JP2005121634A - パターン検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体等を高速に検査できるパターン検査装置およびパターン検査方法を提供する。
【解決手段】 本発明のパターン検査装置では電子光学系を少なくても３本以上配置し、同一の回路パターン同士でほぼ同時に得られた検出信号を比較する。さらに、複数の電子銃室を試料室とは独立に真空排気することによって電子源近傍の真空度を常に高真空に保つことを特徴とする。また、電子線通路を高真空排気可能な遮蔽電極で電界および磁界を各電子光学系内に封じ込めるとともに、試料に負の電圧を設定して二次電子や反射電子を電子線光軸の電子源側の方向に加速することによって、二次電子や反射電子を同一光学系内で検出することを特徴とする。これにより、パターン検査の欠陥判定を同時に行えるとともに、電子光学系の数に比例して検査のスループットが向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体等のパターン検査装置およびパターン検査方法に係り、特に半導体等を高速に検査できるパターン検査装置およびパターン検査方法に関する。

半導体装置の製造プロセスは多数のパターン形成工程を繰り返している。この各工程において製造条件が最適化されていないと、基板上に形成する半導体装置の回路パターンに異物や欠陥等の異常が発生してしまう。従って、製造プロセスではこの異常発生を早期に検出し、当該工程にフィードバックする必要がある。
一般に超ＬＳＩ等の半導体装置の製造工程においては、１枚の半導体基板から同一の回路パターンを有するチップを多数取り出しているので、このパターン異常の検出には異なるチップ間で同一の回路パターン同士を比較する手法がとられている。電子線を用いて半導体ウェハの回路パターンを検査する検査装置においては、ウェハ全面を電子線で走査するためにばく大な時間を要するので、特に、電子光学系を２本配置する構成で異なるチップ間で同一の回路パターン同士を比較する方式が特開昭５９−６５３７にて提示されている。

この公知例では異なるチップ間で同一の回路パターン同士に対して得られた検出信号の差信号がある基準値を超えたらパターンの異常と判定する構成としている。しかし、この構成では何れか一方に異常があることまでは判定できるが、いったいどちらのパターンが異常なのかは判定することができない。異常の判定にはさらにもう一つ別のチップで得られるパターンとの比較が必須となる。そのためには、この２つのチップの画像データを全て画像メモリに記憶して、別のチップへ移動して電子線を対応する同一パターンに照射して、判定することになる。従って、画像メモリとして大容量のものが必要になるし、別のチップに移動するまでの時間経過でシステムの安定性が損なわれる恐れが生じてしまう。
また、検査時間のスループットを向上させるためには試料上に大電流の微細な電子線プローブを照射しなければならない。そのためには、電子源の輝度は高輝度でなくてはならず、電子源として電界放出電子源が必須となる。但し、電界放出電子源を安定に動作させるためには、電子源近傍の真空度を１０^−７Pa台以下にする必要がある。しかし、今までの構成では複数の電子光学系を電子銃の真空度を高真空に保ちながら稠密に配置することは困難である。たとえば、上述の公知例では電子源近傍を試料室から真空排気する構成となっている。また、Journal of Vacuum Science and Technology B14(6)の3776ページに記載された従来例などでは、図１２に示すように電子光学系全体は一つのチャンバ内に置かれている。従って、このような構成では電子源近傍を超高真空に排気するためには試料室も超高真空にしなければならない。しかしながら、レジスト等の化学物質を塗布したウェハは放出ガス量が多く、またウェハの移動を制御するステージの構造も複雑となるため、試料室を超高真空にすることは実質的に不可能であり、通常は真空度を１０^−５Pa 程度までしか改善することができない。仮に試料室の超高真空化が実現できたとしても、試料を交換する際に試料室の真空度は低下するので、交換後に試料室を超高真空排気するまでの時間を例えば一時間以上要することとなり、短時間に多数のウェハを検査することは不可能となる。
また、図１３に示すように各電子光学系毎に電子銃室１０１と試料室１０３をそれぞれ別個の真空ポンプで排気する構成とすると、真空ポンプを多数配置しなければならないし、真空ポンプを設置する空間を多く設けなくてはならず、例えば、図１３の中央の電子光学系に真空ポンプを配置するためには稠密配置は不可能となってしまう。
さらに、通常の検出手段では電子光学系を稠密に配置すると、試料に電子線を照射して得られた二次電子や反射電子３０２を同一の電子光学系内に留めておくことが困難になってしまう。すなわち、複数配置された電子光学系で二次電子や反射電子３０２を検出する手段としては、図１５に示すように最終段レンズの裏面に検出器１３を配置して検出する方法がJournal of Vacuum Science and Technology B14(6)の3775ページに記載されているが、この構成だと二次電子や反射電子３０２を同一の電子光学系内に留めておくことが困難になり、例えば隣接する電子光学系内の検出器１３に容易に二次電子や反射電子３０２が吸引されてしまい、正確なパターン検査ができなくなってしまう。また、試料に負電圧を印可することによって加速された二次電子を対物レンズ通過後に検出する方式が特開平２−１４２０４５に記載されているが、二次電子の検出効率を向上させる具体的な構成については述べられていない。

特開昭５９−６５３７号

特開平２−１４２０４５号

本発明では、上記の課題を解決するための手段として、次のような構成としたことを特徴とするものである。すなわち、電子光学系を少なくても３本以上配置し、異なるチップ間について同一の回路パターン同士で得られた検出信号を比較する。同時に取得する画像が３枚以上あればパターン欠陥の場所を同時に判定することができる。さらに、チップ内で同一のパターンが繰り返して存在し、それぞれの電子光学系で連続的に得られる画像を順次比較して比較する場合にも、電子光学系の数に比例して検査時間のスループットが向上する。

