JP3858370B2

JP3858370B2 - 検査装置

Info

Publication number: JP3858370B2
Application number: JP22364897A
Authority: JP
Inventors: 秀和竹越
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-08-20
Filing date: 1997-08-20
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2017-08-20
Also published as: JPH1164467A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビームを利用して、例えば、半導体ウェーハの集積回路パターン像等を取得する検査装置に関し、特に、ウィーンフィルタによる収差や電子ビームの強度むらを低減することができる検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）とは異なり、電子ビームのビーム断面形状を、一次光学系で線状あるいは矩形状にして試料に照射し、試料から発生する反射電子、二次電子等の二次ビームを、二次光学系を介して電子検出器で検出し、試料の表面画像を取得するシステムがある。しかしながら、このようなシステムは、論文に記載されているだけで、実用的な公知例はまだない。
【０００３】
また、二次光学系の構成例として、ウィーンフィルタを使用した論文（K.Tsuno, Ultramicroscopy 55(1994)127-140 「Simulation of a Wien filter as beam separator in a low energy electron microscope」)があるが、この論文では、計算結果だけで、装置として実用化されていない。
そこで、本出願人は、このようなシステムを検査装置として実用化する際の諸問題を検討し、特願平９−９１４２１号出願および特願平９−９１４２２号出願において、この検査装置の具体的構成例を提案した。
【０００４】
図９を参照して、この検査装置を説明する。
図９において、検査装置は、一次コラム５０、ウィーンフィルタ５１、ステージ５２および二次コラム５４を有している。
ステージ５２上には、試料５３が載置されており、また、二次コラム５４の内部には、カソードレンズ５５および二次光学系５６が配置されている。さらに、二次コラム５４の内部には、開口絞りであるニューメニカルアパーチャ５７が配置され、その後方には、径の異なるフィールド孔が複数形成されているフィールドアパーチャ（視野絞り）５８が、引き出し可能に挿入されている。
【０００５】
一方、二次光学系５６を介して二次電子、反射電子が集束する位置に検出器５９が配置される。検出器５９は検出電子を光信号に変換し、さらに撮像素子によって光電信号に再変換する。光電信号はコントロールユニット６０を介して、ＣＰＵ６１に入力される。
ＣＰＵ６１は、一次コラム制御ユニット６２および二次コラム制御ユニット６３に制御信号を出力する。一次コラム制御ユニット６２は、一次コラム５０内の一次光学系に対して、また、二次コラム制御ユニット６３は、カソードレンズ５５および二次光学系５６に対してレンズ電圧の制御を行う。
【０００６】
次に、この検査装置の動作について説明する。
一次コラム５０内の一次光学系は、電子銃から放射される電子ビーム（一次ビーム）を、ウィーンフィルタ５１に一定の入射角αで入射させる。ウィーンフィルタ５１は、電磁プリズムとして作用する偏向器で、一次コラム５０からの特定のエネルギーを有する電子ビームを、その加速電圧で決定される角度で曲げて、試料５３に垂直に照射させる。一方、試料５３から発生する二次ビームに対しては、そのまま直進させ、二次コラム５４内の二次光学系５６に入射させる。なお、このウィーンフィルタの詳細については後述する。
【０００７】
二次ビームは、二次光学系５６により集束され、検出器５９の検出面に所定の倍率で拡大投影され、画像信号に変換される。このとき、ニューメニカルアパーチャ５７は、二次光学系５６の収差を抑える役割を果たすと共に、装置内に散乱する余計な電子が、検出器５９で検出されることを防ぐ役割を果たす。
