WO2022219667A1 - 欠陥検査装置 - Google Patents

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imaging
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智彦 尾方
正樹 長谷川
則幸 兼岡
健太郎 大平
久弥 村越
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株式会社日立ハイテク
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/26—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes
    • H01J37/28—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes with scanning beams

Definitions

  • the present invention relates to a defect inspection apparatus that inspects wafer defects.
  • defects include, for example, crystal defects, processing damage inside the crystal called latent scratches, and scratches on the substrate surface. If an epitaxial film is formed with these defects present in the substrate, the defects tend to expand in the epitaxial film, resulting in fatal defects (bunched steps) that eventually lead to device failure.
  • an inspection technology that applies a mirror electron microscope that forms an image of mirror electrons is effective as an inspection technology that is sensitive to defects on the substrate surface and crystal defects in the epitaxial film.
  • Patent Document 1 a negative potential close to the acceleration voltage of the irradiated electron beam is applied to the substrate surface, and the electron beam irradiated over the entire inspection field on the substrate surface is reversed near the substrate surface. to obtain an electronic image for inspection.
  • This inverted electron is called a mirror electron
  • an electron beam apparatus capable of obtaining a mirror electron image is called a mirror electron microscope.
  • Patent Document 2 discloses stabilizing inspection quality by quantifying the luminance value of an inspection field image (hereinafter referred to as an FOV (Field of View) image) to evaluate wafer quality.
  • FOV Field of View
  • a wide area for example, a 1 mm ⁇ 1 mm area
  • a plurality of obtained FOV images are aligned and plane-filled.
  • Create an electronic image called a tiling image. It is disclosed that a brightness standard deviation value is obtained for each FOV image that constitutes a tiling image, and a color-coded display is performed according to the brightness standard deviation value to visualize the distribution state of defects in a wide area.
  • a SiC wafer 100 to be inspected is shown in FIG.
  • the SiC wafer height (sample height) along the x-direction is shown as graph 110, including the center 100c of the SiC wafer.
  • SiC wafers are more likely to warp than Si wafers, and the difference in height between positions within the wafer plane is large. For example, there is a relatively large sample height difference between the imaging area 102 at the center of the wafer and the imaging area 103 at the outer periphery of the wafer.
  • the contrast in the mirror electron image is obtained by changing the trajectory of the mirror electrons according to the equipotential lines on the surface of the sample. Equipotential lines on the sample surface are distorted by unevenness of the sample surface or local electrification. Since the mirror electrons take trajectories perpendicular to the equipotential lines, the trajectory of the mirror electrons also changes according to the unevenness of the sample surface or local charging, and the change in the trajectory of the mirror electrons is the contrast of the mirror electron image. expressed as Therefore, the contrast of the FOV image changes depending on the relative positional relationship between the sample surface and the focused position of the mirror electrons.
  • an FOV image is acquired with the distance from the sample surface to the focus position 114 of the mirror electrons (referred to as the defocus amount) being df1.
  • the defocus amount the distance from the sample surface to the focus position 114 of the mirror electrons.
  • the contrast is obtained.
  • the FOV image is acquired with the in-focus position 114, the concave portion indicated by the cross section 113 cannot be imaged with the same contrast as the concave portion indicated by the cross section 112 because the defocus amount is df2. .
  • FIG. 1 shows an example in which the focal position is underfocus (the focal position is below the sample surface), the focal position may be overfocus (the focal position is above the sample surface). The same is true in some cases.
  • FIG. 2A is an example of a tiling image 201 in which FOV images 200a-h are aligned and stitched together.
  • a defect image 202 is shown across the FOV images 200a-i. It is assumed that the FOV images 200a to 200f have the same focus position of the objective lens, whereas the FOV images 200g to 200i have been obtained with different focus positions of the objective lens. In this case, the images of the FOV images 200g to 200i are different in magnification from the images of the other FOV images 200, or are rotated, so the images are not well connected.
  • the present invention compensates in the imaging optical system for changes in image magnification and image rotation caused by changes in the focal point position of the objective lens.
  • An object of the present invention is to provide a defect inspection apparatus capable of obtaining a mirror electron image with contrast and correct shape.
  • a defect inspection apparatus which is one aspect for achieving the above object, includes a stage on which a sample is placed, an objective lens arranged such that the optical axis is perpendicular to the sample placement surface of the stage, and an electron source. , an irradiation optical system that irradiates the electron beam from the electron source toward the sample, a sample application power supply that applies a negative voltage to the sample so that the trajectory of the electron beam is reversed before reaching the sample, and an imaging lens an imaging optical system for obtaining a mirror electron image by forming an image of the mirror electrons reflected by the application of a negative voltage; , a beam separator that separates the electron beam from the mirror electrons and guides the mirror electrons to the optical axis of the imaging optical system; and a controller that holds correspondence information between the objective lens parameters and the imaging lens parameters.
