JP4611755B2 - 走査電子顕微鏡及びその撮像方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェーハ等の観察対象物に対して収束電子ビームを照射してその照射位置から放出される電子を検出して観察対象物表面の画像を撮像する走査電子顕微鏡（以下「ＳＥＭ；Scanning Electron Microscope」という）及びその撮像方法に関し、特に、高倍率の画像を撮像することが必要なＳＥＭ式半導体ウェーハ検査装置や半導体ウェーハで検出された欠陥をより詳細に観察するためのレビューＳＥＭ、更に半導体ウェーハ上に形成されたパターンの計測を行う測長ＳＥＭ等に適用して有効な技術に関するものである。

本発明者が検討した技術として、例えば、ＳＥＭ式半導体ウェーハ検査装置、レビューＳＥＭ及び測長ＳＥＭ等においては、以下の技術が考えられる（例えば、特許文献１参照）。

半導体ウェーハ上のパターンの微細化に伴い、半導体の前工程製造プロセスの制御はますます困難になってきており、光学式の顕微鏡では欠陥の検出、観察、そしてパターン幅の寸法測長が困難になってきており、ＳＥＭによる画像撮像をベースにした検査、レビュー（再調査）、測長が行われるようになってきている。

ＳＥＭは、観察対象表面で収束する電子ビームを照射し、照射した位置から放出される２次電子あるいは反射電子を検出する。電子ビームの照射位置を２次元的に移動させることにより２次元画像を撮像する。

このとき、電子ビームを照射したときに放出される２次電子及び反射電子数の期待値は、照射する電子ビーム量を制御するビーム電流に比例することが知られている。放出される２次電子数は同一ビーム電流の場合に完全に同一数が放出されるわけではなく、その放出数にはばらつきが発生し、そのばらつきは放出される電子数の０．５乗に比例する。このばらつきが一般にＳＥＭで検出した画像のノイズの主原因であることが知られている。

撮像画像のＳ／Ｎを考えると、信号であるＳはビーム電流に比例し、一方のノイズ成分であるばらつきは結局ビーム電流の０．５乗に比例するため、Ｓ／Ｎはビーム電流の０．５乗に比例する。この特性より、Ｓ／Ｎの良好な画像を得るにはできるだけ大きいビーム電流を用いて画像を撮像することが必要であることが知られている。

しかし、ビーム電流を大きくすると電子光学系の収差が大きくなり、ビーム径が大きくなることが知られており、高分解能の画像を得ることができないという問題があった。この問題に対応する技術としてフレーム加算によるノイズ低減技術が知られている。これは同一領域の画像を複数撮像し、各画像をフレームとして、このフレームを足し合わせて最終的な画像を合成する方法である。この手法を用いた場合、Ｓ／Ｎはフレーム加算数の０．５乗に比例するが、一方、撮像時間はフレーム加算数に比例して増加する。

このような特性を持つＳＥＭで半導体の欠陥をレビューする、あるいは半導体パターンの寸法を計測するわけであるが、これらを行うにあたっては、低倍画像撮像と高倍画像撮像の２種類の画像を撮像するのが一般的である。例えば、半導体の欠陥をレビューするレビューＳＥＭにおいては、欠陥を検出する検査装置の出力する欠陥座標をもとに欠陥を大きな倍率で拡大して表示するが、検査装置の出力する欠陥座標の精度が高倍画像の視野に対して悪い。そのため、まず、低倍率の欠陥画像とこれと同じパターンを持つ正常画像である参照画像を比較して欠陥位置を特定し、この欠陥位置を拡大して高倍画像を得る。

一方、測長ＳＥＭにおいては、測定を行うパターンを決定するために、同様にして低倍画像を撮像し、次いで高精度で測定を行うために高倍率で画像を撮像し、この撮像画像からライン幅などを計測している。
特開２００３−１６９８３号公報（第５−６頁、図１）

ところで、前記のようなＳＥＭの技術について、本発明者が検討した結果、以下のようなことが明らかとなった。

すなわち、上記の従来技術では、低倍画像撮像時のビーム電流と高倍画像撮像時のビーム電流を同一にする必要があった。そのため、高倍画像と低倍画像間の倍率差が大なる場合に、低倍画像の撮像時間が延びるという問題があった。

以下、レビューＳＥＭを例にとり説明する。欠陥検出に用いる画像は低倍画像を用いるが、欠陥のサイズに対して検査装置の欠陥検出座標精度が悪いため、広い視野で高い分解能の画像を撮像する必要がある。半導体パターンのピッチが今後縮小して６５ｎｍになったとしても、この視野の中から検出しなければならない欠陥のサイズは２５ｎｍ程度と考えられており、一般のＳＥＭの分解能、例えば４ｎｍに比較すれば十分に大きい。

一方、検査装置の欠陥検出座標精度は、特に暗視野検査装置で精度が悪く、例えば±４μｍ程度の精度である。そこで、８μｍ角の視野から２５ｎｍ程度の欠陥を検出することが必要になるが、この視野を５１２×５１２でサンプリングして画像を撮像した場合には、欠陥は１．５画素程度に検出され、高い欠陥捕捉率は望むことができない。欠陥捕捉率を向上させるためにはサンプリングを倍密度にするなどの手法が必要になるが、この場合に同一のＳ／Ｎで画像を撮像するには４倍の時間を要してしまう。

