JPWO2002040980A1 - 基板検査方法、基板検査装置及び電子線装置 - Google Patents

基板検査方法、基板検査装置及び電子線装置 Download PDF

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佐竹　徹
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曽布川　拓司
狩俣　努
吉川　省二
大和田　伸
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Abstract

本発明は、荷電粒子線を基板に照射して基板に形成されたパターンを検査する基板検査装置に関する。荷電粒子線発生手段、そこから発生された荷電粒子線を複数の開口を有するマルチ開口板に照射させ、開口を通過した複数の荷電粒子線を基板表面に結像させる手段等を含む一次光学系、基板から放出される二次荷電粒子線が投入される二次光学系、前記二次荷電粒子線を検出して電気信号として出力する検出系及び前記電気信号を処理、評価する処理制御系を含む電子線装置と、基板を保持したり移動したりするステージ装置と、所望の雰囲気に制御可能なワーキングチャンバ等を備えている。

Description

技　術　分　野
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。本発明は、半導体プロセスにおける各工程後のウェーハ等の基板の検査を電子ビームを用いて行う基板検査方法、基板検査装置、及びその検査装置用の電子線装置、或いはそれらを用いたデバイス製造方法に関する。
背　景　技　術
半導体デバイスの高集積化、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ェーハー基板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、検査装置の主流になると予想される。但し、電子ビーム方式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ウェーハ）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、検査時間は非常に遅く、検査速度の速い欠陥検査装置の開発が期待されている。
一般に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、現状では重要な工程の後、例えばエッチング、成膜、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試料を照射する。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。前記細く絞られた電子ビーム（一次電子線と呼ぶ）照射により発生した試料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）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）上に画像を出力する。以上は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）ウェー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）電流値１００ｎＡ、検出器の応答速度１００ＭＨｚが現在の最高値で、この場合で検査速度は２０ｃｍ径のウェーハ一枚あたり約８時間と言われている。この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。
一方、ＳＥＭ方式の欠点である検査速度を向上する方法として、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。この方法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、資料からの複数の二次電子線を斜め方向に取り出すため、試料からの二次電子も斜めの方向に放出されたもののみ検出器が拾うことになり、あるいは画像に影ができてしまうことや、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り、二次電子信号が互いに混入してしまうという問題が生じている。
従来、電子銃から放出される一次電子線をレンズ系で細く絞って試料面上に照射し、試料から放出される二次電子を検出して、線幅測定、欠陥検査等の試料面の評価を行う評価装置が知られている。このような評価装置においては、Ｓ／Ｎ比を一定値以上（例えば、２２〜７０）に大きくする必要がある．
熱電界放出電子銃を用いた場合、１ピクセル当り１０００個〜１００００個の二次電子を検出する必要がある。
例えば、二次電子の検出効率を１０％とすると、１ピクセル当り一次電子を１０４〜１０５個照射する必要があった。これをドーズに換算すると、ドーズＤ（Ｑ／ｃｍ２）は、ピクセル寸法を０．１μｍ角とすると、
Figure 2002040980
となる。
このような１６μｃ／ｃｍ２〜１６０μｃ／ｃｍ２のドーズの値は、トランジスタがほぼ完成した層以降のウエハにとってはかなり大きいドーズに相当し、大きなドーズ値の場合、トランジスタのスレシホルド電圧Ｖｔｈが上昇したりする問題がある。
すなわち、従来の半導体ウエハの評価装置においては、Ｓ／Ｎ比を大きくする必要があることからドーズを大きくする必要があるが、ドーズを大きくして照射する一次電子線の量を大きくすると、ウエハ上のトランジスタのスレシホルド電圧が上昇してしまい、結局、ウエハの評価時に、半導体デバイスの特性を損ねてしまう場合がある。
また、従来技術では、一次電子線を試料表面の被検査領域に照射して取得した二次電子線の画像と、予め用意された基準画像との間に位置ずれが発生し、欠陥検出の精度を低下させるという問題もあった。この位置ずれは、一次電子線の照射領域がウェーハに対してずれ、検査パターンの一部が二次電子線の検出画像内から欠落するとき、特に大きな問題となり、単にマッチング領域を検出画像内で最適化する技術だけでは対処できない。これは、特に、高精細パターンの検査では致命的欠点となり得る。
発　明　の　概　要
本発明の目的は、高スループットでしかも高い信頼性度で試料の検査、評価が可能な基板検査方法、基板検査装置、及びその検査装置用の電子線装置を提供することである。
本発明の他の目的は、一次の荷電粒子線の照射量を少なくしても、二次電子の検出信号のＳ／Ｎ比を所望の大きさにすることができる基板検査方法、基板検査装置、及びその検査装置用の電子線装置を提供することである。
本発明の別の目的は、少ない情報量で欠陥検査を行うことが可能で、大型のサイズのウエハ等の試料の評価を高いスループットで評価するか或いは精度良く評価するかを選択できる基板検査方法、基板検査装置、及びその検査装置用の電子線装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、一度に複数の荷電粒子線を試料に照射させることができ、試料を走査する画素サイズに応じた前記一次光学系、二次光学系のレンズ条件又は軸合わせ条件を保持する記憶部を有することにより測定精度の向上か評価のスループットの向上かを選択できる基板検査方法、基板検査装置、及びその検査装置用の電子線装置を提供することである。
本発明の別の目的は、一次光学系のレンズ条件の調整とは別個に、二次光学系の合焦条件や拡大率を調整し、これらの値の設計値からのズレを補正して高い信頼性度で試料の検査、評価が可能な基板検査方法、基板検査装置、及びその検査装置用の電子線装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、一次光学系と二次光学系とで開口角を独立に調整できるようにし、軸合わせが行えない光学部品は最小限とし、レンズ条件は両光学系とも調整可能とした基板検査装置及びその検査装置用の電子線装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、試料のパターン形成面の中で欠陥の発生が多いと予想される領域や評価値のバラツキが多いと予想される領域を選択して、当該領域に電子線や光を照射して重点的に評価を行うことによってそのような評価を迅速にできる基板検査方法、基板検査装置、及びその検査装置用の電子線装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、厚い基体を用いる必要なく可能な限り剛性が高いレーザー反射鏡、及び、ボイドによる鏡面の凹みを解消すると共に該鏡面の平面度を高精度に保つことが可能なレーザー反射鏡の少なくともいずれかを備えた基板検査装置及びその検査装置用の電子線装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、最小線幅が０．１ミクロン以下であってもキラー欠陥と非キラー欠陥とを区別することができ、しかも、ＳＥＭを用いた欠陥検査装置と比較して検査時間を短縮することができる基板検査方法、基板検査装置、及びその検査装置用の電子線装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、レーザー干渉計等の精密な測距装置をステージ位置に設けることによって、温度安定度が低い条件で測定を行う場合、及び、電子線装置の光学系と試料室すなわちステージとの間に相対的な振動がある場合等に、正確な検査を行うことができる基板検査方法、基板検査装置、及びその検査装置用の電子線装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、１台に複数の機能を持たせることによって、少ない台数で試料の検査、評価を可能にすることにより、半導体製造設備のクリーンルームに占める検査装置の床面積の割合を減少可能とする基板検査方法、基板検査装置、及びその検査装置用の電子線装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、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を有し、荷電ビームの照射領域と静圧軸受けの支持部との間に圧力差を発生させるようにし、また静圧軸受けに面する部品表面から放出するガスを低減を可能にした基板検査装置及びその検査装置用の電子線装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、半導体デバイスの製造プロセスにおいて、上記のような基板検査方法、検査装置、その検査装置用の荷電粒子線装置を用いて試料の欠陥検査或いは評価を行うことにより、デバイス製品の歩留まりの向上及び欠陥製品の出荷防止を図った半導体デバイスの製造方法を提供することである。
なお、本願において、検査とは、単に欠陥等の不良状態の有無を検出するだけでなく、検出結果の評価を行う場合も含む。
本願の第１の発明による基板検査方法は、
（１）荷電粒子線発生手段から一次荷電粒子線を放出させるステップと、
（２）前記発生された一次荷電粒子線を一次光学系を介して基板に照射するステップと、
（３）前記一次荷電粒子線の照射により前記基板から放出された二次荷電粒子線を二次光学系に投入するステップと、
（４）前記二次光学系に投入された前記二次荷電粒子線を検出して電気信号に変換するステップと、
（５）前記電気信号を処理して基板を評価するステップと、
を備えて構成されている。
前記基板検査方法の実施形態において、前記荷電粒子線発生手段を空間電荷制限領域で動作させ、前記荷電粒子線発生手段から放出される一次荷電粒子線を前記一次光学系の複数の開口を有するマルチ開口板に照射させ、前記複数の開口を通過した複数の荷電粒子線を基板面上に結像させてもよい。また、前記荷電粒子線発生手段を空間電荷制限領域で動作させ、前記荷電粒子線発生手段は、前記一次光学系のマルチ開口板の複数の開口に対応した円周上の複数の電子放出領域から前記一次荷電粒子線を放出させてもよい。
更に、前記基板検査方法の他の実施形態において、前記検査方法が、（６）前記検出系が前記基板の複数の領域から放出された二次荷電粒子線を検出して複数のサブ画像データを得るステップと、（７）検出された複数のサブ画像データを並び替えて、基板の検査領域の画像データを生成するステップと、を更に備えいてもよく、或いは、更に、（８）評価された基板に関する基準画像データを予め記憶するステップと、（９）前記記憶された基準画像データと画像生成手段によって生成された画像データとを対比することにより、基板を評価するステップと、を備えていてもよい。
また、前記基板検査方法の他の実施形態において、前記基板がＹ軸方向に連続移動するよう制御し、複数の一次荷電粒子線の基板上の照射スポットをＸ軸方向にほぼ等間隔に形成し、かつ、走査領域がＸ軸方向に一部重複するように、それぞれの荷電粒子線を同時にＸ軸方向に走査し、サブ画像データを比較する際、それぞれの荷電粒子線のＸ座標及びＹ座標を考慮して、基板の表面の検査を行ってもよい。更に、前記基板検査方法において、前記基板を走査して照射する画素サイズに応じた前記一次光学系及び前記次光学系のレンズ条件又は軸合わせ条件を保持してもよい。
更にまた、前記基板検査方法の他の実施形態において、前記検査方法が、更に、前記電気信号をパターン情報へ変換することと、前記パターン情報と基準パターンとを比較することと、を備え、複数の荷電粒子線のそれぞれの荷電粒子線間の距離の最小値を、前記二次光学系の分解能を前記基板の表面上での値に換算した値よりも大きくしてもよい。
更に、前記基板検査方法の他の実施形態が、更に、前記検出部から受け取った前記電気信号を２値化情報へ変換することと、前記２値化情報から矩形パターン情報へ変換することと、前記矩形パターン情報と基準パターンとを比較することと、を備えていてもよい。
前記第１の発明による基板検査方法の他の実施形態において、基板の画像を生成し、その画像より基板上に形成されたパターンを評価するに、前記基板の画像に対応した参照用画像を格納し、その格納された参照用画像を読出し、その読出された参照用画像と前記基板の画像とを比較して、その両画像の差異部を検出し、そしてその差異部を少なくとも短絡、断線、凸、欠け、ピンホール及び孤立の欠陥に分類するようにし、前記基板の画像を生成するに、一次光学系で細く絞った複数のビームを基板上で走査し、基板からの二次荷電粒子線を対物レンズで集束し、さらにこれをＥＸＢ分離器で一次光学系から分離し、二次光学系で上記基板からの二次荷電粒子線の軌道と光軸との角度を一段のレンズによって拡大して検出用マルチ開口に集束させて、複数の検出器で検出するようにしてもよい。
更に、前記基板検査方法の別の実施形態において、前記基板のパターン形成面の中で欠陥の発生が多いと予想される領域や評価値のバラツキが多いと予想される領域を選択して、当該領域に荷電粒子線を照射して重点的に評価を行うようにしてもよく、この場合、前記パターン形成面を複数の領域に分割して、領域毎にパターンを形成することにより全体のパターンを形成するようにしたパターン形成面の評価において、前記分割した領域のつなぎの領域を選択して前記評価を行うようにするか、或いは、パターン形成面を複数の隣接するストライプに分割し、各ストライプ毎にパターンをリソグラフィにより形成するようにしたパターン形成面の評価において、ストライプのつなぎ領域、リソグラフィにおけるパターン投影の主視野のつなぎ領域、あるいは、副視野のつなぎ領域を選択して前記評価を行うようにしてもよい。
更に、前記基板検査方法の別の実施形態において、前記基板のパターン形成面に荷電粒子線を照射して、前記二次荷電粒子線に基づき当該パターンの評価を行い、パターン形成面の中で欠陥の発生が多いと予想される領域や評価値のバラツキが多いと予想される領域を選択して、当該検査を行う装置の視野の中央部分を、選択した領域に一致させるようにしてもよい。
更にまた、前記第１の発明による基板検査方法の他の実施形態において、前記検査方法が、前記電気信号を処理して生成された画像データから、異常パターンを検出することと、前記の検出された異常パターンがキラー欠陥であるか否かを、所定の基準パターンとの関係に基づいて判定することと、を備えていてもよく、この場合、前記画像処理部が、前記複数の二次荷電粒子線に対応する複数の画像データを同時に又は並列に処理してもよい。
更にまた、前記基板検査方法の別の実施形態において、基板表面の欠陥検出、基板表面の欠陥レビュー、パターン線幅測定、及びパターン電位測定の内少なくとも２つの機能を行ってもよく、この場合、前記基板表面の欠陥検出は画像信号により得られる画像をパターンデータと比較するか又はダイ同士を比較することにより行われ、基板表面の欠陥レビューは基板表面上における一次荷電粒子線の走査と同期させたモニター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、パターン線幅測定は基板表面上における一次荷電粒子線の走査をパターンの短辺方向に行うときの二次荷電粒子線のラインプロファイル像により行われ、パターン電位測定は基板表面に最も近い電極に負の電位を与え基板表面の高い電位を持つパターンから放出される二次荷電粒子線を選択的に基板側へ追い戻すことにより行われてもよい。
前記基板検査方法の他の実施形態において、更に、基板１枚当たりの加工状態を、加工装置による基板１枚当たりの加工時間以内に評価するように、評価条件を設定することか、又は、１ロット当たりの加工状態を、加工装置による１ロット当たりの加工時間以内に評価するように、評価条件を設定することを備えていてもよく、この場合、基板表面の指定された領域のみの加工状態を評価するよう、基板の評価面積を設定することを備えていてもよい。
前記第１の発明による基板検査方法の更に別の実施形態において、前記検査方法が、更に、前記基板上で部分的に重なり合いながら互いから変位された複数の被検査領域の画像を各々取得することと、基準画像を記憶すること、前記取得された複数の被検査領域の画像と、前記記憶された前記基準画像とを比較することによって前記基板の欠陥を判断することと、を含んでいてもよい。
また、前記基板検査方法の他の実施形態において、前記検査方法が、更に、前記基板への一次荷電粒子線の照射を所望の雰囲気に制御されたワーキングチャンバ内で行うことと、前記ワーキングチャンバ内への及びそこからの前記基板の搬送を真空チャンバ内を通して行うことと、前記ワーキングチャンバ内で前記基板に電位を印加することと、前記基板の表面を観察して前記一次荷電粒子線の照射位置に対して前記基板をアライメントすることと、を備えていてもよい。
本願の第２の発明は、基板に一次荷電粒子線を照射して二次荷電粒子線を放出させ、前記二次荷電粒子線を検出して基板を評価する電子線装置において、
荷電粒子線を発生する荷電粒子線発生手段と、
前記一次荷電粒子線を複数本走査させて前記基板に照射する一次光学系と、
前記荷電粒子線の照射により前記基板から放出された二次荷電粒子線が投入される二次光学系と、
前記二次光学系に投入された二次荷電粒子線を検出して電気信号に変換する検出器を有する検出系と、
前記電気信号に基づいて基板の評価を行う処理制御系と、を備えて構成されている。
本願の第３の発明は、基板に一次荷電粒子線を照射して二次荷電粒子線を放出させ、前記二次荷電粒子線線を検出して基板を評価する電子線装置において、
荷電粒子線を発生する荷電粒子線発生手段と、
前記単一の一次荷電粒子線を走査させて前記基板に照射する一次光学系と、
前記荷電粒子線の照射により前記基板から放出された二次荷電粒子線が投入される二次光学系と、
前記二次光学系に投入された二次荷電粒子線を検出して電気信号に変換する検出器を有する検出系と、
前記電気信号に基づいて基板の評価を行う処理制御系と、を備えて構成されている。
前記第２の発明による電子線装置の実施形態において、前記荷電粒子線発生手段が空間電荷制限領域で動作するよう設定され、前記荷電粒子線発生手段のカソードは単結晶ＬａＢ６で構成され、荷電粒子線発生手段から放出される荷電粒子線で複数の開口を有する前記一次光学系のマルチ開口板を照射し、前記複数の開口を通過した複数の荷電粒子線を前記基板面上に結像させるようにしても、或いは、前記荷電粒子線発生手段が空間電荷制限領域で動作するよう設定され、前記一次光学系は円周上に配置された複数の開口を有するマルチ開口板を備え、ＬａＢ６からなる荷電粒子線発生手段のカソードは、電子放出領域が前記マルチ開口板の複数の開口に対応して複数個円周上に配置されていてもよい。
また、前記第２の発明による電子線装置の実施形態において、前記検出系が前記基板の複数の領域から放出された二次荷電粒子線を検出して複数のサブ画像データを得ることができ、前記電子線装置が、更に、検出された複数のサブ画像データを並び替えて、基板の検査領域の画像データを生成する画像生成手段を備えていてもよく、この場合、前記電子線装置が、更に、評価された基板に関する基準画像データを予め記憶する記憶手段と、前記憶手段に記憶された基準画像データと画像生成手段によって生成された画像データとを対比することにより、基板を評価する評価手段と、を備えていてもよい。前記場合において、更に、前記基板がＹ軸方向に連続移動するよう制御され、前記一次光学系は、複数の荷電粒子線をの基板上の照射スポットがＸ軸方向にほぼ等間隔に形成され、かつ、走査領域がＸ軸方向に一部重複するように、それぞれの荷電粒子線を同時にＸ軸方向に走査するよう構成されており、画像生成手段は、サブ画像データを並び替える際、それぞれの荷電粒子線のＸ座標及びＹ座標を考慮して、基板の表面の画像データを作成するよう構成されていてもよい。
更に、前記第２発明による電子線装置の他の実施形態において、前記装置が、前記一次荷電粒子線を前記基板に走査して照射する画素サイズに応じた前記一次光学系及び前記二次光学系のレンズ条件又は軸合わせ条件を保持する記憶部を有していてもよい。
また、前記第３の発明による電子線装置の一つの実施形態において、前記装置が、前記一次荷電粒子線を前記基板に走査して照射する画素サイズに応じた前記一次光学系及び前記二次光学系のレンズ条件又は軸合わせ条件を保持する記憶部を有していてもよい。
更にまた、前記第３の発明による電子線装置の他の実施形態において、前記装置が、前記電子光学系は絶縁物から加工し表面に金属コーティングを施した電極から成る軸対称レンズを少なくとも１段有し、前記荷電粒子線発生手段、一次光学系、二次光学系及び検出系の組合せが複数個あってそれぞれが鏡筒を備え、前記基板を走査する画素サイズに応じた前記一次光学系、二次光学系のレンズ条件又は軸合わせ条件を保持する記憶部を有していてもよい。
更に、前記第２の発明による電子線装置の他の実施形態において、前記装置が、前記処理制御系が二次荷電粒子線処理部を備え、前記二次荷電粒子線処理部が、前記電気信号をパターン情報へ変換する手段と、前記パターン情報と基準パターンとを比較する手段と、を備えており、前記複数の荷電粒子線のそれぞれの粒子線間の距離の最小値を、前記二次光学系の分解能を前記基板の表面上での値に換算した値よりも大きくしてもよい。
更に、前記第２及び第３の発明による電子線装置の別の実施形態において、前記装置が、前記処理制御系が前記画像処理部を備え、前記画像処理部が、前記検出部から受け取った前記電気信号を２値化情報へ変換する手段と、前記２値化情報から矩形パターン情報へ変換する手段と、前記矩形パターン情報と基準パターンとを比較する手段と、を備えていてもよい。この場合、前記一次光学系及び二次光学系が鏡筒内に収納され、前記一次光学系は、前記鏡筒内において絶縁材料の表面に金属コーティングにより電極を形成した軸対称のレンズを少なくとも１個備えていてもよい。
更に、前記第２の発明による電子線装置の別の実施形態において、基板の画像を生成し、その画像より基板上に形成されたパターンを評価するに、前記基板の画像に対応した参照用画像を格納し、その格納された参照用画像を読出し、その読出された参照用画像と前記基板の画像とを比較して、その両画像の差異部を検出し、そしてその差異部を少なくとも短絡、断線、凸、欠け、ピンホール及び孤立の欠陥に分類するよう構成され、上記基板の画像を生成するに、一次光学系で細く絞った複数のビームを基板上で走査し、基板からの二次荷電粒子線を対物レンズで集束し、さらにこれをＥＸＢ分離器で一次光学系から分離し、二次光学系で上記基板からの二次荷電粒子線像を少なくとも一段のレンズによって、二次電子軌道と光軸との角度を拡大して検出用マルチ開口に集束させて、複数の検出器で検出してもよく、この場合、電子線装置が、更に、（１）前記基板をプリアライメントする機能、（２）その基板の検査遂行のためのレシピを予め登録する機能、（３）前記基板上に形成された基板番号を読取る機能、（４）その読込んだ基板番号から該基板に対応するレシピを読出す機能、（５）その読出したレシピに基づく検査を遂行する機能、（６）前記基板の検査点マップを予め登録する機能、（７）その登録された検査点マップを読出し、表示する機能、（８）その検査点マップ上での指定あるいは前記レシピの指示に基づいて前記基板を移動してその指定または指示された検査点を所望位置に位置づける機能、（９）その指定または指示された検査点の参照用画像を予め登録するための機能、（１０）その指定または指示された検査点の参照画像を形成し、その指定または指示された検査点の位置決め用画像とその検査点の位置決め用参照画像とを照合することにより前記検査点の位置決めを行う機能、（１１）その位置決めされた検査点の検査用画像を形成する機能、（１２）前記位置決めされた検査点の検査用参照用画像を格納する機能、（１３）前記検査用画像と前記検査用参照画像を表示する機能、（１４）その両画像を比較して、差異部を検出する機能、（１５）その両画像間の差異部を少なくとも短絡、断線、凸、欠け、ピンホールおよび孤立の欠陥に分類する機能、（１６）前記少なくとも凸、欠け、ピンホールおよび孤立の欠陥についてサイズ分類する機能、（１７）前記基板の差異部にプローブを照射し物理分析する機能、（１８）前記指定または指示された検査点の差異部の分類結果を前記検査点マップに上書きする機能、（１９）前記基板が基板である場合は、チップ単位、基板単位および指定基板単位での全欠陥、類型別欠陥およびサイズ別欠陥の密度を計算する機能、（２０）前記欠陥類型別の欠陥サイズ−致命率表を予め登録する機能、（２１）前記欠陥類型別の欠陥サイズ−致命率表を用いて、チップ単位、基板単位および指定基板単位での歩留まりを計算する機能、（２２）前記指定された検査点の差異部検出結果、差異部の分類結果および各欠陥密度および歩留まり計算結果を登録する機能、（２３）その登録された各検査結果、計算結果を出力するための機能を備えていてもよい。
前記第２の発明による電子線装置の別の実施形態において、前記一次光学系が、前記一次荷電粒子線を複数に成形する形成手段及びＥ×Ｂ分離器を備え、前記一次光学系用の開口角を決めるアパーチャが、前記形成手段と前記Ｅ×Ｂ分離器との間に設けられていても、前記一次光学系は、前記荷電粒子線発生手段から放出された一次荷電粒子線を集束してクロスオーバー像を形成するコンデンサレンズ及び前記一次荷電粒子線を複数に形成する形成手段を更に備え、前記形成手段は、該コンデンサレンズ及び該クロスオーバー像の間に配置され、前記一次光学系用の開口角は、前記クロスオーバー像の拡大率を変更することによって調整又は設計値に調整されても、或いは、前記一次光学系は、前記荷電粒子線発生手段から放出された一次荷電粒子線を集束して第１のクロスオーバー像を形成するコンデンサレンズ及び前記一次荷電粒子線を複数に形成する形成手段を更に備え、前記形成手段は、該コンデンサレンズ及び該第１のクロスオーバー像の間に配置され、前記二次光学系は、前記複数の二次荷電粒子線線を集束して第２のクロスオーバー像を形成するコンデンサレンズを更に備えていてもよい。
前記第１及び第２の発明による電子線装置の別の実施形態において、前記基板のパターン形成面の中で欠陥の発生が多いと予想される領域や評価値のバラツキが多いと予想される領域を選択して、当該領域に荷電粒子線を照射して重点的に評価を行うようにしてもよく、この場合、前記パターン形成面を複数の領域に分割して、領域毎にパターンを形成することにより全体のパターンを形成するようにしたパターン形成面の評価において、上記分割した領域のつなぎの領域を選択して上記評価を行うようにしても、或いはパターン形成面を複数の隣接するストライプに分割し、各ストライプ毎にパターンをリソグラフィにより形成されているパターン形成面の評価において、ストライプのつなぎ領域、リソグラフィにおけるパターン投影の主視野のつなぎ領域、あるいは、副視野のつなぎ領域を選択して上記評価を行うようにしてもよい。
更に、前記第２及び第３の発明による電子線装置の別の実施形態において、前記基板のパターン形成面に荷電粒子線を照射して、前記二次荷電粒子線に基づき当該パターンの評価を行い、パターン形成面の中で欠陥の発生が多いと予想される領域や評価値のバラツキが多いと予想される領域を選択して、当該電子線装置の視野の中央部分を、選択した領域に一致させるようにしてもよく、或いは、前記処理制御装置が、二次荷電粒子線処理部と、前記二次荷電粒子線処理部で生成された前記画像データから、異常パターンを検出する検出手段と、前記の検出された異常パターンがキラー欠陥であるか否かを、所定の基準パターンとの関係に基づいて判定する判定手段と、を備えていてもよい。
前記第１及び第２の発明による電子線装置の他の実施形態において、前記装置が、基板表面の欠陥検出、基板表面の欠陥レビュー、パターン線幅測定、及びパターン電位測定の内少なくとも２つの機能を有していてもよく、この場合、前記基板表面の欠陥検出は画像信号により得られる画像をパターンデータと比較するか又はダイ同士を比較することにより行われ、基板表面の欠陥レビューは基板表面上における一次荷電粒子線の走査と同期させたモニター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、パターン線幅測定は基板表面上における一次荷電粒子線の走査をパターンの短辺方向に行うときの二次荷電粒子線のラインプロファイル像により行われ、パターン電位測定は基板表面に最も近い電極に負の電位を与え基板表面の高い電位を持つパターンから放出される二次荷電粒子線を選択的に基板側へ追い戻すことにより行われてもよい。
前記第２及び第３の発明による電子線装置の他の実施形態において、前記装置が、更に、基板１枚当たりの加工状態を、加工装置による基板１枚当たりの加工時間以内に評価するように、評価条件を設定する評価条件設定手段、又は１ロット当たりの加工状態を、加工装置による１ロット当たりの加工時間以内に評価するように、評価条件を設定する評価条件設定手段を備えていてもよい。この場合、前記評価条件設定手段が、基板表面の指定された領域のみの加工状態を評価するよう、基板の評価面積を設定する手段を備えていてもよい。
