JP2014238962A - 電子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を小型化するとともに検査精度を向上させる電子線装置を提供する。【解決手段】本発明の電子線装置は、試料表面に電子線を照射する電子線光学系と電子線の照射によって発生した電子を検出する検出系とを筐体内部に備える複数の電子線カラムからなる検査装置であって、各電子線カラムの電子線光学系から試料表面に対して出射された電子線を所定位置にフォーカスさせる対物レンズは４枚の電極からなる静電レンズであり、対物レンズの各電極は、試料に対向する側から順に、負電圧が印加される第１電極、接地される第２電極、フォーカス電圧が印加される第３電極、および接地される第４電極からなり、第１電極に印加される電圧と試料に対して印加される試料電圧との電位差を調整可能である。【選択図】図３

Description

本発明は、半導体等のパターン検査等に用いる電子線装置に関する。

電子線カラムを備える電子線装置では、検査対象である半導体ウェハ等の試料について電気特性、外観検査、異物検査が行われる。例えば電子線装置は、コンタクトホールの電気特性検査（オープン、ショート）を帯電状況により画像化して行われる。具体的には図１４に示すように、電子線装置は、試料（例えば半導体ウェハＷ）の参照位置での走査型電子顕微鏡画像（以下、「ＳＥＭ像」ともいう。）と検査位置でのＳＥＭ像とを比較し、画像を比較して色の異なる箇所を欠陥位置として検出する。

このような電子線カラムを利用した検査において試料全面を電子線で走査するには多大の時間を要する。そこで、例えば特許文献１、２のように、電子線カラムを複数備える電子線装置を用いて試料を短時間で検査することが提案されている。

米国特許第４８９６０６３号明細書 特開２００５−１２１６３５号公報

ここで、電子線カラムの静電レンズのうち最も試料に近い位置に設けられた第１電極に印加される第１電圧と試料に印加される試料電圧との電位差は、試料表面の帯電に影響を与える。このため、電子線装置においてはこの電位差を検査条件として自由に変更できることが望ましい。電子線装置は、第１電圧と試料電圧との電位差を連続的に変更しながら二次電子や試料による反射電子からなる二次電子線を検出することで、試料の帯電状況（表面電位）を効率よく測定できる。

しかし、上記特許文献１、２に記載の電子線カラムの対物レンズは、３枚の電極からなる静電レンズから構成されている。このため、静電レンズの第１電極に印加される第１電圧と試料電圧との電位差を変更した際の、フォーカス電圧（静電レンズの第１電極上方に配置される第２電極の電圧）の変化が大きく、レンズの軸ずれ等が生じてしまう。このため、再度光学系の光軸調整が必要となるため、迅速に検査条件を変えることが困難であった。また、試料表面の電位を測定するために、この電位差を連続的に変化させた場合、フォーカス電圧のずれが大きくなり、試料に対する照射スポット径が大きくなることで、試料における測定領域が広がってしまい、測定精度が低下するという問題があった。

さらに、通常、二次電子線を検出する検出器は対物レンズである静電レンズの上方に一つ配置されているのみである。電子線カラムを複数配置するためにその外径を小さくすると、各電子線カラムに設置する検出器の幅や面積を小さくせざるを得ず、検出器により検出可能な電子線の範囲に制限が生じる。具体的には、図１５に示すように、電子線の検出角が小さいものや、電子線の検出角が大きくかつエネルギが大きいものについては、電子線カラム内における電子線の軌道から上記のように設置された検出器では検出することができなかった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、装置を複数含まれている電子線カラムを小型化するとともに欠陥の検出性能を改善し、検査精度を向上させることが可能な、新規かつ改良された電子線装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、試料表面に電子線を照射する電子線光学系と電子線の照射によって発生した電子を検出する検出系とを筐体内部に備える複数の電子線カラムからなる検査装置であって、各電子線カラムの電子線光学系から試料表面に対して出射された電子線を所定位置にフォーカスさせる対物レンズは４枚の電極からなる静電レンズであり、対物レンズの各電極は、試料に対向する側から順に、負電圧が印加される第１電極、接地される第２電極、フォーカス電圧が印加される第３電極、および接地される第４電極からなり、第１電極に印加される電圧と試料に対して印加される試料電圧との電位差を調整可能である、電子線装置が提供される。

検出系は、対物レンズに対して試料と反対側に設置される第１検出器と、第１検出器よりさらに試料から離れた上方に設置される第２検出器と、対物レンズに設置される第３検出器とから構成してもよい。

このとき、第３検出器は、対物レンズの第１電極に設置してもよい。あるいは、第３検出器は、対物レンズの第２電極に設置してもよく、この場合、第１電極には、第３検出器を露出させる開口部が形成される。