一方、サンプリングを倍密度、すなわち、１０２４×１０２４でサンプリングした場合の１画素あたりのサイズは８ｎｍ程度となり、先ほど例にあげたＳＥＭの分解能の２倍以上となる。そこで、ビーム電流を引き上げて多少ビームスポット径が拡大したとしても撮像した画像においては分解能が低下することなく、画像を撮像することができる。

しかし、高倍率画像の撮像に同一のビーム電流を用いた場合には、より高分解能の画像がとれなくなるという課題がある。例えば２５ｎｍ程度の欠陥が画像の１／８程度のサイズに撮像されるようにする場合には、視野は２００ｎｍ角の視野での画像撮像が必要になり、これを５１２×５１２でサンプリングすると１画素あたりのサイズは０．４ｎｍとなる。これは一般的なＳＥＭでは到達できない分解能であり、まして、ビーム電流が大きい状態では明らかに分解能が不足する。

そこで、低倍画像と高倍画像でそれぞれ最適なビーム電流を設定する方法が考えられるが、従来の方法ではこれを行うことは不可能であった。

その理由として、１つ目の課題は小ビーム電流と大ビーム電流の切り替え後の視野ずれやビームのアライメントずれである。高分解能なＳＥＭでは、電子源として、ＦＥ（電界放射型）電子銃か、ショットキーエミッション形電子銃を用いることが一般的である。ＦＥ電子銃でビーム電流を変化させるためには、このＦＥ電子銃の引き出し電圧を変える。ここで引き出し電圧を変化させると仮想光源位置が変化してしまうため、視野ずれや電子銃の軸のアライメントずれが発生する。このため、軸が合った状態の良好な画像を撮像するにはビーム電流を変化させる毎に軸のアライメント調整をする必要があった。

２つ目の課題は電流の切り替え時間である。低倍画像の撮像時間短縮をビーム電流切り替えの主要な目的であると考えるなら、電流の切り替え時間は低倍画像の撮像短縮時間よりも少なくとも短時間で行う必要がある。一般にＳＥＭの画像の撮像時間は５１２×５１２の画像サンプリングにおいて、１６フレーム加算で６４０ｍｓ程度である。これを１０２４×１０２４のサンプリングで同一のＳ／Ｎを確保するにはこれの４倍の２５６０ｍｓを必要とする。ここで、低倍において、欠陥画像と、これと同じパターンをもつことが予め分かっている参照画像との２画像を撮像すると５１２０ｍｓとなる。ビーム電流を４倍にして、低倍の欠陥画像および参照画像を１２８０ｍｓで撮像した場合の短縮時間は３８４０ｍｓとなるため、ビーム電流は少なくとも３８４０ｍｓよりも短時間で切り替えられなくてはならない。

しかし、ＦＥ電子銃の引き出し電圧を変化させた場合には、ビーム電流が安定するまでにこれ以上かかることが一般的であり、ビーム電流の切り替えを行っても全体としての撮像時間を短縮させることはできなかった。

また、ショットキーエミッション形電子銃の場合にはサプレッサ電圧を制御することによりビーム電流を変化させることが可能であるが、この場合においてもＦＥ電子銃の引き出し電圧を変化させた場合と同様に、安定するまでに時間がかかるという課題があった。

そこで、本発明の目的は、ＳＥＭにおいて、画像を撮像する時間の短縮と高画質撮像の両立を実現することにある。

本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

すなわち、本発明によるＳＥＭは、複数のビーム電流の設定において電子検出器の検出値が一定の範囲内に収まるようにゲイン調整手段の調整量又はその調整量の算出アルゴリズムを予め保存する制御量メモリ手段と、その制御量メモリ手段に保存された前記調整量又はその調整量の前記算出アルゴリズムを用いて、ビーム電流の変更に伴い画像撮像条件を変化させる画像撮像条件制御手段とを有することを特徴とするものである。

また、本発明によるＳＥＭの撮像方法は、観察対象物表面にスポット状に収束させた電子ビームを走査させ、その走査により発生する２次電子又は反射電子を電気信号に変換して画像を形成する第１の画像撮像ステップと、その第１の画像撮像ステップにより形成された画像をもとに前記観察対象物表面の欠陥位置を特定する欠陥位置特定ステップと、前記第１の画像撮像ステップより大なる倍率で、前記欠陥位置特定ステップにおいて特定した欠陥位置にスポット状に収束させた電子ビームを走査させ、その走査により発生する２次電子又は反射電子を電気信号に変換して画像を形成する第２の画像撮像ステップと、その第２の画像撮像ステップにおいて前記第１の画像撮像ステップより小なるビーム電流で前記観察対象物表面を観察するための第１のビーム電流変更ステップと、その第１のビーム電流変更ステップにおいて設定したビーム電流で画像を撮像する際の予め設定した条件に撮像条件を変更する第１の画像撮像条件設定ステップと、前記第１の画像撮像ステップに用いたビーム電流に設定する第２のビーム電流変更ステップと、前記第１の画像撮像ステップにおいて用いた画像撮像条件を再度設定する第２の画像撮像条件設定ステップとを有し、前記第１のビーム電流変更ステップ及び前記第１の画像撮像条件設定ステップは前記第２の画像撮像ステップの前に実施され、前記第２のビーム電流変更ステップ及び前記第２の画像撮像条件設定ステップは前記第２の画像撮像ステップの後に実施されることを特徴とするものである。

