JP4426519B2 - 光学的高さ検出方法、電子線測定装置および電子線検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェハ等の半導体基板を対象とし、対象物への電子線、イオンビーム等の荷電粒子線照射によって得られる対象物の荷電粒子線像による対象物の測定、検査技術に関し、特に、荷電粒子線像の焦点制御のため、ウェハ高さを光学的に検出する光学的高さ検出方法とそれを適用した電子線装置に好適なものである。

例えば、半導体ウェハに形成されたパターンの微細化に伴い、半導体のプロセス制御のために従来行ってきた光学式による計測、検査では、寸法測長、欠陥検出が困難になってきている。そのため、荷電粒子線を用いる装置として、走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、以後ＳＥＭと省略）による計測、検査装置が実用化されている。これは、半導体の製造プロセスの条件設定やモニタのため、微細なパターンの線幅や穴径を測長するＣＤ−ＳＥＭ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ−ＳＥＭ）装置や電子線像のパターン比較により、欠陥を検出するＳＥＭ式検査装置である。

このようなＣＤ−ＳＥＭ装置や、ＳＥＭ式検査装置では、ＳＥＭの光学系の焦点位置が合っていないと、パターン幅や穴径が変化して正しい測長ができない、あるいは、パターン比較による欠陥検出では正常部分が欠陥として誤検出される恐れがある。そのため、焦点合わせが重要となる。焦点合わせは、対物レンズの励磁電流を調節して電子線像により行う。又、焦点合わせを自動化する自動焦点制御では、対物レンズの焦点位置を変化させ、各点で電子線像を検出し、その電子線像から合焦点位置を検出する。一方、焦点合わせの光学的方法として、ウェハに斜め上方からスリット光を照射し、その反射光を検出し、反射光の検出位置からウェハ高さを求め、求めた高さより対物レンズの焦点合わせを行う方法がある。ＳＥＭの倍率が低いときは光学的に求めたウェハ高さにより対物レンズの焦点合わせができるが、ＳＥＭの倍率が高いとＳＥＭの焦点深度が小さくなるため、光学的に求めたウェハ高さでは精度の点で、対物レンズの焦点合わせが難しくなる。そのため、自動焦点制御が行われている。

一般に、自動焦点制御は複数の電子線像を取得するため、光学的にウェハ高さを検出する方式に比べ、処理時間は長い。そのため、光学的ウェハ高さ検出が高精度化できれば、それをもとに行う自動焦点制御の処理時間を短縮できる。ＣＤ−ＳＥＭ装置の場合、光学的高さ検出、及びそれに基づいた自動焦点制御が行われており、測長プロセスに占める焦点制御の時間が大きく、これを短縮することによりＣＤ−ＳＥＭのスループットを向上できる。又、ＳＥＭ式検査装置では、光学的高さ検出により焦点位置制御を行い、電子線像を連続的に取得し、ウェハのダイ間、あるいはセル間の比較検査を行っており、光学的高さ検出を高精度に行うことにより、焦点位置の合った高画質な電子線像が得られ、信頼性の高い検査が行える。

光学的高さ検出法として、これまで電子線式測定装置、あるいは電子線式検査装置を対象とし、ウェハに斜め上方からマルチスリット状の光束を投影し、ウェハの表面から反射したマルチスリット状の光束を結像させ、検出誤差が小さい結像状態を探索して重み付処理し、基準高さに対する移動量からウェハ高さを求め、求めた高さに応じて電子光学系の対物レンズを合焦点にする方式が、特許文献１や特許文献３に開示されている。

又、露光装置を対象とし、ウェハ面に光照射手段から複数の微小光束を斜め方向から入射させ、パターン領域からの複数の反射光束を検出し、得られた信号から微細パターン領域の面位置情報を検出することによりウェハ高さを求め、微細パターン領域を露光装置の焦点位置に合わせる方式が特許文献２に開示されている。
特開平１１−１８３１５４号公報 特開２００２−２０３７８５号公報 特開平１１−１４９８９５号公報

ところで、前記のような対象物の測定、検査技術に関して、本発明者が検討した結果、以下のようなことが明らかとなった。図１５のシングルスリット方式、図１６のマルチスリット方式をそれぞれ示す概略図を用いて説明する。

