JP2004342341A - ミラー電子顕微鏡及びそれを用いたパターン欠陥検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照射電子線および結像電子線を低収差で分離できる高分解能ミラー電子顕微鏡を提供する。
【解決手段】セパレータとしてＥ×Ｂ偏向器３を結像電子線の結像面３０４近傍に配置して、結像電子線３０２に対するＥ×Ｂ偏向器３の影響をなくし、照射電子線３０１に対してＥ×Ｂ偏向器３で発生する収差を照射系コンデンサレンズ２とＥ×Ｂ偏向器３の間にもうひとつ収差補正用のＥ×Ｂ偏向器４を配置させて動作させることにより補正する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料（半導体試料等）の表面状態を観察するミラー電子顕微鏡あるいはミラー型電子顕微鏡を用いて半導体ウェハ上に形成されるパターン欠陥を検査するパターン欠陥検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造過程において、ウエハ上に形成された回路パターンの欠陥を画像の比較検査により検出する方法として、電子線を試料に照射して、光学顕微鏡の分解能以下となる微小なエッチング残りや微小パターン欠陥検出や微小導通孔の非開口不良等の電気的な欠陥の検出に活用されている。
【０００３】
ここで、点状の電子線を試料上で走査する走査型電子顕微鏡を用いた方式では、実用的な検査速度を得るためには限界があるので、矩形状の電子線を半導体ウエハに照射して反射電子や二次電子または逆電界の形成によりウエハに照射されずに反射される電子をレンズにより結像させる等、いわゆるプロジェクション方式により高速に検査する装置について提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、このプロジェクション方式において、試料から放出した二次電子を加速するための負の試料印加電圧と二次電子の結像分解能についての報告も為されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２４９３９３号公報
【非特許文献１】
ＬＳＩテスティングシンポジウム／１９９９会議録、Ｐ．１４２、図６
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、反射電子や二次電子のプロジェクション方式は、下記の課題が残っていた。
【０００７】
プロジェクション方式では、ＳＥＭ方式よりも大電流の電子線を一度に照射でき、かつ一括で画像を取得できるためＳＥＭ方式と比較して超高速に画像を形成できることが期待できる。ところが、二次電子の放出角度分布は広い角度に広がっており、しかもエネルギーも約１〜１０ｅＶと広がっている。このような電子を結像して試料の拡大像を形成するとき大部分の二次電子をカットしないと十分な分解能が得られないことが、上述の従来技術（非特許文献１）から容易に判断することができる。これによると、試料印加電圧−５ｋＶのとき分解能はほぼ０．２μｍである。
【０００８】
そして、放出した二次電子がすべて画像形成に使用できるわけではなく、たとえば当該引用文献の計算では対物レンズ通過後の像面において１．１ｍｒａｄの開き角以下のビームを使用した場合となっている。この開き角の範囲内の二次電子は全体のたかだか１０％程度である。さらに結像に使用する二次電子のエネルギーの幅を１ｅＶで計算しているが、放出される二次電子のエネルギー幅は実際には数ｅＶ以上の幅を持って放出しており、高エネルギー側の裾野はおよそ５０ｅＶまで存在する。そのような幅広いエネルギー分布を持つ二次電子のうち、たかだか１ｅＶのエネルギー幅のもののみを抽出した場合はさらに数分の一になってしまう。
【０００９】
このように、電子線を面積ビームとして大電流を照射して一括で画像を形成しようとしても実際に画像形成に寄与できる電子の割合が低いために画像のＳ／Ｎ比を確保することが困難となり、結局期待できるほどの検査時間の短縮は不可能である。反射電子を用いる場合も同様に照射ビーム電流に比べて二桁少ない放出量しか得られず、二次電子の場合と同様に高分解能と高速性の両立は困難である。
【００１０】
２次電子や反射電子に替わり、試料の直前で試料に当たらないで反射するミラー電子（引き戻された電子）を利用すれば、欠陥を起因として生じる電位を乱れを検出することによって、欠陥検出することができる。図に示すように、パターンが負帯電している場合には試料直上に形成される等電位面は入射電子に対して凸面鏡のように作用し、ミラー電子の軌道を帰る。他方、パターンが回りより正帯電している場合には、試料直情に形成される等電位面は入射電子に対して凹面鏡として作用する。このように、ミラー電子は試料直上に形成されるレンズにより軌道を変えるが、結像レンズの焦点条件を調整すれば、これらのミラー電子のほとんどを画像形成に用いることができる。すなわち、ミラー電子を用いれば、Ｓ／Ｎ比の高い画像が得られ、検査時間の短縮が期待できる。
【００１１】
ミラー電子を結像させる装置構成は、入射電子線を試料に照射する照射電子レンズと、試料から反射される電子を結像する結像レンズと、照射電子線と結像電子線を分離させるセパレータとにより構成される。先に述べた２次電子や反射電子を結像させる従来例でも、同様の装置構成が記載されている。すなわち、照射レンズ、結像レンズ及び、セパレータとしては電界と磁界を直交させて動作させるＥ×Ｂ偏向器を用いている。Ｅ×Ｂ偏向器を通過した電子には色収差などの収差が発生する。ここで、２次電子を結像させる装置では、試料から放出される２次電子の分布は照射電子線の照射角にあまり依存しないので、照射電子線の入射角度はそろっていなくてもよい。そこで、Ｅ×Ｂ偏向器の配置については、結像電子線に対する収差が最小に成るような位置に配置、例えば結像電子の像面位置近傍に配置させれば、結像電子線に対する収差が最小になり、高分解能像が得られる。この配置で、照射電子線に対して、大きな収差が発生しても、２次電子線には影響を及ぼさない。そこで、従来の構成では、照射電子線の収差を最小にすることについては考慮されていなかった。
【００１２】
しかし、ミラー電子を結像させる装置構成では、照射電子線および結像電子線両方に対して、Ｅ×Ｂ偏向器などのセパレータを通過するときに発生する収差を最小にしなければならない。
【００１３】
高分解能なミラー電子像を得るためには、試料に垂直にほぼ平行な電子線を照射する必要がある。このためには、照射電子線を対物レンズの焦点面近傍に結像させれば、試料にほぼ平行な電子線を照射することができる。そこで、照射電子線と結像電子線を分離するためのＥ×Ｂ偏向器を対物レンズの焦点面近傍に配置すれば、照射電子線に対する収差は最小になる。しかし、この配置では、結像電子線に対してＥ×Ｂ偏向器で発生する収差が大きくなるので、照射電子線に最適化しても、高分解能な結像ができないという問題があった。
【００１４】
本発明は、上述の点に着目してなされたものであり、照射電子線および反射電子線に対して発生する収差を最小にすることにより、高分解能なミラー電子顕微鏡の構成を実現させるとともに、このミラー電子顕微鏡を用いて、ウエハ上に形成されたパターンにおける欠陥部分を、高分解能でかつ高速で検出する欠陥検査装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、ビームセパレータとして、Ｅ×Ｂ偏向器を採用し、Ｅ×Ｂ偏向器は片側から入射した電子線は直進し、反対側から入射した電子線は偏向される特徴を有する。
