JP2005183369A - Method and device for observing sample - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that an observational direction (or an incident direction of electron beams) in an observed image actually obtained has some errors compared to a set value and the errors affect on analysis of the observed image thereafter. <P>SOLUTION: Convergent electron beams are irradiated on a sample with a known shape, electrons emitted from the sample surface are detected, and intensity of the detected electron is formed into an image, and this image is used to estimate an incident direction of the convergent electron beams based on a geometric deformation on the image of the sample with a known shape, and information about the estimated incident direction of the convergent electron beams is used to obtain a three-dimensional shape or a cross directional shape of the sample as an object of observation from a SEM image of the sample as an object of observation. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体製造過程での半導体ウェーハなどの試料の観察あるいは計測において
、SEM(Scanning Electron Microscope:走査電子顕微鏡)を用いて試料を観察する方
法及びその装置に関する。
The present invention relates to a method and an apparatus for observing a sample using an SEM (Scanning Electron Microscope) in observation or measurement of a sample such as a semiconductor wafer in a semiconductor manufacturing process.

半導体の微細化に伴い、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
ている。半導体パターンの電気的な特性には前記半導体パターンの高さ、ライン幅、側壁
傾斜角のほか、角の丸みといった微妙なパターン形状の変化も大きな影響を与える。その
ため、これらの寸法または形状を計測することによりプロセス変動を検知し、プロセスを
制御する技術が求められている。有効なプロセス制御を行うためには、SEM(Scanning
Electron Microscope:走査電子顕微鏡)による半導体パターンの側壁観察やSEMで取
得した画像(以下、SEM画像という)から三次元プロファイルを推定する技術が期待さ
れる。前記側壁観察や三次元プロファイルの推定においては、試料を斜め方向から観察し
たSEM画像の情報を利用することが有効であると考えられる。
With the miniaturization of semiconductors, it is becoming increasingly difficult to control the semiconductor pre-process manufacturing process. In addition to the height, line width, and side wall inclination angle of the semiconductor pattern, subtle changes in the pattern shape such as corner rounding greatly affect the electrical characteristics of the semiconductor pattern. Therefore, there is a demand for a technique for detecting a process variation by measuring these dimensions or shapes and controlling the process. To perform effective process control, SEM (Scanning
A technique for estimating a three-dimensional profile from observation of a sidewall of a semiconductor pattern with an electron microscope (scanning electron microscope) and an image acquired by SEM (hereinafter referred to as SEM image) is expected. In the side wall observation and the estimation of the three-dimensional profile, it is considered effective to use information of an SEM image obtained by observing the sample from an oblique direction.

前記斜め方向から観察したSEM画像を取得する方法としては、例えば特開2000−
348658号公報開示されているように、電子光学系より照射する電子線を偏向し、観
察対象に電子線を照射する方向を傾斜させて傾斜画像を撮像する方式、SEMにより半導
体ウェーハの任意の場所を観察できるように半導体ウェーハを移動させるステージ自体を
傾斜させて撮像する方式、SEMの電子光学系自体を機械的に傾斜させる方式が適用され
ている。
As a method for acquiring the SEM image observed from the oblique direction, for example, JP 2000-
As disclosed in Japanese Patent No. 348658, a system in which an electron beam irradiated from an electron optical system is deflected and a tilt image is tilted to irradiate an observation target with an electron beam, and an inclined image is taken. In order to observe the image, a method of inclining and imaging the stage itself for moving the semiconductor wafer and a method of mechanically inclining the SEM electron optical system itself are applied.

特開2000−348658号公報JP 2000-348658 A

しかしながら、前記従来技術において実際に得られた観察画像における観察方向(ある
いは電子線の入射方向)は設定値に対し誤差を含むことが予想されるため、前記誤差分が
その後の観察画像の解析に影響を与えうる。例えば、ライン幅やコンタクトホール径など
の寸法値を監視することによってプロセス変動を検出する際、観察方向によって寸法値が
変化するため、前記観察方向の誤差が問題となる(参考文献 ”Characterisation of 193
nm Resist Layers by CD-SEM Sidewall Imaging”、Proceedings of SPIE Vol.5038、pp.892-900、 2003)。また、多方向からの観察画像を用いたステレオ計測を用いた三次
元プロファイル再構成技術においては、複数のSEM画像における観察方向と複数のSE
M画像間の視差に基づきプロファイルを推定するため、観察方向の誤差が推定したプロフ
ァイルの誤差に影響を与える。
However, since the observation direction (or the incident direction of the electron beam) in the observation image actually obtained in the prior art is expected to include an error with respect to the set value, the error is used for the analysis of the subsequent observation image. May have an impact. For example, when a process variation is detected by monitoring a dimensional value such as a line width or a contact hole diameter, the dimensional value changes depending on the observation direction, and thus an error in the observation direction becomes a problem (references “Characterisation of 193”).
nm Resist Layers by CD-SEM Sidewall Imaging ”, Proceedings of SPIE Vol.5038, pp.892-900, 2003). In 3D profile reconstruction technology using stereo measurement using observation images from multiple directions. Are the observation direction and the plurality of SEs in a plurality of SEM images.
Since the profile is estimated based on the parallax between the M images, the error in the viewing direction affects the estimated profile error.

本発明の目的は、傾斜観察画像の観察方向を正確に推定し、前記推定した観察方向をも
とにチルト角の校正あるいは推定した観察方向を寸法あるいはプロファイル計測時の入力
情報とすることにより高精度な計測又は観察を可能にする試料の観察方法及びその装置を
提供することにある。
An object of the present invention is to accurately estimate the observation direction of a tilt observation image and to calibrate the tilt angle based on the estimated observation direction or to use the estimated observation direction as input information when measuring dimensions or profiles. An object of the present invention is to provide a sample observation method and apparatus that enable accurate measurement or observation.

上記目的を達成するために本発明では、収束電子線を形状既知の試料に照射し、前記試
料表面から放出される電子を検出し、前記検出した電子の強度を画像化した画像を用い、
前記形状既知の試料の画像上での幾何学的な変形をもとに収束電子線の入射方向を推定し
、推定した観察方向を、その後の観察画像解析に利用することで高精度な計測を実現でき
るようにした。前記形状既知の試料には、結晶構造をもつ材料を利用して作成した試料(
表面を構成する結晶面間のなす角が既知)、あるいは試料表面の形状を走査型プローブ顕
微鏡(SPM:Scanning Probe Microscope)等の計測手段によって計測した試料あるいはレ
ーザ干渉露光を利用することにより形成されたパターンにおけるピッチの精度が保証され
た試料を用いるようにした。
In order to achieve the above object, in the present invention, a sample having a known shape is irradiated with a focused electron beam, electrons emitted from the sample surface are detected, and an image obtained by imaging the intensity of the detected electrons is used.
Estimate the incident direction of the convergent electron beam based on the geometric deformation on the image of the sample with the known shape, and use the estimated observation direction for the subsequent observation image analysis for high-accuracy measurement. I made it possible. The sample having a known shape includes a sample prepared using a material having a crystal structure (
The angle between the crystal planes that make up the surface is known), or the sample surface shape is measured by a measuring means such as a scanning probe microscope (SPM) or by using laser interference exposure. A sample with a guaranteed pitch accuracy in the pattern was used.

推定した観察方向をもとに、例えば、電子線の偏向(以下、ビームチルトという)ある
いはステージあるいは光学系自体の傾斜角(以下、それぞれステージチルト、鏡筒チルト
という)を調整し、実際の観測方向を設定値に合わせることができる。また、三次元プロ
ファイル推定技術においては、前記推定した入射方向を観察画像の観察方向の入力値とし
て用いることにより推定精度を向上させることができる。
Based on the estimated observation direction, for example, adjusting the deflection of the electron beam (hereinafter referred to as beam tilt) or the tilt angle of the stage or the optical system itself (hereinafter referred to as stage tilt and lens barrel tilt, respectively) for actual observation The direction can be adjusted to the set value. In the three-dimensional profile estimation technique, the estimation accuracy can be improved by using the estimated incident direction as an input value of the observation direction of the observation image.

推定した観察方向は、GUI(Graphic User Interface)上に表示し、ユーザが観察画像
を解析する際に参照される。また、同観察方向をもとに、電子線を偏向して得られた画像
からステージを傾斜させて得られる画像に変換して表示する機能を提供する。電子線の偏
向により得られたビームチルト画像は人間が目視により斜めから観察した場合に見える映
像とは幾何学的に異なるため、感覚的に解釈しにくい。そこで、より人間が行う観察に近
いステージを傾斜させて取得したステージチルト画像に変換して表示することは目視によ
る解析において有効である。
The estimated observation direction is displayed on a GUI (Graphic User Interface) and is referred to when the user analyzes the observation image. In addition, based on the observation direction, a function of converting an image obtained by deflecting an electron beam into an image obtained by tilting the stage and displaying the image is provided. Since the beam tilt image obtained by the deflection of the electron beam is geometrically different from the image that is seen when a human observes from an oblique angle, it is difficult to interpret sensuously. In view of this, it is effective in visual analysis to convert and display a stage tilt image obtained by tilting a stage closer to human observation.

すなわち、上記目的を達成するために、本発明では、集束させた電子ビームを試料に照
射して走査し、この照射による試料から発生する2次電子又は反射電子を検出して得られ
るSEM画像を用いて試料を観察する方法において、形状が既知のパターンが形成された
キャリブレーション基板の表面に斜め方向から集束させた電子ビームを照射して走査する
ことにより形状が既知のパターンが形成されたキャリブレーション基板の表面のSEM画
像を取得し、形状が既知のパターンの形状の情報と取得したSEM画像の情報とを用いて
電子ビームを照射した斜め方向の角度を求め、この求めた斜め方向の角度が所望の角度に
なるように調整し、パターンが形成された試料基板を調整した所望の斜め方向の角度から
電子ビームを照射して試料基板のSEM画像を取得し、所望の角度の情報を用いて試料基
板のSEM画像を処理することにより試料基板上のパターンの3次元画像または試料基板
上のパターンの断面形状を求めるようにした。
That is, in order to achieve the above object, in the present invention, an SEM image obtained by irradiating and scanning a focused electron beam on a sample and detecting secondary electrons or reflected electrons generated from the sample by the irradiation is obtained. In this method of observing a sample, a calibration with a pattern with a known shape formed by irradiating and scanning an electron beam focused from an oblique direction on the surface of a calibration substrate with a pattern with a known shape formed. An SEM image of the surface of the substrate is acquired, and an angle of the oblique direction irradiated with the electron beam is obtained using information on the shape of the pattern having a known shape and information on the obtained SEM image, and the obtained angle in the oblique direction is obtained. Is adjusted to a desired angle, and the sample substrate on which the pattern is formed is irradiated with an electron beam from a desired oblique angle. Get the SEM image, and to obtain the cross-sectional shape of the three-dimensional image or pattern of the sample on the substrate of the pattern on the sample substrate by processing the SEM image of a sample substrate by using the information of a desired angle.

なた、上記目的を達成するために、本発明では、集束させた電子ビームを試料に照射し
て走査し、照射による試料から発生する2次電子又は反射電子を検出して得られるSEM
画像を用いて試料を観察する方法において、形状が既知のパターンが形成されたキャリブ
レーション基板の表面に集束させた電子ビームを斜め方向から照射して走査することによ
り形状が既知のパターンが形成されたキャリブレーション基板の表面のSEM画像を取得
し、形状が既知のパターンの形状の情報と取得したSEM画像の情報とを用いて電子ビー
ムを照射した斜め方向の角度を求め、パターンが形成された試料基板に求めた斜め方向の
角度から電子ビームを照射して試料基板のSEM画像を取得し、形状が既知のパターンの
SEM画像から求めた角度の情報を用いて試料基板のSEM画像を処理することにより試
料基板上のパターンの3次元画像またはパターンの断面形状を求めるようにした。
In order to achieve the above object, according to the present invention, an SEM obtained by irradiating and scanning a sample with a focused electron beam and detecting secondary electrons or reflected electrons generated from the sample by irradiation.
In a method of observing a sample using an image, a pattern with a known shape is formed by irradiating and scanning an electron beam focused on the surface of a calibration substrate on which a pattern with a known shape is formed. The SEM image of the surface of the calibration substrate obtained was obtained, and the angle of the oblique direction irradiated with the electron beam was obtained using the information on the shape of the pattern having a known shape and the information on the obtained SEM image, and the pattern was formed. An SEM image of the sample substrate is acquired by irradiating the sample substrate with an electron beam from an oblique angle obtained, and the SEM image of the sample substrate is processed using information on the angle obtained from the SEM image of a pattern having a known shape. Thus, a three-dimensional image of the pattern on the sample substrate or a cross-sectional shape of the pattern is obtained.

本発明によれば、形状既知のパターンが形成された試料をキャリブレータとして用いる
ことにより、観察方向を正確に推定することができ、より正確で再現性のある形状計測が
可能となった。
According to the present invention, the observation direction can be accurately estimated by using a sample on which a pattern having a known shape is formed as a calibrator, and more accurate and reproducible shape measurement is possible.

また、本発明によれば、形状既知のパターンが形成された試料をキャリブレータとして
用いることにより、観察方向を正確に推定することができ、同じサンプルを異なる装置で
観測・計測しても、同様な結果が得られるようになった。
In addition, according to the present invention, it is possible to accurately estimate the observation direction by using a sample in which a pattern with a known shape is formed as a calibrator. Results came to be obtained.

図1〜図17を用いて本発明を説明する。 The present invention will be described with reference to FIGS.

0.SEMによる傾斜観察方法について
図1に本発明におけるSEM画像を取得して処理するシステムの一例を示す。1303は電子線源であり,電子線1304を発生する。偏向器1306により電子線1304を偏向し,試料である半導体ウェーハ1301上の電子線を照射する位置を制御する。電子線を照射された半導体ウェーハ1301からは,2次電子と反射電子が放出され,2次電子は1309の2次電子検出器により検出される。一方,反射電子は1310および1311の反射電子検出器により検出される。反射電子検出器1310と1311とは互いに異なる方向に設置されている。2次電子検出器1309および反射電子検出器1310および1311で検出された2次電子および反射電子はA/D変換機1312,1313,1314でデジタル信号に変換され,画像メモリ13151に格納され,CPU13152で目的に応じた画像処理が行われる。
0. Inclination observation method by SEM
FIG. 1 shows an example of a system for acquiring and processing SEM images according to the present invention. Reference numeral 1303 denotes an electron beam source which generates an electron beam 1304. The deflector 1306 deflects the electron beam 1304 to control the position of the electron beam on the semiconductor wafer 1301 that is a sample. Secondary electrons and reflected electrons are emitted from the semiconductor wafer 1301 irradiated with the electron beam, and the secondary electrons are detected by a secondary electron detector 1309. On the other hand, the reflected electrons are detected by the reflected electron detectors 1310 and 1311. The backscattered electron detectors 1310 and 1311 are installed in different directions. The secondary electrons and reflected electrons detected by the secondary electron detector 1309 and the reflected electron detectors 1310 and 1311 are converted into digital signals by the A / D converters 1312, 1313 and 1314, stored in the image memory 13151, and the CPU 13152. The image processing according to the purpose is performed.

図3は半導体ウェーハ上に電子線を走査して照射した際,半導体ウェーハ上から放出される電子の信号量を画像化する方法を示す。電子線は,例えば図3(a)に示すようにx,y方向に1501〜1503又は1504〜1506のように走査して照射される。電子線の偏向方向を変更することによって走査方向は変化させることが可能である。x方向に走査された電子線1501〜1503が照射された半導体ウェーハ上の場所をそれぞれG1〜G3で示している。 FIG. 3 shows a method of imaging a signal amount of electrons emitted from a semiconductor wafer when the semiconductor wafer is irradiated with an electron beam. For example, as shown in FIG. 3A, the electron beam is irradiated by scanning in the x and y directions as 1501 to 1503 or 1504 to 1506. The scanning direction can be changed by changing the deflection direction of the electron beam. electron beam 1501 to 1503 that is scanned in the x direction indicates the location on the semiconductor wafer irradiated with G 1 ~G 3 respectively.

同様にy方向に走査された電子線1504〜1506が照射された半導体ウェーハ上の場所をそれぞれG4〜G6で示している。前記G1〜G6において放出された電子の信号量は,それぞれ図3(b)内に示した画像1509における画素H1〜H6の明度値になる(G,Hにおける右下の添え字1〜6は互いに対応する)。1508は画像上のx,y方向を示す座標系である。 Similarly, locations on the semiconductor wafer irradiated with the electron beams 1504 to 1506 scanned in the y direction are indicated by G 4 to G 6 , respectively. The signal amounts of the electrons emitted from G 1 to G 6 are the lightness values of the pixels H 1 to H 6 in the image 1509 shown in FIG. 3B (lower right subscripts in G and H). 1 to 6 correspond to each other). Reference numeral 1508 denotes a coordinate system indicating the x and y directions on the image.

図1中の1315はコンピュータシステムであり,画像処理によりキャリブレーション試料1319の観察画像から収束電子線の入射方向の推定を行う,あるいは半導体ウェーハ1301上の対象パターンの観察画像から三次元プロファイルの推定を行う,あるいはステージコントローラ1320や偏向制御部1321に対して制御信号を送る等の処理・制御を行う。また,処理・制御部1315はディスプレイ1316と接続されており,ユーザに対して画像を表示するGUI(Graphic User Interface)を備える。1317はXYステージであり,半導体ウェーハ1301を移動させ,前記半導体ウェーハの任意の位置の画像撮像を可能にしている。図1では反射電子像の検出器を2つ備えた実施例を示したが,前記反射電子像の検出器の数を減らすことも,あるいは増やすことも可能である。   Reference numeral 1315 in FIG. 1 denotes a computer system that estimates the incident direction of the convergent electron beam from the observation image of the calibration sample 1319 by image processing, or estimates the three-dimensional profile from the observation image of the target pattern on the semiconductor wafer 1301. Or processing and control such as sending a control signal to the stage controller 1320 and the deflection controller 1321. The processing / control unit 1315 is connected to the display 1316 and includes a GUI (Graphic User Interface) that displays an image to the user. Reference numeral 1317 denotes an XY stage, which moves the semiconductor wafer 1301 and enables imaging of an arbitrary position of the semiconductor wafer. Although FIG. 1 shows an embodiment having two reflected electron image detectors, the number of the reflected electron image detectors can be reduced or increased.

SEMにおいて対象を傾斜して観察する方法としては(1)電子光学系より照射する電子線を偏向し,電子線の照射角度を傾斜させて傾斜画像を撮像する方式(例えば特開2000−348658)(以下,ビームチルト方式と呼び,得られる画像をビームチルト画像と呼ぶ),(2)半導体ウェーハを移動させるステージ317自体を傾斜させる方式(図1においてはチルト角1318でステージが傾斜している)(以下,ステージチルト方式と呼び,得られる画像をステージチルト画像と呼ぶ),(3)電子光学系自体を機械的に傾斜させる方式(以下,鏡筒チルト方式と呼び,得られる画像を鏡筒チルト画像と呼ぶ)が適用されている。前記方法により取得されたSEM画像からライン幅やコンタクトホール径などの寸法値の計測や三次元プロファイルの推定などの解析を高精度に行い,プロセス変動の検知およびプロセス制御を行うためには,収束電子線の入射方向が正しく分かっていなければならない。しかしながら,従来の技術では収束電子線の入射方向の設定値に対して,実際の入射方向がどの程度ずれているのかを確認する手段がなく,前記実際の入射方向を正確に推定する方法が求められる。   As a method of observing an object with tilting in SEM, (1) a system in which an electron beam irradiated from an electron optical system is deflected, and a tilted image is taken by tilting the irradiation angle of the electron beam (for example, JP-A-2000-348658) (Hereinafter referred to as a beam tilt method, and the obtained image is referred to as a beam tilt image.) (2) A method in which the stage 317 itself for moving the semiconductor wafer is tilted (in FIG. 1, the stage is tilted at a tilt angle 1318. ) (Hereinafter referred to as the stage tilt method, and the resulting image is referred to as the stage tilt image), (3) the method of mechanically tilting the electron optical system itself (hereinafter referred to as the lens barrel tilt method, and the obtained image is mirrored) Called a cylinder tilt image). In order to perform high-precision analysis such as line width and contact hole diameter measurement and 3D profile estimation from the SEM images acquired by the above method, and to detect process variations and process control, convergence is required. The incident direction of the electron beam must be known correctly. However, the conventional technique has no means for confirming how much the actual incident direction is deviated from the set value of the incident direction of the convergent electron beam, and a method for accurately estimating the actual incident direction is required. It is done.