例えば、ＣＤ−ＳＥＭ装置や、ＳＥＭ式検査装置等の焦点制御のため、図１５に示すように、ウェハ５０３に斜め上方からシングルスリット５０１によるスリット光５０２を投影し、ウェハ５０３からの反射光５０４を検出し、その結像位置からウェハ５０３の高さを光学的に検出する方法が行われている。光学的高さ検出方法では、検出箇所がウェハ５０３上の低反射率部５０５と高反射率部５０６のパターン境界に当ると、パターン間の反射率の差異から反射光５０４の強度分布が歪み、検出光の強度分布５０７から得られる検出位置と真の検出位置とに差異が生じ、検出誤差５０８となり、高精度な高さ検出ができなかった。そのため、図１６に示すように、マルチスリット５１１によるスリット光５０２を投影光し、スリット幅を小さくして検出誤差５０８を小さくする方法が行われている。

前述した特許文献１や特許文献３では、マルチスリット光を投影し、ウェハ上で反射されたマルチスリット光を検出し、検出されたスリット像から、検出誤差が小さい検出状態を探索して、重み付け処理を行い、高さ検出を行っている。マルチスリット、重み付け処理により検出誤差が低減されているが、完全に除去されていない。又、前述した特許文献２では、２次元状のスポット光を投影し、ウェハからの反射光を検出して、ウェハ上の２次元スポット位置での高さ検出を行っている。このとき、各スポットをマルチ微小スポットで構成し、各スポットの検出箇所がウェハ上のパターン境界に当るとき、マルチ微小スポットの検出位置を平均化して各スポットの検出位置とすることにより検出誤差を小さくしているが、完全には除去されていない。

そこで、本発明の目的は、光学的高さ検出法において、検出誤差を削減し、検出精度を向上させ、光学的高さ検出法の高精度化を図ることにより、ＣＤ−ＳＥＭ装置や、ＳＥＭ式検査装置等の焦点合わせ精度を高精度化するとともに、光学的高さ検出法による検出高さを基に行う自動焦点制御の処理時間を短縮することにより、ＣＤ−ＳＥＭ装置等のスループットの向上を図る光学的高さ検出方法とそれを適用した電子線装置を提供することである。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

上記目的を達成するために、本発明は、光学的高さ検出方法とその装置、及びそれを適用した電子線装置（ＣＤ−ＳＥＭ装置、ＳＥＭ式検査装置）を提供し、以下のような特徴を有するものである。

本発明の光学的高さ検出方法は、対象物に斜め上方から２次元スリット光を投影し、この投影された２次元スリット光の対象物による反射光を検出し、この検出された２次元スリット光による２次元スリット像を２次元エリアセンサで電気信号に変換し、この変換された２次元スリット像による電気信号から検出誤差の大きなスリット部分を除外して対象物の高さを検出することを特徴とする。

又、本発明の光学的高さ検出装置は、対象物に斜め上方から２次元スリット光を投影する投影光学系と、対象物からの２次元スリット光による反射光を検出する検出光学系と、検出された２次元スリット光による２次元スリット像を電気信号に変換する２次元エリアセンサと、変換された２次元スリット像による電気信号から検出誤差の大きなスリット部分を除外する処理を行って対象物の高さを検出する高さ検出手段とを備えたことを特徴とする。

又、本発明の電子線測定装置（ＣＤ−ＳＥＭ装置）は、電子線源と、電子線源から引き出された電子線を収束するコンデンサレンズと、コンデンサレンズで収束された電子線を偏向する偏向器と、偏向器で偏向された電子線を被測定物上に集束して照射する対物レンズと、電子線が照射された被測定物から発生する二次電子を検出する二次電子検出器と、二次電子検出器によって検出された二次電子線像に基づいて被測定物上に形成されたパターンの測定を行う画像処理手段とからなる走査電子顕微鏡系と、対物レンズの励磁電流を制御して焦点制御する焦点制御手段と、二次電子線像により対物レンズの自動焦点制御を行う自動焦点制御手段とからなる焦点制御系とに加えて、前述した光学的高さ検出装置（投影光学系、検出光学系、２次元エリアセンサ、高さ検出手段）を備えたことを特徴とする。

又、本発明の電子線検査装置（ＳＥＭ式検査装置）は、前述した走査電子顕微鏡系における電子線源、コンデンサレンズ、偏向器、対物レンズ、二次電子検出器以外に、二次電子検出器によって検出された二次電子線像に基づいて被測定物上に形成されたパターンの検査を行う画像処理手段と、被測定物を一定速度で移動するＸＹステージとからなる走査電子顕微鏡系と、対物レンズの励磁電流を制御して焦点制御する焦点制御手段とに加えて、前述した光学的高さ検出装置（投影光学系、検出光学系、２次元エリアセンサ、高さ検出手段）を備えたことを特徴とする。