【００１６】
以下、本発明の基本的構成について説明する。
【００１７】
Ｅ×Ｂ偏向器は、電界と磁界を直交かつ重畳して動作させて動作させる偏向器である。加速電圧Ｖ_０の電子線が、図２に示す長さ２ｌ、間隔ｄの平行平板電極型の静電偏向器で偏向される偏向角θ_Ｅおよび長さ２ｌの均一磁界偏向器で偏向される偏向角θ_Ｍは、それぞれ次式で与えられる。
【００１８】
【数１】

なお、上式で、ｅ／ｍは、比電荷である。
電界Ｅによる偏向と磁界Ｂによる偏向が打ち消しあう条件、
【００１９】
【数２】

を、Ｗｉｅｎ条件と呼び、図２でＷｉｅｎ条件に設定されたＥ×Ｂ偏向器に上方から入射した電子線は直進し、下方から入射した電子線はθ_Ｅ＋θ_Ｍ＝２θ_Ｅの偏向を受ける。Ｗｉｅｎ条件で、ｅ（Ｖ_０＋ΔＶ）のエネルギーの電子線の偏向量Δｙは、Ｅ×Ｂ偏向器の偏向色収差となり、次式で近似される。
【００２０】
【数３】

また、Ｗｉｅｎ条件で反対方向から入射した場合の偏向量Δｙ’は、上式の括弧内を加算して、
【００２１】
【数４】

となり、Ｗｉｅｎ条件で反対方向から入射した電子線は直進する電子線より約３倍の色収差をもつことになることがわかる。
【００２２】
ここで、電子レンズの物面上の１点からあらゆる方向に出射した電子線は像面上の１点に集束するので、Ｅ×Ｂ偏向器が電子レンズの物面上にある場合には、Ｅ×Ｂ偏向器の色収差によって偏向角度のずれが生じても像面では１点に集束するので、偏向収差は発生しないと考えられる。
【００２３】
ＬＥＥＭ（Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）と呼ばれる二次電子を二次元結像させる従来装置では、ビームセパレータとしてＥ×Ｂ偏向器を用い、Ｅ×Ｂ偏向器を結像系の対物レンズ像面すなわち中間レンズの物面近傍に配置することにより、中間レンズ以降への収差の影響を最小にする構成としていた。しかし、結像対物レンズの像面と照射系のクロスオーバ位置は一致しないので、この構成では照射電子線に対する収差が大きくなる。二次電子を結像する方式では二次電子の放出角度分布が照射電子線の入射条件にあまり依存しないので、照射系の収差が大きくても二次電子像への影響がなかったものと推定される。ミラー電子顕微鏡については、この構成では試料を平行照射できなくなるので所望の性能を達成することができない。
【００２４】
そこで、Ｅ×Ｂ偏向器を次のような構成とした。Ｅ×Ｂ偏向器の配置は照射系のクロスオーバ位置か、結像系の像面（ミラー像面）位置近傍とし、収差が発生したもう一方の光学系内に、もうひとつＥ×Ｂ偏向器を配置して、逆方向に動作させることにより、セパレータで発生した色収差を補正する構成とした。図３に示すように、Ｅ×Ｂ偏向器Ｌ及びＥ×Ｂ偏向器Ｕが、像面上からそれぞれＬ_Ｌ及びＬ_Ｕ離れて配置する２つのＥ×Ｂ偏向器の像面上の色収差を逆向きに等しくなるように動作させる。ここで、θ_Ｌ、θ_Ｕを、それぞれ、偏向器Ｌの色収差Δｙ_Ｌ＝θ_ＬＬ_Ｌ（ΔＶ／２Ｖ_０）、偏向器Ｕの色収差Δｙ_Ｕ＝θ_ＵＬ_Ｕ（ΔＶ／２Ｖ_０）で与えられる偏向角とすると、Δｙ_Ｌ＝Δｙ_Ｕ、すなわち、
Ｌ_Ｌθ_Ｌ＝Ｌ_Ｕθ_Ｕ ．．．．．．．．．．．（３）
となるように、Ｅ×Ｂ偏向器の強度を調整すれば、像面上の色収差は補正できると考えられる。
【００２５】
具体的な構成は、以下のようにした。すなわち、図４に示すように、照射系のクロスオーバ位置すなわち対物レンズの焦点面近傍にセパレータとして動作するＥ×Ｂ偏向器を配置して、照射系の収差を最小にする。結像系で発生した収差は、結像系像面位置とＥ×Ｂ偏向器の間にもうひとつ収差補正用のＥ×Ｂ偏向器を配置、動作させて補正する構成とした。
【００２６】
あるいは、図５に示すように、セパレータ用のＥ×Ｂ偏向器は、結像電子線（反射電子線）に対してＷｉｅｎ条件となるように動作させ、結像系の像面位置に配置させる。すなわち、ミラー電子による結像電子線はＥ×Ｂ偏向器を直進して、収差も最小条件となるようにする。照射電子線（入射電子線）に対してＥ×Ｂ偏向器は偏向器として動作し、照射系のクロスオーバとＥ×Ｂ偏向器は離れてしまうので、Ｅ×Ｂ偏向器により照射系で発生する収差を補正するためにもうひとつの収差補正用のＥ×Ｂ偏向器を照射レンズとＥ×Ｂ偏向器の間に配置させることにより、色収差を補正する構成とした。この場合、Ｗｉｅｎ条件で動作するセパレータ用のＥ×Ｂ偏向器は照射系に対して電子線を偏向させる偏向器として動作するので、色収差は直進する電子線の場合より約３倍大きくなる。ここで、θ_Ｌ、θ_Ｕを、それぞれ、偏向器Ｌの色収差Δｙ_Ｌ＝３θ_ＬＬ_Ｌ（ΔＶ／２Ｖ_０）、偏向器Ｕの色収差Δｙ_Ｕ＝θ_ＵＬ_Ｕ（ΔＶ／２Ｖ_０）で与えられる偏向角とすると、Δｙ_Ｌ＝Δｙ_Ｕ、すなわち、
３Ｌ_Ｌθ_Ｌ＝Ｌ_Ｕθ_Ｕ ．．．．．．．．．．（４）
となるように、Ｅ×Ｂ偏向器の強度を調整すれば、クロスオーバ上の色収差は補正できる。
【００２７】
また、試料が傾斜した場合にも常に試料に垂直に照射電子線を照射できるように、結像レンズの像面近傍に偏向器を配置して、試料照射角度を調整できる構成とした。
【００２８】
以下、本発明の代表的な構成例を述べる。
【００２９】
（１）電子源から出射した照射電子線を照射レンズにより対物レンズの焦点面に結像させて、前記照射電子線の加速電圧と略等しい電位もしくは負の電位に印加された試料に照射する第１の電子光学系と、前記第１の電子光学系により前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子によって形成される反射電子線を投影拡大して試料像を投影結像させる第２の電子光学系と、前記対物レンズにより前記試料の投影像が形成されるミラー像面近傍に配置され、前記照射電子線と前記反射電子線とを分離するためのビームセパレータとを有し、かつ、前記ビームセパレータで発生した収差を補正するための偏向器を前記第１の電子光学系に設けてなることを特徴とするミラー電子顕微鏡。
【００３０】
（２）電子源から出射した照射電子線を照射レンズにより対物レンズの焦点面に結像させて、前記照射電子線の加速電圧と略等しい電位もしくは負の電位に印加された試料に照射する第１の電子光学系と、前記第１の電子光学系により前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子によって形成される反射電子線を投影拡大して試料像を投影結像させる第２の電子光学系と、前記対物レンズの焦点面近傍に配置され、前記照射電子線と前記反射電子線とを分離するためのビームセパレータとを有し、かつ、前記ビームセパレータで発生した収差を補正するための偏向器を前記第２の電子光学系に設けてなることを特徴とするミラー電子顕微鏡。
【００３１】