  • the unit sets an objective lens parameter value that gives a predetermined defocus amount to the objective lens, which is determined from a plurality of mirror electron images acquired while changing the objective lens parameter value of the objective lens in the first FOV,
  • a first FOV image which is a mirror electron image of the first FOV, is obtained by setting an imaging lens parameter value determined based on the correspondence information to the imaging lens, and the correspondence information is the objective lens parameter.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a defect inspection device (mirror electron microscope);
  • FIG. 2 is a flow of acquiring an FOV image; Standard sample. It is a Fourier image based on the mirror electron image of the standard sample.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a method of determining an objective lens voltage;
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a method of determining an objective lens voltage;
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a method of determining an objective lens voltage;
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a method of determining an optimized defocus amount using a learned model;
  • the defect inspection apparatus of this embodiment is a projection type electron microscope. Specifically, in the electron microscope of this embodiment, an electron beam is irradiated to the entire inspection field of view (FOV) on the wafer surface at an angle perpendicular to the wafer surface and substantially parallel to the wafer surface. Alternatively, by applying a slightly large negative voltage to the wafer surface, the electron beam is reversed at an angle of approximately 180 degrees with respect to the incident direction just above the wafer surface, and the reversed electrons (mirror electrons) are imaged by an electron lens. Thus, an electronic image for inspection is obtained.
  • FOV inspection field of view
  • the configuration of a mirror electron microscope that generates an image (mirror electron image) based on detection of mirror electrons will be described using FIG.
  • the sample 30 is, for example, a SiC wafer.
  • Electrons emitted from the charged particle source (electron source) 20 are accelerated by an accelerating electrode (not shown) or the like to become an electron beam.
  • a voltage is applied from a charged particle source control power supply 41 to the accelerating electrodes and the like.
  • the electron beam is focused by an irradiation lens 21 and passes through an optical axis 10 of an irradiation optical system (referred to as an "irradiation optical system optical axis").
  • the irradiation lens 21 may be composed of a plurality of lenses.
  • 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 (ideal optical axis of the electron beam).
  • the irradiated electron beam is converged on the back focal plane of the objective lens 23 and irradiated toward the sample 30 . Since the objective lens 23 is arranged so that the objective lens optical axis 12 is perpendicular to the sample mounting surface of the stage 31, the electron beam deflected by the beam separator 24 is converted into a parallel beam by the objective lens 23. , along the objective lens optical axis 12 and perpendicularly toward the sample 30 .
  • a negative voltage is applied to the sample 30 or stage 31 from a sample application power supply 44 .
  • the negative voltage applied from the sample applying power supply 44 is substantially equal to or slightly higher than the accelerating voltage applied between the tip of the charged particle source 20 and the accelerating electrode, so that the irradiated electron beam is Without reaching the sample 30, it is reflected towards the imaging element. Since the irradiated electron beam does not reach the sample, an image reflecting the potential distribution (equipotential surface) on the sample can be obtained.
  • the imaging device 32 After the inverted electron beam (mirror electron beam) passes through the objective lens optical axis 12, it is introduced by the beam separator 24 into the optical axis of the imaging optical system (referred to as "imaging optical system optical axis") 11, where it is focused.
  • a mirror electron image is formed on the imaging device 32 by the image lens 22 .
  • the imaging device 32 has a scintillator 33 and a camera 34 .
  • one imaging lens 22 is shown in this example, there may be a plurality of imaging lenses.
  • the camera 34 captures light emitted from the scintillator 33 due to incidence of the mirror electron beam, thereby converting the electron beam image into an optical image and obtaining the optical image.
  • a two-dimensional imaging element such as a CCD (Charge-Coupled Device) image sensor can be used. This acquires a signal for imaging the potential distribution on the sample.
  • CCD Charge-Coupled Device
  • an ultraviolet light source 50 that generates carriers inside defects of the sample 30 is provided. By generating carriers inside the defects, it becomes possible to detect crystal defects inside the sample that do not appear on the surface as contrast in the mirror electron image. Furthermore, the ultraviolet light source 50 can stabilize the non-uniform charging state of the sample 30 . Also, in this example, a height sensor 35 for measuring the height of the sample 30 is provided. As the height sensor 35, for example, a displacement sensor using laser light can be used.
  • the irradiation optical system, the imaging optical system, the charged particle source control power supply 41, the sample application power supply 44, the ultraviolet light source 50, and the height sensor 35 are controlled by the control unit 40. Also, the output of the imaging device 32 is input to the image processing device 42, and image processing such as creation of a tiling image is performed.
  • Fig. 4 shows the acquisition flow of the FOV image by the defect inspection apparatus shown in Fig. 3. This flow is executed by the control unit 40 .
  • an objective lens voltage objective lens parameter
  • FOV field of view
  • the objective lens voltage is set to give the desired contrast to the defect image.
  • the height sensor 35 measures the sample height of the FOV.
  • the value of the imaging lens parameter is set according to the set objective lens voltage (S02).
  • the control unit 40 holds an objective-imaging table that stores parameter values of the imaging lens for compensating for changes in magnification and image rotation in the imaging optical system in advance according to the objective lens voltage.
  • the image can be rotated at the same magnification regardless of the specimen height. It is possible to obtain FOV images with no distortion or with the same amount of image rotation for each FOV image.