更に、本発明の光学的高さ検出方法とその装置、及びそれを適用した電子線装置（ＣＤ−ＳＥＭ装置、ＳＥＭ式検査装置）は、変換された２次元スリット像による電気信号から検出誤差の大きなスリット部分を除外する処理として、（１）スリット毎に検出波形の対称性を算出し（波形対称性算出手段）、非対称波形のスリット部分を除外して対称波形のスリット部分のみを用いて対象物の高さ検出処理を行う、（２）スリット毎にスリット像のシフト量を算出し（シフト量算出手段）、算出されたシフト量と隣接スリットのシフト量との差を算出し（隣接スリットシフト量差算出手段）、算出された隣接シフト量の差が予め設定された値より大きいスリット部分を除外して、予め設定された値より小さいスリット部分のシフト量を用いて対象物の高さ検出処理を行う、（３）スリット毎にスリット像のシフト量を算出し（シフト量算出手段）、算出されたシフト量をそれぞれｘ方向、ｙ方向で検出ライン毎に曲線によるあてはめを行い（曲線あてはめ手段）、あてはめた曲線との差が大きいスリット部分を除外して、差が小さなスリット部分のみを用いて対象物の高さ検出処理を行う、ことを特徴とする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

本発明によれば、光学的に対象物の高さを検出する際、対象物に斜め上方から２次元スリット光を投影し、２次元エリアセンサによって検出された反射光による２次元スリット像による電気信号から、検出誤差の大きなスリット部分を除外してそれ以外のスリット部分のシフト量から対象物の高さを検出するため、検出誤差を大幅に低減でき、高精度な高さ検出が可能となる。又、光学的高さ検出により焦点制御を行う電子線装置では、ＣＤ−ＳＥＭ装置の場合、光学的高さ検出、及びそれに基づいた自動焦点制御が行われており、高精度な光学的高さ検出が可能となれば、自動焦点制御の処理時間を短縮できるため、ＣＤ−ＳＥＭ装置のスループットを向上できる。又、ＳＥＭ式検査装置では、光学的高さ検出により焦点位置制御を行い、電子線像を連続的に取得し、パターンの比較検査を行うため、光学的高さ検出の高精度化により、焦点位置の合った高画質な電子線像が得られ、信頼性の高い検査ができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（第１実施例）
図１は、本発明の第１実施例におけるＣＤ−ＳＥＭ装置の装置構成を示す概略図である。ＣＤ−ＳＥＭ装置は、半導体の製造プロセスの条件設定やモニタのため、走査電子顕微鏡により被測定対象物（被測定物、対象物）１５の電子線像を得、画像処理によって、被測定対象物１５の微細なパターンの線幅や穴径を測長するものである。

ＣＤ−ＳＥＭ装置は、被測定対象物１５の電子線像を得、画像処理を行う走査電子顕微鏡系と、走査電子顕微鏡の焦点合わせを行う焦点制御系と、被測定対象物１５の高さを検出する光学的高さ検出系と、全体制御系とからなる。

走査電子顕微鏡系は、電子線を出射する電子線源１１と、電子線源１１より出た電子線を集束するコンデンサレンズ１２と、集束された電子線を２次元走査する偏向器１３と、電子線を被測定対象物１５に集束する対物レンズ１４と、被測定対象物１５を載置するＸＹステージ１６と、被測定対象物１５の位置を計測するレーザ測長器１７と、電子線の照射により被測定対象物１５から放出される二次電子を検出する二次電子検出器１８と、検出された二次電子信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１９と、Ａ／Ｄ変換された二次電子信号による電子線像（ＳＥＭ画像）を画像処理し、指定された画像中のパターンの幅や穴径の長さの測定を行う画像処理手段２０とから構成される。

焦点制御系は、走査電子顕微鏡の対物レンズ１４の励磁電流を調節して対物レンズ１４の焦点合わせを行う焦点制御器（焦点制御手段）２１と、焦点制御器２１で対物レンズ１４の焦点位置を変化させ、変化した点で電子線像を検出し、その電子線像から合焦点位置を検出する自動焦点制御器（自動焦点制御手段）２２とから構成される。

