荷電粒子線装置及びそれを用いた画像取得方法
【課題】
半導体装置等の微少寸法（ＣＤ値）を計測するのに用いられる荷電粒子線装置において，試料への電子ビームのランディング角がばらつきことに起因するＣＤ値ばらつきを低減する方法，及び，装置間の電子ビームランディング角の差違に起因する機差を低減する方法を提供する。
【解決手段】
結晶異方性エッチングの技術により作製した各面のなす角が既知の多面体構造物が視野内に複数含まれるように配置した較正用サンプルを用い，各多面体構造物の画像上での幾何学的な変形をもとに，視野内の各位置のビームランディング角を算出し，視野内の各位置のビームランディング角が等しくするビーム制御パラメータを予め登録しておき，寸法計測を行う際は，計測対象パターンの視野内での位置に応じて，上記登録したビーム制御パラメータを適用することにより，等しいビームランディング角にて，計測用の画像を取得する。
半導体装置等の微少寸法（ＣＤ値）を計測するのに用いられる荷電粒子線装置において，試料への電子ビームのランディング角がばらつきことに起因するＣＤ値ばらつきを低減する方法，及び，装置間の電子ビームランディング角の差違に起因する機差を低減する方法を提供する。
【解決手段】
結晶異方性エッチングの技術により作製した各面のなす角が既知の多面体構造物が視野内に複数含まれるように配置した較正用サンプルを用い，各多面体構造物の画像上での幾何学的な変形をもとに，視野内の各位置のビームランディング角を算出し，視野内の各位置のビームランディング角が等しくするビーム制御パラメータを予め登録しておき，寸法計測を行う際は，計測対象パターンの視野内での位置に応じて，上記登録したビーム制御パラメータを適用することにより，等しいビームランディング角にて，計測用の画像を取得する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置の回路パターン等の微少な寸法を計測する荷電粒子線装置に関する。特に，試料に対する電子ビームのランディング角度を計測して調整し画像を取得する方法とその荷電粒子線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造工程でのパターン寸法管理には，走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を半導体専用に特化した測長ＳＥＭが用いられている。図２に測長ＳＥＭの原理を示す。電子銃から放出された一次電子ビームは収束レンズで細く絞られ，走査コイルにより試料上を２次元的に走査される。電子ビーム照射によって試料から発生した二次電子を検出器で捕らえることで，電子線像が得られる。二次電子はパターンエッジ部でより多く発生するため，電子線像は，パターンエッジに相当する部分が明るい画像となる。走査像の倍率は，ＣＲＴ上の走査幅（一定）と，試料上の電子ビームの走査幅（可変）の比で任意に変えられる。測長ＳＥＭでは走査像で寸法を計測する場所を指定し，その部分の信号波形を用いて倍率より演算して寸法を測定する。
【０００３】
信号波形を用いた自動寸法計測方法は種々の方法が提案されているが，代表的な方法である「しきい値法」を図３に示す。図に示すような台形形状の断面を持つパターンでは，パターン側壁に相当する部分の信号量が大きな信号波形となる。左右の信号量が大きい部分を，それぞれ左ホワイトバンド（左ＷＢ），右ホワイトバンド（右ＷＢ）と記すことにする。しきい値法は，左右ＷＢそれぞれで，Ｍａｘ値，Ｍｉｎ値を求め，これらからしきい値を算出し，しきい値を信号波形が横切るポジションをエッジ位置として検出し，左右エッジ間の距離を寸法（ＣＤ値）とするものである。
【０００４】
図４に一般的な自動寸法計測のシーケンスを示す。ウェーハを搬入し（ステップ１０１），寸法計測箇所付近にステージを移動し（ステップ１０２），10000倍程度の低倍で画像を撮像する（ステップ１０３）。登録画像をテンプレートとするパターン認識により，寸法計測箇所の正確な位置を求める（ステップ１０４）。求めた位置を中心とするより狭い範囲に一次電子ビームの走査範囲を限定することにより（ステップ１０５），150000倍程度の高倍の画像を撮像し（ステップ１０６），寸法を計測する（ステップ１０８）。ステージ移動を行わず，一次電子ビームの走査位置を変えることで画像撮像位置を変更する上記の動作をイメージシフトと呼ぶことにする。最初から高倍の画像を撮像せずに，低倍の画像を撮像した後にイメージシフトにより高倍の画像を撮像するのは，一般に，ステージの停止精度の不足から，高倍画像内に計測対象パターンを含めるのが困難難だからである。
半導体パターンの微細化により，測長ＳＥＭの計測精度に対する要求は年々厳しさを増しており，従来からの装置単体の計測再現性に対する要求に加え，その処理能力と半導体生産量との関係から複数台の装置が併用されることが多いことから，装置間の計測寸法差（機差）低減も重要な課題となっている。
【０００５】
ＳＥＭに関連して、一次電子ビームの収差を補正することに関しては特許文献１に、また、電子ビームのランディング角を計算により求める方法は，例えば，Ｖｉｅｗ２００４ビジョン技術の実利用ワークショップ講演論文集ｐ．４８〜ｐ．５３の「測長ＳＥＭにおけるビームチルト角キャリブレーション技術の開発」に開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１２７９３０号公報
【非特許文献１】「測長ＳＥＭにおけるビームチルト角キャリブレーション技術の開発」：Ｖｉｅｗ２００４ビジョン技術：実利用ワークショップ講演論文集ｐｐ４８〜５３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記，背景技術ではイメージシフトを行って高倍画像を取得しているが，このイメージシフト量はステージ停止位置によって変化する。一般に，イメージシフトを行うと，電子ビームが僅かながらチルトする。発明者らが検討した光学系においては，図５のように光学系の視野中心の座標を（０，０）とすると，座標（ｘ，ｙ）におけるｘ方向のビームチルト角φｘ，ｙ方向のビームチルト角φｙは，数２のように書き表される。図５に示した数１のように，チルト角は視野中心からの距離ｒに比例して増加する。Ｐは比例定数，Ｑは回転を表す定数である。ｄｘ，ｄｙは光学系の視野中心のオフセットである。ステージ停止位置は一定精度内でばらつくため，それに伴ってイメージシフト量が変動し，それが試料に対するビームのランディング角の変動を招く。
【０００８】
図６は電子ビームのランディング角度とＣＤ値との関係を示す模式図である。ここで，電子ビームのランディング角をφ，試料の側壁傾斜角をθとする。ここで，θは垂直を０°とした場合の角度である。図６（ａ）はφ=0の場合，（ｂ）はφ＜θの場合，（ｃ）はφ＞θの場合である。（ａ）におけるＣＤ値をＣＤa，（ｂ）におけるＣＤ値をＣＤb，（ｃ）におけるＣＤ値をＣＤcとすると，ＣＤaとＣＤbは等しいが，ＣＤcはこれらよりも大きい。これは，（ｂ）では左ＷＢ幅の減少分＝右ＷＢ幅の増加分であるのに対し，（ｃ）では，左ＷＢ幅の減少分＜右ＷＢ幅の増加分だからである。
【０００９】
同じ対象物を複数回計測した場合，イメージシフト量が毎回変化すれば，ＣＤ値も毎回変化するため，計測再現性が低下する。また，図５では，座標（０，０）におけるビームチルト角が０°であると仮定したが，実際には０°とは限らず，その値も装置によって異なる。Ａ装置，B装置の座標（０，０）におけるビームチルト角をφa，φbとし，同じ対象物をA装置，B装置で計測して，計測結果を比較することを考える。計測再現性が０ではないので，１回の計測結果をもって機差とするのはナンセンスであるが，多数回計測した平均値の差を機差とみなすとしても，φa≠φbであれば機差が生じるのは明らかである。
【００１０】
本発明の第１の目的は，電子ビームのランディング角ばらつき起因のＣＤ値ばらつきを減少させることで，計測再現性が高い電子顕微鏡装置を提供することにある。また，本発明の第２の目的は，装置間の電子ビームランディング角の差違を減少させるような較正方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記，第１の目的を達成するため，本発明は，（ａ）に示す較正を実施した後に，（ｂ）に示す計測を実施する。
（ａ）較正：結晶異方性エッチングの技術により作製した各面のなす角が既知の多面体構造物が視野内に複数含まれるように配置した較正用サンプルを用い，各多面体構造物の画像上での幾何学的な変形をもとに，視野内の各位置のビームランディング角を算出し，視野内の各位置のビームランディング角が等しくするビーム制御パラメータを予め登録する。
（ｂ）計測：計測対象パターンの視野内での位置に応じて，上記登録したビーム制御パラメータを適用することにより，等しいビームランディング角にて，計測用の画像を取得する。
【００１２】
また，第２の目的を達成するため，本発明は，上記（ａ）の較正，及び（ｂ）の計測を各装置にて行うようにする。