前記第２及び第３の発明による電子線装置の別の実施形態において、前記処理制御装置が、前記基板上で部分的に重なり合いながら互いから変位された複数の被検査領域の画像を各々取得する画像取得手段と、基準画像を記憶する記憶手段と、前記画像取得手段により取得された複数の被検査領域の画像と、前記記憶手段に記憶された前記基準画像とを比較することによって前記基板の欠陥を判断する欠陥判断手段と、を含んでいてもよい。
更にまた、前記第２及び第３の発明による電子線装置の別の実施形態において、１枚の被検査基板上に、前記荷電粒子線発生手段、一次光学系、二次光学系、検出器を含む光学系を複数個配置されていてもよい。
更に、前記第２及び第３の発明による電子線装置の別の実施形態において、前記一次光学系が対物レンズを備え、前記対物レンズを構成する静電レンズは、その内側部が、外側のセラミックス材料と一体的に構成された線膨張率が低いセラミックス材料で形成されており、前記内側部のセラミックス材料の表面に金属コーティングにより複数の電極が形成され、前記複数の電極はそれぞれ、軸対称に形成されていてもよい。
更に、前記第２及び第３の発明による電子線装置の別の実施形態において、前記一次光学系が対物レンズを備え、前記対物レンズを構成する静電レンズは、その内側部が、切削加工が可能なセラミックス材料で形成されて、外側部のセラミックス材料と接着固定されており、前記内側部のセラミックス材料の表面に金属コーティングにより複数の電極が形成され、該複数の電極はそれぞれ、軸対称に形成されていてもよい。
本願の第４の発明は、荷電粒子線を基板に照射して基板に形成されたパターンを検査する基板検査装置において、
荷電粒子線を発生する荷電粒子線発生手段、前記荷電粒子線を前記基板に照射する一次光学系、前記荷電粒子線の照射により前記基板から放出される二次荷電粒子線が投入される二次光学系、前記二次光学系に投入された二次荷電粒子線を検出して電気信号として出力する検出系及び前記電気信号を処理、評価する処理制御系を含む電子線装置と、
基板を保持して前記基板を前記電子線装置に関して相対的に移動させるステージ装置と、
少なくとも前記ステージ装置の上部領域を外部から遮断し、所望の雰囲気に制御可能なワーキングチャンバと、
前記ステージ上への基板の搬入及び前記ステージからの基板の取り出しを行う基板搬送機構と、を備えて構成されている。
前記第４の発明による基板検査装置の実施形態において、前記装置が、前記ステージ装置の位置を検出するレーザー測距装置を備え、前記一次光学系が対物レンズを備え、前記対物レンズは、少なくともその外側部が線膨張率が低いセラミックス材料で形成された、軸対称の静電レンズで構成され、前記静電レンズの外側部にレーザー測距装置の固定鏡が取り付けられていてもよい。
また、前記基板検査装置の他の実施形態において、少なくとも前記ステージ装置に取り付けられ、或いは、前記ステージ装置の部材の一部を研磨してなるレーザー反射鏡を有し、前記レーザー反射鏡にレーザーを反射させることによって該ステージの位置を測定するレーザー測距手段を含み、前記レーザー反射鏡は、ＳｉＣセラミックスの基体で形成されていてもよい。
更に前記第４の発明にようる基板検査装置の別の実施形態において、前記荷電粒子線発生手段、前記一次光学系、前記二次光学系及び前記検出系を含む鏡筒が、複数、並設して配置され、前記基板検査装置が、少なくとも前記ステージ装置に取り付けられ、或いは、前記ステージ装置の部材の一部を研磨してなるレーザー反射鏡を有し、前記レーザー反射鏡にレーザーを反射させることによって該ステージの位置を測定するレーザー測距手段を備え、前記レーザー反射鏡は、ＳｉＣセラミックスの基体で形成され、前記複数の鏡筒の各々は、一体のセラミックスを加工して、その表面に選択的に金属コーティングを行うことにより外径を小寸法に加工された軸対称レンズを少なくとも１段備えていてもよい。
前記基板検査装置の他の実施形態において、前記ステージ装置には、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が設られ、前記基板面上の一次荷電粒子線が照射される箇所と、前記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が設けられ、荷電粒子線の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てもよい。
前記基板検査装置の他の実施形態において、前記ステージ装置のテーブル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、前記ステージが収容されたハウジングは真空排気され、前記電子線装置の前記基板面上に一次荷電荷電粒子線を照射する部分の周囲には、基板面上の前記一次荷電粒子線が照射される領域を排気する差動排気機構が設けられていてもよい。
また、前記基板検査装置の他の実施形態において、前記装置が、更に、床から前記真空チャンバへの振動を遮断する振動遮断装置を備えていてもよい。
更にまた、前記基板検査装置において、前記装置が、更に、前記ワーキングチャンバ内に配置された、前記検査対象に電位を印加する電位印加機構と、前記電子光学系に対する前記検査対象の位置決めのために前記検査対象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、を備えていてもよい。
更に、前記基板検査装置の別の実施形態において、前記電子線装置が前記請求の範囲２４ないし５５のいずれかに記載の電子線装置であってもよい。
本願の第５の発明は、半導体デバイスの製造方法であって、前記基板検査方法、電子線装置及び基板検査装置のいずれかを用いて、プロセス途中、又は終了後の半導体基板を評価するステップを含んでいることを特徴とする半導体デバイス製造方法である。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について、検査対象として表面にパターンが形成された基板すなわちウエハを検査する基板体検査装置として説明する。
図１及び図２において、本実施形態の基板検査装置１の主要構成要素が立面及び平面で示されている。
本実施形態の基板体検査装置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、ワーキングチャンバを画成する主ハウジング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ー６０と、真空ハウジングに取り付けられた荷電粒子線装置としての電子光学装置７０と、を備え、それらは図１及び図２に示されるような位置関係で配置されている。半導体検査装置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１５に図示）と、電子ビームキャリブレーション機構８５（図１６に図示）と、ステージ装置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。
カセットホルダ
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１４（例えば、アシスト社製のＦＯＵＰ、ＳＭＩＦ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）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き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１４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を上下移動させる公知の構造の昇降機構１２とを備え、カセット１４は昇降テーブル上に図２で鎖線図示の状態で自動的にセット可能になっていて、セット後、図２で実線図示の状態に自動的に回転されてミニエンバイロメント装置内の第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で鎖線図示の状態に降下される。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公知の構造のものを適宜使用すれば良いので、その構造及び機能の詳細な説明は省略する。
上記カセットホルダ１０及びカセット１４に代わる実施形態としては、図３に示されるような装置１０ａがある。この装置１０ａは、複数の直径３００ｍｍの基板Ｗを、基板搬送箱１５ａ内に、互いに隔てて保管するものである。この基板搬送箱１５ａは、固定のテーブル１１ａの上に配置された箱本体１５１を有し、ウエハｗをその箱本体内に固定された溝型ポケット（図示せず）内に水平にかつ互いに平行に収納した状態で搬送、保管等を行う。基板搬送箱１５ａの箱本体１５１ａはミニエンバイロメント装置側の側面が開口していて、その開口部はミニエンバイロメント装置のハウジング２２内に設けられた基板搬出入ドア１５２ａによって選択的に開閉されるようになっている。この基板搬出入ドア１５２ａは、図示しないドア自動開閉装置によって開閉操作されるようになっている。装置１０ａは、更に、前記ミニエンバイロメント装置側の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１５３ａと、基板を保持するための前記溝型ポケット（図示せず）とＵＬＰＡフィルタ１５５ａと、ケミカルフィルタ１５６ａと、ファンモータ１５７ａとを備えている。この実施形態でも、ローダー６０のロボット式の第１の搬送ユニット６１により、ウエハＷが出し入れされる。
なお、カセット１４内に収納される基板すなわちウエハは、検査を受けるウエハであり、そのような検査は、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基板すなわちウエハ、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、カセット内に収納される。カセット１４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いるため、任意の位置のウエハと後述する第１の搬送ユニットで保持できるように、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
図１、図２及び図４において、ミニエンバイロメント装置２０は、雰囲気制御されるようになってい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内で清浄空気のような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検査対象としての基板すなわちウエハを粗位置決めするプリアライナー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を有していてい、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、ミニエンバイロメント空間内において底壁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清浄にするようになっているが、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公知の構造の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、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ようになっている。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確保することができる。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から０．４ｍ／ｓｅｃの流速でよい。気体供給ユニットはミニエンバイロメント空間内でなくその外側に設けてもよい。
排出装置２４は、前記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てウエハの軸線Ｏ−Ｏ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しておくようになっている。プリアライナーは検査対象であるウエハＷの座標を決める機構の一部を構成し、検査対象の粗位置決めを担当する。このプリアライナー自体は公知の構造のものでよいので、その構造、動作の説明は省略する。
なお、図示しないが、プリアライナー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
図１及び図２において、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いて、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とを備えていて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等の機器による加重で歪みの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、その他の構造にしてもよい。この実施形態において、ハウジング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で阻止するようになっている。ハウジング本体３２の周壁３２３のうち後述するローダハウジング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。
なお、防振装置は、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よい。いずれも公知の構造のものでよいので、それ自体の構造及び機能の説明は省略する。ワーキングチャンバ３１は公知の構造の真空排気装置（図示せず）により真空雰囲気に保たれるようになっている。台フレーム３６の下には装置全体の動作を制御する制御装置２が配置されている。
上記真空排気装置は、いずれも図示されていない真空ポンプ、真空バルブ、真空ケージ、真空配管等から構成され、後述する電子光学系、検出器部、ワーキングチャンバ、ローディングチャンバ内を所定のシーケンスに従い真空排気する。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。常時、真空度のモニターを行い、異常時にはインターロック機能により隔離バルブ（図示せず）によるチャンバ間又はチャンバと排気系との間のしゃ断等の緊急制御を行い、各部において必要な真空度を確保する。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ドライポンプを使用する。検査場所（電子線照射部）すなわちワーキングチャンバ内の圧力は１０−３〜１０−５Ｐａ、好ましくは、その値より１桁小さい１０−４〜１０−６Ｐａが実用的である。
ローダハウジング
図１、図２及び図５において、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とを有していて、両ローディングチャンバを外部から隔離できるようになっている。仕切壁４３４には両ローディングチャンバ間でウエハのやり取り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及び主ハウジング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上に載置されてそれによって支持されている。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ようになっている。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のハウジング２２の出入り口２２６とは整合されていて、そこにはミニエンバイロメント空間２１と第１の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、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。また、ローダハウジング４０の出入り口４３７とハウジング本体３２の出入り口３２５とは整合されていて、そこには第２の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と密に接触してそれら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によりそれを閉じて第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。扉４６１は駆動装置４６３によって開閉動作される。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公知のものでよいので、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の支持方法が異なり、ミニエンバイロメント装置を介して床からの振動がローダハウジング４０、主ハウジング３０に伝達されるのを防止するために、ハウジング２２とローダハウジング４０との間には出入り口の周囲を気密に囲むように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（この実施形態では２枚）のウエハを上下に隔てて水平の状態で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の示されるように、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ようになっている。そして後述する第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に接近させてアームによりウエハを把持するようになっている。
ローディングチャンバ４１及び４２は、前述のワーキングチャンバ用の真空排気装置と同様の構造を有する真空排気装置（図示せず）によって高真空状態（真空度としては１０−５〜１０−６Ｐａ）に雰囲気制御され得るようになっている。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ち、ウエハの汚染防止を効果的に行うこともできる。このような構造を採用することによってローディングチャンバ内に収容されていて次に欠陥検査されるウエハを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を採用することによって、後述するマルチビーム型電子装置原理と共に、欠陥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度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は不活性ガスベント（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）によって達成される。このような不活性ガスベントを行う装置自体は公知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検査装置において、後述する電子光学系の電子源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が、電子光学系が配置されているワーキングチャンバにウエハ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、より確実に実行できる。
ステージ装置
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５４と、Ｘテーブル上で回転可能な回転テーブル５６と、回転テーブル５６上に配置されたホルダ５７とを備えている。そのホルダ５７のウエハ載置面５７１上にウエハを解放可能に保持する。ホルダは、ウエハ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公知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、上記のような複数のテーブルを動作させることにより、載置面５７１上でホルダに保持されたウエハを電子光学装置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できるようになっている。なお、Ｚ方向の位置決めは、例えばホルダ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、その位置を図示しないフィードバック回路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、回転位置を検知し、回転テーブル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。ワーキングチャンバ内での塵埃の発生を極力防止するために、ステージ装置用のサーボモータ５２１、５４１及びエンコーダ５２２、５４２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公知の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、上記レーザ干渉測距装置も公知の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の回転位置や、Ｘ、Ｙ位置を予め後述する信号検出系或いは画像処理系に入力することで得られる信号の基準化を図ることもできる。更に、このホルダ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与えられるようになっていて、ウエハの外周部の３点（好ましくは周方向に等隔に隔てられた）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になっており、かつ電圧印加の導通箇所を構成している。
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。
ローダー
ローダー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は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内に設けられた公知の構造の駆動機構（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の回りで回動できると共に、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になっている。アーム６１２の軸６１３から最も離れた第３の部分の先端には、公知の構造の機械式チャック又は静電チャック等のウエハを把持する把持装置６１６が設けられている。駆動部６１１は、公知の構造の昇降機構６１５により上下方向に移動可能になっている。
この第１の搬送ユニット６１は、アーム６１２がカセットホルダに保持された二つのカセット１４のうちいずれか一方の方向Ｍ１又はＭ２に向かってアームが伸び、カセット１４内に収容されたウエハを１枚アームの上に載せ或い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に示すような状態）、アームがプリアライナー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をプリアライナー２５に載せる。プリアライナーから前記と逆にしてウエハを受け取った後はアームは更に回転し第２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２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、こ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の搬送ユニットと構造が基本的に同じであり、ウエハの搬送をウエハラック４７とステージ装置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。
上記ローダー６０では、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ほぼ水平状態に保ったままで行い、搬送ユニットのアームが上下動するのは、単に、ウエハのカセットからの取り出し及びそれへの挿入、ウエハのウエハラックへの載置及びそこからの取り出し及びウエハのステージ装置へ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、大型のウエハ、例えば直径３０ｃｍのウエハの移動もスムースに行うことができる。
次にカセットホルダに支持されたカセット１４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１４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１４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、カセットに設けられたカバー（図示せず）が開きまたカセット１４とミニエンバイロメントの出入り口２２５との間には筒状の覆いが配置されてカセット内及びミニエンバイロメント空間内を外部から遮断する。これらの構造は公知のものであるから、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先端でカセット内に収容されているウエハＷ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、カセットホルダの昇降テーブルの上下動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、アームは縮み、シャッタ装置を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の回りで回動して方向Ｍ３に向けて伸長できる状態になる。すると、アームは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ー２５の上に載せ、そのプリアライナー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搬送ユニット６１はアームの先端にプリアライナー２５からウエハを受け取ったのちアームを縮ませ、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、前記のようにシャッタ装置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により気密状態で閉じられている。
上記第１の搬送ユニット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のハウジングの上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内に第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内を密閉する。すると、第１のローディングチャンバ４１内には不活性ガスが充填されて空気が追い出された後、その不活性ガスも排出されてそのローディングチャンバ４１内は真空雰囲気にされる。この第１のローディングチャンバ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内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、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Ｗ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で出入り口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で出入り口４３７、３２５を閉じていて、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内との連通を気密状態で阻止しており、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内は再度真空排気され、第１のローディングチャンバ内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内のステージ装置では、Ｙテーブル５２が、Ｘテーブル５４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５４は図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がワーキングチャンバ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内のステージ装置に接近する。そしてステージ装置５０の載置面５７１上にウエハを載置する。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１４内のウエハをステージ装置上に搬送するまでの動作に付いて説明したが、ステージ装置に載せられて処理が完了したウエハをステージ装置からカセット１４内に戻すには前述と逆の動作を行って戻す。また、ウエハラック４７に複数のウエハを載置しておくため、第２の搬送ユニットでウエハラックとステージ装置との間でウエハの搬送を行う間に、第１の搬送ユニットでカセットとウエハラックとの間でウエハの搬送を行うことができ、検査処理を効率良く行うことができる。
第１のローディングチャンバ４１内のウエハラック４７に、既に処理済みのウエハｗと未処理のウエハＷがある場合、まず、ステージ装置５０上にローダーの第２の搬送ユニットのアームにより未処理のウエハを移動し、処理を開始する。この処理中に、処理済みのウエハをステージ装置５０からウエハラック４７に受け渡す。一方別の未処理のウエハＷを同じくローダーの第１の搬送ユニットのアームによりカセット１４から受け取ってプリアライナー２５に送って位置決めさせた後。そのプリアライナーから受け取ってローディングチャンバ４１内のウエハラックに転送する。このようにすることで、ウエハラックでは、ウエハの処理中に処理済みを未処理のウエハ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、ステージ装置を複数台並列に配置し、それぞれの装置に一つのウエハラックからウエハを移動することで、複数枚のウエハについて同じ処理を行うことができる。
