(57)【要約】      （修正有）【課題】同一視野でミラー電子顕微鏡観察と低エネルギー電子顕微鏡観察とを両立させ得る反射結像型電子顕微鏡を提供するとともに、この反射結像型電子顕微鏡を用いて、試料上に形成されたパターンの欠陥部を、高分解能でかつ高速で検出し得る欠陥検査装置を提供する。【解決手段】電子源１から出射した電子線を試料７に面状の照射電子線３０１として照射する照射レンズ系と、試料７から出射した反射電子線３０２を投影拡大して試料像を投影結像させる結像レンズ系と、照射電子線３０１と反射電子線３０２を分離するビームセパレータ４とを備えた反射結像型電子顕微鏡において、ビームセパレータ４は、電界と磁界を直交かつ重畳させたＥｘＢ偏向器で構成され、照射電子線３０１に対する偏向角をほぼ一定に保ちながら、反射電子線３０２に対して、電界と磁界による偏向作用が打ち消しあう、ウィーン条件となるように偏向器を制御する制御手段２８を設ける。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子源から出射した電子線を試料に二次元的な広がりを有する面状の照射電子線として照射する照射レンズ系と、前記照射電子線を前記試料に照射して前記試料から出射した反射電子線を投影拡大して試料像を投影結像させる結像レンズ系と、前記照射電子線と前記反射電子線を分離するビームセパレータとを備えた反射結像型電子顕微鏡において、前記反射電子線については前記ビームセパレータを直進させるとともに、前記照射電子線に対しては前記照射電子線の前記ビームセパレータによる偏向角をほぼ一定に保つように制御する制御手段を設けてなることを特徴とする反射結像型電子顕微鏡。
【請求項２】
電子源に加速電圧を印加する電子源電圧印加手段と、試料を保持するステージに試料印加電圧を印加する試料電圧印加手段と、前記電子源から出射した電子線を試料に二次元的な広がりを有する面状の照射電子線として照射する照射レンズ系と、前記照射電子線を前記試料に照射して前記試料から出射した反射電子線を投影拡大して試料像を投影結像させる結像レンズ系と、前記照射電子線と前記反射電子線を分離するビームセパレータとを備えた反射結像型電子顕微鏡において、前記加速電圧と前記試料印加電圧を制御することにより、前記反射電子線を、前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻されたミラー電子と、前記試料に衝突して前記試料から発生する二次電子もしくは後方散乱電子とに切替える手段と、前記反射電子線に対しては前記ビームセパレータ内を直進させるとともに、前記照射電子線に対しては前記照射電子線の前記ビームセパレータによる偏向角をほぼ一定に保つように制御する制御手段とを設けてなることを特徴とする反射結像型電子顕微鏡。
【請求項３】
前記ビームセパレータは、電界と磁界を直交かつ重畳させたＥｘＢ偏向器で構成され、前記制御手段は、前記照射電子線に対する偏向角をほぼ一定に保ちながら、前記反射電子線に対して、電界と磁界による偏向作用が打ち消し合うウィーン条件となるように偏向器に供給する電圧および電流を制御してなることを特徴とする請求項１又は２に記載の反射結像型電子顕微鏡。
【請求項４】
前記ミラー電子を検出し拡大投影するミラー電子顕微鏡モードと、前記二次電子もしくは後方散乱電子を検出し拡大投影する低エネルギー電子顕微鏡モードとを有し、かつ、前記ミラー電子顕微鏡モードと前記低エネルギー電子顕微鏡モードとを切替える手段を設けてなることを特徴とする請求項２又は３に記載の反射結像型電子顕微鏡。
【請求項５】
前記ミラー電子顕微鏡モードから前記低エネルギー電子顕微鏡モードへの切替えは、前記試料印加電圧を前記電子源印加電圧より正電位にすることによって行なうことを特徴とする請求項４に記載の反射結像型電子顕微鏡。
【請求項６】
前記ミラー電子顕微鏡モードから前記低エネルギー電子顕微鏡モードへの切替えは、前記試料印加電圧の切替えと同時に、ＥｘＢ偏向器に入射する電子線のエネルギーをeＶ0、低エネルギー電子顕微鏡モードでの出射電子線がＥｘＢ偏向器に入射するエネルギーをeＶ1とすると、ＥｘＢ偏向器の偏向電圧および供給電流に、次式で与えられるγの値
【数１】
2006032107.tif 000014
を乗じた偏向電圧および供給電流を与えることによって行なうことを特徴とする請求項４に記載の反射結像型電子顕微鏡。
【請求項７】
電子源に加速電圧を印加する電子源電圧印加手段と、試料を保持するステージに試料印加電圧を印加する試料電圧印加手段と、前記電子源から出射した照射電子線を照射レンズにより対物レンズの焦点面に結像させて、前記試料に二次元的な広がりを有する面状の照射電子線を照射する照射レンズ系と、前記照射電子線を前記試料に照射して前記試料から出射した反射電子線を投影拡大して試料像を投影結像させる結像レンズ系と、前記照射電子線と前記反射電子線を分離するビームセパレータと、前記反射電子線に対しては前記ビームセパレータを直進させるとともに、前記照射電子線に対しては前記照射電子線の前記ビームセパレータによる偏向角をほぼ一定に保つように制御する制御手段とを備えた反射結像型電子顕微鏡にあって、前記面状の照射電子線を、負の電位を印加された試料表面の複数の照射領域に順次照射し、前記試料から発生した反射電子線を結像せしめて、前記複数の照射領域の全域もしくは一部の拡大電子像を順次形成し、前記拡大電子像を電気的な画像信号に変換する画像検出手段と、前記画像信号を基に前記試料に形成されたパターン欠陥を検出する画像処理手段とを設けてなることを特徴とするパターン欠陥検査装置。
【請求項８】
