(57)【要約】【課題】微細なパターンを観察できる試料観察方法及び装置を提供する。【解決手段】試料観察方法は、電子ビームを用いて試料のパターンを観察する。この方法は、試料に電子ビームを照射し、電子ビームの照射によって生じるミラー電子を検出し、検出されたミラー電子から試料の画像を生成する。電子ビームを照射するステップは、両側にエッジを有する凹パターンに電子ビームが照射されたときに照射電子が凹パターンにてＵターンしてミラー電子になるようにランディングエネルギーＬＥが調整された電子ビームを試料に照射する。好適な条件は、ＬＥＡ≦ＬＥ≦ＬＥＢ＋５[ｅＶ]である。【選択図】図３
2010237200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを用いて試料上のパターンを観察する試料観察方法であって、
前記試料に電子ビームを照射するステップと、
前記電子ビームの照射によって生じるミラー電子を検出するステップと、
検出された前記ミラー電子から試料の画像を生成するステップとを有し、
前記電子ビームを照射するステップは、両側にエッジを有する凹パターンに前記電子ビームが照射されたときに照射電子が前記凹パターンにてＵターンしてミラー電子になるようにランディングエネルギーが調整された前記電子ビームを前記試料に照射することを特徴とする試料観察方法。
【請求項２】
前記ランディングエネルギーは、前記ミラー電子と２次放出電子が混在する領域に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の試料観察方法。
【請求項３】
前記ランディングエネルギーは、
ＬＥＡ≦ＬＥ≦ＬＥＢ＋５ｅＶに設定され、
ここで、ＬＥは前記電子ビームの前記ランディングエネルギーであり、ＬＥＡ及びＬＥＢは、前記ミラー電子と２次放出電子が混在する領域の最低ランディングエネルギー及び最高ランディングエネルギーであることを特徴とする請求項１に記載の試料観察方法。
【請求項４】
前記照射電子は、前記凹パターンの一方のエッジに向って入射し、前記一方のエッジの近傍で他方のエッジに向かって曲り、前記他方のエッジの近傍で曲がってミラー電子になることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の試料観察方法。
【請求項５】
前記照射電子は、前記凹パターンの一方のエッジに向って入射し、前記一方のエッジの近傍を通るカーブ軌道に沿って前記凹パターン内に侵入し、前記凹パターンの底部に衝突することなく進行方向を転換し、前記凹パターンの他方のエッジの近傍を通って、前記ミラー電子になることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の試料観察方法。
【請求項６】
前記試料から前記ミラー電子の検出器までの間の２次光学系にアパーチャを配置し、前記アパーチャのサイズ、位置及び形状の少なくとも一つを、前記アパーチャを通過する前記ミラー電子に応じて調整することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の試料観察方法。
【請求項７】
前記アパーチャにおける前記ミラー電子の像を生成し、該像のサイズに応じて前記アパーチャのサイズを調整することを特徴とする請求項６に記載の試料観察方法。
【請求項８】
前記アパーチャにおける前記ミラー電子の像を生成し、該像の位置に応じて前記アパーチャの位置を調整することを特徴とする請求項６に記載の試料観察方法。
【請求項９】
前記アパーチャにおける前記ミラー電子の像を生成し、該像の形状に応じて前記アパーチャの形状を調整することを特徴とする請求項６に記載の試料観察方法。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れか１項に記載の試料観察方法により前記ミラー電子から前記試料の画像を生成し、前記試料の画像を用いて前記試料のパターンを検査することを特徴とする試料検査方法。
【請求項１１】
写像投影型観察装置と該写像投影型観察装置とは別のＳＥＭ型観察装置と光学顕微鏡により同一のステージ上に載置された試料を観察するための複合型の試料観察方法であって、
前記写像投影型観察装置、前記ＳＥＭ型観察装置、及び前記光学顕微鏡の３つの観察装置それぞれの光学中心の位置関係を座標データとして記憶し、該座標データに基づいて前記ステージを前記３つの光学中心間で移動させて前記試料上の特定の箇所を前記３つの観察装置で個別に観察を行うことを特徴とする複合型の試料観察方法。
【請求項１２】
下記の各ステップを備えていることを特徴とする複合型の試料観察方法。
（ａ）試料載置面であるＸＹ面内の回転並びにＸ方向及びＹ方向の移動が可能なステージ上に特定のパターンの配列を有する試料を載置し、該特定のパターンの配列を含む領域を光学顕微鏡観察して該特定のパターンの配列方向が前記Ｘ方向又は前記Ｙ方向となるように前記ステージ上の試料位置を調整するステップ：
（ｂ）請求項１乃至９の何れか１項に記載の試料観察方法により前記試料の特定のパターンの配列を含む領域のミラー電子画像を得て、前記特定のパターンの配列の方向を前記ミラー電子画像のＸ方向又はＹ方向に一致させるとともに前記特定のパターンが前記ミラー電子画像のフレームの中央にくるように前記ミラー電子の検出系を調整するステップ：
（ｃ）前記試料の特定のパターンを含む領域をＳＥＭ観察し、該試料の特定のパターンがＳＥＭ画像の所定の中央にくるようにＳＥＭ型観察装置の光学系を調整するステップ：
（ｄ）前記ステップ（ａ）、ステップ（ｂ）、ステップ（ｃ）の調整後の各ステージの位置座標を相互に対応づけ、これら３つの位置座標の何れか１つから他の２つの位置座標の少なくとも一方を算出するステップ：
【請求項１３】
前記ステップ（ａ）、前記ステップ（ｂ）、前記ステップ（ｃ）、及び、前記ステップ（ｄ）は、この順に実行される請求項１２に記載の複合型の試料観察方法。
【請求項１４】
下記のステップを備えている試料検査方法。
（ｅ）請求項１１〜１３の何れか１項に記載の試料観察方法により前記ミラー電子から前記試料の画像を生成し、前記試料の画像を用いて前記試料のパターンを検査するステップ：
【請求項１５】
更に、下記のステップを備えている請求項１４に記載の試料検査方法。
（ｆ）前記ステップ（ｅ）のパターン検査で判定されたパターン不良個所をＳＥＭ観察して欠陥の真偽判定を行うステップ：
【請求項１６】
更に、下記のステップを備えている請求項１５に記載の試料検査方法。
（ｇ）前記ステップ（ｆ）で真の欠陥と判定されたパターン不良個所の欠陥種の分類を行うステップ：
【請求項１７】
更に、下記のステップを備えている請求項１５又は１６に記載の試料検査方法。
（ｈ）前記ステップ（ｆ）で真の欠陥と判定されたパターン不良個所の座標ファイルを、前記光学顕微鏡像、前記ミラー電子画像、及び、前記ＳＥＭ画像の少なくともひとつの画像と対応づけて作成するステップ：
【請求項１８】
パターンを有する試料が載置されるステージと、
前記試料に電子ビームを照射する１次光学系と、
前記電子ビームの照射によって生じるミラー電子を検出する２次光学系と、
検出された前記ミラー電子から試料の画像を生成する画像処理部とを備え、
前記１次光学系は、両側にエッジを有する凹パターンに前記電子ビームが照射されたときに照射電子が前記凹パターンにてＵターンしてミラー電子になるようにランディングエネルギーが調整された前記電子ビームを前記試料に照射することを特徴とする試料観察装置。
【請求項１９】
前記１次光学系は、前記ミラー電子と２次放出電子が混在する領域に設定された前記ランディングエネルギーを有する前記電子ビームを照射することを特徴とする請求項１８に記載の試料観察装置。
【請求項２０】
前記ランディングエネルギーは、
ＬＥＡ≦ＬＥ≦ＬＥＢ＋５ｅＶに設定され、
ここで、ＬＥは前記電子ビームの前記ランディングエネルギーであり、ＬＥＡ及びＬＥＢは、前記ミラー電子と２次放出電子が混在する領域の最低ランディングエネルギー及び最高ランディングエネルギーであることを特徴とする請求項１８に記載の試料観察装置。
【請求項２１】
前記２次光学系は、前記試料から前記ミラー電子の検出器までの間に配置されたアパーチャと、前記アパーチャのサイズ、位置及び形状の少なくとも一つを、前記アパーチャを通過する前記ミラー電子に応じて調整するアパーチャ調整機構とを特徴とする請求項１８〜２０の何れか１項に記載の試料観察装置。
【請求項２２】
前記２次光学系がアパーチャを有し、前記アパーチャの位置が、前記ミラー電子の強度中心と前記アパーチャの中心が一致するように調整されていることを特徴とする請求項１８〜２０の何れか１項に記載の試料観察装置。
【請求項２３】
前記２次光学系がアパーチャを有し、前記アパーチャの形状は、前記ミラー電子の強度分布の長手方向に応じた方向に長軸を有する楕円形状であることを特徴とする請求項１８〜２０の何れか１項に記載の試料観察装置。
【請求項２４】
前記２次光学系がアパーチャを有し、前記アパーチャが複数の孔を有し、前記複数の孔が、前記ミラー電子の強度中心を囲むように配置されていることを特徴とする請求項１８〜２０の何れか１項に記載の試料観察装置。
【請求項２５】
前記２次光学系がアパーチャを有し、前記アパーチャが複数の孔を有し、前記複数の孔の一つが、前記ミラー電子の強度中心と一致するように配置されていることを特徴とする請求項１８〜２０の何れか１項に記載の試料観察装置。
【請求項２６】
写像投影型観察装置と、該写像投影型観察装置とは別のＳＥＭ型観察装置とを備え、
前記写像投影型観察装置が、請求項１８〜２０の何れか１項に記載の試料観察装置であり、
前記写像投影型観察装置及び前記ＳＥＭ型観察装置が、前記ステージを収容するチャンバに備えられ、前記ステージが、前記写像投影型観察装置の観察位置と前記ＳＥＭ型観察装置の観察位置との間で移動可能であることを特徴とする複合型の試料観察装置。
【請求項２７】
写像投影型観察装置と、該写像投影型観察装置とは別のＳＥＭ型観察装置と、光学顕微鏡とを備え、
前記写像投影型観察装置が、請求項１８〜２５の何れか１項に記載の試料観察装置であり、
前記写像投影型観察装置、前記ＳＥＭ型観察装置、及び前記光学顕微鏡が、前記ステージを収容するチャンバに備えられ、前記ステージが、前記写像投影型観察装置の観察位置と前記ＳＥＭ型観察装置の観察位置と前記光学顕微鏡の観察位置との間で移動可能であることを特徴とする複合型の試料観察装置。
【請求項２８】
前記写像投影型観察装置、前記ＳＥＭ型観察装置、及び前記光学顕微鏡のそれぞれの光学中心の位置関係を座標データとして記憶し、前記ステージを前記３つの光学中心間で移動可能とする制御部を備えていることを特徴とする請求項２７に記載の複合型の試料観察装置。
【請求項２９】
前記ステージは試料載置面内のＸ方向及びＹ方向に移動可能で且つＸＹ面内で回転可能なステージであることを特徴とする請求項２８に記載の複合型の試料観察装置。
【請求項３０】
前記写像投影型観察装置の２次光学系に設けられた検出器は電子検出面であるＸＹ面内での回転調整が可能に構成されていることを特徴とする請求項２９に記載の複合型の試料観察装置。
【請求項３１】
前記試料上の特定のパターンの配列方向が前記ステージの移動方向であるＸ方向又はＹ方向に一致するように前記ステージ上の試料位置を調整するアライメント部を備えていることを特徴とする請求項２９に記載の複合型の試料観察装置。
【請求項３２】
前記アライメント部は、前記試料位置調整後の前記試料上の特定のパターンの配列方向が前記写像投影型観察装置で得られたミラー電子画像のフレームのＸ方向又はＹ方向に一致するように前記検出器を調整することを特徴とする請求項３１に記載の複合型の試料観察装置。
【請求項３３】
前記アライメント部は、前記ＳＥＭ型観察装置で前記試料位置調整後の前記試料上の特定のパターンを観察して得られた観察像がＳＥＭ画像の中心に位置するように前記ＳＥＭ型観察装置の光学系を調整する請求項３２に記載の複合型の試料観察装置。
【請求項３４】
前記試料の表面に付着した汚染物を除去するためのクリーニング用ガスを供給するガス供給部と、前記クリーニング用ガスを前記チャンバ内へと導くガス導入部とを備えている請求項２６乃至３３の何れか１項に記載の複合型の試料観察装置。
【請求項３５】
前記クリーニング用ガスは、前記汚染物と反応して除去作用を奏するガス又は前記電子ビームの照射を受けて前記除去作用を奏するガスである請求項３４に記載の複合型の試料観察装置。
【請求項３６】
請求項１８〜３５の何れか１項に記載の試料観察装置を備え、前記画像処理部により前記ミラー電子から生成された前記試料の画像を用いて前記試料のパターンを検査することを特徴とする試料検査装置。
【請求項３７】
前記画像処理部は、前記パターン検査で判定されたパターン不良個所をＳＥＭ観察して欠陥の真偽判定を行う演算部を備えている請求項３６に記載の試料検査装置。
【請求項３８】
前記演算部は、真の欠陥と判定されたパターン不良個所の欠陥種の分類が可能である請求項３７に記載の試料検査装置。
【請求項３９】
前記演算部は、真の欠陥と判定されたパターン不良個所の座標ファイルを、前記光学顕微鏡像、前記ミラー電子画像、及び、前記ＳＥＭ画像の少なくともひとつの画像と対応づけて作成可能である請求項３８に記載の試料検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビームを用いて試料上のパターンを観察する試料観察方法及び装置に関し、特に、低ランディングエネルギーの電子ビームを用いた微細パターンの観察技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスなどの製造分野では、ウエハやマスクなどの基板状の試料（試料基板）の観察がなされる。試料観察は、構造評価、拡大観察、材質評価、電気的導通状態の確認などの試料検査のために行われる。試料基板の検査においては、高精度、高信頼性及び高スループットといった要求がある。そこで、これらの要求に応える試料観察技術の提供が望まれる。また、このような試料観察技術及び試料検査技術は、デバイス製造プロセス中においても頻繁に用いられる技術である。対象となる試料は、半導体材料、ＬＳＩ、金属材料、絶縁材料等である。
【０００３】
試料上のパターンを観察する場合、従来は、光学顕微鏡又は電子線観察装置が用いられる。代表的な電子線観察装置としては、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）が知られている。ＳＥＭは、試料上で電子ビームを走査することにより、高倍率での観察を可能にする。ＳＥＭを用いる観察技術は例えば特許文献１に開示されている。