また、電子源１近傍の真空度を常に高真空に保つために、本発明では図１4に示すように鏡体１つの中に電子光学系を３本以上配置して、且つ電子源１近傍あるいは電子源１と試料室１０３の中間に配置される中間室１０２近傍を共通の真空ポンプで真空排気する構成で電子光学系を稠密に配置できる構成とした。すなわち、複数の電子源１近傍を試料室近傍とは電子線が通過する微細な開口部を介してのみ通じており、試料室１０３近傍とは独立に真空排気することにより、電子源１近傍の真空度を常に高真空に保つ構成とした。

さらに、複数の電子光学系で発生した二次電子や反射電子がそれぞれの電子光学系で独立で検出できるために、図１６に示すように試料から発生した二次電子や反射電子３０２を電子線光軸９の電子源側の方向に加速して、対向電極１９に衝突しないまま対物レンズより電子源側に配置された検出器で検出できる構成とした。二次電子や反射電子３０２の電子線光軸９の垂直方向の速度は試料放出時から一定であるが、電子線光軸９方向に加速度が得られることによって、二次電子や反射電子３０２の軌道は電子線光軸９方向に向くようになる。ここで、試料１０と試料１０に対向する対向電極１９間に電圧Ｕを印可して、試料１０が傾斜せず対向電極１９とほぼ平行に置かれていると、試料１０と対向電極１９間にはほぼ一様な試料に平行な電界が分布する。そこで、平行電界と仮定すると、試料面にほぼ平行な方向に出射した電子が対向電極に達するまで試料と平行方向に進む距離Ｒは、試料と電極間の距離をＬ、試料から放出される電子のエネルギーをeVとすると、
Ｒ＝２Ｌ√（ｅＶ／ｅＵ） （１）
で表わされる。実際は対向電極１９に開口部があると、開口部付近で平行電界とならないが、Ｒはおおむね（１）式で近似することができる。一次電子線の試料上の走査幅をＳを考慮すると、試料から放出された電子が対向電極で広がる領域は２Ｒ＋Ｓとなる。そこで、（１）式の放出電子エネルギーに反射電子の最大エネルギーすなわち一次電子線のエネルギーを代入して得られたRをRmaxとおき、対向電極の直径Ｄ１を
Ｄ１＞２Rmax＋Ｓ （２）
と選べば、反射電子および二次電子を対向電極より外側に逃がすことはなく、同一光学系内で収集できる。また、（１）式のeVに５０eVを代入して得られたＲをRseとおき、対向電極１９の開口部の直径Ｄ２を
Ｄ２＞２Rse+Ｓ （３）
と選べば、エネルギー５０eV以下の二次電子あるいは反射電子は全てこの対向電極の開口部を通過して電子源側に向かう。なお、走査幅Ｓが十分小さい場合には（2）式、（３）式のＳを省くことができる。以上より、上述した条件で対向電極の大きさ及び対向電極の開口部の大きさを設定すれば、試料より発生した二次電子あるいは反射電子を隣接光学系へ逃がすことなく、効率よく検出することができる。対向電極の開口部を通過した二次電子や反射電子３０２は対向電極の開口部を通過した後に対物レンズ４の作用を受ける。検出器１３は対物レンズ４の上方に配置されており、対物レンズ作用を受け軌道が変わった二次電子や反射電子３０２をほとんど検出することができる。二次電子や反射電子３０２をこのように検出できれば、電子光学系が複数稠密配置された条件においても、二次電子や反射電子３０２を隣接光学系へ逃がすことなく効率よく検出することができる。また、一次電子線３０１がほとんど偏向を受けずに二次電子や反射電子３０２が偏向作用を受けるような例えば、磁界と電界を交差させた偏向器を二次電子や反射電子３０２が電子線光軸方向に加速された後に通過するように配置して検出器方向へ偏向させる構成とすれば、二次電子や反射電子３０２をさらに効率よく検出することができる。また、一次電子線の開き角を制限する開口絞りは検出器より電子源側に配置させて、二次電子あるいは反射電子が開口絞りに衝突しないようにした。

また、本発明では、各光学系で発生した電磁界が周りの電子光学系に影響を及ぼさないように、図１4に示すようにそれぞれの電子光学系で発生した電界あるいは磁界を同一光学系内で遮蔽し電子線通路を超高真空排気できるような構造を持つ遮蔽電極１７を電子光学系の外周部に配置して、電子レンズや検出器からの滲みだし電界及び磁界が同一光学系内で閉じるようにした。

以上の構成により、本発明のパターン検査装置で電子光学系を３本以上同一鏡体内に稠密に配置して実時間でパターンの欠陥を判定することによって、検査の精度が向上するとともに、電子光学系の数に比例して検査速度が高速化される。また、３本以上の電子源近傍の真空度を常に高真空に保つことにより、試料室が低真空度の状態、例えば試料交換時にも電子源を安定動作させることができる。さらに、他の電子光学系から電子線が偏向されることなく、パターンから検出された信号を各電子光学系内で独立に高精度検出できる。従って、パターン検査を高速、且つ正確に行うことができる。