また、フィールドアパーチャ５８に形成されるフィールド孔を選択することにより、検出電子の種類を選択することができる。すなわち、二次電子は、反射電子より電子数が多いため、二次電子を中心に検出したい場合には、径の小さいフィールド孔を選択する。また、反射電子を多く検出したい場合には、逆に径の大きなフィールド孔を選択する。これにより、試料の状態に合わせて収率の高い電子を選択して検出することができる。
【０００８】
コントロールユニット６０は、検出器５９から画像信号を取り出し、ＣＰＵ６１に出力する。ＣＰＵ６１は、取り出された画像信号からテンプレートマッチング等によってパターンの欠陥検査を実施する。ＣＰＵ６１は、ステージ５２を駆動し、次の検査箇所に位置を合わせて、以上の検査動作を繰り返す。
このように、この検査装置では、ウィーンフィルタ５１により電子ビームが試料に垂直に照射される。したがって、反射像に影が生じることがないため、鮮明な画像を取得することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、通常、ウィーンフィルタに印加する電磁界は、理想分布からのずれや不均一性を有している。これにより、ウィーンフィルタによる偏向作用を受けた一次ビームには、試料の本来照射されるべき位置や照射角度からずれて照射されるという、いわゆる収差が起こり、このようなビームが試料に照射されると、その照射領域にはビーム強度むらが発生した。
【００１０】
この状態で、試料からの二次ビームを検出すると、このようなビーム強度むらが固定パターンノイズとなって現れ、検出画像が不鮮明になるという問題点があった。
特に、一次ビームがウィーンフィルタに入射する際の入射角αが大きいと、ビーム軌道を曲げる角度が増大し、一次ビームの外周と内周とで試料面上までの光路に大きな差が生じる。これにより、収差やビーム強度むらが増長してしまい、検出画像のＳ／Ｎを大幅に悪化させた。
【００１１】
そこで、本発明は、上述の問題点を解決するために、ウィーンフィルタによる収差やビーム強度むらを低減した最適画像を取得することができる検査装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
図１，図２は、本発明の原理ブロック図である。
【００１３】
請求項１に記載の発明は、断面方向に広がりを持つ電子ビームを試料面上に照射する照射手段１と、電子ビームの照射により、試料から発生する二次電子、反射電子または後方散乱電子の少なくとも１種を二次ビームとして検出する電子検出手段２と、照射手段１および電子検出手段２と、試料との間に配置され、照射手段１から照射される電子ビームを曲げて試料面上に垂直に照射させ、かつ試料から発生する二次ビームを、電子検出手段２に導くウィーンフィルタ３と、照射手段１とウィーンフィルタ３との間に配置され、電子ビームが、ウィーンフィルタ３に入射する際のビーム入射角またはビーム入射位置を変える偏向手段４とを備えて構成する。
【００１４】
さらに、上記の検査装置は、電子検出手段２により検出された二次ビームから試料の画像情報を生成し、該画像情報のコントラストを求めるコントラスト検出手段５を備える。偏向手段４は、ビーム入射角またはビーム入射位置を変えることにより、コントラスト検出手段５により求められたコントラストを最大にする。
【００１５】
（作用）
請求項１に記載の検査装置では、照射手段１から照射される電子ビームは、ウィーンフィルタ３に入射するが、その際、偏向手段４によって偏向作用を受け、ウィーンフィルタ３に入射する角度または入射する位置が変わる。
したがって、装置構造を変更することなく、入射角を小さくすることができ、ウィーンフィルタによる電子ビームの曲がり具合を緩和させて、ビーム強度むらの発生を可能な限り抑えることができる。
【００１６】
さらに、コントラスト検出手段５は、電子検出手段２により検出された二次ビームから試料の画像情報を生成し、その画像情報のコントラストを求める。
偏向手段４は、一次ビームが、ウィーンフィルタに入射する際の入射角または入射位置を逐次変えて（いわゆる、山登り法によって）、コントラストが最大になる入射角または入射位置を求める。
【００１７】
【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。
図３は、本実施形態の全体構成図である。また、図４は、一次ビームの軌道を示す図であり、図５は、二次ビームの軌道を示す図である。
【００１８】
