、７−８、静電偏向器１６−８、Ｅ×Ｂ分離器９−８、開口絞り１７−８、静電レンズである対物レンズ１０−８を備えている。
Ｅ×Ｂ分離器は、電磁偏向器による偏向角が静電偏向器の２倍に設計されている。したがって、Ｅ×Ｂ分離器９−８により、一次電子は図の左へαだけ偏向され、二次電子は右へ３αだけ偏向される。一次光学系をα（例えば、５°）傾けて設置する問題点があるが、一次電子線と二次電子線との分離は４α（例えば、２０°）となって容易に分離可能であり、Ｅ×Ｂ分離器による偏向色収差が一次電子線で発生しない利点がある。
一次光学系２０−８は、図４３に示すように、電子銃１−８を最上部にして、該電子銃から放出された一次電子線の光軸ＰがウエハＷの表面に垂直になるように配置される。Ｅ×Ｂ分離器９−８で一次電子線に偏向色収差が発生しないため、一次電子線を細く絞ることができる。
二次光学系３０−８は、一次光学系２０−８のＥ×Ｂ分離器の近傍で光軸Ｐに対し傾斜する光軸Ｑに沿って配置される静電レンズからなる拡大レンズ１２、及び二次元的に配列される複数の開口すなわち小孔１４−８ａを有するマルチ開口板１４−８を備える。検出器１５−８は、小孔１４−８ａ毎に検出要素１５−８ａを備える。マルチ開口板１４−８の小孔１４−８ａは、一次光学系のマルチ開口板４−８の小孔４−８ａの数及び配列に合わせた数及び配列にされる。複数の一次電子線の間のクロストークを無くするため、複数の一次電子線のウエハ表面の照射位置の間隔を、二次光学系の収差（対物レンズの二次電子に対する収差）より大きい距離とする。
図４４〜図４６は、Ｅ×Ｂ分離器の図４３の電子光学系７０での作用原理を説明する斜視図であり、図４４は全体概略図、図４５は一次電子線に作用する力を示す概略図、図４６は二次電子線に作用する力を示す概略図である。図４４に示すように、磁界をかける磁極３１Ｂと電界をかける電極３１Ｅを９０°ずらして配置すると、一次電子線２０−８ａに対しては、図４５に示すように、磁界による力ＦＢと電界による力ＦＥとが逆方向に働いて、両者の差の分だけビーム軌道は曲げられる。すなわち、静電偏向器による偏向角をα、電磁偏向器による偏向角を２αとすると、αだけ偏向される。一方、二次電子線３０−８ａに対しては、図４６に示すように、磁界による力ＦＢと電界による力ＦＥとが同一方向に働いて、互いに強調されるので、二次電子線３０−８ａは、大きく曲げられ、上記の場合では、３αだけ偏向される。この構成は、荷電粒子ビームを加速電圧により偏向させるウイーンフィルタと同じであるが、本実施形態では、電磁プリズム（ビームスプリッタ）として機能させている。
図４３に戻り、Ｅ×Ｂ分離器９−８を通過した一次電子線は、開口絞り１７−８に達し、この開口絞り１７−８の位置で、クロスオーバ像を形成する。開口絞り１７−８を通過した一次電子線は、対物レンズ１０−８によるレンズ作用を受けて、ウエハＷに達し、細く集束された状態でウエハ表面を照射する。
一次電子線が照射されたウエハからは、二次電子線３０−８として、ウエハの表面形状、材質分布、電位の変化などに応じた分布の二次荷電粒子すなわち二次電子、錯乱電子、及び反射荷電粒子（反射電子）が放出され、いずれも仕様によっては利用できるが、ここでは、二次電子を選択した場合について述べる。
放出された二次電子は、対物レンズ１０−８の作用を受け、対物レンズ１０−８の焦点位置に配置される開口絞り１７−８を通過し、Ｅ×Ｂ分離器９−８に達する。Ｅ×Ｂ分離器９−８によって形成される互いに直交した磁界Ｂと電界Ｅとは、ウエハＷからの二次電子がウイーン条件を満たすようには設定されていない。これにより、開口絞り１７−８を通過した二次電子は、このＥ×Ｂ分離器９−８により偏向され、複数段のレンズ１２−８、１３−８へ向う。
図４３に示した電子光学系７０では、一次電子線及び二次電子線の両方の軌道を曲げるＥ×Ｂ分離器を用いたが、それに限定されずに、例えば、一次電子線の軌道を直進させ、二次電子線の軌道を曲げる電磁プリズムを用いてもよい。二次光学系のマルチ開口板１４−８には、多数の開口１４−８ａが設けられる。開口１４−８ａは、対物レンズ１０−８及びレンズ１２−８、１３−８に関してウエハＷと共役である。Ｅ×Ｂ分離器により偏向された二次電子は、更に、複数のレンズ１２−８、１３−８、及び開口１４−８ａを経て、検出器１５−８へ到達し、到達した二次電子の強度に対応する電気信号に変換される。
図４７は、本発明に係る電子線装置を示している。この実施形態においては、電子銃１−９のカソード２−９から放出された電子線は、コンデンサレンズ３−９によって集束されて点５−９にクロスオーバを形成する。コンデンサレンズ３−９の下方には、複数の開口４−９ａを有するマルチ開口板４−９が配置され、これによって複数の一次電子線が形成される。マルチ開口板４−９によって形成された一次電子線の各々は、縮小レンズ６−９によって縮小され、対物レンズ８−９によってウエハＷに合焦される。マルチ開口板４−９から出た複数の一次電子線は、縮小レンズ６−９と対物レンズ８−９との間に配置された偏向器１９−９、２０−９により、同時にウエハＷの面上を走査するように偏向される。
縮小レンズ６−９及び対物レンズ８−９の像面湾曲収差の影響を無くすために、マルチ開口板４−９の小開口４−９ａは、円周上に配置され、それら開口のＸ軸方向へ投影した点が等間隔に設定されている。これは、第１の実施形態の電子線装置７０について図９の「Ａ」を参照して説明した場合と同様である。合焦された複数の一次電子線によって、ウエハの複数の点が照射され、照射されるこれらの複数の点から放出される二次電子線は、対物レンズ８−９の電界に引かれて細く集束され、Ｅ×Ｂ分離器７−９で偏向され、二次光学系を経て複数の検出器１３−９により検出される。
二次光学系は、拡大レンズ１０−９、１１−９を有する。これらの拡大レンズ１０−９、１１−９を通過した二次電子線は、マルチ開口板１２−９の複数の開口１２−９ａに結像する。二次光学系のマルチ開口板１２−９の複数の開口１２ａと一次光学系のマルチ開口板４−９の複数の開口４−９ａは、１対１に対応する。各検出器１３−９は、検出した二次電子線をその強度を表す電気信号へ変換し、該電気信号は、増幅器１４−９により各々増幅されＡ／Ｄ変換された後、画像処理部１５−９に伝達されて、画像データへ変換される。画像処理部１５−９は、更に一次電子線を偏向させるための走査信号を供給され、ウエハの表面を表す画像を形成する。
画像処理部１５−９において形成された試料表面を表す画像を標準パターンと比較することにより、ウエハの欠陥を検出することができる。またレジストレーションによりウエハの被評価パターンを一次光学系の光軸の近くへ移動させ、ラインスキャンすることによって線幅評価信号を取出しこれを適宜に校正することにより、パターンの線幅を測定することができる。
一次電子線をウエハＷの表面上へ合焦させ、ウエハから放出される二次電子線を検出系１２−９、１３−９に結像させる際は、一次光学系で生じる歪、軸上色収差、及び視野非点という３つの収差による影響を最小にすることが望ましい。複数の電子線の間隔と二次光学系の関係において、一次電子線の間隔の最小値を二次光学系の収差よりも大きくすることにより、検出される複数の電子線の間のクロストークを低減することができる。
さらに、図４７の電子線装置においては、二次電子の検出器１３−９及び増幅器１４−９からなる信号経路の後段に、信号経路毎に、スイッチ（単極双投スイッチ）１６−９、２つのメモリ（メモリ０及びメモリ１）１７−９、及びスイッチ（双極単投スイッチ）１８−９が接続され、これらを介してデジタル信号がＣＰＵ１５−９に供給される。複数のスイッチ１６−９は同時に切り替えられ、また、複数のスイッチ１８−９も同時に切り替えられ、さらに、これら２組のスイッチは図示の状態から同時に切り替えられる。したがって、図示の状態で、ｉ回のラスタ走査に対応しているデジタル信号をメモリ０に記憶している間に、ｉ−１回のラスタ走査時に得られてメモリ１に記憶されているデジタル信号を該メモリ１からＣＰＵ１５−９に転送し、ｉ回のラスタ走査が終了した時点で２組のスイッチを切り替え、ｉ回のラスタ走査で得られてメモリ０に記憶されている信号をＣＰＵ１５−９に供給して処理すると同時に、ｉ＋１回のラスタ走査で得られる信号をメモリ１に記憶する。そしてまた、ｉ＋１回のラスタ走査が終了すると、２組のスイッチを反転させる。この結果、クロック周波数５００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの高速走査を行っても、二次電子線の強度に対応する信号を忠実に転送することができる。
図４８は、本発明に係る電子線装置に適用可能な電子光学系７０の他の実施形態を示している。この実施形態では、カソード３１−９、ウエーネルト３２−９、アノード３３−９の電極を備える電子銃３０−９、電子銃３０−９から放出される一次電子線をウエハＷへ結像させる一次光学系、及びウエハから発生される二次電子を検出器３８−９へ案内する二次光学系を含む。一次光学系において、電子銃３０−９から放出される一次電子線は、軸合せ偏向器３４−９、３５−９でコンデンサレンズ３６−９に軸合せされ、コンデンサレンズ３６−９で集束され、対物レンズ４１−９でウエハに合焦され、静電偏向器３７−９及び電磁偏向器２９−９で２段偏向され、ウエハ上を走査する。
ウエハ上の一次電子線の走査点から発生する二次電子は、対物レンズ４１−９の中央電極４９−９の正の高電圧で加速され、細く集束され対物レンズを通過する。対物レンズ４１−９を通過した二次電子は、Ｅ×Ｂ分離器２９−９、４０−９で、図５１の右方へ偏向され、検出器３８−９で検出される。この場合、コンデンサレンズ３６−９及び対物レンズ４１−９が光学系の外径寸法を決める部品となるが、これらのレンズ３６−９、４１−９の外径寸法を小さくすることにより、この電子線装置の電子光学系７０の鏡筒を小外径とすることができる。
鏡筒の外径が小さい場合、そのような鏡筒を１枚のウエハ上に複数個配置することができるので、複数の鏡筒により複数の電子線で同時に１枚のウエハに画像形成し評価することにより、高スループットでウエハの評価を行うことができる。
図４９〜５１は、本発明に係る電子線装置の、電子光学系を複数配置した場合の実施形態を説明するための説明図である。
図４９に示した実施形態においては、単体の電子光学系の鏡筒７１を４筒×２列に配置している。これは、コンデサレンズ及び対物レンズ等のサイズを小さくして鏡筒の外形サイズを小さくすることによって実現することができるが、これを、図４８に示した電子光学系を一例として説明する。
図４８に示した電子光学系７０において、コンデンサレンズ３６−９及び対物レンズ４１−９を軸対称レンズとして構成し、これらのレンズの外径寸法を小さくするために、コンデンサレンズ３６−９を、一体のセラミックスの円柱４３−９から上部電極４４−９、中央電極４５−９、下部電極４６−９を削出し、削出されたセラミックス表面に金属をコーティングして製造する。対物レンズ４１−９も同様に、一体のセラミックスの円柱４７−９から上部電極４８−９、中央電極４９−９、下部電極５０−９を削出し、削出されたセラミックス表面に金属をコーティングして製造する。
上記の製造方法により、各レンズの外径寸法を４０ｍｍφ以下にすることができ、８インチのウエハ表面に、図４９に示すように、鏡筒７１を４筒×２列に配置することができる。セラミックス表面にコーティングする金属材料は、仕事関数の大きい白金とすることによって電極間の小さい間隔に高い電圧を印加できることがわかった。この結果、軸上色収差を小さくでき小寸法のビームで大電流をうることができた。なお、図４８において、２６−９で示す部分は、コンデンサレンズ３６−９の中央電極４５−９に電圧を与えるための電圧導入端子である。また、図４９において、３８−９は、図４８に示した検出器を示している。
図４８に示した電子光学系だけでなく、先に説明した任意の実施形態の電子光学系においても、コンデンサレンズ及び対物レンズを図４８に示した構造にすることにより、複数の鏡筒を同時にウエハ上に配置し検査することができる。
図５０に示した実施形態は、４個の単体の電子光学系の鏡筒７１を一列に配置した例であり、この例では、各鏡筒７１の電子光学系において、一列の７個のマルチビームによりウエハＷを照射する形態を示している。したがって、２８個の電子線によりウエハを走査することができる。ウエハ全体を走査するために、ステージ装置（不図示）により、ウエハはＸ軸方向に連続移動され、Ｙ軸方向にステップ移動される。
図５１に示した実施形態は、６個の単体の電子光学系の鏡筒７１を２行３列に配置して例である。この例では、各鏡筒７１の電子光学系において、３行３列のマルチビームによりウエハＷを照射する例を示している。したがって、同時に５４個の電子線でウエハを走査できる。
このように、電子光学系を複数個配置し、各光学系において、ウエハ表面を照射するマルチビーム及び対応する複数の検出器を設けることにより、検査工程のスループット（単位時間当たりの検査量）を大幅に高めることがきる。
上記図１に関連して説明したように、検査されるウエハは、大気搬送系及び真空搬送系を通して、超精密のＸＹステージ上に位置合わせ後、静電チャック機構等により固定され、以後、図５２の手順に従って欠陥検査等が行われる。図５２に示すように、まず、光学顕微鏡により、必要に応じて各ダイの位置確認や各場所の高さ検出が行われ、データが記憶される。光学顕微鏡は、この他に欠陥等を監視したい所の光学顕微鏡像を取得し、電子線像との比較等にも使用される。次にウエハの種類（どの工程後か、ウエハのサイズは２０ｃｍか３０ｃｍか等）に応じたレシピの情報を装置に入力し、以下、検査場所の指定、電子光学系の設定、検査条件の設定等を行なった後、画像取得を行ないながら、リアルタイムで欠陥検査を行なう。セル同士の比較、ダイ比較等が、アルゴリズムを備えた高速の情報処理システムにより検査が行なわれ、必要に応じて、検査結果をＣＲＴ等に出力したり、又は記憶装置に格納する。欠陥には、パーティクル欠陥、形状異常（パターン欠陥）、及び電気的（配線又はビア等の断線及び導通不良等）欠陥等が有り、これらを区別したり欠陥の大きさや、キラー欠陥（チップの使用が不可能になる重大な欠陥等）の分類を、自動的にリアルタイムで行うこともできる。電気的欠陥の検出は、コントラスト異状を検出することで達成される。例えば、導通不良の場所に電子線照射（５００ｅＶ程度）すると、通常正に帯電し、コントラストが低下するので、正常な場所と区別ができる。この場合の電子照射装置とは、通常、検査用の電子線照射装置以外に、電位差によるコントラストを際立たせるために別途設けた、低電位のエネルギの電子線発生装置（熱電子発生、ＵＶ／光電子）をいう。検査対象領域に検査用の電子線を照射する前に、この低電位エネルギの電子線を発生し照射している。検査用の電子線を照射すること自体で正に帯電させることができる写像投影方式の場合は、使用によっては、低電位の電子線発生装置を別途設ける必要はない。また、ウエハに、基準電位に対して正又は負の電位を印加すること等による（素子の順方向又は逆方向により流れ易さが異なるために生じる）コントラストの違いから、欠陥検出ができる。線幅測定装置及び合わせ制度装置にも利用できる。
なお、電子線装置が作動すると、電子ビームの形成や偏向に使用される様々電極には有機物質が堆積する。このように表面に徐々に堆積していく絶縁体は、電子ビームの形成や偏向機構に悪影響を及ぼすので、堆積した絶縁体は周期的に除去しなければならない。絶縁体の周期的な除去は、絶縁体の堆積する領域の近傍の電極を利用して、真空中で水素や酸素あるいはフッ素、及びそれらを含む化合物ＨＦ、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、ＣＭＦＮなどのプラズマを作り出し、有機物質のみを酸化、水素化、フッ素化により除去することができる。
次に、本発明の電子線装置用いてプロセス途中又はプロセス後に半導体ウエハを評価する工程を含んだ半導体デバイスの製造方法について説明する。
図５６に示すように、半導体デバイス製造方法は、概略的に分けると、ウエハを製造するウエハ製造工程Ｓ５０１、ウエハに必要な加工処理を行うウエハ・プロセッシング工程Ｓ５０２、露光に必要なマスクを製造するマスク製造工程Ｓ５０３、ウエハ上に形成されたチップを１個づつに切り出し、動作可能な状態にするチップ組立工程Ｓ５０４、及び完成したチップを検査するチップ検査工程Ｓ５０５によって構成されている。各工程はそれぞれ、幾つかのサブ工程を含んでいる。
上記各工程の中で、半導体デバイスの製造に決定的な影響を及ぼす工程は、ウエハ・プロセッシング工程Ｓ５０２である。なぜなら、この工程において、ウエハ上に設計された回路パターンが形成され、かつ、メモリやＭＰＵとして動作するチップが多数形成されるからである。
このように半導体デバイスの製造に影響を及ぼすウエハ・プロセッシング工程のサブ工程において実行されたウエハの加工状態を評価することが重要であり、該サブ工程について、以下に説明する。
まず、絶縁層となる誘電体薄膜を形成するとともに、配線部及び電極部を形成する金属薄膜を形成する。薄膜は、ＣＶＤやスパッタリング等により形成される。次いで、形成された誘電体薄膜及び金属薄膜、並びにウエハ基板を酸化し、かつ、マスク製造工程Ｓ５０３によって作成されたマスク又はレチクルを用いて、リソグラフィ工程において、レジスト・パターンを形成する。そして、ドライ・エッチング技術等により、レジスト・パターンに従って基板を加工し、イオン及び不純物を注入する。その後、レジスト層を剥離し、ウエハを検査する。
このようなウエハ・プロセッシング工程は、必要な層数だけ繰り返し行われ、チップ組立工程Ｓ５０４においてチップ毎に分離される前のウエハが形成される。
図５７は、図５６のウエハ・プロセッシング工程のサブ工程であるリソグラフィ工程を示すフローチャートである。図５７に示したように、リソグラフィ工程は、レジスト塗布工程Ｓ５２１、露光工程Ｓ５２２、現像工程Ｓ５２３、及びアニール工程Ｓ５２４を含んでいる。
レジスト塗布工程Ｓ５２１において、ＣＶＤやスパッタリングを用いて回路パターンが形成されたウエハ上にレジストを塗布し、露光工程Ｓ５２２において、塗布されたレジストを露光する。そして、現像工程Ｓ５２３において、露光されたレジストを現像してレジスト・パターンを得、アニール工程Ｓ５２４において、現像されたレジスト・パターンをアニールして安定化させる。これら工程Ｓ５２１〜Ｓ５２４は、必要な層数だけ繰り返し実行される。
このような半導体デバイスの製造工程において、検査が必要な処理工程後に欠陥等の検査を行うが、一般に、電子線を用いた欠陥検査装置は高価であり、またスループットも他のプロセス装置に比べて低いために、最も検査が必要と考えられている重要な工程（例えば、エッチング、成膜、又はＣＭＰ（化学機械研磨）平坦化処理等）の後に使用することが好適である。
このように、本発明による検査処理が高スループットであるマルチビームの電子線装置を用いて、検査が必要な各工程が終了後に欠陥等の検査を行いつつ半導体デバイスを製造するので、半導体デバイスそのものの製造も高スループットで行うことができる。したがって、製品の歩留まりの向上及び欠陥製品の出荷の防止を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係る評価システムの主要構成要素を示す立面図である。
図２は、図１に示した評価システムの主要構成要素の平面図であって、図１の線Ｂ−Ｂに沿って見た図である。
図３は、ウエハ搬送箱とローダーとの関係を示す図である。
図４は、図１のミニエンバイロメント装置を示す断面図であって、図１の線Ｃ−Ｃに沿って見た図である。
図５は、図１のローダハウジングを示す図であって、図２の線Ｄ−Ｄに沿って見た図である。
図６は、ウエハラックの拡大図であって、［Ａ］は側面図であり、［Ｂ］は［Ａ］の線Ｅ−Ｅに沿って見た断面図である。
図７の［Ａ］及び［Ｂ］は、主ハウジングの支持方法の変形例を示す図である。
図８は、図１に示した評価システムに適用可能な本発明に係る電子線装置の一実施形態を示す概略図である。
図９の［Ａ］及び［Ｂ］はそれぞれ、図８に示した電子線装置の一次光学系及び二次光学系に使用されているマルチ開口板の開口の位置関係、及び一次電子線の走査方式を示す図である。
図１０の［Ａ］及び［Ｂ］はそれぞれ、本発明に係る電子線装置に適用可能なＥ×Ｂ分離器の実施形態を示す図である。
図１１は、本発明に係る電子線装置に適用可能な電位印加機構を示す図である。
図１２は、本発明に係る電子線装置に適用可能な電子ビームキャリブレーション機構を説明する図であって、［Ａ］は側面図であり、［Ｂ］は平面図である。
図１３は、本発明に係る電子線装置に適用可能なウエハのアライメント制御装置の概略説明図である。
図１４は、従来例の電子線装置におけるＸＹステージと電子光学系の荷電ビーム照射部との関係を表す図である。
図１５は、図１４に示したＸＹステージの底部の状態を示す図である。
図１６は、本発明に係る電子線装置に適用可能な一実施形態のＸＹステージと電子光学系の荷電ビーム照射部との関係を表す図である。
図１７は、本発明に係る電子線装置に適用可能な別の実施形態のＸＹステージと電子光学系の荷電ビーム照射部との関係を表す図である。
図１８は、本発明に係る電子線装置に適用可能なさらに別の実施形態のＸＹステージと電子光学系の荷電ビーム照射部との関係を表す図である。
図１９は、本発明に係る電子線装置に適用可能な他の実施形態のＸＹステージと電子光学系の荷電ビーム照射部との関係を表す図である。
図２０は、本発明に係る電子線装置に適用可能なさらに他の実施形態のＸＹステージと電子光学系の荷電ビーム照射部との関係を表す図である。
図２１は、本発明に係る電子線装置に適用可能な別の実施形態のＸＹステージと電子光学系の荷電ビーム照射部との関係を表す図である。
図２２は、図２１に示した実施形態に設けられる作動排出機構を示す図である。
図２３は、図２１に示した実施形態に設けられるガスの循環配管機構を示す図である。
図２４は、ウエハ上のアラインメントマークとマルチビームの走査領域との関係を示す説明図である。
図２５は、最適なビーム径設定のための、ビーム電流Ｉ、ＭＴＦ、ＭＴＦ２、ＭＴＦ２Ｉとビーム径Ｄ／最小線幅ｄとの関係を示すグラフである。
図２６は、試料であるウエハの断面構造を例示する図である。
図２７の［Ａ］及び［Ｂ］はそれぞれ、電子のランディングエネルギと二次量子発生効率の関係を示すグラフである。
図２８は、本発明に係る、ウエハに対する電子線調整を説明するための図である。
図２９の［Ａ］及び［Ｂ］はそれぞれ、２つの絶縁体それぞれに対するランディングエネルギと二次電子発生効率の関係を示すグラフである。
図３０は、本発明に係るウエハ上の電子線の走査方法を説明するための図である。
図３１は、本発明に係るウエハ上の電子線の他の走査方法を説明するための図である。
図３２は、本発明に係るウエハ上の電子線のさらに他の走査方法を説明するための図である。
図３３は、本発明に係る電子線装置の別の実施形態を示す概略図である。
図３４は、図３３に示した電子線装置における電子銃から放出される電子線を光軸に直交するＸ−Ｙ平面上で示した断面図である。
図３５は、走査方向に平行の４つの電子線の位置を設計するための説明図である。
図３６は、本発明に係る電子線装置のさらに別の実施形態を示す概略図である。
図３７は、電子銃から放射される電子の強度分布を示すグラフである。
図３８の［Ａ］及び［Ｂ］はそれぞれ、図３６に示した電子線装置における開口板電極の２つの例を示す斜視図である。
図３９は、図３６に示した電子線装置における開口電極の他の例を示す平面図である。
図４０は、本発明に係る電子線装置の他の実施形態を示す概略図である。
図４１は、本発明に係る電子線装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。
図４２は、本発明に係る電子線装置の別の実施形態を示す概略図である。
図４３は、本発明に係る電子線装置のさらに別の実施形態を示す概略図である。
図４４は、Ｅ×Ｂ分離器の作用を説明するための説明図である。
図４５は、Ｅ×Ｂ分離器の一次電子線に作用する力を示す説明図である。
図４６は、Ｅ×Ｂ分離器の二次電子線に対する力を示す説明図である。
図４７は、本発明に係る電子線装置の他の実施形態を示す概略図である。
図４８は、本発明に係る電子線装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。
図４９〜図５１はそれぞれ、本発明に係る、電子線装置を複数配置した場合の実施形態を説明するための図である。
図５２は、本発明に係る評価方法を示すフローチャートである。
図５３は、本発明に係る半導体デバイスの製造方法を示すフローチャートである。
図５４は、図５３に示した工程のうちのリソグラフィ工程の詳細を示すフローチャートである。TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for inspecting a surface property of a sample such as a wafer using a plurality of electron beams. More specifically, the present invention irradiates a sample with an electron beam, such as defect detection and line width measurement of a wafer in a semiconductor manufacturing process, and captures secondary electrons that change according to the surface properties. The present invention relates to an electron beam apparatus for forming image data and evaluating a pattern or the like formed on a sample surface at a high throughput based on the image data, a semiconductor device evaluation system using the apparatus, and a semiconductor device manufacturing method. . In this specification, “evaluation” of a sample includes any “inspection” such as defect detection and line width measurement of the sample.
Background art
In the semiconductor process, the design rule is approaching the era of 100 nm, and the production form is shifting from small-kind mass production typified by DRAM to multi-kind small production such as SOC (Silicon on Chip). As a result, the number of manufacturing steps increases, and it is essential to improve the yield for each step, and defect inspection due to the process becomes important.
As semiconductor devices become more highly integrated and patterns become finer, high-resolution and high-throughput inspection apparatuses are required. In order to inspect a wafer for a 100 nm design rule for defects, a resolution of 100 nm or less is required, and an increase in the number of manufacturing processes due to high integration of devices increases the amount of inspection. Therefore, high throughput is required. In addition, as devices become more multi-layered, inspection devices are also required to have a function of detecting a contact failure (electrical defect) of a via connecting an interlayer wiring. At present, optical defect inspection equipment is mainly used, but in terms of resolution and contact failure inspection, defect inspection equipment that uses electron beams instead of optical defect inspection equipment will become mainstream in the future. Expected to be. However, the electron beam type defect inspection apparatus also has a weak point, which is inferior to the optical type in terms of throughput. Therefore, development of an electron beam type inspection apparatus capable of high resolution, high throughput, and capable of detecting an electrical defect is required.
It is said that the resolution in the optical system is limited to の of the wavelength of the light used, and is about 0.2 μm in the case of a practically used visible light. On the other hand, in a method using an electron beam, a scanning electron beam method (SEM method) is usually put into practical use, and the resolution is 0.1 μm and the inspection time is 8 hours / sheet (20 cm wafer). An important feature of the electron beam method is that it can also inspect for electrical defects (such as disconnection of wiring, poor conduction, poor conduction of vias, etc.). However, as described above, development of a defect inspection apparatus having a very long inspection time and a high inspection speed is expected. In addition, since an electron beam type inspection apparatus is expensive and has a low throughput as compared with other process apparatuses, generally, after an important step at present, for example, etching, film formation (including copper plating), or It is used after a CMP (chemical mechanical polishing) flattening process.
