WO2019058441A1 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

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WO2019058441A1
WO2019058441A1 PCT/JP2017/033857 JP2017033857W WO2019058441A1 WO 2019058441 A1 WO2019058441 A1 WO 2019058441A1 JP 2017033857 W JP2017033857 W JP 2017033857W WO 2019058441 A1 WO2019058441 A1 WO 2019058441A1
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WO
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image
charged particle
particle beam
defect
beam device
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PCT/JP2017/033857
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智彦 尾方
達也 八森
長谷川　正樹
村越　久弥
則幸 兼岡
勝則 小貫
Original Assignee
株式会社日立ハイテクノロジーズ
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/20—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by using diffraction of the radiation by the materials, e.g. for investigating crystal structure; by using scattering of the radiation by the materials, e.g. for investigating non-crystalline materials; by using reflection of the radiation by the materials
    • G01N23/203—Measuring back scattering
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/22—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material
    • G01N23/225—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material using electron or ion

Definitions

  • the present invention relates to a charged particle beam apparatus and a defect detection method using the charged particle beam apparatus, and in particular, in a microscope using charged particles in a mirror state in which charged particles are reversed immediately before a sample, defect detection is performed at high speed.
  • the charged particle beam apparatus is an apparatus for irradiating a sample with a charged particle beam such as an electron beam or an ion beam emitted from a charged particle source.
  • a charged particle beam such as an electron beam or an ion beam emitted from a charged particle source.
  • devices comprising an illumination optics column and an imaging optics column.
  • a mechanism that uses electrons as charged particles applies a potential negative to the acceleration potential to the sample, inverts the electron beam immediately before the sample, and uses the reversed electrons (hereinafter mirror electrons) to provide imaging
  • the electron microscope provided with is referred to as a mirror electron microscope.
  • Patent Document 1 discloses a method of classifying crystal defects on a SiC wafer from a mirror electron microscope image obtained by combining a mirror electron microscope and charging of crystal defects by ultraviolet irradiation.
  • Patent Document 1 Although the method disclosed in Patent Document 1 is useful for defect classification on a wafer, the time for image processing when attempting to extract a defect over the entire wafer or in a wide area in order to analyze the defect image in detail It takes time. In addition, with regard to defocusing, it has been proposed to set the imaging system of the mirror electron microscope to overfocus or underfocus conditions and perform imaging, but combining the imaging system of the mirror electron microscope and the defect extraction method is efficient It does not mention how to extract defects.
  • An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a charged particle beam apparatus capable of performing defect detection in a wide range at high speed in a microscope using charged particles in a mirror state.
  • a charged particle source for irradiating charged particles to a sample
  • a first power supply for applying a first voltage to the charged particle source, and a second voltage to the sample
  • a second power source an imaging optical system for imaging charged particles incident from the direction of the sample
  • a detector disposed in the imaging optical system for detecting the charged particles, and the detected charged particles
  • An image processing apparatus for processing an image to be formed, wherein the imaging optical system does not image mirror electrons reflected back to the electric field formed on the sample due to the potential difference between the first and second voltages
  • the image processing apparatus is configured to determine that the portion of the sample corresponding to the pixel is defective if the image has pixels whose luminance is less than a predetermined value and the pixels are adjacent by a predetermined number or more.
  • crystal defects on a sample can be screened at high speed based on an image obtained using charged particles in a mirror state.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of a flowchart of a method of crystal defect extraction in a mirror electron microscope according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a graphical user interface (GUI) for extracting a defect from a mirror electronic image according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing an observation example of a latent flaw defect in SiC in a mirror electron microscope according to Example 1.
  • FIG. 6 is a view showing an example of a defect image in SiC in a mirror electron microscope according to a second embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of a method of determining a focus plane in a mirror electron microscope according to a second embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of a defect detection GUI according to a third embodiment.
  • FIG. 18 is a view showing an example of the relationship between the current of an electron beam to be irradiated to a sample and the image average luminance of a mirror electron image according to a third embodiment.
  • FIG. 18 is a diagram showing the relationship between the electron orbit and the focus position in a mirror electron microscope according to a third embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of a defect detection GUI according to a third embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining parameter settings of a defect detection GUI according to a third embodiment.
  • the semiconductor device manufacturing process there is a process of forming a fine circuit on a wafer made of Si, SiC or the like polished to a mirror surface. If foreign matter, scratches, or crystal defects exist on such a wafer, defects or material deterioration occur in the process of forming the circuit pattern, and the manufactured device may not operate properly, or desired electrical characteristics may be obtained. Or the reliability of the operation may be degraded.
  • a surface of the wafer is inspected by irradiating the wafer surface with light having a certain wavelength from visible to ultraviolet (hereinafter simply referred to as light) and detecting the light scattered from the surface.
  • light having a certain wavelength from visible to ultraviolet
  • an optical microscope technology such as differential interference
  • an electron microscope as an apparatus for detecting foreign substances and defects which are difficult to detect with an optical inspection apparatus.
  • the electron microscope has an extremely high spatial resolution, and can obtain an image of a foreign particle having a size of 20 nm or less where the light scattering intensity is extremely low.
  • the electron beam is a charged particle, defects that can not be detected by light can be detected by using the electrical characteristics of crystal defects.
  • an electron microscope can obtain an image in a practical time for observation in a small field of micron size, it is enormous in order to observe the entire surface of a wafer to be a semiconductor substrate completely for inspection. It takes time for observation. For example, in the case of inspecting the entire surface of a 100 mm diameter Si wafer with a resolution of about 10 nm, a scanning electron microscope requires approximately 6 days of time under standard conditions.
  • an electron beam apparatus for detecting a signal obtained by irradiating an electron beam, which is a charged particle beam, toward a sample, the negative potential being equal to or slightly larger than the acceleration voltage of the electron beam to be irradiated. Is applied to the wafer surface, and the electron beam irradiated approximately parallel at an angle perpendicular to the wafer surface across the inspection field on the wafer surface is inverted at an angle of approximately 180 degrees with respect to the beam incident direction directly above the wafer surface These electron beams (hereinafter referred to as mirror electrons) are imaged by an electron lens to obtain an electron image for inspection.
  • mirror electrons These electron beams (hereinafter referred to as mirror electrons) are imaged by an electron lens to obtain an electron image for inspection.
  • FIG. 1 An example of a configuration of a mirror electron microscope that generates an image based on detection of mirror electrons will be described using FIG. 1.
  • the sample is arranged such that the sample surface direction is perpendicular to the objective lens optical axis 12 which is the ideal optical axis of the beam.
  • Electrons emitted from the electron gun 20 are accelerated by an acceleration electrode or the like (not shown) and become an electron beam, that is, an electron beam.
  • the electron beam is converged by the irradiation lens 21 and passes through the optical axis 10.
  • the electron beam converged by the irradiation lens 21 is deflected by the beam separator 24 along the trajectory of the objective lens optical axis 12.
  • the irradiation electron beam is converged on the back focal plane of the objective lens 23 and irradiated toward the sample 30.
  • the electron beam deflected by the beam separator 24 has its aperture angle adjusted by the objective lens 23 and is collimated into a parallel beam, which is vertically irradiated toward the sample 30 along the objective lens optical axis 12.
  • a negative voltage is applied to the sample 30 or the stage 31 from a negative voltage application power supply (not shown).
  • the negative voltage applied from the negative voltage application power source is applied to a voltage substantially equal to or slightly higher than the acceleration voltage applied between the tip of the electron gun 20 and the acceleration electrode, and the electron beam does not reach the sample 30.
  • the light is reflected toward the imaging device.
