JP3959379B2

JP3959379B2 - 形状測定装置及び形状測定方法

Info

Publication number: JP3959379B2
Application number: JP2003302265A
Authority: JP
Inventors: 誠人数井; 光二池田; 淳 ▲高▼根
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2003-08-27
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2023-08-27
Also published as: US20050061973A1; US7078688B2; JP2005069953A

Description

本発明は、試料に電磁波または荷電粒子を照射して試料から発生する信号を用いて試料の形状を計測する形状測定装置および形状測定方法に関するものである。

半導体ウェハに配線パターンを形成するに際しては、半導体ウェハ上にレジストと呼ばれる塗布材を塗布し、レジストの上に配線パターンのマスクを重ねてその上から可視光線あるいは紫外線を照射し、可視光線，紫外線あるいは電子ビームでレジストを感光することによって配線パターンを形成する方法が採用されている。このようにして得られた配線パターンは照射する可視光線，紫外線あるいは電子ビームの強度や絞りによってパターンのスロープ部分の傾斜角や形状が変化するため、高精度の配線パターンを形成するには、パターンの三次元形状を測定して検査する必要がある。この検査のためには、ウェハを切断し、断面形状を測定することで断面形状を正確に測定することはできるが、手間とコストがかかる。そこで電子顕微鏡画像を用いて、非破壊，非接触でパターンの断面形状を測定する手法が提案されている。例えば、Shape from shading法とステレオマッチング法を併用して断面形状を測定するようにしたものがある。これは、電子顕微鏡の二次電子検出器で検出した信号波形の特徴点を検出し、特徴点のステレオマッチングにより断面の高さの絶対値を測定し、特徴点間の形状をShape from shading法によって求めている。測定対象物体の表面の急激な変化にも対応し正確な三次元形状を復元する手法として、二次元輝度画像データからエッジを検出し、エッジから対象物体の表面の滑らかさを表すパラメータを算出し、このパラメータを用いて対象物体の三次元形状を復元する手法が開示されている（例えば特許引用文献１）。

しかしながら、従来のステレオマッチング法を用いる手法は、入力信号のＳＮ比が悪い場合、特徴点の対応でずれが生じ、三次元形状の計測に大きな誤差が生じる。またスペクトラＣＤを用いた手法では、データベースの構築のために計測データを必要とし、測定できるパターンがラインの繰返し構造（格子パターン）に限定される。また出力が立体画像表示ではなく、数値データ（配線の幅と高さ，傾斜角）であるため、三次元形状を表示するには十分ではない。

特開平５−１８１９８０号公報

本発明は、特徴点のマッチングを用いることなく、試料の断面形状または三次元形状を正確に測定することができる形状測定装置および形状測定方法を提供することにある。

試料に対して相対移動しながら試料の表面に電磁波または荷電粒子を照射する照射手段と、照射手段から照射され試料で反射した電磁波または試料から発生した荷電粒子の信号強度を検出する信号強度検出手段と、信号強度検出手段の検出出力を基に電磁波または荷電粒子の照射位置における試料表面の傾斜角を算出し、断面形状を測定する形状測定装置において、傾斜角の算出値から試料の断面形状候補を推定する断面形状候補推定手段と、試料の断面形状候補に対する電磁波または荷電粒子の入射角を前記試料に対する電磁波または荷電粒子の入射角とは異なる角度に変えたと仮定して試料の断面形状候補で反射した電磁波または試料から発生した荷電粒子の信号強度を推定する信号強度推定手段と、信号強度推定手段の推定結果と試料に対する電磁波または荷電粒子の入射角を仮定したときの角度に変更したときに得られた信号強度検出手段の検出出力とを照合して試料の断面形状を推定する断面形状推定手段を設けたことを特徴とするものである。