1.発明基本アイデア
本発明ではこの課題を解決するために,収束電子線を形状既知の試料に照射し,前記試料表面から放出される電子を検出し,前記検出した電子の強度を画像化した画像を用い,前記形状既知の試料の画像上での幾何学的な変形をもとに収束電子線の入射方向を推定する方法を見出した。すなわち,前記形状既知の試料(キャリブレータ)の姿勢を基準にして収束電子線の入射方向(チルト角)を推定する。電子光学系の絶対座標系に対するキャリブレータの姿勢が測定できる場合は,前記電子光学系の絶対座標系に対する電子線の入射方向を計測することができる。
1. Invention basic idea
In order to solve this problem in the present invention, a sample having a known shape is irradiated with a focused electron beam, electrons emitted from the sample surface are detected, and an image obtained by imaging the intensity of the detected electrons is used. We found a method for estimating the incident direction of a convergent electron beam based on geometrical deformation of a sample with a known shape. That is, the incident direction (tilt angle) of the convergent electron beam is estimated based on the posture of the sample (calibrator) whose shape is known. When the attitude of the calibrator with respect to the absolute coordinate system of the electron optical system can be measured, the incident direction of the electron beam with respect to the absolute coordinate system of the electron optical system can be measured.

前記電子光学系の絶対座標系とはビームチルト角0°における電子線入射方向(光学系の中心軸)をz軸とし,図3(a)に示したx方向に走査された電子線1501〜1503を含む平面上で前記z軸に直交する方向をx軸,同様にy方向に走査された電子線1504〜1506を含む平面上で前記z軸に直交する方向をy軸とした座標系である。   In the absolute coordinate system of the electron optical system, the electron beam incident direction (central axis of the optical system) at a beam tilt angle of 0 ° is the z axis, and the electron beams 1501 to 1501 scanned in the x direction shown in FIG. A coordinate system in which the direction orthogonal to the z-axis on the plane including 1503 is the x-axis, and the direction orthogonal to the z-axis on the plane including the electron beams 1504 to 1506 scanned in the y-direction is the y-axis. is there.

電子光学系の絶対座標系に対するキャリブレータの姿勢が測定できない場合は,何らかの基準(例えばビームチルト角の設定値を0°とした際の実際の電子線の入射方向(設定値とは若干異なる可能性がある)をz軸とした座標系)により定めた座標系に対する電子線の入射方向を計測することができる。   If the attitude of the calibrator with respect to the absolute coordinate system of the electron optical system cannot be measured, some reference (for example, the actual incident direction of the electron beam when the set value of the beam tilt angle is 0 ° (may be slightly different from the set value) It is possible to measure the incident direction of the electron beam with respect to the coordinate system defined by the coordinate system with z) as the z axis.

図2に本発明におけるチルト角を推定するシーケンスを示す。まず,ステップ1401において装置のビームチルト角あるいはステージチルト角あるいは鏡筒チルト角を設定し(以下,ビームチルト角,ステージチルト角,鏡筒チルト角を総称してチルト角と呼ぶ),ステップ1402においてキャリブレータを観察する。キャリブレータとしては(1)結晶面を利用した試料(表面を構成する結晶面間のなす角が既知),あるいは(2)試料表面の形状をSPM等の計測手段によって計測した試料,あるいは(3)レーザ干渉露光を利用することにより形成されたパターンにおけるピッチの精度が保証された試料を用いる。
ステップ1403においてキャリブレータの観測画像上での幾何学的な変形をもとにチルト角を推定し,ステップ1401における収束電子線の入射方向の設定値とのずれを検知する。ステップ1403はステップ1404,1405からなるステップである。キャリブレータの見え方の違いを特徴的に示すものとして尾根や谷など試料形状の勾配が大きく変化する場所があげられる。以後これを「エッジ」と呼ぶ。
FIG. 2 shows a sequence for estimating the tilt angle in the present invention. First, in step 1401, the beam tilt angle, stage tilt angle, or lens barrel tilt angle of the apparatus is set (hereinafter, the beam tilt angle, stage tilt angle, and lens barrel tilt angle are collectively referred to as the tilt angle), and in step 1402 Observe the calibrator. As a calibrator, (1) a sample using a crystal plane (the angle between crystal planes constituting the surface is known), or (2) a sample whose shape is measured by a measuring means such as SPM, or (3) A sample in which the accuracy of pitch in the pattern formed by using laser interference exposure is guaranteed is used.
In step 1403, the tilt angle is estimated based on the geometric deformation of the calibrator on the observed image, and a deviation from the set value of the incident direction of the convergent electron beam in step 1401 is detected. Step 1403 is composed of steps 1404 and 1405. Characteristic differences in the appearance of the calibrator include places where the gradient of the sample shape changes greatly, such as ridges and valleys. This is hereinafter referred to as “edge”.

ステップ1404においてキャリブレータの観察画像中からエッジを検出し,ステップ1405においてキャリブレータの観測画像上での幾何学的な変形をもとにチルト角を推定する。この際,キャリブレータの形状・姿勢・位置1406あるいはウェーハ面の姿勢・位置情報1407あるいは画像歪み1408などの情報の一部又は全てががチルト角の推定のために必要となる。そのため,ステップ1405において,チルト角と同様にキャリブレータの観測画像上での幾何学的な変形をもとに情報1406〜1408の一部又は全てを推定,あるいは画像処理あるいはSPMあるいは対物レンズ合焦点位置等を用いた距離計測手段を組み合わせて情報1406〜1408の一部又は全てを推定する。チルト角を推定するためには情報1406〜1408の中で少なくともキャリブレータの姿勢は既知であるか,あるいは推定する必要がある。   In step 1404, an edge is detected from the calibrator observation image, and in step 1405, the tilt angle is estimated based on the geometric deformation on the calibrator observation image. At this time, some or all of the information such as the shape / posture / position 1406 of the calibrator, the posture / position information 1407 of the wafer surface, or the image distortion 1408 is necessary for estimating the tilt angle. Therefore, in step 1405, a part or all of the information 1406 to 1408 is estimated based on the geometrical deformation on the observed image of the calibrator as well as the tilt angle, or image processing, SPM, or objective lens in-focus position A part or all of the information 1406 to 1408 is estimated by combining distance measuring means using the above. In order to estimate the tilt angle, at least the attitude of the calibrator is known or needs to be estimated in the information 1406 to 1408.

推定されたチルト角は(1)チルト角の校正(チルト角の設定値と実際のチルト角とを一致させる)あるいは(2)推定したチルト角をステレオ計測等への入力値とすることにより計測精度を向上させる,あるいは(3)GUI(Graphic User Interface)上に推定したチルト角を表示しユーザの観察・解析時における参考値とする等の観察画像の観察または計測に活用される。次に各ステップの詳細を説明する。   The estimated tilt angle is measured by (1) calibration of the tilt angle (matching the tilt angle setting value with the actual tilt angle) or (2) using the estimated tilt angle as an input value for stereo measurement or the like. It is used for observation or measurement of observation images, such as improving accuracy or (3) displaying the estimated tilt angle on a GUI (Graphic User Interface) and using it as a reference value during user observation and analysis. Next, details of each step will be described.

2.形状既知のキャリブレータについて
2.1 キャリブレータの種類
本発明でキャリブレータとして用いる形状既知の試料としては前述の通り,(1)結晶面を利用した試料(表面を構成する結晶面間のなす角が既知),あるいは(2)試料表面の形状をSPM等の計測手段によって計測した試料,あるいは(3)レーザ干渉露光によるピッチ形成等により寸法精度が保証された試料,あるいは(4)基準器として利用可能な試料等を利用することができる。
2. About calibrators with known shapes
2.1 Types of calibrator
As described above, the sample having a known shape used as a calibrator in the present invention is either (1) a sample using a crystal plane (the angle between crystal planes constituting the surface is known), or (2) the shape of the sample surface is SPM. A sample measured by a measuring means such as (3) a sample whose dimensional accuracy is guaranteed by pitch formation by laser interference exposure, or (4) a sample that can be used as a reference device can be used.

(1)のタイプの試料について説明する。結晶面により試料表面を構成する方法の一つとして結晶異方性エッチングがある。これはエッチング速度が結晶面によって異なる性質を利用したエッチング技術であり,例えばSi結晶においてはミラー指数(111)面に対するエッチング速度は,(100)面あるいは(110)面のエッチング速度に対し非常に遅い。そのため,エッチング速度の遅い(111)面が表面に現れるようにエッチングが進む。図4(a)〜(d)にSi結晶面により構成される試料の例を示す。同図(a)101に示す四角錐形状の凹部を有する試料(以下,凹ピラミッド型の試料と呼ぶ)は

Figure 2005183369
面で構成されている。そのため,結晶面同士の傾斜角は既知となる。また,同図(b)102は四角錐形状の凸部を有する試料(以下,凹ピラミッド型の試料と呼ぶ),同図(c)107は山型の試料(傾斜角tan-1(√2)°),同図(d)108はライン・アンド・スペース型の試料(傾斜角90°)である。この他にも,Si結晶のみならずGaAs等様々な結晶を利用した様々な結晶面を利用した試料を生成することができる。 The sample of type (1) will be described. One method of forming the sample surface with crystal planes is crystal anisotropic etching. This is an etching technique that uses the property that the etching rate differs depending on the crystal plane. For example, in Si crystal, the etching rate for the Miller index (111) plane is much higher than the etching rate for the (100) plane or (110) plane. slow. Therefore, the etching proceeds so that the (111) plane having a low etching rate appears on the surface. 4 (a) to 4 (d) show examples of samples constituted by Si crystal planes. A sample having a quadrangular pyramid-shaped recess (hereinafter referred to as a concave pyramid sample) shown in FIG.
Figure 2005183369
It is composed of planes. Therefore, the tilt angle between crystal planes is known. FIG. 10B shows a sample having a quadrangular pyramidal projection (hereinafter referred to as a concave pyramid type sample), and FIG. 10C shows a mountain-shaped sample (inclination angle tan −1 (√2 (D) 108 is a line and space type sample (inclination angle 90 °). In addition to this, it is possible to generate samples using various crystal planes using not only Si crystals but also various crystals such as GaAs.

また,ピラミッド型の試料の変形例として図5(a)に示すようなピラミッドの上部(図4(b)における頂点P0付近に相当)が平らであり,頂点Q5〜Q8によって形成されるような面が存在するピラミッドサンプルや,ピラミッドの上部が丸まってしまった変形ピラミッド型の試料,あるいは図5(c)に示すようなピラミッドを構成する面同士が交わる領域(図4(b)における線分Q0−Q1,Q0−Q2,Q0−Q3,Q0−Q4付近に相当)が削れて平らになった変形ピラミッド型の試料等があげられる。 As a modification of the pyramid type sample, the upper part of the pyramid as shown in FIG. 5A (corresponding to the vicinity of the vertex P 0 in FIG. 4B) is flat and formed by the vertices Q 5 to Q 8 . A pyramid sample in which such a surface exists, a modified pyramid type sample whose upper part of the pyramid is rounded, or a region where the surfaces constituting the pyramid as shown in FIG. 5C intersect (FIG. 4B) (Corresponding to the vicinity of line segments Q 0 -Q 1 , Q 0 -Q 2 , Q 0 -Q 3 , and Q 0 -Q 4 ) in FIG.

(2)のタイプの試料について説明する。試料表面の形状をSPM等の計測手段によって計測し,距離データを得る。前記距離データに対し局所的な平面当てはめにより多面近似することにより,試料表面を構成する各平面間のなす角を計測することができる。前記計測方法によれば,SEM像の観察に向いた任意の試料をキャリブレータとして使用することができる。   The sample of type (2) will be described. The shape of the sample surface is measured by measuring means such as SPM, and distance data is obtained. By making a polyhedral approximation to the distance data by local plane fitting, it is possible to measure the angle formed between each plane constituting the sample surface. According to the measurement method, any sample suitable for SEM image observation can be used as a calibrator.

(3)のタイプの試料について説明する。レーザの干渉を利用した露光はレーザの波長により,高い精度のピッチパターンが形成されるため,前記ピッチパターンにおけるピッチは既知となる。   The sample of type (3) will be described. In exposure using laser interference, a highly accurate pitch pattern is formed according to the wavelength of the laser, and therefore the pitch in the pitch pattern is known.

(4)のタイプの試料について説明する。例えば,図18(a),(b)にそれぞれ示したポール型の試料,ホール型の試料等は観察方向の基準器として用いることができる(図示した例のように切断面がポールあるいはホールの中心軸方向に向かって徐々に大きくあるいは小さくなった形状を含む)。図18(c1),(c2)は図18(a)または(b)をおよそ上方から観測した際の観察像の一例である。例えば図18(b)のホールについて,ホールがウェーハ上面1809に対して垂直方向に空いている場合,観察像においてホールの上面1804と下面1803との中心位置が図18(c1)のように一致していれば,観察方向はウェーハに対して垂直であると判定することができる。すなわち観察方向の基準器として用いることができる。またホールが深い程,少し垂直方向から観察方向がずれただけでホールの上面1804と下面1803との中心位置が図18(c2)のようにより大きくずれるために高い分解能で観察方向の垂直判定を行うことが可能である。   The sample of type (4) will be described. For example, the pole-type sample and the hole-type sample shown in FIGS. 18A and 18B, respectively, can be used as a reference unit for the observation direction (the cut surface has a pole or a hole as in the illustrated example). Including shapes that gradually increase or decrease in the direction of the central axis). 18 (c1) and (c2) are examples of observation images when FIG. 18 (a) or (b) is observed from above. For example, in the case of the hole in FIG. 18B, when the hole is perpendicular to the wafer upper surface 1809, the center position of the upper surface 1804 and the lower surface 1803 of the hole in the observation image is one as shown in FIG. 18C1. If so, the observation direction can be determined to be perpendicular to the wafer. That is, it can be used as a reference device for the observation direction. Further, as the hole is deeper, the center position of the upper surface 1804 and the lower surface 1803 of the hole is greatly shifted as shown in FIG. 18 (c2) with only a slight shift of the observation direction from the vertical direction. Is possible.

視野内にサンプルがおさまり,かつ高い分解能のためにキャリブレータのz方向の高さの変化を大きくとることができるという点においてポール型あるいはホール型に代表される急勾配な形状を含むサンプルは有利である。また前記中心位置のずれから幾何学的な関係により,観察方向の垂直方向からのずれ量を推定することが可能である。さらに前記中心位置を合わせこむことによって観察方向を垂直方向に校正することが可能である。また,ホールの空いている方向がウェーハ上面に対して任意の方向である場合,同様に観察方向が前記任意の方向であるかの判定,あるいは観察方向と前記任意の方向とのずれ量の推定,あるいは観察方向を前記任意の方向に校正することが可能である。   A sample containing a steep shape represented by a pole type or a hall type is advantageous in that the sample fits in the field of view and the change in the height of the calibrator in the z direction can be greatly taken for high resolution. is there. Further, it is possible to estimate the amount of deviation from the vertical direction of the observation direction from the deviation of the center position by a geometrical relationship. Furthermore, the observation direction can be calibrated in the vertical direction by adjusting the center position. Further, when the direction in which the holes are vacant is an arbitrary direction with respect to the upper surface of the wafer, similarly, it is determined whether the observation direction is the arbitrary direction, or the amount of deviation between the observation direction and the arbitrary direction is estimated. Alternatively, the observation direction can be calibrated in the arbitrary direction.

ホールの空いている方向は一旦計測等によって明らかになれば,以後,前記ホールの空いている方向に関する観察方向の基準器として用いることができる。ポール型の試料においても以上述べたホール型の試料と同様の観察方向の判定,あるいは推定,あるいは校正が可能である。   Once the hole vacancy direction is clarified by measurement or the like, it can be used as a reference unit for the observation direction with respect to the hole vacancy direction. Even in the case of a pole-type sample, it is possible to determine, estimate, or calibrate the observation direction in the same manner as the hole-type sample described above.

また,ポール型あるいはホール型に代表される任意の基準器において判定,あるいは推定,あるいは校正可能な観察方向は 任意のキャリブレータによって計測することも可能である。すなわち図18(d)に一例を示すように,ホール1807の上面1805と下面1806との中心位置が図18(c1)のように一致した観察方向において,例えばピラミッド型のキャリブレータ1808を観察し,前記観察方向を推定することにより,ホール1807の傾斜方向(基準器において判定,あるいは推定,あるいは校正可能な観察方向)を求めることができる。   In addition, the observation directions that can be judged, estimated, or calibrated by an arbitrary reference device represented by a pole type or a hall type can be measured by an arbitrary calibrator. That is, as shown in FIG. 18D, for example, a pyramid type calibrator 1808 is observed in an observation direction in which the center positions of the upper surface 1805 and the lower surface 1806 of the hole 1807 coincide with each other as shown in FIG. By estimating the observation direction, the inclination direction of the hole 1807 (observation direction that can be determined, estimated, or calibrated by the reference device) can be obtained.

ビームチルト角の0°の定義は,先に述べた電子光学系の中心軸をz軸とした絶対座標系におけるz軸方向を0°と定めることもできるが,ウェーハ面に対する見た目の垂直方向,あるいは基準器などで定義される任意の観察方向を0°と定めることもできる。   The definition of 0 ° of the beam tilt angle can be defined as 0 ° in the z-axis direction in the absolute coordinate system in which the central axis of the electron optical system described above is the z-axis. Alternatively, an arbitrary observation direction defined by a reference device or the like can be set to 0 °.

観察方向は,前記観察方向の違いによる前述の試料の見え方の違いに基づいて推定する。後で詳細を述べる観察方向の推定のためには,観察画像上における試料の幾何学的な形状を特徴的に示すもの,例えば図6(a)に示した凹ピラミッドの線分301〜308の線分の長さあるいは傾斜角あるいは図6(a)に示した頂点P0〜P4の座標値等の一部または全てを検出し,利用する必要がある(図4と図6における頂点P0−P4およびR1−R6は対応する)。前記線分は試料形状の勾配が大きく変化する「エッジ」に相当し,図6(b)におけるライン・アンド・スペース型の試料においては各線分309〜311等である。 The observation direction is estimated based on the difference in the appearance of the sample due to the difference in the observation direction. In order to estimate the observation direction, which will be described later in detail, the characteristic shape of the sample on the observation image, for example, the concave pyramid segments 301 to 308 shown in FIG. It is necessary to detect and use part or all of the length or inclination angle of the line segment or the coordinate values of the vertices P 0 to P 4 shown in FIG. 6A (vertex P in FIGS. 4 and 6). 0 -P 4 and R 1 -R 6 are corresponding). The line segments correspond to “edges” in which the gradient of the sample shape changes greatly. In the line and space type sample in FIG. 6B, the line segments are 309 to 311 and the like.

次に観測画像から画像処理によりエッジを検出する方法について述べる。観測画像としては2次電子検出器1309により検出された信号量を画像化した2次電子像あるいは反射電子検出器1310,1311により検出された信号量を画像化した反射電子像のいずれかを用いる。   Next, a method for detecting an edge from an observed image by image processing will be described. As the observation image, either a secondary electron image obtained by imaging the signal quantity detected by the secondary electron detector 1309 or a reflected electron image obtained by imaging the signal quantity detected by the reflected electron detectors 1310 and 1311 is used. .

2次電子像においては試料形状の勾配の違いが信号量の違いに反映される。また,試料形状の勾配が大きく変化するエッジ部においてはエッジ効果と呼ばれる現象が見られ,山型の形状では信号量が多く検出され,逆に谷型の形状では信号量が少なく検出される。このように信号量の変化する場所あるいは信号量が多いあるいは少ないピークとなる場所を画像上から検出することによりエッジを検出することができる。   In the secondary electron image, the difference in the gradient of the sample shape is reflected in the difference in the signal amount. In addition, a phenomenon called an edge effect is observed at the edge portion where the gradient of the sample shape changes greatly. A large amount of signal is detected in the mountain shape, and a small amount of signal is detected in the valley shape. Thus, an edge can be detected by detecting a place where the signal amount changes or a place where the signal amount is large or small on the image.

反射電子像においても試料形状の勾配の違いが信号量の違いに反映されるため,信号量の変化する場所を画像上から検出することによりエッジを検出することができる。反射電子像においては前述のエッジ効果が発生しないため,エッジ効果によりエッジが非常に膨張されて観測されるような場合は,エッジ検出の精度を向上させるため反射電子像を用いる方が望ましい場合がある。   Also in the reflected electron image, the difference in the gradient of the sample shape is reflected in the difference in the signal amount, so that the edge can be detected by detecting the location where the signal amount changes from the image. In the backscattered electron image, the above-mentioned edge effect does not occur. Therefore, when the edge is observed to be greatly expanded due to the edge effect, it may be desirable to use the backscattered electron image to improve the accuracy of edge detection. is there.