A scanning (SEM) inspection apparatus using an electron beam will be described. The SEM type inspection apparatus irradiates the wafer in a line by scanning the electron beam while narrowing the electron beam (this beam diameter corresponds to the resolution). On the other hand, the observation region is irradiated with the electron beam in a planar shape by moving the stage in a direction perpendicular to the scanning direction of the electron beam. The scanning width of the electron beam is generally several 100 μm. A secondary electron from the wafer generated by irradiation of an electron beam (referred to as a primary electron beam), which is narrowed down, is detected by a detector (scintillator + photomultiplier (photomultiplier tube)) or a semiconductor detector (PIN diode type). ) Etc.). The coordinates of the irradiation position and the amount of secondary electrons (obtained as signal intensity) are combined to form an image, stored in a storage device, or output on a monitor such as a CRT (CRT). The above is the principle of the scanning electron microscope (SEM), and a defect of a semiconductor (usually Si) wafer in the process is detected from an image obtained by this method. The inspection speed (corresponding to the throughput) is determined by the amount (current value) of the primary electron beam, the beam diameter, and the response speed of the detector. A beam diameter of 0.1 μm (which may be considered to be the same as the resolution), a current value of the primary electron beam of 100 nA, and a response speed of the detector of 100 MHz are the current maximum values. It is said that about 8 hours per sheet. As described above, the fact that the inspection speed is extremely slow (1/20 or less) as compared with light is a major problem (defect).
In addition, when the beam current is increased to increase the throughput, the wafer having the insulating film on the surface has a problem that the wafer is charged and a good SEM image cannot be obtained.
As another method for improving the inspection speed, which is a drawback of the SEM method, an SEM (multi-beam SEM) method and apparatus using a plurality of electron beams is disclosed. In this conventional system and apparatus, the inspection speed can be improved by the number of a plurality of electron beams, but a plurality of primary electron beams are obliquely incident, and a plurality of secondary electron beams from the wafer are obliquely extracted. As for the secondary electrons emitted from the wafer, only those emitted in an oblique direction are picked up by the detector. Further, there is a problem that a shadow is formed on an image, and it is difficult to separate each secondary electron from a plurality of electron beams, and the secondary electrons are mixed with each other.
Furthermore, in an evaluation system using a multi-beam type electron beam apparatus, almost no interaction between the electron beam apparatus and other subsystems has been proposed so far. No complete system has been proposed. Further, the size of the wafer to be inspected has been increased, and it is necessary that the subsystem be able to cope with the increase in the size of the wafer. However, this point has not been proposed.
Disclosure of the invention
The present invention has been made in view of such problems of the conventional example, and an object of the present invention is to provide an evaluation system using an SEM type electron beam apparatus using a multi-beam, and to reduce the throughput of an inspection process. It is to provide an evaluation system that can be improved.
Another object of the present invention is to provide an SEM type electron beam apparatus using a multi-beam, which can improve the inspection processing throughput and the detection accuracy.
Another object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method capable of evaluating a semiconductor wafer during or after a process by using such an electron beam apparatus or an evaluation system.
In order to achieve the above-described object, the present invention generally describes a method in which a primary electron beam is formed into a plurality of beams, that is, a multi-beam. An electron beam is vertically incident on the sample surface through a filter (Wien filter), and secondary electrons emitted from the sample are separated from the primary electron beam by an E × B filter and taken out obliquely with respect to the axis of the primary electron beam. Further, an image is formed or condensed on a detection system by a lens system. Then, the stage is moved in a direction perpendicular to the scanning direction of the primary electron beam (X-axis direction) (Y-axis direction) to obtain a continuous image.
When the primary electron beam passes through the E × B filter, a condition (Wien condition) is set in which the force of the electron beam from the electric field and the intensity from the magnetic field are equal in the opposite direction, and the primary electron beam goes straight. On the other hand, the secondary electron is bent from the axial direction of the primary electron beam because the direction of the electric and magnetic fields acting on the secondary electron becomes the same because the direction is opposite to the direction of the primary electron beam. As a result, the primary electron beam and the secondary electron beam are separated. When the electron beam passes through the E × B filter, the aberration in the case where the electron beam is bent is larger than when the electron beam is straight. Therefore, the primary electron beam which requires high accuracy is caused to travel straight, and the relatively high accuracy is not required. The optical system is designed to bend the secondary electron beam.
As a detection system, a detector corresponding to each of a plurality of primary electron beams is provided, and secondary electrons from the corresponding primary electron beam always enter the corresponding detector by the imaging system. It is set as follows. For this reason, it is possible to reduce mixing of signals, that is, crosstalk. As the detector, a scintillator and a photomultiplier (photomultiplier) may be used, or a PIN diode (semiconductor detector) or the like may be used. In the electron beam apparatus according to one embodiment of the present invention, for example, a beam diameter of 0.1 μm and a beam current of 20 nA per beam are obtained for each of 16 primary electron beams. The current value is three times that of the current device.
In the electron gun used in the electron beam apparatus according to the present invention, a thermionic beam source is used as the electron beam source. The electron emission (emitter) material is LaB6It is. As long as the material has a high melting point (low vapor pressure at high temperature) and a small work function, other materials can be used. Two methods are used to obtain a plurality of electron beams. One method is to extract one electron beam from one emitter (one projection) and pass it through a thin plate (opening plate) with multiple holes to obtain multiple electron beams. In this method, a plurality of projections are formed on one emitter, and a plurality of electron beams are directly extracted from these projections. In any case, the property that the electron beam is easily emitted from the tip of the projection is used. An electron beam from another type of electron beam source, for example, an electron beam of the thermal field emission type can also be used. A thermionic electron beam source is a method of emitting electrons by heating an electron-emitting material. A thermal field emission electron beam source emits electrons by applying a high electric field to the electron-emitting material, and further emits electrons. This is a method in which electron emission is stabilized by heating the line emission unit.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of an evaluation system according to the present invention will be described with reference to the drawings, in which a semiconductor substrate having a pattern formed on its surface, that is, a wafer, is evaluated as an inspection sample. It is needless to say that the present invention can be applied to evaluation of a sample other than a wafer.
1 and 2 are an elevation view and a plan view showing main components of an evaluation system 1 according to an embodiment of the present invention. The evaluation system 1 is disposed between a cassette holder 10 that holds a cassette containing a plurality of wafers, a mini-environment device 20, a main housing 30, and a mini-environment device 20 and the main housing 30. A loader housing 40 defining two loading chambers, a loader 60 for loading a wafer from the cassette holder 10 onto a stage device 50 disposed in the main housing 30, and a wafer disposed in the main housing 30. A stage device 50 for mounting and moving the wafer W thereon, and an electron optical system 70 attached to the main housing 30 are arranged in a positional relationship as shown in FIGS. . The evaluation system 1 further includes a precharge unit 81 arranged in the vacuum main housing 30, a potential application mechanism 83 (shown in FIG. 11) for applying a potential to the wafer, and an electron beam calibration mechanism 85 (FIG. 12). And an optical microscope 871 which constitutes an alignment control device 87 for positioning the wafer on the stage device 50.
Hereinafter, the configuration of each of the main elements (subsystems) of the evaluation system 1 will be described in detail.
Cassette holder 10
The cassette holder 10 includes a plurality of cassettes c (for example, closed cassettes such as SMIF and FOUP manufactured by Assist Co., Ltd.) in which a plurality of (for example, 25) wafers are stored in parallel in a vertical direction. In this embodiment, two cassettes are held. When the cassette is conveyed by a robot or the like and automatically loaded into the cassette holder 10, the cassette holder has a structure suitable for the cassette holder. When the cassette is manually loaded, an open cassette structure suitable for the same is used. Can be selected and installed arbitrarily. In this embodiment, the cassette holder 10 is of a type in which the cassette c is automatically loaded, and includes, for example, an elevating table 11 and an elevating mechanism 12 for moving the elevating tail 11 up and down. The cassette c can be automatically loaded in the state shown by the chain line in FIG. 2 on the elevating table. After loading, the cassette c is automatically rotated to the state shown by the solid line in FIG. It is directed to the rotation axis of the first transport unit. Further, the elevating table 11 is lowered to a state shown by a chain line in FIG. As described above, the cassette holder used for automatic loading or the cassette holder used for manual loading may be appropriately selected from known structures and used. A detailed description of the function is omitted here.
In another embodiment, as shown in FIG. 3, a plurality of 300 mm wafers W are housed in a groove-type pocket (not shown) fixed inside the box body 501, and are transported and stored. is there. The substrate transport box 24 is connected to a rectangular cylindrical box body 501 and an automatic opening / closing device for the substrate transport door, and a substrate transport door 502 that can mechanically open and close the side opening of the box body 501; The cover 503 is located on the side opposite to the opening and covers the opening for attaching and detaching the filters and the fan motor, and the groove-shaped pocket 507 for holding the wafer W. In this embodiment, the wafer is loaded and unloaded by the robotic transfer unit 61 of the loader 60.
Note that the wafer stored in the cassette c is performed after or during the process of processing the wafer in the semiconductor manufacturing process. Specifically, a wafer subjected to a film forming process, CMP, ion implantation, etc., a wafer having a wiring pattern formed on its surface, or a wafer having no wiring pattern yet formed is housed in the cassette c for inspection. Is done. A large number of wafers accommodated in the cassette c are arranged side by side in parallel with each other vertically separated from each other so that a wafer at an arbitrary position in the cassette can be held by a first transfer unit described later. Further, the arm of the first transport unit can be moved up and down.
Mini-environment device 20
FIG. 4 is an elevational view of the mini-environment device 20 viewed from a direction different from FIG. As shown in FIG. 4 and FIGS. 1 and 2 described above, the mini-environment device 20 includes a housing 22 defining a mini-environment space 21 whose atmosphere is controlled, and a clean air within the mini-environment space 21. A gas circulating device 23 for circulating gas and controlling the atmosphere, a discharging device 24 for collecting and discharging a part of the air supplied to the mini-environment space 21, And a pre-aligner 25 which is provided and roughly positions a wafer as a sample.
The housing 22 has a top wall 221, a bottom wall 222, and a peripheral wall 223 surrounding four circumferences, and has a structure that blocks the mini-environment space 21 from the outside. In order to control the atmosphere of the mini-environment space 21, the gas circulation device 23 is mounted downward on the top wall 221 in the mini-environment space 21 as shown in FIG. And a gas supply unit 231 that cleanly flows the clean air in a laminar flow directly downward through one or more gas outlets (not shown) and a bottom wall 222. , A collection duct 232 for collecting the air flowing down to the bottom, and a conduit 233 connecting the collection duct 232 and the gas supply unit 231 to return the collected air to the gas supply unit 231.
In this embodiment, the gas supply unit 231 is configured to take in about 20% of the supplied air from outside the housing 22 to clean the atmosphere of the mini-environment space 21. However, the proportion of the gas introduced from the outside can be arbitrarily selected. The gas supply unit 231 includes a HEPA or ULPA filter having a known structure for producing clean air. The laminar downward flow of the clean air, that is, the downflow, is mainly supplied so as to flow through a transfer surface of a first transfer unit described later disposed in the mini-environment space 21, whereby the transfer is performed. Prevents dust that may be generated by the unit from adhering to the wafer. Therefore, the ejection port for the downflow does not necessarily need to be located at a position close to the top wall as shown in the figure, but may be located above the transport surface of the transport unit. Also, there is no need to flow over the entire mini-environment space. In some cases, the cleanliness can be improved by using ion wind as clean air. Further, a sensor for observing the cleanliness is provided in the mini-environment space, and when the cleanliness deteriorates, the apparatus can be shut down. An entrance 225 is formed in a portion of the peripheral wall 223 of the housing 22 adjacent to the cassette holder 10. A shutter device having a known structure may be provided near the entrance 225 to close the entrance 225 from the mini-environment device side. The down flow of the laminar flow created near the wafer may be, for example, a flow rate of 0.3 to 0.4 m / sec. The gas supply unit 231 may be provided outside the mini-environment space 21 instead of inside it.
The discharge device 24 includes a suction duct 241 disposed below the transfer unit at a position below a wafer transfer surface of the transfer unit described later, a blower 242 disposed outside the housing 22, a suction duct 241 and the blower. And a conduit 243 for connecting the tub 242. The discharge device 24 sucks a gas containing dust that may flow around the transport unit and may be generated by the transport unit by the suction duct 241, and the outside of the housing 22 through the conduits 243 and 244 and the blower 242. To be discharged. In this case, the air may be discharged into an exhaust pipe (not shown) drawn near the housing 22.
The pre-aligner 25 disposed in the mini-environment space 21 has an orientation flat (referred to as a flat portion formed on the outer periphery of a circular wafer, hereinafter referred to as an orientation flat) formed on the wafer or an outer peripheral edge of the wafer. One or more V-shaped notches or notches formed are detected optically or mechanically and the axis O of the wafer is determined accordingly.1-O1Is pre-positioned with a precision of about ± 1 degree. The pre-aligner 25 constitutes a part of a mechanism for determining coordinates of a wafer, which is a wafer, and is responsible for rough positioning of the wafer. Since the pre-aligner itself may have a known structure, the description of the structure and operation is omitted here. Although not shown, a collection duct for a discharging device may be provided below the pre-aligner 25 to discharge air containing dust discharged from the pre-aligner 25 to the outside.
Main housing 30
As shown in FIGS. 1 and 2, the main housing 30 that defines the working chamber 31 includes a housing main body 32, and the housing main body 32 is provided with a vibration isolator or vibration isolator disposed on a base frame 36. It is supported by a housing support device 33 mounted on 37. The housing support device 33 includes a rectangular frame structure 331. The housing body 32 is disposed and fixed on the frame structure 331, and is connected to the bottom wall 321 placed on the frame structure, the top wall 322, the bottom wall 321 and the top wall 322, and surrounds four circumferences. And a peripheral wall 323 to isolate the working chamber 31 from the outside. In this embodiment, the bottom wall 321 is made of a relatively thick steel plate so as not to generate distortion due to a load by a device such as the stage device 50 mounted thereon, but other appropriate structures It may be. In this embodiment, the housing 32 body and the housing support device 33 are assembled in a rigid structure, and the vibration from the floor on which the base frame 36 is installed is transmitted to the rigid structure. It is blocked at 37. In the peripheral wall 323 of the housing 32, an entrance / exit 325 for taking in / out a wafer is formed on a peripheral wall adjacent to the loader housing 40.
The vibration isolator 37 may be an active type having an air spring, a magnetic bearing, or the like, or a passive type having these components. Since any of them may have a general-purpose structure, the description of the structure and functions will be omitted. The working chamber 31 is maintained in a vacuum atmosphere by a general-purpose vacuum device (not shown). The control device 2 that controls the operation of the entire evaluation system 1 is disposed below the base frame 36.
In the evaluation system 1, various housings including the main housing 30 are evacuated, and the evacuation system for that purpose is constituted by a vacuum pump, a vacuum valve, a vacuum gauge, a vacuum pipe, and the like. The optical system, the detector section, the wafer chamber, the load lock chamber, and the like are evacuated according to a predetermined sequence. In each part, a vacuum valve is controlled so as to achieve a required degree of vacuum. Then, the degree of vacuum is monitored at all times, and in the case of an abnormality, emergency control for shutting off between the chambers or between the chamber and the exhaust system by an isolation valve or the like is performed by an interlock function to secure a necessary degree of vacuum in each unit. As a vacuum pump, a turbo molecular pump is used for main exhaust, and a Roots type dry pump is used for roughing. The pressure at the inspection place (electron beam irradiation part) is 10-3-10-5Pa, preferably 10 which is one digit lower than that.-4-10-6Pa is practical.
Loader housing 40
FIG. 5 shows an elevational view of the loader housing 40 viewed from a different direction from FIG. As shown in FIG. 5 and FIGS. 1 and 2, the loader housing 40 includes a housing main body 43 that defines a first loading chamber 41 and a second loading chamber 42. The housing main body 43 has a bottom wall 431, a top wall 432, a peripheral wall 433 surrounding four circumferences, and a partition wall 434 that partitions the first loading chamber 41 and the second loading chamber 42. The loading chamber is isolated from the outside. The partition wall 434 has an opening, ie, an entrance 435, for transferring the wafer W between the two loading chambers. Entrance ports 436 and 437 are formed in a portion of the peripheral wall 433 adjacent to the mini-environment device 20 and the main housing 30. The housing body 43 of the loader housing 40 is mounted and supported on a frame structure 331 of the housing support device 33. Therefore, floor vibration is not transmitted to the loader housing 40.
Although the entrance 436 of the loader housing 40 and the entrance 226 of the housing 22 of the mini-environment device 20 are aligned, the communication between the mini-environment space 21 and the loading chamber 41 is selected between the entrances 436, 226. There is provided a shutter device 27 for preventing the movement. The shutter device 27 includes a seal member 271 that surrounds the entrances 226 and 436 and is fixed in close contact with the side wall 433, and a door that cooperates with the seal member 271 to prevent the flow of air through the entrance. 272 and a driving device 273 for moving the door. Similarly, the access port 437 of the loader housing 40 and the access port 325 of the housing body 32 of the main housing 30 are aligned, but communication between the loading chamber 42 and the working chamber 31 is provided between the access ports 436, 325. A shutter device 45 for selectively preventing sealing is provided. The shutter device 45 is in close contact with the side walls 433 and 323 surrounding the entrances 437 and 325, and cooperates with the sealing members 451 and 451 fixed to the side walls to allow the air to flow through the entrances. It has a door 452 for preventing circulation, and a driving device 453 for moving the door. Further, the opening formed in the partition wall 434 is provided with a shutter device 46 that closes the opening by the door 461 and selectively prevents the communication between the first and second loading chambers from being sealed. These shutter devices 27, 45 and 46 are adapted to hermetically seal each chamber when in the closed state. Since these shutter devices may be general-purpose ones, detailed description of their structures and operations is omitted.
Note that the method of supporting the housing 22 of the mini-environment device 20 and the method of supporting the loader housing 40 are different, and the vibration from the floor is prevented from being transmitted to the loader housing 40 and the main housing 30 via the mini-environment device 20. In order to achieve this, a vibration-proof cushioning material that hermetically surrounds the doorway may be disposed between the housing 22 of the mini-environment device 20 and the loader housing 40.
In the first loading chamber 41, a wafer rack 47 that horizontally supports a plurality of (two in this embodiment) wafers W vertically separated from each other is disposed. As shown in FIG. 6, the wafer rack 47 includes columns 472 fixed at four corners of a rectangular substrate 471 in an upright state at a distance from each other, and each column 472 is provided with two-stage support portions 473 and 474, respectively. Then, the peripheral edge of the wafer W is placed and held on the supporting portion. In this manner, with the wafer W mounted thereon, the distal ends of the arms of the first and second transfer units, which will be described later, approach the wafer W from between adjacent columns, the arm grips the wafer, and transfers the wafer. Let it.
The first and second loading chambers 41 and 42 are pumped by a general-purpose vacuum pumping device (not shown) including a vacuum pump to a high vacuum state (with a vacuum degree of 10).-5-10-6The atmosphere is controlled to Pa). In this case, the first loading chamber 41 is maintained in a low vacuum atmosphere as a low vacuum chamber, and the second loading chamber 42 is maintained in a high vacuum atmosphere as a high vacuum chamber, thereby effectively preventing wafer contamination. it can. By employing such a loading housing structure having two loading chambers, the wafer W can be transferred from the loading chamber to the working chamber without delay. By adopting such a loading chamber structure, it is possible to improve the inspection throughput for defects and the like in cooperation with a multi-beam type electron optical system, and furthermore, it is required that the storage state be a high vacuum state. The degree of vacuum around the source can be as high as possible.
A vacuum exhaust pipe and a vent pipe (not shown) for an inert gas (eg, dry pure nitrogen) are connected to the first and second loading chambers 41 and 42, respectively. This achieves inert gas venting (injecting inert gas to prevent oxygen gas other than inert gas from adhering to the surface) at atmospheric pressure in each loading chamber. Since the apparatus itself for performing such inert gas venting may have a general-purpose structure, a detailed description thereof will be omitted.
In the main housing 30 of the present invention using an electron beam, a typical lanthanum hexaboride (LaB) used as an electron source, that is, an electron gun of an electron optical system 70 described later.6In the case of (1) and the like, once heated to a temperature high enough to emit thermoelectrons, it is important not to make contact with oxygen or the like as much as possible in order not to shorten the lifetime. In the present invention, the possibility of contact with oxygen is reduced by performing the above-described atmosphere control at a stage before carrying the wafer W into the working chamber in which the electron optical system 70 of the main housing 30 is disposed. Therefore, the possibility of shortening the life of the electron source is reduced.
Stage device 50
The stage device 50 includes a fixed table 51 disposed on the bottom wall 321 of the main housing 30, a Y table 52 that moves in the Y direction (a direction perpendicular to the plane of FIG. 1) on the fixed table, and a Y table 52 that moves in the Y table. An X table 53 that moves in the X direction (the horizontal direction in FIG. 1), a rotary table 54 that can rotate on the X table, and a holder 55 that is disposed on the rotary table 54 are provided. The wafer W is releasably held on the wafer mounting surface 551 of the holder 55. The holder 55 may have a general-purpose structure capable of releasably holding the wafer W mechanically or by an electrostatic chuck method. The stage device 50 operates the plurality of tables 52 to 54 using a servomotor, an encoder, and various sensors (not shown), and thereby the wafer W held on the holder 55 on the mounting surface 551. In the X, Y, and Z directions (up and down directions in FIG. 1) with respect to the electron beam emitted from the electron optical system 70, and further in the direction (θ direction) around an axis perpendicular to the wafer support surface. Positioning with high accuracy. The positioning in the Z direction may be performed, for example, so that the position of the mounting surface on the holder 55 can be finely adjusted in the Z direction. In this case, the reference position of the mounting surface is detected by a position measuring device (a laser interferometer that uses the principle of an interferometer) using a fine-diameter laser, and the position is controlled by a feedback circuit (not shown). In addition to or instead of this, the position of the notch or the orientation flat of the wafer is measured, the plane position and the rotation position of the wafer with respect to the electron beam are detected, and the rotation table 54 is controlled by being rotated by a stepping motor capable of controlling a small angle. . The wafer W may be directly mounted on the rotary table 54 without providing the holder 55. Servo motors 521 and 531 and encoders 522 and 532 for the stage device 50 are arranged outside the main housing 30 in order to minimize generation of dust in the working chamber 31. The stage device 50 may have a general-purpose structure used in, for example, a stepper and the like, and a detailed description of its structure and operation will be omitted. Further, since the above-mentioned laser interference distance measuring apparatus may have a general-purpose structure, detailed description of its structure and operation will be omitted.
By inputting the rotation position and the XY coordinate position of the wafer W with respect to the electron beam in advance to a signal detection system or an image processing system described later, it is possible to standardize the signal. Further, the wafer chuck mechanism provided in the holder 55 is configured to apply a voltage for chucking the wafer to the electrodes of the electrostatic chuck, and to apply three voltages on the outer peripheral portion of the wafer W (preferably in the circumferential direction, etc.). (Three points separated by a distance). The wafer chuck mechanism includes two fixed positioning pins and one pressing crank pin. The clamp pin is configured so as to realize automatic chucking and automatic release, and constitutes a conductive part for voltage application.
In this embodiment, the table moving in the left-right direction in FIG. 2 is an X table, and the table moving in the vertical direction is a Y table. The table to be moved may be an X table.
Loader 60
The loader 60 includes a robot-type first transfer unit 61 disposed in the housing 22 of the mini-environment device 20 and a robot-type second transfer unit 63 disposed in the second loading chamber 42. Have.
The first transport unit 61 has an axis O with respect to the drive unit 611.1-O1Has a multi-articulated arm 612 that is rotatable about the arm. Although any structure can be used as the multi-joint arm, this embodiment has three parts that are pivotally attached to each other. One portion of the arm 612 of the first transport unit 61, that is, the first portion closest to the drive unit 611, is rotatable by a drive mechanism (not shown) having a general-purpose structure provided in the drive unit 611. 613. The arm 612 has an axis O1-O1About the axis O as a whole due to the relative rotation between the parts.1-O1Is radially stretchable with respect to. At the end of the third portion of the arm 612 farthest from the shaft 613, a gripping device 616 for gripping a wafer such as a general-purpose mechanical chuck or electrostatic chuck is provided. The drive unit 611 can be moved up and down by a general-purpose lifting mechanism 615.
In the first transport unit 61, the arm 612 extends toward one of the directions M1 or M2 (FIG. 2) of the two cassettes c held in the cassette holder 10, and The wafer W stored in the arm is placed on the arm or is gripped and taken out by a chuck (not shown) attached to the tip of the arm. Thereafter, the arm contracts (the state shown in FIG. 2), rotates to a position where the arm can extend in the direction M3 of the pre-aligner 25, and stops at that position. Then, the arm is extended again, and the wafer W held by the arm is placed on the pre-aligner 25. After receiving the wafer from the pre-aligner 25 in the opposite direction, the arm rotates further, stops at a position where the arm can extend toward the first loading chamber 41 (direction M4), and receives the wafer in the first loading chamber 41. The wafer is delivered to 47. When mechanically gripping the wafer, the peripheral edge of the wafer (a range of about 5 mm from the peripheral edge) is gripped. This is because devices (circuit wiring) are formed on the entire surface of the wafer except for the peripheral portion, and if a portion other than the peripheral portion is gripped, device destruction and defects occur.
The second transfer unit 63 also has basically the same structure as the first transfer unit 61, and only transfers the wafer W between the wafer rack 47 and the mounting surface of the stage device 50. Only a difference will be described, and a detailed description will be omitted.
The first and second transfer units 61 and 63 transfer the wafers from the cassette c held in the cassette holder onto the stage device 50 disposed in the working chamber 31 and vice versa. Perform while keeping The arms of the transfer units 61 and 63 move up and down simply by taking out and inserting the wafer from the cassette c, placing and taking out the wafer on the wafer rack, and the stage device 50. Only when loading and unloading wafers from and to. Therefore, even a large wafer having a diameter of, for example, 30 cm can be smoothly moved.
Here, in the evaluation system 1 having the above configuration, the transfer of the wafer from the cassette c supported by the cassette holder 10 to the stage device 50 disposed in the working chamber 31 will be described in order.
As described above, the cassette holder 10 has a structure suitable for manually setting a cassette, and a structure suitable for automatically setting a cassette. In this embodiment, when the cassette c is set on the elevating table 11 of the cassette holder 10, the elevating table 11 is lowered by the elevating mechanism 12, and the cassette c is aligned with the entrance 225. When the cassette is aligned with the entrance 225, a cover (not shown) provided on the cassette c is opened, and a cylindrical cover is disposed between the cassette c and the entrance 225 of the mini-environment device 20. Then, the cassette and the mini-environment space 21 are shut off from the outside. Since these structures are general-purpose ones, detailed description of their structures and operations is omitted. When a shutter device for opening and closing the entrance 225 is provided on the mini-environment device 20 side, the shutter device operates to open the entrance 225.
On the other hand, the arm 612 of the first transport unit 61 is stopped in a state facing one of the directions M1 and M2 (in this description, the direction of M1), and when the entrance 225 is opened, the arm extends. One of the wafers stored in the cassette c is received at the leading end. In this embodiment, the vertical position adjustment of the arm and the wafer to be taken out of the cassette is performed by the vertical movement of the drive unit 611 and the arm 612 of the first transfer unit 61. It may be performed by moving the table up and down, or both.
When the reception of the wafer by the arm 612 is completed, the arm contracts, the shutter device operates to close the doorway (if there is a shutter device), and then the arm 612 moves to the axis O.1-O1, And can be extended in the direction M3. Then, the wafer with the arm extended and mounted on the tip or held by the chuck is mounted on the pre-aligner 25, and the pre-aligner adjusts the direction of rotation of the wafer (the direction around the central axis perpendicular to the wafer plane). Position within a predetermined range. When the positioning is completed, the first transfer unit 61 contracts the arm after receiving the wafer from the pre-aligner 25 at the tip of the arm 612, and takes a posture in which the arm can be extended in the direction M4. Then, the door 272 of the shutter device 27 moves to open the entrances 226 and 436, and the arm 612 extends to place the wafer on the upper or lower side of the wafer rack 47 in the first loading chamber 41. Before the shutter device 27 is opened and the wafer is transferred to the wafer rack 47, the opening 435 formed in the partition wall 434 is closed in an airtight state by the door 461 of the shutter device 46.
