(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の検査装置に於て、
電子線をシステムに供給する電界効果型の放射電子線源と、
該電界効果型放射電子線源から電子線を導入し、該電子線を屈折させて制御し基板上に電子線を掃引させる偏向手段を有する荷電粒子制御手段と、
該基板から放射発生する３種の荷電粒子線、即ち、２次荷電粒子と後方散乱荷電粒子と透過荷電粒子、の少なくとも１つを検出する少くとも１つの荷電粒子検出器と、
該基板が荷電粒子にて掃引される間、該基板を載せて少なくとも１方向に連続動作するＸ-Ｙステージと、
前記基板の欠陥を同定するために前記少なくとも１つの荷電粒子検出器と電気的に接続されている画像収集プリプロセッサを含む多重プロセッサとを具備し、
ここで前記多重プロセッサは、
（i）前記基板の第１部分に対応する複数のピクセル画像データを生成するために同一位置を複数回走査し、前記検出器から得られた信号を平均化し、
（ii）前記画像データを参照データに位置合わせし、
（iii）前記位置合わせされた画像データを前記参照データと比較するステップ含むプロセスにより欠陥を同定するものである
ことを特徴とする基板の自動検査装置システム。
【請求項２】
請求項１の自動検査装置システムであって、
更に少なくとも１つの中間電極を配し、電界のない領域を該基板上に設ける自動検査装置システム。
【請求項３】
請求項１の自動検査装置システムであって、
基板の表面から選択的に荷電粒子を導いて該検出器に入射させる荷電粒子偏向装置を備えている自動検査装置システム。
【請求項４】
請求項３の自動検査装置システムであって、
該偏向装置が交叉電界と交叉磁界を形成する自動検査装置システム。
【請求項５】
請求項３の自動検査装置システムであって、
該荷電粒子を制御する荷電粒子制御手段が、前記電子線を偏向させて基板の表面から選択的に荷電粒子を導いて該検出器に入射させるウィーンフィルターを具備している自動検査装置システム。
【請求項６】
請求項１の自動検査装置システムであって、
基板上の１つのパターンを別の第２のパターンと比較するべく、更に比較回路を具備する自動検査装置システム。
【請求項７】
請求項１の自動検査装置システムであって、
連続動作する該Ｘ-Ｙステージの位置を確定させるためのｘ−ｙ干渉計を有する自動検査装置システム。
【請求項８】
請求項１の自動検査装置システムであって、
更にもう１つの荷電粒子制御手段を設置し、前記荷電粒子制御手段の中に電界を発生する偏向手段を設けて、荷電粒子の軌跡を制御し、しかもこの偏向手段はウィーンフィルターを有していて、該基板から発生する２次荷電粒子を偏向させて、偏向された２次荷電粒子を荷電粒子検出器に導びくことを特徴とする自動検査装置システム。
【請求項９】
請求項１の装置において、
該参照データは、前記基板の第２の部分から得られる自動検査装置システム。
【請求項１０】
請求項１の装置において、
該参照データは、設計データベースから得られる自動検査装置システム。
【請求項１１】
請求項１の自動検査装置システムであって、
該荷電粒子線の荷電粒子制御手段に、電子が基板の方向とは逆の向きの電場を形成する対物レンズを導入して、電子を減速させる自動検査装置システム。
【請求項１２】
請求項１の自動検査装置システムであって、
該荷電粒子のエネルギーが５００乃至１５００エレクトロンボルトに設定されている自動検査装置システム。
【請求項１３】
請求項１の自動検査装置システムであって、
該荷電粒子検出器は、２次電子のみを検出する自動検査装置システム。
【請求項１４】
請求項１の装置に於て、
前記多重プロセッサにおける欠陥プロセッサは各ピクセル及びそれらに隣接するピクセルから得られるパラメータを処理するアルゴリズムを使用する自動検査装置システム。
【請求項１５】
基板の自動検査装置システムに於て、
該基板上で必要とする荷電粒子のみを選択して特定の方向に向けて、選択された荷電粒子のみを該基板上に入射させる荷電粒子制御手段と、
基板から発する３種の荷電粒子、即ち２次粒子、後方散乱粒子と透過粒子との中から、少なくとも１種の荷電粒子を検出する、毎秒最低１００メガピクセルの応答速度を有する半導体検出器と、
前記基板の欠陥を同定するために前記半導体検出器と電気的に接続されている画像収集プリプロセッサを含む多重プロセッサとを具備し、
ここで前記多重プロセッサは、
（i）前記基板の第１部分に対応する複数のピクセル画像データを生成するために同一位置を複数回走査し、前記検出器から得られた信号を平均化し、
（ii）前記画像データを参照データに位置合わせし、
（iii）前記位置合わせされた画像データを前記参照データと比較するステップ含むプロセスにより欠陥を同定するものである
基板の自動検査装置システム。
【請求項１６】
請求項１５の自動検査装置システムに於て、
前記多重プロセッサにおける欠陥プロセッサは各ピクセル及びそれらに隣接するピクセルから得られるパラメータを処理するアルゴリズムを使用する自動検査装置システム。
【請求項１７】
基板の自動検査装置システムに於て、
該基板上に荷電粒子を入射し、荷電粒子を掃引する偏向手段を有する荷電粒子制御手段と、
基板から発する３種の荷電粒子、即ち２次粒子、後方散乱粒子と透過粒子との内、少なくとも１種の荷電粒子を検出する検出器と、
入射する粒子に対して基板の位置を合わせるＸ-Ｙステージを含む位置合わせ装置と、
前記基板の欠陥を同定するために前記検出器と電気的に接続されている画像収集プリプロセッサを含む多重プロセッサとを具備し、
ここで前記多重プロセッサは、
（i）前記基板の第１部分に対応する複数のピクセル画像データを生成するために同一位置を複数回走査し、前記検出器から得られた信号を平均化し、
（ii）前記画像データを参照データに位置合わせし、
（iii）前記位置合わせされた画像データを前記参照データと比較するステップ含むプロセスにより欠陥を同定するものである
基板の自動検査装置システム。
【請求項１８】
請求項１７の自動検査装置システムであって、
更に比較器を具備し、該基板上の第１の部分の画像データを第２の部分の画像データと比較する基板の自動検査装置システム。
【請求項１９】
請求項１７の自動検査装置システムであって、
該位置合わせ装置は基板が入射する荷電粒子と自動的に位置合わせされる基板の自動検査装置システム。
【請求項２０】
請求項１７の自動検査装置システムであって、
更に比較器を具備し、該基板上の該第１の部分のパターンに対応する画像データを、同等のパターンであって同一基板上にある別のパターンの画像データと比較する基板の自動検査装置システム。
【請求項２１】
請求項１７の自動検査装置システムであって、
該位置合わせ装置は、基板上のパターンを基準として位置合わせする基板の自動検査装置システム。
【請求項２２】
請求項１７の自動検査装置システムであって、
該位置合わせ装置は、基板と自動的に位置合わせが出来るｘ−ｙ干渉計を具備する基板の自動検査装置システム。
【請求項２３】
請求項１７の自動検査装置システムであって、
更に画像データを前もって記憶させるためのメモリーを搭載し、該位置合わせ装置とメモリーは電気的に通信が可能であって、位置合わせ装置は、メモリーに記憶された画像と比較して基板の位置合わせを行う基板の自動検査装置システム。
【請求項２４】
請求項１７の自動検査装置システムであって、
更に少なくとも１つの中間電極を配し、電界の存在しない領域を該基板上に設ける自動検査装置システム。
【請求項２５】
請求項１７の装置において、
該参照データは、前記基板の第２の部分から得られる自動検査装置システム。
【請求項２６】
請求項１７の装置において、
該参照データは、設計データベースから得られる自動検査装置システム。
【請求項２７】
請求項１７の自動検査装置システムであって、
該荷電粒子の荷電粒子制御手段に、荷電粒子が基板の方向とは逆の向きの電場を形成する対物レンズを導入して、荷電粒子を減速させる自動検査装置システム。
【請求項２８】
請求項１７の自動検査装置システムであって、
該荷電粒子のエネルギーが５００乃至１５００エレクトロンボルトに設定されている自動検査装置システム。
【請求項２９】
請求項１７の自動検査装置システムに於て、
該荷電粒子検出器は、２次電子のみを検出する自動検査装置システム。
【請求項３０】
請求項１７の自動検査装置システムに於て、
前記多重プロセッサにおける欠陥プロセッサは各ピクセル及びそれらに隣接するピクセルから得られるパラメータを処理するアルゴリズムを使用する自動検査装置システム。
【請求項３１】
電界放射型電子銃による電子線を用いる基板の自動検査方法に於て、
１）基板の位置を測定することに依り電子線の入射点を基板上に位置設定するステップと、
２）上記ステップで得た設定点の位置に電子線を偏向して入射するステップと、
３）基板が連続的にＸ-Ｙ平面内を少なくとも１方向に自由度を持つ状態で移動する間、電子線は基板表面上の定められた位置を複数回走査するステップと、
４）上記３）のステップの結果、基板から放射される３種の荷電粒子、即ち、２次荷電粒子、後方散乱荷電粒子及び透過型荷電粒子の内の少なくとも１種の荷電粒子を検出するステップと、
５）  画像収集プリプロセッサを含む多重プロセッサを用いて、
（i）ステップ４）から得られる信号を平均化して前記基板の第１の部分に対応する画像データを生成し、
（ii）前記画像データを参照データに位置合わせし、
（iii）前記位置合わせされた画像データを前記参照データと比較するステップ含むプロセスにより基板上の欠陥を同定するステップとを有し、
ステップ１）ではステップ４）で生成された情報に基いて、電子線の入射点を基板上に位置設定する基板の自動検査方法。
【請求項３２】
請求項３１の自動検査方法に於て、
ステップ１）では位置設定をする際、該基板上のパターンを基準画像データと比較して、位置整合修正信号を生成し、該位置整合修正信号に基いて位置設定することを特徴とする基板の自動検査方法。
【請求項３３】
請求項３１の自動検査方法に於て、
検査するべき表面の特性を前もってメモリーに記憶させるステップ６）を更に含み、
位置設定するステップ１）には、ステップ６）で前もってメモリーに記憶させた表面の特性をステップ５）で得られた特性と比較して、位置整合修正信号を生成し、該位置整合修正信号に基き位置設定するステップ７）と、
を含む基板の自動検査方法。
【請求項３４】
請求項３１の自動検査方法に於て、
ステップ１）は、ｘ−ｙ干渉計により得られる位置データに基いて基板を移動して位置設定する基板の自動検査方法。
【請求項３５】
請求項３１の基板検査方法に於て、
ステップ２）で、基板に対して逆方向の電場を印可して、電子線内の電子を減速させる基板の自動検査方法。
【請求項３６】
請求項３１の自動検査方法に於て、
電子線のエネルギーが、５００から１,５００エレクトロンボルトの範囲に設定されている基板の自動検査方法。
【請求項３７】
請求項３１の自動検査方法に於て、
ステップ４）は２次電子のみを検出する基板の自動検査方法。
【請求項３８】
請求項３１の自動検査方法において、
該参照データは、前記基板の第２の部分から得られる基板の自動検査方法。
【請求項３９】
請求項３１の自動検査方法において、
該参照データは、設計データベースから得られる基板の自動検査方法。
【請求項４０】
請求項３１の自動検査方法において、
ピクセル画像の位置整合のわずかなずれを決定し、そしてピクセルのわずかなずれ内に位置合わせをするために補完する工程をさらに含む基板の自動検査方法。