【発明の効果】
【００１３】
上記（ａ）の較正を実施した後に，（ｂ）の計測を実施することにより，イメージシフト量によらずビームランディング角が等しくなるため，ビームランディング角のばらつきによって生じていたＣＤ値のばらつきをなくすことが可能となる。
また，上記（ａ）の較正と（ｂ）の計測を各装置にて実施することにより，実質的に各装置のビームランディング角が等しくなるため，置間の電子ビームランディング角の差違によって生じていた機差をなくすことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は，各種の荷電粒子線装置（ＳＥＭ，ＦＩＢ等）に適用可能であるが，以下の実施例では代表としてＳＥＭを対象に説明する。
【００１５】
図１に本発明に係る，イメージシフト量によらずビームランディング角を垂直にするための較正，及び，計測のフローチャートを示す（ぞれぞれ，図１（ａ），（ｂ））。
【００１６】
はじめに，図１（ａ）を参照して，較正の方法２００について説明する。
【００１７】
最初に，較正用のウェーハをSEMの内部に搬入してステージ上に載置する（ステップ２０１）。較正用のウェーハとしては，結晶異方性エッチングの技術により作製した多面体構造物が多数配列されたサンプルを用いる。多面体としては，例えば，凹または凸のピラミッド形状（四角錐）が望ましい。以下の説明では各構造物をピラミッドと呼ぶことにする。図７（ａ）に凹型ピラミッド，（ｂ）は凸型ピラミッドである。結晶異方性エッチング技術とは，単結晶に特定のエッチング溶液（エッチャント）を作用させた場合に結晶面ごとにエッチング速度が異なることを利用して，結晶面を基準とした，三角山や段差構造を製作する技術である。結晶面に相当する側面（図７においては４個の側面）の互いになす角が決まっている。通常の半導体プロセスによるパターニングに比べて形状精度が高いのが特徴である。
【００１８】
次に校正用のウェハを載置したステージを移動させ（ステップ２０２），図８（ａ）のように画面上に複数のピラミッドが含まれるような低倍率にて画像を取得する（ステップ２０３）。次に，取得した画像上の各ピラミッドの位置をパターン認識にて求め記憶する（ステップ２０４）。すなわち，図８（ｂ）のように，各ピラミッドの画像上での位置を求めた後，画像の撮像倍率に応じてnm単位の位置に変換して記憶する。
【００１９】
次に，先に記憶したピラミッドの位置に応じて，電子ビームの偏向範囲を対象ピラミッド周辺に限定し（イメージシフト：ステップ２０５），高倍率の画像を撮像する（ステップ２０６）。電子ビームのランディング角が垂直であれば，ピラミッドの像は図９（ａ）のようになり，電子ビームのランディング角が傾いていれば図９（ｂ）のようになる。画像処理により稜線，及び，ピラミッド底面のエッジ線を検出し，ピラミッド稜線の交点のｘ方向のずれΔｘ，ｙ方向のずれΔｙを求める。Δｘはｘ方向のビームランディング角の変化φxに，Δｙはｙ方向のビームランディング角の変化φyを反映する。先に述べたようにピラミッド側面がなす角は既知なので，Δｘ，Δｙからφx，φyを算出することが可能である（ステップ２０７）。
【００２０】
較正用のウェーハとして，結晶異方性エッチングの技術で作製したウェーハを用いるのは，側面のなす角が定まっているため，立体形状の別手段（ＡＦＭなど）での計測が不要，よって，手間がかからないこと，及び，別の誤差要因が入り込まないという点で有利だからである。そして，ピラミッド形状を用いるのは，一つのピラミッドを観察することによって，ｘ方向の電子ビームランディング角φx，と，ｙ方向の電子ビームランディング角φyの両方が算出できるという点で有利だからである。
【００２１】
電子ビームのランディング角の具体的な計算は，例えば，非特許文献１のＶｉｅｗ２００４ビジョン技術の実利用ワークショップ講演論文集ｐ．４８〜ｐ．５３の「測長ＳＥＭにおけるビームチルト角キャリブレーション技術の開発」に報告されている手法を適用することができる。
【００２２】
以上のビームランディング角の計算を，ステップ２０３で撮像した低倍画像上に含まれていた全ピラミッドについて繰り返す（ステップ２０８）。以上により，視野上の各位置（ｘ，ｙ）対ビームランディング角の関係が得られる。
【００２３】
次に，以上のようにして得られた，ピラミッドの個数分の位置（ｘ，ｙ）対ビームランディング角の関係から，最小２乗法などにより，図５におけるパラメータＰ，Ｑ，ｄｘ，ｄｙを求める（ステップ２０９）。
【００２４】
次に，ステップ２０９にて得られた，位置（ｘ，ｙ）対ビームランディング角の関係を用い，ビームランディング角を垂直に維持して位置を制御するような，対物レンズに対するビームの入射条件，及び，対物レンズへの入射条件変化によって生じる収差を補正するための，集束レンズの設定条件を登録する（ステップ２１０）。該収差補正には，特許文献１の特開２００４−１２７９３０号公報に開示されている技術が適用可能である。
【００２５】
この特開２００４−１２７９３０号公報で開示されている電子顕微鏡の概略構成を図１０に示す。陰極１と第一陽極２の間には，コンピュータ４０で制御される高圧制御電源２０により電圧が印加され，所定のエミッション電流で一次電子線４が陰極１から引き出される。陰極１と第二陽極３の間には，コンピュータ４０で制御される高圧制御電源２０により加速電圧が印加され，陰極１から放出された一次電子線４が加速されて後段のレンズ系に進行する。一次電子線４は，レンズ制御電源２１で制御された集束レンズ５で集束され，絞り板８で一次電子線の不要な領域が除去された後に，レンズ制御電源２２で制御された集束レンズ６，および対物レンズ制御電源２３で制御された対物レンズ７により，試料１０に微小スポットとして集束される。一次電子線４は，走査コイル制御電源２４によって制御される走査コイル９で試料１０上を二次元的に走査される。
【００２６】
一次電子線の照射で試料１０から発生した二次電子等の二次信号１２は，対物レンズ７の上部に進行した後，二次信号分離用の直交電磁界発生装置１１により，一次電子と分離されて二次信号検出器１３に検出される。二次信号検出器１３で検出された信号は，信号増幅器１４で増幅された後，画像メモリ２５に転送されて像表示装置２６に試料像として表示される。走査コイル９と同じ位置に２段の偏向コイル５１が配置されており，傾斜制御電源３１によって対物レンズの物点が偏向支点となるように，対物レンズに入射する一次電子線４の位置を二次元的に制御できる。こうして，対物レンズの光軸に対してビームを傾斜させることができる。
【００２７】
集束レンズ６の付近に非点収差補正コイル５３が配置されており，ビーム傾斜条件に連動して非点補正電源３３で制御される。集束レンズ６と絞り板８の間には２段の偏向コイル５２が配置されており，集束レンズ６の物点が偏向の支点となるように，収差制御電源３２によって集束レンズ６に入射する一次電子線４の位置を二次元的に制御できる。偏向コイル５１には，対物レンズの物点が偏向支点となる一次電子線位置制御信号に加えて，一次電子線の試料上での照射位置を二次元的に制御できる制御信号も流すことができ，ビーム傾斜条件に連動して照射位置のずれを補正できる。試料ステージ１５は，試料を少なくとも一次電子線と垂直な面内の２方向（Ｘ方向，Ｙ方向）に試料１０を移動することができる。入力装置４２からは，画像の取り込み条件（走査速度，加速電圧など）やビーム傾斜条件（傾斜方向や傾斜角度）の指定，および画像の出力や記憶装置４１への保存などを指定することができる。偏向コイル５２（以下，この偏向コイル５２を収差制御コイルという）により，集束レンズ６の物点が偏向支点となるように一次ビーム４を偏向すると，ビーム傾斜時と同じ性質の収差を集束レンズ６で発生させることができる。
【００２８】
対物レンズ７が作る収差をキャンセルするような，集束レンズ６の条件が存在する。対物レンズ７によるビーム傾斜角度は，偏向コイル５１（以下，この偏向コイル５１をビーム傾斜角制御コイルという）の電流に比例し，また，集束レンズ６によるビーム傾斜角度は，収差制御コイル５２の電流に比例するので，上記の収差キャンセルする条件を満たすよう，ビーム傾斜角制御電源３１と，収差制御電源３２をコンピュータ４０により制御すれば良い。
【００２９】
以上の説明では，図１（ａ）のステップ２０２〜２０９を１回実施したが，精度を向上させるため，１回目終了後にステップ２０２に戻り，撮像箇所をウェーハ上の別の位置に移動して，同様の処理をＮ回繰り返し，イメージシフト量と電子ビームランディング角の関係を表す式の係数は，各回で算出した係数を平均して求めるようにしても良い。
【００３０】
続いて，図１（ｂ）を参照して計測方法３００について説明する。
【００３１】
