JP2013101797A - 荷電粒子線装置、及び荷電粒子線のランディング角度の計測補正方法 - Google Patents

荷電粒子線装置、及び荷電粒子線のランディング角度の計測補正方法 Download PDF

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Abstract

【課題】スキャン歪や荷電粒子線のランディング角度のばらつきに起因する測長値器差を低減し、荷電粒子線の絶対的な傾斜角度を高精度に測定する。
【解決手段】試料面上に形成されたピラミッドパターン９０のＳＥＭ画像の撮像する際に、スキャン方向及び／又は試料５の搭載向きを、正および逆向きに変えた像を取得し、それぞれの結果を画像間で平均化することにより荷電粒子線の傾斜角度を高精度に測定する。これによりスキャン歪の影響や荷電粒子線のランディング角度のばらつきに起因する測長値器差を低減する。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体装置の回路パターン等の微少な寸法を計測する荷電粒子線装置、及び荷電粒子線のランディング角度の計測補正方法に関する。
近年の半導体装置の回路パターンの微小化に伴い、そのパターン寸法を計測する半導体測長装置に求められる計測精度も高まってきている。とりわけ、計測装置間での測長値器差の精度は、年々その要求が厳しくなってきている。
半導体測長装置では、集束させた電子線（電子ビーム）を観察・計測対象の試料に照射して試料面上で２次元的に走査し、その際に試料から発生する２次電子を検出して得られたＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査電子顕微鏡）画像上でパターン寸法の計測箇所を指定することにより、そのパターン寸法を該当部分の検出信号波形を用いてＳＥＭ画像の倍率を基に算出して測定する構成になっている。
ところで、半導体測長装置のようなＳＥＭ画像すなわち荷電粒子線像を取得する荷電粒子線装置にあっては、画像取得の際、試料に対して荷電粒子線としての電子線が斜めに入射すると、それにより得られる試料の荷電粒子線像は、その際の試料に対する荷電粒子線の入射角度、すなわち荷電粒子線のランディング角度に応じて変化する。この場合、荷電粒子線のランディング角度は、試料の法線と荷電粒子線のビーム光軸とのなす角度を示す。
したがって、半導体測長装置を用いた寸法計測では、上述したようにＳＥＭ画像を基に計測するため、同じ試料の、同じパターンの寸法計測であっても、試料に対する電子線の入射角度の違いによってそのＳＥＭ画像自体が変化してしまい、パターン寸法の測定値も変化してしまう。そこで、半導体測長装置では、通常、電子線を故意に偏向していない状態では、ＳＥＭ画像の取得に当たって、パターンが形成された試料面に対して電子線が垂直に入射するように設計されている。
しかしながら、半導体測長装置を含む荷電粒子線装置においては、荷電粒子線を偏向，収束する荷電粒子光学系の光軸とこの荷電粒子光学系により偏向された荷電粒子線のビーム光軸とのなす角度で規定される荷電粒子線の傾斜角度について、０.１°以下の微小な傾斜角度を測定する術がなかった。このため、前述した電子線を故意に偏向していない状態であっても、電子線を偏向，収束する電子光学系の光軸方向に沿って、電子線が試料面に対して垂直に照射されているか否かについては、実際には確認できていない。これにより、各装置では、電子線すなわち荷電粒子線を偏向していない状態でも、荷電粒子線には電子光学系すなわち荷電粒子光学系の光軸に対して微小な傾斜が発生しており、さらにこの傾斜量は装置間で異なることから、この微小な傾斜による測長値器差が発生している。
その一方で、従来、電子線すなわち荷電粒子線の傾斜角度を計測補正する手法としては、特許文献１に記載されているように、形状既知の多面体構造物、例えば形状既知のピラミッドパターンが形成された試料をキャリブレーションサンプルとして用い、そのキャリブレーションパターンとしてのピラミッドパターンのＳＥＭ画像を取得し、このＳＥＭ画像上でのピラミッドパターンの幾何学的な変形を基に、このＳＥＭ画像を取得した際における試料に対する荷電粒子線の入射角度、すなわち荷電粒子線のランディング角度を推定し、この推定したランディング角度を基に、試料に対するランディング角度それぞれに対応した荷電粒子線の傾斜角度を補正する手法がある。
図９は、キャリブレーションパターンの一実施例としてのピラミッドパターンの説明図である。図９（ａ）は、ピラミッドパターンの３次元形状の模式図を、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示したピラミッドパターンが形成された試料のピラミッドパターン部分のＳＥＭ画像をそれぞれ示す。
図９（ａ）において、ピラミッドパターン９０は、シリコン（Ｓｉ）ウェーハを結晶異方性エッチングして露出させた(１１１)面と、この(１１１)面と等価な結晶面方向を有する３つの面とを備えた四角錐形状の凹部パターンで形成されている。そのため、ピラミッドパターン９０の各面同士がなす角は既知となる。図中、Ｐ０〜Ｐ４は、ピラミッドの各頂点を表わし、頂点Ｐ０はピラミッドパターン９０の底頂部に該当し、頂点Ｐ１〜Ｐ４はピラミッドパターン９０の開口部における各角部に該当する。ピラミッドパターン９０の各面Ｐ０Ｐ１Ｐ２，Ｐ０Ｐ２Ｐ４，Ｐ０Ｐ４Ｐ３，Ｐ０Ｐ３Ｐ１は、ウェーハ面としてのシリコンの(１００)面に対しての傾斜角がそれぞれｔａｎ−１(√２)≒５４．７４°になっている。
なお、キャリブレーションパターンとしてのピラミッドパターン９０は、四角錐形状の凹部パターンではなく四角錐形状の凸部パターンであってもよく、さらには多面体構造物のパターン形状自体も図示の四角錐形状（ピラミッド形状）に限られるものではなく、例えば角錐台形状、等であってもよい。
図９（ｂ）に示すように、図９（ａ）に示したピラミッドパターン９０のトップダウンＳＥＭ画像（図示の例では、ピラミッドパターン９０が形成されたウェーハ面を垂直上方から観測したＳＥＭ画像）９００では、検出信号の値変化に基づき、ピラミッドパターン９０の４つの谷線は、頂点Ｐ０とその余の頂点Ｐ１〜Ｐ４とを結ぶ直線Ｐ０Ｐ１，Ｐ０Ｐ２，Ｐ０Ｐ３，Ｐ０Ｐ４で、ピラミッドパターン９０の開口部はピラミッドパターン９０の各面Ｐ０Ｐ１Ｐ２，Ｐ０Ｐ２Ｐ４，Ｐ０Ｐ４Ｐ３，Ｐ０Ｐ３Ｐ１とウェーハ面との交線、すなわち線分Ｐ１Ｐ２，Ｐ２Ｐ４，Ｐ４Ｐ３，Ｐ３Ｐ１で現れる。
そこで、特許文献１には、この形状既知のピラミッドパターンが形成された試料を予め設定した所望の観察方向から観察することによって取得したＳＥＭ画像上でのピラミッドパターンの幾何学的な変形を基に、その際における試料に対しての電子線の入射角度を推定し、この推定した入射角度が設定した所望の観察方向に該当する設定値になるように、例えば電子線の偏向を調整する等して、電子線の傾斜角度を試料の観察方向に合わせる方法が記載されている。
また、特許文献２には、特許文献１に記載の手法を用いて、形状既知の多面体パターンが形成された試料の多面体パターン部分のＳＥＭ画像を取得し、そのＳＥＭ画像上での多面体パターンの幾何学的な変形を基に、試料に対する電子線の入射角度を推定するとともに、別装置でも、この推定に用いた同じ試料を用いてその多面体パターン部分のＳＥＭ画像を取得し、そのＳＥＭ画像上での多面体パターンの幾何学的な変形を基に、試料に対する電子線の入射角度を推定することにより、装置間で試料に対する電子線の入射角度を一致させるようにそれぞれの電子線の傾斜角度を対応付けることにより、装置間での電子線の傾斜角度の違いによる測長値器差を補正する方法が記載されている。
特開２００５−１８３３６９ 特開２００７−１８７５３８
しかしながら、上述した特許文献１，２に記載されている方法による電子線の傾斜角度の計測、及び装置間の電子線の傾斜角度の違いによる測長値器差の補正では、次に述べる２つの問題がそれぞれの実用を依然と困難にしている。
まず、第１の問題として、ＳＥＭ画像の取得のための試料面上での電子線の２次元的な走査にあって、前述した装置間の電子線の傾斜角度の違いによる測長値器差の問題とは別に、電子線の傾斜角度を２次元平面内で連続変化させることにより取得した２次電子の検出信号自体の中にスキャン歪が内包されてしまっているという問題がある。なお、ここでのスキャン歪は、電子線を走査するためのスキャン信号が受ける外乱やスキャン信号自体の応答速度の変化等から、試料の取得したＳＥＭ画像が歪んでしまう現象を指す。