【０００４】
また、電子線観察装置としては、写像投影光学系を用いる観察装置も提案されている。以下、この種の観察装置を写像投影型観察装置という。写像投影型観察装置は、ＳＥＭと比べて大きな径の電子ビームを試料に照射し、電子ビームの径に応じた範囲の画像を生成する。このような観察装置は例えば特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１７７４４６号公報
【特許文献２】特開平１１−１０８８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、最近は、試料上のパターンが微細化し、パターンサイズ（幅等）は１００ｎｍ以下に達している。そのため、従来の観察技術では、パターンの形状やパターン欠陥の観察が困難になっている。
【０００７】
すなわち、光学式の観察では、分解能が光の波長により制約される。パターンサイズが１００ｎｍ以下になると、光の波長にくらべてパターンサイズが小さくなり、その結果、十分な解像度が得られず、パターン欠陥の検出が困難になる。
【０００８】
一方、ＳＥＭを用いたパターン観察及びパターン欠陥検査では、電子ビームのスポットサイズを小さくすることにより、分解能を高めることができる。したがって、パターンサイズが１００ｎｍ以下であっても、パターンの観察が可能であり、パターン欠陥の検査も可能である。しかしながら、微細なパターンを観察するためには、画素サイズを小さくする必要があり、観察に膨大な時間がかかる。例えば、５０ｎｍのサイズの欠陥を検出するためには、画素サイズを１０ｎｍ程度として観察を行う必要がある。この場合、２００ＭＰＰＳ（Mega pixel per second）で検査が行われても、１ｃｍ２当たり１．４時間かかる。したがって、１回の観察に膨大な時間を要し、実用的ではない。
【０００９】
また、写像投影型観察装置は、大きな径の電子ビームを試料に照射して広い領域の画像を生成するように構成され、これにより、ＳＥＭよりも短時間に観察を行える。しかし、パターンサイズが１００ｎｍ以下になると、十分なコントラストが得られず、解像度が不足してしまう。
【００１０】
より詳細には、写像投影型観察装置では、１次光学系が電子ビームを試料に照射し、２次光学系が、試料から放出される２次電子の像を生成する。撮像範囲（ビーム照射範囲）は数十μｍ以上に設定可能であり、観察時間は短い。しかし、２次光学系の収差を十分に低減することができず、１００ｎｍ以下のパターンサイズの観察に要求される解像度を実現するのは容易でない。
【００１１】
本発明は、上記背景の下でなされたもので、その目的は、試料上の微細なパターンの観察および検査を可能とする技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様の試料観察方法は、電子ビームを用いて試料上のパターンを観察する試料観察方法であって、前記試料に電子ビームを照射するステップと、前記電子ビームの照射によって生じるミラー電子を検出するステップと、検出された前記ミラー電子から試料の画像を生成するステップとを有し、前記電子ビームを照射するステップは、両側にエッジを有する凹パターンに前記電子ビームが照射されたときに照射電子が前記凹パターンにてＵターンしてミラー電子になるようにランディングエネルギーが調整された前記電子ビームを前記試料に照射する。
【００１３】
上記構成において、本発明は、両側にエッジがあるために凹パターンではミラー電子が生じやすいというミラー電子発生現象の特性に着目している。凹パターンでのミラー電子発生量は、電子ビームのランディングエネルギーに依存する。そこで、凹パターンにて照射電子が効率よくミラー電子になるように、ランディングエネルギーが設定される。後述するようにランディングエネルギーは相当に低い値に設定されることになる。これにより、凹パターンでの解像度とコントラストを増大でき、微細なパターンの観察が可能になる。
【００１４】
本発明では、写像投影型観察装置が好適に用いられる。これにより、微細なパターンを短時間で観察することができる。
【００１５】
前記ランディングエネルギーは、前記ミラー電子と２次放出電子が混在する領域に設定されてよい。
【００１６】
これにより、パターンでミラー電子が生成するようにランディングエネルギーを適当に設定でき、パターンのコントラストを増大することができる。
【００１７】
前記ランディングエネルギーは、ＬＥＡ≦ＬＥ≦ＬＥＢ＋５ｅＶに設定されてよい。ここで、ＬＥは前記電子ビームの前記ランディングエネルギーであり、ＬＥＡ及びＬＥＢは、前記ミラー電子と２次放出電子が混在する領域の最低ランディングエネルギー及び最高ランディングエネルギーである。
【００１８】
これにより、パターンでミラー電子が生成するようにランディングエネルギーを適当に設定でき、パターンのコントラストを増大することができる。
【００１９】
前記照射電子は、前記凹パターンの一方のエッジに向って入射し、前記一方のエッジの近傍で他方のエッジに向かって曲り、前記他方のエッジの近傍で曲がってミラー電子になってよい。
【００２０】
これにより、パターンでミラー電子が生じる現象を上手く利用して、ミラー電子を適切に検出でき、パターンのコントラストを増大することができる。
【００２１】
前記照射電子は、前記凹パターンの一方のエッジに向って入射し、前記一方のエッジの近傍を通るカーブ軌道に沿って前記凹パターン内に侵入し、前記凹パターンの底部に衝突することなく進行方向を転換し、前記凹パターンの他方のエッジの近傍を通って、前記ミラー電子になってよい。
【００２２】
これにより、パターンでミラー電子が生じる現象を上手く利用して、ミラー電子を適切に検出でき、パターンのコントラストを増大することができる。
【００２３】
本発明は、前記試料から前記ミラー電子の検出器までの間の２次光学系にアパーチャを配置し、前記アパーチャのサイズ、位置及び形状の少なくとも一つを、前記アパーチャを通過する前記ミラー電子に応じて調整してよい。
【００２４】
これにより、パターンのコントラストを増大できる。より詳細には、試料から検出される電子は、ミラー電子と２次放出電子を含む。２次放出電子は広範囲に広がるのに対し、ミラー電子はあまり広がらない。したがって、ミラー電子に応じてアパーチャを適切に調整することにより、アパーチャを通過する２次放出電子を減らし、ミラー電子の検出量を相対的に増大できる。したがって、パターンのコントラストを更に増大できる。
【００２５】
本発明は、前記アパーチャにおける前記ミラー電子の像を生成し、該像のサイズに応じて前記アパーチャのサイズを調整してよい。また、本発明は、前記アパーチャにおける前記ミラー電子の像を生成し、該像の位置に応じて前記アパーチャの位置を調整してよい。また、本発明は、前記アパーチャにおける前記ミラー電子の像を生成し、該像の形状に応じて前記アパーチャの形状を調整してよい。
【００２６】
本発明は試料検査方法であってよく、上述の試料観察方法により前記ミラー電子から前記試料の画像を生成し、前記試料の画像を用いて前記試料のパターンを検査してよい。
【００２７】
これにより、本発明の試料観察方法を用いて微細なパターンを好適に検査できる。
【００２８】
本発明の第１の態様の試料観察装置は、パターンを有する試料が載置されるステージと、前記試料に電子ビームを照射する１次光学系と、前記電子ビームの照射によって生じるミラー電子を検出する２次光学系と、検出された前記ミラー電子から試料の画像を生成する画像処理部とを備え、前記１次光学系は、両側にエッジを有する凹パターンに前記電子ビームが照射されたときに照射電子が前記凹パターンにてＵターンしてミラー電子になるようにランディングエネルギーが調整された前記電子ビームを前記試料に照射する。
【００２９】
この構成も、上述したように、凹パターンでミラー電子が生じやすい現象に着目し、ミラー電子が生じやすいようにランディングエネルギーを調整する。これにより、パターン画像の解像度とコントラストを増大でき、微細なパターンの観察が可能になる。
【００３０】
前記１次光学系は、前記ミラー電子と２次放出電子が混在する領域に設定された前記ランディングエネルギーを有する前記電子ビームを照射してよい。
【００３１】
これにより、上述したように、ランディングエネルギーを適当に設定でき、パターンのコントラストを増大することができる。
【００３２】
前記ランディングエネルギーは、ＬＥＡ≦ＬＥ≦ＬＥＢ＋５ｅＶに設定されてよい。ここで、ＬＥは前記電子ビームの前記ランディングエネルギーであり、ＬＥＡ及びＬＥＢは、前記ミラー電子と２次放出電子が混在する領域の最低ランディングエネルギー及び最高ランディングエネルギーである。
【００３３】
これにより、上述したように、ランディングエネルギーを適当に設定でき、パターンのコントラストを増大することができる。
【００３４】
前記２次光学系は、前記試料から前記ミラー電子の検出器までの間に配置されたアパーチャと、前記アパーチャのサイズ、位置及び形状の少なくとも一つを、前記アパーチャを通過する前記ミラー電子に応じて調整してよい。
【００３５】
これにより、上述したように、ミラー電子に応じてアパーチャを適切に調整できる。アパーチャを通過する２次放出電子を減らし、ミラー電子の検出量を相対的に増大でき、パターンのコントラストを更に増大できる。
【００３６】
本発明は、前記２次光学系がアパーチャを有し、前記アパーチャの位置が、前記ミラー電子の強度中心と前記アパーチャの中心が一致するように調整されてよい。
【００３７】
これにより、ミラー電子を良好に検出できるとともに、２次放出電子の検出量を相対的に低減できる。したがって、高いコントラストの画像を取得できる。
【００３８】
前記２次光学系がアパーチャを有してよく、前記アパーチャの形状は、前記ミラー電子の強度分布の長手方向に応じた方向に長軸を有する楕円形状であってよい。
【００３９】
この構成では、ミラー電子の強度分布に応じて楕円形状のアパーチャが用いられる。これにより、高いコントラストの画像を取得できる。
【００４０】
前記２次光学系がアパーチャを有してよく、前記アパーチャが複数の孔を有してよく、前記複数の孔が、前記ミラー電子の強度中心を囲むように配置されてよい。
【００４１】
この構成では、ミラー電子の散乱方向に応じて複数の孔が適切に配置される。これにより、用途や性質に応じて適切にミラー電子を検出することができる。
【００４２】
前記２次光学系がアパーチャを有してよく、前記アパーチャが複数の孔を有してよく、前記複数の孔の一つが、前記ミラー電子の強度中心と一致するように配置されていてよい。
【００４３】
これにより、散乱方向に特徴のある観察対象を適切に観察できる。そして、観察対象の分類に有用な情報を得ることができる。
【００４４】
本発明は、複合型の試料観察装置であってよく、写像投影型観察装置と、前記写像投影型観察装置とは別のＳＥＭ型観察装置とを備えてよい。前記写像投影型観察装置が、上述の試料観察装置でよい。前記写像投影型観察装置及び前記ＳＥＭ型観察装置が、ステージを収容するチャンバに備えられてよく、前記ステージが、前記写像投影型観察装置の観察位置とＳＥＭ型観察装置の観察位置との間で移動可能であってよい。
【００４５】
これにより、写像投影型観察装置とＳＥＭ型観察装置が共通のチャンバに搭載される。したがって、２つの装置を用いた観察を迅速かつ高精度に行うことができる。例えば、写像投影型観察装置でパターン欠陥が検出される。それから、ＳＥＭでパターン欠陥が詳細にレビューされる。このような欠陥検査を迅速かつ高精度に行うことができる。
【００４６】
本発明の第２の態様の試料観察方法は、写像投影型観察装置と該写像投影型観察装置とは別のＳＥＭ型観察装置と光学顕微鏡により同一のステージ上に載置された試料を観察するための複合型の試料観察方法であって、前記写像投影型観察装置、前記ＳＥＭ型観察装置、及び前記光学顕微鏡の３つの観察装置それぞれの光学中心の位置関係を座標データとして記憶し、該座標データに基づいて前記ステージを前記３つの光学中心間で移動させて前記試料上の特定の箇所を前記３つの観察装置で個別に観察を行うことを特徴とする。
【００４７】
より具体的には、本発明の第２の態様の試料観察方法は、下記の各ステップを備えている。（ａ）試料載置面であるＸＹ面内の回転並びにＸ方向及びＹ方向の移動が可能なステージ上に特定のパターンの配列を有する試料を載置し、該特定のパターンの配列を含む領域を光学顕微鏡観察して該特定のパターンの配列方向が前記Ｘ方向又は前記Ｙ方向となるように前記ステージ上の試料位置を調整するステップ、（ｂ）上述の第１の態様の試料観察方法により前記試料の特定のパターンの配列を含む領域のミラー電子画像を得て、前記特定のパターンの配列の方向を前記ミラー電子画像のＸ方向又はＹ方向に一致させるとともに前記特定のパターンが前記ミラー電子画像のフレームの中央にくるように前記ミラー電子の検出系を調整するステップ、（ｃ）前記試料の特定のパターンを含む領域をＳＥＭ観察し、該試料の特定のパターンがＳＥＭ画像の所定の中央にくるようにＳＥＭ型観察装置の光学系を調整するステップ、（ｄ）前記ステップ（ａ）、ステップ（ｂ）、ステップ（ｃ）の調整後の各ステージの位置座標を相互に対応づけ、これら３つの位置座標の何れか１つから他の２つの位置座標の少なくとも一方を算出するステップ。
【００４８】
好ましくは、前記ステップ（ａ）、前記ステップ（ｂ）、前記ステップ（ｃ）、及び、前記ステップ（ｄ）は、この順に実行される。
【００４９】
本発明の第２の態様の試料観察方法では、光学顕微鏡による試料観察、ミラー電子画像による試料観察、及び、ＳＥＭ画像による試料観察で得られた各画像が観察対象試料のどの位置に対応しているのかを相互に対応付けることができる。これにより、上記３つの観察方法のうちのある方法で特定された観察目的個所を他の観察方法で観察しようとした場合でも、上記観察目的箇所を迅速かつ正確に特定することができる。
【００５０】
本発明の第２の態様の試料検査方法は、本発明の第２の態様の試料観察方法により前記ミラー電子から前記試料の画像を生成し、前記試料の画像を用いて前記試料のパターンを検査するステップを備えている。
【００５１】
本発明の第２の態様の試料検査方法は、更に、（ｆ）前記ステップ（ｅ）のパターン検査で判定されたパターン不良個所をＳＥＭ観察して欠陥の真偽判定を行うステップを備えている態様とすることができる。
【００５２】
また、本発明の第２の態様の試料検査方法は、更に、（ｇ）前記ステップ（ｆ）で真の欠陥と判定されたパターン不良個所の欠陥種の分類を行うステップを備えている態様とすることができる。