  • the objective-imaging table is one form of correspondence information between objective lens parameters and imaging lens parameters, and is not limited to this. For example, it may be held as a relational expression between objective lens parameters and imaging lens parameters, or may be held as a learned model.
  • FIG. 5A is a standard sample 500 for creating an objective-imaging table.
  • a dot pattern is formed in which dots 501 are periodically arranged in the x direction (horizontal direction) and y direction (vertical direction) at intervals of several ⁇ m.
  • a plurality of mirror electron images are picked up while changing the objective lens voltage.
  • the image obtained by Fourier transforming the mirror electron image obtained for the standard sample 500 in FIG. 5A is the Fourier image shown in FIG. 5B.
  • Bright spots 511 corresponding to the dots 501 appear in the Fourier image 510 .
  • the change in magnification occurring in the mirror electron image can be grasped from the distance d.
  • the amount of rotation generated in the mirror electron image can be grasped from the amount of rotation ⁇ of the dot pattern in the image 510 .
  • the rotation amount .theta. it may be set to a fixed value .theta.
  • An FOV image is acquired using the objective lens voltage set in step S01 and the imaging lens parameters set in step S02, and it is confirmed whether the desired contrast is obtained (S03). This is because the in-focus position may change by adjusting the parameters of the imaging lens. If the desired contrast is obtained, the defocus amount is determined to be within the allowable range, and the process proceeds to step S06. If the desired contrast is not obtained, the objective lens voltage and imaging lens parameter values are finely adjusted (S04, S05) in order to adjust the in-focus position, and the process proceeds to step S06.
  • step S06 it is checked whether or not all FOVs have been imaged, and if all FOVs have been imaged, the process ends. ).
  • FIG. 6B shows changes in brightness along a reference line 602 passing through the defect image 601 and extending in the x-direction, for an FOV image 600 including the defect image 601 as shown in FIG. 6A, for example.
  • FIG. 6C shows a contrast ratio (Id/Iav) obtained by acquiring an FOV image while changing the defocus amount with the average luminance Iav and the defect portion luminance Id with the lowest luminance in the luminance distribution along the reference line 602. is.
  • the contrast of the FOV image is the largest where the value is the smallest.
  • the defocus amount at this time is assumed to be an optimized defocus amount dfo .
  • the sample height in the FOV where the optimized defocus amount dfo was determined is used as a reference, and the objective lens voltage is set so as to cancel out the sample height difference ⁇ h between the FOVs. By doing so, the defocus amounts in a plurality of FOVs can be uniformed.
  • An FOV image may contain a plurality of defects of different defect types (processing damage inside the sample, scratches on the sample surface, etc.). to set the optimized defocus amount df o .
  • the method of setting the optimized defocus amount dfo is not limited to the method of calculating the contrast ratio from the FOV image.
  • a method of determining the optimized defocus amount dfo using a trained model 700 that discriminates the defect type from the image appearing in the FOV image will be described with reference to FIG.
  • the learned model 700 is a model that inputs a mirror electron image for a certain defect type and outputs a score for determining that the image reflected in the mirror electron image is the defect type. For example, a lower score is output as the possibility of the defect type is lower, and a higher score is output as the possibility of the defect type is higher.
  • the control unit 40 inputs the FOV images 701 to 704 acquired while changing the defocus amount to the learned model 700, and determines the defocus amount of the FOV image that outputs the highest score (in this example, the defocus amount of the FOV image 703
  • the amount df3) is set as the optimized defocus amount df o .
  • the above is an example of diverting the learned model for determining the defect type to the setting of the optimized defocus amount dfo . It is also conceivable to create and use this to directly set the optimized defocus amount dfo .
  • a trained model is used that is trained using a learning set in which a mirror electron image of a certain defect type is picked up by changing the defocus amount and evaluated by human eyes to determine whether it is good or bad.
  • a high score is output for the FOV image close to the mirror electron image highly evaluated by the person.
  • the defocus amount of the FOV image outputting the highest score is set as the optimized defocus amount dfo .

