WO2022130838A1 - マルチビーム画像取得装置及びマルチビーム画像取得方法 - Google Patents
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Definitions
- JP2020-209636 application number filed in Japan on December 17, 2020. All content described in JP2020-20936 will be incorporated into this application by reference.
- the present invention relates to a multi-beam image acquisition device and a multi-beam image acquisition method.
- the present invention relates to an image acquisition method of a multi-beam inspection apparatus for pattern inspection using a secondary electron image caused by irradiation of a multi-primary electron beam.
- a multi-beam using an electron beam is irradiated to the inspection target substrate, secondary electrons corresponding to each beam emitted from the inspection target substrate are detected, and a pattern image is captured. Then, a method of performing an inspection by comparing the captured measurement image with the design data or the measurement image obtained by capturing the same pattern on the substrate is known.
- "die-to-die” inspection which compares measurement image data obtained by capturing the same pattern at different locations on the same substrate, and design image data (reference image) based on pattern-designed design data.
- die-to-database (die-database) inspection that generates data and compares it with a measurement image that is measurement data obtained by imaging a pattern.
- the captured image is sent to the comparison circuit as measurement data.
- the comparison circuit after the images are aligned with each other, the measurement data and the reference data are compared according to an appropriate algorithm, and if they do not match, it is determined that there is a pattern defect.
- an electromagnetic field orthogonal (E ⁇ B: E cross B) separator is placed on the orbit of the primary electron beam to obtain a secondary electron beam from the primary electron beam. Separate the electron beam.
- the ExB separator is arranged at the image plane conjugate position of the primary electron beam where the influence of ExB of the primary electron beam is small. Then, in order to improve the accuracy of the image, it is desirable to reduce the beam diameter of the primary electron beam to irradiate the sample surface. Therefore, a primary electron beam is imaged on the sample surface with an objective lens.
- the primary electron beam is focused on the E ⁇ B separator.
- the secondary electron beam is imaged before the E ⁇ B separator after passing through the objective lens. Therefore, the secondary electron beam spreads on the E ⁇ B separator without being focused. Therefore, the secondary electrons separated by the E ⁇ B separator continue to spread in the detection optical system. Therefore, there is a problem that the aberration generated in the detection optical system becomes large, and the multi-secondary electron beams overlap on the detector, making it difficult to detect them individually. Such a problem is not limited to the inspection device, and may occur similarly to all devices that acquire images using a multi-electron beam.
- a Wien filter consisting of a multipole lens having a four-stage configuration for correcting on-axis chromatic aberration is placed in the secondary electron optical system away from the primary electron optical system, and the axis of the secondary electron after being separated.
- a technique for correcting chromatic aberration is disclosed (see, for example, Patent Document 1).
- one aspect of the present invention is an apparatus and method capable of reducing the beam diameter of the primary electron beam irradiating the sample surface to a small size and separating each secondary electron beam of the multi-secondary electron beam on the detection surface. I will provide a.
- the multi-beam image acquisition device of one aspect of the present invention is The stage on which the board is placed and An objective lens that illuminates the substrate with a multi-primary electron beam, It has two or more electrodes that form an electric field and two or more poles that form a magnetic field, and is emitted due to the substrate being irradiated with a multi-primary electron beam using the electric and magnetic fields.
- a separator that separates the multi-secondary electron beam from the orbit of the multi-primary electron beam, A deflector that deflects the separated multi-secondary electron beam, A detector that detects a deflected multi-secondary electron beam, An electrostatic electrode placed between the main surface of the objective lens and the substrate, With the objective lens controlled so that the multi-primary electron beam is focused on the substrate, one or more imaging points of the multi-secondary electron beam between the main surface of the objective lens and the substrate. And a control circuit that controls the electrostatic electrode so that the image point of the multi-secondary electron beam is formed in the middle of the deflector. It is characterized by being equipped with.
- the multi-beam image acquisition method of one aspect of the present invention is Using an objective lens, illuminate the substrate placed on the stage with a multi-primary electron beam. Caused by the fact that the substrate was irradiated with a multi-primary electron beam using an electric field and a magnetic field using a separator having two or more electrodes that form an electric field and two or more poles that form a magnetic field.
- the multi-secondary electron beam emitted is separated from the orbit of the multi-primary electron beam.
- the separated multi-secondary electron beam is deflected using a deflector, and the separated multi-secondary electron beam is deflected.
- the deflected multi-secondary electron beam is detected by a detector, and the signal of the detected multi-secondary electron beam is used to acquire and output a secondary electron image.
- an electrostatic electrode arranged between the main surface of the objective lens and the substrate is used to obtain an objective lens.
- the image point of the multi-secondary electron beam is formed between the main surface and the substrate at least once, and the image point of the multi-secondary electron beam is formed in the middle of the deflector. Control the orbit of the electron beam, It is characterized by that.
- the beam diameter of the primary electron beam irradiating the substrate surface can be narrowed down, and each secondary electron beam of the multi-secondary electron beam can be separated on the detection surface.
- FIG. It is a block diagram which shows the structure of the pattern inspection apparatus in Embodiment 1.
- FIG. It is a conceptual diagram which shows the structure of the molded aperture array substrate in Embodiment 1.
- FIG. It is a figure which shows an example of the trajectory of the central beam in Embodiment 1 and the comparative example.
- FIG. It is a figure which shows an example of the orbit of the multi-secondary electron beam in Embodiment 1.
- FIG. It is a figure which shows an example of the simulation result of the orbit of an electron beam in Embodiment 1.
- FIG. It is a figure which shows an example of the simulation result of the orbit of an electron beam in Embodiment 1.
- FIG. It is a figure which shows an example of the simulation result of the orbit of an electron beam in Embodiment 1.
- FIG. It is a figure which shows an example of the beam diameter of the multi-secondary electron beam on the detection surface of the multi-detector in Embodiment 1 and the comparative example.
- FIG. It is a figure which shows the example of the SEM image of the pattern on the substrate and the example of the beam diameter of the multi-secondary electron beam on the detection surface in Embodiment 1.
- FIG. It is a figure for demonstrating the relationship between the position of the image formation point in the deflector, and the beam diameter in Embodiment 1.
- FIG. It is a figure which shows an example of the plurality of chip regions formed on the semiconductor substrate in Embodiment 1.
- FIG. It is a figure for demonstrating the image acquisition process in Embodiment 1.
- the multi-electron beam inspection device will be described as an example of the multi-electron beam image acquisition device.
- the image acquisition device is not limited to the inspection device, and may be any device that acquires an image using a multi-beam.
- FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a pattern inspection device according to the first embodiment.
- the inspection device 100 for inspecting a pattern formed on a substrate is an example of a multi-electron beam inspection device.
- the inspection device 100 includes an image acquisition mechanism 150 and a control system circuit 160 (control unit).
- the image acquisition mechanism 150 includes an electron beam column 102 (electron lens barrel), an inspection room 103, a detection circuit 106, a chip pattern memory 123, a stage drive mechanism 142, and a laser length measuring system 122.
- an electron gun 201 In the electron beam column 102, an electron gun 201, an illumination lens 202, a molded aperture array substrate 203, an electromagnetic lens 205, a batch deflector 212, a limiting aperture substrate 213, electromagnetic lenses 206, 207, a main deflector 208, and a sub-deflector are included. 209, beam separator 214, electrostatic electrode 217, deflector 218, scan coil 219, projection lens 224, deflector 226, and multi-detector 222 are arranged.
- Electron gun 201 electromagnetic lens 202, molded aperture array substrate 203, electromagnetic lens 205, batch deflector 212, limiting aperture substrate 213, electromagnetic lens 206, electromagnetic lens 207 (objective lens), main deflector 208, and sub-deflector 209.
- the primary electron optical system 151 is configured by the above.
- the secondary electron optical system 152 is composed of an electrostatic electrode 217, a scan coil 219, an electromagnetic lens 207 (objective lens), a beam separator 214, a deflector 218, an electromagnetic lens 224, and a deflector 226.
- a stage 105 that can move at least in the XY direction is arranged in the inspection room 103.
- a substrate 101 (sample) to be inspected is arranged on the stage 105.
- the substrate 101 includes a mask substrate for exposure and a semiconductor substrate such as a silicon wafer.
- a semiconductor substrate such as a silicon wafer.
- a plurality of chip patterns are formed on the semiconductor substrate.
- a chip pattern is formed on the exposure mask substrate.
- the chip pattern is composed of a plurality of graphic patterns.
- the substrate 101 is a semiconductor substrate, for example, with the pattern forming surface facing upward. Further, on the stage 105, a mirror 216 that reflects the laser beam for laser length measurement emitted from the laser length measuring system 122 arranged outside the examination room 103 is arranged.
- the multi-detector 222 is connected to the detection circuit 106 outside the electron beam column 102.
- the detection circuit 106 is connected to the chip pattern memory 123.
- the intermediate aperture substrate to be described later which is arranged at the intermediate position of the deflector 218, is composed of a substrate made of a conductive material or a substrate on which a conductive film is arranged on the surface, and is used in the detection circuit 107 outside the electron beam column 102. Be connected.
- the detection circuit 107 is connected to the chip pattern memory 123.
- the control computer 110 that controls the entire inspection device 100 uses the position circuit 107, the comparison circuit 108, the reference image creation circuit 112, the stage control circuit 114, the lens control circuit 124, and the blanking via the bus 120. It is connected to a control circuit 126, a deflection control circuit 128, a retarding control circuit 130, an electrode control circuit 132, a storage device 109 such as a magnetic disk device, a monitor 117, a memory 118, and a printer 119. Further, the deflection control circuit 128 is connected to a DAC (digital-to-analog conversion) amplifier 144, 146, 147, 148. The DAC amplifier 146 is connected to the main deflector 208, and the DAC amplifier 144 is connected to the sub-deflector 209. The DAC amplifier 148 is connected to the deflector 218.
- DAC digital-to-analog conversion
- the chip pattern memory 123 is connected to the comparison circuit 108.
- the stage 105 is driven by the drive mechanism 142 under the control of the stage control circuit 114.
- a drive system such as a three-axis (XY ⁇ ) motor that drives in the X direction, the Y direction, and the ⁇ direction in the stage coordinate system is configured, and the stage 105 can move in the XY ⁇ direction. It has become.
- X motors, Y motors, and ⁇ motors (not shown), for example, step motors can be used.
- the stage 105 can be moved in the horizontal direction and the rotational direction by the motor of each axis of XY ⁇ .
- the moving position of the stage 105 is measured by the laser length measuring system 122 and supplied to the position circuit 107.
- the laser length measuring system 122 measures the position of the stage 105 by the principle of the laser interferometry method by receiving the reflected light from the mirror 216.
- the stage coordinate system for example, the X direction, the Y direction, and the ⁇ direction of the primary coordinate system are set with respect to the plane orthogonal to the optical axis of the multi-primary electron beam 20.
- the electromagnetic lens 202, the electromagnetic lens 205, the electromagnetic lens 206, the electromagnetic lens 207, the electromagnetic lens 224, the scan coil 219, and the beam separator 214 are controlled by the lens control circuit 124.
- the batch deflector 212 is composed of electrodes having two or more poles, and is controlled by a blanking control circuit 126 via a DAC amplifier (not shown) for each electrode.
- the sub-deflector 209 is composed of electrodes having four or more poles, and each electrode is controlled by the deflection control circuit 128 via the DAC amplifier 144.
- the main deflector 208 is composed of electrodes having four or more poles, and each electrode is controlled by a deflection control circuit 128 via a DAC amplifier 146.
- the deflector 218 is composed of a two-stage deflector composed of electrodes having four or more poles, and each electrode is controlled by a deflection control circuit 128 via a DAC amplifier 148. Further, the deflector 226 is composed of electrodes having four or more poles, and each electrode is controlled by a deflection control circuit 128 via a DAC amplifier (not shown).
- the electrostatic electrode 217 is composed of, for example, an electrode substrate having an opening formed in the center, and is controlled by an electrode control circuit 132. The electrostatic electrode 217 is arranged between the main surface of the electromagnetic lens 207 (objective lens) and the substrate 101.
- the retarding control circuit 130 applies a desired retarding potential to the substrate 101 to adjust the energy of the multi-primary electron beam 20 applied to the substrate 101.
