荷電粒子線装置及び荷電粒子線を用いた測長方法
【課題】デバイス試料の傾斜ズレによる測長誤差を最小化する。
【解決手段】測長前に、試料の単結晶部分から回折パターンを取得し、取得された回折パターンに基づいて荷電粒子線に対する試料の傾斜角を補正する。
【解決手段】測長前に、試料の単結晶部分から回折パターンを取得し、取得された回折パターンに基づいて荷電粒子線に対する試料の傾斜角を補正する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄片化された微細なデバイス試料を高い精度で測長するのに有用な技術に関する。例えばデバイス試料の傾斜ズレを自動的に補正する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
デバイス試料の長さの計測には、一般的にSEM（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）やCD-SEM（Critical Dimention-SEM：測長走査型電子顕微鏡）が使用され、これらを用いてデバイス試料の表面又は断面（SEMのみ）を測長する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本願発明者がデバイス試料の測長手法について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。従来の測長手法は、デバイス試料の傾斜角の調整を専ら目視に頼っており、正確な傾斜補正については配慮がされていない。このため、近年のように微細化されたデバイス試料の測長では、傾斜ズレによる測長誤差が無視できない問題になってくる。また、TEM（Transmission Electron Microscope：透過電子顕微鏡）やSTEM（Scanning Transmission Electron Microscope：走査透過電子顕微鏡）を使用しての測長の場合にも、多結晶のみで構成される薄膜試料を測長する場合には、傾斜ズレによる測長誤差が無視できない問題になってくる。
【０００４】
本発明の目的は、デバイス試料の傾斜ズレによる測長誤差の問題を最小限に抑えることができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、測長前に、試料の単結晶部分から回折パターンを取得し、取得された回折パターンに基づいて荷電粒子線に対する試料の傾斜角を補正する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明により、試料の傾斜角を正確に調整でき、高い精度で対象部分の長さを測定できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】荷電粒子線装置の機能ブロック例を示す図。
【図２】傾斜補正機能の概念構成を示す図。
【図３】傾斜補正機能の概略を示すフローチャート。
【図４】測長処理機能の全体を示すフローチャート。
【図５】傾斜角と対応する回折パターンの関係を説明する図。
【図６】高分解能像の一例を示す図。
【図７】既知の長さを用いた測長結果の校正を説明する図。
【図８】デバイス試料の傾斜角と強度スペクトルの出現パターンの関係を説明する図。
【図９】薄膜試料の作製方法を例示する図。
【図１０】単結晶部の探索方法を説明する図。
【図１１】針状に加工した薄膜試料を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面に基づいて、本発明の実施例を説明する。なお、後述する装置構成や処理動作の内容は発明を説明するための一例である。本発明は、後述する装置構成や処理動作に既知の技術を組み合わせた発明や後述する装置構成や処理動作の一部を既知の技術と置換することによっても実現できる。
【０００９】
［実施例１］
図１に、荷電粒子線装置の概略的な機能ブロック図を示す。電子線源（荷電粒子線源）１から放出された電子線（荷電粒子線）３は、加速電極２で加速された後、第一集束電磁レンズ４、第二集束電磁レンズ５及び対物電磁レンズ９の前磁場を経由して試料台１０に保持された試料１１に照射される。電子線源１には、例えばCold FE GUN(HF-3300,HD-2300)、SE GUN(HD-2700)、LaB6単結晶型GUN(H-9500,H-7650)、Wフィラメント(H-7650)等を使用する。
【００１０】
試料１１は、照射された電子線３との相互作用により試料の情報を有する二次電子８、試料前方散乱電子１２、試料透過電子１３を発生する。このとき、電子線３は、電子線の光軸に対して対称位置に配置された走査コイル６により発生される磁場により試料上を走査する。なお、表示部ドライバー５９は、試料上の電子線の走査と表示画面上の描画走査の同期を取ることにより、表示部６０の表示画面上に試料の拡大像を形成する。
【００１１】
試料から発生される二次電子８は、蛍光体１６の発光を検出する光電子増倍管１７を通じて検出される。なお、光電子増倍管１７の出力信号は、微小電流増幅器２９によって増幅され、ＡＤＣ（analog to digital converter）４１に与えられる。ＡＤＣ４１（analog to digital converter）により、光電子増倍管１７の出力信号は、アナログ形式からディジタル形式に変換され、データバスに取り込まれる。この実施例では、二次電子の検出器を蛍光体１６と光電子増倍管１７で構成するが、マルチチャネルプレートその他の半導体検出器を用いても良い。
【００１２】
因みに、試料から発生される試料前方散乱電子１２は、前方散乱電子検出器１４によって検出される。また、試料から発生される試料透過電子１３は、試料透過電子検出器１５によって検出される。前方散乱電子検出器１４及び試料透過電子検出器１５は、蛍光体と光電子増倍管の組合せとして構成しても良いし、半導体検出器として構成しても良い。
【００１３】
電子線源１の印加電圧、加速電極２の加速電圧や電子線の引き出し電圧、フィラメント電流等の値は、マイクロプロセッサ４４により設定される。電圧や電流の設定信号は、マイクロプロセッサ４４からデータバスを経由してＤＡＣ（digital to analog converter）３２、３３に入力され、アナログ形式の信号に変換される。アナログ変換後の設定信号は、電圧安定装置２１、２２を通じて電子線源電源１８及び加速用高圧電源１９に与えられる。
【００１４】
第一集束電磁レンズ４、第二集束電磁レンズ５、対物電磁レンズ９の励磁電源も、マイクロプロセッサ４４により設定される。この設定信号は、マイクロプロセッサ４４からデータバスを経由してＤＡＣ（digital to analog converter）３４、３５、３９に入力され、アナログ形式の設定信号に変換される。アナログ変換後の設定信号は、電磁レンズ電源２３、２４、２５を通じ、電流信号として各電磁レンズに対して与えられる。
【００１５】
試料１１の位置制御は、オペレータによるロータリーエンコーダ５６、５７の操作を通じた試料台１０の駆動により、又は、予め記録された試料位置駆動パターンに従った試料台１０の駆動により実現される。ここで、試料台１０には、例えば二軸傾斜ホルダ、回転ホルダ、In-situホルダ等を使用する。また、ロータリーエンコーダ５６、５７の出力は、インターフェース５４、５５を通じて試料台１０の試料駆動装置２０に与えられる。
【００１６】
走査機構（走査コイル６）が電子線３に作用させる電場又は磁場の大きさを変化させることにより、電子線３の試料上での走査量は任意に変化させることができる。例えば走査コイル６に印加する電流の大きさを変化させ、試料上における電子線３の走査範囲を変えれば、二次電子による試料像の拡大倍率を変えることができる。因みに、電子線が走査する試料表面の領域を狭くすれば二次電子像の拡大倍率は大きくなり、反対に電子線が走査する試料表面の領域を広くすれば二次電子像の拡大倍率は小さくなる。
【００１７】
この他、荷電粒子線装置は、偏向コイル７、コイル電源２６、２７、２８、微小電流増幅器３０、３１、ＤＡＣ３６、３７、３８、４０、ＡＤＣ４２、４３、ＲＡＭ４５、画像相関計算処理部４６、周期画像演算処理部４７、非周期画像演算処理部４８、倍率データテーブル４９、オフセット電圧計算部５０、偏向系制御部５１、補正データテーブル５２、像回転計算部５３、キーボード５８、コントラスト変換装置６１を有している。
【００１８】
図２に、試料１１の傾斜補正に関連する機能ブロックの概略構成を示す。電子線３は、試料１１で回折され、試料台１０の背後に配置された撮像部（例えばCCDカメラ６２）の検出面に電子線回折像（回折パターン）を構築する。なお、撮像部（検出器）は、CMOSカメラでも良い。ここでの撮像部（検出器）は、図１の試料透過電子検出器１５に対応する。CCDカメラ６２の検出信号（電子線回折像の情報）は、図１の微小電流増幅器３１、ＡＤＣ４３を通じてデータバスに与えられる。
【００１９】