本発明によれば、特徴点のマッチングを行うことなく、試料の断面形状を試料の高さの絶対値で求めることができる。

本発明の形状測定装置の実施例は、以下の手順によって達成される。
（１）断面形状候補を推定するに際して、信号強度の検出出力と試料の断面形状に関する複数種類のパラメータの中から選択された複数のパラメータを用いて電磁波または荷電粒子の照射位置における試料表面の傾斜角を算出する。
（２）試料の断面形状を推定するに際しては、信号強度の推定結果と信号強度の検出出力との差を小さくするためのパラメータを選択する。
（３）試料の断面形状を推定するに際しては、信号強度の推定結果と信号強度の検出出力との差が最小値を示すまでパラメータを選択する。
（４）断面形状候補の推定結果と断面形状の推定結果および複数のパラメータをデータベースとして保存する。
（５）試料に対する電磁波または荷電粒子の入射角を変更するに際しては、電磁波または荷電粒子の照射方向を一定として、試料の取り付け角度を変更するか、あるいは試料の取り付け角度を一定として、試料に対する電磁波または荷電粒子の照射方向を変更する。
（６）資料の断面形状を推定するに際しては、複数種類のパラメータのうち、少なくとも一つのパラメータを事前情報によって外部から入力する。
（７）資料の断面形状を推定するに際しては、信号強度の検出出力から試料の断面形状を判定する形状指標値を検出する。
（８）入射角を変えたときの形状指標値を検出する。
（９）資料の断面形状を推定するに際しては、形状指標値を用いて試料の断面形状の測定結果を補正し、より詳細な断面形状を測定する。
（１０）試料を切断して得られた断面形状と、信号強度あるいは形状指標値とを対応させたルックアップテーブルを作成する。
（１１）信号強度あるいは形状指標値をルックアップテーブルに入力し、断面形状分類結果を出力する。

試料に電磁波または荷電粒子を照射して得られた信号強度から試料表面の傾斜角を算出する。この算出値から試料の断面形状候補を、例えば複数個推定する。推定によって得られた試料の断面形状候補に対して、実際に試料に電磁波または荷電粒子を照射したときの入射角とは異なる角度で電磁波または荷電粒子を照射したと仮定し、試料の断面形状候補から得られる信号強度を推定する。信号強度の推定結果と、試料に対する入射角を仮定したときの角度に変更したときに、試料から得られる実際の信号強度とを照合する。照合結果から、例えば照合結果が最小値を示すような試料の断面形状を、最もらしい試料の断面形状として選択する。従って特徴点のマッチングを行うことなく、試料の断面形状を試料の高さ（Ｚ軸方向の長さ）の絶対値で求めることができる。さらに試料に対して、奥行き方向の軸（Ｙ軸）に沿って電磁波または荷電粒子を照射したときに得られる試料の断面形状を蓄積することで、試料の三次元形状を求めることができる。

以下、図面を用いて説明する。

図１は本発明の一実施例を示す三次元形状測定装置の全体構成を示すブロック構成図である。三次元形状測定装置は、電子銃１と、試料台２と、電子検出器３と、ＣＲＴである表示器４と、信号入力部５と、画像処理部６を備えて構成されており、試料台２上には試料７が固定されている。

試料台２は、傾斜可能に構成されており、本実施形態においては、試料台２はそのチルト角φが、φ＝０，φ＝φ_０のいずれかに選択できるように構成されている。すなわち、試料台２に固定された試料７の取り付け角度は、試料台２の傾斜角であるチルト角φ＝０とφ＝φ_０のいずれかに選択できる。

試料台２上に固定された試料７に対しては、電子銃１から荷電粒子として電子ビーム８が照射される。電子銃１は、試料７に対して走査方向の軸（Ｘ軸）に沿って相対移動しながら電子ビームが照射されるとともに、走査方向の軸と直交する奥行き方向の軸（Ｙ軸）に沿って相対移動しながら電子ビームが照射される。試料７に対して電子ビームが照射されると、この電子ビームは一次電子として試料７に入射され、入射された一次電子の一部が二次電子として試料７から発生し、この二次電子が電子検出器３によって検出される。即ち、照射手段としての電子銃１から試料７に対して電子ビームが照射されると、試料７から二次電子が発生し、二次電子の信号強度が電子検出器３で検出されるようになっている。電子検出器３は、試料７から発生した二次電子の信号強度を検出する信号強度検出手段として構成されている。電子検出器３の検出出力は、表示器４と信号入力部５に入力される。信号入力部５は、例えば、ＡＤ変換器などで構成され、電子検出器３で検出された信号強度に関する信号がデジタル信号として画像処理部６に出力される。画像処理部６の処理結果は断面形状測定結果として、表示器４の画面上に表示される。