- a high-voltage power supply circuit (not shown) is connected to the electron gun 201, and the acceleration voltage from the high-voltage power supply circuit is applied between the filament and the extraction electrode (not shown) in the electron gun 201, and the voltage of a predetermined extraction electrode (Wenert) is applied.
- the acceleration voltage from the high-voltage power supply circuit is applied between the filament and the extraction electrode (not shown) in the electron gun 201, and the voltage of a predetermined extraction electrode (Wenert) is applied.
- FIG. 1 describes a configuration necessary for explaining the first embodiment.
- the inspection device 100 may usually have other configurations required.
- FIG. 2 is a conceptual diagram showing the configuration of the molded aperture array substrate according to the first embodiment.
- the molded aperture array substrate 203 has holes (openings) of two-dimensional horizontal (x direction) m 1 row ⁇ vertical (y direction) n 1 step (m 1 and n 1 are integers of 2 or more). ) 22 are formed at a predetermined arrangement pitch in the x and y directions.
- a case where a hole (opening) 22 of 23 ⁇ 23 is formed is shown.
- Each hole 22 is formed by a rectangle having the same size and shape. Alternatively, it may be a circle having the same outer diameter.
- a part of the electron beam 200 passes through each of these plurality of holes 22, so that the multi-primary electron beam 20 is formed.
- the molded aperture array substrate 203 is an example of a multi-beam forming mechanism for forming a multi-primary electron beam.
- the image acquisition mechanism 150 acquires an image to be inspected of the graphic pattern from the substrate 101 on which the graphic pattern is formed by using a multi-beam using an electron beam.
- the operation of the image acquisition mechanism 150 in the inspection device 100 will be described.
- the electron beam 200 emitted from the electron gun 201 is refracted by the electromagnetic lens 202 to illuminate the entire molded aperture array substrate 203.
- a plurality of holes 22 are formed in the molded aperture array substrate 203, and the electron beam 200 illuminates a region including all the plurality of holes 22.
- Each part of the electron beam 200 irradiated to the positions of the plurality of holes 22 passes through the plurality of holes 22 of the molded aperture array substrate 203, respectively, thereby forming the multi-primary electron beam 20.
- the formed multi-primary electron beam 20 is refracted by the electromagnetic lens 205 and the electromagnetic lens 206, respectively, and the intermediate image plane (image plane) of each beam of the multi-primary electron beam 20 is repeated while repeating the intermediate image and the crossover.
- Conjugated position Passes through the beam separator 214 arranged at IP) and proceeds to the electromagnetic lens 207.
- the scattered beam can be shielded by arranging the limiting aperture substrate 213 having a limited passage hole in the vicinity of the crossover position of the multi-primary electron beam 20.
- the entire multi-primary electron beam 20 is collectively deflected by the batch deflector 212, and the entire multi-primary electron beam 20 is shielded by the limiting aperture substrate 213 to blanket the entire multi-primary electron beam 20. can.
- the electromagnetic lens 207 When the multi-primary electron beam 20 is incident on the electromagnetic lens 207 (objective lens), the electromagnetic lens 207 focuses the multi-primary electron beam 20 on the substrate 101. In other words, the electromagnetic lens 207 irradiates the substrate 101 with the multi-primary electron beam 20.
- the multi-primary electron beam 20 focused (focused) on the surface of the substrate 101 (sample) by the objective lens 207 is collectively deflected by the main deflector 208 and the sub-deflector 209, and the substrate 101 of each beam is applied.
- Each of the above irradiation positions is irradiated. In this way, the primary electron optical system 151 irradiates the surface of the substrate 101 with the multi-primary electron beam.
- the multi-primary electron beam 20 When the multi-primary electron beam 20 is irradiated to a desired position of the substrate 101, it corresponds to each beam of the multi-primary electron beam 20 from the substrate 101 due to the irradiation of the multi-primary electron beam 20. , A bundle of secondary electrons including backscattered electrons (multi-secondary electron beam 300) is emitted.
- the multi-secondary electron beam 300 emitted from the substrate 101 passes through the electromagnetic lens 207 and proceeds to the beam separator 214.
- the beam separator 214 (E ⁇ B separator) has a plurality of magnetic poles having two or more poles using a coil, and a plurality of electrodes having two or more poles. Then, a directional magnetic field is generated by the plurality of magnetic poles. Similarly, a plurality of electrodes generate a directional electric field. Specifically, the beam separator 214 generates an electric field and a magnetic field in a direction orthogonal to each other on a plane orthogonal to the direction in which the central beam of the multi-primary electron beam 20 travels (orbital center axis). The electric field exerts a force in the same direction regardless of the traveling direction of the electron.
- the magnetic field exerts a force according to Fleming's left-hand rule. Therefore, the direction of the force acting on the electron can be changed depending on the intrusion direction of the electron.
- the force due to the electric field and the force due to the magnetic field cancel each other out in the multi-beam 20 that enters the beam separator 214 from above, and the multi-primary electron beam 20 travels straight downward.
- the multi-secondary electron beam 300 that invades the beam separator 214 from below both the force due to the electric field and the force due to the magnetic field act in the same direction, and the multi-secondary electron beam 300 moves diagonally upward. It is bent and separated from the orbit of the multi-primary electron beam 20.
- the multi-secondary electron beam 300 which is bent diagonally upward and separated from the multi-primary electron beam 20, is guided to the multi-detector 222 by the secondary electron optical system 152. Specifically, the multi-secondary electron beam 300 separated from the multi-primary electron beam 20 is further bent by being deflected by the deflector 218, and at a position away from the orbit of the multi-primary electron beam 20. It is projected onto the multi-detector 222 while being refracted in the focusing direction by the electromagnetic lens 224. The multi-detector 222 (multi-secondary electron beam detector) detects the refracted and projected multi-secondary electron beam 300.
- the multi-detector 222 has a plurality of detection elements (for example, a diode type two-dimensional sensor (not shown)). Then, each beam of the multi-primary electron beam 20 collides with the detection element corresponding to each secondary electron beam of the multi-secondary electron beam 300 on the detection surface of the multi-detector 222 to generate electrons. Next-electron image data is generated for each pixel. The intensity signal detected by the multi-detector 222 is output to the detection circuit 106.
- detection elements for example, a diode type two-dimensional sensor (not shown)
- FIG. 3 is a diagram showing an example of the trajectory of the central beam in the first embodiment and the comparative example.
- the primary electron beam 21 at the center of the multi-primary electron beam 20 spreads through the beam separator 214 arranged at the image plane conjugate position, and the orbit is set in the focusing direction by the magnetic lens 207 (objective lens). It is bent and imaged on the 101st surface of the substrate. Then, among the multi-secondary electron beams 300 emitted from the substrate 101, the energy at the time of emission of the central secondary electron beam 301 corresponding to the central primary electron beam 21 is the central primary electron beam to the substrate 101. It is smaller than the incident energy of 21.
- the central secondary electron beam 301 is bent in the focusing direction by the magnetic lens 207 (objective lens).
- An intermediate image plane 600 imaging point
- the central secondary electron beam 301 spreads and proceeds to the beam separator 214.
- the central secondary electron beam 301 advances to the deflector 218 while further expanding.
- the energy of the multi-secondary electron beam 300 emitted from the substrate 101 is reduced by applying a negative potential to the electrostatic electrode 217.
- the multi 2 is performed once or more between the main surface of the magnetic lens 207 (objective lens) and the substrate 101.
- Each secondary electron beam of the secondary electron beam 300 forms an intermediate image plane (imaging point).
- the multi-secondary electron beam 300 whose energy is reduced by the influence of the electric field formed by the electrostatic electrode 217 orbits at a position in front of the main surface of the magnetic lens 207 (objective lens) due to the influence of the magnetic field of the magnetic lens 207.
- an intermediate image plane 601 (imaging point) between the main surface of the magnetic lens 207 (objective lens) and the substrate 101 at least once.
- the central secondary electron beam 301 forms the intermediate image plane 601 (imaging point) once between the main surface of the magnetic lens 207 (objective lens) and the substrate 101 is shown.
- the image plane 601 advances to the magnetic lens 207 while expanding.
- the orbit is bent in the focusing direction by the magnetic lens 207 (objective lens) and proceeds to the beam separator 214.
- an intermediate image plane 602 (imaging point) is formed in the middle of the deflector 218.
- an intermediate image plane 601 (imaging point) is formed between the main surface of the magnetic lens 207 (objective lens) and the substrate 101 at least once. Then, an intermediate image plane 602 (imaging point) is formed in the middle of the deflector 218.
- the main surface of the objective lens is a position where the trajectory of each primary electron beam is bent by the lens action of the magnetic lens 207 (objective lens) and the direction of the trajectory changes from the divergence direction to the focusing direction. And.
- FIG. 4 is a diagram showing an example of the orbits of the multi-secondary electron beam in the comparative example of the first embodiment.
- FIG. 5 is a diagram showing an example of the orbits of the multi-secondary electron beam in the first embodiment.
- the intermediate image plane is formed at a position before the central secondary electron beam 301 of the multi-secondary electron beam 300 reaches the beam separator 214 after passing through the magnetic lens 207. As it spreads, it proceeds to the beam separator 214 and the deflector 218. Therefore, the beam diameter D1 of the central secondary electron beam 301 becomes wide at the position of the deflector 218. Similarly, the beam diameter of each of the other secondary electron beams becomes wide.
- each secondary electron beam becomes larger, the aberration generated by the deflector 218 becomes larger. Therefore, even if an attempt is made to converge by the lens work of the magnetic lens 224 after passing through the deflector 218, the beam diameter cannot be narrowed down on the detection surface of the multi-detector 222, and the secondary electron beams overlap each other. Separation between secondary electron beams may be difficult. As a result, it becomes difficult to detect each secondary electron beam individually. If the objective lens gives priority to focusing the secondary electron beam on the position of the deflector 218, the focus of the primary electron beam is sacrificed, so even if the secondary electron beams can be separated from each other. , The accuracy of the pattern image of the obtained substrate deteriorates. As described above, it is difficult in principle to control the image pickup points of both the primary system and the secondary system having different energies with the objective lens.
- the electrode control circuit 132 uses the electrostatic electrode 217 to form the main surface of the magnetic lens 207 (objective lens) and the substrate 101, as shown in FIG.
- An intermediate image plane (imaging point) of the multi-secondary electron beam is formed one or more times between them, and an intermediate image plane (imaging point) of the multi-secondary electron beam 300 is formed in the middle of the deflector 218.
- the orbit of the multi-secondary electron beam 300 is controlled so as to be formed.
- the electrode control circuit 132 controls the magnetic lens 207 (objective lens) so that the multi-primary electron beam 20 is focused on the substrate 101, and the magnetic lens 207 (as shown in FIG. 5).
- An intermediate image plane (imaging point) of the multi-secondary electron beam 300 is formed one or more times between the main surface of the objective lens) and the substrate 101, and the multi-secondary electron beam of the multi-secondary electron beam is formed in the middle of the deflector 218.
- the electrostatic electrode 217 is controlled so that an intermediate image plane (imaging point) is formed. Specifically, the magnitude of the negative potential applied to the electrostatic electrode 217 is controlled. As a result, as shown in FIG. 5, the beam diameter of the central secondary electron beam 301 can be reduced at the position in the deflector 218. Therefore, the aberration generated in the deflector 218 can be suppressed.
- the beam diameter can be narrowed on the detection surface of the multi-detector 222 by the lens work of the magnetic lens 224 after passing through the deflector 218, and each secondary electron beam can be separated on the detection surface of the multi-detector 222. It can be imaged. As a result, each secondary electron beam can be detected individually.
- the deflector 218 of the first embodiment has a first-stage deflector 52 (first deflector) and a second-stage deflector 54 (second deflector).
- the second-stage deflector 54 is arranged in a direction tilted toward the multi-detector 222 side from the arrangement direction of the first-stage deflector 52.
- the first-stage deflector 52 deflects the multi-secondary electron beam 300
- the second-stage deflector 54 further deflects the multi-secondary electron beam 300 that has passed through the first-stage deflector 52. In this way, the deflector 218 directs the orbit of the multi-secondary electron beam 300 toward the multi-detector 222 by two deflections.
- the first-stage deflector 52 and the second-stage deflector 54 are each composed of electrodes having two or more poles. In the first-stage deflector 52 and the second-stage deflector 54, when the multi-secondary electron beam 300 passes through the inside surrounded by electrodes having two or more poles, the multi-secondary electron beam 300 is used. Is deflected.