（３）電子源と、前記電子源から出射した照射電子線を照射レンズにより対物レンズの焦点面に結像させて、前記照射電子線の加速電圧と略等しい電位もしくは負の電位を印加された試料に２次元的な広がりを有する面状の前記照射電子線を照射する照射手段と、前記照射手段により前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻されたミラー電子によって形成される反射電子線を投影拡大して試料像を投影結像させる結像手段と、前記対物レンズにより前記試料の投影像が形成されるミラー像面近傍に配置され、前記照射電子線と前記反射電子線とを分離するためのビームセパレータとを有し、かつ、前記照射電子線の前記ビームセパレータと前記照射レンズとの間に、前記ビームセパレータで発生した収差を補正するための偏向器を設けたことを特徴とするミラー電子顕微鏡。
【００３２】
（４）電子源と、前記電子源から出射した照射電子線を照射レンズにより対物レンズの焦点面に結像させて、前記照射電子線の加速電圧と略等しい電位もしくは負の電位を印加された試料に２次元的な広がりを有する面状の照射電子線を照射する照射手段と、前記照射手段により前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子によって形成される反射電子線を投影拡大して試料像を投影結像させる結像手段と、前記対物レンズの焦点面近傍に配置され、前記照射電子線と前記反射電子線とを分離するビームセパレータとを有し、かつ、前記反射電子線の前記ビームセパレータと、前記対物レンズにより前記試料の投影像が形成される対物レンズ像面との間に、前記ビームセパレータで発生した収差を補正するための偏向器を設けたことを特徴とするミラー電子顕微鏡。
【００３３】
（５）前記ミラー電子顕微鏡において、前記ビームセパレータは、前記照射電子線と前記反射電子線とを分離する機能に重畳して、偏向器の強度を調整することにより、前記照射電子線を前記試料に垂直に照射し得る機能を有することを特徴とするミラー電子顕微鏡。
【００３４】
（６）電子源から出射した照射電子線を照射レンズにより対物レンズの焦点面に結像させて、前記照射電子線の加速電圧と略等しい電位もしくは負の電位を印加された前記試料に２次元的な広がりを有する面状の照射電子線を照射する照射手段と、前記照射手段により前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子によって形成される反射電子線を投影拡大して試料像を投影結像させる結像手段とを備えたミラー電子顕微鏡において、前記対物レンズにより前記試料の投影像が形成されるミラー像面近傍に偏向支点を有する偏向器を設置して、前記偏向器の強度を調整することにより、前記照射電子線を前記試料に垂直に照射し得るよう構成したことを特徴とするミラー電子顕微鏡。
【００３５】
（７）電子源と、前記電子源から出射した照射電子線を照射レンズにより対物レンズの焦点面に結像させて、前記照射電子線の加速電圧と略等しい電位もしくは負の電位を印加された前記試料に２次元的な広がりを有する面状の照射電子線を照射する照射手段と、前記照射手段により前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子によって形成される反射電子線を投影拡大して試料像を投影結像させる結像手段と、前記対物レンズにより前記試料の投影像が形成されるミラー像面近傍に配置され、前記照射電子線と前記反射電子線を分離するためのビームセパレータと、前記照射電子線の前記ビームセパレータと前記照射レンズとの間に配置され、前記ビームセパレータで発生した収差を補正するための偏向器と、前記面状の照射電子線を、前記試料表面の複数の照射領域に順次照射し、前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子を結像せしめて、前記複数の照射領域の全域もしくは一部の拡大電子像を順次形成する手段と、形成された前記複数の照射領域の拡大電子像を電気的な画像信号に変換する手段と、前記複数の照射領域についての画像信号同士を比較して、前記試料に形成されたパターン欠陥を検出する手段とを具備することを特徴とするパターン欠陥検査装置。
【００３６】
（８）電子源と、前記電子源から出射した照射電子線を照射レンズにより対物レンズの焦点面に結像させて、前記照射電子線の加速電圧と略等しい電位もしくは負の電位を印加された前記試料に２次元的な広がりを有する面状の照射電子線を照射する照射手段と、前記照射手段により前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子によって形成される反射電子線を投影拡大して試料像を投影結像させる結像手段と、前記照射電子線の前記対物レンズの焦点面近傍に配置され、前記照射電子線と前記反射電子線を分離するためのビームセパレータと、前記反射電子線の前記ビームセパレータと前記照射レンズとの間に配置され、前記ビームセパレータで発生した収差を補正するための偏向器と、前記面状の照射電子線を、前記試料表面の複数の照射領域に順次照射し、前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子を結像せしめて、前記複数の照射領域の全域もしくは一部の拡大電子像を順次形成する手段と、形成された前記複数の照射領域の拡大電子像を電気的な画像信号に変換する手段と、前記複数の照射領域についての画像信号同士を比較して、前記試料に形成されたパターン欠陥を検出する手段とを具備することを特徴とするパターン欠陥検査装置。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【００３８】
（実施例１）
図１は、実施例１の動作を説明するための構成を示したものである。セパレータとしてＥ×Ｂ偏向器３を結像電子線３０２の結像面（ミラー像面）３０４近傍に配置させる。この配置では、照射電子線３０１に対してＥ×Ｂ偏向器で収差が発生する。この収差を補正するために照射系コンデンサレンズ２とＥ×Ｂ偏向器３の間にもうひとつ収差補正用のＥ×Ｂ偏向器４を配置させる構成とする。
【００３９】
コンデンサレンズ２と対物レンズの間にはビームセパレータとしてＥ×Ｂ偏向器３が配置されており、電子源１より放出された照射電子線３０１は、Ｅ×Ｂ偏向器３によりウェハ７に垂直な光軸に偏向される。Ｅ×Ｂ偏向器３により偏向された照射電子線３０１は、コンデンサレンズ２により対物レンズの焦点面３０３の近傍に集束され、試料上７をほぼ平行に照射される。
【００４０】
試料７には、電子線の加速電圧Ｖ_０とほぼ等しいか、わずかに高い負の電位Ｖ_Ｓが試料７に印加されている。試料７に対向する円孔電極４１には、電圧Ｖ_ｒが印加されている。円孔電極４１と試料７との間に生ずる電界によって面状の照射電子線３０１の大部分が試料７に衝突する直前で引き戻され、ミラー電子となり、試料７の形状や電位、磁界などを反映した方向や強度を持って上がってくる。
【００４１】
このミラー電子による結像電子線３０２は、対物レンズ６により投影されてミラー像を対物レンズ６によるミラー像面位置３０４に結ぶ。Ｅ×Ｂ偏向器３はこのミラー像面３０４近傍に配置され、このＥ×Ｂ偏向器３は、結像電子線にはＷｉｅｎ条件で作用する。したがって、結像電子線３０２に対してはＥ×Ｂ偏向器３は偏向作用を持たず、ミラー像面位置３０４近傍に配置されるので偏向収差も発生しない。この対物レンズ６によるミラー像は、中間レンズ１３および投影レンズ１４により投影され、シンチレータ１５上に拡大されたミラー電子像が形成される。このミラー電子はシンチレータ１５により光に変換され、光学レンズ１６あるいは光ファイバー束３３によりＣＣＤカメラ１７上に投影され、ＣＣＤカメラ１７により電気信号に変換され、モニタ２２によりミラー像が表示される。