画像処理部６は、電子検出器３の検出出力を基に電子ビームの入射位置における試料表面の傾斜角を算出する。試料表面の傾斜角は、入射ビームと反射ビームとの成す角である。画像処理部６は、算出値から試料７の断面形状候補を推定する断面形状候補推定手段と、試料７の断面形状候補に対して、電子ビームの初期入射角をチルト角φ＝φ_０に変えて電子ビームを照射したと仮定したときに、試料７の断面形状候補から発生した電子ビームの信号強度を推定する信号強度推定手段と、信号強度推定手段の推定結果と、試料７に対する電子ビームの入射角を変更したとき、即ちチルト角をφ＝０からφ＝φ_０に変換したときに、電子検出器３によって実際に検出された信号強度とを照合して試料の断面形状を推定する断面形状推定手段としての機能を備えている。断面形状は、高さ方向(Ｚ軸方向)の断面形状である。また電子ビームの初期入射角はチルト角φ＝０のときの入射角としている。さらに、この断面形状推定手段は、電子銃１が試料７に対して走査方向の軸に沿って相対移動したときに得られた推定結果を、電子銃１が奥行き方向の軸（Ｙ軸）に沿って相対移動するごとに順次蓄積し、蓄積結果を基に試料７の三次元形状を推定する機能を備えている。

画像処理部６について、図２を用いて説明する。画像処理部６は、試料７に対して電子銃１から電子ビームが照射されている過程で、電子検出器３の検出による信号を順次取り込み（ステップ２０１）、試料台２のチルト角φ＝０のときの信号強度をメモリに格納するとともに（ステップ２０２）、試料台２のチルト角がφ＝φ_０に変更されたときの信号強度をメモリに格納する（ステップ２０３）。

チルト角φ＝０のときに得られた信号強度を基に、Shape from shading 法にしたがって試料７の断面形状を計算する（ステップ２０５）。三次元形状パラメータとして、例えば、試料７の材質に依存するパラメータｎ、試料７の断面の高さに関するパラメータｋを取り込み（ステップ２０４）、以下に示す（１）式にしたがって二次電子の信号強度Ｉｓを算出する。

本実施例では、Shape from shading法によれば、試料７から反射した二次電子が試料断面の傾斜角θに依存する性質があることを利用している。即ち、図３に示すように、試料７の表面に電子ビームが一次電子として照射されると、試料７からは二次電子が発生し、二次電子は試料７内部で指数関数的に減少しながら試料表面に到達し、それから外部に放出される。よって、例えば、「走査電子顕微鏡」（日本電子顕微鏡学会関東支部編、共立出版）に記載されているように、最短脱出距離ｚcosθ が短い程二次電子の放出量が多くなり、この関係は（１）式で表される。なお、Ｉｐは試料７に入射する一次電子の信号強度、Ｉｓは試料内部の深さｚで励起して試料表面に到達した二次電子の信号強度、θは入射電子ビームと反射電子ビームとの成す角である。

（１）式において、Ｉ_０は試料７の平坦部における二次電子の信号強度であり、ｘはある座標軸（走査方向の軸であるｘ軸）上における原点（回転中心）からの距離である。
（１）式から、傾斜角θが大きくなる程Ｉｓ（ｘ）が大きくなることが分かる。

電子銃１から試料７に対して電子ビームが順次走査されている過程で二次電子の信号強度が電子検出器３で検出されると、走査方向の位置における信号強度として、図４（ａ）の信号波形が得られる。図４（ａ）の二次電子の信号強度に関する信号波形が得られると、走査方向の位置ｘにおける試料断面の傾斜角θ（ｘ）は、（１）式から（２）式で表される。

ここで試料断面の高さが単調増加していると仮定すると、試料断面形状プロファイルｈ（ｘ）は（３）式で表される。

即ち、（３）式に（２）式を代入すると、断面形状ｈ（ｘ）が求められる。この場合、傾斜角θが大きいところはｈ（ｘ）が大きいことを意味している。そして、図４（ａ）に示すような信号波形が得られたとすると、図４（ｂ）に示すような試料断面形状として、位置ｘに対する高さ方向（Ｚ軸方向の高さ）に沿った試料断面形状が求められる。パラメータｎ，ｋの値を変えることで、試料７の断面形状候補として複数個のものを求めることができる。

次に、（３）式を基に推定された試料の断面形状候補に対して、図５に示すように、チルト角をφ＝０からφ＝φ_０に変更して電子ビームを照射したと仮定したときに、試料の断面形状候補から発生した電子ビームの信号強度を推定するためのシミュレーションを行う（ステップ２０６）。試料７は傾斜する前の位置ｘ１で見える試料７上の点は、試料７を傾斜した後は位置ｘ２で見えることになる。例えば、断面形状プロファイルｈ（ｘ）を三角形で表したとき、その三角形の頂点の位置は、試料７が傾斜する前には位置ｘ１に見えるが、試料７をチルト角φ＝φ_０だけ傾斜した後は、位置ｘ２に見えることになる。このことは、チルト角φ＝０で得られた信号強度をＩｓ１(ｘ)とし、チルト角をφ＝φ_０として、試料７を実際に傾斜したあと検出された信号強度をＩｓ２（ｘ）とすると、Ｉｓ１（ｘ１）＋δＩ（ｘ１）＝Ｉｓ２（ｘ２）で表される。但し、ｘ１，ｘ２は試料台２の回転中心０からの距離、δＩ（ｘ１）は（３）式で得られた断面形状をチルト角φ＝φ_０で傾斜したときに、（１）式の影響によって生じるＩｓ１（ｘ）の増減分であり、（１）式から（４）式で求められる。