検出したい線分上,あるいはその近傍において試料形状の勾配が大きく変化するエッジが存在する箇所を何箇所か検出し,これらに直線を当てはめることによって,キャリブレータの各線分を検出することができる。例えば図6(a)におけるピラミッド型の試料における線分304の検出を例にして,図6(a)の点線で囲んだ領域324を拡大表示した図6(a2)を用いて説明する。図6(a2)の線分304上,あるいはその近傍においてエッジ(図6(c)における314の場所に相当)を数箇所検出する。   Each line segment of the calibrator can be detected by detecting some locations on the line segment to be detected where there are edges where the gradient of the sample shape greatly changes and applying a straight line to these. For example, the detection of the line segment 304 in the pyramid-shaped sample in FIG. 6A will be described as an example with reference to FIG. 6A2 in which the region 324 surrounded by the dotted line in FIG. Several edges (corresponding to locations 314 in FIG. 6C) are detected on or near the line segment 304 in FIG. 6A2.

黒点321は線分304に沿って任意の間隔で検出された複数のエッジ位置を示している。複数のエッジ位置321の検出位置は画像ノイズ等の理由により多少ばらつき,一直線上に存在しない場合があるが,複数のエッジ位置321に対し最小二乗法などの手段を用いて直線を当てはめることによってノイズの影響を軽減し,精度良く直線(つまり線分304)を検出することができる。ただし,エッジ位置321の中に他の点群と傾向の異なる大きな例外値が含まれる場合(例えば直線位置から大きく離れたエッジ位置322),最小二乗法による推定値は信頼性の低いものとなるため,検出直線から大きく離れた例外的なエッジ位置は例外値として除外する,あるいは各エッジ位置に対して前記エッジ位置の検出直線から距離に反比例した重み付けを行った最小二乗を行うことにより例外的なエッジ位置を考慮しない処理を選択しうる。   Black dots 321 indicate a plurality of edge positions detected at arbitrary intervals along the line segment 304. The detection positions of the plurality of edge positions 321 vary somewhat for reasons such as image noise and may not exist on a straight line. However, noise may be caused by applying a straight line to the plurality of edge positions 321 using means such as the least square method. Thus, the straight line (that is, the line segment 304) can be detected with high accuracy. However, when the edge position 321 includes a large exceptional value having a tendency different from that of other point groups (for example, the edge position 322 far away from the straight line position), the estimated value by the least square method has low reliability. Therefore, exceptional edge positions that are far away from the detection line are excluded as exceptional values, or each edge position can be exceptionally handled by weighting it inversely proportional to the distance from the edge position detection line. A process that does not take into account the edge position can be selected.

なお,例えばエッジ位置321の検出においては,線分304の概略位置が事前に分かっていると大まかな検出範囲,あるいは検出方向等が分かるため都合が良い。そこで,エッジ位置321を検出する前に線分304の概略位置を次に一例を示す検出処理により求めることができる。まず画像全体に対し微分フィルタをかけ,画像からエッジ位置の候補位置を大まかに抽出する。微分フィルタの出力値を二値化して得られた点群から一般的に知られる投票型の直線検出手法であるHough変換により角線分の概略位置を推定する。
また,キャリブレータの幾何形状には図18に示すような円形パターンを含むものも存在するが前記直線検出と同様に検出したエッジに円形あるいは曲線パターンを当てはめる,あるいはエッジ座標を直接用いることにより幾何形状を定量的に表現することが可能である。
For example, in detecting the edge position 321, it is convenient to know the approximate position of the line segment 304 in advance since the rough detection range or detection direction can be known. Therefore, before the edge position 321 is detected, the approximate position of the line segment 304 can be obtained by the detection process shown as an example below. First, a differential filter is applied to the entire image to roughly extract candidate positions of edge positions from the image. The approximate position of a square line segment is estimated by Hough transform, which is a generally known voting-type straight line detection method, from a point group obtained by binarizing the output value of the differential filter.
Further, some calibrator geometries include a circular pattern as shown in FIG. 18, but a circular or curved pattern is applied to the detected edge in the same manner as the straight line detection, or the geometric shape is obtained by directly using the edge coordinates. Can be expressed quantitatively.

2.2 ピラミッドサンプルを用いる利点
SEM画像においてこれらの線分を画像処理を用いて検出する場合,ピラミッド型(四角錐形状)の試料には有利な点がある。すなわち,
(1)試料のエッジを境に前記試料の形状は左右対称であるため,観察画像における信号量の分布もまた対称となる。そのため,観察画像からのエッジ検出を高い精度で行うことが可能である。
(2)一つのピラミッドを観察することによって二次元(x,y方向)的な観察方向を推定することが可能である。
2.2 Advantages of using pyramid samples
When these line segments are detected in an SEM image using image processing, there is an advantage in a pyramid type (quadrangular pyramid shape) sample. That is,
(1) Since the shape of the sample is symmetric with respect to the edge of the sample, the distribution of the signal amount in the observation image is also symmetric. Therefore, it is possible to detect the edge from the observation image with high accuracy.
(2) It is possible to estimate a two-dimensional (x, y direction) observation direction by observing one pyramid.

前記(1)について,図6(a)に凹ピラミッドにおける直線A−B部分のSEM信号量の分布312および試料表面形状の分布313を示す。検出したい直線304の位置314を境に左右の形状がおおよそ等しいため,信号量の分布もまた左右でおおよそ等しく,信号量がどちらかに偏る度合いが少ないため真値に近い直線位置を検出できる。このような傾向は検出したい直線を境に左右の試料表面形状が類似した図4(c)の山型の試料においても同様であり,多少の観察方向が変化であれば本傾向が大きく崩れることはない。   FIG. 6A shows the SEM signal amount distribution 312 and the sample surface shape distribution 313 of the straight line AB in the concave pyramid for (1). Since the left and right shapes are approximately equal with respect to the position 314 of the straight line 304 to be detected, the distribution of the signal amount is also approximately equal on the left and right, and the degree of deviation of the signal amount is less, so that a linear position close to the true value can be detected. This tendency is the same for the mountain-shaped sample shown in FIG. 4C where the left and right sample surface shapes are similar to each other at the straight line to be detected. There is no.

一方,図6(e)にライン・アンド・スペース型の試料における直線E−F部分のSEM信号量の分布318および試料表面形状の分布319を示す。検出したい直線310の位置320を境に左右の形状が異なるため,左右の信号量の分布もまた異なっており,信号量がどちらかに偏ってしまう傾向がある。そのため,検出した直線位置も真値からずれてしまう危険がある。ただし,このように信号量の偏りが大きい場合は,試料形状から予想される発生信号分布をモンテカルロシミュレーション等により推定することにより,前記信号量の偏りを補正して検出精度を向上させることができる。   On the other hand, FIG. 6E shows the SEM signal amount distribution 318 and the sample surface shape distribution 319 of the straight line EF portion in the line and space type sample. Since the left and right shapes are different from each other at the position 320 of the straight line 310 to be detected, the distributions of the left and right signal amounts are also different, and the signal amounts tend to be biased to either one. For this reason, there is a risk that the detected linear position is also deviated from the true value. However, when the signal amount deviation is large in this way, it is possible to improve the detection accuracy by correcting the signal amount deviation by estimating the generated signal distribution predicted from the sample shape by Monte Carlo simulation or the like. .

また,図6(a)に示した頂点P0〜P4の座標値を検出し,観察方向の推定に利用する場合,例えば検出した前記の各直線の交点から頂点を求めることが考えられる。例えば頂点P0は直線301〜304の一部または全ての組み合わせによる交点,頂点P1は直線301,305,306の一部または全ての組み合わせによる交点から求められる。図6(a)の点線で囲んだ領域323を拡大表示した図6(a1)に頂点P0の検出例を示す。図6(a1)において三本以上の直線から頂点を推定する場合,任意に選択された二本の直線の組み合わせの交点からそれぞれ検出された交点P0a〜P0dが一致しない場合がありうる。その場合は前記複数の交点の重心あるいはメディアンを頂点P0とすることにより直線検出のばらつきを低減することができる。 Further, when the coordinate values of the vertices P 0 to P 4 shown in FIG. 6A are detected and used for estimating the observation direction, for example, it is conceivable to obtain the vertices from the detected intersections of the respective straight lines. For example, the vertex P 0 is obtained from the intersection of some or all of the straight lines 301 to 304, and the vertex P 1 is obtained from the intersection of some or all of the straight lines 301, 305, and 306. A detection example of the vertex P 0 is shown in FIG. 6 (a 1) in which a region 323 surrounded by a dotted line in FIG. 6 (a) is enlarged. In the case of estimating a vertex from three or more straight lines in FIG. 6 (a1), there may be cases where the intersection points P 0a to P 0d respectively detected from the intersection points of a combination of two arbitrarily selected straight lines do not match. In that case, the variation in straight line detection can be reduced by setting the center of gravity or median of the plurality of intersections as the vertex P 0 .

図5(b)(同図は図5(a)の試料をウェーハ面に対し垂直方向から観察したもの)のピラミッドの上部が平らになったピラミッド型の試料の変形例については,図4(b)に示す凸ピラミッドには相当するものがなかった頂点Q5〜Q8あるいは線分1605〜1608を検出し,観測画像上でのピラミッドの幾何変形の推定に利用することができる。一方,本変形例の幾何学的な形状を通常のピラミッド型の試料と同様な頂点あるいは線分により表現することも可能である。すなわち,線分1601〜1604をそれぞれ延長し,その交点から図6(a)の頂点P0に相当する仮想的な頂点Q’0を検出しピラミッドの幾何変形の推定に利用することができる(頂点Q’0を検出する際には図6(a1)と同様な重心計算等を行うことができる)。仮想頂点Q’0を用いる場合,図6(a)に示した通常のピラミッドと同様の解析が可能である。 FIG. 4B shows a modification of the pyramid type sample in which the upper part of the pyramid in FIG. 5B (the sample in FIG. 5A is observed from the direction perpendicular to the wafer surface) is flat. Vertices Q 5 to Q 8 or line segments 1605 to 1608 that do not correspond to the convex pyramid shown in b) can be detected and used to estimate the geometric deformation of the pyramid on the observed image. On the other hand, it is also possible to express the geometric shape of this modification by using the same apex or line segment as a normal pyramid type sample. That is, each of the line segments 1601 to 1604 is extended, and a virtual vertex Q ′ 0 corresponding to the vertex P 0 in FIG. 6A is detected from the intersection, and can be used for estimation of the geometric deformation of the pyramid ( When the vertex Q ′ 0 is detected, the same centroid calculation as in FIG. 6 (a1) can be performed. When the virtual vertex Q ′ 0 is used, an analysis similar to the normal pyramid shown in FIG. 6A is possible.

図5(c)に示したピラミッドを構成する面同士が交わる領域が削れて平らになった試料等についても,通常のピラミッド型の試料には存在しない線分等を形状の特徴とする方法もあるが,例えば線分1613〜1614をそれぞれ延長し交点を算出することにより,図6(a)における通常のピラミッド型の試料での頂点P1に相当する仮想頂点Q’1を検出することができる。さらに線分1617〜1618をそれぞれ延長し仮想頂点Q’5 (図6(a)における頂点Q5に相当)を検出し,仮想頂点Q’1とQ’5とを結ぶことにより,図6(a)における直線301に相当する仮想直線1609を検出することができる。さらに仮想直線1609と同様に検出した仮想直線1610〜1612の一部または全ての組み合わせによる交点から図6(a)の頂点P0に相当する仮想頂点Q’’0を検出することができる。仮想直線1609〜1612あるいは仮想頂点Q’’0を用いる場合,図6(a)に示した通常のピラミッドと同様の解析が可能である。 As for the sample etc. in which the region where the faces composing the pyramid shown in FIG. 5 (c) intersect is cut and flattened, there is a method in which a line segment etc. that does not exist in a normal pyramid type sample is characterized. For example, the virtual vertex Q ′ 1 corresponding to the vertex P 1 in the normal pyramid-shaped sample in FIG. 6A can be detected by extending the line segments 1613 to 1614 and calculating intersection points, for example. it can. Further, the line segments 1617 to 1618 are respectively extended to detect a virtual vertex Q ′ 5 (corresponding to the vertex Q 5 in FIG. 6A), and by connecting the virtual vertices Q ′ 1 and Q ′ 5 , FIG. A virtual straight line 1609 corresponding to the straight line 301 in a) can be detected. Furthermore, the virtual vertex Q ″ 0 corresponding to the vertex P 0 in FIG. 6A can be detected from the intersections of some or all of the detected virtual straight lines 1610 to 1612 in the same manner as the virtual straight line 1609. When the virtual straight lines 1609 to 1612 or the virtual vertex Q ″ 0 are used, the same analysis as the normal pyramid shown in FIG. 6A is possible.

前記(2)について,ピラミッド型の試料においては観察方向のx,y方向の傾きが共にピラミッドの頂点の変位に表れるため,一つのピラミッドを観察することによって二次元的な観察方向を推定することが可能である。一方,図4(c)(d)にそれぞれ示した山型,ライン・アンド・スペース型の試料においては,エッジがない方向(例えば図4(d)における頂点R1,R2を結ぶ方向)への観察方向の変化は推定することができないが,同試料を形状のエッジの向きが二方向になるように複数配置することにより(例えば後述する配置例709),二次元的な観察方向を推定することが可能である。   Regarding (2) above, in the pyramid type sample, since the inclinations in the x and y directions of the observation direction both appear in the displacement of the apex of the pyramid, the two-dimensional observation direction is estimated by observing one pyramid. Is possible. On the other hand, in the mountain-shaped and line-and-space-type samples shown in FIGS. 4C and 4D, the direction in which there is no edge (for example, the direction connecting the vertices R1 and R2 in FIG. 4D). Although the change in the observation direction cannot be estimated, the two-dimensional observation direction is estimated by arranging a plurality of the same samples so that the edge of the shape has two directions (for example, arrangement example 709 described later). It is possible.

2.3 サンプルの大きさ,配置
次にピラミッド型の試料を例に,試料の大きさおよび配置に関して説明する。
試料の大きさは(1)撮像時に視野内におさまる大きさ,(2)ピラミッドの各線分の検出精度を確保するための十分な線分の長さが観測できる大きさ,(3)観測方向が変化した際に検出するピラミッドの画像上での変位の分解能を上げるための十分な高さをもつ必要がある。SEMの撮像倍率およびSEMの焦点深度に依存するが,例えば撮像倍率が30k〜150k倍,焦点深度が数um程度であれば,ピラミッドの大きさは0.1um〜数um程度が適当である。
2.3 Sample size and layout
Next, taking a pyramid type sample as an example, the size and arrangement of the sample will be described.
The size of the sample is (1) the size that fits within the field of view at the time of imaging, (2) the size that can observe the length of a sufficient line segment to ensure the detection accuracy of each line segment of the pyramid, and (3) the observation direction It is necessary to have sufficient height to increase the resolution of displacement on the image of the pyramid detected when changes occur. Depending on the imaging magnification of the SEM and the focal depth of the SEM, for example, if the imaging magnification is 30k to 150k and the focal depth is about several um, the size of the pyramid is suitably about 0.1 um to several um.

試料を配置する場所,配置の仕方について説明する。図7中の704および705は試料を取り付ける場所の候補を示している。試料はステージ701(図1の1317に相当)上に取り付けられた半導体ウェーハ702(図1の1301に相当)上の704あるいはステージ701上にあるホルダ703上の705に取り付ける。704上に取り付ける場合には,半導体ウェーハ702の代わりにキャリブレータが形成されたキャリブレーション専用のウェーハを作成し,半導体ウェーハ702の代わりに取り付けるか,あるいは半導体パターンを形成する際にキャリブレーションパターンを一緒に生成した半導体ウェーハ702を取り付ける。   Explain where to place the sample and how to place it. Reference numerals 704 and 705 in FIG. 7 indicate candidate locations for attaching the sample. The sample is attached to 704 on a semiconductor wafer 702 (corresponding to 1301 in FIG. 1) mounted on a stage 701 (corresponding to 1317 in FIG. 1) or 705 on a holder 703 on the stage 701. In the case of mounting on 704, a calibration-specific wafer in which a calibrator is formed instead of the semiconductor wafer 702 is created and mounted instead of the semiconductor wafer 702, or the calibration pattern is added together when forming the semiconductor pattern. The generated semiconductor wafer 702 is attached.

前記半導体パターンを形成する際に前記ピラミッドなどのキャリブレーションパターンを一緒に生成することは一般に困難であるが,半導体ウェーハ702上に生成された半導体パターンを,SPM等の計測手段により形状を計測し,形状既知のキャリブレータとして用いることもできる。また,704に示したように数箇所(図では例として9箇所)間隔をおいて試料を配置し,各個所において観測方向を推定することにより,ステージの歪み,あるいはステージ移動による電場の変化に起因する観察方向の変化の面内分布を計測することができる。次に704あるいは705におけるキャリブレータの配置例を図7(b)を用いて説明する。   Although it is generally difficult to generate a calibration pattern such as the pyramid when forming the semiconductor pattern, the shape of the semiconductor pattern generated on the semiconductor wafer 702 is measured by a measuring means such as SPM. , Can also be used as a calibrator whose shape is known. In addition, as shown by 704, samples are arranged at intervals of several locations (in the figure, 9 locations as an example), and the observation direction is estimated at each location, so that the electric field changes due to stage distortion or stage movement. It is possible to measure the in-plane distribution of the resulting change in the viewing direction. Next, an example of the arrangement of calibrators in 704 or 705 will be described with reference to FIG.

図7(b)の配置例706は同一の大きさのピラミッド710(図4の101あるいは102に相当)を一定間隔で配置したものである。複数のピラミッドを配置することによって,(1)各ピラミッドにおいて観測方向を推定し,前記観測方向の平均値あるいはメディアン(中央値)等を用いることによってピラミッドの個体差および画像ノイズ等に起因する観察方向の推定値のばらつきを軽減することができる,(2)同一視野で複数のピラミッドを観測することにより,前記観測方向の視野内分布を計測することができる,(3)試料にコンタミが発生した場合はコンタミを避けて別の試料を観察することにより良好なキャリブレーションを継続することができる等の利点がある。   In an arrangement example 706 in FIG. 7B, pyramids 710 of the same size (corresponding to 101 or 102 in FIG. 4) are arranged at regular intervals. By arranging multiple pyramids, (1) Estimating the observation direction in each pyramid, and using the average value or median (median) of the observation directions, observations due to individual differences in the pyramid, image noise, etc. Variations in direction estimates can be reduced. (2) By observing multiple pyramids in the same field, the distribution in the field of view can be measured. (3) Sample contamination In such a case, there is an advantage that good calibration can be continued by observing another sample while avoiding contamination.

さらに図7(c)に示すように,同一視野内で配置が既知(図では格子状に並んている)の複数のピラミッドを観測することにより,視野内の画像歪みの推定および補正を行うことができる。すなわち,図7(c)において本来直線上に並んでいるピラミッドの頂点を結ぶ線A−Bを直線C−Dとなるように(1)収束電子線の走査方向(画像上においてはx,y方向に相当する)を変更する,あるいは(2)得られた画像から幾何学的な変形により歪みのない画像を再構成する等の手段により画像の歪みを補正する。このような視野内の画像歪みの推定および補正は一つのピラミッド観察によっても行うことができる。すなわち例えば図6(a)における凹ピラミッドの各線分301〜308が直線であることが保証されていれば,前記各線分301〜308が曲線として観測された場合(例えば図7(d)に示した凹ピラミッドの観察像),これを直線に補正するような歪み補正方法が考えられる。このような観察像の歪みが大きい場合,高精度なチルト角の推定を行うためには,前記観察像の歪みを補正することが必要である。   Further, as shown in FIG. 7 (c), image distortion in the field of view is estimated and corrected by observing a plurality of pyramids whose arrangement is known in the same field of view (in the figure, arranged in a grid). Can do. That is, (1) the scanning direction of the convergent electron beam (x, y on the image) so that the line A-B connecting the vertices of the pyramids originally aligned on the straight line in FIG. (2) Correct image distortion by means such as reconstructing an image without distortion by geometric deformation from the obtained image. Such estimation and correction of the image distortion in the visual field can be performed by one pyramid observation. That is, for example, if it is guaranteed that the line segments 301 to 308 of the concave pyramid in FIG. 6A are straight lines, the line segments 301 to 308 are observed as curves (for example, as shown in FIG. 7D). An observation image of a concave pyramid), and a distortion correction method that corrects this to a straight line is conceivable. When the distortion of the observation image is large, it is necessary to correct the distortion of the observation image in order to estimate the tilt angle with high accuracy.