【００５３】
また、本発明の第２の態様の試料検査方法は、更に、（ｈ）前記ステップ（ｆ）で真の欠陥と判定されたパターン不良個所の座標ファイルを、前記光学顕微鏡像、前記ミラー電子画像、及び、前記ＳＥＭ画像の少なくともひとつの画像と対応づけて作成するステップを備えている態様とすることができる。
【００５４】
本発明の第２の態様の試料検査方法によれば、微細なパターンを好適に検査できることに加え、欠陥の真偽判定、欠陥種の分類、観察画像中での位置の特定も可能となる。
【００５５】
本発明の第２の態様の試料観察装置は、写像投影型観察装置と、該写像投影型観察装置とは別のＳＥＭ型観察装置と、光学顕微鏡とを備え、前記写像投影型観察装置が、上述の本発明の第１の態様の試料観察装置であり、前記写像投影型観察装置、前記ＳＥＭ型観察装置、及び前記光学顕微鏡が、前記ステージを収容するチャンバに備えられ、前記ステージが、前記写像投影型観察装置の観察位置と前記ＳＥＭ型観察装置の観察位置と前記光学顕微鏡の観察位置との間で移動可能であることを特徴とする。
【００５６】
本発明の第２の態様の試料観察装置は、前記写像投影型観察装置、前記ＳＥＭ型観察装置、及び前記光学顕微鏡のそれぞれの光学中心の位置関係を座標データとして記憶し、前記ステージを前記３つの光学中心間で移動可能とする制御部を備えている態様とすることもできる。
【００５７】
好ましくは、前記ステージは試料載置面内のＸ方向及びＹ方向に移動可能で且つＸＹ面内で回転可能なステージである。
【００５８】
また、好ましくは、前記写像投影型観察装置の２次光学系に設けられた検出器は電子検出面であるＸＹ面内での回転調整が可能に構成されている。
【００５９】
更に、好ましくは、前記試料上の特定のパターンの配列方向が前記ステージの移動方向であるＸ方向又はＹ方向に一致するように前記ステージ上の試料位置を調整するアライメント部を備えている。
【００６０】
前記アライメント部は、前記試料位置調整後の前記試料上の特定のパターンの配列方向が前記写像投影型観察装置で得られたミラー電子画像のフレームのＸ方向又はＹ方向に一致するように前記検出器を調整することができる。
【００６１】
また、前記アライメント部は、前記ＳＥＭ型観察装置で前記試料位置調整後の前記試料上の特定のパターンを観察して得られた観察像がＳＥＭ画像の中心に位置するように前記ＳＥＭ型観察装置の光学系を調整することができる。
【００６２】
本発明の第２の態様の試料観察装置は、前記試料の表面に付着した汚染物を除去するためのクリーニング用ガスを供給するガス供給部と、前記クリーニング用ガスを前記チャンバ内へと導くガス導入部とを備えている態様としてもよい。
【００６３】
例えば、前記クリーニング用ガスは、前記汚染物と反応して除去作用を奏するガス又は前記電子ビームの照射を受けて前記除去作用を奏するガスである。
【００６４】
本発明の第２の態様の試料観察装置では、光学顕微鏡による試料観察、ミラー電子画像による試料観察、及び、ＳＥＭ画像による試料観察で得られた各画像が観察対象試料のどの位置に対応しているのかを相互に対応付けることとしている。これにより、上記３つの観察方法のうちのある方法で特定された観察目的個所を他の観察方法で観察しようとした場合でも、上記観察目的箇所を迅速かつ正確に特定することができる。
【００６５】
本発明は、上述の第１又は第２の態様の試料観察装置を備えた試料検査装置であってよく、この検査装置は、前記画像処理部により前記ミラー電子から生成された前記試料の画像を用いて前記試料のパターンを検査する。これにより、本発明の試料観察装置を用いて微細なパターンを好適に検査できる。
【００６６】
前記画像処理部は、前記パターン検査で判定されたパターン不良個所をＳＥＭ観察して欠陥の真偽判定を行う演算部を備えている態様としてもよい。
【００６７】
前記演算部は、真の欠陥と判定されたパターン不良個所の欠陥種の分類が可能であることが好ましい。
【００６８】
さらに、前記演算部は、真の欠陥と判定されたパターン不良個所の座標ファイルを、前記光学顕微鏡像、前記ミラー電子画像、及び、前記ＳＥＭ画像の少なくともひとつの画像と対応づけて作成可能であることが好ましい。
【発明の効果】
【００６９】
上述のように、本発明は、照射電子が試料上の凹パターンにてＵターンしてミラー電子になるようにランディングエネルギーが調整された電子ビームを観察対象である試料に照射することとしたので、微細なパターンの観察および検査を可能とする技術の提供が可能となる。
【００７０】
また、本発明の第２の態様の試料観察方法及び装置では、光学顕微鏡による試料観察、ミラー電子画像による試料観察、及び、ＳＥＭ画像による試料観察で得られた各画像が観察対象試料のどの位置に対応しているのかを相互に対応付けることとしたので、上記３つの観察方法のうちのある方法で特定された観察目的個所を他の観察方法で観察しようとした場合でも、上記観察目的箇所を迅速かつ正確に特定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】図１は、試料に電子ビームを照射したときのランディングエネルギーと階調の関係を示す図である。
【図２】図２は、遷移領域にてミラー電子及び２次放出電子が発生する現象を示す図である。
【図３】図３は、試料表面の凹凸構造のエッジ部におけるランディングエネルギーと階調の関係を示す図である。
【図４】図４は、試料に形成されたパターンの凹凸構造の例を示す図である。
【図５】図５は、電子ビームを照射したときに凹凸構造のエッジ部でミラー電子が生じる現象を示す図である。
【図６】図６は、電子ビームを照射したときに凹凸構造のエッジ部でミラー電子が生じる現象を示す図である。
【図７】図７は、電子ビームを照射したときに凹凸構造のエッジ部でミラー電子が生じる現象を示す図である。
【図８】図８は、試料に形成されたパターンの凹凸構造の別の例を示す図である。
【図９】図９は、試料検査装置の全体構成を示す図である。
【図１０】図１０は、試料検査装置の主要部を示す図である。
【図１１】図１１は、試料検査装置の一部であり、メインチャンバ、電子コラム及びＳＥＭを示す図である。
【図１２】図１２は、アパーチャにおける信号強度の計測のためにＥＢ−ＣＣＤを備えた構成を示す図である。
【図１３】図１３は、参考例として、従来のアパーチャを示した図である。
【図１４】図１４は、アパーチャの形状の一例を示した図である。
【図１５】図１５は、複数の孔を有するアパーチャ部材の構成の例を示した図である。
【図１６】図１６は、複数の孔を有するアパーチャ部材の構成の例を示した図である。
【図１７】図１７は、４つの孔を有するアパーチャ部材の構成の例を示した図である。
【図１８】図１８は、４つの孔を有するアパーチャ部材の別の構成の例を示した図である。
【図１９】図１９は、本発明の第２の態様の試料観察装置の一部の構成例を示す図である。
【図２０】図２０は本発明の第２の態様の試料観察方法の基本的な概念を説明するための図である。
【図２１】図２１は、本発明の第２の態様の試料観察装置を用いて観察を実行する際の手順を例示により説明するための図である。
【図２２】図２２は、本発明の第２の態様の試料観察装置を用いて観察を実行する際の手順を例示により説明するための図である。
【図２３】図２３（ａ）は、ＯＭ観察開始時のステージ上の試料を示している。図２３（ｂ）は、位置合わせ後のステージ上の試料を示している。
【図２４】図２４は、アライメントが終了した後の試料上のパターンの延在乃至配列方向（図２４（ａ））、アライメント前の検出器７０のセンサの画素配列方向（図２４（ｂ））、及び、アライメント後の検出器７０のセンサの画素配列方向（図２４（ｃ））の相互の関係を説明するための図である。
【図２５】図２５は、検出器のアライメント終了後の試料上のパターンの延在乃至配列方向（図２５（ａ））、アライメント前の検出器で得られたアライメント用「＋」パターンのミラー電子画像の様子（図２５（ｂ））、及び、アライメント後の検出器で得られた上記パターンのミラー電子画像の様子（図２５（ｃ））の相互の関係を概念的に説明するための図である。
【図２６】図２６は、検出器７のアライメント終了後の試料上のパターンの延在乃至配列方向（図２６（ａ））、アライメント後の検出器で得られたアライメント用「＋」パターンのミラー電子画像の様子（図２６（ｂ））、及び、画像フレームの中心座標のアライメントを実行した後のアライメント用「＋」パターンのミラー電子画像の様子（図２６（ｃ））の相互の関係を概念的に説明するための図である。
【図２７】図２７は、本発明の第２の態様の試料観察装置に試料クリーニング機能を付加した装置の構成を概念的に説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００７２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００７３】
本実施の形態では、写像投影型観察装置（写像投影光学系を有する電子線観察装置）を用いて試料が観察される。この種の電子線観察装置は、１次光学系及び２次光学系を備える。１次光学系は、電子銃から出射される電子ビームを試料に照射して、試料の構造等の情報を得た電子を生成する。２次光学系は、検出器を有し、電子ビームの照射により生成された電子の像を生成する。写像投影型観察装置では、大きな径の電子ビームが用いられ、広範囲の像が得られる。
【００７４】
電子ビームを試料に照射すると、複数の種類の電子が２次光学系で検出される。複数種類の電子とは、ミラー電子、２次電子、反射電子、後方散乱電子である。本実施の形態は、主としてミラー電子の特性を利用して、試料を観察する。ミラー電子とは、試料に衝突せず、試料の直前で跳ね返ってくる電子をいう。ミラー電子現象は、試料表面の電場の作用によって生じる。
【００７５】
また、本実施の形態では、２次電子、反射電子及び後方散乱電子を、２次放出電子という。これら３種の電子が混在する場合も、２次放出電子という用語を用いる。２次放出電子のうちでは、２次電子が代表的である。そこで、２次電子が、２次放出電子の代表として説明されることがある。ミラー電子と２次放出電子の両者について、「試料から放出される」「試料から反射される」「電子ビーム照射により生成される」などの表現が用いられてよい。
【００７６】
図１は、試料に電子ビームを照射したときのランディングエネルギーＬＥと階調ＤＮの関係を示している。ランディングエネルギーＬＥとは、試料に照射される電子ビームに付与されるエネルギーである。電子銃に加速度電圧Ｖａｃｃが印加され、試料にリターディング電Ｖｒｔｄが印加されるとする。この場合、ランディングエネルギーＬＥは、加速電圧とリターディング電圧の差（ＬＥ＝Ｖａｃｃ−Ｖｒｔｄ）で表される。
【００７７】
また、図１において、縦軸の階調ＤＮは、２次光学系の検出器で検出された電子から生成した画像における輝度を表す。すなわち、階調ＤＮは、検出される電子の数を表す。多くの電子が検出されるほど、階調ＤＮが大きくなる。
【００７８】
図１は、０[ｅＶ]付近の小さいエネルギー領域における階調特性を示している。図示のように、ＬＥがＬＥＢより大きい領域（ＬＥＢ＜ＬＥ）では、階調ＤＮは、比較的小さい一定の値を示す。ＬＥがＬＥＢ以下、ＬＥＡ以上の領域（ＬＥＡ≦ＬＥ≦ＬＥＢ）では、ＬＥが小さくなるほど、階調ＤＮが増大する。ＬＥがＬＥＡより小さい領域（ＬＥ＜ＬＥＡ）では、階調ＤＮが、比較的大きい一定の値を示す。
【００７９】
上記の階調特性は、検出される電子の種類と関係している。ＬＥＢ＜ＬＥの領域では、検出される殆どすべての電子が、２次放出電子である。この領域は、２次放出電子領域ということができる。一方、ＬＥ＜ＬＥＡの領域では、検出される殆どすべての電子が、ミラー電子である。この領域は、ミラー電子領域ということができる。図示のように、ミラー電子領域の階調は、２次放出電子領域の階調より大きい。これは、２次放出電子と比べて、ミラー電子の分布の範囲が小さいからである。分布範囲が小さいので、より多くの電子が検出器に到達でき、階調が大きくなる。
【００８０】
また、ＬＥＡ≦ＬＥ≦ＬＥＢの領域は、２次放出電子領域からミラー電子領域（又はその逆）への遷移領域である。この領域は、ミラー電子と２次放出電子が混在する領域であり、混在領域ということもできる。遷移領域（混在領域）では、ＬＥが小さくなるほど、ミラー電子の発生量が増大し、階調が増大する。
【００８１】
ＬＥＡ及びＬＥＢは、遷移領域の最低ランディングエネルギー及び最高ランディングエネルギーを意味している。ＬＥＡ及びＬＥＢの具体的な値を説明する。本発明者の研究結果では、ＬＥＡが−５[ｅＶ]以上であり、ＬＥＢは５[ｅＶ]以下である（すなわち、−５[ｅＶ]≦ＬＥＡ≦ＬＥＢ≦５[ｅＶ]）。
【００８２】
遷移領域のメリットとしては次の通りである。ミラー電子領域（ＬＥ＜ＬＥＡ）では、ビーム照射により発生する全ての電子がミラー電子になる。そのため、試料の形状に関係なく、検出される電子が全てミラー電子になり、試料の凹部でも凸部でも階調の差が小さくなり、パターンや欠陥のＳ／Ｎ及びコントラストが小さくなってしまう。したがって、ミラー電子領域を検査に使用するのは難しい場合がある。これに対して、遷移領域では、形状のエッジ部の部位にて特徴的かつ特異的にミラー電子が生じ、他の部位では２次放出電子が生じる。したがって、エッジのＳ／Ｎ及びコントラストを高くすることができる。したがって、遷移領域は検査を行うときに大変有効である。以下、この点について詳細に説明する。
【００８３】
図２は、上記の遷移領域の現象を示している。図２において、ミラー電子領域（ＬＥ＜ＬＥＡ）では、総ての電子が、試料に衝突することなく、ミラー電子になる。これに対して、遷移領域では、一部の電子が試料に衝突し、試料が２次電子を放出する。ＬＥが大きくなるほど、２次電子の割合が多くなる。そして、図示されないが、ＬＥがＬＥＢを超えると、２次電子のみ検出される。
【００８４】
次に、図３は、試料表面の凹凸構造のエッジ部におけるランディングエネルギーＬＥと階調ＤＮの関係を示している。エッジ部は、凹部の両端に位置し、試料の高さが変化する部分である。図３において、点線がエッジ部の階調特性を示し、実線が他の部分の階調特性を示す。他の部分の特性は、図１の特性に対応する。
【００８５】
図３に示すように、エッジ部とその他の部分では、特性線が異なっている。エッジ部の特性線は、ランディングエネルギーが大きくなる方向にずれている。すなわち、エッジ部では、遷移領域の上下限が大きく、遷移領域の上限はＬＥＢ＋５[ｅＶ]である。ここで、ＬＥＢは、エッジ以外の部位の遷移領域の上限である。このような特性線のシフトが生じるのは、形状、構造及び材料等がエッジ部と他の部分で異なるからである。そして、特性線のずれることにより、エッジ部と他の部分で階調差ΔＤＮが生じる。
