JP2015165211A - 荷電粒子ビーム装置、校正用部材及び荷電粒子ビームの測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】寸法管理対象が更に微細化かつ平滑化した場合であっても、測長および内部構造の測定を高精度で行う荷電粒子ビーム装置、校正用部材及び荷電粒子ビームの測定方法を提供する。【解決手段】電子ビーム１０を偏向させることにより、校正用部材１の校正パターン部表面９を走査する荷電粒子ビーム装置において、校正用部材１は、密度の異なる第１の材料と第２の材料を交互に積層した複数の層の端部が露出する校正パターンを有し、第１の材料と第２の材料の各層は電子ビーム１０の照射方向に対して所定の角度で傾斜し、電子ビーム１０を照射して校正用部材１の校正パターンを走査して信号波形から層の端部の実測値を校正する校正値を演算し、複数の校正用部材１のそれぞれの校正値と信号波形を保持し、試料の表面を走査した信号波形と校正値記憶部の信号波形とを比較して校正値を取得し、信号波形に基づく値を校正値で校正する。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、走査電子顕微鏡等の荷電粒子ビーム装置で、試料の内部に埋め込まれた構造の測定および形状を測定する荷電粒子ビーム装置および測定を行うための校正用部材およびそれを用いた荷電粒子ビーム測定方法に関する。

近年、半導体素子やハードディスク素子（記憶媒体）は微細化が益々進んでおり、これらの素子や記憶媒体の製造には、より高精度な寸法管理が必要となる。そこで、半導体素子やハードディスク素子を製造する現場では、走査電子顕微鏡を基にした電子ビーム測長装置を用いた寸法管理が行われている。しかし、半導体素子を製造するプロセスの微細化に伴い測定対象の薄膜化や、ハードディスク素子のように表面が平滑化されかつ異なる材料が埋め込まれた試料の測定が必要になりこれらの試料に対応するために、試料からの二次電子や反射電子信号を用いる測定法が用いられている（例えば、特許文献１）。

特開平８−９４３４６号公報

半導体素子やハードディスク素子（記憶媒体）の微細化に対して、電子ビーム測長装置で高精度に寸法校正を行うことについては上記特許文献１に示した特開平８−９４３４６号公報の多層積層の断面を用いた校正試料を用いることが考えられる。

しかし、発明者等が検討した結果、今後の更なる微細化の進展および表面が平滑化された試料の測定を考慮した場合、以下の課題を有する。

半導体素子の微細化に伴い測定対象の薄膜化やハードディスク素子のような表面が平滑化された試料では、表面のパターンの凹凸がほとんど無く、回路などのパターンを構成する材料の物質の差だけが測定上の情報となる。

しかしながら上記特許文献１の試料では、基板内部でパターンの構成材料が表面に対して垂直、換言すれば電子ビームと平行に配置されている場合のみが開示されている。これに対して、試料の内部の形状（パターン）が電子ビームに対して平行以外の角度を備える場合、換言すれば、構成材料が試料の端面に対して垂直以外の傾斜で有する場合がある。この試料に対し電子ビームを走査すると、試料の内部の形状や境界から得られる二次電子や反射電子信号には、入射した電子ビームが試料の表面下に埋め込まれた材料からの二次電子や反射電子信号が含まれるために高精度な測長が出来ない、という問題があった。すなわち、特許文献１では異種の材料による積層構造の断面は端面に対して垂直であることが前提となっているために、試料の内部構造が傾斜していることを考慮できないので十分な校正が出来ない、という問題があった。また、試料の表面下部（内部）の構造を得ることも測定上および素子特性上重要な測定となるが、上記従来の電子ビーム測長装置ではこの機能が無い。

そこで、本発明の目的は、上記課題に鑑み、寸法管理対象が更に微細化かつ平滑化した場合であっても、電子顕微鏡等の荷電粒子ビーム装置で行う測長および内部構造の測定を高精度で行うことを目的とする。

本発明は、荷電粒子ビームを偏向させることにより、試料または校正用部材の表面を走査する荷電粒子ビーム装置であって、前記校正用部材は、密度の異なる第１の材料と第２の材料とを交互に積層した複数の層の端部が露出する校正パターンを有し、前記第１の材料と前記第２の材料の各層は前記荷電粒子ビームの照射方向に対して所定の角度で傾斜し、前記荷電粒子ビーム装置は、前記荷電粒子ビームを照射して前記校正用部材の前記校正パターンまたは前記試料の表面を走査して、反射電子または二次電子を検出する検出器と、前記検出された反射電子または二次電子を信号波形として記憶する演算処理部と、を有し、前記演算処理部は、前記校正用部材の前記校正パターンを走査して、前記信号波形から前記層の端部の実測値を校正する校正値を演算する校正値演算部と、複数の前記校正用部材のそれぞれの前記校正値と前記信号波形を対応付けて保持する校正値記憶部と、前記試料の表面を走査した信号波形と前記校正値記憶部の信号波形とを比較して前記校正値を取得し、前記信号波形に基づく値を校正値で校正する測定値演算部と、を有する。

本発明によれば、微細かつ平滑化された素子に対して測長および素子構造の測定を高精度で行うことのできる荷電粒子ビーム装置および校正用部材並びにそれを用いた測定方法を提供することができる。

本発明の第１の実施例を示し、校正用部材の校正パターン部を拡大した部分断面図を示す。 本発明の第１の実施例を示し、校正用部材を保持ホルダに取り付けたときの断面図を示す。 本発明の第１の実施例を示し、校正用部材の成膜後の多層膜基板断面図である。 本発明の第１の実施例を示し、多層膜成膜基板から垂直に切り出したチップを研磨して校正用部材を形成する断面図である。 本発明の第１の実施例を示し、校正用部材の部分断面図であり、研磨後の端面にコーティングを施した図である。 本発明の第１の実施例を示し、校正パターンの表面の角度が異なる校正用部材の断面図を示す。 本発明の第１の実施例を示し、測定する試料の断面図である。 本発明の第１の実施例を示し、走査電子顕微鏡の概略を示す斜視図である。 本発明の第１の実施例を示し、走査電子顕微鏡の構成の一例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施例を示し、測定処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施例を示し、測定方法を説明するためのグラフであり、校正用部材の校正パターンを電子ビームで走査したときの信号波形を示す。 本発明の第１の実施例を示し、測定方法を説明するためのグラフであり、各校正用部材の校正パターンでタングステン１層分を電子ビームで走査したときの信号波形をそれぞれ示す。 本発明の第１の実施例を示し、本発明の測定方法を用いて測定対象の試料の表面を電子ビームで走査したときの信号波形のグラフである。 本発明の第２の実施例を示し、校正用部材の断面図である。 本発明の第２の実施例を示し、校正方法を説明するためのグラフであり、校正用部材の校正パターンを電子ビームで走査したときの信号波形を示す。 本発明の第３の実施例を示し、走査電子顕微鏡の構成の一例を示すブロック図である。 本発明の第３の実施例を示し、校正用部材の部分断面拡大図を示す。 本発明の第３の実施例を示し、校正用部材を保持ホルダに取り付けたときの断面図を示す。 本発明の第３の実施例を示し、測定処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施例を示し、本発明の測定方法を用いて測定対象の試料の表面を電子ビームで走査したときの信号波形のグラフである。 本発明の第４の実施例を示し、校正用部材の部分断面拡大図を示す。 本発明の第４の実施例を示し、校正用部材のタングステン１層分を傾斜した電子ビームで走査したときの信号波形を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

本発明では異なる材料である重金属（タングステンなど）と軽元素（シリコン）の密度差のある薄膜が少なくとも各々２層以上交互に積層された校正用部材を用いて、走査電子顕微鏡で試料の形状を測定する。

校正用部材の断面は、校正パターンを有する平坦な断面からなり、その断面の表面が成膜方向に対し垂直から一定の角度を有する。校正用部材に入射した電子ビームに対して、校正パターンから発生する反射電子を走査電子顕微鏡で検出することにより既知の傾斜角度を内在した基準反射電子波形が得られる。そして、この波形を基準として微細化かつ平滑化した素子からの電子波形を推定することで精度の高い測定とが可能となる。