In the process of transferring a wafer by the first transfer unit 61 described above, clean air flows from the gas supply unit 231 provided in the housing body 22 of the mini-environment device 20 in a laminar flow (as a down flow), and during the transfer. Prevents dust from adhering to the upper surface of the wafer. Part of the air around the transfer unit (in this embodiment, air that is mainly contaminated with about 20% of the air supplied from the supply unit) is sucked from the suction duct 241 of the discharge device 24 and discharged to the outside of the housing. Is done. The remaining air is collected through a collection duct 232 provided at the bottom of the housing body 22 and returned to the gas supply unit 231 again.
When a wafer is placed on the wafer rack 47 in the first loading chamber 41 of the loader housing 40 by the first transfer unit 61, the shutter device 27 closes to seal the loading chamber 41. Then, after the air is expelled into the loading chamber 41 and filled with the inert gas, the inert gas is also discharged, and the inside of the loading chamber 41 becomes a vacuum atmosphere. The vacuum atmosphere of the loading chamber 41 may be a low vacuum. When a certain degree of vacuum is obtained in the loading chamber 41, the shutter device 46 is operated to open the entrance 434 sealed by the door 461, and then the arm 632 of the second transfer unit 63 is extended to hold the tip holding device. Receives one wafer from the wafer receiver 47 (placed on the tip or gripped by a chuck attached to the tip). When the wafer is completely received, the arm contracts, the shutter device 46 operates again, and the door 461 is closed by the door 461. Before the shutter device 46 is opened, the arm 632 is in a posture in which it can be extended in the direction N1 of the wafer rack 47 in advance. Further, as described above, before the shutter device 46 is opened, the doorways 452 of the shutter device 45 close the doorways 437 and 325 to prevent communication between the second loading chamber 42 and the working chamber 31. The inside of the second loading chamber 42 is evacuated.
When the shutter device 46 closes the entrance 435, the second loading chamber 42 is evacuated again, and is evacuated to a higher degree of vacuum than the first loading chamber 41. Meanwhile, the arm of the second transfer unit 61 is rotated to a position where the arm can extend toward the stage device 50 in the working chamber 31. On the other hand, in the stage device 50 in the working chamber 31, the Y table 520-X0Is the rotation axis O of the second transport unit 632-O2X axis passing through1-X1The X table 53 is moved upward in FIG. 2 to a position substantially corresponding to the position shown in FIG. 2, and is moved to a position where the X table 53 approaches the leftmost position in FIG. 2, and stands by in this state. When the second loading chamber 42 becomes substantially the same as the vacuum state of the working chamber 31, the door 452 of the shutter device 45 moves to open the entrances 437 and 325, the arm extends, and the tip of the arm holding the wafer is moved to the working chamber. It approaches the stage device 50 in 31. Then, the wafer W is mounted on the mounting surface 551 of the stage device 50. When the mounting of the wafer is completed, the arm contracts, and the shutter device 45 closes the entrances 437 and 325.
The operation up to the transfer and mounting of the wafer W in the cassette c on the mounting surface 551 of the stage device 50 has been described above. In order to return the wafer W having undergone the inspection processing from the stage device 50 to the cassette c, the operation reverse to that described above is performed. Further, since a plurality of wafers are placed on the wafer rack 47, the first transfer unit 63 transfers the wafer between the wafer rack 47 and the stage device 50 while the second transfer unit 63 transfers the wafer. Can transfer wafers between the cassette c and the wafer rack 47. Therefore, the inspection processing can be performed efficiently.
Specifically, when there are already processed wafers A and unprocessed wafers B in the wafer rack 47 of the second transfer unit, (1) first, the unprocessed wafers B are moved to the stage device 50. , Start the process. (2) During this processing, the processed wafer A is moved from the stage device 50 to the wafer rack 47 by the arm, another unprocessed wafer C is similarly extracted from the wafer rack by the arm, and positioned by the pre-aligner. Move to the wafer rack 47 of the loading chamber 41. By doing so, in the wafer rack 47, the processed wafer A can be replaced with the unprocessed wafer C during the processing of the wafer B.
In addition, depending on the use of such an apparatus for performing inspection and evaluation, a plurality of stage devices 50 are arranged in parallel, and a plurality of wafers are moved from one wafer rack 47 to each stage device. The same can be handled.
FIGS. 7A and 7B show a modification of the method of supporting the main housing 30. In the modification shown in FIG. 7A, the housing support device 33a is made of a thick rectangular steel plate 331a, and the housing main body 32a is mounted on the steel plate. Therefore, the bottom wall 321a of the housing body 32a has a thinner structure than the bottom wall of the embodiment of FIG. In the modification shown in FIG. 7B, the housing body 32b and the loader housing 40b are supported in a suspended state by the frame structure 336b of the housing support device 33b. Lower ends of the plurality of vertical frames 337b fixed to the frame structure 336b are fixed to four corners of a bottom wall 321b of the housing main body 32b, and the bottom wall supports the peripheral wall and the top wall. The vibration isolator 37b is disposed between the frame structure 336b and the base frame 36b. The loader housing 40 is also suspended by a suspension member 49b fixed to the frame structure 336. In the modification shown in FIG. 7B, since the main housing 30b is supported in a hanging manner, the center of gravity of the main housing 30b and various devices provided therein can be lowered. The method of suspending and supporting the main housing and the loader housing is preferable because vibrations from the floor are not transmitted to these.
In another variant, not shown, only the housing body of the main housing is supported from below by the housing support device, and the loader housing is arranged on the floor in the same manner as the adjacent mini-environment device. In yet another variant not shown, only the housing body of the main housing is suspended from the frame structure and the loader housing is arranged on the floor in the same manner as the adjacent mini-environment device.
Electron optical system 70
An electron optical system 70 provided in the electron beam apparatus includes a lens barrel 71 fixed to the housing main body 32, in which a primary electron optical system (hereinafter, referred to as a “primary optical system”) and a secondary electron optical system are included. A system (hereinafter, “secondary optical system”) and a detection system are arranged.
FIG. 8 is a schematic diagram showing an embodiment of such an electron optical system 70, in which 72 is a primary optical system, 74 is a secondary optical system, and 76 is a detection system. Note that FIG. 8 also shows the stage device 50 on which the wafer W is mounted and the scanning signal generation circuit 764 which is a part of the control device. The primary optical system 72 is an optical system that irradiates an electron beam to the surface of the wafer W as a sample, and includes an electron gun 721 that emits an electron beam and an electrostatic lens that focuses the primary electron beam emitted from the electron gun 721. That is, a condenser lens 722, a multi-aperture plate 723 disposed below the condenser lens 722 and formed with a plurality of apertures, for forming a primary electron beam into a plurality of primary electron beams, that is, a multi-beam, A reduction lens 724 that is an electrostatic lens for reduction, a Wien filter, that is, an E × B separator 725, and an objective lens 726 are provided. These are arranged in order with the electron gun 721 at the top as shown in FIG. 8, and furthermore, such that the optical axis of the primary electron beam emitted from the electron gun is irradiated orthogonally to the surface of the wafer W. Is set.
In order to eliminate the influence of the field curvature aberration of the reduction lens 724 and the objective lens 726, a plurality (nine in this embodiment) of openings 723a formed in the multi-aperture plate 723 are formed as shown in FIG. Are formed on the circumference of a circle centered on the optical axis, and the openings are arranged such that the distance Lx in the X direction between the projected images on the X axis is the same.
The secondary optical system 74 includes magnifying lenses 741 and 742, which are two-stage electrostatic lenses that pass secondary electrons separated from the primary optical system by the E × B separator 725, and a multi-aperture detection plate 743. I have. The openings 743a formed in the multi-aperture detection plate 743 are disposed so as to correspond one-to-one with the openings 723a formed in the multi-aperture plate 723 of the primary optical system, as shown in FIG. I have.
The detection system 76 corresponds to the plurality of openings 743a of the multi-aperture detection plate 743 of the secondary optical system 74, and is provided with a plurality of (nine in this embodiment) detectors 761 arranged in close proximity thereto. An image processing unit 763 electrically connected to the detector 761 via an A / D converter 762 is provided. The image processing unit 763 does not need to be physically located in the electron optical system 70.
Next, the operation of the electron optical system 70 having the above configuration will be described. The primary electron beam emitted from the electron gun 721 is focused by the condenser lens 722 of the primary optical system 72 to form a crossover at the point P1. The primary electron beam focused by the condenser lens 722 passes through the plurality of openings 723a of the multi-aperture plate 723 to form a plurality of primary electron beams. These primary electron beams are reduced by the reduction lens 724, It is projected on the position P2. After focusing at the position P2, focusing is further performed on the surface of the wafer W by the objective lens 726. At this time, the primary electron beam is deflected by the deflector 727 disposed between the reduction lens 724 and the objective lens 726 so as to scan the surface of the wafer W. A scanning signal is applied to the deflector 727, and deflection scanning of the primary electron beam is executed based on the scanning signal.
A method of irradiating a primary electron beam by the primary optical system 72 will be described with reference to FIG. In the example of this figure, an example in which four primary electron beams 101, 102, 103, and 104 are used will be described for the sake of simplicity. Each electron beam scans a width of 50 μm. Taking the electron beam 101 as an example, first, the electron beam 101 scans rightward from the left end, returns to the right end immediately after arriving at the right end, and scans rightward again. As described above, since the wafer surface is simultaneously scanned by the four electron beams, the throughput is improved.
Plural points on the wafer W are irradiated with a plurality of focused primary electron beams (nine in the embodiment of FIG. 8), and secondary electrons are emitted from the plurality of irradiated points. The secondary electrons are attracted by the electric field of the objective lens 726, are narrowly focused, are deflected by the E × B separator 725, and are input to the secondary optical system 74. When viewed from the E × B separator 725, the image formed by the secondary electrons is focused at a position P3 closer to the position P2. This is because the primary electron beam has an energy of about 500 eV on the wafer surface, while the secondary electron has only an energy of about several ev.
Here, the E × B separator 725 will be described with reference to FIG. FIG. 10A shows an example of an E × B separator that can be used in the electron optical system 70 of the present invention. This separator is composed of an electrostatic deflector and an electromagnetic deflector, and in FIG.1It is shown as a cross section on an XY plane orthogonal to (the axis perpendicular to the drawing). The X-axis direction and the Y-axis direction are orthogonal to each other.
The electrostatic deflector includes a pair of electrodes (electrostatic deflection electrodes) 7251 provided in a vacuum container, and generates an electric field in the X-axis direction. These electrostatic deflection electrodes 7251 are attached to a vacuum wall 7253 of a vacuum vessel via insulating spacers 7252, and the distance Dp between these electrodes is smaller than the length 2Lp of the electrostatic deflection electrodes 7251 in the Y-axis direction. Is set. With such a setting, the Z axis, that is, the optical axis OA1Can be relatively large in the range in which the electric field strength is uniform around D. Ideally, if Dp <Lp, the range in which the electric field strength is uniform can be made larger.
That is, since the electric field intensity is not uniform in the range of Dp / 2 from the end of the electrode, the region where the electric field intensity is almost uniform is the 2Lp-Dp region at the center excluding the uneven end region. Become. For this reason, in order for a region having a uniform electric field intensity to exist, it is necessary to satisfy 2Lp> Dp, and by setting Lp> Dp, the region having a uniform electric field intensity becomes larger.
An electromagnetic deflector for generating a magnetic field in the Y-axis direction is provided outside the vacuum wall 7253. This electromagnetic deflector includes an electromagnetic coil 7254 and an electromagnetic coil 7255, which generate magnetic fields in the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively. Although a magnetic field in the Y-axis direction can be generated by only the coil 7255, a coil 7254 that generates a magnetic field in the X-axis direction is provided to improve the degree of orthogonality between the electric field and the magnetic field. That is, by canceling out the + X-axis direction generated by the coil 7255 by the magnetic field component in the −X-axis direction generated by the coil 7254, the orthogonality between the electric field and the magnetic field can be improved.
Since these magnetic field generating coils 7254 and 7255 are provided outside the vacuum vessel, they may be respectively divided into two parts, attached from both sides of the vacuum wall 7253, and may be integrated by tightening the parts 7257 with screws or the like. .
The outermost layer 7256 of the E × B separator is configured as a yoke made of permalloy or ferrite. Like the coils 7254 and 7255, the outermost layer 7256 may be divided into two parts, attached to the outer periphery of the coil 7255 from both sides, and integrated at the portion 7257 by screwing or the like.
[B] of FIG. 10 shows another example of the E × B separator applicable to the electron optical system 70 of the present invention as a cross-sectional view orthogonal to the optical axis. This E × B separator is different from the embodiment shown in FIG. 10A in that the electrostatic deflection electrode 7251 is provided with six poles. In [B] of FIG. 10, components corresponding to the components of the E × B separator shown in FIG. 10 [A] are denoted by the same reference numerals with “′” (dash) added thereto, and the description thereof will be omitted. Is omitted. These electrostatic deflection electrodes 7251 ′ have an angle θ between the line connecting the center of each electrode and the optical axis and the direction of the electric field (X-axis direction).i(I = 0, 1, 2, 3, 4, 5), cos θiVoltage k · cos θ proportional toi(K is a constant) is supplied. Where θiIs any angle.
In the E × B separator shown in FIG. 10B, similarly to the E × B separator of FIG. 10A, only an electric field in the X-axis direction can be generated, so that magnetic fields in the X-axis and Y-axis directions are generated. Coils 7254 'and 7255' are provided to correct the orthogonality.
According to the E × B separator shown in FIG. 10B, the region where the electric field intensity is uniform can be further increased as compared with the E × B separator shown in FIG. 10A. .
In the E × B separator shown in FIGS. 10A and 10B, the coil for generating the magnetic field is formed in a saddle shape, but a toroidal coil may be used. The configuration of the E × B separator shown in FIG. 10 is applicable not only to the electron optical system 70 of the electron beam apparatus shown in FIG. 8 but also to the electron optical system of an electron beam apparatus of another embodiment described later. Applicable.
The image of the secondary electron focused at the position P3 is focused by the two-stage magnifying lenses 741 and 742 on the corresponding openings 743a of the multi-aperture detection plate 743, and the detectors are arranged corresponding to the respective openings 743a. At 761, it is detected. The detector 761 converts the detected electron beam into an electric signal representing the intensity. The electric signal output from each detector 761 is converted to a digital signal by the A / D converter 762 and then input to the image processing unit 763. As the detector 761, for example, a PN junction diode that directly detects electron beam intensity, or a PMT (photomultiplier tube) that detects light emission intensity via a fluorescent plate that emits light by electrons can be used.
The image processing unit 763 converts the input digital signal into image data. A scanning signal for deflecting the primary electron beam is supplied from the control device 2 (FIG. 1) to the image processing unit 763, and therefore, the image processing unit irradiates the primary electron beam scanned on the wafer surface. An electrical signal corresponding to the image of the point will be received, so that an image representing the wafer surface can be obtained. The quality of the evaluated pattern on the wafer W can be determined by comparing the image thus obtained with a preset standard pattern.
Furthermore, the pattern to be evaluated on the wafer W is moved to a position near the optical axis of the primary optical system by registration, a line width evaluation signal is taken out by line scanning, and the signal is appropriately calibrated to be formed on the surface of the wafer. The line width of the pattern can be measured.
In a conventional electron beam apparatus, secondary electrons generated when a primary electron beam is irradiated on a wafer are focused by a two-stage lens common to the primary electrons, and an E × B separator is provided at this focusing position. A method is used in which secondary electrons are separated from primary electrons, and thereafter, an image is formed on a multi-detector without a lens. For this reason, the two-stage lens common to the primary and secondary optical systems needs to be adjusted by giving priority to the lens conditions of the primary optical system. Since it cannot be performed, there is a drawback that the adjustment cannot be performed when the focusing condition and the enlargement ratio deviate from the design values.
However, after the secondary electrons are separated by the E × B separator 725, the secondary electrons are enlarged by the lens of the secondary optical system. Therefore, the secondary electrons are combined independently of the lens conditions of the primary optical system. The focus condition and magnification can be adjusted.
Further, when the primary electron beam passing through the opening of the multi-aperture plate 723 of the primary optical system is focused on the surface of the wafer W and secondary electrons emitted from the wafer are imaged on the detector 761, the primary optical system is used. Special attention must be paid to minimize the effects of the three aberrations, i.e., distortion, axial chromatic aberration, and visual field astigmatism.
In particular, when the primary electron beam and the secondary electron beam share an optical path, the primary electron current and the secondary electron current flow in the common optical path, so that almost twice the beam current flows, and as a result, the primary charge due to the space charge effect The blur of the electron beam and the deviation of the focusing condition are almost doubled. Further, it is difficult to align the primary electron beam and the secondary electron beam with a common optical path. When the axis of the primary electron beam is aligned, the axis of the secondary electron beam tends to be out of alignment. Conversely, when the axis of the secondary electron beam is aligned, the axis of the primary electron beam is easily out of alignment. In addition, in the common optical path, if the lens is adjusted to the focusing condition of the primary electron beam, the focusing condition of the secondary electron beam is easily deviated. The focusing condition is easily deviated.
Therefore, it is necessary to shorten the common optical path as much as possible. For this reason, if the E × B separator 725 is provided below the objective lens 726, the image plane distance of the objective lens becomes longer, and the aberration becomes large. Therefore, in the present invention, the E × B separator 725 is provided on the electron gun 721 side as viewed from the objective lens 726, and as a result, the primary optical system and the secondary optical system share only one lens. It has a configuration.
Regarding the relationship between the intervals between the plurality of primary electron beams and the secondary optical system, the interval between the primary electron beams is determined by the aberration of the secondary optical system (in this case, the aberration of the objective lens with respect to the secondary electrons). By increasing the distance by a large distance, crosstalk between a plurality of beams can be eliminated.
Further, it is preferable that the deflection angle of the electrostatic deflector 727 is set to a value close to -1/2 times the electromagnetic deflection angle by the electromagnetic deflector in the E × B separator 725, thereby reducing the chromatic aberration of deflection. Therefore, the beam diameter can be prevented from becoming too large even through the E × B separator.
Precharge unit 81
The precharge unit 81 is disposed adjacent to the lens barrel 71 of the electron optical system 70 in the working chamber 31 as shown in FIG. The evaluation system 1 of the present invention is an apparatus for inspecting a device pattern or the like formed on the surface of a wafer by scanning and irradiating the wafer with an electron beam. In some cases, the wafer surface may be charged (charged up). Further, there is a possibility that a strongly charged portion or a weakly charged portion may occur on the wafer surface. Although the information on the secondary surface generated by the electron beam irradiation is used as the information on the surface of the wafer, if the charge amount on the surface of the wafer is uneven, the information on the secondary electron also includes the unevenness, and an accurate image can be obtained. Can not. Therefore, in this embodiment, a precharge unit 81 is provided to prevent uneven charging. The precharge unit 81 includes a charged particle irradiator 811 and irradiates charged particles from the charged particle irradiator 811 before irradiating the wafer with primary electrons for inspection, thereby eliminating charging unevenness. The charged state of the wafer surface can be detected by forming an image of the wafer surface in advance using the electron optical system 70 and evaluating the image, and based on the detected charged state, The irradiation of charged particles from the particle irradiation unit 811 is controlled. In the pre-charge unit 81, the primary electron beam may be irradiated with blurring.
In addition, as a method for inspecting an electrical defect of a wafer, it is possible to utilize a difference in voltage between a part which is originally electrically insulated and a part where the part is in an energized state. First, by applying a charge to the wafer in advance, the voltage of the part that is originally electrically insulated and the part of the part that is originally electrically insulated but that is energized for some reason are By generating a voltage difference with the voltage and then irradiating the electron beam, data of the voltage difference is obtained, and the obtained data is analyzed to detect that the power is on.
In such an electrical defect detection method, a precharge unit 81 may be used to charge the wafer in advance with electric charges.
Voltage application mechanism 83
FIG. 11 is a block diagram showing the configuration of the voltage application mechanism 83. The potential application mechanism 83 applies a potential of ± several volts to a mounting table of a stage on which the wafer is mounted, based on the fact that the generation rate of secondary electrons emitted from the wafer depends on the potential of the wafer. , So that the generation of secondary electrons is optimized. The potential applying mechanism 83 is also used to reduce the energy originally possessed by the irradiated primary electrons and control the electron energy on the wafer to about 100 to 500 eV.
As shown in FIG. 11, the potential application mechanism 83 includes a voltage application device 831 electrically connected to the mounting surface 551 of the stage device 50, and a charge-up investigation and voltage determination system (hereinafter referred to as an “investigation and determination system”). )) 832. The investigation and determination system 832 includes a monitor 833 electrically connected to the image processing unit 763 of the detection system 76 of the electron optical system 70, an operation input unit 834 connected to the monitor 833, and a connection to the operation input unit 834. The CPU 835 is provided. The CPU 835 is included in the control device 2 (FIG. 1) and supplies a voltage adjustment signal to the voltage application device 831. Note that the CPU 835 also supplies control signals to various components, such as supplying a scanning signal to the deflector 727 (FIG. 8) of the electron optical system 70. The potential application mechanism 83 displays the image formed by the image processing unit 763 on the monitor 833, searches the operation input unit 834 and the CPU 835 for a potential at which the wafer is unlikely to be charged, and outputs the obtained potential from the voltage application unit 831. The voltage is applied to the holder 55 of the stage device 50.
Electron beam calibration mechanism 85
As shown in [A] and [B] of FIG. 12, the electron beam calibration mechanism 85 is provided at a plurality of positions on a side of the wafer mounting surface 541 on the rotary table 54 and is used for measuring a plurality of beam currents. Faraday cups 851 and 852 are provided. The Faraday cup 851 is for a thin beam (φ = about 2 μm), and the Faraday cup 852 is for a thick beam (φ = about 30 μm). In the thin beam Faraday cup 851, the beam profile was measured by feeding the rotary table 54 in step S. The thick beam Faraday cup 852 measures the total current of the beam. The Faraday cups 851 and 852 are arranged such that the upper surface is at the same level as the upper surface of the wafer W mounted on the mounting surface 541. In this way, the primary electron beam emitted from the electron gun is constantly monitored, and the power supply to the electron gun is controlled so that the intensity of the electron beam irradiated on the wafer surface becomes substantially constant. Since the electron gun cannot always emit a constant electron beam, and the amount of the emitted electron beam changes due to aging or the like, the electron beam intensity is calibrated by such a mechanism.
Alignment control device 87
The alignment control device 87 is a device that positions the wafer W with respect to the electron optical system 70 using the stage device 50. The alignment control device 87 performs low-magnification alignment (positioning with a lower magnification than the electron optical system), which is rough alignment of the wafer by wide-field observation using the optical microscope 871 (FIG. 1), Control such as high magnification adjustment, focus adjustment, inspection area setting, and pattern alignment of a wafer using an optical system is performed. Note that such low-magnification inspection of the wafer is performed when the wafer pattern is observed in a narrow field of view using an electron beam to perform wafer alignment in order to automatically perform the wafer pattern inspection. This is because it is necessary to easily detect an alignment mark by an electron beam.
The optical microscope 871 is provided in the main housing 30, but may be provided movably in the main housing 30. A light source (not shown) for operating the optical microscope 871 is also provided in the main housing 30. The electron optical system for performing high-magnification observation shares the electron optical system of the electron optical system 70 (the primary optical system 72 and the secondary optical system 74).
FIG. 13 is a schematic diagram showing the configuration of the alignment control device 87. In order to observe the observation point on the wafer W at a low magnification, the observation point on the wafer is moved into the field of view of the optical microscope by moving the X stage or the Y stage of the stage device 50. The wafer is visually recognized in a wide field of view using the optical microscope 871, the position to be observed on the wafer is displayed on the monitor 873 via the CCD 872, and the observation position, that is, the position of the observation point is roughly determined. In this case, the magnification of the optical microscope 871 may be gradually changed from a low magnification to a high magnification.
Next, by moving the stage device 50 by a distance corresponding to the distance δx between the optical axis of the electron optical system 70 and the optical axis of the optical microscope 871, the observation point on the wafer determined using the optical microscope 871 is determined. Is moved to the visual field position of the electron optical system 70. In this case, the axis O of the electron optical system 703-O3And the optical axis O of the optical microscope 8714-O4(In this embodiment, both are assumed to be displaced only in the X-axis direction, but may be displaced in the Y-axis direction.) Since δx is known in advance, its value By moving by δx, the observed point can be moved to the visual recognition position. After the movement of the observation point to the viewing position of the electron optical system 70 is completed, the observation point is SEM imaged at a high magnification by the electron optical system, and an image is stored or displayed on the monitor 765.
After the observation point of the wafer is displayed on the monitor at a high magnification by the electron optical system in this manner, the position shift of the rotation direction of the wafer with respect to the rotation center of the rotation table 54 of the stage device 50, that is, the electronic Optical axis O of optical system3-O3Is detected in the rotational direction of the wafer with respect to, and the positional shift of the predetermined pattern with respect to the electron optical system 70 in the X-axis and Y-axis directions is detected. Then, the operation of the stage device 50 is controlled based on the detected value and the data of the inspection mark provided on the wafer separately obtained or the data on the shape of the pattern of the wafer and the wafer is aligned.
Control device 2
The control system of the control device 2 mainly includes a main controller, a control controller, and a stage controller.
The main controller is provided with a man-machine interface, through which the operator's operations are performed (various instructions / commands, input of recipes, etc., instructions for starting inspection, switching between automatic and manual inspection modes, manual operation). Input of all necessary commands in the inspection mode, etc.). In addition, communication with the host computer in the factory, control of the vacuum evacuation system, transfer of the wafer, control of the alignment, transmission of commands to the control controller and the stage controller, reception of information, and the like are also performed by the main controller. Also, an image signal is obtained from an optical microscope, a stage vibration correction function for correcting a deterioration of an image by feeding back a stage fluctuation signal to an electron optical system, a Z-axis direction of a wafer observation position (axial direction of a secondary optical system). Is provided with an automatic focus correction function for detecting the displacement of the lens and feeding it back to the electron optical system to automatically correct the focus. The transmission and reception of a feedback signal and the like to the electron optical system and the transmission and reception of a signal from the stage device are performed via a control controller and a stage controller, respectively.
The controller mainly controls the electron optical system, that is, controls a high-precision power supply for an electron gun, a lens, an aligner, a Wien filter, and the like. Specifically, the power supply is controlled so that the irradiation area always emits a constant electron current even when the magnification changes, and the voltage is automatically set to each lens system and aligner corresponding to each magnification. (Eg, automatic voltage setting for each lens system and aligner corresponding to each operation mode).
The stage controller mainly controls the movement of the stage, and enables precise movement in the X-axis direction and Y-axis direction on the order of μm (tolerance of about ± 0.5 μm). In the stage movement control, rotation direction control (θ control) is also performed within an error accuracy of about ± 0.3 seconds.
According to the above-described evaluation system according to the present invention, since the electron beam apparatus using the multi-beam can functionally combine each component of the evaluation system, the inspection target can be processed with high throughput. it can. Further, by providing a sensor for observing cleanliness in the environment space, it is possible to inspect the inspection object while monitoring dust in the space. Further, since the precharge unit is provided, the wafer made of an insulator is hardly affected by the charging.
Next, various embodiments of the combination of the stage device 50 of the electron beam device and the electron optical system 70 provided in the evaluation system 1 according to the present invention will be described.
When inspecting a sample that has been subjected to ultraprecision processing, such as a semiconductor wafer, it is necessary to use a stage device 50 that can accurately position the wafer in the vacuum working chamber 31. A structure in which the XY stage is supported in a non-contact manner by a hydrostatic bearing is employed as a stage device in which extremely high precision positioning is required. In this case, a differential exhaust mechanism for exhausting the high-pressure gas is formed in the range of the static pressure bearing so that the high-pressure gas supplied from the static pressure bearing is not directly discharged to the vacuum chamber, that is, the working chamber 31. The degree of vacuum is maintained. In this specification, “vacuum” refers to a vacuum state called in the technical field, and does not necessarily indicate an absolute vacuum.
