JPH11242943A

JPH11242943A - 検査装置

Info

Publication number: JPH11242943A
Application number: JP10360306A
Authority: JP
Inventors: Muneki Hamashima; 宗樹浜島; Akihiro Goto; 明弘後藤; Hiroshi Nishimura; 宏西村
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-12-18
Filing date: 1998-12-18
Publication date: 1999-09-07

Abstract

(57)【要約】【課題】電子ビームを利用して試料画像を取得する検
査装置に関し、特に、高速に画像を検出することがで
き、また、観察倍率に関わらず画像の明るさを一定に維
持することができる検査装置に関する。【解決手段】電子ビームを出射する電子銃２４と、電
子ビームを試料面上の照射領域に照射する照射電子光学
系２５と、電子ビームの照射領域から発生する２次電子
または反射電子を検出する電子検出手段３５と、試料と
電子検出手段との間に配置され、２次電子または反射電
子からなる２次ビームを、電子検出手段の検出面に結像
させ、照射領域内の観察領域を該検出面に投影する投影
電子光学系３１、３３、３４と、投影電子光学系の投影
倍率を変更し、試料面上の観察領域の範囲を変更する倍
率制御手段３９、４１と、観察領域の範囲に応じて、照
射領域の電流密度を変化させる電子照射制御手段３９、
４０とを備えて構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、高速に画像を検出す
ることができ、また、観察倍率に関わらず画像の明るさ
を一定に維持することができる検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、スポット状に集束させた電子ビ
ームを試料面上に走査させ、試料から発生する２次電
子、反射電子等を検出して試料画像を取得する走査型電
子顕微鏡が知られている。この走査型電子顕微鏡におい
ては、ビーム径を絞ったスポット状の電子ビームで試料
を走査するため、走査に時間がかかり、試料画像の検出
に大幅な時間を要するという問題点があった。また、試
料画像の検出時間を短縮化するには、ビーム走査速度を
高速にすればよいのだが、これでは１画素あたりの注入
電子量が低下し、画像コントラストの低下を招くという
別の問題点が生じた。

【０００３】そこで、上記の問題点を解決するために、
特開平７−１８１２９７号公報または特開平７−２４９
３９３号公報に記載される欠陥検出装置が提案されてい
る。上記の欠陥検出装置では、矩形陰極から発生する電
子ビームを、複数の多極子レンズによってビームの断面
形状を矩形状または楕円形状に成形し試料面上に照射し
ている。図１２に示すように、従来のスポット状の電子
ビームで走査した場合と比較すると、照射面積の広い矩
形ビームで走査するため、短時間で試料面上を走査する
ことができ、画像検出速度の高速化を実現することがで
きる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年、検査装置では画
像検出の高感度化と共に、画像検出の高速化の要請があ
る。上述の欠陥検出装置では、矩形ビームという一定照
射面積を有するビームで試料面上を走査しているが、そ
れでも試料の広範囲の画像を検出する際には、走査に時
間を要するため、画像検出の速度が極端に低下した。

【０００５】そこで、本発明は、上述の要請に応えるべ
く、画像検出をより一層高速化することができ、また、
観察倍率に関わらず常に一定の明るさ、コントラストを
有する試料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。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の検査装
置は、電子ビームを出射する電子銃と、電子ビームを試
料面上の照射領域に照射する照射電子光学系と、電子ビ
ームの照射領域から発生する２次電子と反射電子との少
なくとも一方を検出する電子検出手段と、試料と電子検
出手段との間に配置され、２次電子と反射電子との少な
くとも一方からなる２次ビームを、電子検出手段の検出
面に結像させ、照射領域内の観察領域を該検出面に投影
する投影電子光学系と、投影電子光学系の投影倍率を変
更し、試料面上の観察領域の範囲を変更する倍率制御手
段と、観察領域の範囲に応じて、照射領域の電流密度を
変化させる電子照射制御手段とを備えて構成する。

【０００７】このような構成では、試料面上の観察領域
の像が、電子検出手段の検出面に投影されるため、一括
して観察領域の画像を取得することができる。また、投
影倍率（観察倍率）に応じて、照射領域の電流密度を変
化させることができるため、投影倍率に関わらず、試料
画像の明るさを一定に維持することができる。請求項２
に記載の発明は、請求項１に記載の検査装置において、
電子照射制御手段は、観察領域の範囲に応じて、照射電
子光学系の集束作用を制御することにより照射領域の範
囲を制御することを特徴とする。