検出された電子線回折像は、自動傾斜補正ソフトウェア６３において、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の強度プロファイルに変換される。ここで、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、マイクロプロセッサ４４において実行されるコンピュータプログラムとして提供される。自動傾斜補正ソフトウェア６３は、例えば試料面の電子線３に対する傾斜角のズレ量を計算し、計算結果に基づいて試料駆動装置２０を駆動制御することにより、試料１１の傾斜角度を最適な角度に調整する。試料駆動装置２０は、試料台の水平面内で駆動できるだけでなく、試料台の傾斜角も駆動制御できる。なお、傾斜角の調整は回転軸を中心とした回転量の制御だけでなく、複数個の高さ調整ピンの高さの調整によっても実現できる。以下では、便宜的に回転軸の周りに回転させる場合について説明する。また、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、例えばＸ軸方向又はＹ軸方向を回転中心として試料１１の傾斜角をリアルタイムで自動調整し、各調整角について逐次抽出される電子線回折像の強度プロファイルに基づいて試料１１の傾斜角度を最適な角度に調整する。勿論、試料１１の傾斜角度の調整は、試料１１を搭載する試料台の傾斜角の駆動制御を通じて実現される。
【００２０】
図３に、自動傾斜補正ソフトウェア６３を通じて実行される処理手順の概略を示す。自動傾斜補正処理は、自動傾斜補正処理を適用する箇所を探索する処理と、探索された箇所について試料の傾斜角を自動的に補正する処理に分類することができる。
【００２１】
まず、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、薄膜試料全体を電子線でスキャンし、各地点の電子線回折像を自動的に取得する（ステップ３０１）。次に、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、電子線回折像の強度プロファイルとその座標情報に基づいて、薄膜試料（基板部）の中から単結晶の領域を探索する（ステップ３０２）。
【００２２】
この実施例では、広い領域（例えば事前に設定された一定以上の面積をもつ領域）内の複数個所から全て同じ回折パターンが検出された場合、当該領域が基板部の単結晶領域であると判定する。判定精度を高めるためには、判定対象である領域内から回折パターンを取得する個数を増やすことが望ましい。また、回折パターンを取得する箇所は、判定対象である領域内で可能な限り離れていることが望ましい。例えば判定対象である領域が矩形である場合、その４隅付近を回折パターンの取得に用いることが望ましい。なお、薄膜試料全体のうち単結晶領域を探索する領域（判定対象としての領域）は、試料の多結晶部構造の大小等を考慮してユーザーが指定しても良い。もっとも、後述するように、当該探索領域を、画像処理等に基づいて自動設定する方式を採用しても良い。
【００２３】
次に、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、薄膜試料（基板部）の単結晶領域に電子線を照射させた状態のまま、薄膜試料をＸ軸方向に傾斜させる。すなわち、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、Ｙ軸を中心に薄膜試料を回転駆動する。自動傾斜補正ソフトウェア６３は、薄膜試料のＸ軸方向の傾斜角（Ｙ軸周りの回転角）の情報と電子線回折像の強度プロファイルの情報をリアルタイムで取得する。自動傾斜補正ソフトウェア６３は、リアルタイムで得られる各傾斜角の強度プロファイルを画像処理し、強度プロファイルが左右対称となる傾斜角を自動的に探索する（ステップ３０３）。なお、薄膜試料の傾斜が所定角度に達すると、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、例えば傾斜開始前の状態に戻す。また例えば、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、強度プロファイルが左右対称となる傾斜角に、薄膜試料の傾斜を戻す。
【００２４】
自動傾斜補正ソフトウェア６３は、薄膜試料（基板部）の単結晶領域に電子線を照射させた状態のまま、今度は薄膜試料をＹ軸方向に傾斜させる。すなわち、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、Ｘ軸を中心に薄膜試料を回転駆動する。自動傾斜補正ソフトウェア６３は、薄膜試料のＹ軸方向の傾斜角（Ｘ軸周りの回転角）の情報と電子線回折像の強度プロファイルの情報をリアルタイムで取得する。自動傾斜補正ソフトウェア６３は、リアルタイムで得られる各傾斜角の強度プロファイルを画像処理し、強度プロファイルがメインスポットに対して左右対称となる傾斜角を自動的に探索する（ステップ３０４）。
【００２５】
ここで、ステップ３０３及び３０４において、強度プロファイルがメインスポットに対して左右対称となる傾斜角を探索するのは、強度プロファイルがメインスポットに対して左右対称となる傾斜角においては、薄膜試料面と電子線の入射軸との関係が垂直となり、測長誤差が最小化すると考えられるためである。
【００２６】
前述したように、デバイス試料の単結晶部分の回折パターン像（強度スペクトルの分布）をＴＥＭ又はＴＥＭ付属のＳＴＥＭ機能で取得することにより、測長のために入射する電子ビーム線に対するデバイス試料の傾斜を自動的に補正することができる。
【００２７】
以上のように、本実施例の場合には、複数の傾斜角についてリアルタイムに出現する複数枚の強度プロファイルを使用し、測長に最適な傾斜角を探索する手法を採用する。しかし、測長に最適な傾斜角を、ある１つの傾斜角について得られる１枚の強度プロファイルに基づいて、自動傾斜補正ソフトウェア６３の演算処理を通じて求めても良い。
【００２８】
［実施例２］
続いて、実施例に係る荷電粒子線装置を用いた測長処理手順の概略を説明する。図４に、実施例に係る測長処理手順のフローチャートを示す。
【００２９】
まず、測長対象の結晶構造を確認する。具体的には、測長対象は単結晶部のみの構造か否かを判定する（ステップ４０１）。この判定は、例えば作業者が行う。
【００３０】
測長対象が単結晶のみの領域で構成されている場合（ステップ４０１で肯定結果の場合）、測長対象のみを含む薄膜試料の加工領域をＦＩＢ（Focused Ion Beam）装置に対して作業者が入力し、薄膜試料を製作する（ステップ４０２）。一方、測長対象が多結晶又は非晶質の領域で構成されている場合（ステップ４０１で否定結果の場合）、作業者が測長対象だけでなく単結晶部も含む薄膜試料の加工領域をＦＩＢ（Focused Ion Beam）装置に対して作業者が入力し、薄膜試料を製作する（ステップ４０３）。
【００３１】
次に、薄膜試料（デバイス試料）は荷電粒子線装置内に導入される。荷電粒子線装置は、導入された薄膜試料について測長対象を探索する（ステップ４０４）。なお、測長対象の座標は、作業者によって荷電粒子線装置に入力される。
【００３２】
次に、荷電粒子線装置（図１）は、単結晶部の回折パターンを表示部６０に表示し、薄膜試料の最適な傾斜角を手動又は自動で調整する（ステップ４０５）。図３で説明したように、薄膜試料の傾斜角の調整は単結晶部について行う必要がある。従って、薄膜試料が単結晶のみで構成されていない場合、傾斜補正を実行するための領域を特定又は指定する必要がある。この実施例の場合、傾斜補正に使用する領域は、例えば作業者が表示部６０に表示された画像に基づいて指定しても良いし、後述する手法により荷電粒子線装置が自動的に特定しても良い。当該ステップ４０５において、荷電粒子線装置は、単結晶部について薄膜試料を測長に適した傾斜角（Ｘ軸方向の傾斜角及びＹ軸方向の傾斜角）に調整する。
【００３３】
この後、荷電粒子線装置は、格子縞又は既知の幅を観察し、１ピクセル当たりの長さを校正をする（ステップ４０６）。次に、荷電粒子線装置は、測長対象の領域を観察し、その画像を取得する（ステップ４０７）。
【００３４】
ここで、作業者は、必要とする測長対象の画像が取得されたか否かを取得された画像に基づいて判断する（ステップ４０８）。もし、ステップ４０８で否定結果が得られた場合、作業者は、不足する測長対象は、同じ薄膜試料内に存在するか否かを判定する（ステップ４０９）。もし、不足する測長対象が同じ薄膜試料内に存在する場合（ステップ４０９で肯定結果の場合）、作業者は、観察視野の移動を荷電粒子線装置に指示する（ステップ４１０）。この結果、荷電粒子線装置は、新たに指定された観察視野領域の画像を取得するステップ４０７に戻る。一方、ステップ４０９で否定結果が得られた場合、作業者は、薄膜試料の交換を指示し、新たな薄膜試料について回折パターンの表示、薄膜試料の傾斜補正を実行する（ステップ４１１）。その後、作業者は、現在の倍率が、ステップ４０６で校正した倍率と同じか否かを判定し、倍率が違っている場合にはステップ４０６に戻り、倍率が同じ場合にはステップ４０７に戻る（ステップ４１２）。
【００３５】
以上のように、倍率が校正された測長対象の画像が得られた場合（ステップ４０８で肯定結果が得られた場合）、作業者は、荷電粒子線装置の表示部６０に表示された観察対象について測長作業を実行する（ステップ４１３）。なお、薄膜試料の視野領域内に同一形状かつ同一箇所（同じデバイス構造を有する視野内の複数個所）については一括して測長する。以上のように、実施例に係る荷電粒子線装置を用いた測長処理は、ステップ４０２からステップ４１３について適用される。
【００３６】
［実施例３］
図５に、荷電粒子線装置を用いた測長技術を具体的に説明する。図５は、薄片化された試料の断面、その上面、当該領域の回折パターンをそれぞれ観察した図を示している。前述した測長技術は、格子縞又は既知の長さを有する試料であれば、どのような試料についても適用可能である。ただし、図５の試料では、便宜的に簡単な構造のシリコン（Ｓｉ）単結晶のラインパターン６４を想定する。なお、ラインパターン６４の表面は、保護膜層６５で覆われている。
【００３７】