【請求項４１】
請求項３１の自動検査方法において、
前記欠陥を分類するために複数の検出器の出力を使用する工程をさらに含む基板の自動検査方法。
【請求項４２】
請求項３１の自動検査方法において、
一次電子ビームは前記基板表面を正に帯電させる傾向があり、さらに、結果として生じた正の電荷を中和するために低エネルギーの電子を適用することにより帯電を制御する工程をさらに含む基板の自動検査方法。
【請求項４３】
基板の検査装置に於て、
電子線源としての放射型電子銃と、
電子線を導入し、基板上で電子線を掃引する偏向手段を有する荷電粒子制御手段と、
荷電粒子検出器を、基板から発する３種の荷電粒子、即ち２次粒子、後方散乱粒子と透過粒子の内の少なくとも１つを検出する様に配備し、基板と電子線の位置関係を決定するｘ−ｙ干渉計と、
基板を搭載して電子線に対して連続移動せしむるステージと、
前記基板の欠陥を同定するために前記荷電粒子検出器と電気的に接続されている画像収集プリプロセッサを含む多重プロセッサとを具備し、
ここで前記多重プロセッサは、
（i）前記基板の第１部分に対応する複数のピクセル画像データを生成するために同一位置を複数回走査して前記検出器から得られた信号を平均化し、
（ii）前記画像データを参照データに位置合わせし、
（iii）前記位置合わせされた画像データを前記参照データと比較するステップ含むプロセスにより欠陥を同定するものである
自動検査装置システム。
【請求項４４】
請求項４３の自動検査装置システムに於て、
ステージは、連続移動するＸ-Ｙステージであって、少なくとも１つの自由度をもち、基板を搭載して電子線が該偏向手段により基板を掃引する際に、基板を少なくとも１つの自由度の方向に移動する自動検査装置システム。
【請求項４５】
請求項４３の自動検査装置システムに於て、
該荷電粒子制御手段は、荷電粒子が基板と逆方向の電場を形成する対物レンズを有し、電子線を減速させる自動検査装置システム。
【請求項４６】
請求項４３の自動検査装置システムであって、
該荷電粒子のエネルギーが５００乃至１５００エレクトロンボルトに設定されている自動検査装置システム。
【請求項４７】
請求項４３の自動検査装置システムであって、
該荷電粒子検出器は、２次電子のみを検出する自動検査装置システム。
【請求項４８】
請求項４３の自動検査装置システムにおいて、
該参照データは、前記基板の第２の部分から得られる自動検査装置システム。
【請求項４９】
請求項４３の自動検査装置システムにおいて、
該参照データは、設計データベースから得られる自動検査装置システム。
【請求項５０】
請求項４３の自動検査装置システムに於て、
前記多重プロセッサにおける欠陥プロセッサは各ピクセル及びそれらに隣接するピクセルから得られるパラメータを処理するアルゴリズムを使用する自動検査装置システム。
【請求項５１】
基板の電子線検査装置に於て、
電子線源として電界放射型電子銃と、
基板の位置をｘ−ｙ干渉計により測定することに依って、電子線の基板上での入射位置を設定する手段と、
該位置設定手段にて設定された入射点に向けて電子線を偏向させて、電子線を望まれる入射点に向ける偏向手段と、
基板上の望まれる点で、電子線を掃引する手段と、
基板から発する３種の荷電粒子、即ち２次粒子、後方散乱粒子と透過粒子との内、少なくとも１種の荷電粒子を検出する検出手段と、
少なくとも１つの自由度をもち、且つ基板を搭載して連続移動するＸ-Ｙステージと、
前記基板の欠陥を同定するために前記荷電粒子を検出する手段と電気的に接続されている画像収集プリプロセッサを含む多重プロセッサとを具備し、
ここで前記多重プロセッサは、
（i）前記基板の第１部分に対応する複数のピクセル画像データを生成するために同一位置を複数回走査して前記検出器から得られた信号を平均化し、
（ii）前記画像データを参照データに位置合わせし、
（iii）前記位置合わせされた画像データを前記参照データと比較するステップ含むプロセスにより欠陥を同定するものであり、
該入射位置設定手段は、該検出手段と該Ｘ-Ｙステージとに電気的に結合している位置測定コンピュータを有し、
該位置測定コンピュータは、ステージの位置ズレを検出し、検出結果に基づきＸ−Ｙステージを制御して位置合わせをする自動検査装置システム。
【請求項５２】
請求項５１の自動検査装置システムに於て、
該偏向手段は電子線が基板に対して逆方向の電場を形成する対物レンズを有していて、電子線を減速させる自動検査装置システム。
【請求項５３】
請求項５１の自動検査装置システムであって、
該荷電粒子のエネルギーが５００乃至１５００エレクトロンボルトに設定されて成ることを特徴とする自動検査装置システム。
【請求項５４】
請求項５１の自動検査装置システムであって、
該荷電粒子検出器は、２次電子のみを検出する自動検査装置システム。
【請求項５５】
請求項５１の自動検査装置システムにおいて、
該参照データは、前記基板の第２の部分から得られる自動検査装置システム。
【請求項５６】
請求項５１の自動検査装置システムにおいて、
該参照データは、設計データベースから得られる自動検査装置システム。
【請求項５７】
請求項５１の自動検査装置システムに於て、
前記多重プロセッサにおける欠陥プロセッサは各ピクセル及びそれらに隣接するピクセルから得られるパラメータを処理するアルゴリズムを使用する自動検査装置システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、超小型電子回路の作成に使用される様々な種類の基板の自動検査、特に、Ｘ線リソグラフィーに使用される光学マスクや半導体ウェーハの検査に関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
超小型電子回路を適正な歩留りで生産するには、製造プロセスで使用するマスクやウェーハに欠陥があってはならない。過去１２年にわたって光学マスクやウェーハの自動検査用に多くのシステムが開発され、特許されてきた（例えば、米国特許第4,247,203 号、米国特許第4,805,1 23号、米国特許第4,618,938 号、米国特許第4,845,558 号参照）。これらのシステムでは、フォトマスク又はレチクル又はウェーハ上の二つの隣接するダイを相互に比較している。同様に、ダイをＣＡＤ（コンピュータ援用設計(Computer Aided Design) ）のデータベースと比較して検査する技術が開発されている（米国特許第4,926,487 号参照）。しかしながら、Ｘ線マスクの欠陥は可視或いは紫外スペクトルでは検出できないので、以上に例示したいずれの光学システムも用途は光学マスクに限定されている。また、光学検査は本来的に生じる回折のために解像度に限界があるので、光学リソグラフィーにも限界がある。位相シフト・マスク技術を用いても、光学リソグラフィー技術では0.35ミクロン未満の線幅は達成できない。0.35ミクロン未満の線幅はＸ線リソグラフィー技術により達成できるものと期待されている。
【０００３】
走査型電子顕微鏡技術を用いてＸ線マスクや高密度のウェーハ・パターンを検査できるのではないかと期待されている。従来の電子顕微鏡を用いてＸ線マスクやウェーハを検査する実験が、最近各社で行われている。これらの実験では欠陥の検出に成功しているが、従来の電子顕微鏡では検査に時間がかかるだけでなく、高度に熟練したオペレータが必要である。従って、このようなシステムで半導体を製造することは実際的でない。
【０００４】
本発明はスパッタリングを防止する設備を備えたインシュチ(in-suti) プラズマ除去システムをも使用している。ローレンス・エフ・バケティック等（Lawarence F. Bacchettik et al ）の米国特許第4,665,315 号、「電子ビーム光学系のインシュチプラズマ除去のための方法と装置（Method and Apparatus for In-Situ Plasma Cleaning of Electron Beam Optical System）」に開示されているシステムは電子ビーム書き込み装置用であるが、スパッタリングを防止する設備を備えていない。ここで、「インシュチ」とは、主プロセス実行とほぼ同じ条件で主プロセスに先行して、中断し或いは後続して稼働可能なことを意味する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の好ましい実施例として荷電粒子を走査して基板を自動検査する方法及び装置を以下に述べる。第１の実施例は基板の自動検査のための装置及び方法であり、基板表面に荷電粒子ビームを供給して走査する荷電粒子ビーム生成部と、基板の上面或いは底面から流出する３種類の荷電粒子（即ち、二次荷電粒子、後方散乱荷電粒子、透過荷電粒子）の少なくとも一つを検出する検出手段と、荷電粒子ビームを基板表面に対して移動させる手段とを有している。
【０００６】
第２の実施例は、インシュチ、即ち主プロセス実行とほぼ同じ条件で主プロセスに先行して、中断し或いは後続して稼働可能なプラズマを用いた有機的汚染酸化システム手段と、プラズマを励起させる無線周波数発生手段と、選択した領域の圧力を調整してプラズマを形成する自動プラズマ調整手段とを有する電子ビーム検査装置である。
【０００７】
【作用及び発明の効果】
本発明により、荷電粒子ビームを用いてウェーハやＸ線マスクや基板などを製造現場で自動的に検査する検査装置を経済的に実現することができる。以下では電子ビームを用いて本発明を説明するが、別の種類の荷電粒子ビームを用いることもできるので、本発明の範囲は電子ビームに限定されるものではない。本発明は、ウェーハ、光学マスク、Ｘ線マスク、電子ビーム近接マスク、ステンシル・マスクなどの検査に主に使用されるが、任意の物質の高速電子ビーム撮像に使用することができる他に、マスクやウェーハの製造でフォトレジストを露光するための電子ビーム書込みにも使用することができる。
【０００８】
基板が絶縁体か導電体かに応じて２つの基本的な動作モードがある。導電性であるか導電体で被覆されているＸ線マスク、電子ビーム近接マスク、ウェーハ・プリントの検査には主に「高電圧モード」が用いられる。この場合、高電圧走査ビームを使用しても基板は帯電しない。一方、非導電性材料層を有する製造中のウェーハや光学マスクの検査には主に「低電圧モード」が使用される。低電圧走査ビームを使用することにより帯電や損傷を最小にすることができる。以上の相違を除けば、両モードはいずれも欠陥の検出及び分類を高速で達成する。
【０００９】
現在の走査型電子顕微鏡は走査速度が非常に遅く、通常の技能を越えた高度の技能を有するオペレータを必要とするので、経済的な観点から判断すると、現在の走査型電子顕微鏡を使用することはできない。
【００１０】
本発明の新規な特徴は、様々な種類の欠陥を検出できるだけでなく、欠陥の種類を識別できることにある。本発明では「高電圧モード」で後方散乱電子、透過電子、二次電子の検出及び識別を同時に実行できるので、欠陥を即座に分類できる。例えば、Ｘ線マスク上の透過検出器のみにより検出される欠陥は、恐らく吸収材料の裂け目であり、二次電子検出器では検出されるが後方散乱電子検出器では検出されない欠陥は有機粒子である可能性が高く、後方散乱電子検出器により検出される欠陥は原子量の大きい汚染物質の可能性がある。Ｘ線マスク上の有機汚染物質のようなある種の欠陥はウェーハ上にプリントされないので、様々な種類の欠陥を識別できる能力は本発明の重要な利点である。このように本発明によれば、欠陥を検出することができるだけでなく、それらの欠陥を識別することができる。