また、第２検出器の内径は、第１検出器の内径より小さくしてもよい。

さらに、第１検出器、第２検出器または第３検出器のうち少なくともいずれか１つを、複数の検出部から構成してもよい。

また、電子線装置に、第１検出器と第２検出器との間に、電子線を偏向させる偏向機構を設けてもよい。

さらに、フォーカス電圧は正電圧としてもよい。

以上説明したように本発明によれば、装置を小型化するとともに検査精度を向上させることが可能な電子線装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る電子線装置の概略構成を示す説明図である。 同実施形態に係る電子線カラムの構成を示す説明図である。 同実施形態に係る電子線カラムの対物レンズおよび電子検出器の構成を詳細に示す説明図である。 対物レンズをハイパスフィルタとして使用したときの検出器により検出可能な電子線の検出角とエネルギとの関係を示すグラフである。 シンチレータを用いた電子検出器の一構成例を示す概略側面図および概略平面図である。 第２電極に設けられた第３検出器の一構成例を示す底面図である。 第１電極の一構成例を示す底面図である。 図３に示す構成の検出器により検出可能な電子線の検出角とエネルギとの関係を示すグラフである。 第３検出器を第１電極に設けた対物レンズおよび電子検出器の一構成例を示す説明図である。 第１電極に設けられた第３検出器の一構成例を示す底面図である。 電子検出器を分割した場合の一構成例を示すであって、第２電極に設けられた第３検出器の一構成例を示す底面図である。 ＥｘＢ偏向器を備える電子線カラムの一構成例を示す説明図である。 磁場型のアライメント機構を備える電子線カラムの一構成例を示す説明図である。 電子線による欠陥検出方法を説明する説明図である。 従来の検出器により検出可能な電子線の検出角とエネルギとの関係を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．電子線装置の概略構成＞
まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係る電子線装置の概略構成について説明する。なお、図１は、本実施形態に係る電子線装置１の概略構成を示す説明図である。

本実施形態に係る電子線装置１は、例えば半導体ウェハＷ（以下、単に「ウェハＷ」ともいう。）の半導体回路パターンを検査するための装置である。電子線装置１は、例えば図１に示すように、チャンバーユニット１０と、複数の電子線カラム２０と、制御電源３０と、制御装置４０とからなる。

チャンバーユニット１０は、電子線カラム２０によりウェハＷの表面に電子線を出射して検査を行うユニットである。チャンバーユニット１０は、図１に示すように、半導体ウェハＷが収納される第１チャンバー（試料室真空チャンバー）１２と、中間室である第２チャンバー（中間室真空チャンバー）１３と、電子銃が配置される第３チャンバー（電子銃室真空チャンバー）１４とからなる。

第１チャンバー１２にはウェハＷを載置するためのステージ１８が設けられている。ステージ１８は、試料載置面にてウェハＷの検査対象となる面（表面）と反対側の面（裏面）を支持し、ウェハＷを表面と平行な平面内で任意の方向に移動可能に形成されている。ステージ１８は、検査時にはウェハＷが所定の方向に所定の移動速度で移動するように駆動装置（図示せず。）によって移動される。

各チャンバー１２、１３、１４は、それぞれ異なる真空度に設定可能に独立した空間となっており、所定の真空度にするための真空ポンプ１５、１６、１７がそれぞれ接続されている。

電子線カラム２０は、電子をスポット状に収束、加速して得られる電子線（一次電子線）をステージ１８上のウェハＷに照射するとともに、検出系によって電子線（二次電子線）を検出する装置である。本実施形態に係る電子線装置１は複数の電子線カラム２０を備えており、各電子線カラム２０は第１チャンバー１２、第２チャンバー１３および第３チャンバー１４境界の仕切り板に接続されており、中心部にオリフィスを設け、ビームが通過する部分のみが貫通するように配置される。本実施形態において、各電子線カラム２０は同一構成であるとする。電子線カラム２０の詳細な構成については後述する。

制御電源３０は、各電子線カラム２０に対して入力されるスキャン電圧を入力する。制御電源３０は、例えば１つの電子線カラム２０に対して１つの制御電源３０が割り当てられるように配置される。制御電源３０は、例えば、高電圧電流、高周波電流等の信号を出力する。各制御電源３０は、例えば、制御電源３０が出力する信号（例えば高周波電圧）の位相ずれを補正したり、走査信号の待機時間を補正したり、フィルタ等の制御電流回路を切り替えたりする補正機構を備えていてもよい。