【０００８】請求項３に記載の発明は、請求項１または
請求項２に記載の検査装置において、電子照射制御手段
は、観察領域の範囲に応じて、電子銃から出射される電
子ビームの出力を制御することを特徴とする。請求項４
に記載の発明は、請求項１ないし請求項３の何れか１項
に記載の検査装置において、電子照射制御手段は、観察
領域の範囲が狭くなるに従って、照射領域の電流密度を
高くすることを特徴とする。

【０００９】請求項５に記載の発明は、請求項１ないし
請求項４の何れか１項に記載の検査装置において、電子
照射制御手段は、照射領域の電流密度を予め定められた
電流密度以下に制御することを特徴とする。請求項６に
記載の発明は、請求項１ないし請求項５の何れか１項に
記載の検査装置において、照射電子光学系を通過した電
子ビームを試料面上に垂直に照射させ、かつ試料から発
生する２次電子と反射電子との少なくとも一方を投影電
子光学系に導くウィーンフィルタを備えて構成する。

【００１０】請求項７に記載の発明は、請求項６に記載
の検査装置において、試料とウィーンフィルタとの間に
対物電子レンズが配置され、倍率制御手段は、対物電子
レンズおよび投影電子光学系に含まれる少なくとも２つ
の電子レンズの焦点距離を変えることにより投影倍率を
変更することを特徴とする。請求項８に記載の検査装置
は、電子ビームを出射する電子銃と、電子ビームを試料
面上の照射領域に照射する照射電子光学系と、電子ビー
ムの照射領域から発生する２次電子と反射電子との少な
くとも一方を検出する電子検出手段と、試料と電子検出
手段との間に配置され、２次電子と反射電子との少なく
とも一方からなる２次ビームを、電子検出手段の検出面
に結像させ、照射領域内の観察領域を該検出面に投影す
る投影電子光学系と、投影電子光学系の投影倍率を変更
し、試料面上の観察領域の範囲を変更する倍率制御手段
とを備え、電子検出手段は、投影倍率に応じて検出感度
を調節することを特徴とする。

【００１１】このような構成では、試料面上の観察領域
の像が、電子検出手段の検出面に投影されるため、一括
して観察領域の画像を取得することができる。また、投
影倍率に応じて、電子検出手段の検出感度を調節するこ
とができるため、投影倍率に関わらず、試料画像の明る
さを一定に維持することができる。

【００１２】請求項９に記載の発明は、請求項８に記載
の検査装置において、電子検出手段は、２次電子と反射
電子との少なくとも一方を、光に変換する電子変換部
と、該光を光電変換する撮像素子とを有し、電子検出手
段は、該撮像素子の電荷蓄積時間を変化させることによ
り検出感度を調節することを特徴とする。

【００１３】

【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。

【００１４】図１は、第１の実施形態の全体構成図であ
る。また、図２は、１次ビームの軌道を示す図であり、
図３は、２次ビームの軌道を示す図である。なお、第１
の実施形態は、請求項１、２、４〜７に記載の発明に対
応する。図１〜図３において、検査装置は１次コラム２
１、２次コラム２２およびチャンバー２３を有してい
る。１次コラム２１の内部には、熱電子放出型電子銃２
４が設けられており、電子銃２４から照射される電子ビ
ーム（１次ビーム）の光軸上に１次光学系２５が配置さ
れる。また、チャンバー２３の内部には、ステージ２６
が設置され、ステージ２６上には試料２７が載置され
る。

【００１５】一方、２次コラム２２の内部には、試料２
７から発生する２次ビームの光軸上に、カソードレンズ
２８、ニューメニカルアパーチャ２９、ウィーンフィル
タ３０、第２レンズ３１、フィールドアパーチャ３２、
第３レンズ３３、第４レンズ３４および検出器３５が配
置される。ニューメニカルアパーチャ２９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。そして、その開口部が１次ビームの集束
位置およびカソードレンズ２８の焦点位置に配置されて
おり、カソードレンズ２８とニューメニカルアパーチャ
２９とは、テレセントリックな電子光学系を構成してい
る。

