(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料である基板に電子ビームを一次電子ビームとして照射する一次電子ビーム照射手段と、
前記一次電子ビームの照射を受けて、前記基板から発生する二次電子および反射電子を導いて二次電子ビームに集束して結像させる写像投影手段と、
前記二次電子ビームのうち、所定値以上のエネルギーを有する二次電子ビームのみを通過させる静電平行平板型エネルギーフィルタと、
前記静電平行平板型エネルギーフィルタを通過して前記写像投影手段により結像された前記二次電子ビームを検出し、画像信号として出力する電子ビーム検出手段と、
前記二次電子ビーム検出手段から前記画像信号の供給を受けて、前記基板の表面の物理的・電気的状態を表す画像を表示する画像表示手段と、を備え、
前記一次電子ビーム照射手段から照射される前記一次電子ビームの照射方向に垂直な断面形状は、アスペクト比が１を超える細長形状をなし、
前記写像投影手段は、前記二次電子ビームをそのビーム軸に平行に進行させるコリメート手段を含み、
前記静電平行平板型エネルギーフィルタは、前記二次電子ビームが前記コリメート手段により前記ビーム軸に平行に進行する領域に配設されている、
基板検査装置。
【請求項２】
試料である基板に電子ビームを一次電子ビームとして照射する一次電子ビーム照射手段と、
前記一次電子ビームの照射を受けて、前記基板から発生する二次電子および反射電子を導いて二次電子ビームに集束して結像させる写像投影手段と、
偏向磁場を形成して前記二次電子ビームを前記試料表面の電気的状態に対応した複数のエネルギー領域ごとに分離して取出す磁場型エネルギーフィルタと、
前記電子ビーム分離手段により分離され、前記写像投影手段により結像された前記二次電子ビームを検出し、画像信号として出力する複数の電子ビーム検出手段と、
前記二次電子ビーム検出手段から前記画像信号の供給を受けて、前記基板の表面の物理的・電気的状態を表す画像を表示する画像表示手段と、を備え、
前記一次電子ビーム照射手段から照射される前記一次電子ビームの照射方向に垂直な断面形状は、アスペクト比が１を超える細長形状をなし、
前記磁場型エネルギーフィルタは、前記二次電子ビームが前記写像投影手段によりビーム軸に集束する位置に配設され、
前記電子ビーム検出手段は、前記エネルギー領域ごとに前記二次電子ビームを検出し、前記エネルギー領域に対応した前記基板表面の電気的特性を示す情報を含む画像信号を出力する、
基板検査装置。
【請求項３】
前記一次電子ビームの前記試料への入射角度と前記二次電子および反射電子の前記写像投影手段への取込み角度を変化させる電子ビーム偏向手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の基板検査装置。
【請求項４】
試料である基板に電子ビームを一次電子ビームとして照射する過程と、
前記一次電子ビームを受けて前記基板から発生する二次電子および反射電子を導いて二次電子ビームとして出射させる過程と、
前記二次電子ビームをそのビーム軸に平行に進行させる過程と、
前記二次電子ビームのうち、所定値以上のエネルギーを有する二次電子ビームのみを前記ビーム軸に平行に進行する領域で通過させる過程と、
前記所定値以上のエネルギーを有する二次電子ビームを結像し、その写像を検出して画像信号として出力する過程と、
前記画像信号に基づいて前記基板表面の物理的・電気的特性を検査する検査過程と、を備え、
前記一次電子ビームの照射方向に垂直な断面形状は、アスペクト比が１を超える細長形状をなし、
前記検査過程は、前記画像信号の強度の変化を測定することにより、前記基板表面の電位の相対的な変化を定量的に測定する過程を含む、
基板検査方法。
【請求項５】
試料である基板に電子ビームを一次電子ビームとして照射する過程と、
前記一次電子ビームを受けて前記基板から発生する二次電子および反射電子を導いて二次電子ビームとして出射させる過程と、
前記二次電子ビームがそのビーム軸に集束する位置で複数のエネルギー領域ごとに前記二次電子ビームを偏向磁場により分離して取出す過程と、
前記エネルギー領域ごとに取出された前記二次電子ビームをそれぞれ結像し、その写像を検出して前記写像に対応した複数枚の画像の画像信号として出力する過程と、
前記画像信号に基づいて前記基板表面の物理的・電気的特性を検査する過程と、を備え、
前記一次電子ビームの照射方向に垂直な断面形状は、アスペクト比が１を超える細長形状をなす、
基板検査方法。
【請求項６】
請求項１に記載の基板検査装置と、
前記画像信号を処理する信号処理手段と、
前記信号処理手段が出力する画像データを格納する記憶手段と、
請求項４に記載の基板検査方法に基づいて前記基板検査装置と前記信号処理手段と前記記憶手段とを制御するＣＰＵとを備えた基板検査システム。
【請求項７】
請求項２に記載の基板検査装置と、
前記画像信号を処理する信号処理手段と、
前記信号処理手段が出力する画像データを格納する記憶手段と、