前記ビームセパレータは、電界と磁界を直交かつ重畳させたＥｘＢ偏向器で構成され、前記制御手段は、前記照射電子線に対する偏向角をほぼ一定に保ちながら、前記反射電子線に対しては、電界と磁界による偏向作用が打ち消し合うウィーン条件となるように偏向器に供給する電圧および電流を制御してなることを特徴とする請求項７に記載のパターン欠陥検査装置。
【請求項９】
前記加速電圧と前記試料印加電圧を制御することにより、前記反射電子線を、前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻されたミラー電子と、前記試料に衝突して前記試料から発生する二次電子もしくは後方散乱電子とに切替える手段とを設けてなることを特徴とする請求項７又は８に記載のパターン欠陥検査装置。
【請求項１０】
前記ミラー電子を検出し拡大投影するミラー電子顕微鏡モードと、前記二次電子もしくは後方散乱電子を検出し拡大投影する低エネルギー電子顕微鏡モードとを有し、かつ、前記ミラー電子顕微鏡モードと前記低エネルギー電子顕微鏡モードとを切替えることにより、前記試料に形成されたパターン欠陥を検出するよう構成したことを特徴とする請求項９に記載のパターン欠陥検査装置。
【請求項１１】
前記ミラー電子顕微鏡モードから前記低エネルギー電子顕微鏡モードへの切替えは、前記試料印加電圧の切替えと同時に、ＥｘＢ偏向器に入射する電子線のエネルギーをeＶ0、低エネルギー電子顕微鏡モードでの出射電子線がＥｘＢ偏向器に入射するエネルギーをeＶ1とすると、ＥｘＢ偏向器の偏向電圧および供給電流に、次式で与えられるγの値
【数２】
2006032107.tif 000015
を乗じた偏向電圧および供給電流を与えることによって行なうことを特徴とする請求項１０に記載の反射結像型電子顕微鏡。
【請求項１２】
前記画像処理手段は、前記複数の照射領域についての画像信号同士を比較するか、または予め記憶しておいた標準となる試料の所望とする検査領域における画像信号と比較することにより、前記試料に形成されたパターン欠陥を検出し、画像表示するよう構成されていることを特徴とする請求項７に記載の反射結像型電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料（半導体試料等）の表面状態を観察するミラー電子顕微鏡等の反射結像型電子顕微鏡、およびそれを用いて試料に形成されたパターン欠陥を検査するパターン欠陥検査技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造過程において、ウェハ上に形成された回路パターンの欠陥を画像の比較検査により検出する方法として、電子線を試料に照射することにより、光学顕微鏡の分解能以下となる微小なエッチング残り、微小パターン欠陥などの形状欠陥の検出や微小導通孔の非開口不良等の電気的な欠陥の検出が可能となっている。
【０００３】
ここで、点状の電子線を試料上で走査する走査型電子顕微鏡を用いた方式では、実用的な検査速度を得るためには限界があるので、矩形状の電子線を半導体ウェハに照射して、二次電子や後方散乱電子、または逆電界の形成によりウェハに照射されずに反射される電子をレンズにより結像させる等、いわゆるプロジェクション方式により高速に検査する装置が提案されている（例えば、特許文献１、２、３参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２４９３９３号公報
【特許文献２】特開平１０−１９７４６２号公報
【特許文献３】特開２００３−２０２２１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、二次電子等やミラー電子によるプロジェクション方式は、下記の課題を有する。
【０００６】
検出電子として二次電子や後方散乱電子を拡大投影させる装置は、低エネルギー電子顕微鏡と呼ばれている。この方式では、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）方式よりも大電流の電子線を一度に照射でき、かつ一括で画像を取得できるためＳＥＭ方式と比較して超高速に画像を形成できることが期待できる。ところが、二次電子の放出角度分布は広い角度に広がっており、しかもエネルギーも約１〜１０ｅＶと広がっている。このような電子を結像して試料の拡大像を形成するとき、大部分の二次電子をカットしないと十分な分解能が得られないことは、容易に判断することができる（参照文献：「ＬＳＩテスティングシンポジウム／１９９９会議録、Ｐ１４２」に記載の図６）。試料から放出した二次電子を加速するための負の試料印加電圧と二次電子の結像分解能との関係によると、試料印加電圧−５ｋＶのとき、分解能はほぼ０.２μｍである。
【０００７】
そして、放出した二次電子がすべて画像形成に使用できるわけではなく、たとえば上記文献の計算では、対物レンズ通過後の像面において１.１mradの開き角以下のビームを使用した場合となっている。この開き角の範囲内の二次電子は、全体のたかだか１０％程度である。さらに、結像に使用する二次電子のエネルギーの幅を１ｅＶで計算しているが、放出される二次電子のエネルギー幅は実際には数ｅＶ以上の幅を持って放出しており、高エネルギー側の裾野はおよそ５０ｅＶまで存在する。そのような幅広いエネルギー分布を持つ二次電子のうち、たかだか１ｅＶのエネルギー幅のもののみを抽出した場合はさらに数分の一に低減する。
【０００８】
このように、電子線を面積ビームとして試料に大電流を照射して得られる二次電子を用いて一括で画像を形成しようとしても、実際に画像形成に寄与できる電子の割合が低いために画像のＳ／Ｎ比を確保することが困難となり、結局期待できるほどの検査時間の短縮は不可能である。画像形成に後方散乱電子を用いても、後方散乱電子は、照射ビーム電流に比べて二桁少ない放出量しか得られず、二次電子の場合と同様に高分解能と高速性の両立は困難である。