計測対象パターンを含む広い領域を低倍率で撮像（ステップ３０１）し，パターン認識により計測対象パターンの位置を求める(ステップ３０２)までは，背景技術にて説明した図３と同様である。続くステップ３０３では，計測対象パターンの位置（ｘ，ｙ）に応じて，ステップ２１０で登録した，ビームランディング角を垂直に維持して位置を制御するような，対物レンズに対するビームの入射条件，及び，対物レンズへの入射条件を読み出して，それらの条件を設定する（ステップ３０４）。その上で，電子ビームの偏向範囲を計測対象パターン周辺に限定し（イメージシフト：ステップ３０５），高倍率の画像を撮像し（ステップ３０６），寸法計測を行う（ステップ３０７）。
【００３２】
以上が，本発明の基本的な実施例である。本実施例によれば，イメージシフト量によらずビームランディング角が垂直となるため，ビームランディング角のばらつきによって生じていたＣＤ値のばらつきをなくすことが可能となる。
【００３３】
次に、図１３を用いて、装置間での電子ビームランディング角の差違を減少させる構成を説明する。図１３に示すように、同一の較正用ウェーハを用いて，図１（ａ）の較正を各装置にて実施すれば，実質的に各装置のビームランディング角が等しくなり，装置間の電子ビームランディング角の差違によって生じていた機差をなくすことができる。ここで，同一の較正用ウェーハを用いるのは，結晶異方性エッチングの技術により作製したピラミッド形状は，４個の側面のなす角は保証されているが，側面と底面がなす角は保証されていないからである。図１４（ａ）のように，ピラミッドの中心軸とウェーハ面が垂直になるのが理想的であるが，単結晶インゴットからのウェーハスライス角度によっては，図１４（ｂ）のようになることもあり得る。ビームランディング角の変化と，図１３（ｂ）の状況とを撮像画像から区別することは難しいため，装置間の電子ビームランディング角の差違をなくすためには同一の較正用ウェーハを使用することが望ましい。
〔変形例１〕
図１１に第１の変形例に係る，較正のフローチャート２００’と計測のフローチャート３００’を示す（ぞれぞれ，図１１（ａ），（ｂ））。図１１（a）および（ｂ）のフローチャートにおいて、図１のフローチャートと同じ番号の箇所は、図１で説明したのと同じ処理を行う。上記に説明した実施例では、較正のフロー２００におけるステップ２０９において，図５におけるパラメータＰ，Ｑ，ｄｘ，ｄｙを求めたが，本変形例１では，単純に視野上の各ピラミッドの位置（ｘ，ｙ）にて計算したビームランディング角を記述したテーブルを作成する（ステップ２０９’）。そして，各位置ごとに，必要なビーム制御パラメータ（対物レンズに対するビームの入射条件，及び，収差を補正するための，集束レンズの設定条件）を記述したテーブルを作成し，これを登録する（ステップ２１０’）。
【００３４】
各位置におけるビームランディング角の計測誤差を低減するため，着目するピラミッド（ｉ，ｊ）におけるビームランディング角φｘ（ｉ，ｊ），φｙ（ｉ，ｊ）を，近接するピラミッドにおけるビームランディング角との平均（数２），あるいは，近接するピラミッドにおけるビームランディング角のメジアン（数３）によって求めるようにしても良い。
【００３５】
【数２】
【００３６】
【数３】
計測のフロー３００’におけるステップ３０３’においては，ステップ２１０’で登録した，対物レンズに対するビームの入射条件，及び，収差を補正するための，集束レンズの設定条件を記述したテーブルを読み出す。テーブル上の該条件は，較正に用いたピラミッドの位置刻みにしかデータがないため，補間により，計測対象パターンの位置（ｘ，ｙ）に応じた電子ビーム制御パラメータ制御を求める。以降の処理（ステップ３０４〜３０７）は実施例１と共通である。
【００３７】
本実施例も，実施例１と同様，イメージシフト量によらずビームランディング角が垂直となるため，ビームランディング角のばらつきによって生じていたＣＤ値のばらつきをなくすことが可能となる。実施例１では，視野上の位置（ｘ，ｙ）とビームランディング角が関係式で記述できる場合を対象としたが，本実施例にはその制約はなく，より汎用的といえる。
〔変形例２〕
図１２に変形例２に係る，較正のフローチャート４００と計測のフローチャート５００を示す（ぞれぞれ，図１２（ａ），（ｂ））。上記した実施例及び変形例１は，イメージシフト量によらずビームランディング角を垂直にすることを意図した実施例であるが，イメージシフト量によらず，所定のビームランディング角による傾斜像取得を意図したのが本実施例である。図１２（a）および（ｂ）のフローチャートにおいて、図１のフローチャートと同じ番号の箇所は、図１で説明したのと同じ処理を行う。
【００３８】
較正のフロー４００では，低倍率画像を取得するステップ２０３の前に，ビームチルト角を設定するステップ４０１が加わる。計測のフロー５００でも，低倍率画像を取得するステップ３０１の前に，ビームチルト角を設定するステップ５０１が加わる。本実施例によれば，イメージシフト量によらずビームランディング角が所望のチルト角となるため，ビームランディング角のばらつきによって生じていたＣＤ値，あるいは傾斜像から得られる他の特徴量のばらつきをなくすことが可能となる。
〔変形例３〕
ビームランディング角較正用試料上の多面体構造物のバリエーションについて述べる。
【００３９】
較正用試料における多面体構造物として，上記実施例では，結晶異方性エッチングの技術により作製したピラミッド形状を用いた。一つの構造物を観察することで，ｘ方向の電子ビームランディング角φxとｙ方向の電子ビームランディング角φyの両方が算出できる形状は，ピラミッド形状には限らない。例えば，図１５（ａ）のように，異方性エッチングを途中で停止することにより作製される，ピラミッドの頂上が平らな形状でもよい。例えば，図１５（ｂ）の線分１６０１〜１６０４をそれぞれ延長し，その交点から図７（ｂ）の頂点Ｑ0に相当する仮想的な頂点Ｑ’0を求めることによって，ピラミッド形状と同様にビームランディング角の変化を求めることができる。
【００４０】
図１５（a）にはピラミッドの頂上が平らな形状の例を示したが、頂上が丸まっている場合であっても同様に処理することができる。
〔変形例４〕
較正用試料上のピラミッドの大きさと配置について述べる。
【００４１】
ピラミッドの大きさは，図１，図１１のステップ２０６の高倍画像撮像時に画像内におさまる大きさである必要がある。一方，ビームランディング角をより高精度に求めるためには，ビームランディング角が変化したときの幾何学変形，すなわち，図９（ｂ）のΔｘ，Δｙが大きい方が有利である。異方性エッチングで作製したピラミッドでは，Δｘ，Δｙはピラミッドのサイズに比例するので，精度を得るにはピラミッドは大きい方が有利である。
【００４２】
ピラミッドの配置は，視野内のビームランディング角計測点をより多くするには，図１，図１１のステップ２０３の低倍画像撮像時に，なるべく多くのピラミッドが含まれることが望ましい。このためには，ピラミッドの間隔は狭い方がよい。しかし，同一サイズのピラミッドが同一ピッチで並んでいると，ピラミッドの特定が難しいという問題がある。異方性エッチングにより作製したピラミッドは均一性が高いものの，特に，図１２に示す第３の実施例においては，各装置で同一の較正用ウェーハを用いるのみならず，同一ウェーハ上の同一ピラミッド群を用いる方が，装置間の電子ビームランディング角の差異をなくすには有利である。
【００４３】
低倍画像撮像時の撮像範囲が１０ミクロン程度，高倍率撮像時の撮像範囲が１ミクロン程度とすると，図１６のように，ピラミッドのサイズは１ミクロン程度，ピッチは１ミクロン強とし，周辺と異なるピッチで配列した部分を設けるなどして，ピラミッドが特定できる配置が望ましい。
【００４４】
あるいは，周辺と異なるピッチで配列した部分を設ける代わりに，周辺とサイズあるいは形状の異なるピラミッドを配置するようにしてもよい。
〔変形例５〕
較正用試料の形態及び利用形態について述べる。
【００４５】
較正用の試料としては，ウェーハの形態の他，図１７（ａ）のごとく，試料ステージ１５上にあるホルダ７０３に，ビームランディング角較正用試料の小片７０５を取り付ける形態でも良い。試料ステージ上に，これ以外に，非点収差自動調整用の試料７０６，倍率較正用の試料７０７も合わせて取り付け，図１７（ｂ）に示す光学系調整の一連のシーケンスを定期的に実行すれば，ＳＥＭの状態を常に最良の状態に保つのに好都合である。
〔変形例６〕
ビームランディング角較正のためのユーザインターフェースについて述べる。
【００４６】
図１（ａ）に示すフローを自動実行するためには，ウェーハ上のショットの大きさや並び，較正用パターンの位置，加速電圧，ビーム電流，倍率等の撮像条件を指定したファイルを予め作成しておく必要がある。
【００４７】
図１８に，較正に用いるピラミッドを指定するＧＵＩ画面の例を示す。１７２にて加速電圧を指定，１７３にてビーム電流を指定，１７４にて倍率を指定，１７６にてフレーム加算数を指定して低倍画像１７１を撮像する。１７５は倍率調整用のボタンである。低倍画像上で，１７７の矩形，あるいは１７８のクロスマークによって，使用するピラミッドを指定する。図では左上の３個ピラミッドがクロスマークにより指定されている。ここで指定されたピラミッドの高倍画像を順次撮像するが，１８０は撮像順序を指定したものであり，この番号がピラミッドの番号を兼ねる。画像撮像条件と，高倍撮像を行うピラミッドの指定が終了したら，登録ボタン１８１にて情報を保存する。図１８に示した例では、全ての撮像条件を同一画面上で設定する構成を示したが、これらの設定項目は必ずしも同一の画面上とは限らず、いくつかの画面に分けて実施しても良い。
