(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を搭載する回転ステージと、
該回転ステージを一軸方向へ移動させる一軸移動ステージと、
該一軸移動ステージを内蔵する真空室と、
前記試料へ光または荷電粒子ビームを照射して前記試料上の欠陥を検出する第一のカラムと、
該第一のカラムで検出された前記欠陥の座標に基づいて前記試料に荷電粒子ビームを照射し該欠陥を再検出する第二のカラムとを備え、
前記欠陥を検出する検出器の検出面の方向は、それぞれのカラムの中心へ向いており、
前記試料は観察対象面に凸形または凹形が存在するものであって、
前記第一のカラムで撮像された前記試料の画像と前記第二のカラムで撮像された前記試料の画像とが同じ向きになるように、前記回転ステージの回転量に基づいて決定された回転角度で、前記第一のカラムまたは前記第二のカラムで撮像した画像を回転させることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
【請求項２】
試料を格納する真空容器と、
前記試料へ光または荷電粒子ビームを照射して前記試料を第一検出器からの画像信号に基づき撮像する第一のカラムと、
該第一のカラムで撮像された前記試料の画像に基づいて前記試料に荷電粒子ビームを照射し第二検出器からの画像信号に基づき前記撮像位置の画像の再撮像あるいは加工を行う第二のカラムとを備えた荷電粒子ビーム装置であって、
前記真空容器内に設けられ、前記試料を載置する回転ステージと、
前記真空容器内に設けられ、当該回転ステージを一軸移動させる一軸移動機構とを備え、
前記第一検出器の検出面の方向は、第一のカラムの中心へ向いており、
前記第二検出器の検出面の方向は、第二のカラムの中心へ向いており、
前記試料は観察対象面に凸形または凹形が存在するものであって、
前記第一のカラムで撮像された前記試料の画像と前記第二のカラムで撮像された前記試料の画像とが同じ向きになるように、前記回転ステージの回転量に基づいて決定された回転角度で、前記第一のカラムまたは前記第二のカラムで撮像した画像を回転させることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の荷電粒子ビーム装置において、
前記凸形または凹形に対する前記第一のカラムに備えられた検出器の向きと前記凸形または凹形に対する前記第二のカラムに備えられた検出器の向きとが一致するように、前記第一のカラムに備えられた検出器と前記第二のカラムに備えられた検出器とが配置されていることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビームやイオンビームなどの荷電粒子ビームを用いて試料の観察や加工を行う荷電粒子ビーム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
荷電粒子ビーム装置の観察対象のうち、特に、半導体デバイスは、形成される回路パターンの微細化により、光学方式の高感度化に加えて、荷電粒子ビームによる検査法や加工法が注目されている。検査では走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を応用した検査装置が開発されている。半導体デバイスが形成される半導体ウエハの検査では、光学像または荷電粒子ビーム走査像による欠陥検出、その欠陥を観察して分類するレビューＳＥＭ、パターンの寸法を検査する測長ＳＥＭが使用される。また、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）による欠陥部の加工処理、ＳＥＭによる試料の傾斜観察やＸ線分析等多様な技術が開発されている。半導体デバイスは、その構造や材料の複雑化により、複数の検査方式を混用して検査データを整理することが一般的になってきており、複数の検査機能を一台の装置にまとめる技術も提案されている（例えば、特許文献１参照）。一方、半導体ウエハの径がますます大きくなっており、特に、荷電粒子ビーム方式は真空容器を必要とするため、装置を大型化せざるをえない。以上の状況は、検査システムのコストアップや大型化によるスループットの低下、複雑な検査プロセス間のウエハ搬送による異物付着リスク増加等、本来もっとも重要な検査信頼性までも低下させている。