  • the inverted electron beam passes through the objective lens optical axis, and then passes through the beam separator 24 adjusted so that the inverted electron beam has the same electron beam trajectory as the optical axis 11 of the imaging lens.
  • the electron beam that has passed through the beam separator passes through the center of the imaging lens 22 and forms an image on the scintillator 33.
  • the camera 32 is a two-dimensional imaging device for imaging a scintillator that emits light when an electron beam is incident, and can acquire a signal for imaging the potential distribution on the sample.
  • the crystal defects are charged by first irradiating the sample with ultraviolet light or precharging the sample with an electron beam.
  • the charged crystal defects for example, distort the potential distribution created by the potential difference applied between the objective lens and the sample near the crystal defects. Since the potential distribution is flat where there are no crystal defects or irregularities, mirror electrons incident from directly above the sample reverse their orbit in the opposite direction by reversing approximately 180 degrees on the equipotential surface (reflection surface) where the velocity of the electrons is zero. Although it changes, in the vicinity of a crystal defect having distortion on the equipotential surface, it is reversed at an angle in the opposite direction. Mirrored electrons which are inverted at an angle cause defect contrast in a mirror image formed on a scintillator in an imaging system. The defect contrast may be displayed white or black depending on the imaging conditions.
  • the defect image imaged by the mirror electron microscope is formed by the above imaging principle, so the contrast changes even with the same defect depending on the imaging condition.
  • the field of view in the mirror electron microscope is several hundred ⁇ m, which is significantly smaller than the substrate size, when it is desired to image the entire surface of the substrate, many mirror electron images have to be obtained.
  • defect extraction is necessary to perform defect extraction at high speed by combining the imaging condition and the defect extraction method. Once defects can be extracted, defect classification can be performed on the extracted defects later. This method is more effective as the quality of the semiconductor substrate is improved and the number of crystal defects per substrate is reduced.
  • the charged particle beam device of the present invention comprises a charged particle source for irradiating charged particles, a first power source for applying a first voltage to the charged particle source, and a second power source for applying a second voltage to a sample
  • a charged particle beam apparatus comprising: an imaging optical system for imaging charged particles incident from the direction of a sample; and a detector disposed in the imaging optical system for detecting the charged particles, the imaging The optical system is configured not to image the secondary electrons emitted from the sample, and forms an image by mirror electrons reflected back to the electric field formed on the sample by the potential difference between the first and second voltages.
  • the electron beam acceleration voltage or the sample potential is appropriately set.
  • the image of the defect portion is enlarged with respect to the actual size of the defect, and the condition is set such that imaging can be performed with good contrast.
  • An electron microscope capable of easily extracting sample defects is constructed.
  • FIG. 2A is a view showing a configuration example of a mirror electron microscope according to the present invention.
  • the electron beam emitted from the electron gun 20 is introduced into the direction of the objective lens optical axis 12 perpendicular to the sample through the beam separator 24 while being converged by the irradiation lens 21 and changed to parallel illumination by the objective lens 23 .
  • a voltage equal to or slightly higher than the electron gun acceleration voltage is applied to the sample 30 through the stage 31, and the electron beam is reversed immediately above the sample 30.
  • the inverted electron beam is introduced to the imaging system optical axis 11 by the beam separator 24, and is projected by the imaging lens 22 to form an enlarged image on the scintillator 33.
  • the scintillator 33 converts the electron beam image into an optical image, and the optical image is acquired by the camera 32.
  • the acquired image is transferred to the image acquisition device 42, subjected to various image processing, and used to be displayed on the image display unit of the device.
  • the electron gun control device 41 controls the accelerating voltage of the electron beam, and the control device 40 controls the current and voltage supplied to the electron lens, and the ultraviolet light source control device 44 controls the light amount of the ultraviolet light source 50.
  • FIG. 2B shows a specific configuration example of the mirror electron microscope according to the present invention.
  • the image captured by the camera 32 is transferred to the image processing device 45.
  • the control device 40 also has the function of the ultraviolet light source control device 43.
  • the image processing device 45 processes the transferred image, and transmits the calculated control parameter to the electron gun control device 41 or the substrate voltage control device 44. Furthermore, the image processing device 45 outputs the obtained various image data to the image display unit.
  • Such an image processing device 45 can be realized by, for example, program execution of a central processing unit (CPU) of a computer that controls the entire charged particle beam device, or a hardware configuration such as a dedicated image processing circuit You can use a computer display as
  • CPU central processing unit
  • the image processing device 45 has a potential difference between a first voltage, which is an accelerating voltage of the electron gun, and a second voltage, which applies a sample potential, and a distribution of signal amounts detected by a detector including the scintillator 33 and the camera 32.
  • a control parameter for adjusting the potential difference between the first and second voltages can be calculated from the average image luminance of the electronic image, and the control parameter can be used to adjust the potential difference between the acceleration voltage and the sample potential.
  • the image processing device 45 has a defect in the portion of the sample corresponding to the pixel when the luminance is a pixel having a predetermined value or less and the pixels are adjacent by a predetermined number or more. judge.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining how electrons parallel-irradiated by the objective lens 23 in the mirror electron microscope having the above-described configuration are inverted on positively or negatively charged defects.
  • (A) shows how electrons are inverted on the positively charged crystal defect 101.
  • concave distortion occurs in the reflective surface 110 where the electrons are inverted. Therefore, in the vicinity of the positively charged defect 101, the orbit 120 of the inverted mirror electron is inverted at an angle in the direction of the crystal defect axis.
  • the imaging system conditions are determined so that the focus plane 130 is at the position of the dotted line in (a) of the figure, the positively charged defect is displayed as a bright spot.
  • FIG. 3B shows how electrons are inverted on the negatively charged crystal defect 100.
  • the orbit 120 of inverted mirror electrons is inverted at an angle in the direction opposite to the crystal defect axis.
  • the imaging system conditions are determined so that the focus plane 130 is at the position of the dotted line in (b) of the figure, the positively charged defect is displayed as a black point.
  • the fact that these electron trajectories 120 are angled near the crystal defect axis is the reason why the defect contrast can be observed in the mirror electron microscope image.
  • FIG. 4 shows how a defect is imaged in a mirror electron microscope image when the focus surface 130 is shifted in the negatively charged defect 100 shown by (b) of FIG. 3.
  • a defect in the mirror electron microscope image is displayed as a bright spot 200 as shown in (a) of FIG.
  • a defect in the mirror electron microscope image is displayed as a black point 210 as shown in FIG. 4B.
  • the area around the black point 210 is often brighter than the surrounding area.
  • Example 1 includes a charged particle source for irradiating a sample with charged particles, a first power source for applying a first voltage to the charged particle source, a second power source for applying a second voltage to the sample, and the sample Image forming optical system for forming an image of charged particles incident from the following direction, a detector disposed in the image forming optical system for detecting the charged particles, and an image for processing an image formed based on the detected charged particles
  • the imaging optical system controls so as not to image the charged particles reflected back to the electric field formed on the sample by the potential difference between the first and second voltages, and the image processing device
  • An embodiment of a charged particle beam device that determines that there is a defect in a portion of a sample corresponding to a pixel when the luminance is a pixel having a predetermined value or less and the pixels are adjacent by a predetermined number or more in an image.
  • mirror electron microscope that can perform defect extraction at high speed Described as examples.
  • FIG. 5A is an example showing the reflecting surface 110 of mirror electrons in the negatively charged defect 100 and what orbit 120 the electrons irradiated in parallel travel after being reversed.