【００４２】
この構成では、照射電子線３０１のクロスオーバ位置とＥ×Ｂ偏向器３の位置が離れているので、照射電子線３０１に対してＥ×Ｂ偏向器３の収差が発生する。この収差を補正するために、照射系のコンデンサレンズ２とＥ×Ｂ偏向器３の間に収差補正用のＥ×Ｂ偏向器４を配置させる。
【００４３】
Ｅ×Ｂ偏向器３を光軸垂直方向から見た断面は、図６に示す８極電磁極構造であり、各電磁極５１はパーマロイなどの磁性体で構成されている。各電磁極に電位を与えることによって電極として動作し、各電磁極にＮ回巻かれているコイル５３に電流を流すことによって磁極として動作する。
【００４４】
図６に示す電圧配分で各電磁極に電圧Ｖｘを印加すると電子は、ｘ方向に偏向作用を受ける。また、図７に示すような電流配分で電流Ｉｙを各コイルに流すと、図３の紙面の裏側から表へ運動する電子はｘ方向の正方向、紙面の表から裏側へ運動する電子はｘ方向の負方向へ偏向作用を受ける。各電極の電圧および電流配分は実際の電磁極形状に電位あるいは磁位を与えた電磁界計算により均一な電磁界が発生するように最適化されており、例えば、図中のα＝０．４１４に設定している。また、図８に示すような、電圧配分あるいは電流配分で電磁極５１を動作させると、この８個の電磁極は非点収差補正器としても動作する。
【００４５】
図９は、Ｅ×Ｂ偏向器３の光軸を含む断面図である。Ｅ×Ｂ偏向器をビームセパレータとして用いる場合、電子線偏向角は二つの光学系が互いに干渉しない配置関係を考慮すると、３０度以上は曲げる必要がある。照射電子線３０１を３０度偏向しても電磁極に当たらないようにするためには、開口部の直径を電磁極長さより大きくしなければならないが、開口を広げると偏向させる電圧を増加させなければならないので、電磁極５１形状は電子軌道にほぼ沿った末広がりの円錐形状とした。また、電磁極の上下にはシールド電磁極５４を設け、電磁界の滲みだしを抑えるとともに、電界と磁界が同一の空間で作用するようにして、空間内で常にＷｉｅｎ条件が成り立つ完全なＥ×Ｂ偏向器として動作するようにした。
【００４６】
この二つのＥ×Ｂ偏向器の強度比の配分について以下に説明する。Ｅ×Ｂ偏向器３は結像電子線３０２に対しては、Ｗｉｅｎ条件で動作し、照射電子線３０１に対しては偏向器として動作する。すなわち、照射系と結像系が２θ_１の角度で互いに傾斜しているとすると、Ｅ×Ｂ偏向器３は、照射電子線に対してＥ×Ｂ偏向器３を構成する電界偏向器でθ_１、磁界偏向器でθ_１の角度で同じ方向に作用するように動作し、結像電子線に対してＥ×Ｂ偏向器３を構成する電界偏向器でθ_１、磁界偏向器でθ_１の角度で反対方向に作用するように動作する。
【００４７】
Ｅ×Ｂ偏向器４は、照射電子線に対してＥ×Ｂ偏向器４を構成する電界偏向器でθ_２、磁界偏向器でθ_２の角度で反対方向に作用するＷｉｅｎ条件で動作するように動作する。照射電子線３０１のＥ×Ｂ偏向器３の焦点面上までの光路長をＬ_Ｌと置き、Ｅ×Ｂ偏向器４から焦点面上までの光路長をＬ_Ｕと置くと、（４）式でθ_Ｕをθ_２、θ_Ｌをθ_１で置き換えて（４）式が成り立つようにθ_２の強度を設定すれば、焦点面上で照射電子線３０１の色収差を概ね補正できる。
【００４８】
上記の動作を実行する制御部２８の機能について、以下に説明する。Ｅ×Ｂ偏向器３に供給する電圧Ｖｘと電子線の偏向角θ_１との関係は電子線がＥ×Ｂ偏向器３に入射するエネルギー、電子源に印加する加速電圧Ｖ_０に依存するので、あらかじめ電子線の軌道計算結果や実験から求めた所望の偏向角に対するＶ_０とＶｘの関係が制御部２８にインプットされている。Ｅ×Ｂ偏向器３に供給するコイル電流ＩｙとＶｘのＷｉｅｎ条件が成り立つ強度関係は、電子線の軌道計算結果から求めた値があらかじめ制御部２８にインプットされているか、表示装置２２の画像上で試料上の偏向量が完全にキャンセルするようにマニュアルあるいは自動的に設定される。加速電圧Ｖ_０が一定の条件では、Ｗｉｅｎ条件が成り立つＶｘとＩｙの強度比は一定であるので、ＶｘとＩｙの強度比を一定にしたまま変化させることによって、Ｗｉｅｎ条件を保持したまま入射電子線に対する偏向角を変化させる制御が可能である。このようにして、制御部２８からセパレータ用Ｅ×Ｂ偏向器電源３１へ供給するＶｘとＩｙを制御することにより、Ｅ×Ｂ偏向器３で偏向する偏向角θ_１を制御することができる。
【００４９】
また、Ｅ×Ｂ偏向器４に供給する電圧Ｖｘ’と電子線偏向角θ_２との関係も、あらかじめ電子線の軌道計算結果や実験から求めた所望の偏向角に対する加速電圧Ｖ_０とＶｘ’の関係が制御部２８にインプットされている。Ｅ×Ｂ偏向器４に供給するコイル電流Ｉｙ’とＶｘ’のＷｉｅｎ条件が成り立つ強度関係は、電子線の軌道計算結果から求めた値があらかじめ制御部２８にインプットされているか、表示装置２２の画像上で試料上の偏向量が完全にキャンセルするようにマニュアルあるいは自動的に設定される。加速電圧Ｖ_０が一定の条件では、Ｗｉｅｎ条件が成り立つＶｘ’とＩｙ’の強度比は一定であるので、Ｖｘ’とＩｙ’の強度比を一定にしてＷｉｅｎ条件を保持したまま、θ_２を変化させることが可能である。このようにして、制御部２８から収差補正用Ｅ×Ｂ偏向器電源３２へ供給するＶｘ’とＩｙ’を制御することにより、Ｅ×Ｂ偏向器４で偏向する偏向角θ_２を制御することができる。
【００５０】
制御部２８は、セパレータ用Ｅ×Ｂ偏向器電源３１を通じて、照射系と結像系の傾斜角２θ_１と加速電圧Ｖ_０の関係が成り立つように、Ｅ×Ｂ偏向器３の各電磁極に電圧Ｖｘ、αＶｘ、−αＶｘ、および−Ｖｘを供給し、コイル電流Ｉｙ、αＩｙ、−αＩｙ、および−Ｉｙを供給する。
【００５１】
また、制御部２８は（４）式の演算を行い、（４）式が成り立つような偏向角θ_２と加速電圧Ｖ０の関係が成り立つように、収差補正用Ｅ×Ｂ偏向器電源３２を通じてＥ×Ｂ偏向器４の各電磁極に電圧Ｖｘ’、αＶｘ’、−αＶｘ’、および−Ｖｘ’を供給し、コイル電流Ｉｙ’、αＩｙ’、−αＩｙ’、および−Ｉｙ’を供給する。このような動作を行うことによって、セパレータ用のＥ×Ｂ偏向器３で発生した収差を収差補正用Ｅ×Ｂ偏向器４で補正することができる。
【００５２】
なお、上記の動作は、Ｅ×Ｂ偏向器３およびＥ×Ｂ偏向器４のｘ方向の偏向方向について説明したが、ｙ方向への偏向成分の補正についても８極の電磁極にｙ方向の偏向成分の電圧あるいは電流を供給することによって同様の手順で行うことができる。例えば、Ｅ×Ｂ偏向器に周辺の磁界レンズからの磁束の漏れが生じている場合には、このようなｙ方向の電磁界を重畳させる回転補正が必要である。
【００５３】
また、図７においては、各コイルの巻き数は等しくＮ回としたが、磁極に流す電流Ｉとの関係がＮＩが一定になる範囲で電流ＩおよびＮを変化させても良い。
【００５４】
照射系のクロスオーバの収差が補正されているかどうかは、クロスオーバの大きさを計測する手段があれば達成される。例えば、このクロスオーバが試料上で再びスポットになるように対物レンズを動作させて、試料上を走査する手段を設け、試料に電子線を衝突させて発生した二次電子を検出してＳＥＭ像を取得できるような手段を設ければ、ＳＥＭ像の分解能を評価することによってクロスオーバの大きさを計測することができる。
【００５５】