本発明のＳＥＭ及びその撮像方法によれば、短時間での電子ビーム切り替えが可能となり、低倍画像の短時間撮像と高倍画像の高分解能撮像の両立が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

半導体ウェーハは多数の工程により多層構造的にパターンが形成されていく。この多層構造を製造していく過程においてその製造プロセスをモニタリングするために、レイヤー毎に形成されたパターンの寸法測定、外観検査や、その外観検査で検出された欠陥のレビュー（再調査）が行われている。

最近の半導体プロセスはますます微細化してきているため、これらを行うための画像撮像には、光学式の顕微鏡よりも高い解像度での画像撮像が可能なＳＥＭが適用されるようになってきている。このような目的で用いられるＳＥＭとしてレビューＳＥＭが広く使われるようになってきている。レビューＳＥＭは、外観検査で検出した欠陥座標をもとに欠陥位置に視野を移動させ、ＳＥＭでこの欠陥を撮像するのが主要な機能である。

図１は本発明の一実施の形態によるＳＥＭの構成を示す図である。まず、図１により、本実施の形態によるＳＥＭの構成の一例を説明する。

本実施の形態のＳＥＭは、例えばレビューＳＥＭとされ、電子線源１０１と、コンデンサレンズ１０２，１０３と、電子線軸調整器１０４と、走査ユニット１０５，１０６と、対物レンズ１０７と、Ｅ×Ｂ（イークロスビー）１１０と、電子検出器１１１と、Ａ／Ｄコンバータ１１２と、メモリ１１３と、ＸＹステージ１１４と、画像処理ユニット１１５と、２次記憶装置１１６と、コンピュータ端末装置１１７と、全体制御系１１８などから構成されている。

次に図１により、本実施の形態によるＳＥＭの動作を説明する。

電子線源１０１は電子ビームを照射する。照射された電子ビームは、コンデンサレンズ１０２，１０３を通過した後、電子線軸調整器１０４により非点収差やアライメントずれが補正される。走査ユニット１０５，１０６により電子ビームが偏向され、電子ビームが照射される位置を制御した後、電子ビームは対物レンズ１０７により収束されてウェーハ１０８の撮像対象１０９に対して照射される。撮像対象１０９からは、この結果、２次電子と反射電子が放出され、２次電子及び反射電子はＥ×Ｂ１１０により偏向され、電子検出器１１１により検出される。電子検出器１１１で検出された２次電子及び反射電子はＡ／Ｄコンバータ１１２でデジタル信号に変換され、メモリ１１３に格納される。ＸＹステージ１１４はウェーハ１０８を移動させ、ウェーハ１０８の任意の位置の画像撮像を可能にしている。画像処理ユニット１１５は、メモリ１１３に格納された画像をもとに欠陥位置を検出する。この検出方法としては、欠陥位置の画像と、それと同一のパターンが形成されていると期待されている参照位置の画像の比較により、差分がある位置を欠陥として検出する方法が用いられる。２次記憶装置１１６は、メモリ１１３に格納された画像を記憶することが可能である。コンピュータ端末装置１１７は、２次記憶装置１１６、あるいはメモリ１１３に格納された画像を表示することができる。また、ユーザはコンピュータ端末装置１１７に入力することにより、本装置の様々な動作の設定を行うことができる。全体制御系１１８は、電子ビームの軸調整、走査ユニット１０５，１０６による電子ビームの偏向、ＸＹステージ１１４の移動による視野移動を制御する。

次に図２により、本実施の形態のＳＥＭによる欠陥画像を撮像するシーケンスを説明する。図２は、図１に示すＳＥＭにおいて、欠陥画像を撮像するシーケンスを示すフローチャートである。以下の動作は、全体制御系１１８などの制御により原則として自動的に実行され、一部はコンピュータ端末装置１１７などを介して手動で実行可能である。

まず、ステップＳ２０１で低倍画像撮像用のビーム電流をセットし、次いでステップＳ２０２でこの電流用に軸のアライメントをあわせ、また、非点収差を補正し、この補正を行うための制御値を全体制御系１１８内のメモリに保存する。この補正は手動で行ってもよいし、あるいは特開２００３−１６９８３号公報で開示されている方法を用いてもよい。

次いで、ステップＳ２０３で画像を撮像する。次に、ステップＳ２０４で高倍画像撮像用のビーム電流をセットし、ステップＳ２０５で高倍画像撮像用のビーム電流での軸をアライメントし、更に非点収差を補正し、この補正を行うための制御量を全体制御系１１８内のメモリに保存する。

ステップＳ２０６で高倍画像撮像用のビーム電流で画像を撮像し、ステップＳ２０７で、ステップＳ２０３で撮像した画像とステップＳ２０６で撮像した画像の位置合わせを行い、位置ずれ量を全体制御系１１８内のメモリに保存する。

ステップＳ２０８で画像を撮像する欠陥を選択し、ステップＳ２０９でＸＹステージ１１４を移動させ、ステップＳ２０８で選択した欠陥に対応する参照位置をＳＥＭの視野に入れる。これと同時にステップＳ２１９（第２のビーム電流変更ステップ）において、ビーム電流を切り替え、ステップＳ２２０（第２の画像撮像条件設定ステップ）において低倍画像撮像用の電子光学系の設定を行う。すなわち、通常の電子光学系の低倍撮像用の制御量を設定するとともに、ステップＳ２０２で保存した低倍画像撮像用のビーム電流での軸のアライメント、非点収差補正用制御量をセットする。