まず、傾斜角度０°の状態（初期の傾斜角であり、傾斜補正は実行されていない状態）で観察される薄片化された試料の断面像５０１及び上面像５０２を、実施例に対する比較例として説明する。ここで、上面像５０２は、透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope; TEM）及び走査型透過電子顕微鏡（Scanning TEM; STEM）によっては観察することができない。ただし、傾斜補正が実行されない場合、上面像５０２に示すような傾斜ズレが予想される。前述した傾斜補正を実行しない場合、回折パターン５０３が得られる。図５の場合、回折パターン５０３は、正六角形の各頂点位置に対応する６つのスポットと、正六角形の中心位置に対応する１つのスポット（メインスポット）で構成される。回折パターン５０３の場合、６つのスポットの大きさがばらついている（左右対称でない）。従って、初期傾斜角における薄膜試料は、測長に使用する電子線の入射角に対して傾斜しており、測長結果に傾斜ズレの影響が残ることが予想される。
【００３８】
そこで、図３に示す傾斜補正を実行し、メインスポットの周りに均等な大きさの６個のスポットが出現する回折パターン５０６が薄膜試料の傾斜角を調整する。この実施例では、自動傾斜補正ソフトウェア６３が傾斜補正を自動実行するが、同等の補正を手動で行うことも可能である。傾斜補正を実行すると、断面像５０４と上面像５０５が得られる。このような断面像５０４と上面像５０５からも試料の傾斜調整が正確に実施されていることを確認することができる。
【００３９】
次に、荷電粒子線装置は、断面像５０４の領域Ａの高分解能像（図６）を観察し、格子縞６８の観察を通じて長さを測定する。この測定情報に基づいて、１ピクセル当たりの長さを校正する。次に、校正した情報（１ピクセル当たりの長さ）に基づいて、視野領域内の測長対象Ｂを測長する。
【００４０】
［実施例４］
以下では、測長処理に関連する個別の処理動作の具体例を説明する。まず、図７を用い、校正処理動作の具体例を説明する。図７は、既知の幅を有する構造物６９の断面図である。なお、図７は、格子縞を観察できない低倍率の断面図とする。この場合、既知の長さを有する幅Ｃを用いて１ピクセル当たりの長さを校正することができる。
【００４１】
図８に、薄膜試料の傾斜角を自動補正する場合における回折パターンの調整方法を示す。なお、前述したように、傾斜角の補正は、薄膜試料内の単結晶部について行われる。図８のうち回折パターン８０１は、薄膜試料の傾斜角が最適角からズレている場合（単結晶面が電子線と垂直でない場合）の例である。図５の回折パターン５０３と同様、スポットが左右対称になっていないことが分かる。
【００４２】
強度スペクトル８０２及び８０３は、それぞれ回折パターン８０１のＤ方向に対する強度スペクトル及びＥ方向に対する強度スペクトルである。強度スペクトル８０２内のピークＧの強度とピークＨの強度、並びに、ピークＦの強度とピークＩの強度がそれぞれ一致していないことが分かる。一方、強度スペクトル８０３内のピーク強度ＫとピークＬの強度、並びに、ピーク強度Ｊとピーク強度Ｍの強度はそれぞれ一致していることが分かる。以上の関係から、傾斜角の調整は、Ｄ方向についてのみ（すなわち、メインスポットを通るＥ方向を回転軸とする回転角の調整のみ）が必要であることが分かる。
【００４３】
このように、直交する２方向（ここではＤ方向及びＥ方向）について取得される各傾斜角に対応する回折パターンの強度スペクトルの関係をリアルタイムでモニタリングしながら傾斜角を調整することにより、傾斜角が最適化された回折パターン８０４及び強度パターン８０５及び８０６が得られる。
【００４４】
［実施例５］
以下では、測長対象が単結晶のみで構成されていない場合における薄膜試料の作製方法について説明する。図９に、傾斜補正に必要な単結晶部と測定対象を含む薄膜試料を作製するための方法の一例を示す。
【００４５】
図９には、多結晶領域（測定対象）と単結晶領域の両方を含む試料の鳥瞰像９０１を示す。なお、鳥瞰像９０１に示す試料は、多結晶のラインパターン７０で構成されている。側面図９０２及び９０４は、鳥瞰像９０１に対応する構造部分を側面方向から見た図である。また、上面図９０３は、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）加工観察装置を用い、側面図９０２のうち点線で囲まれた領域Ｘを対象として切り出した薄膜試料を上面側から見た図である。上面図９０３の場合、薄膜試料には単結晶領域が存在しない。すなわち、薄膜試料には、多結晶のラインパターン７０と保護膜６５しか存在しない。従って、領域Ｘに対応する薄膜試料によっては、前述した回折パターンを用いた傾斜調整を行うことができない。
【００４６】
そこで、側面図９０４の実線で囲まれた領域Ｙを薄膜試料として用意する。この側面図９０４には、上面図９０５が対応する。この薄膜試料は、測長対象の領域（ラインパターン７０のある高さ（基板面からの長さ）におけるパターン断面）と単結晶の基板面の両方を立体的に含む。このため、領域Ｙは、３本のラインパターン７０のうち１本のラインパターンの深部まで（単結晶の基板面が現れる深度まで）試料を切り下げた構造を有している。上面図９０５の場合、薄膜試料の３分の１程度の面積が単結晶部となる。このため、上面図９０５の３分の１程度が、単一の格子縞のみの連続領域で構成されている。
【００４７】
以上説明したように、測長対象が単結晶のみで構成されていない場合には、領域Ｙのように立体的に薄膜試料を切り出すことにより、測長対象と単結晶部の両方を含む薄膜試料を作製することができる。勿論、薄膜試料のうち測長対象であるラインパターン７０を含む上面側の加工面と、単結晶部を含む下面側の加工面は平行になる。この平行性は、ＦＩＢ加工観察装置の加工精度から保証される。以上のように、測長対象の領域に単結晶が含まれない場合にも、図９で示す薄膜試料の作製方法の適用により、傾斜補正が可能な薄膜試料を作製できる。
【００４８】
［実施例６］
次に、図１０を用い、多結晶部及び単結晶部を含む薄膜試料から自動的に単結晶部だけを含む基板部を探索する方法について説明する。そこで、上面図９０５に対応する薄膜試料の上面図１００１を示す。前述の通り、上面図１００１には、多結晶の領域と単結晶の領域の両方が含まれている。
【００４９】
まず、上面図１００１を有する薄膜試料の全ての上面領域について、電子線回折像を取得する。次に、任意に指定した領域Ｚ及び領域Ａ’（図中太線で示す正方形領域）の電子回折像を比較する。なお、領域Ｚ及び領域Ａ’の面積は同じである。ここで、領域Ｚ及び領域Ａ’の面積は、多結晶領域のサイズに応じて決定するのが望ましい。また、今回抽出している２つの領域は、同じ面積の領域単位で上面領域の全域をスキャンした後に指定した一部を表示している。このうち、領域Ｚは、多結晶のラインパターン７０及びアモルファスの保護膜層６５を含む領域である。一方、領域Ａ’は基板の単結晶のみを含む領域である。
【００５０】
領域内の複数点の回折パターンが全て同じである場合、荷電粒子線装置は、当該領域が単結晶の領域であると判定する。一方、領域内の複数点の回折パターンが全て同じでない場合、荷電粒子線装置は、当該領域が単結晶の領域でないと判定する。例えば電子回折像１００２は、領域Ａ’内のＢ’点について得られる回折パターンである。領域Ａ’は全て単結晶のため、領域Ａ’内の任意の複数点の電子線回折像が全て同じになる。なお、単結晶の領域か否かの判定に使用する観察点の個数は多い方が好ましい。例えば２個以上が好ましい。また、観察点同士は、判定領域内で可能な限り離れた場所を含む方が好ましい。観察点の分布領域が狭い場合、誤判定のおそれが高まるからである。例えば判定対象の領域の４隅付近を観察点とすることが望ましい。
【００５１】
一方、電子回折像１００３、１００４及び１００５は、領域Ｚ内のＣ’点、Ｄ’点及びＥ’点のそれぞれについて得られる回折パターンである。図１０の領域Ｚは、多結晶部（Ｃ’点、Ｄ’点）及びアモルファス部（Ｅ’点）を含む。このため、電子回折像１００３、１００４及び１００５に示すように、領域Ｚ内に複数の電子線回折像が出現する。このように、一つの判定領域内に異なる結晶構造が複数存在する場合、当該領域は基板部ではないとソフトウェア処理によって判定することができる。
【００５２】
従って、測長対象の領域が単結晶でない場合でも、その薄膜試料のうち作業者が任意に指定された領域について電子線をスキャンし、該当領域内の各点の電子回折像を検出することにより、単結晶だけの構造を有する領域Ａ’を自動的に検出することができる。この実施例では、作業者が領域を指定することで電子線のスキャン範囲を限定し、単結晶領域の検出効率を高めている。ただし、荷電粒子線装置が過去の同種の測定結果の情報等をデータベースから読み出し、当該情報に基づいて指定した領域について単結晶領域か否かの判定を実行しても良い。
【００５３】
［実施例７］
以下、他の実施例を説明する。図９に示す例の場合、薄膜試料を平面状に切り出す場合について説明した。しかし、薄膜試料を針状に加工する場合にも、同様に最適な傾斜補正及び高精度での測長が可能である。図１１に、針状に加工された薄膜試料の鳥瞰図１１０１及びその側面図１１０２及び１１０３を示す。側面図１１０２は薄膜試料を鳥瞰図１１０１のＦ’方向から見た構造であり、側面図１１０３は薄膜試料を鳥瞰図１１０１のＧ’方向から見た構造である。なお、側面図１１０２及び１１０３は、いずれもＦＩＢ加工前の側面図であり、太線で囲まれた領域Ｈ’及びＩ’がＦＩＢ加工後に残る領域に対応する。図１１に示す針状の薄膜領域の場合も、単結晶だけで構成される基板に対応する領域（格子縞６８）と、測長領域に対応する多結晶のラインパターン７０の両方が含まれている。従って、針状の薄膜試料を用いても、傾斜補正後に高精度の測長を実現できる。