以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各実施例では荷電粒子ビーム装置として主に電子ビームを用いる走査電子顕微鏡を例に説明するが、これに限定されるものではない。

図１から図１０を用いて、本発明の第１の実施例を説明する。なお、同一の符号は同一の構成要素を示す。また、Ｍ−ａ〜Ｍ−ｃ等の「−」を含む符号は、符号Ｍが構成要素の総称を示し、「−ａ」〜「−ｃ」が個々の構成要素を特定する符号として用いる。

まず、図１Ａ、図１Ｂは、本実施例１に係る校正用部材１の概略を示す断面図である。図１Ａは校正用部材１の校正パターン２を拡大した部分断面図を示す。図１Ｂは、校正用部材を走査電子顕微鏡の保持ホルダに取り付けたときの断面図を示す。

校正用部材１は、図２に示す多層膜基板（または多層膜チップ）１１から作製する。多層膜基板１１はシリコン基板５上に、重金属であるタングステン層６と、軽元素であるシリコン層７とが交互に平行して積層された断面を有しており、その最表面（図中上端面）にはシリコン層８が成膜されている。なお、図２において、各層は水平方向で平行して配置される。

多層膜基板１１の成膜後に、基板内の複数箇所で膜厚の測定を行う。この膜厚の測定は、公知ないし周知の手法を採用することができる。測定の結果、例えば、４層のタングステン層６の厚さの平均が５０．２ｎｍであり、４層のシリコン層７の厚さ平均が４９．６ｎｍで、上記４組のタングステン層６とシリコン層７の層間ピッチ（距離または幅）Ｐの平均値が９９．８ｎｍである例を示す。この層間ピッチＰは、校正用部材１に角度θを付与する以前の複数の層で校正される一組の間隔として扱う。

次に、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃで示すように、多層膜基板１１から切り出した部分から校正用部材１を作製する。

図３Ａは、多層膜基板１１から垂直に切り出した部分を研磨して校正用部材を形成する断面図である。図３Ｂは、校正用部材１の部分断面図であり、研磨後の表面を水平面とした図である。図３Ｃは校正用部材の概略を示し、図１Ａ、図１Ｂに示した校正パターン２を含む校正パターン部表面９の角度θが異なる各校正用部材１−ａ〜１−ｃの断面図を示す。なお、角度θは、図１Ｂで示すように校正パターン部表面９を電子ビーム１０の照射方向と直交する方向に配置した場合、図１Ａで示すように、電子ビーム１０の照射方向に対して各層の部材が所定の角度で傾斜する。なお、この例では、図６でも示すように、電子銃２４から直線的に電子ビーム１０を照射するものとする。

まず、図２に示した多層膜基板１１を図中垂直方向に切断して複数の部材に分割する。次に、分割した多層膜基板１１の側面を所定の角度θで研磨して、校正パターン２として用いる傾斜した表面（９Ａ）を形成する。すなわち、図２に示した多層膜基板１１の側面（図中右側面、または左側面）を上方に向け、図３Ａに示す所定の角度θで研磨して、傾斜面９Ａを形成する。

換言すれば、図２に示した多層膜基板１１の垂直断面を水平面として、この水平面を一定角度θで斜めに研磨する。本実施例１では、図３Ｃで示すように、θ＝１０°の校正用部材１−ａと、θ＝２０°の校正用部材１−ｂと、θ＝３０°の校正用部材１−ｃと、を用いる例を示す。

研磨した傾斜面９Ａが校正パターン２を有する校正パターン部表面９であり、校正パターン部表面９を上方に向けて、かつ、水平にした断面図を図３Ｂに示す。図３Ｂで示すように、校正用部材１の校正パターン部表面９では、校正パターン２が、タングステン層６の端面と、シリコン層７の端面が水平方向で交互に露出した平面となっている。

次に、図１Ｂで示すように、校正用部材１は、固定用基板４と接着剤でアルミ製の保持ホルダ３に校正パターン部表面９が上面で、かつ水平になるように搭載されている。校正用部材１は、上述のように密度差の大きなシリコン層７とタングステン層６の二つの材料による積層構造からなる校正パターン２を含んでいる。この校正パターン２の拡大図は図１Ａに示したように、タングステン層６とシリコン層７の二つの材料からなる積層構造が、鉛直方向（電子ビーム１０の照射方向）に対し一定の角度θで傾斜し、各積層の上端部が校正パターン部表面９の水平面に露出している。

なお、図３Ａで示すように、タングステン層６とシリコン層７の層間ピッチＰは、所定の角度θで研磨した後の傾斜面９Ａ上では、角度θに応じた層間ピッチＰ’に拡大する。

次に、校正用部材１−ａ〜１−ｃ（図３Ｃ）と試料２１を、走査電子顕微鏡に搭載して測定および構造測定を行った例について説明する。

図４は本発明の測定方法を説明する断面図で、測定用の試料２１の断面図である。図５は、走査電子顕微鏡の概略を示す斜視図である。図６は、走査電子顕微鏡の構成の一例を示すブロック図である。図７は、走査電子顕微鏡の測定処理の一例を示すフローチャートである。図８は、測定方法を説明するためのグラフであり、校正用部材の校正パターンを電子ビームで走査したときの信号波形を示す。図９は、測定方法を説明するためのグラフであり、各校正用部材１の校正パターン２でタングステン１層分を電子ビームで走査したときの信号波形をそれぞれ示す。図１０は、本発明の測定方法を用いて測定対象の試料２１の表面を電子ビーム１０で走査したときの信号波形のグラフである。

本実施例では、校正用部材１を、図５に示す保持ホルダ３ａ〜３ｃにそれぞれ固定して、走査電子顕微鏡のステージ２２に搭載して、走査電子顕微鏡の校正測定を行う。なお、このステージ２２上には、図３Ｃに示した校正用部材１−ａ〜１−ｃと、図４、図５、図６に示した測定対象の試料２１が搭載される。

図５において、光学顕微鏡１８は千倍以下の低倍率で測定位置の検出を行うものである。図５に示す符号１９および符号２０は、電子ビーム鏡筒２３の内部に収容された電子銃２４より照射される電子ビーム１０により発生する二次電子２５を検出する検出器および反射電子２６を検出する検出器である。

ここで、図５、図６により、本実施例の測定方法が適用される走査電子顕微鏡の全体的な構成の一例について簡単に説明する。

走査電子顕微鏡は、電子ビーム１０を放出する電子銃（電子源）２４と、電子ビーム１０を試料上で走査するための走査偏向器２７、測定対象の試料２１上における電子ビームの分解能を調整するためのレンズ２８、電子ビームの焦点などを調整するためのレンズ２９、１次電子線照射により試料より発生する二次電子２５を検出するための検出器１９、１次電子線照射により試料より発生する反射電子２６を検出するための検出器２０、情報処理装置を含むＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）制御部３０等を備えている。

ＳＥＭ制御部３０は、レンズ２８、２９を制御するレンズ制御部３１、３３と、１次電子線の走査偏向を走査偏向器２７により制御するビーム偏向制御部３２と、二次電子検出器１９および反射電子検出器２０からの出力信号を処理する信号処理部３４と、測定対象の試料２１または校正用部材１が搭載されるステージ２２の移動を制御するステージ制御部３５と、低倍率での試料観察位置を特定するための光学顕微鏡１８と光学イメージから特定された測定位置を電子ビーム偏向領域内に移動するためのステージ２２および電子ビーム偏向位置制御を行う光学画像処理部３６になどにより構成される。

ＳＥＭ制御部３０を構成する情報処理装置は、ＳＥＭ制御部３０から入力される各情報ないし制御信号を演算処理するためのＣＰＵによる演算処理部３００を含む。演算処理部３００は、図示しないＣＰＵとメモリ及びストレージを有する。