ステップＳ２１０で参照画像を撮像し、ステップＳ２１１でＸＹステージ１１４を移動させ、ステップＳ２０８で選択した欠陥がＳＥＭの視野に入るようにする。

ステップＳ２１２（第１の画像撮像ステップ）で画像を撮像し、ステップＳ２１３（欠陥位置特定ステップ）で、ステップＳ２１０で撮像した画像とステップＳ２１２で撮像した画像の比較より欠陥位置を特定する。これと同時に、ステップＳ２１４（第１のビーム電流変更ステップ）で高倍画像用にビーム電流を変化させ、更にステップＳ２１５（第１の画像撮像条件設定ステップ）で、高倍画像撮像用の電子光学系の設定を行う。すなわち、通常の電子光学系の高倍撮像用の制御量を設定するとともに、ステップＳ２０５で保存した高倍画像撮像用のビーム電流での軸のアライメント、非点収差補正用制御量をセットする。

また、ステップＳ２１６で、ステップＳ２０７で計測した低倍画像撮像と高倍画像撮像のずれ量をもとに、電子ビームを照射した場合に欠陥が視野中央に撮像される電子ビーム照射位置を算出する。

ステップＳ２１７でＡＦ（オートフォーカス）を行い、ステップＳ２１８（第２の画像撮像）で高倍画像を撮像し、この画像はメモリ１１３又は２次記憶装置１１６に格納される。

ステップＳ２２１で全ポイントについて撮像したか否かをチェックし、全ポイント撮像の場合は終了し、全ポイント撮像でない場合はステップＳ２０８に戻り、ステップＳ２０８〜Ｓ２２１を再度実行する。

以上の方法を用いることにより、ビーム電流を変化させた場合のアライメントずれや非点収差ずれに影響を受けることなく、低倍画像と高倍画像を撮像することができる。

また、電子線源１０１のビーム電流を変更した際に、電子光学系の構成によっては電子ビームのフォーカスされる位置が変わる場合もある。そこで、この場合に対応するよう、ステップＳ２０２及びステップＳ２０５でＡＦを行い、それぞれのビーム電流でフォーカスの合う制御量を保存しておき、ステップＳ２２０やステップＳ２１５で、フォーカスがあうように、保存した制御量で補正してもよい。

一般には、電子検出器１１１はシンチレータとフォトマルの組み合わせで構成される場合が多い。ビーム電流を低倍画像と高倍画像で変化させた場合には、検出される電子数が変化するため、フォトマルのゲイン調整が必要である。そこで、ステップＳ２０２及びステップＳ２０５で各ビーム電流に良好な画像を撮像できるフォトマルのゲインを求めておき、ステップＳ２１５及びステップＳ２２０でそれぞれのビーム電流に適したゲインを設定することを同時に行ってもよい。

なお、ここでは、予めそれぞれのビーム電流に好適な制御量を保存すると述べたが、この値を算出する導出式を保存しておき、これに基づいてステップＳ２２０やステップＳ２１５でその制御量を設定してもよい。例えばフォトマルのゲインに関して述べると、ビーム電流とそれによって発生する２次電子と反射電子の数はほぼ比例することが予め分かっているため、フォトマルのゲインをビーム電流に対して反比例させるといった方法でもよい。

図２の説明では、ステップＳ２１９およびステップＳ２１４で撮像条件を切り替えると述べたが、ここで設定される低倍撮像用のビーム電流と、高倍画像撮像用のビーム電流は、コンピュータ端末装置１１７よりユーザが設定するようにすると使い勝手が良い。このとき、例えば、図９に示すようなＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）をコンピュータ端末装置１１７に表示させ、画像撮像条件の設定をさせるようにする。図９において、「プローブ電流」の項目が本明細書のビーム電流に相当する。プローブ電流以外には、撮像視野を示す「Field of View」、1画像あたりのピクセル数、例えば５１２×５１２や１０２４×１０２４等、を示す「画像サイズ」、そして、視野に対してビームをスキャンする回数を示す「フレーム加算数」などを、高倍、低倍それぞれに対して設定できるようにする。また、加速電圧は一般に急激に変化させることができないことから、ここでは低倍、高倍共用に設定するようにしている。

図２では、図１の電子光学系をレビューＳＥＭの欠陥画像自動撮像に適用した場合のシーケンスを説明したが、本機能を測長ＳＥＭに適用した場合のシーケンスを図３に示す。図３は、図１に示すＳＥＭにおいて、測長ＳＥＭに適用した場合のシーケンスを示すフローチャートである。

図３において、ステップＳ３０１〜ステップＳ３０７は、前記図２におけるステップＳ２０１〜ステップＳ２０７と同じであるので説明を省略する。

ステップＳ３０８で測長を行う位置を選択し、ステップＳ３０９でＸＹステージ１１４を移動させ、ステップＳ３０８で選択した測長ポイントを低倍画像の視野に入れる。これと同時にステップＳ３１０において、ビーム電流を切り替え、ステップＳ３１１において低倍画像撮像用の電子光学系の設定を行う。すなわち、通常の電子光学系の低倍撮像用の制御量を設定するとともに、ステップＳ３０２で保存した低倍画像撮像用のビーム電流での軸のアライメント、非点収差補正用制御量をセットする。