FIG. 14 shows a conventional example of such a combination of the stage device 50 and the charged beam irradiation unit 72 of the electron optical system 70. In FIG. 14, [A] is a front view and [B] is a side view. In this conventional example, a leading end portion of a lens barrel 71 of an electron optical system device that generates a charged beam and irradiates the wafer W, that is, a charged beam irradiating section 72 is attached to a main housing 30 constituting a vacuum chamber 31. The inside of the lens barrel 71 is evacuated by a vacuum pipe 10-1 and the vacuum chamber 31 is evacuated by a vacuum pipe 11-1a. Then, the charged beam is irradiated from the front end portion 7 of the lens barrel 71 to a wafer such as the wafer W placed thereunder.
The wafer W is detachably held on a wafer mounting table, that is, a holder 55 by a known method, and the holder 55 is mounted on the upper surface of a Y table 52 constituting an XY stage. A plurality of static pressure bearings 9-1 are attached to the Y table 52 on the surface (the left and right sides and the lower surface in FIG. 14A) facing the guide surface 53a-1 of the X table 53. By the action of the bearing 9-1, it is possible to move in the Y direction (the left-right direction in FIG. 12B) while maintaining a small gap between the bearing and the guide surface. Further, a differential pumping mechanism is provided around the static pressure bearing 9-1 so that the high-pressure gas supplied to the static pressure bearing 9-1 does not leak into the vacuum chamber 31. This is shown in FIG.
As shown in FIG. 15, double grooves 18-1 and 17-1 are formed around the hydrostatic bearing 9-1, and these grooves are formed by a vacuum pipe and a vacuum pump (not shown). Evacuates constantly. With such a structure, the Y table 52 is supported in a non-contact state in a vacuum, and can freely move in the Y direction. The double grooves 18-1 and 17-1 are formed on the surface of the Y table 52 on which the static pressure bearing 9-1 is provided so as to surround the static pressure bearing. Since the structure of the static pressure bearing 9-1 may be a known structure, a detailed description thereof will be omitted.
The X table 53 on which the Y table 52 is mounted has a concave shape that opens upward as shown in FIG. 14, and the X table 53 has the same static pressure bearing and A groove is provided. Accordingly, the stage table, that is, the fixed table 51 is supported in a non-contact manner, and can move freely in the X direction.
By combining the movements of the Y table 52 and the Y table 53, the wafer W is moved to an arbitrary position in the horizontal direction with respect to the distal end portion 72 of the lens barrel 71, that is, the charged beam irradiation unit, and the charged beam is moved to a desired position on the wafer W. Can be irradiated.
Although the combination of the stage device 50 and the charged beam irradiation unit 72 of the electron optical system 70 shown in FIG. 14 can be used in the evaluation system 1 of the present invention, it has the following problems.
In the conventional example in which the static pressure bearing 9-1 and the differential pumping mechanism are combined, when the XY stage moves, the guide surfaces 53a and 51a facing the static pressure bearing 9-1 have high pressure of the static pressure bearing portion. It reciprocates between the gas atmosphere and the vacuum environment in the working chamber 31. At this time, a state where the gas is adsorbed to these guide surfaces while being exposed to the high-pressure gas atmosphere, and then the adsorbed gas is released when exposed to a vacuum environment, is repeated. Therefore, every time the XY stage moves, a phenomenon occurs in which the degree of vacuum in the working chamber 31 deteriorates, and the above-described processes such as exposure, inspection, and processing by the charged beam cannot be performed stably. There is a problem that the wafer is contaminated.
Therefore, there is a need for an apparatus capable of preventing a decrease in the degree of vacuum and stably performing inspection and processing by a charged beam. FIG. 16 shows an embodiment of the stage device 50 and the charged beam irradiating section 72 of the electron optical system 70 which can provide such an operation and effect. In FIG. 16, [A] is a front view, and [B] is a side view.
As shown in FIG. 16, a stage device 50 according to this embodiment has a partition plate 14- which protrudes largely horizontally on the upper surface of a Y table 52 in ± Y-axis directions (left and right directions in FIG. 16B). 1 is attached to the upper surface of the X table 53, so that a narrowed portion 50-1 having a constantly small conductance is formed. A similar partition plate 12-1 is also mounted on the upper surface of the X table 53 so as to project in the ± X-axis direction (the left-right direction in FIG. 14A). The diaphragm 51-1 is always formed at the same time. The fixed table 51 is fixed on the bottom wall in the main housing 30 by a known method.
Thus, no matter where the wafer table, that is, the holder 55 moves, the narrowed portions 50-1 and 51-1 are always formed, so that when the Y table 52 and the X table 53 are moved, the gas flows from the guide surfaces 53a and 51a. Is released, the movement of the released gas is hindered by the throttle units 50-1 and 51-1. Therefore, the pressure rise in the space 24-1 near the wafer irradiated with the charged beam can be suppressed to an extremely low level.
On the side and underside of the Y table 52, which is the movable part of the stage device 50, and on the underside of the X table 53, grooves for differential exhaust shown in FIG. 15 are formed around the hydrostatic bearing 9-1. Since the gas is evacuated by the groove, when the throttle portions 50-1 and 51-1 are formed, the gas released from the guide surface is mainly exhausted by these differential exhaust portions. For this reason, the pressure in the spaces 13-1 and 15-1 inside the stage device 50 is higher than the pressure in the working chamber 31. Therefore, not only the spaces 13-1 and 15-1 are evacuated by the differential evacuation grooves 17-1 and 18-1, but also by providing a separate evacuated portion, the pressure in these spaces can be reduced, and the The pressure rise in the vicinity 24-1 of W can be further reduced. Exhaust passages 11-1b and 11-1c for this purpose are provided. The exhaust passage 11-1b penetrates the fixed table 51 and the main housing 30 and communicates with the outside of the main housing 30. Further, the exhaust passage 11-1c is formed in the X table 53, and is opened on the lower surface of the X table.
Further, when the partition plates 12-1 and 14-1 are installed, it is necessary to enlarge the working chamber 31 so that the working chamber 31 and these partition plates do not interfere with each other. This can improve this point. As an example of this improvement, the partition plate is formed of rubber or a bellows shape, and its end in the moving direction is fixed to the X table 53 in the case of the partition plate 14-1, and in the case of the partition plate 12-1. It is preferable to fix to the inner wall of the housing 8.
FIG. 17 shows another embodiment of the stage device 50 and the charged beam irradiation section 72 of the electron optical system 70. In this embodiment, a cylindrical partition 16-1 is formed around the distal end portion of the lens barrel 71, that is, around the charged beam irradiation unit 72, so as to form an aperture between the upper surface of the wafer W as a sample. I have. According to this configuration, even if gas is released from the XY stage and the pressure in the working chamber 31 rises, the interior 24-1 of the partition is partitioned by the partition 16-1 and exhausted by the vacuum pipe 10-1. Therefore, a pressure difference is generated between the inside of the working chamber 31 and the inside 24-1 of the partition, and the pressure rise in the inside of the partition 24-1 can be suppressed low. The gap between the partition 16-1 and the surface of the wafer W should be adjusted depending on how much the pressure in the working chamber 31 and the pressure around the beam irradiation unit 72 is maintained. is there. The inside of the partition 16-1 and the vacuum pipe 10-1 are communicated by a known method.
In the electron optical system 70, a high voltage of about several kV may be applied to the wafer W, and if a conductive material is placed near the wafer, a discharge may occur. In this case, if the material of the partition 16-1 is made of an insulator such as ceramics, no discharge occurs between the wafer W and the partition 16-1.
The ring member 4-1 disposed around the wafer W is a plate-shaped adjustment component fixed to the wafer table, that is, the holder 55. The ring member 4-1 is set at the same height as the wafer W so that a minute gap 52-1 is formed over the entire periphery of the leading end of the partition 16-1. As a result, even if the charged beam is irradiated to an arbitrary position including the end of the wafer, a constant minute gap 52-1 is always formed at the tip of the partition 16-1. The pressure in the partition inner space 24-1 can be kept stable.
FIG. 18 shows another embodiment of the combination of the stage device 50 and the charged beam irradiation unit 72 of the electron beam device. In this embodiment, a partition 19-1 having a built-in differential pumping structure is provided around the charged beam irradiation unit 2 of the lens barrel 71. The partition 19-1 has a cylindrical shape, and has a circumferential groove 20-1 formed therein, and an exhaust passage 21-1 extends upward from the circumferential groove. The exhaust passage is connected to a vacuum pipe 23-1 via an internal space 22-1. The partition 19-1 is disposed so as to form a minute gap of about several tens μm to several mm between its lower end and the upper surface of the wafer W.
According to the configuration of FIG. 18, the gas is released from the stage device 50 in accordance with the movement of the XY stage, and even if the pressure in the working chamber 31 rises and the gas tries to flow into the charged beam irradiation unit 72, the partition 19- 1 narrows the conductance by narrowing the gap with the wafer W, so that the gas is hindered from flowing and the amount of flowing gas is reduced. Further, since the gas that has flowed in is exhausted from the circumferential groove 20-1 to the vacuum pipe 23-1, almost no gas flows into the space 24-1 around the charged beam irradiation unit 72, and the charged beam irradiation unit 72 Can be maintained at a desired high vacuum.
FIG. 19 shows still another embodiment of the stage device 50 and the charged beam irradiation unit 72 of the electron optical system 70. In this embodiment, a partition 26-1 is provided around the charged beam irradiation unit 72 in the working chamber 31, thereby separating the charged beam irradiation unit 72 from the working chamber 31. The partition 26-1 is connected to the refrigerator 30-1 via a support member 29-1 made of a material having good heat conductivity such as copper or aluminum, and is cooled to about -100 ° C to -200 ° C. . The member 27-1 is for interrupting heat conduction between the cooled partition 26-1 and the lens barrel 71, and is made of a material having poor heat conductivity such as ceramics or resin material. . The member 28-1 is made of a non-insulating material such as ceramics and is formed at the lower end of the partition 26-1 to prevent discharge from occurring between the wafer W and the partition 26-1. .
According to the configuration of FIG. 19, gas molecules that are going to flow into the charged beam irradiation unit 72 from the inside of the working chamber 31 are prevented from flowing in by the partition 26-1, and even if they flow in, they remain on the surface of the partition 26-1. Since the sample is frozen and collected, the pressure of the charged beam irradiation unit 72 can be kept low.
Note that, as the refrigerator 30-1, various refrigerators such as cooling with liquid nitrogen, a He refrigerator, a pulse tube refrigerator, and the like can be used.
FIG. 20 shows still another embodiment of the combination of the stage device 50 and the charged beam irradiation unit 72 of the electron optical system 70. The movable plates of the XY stage, that is, the Y table 52 and the X table 53 are provided with partition plates 12-1 and 14-1, similarly to the configuration of FIG. Even if it moves, the space 13-1 in the stage device and the inside of the working chamber 31 are partitioned by the partitions 50-1 and 51-1 by these partitions. Further, a partition 16-1 is formed around the charged beam irradiating section 72 in the same manner as in the configuration of FIG. 17, and the inside of the working chamber 31 and the space 24-1 where the charged beam irradiating section 72 is located are constricted 52-. Partitioned through one. For this reason, even if the gas adsorbed on the XY stage moves to the space 13-1 to increase the pressure in the space during the movement of the XY stage, the pressure increase in the working chamber 31 is suppressed low, and the space 24 The pressure rise of -1 can be further suppressed. Thus, the pressure in the space 24-1 of the charged beam irradiation unit 72 can be kept low. In addition, the space 16-1 is further formed by forming the partition 16-1 as a partition 19-1 having a built-in differential exhaust mechanism or a partition 26-1 cooled by a refrigerator as shown in FIG. 18. It can be stably maintained at a low pressure.
According to the structure of the above-described charged beam irradiation unit, it is possible to position the stage device with high accuracy in the vacuum working chamber, and to obtain high-precision image data because the pressure of the irradiation unit does not easily increase. Can be.
FIG. 21 shows another embodiment of the combination of the stage device 50 and the charged beam irradiation unit 72 of the electron optical system 70. In this embodiment, the tip of the electron optical system 70, that is, the charged beam irradiation unit 72, is attached to the main housing 30 that defines the working chamber 31. The pedestal of the XY stage, that is, the fixed table 51 in the stage device 50 is fixed to the bottom wall of the main housing 30, and the Y table 52 is mounted on the fixed table 51. On both side surfaces (left and right side surfaces in FIG. 19) of the Y table 52, grooves formed on a side of the pair of Y direction guides 7a-2 and 7b-2 placed on the fixed table 51 facing the Y table 52. A protrusion protruding inward is formed. The concave groove extends in the Y direction (direction perpendicular to the drawing) over substantially the entire length of the Y direction guide. Hydrostatic bearings 11a-2, 9a-2, 11b-2, and 9b-2 having a known structure are provided on the upper, lower, and side surfaces of the protrusion protruding into the concave groove, respectively. By blowing out the high-pressure gas through the Y-table 52, the Y-table 52 is supported in a non-contact manner with respect to the Y-direction guides 7a-2 and 7b-2, and can smoothly reciprocate in the Y-direction. In addition, a linear motor 12-2 having a known structure for driving in the Y direction is disposed between the fixed table 51 and the Y table 52. The high pressure gas is supplied to the Y table 52 by a flexible pipe 22-2 for supplying a high pressure gas, and the static pressure bearings 9a-2 to 11a-2 and the static pressure bearings 9a-2 to 11a-2 pass through a gas passage (not shown) formed in the Y table 52. A high-pressure gas is supplied to 9b-2 to 11b-2. The high-pressure gas supplied to the hydrostatic bearing is jetted into a gap of several microns to several tens of microns formed between the Y-direction guide and the opposing guide surface, and moves the Y table 52 relative to the guide surface in the X direction. And in the Z direction (in FIG. 21, the vertical direction of the drawing).
An X table 53 is mounted on the Y table 52 so as to be movable in the X direction (in FIG. 21, the horizontal direction in the drawing). On the Y table 52, a pair of X direction guides 8a-2 and 8b-2 (only 8a-2 is shown) having the same structure as the Y direction guides 7a-2 and 7b-2 for the Y table, It is provided in between. A groove is also formed on the side of the X-direction guide that faces the X table 53, and a protrusion that projects into the groove is formed on the side of the X table (the side that faces the X-direction guide). I have. The groove extends over substantially the entire length of the X-direction guide. The above-described hydrostatic bearings 11a-2, 9a-2, 10a-2, 11b-2, 9b-2, and 10b are provided on the upper, lower, and side surfaces of the protrusion of the X-direction table 53 that protrudes into the concave groove. -2, a static pressure bearing (not shown) is provided in a similar arrangement. A linear motor 13-2 having a known structure for driving the X table 53 is disposed between the Y table 52 and the X table 53. The high pressure gas is supplied to the X table 53 by the flexible pipe 21-2, and the high pressure gas is supplied to the static pressure bearing. The high-pressure gas is ejected from the static pressure bearing to the guide surface of the X-direction guide, so that the X-table 53 is supported with high precision and non-contact with the Y-direction guide. The vacuum working chamber 31 is evacuated by vacuum pipes 19-2, 20a-2, and 20b-2 connected to a vacuum pump or the like having a known structure. The inlet side of the pipes 20a-2 and 20b-2 (the inside of the working chamber) penetrates through the fixed table 51 and opens on the upper surface near the position where high-pressure gas is discharged from the XY stage. The internal pressure is prevented from rising as much as possible due to the high-pressure gas ejected from the static pressure bearing.
A differential evacuation mechanism 25-2 is provided around the charged beam irradiation unit 72 so that the pressure in the charged beam irradiation space 30-2 is sufficiently reduced even if the pressure in the working chamber 31 is high. I have. That is, the annular member 26-2 of the differential evacuation mechanism 25-2 attached around the charged beam irradiation unit 72 has a minute gap (several microns to several microns) between its lower surface (the surface on the wafer W side) and the wafer. It is positioned with respect to the main housing 30 so that a (hundred micron) 40-2 is formed, and an annular groove 27-2 is formed on the lower surface thereof. The annular groove 27-2 is connected to a vacuum pump or the like (not shown) by an exhaust pipe 28-2. Therefore, the minute gap 40-2 is exhausted through the annular groove 27-2 and the exhaust port 28-2, and the gas molecules are discharged from the working chamber 31 into the charged beam irradiation space 30-2 surrounded by the annular member 26-2. If they try to get in, they will be exhausted. Thereby, the pressure in the space 30 can be kept low, and the charged beam can be irradiated without any problem.
The annular groove 27-2 may have a double structure or a triple structure depending on the pressure in the chamber and the pressure in the charged beam irradiation space 30.
As the high-pressure gas supplied to the static pressure bearing, dry nitrogen is generally used. However, if possible, it is preferable to use a higher purity inert gas. This is because, when impurities such as moisture and oil are contained in the gas, these impurity molecules adhere to the inner surface of the main housing 30 and the surface of the components of the stage device 50 to deteriorate the degree of vacuum, This is because they adhere and deteriorate the degree of vacuum in the charged beam irradiation space.
The wafer W as a sample is not normally placed directly on the X table 53, but is provided with functions such as holding the wafer removably and slightly changing the position of the XY stage. Although placed on the wafer table, that is, the holder, the presence or absence of the holder and the structure thereof are not related to the gist of the present invention, and thus are omitted in the above description for simplification of the description.
In the charged beam apparatus described above, the stage mechanism of the hydrostatic bearing used in the atmosphere can be used almost as it is, so that a high-precision XY stage equivalent to the high-precision stage for the atmosphere used in an exposure apparatus or the like is almost used. It can be realized as an XY stage for a charged beam device at the same cost and size.
The structure, arrangement, and actuator (linear motor) of the static pressure guide described above are merely examples, and any static pressure guide or actuator that can be used in the atmosphere can be used.
FIG. 22 shows a numerical example of the size of the annular member 26-2 of the differential pumping mechanism and the annular groove 27-2 formed in the member. In this example, the annular groove has a double structure of two annular grooves 27-2a and 27-2b, which are radially separated.
The flow rate of the high-pressure gas supplied to the static pressure bearing is usually about 20 L / min (atmospheric pressure conversion). Assuming that the working chamber 31 is evacuated by a dry pump having an evacuation speed of 20000 L / min through a vacuum pipe having an inner diameter of 50 mm and a length of 2 m, the pressure in the chamber 31 is about 160 Pa (about 1.2 Torr). Become. At this time, by setting the dimensions of the annular member 26-2 and the annular groove and the like of the differential pumping mechanism as shown in FIG. 22, the pressure in the charged beam irradiation space 30-2 is reduced by 10%.-4Pa (10-6Torr).
FIG. 23 shows an exhaust mechanism for the working chamber 31 in the embodiment shown in FIG. A dry vacuum pump 53-2 is connected to the working chamber 31 via vacuum pipes 74-2 and 75-2. The annular groove 27-2 of the differential evacuation mechanism 25-2 is connected to a turbo molecular pump 51-2 which is an ultra-high vacuum pump via a vacuum pipe 70-2 connected to the evacuation port 28-2. ing. Furthermore, the inside of the lens barrel 71 is connected to a turbo molecular pump 52-2 via a vacuum pipe 71-2 connected to the exhaust port 18-2. These turbo molecular pumps 51-2 and 52-2 are connected to a dry vacuum pump 53-2 by vacuum pipes 72-2 and 73-2. (In FIG. 23, one dry vacuum pump is used for both the roughing pump of the turbo molecular pump and the vacuum exhaust pump of the vacuum chamber. However, the flow rate of the high-pressure gas supplied to the static pressure bearing of the XY stage, the volume of the vacuum chamber In some cases, these may be evacuated by a dry vacuum pump of another system, depending on the internal surface area, the inner diameter and length of the vacuum pipe.)
The high-purity inert gas (N) is passed through the flexible piping 21-2 and 22-2 to the static pressure bearing of the XY stage.2Gas, Ar gas, etc.). These gas molecules ejected from the static pressure bearing diffuse into the working chamber 31 and are exhausted by the dry vacuum pump 53-2 through the exhaust ports 19-2, 20a-2, and 20b-2. In addition, these gas molecules that have entered the differential exhaust mechanism and the charged beam irradiation space are sucked from the annular groove 27-2 or the tip of the lens barrel 71, and pass through the exhaust ports 28-2 and 18-2 to be turbocharged. It is evacuated by the molecular pumps 51-2, 52-2, and thereafter by the dry vacuum pump 53-2. Thus, the high-purity inert gas supplied to the hydrostatic bearing is collected by the dry vacuum pump and discharged.
On the other hand, the exhaust port of the dry vacuum pump 53-2 is connected to the compressor 54-2 via the pipe 76-2, and the exhaust port of the compressor 54-2 is connected to the pipes 77-2, 78-2, 79-. 2 and the flexible pipes 21-2 and 22-2 via the regulators 61-2 and 62-2. Therefore, the high-purity inert gas discharged from the dry vacuum pump 53-2 is pressurized again by the compressor 54-2, adjusted to an appropriate pressure by the regulators 61-2, 62-2, and then again. It is supplied to the static pressure bearing of the XY table.
As described above, the gas supplied to the hydrostatic bearing must be as pure as possible and contain as little moisture and oil as possible. It is required that the channel has a structure in which moisture and oil do not enter. Also, a cold trap, a filter, etc. (60-2) are provided in the middle of the discharge side pipe 77-2 of the compressor to trap impurities such as water and oil mixed in the circulating gas, and to the static pressure bearing. It is also effective not to be supplied.
By doing so, the high-purity inert gas can be circulated and reused, so that the high-purity inert gas can be saved.In addition, since the inert gas does not flow into the room where the device is installed, the inert gas can be reused. The risk of accidents such as suffocation due to suffocation can be eliminated.
A high-purity inert gas supply system 63-2 is connected to the circulation piping system, and the inert gas supply system starts the working chamber 31 and the vacuum piping 70-2 to 75-2 when starting to circulate the gas. And the role of supplying high-purity inert gas to all the circulation systems including the pressurized-side pipes 76-2 to 80-2, and the role of supplying a shortage when the flow rate of the circulating gas is reduced for some reason. ing.
Further, by providing the dry vacuum pump 53-2 with a function of compressing the pressure to the atmospheric pressure or more, it is possible to use the dry vacuum pump 53-2 and the compressor 54-2 by one pump. Further, as the ultra-high vacuum pump used for exhausting the lens barrel 72, a pump such as an ion pump or a getter pump can be used instead of the turbo molecular pump. However, when these storage pumps are used, a circulation piping system cannot be constructed in this portion. In addition, it is of course possible to use other types of dry pumps such as a diaphragm type dry pump in place of the dry vacuum pump.
According to the structure of the charged beam irradiation unit and the exhaust mechanism described above, the stage device can be positioned with high precision in the vacuum working chamber, and the pressure of the irradiation unit is hardly increased, so that high-precision image data can be obtained. Can be obtained. Further, these structures can be applied not only to the embodiment of the electron beam apparatus shown in FIG. 8 but also to the following embodiments and modifications thereof.
Next, the alignment of the electron optical system 70 of the electron beam apparatus according to the present invention with the wafer W at the start of the inspection will be described with reference to FIG. Usually, one or a plurality of alignment marks are formed on the wafer, and the alignment mark is detected by scanning a primary electron beam at the start of the inspection to position the wafer and the electron beam apparatus. FIG. 24 schematically shows a relationship between an alignment mark and a scanning area by a primary electron beam at the time of alignment. In FIG. 24, M1 to M3 are alignment marks on a wafer, and BS1 to BS9 are nine primary electrons. Beam spots formed on the surface of the wafer W by the lines, R1 to R9 indicate regions scanned by the primary electron beam at the start of inspection, and Z indicates the optical axis of the primary optical system of the electron beam apparatus.
In FIG. 24, when any of the alignment marks M1 to M3 is not included in the vicinity of the optical axis Z, that is, is not included in any of the regions R1 to R9, the position of the alignment mark cannot be detected. Further, when the alignment mark M3 exists in both of the two regions R7 and R8, one alignment mark is detected twice, and an erroneous mark may be detected.
On the other hand, when alignment marks M1 and M2 exist in only one area, accurate mark detection can be performed. That is, only when a single primary electron beam scans one alignment mark, a signal detected thereby is used as an alignment signal. In the example shown in the figure, the primary electron beams for scanning the regions R1 and R6 are farthest from each other, and there are few overlapping regions. Therefore, the XY stage is used so that one of these electron beams is used for mark detection. Is preferably moved. With this setting, even when the widest area is scanned at the time of positioning, the same condition as that when the alignment mark is scanned with only a single electron beam can be satisfied.
The above-described alignment can be applied to the electron beam apparatus according to the embodiment shown in FIG. 8, and also to other embodiments described below and modifications thereof.
Next, a method for improving the S / N ratio that can be employed in the electron beam apparatus of the present invention will be described. In the following description, the beam diameter D of the electron beam means the diameter (diameter or diagonal length) of the image of the electron beam on the wafer surface, and the interval between the electron beams is the wafer surface of the adjacent electron beam. It means the distance between the centers of adjacent images on the top. The modulation transfer function MTF (Modulation Transfer Function) is one of the performance evaluation methods of an optical system also called a sine wave response function or a contrast transfer function, and means a ratio of an image contrast to an object contrast when the light passes through the optical system. It shall be. When a pattern defect is detected by an electron beam device, the minimum line width corresponds to the minimum size of the defect to be detected.
Conventionally, a minimum line width d of 0.1 μm was empirically detected without clarifying an optimum value of a ratio between a minimum line width d of a pattern to be detected and a beam diameter D of an inspection electron beam. In order to evaluate a pattern having a minimum line width d of 0.05 μm, a beam diameter D sufficiently smaller than 0.05 μm was used.
However, if the beam diameter D of the electron beam is smaller than the minimum line width d of the pattern to be evaluated, the resolution increases, but the beam current I is small and the number of secondary electrons per pixel is small, so that the S / N ratio is small. (Signal / Noise ratio) becomes small, and there is a problem that the throughput of evaluation, that is, the processing amount per unit time is not improved. Conversely, when the beam diameter D is large, the pattern image is blurred, that is, the MTF is small, the contrast of the pattern is low, and high-precision inspection cannot be performed. In addition, there is a problem that the throughput cannot be improved.
The present inventors clarified the relationship between the S / N ratio and the ratio D / d of the beam diameter D of the electron beam to the minimum line width (or defect size) d of the pattern to be evaluated, and increased the S / N ratio to the maximum. By obtaining a D / d that can provide a high S / N ratio and a D / d that can provide a high S / N ratio, line width detection and defect detection can be performed with high accuracy and high throughput. Hereinafter, setting of the beam diameter will be described in detail.
FIG. 25 is a graph used to determine the value of the beam diameter D / minimum line width d at which the S / N ratio reaches the maximum value or near the maximum value, which is obtained as a result of the simulation by the present inventors. is there. In FIG. 25, a graph G11 shows a relationship (I ビ ー ム D) between the beam diameter D and the beam current I.4), Graph G12 represents the relationship between D / d and MTF, and graph G13 represents D / d and (MTF)2The graph G14 shows D / d and (MTF)2It shows the relationship with I. These graphs G11 to G14 were generated as follows.
First, the S / N ratio of a signal obtained when a secondary electron generated from a wafer is detected by scanning the wafer surface with a finely focused primary electron beam can be expressed by the following equation.
S / N
= {Signal / (offset value + signal)} (MTF) (N*/ 2)1/2(1)
Here, the MTF is a decrease in the contrast of a signal obtained when a beam having a finite size is scanned in a direction crossing a one-dimensional pattern having a finite size, and is a function of beam diameter / minimum line width = D / d. . N*Is the number of secondary electrons detected per pixel of scanning, and is proportional to the product of beam current I and secondary electron transmittance. That is,
N*∝ (beam current I) (secondary electron transmittance) (2)
To maximize the S / N ratio, (S / N)2Since it is sufficient to maximize the following expression, Expression (3) is obtained from Expressions (1) and (2).
(S / N)2∝ (MTF)2I (3)
MTF was determined by the following formula.
