(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料が載置され、移動可能なステージと、
前記試料にビームを照射する照射手段と、
前記試料の照射領域から発生する二次ビームを光に変換し、その光が形成する前記照射領域の光学像を撮像する検出手段と、
前記検出手段における前記二次ビームの入射面と前記ステージとの間に配置され、前記試料と前記入射面とを共役関係に結ぶ写像光学系と、
前記検出手段の撮像面に、複数の画素を一列に並べたラインをその短手方向に亘り繰り返し配列し、その撮像面に形成された光学像の受光によって生じる各ラインの画素の電荷を、前記光学像の移動のタイミングに合わせて、順次隣接するラインの対応画素へそれぞれ転送し、転送毎に、該電荷と該電荷が転送された画素から生じる電荷とを加算し、複数のラインに亘り積算した電荷を、順次出力するアレイ撮像手段と、
前記写像光学系を介して、予め用意されたパターンを撮像する二次元撮像手段と、
前記二次元撮像手段により撮像された前記パターンの像を用いて、前記写像光学系の像の歪み量を算出する歪み量算出手段と、
前記アレイ撮像手段による前記積算の対象ラインを、前記撮像面のうち前記歪み量の少ない領域に位置する複数のラインのみに制限する設定手段と
を備えたことを特徴とする観察装置。
【請求項２】
請求項１に記載の観察装置において、
前記アレイ撮像手段から取り出される前記試料の画像上で前記ラインの長手方向にかけて発生している歪みを、前記歪み量算出手段により算出された歪み量に基づいて補正する補正手段を備えた
ことを特徴とする観察装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の観察装置において、
前記試料に対して、前記アレイ撮像手段と前記二次元撮像手段との撮像面が共役な位置に配置される
ことを特徴とする観察装置。
【請求項４】
試料が載置され、移動可能なステージと、
前記試料にビームを照射する照射手段と、
前記試料の照射領域から発生する二次ビームを光に変換し、その光が形成する前記照射領域の光学像を撮像する検出手段と、
前記検出手段における前記二次ビームの入射面と前記ステージとの間に配置され、前記試料と前記入射面とを共役関係に結ぶ写像光学系と、
前記検出手段の撮像面に、複数の画素を一列に並べたラインをその短手方向に亘り繰り返し配列し、その撮像面に形成された光学像の受光によって生じる各ラインの画素の電荷を、前記光学像の移動のタイミングに合わせて、順次隣接するラインの対応画素へそれぞれ転送し、転送毎に、該電荷と該電荷が転送された画素から生じる電荷とを加算し、複数のラインに亘り積算した電荷を、順次出力するアレイ撮像手段と
を備えた観察装置の調整方法において、
前記写像光学系を介して、予め用意されたパターンを二次元撮像手段により撮像する工程と、
前記二次元撮像手段により撮像された前記パターンの像に基づいて、前記写像光学系の像の歪み量を算出する工程と、
前記アレイ撮像手段による前記積算の対象ラインを、前記撮像面のうち前記歪み量の少ない領域に位置する複数のラインのみに制限する工程と
を有することを特徴とする観察装置の調整方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズ系を介して試料を撮像する観察装置に関し、レンズ系の歪曲収差による像の歪みを除去し、かつ鮮明な画像を取得することができる観察装置およびその調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のＬＳＩの高集積化に伴い、ウェーハ、マスクなどの欠陥箇所を検出する際に要求される検出感度は、より一層高度なものが望まれている。例えば、ＤＲＡＭのパターン寸法０.２５μｍウェーハパターンに対して欠陥検出を行う場合には、０.１μｍの検出感度が必要とされている。そこで、従来の光より最小分解能の高い電子ビームを利用した試料表面の観察・検査装置が提案されている。
【０００３】
例えば、特開平４−２４２０６０号公報には、電子ビームを試料面上に照射し、その照射領域から発生する反射電子の像を検出面に投影して試料画像を取得する電子顕微鏡が開示されている。
図１３を参照してこの電子顕微鏡を説明する。図１３において、電子銃８１から照射される電子ビームは、照射レンズ系８２を通過して、ウィーンフィルタ８３の中心部に入射する。詳細は後述するが、このとき電子ビームは、ウィーンフィルタ８３によって軌道が曲げられ、ステージ８４上の試料８５に垂直に入射する。
【０００４】
試料８５に電子ビームが照射されると、その照射領域からは、反射電子が発生する。二次ビームは、ウィーンフィルタ８３の偏向作用を受けずにそのまま直進し、結像レンズ系８６によって蛍光板８７で結像する。蛍光板８７では、反射電子像が光学像に変換され、この像をＣＣＤセンサ等で撮像して観察する。
このような電子顕微鏡では、電子ビームの照射領域を検出面に投影することで、その領域の像を一括して取得することができる。
【０００５】
ところで、ＣＣＤセンサの一種にＴＤＩ（Time Delay Integration：時間遅延積分型）ＣＣＤセンサがあることは公知である。このＴＤＩＣＣＤセンサは、撮像面に投影される試料像をステージの移動に伴ってシフトする際に、それに同期して、蓄積される信号電荷をシフトさせ、積算しながら撮像するイメージセンサである。
【０００６】
このＴＤＩＣＣＤセンサを利用した撮像動作について、図１４を参照して説明する。
図（１）に示すように、電子ビームは、今、試料の所定箇所に照射されている。このとき、図（２）に示すように、電子ビームの照射領域の像は、ＴＤＩＣＣＤセンサの水平走査ラインＡにおいて撮像され、このラインに信号電荷が蓄積される。
【０００７】
次に、所定のタイミングで、図（３）に示すように、ステージおよび試料が、Ｙ方向に一水平走査ライン分だけ移動する。このとき、図（４）に示すように、ラインＡとラインＢとによって試料が撮像されるのだが、ステージの移動と同時に、ラインＡに蓄積される信号電荷がラインＢに転送される。したがって、ラインＢには、前回時に得た信号電荷と今回の撮像時に得た信号電荷が加算されて累積される。