- the first-stage deflector 52 and the second-stage deflector 54 are composed of, for example, the same set of electrodes having two or more poles, and each electrode of the first-stage deflector 52 and the second-stage deflector 54, respectively. The same potential is applied to the corresponding electrodes, for example.
- the intermediate aperture board 56 is arranged between the first-stage deflector 52 and the second-stage deflector 54.
- the intermediate aperture substrate 56 is formed with an opening 55 at the center for the multi-secondary electron beam 300 to pass through.
- the electrode control circuit 132 is electrostatically charged so that an intermediate image plane (imaging point) of each secondary electron beam of the multi-secondary electron beam 300 is formed at the position of the intermediate aperture substrate 56 in the middle of the deflector 218.
- the electrode 217 is controlled.
- FIGS. 6A to 6C are diagrams showing an example of the simulation result of the orbit of the electron beam in the first embodiment.
- the trajectory of the central primary electron beam 21 of the multi-primary electron beam 20 between the E ⁇ B separator (beam separator 214) and the substrate 101 is shown.
- the orbit of the central secondary electron beam 301 of the multi-secondary electron beam 300 between the substrate 101 and the intermediate aperture substrate 56 is shown.
- the trajectory of the central secondary electron beam 301 of the multi-secondary electron beam 300 from the vicinity of the intermediate aperture substrate 56 to the multi-detector 222 is shown.
- the vertical axis indicates the beam diameter.
- the horizontal axis indicates the position.
- the scales on the vertical axis and the horizontal axis do not match between FIGS. 6A and 6C.
- the central primary electron beam 21 is focused on the substrate 101 by the objective lens.
- the central secondary electron beam 301 further forms an intermediate image at the position of the intermediate aperture substrate 56. Form a surface.
- the central secondary electron beam 301 can be focused at the position of the multi-detector 222.
- the secondary system can be imaged at the position of the intermediate aperture substrate 56 while maintaining the high resolution (imaging on the substrate surface) of the primary system.
- FIG. 7 is a diagram showing an example of the beam diameter of the multi-secondary electron beam on the detection surface of the multi-detector in the first embodiment and the comparative example.
- the aberration in the deflector 218 becomes large, so that the beam diameter of each beam 15 of the multi-secondary electron beam 300 on the detection surface of the multi-detector 222 becomes large.
- the beams 15 may overlap each other.
- the beam diameter of each beam 14 of the multi-secondary electron beam 300 on the detection surface of the multi-detector 222 can be reduced.
- the secondary system can have high resolution at the position of the multi-detector 222 (separation on the detection surface is possible).
- FIG. 8A and 8B are diagrams showing an example of an SEM image of a pattern on a substrate in the first embodiment and an example of a beam diameter of a multi-secondary electron beam on a detection surface.
- the multi-secondary electron beam 300 is formed on the intermediate aperture substrate 56, it can be seen that the multi-secondary electron beam 300 is separated on the detection surface of the multi-detector 222 as shown in FIG. 8B.
- the pattern image can be clearly seen as shown in FIG. 8A.
- FIG. 9 is a diagram for explaining the relationship between the position of the imaging point in the deflector and the beam diameter in the first embodiment.
- Aberration depends on the distance from the optical axis.
- the aberration that occurs depends on the maximum off-axis distance.
- the maximum distance from the optical axis generated in the deflectors is d.
- the maximum distance from the optical axis generated in the deflector 218 is D'greater than d. It ends up. Therefore.
- the off-axis distance can be minimized. It should be noted that the aberration can be reduced by reducing the spread of each beam. Therefore, it is preferable to control the intermediate image plane of each secondary electron beam so as to be formed at the midpoint between the two deflectors 52 and 54, instead of the crossover of the multi-secondary electron beam 300.
- the adjustment is made as follows. (1) Temporarily set a predetermined acceleration voltage, retarding voltage, voltage applied to the electrostatic electrode 217, voltage applied to the E ⁇ B separator, exciting current, and exciting current to the objective lens. (2) The scan coil 219 above the substrate 101 is scanned, and the value of the E ⁇ B separator is adjusted so that the signal of the secondary electron beam can be detected by the intermediate aperture substrate 56. The signal detected by the intermediate aperture board 56 is output to the detection circuit 107. In the detection circuit 107, analog detection data is converted into digital data by an A / D converter (not shown) and output to, for example, the comparison circuit 108. As a result, the image can be acquired using the intermediate aperture substrate 56 as a detector.
- the focus position of the multi-primary electron beam 20 on the substrate 101 is adjusted by changing the value of the objective lens.
- the scanning range of the scan coil 219 is widened so that the opening 55 of the intermediate aperture substrate 56 can be recognized, and the value of the E ⁇ B separator is adjusted so that the opening 55 is located in the center of the scanning range.
- the opening 55 can be recognized from the image obtained by using the intermediate aperture substrate 56 as a detector.
- the voltage applied to the electrostatic electrode 217 is adjusted so that an intermediate image plane is formed in the opening 55 of the intermediate aperture substrate 56. That is, the voltage applied to the electrostatic electrode 217 is adjusted so that the image of the opening 55 becomes sharp.
- the inspection process of the substrate to be inspected is performed.
- FIG. 10 is a diagram showing an example of a plurality of chip regions formed on the semiconductor substrate in the first embodiment.
- a plurality of chips (wafer dies) 332 are formed in a two-dimensional array in the inspection region 330 of the semiconductor substrate (wafer) 101.
- a mask pattern for one chip formed on an exposure mask substrate is transferred to each chip 332 by being reduced to, for example, 1/4 by an exposure device (stepper) (not shown).
- FIG. 11 is a diagram for explaining the image acquisition process in the first embodiment.
- the region of each chip 332 is divided into a plurality of stripe regions 32 with a predetermined width, for example, in the y direction.
- the scanning operation by the image acquisition mechanism 150 is performed, for example, for each stripe region 32.
- the scanning operation of the stripe region 32 is relatively advanced in the x direction.
- Each stripe region 32 is divided into a plurality of rectangular regions 33 in the longitudinal direction.
- the movement of the beam to the rectangular region 33 of interest is performed by batch deflection of the entire multi-primary electron beam 20 by the main deflector 208.
- the irradiation region 34 that can be irradiated by one irradiation of the multi-primary electron beam 20 is (the x-direction obtained by multiplying the x-direction beam-to-beam pitch of the multi-primary electron beam 20 on the substrate 101 surface by the number of beams in the x-direction. Size) ⁇ (size in the y direction obtained by multiplying the pitch between beams of the multi-primary electron beam 20 in the y direction on the surface of the substrate 101 by the number of beams in the y direction).
- the irradiation region 34 becomes the field of view of the multi-primary electron beam 20.
- each of the primary electron beams 10 constituting the multi-primary electron beam 20 is irradiated into the sub-irradiation region 29 surrounded by the inter-beam pitch in the x-direction and the inter-beam pitch in the y direction in which the own beam is located. , Scan (scan operation) in the sub-irradiation area 29.
- Scan scanner operation
- Each primary electron beam 10 is responsible for any of the sub-irradiation regions 29 that are different from each other. Then, each primary electron beam 10 irradiates the same position in the responsible sub-irradiation region 29.
- the sub-deflector 209 (first deflector) scans the surface of the substrate 101 on which the pattern is formed with the multi-primary electron beam 20 by collectively deflecting the multi-primary electron beam 20.
- the movement of the primary electron beam 10 in the sub-irradiation region 29 is performed by the collective deflection of the entire multi-primary electron beam 20 by the sub-deflector 209. This operation is repeated to sequentially irradiate the inside of one sub-irradiation region 29 with one primary electron beam 10.
- each stripe region 32 is set to the same size as the y-direction size of the irradiation region 34 or to be narrowed by the scan margin.
- the irradiation area 34 has the same size as the rectangular area 33 is shown. However, it is not limited to this.
- the irradiation area 34 may be smaller than the rectangular area 33. Or it may be large. Then, each primary electron beam 10 constituting the multi-primary electron beam 20 is irradiated into the sub-irradiation region 29 in which its own beam is located, and scans (scans) the inside of the sub-irradiation region 29.
- the irradiation position is moved to the adjacent rectangular region 33 in the same stripe region 32 by the collective deflection of the entire multi-primary electron beam 20 by the main deflector 208.
- This operation is repeated to irradiate the inside of the stripe region 32 in order.
- the irradiation region 34 moves to the next stripe region 32 by moving the stage 105 and / or batch deflection of the entire multi-primary electron beam 20 by the main deflector 208.
- the scanning operation for each sub-irradiation region 29 and the acquisition of the secondary electron image are performed.
- a secondary electronic image of the rectangular region 33 By combining these secondary electronic images for each sub-irradiation region 29, a secondary electronic image of the rectangular region 33, a secondary electronic image of the striped region 32, or a secondary electronic image of the chip 332 is configured. Further, when actually performing image comparison, the sub-irradiation region 29 in each rectangular region 33 is further divided into a plurality of frame regions 30, and the frame image 31 which is a measurement image for each frame region 30 is compared. become.
- FIG. 4 shows a case where the sub-irradiation region 29 scanned by one primary electron beam 10 is divided into four frame regions 30 formed by dividing the sub-irradiation region 29 into two in the x and y directions, for example. ..
- the main deflector 208 collectively deflects the irradiation position of the multi-primary electron beam 20 so as to follow the movement of the stage 105. Tracking operation is performed by. Therefore, the emission position of the multi-secondary electron beam 300 changes momentarily with respect to the orbital central axis of the multi-primary electron beam 20. Similarly, when scanning in the sub-irradiation region 29, the emission position of each secondary electron beam changes momentarily in the sub-irradiation region 29.
- the deflector 226 collectively deflects the multi-secondary electron beam 300 so that each secondary electron beam whose emission position has changed is irradiated into the corresponding detection region of the multi-detector 222. It is also preferable to arrange an alignment coil or the like in the secondary electron optical system separately from the deflector 226 to correct the change in the emission position.
- the image acquisition mechanism 150 promotes the scanning operation for each stripe area 32.
- the multi-secondary electron beam 300 irradiated from the multi-primary electron beam 20 and emitted from the substrate 101 due to the irradiation of the multi-primary electron beam 20 has an intermediate image plane in the deflector 218. Is deflected by the deflector 218 and then detected by the multi-detector 222.
- the detected multi-secondary electron beam 300 may contain backscattered electrons. Alternatively, the backscattered electrons may diverge while moving through the secondary electron optical system and may not reach the multi-detector 222. and.
- a secondary electron image is acquired using the detected signal of the multi-secondary electron beam 300.
- the detection data of the secondary electrons (measured image data: secondary electronic image data: inspected image data) for each pixel in each sub-irradiation region 29 detected by the multi-detector 222 is detected in the order of measurement. It is output to the circuit 106.
- analog detection data is converted into digital data by an A / D converter (not shown) and stored in the chip pattern memory 123. Then, the obtained measurement image data is transferred to the comparison circuit 108 together with the information indicating each position from the position circuit 107.
- the reference image creation circuit 112 creates a reference image corresponding to the frame image 31 for each frame region 30 based on the design data that is the source of the plurality of graphic patterns formed on the substrate 101. Specifically, it operates as follows. First, the design pattern data is read from the storage device 109 through the control computer 110, and each graphic pattern defined in the read design pattern data is converted into binary or multi-valued image data.
- the figure defined in the design pattern data is, for example, a basic figure of a rectangle or a triangle, for example, the coordinates (x, y) at the reference position of the figure, the length of the side, the rectangle, the triangle, or the like.
- Graphical data that defines the shape, size, position, etc. of each pattern graphic is stored in information such as a graphic code that serves as an identifier that distinguishes the graphic types of.
- the design pattern data to be the graphic data is input to the reference image creation circuit 112
- the data is expanded to the data for each graphic, and the graphic code indicating the graphic shape of the graphic data, the graphic dimension, and the like are interpreted.
- it is developed into binary or multi-valued design pattern image data as a pattern arranged in the squares having a grid of predetermined quantized dimensions as a unit and output.
- the design data is read, the occupancy rate of the figure in the design pattern is calculated for each cell created by virtually dividing the inspection area into cells with a predetermined dimension as a unit, and the n-bit occupancy rate data is obtained.