以下、本発明を実施例により説明する。本発明の第一の実施例は半導体パターンの回路検査に適用したもので、図１及び図２により説明する。

半導体装置の製造プロセスは図２に示すように、多数のパターン形成工程を繰り返している。パターン形成工程は大まかに、成膜、感光レジスト塗布、感光、現像、エッチング、レジスト除去、洗浄の各ステップにより構成されている。この各ステップにおいて製造条件が最適化されていないと、基板上に形成する半導体装置の回路パターンが正常に形成されない。例えば、図２の成膜工程で異常が発生するとパーティクルが発生し、ウェハ表面に付着し、孤立欠陥などが生じる。また、レジスト感光時に焦点や露光時間などの条件が最適でないと、レジストに照射する光の量や強さが多すぎる箇所、足りない箇所が発生し、ショートや断線、パターン細りを伴う。露光時のマスク、レチクル上に欠陥があると、同様のパターンの形状異常が発生しやすい。また、エッチング量が最適化されていない場合やエッチング途中に生成された薄膜やパーティクルにより、ショートや突起、孤立欠陥を始め、開口不良等も発生する。洗浄時には、乾燥時の水切れ条件によりパターン角部等に異常酸化を発生しやすい。従って、ウェハ製造プロセスではこれらの不良が発生しないように加工条件を最適化する必要があるとともに、異常発生を早期に検出し、当該工程にフィードバックする必要がある。そこで、本実施例ではｎ番目のパターン形成工程におけるレジスト感光、現像後に検査を適用する例について記載する。

以下、検査の実施例を詳細に説明する。図１にその構成図を示す。

電子光学系は第一電子光学系５１、第二電子光学系５２、第三電子光学系５３の３つにより構成されているが、それらの電子光学系を一つの鏡体２００内に設置することにより稠密に配置することができる。それぞれの電子光学系の構成は同じであるので、以下の記述では各部の表示を簡略にして説明する。例えば電子源はそれぞれの光学系に１a 、１b、１cの三個あるが、以下は電子源１として説明する。電子光学系は電子源１、電子銃レンズ２、コンデンサレンズ３、対物レンズ４、ブランキング用偏向器５、走査偏向器６、反射板７、Ｅ×Ｂ偏向器８により構成されている。試料室１０２はＸ−Ｙステージ１１、試料を保持するパレット１２、スペーサ１８及び位置モニタ用測長器２７より構成されている。検出器１３は対物レンズ４の上方にあり、検出器１３の出力信号はプリアンプ３１で増幅されＡＤ変換器３２によりデジタルデータとなる。画像処理部１０５は画像記憶部３３、演算部３７、欠陥判定部３８より構成されている。取り込まれた電子線画像は、モニタ３６に表示される。検査装置各部の動作命令及び動作条件は、制御部１０４から入出力される。予め制御部１０４に電子線発生時の加速電圧、電子線偏向幅、偏向速度、試料台移動速度、検出器の信号取り込みタイミング等の条件が入力されている。また、位置モニタ用測長器２７の信号から補正信号を生成し、電子線が常に正しい位置に照射されるようレンズ電源や走査信号発生器２５に補正制御回路２８から補正信号を送る。

電界放出電子源１から放出された一次電子線は、電子銃レンズ２により所望の加速電圧まで加速された後、コンデンサーレンズ３、対物レンズ４で試料上に集束される。試料から反射した反射電子あるいは試料内で二次的に発生した二次電子は検出器１３で検出された後、プリアンプ３１で増幅され、AD変換器３２でAD変換された後、画像記憶部３３で記憶されるとともに、モニタ３６で画像が表示される。一次電子線の偏向走査は制御部１０４により、走査信号発生器２５から送られる走査信号で一次電子線を制御することによって行われる。

電子源１には電界放出電子源を用いるが、特にパターンの回路検査には拡散補給型の熱電界放出電子源を用いたほうが望ましい。これにより明るさ変動の少ない比較検査画像が得られ、且つ電子線電流を大きくすることが可能なことから、高速な検査が可能となる。各電子光学系の電子レンズは次のように制御される。一次電子線は電子銃レンズ２に電圧を印可することで、電子源１から引き出される。一次電子線の加速は電子源に電子源印可用高圧電源２１から高圧の負の電圧を印可することでなされる。これにより、一次電子線はその電位に相当するエネルギー、たとえば１０ｋＶで試料台１１方向に進む。 Ｘ−Ｙステージ１１とはスペーサ１８を介して電気的に絶縁されたパレット１２にはリターディング用高圧電源２９により負の電圧を印可できるようになっており、パレット１２に保持される試料１０もパレット１２と同電位に設定される。このリターディング用高圧電源２９の電圧を調節することにより、試料１０への電子線照射エネルギーを最適な値に調節することが容易になる。電子源１に電子源印可用高圧電源２１から供給する加速電圧およびパレット１２に印可する電圧は各電子光学系で等しくして、試料に入射する一次電子線のエネルギーを全電子光学系で等しくなるようにしている。一方、電子銃レンズ２内の引き出し電極に印可する電圧は各電子光学系で独立に調整できる構成とし、それぞれ電子銃電源２２a、２２b、２２cから供給することによって、電子源からの放出電流を独立に制御することができる。電子銃レンズ２を通過した一次電子線はコンデンサレンズ電源２３a、２３b、２３cおよび対物レンズ電源２４a、２４b、２４cを独立に調整することによって、それぞれの電子光学系で一次電子線が任意の倍率でＸ−Ｙステージ１１の上に搭載された被検査基板（ウェハあるいはチップ等）である試料１０上に集束照射される。

試料１０の画像を取得するためには、細く絞った一次電子線を試料１０に照射し、二次電子を発生させ、これらを一次電子線の走査及びステージの移動と同期して検出することで試料表面の画像を得る。本発明で述べるような自動検査には検査速度が速いことが必須となる。従って、通常のＳＥＭのようにｐＡオーダーのビーム電流を低速で照射したりしない。そこで、通常のＳＥＭに比べ約１００倍以上の例えば１００ｎＡの大電流電子線の一回のみあるいは数回の走査により画像を形成する構成としている。例えば、一枚の画像は１０００×１０００画素を１０ｍｓｅｃで取得している。