【０００８】
さらに、所定のタイミングで、図（５）に示すように、ステージおよび試料が、Ｙ方向に一水平走査ライン分だけ移動する。このとき、図（６）に示すように、ラインＡ、ラインＢ、ラインＣとによって試料が撮像されるのだが、ステージの移動と同時に、ラインＢの信号電荷がラインＣに、ラインＡの信号電荷がラインＢに転送される。したがって、ラインＣには、前々回、前回、今回の撮像時に得た信号電荷が加算されて蓄積され、ラインＢには、前回、今回の撮像時に得た信号電荷が加算されて蓄積される。
【０００９】
以上の動作を続けることで、水平走査ラインの本数分だけ試料の同一箇所の信号電荷が、順次加算されて積算されることになる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光学レンズ、電子レンズを問わず、レンズ系一般には、光軸に垂直な平面物体の像が、光軸に垂直な像面内で相似にならないという歪曲収差が存在する。
【００１１】
歪曲収差の収差量は、画面の中心から測って動径の３乗に比例し、比例係数が正のときには、中心から離れるほど外側に引かれ、図１５（ａ）に示すように、正方形の像が、糸巻き型の像になる。また、比例係数が負のときには、中心から離れるほど内側に引き込まれ、図１５（ｂ）に示すように、正方形の像が、たる型の像になる。
【００１２】
図１３に示す電子顕微鏡において、結像レンズ系８６の歪曲収差が存在する状態で、ＴＤＩＣＣＤセンサを用いて撮像した場合を図１６を参照して説明する。
電子ビームは、図（１）に示すように、今、試料の所定箇所に照射されている。このとき、図（２）に示すように、電子ビームの照射領域の像は、ＴＤＩＣＣＤセンサの水平走査ラインＡに投影されるが、ラインＡは中心から最も離れているため、この像の歪み量は最大になる。
【００１３】
次に、図（３）に示すように、ステージおよび試料が、Ｙ方向に一水平走査ライン分だけ移動すると、図（４）に示すように、ラインＡとラインＢとに照射領域の像が投影され、それと同時にラインＡの信号電荷が、ラインＢに転送される。
しかし、ラインＡとラインＢとに投影される像は、試料の同じ箇所の像であっても歪み量が異なるため（ラインＢの方が歪み量が小さい）、このまま信号電荷を加算すると像がぼけてしまう。
【００１４】
図（５）に示すようにさらにステージが移動すると、図（６）に示すようにラインＡ、ラインＢ、ラインＣに像が投影される。しかし、ラインＡ、ラインＢ、ラインＣでは、ライン各々で像の歪み量が異なるため、このまま信号電荷を加算すると、さらに像の鮮鋭度が低下してしまう。
このように歪曲収差がある状態で、ＴＤＩＣＣＤセンサを用いて撮像すると、各ライン毎で歪み量が異なって投影されるため、信号電荷を積算すると、像がぼけ、試料画像の鮮鋭度が極端に低下するという問題点があった。
【００１５】
そこで、請求項１に記載の発明は、上述の問題点を解決するために、アレイ撮像部（具体的にはＴＤＩＣＣＤセンサ）で撮像する際に、鮮明な画像を観察することができる観察装置を提供することを目的とする。
また、請求項２に記載の発明は、歪みのない、均質な画像を観察できる観察装置を提供することを目的とする。
【００１６】
また、請求項３に記載の発明は、簡易な構成で鮮明な画像を観察することができる観察装置を提供することを目的とする。
また、請求項４に記載の発明は、いわゆるＴＤＩＣＣＤセンサを用いて撮像する観察装置が、鮮明な試料画像を得ることができる調整方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の観察装置は、試料が載置され、移動可能なステージと、前記試料にビームを照射する照射手段と、該試料の照射領域から発生する二次ビームを光に変換し、その光が形成する前記照射領域の光学像を撮像する検出手段と、前記検出手段における前記二次ビームの入射面と前記ステージとの間に配置され、前記試料と前記入射面とを共役関係に結ぶ写像光学系と、前記検出手段の撮像面に、複数の画素を一列に並べたラインをその短手方向に亘り繰り返し配列し、その撮像面に形成された光学像の受光によって生じる各ラインの画素の電荷を、前記光学像の移動のタイミングに合わせて、順次隣接するラインの対応画素へそれぞれ転送し、転送毎に、該電荷と該電荷が転送された画素から生じる電荷とを加算し、複数のラインに亘り積算した電荷を、順次出力するアレイ撮像手段と、前記写像光学系を介して、予め用意されたパターンを撮像する二次元撮像手段と、前記二次元撮像手段により撮像された前記パターンの像を用いて、前記写像光学系の像の歪み量を算出する歪み量算出手段と、前記アレイ撮像手段による前記積算の対象ラインを、前記撮像面のうち前記歪み量の少ない領域に位置する複数のラインのみに制限する設定手段とを備えて構成される。
【００１８】
このような構成においては、まず、二次元撮像手段によって予め用意されたパターンを、写像光学系を介して撮像する。次に、このパターンの撮像結果から写像光学系の歪曲収差による像の歪み量を算出する。そして、この歪み量に基づいて、アレイ撮像手段（具体的には、ＴＤＩＣＣＤセンサ）の撮像に使用する領域、すなわち、積算可能なライン数を設定する。
【００１９】
例えば、像の歪み量が大きい場合には、積算可能なライン数は小さくなり、像の歪み量が小さい場合には、積算可能なライン数は大きくなる。
なお、本発明の観察装置は、前記アレイ撮像手段から取り出される前記試料の画像上で前記ラインの長手方向にかけて発生している歪みを、前記歪み量算出手段により算出された歪み量に基づいて補正する補正手段を備えてもよい。
【００２０】
このような構成においては、ライン長手方向（水平方向）に歪曲収差による像の歪みが存在しても、これを補正することができる。
また、本発明の観察装置は、前記試料に対して、前記アレイ撮像手段と前記二次元撮像手段との撮像面が共役な位置に配置されてもよい。
【００２１】