【００４８】
１８２はビームランディング角の計測のみ（図１のステップ２０１〜２０８）を行うか，ビーム制御パラメータの更新まで（図１のステップ２０１〜２１０）行うかを選択するボタンである。
【００４９】
図１９に，ビームランディング角較正の結果を確認するためのＧＵＩ画面の例を示す。１９０はビームランディング角の全体状況をユーザが把握するための図示画面であり，破線１９１の交点が各ピラミッドの位置に相当し，矢印１９２はビームランディング角をベクトル表示したものである（図では一部しか記述いていない）。矢印の長さはビームランディング角の大小を，矢印の向きはビームランディング角の向きを示す。例えば，ｙ方向のビームランディング角が０°であれば，矢印は横向きとなる。ボタン１９３，１９４を切り替えることで，較正前後の結果を比較することができる。１９５は較正前後のビームランディング角の表示画面である。ピラミッド番号は，図１８の１８０で指定した番号である。図18ではピラミッドが６４個あるので，全ピラミッドを計測対象として指定したならば，ピラミッド番号は１〜６４となる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施例１にかかる較正および計測のフローチャートである。
【図２】従来の測長SEMの原理を示す図である。
【図３】信号波形を用いた自動寸法計測であるしきい値法を説明する図である。
【図４】一般的な自動寸法計測のシーケンスを示す図である。
【図５】視野上の位置とビームチルト角の関係を示す図である。
【図６】電子ビームのランディング角度とＣＤ値との関係を示す模式図である。
【図７】較正用試料上の多面体構造物の一例として，凹型，凸型のピラミッドを示す図である。
【図８】較正の１ステップの説明図である。
【図９】ピラミッドの幾何学変形を説明する図である。
【図１０】電子顕微鏡の概略構成図である。
【図１１】本発明の実施例２にかかる較正および計測のフローチャートである。
【図１２】本発明の実施例３にかかる較正および計測のフローチャートである。
【図１３】本発明の実施例４の概念図である。
【図１４】ピラミッドの中心軸のずれを説明する図である。
【図１５】較正用試料上の多面体構造物の別の例を示す図である。
【図１６】較正用試料上の望ましいピラミッドの配置例を示す図である。
【図１７】較正用試料の別の形態を示す図である。
【図１８】ビームランディング角較正を自動実行するための条件設定用GUIの例を示す図である。
【図１９】ビームランディング較正の結果を確認するためのＧＵＩ画面の例を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１…陰極，２…第一陽極，３…第二陽極，４…一次電子線，５…第一集束レンズ，６…第二集束レンズ，７…対物レンズ，８…絞り板，９…走査コイル，１０…試料，１１…二次信号分離用直交電磁界（ＥｘＢ）発生器，１２…二次信号，１３…二次信号用検出器，１４…信号増幅器，１５…試料ステージ，２０…高圧制御電源，２１…第一集束レンズ制御電源，２２…第二集束レンズ制御電源，２３…対物レンズ制御電源，２４…走査コイル制御電源，２５…画像メモリ，２６…像表示装置，３１…ビーム傾斜角制御電源，３２…収差制御電源，３３…非点補正電源，４０…コンピュータ，４１…記憶装置，４２…入力装置，５１…ビーム傾斜角制御コイル，５２…収差制御コイル，５３…非点収差補正コイル，７０３…較正用試料ホルダ，７０５…較正用試料，７０６…非点収差自動調整用試料，７０７…倍率較正用試料
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置の回路パターン等の微少な寸法を計測する荷電粒子線装置に関する。特に，試料に対する電子ビームのランディング角度を計測して調整し画像を取得する方法とその荷電粒子線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造工程でのパターン寸法管理には，走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を半導体専用に特化した測長ＳＥＭが用いられている。図２に測長ＳＥＭの原理を示す。電子銃から放出された一次電子ビームは収束レンズで細く絞られ，走査コイルにより試料上を２次元的に走査される。電子ビーム照射によって試料から発生した二次電子を検出器で捕らえることで，電子線像が得られる。二次電子はパターンエッジ部でより多く発生するため，電子線像は，パターンエッジに相当する部分が明るい画像となる。走査像の倍率は，ＣＲＴ上の走査幅（一定）と，試料上の電子ビームの走査幅（可変）の比で任意に変えられる。測長ＳＥＭでは走査像で寸法を計測する場所を指定し，その部分の信号波形を用いて倍率より演算して寸法を測定する。
【０００３】
信号波形を用いた自動寸法計測方法は種々の方法が提案されているが，代表的な方法である「しきい値法」を図３に示す。図に示すような台形形状の断面を持つパターンでは，パターン側壁に相当する部分の信号量が大きな信号波形となる。左右の信号量が大きい部分を，それぞれ左ホワイトバンド（左ＷＢ），右ホワイトバンド（右ＷＢ）と記すことにする。しきい値法は，左右ＷＢそれぞれで，Ｍａｘ値，Ｍｉｎ値を求め，これらからしきい値を算出し，しきい値を信号波形が横切るポジションをエッジ位置として検出し，左右エッジ間の距離を寸法（ＣＤ値）とするものである。
【０００４】
図４に一般的な自動寸法計測のシーケンスを示す。ウェーハを搬入し（ステップ１０１），寸法計測箇所付近にステージを移動し（ステップ１０２），10000倍程度の低倍で画像を撮像する（ステップ１０３）。登録画像をテンプレートとするパターン認識により，寸法計測箇所の正確な位置を求める（ステップ１０４）。求めた位置を中心とするより狭い範囲に一次電子ビームの走査範囲を限定することにより（ステップ１０５），150000倍程度の高倍の画像を撮像し（ステップ１０６），寸法を計測する（ステップ１０８）。ステージ移動を行わず，一次電子ビームの走査位置を変えることで画像撮像位置を変更する上記の動作をイメージシフトと呼ぶことにする。最初から高倍の画像を撮像せずに，低倍の画像を撮像した後にイメージシフトにより高倍の画像を撮像するのは，一般に，ステージの停止精度の不足から，高倍画像内に計測対象パターンを含めるのが困難難だからである。
半導体パターンの微細化により，測長ＳＥＭの計測精度に対する要求は年々厳しさを増しており，従来からの装置単体の計測再現性に対する要求に加え，その処理能力と半導体生産量との関係から複数台の装置が併用されることが多いことから，装置間の計測寸法差（機差）低減も重要な課題となっている。
【０００５】
ＳＥＭに関連して、一次電子ビームの収差を補正することに関しては特許文献１に、また、電子ビームのランディング角を計算により求める方法は，例えば，Ｖｉｅｗ２００４ビジョン技術の実利用ワークショップ講演論文集ｐ．４８〜ｐ．５３の「測長ＳＥＭにおけるビームチルト角キャリブレーション技術の開発」に開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１２７９３０号公報
【非特許文献１】「測長ＳＥＭにおけるビームチルト角キャリブレーション技術の開発」：Ｖｉｅｗ２００４ビジョン技術：実利用ワークショップ講演論文集ｐｐ４８〜５３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記，背景技術ではイメージシフトを行って高倍画像を取得しているが，このイメージシフト量はステージ停止位置によって変化する。一般に，イメージシフトを行うと，電子ビームが僅かながらチルトする。発明者らが検討した光学系においては，図５のように光学系の視野中心の座標を（０，０）とすると，座標（ｘ，ｙ）におけるｘ方向のビームチルト角φｘ，ｙ方向のビームチルト角φｙは，数２のように書き表される。図５に示した数１のように，チルト角は視野中心からの距離ｒに比例して増加する。Ｐは比例定数，Ｑは回転を表す定数である。ｄｘ，ｄｙは光学系の視野中心のオフセットである。ステージ停止位置は一定精度内でばらつくため，それに伴ってイメージシフト量が変動し，それが試料に対するビームのランディング角の変動を招く。
【０００８】
図６は電子ビームのランディング角度とＣＤ値との関係を示す模式図である。ここで，電子ビームのランディング角をφ，試料の側壁傾斜角をθとする。ここで，θは垂直を０°とした場合の角度である。図６（ａ）はφ=0の場合，（ｂ）はφ＜θの場合，（ｃ）はφ＞θの場合である。（ａ）におけるＣＤ値をＣＤa，（ｂ）におけるＣＤ値をＣＤb，（ｃ）におけるＣＤ値をＣＤcとすると，ＣＤaとＣＤbは等しいが，ＣＤcはこれらよりも大きい。これは，（ｂ）では左ＷＢ幅の減少分＝右ＷＢ幅の増加分であるのに対し，（ｃ）では，左ＷＢ幅の減少分＜右ＷＢ幅の増加分だからである。