チップ同士のパターンの比較は、３つの電子光学系を用いて異なるチップの同一パターン箇所をほぼ同時に照射することによって得られる画像から実時間でおこなうことができる。すなわち、画像処理系１０５では画像記憶部３３a に記憶された第一電子光学系５１からのパターン画像、画像記憶部３３ｂに記憶された第二電子光学系５２からのパターン画像および画像記憶部３３ｃに記憶された第三電子光学系５３からのパターン画像とを比較して回路基板上の欠陥判定を実時間で行う。まず、画像処理系１０５では画像記憶部３３a および３３ｂに記憶されたパターン画像を演算部３７aｂで演算する。例えば、演算部３７aｂは両画像の差を演算する機能を持ち、両画像の差がある閾値を越えた画像のアドレスを記憶する。例えば図１に示すように、アドレスＰとアドレスＱに欠陥があると判定する。しかし、二つの画像比較ではどちらの画像に欠陥があるのかは判定できない。そこで、ほぼ同時に画像記憶部３３ｂ および３３ｃに記憶されたパターン画像を演算部３７ｂｃで演算する。例えば図１に示すように、Ｑの位置だけに欠陥が表示されているとする。欠陥判定部３８は、ｂの画像を含んだ画像比較では常にＱの位置に欠陥が現れるので、 Ｑの位置の欠陥は３３ｂの画像に含まれる欠陥であると判定する。また、Ｐの位置の欠陥は３３aの画像に含まれる欠陥であると判定する。このように３つの電子光学系を用いて異なるチップ間の同一パターン画像をほぼ同時に取得することにより、パターンの欠陥判定を実時間で行うことができる。ここでは、３つの画像比較について説明したが、さらに４つ以上の画像を同時に比較する場合でも、ほぼ同様のアルゴリズムで欠陥のある画像を判定することができる。

次に、各光学系で得られた画像を順次比較して欠陥検出する画像処理系１０５の構成を図３に示す。半導体メモリーのパターンのように、チップ内で同一のパターンが繰り返し描かれている場合には、光学系毎に得られた画像を順次比較して欠陥を検出することができる。画像処理系１０５では、各光学系で画像記憶部３３に記憶された画像と遅延回路３５より一画像分の遅延をかけて画像記憶部３４に記憶された画像との比較評価を行う。演算部３７は例えば両画像の差を演算する機能を持ち、両画像の差がある閾値を越えた画像のアドレスＰを欠陥判定部３８に記憶する。アドレスＰが前回の比較で欠陥として記憶されたアドレスと一致すると、欠陥判定部３８はアドレスＰの欠陥が画像記憶部３３に記憶された画像に含まれる欠陥であると判定する。このような順序で回路基板上の欠陥探索を行う構成としている。このように順次画像を比較して欠陥検出する場合でも、パターンの欠陥検査速度が電子光学系の数に比例して速くなり、電子光学系を多数配置すれば大幅に欠陥検査時間を短縮することができる。

次に、検出系が各電子光学系で独立に動作する手段について説明する。本発明では、試料から発生した二次電子や反射電子２０２を電子線光軸９の電子源１側の方向に加速することにより二次電子や反射電子２０２が電子線光軸９の垂直方向へ広がり隣接光学系へ侵入することを防ぐようにした。試料１０は負電位に設定され、一次電子線２０１は試料１０の直前で急激に減速される。試料１０から反射した反射電子あるいは試料１０内で二次的に発生した二次電子は電子線光軸９の方向へ加速される。一次電子線２０１が１０kVから試料上で５００eVまで減速されるとすると、反射電子あるいは二次電子は試料１０と対向電極１９間に印可された電圧９．５kVにより加速される。試料１０と対向電極１９の間の距離を５ｍｍとし、一次電子線の走査幅を０.１ｍｍとすると、（２）式より対向電極１９の直径を約５ｍｍ以上に設定することにより、試料から発生した二次電子あるいは反射電子はすべて対向電極より内側の軌道を描き、隣接光学系への侵入を防止することができる。また、（３）式より、開口部４７の直径を約1．6ｍｍ以上に設定することにより、５０eV以下の反射電子あるいは二次電子を開口部４７の内側を通過させることができる。反射電子あるいは二次電子は対物レンズ４を通過した後に、 Ｅ×Ｂ偏向器８により検出器１５方向に偏向を受けて検出器１５で直接検出される。または、二次電子あるいは反射電子２０２は電子線光軸９の方向へ加速された後に Ｅ×Ｂ偏向器８により反射板７方向に偏向を受け、反射板７に衝突して第二の二次電子２０３を発生させ、その第二の二次電子２０３が反射板７より正電位に設定された検出器１３で検出される。
また、一次電子線の試料照射角度を制限する絞り２０の位置は検出器１３あるいは検出器１５より電子源側に設置され、二次電子あるいは反射電子が絞り２０に衝突することなく効率よく検出されるようにしている。

さらに、各電子光学系内で発生した電界および磁界を同一光学系内に封じ込めることにより、各光学系が独立に動作する手段について説明する。それぞれの電子光学系の外周部には導体磁性材で作られた遮蔽電極が接地されており、電子光学系の電磁界がほぼ同一光学系内で遮へいされている。すなわち、電子銃室１０１には電子源１および電子銃レンズ２の電磁界を遮蔽する遮蔽電極１６、中間室１０２にはコンデンサーレンズ３、対物レンズ４および走査偏向器６などの電磁界を遮蔽する遮蔽電極１７が設置されている。特にＥ×Ｂ偏向器８および検出器１３の電磁界が隣り合う光学系まで漏れていると、隣の光学系で発生した電子をも誘引してしまうので、特にＥ×Ｂ偏向器８および検出器１３近傍の電磁界の遮蔽効果を高めるような構成としている。これらの遮蔽電極は外部の浮遊電磁界を遮蔽する効果をも持つ。遮蔽電極の形状は、電磁界の遮蔽効果があり電子線通路を高真空に真空排気できる形状ならばどのような形でも良いが、例えば、図９に示すような円筒状のメッシュにしたり、図１０に示すような円筒に真空排気用の孔が開けられているような物である。さらに遮蔽電極を二重構造かそれ以上の多重構造にして、開口部が互い違いになっているような図１１に示すような形状であれば、真空排気のコンダクタンスをほとんど劣化させずに、遮蔽効果をさらに向上させることができる。

