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WO2018173241A1 - 荷電粒子線装置、及び荷電粒子線装置の調整方法 - Google Patents

荷電粒子線装置、及び荷電粒子線装置の調整方法 Download PDF

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particle beam
sample
lens
image
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長谷川　正樹
智彦 尾方
則幸 兼岡
村越　久弥
勝則 小貫
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株式会社 日立ハイテクノロジーズ
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Definitions

  • the present disclosure relates to a charged particle beam apparatus used for wafer defect inspection and the like, and more particularly, to a charged particle beam apparatus having a function of adjusting irradiation conditions of a charged particle beam and a method for adjusting the charged particle beam apparatus.
  • Patent Document 1 discloses a mirror electron microscope that determines the presence or absence of a defect by detecting mirror electrons generated when an electron beam is incident perpendicularly to a sample surface. Patent Document 1 describes an electron microscope in which the relationship between the parallelism of an electron flux incident on a sample and the conditions of a condenser lens is tabulated and the lens conditions are adjusted based on the selection of the parallelism. Yes.
  • Patent Document 1 it is possible to form a beam with a high degree of parallelism to some extent by preliminarily setting the apparatus conditions for collimating the beam. High reproducibility is required. An extremely high degree of parallelism is required to identify a defect according to a slight change in the charge amount. Therefore, it is desirable to check whether the beam is irradiated in parallel with high accuracy. There is no discussion on how to assess the degree. As described above, in the inspection apparatus of the mirror electron microscope type, it is important to adjust the trajectory of the irradiation electron beam, but there is no means for measuring whether the trajectory is parallel to the normal direction of the wafer surface. It is difficult to maintain high reproducibility. Therefore, based on the recognition that it is important to adjust the trajectory of the irradiated electron beam quantitatively and maintain stable defect identification sensitivity performance, the following equipment adjustment is performed based on the appropriate evaluation of the beam. We propose a charged particle beam system for this purpose.
  • an irradiation optical system including a lens that converges a charged particle beam emitted from a charged particle source, and a charge obtained by irradiating the charged particle beam toward a sample.
  • a charged particle beam apparatus having an imaging optical system that forms an image of particles on an imaging device, comprising a control device that controls the lens, and the control device causes the charged particle beam to reach the sample.
  • a charged particle beam apparatus is proposed in which the size of the obtained specific luminance region is evaluated for each condition of the lens, and the lens condition for which the size information satisfies a predetermined condition is selected.
  • an irradiation optical system including an optical element for adjusting a charged particle beam emitted from a charged particle source, and irradiation with the charged particle beam toward a sample are obtained.
  • a charged particle beam apparatus comprising: an imaging optical system that images a charged particle to be imaged on an image sensor; and an image processing device that generates an image based on the charged particles detected by the image sensor; A negative voltage application power source for applying a voltage; and a control device for controlling the negative voltage application power source.
  • the control device reflects a charged particle beam irradiated from the irradiation optical system without reaching the sample.
  • the negative voltage application power source is controlled so as to switch between a state and a state reaching the sample, and the control device is switched to a state where the charged particle beam reaches the sample Based on the detection of the charged particles that reach the image sensor, at least one of the size and position of the specific luminance region is obtained, and the optical element is such that at least one of the size and position of the specific luminance region is a predetermined condition
  • a charged particle beam device that adjusts
  • an irradiation optical system including an optical element for adjusting a charged particle beam emitted from a charged particle source, and irradiation of the charged particle beam toward a sample
  • a method for adjusting a charged particle beam apparatus including an imaging optical system that forms an image of the obtained charged particles on an image sensor, wherein a negative voltage is applied to the sample so that a charged particle beam reaches the sample.
  • a method for adjusting a charged particle beam apparatus that adjusts the optical element so that the size and position of a specific luminance region included in an image satisfy predetermined conditions is proposed.
  • the trajectory of a charged particle beam that cannot be visually observed can be properly evaluated, and appropriate apparatus conditions can be adjusted.
  • the figure explaining the outline of a mirror electron microscope inspection apparatus The figure explaining the example from which the track
  • a fine circuit is formed on a mirror-polished semiconductor wafer. If there are foreign objects, scratches, crystal defects, or altered layers of crystals on the wafer, defects or material deterioration will occur in the circuit pattern formation process, and the manufactured device will not operate normally or operate properly. Reliability will deteriorate and it will not be completed as a product.
  • a power device using SiC it has excellent characteristics as a power device material, such as a higher breakdown voltage than Si, but it is excellent in chemical stability and hard, so it can be used on the wafer surface without crystal disturbance.
  • a power device material such as a higher breakdown voltage than Si
  • it is excellent in chemical stability and hard so it can be used on the wafer surface without crystal disturbance.
  • crystal defects such as dislocations generated during crystal growth remain, and it is necessary to manage these defects existing in the wafer in order to ensure the reliability of the SiC power device.
  • One technique for wafer defect inspection is an electron beam apparatus that evaluates an image formed by detecting electrons obtained by irradiating a sample with a charged particle beam.
  • a defect inspection apparatus that detects a defect based on an image signal obtained based on electron beam irradiation will be mainly described. For example, by applying a negative voltage approximately equal to the accelerating voltage of the irradiated electron beam to the wafer, the electron beam irradiated to the entire inspection field on the wafer surface is reversed near the wafer surface, and the reversed electrons are connected by an electron lens.
  • An inspection apparatus using a mirror electron microscope for imaging and obtaining an electronic image for inspection will be described.
  • Mirror mirror electron microscope is used to detect defects in semiconductor crystals. Since the mirror electron image obtained in the state irradiated with ultraviolet rays is suitable for detecting stacking faults in the SiC epitaxial layer, it is desirable to provide the mirror electron microscope with an ultraviolet light source for irradiating the sample with ultraviolet light. . Electric charges generated inside the sample by ultraviolet irradiation are trapped in the stacking fault portion of the SiC epitaxial layer and locally charged, thereby distorting the equipotential surface of the surface. Since even a slight distortion on the equipotential surface causes the density of the mirror electron image to be generated, stacking faults can be detected with high sensitivity using a mirror electron microscope.
  • a standard sample having a flat surface made of a conductive material is used, and the potential applied to this standard sample is changed in a positive direction from a negative potential value at which all irradiated electrons repel.
  • a defect inspection apparatus is proposed that measures the distribution of the image signal intensity within the mirror electron image field of the standard sample surface and adjusts the irradiation electron optical system based on the change of the image signal intensity distribution with respect to the applied potential.
  • the trajectory adjustment of the irradiation electron beam is determined quantitatively and with good reproducibility, and the defect inspection apparatus capable of maintaining the defect identification sensitivity performance can be stably produced.
  • FIG. 1 omits a pump for vacuum exhaust, its control device, exhaust system piping, a transfer system for the wafer to be inspected, and the like.
  • the electron beam trajectory is exaggerated from the actual trajectory for the sake of explanation.
  • the irradiated electron beam 100a emitted from the electron gun 101 is deflected by the separator 103 while being converged by the condenser lens 102, and is irradiated onto the wafer 104 to be inspected as a substantially parallel bundle of electron beams.
  • a Zr / O / W type Schottky electron source having a small light source diameter and a large current value is used, but a LaB6 electron source capable of obtaining a higher current value or a cold cathode having a higher luminance.
  • An electron source such as an electron source may be used.
  • the electron gun 101 may be a magnetic field superposition type electron gun in which a magnetic lens is disposed in the vicinity of the electron source.
  • the voltage and current required for the operation of the electron gun such as the extraction voltage of the electron gun 101, the acceleration voltage of the extracted electron beam, and the heating current of the electron source filament, are supplied and controlled by the electron gun controller 105.
  • the electron gun controller 105 When a Schottky electron source or a cold cathode electron source is used as the electron source, the inside of the electron gun 101 needs to be maintained at an ultrahigh vacuum of 10 ⁇ 6 Pa or less, so that a vacuum is used during maintenance. A shielding valve for maintenance is provided.
  • the condenser lens 102 is depicted as one lens in the figure, it may be an electro-optical system in which a plurality of lenses and multipoles are combined.