またビームチルト画像においてチルト角の異なる画像間の歪み補正を行うために,ピラミッドの底面の形状を画像間で一致させることにより歪みを補正する方式が考えられる。すなわち,ビームチルト画像においては電子光学系のx-y平面に対し水平面上の幾何模様の形状はビームチルト角に依らず一定であるというビームチルト画像特有の性質に着目し,例えばウェーハ面が電子光学系のx-y平面に対し水平であった場合,ウェーハ面上でのピラミッドの底面の形状はチルト角に依らず一定となるため,前記形状がビームチルト画像間で異なる場合は撮像時の歪みによるものと考えられる。そこで,ピラミッドの底面の形状を画像間で一致させるような補正を画像,あるいは検出したピラミッドの線分や頂点,あるいは形状を表現するパラメータ(例えば前記線分の傾斜角等)の情報に対して施し,歪みのない状態で得られる前記画像,あるいは線分や頂点,あるいは形状を表現するパラメータの情報を得ることができる。すなわち,歪みの少ない観察像の取得や,より高精度な観察方向の推定が実現される。   In order to perform distortion correction between images having different tilt angles in a beam tilt image, a method of correcting distortion by matching the shape of the bottom surface of the pyramid between the images can be considered. In other words, in the beam tilt image, focusing on the unique property of the beam tilt image that the shape of the geometric pattern on the horizontal plane is constant regardless of the beam tilt angle with respect to the xy plane of the electron optical system. When the plane is horizontal with respect to the xy plane of the optical system, the shape of the bottom surface of the pyramid on the wafer surface is constant regardless of the tilt angle. It is thought to be due to distortion. Therefore, corrections that match the shape of the bottom surface of the pyramid between images are performed on the image, or information on the detected line segment, vertex, or parameter (for example, the inclination angle of the line segment) of the pyramid. It is possible to obtain information on the above-mentioned image obtained without any distortion, or information on parameters representing the line segment, vertex, or shape. That is, it is possible to obtain an observation image with less distortion and to estimate the observation direction with higher accuracy.

例として図8にトップダウン像の底面の形状を基準にして,ビームチルト画像の底面の形状を前記トップダウン画像の底面の形状に一致させる歪み補正処理を示す。基準とする底面の形状としては,トップダウン画像から得られた底面形状,あるいは任意のビームチルト角により観察されたビームチルト画像から得られた底面形状,あるいは観察方向が同一あるいは異なる複数の画像から求めた平均的な底面形状を用いることができるが,トップダウン画像派ビームチルト画像に対し画像の歪みがより少ないケースが多く,トップダウン画像から得られた底面形状あるいは複数のトップダウン画像から得られた平均的な底面形状を基準とすることが有効なケースが多い。   As an example, FIG. 8 shows a distortion correction process for matching the shape of the bottom surface of the beam tilt image with the shape of the bottom surface of the top-down image on the basis of the shape of the bottom surface of the top-down image. The shape of the bottom surface used as a reference is a bottom surface shape obtained from a top-down image, a bottom surface shape obtained from a beam tilt image observed at an arbitrary beam tilt angle, or a plurality of images having the same or different observation directions. The obtained average bottom shape can be used, but there are many cases where the image distortion is less than that of the top-down image group beam tilt image, and it can be obtained from the bottom shape obtained from the top-down image or a plurality of top-down images. In many cases, it is effective to use the average bottom surface shape as a reference.

図8における底辺形状1701(頂点P〜P,Pを順に結ぶ線)はトップダウン画像1704における底面形状であり,1701の形状と一致するようにビームチルト画像1705における底辺形状1702を補正する変形パラメータを求める。前記ビームチルト画像1702に対し前記変形パラメータにより歪み補正することにより歪み補正後のビームチルト画像1706が得られる。ちなみに歪み補正後のビームチルト画像1706における底辺形状1703は底辺形状1702と比較してより底辺形状1701と類似している。 A bottom shape 1701 (a line connecting the vertices P 1 to P 4 and P 1 in this order) in FIG. 8 is a bottom shape in the top-down image 1704, and the bottom shape 1702 in the beam tilt image 1705 is corrected so as to match the shape of 1701. The deformation parameter to be obtained is obtained. A distortion-corrected beam tilt image 1706 is obtained by correcting the distortion of the beam tilt image 1702 using the deformation parameter. Incidentally, the base shape 1703 in the beam tilt image 1706 after distortion correction is more similar to the base shape 1701 than the base shape 1702.

配置例707は同一の大きさのピラミッド710をピラミッド間の間隔をなくして配置したものである。配置例706と同様の計測が可能である他に,ピラミッドの底辺(図6(a)中の線分305〜308)のSEM信号量の分布が,検出したい底辺の位置を境に左右の信号量の分布がおおよそ等しくなるという利点がある。すなわち,図6(a)に示した直線C−D部分のSEM信号量の分布が配置例706においては図6(d)のように底辺306の位置315を境に対称にならない傾向があるが,配置例707においては対称に近い分布となり真値に近い直線位置を検出できる。   Arrangement example 707 is an arrangement in which pyramids 710 having the same size are arranged with no interval between pyramids. In addition to the same measurement as in the arrangement example 706, the distribution of the SEM signal amount on the bottom side of the pyramid (the line segments 305 to 308 in FIG. 6A) indicates the left and right signals with the position of the bottom side to be detected as a boundary. There is an advantage that the distribution of quantities is approximately equal. That is, the distribution of the SEM signal amount in the straight line CD portion shown in FIG. 6A tends not to be symmetric with respect to the position 315 of the base 306 as shown in FIG. In the arrangement example 707, a distribution close to symmetry and a straight line position close to the true value can be detected.

配置例708は大きさの異なるピラミッド(大きさの異なるピラミッドとして例えば710,711)を複数配置したものである。撮像条件の変化により視野の大きさが変化した場合,大きさの異なるピラミッドの中から観測方向の推定精度を確保するために適切な大きさをもったピラミッドを選択し観察することができる。   In the arrangement example 708, a plurality of pyramids having different sizes (for example, 710 and 711 as pyramids having different sizes) are arranged. When the size of the field of view changes due to changes in the imaging conditions, it is possible to select and observe a pyramid having an appropriate size from among pyramids of different sizes in order to ensure the estimation accuracy of the observation direction.

前述の配置例は図4(c)(d)にそれぞれ示した山型の試料107あるいはライン・アンド・スペース型の試料108にも適用できる。さらに山型の試料107あるいはライン・アンド・スペース型の試料108においては図7(b)の配置例709のように試料の形状の起伏が二方向になるようにキャリブレータ712(107あるいは108に相当)を配置することにより,前述したピラミッド型の試料のように二次元(x,y方向)的な観察方向を推定することができる。   The above arrangement example can be applied to the mountain-shaped sample 107 or the line-and-space-type sample 108 shown in FIGS. 4C and 4D, respectively. Further, in the case of the mountain-shaped sample 107 or the line-and-space-type sample 108, as shown in the arrangement example 709 in FIG. ) Can be used to estimate a two-dimensional (x, y direction) observation direction like the pyramid type sample described above.

3.チルト角推定方法について
3.1 ウェーハ面,キャリブレータ,電子線の入射方向の位置関係定義
次にビームチルト方式のSEM観察を例に,ビームチルト角の推定方法を凹ピラミッド型の試料をキャリブレータとして用いた場合を例として説明する。図9(a)は凹ピラミッド型の試料を観察した場合のウェーハ面203,ピラミッド205(キャリブレータ),電子線の入射方向207の位置関係を模式的に示したものである。前記ウェーハ面とはピラミッドを作成した試料表面でピラミッド形成されていない場所を指し,実際に解析を行う半導体パターンを形成する半導体ウェーハとは言葉を区別する。前記ウェーハ面,ピラミッド,電子線の入射方向の位置関係の記述方法の一例について説明する。位置関係の基準として前述した電子光学系の絶対座標系201を用いる。
3. About the tilt angle estimation method
3.1 Definition of positional relationship of wafer surface, calibrator, and electron beam incident direction
Next, the beam tilt SEM observation will be taken as an example, and the beam tilt angle estimation method will be described using a concave pyramid type sample as a calibrator as an example. FIG. 9A schematically shows the positional relationship among the wafer surface 203, the pyramid 205 (calibrator), and the incident direction 207 of the electron beam when a concave pyramid sample is observed. The wafer surface refers to a place where a pyramid is not formed on the surface of the sample on which the pyramid is created, and the word is distinguished from a semiconductor wafer that forms a semiconductor pattern to be actually analyzed. An example of a description method of the positional relationship between the wafer surface, the pyramid, and the incident direction of the electron beam will be described. The above-described absolute coordinate system 201 of the electron optical system is used as a reference for the positional relationship.

まず図9(a)において203で示したウェーハ面の傾斜は前記ウェーハ面の単位面法線ベクトル204を用いて表すことができる。前記単位面法線ベクトル204は絶対座標系201に対し単位面法線ベクトル204のx,y軸周りの回転ψy,ψxを用いて図9(b)のように表すことができる。   First, the inclination of the wafer surface indicated by 203 in FIG. 9A can be expressed using the unit surface normal vector 204 of the wafer surface. The unit surface normal vector 204 can be expressed as shown in FIG. 9B by using rotations ψy and ψx around the x and y axes of the unit surface normal vector 204 with respect to the absolute coordinate system 201.

次に図9(a)において205で示した凹ピラミッドの傾斜は前記凹ピラミッドの中心軸の単位方向ベクトル206を用いて表すことができる。前記単位方向ベクトル206は絶対座標系201に対し単位方向ベクトル206のx,y軸周りの回転φy,φxを用いて図9(c2)のように表すことができる。前記凹ピラミッドの中心軸とは,ピラミッドの姿勢を一意に定義するために設けた基準軸であり,例えば図9(c1)のようにピラミッドの各辺P0−P1,P0−P2,P0−P3,P0−P4からの距離が等しい点を通る直線206とする。前記ウェーハ面の傾斜とピラミッドの傾斜との相対角度はウェーハ面203が(100)結晶面であれば既知となる。また,図9(c3)において205で示した凹ピラミッドの回転(結晶方位の回転)は例えばウェーハの結晶方位(100)ベクトルのxy平面への投影ベクトルとx軸とのなす角をφzとして表すことができる。 Next, the inclination of the concave pyramid indicated by 205 in FIG. 9A can be expressed by using a unit direction vector 206 of the central axis of the concave pyramid. The unit direction vector 206 can be expressed as shown in FIG. 9C2 using the rotations φy and φx around the x and y axes of the unit direction vector 206 with respect to the absolute coordinate system 201. The central axis of the concave pyramid is a reference axis provided for uniquely defining the posture of the pyramid. For example, as shown in FIG. 9 (c1), each side P 0 -P 1 , P 0 -P 2 of the pyramid , P 0 −P 3 , P 0 −P 4, and a straight line 206 passing through a point having the same distance. The relative angle between the inclination of the wafer surface and the inclination of the pyramid is known if the wafer surface 203 is a (100) crystal plane. 9C3, the rotation of the concave pyramid indicated by 205 (rotation of crystal orientation) represents, for example, the angle between the projection vector of the crystal orientation (100) vector of the wafer on the xy plane and the x axis as φz. be able to.

次に図9(a)において207で示した電子線207の入射方向は,前記電子線207の入射方向の単位方向ベクトル208を用いて表すことができる。前記単位方向ベクトル208は絶対座標系201に対し単位方向ベクトル208のx,y軸周りの回転θy,θxを用いて図9(d)のように表すことができる。   Next, the incident direction of the electron beam 207 indicated by 207 in FIG. 9A can be expressed using a unit direction vector 208 of the incident direction of the electron beam 207. The unit direction vector 208 can be expressed as shown in FIG. 9D by using the rotations θy and θx around the x and y axes of the unit direction vector 208 with respect to the absolute coordinate system 201.

電子線の入射方向(例えばθx,θyで表される)を推定するためには,前記パラメータψx,ψy,φx,φy,φz,θx,θyの一部または全ての推定を行わなければならない。すなわち,観測量(例えばキャリブレータのエッジの傾斜角)と出力変数(電子線の入射方向)との幾何学な関係を表す式が,ψx,ψy,φx,φy,φz,θx,θy等のパラメータを用いなければ記述できない場合である。ただし,チルト角の推定においては,少なくともキャリブレータの形状および傾斜方向は推定する,あるいは既知である必要がある。
ウェーハ面,ピラミッド,電子線の入射方向の位置関係の定義方法は前述のようなパラメータψx,ψy,φx,φy,φz,θx,θyを用いたものに限らない。また,ここではキャリブレータとしてピラミッド型の試料を用いた場合を例に説明したが,ピラミッド型の試料以外のキャリブレータにおいても同様に傾斜方向を一意に定義することが可能である。
In order to estimate the incident direction of the electron beam (for example, expressed by θx and θy), some or all of the parameters ψx, ψy, φx, φy, φz, θx, and θy must be estimated. In other words, the equation representing the geometric relationship between the observation amount (for example, the tilt angle of the calibrator edge) and the output variable (electron beam incident direction) is a parameter such as ψx, ψy, φx, φy, φz, θx, θy, etc. This is the case when it cannot be described without using. However, in estimating the tilt angle, at least the shape and the tilt direction of the calibrator need to be estimated or known.
The method of defining the positional relationship of the incident direction of the wafer surface, pyramid, and electron beam is not limited to that using the parameters ψx, ψy, φx, φy, φz, θx, θy as described above. Although the case where a pyramid type sample is used as the calibrator has been described as an example here, the tilt direction can be uniquely defined in a calibrator other than the pyramid type sample.

3.2 チルト角推定方法1(基本原理:一枚画像,画像単独)
撮像したビームチルト画像から画像処理によりビームチルト角を推定する方法について述べる。図6(a)は凹ピラミッドを上部から観測した際のSEM画像の模式図であるが,ビームチルト角の変化はピラミッドの見え方に反映される。すなわち図6(a)におけるピラミッドの各線分301〜308の長さや傾斜角(前記傾斜角は例えば画像のx軸と線分のなす角度で定義される)がビームチルト角に依存して変化する。
3.2 Tilt angle estimation method 1 (basic principle: single image, single image)
A method for estimating the beam tilt angle from the captured beam tilt image by image processing will be described. FIG. 6A is a schematic diagram of an SEM image when the concave pyramid is observed from above, but the change in the beam tilt angle is reflected in the appearance of the pyramid. That is, the length and inclination angle of each of the line segments 301 to 308 of the pyramid in FIG. 6A (the inclination angle is defined by, for example, an angle formed by the x axis of the image and the line segment) changes depending on the beam tilt angle. .

3.2.1 出力パラメータ定義
そこで線分301〜308の一部または全てを撮像した画像から検出し,その長さや傾斜角を計測することによってビームチルト角を表すパラメータを推定することができる。以後,最終的に推定したいパラメータを出力パラメータと呼ぶ。ここではビームチルト角を表すパラメータであり,例えば前述したパラメータθx,θyで与えられる。出力パラメータ群を出力パラメータベクトルU=(θx,θy)Tと表記する。
3.2.1 Output parameter definition
Therefore, a parameter representing the beam tilt angle can be estimated by detecting a part or all of the line segments 301 to 308 from the captured image and measuring the length and the tilt angle. Hereinafter, the parameter to be finally estimated is called an output parameter. Here, it is a parameter representing the beam tilt angle, and is given by, for example, the aforementioned parameters θx and θy. The output parameter group is expressed as an output parameter vector U = (θx, θy) T.

3.2.2 参考パラメータ定義
前記ピラミッドの線分の長さや傾斜角はウェーハ面やピラミッドの傾斜角,画像歪み等を表す各パラメータの変化によっても変化する。すなわち,出力パラメータを求めるためには前記ウェーハ面やピラミッドの傾斜角,画像歪み等を表す各パラメータを必要に応じて選択的に推定しなければならない。以後,出力パラメータを求めるために推定しなければならないこれらのパラメータを参考パラメータと呼ぶ。ここではウェーハ面やピラミッドの傾斜角,画像歪みを表すパラメータであり,例えばウェーハ面やピラミッドの傾斜角に関しては前述したパラメータψx,ψy,φx,φy,φzで与えられる。参考パラメータ群を参考パラメータベクトルV=(ψx,ψy,φx,φy,φz)Tと表記する。参考パラメータは必要に応じて追加,削除される。
3.2.2 Reference parameter definition
The length and inclination angle of the line segment of the pyramid also change depending on changes in parameters representing the wafer surface, the inclination angle of the pyramid, image distortion, and the like. That is, in order to obtain an output parameter, parameters representing the wafer surface, the inclination angle of the pyramid, image distortion, and the like must be selectively estimated as necessary. Hereinafter, these parameters that must be estimated in order to obtain the output parameters are referred to as reference parameters. Here, parameters represent the wafer surface and pyramid tilt angles and image distortion. For example, the wafer surface and pyramid tilt angles are given by the aforementioned parameters ψx, ψy, φx, φy, and φz. The reference parameter group is expressed as a reference parameter vector V = (ψx, ψy, φx, φy, φz) T. Reference parameters are added and deleted as necessary.

すなわち,出力パラメータを推定するために,ウェーハ面の勾配ψx,ψyを推定する必要がなければ,ψx,ψyは参考パラメータから削除され,同様に出力パラメータを推定するために,画像歪みを推定する必要があれば,前記画像歪みを記述するパラメータが参考パラメータに追加される。ここでウェーハ面の勾配ψx,ψyを推定する必要がない場合とは,例えば図6(a)における観察画像上の線分301〜304の勾配の情報のみを観測量として推定パラメータを求める場合である。ウェーハ面の勾配の変化は図6(a)における線分305〜308の勾配に影響を与えるが,線分301〜304の勾配には影響を与えないためである。   That is, if it is not necessary to estimate the wafer surface gradients ψx and ψy in order to estimate the output parameters, ψx and ψy are deleted from the reference parameters, and image distortion is similarly estimated to estimate the output parameters. If necessary, a parameter describing the image distortion is added to the reference parameter. Here, the case where it is not necessary to estimate the gradients ψx and ψy of the wafer surface is a case where, for example, an estimation parameter is obtained using only information on the gradients of the line segments 301 to 304 on the observation image in FIG. is there. This is because the change in the gradient of the wafer surface affects the gradient of the line segments 305 to 308 in FIG. 6A, but does not affect the gradient of the line segments 301 to 304.

出力パラメータと参考パラメータとを合わせて推定パラメータと呼び,推定パラメータ群を推定パラメータベクトルT=(UT,VT)Tと表記する。 The output parameter and the reference parameter are collectively referred to as an estimation parameter, and the estimation parameter group is expressed as an estimation parameter vector T = (U T , V T ) T.

3.2.3 推定パラメータ推定方法
図10に推定パラメータの推定方法の概念図を示す。401は撮像したキャリブレータのSEM画像あるいは反射電子像あるいは前記SEM画像あるいは反射電子像から画像処理により線分を抽出した処理画像である。キャリブレータ401撮像時における推定パラメータベクトルT(図10内405)を求めるために,推定パラメータベクトルの各要素に色々な値の組み合わせを代入し,それぞれの組み合わせにおいてどのようなキャリブレータが観測されるかをシミュレーションする。推定パラメータベクトルにおける各要素の色々な値の組み合わせを右上の添え字(n)を用いて,T(1),T2),…,T(n-1),T(n),T(n+1),…と表記すると,例えば推定パラメータベクトルの値がT(n-1),T(n),T(n+1)(それぞれ図10内406〜408)の場合に観測されるキャリブレータの形状は幾何学的な計算式からそれぞれ402〜404のように与えられる。
3.2.3 Estimated parameter estimation method
FIG. 10 shows a conceptual diagram of the estimation parameter estimation method. Reference numeral 401 denotes a processed image obtained by extracting a line segment by image processing from the imaged SEM image or reflected electron image of the calibrator or the SEM image or reflected electron image. In order to obtain the estimated parameter vector T (405 in FIG. 10) when the calibrator 401 is imaged, a combination of various values is substituted for each element of the estimated parameter vector, and what kind of calibrator is observed in each combination. Simulate. The combination of the various values of each element in the estimated parameter vector is denoted by T (1) , T 2) , ..., T (n-1) , T (n) , T (n +1) ,..., For example, calibrators observed when the estimated parameter vector values are T (n−1) , T (n) , T (n + 1) (406 to 408 in FIG. 10 respectively ) . These shapes are given by 402 to 404, respectively, from a geometrical calculation formula.