【０００９】
同じ対象物を複数回計測した場合，イメージシフト量が毎回変化すれば，ＣＤ値も毎回変化するため，計測再現性が低下する。また，図５では，座標（０，０）におけるビームチルト角が０°であると仮定したが，実際には０°とは限らず，その値も装置によって異なる。Ａ装置，B装置の座標（０，０）におけるビームチルト角をφa，φbとし，同じ対象物をA装置，B装置で計測して，計測結果を比較することを考える。計測再現性が０ではないので，１回の計測結果をもって機差とするのはナンセンスであるが，多数回計測した平均値の差を機差とみなすとしても，φa≠φbであれば機差が生じるのは明らかである。
【００１０】
本発明の第１の目的は，電子ビームのランディング角ばらつき起因のＣＤ値ばらつきを減少させることで，計測再現性が高い電子顕微鏡装置を提供することにある。また，本発明の第２の目的は，装置間の電子ビームランディング角の差違を減少させるような較正方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記，第１の目的を達成するため，本発明は，（ａ）に示す較正を実施した後に，（ｂ）に示す計測を実施する。
（ａ）較正：結晶異方性エッチングの技術により作製した各面のなす角が既知の多面体構造物が視野内に複数含まれるように配置した較正用サンプルを用い，各多面体構造物の画像上での幾何学的な変形をもとに，視野内の各位置のビームランディング角を算出し，視野内の各位置のビームランディング角が等しくするビーム制御パラメータを予め登録する。
（ｂ）計測：計測対象パターンの視野内での位置に応じて，上記登録したビーム制御パラメータを適用することにより，等しいビームランディング角にて，計測用の画像を取得する。
【００１２】
また，第２の目的を達成するため，本発明は，上記（ａ）の較正，及び（ｂ）の計測を各装置にて行うようにする。
【発明の効果】
【００１３】
上記（ａ）の較正を実施した後に，（ｂ）の計測を実施することにより，イメージシフト量によらずビームランディング角が等しくなるため，ビームランディング角のばらつきによって生じていたＣＤ値のばらつきをなくすことが可能となる。
また，上記（ａ）の較正と（ｂ）の計測を各装置にて実施することにより，実質的に各装置のビームランディング角が等しくなるため，置間の電子ビームランディング角の差違によって生じていた機差をなくすことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は，各種の荷電粒子線装置（ＳＥＭ，ＦＩＢ等）に適用可能であるが，以下の実施例では代表としてＳＥＭを対象に説明する。
【００１５】
図１に本発明に係る，イメージシフト量によらずビームランディング角を垂直にするための較正，及び，計測のフローチャートを示す（ぞれぞれ，図１（ａ），（ｂ））。
【００１６】
はじめに，図１（ａ）を参照して，較正の方法２００について説明する。
【００１７】
最初に，較正用のウェーハをSEMの内部に搬入してステージ上に載置する（ステップ２０１）。較正用のウェーハとしては，結晶異方性エッチングの技術により作製した多面体構造物が多数配列されたサンプルを用いる。多面体としては，例えば，凹または凸のピラミッド形状（四角錐）が望ましい。以下の説明では各構造物をピラミッドと呼ぶことにする。図７（ａ）に凹型ピラミッド，（ｂ）は凸型ピラミッドである。結晶異方性エッチング技術とは，単結晶に特定のエッチング溶液（エッチャント）を作用させた場合に結晶面ごとにエッチング速度が異なることを利用して，結晶面を基準とした，三角山や段差構造を製作する技術である。結晶面に相当する側面（図７においては４個の側面）の互いになす角が決まっている。通常の半導体プロセスによるパターニングに比べて形状精度が高いのが特徴である。
【００１８】
次に校正用のウェハを載置したステージを移動させ（ステップ２０２），図８（ａ）のように画面上に複数のピラミッドが含まれるような低倍率にて画像を取得する（ステップ２０３）。次に，取得した画像上の各ピラミッドの位置をパターン認識にて求め記憶する（ステップ２０４）。すなわち，図８（ｂ）のように，各ピラミッドの画像上での位置を求めた後，画像の撮像倍率に応じてnm単位の位置に変換して記憶する。
【００１９】
次に，先に記憶したピラミッドの位置に応じて，電子ビームの偏向範囲を対象ピラミッド周辺に限定し（イメージシフト：ステップ２０５），高倍率の画像を撮像する（ステップ２０６）。電子ビームのランディング角が垂直であれば，ピラミッドの像は図９（ａ）のようになり，電子ビームのランディング角が傾いていれば図９（ｂ）のようになる。画像処理により稜線，及び，ピラミッド底面のエッジ線を検出し，ピラミッド稜線の交点のｘ方向のずれΔｘ，ｙ方向のずれΔｙを求める。Δｘはｘ方向のビームランディング角の変化φxに，Δｙはｙ方向のビームランディング角の変化φyを反映する。先に述べたようにピラミッド側面がなす角は既知なので，Δｘ，Δｙからφx，φyを算出することが可能である（ステップ２０７）。
【００２０】
較正用のウェーハとして，結晶異方性エッチングの技術で作製したウェーハを用いるのは，側面のなす角が定まっているため，立体形状の別手段（ＡＦＭなど）での計測が不要，よって，手間がかからないこと，及び，別の誤差要因が入り込まないという点で有利だからである。そして，ピラミッド形状を用いるのは，一つのピラミッドを観察することによって，ｘ方向の電子ビームランディング角φx，と，ｙ方向の電子ビームランディング角φyの両方が算出できるという点で有利だからである。
【００２１】
電子ビームのランディング角の具体的な計算は，例えば，非特許文献１のＶｉｅｗ２００４ビジョン技術の実利用ワークショップ講演論文集ｐ．４８〜ｐ．５３の「測長ＳＥＭにおけるビームチルト角キャリブレーション技術の開発」に報告されている手法を適用することができる。
【００２２】
以上のビームランディング角の計算を，ステップ２０３で撮像した低倍画像上に含まれていた全ピラミッドについて繰り返す（ステップ２０８）。以上により，視野上の各位置（ｘ，ｙ）対ビームランディング角の関係が得られる。
【００２３】
次に，以上のようにして得られた，ピラミッドの個数分の位置（ｘ，ｙ）対ビームランディング角の関係から，最小２乗法などにより，図５におけるパラメータＰ，Ｑ，ｄｘ，ｄｙを求める（ステップ２０９）。
【００２４】
次に，ステップ２０９にて得られた，位置（ｘ，ｙ）対ビームランディング角の関係を用い，ビームランディング角を垂直に維持して位置を制御するような，対物レンズに対するビームの入射条件，及び，対物レンズへの入射条件変化によって生じる収差を補正するための，集束レンズの設定条件を登録する（ステップ２１０）。該収差補正には，特許文献１の特開２００４−１２７９３０号公報に開示されている技術が適用可能である。
【００２５】
この特開２００４−１２７９３０号公報で開示されている電子顕微鏡の概略構成を図１０に示す。陰極１と第一陽極２の間には，コンピュータ４０で制御される高圧制御電源２０により電圧が印加され，所定のエミッション電流で一次電子線４が陰極１から引き出される。陰極１と第二陽極３の間には，コンピュータ４０で制御される高圧制御電源２０により加速電圧が印加され，陰極１から放出された一次電子線４が加速されて後段のレンズ系に進行する。一次電子線４は，レンズ制御電源２１で制御された集束レンズ５で集束され，絞り板８で一次電子線の不要な領域が除去された後に，レンズ制御電源２２で制御された集束レンズ６，および対物レンズ制御電源２３で制御された対物レンズ７により，試料１０に微小スポットとして集束される。一次電子線４は，走査コイル制御電源２４によって制御される走査コイル９で試料１０上を二次元的に走査される。
【００２６】
一次電子線の照射で試料１０から発生した二次電子等の二次信号１２は，対物レンズ７の上部に進行した後，二次信号分離用の直交電磁界発生装置１１により，一次電子と分離されて二次信号検出器１３に検出される。二次信号検出器１３で検出された信号は，信号増幅器１４で増幅された後，画像メモリ２５に転送されて像表示装置２６に試料像として表示される。走査コイル９と同じ位置に２段の偏向コイル５１が配置されており，傾斜制御電源３１によって対物レンズの物点が偏向支点となるように，対物レンズに入射する一次電子線４の位置を二次元的に制御できる。こうして，対物レンズの光軸に対してビームを傾斜させることができる。
【００２７】