- Output For example, it is preferable to set one cell as one pixel.
- the reference image creation circuit 112 filters the design image data of the design pattern, which is the image data of the figure, by using a predetermined filter function. Thereby, the design image data in which the image intensity (shade value) is the image data on the design side of the digital value can be matched with the image generation characteristics obtained by the irradiation of the multi-primary electron beam 20.
- the image data for each pixel of the created reference image is output to the comparison circuit 108.
- the frame image 31 (first image) to be the inspected image and the reference image (second image) corresponding to the frame image are divided into sub-pixel units for each frame region 30. Align. For example, the alignment may be performed by the method of least squares.
- the comparison circuit 108 compares the frame image 31 (first image) with the reference image (second image).
- the comparison circuit 108 compares the two for each pixel 36 according to a predetermined determination condition, and determines the presence or absence of a defect such as a shape defect. For example, if the difference in gradation value for each pixel 36 is larger than the determination threshold value Th, it is determined to be a defect. Then, the comparison result is output.
- the comparison result may be output to the storage device 109, the monitor 117, or the memory 118, or may be output from the printer 119.
- the inspection may be performed using only the self-measured image.
- the beam diameter of the primary electron beam irradiating the substrate surface can be narrowed down, and each secondary electron beam of the multi-secondary electron beam can be separated on the detection surface.
- the series of "-circuits” includes a processing circuit, and the processing circuit includes an electric circuit, a computer, a processor, a circuit board, a quantum circuit, a semiconductor device, and the like. Further, a common processing circuit (same processing circuit) may be used for each "-circuit". Alternatively, different processing circuits (separate processing circuits) may be used.
- the program for executing the processor or the like may be recorded on a recording medium such as a magnetic disk device, a magnetic tape device, an FD, or a ROM (read-only memory).
- the position circuit 107, the comparison circuit 108, the reference image creation circuit 112, and the like may be configured by at least one processing circuit described above.
- the multi-beam image acquisition device and the multi-beam image acquisition method.
- it can be used as an image acquisition method of a multi-beam inspection device that performs pattern inspection using a secondary electron image caused by irradiation of a multi-primary electron beam.
Landscapes
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Abstract
本発明の一態様のマルチビーム画像取得装置は、基板を載置するステージと、マルチ１次電子ビームで基板を照射する対物レンズと、電界を形成する２極以上の電極と磁界を形成する２極以上の磁極とを有し、電界と磁界とを用いて、マルチ１次電子ビームで基板が照射されたことに起因して放出されるマルチ２次電子ビームをマルチ１次電子ビームの軌道上から分離する分離器と、分離されたマルチ２次電子ビームを偏向する偏向器と、偏向されたマルチ２次電子ビームを検出する検出器と、対物レンズの主面と基板との間に配置される静電電極と、前記マルチ１次電子ビームが前記基板上に合焦するように前記対物レンズが制御された状態で、対物レンズの主面と基板との間で１回以上のマルチ２次電子ビームの結像点が形成されると共に偏向器内の途中にマルチ２次電子ビームの結像点が形成されように静電電極を制御する制御回路と、を備えたことを特徴とする。
Description
本出願は、２０２０年１２月１７日に日本国に出願されたＪＰ２０２０－２０９６３６（出願番号）を基礎出願とする優先権を主張する出願である。ＪＰ２０２０－２０９６３６に記載されたすべての内容は、参照されることにより本出願にインコーポレートされる。
本発明は、マルチビーム画像取得装置及びマルチビーム画像取得方法に関する。例えば、マルチ１次電子ビームの照射に起因した２次電子画像を用いてパターン検査するマルチビーム検査装置の画像取得手法に関する。
近年、大規模集積回路（ＬＳＩ）の高集積化及び大容量化に伴い、半導体素子に要求される回路線幅はますます狭くなってきている。そして、多大な製造コストのかかるＬＳＩの製造にとって、歩留まりの向上は欠かせない。しかし、１ギガビット級のＤＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）に代表されるように、ＬＳＩを構成するパターンは、サブミクロンからナノメータのオーダーになっている。近年、半導体ウェハ上に形成されるＬＳＩパターン寸法の微細化に伴って、パターン欠陥として検出しなければならない寸法も極めて小さいものとなっている。よって、半導体ウェハ上に転写された超微細パターンの欠陥を検査するパターン検査装置の高精度化が必要とされている。
検査装置では、例えば、電子ビームを使ったマルチビームを検査対象基板に照射して、検査対象基板から放出される各ビームに対応する２次電子を検出して、パターン画像を撮像する。そして撮像された測定画像と、設計データ、あるいは基板上の同一パターンを撮像した測定画像と比較することにより検査を行う方法が知られている。例えば、同一基板上の異なる場所の同一パターンを撮像した測定画像データ同士を比較する「ｄｉｅ ｔｏ ｄｉｅ（ダイ－ダイ）検査」や、パターン設計された設計データをベースに設計画像データ（参照画像）を生成して、それとパターンを撮像した測定データとなる測定画像とを比較する「ｄｉｅ ｔｏ ｄａｔａｂａｓｅ（ダイ－データベース）検査」がある。撮像された画像は測定データとして比較回路へ送られる。比較回路では、画像同士の位置合わせの後、測定データと参照データとを適切なアルゴリズムに従って比較し、一致しない場合には、パターン欠陥有りと判定する。
ここで、マルチ電子ビームを用いて検査画像を取得する場合、１次電子ビームの軌道上に電磁界直交（Ｅ×Ｂ：Ｅ ｃｒｏｓｓ Ｂ）分離器を配置して、１次電子ビームから２次電子ビームを分離する。Ｅ×Ｂ分離器は、１次電子ビームのＥ×Ｂの影響が小さくなる１次電子ビームの像面共役位置に配置される。そして、画像の精度を向上させるため、試料面に照射する１次電子ビームのビーム径を小さく絞ることが望ましい。そこで、対物レンズで１次電子ビームを試料面に結像する。１次電子ビームと２次電子ビームとでは、試料面に入射する照射電子のエネルギーと発生する２次電子のエネルギーとが異なり、小さいため、１次電子ビームをＥ×Ｂ分離器上で集束させた場合、２次電子ビームは対物レンズ通過後にＥ×Ｂ分離器よりも手前で結像してしまう。そのため、２次電子ビームは、Ｅ×Ｂ分離器上で集束せずに広がってしまう。このため、Ｅ×Ｂ分離器により分離された２次電子は、検出光学系で広がり続ける。そのため、検出光学系で生じる収差が大きくなり、検出器上においてマルチ２次電子ビームがオーバーラップして個別に検出することが困難になってしまう場合があるといった問題があった。かかる問題は、検査装置に限るものではなく、マルチ電子ビームを用いて画像を取得する装置全般に対して同様に生じ得る。
ここで、１次電子光学系から離れた２次電子光学系内に軸上色収差補正用の４段構成の多極子レンズからなるウィーンフィルタを配置して、分離された後の２次電子の軸上色収差を補正するといった技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。
そこで、本発明の一態様は、試料面に照射する１次電子ビームのビーム径を小さく絞ると共に、検出面でマルチ２次電子ビームの各２次電子ビームを分離することが可能な装置および方法を提供する。
本発明の一態様のマルチビーム画像取得装置は、
基板を載置するステージと、
マルチ１次電子ビームで基板を照射する対物レンズと、
電界を形成する２極以上の電極と磁界を形成する２極以上の磁極とを有し、電界と磁界とを用いて、マルチ１次電子ビームで基板が照射されたことに起因して放出されるマルチ２次電子ビームをマルチ１次電子ビームの軌道上から分離する分離器と、
分離されたマルチ２次電子ビームを偏向する偏向器と、
偏向されたマルチ２次電子ビームを検出する検出器と、
対物レンズの主面と基板との間に配置される静電電極と、
前記マルチ１次電子ビームが前記基板上に合焦するように前記対物レンズが制御された状態で、対物レンズの主面と基板との間で１回以上のマルチ２次電子ビームの結像点が形成されると共に偏向器内の途中にマルチ２次電子ビームの結像点が形成されように静電電極を制御する制御回路と、
を備えたことを特徴とする。
基板を載置するステージと、
マルチ１次電子ビームで基板を照射する対物レンズと、
電界を形成する２極以上の電極と磁界を形成する２極以上の磁極とを有し、電界と磁界とを用いて、マルチ１次電子ビームで基板が照射されたことに起因して放出されるマルチ２次電子ビームをマルチ１次電子ビームの軌道上から分離する分離器と、