【００８６】
次に、図３に示されるようにエッジ部の特性が他の部位と異なる理由について、そして階調差ΔＤＮが生じる理由について検討する。
【００８７】
図４は、試料の凹凸構造の例であり、微細なライン／スペース形状の断面を示している。例えば凸部がラインであり、凹部がスペースである。ライン幅及びスペース幅が１００μ以下である。図４の形状では、導体（Ｓｉ）が凹凸形状を有している。そして、凸部の最上部に酸化膜（ＳｉＯ２等）が形成されている。
【００８８】
図５は、図４の構造に電子ビームを照射したときに凹凸構造のエッジ部でミラー電子が生じる現象を示している。図５では、縦縞のパターンが形成されている。電子ビームが照射されると、照射電子が、凹部（溝）の一方のエッジの付近で軌道を変え、横方向に曲がり、溝の反対側のエッジに向かって進む。そして、照射電子は、反対側のエッジ付近で再び軌道を変え、上方に戻っていく。こうして、照射電子は、試料に衝突することなく、ミラー電子になる。このようにしてエッジで生じるミラー電子を、エッジミラー電子ということができる。エッジミラー電子は、両端のエッジから対称に生じる。図６も、図５と同様に、図４の構造にて生じるエッジミラー電子を示している。図６では、横縞のパターンが形成されている。
【００８９】
また、図７は、照射電子がエッジミラー電子に変化する電子軌道のもう一つの例である。この例では、照射電子が、凹部の一方のエッジに向って入射し、一方のエッジの近傍を通るカーブ軌道に沿って凹部内に侵入し、凹部の底部に衝突することなく進行方向を転換し、凹部の他方のエッジの近傍を通って、ミラー電子になる。このようなミラー電子も、エッジミラー電子である。エッジ構造では、各照射電子が、図５又は図７の軌道を通り、或いは図５及び図７の中間的な軌道を通り、エッジミラー電子になると考えられる。
【００９０】
次に、電子の軌道がエッジ付近で曲がりやすい理由について説明する。図５の構造では、導体の凸部の表面に酸化膜が形成されている。この構造では、試料表面の酸化膜が負に帯電する。そして、凹部内の導体の電位が、酸化膜の電位よりも相対的に高くなる。エッジ付近で電位が変化するために、電子の軌道が上述のように曲がりやすく、その結果、エッジミラー電子が生じる。
【００９１】
本実施の形態では、プレチャージを行うことも好適である。プレチャージは、試料観察の前に行われる電子ビームの照射である。プレチャージにより、試料の絶縁領域が負に帯電する（図５等の例では、試料表面の酸化膜が負に帯電する）。プレチャージを行うことにより、絶縁領域の電位が安定する。これにより、エッジミラー電子が安定して発生し、図３の特性が安定して得られる。したがって、試料観察を良好に行うことができ、試料観察結果を用いる検査の精度も向上できる。
【００９２】
プレチャージの電子ビームは、試料観察のための電子光学系を用いて照射されてよい。あるいは、別の電子銃が、プレチャージのために設けられてよい。
【００９３】
図８は、試料の凹凸構造に関する別の例を示している。図８も、ライン／スペース形状の断面である。図８では、Ｓｉ面に、酸化膜（ＳｉＯ２等）の凸部が形成されている。このような構造では、凹部の両側のエッジにて、等電位面が屈曲する。等電位面の屈曲の影響で、照射電子の軌道が曲がる。その結果、図８の構造においても、照射電子は、図５〜図７に示された軌道を通り、エッジミラー電子になる。図８の構造でもプレチャージが好適に行われ、これにより、凸部の酸化膜の電位を安定させることができる。
【００９４】
また、導電材のみによって凹凸構造が形成されることがある。この場合も、凹凸に沿って等電位面が形成される。そして、凹部の両側のエッジでは等電位面が屈曲する。この等電位面の屈曲の影響で、照射電子の軌道が曲がる。その結果、照射電子は、上述したような軌道を通り、エッジミラー電子になる。
【００９５】
また、導電材のみで凹凸面が形成されている場合でも、導電膜の表面には自然酸化膜が存在している。したがって、プレチャージを行うことが好適であり、これにより電位を安定させることができる。
【００９６】
以上に詳細に説明したように、試料の凹部では、電子が両端のエッジ付近を通ってＵターンし、エッジミラー電子になる。そのため、エッジミラー電子は、通常の部位のミラー電子よりも発生しやすい。その結果、図３に示されるように、エッジ部では、エッジ以外の部分よりも、遷移領域が高いエネルギー側へと広がっている。
【００９７】
また、上記領域では、ミラー電子と２次放出電子が混在する。２次放出電子は、前述したように、２次電子、反射電子又は後方散乱電子である（あるいは、それらが混在している）。２次放出電子は、等方的に広がって放出される。そのため、検出器には、最大でも数％の電子しか到達しない。これに対して、エッジミラー電子は、照射電子がそのまま反射することにより生成される。したがって、エッジミラー電子については、透過率（検出器への到達率）がほぼ１００％である。したがって、高い輝度（階調）が得られ、周囲との階調差ΔＤＮが大きくなる。
【００９８】
上記のように、エッジ部では、ミラー電子が生じやすく、しかも、ミラー電子の透過率が大きい。その結果、図３に示されるように、ランディングエネルギーＬＥが大きい方へと、エッジ部の階調特性線がずれ、エッジ部と他の部位の間に階調差ΔＤＮが生じる。
【００９９】
本実施の形態は、上記の現象を利用して、解像度が高くコントラストも大きいパターン画像を生成する。上記で説明された凹構造は、本発明の凹パターンに相当する。本実施の形態では、凹パターンで効率よくエッジミラー電子が生じるように、ランディングエネルギーを設定する。ランディングエネルギーＬＥは、図示のように、従来一般の観察技術と比べて非常に低い値に設定されることになる。このようなエネルギー設定により、パターンと周囲の階調差ΔＤＮが大きくなり、高い解像度と高いコントラストの画像が得られる。
【０１００】
具体的には、ＬＥＡ≦ＬＥ≦ＬＥＢ、又は、ＬＥＡ≦ＬＥ≦ＬＥＢ＋５[ｅＶ]になるように、ランディングエネルギーＬＥが設定される。これにより、ミラー電子と２次電子が混在する領域にランディングエネルギーＬＥが設定される。
【０１０１】
前述したように、本発明の研究結果では、−５[ｅＶ]≦ＬＥＡ≦ＬＥＢ≦５[ｅＶ]である。例えば、ＬＥＡ＝−５[ｅＶ]、ＬＥＢ＝５[ｅＶ]であったとする。この場合、ランディングエネルギーＬＥは、−５[ｅＶ]≦ＬＥ≦５＋５[ｅＶ]＝１０[ｅＶ]に設定される。さらに詳細には、ランディングエネルギーＬＥに依存してミラー電子と２次放出電子の混在の状況が変化し、階調差も変化する。ミラー電子の発生数が比較的小さい領域にランディングエネルギーＬＥを設定することで、大きな効果が得られると考えられる。
【０１０２】
次に、上記の試料観察方法を実現するための試料観察装置について説明する。以下の説明では、試料観察装置が、試料検査装置に組み込まれており、試料のパターン欠陥の検査に用いられる。図９は試料検査装置の全体構成を示しており、図１０は、試料検査装置の主要部を示している。
【０１０３】
図９を参照すると、試料検査装置１０は、試料キャリア１２と、ミニエンバイロメント１４と、ロードロック１６と、トランスファーチャンバ１８と、メインチャンバ２２と、電子コラム２４と、画像処理装置９０を有する。ミニエンバイロメント１４には、大気中の搬送ロボット、試料アライメント装置、クリーンエアー供給機構等が設けられる。トランスファーチャンバ１８には、真空中の搬送ロボットが設けられる。
【０１０４】
メインチャンバ２２には、ｘ方向、ｙ方向及びθ(回転)方向に移動するようにステージ３０が設けられる。ステージ３０の上に静電チャックが設置されている。静電チャックには試料そのものが設置される。または、試料は、パレットや冶具に設置された状態で静電チャックに保持される。
【０１０５】
メインチャンバ２２は、真空制御系２６により、チャンバ内を真空状態が保たれるように制御される。また、メインチャンバ２２、トランスファーチャンバ１８及びロードロック１６は、除振台２８上に載置され、床からの振動が伝達されないように構成されている。
【０１０６】
また、メインチャンバ２２には電子コラム２４が設置されている。この電子コラム２４は、電子銃、レンズ、配線及びフィールドスルーを備え、更に、図示のように検出器７０を備えている。これら構成が、電子ビームによる写像投影のための1次光学系及び２次光学系を実現している。
【０１０７】
検出器７０の出力信号は、画像処理装置９０に送られて処理される。オンタイムの信号処理及びオフタイムの信号処理の両方が可能である。オンタイムの信号処理は、検査を行っている間に行われる。オフタイムの信号処理を行う場合、画像のみが取得され、後で信号処理が行われる。画像処理装置で処理されたデータは、ハードディスクやメモリなどの記録媒体に保存される。また、必要に応じて、コンソールのモニタにデータを表示することが可能である。このような信号処理を行うため、システムソフト１４０が備えられている。システムソフト１４０はコンピュータにてプログラムを実行することにより実現される。また、電子コラム系に電源を供給すべく、電子光学系制御電源１３０が備えられている。また、メインチャンバ２２には、光学顕微鏡１１０及びＳＥＭ式検査装置（ＳＥＭ）１２０が備えられている。
【０１０８】
図９の試料検査装置１０では、ウエハ、マスクなどの試料が、試料キャリア１２（ロードポート）からミニエンバイロメント１４に搬送される。ミニエンバイロメント１４では、アライメント作業がおこなわれる。
【０１０９】
次に、試料は、大気中の搬送ロボットにより、ロードロック１６に搬送される。ロードロック１６は、大気から真空状態へと、真空ポンプにより排気される。圧力が、一定値（例えば１〔Ｐａ〕程度）以下になると、トランスファーチャンバ１８に配置された真空中の搬送ロボットにより、試料がロードロック１６からメインチャンバ２２へ搬送される。試料は、ステージ３０上の静電チャック機構上に保持される。
【０１１０】
メインチャンバ２２では、試料が検査される。ここでは、上述した本発明の試料観察方法を利用して、試料のパターンが検査される。また、後述するように、ＳＥＭ１２０を用いて検査が行われる。検査が終了すると、試料は、逆の経路を通って、試料キャリア１２へと戻る。
【０１１１】
次に、図１０を参照し、試料検査装置１０の主要部について説明する。図１０の構成は、図９のメインチャンバ２２及び電子コラム２４などに相当する。
【０１１２】
図１０において、試料検査装置１０は、電子ビームを生成する１次光学系４０と、試料２０を設置するステージ３０と、試料からの２次放出電子及びミラー電子の像を生成する２次光学系６０と、それらの電子を検出する検出器７０と、検出器７０からの信号を処理する画像処理装置９０とを備える。検出器７０は、２次光学系６０の一部に含まれる。また、試料検査装置１０は、装置全体を制御するために制御部１００を備えている。制御部１００は、図９のシステムソフト１４０に対応する。更に、試料検査装置１０には、位置合わせのために光学顕微鏡１１０が設けられ、レビューのためにＳＥＭ１２０が設けられている。
【０１１３】
１次光学系４０は、電子ビームを生成し、試料２０に向けて照射する構成である。１次光学系４０は、電子銃４１と、レンズ４２、４５と、アパーチャ４３、４４と、Ｅ×Ｂフィルタ４６と、レンズ４７、４９、５０と、アパーチャ４８とを有する。電子銃４１により電子ビームが生成される。レンズ４２、４５及びアパーチャ４３、４４は、電子ビームの形状を整えるとともに、電子ビームの方向を制御する。そして、Ｅ×Ｂフィルタ４６にて、電子ビームは、磁界と電界によるローレンツ力の影響を受ける。電子ビームは、斜め方向からＥ×Ｂフィルタ４６に入射して、鉛直下方向に偏向され、試料２０の方に向かう。レンズ４７、４９、５０は、電子ビームの方向を制御するとともに、適切な減速を行って、ランディングエネルギーＬＥを調整する。
【０１１４】
写像投影光学系の１次光学系４０では、Ｅ×Ｂフィルタ４６が特に重要である。Ｅ×Ｂフィルタ４６の電界と磁界の条件を調整することにより、１次電子ビーム角度を定めることができる。例えば、１次系の照射電子ビームと、２次系の電子ビームとが、試料２０に対して、ほぼ垂直に入射するように、Ｅ×Ｂフィルタ４６の条件が設定される。
【０１１５】
１次光学系４０は、撮像のための電子ビームだけでなく、プレチャージのための電子ビームも照射してよい。あるいは、プレチャージのための電子銃等が設けられてもよい。
【０１１６】
ステージ３０は、上述したように、試料２０を載置するための構成である。ステージ３０は、ｘｙ方向（水平方向）及びθ方向（水平面上での回転方向）に移動可能である。また、ステージ３０は、必要に応じてｚ方向（垂直方向）に移動可能であってもよい。ステージ３０の表面には、静電チャック等の試料固定機構が備えられている。
【０１１７】
２次光学系６０は、試料２０から反射した電子を、検出器７０に導く構成である。既に説明したように、ミラー電子及び２次放出電子が検出器７０に導かれる。２次光学系６０は、レンズ６１、６３と、アパーチャ６２と、アライナ６４と、検出器７０とを有する。電子は、試料２０から反射して、対物レンズ５０、レンズ４９、アパーチャ４８、レンズ４７及びＥ×Ｂフィルタ４６を再度通過する。そして、電子は２次光学系６０に導かれる。２次光学系６０においては、電子は、レンズ６１、アパーチャ６２、レンズ６３を通過し、アライナ６４で整えられて、検出器７０にて検出される。
【０１１８】
アパーチャ６２は、２次系の透過率・収差を規定する役目を持っている。本実施の形態では、アパーチャ６２のサイズ、位置及び形状が調整可能である。この調整を行うために、アパーチャ調整機構２００が設けられている。アパーチャ調整は、観察画像における試料パターンのコントラストを大きくするために行われる。アパーチャ調整については後述する。
【０１１９】
検出器７０は、２次光学系６０により導かれた電子を検出する構成である。検出器７０は、検出面に複数のピクセルを有する。検出器７０には、種々の二次元型センサを適用することができる。例えば、検出器７０には、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）及びＴＤＩ（Time Delay Integration）−ＣＣＤが適用されてよい。これらは、電子を光に変換してから信号検出を行うセンサである。そのため、光電変換等の手段が必要である。よって、光電変換又はシンチレータを用いて、電子が光に変換される。