【００１６】検出器３５は、コントロールユニット３６
と接続されており、コントロールユニット３６の出力
は、モニタ３７を介して画像処理ユニット３８に入力さ
れ、画像処理ユニット３８の出力は、ＣＰＵ３９に入力
される。ＣＰＵ３９は、電源ユニット４０、４１および
ステージ駆動機構４２と接続され、電源ユニット４０
は、電子銃２４および１次光学系２５の各レンズに電圧
を供給し、電源ユニット４１は、カソードレンズ２８、
第２レンズ３１、第３レンズ３３、第４レンズ３４の各
レンズに電圧を供給し、ステージ駆動機構４２は、ステ
ージ２６をＸＹ方向に駆動する。

【００１７】レーザ干渉計ユニット４３は、ステージ２
６の位置を読み取り、ステージ位置情報をコントロール
ユニット３６に伝達する。また、１次コラム２１、２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。

【００１８】また、検出器３５は、ＭＣＰ（マイクロチ
ャネルプレート）４４と、蛍光板４５を有するＦＯＰ
（ファイバオプティックプレート）４６と、ＣＣＤセン
サ４７とから構成される。なお、本発明と第１の実施形
態との対応関係については、照射電子光学系は１次光学
系２５に対応し、電子検出手段は検出器３５に対応し、
投影電子光学系は第２レンズ３１、第３レンズ３３およ
び第４レンズ３４に対応し、倍率制御手段はＣＰＵ３９
および電源ユニット４１に対応し、電子照射制御手段は
ＣＰＵ３９および電源ユニット４０に対応し、対物電子
レンズはカソードレンズ２８に対応する。

【００１９】次に、第１の実施形態の動作について説明
する。第１の実施形態では、まず低倍率で広範囲の試料
画像を取得して欠陥箇所を見つけ出し、次に高倍率でそ
の欠陥箇所を拡大して観察する。（低倍率観察）電子銃２４からの１次ビームは、１次光
学系２５によってレンズ作用を受けながら、ウィーンフ
ィルタ３０に入射する。

【００２０】ここでは電子銃の陰極として、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、１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２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。

【００２１】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。

【００２２】１次光学系２５により矩形状に成形された
１次ビームは、ウィーンフィルタ３０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２９の開口
部で結像する。ウィーンフィルタ３０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。

【００２３】また、ニューメニカルアパーチャ２９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２７のチャージアップやコンタミネ
ーションを防いでいる。さらに、ニューメニカルアパー
チャ２９とカソードレンズ２８とはテレセントリックな
電子光学系を構成しているので、図２に示すように、カ
ソードレンズ２８を透過した１次ビームは平行ビームに
なり、試料２７に均一かつ一様に照射する。すなわち、
光学顕微鏡でいうケーラー照明が実現される。このと
き、試料面上に照射されるビーム照射領域は、後で説明
するＣＣＤセンサ４７の使用する検出面の形状と面積と
に関係しその縦横比に比例する。例えば、このビーム照
射領域を４００μｍ×２００μｍの領域とする。また、
このときのビーム出力は、１００ｎＡとする。

【００２４】１次ビームが試料２７に照射されると、２
次電子または反射電子の少なくとも一方を含む２次ビー
ムが発生するが、この２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。また、このとき、一次ビ
ームは、試料２７に垂直に照射されるので、２次ビーム
は影のない鮮明な電子像を有する。２次ビームは、カソ
ードレンズ２８によるレンズ作用を受けながら、レンズ
を通過する。

【００２５】ところで、カソードレンズ２８は、３枚の
電極で構成されている。通常、レンズ作用を行うには、
カソードレンズ２８の下から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。一番下の
電極は、試料２７側の電位との間で、正の電界を形成
し、電子（特に、指向性が小さい２次電子）を引き込
み、効率よくレンズ内に導くように設計されている。

【００２６】一方、ニューメニカルアパーチャ２９は、
カソードレンズ２８の焦点位置、すなわち試料２７から
のバックフォーカス位置に配置されている。したがっ
て、図３に示すように、視野中心外（軸外）から出た電
子ビームの光束も、平行ビームとなって、このニューメ
ニカルアパーチャ２９の中心位置を、けられが生じるこ
となく通過する。なお、ニューメニカルアパーチャ２９
は、２次ビームに対しては、第２レンズ３１〜第４レン
ズ３４のレンズ収差を抑える役割を果たしている。

【００２７】ニューメニカルアパーチャ２９を通過した
２次ビームは、ウィーンフィルタ３０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３０に印加する電磁界を変えることで、２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）のみを検出器３５に導くことができ
る。