分離されたマルチ２次電子ビームを偏向する偏向器と、
偏向されたマルチ２次電子ビームを検出する検出器と、
対物レンズの主面と基板との間に配置される静電電極と、
前記マルチ１次電子ビームが前記基板上に合焦するように前記対物レンズが制御された状態で、対物レンズの主面と基板との間で１回以上のマルチ２次電子ビームの結像点が形成されると共に偏向器内の途中にマルチ２次電子ビームの結像点が形成されように静電電極を制御する制御回路と、
を備えたことを特徴とする。
本発明の一態様のマルチビーム画像取得方法は、
対物レンズを用いて、マルチ１次電子ビームでステージ上に載置される基板を照射し、
電界を形成する２極以上の電極と磁界を形成する２極以上の磁極とを有する分離器を用いて、電界と磁界とを用いて、マルチ１次電子ビームで基板が照射されたことに起因して放出されるマルチ２次電子ビームをマルチ１次電子ビームの軌道上から分離し、
偏向器を用いて分離されたマルチ２次電子ビームを偏向し、
偏向されたマルチ２次電子ビームを検出器で検出し、検出されたマルチ２次電子ビームの信号を用いて２次電子画像を取得し、出力し、
前記マルチ１次電子ビームが前記基板上に合焦するように前記対物レンズが制御された状態で、対物レンズの主面と基板との間に配置される静電電極を用いて、対物レンズの主面と基板との間で１回以上のマルチ２次電子ビームの結像点が形成されると共に偏向器内の途中にマルチ２次電子ビームの結像点が形成されるようにマルチ２次電子ビームの軌道を制御する、
ことを特徴とする。
対物レンズを用いて、マルチ１次電子ビームでステージ上に載置される基板を照射し、
電界を形成する２極以上の電極と磁界を形成する２極以上の磁極とを有する分離器を用いて、電界と磁界とを用いて、マルチ１次電子ビームで基板が照射されたことに起因して放出されるマルチ２次電子ビームをマルチ１次電子ビームの軌道上から分離し、
偏向器を用いて分離されたマルチ２次電子ビームを偏向し、
偏向されたマルチ２次電子ビームを検出器で検出し、検出されたマルチ２次電子ビームの信号を用いて２次電子画像を取得し、出力し、
前記マルチ１次電子ビームが前記基板上に合焦するように前記対物レンズが制御された状態で、対物レンズの主面と基板との間に配置される静電電極を用いて、対物レンズの主面と基板との間で１回以上のマルチ２次電子ビームの結像点が形成されると共に偏向器内の途中にマルチ２次電子ビームの結像点が形成されるようにマルチ２次電子ビームの軌道を制御する、
ことを特徴とする。
本発明の一態様によれば、基板面に照射する１次電子ビームのビーム径を小さく絞ると共に、検出面でマルチ２次電子ビームの各２次電子ビームを分離できる。
以下、実施の形態では、マルチ電子ビーム画像取得装置の一例として、マルチ電子ビーム検査装置について説明する。但し、画像取得装置は、検査装置に限るものではなく、マルチビームを用いて画像を取得する装置であれば構わない。
［実施の形態１］
図１は、実施の形態１におけるパターン検査装置の構成を示す構成図である。図１において、基板に形成されたパターンを検査する検査装置１００は、マルチ電子ビーム検査装置の一例である。検査装置１００は、画像取得機構１５０、及び制御系回路１６０（制御部）を備えている。画像取得機構１５０は、電子ビームカラム１０２（電子鏡筒）、検査室１０３、検出回路１０６、チップパターンメモリ１２３、ステージ駆動機構１４２、及びレーザ測長システム１２２を備えている。電子ビームカラム１０２内には、電子銃２０１、照明レンズ２０２、成形アパーチャアレイ基板２０３、電磁レンズ２０５、一括偏向器２１２、制限アパーチャ基板２１３、電磁レンズ２０６，２０７、主偏向器２０８、副偏向器２０９、ビームセパレーター２１４、静電電極２１７、偏向器２１８、スキャンコイル２１９、投影レンズ２２４、偏向器２２６、及びマルチ検出器２２２が配置されている。
図１は、実施の形態１におけるパターン検査装置の構成を示す構成図である。図１において、基板に形成されたパターンを検査する検査装置１００は、マルチ電子ビーム検査装置の一例である。検査装置１００は、画像取得機構１５０、及び制御系回路１６０（制御部）を備えている。画像取得機構１５０は、電子ビームカラム１０２（電子鏡筒）、検査室１０３、検出回路１０６、チップパターンメモリ１２３、ステージ駆動機構１４２、及びレーザ測長システム１２２を備えている。電子ビームカラム１０２内には、電子銃２０１、照明レンズ２０２、成形アパーチャアレイ基板２０３、電磁レンズ２０５、一括偏向器２１２、制限アパーチャ基板２１３、電磁レンズ２０６，２０７、主偏向器２０８、副偏向器２０９、ビームセパレーター２１４、静電電極２１７、偏向器２１８、スキャンコイル２１９、投影レンズ２２４、偏向器２２６、及びマルチ検出器２２２が配置されている。
電子銃２０１、電磁レンズ２０２、成形アパーチャアレイ基板２０３、電磁レンズ２０５、一括偏向器２１２、制限アパーチャ基板２１３、電磁レンズ２０６、電磁レンズ２０７（対物レンズ）、主偏向器２０８、及び副偏向器２０９によって１次電子光学系１５１を構成する。また、静電電極２１７、スキャンコイル２１９、電磁レンズ２０７（対物レンズ）、ビームセパレーター２１４、偏向器２１８、電磁レンズ２２４、及び偏向器２２６によって２次電子光学系１５２を構成する。
検査室１０３内には、少なくともＸＹ方向に移動可能なステージ１０５が配置される。ステージ１０５上には、検査対象となる基板１０１（試料）が配置される。基板１０１には、露光用マスク基板、及びシリコンウェハ等の半導体基板が含まれる。基板１０１が半導体基板である場合、半導体基板には複数のチップパターン（ウェハダイ）が形成されている。基板１０１が露光用マスク基板である場合、露光用マスク基板には、チップパターンが形成されている。チップパターンは、複数の図形パターンによって構成される。かかる露光用マスク基板に形成されたチップパターンが半導体基板上に複数回露光転写されることで、半導体基板には複数のチップパターン（ウェハダイ）が形成されることになる。以下、基板１０１が半導体基板である場合を主として説明する。基板１０１は、例えば、パターン形成面を上側に向けてステージ１０５に配置される。また、ステージ１０５上には、検査室１０３の外部に配置されたレーザ測長システム１２２から照射されるレーザ測長用のレーザ光を反射するミラー２１６が配置されている。
また、マルチ検出器２２２は、電子ビームカラム１０２の外部で検出回路１０６に接続される。検出回路１０６は、チップパターンメモリ１２３に接続される。また、偏向器２１８の中間位置に配置される後述する中間アパーチャ基板は、導電性の材料の基板或いは表面に導電膜が配置される基板によって構成され、電子ビームカラム１０２の外部で検出回路１０７に接続される。検出回路１０７は、チップパターンメモリ１２３に接続される。
制御系回路１６０では、検査装置１００全体を制御する制御計算機１１０が、バス１２０を介して、位置回路１０７、比較回路１０８、参照画像作成回路１１２、ステージ制御回路１１４、レンズ制御回路１２４、ブランキング制御回路１２６、偏向制御回路１２８、リターディング制御回路１３０、電極制御回路１３２、磁気ディスク装置等の記憶装置１０９、モニタ１１７、メモリ１１８、及びプリンタ１１９に接続されている。また、偏向制御回路１２８は、ＤＡＣ（デジタルアナログ変換）アンプ１４４，１４６，１４７，１４８に接続される。ＤＡＣアンプ１４６は、主偏向器２０８に接続され、ＤＡＣアンプ１４４は、副偏向器２０９に接続される。ＤＡＣアンプ１４８は、偏向器２１８に接続される。
また、チップパターンメモリ１２３は、比較回路１０８に接続されている。また、ステージ１０５は、ステージ制御回路１１４の制御の下に駆動機構１４２により駆動される。駆動機構１４２では、例えば、ステージ座標系におけるＸ方向、Ｙ方向、θ方向に駆動する３軸（Ｘ－Ｙ－θ）モータの様な駆動系が構成され、ＸＹθ方向にステージ１０５が移動可能となっている。これらの、図示しないＸモータ、Ｙモータ、θモータは、例えばステップモータを用いることができる。ステージ１０５は、ＸＹθ各軸のモータによって水平方向及び回転方向に移動可能である。そして、ステージ１０５の移動位置はレーザ測長システム１２２により測定され、位置回路１０７に供給される。レーザ測長システム１２２は、ミラー２１６からの反射光を受光することによって、レーザ干渉法の原理でステージ１０５の位置を測長する。ステージ座標系は、例えば、マルチ１次電子ビーム２０の光軸に直交する面に対して、１次座標系のＸ方向、Ｙ方向、θ方向が設定される。
電磁レンズ２０２、電磁レンズ２０５、電磁レンズ２０６、電磁レンズ２０７、電磁レンズ２２４、スキャンコイル２１９、及びビームセパレーター２１４は、レンズ制御回路１２４により制御される。また、一括偏向器２１２は、２極以上の電極により構成され、電極毎に図示しないＤＡＣアンプを介してブランキング制御回路１２６により制御される。副偏向器２０９は、４極以上の電極により構成され、電極毎にＤＡＣアンプ１４４を介して偏向制御回路１２８により制御される。主偏向器２０８は、４極以上の電極により構成され、電極毎にＤＡＣアンプ１４６を介して偏向制御回路１２８により制御される。偏向器２１８は、４極以上の電極により構成される２段の偏向器により構成され、電極毎にＤＡＣアンプ１４８を介して偏向制御回路１２８により制御される。また、偏向器２２６は、４極以上の電極により構成され、電極毎に図示しないＤＡＣアンプを介して偏向制御回路１２８により制御される。静電電極２１７は、例えば、中央に開口部が形成された電極基板によって構成され、電極制御回路１３２により制御される。静電電極２１７は、電磁レンズ２０７（対物レンズ）の主面と基板１０１との間に配置される。リターディング制御回路１３０は、基板１０１に所望のリターディング電位を印加して、基板１０１に照射されるマルチ１次電子ビーム２０のエネルギーを調整する。
電子銃２０１には、図示しない高圧電源回路が接続され、電子銃２０１内の図示しないフィラメントと引出電極間への高圧電源回路からの加速電圧の印加と共に、所定の引出電極（ウェネルト）の電圧の印加と所定の温度のカソードの加熱によって、カソードから放出された電子群が加速させられ、電子ビーム２００となって放出される。
ここで、図１では、実施の形態１を説明する上で必要な構成を記載している。検査装置１００にとって、通常、必要なその他の構成を備えていても構わない。
図２は、実施の形態１における成形アパーチャアレイ基板の構成を示す概念図である。図２において、成形アパーチャアレイ基板２０３には、２次元状の横（ｘ方向）ｍ１列×縦（ｙ方向）ｎ１段（ｍ１，ｎ１は２以上の整数）の穴（開口部）２２がｘ，ｙ方向に所定の配列ピッチで形成されている。図２の例では、２３×２３の穴（開口部）２２が形成されている場合を示している。各穴２２は、共に同じ寸法形状の矩形で形成される。或いは、同じ外径の円形であっても構わない。これらの複数の穴２２を電子ビーム２００の一部がそれぞれ通過することで、マルチ１次電子ビーム２０が形成されることになる。成形アパーチャアレイ基板２０３には、マルチ１次電子ビームを形成するマルチビーム形成機構の一例となる。
画像取得機構１５０は、電子ビームによるマルチビームを用いて、図形パターンが形成された基板１０１から図形パターンの被検査画像を取得する。以下、検査装置１００における画像取得機構１５０の動作について説明する。
電子銃２０１（放出源）から放出された電子ビーム２００は、電磁レンズ２０２によって屈折させられ、成形アパーチャアレイ基板２０３全体を照明する。成形アパーチャアレイ基板２０３には、図２に示すように、複数の穴２２（開口部）が形成され、電子ビーム２００は、すべての複数の穴２２が含まれる領域を照明する。複数の穴２２の位置に照射された電子ビーム２００の各一部が、かかる成形アパーチャアレイ基板２０３の複数の穴２２をそれぞれ通過することによって、マルチ１次電子ビーム２０が形成される。
形成されたマルチ１次電子ビーム２０は、電磁レンズ２０５、及び電磁レンズ２０６によってそれぞれ屈折させられ、中間像およびクロスオーバーを繰り返しながら、マルチ１次電子ビーム２０の各ビームの中間像面（像面共役位置：Ｉ．Ｉ．Ｐ．）に配置されたビームセパレーター２１４を通過して電磁レンズ２０７に進む。また、マルチ１次電子ビーム２０のクロスオーバー位置付近に、通過孔が制限された制限アパーチャ基板２１３を配置することで、散乱ビームを遮蔽できる。また、一括偏向器２１２によりマルチ１次電子ビーム２０全体を一括して偏向して、マルチ１次電子ビーム２０全体を制限アパーチャ基板２１３で遮蔽することにより、マルチ１次電子ビーム２０全体をブランキングできる。