【０００９】
二次電子や後方散乱電子に替わり、試料の直前で試料に当たらないで反射するミラー電子を拡大投影する装置は、ミラー電子顕微鏡と呼ばれている。このミラー電子を用いて欠陥を起因として生じる電位や形状の乱れを検出することによって、欠陥を検出することができる。パターンが凸形状か負帯電している場合には、試料直上に形成される等電位面は入射電子に対して凸面鏡レンズのように作用し、パターンが窪んだ形状か周りより正帯電している場合には、試料直上に形成される等電位面は入射電子に対して凹面鏡レンズとして作用する。このように、ミラー電子は試料直上に形成されるレンズにより若干軌道を変えるが、結像レンズの焦点条件を調整すれば、これらのミラー電子のほとんどを画像形成に用いることができる。すなわち、ミラー電子を用いれば、Ｓ／Ｎ比の高い画像が得られ、検査時間の短縮が期待できる。
【００１０】
しかしながら、ミラー電子から得られる画像は試料直上の等電位面を反映したものであり、一般の電子顕微鏡像とは大きく異なるので、試料の正確な形状及び位置に対応した情報を得ることは困難である。したがって、ミラー電子の画像を取得する機能に加えて、試料の正確な形状及び位置情報を得る手段が必須である。
【００１１】
ミラー電子を拡大投影して結像させるミラー電子顕微鏡の装置構成は、試料に電子線を照射する照射レンズ系と試料から反射される電子を結像する結像レンズ系および照射電子線と反射電子線を分離させるセパレータにより構成される。先に述べた二次電子や後方散乱電子を結像させる低エネルギー電子顕微鏡の従来例（特許文献１〜３）でも、同様の装置構成が記載されている。すなわち、照射レンズ系、結像レンズ系及び、セパレータとしては電界と磁界を直交させて動作させるＥＸＢ偏向器を用いている。
【００１２】
しかしながら、先述の従来例では、ミラー電子顕微鏡と低エネルギー電子顕微鏡を両立できる装置はなく、ミラー電子画像と二次電子画像を同一視野で観察することはできない。ミラー電子顕微鏡では、電子源に印加する加速電圧Ｖ０を試料印加電圧ＶＳよりとほぼ同電位に設定することにより、照射電子線は試料の直上で反転して反射電子線となり、対物レンズに入射するエネルギーｅＶ０と同じエネルギーｅＶ０で対物レンズを出射する。一方、低エネルギー電子顕微鏡では、電子源に印加する電圧Ｖ０を試料印加電圧ＶＳよりも負電圧に設定することにより、電子線は試料に対して、ｅ（ＶＳ−Ｖ０）のエネルギーで試料に入射する。試料から出射する二次電子あるいは後方散乱電子のエネルギーをｅＶ２と置くと、二次電子あるいは後方散乱電子はｅ（ＶＳ＋Ｖ２）のエネルギーで対物レンズ出射後、セパレータへ入射する。したがって、ミラー電子顕微鏡を用いて試料像を取得するモードから、試料印加電圧ＶＳを調整して、低エネルギー電子顕微鏡条件に設定しても、反射電子線がセパレータを通過するエネルギーが変化してしまうので、反射電子線に偏向作用が発生して拡大像が動いてしまい、二次電子像を観察することが困難となる。
【００１３】
本発明は、上述の点に着目してなされたものであり、同一視野でミラー電子顕微鏡観察と低エネルギー電子顕微鏡観察とを両立させ得る反射結像型電子顕微鏡を提供するとともに、この反射結像型電子顕微鏡を用いて、試料上に形成されたパターンの欠陥部を、高分解能でかつ高速で検出し得る欠陥検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の目的は、以下の方法で達成できる。
【００１５】
本発明は、ビームセパレータとして、ＥｘＢ偏向器を採用する。ＥｘＢ偏向器は、光軸の一方向から入射した電子線は直進し、光軸の反対方向側から入射した電子線は偏向される特徴がある。以下、本発明におけるビームセパレータについて説明する。
【００１６】
ＥｘＢ偏向器は、電界と磁界を直交かつ重畳して動作させて動作させる偏向器である。図２を用いて、この動作を説明する。加速電圧Ｖ０の電子線が図２に示す長さ２ｌ、間隔ｄの平行平板電極型の静電偏向器に±ＶＤの電圧を印加して偏向される偏向角θE0、および長さ２ｌの磁束密度Ｂの均一磁界偏向器/２で偏向される偏向角θM0は、それぞれ次式（１）、（２）で与えられる。
【００１７】
【数１】
2006032107.tif 000003
【００１８】
【数２】
2006032107.tif 000004
【００１９】
ここで、偏向器内の電界強度Ｅと磁束密度Ｂの間で電界による偏向と磁界による偏向が打ち消しあうような条件、
【００２０】
【数３】
2006032107.tif 000005
【００２１】
をウィーン条件と呼び、図２でウィーン条件に設定されたＥＸＢ偏向器に上方から入射した電子線は直進し、下方から入射した電子線は、θE０＋θM０＝２θE０の偏向を受ける。
【００２２】
ミラー電子顕微鏡では、例えば、照射電子線に対しては、電界及び磁界が同じ方向に作用する偏向器の条件で用い、反射電子線に対しては、電界と磁界の作用が打ち消しあって、偏向器内を電子線が直進するウィーン条件で用いる。照射電子線が偏向器に入射するエネルギーおよび反射電子線となるミラー電子線が偏向器に入射するエネルギーは等しくｅＶ０となり、エネルギーｅＶ０の電子線に対する静電偏向器および磁界偏向器の偏向角をそれぞれθＥ０およびθＭ０とおくと、照射電子線に対する偏向角θＩＮおよび反射電子線に対する偏向角、θOUTは、以下のようになる。
【００２３】
【数４】
2006032107.tif 000006
【００２４】
この照射系の偏向角θＩＮは、照射系の光軸と結像系の光軸との間の角度であり、装置に固有の角度である。
【００２５】