  • the objective lens 106 is an electrostatic lens or a magnetic lens composed of a plurality of electrodes, or a combination thereof.
  • the separator 103 is installed to separate the irradiation electron beam directed toward the wafer 104 to be inspected and the mirror electron beam returning from the wafer 104 to be inspected.
  • a separator using an E ⁇ B deflector is used.
  • the E ⁇ B deflector can be set so as to deflect the electron beam coming from above and to make the electron beam coming from below go straight.
  • the electron optical column that supplies the irradiation electron beam is tilted, and the electron optical column that forms an image of the reflected electrons stands upright.
  • an aberration corrector may be additionally provided.
  • the separator 103 is a magnetic deflector, an auxiliary coil is provided for correction. Further, in addition to these optical elements, an alignment deflector for deflecting the beam so as to pass the beam along an ideal optical axis such as a lens may be mounted.
  • the area on the inspection wafer 104 irradiated by the irradiation electron beam 100a has an area of, for example, 10,000 ⁇ m square.
  • the objective lens 106 includes an anode for pulling up mirror electrons above the surface of the wafer 104 to be inspected.
  • a wafer holder 109 is installed via an insulating member on the moving stage 108 controlled by the moving stage control device 107, and the wafer 104 to be inspected is placed thereon.
  • the driving method of the moving stage 108 is two orthogonal linear movements, or a rotational movement around the center of the wafer 104 to be inspected and a linear movement in the radial direction of the wafer, or a combination thereof. In addition to these, a linear movement in the vertical direction and a movement in the tilt direction may be added. By these movements, the moving stage 108 positions the entire surface or a part of the surface of the wafer 104 to be inspected on the electron beam irradiation position, that is, on the optical axis of the objective lens 106.
  • the high voltage power supply 110 applies a negative voltage substantially equal to the acceleration voltage of the electron beam to the wafer holder 109.
  • the irradiation electron beam 100a is decelerated in front of the wafer 104 to be inspected by a decelerating electric field formed by a negative voltage applied to the wafer holder 109 (sample support member).
  • the negative voltage applied to the wafer holder 109 is finely adjusted so that the electron trajectory is reversed in the opposite direction before colliding with the wafer 104 to be inspected.
  • the electrons reflected by the wafer become mirror electrons 100c.
  • the mirror electrons 100c are focused by the objective lens 106 and other imaging lenses, and are projected onto the image sensor to be converted into image signals. Since the separator 103 is an E ⁇ B deflector in the present embodiment, the separator 103 can be controlled so as not to have a deflection action with respect to the electron beam traveling from below, and the mirror electron 100c travels straight in the upright imaging system column direction.
  • the first image is sequentially formed by the intermediate electron lens 111 and the projection electron lens 112.
  • the intermediate lens 111 and the projection lens 112 are electrostatic or magnetic lenses.
  • the final electronic image is enlarged and projected on the image detection unit 113.
  • the projection electron lens 112 is depicted as a single electron lens, but there are also cases where it is composed of a plurality of electron lenses and multipoles for high magnification enlargement and image distortion correction.
  • a deflector or an astigmatism corrector for adjusting the electron beam in more detail is provided as necessary.
  • the ultraviolet light from the ultraviolet light source 113 is dispersed by the spectroscope 114 and irradiated to the wafer 104 to be inspected by the ultraviolet optical element 115. Since the wafer 104 to be inspected is held in a vacuum, the atmosphere side and the vacuum side are separated by a window made of a material that transmits ultraviolet rays (for example, quartz), and ultraviolet rays emitted from the ultraviolet optical element 115 are separated. Irradiate through the window.
  • the ultraviolet light source 113 may be installed in a vacuum. In that case, instead of wavelength selection by the spectroscope 114, it is also possible to use a solid element that emits ultraviolet light having a specific emission wavelength.
  • Ultraviolet light is transmitted between the ultraviolet light source 113, the spectroscope 114, and the ultraviolet optical element 115 through an optical fiber or the like.
  • the ultraviolet light source 113 and the spectroscope 114 may be integrated. If the ultraviolet light source 113 can be provided with a filter that transmits only a specific range of wavelengths, the spectroscope 114 may not be used.
  • the image detection unit 116 (imaging device) converts the image of the mirror electrons 100c into an electrical signal and sends it to the defect determination unit 117.
  • the image detection unit 116 includes a fluorescent plate that converts an electron beam into visible light, and a camera that captures an electronic image of the fluorescent plate.
  • a two-dimensional detector such as a CCD element that detects electrons. And so on.
  • a mechanism for multiplying the intensity of the electronic image and the intensity of the fluorescence may be provided.
  • the defect determination unit 117 functions as an image processing apparatus and executes image processing as will be described later.
  • the mirror electronic image at each location on the surface of the wafer 104 is output from the image detection unit 116 while driving the moving stage 108.
  • the moving stage 108 may be stopped at the time of each imaging, or may be kept moving at a constant speed without stopping. In the latter case, the image detection unit 116 performs time delay integration (TDI; Time Delay Integration) type imaging.
  • TDI Time Delay Integration
  • the operation conditions of various parts of the apparatus are input / output from the inspection apparatus control unit 118.
  • the inspection device control unit 118 is preliminarily inputted with various conditions such as an acceleration voltage at the time of generating an electron beam, an electron beam deflection width / deflection speed, a stage moving speed, an image signal capturing timing from an image detection element, and an ultraviolet irradiation condition.
  • the moving stage control device 107, the electron optical system control device 119 for controlling each electron optical element, the control system for the ultraviolet light source 113 and the spectroscope 114, and the like are collectively controlled.
  • the inspection device control unit 118 may be composed of a plurality of computers that share roles and are connected by communication lines.
  • a monitor input / output device 120 is installed, and the user can adjust the inspection device, input operating conditions, execute inspection, and the like.
  • An operation program for operating each control unit (control device) is stored in advance in a storage medium (not shown), and control according to the instruction command is performed.
  • the electron optical system In order for the mirror electron microscope type inspection apparatus described above to correctly detect and classify defects in the wafer, the electron optical system must be correctly adjusted. A particularly important adjustment is that the irradiated electron beam 100a is irradiated with a trajectory parallel to the surface normal of the wafer 104 to be inspected. This is realized by the irradiation electron beam 100a being converged to the back focal point 100b of the objective lens 106 by the condenser lens 102. The position of the back focal point 100b varies depending on the operating conditions of the objective lens 106, and since each of the poles of the separator 103 and the objective lens 106 exists, a fluorescent screen or the like cannot be installed, so that the electron beam is converged to the position of the rear focal point 100b. It is not possible to observe directly.
  • the state of convergence of the electron beam to the back focal point 100b is indirectly observed by changing the output voltage of the high-voltage power supply 110 that applies a negative potential to the wafer 104.
  • the wafer 104 is a sample obtained by coating a metal that does not form an oxide film such as platinum or gold by a method such as vacuum deposition.
  • This sample has a region where no pattern is formed or there is no pattern in a range larger than the electron beam irradiation region.
  • This sample is, for example, a Si wafer. Any material may be used as long as the material of the wafer is electrically connected to the wafer holder 109 and the surface is flat.
  • a quartz glass wafer may be a wafer in which a metal coat is applied to the front surface including the back surface and side surfaces.
  • FIG. 2 shows an example in which the electron beam from the condenser lens 102 is not converged to the back focal point 100b of the objective lens 106 (FIG. 2A) and a case in which it is converged (FIG. 2B).
  • FIG. 2 the electron trajectory in the vicinity of the wafer 104 is schematically shown as viewed from the side. For the sake of explanation, the inclination of each track is exaggerated.
  • the trajectory of the irradiation electron beam 100a does not become parallel to the surface normal of the wafer 104 except on the optical axis.
  • the trajectory of the irradiation electron beam 100a is substantially parallel to the surface normal of the wafer 104 as shown in FIG. Accordingly, the component in the normal direction of the surface of the wafer 104 in the kinetic energy of the irradiation electron beam decreases in the example of FIG. 2A from the center of the irradiation region to the outside, and in the case of FIG. 2B, the irradiation region. It is almost equal throughout.