【００１１】
本発明ではシステムを半導体の製造に適したものにするために多くの技術を使用している。例えば、真空排気速度と真空から常圧に戻す加圧速度の両者を共に制限して気体の流れを層流の状態に保つことにより、汚染物質の擾乱を防止している。また、これらの動作を他のサンプルの走査と同時に実行することにより、時間を節約している。この他に、タレットに６個の電界放出源を設けて無駄な時間を更に少なくしている。最後に、通常オペレータの操作により実行される電子ビームの主な調整はコンピュータにより実行されるので、比較的技能の低い者でも本発明のシステムを使用することができる。
【００１２】
【実施例】
図１には本発明の検査システム１０の全体のブロック図が示されている。検査システム１０はＸ線マスク、ウェーハ、その他の基板の自動検査装置であり、センサとして走査型電子顕微鏡を使用している。
【００１３】
この検査システム１０は２種類の動作モード、即ち、ダイとダイとの比較モード及びダイとデータベースとの比較モードを有している。いずれのモードでも欠陥の検出は、基板の走査により得られる電子ビーム像を基準と比較することにより行われる。即ち、ダイとダイとの比較検査では、同じ基板の２つのダイからの信号が互いに比較される。ダイとデータベースとの比較検査では、電子顕微鏡から得られる一つのダイからの信号が、そのダイの作成に使用したデータベースからの信号と比較される。
【００１４】
検査対象である基板５７はホールダに保持され、ホールダは電子ビーム生成部２０の下方のｘ−ｙステージ２４に基板ハンドラー３４により自動的に載置される。この動作は次のようにして達成される。システム・コンピュータ３６から基板ハンドラー３４に命令が送られる。基板ハンドラー３４は検査対象である基板５７をカセットから取り出し、基板５７に形成されている平らな部分又はノッチ５９（図２ないし図６を参照）を自動的に検出して基板５７を適切に方向付けてから電子ビーム生成部２０の下に装填する。次に、オペレータが位置合わせ用光学系２２を介して基板５７を目視により観察しながら、基板の位置合わせ点を決め（基板の特徴を任意に選択して位置合わせ点とする）、ステージのｘ軸方向への移動が基板のパターンの検査領域のｘ軸と実質的に平行になるようにする。これで粗い位置合わせ作業が終わる。
【００１５】
粗い位置合わせ作業に引き続いて、精密な位置合わせ作業が行われる。精密な位置合わせ作業は、オペレータが電子ビームで基板を走査し、画像ディスプレイ４６に現れる画像を観察しながら行われる。位置合わせに関連するデータは総てが位置合わせコンピュータ２１に保存される。この位置合わせコンピュータ２１は、システム・コンピュータ３６と協調して作動し、ダイをｘ、ｙの両軸に沿って走査するのに必要な実際の複合ｘ、ｙ動作を計算する。従って、以後同一種類の基板に関してはオペレータが自ら位置合わせ作業をする必要はない。基板の精密な位置合わせ作業が終了すると、検査工程が開始される。
【００１６】
電子ビーム生成部２０、位置合わせ用光学系２２、アナログ偏向回路３０、検出器３２により、以下に詳述するように、電子ビームの基板５７への入射、及び二次電子や後方散乱電子や基板５７を透過する電子の検出が行われる。この検出動作とデータの収集は、電子ビーム生成部制御コンピュータ４２、ビデオ・フレーム・バッファ４４、画像収集プリ・プロセッサ４８、偏向コントローラ５０、メモリ・ブロック５２により行われる。ＶＭＥバス、即ち、符号２９で示すＶＭＥ１はサブ・システム間の通信リンクとして機能する。
【００１７】
基板５７の検査中のｘ−ｙステージ２４の位置と移動は、偏向コントローラ５０と、メモリ・ブロック５２と、位置合わせコンピュータ２１との制御の下で、ステージ・サーボ２６及び干渉計２８によって制御される。
【００１８】
ダイとデータベースとの比較モードの場合には、意図するダイ・フォーマットを表す信号の源として、メモリ・ブロック５２と通信しているデータベース・アダプタ５４が使用される。
【００１９】
実際の欠陥検出処理は、ポスト・プロセッサ５８及び欠陥プロセッサ５６によって、メモリ・ブロック５２のデータについてなされる。ポスト・プロセッサ５８と欠陥プロセッサ５６との間の通信は、符号３１で示すバスＶＭＥ２を介してなされる。
【００２０】
全体のシステムの操作は、イーサネット・バス(Ethernet bus)に類似しているデータバス２３を介して他のブロックと通信を行いながら、システム・コンピュータ３６、ユーザ・キーボード４０、コンピュータ・ディスプレイ３８によってなされる。イーサネットはゼロックス社の商標である。
【００２１】
図２にはダイとデータベースとの比較モードで検査を行う場合の本発明の走査の軌跡が示されている。図２には基板５７上にダイ６４が一個だけ示されている。このダイ６４には検査すべき検査領域６５が存在する。この検査領域６５は基板５７上に重要な情報が記録されている領域である。ダイ６４の検査に当たって、ｘ軸方向の有効走査移動は移動するｘ−ｙステージ２４によりなされ、ｙ軸方向の有効走査移動は偏向により電子ビームを図中符号６０で示した走査領域の幅と同じ振り幅で振ることによりなされる。電子ビームがダイ６４の右側に達すると、ｘ−ｙステージ２４は電子ビームの振り幅未満の距離だけｙ軸方向に移動される。基板５７のｘ−ｙ座標系はｘ−ｙステージ２４及び電子ビーム生成部２０のそれぞれのｘ−ｙ座標系と正確に一致しないので、ｘ−ｙステージ２４の実際の移動と電子ビーム生成部２０の実際のビーム偏向は、それぞれがダイ６４の走査中にｘとｙの分力を有している。
【００２２】
検査領域６５を十分に検査するために、検査は図示したように折れ曲がった軌跡６２を描いて実行される。折れ曲がった軌跡６２のうちのｘ軸方向の各軌道は、符号６０で示した走査領域と同じ幅を有する走査領域であり、いずれも隣接する走査領域と僅かに重なり合っている。
【００２３】
ダイとデータベースとの比較モードでは、各走査領域に対応する信号が、完璧なダイの対応する走査領域に関するデータベース・アダプタ５４からのシミュレーションされた信号と比較される。この処理は、次のダイの検査に移行する前に、現在検査中のダイの検査領域６５の各走査領域に対して繰り返される。
【００２４】
図３はダイとダイとの比較モードで検査する際の走査の軌跡を示すもので、基板５７としては左から右にダイ６８、７０、６６を有しているものを例示している。この検査モードでも、図２の例と同様に、折れ曲がった軌跡６３を描いて検査が実行される。しかし、この検査モードはダイとダイとの比較モードであるので、ｘ−ｙステージ２４は、走査領域毎に３個のダイを横切るまでｘ軸方向に移動し続け、３個のダイを横切ってから初めてｙ軸方向に移動する。
【００２５】
この比較モードでは、ダイ６８の第１の走査行程で得られたデータはメモリ・ブロック５２に記憶され、この記憶データがダイ７０の第１の走査行程中に得られるデータと比較される。ダイ６８とダイ７０とを比較している時に、ダイ７０のデータは、ダイ６６の第１の走査行程で得られるデータと比較するためにメモリ・ブロック５２に記憶される。次に、第２の走査行程に移行する。第２の走査行程は戻り走査行程なので、ダイを通過する順序は逆になり、ダイ６６の第２の走査行程により得られるデータはダイ７０から得られるデータとの比較のめに記憶され、ダイ７０から得られるデータはダイ６８の第２の走査行程から得られるデータとの比較のために記憶される。この走査と比較の一連の動作を繰り返して基板５７の検査領域全体を検査する。
【００２６】
多重走査統合技術により画像を得ることが必要なこともある。この場合、各ピクセルを長い時間間隔で露光しなければならない。従来の走査顕微鏡ではビームが次のピクセルに移行する前のピクセル滞留時間の長いゆっくりとした走査技術が通常利用されている。ところが、基板の検査システムでは、基板の加熱及び帯電は好ましくないので、ピクセルの記録速度が遅いことは望ましくない。
【００２７】
多重走査を統合して十分なコントラストを有する画像を得たり、画像の信号対雑音比を改善したりすることが必要な場合もある。信号対雑音比を改善するには、基板の同一位置を何回か走査して得られる信号値を各ピクセル毎に平均化する必要がある。「低電圧モード」（このモードについてはこのシステムの概略の「電子光学」の項で詳述する。）での画像のコントラストは、電子ビームが基板の特定のピクセルの位置に戻ってくる戻り期間にも基板を走査することにより改善することもできる。非導電性の基板の低電圧検査でのコントラストの改善は、「電子光学」の項で説明するように、ビームが戻ってくる間に、特定のピクセル位置の電子を近くの領域が走査されたときに生じる二次電子に置き換えることによっても達成することができる。更に、熱に弱い基板材料の場合には、ピクセル位置をビーム走査する時間間隔を設けてビームにより蓄積される熱を発散させるようにする。
【００２８】
図４は本発明が採用している走査方法の例を図式的に表したものである。この図には５１２×ｍ個のピクセルから成る一連の長方形をビームの偏向により４回走査して信号を平均化させる方法が示されている。一連の長方形の各々の中心がステージの移動方向に沿ってｍ／２ピクセル個だけ移動する。
【００２９】
図４には本発明が信号の平均化、コントラストの改善、熱の発散のために採用している重複フレーム走査技術の例が示されている。図示の例では、各ピクセルが４回走査される。各走査ラインはＹ軸方向にピクセル数で５１２個の長さを有している。重複フレーム走査のために、ｍ個の横に並んだ一連のライン１〜ｍが基板上で走査される。ライン間のｘ軸方向の間隔はピクセルの大きさに等しく設定されていて、各ラインは連続的にＸ座標が増大していく。
【００３０】
図５は図４に示した走査中におけるビームのｘ軸方向の公称偏向値を時間の関数として図式的に表したものである。水平方向は時間軸であり、垂直方向はＸ軸上の位置である。
【００３１】
図５にはビームの偏向に使用しているＸ軸方向の偏向システムの階段状の出力が示されている。ｍ個のラインの走査後に、図５に示されているように、走査はＸ軸方向に後退する。この偏向システムの下で基板を移動させるステージは、ビームがＸ軸方向に後退した時に、次の走査ラインの位置が最初のｍ個のラインのライン数（ｍ／４＋１）に一致するように、Ｘ軸方向の速度が調整される。この例では４回繰り返して走査するので、ビームが５１２×ｍ個のピクセルから成る長方形を４回走査すると、ステージは基板をＸ軸方向にｍ個のピクセル幅の距離だけ移動させる。
【００３２】
図６は、図４に示した走査中における基板上のビームのＸ座標を時間の関数として図式的に表したものである。水平方向は時間軸であり、垂直方向はビームのＸ軸上の位置である。
【００３３】
図６には基板上の一連の走査ラインの各々のＸ座標が時間の関数として示されている。ここには、偏向システムの下で基板を移動させるステージと、走査ラインを偏向領域内のＸ軸方向に沿って前後に移動させる偏向システムとの組み合わせにより、ビームが基板上の各ラインの位置を４回走査することが示されている。画像データをメモリ・ブロック５２に記録し、適切なメモリ・アドレスからのデータを平均化することにより、平均化されたデータを欠陥プロセッサ５６及び位置合わせコンピュータ２１に供給することができる。この例では平均化の数として４を用いているが、実際に結合する走査回数とフレーム毎のライン数ｍは、雑音の減少、コントラストの強化、検査効率の最良の組み合わせを生成するように選択される。