図１０は、スキャン歪を生じさせるスキャン信号の例の説明図である。
図１０（ａ）は、スキャン歪を生じさせない本来のスキャン信号の例を示し、図１０（ｂ），（ｃ）は、外乱や信号自体の応答速度の変化等からスキャン歪を生じさせてしまうスキャン信号の例を示す。
例えば、図１０（ｂ）に示したスキャン信号は、図１０（ａ）に示したようなスキャン信号の値の大きさＶと時間ｔとの関係からなる本来のスキャン信号に対して、スキャン始点を含むスキャン前半側では電子線のスキャン速度が遅くなり、スキャン終点を含むスキャン後半側では電子線のスキャン速度が速くなる信号変化が起きるスキャン信号の一例を示したものである。また、図１０（ｃ）に示したスキャン信号は、本来のスキャン信号に対して、スキャン始点を含むスキャン前半側では電子線のスキャン速度が速くなり、スキャン終点を含むスキャン後半側では電子線のスキャン速度が遅くなる信号変化が起きているスキャン信号の一例を示したものである。
極端な例として、図１０（ｂ），（ｃ）に示したようなスキャン信号により試料のＳＥＭ画像を取得した場合、その取得したＳＥＭ画像にはスキャン歪が生じ、本来の形状が正方形状のパターンがこのスキャン歪により台形に見えたりする。このスキャン歪については、装置内である程度の補正を行ってはいるものの、その全てをキャンセルすることはできない。そのため、装置で取得したピラミッドパターンのＳＥＭ画像には、装置自体による多少のスキャン歪が含まれているので、このスキャン歪を含んでいるＳＥＭ画像上でのピラミッドパターンの幾何学的な変形を基に、このＳＥＭ画像を取得した際における試料に対する電子線の入射角度すなわちランディング角度を推定し、この推定した電子線のランディング角度に対応させて電子線の傾斜角度を推定して求めても、その計測結果には誤差が発生していることになる。
次に、第２の問題として、このスキャン歪の影響の大きさは装置毎で異なるため、装置間のキャリブレーション（較正）が難しいという問題がある。例えば、特許文献１でキャリブレーションサンプルとして使用している、図９に示した形状既知のピラミッドパターン９０は、シリコンウェーハの結晶方位面（(１００)面）に対して垂直に形成されるが、このシリコンウェーハの結晶方位面（(１００)面）自体は、ウェーハ面に対して必ずしも並行ではない。これは、シリコンのインゴットからウェーハを切り出す際に、ウェーハ面と結晶方位面（(１００)面）とが多少ずれてしまうためである。通常、このずれ量は０．２°以下となっているが、その大きさは０．０５°以下の精度で電子線の傾斜角度を計測する半導体測長装置にとっては大き過ぎる値である。
したがって、ピラミッドパターン９０を用いて装置の電子線の試料に対する入射角度すなわち電子線のランディング角度を測定すると、実際には、電子線の傾斜角度と、このピラミッドパターン９０が形成されたウェーハ面自体の傾斜角度とを合わせたものが、測定結果となる。すなわち、使用するキャリブレーションサンプルの違いによって、電子線の傾斜角度の計測結果が異なることになる。
この結果、特許文献１に記載の方法では、上述したスキャン歪の影響やキャリブレーションサンプルのウェーハ面の結晶方位面とのずれの影響により、電子線の傾斜角度のみを計測することはできず、試料に対する相対角度のみの計測となる。
これでは、特許文献２のように、装置間のキャリブレーションを行っても、装置毎のスキャン歪の影響が異なるので、ある傾斜角度で合わせこむことしかできない。さらに、キャリブレーションサンプルのウェーハ面の結晶方位面とのずれは試料毎に異なるので、各装置とも同じキャリブレーションサンプルを用いて計測しなくてはならず、１つのキャリブレーションサンプルを装置間でキャリブレータとして持ち回りしなければならない。
本発明は、上述した問題点を鑑み、半導体装置の回路パターン等の微少な寸法を計測する荷電粒子線装置に係り、スキャン歪や荷電粒子線のランディング角度のばらつきに起因する測長値器差を低減し、荷電粒子線の絶対的な傾斜角度を高精度に測定することできるとともに、装置間のキャリブレーションにおける作業性の向上をはかった荷電粒子線装置、及び荷電粒子線のランディング角度の計測補正方法を提供することを目的とする。
本発明は、試料面上に形成された、形状が既知の多面体構造物の荷電粒子線画像を撮像し、その取得した荷電粒子線画像上の多面体構造物の幾何学的な変形を基に、この荷電粒子線画像を取得した際における試料に対する荷電粒子線のランディング角度を推定し、この推定した荷電粒子線のランディング角度を基に、荷電粒子線のランディング角度それぞれに対応した荷電粒子線の傾斜角度を推定する荷電粒子線装置、又は荷電粒子線のランディング角度の計測補正方法であって、
（１） 試料面上に形成された、形状が既知の多面体構造物の荷電粒子線画像を撮像する際に、スキャン方向を相互に反対向きに変えた多面体構造物の荷電粒子線画像を取得し、これらスキャン方向が相互に反対向きの多面体構造物の荷電粒子線画像それぞれの画像の結果をこれら画像間で平均化することにより、スキャン歪の影響や荷電粒子線のランディング角度のばらつきに起因する測長値器差を低減し、この平均化した画像結果を基に荷電粒子線の傾斜角度を高精度に測定すること、
（２） 試料面上に形成された、形状が既知の多面体構造物の荷電粒子線画像を撮像する際に、試料の搭載向きを相互に反対向きに変えてロードし、ロード方向を相互に反対向きに変えた多面体構造物の荷電粒子線画像を取得し、これらロード方向が相互に反対向きの多面体構造物の荷電粒子線画像それぞれの画像の結果をこれら画像間で平均化することにより、スキャン歪の影響や荷電粒子線のランディング角度のばらつきに起因する測長値器差を低減し、この平均化した画像結果を基に荷電粒子線の傾斜角度を高精度に測定すること、
を特徴する。
本発明によれば、スキャン歪の影響を抑制し、キャリブレーションパターンとしての形状が既知の多面体構造物が形成された試料面自体の傾斜をキャンセルすることができるので、試料面に対する荷電粒子線のランディング角度を荷電粒子線の絶対的な傾斜角度によって高精度に計測することが可能となり、スキャン歪や荷電粒子線のランディング角度のばらつきに起因する測長値器差を低減させることができる。
本発明の荷電粒子線装置の一実施の形態としての、測長機能を備えた走査電子顕微鏡の概略構成図である。 スキャン歪の影響を模式的に示した説明図である。 イメージシフト量と電子線の傾斜角度との関係の特性図である。 キャリブレーションサンプルの観察時のパターン断面図である。 スキャン歪による測定誤差抑制処理のフローチャートである。 ランディング角度のパターン傾斜による測定誤差抑制処理のフローチャートである。 メンテナンス補正処理の一実施例のフローチャートである。 メンテナンス補正処理の別の実施例のフローチャートである。 キャリブレーションパターンの一実施例としてのピラミッドパターンの説明図である。 スキャン歪を生じさせるスキャン信号の例の説明図である。
以下、本発明に係る荷電粒子線装置及びビームランディング角度の計測補正方法の一実施の形態について、測長機能を備えた走査電子顕微鏡（測長ＳＥＭ：critical dimension SEM）を例に、図面とともに説明する。
図１は、本発明の荷電粒子線装置の一実施の形態としての、測長機能を備えた走査電子顕微鏡の概略構成図である。
走査電子顕微鏡１は、装置筺体２に、電子銃１０と、電子光学系２０と、試料室３０と、二次電子検出器４０とを備え、これら各部を処理装置５０により制御する構成になっている。
電子銃１０は、荷電粒子線銃として、荷電粒子の一種である電子を発生し、荷電粒子線としての電子線３を放出する。電子光学系２０は、荷電粒子光学系として、集束レンズ２１，対物レンズ２２，偏向器２３を含む。電子銃１０から放出される電子線３は、電子光学系２０の集束レンズ２１，対物レンズ２２によって集束され、偏向器２３によって偏向されて、試料室３０内に配置された試料面上に照射される。