主ハウジングの変形例
図７において、主ハウジングの支持方法の変形例がで示されている。図７［Ｂ］に示された変形例では、ハウジング支持装置３３ｃを厚肉で矩形の銅板３３１ｃで構成し、その鋼板の上にハウジング本体３２ｃが載せられている。したがって、ハウジング本体３２ｃの底壁３２１ｃは、前記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］に示された変形例では、ハウジング支持装置３３ｃのフレーム構造体３３６ｃによりハウジング本体３２ｃ及びローダハウジング４０ｃを吊り下げて状態で支持するようになっている。フレーム構造体３３６ｃに固定された複数の縦フレーム３３７ｃの下端は、ハウジング本体３２ｃの底壁３２１ｃの四隅に固定され、その底壁により周壁及び頂壁を支持するようになっている。そして防振装置３７ｃは、フレーム構造体３３６ｃと台フレーム３６ｃ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４９ｃによって吊り下げられている。ハウジング本体３２ｃのこの図７［Ｂ］に示された変形例では、吊り下げ式に支えるので主ハウジング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。上記変形例を含めた主ハウジング及びローダハウジングの支持方法では主ハウジング及びローダハウジングに床からの振動が伝わらないようになっている。
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外のみがハウジング支持装置によって下から支えられ、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得る。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得る。
電子線装置
以下においては、この実施形態の電子光学装置（以下単に電子線装置と呼ぶ）７０に付いて説明する。電子線装置７０は、ハウジング本体３２に固定された鏡筒７０１を備え、その中には、図８及び図９に概略図示するような、荷電粒子線を放出する装置としての電子線放出装置すなわち電子銃７１と、電子銃７１から放出された一次電子線（以下では荷電粒子線の一つとして電子線を例に説明する）を試料である基板に照射する一次電子光学系（以下単に一次光学系）７２と、基板から放出された二次電子が導入される二次電子光学系（以下単に二次光学系）７４と、検出系７６と、処理制御系７７が設けられている。
電子線源として熱電子線源を使用している。電子放出材（エミッタ）はＬａＢ６である。高融点（高温での蒸気圧が低い）で仕事関数が小さい材料であれば、他の材料を使用することも可能である。複数の電子線を得るために、２通りの方法を用いることができる。一つは１本のエミッタ（突起が一つ）から１本の電子線を放出させ、複数の穴のいあた薄板（開口板）に通すことにより、複数の電子線を得る方法で、他の方法は、エミッタに複数の突起を形成して各突起から１本の電子線を放出させることによって全体として複数の電子線を放出される方法である。いずれの場合も電子線は突起の先端から高輝度放出が起こる性質を利用している。他の方式の電子線源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。
本発明においては、二次電子が持つショット雑音の大部分が一次電子線のショット雑音であり、一次電子線の持つショット雑音を減らすことにより二次電子のショット雑音を減らすことができる点に着目し、この実施形態の電子銃７１は、一次電子線の照射量が少なくても二次電子の検出信号のＳ／Ｎ比を必要な大きさとすることができるように構成されている。
一次電子線のショット雑音を低減する手段について、以下に説明する。
電子銃がカソード温度で決まっている状態、すなわち温度制限領域で作動中の場合、電子銃が放出するショット雑音ｉｎは、次式で表わされる（電気通信学会編「通信工学ハンドブック」Ｐ．４７１（１９５７年）を参照）。
ｉｎ ２＝２ｅ・Ｉｐ・Ｂｆ　　　　　　　　　（１）
式（１）において、ｉｎ ２は雑音電流の２乗平均値、ｅは電子の電荷、Ｉｐはアノード直流電流、Ｂｆは信号増幅器の周波数帯域である。電子流が空間電荷制限領域の場合は、
ｉｎ ２＝Γ２２ｅ・Ｉｐ・Ｂｆ　　　　　　　（２）
となる。式（２）において、Γ２はショット雑音低減係数で１より小さい値である。
Γ２は、カソード温度が十分大きい場合、最小０．０１８程度になり、雑音電流は、温度制限領域の場合の１３％まで小さくなる。この場合のＳ／Ｎ比は、二次電子≒一次電子であると仮定すると、
Figure 2002040980
となる。Γ＝０．１３とすると、式（３）から、以下のＳ／Ｎ比が得られる。
Ｓ／Ｎ＝７．７（ｎ／２）１／２　　　　　　（４）
（ｎ：二次電子個数／ピクセル）
即ち、空間電荷制限領域で動作する電子銃は、温度制限領域での電子銃（ＴＦＥ）に比べて、ピクセル当りの二次電子数を５９倍（＝１／Γ２＝１／０．１３２）多く検出したのと等価になる。後者が前者よりも輝度が２桁程度大きいので、同じビーム径で同じ光学系を想定すると、後者は前者よりも２桁大きいビーム電流が得られる可能性があるが、前者に適した光学系を新たに設計すれば前者より１桁差のビーム電流が得られる。Ｓ／Ｎ比は前者比で１／５５となる。言い換えると、空間電荷制限領域の電子銃では、温度制限領域の電子銃に比べて、測定時間が１０／５５≒０．１８倍で済み、ドーズは１／５５ですむことになる。
電子銃が空間電荷制限領域で動作中であるかどうかは、図１０を参照して以下に説明する方法で調べることができる。
図１０［Ａ］は、電子銃電流とカソード加熱電流との関係を表しており、同図において、領域Ｑ１は、カソード加熱電流を増大させても電子銃電流が殆ど増加しない領域であり、この領域Ｑ１が空間電荷制限領域である。
また、図１０［Ｂ］は、電子銃電流とアノード電圧との関係を表しており、同図において、領域Ｑ２は、アソード電圧を増加させると電子銃電流が急速に増加する領域であり、この領域Ｑ２も空間電荷制限領域である。
以上から、電子銃のカソード加熱電流を増大させて電子銃電流を測定し、該電子銃電流が飽和している領域Ｑ１であるか、または、電子銃のアノード電圧を増大させて電子銃電流を測定し、該電子銃電流が急激に変化している領域であれば、電子銃が空間電荷制限領域で動作中であるとすることができる。したがって、電子銃を空間電荷制限領域で動作させるための条件を設定することができる。
電子銃７１は、上記したように、空間電荷制限領域で動作するように、加熱電流又はアノード電圧（アノード７１２に印加される電圧）が設定されている。電子銃７１のカソード７１１は単結晶ＬａＢ６で形成され、図示されていないが、その先端が角錐状の９個の突起を有している。これら突起は、図９に関連して後述する第１のマルチ開口板の複数の開口に対応して、円周上に配置されている。これら突起の先端は、３０μｍ半径程度の曲率を有している。電子線がこれらの角錐状突起の頂点近傍のみから放出されるので、１ｍＡ程度の比較的大きい電子銃電流では、１ｋＶの電圧の場合、１×１０４Ａ／ｃｍ２ｓｒ（１ｋＶ）の輝度が得られる。
一次光学系７２は、電子銃７１から放出された一次電子線を検査対象である基板すなわちウエハＷの表面に照射する光学系で、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７２１と、コンデンサレンズ７２１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第１のマルチ開口板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７２５と、電磁偏向器７２７及び静電偏向器７２８を含むＥ×Ｂ分離器７２６と、対物レンズ７２９と、を備え、それらは、図８に示されるようにコンデンサレンズ７２１を最上部にして順に、しかも電子銃から放出される一次電子線の光軸ＯＡ１が検査対象であるウエハＷの表面に鉛直になるように配置されている。
縮小レンズ７２５及び対物レンズ７２９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７２３１は、図９に示されるように光軸ＯＡ１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が同じになるように配置されている。個々の開口は例えば円形であり、その直径は１〜１０ミクロン程度の大きさであるが、矩形の形状でもよい。更に、第１のマルチ開口板７２３の位置は、電子銃７１から放出される一次電子線の強度が最も大きい位置に開口が位置するよう調整される必要がある。このため、マルチ開口板７２３は、マルチ開口板７２３を含む面内での移動を可能にするＸＹステージ、マルチ開口板７２３を含む面に垂直な方向での移動を可能にするＺステージ及びマルチ開口板７２３を含む面の回転を可能にするθステージのうちの少なくとも一つのステージ上に載置され、マルチ開口板７２３によって形成される複数の電子線の強度が均一になり且つ最大になるように、マルチ開口板を支持するＸＹステージ、Ｚステージ及びθステージのうちの少なくとも一つのステージが調整される。
一次光学系７２は、更に、ブランキング用静電偏向器７３１、一次電子ビームを偏向して走査させる静電偏向器７３３と、ブランキング用ナイフエッジ７３２と、対物レンズ７２９とウエハＷとの間に配置された軸対称電極７３７とを備えている。軸対称電極７３７は、ウエハの電位０Ｖに対して例えば、−１０Ｖに電位にされている。
次に、図１１を参照してＥ×Ｂ分離器７２６に付いて説明する。図１１［Ａ］は、本発明の第１の実施形態のＥ×Ｂ分離器を示している。この分離器は、静電偏向器７２８と電磁偏向器７２７とにより構成されており、図１１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７２８は、真空容器中に設けられた一対の電極（静電偏向電極）７２８１を備え、Ｘ軸方向に電界を生成する。これら静電偏向電極７２８１は、絶縁スペーサ７２８２を介して真空容器の真空壁７２８３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７２８１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７２８３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７２７は、電磁コイル７２７１及び電磁コイル７２７２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７２７２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７２７１を設けている。すなわち、コイル７２７１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７２７２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７２７１及び７２７２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７２８３の両側から取り付け、部分７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７２７３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７２７３は、コイル７２７１及び７２７２と同様に、２分割して両側からコイル７２７２の外周に取り付けて、部分７２７４においてねじ止め等により一体化してもよい。
図１１［Ｂ］は、本発明の第２の実施形態のＥ×Ｂ分離器の、光軸に直交する断面図を示している。この第２の実施形態のＥ×Ｂ分離器においては、静電偏向電極７２８１′は６極設けられている点が、図１１［Ａ］に示される第１の実施形態と異なっている。図１１［Ｂ］において、図１１［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７２８１′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１１［Ｂ］に示した第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、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７２７１′及び７２７２′を設け、直交度の修正を行う。
図１１［Ｂ］に示した実施形態によれば、図１１［Ａ］に示した第１の実施形態に比べて、電界強度が一様な領域を更に大きくすることができる。
図１１［Ａ］及び［Ｂ］に示した実施形態において、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。
二次光学系７４は、Ｅ×Ｂ分離器７２７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７４３と、マルチ開口板７４５を備えている。第２のマルチ開口板７４５に形成される開口７４５１は、図９で破線で示されるように、一次光学系のマルチ開口板７２３に形成されている開口７２３１と一対一で対応するようになっていて、第１のマルチ開口板の開口７２３１より大きな径の円形の穴になっている。
検出系７６は、二次光学系７４の第２のマルチ開口板７４５の各開口７４５１に対応してそれに近接して配置された複数（この実施形態では９個）検出器７６１を備え、各検出器７６１は処理制御系７７の画像データ処理部７７１にＡ／Ｄ変換器（増幅器を含む）７６３を介して電気的に接続されている。なお、図８では一つの検出器７６１のみ画像データ処理部７７１と接続されているように示されているが、各検出器は、それぞれ別個のＡ／Ｄ変換器７６３を介して画像データ処理部に接続されている。また画像データ処理部７７１は静電偏向器７３３とも接続され、静電偏向器により一次電子ビームを偏向させるための走査信号を静電偏向器に供給するようになっている。検出器用の素子として、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。
画像データ処理部７７１は、それぞれのＡ／Ｄ変換器７６３から供給された電気信号を、適切なスレッショルド電圧を設定することによって２値化情報へ変換し、この２値化情報を画像データに変換するようにしてもよい。このためには、静電偏向器７３３から画像データ処理部７７１に供給される、一次電子線を偏向させた走査信号が用いられる。画像データ処理部７７１は、こうして得られた画像データを適宜の記憶手段に蓄積しておくと共に、この得られた画像データを基準の回路パターンと比較するようになっていてもよい。これにより、ウエハＷ上の複数の、即ち、一次電子線と同数の回路パターンに対して同時に欠陥検査が実施される。
なお、図８に示す実施形態において、ウエハＷ上の或る回路パターンを表す画像データとの比較のために画像データ処理部７７１が使用する基準の回路パターンは種々のものを使用することができ、例えば、その画像データを生じる走査が行われたチップとは別のチップの同一場所から得られた画像データを用いることができる。
次に、上記構成の電子線装置７０の動作に付いて説明する。
電子銃７１から放出された一次荷電粒子線すなわち電子線は、一次光学系７２のコンデンサレンズ７２１によって集束されてナイフエッジ７３２の位置Ｐ１においてクロスオーバを形成する。一方、コンデンサレンズ７２１によって集束された一次電子線は、第１のマルチ開口板７２３の複数の開口７２３１を通して複数（この実施形態では９本）の一次電子ビームが形成され、縮小レンズ７２５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７２９によってウエハＷの表面上に合焦される。一方、一次電子線ビームは縮小レンズ７２５と対物レンズ７２９との間に配置された偏向器７３３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。
合焦された複数の一次電子ビームによってウエハＷは複数の点が照射され、照射されたこれらの複数の点からは二次電子が放出される。この二次電子は、対物レンズ７２９の電界に引かれて細く集束され、Ｅ×Ｂ分離器７２６で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７２６に関して位置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のエネルギを有しているのに対して、二次電子が数ｅｖのエネルギしか有していないためである。
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、７４３で第２のマルチ開口板７４５の対応する開口７４５１の位置に合焦され、その像を各開口７４５１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。このようにして変換された電気信号は、各検出器７６１から出力されてそれぞれＡ／Ｄ変換器７６３にデジタル信号に変換された後、処理制御系７７の画像データ処理部７７１に入力される。画像データ処理部７７１は入力されたデジタル信号を画像データに変換する。画像データ処理部７７１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るようになっているので、画像データ処理部はウエハの面を表す画像を表示することになる。この画像を設定器（図示せず）に予め設定された標準パターンと、比較器（図示せず）において比較することによってウエハＷの被検出（評価）パターンの良否を検出する。
更に、レジストレーションによウエハＷの被測定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事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。
一次電子を走査させながらウエハに照射するには、図１２に示されるように行う。説明の簡素化のために電子線がＥＢ１ないしＥＢ４の４本の場合について説明すると、各一次電子線の照射点をＥＢｐ１ないしＥＢｐ４は、対応する走査区域ＳＡ１ないしＳＡ４を図で左側から右側に向かってＸ方向に連続的に走査していく照射点を示す。各一次電子線は５０μｍの幅を走査できるように１本の電子線の照射点の大きさが決められている。そして電子線の照射点が対応する走査区域の右端に達した時点で、照射点を速やかにその走査区域の左側に戻す。一方ステージ装置はウエハをＹ方向に所定の速度で連続移動させる。
なお、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コマ収差、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。
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よりも大きい距離だけ離せば複数のビーム間のクロストークを無くすことができる。
上記においては、電子銃のカソードの複数の先端が円周上に配置されている例について説明したが、複数の先端を直線上に配置してもよい。この場合、第１のマルチ開口板７２３及び第２のマルチ開口板７４５に形成される開口も、カソードの先端に対応する位置に直線上に配置する必要がある。
図８に示した電子光学装置を用いて実機テストを行ったが、９本の電子ビームのビーム電流は、１０ｎｍのビーム径にしたときに３ｎＡのビーム電流が得られた。温度制限領域で動作した場合の１５０ｎＡのビーム電流と比較して、Ｓ／Ｎ比は同程度であった。また、９本の電子ビームの合計ビーム電流は２７ｎＡであり、１５０ｎＡより十分小さいので、空間電荷効果によるビームボケは殆ど問題にならなかった。さらに、９本の電子ビームを用いたことにより、１本の電子ビームを用いる場合に比べて、約９倍の検査速度が期待できる。
次に図１３を参照して、図８に示した電子光学装置の画像データ処理部７７１のより詳細な構成を説明する。画像データ処理部７７１は、サブ画像データ記憶手段７７１１、画像データ並替手段７７１２、サブ画像間重複部処理手段７７１３、被検査画像データ記憶手段７７１４、基準画像データ記憶手段７７１５、及び比較手段７７１６により構成されている。サブ画像データ記憶手段は７７１１は、二次電子検出用の検出器７６１それぞれによって検出されたサブ画像データを受けとって記憶するためのものであり、それぞれの検出器に対応する記憶領域を備えている。画像データ並替手段７７１２は、サブ画像データ記憶手段７７１１に記憶されたサブ画像データを、マルチビームそれぞれのＸ−Ｙ座標に合致するように並び替えるためのものであり、また、サブ画像間重複部処理手段７７１３は、サブ画像間の境界を決めたり、どちらのサブ画像データを採用するかを決めたりするためのものである。並び替えられた画像データは、被検査画像データ記憶手段７７１４に格納される。比較手段７７１６は、被検査画像データ記憶手段に７７１４に記憶された画像データと、基準画像データ記憶手段７７１５に記憶された基準画像データとを対比し、その結果を出力する。
図１４は、図１３に示した画像データ並替手段７７１２の動作を説明するための説明図である。なお、図８に関連して説明したように、第１のマルチ開口板７２３及び第２のマルチ開口板７４５の開口（及び検出器７６１）の配置位置が相対的に一致し、かつ第１のマルチ開口板７２３の開口を通ってウエハＷ上に照射されるビームスポットのｘ軸上へ投影した点がほぼ等間隔となるように設計されている。したがって、マルチビームが第１のマルチ開口板７２３の複数の開口を通過してウエハＷを照射することにより形成されるビームスポットも、Ｘ軸上へ投影するとほぼ等間隔に並ぶ。すなわち、図１４において、光軸を中心とする円周上に形成されるマルチビーム（すなわちビームスポット）ＥＢ１〜ＥＢ９それぞれのＸ−Ｙ座標を（ｘ１，ｙ１）〜（ｘ９，ｙ９）で表すと、ｘ１−ｘ２≒ｘ２−ｘ９≒ｘ９−ｘ３≒ｘ３−ｘ８≒ｘ８−ｘ４≒ｘ４−ｘ７≒ｘ７−ｘ５≒ｘ５−ｘ６≒Ｌｘ（一定、図９に示す）となる。
図８に示した電子光学装置により試料であるウエハＷを評価する場合、ウエハＷを載置したステージ装置５０をＹ軸方向に連続的に移動させながら、ウエハＷ上にマルチビームＥＢ１〜ＥＢ９を同時に照射し、これらマルチビームをしかも線幅ｄ＋ΔだけＸ軸方向に走査する。すなわち、隣接する二つのビームのＸ軸方向の走査を、Δ分だけオーバーラップさせる。これにより、マルチビームＥＢ１〜ＥＢ９により走査される領域をＳＡ１〜ＳＡ９で表すとすると、マルチビームＥＢ１〜ＥＢ９は、対応する領域ＳＡ１〜ＳＡ９内でそれぞれラスタスキャンされることになる。
そして、マルチビームの照射によりウエハＷの表面から放出された二次電子ビームを、第２のマルチ開口板７４５の開口を介して、対応する二次電子検出用の検出器７６１で検出し、サブ画像データ記憶手段７７１１のそれぞれの記憶領域にサブ画像データとして記憶する。画像データ並替手段７７１２は、該記憶装置７７１１に記憶されたサブ画像データを、検出器７６１−１〜７６１−９（ただし、検出器７６１−１〜７６１−９は、マルチビームＥＢ１〜ＥＢ９にそれぞれ対応するものとする）の順番すなわち領域ＳＡ１、ＳＡ２、ＳＡ９、ＳＡ３、ＳＡ８、ＳＡ４、ＳＡ７、ＳＡ５、ＳＡ６に並び替える。
このとき、検出器７６１−１〜７６１−９のＹ軸方向の変位分を考慮する必要がある。例えば、検出器７６１−１及び７６１−２に関して言えば、ｙ２−ｙ１の距離をステージ装置５０が移動するに要する時間Ｔを予め測定し、画像データ並替手段７７１２は、あるＸ軸方向の走査により得られた検出器７６１−１からのサブ画像データに隣接して、その走査からＴ時間後に得られた検出器７６１−２からのサブ画像データを並べるようにする。これにより、Ｘ座標の配置関係のみならず、Ｘ軸方向に隣接配置される画像データのＹ座標の値を一致させることができる。また、別の方法として、ｙ２−ｙ１の距離を画素数に変換し、その画素数だけ位置をずらしてもよい。
隣接する２つの領域の重複部分Δは、サブ画像間重複部処理手段７６５３において、例えば、以下のようにして決定する。図１４の（Ｂ）は領域ＳＡ１とＳＡ２との重複部分を示しており、図１４の（Ｂ）において、Ｐｔは評価すべきパターン（被評価パターン）であり、これらのパターンを横切らないように重複部分Δ内に境界線Ｂｏｌを決め、境界線Ｂｏｌの右側の領域はビームＥＢ１に対応する検出器７６１−１からのサブ画像データを採用し、左側の領域はビームＥＢ２に対応する検出器７６１−２からのサブ画像データを採用し、これらサブ画像データを合成する。すなわち、サブ画像間の境界とパターンとの交差が最小となるように境界を決める。他の重複部分も同様にして決定する。
このようにして合成した画像データの内、ウエハＷの検査領域ＥＡの内部の画像データのみを、被検査画像データ記憶手段７７１４に記憶する。
なお、１回の走査ではウエハＷの検査領域ＥＡの全て画像データを得ることができない場合、すなわち、図１４に示すように、領域ＳＡ６の右側にさらに走査すべき領域がある場合、ビームＥＢ１が領域ＳＡ６に隣接する新領域を走査することができるよう、ステージ装置５０をＸ軸方向にステップさせ、上記と同様にして画像データを得ればよい。
そして、欠陥を検出する場合には、比較手段７７１６が、基準画像データ記憶手段７７１５に記憶された基準画像データと、被検査画像データ記憶手段７７１４に記憶された画像データとを対比することにより、ウエハＷ上の欠陥を検出することができる。また、同一のパターンを有する多数のウエハについて同様に合成画像を得、該画像データ同士を比較して、他の大多数の画像データと異なる部分を有する場合に、当該ウエハのその部分に欠陥が生じたものと判定してもよい。
線幅を検出する場合には、適宜の手法で線幅を測定する。
上記においては、一次電子ビームのビームスポットのＸ座標がほぼ等間隔である場合について説明したが、必ずしも等間隔である必要がない。例えば、各ビームのＸ軸方向の間隔を実測し、その値を画素数に変換し、その画素数だけ画像をずらせばよい。このような場合、照射スポット間のＸ座標の間隔が異なっていてもよい。
プレチャージユニット
プレチャージユニット８１は、図１に示されるように、ワーキングチャンバ３１内で電子光学装置７０の鏡筒７０１に隣接して配設されている。本検査装置では検査対象である基板すなわちウエハに電子線を走査して照射することにより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から、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するが、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。ウエハ表面の帯電量にむらがあると二次電子情報もむらを生じ、正確な情報を得ることができない。そこで、本実施形態では、このむらを防止するために、荷電粒子照射部８１１を有するプレチャージユニット８１が設けられている。検査するウエハの所定の箇所に検査電子を照射する前に、帯電むらをなくすためにこのプレチャージユニットの荷電粒子照射部８１１から荷電粒子を照射して帯電のむらを無くす。このウエハ表面のチャージアップは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し、その検出に基づいてプレチャージユニット８１を動作させる。
また、このプレチャージユニットでは一次電子線をぼかして照射してもよい。
検査試料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、試料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、本発明のビームを照射することで、電圧差があるデータを取得し、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。
電圧印加機構
図１５において、電位印加機構８３は、ウエハから放出される二次電子情報（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を制御するものである。また、この電位印加機構は、照射電子が当初有しているエネルギーを減速し、ウエハに１００〜５００ｅＶ程度の照射電子エネルギーとするための用途も果たす。
電位印加機構８３は、図１５に示されるように、ステージ装置５０の載置面５７１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、電子線装置７０の処理制御系７７の画像形成部７７１に電気的に接続されたモニター８３３と、モニター８３３に接続されたオペレータ８３４と、オペレータ８３４に接続されたＣＰＵ８３５とを備えている。ＣＰＵ８３５は、前記電圧印加装置８３１並びに偏向器７３３に信号を供給するようになっている。
上記電位印加機構は、検査対象であるウエハが帯電し難い電位を探し、その電位を印加するように設計されている。
電子ビームキャリブレーション機構
図１６において、電子ビームキャリブレーション機構８５は、前記回転テーブル上でウエハの載置面５７１の側部の複数箇所に設置された、ビーム電流測定用のそれぞれ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（約φ２μｍ）で、ファラデーカップ８５２太いビーム用（約φ３０μｍ）である。細いビーム用のファラデーカップ８５１では回転テーブルをステップ送りすることで、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ている。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する。これは、電子銃が常時一定の電子線を放出できるわけでなく、使用しているうちにその放出量が変化するためである。
アライメント制御装置