【００３４】
ステージの移動方向に垂直なｙ軸方向の走査は１回の通過による撮像に用いる走査と同じである。ここでは走査は露出間隔ｔ毎にピクセル１個分Ｄだけ進む。５１２個のピクセル幅の走査領域を１回の通過で撮像するには、ステージの速度をＤ／５１２ｔに設定して、１回走査する毎にステージがピクセル１個分だけ進むようにする。通過を数回繰り返して撮像する場合には、基板からみた走査ビームもＤ／５１２ｔミクロン毎秒の速度で進まなければ平方ピクセルを記録することができない。１回通過する毎にｎ個のピクセルを露出して画像を記録するには、ステージをＤ／５１２ｎｔ未満の速度でゆっくりと移動させなければならず、しかも走査時間５１２ｔの間に（１−１／ｎ）Ｄミクロンだけ余計にビームを進めて、ステージの移動方向に階段状に走査するようにしなければならない。可変数ｍ段後に、ｘ軸方向の走査が後退する。このようにして、走査軌道は５１２×（１−１／ｎ）ｍの矩形状フレームになる。基板表面からみると、図４に示す重複フレームのパターンになる。各画像ピクセルの多重露出の時間間隔は５１２ｍｔである。ｍをｎより大きく設定している限り、ピクセルの再走査の回数及び繰り返し速度の両者を自由に変更することができる。画像データをメモリ・ブロック５２に記録し、適切なアドレスからのデータを平均化することにより、平均化されたデータをあたかも一回のゆっくりとした通過で記録しているかのように、欠陥プロセッサ５６に供給することができる。この技術の長所は、パラメータを調整してピクセル相互の露出時間を最適にすることができることである。
【００３５】
図３に戻ってダイとダイとの比較モードをより詳細に説明する。電子ビームがダイ６８と７０の走査領域を走査すると、図１に示す３種類の検出器３２からの信号３３が画像収集プリ・プロセッサ４８に送られ、ここでデジタル信号に変換されてからメモリ・ブロック５２に記憶される。ダイ６８、７０からの両データが同時に欠陥プロセッサ５６に送られ、ここで両データ間の重要な不一致が欠陥として指定される。次に、欠陥プロセッサ５６からの欠陥データを蓄積して、これがポスト・プロセッサ５８に送られ統合される。ポスト・プロセッサ５８は、欠陥のサイズや種々の特性を決定し、その情報をシステム・コンピュータ３６がバス２３を介して利用可能な状態にする。
【００３６】
ダイとデータベースとの比較検査モードでは、システム１０は上記と同様に動作するが、メモリ・ブロック５２が一つのダイからのデータを受信する点、欠陥プロセッサ５６での比較のための参照データがデータベース・アダプタ５４によって提供される点が異なっている。
【００３７】
基板全体が検査されると、欠陥のリストが欠陥の位置と共にコンピュータ・ディスプレイ３８に表示される。オペレータはユーザ・キーボード４０によって欠陥の調査を開始できる。この命令に応答して、システム１０は各欠陥の周囲を走査し、その像をディスプレイ４６上に表示する。
【００３８】
走査光学
主要な幾つかの素子と電子ビーム生成部２０の特別な設計との組み合わせによって、画像形成速度を約１００倍以上に早めることができる。信号対雑音比の関係で走査速度には基本的制約があるので、画像形成速度を早めるにはビームの流れ（beam current）を高めることが必須不可欠である。本発明では高輝度高温領域放射源を用いてビームの角速度を高めることによりビームの流れを高めている。しかし、電子の密度が高くなるとクーロン相互に斥力が生じてしまうので、カソードの近傍に高電界を掛けて、ビームの径を急激に拡大させている。電子ビーム生成部では電荷密度を上昇させる電子の交差が生じないようにし、開口数を大きくしてクーロンの斥力の問題を少なくしている。
【００３９】
基板を例えば１００メガピクセル毎秒の高速度で走査しなければ、検出器は連続して走査した２個のピクセルから生じる二次（リターン）電子の一時的な識別をすることができない。これは、各ピクセルの滞留時間に比べて到着時間にばらつきのないことが必要であることを意味している。電子がターゲットを離れたら、直ちに電子を加速することにより、各ピクセルの到着時間のばらつきを少なくすることができる。このような対策により検出器での到着時間のばらつきを約１ナノ秒以内に維持することができる。逆バイアスされた高周波ショットキー・バリア検出器を検出対象である電子の種類毎に用いれば、到着時間のばらつきを更に少なくすることができる。ショットキー検出器は単に例として示したのであって、他の種類の半導体検出器を使用してもよい。
【００４０】
電子光学
電子光学サブ・システムは、機能的には走査型電子顕微鏡に似ており、走査電子ビーム・プローブと、二次電子、透過電子、後方散乱電子の検出素子とを基板表面の撮像用に有している。検査中は、電子ビームが一方向に走査され、ステージが電子ビームの走査方向に垂直な方向に移動される。低電圧の二次電子か、高エネルギーの透過電子或いは後方散乱電子のいずれかがビデオ信号の生成に使用される。生成されたビデオ信号はデジタル化されて細長い走査領域像の形で記憶される。この電子光学サブ・システムは、高解像度で自動的に欠陥を検出することができるだけでなく、新旧両技術を組み合わせて検査に必要な解像度で雑音の少ない画像を高速に得ることができる。
【００４１】
ビームは、典型的には、非常に高速な５マイクロ秒周期ののこぎり波掃引を使用して、５１２個のピクセルから成るフィールド（１８−１００μｍ幅）を走査する。偏向は歪みを発生することがなく、表面にほぼ垂直なので、撮像特性は走査フィールドで一様である。
【００４２】
検出効率が高いので、プローブからの電子により生じる二次電子のほぼ総てを画像形成に使用することができる。検出システムの帯域幅は、走行時間が短いのでピクセル速度に匹敵している。二次電子は共軸で抽出されるので、エッジが基板上でどのような方向を向いていようとも、エッジ形状の正確な画像が得られる。
【００４３】
図７は、光学システムの要素と、その機能を理解するために必要な関連する電源を示している。電子銃は、熱的電界放出カソード８１と、放出制御電極８３と、アノード・アパーチャ８７を有するアノード８５とから成る。カソード８１は、電源８９によって２０ＫｅＶのビーム電圧に保持されている。カソード８１の表面の電界強度に依存する放出量は、バイアス供給源９１に接続されている電極８３の電圧によって制御されている。電極８３の電圧はカソード８１の電圧に対して負である。カソード８１は電流源９３によって加熱される。カソード８１の近くの磁気コンデンサ・レンズ９５は電子ビームを平行にするために使用される。上部偏向器９７は、位置合わせ（位置整合）、スチグメーション（無非点収差）、帰線消去のために使用される。この光学系には数個のホールからなるビーム制限アパーチャ９９が更に設けられている。ビーム１００は対物レンズ１０４の前に配置されている一対の静電気偏向器１０１、１０３により偏向されて、対物レンズ１０４の上方の一点の辺りで揺動する。対物レンズ１０４は下部レンズ極片１０６、中間電極１０７、上部レンズ極片１０５で構成されている。高電圧動作モードでは、対物レンズ１０４の上部レンズ極片１０５及び下部レンズ極片１０６だけを用いてプローブの焦点合わせが行われる。結局ビーム１００ははるか遠方で集束する状態で基板５７上を走査される。従って、殆ど平行なビームが対物レンズ１０４により再度収束されて、1x倍に拡大されたビーム発生源の像が形成され、これが基板５７を照らす。
【００４４】
高電圧二次電子撮像モードでは、対物レンズ１０４により二次電子が抽出される。ｘ−ｙステージ２４、基板５７、下部レンズ極片１０６は電源１１１によって数百ボルトの負の電位にフローティングされている。その結果、二次電子はこのエネルギー状態に加速されて偏向器１１２、１１３を通過する。中間電極１０７は、電源１１５によってｘ−ｙステージ２４に対して正にバイアスされている。この中間電極１０７は、基板５７を離れた電子を直ちに加速すること、及び基板の欠陥領域から発生される二次電子を効率よく収集することに使用される。ｘ−ｙステージ２４と中間電極１０７との組み合わせにより、二次電子が二次電子検出器１１７に到達する時間のムラが実質的に除去される。二次電子はレンズ１０４を通って再び後方に戻るので、帰還二次電子はウィーン・フィルタとして機能する偏向器１１３、１１２によって二次電子検出器１１７の方に偏向される。ここで、帰還ビームは二次電子検出器１１７のアノード１１８に接続された電源１１９により高エネルギー状態に再加速され、二次電子を増幅に充分なエネルギー・レベルでショットキー・バリア固体検出器である二次電子検出器１１７に衝突させる。検出器ダイオード（二次電子検出器）１１７のアノード１１８は電源１２１により逆バイアスされている。検出器ダイオード１１７からの増幅信号は前置増幅器１２２に送られ、そこから図１の信号３３の二次電子コンポーネントである高電圧絶縁ファイバ光学リンク１２６を介して画像収集プリ・プロセッサ４８及び関連電子回路に送られる。
【００４５】
部分的に透明な基板を検査できるように、透過電子検出器１２９がｘ−ｙステージ２４の下に設けられている。透過電子は基板５７を高エネルギーで透過するので、透過電子の再加速は不要である。上部電極素子１２３、中央部電極素子１２４、下部電極素子１２７からなる透過静電レンズにより透過電子ビームはショットキー・バリア固体検出器である透過電子検出器１２９による検出に適した径に広げられる。上部電極素子１２３はｘ−ｙステージ２４と同じ電位に保持され、中央部電極素子１２４は電源１１４により０ないし−３ＫＶに保持される。透過電子検出器１２９からの信号は増幅器１３３により増幅され、図１の信号３３の透過電子コンポーネントであるファイバ光学リンク１３５により伝送される。
【００４６】
この光学システムは、一次電子とほぼ同じエネルギー・レベルで基板表面を離れる後方散乱電子の収集もできるように設計されている。後方散乱電子検出器１６０は、ビーム軸の脇に位置している検出器１１７に類似したショットキー・バリア・ダイオード検出器である。ウィーン・フィルタ偏向器として機能する両偏向器１１２、１１３の静電気及び磁気の設定を少し変更することにより、ビームは図の左に偏向して個体検出器である後方散乱電子検出器１６０に入射する。後方散乱信号は前置増幅器１６２により増幅され、画像収集プリ・プロセッサ４８に送られる（図１参照）。
【００４７】
５００〜１５００ｅＶの範囲の低い電圧ビームで撮像するには、対物レンズ系の素子にかなり異なったバイアスをかけ、別の新しい素子を２個使用しなければならない。一次ビーム電子は電源１１１で基板５７、下部レンズ極片１０６、中間電極１０７を約−１９Ｋｖにフローティングすることにより対物レンズ内で減速される。この技術により、電子ビームは経路端の近傍でのみ減速されるので、ビームの経路全体を低ビーム・エネルギーで作動させた場合に画像を劣化させる収差や電子ビーム生成部での相互作用効果を防止することができる。このような構成により、上部レンズ極片１０５及び下部レンズ極片１０６との間の減速領域で優れた集束効果が得られる。基板の下には作動極片を一つだけ有しているシュノーケル・レンズ１２５を更に設けて、基板付近に磁気集束領域を形成している。このレンズの帰還束は下部レンズ極片１０６を通過してシュノーケル・レンズの外殻に至る。基板の近傍では磁界が強いので、集束効果の他に、低エネルギーの二次電子を深部の特徴から抽出する際の助けになり、二次電子が再加速されて対物レンズ１０４のボア内を上昇する際に二次電子が平行になる。