試料室３０には、電子線３が照射される観察・計測対象の試料が収容される。この観察・計測対象の試料の中には、図９に示したキャリブレーションサンプルとしての試料５も含まれる。試料室３０には、試料５を含む観察・計測対象の試料が搭載されるステージ３１が設けられ、ステージ３１には、ステージ機構３２が付設されている。ステージ機構３２は、ステージ移動機構として、ステージ３１の位置を試料室３０内で移動変位させ、試料面上における電子線３の照射位置や観察視野を移動させることができる。また、本実施の形態では、ステージ機構３２は、ステージ回動機構として、ステージ３１の向きを試料室３０内で回動し、ステージ３１に搭載されている試料の向きを逆向きも含め、試料を回転して変えることができる。なお、図１においては、ステージ３１には図９に示したキャリブレーションサンプルとしての試料５が搭載されている状態が示されている。
電子線３の照射によって試料から放出される荷電粒子の二次電子７は、荷電粒子検出器としての二次電子検出器４０によって輝度信号で検出される。検出信号は、二次電子検出器４０から処理装置５０に供給され、この検出信号を基に、処理装置５０によって試料面上における電子線３の照射領域のＳＥＭ画像が生成される。
処理装置５０は、例えばコンピュータ装置等によって構成され、装置各部と接続されている一方、ユーザーインターフェースとしての入出力装置６０とも接続されている。入出力装置６０は、表示機器としてのディスプレイ６１と、マウス，キーボード等といった操作機器６２とを含む。
処理装置５０は、上述したＳＥＭ画像の取得をはじめとする各処理を走査電子顕微鏡１に行わせるため、その各部を制御する。
例えば、処理装置５０は、測定倍率の調整やフォーカス調整を行うため、電子光学系２０の集束レンズ２１や対物レンズ２２を制御する。また、試料５を含めた観察・計測対象の試料に対する電子線３の入射角度、すなわちランディング角度が予め設定された観察方向に該当する設定値となるように、偏向器２３を制御して電子線３の偏向いわゆるビームチルトを行う。
その一方で、処理装置５０は、試料上での電子線３の照射位置や観察視野を移動させるため、ステージ機構３２を制御して、ステージ３１を試料室３０内で２次元的又は３次元的に移動させる。また、処理装置５０は、このステージ機構３２によるステージ移動を行わずに、電子線３の照射位置や観察視野を試料上での観測点に対して正確に移動させるため、電子線３の試料上での照射位置（走査位置）を偏向器２３によって変えるイメージシフトも行う。
処理装置５０は、このような試料に対する電子線３の照射走査に対応して二次電子検出器４０から供給される検出信号を基に、試料上における電子線３の照射領域のＳＥＭ画像を生成し、この生成したＳＥＭ画像データやその生成に用いた前述した測定倍率等の観察条件データ，検出信号データ等を、その観察した試料と対応付けて記憶部５１に保存・蓄積したり、入出力装置６０のディスプレイ６１に表示出力したりする。
加えて、処理装置５０は、入出力装置６０の操作機器６２及びディスプレイ６１を用いて、ＳＥＭ画像上でパターン寸法の計測箇所が指定されると、このＳＥＭ画像の該当部分の検出信号データ等を用いてＳＥＭ画像の倍率データを基に計測箇所のパターン寸法を算出して測定し、この測定寸法データや計測箇所の指定データ等をこのＳＥＭ画像や観察した試料に対応付けてその記憶部５１に保存・蓄積したり、入出力装置６０のディスプレイ６１に表示出力したりする。
さらに、本実施の形態に係る走査電子顕微鏡１では、処理装置５０は、特許文献１に記載されている電子線３のランディング角度の計測補正処理を行うために、電子線３のランディング角度計測部，ランディング角度補正部として機能する。
すなわち、処理装置５０は、図９に示したような形状既知のピラミッドパターン９０が形成された試料５を用い、電子線３のランディング角度の計測補正処理の実行が指示されたときは、まず、電子線３のランディング角度計測部として、設定された所望の観察方向に電子線３をビームチルトして試料５のピラミッドパターン９０部分をイメージシフトで観察することにより、そのＳＥＭ画像を取得する。そして、このＳＥＭ画像上でのピラミッドパターン９０の幾何学的な変形を基に、その際における試料５に対する電子線３のランディング角度を推定する。なお、この電子線３のランディング角度の計測補正処理の実行指示は、入出力装置６０の操作機器６２の操作、又は予め設定された実行条件の充足に基づき行われる。また、所望の観察方向の設定は、電子線３のランディング角度の設定により行われる。
具体的に、所望の観察方向に該当する電子線３のランディング角度が設定値として設定されると、処理装置５０は、例えば、予め記憶部５１に記憶されている電子線３のランディング角度と電子線３の傾斜角度との関係データテーブルを基に、設定値の電子線３のランディング角度に対応する電子線３の傾斜角度になるように電子線３のビームチルトを偏向器２３により行って、ピラミッドパターン９０部分のＳＥＭ画像をイメージシフトで取得する。
そして、処理装置５０は、電子線３のランディング角度の計測を、例えば、電子線３をビームチルトしていない状態（電子線３が試料５に垂直に入射される状態）でピラミッドパターン９０をイメージシフトすることにより得られるＳＥＭ画像上のピラミッドパターン９０に係る画像データと、偏向器２３によって設定値に対応して電子線３をビームチルトして取得したＳＥＭ画像上のピラミッドパターン９０に係る画像データとを用いて、この設定値に対応して取得したＳＥＭ画像上でのピラミッドパターン９０の幾何学的な変形を基に、この設定値に対応して取得したＳＥＭ画像の電子線３のランディング角度を推定する。
処理装置５０は、この設定値に対応して取得したＳＥＭ画像の電子線３のランディング角度を推定すると、電子線３のランディング角度補正部として、例えば、この設定値に対応した電子線３の傾斜角度がこの推定された電子線３のランディング角度に対応する電子線３の傾斜角度になるように、記憶部５１の関係データテーブルに記憶されている電子線３のランディング角度と電子線３の傾斜角度との対応関係を補正し、実際の電子線３のランディング角度が設定した電子線３のランディング角度になるように合わせる。
加えて、処理装置５０は、これら各種処理の設定や実行等を選択し又は指示するためのＧＵＩ（Graphical User Interface）画面を、入出力装置６０のディスプレイ６１にＯＳＤ（On-Screen Display）表示するようにもなっている。
さらに、本実施の形態に係る走査電子顕微鏡１では、処理装置５０が、電子線３のランディング角度計測部，ランディング角度補正部として、上述したようにキャリブレーションサンプルとしての試料５を用いて、上述した電子線３のランディング角度の計測補正処理を行うに際して、同じく図９に示したピラミッドパターン９０が形成された試料５をキャリブレーションサンプルとして用いて、スキャン歪によるランディング角度の測定誤差を抑制するスキャン歪測定誤差抑制処理、及びピラミッドパターン９０が形成された試料面の傾斜によるランディング角度の測定誤差を抑制するパターン傾斜測定誤差抑制処理を行う。
処理装置５０は、スキャン歪測定誤差抑制処理を行い、上述した電子線３のランディング角度の計測部により計測されるランディング角度、及びランディング角度補正部により補正される電子線３のランディング角度と電子線３の傾斜角度との対応関係を、スキャン歪の影響による測定誤差を抑制した電子線３のランディング角度に基づいたものにするとともに、パターン傾斜測定誤差抑制処理を行い、キャリブレーションサンプルとしての試料５の試料面とそのピラミッドパターン９０との間に生じた傾斜の影響による測定誤差を抑制して、電子線３の絶対的な傾斜角度のみに基づくものにする。
ここでは、電子線３の絶対的な傾斜角度とは、電子線を故意に偏向していない状態での電子線放出方向、すなわち電子光学系２０の光軸方向をｚ軸とし、このｚ軸に直交し、かつ互いに直交したｘ軸及びｙ軸を有する絶対座標系上での、電子光学系２０の光軸すなわちｚ軸に対する電子線３の光軸の傾斜角度を指す。
次に、本実施の形態による走査電子顕微鏡１において、処理装置５０が行うランディング角度のスキャン歪による測定誤差抑制処理、及びランディング角度のパターン傾斜による測定誤差抑制処理について説明する。