集束レンズ６の付近に非点収差補正コイル５３が配置されており，ビーム傾斜条件に連動して非点補正電源３３で制御される。集束レンズ６と絞り板８の間には２段の偏向コイル５２が配置されており，集束レンズ６の物点が偏向の支点となるように，収差制御電源３２によって集束レンズ６に入射する一次電子線４の位置を二次元的に制御できる。偏向コイル５１には，対物レンズの物点が偏向支点となる一次電子線位置制御信号に加えて，一次電子線の試料上での照射位置を二次元的に制御できる制御信号も流すことができ，ビーム傾斜条件に連動して照射位置のずれを補正できる。試料ステージ１５は，試料を少なくとも一次電子線と垂直な面内の２方向（Ｘ方向，Ｙ方向）に試料１０を移動することができる。入力装置４２からは，画像の取り込み条件（走査速度，加速電圧など）やビーム傾斜条件（傾斜方向や傾斜角度）の指定，および画像の出力や記憶装置４１への保存などを指定することができる。偏向コイル５２（以下，この偏向コイル５２を収差制御コイルという）により，集束レンズ６の物点が偏向支点となるように一次ビーム４を偏向すると，ビーム傾斜時と同じ性質の収差を集束レンズ６で発生させることができる。
【００２８】
対物レンズ７が作る収差をキャンセルするような，集束レンズ６の条件が存在する。対物レンズ７によるビーム傾斜角度は，偏向コイル５１（以下，この偏向コイル５１をビーム傾斜角制御コイルという）の電流に比例し，また，集束レンズ６によるビーム傾斜角度は，収差制御コイル５２の電流に比例するので，上記の収差キャンセルする条件を満たすよう，ビーム傾斜角制御電源３１と，収差制御電源３２をコンピュータ４０により制御すれば良い。
【００２９】
以上の説明では，図１（ａ）のステップ２０２〜２０９を１回実施したが，精度を向上させるため，１回目終了後にステップ２０２に戻り，撮像箇所をウェーハ上の別の位置に移動して，同様の処理をＮ回繰り返し，イメージシフト量と電子ビームランディング角の関係を表す式の係数は，各回で算出した係数を平均して求めるようにしても良い。
【００３０】
続いて，図１（ｂ）を参照して計測方法３００について説明する。
【００３１】
計測対象パターンを含む広い領域を低倍率で撮像（ステップ３０１）し，パターン認識により計測対象パターンの位置を求める(ステップ３０２)までは，背景技術にて説明した図３と同様である。続くステップ３０３では，計測対象パターンの位置（ｘ，ｙ）に応じて，ステップ２１０で登録した，ビームランディング角を垂直に維持して位置を制御するような，対物レンズに対するビームの入射条件，及び，対物レンズへの入射条件を読み出して，それらの条件を設定する（ステップ３０４）。その上で，電子ビームの偏向範囲を計測対象パターン周辺に限定し（イメージシフト：ステップ３０５），高倍率の画像を撮像し（ステップ３０６），寸法計測を行う（ステップ３０７）。
【００３２】
以上が，本発明の基本的な実施例である。本実施例によれば，イメージシフト量によらずビームランディング角が垂直となるため，ビームランディング角のばらつきによって生じていたＣＤ値のばらつきをなくすことが可能となる。
【００３３】
次に、図１３を用いて、装置間での電子ビームランディング角の差違を減少させる構成を説明する。図１３に示すように、同一の較正用ウェーハを用いて，図１（ａ）の較正を各装置にて実施すれば，実質的に各装置のビームランディング角が等しくなり，装置間の電子ビームランディング角の差違によって生じていた機差をなくすことができる。ここで，同一の較正用ウェーハを用いるのは，結晶異方性エッチングの技術により作製したピラミッド形状は，４個の側面のなす角は保証されているが，側面と底面がなす角は保証されていないからである。図１４（ａ）のように，ピラミッドの中心軸とウェーハ面が垂直になるのが理想的であるが，単結晶インゴットからのウェーハスライス角度によっては，図１４（ｂ）のようになることもあり得る。ビームランディング角の変化と，図１３（ｂ）の状況とを撮像画像から区別することは難しいため，装置間の電子ビームランディング角の差違をなくすためには同一の較正用ウェーハを使用することが望ましい。
〔変形例１〕
図１１に第１の変形例に係る，較正のフローチャート２００’と計測のフローチャート３００’を示す（ぞれぞれ，図１１（ａ），（ｂ））。図１１（a）および（ｂ）のフローチャートにおいて、図１のフローチャートと同じ番号の箇所は、図１で説明したのと同じ処理を行う。上記に説明した実施例では、較正のフロー２００におけるステップ２０９において，図５におけるパラメータＰ，Ｑ，ｄｘ，ｄｙを求めたが，本変形例１では，単純に視野上の各ピラミッドの位置（ｘ，ｙ）にて計算したビームランディング角を記述したテーブルを作成する（ステップ２０９’）。そして，各位置ごとに，必要なビーム制御パラメータ（対物レンズに対するビームの入射条件，及び，収差を補正するための，集束レンズの設定条件）を記述したテーブルを作成し，これを登録する（ステップ２１０’）。
【００３４】
各位置におけるビームランディング角の計測誤差を低減するため，着目するピラミッド（ｉ，ｊ）におけるビームランディング角φｘ（ｉ，ｊ），φｙ（ｉ，ｊ）を，近接するピラミッドにおけるビームランディング角との平均（数２），あるいは，近接するピラミッドにおけるビームランディング角のメジアン（数３）によって求めるようにしても良い。
【００３５】
【数２】
【００３６】
【数３】
計測のフロー３００’におけるステップ３０３’においては，ステップ２１０’で登録した，対物レンズに対するビームの入射条件，及び，収差を補正するための，集束レンズの設定条件を記述したテーブルを読み出す。テーブル上の該条件は，較正に用いたピラミッドの位置刻みにしかデータがないため，補間により，計測対象パターンの位置（ｘ，ｙ）に応じた電子ビーム制御パラメータ制御を求める。以降の処理（ステップ３０４〜３０７）は実施例１と共通である。
【００３７】
本実施例も，実施例１と同様，イメージシフト量によらずビームランディング角が垂直となるため，ビームランディング角のばらつきによって生じていたＣＤ値のばらつきをなくすことが可能となる。実施例１では，視野上の位置（ｘ，ｙ）とビームランディング角が関係式で記述できる場合を対象としたが，本実施例にはその制約はなく，より汎用的といえる。
〔変形例２〕
図１２に変形例２に係る，較正のフローチャート４００と計測のフローチャート５００を示す（ぞれぞれ，図１２（ａ），（ｂ））。上記した実施例及び変形例１は，イメージシフト量によらずビームランディング角を垂直にすることを意図した実施例であるが，イメージシフト量によらず，所定のビームランディング角による傾斜像取得を意図したのが本実施例である。図１２（a）および（ｂ）のフローチャートにおいて、図１のフローチャートと同じ番号の箇所は、図１で説明したのと同じ処理を行う。
【００３８】
較正のフロー４００では，低倍率画像を取得するステップ２０３の前に，ビームチルト角を設定するステップ４０１が加わる。計測のフロー５００でも，低倍率画像を取得するステップ３０１の前に，ビームチルト角を設定するステップ５０１が加わる。本実施例によれば，イメージシフト量によらずビームランディング角が所望のチルト角となるため，ビームランディング角のばらつきによって生じていたＣＤ値，あるいは傾斜像から得られる他の特徴量のばらつきをなくすことが可能となる。
〔変形例３〕
ビームランディング角較正用試料上の多面体構造物のバリエーションについて述べる。
【００３９】
較正用試料における多面体構造物として，上記実施例では，結晶異方性エッチングの技術により作製したピラミッド形状を用いた。一つの構造物を観察することで，ｘ方向の電子ビームランディング角φxとｙ方向の電子ビームランディング角φyの両方が算出できる形状は，ピラミッド形状には限らない。例えば，図１５（ａ）のように，異方性エッチングを途中で停止することにより作製される，ピラミッドの頂上が平らな形状でもよい。例えば，図１５（ｂ）の線分１６０１〜１６０４をそれぞれ延長し，その交点から図７（ｂ）の頂点Ｑ0に相当する仮想的な頂点Ｑ’0を求めることによって，ピラミッド形状と同様にビームランディング角の変化を求めることができる。
【００４０】
図１５（a）にはピラミッドの頂上が平らな形状の例を示したが、頂上が丸まっている場合であっても同様に処理することができる。
〔変形例４〕
較正用試料上のピラミッドの大きさと配置について述べる。
【００４１】
ピラミッドの大きさは，図１，図１１のステップ２０６の高倍画像撮像時に画像内におさまる大きさである必要がある。一方，ビームランディング角をより高精度に求めるためには，ビームランディング角が変化したときの幾何学変形，すなわち，図９（ｂ）のΔｘ，Δｙが大きい方が有利である。異方性エッチングで作製したピラミッドでは，Δｘ，Δｙはピラミッドのサイズに比例するので，精度を得るにはピラミッドは大きい方が有利である。
【００４２】
ピラミッドの配置は，視野内のビームランディング角計測点をより多くするには，図１，図１１のステップ２０３の低倍画像撮像時に，なるべく多くのピラミッドが含まれることが望ましい。このためには，ピラミッドの間隔は狭い方がよい。しかし，同一サイズのピラミッドが同一ピッチで並んでいると，ピラミッドの特定が難しいという問題がある。異方性エッチングにより作製したピラミッドは均一性が高いものの，特に，図１２に示す第３の実施例においては，各装置で同一の較正用ウェーハを用いるのみならず，同一ウェーハ上の同一ピラミッド群を用いる方が，装置間の電子ビームランディング角の差異をなくすには有利である。