マルチ１次電子ビーム２０が電磁レンズ２０７（対物レンズ）に入射すると、電磁レンズ２０７は、マルチ１次電子ビーム２０を基板１０１にフォーカスする。言い換えれば、電磁レンズ２０７は、マルチ１次電子ビーム２０で基板１０１を照射する。対物レンズ２０７により基板１０１（試料）面上に焦点が合わされ（合焦され）たマルチ１次電子ビーム２０は、主偏向器２０８及び副偏向器２０９によって一括して偏向され、各ビームの基板１０１上のそれぞれの照射位置に照射される。このように、１次電子光学系１５１は、マルチ１次電子ビームで基板１０１面を照射する。
基板１０１の所望する位置にマルチ１次電子ビーム２０が照射されると、かかるマルチ１次電子ビーム２０が照射されたことに起因して基板１０１からマルチ１次電子ビーム２０の各ビームに対応する、反射電子を含む２次電子の束（マルチ２次電子ビーム３００）が放出される。
基板１０１から放出されたマルチ２次電子ビーム３００は、電磁レンズ２０７を通って、ビームセパレーター２１４に進む。
ここで、ビームセパレーター２１４（Ｅ×Ｂ分離器）は、コイルを用いた２極以上の複数の磁極と、２極以上の複数の電極とを有する。そして、かかる複数の磁極によって指向性の磁界を発生させる。同様に、複数の電極によって指向性の電界を発生させる。具体的には、ビームセパレーター２１４は、マルチ１次電子ビーム２０の中心ビームが進む方向（軌道中心軸）に直交する面上において電界と磁界を直交する方向に発生させる。電界は電子の進行方向に関わりなく同じ方向に力を及ぼす。これに対して、磁界はフレミング左手の法則に従って力を及ぼす。そのため電子の侵入方向によって電子に作用する力の向きを変化させることができる。ビームセパレーター２１４に上側から侵入してくるマルチビーム２０には、電界による力と磁界による力が打ち消し合い、マルチ１次電子ビーム２０は下方に直進する。これに対して、ビームセパレーター２１４に下側から侵入してくるマルチ２次電子ビーム３００には、電界による力と磁界による力がどちらも同じ方向に働き、マルチ２次電子ビーム３００は斜め上方に曲げられ、マルチ１次電子ビーム２０の軌道上から分離する。
斜め上方に曲げられ、マルチ１次電子ビーム２０から分離したマルチ２次電子ビーム３００は、２次電子光学系１５２によってマルチ検出器２２２に導かれる。具体的には、マルチ１次電子ビーム２０から分離したマルチ２次電子ビーム３００は、偏向器２１８によって偏向されることにより、さらに曲げられ、マルチ１次電子ビーム２０の軌道上から離れた位置で電磁レンズ２２４によって、集束方向に屈折させられながらマルチ検出器２２２に投影される。マルチ検出器２２２（マルチ２次電子ビーム検出器）は、屈折させられ、投影されたマルチ２次電子ビーム３００を検出する。マルチ検出器２２２は、複数の検出エレメント（例えば図示しないダイオード型の２次元センサ）を有する。そして、マルチ１次電子ビーム２０の各ビームは、マルチ検出器２２２の検出面において、マルチ２次電子ビーム３００の各２次電子ビームに対応する検出エレメントに衝突して、電子を発生し、２次電子画像データを画素毎に生成する。マルチ検出器２２２にて検出された強度信号は、検出回路１０６に出力される。
図３は、実施の形態１と比較例とにおける中心ビームの軌道の一例を示す図である。図３において、マルチ１次電子ビーム２０の中心の１次電子ビーム２１は、像面共役位置に配置されたビームセパレーター２１４を通過して広がり、磁気レンズ２０７（対物レンズ）によって集束方向に軌道が曲げられ基板１０１面に結像する。そして、基板１０１から放出されたマルチ２次電子ビーム３００のうち、中心の１次電子ビーム２１に対応する中心の２次電子ビーム３０１の放出時のエネルギーは、基板１０１への中心１次電子ビーム２１の入射エネルギーよりも小さい。そのために、比較例では、磁気レンズ２０７がマルチ１次電子ビーム２０を基板１０１上にフォーカスする条件では、中心２次電子ビーム３０１が、磁気レンズ２０７（対物レンズ）によって集束方向に軌道が曲げられるもののビームセパレーター２１４に届く手前の位置で中間像面６００（結像点）が形成される。その後、中心２次電子ビーム３０１は広がりながら、ビームセパレーター２１４へと進む。そして、比較例では、中心２次電子ビーム３０１がさらに広がりながら偏向器２１８へと進むことになる。
これに対して、実施の形態１では、静電電極２１７に負の電位を印加することで基板１０１から放出されたマルチ２次電子ビーム３００のエネルギーを低減させる。これにより、磁気レンズ２０７がマルチ１次電子ビーム２０を基板１０１上にフォーカス（合焦）する条件でも、磁気レンズ２０７（対物レンズ）の主面と基板１０１との間で１回以上のマルチ２次電子ビーム３００の各２次電子ビームが中間像面（結像点）を形成する。静電電極２１７によって形成される電場の影響によってエネルギーが小さくなったマルチ２次電子ビーム３００は、磁気レンズ２０７の磁場の影響によって磁気レンズ２０７（対物レンズ）の主面よりも手前の位置で軌道が曲げられ、磁気レンズ２０７（対物レンズ）の主面と基板１０１との間で１回以上、中間像面６０１（結像点）を形成する。図３の例では、中心２次電子ビーム３０１が、磁気レンズ２０７（対物レンズ）の主面と基板１０１との間で１回、中間像面６０１（結像点）を形成する場合を示している。そして、像面６０１形成後に広がりながら磁気レンズ２０７に進む。そして、磁気レンズ２０７（対物レンズ）によって集束方向に軌道が曲げられ、ビームセパレーター２１４へと進む。そして、偏向器２１８内の途中に中間像面６０２（結像点）を形成する。中心２次電子ビーム３０１以外の各２次電子ビームについても同様に、磁気レンズ２０７（対物レンズ）の主面と基板１０１との間で１回以上、中間像面６０１（結像点）を形成し、偏向器２１８内の途中に中間像面６０２（結像点）を形成する。
なお、実施の形態１では、磁気レンズ２０７（対物レンズ）のレンズ作用によって各１次電子ビームの軌道が曲げられ、発散方向から集束方向へと軌道の方向が変化する位置を対物レンズの主面とする。
図４は、実施の形態１の比較例におけるマルチ２次電子ビームの軌道の一例を示す図である。
図５は、実施の形態１におけるマルチ２次電子ビームの軌道の一例を示す図である。図４に示すように、比較例では、マルチ２次電子ビーム３００の中心２次電子ビーム３０１が、磁気レンズ２０７を通過後にビームセパレーター２１４に届く手前の位置で中間像面が形成された後、広がりながらビームセパレーター２１４、及び偏向器２１８へと進む。そのため、偏向器２１８の位置において中心２次電子ビーム３０１のビーム径Ｄ１が広くなってしまう。他の各２次電子ビームについても同様にビーム径が広くなってしまう。各２次電子ビームのビーム径Ｄ１が大きくなるほど偏向器２１８で生じる収差が大きくなってしまう。そのため、偏向器２１８を通過後の磁気レンズ２２４のレンズ作業によって収束させようとしても、マルチ検出器２２２の検出面においてビーム径を絞りきれず、各２次電子ビームが互いにオーバーラップしてしまい、２次電子ビーム間の分離が困難になる場合がある。その結果、各２次電子ビームを個別に検出することが困難になってしまう。なお、対物レンズが２次電子ビームのフォーカスを偏向器２１８の位置に合わせることを優先する場合、１次電子ビームのフォーカスが犠牲になるので、仮に２次電子ビーム間の分離ができたとしても、得られる基板のパターン画像の精度が劣化してしまう。このように対物レンズでエネルギーが異なる１次系と２次系の両方の結像点を制御することは原理的に困難である。
図５は、実施の形態１におけるマルチ２次電子ビームの軌道の一例を示す図である。図４に示すように、比較例では、マルチ２次電子ビーム３００の中心２次電子ビーム３０１が、磁気レンズ２０７を通過後にビームセパレーター２１４に届く手前の位置で中間像面が形成された後、広がりながらビームセパレーター２１４、及び偏向器２１８へと進む。そのため、偏向器２１８の位置において中心２次電子ビーム３０１のビーム径Ｄ１が広くなってしまう。他の各２次電子ビームについても同様にビーム径が広くなってしまう。各２次電子ビームのビーム径Ｄ１が大きくなるほど偏向器２１８で生じる収差が大きくなってしまう。そのため、偏向器２１８を通過後の磁気レンズ２２４のレンズ作業によって収束させようとしても、マルチ検出器２２２の検出面においてビーム径を絞りきれず、各２次電子ビームが互いにオーバーラップしてしまい、２次電子ビーム間の分離が困難になる場合がある。その結果、各２次電子ビームを個別に検出することが困難になってしまう。なお、対物レンズが２次電子ビームのフォーカスを偏向器２１８の位置に合わせることを優先する場合、１次電子ビームのフォーカスが犠牲になるので、仮に２次電子ビーム間の分離ができたとしても、得られる基板のパターン画像の精度が劣化してしまう。このように対物レンズでエネルギーが異なる１次系と２次系の両方の結像点を制御することは原理的に困難である。
これに対して、実施の形態１では、電極制御回路１３２（制御回路）が、図５に示すように、静電電極２１７を用いて、磁気レンズ２０７（対物レンズ）の主面と基板１０１との間で１回以上の前記マルチ２次電子ビームの中間像面（結像点）が形成されると共に偏向器２１８内の途中にマルチ２次電子ビーム３００の中間像面（結像点）が形成されるようにマルチ２次電子ビーム３００の軌道を制御する。言い換えれば、電極制御回路１３２が、マルチ１次電子ビーム２０が基板１０１上に合焦するように磁気レンズ２０７（対物レンズ）が制御された状態で、図５に示すように、磁気レンズ２０７（対物レンズ）の主面と基板１０１との間で１回以上のマルチ２次電子ビーム３００の中間像面（結像点）が形成されると共に偏向器２１８内の途中にマルチ２次電子ビームの中間像面（結像点）が形成されるように静電電極２１７を制御する。具体的には、静電電極２１７に印加する負の電位の大きさを制御する。これにより、図５に示すように、偏向器２１８内の位置において中心２次電子ビーム３０１のビーム径を小さくできる。そのため、偏向器２１８で生じる収差を抑制できる。よって、偏向器２１８を通過後の磁気レンズ２２４のレンズ作業によってマルチ検出器２２２の検出面においてビーム径を絞ることができ、各２次電子ビームを分離した状態でマルチ検出器２２２の検出面に結像させることができる。その結果、各２次電子ビームを個別に検出できる。
ここで、実施の形態１の偏向器２１８は、１段目の偏向器５２（第１の偏向器）と２段目の偏向器５４（第２の偏向器）とを有する。２段目の偏向器５４は、１段目の偏向器５２の配置方向からマルチ検出器２２２側に傾けた方向に配置される。１段目の偏向器５２がマルチ２次電子ビーム３００を偏向し、１段目の偏向器５２を通過したマルチ２次電子ビーム３００を２段目の偏向器５４がさらに偏向する。このように、偏向器２１８は、２回の偏向によりマルチ２次電子ビーム３００の軌道をマルチ検出器２２２に向ける。１段目の偏向器５２と２段目の偏向器５４とは、それぞれ、２極子以上の電極で構成される。そして、１段目の偏向器５２と２段目の偏向器５４では、それぞれ、２極子以上の電極で囲まれた内部をマルチ２次電子ビーム３００が通過する際に、マルチ２次電子ビーム３００を偏向する。１段目の偏向器５２と２段目の偏向器５４は、例えば、２極子以上の同じ電極セットで構成され、１段目の偏向器５２の各電極と２段目の偏向器５４のそれぞれ対応する電極には、例えば同じ電位が印加される。
そして、１段目の偏向器５２と２段目の偏向器５４の間に中間アパーチャ基板５６が配置される。中間アパーチャ基板５６には、中央部にマルチ２次電子ビーム３００が通過するための開口部５５が形成される。電極制御回路１３２は、偏向器２１８内の途中として、中間アパーチャ基板５６の位置にマルチ２次電子ビーム３００の各２次電子ビームの中間像面（結像点）が形成されるように静電電極２１７を制御する。
図６Ａから図６Ｃは、実施の形態１における電子ビームの軌道のシミュレーション結果の一例を示す図である。図６Ａの例では、Ｅ×Ｂ分離器（ビームセパレータ２１４）から基板１０１までの間におけるマルチ１次電子ビーム２０の中心１次電子ビーム２１の軌道を示す。図６Ｂの例では、基板１０１から中間アパーチャ基板５６までの間におけるマルチ２次電子ビーム３００の中心２次電子ビーム３０１の軌道を示す。図６Ｃの例では、中間アパーチャ基板５６付近からマルチ検出器２２２までの間におけるマルチ２次電子ビーム３００の中心２次電子ビーム３０１の軌道を示す。なお、図６Ａ～図６Ｃにおいて、縦軸はビーム径を示す。横軸は位置を示す。なお、図６Ａ～図６Ｃ間において、縦軸及び横軸の縮尺は一致していない。図６Ａの例に示すように、対物レンズによって中心１次電子ビーム２１は基板１０１上にフォーカスされている。かかる状態で、図６Ｂの例に示すように、中心２次電子ビーム３０１は、基板１０１と対物レンズ主面との間で中間像面を形成した後、中間アパーチャ基板５６の位置でさらに中間像面を形成する。かかる場合に、図６Ｃの例に示すように、中心２次電子ビーム３０１は、マルチ検出器２２２の位置でフォーカスさせることができることがわかる。このように、実施の形態１によれば、１次系の高分解能（基板面での結像）を維持したまま、２次系を中間アパーチャ基板５６の位置へ結像させることができる。