光学的高さ検出系は、投影光学系、検出光学系、２次元エリアセンサ、高さ検出手段等を備え、被測定対象物１５に２次元スリット光を投影し、被測定対象物１５で反射された２次元スリット光を検出し、２次元エリアセンサで２次元スリット像による電気信号を検出する光学的高さ検出光学系３１と、２次元スリット像による電気信号から検出誤差の大きなスリット部分を除外して対象物の高さを算出する高さ算出処理器３２とから構成される。

全体制御系は、走査電子顕微鏡系、焦点制御系、光学的高さ検出系の全体の制御を行うと共に、画像処理手段２０で処理された結果を表示手段４２に表示する、あるいは被測定対象物１５の座標位置と共に記憶手段４３に記憶する全体制御部４１からなる。

次に、前記光学的高さ検出系における、光学的高さ検出光学系３１、高さ算出処理器３２について、図２、図３、図４を用いて説明する。

図２に示すように、光学的高さ検出光学系３１は、投影光学系５１と検出光学系５２とからなる。図２（ｂ）は、図２（ａ）の上方からみた図である。

投影光学系５１は、ハロゲンランプ等の白色光源６１と、白色光を集光するコンデンサレンズ６３と、２次元スリット光を形成する２次元スリット６４と、２次元スリット光のうちＳ偏光を透過するよう設置された偏光フィルタ６５と、２次元スリット光を集光して被測定対象物１５上近傍に２次元スリット像を結像する投影レンズ６６とから構成される。

検出光学系５２は、白色光のうち、ある波長領域を透過する帯域フィルタ６２と、被測定対象物１５上で正反射した２次元スリット光を集光して中間２次元スリット像６９を結像する検出レンズ６７と、２次元スリット光の進行方向を変えるミラー６８と、検出レンズ６７で結像された中間２次元スリット像６９を拡大して２次元エリアセンサ７１上に結像する拡大レンズ７０と、２次元エリアセンサ７１とから構成される。

ここで、投影光学系５１と検出光学系５２は、光学的高さ検出における検出誤差を小さくするため、図２（ｂ）に示すように、被測定対象物１５を載置するＸＹステージ１６のＸ方向１０１に対し傾斜して設置されている。

白色光源６１による白色光は、コンデンサレンズ６３によって、２次元スリット６４に照明される。光源は、白色光源６１以外に単波長のレーザ光源や発光ダイオード等が使用できるが、単色光は透明膜内で多重反射光が干渉を起こしてスリット光がシフトしたり、透明膜厚の変化によりパターン間の反射率の差が大きくなり、反射光の強度分布が歪み、検出誤差が大きくなる場合がある。２次元スリット６４は、ここでは矩形の繰返しパターンであるが、それ以外に円形の繰返しパターンの２次元スリット７２、あるいは行ごとにその位置がシフトしたパターンの２次元スリット７３にしてもよい。偏光フィルタ６５は、後で述べるが被測定対象物１５の表面が絶縁膜のように透明な膜で覆われているとき、透明膜の中で２次元スリット光が多重反射を起こしスリット光の位置がシフトするが、Ｓ偏光の方がＰ偏光よりも透明膜の表面で反射しやすいため、偏光フィルタ６５によってＳ偏光を透過することにより多重反射によるシフト量を小さくするものである。

投影レンズ６６によって２次元スリット光を集光し、被測定対象物１５の表面近傍に２次元スリット像を結像する。被測定対象物１５の表面近傍に結像した２次元スリット光は正反射し、検出レンズ６７によって中間２次元スリット像６９を結像する。帯域フィルタ６２は、白色光源６１の波長帯域を狭くして、検出レンズ６７、拡大レンズ７０による色収差を低減し、２次元エリアセンサ７１上に結像する２次元スリット像位置のシフト量の波長依存性を小さくする。ミラー６８で、２次元スリット光の進行方向を変える。中間２次元スリット像６９は、拡大レンズ７０によって拡大され、２次元エリアセンサ７１上に結像する。

ここで、図３において、２次元スリット光の入射角７４をθ、検出光学系の検出レンズ６７、拡大レンズ７０を総合した検出拡大レンズ７５の倍率をｍとした場合、図３に示すように、被測定対象物１５の高さがΔｚだけ変化すると、２次元エリアセンサ７１上の２
次元スリット像は２ｍΔｚ・ｓｉｎθだけ全体にシフトする。これを利用して、高さ算出
処理器３２では、２次元エリアセンサ７１で得られた２次元スリット像の電気信号から２次元スリット像のシフト量を算出し、さらに、シフト量から、被測定対象物１５の高さΔ
ｚを算出する。