MTF = Max (f1, F2Convolution function) (4)
f1= 1 NP / 2 ≦ x <(N + 1) P / 2
f1= 0 (N + 1) P / 2 ≦ x <(NP / 2) (5)
f2= 1 / σ√ (2π) exp ｛-x2/ 2σ2｝ (6)
Where N is an integer
P = 2.34σ (D / d)
σ: Gaussian function constant and variance
For example, the value of MTF when the ratio D / d on the horizontal axis of the graph in FIG. 25 is 1.0 is P = 2.34σ, and the function f1And determine the function f2When the convolution function is obtained and the amplitude of the obtained function (the minimum value is 0, the maximum value is obtained), the value of the MTF with respect to 1.0 on the horizontal axis in FIG. 25 is obtained.
Similarly, when the ratio D / d is set to 0.5, 1.5, 2.0,..., And the like, the MTF value is obtained, and the value is plotted to find the relationship between MTF and D / d. The graph G12 shown is obtained.
From this graph G12 (MTF)2, A graph G13 is created, and a graph G11 representing I and (MTF)2(MTF) with graph G13 representing2By calculating as I, a graph G14 representing the right side of Expression (3) is obtained.
As is apparent from FIG. 25, the graph G14 shows that (MTF) when D / d ≒ 1.1.2I takes the maximum value and therefore (S / N)2That is, the S / N ratio becomes maximum. The MTF at this time is approximately 0.35. The graph G14 shows that (DTF) is in the range of 0.8 to 1.4 and (MTF)2This indicates that I (that is, the S / N ratio) is a value close to the maximum value. The MTF at this time is 0.2 to 0.6. Further, according to the graph G4, it is shown that when the D / d is in the range of 0.95 to 1.25, the S / N ratio is even better. The MTF at this time is 0.25 to 0.45.
Therefore, the maximum S / N ratio can be obtained by making D / d very close to 1.1, and by selecting D / d in the range of 0.95 to 1.25, the maximum value can be obtained. A close S / N ratio can be obtained, and a relatively high S / N ratio can be obtained by selecting D / d in the range of 0.8 to 1.4. Therefore, the value of D / d may be set according to how much the S / N ratio needs to be obtained. For example, the D / d ratio may be in the range of 0.66 to 1.5.
When this is converted into the range of MTF, when the MTF is 0.35, the maximum S / N ratio can be obtained. When the MTF is in the range of 0.25 to 0.45, the maximum S / N ratio is almost reached. Can be obtained, and when the MTF is in the range of 0.2 to 0.6, a relatively high S / N ratio can be obtained.
In addition, when one electron beam apparatus is used and the inspection time is T, which is the minimum line width d1 of the pattern to be evaluated, and when the inspection time is doubled (d2 = 2d1), for example, the inspection time is reduced. In some cases, it is necessary to execute two or more detection modes, such as when there is a request to shorten the time to T / 4 and when there is a request for both. As described above, when there are two or more detection modes and the time for changing the beam diameter D can be made sufficiently small, the beam diameters D1 and D2 used for the respective minimum line widths d1 and d2 are determined. The following two conditions
0.8 ≦ D1 / d1 ≦ 1.4
0.8 ≦ D2 / d2 ≦ 1.4
By simultaneously changing the beam diameters D1 and D2 so as to satisfy the above conditions, the most suitable electron beam can be used for each minimum line width. In this case, the beam diameter can be changed by providing two or more lenses and changing only the reduction ratio without changing the focal plane by the zoom action. In this case, in the electron optical system 70 of the electron beam apparatus shown in FIG. 8, by changing the reduced image position of the opening 723a of the multi-aperture plate 723 of the primary optical system in the Z-axis (optical axis) direction, The reduction ratio for the region from 723a to the wafer W is changed, and the beam diameter D is changed so that the value of D / d falls within the range of, for example, 0.8 to 1.4. As a result, the S / N ratio can be set to a value close to the maximum value.
Regarding the setting of the beam diameter D for improving the S / N ratio described above, in addition to the electron beam apparatus of the embodiment shown in FIG. Is also applicable.
Next, a method for detecting a short circuit of a wiring pattern on the wafer W using the electron beam apparatus shown in FIG. 8 will be described. As described above, in order to perform the defect inspection of the wafer surface and the evaluation of the pattern formed on the sample surface, the wafer is set on the stage device 50 and applied by charge injection by irradiating the wafer surface with a plurality of electron beams. The emission amount of secondary electrons that fluctuates according to the applied potential is observed by a plurality of detectors 761. Therefore, for example, when charge is injected by scanning an LSI with an electron beam, the short-circuit wiring portion of the LSI differs from the normal wiring portion in which the initial value of the potential is normal. Can be.
When a voltage lower than that of the wafer W is applied to the axisymmetric electrode 730, the axisymmetric electrode 730 forms a constant potential barrier. The secondary electrons exceed or are blocked by the potential barrier depending on the potential of the pattern of the wafer W. Therefore, only the secondary electrons that have exceeded a certain potential barrier are detected by the corresponding detectors 761, and the detected amount of secondary electrons increases or decreases depending on the potential of the pattern. On the other hand, charges are injected into the pattern of the wafer by the irradiation of the electron beam, and a potential determined depending on the capacitance of the charges is generated. Therefore, for example, it can be assumed that different chips have the same capacitance if the patterns are the same, and have the same potential if the charge injection amount is the same. Secondary electrons are observed based on such logic, and if a potential lower than the expected value is observed for a pattern expected to have the same potential, it is determined that a short circuit exists in the pattern. can do.
The above-described detection of a short circuit is not limited to the electron beam apparatus of the embodiment shown in FIG. 8, but can be applied to other embodiments described below and modifications thereof.
Next, a method for reducing the influence of the charge-up performed in the electron beam apparatus according to the present invention will be described. 2. Description of the Related Art Conventionally, in an electron beam apparatus that irradiates a wafer with a multi-beam, that is, a plurality of primary electron beams, various technical problems have been left unsolved. There is a problem of charge-up that occurs. Charge-up, or charging, occurs when the number of incident electrons and the number of electrons emitted as secondary electrons or reflected electrons are not the same in an object to be observed, that is, a sample in which an insulator, a floating conductor, or the like exists, and the irradiated portion is positive. Or, it is a phenomenon of being negatively charged. Charge-up is an unavoidable phenomenon in a semiconductor wafer having insulators, floating conductors, and the like. When this occurs, not only the wafer surface cannot be made equipotential, but also the potential is greatly different in the visual field due to local charging. The phenomenon occurs.
On the other hand, when accelerating low-energy electrons such as secondary electrons and enlarging and projecting them with a high magnification using an electrostatic lens, the multibeam has a narrow energy width that can be imaged due to axial chromatic aberration, and the energy is uniform over the entire visual field. Sensitive to sex. Therefore, if the potential distribution on the wafer surface is significantly different, there is a problem that an image is distorted or cannot be formed in the vicinity thereof, and proper observation cannot be performed. In addition, if the wafer is excessively charged, discharge or dielectric breakdown may occur, damaging the sample itself.
The occurrence of charge-up is determined by the secondary electron generation efficiency. The secondary electron generation efficiency is a value obtained by dividing the number of generated secondary electrons and reflected electrons by the number of electrons irradiated on the wafer. When the secondary electron generation efficiency is greater than 1, the wafer is positively charged. However, when the secondary electron generation efficiency is smaller than 1, the wafer is negatively charged. Therefore, it should be understood that the above-mentioned problems can be reduced by irradiating the primary electron beam to the insulator and the floating conductor so that the secondary electron generation efficiency is as close to 1 as possible. In fact it is not that simple.
As a result, a plurality of types of insulators and floating conductors having different secondary electron generation efficiencies are often mixed on a semiconductor wafer, and it is very difficult to obtain an image without charging up these. . Further, there are images such as a potential contrast image which cannot be observed unless a certain amount of charge-up is performed intentionally. In such a case, it is difficult to control the degree of charge-up.
For example, as an actual example of a semiconductor wafer including an insulator, a semiconductor wafer having a cross-sectional structure as shown in FIG. In FIG. 26, Su is a silicon substrate and a semiconductor, m1 and m2 are different kinds of insulators, and the surface of the semiconductor wafer is flattened by a process such as CMP. In addition, even in ordinary edge-enhanced SEM observation, the image contrast is low and a good observation image cannot be obtained.
When the wafer is irradiated with electrons Eb having a landing energy (incident energy) of V1, charge-up occurs and the landing energy shifts. As long as there is no leakage current, the amount of the shift reaches “a” and “b” in the graphs “A” and “b” of FIG. As a result, the charge-up potentials become Us / A(= A−V1) and Us / B(= B−V1).
in this case,
Umin<Us / A<Umax(7)
Umin<Us / B<Umax(8)
It is sufficient that the two inequalities are simultaneously satisfied, but in many cases, even if the position of the landing energy V1 is changed in the graph of FIG.
Therefore, in the electron beam device 70 according to the present invention, as shown in FIG. 28, in addition to the electrons having the landing energy V1, the electrons Eb 'having the landing energy V2 are irradiated. Here, the landing energies V1 and V2 are set so as to be located on both sides of the equilibrium points a and b of the insulators m1 and m2 as shown in FIG.
The charge-up potential of each of the insulators m1 and m2 illuminated with electrons having two different energies is detected as follows. The secondary electron efficiency curves of the insulators m1 and m2 with respect to the energy V of the irradiation electrons are represented by FA (V) and FB (V), respectively. The irradiation electron densities of the landing energies V1 and V2 on the wafer are defined as I1 and I2, respectively. The secondary electron mass densities Q1 and Q2 emitted from the surfaces of the insulators m1 and m2 by these two energy irradiations can be expressed as follows, respectively.
Q1 = I1 · FA (V1) + I2 · FA (V2)
Q2 = I1 · FB (V1) + I2 · FB (V2)
Generally, the values of Q1 and Q2 are not the same as the irradiation electron densities I1 and I2. As a result, charge-up occurs, and each insulator Us / AAnd Us / BOnly after a change in the surface potential occurs does the equilibrium state be reached. The equilibrium state can be expressed as follows.
I1 + I2 = I1*FA (V1 + Us / A) + I2*FA (V2 + Us / A)
(9)
I1 + I2 = I1*FB (V1 + Us / B) + I2*FB (V2 + Us / B)
(10)
These two equations (9) and (10) can be rewritten as follows, if I / (I1 + I2) = α is modified.
1 = α*FA (V1 + Us / A) + (1-α)*FA (V2 + Us / A)
(11)
1 = α*FB (V1 + Us / B) + (1-α)*FB (V2 + Us / B)
(12)
Us / AAnd Us / BIs determined to be a specific value that satisfies the inequalities (7) and (8), and assuming that one of V1, V2 and the ratio α of I1 to the total irradiation current density is a specified value, the expressions (11) and (12) are If the remaining two are calculated and set so as to be established at the same time, the wafer including the insulator can be observed in a good imaging state. Then, by adjusting the total irradiation current density, illumination can be performed under the most preferable irradiation conditions.
Incidentally, if all of V1 and V2 in the formulas (11) and (12) and the ratio α to the total irradiation current density are obtained as variables, it is possible to handle up to three types of insulators. Further, each time the irradiation electron energy is increased by one type, two new variables, V and I, are increased, so that the number of insulators that can be handled increases by two.
As described above, the wafer can be simultaneously irradiated with a plurality of electron beams, and the amount of current and the incident energy from each electron source can be controlled independently, so that a change in surface potential due to charge-up of each insulator or floating conductor can be reduced. The current amount and the incident energy can be set so as to be the respective target values. Therefore, a change in surface potential (Us) Is the minimum amount required for image observation (Umin) And the maximum amount (U) at which an observed image with little distortion can be obtained without damaging the wafer itself.max), And a clear and distortion-free image can be obtained. In addition, it is preferable to illuminate the field of view under uniform irradiation conditions. This eliminates partial charge-up and brightness of an image due to uneven irradiation in the field of view, and a clearer image can be obtained.
The above-described method for controlling the change in surface potential due to charge-up to a target value is not only applicable to the electron beam apparatus of the embodiment shown in FIG. 8, but also to other embodiments described below and their embodiments. Applicable to deformation.
The current amount of at least one electron gun and the incident energy to the wafer can be controlled in a time-sharing manner, so that an effect as if a plurality of electron guns having different current amounts and different incident energies are provided is provided. It is preferable to have In charge-up, temporal and spatial superposition is established, so that even in this case, the problem of charge-up can be reduced.
In this case, a detector that receives secondary electrons and converts them into an electric signal uses a combination of a secondary electron-optical converter and a photoelectric converter such as a PMT, and switches the illumination in a time-division manner. By storing the charge of the cycle in the CCD and extracting the same, it is possible to output the sum of outputs for all different illumination lights. Even in this case, it is preferable to illuminate the field of view under uniform illumination conditions.
Next, a method of scanning the wafer W using the electron beam apparatus shown in FIG. 8 will be described with reference to FIGS.
In one scanning method, as shown in FIG. 30, a wafer W is scanned with a primary electron beam in divided small regions 200. In the electron beam apparatus, the small region 200 is set so that the field of view of the primary electron beam is a region 300 slightly larger than the small region 200. The small region 200 corresponds to a region where the primary electron beam can be electrically deflected. After detecting secondary electrons generated from the wafer, the wafer is moved to irradiate the next small area 200. The next area is an unirradiated small area that skips at least one adjacent small area. . Since the charged charges decrease with time, the influence of the charging of the irradiated small area is sufficiently small, and the skipped small area is irradiated after a lapse of time. As an example of a method of selecting the irradiation order, as shown in FIG. 30, when a small region divided into 64 is irradiated in the order of (1), (2), (3),. Sufficient time can be allowed for irradiation of a small region adjacent to the small region after irradiation. It is preferable to execute an inspection based on secondary electrons detected from the irradiated small area while moving the wafer W.
The selection of the irradiation order of such a small region can be applied to an electron beam apparatus using one primary electron beam.
FIG. 31 shows another scanning method. In this example, the wafer W is divided into small stripe-shaped regions R1, R2, R3,. Then, the primary electron beam is moved in the long axis direction (Y-axis direction) of the small area while scanning in the short axis direction (X-axis direction) of the small area. When skipping one small region, the wafer is moved in the + Y-axis direction while scanning, irradiation of the small region R1 is performed, and then the wafer is moved in the X-axis direction, and then the wafer is moved in the -Y-axis direction. Irradiation of the small region R3 is performed. Irradiation is performed sequentially for every other region, and after irradiation of the small region Ri, irradiation of the small region R (i + 1) (i = 1, 2,..., N−1) is performed.
FIG. 32 shows still another scanning method. In this method, when irradiating a small area by scanning, scanning is started from a side close to the small area to be scanned and is advanced to a far side. That is, when scanning is performed for each row, after scanning the small region R11, the small region R12 is skipped and the small region R13 is scanned. In this case, the scanning of the small region R1 is performed at a point P11 close to the small region R13. And ends at the farthest point P12. When the scanning of the small area R11 is completed, the wafer W is moved stepwise, and the scanning of the small area R13 is started from the point P13 and is performed up to the point P14. Thereafter, R14 adjacent to the small region R13 is skipped, and a small region R15 is performed. When the line is completed, the process moves to the next line and the same scanning is performed for each small area. According to such a scanning method, the influence of charging can be reduced. Note that on the premise that scanning is started from a point in a small area that is distant from the scanning end point of the immediately preceding small area Rij, the adjacent small area Ri (j + 1) is not skipped after the end of the small area Rij. , The small area Ri (j + 1) may be scanned.
In the scanning of each small area in FIG. 32, for example, as shown in the small area R22, the scanning starts from the point P15, returns to the point P17 when reaching the point P16, and scans to the point P18. It may be. Note that the broken line in the small region R22 indicates a return line. In this way, the effect of the immediately preceding scan can be reduced by performing every other raster scan in each small area. The number of lines to be skipped is not limited to one, but may be arbitrary plural lines.
In the scanning method shown in FIGS. 30 to 32, skipping of a small area can be controlled electrically, so that there is almost no time loss and the influence of charging can be reduced.
Hereinafter, various embodiments of the electron beam apparatus according to the present invention other than the embodiment shown in FIG. 8 will be described.
FIG. 33 shows an embodiment of an electron optical system 70 applicable to the electron beam apparatus according to the present invention. This embodiment has a function of adjusting a plurality of apertures of a multi-aperture plate for generating emitted electrons into a multi-beam by rotating the apertures around an optical axis.
As shown in FIG. 33, the electron optical system 70 of this embodiment includes an electron gun 1-3 for generating an electron beam 17-3, and a secondary aperture from a surface of a wafer W irradiated with the electron beam. A secondary optical system (map projection unit) 25-3 for forming an image on the aperture 14-3 is provided. The electron gun 1-3 is a ZrO thermal field emission electron gun, in which Zr is welded to a <001> tungsten needle-like cathode, Zr is diffused at the tip of the needle, and activated in an oxygen atmosphere. Things. The electron gun 1-3 formed in this manner has an optical axis (that is, a vertical direction on the paper in FIG. 33 and a direction perpendicular to the paper in FIG. 34) as shown as a beam cross section on the XY plane in FIG. It is known that a strong electron beam 20-3 is emitted in the direction of the direction (Z axis), but an even stronger electron beam 17-3 is emitted in four <001> directions on the side. The strong electron beam 17-3 is emitted in four directions around the optical axis as shown in FIG.
The five strong electron beams 17-3 and 20-3 shown in FIG. 34 are converged by the condenser lens 2-3 to form a crossover image 5-3. A multi-aperture plate 4-3 having an aperture 4-3a between the condenser lens 2-3 and the crossover image 5-3 is arranged perpendicular to the optical axis. The multi-aperture plate 4-3 has four small openings 4-3a for discarding the electron beam 20-3 in the optical axis direction and passing the strong electron beam 17-3 in four directions around the optical axis. The electron beams passing through the four apertures 4-3a are reduced by the reduction lenses 6-3 and 8-3, and form four 100-nm diameter multi-beams on the wafer W on the stage device 50.
Since the center of the location where the intensity of the electron beam 17-3 is the highest and the position of the opening 4-3a are generally shifted by a predetermined angle about the optical axis (Z axis), a rotating lens 3-3 is provided. The electron beam 17-3 is rotated clockwise in FIG. 33 so that the center of the location where the intensity of the electron beam 17-3 is the maximum coincides with the position of the opening 4-3a. Further, while continuously moving the wafer W in the Y-axis direction by the stage device 50, the four strong electron beams 17-3 passing through the openings 4-3a are scanned in the X-axis direction. In order to evaluate the wafer, it is preferable that the intervals of the electron beams 17-3 projected in the X-axis direction are equal between any two beams. This is the same as the case of the electron optical system 70 of the electron beam device described with reference to FIG.
The rotating lens 3-3 is arranged at the same position in the Z-axis direction as the condenser lens 2-3. The rotating lens 3-3 includes a core of a ferromagnetic material whose axis is symmetrical with a U-shaped cross section and a coil wound around the optical axis inside the core. You can control the rotation fee. In addition, the condenser lens 2-3 is configured as a unipotential lens whose upper and lower poles are grounded and which applies a negative high voltage to the center electrode. Therefore, each electron beam has low energy at the position of the center electrode and can rotate with a small magnetic field of the rotating lens.
FIG. 34 shows four strong electron beams 17 ′-3 on the XY plane passing through the optical axis and parallel to the scanning direction (X-axis direction) at positions displaced by an angle φ from the Y-axis. As shown in FIG. 35, in order for the intervals e, f, and g in the X-axis direction to be equal to each other,
Since e = cosφ−sinφ, f = 2 sinφ, and g = cosφ−sinφ,
2 sinφ = cosφ−sinφ
If the angle φ is set so as to satisfy the above, the intervals e, f, and g in the X-axis direction of the four electron beams 17 ′-3 can be equalized.
The step of adjusting the angle [phi] of the four electron beams 17'-3 is performed by the rotating lens 18-3. The rotating lens 18-3 is disposed so as to coincide with the crossover position of the electron beam 17'-3 so that the magnification of the crossover image does not change even when the intensity of the rotating lens 18-3 is changed.
The secondary electrons emitted from the wafer W are enlarged by the objective lens 40-3 to form an enlarged image of about 4 times before the Wien filter (E × B filter) 23-3. And the image is formed on the multi-aperture plate 14-3 on the secondary optical system side by the magnifying lenses 12-3 and 13-3. The multi-aperture plate 14-3 has four openings 14-3a (larger than the openings 4-3a), and all the electrons coming near these pass through the openings and are detected by the detector 15-3. . However, the rotation of each opening 14-3a is performed so that electrons generated from the wafer surface by each of the four primary electron beams 17'-3 do not enter the corresponding opening 14-3a and do not enter the adjacent opening. The angle must match the rotation angle of each electron beam 17'-3. The step of adjusting the rotation angle is performed by the rotation lens 19-3 arranged between the magnifying lenses 12-3 and 13-3 and the multi-aperture plate 14-3.
The resolution of the electron optical system 70 shown in FIG. 33 is determined by the aberration of the objective lens 40-3. To reduce this aberration, a magnetic lens 21-3 is arranged near the objective lens 40-3. The magnetic lens 21-3 reduces the aberration by superimposing the lens electric field and the lens magnetic field. In consideration of the voltage applied to each electrode of the electrostatic lens 2-3, the maximum value of the magnetic field coincides with the position of the electrode to which the lowest voltage is applied, in the Z-axis (optical axis) direction position of the rotating lens 3-3. Is set as a position where In FIG. 33, the electron beam 20-3 emitted from the electron gun 1-3 in the optical axis direction has no corresponding opening provided in the multi-aperture plate 4-3, and is therefore not used.
In the electron optical system 70 shown in FIG. 33, the defect detection on the wafer surface is performed by comparing the image generated by the obtained image signal with standard pattern data or by comparing the detected images of the dies. The defect review on the wafer surface is performed by observing an image obtained by scanning a beam on a monitor synchronized with the scanning of the primary electron beam on the wafer surface. Further, the pattern line width measurement is performed based on an image obtained at that time by scanning the primary electron beam on the wafer surface in the short side direction of the pattern, and the pattern potential measurement is performed on the electrode closest to the wafer surface. Is performed by selectively feeding back secondary electrons emitted from a pattern having a high potential on the wafer surface to the wafer side.
As described above, the electron optical system 70 shown in FIG. 33 is provided with a rotating lens near the electron gun, rotates the electron beam around the optical axis, and adjusts the center and the hole of the place where the electron beam intensity is maximum. Eliminate the displacement of the position of the opening. As a result, the center of the place where the electron beam intensity is maximum and the position of the hole are accurately matched. Further, in the step of scanning four strong electron beams on the wafer in the X-axis direction, by providing a rotating lens and rotating the four electron beams, the interval of the projection of the four electron beams in the X-axis direction can be set to any value. Adjustments can be made to be equal between the beams. By arranging the rotating lens so as to coincide with the crossover position of the electron beam, it is possible to prevent the magnification of the crossover image and the imaging conditions from being affected even when the intensity of the rotating lens is changed. It is.
Furthermore, by providing a magnetic lens near the objective lens and adjusting this lens, the aberration of the objective lens that determines the resolution of the optical system can be reduced. Since this magnetic lens is disposed near the aperture image on the wafer, the rotation of the electron beam can be controlled without affecting the imaging conditions of the crossover image or the aperture image. Then, by superimposing the lens electric field and the lens magnetic field, the aberration of the objective lens can be reduced. Furthermore, the rotation angle of the detection aperture of the multi-aperture plate of the secondary optical system and the rotation angle of the secondary electron beam are set between the magnifying lenses 12-3 and 13-3 and the detection aperture. According to 19-3, it is possible to adjust and match, so that the image by the secondary electron beam and the rotation direction of the detection aperture can be matched, and crosstalk can be reduced.
Needless to say, the number of multi-beams is not limited to four.
FIG. 36 shows another embodiment of the electron beam apparatus according to the present invention. This embodiment particularly has a configuration of a multi-aperture plate for generating a multi-beam in the primary optical system, a point that a time variation of the intensity of an electron beam can be corrected in real time, It is characterized in that the transmittance of the secondary electrons can be corrected by adjusting the gain of the amplifier.
The electron beam device shown in FIG. 36 includes a primary optical system 10-4, a secondary optical system 20-4, and an inspection unit 30-4. The primary optical system 10-4 has an electron gun 11-4 that emits an electron beam, an electrostatic lens 12-4 that focuses the electron beam emitted from the electron gun 11-4, and a plurality of small openings. A multi-aperture plate (in this embodiment, referred to as an aperture plate electrode because it functions as an electrode) 13-4, an electrostatic intermediate lens 14-4 for focusing an electron beam, an electrostatic deflector 15-4, and E It comprises a × B separator / deflector 16-4, an electrostatic deflector 17-4, and an electrostatic objective lens 18-4, which, as shown in FIG. The electron beams emitted from the electron gun are arranged such that the optical axis O of the electron beam emitted from the electron gun is perpendicular to the surface (sample surface) of the wafer W.
In this embodiment, the electron gun 11-4 is a thermal field emission electron gun having a single cathode coated with Zr on a sharpened tungsten needle so that thermal field emission is possible. The coating of the cathode with Zr is thereafter treated in an oxygen atmosphere to change to ZrO, and the work function is lowered. As shown by the graph CL in FIG. 37, the intensity distribution of the electron beam emitted from the electron gun 11-4 has a maximum at the center (optical axis position) and decreases axially symmetrically as the distance from the optical axis increases. have.
LaB is an electron gun whose intensity does not decrease much even if it is far away from the optical axis.6In some cases, it is better to use an electron gun having a cathode, but in this case, since the emittance of the electron gun can be increased, many beams can be produced. The use of this electron gun in the space charge limited region is advantageous because shot noise is small.
In order to correct the curvature of field of the primary optical system 10-4, the aperture plate electrode 13-4 is formed such that the central portion 131-4 is located at the other peripheral portion as shown in FIG. It has a three-step structure that protrudes more toward the electron gun 11-1 than 132-4, and four corner portions 134-4 protrude toward the anti-electron gun side. The aperture plate electrode 13 is made of, for example, a high melting point metal such as Ta or Pt. In this example, as shown in FIG. 38, a total of nine openings or small holes 133-4a are provided in three rows and three columns. To 133-4i. A hole 133-4a is formed in the central portion 131-4, and holes 133-4 (133-4b, 133-4c, 133-4d, and 133-4g) are formed in the peripheral portion 132-4, and four corner portions are further formed. Holes 133-4 (133-4e, 133-4f, 133-4h, and 133-4i) are formed in 134-4, and are arranged as shown in [A] of FIG. The number of these holes is not limited to nine. These holes have, for example, a circular shape of 2 μmφ, and the pitch between adjacent holes is 1000 μm, but the size and pitch can be arbitrarily selected. However, the holes 133-4b, 133-4c, 133-4d, and 133-4g are arranged on the same circumference around the optical axis, and the holes 133-4e, 133-4f, 133-4h, and 133-h. 4i are on the same circumference. The shift amount λ of the stepped structure is a value corresponding to the curvature of field of the primary optical system, and the hole 133-4a on the optical axis O is replaced with the other holes 133-4b, 133-4c, and 133. -4d and 133-4g are closer to the electron gun side at a value λ corresponding to the curvature of field, and holes 133-4b, 133-4c, 133-4d and 133-4g are holes 133-4e and 133-4g. 4f, 133-4h and 133-4i are closer to the electron gun at a value λ corresponding to the curvature of field. In the aperture plate electrode 13-4 shown in FIG. 38A, the central portion 131-4 protrudes in a circular shape, but may protrude in a rectangular shape. 4 may project circularly with respect to the part 134-4. Further, the opening plate electrode may have a curved shape in which the central portion has a middle height, as indicated by 13'-4 in [B] of FIG. In this case, the holes 133-4b, 133-4c, 133-4d, and 133-4g are arranged on the same circumference centered on the optical axis, similarly to the aperture plate electrode of [A] in FIG. 133-4e, 133-4f, 133-4h and 133-4i are on the same circumference. The hole 133-4a in the optical axis O is closer to the electron gun side at a value λ corresponding to the field curvature than the other holes 133-4b, 133-4c, 133-4d, and 133-4g, and The holes 133-4b, 133-4c, 133-4d and 133-4g are closer to the electron gun side at a value λ corresponding to the field curvature than the holes 133-4e, 133-4f, 133-4h and 133-4i. I have.