制御装置４０は、各電子線カラム２０に対する制御命令を入力し、また、ウェハＷに電子線を照射して得られる配線パターンの形状を反映した出力信号である二次電子線（「信号電子線」ともいう。）に基づいて配線パターンの画像を形成する装置である。電子線カラム２０、制御電源３０、制御装置４０で試料であるウェハＷのＳＥＭ像（走査型電子顕微鏡像）を取得する。制御装置４０は、形成した複数の配線パターンの画像を比較し、配線パターンの異常を検出する。なお、配線パターンの異常検出は、制御装置４０にて行ってもよく、制御装置４０から提供された画像を見てオペレータが判断してもよい。制御装置４０は、例えばＣＰＵやＧＰＵを備えるコンピュータ等の情報処理装置によって構成される。

このような電子線装置１は、複数の電子線カラム２０を備えることで欠陥検出効率を向上させる。電子線カラム２０は、例えば複数の電子線カラム２０を一列に配置したカラム列を、カラム列の配列方向に対して垂直な方向に並べて配置してもよい。このとき、電子線カラム２０を千鳥配列となるように配置することで、より多くの電子線カラム２０を設けることができる。

＜２．電子線カラムの構成＞
次に、図２に基づいて、本実施形態に係る電子線装置１の電子線カラム２０の構成について説明する。なお、図２は、本実施形態に係る電子線カラム２０の構成を示す説明図である。なお、図２では静電式のレンズ、調整系を示しているが、本発明はかかる例に限定されず、例えば磁場を利用したレンズ、調整系であってもよい。検査を高速にするため、電子線を走査する走査電極は静電式であることが望ましい。

電子線カラム２０は、その筐体１０２内に、走査型電子顕微鏡で用いられる各種構成要素を備える。例えば電子線カラム２０は、電子銃１１０と、コンデンサレンズ系１２０と、ビーム絞り機構１３０と、光軸調整機構１４０と、ブランキング電極１５０と、仕切弁１６０と、走査電極１７０と、対物レンズ１８０と、電子検出器１９０とを備える。電子線装置１において、電子検出器１９０が検出系を構成し、当該検出系を除く電子線光学要素が電子線光学系を構成している。

電子銃１１０は、電子線を出射する装置であり、例えばショットキー型や熱電界放出型の電子銃が用いられる。電子銃１１０は、加速電圧が印加されることにより電子線を放出する。放出された電子線は、コンデンサレンズ系１２０、ビーム絞り機構１３０によって集光され、所望の電流となるように調節される。

光軸調整機構１４０は、電子線の非点補正、光軸上の電子線の位置、試料に対する電子線の照射位置を調整する。また、ブランキング電極１５０は、ステージ１８上のウェハＷに電子線を照射しないように一時的に電子線を遮断するための電極である、ブランキング電極１５０は、電子銃１１０から放出された電子線を曲げ、ウェハＷに電子線が照射されないようにする。また、仕切弁１６０は、電子線カラム２０内の電子銃室、中間室、試料室と仕切るための弁である。仕切弁１６０は、例えば資料室に不良が発生した場合に電子銃室や中間室が大気中に開放しないように各室を仕切るために用いられる。通常仕切弁１６０は開放されている。なお、本実施形態に係る電子線カラム２０においては設置を省略することもできる。

走査電極１７０は、外部から高周波の制御信号（電気信号）が印加されることで電子線を偏向させる。走査電極１７０には、例えば０〜４００Ｖの高周波電流が印加される。走査電極１７０に任意の制御信号を印加して電子線を偏向させることで、ウェハＷの表面上において任意の方向に電子線を走査させることができる。

対物レンズ１８０は、電子線カラム２０の先端部に設けられ、ステージ１８上のウェハＷと対向するように設けられる。対物レンズ１８０は、走査電極１７０によって偏向された電子線をウェハＷの表面に集束させる。本実施形態の対物レンズ１８０は、静電レンズであり、４枚の電極を備える。なお、対物レンズ１８０の詳細な構成については後述する。

電子検出器１９０は、電子線がウェハＷに照射され、回路パターンに応じて放出された二次電子線、ならびに反射電子を検出し、高周波の検出信号（信号電子線）として出力する検出系である。本実施形態に係る電子検出器１９０は、後述するように３つの検出器１９２、１９４、１９６からなる。電子検出器１９０により検出された検出信号は、例えば伝達機構を介して電子線カラム２０の外部に取り出される。電子検出器１９０の検出信号は、例えばプリアンプで増幅された後、ＡＤ変換器により回路パターンの画像デジタルデータとされる。画像デジタルデータは制御装置４０に出力される。