次に、図４を用いて、高さ算出処理器３２における処理方法について説明する。図４（ａ）は、投影光学系の２次元スリット６４によるスリット光が、被測定対象物１５上に投影されたときの２次元スリット像８３を示す。２次元スリット光の投影方向８４、検出方向８５はそれぞれ図に矢印で示す方向で、ＸＹステージ１６のＸ方向１０１に対して傾斜している。２次元スリット光の照射個所は、図に示すように低反射率部８１と高反射率部８２とからなる垂直パターンの境界部分に当った場合を示している。

２次元スリット像８３は、検出レンズ６７、拡大レンズ７０により、図４（ｂ）に示す２次元エリアセンサ７１上に結像する。検出光学系の倍率をｍ、２次元スリット像８３の各スリットの幅、高さ、Ｘｓ方向ピッチ、Ｙｓ方向ピッチをｗ、ｌ、ｐｘ、ｐｙとすると、２次元エリアセンサ７１上の２次元スリット像の幅、高さ、Ｘｓ方向ピッチ、Ｙｓ方向ピッチはそれぞれｍｗ・ｃｏｓθ、ｍｌ、ｍｐｘ・ｃｏｓθ、ｍｐｙとなる。又、被測定対象物１５の高さがΔｚだけ変化すると、２次元エリアセンサ７１上の２次元スリット像
はＸｓ方向には２ｍΔｚ・ｓｉｎθだけシフトするがＹｓ方向にはシフトしない。そのた
め、２次元エリアセンサ７１で得られた２次元スリット像の電気信号から２次元スリット像のＸｓ方向のシフト量を算出し、Ｘｓ方向のシフト量から、被測定対象物１５の高さΔ
ｚを検出できる。

２次元スリット像のＸｓ方向のシフト量を算出するため、２次元エリアセンサ７１上の各行１１２，１１３，１１４，１１５，１１６でそれぞれ、１次元のスリット像としてＸｓ方向のシフト量を算出する。そのため、２次元エリアセンサ７１上の２次元スリット像において、各行１１２〜１１６でＹｓ方向の検出光強度を加算して、図４（ｃ）に示すように各行８６，８７で、１次元スリット検出波形１２１，１２２を得る。このとき、図４（ａ）に示すように、スリットがスリット８８，８９，９０，９１のように、低反射率部８１、高反射率部８２の境界部に当ると、検出波形１２１，１２２では対応するスリット部分の波形が歪み、この波形からスリット像のシフト量を算出すると、対応するスリット部分に検出誤差１２３，１２４が生ずる。

そこで、本実施例では、１次元スリット検出波形１２１，１２２において、スリット毎に、波形の対称性を判定し、波形が非対称のスリット部分を除外し、それ以外のスリット部分におけるスリット像のシフト量から、被測定対象物１５の高さを算出する。そのため、図４（ｄ）に示すように、１次元スリット検出波形１２１，１２２から、スリット部分の波形を切り出し、図４（ｅ）に示す波形対称性算出処理１３１、非対称性波形除去処理１３２、高さ算出処理１３３の処理を行って、検出誤差の低減した被測定対象物１５の高さを得る。

次に、図４（ｄ）より、各行８６，８７で得られた１次元の検出波形から各スリット部分の波形を切り出す処理について説明する。１次元検出波形のピッチ１２５の概略値ｐｏは２次元スリット６４のＸｓ方向のピッチをｐｓｘ、投影光学系の倍率をｍｉ、検出光学系の倍率をｍとすると、ｐｏ＝ｍ・ｍｉ・ｐｓｘとなる。そこで、各行において１次元検出波形から最大値をみつけ、最大値を取る位置から、順次ピッチｐｏずつ区切ることにより、各スリットに対応する検出波形を得る。次に、各スリットに対応する波形に関して、左右の谷の内、大きい方の値Ｉｎ１２６と最大値Ｉｘ１２７に対してある閾値Ｉｔ１２８で囲まれる区間を各スリット部分の検出波形１２９とする。こうして得られた各スリット部分の検出波形１２９は、被測定対象物１５上で反射率の差がない場合、対称となる。しかし、スリット８８，８９，９０，９１のように、低反射率部８１、高反射率部８２の境界部に当ると、検出波形は歪み、非対称となる。