演算処理部３００は、波形演算部３７と、信号波形比較演算部４０と、角度および測長値演算部（図中角度・測長値演算部）４１と、校正値等の記憶部３８と、角度および測長値記憶部（図中角度・測長値記憶部）４２とにより構成されている。情報処理装置を含むＳＥＭ制御部３０には、更に、ＣＰＵによる情報処理結果が表示される表示部（波形および画像等の表示部３９）や、情報処理に必要な情報を情報処理装置に入力するための情報入力手段（図示省略）等が接続されている。

波形演算部３７と、信号波形比較演算部４０と、角度および測長値演算部４１と、測長値演算部４１と、記憶部３８と、角度および測長値記憶部４２等の各機能部はプログラムとしてメモリにロードされる。なお、測長値は測定した長さや幅や角度などの測定値を含む。

ＣＰＵは、各機能部のプログラムに従って処理することによって、所定の機能を提供する機能部として稼働する。例えば、ＣＰＵは、信号波形比較演算プログラムに従って処理することで信号波形比較演算部４０として機能する。他のプログラムについても同様である。さらに、ＣＰＵは、各プログラムが実行する複数の処理のそれぞれの機能を提供する機能部としても稼働する。計算機及び計算機システムは、これらの機能部を含む装置及びシステムである。

演算処理部３００の各機能を実現するプログラム、テーブル等の情報は、ストレージサブシステムや不揮発性半導体メモリ、ハードディスクドライブ、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記憶デバイス、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の計算機読み取り可能な非一時的データ記憶媒体に格納することができる。

次に、走査電子顕微鏡の動作について、図５、図６により簡単に説明する。ＳＥＭ制御部３０は、後述する位置決めの後に、電子銃（電子源）２４から放出された電子ビーム１０を、レンズ２８、２９および走査偏向器２７により、校正用部材１及び試料２１上で走査する。電子ビーム１０による走査は、校正用部材１を後述するように走査してから試料２１を走査する。あるいは、ＳＥＭ制御部３０は、試料２１を電子ビーム１０で走査した後、校正用部材１を後述するように走査してもよい。

ステージ２２上には、測定対象の試料２１が搭載されている。ＳＥＭ制御部３０は、まず低倍率で試料観察位置あるいは同試料上に形成された位置座標基準マーク７０（図５参照）を、光学顕微鏡１８で観察して光学画像処理部３６により測定位置を特定する。ＳＥＭ制御部３０は、光学画像処理部３６で撮像した光学イメージによって特定された試料２１の測定位置を記憶しておく。

次に、ＳＥＭ制御部３０は、光学イメージから特定された測定位置あるいは位置座標基準マーク７０の座標を基に、ステージ制御部３５およびビーム偏向制御部３２の制御により測定箇所を電子ビーム１０で走査可能な電子ビーム偏向領域内に移動させる。

ＳＥＭ制御部３０は、次に、校正用部材１上で電子ビーム１０の照射により発生する反射電子２６を検出する検出器２０からの信号に基づいて、レンズ制御部３１、３３によるレンズ２８、焦点調整レンズ２９の制御により分解能と焦点の調整を行う。この調整の後に、反射電子像ないし反射電子信号波形の表示および測定、傾斜角の測定などを行う。

またＳＥＭ制御部３０は、測定する試料２１上で電子ビーム１０の照射により発生する二次電子２５を検出する二次電子検出器１９からの信号に基づいて、二次電子像ないし二次電子信号波形の表示および測定、ビーム径の測定などを行う。

ＳＥＭ制御部３０は、校正および測定のときのステージ２２の位置は、ステージ制御部３５にて検知、制御される。

ここで、図６では、信号処理部３４、演算部３７、４０、４１、制御部３１、３２、３３、３５、光学画像処理部３６、表示部３９、記憶部３８、４２等は情報処理装置を含むＳＥＭ制御部３０に含まれた形態であるが、必ずしも情報処理装置を含むＳＥＭ制御部３０に含まれていなくてもよい。換言すれば、演算処理部３００がＳＥＭ制御部３０から独立していても良い。

次に、図１Ａ、図１Ｂ、図５、図６および図７のフローチャートに沿って、ＳＥＭ制御部３０が測定を行う処理の手順を説明する。

まず、ＳＥＭ制御部３０は、校正用部材１を搭載したステージ２２の移動により光学顕微鏡１８の下に校正用部材１−ｂを移動し、第１の所定の倍率、例えば五百倍等の低倍率で図１Ｂに示す校正用部材１−ｂ上の校正パターン２を検出し、校正場所を特定し光学画像処理部３６に校正用部材１−ｂの座標を記憶する（ステップＳ２００）。

次に、ステージ制御部３５は、校正用部材１−ｂの座標を基に校正場所（校正パターン２）を電子ビーム１０の直下に移動する。なお、ステージ制御部３５は、校正用部材１−ａ、１−ｃについても同様の処理を行う。

次に、図１Ｂの校正パターン２に、図６に示したステージ制御部３５またはビーム偏向制御部３２の制御により電子ビーム１０の偏向中心を移動させる。このように上記の手順でステージ制御部３５とビーム偏向制御部３２により図１Ｂに示したタングステン層６とシリコン層７の積層構造部の校正パターン２を電子ビーム１０の直下に位置させる（ステップＳ２０１）。ＳＥＭ制御部３０は、このとき校正に用いる校正用部材１の校正パターン２の位置座標を記憶部３８に記憶しておく。

次に、ＳＥＭ制御部３０は、図１Ｂに示したように校正パターン部表面９上で電子ビーム１０を所定の方向へ走査する。走査方向は、例えば、図１Ｂの水平方向（左右方向）である。

ＳＥＭ制御部３０は、この電子ビーム１０の走査により発生した反射電子２６（または二次電子信号）を反射電子検出器２０で検出し、波形演算部３７（図６）で処理して得られた反射信号波形を表示部３９（図６）で表示し、図８に示すような反射電子信号波形４３を測定する（ステップＳ２０２）。

次に、ＳＥＭ制御部３０は、上記反射電子信号波形４３を校正用の参照値として角度θに対応付けて記憶部３８に記憶する（ステップＳ２０３）。ここで、角度θが異なる校正パターン部表面９を有する校正用部材１−ａ、１−ｃ（図３Ｃ）を、図５に示すステージ２２上の異なる位置に配置した保持ホルダ３−ａ、３−ｃに予め設置しておく。そして、ＳＥＭ制御部３０は、上記と同様にステップＳ２０１からステップＳ２０３の処理を行い、校正用部材１−ａ、１−ｃの校正パターン部表面９の電子ビーム１０の走査で得られた反射電子信号波形４６、４７を、校正用の参照値として角度θに対応付けて記憶部３８（図６）に記憶する。

図５の例では、保持ホルダ３−ａにθ＝１０°の校正用部材１−ａを保持させ、保持ホルダ３−ｂにθ＝２０°の校正用部材１−ｂを保持させ、保持ホルダ３−ｃにθ＝３０°の校正用部材１−ｃを保持させた例を示す。

さらに、ＳＥＭ制御部３０は、上記信号波形のタングステン層間ピッチＰ’（図３Ｂ参照）およびタングステン層６の線幅Ｘ（図３Ｂ参照）の実測値と、タングステン層６の幅の設計値Ｘｂから校正パターン部表面９の角度θに応じた校正用のオフセット幅ΔＸを、角度および測長値演算部４１により算出し、角度および測長値記憶部４２に記憶する（ステップＳ２０４）。なお、角度および測長値演算部４１は、校正値演算部として機能し、前記角度および測長値記憶部４２は校正値記憶部として機能する。また、校正値記憶部は、校正値と信号波形を対にして記憶するようにしてもよい。

また、タングステン層６の線幅Ｘは、校正パターン２の表面に露出した層の厚さまたは幅の実測値を示す。

なお、オフセット幅ΔＸは、タングステン層６の線幅の実測値Ｘを校正する値（校正値）として後述すように演算される。また、上記では、校正パターン２を有する校正用部材１として、角度θが１０度、２０度、３０度の１０度間隔で３つの校正用部材１−ａ〜１−ｃを用いる例を示したが、好ましくは、１度間隔の角度θで形成した校正用部材１で、オフセット幅ΔＸを算出し、角度および測長値記憶部４２に格納しておく。