  • the shape of the reflective surface 110 is assumed to have a Gaussian distribution, and the height of the reflective surface 110 is set to be high immediately above the negatively charged defect 100 present in the vicinity of the sample surface 300.
  • the start positions of the trajectories 120 of mirror electrons immediately after the inversion are arranged at equal intervals in the lateral direction on the reflection surface on the assumption that the electrons are uniformly irradiated to the sample.
  • FIG. 5A is an example showing the reflecting surface 110 of mirror electrons in the negatively charged defect 100 and what orbit 120 the electrons irradiated in parallel travel after being reversed.
  • the shape of the reflective surface 110 is assumed to have a Gaussian distribution, and the height of the reflective surface 110 is set to be high immediately above the negatively charged defect 100 present in the vicinity of the sample surface 300.
  • 5B shows the trajectories 120 of mirror electrons without defects. Comparing (a) and (b) in FIG. 5, the presence of a negatively charged defect is lower than the density of mirror electrons above the reflective surface in the absence of a defect. Therefore, when the negatively charged defect is observed under the over focus condition, it is displayed as a black point.
  • FIG. 6 shows an example of a mirror electron image of a negatively charged defect on a SiC substrate and its luminance profile. Negatively charged defects are displayed as black spots as shown in the image of FIG. Looking at the image profile, it is known that the brightness of the black spots is clearly lower than the brightness of the non-defective area, making it easy to set the threshold for defect extraction.
  • the threshold is set between 200 and the brightness (about 110) of the black point portion of the defect, the main defect can be extracted, and the threshold setting is sufficient even in comparison with the noise level of the portion without the defect. It can be seen that there is a likelihood of
  • FIG. 7 is a flowchart of the defect extraction method of the present embodiment, that is, in the case where in the obtained image, the luminance is less than a predetermined value and the pixels are adjacent by a predetermined number or more.
  • 5 is a flowchart of determining that there is a defect in a portion of a sample corresponding to a pixel.
  • the main operation of this flowchart is the control device 40, the substrate voltage control device 44, the image processing device 45, etc. shown in FIGS. 2A and 2B.
  • the introduction of the sample and the preparation before observation are omitted.
  • the sample is a SiC substrate, and that ultraviolet rays are applied to negatively charge crystal defects such as latent flaws.
  • a voltage is applied to the sample introduced into the apparatus to irradiate an electron beam.
  • ultraviolet rays are irradiated to the electron beam observation range to negatively charge the defect.
  • the imaging system is set to the overfocus condition, and the mirror electron microscope image formed on the scintillator 33 is imaged by the camera 32 (step 700, hereinafter, S700).
  • negatively charged defects are displayed as black spots or black contrast.
  • pixels having luminance equal to or less than the set threshold are extracted (S701).
  • the threshold may be given directly, or may be calculated from a database prepared for each image information or defect.
  • a set of pixels having the adjacent pixels is regarded as a cluster of pixels (S702).
  • a number (No.) may be assigned to this mass and managed.
  • the number of pixels is calculated for each block of pixels, and the number of pixels is compared with the specified value, and if the number is large, it is recognized as a defect and registered (S703).
  • the extracted defects may be managed by waving defect IDs, or may be displayed as a list. In this way, in the defect extraction method, if imaging conditions and extraction parameters are determined in advance for the target defect, screening of the defect can be performed with a simple process, and a wide range on the substrate can be obtained. In the case where defect inspection is required, defect extraction can be performed at high speed.
  • the display screen 800 of FIG. 8 is an example of a GUI for extracting a defect from a mirror electron microscope image of a negatively charged defect captured under an over-focus condition, and is displayed on the image display unit described with reference to FIGS. It is a setting screen which sets a luminance threshold as a predetermined value and an area threshold as a specified value indicating a predetermined number of pixels.
  • the acquired mirror electron microscope image is displayed on the left side of FIG.
  • the brightness threshold and the area threshold are set.
  • the luminance of each pixel is examined from the mirror electron microscope image on the left side of FIG.
  • the extracted pixels may be displayed on the image using colors.
  • the extracted pixels are classified into groups according to whether they are adjacent, and each group is compared with an area threshold set as a specified value. A mass larger than the set area threshold is determined as a defect.
  • a serial number (No.) is given to each group of extracted pixels in the result column, and the area is displayed in the unit of number of pixels (pixels). Is indicated by. In actual display, only those determined as defects may be displayed, or the display may be switched. Further, as shown in FIG. 8, the ID of each group (# 1, # 2, # 3) may be displayed on the image, or only the ID determined as a defect may be displayed on the image. .
  • Example 2 is an example in which the extraction method of Example 1 is applied to crystal defects actually found in a SiC substrate.
  • FIG. 9 is an image of the latent flaw 400, which is a crystal defect present in the SiC substrate, observed with a mirror electron microscope while being irradiated with ultraviolet light.
  • the latent flaw 400 is negatively charged by ultraviolet irradiation, and imaging is performed under an over-focus condition as an imaging condition of the mirror electron microscope.
  • the latent scratch 400 is displayed in black and can be extracted by the defect extraction process of the first embodiment. Further, since the defect is displayed as a line having a certain thickness, the setting likelihood can be widely taken for the area threshold.
  • the latent flaw is a defect to be detected in the SiC bulk wafer, and high speed screening can be performed by using the method of Example 1.
  • FIG. 10 shows a mirror electron microscope image in which the latent flaw 400 present on the SiC substrate and the scratch 410 which is a surface defect can be simultaneously observed.
  • the main image is captured under the over focus condition. That is, mirror electrons are defocused so that a latent flaw which is a defect to be detected on the image display unit is displayed in black from the image forming optical system.
  • the latent flaw 400 which is a crystal defect, is a processing damage that enters near the surface of the substrate during polishing of the SiC substrate, is negatively charged by ultraviolet irradiation, and is displayed in black under the over-focus condition.
  • the scratch 410 is a surface defect which is a scratch that is generated when the substrate is polished, and since the surface is concave, it is displayed in white under an over-focus condition.
  • the method of the present embodiment for distinguishing these two defects in the SiC substrate inspection will be described below.
  • FIG. 11 is a view showing the reflective surface 110 and the electron trajectory 120 in the SiC substrate in which the latent flaw 400 and the scratch 410 exist.
  • the scratch 410 is a downward concave scratch
  • the latent scratch 400 is indicated as a negatively charged crystal defect.
  • the reflecting surface 110 is set directly above the substrate with respect to the electron beam
  • the reflecting surface 110 is convex immediately above the latent flaw 400 and is concave immediately above the scratch 410.
  • the focus plane 130 is set at the position of the dotted line under the overfocus condition, the orbit 120 of the mirror electron is drawn in the direction of convergence at the scratch 410 and divergence at the latent scratch 400. Therefore, as shown in FIG.
  • the scratch 410 is displayed in white and the latent scratch 400 is displayed in black. If the threshold value of the white defect which is a predetermined value is set higher than the luminance of the portion where there is no crystal defect and the black defect threshold which is a predetermined value which is lower than the brightness of the portion, the scratch 410 and the latent flaw 400 It can be classified.
  • the pixel corresponds to the pixel.
  • the portion of the sample corresponding to the pixel is different from the above defect. It can be determined that there is a type of defect.
  • the third embodiment is a method of determining the threshold value based on the condition for defect extraction, and an embodiment of the extraction apparatus at that time.
  • An example of a GUI of a display screen when extracting a negatively charged defect using the image luminance in the first and second embodiments will be described with reference to FIG.
  • an image acquired by a mirror electron microscope is read, an image list 500 is displayed, and a tiling image display area 520 for displaying an image subjected to tiling processing for arranging the read images corresponding to the acquired coordinates of the image is displayed.