【００５４】
また、前述の実施例では、薄膜試料をＦＩＢにより加工する場合について説明したが、イオンミリング装置を用いて作製しても良い。
【００５５】
前述したように、デバイス試料の単結晶部分の回折パターン像（強度スペクトルの分布）をＴＥＭ又はＴＥＭ付属のＳＴＥＭ機能で取得することにより、測長のために入射する電子ビーム線に対するデバイス試料の傾斜を自動的に補正することができる。
【００５６】
このとき、高分解能像観察による格子縞又はデバイス等の既知の長さを有する幅を用いて測長結果を校正すれば、測長精度を一段と高めることができる。なお、多結晶部のみ領域を測長対象としたい場合は、多結晶部と単結晶部の両方を含む薄膜試料をＦＩＢ加工により作製することにより、多結晶部分の測長実行前に、薄膜試料の傾斜ずれを補正することができる。
【００５７】
また、高角度散乱暗視野（HAADF：High Angle Annular Dark Field）STEM像を用いて薄膜試料を観察すれば、結晶構造によるコントラストの影響を低減できる。これにより、測長区間を正確に指定でき、結果的に測長精度を向上させることができる。
【００５８】
また、結像に寄与するレンズがＴＥＭより少ないＳＴＥＭ専用機を測長時に使用すれば、測長結果に対する倍率誤差を少なくすることができる。
【００５９】
また、薄膜試料内の多数の測長対象を一括して測長することにより、又は、薄膜試料のうち同一構造や形状を有する測長対象を一括して測長することにより、薄膜試料のうち基板面に対して同じ高さを有する部分（同一箇所）の測長対象を一括して測長することにより、測長対象間の測長誤差を少なくすることができる。
【００６０】
また、前述した図６及び図７に示したように、格子縞又は既知の長さによる構成を実施した倍率が、格子縞又は既知の長さを有する構造物全体を観察できない場合でも、前述した傾斜補正技術を適用して電子線と薄膜試料の位置関係を最適化すれば、倍率（視野）が異なる場合にも高精度での測長が可能になる。
【００６１】
また、前述した傾斜補正技術は、前述したように、回折パターンの傾斜補正箇所の自動検出処理（薄膜試料から単結晶の領域を自動的に検出する処理）を組み合わせることにより、傾斜補正の完了までの時間を短縮することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１：荷電粒子線源、２：加速電極、３：電子線、４：第一集束電磁レンズ、５：第二集束電磁レンズ、６：走査コイル、７：偏向コイル、８：試料二次電子、９：対物電磁レンズ、１０：試料台、１１：試料、１２：試料前方散乱電子、１３：試料透過電子、１４： 試料前方散乱電子検出器、１５：試料透過電子検出器、１６：蛍光体、１７：光電子増倍管、１８：電子線源電源、１９：加速用高圧電源、２０：試料駆動装置、２１：電圧安定装置、２２：電圧安定装置、２３〜２５：電磁レンズ電源、２６〜２８：コイル電源、２９〜３１：微小電流増幅器、３２〜４０：デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）、４１〜４３：アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）、４４：マイクロプロセッサ、４５：ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、４６：画像相関計算処理部、４７：周期画像演算処理部、４８：非周期画像演算処理部、４９：倍率データテーブル、５０：オフセット電圧計算部、５１：偏向系制御部、５２：補正データテーブル、５３：像回転計算部、５４〜５５：インターフェース、５６〜５７：ロータリーエンコーダ、５８：キーボード、５９：表示部ドライバー、６０：表示部、６１：コントラスト変換装置、６２：CCDカメラ、６３：自動傾斜補正ソフトウェア、６４：Si単結晶のラインパターン、６５：保護膜層、６６：回折パターンのメインスポット、６７：回折パターンのスポット、６８：格子縞、６９：既知の幅を有する構造物、７０：多結晶のラインパターン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄片化された微細なデバイス試料を高い精度で測長するのに有用な技術に関する。例えばデバイス試料の傾斜ズレを自動的に補正する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
デバイス試料の長さの計測には、一般的にSEM（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）やCD-SEM（Critical Dimention-SEM：測長走査型電子顕微鏡）が使用され、これらを用いてデバイス試料の表面又は断面（SEMのみ）を測長する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本願発明者がデバイス試料の測長手法について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。従来の測長手法は、デバイス試料の傾斜角の調整を専ら目視に頼っており、正確な傾斜補正については配慮がされていない。このため、近年のように微細化されたデバイス試料の測長では、傾斜ズレによる測長誤差が無視できない問題になってくる。また、TEM（Transmission Electron Microscope：透過電子顕微鏡）やSTEM（Scanning Transmission Electron Microscope：走査透過電子顕微鏡）を使用しての測長の場合にも、多結晶のみで構成される薄膜試料を測長する場合には、傾斜ズレによる測長誤差が無視できない問題になってくる。
【０００４】
本発明の目的は、デバイス試料の傾斜ズレによる測長誤差の問題を最小限に抑えることができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、測長前に、試料の単結晶部分から回折パターンを取得し、取得された回折パターンに基づいて荷電粒子線に対する試料の傾斜角を補正する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明により、試料の傾斜角を正確に調整でき、高い精度で対象部分の長さを測定できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】荷電粒子線装置の機能ブロック例を示す図。
【図２】傾斜補正機能の概念構成を示す図。
【図３】傾斜補正機能の概略を示すフローチャート。
【図４】測長処理機能の全体を示すフローチャート。
【図５】傾斜角と対応する回折パターンの関係を説明する図。
【図６】高分解能像の一例を示す図。
【図７】既知の長さを用いた測長結果の校正を説明する図。
【図８】デバイス試料の傾斜角と強度スペクトルの出現パターンの関係を説明する図。
【図９】薄膜試料の作製方法を例示する図。
【図１０】単結晶部の探索方法を説明する図。
【図１１】針状に加工した薄膜試料を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面に基づいて、本発明の実施例を説明する。なお、後述する装置構成や処理動作の内容は発明を説明するための一例である。本発明は、後述する装置構成や処理動作に既知の技術を組み合わせた発明や後述する装置構成や処理動作の一部を既知の技術と置換することによっても実現できる。
【０００９】
［実施例１］
図１に、荷電粒子線装置の概略的な機能ブロック図を示す。電子線源（荷電粒子線源）１から放出された電子線（荷電粒子線）３は、加速電極２で加速された後、第一集束電磁レンズ４、第二集束電磁レンズ５及び対物電磁レンズ９の前磁場を経由して試料台１０に保持された試料１１に照射される。電子線源１には、例えばCold FE GUN(HF-3300,HD-2300)、SE GUN(HD-2700)、LaB6単結晶型GUN(H-9500,H-7650)、Wフィラメント(H-7650)等を使用する。
【００１０】
試料１１は、照射された電子線３との相互作用により試料の情報を有する二次電子８、試料前方散乱電子１２、試料透過電子１３を発生する。このとき、電子線３は、電子線の光軸に対して対称位置に配置された走査コイル６により発生される磁場により試料上を走査する。なお、表示部ドライバー５９は、試料上の電子線の走査と表示画面上の描画走査の同期を取ることにより、表示部６０の表示画面上に試料の拡大像を形成する。
【００１１】
試料から発生される二次電子８は、蛍光体１６の発光を検出する光電子増倍管１７を通じて検出される。なお、光電子増倍管１７の出力信号は、微小電流増幅器２９によって増幅され、ＡＤＣ（analog to digital converter）４１に与えられる。ＡＤＣ４１（analog to digital converter）により、光電子増倍管１７の出力信号は、アナログ形式からディジタル形式に変換され、データバスに取り込まれる。この実施例では、二次電子の検出器を蛍光体１６と光電子増倍管１７で構成するが、マルチチャネルプレートその他の半導体検出器を用いても良い。
【００１２】
因みに、試料から発生される試料前方散乱電子１２は、前方散乱電子検出器１４によって検出される。また、試料から発生される試料透過電子１３は、試料透過電子検出器１５によって検出される。前方散乱電子検出器１４及び試料透過電子検出器１５は、蛍光体と光電子増倍管の組合せとして構成しても良いし、半導体検出器として構成しても良い。