【００４８】
低電圧撮像モードでは、約５ｅＶで基板を離れる二次電子は対物レンズ内で約１９ＫｅＶに加速される。帯電を最小に止めるには、二次電子が場のない基板付近の短い領域を通過することが望ましい。低電圧モードでは、対物レンズが中間電極１０７の電圧水準にないと、対物レンズから漏れる磁界により基板５７の表面付近に加速領域が形成されてしまう。低電圧モードでは、中間電極１０７は下部レンズ極片１０６に対して負にバイアスされていて、電源１１５により最適な低電圧撮像に調整することのできる無磁界領域が形成される。再加速後に、二次電子はウィーン・フィルタ偏向器１１２及び１１３を通過し、ここで二次電子は左側に偏向されて高電圧モードで後方散乱撮像に使用した後方散乱電子検出器１６０に入射する。このようにして検出された信号は前置増幅器１６２で増幅されてウェーハの低電圧検査用の最も重要な画像信号となる。高電圧絶縁ファイバ光学リンク１２６及びファイバ光学リンク１３５は、いずれもこのモードでのウェーハ検査には使用されない。
【００４９】
図８は、電子ビーム生成部２０内及び基板５７の下の種々の電子ビーム経路の概略図である。電子は熱的電界放出カソード８１から半径方向に放射され、非常に小さな輝点源から発生したように見える。加速場とコンデンサ・レンズの磁場との結合した作用によりビームはコリメートされて平行ビームになる。使用できない角度で放射された電子は電子銃のアノード・アパーチャ８７により遮蔽され、使用できる角度で放射された電子のみがビームとしてビーム制限アパーチャ９９に入射する。図７の上部偏向器９７でスチグメーション及び位置合わせをすることにより、ビームは断面形状が最終的に丸くなり、図７の素子１０５、１０６、１０７からなる対物レンズの中心を通過する。図７の磁気コンデンサ・レンズ９５は中心が熱的電界放出カソード８１とビーム制限アパーチャ９９により規定される軸に一致するように機械的に位置づけされる。偏向により電子は図示の経路を辿って対物レンズ１０４から放出され、走査収束されて一点で基板に衝突する。
【００５０】
走査されるビーム１００の径と流れ（current ）は、幾つかのファクターにより決まる。ビームの流れは、放射源からの角放射（1.0 Ma/ ステラジアン）と、ビーム制限アパーチャ９９により規定されるアパーチャ角とにより決まる。ビームの径は、球面収差と色収差を最小にするために高励起（視野幅／焦点距離）に設計されている両レンズの収差により決まる。基板５７上に投影されるビームのサイズは、ほぼ半分がビームの相互作用効果（ビームを構成している個々の電子間の反発による統計的ぼけ）により決まるので、このような高強度ビーム・システムではビームの相互作用が重要である。ビーム経路を４０cmと短くし、電子源及び基板５７のそれぞれに比較的大きな半角のレンズを使用して、電子源と基板５７との間で電子の交差（crossover ）が生じないようにすることにより、ビームの相互作用の影響を最小に抑えることができる。前述の諸影響の均衡を保ちながら、ビーム流をできる限り最大に維持できるアパーチャ径を選択することにより、所定のビーム・スポットが得られる。レンズの強度を変化させてビーム源からのビームを拡大したり縮小したりすることによってもビームのスポット・サイズを変更することができるが、このようなシステムでは、先ずアパーチャを使用してスポット・サイズが調整される。
【００５１】
高電圧モードでは、ウィーン・フィルタ偏向器として機能する図７の両偏向器１１２及び１１３は、高エネルギーの走査ビーム１００に殆ど影響を与えないで、約１００ｅＶの二次電子ビーム１６７を偏向する。ウィーン・フィルタ偏向器は（互いに直角に）電場と磁場が交差するように配置されている静電的８極偏向器１１２と４極磁気偏向器１１３とで構成されている。帰還二次電子は両方の場によって側方に偏向される。しかしながら、一次走査電子のビーム１００は反対方向に移動しているので、両方の場の強度を適切に選択して、ウィーン・フィルタ偏向器が二次電子ビーム１６７を広角に偏向しても、一次走査ビーム１００にはなんらの影響も及ぼさないようにしなければならない。いわゆる「ウィーン・フィルタ」は共軸抽出に効果的に使用される。二次電子検出器１１７のアノード１１８は、再加速の間に二次電子ビーム１６７が固体検出器である二次電子検出器１１７のコレクタに集められ収束されるような形状をしている。
【００５２】
図８には、透過電子と後方散乱電子の検出経路も示されている。後方散乱電子を高電圧動作で検出し、二次電子を低電圧動作で検出するために、両ウィーン・フィルタ偏向器１１２、１１３に別の動作をさせ、これにより後方散乱電子や二次電子がシステムを上昇するように示されている経路を通って後方散乱検出器１６０へ至るようにする。一部透明な基板を撮像した場合には、電子の中にはエネルギーを一切失わずに基板５７を透過するものがある。このような透過電子は図７の上部電極素子１２３及び中央部電極素子１２４を通過して、透過電子検出器１２９に入射するが、両電極素子はレンズとして機能して通過電子１０８を広げるので、透過電子は広がってから透過電子検出器１２９に入射する。高電圧モードで透過信号を得る場合には、シュノーケル・レンズ１２５は低電圧二次撮像に必要なレンズの場に実質的な影響を与えずに透過電子がシュノーケル・レンズ１２５の孔を通過できるようにする。
【００５３】
基板５７、下部レンズ極片１０６、中間電極１０７を高電圧にフロートさせる低電圧モード動作では、ビームの経路は類似しているが対物レンズの動作がかなり相違している。シュノーケル・レンズ１２５が基板５７を貫通して下部レンズ極片１０６の内部にまで達する磁界を発生する。電子が上部レンズ極片１０５、中間電極１０７、下部レンズ極片１０６の辺りの磁界により減速すると、屈折率が大きくなるので有効焦点距離が比較的短くなる。この種の減速液浸レンズは収差が驚くほど小さい。この種の減速液浸レンズは、中間電極１０７が負にバイアスされていて基板５７の近傍に電界のない短い領域が形成されている限り、放出電子顕微鏡検査法に用いられる通常のカソード・レンズと相違している。基板にバイアスをかけても低エネルギーの二次電子が中間電極１０７の作用により基板に戻るので充電効果が中和される。
【００５４】
磁界のない領域から離れた二次電子は、中間電極１０７と上部レンズ極片１０５との間の領域で再加速される。二次電子は電子銃から放出される２０ＫｅＶの一次ビーム・エネルギーから基板に衝突したエネルギーを引いた量にほぼ等しいエネルギーで上部レンズ極片１０５から出てくる。対物レンズ領域では以後の経路は一次ビームに類似しているが、二次電子は広い角分布で放出されるので、角度は非常に広くなっている。この二次電子ビームは低電圧二次電子検出器１６０に向かう。低電圧二次電子検出器１６０は高電圧で後方散乱撮像に使用した後方散乱電子検出器１６０である。帰還二次電子ビーム１０４０のエネルギーは一次ビーム・エネルギーに匹敵するので、非常に強力なウィーン・フィルタ偏向器１１２及び１１３により偏向する必要があるが、一次ビーム１００の経路にほとんど影響しないように偏向することができる。
【００５５】
低電圧モードは部分的に絶縁されている基板の検査にしばしば用いられるので、帯電を最小限に抑える技術が重要である。二次電子（低エネルギーの二次電子や後方散乱電子）の数と基板に入射する一次ビーム電子の数とが等しくない場合に、絶縁領域が帯電する。撮像対象である表面はどのような物でも微細構成及び材料により電荷の均衡が変化する。二次電子の散乱によるエネルギー放射量は入射ビームのエネルギーに応じて変化するが、多くの材料では２００〜１５００Ｅｖの範囲より大きく、その他の材料ではこの範囲より小さい。二次電子の散乱によるエネルギー放射量が２００〜１５００Ｅｖの範囲より大きい場合には、表面は正に帯電している。
【００５６】
二次電子は０〜２０ｅＶのエネルギー範囲で基板５７の表面を離れるが、最も可能性の高いエネルギー値は２．５ｅＶである。基板５７の表面付近の電界を例えば中間電極１０７の電位により制御できるのであれば、適用する電界や二次電子が基板を離れるエネルギーに応じて二次電子を基板から放出させたり、基板に戻したりすることができる。例えば、約１０ｅＶの抑制電位壁が形成されている場合、基板５７の一点から放出される二次電子はほんの僅かだけが電位壁を越えて検出器に入射する。
【００５７】
磁界から離れる二次電子や後方散乱電子の放出量が一次ビームの電子の量よりも多い場合には、基板５７は正に帯電し、中間電極１０７により形成される抑制電位壁のサイズが増大する。従って、エネルギーの低い二次電子はほとんどが留まってしまう。表面電位は均衡するまで正に変化している。二次電子や後方散乱電子の放出量が一次電子の量よりも少ない場合には、表面は負に帯電し、中間電極１０７により形成される抑制電位壁が低くなる。従って、低エネルギーの二次電子が大量に放出される。表面電位は均衡するまで正に変化している。このような状況の下である期間が過ぎると表面電位が安定する。基板の領域内に大きな電位差が生じることを防止するためには、中間電極１０７を適切に調節して平行状態（一次電子ビームの強さが二次電子の強さと等しい状態）が平均して得られるようにすることが重要である。
【００５８】
微細構成及び材料の相違が二次電子のエネルギー放射量に影響するので、基板の別の領域では平行電圧は変化する。しかしながら、平行であれば、二次電子の発生量は全領域で同一になる。即ち、平行状態で撮像した基板像にはコントラストは生じない。この問題を回避するために、ピクセル毎の照射量を低く抑え、必要があれば、先に述べた「多重フレーム走査」技術を用いて再走査して、好ましい画像統計を得るようにする。
【００５９】
走査の軌道間の時間を制御することにより、走査と走査との間に隣接領域で発生する電子により基板を中和することができる。この技法の重要な要素は、電界を制御する中間電極１０７と重複フレーム走査軌道である。
【００６０】
カソードの寿命が短くても電子銃の信頼性を高めることができるように、電子銃は、図９に示すように、高電圧にフロートされた六角形の回転タレット１３７上に設けられた６個のカソード制御電極アセンブリを有した構成にしてある。各アセンブリは回転してアノード・アパーチャ８７の真上に移動して固定され、図７の適当な電源９１、９３と電気的に接続される。
【００６１】
図７でレンズの前に配置されている静電気偏向器１０１、１０３から成る静電気偏向システムは、高速度の鋸波偏向電圧によって駆動される全く同一の場を必要とする。その構造は、モノリシックなセラミック／メタル構成であり、エッチングされて２０個の偏向プレートを形成している。ｘ−ｙステージ２４の座標系と基板５７の座標系とを一致させて走査をするには、両ステージの各々に４個の駆動装置が必要である。
【００６２】
容易に操作できるように自動調整機構が設けられている。レンズと偏向／スチグメーション素子と全高電圧供給源とは、いずれも図１に示した電子ビーム生成部制御コンピュータ４２にインターフェースされているデータ収集制御システムの制御の下にある。ある機能を果たすために偏向比及び静電プレート電圧を調整するルーチンは電子ビーム生成部制御コンピュータ４２に内在していて、電子銃の制御及び調整はアナログ・デジタル・フィードバックを使用して放出量、アパーチャ通過量、電源供給量を設定する調整ルーチンにより修正された定格値に基づいている。
【００６３】