このような構成では、例えば、１つの焦点調節部でアレイ撮像手段と二次元撮像手段との２つの撮像面に焦点を合わせることができ、アレイ撮像手段用の焦点調節部と、二次元撮像手段用の焦点調節部とを別個に設ける必要がない。
また、本発明の観察装置の調整方法は、試料が載置され、移動可能なステージと、前記試料にビームを照射する照射手段と、前記試料の照射領域から発生する二次ビームを光に変換し、その光が形成する前記照射領域の光学像を撮像する検出手段と、前記検出手段における前記二次ビームの入射面と前記ステージとの間に配置され、前記試料と前記入射面とを共役関係に結ぶ写像光学系と、前記検出手段の撮像面に、複数の画素を一列に並べたラインをその短手方向に亘り繰り返し配列し、その撮像面に形成された光学像の受光によって生じる各ラインの画素の電荷を、前記光学像の移動のタイミングに合わせて、順次隣接するラインの対応画素へそれぞれ転送し、転送毎に、該電荷と該電荷が転送された画素から生じる電荷とを加算し、複数ラインに亘り積算した電荷を、順次出力するアレイ撮像手段とを備えた観察装置の調整方法において、前記写像光学系を介して、予め用意されたパターンを二次元撮像手段により撮像する工程と、前記二次元撮像手段により撮像された前記パターンの像に基づいて、前記写像光学系の像の歪み量を算出する工程と、前記アレイ撮像手段による前記積算の対象ラインを、前記撮像面のうち前記歪み量の少ない領域に位置する複数のラインのみに制限する工程とを有することを特徴とする。
【００２２】
このような調整方法では、写像光学系を介して、二次元撮像手段によって撮像されたパターンの像に基づいて、写像光学系の歪曲収差による像の歪み量を算出し、その歪み量からアレイ撮像手段の撮像面上の撮像領域（積算可能なライン数）を設定する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００２４】
図１は、本実施形態の全体構成図である。なお、本実施形態は、請求項１〜４に記載の発明に対応する。以下、本実施形態の構成について図面を参照して説明する。
図１において、観察装置は、一次コラム２１、二次コラム２２およびチャンバー２３を有している。一次コラム２１は、二次コラム２２の側面に斜めに取り付けられており、二次コラム２２の下部に、チャンバー２３が配置される。
【００２５】
一次コラム２１の内部には、電子銃２４が配置され、電子銃２４から照射される電子ビーム（一次ビーム）の光軸上に一次光学系２５および偏向器２６が配置される。
一方、チャンバー２３の内部には、ステージ２７が設置され、ステージ２７上には試料２８が載置される。
【００２６】
また、二次コラム２２の内部には、試料２８から発生する二次ビームの光軸上に、カソードレンズ２９、ニューメニカルアパーチャ３０、ウィーンフィルタ３１、第２レンズ３２、フィールドアパーチャ３３、第３レンズ３４、第４レンズ３５、偏向器３６ａおよび検出器３６が配置される。なお、カソードレンズ２９、第２レンズ３２〜第４レンズ３５は、二次光学系を構成している。
【００２７】
検出器３６は、画像処理ユニット３７と接続され、画像処理ユニット３７は、ＣＲＴ３８およびＣＰＵ３９と接続される。
ＣＰＵ３９は、一次コラム制御ユニット４０、二次コラム制御ユニット４１、ステージ駆動機構４２、ＣＣＤ走査回路４３、レーザ干渉計ユニット４４と接続される。
【００２８】
一次コラム制御ユニット４０は、一次光学系２５のレンズ電圧および偏向器２６に供給する電流（電圧）を制御し、二次コラム制御ユニット４１は、カソードレンズ２９および第２レンズ３２〜第４レンズ３５の各レンズ電圧と、ウィーンフィルタ３１に印加する電磁界制御と、偏向器３６ａに供給する電流（または電圧）の制御とを行い、ステージ駆動機構４２は、ステージ２７をＸＹ方向に駆動制御し、ＣＣＤ走査回路４３は、検出器３６内部のＣＣＤセンサの読み出し制御を行う。
【００２９】
一方、チャンバー２３の外側には、ステージ２７の位置を読み取るレーザ干渉計ユニット４４が設置され、レーザ干渉計ユニット４４は、ステージ位置情報をＣＰＵ３９に伝達する。
また、ＣＰＵ３９は、ＶＲＡＭ４５と双方向に接続されている。
一次コラム２１、二次コラム２２、チャンバー２３は、真空排気系（不図示）と繋がっており、真空排気系のターボポンプにより排気されて、内部は真空状態を維持している。
【００３０】
図２は、検出器３６の構成を示す図である。図２おいて、二次ビームのビーム軸上に、ＭＣＰ（マイクロチャネルプレート）５０と、蛍光板５１と、ビューポート５２と、リレーレンズ５３とが配置される。リレーレンズ５３の後段には、二次元ＣＣＤセンサ５４とＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５とからなる撮像部が配置される。二次元ＣＣＤセンサ５４とＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５との撮像面は、試料２８に対して共役な位置にある。
【００３１】
撮像部は、不図示の駆動部により左右に駆動されるため、二次元ＣＣＤセンサ５４とＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５との何れか一方が、リレーレンズ５３の光軸上に配置される。
二次元ＣＣＤセンサ５４とＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５との出力は、画像処理ユニット３７に入力される。
【００３３】
次に、本実施形態の観察装置における試料画像の取得動作について説明する。図３に示すように、電子銃２４から出射する一次ビームは、電子銃２４の加速電圧よって加速され、一次光学系２５のレンズ作用および偏向器２６の偏向作用を受けながらウィーンフィルタ３１の中心に入射する。
【００３４】
電子銃２４の陰極は、ここでは矩形陰極で大電流を取り出すことができるランタンヘキサボライト（ＬａＢ6）を用いる。