The electrostatic deflectors 15-4 and 17-4 are 8-pole electrostatic deflectors in this embodiment. Since the octupole electrostatic deflectors 15-4 and 17-4 and the electrostatic lenses 12-4, 14-4 and 18-4 have known structures, their detailed description will be omitted. The E × B separator, that is, the E × B deflector 16-4 is shown in FIG. Also, the small holes formed in the aperture plate electrode are not limited to three rows and three columns, and as shown in FIG. 39 as aperture plate electrodes 13 ″ -4, holes 135-4a to 135-4d are formed. If four circular small holes or two circular small holes 136-4a and 136-4b are used, the beam intensity of the electron beam passing through each small hole can be made substantially the same. Since the distances from the optical axis are the same, there is no need to correct the field curvature.
Returning to FIG. 36, the secondary optical system 20-4 is a light beam inclined at a predetermined angle with respect to the optical axis O near the focal plane FP near the E × B deflector 16-4 of the primary optical system. It has deflection lenses 21-4 and 22-4 arranged along the axis O ', and a multi-aperture plate 23-4. In the multi-aperture plate 23-4, nine openings (only three openings are shown in FIG. 36) are formed in three rows and three columns corresponding to the holes of the multi-aperture plate 13-4 of the primary optical system. ing. The electron optical system 70 has a detector 31-4 (only 31-4a, 31-4b and 31-4c are shown in FIG. 36) for each opening of the multi-aperture plate 23-4. A signal processing unit 33-4 (in FIG. 36, 33-4a) is connected to each detector 31-4 via an amplifier 32-4 (only 32-4a, 32-4b, and 32-4c are shown in FIG. 36). , 33-4b, and 33-4c are shown). Each amplifier is provided with a gain adjuster 34-4 (only 34-4a, 34-4b, and 34-4c are shown in FIG. 36), and adjusts the gain or offset value of the amplifier. The gain adjuster 34-4 is electrically connected to the aperture plate electrode 13-4 via the common amplifier 35-4, and sends a signal indicating a change in current flowing through the aperture plate electrode to the gain adjuster 34-4. send. Since the beam intensity of the electron beam emitted from the thermal field emission electron gun 11-4 fluctuates with time, the aperture plate electrode 13-4 is insulated from the ground, the beam current is measured, and the beam current is measured. This is because the measured value of the fluctuation is fed back in real time to the amplification factor of the secondary electron signal, that is, the gain or offset value, so that the fluctuation of the beam current does not affect the signal. As described above, the number of holes formed in the aperture plate electrode is not limited to nine. In this case, the number of apertures, detectors, amplifiers, and the like formed in the multi-aperture plate 23-4 naturally becomes the number and arrangement corresponding to the number. The size of the opening is a circle of 2 μmφ, and the pitch between adjacent openings is 1200 μm. The aperture of the aperture plate electrode and the aperture of the aperture plate may be formed not only in a circle but also in a square.
Next, the operation of the electron beam apparatus shown in FIG. 36 will be described. An electron beam emitted from an electron gun 11-4 having a single cathode is focused by a condenser lens, that is, an electrostatic lens 12-4, and irradiates an aperture plate electrode 13-4. The electron beam passes through a plurality of small holes 133-4 formed in the aperture plate electrode 13-4, travels toward the sample, and has an electrostatic intermediate lens 14-4 and an electrostatic objective lens 18-4 provided on the way. To form an image on the surface (sample surface) of the wafer W. Secondary electrons are emitted from the wafer surface by irradiation of the primary electrons, and the secondary electrons are accelerated and converged by an accelerating electric field for the secondary electrons applied between the electrostatic objective lens 18-4 and the wafer W. Then, the beam becomes a beam having a relatively small diameter, passes through the electrostatic objective lens 18-4, and is substantially focused before the focal plane FP of the primary beam. At the position of the focal plane FP, the secondary electrons are deflected by the E × B deflector 16-4 so as to move along the optical axis O ′. The deflected secondary electrons enter the electrostatic lens 21-4. The electrostatic lens 21-4 is excited so that an electron of 2 eV on the wafer surface forms an image before the lens 21-4. The secondary electrons are further enlarged by the electrostatic lens 22-4 and form an image on the multi-aperture plate 23-4 for detection. The secondary electrons emitted from the wafer surface by the beam passing through each hole 133-4 of the aperture plate electrode 13-4 are guided to the corresponding detector through the corresponding aperture of the aperture plate 23-4.
The image formed by the multi-aperture plate 23-4 as described above is detected through the respective openings of the aperture plate by the detectors 31-4 arranged for the respective openings on the back surface of the aperture plate. Is converted into an electric signal by the detector 31-4. Signals from the detectors are amplified by amplifiers 32-4 and sent to corresponding signal processing circuits 33-4, respectively, which inspect the wafer surface for defects, measure the line width of the formed pattern, Defects are reviewed. Then, a predetermined area on the wafer surface is scanned with a plurality of electron beam beams traveling through the primary optical system 10-4 by the 8-pole electrostatic deflectors 15-4 and 17-4, and the area is inspected. And so on. In this case, by optimizing the deflection sensitivity ratio of the 8-pole electrostatic deflector by a known method, the deflection trajectory can be set to any position near the main surface of the electrostatic objective lens 18-4 in the Z-axis direction on the optical axis. , The beam blur at the time of large deflection can be minimized. In order to scan the entire wafer surface with the beam, scanning of the beam in the above area and movement of the wafer surface in the X-Y directions are performed in combination.
When the signal is amplified by the amplifier 34-4, the gain or the offset value is adjusted for each amplifier by the gain adjuster in order to correct the unevenness of the electron dose passing through the small hole of the aperture plate electrode 13-4. I do. In this case, it is possible to measure the time variation of the current flowing through the aperture plate electrode due to the irradiation of the electron beam, input the measurement result to a gain adjuster, and use it for adjusting the gain or offset value. Although the example in which the stepped aperture plate electrode 13-4 is used in combination with the amplifier whose gain or offset value can be adjusted has been described, the combination of the flat aperture plate electrode and the amplifier whose gain can be adjusted is combined. May be used.
In order to inspect the wafer surface for defects, measure the line width of a pattern, and review defects using the electron beam apparatus shown in FIG. 36, first, the size of small holes for forming a beam in the aperture plate, and In order to correct the magnitude of the next electron transmittance in advance, the wafer on which the pattern is not formed is set at a predetermined position and the electron beam apparatus is operated. Then, the gain adjusters 34-4 correct the gains and offset values of the respective amplifiers so that the outputs of the amplifiers 32-4 become the same. Next, the wafer to be inspected is set, the electron beam apparatus is operated as described above, the secondary electrons emitted from the wafer surface are detected by the detector, and the electric signal amplified by the amplifier is processed by the signal processing circuit. Process in 33-4. The signal processing circuit compares the processed signal with reference data relating to a designed pattern stored in a storage unit by, for example, a comparison circuit (not shown) to determine whether or not there is a defect in the pattern formed on the wafer and the position of the defect. Defect inspection can be performed by substituting the defect detection circuit for detection. Further, if the signal processing circuit is replaced with a line width measuring device, the line width of the pattern formed on the wafer surface can be measured. Further, if a monitor such as a CRT is further connected to the signal processing circuit, the defect can be reviewed. Furthermore, if a function of blanking a beam is provided somewhere in the primary optical system, it can be used as an EB tester.
According to the electron beam apparatus shown in FIG. 36, the time variation of the intensity of the electron beam from the electron gun can be corrected in real time, so that the inspection can be performed accurately. In addition, since variations in the multi-aperture plate and transmittance of secondary electrons can be corrected by adjusting the gain of the amplifier, there is no variation in the output from each detector.
FIG. 40 shows an electron optical system 70 applicable to the electron beam apparatus according to the present invention. In this embodiment, as shown in FIG. 40, the electron beam emitted from the electron gun 1-5 is enlarged by a three-stage condenser lens 3-5, 5-5, 6-5 to enlarge the light source image, and the final lens An image is formed on the entrance pupil 8-5 (shown by a solid line 16-5 in the drawing). On the wafer W side of the condenser lens 3-5, a multi-aperture plate 4-5 provided with four holes at equal intervals on the same circumference centered on the optical axis is provided, and an electron beam passing through those holes Is reduced by the two condenser lenses 5-5 and 6-5 and the objective lens 8-5 and is imaged on the wafer W (indicated by a broken line 14-5). An E × B separator 7-5 is provided on the electron gun side of the objective lens 8-5, and deflects the primary electron beam by 10 ° to the right in the traveling direction and the secondary electron beam by 30 ° to the right in the traveling direction. Let it. That is, the amount of deflection of the primary electron beam by the electric field of the E × B separator 7-5 is set to half of the amount of deflection by the magnetic field. Since the deflection chromatic aberration due to the electric field is half of the deflection chromatic aberration due to the magnetic field, the deflection chromatic aberration due to the electric field and the deflection chromatic aberration due to the magnetic field cancel each other, and the deflection chromatic aberration can be reduced to almost zero. The secondary electrons emitted from the four primary electron beam irradiation points on the wafer W form four enlarged images before the magnifying lens 10-5, and are further magnified by the magnifying lens 10-5. An image is formed on a multi-aperture plate 11-5 having two holes (indicated by a dashed line 12-5). A detector 13-5 is arranged behind each hole of the multi-aperture plate, detects the formed secondary electron image, and outputs it as an electronic signal.
Since the center of deflection of the E × B separator 7-5 is not at the image forming point of the primary electron beam, there is a possibility that the primary electron beam may have large deflection chromatic aberration. The chromatic aberration of deflection is reduced by making the value twice. More specifically, the light is deflected to the left by 10 ° by an electric field, deflected to the right by 20 ° by a magnetic field, and deflected to the right by 10 ° after subtraction. Correspondingly, the wafer W is arranged at an angle of 10 ° in order to receive the incident primary electron beam vertically. Of course, the primary optical system may be inclined by 10 ° with the wafer horizontal.
A cathode 2-5 inside the electron gun is a cathode of the thermal field emission electron gun, and has an optical axis direction of <100> direction, and a beam stronger than the optical axis direction in four directions of <310> or <100> direction of the side surface. Because of the emission, the <100> orientation emission is discarded and only the <310> or side <100> orientation emission is passed down. Since radiation in the <310> or side <100> directions is emitted in a sufficiently wide direction, even if the excitation of the condenser lens 3-5 is changed and the crossover dimension on the objective lens 8-5 is largely changed, the multi-aperture is not changed. The beam current that irradiates each hole of the plate 4-5 hardly changes, and the beam current can be kept unchanged.
The condenser lenses 5-5 and 6-5 are operated as zoom lenses, that is, the beam size and beam current are adjusted by changing the crossover magnification without changing the crossover imaging condition and the aperture image imaging condition. Is also good. The beam interval may be adjusted by using two lenses as zoom lenses.
According to the electron optical system 70 shown in FIG. 40, since the primary optical system is constituted by four lenses and the secondary optical system is constituted by one lens, the structure is simple and its control, that is, Control of beam spacing, beam size (diameter), and beam current becomes easy. The crossover is formed by enlargement by all lenses, and the aperture image is formed by reduction by all lenses, so that the optical system is simplified. In the secondary optical system, a sufficient magnification can be obtained with the objective lens and one lens after the E × B separator.
The openings of the multi-aperture plates 4-5 and 11-5 need to be arranged correspondingly, but needless to say, the number is not limited to four and can be set to any number.
FIG. 41 shows still another embodiment of the electron optical system 70 applicable to the electron beam apparatus according to the present invention. In this embodiment, the number of lens stages is reduced as much as possible to simplify the present invention. Since the number of lens stages is small, focusing and axis alignment of the primary electron beam and the secondary electron beam can be easily performed, and crosstalk between the electron beams can be reduced.
In the electron optical system 70 shown in FIG. 41, a single crystal LaB6The cathode is processed and arranged in a shape in which protrusions are arranged on the circumference. The electron beam emitted from the electron gun is focused by the condenser lens 3-6 and is applied to the multi-aperture plate 4-6. The multi-aperture plate 4-6 has nine openings provided on the same circle, and is set such that the intervals between the openings when projected on the X axis are equal. This is the same as the case shown in [A] of FIG. 9 in relation to the electron optical system 70 of the electron beam device shown in FIG. Further, the arrangement relationship of the apertures of the multi-aperture plate 14-6 and the plurality of detectors 15-6 of the secondary optical system, which will be described later, is the same as that shown in FIG. 9A.
The electron beam emitted from the electron gun 1-6 passes through the aperture of the multi-aperture plate 4-6 to be converted into a multi-beam, and is imaged at a point 7-6 by a reduction lens 5-6. An image is formed on the wafer W through -6. The objective lens 10-6 is a unipotential in which a positive high voltage is applied to the center electrode, whereby a plurality of primary electron beams, that is, multiple beams, are decelerated when irradiating the wafer W.
On the other hand, the secondary electrons emitted from the wafer by the multi-beam irradiation are accelerated by the electric field created by the objective lens 10-6, and are accelerated by the E × B filter including the electrostatic deflector 8-6 and the electromagnetic deflector 9-9. The light is deflected toward the secondary optical system, and focused on the multi-aperture plate 14-6 for the secondary optical system via the magnifying lens 13-6. Dotted line 18-6 is the trajectory of the secondary electrons emitted perpendicularly from the wafer among the secondary electrons emitted by the multi-beam irradiation, and the secondary electrons make a crossover at the position where the secondary electrons make a crossover. An aperture plate 20-6 for determining an opening is provided. Thereby, a beam having a large aberration can be removed.
In the electron optical system 70 of FIG. 41, the optical path common to both the primary electron beam and the secondary electron beam is between the E × B filter and the wafer W, and only the objective lens 10-6 exists as a lens. Therefore, focusing of the lens and alignment of the lens with respect to the primary electron beam and the secondary electron beam are easy. This applies to the electron optical system shown in FIG. That is, regarding the electron optical system 70 of FIG. 41, the objective lens 10-6 only needs to satisfy the focusing condition of the primary electron beam, and the focusing of the secondary electron beam is performed by, for example, the multi-aperture plate 14-6, This can be performed by mechanically moving the position of the aperture aperture plate 20-6.
The axis of the secondary lens can be aligned with the objective lens 10-6 without disturbing the axis of the secondary electron by using the axis aligning device 19-6. By adjusting the deflection amount of the × B separator while satisfying the Wien condition of the primary electron beam, it is possible to align the axis with the lens 13-6 without affecting the axis of the primary electron beam.
The blur in the multi-aperture plate 14-6 at which the secondary electrons emitted from the multi-beam irradiation point on the wafer W are focused can be easily calculated by performing simulation using commercially available software. When the beam interval of the multi-beam on the wafer is determined, the amount of blur in the multi-aperture plate 14-6 is divided by the magnification from the wafer W to the aperture plate 14-6. And blur on the wafer can be calculated. The aperture of the aperture plate 20-6 may be determined so that the blur amount is smaller than the beam interval. As another method, the aperture of the aperture aperture plate 20-6 may be set to a constant value, and the multi-beam interval may be larger than the blur of the secondary electron image converted to a value on the wafer.
In the electron optical system 70 shown in FIG. 41, as in the electron optical systems of the other embodiments, the primary electron beam is decelerated, so that the aberration is reduced and the aperture can be narrowed down. Also, since the secondary electrons are accelerated by the objective lens, the secondary electrons emitted at a large angle with respect to the optical axis are also narrowed by the objective lens to a narrow beam bundle, so that the aperture of the secondary optical system is reduced. Can be.
FIG. 42 shows another embodiment of the electron optical system 70 applicable to the electron beam apparatus according to the present invention. In this embodiment, a primary optical system 10-7 for irradiating the surface of the wafer W with an electron beam and a secondary optical system as an electron beam imaging optical system for imaging secondary electrons emitted from the wafer W on a detection surface are provided. An optical system 20-7 and a detection system 30-7 for detecting secondary electrons are provided. In the figure, an electron beam (primary electron beam) emitted from an electron gun 11-7 is focused by a condenser lens 12-7 composed of an electrostatic lens, and forms a crossover at a point CO. At the crossover point CO, a stop 14-7 having an aperture 141-7 for determining the NA is arranged.
Below the condenser lens 12-7, a multi-aperture plate 13-7 having a plurality of openings is arranged, thereby forming a plurality of primary electron beams. Each of the primary electron beams formed by the multi-aperture plate 13-7 is reduced by a reduction lens 15 composed of an electrostatic lens, and is combined with a deflection main surface DS of an E × B filter, that is, an E × B separator 16-7. Be scorched. After focusing at the point DS, the wafer W is focused by the objective lens 17-7 composed of an electrostatic lens. A plurality of primary electron beams emitted from the multi-aperture plate 13-7 are deflected by a deflector disposed between the reduction lens 15-7 and the objective lens 17-7 so as to simultaneously scan the surface of the wafer W. You.
In order to correct the field curvature aberration of the reduction lens 15-7 and the objective lens 17-7, as shown in FIG. 42, the multi-aperture plate 13-7 moves from the condenser lens 12 toward the periphery from the center. Has a stepped structure so as to increase the distance.
A plurality of focused primary electron beams irradiate a plurality of points on the wafer W, and secondary electrons are emitted from the plurality of irradiated points. The emitted secondary electrons are attracted by the electric field of the objective lens 17-7, are finely focused, and are focused at a point FP before the E × B separator 16-7. This is because each primary electron beam has energy of 500 eV on the surface of the wafer W, while the secondary electron beam has energy of only several eV. The plurality of secondary electron beams emitted from the wafer W are deflected by the E × B separator 14-7 to the outside of the optical axis of the primary optical system 10-7, separated from the primary electron beam, and It is incident on system 20-7.
The secondary optical system 20-7 includes magnifying lenses 21-7 and 22-7 formed of electrostatic lenses, and the secondary electron beam passing through these magnifying lenses 21-7 and 22-7 is a secondary electron beam. An image is formed on a plurality of detectors 31-7 through a plurality of openings of the multi-aperture plate 23-7 of the optical system. Note that a plurality of openings formed in the multi-aperture plate 23-7 disposed in front of the detector 31-7 and a plurality of openings formed in the multi-aperture plate 13-7 of the primary optical system have a one-to-one correspondence. , And the plurality of detectors 31-7 also correspond to these one-to-one.
Each detector 31-7 converts the detected secondary electron beam into an electric signal indicating its intensity. The electric signals output from the respective detectors are amplified by the amplifiers 32-7, respectively, and then received by the image processing unit 33-7 and converted into image data. A scanning signal for deflecting the primary electron beam is supplied to the image processing unit 33-7, and the image processing unit 33-7 processes the electric signal based on the scanning signal. Image data to be represented. By comparing the image of the wafer thus obtained with the standard pattern, a defect of the wafer can be detected.
In addition, the wafer is moved close to the optical axis of the primary optical system by registration, and a line width evaluation signal is taken out by line scanning, and the line width of the pattern on the wafer is corrected by appropriately correcting the line width evaluation signal. Can be measured.
When the primary electron beam that has passed through the aperture of the multi-aperture plate 13-7 of the primary optical system is focused on the surface of the wafer and the secondary electrons emitted from the wafer are imaged on the detector 31-7, the primary Special care must be taken to minimize the effects of three aberrations, coma, field curvature, and field astigmatism, which occur in the optical system and the secondary optical system. In addition, regarding the relationship between the interval between the irradiation points of the plurality of primary electron beams and the secondary optical system, if the interval between the primary electron beams is separated by a distance larger than the aberration of the secondary optical system, Cross stroke can be eliminated.
FIG. 43 shows still another embodiment of the electron optical system 70 applicable to the electron beam apparatus according to the present invention. In this embodiment, the deflection chromatic aberration caused by the E × B separator can be eliminated.
That is, in the electron optical device using the E × B separator, it is inevitable that the E × B separator has an aberration with respect to the primary optical system, and there is a problem that the deflection chromatic aberration is particularly large. Due to this deflection chromatic aberration, it is not possible to narrow the primary electron beam so as to have a predetermined beam diameter on the wafer surface.
The electron optical system 70 shown in FIG. 43 includes a primary optical system 20-8, a secondary optical system 30-8, and a detector 15-8. The primary optical system 20-8 is an irradiation optical system that irradiates the surface (sample surface) of the wafer W with a plurality of primary electron beams, and has an electron gun 1-8 that emits primary electron beams, and is two-dimensionally arranged. A multi-aperture plate 4-8 having a plurality of small holes 4a, electrostatic lenses 3-8, 5-8, 7-8 for focusing a primary electron beam emitted from an electron gun 1-8, and an electrostatic deflector 16- 8, an E × B separator 9-8, an aperture stop 17-8, and an objective lens 10-8 which is an electrostatic lens.
The E × B separator is designed so that the deflection angle by the electromagnetic deflector is twice that of the electrostatic deflector. Therefore, the primary electrons are deflected by α to the left of the figure and the secondary electrons are deflected by 3α to the right by the E × B separator 9-8. Although there is a problem that the primary optical system is installed at an inclination of α (for example, 5 °), the separation between the primary electron beam and the secondary electron beam is 4α (for example, 20 °), and can be easily separated. There is an advantage that deflection chromatic aberration due to the E × B separator does not occur in the primary electron beam.
As shown in FIG. 43, the primary optical system 20-8 has the electron gun 1-8 at the top, and the optical axis P of the primary electron beam emitted from the electron gun is perpendicular to the surface of the wafer W. Placed in Since the chromatic aberration of polarization is not generated in the primary electron beam by the E × B separator 9-8, the primary electron beam can be narrowed down.
The secondary optical system 30-8 includes a magnifying lens 12 including an electrostatic lens disposed along an optical axis Q inclined with respect to the optical axis P in the vicinity of the E × B separator of the primary optical system 20-8, and A multi-aperture plate 14-8 having a plurality of openings or small holes 14-8a arranged two-dimensionally is provided. The detector 15-8 includes a detection element 15-8a for each small hole 14-8a. The number and arrangement of the small holes 14-8a of the multi-aperture plate 14-8 correspond to the number and arrangement of the small holes 4-8a of the multi-aperture plate 4-8 of the primary optical system. In order to eliminate crosstalk between the plurality of primary electron beams, the distance between the irradiation positions of the plurality of primary electron beams on the wafer surface should be set to a distance larger than the aberration of the secondary optical system (the aberration of the objective lens with respect to the secondary electrons). I do.
44 to 46 are perspective views for explaining the operation principle of the E × B separator in the electron optical system 70 in FIG. 43. FIG. 44 is an overall schematic diagram, and FIG. 45 shows the force acting on the primary electron beam. FIG. 46 is a schematic view showing a force acting on a secondary electron beam. As shown in FIG. 44, when the magnetic pole 31B for applying a magnetic field and the electrode 31E for applying an electric field are arranged with a shift of 90 °, as shown in FIG. The beam trajectory is bent by the difference between the two. That is, if the deflection angle by the electrostatic deflector is α and the deflection angle by the electromagnetic deflector is 2α, the light is deflected by α. On the other hand, with respect to the secondary electron beam 30-8a, as shown in FIG. 46, the force FB due to the magnetic field and the force FE due to the electric field act in the same direction to emphasize each other. 8a is greatly bent and is deflected by 3α in the above case. This configuration is the same as a Wien filter that deflects a charged particle beam by an acceleration voltage, but in this embodiment, functions as an electromagnetic prism (beam splitter).
Referring back to FIG. 43, the primary electron beam that has passed through the E × B separator 9-8 reaches the aperture stop 17-8, and forms a crossover image at the position of the aperture stop 17-8. The primary electron beam that has passed through the aperture stop 17-8 is subjected to a lens action by the objective lens 10-8, reaches the wafer W, and irradiates the wafer surface in a narrowly focused state.
From the wafer irradiated with the primary electron beam, as a secondary electron beam 30-8, secondary charged particles having a distribution according to the surface shape, material distribution, change in potential, and the like of the wafer, that is, secondary electrons, confusion electrons, and Reflected charged particles (reflected electrons) are emitted, and any of them can be used depending on the specification. Here, the case where secondary electrons are selected will be described.
The emitted secondary electrons are affected by the objective lens 10-8, pass through the aperture stop 17-8 arranged at the focal position of the objective lens 10-8, and reach the E × B separator 9-8. The perpendicular magnetic field B and electric field E formed by the E × B separator 9-8 are not set so that the secondary electrons from the wafer W satisfy the Vienna condition. As a result, the secondary electrons that have passed through the aperture stop 17-8 are deflected by the E × B separator 9-8 and directed to the lenses 12-8 and 13-8 of a plurality of stages.
In the electron optical system 70 shown in FIG. 43, an E × B separator that bends both the trajectories of the primary electron beam and the secondary electron beam is used. However, the present invention is not limited thereto. Then, an electromagnetic prism that bends the trajectory of the secondary electron beam may be used. Many openings 14-8a are provided in the multi-aperture plate 14-8 of the secondary optical system. The opening 14-8a is conjugate with the wafer W with respect to the objective lens 10-8 and the lenses 12-8 and 13-8. The secondary electrons deflected by the E × B separator further reach the detector 15-8 via the plurality of lenses 12-8 and 13-8 and the opening 14-8a, and the secondary electrons of the reached secondary electrons It is converted into an electric signal corresponding to the intensity.
FIG. 47 shows an electron beam device according to the present invention. In this embodiment, the electron beam emitted from the cathode 2-9 of the electron gun 1-9 is focused by the condenser lens 3-9 to form a crossover at the point 5-9. Below the condenser lens 3-9, a multi-aperture plate 4-9 having a plurality of openings 4-9a is arranged, thereby forming a plurality of primary electron beams. Each of the primary electron beams formed by the multi-aperture plate 4-9 is reduced by the reduction lens 6-9 and focused on the wafer W by the objective lens 8-9. The plurality of primary electron beams emitted from the multi-aperture plate 4-9 are simultaneously deflected by deflectors 19-9 and 20-9 disposed between the reduction lens 6-9 and the objective lens 8-9. Deflected to scan over.
In order to eliminate the influence of the field curvature aberration of the reduction lens 6-9 and the objective lens 8-9, the small apertures 4-9a of the multi-aperture plate 4-9 are arranged on the circumference, and the X-axis direction of these apertures Are projected at equal intervals. This is the same as the case where the electron beam device 70 of the first embodiment has been described with reference to “A” in FIG. The plurality of focused primary electron beams irradiate a plurality of points on the wafer, and the secondary electron beams emitted from the plurality of illuminated points are attracted by the electric field of the objective lens 8-9 and become thin. The light is focused, deflected by the E × B separator 7-9, and detected by the plurality of detectors 13-9 via the secondary optical system.
The secondary optical system has magnifying lenses 10-9 and 11-9. The secondary electron beam that has passed through these magnifying lenses 10-9 and 11-9 forms an image on a plurality of openings 12-9a of the multi-aperture plate 12-9. The plurality of openings 12a of the multi-aperture plate 12-9 of the secondary optical system and the plurality of openings 4-9a of the multi-aperture plate 4-9 of the primary optical system correspond one-to-one. Each detector 13-9 converts the detected secondary electron beam into an electric signal representing its intensity, and the electric signal is amplified and A / D-converted by the amplifier 14-9, and then the image processing unit 15-9. -9 to be converted into image data. The image processing unit 15-9 is further supplied with a scanning signal for deflecting the primary electron beam, and forms an image representing the surface of the wafer.
By comparing the image representing the sample surface formed in the image processing unit 15-9 with a standard pattern, a defect of the wafer can be detected. In addition, the pattern to be evaluated on the wafer is moved to a position near the optical axis of the primary optical system by registration, a line width evaluation signal is obtained by line scanning, and the line width of the pattern is measured by appropriately correcting the signal. Can be.
When the primary electron beam is focused on the surface of the wafer W and the secondary electron beam emitted from the wafer is imaged on the detection systems 12-9 and 13-9, distortion and axial chromatic aberration generated in the primary optical system , And field astigmatism should be minimized. In the relationship between the interval between a plurality of electron beams and the secondary optical system, by making the minimum value of the interval between the primary electron beams larger than the aberration of the secondary optical system, crosstalk between the detected plurality of electron beams is reduced. Can be reduced.