このような電子線カラム２０の構成により、電子銃１１０から放出された電子線によってウェハＷの表面が走査され、回路パターンの形状、組成、帯電状況等を反映した二次電子や反射電子である二次電子線が電子検出器１９０によって検出される。検出された二次電子線の検出信号は、例えばプリアンプやＡＤ変換器を介して制御装置４０にて処理され、ウェハＷの回路パターンの画像に基づく欠陥検出が行われる。

なお、電子線カラム２０には、電子線カラム２０の内部と外部との間で情報を伝達するための伝達機構５０ａ、５０ｂ、５０ｃを設けてもよい。伝達機構としては、例えば電気的な動作を伴う部材に対して外部から電気信号を伝達し、また、電気的な動作を伴う部材から発せられた電気信号を外部に伝達する電気的伝達機構がある。あるいは、伝達機構として、ライトガイド等のように、光を外部から伝達し、また、光を外部に伝達する光学的伝達機構や、機械的な動作を伴う機械的伝達機構等がある。

＜３．対物レンズおよび検出器の構成＞
図３に、本実施形態に係る電子線カラム２０の対物レンズ１８０および電子検出器１９０の構成を詳細に示す。図３は、電子線カラム２０の対物レンズ１８０および電子検出器１９０の概略構成を示す端面図である。

［対物レンズ］
対物レンズ１８０は、中心に電子線が通過するための開口を有する筒状の構造物である。対物レンズ１８０は、図３に示すように、第１電極１８１、第２電極１８２、第３電極１８３および第４電極１８４の４枚の電極からなる。これらの電極は、対物レンズ１８０がステージ１８上のウェハＷと対向する側から第１電極１８１、第２電極１８２、第３電極１８３、第４電極１８４の順に配置されている。

第１電極１８１は、電子線カラム２０の筐体１０２から延設された第２電極１８２の支持部１８２ｃに、絶縁物１９５を介して接続されている。第１電極１８１は筐体１０２の外周と略同一径の外周を有する環状部材であり、その中心には電子線が通過するための開口が形成されている。第１電極１８１の第１面（外面）１８１ａは、ステージ１８上のウェハＷと対向している。

第２電極１８２は、環状の電極部と、当該電極部および第１電極１８１を支持する絶縁物１９５が接続された支持部１８２ｃとからなる。支持部１８２ｃは、筐体１０２と略同一径を有する大径部と、大径部よりも小径の小径部とからなる。大径部は筐体１０２と接続されており、小径部は大径部から第１電極１８１側へ延びるように設けられている。小径部の先端には電極部の外周部分が固定されている。電極部は、第１電極１８１と第３電極１８３との間に設けられる。第２電極１８２の電極部の第１面（第１電極１８１側の面）１８２ａには、後述する第３検出器１９６が設けられる。

第３電極１８３は、環状の電極部と、当該電極部を支持する筒状の支持部からなる。支持部は、絶縁物１９６を介して第４電極１８４に接続されるフランジ部と、当該フランジ部から第１電極１８１側へ延びる筒部とからなる。筒部は、第２電極１８２の小径部よりもさらに小径であり、その先端には電極部の外周部分が固定されている。電極部は、第２電極１８２と第４電極１８４との間に設けられる。

第４電極１８４は、筐体１０２と接続されたフランジ部と、当該フランジ部から第１電極１８１側へ延びる筒状の電極部とからなる。フランジ部は、絶縁物１９６を介して第３電極１８３を支持するとともに、その内周部で電極部の一端を支持している。電極部は、筒状とすることで、第３電極１８３に高電圧を印加するために必要な絶縁物（例えばガイシ）が電子線に露出しないようにしている。第４電極１８４の電極部の内径は、第１電極１８１、第２電極１８２および第３電極１８３の各電極部の開口径と略同一とされる。

第１電極１８１には負電圧が印加され、第２電極１８２は接地されている。また、第３電極１８３はフォーカス用の電極であり、正電圧が印加されている。第３電極１８３に正電圧を印加することで対物レンズ１８０を加速レンズとして構成することができる。これにより、第３電極１８３に負電圧を印加する場合と比べて対物レンズ１８０を低収差化することができるとともに、放出された二次電子を引き上げて軌道変更させて集光することが可能となる。第４電極１８４は接地されている。なお、ステージ１８上のウェハＷには負電圧が印加されている。

本実施形態に係る電子線装置１では、対物レンズ１８０の第１電極１８１に印加される第１電圧とステージ１８上のウェハＷに印加される試料電圧との電位差を変化させることで、ウェハＷ表面の帯電や検出可能な電子エネルギ、検出器に対する電子線の入射角度等を変更することができる。例えば第１電圧を試料電圧より低くすると、エネルギの低い電子がウェハＷに戻り帯電を抑制したり、中和したりできる。逆に、第１電圧を試料電圧より高くすると、二次電子を巻き上げ、ウェハＷを正に帯電させることができる。