ビームの位置合わせは、レンズの透過流が変化したときに偏向を除去する他の公知のルーチンに基づいてなされる。この操作には２軸フレーム走査機能によって撮像される特定のテスト・サンプルが用いられ、位置合わせ及び検査に必要な画像分析能力も用いられる。焦点は基板の高さの変化を補償するために自動的に維持されるが、スチグメーションが検査の前になされる。これらのルーチンは、画像収集プリ・プロセッサ４８及び関連電子回路による画像のコントラストと調和内容の解析に基づいている。
【００６４】
高電圧モードで光学系が定格状態で作動している場合、本発明では２０ＫｅＶのビーム・エネルギーでビームのスポット・サイズは300nA で0.05μｍから1,000nA で0.2 μｍまで変化する。走査速度は、100 メガ・ピクセル／秒で撮像される５１２個のピクセル走査フィールドを使用して５マイクロ秒である。二次電子検出器１１７のダイオード電流増幅率は、５ＫｅＶで約１０００倍から２０ＫｅＶで５０００倍である。0.05マイクロ・メートルのスポットを使用して100 メガピクセル／秒で約１４％を越えるエッジ・コントラストのサンプルの場合には、この範囲の作動状態を越えてシステム全体を作動させることができる。収集電子回路により複数本の走査ラインの集積化が可能なので、低コントラスト又は高解像度の画像を低帯域幅で記録することができる。
【００６５】
低電圧モードでは、上部レンズ極片１０５までのビーム・エネルギーは２０ＫｅＶで、基板でのビーム・エネルギーは８００ｅＶである。ビームの強さとスポット・サイズとの関係は２５ｎａで０．０５μｍ及び１５０ｎａで０．１μｍである。走査期間と場のサイズは高電圧モードの時と同じである。後方散乱電子検出器１６０の増幅率は５０００倍である。0.05マイクロ・メートルのスポットを使用して100 メガピクセル／秒で約２０％を越えるエッジ・コントラストのサンプルの場合には、この範囲の作動範囲を越えてこのシステムを作動させることができる。
【００６６】
欠陥プロセッサ
欠陥プロセッサ５６は、ダイとダイとの比較検査の場合には、ダイ６８から得られる画像データをダイ７０から得られる画像データと比較し、ダイとデータベースとの比較検査の場合には、ダイ６４から得られる画像データをデータベース・アダプタ５４から得られるデータと比較する。欠陥プロセッサ５６のルーチン及び基本的構成は、米国特許第4,644,172 号に開示されている欠陥プロセッサのルーチン及び基本的構成とほぼ同じである。米国特許第4,644,172 号は１９８７年２月１７日に発行されて、本出願の出願人に譲渡されたもので、発明者はサンドランドその他であり、発明の名称は「自動ウェーハ検査システムの電子制御」である。この米国特許では欠陥を決定するのに３つのパラメータを使用しているが、本発明では４つのパラメータを使用している。
【００６７】
ダイとダイとの比較検査或いはダイとデータベースとの比較検査のどちらも、データはメモリ・ブロック５２から得ているか、（位置合わせの補正をどのようにして実行するかに応じて）位置合わせ後に位置合わせコンピュータ２１から得ている。データの形式は検出器の種類毎にピクセル当たり６ビットである。欠陥プロセッサ５６では、両データが入力される各検出器のピクセル毎に下記の４つのパラメータが決定される。
【００６８】
ａ．  Ｉ：ピクセルのグレイスケール値
ｂ．  Ｇ：グレイスケール・ピクセルの傾きの大きさ
ｃ．  Ｐ：グレイスケール値の傾きの位相又は向き
ｄ．  Ｃ：局所的な傾きの輪郭の曲率
グレイスケール値は、特定のピクセルに対するメモリ・ブロック５２の単なる値である。傾きの大きさと傾きの方向は次のようにして得られる。まず、ソーベル演算子のｘとｙの成分を計算する。
【００６９】
【数１】
0003730263.tif 000002
【００７０】
従って、傾きの大きさは［（Ｓx ）2 ＋（Ｓy ）2 ］1/2 であり、方向は tan-1（  Ｓy ／Ｓx ）である。
曲率は以下のように定義される。
【００７１】
【数２】
0003730263.tif 000003
ここで、係数ａijは状況に依存して選択されるパラメータの組であり、Ｒijは以下のように定義される
【００７２】
【数３】
0003730263.tif 000004
ここで、Ｉijは、画像のｉ番目の列とｊ番目の行におけるピクセルのグレイスケール値であり、ａijとｂklは経験的に得られるパラメータである。
好ましい実施例における代表値は以下の通りである。
【００７３】
【数４】
0003730263.tif 000005
【００７４】
上述した方法で、両画像についてピクセル毎にＩ、Ｇ、Ｐ、Ｃの値を求める。ダイ６８のピクセルＡに関するこれらのパラメータがダイ７０の対応するピクセルＢのパラメータと比較され、更にピクセルＢに隣接する８個のピクセルのパラメータと比較される。ピクセルＢに隣接する各ピクセルについて、少なくとも一つのパラメータがピクセルＡの対応するパラメータと所定の許容誤差を越える値だけ相違している場合には、両ダイの欠陥を示すフラッグがピクセルＢに付けられる。
【００７５】
同様にして、ダイ７０の各ピクセルのパラメータがダイ６８の対応する隣接ピクセルのパラメータと比較され、所定の許容誤差を越えて相違しているピクセルに欠陥を示すフラッグが付けられる。
【００７６】
このアルゴリズムは、上述の米国特許第4,644,172 号に開示されているパイプライン・ロジックで実行することができる。行列演算は、100 メガピクセル／秒の速度で欠陥データを計算できるパイプライン計算システムに接続されたアプリケーション・スペシフィック・インテグレーテッド・サーキット（Application Specific Integrated Circuit (ASIC)）で実行される。
【００７７】
偏向コントローラ
偏向コントローラ５０は、ダイとダイとの比較モードでは、ダイ６８の各走査領域６０内の等距離グリッド点に電子ビーム１００を位置付ける。このようにして得られる検出器１２９、１６０、１１７の出力がダイ７０の対応する位置における同じ検出器１２９、１６０、１１７の出力と比較される。同様に、ダイとデータベースとの比較モードでは、データベース・アダプタ５４から得られるシミュレートされた画像と、ダイから得られる二次電子検出器１１７の出力とが比較される。偏向コントローラ５０は、図１０を参照して以下に説明するように、ｘ−ｙステージ２４及び電子ビーム１００の位置を制御して電子ビームの位置付けをする。
【００７８】
走査領域内の第１のダイを走査する場合には、位置合わせコンピュータ２１の出力はゼロに設定される。第１のダイの第１の走査領域の走査中には、不整合は生じないからである。従って、第１のダイの第１の走査領域の走査中には偏向コントローラ５０は電子ビーム生成部制御コンピュータ４２のみから命令を受ける。偏向コントローラ５０は、電子ビーム生成部制御コンピュータ４２の命令と、ｘ軸及びｙ軸の両干渉計２８から得られる位置データとに基づいて、ｘ−ｙステージ２４の望ましい移動量を計算し、この移動量に対応する信号をステージ・サーボ２６に送ってｘ−ｙステージ２４を移動させる。偏向コントローラ５０は、同様にしてビーム１００の所望の偏向量を計算し、偏向量のデータをアナログ偏向器回路３０に送る。ｘ−ｙステージ２４が移動すると、その位置はｘ軸及びｙ軸の両干渉計２８により定常的に監視される。所望のｘ−ｙステージ位置との不一致が見つかると、この不一致に基づいて誤差信号が生成される。この誤差信号は偏向コントローラ５０によりステージ・サーボ２６に帰還される。ｘ−ｙステージ２４には慣性力が作用するので、誤差が頻繁に生じると誤差信号ではｘ−ｙステージの位置を修正することができない。ｘ軸及びｙ軸の両方向に頻繁に生じる誤差は電子ビーム１００の偏向により修正される。この場合、偏向コントローラ５０は電子ビーム１００の偏向量を計算し、偏向量に対応する信号をデジタル形式でアナログ偏向回路３０に送る。
【００７９】
ビーム１００がダイ６８を走査すると、グレイスケール値がメモリ・ブロック５２に記憶される。電子ビーム１００がダイ７０を走査し始めると、ダイ７０のグレイスケール値がすぐにメモリ・ブロック５２に記憶され、欠陥プロセッサ５６及び位置合わせコンピュータ２１に送られる。位置合わせコンピュータ２１では、ダイ６８及びダイ７０のそれぞれからのデータが位置合わせ（位置整合）のために比較される。位置が整合していない場合には、位置整合修正信号が発生されて偏向コントローラ５０に送られる。この位置整合信号はビーム１００を基板５７の正確な位置に位置付ける微調整に使用される。
【００８０】
ダイとデータベースとの比較モードでは、偏向コントローラ５０は、ダイとダイとの比較モードの場合とほぼ同様に働くが、走査領域の第１のダイから得られる入力画像の代わりにデータベース・アダプタ５４の出力が用いられる点が相違している。
【００８１】
偏向コントローラ５０は、このモードでもｘ−ｙステージ２４の移動量、速度、方向、電子ビームの偏向に関するパラメータを計算し規定する。
位置合わせコンピュータ
位置合わせコンピュータは、グレイスケール値の形式で両デジタル画像を受信して、画像間の位置整合のずれをピクセルの僅かなずれとして判定する。位置合わせのための計算の好ましい実施例は、米国特許第4,805,123 号に開示されている。この米国特許は１９８９年２月１４日に発行されて、本出願と同じ譲受人に譲渡されたもので、発明者はスペヒト等（Specht et al）で、発明の名称は「改良された欠陥検出器及び位置合わせサブ・システムを有しフォトマスク及びレチクルの自動検査をする装置及び方法（Automatic Photomask and Reticle Inspection Method and Apparatus Including Improved Defect Detector and Sub-System ）」である。この好ましい実施例では、位置整合修正信号５１は検査領域全体に亘って連続的に計算される。このようにして算出された位置整合修正信号は位置合わせコンピュータによりメモリ・ブロック５２からの画像の移動又は移動及び補間（サブ・ピクセルの移動）に用いられる。或いは、位置整合のずれが走査中に急激に生じることはないものと仮定して、基板５７上の少数の特定特徴点を選択し、選択した特徴点のみについて位置整合のずれを計算しても良い。この場合には、位置整合の計算にフォース・コンピュータ社(Force Computer, Inc.)のモデルCPU30ZBEのような単一ボード・コンピュータを使用することができる。位置整合修正信号は位置の不整合を減少させるために以後のデータ収集位置をずらすことにも使用できれば、メモリ・ブロック５２から欠陥プロセッサ５６に送られる画像間のずれの判定にも使用できる。
【００８２】
アナログ偏向
アナログ偏向回路３０は、２０極プレートで構成されている図７の静電偏向器１０１及び１０３用のアナログ勾配関数を発生する。アナログ偏向回路３０の動作は図１２に示されている。偏向コントローラ５０からのデジタル信号は、勾配ＤＡＣ２３０によりアナログ電圧に変換されてから勾配発生器２３２に導かれる。勾配の大きさ（サイズ）はＤＡＣ２３４により変更可能で、片寄りはＤＡＣ２３６により制御される。サンプル及びホールド回路２３８は勾配の開始の規定に使用され、サンプル及びホールド回路２４０は勾配の終了の規定に使用される。高電圧で低ノイズのドライバが波形を増幅してダイナミック・レンジが±180Vの勾配を発生し、この勾配が静電偏向器１０１、１０３に印加される。