Further, in the electron beam apparatus of FIG. 47, a switch (single-pole double-throw switch) 16-9 is provided for each signal path after the signal path including the secondary electron detector 13-9 and the amplifier 14-9. Two memories (memory 0 and memory 1) 17-9 and a switch (double pole single throw switch) 18-9 are connected, and a digital signal is supplied to the CPU 15-9 via these. The plurality of switches 16-9 are simultaneously switched, and the plurality of switches 18-9 are simultaneously switched. Further, these two sets of switches are simultaneously switched from the illustrated state. Therefore, in the state shown in the figure, while the digital signal corresponding to the i-th raster scan is stored in the memory 0, the digital signal obtained in the (i-1) raster scan and stored in the memory 1 is stored. Is transferred from the memory 1 to the CPU 15-9. When the i number of raster scans are completed, two sets of switches are switched, and the signals obtained in the i number of raster scans and stored in the memory 0 are transferred to the CPU 15-9. , And at the same time, a signal obtained by i + 1 raster scanning is stored in the memory 1. When the (i + 1) -th raster scanning is completed, the two switches are inverted. As a result, a signal corresponding to the intensity of the secondary electron beam can be faithfully transferred even when high-speed scanning with a clock frequency of 500 MHz to 1 GHz is performed.
FIG. 48 shows another embodiment of the electron optical system 70 applicable to the electron beam apparatus according to the present invention. In this embodiment, an electron gun 30-9 including electrodes of a cathode 31-9, a Wehnelt 32-9, and an anode 33-9, and a primary optics for imaging a primary electron beam emitted from the electron gun 30-9 on a wafer W. And secondary optics to guide secondary electrons generated from the wafer to the detector 38-9. In the primary optical system, the primary electron beam emitted from the electron gun 30-9 is aligned with the condenser lens 36-9 by the alignment deflectors 34-9 and 35-9, and is focused by the condenser lens 36-9. The wafer is focused by the objective lens 41-9, deflected by two steps by the electrostatic deflector 37-9 and the electromagnetic deflector 29-9, and scans the wafer.
Secondary electrons generated from the scanning point of the primary electron beam on the wafer are accelerated by a high positive voltage of the center electrode 49-9 of the objective lens 41-9, are focused finely, and pass through the objective lens. The secondary electrons that have passed through the objective lens 41-9 are deflected rightward in FIG. 51 by the E × B separators 29-9 and 40-9, and detected by the detector 38-9. In this case, the condenser lens 36-9 and the objective lens 41-9 are components that determine the outer diameter of the optical system. By reducing the outer diameter of these lenses 36-9 and 41-9, the electron diameter is reduced. The lens barrel of the electron optical system 70 of the beam apparatus can have a small outer diameter.
When the outer diameter of the lens barrel is small, a plurality of such lens barrels can be arranged on one wafer, so that a plurality of electron beams can be simultaneously formed on a single wafer by a plurality of lens barrels and evaluated. By doing so, wafer evaluation can be performed with high throughput.
FIGS. 49 to 51 are explanatory diagrams for describing an embodiment in which a plurality of electron optical systems are arranged in the electron beam apparatus according to the present invention.
In the embodiment shown in FIG. 49, the lens barrels 71 of a single electron optical system are arranged in 4 rows × 2 rows. This can be realized by reducing the size of the condenser lens, the objective lens, and the like to reduce the outer size of the lens barrel. This will be described using the electron optical system shown in FIG. 48 as an example.
In the electron optical system 70 shown in FIG. 48, the condenser lens 36-9 and the objective lens 41-9 are configured as axially symmetric lenses. In order to reduce the outer diameter of these lenses, the condenser lens 36-9 is The upper electrode 44-9, the center electrode 45-9, and the lower electrode 46-9 are cut out from the integral ceramic cylinder 43-9, and the cut ceramic surface is coated with metal. Similarly, for the objective lens 41-9, the upper electrode 48-9, the center electrode 49-9, and the lower electrode 50-9 are cut from the integral ceramic cylinder 47-9, and the cut ceramic surface is coated with metal. Manufacturing.
According to the above manufacturing method, the outer diameter of each lens can be reduced to 40 mmφ or less, and the lens barrels 71 can be arranged in 4 rows × 2 rows on the 8-inch wafer surface as shown in FIG. . It was found that a high voltage can be applied to a small gap between the electrodes by using platinum having a large work function as the metal material coated on the ceramic surface. As a result, axial chromatic aberration could be reduced, and a large current could be obtained with a small-sized beam. In FIG. 48, a portion indicated by 26-9 is a voltage introduction terminal for applying a voltage to the center electrode 45-9 of the condenser lens 36-9. In FIG. 49, reference numeral 38-9 denotes the detector shown in FIG.
In the electron optical system shown in FIG. 48 as well as in the electron optical system according to any of the above-described embodiments, the condenser lens and the objective lens have the structure shown in FIG. It can be placed on a wafer and inspected.
The embodiment shown in FIG. 50 is an example in which four single electron optical system lens barrels 71 are arranged in one row. In this example, in the electron optical system of each lens barrel 71, seven multi-rows in one row are used. A mode in which a wafer W is irradiated with a beam is shown. Therefore, the wafer can be scanned by 28 electron beams. In order to scan the entire wafer, the wafer is continuously moved in the X-axis direction and stepwise moved in the Y-axis direction by a stage device (not shown).
The embodiment shown in FIG. 51 is an example in which six single electron optical system barrels 71 are arranged in two rows and three columns. In this example, an example is shown in which the electron optical system of each lens barrel 71 irradiates the wafer W with a multi-beam of 3 rows and 3 columns. Therefore, the wafer can be scanned by 54 electron beams simultaneously.
As described above, by arranging a plurality of electron optical systems and providing a plurality of detectors corresponding to the multi-beam irradiating the wafer surface in each optical system, the throughput (inspection amount per unit time) of the inspection process can be reduced. It can be greatly increased.
As described with reference to FIG. 1, the wafer to be inspected is positioned on an ultra-precise XY stage through an atmospheric transfer system and a vacuum transfer system, and then fixed by an electrostatic chuck mechanism or the like. Defect inspection and the like are performed according to the procedure of 52. As shown in FIG. 52, first, the position of each die and the height of each location are detected by an optical microscope as necessary, and data is stored. The optical microscope is also used for acquiring an optical microscope image at a place where a defect or the like is to be monitored, and comparing it with an electron beam image. Next, the information of the recipe corresponding to the type of the wafer (after which process, the size of the wafer is 20 cm or 30 cm, etc.) is input to the apparatus, and thereafter, the inspection place is specified, the electron optical system is set, and the inspection condition is set. After that, a defect inspection is performed in real time while acquiring an image. Inspection is performed by a high-speed information processing system equipped with an algorithm for cell-to-cell comparison, die comparison, and the like, and the inspection result is output to a CRT or the like, or stored in a storage device, as necessary. Defects include particle defects, shape abnormalities (pattern defects), and electrical (disconnections and conduction failures such as wiring or vias) defects. These defects can be distinguished, the size of the defects, and killer defects (chip use). Classification of critical defects that would otherwise be impossible) can be automatically performed in real time. The detection of an electrical defect is achieved by detecting a contrast abnormality. For example, when an electron beam is irradiated (approximately 500 eV) to a place where conduction is poor, the place is usually positively charged and the contrast is lowered, so that it can be distinguished from a normal place. In this case, the electron irradiator usually includes an electron beam irradiator for inspection, and an electron beam generator (thermal electron generator, UV / photoelectron generator) having a low potential energy, which is separately provided to enhance contrast due to a potential difference. ). Before irradiating the inspection target area with the electron beam for inspection, the electron beam with low potential energy is generated and irradiated. In the case of an image projection system that can be positively charged by irradiating an electron beam for inspection itself, it is not necessary to separately provide a low-potential electron beam generator depending on use. Further, a defect can be detected from a difference in contrast caused by, for example, applying a positive or negative potential to the wafer with respect to the reference potential (caused by a difference in ease of flow depending on the forward or reverse direction of the element). It can also be used for line width measurement devices and alignment systems.
When the electron beam device is operated, an organic substance is deposited on various electrodes used for forming and deflecting an electron beam. Since the insulator gradually deposited on the surface has an adverse effect on the formation and deflection mechanism of the electron beam, the deposited insulator must be periodically removed. Periodic removal of the insulator is performed by using an electrode in the vicinity of a region where the insulator is to be deposited, in a vacuum, with hydrogen, oxygen, fluorine, or a compound HF or O containing them.2, H2O, CMFNSuch a plasma is generated, and only organic substances can be removed by oxidation, hydrogenation, and fluorination.
Next, a method for manufacturing a semiconductor device including a step of evaluating a semiconductor wafer during or after a process using the electron beam apparatus of the present invention will be described.
As shown in FIG. 56, the semiconductor device manufacturing method is roughly divided into a wafer manufacturing step S501 for manufacturing a wafer, a wafer processing step S502 for performing a necessary processing on the wafer, and a mask required for exposure. It comprises a mask manufacturing step S503, a chip assembling step S504 in which chips formed on the wafer are cut out one by one to make them operable, and a chip inspection step S505 for inspecting the completed chips. Each step includes several sub-steps.
Among the above steps, the step that has a decisive effect on the manufacture of the semiconductor device is the wafer processing step S502. This is because, in this step, a designed circuit pattern is formed on the wafer, and a large number of chips that operate as memories and MPUs are formed.
As described above, it is important to evaluate the processing state of the wafer performed in the sub-process of the wafer processing process that affects the manufacture of the semiconductor device. The sub-process will be described below.
First, a dielectric thin film serving as an insulating layer is formed, and a metal thin film forming a wiring portion and an electrode portion is formed. The thin film is formed by CVD, sputtering, or the like. Next, the formed dielectric thin film and metal thin film and the wafer substrate are oxidized, and a resist pattern is formed in a lithography process using the mask or reticle created in the mask manufacturing process S503. Then, the substrate is processed according to a resist pattern by a dry etching technique or the like, and ions and impurities are implanted. Thereafter, the resist layer is peeled off, and the wafer is inspected.
Such a wafer processing step is repeatedly performed for a required number of layers, and a wafer before being separated for each chip in the chip assembling step S504 is formed.
FIG. 57 is a flowchart showing a lithography step which is a sub-step of the wafer processing step of FIG. As shown in FIG. 57, the lithography process includes a resist coating process S521, an exposure process S522, a developing process S523, and an annealing process S524.
In the resist application step S521, a resist is applied on the wafer on which the circuit pattern has been formed using CVD or sputtering, and in the exposure step S522, the applied resist is exposed. Then, in a developing step S523, the exposed resist is developed to obtain a resist pattern, and in an annealing step S524, the developed resist pattern is annealed and stabilized. These steps S521 to S524 are repeatedly executed by the required number of layers.
In the process of manufacturing such a semiconductor device, inspection for defects and the like is performed after processing steps that require inspection. In general, a defect inspection apparatus using an electron beam is expensive, and the throughput is higher than other process apparatuses. Because of its low quality, it is preferable to use it after important steps that are considered to require the most inspection (for example, etching, film formation, or CMP (chemical mechanical polishing) planarization).
As described above, the semiconductor device is manufactured using the multi-beam electron beam apparatus in which the inspection processing according to the present invention has a high throughput, while inspecting for defects and the like after the completion of each step requiring inspection. Can also be manufactured with high throughput. Therefore, it is possible to improve the yield of products and prevent shipment of defective products.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an elevation view showing main components of the evaluation system according to the present invention.
FIG. 2 is a plan view of the main components of the evaluation system shown in FIG. 1 and is a view taken along line BB in FIG.
FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between the wafer transfer box and the loader.
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the mini-environment device of FIG. 1, as viewed along line CC of FIG. 1.
FIG. 5 is a view showing the loader housing of FIG. 1 and is a view taken along line DD of FIG.
FIG. 6 is an enlarged view of the wafer rack, in which [A] is a side view and [B] is a cross-sectional view taken along line EE of [A].
FIGS. 7A and 7B are views showing a modification of the method of supporting the main housing.
FIG. 8 is a schematic diagram showing an embodiment of the electron beam apparatus according to the present invention applicable to the evaluation system shown in FIG.
FIGS. 9A and 9B respectively show the positional relationship of the openings of the multi-aperture plate used in the primary optical system and the secondary optical system of the electron beam apparatus shown in FIG. 8, and the scanning of the primary electron beam. It is a figure showing a system.
[A] and [B] of FIG. 10 are diagrams each showing an embodiment of an E × B separator applicable to the electron beam apparatus according to the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing a potential application mechanism applicable to the electron beam device according to the present invention.
FIG. 12 is a diagram for explaining an electron beam calibration mechanism applicable to the electron beam apparatus according to the present invention, where [A] is a side view and [B] is a plan view.
FIG. 13 is a schematic explanatory diagram of a wafer alignment control device applicable to the electron beam apparatus according to the present invention.
FIG. 14 is a diagram illustrating a relationship between an XY stage and a charged beam irradiation unit of an electron optical system in a conventional electron beam apparatus.
FIG. 15 is a diagram showing a state of the bottom of the XY stage shown in FIG.
FIG. 16 is a diagram illustrating a relationship between an XY stage according to an embodiment applicable to the electron beam apparatus according to the present invention and a charged beam irradiation unit of the electron optical system.
FIG. 17 is a diagram illustrating a relationship between an XY stage according to another embodiment applicable to the electron beam apparatus according to the present invention and a charged beam irradiation unit of the electron optical system.
FIG. 18 is a diagram illustrating a relationship between an XY stage according to still another embodiment applicable to the electron beam apparatus according to the present invention and a charged beam irradiation unit of the electron optical system.
FIG. 19 is a diagram illustrating a relationship between an XY stage according to another embodiment applicable to the electron beam apparatus according to the present invention and a charged beam irradiation unit of the electron optical system.
FIG. 20 is a diagram illustrating a relationship between an XY stage according to still another embodiment applicable to the electron beam apparatus according to the present invention and a charged beam irradiation unit of the electron optical system.
FIG. 21 is a diagram illustrating a relationship between an XY stage according to another embodiment applicable to the electron beam apparatus according to the present invention and a charged beam irradiation unit of the electron optical system.
FIG. 22 is a diagram showing an operation discharge mechanism provided in the embodiment shown in FIG.
FIG. 23 is a diagram showing a gas circulation piping mechanism provided in the embodiment shown in FIG.
FIG. 24 is an explanatory diagram showing the relationship between the alignment mark on the wafer and the scanning area of the multi-beam.
FIG. 25 shows beam currents I, MTF, and MTF for optimal beam diameter setting.2, MTF26 is a graph showing a relationship between I and a beam diameter D / minimum line width d.
FIG. 26 is a diagram illustrating a cross-sectional structure of a wafer as a sample.
[A] and [B] in FIG. 27 are graphs respectively showing the relationship between the landing energy of electrons and the secondary quantum generation efficiency.
FIG. 28 is a diagram for explaining electron beam adjustment for a wafer according to the present invention.
[A] and [B] of FIG. 29 are graphs respectively showing the relationship between the landing energy and the secondary electron generation efficiency for each of the two insulators.
FIG. 30 is a view for explaining a method of scanning an electron beam on a wafer according to the present invention.
FIG. 31 is a view for explaining another method of scanning an electron beam on a wafer according to the present invention.
FIG. 32 is a view for explaining still another method of scanning an electron beam on a wafer according to the present invention.
FIG. 33 is a schematic view showing another embodiment of the electron beam apparatus according to the present invention.
FIG. 34 is a cross-sectional view showing an electron beam emitted from the electron gun in the electron beam device shown in FIG. 33 on an XY plane orthogonal to the optical axis.
FIG. 35 is an explanatory diagram for designing positions of four electron beams parallel to the scanning direction.
FIG. 36 is a schematic view showing still another embodiment of the electron beam apparatus according to the present invention.
FIG. 37 is a graph showing the intensity distribution of electrons emitted from the electron gun.
FIGS. 38A and 38B are perspective views showing two examples of aperture plate electrodes in the electron beam apparatus shown in FIG.
FIG. 39 is a plan view showing another example of the aperture electrode in the electron beam device shown in FIG.
FIG. 40 is a schematic view showing another embodiment of the electron beam apparatus according to the present invention.
FIG. 41 is a schematic view showing still another embodiment of the electron beam apparatus according to the present invention.
FIG. 42 is a schematic view showing another embodiment of the electron beam apparatus according to the present invention.
FIG. 43 is a schematic view showing still another embodiment of the electron beam apparatus according to the present invention.
FIG. 44 is an explanatory diagram for explaining the operation of the E × B separator.
FIG. 45 is an explanatory diagram showing the force acting on the primary electron beam of the E × B separator.
FIG. 46 is an explanatory diagram showing the force of the E × B separator on the secondary electron beam.
FIG. 47 is a schematic view showing another embodiment of the electron beam apparatus according to the present invention.
FIG. 48 is a schematic view showing still another embodiment of the electron beam apparatus according to the present invention.
FIG. 49 to FIG. 51 are diagrams for explaining embodiments in which a plurality of electron beam devices according to the present invention are arranged.
FIG. 52 is a flowchart showing the evaluation method according to the present invention.
FIG. 53 is a flowchart showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
FIG. 54 is a flowchart showing details of the lithography step of the steps shown in FIG.

Claims (60)

一次電子線を試料に照射する一次電子光学系と、検出系と、一次電子線の照射によって試料面から発生する二次電子線を検出系に指向させる二次電子光学系とを備えた、試料面の評価を行うための電子線装置において、
一次電子光学系に含まれ、電子銃から放出された電子を複数の一次電子線として生成するマルチビーム生成装置と、
一次電子光学系に含まれ、複数の一次電子線を試料上に同時に走査させる走査用偏向器と、
一次電子光学系及び二次電子光学系に共通に含まれ、複数の一次電子線を減速して試料に照射するとともに、試料の一次電子線の照射点から放出された複数の二次電子線を加速する対物レンズと、
一次電子光学系及び二次電子光学系に含まれ、対物レンズを通過した複数の二次電子線を一次電子光学系から二次電子光学系に偏向させる二次電子線分離装置と、
二次電子光学系に含まれ、偏向された複数の二次電子線を拡大する少なくとも１段の拡大レンズと、
検出系に含まれ、二次電子光学系からの複数の二次電子線に対応して設けられ、二次電子線を検出する複数の検出器と
からなることを特徴とする電子線装置。A sample comprising: a primary electron optical system for irradiating the sample with a primary electron beam; a detection system; and a secondary electron optical system for directing a secondary electron beam generated from the sample surface by irradiation of the primary electron beam to the detection system. In an electron beam apparatus for performing surface evaluation,
A multi-beam generation device that is included in the primary electron optical system and generates electrons emitted from the electron gun as a plurality of primary electron beams;
A scanning deflector included in the primary electron optical system and configured to simultaneously scan a plurality of primary electron beams on the sample,
Included in the primary electron optics and secondary electron optics commonly, while decelerating multiple primary electron beams and irradiating the sample, the multiple secondary electron beams emitted from the sample primary electron beam irradiation point An accelerating objective lens,
A secondary electron beam separation device that is included in the primary electron optical system and the secondary electron optical system and deflects a plurality of secondary electron beams that have passed through the objective lens from the primary electron optical system to the secondary electron optical system,
At least one magnifying lens included in the secondary electron optical system and configured to expand the plurality of deflected secondary electron beams;
An electron beam apparatus, comprising: a plurality of detectors included in a detection system, provided corresponding to a plurality of secondary electron beams from a secondary electron optical system, and detecting the secondary electron beams. 請求項１記載の電子線装置において、
電子銃は、それぞれが電子線を放出する複数の電子源を含み、
マルチビーム生成装置は、電子銃と二次電子線分離装置との間に配置され、複数の電子源からの複数の電子線を通過させて複数の一次電子線を生成する複数の開口を有する第１のマルチ開口板を備え、
二次光学系は、複数の検出器の直前に配置され、複数の二次電子ビームを検出器に導く複数の開口であって、第１のマルチ開口板の複数の開口に１対１に対応している複数の開口を有する第２のマルチ開口板を備えている
ことを特徴とする電子線装置。The electron beam device according to claim 1,
An electron gun includes a plurality of electron sources, each emitting an electron beam,
The multi-beam generation device is disposed between the electron gun and the secondary electron beam separation device, and has a plurality of openings that pass a plurality of electron beams from a plurality of electron sources and generate a plurality of primary electron beams. Equipped with one multi-aperture plate,
The secondary optical system is disposed immediately before the plurality of detectors, and is a plurality of openings for guiding a plurality of secondary electron beams to the detectors, and corresponds one-to-one with the plurality of openings of the first multi-aperture plate. An electron beam apparatus comprising a second multi-aperture plate having a plurality of openings. 請求項１記載の電子線装置において、
電子銃は、１つの電子源を含み、
マルチビーム生成装置は、電子銃と二次電子線分離装置との間に配置され、１つの電子源からの電子を複数の一次電子線としてマルチビーム化する複数の開口を有する第１のマルチ開口板を備え、
二次光学系は、複数の検出器の直前に配置され、複数の二次電子ビームを検出器に導く複数の開口であって、第１のマルチ開口板の複数の開口に１対１に対応している複数の開口を有する第２のマルチ開口板を備えている
ことを特徴とする電子線装置。The electron beam device according to claim 1,
The electron gun includes one electron source,
The multi-beam generating device is disposed between the electron gun and the secondary electron beam separating device, and has a plurality of apertures having a plurality of apertures for converting electrons from one electron source into a plurality of primary electron beams. Equipped with a board,
The secondary optical system is disposed immediately before the plurality of detectors, and is a plurality of openings for guiding a plurality of secondary electron beams to the detectors, and corresponds one-to-one with the plurality of openings of the first multi-aperture plate. An electron beam apparatus comprising a second multi-aperture plate having a plurality of openings. 請求項２又は３記載の電子線装置において、第１のマルチ開口板は、一次電子光学系の像面湾曲を補正するように曲面形状又は段付き形状に構成されていることを特徴とする電子線装置。4. The electron beam apparatus according to claim 2, wherein the first multi-aperture plate is formed in a curved shape or a stepped shape so as to correct the field curvature of the primary electron optical system. Line equipment. 請求項２〜４のいずれかに記載の電子線装置において、第１及び第２のマルチ開口板の複数の開口は、直線的に配置されているか、又はｍ行ｎ列のマトリックス状に形成されていることを特徴とする電子線装置。5. The electron beam apparatus according to claim 2, wherein the plurality of openings of the first and second multi-aperture plates are arranged linearly or formed in a matrix of m rows and n columns. An electron beam apparatus, comprising: 請求項２〜４のいずれかに記載の電子線装置において、第１のマルチ開口板の複数の開口は、一次電子光学系の光軸を中心としてほぼ同一円上に間隔をあけて配置されており、かつ、一次電子線の走査方向に平行な直線上に投影した点がほぼ等間隔となるよう配置されていることを特徴とする電子線装置。In the electron beam apparatus according to any one of claims 2 to 4, the plurality of openings of the first multi-aperture plate are arranged at intervals substantially on the same circle around the optical axis of the primary electron optical system. And an electron beam apparatus wherein points projected on a straight line parallel to the scanning direction of the primary electron beam are arranged at substantially equal intervals. 請求項６記載の電子線装置において、一次光学系はさらに、電子銃と試料との間に配置され、複数の電子線を光軸の周りに回転させるための磁気レンズを備えていることを特徴とする電子線装置。7. The electron beam apparatus according to claim 6, wherein the primary optical system further comprises a magnetic lens disposed between the electron gun and the sample, for rotating the plurality of electron beams around the optical axis. Electron beam device. 請求項１〜７のいずれかに記載の電子線装置において、該装置はさらに、
複数の検出器それぞれの後段に対応して設けられた複数の増幅器と、
該増幅器の利得又はオフセットを個別に調整する装置と
を備え、複数の検出器で検出される電子線量の不均一性を補正可能にしたことを特徴とする電子線装置。The electron beam device according to any one of claims 1 to 7, wherein the device further comprises:
A plurality of amplifiers provided corresponding to the subsequent stages of each of the plurality of detectors,