次に、図５を用いて、波形対称性算出処理１３１で、そのように波形が非対称となるスリット部分を検出する方法について説明する。

波形対称性算出処理１３１は、各スリットにおいて、各スリット部分の検出波形１２９から重心Ｐｗ１４１、最大値Ｐｍ１４２、低閾値中点ＰＴ_l１４３、高閾値中点ＰＴ_h１４４のいずれか２つを計算し、その２つがある許容値Ｐｃをもって一致するとき、検出波形は対称であるとし、一致しないとき、非対称とする。重心Ｐｗ１４１は、算出する際、各スリット部分の検出波形１２９が占める２次元エリアセンサ７１の画素数が比較的大きければ、２次元エリアセンサ７１の画素サイズ以下の精度で算出できる。しかし、最大値Ｐｍ１４２は、各スリット部分の検出波形１２９から直接求めると、２次元エリアセンサ７１の画素サイズ程度の精度しか得られず精度が悪いため、補間を行って算出する。又、低閾値中点ＰＴ_l１４３、高閾値中点ＰＴ_h１４４は、各スリット部分の検出波形１２９に対して小さい閾値Ｔ_l１４５、大きい閾値Ｔ_h１４６が交差する左右両側の点を算出し、その中点から求める。

非対称性波形除去処理１３２では、波形対称性算出処理１３１で算出した結果から非対称波形となるスリット部分を除外し、対称波形となるスリット部分を選択する。続いて、高さ算出処理１３３で、波形対称性算出処理１３１で用いた重心Ｐｗ１４１、最大値Ｐｍ１４２、低閾値中点ＰＴ_l１４３、高閾値中点ＰＴ_h１４４は許容誤差Ｐｃをもって等しいため、そのいずれか１つを用いて、各スリットにおけるスリット像の位置を決定する。そして、各スリットのｚ＝０におけるスリット像の位置からスリット像のシフト量を算出し、シフト量が２ｍΔｚ・ｓｉｎθとなることから、各スリットの被測定対象物１５上の
高さΔｚを算出する。ここで、各スリットの高さを平均すれば、計測点の平均的な高さ、
スリットの２次元上位置に各スリットの高さを対応させれば、計測点の高さ分布が得られる。

次に、図１、図６を用いて、ＣＤ−ＳＥＭ装置で、半導体ウェハ等の被測定対象物１５上の微細なパターンの線幅やコンタクトホール等の穴径を測長する方法について説明する。図６は、ＣＤ−ＳＥＭ装置で被測定対象物１５を計測する計測手順１５１を示している。

ＸＹステージ移動１５２で、被測定対象物１５が載置されたＸＹステージ１６を全体制御部４１の指示により駆動し、レーザ測長器１７によりＸＹステージ１６を測定点に高精度に位置決めする。計測点に位置決め後、光学的高さ検出１５３で、全体制御部４１の指示により光学的高さ検出光学系３１によって、被測定対象物１５に２次元スリット光を投影し、被測定対象物１５で反射された２次元スリット光を検出し、２次元エリアセンサで２次元スリット像による電気信号を検出する。そして、高さ算出処理器３２で、検出された２次元スリット像による電気信号から検出誤差の大きなスリット部分を除外して被測定対象物１５の高さを算出する。この算出された高さに対して走査電子顕微鏡の焦点を合わせるため、焦点制御器２１によって走査電子顕微鏡の対物レンズ１４の励磁電流を調節する。

次に、低倍画像取得１５４で走査電子顕微鏡により、被測定対象物１５の低倍率の電子線像（ＳＥＭ画像）を得る。走査電子顕微鏡は、電子線源１１より引き出された電子線をコンデンサレンズ１２で集束し、偏向器１３で２次元走査し、対物レンズ１４で集束して被測定対象物１５に照射する。電子線源１１は低加速電圧で分解能を維持するため、放出電子のエネルギー幅の小さい、電界放出電子源、ショットキー電子源を用いる。又、低加速電圧の電子線を得るため、被測定対象物１５に減速電圧を印加するリターディング方式を用いる。二次電子検出器１８で電子線の照射により被測定対象物１５から放出される二次電子を検出し、Ａ／Ｄ変換器１９で二次電子信号をＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換された二次電子信号を偏向器１３の偏向信号と同期させることにより被測定対象物１５のＳＥＭ画像を得る。ＳＥＭ画像の倍率設定は、偏向器１３の走査範囲を変化して行う。