【０１２０】
また、検出器７０には、ＥＢ−ＴＤＩが適用されてよい。ＥＢ−ＴＤＩは、光電変換機構及び光伝達機構を必要としない。電子がＥＢ−ＴＤＩセンサ面に直接に入射する。したがって、分解能の劣化が無く、高いＭＴＦ（Modulation Transfer Function）及びコントラストを得ることが可能となる。また、検出器７０には、ＥＢ−ＣＣＤが適用されてもよい。
【０１２１】
制御部１００は、コンピュータで構成され、試料検査装置１０の全体を制御する。制御部１００は、図９のシステムソフト１４０と対応する。
【０１２２】
制御部１００は、電子銃４１を含む１次光学系４０を制御して、ランディングエネルギーＬＥを調整する。本実施の形態では、前述したように、試料２０のパターンにてエッジミラー電子が効率よく発生するように、ランディングエネルギーＬＥが設定される。また、制御部１００は、１次光学系４０及び２次光学系６０を制御して、電子銃４１から検出器７０までの電子の軌道を制御及び調整する。より詳細には、電子ビームが電子銃４１から試料２０まで所定の適切な軌道を通り、さらに試料２０からの電子が検出器７０まで所定の適切な軌道を通るように、電子軌道が制御される。また、制御部１００は、後述にて詳細に説明するように、アパーチャ調整機構２００を制御して、アパーチャ調整を行わせる。
【０１２３】
また、制御部１００は、画像処理装置９０を制御して、検出器７０からの信号を処理して、試料２０のパターンの画像を生成させる。さらに、制御部１００は、画像処理装置９０で生成された画像を処理し、パターン欠陥についての判定を行うように構成されている。
【０１２４】
以上に、試料検査装置１０の各部の構成について説明した。次に、試料検査装置１０の動作を説明する。
【０１２５】
試料検査装置１０は、電子ビームを試料２０に照射しながら、ステージ３０を水平方向に移動し、試料２０からの電子を検出器７０にて検出し、検出信号から試料２０の画像を生成する。電子ビームは、電子銃４１から発射され、１次光学系４０に導かれて、試料２０に照射される。入射過程では、Ｅ×Ｂフィルタ４６にて電子ビームの向きが変えられる。本実施の形態では、写像投影法により検査が行われる。そのため、試料の比較的広い範囲を照射するように、大きな径の電子ビームが用いられる。
【０１２６】
電子ビームのランディングエネルギーＬＥは、上述の試料観察方法の説明で述べたように、エッジミラー電子がパターンのエッジにて発生しやすいように設定されている。具体的には、ランディングエネルギーＬＥが、ＬＥＡ≦ＬＥ≦ＬＥＢ＋５[ｅＶ]に設定される。ＬＥＡ、ＬＥＢは、図１における遷移領域の下限及び上限であり、例えば、−５[ｅＶ]及び５[ｅＶ]である。
【０１２７】
したがって、電子ビームが試料２０のパターンに照射されたときに、エッジミラー電子が発生する。より詳細には、電子ビームのうちで、一部の電子がパターンのエッジ付近に照射される。このようなエッジ付近への電子が、図５〜図７に例示された軌道を通り、エッジミラー電子になる。
【０１２８】
試料２０で生じた電子は、２次光学系６０によって検出器７０に導かれる。そして、電子の像が検出器７０の検出面に生成される。電子ビームの照射により、試料２０では、エッジミラー電子の他に、通常のミラー電子も生じ得る。また、ミラー電子の他に、２次放出電子も生じる。したがって、検出器７０には、これらの種類の電子の像が形成される。
【０１２９】
検出器７０は、電子を検出して、検出信号を画像処理装置９０に送る。画像処理装置９０では、検出信号を処理して、試料２０の画像を生成する。ここで、本実施の形態では、ランディングエネルギーＬＥが適切に設定されており、検出器７０に多くのエッジミラー電子が到達する。すなわち、エッジミラー電子の検出数が、他の種類の電子と比べて多い。エッジミラー電子は、試料２０のパターンのエッジで生じる。したがって、試料２０の画像においては、パターンの階調（輝度）が大きくなる。そして、他の部分との階調差が大きくなる。したがって、パターンのコントラストが大きくなる。
【０１３０】
制御部１００は、このような試料２０の画像を用いて、パターン欠陥の判定を行う。制御部１００は、パターンの欠陥の有無を判定してよく、欠陥の位置を検出してよく、さらに欠陥の種類を判定してよい。また、本実施の形態の試料検査装置１０は、パターン欠陥だけでなく、異物を検査してもよい。この場合、制御部１００は、試料２０の画像を処理して、異物の有無を判定してよい。さらに、他の検査も行われてよい。
【０１３１】
欠陥判定処理は、「ダイｔｏダイ（die to die）」であってよい。この処理は、試料２０の２つのダイの画像を比較する。より詳細には、順次得られる２つのダイの画像が比較される。２つのダイのパターンが相違する場合に、制御部１００は、欠陥があると判定する。
【０１３２】
欠陥判定処理は、「ダイｔｏ  ａｎｙダイ（die to any die）」であってよい。この場合、試料２０から特定のダイの画像が得られ、判定基準として保持される。そして、判定基準のダイの画像が、他の多数のダイの画像と順番に比較される。この場合も、ダイのパターンが相違する場合に、制御部１００は、欠陥があると判定する。
【０１３３】
さらに、欠陥判定処理は、「ダイｔｏデータベース（die to database）」であってよい。この場合、ダイの画像が、設計データ等の登録データと比較される。設計データは例えばＣＡＤデータである。そして、ダイの画像が登録データと相違する場合に、制御部１００は、欠陥があると判定する。
【０１３４】
また、欠陥判定処理は、セル（ｃｅｌｌ）の欠陥を判定してよい。この場合、上述のダイの画像の代わりに、セルの画像が処理される。欠陥判定処理は、「セルｔｏセル（cell to cell）」でもよく、「セルｔｏ  ａｎｙセル（cell to any cell）」でもよく、「セルｔｏデータベース（cell to database）」でもよい。
【０１３５】
このようにして、制御部１００は、欠陥判定を行う。欠陥判定結果は、モニタに表示されてよく、記録媒体に記録されてよい。また、欠陥判定結果は、以下に説明するように、次の段階でＳＥＭ１２０により利用されてよい。
【０１３６】
「写像投影型検査装置とＳＥＭの両方を備えた構成について」
図１１は、試料検査装置１０の一部であり、特に、メインチャンバ２２、電子コラム２４及びＳＥＭ１２０を示している。電子コラム２４は、メインチャンバ２２と共に、写像投影型観察装置を構成している。したがって、本実施の形態の試料検査装置は、写像投影型観察装置とＳＥＭ型観察装置の両方を備えた複合型の観察装置を構成している。
【０１３７】
図１１に示されるように、本実施の形態では、ステージ３０が移動可能であり、特に、電子コラム２４（写像投影型観察装置）の観察位置とＳＥＭ１２０の観察位置との間で移動可能である。このような構成により、写像方式とＳＥＭという２種類の装置の両方を用いる場合に、観察及び検査を迅速かつ高精度に行うことができる。例えば、写像投影型観察装置でパターン欠陥が検出され、それから、ＳＥＭでパターン欠陥が詳細にレビューされる。以下、この特徴について更に詳細に説明する。
【０１３８】
図１１の構成によれば、試料２０が同じステージ３０に搭載されたまま、電子コラム２４とＳＥＭ１２０の両方が使用される。したがって、試料２０（ステージ３０）が電子コラム２４とＳＥＭ１２０との間を移動したときに、座標関係が一義的に決まる。このことは、パターンの所定箇所を特定したり、パターン欠陥箇所を特定するときに有利である。２つの検査装置が、同一部位の特定を高精度で容易に行うことができる。例えば、電子コラム２４により欠陥箇所が特定される。この欠陥箇所が、ＳＥＭ１２０にて迅速に位置決めされる。
【０１３９】
上記の複合型の構成が適用されなかったとする。例えば、写像式光学検査装置とＳＥＭが、別々の真空チャンバに分かれて配置されたとする。分離された別々の装置間で試料を移動する必要があり、別々のステージに試料を設置する必要がある。そのため、２つの装置が試料のアライメントを別個に行う必要があり、時間がかかる。また、試料のアライメントを別々に行う場合、同一位置の特定誤差は、５〜１０〔μｍ〕となってしまう。
【０１４０】
一方、本実施の形態では、図１１に示すように、２種類の検査において、同一のチャンバ２２の同一のステージ３０に、試料２０が設置される。写像方式の電子コラム２４とＳＥＭ１２０との間でステージ３０が移動した場合でも、高精度で同一位置を特定可能である。例えば、１〔μｍ〕以下の精度での位置の特定が可能である。
【０１４１】
このような高精度の特定は、以下の場合に大変有利である。まず、試料２０の検査が写像方式で行われ、パターン及びパターン欠陥が検査される。それから、検出した欠陥の特定及び詳細観察（レビュー）が、ＳＥＭ１２０で行われる。正確な位置の特定ができるので、欠陥の有無（無ければ疑似検出）が判断できるだけでなく、欠陥のサイズや形状の詳細観察を高速に行うことが可能となる。
【０１４２】
前述したように、欠陥検出用の電子コラム２４と、レビュー用のＳＥＭ式検査装置１２０とが別々に設けられると、欠陥位置の特定に多くの時間を費やしてしまう。このような問題が本実施の形態により解決される。
【０１４３】
以上に説明したように、本実施の形態では、写像光学方式によるパターンとパターン欠陥の撮像条件を用いて、超微小なパターンが高感度で検査される。さらに、写像光学方式の電子コラム２４とＳＥＭ式検査装置１２０が同一チャンバ２２に搭載される。これにより、特に、１００〔ｎｍ〕以下の超微小なパターンの検査と、パターンの判定及び分類を、大変効率良く、高速に行うことができる。
【０１４４】
「アパーチャ調整」
次に、本実施の形態のもう一つの特徴であるアパーチャ調整について説明する。
【０１４５】
まず、アパーチャ調整の概要を説明する。アパーチャ調整では、２次光学系６０のアパーチャ６２のサイズ、位置及び形状が、アパーチャ６２を通過するミラー電子に合うように調整される。この意味で、本実施の形態のアパーチャ６２は、可変アパーチャ（又は調整用アパーチャ等）と呼ぶことができる。調整目標は、アパーチャ６２の高さでのミラー電子のスポット（プロファイル）と、アパーチャ６２の孔とを極力一致させることである。ただし、実際にはミラー電子スポットとアパーチャ６２を完全に一致させることは困難である。したがって、実際には、ミラー電子スポットよりもある程度広く、アパーチャ６２が調整されてよい。
【０１４６】
このようにしてアパーチャ６２を調整することにより、画像中のパターンのコントラストを増大できる。より詳細には、試料から検出される電子は、ミラー電子と２次放出電子を含む。既に説明したように、２次放出電子は広範囲に広がるのに対し、ミラー電子はあまり広がらない。したがって、ミラー電子に応じてアパーチャ６２を適切に調整することにより、アパーチャ６２を通過する２次放出電子を減らし、ミラー電子の検出量を相対的に増大できる。したがって、画像中のパターンのコントラストを更に増大できる。
【０１４７】
アパーチャ６２は、アパーチャ調整機構２００により調整される。具体的には、複数種類のアパーチャ６２が備えられてよい。複数種類のアパーチャ６２では、サイズ及び形状が異なる。それら複数種類のアパーチャ６２は一体的に構成されてもよく、別々の部材であってもよい。アパーチャ調整機構２００は、光軸上で観察に用いられるアパーチャ６２を切り換え可能である。そして、アパーチャ調整機構２００は、制御部１００の制御下で、複数種類のアパーチャ６２からミラー電子に応じたアパーチャ６２を選択し、光軸上に配置する。さらに、アパーチャ調整機構２００は、ミラー電子に応じてアパーチャ６２の位置を調整する。こうして、アパーチャ６２のサイズ、形状及び位置が好適に調整される。
【０１４８】
本発明の範囲内で、アパーチャ６２の位置は、２次光学系６０の軸に沿った方向の位置も含んでよい。したがって、アパーチャ調整機構２００は、アパーチャ６２を水平方向（ＸＹ方向）に移動するだけでなく、光軸方向（Ｚ方向）に移動して、アパーチャ位置を最適化してよい。また、アパーチャ６２の位置は、回転方向の位置、すなわちアパーチャ角度も含んでよい。アパーチャ調整機構２００は、アパーチャ６２を水平面上で回転してよく、回転中心は２次光学系６０の軸でよい。
【０１４９】
上記のアパーチャ調整のためには、アパーチャにおけるミラー電子の像を利用することが効果的である。このミラー電子像は、上記のミラー電子スポットを表す。そこで、アパーチャにおけるミラー電子像に適合するように、アパーチャ６２が調整される。
【０１５０】
アパーチャにおけるミラー電子像を測定するためには、ＥＢ−ＣＣＤ等の検出器がアパーチャの高さに好適に追加される。あるいは、アパーチャ６２と、検出器７０（図１０）とを、光学的に共役な位置に配置することが好適である。これにより、検出器７０にて、アパーチャ６２におけるミラー電子像が得られる。
【０１５１】
以上に、アパーチャ調整の概要を説明した。次に、具体例を用いながら、アパーチャ調整についてさらに詳細に説明する。
【０１５２】
（アパーチャ位置の調整）
パターン観察では、パターンからのミラー信号を効率よく取得することが重要である。アパーチャ６２の位置は、信号の透過率と収差を規定するので、大変に重要である。２次電子は、試料表面から広い角度範囲で、コサイン則に従い放出され、アパーチャでは均一に広い領域に到達する。したがって、２次電子は、アパーチャ６２の位置に鈍感である。これに対し、ミラー電子の場合、試料表面での反射角度が、１次電子ビームの入射角度と同程度となる。そのため、ミラー電子は、小さな広がりを示し、小さなビーム径でアパーチャ６２に到達する。例えば、ミラー電子の広がり領域は、二次電子の広がり領域の１／２０以下となる。したがって、ミラー電子は、アパーチャ６２の位置に大変敏感である。アパーチャにおけるミラー電子の広がり領域は、通常、φ１０〜１００〔μｍ〕の領域となる。よって、ミラー電子強度の最も高い位置を求めて、その求められた位置にアパーチャ６２の中心位置を配置することが、大変有利であり、重要である。
【０１５３】
このような適切な位置へのアパーチャ６２の設置を実現するために、アパーチャ調整機構２００が、アパーチャ６２を、電子コラム２４の真空中で、１〔μｍ〕程度の精度で、ｘ、ｙ方向に移動させる。アパーチャ６２を移動させながら、信号強度が計測される。画像の輝度が、信号強度として求めれてよい。評価値は例えば輝度の合計である。そして、信号強度が最も高い位置が求められ、その求められた座標位置に、アパーチャ６２の中心が設置される。