また図５からｘ２は（５）式で表される。

したがって（５）式とＩｓ１（ｘ１）＋δＩ（ｘ１）＝Ｉｓ２（ｘ２）であることから、（６）式が成り立つ。

（６）式は、Ｉｓ１（ｘ）を用いて、試料７を傾斜したあとのＩｓ２（ｘ）をシミュレーションしていることに相当する。即ち（６）式においては、推定した試料の断面形状候補が正しいとするならば、試料台２を傾斜する前後における明るさは同じとしている。

次に、（６）式の左辺とを照合し、両者の差が最小になるか否かについての処理を行う（ステップ２０７，２０８）。

この場合（７）式を用いて、走査方向の長さである走査範囲０〜ｌについて照合を行う。

ここで、試料台２を傾斜するときの誤差により、傾斜の前後でＩｓ１（ｘ），Ｉｓ２
（ｘ）の座標原点でずれが生ずることがある。そこで、そのずれを補正するパラメータ
Δｘを新たに、三次元形状のパラメータとして加える。

更に、(７）式にしたがった照合を行うときに、(７）式にしたがって各走査位置における値Ｅを順次プロットし、Ｅの値が最小値を示すか否かの判定を行う。Ｅの値が最小値を示さないときには、パラメータｎ，ｋの値を変更し、ステップ２０５からステップ２０８までの処理を繰返して行う。更にＥの値が最小値を示すまで同じ処理を繰返すとともに、１つの走査ラインについて最小値が得れたときには、走査ラインにおける試料の断面形状として、高さの絶対値を求める。なお試料の断面形状は二次元の形状であり、高さの絶対値はＺ軸方向の長さでもある。更に１つの走査ラインに関する試料の断面形状が測定された後は、複数の走査ラインについて、即ちＹ軸方向に沿って走査ラインを変更する毎に、Ｅの値を順次蓄積する。そして各走査ラインにおけるＥの蓄積結果（試料７の断面形状）を基に試料７の三次元形状を推定し、この推定結果を出力する（ステップ２１０）。

ここで、パラメータｎのみを変えたときの複数の断面形状候補の例を図６（ａ）に示す。また実際は、ｋ，Δｘの値も変えた断面形状候補も存在する。このため、これら断面形状候補の中から、ステップ２０５〜２０９の処理を繰返して最適パラメータを推定し、そのパラメータの値を順次変更して得られたときの断面形状を図６（ｂ）に示す。

またステップ２０５〜２０９の処理によってパラメータｎ，ｋ，Δｘの値に対する断面形状候補，信号波形の照合誤差、そして入手できれば実際の断面形状のデータベースを構築する。このデータベースを解析することにより、ステップ２０５におけるShape from
shading を定義した（２）式，（３）式およびステップ２０４で設定したパラメータの妥当性を検討することができる。またこれらの式とパラメータが妥当であると判定できれば、構築したデータベースを参照することで、Shape from shadingの計算を行わずに、ステップ２０３の入力信号に対する断面形状を直接決定できる。

本実施例では、試料台２の傾きを変えることにより、試料７に対する電子ビームの角度を変えたものについて述べたが、電子ビームの偏向あるいは試料７と試料７との間に傾き角が既知の試料を挿入することにより、電子ビームの照射角を変えることもできる。この場合には試料台２の傾きを変える機構がなくても良い。

また本実施例では、ステップ２０４でパラメータを設定する際、パラメータを未知のパラメータとしてではなく、既知の値の手入力、あるいは別の計測装置から得られた情報を用いてパラメータの取り得る範囲を設定することもできる。例えば、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）やＯＣＤ（光学式測長方式，スペクトラＣＤ），ステレオマッチング法，フォトメトリックステレオ法，ライブラリマッチング法、あるいは膜圧測定などによって断面の高さとその信頼度が得られる場合は、測定する高さの範囲を予め設定できる。具体的にはステップ２０４で（１）式のパラメータｋを高さパラメータｈに変換した後、入力高さの値を「Unknown」「Approximate」「Exact」の３種類に分割して、ｈの振り幅を例えば
「Unknown：入力値の２０％」「Approximate：入力値の１０％」「Exact ：入力値の０％」とする。ＡＦＭなどの実測値は「Exact」に該当し、デバイスの設計値などは
「Approximate」に該当する。また、実測値を使用する場合はｎ点の測定値の３σから振り幅をある式に従って自動的に設定するようにしても良い。また測定対象の材質が既知ならば、パラメータｎの値を予め設定できる。また、（１）式の拡張式を用いる場合は、拡張されたパラメータに対して既知の値を設定できる。例えば電子ビームの加速電圧などが該当する。これによって、より信頼性の高い３次元再構築形状を得る。

このように本実施例によれば、入力信号波形のシミュレーションを利用することで、ステレオ画像の特徴点のマッチングを必要とせずに、試料７に関する断面形状の高さの絶対値を求めることができる。またスペクトラＣＤと異なり、任意のパターンの断面形状を測定することもできる。

また前記実施例においては、試料７に対して、荷電粒子として電子ビームを照射するものについて述べたが、荷電粒子として陽子を用いることもでき、荷電粒子の代わりに、可視光線，紫外線などの電磁波を用いることができる。電磁波を用いたときには、試料７に対して電磁波を照射し、試料７で反射した電磁波の信号強度を検出することになる。

以下、本発明の他の実施例について図面を用いて説明する。図７は、三次元形状分類機能と三次元形状補正機能を備える三次元形状測定機能の全体構成を示すブロック図である。図７において三次元形状測定機能は信号入力部７０１，形状測定部７０２，詳細形状補正部７０３，形状指標値計算部７０４，形状分類部７０５を備えている。

信号入力部７０１は信号入力部５に繋がっており、二次電子の信号強度が入力される。形状再構成部７０２は画像処理部６であり、図２に示すブロック図で三次元形状を測定する。また、形状再構成部７０２は本実施例以外の形状再構成部としても良い。形状指標値計算部７０４では、信号強度から断面形状の種類と程度を表す形状指標値を計算する。詳細形状補正部７０３では計算された形状指標値を用いて形状再構成部７０２から出力された三次元形状を補正し、より詳細な三次元形状を出力する。形状分類部７０５は形状指標値と試料の断面画像とが対応付けされたルックアップテーブルを用いて、形状指標値から対応する断面形状を出力する。以下、各部について具体的に説明する。

形状指標値計算部７０４では、信号入力部７０１から入力された二次電子の信号強度を微分処理、あるいは主成分分析を施すことによって、断面形状を計測することなしに、例えばトップラウンディングとコーナーラウンディングとの違い，フッティングの大小，テーパーと逆テーパーとの違い、あるいは側壁の「えぐれ」を分類し、これらの形状の程度を表す形状指標値を計算する。具体的な手順については、以下で説明する。

図８を参照してテーパー，逆テーパー形状の分類方法について説明する。図８（ａ）はテーパー形状、図８（ｂ）は逆テーパー形状の模式図である。図８（ｃ）の上段は、あるラインパターンの二次電子強度プロファイルであり、横軸は電子ビームの走査位置、縦軸は二次電子の強度を示す。また図８（ｃ）の下段は、二次電子強度のヒストグラムであり横軸は二次電子の強度、縦軸は二次電子の頻度を示す。図８（ｃ）では、図１の電子銃１から放出されるチルト角である電子ビームの照射角度を０度，５度，１０度，１５度に変えたときの二次電子強度プロファイルおよびそのヒストグラムを左から右に並べて示してある。図８（ｃ）から分かるように、チルト角が大きくなるにつれて断面形状の側壁がより多く見えるため、図３で示す二次電子強度の傾斜角依存性に基づき、明るく見える側壁部分が増えることでヒストグラムの分布が変化する。このとき、図８（ａ）に示す形状と図８（ｂ）に示す形状（ａ）とで変化の仕方が異なるため、この差異を検出することで図８（ａ）の形状と図８（ｂ）の形状との区別が可能となる。具体的にはヒストグラム・インタセクション（例えばM.J. Swain and D.H. Ballard,“Color Indexing,” Int. J.
Comput. Vision, Vol.7, no.1,pp.11-32, 1991.)を用いると、図８（ａ）の形状と図８
（ｂ）の形状に対して、それぞれ図８（ｄ）と図８（ｅ）の結果が得られる。ヒストグラムインタセクションは（８）式で得られる。

（８）式でＡ，Ｂは、それぞれ頻度総数を１.０に正規化した正規化ヒストグラム、Ｎはヒストグラムのビン数である。図８（ｄ）と図８（ｅ）は、チルト角が０度のときのヒストグラムとチルト角が５，１０，１５度のときのヒストグラムとの間でＳを求めたものである。図８（ｄ）と図８（ｅ）より、テーパー形状の場合はＳが線形に変化し、逆テーパーの場合は非線形に変化する。この差異からテーパー形状と逆テーパー形状の違いを分類できる。また、グラフの折れ曲がり具合などの線形性や傾きを評価することによりテーパー、及び逆テーパーの程度を表す形状指標値を求めることができる。

図９でフッティングの大小の分類方法について説明する。図９（ａ）と図９（ｂ）は、それぞれフッティング（点線丸内の形状）が小，大の断面形状を示し、図９（ｃ）と図９（ｄ）は、それぞれ図９（ａ）と図９（ｂ）に対する二次電子強度のプロファイルを示す。フッティングが小さい場合は、二次電子強度プロファイルのフッティング部分にアンダーシュートが生じる。このとき図９（ｃ）と図９（ｄ）のプロファイルを二次微分すると図９（ｅ）の波形が得られる。二次微分プロファイルを見るとフッティングの部分で下方向のピークの出方が図９（ａ）の形状と図９（ｂ）の形状とで異なる。この差異からフッティングの大小を分類でき、ピークの大きさを形状指標値とすることができる。また、図９（ａ）と図９(ｂ）のラウンディング形状（点線矩形内の形状）についても、図９(ｅ）に示すようにフッティング形状と同様な指標値を求めることができる。フッティングやラウンディング形状指標値は形状が角張っているほど大きな値をとり、形状が丸まっているほど小さな値をとる。

図１０ではトップラウンディング，コーナーラウンディングの分類方法について説明する。図１０（ａ１）〜（ａ５）は、異なる丸みを持つ断面形状、図１０(ｂ１)〜(ｂ５)は図１０（ａ１）〜（ａ５）に対応する二次電子強度プロファイルである。ここで、図１０（ｂ１）〜（ｂ５）から、例えば二次電子強度プロファイルの双峰性の形状を２つに分割する判別比の最大値（例えば、田村秀行編著，“コンピュータ画像処理”，ｐ１４０，オーム社，２００２．）を計算すると図１０（ｃ）の結果が得られる。図１０（ｃ）より判別比が形状の差異に対応して変化している様子がわかる。即ち図１０（ａ１）のようなコーナーラウンディングに近い形状では判別比の最大値が大きく、図１０（ａ５）のようなトップラウンディングに近い形状では判別比の最大値が小さくなる。よって、判別比の最大値をラウンディングの形状指標値として用いることができる。

図１１では、えぐれ形状の分類方法について説明する。図１１（ａ）は側壁が垂直な断面形状、図１１（ｂ）は側壁がえぐれた形状である。両者の二次電子強度プロファイルを図１１（ｃ）に、図１１（ｃ）の二次微分プロファイルを図１１（ｄ）に示す。図１１
（ｄ）において、点線楕円で示した部分では、図１１（ａ）に示す形状の場合はピークが双峰性であるのに対し、図１１（ｂ）に示す形状の場合は単峰性になる。この差異を検出することで垂直側面とえぐれの分類ができる。ピークの双峰性の評価に判別比を用いることで、えぐれ形状の形状指標値を求めることができる。

図１２では信号プロファイル全体を用いた複合形状の分類について説明する。図１２
（ａ）は試料の断面形状、図１２（ｂ）は対応する二次電子強度プロファイル、図１２
（ｃ）は複数試料から得られた二次電子強度プロファイルを同時に表示してある。図１２（ｃ）では、二次電子強度の最大値と最小値の幅を示すダイナミックレンジ、およびプロファイル長、およびピークの位置を揃えるように補正してある。この準備の下で、二次電子強度プロファイルの主成分分析により形状の特徴量を計算する（例えば、田村秀行編著，“コンピュータ画像処理”，ｐ２７２−２７３，オーム社，２００２．）。

以上の処理により得られた固有ベクトルを図１２（ｄ）に示す。これらのベクトルは平均ベクトルからの差を表現したもので、平均ベクトルとこれらの固有ベクトルの線形和で元の二次電子強度プロファイルを近似できる。これらの固有ベクトルには試料の断面形状に関する情報が含まれている。形状指標値は次のようにして求める。入力二次電子強度プロファイルから平均プロファイルを差し引き、固有ベクトルとの内積を計算する。この内積の値を形状指標値として用いることができる。ここでの形状指標値には複数種類の形状情報が含まれているため、資料を切断した断面画像と形状指標値とを主観評価、あるいは学習方式（例えばｋ−ＮＮ法，パーセプトロン，ＳＶＭ，Ada−boostなど）によって対応させてルックアップテーブルを作成することで、形状指標値から断面形状を判定できる。

図１３，図１４を参照して形状補整方法の一例として、区分的に形状補整する方法について説明する。図１３（ａ）に試料の側壁部分の断面形状、図１３（ｂ）に二次電子強度プロファイル、図１３（ｃ）に図１３（ｂ）の一次微分プロファイル、図１３（ｄ）に図１３（ｂ）の二次微分プロファイルを示す。本実施例では図１３（ｄ）のゼロ交差点Ｂ，Ｃと０漸近点Ａ，Ｄを用いてフッティング部，傾斜部，ラウンディング部の３つの部分に領域を分ける。そして、図７〜図１２で得られた形状指標値に基づき、各領域におけるパラメータ（図２のステップ２０４）を変化させることで、形状再構成部７０２で得られた断面形状の測定結果を補正する。図１４に形状補整結果例を示す。図１４（ａ）は側壁部分がえぐれた断面形状の模式図であり、図１４（ｂ）に形状再構成部７０２で求められた断面形状とその補正した結果を示す。また、補正する形状は、ステレオマッチング法，フォトメトリックステレオ法，原子間力顕微鏡，ライブラリマッチング法、またはスペクトラＣＤによって得られた断面形状を補正することもできる。

本実施例では形状指標値による形状補正以外に、ルックアップテーブルの参照により形状指標値から直接対応する断面形状を出力することもできる。図１５を用いてルックアップテーブルの作成方法、および形状分類方法について説明する。図１５は、図７の形状分類部７０５で用いるルックアップテーブルの作成方法のための模式図である。ステップ
１５１で二次電子強度プロファイルあるいは二次電子強度プロファイルから求められた形状指標値は試料を切断して得られた断面形状（ステップ１５２）と共に学習部（ステップ１５３）へ入力され、二次電子強度プロファイルと形状指標値のいずれか一つと断面形状との対応付けが行われる。この対応付けは資料を切断した断面画像と形状指標値とを主観評価、あるいは学習方式(例えばｋ−ＮＮ法，パーセプトロン，ＳＶＭ，Ada−boostなど)によって対応させる。この対応結果に基づき、ルックアップテーブルを作成する（ステップ１５４）。試料から得られる信号強度、あるいは形状指標値がルックアップテーブルに入力されると、対応結果に基づき、試料に対応する断面形状が出力される。

以上、本発明の実施例によれば、従来技術のエッジ情報のみからでは対応できない形状、例えばトップラウンディングとコーナーラウンディングとの違い，テーパーと逆テーパーとの違い，側壁がえぐれた形状にも対応できる。

本発明の一実施例である三次元形状測定装置の模式図である。本発明の一実施例である画像処理部の処理動作の模式図である。二次電子強度の傾斜角依存性を説明する模式図である。二次電子強度及び走査位置に対する試料の断面形状を説明するための図である。試料台の傾斜によって生じる立体視の原理を説明する図である。断面形状及び断面形状の測定結果を説明する図である。三次元形状測定方法の模式図である。テーパー形状と逆テーパー形状の形状指標値を説明する図である。フッティング形状及びラウンディング形状の形状指標値を説明する図である。トップラウンディング形状とコーナーラウンディング形状の形状指標値を説明する図である。えぐれた側壁形状の形状指標値を説明する図である。主成分分析により二次電子強度プロファイルから得られる形状指標値を説明する図である。断面形状を部分補正する際の区間について説明する図である。断面形状の補正効果を説明する図である。ルックアップテーブル作成方法の模式図である。