請求項５に記載の基板検査方法に基づいて前記基板検査装置と前記信号処理手段と前記記憶手段とを制御するＣＰＵとを備えた基板検査システム。
【請求項８】
前記一次電子ビームの前記試料への入射角度と前記二次電子および反射電子の前記写像投影手段への取込み角度を変化させる電子ビーム偏向手段をさらに備えたことを特徴とする請求項６または７に記載の基板検査システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビームを用いた基板検査装置および基板検査システム並びに基板検査方法に関し、特に、半導体ウェーハやフォトマスクの欠陥の検査に好適な検査装置および検査システム並びに検査方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の高集積度化に伴い、半導体ウェーハやフォトマスク上の欠陥、異物の検出に要求される感度がますます高くなっている。一般に、製品の品質上重大な不良を発生させるパターン欠陥および異物を検査するには、パターン配線幅の１／２以下の検出感度が必要となるため、１／４μｍ以下のデザインルールの半導体ウェーハの欠陥検査において、近年は、光学式によるパターン欠陥検査の限界に近づいてきている。そこで、光学式に替わり、電子ビームを用いたパターン欠陥検査装置が開発されており、特開平５−２５８７０３号公報、特開平７−２４９３９３号公報などに提案されている。
【０００３】
特開平７−２４９３９３号公報には、電子ビームを用いた半導体ウェーハのパターン欠陥方法および同装置が提案されている。この検出装置を図９に示す。
【０００４】
同図に示すように、パターン欠陥検出装置８０は、矩形の電子放出面陰極を有し、矩形の断面形状を有する電子ビーム８８を試料８２の表面８５に照射する電子銃と四極子レンズ系とを備えた１次光学系８１と、試料から発生する二次電子、反射電子および後方散乱電子８３を検出する電子ビーム検出手段８６と、検出手段８６上に二次電子、反射電子および後方散乱電子８３の二次元／一次元像を結像させる写像投影光学手段とを有する二次電子検出系８４と、検出信号を処理する検出信号処理回路８７とを備えている。
【０００５】
この欠陥検出装置８０によれば、試料表面に照射する電子ビームの断面形状を円形や方形でなく矩形状とすることにより、走査時間を短縮し、かつ、この矩形ビームのアスペクト比を適切に設定することにより、電子ビームの電流密度を制御し、さらに、電子ビーム検出手段８６において検出された画像信号を並列に信号処理するので、ウェーハパターンの欠陥を高速で検出できるという利点があった。
【０００６】
このような電子ビームを用いた欠陥検査は、ウェーハ表面の微細なパターン欠陥の検出に加えて、試料表面の表面電位の違いによって発生する画像コントラスト（電位コントラスト）を用いることにより、半導体ウェーハ上の電気的な導通不良（オープン、ショート不良等）に起因した欠陥をも検出することができる。この電位コントラストを誘発する電気的導通異常を起こしている欠陥は、電位コントラスト欠陥と呼ばれている。この電位コントラスト欠陥を検出する原理を図面を参照しながら説明する。
【０００７】
電子ビームの照射により、試料表面は帯電する。この時の帯電の極性（正負）は、照射させる電子のエネルギーと半導体ウェーハ表面の材質によって決定される。図１０は、電子ビームの照射を受けた半導体ウェーハの一例を示す略示断面図である。同図に示す半導体ウェーハ１００に、例えば、所定のエネルギー量の電子ビーム１０１を照射した場合に、ウェーハ表面の電気的にフローティングになっているＡｌ電極パターン９２は負極に帯電し、この一方、加速電圧１ｋＶ程度の電子ビーム照射においては、ＳｉＯ2 等の絶縁膜のパターン９１では、正極に帯電する。また、同一の材質Ａｌで形成されたパターンであっても、電極パターン９３のように接地されている場合は、電子ビームが基板に流れるため帯電しない。このように、電子ビームの照射によって試料表面がさまざまな極性および値で帯電するため、これによって試料の表面に電位が誘起される。この表面電位により、試料から発生する二次電子、反射電子および後方散乱電子の発生効率と、発生したこれらの電子が検出器に取り込まれる検出効率が変化する。図１０に示す例では、Ａｌ電極パターン９２から発生する二次電子、反射電子および後方散乱電子１０２の発生効率と検出効率が高いため、電子検出器での検出信号量が大きく、Ａｌ電極パターン９３からの二次電子、反射電子および後方散乱電子１０３は帯電によっての電子発生効率がパターン９２に比べて低いため、電子検出器での検出信号量はパターン９２の場合に比べて低い。この一方、絶縁膜のパターン９１では、正極に帯電した基板表面に吸収される二次電子、反射電子および後方散乱電子が多いため、検出信号量は他の部位（Ａｌ電極パターン９２，９３）に比べて極めて低くなる。
【０００８】
このような試料の表面電位の変化に基づく検出信号量の変化は、写像投影手段によって結像された電子像の画像コントラストとして現われる。この電子像の画像コントラストを電位コントラストという。一般に、電位コントラストは、走査電子顕微鏡の二次電子像の帯電といった形で現われたり、ＥＢテスタ解析などで利用されている。