一方、低エネルギー電子顕微鏡では、照射電子線が偏向器に入射するエネルギーはｅＶ０、二次電子や後方散乱電子で形成される反射電子線が偏向器に入射するエネルギーはｅＶ１となる。このエネルギー条件に対しても、反射電子線に対してはウィーン条件となり、入射電子線に対してはθＩＮとなるような動作条件を以下で求める。
【００２６】
エネルギーｅＶ１の電子線に対する静電偏向器および磁界偏向器の偏向角をそれぞれθＥ１およびθＭ１とおくと、反射電子線に対してウィーン条件、θＥ１＝θＭ１が成り立つ。一方、照射電子線に対しては、加速電圧の変化を考慮して以下の条件を満足しなければならない。
【００２７】
【数５】
2006032107.tif 000007
【００２８】
ミラー電子顕微鏡条件では、θＩＮ＝２θＥＯだから、θＥＯとθＥ１の関係は、以下のようになる。
【００２９】
【数６】
2006032107.tif 000008
【００３０】
これを変形して、
【００３１】
【数７】
2006032107.tif 000009
【００３２】
ここで、低エネルギー電子顕微鏡の反射電子線のエネルギーｅＶ１は、試料印加電圧をＶＳ、二次電子あるいは後方散乱電子の初期エネルギーをＶ２とおくと、ｅＶ１＝ｅ（ＶＳ＋Ｖ２）で与えられるが、一般には二次電子のエネルギーは数ｅＶと小さいので、二次電子結像の場合にはｅＶ１＝ｅＶＳとしてもよい。
【００３３】
静電偏向器による偏向角は偏向版の印加電圧に比例し、磁界偏向器の磁束密度Ｂがコイルにより誘起される場合は、磁束密度Ｂはコイルに流す励磁電流に比例する。したがって、ミラー電子顕微鏡条件から低エネルギー電子顕微鏡へのモードの切替は、試料印加電圧ＶＳの切替と同時に、ＥＸＢ偏向器の偏向電圧及びコイル供給電流に（７）式で与えられるγの値を乗じた偏向電圧及び供給電流を与えれば、ミラー電子像から二次電子像へ像の逃げなく観察することが可能となる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、同一視野でミラー電子顕微鏡観察と低エネルギー電子顕微鏡観察とを両立させ得る反射結像型電子顕微鏡を実現するとともに、この反射結像型電子顕微鏡を用いて、試料上に形成されたパターンの欠陥部を、高分解能でかつ高速で検出し得る欠陥検査装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下に、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３６】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例になる反射結像型電子顕微鏡の装置構成を示す。
【００３７】
電子光学系１０１において、セパレータとしてＥＸＢ偏向器４を反射電子線３０２の結像面近傍に配置させる。照射系の光軸と試料（例えば、ウェハ）７に垂直な結像系の光軸とは、互いにθＩＮの角度で交叉している。コンデンサレンズ３と対物レンズ１０の間にはビームセパレータとしてＥｘＢ偏向器４が配置されており、電子源１より放出された照射電子線３０１は、ＥｘＢ偏向器４によりウェハ７に垂直な光軸に偏向される。ＥＸＢ偏向器４により偏向された照射電子線３０１は、コンデンサレンズ３により対物レンズの焦点面近傍に集束され、試料上７をほぼ平行な照射電子線で照射することができる。
【００３８】
試料室１０２において、試料７には、電子源１に印加される加速電圧Ｖ0とほぼ等しいか、わずかに高い負の電位が試料７を保持するステージ８を通じて、試料印加電源３４によって印加されている。試料と対向する円孔電極９には円孔電極印加電源３３により、試料７に対して数ｋＶから数十ｋＶの範囲の正電圧が印加されており、この円孔電極９と試料７との間の減速電界によって面状の照射電子線３０１の大部分が試料７に衝突する直前で引き戻されてミラー電子となり、試料７の形状や電位、磁界などを反映した方向や強度を持って再び対物レンズ１０に入射する。
【００３９】
このミラー電子による反射電子線３０２は、対物レンズ１０により拡大されて、ＥｘＢ偏向器４近傍にミラー投影像を結ぶ。このＥｘＢ偏向器４は反射電子線にはウィーン条件で作用する。すなわち、反射電子線３０２に対しては、ＥｘＢ偏向器４は偏向作用を持たず、また、ミラー像がＥｘＢ偏向器４近傍に結像投影されるので、ＥｘＢ偏向器４による偏向収差もほとんど発生しない。この対物レンズ１０によるミラー像は、中間レンズ１３および投影レンズ１４により投影され、シンチレータ１５上に拡大されたミラー電子像が形成される。このミラー電子像はシンチレータ１５により光学像に変換され、光学レンズ１６あるいは光ファイバー束１６によりＣＣＤカメラ１７上に投影され、ＣＣＤカメラ１７により電気信号に変換されたミラー像がモニタ２２により表示される。
【００４０】
図３に、ＥｘＢ偏向器４を光軸垂直方向から見た断面を示す。本例では、８極電磁極構造の例を示す。各電磁極５１は、パーマロイなどの磁性体で構成されている。各電磁極は電位を与えられることによって電極として動作し、各電磁極５１のボビン５２にＮ回巻かれているコイル５３に励磁電流を流すことによって磁極として動作する。図３に示す電圧配分で各電磁極に電圧ＶXを印加すると電子はｘ方向に偏向作用を受ける。
【００４１】
また、図４に示すような電流配分で電流ＩYを各コイルに流すと、図３の紙面の裏側から表へ運動する電子はｘ方向の正方向、紙面の表から裏側へ運動する電子は、ｘ方向の負方向へ偏向作用を受ける。各電極の電圧および電流配分は実際の電磁極形状に電位あるいは磁位を与えた電磁界計算により均一な電磁界が発生するように最適化されており、例えば、図中の定数αは、α＝０.４１４に設定されている。
【００４２】