ステップＳ３１２で画像を撮像し、ステップＳ３１３で、ステップＳ３１１で撮像した画像と既に記憶済みの計測ポイントを指定することが可能である画像とを比較し、高倍画像の撮像位置を特定する。これと同時に、ステップＳ３１４で高倍画像用にビーム電流を変化させ、更にステップＳ３１５で、高倍画像撮像用の電子光学系の設定を行う。すなわち、通常の電子光学系の高倍撮像用の制御量を設定するとともに、ステップＳ３０５で保存した高倍画像撮像用のビーム電流での軸のアライメント、非点収差補正用制御量をセットする。

また、ステップＳ３１６で、ステップＳ３０７で計測した低倍画像撮像と高倍画像撮像のずれ量をもとに、電子ビームを照射した場合に測長パターンが視野中央に撮像される電子ビーム照射位置を算出する。

ステップＳ３１７でＡＦを行い、ステップＳ３１８で高倍画像を撮像し、ステップＳ３１９で撮像した高倍画像からパターンの指定された箇所の測長を行う。

図１０に、図３のシーケンスにおけるビーム電流や撮像条件を設定するＧＵＩを示す。測長ＳＥＭでは、予め測定する箇所が定められているため、想定しているレシピかどうかを確認できるよう、低倍、高倍画像が確認できるようになっている。これ以外の撮像条件の設定方法については基本的には図９と同一である。

ビーム電流とスポット径との間には、スポット径を決定する主要な要因のひとつである色収差は、ビーム電流値の増大に伴うビームの開き角の増加により、ビーム電流にもよるが、ビーム電流のほぼ０．５乗に比例関係がある。このため、高倍画像の撮像においては、ビーム電流を小さく抑えてスポット径を小さくし、高分解能画像を撮像する。

一方、低倍画像撮像において、広い視野から微細な欠陥を検出する場合や、あるいは正確に測長する位置を決定するには、画像のサンプリング数を、一般的な５１２×５１２のサンプリング数を多くして、例えば１０２４×１０２４といったサンプリングを行い、この場合ではビーム電流を４倍程度に増やして画像を撮像することで、１画素あたりの信号量の低下によるＳ／Ｎ低下を抑制する。ビーム電流を４倍にすると、色収差は２倍程度に増加するが、これにより拡大するスポット径が画素サイズよりも小さければ画質には問題は発生しない。このようにして低倍画像を撮像することにより、フレーム加算数を少なくすることが可能になり、画像の撮像時間を短縮させることが可能である。

なお、高倍画像撮像では、低倍画像撮像により欠陥位置が分かっているので、広い視野で画像を撮像する必要がないため、５１２×５１２のサンプリングで撮像を行うことが、撮像時間を短縮するのに好ましい。

レビューＳＥＭ及び測長ＳＥＭにおける画像撮像時間短縮の課題は、ビーム電流切り替え時間である。一般にＦＥ電子銃の引き出し電圧を変更して電流を切り替えるには切り替え時間が数十秒かかり、ビーム電流を大きくした場合の撮像時間短縮よりも長い時間がかかってしまう。そこで、ＦＥ電子銃の引き出し電圧の変更ではなく、電子ビームの照射経路の絞りを変化させることでビーム電流を変化させる方法について述べる。

図４は、この方式によるＳＥＭの構成を示す図である。図４に示すＳＥＭは、前記図１に示した実施の形態と比較して、開口絞りセット４０３と、視野絞り４０４と、絞り変更手段４０５とを追加し、電子線源１０１を電子線源４０１に、コンデンサレンズ１０２をコンデンサレンズ４０２に代えたものであり、他の構成は図１と同じである。

開口絞りセット４０３には、複数の径の異なる絞りが設けられており、絞り変更手段４０５で、いずれの絞りを用いるか選択できる。径の小さい絞りを用いた場合にはビーム電流は小さく、径の大きい絞りを用いた場合にはビーム電流は大きくなる。低倍で画像を撮像する場合にはビーム電流を大きくするため、径の大きい絞りを用い、高倍で画像を撮像する場合には径の小さい絞りを用いてビーム電流を小さくする。絞り変更手段４０５で機械的に絞りの位置を変更するが、本方式を用いることにより、１００ｍｓ以内でのビーム電流切り替えを実現することが可能である。

なお、図４の実施形態では、絞りは異なる径の円形状孔となっているが、孔以外の形状のものを用いることも可能である。この１つの例として図７に示すメッシュ（網の目）状のものが挙げられる。例えば図７に示すように、開口絞りセット４０３に、孔状の絞り７０１と、メッシュ状の絞り７０２，７０３を設ける。開口絞りセット４０３に設けられているメッシュはそれぞれ電子ビームの透過率が異なっており、透過率の高いメッシュ（例えば絞り７０３）を選択すれば大きいビーム電流の設定となり、透過率の低いメッシュ（例えば絞り７０２）を選択すれば小ビーム電流となる。また、メッシュではなく、複数の孔の組み合わせにより透過率を制御しても同様の効果を得ることが可能である。

図４の実施形態では、絞り変更手段４０５で機械的に絞りの位置を変更してビーム電流を変更する例を説明したが、この方式では、開口絞りセット４０３をより高速に移動させる場合に機械的な移動による発塵が問題になるおそれがある。そこで、電気的に各ビーム電流に適した絞りを選択できるようにした実施形態が図５に示すＳＥＭである。