図３〜図５において、検査装置は一次コラム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の内部には、電子銃２４が設けられており、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、偏向器２６、偏向器２７、偏向器２８が配置される。
また、チャンバー２３の内部には、ステージ２９が設置され、ステージ２９上には試料３０が載置される。
【００１９】
一方、二次コラム２２の内部には、試料３０から発生する二次ビームの光軸上に、カソードレンズ３１、ニューメニカルアパーチャ３２、ウィーンフィルタ３３、第２レンズ３４、フィールドアパーチャ３５、第３レンズ３６、第４レンズ３７および検出器３８が配置される。
なお、ニューメニカルアパーチャ３２は、開口絞りに相当するもので、円形の穴が開いた金属製（Ｍｏ等）の薄膜である。
【００２０】
さらに、検出器３８の出力は、画像処理ユニット３９に入力される。
また、ＣＰＵ４０は、一次コラム制御ユニット４１、二次コラム制御ユニット４２、偏向器制御ユニット４３、ウィーンフィルタ制御ユニット４４およびステージ電圧制御ユニット４５に制御信号を出力する。
一次コラム制御ユニット４１は、一次光学系２５のレンズ電圧を制御し、二次コラム制御ユニット４２は、カソードレンズ３１および第２レンズ３４〜第４レンズ３７の各レンズ電圧を制御し、偏向器制御ユニット４３は、偏向器２６〜偏向器２８に印加する電圧（または電流）を制御し、ウィーンフィルタ制御ユニット４４は、ウィーンフィルタ３３に印加する電磁界制御を行い、ステージ電圧制御ユニット４５は、ステージ２９に印加する電圧制御を行う。
【００２１】
また、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。
【００２２】
なお、請求項１に記載の発明と、本実施形態との対応関係については、照射手段１は、電子銃２４、一次光学系２５および一次コラム制御ユニット４１に対応し、電子検出手段２は、第２レンズ３４、第３レンズ３６、第４レンズ３７、検出器３８および二次コラム制御ユニット４２に対応し、ウィーンフィルタ３は、ウィーンフィルタ３３およびウィーンフィルタ制御ユニット４４に対応し、偏向手段４は、偏向器２６、偏向器２７、偏向器２８、ＣＰＵ４０および偏向器制御ユニット４３に対応し、コントラスト検出手段５は、画像処理ユニット３９に対応する。
【００２３】
図４に示すように、一次ビームは、一次光学系２５のレンズ作用を受けて、加速電圧Ｖaccで照射され、ウィーンフィルタ３３に入射角α₀で入射する。なお、このときは、偏向器２６〜２８による偏向作用は受けていない。
一次ビームは、ウィーンフィルタ３３の偏向作用により軌道が曲げられる。ウィーンフィルタ３３は、磁界と電界を直交させ、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。図７に示すように、一次ビームに対しては、磁界による力ＦBと電界による力ＦEとが発生し、ビーム軌道は曲げられる。一方、二次ビームに対しては、力ＦBと力ＦEとが逆方向に働くため、互いに相殺されて二次ビームはそのまま直進する。
【００２４】
ウィーンフィルタ３３により軌道が曲げられた一次ビームは、ニューメニカルアパーチャ３２の開口部で結像する。
ニューメニカルアパーチャ３２は、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３０のチャージアップや汚染を防いでいる。
カソードレンズ３１を介して、一次ビームが試料に照射されると、試料のビーム照射面からは、二次ビームとして、二次電子、反射電子または後方散乱電子が発生する。
【００２５】
二次ビームは、カソードレンズ３１によるレンズ作用を受けながら、カソードレンズ３１を通過する。
このとき、ステージ２９には、ステージ電圧制御ユニット４５によって電圧が印加されており、３枚の電極で構成されているカソードレンズ３１の一番下の電極と試料面との間には、一次ビームに対して負の電界（これをリターディング電圧Ｖrという）が形成される。このリターディング電圧Ｖrによって、カソードレンズ３１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、指向性が小さい二次電子）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。
【００２６】