図５は、ＥｘＢ偏向器４の光軸を含む断面図である。ＥｘＢ偏向器をビームセパレータとして用いる場合、照射系と結像系の交叉角θＩＮは二つの光学系が互いに干渉しない配置関係を考慮すると、３０度程度は取る必要がある。照射電子線３０１を３０°偏向しても電磁極に当たらないようにするためには、開口部の直径を電磁極長さより大きくしなければならないが、開口を広げると偏向させる電圧を増加させなければならないので、電磁極５１の形状は、電子軌道にほぼ沿った末広がりの円錐形状とした。また、電磁極の上下にはシールド電磁極５４を設け、電磁界の滲みだしを抑えるとともに、電界と磁界が同一の空間で作用するようにして、空間内で常にウィーン条件が成り立つ完全なＥｘＢ偏向器として動作するようにした。
【００４３】
次に、このＥｘＢ偏向器４を用いた照射電子線３０１の調整手順について説明する。加速電圧Ｖ0が一定の条件では、ウィーン条件を満たすような電磁極印加電圧ＶXと電磁極供給電流ＩYの比は一定であるので、計算機シミュレーションなどの手法を用いてＶ0と強度比の関係はあらかじめ求められて、制御部２８に記憶されている。加速電圧Ｖ0を制御部２８にインプットすれば、制御部２８は電子源印加電源３１から電子源１へＶ0を印加するとともに、ＥｘＢ偏向器用電圧電源３６から電磁極に印加する電圧ＶXとＥｘＢ偏向器用電流電源３７から電磁極に供給する電流ＩYの強度比を一定にする制御を行う。ＶXとＩYの強度比を一定のまま、手動あるいは自動で増加させていくとともに、試料７をアース電位にして電流計を接続し、加速電圧Ｖ0の照射電子線を試料７に照射して吸収される電流を計測することによって、照射電子線が試料７に到達する条件、すなわち照射電子線のＥｘＢ偏向器４による偏向角θＩＮを求めることができる。
【００４４】
次に、試料印加電源３４から試料を保持するステージ８を通じて試料７に印加する電圧を、電子線の加速電圧Ｖ0とほぼ等しいかわずかに高い負の電圧に、制御部２８が設定することにより、照射電子線は試料７の直上で向きを変えてミラー電子線になる条件となる。このミラー電子による反射電子線に対してＥｘＢ偏向器４が完全なウィーン条件になっていれば、反射電子線はＥｘＢ偏向器４内を直進して、ＣＣＤカメラ１７あるいは結像系光路上に置かれたファラデーカップなどの検出手段により検出されるが、もし反射電子線が検出されていなければ、制御部２８はＥｘＢ偏向器４を照射電子線の偏向角θＩＮを一定に保ったまま、電圧ＶXと電流ＩYの比率を変える制御を行う。電圧の増分ΔＶと電流の増分ΔＩは、
【００４５】
【数８】
2006032107.tif 000010
【００４６】
の関係が成り立つように制御する。εはおおむね１である。この電圧と電流の比率の制御により、反射電子線がＥｘＢ偏向器４を直進して、ＣＣＤカメラ１７に到達する条件を決定する。以上の調整により、ミラー電子顕微鏡条件におけるＥｘＢ偏向器４の制御電圧ＶXおよび制御電流ＩYを決定する。
【００４７】
次に、ミラー電子顕微鏡モードから低エネルギー電子顕微鏡モードに切り替える手順について説明する。試料電圧印加電源３３からステージ８を通じて試料７に供給する試料印加電圧−ＶSを電子源印加電源３１から電子源１に供給する電子源印加電圧-Ｖ０より正電圧側に設定することにより、照射電子線はｅ(Ｖ０−ＶS)のエネルギーで試料７に照射される。−ＶSの電位の試料７から放出された二次電子は試料７と対向する円孔電極９との区間で加速され、アース電位である対物レンズ最終段電極１１を通過後はｅＶ1のエネルギーで結像系に入射する。ここで、二次電子の初期エネルギーをＶ２とおくと、Ｖ1＝ＶS＋Ｖ２で表されるが、ＶSは通常数ｋＶから数十ｋＶ程度に設定されるのに対してＶ２は高々数Ｖであり、Ｖ1＝ＶSで近似することができる。
【００４８】
ＥｘＢ偏向器４の電磁極供給電圧ＶXおよび電磁極供給電流ＩYには、制御部２８では（７）式で与えられるγを乗じたγＶXおよびγＩYが演算され、ＥｘＢ偏向器用電圧電源３６およびＥｘＢ偏向器用電流電源３７を通じてＥｘＢ偏向器４の各電磁極へγＶXの電圧およびγＩYの電流が供給される。対物レンズ１０、中間レンズ１３および投影レンズ１４についても、反射電子線のエネルギーがｅＶ０からｅＶ1へ変化するので、磁界レンズの場合には、磁界コイルの巻き数をＮ、加速電圧Ｖ０の励磁電流をＩ０、加速電圧Ｖ１の励磁電流をＩ１と置くと、レンズ励磁ＥXが、
【００４９】
【数９】
2006032107.tif 000011
【００５０】
と一定になるように、対物レンズ電源３５、中間レンズ電源３８、投影レンズ電源３９からそれぞれ対物レンズ１０、中間レンズ１３、投影レンズ１４に供給する励磁電流１を√Ｖ１/√Ｖ０倍だけ乗じて設定する。電子レンズが静電レンズの場合には、あらかじめ数値計算などで加速電圧の変化に対して焦点距離が等しくなるような印加電圧値を制御部２８に記憶しておき、制御部２８から各静電レンズに設定する。また、結像系内の偏向器６についても、同様の手順で加速電圧の補正を行う。
【００５１】
以上の操作により、反射電子線の加速電圧が変化しても、反射電子線に対するＥｘＢ偏向器４のウィーン条件を保つと同時に、結像レンズの焦点距離を一定に保つことができるので、ミラー電子顕微鏡モードから低エネルギー電子顕微鏡モードの切替でも、同一視野を同一倍率で観察することが可能となる。
【００５２】
なお、上記の動作は、ＥｘＢ偏向器４のｘ方向の偏向方向について説明したが、ｙ方向への偏向成分の補正についても８極の電磁極にｙ方向の偏向成分の電圧あるいは電流を供給することによって同様の手順で行うことができる。例えば、ＥｘＢ偏向器に周辺の磁界レンズからの磁束の漏れが生じている場合には、このようなｙ方向の電磁界を重畳させる回転補正が必要である。
【００５３】
また、図４においては、各コイルの巻き数は等しくＮ回としたが、磁極に流す電流Iとの関係がＮＩが一定になる範囲で電流IおよびＮを変化させてもよい。