次に、電子源を常に高真空で動作させる手段について説明する。本実施例では３本以上の電子光学系を一つの鏡体２００内に設置するが、電子源１、電子源レンズ２を含む電子銃室１０１、中間室１０２及び試料室１０３の空間をそれぞれ別個の真空ポンプ４２、４３、４４で真空排気する構成としている。それぞれの空間は独立で真空排気するのが望ましいが、試料１０に照射する一次電子線２０１が通過する電子線通路は必要である。すなわち、電子銃室１０１と中間室１０２の間は開口部４６、中間室１０２と試料室１０３の間は開口部４７を通じて繋がっている。従って、特に電子源１から一次電子線２０１が出ている間はそれぞれの空間をできるだけ独立で真空排気するために、開口部４６と開口部４７を含む電子線通路が電子銃室１０１と中間室１０２、中間室１０２と試料室１０３あるいは電子銃室１０１と試料室１０３との間で最も大きなコンダクタンスを有する構成としている。この構成により、例えば電子銃室１０１はイオンポンプなどの超高真空ポンプで排気することによって常に１０^−７Pa台程度の真空度が得られている。また、試料１０の交換には試料室１０３に試料を挿入する前に、予め荒引きポンプにより試料１０を別の空間で予備排気しているが、試料室１０３挿入時にはどうしても一時的に試料室１０３の真空度が低下してしてしまう。このような状況下でも、電子銃室１０１と試料室１０３とがそれぞれほぼ独立に真空排気できれば、試料室１０３の真空度低下が電子銃室１０１にはほとんど影響しないので、一次電子線２０１を放出している状態でも試料交換することができる。さらに、電子銃室１０１と中間室１０２の間に各電子光学系にバルブ４１a、４１b、４１c、４１dを設置し、各バルブを閉じれば、試料交換している状態でも電子銃の真空度は全く変化しないので、一次電子線２０１を放出している状態で試料交換することができる。

なお、本実施例においてＥ×Ｂ偏向器８を用いる検出手段の替わりに、検出面を電子線光軸９と垂直で電子線光軸を跨ぐように配置して電子線通路に孔を開けた反射電子、二次電子検出器を用いても良い。

なお、本実施例ではＥ×Ｂ偏向器８、反射板７及び検出器１３を対物レンズ４と電子源１の間に置いたが、 Ｅ×Ｂ偏向器８、反射板７及び検出器１３を対物レンズ４と試料１０の間に置いても、本実施例の目的を達成することが出来る。

また、本実施例では試料１０は負電位に設定されていたが、試料１０を接地した場合でも試料と他の電極との相対電位を本実施例と同じように設定すれば、本実施例の目的を達成することが出来る。

また、本実施例では電子光学系の配置は特に限定しない。例えば、電子光学系を碁盤の目状に並べても良いし、電子光学系を一列に配置する構成にしても良い。

第二の実施例は、電子レンズとして静電レンズを用いたものである。静電レンズは磁界レンズより小型化することができ、限られたスペースに電子光学系を多数個並べることができる。図４は本実施例の電子光学系を横から見た図である。図中では２つの電子光学系しか記載していないが、実際には３つ以上の電子光学系で構成される。本実施例は一次電子線２０１を試料入射直前で減速させる光学系に対するものであり、検出系は二次電子あるいは反射電子２０２が反射板７に衝突して発生した第二の二次電子２０２を検出する構成としている。試料１０から放出された二次電子あるいは反射電子２０２は加速されて、対物レンズ４により収束した後、ある広がりをもって反射板７に衝突して第二の二次電子２０３を発生させ、その第二の二次電子２０３を検出器１３で検出する。検出器１３は正電位に設定され、二次電子を検出器へ誘引する検出器電界を発生している。電極構成はここでは例えば、電子銃レンズ２として二電極構成の静電レンズ、コンデンサーレンズ３と対物レンズ４としては三電極構成のレンズを用いる構成としている。本実施例では、遮蔽電極１６および１７を電子レンズ支持としても用いている。遮蔽電極１６の内周部に接するように電子銃レンズ２、コンデンサレンズ３、対物レンズ４の位置を規定することができるので、各レンズを高精度に電子線光軸９上に位置決めすることが可能となっている。電界放出電子源１は碍子部を有するフランジを取り外すことにより、交換することができる。。フランジは高真空に真空シールできるものを用い、その直径は３４mmから７０mmまでの範囲である。

静電レンズの電極構成は上述の構成でなくても、静電レンズに電子源１から電子を放出させる引き出し電極と一次電子線を加速電圧まで加速あるいは減速する電極からなる電子銃レンズとしての機能、電子光学系の倍率を調節できるコンデンサーレンズとしての機能および一次電子線を試料上に収束させる対物レンズとしての機能があれば、どの様な構成でも良い。例えば、三電極以上の多段レンズ一つでコンデンサーレンズと対物レンズの両機能あるいは電子銃レンズとコンデンサーレンズの両機能を備えるようにする構成としても良い。図５に示す第三の実施例は三電極の電子銃レンズ２一つで電子銃レンズとコンデンサーレンズの二つの機能を持たせることによって、電子光学系をより小型にすることが可能になる。図５は本実施例の電子光学系の構成を横から見た図であり、図６は特に本実施例の電子銃室１０１および中間室１０２を斜め上方から見た図である。また、本実施例では反射電子あるいは二次電子２０２の検出器１３として、検出面を電子線光軸９と垂直で電子線光軸９を跨ぐように配置し、電子線通路に孔を開けたものを用いている。試料１０に負の電圧を設定し、反射電子あるいは二次電子２０２を試料１０放出後に加速させてから検出する。検出器１３の形状は例えば、円環状のものや、電子線光軸９に対して対称に配置された複数の検出器を用いる。複数の検出器を用いた場合、検出器からの取得信号を選択することによって、試料からの出射方向を区別して検出することも可能である。