ここで、ＳＥＭ制御部３０は、算出したオフセット幅ΔＸと角度θを対にして角度および測長値記憶部４２へ格納する。さらに、ＳＥＭ制御部３０は、記憶部３８に格納された反射電子信号波形４５〜４７と、角度θの対応関係を保持しておく。

ＳＥＭ制御部３０は、図４で示すように、ステージ２２を駆動して測定対象の試料２１上の測定箇所へ電子ビーム１０を移動してから、電子ビーム１０を所定の方向に走査して反射電子信号５２（または二次電子信号）を測定する（ステップＳ２０５）。電子ビーム１０の走査は図４に示すように、試料２１の表面の水平方向とする。

図４は、測定対象の試料２１の断面構造を示す。測定対象の試料２１は、台形断面のタングステン部１３がシリコン部１２に埋め込まれた断面形状をしており図中上面には厚さ２ｎｍのカーボン薄膜１４が形成されている。台形断面のタングステン部１３は、短辺をカーボン薄膜１４側の上面に有し、長辺を試料の下面側に有する。

試料２１の内部では、台形断面のタングステン部１３の側面が、シリコン部１２との境界面となっており、タングステン部１３の側方の境界面の傾斜角度（境界面傾斜角度）αは２０度から３０度の間の所定の角度で作製されている。本実施例では、シリコン部１２に埋め込まれたタングステン部１３の上面（短辺）側を電子ビーム１０で走査し、境界面傾斜角度αと、タングステン部１３の上面の幅を線幅１５として測定する例を示す。

ＳＥＭ制御部３０は、試料２１を走査して得られた信号波形と、校正パターン２の走査から得られた信号波形と比較して、試料２１の境界面傾斜角度αを信号波形比較演算部４０で演算する（ステップＳ２０６）。信号波形比較演算部４０で行われる演算については後述する。

次に、ＳＥＭ制御部３０は、得られた境界面傾斜角度αに基づいてオフセット幅ΔＸを決定し、測定対象の試料２１の線幅１５を角度および測長値演算部４１で算出し、得られた境界面傾斜角度αと実測値としての線幅１５を角度および測長値記憶部４２に記憶する（ステップＳ２０７）。

上記フローチャートに従ってＳＥＭ制御部３０が処理を行った例を以下に示す。なお、電子ビーム１０の加速電圧は３ｋＶである。

まず、ＳＥＭ制御部３０は、校正パターン部表面９を走査した反射電子信号波形４３から校正値を求める。

図３Ｃに示すような校正パターン部表面９の角度θ＝２０度（設計値）の校正用部材１−ｂに対して、ＳＥＭ制御部３０は、上記図７のステップＳ２０１からステップＳ２０３の処理を行って、図８に示すような４層分のタングステン層６の反射電子信号波形４３が得た。

図８において、この４層分のタングステン層６の周期波形と、図中５０％スライスレベル４４の交点から、タングステン層６の平均層間ピッチＰ’として１０６．２ｎｍが得られた。ここで、５０％スライスレベル４４は、測定された信号波形の強度の最大値を１００％とし、最小値を０％としたときの中央値である。この５０％スライスレベル４４は、演算処理部３００で決定することができる。また、層間ピッチＰ’を測定するためのスライスレベルの信号強度（％）は、校正用部材１を形成する材料や形状などに応じて予め設定した値である。

次に、校正用部材１−ａ〜１−ｃの元となった多層膜基板１１の成膜後（研磨前）に、基板内の複数箇所で膜厚測定を行って得られた各層の膜厚は、図２に示した通りで、４層のタングステン層６の厚さ平均５０．２ｎｍ、４層のシリコン層７の厚さ平均４９．６ｎｍおよび上記４組のタングステン層６とシリコン層７の層間ピッチＰの平均値９９．８ｎｍが得られている。

ことから、図３Ａで示したように、下記の（１）式を用いて実際の校正用部材１−ｂの校正パターン部表面９の角度θ＝２０．０度が得られた。

cos θ ＝ Ｐ / Ｐ’ ………（１）

同様に１度以内の精度で任意の角度の校正用部材の加工が可能であり、図５に示すステージ２２上の異なる位置に用意した保持ホルダ３−ａ、３−ｃ上の校正用部材１−ａ、１−ｃにおいて実測で校正パターン部表面９の角度θ＝１０．０度および３０．０度の校正パターン部表面９の角度θが得られた。

なお、校正パターン部表面９の角度θ＝１０．０度の校正用部材１−ａの場合、ＳＥＭ制御部３０は、４層分のタングステンの反射電子信号波形４３と５０％スライスレベル４４の交点から層間ピッチＰ’として１０１．３ｎｍが得られた。成膜後のピッチＰの平均値９９．８ｎｍと上記（１）式から校正パターン部表面９の角度θ＝１０．０度を得る。

また、校正パターン部表面９の角度θθ＝３０．０度の校正用部材１−ｃの場合、ＳＥＭ制御部３０は、４層分のタングステン層６の反射電子信号波形４３と５０％スライスレベル４４の交点から層間ピッチＰ’として１１５．２ｎｍが得られた。成膜後のピッチＰの平均値９９．８ｎｍと上記（１）式から校正パターン部表面９の角度θ＝３０．０度を得る。

次に校正パターン部表面９の角度θが１０°〜３０°の各校正用部材１−ａ〜１−ｃを用いて校正用部材１上の校正パターン２のシリコン層７及びタングステン層６の組を１組分だけ電子ビーム１０で走査したときの信号波形４５、４６、４７を図９に示す。

図９において、信号波形４５は、校正パターン部表面９の角度θ＝３０．０度の場合の校正用部材を示し、信号波形４６は、校正パターン部表面９の角度θ＝２０．０度の場合の校正用部材を示し、信号波形４７は、校正パターン部表面９の角度θ＝１０．０度の場合の校正用部材を示す。

ＳＥＭ制御部３０は、これらの実測した信号波形４５〜４７から上記図８と同様に５０％スライスレベル４８を求め、各信号波形４５〜４７と５０％スライスレベル４８の交点間の距離からタングステン層６の実測線幅Ｘとして、次のような値が得られた。
角度θ＝３０．０；実測線幅Ｘ（４９）＝ ６０．０ｎｍ
角度θ＝２０．０；実測線幅Ｘ（５０）＝ ５４．４ｎｍ
角度θ＝１０．０；実測線幅Ｘ（５１）＝ ５１．５ｎｍ

図２に示した多層膜基板１１の成膜後のタングステン層６の測定厚さ平均値Ｘａ＝５０．２ｎｍから、角度θの異なる各校正用部材１の校正パターン部表面９におけるタングステン層６の線幅の設計値Ｘｂはそれぞれ５８．０、５３．４、５１．０ｎｍとなる。つまり、上記（１）式と同様に、
Ｘａ／Ｘｂ ＝ cos θ
であるから、角度θ＝３０．０では、
Ｘｂ＝５０．２／cos３０°＝５８．０ｎｍ
角度θ＝２０．０では、
Ｘｂ＝５０．２／cos２０°＝５３．４ｎｍ
角度θ＝１０．０では、
Ｘｂ＝５０．２／cos１０°＝５１．０ｎｍ
となる。

上記実測した校正パターン部表面９のタングステン層６の実測線幅Ｘと、上記タングステン層６の線幅の設計値Ｘｂから、校正用部材１のオフセット幅ΔＸ（スライスレベル５０％での実測値と、試料２１の表面での線幅１５の差を校正するオフィス値）は、
ΔＸ＝Ｘ−Ｘｂ
で算出する。したがって、異なる角度θでは、それぞれ、
角度θ＝３０．０では、
ΔＸ＝６０．０−５８．０＝２．０ｎｍ
角度θ＝２０．０では、
ΔＸ＝５４．４−５３．４＝１．０ｎｍ
角度θ＝１０．０では、
ΔＸ＝５１．５−５１．０＝０．０ｎｍ
となる。