図７は、実施の形態１と比較例とにおけるマルチ検出器の検出面でのマルチ２次電子ビームのビーム径の一例を示す図である。上述した比較例では、偏向器２１８での収差が大きくなってしまうため、マルチ検出器２２２の検出面でのマルチ２次電子ビーム３００の各ビーム１５のビーム径が大きくなってしまう。その結果、図７に示すように、ビーム１５同士がオーバーラップしてしまうことが生じ得る。これに対して、実施の形態１によれば、偏向器２１８での収差を抑制できるので、マルチ検出器２２２の検出面でのマルチ２次電子ビーム３００の各ビーム１４のビーム径を小さくできる。その結果、図７に示すように、ビーム１４同士がオーバーラップしてしまうことを回避できる。よって、マルチ検出器２２２の位置で２次系を高分解能にできる（検出面での分離ができる）。
図８Ａと図８Ｂは、実施の形態１における基板上のパターンのＳＥＭ画像の一例と検出面でのマルチ２次電子ビームのビーム径の一例を示す図である。中間アパーチャ基板５６にマルチ２次電子ビーム３００を結像させた条件では、図８Ｂに示すように、マルチ検出器２２２の検出面においてマルチ２次電子ビーム３００が分離されていることがわかる。さらに、実施の形態１では、１次電子ビームを対物レンズで基板上にフォーカスしているので、図８Ａに示すように、パターン像が鮮明に視認できる。
図９は、実施の形態１における偏向器内の結像点の位置とビーム径との関係を説明するための図である。収差は、光軸からの離軸距離に依存する。発生する収差は、最大離軸距離に依存する。図９の例では、２つの偏向器５２，５４のちょうど中間点に中間像面を形成する場合、偏向器内で生じる光軸からの離軸距離が最大でｄとなる。これに対して、例えば、１段目の偏向器５２の中間点付近に中間像面を形成する場合、偏向器２１８内で生じる光軸からの離軸距離が最大でｄより大きいＤ′になってしまう。よって。図９に示す２つの偏向器５２，５４のちょうど中間点に像面を形成する場合に、離軸距離を最小にできる。なお、各ビームの拡がりを小さくする方が、収差を小さくできる。よって、マルチ２次電子ビーム３００のクロスオーバーではなく、各２次電子ビームの中間像面を２つの偏向器５２，５４のちょうど中間点に形成するように制御すると好適である。
検査装置１００では、例えば、以下のように調整する。
（１）所定の加速電圧、リターディング電圧、静電電極２１７に印加する電圧、Ｅ×Ｂ分離器に印加する電圧及び励磁する電流、及び対物レンズに励磁する電流を仮設定する。
（２）基板１０１上方のスキャンコイル２１９を走査して、中間アパーチャ基板５６で２次電子ビームの信号を検出できるようにＥ×Ｂ分離器の値を調整する。中間アパーチャ基板５６で検出される信号は検出回路１０７に出力される。検出回路１０７内では、図示しないＡ／Ｄ変換器によって、アナログの検出データがデジタルデータに変換され、例えば比較回路１０８に出力される。これにより中間アパーチャ基板５６を検出器として像を取得できる。
（３）基板１０１へのマルチ１次電子ビーム２０のフォーカス位置を対物レンズの値を可変にして調整する。
（４）中間アパーチャ基板５６の開口部５５が認識できるように、スキャンコイル２１９の走査範囲を広げ、開口部５５が走査範囲の中央に位置するようにＥ×Ｂ分離器の値を調整する。中間アパーチャ基板５６を検出器として得られる像から開口部５５を認識することができる。
（５）中間アパーチャ基板５６の開口部５５に中間像面が形成されるように静電電極２１７に印加する電圧を調整する。すなわち、開口部５５の像がシャープに成るように静電電極２１７に印加する電圧を調整する。
（６）静電電極２１７に印加する電圧を大きく変更した場合には、マルチ1次電子ビーム２０の焦点位置が変化をするので、再度、（２）～（５）の順での調整を繰り返し、マルチ１次電子ビーム２０が基板１０１に合焦し、開口部５５の像がシャープに成るように調整をする。言い換えれば、静電電極２１７に印加する電位を変更し、マルチ１次電子ビーム２０を基板１０１にフォーカスし、及び偏向器２１８内の途中に配置される中間アパーチャ基板５６に形成される開口部５５の像が鮮明になるように静電電極２１７に印加する電位を調整する、一連の制御を繰り返す。また、本調整例は、開口部５５の像がシャープに成るように行っているが、マルチ検出器２２２上で２次ビーム３００が焦点を結ぶように静電電極２１７を調整しても良い。
（１）所定の加速電圧、リターディング電圧、静電電極２１７に印加する電圧、Ｅ×Ｂ分離器に印加する電圧及び励磁する電流、及び対物レンズに励磁する電流を仮設定する。
（２）基板１０１上方のスキャンコイル２１９を走査して、中間アパーチャ基板５６で２次電子ビームの信号を検出できるようにＥ×Ｂ分離器の値を調整する。中間アパーチャ基板５６で検出される信号は検出回路１０７に出力される。検出回路１０７内では、図示しないＡ／Ｄ変換器によって、アナログの検出データがデジタルデータに変換され、例えば比較回路１０８に出力される。これにより中間アパーチャ基板５６を検出器として像を取得できる。
（３）基板１０１へのマルチ１次電子ビーム２０のフォーカス位置を対物レンズの値を可変にして調整する。
（４）中間アパーチャ基板５６の開口部５５が認識できるように、スキャンコイル２１９の走査範囲を広げ、開口部５５が走査範囲の中央に位置するようにＥ×Ｂ分離器の値を調整する。中間アパーチャ基板５６を検出器として得られる像から開口部５５を認識することができる。
（５）中間アパーチャ基板５６の開口部５５に中間像面が形成されるように静電電極２１７に印加する電圧を調整する。すなわち、開口部５５の像がシャープに成るように静電電極２１７に印加する電圧を調整する。
（６）静電電極２１７に印加する電圧を大きく変更した場合には、マルチ1次電子ビーム２０の焦点位置が変化をするので、再度、（２）～（５）の順での調整を繰り返し、マルチ１次電子ビーム２０が基板１０１に合焦し、開口部５５の像がシャープに成るように調整をする。言い換えれば、静電電極２１７に印加する電位を変更し、マルチ１次電子ビーム２０を基板１０１にフォーカスし、及び偏向器２１８内の途中に配置される中間アパーチャ基板５６に形成される開口部５５の像が鮮明になるように静電電極２１７に印加する電位を調整する、一連の制御を繰り返す。また、本調整例は、開口部５５の像がシャープに成るように行っているが、マルチ検出器２２２上で２次ビーム３００が焦点を結ぶように静電電極２１７を調整しても良い。
以上のように、電子光学系を調整した上で、被検査基板の検査処理を行う。
図１０は、実施の形態１における半導体基板に形成される複数のチップ領域の一例を示す図である。図１０において、半導体基板（ウェハ）１０１の検査領域３３０には、複数のチップ（ウェハダイ）３３２が２次元のアレイ状に形成されている。各チップ３３２には、露光用マスク基板に形成された１チップ分のマスクパターンが図示しない露光装置（ステッパ）によって例えば１／４に縮小されて転写されている。
図１１は、実施の形態１における画像取得処理を説明するための図である。図１１に示すように、各チップ３３２の領域は、例えばｙ方向に向かって所定の幅で複数のストライプ領域３２に分割される。画像取得機構１５０によるスキャン動作は、例えば、ストライプ領域３２毎に実施される。例えば、－ｘ方向にステージ１０５を移動させながら、相対的にｘ方向にストライプ領域３２のスキャン動作を進めていく。各ストライプ領域３２は、長手方向に向かって複数の矩形領域３３に分割される。対象となる矩形領域３３へのビームの移動は、主偏向器２０８によるマルチ１次電子ビーム２０全体での一括偏向によって行われる。
図１１の例では、例えば、５×５列のマルチ１次電子ビーム２０の場合を示している。１回のマルチ１次電子ビーム２０の照射で照射可能な照射領域３４は、（基板１０１面上におけるマルチ１次電子ビーム２０のｘ方向のビーム間ピッチにｘ方向のビーム数を乗じたｘ方向サイズ）×（基板１０１面上におけるマルチ１次電子ビーム２０のｙ方向のビーム間ピッチにｙ方向のビーム数を乗じたｙ方向サイズ）で定義される。照射領域３４が、マルチ１次電子ビーム２０の視野となる。そして、マルチ１次電子ビーム２０を構成する各１次電子ビーム１０は、自身のビームが位置するｘ方向のビーム間ピッチとｙ方向のビーム間ピッチとで囲まれるサブ照射領域２９内に照射され、当該サブ照射領域２９内を走査（スキャン動作）する。各１次電子ビーム１０は、互いに異なるいずれかのサブ照射領域２９を担当することになる。そして、各１次電子ビーム１０は、担当サブ照射領域２９内の同じ位置を照射することになる。副偏向器２０９（第１の偏向器）は、マルチ１次電子ビーム２０を一括して偏向することにより、パターンが形成された基板１０１面上をマルチ１次電子ビーム２０で走査する。言い換えれば、サブ照射領域２９内の１次電子ビーム１０の移動は、副偏向器２０９によるマルチ１次電子ビーム２０全体での一括偏向によって行われる。かかる動作を繰り返し、１つの１次電子ビーム１０で１つのサブ照射領域２９内を順に照射していく。
各ストライプ領域３２の幅は、照射領域３４のｙ方向サイズと同様、或いはスキャンマージン分狭くしたサイズに設定すると好適である。図１１の例では、照射領域３４が矩形領域３３と同じサイズの場合を示している。但し、これに限るものではない。照射領域３４が矩形領域３３よりも小さくても良い。或いは大きくても構わない。そして、マルチ１次電子ビーム２０を構成する各１次電子ビーム１０は、自身のビームが位置するサブ照射領域２９内に照射され、当該サブ照射領域２９内を走査（スキャン動作）する。そして、１つのサブ照射領域２９のスキャンが終了したら、主偏向器２０８によるマルチ１次電子ビーム２０全体での一括偏向によって照射位置が同じストライプ領域３２内の隣接する矩形領域３３へと移動する。かかる動作を繰り返し、ストライプ領域３２内を順に照射していく。１つのストライプ領域３２のスキャンが終了したら、ステージ１０５の移動或いは／及び主偏向器２０８によるマルチ１次電子ビーム２０全体での一括偏向によって照射領域３４が次のストライプ領域３２へと移動する。以上のように各１次電子ビーム１０の照射によってサブ照射領域２９毎のスキャン動作および２次電子画像の取得が行われる。これらのサブ照射領域２９毎の２次電子画像を組み合わせることで、矩形領域３３の２次電子画像、ストライプ領域３２の２次電子画像、或いはチップ３３２の２次電子画像が構成される。また、実際に画像比較を行う場合には、各矩形領域３３内のサブ照射領域２９をさらに複数のフレーム領域３０に分割して、フレーム領域３０毎の測定画像となるフレーム画像３１について比較することになる。図４の例では、１つの１次電子ビーム１０によってスキャンされるサブ照射領域２９を例えばｘ，ｙ方向にそれぞれ２分割することによって形成される４つのフレーム領域３０に分割する場合を示している。
ここで、ステージ１０５が連続移動しながらマルチ１次電子ビーム２０を基板１０１に照射する場合、マルチ１次電子ビーム２０の照射位置がステージ１０５の移動に追従するように主偏向器２０８によって一括偏向によるトラッキング動作が行われる。そのため、マルチ２次電子ビーム３００の放出位置がマルチ１次電子ビーム２０の軌道中心軸に対して刻々と変化する。同様に、サブ照射領域２９内をスキャンする場合に、各２次電子ビームの放出位置は、サブ照射領域２９内で刻々と変化する。このように放出位置が変化した各２次電子ビームをマルチ検出器２２２の対応する検出領域内に照射させるように、例えば偏向器２２６は、マルチ２次電子ビーム３００を一括偏向する。偏向器２２６とは別に、アライメントコイル等を２次電子光学系内に配置して、かかる放出位置の変化を補正させても好適である。
以上のように、画像取得機構１５０は、ストライプ領域３２毎に、スキャン動作をすすめていく。上述したように、マルチ１次電子ビーム２０を照射して、マルチ１次電子ビーム２０の照射に起因して基板１０１から放出されるマルチ２次電子ビーム３００は、偏向器２１８内で中間像面を形成すると共に、偏向器２１８で偏向され、それからマルチ検出器２２２で検出される。検出されるマルチ２次電子ビーム３００には、反射電子が含まれていても構わない。或いは、反射電子は、２次電子光学系を移動中に発散し、マルチ検出器２２２まで到達しない場合であっても構わない。そして。検出されたマルチ２次電子ビーム３００の信号を用いて２次電子画像が取得される。具体的には、マルチ検出器２２２によって検出された各サブ照射領域２９内の画素毎の２次電子の検出データ（測定画像データ：２次電子画像データ：被検査画像データ）は、測定順に検出回路１０６に出力される。検出回路１０６内では、図示しないＡ／Ｄ変換器によって、アナログの検出データがデジタルデータに変換され、チップパターンメモリ１２３に格納される。そして、得られた測定画像データは、位置回路１０７からの各位置を示す情報と共に、比較回路１０８に転送される。