図７に示す第四の実施例では、対物レンズ４の一番電子源側の電極４４１は鏡体２００と同電位の接地電位とし、試料への対向電極４４３を試料と同電位の負の電圧に設定している。さらに中間の電極４４２の電位を調整することによって、試料に一次電子線を収束させる機能としている。この構成では二次電子や反射電子２０２は対向電極４４３に達するまで電界による作用を受けず、対向電極４４３を通過後電子線光軸９の電子源側の方向に加速される。ここで対向電極４４３の開口部の直径をを試料間との距離より大きく、例えば2倍以上大きくすれば、大部分の電子は対向電極４４３に衝突せずに加速されて、検出器１３で検出できる。図17に対向電極４４３と試料10間の距離Ｌ＝３ｍｍ、対向電極開口部の直径２Ｒ＝６ｍｍとして、試料１０対向電極を同電位に、対向電極４４３に対し中間電極４４２に＋９．５ｋＶを印可した場合の電位分布を差分法により求め、この電位分布の下で二次電子軌道を計算した結果を示す。電位分布は等電位面４４４で示されるような分布となる。図中に初期エネルギー５０eVで試料に対して０°から90°まで１０°刻みの角度で出射した二次電子２０２の軌道を示すが、開口部を大きくとると、等電位面が試料側に滲み出すことによって、二次電子は対向電極に達する前に上方に加速されるようになり、試料に対しほぼ平行に出射した電子を含め、すべての二次電子を対向電極に衝突しないで電子源側に向かわせることができる。

また、本実施例の電子源１を取り外して上から見た図を図８に示すが、電子銃室１０１は電子源毎に区切られており、それぞれ別個の真空ポンプで排気できる構成としている。バルブ４１を閉めることにより、それぞれの電子源を独立に大気圧状態にすることができる。この機能により、他の電子源を高真空の状態に保ったままで、電子源１の交換をすることができる。

なお、上記第一から第四までの実施例においては電子光学系を３組ないし４組搭載している場合について説明しているが、もちろん５組以上の電子光学系、例えば１０組の電子光学系が搭載されている構成でも、容易に本発明の目的を達成することが出来る。

また、上記第二から第四までの実施例においては、実際の静電レンズの形状は電子線通路から絶縁物部分が見えないような形状としているが、図中では単純化のため静電レンズの形状を平板上のもので説明した。
また、上記第二から第四までの実施例において、便宜上、コンデンサーレンズ電源２３及び対物レンズ電源２４は図中の真空内に置いたが、実際は真空外に設置されている。

さらに、本発明で複数の電子源を高真空に保つ構成とそれぞれの電子光学系で二次電子や反射電子を電子光学系内で独立に高精度検出できる構成は、電子線を用いた電子線描画装置やパターン寸法を測定する走査型電子顕微鏡などの各種の電子線応用装置にも、同様の構成で適用することができる。さらに、電子線だけでなく、イオンビームを含めた荷電粒子線応用装置にも、複数の荷電粒子源を高真空に保つ構成とそれぞれの荷電粒子光学系で荷電粒子照射により二次的に発生した荷電粒子を同一荷電粒子光学系内で高精度検出できる構成は、本発明と同様の構成で実現することができる。これらの場合には、２個以上の電子光学系あるいは荷電粒子光学系を有する装置に対して本発明を適用することができる。

以上説明したように、本発明にかかるパターン検査装置では半導体ウェハ上の回路パターンを検査する検査装置に有用であり、パターン検査を高速、且つ正確に行うことを目的としたパターン検査装置へ適用することに適している。

本発明の第一実施例を示す構成図である。 本発明の第一実施例の分析手順を示す図である。 本発明の第一実施例の画像処理系の別の構成を示す構成図である。 本発明の第二実施例を示す構成図である。 本発明の第三実施例を示す構成図である。 本発明の第三実施例の構成を斜め上方から観た図である。 本発明の第四実施例を示す構成図である。 本発明の第四実施例の構成を上から観た図である。 遮蔽電極の構造を示す図である。 遮蔽電極の構造を示す図である。 遮蔽電極の構造を示す図である。 電子光学系が一つのチャンバ内に置かれた従来例を示す図である。 電子銃室と試料室を別個の真空ポンプで排気する従来例を示す図である。 本発明の概略を示す図である。 最終段レンズ裏面に検出器を配置した従来例を示す図である。 二次電子または反射電子を加速して検出する構成を示す図。 対向電極と中間電極の電位分布と二次電子軌道の計算結果を示す図である

Claims (27)