  • FIG. 3 schematically shows the state when the potential of the wafer 104 is changed.
  • 3A (above the white arrow) shows the surface potential of the wafer 104 when it is not converged to the back focal point 100b, and the center of the irradiation electron beam 100b is trajectory near the wafer surface. It seems that it has been adjusted so as to be reversed.
  • the dotted line indicates the position of the equipotential surface of the reflected potential set by applying a negative voltage.
  • the electron beam in the central part reaches the reflected potential position because it is parallel to the normal to the wafer surface, but the electrons in the peripheral part have a kinetic energy component in the lateral direction, so the trajectory is reversed before reaching the set reflected potential. (The inverted trajectory is not shown).
  • the lower diagram in FIG. 3A shows that the potential at which the electron beam at the center is reversed is lower than the wafer surface by further changing the wafer potential to the plus side while keeping the sample potential negative.
  • the case of (inside the wafer) is shown.
  • electrons in the center of the electron beam irradiation region collide with the wafer surface. Since the wafer is conductive and conductive (grounded) with the wafer holder 109, the colliding electrons flow away toward the wafer holder 109, and therefore the mirror electrons disappear.
  • the electrons having a small component in the normal direction of the outer wafer surface are orbitally reversed without colliding with the surface.
  • FIG. 3 (b) shows an upper diagram (above the white arrow) where the surface potential of the wafer 104 is reversed when the focused electron beam 100b is in the vicinity of the wafer surface. It seems that it was adjusted to do. In this case, since all the electron beams are almost parallel to the wafer normal direction, the wafer normal component of the kinetic energy of the electrons is almost the same, and all the electrons reach the set reflection potential position and the orbit is reversed. (The inverted trajectory is not shown).
  • the figure below shows the case where the potential of the wafer is further changed to the plus side so that the potential for reversing the trajectory is below the wafer surface (inside the wafer). At this time, the electrons collide with the wafer surface not over a part of the irradiated electron beam as shown in FIG.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of the field of view of the mirror electron image.
  • FIG. 4A when the electron beam is not converged on the back focal point 100b, when the wafer potential is changed positively as described above, the brightness of the entire field of view of the mirror electron image is reflected on the wafer surface. The colliding part becomes dark (change from the top of the white arrow to the bottom).
  • FIG. 4B in which the electron beam is converged on the back focal point 100b, when the wafer potential is changed positively, the entire field of view of the mirror electron image becomes dark because it collides with the wafer surface (outlined). Change from the top of the arrow to the bottom).
  • the size of the region that darkens when the wafer potential is changed to positive is indicated by R in FIG.
  • the value of the magnitude R may be determined as a magnitude of a range of image intensities smaller than the threshold by providing a constant threshold for the image intensity of the mirror electronic image. For example, the size is evaluated by counting the number of pixels in a low luminance area (pixel area below a predetermined gradation value) that is equal to or lower than a predetermined threshold.
  • the size R of the darkened area is used as an evaluation index, and it is determined whether or not the optical system is adjusted so that the electron beam from the condenser lens 102 is converged to the back focal point 100b of the objective lens 106.
  • FIG. 5 shows an example of a graph for this determination.
  • Optical parameters are taken on the horizontal axis.
  • lens conditions such as a voltage applied to the objective lens 106 and a current value applied to the condenser lens 102 (when the condenser lens 102 is a magnetic lens).
  • the size R of the darkened region in the mirror electron image when the voltage of the wafer 104 is positive by a certain amount is plotted. If the darkening size is not a circle, the index is determined as the radius of a circle circumscribing the darkened area.
  • FIG. 4 shows changes in points plotted in this way, and the value R takes the maximum value for a certain optical parameter value.
  • An optical parameter that maximizes R or is equal to or greater than a predetermined value is set as an optimum value. At this time, the adjustment close to the situation of FIG. 4B is achieved, in which the electron beam is converged on the back focal point 100b of the objective lens 106 and the irradiated electron beam is irradiated in parallel to the normal direction of the wafer surface.
  • the optical parameter of FIG. 5 is set to the voltage value of the objective lens 106
  • a graph is repeatedly created for other parameters, for example, a plurality of current values of the condenser lens 102, and the objective lens 106 that gives the largest R is shown. It is also possible to determine optimum values for a plurality of optical parameters, such as selecting a combination of a voltage value and a current value of the condenser lens 102 as an optimum value.
  • the state of electron beam irradiation in each apparatus Can be expressed quantitatively.
  • an adjustment method using the wafer 104 is shown, but other samples are also included in the present invention as long as the surface is flat and conductive.
  • a sample piece installed in a place where a wafer on the wafer holder 109 is not placed may be used.
  • the negative voltage is set so that the wafer holder 109 mounted on the moving stage 108 via the insulating member 701 is at the same potential as the wafer 104 at a position different from the mounting position of the wafer 104.
  • the above adjustment may be performed using a standard sample 703 that is conducted to the wafer holder 109 to which a negative voltage is applied from the applied power source 702.
  • the irradiation electron beam is irradiated in parallel to the normal direction of the wafer surface without providing an electronic image observation device on the back focal plane of the objective lens. Can be evaluated quantitatively.
  • FIG. 8 is a flowchart showing the process.
  • the control device attached to the apparatus includes a storage medium that stores a program for operating the apparatus according to a flowchart as will be described later, and the apparatus illustrated in FIG. 1 can perform automatic adjustment of the apparatus.
  • the lens condition is set to an initial value (step 801). Then, in a state where a predetermined negative voltage is applied to the sample (step 802), an image is generated by projecting a beam toward the sample, and luminance evaluation in the image is performed (step 803). In this case, pixels whose luminance value (gray level) is a predetermined value or less are counted, and the area evaluation of the low luminance region is performed. By performing such an area evaluation under a plurality of sample potential conditions, a change in the area of the low luminance region according to a change in the sample potential under a certain lens condition is evaluated.
  • FIG. 9 is a diagram showing how the size of the low-luminance region 908 obtained under a plurality of lens conditions (three lens conditions (a) to (c) in this example) changes with changes in the voltage applied to the sample. is there. It shows how the sample height (depth) reached by the projected electrons changes from position 901 to 903 due to the change in the voltage applied to the sample.
  • lens condition A the lens condition is weaker than the ideal value
  • lens condition C lens condition is stronger than the ideal value
  • changing the voltage application condition to the sample the size of each low-luminance region R A1 ⁇ It changes to R A3 , R C1 to R C3 .
  • the lens condition B the lens conditions are properly set, because the beam is projected from the normal direction of the sample surface, even by changing the voltage applied to the sample, the size of the low-intensity region R B Will not change.
  • the size of the low luminance region at different sample potentials is obtained for each lens condition, and the lens condition with the smallest change in the size of the low luminance region is set as the apparatus condition (step 804).
  • FIG. 10 is a flowchart showing a process of evaluating the size of the low luminance region by changing the lens condition after first determining the sample potential for evaluating the low luminance region.
  • the lens condition in which the size of the low luminance region is the largest (or a predetermined value or more) is an appropriate lens condition, first, to the extent that the size of the low luminance region can be evaluated. Electrons are made to reach the sample, and the size of the low luminance region is evaluated while changing the lens conditions. Therefore, after setting the initial value of the lens condition (step 1001), the luminance condition of the irradiation area (step 1003) is changed while changing the voltage condition to the sample (step 1002), thereby reducing the size of the low-luminance area.
  • a moderately sized low luminance region is generated, and the lens condition is changed in that state (step 1004). Then, a lens condition that satisfies a predetermined condition for the size of the low luminance region is found (step 1004), and the lens condition is determined as an apparatus condition (step 1005). Note that after setting a predetermined number of lens conditions, the best condition may be found, or automatic adjustment may be terminated when the best condition is found. In addition, a lens condition that allows the size of the low luminance region to be maximized by interpolation may be selected.
  • a device that generates an image without causing electrons to reach the sample is provided with a beam evaluation mode that allows electrons to partially reach the sample, so that inspection can be performed under appropriate beam conditions. Etc. can be performed.