【００２８】ところで、２次ビームを、カソードレンズ
２８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３１と合わせて、１
回の結像を行わせる。２次ビームは、カソードレンズ２
８および第２レンズ３１により、フィールドアパーチャ
３２上で中間結像を得る。この場合、通常、２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３３、第
４レンズ３４を加えた構成にする。２次ビームは、第３
レンズ３３、第４レンズ３４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３３と第
４レンズ３４とを合わせて１回（合計２回）結像させて
もよい。

【００２９】なお、第２レンズ３１〜第４レンズ３４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を変えることでレンズ
作用を変える。また、中間の結像点には、フィールドア
パーチャ３２が配置されているが、このフィールドアパ
ーチャ３２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３３および第４レンズ３４
と共に遮断して、検出器３５のチャージアップやコンタ
ミネーションを防いでいる。

【００３０】２次ビームは、第２レンズ３３および第３
レンズ３４を通過して検出器３５の検出面に結像する。
すなわち、前述した４００μｍ×２００μｍのビーム照
射領域の像が検出面に投影される。そして、２次ビーム
は、ＭＣＰ４４に入射し、その電流量をＭＣＰ４４内で
増幅しながら、蛍光板４５に衝突する。蛍光板４５で
は、電子を光学像に変換し、光学像は、ＦＯＰ４６を通
過して、ＣＣＤセンサ４７で撮像される。このとき、蛍
光板４５における画像サイズとＣＣＤセンサ４７の撮像
サイズとを合わせるために、ＦＯＰ４６で縮小して投影
する。

【００３１】光学像は、ＣＣＤセンサ４７により光電変
換され、ＣＣＤセンサ４７には信号電荷が蓄積される。
コントロールユニット３６は、ＣＣＤセンサ４７から画
像情報をシリアルに読み出し、モニタ３７および画像処
理ユニット３８に出力する。画像処理ユニット３８は、
検出画像に対してテンプレートマッチングによりパター
ンの欠陥箇所を検出する。

【００３２】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２６を駆動させて、欠陥
箇所がモニタ３７の中央付近に位置するように移動させ
る。（高倍率観察）次に、観察倍率を低倍率から高倍率に変
更して、検出された欠陥箇所を拡大して観察する。

【００３３】ここでは、例えば、高倍率観察では、２０
０μｍ×１００μｍの領域が観察できるとする。このと
き、ビーム径を絞り込み、ビーム照射領域を４００μｍ
×２００μｍから２００μｍ×１００μｍに狭める。具
体的には、図５に示すように、ＣＰＵ３９の制御信号に
応じて電源ユニット４０は、１次光学系２５のウィーン
フィルタ３０側に配置されるレンズ２５ａに対して、印
加する電圧Ｖｑの値を小さくする。低倍率観察時では、
４００μｍ×２００μｍの観察領域に１００ｎＡの電子
ビームが照射されていたが、高倍率観察時では、２００
μｍ×１００μｍの観察領域に１００ｎＡの電子ビーム
が照射される。したがって、観察倍率が上がっても、観
察領域に合わせてビーム照射領域を狭め、ビーム照射領
域の電流密度を高く制御するため、像の明るさ、コント
ラストの低下は生じない。

【００３４】一方、２次光学系では、第３レンズ３３お
よび第４レンズ３４の焦点距離を変更して拡大投影す
る。具体的には、第３レンズ３３の中央の電極に印加す
る電圧の絶対値を小さくして、レンズの焦点距離を長く
する。しかしながら、このままでは、２次ビームは検出
器３５の検出面に結像しない。そこで、第４レンズ３４
の中央の電極に印加する電圧の絶対値を大きくして検出
面に結像させる。図６に示すように、検出器３５の検出
面に結像する２次ビームが、第４レンズ３４に対して張
る角度を小さくさせて観察倍率を上げている。

【００３５】ところで、観察倍率を際限なく上げてい
き、それに伴ってビーム照射領域を狭めていくと、ビー
ム照射領域の電流密度が極端に上昇する。電流密度が一
定範囲を超えると、試料２７にコンタミネーションやチ
ャージアップが生じてしまう。そこで、ＣＰＵ３９は、
ビーム照射領域の面積とビーム出力からビーム照射領域
における電流密度を算出する。そして、一定の電流密度
を超えると、観察倍率が上がっても、それ以上観察領域
に合わせてビーム照射領域を狭めることを中止し、ビー
ム照射領域における電流密度の過度な上昇を回避する。