また、一次光学系２５は、回転軸非対称の四重極（または八重極）の静電レンズ（または電磁レンズ）を使用する。このレンズは、いわゆるシリンドリカルレンズと同様に、矩形陰極の長軸（Ｘ軸）、短軸（Ｙ軸）各々で集束と発散とを引き起こすことができる。図３では、矩形陰極のＸ方向断面に放出された電子の軌道とＹ方向断面に放出された電子の軌道とを示している。
【００３５】
具体的なレンズ構成は、図４に示すように、静電レンズを用いた場合、４つの円柱ロッドを使用する。対向する電極同士を等電位に設定し、互いに逆の電圧特性（ａとｂに＋Ｖｑ、ｃとｄに−Ｖｑ）を与える。
このレンズを３段（図３の２５ａ、２５ｂ、２５ｃ）で構成し、各レンズ条件を最適化することによって、照射電子を損失することなく、試料面上のビーム照射領域を、任意の矩形状、または楕円形状に成形することができる。
【００３６】
一次光学系２５により矩形状に成形された一次ビームは、ウィーンフィルタ３１の中心箇所に入射するように偏向器２６によって偏向される。ウィーンフィルタ３１に入射した一次ビームは、ウィーンフィルタ３１の偏向作用により軌道が曲げられ、ニューメニカルアパーチャ３０の開口部で結像する。ウィーンフィルタ３１は、磁界と電界とを直交させ、電界をＥ、磁界をＢ、荷電粒子の速度をｖとした場合、Ｅ＝ｖＢのウィーン条件を満たす荷電粒子のみを直進させ、それ以外の荷電粒子の軌道を曲げる偏向装置である。
【００３７】
また、ニューメニカルアパーチャ３０は、開口絞りに相当するものでカソードレンズ２９の開口角を決定する。その形状は、円形の穴が開いた金属製（Ｍｏ等）の薄膜板であり、装置内に散乱する余計な電子ビームが試料面に到達することを阻止し、試料２８のチャージアップやコンタミネーションを防いでいる。
ニューメニカルアパーチャ３０の開口部で結像した一次ビームは、カソードレンズ２９を介して、試料２８面上に垂直に照射される。試料面上に一次ビームが照射されると、そのビーム照射領域からは、二次電子または反射電子の少なくとも一方を含む二次ビームが発生する。
【００３８】
この二次ビームは、ビーム照射領域の二次元画像情報を有していることになるが、特に、一次ビームが試料２８に垂直に照射されるので、二次ビームは影のない鮮明な像を有することができる。
図５に示すように、二次ビームは、カソードレンズ２９によって集束作用を受ける。カソードレンズ２９は、通常、２〜４枚の電極で構成されている。ここでは、３枚の電極（２９ａ、２９ｂ、２９ｃ）の構成例を示す。通常、レンズとして機能させるには、カソードレンズ２９の下から１番目の電極２９ａ、２番目の電極２９ｂに電圧を印加し、３番目の電極２９ｃをゼロ電位に設定することで行う。
【００３９】
ステージ２７には電圧（リターディング電圧）が印加されており、電極２９ａ−試料面間には、一次ビームに対しては負の電界、二次ビームに対しては正の電界が形成されている。
【００４０】
リターディング電圧によって、カソードレンズ２９は、一次ビームに対しては、減速させて試料のチャージアップや破壊を防ぎ、二次ビームに対しては、電子（特に、指向性の低い二次電子）を引き込み、加速させて、効率よくレンズ内に導くように作用する。
カソードレンズ２９およびニューメニカルアパーチャ３０を通過した二次ビームは、ウィーンフィルタ３１の偏向作用を受けずに、そのまま直進する。このとき、ウィーンフィルタ３１に印加する電磁界を変えることで、二次ビームから、特定のエネルギー帯を持つ電子（例えば二次電子、または反射電子）のみを検出器３６に導くことができる。
【００４１】
また、ニューメニカルアパーチャ３０は、二次ビームに対しては、後段の第２レンズ３２〜第４レンズ３５のレンズ収差を抑える役割を果たしている。
ところで、二次ビームを、カソードレンズ２９のみで結像させると、レンズ作用が強くなり収差が発生しやすい。そこで、第２レンズ３２と合わせて、１回の結像を行わせる。二次ビームは、カソードレンズ２９および第２レンズ３２により、フィールドアパーチャ３３上で中間結像を得る。
【００４２】
また、後段には中間像を投影するためのレンズが配置されるが、二次光学系として必要な投影倍率を確保するため、第３レンズ３４、第４レンズ３５の２つのレンズを加えた構成にする。二次ビームは、第３レンズ３４、第４レンズ３５各々により結像し、ここでは、合計３回結像する。なお、第３レンズ３４と第４レンズ３５とを合わせて１回（合計２回）結像させてもよい。
【００４３】
第２レンズ３２〜第４レンズ３５はすべて、ユニポテンシャルレンズまたはアインツェルレンズと呼ばれる回転軸対称型のレンズであり、各レンズは、３枚の電極で構成されている。通常は外側の２電極をゼロ電位とし、中央の電極に印加する電圧を変えることでレンズ作用を制御する。
また、中間の結像点には、フィールドアパーチャ３３が配置されているが、このフィールドアパーチャ３３は光学顕微鏡の視野絞りと同様に、視野を必要範囲に制限している。特に電子ビームの場合、余計なビームを、後段の第３レンズ３４および第４レンズ３５と共に遮断して、検出器３６のチャージアップやコンタミネーションを防いでいる。
【００４４】
二次ビームは、第３レンズ３４と第４レンズ３５とによって集束発散を繰り返し、検出器３６の検出面で再結像し、ビーム照射領域の像が検出面に投影される。
なお、偏向器３６ａは、ステージ２７に振動等が生じると、検出面に投影される像の位置がずれるため、それを補正するための偏向器である。
図２に示すように、二次ビームは、検出器３６内部のＭＣＰ５０に入射し、ＭＣＰ５０を通過する際に加速増幅されて、蛍光板５１に衝突する。蛍光板５１では、二次ビームを光に変換し、投影される電子像を光学像に変換する。
【００４５】
光学像は、真空室と大気室とを遮断するビューポート５２を通過し、リレーレンズ５３を介して、二次元ＣＣＤセンサ５４またはＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５の何れか一方のセンサの撮像面に投影され、撮像される。