  • the electron beam from the condenser lens 102 is correctly aligned on the optical axis of the objective lens 106. A converged situation can be realized.
  • the degree of convergence on the back focal plane 100b of the objective lens 106 may be adjusted according to the first embodiment.
  • the axis of the irradiation electron optical system including the separator can be adjusted without providing an electronic image observation device on the back focal plane of the objective lens.
  • FIG. 11 is a flowchart showing a process of adjusting the apparatus conditions based on the evaluation of the inclination of the beam trajectory.
  • the apparatus conditions are set such that electrons can reach the sample (step 1101).
  • the sample potential is changed to the positive side, and then the luminance evaluation of the irradiation region is performed (steps 1102 and 1103).
  • Steps 1102 and 1103 are repeated until an image capable of evaluating the size of the low luminance region is obtained.
  • a shift between the image center and the low-luminance area center is evaluated (step 1104).
  • the optical axis adjustment is executed so as to correct this deviation amount (step 1105).
  • an aligner deflector
  • the adjustment is performed by referring to a table in which the relationship between the deviation amount and the aligner condition is stored in advance.
  • the axis may be adjusted by optimizing the Wien condition of the separator 103.
  • the apparatus is an apparatus that generates an image in a state where electrons do not reach the sample (first irradiation mode), and it is appropriate to provide an adjustment mode (second irradiation mode) for causing electrons to reach the sample. It is possible to find out the proper device conditions.
  • the apparatus conditions are adjusted during the inspection of the actual sample or after the inspection, the electron beam is irradiated to the standard specimen 703 illustrated in FIG. 7 or an area on the wafer defined for the apparatus condition adjustment.
  • the moving stage control device 107 controls the moving stage 108, and the high voltage power supply 110 changes the negative voltage applied to the wafer holder 109 to the positive side so that the irradiation electron beam 100a reaches the wafer or the standard sample.
  • It is possible to perform appropriate beam evaluation and adjustment by performing image evaluation and adjustment of apparatus conditions as described above in a state where the beam has reached the wafer.
  • the irradiation mode may be switched in advance by preparing an operation program (recipe) so that the apparatus switches to the second irradiation mode when the apparatus is started up or after a predetermined time has elapsed since the start of the inspection. Then, switching may be performed based on an instruction for device condition adjustment from the monitor input / output device 120.

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Abstract

本発明は、ビームの適正な評価に基づく装置調整を行う荷電粒子線装置の提供を目的とする。本発明では上記目的を達成するために、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを収束するレンズを含む照射光学系と、試料に向かって前記荷電粒子ビームを照射することによって得られる荷電粒子を撮像素子に結像する結像光学系を備えた荷電粒子線装置であって、前記レンズを制御する制御装置を備え、当該制御装置は、前記試料に前記荷電粒子ビームを到達させることによって得られる特定輝度領域のサイズを、前記レンズの条件ごとに評価し、当該サイズ情報が所定の条件を満たすレンズ条件を選択する荷電粒子線装置を提案する。

Description

荷電粒子線装置、及び荷電粒子線装置の調整方法
　本開示はウェハの欠陥検査等に用いられる荷電粒子線装置に係り、特に荷電粒子線の照射条件を調整する機能が備えられた荷電粒子線装置、及び荷電粒子線装置の調整方法に関する。
　半導体ウェハに含まれる欠陥を検出する装置として、電子顕微鏡等の荷電粒子線装置が用いられている。特許文献１には、電子ビームを試料面に対して垂直に入射することによって生じるミラー電子を検出することによって、欠陥の有無を判定するミラー電子顕微鏡が開示されている。また、特許文献１には、試料に入射する電子束の平行度とコンデンサレンズの条件との関係をテーブル化しておき、平行度の選択に基づいて、レンズ条件を調整する電子顕微鏡が説明されている。
特許第４２５３５７６号（対応米国特許ＵＳＰ７，２８８，９４８）
　特許文献１に開示されている紫外光照射による結晶欠陥の局所帯電状態で、特許文献１に開示されているようなミラー電子顕微鏡による観察を行うことによって、帯電した欠陥を顕在化することができる。しかし欠陥には様々な種類があり、帯電量も異なっている。ミラー電子顕微鏡を用いて帯電量による欠陥の弁別を行うには、帯電量の大きさに合わせてミラー電子像のコントラストに反映される必要がある。ミラー電子顕微鏡の像形成原理から、視野全体に亘って同一の帯電量が同一のコントラストとして像に反映されるためには、照射された電子線が、照射領域全体に亘ってウェハ表面法線に平行な軌道を有するように、電子光学系が調整されていなければならない。同じ帯電量を持った欠陥があったとしても、照射される電子線の方向が同じでなければ反射の軌道が異なってしまい、従ってミラー電子像には異なるコントラストとして現れるからである。