【０００９】
電子ビームを半導体ウェーハ表面に照射させて得られる二次、反射および後方散乱電子像においては、形状によって発生したコントラスト（形状コントラスト）に加えて、この電位コントラストが必ず含まれている。従って、半導体配線パターンのコンタクトホールや配線同士で、ショートやオープンなどの電気的導通不良箇所があった場合には、不良箇所での表面電位が電気的に正常な箇所での表面電位と異なるため、正常箇所とは異なる電位コントラストが現れる。
【００１０】
例えば、図１１に示す半導体ウェーハ１１０のように、タングステン（Ｗ）で形成された配線パターン１１２、１１３について説明すると、配線パターン１１２、１１３は、いずれも接地されるように設計されており、二次電子、反射電子および後方散乱電子の検出率はいずれも低くなるはずである。しかし、同図に示すように、配線パターン１１３については、コンタクトホールが充分に形成されていないため、オープンの状態となっている。これにより、配線パターン１１３からは多くの二次電子、反射電子および後方散乱電子が検出されることになり、これにより、検出画像において電気的に正常箇所と異なる電位コントラストが検出される。以下では、電気的導通条件が正常な箇所とは異なる電位コントラストを異常電位コントラストと呼ぶ。
【００１１】
このように、異常電位コントラストを検出することで、半導体ウエーハの電気的導通不良箇所の検査が可能となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の従来技術においては、以下の理由から異常電位コントラストの検出精度が劣るという問題点があった。
【００１３】
即ち、電位コントラスト欠陥の表面電位は、１０Ｖ以下と推定されるため、このような欠陥の検出には、その表面電位の差に応じた電位コントラスト像を用いる必要がある。従って、表面電位差以上のエネルギー幅をもつ電子を結像させた場合には、表面電位差を超えるエネルギー成分がノイズ成分となり、異常電位コントラストの検出精度を劣化させる要因となる。前述の従来技術では、ウェーハ試料から発生した二次電子、反射電子および後方散乱電子の全てのエネルギー範囲の電子を検出器上に結像させるため、得られる電位コントラスト画像は、連続したエネルギーを有する電子で形成されることになる。このため、ウェーハ試料の表面電位の微妙な差を検出することが困難である、という問題点があった。
【００１４】
さらに、前述の従来技術においては、得られた電位コントラスト像から電位コントラスト欠陥の電気的特性を定量的に測定することが不可能であった。
【００１５】
前述したとおり、コンタクト抵抗値などの欠陥の電気的特性は、ウェーハ試料の表面電位に反映する。従って、電位コントラスト像において表面電位を定量的に測定できると、電気的特性を定量的に測定することができ、その効果は極めて大きい。
【００１６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い精度で試料の電位コントラスト欠陥を検出し、かつ、これを定量的に測定することができる基板検査装置およびこれを備えた基板検査システム並びに基板検査方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の手段により上記課題の解決を図る。
即ち、本発明（請求項１）によれば、
試料である基板に電子ビームを一次電子ビームとして照射する一次電子ビーム照射手段と、この一次電子ビームの照射を受けて、上記基板から発生する二次電子および反射電子を導いて二次電子ビームに集束して結像させる写像投影手段と、上記二次電子ビームを上記試料表面の電気的状態に対応したエネルギー成分ごとに分離して取出す電子ビーム分離手段と、この電子ビーム分離手段により分離され、上記写像投影手段により結像された上記二次電子ビームを検出し、画像信号として出力する電子ビーム検出手段と、上記電子ビーム検出手段から上記画像信号の供給を受けて、上記基板の表面の物理的・電気的状態を表す画像を表示する画像表示手段とを備えた基板検査装置が提供される。
【００１８】
上記分離手段により、上記電子ビーム検出器で結像する二次電子および反射電子のエネルギーを制御することができる。
【００１９】
上記電子ビーム分離手段は、静電平行平板型エネルギーフィルタであり、上記二次電子ビームのうち、所定値以上のエネルギーを有する二次電子ビームのみを通過させると良い。これにより、上記試料の表面電位差を上回るノイズ成分を除去することができ、電位コントラスト像のＳ／Ｎを向上させることができ、電位コントラスト欠陥の検出感度を向上させることが可能となる。
【００２０】
また、上記写像投影手段は、上記二次電子ビームをそのビーム軸に平行に進行させるコリメート手段を備え、上記電子ビーム分離手段は、上記二次電子ビームが上記コリメート手段により上記ビーム軸に平行に進行する領域に配設されていると良い。これにより、上記エネルギー分離手段のエネルギー分解能（エネルギーの分離精度）が向上する。