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を電子光学装置７０に対して位置決めさせる装置であって、ウエハを光学顕微鏡８７１を用いた広視野観察による概略合わせ（電子光学系によるよりも倍率が低い測定）、電子光学装置７０の電子光学系を用いた高倍率合わせ、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。このように光学系を用いて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時に、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、ハウジングに設けられ（ハウジング内で移動可能に設けられていてもよい）ており、光学顕微鏡を動作させるための光源も図示しないがハウジング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装置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。その構成を概略図示すれば、図１７に示されるようになる。ウエハ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テーブル５４をＸ方向に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で広視野でウエハを視認して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、観察位置をおおよそ決定する。この場合光学顕微鏡の倍率を低倍率から高倍率に変化させていってもよい。
次に、ステージ装置５０を電子光学装置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て光学顕微鏡で予め決めたウエハ上の被観察点を電子光学装置の視野位置に移動させる。この場合、電子光学装置の軸線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軸線に沿った方向にのみ両者は位置ずれしているものとするが、Ｙ軸方向及び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。電子光学装置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８７３に表示させる。
このようにして電子光学系による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５６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、また電子光学装置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。
制御系
制御系は、図示されていないが、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−マシンインターフェイ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、手動検査モード時の時に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、ウエハ等の試料搬送、位置合わせの制御、他の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、使用観察位置のＺ方向（二次光学系の光軸ＯＡ１に沿う方向）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（電子銃、レンズ、アライナー、ウィーンフィルター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、倍率が変わった時にも常に一定の電子電流が照射されるようにすること、各倍率に対応して各レンズ系やアライナーへの自動電圧設定等の、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（連続制御）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方向及びＹ方向のμｍオーダーの移動（±０．５μｍ程度の誤差）を可能にしている。また、本ステージでは誤差精度±０．３秒程度以内で、回転方向の制御（θ制御）も行われる。
検査手順
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、現状では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（銅メッキも含む）、又はＣＭＰ（化学機械研磨）平坦化処理等）の後に使用されている。
検査されるウエハｗは前述のようにローディングチャンバを通して超精密ステージ装置上で位置合わせされた後、静電チャック機構等により固定され、以後、図１８に示される手順（検査フロー）に従って欠陥検査等が行われる。はじめに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記憶される。光学顕微鏡はこの他に欠陥等の見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（どの工程後のウエハか、ウエハのサイズは２００ｍｍか３００ｍｍ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った後、画像取得を行いながら通常はリアルタイムで欠陥検査を行う。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情報処理システムにより検査が行われ、必要に応じてＣＲＴ等への結果の出力やメモリーでの記憶を行う。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）欠陥等があり、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、コントラスト異常を検出する事で達成される。例えば、導通不良の場所は電子線照射（５００ｅＶ程度）により、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。この場合の電子線照射手段とは、通常、検査用の電子線照射手段以外に、別途、電位差によるコントラストを際だたせるために設けられた低電位（エネルギ）の電子線発生手段（熱電子発生、ＵＶ／光電子）等を言う。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照射している。
電極の清浄
本発明の電子線装置が長時間動作すると、電子ビームの形成や変更に使用される様々な電極には有機物質が堆積する。表面の帯電により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或いはフッ素若しくはそれらを含む化合物（ＨＦ、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、ＣＭＦＮ等）のプラズマを作りだし、空間内のプラズマ電位を電極面にスパッタが生じる電位（数ｋＶ、例えば２０Ｖ〜５ｋＶ）に維持することで、有機物質のみ酸化、水素化、フッ素化により除去する。
次に図１９及び図２０を参照して本発明による半導体デバイスの製造方法の実施例を説明する。
図１９は、本発明による半導体デバイスの製造方法の一実施例を示すフローチャートである。この実施例の製造工程は以下の主工程を含んでいる。
（１）ウエハを製造するウエハ製造工程（又はウエハを準備するウエハ準備工程）
（２）露光に使用するマスクを製造するマスク製造工程（又はマスクを準備するマスク準備工程）
（３）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
（４）ウエハ上に形成されたチップを１個ずつ切り出し、動作可能にならしめるチップ組立工程
（５）できたチップを検査するチップ検査工程
なお、上記のそれぞれの主工程は更に幾つかのサブ工程からなっている。
これらの主工程中の中で、半導体デバイスの性能に決定的な影響を及ぼすのが（３）のウエハプロセッシング工程である。この工程では、設計された回路パターンをウエハ上に順次積層し、メモリやＭＰＵとして動作するチップを多数形成する。このウエハプロセッシング工程は以下の各工程を含んでいる。
（Ａ）絶縁層となる誘電体薄膜や配線部、或いは電極部を形成する金属薄膜等を形成する薄膜形成工程（ＣＶＤやスパッタリング等を用いる）
（Ｂ）この薄膜層やウエハ基板を酸化する酸化工程
（Ｃ）薄膜層やウエハ基板等を選択的に加工するためにマスク（レチクル）を用いてレジストパターンを形成するリソグラフィー工程
（Ｄ）レジストパターンに従って薄膜層や基板を加工するエッチング工程（例えばドライエッチング技術を用いる）
（Ｅ）イオン・不純物注入拡散工程
（Ｆ）レジスト剥離工程
（Ｇ）加工されたウエハを検査する工程
なお、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い、設計通り動作する半導体デバイスを製造する。
図２０は、図１９のウエハプロセッシング工程の中核をなすリソグラフィー工程を示すフローチャートである。このリソグラフィー工程は以下の各工程を含む。
（ａ）前段の工程で回路パターンが形成されたウエハ上にレジストをコートするレジスト塗布工程
（ｂ）レジストを露光する工程
（ｃ）露光されたレジストを現像してレジストのパターンを得る現像工程
（ｄ）現像されたレジストパターンを安定化するためのアニール工程
上記の半導体デバイス製造工程、ウエハプロセッシング工程、リソグラフィー工程については、周知のものでありこれ以上の説明を要しないであろう。
上記（Ｇ）の検査工程に本発明に係る欠陥検査方法、欠陥検査装置を用いると、微細なパターンを有する半導体デバイスでも、スループット良く検査できるので、全数検査も可能となり、製品の歩留まりの向上、欠陥製品の出荷防止が可能と成る。
なお、上記実施形態では電子線装置７０が１基のみ設けられた例を図１及び図２に示したが、図２１に示されるように複数個並べて配置して一度に複数箇所を検査してもよい。
すなわち、図２１［Ａ］においては、４個の鏡筒（各鏡筒にはそれぞれ１基の電子線装置が設けられている）が１列に配列された構成例の平面図であり、図２１［Ｂ］においては、それぞれ光軸ＯＡ２を有する６個の鏡筒が２行３列に配列された構成例の平面である。図２１［Ａ］及び［Ｂ］の事例において、一つの鏡筒は、複数の電子線（その一つを符号ＥＢで示す）を照射し、それをマルチ検出器により検出する。マルチ検出器は、複数の検出素子７６１を備え、各検出素子が１つの電子線ＥＢを検出する。一つの鏡筒の複数の電子線により照射されるウエハ表面の最大外径を符号Ｓｒ１〜Ｓｒ６で示す。図２１［Ａ］及び［Ｂ］の事例において、複数の鏡筒は、互いに干渉しないように配置され、多数の鏡筒により一度に広い範囲のウエハ表面を検査することによりウエハ検査工程のスループットが大きくされる。図２１［Ａ］の事例では、ウエハＷ全体を検査するため、ウエハの表面が鏡筒の列に垂直の方向（矢印Ａｒ１）へ連続移動される。
検査装置の変形例
次に基板であるウエハＷに形成された回路パターンの検査方法の具体例について説明する。図２２及び図２３は、電子線リソグラフィを用いて回路パターン形成する場合の代表的な例を示している。すなわち、半導体チップＳＣＴをＸ方向寸法で、例えば、５ｍｍ幅のＹ軸に延びるストライプＳｔに分割し、当該半導体チップを載置するステージ装置５０を、各ストライプに沿ってＹ方向に連続移動させながらマスクパターンをウエハに転写する。また、一つのストライプは、ＶＦｐで示したＹ方向寸法２５０μｍ、Ｘ方向寸法５ｍｍの主視野に分割され、主視野ＶＦｐの内部はＶＦｓで示した２５０μｍ角の副視野に分割され、副視野単位での転写が行われる。すなわち、主視野を構成する副視野のそれぞれに一つのマスクを用意し、各副視野をビームが１副視野ずつ当該副視野を走査することにより回路部分の転写を行う。
このような方法により回路パターン形成が行われた場合、最も欠陥が発生し易い箇所は一つのストライプＳｔと隣のストライプＳｔの境界であり、次に欠陥が発生し易い箇所は主視野ＶＦｐ間の境界であり、第３番目に欠陥が発生し易いのは副視野ＶＦｓ間の境界部分である。また線幅のバラツキが大きくなるのも同様でストライプ間境界部、主視野間、副視野間つなぎの順序である。
そこでこの実施形態では、評価装置に、ＢＡｓｔで示したストライプの境界を幅２００μｍの幅で（図２２では７個所を）検査するモードを持たせた。より精度の高い評価を行う場合には、ＢＡｐで示したように主視野のつなぎ部分を検査するモードを持たせ、また、ＢＡｓで示したように副視野間のつなぎ部分を検査するようにすることが好ましい。このようにして間引き検査することにより、全検査に要する時間の数分の一ないし数十分の一の時間で、大部分の欠陥を検出することができる。
また、電子線装置は視野の中心で光学系の収差が小さく、光学系の歪も小さいので視野の中心で測定した方が信頼性の高い評価が可能である。そこで、ストライプ幅をＢＡｏで示したように、つなぎ領域及びそれ以外の領域をも評価する時でも、つなぎ領域はかならず評価装置の視野の中心部で評価するようにすると、欠陥を見落す確率は小さくなる。また、正常のパターンを欠陥と誤判断することも少ない。
走査用偏向器７３３、７２８は、ウエハＷの表面上の一次電子線の照射点を、Ｘ方向に走査するようになされており、その走査距離は一次電子線照射点のＸ方向の間隔＋αとなるようにしてある。ここで、αは重複して走査される領域のＸ方向の寸法で、０．３〜３ｍｍある。
この電子線装置においてウエハＷの面上の上記ストライプの境界を検査する場合には、ステージ装置５０が、ウエハをＹ方向に連続的移動させながら検査を行う。その間、走査用偏向器７３３、７２８は、上述の如く、各１次電子線照射点をＸ方向に電子ビームのＸ方向距離＋αだけ走査させる。例えば、前述のストライプの境界を幅２００μｍで検査する場合は、１次電子線照射点のＸ方向間隔を２３μｍとし、各１次電子線照射点は、２３＋αの幅の走査を行い、全体として、２３×９（個）＋α（＝２００μｍ＋α）の範囲で検査幅が得られる。
欠陥検査を行う場合には、上記の如く走査して得られた画像と、メモリに予め蓄えられた欠陥の存在しない画像とを比較照合して、欠陥部分を自動的に検出する。
図２４［Ａ］には、線幅を測定する例が示されている。形成された実際のパターンＰｔ２をＡｒ２の方向に走査したときの実際の２次電子の強度信号がＳｉであり、この信号が予め較正して定められたスレッショールドレベルＳＬを連続的に超える部分の幅ｗｓをパターンＰｔ２の線幅として測定することができる。このように測定された線幅が所定の範囲内にない場合、当該パターンが欠陥を有すると判定することができる。
図２４［Ｂ］には、ウエハ上に形成されたパターンの電位コントラストを測定する例が示されている。図８に示す構成において、対物レンズ７２９とウエハＷとの間に配置された軸対称電極７３７に、例えばウエハ電位０Ｖに対して−１０Ｖを与えておく。このときの−２Ｖの等電位面はＥｐＳで示されるような形状とする。ここで、ウエハに形成されたパターンＰｔ３及びＰｔ４は、夫々−４Ｖと０Ｖの電位であるとする。この場合、パターンＰｔ３から放出された２次電子は−２Ｖ等電位面ＥｐＳで２ｅＶの運動エネルギーに相当する上向きの速度を持っているので、このポテンシャル障壁ＥｐＳを越え、軌道Ｔｒ１に示すように等電位面Ｖｅから脱出し、検出器７６１で検出される。一方、パターンＰｔ４から放出された２次電子は−２Ｖの電位障壁を越えられず、軌道Ｔｒ２に示すようにウエハ面に追い戻されるので、検出されない。従って、パターンＰｔ３の検出画像は明るく、パターンＰｔ４の検出画像は暗くなる。かくして、電位コントラストが得られる。検出画像の明るさと電位とを予め較正しておけば、検出画像からパターンの電位を測定することができる。そして、この電位分布からパターンの欠陥部分を評価することができる。
それぞれの検出器７６１は、検出した２次電子線をその強度を表す電気信号へ変換する。こうした各検出器から出力された電気信号は増幅器７６３によってそれぞれ増幅された後、処理制御系７７の画像データ処理部７７１によって受信され、画像データへ変換される。画像データ処理部７７１には、一次電子線を偏向させるための走査信号が更に供給されるので、画像データ処理部７７１はウエハＷの面を表す画像を表示する。この画像を標準パターンと比較することにより、ウエハＷ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Ｗ上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、これを適宜に校正することにより、ウエハＷ上のパターンの線幅を測定することができる。
ステージ装置及び変形例
次に、ステージ装置の他の実施形態について、図２５ないし図３０を参照して説明する。この実施形態のステージ装置は、既に知られている静圧軸受けを使用した構造の改良に関する。なお、同図において、図１及び図２に示されるハウジング、ステージ装置、電子光学装置の構成要素に対応する構成要素は、同じ参照番号に接尾語ｄないしｆを付して表す。また、幾つかの実施形態において共通の構成要素については同じ参照番号を付して示す。
図２５において、ステージ装置５０ｄは、真空排管３０９ｄによって真空排気されるチャンバ３１ｄ内において、ハウジング３０ｄに固定された函型（上が開口している）の固定テーブル５１ｄと、その固定テーブル５１ｄ内にＸ方向（図２５［Ａ］で左右方向）に移動可能に配置された同じく函型のＸテーブル５４ｄと、Ｘ方向可動部すなわちＸテーブル５４ｄ内にＹ方向（図２５［Ｂ］で左右方向）に移動可能に配置されたＹ方向可動部すなわちＹテーブル５２ｄと、Ｙテーブル５２ｄ上に配置された回転テーブル５６ｄとを備えている。ウエハＷは回転テーブル５６ｄ上に設けられた公知構造のホルダ（図示せず）により取り外し可能に保持されている。固定テーブル５１ｄのガイド面５１１ｄ及び５１２ｄとそれぞれ向かい合うＸテーブル５４ｄの底面５４３ｄ及び側面５４４ｄには静圧軸受け５８ｄが複数取り付けられており、この静圧軸受け５８ｄ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Ｘ方向（図２５［Ａ］で左右方向）に移動できる。また、Ｘテーブル５４ｄのガイド面５４１ｄ及び５４２ｄとそれぞれ向かい合うＹテーブル５２ｄの底面５２３ｄ及び側面５２４ｄにも静圧軸受け５８ｄが複数取り付けられており、この静圧軸受け５８ｄ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２５［Ｂ］で左右方向）に移動できる。更に、静圧軸受けの周りには、静圧軸受けに供給される高圧ガスが真空チャンバ３１ｄ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２６に示す。静圧軸受け５８ｄの周囲に二重に溝５８１ｄと５８２ｄが構成されており、これらの溝は図示され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、Ｘテーブルは真空中を非接触状態で支持されＸ方向に自在に、またＹテーブル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できるようになっている。これらの二重の溝５８１ｄ、５８２ｄは静圧軸受け５８ｄが設けられている面にその静圧軸受けを囲むようにして形成されている。なお、静圧軸受け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。
ステージ装置５０ｄのＹテーブル５２ｄの上面には＋Ｙ方向と−Ｙ方向（図２５［Ｂ］で左右方向）に大きくほぼ水平に張り出した仕切り板５２５ｄが取り付けられ、Ｘテーブル５４ｄの上面との間に常にコンダクタンスが小さい絞り部５２６ｄが構成されるようになっている。また、Ｘテーブル５４ｄの上面にも同様の仕切り板５４５ｄが±Ｘ方向（図２５［Ａ］で左右方向）に張り出すように構成されており、ステージ台すなわち固定テーブル５１ｄ上面との間に常に絞り部５４６ｄが形成されるようになっている。
このため、回転テーブル５６ｄがどの位置に移動しても常に絞り部５２６ｄ、５４６ｄが形成されるので、Ｘテーブル及びＹテーブルの移動時に５１１ｄ、５１２ｄ、５４１ｄ、５４２ｄからガスが放出されても、絞り部５２６ｄ、５４６ｄによって放出ガスの移動が妨げられるため、荷電ビームが照射されるウエハ近傍の空間Ｇ１の圧力上昇を非常に小さく押さえることができる。
静圧軸受け５８ｄの周囲に形成された差動排気用の溝によって真空排気されるため、絞り部５２６ｄ、５４６ｄ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、ステージ内部の空間Ｇ２やＧ３の圧力は、チャンバ３１ｄ内の圧力よりも高い状態になっている。したがって、空間Ｇ２やＧ３を、差動排気溝５８１ｄ、５８２ｄで排気するだけでなく、真空排気する箇所を別に設ければ空間Ｇ２やＧ３の圧力を下げることができ、ウエハ近傍Ｇ１の圧力上昇を更に小さくすることができる。このための真空排気通路５１７ｄと５４７ｄとが設けられている。排気通路５１７ｄは固定テーブル及びハウジングを貫通してハウジングの外部に通じている。また、排気通路５４７ｄはＸテーブル５４ｄに形成されＸテーブルの下面に開口している。
また、仕切り板５４５ｄ及び５２５ｄを設置すると、チャンバ３１ｄと仕切り板が干渉しないようにチャンバ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。この実施例としては、仕切り板をゴムで構成したり蛇腹状にして、その移動方向の端部を、仕切り板５２５ｄの場合はＸテーブル５４ｄに、仕切り板５４５ｄの場合はハウジング３０ｄの内壁にそれぞれ固定する構成とすることが考えられる。
図２７において、ステージ装置及び鏡筒周辺の装置の別の実施態様が示されている。
この実施態様では、鏡筒７０１ｄの先端部すなわち電子線照射部７０２ｄの周囲に、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９１ｅが構成されている。このような構成では、ＸＹステージからガスが放出されてチャンバ３１ｄ内の圧力が上昇しても、仕切りの内部Ｇ５は仕切り９１ｅで仕切られており真空配管７０３ｄで排気されているので、チャンバ３１ｄ内と仕切りの内部Ｇ５との間に圧力差が生じ、仕切り内部の空間Ｇ５の圧力上昇を低く抑えられる。仕切り９１ｅとウエハ面との隙間は、チャンバ３１ｄ内と照射部７０２ｄの周辺の圧力をどの程度に維持するかによって変わるが、凡そ数十μｍないし数ｍｍ程度が適当である。なお、仕切り９１ｅ内と真空配管とは公知の方法により連通されている。
また、荷電ビーム照射装置すなわち電子光学装置では、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９１ｅ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９１ｅとの間で放電を起こすことがなくなる。
なお、ウエハＷ（試料）の周囲に配置したリング部材５６１ｅは回転テーブル５６ｄ上に設けられたホルダ（図示せず）に固定された板状の調整部品であり、ウエハのようなウエハの端部に荷電ビームを照射する場合であっても、仕切り９１ｅの先端部全周に亘って微小隙間Ｇ６が形成されるように、ウエハと同一の高さに設定されている。これによって、ウエハＷのどの位置に荷電ビームが照射しても、仕切り９１ｅの先端部には常に一定の微小隙間Ｇ６が形成され、鏡筒先端部周囲の空間Ｇ５の圧力を安定に保つことができる。
図２８において、鏡筒の先端部に差動排気装置を設けた別の実施態様が示されている。
鏡筒７０１ｄの電子線照射部７０２ｄの周囲に差動排気構造を内蔵した仕切り部材９１ｆが設けられている。仕切り部材９１ｆは環状の形状をしており、その内部に円周溝９１１ｆが形成され、その円周溝９１１ｆからは上方に排気通路９１２ｆが延びている。その排気通路は内部空間９１３ｆを経由して真空配管９１４ｆに接続されている。仕切り部材９１ｆの下端はウエハＷの上面との間に数十μｍないし数ｍｍ程度の微小隙間を形成している。
このような構成では、ステージの移動に伴ってステージからガスが放出されてチャンバ３１ｄ内の圧力が上昇し先端部すなわち荷電ビームすなわち電子線照射部７０２ｄにガスが流入しようとしても、仕切り部材９１ｆがウエハＷとの隙間を絞ってコンダクタンスを非常に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９１１ｆから真空配管９１４ｆへ排気されるため、電子線照射部７０２ｄの周囲の空間Ｇ５へ流入するガスはほとんどなくなり、電子線照射部７０２ｄの圧力を所望の高真空のまま維持することができる。
図２９において、鏡筒の先端部に差動排気装置を設けた更に別の実施態様が示されている。
チャンバ３１ｄ内における電子線照射部７０２ｄの周囲には仕切り部材９１ｇが設けられ、電子線照射部７０２ｄをチャンバ３１ｄから隔てている。この仕切り部材９１ｇは、中央部分９１１ｇが、銅やアルミニュウム等の熱伝導性の良い材料からつくられた支持部材９１２ｇを介して冷凍機９１３ｇに連結されており、−１００℃ないし−２００℃程度に冷却されている。仕切り部材９１ｇの部分９１４ｇは冷却されている中央部分９１１ｇと鏡筒の間の熱伝導を阻害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つくられている。また、仕切り部材９１ｇの部分９１５ｇはセラミックス等の絶縁体でつくられ、仕切り部材９１ｇの下端に形成されウエハＷと仕切り部材９１ｇが放電することを防ぐ役割を持っている。
このような構成により、チャンバ３１ｄ内から荷電ビーム照射部に流入しようとするガス分子は、冷却されている仕切り部材９１ｇで流入を阻害される上、流入しても仕切り部材９１ｇの表面に凍結捕集されてしまうため、荷電ビーム照射部７０２ｄの圧力を低く保つことができる。なお、冷凍機としては、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様な冷凍機が使用できる。
図３０において、ステージ装置の変形例及び鏡筒の先端部に仕切り部材を設けた構造を示す別の実施態様が示されている。
ステージ５０ｄのＸ、Ｙ両テーブルには、図２５に示したのと同様に仕切り板５４５ｄ、５２５ｄが設けられており、ウエハを保持するホルダ（図示せず）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内の空間Ｇ５とチャンバ３１ｄ内とが絞り５４６ｄ、５２６ｄを介して仕切られる。更に、電子線照射部７０２ｄの周りには図２７に示したのと同様の仕切り９１ｅが設けられており、チャンバ３１ｄ内と電子線照射部７０２ｄのある空間Ｇ５が絞りＧ６を介して仕切られている。このため、ステージ移動時、ステージに吸着しているガスが空間Ｇ２に放出されてこの部分の圧力を上昇させても、チャンバ３１ｄの圧力上昇は低く抑えられ、空間Ｇ５の圧力上昇は更に低く抑えられる。これにより、電子線照射空間Ｇ５の圧力を低い状態に保つことができる。また、図２８に示したように差動排気機構を内蔵した仕切り部材９１ｆとしたり、図２９に示したように冷凍機で冷却された仕切り部材９１ｇとすることによって、空間Ｇ５を更に低い圧力で安定に維持することができるようになる。
図３１において、ステージ装置及び作動排気装置の更に別の実施形態が示されている。この実施形態では図２５ないし図３０に示された構造と全体的に相違しているので、対応する構成部分には同じ参照番号を使用して全てに接尾語ｈを付して示されている。
ステージ装置５０ｈの固定テーブル５１ｈの台座５１１ｈはハウジング３０ｈの底壁に固定され、Ｙ方向（図３１において紙面に垂直の方向）に移動するＹテーブル５２ｈが台座５１１ｈの上に載っている。Ｙテーブル５２ｈの両側面（図３０において左右側面）には、台座５１１ｈに載置された一対のＹ方向ガイド５１２ｈ及び５１３ｈのＹテーブルに面した側に形成された凹溝内に突出する突部５２２ｈ及び５２３ｈ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３１で紙面に垂直の方向）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５８ｈ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５２ｈはＹ方向ガイド５１２ｈ、５１３ｈ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、台座５１１ｈとＹテーブル５２ｈとの間には、公知の構造のリニアモータ５１４ｈが配置されており、Ｙ方向の駆動をそのリニアモータで行うようになっている。Ｙテーブルには、高圧ガス供給用のフレキシブル配管５２６ｈ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）を通じて上記静圧軸受け５８ｈ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テーブルを案内面に対してＸ方向とＺ方向（図３１において上下方向）に正確に位置決めする役割を果たす。
Ｙテーブル５２ｈ上にはＸテーブル５４ｈがＸ方向（図３１において左右方向）に移動可能に載置されている。Ｙテーブル５２ｈ上にはＹテーブル用のＹ方向ガイド５１２ｈ、５１３ｈと同じ構造の一対のＸ方向ガイド５２２ｈ、５２３ｈ（５２２ｈのみ図示）がＸテーブル５４ｈ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テーブル５４ｈの突部の上、下面及び側面には前記静圧軸受け５８ｈ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５２ｈとＸテーブル５４ｈとの間には、公知の構造のリニアモータ５２４ｈが配置されており、ＸテーブルのＸ方向の駆動をそのリニアモータで行うようにしている。そして、Ｘテーブル５４ｈにはフレキシブル配管５４６ｈ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ようになっている。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５４ｈ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。真空チャンバ３１ｈは公知の構造の真空ポンプ等に接続された真空配管３０９ｈ、５１８ｈ、５１９ｈによって排気されている。配管５１８ｈ、５１９ｈの入口側（真空チャンバ内側）は固定テーブル５１ｈを貫通してその上面において、ステージ装置から高圧ガスが排出される位置の近くで開口しており、真空チャンバ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。