【００３６】このように、本実施形態の検査装置では、
ビーム照射領域の像を、２次光学系によって検出器３５
の検出面に投影させ、検出器３５によって一括して試料
画像を取得している。したがって、画像検出の高速化を
実現することができる。また、２次光学系のレンズ条件
を変えて観察倍率を変更する際、試料面上の観察領域
と、電子ビームの照射領域とを、同一の大きさになるよ
うに１次光学系のレンズ条件を設定する。

【００３７】これにより、観察倍率の変動によって生じ
る像の明るさ、コントラスト変動（例えば、観察倍率を
上げれば像の明るさが低下する）を抑制することができ
る。すなわち、観察倍率を上げていけば、それに伴って
観察領域が狭くなるが、それと同時にビーム径を絞り込
んで照射することで電流密度を上昇させ、２次光学系で
拡大投影されても、検出電子の信号密度は常に一定に保
たれ、像の明るさ、コントラスト低下を回避することが
できる。

【００３８】（第２の実施形態）第２の実施形態では、
観察倍率（観察領域の範囲）に応じて電子銃２４の出力
を制御する。なお、第２の実施形態は請求項３〜７に記
載の発明に対応する。また、第２の実施形態は、図１に
示した第１の実施形態と同一の構成要素であるため、構
成についての詳細な説明は省略する。

【００３９】電子銃２４は、図７に示すように、矩形陰
極４８、ウェーネルト円筒４９、陽極５０から構成され
る。陽極５０は接地されており、正の加速電圧が印加さ
れている。また、矩形陰極４８には、バイアス電源によ
り負の電子加速用高電圧が印加されている。矩形陰極４
８は、陰極加熱電源により加熱されて熱電子を放出し、
陽極５０によって電子は、所要の加速電圧まで加速され
る。

【００４０】このような構成において、例えば、観察倍
率を上げると、ＣＰＵ３９は電源ユニット４０に制御信
号を出力する。電源ユニット４０は、陽極５０に印加す
る加速電圧を変えて、電子ビームの出力を制御する。例
えば、観察倍率を上げると画像の明るさが低下するた
め、電子銃２４のバイアスを浅くして電子ビームの出力
を上げる。また、観察倍率を下げると、電子銃のバイア
スを深くして画像の明るさ変動を抑制し、一定の明る
さ、コントラストを維持する。

【００４１】ところで、観察倍率を際限なく上げてい
き、それに従って電子ビームの出力を上げていくと、ビ
ーム照射領域の電流密度が極端に上昇する。電流密度が
一定範囲を超えると、試料２７にコンタミネーションや
チャージアップが生じてしまう。そこで、ＣＰＵ３９
は、ビーム照射領域の面積とビーム出力からビーム照射
領域における電流密度を算出する。そして、一定の電流
密度を超えると、観察倍率を上げても、それ以上ビーム
出力を上げることを中止し、ビーム照射領域における電
流密度の過度な上昇を回避する。

【００４２】このように第２の実施形態の検査装置で
は、電子銃２４の電子ビーム出力を制御することで、観
察倍率による画像の明るさ、コントラスト変動を回避し
ている。（第３の実施形態）第３の実施形態では、検出器３５に
より明るさ変動を抑制する。なお、第３の実施形態は、
請求項８、９に記載の発明に対応する。

【００４３】第３の実施形態の構成上の特徴点は、ＣＣ
Ｄセンサ４７としてＴＤＩ（TimeDelay Integration：
時間遅延積分型）アレイＣＣＤセンサを使用した点であ
り、その他の構成要素については、図１の第１の実施形
態と同一であるため、ここでの説明は省略する。また、
請求項８、９と第３の実施形態との対応関係について
は、上述した対応関係と合わせて、電子変換部は蛍光板
４５に対応し、撮像素子はＴＤＩアレイＣＣＤセンサに
対応する。

【００４４】ここで第３の実施形態の構成上の特徴点で
あるＴＤＩアレイＣＣＤセンサの撮像動作について、図
８、図９を参照して説明する。図８（１）に示すよう
に、ここでは、低倍率観察時の観察領域として、（Ｘ
１,Ｙ１）から（Ｘ５１２,Ｙ２５６）までの領域（４０
０μｍ×２００μｍ）が設定されている。ＴＤＩアレイ
ＣＣＤセンサは、例えば、５１２×２５６の画素数を有
しており、観察領域は、２次光学系によりＴＤＩアレイ
ＣＣＤセンサに適合するように投影される。