1. ３つ以上の電子源を有し、該３つ以上の電子源から放出された一次電子線をそれぞれ独立の電子光学系を用いて回路パターンが形成された基板上を収束して走査する手段と該一次電子線の照射で発生した二次電子あるいは反射電子を検出してそれぞれ独立の電子光学系毎に回路パターンの画像を形成する手段を有するパターン検査装置を用いて、３つ以上の異なるチップから同一の回路パターンの画像をほぼ同時に形成し、該画像同士を比較して実時間で欠陥判定することを特徴とするパターン検査装置
2. 同一の鏡体の中で３つ以上の電子源を有し、該３つ以上の電子源から放出された一次電子線をそれぞれ独立の電子光学系を用いて回路パターンが形成された基板上を走査する手段を有し、それぞれの電子光学系内の電界あるいは磁界を同一電子光学系内に遮蔽する手段を有することによって、それぞれの電子光学系内で発生した二次電子あるいは反射電子を該電子光学系内で検出して回路パターンを画像化し、複数の画像を比較して該回路パターンの欠陥判定をすることを特徴とするパターン検査装置
3. 同一の鏡体の中で３つ以上の電子源を有し、該３つ以上の電子源から放出された一次電子線をそれぞれ独立の電子光学系を用いて回路パターンが形成された基板上を走査する手段を有し、それぞれ独立な電子光学系内で、該試料より発生した二次電子あるいは反射電子を試料放出直後に光軸方向に加速して検出することによって、それぞれの電子光学系内で発生した二次電子あるいは反射電子を該電子光学系内で検出して回路パターンを画像化し、複数の画像を比較して該回路パターンの欠陥判定をすることを特徴とするパターン検査装置
4. 同一の鏡体の中で３つ以上の電子源を有し、該３つ以上の電子源から放出された一次電子線をそれぞれ独立の電子光学系を用いて回路パターンが形成された基板上を走査する手段を有し、それぞれ独立な電子光学系内で、該一次電子線を該試料照射する直前に減速させるとともに該試料より発生した二次電子あるいは反射電子を試料放出直後に加速し、試料と検出器の間に設けたＥ×Ｂ偏向器により該二次電子あるいは反射電子を検出器方向に偏向して検出することによって回路パターンを画像化し、複数の画像を比較して該回路パターンの欠陥判定をすることを特徴とするパターン検査装置
5. 同一の鏡体の中で３つ以上の電子源を有し、該３つ以上の電子源から放出された一次電子線をそれぞれ独立の電子光学系を用いて回路パターンが形成された基板上を走査する手段を有し、それぞれ独立な電子光学系内で、該一次電子線を該試料照射する直前に減速させるとともに該試料より発生した二次電子あるいは反射電子を試料放出直後に加速し、該二次電子あるいは反射電子を反射板に衝突させて第二の二次電子を発生させ、該反射板より正電位に設定した検出器に該第二の二次電子を誘引して検出することによって回路パターンを画像化し、複数の画像を比較して該回路パターンの欠陥判定をすることを特徴とするパターン検査装置
6. 同一の鏡体の中で３つ以上の電子源を有し、該３つ以上の電子源から放出された一次電子線をそれぞれ独立の電子光学系を用いて回路パターンが形成された基板上を走査する手段を有し、それぞれの電子光学系内で発生した二次電子あるいは反射電子を該電子光学系内で検出して画像化し、複数の画像を比較して該回路パターンの欠陥判定をすることを特徴とするパターン検査装置において、該電子源近傍を試料室近傍とはほぼ独立に真空排気することにより、一次電子線を放出している状態で該基板を交換することができることを特徴とするパターン検査装置
7. 同一の鏡体の中で３つ以上の電子源を有し、該３つ以上の電子源から放出された一次電子線をそれぞれ独立の電子光学系を用いて回路パターンが形成された基板上を走査する手段を有し、それぞれの電子光学系内で発生した二次電子あるいは反射電子を該電子光学系内で検出して画像化し、複数の画像を比較して該回路パターンの欠陥判定をすることを特徴とするパターン検査装置において、それぞれの電子光学系ごとに該電子源近傍を試料室近傍との間にバルブを設置することにより、一次電子線を放出している状態で該基板を交換することができることを特徴とするパターン検査装置
8. 電子源は電界放出電子源であることを特徴とする請求の範囲第１項から第７項記載のパターン検査装置
9. 電子光学系は静電レンズだけで構成されることを特徴とする請求の範囲第１項から第７項記載のパターン検査装置
10. 同一の鏡体の中で３つ以上の電子源を有し、該３つ以上の電子源から放出された一次電子線をそれぞれ独立の電子光学系を用いて試料に照射する電子線応用装置において、該電子源近傍を試料室近傍とは別個の真空ポンプで真空排気することを特徴とする電子線応用装置
11. 電子源近傍と試料室近傍はそれぞれ独立に真空排気することを特徴とする請求の範囲第１０項記載の電子線応用装置
12. 電子源から一次電子線を放出している間は、一次電子線の通過する通路が電子源近傍と試料室近傍との間で最も大きなコンダクタンスを有する通路であることを特徴とする請求の範囲第１０項記載の電子線応用装置
13. 電子源と試料室の間に電子源と同数のバルブを配置して一次電子線が通過する通路を遮断することによって、電子源近傍と試料室近傍を独立に真空排気することを特徴とする請求の範囲第１０項から第12項記載の電子線応用装置電子線応用装置
14. 同一の鏡体の中で３つ以上の電子源を有し、該３つ以上の電子源から放出された一次電子線をそれぞれ独立の電子光学系を用いて試料に照射する電子線応用装置において、それぞれの電子光学系内の電界あるいは磁界を同一電子光学系内に遮蔽する遮蔽電極を有し、該遮蔽電極は該遮蔽電極の内側の空間を高真空排気できるような形状を有することを特徴とする電子線応用装置