【００２１】
また、本発明に係る基板検査装置は、複数の上記電子ビーム検出手段を備え、上記電子ビーム分離手段は、偏向磁場を形成して上記電子ビームを複数のエネルギー領域ごとに分離して取出す磁場型エネルギーフィルタであり、上記電子ビーム検出手段は、上記エネルギー領域ごとに上記二次電子ビームを検出し、上記エネルギー領域に対応した上記基板表面の電気的特性を示す情報を含む画像信号を出力することが好ましい。
【００２２】
また、上記電子ビーム分離手段は、上記二次電子ビームが上記写像投影手段によりビーム軸に集束する位置に配設されているものでも良い。
【００２３】
上記基板検査装置において、上記一次電子ビーム照射手段から照射される上記一次電子ビームは、その照射方向に垂直な断面形状がアスペクト比が１を超える細長形状をなすことが好ましい。
【００２４】
さらに、本発明に係る基板検査装置は、上記一次電子ビームの上記試料への入射角度と上記二次電子および反射電子の上記写像投影手段への取込み角度を変化させる電子ビーム偏向手段をさらに備えることが望ましい。
【００２５】
また、本発明（請求項８）によれば、
試料である基板に電子ビームを一次電子ビームとして照射する第１の過程と、この一次電子ビームを受けて上記基板から発生する二次電子および反射電子を導いて二次電子ビームとして出射させる第２の過程と、この二次電子ビームをエネルギー領域ごとに分離して取出す第３の過程と、この第３の過程に基づいて取出された上記二次電子ビームを結像し、その写像を検出して画像信号として出力する第４の過程と、この画像信号に基づいて上記基板表面の物理的・電気的特性を検査する第５の過程とを備えた基板検査方法が提供される。
【００２６】
上記第３の過程は、上記二次電子ビームがビーム軸に平行に進行する領域で分離する過程であり、上記第５の過程は、上記第３の過程により取出された上記二次電子ビームの強度の変化を測定することにより、上記基板表面の電位の相対的な変化を定量的に測定する過程を含むことが好ましい。
【００２７】
また、上記第３の過程は、上記二次電子ビームがそのビーム軸に集束する位置で複数のエネルギー領域ごとに上記二次電子ビームを分離して取出す過程であり、
上記第４の過程は、上記エネルギー領域ごとに写像を検出し、この写像に対応した複数の画像信号として出力する過程であるとさらに好ましい。
【００２８】
また、本発明（請求項１１）によれば、
上記の本発明に係る基板検査装置と、上記画像信号を処理する信号処理手段と、
上記信号処理手段が出力する画像データを格納する記憶手段と、上記の本発明に係る基板検査方法に基づいて上記基板検査装置と上記信号処理手段と上記記憶手段とを制御するＣＰＵとを備えた基板検査システムが提供される。
【００２９】
上記電子ビーム分離手段を制御することにより、電位コントラスト欠陥の抵抗値等の電気的特性を定量的に測定することができる。これにより、半導体ウェーハ工程での電気的特性不良をモニターすることが可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。
【００３１】
なお、以下の各図において、同一の部分には、同一の参照番号を付してその説明を適宜省略する。
【００３２】
図１は、本発明に係る基板検査システムの第１の実施の形態の基本的な構成を示すブロック図である。本実施形態の基板検査システム６０は、同図の符号３３、３４に示す電子ビーム分離手段を備えた点に特徴がある。
【００３３】
まず、本実施形態の基板検査システム６０の構成について説明する。
【００３４】
図１に示す基板検査システム６０は、一次電子ビーム照射部およびその制御部と、試料１１およびその制御部と、二次電子ビーム写像投影部およびその制御部と、電子ビーム検出部６１およびその制御部２６，６７と、電子ビーム偏向部２７とその制御部２８とを備えている。試料１１は、半導体ウェーハやフォトマスク等の基板であり、本実施形態では、半導体ウェーハ（以下、単にウェーハという）を試料として用いた場合について説明する。
【００３５】
同図に示すように、電子ビーム照射部は、ウェーハ１１表面の垂直方向に対して傾斜して配置されており、二次電子ビーム写像投影部の光軸は、ウェーハ１１表面の垂直方向に配置されている。このような構成により、一次電子ビーム３１はウェーハ１１の表面に対して斜め方向から電子ビーム偏向部２７に入射され、この電子ビーム偏向部２７により照射方向を試料面に対して垂直な方向に偏向されてウェーハ１１に入射される。一次電子ビーム３１の照射を受けてウェーハ１１の表面には、二次電子、反射電子および後方散乱電子が発生し、回転対称レンズ１４がウェーハ１１表面付近に形成する電界によって表面に垂直な方向に導かれて加速され、試料１１表面から出射して二次電子ビームとして写像投影光学部へ入射される。
【００３６】