図５に示すＳＥＭは、前記図４に示した実施の形態と比較して、コンデンサレンズ４０２，１０３、開口絞りセット４０３、視野絞り４０４及び絞り変更手段４０５を、第１コンデンサレンズ５０１，５０２、第２コンデンサレンズ５０３、開口絞りセット５０４及び偏向器５０５，５０６，５０７，５０８に代えたものであり、他の構成は図４と同じである。

電子線源４０１で発生させた電子ビームは、５０１と５０２の組み合わせで構成された第１コンデンサレンズで収束され、第２コンデンサレンズ５０３で対物レンズ１０７に導かれる。開口絞りセット５０４には、複数の口径の絞りが形成されている。偏向器５０５は、電子ビームを偏向して選択したビーム電流を実現する絞りに電子ビームが入射されるような電圧がセットされている。その後、開口絞りセット５０４に対して電子ビームが直交して入射するよう、偏向器５０６には逆方向に電圧がかけられている。また、偏向器５０７と偏向器５０８も、偏向器５０５と偏向器５０６の組み合わせと同様の方式により、絞りを選択するためにずらした軸を元の電子光学系の軸に戻す。これ以降の構成は図１の実施形態と同じであるため、説明を省略する。

本方式では偏向器５０５，５０６，５０７，５０８の電極の電圧を変化させるのみでビーム電流を変化させることができるため、発塵もなく、また、切り替え時間も高速に行うことができる。

ここまでは、複数のビーム径を有した開口絞りセットを用いた場合の実施形態を説明したが，必ずしも，開口絞りを複数設けなくとも絞りを通過するビームの量を制御することが可能である。この実施形態を図８に示す。

図８に示すＳＥＭは、図４における開口絞りセット４０３の代わりに絞り８０１を配置して、コンデンサレンズ８０２を付加したものである。コンデンサレンズ１０３の電磁レンズの強さを変化させることにより、絞り８０１の位置におけるビームの絞り量を調整することが可能である。絞り８０１におけるビーム幅が絞り８０１に設けられた孔よりも小さければ、電子ビームはその全てが通過することになり、これが孔よりも大きくなれば、けられが発生し、ビーム電流は低く抑えられる。コンデンサレンズ１０３の強弱によって変化するビーム軌道の位置は、これと連動させてコンデンサレンズ８０２を変化させることにより補正することが可能である。

図４及び図５に示したＳＥＭを実現する上での課題は、絞りにおけるコンタミネーション（汚染）の発生である。ビーム電流を絞りによって低く設定する場合、従来のＳＥＭに対して、絞りでの「けられ」が非常に大きくなるため、真空中に微量存在するガスが電子ビームの影響により絞りに焼き付き、撮像される像質が時間とともに変化するおそれがある。これを防ぐための１つの手段としては、真空度をあげる方法が挙げられるが、開口絞りセット４０３，５０４を加熱して絞り部分にコンタミネーションが付着しないようにする方法が、もう１つの方法としてあげることができる。

さて、以上述べた方法によれば、低倍画像は大きいビーム電流で高いＳ／Ｎの画像を撮像することが可能であるが、高倍画像はビーム電流を小さくせざるを得ず、高Ｓ／Ｎの画像撮像はできない。しかし、これは実際には大きな問題にはならない。

例えば、図２で示したレビューＳＥＭにおける欠陥画像の自動撮像シーケンスを考えると、ステップＳ２１２で低倍画像を撮像した後にはステップＳ２１３で画像比較による欠陥位置の検出を行う必要があるが、一方において、ステップＳ２１８で高倍の欠陥画像を撮像した後には、この画像は２次記憶装置１１６等に格納された後、次の対象とする欠陥の画像撮像を行う。そこで、画像処理を行い、高倍の撮像画像のＳ／Ｎを向上させる。低倍画像では、ステップＳ２１３の前に演算時間のかかるＳ／Ｎ向上画像処理を行うことは全体のスループットを低下させるため、実施は困難であるが、一方、ステップＳ２１８で撮像される高倍画像に対しては、これを実施することが可能である。更に、ステップＳ２１８で撮像される高倍画像はＳ／Ｎ向上処理を行いやすいという特徴がある。

図６により、この理由を説明する。図６（ａ）は低倍画像の画像全体における画素サイズを基準とした空間周波数のエネルギー分布を示す。一方、図６（ｂ）は高倍画像における同様の空間周波数のエネルギー分布を示す。

低倍画像と高倍画像は基本的に同一のパターンを撮像しているため、それぞれの画素サイズを基準とした空間周波数を比較すると、高倍画像においては、エネルギー画像が低空間周波数に寄っている。一方、６０３と６０４はノイズの空間周波数のエネルギー分布を示す。ノイズは一般にホワイトノイズと呼ばれる周波数の依存性がない分布を示す。このため、予め空間周波数のエネルギー分布が低域寄りである高倍画像においては空間周波数の高域成分を抑制することにより、容易にＳ／Ｎを向上させることが可能である。