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Abstract

ミラー電子像を撮像する欠陥検査装置に関する。まず、第１のＦＯＶにおいて対物レンズ２３の対物レンズパラメータの値を変えながら取得した複数のミラー電子像から所定のデフォーカス量を与える対物レンズパラメータの値を決定する。決定した対物レンズパラメータの値を対物レンズに設定し、対応情報に基づき決定される結像レンズパラメータの値を結像レンズ２２に設定して、第１のＦＯＶについてのミラー電子像である第１のＦＯＶ像を取得する。ここで、対応情報は、対物レンズパラメータの値にかかわらず、結像光学系で取得されるミラー電子像の倍率を変化させない結像レンズパラメータの値を示す情報である。

Description

欠陥検査装置
　本発明は、ウエハの欠陥を検査する欠陥検査装置に関する。
　パワー半導体に対する、高耐圧化、低消費電力化、電力変換モジュールの小型化、等への要求に応えるため、ＳｉＣなどの化合物半導体を用いた半導体デバイスの開発が進んでいる。しかし、化合物半導体の基板は、基板表面または内部に欠陥が発生しやすい。欠陥には、例えば、結晶欠陥、潜傷と呼ばれる結晶内部の加工ダメージ、基板表面のスクラッチ、等がある。これらの欠陥が基板に存在する状態でエピタキシアル膜を形成すると、欠陥がエピタキシアル膜中で拡張し、最終的にデバイス不良に繋がる致命欠陥（バンチドステップ）が生じやすい。
　このような欠陥を早期に検出するため、基板表面の欠陥やエピタキシアル膜中の結晶欠陥に感度を持つ検査技術として、ミラー電子を結像するミラー電子顕微鏡を応用した検査技術が有効であることが特許文献１に開示されている。この検査技術は、照射する電子線の加速電圧に近い負電位を基板表面に与えることで、基板表面上の検査視野全体に照射した電子線を基板表面近傍で反転させ、反転した電子を電子レンズで結像し、検査用の電子像を得る。この反転した電子をミラー電子と称し、ミラー電子像を取得可能な電子線装置をミラー電子顕微鏡と称する。
　ミラー電子顕微鏡では高感度かつ高い分解能で検出が行える一方、電子線の照射エリアがおよそ１００μｍφとウエハの表面積と比較して狭いため、ウエハ全面での検査は現実的ではなく、ウエハ内を部分的に検査して得られたミラー電子像からウエハの品質を評価することになる。特許文献２には、検査視野画像（以下、ＦＯＶ（Field of View）画像という）の輝度値を定量化してウエハの品質を評価することにより、検査品質を安定化することが開示されている。
　さらに特許文献２では、ミラー電子顕微鏡により広範囲領域（例えば１ｍｍ×１ｍｍの領域）を二次元的に連続撮像し、得られた複数のＦＯＶ画像を位置合わせして平面充填することで広範囲領域のミラー電子像（タイリング画像という）を作成する。タイリング画像を構成するＦＯＶ画像ごとに輝度標準偏差値を求め、輝度標準偏差値に応じて色分け表示することにより、広範囲領域における欠陥の分布状態を可視化することが開示されている。
国際公開第２０１６／００２００３号 国際公開第２０２０／１６６０４９号
　図１に検査対象となるＳｉＣウエハ１００を示す。オリエンテーションフラット１０１の直線部をｘ方向とし、それに垂直な方向をｙ方向、高さ方向をｚ方向とする。ＳｉＣウエハの中心１００ｃを含んで、ｘ方向に沿ったＳｉＣウエハの高さ（試料高さ）をグラフ１１０として示す。ＳｉＣウエハはＳｉウエハに比べて反りやすく、ウエハ面内位置ごとの高さの差が大きい。例えば、ウエハ中心部の撮像エリア１０２とウエハ外周部の撮像エリア１０３とでは、比較的大きな試料高さの差が生じている。
　このようなＳｉＣウエハにおける試料高さの面内ばらつきは、複数のＦＯＶ画像をつなぎ合わせて作成されるタイリング画像に歪みを生じさせることになる。特許文献１に説明されているように、ミラー電子像におけるコントラストは、ミラー電子の軌道が試料表面の等電位線によって変化することによって得られる。試料表面の等電位線は、試料表面の凹凸、あるいは局所的な帯電によって歪む。ミラー電子は等電位線に対して垂直な軌道をとるため、ミラー電子の軌道も試料表面の凹凸、あるいは局所的な帯電に応じて変化し、このミラー電子の軌道の変化がミラー電子像のコントラストとして表れる。このため、ＦＯＶ画像のコントラストは、試料表面とミラー電子の合焦点位置との相対的位置関係に依存して変化することになる。
　ウエハ中心部の撮像エリア１０２について、試料表面からミラー電子の合焦点位置１１４までの距離（デフォーカス量という）をｄｆ１としてＦＯＶ画像を取得し、ＦＯＶ画像には断面１１２として示すような凹部に対応するコントラストが得られているとする。また、ウエハ外周部の撮像エリア１０３には、断面１１２と同じ形状の断面１１３として示される凹部が存在するとする。このとき、合焦点位置１１４のままＦＯＶ画像を取得したとすると、デフォーカス量ｄｆ２となっているため、断面１１３で示される凹部は、断面１１２で示される凹部と同じコントラストで撮像することができない。同じコントラストで撮像するためには、ウエハの試料高さの差Δｈを相殺するように合焦点位置を制御する必要がある。撮像エリア１０３ではデフォーカス量ｄｆ１となるような合焦点位置１１５として撮像することにより、撮像エリア１０２と撮像エリア１０３において、同じ断面形状に対して、同じコントラストをもつＦＯＶ画像を得られる。なお、図１では、合焦点位置をアンダーフォーカス（合焦点位置が試料表面よりも下方）にある例を示しているが、合焦点位置がオーバーフォーカス（合焦点位置が試料表面よりも上方）にある場合も同様である。