上記より、信号波形４５〜４７と５０％スライスレベル４８の交点間の距離（Ｘ）から、角度θに応じたオフセット幅ΔＸを差し引いた値が、タングステン層６の校正パターン部表面９上の幅の推定値Ｘｅとなる。

以上のように、ＳＥＭ制御部３０は、異なる角度θを有する複数の校正用部材１−ａ〜１−ｃを走査して、オフセット幅ΔＸを求めて角度および測長値記憶部４２に角度θに対応付けて格納しておく。そして、試料２１の走査の後に、角度および測長値演算部４１が試料２１の境界面傾斜角度αに応じた角度θのオフセット幅ΔＸを参照して、試料２１の表面側の部材の幅の推定値Ｘｅを算出する。

次に、ＳＥＭ制御部３０で、上記図４に示した試料２１を電子ビーム１０で走査してタングステン部１３の上面の線幅１５を測定する例を示す。

対象の試料２１の断面構造は、上記図４に示したとおりである。測定対象の試料２１はタングステン部１３がシリコン部１２に埋め込まれた断面形状をしており、最表面には厚さ２ｎｍのカーボン薄膜１４で覆われている。断面構造においてタングステン部１３の、側方の境界面傾斜角度αは２０度から３０度の間で作製されているが、その角度は電子ビーム１０が照射される表面からは判別できない。

図４に示した試料２１の表面に沿って電子ビーム１０を図４の水平方向（矢示方向）へ走査したときに、検出器１９、２０で測定した反射電子信号５２を図１０に示す。図１０は、電子ビーム１０の操作位置と反射電子信号５２の強度の関係を示すグラフである。図１０において、５０％スライスレベル５４は、上述したように反射電子信号５２の波形の信号強度の最大値を１００％、最小値を０％としたきの中央値である。そして、実測線幅（Ｘ）５２は、反射電子信号５２の波形と５０％スライスレベル５４の交点間の距離である。

この反射電子信号５２の波形だけでは、図４に示したような試料２１の内部の境界面傾斜角度αが分からない。この状態では、試料２１の内部に埋め込まれたタングステン部１３からの反射電子信号５２による線幅Ｘを校正するためのオフセット幅ΔＸがわからないので、測定したい線幅１５の測定誤差が大きくなる。

そこで、上記図７のステップＳ２０６により、ＳＥＭ制御部３０の信号波形比較演算部４０は、角度θが異なる複数の校正用部材１の校正パターン２から得られた信号波形４５〜４７と、試料２１の実測値とである反射電子信号５２の波形の比較を行い、反射電子信号５２の波形に一致または近似する信号波形４５〜４７を選択し、試料２１の内部の境界面傾斜角度αを推定する。この推定は、例えば、反射電子信号５２の波形と一致（または近似）する信号波形４５〜４７に対応する校正パターン部表面９の角度θを、試料２１の内部の境界面傾斜角度αとして設定する。

例えば、タングステン部１３の端部（試料２１の表面）からの反射電子信号５２の波形と、図９に示した校正パターン部表面９の角度θ＝２０．０度の校正用部材１−ｂの信号波形４６が一致する場合、ＳＥＭ制御部３０の信号波形比較演算部４０は、信号波形４６に対応する角度θを角度および測長値記憶部４２または（記憶部３８）から取得して、図４に示した測定対象の試料２１の内部の境界面傾斜角度αは２０．０度である、と推定する。なお、信号波形４５〜４７と、試料２１の実測値とである反射電子信号５２の波形の比較は、公知または周知のパターンマッチングの手法を適用すれば良いので、ここでは詳述しない。あるいは、信号波形４５〜４７と、試料２１の実測値とである反射電子信号５２の波形の比較はＳＥＭ制御部３０のオペレータが選択あるいは入力しても良い。

ＳＥＭ制御部３０は、境界面傾斜角度αに対応する角度θを推定すると、角度および測長値記憶部４２から角度θに応じたオフセット幅ΔＸを、角度および測長値記憶部４２から取得する。この例では、角度θ＝２０度から、オフセット幅ΔＸ＝１．０ｎｍに設定される。

次に、測定対象の試料２１を電子ビーム１０で走査した結果、試料２１の実測値の線幅１５は反射電子信号５２と、５０％スライスレベル５４との交点間の距離であり、図１０に示す実測値の線幅５５が１０２ｎｍであった例について説明する。

上記推定した境界面傾斜角度α＝角度θ＝２０．０度に対応するオフセット幅ΔＸは１．０ｎｍであり、図４で示したように、境界の傾斜面が左右の両側に存在するので、実測値の線幅５５に対するオフセット幅ΔＸは、１．０ｎｍ×２＝２．０ｎｍである。

したがって、求める線幅１５（推定値Ｘｅ）は、実測値の線幅５５ − オフセット幅＝１０２ｎｍ−２．０ｎｍ＝１００ｎｍとなる。

前記従来例の走査電子顕微鏡では、測定対象の試料２１の内部で異種部材の境界が形成する傾斜面の角度および表面の線幅（推定値Ｘｅ）を正確に求められなかったのに対し、本発明の走査電子顕微鏡では高精度な形状の測定と線幅の測定が実現できるのである。本実施例１では、校正用部材１の校正パターン部表面９の角度θとして、１０、２０、３０度などの１０度間隔で用意した例を示したが、試料２１内で異種部材の境界が形成する傾斜面の角度が予想される範囲で複数用意しておけば測定対象の試料２１の内部に含まれる傾斜面の角度が全く不明な場合でも、校正用のパターン２を内挿することで１度程度の精度で測定することが可能となる。

また、加速電圧に応じて電子ビーム１０の物質への侵入深さが変化するが、上記測定ではどの加速電圧に対しても高精度な測定が可能である。本実施例１では検出信号として反射電子信号を用いた例を示したが、図５、図６に示す二次電子２５を二次電子検出器１９で得られた検出信号を用いた場合も、上記と同様の効果が得られる。

以上のように実施例１によれば、校正用部材１の校正パターン部表面９に対して所定の角度θで傾斜した異なる材料で形成された板状（または膜状）の層を、内部で交互に積層して複数組の層を形成し、これらの層が露出する端面を校正パターン２とする。校正パターン２を有する校正用部材１の表面を校正パターン部表面９として、走査電子顕微鏡の校正を行うために電子ビーム１０を照射する表面とする。

そして、異なる材料で形成された板状の層の傾斜角度θが異なる校正用部材１−ａ〜１−ｃを複数用意しておく。すなわち、図２で示したように、異なる材料の膜を交互に積層した多層膜基板１１の側面を、それぞれの角度θで研磨することで校正用部材１−ａ〜１−ｃを形成する。ここで、成膜が完了して研磨する以前に、複数組の層間ピッチＰを測定し、ＳＥＭ制御部３０に設定する。なお、ひとつの多層膜基板１１から複数の校正用部材１−ａ〜１−ｃを作製した場合には、ひとつの層間ピッチＰを測定してえおけばよい。層間ピッチＰの測定は、公知または周知の手法を用いればよい。

ＳＥＭ制御部３０では、異なる角度θごとに測定対処の層（上記ではタングステン層６）の端面の走査方向の幅である線幅Ｘを測定し、タングステン層６の線幅の設計値Ｘｂと実測値Ｘから、校正するためのオフセット幅ΔＸを校正値として算出する。そして、ＳＥＭ制御部３０は、角度θ毎にオフセット幅ΔＸと信号波形を角度および測長値記憶部４２に記憶しておく。なお信号波形は、１組の層を走査した信号波形を記憶しておく。

この校正値を求める際には、校正パターン２を電子ビーム１０で走査することで得られた異なる材料で校正された複数組の層の信号波形から、複数組の層の間隔の平均値を層間ピッチＰ’としてＳＥＭ制御部３０が算出する。そして、上記（１）式より、研磨後の角度θの実際の値が算出される。この値により、校正パターン部表面９の角度θを校正することができる。