  • the image to be displayed may be a raw image or an image subjected to a smoothing process to remove unevenness in brightness of the acquired image.
  • FIG. 13 shows the relationship between the electron beam current value irradiated to the sample and the image average luminance of the acquired mirror electron microscope image.
  • the electron beam current and the image average luminance are in a proportional state in a certain range.
  • the luminance threshold has to be set each time, but by standardizing with the acquired electron beam current ,
  • the threshold can be made constant.
  • a threshold as shown in FIG. 13 can be calculated automatically by acquiring in advance the relationship and normalizing the image brightness to a value of 1 nA from the relationship. It is also possible to estimate the electron beam current value by calculating the image average luminance of a portion having no defect, and to standardize the image average luminance with that value.
  • FIG. 14 An example of the electron trajectory 120 directly above the negatively charged defect 100 and a mirror electron microscopic image of the defect at the focus position 130 are shown at the upper left of FIG.
  • the area threshold value can be automatically calculated and set by obtaining the relationship between the defocus position and the size of the defect image in the mirror electron microscope image. Further, by controlling the defocus position on the mirror electron microscope side, the size of the same defect in the mirror electron microscope image may be kept constant.
  • the threshold value of brightness is input as a ratio to the brightness of the portion having no defect or the average brightness of the image as compared to that of FIG. That is, the image display unit displays a setting screen for setting the brightness ratio threshold value to the image average luminance of the image.
  • a threshold value is calculated from the brightness of the non-defective part or the image average luminance, thereby determining the pixel to be extracted.
  • the defocus amount for example, a threshold value at a fixed defocus amount is input, the defocus amount is normalized, and then the actual threshold value is determined, or the defocus amount is fixed at the time of imaging of a mirror electron microscope image Control the imaging system conditions to By the above, defects can be evaluated and extracted under constant conditions at all times.
  • FIG. 16 shows an example of the main part of the display screen GUI of FIG. (A) of the same figure has shown the setting area
  • regions such as a luminance threshold value and an area threshold value. That is, as parameters, Black Defect Criterion (BDC) or White Defect Criterion (WDC) is specified on a per-mill basis, and Area Filter Threshold is specified as an area threshold.
  • Shading Correction sets the presence or absence of shading correction.
  • Image Brightness Offset (IB) defines a zero level for the average image brightness as shown in (b) of the figure, and subtracts this value from the total brightness value. For example, if this value is 100, 100 is defined as complete black, and after subtracting this 100, image processing is performed.
  • the brightness threshold can be calculated by Equation 1 using the parameters set in this way.
  • the present invention is not limited to the embodiments described above, but includes various modifications.
  • the embodiments described above have been described in detail for better understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations of the description.
  • part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.

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Abstract