【００１３】
電子線源１の印加電圧、加速電極２の加速電圧や電子線の引き出し電圧、フィラメント電流等の値は、マイクロプロセッサ４４により設定される。電圧や電流の設定信号は、マイクロプロセッサ４４からデータバスを経由してＤＡＣ（digital to analog converter）３２、３３に入力され、アナログ形式の信号に変換される。アナログ変換後の設定信号は、電圧安定装置２１、２２を通じて電子線源電源１８及び加速用高圧電源１９に与えられる。
【００１４】
第一集束電磁レンズ４、第二集束電磁レンズ５、対物電磁レンズ９の励磁電源も、マイクロプロセッサ４４により設定される。この設定信号は、マイクロプロセッサ４４からデータバスを経由してＤＡＣ（digital to analog converter）３４、３５、３９に入力され、アナログ形式の設定信号に変換される。アナログ変換後の設定信号は、電磁レンズ電源２３、２４、２５を通じ、電流信号として各電磁レンズに対して与えられる。
【００１５】
試料１１の位置制御は、オペレータによるロータリーエンコーダ５６、５７の操作を通じた試料台１０の駆動により、又は、予め記録された試料位置駆動パターンに従った試料台１０の駆動により実現される。ここで、試料台１０には、例えば二軸傾斜ホルダ、回転ホルダ、In-situホルダ等を使用する。また、ロータリーエンコーダ５６、５７の出力は、インターフェース５４、５５を通じて試料台１０の試料駆動装置２０に与えられる。
【００１６】
走査機構（走査コイル６）が電子線３に作用させる電場又は磁場の大きさを変化させることにより、電子線３の試料上での走査量は任意に変化させることができる。例えば走査コイル６に印加する電流の大きさを変化させ、試料上における電子線３の走査範囲を変えれば、二次電子による試料像の拡大倍率を変えることができる。因みに、電子線が走査する試料表面の領域を狭くすれば二次電子像の拡大倍率は大きくなり、反対に電子線が走査する試料表面の領域を広くすれば二次電子像の拡大倍率は小さくなる。
【００１７】
この他、荷電粒子線装置は、偏向コイル７、コイル電源２６、２７、２８、微小電流増幅器３０、３１、ＤＡＣ３６、３７、３８、４０、ＡＤＣ４２、４３、ＲＡＭ４５、画像相関計算処理部４６、周期画像演算処理部４７、非周期画像演算処理部４８、倍率データテーブル４９、オフセット電圧計算部５０、偏向系制御部５１、補正データテーブル５２、像回転計算部５３、キーボード５８、コントラスト変換装置６１を有している。
【００１８】
図２に、試料１１の傾斜補正に関連する機能ブロックの概略構成を示す。電子線３は、試料１１で回折され、試料台１０の背後に配置された撮像部（例えばCCDカメラ６２）の検出面に電子線回折像（回折パターン）を構築する。なお、撮像部（検出器）は、CMOSカメラでも良い。ここでの撮像部（検出器）は、図１の試料透過電子検出器１５に対応する。CCDカメラ６２の検出信号（電子線回折像の情報）は、図１の微小電流増幅器３１、ＡＤＣ４３を通じてデータバスに与えられる。
【００１９】
検出された電子線回折像は、自動傾斜補正ソフトウェア６３において、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の強度プロファイルに変換される。ここで、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、マイクロプロセッサ４４において実行されるコンピュータプログラムとして提供される。自動傾斜補正ソフトウェア６３は、例えば試料面の電子線３に対する傾斜角のズレ量を計算し、計算結果に基づいて試料駆動装置２０を駆動制御することにより、試料１１の傾斜角度を最適な角度に調整する。試料駆動装置２０は、試料台の水平面内で駆動できるだけでなく、試料台の傾斜角も駆動制御できる。なお、傾斜角の調整は回転軸を中心とした回転量の制御だけでなく、複数個の高さ調整ピンの高さの調整によっても実現できる。以下では、便宜的に回転軸の周りに回転させる場合について説明する。また、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、例えばＸ軸方向又はＹ軸方向を回転中心として試料１１の傾斜角をリアルタイムで自動調整し、各調整角について逐次抽出される電子線回折像の強度プロファイルに基づいて試料１１の傾斜角度を最適な角度に調整する。勿論、試料１１の傾斜角度の調整は、試料１１を搭載する試料台の傾斜角の駆動制御を通じて実現される。
【００２０】
図３に、自動傾斜補正ソフトウェア６３を通じて実行される処理手順の概略を示す。自動傾斜補正処理は、自動傾斜補正処理を適用する箇所を探索する処理と、探索された箇所について試料の傾斜角を自動的に補正する処理に分類することができる。
【００２１】
まず、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、薄膜試料全体を電子線でスキャンし、各地点の電子線回折像を自動的に取得する（ステップ３０１）。次に、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、電子線回折像の強度プロファイルとその座標情報に基づいて、薄膜試料（基板部）の中から単結晶の領域を探索する（ステップ３０２）。
【００２２】
この実施例では、広い領域（例えば事前に設定された一定以上の面積をもつ領域）内の複数個所から全て同じ回折パターンが検出された場合、当該領域が基板部の単結晶領域であると判定する。判定精度を高めるためには、判定対象である領域内から回折パターンを取得する個数を増やすことが望ましい。また、回折パターンを取得する箇所は、判定対象である領域内で可能な限り離れていることが望ましい。例えば判定対象である領域が矩形である場合、その４隅付近を回折パターンの取得に用いることが望ましい。なお、薄膜試料全体のうち単結晶領域を探索する領域（判定対象としての領域）は、試料の多結晶部構造の大小等を考慮してユーザーが指定しても良い。もっとも、後述するように、当該探索領域を、画像処理等に基づいて自動設定する方式を採用しても良い。
【００２３】
次に、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、薄膜試料（基板部）の単結晶領域に電子線を照射させた状態のまま、薄膜試料をＸ軸方向に傾斜させる。すなわち、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、Ｙ軸を中心に薄膜試料を回転駆動する。自動傾斜補正ソフトウェア６３は、薄膜試料のＸ軸方向の傾斜角（Ｙ軸周りの回転角）の情報と電子線回折像の強度プロファイルの情報をリアルタイムで取得する。自動傾斜補正ソフトウェア６３は、リアルタイムで得られる各傾斜角の強度プロファイルを画像処理し、強度プロファイルが左右対称となる傾斜角を自動的に探索する（ステップ３０３）。なお、薄膜試料の傾斜が所定角度に達すると、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、例えば傾斜開始前の状態に戻す。また例えば、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、強度プロファイルが左右対称となる傾斜角に、薄膜試料の傾斜を戻す。
【００２４】
自動傾斜補正ソフトウェア６３は、薄膜試料（基板部）の単結晶領域に電子線を照射させた状態のまま、今度は薄膜試料をＹ軸方向に傾斜させる。すなわち、自動傾斜補正ソフトウェア６３は、Ｘ軸を中心に薄膜試料を回転駆動する。自動傾斜補正ソフトウェア６３は、薄膜試料のＹ軸方向の傾斜角（Ｘ軸周りの回転角）の情報と電子線回折像の強度プロファイルの情報をリアルタイムで取得する。自動傾斜補正ソフトウェア６３は、リアルタイムで得られる各傾斜角の強度プロファイルを画像処理し、強度プロファイルがメインスポットに対して左右対称となる傾斜角を自動的に探索する（ステップ３０４）。
【００２５】
ここで、ステップ３０３及び３０４において、強度プロファイルがメインスポットに対して左右対称となる傾斜角を探索するのは、強度プロファイルがメインスポットに対して左右対称となる傾斜角においては、薄膜試料面と電子線の入射軸との関係が垂直となり、測長誤差が最小化すると考えられるためである。
【００２６】
前述したように、デバイス試料の単結晶部分の回折パターン像（強度スペクトルの分布）をＴＥＭ又はＴＥＭ付属のＳＴＥＭ機能で取得することにより、測長のために入射する電子ビーム線に対するデバイス試料の傾斜を自動的に補正することができる。
【００２７】
以上のように、本実施例の場合には、複数の傾斜角についてリアルタイムに出現する複数枚の強度プロファイルを使用し、測長に最適な傾斜角を探索する手法を採用する。しかし、測長に最適な傾斜角を、ある１つの傾斜角について得られる１枚の強度プロファイルに基づいて、自動傾斜補正ソフトウェア６３の演算処理を通じて求めても良い。
【００２８】
［実施例２］
続いて、実施例に係る荷電粒子線装置を用いた測長処理手順の概略を説明する。図４に、実施例に係る測長処理手順のフローチャートを示す。
【００２９】
まず、測長対象の結晶構造を確認する。具体的には、測長対象は単結晶部のみの構造か否かを判定する（ステップ４０１）。この判定は、例えば作業者が行う。
【００３０】
測長対象が単結晶のみの領域で構成されている場合（ステップ４０１で肯定結果の場合）、測長対象のみを含む薄膜試料の加工領域をＦＩＢ（Focused Ion Beam）装置に対して作業者が入力し、薄膜試料を製作する（ステップ４０２）。一方、測長対象が多結晶又は非晶質の領域で構成されている場合（ステップ４０１で否定結果の場合）、作業者が測長対象だけでなく単結晶部も含む薄膜試料の加工領域をＦＩＢ（Focused Ion Beam）装置に対して作業者が入力し、薄膜試料を製作する（ステップ４０３）。