【００４５】今、観察領域の（Ｘ１,Ｙ１）から（Ｘ５
１２,Ｙ１）までの画像がＴＤＩアレイＣＣＤセンサに
よって所定時間撮像される。信号電荷は、図９に示すＴ
ＤＩアレイＣＣＤセンサのＲＯＷ１に蓄積される。ＣＰ
Ｕ３９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２６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４３は、垂直クロ
ック信号をコントロールユニット３６に送出する。

【００４６】垂直クロック信号が入力されると、コント
ロールユニット３６は、転送パルスを送出し、ＲＯＷ１
に蓄積された信号電荷をＲＯＷ２に転送する。ＲＯＷ２
では、（Ｘ１,Ｙ１）から（Ｘ５１２,Ｙ１）までの画像
を撮像しており、信号電荷を蓄積しているが、その際、
ＲＯＷ１から転送されてきた信号電荷を加算して蓄積す
る。また、ＲＯＷ１では、（Ｘ１,Ｙ２）から（Ｘ５１
２,Ｙ２）までの画像を撮像し、新たに信号電荷を蓄積
する。

【００４７】さらに、ステージ２６が一水平走査ライン
分駆動すると、ＲＯＷ３では、（Ｘ１,Ｙ１）から（Ｘ
５１２,Ｙ１）までの画像を撮像し、信号電荷を蓄積し
ているが、その際、ＲＯＷ２から転送されてきた信号電
荷を加算して蓄積する。また、ＲＯＷ２では、（Ｘ１,
Ｙ２）から（Ｘ５１２,Ｙ２）までの画像を撮像して、
信号電荷を蓄積しているが、その際、ＲＯＷ１から転送
されてきた信号電荷を加算して蓄積する。また、ＲＯＷ
１では、（Ｘ１,Ｙ３）から（Ｘ５１２,Ｙ３）までの画
像を撮像して、新たに信号電荷を蓄積する。

【００４８】このようにステージ２６がＹ方向に順次駆
動することによって、ビーム照射領域が観察領域を走査
し、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサは、ステージ２６の駆動
に応じて、蓄積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、観察領域の（Ｘ１,Ｙ２５
６）から（Ｘ５１２,Ｙ２５６）までの画像が撮像され
て、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサのＲＯＷ１に蓄積される
とき、（Ｘ１,Ｙ１）から（Ｘ５１２,Ｙ１）までの画像
は、水平走査ラインの本数分加算累積されて、ＴＤＩア
レイＣＣＤセンサのＲＯＷ２５６に蓄積されている。

【００４９】この状態で、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサに
転送パルスが入力されると、ＲＯＷ２５６に蓄積される
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、試料画像はＴＤＩアレイＣＣ
Ｄセンサから一水平走査ラインずつ取り出され、モニタ
３７へ出力される。このようにＴＤＩアレイＣＣＤセン
サでは、水平走査ラインの本数分だけ試料の同一箇所の
信号電荷を加算して累積させることができる。すなわ
ち、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサは、信号電荷を遅延させ
て撮像を繰り返し行うことで、試料の同一箇所の信号電
荷を累積加算して増加させることができ、これにより検
出画像のＳ／Ｎの向上を図ることができる。

【００５０】このＴＤＩアレイＣＣＤセンサにおいて、
撮像時間を長くすることにより、信号電荷量の低下を補
償することができる。図８（２）に示すように、高倍率
観察時においても上記と同様の撮像動作を実行するが、
高倍率観察時（観察領域：２００μｍ×１００μｍ）で
は、低倍率観察時（観察領域：４００μｍ×２００μ
ｍ）と比較して、信号電荷量が１／４に低下する。そこ
で、ＣＰＵ３９は、ステージ駆動機構４２に送出する駆
動制御信号の送出間隔時間を長くし走査速度を遅くさせ
ることで、撮像時間（電荷蓄積時間）を４倍にして信号
電荷量を増加させる。

【００５１】このように、第３の実施形態では、ＴＤＩ
アレイＣＣＤセンサの電荷蓄積時間を観察倍率に応じて
変えるため、観察倍率による像の明るさ、コントラスト
変動を抑制することできる。なお、第１〜第３の実施形
態では、１次光学系２５として回転軸非対称の四重極レ
ンズを用いているが、それに限定されるものではない。
例えば、通常のコイルを用いた電磁レンズ、またはアイ
ンツェルレンズ型の静電レンズ等の回転軸対称型のレン
ズを用いてもよい。図１０に、このようなレンズ構成の
一例として、円筒を等角度で４分割した電極を有するレ
ンズを示す。なお、この場合レンズの小型化を図ること
ができるが、図１１に示すように、ビーム照射領域は矩
形状ではなく円形照明となるため、その中心部を利用す
る。