　特許文献２のようにＦＯＶ画像における輝度のばらつきを統計的に処理するのではなく、ＦＯＶ画像をつなげてタイリング画像から欠陥像を観察する場合には、ＦＯＶ画像に写っている像同士が正しく接続できないという問題が生じる。これは次のような理由による。ミラー電子の合焦点位置の制御はウエハの直上に配置される対物レンズによって行われる。しかしながら、対物レンズは、試料表面で反射したミラー電子を結像させる役割も果たしている。このため、撮像エリア１０２と撮像エリア１０３のようにＦＯＶ画像のコントラストを合わせるために対物レンズの合焦点位置を異ならせる制御が行われると、結像光学系を通って撮像装置で撮像される像の倍率が変化したり、結像光学系に磁界レンズが使用されている場合には像が回転したりする。
　例えば、図２ＡはＦＯＶ画像２００ａ～ｈを位置合わせしてつなぎ合わせたタイリング画像２０１の例である。ＦＯＶ画像２００ａ～ｉにまたがって欠陥像２０２が写っている。ＦＯＶ画像２００ａ～ｆは対物レンズの合焦点位置が同じであるのに対し、ＦＯＶ画像２００ｇ～ｉはそれらとは対物レンズの合焦点位置を異ならせて取得されたものとする。この場合、ＦＯＶ画像２００ｇ～ｉの像は、他のＦＯＶ画像２００の像と倍率が異なっていたり、回転したりしているため、像同士がうまく接続されない。
　本発明は、対物レンズの合焦点位置の変化によって生じる像の倍率の変化や像回転を、結像光学系において補償することにより、図２Ｂのように、広範囲領域（タイリング画像）についても高いコントラストと正しい形状をもつミラー電子像を得ることが可能な欠陥検査装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するための一態様である欠陥検査装置は、試料を載置するステージと、光軸がステージの試料載置面に垂直となるように配置される対物レンズと、電子源を含み、電子源からの電子線を試料に向けて照射する照射光学系と、電子線が試料に到達する前に軌道が反転するよう、試料に負電圧を印加する試料印加用電源と、結像レンズを含み、負電圧の印加により反射されたミラー電子を結像してミラー電子像を取得する結像光学系と、照射光学系からの電子線を対物レンズの光軸に一致させるよう偏向させるとともに、電子線とミラー電子とを分離してミラー電子を結像光学系の光軸に導くビームセパレータと、対物レンズパラメータと結像レンズパラメータとの対応情報を保持する制御部とを有し、制御部は、第１のＦＯＶにおいて対物レンズの対物レンズパラメータの値を変えながら取得した複数のミラー電子像から決定される、所定のデフォーカス量を与える対物レンズパラメータの値を対物レンズに設定し、対応情報に基づき決定される結像レンズパラメータの値を結像レンズに設定して、第１のＦＯＶについてのミラー電子像である第１のＦＯＶ像を取得し、対応情報は、対物レンズパラメータの値にかかわらず、結像光学系で取得されるミラー電子像の倍率を変化させない結像レンズパラメータの値を示す情報である。
　広範囲領域（タイリング画像）についても高いコントラストと正しい形状をもつミラー電子像を得ることが可能な欠陥検査装置を提供する。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本発明の課題を説明するための図である。 タイリング画像の例である。 タイリング画像の例である。 欠陥検査装置（ミラー電子顕微鏡）の構成図である。 ＦＯＶ画像の取得フローである。 標準試料である。 標準試料のミラー電子像に基づくフーリエ像である。 対物レンズ電圧の決定方法を説明するための図である。 対物レンズ電圧の決定方法を説明するための図である。 対物レンズ電圧の決定方法を説明するための図である。 学習済モデルを用いて最適化デフォーカス量を決定する方法を説明するための図である。
　本実施例の欠陥検査装置は写像型の電子顕微鏡である。具体的には、本実施例の電子顕微鏡では、電子線をウエハ表面上の検査視野（ＦＯＶ）全体にウエハ表面に垂直な角度でほぼ平行に照射するとともに、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圧をウエハ表面に与えることで、ウエハ表面直上で電子線をそ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（ミラー電子）を電子レンズで結像することにより、検査用の電子像を得る。