【００５４】
（実施例２）
図６に示す本発明の第２の実施例は、結像系のＥｘＢ偏向器４より後方に結像系偏向器６を配置した構成である。
【００５５】
ミラー電子顕微鏡観察モードでは、例えば、照射電子線に対しては、電界及び磁界が同じ方向に作用するＥｘＢ偏向器４の条件で用い、反射電子線に対しては、電界と磁界の作用が打ち消しあって、ＥｘＢ偏向器４内を電子線が直進するウィーン条件で用いる。照射電子線がＥｘＢ偏向器４に入射するエネルギーおよびミラー電子から構成される反射電子線がＥｘＢ偏向器４に入射するエネルギーは、等しくｅＶ０となる。
【００５６】
一方、低エネルギー電子顕微鏡観察モードでは、照射電子線がＥｘＢ偏向器４に入射するエネルギーはｅＶ０、二次電子や後方散乱電子から構成される反射電子線がＥｘＢ偏向器４に入射するエネルギーはｅＶ１となる。したがって、ＥｘＢ偏向器４を同じ強さで動作させると、エネルギーｅＶ０の電子線に対する静電偏向器の偏向角をθＥ０と置くと、エネルギーｅＶ１の反射電子線の偏向角θOUTは、次式で表される。
【００５７】
【数１０】
2006032107.tif 000012
【００５８】
この反射電子線の偏向角は、結像系のＥｘＢ偏向器４の後方に配置する偏向器６による偏向角が−θOUTの強さになるように動作させれば、偏向方向をもとに戻すことができる。さらに、偏向器６として２段偏向器を用いれば、１段目の偏向器の偏向角θD1と２段目の偏向器の偏向角θD2との間に、θD1＝θD2＋θOUTが成り立つように動作させれば、反射電子線の偏向方向及び光軸からのずれを概ねもとに戻すことができる。
【００５９】
（実施例３）
図７に示す本発明の第３の実施例は、ミラー電子顕微鏡と走査電子顕微鏡の観察を両立させた構成である。
【００６０】
ミラー電子顕微鏡モードからミラー走査電子顕微鏡モードへは、制御部２８からコンデンサ電源３２を通じてコンデンサレンズ３の結像条件を切り替えることにより、試料上を面ビームで照射する条件から試料上でスポットになるように動作させる。具体的には、コンデンサレンズ３の結像位置を対物レンズ１０の焦点面位置から反射電子線の結像位置に概ね一致させるように動作させればよい。同時に、偏向信号発生器４４、偏向増幅器４３を通じて、走査偏向器４１を駆動して、試料上を照射電子線が走査するとともに、試料７から跳ね返されたミラー電子や二次電子を検出する二次電子検出器４２を結像系光路内に挿入して検出し、信号増幅器４５で増幅する。増幅された映像信号は表示装置４６に供給されて輝度変調信号となる。表示装置４６には、ビーム走査と同期した偏向信号が偏向信号発生器４４により供給され、走査顕微鏡モードによるミラー電子像が表示装置４６に形成される。
【００６１】
ミラー電子像から二次電子像への観察は、試料電圧印加電源３３からステージ８を通じて試料７に供給する試料印加電圧−ＶSを電子源印加電圧-Ｖ０より正電圧側に設定することにより、照射電子線はｅ(Ｖ０−ＶS)のエネルギーで試料７に照射される。同時に、コンデンサレンズ３を制御して、試料上を照射する電子線をスポット状にする調整を行って、試料７に電子線を照射して得られた二次電子や後方散乱電子を二次電子検出器４２で検出することにより、走査電子顕微鏡モードによる二次電子走査像を得る。
【００６２】
（実施例４）
図８に示す本発明の第４の実施例は、ミラー電子顕微鏡を高速ウェハ検査に適用した構成である。
【００６３】
電子源１より放出された照射電子線３０１は、コンデンサレンズ３により収束され試料上をほぼ平行に照射される。電子源１には、先端半径が１μｍ程度のＺｒ/Ｏ/Ｗ型のショットキー電子源を用いた。この電子源を用いることにより、大電流ビーム（例えば、１.５μＡ）で、かつエネルギー幅が０.５ｅＶ以下の均一な面状電子線を安定に形成できる。
【００６４】
セパレータとしてのＥｘＢ偏向器４を反射電子線３０２の結像面近傍に配置させる。照射電子線は３０１は、ＥｘＢ偏向器４によりウェハ７に垂直な光軸に偏向される。ＥｘＢ偏向器４は上方からの電子線に対してのみ偏向作用を持つ。ＥｘＢ偏向器４より偏向された電子線は、対物レンズ１０により試料（ウェハ）表面に垂直な方向に面状の電子線が形成される。
【００６５】
欠陥検査には、ミラー電子顕微鏡モードを使用する。ミラー電子は試料直上に形成される等電位面の歪により軌道を変えるが、結像レンズの焦点条件を調整すれば、これらのミラー電子のほとんどを画像形成に用いることができる。すなわち、ミラー電子を用いれば、Ｓ／Ｎ比の高い画像が得られ、検査時間の短縮が期待できる。
【００６６】
ユーザーがミラー電子顕微鏡モードに設定すると、試料印加電源３３によって試料７には、電子線の加速電圧とほぼ等しいか、わずかに高い負の電位が印加されて、試料７の表面には形成された半導体パターン形状や帯電の状態を反映した電界が形成される。この電界によって面状電子線の大部分が試料７に衝突する直前で引き戻され、ミラー電子として試料７のパターン情報を反映した方向や強度を持って上がってくる。
【００６７】
このミラー電子は、対物レンズ１０により収束作用を受ける。ビームセパレータとしてのＥｘＢ偏向器４は下方から進行した反射電子線に対しては偏向作用を持たないように設定されており、反射電子線はそのまま垂直に上昇し、中間レンズ１３、投影レンズ１４により拡大投影されて、ＣＣＤカメラ１７を含む画像検出部上にウェハ７表面の画像を結像させる。これにより、試料７表面の局部的な帯電電位の変化や凹凸等の構造の違いが画像として形成される。この画像は電気信号に変換され画像処理部１０３に送られる。
【００６８】