または、このクロスオーバが対物レンズの焦点面に形成されて、試料を平行照射できるが、このクロスオーバの大きさが試料を照射する電子線の平行度に関係し、クロスオーバが大きくなるほど平行度が劣化するが、この照射電子線の平行度は結像電子線の電子線回折像を観察することにより確認することができる。すなわち、試料として鏡面状の試料を置けば、照射電子線が鏡面反射して試料の構造を含まないミラー電子として結像電子線となり、ミラー電子の電子線回折像が対物レンズ像面に形成されるが、この電子線回折像を中間レンズ及び投影レンズにより拡大して、シンチレータ１５上に投影して、ＣＣＤカメラ１７で観察する。この電子線回折像が一番小さくなるように、収差補正用Ｅ×Ｂ偏向器４に供給する電圧Ｖｘ’及び電流Ｉｙ’を、Ｗｉｅｎ条件を保持したまま、調整することによって、照射系クロスオーバを最小にすることができる。
【００５６】
（実施例２）
図１０は、第２の実施例の動作を説明するための構成を示したものである。本実施例では、照射系のクロスオーバ位置３０３近傍にセパレータ用のＥ×Ｂ偏向器３を配置して、照射系の収差を最小にする。結像系で発生した収差は、結像系像面位置３０４とＥ×Ｂ偏向器３の間にもうひとつＥ×Ｂ偏向器４を配置、動作させて補正する構成とした。
【００５７】
セパレータとして動作するＥ×Ｂ偏向器３は、照射電子線に対してＥ×Ｂ偏向器３を構成する電界偏向器でθ_１、磁界偏向器でθ_１の角度で同じ方向に作用するように動作し、結像電子線に対してＥ×Ｂ偏向器３を構成する電界偏向器でθ１、磁界偏向器でθ_１の角度で反対方向に作用するように動作する。Ｅ×Ｂ偏向器３の配置は照射電子線３０１のクロスオーバ位置に配置されるので、照射系に対する色収差は発生しない。結像電子線３０２に対しては、Ｅ×Ｂ偏向器３の収差が発生するので、Ｅ×Ｂ偏向器３と対物レンズによるミラー像面３０３の間に収差補正用のＥ×Ｂ偏向器４を配置する。結像電子線３０２に対しては、Ｅ×Ｂ偏向器３はＷｉｅｎ条件で動作するので、照射電子線３０１のＥ×Ｂ偏向器３の焦点面上までの光路長をＬ_Ｌと置き、Ｅ×Ｂ偏向器４から焦点面上までの光路長をＬ_Ｕと置くと、（３）式が成り立つように、Ｅ×Ｂ偏向器４を構成する電界偏向器で偏向させるθ_２、磁界偏向器で偏向させる角度θ_２を設定することによって、像面上の色収差を補正することが可能となる。
【００５８】
（実施例３）
図１１は、第３の実施例の動作を説明するための構成を示したものである。
【００５９】
本実施例では、セパレータとしてＥ×Ｂ偏向器３を結像電子線の結像面３０４近傍に配置させる。この配置では、照射レンズに対してＥ×Ｂ偏向器で収差が発生する。この収差を補正するために、照射系コンデンサレンズ２とＥ×Ｂ偏向器３の間にもうひとつ収差補正用のＥ×Ｂ偏向器４を配置させる構成とした。また、本実施例では、結像系は正立とし、照射系は傾斜する構成とした。
【００６０】
Ｅ×Ｂ偏向器３は照射電子線３０１に対しては、Ｗｉｅｎ条件で動作し、結像電子線３０２に対しては偏向器として動作する。すなわち、照射系と結像系が２θ_１の角度で互いに傾斜しているとすると、Ｅ×Ｂ偏向器３は、照射電子線に対してＥ×Ｂ偏向器３を構成する電界偏向器でθ_１、磁界偏向器でθ_１の角度で反対の方向に作用するＷｉｅｎ条件で動作し、結像電子線に対してＥ×Ｂ偏向器３を構成する電界偏向器でθ_１、磁界偏向器でθ_１の角度で同じ方向に作用する偏向器として動作する。Ｅ×Ｂ偏向器４は、照射電子線に対してＥ×Ｂ偏向器４を構成する電界偏向器でθ_２、磁界偏向器でθ_２の角度で反対方向に作用するＷｉｅｎ条件で動作するように動作する。照射電子線３０１のＥ×Ｂ偏向器３の焦点面上までの光路長をＬ_Ｌと置き、Ｅ×Ｂ偏向器４から焦点面上までの光路長をＬ_Ｕと置くと、（３）式が成り立つようにθ_２の強度を設定すれば、焦点面上で照射電子線３０１の色収差を概ね補正できる。制御部２８は、（３）式が成り立つように演算を行い、セパレータＥ×Ｂ偏向器電源３１および収差補正用Ｅ×Ｂ偏向器電源３２に供給する電圧および電流を制御する。
【００６１】
（実施例４）
図１２は、実施例４の動作を説明するための構成を示したものである。
本実施例では照射系のクロスオーバ位置にＥ×Ｂ偏向器を配置して、照射系の収差を最小にする。結像系で発生した収差は、結像系像面位置とＥ×Ｂ偏向器の間にもうひとつＥ×Ｂ偏向器を配置、動作させて補正する構成とした。また、本実施例では、実施例３と同様に、結像系は正立とし、照射系は傾斜する構成とした。
【００６２】
Ｅ×Ｂ偏向器３は照射電子線３０１に対しては、Ｗｉｅｎ条件で動作し、結像電子線３０２に対しては偏向器として動作する。すなわち、照射系と結像系が２θ_１の角度で互いに傾斜しているとすると、Ｅ×Ｂ偏向器３は、照射電子線に対してＥ×Ｂ偏向器３を構成する電界偏向器でθ_１、磁界偏向器でθ_１の角度で反対の方向に作用するＷｉｅｎ条件で動作し、結像電子線に対してＥ×Ｂ偏向器３を構成する電界偏向器でθ_１、磁界偏向器でθ_１の角度で同じ方向に作用する偏向器として動作する。Ｅ×Ｂ偏向器４は、照射電子線に対してＥ×Ｂ偏向器４を構成する電界偏向器でθ_２、磁界偏向器でθ_２の角度で反対方向に作用するＷｉｅｎ条件で動作するように動作する。結像電子線３０２のＥ×Ｂ偏向器３の焦点面上までの光路長をＬ_Ｌと置き、Ｅ×Ｂ偏向器４から焦点面上までの光路長をＬ_Ｕと置くと、（４）式が成り立つようにθ_２の強度を設定すれば、ミラー像面上で結像電子線３０２の色収差を概ね補正できる。制御部２８は、（４）式が成り立つように演算を行い、セパレータＥ×Ｂ偏向器電源３１および収差補正用Ｅ×Ｂ偏向器電源３２に供給する電圧および電流を制御する。
【００６３】
（実施例５）
図１３は、第５の実施例を示し、ウェハが傾斜した場合にも、試料に垂直に電子線が入射するための偏向器を設けたものである。ｚ方向を光軸に取り、通常はｚ＝０のｘｙ平面内にある試料表面が、ｘ方向にθだけ傾斜しているとすると、試料７と円孔電極４１間の距離をＬ_０と置けば、電界強度のｚ方向成分Ｅｚおよびｘ方向成分Ｅｘは、それぞれ、Ｅｚ≒Ｅ、Ｅｘ≒（１−ｚ／Ｌ_０）Ｅで与えられる。
【００６４】
ｘ方向およびｚ方向について運動方程式を解けば、電子線が試料に一番近づく条件で試料にほぼ垂直に入射する条件、すなわちｚ方向の速度が０で、ｘ方向の速度成分も０になるような条件は、円孔電極４１を通過する角度βが、
【００６５】
【数５】

をおおむね満たすことであることがわかる。
【００６６】
さらに、円孔電極４１の焦点距離ｆ＝４Ｌ_０と置けば、円孔電極４１に入射する電子線の角度β_２を２ｓｉｎθ（≒２θ）だけ傾ければ良いことがわかる。
【００６７】
そこで、たとえば、円孔電極４１の上方にアライナ４２を配置して、試料がｘ方向にθ傾いた場合には、２θだけ傾斜するように作用させれば、常に試料に垂直に電子線を照射することができる。ここでアライナ４２の配置が対物レンズによって投影されるミラー像面３０２近傍にあれば、物面上の１点からあらゆる方向に出た電子線は像面上の１点に集束するので、アライナ４２により試料上の照射角度が変化しても、常に同一の視野を照射することができる。このアライナ４２はミラー像面３０２近傍にあるひとつのアライナ４２であってもよいし、上下２つのアライナにより構成され、アライナの仮想偏向支点がミラー像面３０２近傍にあるように上下のアライナの偏向比率を調整する構成でもよい。
【００６８】