また、カソードレンズ３１のレンズ作用は、カソードレンズ３１の１番目、２番目の電極に電圧を印加し、３番目の電極をゼロ電位にすることで行われる。
カソードレンズ３１およびニューメニカルアパーチャ３２を通過した二次ビームは、ウィーンフィルタ３３の偏向作用を受けずに、そのまま直進して通過する。このとき、ウィーンフィルタ３３に印加する電磁界（Ｅ,Ｂ）は、加速電圧Ｖacc、入射角α、リターディング電圧Ｖrの３つのパラメータによって決定される。
【００２７】
なお、ウィーンフィルタ３３に印加する電磁界を変えることで、二次ビームから、特定のエネルギーを持つ電子（例えば２次電子、又は反射電子、又は後方散乱電子）のみを検出器３８に導くことができる。
一方、二次ビームを、カソードレンズ３１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、図５に示すように、第２レンズ３４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３１および第２レンズ３４により、フィールドアパーチャ３５上で中間結像を得る。
【００２８】
この場合、通常、二次光学系として必要な拡大倍率が、不足することが多いため、中間像を拡大するためのレンズとして、第３レンズ３６、第４レンズ３７を加えた構成にする。二次ビームは、第３レンズ３６、第４レンズ３７各々により拡大結像し、ここでは、合計３回結像する。なお、第３レンズ３６と第４レンズ３７とを合わせて１回（合計２回）結像させてもよい。
【００２９】
また、第２レンズ３４〜第４レンズ３７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よばれる回転軸対称型のレンズである。各レンズは、３枚電極の構成で、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で、レンズ作用を行わせて制御する。
また、中間の結像点には、フィールドアパーチャ３５が配置されている。フィールドアパーチャ３５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が、電子ビームの場合、余計なビームを、後段の第３レンズ３６および第４レンズ３７と共に遮断して、検出器３８のチャージアップや汚染を防いでいる。
【００３０】
二次ビームは、二次光学系により拡大投影され、検出器３８の検出面に結像する。
検出器３８は、電子を増幅するＭＣＰと、電子を光に変換する蛍光板と、真空系と外部との中継および光学像を伝達させるためのレンズやその他の光学素子と、撮像素子（ＣＣＤ等）とから構成される。二次ビームは、ＭＣＰ検出面で結像し、増幅され、蛍光板によって電子は光信号に変換され、撮像素子によって光電信号に変換される。
【００３１】
次に、本実施形態の特徴点である最適画像取得にかかわる動作について、図６を参照して説明する。
画像処理ユニット３９は、検出器３８から試料の画像信号を読み出す。画像処理ユニット３９は、ハイパスフィルタと、整流回路と、Ａ／Ｄ変換回路と、積分回路とから構成される。ハイパスフィルタは、画像信号から高帯域の信号を抽出する。さらに、整流回路によって整流された出力を、積分回路は積分し、Ａ／Ｄ変換して、その値を画像のコントラスト値として使用する（ステップＳ１）。
【００３２】
画像処理ユニット３９は、コントラスト値をＣＰＵ４０に伝達する。
次に、ＣＰＵ４０は、入射角αをα₀からα₁に変えて、再び画像のコントラスト値を求める。一般に、入射角αの値は小さい程、収差の影響を低減できるため、図４に示すように、一次ビームの入射角α₀を所定の刻み幅分だけ小さくしたα₁に設定する。ＣＰＵ４０および偏向器制御ユニット４３は、一次ビームが入射角α₁でウィーンフィルタに入射するように偏向器２６〜２８の電圧を制御する（ステップＳ２）。
【００３３】
また、ＣＰＵ４０は、入射角α₁、加速電圧Ｖacc、リターディング電圧Ｖrからウィーンフィルタ３３に印加する電磁界（Ｅ,Ｂ）を算出し、ウィーンフィルタ制御ユニット４４は、ウィーンフィルタ３３にその電磁界を印加する。
この状態で、電子ビームを照射し二次ビームを検出して、試料画像のコントラスト値を求める（ステップＳ３）。
【００３４】
ＣＰＵ４０は、前回のコントラスト値と今回のコントラスト値とを比較し（ステップＳ４）、今回のコントラスト値が大きい場合には、さらに入射角を所定の刻み幅分だけ小さくして、再び画像のコントラスト値を求める。