　以下、実施形態および実施例について、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３を用いて、ミラー電子の検出に基づいて画像（ミラー電子像）を生成するミラー電子顕微鏡の構成について説明する。試料３０は、例えばＳｉＣウエハである。荷電粒子源（電子源）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て電子線となる。加速電極等には荷電粒子源制御電源４１より電圧が印加される。電子線は照射レンズ２１によって集束され、照射光学系の光軸（「照射光学系光軸」と称する）１０を通過する。なお、照射レンズ２１は複数のレンズから構成される場合もある。照射レンズ２１によって集束された電子線は、ビームセパレータ２４により対物レンズ光軸１２（電子線の理想光軸）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。対物レンズ２３は、対物レンズ光軸１２がステージ３１の試料載置面と垂直になるように配置されているので、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。一方、試料３０、あるいはステージ３１には、試料印加用電源４４から負電圧が印加されている。試料印加用電源４４から印加される負電圧は、荷電粒子源２０のチップと加速電極との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ることにより、照射電子線は試料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（ミラー電子線）は対物レンズ光軸１２を通過したのち、ビームセパレータ２４により結像光学系の光軸（「結像光学系光軸」と称する）１１に導入され、結像レンズ２２により撮像装置３２上にミラー電子像が形成される。この例では、撮像装置３２はシンチレータ３３とカメラ３４とを有している。本例では結像レンズ２２は１個として表現しているが、複数個の場合もある。カメラ３４は、ミラー電子線の入射によるシンチレータ３３の発光を撮像することにより、電子線像を光学像に変換して取得することができる。カメラ３４としては、二次元撮像素子、例えばＣＣＤ（Charge-Coupled Device）イメージセンサなどを用いることができる。これにより、試料上の電位分布を画像化するための信号を取得する。
　さらに、試料３０の欠陥内部にキャリアを発生させる紫外光源５０を備えている。欠陥内部にキャリアを発生させることにより、表面には表れない試料内部の結晶欠陥についてもミラー電子像におけるコントラストとして検出することが可能になる。さらに、紫外光源５０により、試料３０の不均一な帯電状態を安定させることもできる。また、この例では試料３０の高さを測定するための高さセンサ３５を備えている。高さセンサ３５としては、例えばレーザ光を用いた変位センサなどを用いることができる。
　なお、照射光学系、結像光学系、荷電粒子源制御電源４１、試料印加用電源４４、紫外光源５０、高さセンサ３５は制御部４０により制御される。また、撮像装置３２の出力は画像処理装置４２に入力され、タイリング画像の作成などの画像処理が行われる。
　図４に、図３に示した欠陥検査装置によるＦＯＶ画像の取得フローを示す。本フローは制御部４０が実行する。まず、１つの検査視野（ＦＯＶ）において所望のコントラストの欠陥像をもつＦＯＶ画像が得られる対物レンズ電圧（対物レンズパラメータ）を設定する（Ｓ０１）。上述のようにＦＯＶ画像のコントラストはデフォーカス量に依存するから、欠陥像に所望のコントラストを与える対物レンズ電圧を設定する。あわせて、高さセンサ３５により、当該ＦＯＶの試料高さを測定する。続いて、設定した対物レンズ電圧に応じた結像レンズパラメータの値を設定する（Ｓ０２）。制御部４０は、あらかじめ対物レンズ電圧に応じて、結像光学系において倍率の変化や像回転を補償する結像レンズのパラメータの値を記憶する対物－結像テーブルを保持している。対物－結像テーブルを参照し、ステップＳ０１で設定した対物レンズ電圧に応じた結像レンズのパラメータの値を結像レンズに設定することにより、試料高さにかかわらず、同じ倍率で、像回転のない、あるいはＦＯＶ画像ごとの像回転量が等しいＦＯＶ画像を得ることができる。なお、対物－結像テーブルは、対物レンズパラメータと結像レンズパラメータとの対応情報の一形式であって、これには限られない。例えば、対物レンズパラメータと結像レンズパラメータ間の関係式として保持してもよく、学習済モデルとして保持してもよい。
　対物－結像テーブルの作成方法について説明する。図５Ａは対物－結像テーブルを作成するための標準試料５００である。標準試料５００の表面には、ドット５０１が数μｍ程度の間隔でｘ方向（横方向）及びｙ方向（縦方向）に周期的に配列されたドットパターンが形成されている。この標準試料５００について、対物レンズ電圧を変えながら複数のミラー電子像を撮像する。
　図５Ａの標準試料５００について得られたミラー電子像をフーリエ変換して得られる画像が図５Ｂに示すフーリエ像である。フーリエ像５１０には、ドット５０１に対応する輝点５１１が表れる。フーリエ像から、ミラー電子像に生じている平均的な歪みを把握できる。フーリエ像５１０における隣接する輝点５１１間の距離ｄは、標準試料５００における隣接するドット５０１間の距離に対応しているので、距離ｄからミラー電子像に生じた倍率の変化を把握でき、フーリエ像５１０におけるドットパターンの回転量θからミラー電子像に生じた回転量を把握できる。したがって、例えば、距離ｄ＝Ｄ（固定値）、回転量θを打ち消すような結像レンズパラメータを対物レンズ電圧ごとに定め、対物－結像テーブルとして制御部４０の記憶部に記憶しておく。回転量θを０とするのではなく、０はない固定値Θに揃えるようにしてもよい。