【００３１】
次に、薄膜試料（デバイス試料）は荷電粒子線装置内に導入される。荷電粒子線装置は、導入された薄膜試料について測長対象を探索する（ステップ４０４）。なお、測長対象の座標は、作業者によって荷電粒子線装置に入力される。
【００３２】
次に、荷電粒子線装置（図１）は、単結晶部の回折パターンを表示部６０に表示し、薄膜試料の最適な傾斜角を手動又は自動で調整する（ステップ４０５）。図３で説明したように、薄膜試料の傾斜角の調整は単結晶部について行う必要がある。従って、薄膜試料が単結晶のみで構成されていない場合、傾斜補正を実行するための領域を特定又は指定する必要がある。この実施例の場合、傾斜補正に使用する領域は、例えば作業者が表示部６０に表示された画像に基づいて指定しても良いし、後述する手法により荷電粒子線装置が自動的に特定しても良い。当該ステップ４０５において、荷電粒子線装置は、単結晶部について薄膜試料を測長に適した傾斜角（Ｘ軸方向の傾斜角及びＹ軸方向の傾斜角）に調整する。
【００３３】
この後、荷電粒子線装置は、格子縞又は既知の幅を観察し、１ピクセル当たりの長さを校正をする（ステップ４０６）。次に、荷電粒子線装置は、測長対象の領域を観察し、その画像を取得する（ステップ４０７）。
【００３４】
ここで、作業者は、必要とする測長対象の画像が取得されたか否かを取得された画像に基づいて判断する（ステップ４０８）。もし、ステップ４０８で否定結果が得られた場合、作業者は、不足する測長対象は、同じ薄膜試料内に存在するか否かを判定する（ステップ４０９）。もし、不足する測長対象が同じ薄膜試料内に存在する場合（ステップ４０９で肯定結果の場合）、作業者は、観察視野の移動を荷電粒子線装置に指示する（ステップ４１０）。この結果、荷電粒子線装置は、新たに指定された観察視野領域の画像を取得するステップ４０７に戻る。一方、ステップ４０９で否定結果が得られた場合、作業者は、薄膜試料の交換を指示し、新たな薄膜試料について回折パターンの表示、薄膜試料の傾斜補正を実行する（ステップ４１１）。その後、作業者は、現在の倍率が、ステップ４０６で校正した倍率と同じか否かを判定し、倍率が違っている場合にはステップ４０６に戻り、倍率が同じ場合にはステップ４０７に戻る（ステップ４１２）。
【００３５】
以上のように、倍率が校正された測長対象の画像が得られた場合（ステップ４０８で肯定結果が得られた場合）、作業者は、荷電粒子線装置の表示部６０に表示された観察対象について測長作業を実行する（ステップ４１３）。なお、薄膜試料の視野領域内に同一形状かつ同一箇所（同じデバイス構造を有する視野内の複数個所）については一括して測長する。以上のように、実施例に係る荷電粒子線装置を用いた測長処理は、ステップ４０２からステップ４１３について適用される。
【００３６】
［実施例３］
図５に、荷電粒子線装置を用いた測長技術を具体的に説明する。図５は、薄片化された試料の断面、その上面、当該領域の回折パターンをそれぞれ観察した図を示している。前述した測長技術は、格子縞又は既知の長さを有する試料であれば、どのような試料についても適用可能である。ただし、図５の試料では、便宜的に簡単な構造のシリコン（Ｓｉ）単結晶のラインパターン６４を想定する。なお、ラインパターン６４の表面は、保護膜層６５で覆われている。
【００３７】
まず、傾斜角度０°の状態（初期の傾斜角であり、傾斜補正は実行されていない状態）で観察される薄片化された試料の断面像５０１及び上面像５０２を、実施例に対する比較例として説明する。ここで、上面像５０２は、透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope; TEM）及び走査型透過電子顕微鏡（Scanning TEM; STEM）によっては観察することができない。ただし、傾斜補正が実行されない場合、上面像５０２に示すような傾斜ズレが予想される。前述した傾斜補正を実行しない場合、回折パターン５０３が得られる。図５の場合、回折パターン５０３は、正六角形の各頂点位置に対応する６つのスポットと、正六角形の中心位置に対応する１つのスポット（メインスポット）で構成される。回折パターン５０３の場合、６つのスポットの大きさがばらついている（左右対称でない）。従って、初期傾斜角における薄膜試料は、測長に使用する電子線の入射角に対して傾斜しており、測長結果に傾斜ズレの影響が残ることが予想される。
【００３８】
そこで、図３に示す傾斜補正を実行し、メインスポットの周りに均等な大きさの６個のスポットが出現する回折パターン５０６が薄膜試料の傾斜角を調整する。この実施例では、自動傾斜補正ソフトウェア６３が傾斜補正を自動実行するが、同等の補正を手動で行うことも可能である。傾斜補正を実行すると、断面像５０４と上面像５０５が得られる。このような断面像５０４と上面像５０５からも試料の傾斜調整が正確に実施されていることを確認することができる。
【００３９】
次に、荷電粒子線装置は、断面像５０４の領域Ａの高分解能像（図６）を観察し、格子縞６８の観察を通じて長さを測定する。この測定情報に基づいて、１ピクセル当たりの長さを校正する。次に、校正した情報（１ピクセル当たりの長さ）に基づいて、視野領域内の測長対象Ｂを測長する。
【００４０】
［実施例４］
以下では、測長処理に関連する個別の処理動作の具体例を説明する。まず、図７を用い、校正処理動作の具体例を説明する。図７は、既知の幅を有する構造物６９の断面図である。なお、図７は、格子縞を観察できない低倍率の断面図とする。この場合、既知の長さを有する幅Ｃを用いて１ピクセル当たりの長さを校正することができる。
【００４１】
図８に、薄膜試料の傾斜角を自動補正する場合における回折パターンの調整方法を示す。なお、前述したように、傾斜角の補正は、薄膜試料内の単結晶部について行われる。図８のうち回折パターン８０１は、薄膜試料の傾斜角が最適角からズレている場合（単結晶面が電子線と垂直でない場合）の例である。図５の回折パターン５０３と同様、スポットが左右対称になっていないことが分かる。
【００４２】
強度スペクトル８０２及び８０３は、それぞれ回折パターン８０１のＤ方向に対する強度スペクトル及びＥ方向に対する強度スペクトルである。強度スペクトル８０２内のピークＧの強度とピークＨの強度、並びに、ピークＦの強度とピークＩの強度がそれぞれ一致していないことが分かる。一方、強度スペクトル８０３内のピーク強度ＫとピークＬの強度、並びに、ピーク強度Ｊとピーク強度Ｍの強度はそれぞれ一致していることが分かる。以上の関係から、傾斜角の調整は、Ｄ方向についてのみ（すなわち、メインスポットを通るＥ方向を回転軸とする回転角の調整のみ）が必要であることが分かる。
【００４３】
このように、直交する２方向（ここではＤ方向及びＥ方向）について取得される各傾斜角に対応する回折パターンの強度スペクトルの関係をリアルタイムでモニタリングしながら傾斜角を調整することにより、傾斜角が最適化された回折パターン８０４及び強度パターン８０５及び８０６が得られる。
【００４４】
［実施例５］
以下では、測長対象が単結晶のみで構成されていない場合における薄膜試料の作製方法について説明する。図９に、傾斜補正に必要な単結晶部と測定対象を含む薄膜試料を作製するための方法の一例を示す。
【００４５】
図９には、多結晶領域（測定対象）と単結晶領域の両方を含む試料の鳥瞰像９０１を示す。なお、鳥瞰像９０１に示す試料は、多結晶のラインパターン７０で構成されている。側面図９０２及び９０４は、鳥瞰像９０１に対応する構造部分を側面方向から見た図である。また、上面図９０３は、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）加工観察装置を用い、側面図９０２のうち点線で囲まれた領域Ｘを対象として切り出した薄膜試料を上面側から見た図である。上面図９０３の場合、薄膜試料には単結晶領域が存在しない。すなわち、薄膜試料には、多結晶のラインパターン７０と保護膜６５しか存在しない。従って、領域Ｘに対応する薄膜試料によっては、前述した回折パターンを用いた傾斜調整を行うことができない。
【００４６】
そこで、側面図９０４の実線で囲まれた領域Ｙを薄膜試料として用意する。この側面図９０４には、上面図９０５が対応する。この薄膜試料は、測長対象の領域（ラインパターン７０のある高さ（基板面からの長さ）におけるパターン断面）と単結晶の基板面の両方を立体的に含む。このため、領域Ｙは、３本のラインパターン７０のうち１本のラインパターンの深部まで（単結晶の基板面が現れる深度まで）試料を切り下げた構造を有している。上面図９０５の場合、薄膜試料の３分の１程度の面積が単結晶部となる。このため、上面図９０５の３分の１程度が、単一の格子縞のみの連続領域で構成されている。
【００４７】
以上説明したように、測長対象が単結晶のみで構成されていない場合には、領域Ｙのように立体的に薄膜試料を切り出すことにより、測長対象と単結晶部の両方を含む薄膜試料を作製することができる。勿論、薄膜試料のうち測長対象であるラインパターン７０を含む上面側の加工面と、単結晶部を含む下面側の加工面は平行になる。この平行性は、ＦＩＢ加工観察装置の加工精度から保証される。以上のように、測長対象の領域に単結晶が含まれない場合にも、図９で示す薄膜試料の作製方法の適用により、傾斜補正が可能な薄膜試料を作製できる。
【００４８】
［実施例６］