ミラー電子顕微鏡で試料上の結晶欠陥の高速抽出を行う。荷電粒子源と、荷電粒子源に第1の電圧を印加する第1の電源と、試料に第2の電圧を印加する第2の電源と、試料の方向から入射する荷電粒子を結像する結像光学系と、結像光学系内に配置され、荷電粒子を検出する検出器と、検出した荷電粒子に基づいて形成される画像を処理する画像処理装置とを備え、結像光学系は、第1及び第2の電圧の電位差により試料上に形成された電界に跳ね返されたミラー電子を結像しないオーバーフォーカス条件で撮像を行い（Ｓ７００）。画像処理装置は、輝度が閾値以下の画素を抽出し（Ｓ７０１）、抽出された画素について、隣接する画素の集合を画素の固まりとし（Ｓ７０２）、画素の固まりについて、規定値以上の画素数のものを欠陥と認識する（S７０３）。

Description

荷電粒子線装置
本発明は、荷電粒子線装置、及び荷電粒子線装置による欠陥検出方法に係り、特に、試料直前にて荷電粒子が反転するミラー状態の荷電粒子を用いた顕微鏡において、高速に欠陥検出を行うのに好適な技術に関する。
　荷電粒子線装置は、荷電粒子源から放出された電子ビームやイオンビーム等の荷電粒子ビームを試料に向かって照射する装置である。このような装置の中には、照射光学系カラムと、結像光学系カラムを備えた装置がある。特に、荷電粒子として電子を用い、加速電位より負の電位を試料に印加して試料の直前で電子線を反転させ、反転させた電子（以下、ミラー電子）を使用して結像に供する機構を備える電子顕微鏡を、ミラー電子顕微鏡と称する。ミラー電子顕微鏡において試料直上で反転させられるミラー電子は、等電位面の変化に敏感であり、例えば半導体上の結晶欠陥付近に生じる等電位面の歪みを観察することで、高感度な結晶欠陥検出装置として使用することができる。特許文献１には、ミラー電子顕微鏡と紫外線照射による結晶欠陥の帯電を組み合わせて得たミラー電子顕微鏡像から、ＳｉＣウェハ上における結晶欠陥の分類を行う方法が開示されている。
ＷＯ２０１６／００２００３
　しかしながら、特許文献１に開示されている方法は、ウェハにおける欠陥分類に有用であるが、欠陥画像を詳細に分析するために、ウェハ全体もしくは広範囲で欠陥を抽出しようとした場合、画像処理の時間がかかってしまう。また、デフォーカスに関して、ミラー電子顕微鏡の結像系をオーバーフォーカスもしくはアンダーフォーカス条件に設定し、撮像することを提案しているが、ミラー電子顕微鏡の結像系と欠陥抽出方法を組み合わせて効率的に欠陥を抽出する方法には言及していない。
　本発明は、上記の課題を解決し、ミラー状態の荷電粒子を用いた顕微鏡において、広範囲で高速に欠陥検出を行うことが可能な荷電粒子線装置を提供することにある。
　上記の目的を達成するため、本発明においては、試料に荷電粒子を照射する荷電粒子源と、荷電粒子源に第１の電圧を印加する第１の電源と、試料に第２の電圧を印加する第２の電源と、試料の方向から入射する荷電粒子を結像する結像光学系と、結像光学系内に配置され、荷電粒子を検出する検出器と、検出した荷電粒子に基づいて形成される画像を処理する画像処理装置と、を備え、結像光学系は、第１及び第２の電圧の電位差により、試料上に形成された電界に跳ね返されたミラー電子を結像しないように制御し、画像処理装置は、画像において、輝度が所定値以下の画素であり、且つ画素が所定数以上隣り合っている場合に、画素に対応する試料の部分に欠陥があると判定する構成の荷電粒子線装置を提供する。
　本発明によれば、ミラー状態の荷電粒子を用いて得られた像を元に、試料上の結晶欠陥を、高速にスクリーニングすることができる。
２つの光学系を備えた荷電粒子線装置の一例を示す図。 本発明に係る荷電粒子線装置の基本構成を示す図。 本発明に係る荷電粒子線装置の具体的構成例を示す図。 欠陥付近におけるミラー電子の軌道を説明するための図。 ミラー電子顕微鏡における欠陥の見え方の一例を示す図。 負帯電欠陥におけるミラー電子の軌道を説明するための図。 ミラー電子顕微鏡における負帯電欠陥像の一例とその明るさプロファイルを示す図。 実施例１に係る、ミラー電子顕微鏡における結晶欠陥抽出の手法のフローチャートの一例を示す図。 実施例１に係る、ミラー電子像から欠陥を抽出するためのＧＵＩ(Graphical User Interface)の一例を示す図。 実施例１に係る、ミラー電子顕微鏡におけるＳｉＣ中の潜傷欠陥の観察例を示す図。 実施例２に係る、ミラー電子顕微鏡におけるＳｉＣ中の欠陥像の一例を示す図。 実施例２に係る、ミラー電子顕微鏡におけるフォーカス面の決定法の一例を示す図。 実施例３に係る、欠陥検出ＧＵＩの一例を示す図。 実施例３に係る、試料に照射する電子線の電流とミラー電子像の画像平均輝度の関係の一例を示す図。 実施例３に係る、ミラー電子顕微鏡における電子軌道とフォーカス位置の関係を示す図。 実施例３に係る、欠陥検出ＧＵＩの一例を示す図。 実施例３に係る、欠陥検出ＧＵＩのパラメータ設定を説明するための図。
　半導体デバイス製造工程には、鏡面状に研磨されたＳｉやＳｉＣなどを材料とするウェハ上に微細な回路を形成する工程がある。このようなウェハ上に異物や傷、あるいは結晶欠陥などが存在すると、回路パターンの形成過程において欠陥や材質劣化が生じ、製造されたデバイスが正常に動作しなくなったり、所望の電気特性が得られなかったり、動作の信頼性が劣化する場合がある。
　ウェハを検査する装置には、可視から紫外のある波長を持つ光（以下、単に光と記す）をウェハ表面に照射し、表面で散乱された光を検知することによって、ウェハの表面状態を検査する光学散乱式検査装置や、微分干渉など光学顕微鏡技術を応用した検査装置がある。しかし、半導体素子の微細化の進展により、検出に十分な散乱強度が得られないほど微細な異物を管理する必要が生じている。また、光学顕微鏡では、画像化することができない結晶欠陥が半導体デバイスの信頼性特性に影響を及ぼすことが判明しつつあり、光学式の検査装置では高度な品質管理が望めないことがある。
　一方、光学式の検査装置では検出が困難な異物や欠陥を検出するための装置として、電子顕微鏡がある。電子顕微鏡は極めて高い空間分解能を有しており、光の散乱強度が著しく低くなる２０ナノメートル以下の大きさの異物の像を得ることができる。また、電子線は荷電粒子であることから、結晶欠陥の電気的な特性を利用して、光では検出できない欠陥を検出できる。しかしながら、電子顕微鏡はミクロンサイズの小さい視野での観察には実用的な時間で像を得ることができるが、半導体基板となるウェハの全面を検査のために隈なく観察するためには、膨大な観察時間を要する。例えば、直径１００ミリのＳｉウェハ表面全てを１０ナノメートル程度の分解能で検査する場合、標準的な条件で試算すると走査電子顕微鏡ではおよそ６日の時間が必要となる。
　そこで、検査速度の高速化を図るため、写像型の電子顕微鏡が提案されている。より具体的には、試料に向かって荷電粒子ビームである電子ビームを照射することによって得られる信号を検出する電子線装置であって、照射する電子線の加速電圧と同等もしくは僅かに大きな負電位をウェハ表面に与え、ウェハ表面上の検査視野全体にウェハ表面に垂直な角度でほぼ平行照射した電子線を、ウェハ表面直上でビームの入射方向に対してほぼ１８０度の角度で反転させ、反転した電子（以下、ミラー電子と称する）を電子レンズで結像し検査用の電子像を得る電子線装置である。
　以下、図１を用いて、ミラー電子の検出に基づいて画像を生成するミラー電子顕微鏡の構成の一例について説明する。試料は、試料表面方向がビームの理想光軸である対物レンズ光軸１２に垂直になるように配置されている。電子銃２０から放出される電子は、図示しない加速電極等によって加速され、電子ビーム、すなわち電子線となる。電子線は照射レンズ２１によって収束され、光軸１０を通過する。照射レンズ２１によって収束された電子線は、ビームセパレータ２４により対物レンズ光軸１２の軌道に沿うように偏向される。照射電子線は対物レンズ２３の後焦点面に収束され、試料３０に向かって照射される。ビームセパレータ２４によって偏向された電子線は、対物レンズ２３によって開き角が調整され、平行ビームとなって、対物レンズ光軸１２に沿って、試料３０に向かって垂直に照射される。試料３０、或いはステージ３１には、図示しない負電圧印加電源から負電圧が印加される。負電圧印加電源から印加される負電圧は、電子銃２０のチップと加速電極間に印加される加速電圧とほぼ等しいか、若干高い電圧が印加され、電子線は試料３０に到達することなく、撮像素子に向かって反射する。照射電子線は試料に到達していないので、試料表面形状ではなく、試料上の電位分布（等電位面）を反映した画像を取得することができる。反転された電子線は対物レンズ光軸を通過したのち、当該反転された電子線が、結像レンズの光軸１１と同じ電子線軌道となるように調整されたビームセパレータ２４を通過する。ビームセパレータを通過した電子線は、結像レンズ２２の中心を通り、シンチレータ３３に結像する。カメラ３２は、電子線の入射によって発光したシンチレータを撮像する二次元撮像素子であり、試料上の電位分布を画像化するための信号を取得することができる。