一方、高域寄りにもエネルギー分布の大きい低倍画像では、このような処理を行うことが困難である。

なお、このノイズの空間周波数分布と対象の空間周波数分布の違いを利用してＳ／Ｎを向上させる方法の１つとしてはウェブレットシュリンケージ（wavelet shrinkage）という手法が知られている。ここでは、欠陥画像の自動撮像のシーケンスにおいて、高倍画像にＳ／Ｎ向上処理を施すことの優位性を示したが、測長ＳＥＭにおいても同様に高倍画像においてＳ／Ｎ向上処理が容易に可能であることと、シーケンスの点で、計算量の大きいＳ／Ｎ向上処理を高倍画像に対してかけやすい点から、高倍画像にのみ計算処理量の大きいＳ／Ｎ向上処理を実施する。計算量の大きいＳ／Ｎ向上処理を高倍画像に対してかけやすい理由は、例えば図２のシーケンスにおいて、低倍撮像の場合はステップＳ２１２の低倍撮像の後、すぐにステップＳ２１３の欠陥位置特定を行う必要があるので時間的余裕がないが、高倍撮像の場合はステップＳ２１８の高倍撮像の後、ステージを移動する必要があるので時間的余裕があるからである。

上記のような手法を用いることにより、ビーム電流が少ない状態で高倍画像を撮像しても良好な画像に変換することが可能であるため、フレーム加算を少ない状態で撮像し、画像撮像時間を短縮させることが可能である。

よって、本発明によるＳＥＭ及びその撮像方法によれば、短時間での電子ビーム切り替えが可能となり、低倍画像の短時間撮像と高倍画像の高分解能撮像の両立が可能となる。

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

例えば、前記実施の形態においては、レビューＳＥＭ及び測長ＳＥＭについて説明したが、これに限定されるものではなく、他のＳＥＭについても適用可能である。

本発明は、ＳＥＭ式半導体ウェーハ検査装置、レビューＳＥＭ及び測長ＳＥＭ等について適用可能である。

本発明の一実施の形態によるＳＥＭの構成を示す図である。 本発明の一実施の形態によるＳＥＭにおいて、欠陥画像を自動撮像する場合のシーケンスを示すフローチャートである。 本発明の一実施の形態によるＳＥＭにおいて、パターンの測長を行う場合のシーケンスを示すフローチャートである。 本発明の他の実施の形態によるＳＥＭの構成を示す図である。 本発明の他の実施の形態によるＳＥＭの構成を示す図である。 （ａ），（ｂ）は画像全体における画素サイズを基準とした空間周波数のエネルギー分布を示す図である。 図４に示すＳＥＭにおいて、開口絞りセットの構造の一例を示す図である。 本発明の他の実施の形態によるＳＥＭの構成を示す図である。 図２に示す欠陥画像撮像のシーケンスおいて、画像撮像条件を入力するためのＧＵＩの一例を示す図である。 図３に示すパターン測長のシーケンスおいて、画像撮像条件を入力するためのＧＵＩの一例を示す図である。

符号の説明

１０１…電子線源、１０２，１０３…コンデンサレンズ、１０４…電子線軸調整器、１０５，１０６…走査ユニット、１０７…対物レンズ、１０８…ウェーハ、１０９…撮像対象、１１０…Ｅ×Ｂ（イークロスビー）、１１１…電子検出器、１１２…Ａ／Ｄコンバータ、１１３…メモリ、１１４…ＸＹステージ、１１５…画像処理ユニット、１１６…２次記憶装置、１１７…コンピュータ端末装置、１１８…全体制御系、４０１…電子線源、４０２…コンデンサレンズ、４０３…開口絞りセット、４０４…視野絞り、４０５…絞り変更手段、５０１，５０２…第１コンデンサレンズ、５０３…第２コンデンサレンズ、５０４…開口絞りセット、５０５，５０６，５０７，５０８…偏向器、６０３，６０４…ノイズ、７０１，７０２，７０３，８０１…絞り、８０２…コンデンサレンズ。

Claims (11)