【０１５４】
上記では、アパーチャ６２がｘｙ方向に移動された。本発明の範囲内で、アパーチャ６２がアパーチャ調整機構２０により回動されて、アパーチャ６２の角度が調整されてもよい。そして、信号強度の計測結果に基づき、角度が設定されてよい。角度は、回転方向の位置であり、したがってアパーチャの角度も本発明ではアパーチャ位置に含まれる。アパーチャ６２の回転軸は、２次光学系６０の軸であってよい。まず、上述したｘｙ方向の調整が行われ、信号強度が最も高い位置へとアパーチャ中心が調整されてよい。それから、アパーチャ６２が所定の小さい角度ずつ回転され、信号強度が最も高くなる角度へアパーチャ６２が調整されてよい。
【０１５５】
また、ｘ、ｙ方向だけでなく、ｚ軸方向にアパーチャ６２の位置調整を行えるように、アパーチャ等が構成されてよい。ｚ軸方向は、２次光学系６０の軸方向である。この場合、ｚ軸方向にもアパーチャ６２が移動され、信号強度が測定され、信号強度が最も高くなる位置へとアパーチャ６２が調整されてよく、この構成も有利である。アパーチャ６２は、ミラー電子が最も絞られる位置に好適に設置される。これによりミラー電子の収差の低減、及び、２次放出電子の削減を、大変効果的に行うことができる。したがって、より高いＳ／Ｎを得ることが可能となる。
【０１５６】
（信号強度の計測の構成）
ここでは、信号強度計測のためのさらに好適な構成を説明する。
【０１５７】
図１２は、図１０の試料検査装置の変形例である。図１２では、２次光学系６０ａの構成が、図１０の２次光学系６０と異なっており、具体的には、アパーチャの高さにＥＢ−ＣＣＤ６５が設けられている。アパーチャ６２とＥＢ−ＣＣＤ６５は、開口６７、６８を有する一体の保持部材であるＸＹステージ６６に設置されている。ＸＹステージ６６には開口６７、６８が設けられているので、ミラー電子及び２放出次電子がアパーチャ６２又はＥＢ−ＣＣＤ６５に到達可能である。
【０１５８】
ＸＹステージ６６は、アパーチャ６２とＥＢ−ＣＣＤ６５を移動し、それらの位置制御及び位置決めを行う。これによりアパーチャ６２とＥＢ−ＣＣＤ６５が切り換えられ、そして、アパーチャ６２の電流吸収とＥＢ−ＣＣＤ６５の画像取得が独立に行われる。ＸＹステージ６６は、アパーチャ調整機構２００により駆動される（ＸＹステージ６６がアパーチャ調整機構２００の一部であってよい）。
【０１５９】
このような構成の２次光学系６０ａを用いる場合、まず、ＥＢ−ＣＣＤ６５を用いて、電子ビームのスポット形状とその中心位置が検出される。画像処理装置９０又は他の構成がＥＢ−ＣＣＤ６５の検出信号を処理して画像を生成してよい。制御部１００が、検出信号の画像からミラー電子のスポット形状と中心位置を求めてよい。前述のようにミラー電子の輝度は、２次放出電子の輝度より大きい。したがって、ミラー電子のスポットが、周囲の２次放出電子の部分よりも明るくなる。そこで、例えば、輝度が所定値以上の領域が、ミラー電子のスポット（プロファイル）として特定される。また例えば、画像からエッジで囲まれた領域が、ミラー電子のスポットとして検出される。そして、制御部１００は、ＸＹステージ６６を制御し、検出されたスポットの中心位置に、アパーチャ６２の孔中心を配置する。
【０１６０】
以上に説明したように、本実施の形態では、ＥＢ−ＣＣＤ６５が大変有利に用いられる。ビームの２次元的な情報を知ることができ、検出器７０に入射する電子数を求めることができるので、定量的な信号強度の評価が可能となる。そして、このような計測結果を利用して、直接的にアパーチャ６２の位置調整を行うことが可能となる。これにより、アパーチャの高精度な位置決めが可能となり、電子像の収差が低減し、均一性が向上する。そして、透過率均一性が向上し、分解能が高く階調が均一な電子像を取得することが可能となる。
【０１６１】
また、図１２の構成は、アパーチャ６２を少しずつ動かしながら信号強度を計測するといった作業を不要にできる。したがって、計測時間の短縮にも有効である。
【０１６２】
また、図１２の構成は、アパーチャ調整だけでなく、スポット形状の調整にも好適に利用される。制御部１００は、スポット形状が極力円形に近く、最小になるように、スティグメーター、レンズ６１、６３及びアライナ６４の電圧調整を行う。この点に関し、従来は、アパーチャ６２におけるスポット形状及び非点収差の調整を直接行うことはできなかった。このような直接的な調整が本実施の形態では可能となり、非点収差の高精度な補正が可能となる。
【０１６３】
また、図１２の構成では、ＥＢ−ＣＣＤ６５が検出器として設けられている。しかし、他の種類の検出器が設けられてもよい。
【０１６４】
図１２では、ＥＢ−ＣＣＤ６５の追加により、アパーチャ６２におけるビーム像が得られた。しかし、別の構成によっても同様のビーム像を得ることが可能である。具体的には、ｚ方向において、アパーチャ６２と検出器７０の検出面の位置関係が、光学的に共役の関係になるように、アパーチャ６２が配置される。この構成も大変有利である。これにより、アパーチャ６２におけるビームの像が、検出器７０の検出面に結像される。したがって、アパーチャ６２におけるビームプロファイルを、検出器７０を用いて観察することができ、アパーチャ６２のミラー電子像が得られる。しかも、ＥＢ−ＣＣＤ６５を設けなくてもよい。
【０１６５】
その他、上述の説明では、測定結果がアパーチャ位置調整に用いられた。制御部１００は、測定結果を下記のアパーチャサイズ及びアパーチャ形状の調整にも好適に使用してよい。
【０１６６】
（アパーチャサイズ及びアパーチャ形状の調整）
アパーチャ６２のサイズ（アパーチャ径）も本実施の形態では重要である。上述のようにミラー電子の信号領域が小さいので、効果的なサイズは、１０〜２００〔μｍ〕程度である。更に、アパーチャサイズは、好ましくは、ビーム径に対して１０〜１００〔％〕大きいサイズである。
【０１６７】
この点に関し、電子の像は、ミラー電子と二次放出電子により形成される。アパーチャサイズの設定により、ミラー電子の割合をより高めることが可能となる。これにより、ミラー電子のコントラストを高めることができ、つまり、パターンのコントラストを高めることができる。
【０１６８】
更に詳細に説明すると、アパーチャの孔を小さくすると、アパーチャ面積に反比例して２次放出電子が減少する。そのため、正常部の階調が小さくなる。しかし、ミラー電子信号は変化せず、パターンの階調は変化しない。よって、周囲の階調が低減した分だけ、パターンのコントラストを大きくでき、より高いＳ／Ｎが得られる。
【０１６９】
アパーチャ形状についても同様の原理が成り立つ。アパーチャ形状を、アパーチャ６２におけるミラー電子のスポット形状（プロファイル）に合わせることが好適である。これにより、ミラー電子信号を変えずに、アパーチャ６２を通過する２次放出電子を低減できる。したがって、パターンのコントラストを大きくでき、より高いＳ／Ｎが得られる。
【０１７０】
上記のアパーチャサイズ及び形状の調整においても、上述した信号計測が行われてよい。アパーチャサイズ及び形状を少しずつ変えながら、信号計測が繰り返されてもよい。好ましくは、図１２の構成を用いて、アパーチャ６２におけるミラー電子のスポットが計測される。あるいは、検出器７０とアパーチャ６２の位置関係を共役関係に設定することにより、検出器７０にてスポットの像が取得される。これにより、簡単かつ迅速にアパーチャサイズ及び形状を調整できる。
【０１７１】
以上に説明したように、ミラー電子は、アパーチャサイズと形状に非常に敏感である。よって、アパーチャサイズと形状と適切に選択することは、高いＳ／Ｎを得るために大変重要である。
【０１７２】
（アパーチャのバリエーションについて）
次に、本実施の形態に好適に適用されるアパーチャのバリエーションについて、図１３〜図１８を参照して説明する。
【０１７３】
図１０等ではアパーチャ６２が単なる線で表されている。しかし、実際のアパーチャ６２は、孔を有する部材（部品）である。一般に、部材がアパーチャと呼ばれることもあり、孔がアパーチャと呼ばれることもある。以下のアパーチャのバリエーションの説明では、部材（部品）とその孔を区別するため、部材をアパーチャ部材と呼ぶ。そして、部材の孔を、アパーチャ孔という。その他の識別の方法として、アパーチャ部材をＮＡアパーチャ等と呼ぶことも可能である。
【０１７４】
図１３〜図１８では、符合６２ａ〜６２ｄは、アパーチャ部材である。符号１６９、６９、６９ａ、６９ｂは、アパーチャ孔を示す。アパーチャ形状は、一般に、アパーチャ孔の形状を意味する。アパーチャサイズ及び位置も、具体的にはアパーチャ孔のサイズ及び位置である。ここではアパーチャ部材とアパーチャ孔を区別するものの、本明細書の全体では一般的表現に従ってアパーチャ部材及びアパーチャ孔が単にアパーチャと呼ばれてよい。
【０１７５】
図１３は、参考例であり、従来のアパーチャ孔１６９を示している。図１３に示すように、従来は、円形のアパーチャ孔１６９が固定位置に設置されていた。よって、上述のような適切なアパーチャサイズと形状の選択はできなかった。一方、本実施の形態に係る試料検査装置１０は、アパーチャを２次元的又は３次元的に移動し、アパーチャ調整を行えるように構成されている。
【０１７６】
図１４は、アパーチャ形状の一例を示している。図１４において、アパーチャ孔６９は、楕円形である。この孔形状は、ミラー電子信号の強度分布に合うように設定されている。この例では、アパーチャ部材６２におけるミラー電子の強度分布の測定結果において、強度分布がｙ方向に長い楕円形状である。ここで、ｙ方向とは、Ｅ×Ｂフィルタ４６で偏向される方向である。ｙ方向は、１次電子ビームの光軸の方向と一致する。ｙ方向の楕円形状の原因は、Ｅ×Ｂフィルタ４６での偏向成分であると考えられる。よって、効率よくミラー電子を捕捉するためには、ｙ方向に長軸を有するアパーチャ形状が大変有利である。
【０１７７】
これにより、従来よりもミラー電子の収率を高め、より高いＳ／Ｎ（例えば、×２以上）を得ることが可能となる。例えば、２次電子ビームの強度分布が、ｙ方向に１００〔μｍ〕、ｘ方向に５０〔μｍ〕とする（これらの値は、半値全幅である）。楕円形のアパーチャ孔６９は、２次電子ビーム径に対して、プラス１０〜１００〔％〕の範囲で選択される。例えば、アパーチャサイズがｙ方向に１５０〔μｍ〕、ｘ方向に７５〔μｍ〕になるように、アパーチャ孔６９が選択されてよい。
【０１７８】
次に、図１５乃至図１８を用いて、複数のアパーチャ孔を有するアパーチャ部材の構成について説明する。ここでは、複数のアパーチャ孔が、一つのアパーチャとして機能する。
【０１７９】
図１５は、複数のアパーチャ孔６９ａを有するアパーチャ部材６２ａの構成の一例を示している。図１５において、アパーチャ部材６２ａは、２つの円形のアパーチャ孔６９ａを有する。この例では、ミラー電子の強度中心を基準に、２つの孔が±ｙ方向にずらした位置に配置される。ずれ量は、例えば、５０〔μｍ〕程度である。この構成は、散乱された＋ｙ側と−ｙ側のミラー電子の双方を捕捉できる。したがって、この構成は、散乱したミラー電子の信号と、バックグラウンドの２次放出電子との信号量の差を大きくでき、高いＳ／Ｎを得ることが可能となる。この理由を説明すると、２次放出電子の場合、散乱方向に飛散する量が少量に限られる。そのため、バックグラウンドが低減し、相対的にＳ／Ｎを向上させることができる。
【０１８０】
図１６は、４つのアパーチャ孔６９ａを有するアパーチャ部材６２ａの構成の一例を示している。図１６において、４つの円形のアパーチャ孔６９ａが、ｘ軸及びｙ軸に対称に配置されている。すなわち、２つのアパーチャ孔６９ａがｘ軸上に配置され、２つのアパーチャ孔６９ａがｙ軸上に配置され、４つのアパーチャ孔６９ａが中心（原点）から等距離に位置している。別の言い方では、４つのアパーチャ孔６９ａは、原点の回りに等間隔に配置されている。さらに簡単にいうと、４つのアパーチャ孔６９ａが菱形状に配置されている。これにより、ｘ方向とｙ方向の双方に散乱されたミラー電子が存在する場合にも、高Ｓ／Ｎで電子を取得することができる。
【０１８１】
図１７は、４つのアパーチャ孔６９ａを有するアパーチャ部材６２ｃを示している。図１７の構成は、図１６の構成と異なる一例である。図１７においては、４個の円形のアパーチャ孔６９ａが、ｘｙ平面における第１象限から第４象限にそれぞれ配置されている。この例でも、４つのアパーチャ孔６９ａは、ｘ軸及びｙ軸に対称に配置されており、中心（原点）から等距離に配置されている。別の言い方では、４つのアパーチャ孔６９ａは、原点の回りに等間隔に配置されている。このような形状のアパーチャ部材６２ｃにおいても、ミラー電子の信号強度が高くなる位置にアパーチャ孔６９ａを設けることができ、高Ｓ／Ｎの信号を取得することができる。
【０１８２】
図１６及び図１７に示すように、アパーチャ孔６９ａの数が同じであって、それらの配置が異なってよい。これにより、用途に応じた適切なアパーチャ部材６２ｂ、６２ｃを用いることができる。そして、各々の用途について、高いＳ／Ｎを取得することが可能となる。
【０１８３】
図１８は、８つのアパーチャ孔６９ｂを有するアパーチャ部材６２ｄの構成の一例を示した図である。図１８に示すように、アパーチャ孔６９ｄの数は、４つよりも更に多くてもよい。図１８に示したアパーチャ部材６２ｄにおいては、ミラー電子の強度中心の回りの円周上に、複数のアパーチャ孔６９ｂが等間隔に配置されている。この構成は、円周上のどこかのアパーチャ孔６９ｂの位置に特異的に強い散乱をするミラー電子がある場合に有利である。そのようなミラー電子の適切な捕捉が可能となる。
【０１８４】
また、図１５乃至図１８では、ミラー電子の信号の強度中心とアパーチャ孔６９ａ、６９ｂとの関係については、アパーチャ位置が強度中心とずれている。しかし、本発明はこれに限定されず、アパーチャ位置が強度中心と一致してよい。すなわち、一つのアパーチャ孔が、ミラー電子強度中心と一致するように設置されてよい。この場合、他のアパーチャ孔は、散乱したミラー電子の捕捉を行う。それら電子が強度中心のミラー電子とともに電子像に含まれる。このような合成像が検出器７０で得られる。このようにして、強いミラー電子と特異的に散乱されたミラー電子との合成像を取得することができる。したがって、高いＳ／Ｎを得ることができるとともに、散乱方向に特徴がある観察対象を効果的に検出できる。また、散乱方向の特徴を、観察対象の分類に役立てることも可能となる。
【０１８５】
（ランディングエネルギーに応じたアパーチャ調整）
更に、本実施の形態によれば、使用するランディングエネルギーＬＥに対して、適切なアパーチャ孔形状及びサイズを選択することもできる。この選択も大変に有利な効果を提供する。ランディングエネルギーＬＥによりミラー電子の強度分布が変化する。そこで、本実施の形態の検査装置は、使用するランディングエネルギーＬＥに応じたアパーチャサイズ及び形状を選択するように構成されてよい。これにより強度分布に応じたアパーチャ調整ができ、大変有利である。
【０１８６】
例えば、ミラー電子が、ｙ方向に長い楕円形状の強度分布を有する場合を考える。異なった２つの条件で撮像又は検査が行われるとする。例えば、１番目の撮像・検査条件では、ランディングエネルギーが第１の値すなわちＬＥ＝３〔ｅＶ〕であるとする。第２番目の撮像・検査条件では、ランディングエネルギーが第２の値すなわちＬＥ＝２〔ｅＶ〕とする。ここで、ランディングエネルギーＬＥが小さくなると、アパーチャ高さではミラー電子強度分布が大きくなる。このような分布変化に適合するように、アパーチャサイズ及び形状が好適に選択される。
【０１８７】
例えば、第１のランディングエネルギーが用いられるときは、ｙ方向に１００〔μｍ〕、ｘ方向に５０〔μｍ〕の楕円のアパーチャ孔６９が選択されてよい。第２のランディングエネルギーが用いられるときは、ミラー電子強度分布が２倍程度大きくなる。そこで、ｙ方向に２００〔μｍ〕、ｘ方向に１００〔μｍ〕の楕円形状のアパーチャ孔６９が用いられてよい。このようにして、大変効果的にミラー電子を検出できる。
【０１８８】
（アパーチャ調整機構）
最後にアパーチャ調整機構について説明を補足する。本実施の形態では、複数のアパーチャ（アパーチャ部材）が一体化されてよい。すなわち、一つのアパーチャ部材に複数のアパーチャ孔が設けられてよい。複数のアパーチャ孔では、形状及びサイズが異なってよい。この場合、アパーチャ調整機構は、アパーチャ部材を移動することにより、アパーチャ孔を切り換え、アパーチャ形状及びアパーチャサイズを調整する。
【０１８９】
別の例は、アパーチャが一体化されない構成である。すなわち、複数のアパーチャ部材が設けられ、各々アパーチャ部材が、アパーチャ孔を有している。複数のアパーチャ部材では、孔サイズ及び孔形状の少なくとも一方が異なる。この場合、アパーチャ調整機構は、アパーチャ部材を選択及び切り換えることにより、アパーチャ形状及びアパーチャサイズを調整する。
【０１９０】
上記の２つの構成が組み合わされてよい。例えば、アパーチャ形状の種類ごとに、１つのアパーチャ部材が用意される。各アパーチャ部材は、同一形状でサイズが異なる複数のアパーチャ孔を有する。逆に、アパーチャサイズ毎に、１つのアパーチャ部材が用意される。この場合、各アパーチャ部材は、同一サイズで形状が異なる複数のアパーチャ孔を有してよい。
【０１９１】
アパーチャ調整機構２００は、アパーチャを移動及び切り換えるために任意の構成を有してよい。図１２の例に示されたＸＹステージを用いてアパーチャが移動及び切り換えられてよい。また、アパーチャがリニアモータにより移動及び切り換えられてよい。また、回転支持部材でアパーチャが支持されてよく、通常の回転式のモータがアパーチャを移動し、また、切り換えてよい。
【０１９２】
以上に本実施の形態のアパーチャ調整について詳細に説明した。上記のアパーチャは、サイズ、位置及び形状の全部を変更可能であった。本発明はこのような構成に限定されない。本発明の範囲で、サイズ、位置及び形状の少なくとも１つが調整されてよい。
【０１９３】
また、上記説明では、アパーチャ設定は随時変更可能であった。しかし、本発明の範囲で、アパーチャ設定は、調整後に固定されてもよい。この場合、まず、上述の原理に従ってアパーチャサイズ、位置、形状が調整及び決定されてよい。それから、決定されたアパーチャ仕様が固定的に用いられてよい。例えば上述の楕円形状のアパーチャが継続的に用いられてよい。
【０１９４】
以下では、これまで説明してきた第１の態様の試料観察方法及び試料観察装置を基礎として考案された、複合的な試料観察方法及び試料観察装置について説明する。なお、これら第２の態様の試料観察方法及び試料観察装置は、上述した第１の態様の試料観察方法又は試料観察装置が備える構成や効果において共通する。よって、以下の説明においては繰り返しての説明は省略する。
【０１９５】
図１９は、本発明の第２の態様の試料観察装置の一部の構成例を示す図である。なお、この図に示された構成以外は既に、図９、図１０、図１２等に図示されて説明もなされているので以降の説明では省略する。この図に示すように、パターンを有する試料２０を載置するステージ３０を収容するメインチャンバ２２には、１次ビーム系４０及び２次ビーム系６０を有する写像投影型観察装置の電子コラム２４とＳＥＭ１２０と光学顕微鏡１１０が設けられている。また、ステージ３０は、電子コラム２４、ＳＥＭ１２０、光学顕微鏡１１０のそれぞれで試料２０上の任意の位置を観察できるように、これら３つの観察装置の間を移動可能に構成されている。
【０１９６】
メインチャンバ２２内に設けられたステージ３０は、いわゆるＸＹステージ３０ａと回転ステージ３０ｂを有しており、試料載置面であるＸＹ面内のＸ方向及びＹ方向に試料２０を移動可能であるとともに、ＸＹ面内で試料２０を回転させることも可能なステージとして構成されている。
【０１９７】
写像投影型観察装置の２次ビーム系６０の上部に設けられた検出器７０は、制御部１００からの信号を受けて、電子検出面（ＸｄＹｄ面）内でのＸｄ方向及びＹｄ方向及び電子検出面内での回転が可能に構成されている。
【０１９８】
このような構成の複合型の試料観察装置では、写像投影型観察装置、ＳＥＭ型観察装置、及び光学顕微鏡の３種の観察装置により、同一の試料の特定の箇所を観察したりパターンの検査をすることができる。
【０１９９】
仮に、これら３種の観察装置を個別に用いて複合的観察を行おうとすると、ある装置のステージから他の装置のステージへと観察対象試料を移す必要があるが、このような試料移動を行うと先の観察で特定された箇所を別の装置で再度特定し直す必要が生じて手間がかかるのみならず、その再現性は高々１０μｍ程度と低いものとならざるを得ないから、信頼性という観点からも問題がある。
【０２００】
例えば、ミラー電子画像を解析してパターン欠陥と思われる異常部の存在を確認し、当該異常部の試料上の位置を特定したとする。そして、このパターン不良部が真の欠陥であるかどうかをＳＥＭ観察により判断しようとする場合には、写像投影型観察装置のステージからＳＥＭ型観察装置のステージへと試料を移し、既にミラー電子画像の解析で特定されているパターン不良部があるとされた試料上の位置を探してＳＥＭ観察を行うこととなる。しかし、その位置を正確に再現できなければ、誤った場所を観察してしまったり、パターン不良部が極めて小さなものである場合には当該パターンの異常を確認することさえできない場合も生じ得る。
【０２０１】
これに対して、上述したような複合型の試料観察装置の構成とすれば、原理的には、試料上の同一の場所を異なる種類の装置で観察することができる。試料を載置させるステージの駆動制御は１μｍ以上の精度（１μｍ以下の誤差）とすることも可能であるから、サブミクロンレベルでの高精度な観察位置特定を容易かつ迅速に行うことができ、しかも当該特定の位置をＳＥＭ観察することで欠陥の真偽判定や欠陥種の判断などを容易に行うことができる。
【０２０２】
このような高精度での観察位置の特定を行うためには、例えば、制御部１００に記憶部を設けておき、光学顕微鏡、写像投影型観察装置、及びＳＥＭ型観察装置、のそれぞれの光学中心の位置関係を座標データとして記憶させ、この座標データに基づいてステージをこれら３つの光学中心間で移動可能とするようにすればよい。
【０２０３】
例えば、ステージ３０上に特定のパターンの配列を有する試料２０を載置し、この特定のパターンの配列を含む領域を光学顕微鏡１１０で観察する。このとき、基準となる特定のパターンが光学顕微鏡の光学中心にくるようにステージ３０を移動させ、そのときのステージ移動量から光学顕微鏡の光学中心位置の座標を決める。このようにして決定された光学顕微鏡の光学中心位置座標を、仮に、（ｘｏ，ｙｏ）であるとする。
【０２０４】
次に、ステージを写像投影型観察装置の観察位置にまで移動させ、更に、上述の基準特定パターンが写像投影型観察装置の光学中心にくるようにステージ３０を移動する。そして、ステージの移動量から写像投影型観察装置の光学中心位置の座標を決める。このようにして決定された写像投影型観察装置の光学中心位置座標を、仮に、（ｘｔ，ｙｔ）であるとする。
【０２０５】
続いて、ステージをＳＥＭ型観察装置の観察位置にまで移動させ、更に、上述の基準特定パターンがＳＥＭ型観察装置の光学中心にくるようにステージ３０を移動する。そして、ステージの移動量からＳＥＭ型観察装置の光学中心位置の座標を決める。このようにして決定されたＳＥＭ型観察装置の光学中心位置座標を、仮に、（ｘｓ，ｙｓ）であるとする。これらの操作を行うと、光学顕微鏡と写像投影型観察装置とＳＥＭ型観察装置の３つの観察装置それぞれの光学中心の位置関係が座標データとして求められる。なお、これらの座標データはステージの移動量から求められたものであるから、実際には、メインチャンバ２２内でのステージ３０の位置を示す座標データに対応している。
【０２０６】
観察装置それぞれの光学中心の位置関係を明確にしておくと、光学顕微鏡観察で特定された試料上の場所が仮に（ｘｏ，ｙｏ）であるとすると、同一の場所を写像投影型観察装置で観察する時には試料を（ｘｔ，ｙｔ）に移動させればよく、ＳＥＭ型観察装置で観察する時には試料を（ｘｓ，ｙｓ）に移動させればよい。また、このような切替処理は制御部１００において瞬時に実行されるから、高精度な位置合わせを迅速に行うことができる。
【０２０７】
本発明の第２の態様の試料観察装置には、試料上の特定のパターンの配列方向がステージの移動方向であるＸ方向又はＹ方向に一致するようにステージ上の試料位置を調整するアライメント部を設けるようにしてもよい。このようなアライメント部は、例えば、制御部１００内に設けることができる。
【０２０８】
また、このアライメント部には、試料位置調整後の試料上の特定のパターンの配列方向が写像投影型観察装置で得られたミラー電子画像のフレームのＸ方向又はＹ方向に一致するように検出器７０を調整する機能をもたせることができる。
【０２０９】
さらに、このアライメント部には、ＳＥＭ型観察装置で試料位置調整後の試料上の特定のパターンを観察して得られた観察像がＳＥＭ画像の中心に位置するようにＳＥＭ型観察装置の光学系を調整する機能をもたせることができる。
【０２１０】
次に、上述の複合型の試料観察装置を用いて観察を実行する際の手順を説明する。
【０２１１】
図２０は本発明の第２の態様の試料観察方法の基本的な概念を説明するための図で、この試料観察装方法は、写像投影型観察装置と該写像投影型観察装置とは別のＳＥＭ型観察装置と光学顕微鏡により同一のステージ上に載置された試料を観察するための複合型の試料観察方法であって、写像投影型観察装置、ＳＥＭ型観察装置、及び光学顕微鏡の３つの観察装置それぞれの光学中心の位置関係を座標データとして記憶し、該座標データに基づいてステージを上記３つの光学中心間で移動させて試料上の特定の箇所を３つの観察装置で個別に観察を行うことを可能としている。
【０２１２】
図２１及び図２２は、本発明の第２の態様の試料観察装置を用いて観察を実行する際の手順を例示により説明するための図で、以下に説明するように、これらの試料観察方法は、下記の各ステップを備えている。
【０２１３】
すなわち、本発明の第２の態様の試料観察方法は、試料載置面であるＸＹ面内の回転並びにＸ方向及びＹ方向の移動が可能なステージ上に特定のパターンの配列を有する試料を載置し、該特定のパターンの配列を含む領域を光学顕微鏡観察して該特定のパターンの配列方向が前記Ｘ方向又は前記Ｙ方向となるように前記ステージ上の試料位置を調整するステップ（ａ）と、本発明の第１の態様の試料観察方法として既に説明した手法により試料の特定のパターンの配列を含む領域のミラー電子画像を得て、上記特定のパターンの配列の方向をミラー電子画像のＸ方向又はＹ方向に一致させるとともに上記特定のパターンがミラー電子画像のフレームの中央にくるようにミラー電子の検出系を調整するステップ（ｂ）と、上記試料の特定のパターンを含む領域をＳＥＭ観察し、該試料の特定のパターンがＳＥＭ画像の所定の中央にくるようにＳＥＭ型観察装置の光学系を調整するステップ（ｃ）と、上記ステップ（ａ）、ステップ（ｂ）、ステップ（ｃ）の調整後の各ステージの位置座標を相互に対応づけ、これら３つの位置座標の何れか１つから他の２つの位置座標の少なくとも一方を算出するステップ（ｄ）とを備えている。
【０２１４】
なお、図２１及び図２２に示した態様では、上述のステップ（ａ）、ステップ（ｂ）、ステップ（ｃ）、及び、ステップ（ｄ）が、この順に実行される。
【０２１５】
図２１を参照すると、先ず、観察対象であるパターンを有する試料をステージ３０上に載置して観察をスタートする（Ｓ１０1）。次に、光学顕微鏡（ＯＭ）１１０によりステージ３０上の試料２０の位置を確認し（Ｓ１０２）、ステージ上の試料位置が適正であるか否かを判断し（Ｓ１０３）、必要であれば（Ｓ１０３：Ｎｏ）、回転ステージ３０ｂにより試料位置を調整する（Ｓ１０４）。
【０２１６】
図２３（ａ）は、ＯＭ観察開始時のステージ３０上の試料２０を示している。この試料２０には、縦横方向（Ｘ方向又はＹ方向）に延在するライン・アンド・スペースパターンのほかに、当該ライン・アンド・スペースパターンの延在方向と平行又は垂直な方向に、アライメント用として「＋」パターンが３つ配列されている。
【０２１７】
この状態の試料は、アライメント用の「＋」パターンの配列方向が、ＸＹステージ３０ａの移動方向（ここではＹ方向）とはθｓだけずれている。このような載置状態では、他の観察装置である写像投影型観察装置及びＳＥＭ型観察装置で同一箇所を観察しようとしても位置合わせ（アライメント）が容易ではなく精度も低くなってしまう。そこで、回転ステージ３０ｂをθｓだけ反時計回りに回転させて試料上のパターンの方向をＸＹステージ３０ａの移動方向に合わせる。
【０２１８】
図２３（ｂ）は、上記位置合わせ後のステージ３０上の試料２０を示しており、アライメントの精度は、例えば、１／１００〜１／１０００００ラジアン（ｒａｄ）とすることができる。
【０２１９】
この状態で、例えば図２３（ｂ）中の３つの「＋」パターンの中央のものに注目してこの「＋」パターンが光学顕微鏡の光学中心に位置するようにステージ位置を調整する。そして、当該位置調整後のステージ位置から光学顕微鏡の光学中心位置の座標（ｘｏ，ｙｏ）を求める。