特に、電子ビームやイオンビーム装置では、位置決めステージの大型化による駆動抵抗や残留振動の増加により、精度の低下や移動時間の増加に加えて、真空排気時間の増加もスループット低下をもたらす。また、装置のユーザにとっても、高価なクリーンルームに大型真空容器を要する検査装置を設置することは、コスト上の大きな負担となってきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２９４４８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、試料の欠陥を検査する装置において、装置が小型化できて省スペース，コストダウン，振動抑止と高速化，検査の信頼性が得られ、特に大口径化したウエハの場合に効果が大きい荷電ビーム検査装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の実施態様は、少なくとも一つ以上の検査を荷電ビーム機構で行う複数の検査機構を具備し、各検査機構を概略一軸に配する共通の真空容器内に設けられた各検査機構間を一軸移動する一軸移動機構と、試料を載置し一軸移動機構上に回転軸を有した回転ステージと、試料を各検査機構間で一軸移動機構により移動させ、次に回転ステージで試料の検査位置を検査機構へ調整して合わせ、検査機構により試料の検査を行う構成としたものである。
【発明の効果】
【０００６】
以上述べたように、本発明の実施例によれば、装置が小型化できて省スペース，コストダウン，振動抑止と高速化，検査の信頼性が得られ、特に大口径化したウエハの場合に効果が大きい荷電ビーム検査装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】荷電粒子ビーム装置の概略構成を示す縦断面図。
【図２】荷電粒子ビーム装置の概略構成を示す縦断面図。
【図３】荷電粒子ビーム装置の概略構成を示す縦断面図。
【図４】荷電粒子ビーム装置の概略構成を示す縦断面図。
【図５】荷電粒子ビーム装置の概略構成を示す平面断面図。
【図６】ステージ上のウエハの移動状態を説明する平面図。
【図７】ウエハの平面図。
【図８】ウエハ上の観察対象を拡大した平面図と側面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の一実施例を説明する。半導体ウエハの大口径化，検査プロセスの複合化に対応するため、複数の検査機構を同一の真空容器に設け、試料の移動には回転ステージと一軸ステージ移動機構系を用いる。すなわち、各検査機構間を一軸移動機構で試料移動し、試料ウエハ上の検査位置決めは、回転ステージと一軸移動ステージを共用して行う。これにより、真空容器を、従来のＸＹ移動ステージに比べて半分以下の大きさとし、可動部の重量増加を抑えることができ、小型化できるので、省スペースの効果と、コストダウンの効果がある。また、２つの装置をひとつにまとめることにより、装置間のウエハの移動時の異物付着等を防止することができる。さらに、回転ステージにより、不要振動を抑えることができるので、高速な位置決めが可能となる。また、各検査機構の画像情報とその付帯情報である欠陥の座標，高さ，サイズ，画像のコントラストを共有化して、欠陥検査や寸法計測の信頼性や操作性も改善される。特に、外径４５０ミリメートル等の大径ウエハの場合に、効果が顕著である。
【０００９】
図１は、荷電粒子ビーム装置の概略構成を示す縦断面図である。試料であるウエハ８を入れる真空容器１２ひとつに対して、２つの荷電粒子ビームカラムを設けている。ひとつは、電子ビームをウエハ８に照射し、ウエハ８で発生する二次信号を検出して欠陥を検出する欠陥検査ＳＥＭ、ひとつは、検査ＳＥＭで検出された欠陥を拡大撮像して、欠陥の特徴量から分類する欠陥レビューＳＥＭである。ウエハ８は、真空容器１２内の回転ステージ１０，一軸移動ステージ１１により、はじめに欠陥検査ＳＥＭのカラムの下に位置決めされる。
【００１０】
欠陥検査ＳＥＭは、電子ビームのスポットサイズが小さいにもかかわらず、ウエハ８の全表面を検査対象とすることから、ひとつの画面を構成するための電子ビームの走査回数を減らして高速化するため、大電流の電子ビームでウエハ８を照射する。大電流の電子源１ｂから発した電子を、第一照射レンズ２ｂと制限絞り３ｂで絞り込む。更に、電子ビームの収束角が第二照射レンズ４ｂで調整され、最終的に対物レンズ７ｂでウエハ８に結像される。ここで、偏向器６ｂでビーム走査し、検出器５ｂで画像信号を得、試料面の欠陥情報を得る。欠陥検査ＳＥＭでは、試料面の帯電や放出電子軌道を制御するための制御電極１３が設置され、帯電等による電位コントラスト，絶縁状態，異物，パターン異常等がある所定の感度で検知される。