このようにシミュレーションされたキャリブレータ形状と撮像画像におけるキャリブレータ形状との相関を計算し,最も類似したシミュレーション形状(図10では403)における推定パラメータベクトルT(n)(407)が,撮像画像における推定パラメータベクトル405に相当することになる。推定パラメータベクトルを色々と変化させて撮像画像とシミュレーション画像とが最大の相関となる推定パラメータベクトルを算出する解法は,前述のように数値を順に当てはめる方法や,最小二乗法により解析的に解く方法等がある。また相関計算の方法としては,撮像画像とシミュレーション画像での図6(a)に示した線分301〜308の一部または全ての線分の長さあるいは傾斜角あるいは図6(a)に示した頂点P0〜P4の一部または全ての座標値の類似度合いに基づく方法がある。 The correlation between the calibrator shape simulated in this way and the calibrator shape in the captured image is calculated, and the estimated parameter vector T (n) (407) in the most similar simulated shape (403 in FIG. 10) is the estimated parameter in the captured image. This corresponds to the vector 405. The method of calculating the estimated parameter vector that maximizes the correlation between the captured image and the simulation image by changing the estimated parameter vector in various ways is the method of applying numerical values in order as described above, or the analytical method using the least square method Etc. As a correlation calculation method, the length or inclination angle of a part or all of the line segments 301 to 308 shown in FIG. 6A in the captured image and the simulation image or the angle shown in FIG. There is a method based on the degree of similarity of some or all of the coordinate values of the vertices P 0 to P 4 .

前述の説明においては,最終的に推定したい出力パラメータをビームチルト角としたが,ステージチルト方式あるいは鏡筒チルト方式により得られたチルト画像からそれぞれ,ステージチルト角,鏡筒チルト角を推定する場合も同様である。すなわち,各チルト方式において,任意の推定パラメータに対するキャリブレータの画像上における幾何学的な形状変化をシミュレーションすることができれば,最も撮像画像とシミュレーション画像とが一致する推定パラメータベクトルを算出することが可能である。例えばステージチルト方式であれば,ステージの傾斜と共にステージに取り付けたキャリブレータも一緒に傾斜するため観察方向(試料への電子線の入射方向)である出力パラメータはキャリブレータの傾斜角とすればよい。   In the above description, the beam tilt angle is the output parameter to be finally estimated. However, when the stage tilt angle and the lens barrel tilt angle are estimated from the tilt image obtained by the stage tilt method or the lens barrel tilt method, respectively. Is the same. That is, in each tilt method, if the geometric shape change on the calibrator image with respect to an arbitrary estimated parameter can be simulated, it is possible to calculate an estimated parameter vector that most closely matches the captured image and the simulated image. is there. For example, in the case of the stage tilt method, the calibrator attached to the stage is tilted together with the tilt of the stage, so the output parameter that is the observation direction (the incident direction of the electron beam on the sample) may be the tilt angle of the calibrator.

キャリブレータの傾斜角はビームチルト角の推定と同様に,図10に示すように推定パラメータベクトルTを決定することにより得られる。ここで,推定パラメータベクトルTには,出力パラメータであるキャリブレータの傾斜角が含まれる。半導体ウェーハ面を垂直に観察する観察方向をステージチルト角0°と定義した場合,半導体ウェーハ面を垂直に観察する観察方向に対するピラミッドの傾斜角をφ0として,任意のチルト角において観察方向に対するピラミッドの傾斜角がφであったときステージチルト角はφ−φ0で与えられる。 The tilt angle of the calibrator is obtained by determining the estimation parameter vector T as shown in FIG. 10 in the same manner as the estimation of the beam tilt angle. Here, the estimated parameter vector T includes an inclination angle of the calibrator that is an output parameter. When the observation direction for observing the semiconductor wafer surface vertically is defined as a stage tilt angle of 0 °, the pyramid with respect to the observation direction at any tilt angle is defined as φ 0 with respect to the observation direction for observing the semiconductor wafer surface vertically. When the tilt angle is φ, the stage tilt angle is given by φ−φ 0 .

また,後述する「トップダウン画像とビームチルト画像の二枚の画像を用いてビームチルト角を推定するシーケンス」においては,トップダウン画像を用いてキャリブレータの傾斜角を推定するというステップが含まれるが,前記ステップにおいても,キャリブレータの傾斜角を出力パラメータとして推定することになる。   In addition, in the “sequence for estimating the beam tilt angle using two images of the top-down image and the beam tilt image” described later, a step of estimating the tilt angle of the calibrator using the top-down image is included. In this step, the inclination angle of the calibrator is estimated as an output parameter.

3.3 チルト角推定方法2(バリエーション:二枚画像あるいは他の計測手段との組み合わせ)
推定パラメータを推定する方法には,様々なシーケンスが考えられる。すなわち前述のように一度に全ての推定パラメータを一枚の観測画像から推定する方法の他に,(1)推定パラメータを分割して部分的に推定するシーケンスあるいは(2)複数枚の観測画像を利用するシーケンスあるいは(3)画像以外の手段で一部あるいは全ての推定パラメータを推定し,その推定結果を利用するシーケンスあるいは(1)〜(3)を組み合わせたシーケンスである。例として,
(a)トップダウン画像とビームチルト画像の二枚の画像を用いてビームチルト角を推定するシーケンス
(b)画像処理以外の計測手段によりウェーハ面の勾配およびキャリブレータの勾配を計測し,前記計測結果を用いてビームチルト角を推定するシーケンス
を取り上げて順に説明する。
3.3 Tilt angle estimation method 2 (Variation: Combination with two images or other measuring means)
Various sequences can be considered as a method of estimating the estimation parameter. That is, in addition to the method of estimating all the estimation parameters from one observation image at a time as described above, (1) a sequence in which estimation parameters are divided and partially estimated or (2) a plurality of observation images A sequence to be used or (3) a sequence in which some or all estimation parameters are estimated by means other than an image and the estimation result is used, or a sequence in which (1) to (3) are combined. As an example,
(A) Sequence for estimating beam tilt angle using two images of top-down image and beam tilt image (b) Measuring wafer surface gradient and calibrator gradient by measuring means other than image processing, and said measurement result A sequence for estimating the beam tilt angle using the will be described in order.

3.3.1 推定パラメータ推定方法−バリエーションその1
(a)トップダウン画像とビームチルト画像の二枚の画像を用いてビームチルト角を推定するシーケンス
一枚のビームチルト画像から推定パラメータを一意に求めることが困難な場合がある。例えば,画像上に,傾斜したキャリブレータが観測された場合,キャリブレータの傾斜角209によるものなのか電子線の入射方向の勾配210によるものなのか,その割合を画質や画像の解像度の問題あるいは推定パラメータ数に対して画像から得られる情報が不足しているといった問題から一意に決定することが困難な場合がある。
3.3.1 Estimation Parameter Estimation Method-Variation 1
(A) Sequence for estimating beam tilt angle using two images of top-down image and beam tilt image It may be difficult to uniquely determine an estimation parameter from one beam tilt image. For example, when a tilted calibrator is observed on the image, whether it is due to the tilt angle 209 of the calibrator or the gradient 210 in the incident direction of the electron beam, the proportion is determined by the image quality or image resolution problem or the estimation parameter. There are cases where it is difficult to determine uniquely due to a problem that information obtained from an image is insufficient for the number.

そこで,図11に二枚の画像を用いた推定パラメータの推定シーケンスを示す。   FIG. 11 shows an estimation parameter estimation sequence using two images.

本シーケンスのポイントは,観察したい方向にチルト角を設定してキャリブレータを撮像した画像(ビームチルト画像と呼ぶ)の他に,ビームチルト角の設定値を0°としてキャリブレータを観察した画像(以後,トップダウン画像と呼ぶ)を取得し,かつチルト角の設定値を0°として撮像したトップダウン画像における実際のチルト角を0°と仮定することにより,トップダウン画像を用いてキャリブレータの傾斜角を,ビームチルト画像を用いてビームチルト角を独立に推定すればよい点にある。   The point of this sequence is not only an image (referred to as a beam tilt image) in which the tilt angle is set in the direction to be observed (referred to as a beam tilt image), but also an image obtained by observing the calibrator with a beam tilt angle set value of 0 ° (hereinafter referred to as “beam tilt image”). The top-down image is used to determine the tilt angle of the calibrator by assuming that the actual tilt angle in the top-down image is 0 °. The beam tilt angle may be estimated independently using the beam tilt image.

まずトップダウン画像を撮像し(ステップ501),前記トップダウン画像を用いてキャリブレータの傾斜角やキャリブレータの回転角および必要に応じてその他の参照パラメータを算出する(ステップ502)。ステップ502においてビームチルト角は既知(0°)としてキャリブレータの傾斜角を算出する。そのため,全ての推定パラメータを同時に算出する場合に対して解の一意性は高くなり計算は容易になる。次に,ビームチルト角を観察したい方向に設定した後にビームチルト画像を撮像し(ステップ503),前記ビームチルト角の実際の値および必要に応じてその他の参照パラメータを推定する(ステップ504)。ステップ504においてキャリブレータの傾斜角は既知(ステップ502で算出した値を使用)としてチルト角を算出するため,ステップ502と同様に計算は容易になる。どの推定パラメータをどのような順序で算出するかについてはいくつかのバリエーションが考えられるが,前述のようにパラメータを分割して推定することにより推定パラメータ数は減り,解の一意性が高くなる。   First, a top-down image is captured (step 501), and the tilt angle of the calibrator, the rotation angle of the calibrator, and other reference parameters as necessary are calculated using the top-down image (step 502). In step 502, the tilt angle of the calibrator is calculated assuming that the beam tilt angle is known (0 °). Therefore, the uniqueness of the solution becomes higher and the calculation is easier than when all the estimated parameters are calculated simultaneously. Next, after setting the beam tilt angle in a direction to be observed, a beam tilt image is captured (step 503), and the actual value of the beam tilt angle and other reference parameters as necessary are estimated (step 504). In step 504, since the tilt angle of the calibrator is known (using the value calculated in step 502), the tilt angle is calculated. There are several variations on which estimation parameters are calculated and in what order, but by dividing and estimating the parameters as described above, the number of estimation parameters is reduced and the uniqueness of the solution is increased.

ここではトップダウン画像におけるビームチルト角を0°としてその後の計算を行ったが,ビームチルト角0°に設定して撮像したトップダウン画像における実際のビームチルト角が0°からずれている場合がある。その場合,前記ずれの大きさがその後のビームチルト角の推定精度に影響を与える可能性がある。ただし,本来トップダウン画像を取得するために設計された光学系においてはトップダウンに近いビームチルト角においては設定精度が高いことが期待される。そのため,トップダウン画像における実際のビームチルト角を0°と仮定して,前記トップダウン画像から推定したキャリブレータの傾斜角を入力値としてチルト角を推定する方が,0°より傾斜したチルト角設定値による観察像から推定したキャリブレータの傾斜角を入力値とするよりもチルト角推定時の誤差を軽減できる。   Here, the beam tilt angle in the top-down image was set to 0 °, and the subsequent calculations were performed. However, the actual beam tilt angle in the top-down image captured with the beam tilt angle set to 0 ° may deviate from 0 °. is there. In that case, the magnitude of the deviation may affect the accuracy of the subsequent estimation of the beam tilt angle. However, an optical system originally designed to acquire a top-down image is expected to have high setting accuracy at a beam tilt angle close to top-down. Therefore, assuming that the actual beam tilt angle in the top-down image is 0 °, the tilt angle is estimated by tilting from 0 ° by using the calibrator tilt angle estimated from the top-down image as an input value. It is possible to reduce an error in estimating the tilt angle rather than using the tilt angle of the calibrator estimated from the observation image by the value as an input value.

また,後で詳細を述べるステレオ視において,ビームチルト角設定値θL,θRでそれぞれ取得したチルト画像IL,IRを用いて立体再構成する場合において,前記トップダウン画像におけるビームチルト角の0°からのずれΔθ0による前記立体再構成形状誤差への影響は小さいことが予想される。なぜなら,前記シーケンスによりトップダウン画像から求めたキャリブレータの傾斜角を入力値としてチルト画像IL,IRにおいてそれぞれチルト角を推定した場合(推定値をそれぞれEst[θL] ,Est[θR]とする), Est[θL] ,Est[θR]の真値からのずれはΔθ0と同程度である。そのため,Est[θL] ,Est[θR]の相対角誤差は小さく,ステレオ視による立体再構成形状への誤差もまた小さい。 Further, in the stereo vision later described in detail, the beam tilt angle set value theta L, theta R in tilt image I L obtained respectively, in the case of three-dimensional reconstituted with I R, the beam tilt angle in the top-down image It is expected that the influence of the deviation Δθ 0 from 0 ° on the three-dimensional reconstruction shape error is small. This is because when the tilt angle of each of the tilt images I L and I R is estimated using the tilt angle of the calibrator obtained from the top-down image by the sequence as an input value (estimated values are Est [θ L ] and Est [θ R ], respectively) The deviation from the true values of Est [θ L ] and Est [θ R ] is about the same as Δθ 0 . Therefore, the relative angle error of Est [θ L ] and Est [θ R ] is small, and the error to the stereoscopic reconstruction shape by stereo vision is also small.

ここではトップダウン画像におけるビームチルト角を0°としてその後の計算を行ったが,同様に大きな誤差はないと考えられるパラメータを既知として前記パラメータに近似的な値を代入し,推定パラメータを求めることができる。例えば,ウェーハ面の勾配を近似的に0°とする等。   Here, the subsequent calculation was performed with the beam tilt angle in the top-down image set to 0 °. Similarly, the estimated parameter is obtained by substituting an approximate value for the parameter that is considered to have no significant error. Can do. For example, the wafer surface gradient is approximately 0 °.

3.3.2 推定パラメータ推定方法−バリエーションその2
(b)画像処理以外の計測手段によりウェーハ面の勾配およびキャリブレータの勾配を計測し,前記計測結果を用いてビームチルト角を推定するシーケンス
推定パラメータあるいは推定パラメータ間の関係(相対値等)を計測する手段としては前述してきた画像処理によるもの以外に,SPMあるいは対物レンズ合焦点位置等を用いた距離計測手段等がある。ここでは画像処理あるいは他の計測手段を選択的あるいは複合的に用いてビームチルト角を推定する方法について一例を述べる。
3.3.2 Estimated parameter estimation method-Variation 2
(B) Measuring the wafer surface gradient and calibrator gradient using measurement means other than image processing, and estimating the beam tilt angle using the measurement results. Estimating the parameters or the relationship (relative value, etc.) between the estimated parameters. In addition to the above-described image processing, there is a distance measuring means using SPM or an objective lens in-focus position. Here, an example of a method for estimating the beam tilt angle using image processing or other measurement means selectively or in combination will be described.

図12はSPMと対物レンズ合焦点位置と画像処理を併用したビームチルト角推定方式を示す図である。まず,SEM観察する前にSPMに試料を取り付け,ウェーハ面602およびキャリブレータ604を含む領域における試料表面を計測する。得られた試料表面の距離データ606は,SPMにおいて設定された座標系601を基準に記述されている。前記距離データ606に対し局所的な平面当てはめにより多面近似することにより,試料表面を構成する各平面間のなす角を計測することができ,ウェーハ面の傾斜方向603とキャリブレータの傾斜方向605との相対角を計算することができる。   FIG. 12 is a diagram showing a beam tilt angle estimation method using both SPM, objective lens in-focus position and image processing. First, before SEM observation, a sample is attached to the SPM, and the sample surface in the region including the wafer surface 602 and the calibrator 604 is measured. The obtained distance data 606 on the sample surface is described with reference to the coordinate system 601 set in the SPM. By approximating the distance data 606 by multi-plane approximation by local plane fitting, the angle formed between each plane constituting the sample surface can be measured, and the tilt direction 603 of the wafer surface and the tilt direction 605 of the calibrator can be measured. The relative angle can be calculated.

次にSEMに前記試料を取り付け,ウェーハ面602の傾斜方向608を対物レンズの合焦点位置による距離計測結果に基づき推定する。対物レンズ合焦点位置による距離計測とは,観察対象に焦点を合わせた時の対物レンズの制御電流と観察対象までの距離との関係を予め算出しておくことにより,実際の観測対象を観察した場合に前記関係を用いて観察対象までの距離を推定する手法である。また前記対物レンズ合焦点位置による距離データに平面等を当てはめることにより,その面法線から傾斜方向608が推定される。得られるウェーハ面602の傾斜方向608はSEMにおいて設定された座標系607を基準に記述される。   Next, the sample is attached to the SEM, and the inclination direction 608 of the wafer surface 602 is estimated based on the distance measurement result by the in-focus position of the objective lens. The distance measurement based on the focal position of the objective lens means that the actual observation target is observed by calculating in advance the relationship between the control current of the objective lens and the distance to the observation target when focusing on the observation target. In this case, the distance to the observation object is estimated using the relationship. Further, by applying a plane or the like to the distance data based on the objective lens in-focus position, the tilt direction 608 is estimated from the surface normal. The tilt direction 608 of the obtained wafer surface 602 is described with reference to the coordinate system 607 set in the SEM.

座標系607におけるウェーハ面の傾斜方向608とキャリブレータの傾斜方向609との相対角は,既に計測済の座標系601におけるウェーハ面の傾斜方向603とキャリブレータの傾斜方向605との相対角に等しいので,ウェーハ面の傾斜方向608と前記相対角を用いて座標系607におけるキャリブレータの傾斜方向609を計算することができる。参考パラメータの一つであるキャリブレータの傾斜方向を算出済みとして,出力パラメータである座標系607に対するビームチルト角612を画像処理により算出する。対物レンズの合焦点位置による奥行き推定精度は焦点深度の数分の一程度である。そのためウェーハ面の勾配を計測する際には,ウェーハ表面の試料の端から端などの距離が大きく離れた場所における距離データをもとに計算することにより測定精度を確保する。   The relative angle between the wafer surface tilt direction 608 and the calibrator tilt direction 609 in the coordinate system 607 is equal to the relative angle between the wafer surface tilt direction 603 and the calibrator tilt direction 605 in the already measured coordinate system 601. The tilt direction 609 of the calibrator in the coordinate system 607 can be calculated using the tilt direction 608 of the wafer surface and the relative angle. Assuming that the tilt direction of the calibrator, which is one of the reference parameters, has already been calculated, the beam tilt angle 612 with respect to the coordinate system 607, which is the output parameter, is calculated by image processing. The depth estimation accuracy based on the in-focus position of the objective lens is about a fraction of the focal depth. Therefore, when measuring the gradient of the wafer surface, the measurement accuracy is ensured by calculating based on the distance data at a location where the distance from the end of the sample on the wafer surface is far away.

このように推定パラメータの全てを画像処理により計測するのではなく,各計測手段の計測精度,使い勝手等の違いを考慮して,SPMあるいは対物レンズ合焦点位置等を用いた各計測手段を選択的あるいは複合的に用いて計測する方法があり,前述した組み合わせ以外にも,例えばウェーハ面の傾斜方向608とキャリブレータの傾斜方向609との相対角以外は画像処理で推定する等の様々なバリエーションが考えられる。   In this way, not all the estimation parameters are measured by image processing, but each measurement means using SPM or objective lens in-focus position is selected in consideration of differences in measurement accuracy and usability of each measurement means. Alternatively, there is a method of measuring using a combination, and in addition to the above-described combinations, there are various variations such as estimating other than the relative angle between the wafer tilt direction 608 and the calibrator tilt direction 609 by image processing. It is done.

また,例えばウェーハ面とキャリブレータとの位置関係等は一度計測すれば不変であるため,推定パラメータを求める度に計測する必要はない。   Further, for example, the positional relationship between the wafer surface and the calibrator is not changed once it is measured, so it is not necessary to measure it every time the estimation parameter is obtained.