また、対物レンズによって投影されるミラー像面３０２近傍に照射電子線３０１と結像電子線３０２を分離するセパレータとしてＥ×Ｂ偏向器３が配置されている場合には、電界と磁界が反対方向に同じ力が作用するＷｉｅｎ条件に加えてアライナとして作用する成分を重畳させることにより、上記の機能を実現することができる。
【００６９】
ただし、このアライナ４２は、照射ビームと結像ビームとで同じ方向に作用するように静電型のアライナを用いるほうが望ましい。すなわち、図１４は、静電型のアライナを示し、図１５は、磁界型のアライナを用いた場合の照射電子線および結像電子線の軌道を示したものであるが、磁界型アライナでは、アライナより上方の入射電子線と反射電子線の軌道が一致しなくなるので、アライナを動作させることにより、アライナより上方の電子光学系の再調整が必要になってしまうからである。図１６を用いて、調整手順を説明する。
【００７０】
セパレータとしてＥ×Ｂ偏向器３を結像電子線３０２の結像面３０４近傍に配置させる。この配置では、照射電子線３０１に対してＥ×Ｂ偏向器で収差が発生する。この収差を補正するために照射系コンデンサレンズ２とＥ×Ｂ偏向器３の間にもうひとつ収差補正用のＥ×Ｂ偏向器４を配置させる構成とする。Ｅ×Ｂ偏向器３の各電磁極にはセパレータとして、図６および図７に示されるようなＷｉｅｎ条件を満足する供給電圧Ｖｘとコイル電流Ｉｙに加えて、照射電子線３０１を試料に対し垂直に照射させる偏向電圧が供給される。静電偏向器には、試料傾斜角調整用電源（図示してない）から垂直照射調整用の電圧が供給される。
【００７１】
試料７の傾斜分布は、あらかじめ観察前に試料内の数点以上の位置について、高さ測定器２６や電子線による合焦点レンズ強度などの高さ計測手段を用いて、面内の傾斜分布を算出する。観察時には、この検査位置座標に対応した試料傾斜データに基づいて、制御部２８で試料傾斜角θが算出され、対物レンズ出射時の傾斜角２θを計算する。本実施例ではＥ×Ｂ偏向器３は対物レンズ６の上方に配置されているので、対物レンズ倍率より対物レンズ出射角θに対応する偏向角θ’を算出し、偏向角θ’に相当する偏向電圧を、Ｗｉｅｎ条件を満足する供給電圧Ｖｘに重畳して、各電磁極に供給する。以上のように制御することにより、試料面内で常に試料に垂直に電子線を照射することが可能となる。
【００７２】
（実施例６）
図１７に示す本実施例は、ミラー電子顕微鏡を高速ウェハ検査に適用した構成である。
【００７３】
電子光学系１０１において、電子源１より放出された電子線は、コンデンサレンズ２により収束され試料上をほぼ平行に照射される。電子源１には、Ｚｒ／Ｏ／Ｗ型のショットキー電子源を用いた。大電流ビーム（例えば、１．５μＡ）で、かつエネルギー幅が１．５ｅＶの均一な面状電子線を安定に形成できる。
【００７４】
セパレータとしてＥ×Ｂ偏向器３を結像電子線３０２の結像面３０４近傍に配置させる。この配置では、照射電子線３０１に対してＥ×Ｂ偏向器で収差が発生する。この収差を補正するために照射系コンデンサレンズ２とＥ×Ｂ偏向器３の間にもうひとつ収差補正用のＥ×Ｂ偏向器４を配置させる構成とする。
【００７５】
電子線は、Ｅ×Ｂ偏向器３によりウェハ７に垂直な光軸に偏向される。Ｅ×Ｂ偏向器３は上方からの電子線に対してのみ偏向作用を持つ。Ｅ×Ｂ偏向器３より偏向された電子線は、対物レンズ６により試料（ウェハ）表面に垂直な方向に面状の電子線が形成される。Ｅ×Ｂ偏向器４よりセパレータＥ×Ｂ偏向器３の偏向収差が補正されるので、対物レンズ６の焦点面上には微細なクロスオーバが形成されるので、平行性の良い照射電子線３０１を試料に照射できる。
【００７６】
試料室１０２内の試料移動ステージ８に搭載された試料（ウェハ）７には、電子線の加速電圧とほぼ等しいか、わずかに高い負の電位が試料印加電源９によって印加されており、ウェハ７の表面には形成された半導体パターン形状や帯電の状態を反映した電界が形成されている。この電界によって面状電子線の大部分がウェハ７に衝突する直前で引き戻され、ウェハ７のパターン情報を反映した方向や強度を持って上がってくる。
【００７７】
引き戻された電子線は、対物レンズ６により収束作用を受け、ビームセパレータとしての偏向器３は下方から進行した電子線に対しては偏向作用を持たないので、そのまま垂直に上昇し、対物レンズ６、中間レンズ１３、投影レンズ１４により投影拡大されて、シンチレータ１５、光学レンズ１６、ＣＣＤ１７よりなる画像検出部上にウェハ７表面の画像を結像させる。また、対物レンズ６、あるいは中間レンズ１３により形成される電子線回折像面上にコントラストアパーチャ１２を配置して、像のコントラストが調整される。
【００７８】
これにより、ウェハ７表面の局部的な帯電電位の変化や凹凸等の構造の違いが画像として形成される。収差を補正することにより、平行性の良い照射電子線３０１を照射でき、高分解能なミラー像を形成することができるので、１００ｎｍ以下の帯電電位の変化や凹凸等の構造の違いを検出することが可能となる。この画像は電気信号に変換され画像処理部１０４に送られる。
【００７９】
画像処理部１０４は、画像信号記憶部１８及び１９、演算部２０、欠陥判定部２１より構成されている。画像記憶部１８と１９は同一パターンの隣接部の画像を記憶するようになっており、両者の画像を演算部２０で演算して両画像の異なる場所を検出する。この結果を欠陥判定部２１により欠陥として判定しその座標を記憶する。なお、取り込まれた画像信号はモニタ２２により画像表示される。
【００８０】
半導体ウェハ７表面上に形成された同一設計パターンを有する隣接チップＡ、Ｂ間でのパターンの比較検査をする場合には、先ず、チップＡ内の被検査領域についての電子線画像信号を取り込んで、記憶部１８内に記憶させる。次に、隣接するチップＢ内の上記と対応する被検査領域についての画像信号を取り込んで、記憶部１９内に記憶させながら、それと同時に、記憶部１８内の記憶画像信号と比較する。さらに、次のチップＣ内の対応する被検査領域についての画像信号を取得し、それを記憶部１８に上書き記憶させながら、それと同時に、記憶部１９内のチップＢ内の被検査領域についての記憶画像信号と比較する。このような動作を繰り返して、全ての被検査チップ内の互いに対応する被検査領域についての画像信号を順次記憶させながら、比較して行く。
【００８１】
上記の方法以外に、予め、標準となる良品（欠陥のない）試料についての所望の検査領域の電子線画像信号を記憶部１８内に記憶させておく方法を採ることも可能である。その場合には、予め制御計算機２９に上記良品試料についての検査領域および検査条件を入力しておき、これらの入力データに基づき上記良品試料についての検査を実行し、所望の検査領域についての取得画像信号を記憶部１８内に記憶する。次に、検査対象となるウェハ７をステージ８上にロードして、先と同様の手順で検査を実行する。
【００８２】
そして、上記と対応する検査領域についての取得画像信号を記憶部１９内に取り込むと同時に、この検査対象試料についての画像信号と先に記憶部１８内に記憶された上記良品試料についての画像信号とを比較する。これにより上記検査対象試料の上記所望の検査領域についてのパターン欠陥の有無を検出する。なお、上記標準（良品）試料としては、上記検査対象試料とは別の予めパターン欠陥が無いことが判っているウェハを用いても良いし、上記検査対象試料表面の予めパターン欠陥が無いことが判っている領域（チップ）を用いても良い。例えば、半導体試料（ウェハ）表面にパターンを形成する際、ウェハ全面にわたり下層パターンと上層パターン間での合わせずれ不良が発生することがある。このような場合には、比較対象が同一ウェハ内あるいは同一チップ内のパターン同士であると、上記のようなウェハ全面にわたり発生した不良（欠陥）は見落とされてしまう。