一方、参照画像作成回路１１２は、基板１０１に形成された複数の図形パターンの元になる設計データに基づいて、フレーム領域３０毎に、フレーム画像３１に対応する参照画像を作成する。具体的には、以下のように動作する。まず、記憶装置１０９から制御計算機１１０を通して設計パターンデータを読み出し、この読み出された設計パターンデータに定義された各図形パターンを２値ないしは多値のイメージデータに変換する。
上述したように、設計パターンデータに定義される図形は、例えば長方形や三角形を基本図形としたもので、例えば、図形の基準位置における座標（ｘ、ｙ）、辺の長さ、長方形や三角形等の図形種を区別する識別子となる図形コードといった情報で各パターン図形の形、大きさ、位置等を定義した図形データが格納されている。
かかる図形データとなる設計パターンデータが参照画像作成回路１１２に入力されると図形ごとのデータにまで展開し、その図形データの図形形状を示す図形コード、図形寸法などを解釈する。そして、所定の量子化寸法のグリッドを単位とするマス目内に配置されるパターンとして２値ないしは多値の設計パターン画像データに展開し、出力する。言い換えれば、設計データを読み込み、検査領域を所定の寸法を単位とするマス目として仮想分割してできたマス目毎に設計パターンにおける図形が占める占有率を演算し、ｎビットの占有率データを出力する。例えば、１つのマス目を１画素として設定すると好適である。そして、１画素に１／２８（＝１／２５６）の分解能を持たせるとすると、画素内に配置されている図形の領域分だけ１／２５６の小領域を割り付けて画素内の占有率を演算する。そして、８ビットの占有率データとなる。かかるマス目（検査画素）は、測定データの画素に合わせればよい。
次に、参照画像作成回路１１２は、図形のイメージデータである設計パターンの設計画像データに、所定のフィルタ関数を使ってフィルタ処理を施す。これにより、画像強度（濃淡値）がデジタル値の設計側のイメージデータである設計画像データをマルチ１次電子ビーム２０の照射によって得られる像生成特性に合わせることができる。作成された参照画像の画素毎の画像データは比較回路１０８に出力される。
比較回路１０８内では、フレーム領域３０毎に、被検査画像となるフレーム画像３１（第１の画像）と、当該フレーム画像に対応する参照画像（第２の画像）とを、サブ画素単位で、位置合わせする。例えば、最小２乗法で位置合わせを行えばよい。
そして、比較回路１０８は、フレーム画像３１（第１の画像）と、参照画像（第２の画像）とを比較する。比較回路１０８は、所定の判定条件に従って画素３６毎に両者を比較し、例えば形状欠陥といった欠陥の有無を判定する。例えば、画素３６毎の階調値差が判定閾値Ｔｈよりも大きければ欠陥と判定する。そして、比較結果が出力される。比較結果は、記憶装置１０９、モニタ１１７、若しくはメモリ１１８に出力される、或いはプリンタ１１９より出力されればよい。
なお、上述したダイ－データベース検査の他、同一基板上の異なる場所の同一パターンを撮像した測定画像データ同士を比較するダイ－ダイ検査を行っても好適である。或いは、自己の測定画像だけを用いて検査しても構わない。
以上のように、実施の形態１によれば、基板面に照射する１次電子ビームのビーム径を小さく絞ると共に、検出面でマルチ２次電子ビームの各２次電子ビームを分離できる。
以上の説明において、一連の「～回路」は、処理回路を含み、その処理回路には、電気回路、コンピュータ、プロセッサ、回路基板、量子回路、或いは、半導体装置等が含まれる。また、各「～回路」は、共通する処理回路（同じ処理回路）を用いてもよい。或いは、異なる処理回路（別々の処理回路）を用いても良い。プロセッサ等を実行させるプログラムは、磁気ディスク装置、磁気テープ装置、ＦＤ、或いはＲＯＭ（リードオンリメモリ）等の記録媒体に記録されればよい。例えば、位置回路１０７、比較回路１０８、及び参照画像作成回路１１２等は、上述した少なくとも１つの処理回路で構成されても良い。
以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
また、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要しない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置構成や制御手法を適宜選択して用いることができる。
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのマルチ電子ビーム画像取得装置及びマルチ電子ビーム画像取得方法は、本発明の範囲に包含される。
マルチビーム画像取得装置及びマルチビーム画像取得方法に関する。例えば、マルチ１次電子ビームの照射に起因した２次電子画像を用いてパターン検査するマルチビーム検査装置の画像取得手法に利用できる。
１０，２１ １次電子ビーム
２０ マルチ１次電子ビーム
２２ 穴
２９ サブ照射領域
３０ フレーム領域
３１ フレーム画像
３２ ストライプ領域
３３ 矩形領域
３４ 照射領域
５２，５４ 偏向器
５５ 開口部
５６ 中間アパーチャ基板
１００ 検査装置
１０１ 基板
１０２ 電子ビームカラム
１０３ 検査室
１０６ 検出回路
１０７ 位置回路
１０８ 比較回路
１０９ 記憶装置
１１０ 制御計算機
１１２ 参照画像作成回路
１１４ ステージ制御回路
１１７ モニタ
１１８ メモリ
１１９ プリンタ
１２０ バス
１２２ レーザ測長システム
１２３ チップパターンメモリ
１２４ レンズ制御回路
１２６ ブランキング制御回路
１２８ 偏向制御回路
１３０ リターディング制御回路
１３２ 電極制御回路
１４２ ステージ駆動機構
１５０ 画像取得機構
１５１ １次電子光学系
１５２ ２次電子光学系
１６０ 制御系回路
２００ 電子ビーム
２０１ 電子銃
２０２，２０５，２０７ 磁気レンズ
２０３ 成形アパーチャアレイ基板
２０８ 主偏向器
２０９ 副偏向器
２１２ 一括偏向器
２１３ 制限アパーチャ基板
２１４ ビームセパレーター
２１６ ミラー
２１７ 静電電極
２１８ 偏向器
２１９ スキャンコイル
２２２ マルチ検出器
２２４ 投影レンズ
２２６ 偏向器
３００ マルチ２次電子ビーム
３０１ ２次電子ビーム
３３０ 検査領域
３３２ チップ
６００，６０１，６０２ 中間像面
２０ マルチ１次電子ビーム
２２ 穴
２９ サブ照射領域
３０ フレーム領域
３１ フレーム画像
３２ ストライプ領域
３３ 矩形領域
３４ 照射領域
５２，５４ 偏向器
５５ 開口部
５６ 中間アパーチャ基板
１００ 検査装置
１０１ 基板
１０２ 電子ビームカラム
１０３ 検査室
１０６ 検出回路
１０７ 位置回路
１０８ 比較回路
１０９ 記憶装置
１１０ 制御計算機
１１２ 参照画像作成回路
１１４ ステージ制御回路
１１７ モニタ
１１８ メモリ
１１９ プリンタ
１２０ バス
１２２ レーザ測長システム
１２３ チップパターンメモリ
１２４ レンズ制御回路
１２６ ブランキング制御回路
１２８ 偏向制御回路
１３０ リターディング制御回路
１３２ 電極制御回路
１４２ ステージ駆動機構
１５０ 画像取得機構
１５１ １次電子光学系
１５２ ２次電子光学系
１６０ 制御系回路
２００ 電子ビーム
２０１ 電子銃
２０２，２０５，２０７ 磁気レンズ
２０３ 成形アパーチャアレイ基板
２０８ 主偏向器
２０９ 副偏向器
２１２ 一括偏向器
２１３ 制限アパーチャ基板
２１４ ビームセパレーター
２１６ ミラー
２１７ 静電電極
２１８ 偏向器
２１９ スキャンコイル
２２２ マルチ検出器
２２４ 投影レンズ
２２６ 偏向器
３００ マルチ２次電子ビーム
３０１ ２次電子ビーム
３３０ 検査領域
３３２ チップ
６００，６０１，６０２ 中間像面
Claims (10)
- 基板を載置するステージと、
マルチ１次電子ビームで前記基板を照射する対物レンズと、
電界を形成する２極以上の電極と磁界を形成する２極以上の磁極とを有し、前記電界と前記磁界とを用いて、前記マルチ１次電子ビームで前記基板が照射されたことに起因して放出されるマルチ２次電子ビームを前記マルチ１次電子ビームの軌道上から分離する分離器と、
分離された前記マルチ２次電子ビームを偏向する偏向器と、
偏向された前記マルチ２次電子ビームを検出する検出器と、
前記対物レンズの主面と前記基板との間に配置される静電電極と、
前記マルチ１次電子ビームが前記基板上に合焦するように前記対物レンズが制御された状態で、前記対物レンズの主面と前記基板との間で１回以上の前記マルチ２次電子ビームの結像点が形成されると共に前記偏向器内の途中に前記マルチ２次電子ビームの結像点が形成されるように前記静電電極を制御する制御回路と、
を備えたことを特徴とするマルチビーム画像取得装置。 - 前記偏向器は、
前記マルチ２次電子ビームを偏向する第１の偏向器と、
前記第１の偏向器を通過した前記マルチ２次電子ビームをさらに偏向する、前記第１の偏向器の配置方向から傾けた方向に配置される第２の偏向器と、
を有することを特徴とする請求項１記載のマルチビーム画像取得装置。 - 前記第１と第２の偏向器の間に配置され、開口部が形成されたアパーチャ基板をさらに備え、
前記制御回路は、前記偏向器内の途中として、前記アパーチャ基板の位置に前記マルチ２次電子ビームの結像点が形成されるように前記静電電極を制御することを特徴とする請求項２記載のマルチビーム画像取得装置。 - 前記制御回路は、前記静電電極に負の電位を印加することを特徴とする請求項１記載のマルチビーム画像取得装置。
- 前記制御回路は、前記静電電極に印加する電位を変更し、変更された状態で前記マルチ１次電子ビームが前記基板上に合焦するように前記対物レンズが制御された状態で、前記アパーチャ基板に形成される前記開口部の像が鮮明になるように前記静電電極に印加する電位を調整することを特徴とする請求項３記載のマルチビーム画像取得装置。
- 前記偏向器内の途中に配置され、開口部が形成されたアパーチャ基板をさらに備え、
前記制御回路は、前記アパーチャ基板の位置に前記マルチ２次電子ビームの結像点が形成されるように前記静電電極を制御することを特徴とする請求項２記載のマルチビーム画像取得装置。 - 対物レンズを用いて、マルチ１次電子ビームでステージ上に載置される基板を照射し、
電界を形成する２極以上の電極と磁界を形成する２極以上の磁極とを有する分離器を用いて、前記電界と前記磁界とを用いて、前記マルチ１次電子ビームで前記基板が照射されたことに起因して放出されるマルチ２次電子ビームを前記マルチ１次電子ビームの軌道上から分離し、
偏向器を用いて分離された前記マルチ２次電子ビームを偏向し、
偏向された前記マルチ２次電子ビームを検出器で検出し、検出された前記マルチ２次電子ビームの信号を用いて２次電子画像を取得し、出力し、
前記マルチ１次電子ビームが前記基板上に合焦するように前記対物レンズが制御された状態で、前記対物レンズの主面と前記基板との間に配置される静電電極を用いて、前記対物レンズの主面と前記基板との間で１回以上の前記マルチ２次電子ビームの結像点が形成されると共に前記偏向器内の途中に前記マルチ２次電子ビームの結像点が形成されるように前記マルチ２次電子ビームの軌道を制御する、
ことを特徴とするマルチビーム画像取得方法。 - 前記静電電極に印加する電位を変更し、１次電子ビームを前記基板にフォーカスし、及び前記偏向器内の途中に配置されるアパーチャ基板に形成される開口部の像が鮮明になるように前記静電電極に印加する電位を調整する、一連の制御を繰り返すことを特徴とする請求項７記載のマルチビーム画像取得方法。
- 前記偏向器内の途中に、開口部が形成されたアパーチャ基板が配置され、
前記アパーチャ基板の位置に前記マルチ２次電子ビームの結像点が形成されるように前記マルチ２次電子ビームの軌道を制御することを特徴とする請求項７記載のマルチビーム画像取得方法。 - 前記偏向器は、
前記マルチ２次電子ビームを偏向する第１の偏向器と、
前記第１の偏向器に隣接して、前記第１の偏向器の配置方向から傾けた方向に配置される第２の偏向器と、
を有し、
前記第１の偏向器を通過した前記マルチ２次電子ビームを前記第２の偏向器を用いてさらに偏向する、
ことを特徴とする請求項７記載のマルチビーム画像取得方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 21906202 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 21906202 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |