JP3951590B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
荷電粒子線装置の光学系を自動調整する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
荷電粒子線装置の光学系自動補正に関し、以下の3件の公知例がある。公知例1は特開平10-92354号の走査電子顕微鏡の軸ずれ自動補正装置である。一次電子線が対物レンズの中心を通過するように調整するために、対物レンズの励磁電流を変化させる前後の画像を各々取得し、得られた画像を2値化した後ミスアライメントに起因する像の移動方向と移動量を算出し、その移動量がゼロになる様にアライメント装置を制御する。公知例2は特開平7-176285の走査電子顕微鏡の焦点自動補正装置である。一次荷電粒子線の集束状態を変化させ、各集束状態で取得される画像の高周波成分を抽出し、その絶対量の１画面分の積分値を記録する。各集束状態における積算値を比較し、積算値が最大となる時の一次荷電粒子線の集束状態を合焦点状態と判定する。公知例3は特開平11-138242の透過電子顕微鏡用自動焦点補正装置である。試料が合焦点面に位置すると一次電子線の入射角度変化前後で画像は移動しないが、試料が合焦点面から外れていれば一次電子線の入射角変化前後で画像が移動する。この視差による位置ずれ量をフーリエ変換像の位相差像に基づく方法で解析し、焦点ずれ量に変換して焦点を補正する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
各公知例における問題点を以下にまとめる。
【０００４】
公知例１の様な軸ずれ自動補正装置に関しては、適用試料の制限が挙げられる。画像の2値化を含む画像処理では低S/Nつまり低コントラスト像への適用は困難であり、光学系調整用の高コントラストな視野でしか動作しない。また幾何形状解析は焦点変化による画像変形の影響を受け易く、十分な位置ずれ解析精度つまり軸ずれ解析精度が得られない。
【０００５】
また公知例1で用いられている位置ずれ解析法は解析結果の信頼性を数値的に示す機能が無く、画像劣化によって解析不能となった場合でも、間違った解析結果をそのまま出力してしまう。例えば光軸からのずれ量が大き過ぎたため、焦点変化によって試料が視野から外れて位置ずれ解析不能となる場合もある。また焦点変化量が大き過ぎたために像ボケが起り、位置ずれ解析不能となる場合もある。自動補正装置では解析が全て正しく実行される保証はないため、解析結果の信頼性を評価する手段と、信頼性が乏しい場合は補正を中止する機能が必要である。
【０００６】
公知例２の様な焦点自動補正装置関しては、解析精度の試料依存性が挙げられる。試料自体にシャープな構造があれば合焦点と焦点外れの間で画像の高周波成分の積算値に明瞭な差が見られるが、試料自体にシャープな構造が無いと合焦点と焦点外れの間で高周波成分の積算値の差はほとんど無くなってしまう。
【０００７】
また対物レンズ状態を変化させ、画像のシャープネスが最大となる対物レンズ状態を検索する、いわゆる漸近法では多数のデータを必要とする。データ取込時間は荷電粒子源の輝度や検出器の感度など、物理的な要因で制限される。そのため1データ当りの取込時間を短縮させ過ぎるとデータのS/Nが劣化し、解析が困難となる。またデータ取込み数の削減は解析精度の劣化を招く。
【０００８】
また公知例1同様、解析結果の信頼性を評価する指標が無いため、視野内にシャープな構造が存在しなかったため焦点を解析できない場合でも、間違った解析結果をそのまま出力してしまう。
【０００９】
公知例3の様な透過電子顕微鏡用焦点補正装置は一次電子線の入射角度のみを変化させる偏向器の存在を仮定していた。偏向器制御値を変化させたときに試料に入射する一次電子線の角度のみが変化するのは、偏向器の偏向始点と対物レンズの合焦点面が一致したときのみである。偏向支点が合焦点面とほぼ一致している偏向器の無い装置では、焦点ずれ量解析が出来なかった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
荷電粒子線装置の光学系調整を安定かつ高速高精度に実行するため行った対策を以下に示す。
【００１１】
軸ずれ解析には、対物レンズ電流変化前後の画像間の位置ずれ解析にフーリエ変換の位相差に基づく解析法を適用する。本位置ずれ解析法は低コントラスト像でも解析可能である。各画像のフーリエ変換像の位相差画像を逆フーリエ変換した解析画像には、位置ずれ量に対応した位置にδ的なピークのみが存在すると仮定できる。従ってδ的なピークの重心位置計算によってδ的なピークの位置つまり画像間の位置ずれ量を1画素以下の精度で求められる。さらに解析画像の強度を規格化した後計算されたδ的なピークの強度を画像間の一致度と見なすことが出来る。この一致度を解析結果の信頼性の度合いと見なすことが出来るので、一致度を利用した解析結果の合否判定機能を設ける。
【００１２】
焦点補正に関しては、画像のシャープネスに基づく焦点解析法は試料依存性および解析時間を考慮して光学系調整用試料でのみ動作させ、画像撮影時の焦点微調整は以下の解析法を適用する。本焦点解析では、偏向支点が対物レンズの合焦点面と一致しない偏向器を持つ装置でも、以下の関係が成立つことを利用する。操作者が設定した、もしくは画像のシャープネスを評価基準とした解析法によって特定された第1の焦点ずれ量F1において、偏向器制御値変化前後の画像を各々取得し、該画像間の第1の位置ずれ量D1を解析する。ここで制御値は電流値、電圧値もしくはそれらを制御するデジタル信号である。一次電子線の入射角度変化量つまり軸ずれ変化量をδα、倍率をＭ、球面収差係数をCsとすると、位置ずれ量D1と焦点ずれ量F1はD1=M・δα(S+F1+Cs・δα2)で関係付けられる。Sは偏向支点が対物レンズの合焦点面と一致しないために発生した画像移動の項である。その後焦点ずれ量がF1+δFの位置で偏向器制御値変化前後の画像を各々取得した場合、該画像間の位置ずれ量DはD1+δD=M・δα(S+F1+δF+Cs・δα2)となるので、第1の位置ずれ量D1との差δDから第1の焦点ずれ量F1との差δFを求めることが出来る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施例1）
図2は、本発明の実施例で使用する走査電子顕微鏡の基本構成図である。電子銃11及び一次電子線加速電圧や引き出し電圧を制御する制御回路11、照射レンズ12及びその電流値を制御する制御回路12、対物絞り13及び対物絞りの穴位置を制御する制御回路13、スティグメータ14_1、14_2及びその電流値を制御する制御回路14、各スティグメータの軸ずれ補正用偏向器15_1、15_2及びその電圧値もしくは電流値を制御する制御回路15、対物レンズの軸ずれ補正用偏向器16及びその電圧値を制御する制御回路16、走査用偏向器17及びその電圧値もしくは電流値を制御する制御回路17、E×B用偏向器18及びその電圧値もしくは電流値を制御する制御回路18、対物レンズ19及びその電流値を制御する制御回路19、試料ステージ20及びその位置を制御する制御回路20、電子検出器21及びそのゲインやオフセットを制御する制御回路21、レーザーを用いた試料高さセンサー22及びその測定条件を制御する制御回路22、制御ソフトと画像処理ソフトを搭載した計算機23から構成される。各制御回路は計算機23によってコマンド制御される。一次電子線の試料入射によって試料から出射する二次電子線の画像を走査用偏向器17の電子線走査信号と電子線検出器21の出力信号を同期させて形成する。形成された画像は画像送信用のケーブルで計算機23に高速に送信される。計算機23は送信された画像を解析して装置制御値を求め、走査電子顕微鏡の調整を行う。
【００１４】
まず、走査電子顕微鏡像を得るまでの工程を図3に示す。電子銃11から一次電子線を引出し電圧V1で引出し、加速電圧V0を印加する。鏡体の光軸と平行な方向をZ方向、光軸と直交する面をXY平面とする。試料24を挿入し、レーザーを用いた試料高さセンサー22で試料24の高さを求め、試料ステージ20のＺ位置調整または対物レンズ19の制御値調整によって画像解析可能な範囲に焦点を補正する、つまり焦点の粗調整を行う。この粗調整は低倍で試料24の画像を確認し、該画像を用いて行っても良い。試料ステージ20のXY移動機構を用いて電子光学系調整用の視野を選択する。次に入射一次電子線の対物レンズ19の光軸からのずれ量を補正する。対物レンズ19の焦点を変化させたときの像移動を検出し、像移動が最小になる様に対物絞り13の穴の位置、もしくは軸ずれ補正用偏向器16の制御値を調整する。次にスティグメータ14の光軸調整を行う。各スティグメータ14の制御値を変化させたときの像移動を検出し、像移動が最小になる様にスティグメータの軸ずれ補正用偏向器15の制御値を調整する。軸ずれ補正後、電子光学系調整用視野にて焦点・非点を補正する。次に試料ステージ20を用いて撮影用視野に移動し、画像が鮮明に観察できる様に対物レンズ19の焦点を微調整した後、画像の取込みを行う。
【００１５】
以下に述べる本発明は、上記工程のうち、対物レンズの軸ずれ補正、スティグメータの軸ずれ補正および撮影視野における対物レンズ焦点の微調整の自動化に関する。
【００１６】
まず、対物レンズの軸ずれ解析の説明図を図4に示す。倍率Mにおいて対物レンズに入射する一次電子線30が対物レンズ19の光軸31からα=(αx、 αy)ずれている場合、対物レンズの制御値変化によって焦点のZ座標を第1の設定からδF変化させて第2の設定にすると、試料に入射する一次電子線の位置は (dx, dy)=δF・(αx、 αy)だけずれてしまう。このため倍率Mにおいて対物レンズの焦点を第1の設定にして撮影した第1の画像と、対物レンズの焦点を第2の設定にして撮影した第2の画像は(Dx, Dy)=M・(dx, dy)の位置ずれ量を持つ。この関係を利用して軸ずれ量(αx、 αy)を求める。該軸ずれ量(αx、 αy)をほぼ0にするために必要な軸ずれ補正用偏向器16の制御値(IAL_x, IAL_y)を計算し、軸ずれを補正する。
【００１７】
対物レンズ19の軸ずれ自動補正装置の基本構成を図１に示す。視野や倍率等を設定した後、対物レンズ19の焦点を第1の設定して第１の画像を撮影する。 対物レンズ19の制御値変化によって対物レンズ19の焦点を第2の設定にして第２の画像を撮影する。計算機23はこれらの制御と共に、フーリエ変換像の位相差解析に基づく位置ずれ解析法を用いて第１と第２の画像間の位置ずれ量Dと一致度の計算と、該一致度に基づいて軸ずれ補正を実行するかの判断と、該位置ずれ量(Dx, Dy)をほぼ０にするために必要な軸ずれ補正用偏向器16の制御値(IAL_x, IAL_y)の計算を行い、軸ずれを補正する。走査電子顕微鏡では対物レンズ19の制御値変化による焦点変化量や、軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化による軸ずれ変化量の物理的な絶対量を測定することは難しい。また軸ずれをほぼ0にするという目的において、焦点変化量や軸ずれ量の絶対量を知る必要は無いので、位置ずれ量Dを軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量に直接変換し、該計算結果を基に軸ずれ補正用偏向器16の制御値を設定し、軸ずれを補正する。
【００１８】
なお、試料に対する対物レンズの焦点を変化させるために、一次電子線の加速電圧を変化させても良い。対物レンズの制御値を変化させときの像移動が最小となる光軸は電流中心軸、加速電圧を変化させたときの像移動が最小となる光軸は電圧中心軸と呼ばれている。本実施例では電流中心軸を例に説明しているが、電圧中心軸でも対物レンズ19の焦点変化を加速電圧変化で行う構成とすれば、同様の軸ずれ補正が実行できる。
【００１９】
ここでフーリエ変換の位相成分を利用した位置ずれ解析法の説明図を図5に示す。位置ずれD=(Dx, Dy)のある2枚の画像S1、S2を仮定し、S1(n, m)=S2(n+Dx, m+Dy)と記述する。S1(n, m), S2(n, m)の2次元離散的フーリエ変換をS1(k, l), S2(k, l)とする。フーリエ変換にはF{S(n+Dx, m+Dy)}=F{S(n, m)}exp(iDx・k+iDy・l)の公式があるので、S1(k, l)=S2(k, l)exp(iDx・k+iDy・l)と変形できる。つまりS1(k, l)とS2(k, l)の位置ずれは位相差exp(iDx・k+iDy・l)=Ｐ(k, l)で表現される。Ｐ(k, l)は周期が(Dx, Dy)の波でもあるので、位相差画像P(k, l)を逆フーリエ変換した解析画像P(n, m)には(Dx, Dy)の位置にδ的なピークが発生する。なお振幅の情報を全て除去するのではなく、S1(k, l)・S2(k, l)*=|S1||S2| exp(iDx・k+iDy・l)の振幅成分にlogもしくは√の処理を施して振幅成分を抑制した画像を計算し、該画像に逆フーリエ変換を施しても、位置ずれベクトルの位置(Dx, Dy)にδ的なピークが発生するので、該画像で位置ずれ解析を行っても良い。位相差画像P(k, l)をフーリエ変換しても(-Dx, -Dy)にδ的なピークが発生するので、位相差画像P(k, l)のフーリエ変換像で位置ずれ解析を実行しても良い。
【００２０】
解析画像P(n, m)にはδ的なピークのみが存在すると仮定できるので、重心位置計算によってδ的なピークの位置を小数点以下の精度で正しく求められる。例えば典型例として、倍率10万倍で１画素の大きさが2nm、焦点変化量1μmとすると、１画素の位置ずれ量に対応する軸ずれ量は2mradであり、小数点以下の位置ずれ解析精度があればサブmradの軸ずれ量が解析できる。
【００２１】
またδ的なピーク以外は雑音と見なすことが出来るので、解析画像P(n, m)全体の強度に対するδ的なピークの強度の割合を画像間の一致度と見なすことが出来る。従来の位置ずれ解析法では位置ずれ解析結果の信頼性を評価することは困難であり、視野外れや像ボケのために間違った位置ずれ量を出力しても、その位置ずれ量に基づいて偏向器16を変化させていた。これに対し本位置ずれ解析法では一致度が出力されるので、一致度の下限値を設定し、一致度が下限値以下であれば軸ずれ補正は行わない機能を設けてある。これによって視野外れや像ボケによる誤動作を防止する。
【００２２】
位置ずれ量Dを軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量δIALに変換するために、予め軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量δIALと位置ずれ量Dの関係を計測しておく必要がある。倍率Mm1において対物レンズ19の制御値をδIOBJ_m1変化させたとき、IAL=(IAL_x,IAL_y)における画像間の位置ずれ量D0=(Dx_0,Dy_0)を解析し、IAL+δIAL_m1=(IAL_x,+δIAL_m1_x,IAL_y+δIAL_m1_y)における画像間の位置ずれ量を解析し、位置ずれ量D0との差δDm1=(δDm1_x, δDm1_y)を求める。
【００２３】
この位置ずれ量δDm1と軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量δIAL_m1の関係を求める際、対物レンズ19の制御値IOBJを用いた補正を行う必要がある。対物レンズ19の制御値IOBJを変化させると光軸回りに像が回転するため、軸ずれ補正用偏向器16による一次電子線の軸ずれ変化方向が像の移動方向と一致しない場合があるためである。そこでまず軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量δIAL_m1=(δIA L_m1_x,δIAL_m1_y)の方向と位置ずれ量δDm1=(δDm1_x, δDm1_y)の方向との角度θを求める。位置ずれ量δDを角度θだけ面内回転させたδDm1_ θ=(δDm1_x_ θ , δDm1_y_ θ)を求め、軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化の方向とほぼ一致させる。なお対物レンズ19による像回転θは対物レンズ制御値IOBJに依存する。試料の高さ変化が大きい場合にも対応するために、試料高さを変えて異なる対物レンズ19制御値IOBJを設定し、各IOBJにてθを計測し、対物レンズ19制御値を補正項としたθ=θOBJ・IOBJ+θ0を求めておく。ここでθOBJおよびθ0は装置固有の定数である。
【００２４】
また対物レンズ19の制御値変化による像回転量が大きく、第１の画像と第２の画像で光軸回りの像回転が発生する場合がある。従来の位置ずれ解析法では像回転を伴う画像間の位置ずれ解析は困難であるが、本発明で用いた位置ずれ解析法は像回転を伴う画像間でも位置ずれ解析可能である。図6に示す様に、第1の画像(図6(a))と第2の画像(図6(b))が角度差θを持つ場合の位置ずれ解析フローを図7に示す。第2の画像を画像の中心周りにθi回転させた第5の画像を作成し、第5の画像と第1の画像で前記位置ずれ解析を行い、画像間の一致度と位置ずれ量を計算・記録する。複数の回転角度に関して前記工程を繰返す。第１の画像と第5の画像の角度差がほぼ0のとき一致度が最大になるので、得られた各回転角度における解析結果のうち、一致度が最大になる回転角度θIを第1の画像と第2の画像の回転角度と見なすことが出来る。第1の画像と第2の画像間の位置ずれ量は、第２の画像をθI回転させた画像(図6(c))で計算された位置ずれ量とする。
【００２５】
また一次電子線の軸ずれ変化量δαは軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量δIALとほぼ比例関係にあるが、図2に示す様に軸ずれ補正用偏向器16は対物レンズ19の上部に設けられているため、対物レンズ19の電磁界によっても試料に入射する一次電子線の位置は変化してしまう。試料の高さ変化が大きい場合にも対応するために、軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量δIAL_m1と位置ずれ量δDm1_ θとの関係式には、対物レンズ19の制御値IOBJ値をパラメータとした補正項を導入し、δDm1_ θ∝(A+B・IOBJ）δIAL_m1で関係付ける。ここでAおよびBは装置固有の係数である。また焦点変化量は対物レンズ19の制御値変化量に比例するのでδF∝δIOBJとなる。δDm1_ θ=M m1・δIOBJ_m1・(A+B・IOBJ）δIAL_m1 とし、各IOBJにて位置ずれ量δDm1_ θを計測し、係数AおよびBを特定する。位置ずれ量から軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量を計算する際は、δDm1_ θ‘= δDm1_ θ/(A+B・IOBJ）を用いる。
【００２６】
以上、軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量δIAL_m1と位置ずれ量δDm1の関係を測定し、計算機23に記録した後、軸ずれ補正を実行する。倍率Mにおいて、対物レンズ19の制御値をδIOBJ変化させた時の位置ずれ量がD=(Dx,Dy)の場合、位置ずれ量Dに対物レンズ制御値補正をしてDθ‘に変換した後、軸ずれを相殺するために必要な軸ずれ補正用偏向器の制御値変化量δIAL=-(Mm1・δIOBJ_m1 /M・δIOBJ)・(Dθ _x‘・δIAL_m1_x/δDm1_x_ θ‘, Dθ _y‘・δIAL_m1_y/δDm1_y_ θ‘)を計算する。
【００２７】
なお、低倍率つまり広視野撮影等では対物レンズ19周辺磁界の影響のため、光軸近傍を通過した一次電子線と光軸から離れた周辺部を通過した一次電子線で差を生じる、いわゆる周辺歪が発生する場合がある。周辺歪が発生すると画像内の各領域によって対物レンズ19の制御値変化による位置ずれ量に差が生じてしまうため、画像全体を用いた位置ずれ解析は困難となる。これに対応するために、位置ずれ解析可能な程度に一様である解析視野範囲を記録し、撮影視野範囲が解析視野範囲よりも大きい場合は、撮影視野範囲から解析視野範囲を切りだし、該解析視野範囲で位置ずれ解析を行った方が良い。
【００２８】
また周辺歪が発生している画像では軸ずれによる位置ずれと周辺歪による位置ずれが混在している。周辺歪による位置ずれは光軸対称であり、光軸から離れるほど周辺歪による位置ずれ量は大きくなる。図21に示す様に複数の領域で位置ずれ解析を行った場合、軸ずれ量が小さいと各領域における位置ずれ方向はほぼ軸対称になるが、軸ずれ量が大きいと各領域における位置ずれ方向はほぼ一様な方向になる。さらに光軸からの外れ量と対物レンズ19の制御値変化による位置ずれ量の関係を、周辺歪を含めて予め測定・記録しておくと、各領域における位置ずれ量の差から、周辺歪による位置ずれ量を補正した軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量を求めることができる。
【００２９】
次に軸ずれ補正に必要なパラメータについて考察する。まず軸ずれ補正に用いる視野であるが、軸が大きくずれている場合、正焦点でも一次電子線が十分に絞れない。また対物レンズ19の制御値変化による位置ずれ量も大きいと広視野が必要となるので、低倍率で視野を選択する必要がある。一方倍率が低下するほど位置ずれ解析の分解能が低下し、軸ずれ解析精度が低下する。高精度な軸ずれ解析を行うためには高倍率で視野を選択する必要がある。
【００３０】
次に対物レンズ19の制御値変化量IOBJについて考察する。δIOBJつまりδFが大きいほど軸ずれ量αに対応する位置ずれ量Dが大きくなり、軸ずれ解析精度は向上する。しかし焦点変化量δFを大きくし過ぎると、位置ずれ量Ｄも大きくなるため視野外れが発生する。特に高倍率では視野範囲が狭くなるのでが視野外れが頻繁に発生する。視野外れが起らない様、δFの上限値は倍率Mに反比例させたる必要がある。また高倍になるほど焦点変化量δFによる像ボケが大きくなり、視野が外れてなくとも位置ずれ解析不能となる。像ボケで決められる焦点変化量δFの上限値は対物レンズ16の焦点深度や試料24の構造に依存するので、実際に焦点を変化させて焦点変化量δFの上限を判断した方が良い。そこで以下の判断フローを設けておく。まず倍率から推奨される焦点変化量δFで位置ずれ解析を行い、位置ずれ解析不能つまり画像間の一致度が下限値以下となった場合は焦点変化量を減らし、再度位置ずれ解析を行う。
【００３１】
なお視野に全く特徴が無い等、視野自体に問題があるため位置ずれ解析不能となる場合もある。これに対応するために、焦点変化量がほぼ0となっても位置ずれ解析不能つまり一致度が下限値以下となった場合は、倍率を下げるか視野を変更した後、再度解析するフローを設けてある。
【００３２】
最後に装置パラメータの誤差の影響についても考察する。位置ずれ量Dを軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量に変換するには、倍率Mや対物レンズ19の制御値変化量δIOBJつまり焦点変化量δF、その他の装置パラメータが必要である。これらのパラメータには通常誤差が含まれる。例えば電子顕微鏡には通常5%程度の倍率誤差がある。そこで位置ずれ量Dから一次電子線の軸ずれ量αを計算する際、倍率誤差の軸ずれ解析誤差への影響を考察する。例えば倍率にM・(1+Δ)つまりΔの誤差があった場合、位置ずれ量Dが計測されたとする。本来の軸ずれ量αはD/[M・(1+Δ)・δF]-1であるが、軸ずれ量はαE=D/[M・δF]-1と計算される。倍率誤差による軸ずれ解析誤差はα-αE=-D・Δ/(1+Δ)・M・δFとなる。つまり倍率誤差による軸ずれ解析誤差は位置ずれ量Dに比例する。従って位置ずれ量D=0となるとき、倍率誤差による軸ずれ解析誤差はもっとも小さくなる。そこで位置ずれ量D=0となる様、α=0への補正を繰り返すフローとする。電子顕微鏡の倍率誤差Δは5%程度であるので、数回補正を繰返せば位置ずれ量D〜=0に収束し、倍率誤差の影響は無視できるようになる。
【００３３】
以上の考察を基に、図8のフローに従い軸ずれ補正を実行する。補正パラメータを入力した後、軸ずれ補正実行の指示を与えると、対物レンズ19の制御値が第1の設定のときの第1の画像取込みが開始される。対物レンズ19の制御値を変化させ、第2の設定した後、第2の画像を取込み、画像間の位置ずれを解析する。位置ずれ解析で得られた画像間の一致度を参照し、一致度が下限値以上であれば位置ずれ量を軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量に換算し、軸ずれを補正する。所定回数軸ずれ補正を実行した後、対物レンズ19の制御値を補正動作前の設定に戻し、軸ずれ補正を終了する。一致度不足の場合はまず制御値変化量を縮小して軸ずれ解析を再開する。制御値変化量を縮小しても一致度が不足している場合は、倍率や視野を変更して軸ずれ解析を再開する。いずれの対策を行っても一致度不足の場合は処理を中断する。
【００３４】
軸ずれ補正実行の指示は、図9に示す画面で行う。軸ずれ補正に用いるパラメータは、倍率M、対物レンズ19の制御値変化量δIOBJ、補正回数、一致度下限値である。図9(a)に示すウィンドウで、補正パラメータを入力し、補正実行ボタンをクリックして補正を実行する。解析結果は軸ずれ補正用補正器16の補正量と一致度であり、一致度が下限値以下になった場合エラーメッセージを表示する。なお軸ずれ状態の検査や補正パラメータの最適化を目的とする場合は計測実行ボタンをクリックする。計測実行ボタンをクリックすると、軸ずれ解析のみ行い、軸ずれ補正用偏向器16の補正は行わない様になっている。
【００３５】
また観察試料の種類がほぼ一定であれば、一致度下限値、補正回数は試料ごとに変える必要は少なく、初期値のままで使用する場合が多い。従って未熟練者は図9(b)に示す簡易ウィンドウの方が操作を容易に行える。対物レンズ19の制御値変化量δIOBJは試料構造に応じて変化量の大小のみを選択する。
【００３６】
なお、軸ずれ補正用偏向器16の偏向支点と対物レンズ19の合焦点面が一致していなくとも、軸ずれ量が0に近づくと焦点変化による像の位置ずれ量が０に近づくと言う現象も変らない。また軸ずれ量を0にする補正の他に、操作者がある軸ずれ量を設定し、該軸ずれ量における対物レンズ19の制御値変化による位置ずれ量を記録しておき、記録された位置ずれ量になるように軸ずれ補正用偏向器16を調整すれば、指定した前期軸ずれ量に補正出来る。
【００３７】
対物レンズ19の軸ずれ補正手段として、軸ずれ補正用偏向器16の他に、対物絞り13がある。対物絞り13の穴位置が光軸から外れると、対物レンズ19に入射する一次電子線は軸ずれを持つことになる。この対物絞り13の穴位置の自動補正装置の基本構成を図10に、補正フローを図11に示す。視野や倍率等を設定した後、図９と同様の画面にて対物レンズ19の制御値変化量等の補正パラメータを入力し、補正実行ボタンをクリックすると補正が開始する。対物レンズ19の制御値が第1の設定のときの第１の画像を撮影した後、対物レンズ19の制御値をδIOBJ変化させて第2の設定し、第２の画像を撮影する。撮影された第１と第２の画像はフーリエ変換像の位相差解析に基づく位置ずれ解析法で一致度と位置ずれを解析する。該一致度に基づいて軸ずれ補正を実行するかの判断と、該位置ずれ量(Dx, Dy)をほぼ0にするために必要な対物絞りの穴位置制御モータの制御値(IAP_x, IAP_y)の計算を行う。この計算も、予め対物絞り13の穴位置制御モータの制御値変化量δIAPと位置ずれ量Dの関係を計測し、見積られた変換係数や補正項を用いて実行される。
【００３８】
なお対物絞り13の穴位置調整による軸ずれ補正はモーターやギアなどを用いた機械的な補正であるため、可動範囲は広いが設定精度は不充分である。一方軸ずれ補正用偏向器16の制御値調整による軸ずれ補正は電気的な補正であるため、可動範囲は狭いが設定精度は高い。そこで対物絞り13の穴位置調整機構と軸ずれ補正用偏向器16を兼備えた装置においては、対物絞り13の穴位置調整による軸ずれ粗調整の後、軸ずれ補正用偏向器16調整による軸ずれ微調整を行った方が良い。
【００３９】
軸ずれ補正は対物レンズのみならずスティグメータにおいても必要である。スティグメータは複数個設置されているので、各スティグメータの制御値変化前後の画像を各々取得し、画像間の位置ずれ量がほぼ0になる様に各スティグメータに対応する軸ずれ補正用偏向器の制御値を調整する。図12にスティグメータ14_1の軸ずれ自動補正装置の基本構成を、補正フローを図13に示す。他のスティグメータ14_2の軸ずれ補正も同様の装置および工程で実行する。視野や倍率等を設定した後、図９と同様の画面にてスティグメータの制御値変化量等の補正パラメータを入力し、補正実行ボタンをクリックすると補正が開始する。スティグメータ14_1制御値が第1の設定である第１の画像を撮影する。スティグメータ14_1の制御値を第2の設定にして第２の画像を撮影する。計算機23はこれらの制御と共に、フーリエ変換像の位相差解析に基づく位置ずれ解析法で第１と第２の画像の位置ずれ量と一致度の計算と、一致度に基づいて軸ずれ補正を実行するかの判断と、位置ずれ量(Dx, Dy)をほぼ０にするために必要な第１のスティグメータ14_1用の軸ずれ補正用偏向器制御値15_1の制御値(ISTEIGX_x, ISTIGX_y)の計算を行い、軸ずれを補正する。この計算も、予めスティグメータの軸ずれ補正用偏向器15_1の制御値変化量δISTEIGXと位置ずれ量Dの関係を計測し、見積られた変換係数や補正項を用いて実行される。
【００４０】
次に焦点補正について述べる。焦点補正法としては視差による位置ずれを利用した解析法、画像のシャープネスを評価基準とした解析法、画像のフーリエ変換像と一次電子線強度分布のシミュレーション像の比較に基づく解析法がある。視差に基づく解析法は透過電子顕微鏡などで用いられており、偏向器の偏向支点と合焦点面がほぼ一致している場合、試料が合焦点面に位置すると一次電子線の軸ずれ量を変化させても画像間の移動は無いが、試料が合焦点面から外れていれば一次電子線の軸ずれ量変化前後で画像間の移動が発生する。δαを一次電子線の軸ずれ変化量、Ｍを倍率、Csを球面収差係数をすると、画像間の位置ずれ量Dと焦点ずれ量FにはD=M・δα(F+Cs・δα2)の関係があり、視差による位置ずれ量Ｄが測定できれば焦点ずれ量Fが求められる。
【００４１】
しかし走査電子顕微鏡では軸ずれ補正用偏向器16の偏向支点と対物レンズ19の合焦点面が一致していない場合がある。その場合の焦点解析法を図14を用いて説明する。第1の焦点ずれ量F1において、軸ずれ補正用偏向器16の制御値が第1の設定であるときの第1の画像と第2の設定であるときの第2の画像を取得し、第1の画像と第2の画像の間の第1の位置ずれ量D1を解析する。一次電子線の軸ずれ変化量δα、倍率Ｍ、球面収差係数Csとすると、位置ずれ量D1と焦点ずれ量F1はD1=M・δα(S+F1+Cs・δα2)で関係付けられる。Sは偏向支点が合焦点面と一致しないために発生した画像移動の項である。次に焦点ずれ量F1+δFにおいて軸ずれ補正用偏向器16の制御値が第3の設定であるときの第3の画像と、第4の設定であるときの第4の画像を取得し、第3の画像と第4の画像の間の位置ずれ量を計算する。該位置ずれ量はD1+δD=M・δα(S+F1+δF+Cs・δα2)となるので、第1の位置ずれ量D1との差δDから第1の焦点ずれ量F1との差δFを求めることが出来る。計算機23では位置ずれ量の差δDから焦点ずれ量の差δFを計算し、焦点をF1に設定するために必要な対物制御値変化量δIOBJを求め、それを元に対物レンズ19を補正する。以上、軸ずれ補正用偏向器16の偏向支点が対物レンズ19の合焦点面と一致しなくとも、試料に対する焦点ずれを一定に保つ様に補正することは可能である。
【００４２】
シャープネスに基づく解析法は焦点と共に非点解析にも用いられる方法であるが、試料依存性がある。また様々な非点・焦点状態を比較する、いわゆる漸近法であるためシャープネス状態の収集に時間を要すると言う問題点がある。またフーリエ変換像に基づく解析法も焦点と共に非点解析にも用いられる方法であるが、試料依存性が非常に大きく、一般の撮影視野では動作しないという問題点がある。また解析に用いる画像の枚数は少ないが、シミュレーションとのフィッティングに時間を要するという問題点もある。一方視差に基づく解析法は、前述の様に合焦点面の指定が必要であると言う問題点はあるが、全ての視野を同じ焦点状態に設定することは可能である。また試料依存性が最も少なく、また2枚の画像で解析できるので高速化可能である。以上を考慮すると、光学系調整用試料を用いた合焦点面の特定および非点補正にはシャープネスもしくはフーリエ変換像に基づく解析法を用い、各撮影視野における焦点微調整には視差を利用した解析法を用いるのが最も効率的である。
【００４３】
視差を利用した対物レンズの焦点自動補正装置の基本構成を図１5に示す。まず図16に示すフローに従い、合焦点面での位置ずれ量D1を解析・記録する。電子光学系調整用の視野と倍率等を設定し、対物レンズ19の制御値をシャープネスやフーリエ変換に基づく補正法で特定した値、もしくは操作者が指定した値に設定する。図17の画面にて軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量等の補正パラメータを入力し、記録ボタンをクリックすると合焦点面での位置ずれ量D1の解析が開始する。軸ずれ補正用偏向器16の制御値が第1の設定である第１の画像を撮影する。軸ずれ補正用偏向器16の制御値を第2の設定にして第２の画像を撮影し、フーリエ変換像の位相差解析に基づく位置ずれ解析法で第１と第２の画像の位置ずれ量と一致度を計算する。一致度が下限値以上であれば位置ずれ解析結果とその際の装置パラメータを記録する。なお補正パラメータの最適化等、位置ずれ量D1の記録を目的としない場合は、計測実行ボタンをクリックする。計測実行ボタンをクリックすると、焦点ずれ量D1の解析のみ行い、メモリへは記録しない様になっている。
【００４４】
焦点自動補正は図18のフローに従って実行する。視野と倍率等を設定し、図17の画面にて軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量等の補正パラメータを入力し、実行ボタンをクリックすると焦点補正が開始する。位置ずれ量D1とそれを記録した時の装置パラメータが読み出される。位置ずれ量D1が記録されていない場合はエラーメッセージが表示され、補正は中断される。次に軸ずれ補正用偏向器16の制御値が第3の設定である第3の画像を撮影し、軸ずれ補正用偏向器16の制御値を第4の設定にして第4の画像を撮影する。計算機23はこれらの制御と共に、フーリエ変換像の位相差解析に基づく位置ずれ解析法で第3と第4の画像の位置ずれ量と一致度の計算と、一致度に基づいて軸ずれ補正を実行するかの判断と、位置ずれ量DをほぼD1にするために必要な対物レンズ19の制御値の計算を行い、焦点を補正する。なお、焦点ずれ量の検査や補正パラメータの最適化を目的とする場合もある。この場合は計測実行ボタンをクリックすると、焦点ずれ量解析のみ行い、対物レンズ19の補正は行わない様になっている。
【００４５】
焦点補正における対物レンズ19の制御値変化量の計算も、予め対物レンズ19の制御値変化量δIOBJと位置ずれ量変化δDの関係を計測し、見積られた変換係数や必要な補正項を用いて実行する。倍率Mm2において軸ずれ補正用偏向器16の制御値をδIAL_m2変化させたとき、対物レンズ19制御値IOBJ_0における画像間の位置ずれ量D0=(Dx_0,Dy_0)を解析し、対物レンズ19制御値IOBJ_0+δIOBJ_m2における画像間の位置ずれ量との差δDm2=(δDm2_x, δDm2_y)を求める。焦点ずれ補正では位置ずれ量の絶対値と焦点ずれのZ方向に対応した符号を用いるので、対物レンズ電流値IOBJによる位置ずれ量Dのθ補正は省略し、δDm2長さのみを補正したδDm2‘を計算する。倍率Mにおいて、対物レンズ19の制御値をδIOBJ変化させたときの位置ずれ量D1との差がδDの場合、位置ずれ量δDを相殺するために必要な対物レンズ19の制御値変化量δIOBJは±(Mm2・δIAL_m2 /M・δIAL)・δIOBJ_m2・|δD‘| /|δDm2‘|と記述される。ここでδD‘はδDを対物レンズ19制御値IOBJを用いて補正した値である。
【００４６】
像ボケの原因としては、焦点ずれ等、電子光学系の調整不足の他に、試料の帯電やコンタミネーション付着等、試料状態の劣化もある。図17に示す様に解析結果として一致度と共に焦点ずれ量が明示されていれば、異なる試料を同じ光学条件で観察しているかを確認できる。また同じ光学条件に設定することもでき、像ボケの原因の特定および対策が可能となる。
【００４７】
なお、本発明は試料入射前の一次電子線調整に関する発明であり、図19に示す様に二次電子線を検出する電子線検出器21が対物レンズ19と試料24の間に設置されている場合にも、また図20に示す様に電子線検出器21がZ方向に対して試料24より進行方向側に設置されている場合にも適用される。また電子線以外の荷電粒子線、例えば集束イオンビームにおける光学調整にも適用可能である。
【００４８】
（実施例2）
実施例2では、実施例１で示した自動調整装置を備えた回路パターン検査装置について説明する。実施例２で用いる回路パターン検査装置の構成を図22に示す。回路パターン検査装置は、室内が真空排気される検査室102と、検査室102内に試料基板109を搬送するための予備室（本実施例では図示せず）を備えており、この予備室は検査室102とは独立して真空排気できるように構成されている。また、回路パターン検査装置は上記検査室102と予備室の他に制御部106、画像処理部105から構成されている。検査室102内は大別して、電子光学系103、二次電子検出部107、試料室108、光学顕微鏡部104から構成されている。光学顕微鏡部104は、検査室102の室内における電子光学系103の近傍であって、互いに影響を及ぼさない程度離れた位置に設備されており、電子光学系103と光学顕微鏡部104の間の距離は既知である。そして、Xステージ131またはYステージ132が電子光学系103と光学顕微鏡部104の間において既知の距離を往復移動するようになっている。
【００４９】
被検査基板109の画像を取得するためには、細く絞った一次電子線119を該被検査基板109に照射し、二次電子146を発生させ、これらを一次電子線119の走査およびX-Yステージ131、132の移動と同期して検出することで該被検査基板109表面の電子線画像を得る。本実施例の回路パターン検査装置には、通常SEMに比べ約100倍以上の、例えば100nAの大制御値電子線を一回のみ走査した時の信号を検出し、画像を形成する機能が設けられている。走査幅を100μmとし、1画素を0.1μm□とし、1回の走査を1μsで行える。
【００５０】
電子銃110には拡散補給型の熱電界放出電子源が使用されている。この電子銃110を用いることにより、従来の例えばタングステン（W）フィラメント電子源や、冷電界放出型電子源に比べて安定した電子線電流を確保することができるため、明るさ変動の少ない電子線画像が得られるうえ、電子線電流を大きく設定することができるため、一回の走査で高S/Nの電子線画像を形成し高速検査を実現することができる。一次電子線119は、電子銃110と引出し電極111との間に電圧を印加することで電子銃110から引出される。一次電子線119の加速は、電子銃110に高電圧の負の電位を印加することでなされる。これにより、一次電子線119はその電位に相当するエネルギーで試料台130の方向に進み、コンデンサレンズ112で集束され、さらに対物レンズ116により細く絞られて試料台130上のX−Yステージ131、132の上に搭載された被検査基板109（半導体ウエハ、チップあるいは液晶、マスク等微細回路パターンを有する基板）に照射される。なお、ブランキング用偏向器113、軸ずれ補正用偏向器152、走査偏向器115、には、走査信号、補正信号およびブランキング信号を発生する信号発生器144が接続され、コンデンサレンズ112および対物レンズ116には、各々レンズ電源145が接続されている。被検査基板109には、高圧電源148により負の電圧を印加できるようになっている。この高圧電源148の電圧を調節することにより一次電子線119を減速し、電子銃110の電位を変えずに被検査基板109への電子線照射エネルギーを最適な値に調節することができる。
【００５１】
被検査基板109上に一次電子線119を照射することによって発生した二次電子146は、基板109に印加された負の電圧により加速される。被検査基板109上方に、ExB偏向器118が配置されており、これにより加速された二次電子146は所定の方向へ偏向される。ExB偏向器118にかける電圧と磁界の強度により、偏向量を調整することができる。また、この電磁界は、試料に印加した負の電圧に連動させて可変させることができる。ExB偏向器118により偏向された二次電子146は、所定の条件で反射板117に衝突する。この反射板117に加速された二次電子46が衝突すると、反射板117からは数V〜50eVのエネルギーを持つ第二の二次電子147が発生する。
【００５２】
二次電子検出部107は、真空排気された検査室102内には二次電子検出器120が、検査室102の外にはプリアンプ121、AD変換器122、光変換手段123、伝送手段124、電気変換手段125、高圧電源126、プリアンプ駆動電源127、AD変換器駆動電源128、逆バイアス電源129から構成されている。二次電子検出部107のうち、二次電子検出器120が検査室102内の対物レンズ116の上方に配置されている。二次電子検出器120、プリアンプ121、AD変換器122、光変換手段123、プリアンプ駆動電源127、AD変換器駆動電源128は、高圧電源126により正の電位にフローティングしている。上記反射板117に衝突して発生した第二の二次電子147は、この吸引電界により検出器120へ導かれる。二次電子検出器120は、一次電子線119が被検査基板109に照射されている間に発生した二次電子146がその後加速されて反射板117に衝突して発生した第二の二次電子147を、一次電子線119の走査のタイミングと連動して検出するように構成されている。二次電子検出器120の出力信号は、検査室102の外に設置されたプリアンプ121で増幅され、AD変換器122によりデジタルデータとなる。AD変換器122は、半導体検出器120が検出したアナログ信号をプリアンプ121によって増幅された後に直ちにデジタル信号に変換して、画像処理部105に伝送するように構成されている。検出したアナログ信号を検出直後にデジタル化してから伝送するので、従来の装置よりも高速で且つS/N比の高い信号を得ることができる。
X−Yステージ131、132上には被検査基板109が搭載されており、検査実行時にはX−Yステージ131、132を静止させて一次電子線119を二次元に走査する方法と、検査実行時にX−Yステージ131、132をY方向に連続して一定速度で移動されるようにして一次電子線119をX方向に直線に走査する方法のいずれかを選択できる。ある特定の比較的小さい領域を検査する場合には前者のステージを静止させて検査する方法、比較的広い領域を検査するときは、ステージを連続的に一定速度で移動して検査する方法が有効である。なお、一次電子線119をブランキングする必要がある時には、ブランキング用偏向器113により一次電子線119が偏向されて、電子線が絞り114を通過しないように制御できる。これにより、検査に必要でない電子線を試料に照射しないように制御し、被検査基板109の帯電を抑制することができる。
【００５３】
位置モニタ用測長器133として、本実施例ではレーザ干渉による測長計を用いた。Xステージ131およびYステージ132の位置が実時間でモニタでき、制御部106に転送されるようになっている。また、Xステージ131、Yステージ132の各種データも同様に各々のドライバから制御部106に転送されるように構成されている。制御部106はこれらのデータに基づいて一次電子線119が照射されている領域や位置を把握できるようになっており、必要に応じて実時間で一次電子線119の照射位置の位置ずれを補正制御回路143より補正するようになっている。また、被検査基板毎に、電子線を照射した領域を記憶できるようになっている。
【００５４】
光学式高さ測定器134は、電子ビーム以外の測定方式である光学式測定器、例えばレーザ干渉測定器や反射光の位置で試料の高さ変化を測定する反射光式測定器が使用されており、X−Yステージ131、132上に搭載された被検査基板109の高さを実時間で測定するように構成されている。本実施例では、スリットを通過した細長い白色光を透明な窓越しに該被検査基板109に照射し、反射光の位置を位置検出モニタにて検出し、位置の変動から高さの変化量を算出する方式を用いた。この光学式高さ測定器134の測定データに基いて、一次電子線119を被検査基板109上で細く絞るための対物レンズ116の焦点距離が把握できる様になっているので、被検査基板を検査室102にロードした際、ある程度焦点の合った電子線像が取得できる様になっている。また被検査基板109の反りや高さ歪みを電子線照射前に予め測定しており、そのデータをもとに対物レンズ116の検査領域毎の補正条件を設定する機能も付加されている。
【００５５】
画像処理部105は第一画像記憶部138と第二画像記憶部139、比較演算部140、欠陥判定処理部141、モニタ142により構成されている。上記二次電子検出器120で検出された被検査基板109の画像信号は、プリアンプ121で増幅され、AD変換器122でデジタル化された後に光変換器123で光信号に変換され、光ファイバ124によって伝送され、電気変換器125にて再び電気信号に変換された後に、制御部106からの命令により第一画像記憶部138あるいは第二記憶部139に記憶される。比較演算部140には、制御部106からの命令によりこれらの二つの記憶装置に記憶された画像信号が送られ、各々位置合せ、信号レベルの規格化、ノイズ信号を除去するための各種画像処理を施し、双方の画像信号を比較演算する。欠陥判定処理部141は、比較演算部140にて比較演算された強度差画像信号の絶対値を所定のしきい値と比較し、所定のしきい値よりも強度差画像信号レベルが大きい場合にその画素を欠陥候補と判定する。モニタ142は、制御部106からの指示により、検査途中に実時間で欠陥判定処理部141が欠陥と判定した箇所の位置や欠陥検出総数等を表示したり、第一あるいは第二記憶部138・139に記憶された画像データを表示したりする。
【００５６】
これまで回路パターン検査装置の全体の構成について説明してきたが、次に検査方法について半導体ウエハを例にとり、説明する。半導体ウェハにおける回路パターン検査では、試料に照射する一次電子線119の照射エネルギーを自由に調整制御し帯電の状態を変えることにより、コントラストを調整する。本実施例では、リターディング電源148より一次電子を減速するための負の電圧を印加し、この電圧を調整することにより一次電子線119の照射エネルギーを適宜調整する。例えば検査装置の電子線の加速電圧を10kVとし、試料および試料台に印加する負の電圧を-9kVに設定すると、試料へ照射される一次電子線119のエネルギーは1kVになる。図23は被検査回路パターンの材料および段差による電子線照射エネルギーの条件一覧と、検出したい欠陥による電子線照射エネルギーの条件一覧の1例である。段差が大きい場合には照射エネルギーは高く（1kV以上）、段差が低いあるいは無い場合には照射エネルギーを低く（3kV以下）設定する。また、導電材料と絶縁材料の組み合わせでは、照射エネルギーは低くても高くてもコントラストを得ることができるが、絶縁材料と絶縁材料の組み合わせでは、1kV以上に設定し、材料による帯電状態の差によりコントラストを得る。さらに形状欠陥を検出したい場合には500V以上、望ましくは1kV以上の照射エネルギーで、電位コントラスト欠陥すなわち導通不良やショート等の電気的な欠陥を検出したい場合には、3kV以下、望ましくは1kV以下の照射エネルギーに設定する必要がある。検査回路パターンには様々な材料および段差があるので、各回路パターンに適した照射エネルギーをデータベースに予め入力し、各検査に適した照射エネルギーを検索できるようにしてある。
【００５７】
検査条件の設定は図24に示すフローにて行う。まず操作画面上で検査条件を作成するモードを選択し、半導体ウエハ109を実際に検査装置内にロードする。各回路パターン検査に最適な照射エネルギーは前記データベースを元に設定する。照射エネルギーを設定するために試料台に負の電位を印加すると電磁界状態が変化するので、各照射エネルギー毎に軸、焦点、非点等の電子光学系の微調整が必要となる。この電子光学系調整は試料台に貼り付けてある電子光学系調整用試料にて行う。電子光学系調整用試料の箇所にステージを移動し、まず視差を利用した解析法（図4参照）にて軸ずれを解析し、軸ずれ補正用偏向器152にて軸ずれを自動補正する。軸ずれ量の設定範囲を入力し、軸ずれ量が大きいため一回の補正では十分補正できなかった場合は、前期設定範囲になるまで繰返し補正を実行する。軸ずれが前記設定範囲内にあることを確認した後、画像のシャープネスを判定基準とした解析法、もしくは画像のフーリエ変換像とシミュレーション像の比較に基づく解析法にて焦点・非点を解析し、対物レンズ116およびスティグメータ151を補正する。この際も焦点・非点の設定範囲を入力し、補正が十分行われていなければ再度補正を実行する。電子光学系調整後、各レンズや偏向器の設定値を記録する。また軸ずれ補正用偏向器152の設定値をδIAL変化させたときの位置ずれ量D1と倍率およびδIAL を記録する。また検査中に許容される焦点設定範囲も入力する。なお、電子光学系調整は被検査半導体ウェハ109内に設けられた調整用領域で実行しても良い。また軸ずれ、焦点、非点が自動調整できなかった場合のために、手動での調整も可能となっている。
【００５８】
電子光学系調整の後、被検査半導体ウエハ109上に一次電子線119を照射して検査する回路パターンの画像をモニタ上で確認する。モニタ上でコントラストを確認し、必要に応じて照射エネルギーを変更することもできる。なお、照射エネルギーを変更した場合は電子光学系の再調整が必要となる。
【００５９】
電子光学系調整および照射エネルギーの確認が終了したら、半導体ウェハ109の位置校正用パターンの設定を行う。必要に応じて該半導体ウエハ上の回路パターンのショットおよびチップのサイズと配列を入力し、またチップ上での校正用パターンの座標とチップ原点のオフセット値を入力する。校正用パターンまで試料ステージを移動し、校正用パターンを第１の画像としてメモリに記録する。照射エネルギー設定とそれに伴う電子光学調整によって像が回転する場合があるので、像回転が大きいと予想される場合は試料ステージ移動機構を用いて前記パターンが視野から外れない程度半導体ウェハ109を移動し、第2の画像を取得する。該画像間の位置ずれ量を解析し、試料ステージ移動方向とのずれ角を解析し、補正する。
【００６０】
次にウェハ位置校正を実行する。試料ステージ移動によってチップサイズだけ平行移動し、平行に並んだ２つのチップ上の校正用パターンの位置まで移動し、第2の画像として取得する。第1の画像と第2の画像の位置ずれ量と一致度をフーリエ変換像の位相差解析に基づく方法で解析し、一致度が下限値以上であれば試料ステージ移動量の校正を行う。一致度が下限値以下となった場合は校正用パターンが画面に映っていない可能性があるので、画像取込み倍率を縮小して第2の画像を取込み、記録された第1の画像を計算機内で縮小した画像とで位置ずれ解析を行い、回転ずれ角および移動量を測定し、校正した後、検査倍率にて再度校正を行う。校正終了後、各照射エネルギーにおける補正パラメータを記録する。
【００６１】
その後、チップ内のメモリセル等繰返しパターンの領域を設定し、該繰返しパターンの領域については繰返し単位すなわちピッチを設定する。次に、検査領域を指定する。検査領域の指定では、検査チップの指定と、チップ内検査領域を指定できる。メモリセル等繰返し以外の領域については、検査したい領域を光学顕微鏡画像あるいは電子線画像より設定することができる。
【００６２】
また照射エネルギーおよび電子光学系調整後の調整として、二次電子線検出器のゲイン・オフセット設定がある。各照射エネルギーにてまず電子光学系調整用試料の電子線画像が適切な明るさ分布になるようなゲイン・オフセットを特定し、記録する。次に各検査パターンの電子線画像が適切な明るさ分布になるようなゲイン・オフセットを特定し、電子光学系調整用試料で特定されたゲイン・オフセットとの違いをゲイン・オフセットテーブルとして記録する。また検査パターンの電子線像強度の平均値と分散を記録し、各々の設定範囲も入力しておく。この平均値と分散は検査実行中のゲイン・オフセット微調整に利用する。
【００６３】
以上の設定が完了したら、これまでに設定された各種条件で実際に画像を取得し、欠陥を検出するための画像処理条件を設定する。例えば以下の画像処理フローで検査を行う。不良箇所の抽出のために、良品における回路パターンの第1の画像をメモリに記録する。被検査半導体ウェハ109にて検査する回路パターンの画像を第2の画像として取得する。第1の画像と第2の画像の位置ずれ量をフーリエ変換の位相差画像に基づく解析法で求め、第2の画像の位置ずれを補正する。位置ずれ補正後、第1の画像と第2の画像間のコントラスト微調整を行う。第1の画像にはコントラスト微調整用領域が不良検査箇所とは別に幾つか指定されている。コントラスト微調整領域の像強度が画像間でほぼ一致する様に第2の画像のコントラストを微調整する。コントラスト微調整後、第1の画像と第2の画像の強度差画像を計算する。なお検査回路パターンの第1の画像は、予め記録された良品の画像ではなく、検査ウェハ内の検査回路パターンの画像でも良い。また第1および第2の画像のS/Nが低い場合、画像積算でS/Nを向上させるために、各々同じ領域の画像を複数枚取得し、画像間の位置ずれをフーリエ変換像の位相差解析に基づく位置ずれ解析法にて解析・補正した後、画像積算してS/Nを向上させても良い。
【００６４】
検査と同じ条件で画像を1チップ分取得し、欠陥とそれ以外を判定するための閾値を入力し、前記強度差画像の中で欠陥と判定された箇所を表示させ、実際に欠陥を検出しているか、あるいは誤検出が発生しているかを確認し、閾値を適切な値に調整する。最後にウエハ面内のプロセスばらつきに対するマージンを考慮するために、上記1チップ分よりも広い範囲で任意の領域を設定し、それまでに設定された各種条件により実際に検査を実行し、検出された欠陥や誤検出の内容を確認し、最終的に適切な条件であれば検査条件ファイルとして登録する。
【００６５】
検査実行は図25のフローにて行う。計算機23には回路パターンに応じて幾つかの検査条件ファイルが登録されているので、画面内で必要なファイルを選択し、検査領域や結果の出力等のオプション条件を入力する。検査実行を選択してウエハをロードすると、各パラメータの設定が開始される。経時変化が予想される設定に関しては、記録された設定値を初期値とした再調整が行われる。まず電子光学系調整用試料を用いて軸ずれ、焦点、非点を補正し、軸ずれ、焦点、非点が所定範囲内にあることを確認・記録する。その後正焦点における位置ずれ量D1を記録する。また電子光学系調整用試料における電子線検出器のゲイン・オフセット最適値を特定する。被検査半導体ウェハ位置の校正も必要である。
【００６６】
検査前の調整が完了すると、回路パターンの検査が開始される。検査中も幾つかの補正を行う。まず試料ドリフトやステージ微動誤差等のため視野がずれてくる場合がある。この視野ずれを補正するため、被検査半導体ウェハ内の幾つかのチップにおいて校正用パターンを用いた位置ずれ調整を実行する。指定されたチップにおいて校正用パターンの第2の画像を取得し、記録されている第1の画像との位置ずれ量をフーリエ変換像の位相差解析に基づく方法で解析し、位置ずれ量と一致度を計算する。一致度が下限値以上であれば試料ステージもしくはイメージシフトにて視野ずれを補正する。一致度が下限値以下となった場合は視野外れの可能性があるので、画像取込み倍率を縮小して第2の画像を取込み、記録された第1の画像を計算機内で縮小した画像とで位置ずれ解析を行う。倍率縮小を繰返し、設定された最低倍率にても位置ずれ解析不能であった場合はエラーメッセージを表示し、検査を中断する。
【００６７】
また検査中に試料の高さが変化し、対物レンズの焦点からずれて像がボケることがある。これを補正するために、指定された幾つかの箇所で焦点ずれ補正を実行する。軸ずれ補正用偏向器の制御値変化前後の画像間の位置ずれ量をフーリエ変換像の位相差解析に基づく方法で解析し、位置ずれ量をD1にするために必要は対物レンズの制御値変化量を求め、補正する(図14参照)。焦点が設定範囲いにあることを確認・記録した後、検査を再開する。また像のボケ具合をモニターし、最適な補正箇所と回数で焦点ずれ補正を実行させることも可能である。不良箇所の抽出の際、画像間の位置ずれを解析し、補正する工程が多く含まれる。フーリエ変換の位相差に基づく位置ずれ解析法では、位置ずれ解析結果と共一致度が出力される。この一致度を像ボケの指標とし、一致度が指定値以下になった場合は像がボケてきたと判断し、焦点補正を実行する。
【００６８】
なお、像ボケの原因としては焦点ずれの他に試料の帯電やコンタミネーション付着等、試料状態の劣化も考えられる。被検査半導体ウエハ109あるいは電子光学系調整用試料に一次電子線119を照射しつづけると、帯電の影響によりコントラストが変動したりコンタミネーションが付着するので、これを抑制するために電子線画像を取得したり検査を実行する以外には一次電子線119はブランキング電極により光学系途中に設けられたブランキングプレートに照射されている。しかし検査室内の真空状態や半導体ウェハの汚染状態等によって、帯電やコンタミネーション付着が発生する場合もある。試料劣化に対する検査中のリアルタイムな対策は難しいが、像ボケの原因が焦点外れか否かは焦点ずれ量解析結果から特定できる。焦点ずれ量の記録は検査条件最適化のデータベースとして利用できる。また像ボケの情報を示す一致度は検査結果における誤検出のマージンとして利用できるので、検査中の一致度や焦点ずれ量解析結果は記録しておいた方が良い。
【００６９】
また電子源出力低下等のために二次電子検出器のゲイン・オフセット調整が必要となることもある。まず電子光学系調整用試料におけるゲイン・オフセットを基準とし、ゲイン・オフセットテーブルを参照して検査中のゲイン・オフセットの初期値を設定する。画像強度の平均と分散の計算は比較的短時間で実行可能であるので、検査中のゲイン・オフセット補正にはこの平均値と分散を利用する。画像強度の平均値と分散を適時計算し、平均値と分散が指定された範囲内になる様に二次電子検出器のゲイン・オフセットを補正する。
【００７０】
上記補正を実行しながら検査を進行し、必要に応じて欠陥の内容を確認し、結果を記録してウエハをアンロードし、検査を終了する。検査結果には不良箇所の記録だけでなく、画像間の一致度を利用した像ボケ状態の記録や各種補正の記録も残されている。これらの記録を参照すれば誤検出の領域を見積ることができ、検査結果の信頼性を評価・向上させることもできる。
【００７１】
（実施例３）
図26に、集束イオンビーム照射カラムと走査型電子顕微鏡カラムを組合せた装置の全体構成図を示す。本装置は、イオン銃３５１、イオン銃３５１から放出するイオンビームを集束するレンズ３５２、偏向器３５３、補正用偏向器３７３、対物レンズ３７１等からなる集束イオンビーム照射カラム３８１と、電子銃３５７、前記電子銃３５７から放出する電子線３５８を集束するレンズ３５９、偏向器３６０、補正用偏向器３７４、対物レンズ３７２等で構成される走査型電子顕微鏡カラム３８２、および真空試料室から主に構成される。また、本装置は、集束イオンビーム(FIB)３５４を試料３６１に照射して、試料からの二次電子又は二次イオンを検出するための二次粒子検出器３５６、および試料３６１を載せる可動の試料台３６２と、試料台の位置を制御する試料位置制御装置３６３とを備える。さらに、本装置では、プローブ３６４を試料片摘出位置に移動させ、試料台３６２と独立に駆動するプローブ制御装置３６５、堆積ガス供給装置３６７、二次粒子検出器３５６からの観察像を解析する画像解析装置３６６および、観察像を表示する中央制御表示装置３５５等を備える。
【００７２】
次に、本装置の動作について説明する。まず、イオン銃３５１から放出したイオンをレンズ３５２、偏向器３５３、補正用偏向器３７４、および対物レンズ３７１を通して試料３６１に照射する。FIB３５４は試料上で直径数ナノメートルから１マイクロメートル程度に細束化される。FIB３５４を試料３６１に照射するとスパッタリング現象により試料表面の構成原子が真空中に放出される。したがって偏向器３５３を用いてFIB３５４を走査させることで、マイクロメートルからサブマイクロメートルレベルの加工ができることになる。また、FIB３５４照射によって形成するデポ膜は、プローブ３６４の先端にある接触部と試料を接続したり、摘出試料を試料ホルダに固定するために使用する。また、FIB３５４を走査して、試料から放出される二次電子や二次イオンを二次粒子検出器３５６で検出して、その強度を画像の輝度に変換することによって試料３６１やプローブ３６４などを観察することができる。
【００７３】
本装置では、イオンビーム照射軸が中心軸からずれると、イオンビーム径の拡大および形状の劣化を引起し、所望の加工形状を作製できなくなる場合がある。したがって、高い加工性能を維持するために、加工前にイオンビーム照射の軸すれを最小化しておく必要がある。そこで、本発明を本装置でのイオンビーム照射の軸ずれ補正に適用する例について述べる。本装置での軸ずれ補正は、すでに述べた走査電子顕微鏡と同様に行うことができる。すなわち、まず、対物レンズ３７１を第1の状態に設定しておき、FIB３５４を試料３６１に照射し、第１の画像を撮影する。対物レンズ３７１の制御値変化によって対物レンズ３７１を第2の状態に変化さて第２の画像を撮影する。画像解析装置３６６ではフーリエ変換像の位相差解析に基づく位置ずれ解析法を用いて第１と第２の画像間の位置ずれ量と一致度を計算し、該一致度に基づいて軸ずれ補正を実行するかの判断と、該位置ずれ量をほぼ０にするために必要な補正用偏向器３７３の制御値の計算を行う。さらに本装置では、既に述べた走査電子顕微鏡と同様に、対物レンズ３７１の制御値変化による焦点変化量や、補正用偏向器３７３の制御値変化によるずれ角変化量の物理的な絶対量を測定することは難しい。また軸ずれをほぼ0にするという目的において、焦点変化量やずれ角の絶対量を知る必要は無いので、位置ずれ量を直接に補正用偏向器３７３の制御値変化量に変換し、該計算結果を基に補正用偏向器３７３の制御値を設定し、軸ずれを補正する。
【００７４】
なお、ここで、位置ずれ量を軸ずれ補正用偏向器３７３の制御値変化量に変換するために、予め軸ずれ補正用偏向器３７３の制御値変化量と位置ずれ量の関係を計測しておく必要があるが、これについても、既に述べた走査電子顕微鏡と同様に行うことができるので、詳細については省略する。
【００７５】
次に、本装置でFIBおよびプローブを用いて試料の一部を微小試料として摘出して、微小試料の断面を電子顕微鏡機能で観察する場合について述べる。まず、図27に示すように、集束イオンビームカラム３１からFIB３５４を試料３６１に照射して、試料台の回転を組合せて、観察分析位置を囲むように溝を形成する。この加工領域は、長さ約５μｍ、幅約１μｍ、深さ約３μｍであり、片方側面で試料３６１と接続している。その後、試料台３６２を回転させ、FIB３５４で三角柱の斜面を形成するように加工する。ただし、この状態では、微小試料３９１と試料３６１とは支持部ｓ２で接続されている。次に、プローブ３６４を微小試料３９１の端部に接触させた後に、FIB３５４の照射により堆積性ガスを接触点３９３に堆積させてプローブ３６４を微小試料３９１に接合し一体化する。次に、支持部をFIB３５４で切断して微小試料３９１を切取る。微小試料３９１はプローブ３６４に支持された状態になり、観察・分析を目的とする表面及び内部断面が微小試料３９１の観察分析面として取出す準備が完了する。次に、図28に示すように、プローブ制御装置３６５を操作して微小試料３９１を試料３６１表面から浮上する高さまで持上げる。そして、プローブ３６４に支持された状態で微小試料３９１の追加工をするために、FIB３５４の照射角をプローブの回転操作で適切に設定する追加工により所望の観察断面ｐ３を作製する。次に、微小試料３９１を回転させて、観察断面ｐ３に走査電子顕微鏡カラム３８２の電子線３５８が概略垂直に入射するようにプローブ制御装置３６５の試料保持体３９２を動かして微小試料３９１の姿勢を制御した後静止させる。これにより、二次粒子検出器３５６での二次電子の検出効率はウェハ最表面を観察する場合と同程度になり、微小試料３９１の観察断面ｐ３の観察条件は非常に良好に、しかも観察分析面ｐ２、観察断面ｐ３に対して望ましい角度に調整して綿密な観察・分析ができる。
【００７６】
この形状観察の際に、試料ドリフトやステージ微動誤差等のため視野がずれてくる場合もある。この視野ずれを補正するため、微小試料の観察を用いた位置ずれ調整を実行する。最初に、微小試料の第1の画像を取得し、次に、微小試料の第2の画像を取得し、記録されている第1の画像との位置ずれ量をフーリエ変換像の位相差解析に基づく方法で解析し、位置ずれ量と一致度を計算する。一致度が下限値以上であれば試料台もしくは補正用偏向器にて視野ずれを補正する。一致度が下限値以下となった場合は視野外れの可能性があるので、画像取込み倍率を縮小して第2の画像を取込み、記録された第1の画像を計算機内で縮小した画像とで位置ずれ解析を行う。再度の解析でも位置ずれ解析不能であった場合はエラーメッセージを表示し、観察を中断する。以上により、微小試料のドリフトを補正し、高精度に試料の観察・加工を行うことができた。
【００７７】
（実施例4）
一般に、一次粒子線の軸ずれの大きさにより、焦点位置を変化したときの視差や最良フォーカス点が異なる。例えば、軸が大きくずれている場合には、正焦点でも一次粒子線が十分に絞れない。さらに、レンズの焦点変化に対する視差も大きい状況になる。このような状況で軸ずれ量を検出するには、比較的広い画像領域を用いる必要がある。一方、画像領域が広がるほど視差の検出分解能が低下するため、高精度な軸検出を行うには、小さい画像領域を用いる必要がある。したがって、軸補正の適用範囲を広くするには、軸ずれの程度に応じて、焦点変化量や視差を解析するための画像領域を適切に選択する必要がある。また、広視野画像では、軸ずれがなくても対物レンズの回転作用のために、レンズの焦点変化に伴って周辺画像が移動する。したがって、広視野画像では、画像の中心部と周辺部と視差を別々に解析することで、軸ずれの誤検出を防止し、検出の信頼性を高めることができる。すなわち、軸が合っている状況では、広視野画像の周辺では視差が大きく、中心部では視差が小さい。一方、軸が大きくずれている場合には、広視野画像の周辺と中心部とは概ね同程度の視差になる。この現象を利用して複数の画像領域でそれぞれ視差を解析すれば、広視野画像から軸ずれの粗調整が可能になる。画像の情報（視野ずれ検出感度）が十分であれば、中央部の部分画像の視差の解析で同様の効果を得ることが可能である。
【００７８】
画像領域が狭く（倍率が高く）なると、焦点変化に対する画像のぼけが増大するため、高倍率の条件では焦点変化量を小さくしなければならない。したがって、広範囲な軸ずれの条件で信頼性の高い軸ずれ検出を行うには、視差を解析する画像の領域と焦点変化量とをある所定の関係で制御することが必要である。以上の軸ずれ補正工程を以下に示す。
【００７９】
▲１▼広視野（低倍率）の条件で焦点の異なる画像を取得し、画像中心部と画像周辺部の部分画像で視差を解析する。
【００８０】
▲２▼画像の中心部と周辺部の部分画像から、それぞれ対応する視差を解析し、軸ずれ量がある所定のレベル以上と判定されたらば、アライメント手段にフィードバックする。
【００８１】
▲３▼視差による焦点補正を行う。
【００８２】
▲４▼狭い視野（高倍率）で焦点の異なる画像を取得し、全画像領域を用いて視差を解析し、軸ずれ量がある所定のレベル以上と判断されたらば、アライメント手段にフィードバックする。
【００８３】
（実施例5）
光学系の焦点深度よりも深い凹凸を有する試料に対して、画像領域全体に焦点の合った全焦点画像を取得するには、試料の凹凸状態を予め測定し、必要な焦点条件で複数の画像を取得し、これらを合成する必要がある。このとき、画像領域全体における凹凸分布を解析するのに、視差による焦点条件の検出が有効になる。画像領域を複数の画像に分割（各々の分割画像は互いにオーバーラップしても可）して、それぞれの分割画像で視差を解析すれば、画像領域の場所による焦点ずれの分布が得られる。例えば、高さ、あるいは深さの一定な部分構造を有する半導体パターンに対して分割画像の視差解析を行うと、画像全体で2箇所（例えば、表面と孔底）の焦点位置（正焦点からのずれ量）が検出される。この場合には、これらの焦点位置のそれぞれで画像（2枚）を取得すれば、その画像から必要な全焦点画像が合成できる。一方、生物試料や一般材料の場合には、視野内で凹凸レベルが連続的に分布していると考えられる。この場合には、分割画像の視差からそれぞれ異なる焦点ずれ量が検出される。この場合には、焦点ずれの最大値と最小値とを求め、焦点ずれの全範囲をカバーするように、焦点を等間隔で変化させながら画像を取得すれば、全焦点画像を合成することができる。このときの焦点変化量は、電子光学系の焦点深度に対応するステップ幅にすればよい。焦点深度内では、凹凸があっても焦点が合うからである。こうした処理を自動で行うには、部分画像のそれぞれに対して視差解析を行って、焦点ずれの分布を求めることが必要になる。以上の画像合成を行う工程を以下に示す。
【００８４】
▲１▼対物レンズへの入射角を制御できる粒子ビーム偏向手段（例えば、アライメントコイル）を用いて、異なる入射角でそれぞれ試料像を取得する。
【００８５】
▲２▼得られた複数（2枚）の試料像を予め定められた部分画像に分割する。分割画像は互いにオーバーラップしていても良い。
【００８６】
▲３▼それぞれ対応する部分画像間で視差を解析し、画像内での視差の分布を求める。
【００８７】
▲４▼視差の分布が特定個所に集中している場合には、その視差に対応する焦点条件で画像を取得し、これらの画像から全焦点画像を合成する。
【００８８】
▲５▼視差がある範囲で一様に分布している場合には、その範囲（視差の分布範囲）を求め、以下の処理を行う。
【００８９】
▲６▼視差の分布範囲から対応する焦点位置の範囲を計算する。
【００９０】
▲７▼画像取得条件から電子光学系の焦点深度を計算し、この焦点深度と同程度の焦点変化量で複数の画像を取得する。
【００９１】
▲８▼得られた複数の画像から全焦点画像を合成する。
【００９２】
【発明の効果】
従来の軸ずれ自動補正装置と比較すると、本発明で採用したフーリエ変換像の位相差解析に基づく位置ずれ解析法は低コントラストな視野でも動作可能であり、適用試料範囲が非常に拡大する。また軸ずれ量αの解析精度は位置ずれ量Dの解析精度と比例関係にあり、サブピクセルの解析精度を持つ本位置ずれ解析法の採用によって熟練したオペレータと同様な精度の補正を数秒で実行できるようになる。また本位置ずれ解析法では画像間の一致度が計算される。視野外れや像ボケのために位置ずれ解析不能となった場合のために一致度の下限を設定し、計算された一致度が前記下限値以下であれば軸ずれ補正は行わないフローとしてある。また位置ずれ解析不能となった場合は焦点変化量や倍率を縮小し、再度補正を行う等のフローを設けることによる、荷電粒子線装置の無人稼動にも対応可能とした。
【００９３】
軸ずれは電子源からの電子線の引出し条件を変えるたび発生する。特に電界放出型電子銃は電子銃先端に吸着する鏡体内ガスの影響を受けやすく、引出し電圧等、電子線の引出し条件を変えることが多く、軸ずれ補正の自動化は重要と言える。また半導体ウェハ検査ではリターディング電圧を変化させて像コントラストを最適化する場合が多い。パターンにあわせてリターディング電圧を変化さるたびに光学系を微調整するため、軸ずれ補正の自動化は重要である。
【００９４】
焦点補正装置に関しては、合焦点面と偏向支点が一致しない装置でも使用できるように視差を利用した焦点解析を改良したことにより、荷電粒子線装置全般に視差に基づく焦点解析法を適用できるようにした。視差に基づく焦点補正法は試料依存性が少なく、また高速化可能であるという特徴を持つ。
【００９５】
また電子光学系調整用試料を用いた焦点補正と実デバイスにおける焦点補正を区別し、電子光学系調整用試料に対しては画像のシャープネスやフーリヘ変換に基づく方法で実行し、実デバイス上での焦点微調整は本発明の焦点ずれ補正法で実行することにより動作安定と高速化を図った。また実デバイス上で焦点補正を実行できるので、凹凸の大きいパターンにおいても各観察位置に焦点を合せることができる様になった。
【００９６】
更に位置ずれ解析において計算される画像間の一致度を評価基準としたエラー防止フローの付加により、無人稼働にも対応可能となった。また焦点ずれ量や一致度を記録することにより、パターン検査前の装置調整状態チェックやパターン検査後の誤検査領域チェックも行える様になった。焦点ずれ量の記録はウェハ表面の凹凸の記録としても利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電子顕微鏡における軸ずれ補正用偏向器を用いた軸ずれ自動補正装置の基本構成図。
【図２】走査型電子顕微鏡の基本構成図。
【図３】電子顕微鏡像撮影の工程を示すフローチャート。
【図４】焦点変化による像の位置ずれ量Dと光軸からの軸ずれ量αの関係を示す説明図。
【図５】位置ずれ解析の計算過程を示す説明図。
【図６】位置ずれ量Dと共に面内回転θある画像間の位置ずれ解析工程の説明に用いた第1の画像(a)と第2の画像(b)、および第2の画像を角度θIだけ面内回転させて作成した第5の画像(c)。
【図７】画像間に像回転があるときに画像間の位置ずれ量を解析する工程を示すフローチャート。
【図８】軸ずれ補正用偏向器を用いた軸ずれ自動補正の工程を示すフローチャート。
【図９】 (a)は軸ずれ自動補正に用いる画面あり、(ｂ)は(a)を簡略化した画面である。
【図１０】電子顕微鏡における対物絞りを用いた軸ずれ自動補正装置の基本構成図。
【図１１】対物絞りを用いた軸ずれ自動補正の工程を示すフローチャート。
【図１２】電子顕微鏡におけるスティグメータの軸ずれ自動補正の工程を示すフローチャート。
【図１３】電子顕微鏡におけるスティグメータの軸ずれ自動補正装置の基本構成図。
【図１４】光軸からの軸ずれ量変化による像の位置ずれ量と焦点ずれ量の関係を示す説明図であり、(a)は合焦点、(b)は焦点外れの場合である。
【図１５】電子顕微鏡における焦点自動補正装置の基本構成図。
【図１６】軸ずれ補正用偏向器の制御値変化による像の位置ずれ量を解析・記録する工程を示すフローチャート。
【図１７】 (a)は焦点自動補正に用いる画面あり、(ｂ)は(a)を簡略化した画面である。
【図１８】電子顕微鏡における焦点自動補正の工程を示すフローチャート
【図１９】走査型電子顕微鏡の基本構成図。
【図２０】走査透過電子顕微鏡の基本構成図。
【図２１】周辺歪を持つ電子顕微鏡像において対物レンズ制御値を変化させたときの像移動を示す説明図であり、(a)は軸ずれが小さい場合、(b)は軸ずれが大きい場合である。
【図２２】回路パターン検査装置の装置構成を示す図。
【図２３】半導体装置回路パターンに応じた適切な電子線照射条件を示す図。
【図２４】検査条件設定のフローを説明する図。
【図２５】自動検査のフローを示す図。
【図２６】集束イオンビームカラムと走査型電子顕微鏡カラムを組合せた試料観察装置の全体構成図。
【図２７】試料観察装置で試料作製を示す図。
【図２８】試料観察装置で試料を摘出して断面を観察する図。
【符号の説明】
11…電子銃、11…電子銃制御回路、12…照射レンズ、12…照射レンズ制御回路、13…対物絞り、13…対物絞り制御回路、14_1,14_2…スティグメータ、14…スティグメータ制御回路、15_1,15_2…スティグメータの軸ずれ補正用偏向器、15…スティグメータの軸ずれ補正用偏向器制御回路、16…対物レンズの軸ずれ補正用偏向器、16…対物レンズの軸ずれ補正用偏向器制御回路、17…走査用偏向器、17…走査用偏向器制御回路、18…E×B用偏向器、18…E×B用偏向器制御回路、19…対物レンズ、19…対物レンズ制御回路、20…試料ステージ、20…試料ステージ制御回路、21…電子検出器、21…電子検出器制御回路、22…レーザを用いた試料高さ測定器、22…レーザを用いた試料高さ測定器制御回路、23…制御ソフトおよび画像処理ソフトを搭載した計算機、24…試料、25…フーリエ変換像の位相差解析に基づく位置ずれ解析用演算器、30…レンズに入射する電子線、31レンズの光軸、32…第1のレンズ設定における電子線、33…第2のレンズ設定における電子線102…検査室、103…電子光学系、104…光学顕微鏡部、105…画像処理部、106…制御部、107…二次電子検出部、108…試料室、109…被検査半導体ウエハ、110…電子銃、111…電子線引き出し電極、112…コンデンサレンズ、113…ブランキング用偏向器、114…絞り、115…走査偏向器、116…対物レンズ、117…反射板、118…ExB偏向器、119…一次電子線、120…二次電子検出部、121…プリアンプ、122…AD変換器、123…光変換手段、124…伝送手段、125…電気変換手段、126…高圧電源、127…プリアンプ駆動電源、128…AD変換器駆動電源、129…逆バイアス電源、130…試料台、131…Xステージ、132…Yステージ、133…位置モニタ用測長器、134…高さ測定器、135…光源、136…光学レンズ、137…CCDカメラ、138…第一画像記憶部、139…第二画像記憶部、140…比較演算部、141…欠陥判定処理部、142…モニタ、143…補正制御回路、144…走査偏向器（走査信号発生器）、145…対物レンズ電源、146…二次電子、147…第二の二次電子、148…リターディング電源149…高圧電源、149…検出器用シールド電極、151…スティグメータ、152…軸ずれ補正用偏向器
３５１…イオン銃、３５２…レンズ、３５３…偏向器、３５４…集束イオンビーム(FIB)、３５６…二次粒子検出器、３５７…電子銃、３５８…電子線、３５９…レンズ、３６０…偏向器、３６１…試料、３６２…試料台、３６３試料位置制御装置、３６４プローブ、３６５…プローブ制御装置、３６７…堆積ガス供給装置、３５５…中央制御表示装置、３６６…画像解析装置、３７１…対物レンズ、３７２…対物レンズ、３７３…補正用偏向器、３７４…補正用偏向器、３８１…集束イオンビームカラム、３８２…走査電子顕微鏡カラム、３９１…微小試料、３９２…試料保持体、３９３…接触点、ｓ２…支持部、ｐ２…観察分析面、ｐ３…観察断面。
【発明の属する技術分野】
荷電粒子線装置の光学系を自動調整する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
荷電粒子線装置の光学系自動補正に関し、以下の3件の公知例がある。公知例1は特開平10-92354号の走査電子顕微鏡の軸ずれ自動補正装置である。一次電子線が対物レンズの中心を通過するように調整するために、対物レンズの励磁電流を変化させる前後の画像を各々取得し、得られた画像を2値化した後ミスアライメントに起因する像の移動方向と移動量を算出し、その移動量がゼロになる様にアライメント装置を制御する。公知例2は特開平7-176285の走査電子顕微鏡の焦点自動補正装置である。一次荷電粒子線の集束状態を変化させ、各集束状態で取得される画像の高周波成分を抽出し、その絶対量の１画面分の積分値を記録する。各集束状態における積算値を比較し、積算値が最大となる時の一次荷電粒子線の集束状態を合焦点状態と判定する。公知例3は特開平11-138242の透過電子顕微鏡用自動焦点補正装置である。試料が合焦点面に位置すると一次電子線の入射角度変化前後で画像は移動しないが、試料が合焦点面から外れていれば一次電子線の入射角変化前後で画像が移動する。この視差による位置ずれ量をフーリエ変換像の位相差像に基づく方法で解析し、焦点ずれ量に変換して焦点を補正する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
各公知例における問題点を以下にまとめる。
【０００４】
公知例１の様な軸ずれ自動補正装置に関しては、適用試料の制限が挙げられる。画像の2値化を含む画像処理では低S/Nつまり低コントラスト像への適用は困難であり、光学系調整用の高コントラストな視野でしか動作しない。また幾何形状解析は焦点変化による画像変形の影響を受け易く、十分な位置ずれ解析精度つまり軸ずれ解析精度が得られない。
【０００５】
また公知例1で用いられている位置ずれ解析法は解析結果の信頼性を数値的に示す機能が無く、画像劣化によって解析不能となった場合でも、間違った解析結果をそのまま出力してしまう。例えば光軸からのずれ量が大き過ぎたため、焦点変化によって試料が視野から外れて位置ずれ解析不能となる場合もある。また焦点変化量が大き過ぎたために像ボケが起り、位置ずれ解析不能となる場合もある。自動補正装置では解析が全て正しく実行される保証はないため、解析結果の信頼性を評価する手段と、信頼性が乏しい場合は補正を中止する機能が必要である。
【０００６】
公知例２の様な焦点自動補正装置関しては、解析精度の試料依存性が挙げられる。試料自体にシャープな構造があれば合焦点と焦点外れの間で画像の高周波成分の積算値に明瞭な差が見られるが、試料自体にシャープな構造が無いと合焦点と焦点外れの間で高周波成分の積算値の差はほとんど無くなってしまう。
【０００７】
また対物レンズ状態を変化させ、画像のシャープネスが最大となる対物レンズ状態を検索する、いわゆる漸近法では多数のデータを必要とする。データ取込時間は荷電粒子源の輝度や検出器の感度など、物理的な要因で制限される。そのため1データ当りの取込時間を短縮させ過ぎるとデータのS/Nが劣化し、解析が困難となる。またデータ取込み数の削減は解析精度の劣化を招く。
【０００８】
また公知例1同様、解析結果の信頼性を評価する指標が無いため、視野内にシャープな構造が存在しなかったため焦点を解析できない場合でも、間違った解析結果をそのまま出力してしまう。
【０００９】
公知例3の様な透過電子顕微鏡用焦点補正装置は一次電子線の入射角度のみを変化させる偏向器の存在を仮定していた。偏向器制御値を変化させたときに試料に入射する一次電子線の角度のみが変化するのは、偏向器の偏向始点と対物レンズの合焦点面が一致したときのみである。偏向支点が合焦点面とほぼ一致している偏向器の無い装置では、焦点ずれ量解析が出来なかった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
荷電粒子線装置の光学系調整を安定かつ高速高精度に実行するため行った対策を以下に示す。
【００１１】
軸ずれ解析には、対物レンズ電流変化前後の画像間の位置ずれ解析にフーリエ変換の位相差に基づく解析法を適用する。本位置ずれ解析法は低コントラスト像でも解析可能である。各画像のフーリエ変換像の位相差画像を逆フーリエ変換した解析画像には、位置ずれ量に対応した位置にδ的なピークのみが存在すると仮定できる。従ってδ的なピークの重心位置計算によってδ的なピークの位置つまり画像間の位置ずれ量を1画素以下の精度で求められる。さらに解析画像の強度を規格化した後計算されたδ的なピークの強度を画像間の一致度と見なすことが出来る。この一致度を解析結果の信頼性の度合いと見なすことが出来るので、一致度を利用した解析結果の合否判定機能を設ける。
【００１２】
焦点補正に関しては、画像のシャープネスに基づく焦点解析法は試料依存性および解析時間を考慮して光学系調整用試料でのみ動作させ、画像撮影時の焦点微調整は以下の解析法を適用する。本焦点解析では、偏向支点が対物レンズの合焦点面と一致しない偏向器を持つ装置でも、以下の関係が成立つことを利用する。操作者が設定した、もしくは画像のシャープネスを評価基準とした解析法によって特定された第1の焦点ずれ量F1において、偏向器制御値変化前後の画像を各々取得し、該画像間の第1の位置ずれ量D1を解析する。ここで制御値は電流値、電圧値もしくはそれらを制御するデジタル信号である。一次電子線の入射角度変化量つまり軸ずれ変化量をδα、倍率をＭ、球面収差係数をCsとすると、位置ずれ量D1と焦点ずれ量F1はD1=M・δα(S+F1+Cs・δα2)で関係付けられる。Sは偏向支点が対物レンズの合焦点面と一致しないために発生した画像移動の項である。その後焦点ずれ量がF1+δFの位置で偏向器制御値変化前後の画像を各々取得した場合、該画像間の位置ずれ量DはD1+δD=M・δα(S+F1+δF+Cs・δα2)となるので、第1の位置ずれ量D1との差δDから第1の焦点ずれ量F1との差δFを求めることが出来る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施例1）
図2は、本発明の実施例で使用する走査電子顕微鏡の基本構成図である。電子銃11及び一次電子線加速電圧や引き出し電圧を制御する制御回路11、照射レンズ12及びその電流値を制御する制御回路12、対物絞り13及び対物絞りの穴位置を制御する制御回路13、スティグメータ14_1、14_2及びその電流値を制御する制御回路14、各スティグメータの軸ずれ補正用偏向器15_1、15_2及びその電圧値もしくは電流値を制御する制御回路15、対物レンズの軸ずれ補正用偏向器16及びその電圧値を制御する制御回路16、走査用偏向器17及びその電圧値もしくは電流値を制御する制御回路17、E×B用偏向器18及びその電圧値もしくは電流値を制御する制御回路18、対物レンズ19及びその電流値を制御する制御回路19、試料ステージ20及びその位置を制御する制御回路20、電子検出器21及びそのゲインやオフセットを制御する制御回路21、レーザーを用いた試料高さセンサー22及びその測定条件を制御する制御回路22、制御ソフトと画像処理ソフトを搭載した計算機23から構成される。各制御回路は計算機23によってコマンド制御される。一次電子線の試料入射によって試料から出射する二次電子線の画像を走査用偏向器17の電子線走査信号と電子線検出器21の出力信号を同期させて形成する。形成された画像は画像送信用のケーブルで計算機23に高速に送信される。計算機23は送信された画像を解析して装置制御値を求め、走査電子顕微鏡の調整を行う。
【００１４】
まず、走査電子顕微鏡像を得るまでの工程を図3に示す。電子銃11から一次電子線を引出し電圧V1で引出し、加速電圧V0を印加する。鏡体の光軸と平行な方向をZ方向、光軸と直交する面をXY平面とする。試料24を挿入し、レーザーを用いた試料高さセンサー22で試料24の高さを求め、試料ステージ20のＺ位置調整または対物レンズ19の制御値調整によって画像解析可能な範囲に焦点を補正する、つまり焦点の粗調整を行う。この粗調整は低倍で試料24の画像を確認し、該画像を用いて行っても良い。試料ステージ20のXY移動機構を用いて電子光学系調整用の視野を選択する。次に入射一次電子線の対物レンズ19の光軸からのずれ量を補正する。対物レンズ19の焦点を変化させたときの像移動を検出し、像移動が最小になる様に対物絞り13の穴の位置、もしくは軸ずれ補正用偏向器16の制御値を調整する。次にスティグメータ14の光軸調整を行う。各スティグメータ14の制御値を変化させたときの像移動を検出し、像移動が最小になる様にスティグメータの軸ずれ補正用偏向器15の制御値を調整する。軸ずれ補正後、電子光学系調整用視野にて焦点・非点を補正する。次に試料ステージ20を用いて撮影用視野に移動し、画像が鮮明に観察できる様に対物レンズ19の焦点を微調整した後、画像の取込みを行う。
【００１５】
以下に述べる本発明は、上記工程のうち、対物レンズの軸ずれ補正、スティグメータの軸ずれ補正および撮影視野における対物レンズ焦点の微調整の自動化に関する。
【００１６】
まず、対物レンズの軸ずれ解析の説明図を図4に示す。倍率Mにおいて対物レンズに入射する一次電子線30が対物レンズ19の光軸31からα=(αx、 αy)ずれている場合、対物レンズの制御値変化によって焦点のZ座標を第1の設定からδF変化させて第2の設定にすると、試料に入射する一次電子線の位置は (dx, dy)=δF・(αx、 αy)だけずれてしまう。このため倍率Mにおいて対物レンズの焦点を第1の設定にして撮影した第1の画像と、対物レンズの焦点を第2の設定にして撮影した第2の画像は(Dx, Dy)=M・(dx, dy)の位置ずれ量を持つ。この関係を利用して軸ずれ量(αx、 αy)を求める。該軸ずれ量(αx、 αy)をほぼ0にするために必要な軸ずれ補正用偏向器16の制御値(IAL_x, IAL_y)を計算し、軸ずれを補正する。
【００１７】
対物レンズ19の軸ずれ自動補正装置の基本構成を図１に示す。視野や倍率等を設定した後、対物レンズ19の焦点を第1の設定して第１の画像を撮影する。 対物レンズ19の制御値変化によって対物レンズ19の焦点を第2の設定にして第２の画像を撮影する。計算機23はこれらの制御と共に、フーリエ変換像の位相差解析に基づく位置ずれ解析法を用いて第１と第２の画像間の位置ずれ量Dと一致度の計算と、該一致度に基づいて軸ずれ補正を実行するかの判断と、該位置ずれ量(Dx, Dy)をほぼ０にするために必要な軸ずれ補正用偏向器16の制御値(IAL_x, IAL_y)の計算を行い、軸ずれを補正する。走査電子顕微鏡では対物レンズ19の制御値変化による焦点変化量や、軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化による軸ずれ変化量の物理的な絶対量を測定することは難しい。また軸ずれをほぼ0にするという目的において、焦点変化量や軸ずれ量の絶対量を知る必要は無いので、位置ずれ量Dを軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量に直接変換し、該計算結果を基に軸ずれ補正用偏向器16の制御値を設定し、軸ずれを補正する。
【００１８】
なお、試料に対する対物レンズの焦点を変化させるために、一次電子線の加速電圧を変化させても良い。対物レンズの制御値を変化させときの像移動が最小となる光軸は電流中心軸、加速電圧を変化させたときの像移動が最小となる光軸は電圧中心軸と呼ばれている。本実施例では電流中心軸を例に説明しているが、電圧中心軸でも対物レンズ19の焦点変化を加速電圧変化で行う構成とすれば、同様の軸ずれ補正が実行できる。
【００１９】
ここでフーリエ変換の位相成分を利用した位置ずれ解析法の説明図を図5に示す。位置ずれD=(Dx, Dy)のある2枚の画像S1、S2を仮定し、S1(n, m)=S2(n+Dx, m+Dy)と記述する。S1(n, m), S2(n, m)の2次元離散的フーリエ変換をS1(k, l), S2(k, l)とする。フーリエ変換にはF{S(n+Dx, m+Dy)}=F{S(n, m)}exp(iDx・k+iDy・l)の公式があるので、S1(k, l)=S2(k, l)exp(iDx・k+iDy・l)と変形できる。つまりS1(k, l)とS2(k, l)の位置ずれは位相差exp(iDx・k+iDy・l)=Ｐ(k, l)で表現される。Ｐ(k, l)は周期が(Dx, Dy)の波でもあるので、位相差画像P(k, l)を逆フーリエ変換した解析画像P(n, m)には(Dx, Dy)の位置にδ的なピークが発生する。なお振幅の情報を全て除去するのではなく、S1(k, l)・S2(k, l)*=|S1||S2| exp(iDx・k+iDy・l)の振幅成分にlogもしくは√の処理を施して振幅成分を抑制した画像を計算し、該画像に逆フーリエ変換を施しても、位置ずれベクトルの位置(Dx, Dy)にδ的なピークが発生するので、該画像で位置ずれ解析を行っても良い。位相差画像P(k, l)をフーリエ変換しても(-Dx, -Dy)にδ的なピークが発生するので、位相差画像P(k, l)のフーリエ変換像で位置ずれ解析を実行しても良い。
【００２０】
解析画像P(n, m)にはδ的なピークのみが存在すると仮定できるので、重心位置計算によってδ的なピークの位置を小数点以下の精度で正しく求められる。例えば典型例として、倍率10万倍で１画素の大きさが2nm、焦点変化量1μmとすると、１画素の位置ずれ量に対応する軸ずれ量は2mradであり、小数点以下の位置ずれ解析精度があればサブmradの軸ずれ量が解析できる。
【００２１】
またδ的なピーク以外は雑音と見なすことが出来るので、解析画像P(n, m)全体の強度に対するδ的なピークの強度の割合を画像間の一致度と見なすことが出来る。従来の位置ずれ解析法では位置ずれ解析結果の信頼性を評価することは困難であり、視野外れや像ボケのために間違った位置ずれ量を出力しても、その位置ずれ量に基づいて偏向器16を変化させていた。これに対し本位置ずれ解析法では一致度が出力されるので、一致度の下限値を設定し、一致度が下限値以下であれば軸ずれ補正は行わない機能を設けてある。これによって視野外れや像ボケによる誤動作を防止する。
【００２２】
位置ずれ量Dを軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量δIALに変換するために、予め軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量δIALと位置ずれ量Dの関係を計測しておく必要がある。倍率Mm1において対物レンズ19の制御値をδIOBJ_m1変化させたとき、IAL=(IAL_x,IAL_y)における画像間の位置ずれ量D0=(Dx_0,Dy_0)を解析し、IAL+δIAL_m1=(IAL_x,+δIAL_m1_x,IAL_y+δIAL_m1_y)における画像間の位置ずれ量を解析し、位置ずれ量D0との差δDm1=(δDm1_x, δDm1_y)を求める。
【００２３】
この位置ずれ量δDm1と軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量δIAL_m1の関係を求める際、対物レンズ19の制御値IOBJを用いた補正を行う必要がある。対物レンズ19の制御値IOBJを変化させると光軸回りに像が回転するため、軸ずれ補正用偏向器16による一次電子線の軸ずれ変化方向が像の移動方向と一致しない場合があるためである。そこでまず軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量δIAL_m1=(δIA L_m1_x,δIAL_m1_y)の方向と位置ずれ量δDm1=(δDm1_x, δDm1_y)の方向との角度θを求める。位置ずれ量δDを角度θだけ面内回転させたδDm1_ θ=(δDm1_x_ θ , δDm1_y_ θ)を求め、軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化の方向とほぼ一致させる。なお対物レンズ19による像回転θは対物レンズ制御値IOBJに依存する。試料の高さ変化が大きい場合にも対応するために、試料高さを変えて異なる対物レンズ19制御値IOBJを設定し、各IOBJにてθを計測し、対物レンズ19制御値を補正項としたθ=θOBJ・IOBJ+θ0を求めておく。ここでθOBJおよびθ0は装置固有の定数である。
【００２４】
また対物レンズ19の制御値変化による像回転量が大きく、第１の画像と第２の画像で光軸回りの像回転が発生する場合がある。従来の位置ずれ解析法では像回転を伴う画像間の位置ずれ解析は困難であるが、本発明で用いた位置ずれ解析法は像回転を伴う画像間でも位置ずれ解析可能である。図6に示す様に、第1の画像(図6(a))と第2の画像(図6(b))が角度差θを持つ場合の位置ずれ解析フローを図7に示す。第2の画像を画像の中心周りにθi回転させた第5の画像を作成し、第5の画像と第1の画像で前記位置ずれ解析を行い、画像間の一致度と位置ずれ量を計算・記録する。複数の回転角度に関して前記工程を繰返す。第１の画像と第5の画像の角度差がほぼ0のとき一致度が最大になるので、得られた各回転角度における解析結果のうち、一致度が最大になる回転角度θIを第1の画像と第2の画像の回転角度と見なすことが出来る。第1の画像と第2の画像間の位置ずれ量は、第２の画像をθI回転させた画像(図6(c))で計算された位置ずれ量とする。
【００２５】
また一次電子線の軸ずれ変化量δαは軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量δIALとほぼ比例関係にあるが、図2に示す様に軸ずれ補正用偏向器16は対物レンズ19の上部に設けられているため、対物レンズ19の電磁界によっても試料に入射する一次電子線の位置は変化してしまう。試料の高さ変化が大きい場合にも対応するために、軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量δIAL_m1と位置ずれ量δDm1_ θとの関係式には、対物レンズ19の制御値IOBJ値をパラメータとした補正項を導入し、δDm1_ θ∝(A+B・IOBJ）δIAL_m1で関係付ける。ここでAおよびBは装置固有の係数である。また焦点変化量は対物レンズ19の制御値変化量に比例するのでδF∝δIOBJとなる。δDm1_ θ=M m1・δIOBJ_m1・(A+B・IOBJ）δIAL_m1 とし、各IOBJにて位置ずれ量δDm1_ θを計測し、係数AおよびBを特定する。位置ずれ量から軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量を計算する際は、δDm1_ θ‘= δDm1_ θ/(A+B・IOBJ）を用いる。
【００２６】
以上、軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量δIAL_m1と位置ずれ量δDm1の関係を測定し、計算機23に記録した後、軸ずれ補正を実行する。倍率Mにおいて、対物レンズ19の制御値をδIOBJ変化させた時の位置ずれ量がD=(Dx,Dy)の場合、位置ずれ量Dに対物レンズ制御値補正をしてDθ‘に変換した後、軸ずれを相殺するために必要な軸ずれ補正用偏向器の制御値変化量δIAL=-(Mm1・δIOBJ_m1 /M・δIOBJ)・(Dθ _x‘・δIAL_m1_x/δDm1_x_ θ‘, Dθ _y‘・δIAL_m1_y/δDm1_y_ θ‘)を計算する。
【００２７】
なお、低倍率つまり広視野撮影等では対物レンズ19周辺磁界の影響のため、光軸近傍を通過した一次電子線と光軸から離れた周辺部を通過した一次電子線で差を生じる、いわゆる周辺歪が発生する場合がある。周辺歪が発生すると画像内の各領域によって対物レンズ19の制御値変化による位置ずれ量に差が生じてしまうため、画像全体を用いた位置ずれ解析は困難となる。これに対応するために、位置ずれ解析可能な程度に一様である解析視野範囲を記録し、撮影視野範囲が解析視野範囲よりも大きい場合は、撮影視野範囲から解析視野範囲を切りだし、該解析視野範囲で位置ずれ解析を行った方が良い。
【００２８】
また周辺歪が発生している画像では軸ずれによる位置ずれと周辺歪による位置ずれが混在している。周辺歪による位置ずれは光軸対称であり、光軸から離れるほど周辺歪による位置ずれ量は大きくなる。図21に示す様に複数の領域で位置ずれ解析を行った場合、軸ずれ量が小さいと各領域における位置ずれ方向はほぼ軸対称になるが、軸ずれ量が大きいと各領域における位置ずれ方向はほぼ一様な方向になる。さらに光軸からの外れ量と対物レンズ19の制御値変化による位置ずれ量の関係を、周辺歪を含めて予め測定・記録しておくと、各領域における位置ずれ量の差から、周辺歪による位置ずれ量を補正した軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量を求めることができる。
【００２９】
次に軸ずれ補正に必要なパラメータについて考察する。まず軸ずれ補正に用いる視野であるが、軸が大きくずれている場合、正焦点でも一次電子線が十分に絞れない。また対物レンズ19の制御値変化による位置ずれ量も大きいと広視野が必要となるので、低倍率で視野を選択する必要がある。一方倍率が低下するほど位置ずれ解析の分解能が低下し、軸ずれ解析精度が低下する。高精度な軸ずれ解析を行うためには高倍率で視野を選択する必要がある。
【００３０】
次に対物レンズ19の制御値変化量IOBJについて考察する。δIOBJつまりδFが大きいほど軸ずれ量αに対応する位置ずれ量Dが大きくなり、軸ずれ解析精度は向上する。しかし焦点変化量δFを大きくし過ぎると、位置ずれ量Ｄも大きくなるため視野外れが発生する。特に高倍率では視野範囲が狭くなるのでが視野外れが頻繁に発生する。視野外れが起らない様、δFの上限値は倍率Mに反比例させたる必要がある。また高倍になるほど焦点変化量δFによる像ボケが大きくなり、視野が外れてなくとも位置ずれ解析不能となる。像ボケで決められる焦点変化量δFの上限値は対物レンズ16の焦点深度や試料24の構造に依存するので、実際に焦点を変化させて焦点変化量δFの上限を判断した方が良い。そこで以下の判断フローを設けておく。まず倍率から推奨される焦点変化量δFで位置ずれ解析を行い、位置ずれ解析不能つまり画像間の一致度が下限値以下となった場合は焦点変化量を減らし、再度位置ずれ解析を行う。
【００３１】
なお視野に全く特徴が無い等、視野自体に問題があるため位置ずれ解析不能となる場合もある。これに対応するために、焦点変化量がほぼ0となっても位置ずれ解析不能つまり一致度が下限値以下となった場合は、倍率を下げるか視野を変更した後、再度解析するフローを設けてある。
【００３２】
最後に装置パラメータの誤差の影響についても考察する。位置ずれ量Dを軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量に変換するには、倍率Mや対物レンズ19の制御値変化量δIOBJつまり焦点変化量δF、その他の装置パラメータが必要である。これらのパラメータには通常誤差が含まれる。例えば電子顕微鏡には通常5%程度の倍率誤差がある。そこで位置ずれ量Dから一次電子線の軸ずれ量αを計算する際、倍率誤差の軸ずれ解析誤差への影響を考察する。例えば倍率にM・(1+Δ)つまりΔの誤差があった場合、位置ずれ量Dが計測されたとする。本来の軸ずれ量αはD/[M・(1+Δ)・δF]-1であるが、軸ずれ量はαE=D/[M・δF]-1と計算される。倍率誤差による軸ずれ解析誤差はα-αE=-D・Δ/(1+Δ)・M・δFとなる。つまり倍率誤差による軸ずれ解析誤差は位置ずれ量Dに比例する。従って位置ずれ量D=0となるとき、倍率誤差による軸ずれ解析誤差はもっとも小さくなる。そこで位置ずれ量D=0となる様、α=0への補正を繰り返すフローとする。電子顕微鏡の倍率誤差Δは5%程度であるので、数回補正を繰返せば位置ずれ量D〜=0に収束し、倍率誤差の影響は無視できるようになる。
【００３３】
以上の考察を基に、図8のフローに従い軸ずれ補正を実行する。補正パラメータを入力した後、軸ずれ補正実行の指示を与えると、対物レンズ19の制御値が第1の設定のときの第1の画像取込みが開始される。対物レンズ19の制御値を変化させ、第2の設定した後、第2の画像を取込み、画像間の位置ずれを解析する。位置ずれ解析で得られた画像間の一致度を参照し、一致度が下限値以上であれば位置ずれ量を軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量に換算し、軸ずれを補正する。所定回数軸ずれ補正を実行した後、対物レンズ19の制御値を補正動作前の設定に戻し、軸ずれ補正を終了する。一致度不足の場合はまず制御値変化量を縮小して軸ずれ解析を再開する。制御値変化量を縮小しても一致度が不足している場合は、倍率や視野を変更して軸ずれ解析を再開する。いずれの対策を行っても一致度不足の場合は処理を中断する。
【００３４】
軸ずれ補正実行の指示は、図9に示す画面で行う。軸ずれ補正に用いるパラメータは、倍率M、対物レンズ19の制御値変化量δIOBJ、補正回数、一致度下限値である。図9(a)に示すウィンドウで、補正パラメータを入力し、補正実行ボタンをクリックして補正を実行する。解析結果は軸ずれ補正用補正器16の補正量と一致度であり、一致度が下限値以下になった場合エラーメッセージを表示する。なお軸ずれ状態の検査や補正パラメータの最適化を目的とする場合は計測実行ボタンをクリックする。計測実行ボタンをクリックすると、軸ずれ解析のみ行い、軸ずれ補正用偏向器16の補正は行わない様になっている。
【００３５】
また観察試料の種類がほぼ一定であれば、一致度下限値、補正回数は試料ごとに変える必要は少なく、初期値のままで使用する場合が多い。従って未熟練者は図9(b)に示す簡易ウィンドウの方が操作を容易に行える。対物レンズ19の制御値変化量δIOBJは試料構造に応じて変化量の大小のみを選択する。
【００３６】
なお、軸ずれ補正用偏向器16の偏向支点と対物レンズ19の合焦点面が一致していなくとも、軸ずれ量が0に近づくと焦点変化による像の位置ずれ量が０に近づくと言う現象も変らない。また軸ずれ量を0にする補正の他に、操作者がある軸ずれ量を設定し、該軸ずれ量における対物レンズ19の制御値変化による位置ずれ量を記録しておき、記録された位置ずれ量になるように軸ずれ補正用偏向器16を調整すれば、指定した前期軸ずれ量に補正出来る。
【００３７】
対物レンズ19の軸ずれ補正手段として、軸ずれ補正用偏向器16の他に、対物絞り13がある。対物絞り13の穴位置が光軸から外れると、対物レンズ19に入射する一次電子線は軸ずれを持つことになる。この対物絞り13の穴位置の自動補正装置の基本構成を図10に、補正フローを図11に示す。視野や倍率等を設定した後、図９と同様の画面にて対物レンズ19の制御値変化量等の補正パラメータを入力し、補正実行ボタンをクリックすると補正が開始する。対物レンズ19の制御値が第1の設定のときの第１の画像を撮影した後、対物レンズ19の制御値をδIOBJ変化させて第2の設定し、第２の画像を撮影する。撮影された第１と第２の画像はフーリエ変換像の位相差解析に基づく位置ずれ解析法で一致度と位置ずれを解析する。該一致度に基づいて軸ずれ補正を実行するかの判断と、該位置ずれ量(Dx, Dy)をほぼ0にするために必要な対物絞りの穴位置制御モータの制御値(IAP_x, IAP_y)の計算を行う。この計算も、予め対物絞り13の穴位置制御モータの制御値変化量δIAPと位置ずれ量Dの関係を計測し、見積られた変換係数や補正項を用いて実行される。
【００３８】
なお対物絞り13の穴位置調整による軸ずれ補正はモーターやギアなどを用いた機械的な補正であるため、可動範囲は広いが設定精度は不充分である。一方軸ずれ補正用偏向器16の制御値調整による軸ずれ補正は電気的な補正であるため、可動範囲は狭いが設定精度は高い。そこで対物絞り13の穴位置調整機構と軸ずれ補正用偏向器16を兼備えた装置においては、対物絞り13の穴位置調整による軸ずれ粗調整の後、軸ずれ補正用偏向器16調整による軸ずれ微調整を行った方が良い。
【００３９】
軸ずれ補正は対物レンズのみならずスティグメータにおいても必要である。スティグメータは複数個設置されているので、各スティグメータの制御値変化前後の画像を各々取得し、画像間の位置ずれ量がほぼ0になる様に各スティグメータに対応する軸ずれ補正用偏向器の制御値を調整する。図12にスティグメータ14_1の軸ずれ自動補正装置の基本構成を、補正フローを図13に示す。他のスティグメータ14_2の軸ずれ補正も同様の装置および工程で実行する。視野や倍率等を設定した後、図９と同様の画面にてスティグメータの制御値変化量等の補正パラメータを入力し、補正実行ボタンをクリックすると補正が開始する。スティグメータ14_1制御値が第1の設定である第１の画像を撮影する。スティグメータ14_1の制御値を第2の設定にして第２の画像を撮影する。計算機23はこれらの制御と共に、フーリエ変換像の位相差解析に基づく位置ずれ解析法で第１と第２の画像の位置ずれ量と一致度の計算と、一致度に基づいて軸ずれ補正を実行するかの判断と、位置ずれ量(Dx, Dy)をほぼ０にするために必要な第１のスティグメータ14_1用の軸ずれ補正用偏向器制御値15_1の制御値(ISTEIGX_x, ISTIGX_y)の計算を行い、軸ずれを補正する。この計算も、予めスティグメータの軸ずれ補正用偏向器15_1の制御値変化量δISTEIGXと位置ずれ量Dの関係を計測し、見積られた変換係数や補正項を用いて実行される。
【００４０】
次に焦点補正について述べる。焦点補正法としては視差による位置ずれを利用した解析法、画像のシャープネスを評価基準とした解析法、画像のフーリエ変換像と一次電子線強度分布のシミュレーション像の比較に基づく解析法がある。視差に基づく解析法は透過電子顕微鏡などで用いられており、偏向器の偏向支点と合焦点面がほぼ一致している場合、試料が合焦点面に位置すると一次電子線の軸ずれ量を変化させても画像間の移動は無いが、試料が合焦点面から外れていれば一次電子線の軸ずれ量変化前後で画像間の移動が発生する。δαを一次電子線の軸ずれ変化量、Ｍを倍率、Csを球面収差係数をすると、画像間の位置ずれ量Dと焦点ずれ量FにはD=M・δα(F+Cs・δα2)の関係があり、視差による位置ずれ量Ｄが測定できれば焦点ずれ量Fが求められる。
【００４１】
しかし走査電子顕微鏡では軸ずれ補正用偏向器16の偏向支点と対物レンズ19の合焦点面が一致していない場合がある。その場合の焦点解析法を図14を用いて説明する。第1の焦点ずれ量F1において、軸ずれ補正用偏向器16の制御値が第1の設定であるときの第1の画像と第2の設定であるときの第2の画像を取得し、第1の画像と第2の画像の間の第1の位置ずれ量D1を解析する。一次電子線の軸ずれ変化量δα、倍率Ｍ、球面収差係数Csとすると、位置ずれ量D1と焦点ずれ量F1はD1=M・δα(S+F1+Cs・δα2)で関係付けられる。Sは偏向支点が合焦点面と一致しないために発生した画像移動の項である。次に焦点ずれ量F1+δFにおいて軸ずれ補正用偏向器16の制御値が第3の設定であるときの第3の画像と、第4の設定であるときの第4の画像を取得し、第3の画像と第4の画像の間の位置ずれ量を計算する。該位置ずれ量はD1+δD=M・δα(S+F1+δF+Cs・δα2)となるので、第1の位置ずれ量D1との差δDから第1の焦点ずれ量F1との差δFを求めることが出来る。計算機23では位置ずれ量の差δDから焦点ずれ量の差δFを計算し、焦点をF1に設定するために必要な対物制御値変化量δIOBJを求め、それを元に対物レンズ19を補正する。以上、軸ずれ補正用偏向器16の偏向支点が対物レンズ19の合焦点面と一致しなくとも、試料に対する焦点ずれを一定に保つ様に補正することは可能である。
【００４２】
シャープネスに基づく解析法は焦点と共に非点解析にも用いられる方法であるが、試料依存性がある。また様々な非点・焦点状態を比較する、いわゆる漸近法であるためシャープネス状態の収集に時間を要すると言う問題点がある。またフーリエ変換像に基づく解析法も焦点と共に非点解析にも用いられる方法であるが、試料依存性が非常に大きく、一般の撮影視野では動作しないという問題点がある。また解析に用いる画像の枚数は少ないが、シミュレーションとのフィッティングに時間を要するという問題点もある。一方視差に基づく解析法は、前述の様に合焦点面の指定が必要であると言う問題点はあるが、全ての視野を同じ焦点状態に設定することは可能である。また試料依存性が最も少なく、また2枚の画像で解析できるので高速化可能である。以上を考慮すると、光学系調整用試料を用いた合焦点面の特定および非点補正にはシャープネスもしくはフーリエ変換像に基づく解析法を用い、各撮影視野における焦点微調整には視差を利用した解析法を用いるのが最も効率的である。
【００４３】
視差を利用した対物レンズの焦点自動補正装置の基本構成を図１5に示す。まず図16に示すフローに従い、合焦点面での位置ずれ量D1を解析・記録する。電子光学系調整用の視野と倍率等を設定し、対物レンズ19の制御値をシャープネスやフーリエ変換に基づく補正法で特定した値、もしくは操作者が指定した値に設定する。図17の画面にて軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量等の補正パラメータを入力し、記録ボタンをクリックすると合焦点面での位置ずれ量D1の解析が開始する。軸ずれ補正用偏向器16の制御値が第1の設定である第１の画像を撮影する。軸ずれ補正用偏向器16の制御値を第2の設定にして第２の画像を撮影し、フーリエ変換像の位相差解析に基づく位置ずれ解析法で第１と第２の画像の位置ずれ量と一致度を計算する。一致度が下限値以上であれば位置ずれ解析結果とその際の装置パラメータを記録する。なお補正パラメータの最適化等、位置ずれ量D1の記録を目的としない場合は、計測実行ボタンをクリックする。計測実行ボタンをクリックすると、焦点ずれ量D1の解析のみ行い、メモリへは記録しない様になっている。
【００４４】
焦点自動補正は図18のフローに従って実行する。視野と倍率等を設定し、図17の画面にて軸ずれ補正用偏向器16の制御値変化量等の補正パラメータを入力し、実行ボタンをクリックすると焦点補正が開始する。位置ずれ量D1とそれを記録した時の装置パラメータが読み出される。位置ずれ量D1が記録されていない場合はエラーメッセージが表示され、補正は中断される。次に軸ずれ補正用偏向器16の制御値が第3の設定である第3の画像を撮影し、軸ずれ補正用偏向器16の制御値を第4の設定にして第4の画像を撮影する。計算機23はこれらの制御と共に、フーリエ変換像の位相差解析に基づく位置ずれ解析法で第3と第4の画像の位置ずれ量と一致度の計算と、一致度に基づいて軸ずれ補正を実行するかの判断と、位置ずれ量DをほぼD1にするために必要な対物レンズ19の制御値の計算を行い、焦点を補正する。なお、焦点ずれ量の検査や補正パラメータの最適化を目的とする場合もある。この場合は計測実行ボタンをクリックすると、焦点ずれ量解析のみ行い、対物レンズ19の補正は行わない様になっている。
【００４５】
焦点補正における対物レンズ19の制御値変化量の計算も、予め対物レンズ19の制御値変化量δIOBJと位置ずれ量変化δDの関係を計測し、見積られた変換係数や必要な補正項を用いて実行する。倍率Mm2において軸ずれ補正用偏向器16の制御値をδIAL_m2変化させたとき、対物レンズ19制御値IOBJ_0における画像間の位置ずれ量D0=(Dx_0,Dy_0)を解析し、対物レンズ19制御値IOBJ_0+δIOBJ_m2における画像間の位置ずれ量との差δDm2=(δDm2_x, δDm2_y)を求める。焦点ずれ補正では位置ずれ量の絶対値と焦点ずれのZ方向に対応した符号を用いるので、対物レンズ電流値IOBJによる位置ずれ量Dのθ補正は省略し、δDm2長さのみを補正したδDm2‘を計算する。倍率Mにおいて、対物レンズ19の制御値をδIOBJ変化させたときの位置ずれ量D1との差がδDの場合、位置ずれ量δDを相殺するために必要な対物レンズ19の制御値変化量δIOBJは±(Mm2・δIAL_m2 /M・δIAL)・δIOBJ_m2・|δD‘| /|δDm2‘|と記述される。ここでδD‘はδDを対物レンズ19制御値IOBJを用いて補正した値である。
【００４６】
像ボケの原因としては、焦点ずれ等、電子光学系の調整不足の他に、試料の帯電やコンタミネーション付着等、試料状態の劣化もある。図17に示す様に解析結果として一致度と共に焦点ずれ量が明示されていれば、異なる試料を同じ光学条件で観察しているかを確認できる。また同じ光学条件に設定することもでき、像ボケの原因の特定および対策が可能となる。
【００４７】
なお、本発明は試料入射前の一次電子線調整に関する発明であり、図19に示す様に二次電子線を検出する電子線検出器21が対物レンズ19と試料24の間に設置されている場合にも、また図20に示す様に電子線検出器21がZ方向に対して試料24より進行方向側に設置されている場合にも適用される。また電子線以外の荷電粒子線、例えば集束イオンビームにおける光学調整にも適用可能である。
【００４８】
（実施例2）
実施例2では、実施例１で示した自動調整装置を備えた回路パターン検査装置について説明する。実施例２で用いる回路パターン検査装置の構成を図22に示す。回路パターン検査装置は、室内が真空排気される検査室102と、検査室102内に試料基板109を搬送するための予備室（本実施例では図示せず）を備えており、この予備室は検査室102とは独立して真空排気できるように構成されている。また、回路パターン検査装置は上記検査室102と予備室の他に制御部106、画像処理部105から構成されている。検査室102内は大別して、電子光学系103、二次電子検出部107、試料室108、光学顕微鏡部104から構成されている。光学顕微鏡部104は、検査室102の室内における電子光学系103の近傍であって、互いに影響を及ぼさない程度離れた位置に設備されており、電子光学系103と光学顕微鏡部104の間の距離は既知である。そして、Xステージ131またはYステージ132が電子光学系103と光学顕微鏡部104の間において既知の距離を往復移動するようになっている。
【００４９】
被検査基板109の画像を取得するためには、細く絞った一次電子線119を該被検査基板109に照射し、二次電子146を発生させ、これらを一次電子線119の走査およびX-Yステージ131、132の移動と同期して検出することで該被検査基板109表面の電子線画像を得る。本実施例の回路パターン検査装置には、通常SEMに比べ約100倍以上の、例えば100nAの大制御値電子線を一回のみ走査した時の信号を検出し、画像を形成する機能が設けられている。走査幅を100μmとし、1画素を0.1μm□とし、1回の走査を1μsで行える。
【００５０】
電子銃110には拡散補給型の熱電界放出電子源が使用されている。この電子銃110を用いることにより、従来の例えばタングステン（W）フィラメント電子源や、冷電界放出型電子源に比べて安定した電子線電流を確保することができるため、明るさ変動の少ない電子線画像が得られるうえ、電子線電流を大きく設定することができるため、一回の走査で高S/Nの電子線画像を形成し高速検査を実現することができる。一次電子線119は、電子銃110と引出し電極111との間に電圧を印加することで電子銃110から引出される。一次電子線119の加速は、電子銃110に高電圧の負の電位を印加することでなされる。これにより、一次電子線119はその電位に相当するエネルギーで試料台130の方向に進み、コンデンサレンズ112で集束され、さらに対物レンズ116により細く絞られて試料台130上のX−Yステージ131、132の上に搭載された被検査基板109（半導体ウエハ、チップあるいは液晶、マスク等微細回路パターンを有する基板）に照射される。なお、ブランキング用偏向器113、軸ずれ補正用偏向器152、走査偏向器115、には、走査信号、補正信号およびブランキング信号を発生する信号発生器144が接続され、コンデンサレンズ112および対物レンズ116には、各々レンズ電源145が接続されている。被検査基板109には、高圧電源148により負の電圧を印加できるようになっている。この高圧電源148の電圧を調節することにより一次電子線119を減速し、電子銃110の電位を変えずに被検査基板109への電子線照射エネルギーを最適な値に調節することができる。
【００５１】
被検査基板109上に一次電子線119を照射することによって発生した二次電子146は、基板109に印加された負の電圧により加速される。被検査基板109上方に、ExB偏向器118が配置されており、これにより加速された二次電子146は所定の方向へ偏向される。ExB偏向器118にかける電圧と磁界の強度により、偏向量を調整することができる。また、この電磁界は、試料に印加した負の電圧に連動させて可変させることができる。ExB偏向器118により偏向された二次電子146は、所定の条件で反射板117に衝突する。この反射板117に加速された二次電子46が衝突すると、反射板117からは数V〜50eVのエネルギーを持つ第二の二次電子147が発生する。
【００５２】
二次電子検出部107は、真空排気された検査室102内には二次電子検出器120が、検査室102の外にはプリアンプ121、AD変換器122、光変換手段123、伝送手段124、電気変換手段125、高圧電源126、プリアンプ駆動電源127、AD変換器駆動電源128、逆バイアス電源129から構成されている。二次電子検出部107のうち、二次電子検出器120が検査室102内の対物レンズ116の上方に配置されている。二次電子検出器120、プリアンプ121、AD変換器122、光変換手段123、プリアンプ駆動電源127、AD変換器駆動電源128は、高圧電源126により正の電位にフローティングしている。上記反射板117に衝突して発生した第二の二次電子147は、この吸引電界により検出器120へ導かれる。二次電子検出器120は、一次電子線119が被検査基板109に照射されている間に発生した二次電子146がその後加速されて反射板117に衝突して発生した第二の二次電子147を、一次電子線119の走査のタイミングと連動して検出するように構成されている。二次電子検出器120の出力信号は、検査室102の外に設置されたプリアンプ121で増幅され、AD変換器122によりデジタルデータとなる。AD変換器122は、半導体検出器120が検出したアナログ信号をプリアンプ121によって増幅された後に直ちにデジタル信号に変換して、画像処理部105に伝送するように構成されている。検出したアナログ信号を検出直後にデジタル化してから伝送するので、従来の装置よりも高速で且つS/N比の高い信号を得ることができる。
X−Yステージ131、132上には被検査基板109が搭載されており、検査実行時にはX−Yステージ131、132を静止させて一次電子線119を二次元に走査する方法と、検査実行時にX−Yステージ131、132をY方向に連続して一定速度で移動されるようにして一次電子線119をX方向に直線に走査する方法のいずれかを選択できる。ある特定の比較的小さい領域を検査する場合には前者のステージを静止させて検査する方法、比較的広い領域を検査するときは、ステージを連続的に一定速度で移動して検査する方法が有効である。なお、一次電子線119をブランキングする必要がある時には、ブランキング用偏向器113により一次電子線119が偏向されて、電子線が絞り114を通過しないように制御できる。これにより、検査に必要でない電子線を試料に照射しないように制御し、被検査基板109の帯電を抑制することができる。
【００５３】
位置モニタ用測長器133として、本実施例ではレーザ干渉による測長計を用いた。Xステージ131およびYステージ132の位置が実時間でモニタでき、制御部106に転送されるようになっている。また、Xステージ131、Yステージ132の各種データも同様に各々のドライバから制御部106に転送されるように構成されている。制御部106はこれらのデータに基づいて一次電子線119が照射されている領域や位置を把握できるようになっており、必要に応じて実時間で一次電子線119の照射位置の位置ずれを補正制御回路143より補正するようになっている。また、被検査基板毎に、電子線を照射した領域を記憶できるようになっている。
【００５４】
光学式高さ測定器134は、電子ビーム以外の測定方式である光学式測定器、例えばレーザ干渉測定器や反射光の位置で試料の高さ変化を測定する反射光式測定器が使用されており、X−Yステージ131、132上に搭載された被検査基板109の高さを実時間で測定するように構成されている。本実施例では、スリットを通過した細長い白色光を透明な窓越しに該被検査基板109に照射し、反射光の位置を位置検出モニタにて検出し、位置の変動から高さの変化量を算出する方式を用いた。この光学式高さ測定器134の測定データに基いて、一次電子線119を被検査基板109上で細く絞るための対物レンズ116の焦点距離が把握できる様になっているので、被検査基板を検査室102にロードした際、ある程度焦点の合った電子線像が取得できる様になっている。また被検査基板109の反りや高さ歪みを電子線照射前に予め測定しており、そのデータをもとに対物レンズ116の検査領域毎の補正条件を設定する機能も付加されている。
【００５５】
画像処理部105は第一画像記憶部138と第二画像記憶部139、比較演算部140、欠陥判定処理部141、モニタ142により構成されている。上記二次電子検出器120で検出された被検査基板109の画像信号は、プリアンプ121で増幅され、AD変換器122でデジタル化された後に光変換器123で光信号に変換され、光ファイバ124によって伝送され、電気変換器125にて再び電気信号に変換された後に、制御部106からの命令により第一画像記憶部138あるいは第二記憶部139に記憶される。比較演算部140には、制御部106からの命令によりこれらの二つの記憶装置に記憶された画像信号が送られ、各々位置合せ、信号レベルの規格化、ノイズ信号を除去するための各種画像処理を施し、双方の画像信号を比較演算する。欠陥判定処理部141は、比較演算部140にて比較演算された強度差画像信号の絶対値を所定のしきい値と比較し、所定のしきい値よりも強度差画像信号レベルが大きい場合にその画素を欠陥候補と判定する。モニタ142は、制御部106からの指示により、検査途中に実時間で欠陥判定処理部141が欠陥と判定した箇所の位置や欠陥検出総数等を表示したり、第一あるいは第二記憶部138・139に記憶された画像データを表示したりする。
【００５６】
これまで回路パターン検査装置の全体の構成について説明してきたが、次に検査方法について半導体ウエハを例にとり、説明する。半導体ウェハにおける回路パターン検査では、試料に照射する一次電子線119の照射エネルギーを自由に調整制御し帯電の状態を変えることにより、コントラストを調整する。本実施例では、リターディング電源148より一次電子を減速するための負の電圧を印加し、この電圧を調整することにより一次電子線119の照射エネルギーを適宜調整する。例えば検査装置の電子線の加速電圧を10kVとし、試料および試料台に印加する負の電圧を-9kVに設定すると、試料へ照射される一次電子線119のエネルギーは1kVになる。図23は被検査回路パターンの材料および段差による電子線照射エネルギーの条件一覧と、検出したい欠陥による電子線照射エネルギーの条件一覧の1例である。段差が大きい場合には照射エネルギーは高く（1kV以上）、段差が低いあるいは無い場合には照射エネルギーを低く（3kV以下）設定する。また、導電材料と絶縁材料の組み合わせでは、照射エネルギーは低くても高くてもコントラストを得ることができるが、絶縁材料と絶縁材料の組み合わせでは、1kV以上に設定し、材料による帯電状態の差によりコントラストを得る。さらに形状欠陥を検出したい場合には500V以上、望ましくは1kV以上の照射エネルギーで、電位コントラスト欠陥すなわち導通不良やショート等の電気的な欠陥を検出したい場合には、3kV以下、望ましくは1kV以下の照射エネルギーに設定する必要がある。検査回路パターンには様々な材料および段差があるので、各回路パターンに適した照射エネルギーをデータベースに予め入力し、各検査に適した照射エネルギーを検索できるようにしてある。
【００５７】
検査条件の設定は図24に示すフローにて行う。まず操作画面上で検査条件を作成するモードを選択し、半導体ウエハ109を実際に検査装置内にロードする。各回路パターン検査に最適な照射エネルギーは前記データベースを元に設定する。照射エネルギーを設定するために試料台に負の電位を印加すると電磁界状態が変化するので、各照射エネルギー毎に軸、焦点、非点等の電子光学系の微調整が必要となる。この電子光学系調整は試料台に貼り付けてある電子光学系調整用試料にて行う。電子光学系調整用試料の箇所にステージを移動し、まず視差を利用した解析法（図4参照）にて軸ずれを解析し、軸ずれ補正用偏向器152にて軸ずれを自動補正する。軸ずれ量の設定範囲を入力し、軸ずれ量が大きいため一回の補正では十分補正できなかった場合は、前期設定範囲になるまで繰返し補正を実行する。軸ずれが前記設定範囲内にあることを確認した後、画像のシャープネスを判定基準とした解析法、もしくは画像のフーリエ変換像とシミュレーション像の比較に基づく解析法にて焦点・非点を解析し、対物レンズ116およびスティグメータ151を補正する。この際も焦点・非点の設定範囲を入力し、補正が十分行われていなければ再度補正を実行する。電子光学系調整後、各レンズや偏向器の設定値を記録する。また軸ずれ補正用偏向器152の設定値をδIAL変化させたときの位置ずれ量D1と倍率およびδIAL を記録する。また検査中に許容される焦点設定範囲も入力する。なお、電子光学系調整は被検査半導体ウェハ109内に設けられた調整用領域で実行しても良い。また軸ずれ、焦点、非点が自動調整できなかった場合のために、手動での調整も可能となっている。
【００５８】
電子光学系調整の後、被検査半導体ウエハ109上に一次電子線119を照射して検査する回路パターンの画像をモニタ上で確認する。モニタ上でコントラストを確認し、必要に応じて照射エネルギーを変更することもできる。なお、照射エネルギーを変更した場合は電子光学系の再調整が必要となる。
【００５９】
電子光学系調整および照射エネルギーの確認が終了したら、半導体ウェハ109の位置校正用パターンの設定を行う。必要に応じて該半導体ウエハ上の回路パターンのショットおよびチップのサイズと配列を入力し、またチップ上での校正用パターンの座標とチップ原点のオフセット値を入力する。校正用パターンまで試料ステージを移動し、校正用パターンを第１の画像としてメモリに記録する。照射エネルギー設定とそれに伴う電子光学調整によって像が回転する場合があるので、像回転が大きいと予想される場合は試料ステージ移動機構を用いて前記パターンが視野から外れない程度半導体ウェハ109を移動し、第2の画像を取得する。該画像間の位置ずれ量を解析し、試料ステージ移動方向とのずれ角を解析し、補正する。
【００６０】
次にウェハ位置校正を実行する。試料ステージ移動によってチップサイズだけ平行移動し、平行に並んだ２つのチップ上の校正用パターンの位置まで移動し、第2の画像として取得する。第1の画像と第2の画像の位置ずれ量と一致度をフーリエ変換像の位相差解析に基づく方法で解析し、一致度が下限値以上であれば試料ステージ移動量の校正を行う。一致度が下限値以下となった場合は校正用パターンが画面に映っていない可能性があるので、画像取込み倍率を縮小して第2の画像を取込み、記録された第1の画像を計算機内で縮小した画像とで位置ずれ解析を行い、回転ずれ角および移動量を測定し、校正した後、検査倍率にて再度校正を行う。校正終了後、各照射エネルギーにおける補正パラメータを記録する。
【００６１】
その後、チップ内のメモリセル等繰返しパターンの領域を設定し、該繰返しパターンの領域については繰返し単位すなわちピッチを設定する。次に、検査領域を指定する。検査領域の指定では、検査チップの指定と、チップ内検査領域を指定できる。メモリセル等繰返し以外の領域については、検査したい領域を光学顕微鏡画像あるいは電子線画像より設定することができる。
【００６２】
また照射エネルギーおよび電子光学系調整後の調整として、二次電子線検出器のゲイン・オフセット設定がある。各照射エネルギーにてまず電子光学系調整用試料の電子線画像が適切な明るさ分布になるようなゲイン・オフセットを特定し、記録する。次に各検査パターンの電子線画像が適切な明るさ分布になるようなゲイン・オフセットを特定し、電子光学系調整用試料で特定されたゲイン・オフセットとの違いをゲイン・オフセットテーブルとして記録する。また検査パターンの電子線像強度の平均値と分散を記録し、各々の設定範囲も入力しておく。この平均値と分散は検査実行中のゲイン・オフセット微調整に利用する。
【００６３】
以上の設定が完了したら、これまでに設定された各種条件で実際に画像を取得し、欠陥を検出するための画像処理条件を設定する。例えば以下の画像処理フローで検査を行う。不良箇所の抽出のために、良品における回路パターンの第1の画像をメモリに記録する。被検査半導体ウェハ109にて検査する回路パターンの画像を第2の画像として取得する。第1の画像と第2の画像の位置ずれ量をフーリエ変換の位相差画像に基づく解析法で求め、第2の画像の位置ずれを補正する。位置ずれ補正後、第1の画像と第2の画像間のコントラスト微調整を行う。第1の画像にはコントラスト微調整用領域が不良検査箇所とは別に幾つか指定されている。コントラスト微調整領域の像強度が画像間でほぼ一致する様に第2の画像のコントラストを微調整する。コントラスト微調整後、第1の画像と第2の画像の強度差画像を計算する。なお検査回路パターンの第1の画像は、予め記録された良品の画像ではなく、検査ウェハ内の検査回路パターンの画像でも良い。また第1および第2の画像のS/Nが低い場合、画像積算でS/Nを向上させるために、各々同じ領域の画像を複数枚取得し、画像間の位置ずれをフーリエ変換像の位相差解析に基づく位置ずれ解析法にて解析・補正した後、画像積算してS/Nを向上させても良い。
【００６４】
検査と同じ条件で画像を1チップ分取得し、欠陥とそれ以外を判定するための閾値を入力し、前記強度差画像の中で欠陥と判定された箇所を表示させ、実際に欠陥を検出しているか、あるいは誤検出が発生しているかを確認し、閾値を適切な値に調整する。最後にウエハ面内のプロセスばらつきに対するマージンを考慮するために、上記1チップ分よりも広い範囲で任意の領域を設定し、それまでに設定された各種条件により実際に検査を実行し、検出された欠陥や誤検出の内容を確認し、最終的に適切な条件であれば検査条件ファイルとして登録する。
【００６５】
検査実行は図25のフローにて行う。計算機23には回路パターンに応じて幾つかの検査条件ファイルが登録されているので、画面内で必要なファイルを選択し、検査領域や結果の出力等のオプション条件を入力する。検査実行を選択してウエハをロードすると、各パラメータの設定が開始される。経時変化が予想される設定に関しては、記録された設定値を初期値とした再調整が行われる。まず電子光学系調整用試料を用いて軸ずれ、焦点、非点を補正し、軸ずれ、焦点、非点が所定範囲内にあることを確認・記録する。その後正焦点における位置ずれ量D1を記録する。また電子光学系調整用試料における電子線検出器のゲイン・オフセット最適値を特定する。被検査半導体ウェハ位置の校正も必要である。
【００６６】
検査前の調整が完了すると、回路パターンの検査が開始される。検査中も幾つかの補正を行う。まず試料ドリフトやステージ微動誤差等のため視野がずれてくる場合がある。この視野ずれを補正するため、被検査半導体ウェハ内の幾つかのチップにおいて校正用パターンを用いた位置ずれ調整を実行する。指定されたチップにおいて校正用パターンの第2の画像を取得し、記録されている第1の画像との位置ずれ量をフーリエ変換像の位相差解析に基づく方法で解析し、位置ずれ量と一致度を計算する。一致度が下限値以上であれば試料ステージもしくはイメージシフトにて視野ずれを補正する。一致度が下限値以下となった場合は視野外れの可能性があるので、画像取込み倍率を縮小して第2の画像を取込み、記録された第1の画像を計算機内で縮小した画像とで位置ずれ解析を行う。倍率縮小を繰返し、設定された最低倍率にても位置ずれ解析不能であった場合はエラーメッセージを表示し、検査を中断する。
【００６７】
また検査中に試料の高さが変化し、対物レンズの焦点からずれて像がボケることがある。これを補正するために、指定された幾つかの箇所で焦点ずれ補正を実行する。軸ずれ補正用偏向器の制御値変化前後の画像間の位置ずれ量をフーリエ変換像の位相差解析に基づく方法で解析し、位置ずれ量をD1にするために必要は対物レンズの制御値変化量を求め、補正する(図14参照)。焦点が設定範囲いにあることを確認・記録した後、検査を再開する。また像のボケ具合をモニターし、最適な補正箇所と回数で焦点ずれ補正を実行させることも可能である。不良箇所の抽出の際、画像間の位置ずれを解析し、補正する工程が多く含まれる。フーリエ変換の位相差に基づく位置ずれ解析法では、位置ずれ解析結果と共一致度が出力される。この一致度を像ボケの指標とし、一致度が指定値以下になった場合は像がボケてきたと判断し、焦点補正を実行する。
【００６８】
なお、像ボケの原因としては焦点ずれの他に試料の帯電やコンタミネーション付着等、試料状態の劣化も考えられる。被検査半導体ウエハ109あるいは電子光学系調整用試料に一次電子線119を照射しつづけると、帯電の影響によりコントラストが変動したりコンタミネーションが付着するので、これを抑制するために電子線画像を取得したり検査を実行する以外には一次電子線119はブランキング電極により光学系途中に設けられたブランキングプレートに照射されている。しかし検査室内の真空状態や半導体ウェハの汚染状態等によって、帯電やコンタミネーション付着が発生する場合もある。試料劣化に対する検査中のリアルタイムな対策は難しいが、像ボケの原因が焦点外れか否かは焦点ずれ量解析結果から特定できる。焦点ずれ量の記録は検査条件最適化のデータベースとして利用できる。また像ボケの情報を示す一致度は検査結果における誤検出のマージンとして利用できるので、検査中の一致度や焦点ずれ量解析結果は記録しておいた方が良い。
【００６９】
また電子源出力低下等のために二次電子検出器のゲイン・オフセット調整が必要となることもある。まず電子光学系調整用試料におけるゲイン・オフセットを基準とし、ゲイン・オフセットテーブルを参照して検査中のゲイン・オフセットの初期値を設定する。画像強度の平均と分散の計算は比較的短時間で実行可能であるので、検査中のゲイン・オフセット補正にはこの平均値と分散を利用する。画像強度の平均値と分散を適時計算し、平均値と分散が指定された範囲内になる様に二次電子検出器のゲイン・オフセットを補正する。
【００７０】
上記補正を実行しながら検査を進行し、必要に応じて欠陥の内容を確認し、結果を記録してウエハをアンロードし、検査を終了する。検査結果には不良箇所の記録だけでなく、画像間の一致度を利用した像ボケ状態の記録や各種補正の記録も残されている。これらの記録を参照すれば誤検出の領域を見積ることができ、検査結果の信頼性を評価・向上させることもできる。
【００７１】
（実施例３）
図26に、集束イオンビーム照射カラムと走査型電子顕微鏡カラムを組合せた装置の全体構成図を示す。本装置は、イオン銃３５１、イオン銃３５１から放出するイオンビームを集束するレンズ３５２、偏向器３５３、補正用偏向器３７３、対物レンズ３７１等からなる集束イオンビーム照射カラム３８１と、電子銃３５７、前記電子銃３５７から放出する電子線３５８を集束するレンズ３５９、偏向器３６０、補正用偏向器３７４、対物レンズ３７２等で構成される走査型電子顕微鏡カラム３８２、および真空試料室から主に構成される。また、本装置は、集束イオンビーム(FIB)３５４を試料３６１に照射して、試料からの二次電子又は二次イオンを検出するための二次粒子検出器３５６、および試料３６１を載せる可動の試料台３６２と、試料台の位置を制御する試料位置制御装置３６３とを備える。さらに、本装置では、プローブ３６４を試料片摘出位置に移動させ、試料台３６２と独立に駆動するプローブ制御装置３６５、堆積ガス供給装置３６７、二次粒子検出器３５６からの観察像を解析する画像解析装置３６６および、観察像を表示する中央制御表示装置３５５等を備える。
【００７２】
次に、本装置の動作について説明する。まず、イオン銃３５１から放出したイオンをレンズ３５２、偏向器３５３、補正用偏向器３７４、および対物レンズ３７１を通して試料３６１に照射する。FIB３５４は試料上で直径数ナノメートルから１マイクロメートル程度に細束化される。FIB３５４を試料３６１に照射するとスパッタリング現象により試料表面の構成原子が真空中に放出される。したがって偏向器３５３を用いてFIB３５４を走査させることで、マイクロメートルからサブマイクロメートルレベルの加工ができることになる。また、FIB３５４照射によって形成するデポ膜は、プローブ３６４の先端にある接触部と試料を接続したり、摘出試料を試料ホルダに固定するために使用する。また、FIB３５４を走査して、試料から放出される二次電子や二次イオンを二次粒子検出器３５６で検出して、その強度を画像の輝度に変換することによって試料３６１やプローブ３６４などを観察することができる。
【００７３】
本装置では、イオンビーム照射軸が中心軸からずれると、イオンビーム径の拡大および形状の劣化を引起し、所望の加工形状を作製できなくなる場合がある。したがって、高い加工性能を維持するために、加工前にイオンビーム照射の軸すれを最小化しておく必要がある。そこで、本発明を本装置でのイオンビーム照射の軸ずれ補正に適用する例について述べる。本装置での軸ずれ補正は、すでに述べた走査電子顕微鏡と同様に行うことができる。すなわち、まず、対物レンズ３７１を第1の状態に設定しておき、FIB３５４を試料３６１に照射し、第１の画像を撮影する。対物レンズ３７１の制御値変化によって対物レンズ３７１を第2の状態に変化さて第２の画像を撮影する。画像解析装置３６６ではフーリエ変換像の位相差解析に基づく位置ずれ解析法を用いて第１と第２の画像間の位置ずれ量と一致度を計算し、該一致度に基づいて軸ずれ補正を実行するかの判断と、該位置ずれ量をほぼ０にするために必要な補正用偏向器３７３の制御値の計算を行う。さらに本装置では、既に述べた走査電子顕微鏡と同様に、対物レンズ３７１の制御値変化による焦点変化量や、補正用偏向器３７３の制御値変化によるずれ角変化量の物理的な絶対量を測定することは難しい。また軸ずれをほぼ0にするという目的において、焦点変化量やずれ角の絶対量を知る必要は無いので、位置ずれ量を直接に補正用偏向器３７３の制御値変化量に変換し、該計算結果を基に補正用偏向器３７３の制御値を設定し、軸ずれを補正する。
【００７４】
なお、ここで、位置ずれ量を軸ずれ補正用偏向器３７３の制御値変化量に変換するために、予め軸ずれ補正用偏向器３７３の制御値変化量と位置ずれ量の関係を計測しておく必要があるが、これについても、既に述べた走査電子顕微鏡と同様に行うことができるので、詳細については省略する。
【００７５】
次に、本装置でFIBおよびプローブを用いて試料の一部を微小試料として摘出して、微小試料の断面を電子顕微鏡機能で観察する場合について述べる。まず、図27に示すように、集束イオンビームカラム３１からFIB３５４を試料３６１に照射して、試料台の回転を組合せて、観察分析位置を囲むように溝を形成する。この加工領域は、長さ約５μｍ、幅約１μｍ、深さ約３μｍであり、片方側面で試料３６１と接続している。その後、試料台３６２を回転させ、FIB３５４で三角柱の斜面を形成するように加工する。ただし、この状態では、微小試料３９１と試料３６１とは支持部ｓ２で接続されている。次に、プローブ３６４を微小試料３９１の端部に接触させた後に、FIB３５４の照射により堆積性ガスを接触点３９３に堆積させてプローブ３６４を微小試料３９１に接合し一体化する。次に、支持部をFIB３５４で切断して微小試料３９１を切取る。微小試料３９１はプローブ３６４に支持された状態になり、観察・分析を目的とする表面及び内部断面が微小試料３９１の観察分析面として取出す準備が完了する。次に、図28に示すように、プローブ制御装置３６５を操作して微小試料３９１を試料３６１表面から浮上する高さまで持上げる。そして、プローブ３６４に支持された状態で微小試料３９１の追加工をするために、FIB３５４の照射角をプローブの回転操作で適切に設定する追加工により所望の観察断面ｐ３を作製する。次に、微小試料３９１を回転させて、観察断面ｐ３に走査電子顕微鏡カラム３８２の電子線３５８が概略垂直に入射するようにプローブ制御装置３６５の試料保持体３９２を動かして微小試料３９１の姿勢を制御した後静止させる。これにより、二次粒子検出器３５６での二次電子の検出効率はウェハ最表面を観察する場合と同程度になり、微小試料３９１の観察断面ｐ３の観察条件は非常に良好に、しかも観察分析面ｐ２、観察断面ｐ３に対して望ましい角度に調整して綿密な観察・分析ができる。
【００７６】
この形状観察の際に、試料ドリフトやステージ微動誤差等のため視野がずれてくる場合もある。この視野ずれを補正するため、微小試料の観察を用いた位置ずれ調整を実行する。最初に、微小試料の第1の画像を取得し、次に、微小試料の第2の画像を取得し、記録されている第1の画像との位置ずれ量をフーリエ変換像の位相差解析に基づく方法で解析し、位置ずれ量と一致度を計算する。一致度が下限値以上であれば試料台もしくは補正用偏向器にて視野ずれを補正する。一致度が下限値以下となった場合は視野外れの可能性があるので、画像取込み倍率を縮小して第2の画像を取込み、記録された第1の画像を計算機内で縮小した画像とで位置ずれ解析を行う。再度の解析でも位置ずれ解析不能であった場合はエラーメッセージを表示し、観察を中断する。以上により、微小試料のドリフトを補正し、高精度に試料の観察・加工を行うことができた。
【００７７】
（実施例4）
一般に、一次粒子線の軸ずれの大きさにより、焦点位置を変化したときの視差や最良フォーカス点が異なる。例えば、軸が大きくずれている場合には、正焦点でも一次粒子線が十分に絞れない。さらに、レンズの焦点変化に対する視差も大きい状況になる。このような状況で軸ずれ量を検出するには、比較的広い画像領域を用いる必要がある。一方、画像領域が広がるほど視差の検出分解能が低下するため、高精度な軸検出を行うには、小さい画像領域を用いる必要がある。したがって、軸補正の適用範囲を広くするには、軸ずれの程度に応じて、焦点変化量や視差を解析するための画像領域を適切に選択する必要がある。また、広視野画像では、軸ずれがなくても対物レンズの回転作用のために、レンズの焦点変化に伴って周辺画像が移動する。したがって、広視野画像では、画像の中心部と周辺部と視差を別々に解析することで、軸ずれの誤検出を防止し、検出の信頼性を高めることができる。すなわち、軸が合っている状況では、広視野画像の周辺では視差が大きく、中心部では視差が小さい。一方、軸が大きくずれている場合には、広視野画像の周辺と中心部とは概ね同程度の視差になる。この現象を利用して複数の画像領域でそれぞれ視差を解析すれば、広視野画像から軸ずれの粗調整が可能になる。画像の情報（視野ずれ検出感度）が十分であれば、中央部の部分画像の視差の解析で同様の効果を得ることが可能である。
【００７８】
画像領域が狭く（倍率が高く）なると、焦点変化に対する画像のぼけが増大するため、高倍率の条件では焦点変化量を小さくしなければならない。したがって、広範囲な軸ずれの条件で信頼性の高い軸ずれ検出を行うには、視差を解析する画像の領域と焦点変化量とをある所定の関係で制御することが必要である。以上の軸ずれ補正工程を以下に示す。
【００７９】
▲１▼広視野（低倍率）の条件で焦点の異なる画像を取得し、画像中心部と画像周辺部の部分画像で視差を解析する。
【００８０】
▲２▼画像の中心部と周辺部の部分画像から、それぞれ対応する視差を解析し、軸ずれ量がある所定のレベル以上と判定されたらば、アライメント手段にフィードバックする。
【００８１】
▲３▼視差による焦点補正を行う。
【００８２】
▲４▼狭い視野（高倍率）で焦点の異なる画像を取得し、全画像領域を用いて視差を解析し、軸ずれ量がある所定のレベル以上と判断されたらば、アライメント手段にフィードバックする。
【００８３】
（実施例5）
光学系の焦点深度よりも深い凹凸を有する試料に対して、画像領域全体に焦点の合った全焦点画像を取得するには、試料の凹凸状態を予め測定し、必要な焦点条件で複数の画像を取得し、これらを合成する必要がある。このとき、画像領域全体における凹凸分布を解析するのに、視差による焦点条件の検出が有効になる。画像領域を複数の画像に分割（各々の分割画像は互いにオーバーラップしても可）して、それぞれの分割画像で視差を解析すれば、画像領域の場所による焦点ずれの分布が得られる。例えば、高さ、あるいは深さの一定な部分構造を有する半導体パターンに対して分割画像の視差解析を行うと、画像全体で2箇所（例えば、表面と孔底）の焦点位置（正焦点からのずれ量）が検出される。この場合には、これらの焦点位置のそれぞれで画像（2枚）を取得すれば、その画像から必要な全焦点画像が合成できる。一方、生物試料や一般材料の場合には、視野内で凹凸レベルが連続的に分布していると考えられる。この場合には、分割画像の視差からそれぞれ異なる焦点ずれ量が検出される。この場合には、焦点ずれの最大値と最小値とを求め、焦点ずれの全範囲をカバーするように、焦点を等間隔で変化させながら画像を取得すれば、全焦点画像を合成することができる。このときの焦点変化量は、電子光学系の焦点深度に対応するステップ幅にすればよい。焦点深度内では、凹凸があっても焦点が合うからである。こうした処理を自動で行うには、部分画像のそれぞれに対して視差解析を行って、焦点ずれの分布を求めることが必要になる。以上の画像合成を行う工程を以下に示す。
【００８４】
▲１▼対物レンズへの入射角を制御できる粒子ビーム偏向手段（例えば、アライメントコイル）を用いて、異なる入射角でそれぞれ試料像を取得する。
【００８５】
▲２▼得られた複数（2枚）の試料像を予め定められた部分画像に分割する。分割画像は互いにオーバーラップしていても良い。
【００８６】
▲３▼それぞれ対応する部分画像間で視差を解析し、画像内での視差の分布を求める。
【００８７】
▲４▼視差の分布が特定個所に集中している場合には、その視差に対応する焦点条件で画像を取得し、これらの画像から全焦点画像を合成する。
【００８８】
▲５▼視差がある範囲で一様に分布している場合には、その範囲（視差の分布範囲）を求め、以下の処理を行う。
【００８９】
▲６▼視差の分布範囲から対応する焦点位置の範囲を計算する。
【００９０】
▲７▼画像取得条件から電子光学系の焦点深度を計算し、この焦点深度と同程度の焦点変化量で複数の画像を取得する。
【００９１】
▲８▼得られた複数の画像から全焦点画像を合成する。
【００９２】
【発明の効果】
従来の軸ずれ自動補正装置と比較すると、本発明で採用したフーリエ変換像の位相差解析に基づく位置ずれ解析法は低コントラストな視野でも動作可能であり、適用試料範囲が非常に拡大する。また軸ずれ量αの解析精度は位置ずれ量Dの解析精度と比例関係にあり、サブピクセルの解析精度を持つ本位置ずれ解析法の採用によって熟練したオペレータと同様な精度の補正を数秒で実行できるようになる。また本位置ずれ解析法では画像間の一致度が計算される。視野外れや像ボケのために位置ずれ解析不能となった場合のために一致度の下限を設定し、計算された一致度が前記下限値以下であれば軸ずれ補正は行わないフローとしてある。また位置ずれ解析不能となった場合は焦点変化量や倍率を縮小し、再度補正を行う等のフローを設けることによる、荷電粒子線装置の無人稼動にも対応可能とした。
【００９３】
軸ずれは電子源からの電子線の引出し条件を変えるたび発生する。特に電界放出型電子銃は電子銃先端に吸着する鏡体内ガスの影響を受けやすく、引出し電圧等、電子線の引出し条件を変えることが多く、軸ずれ補正の自動化は重要と言える。また半導体ウェハ検査ではリターディング電圧を変化させて像コントラストを最適化する場合が多い。パターンにあわせてリターディング電圧を変化さるたびに光学系を微調整するため、軸ずれ補正の自動化は重要である。
【００９４】
焦点補正装置に関しては、合焦点面と偏向支点が一致しない装置でも使用できるように視差を利用した焦点解析を改良したことにより、荷電粒子線装置全般に視差に基づく焦点解析法を適用できるようにした。視差に基づく焦点補正法は試料依存性が少なく、また高速化可能であるという特徴を持つ。
【００９５】
また電子光学系調整用試料を用いた焦点補正と実デバイスにおける焦点補正を区別し、電子光学系調整用試料に対しては画像のシャープネスやフーリヘ変換に基づく方法で実行し、実デバイス上での焦点微調整は本発明の焦点ずれ補正法で実行することにより動作安定と高速化を図った。また実デバイス上で焦点補正を実行できるので、凹凸の大きいパターンにおいても各観察位置に焦点を合せることができる様になった。
【００９６】
更に位置ずれ解析において計算される画像間の一致度を評価基準としたエラー防止フローの付加により、無人稼働にも対応可能となった。また焦点ずれ量や一致度を記録することにより、パターン検査前の装置調整状態チェックやパターン検査後の誤検査領域チェックも行える様になった。焦点ずれ量の記録はウェハ表面の凹凸の記録としても利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電子顕微鏡における軸ずれ補正用偏向器を用いた軸ずれ自動補正装置の基本構成図。
【図２】走査型電子顕微鏡の基本構成図。
【図３】電子顕微鏡像撮影の工程を示すフローチャート。
【図４】焦点変化による像の位置ずれ量Dと光軸からの軸ずれ量αの関係を示す説明図。
【図５】位置ずれ解析の計算過程を示す説明図。
【図６】位置ずれ量Dと共に面内回転θある画像間の位置ずれ解析工程の説明に用いた第1の画像(a)と第2の画像(b)、および第2の画像を角度θIだけ面内回転させて作成した第5の画像(c)。
【図７】画像間に像回転があるときに画像間の位置ずれ量を解析する工程を示すフローチャート。
【図８】軸ずれ補正用偏向器を用いた軸ずれ自動補正の工程を示すフローチャート。
【図９】 (a)は軸ずれ自動補正に用いる画面あり、(ｂ)は(a)を簡略化した画面である。
【図１０】電子顕微鏡における対物絞りを用いた軸ずれ自動補正装置の基本構成図。
【図１１】対物絞りを用いた軸ずれ自動補正の工程を示すフローチャート。
【図１２】電子顕微鏡におけるスティグメータの軸ずれ自動補正の工程を示すフローチャート。
【図１３】電子顕微鏡におけるスティグメータの軸ずれ自動補正装置の基本構成図。
【図１４】光軸からの軸ずれ量変化による像の位置ずれ量と焦点ずれ量の関係を示す説明図であり、(a)は合焦点、(b)は焦点外れの場合である。
【図１５】電子顕微鏡における焦点自動補正装置の基本構成図。
【図１６】軸ずれ補正用偏向器の制御値変化による像の位置ずれ量を解析・記録する工程を示すフローチャート。
【図１７】 (a)は焦点自動補正に用いる画面あり、(ｂ)は(a)を簡略化した画面である。
【図１８】電子顕微鏡における焦点自動補正の工程を示すフローチャート
【図１９】走査型電子顕微鏡の基本構成図。
【図２０】走査透過電子顕微鏡の基本構成図。
【図２１】周辺歪を持つ電子顕微鏡像において対物レンズ制御値を変化させたときの像移動を示す説明図であり、(a)は軸ずれが小さい場合、(b)は軸ずれが大きい場合である。
【図２２】回路パターン検査装置の装置構成を示す図。
【図２３】半導体装置回路パターンに応じた適切な電子線照射条件を示す図。
【図２４】検査条件設定のフローを説明する図。
【図２５】自動検査のフローを示す図。
【図２６】集束イオンビームカラムと走査型電子顕微鏡カラムを組合せた試料観察装置の全体構成図。
【図２７】試料観察装置で試料作製を示す図。
【図２８】試料観察装置で試料を摘出して断面を観察する図。
【符号の説明】
11…電子銃、11…電子銃制御回路、12…照射レンズ、12…照射レンズ制御回路、13…対物絞り、13…対物絞り制御回路、14_1,14_2…スティグメータ、14…スティグメータ制御回路、15_1,15_2…スティグメータの軸ずれ補正用偏向器、15…スティグメータの軸ずれ補正用偏向器制御回路、16…対物レンズの軸ずれ補正用偏向器、16…対物レンズの軸ずれ補正用偏向器制御回路、17…走査用偏向器、17…走査用偏向器制御回路、18…E×B用偏向器、18…E×B用偏向器制御回路、19…対物レンズ、19…対物レンズ制御回路、20…試料ステージ、20…試料ステージ制御回路、21…電子検出器、21…電子検出器制御回路、22…レーザを用いた試料高さ測定器、22…レーザを用いた試料高さ測定器制御回路、23…制御ソフトおよび画像処理ソフトを搭載した計算機、24…試料、25…フーリエ変換像の位相差解析に基づく位置ずれ解析用演算器、30…レンズに入射する電子線、31レンズの光軸、32…第1のレンズ設定における電子線、33…第2のレンズ設定における電子線102…検査室、103…電子光学系、104…光学顕微鏡部、105…画像処理部、106…制御部、107…二次電子検出部、108…試料室、109…被検査半導体ウエハ、110…電子銃、111…電子線引き出し電極、112…コンデンサレンズ、113…ブランキング用偏向器、114…絞り、115…走査偏向器、116…対物レンズ、117…反射板、118…ExB偏向器、119…一次電子線、120…二次電子検出部、121…プリアンプ、122…AD変換器、123…光変換手段、124…伝送手段、125…電気変換手段、126…高圧電源、127…プリアンプ駆動電源、128…AD変換器駆動電源、129…逆バイアス電源、130…試料台、131…Xステージ、132…Yステージ、133…位置モニタ用測長器、134…高さ測定器、135…光源、136…光学レンズ、137…CCDカメラ、138…第一画像記憶部、139…第二画像記憶部、140…比較演算部、141…欠陥判定処理部、142…モニタ、143…補正制御回路、144…走査偏向器（走査信号発生器）、145…対物レンズ電源、146…二次電子、147…第二の二次電子、148…リターディング電源149…高圧電源、149…検出器用シールド電極、151…スティグメータ、152…軸ずれ補正用偏向器
３５１…イオン銃、３５２…レンズ、３５３…偏向器、３５４…集束イオンビーム(FIB)、３５６…二次粒子検出器、３５７…電子銃、３５８…電子線、３５９…レンズ、３６０…偏向器、３６１…試料、３６２…試料台、３６３試料位置制御装置、３６４プローブ、３６５…プローブ制御装置、３６７…堆積ガス供給装置、３５５…中央制御表示装置、３６６…画像解析装置、３７１…対物レンズ、３７２…対物レンズ、３７３…補正用偏向器、３７４…補正用偏向器、３８１…集束イオンビームカラム、３８２…走査電子顕微鏡カラム、３９１…微小試料、３９２…試料保持体、３９３…接触点、ｓ２…支持部、ｐ２…観察分析面、ｐ３…観察断面。
Claims (9)
- 荷電粒子源と、
試料を載置する試料台と、
前記荷電粒子源からの一次荷電粒子線を前記試料に走査偏向するための走査偏向器と、
前記一次荷電粒子線を前記試料に照射するための対物レンズと、
前記荷電粒子源と前記対物レンズとの間に配置された一次荷電粒子線を移動させる軸ずれ補正用偏向器と、
一次荷電粒子線を前記試料に照射して発生した二次荷電粒子線を検出する検出器と、
計算機とを備え、
前記計算機は、
前記走査偏向器の信号に併せて前記検出器で検出された第１の画像信号と第２の画像信号とを記憶し、
前記第１の画像および前記第２の画像のフーリエ変換像の位相差画像の逆フーリエ変換像に現れるピークの強度を一致度として計算し、
前記第１の画像と前記第２の画像とのずれ量を計算し、
前記一致度が所定値以上である場合には、前記位置ずれ量から前記軸ずれ補正用偏向器の制御値を計算することを特徴する荷電粒子線装置。 - 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記対物レンズの前記試料に対する焦点が第１の位置にあるときに得られる第１の荷電粒子線像と、前記焦点が第２の位置にあるときに得られる第２の荷電粒子線像の位置ずれ量を求め、
前記位置ずれ量から計算された軸ずれ補正信号から一次荷電粒子線の前記対物レンズに対する軸ずれを補正する手段を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記一致度が所定値以下であるときに軸ずれ補正を中止するための手段を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記一致度が所定値以下であるときに、撮影視野を変更して軸ずれ補正を繰り返す手段を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記一致度と、
前記位置ずれ量から計算された軸ずれ補正をするための制御変化量を表示する表示部を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
位置ずれ量と一致度を解析する画像領域は、記憶した画像領域よりも小さい、１ないし複数の部分画像であることを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
対物レンズに対する入射条件の制御する入射条件制御部と、
該制御部で入射条件を変化させた複数の画像を取込む画像取得部と、
得られた画像をそれぞれ複数の部分画像に分割する画像分割部と、
各々の分割画像毎に視差を解析する視差解析部と、
各々の分割画像毎の視差から画像全体における焦点ずれの範囲を解析する焦点ずれ解析部とを有することを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項７に記載の荷電粒子線装置において、
前記視差解析部の出力と前記焦点ずれ解析部で得られた焦点ずれの範囲から複数の焦点条件を決定する焦点決定部を備え、
前記画像取得部は該焦点決定部で決められた複数の焦点条件で画像を取得することを特徴とする荷電粒子線装置。 - 荷電粒子源と、試料を載置する試料台と、前記荷電粒子源からの一次荷電粒子線試料を走査偏向するための走査偏向器と、一次荷電粒子線を試料に照射するための対物レンズと、前記荷電粒子源と前記対物レンズとの間に配置された一次荷電粒子線を移動させる軸偏向器と、一次荷電粒子線を照射して前記試料から発生する二次荷電粒子線を検出する検出器と、前記走査偏向器の信号に併せて前記検出器で検出された第１の画像信号と第２の画像信号を記憶するメモリとを備えた検査装置を用いた検査方法において、
試料上の第１の領域を一次荷電粒子線で走査し、一次荷電粒子線を得るための電子光学系の第１の条件で第１の画像を得る工程と、
第１の条件とは異なる第２の条件で第２の画像を得る工程と、
前記第１の画像と第２の画像から、位相限定法を用いて前記一致度を求める工程と、
前記算出工程で得られた一致度が所定値よりも大きい場合には前記一次荷電粒子線の軸ずれ調整を実行し、前記一致度が所定値よりも小さい場合には前記軸ずれ調整を実行しないことを特徴とする荷電粒子線装置の調整方法。
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