　ステップＳ０１で設定された対物レンズ電圧、ステップＳ０２で設定された結像レンズパラメータにより、ＦＯＶ画像を取得し、所望のコントラストが得られているか確認する（Ｓ０３）。これは結像レンズのパラメータを調整することにより、合焦点位置が変化する場合があるためである。所望のコントラストが得られていれば、デフォーカス量が許容範囲内として、ステップＳ０６に進む。所望のコントラストが得られていない場合には、合焦点位置を調整するため、対物レンズ電圧、結像レンズパラメータの値の微調整を行い（Ｓ０４，Ｓ０５）、ステップＳ０６に進む。
　ステップＳ０６では、すべてのＦＯＶで撮像済みかどうかを確認し、すべてのＦＯＶで撮像済みであれば終了し、ＦＯＶ画像を取得していないＦＯＶがあれば、当該ＦＯＶについての撮像を行う（ステップＳ０１に戻る）。
　ステップＳ０１における対物レンズ電圧の決定方法について説明する。ＦＯＶ画像において欠陥像のコントラストが最も強く表れた状態においてデフォーカス量が最適化されているといえるので、コントラストが最も強く表れたデフォーカス量を与えるときの対物レンズ電圧を設定すればよい。例えば図６Ａのような欠陥像６０１を含むＦＯＶ画像６００について、欠陥像６０１を通り、ｘ方向に延びる基準線６０２に沿った輝度の変化を図６Ｂに示す。基準線６０２に沿った輝度分布において、平均輝度Ｉａｖ、最も輝度の低い欠陥部輝度Ｉｄとして、デフォーカス量を変えながらＦＯＶ画像を取得してコントラスト比（Ｉｄ／Ｉａｖ）を算出したものが図６Ｃである。その値が最も小さくなるところでＦＯＶ画像のコントラストが最も大きくなっている。このときのデフォーカス量を最適化デフォーカス量ｄｆｏとする。
　他のＦＯＶを撮像する場合には、最適化デフォーカス量ｄｆｏを決定したＦＯＶでの試料高さを基準とし、ＦＯＶ間の試料高さの差Δｈを相殺するように、対物レンズ電圧を設定することで、複数のＦＯＶにおけるデフォーカス量を揃えることができる。
　なお、ＦＯＶ画像中には、欠陥種（試料内部の加工ダメージ、試料表面のスクラッチなど）の異なる複数の欠陥が含まれる場合があるが、この場合は、ＦＯＶ画像において撮像したい撮像種それぞれに対して最適化デフォーカス量ｄｆｏを設定する。
　また、最適化デフォーカス量ｄｆｏを設定する手法は、ＦＯＶ画像からコントラスト比で算出する方法には限られない。図７を用いてＦＯＶ画像に写っている像から欠陥種を判別する学習済モデル７００を用いて最適化デフォーカス量ｄｆｏを決定する方法について説明する。学習済モデル７００は、ある欠陥種に対して、ミラー電子像を入力とし、ミラー電子像に写っている画像が当該欠陥種であると判定するスコアを出力するモデルである。例えば、当該欠陥種である可能性が低い程、低いスコアが、当該欠陥種である可能性が高い程、高いスコアが出力される。
　制御部４０は、デフォーカス量を変えながら取得したＦＯＶ画像７０１～７０４を学習済モデル７００に入力し、最も高いスコアを出力したＦＯＶ画像のデフォーカス量（この例では、ＦＯＶ画像７０３のデフォーカス量ｄｆ３）を最適化デフォーカス量ｄｆｏとして設定する。
　以上は、欠陥種を判定する学習済モデルを最適化デフォーカス量ｄｆｏの設定に転用する例であるが、欠陥種ごとの欠陥像について最適化デフォーカス量ｄｆｏを判定する学習済モデルを作成し、これを用いて直接、最適化デフォーカス量ｄｆｏの設定を行うことも考えられる。例えば、ある欠陥種についてデフォーカス量を変えて撮像したミラー電子像に対して、人の目で良し悪しを評価しラベル付けした学習セットを用いて学習させた学習済モデルを用いる。この場合も、同様にデフォーカス量を変えながら取得したＦＯＶ画像７０１～７０４を学習済モデルに入力すると、人が高く評価したミラー電子像に近いＦＯＶ画像に対して高いスコアが出力されるので、最も高いスコアを出力したＦＯＶ画像のデフォーカス量を最適化デフォーカス量ｄｆｏとして設定する。
１０：照射光学系光軸、１１：結像光学系光軸、１２：対物レンズ光軸、２０：荷電粒子源、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：撮像装置、３３：シンチレータ、３４：カメラ、３５：高さセンサ、４０：制御部、４１：荷電粒子源制御電源、４２：画像処理装置、４４：試料印加用電源、５０：紫外光源、１００：ＳｉＣウエハ、１０１：オリエンテーションフラット、１０２，１０３：撮像エリア、１１２，１１３：断面、１１４，１１５：合焦点位置、２００：ＦＯＶ画像、２０１：タイリング画像、２０２：欠陥像、５００：標準試料、５０１：ドット、５１０：フーリエ像、５１１：輝点、６００：ＦＯＶ画像、６０１：欠陥像、６０２：基準線、７００：学習済モデル、７０１～７０４：ＦＯＶ画像。

Claims (14)

  1. 　試料を載置するステージと、
    　光軸が前記ステージの試料載置面に垂直となるように配置される対物レンズと、
    　電子源を含み、前記電子源からの電子線を前記試料に向けて照射する照射光学系と、
    　前記電子線が前記試料に到達する前に軌道が反転するよう、前記試料に負電圧を印加する試料印加用電源と、
    　結像レンズを含み、前記負電圧の印加により反射されたミラー電子を結像してミラー電子像を取得する結像光学系と、
    　前記照射光学系からの前記電子線を前記対物レンズの光軸に一致させるよう偏向させるとともに、前記電子線と前記ミラー電子とを分離して前記ミラー電子を前記結像光学系の光軸に導くビームセパレータと、