また、今回のコントラスト値が小さい場合には、前回のコントラスト値がピーク値になるため、そのときの入射角αが最適入射角になる（ステップＳ５）。
【００３５】
ＣＰＵ４０は、最適入射角で取得した画像信号に対して、テンプレートマッチング等によりパターンの欠陥検査を実施する。
このように、本実施形態の検査装置では、偏向器２６〜２８を用いて、一次ビームがウィーンフィルタに入射する際の入射角αを変化させながら、試料画像のコントラストが最大になるときの最適入射角を求めている。したがって、ウィーンフィルタによる収差やビーム強度むらを最小限に抑えた最適な画像を取得することができる。
【００３６】
なお、コントラスト検出は、本実施形態の方法に限定されず、例えば、空間微分フィルタを用いて画像からエッジ検出を行い、エッジ強度を算出し、エッジ強度が最大になったところがコントラスト最大であると判断してもよい。
【００３７】
また、本実施形態では、入射角αを変化させたが、それに限定されず、図８に示すように、偏向器２６〜２８の電圧制御することで、入射角αは一定のまま、ウィーンフィルタ３３にビームが入射する位置を平行シフトさせてもよい。このとき、一般的には、ウィーンフィルタ３３の中央にビームが入射すると、画像のコントラストが最大になる。
【００３８】
なお、本実施形態では、入射角αの角度を可変する方向を、小さくする方向に限定したが、それに限定されず、角度を大小に振ってそれぞれコントラストを求め、コントラストが大きくなった方向を可変する方向にしてもよい。
また、本実施形態では、偏向手段４として偏向器を３段用いた構成を採ったが、この構成に限定されるものではない。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１に記載の検査装置では、偏向手段によって電子ビームが、ウィーンフィルタに入射する際の、入射角または入射位置を変えることができる。
したがって、装置構造を変更することなく、入射角を小さくすることができ、ウィーンフィルタによる電子ビームの曲がり具合を緩和させることで、ビーム強度むらの発生を可能な限り抑制することができる。
【００４０】
また、ビーム入射角については、偏向手段により後から調整することが可能になるため、照射手段とウィーンフィルタとの配置関係は、従来ほどの厳密さが要求されず、設計の自由度が向上する。
さらに、この検査装置では、試料画像のコントラストを最大にする入射角または入射位置を求めることができるため、ウィーンフィルタによる収差やビーム強度むらを最小限にすることができ、Ｓ／Ｎの向上を図ることができる。
【００４１】
このようにして、本発明を適用した検査装置では、収差やビーム強度むらを可能な限り抑えることができ、最適な試料画像を取得することができる。したがって、検査の信頼性が高い検査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理ブロック図である。
【図２】本発明の原理ブロック図である。
【図３】本実施形態の全体構成図である。
【図４】一次ビームの軌道を示す図（１）である。
【図５】二次ビームの軌道を示す図である。
【図６】最適画像取得にかかわる動作を説明する流れ図である。
【図７】ウィーンフィルタを説明する図である。
【図８】一次ビームの軌道を示す図（２）である。
【図９】ウィーンフィルタを用いた検査装置を説明する図である。

Claims

断面方向に広がりを持つ電子ビームを試料面上に照射する照射手段と、
前記電子ビームの照射により、前記試料から発生する二次電子、反射電子または後方散乱電子の少なくとも１種を二次ビームとして検出する電子検出手段と、
前記照射手段および前記電子検出手段と、前記試料との間に配置され、前記照射手段から照射される電子ビームを曲げて前記試料面上に垂直に照射させ、かつ前記試料から発生する二次ビームを、前記電子検出手段に導くウィーンフィルタと、
前記照射手段と前記ウィーンフィルタとの間に配置され、前記電子ビームが、前記ウィーンフィルタに入射する際のビーム入射角またはビーム入射位置を変える偏向手段と、
前記電子検出手段により検出された二次ビームから前記試料の画像情報を生成し、該画像情報のコントラストを求めるコントラスト検出手段とを備え、
前記偏向手段は、前記ビーム入射角またはビーム入射位置を変えることにより、前記コントラスト検出手段により求められたコントラストを最大にする
ことを特徴とする検査装置。