電子ビーム照射部は、電子銃と２段の四極子レンズ５，６を備えている。電子銃は、１００μｍ×１０μｍの矩形の電子放出面を有するランタンヘキサボライド（ＬａＢ6 という）製の陰極１と、矩形開口を有するウエーネルト電極（Ｗeh-nelt cylinder）２、矩形開口部を有する陽極３、およびビーム軸調整用の偏向器４とを備え、制御部７，８，９により照射電子ビームの加速電圧、エミッション電流、光軸を制御している。ウェーハ１１面上で１００μｍ×２５μｍ程度の矩形ビームを形成するために、電子ビーム照射部は、２段の静電四極子レンズ５，６とその制御部１０をさらに備えている。なお、一次電子ビーム３１の照射方向に垂直な断面形状は、アスペクト比が１を超えるものであれば、矩形に限らず、線状または長楕円となるように電子ビーム照射部を構成しても良い。一次電子ビーム３１の加速電圧は、写像投影部の解像度、ウェーハ１１への入射電圧の関係から決定される。
【００３７】
一次電子ビーム３１は、陰極１から放出され、四極子レンズ５，６により集束されながら電子ビーム照射部を出射し、電子ビーム偏向部２７に入射し、この電子ビーム偏向部２７により偏向されて、電子ビーム偏向部２７を出射する。
【００３８】
次に、一次電子ビーム３１は、回転対称型静電レンズ１４によってビーム線束を縮小された後、ウェーハ１１の表面に垂直に照射される。回転対称型静電レンズ１４には、電源１５によって電圧が印加される。
【００３９】
試料部は、上面にウェーハ１１を搭載する基板ステージ１２とその制御部１３と電源４５とを備え、試料１１に電圧が印加できる構造を有する。電源４５は、ウェーハ１１に正電圧を印加している。基板ステージ１２は、移動自由な構造を有し、制御部１３の制御に基づいて移動することにより一次電子ビーム３１がウェーハ１１の表面を走査できるようになっている。
【００４０】
ここで、ウェーハ１１への印加電圧値は、写像投影部の解像性能から決定される。例えば、０．１μｍ以下の解像度を得るために、二次電子ビーム３２の電圧には、高いエネルギーが必要とされるため、試料印加電圧は５ｋＶが好ましい。この一方、一次電子ビーム３１のエネルギーは、試料印加電圧と試料１１への入射電圧の差によって決定される。電子ビームの照射によりウェーハ１１がダメージを受けることを回避し、またウェーハ１１が帯電することを防止するという観点から、ウェーハ１１への入射電圧は、８００Ｖ程度が一般に用いられている。この結果、一次電子ビーム３１の電圧は、約５．８ｋＶとなる。
【００４１】
一次電子ビーム３１が試料１１に照射されると、ウェーハ１１の表面からウェーハ１１表面の形状、材料および電位の情報を有する二次電子、反射電子および後方散乱電子が放出される。回転対称型静電レンズ１４は、静電レンズ間に加速電界を発生させ、この加速電界により、これらの電子を導いた上で試料１１の表面に対して垂直方向に加速させる。これにより、二次電子、反射電子および後方散乱電子は、二次電子ビーム３２としてビーム軸に平行な軌道を描きながら、電子ビーム偏向部２７に入射する。ここで、電子ビーム偏向部２７は、試料１１側から入射された二次電子ビーム３２に対しては、これを直進させる条件で制御されており、二次電子ビーム３２は電子ビーム偏向部２７の中を直進して、本発明において特徴的な電子ビーム分離手段に入射される。この電子ビーム分離手段は、ウェーハ１１から発生した二次電子、反射電子および後方散乱電子でなる二次電子ビーム３２のエネルギーの中で、所定のエネルギー値以上のエネルギーを有する電子ビームのみを通過させて、写像投影部に入射させる。この電子ビーム分離手段の機能の詳細については、後述する。
【００４２】
写像投影部は、３段の回転対称型静電レンズを備えている。二次電子ビーム３２は回転対称型静電レンズ１６，１８，２０によって拡大投影されて、ＭＣＰ（Ｍicro  Ｃhannel  Ｐlate）検出器２２の上に結像される。制御部１７，１９，２１は各々の静電レンズの電圧制御を行う。
【００４３】
電子ビーム検出部６１は、ＭＣＰ検出器２２と、蛍光面２３と、ライトガイド２４と、ＣＣＤエリアセンサを有するＣＣＤカメラ２５とを備えている。ＭＣＰ検出器２２に入射した二次電子ビーム３２は、ＭＣＰ検出器２２により入射時の電子量の４乗から５乗倍に増幅されて蛍光面２３を照射する。これにより蛍光面２３で発生した蛍光像をライトガイド２４を介してＣＣＤエリアセンサが検出し、検出された画像信号は、制御部６７を介して画像データとしてホストコンピュータ２８に送られる。ホストコンピュータ２８は、この画像データを表示器２９上に表示するとともに、画像信号処理部３０にて所定の画像処理を行い、メモリ５８に保存する。本実施形態では、ＣＣＤエリアセンサにより蛍光像を取込むこととしたが、基板ステージ１２の移動と同期させて蛍光像をＴＤＩＣＣＤセンサ（Ｔime Ｄelay  Ｉntegration  Ｃharge Ｃoupled  Ｄevice Ｓensor ）に取込むことも可能である。この手法は、より高速で検査する場合に非常に有効な手段である。
【００４４】
ここで、ビーム偏向部２７の構成について図２および図３を参照しながら簡単に説明する。
【００４５】
図２は、図１に示す基板検査システム６０が備えるビーム偏向部２７の詳細な構成を示す断面図である。
【００４６】