【００１１】
次に、検査を終了したウエハ８は、回転ステージ１０ごと一軸移動ステージ１１が駆動系９により駆動されて、真空容器１２内の欠陥レビューＳＥＭの下に移送される。欠陥検査ＳＥＭで得た欠陥の座標，サイズ，画像のコントラスト等の欠陥情報は、図示しない記憶装置へ記憶され、欠陥レビューＳＥＭで欠陥を探索するときの検索情報として使用される。
【００１２】
欠陥レビューＳＥＭは、電子源１ａから発した電子を第一照射レンズ２ａと制限絞り３ａで絞り込む。更に電子開き角が第二照射レンズ４ａで調整され、最終的に対物レンズ７ａでウエハ８に結像して偏向器６ａで走査し、検出器５ａで走査画像を得る。欠陥レビューＳＥＭは、欠陥検査ＳＥＭで取得した欠陥情報に基づいて、欠陥の座標を手がかりに欠陥を探索し、欠陥を見つけたらその拡大画像を撮像する。欠陥の画像に基づいて、図示しない演算装置で欠陥の種類の分類が行われる。ユーザはこの欠陥に関する情報に基づいて、欠陥が発生したプロセスの特定や欠陥発生原因の究明が可能となる。
【００１３】
このように、図１に示した構成によれば、ウエハ８の欠陥検出から欠陥分類までの一連の動作が無駄なく高速に、低リスクで実現できる。また、欠陥検査ＳＥＭでは、欠陥がない参照画像と検査画像との差をとる比較処理により、欠陥を抽出するため、画像のノイズなどで欠陥でない画素が欠陥として検出される場合がある。そこで、欠陥レビューＳＥＭで欠陥が抽出できない欠陥座標について、欠陥検査ＳＥＭで再度検査することも容易にできる。
【００１４】
図２は、荷電粒子ビーム装置の概略構成を示す縦断面図であり、欠陥レビューＳＥＭと傾斜像観察用ＳＥＭとをひとつの真空容器１２に設けたものである。図２の向かって左側の欠陥レビューＳＥＭは、図１に示したものと同様の構成，機能を有している。向かって右側の傾斜像観察用ＳＥＭでは、電子源１ｃから発した電子を第一照射レンズ２ｃと制限絞り３ｃで絞り込む。更に、電子ビームの開き角が第二照射レンズ４ｃで調整され、最終的に対物レンズ７ｃでウエハ８に結像して、偏向器６ｃで電子ビームが走査され、検出器５ｃで走査画像信号を得る。検出器５ｃに加えて、試料面欠陥の材料を分析するため、Ｘ線検出器を用いることもできる。
【００１５】
検査プロセスでは、はじめに、上のウエハ８は、欠陥レビューＳＥＭの偏向器６ａで電子ビームが高速にビーム走査され、得られた欠陥画像により欠陥種が分類され表示される。欠陥レビューを終了したウエハ８は、一軸移動ステージ１１上の回転ステージ１０の移動により、傾斜像観察用ＳＥＭの下に移動される。また、欠陥レビューＳＥＭで得られた欠陥のサイズ，座標，画像のコントラスト等の欠陥情報が傾斜像観察用ＳＥＭの図示しない制御装置へ送られる。傾斜像観察用ＳＥＭは、ウエハ８に対して傾斜した電子ビームを照射し、欠陥の凹凸解析や成分が分析され、詳細情報を得ることができる。なお、ウエハ８の周辺端部は、剥離等の欠陥が生じ易いので、傾斜像観察用ＳＥＭでは、欠陥の傾斜像観察の他、ウエハ８の周辺端部の状態も観察することができる。
【００１６】
図３は、荷電粒子ビーム装置の概略構成を示す縦断面図であり、向かって左側に欠陥レビューＳＥＭ、右側に集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）をひとつの真空容器１２に設けている。欠陥レビューＳＥＭは、図１に示したものと同様の構成，機能を有している。ＦＩＢは、イオン源１ｄから発したイオンを、静電照射レンズ２ｄとイオン電流制限絞り３ｄで絞り込む。更に、イオンビームを静電対物レンズ７ｄでウエハ８に結像させ、偏向器６ｄで走査し、イオン放出電子検出器５ｄで画像信号を得る。
【００１７】
検査プロセスでは、回転ステージ１０上のウエハ８は、欠陥レビューＳＥＭで得られた欠陥の画像により、欠陥の種類が分類される。欠陥レビューを終了したウエハ８は、一軸移動ステージ１１上の回転ステージ１０の移動により、ＦＩＢの下に移動される。また、欠陥レビューＳＥＭで得られた欠陥のサイズ，座標，画像のコントラスト等の欠陥情報がＦＩＢの図示しない制御装置へ送られる。ＦＩＢでは、欠陥の発生部位を切り出して、欠陥部位の三次元の構造やＸ線分析による観察を行う。
【００１８】