そして、試料２１の表面であるカーボン薄膜１４側を電子ビーム１０で走査した信号波形と、角度および測長値記憶部４２に記憶された信号波形とを比較し、一致または近似する信号波形を角度および測長値記憶部４２から選択する。そして、選択した信号波形に対応するオフセット幅ΔＸを用いて、試料２１の信号波形から算出する線幅の推定値Ｘｅを校正することができる。

本発明の第２の実施例について図１１および図１２を用いて校正用部材１を用いた走査電子顕微鏡における電子ビーム１０による測定の例を説明する。

図１１は、本発明の第２の実施例を示し、校正用部材１’の断面図である。校正用部材１’は、本発明の実施例１で用いた図１に示す校正用部材１において、シリコン基板５、シリコン層７、８を表面から所定の深さｈまでエッチングして、タングステン層６の斜面を校正パターン部表面９から所定の角度θで突出させたものである。エッチングには水酸化テトラメチルアンモニウムを用い、校正パターン部表面９から突出したタングステン層６の高さｈは約１００ｎｍとした。

また、校正用部材１’の校正パターン部表面９に露出したシリコン層７の端面７Ａと、校正パターン部表面９から突出したタングステン層６の端面６Ａは相互に平行であり、端面６Ａ、７Ａと校正パターン部表面９も平行である。

上記のような図１１の校正用部材１’を実施例１と同様に図５、図６に示した走査電子顕微鏡のステージ２２に搭載し、タングステン層６のパターン間のピッチＰ’を測定し、図２に示した成膜後の多層膜基板１１の既知のタングステン層６間のピッチＰから、上記（１）式より、タングステン層６の所定の角度θ、が例えば、１０．０度であることを得る。

次に、図１１に示すように、シリコン基板５、シリコン層７、８から突出したタングステン層６上で電子ビーム１０の走査により発生する反射電子２６（図６）を検出器２０（図６）で検出する。ＳＥＭ制御部３０は、検出器２０から得られた反射電子信号波形に基づいて、信号波形の信号強度とコントラストが最大になるようにレンズ制御部３１、３３（図６）によるレンズ２８（図６）、焦点調整レンズ２９（図６）の制御により分解能と焦点調整を行う。

上記調整後に、ＳＥＭ制御部３０は、再度図１１に示すタングステン層６上の校正パターン２で電子ビーム１０を所定の方向へ走査し、発生した反射電子２６（図６）を検出器２０（図６）で検出する。

図１２は、検出器２０から得られた反射電子信号波形５６を示す。ＳＥＭ制御部３０は、前記実施例１と同様に、反射電子信号波形５６の信号強度の最大値を１００％とし、最小値を０％としたときに、８０％のスライスレベル５７と、２０％スライスレベル５８を算出する。そして、ＳＥＭ制御部３０は、反射電子信号波形５６と８０％スライスレベル５７の交点と、反射電子信号波形５６と２０％スライスレベル５８の交点の走査位置方向の交点間隔（＝ビーム直径）５９を算出する。

ＳＥＭ制御部３０は、交点間隔５９から電子ビーム１０の直径１．０ｎｍが０．１ｎｍの精度で得ることができる。このような高精度な測定には電子ビーム１０に対して斜面が露出しない鋭い直線状重金属端面が必要であるが、本発明の校正用部材１’を用いれば斜め研磨の角度制御により任意の角度θの重金属斜面が形成でき、その端部の直線性は多層膜成膜で実現できるので高精度な電子ビーム径の測定が可能である。

また、上記実施例２では試料２１の測定に反射電子を検出する例を示したが、二次電子信号の検出で測定することも可能である。また上記実施例２では校正用の多層膜基板１１の軽元素材料としてシリコンおよび重金属としてタングステンの例を示したが、軽元素材料としてはカーボン（原子番号；６）、ベリリウム（原子番号；４）やアルミニウム（原子番号；１３）などがあり、重金属としてモリブデン（原子番号；４２）やタンタル（原子番号；７３）などでも同様の効果が得られる。

以上のように、実施例２では校正パターン部表面９から所定の角度θで突出したタングステン層６の端面６Ａと、校正パターン部表面９に露出したシリコン層７の端面７Ａが平行するように校正用部材１’を形成することで、校正用部材１’へ照射された電子ビーム１０の直径（または半径）を測定することが可能となる。

上記実施例１、２においては、試料２１に対して垂直な電子ビーム１０を用いる場合を示した。本実施例２では、試料２１に対して傾斜した電子ビーム１００を用いる例を示す。

傾斜した電子ビーム１００を用いて試料２１を走査した結果を観察すると、試料２１の側壁や、側壁と底面の間など、通常の垂直な電子ビーム１０からは得ることができない情報を得ることができる。

傾斜した電子ビーム１００によって観察を行う場合、特に試料２１の寸法測定に用いる場合においては、試料２１に対して電子ビーム１００が到達する角度（入射角）を校正することが重要となる。そこで、本実施例３においては、前記実施例２で示したような校正用部材１’を用いて傾斜した電子ビーム１００の試料２１に到達する角度を校正する方法に関して述べる。

図１３は、実施例３の走査電子顕微鏡の構成の一例を示すブロック図である。本実施例３においても、使用する走査電子顕微鏡の概略は前記実施例１の図５と同様である。

図１３では、図６に示した実施例１の構成に加えて、傾斜した電子ビーム１００を制御するための偏向器６０と、偏向器６０を制御するための傾斜制御部６１が追加されたものである。その他の校正及び基本的な使用方法は前記実施例１の図６と同様であり、電子ビーム１００が試料２１に対して定められた角度で到達するように、傾斜制御部６１により偏向器６０が制御される。

図１４Ａは、本実施例３で傾斜した電子ビーム１００の校正に用いる校正用部材１’の校正パターン２の部分断面拡大図を示す。図１４Ｂは、本発明の第３の実施例を示し、校正用部材１’を保持ホルダ３に取り付けたときの断面図を示す。

図１４Ａ、図１４Ｂにおいて、実施例２に示した図１１と同様に、実施例１の図１に示した校正用部材１のシリコン基板５、シリコン層７、８を表面から選択的にエッチングして、図１１に示すようにタングステン層６の斜面が校正パターン部表面９から突出させた。この校正用部材１’の作製方法は実施例２で示したとおりである。タングステン層６の斜面が、校正パターン部表面９から突出した高さをｈとする。なお、上記実施例２で述べたように高さｈは、シリコン基板５、シリコン層７、８をエッチングした深さに相当する。

いま、図１４Ａで示すように、校正パターン２を構成するタングステン層６の傾斜方向とは反対方向の傾斜角で、垂直（校正パターン部表面９の鉛直方向）に対して入射角φ（＞０）だけ傾いて電子ビーム１００が入射している。

電子ビーム１００を校正用部材１’上で所定の方向へ走査した場合、タングステン層６の斜面部分が電子ビーム１００に対して影を作り、校正パターン部表面９の表面のうち、画像として確認できる領域は、図１４Ａに示す底幅ｍの部分となる。すなわち、底幅ｍは、傾斜した電子ビーム１００の反射電子から得られる見かけ上のシリコン層７の表面の幅となる。

底幅ｍと、実際の底幅、すなわちシリコン層の幅Ｌと、高さｈと、校正パターン部表面９の鉛直方向に対した傾斜したタングステン層６の角度θと、電子ビーム１００の入射角φには次式の関係が成立する。

Ｌ＝ｈ（ｔａｎθ ＋ ｔａｎφ） ＋ ｍ ………（２）
この（２）式のうち、Ｌ、ｈ、θはあらかじめ設定された既知の値であり、底幅ｍは校正用部材１’のＳＥＭ画像（反射電子波形など）を取得することから求めることができる。従って、（２）式より、底幅ｍ内に照射可能な電子ビーム１００の傾きである入射角φを求めることが可能である。