同図に示すように、ビーム偏向部２７は、上記写像投影部のビーム軸に垂直な平面内において、電界Ｅと磁界Ｂとを直交させた構造（Ｅ×Ｂ構造）とする。
【００４７】
ここで、電界Ｅは、平行平板電極４０ａ，４０ｂにより発生させる。平行平板電極４０ａ，４０ｂが発生させる電界は、それぞれ制御部４３ａ，４３ｂにより、制御される。一方、磁界Ｂは、電磁コイル４１ａ，４１ｂを電界発生用の平行平板電極４０ａ，４０ｂと直交するように配置させることにより発生させている。磁界の均一性を向上させるために、平行平板形状を有するポールピースを有している。
【００４８】
図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。照射された一次電子ビーム３１は、同図に示すように、平行平板電極４０ａ，４０ｂが発生させる電界Ｅと、電磁コイル４１ａ，４１ｂが発生させる磁界Ｂとによって偏向された後、回転対称型静電レンズ１４（図１参照）に入射する。回転対称型静電レンズ１４を通過した一次電子ビーム３１は、試料１１（図１参照）の表面に対して垂直に入射する。この一方、試料１１の表面で発生した二次電子、反射電子および後方散乱電子でなる二次電子ビーム３２は、試料１１と回転対称型静電レンズ１４との間で発生した加速電界で加速されて試料１１表面に対して垂直な方向に進み、回転対称型静電レンズ１４を通過した後に、再びビーム偏向部２７に入射する。
【００４９】
ここで、一次電子ビーム３１のビーム偏向部２７への入射位置と角度は、各電子ビーム３１，３２のエネルギーが決定されると、一義的に決定される。さらに、二次電子ビーム３２が直進するように、電界Ｅおよび磁界Ｂの条件、即ち、ｖＢ＝ｅＥを満たすように平行平板電極４０ａ，４０ｂが発生させる電界と、電磁コイル４１ａ，４１ｂが発生させる磁界とを、それぞれの制御部４３ａ，４３ｂ、４４ａ，４４ｂが制御することで、二次電子ビーム３２は、電子ビーム偏向部２７を直進し、写像投影部に入射する。なお、ここで、ｖは二次電子ビーム３２の速度（ｍ／ｓ）、Ｂは磁場（Ｔ）、ｅは電荷量（Ｃ）、Ｅは電界（Ｖ／ｍ）である。
【００５０】
次に、本実施形態において特徴的な電子ビーム分離手段を用いた画像取得方法について図４を参照しながら説明する。
【００５１】
電子ビーム分離手段は、平行平板型エネルギーフィルタ３３とその制御部３４を備えている。図４は、本実施形態における電子ビーム分離手段が備える平行平板型エネルギーフィルタ３３を示す概略図である。
【００５２】
同図に示す平行平板型エネルギーフィルタ３３は、接地されたメッシュ電極３５，３７と、電圧が印加されるメッシュ電極３６と、このメッシュ電極３６に電圧を印加する制御部３４とを備えている。ここで、電極３６への印加電圧をＶｆとすると、二次電子ビーム３２のうち、Ｖｆ以上のエネルギーの電子ビーム３２ａのみが平行平板型エネルギーフィルタ３３を通過する。この一方、Ｖｆより低いエネルギーの電子３２ｂは電極３７と電極３６の間に形成される減速電界により試料１１側へ追戻される。
【００５３】
図４に示す構成を有するエネルギーフィルタ３３では、フィルタの電界分布に入射ビーム３２が垂直になっている場合が最もフィルタ電圧分解能を高めることができる。従って、平行平板型エネルギーフィルタ３３は、二次電子ビーム３２がそのビーム軸に対して平行に進行する領域、即ち、コリメートされた光学条件を満たす、電子ビーム偏向部２７と回転対称型静電レンズ１６との間に設置することが望ましい。また、電子ビーム偏向部２７と回転対称型静電レンズ１６の間以外の写像投影手段においても、二次電子ビーム３２をコリメートする光学系を形成し、そこに電子ビーム分離手段を設けても同様の効果が期待できる。なお、コリメートしていない箇所に設置しても、エネルギー分離による効果自体は得られるが、エネルギー分解能が劣化するという短所がある。
【００５４】
図５は、試料の表面電位Ｖｓに対する電極３６の印加電圧Ｖｆと電子ビーム検出部６１にて検出される信号強度との関係を示す特性図である。同図に示すように、電極電圧Ｖｆを試料表面電位Ｖｓに対して正電圧に増大させると信号強度は減少し、Ｓカーブと呼ばれる特性曲線５１を描く。このＳカーブ特性は、試料１１の表面電位に影響されるものであり、試料１１の表面の領域のうち、正電位に帯電された領域では、二次電子ビームのエネルギーが減少するため、Ｓカーブは左側にシフトする。また、負電位に帯電した領域では、二次電子ビームのエネルギーが増大するため、Ｓカーブが右側にシフトする。試料表面電位が正側に増大した、ある領域における検出信号強度の特性曲線をＳカーブ５１に、また、試料表面電位が負側に増大した、他の領域における検出信号強度の特性曲線をＳカーブ５２に示す。Ｓカーブ５１，５２の電極電圧Ｖｆのシフト量５６が試料１１の表面電位差に相当することになる。
【００５５】
図５において、電極電圧Ｖｆ−試料表面電圧Ｖｓを示す横軸方向の領域のうち、Ｖｆ−Ｖｓが小さい電圧領域５４と、Ｖｆ−Ｖｓが大きい電圧領域５５においては、Ｓカーブ５１，５２は相互に近づいており、このため、両者の信号からは高いＳ／Ｎを得ることができないことがわかる。この一方、これらの中間の電圧領域５７では、両者の信号強度には大きな差ができるため、良好なＳ／Ｎを得ることが可能となる。このような特性はＥＢテスティングによる相対的表面電位測定に応用されている。