　一方、特許文献１に説明されているように、ビームが平行となる装置条件を予めテーブル化しておくことによって、ある程度、平行度の高いビームを形成することができるが、レンズを制御する電源に高い再現性が求められる。僅かな帯電量の変化に応じた欠陥の識別を行うためには極めて高い平行度が要求されるため、ビームが高い精度で平行照射されているか確認することが望ましいが、特許文献１には平行度を評価する手法については論じられていない。このように、ミラー電子顕微鏡方式の検査装置においては照射電子線の軌道の調整が重要であるが、ウェハ表面法線方向に対して軌道が平行かどうかを測定する手段は無く、調整者の経験に依存することになり、高い再現性を維持することが困難である。そこで、照射電子線の軌道調整等を定量的に実施でき、安定して欠陥識別感度性能を維持することが重要であるとの認識に基づき、以下にビームの適正な評価に基づく装置調整を行うことを目的とする荷電粒子線装置を提案する。
　上記目的を達成するための一態様として、以下に荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを収束するレンズを含む照射光学系と、試料に向かって前記荷電粒子ビームを照射することによって得られる荷電粒子を撮像素子に結像する結像光学系を備えた荷電粒子線装置であって、前記レンズを制御する制御装置を備え、当該制御装置は、前記試料に前記荷電粒子ビームを到達させることによって得られる特定輝度領域のサイズを、前記レンズの条件ごとに評価し、当該サイズ情報が所定の条件を満たすレンズ条件を選択する荷電粒子線装置を提案する。
　また、上記目的を達成するための他の態様として、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを調整する光学素子を含む照射光学系と、試料に向かって前記荷電粒子ビームを照射することによって得られる荷電粒子を撮像素子に結像する結像光学系と、前記撮像素子によって検出された荷電粒子に基づいて画像を生成する画像処理装置を備えた荷電粒子線装置であって、前記試料に負電圧を印加する負電圧印加電源と、当該負電圧印加電源を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記照射光学系から照射される荷電粒子ビームが前記試料に到達することなく反射される状態と、前記試料に到達する状態を切り替えるように、前記負電圧印加電源を制御し、前記制御装置は、前記荷電粒子ビームが試料に到達する状態に切り替えた状態で前記撮像素子に到達する荷電粒子の検出に基づいて、特定輝度領域のサイズ及び位置の少なくとも１つを求め、当該特定輝度領域のサイズ及び位置の少なくとも１つが所定の条件となるように前記光学素子を調整する荷電粒子線装置を提案する。
　更に、上記目的を達成するための更に他の態様として、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを調整する光学素子を含む照射光学系と、試料に向かって前記荷電粒子ビームの照射することによって得られる荷電粒子を撮像素子に結像する結像光学系を備えた荷電粒子線装置の調整方法であって、前記試料に荷電粒子ビームが到達した状態となるように、前記試料に負電圧を印加し、当該負電圧印加状態で得られる荷電粒子を前記撮像素子で検出し、当該荷電粒子の検出に基づいて、前記荷電粒子ビームの到達領域を示す特定輝度領域を含む画像を生成し、当該画像に含まれる特定輝度領域のサイズ及び位置が所定の条件を満たすように、前記光学素子を調整する荷電粒子線装置の調整方法を提案する。
　上記構成によれば、目視できない荷電粒子ビームの軌道を適正に評価でき、適正な装置条件の調整を行うことができる。
ミラー電子顕微鏡検査装置の概略を説明する図。 電子顕微鏡の光学条件によって、ビームの軌道が変化する例を説明する図。 電子顕微鏡の光学条件によって、ビームの軌道が変化する例を説明する図。 電子顕微鏡の光学条件によって、特定輝度領域のサイズが変化する例を説明する図。 特定輝度領域のサイズと光学条件の関係を示すグラフ。 投射されるビームと装置の理想光軸が一致していない状態を説明する図。 光学条件評価用の標準試料を搭載した試料ホルダの一例を示す図。 画像評価に基づいてレンズ条件を調整する工程を示すフローチャート。 試料への印加電圧とレンズ条件の変更によって、得られる画像情報が変化する状態を示す図。 画像評価に基づいてレンズ条件を調整する工程を示すフローチャート。 画像評価に基づいて装置条件を調整する工程を示すフローチャート。
　半導体デバイス製造工程では、鏡面状に研磨された半導体ウェハ上に微細な回路を形成する。このようなウェハ上に異物や傷、あるいは結晶欠陥や結晶の変質層などが存在すると、回路パターンの形成過程において欠陥や材質劣化が生じ、製造されたデバイスが正常に動作しなくなったり、動作の信頼性が劣化したりし製品として完成しない。
　ＳｉＣを用いたパワーデバイスの場合、Ｓｉに比べ高い絶縁破壊耐圧など、パワーデバイス材料としての諸特性に優れているが、化学的安定性に優れ、かつ、硬いため、結晶擾乱の無いウェハ表面への加工、研磨が難しく、加工によって発生する結晶変質層の完全な除去は困難である。また、結晶成長中に発生した転位などの結晶欠陥も残存しており、ＳｉＣパワーデバイスの信頼性確保のためには、ウェハに存在するこれら欠陥の管理が必要である。
　ウェハの欠陥検査のためのひとつの技術として、試料に荷電粒子ビームを照射することによって得られる電子を検出することによって形成される画像を評価する電子線装置がある。以下に説明する実施例では、主に、電子ビーム照射に基づいて得られる画像信号に基づいて欠陥を検出する欠陥検査装置について説明する。例えば、照射する電子線の加速電圧にほぼ等しい負電圧をウェハに印加することで、ウェハ表面上の検査視野全体に照射した電子線をウェハ表面近傍で反転させ、反転した電子を電子レンズで結像し検査用の電子像を得る、ミラー電子顕微鏡を応用した方式の検査装置について説明する。
　ミラー電子顕微鏡の用途として、半導体結晶の欠陥の検出がある。紫外線を照射した状態で得られるミラー電子像が、ＳｉＣエピタキシアル層の積層欠陥検出に適しているため、ミラー電子顕微鏡には試料に対して紫外光を照射する紫外光源を設けておくことが望ましい。紫外線照射によって試料内部で発生した電荷が、ＳｉＣエピタキシアル層の積層欠陥部分に捕獲され、局所的に帯電することにより、表面の等電位面を歪ませる。わずかな等電位面の歪でもミラー電子像に濃淡を発生させるため、ミラー電子顕微鏡を用いて積層欠陥の検出が高感度で可能となる。
　以下に説明する実施例では、導電性材料からなる平坦な表面を持った標準試料を用い、本標準試料に印加する電位を、照射される全電子が反発する負電位値から正方向に変化させながら、標準試料表面のミラー電子像視野内の画像信号強度の分布を測定し、この画像信号強度分布の、印加電位に対する変化を元に照射電子光学系を調整する欠陥検査装置を提案する。
　上記構成によれば、照射電子線の軌道調整が定量的かつ再現性よく決定され、欠陥識別感度性能を維持できる欠陥検査装置の安定的な生産が可能となる。
　ミラー電子顕微鏡を用いた検査装置について、図１を用いて説明する。但し、図１には真空排気用のポンプやその制御装置、排気系配管、被検査ウェハの搬送系などは略されている。また、電子線の軌道は、説明のため実際の軌道より誇張されている。
　まず、電子線照射に係わる部分について説明する。電子銃１０１から放出された照射電子線１００ａは、コンデンサレンズ１０２によって収束されながら、セパレータ１０３により偏向されて、検査対象となるウェハ１０４に略平行束の電子線となって照射される。電子銃１０１には、光源径が小さく大きな電流値が得られる、Ｚｒ／Ｏ／Ｗ型のショットキー電子源が用いられるが、より高い電流値が得られるＬａＢ６電子源やより輝度の高い冷陰極電子源等の電子源を用いてもよい。
　また、電子銃１０１は、電子源近傍に磁界レンズを配する磁界重畳型電子銃であってもよい。電子銃１０１の引出電圧、引き出された電子線の加速電圧、および電子源フィラメントの加熱電流などの、電子銃の運転に必要な電圧と電流は電子銃制御装置１０５により供給、制御されている。電子源にショットキー電子源や冷陰極電子源が用いられている場合には、電子銃１０１内は、１０－６Ｐａ以下といった超高真空に維持される必要があるため、メンテナンス時等において真空維持のための遮蔽バルブが備えられている。
　コンデンサレンズ１０２は１つのレンズとして図中描かれているが、複数のレンズや多極子を組み合わせた電子光学システムであっても良い。対物レンズ１０６は、複数の電極からなる静電レンズあるいは磁界レンズ、または、これらの組合せである。