【０２２０】
このような試料位置のアライメントは、パターンマッチングなどの画像処理によって行うようにしてもよい。画像処理を利用した場合のアライメント精度は、１／１０〜１／１００ピクセル（Ｐｘ）とすることができる。また、このような画像処理は、例えば、光学顕微鏡１１０で得られたＯＭ画像を画像処理装置９０で処理させるようにしてもよく、当該画像処理結果に基づいて制御部１００内に設けられたアライメント部によりステージの調整を行わせるようにしてもよい。
【０２２１】
次に、写像光学系検出器７０の調整を行う。具体的には、検出器７０のセンサの画素配列方向を確認し（Ｓ１０５）、センサの画素配列方向がステージ３０の移動方向（Ｘ方向又はＹ方向）に一致しているかどうかを判断し（Ｓ１０６）、必要であれば（Ｓ１０６：Ｎｏ）、検出器７０のθｔ調整を行う（Ｓ１０７）。
【０２２２】
図２４は、上述の手順でアライメントが終了した後の試料上のパターンの延在乃至配列方向（図２４（ａ））、アライメント前の検出器７０のセンサの画素配列方向（図２４（ｂ））、及び、アライメント後の検出器７０のセンサの画素配列方向（図２４（ｃ））の相互の関係を説明するための図である。
【０２２３】
検出器７０のセンサの電子検出面７１には、ｐ１１〜ｐｍｎのｍ×ｎ個の画素が設けられているとする。このとき、検出器７０のアライメント前の状態では、画素の配列方向（例えば、ｐ１１〜ｐ１ｍ及びｐ１１〜ｐｍ１）は、パターンの延在方向に一致しておらず、画素の配列方向はアライメント用の「＋」パターンの配列方向とθｔだけ傾いている（図２４（ｂ））。
【０２２４】
このような状態は、写像光学系検出器の回転角θｔは不適正と判断され（Ｓ１０６：Ｎｏ）、検出器７０のθｔ調整を実行して、画素の配列方向をアライメント用の「＋」パターンの配列方向に一致させる（図２４（ｃ））。
【０２２５】
図２５は、上記検出器７０のアライメント終了後の試料上のパターンの延在乃至配列方向（図２５（ａ））、アライメント前の検出器で得られたアライメント用「＋」パターンのミラー電子画像の様子（図２５（ｂ））、及び、アライメント後の検出器で得られた上記パターンのミラー電子画像の様子（図２５（ｃ））の相互の関係を概念的に説明するための図である。
【０２２６】
アライメント前の検出器（図２４（ｂ））で得られたミラー電子画像では、検出器の画素の配列方向がパターンの延在方向とθｔだけ傾いているために、得られるパターン像及びその配列方向も当該、ステージの移動方向（ここではＹ方向）に対してθｔだけ傾いてしまう（図２５（ｂ））。
【０２２７】
これに対し、アライメント後の検出器（図２４（ｃ））で得られたミラー電子画像では、検出器の画素の配列方向をパターンの配列方向に一致させたため、得られるパターン像の配列方向はステージの移動方向（ここではＹ方向）に一致している（図２５（ｃ））。
【０２２８】
上述のとおり、試料位置は既に、１／１００〜１／１０００００ラジアン（ｒａｄ）程度の高い精度でアライメントされている。この状態でステージをＹ方向に移動させ、それに同期させてパターンのミラー電子画像を取得し、当該ミラー電子画像が最も良好となる状態（例えば、コントラストが最大となる状態）に検出器の回転角θｔを調整する。このような検出器のアライメントの精度は、試料位置調整と同様に、例えば、１／１００〜１／１０００００ラジアン（ｒａｄ）とすることができる。
【０２２９】
なお、上述のアライメントには、これまでの説明のように、特別なアライメント用パターン（マークを含む）を用いてもよいが、例えば上記例の試料上に設けられているライン・アンド・スペースパターンをアライメント用に併用してもよい。
【０２３０】
次に、上述の検出器のθｔ調整に続き、試料位置のアライメントで用いた「＋」パターンやマークがミラー電子画像のフレームの中心にくるように、写像投影型観察装置の光学系の調整を行う。
【０２３１】
具体的には、検出器のθｔ調整を終了した後に、ミラー電子画像の画像フレームの中心座標の確認を行う（Ｓ１０８）。ミラー電子画像は２次元の連続像であるので、画像処理により、連続像をフレームに分割することができる。例えば、１０００×１０００Ｐｘ、２０００×２０００Ｐｘ、或いは４０００×４０００Ｐｘ等を１つのフレームとするようにミラー電子画像のフレーム分割を行うことができる。
【０２３２】
図２６は、上記検出器７０のアライメント終了後の試料上のパターンの延在乃至配列方向（図２６（ａ））、アライメント後の検出器で得られたアライメント用「＋」パターンのミラー電子画像の様子（図２６（ｂ））、及び、画像フレームの中心座標のアライメントを実行した後のアライメント用「＋」パターンのミラー電子画像の様子（図２６（ｃ））の相互の関係を概念的に説明するための図である。
【０２３３】
図２６（ｂ）に示した例では、３つのアライメント用「＋」パターンは、第１、第３、及び、第５の画像フレーム中に映し出されているが、これらのパターンの中心は画像フレームの中心からずれている。このような状態では画像フレームの中心座標は不適正と判断され（Ｓ１０９：Ｎｏ）、画像フレームのｘｙ座標の調整が実行され（Ｓ１１０）、図２６（ｃ）に図示したような適正状態となるようにアライメントされる。
【０２３４】
画像フレームの中心位置のＸ方向の調整は、写像投影型観察装置の光学系を微調整する等により行うことができる。この場合、１／１０Ｐｘ〜１０Ｐｘ程度の精度での調整が可能である。
【０２３５】
また、画像フレームの中心位置のＹ方向の調整は、Ｘ方向の調整と同様に写像投影型観察装置の光学系を微調整する等により行うことができるが、フレーム分割の位置を変更することによっても可能である。後者の調整は画像処理装置９０に入力するパラメータの変更により容易に実行できる。
【０２３６】
このようなアライメントを行った状態で、試料位置調整で用いた３つの「＋」パターンの中央のものに注目してこの「＋」パターンが写像投影型観察装置の光学中心に位置するようにステージ位置を調整する。そして、当該ステージ位置から写像投影型観察装置の光学中心位置の座標（ｘｔ，ｙｔ）を求める。
【０２３７】
これに続いて、少なくとも上記３つの「＋」パターンの中央のものが含まれる領域をＳＥＭ観察し、中央の「＋」パターンがＳＥＭ観察像中の概ね中心の位置にあることを確認する。つまり、当該中央の「＋」パターンがＳＥＭ型観察装置の光学中心位置にあることの確認を行う（Ｓ１１１）。そして、このときのステージの位置からＳＥＭ型観察装置の光学中心の座標（ｘｓ，ｙｓ）を求め、既に求められている光学顕微鏡及び写像投影型観察装置の光学中心の座標とともに、相互の位置関係としての座標データとして記憶する（Ｓ１１２）。
【０２３８】
なお、ＳＥＭ型観察装置の光学中心の位置（ｘｓ，ｙｓ）と他の光学中心の位置（ｘｏ，ｙｏ）及び（ｘｔ，ｙｔ）との関係をより高い精度で決定する場合には、上述の３つの「＋」パターンのうちの中央の「＋」パターンがＳＥＭ観察像中の中心にくるようにＳＥＭ型観察装置の光学系を調整すればよい。
【０２３９】
この場合、図２２に示したように、上述のステップＳ１１１に続き、ＳＥＭの光学中心の座標と光学顕微鏡及び写像投影型観察装置の光学中心の座標との関係が所望する高い精度で求められているかどうかを判断し（Ｓ１１３）、不十分と判断した場合には（Ｓ１１３：Ｎｏ）、上述のＳＥＭの光学中心調整を実行する（Ｓ１１４）。
【０２４０】
このような光学系の調整は電磁レンズ（偏向器）の調整により行うことができる。偏向器として８極以上のものが用いられている場合には、１／１０００〜１／１０００００ｒａｄ程度の高い精度での偏向角度制御が可能である。
【０２４１】
本発明の第２の態様の試料観察装置は、検査装置としての利用も可能である。例えば、上述の構成の試料観察装置に設けられている画像処理部により、ミラー電子画像に基づいて試料上のパターンの検査を行うことができる。
【０２４２】
このような試料検査装置は、画像処理部に演算部を設け、パターン検査で判定されたパターン不良個所をＳＥＭ観察して欠陥の真偽判定を行う構成としてもよい。
【０２４３】
また、上記演算部を用いて、真の欠陥と判定されたパターン不良個所の欠陥種の分類を行わせるようにしてもよい。
【０２４４】
更に、上記演算部を用いて、真の欠陥と判定されたパターン不良個所の座標ファイルを、光学顕微鏡像、ミラー電子画像、及び、ＳＥＭ画像の少なくともひとつの画像と対応づけて作成させるようにしてもよい。
【０２４５】
このような態様に加え、試料クリーニング機能を有する試料観察装置とすることも可能である。
【０２４６】
図２７は、上述した本発明の第２の態様の試料観察装置に試料クリーニング機能を付加した装置の構成を概念的に説明するための図で、この装置には、試料２０の表面に付着した汚染物を除去するためのクリーニング用ガスを供給するガス供給部１５０と、クリーニング用ガスをメインチャンバ２２内へと導くガス導入部１６０とを備えており、流量調整部１７０で流量調整されたクリーニング用ガスはガス導入部１６０の先端に設けられたノズル１８０から、試料の表面に向けて射出される。
【０２４７】
一般に、ＳＥＭ観察を行うと、試料表面にはカーボンなどの汚染物が付着する。このような汚染物は本来、観察対象試料とは無関係なものであるが、このような汚染物が電子線照射等により特定の形状を有する偽欠陥となる可能性がある。そこで、図２７に示した態様の試料観察装置では、メインチャンバ２２内にクリーニング用ガスを導き、ＳＥＭ観察を行いながら、或いは、写像投影型観察装置に設けられている電子ビーム照射系を利用して、上記汚染物の除去を可能としている。
【０２４８】
クリーニング用ガスとしては、汚染物と反応して除去作用を奏するガス又は前記電子ビームの照射を受けて前記除去作用を奏するガスを用いることができる。
【０２４９】
例えば、メインチャンバ２２内に酸素ガスや酸素とアルゴンの混合ガス、或いはＳＦ６等のフッ素系ガスを導入した状態でＳＥＭ観察を行う。ＳＥＭ観察中に試料上には汚染物が付着するが、このような汚染物はメインチャンバ２２内に導入されている上記ガスと反応して昇華性のガス（例えば、ＣＯガスやＣＯ２ガス）などに変化し、試料表面から除去されることとなる。
【０２５０】
このほかにも、例えば、ＳＥＭ観察を行った後に写像投影型観察装置の電子ビーム照射系から面ビームを試料上に照射し、広範囲にわたってクリーニングを行うことも可能である。面ビームの試料上での照射面積が例えば２００×２００μｍ２である場合、３０ｍｍ／ｓの速度でステージを移動させると、１００×１００ｍｍ２の面積範囲のクリーニングを約３０分で完了することができる。
【０２５１】
以上に本発明の実施の形態について説明した。本発明によれば、ランディングエネルギーを適切に調整することにより、試料の微細なパターンのコントラストを増大でき、したがって、微細なパターンを観察できる。
【０２５２】
本発明は、特に、両側にエッジがあるために凹パターンではミラー電子が生じやすいというミラー電子発生現象の特性に着目している。このような特性は従来はパターン観察に活用されていなかった。凹パターンでのミラー電子発生量は、電子ビームのランディングエネルギーに依存する。そこで、凹パターンにて照射電子が効率よくミラー電子になるように、ランディングエネルギーが設定される。これにより、凹パターンでの解像度とコントラストを増大でき、微細なパターンの観察が可能になる。
【０２５３】
本発明の技術は、ランディングエネルギーを相当に低い値に設定する。そこで、本発明の観察技術は、低ランディングエネルギー技術と呼んでよい。
【０２５４】
本発明は、上記の低ランディングエネルギー技術を写像投影型観察装置に適用している。これにより、微細なパターンを短時間で観察することができる。
【０２５５】
また、低ランディングエネルギーは、具体的には、ミラー電子と２次放出電子が混在する遷移領域に設定されてよい。また、ランディングエネルギーＬＥは、ＬＥＡ≦ＬＥ≦ＬＥＢ＋５ｅＶに設定されてよい。このような設定により、パターン部分でミラー電子が発生しやすくなり、画像でのパターンのコントラストを増大できる。
【０２５６】
また、本発明では、上述にて詳細に説明したように、アパーチャのサイズ、位置及び形状が好適に調整され、これにより、画像中のパターンのコントラストを更に増大することができる。
【０２５７】
また、本発明では、写像投影型観察装置とＳＥＭが同一チャンバに備えられ、同一ステージを使用し、複合型の観察装置を構成する。これにより、２種類の検査を連続して行うときに、位置決めの時間が短くなり、かつ、位置決め精度が大幅に増大する。したがって、迅速かつ高精度な観察が可能になる。
【０２５８】
さらに、本発明の第２の態様の試料観察方法及び装置では、光学顕微鏡による試料観察、ミラー電子画像による試料観察、及び、ＳＥＭ画像による試料観察で得られた各画像が観察対象試料のどの位置に対応しているのかを相互に対応付けることとしたので、上記３つの観察方法のうちのある方法で特定された観察目的個所を他の観察方法で観察しようとした場合でも、上記観察目的箇所を迅速かつ正確に特定することが可能となる。
【０２５９】
以上に本発明の好適な実施の形態を説明した。しかし、本発明は上述の実施の形態に限定されず、当業者が本発明の範囲内で上述の実施の形態を変形可能なことはもちろんである。
【産業上の利用可能性】
【０２６０】
以上のように、本発明にかかる試料観察技術は、半導体のウエハ又はマスクなどの検査において有用である。
【符号の説明】
【０２６１】
１０  試料検査装置
１２  試料キャリア
１４  ミニエンバイロメント
１６  ロードロック
１８  トランスファーチャンバ
２０  試料
２２  メインチャンバ
２４  電子コラム
２６  真空制御系
２８  除振台
３０  ステージ
４０  １次光学系
４１  電子銃
４２、４５、４７、４９、５０、６１、６３  レンズ
４３、４４、４８、６２  アパーチャ
６０、６０ａ  ２次光学系
６４  アライナ
６５  ＥＢ−ＣＣＤ
６６  ＸＹステージ
６７、６８  開口
６９、６９ａ、６９ｂ、１６９  アパーチャ孔
７０  検出器
９０  画像処理装置
１００  制御部
１１０  光学顕微鏡
１２０  ＳＥＭ
１３０  電子光学系制御電源
１４０  システムソフト
１５０  ガス供給装置
１６０  ガス導入部
１７０  流量調整部
１８０  ノズル
２００  アパーチャ調整機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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