4.撮像シーケンス(対象画像撮像を含めた)について−撮像条件変更に伴う推定値補正方法込み
次に実際にSEMにより半導体ウェーハ上の観測したい任意の座標における半導体パターン(以後,対象パターン呼ぶ)の撮像を含めたキャリブレータの撮像シーケンスについて説明する。キャリブレータおよび対象パターンの撮像シーケンスとして,
(a)キャリブレータ撮像後に対象パターンを撮像するシーケンス(図13(a))
(b)対象パターン撮像後にキャリブレータと撮像するシーケンス(図13(b))
(c)キャリブレータをオフラインで撮像するシーケンス(図14)
を取り上げて順に説明する。前記(a)(b)においては対象パターンとキャリブレータとを交互に撮像するため,半導体ウェーハの取り付け,取り出しが不要な図7(a)の705の位置にキャリブレータ試料1319を取り付ける。(c)においては図7(a)の704あるいは705の位置にキャリブレータ試料1319を取り付ける。
4). About the imaging sequence (including target imaging)-including the estimated value correction method that accompanies changing imaging conditions
Next, an imaging sequence of a calibrator including imaging of a semiconductor pattern (hereinafter referred to as a target pattern) at an arbitrary coordinate desired to be observed on a semiconductor wafer by SEM will be described. As an imaging sequence of calibrator and target pattern,
(A) Sequence for imaging a target pattern after calibrator imaging (FIG. 13A)
(B) Sequence for imaging with calibrator after target pattern imaging (FIG. 13B)
(C) Sequence for imaging the calibrator offline (FIG. 14)
Are described in order. In (a) and (b), since the target pattern and the calibrator are alternately imaged, the calibrator sample 1319 is attached at a position 705 in FIG. In (c), a calibrator sample 1319 is attached at a position 704 or 705 in FIG.

4.1 撮像シーケンス−バリエーションその1
(a)キャリブレータ撮像後に対象パターンを撮像するシーケンス(図13(a))
任意のチルト角に設定してキャリブレータを撮像した後,前記設定は基本的に変更せず(チルト角の校正を伴う場合は変更する場合あり),対象パターンを撮像するシーケンスが考えられる。これは,チルト角設定値と実際のチルト角との間にヒステリシス特性がある場合は,任意のチルト角設定値を一旦異なる設定値に変更し,再び元のチルト角設定値に戻しても,前後のチルト角設定値における実際のチルト角が同一でない場合があるため,キャリブレータから推定したチルト角が対象パターンの観察像解析において利用できなくなる危険性を避けるためである。
4.1 Imaging sequence-Variation 1
(A) Sequence for imaging a target pattern after calibrator imaging (FIG. 13A)
After the calibrator is imaged with an arbitrary tilt angle set, the setting is basically not changed (may be changed if tilt angle calibration is involved), and a sequence for imaging the target pattern can be considered. This is because if there is a hysteresis characteristic between the tilt angle setting value and the actual tilt angle, even if the arbitrary tilt angle setting value is changed to a different setting value and then returned to the original tilt angle setting value, This is to avoid the risk that the tilt angle estimated from the calibrator cannot be used in the observation image analysis of the target pattern because the actual tilt angle between the front and rear tilt angle setting values may not be the same.

図13(a)を用いて本シーケンスを説明する。まず,半導体ウェーハをSEMに取り付け(ステップ800),次に撮像位置をキャリブレータが形成された試料上に設定し(ステップ801),チルト角を任意の設定値に変更する(ステップ802)。ただし,ステップ801と802の順序を逆にしても問題はない。チルト角を設定した後,キャリブレータの撮像をステップ804で行う。キャリブレータの撮像を行う前にステップ803において必要に応じて撮像条件の変更を行いながら,ループ810により必要に応じて複数のキャリブレータを複数の撮像条件で撮像する。   This sequence will be described with reference to FIG. First, the semiconductor wafer is attached to the SEM (step 800), and then the imaging position is set on the sample on which the calibrator is formed (step 801), and the tilt angle is changed to an arbitrary set value (step 802). However, there is no problem if the order of steps 801 and 802 is reversed. After setting the tilt angle, the calibrator is imaged at step 804. Before the calibrator is imaged, a plurality of calibrators are imaged under a plurality of imaging conditions as required by the loop 810 while changing the imaging conditions as necessary in step 803.

撮像条件の変更を行いながら複数のキャリブレータを撮像する場合(ループ810)とは,後でループ811において撮像される対象パターンの画像群におけるチルト角を推定するために必要とされる撮像条件の組み合わせでキャリブレータを撮像する場合である。さらに,複数枚のキャリブレータ画像からチルト角を推定することにより推定値の信頼性を向上させる効果が期待できる。そのため一つの撮像条件により得られるキャリブレータの観察画像のみで前記対象パターンの画像群におけるチルト角の推定が可能であれば,ループ810を通ることはない。前記撮像条件の変更とは,ステージ移動,イメージシフト(電子線の照射位置変更による視野移動),倍率変更,フォーカス変更,非点補正等を指す。撮像時には撮像位置を変更したり,拡大・縮小観察を行う場合があり,その際,良好な画像を得るためにフォーカス変更や非点補正等を伴うことがある。また,必要に応じてステップ804で得られたキャリブレータ画像からチルト角の推定値を算出し,前記チルト角の推定値とチルト角の設定値とのずれをなくすようにステップ805においてチルト角を校正する。   When imaging a plurality of calibrators while changing imaging conditions (loop 810), a combination of imaging conditions required for estimating a tilt angle in an image group of a target pattern to be imaged later in loop 811 In this case, the calibrator is imaged. Furthermore, the effect of improving the reliability of the estimated value can be expected by estimating the tilt angle from a plurality of calibrator images. Therefore, if it is possible to estimate the tilt angle in the image group of the target pattern only with the observation image of the calibrator obtained under one imaging condition, the loop 810 is not passed. The change of the imaging condition refers to stage movement, image shift (field of view movement by changing electron beam irradiation position), magnification change, focus change, astigmatism correction, and the like. At the time of imaging, the imaging position may be changed or enlarged / reduced observation may be performed, and in that case, focus change or astigmatism correction may be accompanied in order to obtain a good image. Further, if necessary, an estimated value of the tilt angle is calculated from the calibrator image obtained in step 804, and the tilt angle is calibrated in step 805 so as to eliminate the deviation between the estimated value of the tilt angle and the set value of the tilt angle. To do.

前記校正を行うことによって,設定した観察方向からの観察像をステップ808で得ることができる。チルト角の校正方法の詳細については後述するが(図15),必要に応じてチルト角の推定値とチルト角の設定値とのずれがなくなるまでループ810によりキャリブレータ撮像(ステップ804),チルト角推定,チルト角校正(ステップ805)を繰り返す。チルト角を補正した後(ステップ805),キャリブレータを撮像し直して(ステップ804)本当にチルト角の推定値とチルト角の設定値とのずれがないか確認してから,ステップ805をスキップして対象パターンの撮像を行う場合はステップ804とステップ808とでチルト角の設定値は同一であるが,前記キャリブレータの撮像し直しを行わない場合はステップ804とステップ808とでチルト角の設定値は異なる場合がある。ただし,対象パターン撮像時のチルト角をその後の対象パターン解析に必要とされる許容誤差の範囲内で推定できる場合は問題ない。   By performing the calibration, an observation image from the set observation direction can be obtained in step 808. The details of the tilt angle calibration method will be described later (FIG. 15). If necessary, the calibrator imaging (step 804) is performed by the loop 810 until the deviation between the estimated tilt angle value and the set tilt angle value is eliminated. The estimation and tilt angle calibration (step 805) are repeated. After correcting the tilt angle (step 805), re-capturing the calibrator (step 804) and confirming that there is really no deviation between the estimated tilt angle value and the set tilt angle value, skip step 805. When the target pattern is imaged, the setting value of the tilt angle is the same in step 804 and step 808. However, when the calibrator is not reimaged, the setting value of the tilt angle is determined in step 804 and step 808. May be different. However, there is no problem if the tilt angle at the time of imaging the target pattern can be estimated within the allowable error range required for the subsequent target pattern analysis.

次に撮像位置を半導体ウェーハ上に移動し(ステップ806),対象パターンの撮像をステップ808で行う。対象パターンの撮像を行う前にステップ807において必要に応じて撮像条件の変更を行いながら,ループ811により必要に応じて複数の対象パターンを撮像する。   Next, the imaging position is moved onto the semiconductor wafer (step 806), and the target pattern is imaged in step 808. Before the target pattern is imaged, a plurality of target patterns are imaged as required by the loop 811 while changing the imaging conditions as necessary in step 807.

4.2 撮像シーケンス−バリエーションその2
(b)対象パターン撮像後にキャリブレータと撮像するシーケンス(図13(b))
任意のチルト角に設定し,任意の撮像条件において対象パターンを撮像した後,前記チルト角の設定は変更せずキャリブレータを撮像しチルト角を推定するシーケンスが考えられる。これは対象パターンの撮像後にキャリブレータを観察することにより,前記対象パターン観察時における撮像条件をキャリブレータ撮像時の撮像条件を決定する際に参考にすることができる利点がある。すなわち,撮像条件の変更によりチルト角は変化する可能性があるため,対象パターン観察時における撮像条件と類似した撮像条件においてキャリブレータを撮像することにより,対象パターンの撮像時のチルト角をより正確に推定することができる。
4.2 Imaging sequence-Variation 2
(B) Sequence for imaging with calibrator after target pattern imaging (FIG. 13B)
A sequence may be considered in which an arbitrary tilt angle is set and the target pattern is imaged under an arbitrary imaging condition, and then the tilt angle setting is not changed and the calibrator is imaged to estimate the tilt angle. This has the advantage that by observing the calibrator after imaging the target pattern, the imaging conditions at the time of observing the target pattern can be referred to when determining the imaging conditions at the time of calibrator imaging. In other words, since the tilt angle may change due to changes in the imaging conditions, imaging the calibrator under imaging conditions similar to the imaging conditions during target pattern observation makes it possible to more accurately determine the tilt angle during imaging of the target pattern. Can be estimated.

図13(b)を用いて本シーケンスを説明する。まず,半導体ウェーハをSEMに取り付け(ステップ813),次に撮像位置を対象パターンが形成された半導体ウェーハ上に設定し(ステップ814),チルト角を任意の設定値に変更する(ステップ815)。ただし,ステップ814と815の順序を逆にしても問題はない。チルト角を設定した後,対象パターンの撮像をステップ816で行う。対象パターン撮像を行う前にステップ815において必要に応じて撮像条件の変更を行いながら,ループ821により必要に応じて複数の対象パターンを複数の撮像条件で撮像する。   This sequence will be described with reference to FIG. First, the semiconductor wafer is attached to the SEM (step 813), then the imaging position is set on the semiconductor wafer on which the target pattern is formed (step 814), and the tilt angle is changed to an arbitrary set value (step 815). However, there is no problem if the order of steps 814 and 815 is reversed. After setting the tilt angle, the target pattern is imaged in step 816. Before the target pattern is imaged, a plurality of target patterns are imaged under a plurality of imaging conditions as required by the loop 821, while changing the imaging conditions as necessary in step 815.

次に撮像位置をキャリブレータが形成された試料上に移動し(ステップ817),キャリブレータの撮像をステップ819で行う。キャリブレータの撮像を行う前にステップ818において必要に応じて撮像条件の変更を行いながら,ステップ816における対象パターン撮像時のチルト角推定に必要とされる複数の撮像条件におけるキャリブレータの画像をループ822により必要に応じて撮像する。   Next, the imaging position is moved onto the sample on which the calibrator is formed (step 817), and the calibrator is imaged in step 819. Prior to imaging the calibrator, the imaging condition is changed as necessary in step 818, and images of the calibrator under a plurality of imaging conditions required for tilt angle estimation at the time of imaging the target pattern in step 816 are looped through loop 822. Take images as needed.

図13(a)(b)においては,撮像条件変更(ステップ803,807,814,817)と撮像位置変更(ステップ801,806,814,817)とを分けて示した。前記撮像条件変更にはステージ移動あるいはイメージシフトが含まれるが,これはキャリブレータ間あるいは対象パターン間のステージ移動あるいはイメージシフトを示しており,一方,前記撮像位置変更はキャリブレータ−対象パターン間のステージ移動を示している。また,図11に示した任意のチルト角設定時における前記チルト角の推定を,キャリブレータの前記チルト角設定時におけるチルト画像とトップダウン画像の組み合わせから推定する場合には,チルト角の設定値0°(トップダウン)における対象パターンの撮像(ステップ808,816)はスキップする。   In FIGS. 13A and 13B, the imaging condition change (steps 803, 807, 814, 817) and the imaging position change (steps 801, 806, 814, 817) are shown separately. The imaging condition change includes stage movement or image shift, which indicates stage movement or image shift between calibrators or target patterns, while the imaging position change is stage movement between calibrators and target patterns. Is shown. When the estimation of the tilt angle at the time of setting an arbitrary tilt angle shown in FIG. 11 is estimated from the combination of the tilt image and the top-down image at the time of setting the tilt angle of the calibrator, the tilt angle setting value 0 The imaging of the target pattern (steps 808 and 816) in ° (top down) is skipped.

4.3 撮像シーケンス−バリエーションその3
(c)キャリブレータをオフラインで撮像するシーケンス(図14)
半導体ウェーハ投入前あるいは対象パターン撮像前に,チルト角推定時に必要となるであろうチルト角および撮像条件の組み合わせでキャリブレータの撮像を行い,撮像画像群あるいは前記撮像画像群から推定したチルト角を撮像条件と共にデータベースに保存しておくシーケンスが考えられる。その後の任意の撮像条件で撮像した対象パターンにおけるチルト角推定を前記データベースから推定することが可能となる。
4.3 Imaging sequence-Variation 3
(C) Sequence for imaging the calibrator offline (FIG. 14)
The calibrator is imaged with a combination of the tilt angle and the imaging conditions that would be required when estimating the tilt angle before the semiconductor wafer is inserted or the target pattern is imaged, and the tilt angle estimated from the captured image group or the captured image group is captured. A sequence that is stored in the database along with the conditions can be considered. It is possible to estimate the tilt angle in the target pattern imaged under any subsequent imaging condition from the database.

図13(c)を用いて本シーケンスを説明する。複数箇所のキャリブレータを,撮像すべきチルト角および撮像条件の組み合わせで撮像する(チルト角および撮像条件の変更はそれぞれステップ901,902,撮像はステップ903で行う)。キャリブレータ画像は905に示すデータベースに保存される。また必要に応じて,データベースに保存された画像群を用いて画像処理部902において任意のチルト角設定値あるいは撮像条件におけるチルト角推定値を算出し,前記推定値をデータベース905にライブラリ化して保存する。前記データベースを用いることにより,その後の任意の撮像条件で撮像した対象パターンにおけるチルト角推定を前記データベースから推定することができる。また,対象パターン撮像時のチルト角設定値あるいは撮像条件と同じ条件で撮像したキャリブレータ画像がデータベースに保存されていない場合であっても,前記データベースに内にあるその他の条件で撮像した際のチルト角の推定値から前記対象パターン撮像時のチルト角の推定値を補間等の手段により算出することができる。   This sequence will be described with reference to FIG. A plurality of calibrators are imaged with a combination of the tilt angle to be imaged and the imaging conditions (the tilt angle and the imaging conditions are changed in steps 901 and 902, respectively, and the imaging is performed in step 903). The calibrator image is stored in a database 905. If necessary, the image processing unit 902 calculates an arbitrary tilt angle setting value or an estimated tilt angle value under imaging conditions using an image group stored in the database, and stores the estimated value in the database 905 as a library. To do. By using the database, it is possible to estimate from the database a tilt angle estimation in a target pattern imaged under an arbitrary imaging condition thereafter. In addition, even when the calibrator image captured under the same conditions as the tilt angle setting value or the imaging condition at the time of capturing the target pattern is not stored in the database, the tilt when the image is captured under the other conditions in the database From the estimated angle value, the estimated tilt angle at the time of imaging the target pattern can be calculated by means such as interpolation.

図13(a)(b)および図14に示した三つの撮像シーケンス内のキャリブレータ撮像時において,同一あるいは連続的に配置した別のキャリブレータを複数枚観察し,各画像において観測方向を推定し,前記観察方向の平均値あるいはメディアン(中央値)等を用いることによってキャリブレータの個体差および画像ノイズ等に起因する観察方向の推定値のばらつきを軽減することができる。   At the time of calibrator imaging in the three imaging sequences shown in FIGS. 13 (a), 13 (b), and FIG. 14, a plurality of other calibrators that are the same or continuously arranged are observed, the observation direction is estimated in each image, By using the average value or median (median value) of the observation direction, it is possible to reduce variations in the estimated value of the observation direction due to individual differences of calibrators and image noise.

4.4 撮像条件変更に伴う推定値補正
対象パターン撮像時とキャリブレータ撮像時との間において,たとえチルト角の設定値を変更しなくても,その他の撮像条件の変化により,前記キャリブレータ撮像時と対象パターン撮像時との間において実際のチルト角が異なる場合がある。そこで,前記撮像条件の変化に伴うチルト角の変化量を推定し,前記変化量をキャリブレータ撮像時におけるチルト推定値に加算することにより対象パターン撮像時におけるチルト角を推定することができる。
4.4 Estimated value correction due to changes in imaging conditions
Even when the setting value of the tilt angle is not changed between the target pattern imaging and the calibrator imaging, the actual tilt between the calibrator imaging and the target pattern imaging is caused by the change of other imaging conditions. The corner may be different. Therefore, it is possible to estimate the tilt angle at the time of image capturing of the target pattern by estimating the amount of change of the tilt angle accompanying the change in the image capturing condition and adding the amount of change to the estimated tilt value at the time of image capturing by the calibrator.

次に前記撮像条件の変化に伴うチルト角の変化量の計算方法について説明する。   Next, a method for calculating the amount of change in tilt angle associated with the change in the imaging condition will be described.

撮像条件の変更の中でステージ移動あるいはイメージシフトあるいは倍率変更によるチルト角の変化量は,チルト角の半導体ウェーハ面内分布(例えば図7中の704の位置に取り付けたキャリブレータにおけるチルト角から推定)あるいはチルト角の視野内分布(例えば図7中の706のキャリブレータにおけるチルト角から推定)から推定することが可能である。また特にイメージシフトに関しては電子線のシフトによる電子線の入射方向の変化を光学系の幾何学的な計算から推定することができる。また,撮像条件の変更の中でフォーカス変更によるチルト角の変化量は,対物レンズの制御電流値とチルト角との関係を実験的あるいは解析的に求めておくことにより推定できる。すなわち,フォーカスの変更は対物レンズの制御電流の変更によって行われるため,前記対物レンズの制御電流値とチルト角との関係が求まっていれば,対象パターン観測時の対物レンズの制御電流の値を用いてチルト角を推定することができる。
The amount of change in tilt angle due to stage movement, image shift, or magnification change in the imaging condition change is distributed in the semiconductor wafer surface of the tilt angle (for example, estimated from the tilt angle in the calibrator attached at position 704 in FIG. 7). Alternatively, it can be estimated from the distribution of the tilt angle in the field of view (for example, estimated from the tilt angle in the 706 calibrator in FIG. 7). In particular, regarding the image shift, the change in the incident direction of the electron beam due to the shift of the electron beam can be estimated from the geometric calculation of the optical system. In addition, the amount of change in the tilt angle due to the focus change during the change in the imaging condition can be estimated by experimentally or analytically determining the relationship between the control current value of the objective lens and the tilt angle. In other words, since the focus is changed by changing the control current of the objective lens, if the relationship between the control current value of the objective lens and the tilt angle is obtained, the value of the control current of the objective lens at the time of observing the target pattern is obtained. The tilt angle can be estimated.

5.推定結果の利用方法(チルト角校正,3D再構成,GUI表示等)
推定したチルト角を観察像の観測あるいは計測おいてどのように活用するかについて説明する。
5). How to use the estimation results (tilt angle calibration, 3D reconstruction, GUI display, etc.)
How to use the estimated tilt angle in observation or measurement of an observation image will be described.

5.1 チルト角校正
キャリブレータによるチルト角の推定値を用いてチルト角を校正し,チルト角の設定値と実際のチルトを一致させることができる(図13のステップ808に相当)。
5.1 Tilt angle calibration
The tilt angle is calibrated using the estimated tilt angle value by the calibrator, and the set value of the tilt angle can be matched with the actual tilt (corresponding to step 808 in FIG. 13).