　ミラー電子顕微鏡により半導体基板における結晶欠陥を抽出するためには、まず試料への紫外線照射や電子線による試料のプリチャージを行うことにより、結晶欠陥を帯電させる。帯電させられた結晶欠陥は例えば対物レンズと試料間に印加された電位差によって作られる電位分布を、結晶欠陥付近で歪ませる。結晶欠陥や凹凸がない場所では電位分布はフラットなため、試料直上から入射されるミラー電子は、電子の速度が0となる等電位面（反射面）でほぼ180度反転し逆方向に軌道を変えるが、等電位面に歪みを持つ結晶欠陥付近では、逆方向より角度をつけて反転する。角度をつけて反転させられたミラー電子は、結像系にてシンチレータ上に結像させられたミラー像において、欠陥コントラストを生じる。欠陥コントラストは、結像条件により白く表示されたり、黒く表示されたりする。
　ミラー電子顕微鏡で撮像された欠陥像については、以上のような結像原理で形成されているため、結像条件により同じ欠陥でもコントラストが変化する。また、ミラー電子顕微鏡における視野は数百μmと、基板サイズ比べて大幅に小さい為、基板の全面について撮像したい場合、ミラー電子像を多数取得しなければならず、その画像からの欠陥抽出についても高速に行わなければならないという要求がある。そのため、結像条件と欠陥抽出方法を組み合わせて欠陥抽出を高速に行う必要がある。欠陥抽出さえできてしまえば、抽出された欠陥について後から欠陥分類を行うことも可能となる。この手法は、半導体基板が高品質化し、基板あたりの結晶欠陥数が少なくなるほど有効になってくる。
　そこで、本発明では、微小な欠陥を高精度で検出するために、ミラー電子顕微鏡像からの欠陥抽出の方法と、該当欠陥抽出方法に最適な結像条件を提案する。ここで本発明の実施例の説明に先立ち、本発明の基本構成及び動作原理について説明する。
　本発明の荷電粒子線装置は、荷電粒子を照射する荷電粒子源と、前記荷電粒子源に第１の電圧を印加する第１の電源と、試料に第２の電圧を印加する第２の電源と、試料の方向から入射する荷電粒子を結像する結像光学系と、結像光学系内に配置され、荷電粒子を検出する検出器とを備えた荷電粒子線装置であって、結像光学系は、試料より放出された二次電子を結像しないように構成されると共に、第１及び第２の電圧の電位差により試料上に形成された電界に跳ね返されたミラー電子による像を形成するように構成する。より具体的には、本発明は、紫外線光源により欠陥部を帯電させ、帯電により生じた等電位面の歪みを検出するため、電子線加速電圧もしくは試料電位を適切に設定し、等電位面の歪により反転された電子線を対物レンズと結像系にてデフォーカスさせることで、実際の欠陥の大きさに対して欠陥部の像を拡大し、コントラストよく撮像できる条件に設定することによって、試料の欠陥を容易に抽出できる電子顕微鏡を構成する。
　以下、本発明の基本構成及び動作原理について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明を省略することがある。図２Ａは本発明に係るミラー電子顕微鏡の一構成例を示す図である。ミラー電子顕微鏡では、電子銃２０から放出した電子線を照射レンズ２１で収束させながら、ビームセパレータ２４を通じて試料に垂直な対物レンズ光軸１２方向へ導入され、対物レンズ２３により平行照明へと変化させる。試料３０には、ステージ３１を通じて電子銃加速電圧と同等もしくは僅かに高い電圧が印加されており、電子線は試料３０直上で反転される。反転された電子線はビームセパレータ２４により結像系光軸１１へ導入され、結像レンズ２２にて投影されて、シンチレータ３３上にて拡大像を形成する。シンチレータ３３は電子線像を光学像に変換し、光学像をカメラ３２にて取得する。取得された画像は画像取得装置４２へと転送され、種々の画像処理が施され、装置の画像表示部に表示されるのに使用される。電子銃制御装置４１は電子線の加速電圧を制御し、制御装置４０は電子レンズに供する電流や電圧、紫外線光源制御装置４４は紫外線光源５０の光量を制御する。
　図２Ｂに本発明に係るミラー電子顕微鏡の具体的な構成例を示した。図２Ａの装置構成に対して、図２Ｂの構成では、カメラ３２で撮像された画像は画像処理装置４５に転送される。また、制御装置４０は紫外線光源制御装置４３の機能も兼ね備えている。画像処理装置４５は、転送された画像を処理し、その結果算出された制御パラメータを電子銃制御装置４１もしくは基板電圧制御装置４４へ送信する。更に画像処理装置４５は、得られた各種の画像データを画像表示部に出力する。このような画像処理装置４５は、例えば荷電粒子線装置の全体を制御するコンピュータの中央処理部（ＣＰＵ）のプログラム実行、或いは専用の画像処理回路等ハードウェア構成で実現可能であり、画像表示部としてはコンピュータのディスプレイを利用できる。
　画像処理装置４５は、電子銃の加速電圧である第１の電圧と、試料電位を与える第２の電圧の電位差と、シンチレータ３３及びカメラ３２からなる検出器が検出した信号量の分布、例えばミラー電子像の画像平均輝度より、第１及び第２の電圧の電位差を調整する制御パラメータを算出し、この制御パラメータにより加速電圧と試料電位の電位差の調整を行うことができる。また、画像処理装置４５は、転送された画像において、輝度が所定値以下の画素であり、且つ画素が所定数以上隣り合っている場合に、当該画素に相当する試料の部分に欠陥があると判定する。
　図３は上述した構成のミラー電子顕微鏡において、対物レンズ２３より平行照射された電子が、正帯電または負帯電された欠陥上でどのように反転するかを説明するための図である、図３の(a)では正帯電された結晶欠陥１０１上で電子がどのように反転されるかを示している。正帯電された結晶欠陥１０１上では、電子が反転する反射面１１０に凹の歪みが生じる。そのため、正帯電欠陥１０１付近では、反転されたミラー電子の軌道１２０は結晶欠陥軸の方向に角度をもって反転させられる。この際、フォーカス面１３０を同図の(a)の点線の位置に来るように結像系条件を定めると、正帯電欠陥は輝点として表示される。
　また、図３の(b)では負帯電された結晶欠陥１００上で電子がどのように反転されるかを示している。負帯電された結晶欠陥１００上では、電子が反転する反射面１１０に凸の歪みが生じる。そのため、負帯電欠陥１００付近では、反転されたミラー電子の軌道１２０は結晶欠陥軸とは逆の方向に角度をもって反転させられる。この際、フォーカス面１３０を同図の(b)の点線の位置に来るように結像系条件を定めると、正帯電欠陥は黒点として表示される。これらの電子軌道１２０が、結晶欠陥軸付近で角度をつけられることが、ミラー電子顕微鏡像において欠陥コントラストが観察できる理由となっている。
　図４は図３の(b)によって示した負帯電欠陥１００において、フォーカス面１３０をずらした際に、ミラー電子顕微鏡像に欠陥がどう撮像されるかを示している。図３の(b)において、フォーカス面１３０を試料表面３００より下に設置するアンダーフォーカス条件において、ミラー電子顕微鏡像における欠陥は図４の(a)のような輝点２００として表示される。また、フォーカス面１３０を試料表面３００より上に設置するオーバーフォーカス条件において、ミラー電子顕微鏡像における欠陥は図４の(b)のような黒点２１０として表示される。黒点２１０の周りは、周囲に比べて明るいことが多い。このように、結像条件においてフォーカス面をずらすことで欠陥のコントラストは変化するため、フォーカス面の取り方とミラー電子顕微鏡像からの欠陥の抽出法を適切に設定することで、高速な欠陥抽出を見込むことができる。以下、本発明の各種の実施例を図面に従い順次説明する。
　実施例１は、試料に荷電粒子を照射する荷電粒子源と、荷電粒子源に第１の電圧を印加する第１の電源と、試料に第２の電圧を印加する第２の電源と、試料の方向から入射する荷電粒子を結像する結像光学系と、結像光学系内に配置され、荷電粒子を検出する検出器と、検出した荷電粒子に基づいて形成される画像を処理する画像処理装置と、を備え、結像光学系は、第１及び第２の電圧の電位差により、試料上に形成された電界に跳ね返された荷電粒子を結像しないように制御し、画像処理装置は、画像において、輝度が所定値以下の画素であり、且つ画素が所定数以上隣り合っている場合に、画素に対応する試料の部分に欠陥があると判定する荷電粒子線装置の実施例であり、以下、高速に欠陥抽出を行うことのできるミラー電子顕微鏡の実施例として説明する。
　図５を用いて、本実施例の構成により、上述した負帯電欠陥がオーバーフォーカス条件を用いて黒点として見える原理について説明する。図５の(a)は負帯電欠陥１００におけるミラー電子の反射面１１０と、平行照射された電子が反転後にどのような軌道１２０を進むか示した一例である。反射面１１０の形状としてはガウス分布を想定し、試料表面３００近傍に存在する負帯電欠陥１００の直上で反射面１１０の高さが高くなるように設定している。該反転直後のミラー電子の軌道１２０のスタート位置は、試料に一様に電子が照射されたことを想定して、反射面上において横方向に等間隔に配置している。図５の(b)は欠陥が無い場合のミラー電子の軌道１２０を示す。図５の(a)、(b)を比較すると、負帯電欠陥が存在している場合、反射面上方でミラー電子の密度が欠陥が存在していない場合より低い。そのため、負帯電欠陥をオーバーフォーカス条件で観察すると、黒点として表示される。