符号の説明

１…電子銃、２…試料台、３…電子検出器、４…表示器、５…信号入力部、６…画像処理部、７…試料。

Claims

試料に対して走査方向の軸に沿って相対移動しながら試料の表面に電磁波または荷電粒子を照射する照射手段と、照射手段から照射され試料で反射した電磁波または試料から発生した荷電粒子の信号強度を検出する信号強度検出手段と、信号強度検出手段の検出出力を基に電磁波または荷電粒子の照射位置における試料表面の傾斜角を算出し、断面形状を測定する形状測定装置において、
前記傾斜角の算出値から前記試料の断面形状候補を推定する断面形状候補推定手段と、前記試料の断面形状候補に対する電磁波または荷電粒子の入射角を前記試料に対する電磁波または荷電粒子の入射角とは異なる角度に変えたと仮定して前記試料の断面形状候補で反射した電磁波または前記試料から発生した荷電粒子の信号強度を推定する信号強度推定手段と、前記信号強度推定手段の推定結果と前記試料に対する電磁波または荷電粒子の入射角を仮定したときの角度に変更したときに得られた前記信号強度検出手段の検出出力とを照合して前記試料の断面形状を推定する断面形状推定手段を設けたことを特徴とする形状測定装置。
前記照射手段は、試料に対して走査方向の軸および前記軸と直交する奥行き方向の軸に沿って相対移動しながら試料の表面に電磁波または荷電粒子を照射し、前記断面形状推定手段は、前記照射手段が前記走査方向の軸に沿って相対移動したときに得られた推定結果を前記照射手段が前記奥行き方向の軸に沿って相対移動する毎に順次蓄積し、蓄積結果を基に前記試料の三次元形状を推定することを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
前記断面形状候補推定手段は、前記信号強度検出手段の検出出力と前記試料の断面形状に関する複数種類のパラメータの中から選択された複数のパラメータを用いて前記電磁波または荷電粒子の照射位置における試料表面の傾斜角を算出することを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
前記断面形状推定手段は、前記信号強度推定手段の推定結果と前記信号強度検出手段の検出出力との差を小さくするためのパラメータの選択を前記断面形状候補推定手段に対して指令することを特徴とする請求項３記載の形状測定装置。
前記断面形状推定手段は、前記信号強度推定手段の推定結果と前記信号強度検出手段の検出出力との差が最小値を示すまでパラメータの選択を前記断面形状候補推定手段に対して指令することを特徴とする請求項３記載の形状測定装置。
学習用試料に対して走査方向の軸および前記軸と直交する奥行き方向の軸に沿って相対移動しながら前記学習用試料の表面に電磁波または荷電粒子を照射する手段と、前記電磁波または荷電粒子の照射に伴って前記学習用試料で反射した電磁波または前記学習用試料から発生した荷電粒子の信号強度から前記形状指標値を検出する手段と、前記学習用試料を切断して得られた断面形状と前記信号強度あるいは前記形状指標値とを対応付けをしたルックアップテーブルを作成する手段と、前記試料から検出される前記信号強度あるいは前記形状指標値を前記ルックアップテーブルに入力し、前記試料の断面形状を前記ルックアップテーブルから選択する手段を設けたことを特徴とする形状測定装置。
試料に対して走査方向の軸に沿って相対移動しながら前記試料の表面に電磁波または荷電粒子を照射し、前記電磁波または荷電粒子の照射に伴って前記試料で反射した電磁波または前記試料から発生した荷電粒子の信号強度を検出し、前記検出出力を基に前記電磁波または荷電粒子の照射位置における試料表面の傾斜角を算出し、前記算出値から前記試料の断面形状候補を推定し、前記試料の断面形状候補に対する電磁波または荷電粒子の入射角を前記試料に対する電磁波または荷電粒子の入射角とは異なる角度に変えたと仮定して前記試料の断面形状候補で反射した電磁波または前記試料から発生した荷電粒子の信号強度を推定し、前記信号強度の推定結果と前記試料に対する電磁波または荷電粒子の入射角を仮定したときの角度に変更したときに得られた信号強度の検出出力とを照合し、照合結果を基に前記試料の断面形状を推定する形状測定方法。
前記断面形状候補を推定するに際して、前記信号強度の検出出力と前記試料の断面形状に関する複数種類のパラメータの中から選択された複数のパラメータを用いて前記電磁波または荷電粒子の照射位置における試料表面の傾斜角を算出することを特徴とする請求項７記載の形状測定方法。
前記試料の断面形状を推定するに際しては、前記信号強度の推定結果と前記信号強度の検出出力との差を小さくするためのパラメータを選択することを特徴とする請求項８記載の形状測定方法。
前記試料の断面形状を推定するに際しては、前記信号強度の推定結果と前記信号強度の検出出力との差が最小値を示すまでパラメータを選択することを特徴とする請求項８記載の形状測定方法。
前記断面形状候補の推定結果と前記断面形状の推定結果および前記複数のパラメータをデータベースとして保存することを特徴とする請求項８記載の形状測定方法。
前記試料に対する電磁波または荷電粒子の入射角を変更するに際しては、前記電磁波または荷電粒子の照射方向を一定として、前記試料の取り付け角度を変更するか、あるいは前記試料の取り付け角度を一定として、前記試料に対する前記電磁波または荷電粒子の照射方向を変更することを特徴とする請求項７記載の形状測定方法。