本実施の形態による走査電子顕微鏡１では、処理装置５０がランディング角度計測部，ランディング角度補正部として機能し、特許文献１に記載されている電子線３のランディング角度の計測補正処理を行い、キャリブレーションパターンとしてのピラミッドパターン９０に係るＳＥＭ画像を取得する際に、予めランディング角度のスキャン歪による測定誤差抑制処理、及びキャリブレーションパターンのパターン傾斜による測定誤差抑制処理を行うことにより、ＳＥＭ画像に発生するスキャン歪による測定誤差の問題、及びパターン傾斜による測定誤差の問題を解決して、キャリブレーションサンプルの試料面に対する荷電粒子線のランディング角度を荷電粒子線の絶対的な傾斜角度によって高精度に制御することができる。
＜スキャン歪によるランディング角度の測定誤差抑制処理＞
まず、スキャン歪によるランディング角度の測定誤差抑制処理について説明する。
スキャン歪は、電子線３を走査するためのスキャン信号が受ける外乱や，スキャン信号自体の応答速度の変化等から、試料の観察部分がその取得したＳＥＭ画像においては歪んでしまう現象である。
図２は、キャリブレーションサンプルとして図９に示したピラミッドパターン９０が形成されている試料５を用いた場合を例に、スキャン歪の影響を模式的に示した説明図である。なお、ここでは、説明簡便のため、ピラミッドパターン９０が形成された試料面は、シリコンウェーハの結晶方位面（(１００)面）に合致しているものとして説明する。図中の矢印は、電子線３のラスタースキャン方向を表わす。
図２（ａ）は、スキャン歪が生じていない場合の、図９に示した試料５のピラミッドパターン９０部分をイメージシフトで観察したトップダウンＳＥＭ画像９００である。
この場合、ピラミッドパターン９０とウェーハ面との交線Ｐ１Ｐ２，Ｐ２Ｐ４，Ｐ４Ｐ３，Ｐ３Ｐ１で表れるピラミッドパターン９０の開口部は正方形状に現れ、頂点Ｐ０とその他の頂点Ｐ１〜Ｐ４とを結ぶ直線Ｐ０Ｐ１，Ｐ０Ｐ２，Ｐ０Ｐ３，Ｐ０Ｐ４で表れるピラミッドパターン９０の４つの谷線は、試料面に正方形状に表れた開口部の対角線として現れる。したがって、ピラミッドパターン９０の底頂部Ｐ０は、正方形状に現れた開口部の中央（中心）Ｏに現れる。
これに対して、図２（ｂ）は、スキャン歪が生じている場合の、図９に示した試料５のピラミッドパターン９０部分を、イメージシフトによる電子線３のスキャン方向をラスターローテーションにより変更して、それぞれローテーション角度ＲＲを変えて観察したトップダウンＳＥＭ画像９０１(RR00)，９０１(RR180)，９０１(RR90)，９０１(RR270)である。
ＳＥＭ画像９０１(RR00)はローテーション角度ＲＲが０°のトップダウンＳＥＭ画像を、ＳＥＭ画像９０１(RR180)はローテーション角度ＲＲが１８０°のトップダウンＳＥＭ画像を、ＳＥＭ画像９０１(RR90)はローテーション角度ＲＲが９０°のトップダウンＳＥＭ画像を、ＳＥＭ画像９０１(RR270)はローテーション角度ＲＲが２７０°のトップダウンＳＥＭ画像をそれぞれ示す。
そこで、図２（ａ）に示したスキャン歪が生じていない場合のＳＥＭ画像９００のピラミッドパターン９０の底頂部Ｐ０を基に、図２（ｂ）に示したスキャン歪が生じている場合のＳＥＭ画像９０１(RR00)，９０１(RR180)，９０１(RR90)，９０１(RR270)それぞれのピラミッドパターン９０の底頂部Ｐ０を比較してみると、次のようになる。
ＳＥＭ画像９０１(RR00)の場合、その底頂部Ｐ０(RR00)は、画像上の座標系のｘ軸方向（電子光学系２０の光軸方向を基準とした絶対座標系上のｘ軸方向に対応する）に係り、ＳＥＭ画像９００の底頂部Ｐ０の位置よりも、画像上の横方向に、左側にオフセットして現れている。一方、画像上の座標系のｙ軸方向（電子光学系２０の光軸方向を基準とした絶対座標系上のｙ軸方向に対応する）に係っては、その底頂部Ｐ０(RR00)は、ＳＥＭ画像９００の底頂部Ｐ０の位置に対し、画像上の縦方向に、上下に顕著なオフセットは見受けられない。
ＳＥＭ画像９０１(RR180)の場合、その底頂部Ｐ０(RR180)は、画像上の座標系のｘ軸方向に係り、ＳＥＭ画像９００の底頂部Ｐ０の位置よりも、画像上の横方向に、ＳＥＭ画像９０１(RR00)の場合とは反対に、右側にオフセットして現れている。一方、画像上の座標系のｙ軸方向に係っては、その底頂部Ｐ０(RR180)は、ＳＥＭ画像９００の底頂部Ｐ０の位置に対し、ＳＥＭ画像９０１(RR00)の場合と同様に、画像上の縦方向に、上下の顕著なオフセットは見受けられない。
ＳＥＭ画像９０１(RR90)の場合、その底頂部Ｐ０(RR90)は、画像上の座標系のｙ軸方向に係り、ＳＥＭ画像９００の底頂部Ｐ０の位置よりも、画像上の縦方向に、上側にオフセットして現れている。一方、画像上の座標系のｘ軸方向に係っては、その底頂部Ｐ０(RR90)は、ＳＥＭ画像９００の底頂部Ｐ０の位置に対し、画像上の横方向に、左右の顕著なオフセットは見受けられない。
ＳＥＭ画像９０１(RR270)の場合、その底頂部Ｐ０(RR270)は、画像上の座標系のｙ軸方向に係り、ＳＥＭ画像９００の底頂部Ｐ０の位置よりも、画像上の縦方向に、ＳＥＭ画像９０１(RR90)の場合とは反対に、下側にオフセットして現れている。一方、画像上の座標系のｘ軸方向に係っては、その底頂部Ｐ０(RR270)は、ＳＥＭ画像９００の底頂部Ｐ０の位置に対し、ＳＥＭ画像９０１(RR90)の場合と同様に、画像上の横方向に、左右の顕著なオフセットは見受けられない。
このように、図示の例では、いずれのローテーション角度ＲＲの場合も、試料５のピラミッドパターン９０の開口部の形状は、スキャン開始側がスキャン終了側よりも歪の影響が大きくなっている。そのため、例えばＳＥＭ画像９０１(RR00)，ＳＥＭ画像９０１(RR180)のように、イメージシフトのスキャン方向が画面上の左右に互いに反対向きになれば、歪の影響が大きい部分と小さい部分とは画面上の左右で逆になっている。また、ＳＥＭ画像９０１(RR90)とＳＥＭ画像９０１(RR270)のように、イメージシフトのスキャン方向が画面上の上下で互いに反対向きに変われば、歪の影響が大きい部分と小さい部分とは画面上の上下で逆になる。
なお、図２（ａ）に示したスキャン歪が生じていない場合のＳＥＭ画像９００については、イメージシフトによる電子線３のスキャン方向を、そのローテーション角度ＲＲを、０°，１８０°，９０°，２７０°と同様に変更してラスターローテーションしてみても、それぞれのＳＥＭ画像９００(RR00)，９００(RR180)，９００(RR90)，９００(RR270)におけるピラミッドパターン９０の形状は変化せず、各頂点Ｐ０〜Ｐ４の画像上の位置も変化しない。
このように、スキャン歪の影響は、ＳＥＭ画像を取得する際の電子線３のスキャン方向に依存するため、各スキャン方向からイメージシフトで撮像したＳＥＭ画像９０１(RR00)，９０１(RR180)，９０１(RR90)，９０１(RR270)それぞれの画像の結果を平均化することで、スキャン歪の影響を抑制することが可能となる。
そこで、本実施の形態では、スキャン歪の影響を抑制したイメージシフトを行って、図２（ａ）に示したスキャン歪が生じていない場合の本来のＳＥＭ画像９００のようなＳＥＭ画像を得るために、処理装置５０は、次に述べるような、スキャン歪によるランディング角度の測定誤差抑制処理を行うようになっている。
処理装置５０は、このスキャン歪によるランディング角度の測定誤差抑制処理では、まず、キャリブレーションパターン画像取得部として、キャリブレーションサンプルとしてのピラミッドパターン９０の試料面上の位置、例えば図２（ａ）に示したような本来のピラミッドパターン９０の頂点Ｐ０に該当する試料面上の位置に観察位置を合わせ、ラスターローテーションによりローテーション角度ＲＲを少なくとも対極する２方向に変化させて、ローテーション角度ＲＲ毎のピラミッドパターン９０のＳＥＭ画像９０１をそれぞれイメージシフトで取得する。本実施の形態では、ローテーション角度ＲＲを０°，１８０°，９０°，２７０°と変化させて、図２（ｂ）に示したＳＥＭ画像９０１(RR00)，９０１(RR180)，９０１(RR90)，９０１(RR270)のように、画像上のｘ軸方向，ｙ軸方向それぞれの対極する２方向のＳＥＭ画像９０１を取得する。なお、本実施の形態では、ランディング角度の測定誤差抑制処理を、偏向器２３による電子線３のスキャン方向それぞれの対極する２方向に対応して行うために画像上のｘ軸方向，ｙ軸方向それぞれの対極する２方向のＳＥＭ画像９０１を取得するが、例えばスキャン方向それぞれのスキャン歪の影響に変わりがないならば、ｘ軸方向，ｙ軸方向いずれかの対極する２方向だけでも、ランディング角度の測定誤差抑制処理の実行は可能である。