画像処理部１０３は、画像信号記憶部１８及び１９、演算部２０、欠陥判定部２１より構成されている。画像記憶部１８と１９は同一パターンの隣接部の画像を記憶するようになっており、両者の画像を演算部２０で演算して両画像の異なる場所を検出する。この結果を欠陥判定部２１により欠陥として判定しその座標を記憶部２３に記憶する。なお、取り込まれた画像信号はモニタ２２により画像表示される。
【００６９】
試料７である半導体ウェハ表面上に形成された同一設計パターンを有する隣接チップＡ、Ｂ間でのパターンの比較検査をする場合には、先ず、チップＡ内の被検査領域についての電子線画像信号を取り込んで、記憶部１８内に記憶させる。次に、隣接するチップＢ内の上記と対応する被検査領域についての画像信号を取り込んで、記憶部１９内に記憶させながら、それと同時に、記憶部１８内の記憶画像信号と比較する。さらに、次のチップＣ内の対応する被検査領域についての画像信号を取得し、それを記憶部１８に上書き記憶させながら、それと同時に、記憶部１９内のチップＢ内の被検査領域についての記憶画像信号と比較する。このような動作を繰り返して、全ての被検査チップ内の互いに対応する被検査領域についての画像信号を順次記憶させながら、比較して行く。
【００７０】
上記の方法以外に、予め、標準となる良品（欠陥のない）試料についての所望の検査領域の電子線画像信号を記憶部１８内に記憶させておく方法を採ることも可能である。その場合には、予め制御部２８に上記良品試料についての検査領域および検査条件を入力しておき、これらの入力データに基づき上記良品試料についての検査を実行し、所望の検査領域についての取得画像信号を記憶部１８内に記憶する。次に、検査対象となるウェハ７をステージ８上にロードして、先と同様の手順で検査を実行する。
【００７１】
そして、上記と対応する検査領域についての取得画像信号を記憶部１９内に取り込むと同時に、この検査対象試料についての画像信号と先に記憶部１８内に記憶された上記良品試料についての画像信号とを比較する。これにより上記検査対象試料の上記所望の検査領域についてのパターン欠陥の有無を検出する。なお、上記標準（良品）試料としては、上記検査対象試料とは別の予めパターン欠陥が無いことが判っているウェハを用いても良いし、上記検査対象試料表面の予めパターン欠陥が無いことが判っている領域(チップ)を用いても良い。例えば、半導体試料(ウェハ)表面にパターンを形成する際、ウェハ全面にわたり下層パターンと上層パターン間での合わせずれ不良が発生することがある。このような場合には、比較対象が同一ウェハ内あるいは同一チップ内のパターン同士であると、上記のようなウェハ全面にわたり発生した不良(欠陥)は見落とされてしまう。
【００７２】
しかし、本実施例によれば、予め良品(無欠陥)であることが判っている領域の画像信号を記憶しておき、この記憶画像信号と検査対象領域の画像信号とを比較するので、上記したようなウェハ全面にわたり発生した不良をも精度良く検出することができる。
【００７３】
記憶部１８、１９内に記憶された両画像信号は、それぞれ演算部２０内に取り込まれ、そこで、既に求めてある欠陥判定条件に基づき、各種統計量（具体的には、画像濃度の平均値、分散等の統計量）、周辺画素間での差分値等が算出される。これらの処理を施された両画像信号は、欠陥判定部２１内に転送されて、そこで比較されて両画像信号間での差信号が抽出される。これらの差信号と、既に求めて記憶してある欠陥判定条件とを比較して欠陥判定がなされ、欠陥と判定されたパターン領域の画像信号とそれ以外の領域の画像信号とが分別されるとともに、欠陥部のアドレスが記憶部２３に記憶される。
【００７４】
装置各部の動作命令および動作条件は、制御部２８から入出力される。制御部２８には、予め電子線発生時の加速電圧、電子線偏向幅・偏向速度、試料ステージ移動速度、画像検出素子からの画像信号取り込みタイミング等々の諸条件が入力されており、ステージ位置測定器２７、試料高さ測定器２６からの信号を基にして、補正信号を生成し、電子線が常に正しい位置に照射されるように、対物レンズ電源３５や偏向器２９に供給する偏向器電源２４に補正信号を送る。ステージ制御系３０は、制御部２８から指令を受けて試料移動ステージ８を制御する。
【００７５】
検査時には、試料(半導体ウェハ)７を搭載したステージ８はｘ方向に一定速度で連続移動する。ステージ８は連続移動しているので、電子線は照射系偏向器５によってステージ８の移動に追従して偏向走査させる。
【００７６】
電子線の照射領域あるいは照射位置は、ステージ８に設けられたステージ位置測定器２７、試料高さ測定器２６等により常時モニタされる。これらのモニタ情報が制御部２８に転送されて詳細に位置ずれ量が把握され、正確に補正される。これにより、パターンの比較検査に必要な正確な位置合わせが高速・高精度で行われ得る。
【００７７】
また、半導体ウェハ７の表面高さを、電子線以外の手段でリアルタイムに測定し、電子線を照射するための対物レンズ１０や中間レンズ１３、投影レンズ１４の焦点距離をダイナミックに補正する。電子線以外の手段としては、例えば、レーザ干渉方式や反射光の位置変化を計測する方式等による光学式の高さ測定器２６がある。これにより、常に被検査領域の表面に焦点のあった電子線像を形成することができる。また、予め検査前にウェハ７の反りを測定しておき、その測定データを基に上記の焦点距離補正をするようにして、実検査時にはウェハ７の表面高さ測定を行う必要がないようにしてもよい。
【００７８】