【００８３】
メモリ・ブロック
メモリ・ブロック５２は３個の同一なモジュールから成り、各モジュールは二次電子検出器１１７、透過電子検出器１２９、後方散乱電子検出器１６０のいずれか一つに対応している。
【００８４】
図１３に概念的に示すように、メモリ・ブロック５２の各モジュールは２個の先入れ先出し方式（First In - First Out) メモリから成る。第１の先入れ先出し方式メモリは各検出器によりダイ６８から得られる全走査領域のグレイスケール値を記憶し、第２の先入れ先出し方式メモリは短くて、ダイ７０の数回の走査のみに対応して各検出器により得られるグレイスケール値を記憶する。両先入れ先出し方式メモリからの出力は、欠陥プロセッサ５６と位置合わせコンピュータ２１に送られる。各先入れ先出し方式メモリは100 Mhz の速度で動作し、検出器当り８ビットの精度で各ピクセルのグレイスケール値を記憶する。
【００８５】
メモリは、検出器毎に画像収集プリ・プロセッサ４８から並列に送られてくる８バイトを入力レジスタ３０２で受け取る。入力レジスタ３０２はシフト・レジスタのように働くもので、８バイトを右に移してから他の８バイトを受け取る動作を入力レジスタ３０２の８個のセクションが一杯になるまで繰り返す。入力レジスタ３０２の８個のセクションが一杯になると、６４バイトがメモリ３０３にクロックで送られる。
【００８６】
メモリ・ブロックにはＤＲＡＭ３０３を使用することができ、通常は１２８メガバイトが使用される。
画像収集プリ・プロセッサ
画像収集プリ・プロセッサ４８は、各検出器１１７、１６０、１２９からのアナログ信号を100 MHz の速度で８ビット値にデジタル変換し、メモリ・ブロック５２に記憶するために出力信号を再フォーマットする。
【００８７】
画像収集プリ・プロセッサ４８は３個の同一のモジュールから成り、その内の一つが図１４に示されている。各モジュールは対応する検出器からの出力を受け取り、受け取った出力を８ビットにデジタル化し（ＡＤ変換器９）、多重走査積算器１１に送る。多重走査積算器１１の目的は、同じピクセルからのグレイスケール値を平均化してノイズを減少させることにある。ある場合には、同一ピクセルを数回にわたって走査して得られた結果、即ち、サンプル化して得られた結果が、そのピクセルの平均値になる。この値はシフト・レジスタ１３に送られる。シフト・レジスタ１３は８バイトをシリアルに受け取り、受け取った８バイトをメモリ・ブロック５２にパラレルに送る。
【００８８】
干渉計
ｘ−ｙステージ２４はｘ軸及びｙ軸の位置がテレトラックTIPS V（Teletrac TIPS V ）のようなｘ−ｙ干渉計２８により監視される。ｘ−ｙステージ２４の位置は、最下位ビットが約2.5 ナノメートルに対応している２８ビットの精度で規定される。
【００８９】
システム・コンピュータ
検査システム１０の全体の制御はシステム・コンピュータ３６によってなされる。システム・コンピュータ３６は他の段取りタスクを含めて種々様々な一連の工程を順序だてて実行する。一つながりになっている各工程はいずれもプログラムに従って所定の時間に達成される。数種類の一連の工程が相互に矛盾しない場合には、システム・コンピュータ３６の処理能力が最大になるように、相互に矛盾しない数種類の一連の工程を同時に実行する。
【００９０】
システム・コンピュータ３６が実行するルーチンは、マウスやトラック・ボール・ポインティング・デバイスを備えたユーザ・キーボード４０を介してか、遠方のコンピュータとのデータ通信によりシステムとユーザとが対話できるように設計されている。局所との対話の場合には、コンピュータ・ディスプレイ３８にシステム・コンピュータ３６からのグラフィックやテキストが表示される。
【００９１】
システム・コンピュータ３６のルーチンは、４つの通信タスクに組織化されている。
１．電子ビーム生成部制御コンピュータ４２、ポスト・プロセッサ５８、基板ハンドラー３４との通信をするマスター・タスク。このタスクは、レンズの設定や、真空圧や、ビーム流等の装置動作パラメータを記録しているファイルをシステム・コンピュータに保持する。
【００９２】
２．コンピュータ・ディスプレイ３８上の表示を管理し、ユーザ・キーボード４０及びマウスからの入力を扱うユーザ・インターフェース・タスク。このタスクは、ユーザ・キーボード４０やマウスからの入力に応答してデータ・ファイルを変更したり、メッセージをシステムの他の部分に伝送して処理を開始させたりする。
【００９３】
３．画像収集用検査領域の特徴をマスター・タスクを介して電子ビーム生成部制御コンピュータ４２に伝送する検査タスク。
４．ユーザ・キーボード４０からのコマンド入力を可能にするコマンド言語解釈タスク。このタスクは繰返し動作の自動スケジュールを可能とするタイマーの管理もする。更に、このタスクは、装置の動作や動作の生じる時間が総て記載されているテキスト・ログファイルの生成及び更新の処理をする。このタスクは通常サービス・エンジニアが装置を制御する際にのみ使用される。
【００９４】
システム・コンピュータの例として、ユニックス・オペレーティング・システム（UNIX operating system ）の下で作動するサン・マイクロシステムズ社のスパーク・プロセッサ（Sun Microsystems SPARC processor）がある。ユニックス（UNIX）はAT&T社の登録商標である。
【００９５】
電子ビーム生成部制御コンピュータ
電子ビーム生成部制御コンピュータ４２は、オートフォーカス・コンピュータ、真空制御コンピュータ、偏向指令コンピュータから成る。オートフォーカス・コンピュータについては「オートフォーカス・システム」の項で機能と具体例を説明し、真空制御コンピュータについては「真空システム」の項で機能と具体例を説明する。
【００９６】
電子ビーム生成部制御コンピュータ４２は、システム・コンピュータ３６から指令を受ける。
電子ビーム生成部制御コンピュータ４２には、フォース・コンピュータ社（Force Computer, Inc.）が製造しているCPU 30ZBE のような68030 ベースの単一ボードのコンピュータを使用することができる。
【００９７】
ポスト・プロセッサ
ポスト・プロセッサ５８は、欠陥プロセッサ５６から、総ての欠陥ピクセルを示すマップを検出器毎に受信する。ポスト・プロセッサ５８はこれらのマップを結び付けて、欠陥毎にサイズと位置を決定し、欠陥の種類に応じて分類する。このようにしてシステム・コンピュータ３６にとって利用可能なデータが得られる。ポスト・プロセッサ５８には、フォース・コンピュータ社（Force Computer, Inc.）が製造しているCPU 30ZBE のような68030 ベースの単一ボードのコンピュータを使用することができる。
【００９８】
ビデオ・フレーム・バッファ
ビデオ・フレーム・バッファ４４は、ピクセル１個当たり１２ビットで、480 ×512 個のピクセルを記憶できる記憶容量を有している商業的に入手可能なビデオ・フレーム・メモリである。適切なフレーム・バッファとしてはイメージ・テクノロジー社（Image Technology Inc. ）のモデルFG100Vを挙げることができる。ビデオ・フレーム・バッファは画像ディスプレイを１秒間に３０回リフレッシュする。
【００９９】
画像ディスプレイ
画像ディスプレイ４６は、ソニー社のモデルPVM 1342Q のような、商業的に入手可能なカラー・モニタである。疑似カラー技術を用いてオペレータが画像を容易に評価できるようにしている。疑似カラー技術は白黒画像の灰色の濃淡値に異なる色を割り当てるものである。
【０１００】
データベース・アダプタ
データベース・アダプタ５４は、ダイに形成するパターンの設計に使用した計算機援用設計データに基づいて各ピクセルに対応するグレイスケールを生成する画像シミュレータである。データベース・アダプタの入力装置の典型は、集積回路のパターン形成に使用するフォーマットのデジタル磁気テープである。デジタル・データは、画像収集プリ・プロセッサ４８の出力と同じフォーマットで走査領域を表す一連のピクセル・データに変換される。このようなデータベース・アダプタは、米国特許第4,926,489 号に既に開示されている。米国特許第4,926,489 号は、１９９０年５月１５日に発行され、本出願と同じ譲受人に譲渡されており、発明者はダニエルソン等（Danielson et al ）であり、発明の名称は「レチクル検査システム（Reticle Inspection System ）」である。
【０１０１】
基板ハンドラー
基板ハンドラー３４は、カセットから基板５７を自動的に取り出して、取り出した基板を適切な方向に向けて基板ホールダに載置する機能を有するものであり、半導体産業でウェーハの搬送や取り扱いに通常使用されているウェーハ・ハンドラーに類似したロボット工学装置である。基板ハンドラー３４は、図２及び図３に示されている平らなノッチ５９を先ず検知する。基板ハンドラー３４は、基板５７の回転の中心から半径方向に延びるリニアＣＤＤセンサで光学的に平らなノッチ５９を検知する。基板が回転すると、リニアＣＤＤセンサの出力がデジタル形式に変換されて、フォース・コンピュータ社（Force Computer Inc. ）のCPU 30ZBE のような単一ボード・コンピュータに記憶される。このコンピュータは平らなノッチ５９の位置を判定する。基板５７は適切な方向を向くまで回転され、基板ホールダに自動的に載置される。基板５７を保持した基板ホールダは、図１１の負荷エレベータ２１０に載せられる。基板ハンドラーの動作は総てシステム・コンピュータ３６により制御される。
【０１０２】
ｘ−ｙステージ
ｘ−ｙステージ２４は、電子ビーム１００及び位置合わせ用光学系２２の下で基板５７を移動させるものである。システムの複雑さを最小にするために、ｘ−ｙステージ２４は自由度がｘ軸方向及びｙ軸方向の２度に設定されている。即ち、ｘ−ｙステージ２４は回転することもできなければ、基板５７のｘ−ｙ面に垂直な方向に移動することもできない。ｘ−ｙステージはｘ軸方向、ｙ軸方向、斜め方向に移動できるだけである。電子ビーム・ラスターの回転は、走査をビームの２種類の静電偏向成分に分解し、ｘ−ｙステージを機械的サーボによりｘ軸方向、ｙ軸方向、斜め方向に移動させることにより、電子的に達成される。対物レンズが基板の高さ方向の変化の補償に充分な範囲の可変焦点を有しているので、ｚ軸方向の移動は不要である。
【０１０３】
ｘ−ｙステージ２４は、直線移動、直角移動、繰り返しを非常に精密に制御できる装置である。交差して配置されたローラ・ベアリングが使用されている。ｘ−ｙステージは真空状態でも使用でき、電子ビーム１００と干渉しないように非磁性体で構成されている。透過電子ビーム１０８がｘ−ｙステージ２４の下の透過電子検出器１２９に到達できるように、ｘ−ｙステージはオープン・フレームを有している。オープン・フレームは、載置プロセスにおいて基板５７を下からオープン・フレーム上に載置するためにも使用される。
【０１０４】
図示していない三相ブラシレス・リニアモータを軸当り２個使用してｘ−ｙステージ２４を駆動することにより、最良のシステム機能を達成するようにしている。適切なリニアモータとしては、アノラッド社（Anorad Inc. ）が製造しているアノライン・モデルＬ１及びＬ２（Anoli ne model L1 and L2）を挙げることができる。
【０１０５】
真空システム