そして、処理装置５０は、前述した電子線３のランディング角度の計測補正処理の場合と同様に、電子線３のランディング角度計測部として、ＳＥＭ画像９０１(RR00)，９０１(RR180)，９０１(RR90)，９０１(RR270)それぞれのピラミッドパターン９０について、それぞれのピラミッドパターン９０の幾何学的な変形を基に、ＳＥＭ画像９０１(RR00)，９０１(RR180)，９０１(RR90)，９０１(RR270)をそれぞれ取得した際における、試料５に対する電子線３の入射角度、すなわち電子線３のランディング角度を推定する。
これにより、処理装置５０は、ピラミッドパターン９０についてＳＥＭ画像９０１(RR00)，９０１(RR180)，９０１(RR90)，９０１(RR270)それぞれと同じ形状を得るときに観察方向として設定する、試料５の試料面に対する電子線３のランディング角度、並びに電子線３の傾斜角度を得ることができる。
図３は、イメージシフト量と電子線の傾斜角度との関係の特性図である。
図３（ａ）は、ＳＥＭ画像９０１(RR00)，９０１(RR180)，９０１(RR90)，９０１(RR270)それぞれを基に推定した電子線３のランディング角度それぞれに係り、画面上の左右方向に対応する絶対座標系上のｘ軸方向のイメージシフト量と、推定した電子線のランディング角度に対応したｘ軸方向の電子線３の傾斜量との関係を示した特性図である。
図３（ｂ）は、同じくＳＥＭ画像９０１(RR00)，９０１(RR180)，９０１(RR90)，９０１(RR270)それぞれを基に推定した電子線３のランディング角度それぞれにおいて、画面上の上下方向に対応する絶対座標系上のｙ軸方向のイメージシフト量と、推定した電子線の傾斜角度に対応したｙ軸方向の電子線３の傾斜量との関係を示した特性図である。
図中、ｉ(RR00)，ii(RR180)，iii(RR90)，iv(RR270)で示した特性それぞれは、ＳＥＭ画像９０１(RR00)，９０１(RR180)，９０１(RR90)，９０１(RR270)それぞれを基に推定した各電子線３のランディング角度での、ｘ軸方向若しくはｙ軸方向のイメージシフト量と、対応するｘ軸方向若しくはｙ軸方向の電子線３の傾斜量、すなわち電子線３の傾斜角度のｘ軸方向成分若しくはｙ軸方向成分との関係を示している。
ここで、画像の結果として、各スキャン方向からイメージシフトで撮像したＳＥＭ画像９０１(RR00)，９０１(RR180)，９０１(RR90)，９０１(RR270)それぞれの画像の結果を平均化することは、スキャン信号に関しては、画像９０１(RR00)，９０１(RR180)，９０１(RR90)，９０１(RR270)それぞれを基に推定した電子線３のランディング角度それぞれを平均化したランディング角度で、かつｘ軸方向及びｙ軸方向に関して特性ｉ(RR00)，ii(RR180)，iii(RR90)，iv(RR270)を平均化した特性のスキャン信号で、ピラミッドパターン９０のＳＥＭ画像をイメージシフトで取得することに該当する。
そこで、当初に観察位置を合わせた際に設定された、試料５に対する電子線３のランディング角度に対応する電子線３の傾斜角度を、この平均化した電子線３のランディング角度に対応する電子線３の傾斜角度に合わせるようにし、スキャン信号をｘ軸方向及びｙ軸方向に関して特性ｉ(RR00)，ii(RR180)，iii(RR90)，iv(RR270)を平均化した特性に対応したイメージシフト量に対する電子線３の傾斜角度を生成するスキャン信号にすることにより、図２（ｂ）に示したＳＥＭ画像９０１(RR00)は、スキャン歪の影響が抑制され、図２（ａ）に示したスキャン歪が生じていない場合の本来のＳＥＭ画像９００に近づけることができる。
そのため、処理装置５０は、各ローテーション角度ＲＲ０°，１８０°，９０°，２７０°毎のＳＥＭ画像９０１(RR00)，９０１(RR180)，９０１(RR90)，９０１(RR270)それぞれを取得した際における、試料５に対する電子線３の入射角度、すなわち電子線３のランディング角度を推定したならば、スキャン歪測定誤差抑制部として、まず、これらそれぞれの電子線３のランディング角度を平均化する。そして、処理装置５０は、この平均化した推定ランディング角度に対応する電子線の傾斜角度に、当初に観察位置を合わせた際に設定された、試料５に対する電子線３のランディング角度に対応する電子線３の傾斜角度を補正して蓄積する。
次に、処理装置５０は、イメージシフトを行うためのスキャン信号がスキャン歪の影響が抑制されたものになるように、スキャン信号を、上述したｉ(RR00)，ii(RR180)，iii(RR90)，iv(RR270)で示した特性を平均化した特性のイメージシフト量毎に対応した電子線３の傾斜角度を発生させるように補正して蓄積する。
そして、処理装置５０は、測定精度を向上させるため、試料５の試料面上の別の位置にも観察するピラミッドパターン９０が形成されている測定点がある場合は、このピラミッドパターン９０についても、キャリブレーションパターン画像取得部、電子線３のランディング角度計測部、スキャン歪測定誤差抑制部として同様なランディング角度の測定誤差抑制処理を行う。
その後、処理装置５０は、試料５の試料面上の測定点全てのピラミッドパターン９０についてのランディング角度の測定誤差抑制処理を終えたならば、測定点毎の補正して蓄積した電子線３の傾斜角度、及びスキャン信号をさらに平均化して、スキャン歪の影響を抑制した電子線３の傾斜角度、及びスキャン信号の精度を向上させる。
そして、これらの測定結果を利用して装置毎にビーム傾斜補正等を行い、装置間測長値差を低減させることが可能となる。
これに対し、従来の測長機能を備えた走査電子顕微鏡では、イメージシフトによる電子線３のスキャン方向を対極する２方向に変化させることなく、所定の単一のスキャン方向、例えばローテーション角度ＲＲを０°で取得したキャリブレーションパターンのＳＥＭ画像９０１(RR00)のみを用いて、処理装置５０が、電子線３のランディング角度の計測補正部として、電子線３のランディング角度の計測補正処理を行っていたため、そのランディング角度計測部が推定するランディング角度や、ランディング角度補正部が補正する電子線３のランディング角度と電子線３の傾斜角度との対応は、スキャン歪によるオフセットを加味した値となり、測定誤差となっていた。
＜パターン傾斜によるランディング角度の測定誤差抑制処理＞
次に、ランディング角度のパターン傾斜による測定誤差抑制処理について説明する。
キャリブレーションサンプルにおけるウェーハ面と結晶方位面とのずれは、キャリブレーションサンプルとしての試料５毎に異なる。
図４は、キャリブレーションパターンがシリコンウェーハの結晶方位面に合致していないウェーハ面に形成されたキャリブレーションサンプルの観察時のパターン断面図である。
図４（ａ）は、キャリブレーションサンプルを予め設定された所定の向きであるウェーハロード角度を０°にしてステージ３１に搭載し、試料室３０内に配置した状態を示す一方、図４（ｂ）は、キャリブレーションサンプルをこのウェーハロード角度０°とは逆向きの対極するウェーハロード角度を１８０°にしてステージ３１に搭載し、試料室３０内に配置した状態を示す。
図４においては、試料５の試料面、すなわちピラミッドパターン９０が形成されたシリコンウェーハのウェーハ面５ｓが、その結晶方位面（(１００)面）すなわちピラミッドパターン９０に対して傾斜角αで傾いており、電子線３が試料５の試料面５ｓに対してランディング角度θで入射している場合を示している。
なお、ここでは、簡便のため、試料５の法線、すなわちピラミッドパターン９０が形成された試料面５ｓの法線は電子光学系２０の光軸方向と平行であり、電子線３の試料面５ｓに対するランディング角度θの大きさは、電子線３の傾斜角度の大きさに対応しているものとして説明する。
この場合、図４（ａ），図４（ｂ）に示すように、試料５の試料面５ｓすなわちシリコンウェーハの試料面（ウェーハ面）５ｓとその結晶方位面（(１００)面）との傾斜角αは、ウェーハロード角度が変わっても、ウェーハ内であるならば面内同一である。したがって、試料５をウェーハロード角度０°と１８０°とで互いに逆向きに１８０°回転させて試料室３０内に配置すると、各ウェーハロード角度０°, １８０°における結晶方位面（(１００)面）の試料面（ウェーハ面）５ｓに対する傾斜は、試料面５ｓの法線を軸に対称になっている。