次に、図１０を用い、多結晶部及び単結晶部を含む薄膜試料から自動的に単結晶部だけを含む基板部を探索する方法について説明する。そこで、上面図９０５に対応する薄膜試料の上面図１００１を示す。前述の通り、上面図１００１には、多結晶の領域と単結晶の領域の両方が含まれている。
【００４９】
まず、上面図１００１を有する薄膜試料の全ての上面領域について、電子線回折像を取得する。次に、任意に指定した領域Ｚ及び領域Ａ’（図中太線で示す正方形領域）の電子回折像を比較する。なお、領域Ｚ及び領域Ａ’の面積は同じである。ここで、領域Ｚ及び領域Ａ’の面積は、多結晶領域のサイズに応じて決定するのが望ましい。また、今回抽出している２つの領域は、同じ面積の領域単位で上面領域の全域をスキャンした後に指定した一部を表示している。このうち、領域Ｚは、多結晶のラインパターン７０及びアモルファスの保護膜層６５を含む領域である。一方、領域Ａ’は基板の単結晶のみを含む領域である。
【００５０】
領域内の複数点の回折パターンが全て同じである場合、荷電粒子線装置は、当該領域が単結晶の領域であると判定する。一方、領域内の複数点の回折パターンが全て同じでない場合、荷電粒子線装置は、当該領域が単結晶の領域でないと判定する。例えば電子回折像１００２は、領域Ａ’内のＢ’点について得られる回折パターンである。領域Ａ’は全て単結晶のため、領域Ａ’内の任意の複数点の電子線回折像が全て同じになる。なお、単結晶の領域か否かの判定に使用する観察点の個数は多い方が好ましい。例えば２個以上が好ましい。また、観察点同士は、判定領域内で可能な限り離れた場所を含む方が好ましい。観察点の分布領域が狭い場合、誤判定のおそれが高まるからである。例えば判定対象の領域の４隅付近を観察点とすることが望ましい。
【００５１】
一方、電子回折像１００３、１００４及び１００５は、領域Ｚ内のＣ’点、Ｄ’点及びＥ’点のそれぞれについて得られる回折パターンである。図１０の領域Ｚは、多結晶部（Ｃ’点、Ｄ’点）及びアモルファス部（Ｅ’点）を含む。このため、電子回折像１００３、１００４及び１００５に示すように、領域Ｚ内に複数の電子線回折像が出現する。このように、一つの判定領域内に異なる結晶構造が複数存在する場合、当該領域は基板部ではないとソフトウェア処理によって判定することができる。
【００５２】
従って、測長対象の領域が単結晶でない場合でも、その薄膜試料のうち作業者が任意に指定された領域について電子線をスキャンし、該当領域内の各点の電子回折像を検出することにより、単結晶だけの構造を有する領域Ａ’を自動的に検出することができる。この実施例では、作業者が領域を指定することで電子線のスキャン範囲を限定し、単結晶領域の検出効率を高めている。ただし、荷電粒子線装置が過去の同種の測定結果の情報等をデータベースから読み出し、当該情報に基づいて指定した領域について単結晶領域か否かの判定を実行しても良い。
【００５３】
［実施例７］
以下、他の実施例を説明する。図９に示す例の場合、薄膜試料を平面状に切り出す場合について説明した。しかし、薄膜試料を針状に加工する場合にも、同様に最適な傾斜補正及び高精度での測長が可能である。図１１に、針状に加工された薄膜試料の鳥瞰図１１０１及びその側面図１１０２及び１１０３を示す。側面図１１０２は薄膜試料を鳥瞰図１１０１のＦ’方向から見た構造であり、側面図１１０３は薄膜試料を鳥瞰図１１０１のＧ’方向から見た構造である。なお、側面図１１０２及び１１０３は、いずれもＦＩＢ加工前の側面図であり、太線で囲まれた領域Ｈ’及びＩ’がＦＩＢ加工後に残る領域に対応する。図１１に示す針状の薄膜領域の場合も、単結晶だけで構成される基板に対応する領域（格子縞６８）と、測長領域に対応する多結晶のラインパターン７０の両方が含まれている。従って、針状の薄膜試料を用いても、傾斜補正後に高精度の測長を実現できる。
【００５４】
また、前述の実施例では、薄膜試料をＦＩＢにより加工する場合について説明したが、イオンミリング装置を用いて作製しても良い。
【００５５】
前述したように、デバイス試料の単結晶部分の回折パターン像（強度スペクトルの分布）をＴＥＭ又はＴＥＭ付属のＳＴＥＭ機能で取得することにより、測長のために入射する電子ビーム線に対するデバイス試料の傾斜を自動的に補正することができる。
【００５６】
このとき、高分解能像観察による格子縞又はデバイス等の既知の長さを有する幅を用いて測長結果を校正すれば、測長精度を一段と高めることができる。なお、多結晶部のみ領域を測長対象としたい場合は、多結晶部と単結晶部の両方を含む薄膜試料をＦＩＢ加工により作製することにより、多結晶部分の測長実行前に、薄膜試料の傾斜ずれを補正することができる。
【００５７】
また、高角度散乱暗視野（HAADF：High Angle Annular Dark Field）STEM像を用いて薄膜試料を観察すれば、結晶構造によるコントラストの影響を低減できる。これにより、測長区間を正確に指定でき、結果的に測長精度を向上させることができる。
【００５８】
また、結像に寄与するレンズがＴＥＭより少ないＳＴＥＭ専用機を測長時に使用すれば、測長結果に対する倍率誤差を少なくすることができる。
【００５９】
また、薄膜試料内の多数の測長対象を一括して測長することにより、又は、薄膜試料のうち同一構造や形状を有する測長対象を一括して測長することにより、薄膜試料のうち基板面に対して同じ高さを有する部分（同一箇所）の測長対象を一括して測長することにより、測長対象間の測長誤差を少なくすることができる。
【００６０】
また、前述した図６及び図７に示したように、格子縞又は既知の長さによる構成を実施した倍率が、格子縞又は既知の長さを有する構造物全体を観察できない場合でも、前述した傾斜補正技術を適用して電子線と薄膜試料の位置関係を最適化すれば、倍率（視野）が異なる場合にも高精度での測長が可能になる。
【００６１】
また、前述した傾斜補正技術は、前述したように、回折パターンの傾斜補正箇所の自動検出処理（薄膜試料から単結晶の領域を自動的に検出する処理）を組み合わせることにより、傾斜補正の完了までの時間を短縮することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１：荷電粒子線源、２：加速電極、３：電子線、４：第一集束電磁レンズ、５：第二集束電磁レンズ、６：走査コイル、７：偏向コイル、８：試料二次電子、９：対物電磁レンズ、１０：試料台、１１：試料、１２：試料前方散乱電子、１３：試料透過電子、１４： 試料前方散乱電子検出器、１５：試料透過電子検出器、１６：蛍光体、１７：光電子増倍管、１８：電子線源電源、１９：加速用高圧電源、２０：試料駆動装置、２１：電圧安定装置、２２：電圧安定装置、２３〜２５：電磁レンズ電源、２６〜２８：コイル電源、２９〜３１：微小電流増幅器、３２〜４０：デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）、４１〜４３：アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）、４４：マイクロプロセッサ、４５：ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、４６：画像相関計算処理部、４７：周期画像演算処理部、４８：非周期画像演算処理部、４９：倍率データテーブル、５０：オフセット電圧計算部、５１：偏向系制御部、５２：補正データテーブル、５３：像回転計算部、５４〜５５：インターフェース、５６〜５７：ロータリーエンコーダ、５８：キーボード、５９：表示部ドライバー、６０：表示部、６１：コントラスト変換装置、６２：CCDカメラ、６３：自動傾斜補正ソフトウェア、６４：Si単結晶のラインパターン、６５：保護膜層、６６：回折パターンのメインスポット、６７：回折パターンのスポット、６８：格子縞、６９：既知の幅を有する構造物、７０：多結晶のラインパターン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子線を発生させる荷電粒子線源と、
試料を保持する試料台と、
前記試料台を駆動する駆動部と、
前記荷電粒子線を試料に集束させるレンズ系と、
前記荷電粒子線を偏向する偏向器と、
前記荷電粒子線の照射によって試料から発生する信号を検出し、試料像を検出する検出器と、
前記試料の電子回折像を検出する撮像部と、
前記試料像及び又は前記電子線回折像を表示する表示部と、
演算処理部と
を有し、前記演算処理部は、前記試料の単結晶部から取得される前記電子線回折像に基づいて前記駆動部を制御し、前記荷電粒子線に対する前記試料の傾斜角を補正する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記演算処理部は、前記電子線回折像におけるメインスポットの周辺に出現する複数のスポットの大きさが均等になるように前記傾斜角を補正する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記演算処理部は、少なくとも１つの傾斜方向に対して前記試料の傾斜角を変化させる際にリアルタイムで検出される複数の電子線回折像の変化に基づいて、前記複数のスポットの大きさが均等になる傾斜角を検出する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項３に記載の荷電粒子線装置において、
前記演算処理部は、前記複数のスポットのうち傾斜方向についてメインスポットの対称位置の強度スペクトル同士が同じ大きさになる傾斜角を、前記複数のスポットの大きさが均等になる傾斜角として検出する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項４に記載の荷電粒子線装置において、