なお、二次元ＣＣＤセンサ５４またはＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５に投影される像の焦点合わせは、二次光学系の焦点距離を変えることで行う。このとき、２つのセンサの撮像面は、試料に対して共役な位置にあるため、何れかのセンサに焦点を合わせるだけでよい。
【００４６】
光学像は、選択されたＣＣＤセンサにより光電変換され、ＣＣＤ走査回路４３による駆動パルスに応じて、信号電荷が読み出される。
画像処理ユニット３７は、信号電荷をＡ／Ｄ変換し試料画像を作成し、ＣＲＴ３８は試料画像を表示する。
このように本発明の観察装置では、試料面上に電子ビームを照射し、ビーム照射領域の像を検出器３６の検出面に投影して一括して試料画像を取得することができる。
【００４７】
ところで、本実施形態の観察装置は、まず試料（ウエハ）をＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５によって撮像し、次に撮像された試料画像から欠陥箇所を検出し、その箇所を二次元ＣＣＤセンサ５４によって撮像して観察する。
しかしながら、前述したように、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５で撮像する際に、二次光学系の歪曲収差（ディストーション）によって投影像に歪みがあると、その歪み部分が積算されてしまうため、試料画像の鮮鋭度が低下した。
【００４８】
そこで、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５の撮像に使用する領域である積算段数を制限し、歪みの少ない領域で撮像することで、ディストーションによる像の鮮鋭度の低下を回避する。以下、この積算段数の算出および歪み補正の動作について、図面を参照して詳細に説明する。
図６は、積算段数の算出および歪み補正の動作を説明する流れ図である。また、図７は、ディストーションを説明する図である。
【００４９】
ステージ２７上には、撮像倍率に応じた数種類のフィディシャルマーク（テストパターン）が形成されている。ここでは、図７（１）に示す格子パターンに対して、電子ビームを照射し、所定の倍率で撮像する。このとき、ＣＣＤセンサは、二次元ＣＣＤセンサ５４が選択されている（ステップＳ１）。
このときの撮像結果を図７（２）に示す。ここでは、二次光学系によって糸巻き型の歪曲収差が発生している。
【００５０】
次に、ＣＰＵ３９は、二次光学系におけるディストーション量を算出する。一般に、ディストーションは、以下の（１）式で表される。
Ｙ＝ｍ・ｙ−ｋ・ｙ3   ・・・（１）
ただし、ｙは物体面における光軸から物点までの距離、Ｙは撮像面における光軸から像点までの距離、ｍは像の倍率、ｋは歪み係数を示す。
【００５１】
ここで、(１)式は理想の式であるため、実際には、より高次の項（例えばｙ5 の項）を加えるようにしてもよい。
ＣＰＵ３９は、二次元ＣＣＤセンサ５４で撮像された格子パターンを画像処理ユニット３７を介して読み込む。また、ＶＲＡＭ４５には、この格子パターンの歪曲収差のない理想パターンが予め格納されているため、ＣＰＵ３９は、この理想パターンも同時に読み込む。
【００５２】
まず、ＣＰＵ３９は、撮像パターンと理想パターンとのそれぞれに対応する点を抽出し、これら格子点の座標データを算出する（ステップＳ２）。
例えば、図７（１）の格子パターンに対して、いくつかの点をサンプリングし、この座標データを求める。ここでは、例としてＡＢＣＤの４点について考える。
そして、Ａ〜Ｄの各点に対応する点、図７（２）のＡ´〜Ｄ´をサンプリングし、この座標データを算出する。
【００５３】
図７（１）の中心Ｏから各点Ａ〜Ｄの距離は、図７（３）におけるｙに対応し、図７（２）の中心Ｏから各点Ａ´〜Ｄ´の距離は、図７（３）におけるＹに対応する。ＣＰＵ３９は、これら座標データから最小二乗法により歪み係数ｋを算出する（ステップＳ３）。
次に、ＣＰＵ３９は、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５の積算段数を設定する。
【００５４】
図８（１）は、二次元ＣＣＤセンサ５４の撮像面上におけるＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５の撮像領域を示す図である。領域ＡＢＣＤは、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５の撮像領域を示している。この領域ＡＢＣＤには、二次光学系を介して像が投影されるため、ディストーションによって像が歪んでしまう。そこで、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５の撮像領域のうち、像の歪みの少ない領域を選出し、この領域を積算段数として設定する。
【００５５】
まず、ＣＰＵ３９は、（１）式に基づいて、領域ＡＢＣＤに対して歪みを補正した領域ａｂｃｄを算出する（図８(２)）。
具体的には、（１）式において、Ｙ（Ａ〜Ｄの各点と中心Ｏとの距離）、像の倍率ｍ、歪み係数ｋが既知であるため、ｙが算出される。次に、（１）式において、ｋ＝０とすると、歪みが補正された（すなわち、歪曲収差がない）領域ａｂｃｄの各点の座標データが算出される。
【００５６】
このとき、Ｘ軸上の点Ｅ、Ｆを補正すると、点ｅ、ｆの座標データが求められる。この２点を基準にして、所定の歪み量の範囲を積算段数に設定する。すなわち、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５で積算する際に歪み量が大きいと、その部分が積算されてしまう。そこで、積算しても画質が低下しない範囲（所定のしきい値thより小さな歪み量の範囲）を積算段数とする。
【００５７】
ＣＰＵ３９は、図８（２）のＹ１、Ｙ２間を積算段数として設定し（ステップＳ４）、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５は、この積算段数で撮像する。