    　対物レンズパラメータと結像レンズパラメータとの対応情報を保持する制御部とを有し、
    　前記制御部は、第１のＦＯＶにおいて前記対物レンズの対物レンズパラメータの値を変えながら取得した複数のミラー電子像から決定される、所定のデフォーカス量を与える対物レンズパラメータの値を前記対物レンズに設定し、前記対応情報に基づき決定される結像レンズパラメータの値を前記結像レンズに設定して、前記第１のＦＯＶについてのミラー電子像である第１のＦＯＶ像を取得し、
    　前記対応情報は、対物レンズパラメータの値にかかわらず、前記結像光学系で取得されるミラー電子像の倍率を変化させない結像レンズパラメータの値を示す情報である欠陥検査装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記結像レンズは磁界レンズを含み、
    　前記対応情報は、対物レンズパラメータの値にかかわらず、前記結像光学系で取得されるミラー電子像の倍率と像回転量とを変化させない結像レンズパラメータの値を示す情報である欠陥検査装置。
  3. 　請求項２において、
    　前記制御部は、対物レンズパラメータの値と結像レンズパラメータの値との組み合わせを格納する対物－結像テーブルを記憶しており、前記対物－結像テーブルを参照することにより、前記所定のデフォーカス量を与える対物レンズパラメータの値に応じた結像レンズパラメータの値を決定し、
    　前記対物－結像テーブルにおける対物レンズパラメータの値と結像レンズパラメータの値との組み合わせは、前記結像光学系で取得されるミラー電子像の倍率と像回転量とを変化させないよう決められている欠陥検査装置。
  4. 　請求項１において、
    　前記制御部は、前記第１のＦＯＶと異なる第２のＦＯＶにおいて、前記所定のデフォーカス量を与える対物レンズパラメータの値を前記対物レンズに設定し、前記対応情報に基づき決定される結像レンズパラメータの値を前記結像レンズに設定して、前記第２のＦＯＶについてのミラー電子像である第２のＦＯＶ像を取得する欠陥検査装置。
  5. 　請求項４において、
    　前記試料の高さを検知する高さセンサを有し、
    　前記制御部は、前記高さセンサにより検出された前記第１のＦＯＶの試料高さと前記第２のＦＯＶの試料高さとの差に基づき、前記第２のＦＯＶにおいて前記所定のデフォーカス量を与える対物レンズパラメータの値を決定する欠陥検査装置。
  6. 　請求項４において、
    　前記第１のＦＯＶ像と前記第２のＦＯＶ像とを位置合わせして結合することによりタイリング画像を生成する画像処理装置を有する欠陥検査装置。
  7. 　請求項１において、
    　前記制御部は、前記第１のＦＯＶにおいて前記対物レンズの対物レンズパラメータの値を変えながら取得した複数のミラー電子像における欠陥像のコントラストを最大とする対物レンズパラメータの値を、前記所定のデフォーカス量を与える対物レンズパラメータの値として決定する欠陥検査装置。
  8. 　請求項７において、
    　前記制御部は、前記欠陥像の欠陥種ごとに、前記所定のデフォーカス量を与える対物レンズパラメータの値を決定する欠陥検査装置。
  9. 　請求項８において、
    　前記制御部は、ミラー電子像から欠陥種を判定する学習済モデルを有し、前記第１のＦＯＶにおいて前記対物レンズの対物レンズパラメータの値を変えながら取得した複数のミラー電子像を前記学習済モデルに入力し、当該欠陥種である可能性が最も高いと判定されたミラー電子像の対物レンズパラメータの値を、前記所定のデフォーカス量を与える対物レンズパラメータの値として決定する欠陥検査装置。
  10. 　請求項８において、
    　前記制御部は、ミラー電子像の最適化デフォーカス量を判定する学習済モデルを有し、前記第１のＦＯＶにおいて前記対物レンズの対物レンズパラメータの値を変えながら取得した複数のミラー電子像を前記学習済モデルに入力し、前記最適化デフォーカス量である可能性が最も高いと判定されたミラー電子像の対物レンズパラメータの値を、前記所定のデフォーカス量を与える対物レンズパラメータの値として決定し、
    　前記学習済モデルは、欠陥種ごとにデフォーカス量を変えて撮像したミラー電子像のコントラストの良否を評価してラベル付けした学習セットによって学習させたモデルである欠陥検査装置。
  11. 　請求項１において、
    　前記対応情報は、左右方向に周期的に配列されたドットパターンが形成された標準試料のミラー電子像をフーリエ変換したフーリエ像において、輝点パターンの間隔と回転量とをそれぞれ一定値とする対物レンズパラメータの値と結像レンズパラメータの値との対応関係を示す欠陥検査装置。
  12. 　請求項１において、
    　前記試料に紫外光を照射する紫外光源を有する欠陥検査装置。
  13. 　請求項１において、
    　前記制御部は、前記第１のＦＯＶ像を取得する際に、前記対物レンズに設定する対物レンズパラメータの値と前記結像レンズに設定する結像レンズパラメータの値を微調整する欠陥検査装置。
  14. 　請求項１において、
    　前記試料はＳｉＣウエハである欠陥検査装置。
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