【００５６】
本実施形態においては、矩形の一次電子ビーム３１によりウェーハ１１上を照射し、そこから発生する二次電子、反射電子および後方散乱電子でなる二次電子ビーム３２を結像しているため、照射領域内での画像の中から、電位コントラスト欠陥部での表面電位の変化箇所を検出する場合には、欠陥箇所とそうでない箇所（良品箇所）との画像信号のＳ／Ｎが重要となる。良品部、例えば、図１１に示すウェーハ１１０の配線パターン１１２から出射された二次電子ビームに基づく画像信号の信号強度特性をＳカーブ５１とし、また、電気的不良部、例えば図１１に示すウェーハ１１０の配線パターン１１３から出射された二次電子ビームに基づく画像信号の信号強度特性をＳカーブ５２とすると、電極電圧Ｖｆについて、破線５３に示すような条件に設定することにより、欠陥部と良品部との画像信号のＳ／Ｎを大幅に向上させることができる。
【００５７】
さらに、電子ビーム検出部６１にて検出される画像信号の中から、電位コントラスト欠陥箇所からの信号量が一定になるように、フィルタ電圧Ｖｆを制御し、その変動分をモニタすることにより、電位コントラスト欠陥箇所の相対的な表面電位を定量的に測定することが可能となる。これにより、電位コントラスト欠陥の抵抗値等の電気的特性を定量的に測定できることになる。
【００５８】
次に、本発明に係る基板検査システムの第２の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００５９】
図６は、本実施形態の基板検査システムの基本的な構成を示すブロック図である。電子ビーム分離手段以外の構成要素は、図１に示す第１の実施形態と同様である。
【００６０】
図１との対照において明らかなように、本実施形態にかかる基板検査システムの特徴は、回転対称型静電レンズ２０と電子ビーム検出部６１との間において、二次電子ビーム３２がクロスオーバを形成する光学条件位置、即ち、二次電子ビームがビーム線軸上の一点を中心とする最小錯乱円に集束する位置に配設された電子ビーム分離手段と、この電子ビーム分離手段により分離された二次電子ビームの一部である二次電子ビーム３２ｂを結像する第二の電子ビーム検出部６２を備えている点にある。
【００６１】
本実施形態において、電子ビーム分離手段は、二次電子ビーム３２の進行方向に対して直交する磁場を発生する磁場型エネルギーフィルタ４６とその制御部６３とを備えている。この磁場型エネルギーフィルタ４６は、二次電子ビーム３２のうち、高エネルギー成分の二次電子ビーム３２ａは直進させて電子ビーム検出部６１にて検出し、また、低エネルギー成分の二次電子ビーム３２ｂは大きな角度で偏向させる。この偏向された電子ビーム３２ｂは、電子ビーム検出部６２に導入されて低エネルギー成分の画像データが検出される。
【００６２】
図７は、この磁場型エネルギーフィルタ４６の基本的な構造を示す斜視図である。同図に示すように、磁場型エネルギーフィルタ４６は、二次電子ビーム３２の進行方向を挾んで対向するように配設された電磁石コイル３８，３９と、これら電磁石コイル３８，３９を励磁する電流源６３とを備えている。電磁石コイル３８，３９を電流源６３で励磁することにより、二次電子ビーム３２の進行方向に直交する方向に磁場Ｂを誘起させる。
【００６３】
図８は、図７に示す磁場型エネルギーフィルタ４６を通過する電子の軌道を示す模式図であり、仮想光源Ｐを含み、電磁石コイル３８，３９の電子ビーム側の側面に平行な面を切断面とする図７の断面図である。
【００６４】
図８に示すように、エネルギーの高い電子３２ａは偏向磁界の影響を受けずに直進し、この一方、エネルギーの低い電子３２ｂは磁場Ｂによって偏向され、所定の角度をもって、この磁場型エネルギーフィルタ４６を出射する。第１の実施形態における平行平板型エネルギーフィルタ３３（図３参照）によれば、フィルタ電圧Ｖｆより高いエネルギーを有する電子ビームの画像が得られ、そのエネルギー成分を変化させるにはフィルタ電圧Ｖｆを変化させる必要がある。しかし、本実施形態の磁場型エネルギーフィルタ４６によれば、偏向磁場を一定に設定するだけで、複数のエネルギー成分の画像を同時に取得することが可能である。このエネルギー成分の種類は、基板検査装置が備える検出部の数量によって決定される。
【００６５】
本実施形態に係る基板検査装置では、図６に示すように、２つの電子ビーム検出部６１，６２を備えているので、２つのエネルギー領域の画像を同時に取り込むことができる。
【００６６】
以上、本発明の実施の形態のいくつかについて説明したが、本発明は上記実施の形態に限るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、第２の実施の形態においては、２つの電子ビーム検出部により２つのエネルギー領域の画像を取り込むこととしたが、電子ビーム検出部を３個以上備えることとすれば、３個以上のエネルギー領域の画像を同時に取り込むことが可能となる。また、複数個の電子ビーム検出部により複数のエネルギー領域の画像取得を行う代りに、電子ビーム検出部を１個にして、この単一の電子ビーム検出部の内部において検出領域を分割し、各検出領域毎に独立して画像取得を行うこととしても、同様の効果を得ることができる。