ここで、試料５に係るウェーハロード角度０°，１８０°それぞれのウェーハロード状態で、処理装置５０が前述した電子線３のランディング角度計測部として機能することにより計測される、試料面５ｓに対する電子線３のランディング角度を、それぞれランディング角度Ｔ00，Ｔ180とする。
例えば、このランディング角度Ｔ00の推定は、ランディング角度計測部としての処理装置５０が、ウェーハロード角度０°で試料室３０内に配置された試料５に対して、予め設定された観察方向、すなわち図示の例では電子線３の傾斜角度をθにビームチルトして、試料５のピラミッドパターン９０部分をイメージシフトで観察することにより、そのＳＥＭ画像を取得する。そして、この取得した電子線３の傾斜角度をθとするＳＥＭ画像上でのピラミッドパターン９０の幾何学的な変形を基に、その際における試料５に対する電子線３のランディング角度Ｔ00が推定される。ランディング角度Ｔ180の推定についても同様である。
したがって、ウェーハロード角度が０°，１８０°それぞれの試料５の配置状態における、ピラミッドパターン９０の幾何学的な変形を基にした電子線３のランディング角度計測部によるランディング角度計測処理において、結晶方位面（(１００)面）との傾斜角αは、逆転して計測されることになる。
すなわち、ウェーハロード角度０°，１８０°それぞれの試料５の配置状態における電子線３のランディング角度Ｔ00，Ｔ180は、
Ｔ0＝電子線３のランディング角度θ＋ピラミッドパターン９０の傾斜角度α
Ｔ180＝電子線３のランディング角度θ−ピラミッドパターン９０の傾斜角度α
α：試料面５ｓに対する結晶方位面（(１００)面）の傾斜角度、
θ：予め設定された観察方向に対応する電子線３の傾斜角度、
で表わされる。
したがって、この場合、試料面５ｓの法線は電子光学系２０の光軸方向と平行であることであるから、試料面５ｓに対する電子線３のランディング角度θ、すなわちこの電子線３のランディング角度θに対応する予め設定された観察方向に対応する電子線３の絶対的な傾斜角度θのみを求めるには、ウェーハロード角度０°で計測された電子線３のランディング角度Ｔ00と、ウェーハロード角度１８０°で計測された電子線３のランディング角度Ｔ180とを平均化すればよく、
電子線の絶対的な傾斜角度θ＝（Ｔ0 ＋ Ｔ180）÷２
となる。
そこで、本実施の形態では、電子線３のランディング角度θに対応する予め設定された観察方向に対応する電子線３の絶対的な傾斜角度θのみを求めるために、処理装置５０は、次に述べるようなランディング角度のパターン傾斜による測定誤差抑制処理を行うようになっている。
処理装置５０は、このスキャン歪によるランディング角度の測定誤差抑制処理では、まず、キャリブレーションパターン画像取得部として、ピラミッドパターン９０が形成された試料５の、ピラミッドパターン９０がそれぞれ対極するウェーハロード角度０°，１８０°で配置された状態それぞれのＳＥＭ画像を取得する。なお、これらＳＥＭ画像の取得にあたっては、試料５のロード方向をそれぞれ逆向きにしてステージ３１に搭載し直してもよいし、ステージ機構３２によって試料５が搭載されたステージ３１ごと逆向きにすることも可能である。
そして、処理装置５０は、前述した電子線３のランディング角度の計測補正処理の場合と同様に、電子線３のランディング角度計測部として、それぞれ対極するウェーハロード角度０°，１８０°で配置された状態で取得されたそれぞれＳＥＭ画像上でのピラミッドパターン９０の幾何学的な変形を基に、ウェーハロード角度０°，１８０°それぞれの対極の配置状態における電子線３のランディング角度Ｔ00，Ｔ180を計測する。
その上で、処理装置５０は、パターン傾斜測定誤差抑制部として、これら電子線３のランディング角度Ｔ00，Ｔ180を平均化することにより、試料面５ｓと結晶方位面（(１００)面）との傾斜角αによる影響を抑制して、試料面５ｓに対する電子線３のランディング角度を電子線３の絶対的な傾斜角度によって高精度に計測する。
＜測定誤差抑制処理の実施例＞
以下に、図１に示した本実施の形態に係る走査電子顕微鏡１での、上述したスキャン歪によるランディング角度の測定誤差抑制処理、並びにパターン傾斜によるランディング角度の測定誤差抑制処理の実施例について、フローチャートに基づき説明する。
図５は、走査電子顕微鏡で行われるスキャン歪によるランディング角度の測定誤差抑制処理のフローチャートである。
処理装置５０は、スキャン歪によるランディング角度の測定誤差抑制処理の開始が指示されると、試料面にピラミッドパターン９０が形成された試料５を試料室３０内にロードし、ステージ３１に搭載する（Ｓ501）。そして、処理装置５０は、試料５に係る既知の試料データを基にステージ機構３２を制御して ステージ３１に搭載された試料５の目的のピラミッドパターン９０が画像中央になるように、ステージ３１を移動する（Ｓ502）。ここでの位置合わせは、例えば、試料面上における目的のピラミッドパターン９０の中心（中央）の底頂部Ｐ０を、電子光学系の２０の光軸上に位置させるように、ステージ３１を移動することにより行われる。
処理装置５０は、目的のピラミッドパターン９０が上述した所定位置に配置されたならば、フォーカスを集束レンズ２１及び対物レンズ２２で調整した上で、ラスターローテーションのローテーション角度ＲＲを０°にして、偏向器２３によるイメージシフトにより、目的のピラミッドパターン９０を電子線３でスキャンする（Ｓ503）。
そして、処理装置５０は、この電子線３のスキャンに関連して、二次電子検出器４０から供給される検出信号を基に、ローテーション角度ＲＲが０°（RR00）の、ピラミッドパターン９０のＳＥＭ画像９０１（RR00）を生成し、取得する（Ｓ504）。
処理装置５０は、ＳＥＭ画像９０１（RR00）を取得したならば、このローテーション角度ＲＲが０°（RR00）のＳＥＭ画像９０１（RR00）上におけるピラミッドパターン９０の幾何学的変形を基に、試料５の試料面に対する電子線３のランディング角度を推定し、この推定した電子線３のランディング角度におけるイメージシフト量と電子線の傾斜角度との関係の特性ｉ(RR00)とともに蓄積する（Ｓ505）。
その後、処理装置５０は、スキャン方向を相互に反対向きに変えた、予め設定されている対極する方向での、この場合はローテーション角度ＲＲが０°（RR00），１８０°（RR180），９０°（RR90），２７０°（RR270）での電子線３のランディング角度の推定が全てが完了したか否かを確認する（Ｓ506）。
処理装置５０は、この確認により、全てが完了していない場合は、ローテーション角度ＲＲを残りのローテーション角度ＲＲにラスターローテーションを設定し（Ｓ507）、残りのローテーション角度ＲＲそれぞれについて、ステップＳ503〜Ｓ506の処理を繰り返し行う。
これに対し、処理装置５０は、予め設定されている対極する方向での正逆２方向によるラスターローテーションによる電子線３のランディング角度の推定が完了した場合には、各方向で推定した傾斜角度、及び各推定した電子線３のランディング角度におけるイメージシフト量と電子線の傾斜角度との関係の特性ｉ(RR00)，ii(RR180)，iii(RR90)，iv(RR270)をそれぞれ平均化して、スキャン歪みの影響を抑制させた電子線３の傾斜角度、及びこのスキャン歪みの影響を抑制させた電子線３の傾斜角度でのイメージシフト量と電子線の傾斜角度との関係特性を求める（Ｓ508）。
より具体的には、処理装置５０は、ラスターローテーションのローテーション角度ＲＲが０°，１８０°，９０°，２７０°それぞれで推定した電子線３のランディング角度を平均化する。同様に、処理装置５０は、ラスターローテーションのローテーション角度ＲＲが０°，１８０°，９０°，２７０°それぞれで推定した電子線３のランディング角度それぞれに対応するイメージシフト量と電子線の傾斜角度との関係の特性ｉ(RR00)，ii(RR180)，iii(RR90)，iv(RR270)も平均化する。
そして、処理装置５０は、この平均化した推定ランディング角度に対応する電子線の傾斜角度に、当初に観察位置を合わせた際に設定された試料５に対する電子線３のランディング角度に対応する電子線３の傾斜角度がなるように補正し、スキャン信号を平均化した特性のイメージシフト量毎に対応した電子線３の傾斜角度を発生させるように補正して蓄積する。