15. ３つ以上の電子源を有し、該３つ以上の電子源から放出された一次電子線をそれぞれ独立の電子光学系を用いて試料に照射する手段と、それぞれ独立な電子光学系内で、試料より発生した二次電子あるいは反射電子を試料より正電位に設定した検出器に誘引して検出する手段を有する電子線応用装置において、該検出器の電界を同一の電子光学系内に遮蔽する遮蔽手段により、二次電子、反射電子等が同一の電子光学系内の検出器で収集されることを特徴とする電子線応用装置
16. 該電界を同一の電子光学系内に遮蔽する手段は、試料から発生した二次電子が検出器で検出されるまでの空間を囲むように遮蔽電極を配置し、該遮蔽電極の形状は該遮蔽電極の内側の空間を高真空排気できるような形状であることを特徴とする請求の範囲第１５項記載の電子線応用装置
17. ３つ以上の電子源を有し、該３つ以上の電子源から放出された一次電子線をそれぞれ独立の電子光学系を用いて試料に照射する手段と、該試料より発生した二次電子あるいは反射電子をそれぞれの電子光学系に独立に設けられた検出器で検出する手段を有する電子線応用装置において、該試料より発生した二次電子あるいは反射電子を試料放出直後に電子線光軸の電子源側の方向に加速した後に検出する手段により該二次電子あるいは反射電子を同一の電子光学系内の検出器で収集することを特徴とする電子線応用装置
18. ３つ以上の電子源を有し、該３つ以上の電子源から放出された一次電子線をそれぞれ独立の電子光学系を用いて試料に照射する手段と、該試料より発生した二次電子あるいは反射電子をそれぞれの電子光学系に独立に設けられた検出器で検出する手段を有する電子線応用装置において、該試料より発生した二次電子あるいは反射電子を試料放出直後に電子線光軸の電子源側の方向に加速した後に反射板に衝突させ、第二の二次電子を発生させる手段と該反射板より正電位に設定した検出器に該第二の二次電子を誘引して検出する手段により該二次電子あるいは反射電子を同一の電子光学系内の検出器で収集することを特徴とする電子線応用装置
19. 電子源は電界放出電子源であることを特徴とする請求の範囲第１０項から第16項記載の電子線応用装置
20. 電子光学系は静電レンズだけで構成されることを特徴とする請求の範囲第１０項から第16項記載の電子線応用装置
21. 電子源から放出された一次電子線を試料に照射エネルギーeVで照射する手段と、該試料と該試料と距離Ｌを隔てて対向する対向電極間に電圧Ｕを印可して、該試料より発生した二次電子あるいは反射電子を試料放出直後に電子線光軸の電子源
    側の方向に加速する手段を有し、該対向電極の直径Ｄ１を、Ｄ１≧４Ｌ√（ｅＶ／ｅＵ） とおくことを特徴とする電子線応用装置
22. 電子源から放出された一次電子線を試料に照射する手段と、該一次電子線を該試料上で走査幅Ｓで走査する手段と、該試料と該試料と距離Ｌを隔てて対向する対向電極間に電圧Ｕを印可して、該試料より発生した二次電子あるいは反射電子を試料放出直後に電子線光軸の電子源側の方向に加速する手段を有し、該対向電極の直径Ｄ１を、Ｄ１≧４Ｌ√（ｅＶ／ｅＵ）＋Ｓ とおくことを特徴とする電子線応用装置
23. 電子源から放出された一次電子線を試料に照射する手段と、該試料と該試料と距離Ｌを隔てて対向する対向電極間に電圧Ｕを印可して、該試料より発生した二次電子あるいは反射電子を試料放出直後に電子線光軸の電子源側の方向に加速する手段を有し、エネルギーeV以下の該二次電子あるいは反射電子を検出するために該対向電極の開口部の直径Ｄ２を、Ｄ２≧４Ｌ√（ｅＶ／ｅＵ） とおくことを特徴とする電子線応用装置
24. 電子源から放出された一次電子線を試料に照射する手段と、該一次電子線を該試料上で走査幅Ｓで走査する手段と、該試料と該試料と距離Ｌを隔てて対向する対向電極間に電圧Ｕを印可して、該試料より発生した二次電子あるいは反射電子を試料放出直後に電子線光軸の電子源側の方向に加速する手段を有し、エネルギーeV以下の該二次電子あるいは反射電子を検出するために該対向電極の開口部の直径Ｄ２を、Ｄ２≧４Ｌ√（ｅＶ／ｅＵ）＋Ｓ とおくことを特徴とする電子線応用装置
25. 電子源から放出された一次電子線を試料に照射する手段と、該試料と該試料と距離Ｌを隔てて対向する対向電極間に電圧Ｕボルトを印可して、該試料より発生した二次電子あるいは反射電子を試料放出直後に電子線光軸の電子源側の方向に加速する手段を有し、エネルギー50エレクトロンボルト以下の該二次電子あるいは反射電子を検出するために該対向電極の開口部の直径Ｄ２を、Ｄ２≧４Ｌ√（５０／Ｕ） とおくことを特徴とする電子線応用装置
26. 電子源から放出された一次電子線を試料に照射する手段と、該一次電子線を該試料上で走査幅Ｓで走査する手段と、該試料と該試料と距離Ｌを隔てて対向する対向電極間に電圧Ｕボルトを印可して、該試料より発生した二次電子あるいは反射電子を試料放出直後に電子線光軸の電子源側の方向に加速する手段を有し、エネルギー50エレクトロンボルト以下の該二次電子あるいは反射電子を検出するために該対向電極の開口部の直径Ｄ２を、Ｄ２≧４Ｌ√（５０／Ｕ）＋Ｓ とおくことを特徴とする電子線応用装置
27. 電子源から放出された一次電子線を試料に照射する手段と、該一次電子線を該試料上で走査幅Ｓで走査する手段と、該試料と該試料と対向する対向電極とを同電位に設定し、対向電極より電子源側に配置される電極と対向電極との間に電圧ボルトを印可して、該試料より発生した二次電子あるいは反射電子を電子線光軸の電子源側の方向に加速する手段を有し、対向電極の開口部の直径を試料間との距離の2倍より大きく設定したことを特長とする電子線応用装置

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