鏡筒７０１ｈの先端部すなわち電子線照射部７０２ｈの周囲には、差動排気機構９２ｈが設けられ、真空チャンバ３１ｈ内の圧力が高くても電子線照射空間Ｇ５の圧力が十分低くなるようにしてある。すなわち、電子線照射部７０２ｈ周囲に取り付けられた差動排気装置９２ｈの環状部材９２１ｈは、その下面（ウエハ側の面）とウエハとの間で微少隙間（数ミクロンから数百ミクロン）Ｇ７が形成されるように、ハウジング３０ｈに対して位置決めされており、その下面には環状溝９２２ｈが形成されている。環状溝９２２ｈは排気管９２３ｈ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ｇ５は環状溝９２２及び排気管９２３ｈを介して排気され、真空チャンバ３１ｈから環状部材９２１ｈによって囲まれた空間Ｇ５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、電子線照射空間Ｇ５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。この環状溝９２２ｈは、チャンバ内の圧力、電子線照射空間Ｇ５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真空チャンバを画成するハウジングの内面やステージ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、以上の説明において、ウエハは通常Ｘテーブル上に直接載置されるのでなく、試料を取り外し可能に保持したりステージ装置５０に対して微少な位置変更を行うなどの機能を持たせた試料台又はホルダの上に載置されているが、試料台等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、説明を簡素化するために省略されている。
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ステージに対して実現できる。
なお、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ならば何でも適用できる。
次に差動排気装置の環状部材９２１及びそれに形成される環状溝９２２の大きさの数値例を図３２に示す。なお、この例では環状溝は９２２ｈ及び９２２ｈ′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、通常おおよそ２０Ｌ／ｍｉｎ（大気圧換算）程度である。真空チャンバＣ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、真空チャンバ内の圧力は、約１６０Ｐａ（約１．２Ｔｏｒｒ）となる。この時、差動排気装置の環状部材９２１ｈ及び環状溝等の寸法を、図３２に示されるようにすれば、電子線照射空間Ｇ５内の圧力を１０−４Ｐａ（１０−６Ｔｏｒｒ）にすることができる。
図３３において、ハウジング３０ｈによって画成された真空チャンバ３１ｈ及び作動排気装置のための真空排気回路９３が示されている。真空チャンバ３１ｈは、真空排気回路９３の真空配管９３１ａ、９３１ｂを介してドライ真空ポンプ９３２が接続されている。また、差動排気装置９２ｈの環状溝９２２ｈは排気口９２３ｈに接続された真空配管９３１ｃを介して超高真空ポンプであるターボ分子ポンプ９３３が接続されている。更に、鏡筒７０１の内部は、排気口７０３に接続された真空配管９３１ｄを介して、ターボ分子ポンプ９３４が接続されている。これらのターボ分子ポンプ９３３、９３４は、真空配管９３１ｅ、９３１ｆによってドライ真空ポンプ９３２に接続されている。（本図では、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考えられる。）
ステージ装置５０ｈの静圧軸受けには、フレキシブル配管５２６ｈ、５４６ｈ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真空チャンバ内に拡散し、排気口３０９ｈ、５１８ｈ、５１９ｈを通してドライ真空ポンプ９３２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９２２ｈ或いは鏡筒７０１ｈの先端部から吸引され、排気口９２３ｈ及び７０３ｈを通ってターボ分子ポンプ９３３及び９３４によって排気され、ターボ分子ポンプから排出された後ドライ真空ポンプ９３２によって排気される。このように、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９３２の排気口は、配管９３１ｇを介して圧縮機９３５に接続され、圧縮機９３５の排気口は配管９３１ｈ、９３１ｉ、９３１ｋ及びレギュレータ９３６、９３７を介してフレキシブル配管５４６ｈ、５２６ｈに接続されている。このため、ドライ真空ポンプ９３２から排出された高純度不活性ガスは、圧縮機９３５によって再び加圧されレギュレータ９３６、９３７で適正な圧力に調整された後、再びステージ装置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にし、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９３１ｈの途中にコールドトラップやフィルタ等９３８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。
なお、循環配管系には高純度不活性ガス供給源９３９が接続されており、ガスの循環を始める際に、真空チャンバＣや真空配管９３１ａ〜９３１ｅ及び加圧側配管９３１ｆ〜９３１ｌ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９３２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９３２と圧縮機９３５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。
電子線装置の他の実施形態
図３４ないし図３７において電子光学装置すなわち電子線装置の他の実施形態が全体を７０ｉで示されている。同図において、図８に示された電子線装置と同じ構成部分には同じ参照番号を付して示し、それらの構造及び機能の詳細な説明は省略する。また、異なる構成部分には対応する参照番号に接尾語ｉを付して示す。更に、以下の各実施形態において、一次及び二次光学系にマルチ開口板を有する場合、第１のマルチ開口板の開口と第２のマルチ開口板の開口との間の関係は図９に示すものと同じであるから、図示及び説明は省略する。
この実施形態においては、二次光学系７４ｉは単一のレンズのみを有する点、及び検出系７６ｉが処理制御系７７ｉの画像データ処理装置７７１に接続されたパターンメモリ７７２を備えている点を除けば図８に示される電子光学装置と同じである。
この装置において、二次電子像は、二次光学系７４ｉのマルチ開口板７４５の開口７４５１の背後に配置された、検出系７６ｉの検出器７６１で互いにクロストーク無しに検出され、画像形成装置すなわち画像データ処理装置７７１で画像形成される。また試料パターンの画像はパターンデータから形成され、別途パターンメモリ７７２に記憶されていて、二次電子像から形成された画像と比較することによって画像データ処理装置７７１に付属の画像比較回路で、短絡、断線、凸、欠け、ピンホール、孤立の欠陥に分類される。
また、ウエハＷ上のパターンの電位を測定するときは、軸対称電極７３７にウエハ面より低い電圧を与え、試料すなわちウエハＷからの二次電子のエネルギーを選択して対物レンズ７２９側へ二次電子を通したり、ウエハＷ側へ二次電子を追い返したりすることにより、パターンの電圧を測定する。これにより、より低い電位を持つパターンから出た二次電子は多く検出し、より高い電位を持つパターンから出た二次電子は少なく検出して、これらの二次電子の検出量の大小で試料上のパターンの電位を測定する。
例えば、電極７３７に−１０Ｖを与えたとき、該電極まわりに図３５のように、０Ｖの等電位面が形成されたとする。このとき例えば、−２Ｖの電位を持つパターンからエネルギー０Ｖで発生した二次電子は０ｅＶの等電位面でまだ１ｅＶ分のエネルギーを持っているので０Ｖのポテンシャル障壁を越えて検出されるが、＋２Ｖの電位を持つパターンからエネルギー０ｅＶで出た二次電子は、２ｅＶの等電位面迄しか進めず、そこで試料側に戻されるので検出されない。このようにして、−２Ｖのパターンは明るく、２Ｖのパターンは暗い画像が形成される。このようにして電位コントラストが測定される。
また、高時間分解能の電位測定をおこなう場合は、ブランキング偏向器７３１にパルス電圧を印可し、ビームを偏向し、ブランキング用ナイフエッジ７３４でビームを遮断することにより短いパルス状のマルチビームを作り、上記の測定をおこなう。
例えば、ブランキング偏向器７３１の左側と右側の電極に、図３６の［Ａ］、［Ｂ］に示すようなパルス電圧を印可すると、ウエハには［Ｃ］に示すようなパルス状のビーム電流が入射する。このようにパルス状の電子線をパターンに入射させ、その時の二次電子を検出すれば、上記パルス幅の時間分解能でパターンの電位を測定することができる。なお、図においてブランキング偏向器７３１とブランキング用ナイフエッジ７３２間の点線は、ブランキング時の電子線軌道を示す。
次に、上記本発明の電子線装置を用いた検査手順について説明する。
本発明による検査手順の一例を図３７に示す。ウエハカセットから取り出された（１）被検査ウエハ１１はプリアライメントされると同時に、このウエハ上に形成されたウエハ番号が図示されていないウエハ番号読取り器によって読取られる（２）。ウエハ番号は各ウエハ固有のものである。読取られたウエハ番号をキーにして、予め登録されていた、このウエハに対応するレシピが読出される（３）。レシピは、このウエハの検査手順や検査条件を定めたものである。
以降の操作は、読み出したレシピに従って、自動的あるいは半自動的に行われる。ウエハ番号が読込まれた後、ウエハＷは真空に保持された試料室内のＸＹ−ステージ１２上に搬送され、搭載される（４）。ＸＹ−ステージ１２上に装填されたウエハＷは試料室内に装着された一次及び二次光学系を用い、アライメントされる（５）。アライメントは、ウエハＷ上に形成されたアライメントパターンの拡大像を、レシピに付随して、予め登録されているアライメント用参照画像と比較し、参照画像と丁度重なるように、ステージ位置座標を補正することによって行われる。アライメント後、このウエハに対応したウエハマップ（検査点マップ）が読出され、ディスプレイ上に表示される（６）。ウエハマップには、このウエハの所要検査点と来歴が示されている。
ウエハマップ表示後、操作者はウエハマップ上に示された検査点の中から、検査したい箇所の対応点を指定する（７）。検査点が指定されると、被測定ウエハＷは指定の検査点が電子ビーム直下に来るようにステージ移動により移動される（８）。その移動後、走査電子ビームが指定された検査点上に照射され、比較的低倍率での位置決め用画像が形成される。形成された像は、アライメント操作と同様に、予め登録されていた、指定の検査点に対応する位置決め用参照画像と比較され、参照用画像と丁度重なり合うように、検査点の精密な位置決めが行われる（９）。位置決めは、例えば、電子ビームの走査領域を微調整することによって行われる。
位置決めされたウエハは、被検査領域がほぼ画面中央、すなわち、電子ビーム直下に位置する。この状態で、被検査領域の高倍率検査用画像が形成される（１０）。検査用画像は、レシピに付随して登録されている、この被検査領域に対応した検査用参照画像と比較され、両画像の差異部が検出される（１１）。差異部はパターン欠陥と見做される。パターン欠陥は、少なくとも短絡、断線、凸、欠け、ピンホールおよび孤立の欠陥に分けて類型分類される（１２）。
次いで、凸および孤立欠陥は、隣接パターンとの距離を最小スペースを単位とし、対向長（欠陥をパターンに投影したときのその影の長さ）を最小パターン幅を単位として、サイズ分類される。一方、ピンホールおよび欠け欠陥は、それらが存在するパターンの幅を幅方向の単位とし、最小パターン幅を長手方向の単位として、サイズ分類される（１３）。なお、最小パターン幅および最小スペースは検査デバイスのパターン設計ルールに係る値であり、検査に先立ち、予め登録されている。
指定の検査点の欠陥判定、分類が終了した後、分類結果はウエハマップの指定検査点上に上書きされるとともに、検査データベースに格納される。上述のようにして、一箇所の検査が終了する。
さらに検査箇所が残っていれば、ウエハマップ上で次の検査点を指定し、図３７中、検査点指定後の操作を繰返して行う。該ウエハの全検査が終了すると、チップ単位、ウエハ単位での全欠陥／類型別欠陥／サイズ別欠陥の密度や歩留まりが計算される（１４）。歩留まり計算は、予め登録されている、欠陥類型別の欠陥サイズ−致命率表を用いて行われる。欠陥サイズ−致命率表は、サイズ分類された凸、欠け、ピンホールおよび孤立の各欠陥を、固有の致命率に対応付けるものである。これ等の計算結果は、検査結果とともに、検査データベースに格納され（１４）、必要に応じて随時出力され、使用される（１５）。
ウエハカセットの中に被測定ウエハが残っている場合には、次のウエハをウエハカセットから取り出した後、図３７の手順に従って検査を行う。複数ウエハの密度および歩留まりも、ウエハの場合に準じて、計算される。
なお、検査画像の欠陥判定分類だけではなく、特性Ｘ線分析器やオージェ電子分析器などの分析機能を付属させれば、欠陥部の組成など、検査点の分析データを合わせて取得できる。
電子線装置の他の実施形態
図３８及び図３９において電子線装置の他の実施形態が全体を７０ｊで示されている。同図において、図８に示された電子線装置と同じ構成部分には同じ参照番号を付して示し、それらの構造及び機能の詳細な説明は省略する。また、異なる構成部分には対応する参照番号に接尾語ｊを付して示す。
この実施形態においては、一次光学系７２ｊのクロスオーバーを形成する点Ｐ１にアパーチャを画成するアパーチャプレート７３５が配置されている点、二次光学系７４ｊのクロスオーバーを形成する点Ｐ４にアパーチャを画成するアパーチャプレート７４７が配置されている点、及び二次光学系７４ｊが静電偏向器７４６を備えている点を除けば、図８に示される電子光学装置と同じである。
この実施形態の電子光学装置において、ウェーハＷ上の各照射スポットから放出された複数の二次電子線は、二次光学系７４ｊを介して検出器に導かれる。拡大レンズ７４３の前段には、拡大レンズ７４３の軸合わせ装置として機能する静電偏向器７４６が設けられている。また、第２のクロスオーバー像の結像位置Ｐ４には、二次光学系の分解能を得るためのアパーチャを画成するアパーチャプレート７４７が設けられている。
ここで、二次光学系のウェーハ面換算での分解能より複数の一次電子ビームの間隔を大きくすることによって、複数ビーム間のクロストークは生じなくなる。照射スポット間隔を、上記した静電偏向器７４６で走査する。これによりＳＥＭと同じ原理で画像を形成でき、ビーム本数に比例したスループットで試料面の画像が作成される。静電偏向器７４６の偏向角度を、Ｅ×Ｂ分離器７２６による電磁偏向角度の−１／２倍に近い値にすることによって、偏向の色収差を小さくできるので、偏向してもビーム径があまり大きくならないようにできる。
検出器７６１の各検出素子は、夫々の増幅器７６３を介して、検出信号を画像データに変換する処理制御系７７の画像データ処理部７７１に接続される。画像データ処理部７７１には、一次電子線を偏向させるため偏向器７３３に与えられた走査信号と同じ信号が供給されるので、画像データ処理部７７１は、ビーム走査中に得られた検出信号からウェーハＷの被走査面を表す画像を構成することができる。
図３８より明らかなように、一次光学系の光路と二次光学系の光路とが共通の部分は、Ｅ×Ｂ分離器７２６から対物レンズ７２９を通りウェーハＷに至る部分であるので、共通の光学部品としては、最小限度に抑えることができた。その結果、対物レンズ７２９のレンズ条件を一次電子ビームに合わせたとしても、二次電子線の合焦条件は、拡大レンズ７４１及び７４３で調整可能となる。後者の拡大レンズ７４３は、二次電子の軌道と光軸ＯＡ２との成す角θ１をθ２に拡大している。
また、対物レンズ７２９への軸合わせは、偏向器７２８に軸合わせ電源電圧を重畳させ、一次電子ビームに有利なように軸合わせを行うが、一次電子ビーム用に軸合わせしたことに起因する二次光学系の軸の外れは、二次光学系の軸合わせ装置すなわち偏向器７４６によって補償することができる。
開口を決めるアパーチャプレートは、一次電子ビームしか通らない、第１のクロスオーバー結像位置Ｐ１のアパーチャプレート７３５と、二次電子線しか通らない、第２のクロスオーバー結像位置Ｐ４のアパーチャプレート７４７とをそれぞれ設けたので、それぞれに最適なアパーチャ径を選択することができる。対物レンズ７２９の開口を、ここでのクロスオーバー径より十分大きい寸法とし、レンズ７２１及び７２５をズーム作用することでクロスオーバーサイズが対物レンズ７２９の位置で可変となるようにすることで、開口角を選択することができる。これによって、アパーチャを交換することなく、低収差と大ビーム電流とのトレードオフで定まる範囲の任意の最適値に、電気信号のみで調整することができる。
二次光学系の開口位置については、拡大レンズ７４１及び７４３で二次電子像が検出器７６１に合焦する条件とする。そして、アパーチャ位置を光軸ＯＡ２方向に移動させ、検査面が一様な放出特性を持つウエハを使用した場合、すべての二次電子強度が一様になる位置で固定すればよい。この位置が図示のようにウエハからの主光線が光軸と交わる光軸方向位置となる。
パターンマッチングによるウエハＷのパターン欠陥検査法では、電子線装置を制御するため設けられた図示しない制御部が、そのメモリに予め蓄えられていた欠陥の存在しないウエハの二次電子線基準画像と、実際に検出された二次電子線画像とを比較照合し、両者の類似度を算出する。例えば、類似度が閾値以下になった場合、「欠陥有り」と判定し、閾値を超える場合には「欠陥無し」と判定する。このとき、図示しないＣＲＴに検出画像を表示してもよい。これによって、オペレータは、ウエハＷが実際に欠陥を持つか否かを最終的に確認、評価することができる。更に、画像の部分領域毎を比較照合し、欠陥が存在する領域を自動的に検出してもよい。このとき、欠陥部分の拡大画像をＣＲＴに表示するのが好適である。
また、同じダイを多数有するウエハの場合、上記のように基準画像を用いる必要無しに、検出されたダイ同士の検出画像を比較することによっても欠陥部分を検出できる。例えば、図３９［Ａ］には、１番目に検出されたダイの画像Ｉｍ１及び２番目に検出された他のダイの画像Ｉｍ２が示されている。３番目に検出された別のダイの画像が１番目の画像Ｉｍ１と同じか又は類似と判断されれば、２番目のダイ画像Ｉｍ２のＮｔの部分が欠陥を有すると判定され、欠陥部分を検出できる。このとき、検出画像をＣＲＴに表示すると共に欠陥部分と判定された部分をマーク表示してもよい。
なお、ウエハ上に形成されたパターンの線幅を測定する場合及びパターンの電位コントラストを測定する場合は、図２４に関連して説明したように行えば良いので、説明は省略する。
図３８において、ブランキング偏向器７３１を設け、この偏向器７３１によって一次電子線をクロスオーバー結像点の開口に所定周期で偏向させ、当該ビームを短時間のみ通して他の時間は遮断することを繰り返すことによって、短いパルス幅のビーム束を作ることが可能となる。このような短パルス幅ビームを用いて上記したようなウエハ上の電位測定等を行えば、高時間分解能でデバイス動作を解析可能となる。即ち、本電子線装置をいわゆるＥＢテスターとして使用することができる。
電子線装置の他の実施形態
図４０において電子光学装置すなわち電子線装置の他の実施形態が全体を７０ｋで示されている。同図において、図８に示された電子線装置と同じ構成部分には同じ参照番号を付して示し、それらの構造及び機能の詳細な説明は省略する。また、異なる構成部分には対応する参照番号に接尾語ｋを付して示す。
この実施形態の電子線装置は、処理制御系７７ｋの画像データ処理装置７７１に接続されたモード決定回路７７５を更に備えている点、このモード決定回路がＣＰＵ７７６、ＣＰＵに接続された記憶部７７７及びオペレータコンソール７７８が設けられている点及び記憶部が一次光学系７２及び二次光学系７４の各構成要素と接続されている点を除けば、図８の実施例と同じである。
この実施形態の電子線装置において、二次電子像は拡大レンズ７４１及び７４３により第２のマルチ開口板７４５の複数の開口７４５１の一で結像し、この二次電子像をそれぞれの検出器７６１により検出する。それぞれの検出器７６１は、検出した二次電子像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対応する増幅器７６３により増幅された後、処理制御系７７ｋの画像データ処理部７７１入力され、この画像処理部で画像データに変換される。画像データ処理部７７１には、一次電子ビームを偏向させるための走査信号が更に供給されるので、画像データ処理部７７１は試料すなわちウエハＷの面を表す画像を表示する。この画像を基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、また、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７２の光軸ＯＡ１の近くへ移動され、ラインスキャンすなわち走査することによって試料の上面に形成されたパターンの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、パターンの線幅を測定することができる。
最小線幅０．１μｍのパターンを有するウエハを評価する場合、画素サイズを０．２μｍとして高いスループットで評価を行うモードと、画素サイズを０．１μｍとしてスループットは前記モードの１／４であるがより細かい評価ができるモード、更には画素サイズを０．０５μｍとしてスループットは２番目のモードより更に１／４に低下するが更に細かい評価が可能なモードがあると、装置としての利用価値が高くなる。
一方画素サイズを変えるとそれに連動してビーム寸法も変え、走査量も変える必要がある。走査量を変えるには偏向器に与える電圧を変えるだけで十分である。しかし、ビーム寸法を変えるには多くのパラメータを変える必要がある。
図４０において、マルチ開口板７２３の複数の開口７２３１を通った一次電子ビームは縮小レンズ７２５と対物レンズ７２９によって縮小される。従ってこれら二つのレンズのズーム作用で縮小率を変え、０．０５μｍ、０．１μｍ及び０．２μｍ画素寸法に適したビーム寸法になるよう縮小レンズ７２５及び対物レンズ７２９の条件を予め定めておいて記憶部に保持しておき、モードを変える毎に取り出して設定すればよい。また、二次光学系について言えば、対物レンズは一次光学系の条件で決まるので、二次光学系には上記方法は使用できない。二次光学系ではＥ×Ｂ分離器７２７の後に設けられた少なくとも１段のレンズで、試料から試料面に垂直に放出された二次電子すなわち主光線が丁度二次光学系の第２のマルチ開口板７４５の各開口７４５１に入射するようにレンズ条件を決めればよい。これらのレンズ条件及び軸合わせ条件を三つのモードについてモード決定回路の記憶部７７７に保持すればよい。そして、オペレータコンソール７７８からの入力によりＣＰＵ７７６で制御して記憶部から取り出され、モードを変える毎に新しい値にセットし直される。
図４１において、前記実施形態と同様のモード決定回路を単一の電子ビームを照射する走査型の電子線装置に適用した例が全体を７０ｍで示されている。図４１において、前記図４０の実施形態の構成要素に対応する構成要素には同じ参照番号に接尾語ｍを付して示されている。
この実施形態において、コンデンサレンズ７２１ｍと対物レンズ７２９ｍは実質的に同じ構造になっているので、コンデンサレンズで代表して詳しく説明する。
静電軸対称レンズであるコンデンサレンズ７２１ｍは、セラミックス製の本体７２１０を備えている。この本体７２１０は中心部に円形穴７２１１を画成するように平面形状が環状に形成され、内周側が、図４１において上下方向（光軸に沿う方向）に隔てられた三つの板状部分７２１２ないし７２１４に仕切られている。セラミックス製本体７２１０の外周、特に、板状部分７２１２ないし７２１４の周囲には金属のコーティング膜７２１２′ないし７２１４′が施されている。これらの、コーティング膜７２１２′ないし７２１４′はそれぞれ電極として機能し、コーティング膜７２１２′及び７２１４′には接地側に近い電圧が印加され、真ん中のコーティング膜７２１３′には絶対値の大きい正又は負の高電圧が本体７２１０に設けられた電極金具７２１５によって印加され、それによってレンズの作用を行うようになっている。このようなレンズは、一体のセラミックスを削って同時に加工を行うため加工精度が良く、レンズ外径寸法を小さくできる。
上記実施形態の電子線装置ではレンズの外径寸法を小さくすることが可能になるので電子線装置を収納している鏡筒の外径寸法も小さくできる。したがって径の大きなウエハのような試料に対しては、一枚の試料に対して複数の鏡筒を配置することが可能になる。例えば、図４２に示されるように、Ｘ方向に４個の鏡筒２を並べたものをＹ方向に２列、合計で８個の鏡筒７０１ｍを一枚の試料に対して配置する。この配置は、各光学系の光軸をＸ軸方向へ投影した場合の光軸間距離が全て等しくした配置である。このような配置にすることにより、何回かの機械的走査で未評価領域や重複評価領域を無くすことができる。そして、ウエハＷを保持しているステージ（図示せず）をＹ方向に連続移動させ、Ｘ方向に各鏡筒で１．１ｍｍ幅の走査を行えば、１回の機械的走査で８ｍｍ幅の評価ができる。なお、５０μｍ幅は重複して評価が行われる領域となる。
モード毎のレンズ条件及び軸合わせ条件等は予め測定し、処理制御系７７ｍのモード決定回路７７５に属する記憶部７７７に保持しておき、オペレータコンソール７７８からの入力によりＣＰＵ７７６で制御して記憶部から取り出され、モードを変える毎に新しい値にセットし直される。
電子線装置の他の実施形態
図４３及び図４４において電子光学装置すなわち電子線装置の他の実施形態が全体を７０ｎで示されている。同図において、図８に示された電子線装置と同じ構成部分には同じ参照番号を付して示し、それらの構造及び機能の詳細な説明は省略する。また、異なる構成部分には対応する参照番号に接尾語ｎを付して示す。
この実施形態においては、ステージ装置及び対物レンズに関連してレーザー干渉型測距装置が設けられている点、及びクロスオーバーを形成する点Ｐ１にアパーチャプレートが配置されている点を除けば図８に示される電子光学装置と同じである。
図４４において、図４３に示した対物レンズ７２９ｎを構成する静電レンズの具体的構造を詳細に示している。対物レンズ７２９ｎは、光軸ＯＡ１を中心とした軸対称構造に形成されており、図４４においては、その右半分の断面図を示している。
対物レンズ７２９ｎは以下のようにして、作成される。まず、切削加工が可能なセラミックス材料に金属棒７２９９を埋め込みろう付けされた円筒形部品７２９０を作成する。そして、上部電極部７２９２、中央電極部７２９３、下部電極部７２９４、及び軸対称電極部７２９５を形成するように、セラミックス材料を旋盤加工する。次に、絶縁のためにセラミックス材料の表面を露出させる部分をマスキングして、残りの面を無電界メッキによって金属メッキを施し、これにより、上部電極７２９２’、中央電極７２９３’、下部電極９２９４’、及び軸対称電極７２９５’を形成する。
上部電極７２９２’には、その上面に接続されたリード線７２９６からの電圧が供給される。中央電極７２９３’及び下部電極７２９４’には、一対の金属棒７２９９を介してリード線７２９７からの電圧が供給される。なお、金属棒７２９９は真空シールを施す必要がない。軸対称電極７２９５’には、その下面に接続されたリード線７２９８から電圧が供給される。
このような構成を有するセラミックス製の円筒型部品を小型に作り、その外側に線膨張率が低いセラミックス部材７３００（例えば、新日本製鐵社製のＮＥＸＣＥＲＡＮ１１３）を張り合わせる。そして、該セラミックス部材７３００の外側に、平面的なレーザ固定鏡７３０１を接着固定する。セラミックス部材７３００のレーザ光が当たる側を平面の鏡面に研磨することにより、レーザ固定鏡７３０１を形成してもよい。
レーザ固定鏡７３０１を対物レンズ７２９ｎに一体化（接着固定、又は一体構造化）することにより、ステージ装置の振動は勿論のこと、光学系がＸ−Ｙ面方向に振動しても、該振動による電子ビームのずれをレーザ測長機で測定し電子ビーム位置に補正をかけることができる。すなわち、対物レンズ７２９ｎがＸ−Ｙ方向に振動した場合でも、ステージ装置５０ｎとの相対距離の変化がレーザ干渉型測距装置９４で測定されているので、その変化を相殺するように、ビームに補正をかけることができる。これにより、光学系とステージとの相対微小振動を補正することができ、よって、光学系の振動による画像歪みを低減することができる。
図４３に示す電子線装置を用いて試料としてのウエハＷの表面に形成されたパターンの欠陥を検査する等の評価を行うには、静電偏向器７３３とウィーン・フィルタすなわちＥ×Ｂ分離器７２６の電磁偏向器７２８を連動させ且つステージ装置５０ｎのＸ、Ｙテーブルを移動させて、複数の一次電子線によりウエハＷの表面をＸ方向に走査しながら、ウエハＷをＹ方向に連続的に移動させることにより、ウエハＷの全表面を走査すればよい。すなわち、ステージ装置５０を移動させてウエハＷを走査開始端に位置させた後、一次電子線をＸ方向に且つ一次電子線の相互間隔、即ちＬｘ（図９に図示）よりも僅かに大きい振幅で走査させながらステージ装置をＹ方向に連続的に移動させる。これにより、複数の一次電子線がＸ方向に走査する全距離に等しい幅ｗを有するＹ方向の領域が走査されたことになり、該領域での走査に伴う信号が検出器７６１から出力される。
次いで、ステージ装置を幅ｗに等しい距離だけＸ方向にステップ移動させた後、複数の一次電子線で幅ｗに等しい距離だけウエハＷをＸ方向に走査しながらステージ装置５０ｎのテーブルをＹ方向に連続的に移動させる。これにより、上記領域に隣り合う幅ｗの領域がＸ方向及びＹ方向に走査されたことになる。以下、同様の操作を反復することによってウエハＷの全表面の走査を行い、走査の結果として検出器７６１から得られた信号を処理することで、ウエハＷの評価を行うことができる。
なお、ステージ装置５０ｎの移動を正確に制御するためにレーザー干渉型測距装置９４を採用することが望ましい。そのために、ステージ装置のＸテーブル及びＹテーブルにレーザー移動鏡９４１を設けると共に、固定側の適所に、レーザー発振器９４３を内蔵するレーザー干渉型測距計９４２と、対物レンズに固定されたレーザー固定鏡９４６（図４４の固定鏡７３０１と同じでよい）と、反射鏡９４４と、ダイクロイックミラー９４５とを図示のように設け、レーザー発振器９４３→ダイクロイックミラー９４５→反射鏡９４４→レーザー固定鏡９４６（７３０１）→反射鏡９４４→ダイクロイックミラー９４５→レーザー干渉型測距計９４２の経路を進行した光と、レーザー発振器９４３→ダイクロイックミラー９４５→レーザー固定鏡９４１→ダイクロイックミラー９４５→レーザー干渉型測距計９４２の経路を進行した光との干渉に基づいてステージ装置の位置を算出する。