図４は、荷電粒子ビーム装置の概略構成を示す縦断面図であり、欠陥レビューＳＥＭと光学式検査装置とを、ひとつの真空容器１２に設けたものである。図４の向かって右側の光学式検査装置では、光源１ｅから発した光を制限絞り３ｅと光学顕微鏡１４でウエハ８に結像し、光検出器５ｅで画像信号を得る。欠陥レビューＳＥＭより光学式検査装置の方が拡大倍率が低いので、はじめに光学式検査装置でウエハ８の全面の欠陥検査を行い、検出された欠陥の座標に基づいて、欠陥レビューＳＥＭで欠陥の拡大像を撮像し、詳細な観察を行う。光学式検査装置の構成は、明視野方式と暗視野方式とがあり、暗視野方式では光源としてレーザビームが用いられる。また、パターンが形成される前のウエハ８の欠陥検査では、光学式検査装置と欠陥レビューＳＥＭとが別々の装置の場合には、両装置間の座標の補正精度が低く、光学式検査装置で検出された欠陥を欠陥レビューＳＥＭで再検出するのが困難であるが、本装置では、ひとつの真空容器１２に光学式検査装置と欠陥レビューＳＥＭの両方を設け、ステージを共通化しているので、座標の誤差の問題がなくなり、光学式検査装置で検出された欠陥を欠陥レビューＳＥＭで容易に再検出することができる。
【００１９】
図５は、本発明による荷電粒子ビーム装置の概略構成を示す平面断面図であり、図１に示した構成の平面断面図を一例としており、欠陥レビューＳＥＭの検出器５ａと偏向器６ａ，欠陥検査ＳＥＭの検出器５ｂと偏向器６ｂとを図示している。真空容器１２の内側の平面形状は、短辺がウエハ８の外形に余裕代を加算した寸法とし、長辺が、ウエハ８の外形の２倍に余裕代を加算した寸法とする。ウエハ８は、真空容器の内部を、図示しない一軸移動ステージ１１で長手方向へ移動し、図示しない回転ステージ１０で回転する。計算機１９は、電子ビームの制御と、得られた画像の処理の両方を制御する。計算機１９から送られた電子ビームのディジタル偏向データから、偏向制御回路１７でディジタル偏向制御データが生成され、偏向駆動回路１８でアナログ偏向制御信号へ変換され、偏向器６ａまたは偏向器６ｂへ送られる。また、計算機１９は、ステージの制御データをステージ制御回路２０へ送り、ステージ制御回路２０からステージ駆動信号がステージ駆動回路２１へ送られ、図示しない回転ステージ１０と図示しない一軸移動ステージ１１が駆動される。
【００２０】
はじめに、欠陥検査ＳＥＭでウエハ８の欠陥検出を行い、欠陥検査ＳＥＭの検出器５ｂで検出された信号は、信号処理回路１６でアナログ信号からディジタル信号へ変換され、画像処理回路１５で画像化され、欠陥のない参照画像と比較されて欠陥検出が行われ、結果のデータが計算機１９へ送られ、図示しない記憶装置へ記憶される。次に、ウエハ８が欠陥レビューＳＥＭへ移動し、記憶された欠陥の座標の位置で欠陥を見つけ出すように、ウエハ８が位置決めされる。検出器５ａで検出された信号を画像処理回路１５で画像化し、欠陥のない参照画像と比較して欠陥を検出する。あるいは、記憶された欠陥検査ＳＥＭの画像と比較して欠陥を検出する。ステージの移動時の機械的誤差に起因する欠陥の位置ずれが、画像処理回路１５で補正できない場合は、偏向制御回路１７で電子ビームの偏向を調整したり、ステージ制御回路２０でウエハ８の位置を調整して、補正する。欠陥が検出されたら、欠陥レビューＳＥＭは拡大倍率を変えて、高倍率画像を撮像し、その画像を計算機１９の図示しない記憶装置へ記憶する。計算機１９はこの高倍率画像から欠陥の寸法，形状等の特徴量を演算し、欠陥を分類する。このステップは、欠陥の数だけ、あるいは指定された条件の数だけ繰り返される。欠陥の位置ずれについては、複数の位置ずれ情報を、計算機１９の図示しない記憶装置へウエハ位置歪情報として記憶し、多項式近似やメモリマッピング値の内挿計算等の技術で高精度な補正が可能である。また、計算機１９では、欠陥検査ＳＥＭの画像取得時の電子ビームの焦点合わせの情報に基づいて、欠陥レビューＳＥＭの電子ビームの焦点合わせの制御を行う。
【００２１】
図１に示した一軸移動ステージ１１の移動は、既知の図示しないレーザ干渉計で検知され、回転ステージ１０の回転は、既知の図示しない角度スケール読み装置で検知され、位置の振動を含めた位置補正や、回転角補正がステージ制御回路２０で行われる。
【００２２】
なお、図５に示した回路構成は、欠陥検査ＳＥＭと欠陥レビューＳＥＭの画像処理回路１５，信号処理回路１６，偏向制御回路１７，偏向駆動回路１８を共用としているが、２系統設けることにより、制御アルゴリズムの簡単化と高速化、一方に不具合が生じた場合の代行化をはかることができる。