なお、しきい値thは、１ピクセル未満が理想的であるが、二次元ＣＣＤセンサ５４とＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５との対応誤差を考慮すると、２〜３ピクセルが妥当である。具体的には、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５上の１ピクセルが二次元ＣＣＤセンサ５４上の何ピクセルに相当するかで決まる。
【００５８】
例えば、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５上の１ピクセルが、二次元ＣＣＤセンサ５４上の１ピクセルに相当するとき、しきい値thは、２〜３ピクセルになる。また、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５上の１ピクセルが二次元ＣＣＤセンサ５４上で２ピクセルに相当するとき、しきい値thは、４〜６ピクセルになる。
次に、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５を使用して、設定された積算段数で撮像する動作（ステップＳ５）について説明する。
【００５９】
図９に示すように、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５は、例えば、５１２×２５６の画素数を有している。ここでは、先程算出された積算段数は、ＲＯＷ７９からＲＯＷ１７８までの１００段であると仮定する。
図１０に示すように、（Ｘ１,Ｙ１）から（Ｘ５１２,Ｙ２５６）までの領域▲１▼がチップ上に定められており、この領域▲１▼に電子ビームが照射され、照射領域の像がＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５に投影されて撮像される。
【００６０】
今、領域▲１▼の（Ｘ１,Ｙ１）から（Ｘ５１２,Ｙ１）に一次ビームが照射されているとする。このとき、この１ラインの像がＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５に投影され、撮像される。信号電荷は、図９に示すＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５のＲＯＷ７９に蓄積される。次に、ＣＰＵ３９はステージ駆動機構４２に駆動制御信号を出力し、ステージ駆動機構４２はステージ２７をＹ方向に駆動する。すると、ビーム照射領域がＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５の一水平走査ライン分だけ走査方向に移動する。それと同時に、レーザ干渉計ユニット４４は、垂直クロック信号をＣＣＤ走査回路４３に送出する。
【００６１】
ＣＣＤ走査回路４３は、垂直クロック信号が入力されると、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５に転送パルスを送出する。ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５は、転送パルスに同期して、ＲＯＷ７９に蓄積されていた信号電荷をＲＯＷ８０に転送する。このとき、ＲＯＷ８０には、（Ｘ１,Ｙ１）から（Ｘ５１２,Ｙ１）までの像が撮像され、既に信号電荷が蓄積されているため、ＲＯＷ７９から転送されてきた信号電荷が加算されて蓄積されることになる。また、このとき、ＲＯＷ７９では、（Ｘ１,Ｙ２）から（Ｘ５１２,Ｙ２）までの像が撮像され、新たに信号電荷が蓄積される。
【００６２】
さらに、ステージ２７が一水平走査ライン分駆動すると、ＲＯＷ８１には、（Ｘ１,Ｙ１）から（Ｘ５１２,Ｙ１）までの像が撮像されて信号電荷が蓄積される。
ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５に転送パルスが入力されると、ＲＯＷ８１には、ＲＯＷ８０から転送されてきた信号電荷が加算されて蓄積される。また、ＲＯＷ８０には、（Ｘ１,Ｙ２）から（Ｘ５１２,Ｙ２）までの像が撮像され、既に信号電荷が蓄積されているが、前述の転送パルスが入力されると、ＲＯＷ７９から転送されてきた信号電荷が加算されて蓄積される。
【００６３】
また、ＲＯＷ７９では、（Ｘ１,Ｙ３）から（Ｘ５１２,Ｙ３）までの像が撮像され、新たに信号電荷が蓄積される。
このようにステージ２７がＹ方向に順次駆動することによって、ビーム照射領域が領域▲１▼を走査し、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５は、ステージ２７の駆動に応じて、蓄積する信号電荷を隣接するＲＯＷへ順次転送する。この動作が繰り返され、領域▲１▼の（Ｘ１,Ｙ２５６）から（Ｘ５１２,Ｙ２５６）までの像が撮像されて、その信号電荷がＲＯＷ７９に蓄積されるとき、（Ｘ１,Ｙ１）から（Ｘ５１２,Ｙ１）までの信号電荷は、水平走査ライン１００本分加算累積されて、ＲＯＷ１７８に蓄積される。
【００６４】
この状態で、ＣＣＤ走査回路４３は、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５に読み出しパルスを送出すると、ＲＯＷ１７８に蓄積されている信号電荷は、転送ゲート（不図示）を介して、ＣＣＤシフトレジスタに転送され、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５から一水平走査ラインずつ取り出されて、画像処理ユニット３７に転送される。
【００６５】
画像処理ユニット３７は、順次転送されてくる信号電荷を、Ａ／Ｄ変換して、後述の水平方向の歪み補正の処理をして、ＶＲＡＭ４５に格納し、領域▲１▼の画像を生成する。
以下、同様にステージ２７を移動させながら、領域▲２▼、領域▲３▼・・・についてもＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５によって撮像を行い、チップ全面を撮像する。
【００６６】
このようにＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５では、ステージ２７の移動に合わせて信号電荷をシフトさせて撮像するため、ステージ２７の移動と撮像動作とを並行して実行することができ、チップ全面を極めて短時間に撮像することができる。
ところで、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５から１ラインずつ取り出される画像には、水平方向の歪みが存在する。
【００６７】
例えば、図１１（１）に示す試料を撮像した場合、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５の撮像面には、図１１（２）に示すように歪んだ試料像が投影される。そこで、点Ａを基準にして、撮像面上の歪みの少ない領域を、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５の積算段数に設定する。しかし、図１１（３）に示すように、もともと点Ａは、水平方向に歪んだ位置にあるため、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５で撮像される画像には、水平方向の歪みが残留している。特に、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５は、水平方向に画素数が多いため、水平方向の歪み量は大きい。
【００６８】
そこで、画像処理ユニット３７において、この水平方向の歪みを補正する（ステップＳ６）。
画像処理ユニット３７内部には、入力用ラインバッファ５６と出力用ラインバッファ５７とが設けられている。ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５から１ライン分の画素データが入力用ラインバッファ５６に格納され、（１）式に基づいて歪みが補正される。そして、補正された画素データは、出力用ラインバッファ５７に格納される。
【００６９】
Ａnを入力用ラインバッファ５６の各セル、Ｂjを出力用ラインバッファ５７の各セル、Ｃjnを補正係数とすると、
Ｂj＝ｆ(Ｃj1・Ａ1＋Ｃj2・Ａ2＋Ｃj3・Ａ3＋・・・＋Ｃjn・Ａn)・・（２）
の式に従って補正する。ただし、ｆはシグモイド関数である。なお、このしきい値関数は、例えばガウス関数のような微分可能な関数であれば、シグモイド関数に限定されるものではない。
【００７０】
この歪み補正を具体的に説明する。
歪み補正は、例えば、図１１（３）の点Ａの画素を点Ａ´の位置に再配置することで行われる。
まず、（１）式において、Ｙ（図（３）のＡＯ間）、像の倍率ｍ、歪み係数ｋが既知であるため、ｙ（図（１）のａｏ間）が求まる。次に、（１）式においてｋ＝０とすると、歪曲収差のない点Ａ´の位置が求まり、点Ａの画素を点Ａ´に配置することで、水平方向の歪みが補正される。
【００７１】
この処理を図１１（４）で考えると、前述の処理により、入力用ラインバッファ５６のＡ１〜Ａｎが、出力用ラインバッファ５７のＢ１〜Ｂｊの何れかに対応しているかが算出される。例えば、Ａ１がＢ３に１対１で対応している場合には、補正係数Ｃ31の値を１にし、Ｃ32〜Ｃ3nの値を０にし、Ｂ３にＡ１の画素データを格納する。
【００７２】
このように入力用ラインバッファ５６のＡ１〜Ａｎに格納される各画素データを、補正係数Ｃjnによる重みを付けて出力用ラインバッファ５７のＢ１〜Ｂｊの各セルに格納することで、出力用ラインバッファ５７には、水平方向の歪みが補正された１ライン分の画像データが生成される。
ところで、補正係数が（１）式から求められたモデルのままであるとは限らず、実際の撮像時には、ディストーションが理論からずれてしまう場合もある。この場合には、補正係数を一般的なヘブ学習則に従って変更し、実際の状態に適応させる。これは次のようにして実現する。
【００７３】
なお、図１１（４）は、入力出力間の関数ｆの適用が一段であるが、適用を多段化することにより、精度の向上が可能なのは云うまでもない。
ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５で試料を撮像する前に、フィディシャルマークを撮像し、歪みが補正されて出力用ラインバッファ５７に格納される画素データと、教師信号である予め用意された画素データとを比較し、これら２つの信号の二乗誤差を算出する。そして、この二乗誤差が最小となるように補正係数の修正を続け、二乗誤差が規定値になるとき、その学習を終了する。
【００７４】
この学習後の補正係数を用いると、ディストーションによる像の歪みの補正だけでなく、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５の受光感度のばらつきによって生じる輝度むらの補正も行うことが可能になる。
以上、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５によって、チップ全面の画像の取得が完了すると、画像処理ユニット３７は、各領域の画像と、設計データとに基づいて予め作成されたテンプレート画像とを比較して欠陥箇所を特定する。
【００７５】
具体的には、画像処理ユニット３７は、取得画像に対して、エッジ保存平滑化フィルタによるノイズの低減を行った後、テンプレート画像と各領域の画像とについて、対応する画素出力同士の差分二乗を求め、その値が所定のしきい値を超えたか否かを判別し、超えた箇所については欠陥箇所であると判断する。
欠陥箇所の観察は、この箇所に電子ビームを照射し、欠陥箇所の像を二次光学系を介して、検出器３６の検出面に投影させ、この像を二次元ＣＣＤセンサ５４によって撮像することで行われる。
【００７６】
（本実施形態の効果）
このように本実施形態の電子ビームによる観察装置では、カソードレンズ２９、第２レンズ３２〜第４レンズ３５の歪曲収差によって試料像に歪みが発生しても、その歪み量に応じてＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５の積算段数を設定する（具体的には、歪み量が大きい場合には積算段数を少なくし、歪み量が小さい場合には積算段数を多くする）ことができるため、歪み部分が積算されることが無く、鮮明な画像を観察することができる。