図４３に示したレーザー干渉型測長装置９４では、図示の簡潔さのため、Ｘ軸及びＹ軸のいずれか１方向における測長手段のみを示し、他の１方向の測長装置は省略している。しかしながら、実際には、Ｘ軸及びＹ軸両方向の測長装置が設けられていることはいうまでもない。例えば、移動鏡９４１に関しては、ステージ装置のＸテーブル及びＹテーブルの直交する側面に各々Ｘ軸用及びＹ軸用の移動鏡が取り付けられる。
ウエハＷが半導体ウェーハであるときには、上記の評価方法の代わりに、次のようにしてウエハＷの評価を行ってもよい。すなわち、ウエハＷの表面の適所にマーカーを設け、複数の一次電子線のうちマルチ開口板７２３の一つの開口で形成された電子線のみが前記マーカーを走査するようにして、そのときの検出器の出力を取り出し、マーカーの位置を検出する。これにより、ウエハＷと一次電子線との位置関係を求めることができるので、ウエハＷの表面に形成された回路パターンのＸ、Ｙ方向の配置を予め求めておくことにより、当該回路パターンに合せて複数の一次電子線を正確に位置誘導し、回路パターン上を走査することにより、ウエハＷ上の回路バターンの評価を行うことができる。
また、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近くに移動させ、ウエハＷを一次電子線でライン走査すると二次電子線が検出されるが、この二次電子線に対応する信号を検出して、ウエハＷの面上の回路パターンの線幅を評価する信号を取り出し、この信号を適宜に校正することにより、ウエハＷの面上のパターンの線幅を測定することができる。
図４５において、前記実施形態の原理をと同様のモード決定回路を単一の電子ビームを照射する走査型の電子線装置に適用した例が全体を７０ｐで示されている。図４５において、前記図４３の実施形態の構成要素に対応する構成要素には同じ参照番号に接尾語ｐを付して示されている。
電子銃７１ｐはアノード７１３ｐとカソード７１１ｐとを備え、直径が１０ミクロン程度の、クロスオーバーを有する一次電子線を放出する。こうして放出された一次電子線は軸合わせ用偏向器７３１ｐ、７３１ｐ′を経てコンデンサレンズ７２１ｐを通過し、コンデンサレンズ７２１ｐによって集束され、偏向器７３３ｐ及びウィーンフィルタすなわちＥ×Ｂ分離器７２６ｐを通過した後、対物レンズ７２９ｐによって縮小されて、ステージ装置５０上に載置されたウエハＷの表面に形成された例えば矩形の複数の回路パターンの近傍に結像される。ウエハＷに対して、偏向器１０、４０により、一次電子線による走査が行われる。
一次電子線による走査の結果、ウエハＷ上のパターンから放出された二次電子線は、対物レンズ７２９ｐの電界によって引かれて加速され、ウィーンフィルタ７２６によって光軸ＯＡ１から逸れるように偏向されて一次電子線から分離される。こうして二次電子線は二次電子検出器７６１ｐによって検出される。二次電子用検出器７６１ｐは、入射した二次電子線の強度を表す電気信号を出力する。この検出器７６１ｐから出力された電気信号は、その対応の増幅器（図示せず）によって増幅された後、処理制御系７７ｐの画像データ処理部７７１に入力される。
図４５に示すように、電子銃７１ｐ、軸合わせ用偏向器７３１ｐ、７３１ｐ′、コンデンサレンズ７２１ｐ、偏向器７３３ｐ、ウィーンフィルタ７２６ｐ、対物レンズ７２９ｐ及び二次電子用の検出器７６１ｐは、ウエハＷの所与の範囲に対応する径の鏡筒７０１ｐ内に収納されて、一つの電子線走査検出系が構成され、一つの電子線走査検出系によって、ウエハＷ上の回路パターンが走査される。実際には、ウエハＷの表面には複数のダイが形成されている。電子線走査検出系と同様の構成の電子線走査・検出系（図示せず）が、鏡筒７０１ｐと並列する形で、ウエハＷ上の異なるダイの同じ場所を走査するよう配置される。
電子線走査検出系については既に説明したとおりであるが、異なる点は、鏡筒当たり１ビーム・１検出器である各電子線走査・検出系内の二次電子検出系から出力された電気信号が処理制御系７７の画像データ処理部７７１に入力されることである。そこで、画像データ処理部７７１は、それぞれの検出系から入力された電気信号を２値化情報へ変換し、この２値化情報を、電子線走査信号を参照して画像データに変換する。この実現のため、静電偏向器７３３ｐに与えられた信号波形が画像データ処理部７７１に供給される。ウエハＷの表面に形成されたダイ毎に得られた画像データは、適宜の記憶手段に蓄積されると共に、基準のダイ・パターンと比較される。これにより、ウエハＷの表面上に形成された複数のダイ・パターンの一つ一つについて欠陥を検出することができる。
なお、前記の実施形態と同様に、図４５に示す実施形態においても、ウエハＷ上の或るダイ・パターンを表す画像データとの比較のために画像データ処理部７７１が使用する基準の回路パターンは種々のものを使用することができ、例えば、その画像データを生じる走査が行われたダイ・パターンのＣＡＤデータから得られた画像データを用いることができる。
ウィーンフィルタすなわちＥ×Ｂ分離器７２６ｐは静電偏向器７２８ｐとその周囲を取り巻くよう設置された電磁偏向器７２７ｐとを備えている。この電磁偏向器７２７ｐとして、例えば、白金合金を用いた永久磁石を電磁コイルの代わりに使用することが望ましい。これは、真空中で電流を流すことが適切でないからである。また、偏向器７３３ｐは一次電子線の方向を対物レンズ７２９ｐの軸と一致させるための軸合わせ装置と走査用装置を兼用する。
この記実施形態におけるコンデンサレンズ７２１ｐ及び対物レンズ７２９ｐの製造方法は、図４１に示された実施形態のコンデンサレンズ及び対物レンズの製造方法と同じでよいから、その詳細な説明は省略する。
このように、コンデンサレンズ７２１ｐ及び対物レンズ７２９ｐをセラミックスの削り出しで作製するため、これらのレンズを高精度に加工することが可能であり、外径寸法を小さくすることができる。したがって、例えば、コンデンサレンズ２及び対物レンズ７２９ｐの外径を直径２０ｍｍ以下にすると、直径２００ｍｍのウェーハの直径１４０ｍｍの範囲を検査する場合には、図４２に示されるように鏡筒を配列することによって、１枚のウエハに対して６個或いは８個の電子線装置を配置することができ、６倍或いは８倍のスループットを得ることができる。
なお、対物レンズ及びステージ装置に設けるレーザー反射鏡は、図４６に示されるような製造プロセスで製造してもよい。
すなわち、図４６に示すように、まず、ＳｉＣセラミックスを３０ｍｍ×３０ｍｍの断面で長さが３５ｃｍになるように加工した（ＳＴＰ１）。そのレーザー反射面を粗面ではあるが平坦度の良い面に、細かいスリガラス状に研磨する（ＳＴＰ２）。次に、ＣＶＤ装置によって、内部に形成されたボイドによる反射面の凹みや、粗面が十分埋まる程度（一例では、２０μｍ厚）に、膜形成した（ＳＴＰ４）。ここで、凹み等が効率良く埋まるように、図示のように鉛直線と反射面とがほぼ４５度の角度にした状態でミラーを傾けて長時間かけて膜形成した。
その後、鏡面研磨を行った（ステップＳＴＰ６）。ＣＶＤを取り付ける前の面は細かいスリガラス状であるので、研磨時に基体とＣＶＤ膜とがはがれることはない。鏡面研磨後は、多層膜、或いは、チタン、金等で反射膜を形成した（ＳＴＰ３０８）。
電子線装置の他の実施形態
図４７において電子光学装置すなわち電子線装置の他の実施形態が全体を７０ｑで示されている。同図において、図４３に示された電子線装置と同じ構成部分には同じ参照番号を付して示し、それらの構造及び機能の詳細な説明は省略する。また、異なる構成部分には対応する参照番号に接尾語ｑを付して示す。
この実施形態においては、二次光学系７４ｑのクロスオーバーを形成する点Ｐ４にアパーチャプレート７４７が配置されている点、二次光学系が静電偏向器７４６を備えている点、及び検出系に制御装置７８が設けられている点を除けば図４３に示される電子光学装置と同じである。
この実施形態において、検出器７６１の各検出器は、夫々の増幅器７６３を介して、検出信号を画像データに変換する処理制御系７７ｑの画像データ処理部７７１に接続される。画像データ処理部には、一次電子線を偏向させるため偏向器７３３に与えられた走査信号と同じ信号が供給されるので、画像データ処理部７７１は、ビーム走査中に得られた検出信号からウエハＷに形成されたパターンの二次電子パターン画像を構成することができる。
画像データ処理部７７１は、制御部７８０とデータ通信可能に接続される。この制御部７８０は、電子線装置全体を制御・管理すると共に、画像データ処理部により形成された二次電子パターン画像に基づいてウエハＷの評価を実行する。
制御部７８０には、評価結果等を表示するための表示部７８２及びオペレータの指令を入力するための入力部７８１が接続されている。表示部７８２は、ＣＲＴや液晶ディスプレイ等で構成することができ、欠陥パターン、二次電子パターン画像、欠陥箇所の数などを表示することができる。
ウエハＷは、ステージ装置５０ｎの上に配置される。このステージ装置は、制御部７８からの指令によりウエハＷを載せた状態で水平面内をＸＹ方向に移動可能に構成される。即ち、一次及び二次光学系に対しウエハＷをＸＹ方向に移動させることができる。ステージ装置及び対物レンズに関連して設けられるレーザー干渉型測距装置９４は、図４３に示された装置と構造及び機能が同じであるから、それらの詳細な説明は省略する。
移動鏡であるレーザー反射鏡９４１は、１２インチウエハＷを評価する場合、少なくとも３０ｃｍ長を必要とし、更にＹＡＷ測定を行ったり、ステージ装置５０ｎの固定マーカやファラディーカップ上に一次光学系の光軸ＯＡ１を整列させるためには更に長くする必要があり、４０ｃｍ程度になる場合が多い。本実施形態では、このように長いレーザー反射鏡９４１の基体を、その厚さを増加させることなく剛性の高いＳｉＣセラミックスで形成する。ステージ装置の上面部材の側面を反射鏡として形成すると、更に剛性を向上させることができる。
固定鏡であるレーザー反射鏡９４６は、鏡筒の熱膨張による影響を回避するため、好ましくは、対物レンズ７２９の外筒に線膨張係数がほとんど０のセラミックスのリングを取り付け、そのリングに取り付ける。この固定鏡９４６を、移動鏡９４１と同様にＳｉＣセラミックスで形成してもよい。
次に、上記実施形態に係る電子線装置の作用を説明する。図４７より明らかなように、一次光学系の光路と二次光学系の光路とが共通の部分は、Ｅ×Ｂ分離器７２７から対物レンズ７２９を通りウエハＷに至る部分であるので、共通の光学部品としては、最小限度に抑えることができた。その結果、対物レンズ７２９のレンズ条件を一次電子ビームに合わせたとしても、二次電子線の合焦条件は、拡大レンズ７４１及び７４３で調整可能となる。また、対物レンズ７２９への軸合わせは、偏向器７３３に軸合わせ電源電圧を重畳させ、一次電子ビームに有利なように軸合わせを行うが、一次電子ビーム用に軸合わせしたことに起因する二次光学系の軸の外れは、二次光学系の軸合わせ装置すなわち静電偏向器７４６によって補償することができる。
開口を決めるアパーチャプレート７３５、７４７は、一次電子ビームしか通らない、第１のクロスオーバー結像位置（開口アパーチャ４の設置位置）と、二次電子線しか通らない、第２のクロスオーバー結像位置（開口アパーチャ７４７の設置位置）とにそれぞれ設けたので、それぞれに最適なアパーチャ径を選択することができる。対物レンズ７２９の開口を、ここでのクロスオーバー径より十分大きい寸法とし、レンズ７２１及び７２５をズーム作用することでクロスオーバーサイズが対物レンズ７２９の位置で可変となるようにすることで、開口角を選択することができる。これによって、アパーチャを交換することなく、低収差と大ビーム電流とのトレードオフで定まる範囲の任意の最適値に、電気信号のみで調整することができる。
二次光学系の開口位置については、レンズ７４１及び７４３で二次電子像が検出器７６１に合焦する条件とする。そして、アパーチャ位置を光軸（Ｚ）方向に移動させ、検査面が一様な放出特性を持つウエハを使用した場合、すべての二次電子強度が一様になる位置で固定すればよい。この位置が図示のようにウエハからの主光線が光軸と交わる光軸方向位置となる。
二次電子取得プロセスは、次の通りである。電子銃７１から放出された一次電子線は、コンデンサレンズ７２１で収束され、位置Ｐ１でクロスオーバーを形成する。その途中で、一次電子線は、第１のマルチ開口板７２３の複数の開口７２３１を通過するので複数のビームが形成される。これら複数のビームは、縮小レンズ７２５によって点Ｐ２に合焦され、更に対物レンズ７２９を介してウエハＷ面上に縮小結像される。かくして、ウエハＷ上には、ほぼ同一強度に揃えられた一次電子線による複数の照射スポットが形成され、各照射スポットから二次電子が放出される。この間、静電偏向器７３３は、隣接するビーム間隔より僅かに広い領域を偏向させる。この偏向によって、ウエハ上の照射スポットはビームの並び方向を切れ目なく走査できる。
ウエハの各照射スポットから発生した二次電子のマルチビームは対物レンズ７の電界に引かれて細く集束され、Ｅ×Ｂ分離器７２６に至り、そこで生成された場（Ｅ×Ｂ）によって光軸ＯＡ１に対して所定角度をなす方向に偏向され、二次光学系７４ｑの光軸ＯＡ２に沿って進行する。二次電子像は、点Ｐ２より対物レンズ７２９に近い点Ｐ３に焦点を結ぶ。これは、各一次電子線はウエハ面上で例えば５００ｅＶにエネルギーを持っているのに対し、二次電子線は一般に数ｅＶのエネルギーしか持っていないためである。これらの二次電子のマルチビームは、拡大レンズ７４１及び７４３によって拡大され、第２のマルチ開口板７４５の複数の開口７４５１を通って検出器７６１で各々検出される。検出信号は、増幅器７６３を介して処理制御系７７ｑの画像データ処理部７７１に送られて、二次電子画像パターンが形成される。
ステージ装置５０ｎは、ウエハの検査面全体をマルチビームが走査可能となるように、同期的にウエハＷを所定幅で逐次移動若しくは連続的に移動させる。このとき、レーザー干渉型測長装置９４では、レーザー発振器９４３がレーザー光を発振する。発振されたレーザー光は、ハーフミラーすなわちダイクロイックミラー９４５により２ビームに分割される。ハーフミラー９４５を透過した一方のビームが移動鏡９４１に到達し、他方のビームが全反射ミラー９４４で反射されて固定鏡９４６に到達し、各々反射される。移動鏡９４１で反射されたビームは、ハーフミラー９４５を透過してレシーバーすなわちレーザー干渉型測距計９４２に導かれ、固定鏡９４６で反射されたビームは全反射ミラー９４４及びハーフミラー９４５で再び反射されてレシーバー９４２に導かれる。かくして、レシーバー９４２には、移動鏡９４１及び反射鏡９４６からの反射ビームの干渉光が検出される。検出信号は、制御部７８０に送られ、そこで、移動鏡９４１及び固定鏡９４６間のＸ及びＹ方向の距離、即ちステージ装置５０ｎのＸテーブル、ＹテーブルのＸＹ座標位置が算出される。
制御部７８０は、ステージ装置のＸ、ＹテーブルのＸＹ座標位置に基づいて、マルチビームの走査範囲に切れ目ができないようにステージ装置５０ｎの移動を制御する。本実施形態では、レーザー反射鏡９４１、９４６の基体を、剛性の高いＳｉＣで形成しているため、その厚さを増加させることなく鏡面の平面度を高精度に維持することができた。これによって、ステージ装置５０ｎの高精度の位置制御が可能となり、正確な二次電子画像が得られる。また、レーザー反射鏡が薄くて済むため、スペースを取らない。更に、移動鏡９４１が軽量になるので、ステージ移動の負荷を軽減することができる。
以上のようにして形成された二次電子画像パターンに基づいて、制御部７８０は、例えば、以下のようなウエハの評価を行う。
パターンマッチングによるウエハＷのパターン欠陥検査法では、制御部７８０が、そのメモリに予め蓄えられていた欠陥の存在しないウエハの二次電子線基準画像と、実際に検出された二次電子線画像とを比較照合し、両者の類似度を算出する。例えば、類似度が閾値以下になった場合、「欠陥有り」と判定し、閾値を超える場合には「欠陥無し」と判定する。このとき、表示部７８２に検出画像を表示してもよい。これによって、オペレータは、ウエハＷが実際に欠陥を持つか否かを最終的に確認、評価することができる。更に、画像の部分領域毎を比較照合し、欠陥が存在する領域を自動的に検出してもよい。このとき、欠陥部分の拡大画像を表示部７８２に表示するのが好適である。
ウエハ上に形成されたパターンの線幅を測定する方法、及びパターンの電位コントラストを測定する方法は、図２４に関連して説明した方法と同じでよいからその説明は省略する。
図４７において、ブランキング用偏向器７３１を設け、この偏向器７３１によって一次電子線をクロスオーバー結像点のアパーチャプレート７３５のアパーチャに所定周期で偏向させ、当該ビームを短時間のみ通して他の時間は遮断することを繰り返すことによって、短いパルス幅のビーム束を作ることが可能となる。このような短パルス幅ビームを用いて上記したようなウエハ上の電位測定等を行えば、高時間分解能でデバイス動作を解析可能となる。即ち、本電子線装置をいわゆるＥＢテスターとして使用することができる。
電子線装置の他の実施形態
図４８及び図４９において電子光学装置すなわち電子線装置の他の実施形態が全体を７０ｒで示されている。同図において、図４３に示された電子線装置と同じ構成部分には同じ参照番号を付して示し、それらの構造及び機能の詳細な説明は省略する。
この実施形態においては、検出系に図４０に示された電子線装置の設けられたモード決定回路と同様の制御装置７７５ｒが設けられている点を除けば図４３に示される電子光学装置と同じである。したがって、以下においては、検出走査に関連した部分のみを説明する。
それぞれの検出器７６１は、入射した二次電子線の強度を表す電気信号を出力する。これらの電気信号は、それぞれ対応の増幅器７６３によって増幅された後、処理制御系７７ｒの画像データ処理部７７１に入力される。画像データ処理部７７１は、それぞれの増幅器７６３から供給された電気信号を画像データに変換する。これは、画像データ処理部７７１には、一次電子線を偏向するため静電偏向器７３３に与えられる走査信号も供給されるためである。こうして、画像データ処理部７７１は、ウエハＷ上に形成された回路パターンそれぞれの画像データを同時に出力する。
画像データ処理部７７１から出力された複数の画像データは、制御装置７７５ｒのコンソール７７８ｒからの操作指令に従って動作するコンピュータ７７６ｒの制御の下で、記憶装置７７７ｒに順次取り込まれる。記憶装置７７７ｒは、このように回路パターンの走査にしたがって順次得られた画像データを蓄積するための画像メモリ部分と、走査によって得た画像データとの比較により異常パターンが存在するか否かを判定するための基準パターンを蓄積する基準パターン・データベースと、キラー欠陥と判定すべきパターン及び非キラー欠陥と判定すべきパターンを蓄積するための判定用パターン・データベースとを備える。そこで、コンピュータ７７６ｒは、或る回路パターンから得られた画像データを基準パターンの画像データと比較し、上記判定用パターン・データベースを用いて、キラー欠陥と非キラー欠陥とを識別するよう動作することができる。
また、コンピュータ７７６ｒは、図４９に示す欠陥検査装置を用いてウエハＷの表面に形成されたパターンの欠陥を検査する等の評価を行うことができるよう、一次電子線によるウエハＷの走査を制御するようプログラムされている。すなわち、コンピュータ７７６ｒは、静電偏向器７３３とウィーンフィルタすなわちＥ×Ｂ分離器７２６の電磁偏向器７２７を連動させて、複数の一次電子線によりウエハＷの表面をＸ方向に走査させながら、ステージ装置５０ｎを制御してウエハＷをＹ方向に連続的に移動させ、これによってウエハＷの全表面の走査を行わせる。
具体的に説明すると、コンピュータ７７６ｒはステージ装置５０ｎを移動させてウエハＷを走査開始端に位置させた後、一次電子線をｘ方向に且つ一次電子線の相互間隔、Ｌｘ（図９に図示）よりも僅かに大きい振幅で走査させながらステージ装置をＹ方向に連続的に移動させる。これにより、複数の一次電子線がＸ方向に走査する全距離に等しい幅ｗを有するｙ方向の領域が走査されたことになり、該領域での走査に伴う信号が検出器７６１から出力される。
次いで、ステージ装置５０ｎのＸテーブルを幅ｗに等しい距離だけＸ方向にステップ移動させた後、複数の一次電子線で幅ｗに等しい距離だけウエハＷをＸ方向に走査しながらステージ装置のＹテーブルをＹ方向に連続的に移動させる。これにより、上記領域に隣り合う幅ｗの領域がＸ方向及びＹ方向に走査されたことになる。以下、同様の操作を反復することによってウエハＷの全表面の走査を行い、走査の結果として検出器７６１から得られた信号を処理することで、ウエハＷの評価を行うことができる。
なお、ステージ装置の測距動作は図４３に示された実施形態と同じであるから、その詳細な説明は省略する。
ウエハＷが半導体ウェーハであるときには、次のようにしてウエハＷの評価を行ってもよい。すなわち、ウエハＷの表面の適所にマーカーを設け、複数の一次電子線のうちマルチ開口板７２３の一つの開口で形成された電子線のみが前記マーカーを走査するようにして、そのときの検出器の出力を取り出し、マーカーの位置を検出する。これにより、ウエハＷと一次電子線との位置関係を求めることができるので、ウエハＷの表面に形成された回路パターンＸ、Ｙ方向の配置を予め求めておくことにより、当該回路パターンに合せて複数の一次電子線を正確に位置誘導し、回路パターン上を走査することにより、ウエハＷ上の回路パターンの評価を行うことができる。
また、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近くに移動させ、ウエハＷを一次電子線でライン走査すると二次電子線が検出されるが、この二次電子線に対応する信号を検出して、ウエハＷの面上のパターンの線幅を評価する信号を取り出し、この信号を適宜に校正することにより、ウエハＷの面上のパターンの線幅を測定することができる。
なお、各二次電子線を第２のマルチ開口板７４５の対応する開口に結像させること、換言すると、二次電子線の軌道Ｔｒ２を第２のマルチ開口板７４５の各対応の開口に合わさせるのは、Ｅ×Ｂ分離器７２６の後に１個のレンズがあれば可能であり、拡大レンズ７４３の励起を変え且つクロスオーバーＰ３の位置を変更することにより、容易に行うことができる。こうした調整によって二次電子線の合焦条件が外れるが、第２のマルチ開口板７４５の開口の穴径を大きく作ることにより、二次電子検出効果を悪化させることはなく、これによって欠陥検査に不都合が生じることはない。
ここで、図４９の［Ａ］、［Ｂ］及び［Ｃ］を参照しながら、図４８の電子線装置におけるコンピュータ７７６ｒがどのように動作してキラー欠陥と非キラー欠陥とを識別するかについて説明する。前述のとおり、ウエハＷ上の複数の半導体チップに対して、複数の一次電子線によって同時に走査が行われ、各半導体チップ上の回路パターンを表す画像データが記憶装置７７７ｒに蓄積されていく。そこで、オペレータは、記憶装置７７７ｒに各回路パターン全体又は一部の画像データが蓄積された適宜の時点に、コンソール７７８ｒからコンピュータ７７６ｒに対して欠陥検査を実施するよう指令する。これに応答して、コンピュータ７７６ｒは、
（１）記憶装置７７７ｒから、一つの半導体チップの回路パターンの画像データの一部と、それに対応する基準パターンの画像データとを読み出させ、
（２）それらの画像データどおしを比較し、
（３）比較の結果として、正常パターンと異常パターンとを識別して、異常パターンが存在する画像データを取り出し、
（４）取り出された画像データを記憶装置７７７ｒ内の判定用パターン・データベースの内容と比較して、異常パターンがキラー欠陥と非キラー欠陥のいずれに該当するかを判定し、
（５）次いで、上記の（１）〜（４）の手順を、走査から得た画像データの全ての部分について実施して当該半導体チップの回路パターンの欠陥検査を終了し、（６）次いで、他の残りの半導体チップについて１個ずつ、走査から得られた画像データについて上記の（１）〜（５）の手順を反復して、全ての被検査対象の半導体チップの欠陥検査を終了するようプログラムされている。
ここで、異常パターンと判定された個所がキラー欠陥であるか、非キラー欠陥であるかを判定するアルゴリズムについて説明する。このアルゴリズムは、「得られた画像データは異常パターンであることを示しているが、当該個所は実際には導電性材質である場合が、かなりの確率で存在する」という経験則に基づいている。いま、或る回路パターンの走査の結果、異常パターンを含む画像として、図４９の［Ａ］、［Ｂ］及び［Ｃ］に示す３種類の画像が得られたとする。これらの図において、ハッチングの施されていない白地の矩形部分Ｐｔｎは正常パターンを表す画像であり、ハッチングの施された矩形部分Ｐｔａ−１、Ｐｔａ−２は異常パターンを表す画像である。異常パターンに対応する矩形部分のうち、［Ａ］に示す矩形部分Ｐｔａ−１は１個の矩形部分Ｐｔｎと接し、［Ｂ］に示す矩形部分Ｐｔａ−１は矩形部分Ｐｔｎとは全く接していないが、［Ｃ］に示す矩形部分Ｐｔａ−２は２個又はそれ以上の矩形部分Ｐｔｎと接している。そこで、上記の経験則に基づき、［Ａ］及び［Ｂ］に示す矩形部分Ｐｔａ−１は非キラー欠陥であるが、［Ｃ］に示す矩形部分はキラー欠陥Ｐｔａ−２であると判定する。
コンタクト・ホール層の画像に関しては、コンピュータ７７６ｒは、上記のアルゴリズムに従い、コンタクト・ホールと重なりを有する異常パターンはキラー欠陥とし、コンタクト・ホールと接していない異常パターンは非キラー欠陥と判定するよう動作する。更に、ゲート層の場合には、コンピュータ７７６ｒは、ゲート・パターンから所定の距離以内に接近した異常パターンをキラー欠陥を表すものと判定し、したがって、ゲート・パターンから所定の距離以上離れた異常パターンは非キラー欠陥と判定するよう動作する。
なお、記憶装置７７７ｒ内の判定用パターン・データベースは、コンピュータ７７６ｒが欠陥検査のために作動している期間に、キラー欠陥及び非キラー欠陥と判定すべき新たな異常パターンが見出されると、その新たな異常パターンを追加することによって更新される。
電子線装置の他の実施形態
図５０ないし図５２において電子光学装置すなわち電子線装置の他の実施形態が全体を７０ｓで示されている。同図において、図８に示された電子線装置の構成要素と対応する構成部分には同じ参照番号ｓを付して示し、それらの構造及び機能の詳細な説明は省略する。
図５０において、７１ｓは電子ビームを放出する電子銃、７２ｓは一次光学系、７２３ｓは複数の小さな開口が設けられたマルチ開口板、７２１ｓはレンズ、７３１ｓ及び７３３ｓは電磁偏向器、７２６ｓはＥ×Ｂ分離器、７２９ｓは対物レンズ、７４ｓは二次光学系、７４１ｓ及び７４３ｓはレンズ、７６１ｓは二次電子ビームを検出する検出器である。７７１ｓは処理制御系７７ｓの画像形成装置、７７９ｓは走査制御装置であり、走査制御装置７７９ｓは、電子ビームを走査するための走査信号を偏向器７３１ｓ及び７３３ｓに供給するためのものである。マルチ開口板７２３ｓは、図５１の［Ａ］に示すように、例えば９個（３×３）の開口、又は図５１［Ｂ］に示されるように、７個（１×７）の開口が設けられている。なお、これら開口の配置及び個数は、図５１のものに限定されず、適宜のものを採用可能である。
図５０の装置において、電子銃７１ｓから放出された電子ビームから、開口板７２３ｓの複数の開口によって、複数のビームが形成され、これら電子ビームは、レンズ７２１ｓ、７２９ｓによってウエハＷの表面に結像され、また、偏向器７３１ｓ及び７３３ｓによって、複数の電子ビームは、ウエハ面を同時に走査される。ウエハＷを保持したステージを固定した状態で、偏向器７３１ｓ及び７３３ｓは走査制御装置７７９ｓにより制御され、電子ビームをＸ軸方向及びＹ軸方向に走査させる。これにより、ウエハＷを固定した状態で、時点ｔ０においてウエハ表面に形成されたスポットとスポットとの間に、時点ｔ１、ｔ２、……において、順次スポットが形成され、結局、ウエハＷ表面の所定のエリア内のすべての点に電子ビーム・スポットが結像される。次いで、ウエハＷを載置したステージが移動され、前回走査されたエリアに隣接するエリアが、同様にして走査される。
ウエハＷ上に電子ビームが結像されることによって放出された二次電子ビームは、Ｅ×Ｂ分離器７２６ｓによって偏向され、二次光学系のレンズ７４１ｓ、７４３ｓによって検出器７６１ｓにより検出され、電気信号に変換されて検出器出力信号として画像形成装置７７１ｓに供給される。
図５０の装置においては、例えば図５１［Ａ］に示した９個の開口が設けられたマルチ開口板７２３ｓを用いて、ウエハ表面に９個の電子ビーム・スポットを結像するよう構成され、マルチ開口板７２３ｓの開口の配列に対応して、検出器７６１ｓには、これら９個のスポットからの２次電子ビームをそれぞれ検出するように、９個の検出素子が設けられている。
画像形成装置７７１ｓには、走査制御装置７７９ｓからの走査信号も供給されており、検出器出力信号は、走査信号に対応づけられピクセル位置の信号として、画像データ記憶装置（不図示）に格納される。これにより、ウエハＷの表面画像が画像形成装置７７１ｓにより形成される。
このようにして形成されたウエハ表面の画像は、一致／不一致検出装置（不図示）において、予め格納されている標準のすなわち無欠陥の画像パターンとピクセル毎に対比され、不一致のピクセルが検出された場合に、ウエハに欠陥があると認定している。また、ウエハ表面の画像をモニタ・スクリーンに表示し、経験を積んだオペレータ等が画像を監視してウエハ表面の欠陥を検査してもよい。
さらに、ウエハ上に形成された配線パターン及び電極パターン等の線幅を測定する場合、評価すべきパターン部分を光軸上又はその間近に移動させ、該部分をラインス・キャンすることによって線幅評価用の電気信号を取り出し、必要に応じて較正を行うことによって、線幅を測定する。
このような構成を有する評価装置において、本発明においては、加工装置によって加工されたウエハ表面を検査するために、評価装置を加工装置の近傍に配置し、しかも、評価装置全体の動作を制御装置（不図示）によって、該加工装置の１枚当たりの加工時間にぼほ等しい検査時間となるように、ウエハ表面の所定の位置又は複数のエリアからなる領域のみを検査するよう制御する。この制御においては、まず、評価装置のステージ上にウエハを固定し、評価装置の制御装置に、ウエハの必要最小の評価項目とウエハの１枚当たりの加工所要時間とを入力する評価項目は、例えば、加工装置がリソグラフィ装置であれば、最小線幅のバラツキであり、加工装置がエッチング装置であれば、欠陥検査である。次いで、制御装置は、入力された評価項目と入力された加工所要時間に基づいて、ウエハの１枚当たりの加工状態評価時間が加工所要時間以内又はほぼ等しくなるように、ウエハの評価面積すなわち検査領域を設定する。