なお、検出系に関して、第１電圧と試料電圧との電位差を変化させることで、電子線に対するフィルタを掛けることが可能となる。例えば第１電圧を試料電圧より低くすると、対物レンズ１８０を高エネルギの電子のみを通過させるハイパスフィルタとして作用させることができる。

図４に対物レンズ１８０をハイパスフィルタとして使用したときの検出器のアクセプタンス（検出器により検出可能な電子線の検出角とエネルギとの関係）を示す。図４より、所定の閾値以上のエネルギを有する電子のみが検出されていることを読み取ることができる。逆に、第１電圧を試料電圧より高くすると、二次電子を巻き上げ集光するように対物レンズ１８０を作用させることができる。

ここで、第１電圧と試料電圧との電位差は２ｋＶ以下が望ましい。この電位差が大きいと二次電子線は直進し、検出器の中心の開口から抜けてしまうためである。そこで、電位差を２ｋＶ以下と小さくすることで二次電子線は広がり、中心に一次ビームが通過する開口を有する同心円（アニューラー）型の検出器と比較して電子を容易に検出することができる。

このように、本実施形態に係る電子線装置１では、上記のように４枚の電極を用いることで、対物レンズ１８０の第１電極１８１に印加される第１電圧と試料電圧との電位差を連続的に変化させても第３電極１８３のフォーカス電圧の変化量を低減することができる。したがって、例えば図１４に示したように、電子線装置１によりウェハＷの欠陥を検出する場合、参照位置でのＳＥＭ像と検査位置でのＳＥＭ像とを比較するが、画像比較が明確に行うことができない場合にはこの電位差を調整することにより、試料の帯電を変化させ、取得される画像を調整できる。本実施形態に係る電子線装置１では、対物レンズ１８０の調整により所望の画像を取得して欠陥の検出性能を改善し、検査精度を向上できるとともに、この調整を連続的に行うことができるので効率的に検査を行うこともできる。

本実施形態に係る電子線装置１の対物レンズ１８０の構成とすることによるフォーカス電圧の変化について、従来の３枚の電極を用いた場合と比較しながら説明する。なお、従来の３枚の電極を用いた場合の構成は、本実施形態に係る対物レンズ１８０を構成する電極のうち第２電極１８２を省略した構成とする。

第１電極１８１と試料間の電位差が０Ｖとなる設定を標準条件とする。例えば、電子線の加速エネルギを８ｋｅＶ、電子線の試料への入射エネルギを１ｋｅＶとすると、試料電圧は−７ｋＶ、第１電極１８１の第１電圧は−７ｋＶとなる。

次いで、標準条件から第１電極１８１の第１電圧を−６．９ｋＶに変更したとする。このとき、第１電極１８１と試料との間の電位差は＋０．１ｋＶとなる。このとき一次電子線を試料にフォーカスするのに必要な電圧は＋１４．４ｋＶであった。また、標準条件のフォーカス電圧は＋１４．１ｋＶであった。したがって、標準条件のフォーカス電圧＋１４．１ｋＶからの差であるフォーカス電圧の変化量は０．３ｋＶとなる。また、標準条件でのフォーカス電圧に対するフォーカス電圧の相対変化量は２．４％（０．３／１４．１％）であった。

同様に、従来の３枚の電極を用いた構成についても標準条件から第１電圧を−６．９ｋＶに変更したとき、一次電子線を試料にフォーカスするのに必要な電圧は＋１２．７ｋＶであった。また、標準条件のフォーカス電圧は＋１１．８ｋＶであった。したがって、標準条件のフォーカス電圧＋１１．８ｋＶからの差であるフォーカス電圧の変化量は０．９ｋＶとなる。また、標準条件でのフォーカス電圧に対するフォーカス電圧の相対変化量は７．８％（０．９／１１．８％）であった。

これより、本実施形態に係るように４枚の電極から対物レンズを構成することで、従来と比較してフォーカス電圧の変化量が約３３％改善されることがわかる。

［検出器］
本実施形態に係る電子線カラム２０は、電子線を検出する電子検出器１９０として、第１検出器１９２、第２検出器１９４および第３検出器１９６の、３つの検出器を備える。従来、電子カラム２０には１つの検出器が設けられるのみであり、図１５に示すようにこの検出器のみでは検出できない電子線があった。そこで、本実施形態に係る電子線カラム２０は、複数、例えば３つの検出器１９２、１９４、１９６を設けることで、従来検出できなかった電子線を検出可能にする。