　セパレータ１０３は、被検査ウェハ１０４に向かう照射電子線と、被検査ウェハ１０４から戻ってくるミラー電子線とを分離するために設置される。本実施例では、Ｅ×Ｂ偏向器を利用したセパレータを用いている。Ｅ×Ｂ偏向器は、上方から来た電子線を偏向し、下方から来た電子線を直進させるように設定できる。この場合、図のように照射電子線を供給する電子光学鏡筒は傾斜され、反射された電子を結像する電子光学鏡筒は直立する。
セパレータによって照射電子線１００ａが偏向されるとき発生する収差を補正する必要がある場合は、収差補正器を追加配置してもよい。また、セパレータ１０３が磁界偏向器の場合は、補助的なコイルを設けて補正する。また、これらの光学素子に加え、レンズ等の理想光軸に沿ってビームを通過させるようにビームを偏向するアライメント偏向器を搭載するようにしても良い。
　照射電子線１００ａが照射する被検査ウェハ１０４上の領域は、例えば、１００００μｍ平方等といった面積を有する。対物レンズ１０６は、被検査ウェハ１０４表面上方にミラー電子を引き上げるための陽極を備えている。
　移動ステージ制御装置１０７によって制御されている移動ステージ１０８の上に、絶縁部材を介してウェハホルダ１０９が設置され、その上に被検査ウェハ１０４は戴置されている。移動ステージ１０８の駆動方式は、直交する二つの直進運動、または、被検査ウェハ１０４の中心を回転中心とした回転運動及びウェハの半径方向への直進運動、あるいはこれらの組合せである。またこれらに加えて、上下方向の直進運動や，傾き方向の運動が追加されてもよい。移動ステージ１０８はこれらの運動により，被検査ウェハ１０４表面上の全面あるいは一部分を，電子線照射位置すなわち対物レンズ１０６の光軸上に位置させる。 
　被検査ウェハ１０４表面に負電位を形成するため、高圧電源１１０（負電圧印加電源）は、電子線の加速電圧とほぼ等しい負電圧をウェハホルダ１０９に印加している。照射電子線１００ａは、ウェハホルダ１０９（試料支持部材）に印加された負電圧によって形成される減速電界によって被検査ウェハ１０４の手前で減速される。ウェハホルダ１０９に印加する負電圧は、被検査ウェハ１０４に衝突する前に反対方向に電子軌道が反転する様に、微調整しておく。ウェハで反射された電子は、ミラー電子１００ｃとなる。
　ミラー電子１００ｃは対物レンズ１０６やその他の結像レンズによって集束され、撮像素子に投影されることによって、画像信号に変換される。セパレータ１０３は本実施例ではＥ×Ｂ偏向器であるので、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ように制御でき、ミラー電子１００ｃは直立した結像系カラム方向に直進し、該第１の像は中間電子レンズ１１１、投影電子レンズ１１２によって順次結像される。
　これらの中間レンズ１１１及び投影レンズ１１２は、静電または磁界レンズである。最終的な電子像は画像検出部１１３に拡大投影される。図１では投影電子レンズ１１２は１つの電子レンズとして描かれているが、高い倍率の拡大や像歪みの補正などのために複数の電子レンズや多極子で構成される場合もある。本図には記されていないが、電子線をより詳細に調整するための偏向器や非点補正器などが必要に応じて装備されている。
　紫外線光源１１３からの紫外線は、分光器１１４により分光されて、紫外線光学素子１１５により、被検査ウェハ１０４に照射される。被検査ウェハ１０４は真空中に保持されているため、紫外線を透過する材料（例えば石英など）で作成された窓で大気側と真空側とを分け、紫外線光学素子１１５から発せられた紫外線を、窓越しに照射する。あるいは、紫外線光源１１３を真空内に設置してもよい．その場合は、分光器１１４による波長選択ではなく、特定の発光波長の紫外光を放出する固体素子などを用いることも可能である。紫外線光源１１３、分光器１１４、紫外線光学素子１１５の間は、光ファイバーなどで紫外線を伝達される。または、紫外線光源１１３、分光器１１４は一体化した構成でもよい。また、紫外線光源１１３に特定の範囲の波長のみを透過するフィルターを備えることができる場合は、分光器１１４を使用しない場合もある。
　画像検出部１１６（撮像素子）はミラー電子１００ｃの像を電気信号に変換し、欠陥判定部１１７に送る。画像検出部１１６は、一例として、電子線を可視光に変換する蛍光板、蛍光板の電子像を撮像するカメラから構成される場合、また別の一例として、電子を検出するＣＣＤ素子など２次元検出器から構成される場合、などがある。電子像の強度や蛍光の強度を増倍する機構を備えていてもよい。欠陥判定部１１７は画像処理装置として機能し、後述するような画像処理を実行する。
　ウェハ１０４表面の各場所のミラー電子像は、移動ステージ１０８を駆動しながら、画像検出部１１６から出力される。移動ステージ１０８は各撮像時に停止する場合と、あるいは、停止しないで一定の速度を保って移動を続ける場合とがある。後者の場合は、画像検出部１１６は時間遅延積分（ＴＤＩ；Ｔｉｍｅ　Ｄｅｌａｙ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）型の撮像を行う。各撮像において移動ステージ１０８を逐次停止する必要が無く高速の検査動作が可能となるが、移動ステージ１０８の移動速度と、画像素子の信号転送速度（ラインレート）とを同期させる必要がある。
　上記のＴＤＩ撮像動作の条件をはじめ、様々な装置各部の動作条件は、検査装置制御部１１８から入出力される。検査装置制御部１１８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、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、紫外線照射条件等々の諸条件が入力されており、移動ステージ制御装置１０７、各電子光学素子を制御する電子光学系制御装置１１９、紫外線光源１１３や分光器１１４の制御系、などを総括的に制御する。検査装置制御部１１８は、役割を分担し通信回線で結合された複数の計算機から構成される場合もある。また、モニタ付入出力装置１２０が設置されており、ユーザーによる検査装置の調整、動作条件の入力、検査の実行、などが行える。また、上記各制御部（制御装置）を動作させる動作プログラムは、図示しない記憶媒体に予め記憶されており、指示コマンドに応じた制御が行われる。
　以上説明したミラー電子顕微鏡方式の検査装置が、正しくウェハ内の欠陥を検出し分類できるためには、電子光学系が正しく調整されていなければならない。特に重要な調整は、照射電子線１００ａが被検査ウェハ１０４の表面法線に対し平行な軌道をもって照射されるようにすることである。これは、照射電子線１００ａがコンデンサレンズ１０２によって対物レンズ１０６の後焦点１００ｂに収束されることによって実現される。後焦点１００ｂの位置は、対物レンズ１０６の動作条件によって変化し、また、セパレータ１０３や対物レンズ１０６の各極子が存在するため蛍光板などを設置できないので、後焦点１００ｂの位置に電子線が収束されているかを直接観察することはできない。
　そこで、本実施例ではウェハ１０４に負電位を与える高圧電源１１０の出力電圧を変化させることで、間接的に後焦点１００ｂへの電子線の収束状況を観察する。
　ウェハ１０４は、プラチナや金など酸化膜を形成しない金属を真空蒸着等の方法でコーティングした試料である。この試料は、パターンが形成されていないか、電子線照射領域より大きい範囲で何もパターンの無い領域を有する。この試料は、例えばＳｉウェハなどである。ウェハの材質はウェハホルダ１０９と導通が取れ、表面が平坦であれば、何でもよい。例えば石英ガラスウェハに裏面や側面も含め表面に金属コートを施したウェハでもよい。
　図２は、コンデンサレンズ１０２からの電子線が対物レンズ１０６の後焦点１００ｂに収束されていない場合の一例（図２（ａ））と、収束されている場合（図２（ｂ））とを示した図である。図２では、ウェハ１０４の近傍の電子軌道を横から眺めた様に模式的に図示している。説明のため、各軌道の傾き等は誇張されて描かれている。後焦点１００ｂに電子線が収束されていない場合、図２(ａ)の様に、照射電子線１００ａの軌道は光軸上を除いてウェハ１０４表面法線に平行にならない。一方、後焦点１００ｂに電子線が収束されている場合、図２（ｂ）の様に、照射電子線１００ａの軌道はウェハ１０４表面法線にほぼ平行になる。従って、照射電子線の運動エネルギーの内、ウェハ１０４表面法線方向の成分は、図２(ａ)の例では照射領域の中心から外側に行くほど小さく、図２(ｂ)の場合は照射領域全体に亘ってほぼ等しくなっている。
　この様な状況の下で、ウェハ１０４に与える負電位を変化させる。図３にウェハ１０４の電位を変化させたときの様子を模式的に示した。図３（ａ）の上図（白抜き矢印の上）は、後焦点１００ｂに収束されていない場合に、ウェハ１０４の表面電位を、照射電子線１００ｂの中心部がウェハ表面の極近傍で軌道反転するように調整した様子である。点線は負電圧印加によって設定された反射電位の等電位面の位置を示している。中心部の電子線はウェハ表面法線に平行なため反射電位位置に到達するが、周縁部の電子は横方向の運動エネルギー成分を持つため、設定された反射電位に到達する前に軌道反転する（反転した軌道は図示せず）。