所定の領域のみを検査するため、ウエハＷを評価装置中で移動させる範囲が少なくなるので、ウエハ表面全体を検査する場合と対比して、評価装置の床面積を小さくすることができる。また、評価時間と加工時間をほぼ一致させるため、評価装置のスループットが加工装置のスループットとほぼ一致し、したがって、欠陥が発見された場合等において、欠陥状態に対応して加工装置の動作異常等を発見することが容易となる。
なお、図５０に示した電子線装置を１ユニットして備える鏡筒を、図５２に示されるようにアレイ状に複数個配置することによって、検査装置を構成することもできる。すなわち、図５２［Ａ］は、マルチ開口板７２３の開口が、図５１［Ａ］に示した９個である場合の鏡筒を６個、２行３列に配置した場合の、ウエハＷ上の電子ビーム・スポットの状態を模式的に示している。一方、図５２［Ｂ］は、マルチ開口板７２３ｓの開口が、図５１［Ｂ］に示した一列７個である場合の鏡筒を４個、１行４列に配置した場合の、ウエハＷ上の電子ビーム・スポットの状態を模式的に示している。
図５２において、各鏡筒によって生じるビーム・スポットのグループは、符号ＢＧで示した円形で表しており、各円形の中心から伸びる直線Ｒは、各鏡筒における二次電子ビームの放出方向、すなわち、図５０のレンズ７４１ｓ及び７４３ｓ並びに検出器７６１ｓからなる二次電子ビーム検出系の配置方向を示している。図５２［Ａ］及び［Ｂ］に示したように、二次電子ビーム検出系は、相互に干渉しないように配置されており、これにより、複数の鏡筒を効率よく配置することができ、したがって、評価装置全体の床面積を必要以上に大きくすることがない。
なお、複数の鏡筒の配置関係及び個数は、図５２の［Ａ］及び［Ｂ］で示したビーム・スポットが得られるものに限定されないことは勿論である。図５２の［Ｂ］に示したような１ｘＮの鏡筒を用いた場合、ウエハＷは必要に応じて矢印ａ方向に連続移動される。
複数の光学系を用いた第２の実施例においても、第１の実施例の場合と同様に、評価装置は加工装置の近傍に配置され、しかも、制御装置（不図示）によって、該加工装置の１枚当たりの加工時間にぼほ等しい検査時間となるように、動作が制御される。この場合、加工時間によっては、ウエハ表面全体を検査しても、ウエハ表面の所定の領域のみを検査してもよく、要は、１枚当たりの加工時間と検査時間とがほぼ一致するように制御すればよい。この場合も、ウエハＷを移動させる範囲が少なくなり、評価装置の床面積を小さくすることができる。また、評価装置のスループットが加工装置のスループットとほぼ一致するので、欠陥が発見された場合等において、加工装置の動作異常等を発見することが容易となる。
また、加工時間が特に短い加工装置での加工状態を評価するには、２枚に１枚、あるいは３枚に１枚等のように、抜き取り検査を行って、１ロット当たりのスループットを一致させてもよい。
電子線装置の他の実施形態
次に、図５３ないし図５９を参照して、ウエハに形成されたパターンの欠陥検査に付いて詳しく説明する。なお、図５３では、検査装置を、いわゆるマルチビーム型の電子線装置に適用した例を全体を７０ｔで示し、先の実施形態の構成要素に対応する構成要素には同じ参照番号に接尾語ｔを付して示し、それらの構造及び機能の詳細な説明は省略し、新たに加わった事項のみ詳細に説明する。
図５３おいて、７１ｔは次電子線を放出する電子銃、７２１ｔは放出された一次電子線を集束させる静電レンズ、７２６ｔは形成された一次電子線を電場Ｅ及び磁場Ｂの直交する場で半導体ウエハＷに略垂直に当たるように直進させるＥ×Ｂ偏向器、７２９ｔは偏向された一次電子線をウエハＷ上に結像させる対物レンズ、５０ｔはウエハＷを載置した状態で水平面内で移動するステージ装置、７４１ｔは一次電子線の照射によりウエハＷから放出された二次電子線を結像させる静電レンズ、７６１ｔは結像された各像について各ビームの強度を個別に検出する検出器である。検出器７６１ｔからの信号は画像形成回路７６５ｔに入力され二次電子画像が形成される。この実施形態の電子線装置は、更に、装置全体を制御すると共に検出器７６１ｔにより検出された二次電子画像に基づいてウエハＷの欠陥を検出する処理を実行する処理制御系７７ｔを含んでいる。なお、上記二次電子画像には、二次電子だけでなく散乱電子や反射電子による画像を取得できるが、ここでは二次電子画像取得を選択した場合について述べる。
また、対物レンズ７２９ｔとウエハＷとの間には、一次電子線のウエハＷへの入射角度を電場等によって偏向させる偏向電極７３３ｔが介在されている。この偏向電極７３３ｔには、該偏向電極の電場を制御する偏向制御器７５ｔが接続されている。この偏向制御器７５ｔは、処理制御系７７ｔに接続され、その処理制御系７７ｔからの指令に応じた電場が偏向電極７３３ｔで生成されるように該偏向電極を制御する。なお、偏向制御器７５ｔは、偏向電極７３３ｔに与える電圧を制御する電圧制御装置として構成することができる。
検出器７６１ｔは、静電レンズ７４１ｔによって結像された二次電子画像を後処理可能な信号に変換することができる限り、任意の構成とすることができる。
処理制御系７７ｔは、図５３に例示されたように、汎用的なパーソナルコンピュータ等から構成することができる。このコンピュータは、所定のプログラムに従って各種制御、演算処理を実行する制御部本体７９１と、本体７９１の処理結果を表示するＣＲＴ７９６と、オペレータが命令を入力するためのキーボードやマウス等の入力部７９７と、を備える。勿論、欠陥検査装置専用のハードウェア、或いは、ワークステーションなどから処理制御系７７ｔを構成してもよい。
制御部本体７９１は、図示しないＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク、ビデオ基板等の各種制御基板等から構成される。ＲＡＭ若しくはハードディスクなどのメモリ上には、検出器７６１ｔから受信した電気信号即ちウエハＷの二次電子画像のデジタル画像データを記憶するための二次電子画像記憶領域７９２が割り当てられている。また、ハードディスク上には、予め欠陥の存在しないウエハの基準画像データを記憶しておく基準画像記憶部７９３が存在する。更に、ハードディスク上には、欠陥検査装置全体を制御する制御プログラムの他、記憶領域７９２から二次電子画像データを読み出し、該画像データに基づき所定のアルゴリズムに従ってウエハＷの欠陥を自動的に検出する欠陥検出プログラム７９４が格納されている。この欠陥検出プログラム７９４は、詳細を更に後述するように、基準画像記憶部７９３から読み出した基準画像と、実際に検出された二次電子線画像とをマッチングして、欠陥部分を自動的に検出し、欠陥有りと判定した場合、オペレータに警告表示する機能を有する。このとき、ＣＲＴ７９６の表示部に二次電子画像ＥＩｍを表示するようにしてもよい。
次に、第１実施形態に係る欠陥検査装置の作用を図５５乃至図５７のフローチャートを例にして説明する。
先ず、図５５のメインルーチンの流れに示すように、検査対象となるウエハＷをステージ装置５０ｔの上にセットする（ステップ１０００）。これは、先に説明したローダーによりウエハＷを一枚毎に自動的にステージ装置５０上にセットする形態であってもよい。
次に、ウエハＷ表面のＸＹ平面上で部分的に重なり合いながら互いから変位された複数の被検査領域の画像を各々取得する（ステップ１００２）。これら画像取得すべき複数の被検査領域とは、図５９に示すように、例えばウエハ検査表面ＴＳ上に、参照番号ＲＡ１、ＲＡ２、．．．ＲＡｋ、．．．で示す矩形領域のことであり、これらは、ウエハの検査パターンＴＰｔの回りで、部分的に重なり合いながら位置がずらされていることがわかる。例えば、図５４に示されたように、１６個の被検査領域の画像ＴＡＩ（被検査画像）が取得される。ここで、図５４に示す画像は、矩形の桝目が１画素（或いは、画素より大きいブロック単位でもよい）に相当し、このうち黒塗りの桝目がウエハＷ上のパターンの画像部分に相当する。このステップ１００２の詳細は図５６のフローチャートで後述する。
次に、ステップ１００２で取得した複数の被検査領域の画像データを記憶部７９３に記憶された基準画像データと、各々比較照合し（図５５のステップ１００４）、上記複数の被検査領域により網羅されるウエハ検査面に欠陥が有るか否かが判定される。この工程では、いわゆる画像データ同士のマッチング処理を実行するが、その詳細については図５７のフローチャートで後述する。
ステップ１００４の比較結果より、上記複数の被検査領域により網羅されるウエハ検査面に欠陥が有ると判定された場合（ステップ１００６肯定判定）、オペレータに欠陥の存在を警告する（ステップ１００８）。警告の方法として、例えば、ＣＲＴ７９６の表示部に欠陥の存在を知らせるメッセージを表示したり、これと同時に欠陥の存在するパターンの拡大した二次電子画像ＥＩｍを表示してもよい。このような欠陥ウエハを直ちにステージ装置上から取り出し、欠陥の無いウエハとは別の保管場所に格納してもよい（ステップ１０１０）。
ステップ１００４の比較処理の結果、ウエハＷに欠陥が無いと判定された場合（ステップ１００６否定判定）、現在検査対象となっているウエハＷについて、検査すべき領域が未だ残っているか否かが判定される（ステップ１０１２）。検査すべき領域が残っている場合（ステップ１０１２肯定判定）、ステージ装置５０ｔを駆動し、これから検査すべき他の領域が一次電子線の照射領域内に入るようにウエハＷを移動させる（ステップ１０１４）。その後、ステップ１００２に戻って当該他の検査領域に関して同様の処理を繰り返す。
検査すべき領域が残っていない場合（ステップ１０１２否定判定）、或いは、欠陥ウエハの抜き取り工程（ステップ１０１０）の後、現在検査対象となっているウエハＷが、最終のウエハであるか否か、即ち図示しないローダーに未検査のウエハが残っていないか否かが判定される（ステップ１０１６）。最終のウエハでない場合（ステップ１０１６否定判定）、検査済みウエハを所定の格納箇所に保管し、その代わりに新しい未検査のウエハをステージ装置にセットする（ステップ１０１８）。その後、ステップ１００２に戻って当該ウエハに関して同様の処理を繰り返す。最終のウエハであった場合（ステップ１０１６肯定判定）、検査済みウエハを所定の格納箇所に保管し、全工程を終了する。
次に、ステップ１００２の処理の流れを図５６のフローチャートに従って説明する。
図５６では、先ず、画像番号ｉを初期値１にセットする（ステップ１０２０）。この画像番号は、複数の被検査領域画像の各々に順次付与された識別番号である。次に、セットされた画像番号ｉの被検査領域について画像位置（Ｘｉ，Ｙｉ）を決定する（ステップ１０２２）。この画像位置は、被検査領域を画定させるための該領域内の特定位置、例えば該領域内の中心位置として定義される。現時点では、ｉ＝１であるから画像位置（Ｘ１，Ｙ１）となり、これは例えば図５９に示された被検査領域ＲＡ１の中心位置に該当する。全ての被検査画像領域の画像位置は予め定められており、例えば処理制御系７７ｔのハードディスク上に記憶され、ステップ１０２２で読み出される。
次に、図５３の偏向電極７３３ｔを通過する一次電子線がステップ１０２２で決定された画像位置（Ｘｉ，Ｙｉ）の被検査画像領域に照射されるように、偏向制御器７５ｔが偏向電極７３３ｔに電位を加える（図５６のステップ１０２４）。
次に、電子銃７１ｔから一次電子線を放出し、静電レンズ７２１ｔ、Ｅ×Ｂ分離器７２６ｔ、対物レンズ７２９ｔ及び偏向電極７３３ｔを通して、セットされたウエハＷ表面上に照射する（ステップ１０２６）。このとき、一次電子線は、ウエハ検査表面ＴＳ上の画像位置（Ｘｉ，Ｙｉ）の被検査画像領域に照射される。画像番号ｉ＝１の場合、被検査領域はＲＡ１となる。
一次電子線が照射された被検査領域からは二次電子が放出される。そこで、発生した二次電子線を拡大投影系の静電レンズ７４１ｔにより所定の倍率で検出器７６１ｔに結像させる。検出器７６１ｔは、結像された二次電子線を検出し、検出素子毎の電気信号即ちデジタル画像データに変換出力する（ステップ１０２８）。そして、検出した画像番号ｉのデジタル画像データを二次電子画像記憶領域７９２に転送する（ステップ１０３０）。
次に、画像番号ｉを１だけインクリメントし（ステップ１０３２）、インクリメントした画像番号（ｉ＋１）が一定値ｉＭＡＸを越えているか否かを判定する（ステップ１０３４）。このｉＭＡＸは、取得すべき被検査画像の数であり、図５４の上述した例では、「１６」である。
画像番号ｉが一定値ｉＭＡＸを越えていない場合（ステップ１０３４否定判定）、再びステップ１０２２に戻り、インクリメントした画像番号（ｉ＋１）について画像位置（Ｘｉ＋１，Ｙｉ＋１）を再び決定する。この画像位置は、前のルーチンで決定した画像位置（Ｘｉ，Ｙｉ）からＸ方向及び／又はＹ方向に所定距離（ΔＸｉ，ΔＹｉ）だけ移動させた位置である。図５９の例では、被検査領域は、（Ｘ１，Ｙ１）からＹ方向にのみ移動した位置（Ｘ２，Ｙ２）となり、破線で示した矩形領域ＲＡ２となる。なお、（ΔＸｉ，ΔＹｉ）（ｉ＝１，２，．．．ｉＭＡＸ）の値は、ウエハ検査面ＴＳのパターンＴＰｔが検出器７６１ｔの視野から実際に経験的にどれだけずれるかというデータと、被検査領域の数及び面積から適宜定めておくことができる。
そして、ステップ１０２２乃至１０３２の処理をｉＭＡＸ個の被検査領域について順次繰り返し実行する。これらの被検査領域は、図５９に示すように、ｋ回移動した画像位置（Ｘｋ，Ｙｋ）では被検査画像領域ＲＡｋとなるように、ウエハの検査面ＴＳ上で、部分的に重なり合いながら位置がずらされていく。このようにして、図５４に例示した１６個の被検査画像データが画像記憶領域７９２に取得される。取得した複数の被検査領域の画像ＴＡＩ（被検査画像）は、図５４に例示されたように、ウエハ検査面ＴＡ上のパターンＴＰｔの画像Ｉｐｔを部分的若しくは完全に取り込んでいることがわかる。
インクリメントした画像番号ｉがｉＭＡＸを越えた場合（ステップ１０３４肯定判定）、このサブルーチンをリターンして図５５のメインルーチンの比較工程（ステップ１００４）に移行する。
なお、ステップ１０３０でメモリ転送された画像データは、検出器７６１ｔにより検出された各画素毎の二次電子の強度値（いわゆるベタデータ）からなるが、後段の比較工程（図５５のステップ１００４）で基準画像とマッチング演算を行うため、様々な演算処理を施した状態で記憶領域７９２に格納しておくことができる。このような演算処理には、例えば、画像データのサイズ及び／又は濃度を基準画像データのサイズ及び／又は濃度に一致させるための正規化処理や、所定画素数以下の孤立した画素群をノイズとして除去する処理などがある。更には、単純なベタデータではなく、高精細パターンの検出精度を低下させない範囲で検出パターンの特徴を抽出した特徴マトリクスにデータ圧縮変換しておいてもよい。このような特徴マトリクスとして、例えば、Ｍ×Ｎ画素からなる２次元の被検査領域を、ｍ×ｎ（ｍ＜Ｍ，ｎ＜Ｎ）ブロックに分割し、各ブロックに含まれる画素の二次電子強度値の総和（若しくはこの総和値を被検査領域全体の総画素数で割った正規化値）を、各マトリックス成分としてなる、ｍ×ｎ特徴マトリックスなどがある。この場合、基準画像データもこれと同じ表現で記憶しておく。本発明の実施形態でいう画像データとは、単なるベタデータは勿論のこと、このように任意のアルゴリズムで特徴抽出された画像データを包含する。
次に、ステップ１００４の処理の流れを図５７のフローチャートに従って説明する。
先ず、処理制御系７７ｔのＣＰＵは、基準画像記憶部７９３（図５３）から基準画像データをＲＡＭ等のワーキングメモリ上に読み出す（ステップ１０４０）。この基準画像は、図５４では参照番号ＳＩｍで表される。そして、画像番号ｉを１にリセットし（ステップ１０４２）、記憶領域７９２から画像番号ｉの被検査画像データをワーキングメモリ上に読み出す（ステップ１０４４）。
次に、読み出した基準画像データと、画像ｉのデータとをマッチングして、両者間の距離値Ｄｉを算出する（ステップ１０４６）。この距離値Ｄｉは、基準画像と、被検査画像ｉとの間の類似度を表し、距離値が大きいほど基準画像と被検査画像との差異が大きいことを表している。この距離値Ｄｉとして類似度を表す量であれば任意のものを採用することができる。例えば、画像データがＭ×Ｎ画素からなる場合、各画素の二次電子強度（又は特徴量）をＭ×Ｎ次元空間の各位置ベクトル成分とみなし、このＭ×Ｎ次元空間上における基準画像ベクトル及び画像ｉベクトル間のユークリッド距離又は相関係数を演算してもよい。勿論、ユークリッド距離以外の距離、例えばいわゆる市街地距離等を演算することもできる。更には、画素数が大きい場合、演算量が膨大になるので、上記したようにｍ×ｎ特徴ベクトルで表した画像データ同士の距離値を演算してもよい。
次に、算出した距離値Ｄｉが所定の閾値Ｔｈより小さいか否かを判定する（ステップ１０４８）。この閾値Ｔｈは、基準画像と被検査画像との間の十分な一致を判定する際の基準として実験的に求められる。距離値Ｄｉが所定の閾値Ｔｈより小さい場合（ステップ１０４８肯定判定）、当該ウエハＷの当該検査面ＴＳには「欠陥無し」と判定し（ステップ１０５０）、本サブルーチンをリターンする。即ち、被検査画像のうち１つでも基準画像と略一致したものがあれば、「欠陥無し」と判定する。このように全ての被検査画像とのマッチングを行う必要が無いので、、高速判定が可能となる。図５４の例の場合、３行３列目の被検査画像が、基準画像に対して位置ずれが無く略一致していることがわかる。
距離値Ｄ１が所定の閾値Ｔｈ以上の場合（ステップ１０４８否定判定）、画像番号ｉを１だけインクリメントし（ステップ１０５２）、インクリメントした画像番号（ｉ＋１）が一定値ｉＭＡＸを越えているか否かを判定する（ステップ１０５４）。
画像番号ｉが一定値ｉＭＡＸを越えていない場合（ステップ１０５４否定判定）、再びステップ１０５４に戻り、インクリメントした画像番号（ｉ＋１）について画像データを読み出し、同様の処理を繰り返す。
画像番号ｉが一定値ｉＭＡＸを越えた場合（ステップ１０５４肯定判定）、当該ウエハＷの当該検査面ＴＳには「欠陥有り」と判定し（ステップ１０５６）、本サブルーチンをリターンする。即ち、被検査画像の全てが基準画像と略一致していなければ、「欠陥有り」と判定する。
なお、上記実施形態では、検査方法を一つのタイプのマルチビーム型の電子線装置に関連して説明したが、この実施形態の検査方法は、例えば、図４５で例示した走査型の電子線装置に適用することができる。しかしながら、ここでは簡略化のためにそのような電子線装置の例示は省略する。
なお、上記実施形態の説明では、それぞれが単独で特徴的部分を備える電子線装置につき別々に説明してきたが、１台の電子線装置に前記複数の特徴的部分を組み合わせて持たせてもよい。
発明の効果
本発明による基板検査方法、基板検査装置及びその装置に使用する荷電粒子線装置によれば、次のような効果を奏することが可能である。
（１）複数の一次荷電粒子線である電子線を同時に試料に走査して照射させることにより、サブ画像データを得、該サブ画像データをそのＸ−Ｙ座標を考慮して並び替え合成してウエハの検査領域の画像データを得ることができるので、スループットが格段に向上できる。
（２）荷電粒子線である電子銃を空間電荷制限領域で動作させており、これにより、従来の温度制限領域で動作させる場合に比べて、Ｓ／Ｎ比が大幅に向上する。したがって、少ないビーム電流で従来例と同様のＳ／Ｎ比を得ることができる。
（３）複数の一次電子ビームを用いて同時に試料ウエハを走査しても、小さいビーム電流で所定のＳ／Ｎ比を得ることができるので、空間電荷効果によるビームボケを無視できる程度に小さくすることができる。
（４）電子線装置を、スループットは小さいが細かい評価が可能なモードとスループットは大きいが粗い評価となるモードとを迅速に選択して動作させるすることができ、試料の検査、評価を効率よく行うことができる。
（５）単一の絶縁体を削って静電レンズをつくるので、高精度のレンズを小径にすることができるので、電子線装置を小型化でき、大径のウエハに対しては複数の鏡筒を同時に配置して検査、評価を高いスループットで行える。
（６）試料の表面に形成された回路パターンを、０、１情報ではなく矩形パターン情報として得るようにしたので、該画像パターンを蓄積するメモリの容量、データ転送速度及びデータ比較速度を大幅に向上させることが可能である（この効果は、コンタクトホール層やゲート層のようなパターン密度の低いレイヤにおいて特に顕著である）。
（７）二次電子像を少なくとも一段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の調整とは別個に、二次光学系の合焦条件や拡大率を調整することができ、したがって、これらの設計値からのズレを補正することができ、また、欠陥を分類して致命的欠陥を正確、迅速に検出することができる。
（８）半導体デバイスの製造において、欠陥が発生し易い領域のみを集中的に検査可能なので検査時間を短くして、しかも、検出が必要とされる欠陥を実質的に全部検出できる。
（９）レーザー干渉型測距装置で用いられるレーザー反射鏡に剛性の高いＳｉＣセラミックスの基体を用いたので、基体を厚くする必要無しに鏡面の歪みや反りを無くして平面の精度を上げることができ、位置測定の誤検出を防止すると共に、ステージの軽量化及びステージ移動の際のスペースの確保が図れる。
また、本発明のレーザー反射鏡は、ＳｉＣセラミックスの基体に更にＳｉＣで膜形成した後、鏡面研磨を行うことにより形成されるので、経年変化で膜がはがれるおそれが無くなるという優れた効果が得られる。更に、ＳｉＣの膜形成において、基体の面に対し斜めとなる種々の方向からＳｉＣを堆積させるようにすれば、ボイドによる鏡面の凹みが適切に解消され、鏡面の平面度を高精度に保つことが可能となる。
また、一次光学系と二次光学系との共通部分を必要最小限としたので、上記効果に加えて、一次光学系と二次光学系とをほぼ独立に調整することができ、この場合、二次光学系の試料面換算での分解能より一次電子マルチビームの間隔を大きくすることによって、ビーム間のクロストークを生じなくさせることができる。
（１０）一つの電子光学鏡筒に、一体のセラミックスを加工して、その表面に選択的に金属コーティングを行うことにより外径を小寸法に加工された軸対称レンズを少なくとも１段備えるようにしたので、上記効果に加え、一枚の試料上に複数の電子光学鏡筒を並設可能になり、試料の検査、評価のスループットを向上させることができる、という優れた効果が得られる。
（１１）更に本発明のデバイス製造方法によれば、上記電子線装置を用いて加工中又は完成品のウェーハを高スループットで高精度に評価することができるので、製品の歩留向上及び欠陥製品の出荷防止が可能となる、という優れた効果が得られる。
（１２）最小線幅が０．１ミクロン以下の領域であっても、キラー欠陥と非キラー欠陥との識別を自動的に行うことができるので、信頼性の高い欠陥検査を実施することが可能になる。
（１３）欠陥検査期間中にキラー欠陥と非キラー欠陥との新たなパターンが見出される度に、それらのパターンをデータベースに追加することができるので、ユーザーフレンドリな装置を提供することが可能になる。
（１４）隣接する二次電子線から取得された画像データを用いて不一致部や欠陥を検出することができるので、画像データを蓄積するためのメモリ容量を小さくすることが可能である、
（１５）対物レンズとして用いる静電レンズの少なくとも外側を線膨張率が低いセラミックス材料で形成し、該材料にレーザ固定鏡を取り付けるか又はセラミックス材料に鏡面加工を施してレーザ固定鏡を形成しているので、温度安定性が低い環境であっても、また、光学系と試料室との間に相対的振動が生じても、試料の正確な評価を行うことができる。
（１６）１台の装置により、欠陥検出、欠陥レビュー、パターン線幅測定、パターン電位測定等多目的の検査、測定及び評価を行うことができるので、検査装置によりクリーンルーム内に多くの床面積を占めることがなく、それ故、デバイス製造装置を多く配置することができ、クリーンルームの有効利用を図ることができる。
また、鏡筒を複数配置し、各鏡筒に試料表面を照射するマルチビーム及び対応する複数の検出素子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）を高めることがきる。
（１７）電子線装置及び検査装置を小型化することができるとともに、電子線装置のスループットをウエハの加工装置のスループットと整合させることができ、これにより、欠陥を有するウエハが検出された時点で、リアルタイムで加工装置の動作をチェックすることができるので、欠陥を有するウエハを不要に製造しつづける恐れが低減する。
（１８）ステージ装置が真空内で高精度な位置決め性能を発揮することができ、更に、荷電ビーム照射位置の圧力が上昇しにくくでき、それによって、試料に対する荷電ビームによる処理を高精度に行うことができる。
（１９）静圧軸受け支持部から放出されたガスが仕切りを通過して荷電ビーム照射領域側に通過することがほとんどできない。これによって荷電ビーム照射位置の真空度を更に安定させることができる。
（２０）ステージの位置決め性能が高精度で、かつ荷電ビームの照射領域の真空度が安定した検査装置を実現することができるので、検査性能が高く、試料を汚染する恐れのない検査装置を提供することができる。
（２１）ステージの位置決め性能が高精度で、かつ荷電ビーム照射領域の真空度が安定した露光装置を実現することができるので、露光精度が高く、試料を汚染する恐れのない露光装置を提供することができる。
（２２）大気中で一般に用いられる静圧軸受け式のステージと同様の構造を持ったステージ（差動排気機構を持たない静圧軸受け支持のステージ）を使用して、ステージ上の試料に対して荷電ビームによる処理を安定に行うことができる。
（２３）荷電粒子線照射領域の真空度に対する影響を最小限に抑えることが可能になり、荷電ビームによる試料への処理を安定化させることができる。
（２４）ステージの位置決め性能が高精度で、かつ荷電ビーム照射領域の真空度が安定した露光装置を安価に提供することができる。
（２５）試料上で部分的に重なり合いながら互いから変位された複数の被検査領域の画像を各々取得し、これらの被検査領域の画像と基準画像とを比較することによって、試料の欠陥を検査するようにしたので、被検査画像と基準画像との位置ずれによる欠陥検査精度の低下を防止できる、という優れた効果が得られる。
（２６）上記荷電粒子線装置を用いて加工中又は完成品のウェーハを評価するようにしたので、高精度な評価が可能となり、デバイス製造の歩留まりを向上させると共に、欠陥製品の出荷を未然に防止することができる。という優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明による検査装置の主要構成要素を示す立面図であって、図２の線Ａ−Ａに沿って見た図である。
図２は、図１に示す検査装置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、カセットホルダの変形例を示す断面図である。
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、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、［Ｂ］は［Ａ］の線Ｅ−Ｅに沿って見た断面図である。
図７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の検査装置の電子光学装置の概略構成を示す模式図である。
図９は、図８の電子光学装置の一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を示す図である。
図１０は、図８の電子光学装置の電子銃を駆動する領域を説明する図である。
図１１は、Ｅ×Ｂ分離器の説明図である。
図１２は、ウエハへの一次電子線の走査照射方法を説明する図である。
図１３は、図８に示した画像データ処理部の構成を示すブロック図である。
図１４は、図１３に示した画像データ並替手段の動作を説明するための説明図である。
図１５は、電位印加機構を示す図である。
図１６は、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１７は、ウエハのアライメント制御装置の概略説明図である。
図１８は、検査フローのブロック線図である。
図１９は、本発明による半導体デバイスの製造方法の一実施例を示すフローチャートである。
図２０は、図１９のウエハプロセッシング工程の中核をなすリソグラフィー工程を示すフローチャートである。
図２１は、電子線装置の鏡筒の配列状態を示す図である。
図２２は、検査方法の変形例における評価領域の説明図である。
図２３は、図２２における円Ｃｒで囲まれた部分の拡大図である。
図２４［Ａ］は、パターン線幅検査の説明図で、図２４［Ｂ］は、パターンの電位コントラスト測定の説明図である。
図２５は、本発明の基板検査装置に使用されるステージ装置の他の実施形態を示す図であって、［Ａ］が正面図で［Ｂ］が側面図である。
図２６は、図２５に示される静圧軸受け部分の詳細を示す斜視図である。
図２７は、本発明の基板検査装置に使用されるステージ装置の他の実施形態及び鏡筒先端の排気装置の実施形態を示す図である。
図２８は、本発明の基板検査装置に使用されるステージ装置及び鏡筒先端の排気装置の他の実施形態を示す図である。
図２９は、本発明の基板検査装置に使用されるステージ装置及び鏡筒先端の排気装置の更に別の実施形態を示す図である。
図３０は、本発明の基板検査装置に使用されるステージ装置及び鏡筒先端の排気装置の更に別の実施形態を示す図である。
図３１は、本発明の基板検査装置に使用される別の実施形態の真空チャンバ及びＸＹステージを示す図である。
図３２は、図３１に示された装置に設けられた作動排気機構の一例を示す図である。
図３３は、図３１に示された装置のガスの循環配管系を示す図である。
図３４は、本発明に係る電子線装置の他の実施形態を概略的に示す図である。
図３５は、電位コントラスト測定時の電位分布を示す概略図である。
図３６は、高時間分解能の電位測定時におけるブランキング偏向器に印可されるパルス電位と試料に入射するビーム電流との関係を示す図である。
図３７は、本発明における検査手順を説明するためのフロー図である。
図３８は、本発明に係る電子線装置の更に別の実施形態の概略構成図である。
図３９は、本発明に係るウェーハ検査方法を説明する図であって、パターン欠陥検出を示す図である。
図４０は、本発明に係る電子線装置の更に別の実施形態の模式図である。
図４１は、図４０の電子線装置の特徴を適用した走査型電子線装置の実施形態の模式図である。
図４２は、図４２電子線装置の光学系の配列状態を説明する図である。
図４３は、本発明に係る電子線装置の更に別の実施形態を概略的に示す図である。
図４４は、図４３に示した電子線装置に具備される対物レンズを構成する静電レンズの構成を示す説明図である。
図４５は、図４３に示した装置の特徴を適用した走査型電子線装置の実施形態を概略的に示す図である。
図４６は、図４４に示されたレーザー反射鏡の好ましい製造プロセスを示す図である。