【００４３】
低倍画像撮像時の撮像範囲が１０ミクロン程度，高倍率撮像時の撮像範囲が１ミクロン程度とすると，図１６のように，ピラミッドのサイズは１ミクロン程度，ピッチは１ミクロン強とし，周辺と異なるピッチで配列した部分を設けるなどして，ピラミッドが特定できる配置が望ましい。
【００４４】
あるいは，周辺と異なるピッチで配列した部分を設ける代わりに，周辺とサイズあるいは形状の異なるピラミッドを配置するようにしてもよい。
〔変形例５〕
較正用試料の形態及び利用形態について述べる。
【００４５】
較正用の試料としては，ウェーハの形態の他，図１７（ａ）のごとく，試料ステージ１５上にあるホルダ７０３に，ビームランディング角較正用試料の小片７０５を取り付ける形態でも良い。試料ステージ上に，これ以外に，非点収差自動調整用の試料７０６，倍率較正用の試料７０７も合わせて取り付け，図１７（ｂ）に示す光学系調整の一連のシーケンスを定期的に実行すれば，ＳＥＭの状態を常に最良の状態に保つのに好都合である。
〔変形例６〕
ビームランディング角較正のためのユーザインターフェースについて述べる。
【００４６】
図１（ａ）に示すフローを自動実行するためには，ウェーハ上のショットの大きさや並び，較正用パターンの位置，加速電圧，ビーム電流，倍率等の撮像条件を指定したファイルを予め作成しておく必要がある。
【００４７】
図１８に，較正に用いるピラミッドを指定するＧＵＩ画面の例を示す。１７２にて加速電圧を指定，１７３にてビーム電流を指定，１７４にて倍率を指定，１７６にてフレーム加算数を指定して低倍画像１７１を撮像する。１７５は倍率調整用のボタンである。低倍画像上で，１７７の矩形，あるいは１７８のクロスマークによって，使用するピラミッドを指定する。図では左上の３個ピラミッドがクロスマークにより指定されている。ここで指定されたピラミッドの高倍画像を順次撮像するが，１８０は撮像順序を指定したものであり，この番号がピラミッドの番号を兼ねる。画像撮像条件と，高倍撮像を行うピラミッドの指定が終了したら，登録ボタン１８１にて情報を保存する。図１８に示した例では、全ての撮像条件を同一画面上で設定する構成を示したが、これらの設定項目は必ずしも同一の画面上とは限らず、いくつかの画面に分けて実施しても良い。
【００４８】
１８２はビームランディング角の計測のみ（図１のステップ２０１〜２０８）を行うか，ビーム制御パラメータの更新まで（図１のステップ２０１〜２１０）行うかを選択するボタンである。
【００４９】
図１９に，ビームランディング角較正の結果を確認するためのＧＵＩ画面の例を示す。１９０はビームランディング角の全体状況をユーザが把握するための図示画面であり，破線１９１の交点が各ピラミッドの位置に相当し，矢印１９２はビームランディング角をベクトル表示したものである（図では一部しか記述いていない）。矢印の長さはビームランディング角の大小を，矢印の向きはビームランディング角の向きを示す。例えば，ｙ方向のビームランディング角が０°であれば，矢印は横向きとなる。ボタン１９３，１９４を切り替えることで，較正前後の結果を比較することができる。１９５は較正前後のビームランディング角の表示画面である。ピラミッド番号は，図１８の１８０で指定した番号である。図18ではピラミッドが６４個あるので，全ピラミッドを計測対象として指定したならば，ピラミッド番号は１〜６４となる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施例１にかかる較正および計測のフローチャートである。
【図２】従来の測長SEMの原理を示す図である。
【図３】信号波形を用いた自動寸法計測であるしきい値法を説明する図である。
【図４】一般的な自動寸法計測のシーケンスを示す図である。
【図５】視野上の位置とビームチルト角の関係を示す図である。
【図６】電子ビームのランディング角度とＣＤ値との関係を示す模式図である。
【図７】較正用試料上の多面体構造物の一例として，凹型，凸型のピラミッドを示す図である。
【図８】較正の１ステップの説明図である。
【図９】ピラミッドの幾何学変形を説明する図である。
【図１０】電子顕微鏡の概略構成図である。
【図１１】本発明の実施例２にかかる較正および計測のフローチャートである。
【図１２】本発明の実施例３にかかる較正および計測のフローチャートである。
【図１３】本発明の実施例４の概念図である。
【図１４】ピラミッドの中心軸のずれを説明する図である。
【図１５】較正用試料上の多面体構造物の別の例を示す図である。
【図１６】較正用試料上の望ましいピラミッドの配置例を示す図である。
【図１７】較正用試料の別の形態を示す図である。
【図１８】ビームランディング角較正を自動実行するための条件設定用GUIの例を示す図である。
【図１９】ビームランディング較正の結果を確認するためのＧＵＩ画面の例を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１…陰極，２…第一陽極，３…第二陽極，４…一次電子線，５…第一集束レンズ，６…第二集束レンズ，７…対物レンズ，８…絞り板，９…走査コイル，１０…試料，１１…二次信号分離用直交電磁界（ＥｘＢ）発生器，１２…二次信号，１３…二次信号用検出器，１４…信号増幅器，１５…試料ステージ，２０…高圧制御電源，２１…第一集束レンズ制御電源，２２…第二集束レンズ制御電源，２３…対物レンズ制御電源，２４…走査コイル制御電源，２５…画像メモリ，２６…像表示装置，３１…ビーム傾斜角制御電源，３２…収差制御電源，３３…非点補正電源，４０…コンピュータ，４１…記憶装置，４２…入力装置，５１…ビーム傾斜角制御コイル，５２…収差制御コイル，５３…非点収差補正コイル，７０３…較正用試料ホルダ，７０５…較正用試料，７０６…非点収差自動調整用試料，７０７…倍率較正用試料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子線装置を用いて試料を撮像する方法であって、
形状が既知の多面体のパターンが形成された試験試料に荷電粒子線を照射し走査して該試験試料から発生する２次荷電粒子を検出することにより該試験試料を撮像し、
該撮像して得た前記試験試料のパターンの画像から前記荷電粒子線の前期試験試料表面へのビームランディング角を算出し、
該算出したビームランディング角の情報に基づいて該ビームランディング角が所望の角度になるような前記荷電粒子線の制御量を求め、
該求めた制御量に基づいて前記荷電粒子線を制御しながら表面にパターンが形成された試料に照射し走査して該試料を撮像する
ことを特徴とする荷電粒子線装置を用いた撮像方法。
【請求項２】
荷電粒子線装置を用いて試料を撮像する方法であって、
形状が既知の多面体のパターンが形成された試験試料に荷電粒子線を照射し走査して該試験試料から発生する２次荷電粒子を検出することにより該試験試料を撮像し、
該撮像して得た前記形状が既知の多面体のパターンが形成された試験試料の画像から前記荷電粒子線の照射位置と複数の方向のビームランディング角との関係を求め、
該求めた荷電粒子線の照射位置と複数の方向のビームランディング角との関係に基づいて前記荷電粒子線を制御しながら表面にパターンが形成された試料に照射し走査して該試料を撮像する
ことを特徴とする荷電粒子線装置を用いた撮像方法。
【請求項３】
前記試験試料の形状が既知の多面体のパターンが、四角錐または四角錐台または上面が曲面でほぼ四角錐の形状を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の荷電粒子線装置を用いた撮像方法。
【請求項４】
前記試験試料には形状が既知の多面体のパターンが複数形成されており、前記試験試料の複数の多面体のパターンの画像から前記荷電粒子線のビームランディング角を制御するための制御量を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の荷電粒子線装置を用いた撮像方法。
【請求項５】
前記荷電粒子線を制御しながら表面にパターンが形成された試料に照射し走査して該試料を撮像して得た画像を用いて前記表面にパターンが形成された試料の該パターンの寸法を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の荷電粒子線装置を用いた撮像方法。
【請求項６】
平面内で移動可能なテーブル手段と、
該テーブル手段に載置した試料に集束させた荷電粒子線を照射して走査する荷電粒子線照射手段と、
該荷電粒子線照射手段により荷電粒子さんが照射された前記試料から発生した二次荷電粒子を検出する検出手段と、
該検出手段で検出した前記二次荷電粒子の検出信号を処理して前記試料の画像を取得する信号処理手段と、
該信号処理手段で処理して得た前記試料の画像を表示する表示手段と