　図３（ａ）の下図（白抜き矢印の下）は試料電位を負に保ちつつも、さらにウェハの電位をプラス側に変化させ、中心部の電子線が軌道反転する電位がウェハ表面より下（ウェハの内部）になるようにした場合を示す。このとき、電子線照射領域中心部の電子はウェハ表面に衝突する。ウェハが導電性でありウェハホルダ１０９と導通（接地）しているために衝突した電子はウェハホルダ１０９の方へ流れ失われるので、ミラー電子はなくなることになる。一方、外側のウェハ表面法線方向成分が小さい電子は、表面に衝突せずに軌道反転する。
　一方、図３（ｂ） の上図（白抜き矢印の上）は、後焦点１００ｂに収束されている場合に、ウェハ１０４の表面電位を、照射電子線１００ｂがウェハ表面の極近傍で軌道反転するように調整した様子である。この場合、全ての電子線はウェハ法線方向にほぼ平行であるため、電子の運動エネルギーのウェハ法線成分はほぼ同じであり、全ての電子が設定された反射電位位置に到達して軌道反転する（反転した軌道は図示せず）。
　下図（白抜き矢印の下）はさらにウェハの電位をプラス側に変化させ、軌道反転する電位がウェハ表面より下（ウェハの内部）になるようにした場合を示す。このとき、図３（ａ）のように照射電子線の一部ではなく、照射領域の全面に亘って電子はウェハ表面に衝突することになる。
　上記の様子をミラー電子像の視野の模式図で図４に示した。後焦点１００ｂに電子線が収束されていない場合の図４（ａ）では、上述したようにウェハの電位を正に変化させたとき、ミラー電子像の視野全体の明るさのうち、ウェハ表面に衝突する部分が暗くなる（白抜き矢印の上から下の様に変化）。一方、後焦点１００ｂに電子線が収束されている図４（ｂ）では、ウェハの電位を正に変化させたとき、ミラー電子像の視野全体が、ウェハ表面に衝突するため暗くなる（白抜き矢印の上から下の様に変化）。
　ウェハ電位を正に変化させたときに暗くなる領域の大きさを図４中にＲで示した。大きさＲの値は、ミラー電子像の画像強度に一定の閾値を設け、その閾値より小さい画像強度の範囲の大きさなどとして決定すればよい。例えば所定の閾値以下の低輝度領域（所定の階調値以下の画素領域）の画素数をカウントすることによって、大きさを評価する。
　本実施例ではこの暗くなった領域の大きさＲを評価指標とし、コンデンサレンズ１０２からの電子線が対物レンズ１０６の後焦点１００ｂに収束される様、光学系が調整されたかどうかを判定する。
　図５に、この判定のためのグラフの一例を示す。横軸に光学パラメータをとる。例えば、対物レンズ１０６に与える電圧やコンデンサレンズ１０２に与える電流値（コンデンサレンズ１０２が磁界レンズの場合）などのレンズ条件である。各光学パラメータ値に対して、ウェハ１０４の電圧を一定量正にしたときの、ミラー電子像において暗くなる領域の大きさＲをプロットする。この暗くなる大きさが円では無い場合は、暗くなった領域を外接する円の半径などとして、指標を決定する。図４はこのようにプロットされた点の変化を表しており、ある光学パラメータ値に対して値Ｒは最大値をとる。このＲが最大となる、或いは所定値以上となる光学パラメータを最適値と設定する。この時、対物レンズ１０６の後焦点１００ｂに電子線が収束され照射電子線がウェハ表面法線方向に平行に照射されている、図４（ｂ）の状況に近い調整が達成されている。
　また、図５の光学パラメータを対物レンズ１０６の電圧値にした例において、その他のパラメータ、例えばコンデンサレンズ１０２の複数の電流値に対して繰り返しグラフを作成し、最も大きいＲを与える対物レンズ１０６の電圧値とコンデンサレンズ１０２の電流値の組み合わせを最適値として選ぶ、というように複数の光学パラメータに対して最適値を決定することもできる。
　この様にして決定されたＲの最大値の、ミラー電子像視野の大きさに対する比を計算し、この比をもって照射電子線の照射平行度の指標とすれば、各装置における電子線照射の状況を定量的に表すことができる。
　本実施例では、ウェハ１０４を用いた調整法を示したが、表面が平坦でかつ導電性があれば他の試料でも同様に本発明に含まれる。例えば、ウェハホルダ１０９上のウェハが戴置されない場所に設置された試料片でもよい。例えば図７に例示するように、移動ステージ１０８上に絶縁部材７０１を介して搭載されたウェハホルダ１０９のウェハ１０４の搭載位置とは別の位置に、ウェハ１０４と同電位となるように、負電圧印加電源７０２から負電圧が印加されたウェハホルダ１０９に導通された標準試料７０３を用いて上記調整を行うようにしても良い。
　本実施例によれば、ミラー電子顕微鏡を用いた検査装置において、対物レンズの後焦点面に電子像観察機器を設けることなく、照射電子線がウェハ表面法線方向に平行に照射されている状況を定量的に評価できる。
　なお、上述の例では複数のレンズ条件の中から、試料電位を一定量変化させたときに現れる低輝度領域の大きさ情報が所定の条件を満たす（面積が最大、或いは所定値以上）レンズ条件を選択する例について説明したが、面積の絶対量ではなく試料電位の変化に応じた面積の変化量を判断指標とすることも可能である。図８はその工程を示すフローチャートである。装置に取り付けられた制御装置は、後述するようなフローチャートに従って装置を動作させるプログラムを記憶した記憶媒体を備えており、図１に例示するような装置では装置の自動調整を行うことができる。
　図８に例示する自動調整工程では、まず、レンズ条件を初期値に設定する（ステップ８０１）。そして試料に所定の負電圧を印加した状態（ステップ８０２）で、試料に向かってビームを投射することによって、画像を生成し、当該画像内の輝度評価を行う（ステップ８０３）。この場合、輝度値（グレーレベル）が所定値以下の画素をカウントし、低輝度領域の面積評価を行う。このような面積評価を、複数の試料電位条件で行うことによって、或るレンズ条件における試料電位の変化に応じた低輝度領域の面積の変化を評価する。図９は複数のレンズ条件（本例では３つのレンズ条件（ａ）～（ｃ））で得られる低輝度領域９０８の大きさが、試料への印加電圧の変化によって変化する様子を示す図である。試料への印加電圧の変化により、投射電子が到達する試料高さ（深さ）が位置９０１から９０３に変化する様子を示している。
　レンズ条件Ａ（レンズ条件が理想値より弱い）、及びレンズ条件Ｃ（レンズ条件が理想値より強い）の場合、試料への電圧印加条件を変化させると、それぞれ低輝度領域のサイズがＲＡ１～ＲＡ３、ＲＣ１～ＲＣ３に変化する。一方、レンズ条件Ｂの場合、レンズ条件が適正に設定されており、試料表面の法線方向からビームが投射されるため、試料への印加電圧を変化させても、低輝度領域ＲＢのサイズは変わらない。図８に例示する手法では、各レンズ条件について異なる試料電位における低輝度領域のサイズを求め、低輝度領域のサイズの変化が最も少ないレンズ条件を装置条件として設定する（ステップ８０４）。
　このように低輝度領域のサイズが変わらないレンズ条件を見出すことによって、適切なレンズ条件を設定することが可能となる。
　図１０は、最初に低輝度領域を評価する試料電位を決定した上で、レンズ条件を変更して低輝度領域のサイズを評価する工程を示すフローチャートである。図５に例示したように、低輝度領域のサイズが最も大きい（或いは所定値以上）となるレンズ条件が適切なレンズ条件となるため、まず低輝度領域のサイズの評価が可能となる程度に、電子を試料に到達させ、その上でレンズ条件を変更しながら低輝度領域のサイズを評価する。そのためにレンズ条件の初期値を設定（ステップ１００１）した後、試料への電圧条件を変化（ステップ１００２）させつつ、照射領域の輝度評価（ステップ１００３）を行うことによって、低輝度領域のサイズが高精度評価に足る大きさをもっているかを評価する。低輝度領域の大きさが小さい場合や、十分に試料に電子が到達しておらず、低輝度領域の画像認識が困難となる場合、適正な評価を行うことができなくなるため、負電圧を徐々に正側に変化させることで、適度なサイズの低輝度領域を発生させ、その状態でレンズ条件を変化させる（ステップ１００４）。その上で低輝度領域のサイズが所定の条件を満たすレンズ条件を見出し（ステップ１００４）、そのレンズ条件を装置条件として決定する（ステップ１００５）。なお、所定数のレンズ条件を設定した後、ベスト条件を見出すようにしても良いし、ベスト条件が判明した段階で自動調整を終了するようにしても良い。また、内挿によって低輝度領域の大きさが最も大きくなるとみなせるレンズ条件を選択するようにしても良い。
　通常、電子を試料に到達させることのない状態で画像を生成する装置に、部分的に電子を試料に到達させることによるビーム評価モードを設けておくことによって、適正なビームコンディションのもと、検査等を行うことができる。