図４７は、本発明に係る電子線装置の更に別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更に別の実施形態を示す概略図である。
図４９は、図４８の電子線装置を使用して行う検査のキラー欠陥と非キラー欠陥との識別を説明するための図である。
図５０は、本発明に係る電子線装置の更に別の実施形態を示す概略図である。
図５１は、図５０に示した電子線装置に具備される複数の開口を有する開口板を示す説明図である。
図５２は、本発明に係る電子線装置を内蔵した光学系を複数個配列した例を示す説明図である。
図５３は、本発明に係る電子線装置を利用した欠陥検査装置の別の実施形態を示す概略構成図である。
図５４は、図５３の欠陥検査装置で取得される複数の被検査画像及び基準画像の例を示す図である。
図５５は、図５３の欠陥検査装置におけるウェーハ検査のメインルーチンの流れを示すフローチャートである。
図５６は、図５５における複数の被検査画像データ取得工程のサブルーチンの詳細な流れを示すフローチャートである。
図５７は、図５５における比較工程のサブルーチンの詳細な流れを示すフローチャートである。
図５８は、半導体ウェーハの表面上で部分的に重なり合いながら互いから位置がずらされた複数の被検査領域を概念的に示す図である。

Claims (65)

  1. 基板検査方法において、
    （１）荷電粒子線発生手段から一次荷電粒子線を放出させるステップと、
    （２）前記発生された一次荷電粒子線を一次光学系を介して基板に照射するステップと、
    （３）前記一次荷電粒子線の照射により前記基板から放出された二次荷電粒子線を二次光学系に投入するステップと、
    （４）前記二次光学系に投入された前記二次荷電粒子線を検出して電気信号に変換するステップと、
    （５）前記電気信号を処理して基板を評価するステップと、
    を備えた基板検査方法。
  2. 請求の範囲１に記載の基板検査方法において、前記荷電粒子線発生手段を空間電荷制限領域で動作させ、前記荷電粒子線発生手段から放出される一次荷電粒子線を前記一次光学系の複数の開口を有するマルチ開口板に照射させ、前記複数の開口を通過した複数の荷電粒子線を基板面上に結像させる基板検査方法。
  3. 請求の範囲１に記載の基板検査方法において、前記荷電粒子線発生手段を空間電荷制限領域で動作させ、前記荷電粒子線発生手段は、前記一次光学系のマルチ開口板の複数の開口に対応した円周上の複数の電子放出領域から前記一次荷電粒子線を放出する基板検査方法。
  4. 請求の範囲１ないし３のいずれかに記載の基板検査方法において、
    （６）前記検出系が前記基板の複数の領域から放出された二次荷電粒子線を検出して複数のサブ画像データを得るステップと、
    （７）検出された複数のサブ画像データを並び替えて、基板の検査領域の画像データを生成するステップと、
    を更に備える基板検査方法。
  5. 請求の範囲４に記載の基板検査方法において、更に、
    （８）評価された基板に関する基準画像データを予め記憶するステップと、
    （９）前記記憶された基準画像データと画像生成手段によって生成された画像データとを対比することにより、基板を評価するステップと、
    を備えている基板検査方法。
  6. 請求の範囲４又は５に記載の基板検査方法において、
    前記基板がＹ軸方向に連続移動するよう制御し、
    複数の一次荷電粒子線の基板上の照射スポットをＸ軸方向にほぼ等間隔に形成し、かつ、走査領域がＸ軸方向に一部重複するように、それぞれの荷電粒子線を同時にＸ軸方向に走査し、
    サブ画像データを比較する際、それぞれの荷電粒子線のＸ座標及びＹ座標を考慮して、基板の表面の検査を行う基板検査方法。
  7. 請求の範囲１ないし６のいずれかに記載の基板検査方法において、
    更に、前記基板を走査して照射する画素サイズに応じた前記一次光学系及び前記二次光学系のレンズ条件又は軸合わせ条件を保持する基板検査方法。
  8. 請求の範囲１ないし７のいずれかに記載の基板検査方法において、更に、
    前記電気信号をパターン情報へ変換することと、
    前記パターン情報と基準パターンとを比較することと、
    を備えてなり、
    複数の荷電粒子線のそれぞれの荷電粒子線間の距離の最小値を、前記二次光学系の分解能を前記基板の表面上での値に換算した値よりも大きくした基板検査方法。
  9. 請求の範囲１ないし７のいずれかに記載の基板検査方法において、更に、
    前記検出部から受け取った前記電気信号を２値化情報へ変換することと、
    前記２値化情報から矩形パターン情報へ変換することと、
    前記矩形パターン情報と基準パターンとを比較することと、
    を備えている基板検査方法。
  10. 請求の範囲１に記載の基板検査方法において、基板の画像を生成し、その画像より基板上に形成されたパターンを評価するに、前記基板の画像に対応した参照用画像を格納し、その格納された参照用画像を読出し、その読出された参照用画像と前記基板の画像とを比較して、その両画像の差異部を検出し、そしてその差異部を少なくとも短絡、断線、凸、欠け、ピンホール及び孤立の欠陥に分類するようにし、
    前記基板の画像を生成するに、一次光学系で細く絞った複数のビームを基板上で走査し、基板からの二次荷電粒子線を対物レンズで集束し、さらにこれをＥＸＢ分離器で一次光学系から分離し、二次光学系で上記基板からの二次荷電粒子線の軌道と光軸との角度を一段のレンズによって拡大して検出用マルチ開口に集束させて、複数の検出器で検出する基板検査方法。
  11. 請求の範囲１ないし１０のいずれかに記載の基板検査方法において、
    前記基板のパターン形成面の中で欠陥の発生が多いと予想される領域や評価値のバラツキが多いと予想される領域を選択して、当該領域に荷電粒子線を照射して重点的に評価を行うようにした基板検査方法。
  12. 請求の範囲１１に記載の基板検査方法において、前記パターン形成面を複数の領域に分割して、領域毎にパターンを形成することにより全体のパターンを形成するようにしたパターン形成面の評価において、前記分割した領域のつなぎの領域を選択して前記評価を行うようにした基板検査方法。
  13. 請求の範囲１１に記載の基板検査方法において、
    パターン形成面を複数の隣接するストライプに分割し、各ストライプ毎にパターンをリソグラフィにより形成されているパターン形成面の評価において、ストライプのつなぎ領域、リソグラフィにおけるパターン投影の主視野のつなぎ領域、あるいは、副視野のつなぎ領域を選択して前記評価を行うようにした基板検査方法。
  14. 請求の範囲１ないし１０のいずれかに記載の基板検査方法において、
    前記基板のパターン形成面に荷電粒子線を照射して、前記二次荷電粒子線に基づき当該パターンの評価を行い、パターン形成面の中で欠陥の発生が多いと予想される領域や評価値のバラツキが多いと予想される領域を選択して、当該検査を行う装置の視野の中央部分を、選択した領域に一致させるようにした基板検査方法。
  15. 請求の範囲１ないし３に記載の基板検査方法において、
    前記電気信号を処理して生成された画像データから、異常パターンを検出することと、
    前記の検出された異常パターンがキラー欠陥であるか否かを、所定の基準パターンとの関係に基づいて判定することと、
    を備える基板検査方法。
  16. 請求の範囲１５に記載の基板検査方法において、前記画像処理部が、前記複数の二次荷電粒子線に対応する複数の画像データを同時に又は並列に処理する基板検査方法。
  17. 請求の範囲１ないし１６のいずれかに記載の基板検査方法において、
    基板表面の欠陥検出、基板表面の欠陥レビュー、パターン線幅測定、及びパターン電位測定の内少なくとも２つの機能を行う基板検査方法。
  18. 請求の範囲１７に記載の基板検査方法において、
    前記基板表面の欠陥検出は画像信号により得られる画像をパターンデータと比較するか又はダイ同士を比較することにより行われ、基板表面の欠陥レビューは基板表面上における一次荷電粒子線の走査と同期させたモニター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、パターン線幅測定は基板表面上における一次荷電粒子線の走査をパターンの短辺方向に行うときの二次荷電粒子線のラインプロファイル像により行われ、パターン電位測定は基板表面に最も近い電極に負の電位を与え基板表面の高い電位を持つパターンから放出される二次荷電粒子線を選択的に基板側へ追い戻すことにより行われる基板検査方法。
  19. 請求の範囲１ないし１８のいずれかに記載の基板検査方法において、
    更に、基板１枚当たりの加工状態を、加工装置による基板１枚当たりの加工時間以内に評価するように、評価条件を設定することを備える基板検査方法。
  20. 請求の範囲１ないし１８のいずれかに記載の基板検査方法において、
    更に、１ロット当たりの加工状態を、加工装置による１ロット当たりの加工時間以内に評価するように、評価条件を設定することを備える基板検査方法。
  21. 請求の範囲１９又は２０に記載の基板検査方法において、基板表面の指定された領域のみの加工状態を評価するよう、基板の評価面積を設定することを備える基板検査方法。
  22. 請求の範囲１ないし３のいずれかに記載の基板検査方法において、
    前記基板上で部分的に重なり合いながら互いから変位された複数の被検査領域の画像を各々取得することと、
    基準画像を記憶すること、
    前記取得された複数の被検査領域の画像と、前記記憶された前記基準画像とを比較することによって前記基板の欠陥を判断することと、
    を含む基板検査方法。
  23. 請求の範囲１ないし２２に記載の基板検査方法において、更に、
    前記基板への一次荷電粒子線の照射を所望の雰囲気に制御されたワーキングチャンバ内で行うことと、
    前記ワーキングチャンバ内への及びそこからの前記基板の搬送を真空チャンバ内を通して行うことと、
    前記ワーキングチャンバ内で前記基板に電位を印加することと、
    前記基板の表面を観察して前記一次荷電粒子線の照射位置に対して前記基板をアライメントすることと、
    を備える基板検査方法。
  24. 基板に一次荷電粒子線を照射して二次荷電粒子線を放出させ、前記二次荷電粒子線を検出して基板を評価する電子線装置において、
    荷電粒子線を発生する荷電粒子線発生手段と、
    前記一次荷電粒子線を複数本走査させて前記基板に照射する一次光学系と、
    前記荷電粒子線の照射により前記基板から放出された二次荷電粒子線が投入される二次光学系と、
    前記二次光学系に投入された二次荷電粒子線を検出して電気信号に変換する検出器を有する検出系と、
    前記電気信号に基づいて基板の評価を行う処理制御系と、
    を備えた電子線装置。
  25. 基板に一次荷電粒子線を照射して二次荷電粒子線を放出させ、前記二次荷電粒子線線を検出して基板を評価する電子線装置において、
    荷電粒子線を発生する荷電粒子線発生手段と、
    前記単一の一次荷電粒子線を走査させて前記基板に照射する一次光学系と、
    前記荷電粒子線の照射により前記基板から放出された二次荷電粒子線が投入される二次光学系と、
    前記二次光学系に投入された二次荷電粒子線を検出して電気信号に変換する検出器を有する検出系と、
    前記電気信号に基づいて基板の評価を行う処理制御系と、
    を備えた電子線装置。
  26. 請求の範囲２４に記載の電子線装置において、前記荷電粒子線発生手段が空間電荷制限領域で動作するよう設定され、前記荷電粒子線発生手段のカソードは単結晶ＬａＢ６で構成され、荷電粒子線発生手段から放出される荷電粒子線で複数の開口を有する前記一次光学系のマルチ開口板を照射し、前記複数の開口を通過した複数の荷電粒子線を前記基板面上に結像させる電子線装置。
  27. 請求の範囲２４に記載の電子線装置において、前記荷電粒子線発生手段が空間電荷制限領域で動作するよう設定され、前記一次光学系は円周上に配置された複数の開口を有するマルチ開口板を備え、ＬａＢ６からなる荷電粒子線発生手段のカソードは、電子放出領域が前記マルチ開口板の複数の開口に対応して複数個円周上に配置されている電子線装置。
  28. 請求の範囲２４、２６又は２７に記載の電子線装置において、前記検出系が前記基板の複数の領域から放出された二次荷電粒子線を検出して複数のサブ画像データを得ることができ、
    前記電子線装置が、更に、検出された複数のサブ画像データを並び替えて、基板の検査領域の画像データを生成する画像生成手段を備える電子線装置。
  29. 請求の範囲２８に記載の電子線装置において、前記電子線装置が、更に、評価された基板に関する基準画像データを予め記憶する記憶手段と、
    前記憶手段に記憶された基準画像データと画像生成手段によって生成された画像データとを対比することにより、基板を評価する評価手段と、
    を備えている電子線装置。
  30. 請求の範囲２８又は２９に記載の電子線装置において、
    前記基板がＹ軸方向に連続移動するよう制御され、
    前記一次光学系は、複数の荷電粒子線を基板上の照射スポットがＸ軸方向にほぼ等間隔に形成され、かつ、走査領域がＸ軸方向に一部重複するように、それぞれの荷電粒子線を同時にＸ軸方向に走査するよう構成されており、
    画像生成手段は、サブ画像データを並び替える際、それぞれの荷電粒子線のＸ座標及びＹ座標を考慮して、基板の表面の画像データを作成するよう構成されている電子線装置。
  31. 請求の範囲２４、２６ないし３０のいずれかに記載の電子線装置において、更に、前記一次荷電粒子線を前記基板に走査して照射する画素サイズに応じた前記一次光学系及び前記二次光学系のレンズ条件又は軸合わせ条件を保持する記憶部を有する電子線装置。
  32. 請求の範囲２５に記載の電子線装置において、更に、前記一次荷電粒子線を前記基板に走査して照射する画素サイズに応じた前記一次光学系及び前記二次光学系のレンズ条件又は軸合わせ条件を保持する記憶部を有する電子線装置。
  33. 請求の範囲２５又は３２に記載の電子線装置において、
    前記電子光学系は絶縁物から加工し表面に金属コーティングを施した電極から成る軸対称レンズを少なくとも１段有し、
    前記電子線装置が、前記荷電粒子線発生手段、一次光学系、二次光学系及び検出系の組合せが複数個あってそれぞれが鏡筒を備え、前記基板を走査する画素サイズに応じた前記一次光学系、二次光学系のレンズ条件又は軸合わせ条件を保持する記憶部を有する電子線装置。
  34. 請求の範囲２４、２６ないし３１のいずれかに記載の電子線装置において、
    前記処理制御系が二次荷電粒子線処理部を備え、前記二次荷電粒子線処理部が、
    前記電気信号をパターン情報へ変換する手段と、
    前記パターン情報と基準パターンとを比較する手段と、
    を備えてなり、
    前記複数の荷電粒子線のそれぞれの粒子線間の距離の最小値を、前記二次光学系の分解能を前記基板の表面上での値に換算した値よりも大きくした電子線装置。
  35. 請求の範囲２４ないし３３のいずれかに記載の電子線装置において、
    前記処理制御系が前記画像処理部を備え、前記画像処理部が、
    前記検出部から受け取った前記電気信号を２値化情報へ変換する手段と、
    前記２値化情報から矩形パターン情報へ変換する手段と、
    前記矩形パターン情報と基準パターンとを比較する手段と、
    を備えている電子線装置。
  36. 請求の範囲３４又は３５に記載の電子線装置において、
    前記一次光学系及び二次光学系が鏡筒内に収納され、前記一次光学系は、前記鏡筒内において絶縁材料の表面に金属コーティングにより電極を形成した軸対称のレンズを少なくとも１個備えている電子線装置。
  37. 請求の範囲２４に記載の電子線装置において、基板の画像を生成し、その画像より基板上に形成されたパターンを評価するに、前記基板の画像に対応した参照用画像を格納し、その格納された参照用画像を読出し、その読出された参照用画像と前記基板の画像とを比較して、その両画像の差異部を検出し、そしてその差異部を少なくとも短絡、断線、凸、欠け、ピンホール及び孤立の欠陥に分類するよう構成され、上記基板の画像を生成するに、一次光学系で細く絞った複数のビームを基板上で走査し、基板からの二次荷電粒子線を対物レンズで集束し、さらにこれをＥＸＢ分離器で一次光学系から分離し、二次光学系で上記基板からの二次荷電粒子線像を少なくとも一段のレンズによって、二次電子軌道と光軸との角度を拡大して検出用マルチ開口に集束させて、複数の検出器で検出する電子線装置。
  38. 請求の範囲３７に記載の電子線装置において、更に、
    （１）前記基板をプリアライメントする機能、（２）その基板の検査遂行のためのレシピを予め登録する機能、（３）前記基板上に形成された基板番号を読取る機能、（４）その読込んだ基板番号から該基板に対応するレシピを読出す機能、（５）その読出したレシピに基づく検査を遂行する機能、（６）前記基板の検査点マップを予め登録する機能、（７）その登録された検査点マップを読出し、表示する機能、（８）その検査点マップ上での指定あるいは前記レシピの指示に基づいて前記基板を移動してその指定または指示された検査点を所望位置に位置づける機能、（９）その指定または指示された検査点の参照用画像を予め登録するための機能、（１０）その指定または指示された検査点の参照画像を形成し、その指定または指示された検査点の位置決め用画像とその検査点の位置決め用参照画像とを照合することにより前記検査点の位置決めを行う機能、（１１）その位置決めされた検査点の検査用画像を形成する機能、（１２）前記位置決めされた検査点の検査用参照用画像を格納する機能、（１３）前記検査用画像と前記検査用参照画像を表示する機能、（１４）その両画像を比較して、差異部を検出する機能、（１５）その両画像間の差異部を少なくとも短絡、断線、凸、欠け、ピンホールおよび孤立の欠陥に分類する機能、（１６）前記少なくとも凸、欠け、ピンホールおよび孤立の欠陥についてサイズ分類する機能、（１７）前記基板の差異部にプローブを照射し物理分析する機能、（１８）前記指定または指示された検査点の差異部の分類結果を前記検査点マップに上書きする機能、（１９）前記基板が基板である場合は、チップ単位、基板単位および指定基板単位での全欠陥、類型別欠陥およびサイズ別欠陥の密度を計算する機能、（２０）前記欠陥類型別の欠陥サイズ−致命率表を予め登録する機能、（２１）前記欠陥類型別の欠陥サイズ−致命率表を用いて、チップ単位、基板単位および指定基板単位での歩留まりを計算する機能、（２２）前記指定された検査点の差異部検出結果、差異部の分類結果および各欠陥密度および歩留まり計算結果を登録する機能、（２３）その登録された各検査結果、計算結果を出力するための機能を備える電子線装置。
  39. 請求の範囲２４、２６又は２７に記載の電子線装置において、
    前記一次光学系が、前記一次荷電粒子線を複数に成形する形成手段及びＥ×Ｂ分離器を備え、
    前記一次光学系用の開口角を決めるアパーチャが、前記形成手段と前記Ｅ×Ｂ分離器との間に設けられている電子線装置。
  40. 請求の範囲２４、２６又は２７に記載の電子線装置において、
    前記一次光学系は、前記荷電粒子線発生手段から放出された一次荷電粒子線を集束してクロスオーバー像を形成するコンデンサレンズ及び前記一次荷電粒子線を複数に形成する形成手段を更に備え、前記形成手段は、該コンデンサレンズ及び該クロスオーバー像の間に配置され、前記一次光学系用の開口角は、前記クロスオーバー像の拡大率を変更することによって調整又は設計値に調整される電子線装置。
  41. 請求の範囲２４、２６又は２７に記載の電子線装置において、
    前記一次光学系は、前記荷電粒子線発生手段から放出された一次荷電粒子線を集束して第１のクロスオーバー像を形成するコンデンサレンズ及び前記一次荷電粒子線を複数に形成する形成手段を更に備え、前記形成手段は、該コンデンサレンズ及び該第１のクロスオーバー像の間に配置され、
    前記二次光学系は、前記複数の二次荷電粒子線を集束して第２のクロスオーバー像を形成するコンデンサレンズを更に備えた電子線装置。
  42. 請求の範囲２４ないし４１のいずれかに記載の電子線装置において、
    前記基板のパターン形成面の中で欠陥の発生が多いと予想される領域や評価値のバラツキが多いと予想される領域を選択して、当該領域に荷電粒子線を照射して重点的に評価を行うようにした電子線装置。
  43. 請求の範囲４２に記載の電子線装置において、前記パターン形成面を複数の領域に分割して、領域毎にパターンを形成することにより全体のパターンを形成するようにしたパターン形成面の評価において、上記分割した領域のつなぎの領域を選択して上記評価を行うようにした電子線装置。
  44. 請求の範囲４２に記載の電子線装置において、
    パターン形成面を複数の隣接するストライプに分割し、各ストライプ毎にパターンをリソグラフィにより形成されているパターン形成面の評価において、ストライプのつなぎ領域、リソグラフィにおけるパターン投影の主視野のつなぎ領域、あるいは、副視野のつなぎ領域を選択して上記評価を行うようにした電子線装置。
  45. 請求の範囲２４ないし４４のいずれかに記載の電子線装置において、
    前記基板のパターン形成面に荷電粒子線を照射して、前記二次荷電粒子線に基づき当該パターンの評価を行い、パターン形成面の中で欠陥の発生が多いと予想される領域や評価値のバラツキが多いと予想される領域を選択して、当該電子線装置の視野の中央部分を、選択した領域に一致させるようにした電子線装置。
  46. 請求の範囲２４ないし４４のいずれかにに記載の電子線装置において、
    前記処理制御装置が、二次荷電粒子線信号処理部と、
    前記二次荷電粒子線信号処理部で生成された前記画像データから、異常パターンを検出する検出手段と、
    前記の検出された異常パターンがキラー欠陥であるか否かを、所定の基準パターンとの関係に基づいて判定する判定機能と、
    を備える電子線装置。
  47. 請求の範囲２４ないし４６のいずれかに記載の電子線装置において、
    基板表面の欠陥検出、基板表面の欠陥レビュー、パターン線幅測定、及びパターン電位測定の内少なくとも２つの機能を有する電子線装置。
  48. 請求の範囲４７に記載の電子線装置において、
    前記基板表面の欠陥検出は画像信号により得られる画像をパターンデータと比較するか又はダイ同士を比較することにより行われ、基板表面の欠陥レビューは基板表面上における一次荷電粒子線の走査と同期させたモニター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、パターン線幅測定は基板表面上における一次荷電粒子線の走査をパターンの短辺方向に行うときの二次荷電粒子線のラインプロファイル像により行われ、パターン電位測定は基板表面に最も近い電極に負の電位を与え基板表面の高い電位を持つパターンから放出される二次荷電粒子線を選択的に基板側へ追い戻すことにより行われる電子線装置。
  49. 請求の範囲２４ないし４８のいずれかに記載の電子線装置において、
    更に、基板１枚当たりの加工状態を、加工装置による基板１枚当たりの加工時間以内に評価するように、評価条件を設定する評価条件設定手段を備えている電子線装置。
  50. 請求の範囲２４ないし４８のいずれかに記載の電子線装置において、
    更に、１ロット当たりの加工状態を、加工装置による１ロット当たりの加工時間以内に評価するように、評価条件を設定する評価条件設定手段を備えている電子線装置。
  51. 請求の範囲４９又は５０に記載の電子線装置において、前記評価条件設定手段は、基板表面の指定された領域のみの加工状態を評価するよう、基板の評価面積を設定する手段を備えている電子線装置。
  52. 請求の範囲２４ないし５１のいずれかに記載の電子線装置において、
    前記処理制御装置が、
    前記基板上で部分的に重なり合いながら互いから変位された複数の被検査領域の画像を各々取得する画像取得手段と、
    基準画像を記憶する記憶手段と、
    前記画像取得手段により取得された複数の被検査領域の画像と、前記記憶手段に記憶された前記基準画像とを比較することによって前記基板の欠陥を判断する欠陥判断手段と、
    を含む電子線装置。
  53. 請求の範囲２４ないし５２のいずれかに記載の電子線装置であって、１枚の被検査基板上に、前記荷電粒子線発生手段、一次光学系、二次光学系、検出器を含む光学系を複数個配置することを特徴とする電子線装置。
  54. 請求の範囲２４ないし５３のいずれかに記載の電子線装置において、
    前記一次光学系が対物レンズを備え、
    前記対物レンズを構成する静電レンズは、その内側部が、外側のセラミックス材料と一体的に構成された線膨張率が低いセラミックス材料で形成されており、
    前記内側部のセラミックス材料の表面に金属コーティングにより複数の電極が形成され、
    前記複数の電極はそれぞれ、軸対称に形成されている電子線装置。
  55. 請求の範囲２４ないし５３のいずれかに記載の電子線装置において、
    前記一次光学系が対物レンズを備え、
    前記対物レンズを構成する静電レンズは、その内側部が、切削加工が可能なセラミックス材料で形成されて、外側部のセラミックス材料と接着固定されており、
    前記内側部のセラミックス材料の表面に金属コーティングにより複数の電極が形成され、
    該複数の電極はそれぞれ、軸対称に形成されている電子線装置。
  56. 荷電粒子線を基板に照射して基板に形成されたパターンを検査する基板検査装置において、
    荷電粒子線を発生する荷電粒子線発生手段、前記荷電粒子線を前記基板に照射する一次光学系、前記荷電粒子線の照射により前記基板から放出される二次荷電粒子線が投入される二次光学系、前記二次光学系に投入された二次荷電粒子線を検出して電気信号として出力する検出系及び前記電気信号を処理、評価する処理制御系を含む電子線装置と、
    基板を保持して前記基板を前記電子線装置に関して相対的に移動させるステージ装置と、
    少なくとも前記ステージ装置の上部領域を外部から遮断し、所望の雰囲気に制御可能なワーキングチャンバと、
    前記ステージ上への基板の搬入及び前記ステージからの基板の取り出しを行う基板搬送機構と、
    を備える基板検査装置。
  57. 請求の範囲５６に記載の基板検査装置において、
    更に、前記ステージ装置の位置を検出するレーザー測距装置を備え、
    前記一次光学系が対物レンズを備え、前記対物レンズは、少なくともその外側部が線膨張率が低いセラミックス材料で形成された、軸対称の静電レンズで構成され、
    前記静電レンズの外側部にレーザー測距装置の固定鏡が取り付けられている基板検査装置。
  58. 請求の範囲５６又は５７に記載の基板検査装置において、
    少なくとも前記ステージ装置に取り付けられ、或いは、前記ステージ装置の部材の一部を研磨してなるレーザー反射鏡を有し、前記レーザー反射鏡にレーザーを反射させることによって該ステージの位置を測定するレーザー測距手段を含み、
    前記レーザー反射鏡は、ＳｉＣセラミックスの基体で形成されている基板検査装置。
  59. 請求の範囲５６又は５７に記載の基板検査装置において、
    前記荷電粒子線発生手段、前記一次光学系、前記二次光学系及び前記検出系を含む鏡筒が、複数、並設して配置され、
    少なくとも前記ステージ装置に取り付けられ、或いは、前記ステージ装置の部材の一部を研磨してなるレーザー反射鏡を有し、前記レーザー反射鏡にレーザーを反射させることによって該ステージの位置を測定するレーザー測距手段を備え、
    前記レーザー反射鏡は、ＳｉＣセラミックスの基体で形成され、
    前記複数の鏡筒の各々は、セラミックスを加工して、その表面に選択的に金属コーティングを行うことにより外径を小寸法に加工された軸対称レンズを少なくとも１段備える基板検査装置。
  60. 請求の範囲５６ないし５９のいずれかに記載の基板検査装置において、
    前記ステージ装置には、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設け、
    前記基板面上の一次荷電粒子線が照射される箇所と、前記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、
    荷電粒子線の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基板検査装置。
  61. 請求の範囲５６ないし５９のいずれかに記載の基板検査装置において、
    前記ステージ装置のテーブル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、
    前記ステージが収容されたハウジングは真空排気され、
    前記電子線装置の前記基板面上に一次荷電荷電粒子線を照射する部分の周囲には、基板面上の前記一次荷電粒子線が照射される領域を排気する差動排気機構が設けられたことを特徴とする基板検査装置。
  62. 請求の範囲５６ないし６１のいずれかに記載の基板検査装置において、更に、
    床から前記真空チャンバへの振動を遮断する振動遮断装置を備えていることを特徴とした基板検査装置。
  63. 請求の範囲５６ないし６２のいずれかに記載の基板検査装置において、更に、
    前記ワーキングチャンバ内に配置された、前記検査対象に電位を印加する電位印加機構と、
    前記電子光学系に対する前記検査対象の位置決めのために前記検査対象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、
    を備えている基板検査装置。
  64. 請求の範囲５６ないし６３に記載の基板検査装置において、
    前記電子線装置が、前記請求の範囲２４ないし５５のいずれかに記載の電子線装置である基板検査装置。
  65. 半導体デバイスの製造方法であって、請求の範囲１ないし６４に記載の基板検査方法、電子線装置及び基板検査装置のいずれかを用いて、プロセス途中、又は終了後の半導体基板を評価するステップを含んでいることを特徴とする半導体デバイス製造方法。
JP2002542859A 2000-11-17 2001-11-02 基板検査方法、基板検査装置及び電子線装置 Pending JPWO2002040980A1 (ja)

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