前記テーブル手段と前記荷電粒子線照射手段と前記検出手段と前記信号処理手段と前記表示手段とを制御する制御手段と
を備えた荷電粒子線装置であって、
前記信号処理手段は、前記テーブル手段に載置した形状が既知の多面体のパターンが形成された試験試料に前記荷電粒子線照射手段で荷電粒子線を照射して走査することにより前記検出手段で検出された二次荷電粒子の検出信号を処理して前記荷電粒子線照射手段で前記試料に照射する荷電粒子線のビームランディング角の情報を得、前記制御手段は、前記信号処理手段で得た荷電粒子線のビームランディング角の情報に基づいて前記荷電粒子線照射手段を制御して前記荷電粒子線のビームランディング角を所望の角度の設定することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項７】
試料に集束させた荷電粒子線を照射して走査する荷電粒子線照射手段と、
該荷電粒子線照射手段により荷電粒子さんが照射された前記試料から発生した二次荷電粒子を検出して前記試料の画像を取得する画像取得手段と、
該画像取得手段で取得した画像を処理する画像処理手段と、
前記画像取得手段で取得した前記試料の画像を表示する表示手段と
前記荷電粒子線照射手段と前記画像取得手段と前記画像処理手段と前記表示手段とを制御する制御手段と
を備えた荷電粒子線装置であって、
前記画像処理手段は、形状が既知の多面体のパターンが形成された試験試料に前記荷電粒子線照射手段で荷電粒子線を照射し走査して前記画像取得手段で取得された画像を処理することにより前記荷電粒子線の照射位置と複数の方向のビームランディング角の関係の情報を得、前記制御手段は、前記画像処理手段で得た荷電粒子線の照射位置と複数の方向のビームランディング角の関係の情報に基づいて前記荷電粒子線照射手段を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項８】
前記試験試料として四角錐または四角錐台または上面が曲面でほぼ四角錐の形状が既知の多面体のパターンが複数形成された試料を用いることを特徴とする請求項６または７に記載の荷電粒子線装置。
【請求項９】
前記信号処理手段で処理して得た表面にパターンが形成された試料の画像を用いて該パターンの寸法を求めるパターン寸法算出手段を更に備えたことを特徴とする請求項６記載の荷電粒子線装置。
【請求項１０】
前記画像処理手段は、表面にパターンが形成された試料を用いて前記画像取得手段で取得した画像を処理して該試料のパターンの寸法を求めることを特徴とする請求項７記載の荷電粒子線装置。
【請求項１】
荷電粒子線装置を用いて試料を撮像する方法であって、
形状が既知の多面体のパターンが形成された試験試料に荷電粒子線を照射し走査して該試験試料から発生する２次荷電粒子を検出することにより該試験試料を撮像し、
該撮像して得た前記試験試料のパターンの画像から前記荷電粒子線の前期試験試料表面へのビームランディング角を算出し、
該算出したビームランディング角の情報に基づいて該ビームランディング角が所望の角度になるような前記荷電粒子線の制御量を求め、
該求めた制御量に基づいて前記荷電粒子線を制御しながら表面にパターンが形成された試料に照射し走査して該試料を撮像する
ことを特徴とする荷電粒子線装置を用いた撮像方法。
【請求項２】
荷電粒子線装置を用いて試料を撮像する方法であって、
形状が既知の多面体のパターンが形成された試験試料に荷電粒子線を照射し走査して該試験試料から発生する２次荷電粒子を検出することにより該試験試料を撮像し、
該撮像して得た前記形状が既知の多面体のパターンが形成された試験試料の画像から前記荷電粒子線の照射位置と複数の方向のビームランディング角との関係を求め、
該求めた荷電粒子線の照射位置と複数の方向のビームランディング角との関係に基づいて前記荷電粒子線を制御しながら表面にパターンが形成された試料に照射し走査して該試料を撮像する
ことを特徴とする荷電粒子線装置を用いた撮像方法。
【請求項３】
前記試験試料の形状が既知の多面体のパターンが、四角錐または四角錐台または上面が曲面でほぼ四角錐の形状を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の荷電粒子線装置を用いた撮像方法。
【請求項４】
前記試験試料には形状が既知の多面体のパターンが複数形成されており、前記試験試料の複数の多面体のパターンの画像から前記荷電粒子線のビームランディング角を制御するための制御量を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の荷電粒子線装置を用いた撮像方法。
【請求項５】
前記荷電粒子線を制御しながら表面にパターンが形成された試料に照射し走査して該試料を撮像して得た画像を用いて前記表面にパターンが形成された試料の該パターンの寸法を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の荷電粒子線装置を用いた撮像方法。
【請求項６】
平面内で移動可能なテーブル手段と、
該テーブル手段に載置した試料に集束させた荷電粒子線を照射して走査する荷電粒子線照射手段と、
該荷電粒子線照射手段により荷電粒子さんが照射された前記試料から発生した二次荷電粒子を検出する検出手段と、
該検出手段で検出した前記二次荷電粒子の検出信号を処理して前記試料の画像を取得する信号処理手段と、
該信号処理手段で処理して得た前記試料の画像を表示する表示手段と
前記テーブル手段と前記荷電粒子線照射手段と前記検出手段と前記信号処理手段と前記表示手段とを制御する制御手段と
を備えた荷電粒子線装置であって、
前記信号処理手段は、前記テーブル手段に載置した形状が既知の多面体のパターンが形成された試験試料に前記荷電粒子線照射手段で荷電粒子線を照射して走査することにより前記検出手段で検出された二次荷電粒子の検出信号を処理して前記荷電粒子線照射手段で前記試料に照射する荷電粒子線のビームランディング角の情報を得、前記制御手段は、前記信号処理手段で得た荷電粒子線のビームランディング角の情報に基づいて前記荷電粒子線照射手段を制御して前記荷電粒子線のビームランディング角を所望の角度の設定することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項７】
試料に集束させた荷電粒子線を照射して走査する荷電粒子線照射手段と、
該荷電粒子線照射手段により荷電粒子さんが照射された前記試料から発生した二次荷電粒子を検出して前記試料の画像を取得する画像取得手段と、
該画像取得手段で取得した画像を処理する画像処理手段と、
前記画像取得手段で取得した前記試料の画像を表示する表示手段と
前記荷電粒子線照射手段と前記画像取得手段と前記画像処理手段と前記表示手段とを制御する制御手段と
を備えた荷電粒子線装置であって、
前記画像処理手段は、形状が既知の多面体のパターンが形成された試験試料に前記荷電粒子線照射手段で荷電粒子線を照射し走査して前記画像取得手段で取得された画像を処理することにより前記荷電粒子線の照射位置と複数の方向のビームランディング角の関係の情報を得、前記制御手段は、前記画像処理手段で得た荷電粒子線の照射位置と複数の方向のビームランディング角の関係の情報に基づいて前記荷電粒子線照射手段を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項８】
前記試験試料として四角錐または四角錐台または上面が曲面でほぼ四角錐の形状が既知の多面体のパターンが複数形成された試料を用いることを特徴とする請求項６または７に記載の荷電粒子線装置。
【請求項９】
前記信号処理手段で処理して得た表面にパターンが形成された試料の画像を用いて該パターンの寸法を求めるパターン寸法算出手段を更に備えたことを特徴とする請求項６記載の荷電粒子線装置。
【請求項１０】
前記画像処理手段は、表面にパターンが形成された試料を用いて前記画像取得手段で取得した画像を処理して該試料のパターンの寸法を求めることを特徴とする請求項７記載の荷電粒子線装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２００７−１８７５３８（Ｐ２００７−１８７５３８Ａ）
【公開日】平成１９年７月２６日（２００７．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５４８２（Ｐ２００６−５４８２）
【出願日】平成１８年１月１３日（２００６．１．１３）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年７月２６日（２００７．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月１３日（２００６．１．１３）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
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