An electron beam apparatus comprising: a device for individually adjusting a gain or an offset of the amplifier so as to correct non-uniformity of an electron dose detected by a plurality of detectors. 請求項２〜７のいずれかに記載の電子線装置において、該装置はさらに、
複数の検出器それぞれの後段に対応して設けられた複数の増幅器と、
第１のマルチ開口板に流れる電流値を測定監視する装置と、
測定された電流値に基づいて、複数の増幅器の利得又はオフセットを同時に調整する装置と
を備え、電子銃からの一次電子線の強度の時間的変動を補正可能にしたことを特徴とする電子線装置。The electron beam apparatus according to any one of claims 2 to 7, wherein the apparatus further comprises:
A plurality of amplifiers provided corresponding to the subsequent stages of each of the plurality of detectors,
A device for measuring and monitoring a current value flowing through the first multi-aperture plate;
A device for simultaneously adjusting the gains or offsets of a plurality of amplifiers based on the measured current value, wherein an electron beam characterized by being able to correct temporal fluctuations in the intensity of the primary electron beam from the electron gun. apparatus. 請求項９記載の電子線装置において、該装置はさらに、複数の増幅器の利得又はオフセットを個別に調整する装置を備え、複数の検出器で検出される電子線量の不均一性を補正可能にしたことを特徴とする電子線装置。10. The electron beam apparatus according to claim 9, further comprising a device for individually adjusting gains or offsets of a plurality of amplifiers, so as to be able to correct non-uniformity of an electron dose detected by a plurality of detectors. An electron beam apparatus characterized by the above-mentioned. 請求項１〜１０のいずれかに記載の電子線装置において、一次電子光学系はさらに、電子銃と対物レンズとの間に配置され、対物レンズの入射瞳に形成される拡大像の拡大率を調整するための少なくとも２段のレンズを含み、これらレンズを調整することにより、複数の一次電子線の間隔及びビーム径を調整可能にしたことを特徴とする電子線装置。The electron beam apparatus according to claim 1, wherein the primary electron optical system is further disposed between the electron gun and the objective lens, and adjusts a magnification of an enlarged image formed on an entrance pupil of the objective lens. An electron beam apparatus comprising at least two stages of lenses for adjustment, and adjusting the distance between the plurality of primary electron beams and the beam diameter by adjusting these lenses. 請求項１〜１１のいずれかに記載の電子線装置において、一次電子光学系の電子銃は、熱電界放出電子銃であり、その光軸方向の面方位が、＜１００＞方位であり、＜３１０＞又は側面の＜１００＞方位からの電子線を利用するよう構成されていることを特徴とする電子線装置。12. The electron beam apparatus according to claim 1, wherein the electron gun of the primary electron optical system is a thermal field emission electron gun, and its plane direction in the optical axis direction is a <100> direction; 310> or an <100> side electron beam. 請求項１〜１２のいずれかに記載の電子線装置において、複数の一次電子線の試料上の照射点の間隔は、検出器上での二次電子線の拡大像のボケを二次光学系の拡大率で除算した値よりも大きく設定されていることを特徴とする電子線装置。The electron beam apparatus according to claim 1, wherein the distance between the irradiation points of the plurality of primary electron beams on the sample is such that the blur of the enlarged image of the secondary electron beam on the detector is reduced by the secondary optical system. An electron beam apparatus characterized in that the value is set to be larger than a value obtained by dividing by an enlargement factor. 請求項１〜１３のいずれかに記載の電子線装置において、
一次電子光学系はさらに、一次電子光学系の収差を補正する収差補正装置を備え、
該収差補正装置は、電磁レンズと静電レンズとの組合せ、電磁レンズと静電偏向器との組合せ、又は、電磁レンズと非点補正用レンズの組合せを含んでいる
ことを特徴とする電子線装置。The electron beam device according to any one of claims 1 to 13,
The primary electron optical system further includes an aberration corrector that corrects aberration of the primary electron optical system,
The aberration correction device includes a combination of an electromagnetic lens and an electrostatic lens, a combination of an electromagnetic lens and an electrostatic deflector, or a combination of an electromagnetic lens and a lens for astigmatism correction. apparatus. 請求項１〜１４のいずれかに記載の電子線装置において、
二次電子線分離装置は、Ｅ×Ｂ分離器であり、
一次電子光学系はさらに、一次電子光学系に対してＥ×Ｂ分離器が発生する偏向色収差を打ち消すために、電磁的に偏向される量が電界により偏向される量の２倍になるように設定されている
ことを特徴とする電子線装置。The electron beam device according to any one of claims 1 to 14,
The secondary electron beam separator is an ExB separator,
The primary electron optical system is further configured so that the amount deflected electromagnetically is twice the amount deflected by the electric field in order to cancel the chromatic chromatic aberration generated by the E × B separator with respect to the primary electron optical system. An electron beam apparatus characterized by being set. 請求項１〜１５のいずれかに記載の電子線装置において、
該装置はさらに、検査開始時に試料上の位置と一次電子線の照射点とを整合させる整合装置を含み、
整合装置は、複数の一次電子線の内の１つのみが試料上のアライメントマークを走査した場合にのみ、該アライメントマークからの信号をアライメント信号として利用するよう構成されている
ことを特徴とする電子線装置。The electron beam device according to any one of claims 1 to 15,
The apparatus further includes a matching device that matches the position on the sample with the irradiation point of the primary electron beam at the start of the inspection,
The alignment device is characterized in that a signal from the alignment mark is used as an alignment signal only when only one of the plurality of primary electron beams scans the alignment mark on the sample. Electron beam device. 請求項１〜１６のいずれかに記載の電子線装置において、該装置はさらに、チャージアップによる位置的に変動する試料表面電位を、像観察に必要な最低量と、試料を損傷させることなく歪みのない画像が得られる最大量との間の範囲に調整するために、複数の一次電子線の照射エネルギを調整する照射エネルギ調整装置を備えていることを特徴とする電子線装置。17. The electron beam apparatus according to any one of claims 1 to 16, wherein the apparatus further reduces the positional fluctuation of the sample surface potential due to charge-up with the minimum amount required for image observation and without damaging the sample. An electron beam apparatus comprising: an irradiation energy adjusting device that adjusts the irradiation energy of a plurality of primary electron beams in order to adjust the irradiation energy to a range between a maximum amount at which a defect-free image can be obtained. 請求項２に従属する請求項１７記載の電子線装置において、照射エネルギ調整装置は、電子源に印加する電圧を制御して電子量を調整するよう構成されていることを特徴とする電子線装置。18. The electron beam apparatus according to claim 17, wherein the irradiation energy adjusting device is configured to control the voltage applied to the electron source to adjust the amount of electrons. . 請求項３に従属する請求項１７記載の電子線装置において、照射エネルギ調整装置は、１つの電子源に印加する電圧を時分割で制御するよう構成されていることを特徴とする電子線装置。18. The electron beam apparatus according to claim 17, wherein the irradiation energy adjusting device is configured to control a voltage applied to one electron source in a time-division manner. 請求項１〜１９のいずれかに記載の電子線装置において、該装置はさらに、複数の一次電子線の試料上の照射点のビーム径を最適化してＳ／Ｎ比を向上させたビーム径で照射するよう構成されていることを特徴とする電子線装置。20. The electron beam apparatus according to any one of claims 1 to 19, wherein the apparatus further comprises a beam diameter obtained by optimizing a beam diameter of a plurality of primary electron beams at an irradiation point on a sample and improving an S / N ratio. An electron beam device characterized by being configured to irradiate. 請求項２０記載の電子線装置において、ビーム径は、試料の検査すべきパターンの最小線幅ｄと一次電子線のビーム径Ｄとの比Ｄ／ｄが０．９５〜１．２５の範囲にあるように、設定されることを特徴とする電子線装置。21. The electron beam apparatus according to claim 20, wherein the beam diameter is such that a ratio D / d of a minimum line width d of the pattern to be inspected on the sample to a beam diameter D of the primary electron beam is in a range of 0.95 to 1.25. An electron beam apparatus characterized by being set as described. 請求項２０記載の電子線装置において、ビーム径は、試料の検査すべきパターンの最小線幅ｄと一次電子線のビーム径Ｄとの比Ｄ／ｄが０．８〜１．４の範囲にあるように、設定されることを特徴とする電子線装置。21. The electron beam apparatus according to claim 20, wherein a ratio D / d of the minimum line width d of the pattern to be inspected on the sample to the beam diameter D of the primary electron beam is in a range of 0.8 to 1.4. An electron beam apparatus characterized by being set as described. 請求項２０記載の電子線装置において、ビーム径は、試料の検査すべきパターンの最小線幅ｄと一次電子線のビーム径Ｄとの比Ｄ／ｄが０．６６〜１．５の範囲にあるように、設定されることを特徴とする電子線装置。21. The electron beam apparatus according to claim 20, wherein the beam diameter is such that a ratio D / d of a minimum line width d of the pattern to be inspected on the sample to a beam diameter D of the primary electron beam is in a range of 0.66 to 1.5. An electron beam apparatus characterized by being set as described. 請求項２０記載の電子線装置において、ビーム径は、試料の検査すべきパターンの最小線幅の２倍のピッチの周期的パターンを走査した場合に、変調伝達関数ＭＴＦが０．２〜０．６の範囲にあるように、設定されることを特徴とする電子線装置。21. The electron beam apparatus according to claim 20, wherein the beam transfer means has a modulation transfer function MTF of 0.2 to 0.2 when a periodic pattern having a pitch twice the minimum line width of the pattern to be inspected on the sample is scanned. 6. An electron beam apparatus, wherein the electron beam apparatus is set to be in the range of 6. 請求項２０記載の電子線装置において、ビーム径は、試料の検査すべきパターンの最小線幅の２倍のピッチの周期的パターンを走査した場合に、変調伝達関数ＭＴＦが０．２５〜０．４５の範囲にあるように、設定されることを特徴とする電子線装置。21. The electron beam apparatus according to claim 20, wherein the beam diameter is such that the modulation transfer function MTF is 0.25 to 0.2 when a periodic pattern having a pitch twice the minimum line width of the pattern to be inspected on the sample is scanned. An electron beam apparatus characterized by being set so as to be in a range of 45. 請求項２０記載の電子線装置において、ビーム径は、試料の検査すべきパターンの最小線幅がｄｉ（ｉ＝１，２，…）である２以上の評価モードを実行する場合に、ビーム径Ｄｉを最小線幅ｄｉに対応して切換設定可能であり、かつ、Ｄｉ／ｄｉが０．８〜１．４の範囲にあるように、設定されることを特徴とする電子線装置。21. The electron beam apparatus according to claim 20, wherein the beam diameter is determined when two or more evaluation modes in which the minimum line width of the pattern to be inspected on the sample is di (i = 1, 2,...) Are executed. An electron beam apparatus characterized in that Di can be switched and set in accordance with the minimum line width di, and that Di / di is set in a range of 0.8 to 1.4. 請求項１〜２６のいずれかに記載の電子線装置において、該装置は、試料である半導体ウエハのパターンの欠陥検査、線幅測定、合わせ精度測定、又は、高時間分解能電位コントラスト測定に使用される装置であることを特徴とする電子線装置。The electron beam apparatus according to any one of claims 1 to 26, wherein the apparatus is used for defect inspection, pattern width measurement, alignment accuracy measurement, or high time resolution potential contrast measurement of a pattern of a semiconductor wafer as a sample. An electron beam apparatus characterized in that the apparatus is an apparatus. 請求項２７記載の電子線装置において、欠陥検査は、配線相互間の短絡及び導通不良を検出する検査を含んでいることを特徴とする電子線装置。28. The electron beam apparatus according to claim 27, wherein the defect inspection includes an inspection for detecting a short circuit and a conduction failure between wirings. 請求項１〜２８のいずれかに記載の電子線装置において、
該装置はさらに、試料と対物レンズとの間に配置される軸対称レンズを備え、
該軸対称レンズの軸対称電極により所定の電位障壁を形成し、試料のパターンが有する電位に依存して電位障壁を超えた二次電子のみを二次電子線分離装置に導くようにした
ことを特徴とする電子線装置。The electron beam device according to any one of claims 1 to 28,
The apparatus further comprises an axisymmetric lens disposed between the sample and the objective lens,
A predetermined potential barrier is formed by the axially symmetric electrode of the axially symmetric lens, and only secondary electrons exceeding the potential barrier are guided to the secondary electron beam separation device depending on the potential of the sample pattern. Characteristic electron beam device. 請求項１〜２９のいずれかに記載の電子線装置において、一次電子光学系に含まれるレンズは、セラミックス材料の表面に金属をコーティングした軸対称レンズで構成されていることを特徴とする電子線装置。30. The electron beam apparatus according to claim 1, wherein a lens included in the primary electron optical system is an axially symmetric lens in which a metal is coated on a surface of a ceramic material. apparatus. 請求項１〜３０のいずれかに記載の電子線装置において、該装置は、１以上の列に複数台ずつ配置され、１つの試料を複数の電子線装置で検査可能に構成されていることを特徴とする電子線装置。The electron beam apparatus according to any one of claims 1 to 30, wherein a plurality of the apparatuses are arranged in one or more rows so that one sample can be inspected by a plurality of electron beam apparatuses. Characteristic electron beam device. 請求項１〜３１のいずれかに記載の電子線装置において、
該装置は、電子線走査制御部を備え、
電子線走査制御部は、試料の被測定領域を分割した小領域単位で一次電子線を照射し、かつ、１つの小領域の照射を完了後、隣接する小領域を少なくとも１以上スキップして、未照射の小領域の照射を実行するよう制御する
ことを特徴とする電子線装置。The electron beam device according to any one of claims 1 to 31,
The apparatus includes an electron beam scanning control unit,
The electron beam scanning control unit irradiates a primary electron beam in small area units obtained by dividing the measured area of the sample, and after completing the irradiation of one small area, skips at least one or more adjacent small areas, An electron beam apparatus characterized in that control is performed so as to irradiate an unirradiated small area. 請求項１〜３２のいずれかに記載の電子線装置において、
該装置は、電子線走査制御部を備え、
電子線走査制御部は、試料の被測定領域を分割した小領域単位で一次電子線を照射し、かつ、１つの小領域の照射を実行する際、その照射の開始時に、次に照射を行う小領域に近い側から照射を開始し、遠い側で照射を完了するよう制御する
ことを特徴とする電子線装置。The electron beam device according to any one of claims 1 to 32,
The apparatus includes an electron beam scanning control unit,
The electron beam scanning control unit irradiates the primary electron beam in small area units obtained by dividing the measured area of the sample, and when irradiating one small area, performs the next irradiation at the start of the irradiation. An electron beam apparatus which starts irradiation from a side closer to a small area and controls to complete irradiation on a far side. 請求項１〜３３のいずれかに記載の電子線装置において、
該装置は電子線走査制御部を備え、
電子線走査制御部は、試料の被測定領域を分割した小領域単位で一次電子線を照射し、かつ、１つの小領域の照射を実行する際、１以上の走査線をスキップして走査し、その後、スキップした走査線を照射するよう制御する
ことを特徴とする電子線装置。The electron beam apparatus according to any one of claims 1 to 33,
The device includes an electron beam scanning control unit,
The electron beam scanning control unit irradiates the primary electron beam in small area units obtained by dividing the measured area of the sample, and scans by skipping one or more scanning lines when performing irradiation of one small area. An electron beam apparatus that controls to irradiate the skipped scanning lines thereafter. 請求項１〜３４のいずれかに記載の電子線装置において、
該装置はさらに、試料を載置するステージ装置を備え、
該ステージ装置は、静圧軸受けによる非接触支持機構と差動排気による真空シール機構とを備え、
該試料面上の一次電子線が照射される箇所と、ステージ装置の静圧軸受け支持部との間にコンダクタンスが小さくなる仕切りを設け、
電子線照射領域と静圧軸受け支持部との間に圧力差が生じるようにした
ことを特徴とする電子線装置。The electron beam device according to any one of claims 1 to 34,
The apparatus further includes a stage device on which the sample is placed,
The stage device includes a non-contact support mechanism using a static pressure bearing and a vacuum sealing mechanism using differential evacuation,
A partition having a small conductance is provided between a position on the sample surface where the primary electron beam is irradiated and a hydrostatic bearing support of the stage device,
An electron beam apparatus, wherein a pressure difference is generated between an electron beam irradiation area and a static pressure bearing support. 請求項３５記載の電子線装置において、仕切りが差動排気構造を内蔵していることを特徴とする電子線装置。36. The electron beam apparatus according to claim 35, wherein the partition has a built-in differential exhaust structure. 請求項３５又は３６記載の電子線装置において、仕切りがコールドトラップ機能を有していることを特徴とする電子線装置。37. The electron beam apparatus according to claim 35, wherein the partition has a cold trap function. 請求項３５〜３７のいずれかに記載の電子線装置において、仕切りが、電子線照射位置の近傍と、静圧軸受け近傍の２カ所に設けられていることを特徴とする電子線装置。The electron beam apparatus according to any one of claims 35 to 37, wherein partitions are provided in two places near an electron beam irradiation position and near a hydrostatic bearing. 請求項３５〜３８のいずれかに記載の電子線装置において、ステージ装置の静圧軸受けに供給されるガスが、ドライ窒素もしくは高純度の不活性ガスであることを特徴とする電子線装置。39. The electron beam apparatus according to claim 35, wherein the gas supplied to the hydrostatic bearing of the stage device is dry nitrogen or a high-purity inert gas. 請求項３５〜３９のいずれかに記載の電子線装置において、ステージ装置の、少なくとも静圧軸受けに面する部品表面に放出ガスを低減するための表面処理を施したことを特徴とする電子線装置。40. The electron beam apparatus according to claim 35, wherein at least a surface of a part of the stage device facing the hydrostatic bearing is subjected to a surface treatment for reducing gas emission. . 請求項１〜４０のいずれかに記載の電子線装置において、
試料を載置するステージ装置は、ハウジング内に収容されかつ静圧軸受けによりハウジングに対して非接触で支持されており、
ステージ装置が収容されたハウジングは、真空排気され、
電子線装置の試料面上に一次電子線を照射する部分の周囲には、試料面上の該照射領域を排気する差動排気機構が設けられている
ことを特徴とする電子線装置。The electron beam device according to any one of claims 1 to 40,
The stage device on which the sample is placed is housed in the housing and supported by the static pressure bearing in a non-contact manner with respect to the housing,
The housing housing the stage device is evacuated,
An electron beam apparatus, comprising: a differential exhaust mechanism that exhausts an irradiation area on a sample surface around a portion of the electron beam apparatus that irradiates a primary electron beam onto a sample surface. 請求項４１記載の電子線装置において、ＸＹステージの静圧軸受けに供給されるガスはドライ窒素もしくは高純度の不活性ガスであり、該ドライ窒素もしくは高純度不活性ガスは、該ステージを収納するハウジングから排気された後加圧され、再び静圧軸受けに供給されることを特徴とする電子線装置。42. The electron beam apparatus according to claim 41, wherein the gas supplied to the static pressure bearing of the XY stage is dry nitrogen or a high-purity inert gas, and the dry nitrogen or the high-purity inert gas accommodates the stage. An electron beam apparatus characterized in that after being evacuated from a housing, it is pressurized and supplied to a static pressure bearing again. 試料を検査するための評価システムにおいて、
請求項１〜４２のいずれかに記載の電子線装置と、
電子線装置のステージ装置と一次電子線の照射部とを収容しておりかつ真空雰囲気に制御可能になっているワーキングチャンバと、
ワーキングチャンバ内のステージ装置上に試料を供給するローダーと、
ワーキングチャンバ内に配置され、試料に電位を印加する電位印加機構と、
電子線装置の電子光学系に対する試料の位置決めのために、試料の表面を観察してアライメントを制御するアライメント制御装置と
を備え、
真空のワーキングチャンバは、床からの振動を遮断する振動遮断装置を介して支持されている
ことを特徴とする評価システム。In an evaluation system for inspecting a sample,
An electron beam device according to any one of claims 1 to 42,
A working chamber that houses the stage device of the electron beam device and the irradiation unit of the primary electron beam, and that can be controlled to a vacuum atmosphere,
A loader that supplies a sample onto a stage device in a working chamber;
A potential applying mechanism disposed in the working chamber and applying a potential to the sample;
For positioning the sample with respect to the electron optical system of the electron beam device, an alignment control device that controls the alignment by observing the surface of the sample,
An evaluation system, wherein the vacuum working chamber is supported via a vibration isolation device that isolates vibration from the floor. 請求項４３に記載の評価システムにおいて、
ローダーが、それぞれが独立して雰囲気制御可能になっている第１のローディングチャンバ及び第２のローディングチャンバと、試料を第１のローディングチャンバ内とその外部との間で搬送する第１の搬送ユニットと、第２のローディングチャンバに設けられていて試料を第１のローディングチャンバ内とステージ装置上との間で搬送する第２の搬送ユニットとを備え、
評価システムはさらに、ローダーに試料を供給するための仕切られたミニエンバイロメント空間を備えている
ことを特徴とする評価システム。The evaluation system according to claim 43,
A first loading unit for transporting a sample between the first loading chamber and the second loading chamber, and a first loading chamber and a second loading chamber, each of which is independently controllable in atmosphere; And a second transport unit provided in the second loading chamber and transporting the sample between the inside of the first loading chamber and on the stage device,
The evaluation system further comprising a partitioned mini-environment space for supplying a sample to the loader. 請求項４３又は４４記載の評価システムにおいて、該システムはさらに、ステージ装置上の検査対象の座標を検出するレーザ干渉測距装置を備え、アライメント制御装置により、試料に存在するパターンを利用して検査対象の座標を決めることを特徴とする評価システム。45. The evaluation system according to claim 43, further comprising a laser interferometer for detecting coordinates of an inspection target on the stage device, wherein the alignment control device inspects using a pattern present on the sample. An evaluation system characterized by determining coordinates of an object. 請求項４４記載の評価システムにおいて、試料の位置合わせは、ミニエンバイロメント空間内で行われる粗位置合わせと、ステージ装置上で行われるＸ−Ｙ軸方向の位置合わせ及び回転方向の位置合わせとを含むことを特徴とする評価システム。In the evaluation system according to claim 44, the positioning of the sample includes coarse positioning performed in the mini-environment space, positioning in the XY axis direction, and positioning in the rotation direction performed on the stage device. An evaluation system characterized by including. 半導体デバイスの製造方法において、製造プロセス途中又は終了後の半導体デバイスの欠陥検査等の評価のために請求項１〜４２ののいずれかに記載の電子線装置を用いたことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。43. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising using the electron beam apparatus according to claim 1 for evaluating a defect inspection of the semiconductor device during or after the manufacturing process. Manufacturing method. 半導体デバイスの製造方法において、製造プロセス途中又は終了後の半導体デバイスの欠陥検査等の評価のために請求項４３〜４７ののいずれかに記載の評価システムを用いたことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。A method for manufacturing a semiconductor device, comprising using the evaluation system according to any one of claims 43 to 47 for evaluation such as a defect inspection of the semiconductor device during or after the manufacturing process. Production method. 一次電子線を試料に照射する一次電子光学系と、検出系と、一次電子線の照射によって試料面から発生する二次電子線を検出系に指向させる二次電子光学系とを備えた電子線装置を用いて、試料面の評価を行う方法において、
電子銃から放出された電子を複数の一次電子線として生成するマルチビーム生成ステップと、
複数の一次電子線を試料上に同時に走査させる走査ステップと、
一次電子光学系及び二次電子光学系に共通に含まれる対物レンズにより、複数の一次電子線を減速して試料に照射するステップと、
該対物レンズにより、試料上の一次電子線の照射点から放出された複数の二次電子線を加速するステップと、
対物レンズを通過した複数の二次電子線を一次電子光学系から二次電子光学系に偏向させる二次電子線偏向ステップと、
偏向された複数の二次電子線を少なくとも１段の拡大レンズにより拡大し、かつ、対応して設けられた複数の検出器に導く二次電子線導出ステップと、
二次電子光学系からの複数の二次電子線を、対応して設けられた複数の検出器により検出するステップと
からなることを特徴とする試料評価方法。An electron beam including a primary electron optical system that irradiates a primary electron beam to a sample, a detection system, and a secondary electron optical system that directs a secondary electron beam generated from the sample surface by irradiation of the primary electron beam to the detection system. In a method for evaluating a sample surface using an apparatus,
A multi-beam generation step of generating electrons emitted from the electron gun as a plurality of primary electron beams,
A scanning step of simultaneously scanning a plurality of primary electron beams on the sample,
By an objective lens commonly included in the primary electron optical system and the secondary electron optical system, a step of irradiating the sample with a plurality of primary electron beams decelerated,
Accelerating the plurality of secondary electron beams emitted from the primary electron beam irradiation point on the sample by the objective lens;
A secondary electron beam deflection step of deflecting a plurality of secondary electron beams passing through the objective lens from the primary electron optical system to the secondary electron optical system,
A secondary electron beam deriving step of enlarging the deflected plurality of secondary electron beams by at least one stage of magnifying lens, and guiding the deflected secondary electron beams to a plurality of corresponding detectors;
Detecting a plurality of secondary electron beams from the secondary electron optical system with a plurality of detectors provided correspondingly. 請求項４９記載の試料評価方法において、
マルチビーム生成ステップは、一次電子線生成電子銃と試料との間に配置された磁気レンズにより、複数の一次電子線を光軸の周りに回転させるステップと、一次電子線を第１のマルチ開口板に設けられた複数の開口を介してマルチビーム化するステップとを含み、
二次電子線導出ステップは、拡大レンズにより拡大された複数の二次電子線を第２のマルチ開口板の複数の開口を介して複数の検出器に導くステップを含んでいる
ことを特徴とする試料評価方法。The sample evaluation method according to claim 49,
The multi-beam generating step includes: rotating a plurality of primary electron beams around an optical axis by a magnetic lens disposed between the primary electron beam generating electron gun and the sample; Multi-beam through a plurality of apertures provided in the plate,
The step of deriving the secondary electron beam includes guiding the plurality of secondary electron beams enlarged by the magnifying lens to the plurality of detectors through the plurality of openings of the second multi-aperture plate. Sample evaluation method. 請求項４９又は５０記載の試料評価方法において、該方法はさらに、
複数の検出器それぞれの後段に対応して設けられた複数の増幅器により増幅するステップと、
これら増幅器の利得又はオフセットを個別に調整するステップと
を備え、複数の検出器で検出される電子線量の不均一性を補正可能にしたことを特徴とする試料評価方法。The method of claim 49 or claim 50, wherein the method further comprises:
Amplifying by a plurality of amplifiers provided corresponding to the subsequent stage of each of the plurality of detectors,
A step of individually adjusting the gain or offset of these amplifiers, whereby the non-uniformity of the electron dose detected by the plurality of detectors can be corrected. 請求項４９〜５１のいずれかに記載の試料評価方法において、該方法はさらに、対物レンズの入射瞳に形成される拡大像の拡大率を調整するステップを含み、該調整により、複数の一次電子線の間隔及びビーム径を調整可能にしたことを特徴とする試料評価方法。52. The sample evaluation method according to any one of claims 49 to 51, further comprising a step of adjusting a magnification of a magnified image formed on an entrance pupil of the objective lens, wherein the plurality of primary electrons are adjusted. A sample evaluation method characterized in that a line interval and a beam diameter can be adjusted. 請求項４９〜５２のいずれかに記載の試料評価方法において、
二次電子線偏向ステップは、Ｅ×Ｂ分離器によって実行され、
試料評価方法はさらに、Ｅ×Ｂ分離器を、一次電子光学系に対して該Ｅ×Ｂ分離器が発生する偏向色収差を打ち消すために、電磁的に偏向される量が電界により偏向される量の２倍になるように設定するステップを備えている
ことを特徴とする試料評価方法。The sample evaluation method according to any one of claims 49 to 52,
The secondary electron beam deflection step is performed by an ExB separator,
In the sample evaluation method, the amount of electromagnetically deflected by the electric field is used to cancel the deflection chromatic aberration generated by the E × B separator with respect to the primary electron optical system. A method for evaluating a sample, comprising a step of setting the value to be twice as large as: 請求項４９〜５３のいずれかに記載の試料評価方法において、該方法はさらに、複数の一次電子線の試料上の照射点のビーム径を、Ｓ／Ｎ比を向上させるよう最適化するステップを備えていることを特徴とする試料評価方法。54. The sample evaluation method according to any one of claims 49 to 53, further comprising the step of optimizing a beam diameter of a plurality of primary electron beams at an irradiation point on the sample so as to improve an S / N ratio. A sample evaluation method, comprising: 請求項５４記載の試料評価方法において、ビーム径は、試料の検査すべきパターンの最小線幅の２倍のピッチの周期的パターンを検査する場合に、変調伝達関数ＭＴＦが０．２〜０．６の範囲にあるように、設定されることを特徴とする試料評価方法。55. The sample evaluation method according to claim 54, wherein the beam diameter is such that a modulation transfer function MTF is 0.2 to 0.2 when a periodic pattern having a pitch twice the minimum line width of the pattern to be inspected on the sample is inspected. A sample evaluation method characterized by being set so as to fall within the range of 6. 請求項４９〜５５のいずれかに記載の試料評価方法において、一次電子光学系に含まれるレンズは、セラミックス材料の表面に金属をコーティングした軸対称レンズで構成されていることを特徴とする試料評価方法。The sample evaluation method according to any one of claims 49 to 55, wherein the lens included in the primary electron optical system is an axially symmetric lens in which a surface of a ceramic material is coated with a metal. Method. 請求項４９〜５６のいずれかに記載の試料評価方法において、走査ステップは、
試料の被測定領域を分割した小領域単位で一次電子線を照射し、かつ、１つの小領域の照射を完了後、隣接する小領域を少なくとも１以上スキップして、未照射の小領域の照射を実行する
ことを特徴とする試料評価方法。In the sample evaluation method according to any one of claims 49 to 56, the scanning step includes:
Irradiate the primary electron beam in small area units obtained by dividing the measured area of the sample, and after irradiating one small area, skip at least one or more adjacent small areas and irradiate unirradiated small areas. A sample evaluation method. 請求項４９〜５７のいずれかに記載の試料評価方法において、走査ステップは、
試料の被測定領域を分割した小領域単位で一次電子線を照射し、かつ、１つの小領域の照射を実行する際、その照射の開始時に、次に照射を行う小領域に近い側から照射を開始し、遠い側で照射を完了する
ことを特徴とする試料評価方法。In the sample evaluation method according to any one of claims 49 to 57, the scanning step includes:
When irradiating the primary electron beam in small area units obtained by dividing the area to be measured of the sample and irradiating one small area, at the start of the irradiation, irradiate from the side near the next small area to be irradiated next , And the irradiation is completed on the far side. 請求項４９〜５８のいずれかに記載の試料評価方法において、該方法はさらに、
試料を載置するステージ装置を、静圧軸受けにより非接触でハウジング内に支持する支持ステップと、
ステージ装置が収容されたハウジングを、真空排気するステップと、
電子線装置の試料面上に一次電子線を照射する部分の周囲に設けられた差動排気機構により、試料面上の該照射領域を排気するステップと
を含んでいることを特徴とする試料評価方法。The sample evaluation method according to any one of claims 49 to 58, wherein the method further comprises:
A supporting step of supporting the stage device on which the sample is mounted in the housing in a non-contact manner by a static pressure bearing,
Evacuating the housing containing the stage device;
Exhausting the irradiation area on the sample surface by a differential evacuation mechanism provided around a portion of the electron beam apparatus that irradiates the primary electron beam onto the sample surface. Method. 請求項５９記載の試料評価方法において、支持ステップは、ステージ装置の静圧軸受けに、ドライ窒素もしくは高純度の不活性ガスを供給するステップであり、該ドライ窒素もしくは高純度不活性ガスを、該ステージ装置を収納するハウジングを排気した後に加圧して、再び静圧軸受けに供給することを特徴とする試料評価方法。60. The sample evaluation method according to claim 59, wherein the supporting step is a step of supplying dry nitrogen or high-purity inert gas to the static pressure bearing of the stage device, wherein the dry nitrogen or high-purity inert gas is supplied to the static pressure bearing. A method for evaluating a sample, characterized in that a housing accommodating a stage device is evacuated and then pressurized and supplied to a static pressure bearing again.
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