また、上述の検査は低エネルギー電子顕微鏡モードを用いることも可能である。例えば、ライン＆スペースパターンの底部で発生する形状欠陥は、エネルギーの高い電子線を試料に照射して得られた二次電子を検出するほうが検出効率が高くなる場合がある。ユーザーが低エネルギー電子顕微鏡モードを選択すると、試料電圧印加電源３３から試料に供給する試料印加電圧−ＶSを電子源印加電源３１から電子源１に供給する電子源印加電圧−Ｖ０より正電圧側に設定することにより、照射電子線はｅ(Ｖ０−ＶS)のエネルギーで試料７に照射される。−ＶSの電位の試料７から放出された二次電子は試料７と対向する円孔電極９との区間で加速され、アース電位である対物レンズ最終段電極１１を通過後、ｅＶ1のエネルギーで結像系に入射する。ここで、二次電子の初期エネルギーＶ２とおくと、Ｖ1＝ＶS＋Ｖ２で表されるが、ＶSは通常数ｋＶから数十ｋＶ程度に設定されるのに対してＶ２は高々数Ｖであり、Ｖ1＝ＶSで近似することができる。ＥｘＢ偏向器４の制御電圧ＶＸおよび制御電流ＩＹには、（７）式で与えられるγＶＸおよびγＩＹが改めて設定されて供給される。
【００７９】
対物レンズ１０、中間レンズ１３および投影レンズ１４についても、反射電子線のエネルギーがｅＶ０からｅＶ1へ変化するので、磁界レンズの場合には、磁界コイルの巻き数をＮ、加速電圧Ｖ０の励磁電流をＩ０、加速電圧Ｖ１の励磁電流をＩ１と置くと、レンズ励磁ＥXが、
【００８０】
【数１１】
2006032107.tif 000013
【００８１】
と一定になるように励磁電流Ｉ１を制御する。電子レンズが静電レンズの場合には、あらかじめ数値計算などで加速電圧の変化に対して焦点距離が等しくなるような強度をレンズに設定する。結像系内の偏向器６についても、同様の手順で加速電圧の補正を行う。
【００８２】
さらに、低エネルギー電子顕微鏡モードでは、二次電子や後方散乱電子の散乱方向を制限する角度制限絞り１２を対物レンズの焦点面あるいは対物レンズの焦点面を中間レンズで投影させた結像面上に配置して、レンズ収差の小さな高分解能像を得ることができる。また、二次電子や後方散乱電子は、角度制限絞り１２を通過後、強度が大幅に減衰するので、シンチレータ１５の前方に二次電子や後方散乱電子を増倍するマルチチャンネルプレートか、シンチレータ１５の後方にシンチレータ光強度を増倍するイメージインテンシファイア４９を配置することにより、ＣＣＤカメラ１７で検出する信号強度を増加させることが可能となる。本実施例では、光学レンズ４８光路内にイメージインテンシファイア４９を配置する構成としており、低エネルギー電子顕微鏡モード選択時にはイメージインテンシファイア４９の増幅率を大きくとることにより、明るい像が得られるようにしたが、低エネルギー電子顕微鏡モード選択時にイメージインテンシファイア４９を挿入する構成としてもよい。
【００８３】
ミラー電子顕微鏡モードあるいは低エネルギー電子顕微鏡モードで自動欠陥検査を行った後、欠陥部の詳細な観察を行って欠陥の種類を同定する。低エネルギー電子顕微鏡モードで観察する場合は、試料の形状を忠実に反映した画像が得られるので、欠陥の正確な大きさや形状を判定することができる。他方、ミラー電子顕微鏡モードでは、試料表面の電位分布の情報を詳細に観察することが可能となる。ユーザーは試料の観察時に同一視野で低エネルギー電子顕微鏡モードとミラー電子顕微鏡モードを切り替えることができるので、欠陥の種類を正確に判定することが可能となった。
【００８４】
以上詳述したように、本発明によれば、同一視野でミラー電子顕微鏡観察と低エネルギー電子顕微鏡観察とを両立させ得る反射結像型電子顕微鏡を実現できるとともに、この反射結像型電子顕微鏡を用いて、試料上に形成されたパターンの欠陥部を、高分解能でかつ高速で検出し得る欠陥検査装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の第１の実施例になる反射結像型電子顕微鏡の構成を説明する図。
【図２】本発明におけるビームセパレータとしてのＥｘＢ偏向器の動作を説明する図。
【図３】８極型ＥｘＢ偏向器における電圧配分を説明する図。
【図４】８極型ＥｘＢ偏向器における電流配分を説明する図。
【図５】８極型ＥｘＢ偏向器の断面図。
【図６】本発明の第２の実施例の装置構成を説明する図
【図７】本発明の第３の実施例の装置構成を説明する図
【図８】本発明の第４の実施例の装置構成を説明する図
【符号の説明】
【００８６】
１…電子源、２…電子銃レンズ、３…コンデンサレンズ、４…ビームセパレータ、５…照射系偏向器、６…結像系偏向器、７…試料、８…ステージ、９…円孔電極、１０…対物レンズ、１１…対物レンズ最終電極、１２…角度制限絞り、１３…中間レンズ、１４…投影レンズ、１５…シンチレータ、１６…光ファイバー束、１７…ＣＣＤカメラ、１８…画像記憶部、１９…画像記憶部、２０…演算部、２１…欠陥判定部、２２…モニタ、２３…加速電源、２４…偏向器電源、２５…対物レンズ電源、２６…試料高さ測定器、２７…ステージ位置測定器、２８…制御部、２９…偏向器、３０…ステージ制御系、３１…電子源印加電源、３２…コンデンサレンズ電源、３３…円孔電極印加電源、３４…試料印加電源、３５…対物レンズ電源、３６…ＥｘＢ偏向器用電圧電源、３７…ＥｘＢ偏向器用電流電源、３８…中間レンズ電源、３９…投影レンズ電源、４１…走査偏向器、４２…二次電子検出器、４３…偏向増幅器、４４…走査信号発生器、４５…信号増幅器、４６…表示装置、４７…照射系絞り、４８…光学レンズ、４９…イメージインテンシファイア、５１…電磁極、５２…ボビン、５３…コイル、５４…シールド、１０１…電子光学系、１０２…試料室、１０３…画像処理部、３０１…照射電子線、３０２…反射電子線。
【図１】
2006032107.tif 000016
【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】
2006032107.tif 000022
【図８】
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