したがって、この場合、ステップＳ502では、ピラミッドパターン９０が画像中央になるように、ピラミッドパターン９０の中心（中央）の底頂部Ｐ０を電子光学系の２０の光軸上に位置させるようにランディング角度０°に配置されているので、偏向器２３によって電子線３を故意に偏向していない状態で、イメージシフトのためのスキャン信号だけで偏向器２３により電子線３の偏向を行った場合の、シフト中間の、画像中央に対応する電子線３の傾斜角度としてのランディング角度０°は、この平均化した推定ランディング角度に該当することになる。
そして、スキャン信号は、この平均化した推定ランディング角度をイメージシフトの中央位置とし、図３に示したＲＲ００，ＲＲ１８０，ＲＲ９０，ＲＲ２７０で示した特性それぞれを平均化した特性のイメージシフト量毎に対応した電子線３の傾斜角度を反映するスキャン信号に補正すれば、スキャン歪みの影響を抑制することができる。
その上で、本実施例においては、処理装置５０は、さらに高精度にスキャン歪みの影響を抑制するために、試料５の試料面上の別の位置にも観察するピラミッドパターン９０が形成されている測定点があるか否かを、試料５に係る既知の試料データを基に判別する（Ｓ509）。
そして、処理装置５０は、他に測定点がある場合は、他の測定点についても、ステップＳ502〜Ｓ509の処理を繰り返し行う。これに対し、試料５の試料面上の測定点全てのピラミッドパターン９０についてステップＳ502〜Ｓ509の処理を終えたならば、測定点毎の蓄積した電子線３の傾斜角度、及びスキャン信号をさらに平均化して、スキャン歪の影響を抑制した電子線３の傾斜角度、及びスキャン信号の精度を向上させる（Ｓ510）。
図６は、走査電子顕微鏡で行われるランディング角度のパターン傾斜による測定誤差抑制処理のフローチャートである。
処理装置５０は、ランディング角度のパターン傾斜による測定誤差抑制処理の開始が指示されると、試料面にピラミッドパターン９０が形成された試料５を試料室３０内にウェーハロード角度を０°にしてロードし、ステージ３１に搭載する（Ｓ601）。そして、処理装置５０は、試料５に係る既知の試料データを基にステージ機構３２を制御して ステージ３１に搭載された試料５の目的のピラミッドパターン９０が画像中央になるように、ステージ３１を移動する（Ｓ602）。ここでの位置合わせは、例えば、試料面上における目的のピラミッドパターン９０の中心（中央）の底頂部Ｐ０を、電子光学系の２０の光軸上に位置させるように、ステージ３１を移動することにより行われる。
処理装置５０は、目的のピラミッドパターン９０が上述した所定位置に配置されたならば、フォーカスを集束レンズ２１及び対物レンズ２２で調整した上で、ラスターローテーションのローテーション角度ＲＲを所定角度に固定して、偏向器２３によるイメージシフトにより、目的のピラミッドパターン９０を電子線３でスキャンする。そして、処理装置５０は、この電子線３のスキャンに関連して、二次電子検出器４０から供給される検出信号を基に、ウェーハロード角度０°で配置された状態のピラミッドパターン９０のＳＥＭ画像を生成し、取得する（Ｓ603）。
処理装置５０は、前述した電子線３のランディング角度の計測補正処理の場合と同様に、電子線３のランディング角度計測部として、ウェーハロード角度０°で配置された状態で取得されたそれぞれＳＥＭ画像上でのピラミッドパターン９０の幾何学的な変形を基に、ウェーハロード角度０°の配置状態における電子線３のランディング角度Ｔ00を計測して蓄積する（Ｓ604）。
その後、本実施例では、処理装置５０は、試料５を一旦試料室３０内からアンロードし（Ｓ605）、試料５のロード方向を逆向きにしてウェーハロード角度を１８０°にしてから、試料５を再び試料室３０内にロードし、ステージ３１に搭載する（Ｓ606）。
処理装置５０は、試料５に係る既知の試料データを基にステージ機構３２を制御して 先に電子線３のランディング角度Ｔ00を計測したのと同じ目的のピラミッドパターン９０が画像中央になるように、ステージ３１を移動する（Ｓ607）。
そして、処理装置５０は、ウェーハロード角度１８０°で配置された状態のピラミッドパターン９０のＳＥＭ画像を生成し、取得するとともに（Ｓ608）、ウェーハロード角度１８０°の配置状態における電子線３のランディング角度Ｔ180を計測して蓄積する（Ｓ609）。
その後、処理装置５０は、ウェーハを０°でロードした場合の推定された電子線３のランディング角度Ｔ00と、ウェーハを１８０°でロードした場合の推定された電子線３のランディング角度Ｔ180とを平均化して、試料５の試料面に対するピラミッドパターン９０の傾斜角度αをキャンセルした電子線３の傾斜角度θを求める（Ｓ610）。そして、処理装置５０は、この蓄積された電子線３の傾斜角度θを用いることにより、試料面５ｓと結晶方位面（(１００)面）との傾斜角αによる影響を抑制して、試料面５ｓに対する電子線３のランディング角度を電子線３の絶対的な傾斜角度によって高精度に計測することができる。
これにより、ピラミッドパターン９０の傾斜量は、同一に切り出したウェーハ内であれば、全てのパターンが同一の傾斜量となるため、処理装置５０は、一度、試料面に対するピラミッドパターン９０の傾斜量αを測定し、記録しておくことにより、ピラミッドパターン９０の傾斜角度をキャンセルすることができ、絶対角度の測定が可能となる。
次に、これら測定誤差抑制処理を備えた走査電子顕微鏡１のメンテナンス処理について説明する。
電子線３の傾斜角度は、日々の走査電子顕微鏡１の使用状況により変化する可能性がある。特に電子銃１０のチップ交換や可動絞り穴交換等のメンテナンスにより大きく変化する。
図５に示したスキャン歪によるランディング角度の測定誤差抑制処理を行うことによりスキャン歪の影響を抑制することが可能である。また、図６に示したパターン傾斜によるランディング角度の測定誤差抑制処理を行うことにより、キャリブレーションパターンとしての形状が既知の多面体構造物が形成された試料面自体の傾斜をキャンセルすることができるので、試料面に対する荷電粒子線のランディング角度を荷電粒子線の絶対的な傾斜角度によって高精度に計測することが可能である。さらに、これら手法を一緒に行うことで、スキャン歪による測定誤差を抑制し、ピラミッドパターンの傾斜をキャンセルさせて、電子線の絶対角度を測定可能となる。
図７は、走査電子顕微鏡１で行われるメンテナンス補正処理の一実施例を示す。
走査電子顕微鏡１において、電子銃１０のチップ交換や可動絞り穴交換等の装置メンテナンスが行われると（Ｓ701）、そのメンテナンス作業後、処理装置５０は、図５に示したスキャン歪によるランディング角度の測定誤差抑制処理を実行する（Ｓ702）。そして、処理装置５０は、ラスターローテーションのローテーション角度ＲＲが０°，１８０°，９０°，２７０°それぞれで推定した試料５のピラミッドパターン９０に対する電子線３のランディング角度の平均化した値、又はさらにこれを試料５の試料面上のピラミッドパターン９０が形成された測定点について平均化した値が、所定の閾値を超えているか否かについて判別する（Ｓ703）。
この結果、処理装置５０は、所定の閾値を超えている場合には、スキャン歪の影響を抑制した電子線３の傾斜角度及びスキャン信号の補正を行うとともに、入出力装置６０のディスプレイ６１に表示されたＧＵＩ画面上にエラー表示を行い（Ｓ704）、ステップＳ702のスキャン歪によるランディング角度の測定誤差抑制処理、及びステップＳ703の測定誤差抑制処理の完了確認処理を、平均化した値が所定の閾値以下になるまで繰り返すようになっている。
なお、このスキャン歪によるランディング角度の測定誤差抑制処理に予め使用する試料５については、図６に示したパターン傾斜によるランディング角度の測定誤差抑制処理を行っておく。この結果、このランディング角度によるパターン傾斜の測定誤差抑制処理を行い、予め試料面（ウェーハ面）と結晶方位面とのずれを校正した試料５を使用することで、計測時間の短縮が可能である。
これにより、絶対座標系による絶対的な電子ビームの傾斜角度を算出することができ、これらの測定結果を利用して装置毎にビーム傾斜補正等を行い、装置間測長値差を低減させることが可能となる。その際、ピラミッドパターン９０が形成された同じ試料５を持ち回りしなくとも、装置毎に、装置それぞれの較正に用いるピラミッドパターン９０が形成された試料５の試料面（ウェーハ面）と結晶方位面とのずれに関するモニターを実施することによって、全ての装置が常に同一の傾斜角度を維持することが可能となり、ビーム傾斜による測長値機差を低減することが可能となる。この結果、ゴールデンウェーハ等の同一サンプルで各装置を測定する必要はなくなり、どのサンプルでも高精度に絶対傾斜角度が測定できる。