　次に、負帯電欠陥に対してオーバーフォーカスが良い理由を説明する。図６はＳｉＣ基板上における負帯電欠陥のミラー電子像例と、その輝度プロファイルである。負帯電欠陥は、図６の画像の通り黒点として表示され、その周りが明るいことが多い。画像プロファイルを見ると、欠陥が無い部分の輝度に比べて黒点部の輝度は明確に低いことがわかっており、欠陥抽出の際の閾値設定を容易にしている。この例では、たとえば輝度は200～欠陥の黒点部の輝度（約110）の間に閾値を設定すれば本欠陥が抽出可能であり、欠陥が無い部分のノイズレベルと比べても閾値設定に十分に尤度があることがわかる。
　以上を踏まえた上で、図７に本実施例の欠陥抽出方法のフローチャート、すなわち、得られた画像において、輝度が所定値以下の画素であり、且つ画素が所定数以上隣り合っている場合に、画素に相当する試料の部分に欠陥があると判定するフローチャートである。本フローチャートの動作主体は、図２Ａ、図２Ｂに示した制御装置４０、基板電圧制御装置４４、画像処理装置４５等である。なお、本フローチャートでは、試料の導入や観察前準備については省いている。また、試料としてはＳｉＣ基板とし、紫外線照射によって潜傷などの結晶欠陥を負帯電させることを想定している。
　まず、装置内へ導入された試料に電圧を印加し、電子線を照射する。また、同時に電子線観察範囲に紫外線を照射し、欠陥を負帯電させる。その際、制御系の制御により、結像系はオーバーフォーカス条件とし、シンチレータ３３に結像されたミラー電子顕微鏡像をカメラ３２にて撮像する（ステップ７００、以下、Ｓ７００）。その際、負帯電した欠陥は黒点もしくは黒いコントラストとして表示される。次に、撮像した画像中の画素について、設定した閾値以下の輝度である画素を抽出する（Ｓ７０１）。閾値は直接与えても良いし、画像情報や欠陥ごとに用意したデータベースより計算しても良い。その後、抽出された欠陥について、隣接する該画素のある該画素の集合を該画素の固まりとする（Ｓ７０２）。この固まりには番号（Ｎｏ．）を振って管理しても良い。最後に、該画素の固まりごとに画素数を算出し、それと規定値を比較して数が多ければ、欠陥と認識して登録する（Ｓ７０３）。抽出された欠陥は欠陥ＩＤを振って管理しても良いし、リストにして表示しても良い。このようにして欠陥抽出する方法では、あらかじめ対象とする欠陥に対して結像条件や抽出パラメータを決定しておけば、単純なプロセスのみで欠陥のスクリーニングが可能であり、基板上の広範囲に対して欠陥検査を要求される場合に対し、高速に欠陥抽出が可能となる。
　図８により、ＧＵＩを利用した本実施例における実際のスクリーニングの方法を説明する。図８の表示画面８００は、オーバーフォーカス条件で撮像した負帯電欠陥のミラー電子顕微鏡像より欠陥抽出するためのＧＵＩの一例であり、図２Ａ、図２Ｂで説明した画像表示部などに表示され、所定値としての輝度閾値、画素の所定数を示す規定値としての面積閾値を設定する設定画面である。図８の左側には取得したミラー電子顕微鏡像が表示されている。まず、設定欄にて、輝度閾値と面積閾値を設定する。図７のＳ７０１～Ｓ７０３で説明したように、図８の左側のミラー電子顕微鏡像より各画素の輝度を調べ、所定値である輝度閾値より低い輝度を持つ画素を抽出する。抽出した画素については色を使って画像上に表示しても良い。抽出した画素は隣接するかどうかにより固まりに分類し、固まりごとに規定値として設定された面積閾値と比較する。設定された面積閾値より大きな固まりは、欠陥と判定する。
　図８では結果欄に抽出画素の固まりごとに通し番号（Ｎｏ．）を付与し、面積を画素数単位(pixels)で表示し、面積閾値と比較して欠陥と判定されたものについては、判定欄に○印を記載している。実際の表示では欠陥と判定されたもののみ表示するようにしても良いし、表示を切り替えられるようにしても良い。また、図８のように、固まりごとのＩＤ(#1、#2、#3)を画像上に表示しても良いし、欠陥と判定されたもののみ画像上にＩＤを表示しても良い。
　以上は負帯電欠陥についてオーバーフォーカス条件で撮像した画像に対して欠陥をスクリーニングする方法を記載したが、正帯電欠陥についても同じような方法でスクリーニングすることができる。その際、結像条件はアンダーフォーカスとし、正帯電欠陥を黒点表示すると、本実施例のプロセスで欠陥抽出が可能となる。
　以上説明した実施例１の構成により、ミラー電子顕微鏡おいて、欠陥抽出に適切なコントラストを得られる結像条件を設定し、高速に欠陥部分を抽出することが可能となる。
　実施例２は、実際にＳｉＣ基板で見られる結晶欠陥へ実施例１の抽出手法を適用した実施例である。図９はＳｉＣ基板に存在する結晶欠陥である潜傷４００を、紫外線照射しながらミラー電子顕微鏡で観察した際の像である。潜傷４００は紫外線照射により負に帯電し、ミラー電子顕微鏡の結像条件としてはオーバーフォーカス条件で撮像している。像から読み取れるように、潜傷４００は黒表示されており、実施例１の欠陥抽出プロセスで抽出可能である。また、ある程度の太さを持った線として欠陥が表示されるため、面積閾値についても設定尤度が広く取れる。潜傷はＳｉＣバルクウェーハにおいて検出すべき欠陥であり、実施例１の手法を利用すれば高速スクリーニングが行える。
　図１０はＳｉＣ基板上に存在する潜傷４００と、表面欠陥であるスクラッチ４１０が同時に観察できているミラー電子顕微鏡像を示している。なお、本画像はオーバーフォーカス条件で撮像している。すなわち、結像光学系より、画像表示部に検出したい欠陥である潜傷を黒色に表示するようにミラー電子をデフォーカスする。結晶欠陥である潜傷４００はＳｉＣ基板研磨中に基板表面近傍付近に入る加工ダメージであり、紫外線照射によって負帯電し、オーバーフォーカス条件では黒色に表示される。一方、スクラッチ４１０は基板研磨時にできる傷である表面欠陥であり、表面としては凹になっているため、オーバーフォーカス条件で白色に表示されている。ＳｉＣ基板検査においてこの二つの欠陥を区別する本実施例の方法について以下説明する。
　図１１は潜傷４００とスクラッチ４１０の存在するＳｉＣ基板において、反射面１１０と電子の軌道１２０を表示した図である。基板表面３００に対して、スクラッチ４１０は下に凹の傷であり、潜傷４００は負帯電する結晶欠陥として表示している。その際、電子線に対して反射面１１０を基板直上に設定した時、潜傷４００直上では反射面１１０は凸、スクラッチ４１０直上では反射面１１０は凹となる。その際、オーバーフォーカス条件にてフォーカス面１３０を点線の位置に設定した場合、ミラー電子の軌道１２０はスクラッチ４１０で収束、潜傷４００で発散する方向に描かれる。そのため、図１０に示したように、ミラー電子顕微鏡においてスクラッチ４１０は白色、潜傷４００は黒色で表示される。結晶欠陥が無い部分の輝度に比べて高いところに所定値である白色欠陥の閾値、低いところに所定値である黒色欠陥の閾値を設定すれば、スクラッチ４１０と潜傷４００をミラー電子顕微鏡像より分類することができる。
　このように、実施例２のミラー電子顕微鏡の構成によれば、得られた画像において、輝度が所定値以下の画素であり、且つ画素が所定数以上隣り合っている場合に、画素に相当する試料の部分に欠陥があると判定し、輝度が所定値以上の画素であり、且つ画素が所定数以上隣り合っている場合に、当該画素に相当する試料の部分に上記の欠陥とは別の種類の欠陥があると判定することができる。
　実施例３は、欠陥抽出に係る条件より閾値を決定する方法、またその際の抽出装置の実施例である。図１２に、実施例１、２における画像輝度を用いて負帯電欠陥を抽出する際の表示画面のＧＵＩの一例について説明する。ミラー電子顕微鏡にて取得した画像を読み込むと、画像リスト５００を表示すると共に、画像の取得座標に対応して読み込んだ画像を並べるタイリング処理を施した画像を表示するタイリング画像表示領域５２０に画像を表示する。表示する画像は生画像でも良いし、取得画像の明るさむらを取り除く為にスムージング処理を行った画像でも良い。また、画像をリスト５００またはタイリング画像表示領域５２０より選択すると、画像の詳細が表示される選択画像表示領域５３０が有ってもよい。
　しかしながら、図１２に示したＧＵＩによる方法では、装置状態を把握した上で閾値を設定しなければならず、その閾値を計算する手間がかかる。そこで、図１３から図１５を用いて、ミラー電子顕微鏡像の規格化と、閾値の自動決定法の実施例を示す。