図15にチルト角を校正するシーケンスを示す。まず,観察を希望する任意のチルト角に設定した後,キャリブレータ画像を取得し(ステップ1001。図13(a)のステップ804に相当),前記キャリブレータ画像からチルト角の推定値を算出する(ステップ1002。先に説明した図10に示す推定パラメータTの決定に相当)。前記チルト角の推定値と設定値との差分Δθを計算し,Δθの絶対値が予め設定したしきい値より大きいとき(条件1004),前記Δθの絶対値を小さくするように,ビームチルト方式であれば電子線の偏向を,ステージチルト方式であればステージの傾斜を変更する(ステップ1005)。その後ループ1006により再びキャリブレータを観測し,チルト角を推定し,再算出したΔθが条件1004を満たすか判定する。本処理を条件1004が満たされるまで繰り返し行い,チルト角の推定値を設定値に収束させる。   FIG. 15 shows a sequence for correcting the tilt angle. First, after setting an arbitrary tilt angle to be observed, a calibrator image is acquired (step 1001, corresponding to step 804 in FIG. 13A), and an estimated value of the tilt angle is calculated from the calibrator image (step 1002 (corresponding to the determination of the estimation parameter T shown in FIG. 10 described above)). A difference Δθ between the estimated value of the tilt angle and the set value is calculated, and when the absolute value of Δθ is larger than a preset threshold value (condition 1004), a beam tilt method is used so as to reduce the absolute value of Δθ. If so, the deflection of the electron beam is changed, and if the stage tilt method, the tilt of the stage is changed (step 1005). Thereafter, the loop 1006 observes the calibrator again, estimates the tilt angle, and determines whether the recalculated Δθ satisfies the condition 1004. This process is repeated until the condition 1004 is satisfied, and the estimated tilt angle is converged to the set value.

5.2 測長あるいは形状指標値算出
CD計測に代表される半導体パターンの寸法計測,あるいは特開2004−022617号公報に示されているようにトップダウン方向あるいは傾斜方向からの対象パターンの観察像において,明度プロファイルを基に半導体パタ−ンの任意の形状部位の寸法計測値により前記半導体パターンの立体形状と相関の高い指標値を得ることができる。しかしながら,観察時のチルト角の設定誤差が前記指標値の誤差となってしまう。前記キャリブレーション手法によれば,(1)キャリブレータにより推定したチルト角により寸法値を補正する,あるいは(2)前述したチルト角の校正により設定値と等しい観察方向から撮像した対象パターンの観察画像を用いて寸法計測を行うことにより,高い計測精度を実現することができる。
5.2 Length measurement or shape index value calculation
In a semiconductor pattern dimensional measurement represented by CD measurement, or in an observation image of a target pattern from a top-down direction or an inclination direction as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2004-022617, the semiconductor pattern is based on the brightness profile. An index value having a high correlation with the three-dimensional shape of the semiconductor pattern can be obtained from the dimension measurement value of an arbitrary shape portion. However, an error in setting the tilt angle during observation results in an error in the index value. According to the calibration method, (1) the dimension value is corrected by the tilt angle estimated by the calibrator, or (2) the observation image of the target pattern imaged from the observation direction equal to the set value by the tilt angle calibration described above. High measurement accuracy can be realized by using the measurement.

前記(1)の処理例として図19示した段差のある測定対象の断面1101の側壁傾斜角ωを推定する際の指標値の補正法を説明する。観測したトップダウン像の明度プロファイルを基に側壁部の寸法を計測した値(観測長)をWとする。段差の高さHが既知である場合,側壁傾斜角ωはtan-1(H/W)で与えられる。ただし,観測方向にΔθの角度誤差が含まれていた場合,側壁観測長は前記角度誤差に起因する観測長誤差ΔWが加算され,W=W1+ΔWとなる。前記キャリブレーション手法によれば,前記角度誤差Δθを推定することができ,前記観測長誤差ΔWをHtan(Δθ)で求めることができる。よってW1=W−ΔWから,観測方向の角度誤差がない状態での側壁観測長W1を求めることができ,正確な側壁傾斜角ωを推定することができる。 As a processing example of the above (1), a method of correcting the index value when estimating the side wall inclination angle ω of the cross section 1101 of the measurement object having a step shown in FIG. 19 will be described. Value dimensions measured in the sidewall portion based on the brightness profile of the top-down image of the observed (the observed length) and W 1. When the height H of the step is known, the side wall inclination angle ω is given by tan −1 (H / W 1 ). However, when an angle error of Δθ is included in the observation direction, the observation length error ΔW resulting from the angle error is added to the side wall observation length, and W 2 = W 1 + ΔW. According to the calibration method, the angle error Δθ can be estimated, and the observation length error ΔW can be obtained by Htan (Δθ). Therefore, from W 1 = W 2 −ΔW, the side wall observation length W 1 without an angle error in the observation direction can be obtained, and the accurate side wall inclination angle ω can be estimated.

前記処理例ではトップダウン像における寸法値を計測する例であったが,チルト像における寸法計測時も同様であり,任意の観察方向からのチルト画像において半導体パタ−ンの任意の形状部位の寸法計測値の補正を行うことが考えられる。   In the above processing example, the dimension value in the top-down image is measured, but the same applies to the dimension measurement in the tilt image, and the dimension of an arbitrary shape portion of the semiconductor pattern in the tilt image from an arbitrary observation direction. It is conceivable to correct the measurement value.

5.3 3D再構成
多方向からの対象パターンの観察像を用いたステレオ計測による三次元プロファイル再構成において,(1)キャリブレータにより推定したチルト角を観察方向の入力値として用いる,あるいは(2)前述したチルト角の校正により設定値と等しい観察方向から撮像した対象パターンの観察画像とチルト角の設定値を入力値として用いることにより,高い再構成精度を実現することができる。
5.3 3D reconstruction
In three-dimensional profile reconstruction by stereo measurement using observation images of target patterns from multiple directions, (1) use the tilt angle estimated by the calibrator as an input value for the observation direction, or (2) calibrate the tilt angle described above. By using the observation image of the target pattern imaged from the observation direction equal to the set value and the set value of the tilt angle as input values, high reconstruction accuracy can be realized.

図16に三次元プロファイルを再構成するアルゴリズムの一例として,段差のある測定対象の断面1101における二点P1−P2間の段差(高さ)を算出する方法を示す。段差を測る方向の基準として,例えばSEMにおける絶対座標系201を用い,前記絶対座標系201のz軸方向の高さを段差として計測する。図16(a)中L1,L2はそれぞれビームチルト角をθ1,θ2として上部から観察した際の二点P1−P2間の画像上での距離を表す。このとき二点P1−P2間の段差Hは,幾何学計算により前記L1,L2,θ1,θ2を用いてH={(L1−L2)・cosθ1・cosθ2}/sin(θ1−θ2)で与えられる。 FIG. 16 shows a method for calculating a step (height) between two points P 1 -P 2 in a cross section 1101 of a measurement target having a step as an example of an algorithm for reconstructing a three-dimensional profile. For example, an absolute coordinate system 201 in the SEM is used as a reference for measuring a step, and the height of the absolute coordinate system 201 in the z-axis direction is measured as a step. In FIG. 16A, L 1 and L 2 represent distances on the image between the two points P 1 and P 2 when the beam tilt angles are θ 1 and θ 2 , respectively, when observed from above. At this time, the step H between the two points P 1 -P 2 is calculated by using the above-mentioned L 1 , L 2 , θ 1 , θ 2 by geometric calculation, H = {(L 1 −L 2 ) · cos θ 1 · cos θ 2 } / Sin (θ 1 −θ 2 ).

同様に図16(b)中M1,M2はそれぞれステージチルト角をθ1,θ2として上部から観察した際の二点P1−P2間の画像上での距離を表す。このとき二点P1−P2間の段差Hは,幾何学計算により前記M1,M2,θ1,θ2を用いてH=(M1・cosθ2−M2・cosθ1)/sin(θ1−θ2)で与えられる。ビームチルト観察,ステージチルト観察共にチルト角θ1,θ2の入力誤差は三次元プロファイル再構成に影響を与えるため,より観察画像における観察方向を正確に推定し入力することにより,再構成精度も向上させることが可能である。 Similarly, M 1 and M 2 in FIG. 16B represent distances on the image between two points P 1 and P 2 when the stage tilt angles are θ 1 and θ 2 , respectively, when observed from above. At this time, the level difference H between the two points P 1 -P 2 is calculated by using the above M 1 , M 2 , θ 1 , θ 2 by geometric calculation, H = (M 1 · cos θ 2 −M 2 · cos θ 1 ) / It is given by sin (θ 1 −θ 2 ). Since the input error of tilt angles θ 1 and θ 2 affects the reconstruction of the three-dimensional profile in both beam tilt observation and stage tilt observation, reconstruction accuracy can be improved by accurately estimating and inputting the observation direction in the observed image. It is possible to improve.

また,図16(a),(b)においては,点P1−P2間の段差Hの計測例を示しているが,点P1−P2間の内外を問わず,さらに細かく,対象パターン表面の凹凸を計測することができる。図16(c)は対象パターン表面の点P1〜P7をビームチルト像を用いて計測する方法を図示したものである。一例として点P5−P6間の段差H5-6は,ビームチルト角をθ1,θ2として上部から観察した際の二点P5−P6間の画像上での距離L1,5-6,L2,5-6を用いて,図16(a)の場合と同様,H5-6={(L1,5-6−L2,5-6)・cosθ1・cosθ2}/sin(θ1−θ2)で与えられる。得られた形状計測結果から,対象パターンの高さ,ライン幅,側壁傾斜角のほか,角の丸みといった微妙なパターン形状を計測し,半導体パターンの出来ばえ検査および半導体プロセス変動を検知・制御することが可能となる。 Further, in FIG. 16 (a), (b) , there is shown a measurement example of the step H between the points P 1 -P 2, inside and outside between the points P 1 -P 2, more finely, subject Irregularities on the pattern surface can be measured. FIG. 16C illustrates a method of measuring the points P 1 to P 7 on the target pattern surface using a beam tilt image. Step H 5-6 between the points P 5 -P 6 as an example, the beam tilt angle theta 1, the distance on the image between the two points P 5 -P 6 when observed from above as theta 2 L 1, 5-6, with L 2,5-6, as in the case of FIG. 16 (a), H 5-6 = {(L 1,5-6 -L 2,5-6) · cosθ 1 · cosθ 2 } / sin (θ 1 −θ 2 ). From the obtained shape measurement results, measure the subtle pattern shapes such as the target pattern height, line width, and sidewall inclination angle, as well as corner roundness, and detect and control semiconductor pattern quality inspection and semiconductor process variations. Is possible.

図16(d)は,設計データ等から得られた対象パターン表面1101上の点P1〜P7(図16(d)中において白丸で表示)と,前記点P1〜P7の高さをそれぞれチルト像を用いて計測した計測点P'1〜P'7 (図16(d)中において黒丸で表示。1102は前記黒丸を直線で結んだ対象パタ−ン表面の多点近似形状)を重ねて表示したものである。本例においては出来上がった対象パターンの形状が(計測データの形状)が設計値に対して段差が低く,また点P1付近の角が丸まっていることが分かる。このように設計データの形状と計測結果の形状とを並べてあるいは重ねて表示する,あるいは高さ,角の丸まり等の形状を数値化して表示することにより対象パターン状態を評価することができる。また,このような対象パターン表面の多点における計測を絶対座標系201のx,y軸方向に二次元的に行うことにより,例えば図17中の計測形状1205のような三次元的な形状計測結果を得ることもできる。 FIG. 16D shows points P 1 to P 7 (indicated by white circles in FIG. 16D) on the target pattern surface 1101 obtained from design data and the heights of the points P 1 to P 7 . Are measured using tilt images, respectively. Measurement points P ′ 1 to P ′ 7 (indicated by black circles in FIG. 16D) 1102 is a multipoint approximate shape of the surface of the target pattern in which the black circles are connected by straight lines. Is displayed in an overlapping manner. In this example, it can be seen that the shape of the completed target pattern (the shape of the measurement data) has a lower step than the design value, and the corners near the point P 1 are rounded. Thus, the target pattern state can be evaluated by displaying the shape of the design data and the shape of the measurement result side by side or overlapping each other, or by displaying the shape such as the height and rounded corners numerically. Further, by performing such measurement at multiple points on the surface of the target pattern two-dimensionally in the x and y axis directions of the absolute coordinate system 201, for example, a three-dimensional shape measurement such as a measurement shape 1205 in FIG. You can also get results.

5.4 GUI表示
キャリブレータによるチルト角の推定値を用いて,GUI上に前記実際のチルト角の推定値を表示したり,ビームチルト画像をステージチルト画像に変換して表示することができる。
5.4 GUI display
The estimated value of the tilt angle obtained by the calibrator can be used to display the estimated value of the actual tilt angle on the GUI, or the beam tilt image can be converted into a stage tilt image and displayed.

図17(a)に観測像およびチルト角の推定結果を表示するGUI(Graphic User Interface)の一例を示す。画像表示1201および1202はそれぞれ観測方向の設定値5°,10゜のビームチルト画像である(以後,それぞれ画像01,画像02と呼ぶ)。前記ビームチルト画像1201および1202から,設定値のチルト角あるいはキャリブレーションによるチルト角の推定値におけるステージチルト画像を推定し表示したものが画像表示1203および1204である。ステージチルト画像を実際に観測しなくても,ビームチルト画像と観測方向からステージチルト画像を推定し表示することができる。
電子線の偏向により得られたビームチルト画像は人間が目視により斜めから観察した場合に見える映像とは幾何学的に異なるため,感覚的に解釈しにくい。そこで,より人間が行う観察に近いステージチルト画像に変換して表示することは目視による解析において有効である。また,ステージチルト画像を観測した場合は,逆にビームチルト画像に変換して表示することも可能である。また,画像表示1201〜1204には,図7(c)に一例を示した画像の歪み推定の結果を用いて,画像の歪み補正を行った画像を表示することができる。
FIG. 17A shows an example of a GUI (Graphic User Interface) that displays an observation image and a tilt angle estimation result. Image displays 1201 and 1202 are beam tilt images having setting values of 5 ° and 10 ° in the observation direction, respectively (hereinafter referred to as image 01 and image 02, respectively). Image displays 1203 and 1204 are obtained by estimating and displaying the stage tilt image at the set tilt angle or the estimated tilt angle by calibration from the beam tilt images 1201 and 1202. Without actually observing the stage tilt image, the stage tilt image can be estimated and displayed from the beam tilt image and the observation direction.
Since the beam tilt image obtained by the deflection of the electron beam is geometrically different from the image seen when the human observes from an oblique direction, it is difficult to interpret sensuously. Therefore, it is effective in visual analysis to convert and display a stage tilt image that is closer to human observation. When a stage tilt image is observed, it can be converted into a beam tilt image and displayed. Further, the image display 1201 to 1204 can display an image subjected to image distortion correction using the result of image distortion estimation shown in FIG. 7C as an example.

1205は観察画像から推定した三次元プロファイルを三次元的に表示したものであり,前記三次元プロファイルは任意の観察方向から表示することができる。
1206は画像01,02における記観察方向の設定値およびキャリブレータを用いた前記記観察方向の推定値をそれぞれ三次元的に表したベクトルである。前記ベクトルの成分(x,y方向のチルト角の設定値および推定値)は1207に表示されている。また,三次元プロファイルの表示および観察方向の表示は図17(b)1208,1209にそれぞれ示すように二次元的に表示することも可能である。同図において1208,1209はそれぞれ推定した三次元プロファイルおよび観察方向を一例としてx-z平面に投影したものである。1206,1207,1209における(1)〜(4)はそれぞれお互いに対応する。さらに,観察方向の設定値と推定値との誤差を表示したり,キャリブレータの観察像の表示およびキャリブレータやウェーハの傾斜方向等も表示することができる。
Reference numeral 1205 denotes a three-dimensional display of a three-dimensional profile estimated from an observation image, and the three-dimensional profile can be displayed from an arbitrary observation direction.
Reference numeral 1206 denotes a vector that three-dimensionally represents the set value of the observation direction in the images 01 and 02 and the estimated value of the observation direction using the calibrator. The vector components (set values and estimated values of tilt angles in the x and y directions) are displayed at 1207. Further, the display of the three-dimensional profile and the display of the observation direction can be displayed two-dimensionally as shown in FIGS. 17B and 1208 and 1209, respectively. In the figure, reference numerals 1208 and 1209 are projections of the estimated three-dimensional profile and observation direction on the xz plane as an example. (1) to (4) in 1206, 1207, and 1209 correspond to each other. Further, an error between the set value and the estimated value of the observation direction can be displayed, the observation image of the calibrator and the inclination direction of the calibrator and the wafer can be displayed.

以上述べた,対象パターンのビームチルト画像(1201,1202)あるいはステージチルト画像(1203,1204),あるいは推定した対象パターンの三次元プロファイル(1205),あるいは観察方向の三次元表示(1206)あるいは観察方向の二次元表示(1209あるいは図16(d)中の1102)あるいは観察方向の数値による表示(1207)あるいは設計データ等から得られる対象パターンの設計形状(図16(d)中の1101)は,任意の組み合わせで同一GUI上に表示することができる。   The beam tilt image (1201, 1202) or stage tilt image (1203, 1204) of the target pattern, the estimated three-dimensional profile (1205) of the target pattern, or the three-dimensional display (1206) or observation of the observation direction as described above. The two-dimensional display of the direction (1209 or 1102 in FIG. 16D), the numerical display of the observation direction (1207), or the design shape of the target pattern obtained from the design data (1101 in FIG. 16D) is , Any combination can be displayed on the same GUI.

前述の説明においては,主に傾斜観察をビームチルト方式で行った場合およびキャリブレータとしてピラミッド型の試料を用いた場合を例に,キャリブレータの配置の仕方,観察像におけるキャリブレータの幾何形状変形の検出方法,観察方向推定方法,撮像・観察方向推定シーケンスなどを説明したが,本発明はこれに限定されるものではなく,その他の傾斜観察方式およびキャリブレータにおいても同様に適用することが可能である。   In the above description, the method of calibrator placement and the method of detecting the geometric shape deformation of the calibrator in the observed image, mainly in the case where tilt observation is performed by the beam tilt method and the case where a pyramid type sample is used as the calibrator. The observation direction estimation method, the imaging / observation direction estimation sequence, and the like have been described. However, the present invention is not limited to this, and can be similarly applied to other tilt observation methods and calibrators.

本発明においては対象パターンの傾斜観察像と正確な観察方向の推定値とを用いることにより,正確な観察・計測を実現することができる。また,同じチルト角の設定値であっても設定するたびに実際のチルト角がばらついてしまうといったチルト角のヒステリシス特性がある,あるいは再現性が悪いSEM装置においても,チルト角の推定,校正により正確で再現性のある観察・計測が可能となる。さらに,同じサンプルを異なるSEM装置で観測・計測しても,前記異なるSEM装置におけるチルト角の違いを推定し,前記チルト角の違いに起因する機差を補正して同様な計測結果が得られるようになる。前記計測には,例えば,ライン幅やコンタクトホール径などの寸法計測,あるいは前述した三次元プロファイル計測等が含まれ,精度の高い計測値は半導体プロセスの変動を検出する有力な手がかりとなる。さらに,逆テーパと呼ばれる表面の傾斜角が90°以上の対象パターンを計測する場合(真上から観察した場合,観測不可能な領域が存在する場合)においては,傾斜観察が特に有効であり,本発明における観察・計測方法が高精度な解析のために重要である。   In the present invention, accurate observation and measurement can be realized by using the tilt observation image of the target pattern and the accurate estimated value of the observation direction. Even in the case of an SEM device having a tilt angle hysteresis characteristic in which the actual tilt angle varies each time it is set even if the set value is the same, or with poor reproducibility, the tilt angle is estimated and calibrated. Accurate and reproducible observation and measurement are possible. Furthermore, even if the same sample is observed and measured with different SEM devices, the difference in tilt angle between the different SEM devices is estimated, and the same measurement result can be obtained by correcting the machine difference due to the difference in tilt angle. It becomes like this. The measurement includes, for example, dimension measurement such as line width and contact hole diameter, or the above-described three-dimensional profile measurement, etc., and a highly accurate measurement value is an effective clue for detecting a change in a semiconductor process. Furthermore, tilt observation is particularly effective when measuring a target pattern called a reverse taper with an inclination angle of 90 ° or more (when observed from directly above, there is an unobservable region). The observation / measurement method of the present invention is important for highly accurate analysis.