【００５２】また、第１〜第３の実施形態では、観察倍
率の変更を第３レンズ３３および第４レンズ３４の焦点
距離を変更して行ったが、それに限定されず、カソード
レンズ２８および第２レンズ３１を含めた４つレンズの
うち２つのレンズの焦点距離を変更して行ってもよい。
さらに、ビーム照射領域の電流密度の制御は、第１の実
施形態で示した１次光学系の制御と、第２の実施形態で
示した電子銃の出力制御とを組み合わせて行ってもよ
い。このとき、電流密度の過度な上昇を回避する方法と
しては、ビーム照射領域を狭めると同時に電子ビームの
出力を低下させる方法でもよい。

【００５３】また、投影電子光学系としてのレンズ構成
は、第１〜第３の実施形態に限定されるものではなく、
より高倍率が要求される場合には、４段（カソードレン
ズ２８を含めて５段）またはそれ以上のレンズ構成にし
てもよい。なお、第２の本実施形態の電子銃としては、
熱電子放出型電子銃に限らず、矩形陰極から電界放出を
利用した電界放出型電子銃でもよい。この場合には、引
き出し電極および加速電極に対してバイアスを印加し
て、矩形陰極から電子を効率的に放出させるように調整
しているが、観察倍率が高倍率になるに従って、電子銃
の引き出し電極および加速電極にかけるバイアスを浅く
することで、電子ビーム出力を上げる。

【００５４】また、第３の実施形態では、明るさ変動の
補正をＴＤＩアレイＣＣＤセンサの電荷蓄積時間を変更
して行ったが、それに限定されず、ＴＤＩアレイＣＣＤ
センサの出力段に増幅器を設けてゲインを調節してもよ
い。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の
検査装置では、試料面上の観察領域の像が、電子検出手
段の検出面に投影されるため、一括して観察領域の画像
を取得することができ、画像検出の高速化を図ることが
できる。また、観察領域の範囲に応じて、照射領域の電
流密度を変化させることができるため、投影倍率（観察
倍率）を変化させても、画像の明るさ、コントラスト変
動は起こらず、投影倍率に関わらず、常に一定の明る
さ、コントラストを有する画像を取得することができ
る。

【００５６】請求項２に記載の検査装置では、観察領域
の範囲に応じて、ビームの照射領域の範囲を制御できる
ため、投影倍率に関わらず、一定の明るさ、コントラス
トを有する画像を取得することができる。請求項３に記
載の検査装置では、観察領域の範囲に応じて、電子銃の
ビーム出力を制御することができるため、投影倍率に関
わらず、一定の明るさ、コントラストを有する画像を取
得することができる。

【００５７】請求項４に記載の検査装置では、投影倍率
を上げて高倍率で観察しても検出画像のコントラスト低
下を回避することができる。請求項５に記載の検査装置
では、照射領域の電流密度を、予め定められた電流密度
以下に制限できるため、投影倍率を高倍率に設定しても
電流密度の過度な上昇を阻止することができ、試料のチ
ャージアップやコンタミネーションを未然に防止するこ
とができる。

【００５８】請求項６、７に記載の検査装置では、ウィ
ーンフィルタにより電子ビームを試料面上に垂直に照射
させることができるため、影のない鮮明な画像を取得す
ることができる。請求項８、９に記載の検査装置では、
試料面上の観察領域の像が、電子検出手段の検出面に投
影されるため、一括して観察領域の画像を取得すること
ができ、画像検出の高速化を図ることができる。また、
投影倍率に応じて電子検出手段の検出感度を調節するこ
とができるため、投影倍率に関わらず、常に一定の明る
さ、コントラストを有する画像を取得することができ
る。

【００５９】このようにして、本発明を適用した検査装
置では、投影倍率（観察倍率）による検出画像の明る
さ、コントラスト変動を抑制することができ、投影倍率
に関わらず、一定のコントラストを有する画像を取得す
ることができる。したがって、パターンマッチングによ
る欠陥箇所検出の際に、コントラスト変動による検出精
度の低下を回避することができ、信頼性の高い欠陥検出
を実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態の全体構成図である。