　コンデンサレンズ１０２によって、対物レンズ１０６の後焦点面１００ｂに電子線が収束されたとしても、対物レンズ１０６の光軸上ではない場合は、図６（ａ）に示したように、軌道の傾き方が偏ってしまう。この場合は、ウェハの電位を正に変化させ電子線の一部が表面に衝突させるようにしたとき、ミラー電子像視野の中で暗くなる部分が図６（ｂ）の様に視野中心からずれてしまう。この位置ずれが無くなり、視野中心で暗くなるように、電子銃１０１、セパレータ１０３を含む照射電子光学系の軸あわせを行えば、コンデンサレンズ１０２からの電子線が正しく対物レンズ１０６の光軸上で収束される状況を実現できる。
　上記の調整により対物レンズの光軸上に電子線が通るようになった後、対物レンズ１０６の後焦点面１００ｂへの収束度は実施例１によって調整すればよい。
本実施例によれば、対物レンズの後焦点面に電子像観察機器を設けることなく、セパレータを含めた照射電子光学系の軸調整ができる。
　図１１は、ビームの軌道の傾きの評価に基づいて、装置条件を調整する工程を示すフローチャートである。まず、装置条件検証モードに切り替えることによって、試料への電子の到達が可能な装置条件とする（ステップ１１０１）。次に、試料の負電位状態を維持しつつ、試料電位を正側に変更し、その上で照射領域の輝度評価を行う（ステップ１１０２、１１０３）。低輝度領域のサイズ評価が可能な程度の画像が得られるまで、ステップ１１０２、１１０３を繰り返す。所定のサイズの低輝度領域が画像に現れたら、次に画像中心と低輝度領域中心との間のずれを評価する（ステップ１１０４）。低輝度領域の中心を特定するための手法としては、低輝度領域と高輝度領域の境界を特定した上で距離画像等を作成することによって、その中心を求めたりすることが考えられる。また、一般的な重心位置を特定する手法を採用することも可能である。
　このずれ量を補正するように、光軸調整を実行する（ステップ１１０５）。ずれの補正には、例えば対物レンズ光軸に対する軸調整を行うアライナ（偏向器）を設けておき、ずれ量とアライナ条件の関係を予め記憶したテーブルを参照することによって、調整するようにしても良いし、セパレータ１０３のウィーン条件を適正化することによって、軸調整を行うようにしても良い。
　通常、電子を試料に到達させることのない状態（第１の照射モード）で画像を生成する装置で、電子を試料に到達させるための調整モード（第２の照射モード）を設けることによって、適正な装置条件を見出すことが可能となる。実サンプルの検査中、或いは検査後に装置条件の調整を行う場合、図７に例示するような標準試料７０３、或いは装置条件調整のために定めたウェハ上の領域に、電子ビームが照射されるように、移動ステージ制御装置１０７は移動ステージ１０８を制御し、高圧電源１１０は、照射電子線１００ａがウェハ或いは標準試料に到達するように、検査時にウェハホルダ１０９に印加する負電圧を正側に変更する。ビームがウェハに到達した状態で、上述したような画像評価、及び装置条件の調整を行うことによって、適正なビーム評価と調整を行うことが可能となる。
　なお、上記照射モードの切り替えは、装置の立ち上げ時、或いは検査開始から所定時間経過した後に、上記第２の照射モードに切り替わるように、予め動作プログラム（レシピ）を用意しておいても良いし、モニタ付入出力装置１２０から、装置条件調整の指示に基づいて、切り替えるようにしても良い。
１００ａ…照射電子線、１００ｂ…後焦点、１００ｃ…ミラー電子線、１０１…電子銃、１０２…コンデンサレンズ、１０３…セパレータ、１０４…被検査ウェハ、１０５…電子銃制御装置、１０６…対物レンズ、１０７…移動ステージ制御装置、１０８…移動ステージ、１０９…ウェハホルダ、１１０…高圧電源、１１１…中間電子レンズ、１１２…投影電子レンズ、１１３…紫外線光源、１１４…分光器、１１５…紫外線光学素子，１１６…画像検出部、１１７…欠陥判定部、１１８…検査装置制御部、１１９…電子光学系制御装置、１２０…モニタ付入出力装置、１２１…ミラー電子像

Claims (11)

  1. 　荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを収束するレンズを含む照射光学系と、試料に向かって前記荷電粒子ビームを照射することによって得られる荷電粒子を撮像素子に結像する結像光学系を備えた荷電粒子線装置において、
    　前記レンズを制御する制御装置を備え、当該制御装置は、前記試料に前記荷電粒子ビームを到達させることによって得られる特定輝度領域のサイズを、前記レンズの条件ごとに評価し、当該サイズ情報が所定の条件を満たすレンズ条件を選択することを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記試料に負電圧を印加する負電圧印加電源を備え、前記制御装置は、前記照射光学系から照射される荷電粒子ビームが前記試料に到達することなく反射される状態と、前記試料に到達する状態を切り替えるように、前記負電圧印加電源を制御し、前記制御装置は、前記荷電粒子ビームが試料に到達する状態に切り替えた状態で現れる前記特定輝度領域のサイズが所定の条件を満たすレンズ条件を選択することを特徴とする荷電粒子線装置。
  3. 　請求項１において、
    　前記制御装置は、前記特定領域のサイズが、最大或いは所定値以上のレンズ条件を選択することを特徴とする荷電粒子線装置。
  4. 　請求項３において、
    　前記試料に負電圧を印加する負電圧印加電源を備え、前記制御装置は、当該負電圧印加電源から前記試料に印加する負電圧を正側に変化させたときの前記特定領域のサイズが、最大或いは所定値以上のレンズ条件を選択することを特徴とする荷電粒子線装置。
  5. 　請求項１において、
    　前記試料に負電圧を印加する負電圧印加電源を備え、前記制御装置は、前記レンズを複数の条件に設定し、当該複数の条件のそれぞれで前記試料に印加する電圧を変化させたときの前記特定輝度領域のサイズの変化を求めることを特徴とする荷電粒子線装置。
  6. 　請求項５において、
    　前記制御装置は、前記特定輝度領域のサイズの変化が最小或いは所定値以下のレンズ条件を選択することを特徴とする荷電粒子線装置。
  7. 　荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを調整する光学素子を含む照射光学系と、試料に向かって前記荷電粒子ビームを照射することによって得られる荷電粒子を撮像素子に結像する結像光学系と、前記撮像素子によって検出された荷電粒子に基づいて画像を生成する画像処理装置を備えた荷電粒子線装置において、
    　前記試料に負電圧を印加する負電圧印加電源と、当該負電圧印加電源を制御する制御装置を備え、前記制御装置は、前記照射光学系から照射される荷電粒子ビームが前記試料に到達することなく反射される状態と、前記試料に到達する状態を切り替えるように、前記負電圧印加電源を制御し、前記制御装置は、前記荷電粒子ビームが試料に到達する状態に切り替えた状態で前記撮像素子に到達する荷電粒子の検出に基づいて、特定輝度領域のサイズ及び位置の少なくとも１つを求め、当該特定輝度領域のサイズ及び位置の少なくとも１つが所定の条件となるように前記光学素子を調整することを特徴とする荷電粒子線装置。
  8. 　請求項７において、
    　前記制御装置は、前記特定輝度領域の中心が、前記画像処理装置によって生成される画像の中心と一致するように、前記光学素子を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
  9. 　荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを調整する光学素子を含む照射光学系と、試料に向かって前記荷電粒子ビームの照射することによって得られる荷電粒子を撮像素子に結像する結像光学系を備えた荷電粒子線装置の調整方法であって、
    　前記試料に荷電粒子ビームが到達した状態となるように、前記試料に負電圧を印加し、当該負電圧印加状態で得られる荷電粒子を前記撮像素子で検出し、当該荷電粒子の検出に基づいて、前記荷電粒子ビームの到達領域を示す特定輝度領域を含む画像を生成し、当該画像に含まれる特定輝度領域のサイズ及び位置が所定の条件を満たすように、前記光学素子を調整することを特徴とする荷電粒子線装置の調整方法。
  10. 　請求項９において、
    　前記光学素子はレンズであって、前記特定輝度領域のサイズが最も大きくなるように、或いは所定値以上のサイズとなるように、前記レンズの条件を調整することを特徴とする荷電粒子線装置の調整方法。
  11. 　請求項９において、
    　前記光学素子は、前記荷電粒子ビームを収束するレンズの理想光軸に前記荷電粒子ビームの軸合わせを行う偏向器であって、前記特定輝度領域の中心と前記画像の中心が一致するように前記偏向器を調整することを特徴とする荷電粒子線装置の調整方法。

    　　　　　　　
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