前記演算処理部は、前記試料のうち一定領域内の複数点について全て同じ電子回折像が得られる領域を単結晶部として自動判定する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項６】
単結晶部を残して薄片化された試料のうち指定領域を測長する方法であって、
前記単結晶部から前記電子線回折像を撮像部によって取得する処理と、
取得された前記電子線回折像に基づいて、前記荷電粒子線に対する前記試料の傾斜角を補正する処理と、
傾斜角の補正後に前記指定領域を測長する処理と
を有することを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。
【請求項７】
請求項６に記載の測長方法において、
前記試料の傾斜角を補正する処理は、前記電子線回折像におけるメインスポットの周辺に出現する複数のスポットの大きさが均等になるように前記傾斜角を補正する
ことを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。
【請求項８】
請求項７に記載の測長方法において、
前記試料の傾斜角を補正する処理は、少なくとも１つの傾斜方向に対して前記試料の傾斜角を変化させる際にリアルタイムで検出される複数の電子線回折像の変化に基づいて、前記複数のスポットの大きさが均等になる傾斜角を検出する
ことを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。
【請求項９】
請求項７に記載の測長方法において、
前記試料の傾斜角を補正する処理は、前記複数のスポットのうち傾斜方向についてメインスポットの対称位置の強度スペクトル同士が同じ大きさになる傾斜角を、前記複数のスポットの大きさが均等になる傾斜角として検出する
ことを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の測長方法において、
前記試料の傾斜角を補正する処理は、前記試料のうち一定領域内の複数点について全て同じ電子回折像が得られる領域を単結晶部として自動判定する
ことを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の測長方法において、
前記単結晶部の自動判定は、前記試料の全箇所から取得される複数の電子線回折像を対象として実行する
ことを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載の測長方法において、
前記指定領域が多結晶部の構造体である場合、前記単結晶部について測長結果の校正後、前記指定領域を測長する
ことを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の測長方法において、
前記測長結果の校正は、高分解能像で得られる格子縞を用いて実行する
ことを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の測長方法において、
前記測長結果の校正は、既知の長さを有する幅を用いて実行する
ことを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。
【請求項１５】
請求項６に記載の測長方法において、
前記指定領域をHAADF-STEM像を用いて指定する
ことを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。
【請求項１】
荷電粒子線を発生させる荷電粒子線源と、
試料を保持する試料台と、
前記試料台を駆動する駆動部と、
前記荷電粒子線を試料に集束させるレンズ系と、
前記荷電粒子線を偏向する偏向器と、
前記荷電粒子線の照射によって試料から発生する信号を検出し、試料像を検出する検出器と、
前記試料の電子回折像を検出する撮像部と、
前記試料像及び又は前記電子線回折像を表示する表示部と、
演算処理部と
を有し、前記演算処理部は、前記試料の単結晶部から取得される前記電子線回折像に基づいて前記駆動部を制御し、前記荷電粒子線に対する前記試料の傾斜角を補正する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記演算処理部は、前記電子線回折像におけるメインスポットの周辺に出現する複数のスポットの大きさが均等になるように前記傾斜角を補正する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記演算処理部は、少なくとも１つの傾斜方向に対して前記試料の傾斜角を変化させる際にリアルタイムで検出される複数の電子線回折像の変化に基づいて、前記複数のスポットの大きさが均等になる傾斜角を検出する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項３に記載の荷電粒子線装置において、
前記演算処理部は、前記複数のスポットのうち傾斜方向についてメインスポットの対称位置の強度スペクトル同士が同じ大きさになる傾斜角を、前記複数のスポットの大きさが均等になる傾斜角として検出する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項４に記載の荷電粒子線装置において、
前記演算処理部は、前記試料のうち一定領域内の複数点について全て同じ電子回折像が得られる領域を単結晶部として自動判定する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項６】
単結晶部を残して薄片化された試料のうち指定領域を測長する方法であって、
前記単結晶部から前記電子線回折像を撮像部によって取得する処理と、
取得された前記電子線回折像に基づいて、前記荷電粒子線に対する前記試料の傾斜角を補正する処理と、
傾斜角の補正後に前記指定領域を測長する処理と
を有することを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。
【請求項７】
請求項６に記載の測長方法において、
前記試料の傾斜角を補正する処理は、前記電子線回折像におけるメインスポットの周辺に出現する複数のスポットの大きさが均等になるように前記傾斜角を補正する
ことを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。
【請求項８】
請求項７に記載の測長方法において、
前記試料の傾斜角を補正する処理は、少なくとも１つの傾斜方向に対して前記試料の傾斜角を変化させる際にリアルタイムで検出される複数の電子線回折像の変化に基づいて、前記複数のスポットの大きさが均等になる傾斜角を検出する
ことを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。
【請求項９】
請求項７に記載の測長方法において、
前記試料の傾斜角を補正する処理は、前記複数のスポットのうち傾斜方向についてメインスポットの対称位置の強度スペクトル同士が同じ大きさになる傾斜角を、前記複数のスポットの大きさが均等になる傾斜角として検出する
ことを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の測長方法において、
前記試料の傾斜角を補正する処理は、前記試料のうち一定領域内の複数点について全て同じ電子回折像が得られる領域を単結晶部として自動判定する
ことを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の測長方法において、
前記単結晶部の自動判定は、前記試料の全箇所から取得される複数の電子線回折像を対象として実行する
ことを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載の測長方法において、
前記指定領域が多結晶部の構造体である場合、前記単結晶部について測長結果の校正後、前記指定領域を測長する
ことを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の測長方法において、
前記測長結果の校正は、高分解能像で得られる格子縞を用いて実行する
ことを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の測長方法において、
前記測長結果の校正は、既知の長さを有する幅を用いて実行する
ことを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。
【請求項１５】
請求項６に記載の測長方法において、
前記指定領域をHAADF-STEM像を用いて指定する
ことを特徴とする荷電粒子線を用いた測長方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１８１３９３（Ｐ２０１１−１８１３９３Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４５５９２（Ｐ２０１０−４５５９２）
【出願日】平成２２年３月２日（２０１０．３．２）
【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２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２日（２０１０．３．２）
【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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