【００６７】
また、各手段の構成要素も仕様に応じて適宜変更することができる。上述の実施の形態では、磁場型エネルギーフィルタとして、均一偏向磁界型分離器を挙げているが、電磁界プリズムやウィーンフィルタなどの電界磁界重畳型分離器を用いても同様の効果を得ることができる。
【００６８】
なお、上述の実施形態では、半導体ウェーハの欠陥、異物の検出に用いる検査システムについて説明したが、半導体ウェーハに限らず、フォトマスク等の基板の検査にも本発明が適用できるのは、勿論である。
【００６９】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明は、以下の効果を奏する。
【００７０】
即ち、本発明に係る基板検査装置によれば、二次電子ビームを試料表面の電気的状態に対応したエネルギー成分ごとに分離して取出す電子ビーム分離手段を備えているので、基板の表面の物理的・電気的状態を表す画像信号のＳ／Ｎを向上させることができる。これにより、表面電位の差から電気的導通異常を起こしている欠陥の検出を行う電位コントラスト欠陥検査において、検出感度を特に向上させることができる。
【００７１】
また、電子ビーム分離手段が電子ビームを複数のエネルギー領域ごとに分離して取り出す磁場型エネルギーフィルタであり、上記電子ビーム検出手段が上記エネルギー領域に対応して複数備えられている場合は、複数のエネルギー領域の信号画像を同時に取込むことができる。
【００７２】
また、本発明に係る基板検査方法によれば、二次電子ビームをエネルギー領域ごとに分離して取出す過程を備えているので、基板の表面の物理的・電気的状態を優れた検出感度で検査することができる。
【００７３】
また、本発明に係る基板検査システムによれば、上記基板検査装置を備え、上記検査方法に基づいて作動するので、基板の表面の物理的・電気的状態を優れた検出感度で検査することができる基板検査システムが提供される。特に、検出信号量が一定となるように電子ビーム分離手段に印加される電圧を制御する場合は、制御電圧の変化分から相対的な表面電位を測定することができるので、電位コントラスト欠陥の抵抗値等の電気的特性の定量的な測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る基板検査システムの第１の実施の形態の基本的な構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す基板検査システムの電子ビーム偏向部の詳細な構成を示す断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図１に示す基板検査システムが備える平行平板型エネルギーフィルタを示す概略図である。
【図５】図４に示す平行平板型エネルギーフィルタへの印加電圧Ｖｆと電子ビーム検出部にて検出される信号強度との関係を示す特性図である。
【図６】本発明に係る基板検査システムの第２の実施の形態の基本的な構成を示すブロック図である。
【図７】図６に示す基板検査システムが備える磁場型エネルギーフィルタの基本的な構造を示す斜視図である。
【図８】図７に示す磁場型エネルギーフィルタを通過する電子の軌道を示す模式図であ
【図９】従来の技術による半導体ウェーハパターン欠陥検出装置の一例のブロック図である。
【図１０】電位コントラスト欠陥を検出する原理を説明するための半導体ウェーハの一例の部分断面図である。
【図１１】電位コントラスト欠陥を検出する原理を説明するための半導体ウェーハの他の一例の部分断面図である。
【符号の説明】
１  ＬａＢ6   陰極
２  ウエーネルト電極
３  陽極
４  偏向器
５、６  静電型四極子レンズ
７〜１０、１３、１７、１９、２１、２６、２７、３４、４３ａ、４３ｂ、４４ａ、４４ｂ、６３  制御部
１１  試料
１２  基板ステージ
１５、４５  電源
１４，１６、１８、２０  回転対称型静電レンズ
２２  ＭＣＰ検出器
２３  蛍光面
２４  ライトガイド
２５  ＣＣＤカメラ
２８  ホストコンピュータ
２９  表示器
３０  信号制御部
３１  一次電子ビーム
３２  二次電子ビーム
３３  平行平板型エネルギーフィルタ
３５，３６，３７  メッシュ電極
３８、３９  電磁石コイル
４０ａ、４０ｂ  平行平板電極
４１ａ、４１ｂ  電磁コイル
４６  磁場型エネルギーフィルタ
５８  メモリ
６０，７０  基板検査システム
６１，６２  電子ビーム検出部
６３  電流源
【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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