【００８３】
しかし、本実施例によれば、予め良品（無欠陥）であることが判っている領域の画像信号を記憶しておき、この記憶画像信号と検査対象領域の画像信号とを比較するので、上記したようなウェハ全面にわたり発生した不良をも精度良く検出することができる。
【００８４】
記憶部１８、１９内に記憶された両画像信号は、それぞれ演算部２０内に取り込まれ、そこで、既に求めてある欠陥判定条件に基づき、各種統計量（具体的には、画像濃度の平均値、分散等の統計量）、周辺画素間での差分値等が算出される。これらの処理を施された両画像信号は、欠陥判定部２１内に転送されて、そこで比較されて両画像信号間での差信号が抽出される。これらの差信号と、既に求めて記憶してある欠陥判定条件とを比較して欠陥判定がなされ、欠陥と判定されたパターン領域の画像信号とそれ以外の領域の画像信号とが分別される。
【００８５】
装置各部の動作命令および動作条件は、制御計算機２９から入出力される。制御計算機２９には、予め電子線発生時の加速電圧、電子線偏向幅・偏向速度、試料ステージ移動速度、画像検出素子からの画像信号取り込みタイミング等々の諸条件が入力されている。ビーム制御系２８は、制御計算機２９からの指令を受けて、ステージ位置測定器２７、試料高さ測定器２６からの信号を基にして補正信号を生成し、電子線が常に正しい位置に照射されるように対物レンズ電源２５や走査信号発生器２４に補正信号を送る。ステージ制御系３０は、制御計算機２９から指令を受けて試料移動ステージ８を制御する。
【００８６】
検査時には、試料（半導体ウェハ）７を搭載したステージ８はｘ方向に一定速度で連続移動する。ステージ８は連続移動しているので、電子線は照射系偏向器５によってステージ８の移動に追従して偏向走査させる。
【００８７】
電子線の照射領域あるいは照射位置は、ステージ８に設けられたステージ位置測定器２７、試料高さ測定器２６等により常時モニタされる。これらのモニタ情報が制御計算機２９に転送されて詳細に位置ずれ量が把握され、かつこの位置ずれ量はビーム制御系２８によって正確に補正される。これにより、パターンの比較検査に必要な正確な位置合わせが高速・高精度で行われ得る。
【００８８】
また、半導体ウェハ７の表面高さを、電子線以外の手段でリアルタイムに測定し、電子線を照射するための対物レンズ６や結像レンズ１１の焦点距離をダイナミックに補正する。電子線以外の手段としては、例えば、レーザ干渉方式や反射光の位置変化を計測する方式等による光学式の高さ測定器２６である。これにより、常に被検査領域の表面に焦点のあった電子線像を形成することができる。また、予め検査前にウェハ７の反りを測定しておき、その測定データを基に上記の焦点距離補正をするようにして、実検査時にはウェハ７の表面高さ測定を行う必要がないようにしてもよい。
【００８９】
以上で述べた検査方法および検査装置により、収差が補正された平行性の良い照射電子線３０１を照射でき、高分解能なミラー像を形成することができるので、ウェハ７の表面の電位および形状の情報を反映した画像を形成し、対応するパターン領域についての画像信号を比較検査することによって、１００ｎｍ以下のパターン欠陥の有無を検出することが可能となった。これにより、従来の電子線による検査装置と比べ非常に高速かつ高分解能な検査が可能になった。
【００９０】
【発明の効果】
本発明によれば、照射電子線および反射電子線に対して発生する収差を最小にすることにより、高分解能なミラー電子顕微鏡の構成を実現させるとともに、このミラー電子顕微鏡を用いて、ウェハ上に形成されたパターンにおける欠陥部分を、高分解能でかつ高速で検出する欠陥検査装置を実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例になるミラー電子顕微鏡の構成を示す図。
【図２】Ｅ×Ｂ偏向器の動作を説明する図。
【図３】Ｅ×Ｂ偏向器の収差補正を説明する図。
【図４】Ｅ×Ｂ偏向器の収差補正の構成（１）を説明する図。
【図５】Ｅ×Ｂ偏向器の収差補正の構成（２）を説明する図。
【図６】８極型Ｅ×Ｂ偏向器の電圧配分の例（１）を説明する図。
【図７】８極型Ｅ×Ｂ偏向器の電流配分の例（２）を説明する図。
【図８】８極型Ｅ×Ｂ偏向器の非点収差補正を説明する図。
【図９】８極型Ｅ×Ｂ偏向器の断面図。
【図１０】本発明の第２の実施例の構成を説明する図。
【図１１】本発明の第３の実施例の構成を説明する図。
【図１２】本発明の第４の実施例の構成を説明する図。
【図１３】本発明の第５の実施例を説明する図。
【図１４】本発明の第５の実施例による静電偏向器の動作を説明する図。
【図１５】本発明の第５の実施例による磁界偏向器の動作を説明する図。
【図１６】本発明の第５の実施例の構成を説明する図。
【図１７】本発明の第６の実施例の構成を説明する図。
【符号の説明】
１…電子源、２…コンデンサレンズ、３…Ｅ×Ｂ偏向器、４…Ｅ×Ｂ偏向器、５…照射系偏向器、６…対物レンズ、７…試料（ウェハ）、８…ウェハ移動ステージ、１０…結像系偏向器、１２…コントラストアパーチャ、１３…中間レンズ、１４…投影レンズ、１５…シンチレータ、１６…光学レンズ、１７…ＣＣＤ、１８…画像記憶部、１９…画像記憶部、２０…演算部、２１…欠陥判定部、２２…モニタ、２３…加速電源、２４…走査信号発生器、２５…対物レンズ電源、２６…試料高さ測定器、２７…ステージ位置測定器、２８…ビーム制御系、２９…制御計算機、３０…ステージ制御系、３１…セパレータ用Ｅ×Ｂ偏向器電源、３２…収差補正用Ｅ×Ｂ偏向器電源、３３…光ファイバー束、４１…円孔電極、４２…アアライナ、５１…電磁極、５２…ボビン、５３…コイル、５４…シールド、１０１…電子光学系、１０２…試料室、１０４…画像処理部、２０１…電子銃、２０２…コンデンサレンズ、２０３…アライナ、３０１…照射電子線、３０２…結像電子線、３０３…照射系クロスオーバ、３０４…ミラー像面。

Claims (19)

1. 電子源から出射した照射電子線を照射レンズにより対物レンズの焦点面に結像させて、前記照射電子線の加速電圧と略等しい電位もしくは負の電位に印加された試料に照射する第１の電子光学系と、前記第１の電子光学系により前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子によって形成される反射電子線を投影拡大して試料像を投影結像させる第２の電子光学系と、前記対物レンズにより前記試料の投影像が形成されるミラー像面近傍に配置され、前記照射電子線と前記反射電子線とを分離するためのビームセパレータとを有し、かつ、前記ビームセパレータで発生した収差を補正するための偏向器を前記第１の電子光学系に設けてなることを特徴とするミラー電子顕微鏡。
2. 電子源から出射した照射電子線を照射レンズにより対物レンズの焦点面に結像させて、前記照射電子線の加速電圧と略等しい電位もしくは負の電位に印加された試料に照射する第１の電子光学系と、前記第１の電子光学系により前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子によって形成される反射電子線を投影拡大して試料像を投影結像させる第２の電子光学系と、前記対物レンズの焦点面近傍に配置され、前記照射電子線と前記反射電子線とを分離するためのビームセパレータとを有し、かつ、前記ビームセパレータで発生した収差を補正するための偏向器を前記第２の電子光学系に設けてなることを特徴とするミラー電子顕微鏡。