【００２３】
図６は、ステージ上のウエハの移動状態を説明する平面図である。距離Ｌは、２つのＳＥＭのカラムの中心位置の間の距離であり、真空装置１２内を一軸移動したときの最も端にウエハ８が位置したときの位置を破線で示している。本発明における回転ステージ系の大きな利点は、小型軽量でかつ厳密な回転対称形にすれば、移動時の運動モーメントによる振動が原理的にない点である。その代わり、図６に示すとおり、観察位置では、座標系の回転が発生する。したがって、正立像とするための処理が必要となる。
【００２４】
ウエハ上の直交座標をＸ，Ｙとし、極座標をｒ，θとし、図６で、ウエハ８が観察位置にあるものとする。直交座標（Ｘ，Ｙ）と極座標（ｒ，θ）の関係は、下記で与えられる。
【００２５】
Ｘ＝ｒcosθ
Ｙ＝ｒsinθ
ステージ上の基準直交座標（Ｘ′，Ｙ′）を基準とした回転系のステージ移動量は、下記で与えられる。
【００２６】
Ｘ′＝ｒ
θ′＝π−θ
以上の各式を用いて、欠陥の座標の補正が行われる。
【００２７】
図７は、ウエハの平面図であり、ウエハの回転を考慮した画像の取り込みの処理の一例を示す。極座標（ｒ，θ）での電子ビームの偏向範囲２３で、ウエハ上のパターン２２を撮像する。欠陥検査ＳＥＭで、パターン２２を直交座標（Ｘ，Ｙ）で撮像された像は、図７（ｃ）に示す向きであるので、図７（ａ）に示す欠陥レビューＳＥＭの場合でも、図７（ｃ）に示すような撮像範囲２４の正立像を得るためには、画像を下記の大きさだけ回転させる必要がある。
【００２８】
θ″＝π＋θ
したがって、図７（ｂ）に示すように、偏向範囲２３を撮像範囲２４を含むような大きさとして画像を得て、図７（ｃ）に示すように回転させる。画像の回転方法は、電子ビームの走査方向を変える方法と、画像処理で回転させる方法とが可能である。
【００２９】
図８は、ウエハ上の観察対象を拡大した平面図と側面図である。ＳＥＭで検出された画像は、図８（ａ）に示すように、観察対象２５に陰が生じるので、回転しないＸＹステージを用いた欠陥検査ＳＥＭと欠陥レビューＳＥＭ同士では、欠陥に対する検出器のＸＹ平面上の向きを一致させて、陰が同じように生じるように撮像する必要がある。立体的な観察対象で高角度電子を捕らえる場合は、その明暗や陰影方向が回転し、観察対象の凹凸が分類するときの情報として重要な場合があり、その判断を誤らせる可能性があるので、注意が必要である。図８（ｂ）の側面図に示すように、ウエハ８上の撮像範囲２４の凸形の観察対象２５を、検出器５ｂで撮像する場合、図８（ａ）の平面図に示すように、観察対象２５に陰が生じた画像が得られる。本発明の構成では、図５に示すように、検出器５ａおよび検出器５ｂの方向が、一点鎖線で示すそれぞれのカラムの中心に一致しているので、それぞれのカラムの間で画像に生じる観察対象の陰の方向が異なることはない。
【００３０】
以上述べたように、本発明の実施例によれば、装置の小型化と省スペース，コストダウン，振動抑止と異物低減による高信頼化を可能とし、特に大口径化したウエハの荷電ビーム検査装置に効果が顕著である。
【符号の説明】
【００３１】
１ａ，１ｂ，１ｃ  電子源
１ｄ  イオン源
１ｅ  光源
２ａ，２ｂ，２ｃ  第一照射レンズ
２ｄ  静電照射レンズ
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｅ  制限絞り
３ｄ  イオン電流制限絞り
４ａ，４ｂ，４ｃ  第二照射レンズ
５ａ，５ｂ，５ｃ  検出器
５ｄ  イオン放出電子検出器
５ｅ  光検出器
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ  偏向器
７ａ，７ｂ，７ｃ  対物レンズ
７ｄ  静電対物レンズ
８  ウエハ
９  駆動系
１０  回転ステージ
１１  一軸移動ステージ
１２  真空容器
１３  制御電極
１４  光学顕微鏡
１５  画像処理回路
１６  信号処理回路
１７  偏向制御回路
１８  偏向駆動回路
１９  計算機
２０  ステージ制御回路
２１  ステージ駆動回路
２２  パターン
２３  偏向範囲
２４  撮像範囲
２５  観察対象
【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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