真空システム全体は電子ビーム生成部制御コンピュータ４２の制御下にある。図示していないがシステムの種々の場所には通常の圧力センサが配置されていて、圧力を測定し、測定結果を電子ビーム生成部制御コンピュータ４２に通知している。この電子ビーム生成部制御コンピュータ４２が、開始時或いは基板の載置又は取り出し中に、必要に応じて種々の弁を順次制御する。弁の順次制御ルーチンは、「載置動作」の項で詳しく説明する。真空状態が不十分で電子ビームの動作に不適切である場合には、高電圧を自動的に遮断して、熱的電界放出カソード８１が損傷を受けるのを防止している。この動作は、電子ビーム生成部制御コンピュータ４２、システム・コンピュータ３６、圧力センサの組み合わせにより実行される。同時に空気仕切弁１４５（図９と図１１）が作動して、電子ビーム生成部２０の超高真空領域１４０の汚染を防止する。真空システムの動作を以下に説明する。
【０１０６】
電子銃の真空システムは、補強しなくても潰れないように設計されていて別々に排気される２段式システムである。約１０-9トルの超高真空領域１４０はアノード・アパーチャ８７により仕切られていて、イオン・ポンプ１３９により排気される。約１０-8トルの中間の真空領域１４１は、空気ガン仕切弁１４５及びビーム制限アパーチャ９９により主要真空領域１４３から仕切られていて、イオン・ポンプ１４９により排気されている。以上の真空諸要素により電界放出に最適な環境が得られる。
【０１０７】
主要真空領域１４３はターボ・ポンプ２０４により真空状態に維持され、検査チャンバ２０６はターボ・ポンプ２０８により真空状態に維持される。検査チャンバ２０６は、プレートにより主要真空領域１４３から仕切られている。このプレートには電子ビームが通過する小さな孔が開けられている。このように検査チャンバ２０６と主要真空領域１４３とが仕切られているので、検査対象である基板がかなりの蒸気圧を有する光硬化性物質で被覆されていても、高真空状態を維持することができる。
【０１０８】
真空システムは２個のエアロック２２４及び２２６を有している。一方は基板５７を検査チャンバ２０６に載置するために使用され、他方は検査終了後に基板５７を取り出すために使用される。両エアロックはいずれも並列に配置されている弁２１２及び２１４を介して真空ポンプ２２０に連通している。弁２１２はエアロック２２４を低速で排気するためのもので、弁２１４は大きな開口を有していて大容積を排気することができる。同様の機構がエアロック２２６にも設けられている。この排気機構は構成が同じなので同一の参照符号で図示してある。同じ構成の排気機構を二重に設けた目的は、荷電粒子が排気処理により攪乱されるのを防止し、しかもチャンバの排気や加圧に必要な時間を短くするためである。
【０１０９】
以下に詳細に説明するように、基板５７がエアロック２２４に載置されると、先ず低速排気の弁２１２だけが開く。これによりチャンバ内の流速はエアロック２２４の領域の荷電粒子を攪乱しないように充分に低く維持される。チャンバ内の圧力が低下して空気流が自由分子流領域の水準、即ち、荷電粒子がもはや攪乱されない領域の水準に達すると、大容積排気の弁２１４を開いて、エアロック内に残っている空気を急速に排気する。同様の２段階動作が加圧処理にも使用されている。但し、加圧処理では両エアロック２２４、２２６のそれぞれについて高速及び低速の両通気用に更に別の一組の弁２２８及び２３０が設けられている。
【０１１０】
載置動作
以前に説明したように、基板５７は基板ハンドラー３４の基板ホールダに保持されて、載置エレベーター２１０に搭載される。この時、エアロック２２４は大気圧状態にある。エアロック２２４を低速で排気する弁２１２が開く。エアロック２２４の圧力が分子流の圧力に達すると、大容積排気の弁２１４が開き、残りの空気が排気される。ここでゲート弁２１６が開いて、載置エレベーター２１０はゲート弁２１６を通って基板５７及び基板ホールダを検査チャンバ２０６にまで押上げて、ステージ２４に載置する。基板５７の検査が終了すると、逆の順序で基板５７は基板収納用カセットに再び収められる。
【０１１１】
或いは、基板のカセットを同様の方法でチャンバに載置することもできる。チャンバに載置したカセットに収納されている基板の総てについて検査が終了すると、カセットをチャンバから除去して、別のカセットと交換する。
【０１１２】
更に、本発明は二重エアロック構成なので、一方のチャンバ内である基板を検査しながら、同時に他方のチャンバを使用して、別の基板の装着及び加圧をしたり、減圧及び除去をしたりすることができる。
【０１１３】
オートフォーカス・システム
電子ビーム１００は、図７に示したシステムの対物レンズ１０４の電流を変化させることにより収束される。基板は必ずしも平坦ではなく、ｘ−ｙステージ２４の表面は電子ビーム生成部２０の軸に完璧に垂直ではないかも知れないので、最適な焦点電流は検査領域全体に渡って変化する。しかしこの変化はｘ及びｙの両軸方向の距離の関数としては遅いので、基板５７上の数個の指定点で最適なフォーカス電流を決定することができる。指定点の間の任意の点については補間により所望のフォーカス電流を決定することができる。
【０１１４】
検査処理の準備及び開始手続きの一工程として、指定点での最適なフォーカス電流の測定が行われる。このフォーカス較正処理は、ビームを指定点に位置付ける工程と、基板５７の特徴のエッジに垂直な直線に沿ってグレイスケール値を測定する工程とから成る。例えば、フォーカス電流の１０個の異なる値に対して、デジタル化されたグレイスケール値は、図示していない高域フィルタで畳み込まれる。最良のフォーカス電流は、高域フィルタの出力の内で最大の値に対応した電流である。好ましい実施例では、以下の畳み込み係数と共に二次微分フィルタを使用している。
【０１１５】
−４  ０  ０  ０  ８  ０  ０  ０  −４
最良の効果を得るには高域フィルタの出力を平滑化しなければならない。
フォーカス・コンピュータは電子ビーム生成部制御コンピュータ４２の一部である。焦点の計算は、畳み込み集積回路と数個のＤＳＰ素子とから成る特別な目的のハードウエアで実行される。
【０１１６】
位置合わせ用光学系
位置合わせ用光学系２２は、ダイが検査チャンバに入った後に、ダイの粗い位置合わせを視覚的に実行するために、オペレータによって使用される。サブ・システムは、真空チャンバに面するウインドウと、ディスプレイ４６に表示するためのＣＣＤカメラに画像パターンを投影するレンズとから成る。オペレータは２個のレンズのうちの一つを選択できる。本発明では、経験により一方のレンズの倍率を0.46に、他方のレンズの倍率を5.8 に設定してある。基板からの汚れが光学面に付着するのを防止するために、レンズは真空領域の外部に置かれている。
【０１１７】
ＳＥＭプラズマ・クリーナ
本発明の電子ビーム装置が作動すると、近接相互作用（表面近くでの粒子の帯電）により標的物質が蒸発して高圧領域に引きつけられるので、電子ビームの形成や偏向に使用される様々な電極には有機物質が堆積する。表面の帯電により徐々に堆積していく絶縁体は電子ビームの形成や偏向機構に悪影響を及ぼすので、堆積した絶縁体は周期的に除去しなければならない。絶縁体の周期的な除去は絶縁体の堆積する領域の近傍に酸化プラズマを形成することにより達成される。
【０１１８】
酸化プラズマの形成には、洗浄プラズマの形成のための主要なガスとして酸素が用いられる。図１１に関して、酸素供給器１９９が中間の真空領域１４１及び主要真空領域１４３のそれぞれの上方又は下方に弁１９３を介して連通していて、静電容量式圧力計１９７で圧力測定しながら質量流量制御装置１９５により流量調節している。酸素の圧力を調節して、イオン化のための平行自由工程の異なる電極を１本づつ順次選択して、即ち、動作空間内の他の領域の洗浄に必要な他の電極を選択して、ＲＦエネルギーを選択した電極にカップリングし、プラズマの励起を選択した電極に限定する。放電領域内の空間的プラズマ密度を厳密に制御して、空間的プラズマ密度を電極面のスパッタ電位のすぐ下の水準に維持することにより、有機物質のみを酸化させることができる。これは高周波で電極が独りでにバイアスされるのを抑え、ＲＦ電力水準を正確にし、電圧を制限することにより達成することができる。
【０１１９】
次に、図１５を参照して説明する。通常の電極経路の接続は総てがリレー１９１により高周波コンパチブル多重リレー１７９に切り換えられて、体積物を除去する必要のある電極や、他の領域や、素子にＲＦエネルギーが順次照射される。高周波ＲＦ電力発生器１７３が起動されて、電力検出器１７５及び出力電圧検出器１７８により平滑化された出力を出す。平滑化されたＲＦ出力を自動整合網１７７により適切な電圧、電流、移相関係に変換して、プラズマ放電の開始に十分な電子なだれを引き起こすと共に維持されている放電負荷の共役整合の実施をする。
【０１２０】
同様に、プラズマにより符号１７１のような別の表面や電極をも洗浄することができる。
以上、数種の動作モード及び典型的なルーチン及び実施例の装置に沿って本発明を説明したが、当業者であれば以上の説明及び図面に示されている内容から種々の変更を施して本発明を実施できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシステム全体のブロック図。
【図２】ダイとデータベースとの比較検査に使用する走査パターンの概略図。
【図３】ダイとダイとの比較検査に使用する走査パターンの図。
【図４】幾つかの走査領域にわたって平均化されている画像を得るための多重フレーム走査統合技術の図。
【図５】図４に示した走査における電子ビームの公称Ｘ軸方向の偏向値を時間の関数として示した図。
【図６】図４に示した走査における基板状の電子ビームのＸ座標を時間の関数として示した図。
【図７】電子ビーム生成部及び収集システムの機能素子を示す概略図。
【図８】図７に示した電子ビーム生成部及び収集システムを通過する一次電子、二次電子、後方散乱電子、透過電子の経路を示す概略図。
【図９】マルチヘッド電子銃と真空系の概略図。
【図１０】本発明の位置決め制御システムのブロック図。
【図１１】本発明の真空システムの概略図。
【図１２】本発明のアナログ偏向システムのブロック図。
【図１３】図１に示した本発明のメモリのブロック図。
【図１４】本発明の画像収集プリ・プロセッサのブロック図。
【図１５】プラズマ酸化サブ・システムの電気的構成要素を示すために図７の電子ビーム生成部を修正して示す概略図。
【符号の説明】
１０…検査システム
２０…電子ビームコラム
２１…位置合わせコンピュータ
２２…位置合わせ用光学系
２３…データバス
２４…ｘ−ｙステージ
２６…ステージ・サーボ
２８…干渉計
２９…ＶＭＥ１
３０…アナログ偏向回路
３１…ＶＭＥ２
３２…検出器
３３…信号
３４…基板ハンドラー
３６…システム・コンピュータ
３８…コンピュータ・ディスプレイ
４０…ユーザ・キーボード
４２…コラム制御コンピュータ
４４…ビデオ・フレーム・バッファ
４６…画像ディスプレイ
４８…画像捕獲（アクイジション）前置プロセッサ
５０…偏向コントローラ
５２…メモリ・ブロック
５４…データベース・アダプタ
５６…欠陥プロセッサ
５７…基板
５８…ポスト・プロセッサ
【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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