上記（２）式は、φ＜０、すなわち、校正パターン２となるタングステン層６の斜面と同じ方向の傾斜角で試料２１に到達する場合においても成立する。たとえば、図１４Ａにおいて、電子ビーム１０１のような場合である。本手法が使用できる範囲は、傾斜した電子ビーム１００を用いたＳＥＭ像から底幅ｍが検出できる範囲、すなわち、０ ≦ ｍ ≦ Ｌの範囲となる。

たとえば、ある校正用部材１’においては、シリコン層７の底幅Ｌが５１．３ｎｍ、θ＝１５度として求められており、高さｈが１００ｎｍであった。このとき、電子ビーム１００で測定可能な入射角φは、−１５度から１３．５度に含まれる角度となる。

次に、図１５は、測定処理の一例を示すフローチャートである。図１４、図５、図１３および図１５のフローチャートに沿って、測定を行う処理の手順を説明する。

まず、ＳＥＭ制御部３０は、校正用部材１’を搭載したステージ２２の移動により光学顕微鏡１８の下に校正用部材１’を移動させる。ＳＥＭ制御部３０は、光学顕微鏡１８を、第１の所定の倍率、例えば五百倍等の倍率で、図１４Ｂに示した校正用部材１’上の多層膜パターン部（校正パターン）２を検出し、校正場所を特定し光学画像処理部３６に校正パターン２の座標を記憶する（ステップＳ３００）。

次にＳＥＭ制御部３０は、校正パターン２の座標を基に電子ビーム１００の直下に校正パターン２が対向するようにステージ２２を制御して、校正用部材１’を移動させる。次に、ＳＥＭ制御部３０は、図１３のステージ制御部３５またはビーム偏向制御部３２の制御により電子ビーム１００の偏向中心を図１４Ｂの校正パターン２に移動する。

このように上記の手順でＳＥＭ制御部３０は、ステージ制御部３５とビーム偏向制御部３２により図１４Ａ、図１４Ｂに示したタングステン層６とシリコン層７の積層構造部（校正パターン２）を電子ビーム１００の直下に位置させる（ステップＳ３０１）。このとき校正パターン２の位置座標は記憶部３８に記憶しておく。

次にＳＥＭ制御部３０は、図１４Ａで示したように、校正パターン部表面９上に傾斜して照射した電子ビーム１００（あるいは電子ビーム１０１）で走査する。走査方向は所定の方向で、例えば、図１４Ａ、図１４Ｂの水平方向である。これにより発生した反射電子２６を反射電子検出器２０で検出し、波形演算部３７（図１３）を通して得られる反射信号波形を表示部３９（図１３）で表示し、図１６に示すような反射電子信号波形６２を取得する（ステップＳ３０２）。

次に、ＳＥＭ制御部３０は、上記反射電子信号波形６２を波形および校正値を保持する記憶部３８に記憶する（ステップＳ３０３）。

続いて、ＳＥＭ制御部３０は、あらかじめ角度および測長値記憶部４２に保存されている成膜後のタングステン層６の層間ピッチＰ’と、真の底幅Ｌと、校正パターン部表面９から突出したタングステン層６の角度θを角度および測長値記憶部４２から読み出し、ステップＳ３０３にて得られた上記反射電子信号波形６２より底幅ｍを後述するように算出する（ステップＳ３０４）。

更に、ＳＥＭ制御部３０は、底幅ｍ、真の底幅Ｌ、校正パターン部表面９から突出したタングステン層６の角度θに基づいて電子ビーム１００の試料２１に対する入射角φを角度および測長値演算部４１により算出して角度および測長値記憶部４２に記憶する（ステップＳ３０５）。

上記フローにチャート従って、ＳＥＭ制御部３０で処理した例を以下に示す。電子ビーム１００の加速電圧は３ｋＶである。

図１４Ａに示すように、校正用部材１’の斜め研磨角度θ＝１５度（設計値）で、エッチング高さｈ＝１００ｎｍの校正用部材１’に対して、上記ステップＳ３０１からステップＳ３０３の処理を行い、図１６に示すような４層分のタングステン層の反射電子信号波形６２が得られた。

前記実施例１との図２で示したように、多層膜基板１１の成膜後に基板面内の複数箇所で膜厚測定を行い、シリコン層７の厚さ平均４９．６ｎｍ、およびタングステン層６とシリコン層７の層間ピッチＰの平均値９９．８ｎｍが得られていることから、タングステン層６の層間ピッチＰ’及び真の底幅Ｌは、それぞれ１０３．３ｎｍ、５１．３ｎｍとして算出される。なお、タングステン層６の層間ピッチＰ’は前記実施例１と同様に求めれば良い。また、真の底幅Ｌは、次のように求めることができる。まず、タングステン層６の層間ピッチＰ’と、成膜後の層間ピッチＰからタングステン層６の傾斜角度θの実測値を求める。そして、成膜後のシリコン層７の厚さ平均４９．６ｎｍと傾斜角度θの実測値からシリコン層７の実際の厚さを求め、この厚さを層間ピッチＰ’から差し引いた値が真の底幅Ｌとなる。

これは、図１６に示した信号強度が所定の２０％でシリコン層７の底幅ｍに相当する例を示し、上記（２）式を用いて電子ビーム１００の入射角φとして９度が求められる。なお、シリコン層７からの反射電子信号波形６２の信号強度は、校正用部材１’毎に事前に測定したものを用いればよく、図１６の例では、信号強度の２０％以下がシリコン層７からの反射電子信号波形６２として測定された例を示している。

以上のように、本実施例３では、電子ビーム１００で校正用部材１’を走査した反射電子信号波形６２から電子ビーム１００の実際の入射角φを算出し、走査電子顕微鏡の電子ビーム１０の偏向角度を校正することができる。

上記実施例３においては、校正用部材１’や試料２１への電子ビーム１００の入射角φを傾斜ビーム形成用の偏向器６０、傾斜制御部６１により設定し、任意に設定された入射角を測定する手法に関して説明した。本実施例４では、前記実施例３で用いた校正用部材１’の校正パターン部表面９の角度θ（＝タングステン層６の傾斜角度θ）と同じ角度で電子ビーム１０１の入射角φを設定する校正方法に関して説明する。

前記実施例３の図１４Ａにおいて、底幅ｍが最大（＝真の底幅Ｌ）となるときを考えると、それは電子ビーム１００がタングステン層６の傾斜角度θに沿って校正用部材１’に入射するときである。この様子を図１７に示す。図１７は、校正用部材１’の部分断面拡大図を示す。電子ビーム１０１がタングステン層６の傾斜角度θに沿ってシリコン層７へ入射する場合、図１４Ａにて定義した入射角φは、タングステン層６の傾斜角度θとは逆の符号となる。

また、電子ビーム１０１で校正用部材１’を走査した結果、測定される反射電子信号波形を図１８に示す。図１８は、校正用部材のタングステン１層分を傾斜した電子ビームで走査したときの信号波形を示すグラフである。

図１８中には、底幅ｍが最大の場合の反射電子信号波形６３のほかに、一般的な入射角φの場合の反射電子信号波形６２を示した。すなわち、底幅ｍが最大となるとき、φ＝−θであり、底幅ｍ＝Ｌとなる。

前記実施例３に示した図１５のフローチャートと同様の手順により、校正用部材１’または試料２１への電子ビーム１０１の入射角φを傾斜ビーム形成用の偏向器６０、傾斜制御部６１により変化させて繰り返し反射電子信号波形６２を取得して底幅ｍを測定し、底幅ｍが最大となる、反射電子信号波形６３が取得される条件（入射角φ）を探索する。これにより、電子ビーム１０１の入射角φを、校正用部材１’の角度に対応する−θに設定することができる。

＜まとめ＞
なお、本実施例１〜４で用いた校正用部材１、１’は、図５、図６に示した走査電子顕微鏡に限らず、他の荷電粒子ビーム装置にも応用できることは言うまでも無い。
以上、本実施例によれば、微細かつ平滑化された素子に対して測長および素子構造の測定を高精度で行うことのできる荷電粒子ビーム装置および校正用部材並びにそれを用いた測定方法を提供することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、本発明において説明した計算機等の構成、処理部及び処理手段等は、それらの一部又は全部を、専用のハードウェアによって実現してもよい。