第１検出器１９２は、図３に示すように、対物レンズ１８０上方（ステージ１８と反対側の方向）に配置されている。第１検出器１９２は環状の電子検出センサであり、その電子検出領域は第４電極１８４の内径よりも小さくされている。第１検出器１９２は、対物レンズ１８０にできるかぎり近くに配置されることが望ましい。本実施形態に係る電子線装置１は、複数の電子線カラム２０を設置しているため各検出器の面積や幅を小さくせざるを得ない。そこで、対物レンズ１８０のより近くに検出器を配置することで広い範囲に放出された電子を検出可能となる。

第２検出器１９４は、環状の電子検出センサであり、第１検出器１９２のさらに上方に配置される。例えば図３に示すように、第２検出器１９４は、アライメント機構１６０と走査電極１７０との間に配置することができる。第２検出器１９４は、第１検出器１９２の中心の開口を抜けた電子の小角度成分を検出する。第２検出器１９４の開口部の内径は第１検出器１９２の開口部の内径より小さいことが望ましい。より高効率で電子を検出することが可能となる。

第１検出器１９２および第２検出器１９４には、例えば半導体検出器やシンチレータ等を用いることができる。第１検出器１９２や第２検出器１９４にシンチレータを用いた場合、例えば図５のような構成とすることができる。図５では第１検出器１９２にシンチレータ１９２ａを用いた場合を示しているが、第２検出器１９４も同様に構成することができる。

シンチレータ１９２ａは放射線の入射によって蛍光を発する物質であり、シンチレータ１９２ａにより電子を光に変換することができる。シンチレータ１９２ａによって電子から変換された光は、ミラー面１９２ｂにて反射され導入機構５０ｃであるライトガイドへ導かれる。ライトガイドの終端は光電子増倍管６０と接続されており、光電子増倍管６０によって光は電子に変換され増幅される。増幅された電子信号は検出回路系にて検出される。

シンチレータ１９２ａの中央は開口されており、当該開口部分には金属筒１９２ｃが挿通される。金属筒１９２ｃの内部を一次電子線が通過する。シンチレータ１９２ａの先端は金属筒１９２ｃおよび金属カバー１９２ｄで覆われており、絶縁物が電子線に露出しないように構成される。検出器１９２全体は、例えばフランジ５０ｃ２とライトガイドとの間をＯリング５０ｃ１にて仕切られている。これにより、電子線カラム２０内の真空部分と電子線カラム２０外の大気部分とを区切ることができる。

また、シンチレータ１９２ａにより発光された蛍光をライトガイドに導くため、ミラー面１９２ｂにはＡｌ等の金属を蒸着するのがよい。さらに、ライトガイドの支持は光の洩れを低減するため接触面積を最小にするのがよく、例えばＯリング１９２ｂのみとするのが望ましい。

図３の説明に戻り、第３検出器１９６は、環状の電子検出センサであり、図６に示すように、対物レンズ１８０の第２電極１８２の第１面１８２ａに配置される。第３検出器１９６としては、対物レンズ１８０の先端におけるスペース制限から、例えば半導体検出器を用いるのが望ましい。

このとき、対物レンズ１８０の第１電極１８１には、ウェハＷからの電子線が通過する開口部１８１１を形成する。本実施形態では、図７に示すように、４つの開口部１８１１が、第１電極１８１の周方向に沿って、等間隔に略同一サイズに形成されている。各開口部１８１１は、例えば第１電極１８１を切り欠いて形成してもよい。また、各開口部１８１１の間に、径方向に延びるグリッド１８１２を設けることで開口部１８１１の電位を一定にすることができる。なお、本実施形態では、開口部１８１１は４つ形成されているが、本技術はかかる例に限定されず、第１電極１８１に１または複数の開口を設けて電子線が通過可能にされていればよい。

これらの検出器１９２、１９４、１９６は、図３に示すような電子線の軌道に対応して電子線カラム２０内に配置されている。すなわち、ステージ１８の試料載置面に垂直な電子線の入射方向に対し、二次電子線は広がりを持って進行する。そこで、本実施形態に係る電子線カラム２０は、電子線の入射方向に対する二次電子線の進行方向のなす角（以下、「検出角」ともいう。）に応じて、電子を検出する検出器１９２、１９４、１９６が配置されている。このように、検出角の異なる複数の検出器１９２、１９４、１９６を配置し、像を取得することで、特定の欠陥からの信号を強調することができる。例えば、ウェハＷのホール底の欠陥の検出には、小角度の電子を選択的に検出することができる第２検出器１９４を利用するのが有用である。