【００７７】
また、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５から取り出される試料画像には、水平方向の歪みが残留しているが、画像処理ユニット３７において、この歪みを補正するため、歪みのない均質な画像を観察することができる。
なお、本実施形態のビームは、電子ビームに限定されるものではなく、ビームは、可視光、赤外光であっても構わない。また、このとき、写像光学系は、通常の光学レンズを使用することになる。
【００７８】
また、本実施形態では、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５の出力を、ラインバッファに格納して水平方向の歪みの補正を行ったが、それに限定されず、フレームバッファに格納して、水平、垂直方向双方の歪みの補正を行ってもよい。
また、二次光学系に磁界レンズを使用した場合には、歪曲収差によってＳ字歪みが発生するが、この場合においても本発明を適用することは可能である。
【００７９】
また、検出器３６の構成は、図１２に示すように、ミラー６０、６１を用いて、二次元ＣＣＤセンサ５４とＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５とを選択的に切り替える構成でもよい。
なお、本実施形態として一次光学系と二次光学系とをウイーンフィルタで接合した例を挙げたが、独立に構成したものについても本発明を適用できることは云うまでもない。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の観察装置では、算出された像の歪み量に基づいて、アレイ撮像手段の積算可能なライン数を設定することができる。したがって、アレイ撮像手段で撮像する際に、像の歪み部分が積算されることがないため、鮮明な画像を観察することができる。
【００８１】
請求項２に記載の観察装置では、アレイ撮像手段から取り出される試料画像には、ライン長手方向の歪みが残留してしまうが、本発明では、この歪みを補正することができるため、歪みのない、均質な画像を観察することができる。
請求項３に記載の観察装置では、アレイ撮像手段と二次元撮像手段との撮像面が、共役な位置に配置される。したがって、例えば、１つの焦点調節部でアレイ撮像手段と二次元撮像手段との２つの撮像面に焦点を合わせることができ、アレイ撮像手段用の焦点調節部と、二次元撮像手段用の焦点調節部とを別個に設ける必要がなく、簡易な構成の観察装置を実現することができる。
【００８２】
請求項４に記載の観察装置の調整方法では、写像光学系の歪曲収差による像の歪み量を算出し、その歪み量に基づいて、アレイ撮像手段の撮像面上の撮像領域（積算可能なライン数）を設定する。したがって、オペレータは、アレイ撮像手段で撮像する際に、事前に、画像の鮮鋭度が低下することなく正常に撮像できるか否かの調整を行うことができる。
【００８３】
このように本発明を適用した観察装置では、アレイ撮像手段（いわゆる、ＴＤＩＣＣＤセンサ）で撮像する際に、積算段数を制限することで、写像光学系の歪曲収差に起因する像鮮鋭度の低下を回避し、鮮明な画像を観察することができる。したがって、信頼性の高い欠陥箇所の検出および観察を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の全体構成図である。
【図２】検出器の構成を示す図である。
【図３】一次ビームの軌道を示す図である。
【図４】一次光学系の構成図である。
【図５】二次ビームの軌道を示す図である。
【図６】積算段数の算出および歪み補正の動作を説明する流れ図である。
【図７】ディストーションを説明する図である。
【図８】積算段数の設定を説明する図である。
【図９】ＴＤＩアレイＣＣＤセンサの構成ブロック図である。
【図１０】ＴＤＩアレイＣＣＤセンサの動作を説明する図である。
【図１１】水平方向の歪みの補正を説明する図である。
【図１２】別の検出器の構成例である。
【図１３】電子顕微鏡の構成図である。
【図１４】ＴＤＩＣＣＤセンサの撮像動作を説明する図である。
【図１５】歪曲収差を説明する図である。
【図１６】解決する課題を説明する図である。
【符号の説明】
２１  一次コラム
２２  二次コラム
２３  チャンバー
２４  電子銃
２５  一次光学系
２６  偏向器
２７  ステージ
２８  試料
２９  カソードレンズ
３０  ニューメニカルアパーチャ
３１  ウィーンフィルタ
３２  第２レンズ
３３  フィールドアパーチャ
３４  第３レンズ
３５  第４レンズ
３６  検出器
３６ａ  偏向器
３７  画像処理ユニット
３８  ＣＲＴ
３９  ＣＰＵ
４０  一次コラム制御ユニット
４１  二次コラム制御ユニット
４２  ステージ駆動機構
４３  ＣＣＤ走査回路
４４  レーザ干渉計ユニット
５０  ＭＣＰ
５１  蛍光板
５２  ビューポート
５３  リレーレンズ
５４  二次元ＣＣＤセンサ
５５  ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ
５６  入力用ラインバッファ
５７  出力用ラインバッファ
６０、６１  ミラー
【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】
0004277334.tif 000009
【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】
0004277334.tif 000015
【図１５】
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【図１６】
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