また、本実施例で例示した種々のソフトウェアは、電磁的、電子的及び光学式等の種々の記録媒体（例えば、非一時的な記憶媒体）に格納可能であり、インターネット等の通信網を通じて、コンピュータにダウンロード可能である。

１、１’ 校正用部材
２ 校正パターン
３−ａ〜３−ｃ 保持ホルダ
５ シリコン基板
６ タングステン層
７、８ シリコン層
９ 校正パターン部表面
１０、１００、１０１ 電子ビーム
１１ 多層膜基板チップ
１２ シリコン部
１３ タングステン部
１４ カーボン薄膜
１５ 線幅
１８ 光学顕微鏡
１９ 二次電子検出器
２０ 反射電子検出器
２１ 試料
２２ ステージ
２３ 電子ビーム鏡筒
２４ 電子銃
２５ 二次電子
２６ 反射電子
２７ 走査偏向器
２８ レンズ
２９ 焦点調整レンズ
３０ ＳＥＭ制御部
３１ レンズ制御部
３２ ビーム偏向制御部
３３ レンズ制御部
３４ 信号処理部
３５ ステージ制御部
３６ 光学画像処理部
３７ 波形演算部
３８ 記憶部
３９ 表示部
４０ 信号波形比較演算部
４１ 角度および測長値演算部
４２ 角度および測長値記憶部

Claims (15)

1. 荷電粒子ビームを偏向させることにより、試料または校正用部材の表面を走査する荷電粒子ビーム装置であって、
   前記校正用部材は、
   密度の異なる第１の材料と第２の材料とを交互に積層した複数の層の端部が露出する校正パターンを有し、前記第１の材料と前記第２の材料の各層は前記荷電粒子ビームの照射方向に対して所定の角度で傾斜し、
   前記荷電粒子ビーム装置は、
   前記荷電粒子ビームを照射して前記校正用部材の前記校正パターンまたは前記試料の表面を走査して、反射電子または二次電子を検出する検出器と、
   前記検出された反射電子または二次電子を信号波形として記憶する演算処理部と、
   を有し、
   前記演算処理部は、
   前記校正用部材の前記校正パターンを走査して、前記信号波形から前記層の端部の実測値を校正する校正値を演算する校正値演算部と、
   複数の前記校正用部材のそれぞれの前記校正値と前記信号波形を対応付けて保持する校正値記憶部と、
   前記試料の表面を走査した信号波形と前記校正値記憶部の信号波形とを比較して前記校正値を取得し、前記信号波形に基づく値を校正値で校正する測定値演算部と、
   を有することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
2. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム装置であって、
   前記校正値記憶部は、
   前記第１の材料と前記第２の材料の各層の前記角度が異なる複数の前記校正用部材の前記校正値と前記信号波形を対応付けて保持することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
3. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム装置であって、
   前記試料は、
   異なる材料の境界で形成される傾斜部を内部に有し、
   前記測定値演算部は、
   前記校正値記憶部の信号波形の中から前記試料の表面を走査した信号波形に対応する前記校正値記憶部の信号波形を選択し、当該信号波形に対応する前記校正値を取得し、前記試料の表面を走査した信号波形に基づく値を前記取得した校正値で校正することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
4. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム装置であって、
   前記校正値演算部は、
   前記校正用部材に前記角度を付与する以前の前記複数の層のピッチを第１の層間ピッチとして予め設定し、前記校正用部材の前記校正パターンを走査して、前記信号波形から前記複数の層の層間ピッチを第２の層間ピッチとして算出し、前記第１の層間ピッチと第２の層間ピッチとから前記第１の材料と前記第２の材料の各層の角度を校正することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
5. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム装置であって、
   前記校正用部材は、
   前記第２の材料が前記第１の材料から所定量だけ突出し、前記第２の材料の端面と前記第１の材料の端面が平行して形成されたことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
6. 請求項５に記載の荷電粒子ビーム装置であって、
   前記校正値演算部は、
   前記校正用部材の前記校正パターンを走査して、前記信号波形から前記校正用部材に照射された荷電粒子ビームの径を測定することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
7. 請求項５に記載の荷電粒子ビーム装置であって、
   前記荷電粒子ビーム装置は、
   前記校正用部材に入射する荷電粒子ビームの入射角度を制御する傾斜制御部を含み、
   前記校正値演算部は、
   前記校正用部材の前記校正パターンを走査して、前記信号波形から前記校正用部材に入射する実際の入射角度を算出することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれかひとつに記載の荷電粒子ビーム装置であって、
   前記荷電粒子ビームは、電子ビームであることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
9. 密度の異なる第１の材料と第２の材料とを交互に積層した複数の層の端部が露出する校正パターンを有し、
   前記第１の材料と前記第２の材料の各層は、前記校正パターンを含む表面に対して所定の角度で傾斜したことを特徴とする校正用部材。
10. 請求項９に記載の校正用部材であって、
    荷電粒子ビームを偏向させて前記表面を走査し、反射電子信号により校正を行う荷電粒子ビーム装置に搭載されることを特徴とする校正用部材。
11. 請求項９に記載の校正用部材であって、
    前記第２の材料が前記第１の材料から所定量だけ突出し、前記第２の材料の端面と前記第１の材料の端面が平行して形成されたことを特徴とする校正用部材。
12. 請求項９に記載の校正用部材であって、
    前記第１の材料は、シリコンを含み、
    前記第２の材料は、タングステンまたはモリブデンを含むことを特徴とする校正用部材。
13. 荷電粒子ビーム装置が荷電粒子ビームを偏向させて試料または校正用部材の表面を走査する荷電粒子ビームの測定方法であって、
    前記校正用部材は、
    密度の異なる第１の材料と第２の材料とを交互に積層した複数の層の端部が露出する校正パターンを有し、前記第１の材料と前記第２の材料の各層は前記荷電粒子ビームの照射方向に対して所定の角度で傾斜し、
    前記測定方法は、
    前記荷電粒子ビーム装置が、前記荷電粒子ビームを照射して前記校正用部材の前記校正パターンの表面を走査して、反射電子または二次電子を検出し、前記検出された反射電子または二次電子を信号波形として記憶する第１のステップと、
    前記荷電粒子ビーム装置が、前記信号波形から前記層の端部の実測値を校正する校正値を演算する第２のステップと、
    前記荷電粒子ビーム装置が、複数の前記校正用部材のそれぞれの前記校正値と前記信号波形を保持する第３のステップと、
    前記荷電粒子ビーム装置が、前記荷電粒子ビームを照射して前記試料の表面を走査して、反射電子または二次電子を検出し、前記検出された反射電子または二次電子を信号波形として記憶する第４のステップと、
    前記荷電粒子ビーム装置が、前記試料の表面を走査した信号波形と、前記校正値に対応付けて保持した複数の信号波形とを比較して前記校正値を取得し、前記信号波形に基づく値を前記校正値で校正する第５のステップと、
    を含むことを特徴とする荷電粒子ビームの測定方法。
14. 請求項１３に記載の荷電粒子ビームの測定方法であって、
    前記第３のステップは、
    前記第１の材料と前記第２の材料の各層の前記角度が異なる複数の前記校正用部材の前記校正値と前記信号波形を対応付けて保持することを特徴とする荷電粒子ビームの測定方法。
15. 請求項１３に記載の荷電粒子ビームの測定方法であって、
    前記試料は、
    異なる材料の境界で形成される傾斜部を内部に有し、
    前記第５のステップは、
    前記校正値に対応付けた信号波形の中から前記試料の表面を走査した信号波形に対応する前記信号波形を選択し、当該信号波形に対応する前記校正値を取得し、前記試料の表面を走査した信号波形に基づく値を前記取得した校正値で校正することを特徴とする荷電粒子ビームの測定方法。