図８に各検出器１９２、１９４、１９６により検出される電子線の検出角とエネルギとの関係図を示す。図８において、電子軌道Ａの電子線は第１検出器１９２によって検出され、電子軌道Ｂの電子線は第２検出器１９４によって検出され、電子軌道Ｃの電子線は第３検出器１９６によって検出される。

図８より、第３検出器１９６は高角度に高いエネルギで放出された電子を検出する。例えば試料の微小な凹凸を強調して観察できるという効果がある。第３検出器１９６を対物レンズ１８０の第２電極１８２に配置することで、第３検出器１９６を設置させることができる。すなわち、信号線のレベルがグランド基準となるので、配線の絶縁が容易になり、また後段のプリアンプ等検出回路系がグランド基準となるので得電子線装置１の高速動作が容易となるというメリットがある。

［変形例］
本実施形態に係る電子線カラム２０の対物レンズ１８０および検出器１９０は、図３に示した構成以外の構成とすることもできる。

（変形例１）
例えば、図９および図１０に示すように、第３検出器１９６を第１電極１８１に設けてもよい。すなわち、図９および図１０に示すように、第３検出器１９６は、対物レンズ１８０の第１電極１８１の外面１８１ａに設けられている。第３検出器１９６を試料Ｗの近くに配置できるため、より広い角度に放出された二次電子線を検出することが可能になる。この場合、電子線が高圧に浮いてしまうため、高電圧用の差動アンプを使用する必要がある。

（変形例２）
また、環状の各検出器１９２、１９４、１９６を面内で分割した構成としてもよい。第３検出器１９６を例にとると、例えば図１１に示すように、周方向に４分割された検出部１９６１、１９６２、１９６３、１９６４から第３検出器１９６を構成してもよい。このとき各検出部１９６１、１９６２、１９６３、１９６４は同一サイズとするのがよい。これにより、各検出部１９６１、１９６２、１９６３、１９６４は対応する特定の方位に放出された電子をそれぞれ検出することになり、これらの差分をとることで凹凸を強調した像が取得できるようになる。特に本発明では対物レンズ１８０に静電レンズを用いているので回転がなく、方向性が維持されるためより効果的である。

（変形例３）
第２検出器１９４の検出効率を向上させる方法として、例えば図１２に示すように、電子線カラム２０に、対物レンズ１８０の上部かつ第１検出器１９２の上部に、電子線を偏向させる偏向機構として静電場と磁場とが直交したＥｘＢ偏向器２００を配置してもよい。なお、図１２では、対物レンズ１８０および電子検出器１９０に電圧を印加する電源についての記載を省略しているが、それぞれ図３と同様の電圧が印加されているものとする。

図１２に示すように、ＥｘＢ偏向器２００の上方には、走査電極１７０、第２検出器１９４が配置される。このとき、電子線カラム２０は、一次電子線がＥｘＢ偏向器２００により偏向されない（すなわち、直進する）ウィーン条件に設定される。二次電子、反射電子からなる信号電子線は一次電子線と進行方向が逆であるため、ＥｘＢ偏向器２００により偏向される。このように、信号電子線を第２検出器１９４の検出領域に入射するようにＥｘＢ偏向器２００によって偏向させることで、第２検出器１９４によってより効率的に信号電子線を検出することが可能となる。

（変形例４）
あるいは、第２検出器１９４の検出効率を向上させる他の方法として、例えば図１３に示すように、対物レンズ１８０の上部かつ第１検出器１９２の上部に、電子線を偏向させる偏向機構として磁場型のアライメント機構３００を配置してもよい。なお、図１３においても、対物レンズ１８０および電子検出器１９０に電圧を印加する電源についての記載を省略しているが、それぞれ図３と同様の電圧が印加されているものとする。

図１３に示すように、アライメント機構３００の上方には、走査電極１７０が配置される。本例では、走査電極１７０には像を構成するための走査信号に加え、静的なアライメント電圧が重畳される。すなわち、２段に配置された走査電極１７２、１７４もアライメント機構の一部として機能する。走査電極１７０の上方には第２検出器１９４が配置される。

一次電子線は、走査電極１７２、１７４およびアライメント機構３００による３段のアライメントにより偏向され、第１検出器１９２の開口を通過するように中心軸上に戻る。そして、第１検出器１９２の開口を通過した一次電子線は、ステージ１８上のウェハＷに照射される。