【図２】１次ビームの軌道を示す図である。

【図３】２次ビームの軌道を示す図である。

【図４】１次光学系の構成図である。

【図５】高倍率観察時の１次ビームの軌道を示す図であ
る。

【図６】高倍率観察時の２次ビームの軌道を示す図であ
る。

【図７】電子銃の構成図である。

【図８】ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ動作を説明する図で
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】別の１次光学系の構成図である。

【図１１】別の１次光学系を用いたときの１次ビームの
軌道を示す図である。

【図１２】矩形ビームの走査を示す図である。

【符号の説明】

２１１次コラム２２２次コラム２３チャンバー２４電子銃２５１次光学系２６ステージ２７試料２８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検出器３６コントロールユニット３７モニタ３８画像処理ユニット３９ＣＰＵ４０、４１電源ユニット４２ステージ駆動機構４３レーザ干渉計ユニット４４ＭＣＰ４５蛍光板４６ＦＯＰ４７ＣＣＤセンサ４８矩形陰極４９ウェーネルト円筒５０陽極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子ビームを出射する電子銃と、前記電子ビームを試料面上の照射領域に照射する照射電
子光学系と、前記電子ビームの照射領域から発生する２次電子と反射
電子との少なくとも一方を検出する電子検出手段と、前記試料と前記電子検出手段との間に配置され、前記２
次電子と前記反射電子との少なくとも一方からなる２次
ビームを、前記電子検出手段の検出面に結像させ、前記
照射領域内の観察領域を該検出面に投影する投影電子光
学系と、前記投影電子光学系の投影倍率を変更し、前記試料面上
の観察領域の範囲を変更する倍率制御手段と、前記観察領域の範囲に応じて、前記照射領域の電流密度
を変化させる電子照射制御手段とを備えたことを特徴と
する検査装置。
【請求項２】請求項１に記載の検査装置において、前記電子照射制御手段は、前記観察領域の範囲に応じ
て、前記照射電子光学系の集束作用を制御することによ
り前記照射領域の範囲を制御することを特徴とする検査
装置。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の検査装
置において、前記電子照射制御手段は、前記観察領域の範囲に応じ
て、前記電子銃から出射される電子ビームの出力を制御
することを特徴とする検査装置。
【請求項４】請求項１ないし請求項３の何れか１項に
記載の検査装置において、前記電子照射制御手段は、前記観察領域の範囲が狭くな
るに従って、前記照射領域の電流密度を高くすることを
特徴とする検査装置。
【請求項５】請求項１ないし請求項４の何れか１項に
記載の検査装置において、前記電子照射制御手段は、前記照射領域の電流密度を予
め定められた電流密度以下に制御することを特徴とする
検査装置。
【請求項６】請求項１ないし請求項５の何れか１項に
記載の検査装置において、前記照射電子光学系を通過した電子ビームを前記試料面
上に垂直に照射させ、かつ前記試料から発生する２次電
子と反射電子との少なくとも一方を前記投影電子光学系
に導くウィーンフィルタを備えたことを特徴とする検査
装置。
【請求項７】請求項６に記載の検査装置において、前記試料と前記ウィーンフィルタとの間に対物電子レン
ズが配置され、前記倍率制御手段は、前記対物電子レンズおよび前記投影電子光学系に含まれ
る少なくとも２つの電子レンズの焦点距離を変えること
により前記投影倍率を変更することを特徴とする検査装
置。
【請求項８】電子ビームを出射する電子銃と、前記電子ビームを試料面上の照射領域に照射する照射電
子光学系と、前記電子ビームの照射領域から発生する２次電子と反射
電子との少なくとも一方を検出する電子検出手段と、前記試料と前記電子検出手段との間に配置され、前記２
次電子と前記反射電子との少なくとも一方からなる２次
ビームを、前記電子検出手段の検出面に結像させ、前記
照射領域内の観察領域を該検出面に投影する投影電子光
学系と、前記投影電子光学系の投影倍率を変更し、前記試料面上
の観察領域の範囲を変更する倍率制御手段とを備え、前記電子検出手段は、前記投影倍率に応じて検出感度を
調節することを特徴とする検査装置。
【請求項９】請求項８に記載の検査装置において、前記電子検出手段は、前記２次電子と前記反射電子との
少なくとも一方を、光に変換する電子変換部と、該光を
光電変換する撮像素子とを有し、前記電子検出手段は、該撮像素子の電荷蓄積時間を変化
させることにより検出感度を調節することを特徴とする
検査装置。