本発明を実現するためのシステムの1実施例を示す図である。1 is a diagram showing one embodiment of a system for realizing the present invention. チルト角推定のフローチャートを示す図である。It is a figure which shows the flowchart of tilt angle estimation. 半導体ウェーハ上から放出される電子の信号量を画像化する方法を示す図である。It is a figure which shows the method of imaging the signal amount of the electron discharge | released from on a semiconductor wafer. 形状既知のキャリブレータの1実施例である結晶面を利用したサンプルのバリエーションを示す図である。It is a figure which shows the variation of the sample using the crystal plane which is one Example of a calibrator with a known shape. 形状既知のキャリブレータの1実施例であるピラミッドサンプルの変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the pyramid sample which is one Example of a calibrator with a known shape. キャリブレータの観察画像とキャリブレータ画像における明度値の分布,及び線分の検出方法を示す図である。It is a figure which shows the observation method of a calibrator, the distribution of the brightness value in a calibrator image, and the detection method of a line segment. キャリブレータの配置方法のバリエーションを示す図である。It is a figure which shows the variation of the arrangement method of a calibrator. 画像の歪み補正を示す図である。It is a figure which shows distortion correction of an image. ウェーハ面,キャリブレータ,電子線の入射方向の位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship of the incident direction of a wafer surface, a calibrator, and an electron beam. チルト角推定方法の概念を示す図である。It is a figure which shows the concept of the tilt angle estimation method. チルト角推定時の画像取得シーケンスの1実施例を示す図である。It is a figure which shows one Example of the image acquisition sequence at the time of tilt angle estimation. 画像処理,SPM,合焦点位置計測を組み合わせたてキャリブレータの傾斜方向を推定する手順の1実施例を示す図である。It is a figure which shows one Example of the procedure which estimates the inclination direction of a calibrator which combined image processing, SPM, and a focus position measurement. 対象パターンとキャリブレータを撮像するシーケンスを示す図である。It is a figure which shows the sequence which images a target pattern and a calibrator. キャリブレータの撮像画像をデータベースに保存し,電子線の入射方向の推定に前記データベースの情報を参照するシーケンスを示す図である。It is a figure which shows the sequence which preserve | saves the captured image of a calibrator in a database, and refers the information of the said database for estimation of the incident direction of an electron beam. チルト角の校正方法を示す図である。It is a figure which shows the calibration method of a tilt angle. ステレオ視による高さ計測の原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of the height measurement by stereo vision. チルト角の推定結果を表示するGUIの1実施例を示す図である。It is a figure which shows one Example of GUI which displays the estimation result of a tilt angle. (a)はポール型の試料の斜視図、(b)はホール型の試料の斜視図、(c1)はポール型の試料を上方から観測した像、(c2)はホール型の試料を上方から観測した像、(d)はホール1807とピラミッド型のキャリブレータ1808の断面図である。(A) is a perspective view of a pole type sample, (b) is a perspective view of a hole type sample, (c1) is an image of a pole type sample observed from above, and (c2) is a hole type sample from above. The observed image, (d), is a cross-sectional view of the hole 1807 and the pyramidal calibrator 1808. 半導体パターンの寸法計測値の補正方法を示す図である。It is a figure which shows the correction method of the dimension measurement value of a semiconductor pattern.

符号の説明Explanation of symbols

1301…半導体ウェーハ 1302…電子光学系 1303…電子銃 1304…一次電子 1305…コンデンサレンズ 1306…偏向器 1307…ExB偏向器 1308…対物レンズ1309…二次電子検出器 1310、1311…反射電子検出器 1312〜1314…A/D変換器
1315…処理・制御部 1316…GUI画面 1317…ステージ
1319…キャリブレーション試料 1320…ステージコントローラ 1321…偏向制御部13151…画像メモリ 13152…CPU 101…凹ピラミッド型の試料
102…凸ピラミッド型の試料 103…山型の試料
104…ライン・アンド・スペース型の試料 701…ステージ 702…半導体ウェーハ
703…ホルダ 710、711…ピラミッド型の試料
712…山型あるいはライン・アンド・スペース型の試料
1301 ... Semiconductor wafer 1302 ... Electro-optic system 1303 ... Electron gun 1304 ... Primary electron 1305 ... Condenser lens 1306 ... Deflector 1307 ... ExB deflector 1308 ... Objective lens 1309 ... Secondary electron detector 1310, 1311 ... Reflected electron detector 1312 ~ 1314 ... A / D converter
1315 ... Processing / control unit 1316 ... GUI screen 1317 ... Stage
1319 ... Calibration sample 1320 ... Stage controller 1321 ... Deflection control unit 13151 ... Image memory 13152 ... CPU 101 ... Concave pyramid type sample
102 ... Convex pyramid sample 103 ... Mountain sample
104 ... Line and space type sample 701 ... Stage 702 ... Semiconductor wafer
703 ... Holder 710, 711 ... Pyramid type sample
712 ... Mountain type or line and space type sample

Claims (20)

集束させた電子ビームを試料に照射して走査し、該照射による前記試料から発生する2
次電子又は反射電子を検出して得られるSEM画像を用いて前記試料を観察する方法であ
って、
形状が既知のパターンが形成されたキャリブレーション基板の表面に斜め方向から集束
させた電子ビームを照射して走査することにより前記形状が既知のパターンが形成された
キャリブレーション基板の表面のSEM画像を取得し、
前記形状が既知のパターンの該形状の情報と前記取得したSEM画像の情報とを用いて
前記電子ビームを照射した斜め方向の角度を求め、
該求めた斜め方向の角度が所望の角度になるように調整し、
パターンが形成された試料基板を前記調整した所望の斜め方向の角度から前記電子ビー
ムを照射して前記試料基板のSEM画像を取得し、
前記所望の角度の情報を用いて前記試料基板のSEM画像を処理することにより前記試
料基板上のパターンの3次元画像または前記パターンの断面形状を求める
ことを特徴とする試料の観察方法。
The sample is irradiated with a focused electron beam and scanned, and generated from the sample by the irradiation 2
A method of observing the sample using an SEM image obtained by detecting secondary electrons or reflected electrons,
An SEM image of the surface of the calibration substrate on which the pattern having the known shape is formed by irradiating and scanning the surface of the calibration substrate on which the pattern having the known shape is formed by irradiating and scanning an electron beam focused from an oblique direction. Acquired,
Using the information of the shape of the pattern whose shape is known and the information of the acquired SEM image, obtain the angle of the oblique direction irradiated with the electron beam,
Adjust so that the obtained angle in the oblique direction becomes a desired angle,
A sample substrate on which a pattern is formed is irradiated with the electron beam from the adjusted angle in the desired oblique direction to obtain an SEM image of the sample substrate,
A method for observing a sample, characterized in that a three-dimensional image of a pattern on the sample substrate or a cross-sectional shape of the pattern is obtained by processing an SEM image of the sample substrate using information on the desired angle.
集束させた電子ビームを試料に照射して走査し、該照射による前記試料から発生する2
次電子又は反射電子を検出して得られるSEM画像を用いて前記試料を観察する方法であ
って、
形状が既知のパターンが形成されたキャリブレーション基板の表面に集束させた電子ビ
ームを斜め方向から照射して走査することにより前記形状が既知のパターンが形成された
キャリブレーション基板の表面のSEM画像を取得し、
前記形状が既知のパターンの該形状の情報と前記取得したSEM画像の情報とを用いて
前記電子ビームを照射した斜め方向の角度を求め、
パターンが形成された試料基板に前記求めた斜め方向の角度から前記電子ビームを照射
して前記試料基板のSEM画像を取得し、
前記形状が既知のパターンのSEM画像から求めた角度の情報を用いて前記試料基板の
SEM画像を処理することにより前記試料基板上のパターンの3次元画像または前記パタ
ーンの断面形状を求める
ことを特徴とする試料の観察方法。
The sample is irradiated with a focused electron beam and scanned, and generated from the sample by the irradiation 2
A method of observing the sample using an SEM image obtained by detecting secondary electrons or reflected electrons,
An SEM image of the surface of the calibration substrate on which the pattern having a known shape is formed by irradiating and scanning an electron beam focused on the surface of the calibration substrate on which the pattern having a known shape is formed, from an oblique direction. Acquired,
Using the information of the shape of the pattern whose shape is known and the information of the acquired SEM image, obtain the angle of the oblique direction irradiated with the electron beam,
SEM image of the sample substrate is obtained by irradiating the electron beam from the obtained oblique direction angle to the sample substrate on which the pattern is formed,
A three-dimensional image of the pattern on the sample substrate or a cross-sectional shape of the pattern is obtained by processing the SEM image of the sample substrate using information on the angle obtained from the SEM image of the pattern whose shape is known. The sample observation method.
前記キャリブレーション基板の表面に集束させた電子ビームを斜め方向から照射するこ
とを、前記電子ビームをチルトさせることにより行うことを特徴とする請求項1又は2に記載の試料の観察方法。
3. The sample observation method according to claim 1, wherein the electron beam focused on the surface of the calibration substrate is irradiated from an oblique direction by tilting the electron beam.
前記キャリブレーション基板の表面に集束させた電子ビームを斜め方向から照射するこ
とを、前記キャリブレーション基板をチルトさせることにより行うことを特徴とする請求
項1又は2に記載の試料の観察方法。
3. The sample observation method according to claim 1, wherein the irradiation of the electron beam focused on the surface of the calibration substrate from an oblique direction is performed by tilting the calibration substrate.
前記キャリブレーション基板の表面に集束させた電子ビームを斜め方向から照射するこ
とを、前記電子ビームをチルトさせることにより行い、前記取得した試料基板のSEM画
像を、前記キャリブレーション基板を前記ビームチルトと同じ角度チルトさせたときに得
られる画像に変換して画面上に表示することを特徴とする請求項1又は2に記載の試料の観察方法。
Irradiating the electron beam focused on the surface of the calibration substrate from an oblique direction is performed by tilting the electron beam, and an SEM image of the acquired sample substrate is expressed as the beam tilt with the calibration substrate. 3. The sample observation method according to claim 1, wherein the sample is converted into an image obtained when tilted at the same angle and displayed on a screen.
パターンが形成された試料基板の表面に集束させた電子ビームを斜め方向から照射して
走査することにより前記試料基板から発生する2次電子又は反射電子を検出して前記パタ
ーンのSEM画像を取得するステップと、該SEM画像を取得するステップで取得したパ
ターンのSEM画像を処理することにより前記パターンの3次元画像または前記試料基板
上のパターンの断面形状を求めるステップとを備えた試料を観察する方法であって、前記
パターンのSEM画像を取得するステップにおいて、形状が既知のパターンが形成された
基板の表面に前記集束させた電子ビームを斜め方向から照射し走査して得られた前記形状
が既知のパターンのSEM画像を処理することにより求められた情報を用いて前記形状が
既知のパターンに照射する電子ビームの斜め方向の角度が所望の角度になるように前記電
子ビーム又は前記形状が既知のパターンが形成された基板を調整し、該照射する電子ビー
ムの斜め方向の角度が所望の角度になるように調整した状態で前記試料基板の表面に電子
ビームを照射してパターンのSEM画像を取得し、前記パターンの断面形状を求めるステ
ップにおいて、前記調整した所望の角度の情報を用いて前記パターンのSEM画像を処理
することことを特徴とする試料の観察方法。
An electron beam focused on the surface of the sample substrate on which the pattern is formed is irradiated and scanned from an oblique direction to detect secondary electrons or reflected electrons generated from the sample substrate and acquire an SEM image of the pattern. A method for observing a sample, comprising: a step; and obtaining a three-dimensional image of the pattern or a cross-sectional shape of the pattern on the sample substrate by processing the SEM image of the pattern acquired in the step of acquiring the SEM image In the step of acquiring an SEM image of the pattern, the shape obtained by irradiating and scanning the focused electron beam from an oblique direction onto the surface of the substrate on which the pattern having a known shape is formed is known. Electrons that irradiate a pattern with a known shape using information obtained by processing an SEM image of the pattern The substrate on which the electron beam or the pattern having the known shape is formed is adjusted so that the angle in the oblique direction of the beam becomes a desired angle, and the angle in the oblique direction of the irradiated electron beam becomes the desired angle. In the step of obtaining an SEM image of the pattern by irradiating the surface of the sample substrate with the adjusted state and obtaining the cross-sectional shape of the pattern, the information of the desired angle of the pattern is used in the step of obtaining the sectional shape of the pattern. A method for observing a sample, comprising processing an SEM image.
パターンが形成された試料基板の表面に集束させた電子ビームを斜め方向から照射して
走査することにより前記試料基板から発生する2次電子又は反射電子を検出して前記パタ
ーンのSEM画像を取得するステップと、該SEM画像を取得するステップで取得したパ
ターンのSEM画像を処理することにより前記パターンの3次元画像または前記試料基板
上のパターンの断面形状を求めるステップとを備えた試料を観察する方法であって、前記
パターンの断面形状を求めるステップにおいて、形状が既知のパターンが形成された基板
の表面に前記集束させた電子ビームを斜め方向から照射し走査して得られた前記形状が既
知のパターンのSEM画像を処理することにより求められた前記電子ビームを照射した斜
め方向の角度の情報を用いて前記SEM画像を取得するステップで取得した試料基板のパ
ターンのSEM画像を処理することにより前記試料基板のパターンの3次元画像または前
記パターンの断面形状を求めることを特徴とする試料の観察方法。
An electron beam focused on the surface of the sample substrate on which the pattern is formed is irradiated and scanned from an oblique direction to detect secondary electrons or reflected electrons generated from the sample substrate and acquire an SEM image of the pattern. A method for observing a sample, comprising: a step; and obtaining a three-dimensional image of the pattern or a cross-sectional shape of the pattern on the sample substrate by processing the SEM image of the pattern acquired in the step of acquiring the SEM image In the step of obtaining the cross-sectional shape of the pattern, the shape obtained by irradiating and scanning the focused electron beam from an oblique direction onto the surface of the substrate on which the pattern having a known shape is formed is known. Using the information on the angle of the oblique direction irradiated with the electron beam obtained by processing the SEM image of the pattern, The method of observing a sample and obtains the cross-sectional shape of the three-dimensional image or the pattern of the pattern of the sample substrate by treating the pattern SEM image of the obtained sample substrate in the step of obtaining the SEM image.
前記形状が既知のパターンが形成された基板の表面に集束させた電子ビームを斜め方向
から照射することを、前記電子ビームをチルトさせることにより行うことを特徴とする請
求項6又は7に記載の試料の観察方法。
8. The electron beam focused on the surface of the substrate on which the pattern having a known shape is formed is obliquely applied by tilting the electron beam. Sample observation method.
前記形状が既知のパターンが形成された基板の表面に集束させた電子ビームを斜め方向
から照射することを、前記形状が既知のパターンが形成された基板をチルトさせることに
より行うことを特徴とする請求項6又は7に記載の試料の観察方法。
The electron beam focused on the surface of the substrate on which the pattern with the known shape is formed is irradiated from an oblique direction by tilting the substrate on which the pattern with the known shape is formed. The sample observation method according to claim 6 or 7.
前記形状が既知のパターンが形成された基板の表面に集束させた電子ビームを斜め方向
から照射することを、前記電子ビームをチルトさせることにより行い、前記取得した試料
基板のSEM画像を、前記形状が既知のパターンが形成された基板を前記ビームチルトと
同じ角度チルトさせたときに得られる画像に変換して画面上に表示することを特徴とする
請求項6又は7に記載の試料の観察方法。
The electron beam focused on the surface of the substrate on which the pattern having a known shape is formed is irradiated by tilting the electron beam, and an SEM image of the acquired sample substrate is obtained by the shape. A method for observing a sample according to claim 6 or 7, wherein a substrate on which a known pattern is formed is converted into an image obtained when the substrate is tilted at the same angle as the beam tilt and displayed on a screen. .
前記形状が既知のパターンは、材料をエッチングして露出させた結晶面をもつパターン
であることを特徴とする請求項1、2、6又は7の何れかに記載の試料の観察方
法。
8. The sample observation method according to claim 1, wherein the pattern having a known shape is a pattern having a crystal plane exposed by etching a material.
前記形状が既知のパターンは、シリコン(Si)をエッチングして露出させた(111)
面又は該(111)面と等価な方向の面を露出させて形成したパターンであることを特徴
とする請求項1、2、6又は7の何れかに記載の試料の観察方法。
The pattern having a known shape was exposed by etching silicon (Si) (111).
8. The sample observation method according to claim 1, wherein the sample is a pattern formed by exposing a surface or a surface in a direction equivalent to the (111) surface.
前記形状が既知のパターンは、凹型の四角錐形状のパターンであって、該四角錐の各面
の傾斜角度が既知であることを特徴とする請求項1、2、6又は7の何れかに記載の試料
の観察方法。
The pattern having a known shape is a concave quadrangular pyramid-shaped pattern, and an inclination angle of each surface of the quadrangular pyramid is known. The observation method of the sample of description.
前記形状が既知のパターンは、該パターンの形状が計測されてシリコン(Si)をエッチ
ングして露出させた(111)面又は該(111)面と等価な方向の面を露出させて形成
したパターンであることを特徴とする請求項1、2、6又は7の何れかに記載の試料の観
察方法。
The pattern having the known shape is a pattern formed by exposing the (111) plane exposed by etching the silicon (Si) or the equivalent direction to the (111) plane after measuring the shape of the pattern. The method for observing a sample according to any one of claims 1, 2, 6 and 7.
前記形状が既知のパターンは、山型のパターンであって、該山型の各面の傾斜角度が既
知であることを特徴とする請求項1、2、6又は7の何れかに記載の試料の観察方法。
8. The sample according to claim 1, wherein the pattern having a known shape is a mountain-shaped pattern, and an inclination angle of each surface of the mountain-shaped is known. Observation method.
前記形状が既知のパターンを、前記試料基板を載置したテーブル上で前記試料基板の近
傍に載置することを特徴とする請求項1、2、6又は7の何れかに記載の試料の観察方法。
The sample observation according to claim 1, wherein the pattern having a known shape is placed in the vicinity of the sample substrate on a table on which the sample substrate is placed. Method.
SEM画像を用いて試料を観察する装置であって、
試料を載置して所望のチルト角度に設定可能なテーブル手段と、
集束させた電子ビームを前記テーブル手段に載置した試料に照射して走査し、該照射に
よる前記試料から発生する2次電子又は反射電子を検出して得られるSEM画像を取得す
るSEM画像取得手段と、
該SEM画像取得手段で取得した画像を処理して画面上に表示する画像表示手段と、
前記SEM画像取得手段を制御する制御手段と、
前記SEM画像取得手段で取得した形状が既知のパターンが形成された基板のSEM画
像から該形状が既知のパターンが形成された基板に入射した前記集束させた電子ビームの
入射角度を求める演算手段とを備え、
前記画像表示手段は、前記演算手段で求めた前記集束させた電子ビームの入射角度の情報
に基づいて前記SEM画像取得手段で取得した試料のSEM画像を処理することにより前
記試料の立体形状又は断面形状を求め、該求めた前記試料の立体形状又は断面形状の情報
を画面上に表示することを特徴とする観察装置。
An apparatus for observing a sample using an SEM image,
Table means on which a sample can be placed and set to a desired tilt angle;
SEM image acquisition means for acquiring a SEM image obtained by irradiating and scanning a focused electron beam onto a sample placed on the table means and detecting secondary electrons or reflected electrons generated from the sample by the irradiation. When,
Image display means for processing the image acquired by the SEM image acquisition means and displaying it on a screen;
Control means for controlling the SEM image acquisition means;
Calculating means for obtaining an incident angle of the focused electron beam incident on the substrate on which the pattern having the known shape is formed from the SEM image of the substrate on which the pattern having the known shape acquired by the SEM image acquiring means is formed; With
The image display means processes the SEM image of the sample acquired by the SEM image acquisition means based on the information on the incident angle of the focused electron beam obtained by the calculation means, thereby obtaining a three-dimensional shape or a cross section of the sample. An observation apparatus characterized in that a shape is obtained and information on the obtained three-dimensional shape or cross-sectional shape of the sample is displayed on a screen.
前記制御手段は、前記SEM画像取得手段を制御して、前記テーブル手段のチルト角度
を所望の角度に設定することを特徴とする請求項17に記載の観察装置。
The observation apparatus according to claim 17, wherein the control means controls the SEM image acquisition means to set a tilt angle of the table means to a desired angle.
前記制御手段は、前記SEM画像取得手段を制御して、前記試料に照射する前記集束さ
せた電子ビームのチルト角度を所望の角度に設定することを特徴とする請求項17に記載
の観察装置。
18. The observation apparatus according to claim 17, wherein the control unit controls the SEM image acquisition unit to set a tilt angle of the focused electron beam that irradiates the sample to a desired angle.
前記画像表示手段は、前記SEM画像取得手段で前記集束させた電子ビームのチルト角
度を所望の角度に設定して取得した前記試料のSEM画像を、前記形状が既知のパターン
が形成された基板を前記電子ビームをチルトしたときと同じ角度チルトさせたときに得ら
れる画像に変換して画面上に表示することを特徴とする請求項17に記載の試料の観察装
置。

The image display means sets the SEM image of the sample acquired by setting the tilt angle of the electron beam focused by the SEM image acquisition means to a desired angle, and the substrate on which the pattern having a known shape is formed. 18. The sample observation apparatus according to claim 17, wherein the sample observation apparatus converts the image into an image obtained when the electron beam is tilted at the same angle as that when the electron beam is tilted and displays the image on a screen.

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