3. 前記ビームセパレータは、電界と磁界を交差させたＥ×Ｂ偏向器であることを特徴とする請求項１又は２記載のミラー電子顕微鏡。
4. 前記偏向器は、電界と磁界を交差させたＥ×Ｂ偏向器であることを特徴とする請求項３記載のミラー電子顕微鏡。
5. 電子源と、前記電子源から出射した照射電子線を照射レンズにより対物レンズの焦点面に結像させて、前記照射電子線の加速電圧と略等しい電位もしくは負の電位を印加された試料に２次元的な広がりを有する面状の前記照射電子線を照射する照射手段と、前記照射手段により前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻されたミラー電子によって形成される反射電子線を投影拡大して試料像を投影結像させる結像手段と、前記対物レンズにより前記試料の投影像が形成されるミラー像面近傍に配置され、前記照射電子線と前記反射電子線とを分離するためのビームセパレータとを有し、かつ、前記照射電子線の前記ビームセパレータと前記照射レンズとの間に、前記ビームセパレータで発生した収差を補正するための偏向器を設けたことを特徴とするミラー電子顕微鏡。
6. 前記ビームセパレータは、電界と磁界を交差させたＥ×Ｂ偏向器であることを特徴とする請求項５記載のミラー電子顕微鏡。
7. 前記偏向器は、電界と磁界を交差させたＥ×Ｂ偏向器であることを特徴とする請求項５又は６記載のミラー電子顕微鏡。
8. 電子源と、前記電子源から出射した照射電子線を照射レンズにより対物レンズの焦点面に結像させて、前記照射電子線の加速電圧と略等しい電位もしくは負の電位を印加された試料に２次元的な広がりを有する面状の照射電子線を照射する照射手段と、前記照射手段により前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子によって形成される反射電子線を投影拡大して試料像を投影結像させる結像手段と、前記対物レンズの焦点面近傍に配置され、前記照射電子線と前記反射電子線とを分離するビームセパレータとを有し、かつ、前記反射電子線の前記ビームセパレータと、前記対物レンズにより前記試料の投影像が形成される対物レンズ像面との間に、前記ビームセパレータで発生した収差を補正するための偏向器を設けたことを特徴とするミラー電子顕微鏡。
9. 前記ビームセパレータは、電界と磁界を交差させたＥ×Ｂ偏向器であることを特徴とする請求項８記載のミラー電子顕微鏡。
10. 前記偏向器は、電界と磁界を交差させたＥ×Ｂ偏向器であることを特徴とする請求項８又は９記載のミラー電子顕微鏡。
11. 前記ビームセパレータは、前記照射電子線と前記反射電子線とを分離する機能に重畳して、偏向器の強度を調整することにより、前記照射電子線を前記試料に垂直に照射し得る機能を有することを特徴とする請求項６又は９記載のミラー電子顕微鏡。
12. 電子源から出射した照射電子線を照射レンズにより対物レンズの焦点面に結像させて、前記照射電子線の加速電圧と略等しい電位もしくは負の電位を印加された前記試料に２次元的な広がりを有する面状の照射電子線を照射する照射手段と、前記照射手段により前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子によって形成される反射電子線を投影拡大して試料像を投影結像させる結像手段とを備えたミラー電子顕微鏡において、前記対物レンズにより前記試料の投影像が形成されるミラー像面近傍に偏向支点を有する偏向器を設置して、前記偏向器の強度を調整することにより、前記照射電子線を前記試料に垂直に照射し得るよう構成したことを特徴とするミラー電子顕微鏡。
13. 前記偏向器は、電界型偏向器もしくは電界と磁界を交差させたＥ×Ｂ偏向器であることを特徴とする請求項１２記載のミラー電子顕微鏡。
14. 電子源と、前記電子源から出射した照射電子線を照射レンズにより対物レンズの焦点面に結像させて、前記照射電子線の加速電圧と略等しい電位もしくは負の電位を印加された前記試料に２次元的な広がりを有する面状の照射電子線を照射する照射手段と、前記照射手段により前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子によって形成される反射電子線を投影拡大して試料像を投影結像させる結像手段と、前記対物レンズにより前記試料の投影像が形成されるミラー像面近傍に配置され、前記照射電子線と前記反射電子線を分離するためのビームセパレータと、前記照射電子線の前記ビームセパレータと前記照射レンズとの間に配置され、前記ビームセパレータで発生した収差を補正するための偏向器と、前記面状の照射電子線を、前記試料表面の複数の照射領域に順次照射し、前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子を結像せしめて、前記複数の照射領域の全域もしくは一部の拡大電子像を順次形成する手段と、形成された前記複数の照射領域の拡大電子像を電気的な画像信号に変換する手段と、前記複数の照射領域についての画像信号同士を比較して、前記試料に形成されたパターン欠陥を検出する手段とを具備することを特徴とするパターン欠陥検査装置。
15. 前記ビームセパレータは、電界と磁界を交差させたＥ×Ｂ偏向器であることを特徴とする請求項１４記載のミラー電子顕微鏡。
16. 前記偏向器は、電界と磁界を交差させたＥ×Ｂ偏向器であることを特徴とする請求項１４又は１５記載のパターン欠陥検査装置。
17. 電子源と、前記電子源から出射した照射電子線を照射レンズにより対物レンズの焦点面に結像させて、前記照射電子線の加速電圧と略等しい電位もしくは負の電位を印加された前記試料に２次元的な広がりを有する面状の照射電子線を照射する照射手段と、前記照射手段により前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子によって形成される反射電子線を投影拡大して試料像を投影結像させる結像手段と、前記照射電子線の前記対物レンズの焦点面近傍に配置され、前記照射電子線と前記反射電子線を分離するためのビームセパレータと、前記反射電子線の前記ビームセパレータと前記照射レンズとの間に配置され、前記ビームセパレータで発生した収差を補正するための偏向器と、前記面状の照射電子線を、前記試料表面の複数の照射領域に順次照射し、前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子を結像せしめて、前記複数の照射領域の全域もしくは一部の拡大電子像を順次形成する手段と、形成された前記複数の照射領域の拡大電子像を電気的な画像信号に変換する手段と、前記複数の照射領域についての画像信号同士を比較して、前記試料に形成されたパターン欠陥を検出する手段とを具備することを特徴とするパターン欠陥検査装置。
18. 前記ビームセパレータは、電界と磁界を交差させたＥ×Ｂ偏向器であることを特徴とする請求項１７記載のミラー電子顕微鏡。
19. 前記偏向器は、電界と磁界を交差させたＥ×Ｂ偏向器であることを特徴とする請求項１７又は１８記載のパターン欠陥検査装置。

Images