次に、走査電子顕微鏡１で行われるメンテナンス補正処理の、別の実施例について図８に基づき説明する。
図８は、走査電子顕微鏡１で行われるメンテナンス補正処理の別の実施例のフローチャートを示す。
本実施例では、走査電子顕微鏡１における電子線３の傾斜角度をある一定間隔でモニターすることによって、装置変動や外乱によって発生する電子線の傾斜をリアルタイムで管理することが可能になっている。また、図６に示したパターン傾斜によるランディング角度の測定誤差抑制処理が行われ、予め試料面（ウェーハ面）と結晶方位面とのずれを校正した試料５をスタブサンプルとしてステージ３１上に配置することで、短時間で自動に測定することが可能になっている。
図８において、処理装置５０は、走査電子顕微鏡１としての通常運用中（通常使用中）に、計時手段として備えられているタイマを基に予め設定されたメンテナンス周期時間を計測しているとともに（Ｓ802）、このメンテナンス周期時間の計測値が予め設定されているメンテナンス時間を経過したか否かを確認している（Ｓ801）。
処理装置５０は、メンテナンス周期時間が未だ経過していない場合は、通常運用中（通常使用中）の処理を続行する一方、メンテナンス時間を経過している場合には、通常運用中（通常使用中）の処理を中断して、電子線３の照射位置や観察視野を、ステージ３１に搭載された観察又は測定対象の試料上からステージ３１上に配置されたスタブサンプルのピラミッドパターン９０に位置合わせするように、ステージ３１を自動で移動する（Ｓ803）。
そして、処理装置５０は、このピラミッドパターン９０に対して、図５に示したスキャン歪によるランディング角度の測定誤差抑制処理を実行する（Ｓ804）。その上で、処理装置５０は、ラスターローテーションのローテーション角度ＲＲが０°，１８０°，９０°，２７０°それぞれで推定した試料５のピラミッドパターン９０に対する電子線３のランディング角度の平均化した値、又はさらにこれを試料５の試料面上のピラミッドパターン９０が形成された測定点について平均化した値が、所定の閾値を超えているか否かについて判別する（Ｓ805）。
この結果、処理装置５０は、所定の閾値を超えている場合には、スキャン歪の影響を抑制した電子線３の傾斜角度及びスキャン信号の補正を行うとともに、入出力装置６０のディスプレイ６１に表示されたＧＵＩ画面上にエラー表示を行い（Ｓ806）、ステップＳ804のスキャン歪によるランディング角度の測定誤差抑制処理、及びステップＳ805の測定誤差抑制処理の完了確認処理を、平均化した値が所定の閾値以下になるまで繰り返す。
そして、処理装置５０は、平均化した値が所定の閾値以下になったならば、先のメンテナンス周期時間の計測値をリセットした上、電子線３の照射位置や観察視野を、ステージ３１に搭載された観察又は測定対象の試料上に戻し、走査電子顕微鏡１としての通常運用の続きを行う。
なお、このスキャン歪によるランディング角度の測定誤差抑制処理に予め使用する試料５については、図６に示したパターン傾斜によるランディング角度の測定誤差抑制処理を行っておく。この結果、このランディング角度によるパターン傾斜の測定誤差抑制処理を行い、予め試料面（ウェーハ面）と結晶方位面とのずれを校正した試料５を使用することで、計測時間の短縮が可能である。
これにより、電子線３の傾斜角度を所定の周期時間間隔でモニターすることにより、装置変動や外乱によって発生する電子線の傾斜をリアルタイムで管理することが可能となる。また、ステージ上にスタブサンプルとして設置することによって、観察又は測定対象の試料を交換する必要もなく、計測時間の短縮化が可能となる。
なお、本発明に係る荷電粒子線装置、及び荷電粒子線のランディング角度の計測補正方法の一実施の形態は、以上詳述したとおりであるが、その各部の構成の具体的態様、手順の具体的内容については、説明中で述べた以外でも種々の変形例の適用が可能である。例えば、メンテナンス補正処理の説明では、スキャン歪によるランディング角度の測定誤差抑制処理に予め使用する試料５については、図６に示したパターン傾斜によるランディング角度の測定誤差抑制処理を行っておく構成としたが、スキャン歪によるランディング角度の測定誤差抑制処理と一緒に行うようにしてもよい。また、スキャン歪によるランディング角度の測定誤差抑制処理、パターン傾斜によるランディング角度の測定誤差抑制処理は、それぞれ一方のみを行うだけでも、従前に電子線３のランディング角度の計測補正処理の精度を向上させることが可能である。
１ 走査電子顕微鏡、 ２ 装置筺体、 ３ 電子線、 ５ 試料、 １０ 電子銃、
２０ 電子光学系、 ２１ 集束レンズ、 ２２ 対物レンズ、 ２３ 偏向器、
３０ 試料室、 ３１ ステージ、 ３２ ステージ機構、 ４０ 二次電子検出器、
５０ 処理装置、

Claims (5)

  1. 試料面上に形成された、形状が既知の多面体構造物の荷電粒子線画像を、荷電粒子線のスキャン方向、又は当該多面体構造物が形成された試料の搭載向きを相互に反対向きに変えて取得する画像取得部と、
    該画像取得部により取得された多面体構造物の荷電粒子線画像それぞれについて、画像上における多面体構造物の幾何学的な変形を基に、当該荷電粒子線画像それぞれを取得した際における試料に対する荷電粒子線のランディング角度を計測するランディング角度計測部と、
    該ランディング角度計測部によって計測された多面体構造物の荷電粒子線画像それぞれのランディング角度を平均化し、当該平均化されたランディング角度を基に、前記画像取得部による荷電粒子線画像の傾斜角度を補正する測定誤差抑制部と
    を備えていることを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 前記画像取得部は、ラスタ−ローテーションによりローテーション角度を０°，１８０°，９０°，２７０°と変化させて、各ローテーション角度に対応した多面体構造物の荷電粒子線画像をイメージシフトで取得する
    ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
  3. 前記画像取得部は、試料のウェーハロード角度を０°，１８０°と変化させて、各ウェーハロード角度に対応した多面体構造物の荷電粒子線画像をイメージシフトで取得する
    ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
  4. 前記測定誤差抑制部は、該ランディング角度計測部によって計測された多面体構造物の荷電粒子線画像それぞれのランディング角度を平均化するとともに、前記ランディング角度計測部によって計測された多面体構造物の荷電粒子線画像それぞれのランディング角度に対応した、前記イメージシフトの際におけるイメージシフト量と荷電粒子線の傾斜角度との関係特性を平均化することにより、当該平均化したランディング角度及び関係特性を基に、前記画像取得部による荷電粒子線画像の傾斜角度を補正する
    ことを特徴とする請求項２記載の荷電粒子線装置。
  5. 試料面上に形成された、形状が既知の多面体構造物の荷電粒子線画像を、荷電粒子線のスキャン方向、又は当該多面体構造物が形成された試料の搭載向きを相互に反対向きに変えてそれぞれ取得する画像取得工程、
    該画像取得工程の実行により取得された多面体構造物の荷電粒子線画像それぞれについて、画像上における多面体構造物の幾何学的な変形を基に、当該荷電粒子線画像それぞれを取得した際における試料に対する荷電粒子線のランディング角度を計測するランディング角度計測工程、
    該ランディング角度計測工程の実行によって計測された多面体構造物の荷電粒子線画像それぞれのランディング角度を平均化し、当該平均化されたランディング角度を基に、前記画像取得工程の実行による荷電粒子線画像の傾斜角度を補正する測定誤差抑制工程、
    を有することを特徴とするランディング角度の計測補正方法。
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