1. 電子ビームを出射する電子線源と、
   前記電子ビームを観察対象物表面に収束させる電子ビーム収束手段と、
   前記電子ビームのビーム電流を制御するビーム電流制御手段と、
   前記電子ビームを前記観察対象物表面で走査させる電子ビーム走査手段と、
   前記電子ビーム走査手段の走査位置を制御する走査位置補正手段と、
   前記電子ビーム走査手段による電子ビームの走査範囲内に前記観察対象物表面が入るように前記観察対象物を移動させる観察対象物移動手段と、
   前記電子ビームの前記観察対象物表面での走査により発生する２次電子又は反射電子を検出する電子検出器と、
   前記電子検出器の検出値をもとに画像を形成する画像形成手段と、
   前記電子検出器が検出する２次電子又は反射電子と前記画像形成手段との対応関係を調整する信号ゲイン調整手段と、
   複数のビーム電流の設定において前記電子検出器の検出値が一定の範囲内に収まるように前記信号ゲイン調整手段の調整量又はその調整量の算出アルゴリズムと、前記複数のビーム電流におけるアライメントずれ補正量および非点収差補正量とを予め保存する制御量メモリ手段と、
   前記制御量メモリ手段に保存された前記調整量又はその調整量の前記算出アルゴリズムと、前記アライメントずれ補正量および前記非点収差補正量とを用いて、ビーム電流の変更に伴い画像撮像条件を変化させる画像撮像条件制御手段とを有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
2. 請求項１記載の走査電子顕微鏡において、
   前記ビーム電流制御手段における前記電子ビームのビーム電流の制御は、前記電子ビームの照射経路中で前記電子ビームの透過率を変更することにより行われることを特徴とする走査電子顕微鏡。
3. 請求項２記載の走査電子顕微鏡において、
   前記ビーム電流制御手段は、
   前記電子ビームの透過率の設定が位置毎に異なる電子ビーム透過器と、
   前記電子ビーム透過器の設置位置を機械的に高速に変化させ、前記電子ビームの透過率を変化させることにより高速に前記電子ビームのビーム電流を切り替える電子ビーム透過器位置変更手段とを有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
4. 請求項２記載の走査電子顕微鏡において、
   前記ビーム電流制御手段は、
   前記電子ビームの透過率の設定が位置毎に異なる電子ビーム透過器と、
   前記電子ビームを偏向し、前記電子ビームが前記電子ビーム透過器を透過する位置を変化させ、前記電子ビームの透過率を制御する電子ビーム偏向手段とを有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
5. 請求項３又は４記載の走査電子顕微鏡において、
   前記電子ビーム透過器は、前記電子ビームの透過及び遮断に伴う汚染を防止するための加熱手段を備えていることを特徴とする走査電子顕微鏡。
6. 請求項１記載の走査電子顕微鏡において、
   前記制御量メモリ手段には、更に、
   複数のビーム電流の設定において前記観察対象物表面の同一箇所の観察を実現するための前記走査位置補正手段の制御量又はその制御量の算出アルゴリズムが保存されることを特徴とする走査電子顕微鏡。
7. 観察対象物表面を検査する検査装置により検出された欠陥の座標を入力し、前記欠陥の座標の１つを選択し、選択された欠陥を走査電子顕微鏡の撮像視野に移動するステップと、
   前記観察対象物表面にスポット状に収束させた電子ビームを走査させ、その走査により発生する２次電子又は反射電子を電気信号に変換して画像を形成する第１の画像撮像ステップと、
   前記第１の画像撮像ステップにより形成された画像をもとに前記観察対象物表面の欠陥位置を特定する欠陥位置特定ステップと、
   前記第１の画像撮像ステップより大なる倍率で、前記欠陥位置特定ステップにおいて特定した欠陥位置にスポット状に収束させた電子ビームを走査させ、その走査により発生する２次電子又は反射電子を電気信号に変換して画像を形成する第２の画像撮像ステップと、
   前記第２の画像撮像ステップにおいて前記第１の画像撮像ステップより小なるビーム電流で前記観察対象物表面を観察するための第１のビーム電流変更ステップと、
   少なくとも制御量メモリ手段に予め保存された前記複数のビーム電流におけるアライメントずれ補正量および非点収差補正量を用いて、前記第１のビーム電流変更ステップにおいて設定したビーム電流で画像を撮像する際の予め設定した条件に撮像条件を変更する第１の画像撮像条件設定ステップと、
   前記第１の画像撮像ステップに用いたビーム電流に設定する第２のビーム電流変更ステップと、
   前記第１の画像撮像ステップにおいて用いた画像撮像条件を再度設定する第２の画像撮像条件設定ステップとを有し、
   前記第１のビーム電流変更ステップ及び前記第１の画像撮像条件設定ステップは前記第２の画像撮像ステップの前に実施され、前記第２のビーム電流変更ステップ及び前記第２の画像撮像条件設定ステップは前記第２の画像撮像ステップの後に実施されることを特徴とする走査電子顕微鏡の撮像方法。
8. 請求項７記載の走査電子顕微鏡の撮像方法において、
   前記第１の画像撮像条件設定ステップの画像撮像条件は、前記第１のビーム電流変更ステップによるビーム電流の変化によらず、前記第２の画像撮像ステップで生成する画像の明度と、前記第１の画像撮像ステップで生成する画像の明度とを均一化させるための前記電子ビームとの対応制御量と、前記電子ビームを前記観察対象物表面にスポット状に収束させるための前記走査により発生する２次電子又は反射電子と形成する前記画像の明度との対応関係制御量と、前記電子ビームを前記観察対象物表面の指定の箇所に走査するための走査位置補正量と、前記電子ビームを前記観察対象物表面にスポット状に収束させるための電子ビーム収束補正量のうち少なくとも１つより構成されることを特徴とする走査電子顕微鏡の撮像方法。
9. 請求項７記載の走査電子顕微鏡の撮像方法において、
   前記走査電子顕微鏡の撮像視野に移動するステップと並行して、前記第１の画像撮像ステップで形成された画像に対して低いＳ／Ｎを向上させるための高Ｓ／Ｎ化画像処理を前記第２の画像撮像ステップで形成された画像に対して行う高Ｓ／Ｎ化ステップを更に有することを特徴とする走査電子顕微鏡の撮像方法。
10. 請求項７記載の走査電子顕微鏡の撮像方法において、
    前記第１のビーム電流変更ステップ及び前記第２のビーム電流変更ステップにおいて、絞り又は電子ビームの透過率を制御する電子ビーム透過器を前記電子ビームの照射経路に挿入し、前記絞り又は前記電子ビーム透過器を機械的に高速に変化させ、前記電子ビームの透過率を変化させることにより高速に前記電子ビームのビーム電流を切り替えることを特徴とする走査電子顕微鏡の撮像方法。
11. 請求項７記載の走査電子顕微鏡の撮像方法において、
    前記第２の画像撮像ステップにおいて撮像する画像のサンプリング数は、前記第１の画像撮像ステップにおいて撮像する画像のサンプリング数よりも多いことを特徴とする走査電子顕微鏡の撮像方法。

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