ウェハＷにより反射された電子線および二次電子からなる信号電子線は一次電子線と進行方向が逆となる。したがって、第１検出器１９２の開口を通過した信号電子線は、まず磁場型のアライメント機構３００により一次電子線とは逆向きに偏向され、つづく走査電極１７２、１７４に重畳されたアライメント電圧によりさらに偏向された後、第２検出器１９４に入射するようになる。このように、走査電極１７２、１７４およびアライメント機構３００により電子線の進行方向をアライメントすることで、信号電子線を第２検出器１９４の検出領域に入射させることができ、第２検出器１９４は信号電子線をより効率的に検出することが可能となる。

図１２に示した変形例３および図１３に示した変形例４は、第１検出器１９２により信号電子線の大部分を検出し、第２検出器１９４で小角度の信号電子線を検出することで、検出角が選択されたＳＥＭ像を取得することが可能となる。特に小型の電子線カラム２０では検出器１９０の大きさが制限されているためこれらの構成は有用である。なお、対物レンズ１８０および検出器１９０の配置、ＥｘＢ偏向器２００やアライメント機構３００等ようなの電子線を偏向させる偏向機構の設置は、上記変形例１〜４に限定されるものではなく、他の構成や組み合わせも可能である。

以上、本発明の実施形態に係る電子線装置１の構成とその作用について説明した。本実施形態によれば、電子線装置１に複数含まれている電子線カラム２０を小型化するとともに欠陥の検出性能を改善し、かつ高効率化できるとともに、対物レンズ１８０を４つの電極から構成することで、第１電極１８１の第１電圧と試料電圧との電位差を変化させたときの第３電極１８３の第３電圧（すなわち、フォーカス電圧）の変化量を低減させることができる。これにより、低加速高性能である、すなわち低収差の電子線カラム２０を実現することができる。

また、二次電子や試料による反射電子からなる二次電子線を検出する検出器１９２、１９４、１９６を、二次電子線の進行方向に応じて配置することで、従来検出が困難であった小角度の電子線や大角度かつ高エネルギの電子線の検出も可能となる。これにより、試料の帯電状況や検出器種による多様な検出条件に対応することの可能な電子線装置１を実現できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１ 電子線装置
１０ チャンバーユニット
１８ ステージ
２０ 電子線カラム
３０ 制御電源
４０ 制御装置
１０２ 筐体
１１０ 電子銃
１２０ コンデンサレンズ系
１３０ ビーム絞り機構
１４０ 光軸調整機構
１５０ ブランキング電極
１６０ 仕切弁
１７０ 走査電極
１８０ 対物レンズ
１８１ 第１電極
１８２ 第２電極
１８３ 第３電極
１８４ 第４電極
１９０ 電子検出器
１９２ 第１検出器
１９４ 第２検出器
１９６ 第３検出器
２００ ＥｘＢ偏向器
３００ アライメント機構
Ｗ 半導体ウェハ

Claims (8)

1. 試料表面に電子線を照射する電子線光学系と前記電子線の照射によって発生した電子を検出する検出系とを筐体内部に備える複数の電子線カラムからなる検査装置であって、
   前記各電子線カラムの前記電子線光学系から前記試料表面に対して出射された電子線を所定位置にフォーカスさせる対物レンズは４枚の電極からなる静電レンズであり、
   前記対物レンズの各電極は、前記試料に対向する側から順に、負電圧が印加される第１電極、接地される第２電極、フォーカス電圧が印加される第３電極、および接地される第４電極からなり、
   前記第１電極に印加される電圧と前記試料に対して印加される試料電圧との電位差を調整可能である、電子線装置。
2. 前記検出系は、前記対物レンズに対して前記試料と反対側に設置される第１検出器と、前記第１検出器よりさらに前記試料から離れた上方に設置される第２検出器と、前記対物レンズに設置される第３検出器とからなる、請求項１に記載の電子線装置。
3. 前記第３検出器は、前記対物レンズの前記第１電極に設置される、請求項２に記載の電子線装置。
4. 前記第３検出器は、前記対物レンズの前記第２電極に設置され、
   前記第１電極には、前記第３検出器を露出させる開口部が形成される、請求項２に記載の電子線装置。
5. 前記第２検出器の内径は、前記第１検出器の内径より小さい、請求項２〜４のいずれか１項に記載の電子線装置。
6. 前記第１検出器、前記第２検出器または前記第３検出器のうち少なくともいずれか１つは、複数の検出部から構成される、請求項２〜５のいずれか１項に記載の電子線装置。
7. 前記第１検出器と前記第２検出器との間に、電子線を偏向させる偏向機構が設けられる、請求項２〜６のいずれか１項に記載の電子線装置。
8. 前記フォーカス電圧は正電圧である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電子線装置。
   

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