　図１３は、試料に照射する電子線電流値と、取得したミラー電子顕微鏡像の画像平均輝度の関係を示している。図１３からわかるように、ある一定の範囲において電子線電流と画像平均輝度は比例状態にある。図１２の例では、照射電子線の電流値が変化することにより画像平均輝度が変化するため、その都度輝度閾値を設定しなければならなかったが、取得した電子線電流で規格化することにより、閾値を一定にすることができる。例えば、図１３のような関係を予め取得しておき、その関係性から画像輝度を電子線電流が１ｎＡの値に規格化することによって、閾値を自動的に計算することができる。また、欠陥がない部位の画像平均輝度を計算することによって電子線電流値を推測し、その値を持って画像平均輝度を規格化することもできる。
　図１４の左上に、負帯電欠陥１００直上における電子軌道１２０の一例と、フォーカス位置１３０における欠陥のミラー電子顕微鏡像を示した。図１４の(a)、(b)、(c)のように、フォーカス位置は上方向に移動するにつれて、ミラー電子顕微鏡像における欠陥の大きさは大きくなっていく。すなわち、欠陥の大きさは、デフォーカス位置に依存することになる。図１４では示していないが、デフォーカス位置とミラー電子顕微鏡像における欠陥画像の大きさの関係性を求めることにより、面積閾値を自動的に計算し設定することができる。また、ミラー電子顕微鏡側でデフォーカス位置を管理することにより、同じ欠陥のミラー電子顕微鏡像における大きさを一定に保っても良い。
　以上、図１３、図１４で説明した本実施例の方法を用いたＧＵＩの具体例を図１５、１６に示す。図１５の表示画面のＧＵＩにおいては、図１２のものと比較して明るさの閾値は欠陥がない部分の明るさもしくは画像平均輝度に対して割合、明るさ割合閾値で入力する。すなわち、画像表示部は、画像の画像平均輝度に対する明るさ割合閾値を設定する設定画面を表示する。欠陥が無い部分の明るさもしくは画像平均輝度より閾値を計算し、それによって抽出する画素を決定する。また、面積閾値はたとえば一定のデフォーカス量における閾値を入力しておき、デフォーカス量を規格化した上で実際の閾値を決定するか、ミラー電子顕微鏡像の撮像の際にデフォーカス量を一定にするように結像系条件を制御する。以上のことにより、常に一定の条件で欠陥を評価し、抽出することができるようになる。
　図１６は図１５の表示画面ＧＵＩの要部の一例を示している。同図の（a）は輝度閾値、面積閾値等の設定領域を示している。すなわち、パラメータとして、Black Defect Criterion（BDC）あるいはWhite Defect Criterion（WDC）をパーミル単位で指定、面積閾値としてArea Filter Thresholdを指定する。Shading Correctionは、シェーディング補正の有無を設定する。Image Brightness Offset（IB）は、同図の(b)に示すように画像平均輝度に対するゼロレベルを規定し、全輝度値からこの値を差し引く。例えば、この値が１００であれば、１００を完全な黒と定義し、この１００を引いた上で、画像処理する。このように設定したパラメータを用いて、式１により輝度閾値を算出することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明のより良い理解のために詳細に説明したのであり、必ずしも説明の全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　更に、上述した各構成、機能、制御装置、画像処理装置等は、それらの一部又は全部を実現するプログラムを作成する例を説明したが、それらの一部又は全部を例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現しても良いことは言うまでもない。すなわち、処理部の全部または一部の機能は、プログラムに代え、例えば、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）などの集積回路などにより実現してもよい。
１０　照射系光軸
１１　結像系光軸
１２　対物レンズ光軸
２０　電子銃
２１　照射レンズ
２２　結像レンズ
２３　対物レンズ
２４　ビームセパレータ
３０　試料
３１　ステージ
３２　カメラ
３３　シンチレータ
４０　制御装置
４１　電子銃制御装置
４２　画像取得装置
４３　紫外線光源制御装置
４４　基板電圧制御装置
４５　画像処理装置
５０　紫外線光源
１００　負帯電欠陥
１０１　正帯電欠陥
１１０　反射面（等電位面）
１２０　電子線軌道
１３０　フォーカス面
２００　輝点
２１０　黒点
３００　試料表面
４００　潜傷
４１０　スクラッチ
５００　画像リスト
５１０　欠陥リスト
５２０　タイリング画像表示領域
５３０　選択画像表示領域
８００　表示画面

Claims (10)

  1. 試料に荷電粒子を照射する荷電粒子源と、
    前記荷電粒子源に第１の電圧を印加する第１の電源と、
    前記試料に第２の電圧を印加する第２の電源と、
    前記試料の方向から入射する荷電粒子を結像する結像光学系と、
    前記結像光学系内に配置され、前記荷電粒子を検出する検出器と、
    検出した前記荷電粒子に基づいて形成される画像を処理する画像処理装置と、を備え、
    前記結像光学系は、前記第１及び第２の電圧の電位差により、前記試料上に形成された電界に跳ね返されたミラー電子を結像しないように制御し、
    前記画像処理装置は、前記画像において、輝度が所定値以下の画素であり、且つ前記画素が所定数以上隣り合っている場合に、前記画素に相当する前記試料の部分に欠陥があると判定する、
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
    前記画像処理装置は、前記画像において、輝度が所定値以上の画素であり、且つ前記画素が所定数以上隣り合っている場合に、前記画素に相当する前記試料の部分に前記欠陥とは別の種類の欠陥があると判定する、
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  3. 請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
    紫外線照射により、前記試料の欠陥を帯電し、
    前記画像処理装置は、
    前記輝度が所定値以下で前記画素が所定数以上隣り合っている場合に結晶欠陥、
    前記輝度が所定値以上で前記画素が所定数以上隣り合っている場合に表面欠陥、
    と判定する、
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  4. 請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
    前記画像処理装置は、前記画像を規格化した後、欠陥判定処理を行う、
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  5. 請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
    前記画像処理装置で形成された前記ミラー電子による像を表示するための画像表示部を備える、
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  6. 請求項５に記載の荷電粒子線装置であって、
    前記結像光学系は、前記画像表示部に検出したい欠陥を黒色に表示するため、前記ミラー電子をデフォーカスする、
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  7. 請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
    前記所定値を設定するための設定画面を表示するための画像表示部を備える、
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  8. 請求項７に記載の荷電粒子線装置であって、
    前記画像表示部は、前記所定値として輝度閾値を設定する設定画面を表示する、
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  9. 請求項７に記載の荷電粒子線装置であって、
    前記画像表示部は、前記所定数として面積閾値を設定する設定画面を表示する、
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  10. 請求項７に記載の荷電粒子線装置であって、
    前記画像表示部は、前記画像の画像平均輝度に対する明るさ割合閾値を設定する設定画面を表示する、
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
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