次の位置決め１５５では、得られた低倍率のＳＥＭ画像から、予め登録されていたパターンとのマッチングにより、測長点へのアドレッシングを行う。次の自動焦点制御１５６では、光学的高さ検出で得られた高さを基に自動焦点制御器２２によって、対物レンズ１４の焦点位置を変化させ、変化した各点で高倍率のＳＥＭ画像を取得し、そのＳＥＭ画像を評価し合焦点位置を検出する。得られた合焦点位置に対物レンズ１４の焦点位置を合わせるため、焦点制御器２１によって走査電子顕微鏡の対物レンズ１４の励磁電流を調節する。そして、高倍画像取得１５７で走査電子顕微鏡により、被測定対象物１５の高倍率のＳＥＭ画像を得る。得られた高倍率のＳＥＭ画像データに対し、パターン寸法計測１５８で、画像処理手段２０により画像処理を行い、指定された画像中のパターンの幅やコンタクトホール等の穴径の長さ測定を行う。

このように、ＣＤ−ＳＥＭ装置では低倍、高倍のＳＥＭ画像取得時、対物レンズ１４の焦点合わせを行う。合焦点値は、低倍の画像取得時には、光学的高さ検出による検出値、高倍の画像取得時には、光学的高さ検出に基づいて行われる自動焦点で得られる焦点値である。本実施例により、光学的高さ検出が高精度に行われると、低倍の画像取得時、焦点位置の合った高画質なＳＥＭ画像が得られ、画像による位置決めが高精度に行える。又、高倍の画像取得時、光学的高さ検出に基づいて行われる自動焦点制御の処理時間を短縮できるため、ＣＤ−ＳＥＭ装置のスループットが向上できる。

（第２実施例）
次に、本発明の第２実施例におけるＣＤ−ＳＥＭ装置について、図７を用いて説明する。本実施例は、２次元スリット像から対象物の高さを算出する高さ算出処理器３２が、前記第１実施例と異なり、検出誤差として除外するスリットを、隣接スリットのシフト量に対して、シフト量が大きいスリットとしたものである。本実施例の他の部分は、前記第１実施例と同一である。

本実施例は、図４（ｄ）に示す各スリット部分を切り出した各スリット部分の検出波形１２９に対し、スリット毎にスリット像のシフト量を算出し、算出されたシフト量と隣接スリットのシフト量との差を算出し、算出された隣接シフト量の差が予め設定された値より大きいスリット部分を除外して、予め設定された値より小さいスリット部分のシフト量を用いて対象物の高さを検出する。

本実施例が対象とする被測定対象物１５の例として、ここでは、図７（ａ）に示すように、低反射率部１６１と高反射率部１６２とからなるパターンの境界部分があり、そこに小さな段差１６３がある場合について説明する。

このような被測定対象物１５に対し、図４（ｃ）と同様の方法で１次元スリット検出波形１６４が得られる。１次元スリット検出波形１６４は、図７（ｂ）に示すスリット部分切出し処理１７１で、図４（ｄ）と同様の方法で各スリット部分を切り出し、各スリット部分の検出波形を得る。次にシフト量算出処理１７２で、各スリット部分の検出波形から重心、あるいは低閾値中点によって、各スリットにおけるスリット像の位置を決定する。決定されたスリット像の位置と各スリットのｚ＝０におけるスリット像の位置からスリット像のシフト量を算出する。

本実施例における被測定対象物１５は全体にｚの−方向に位置し、段差があるため、シフト量算出処理１７２で算出されたシフト量（＋を上方向）は図７（ｃ）に示すように、高反射率部１６２の方が大きくなっている。又、パターン境界部ではパターン間の反射率差のため、検出波形が歪み、シフト量が最大となる。従って、このシフト量から被測定対象物の高さを算出すると、パターン境界部に検出誤差が発生する。

そこで本実施例では、隣接スリット差算出処理１７３で、各スリットに対し、隣接スリット１８１のシフト量との差であるシフト量差１８２を算出する。そして、シフト大スリット除去処理１７４で、そのシフト量差１８２が予め設定した値より大きい場合、異常スリット１８３として高さ検出の候補から除外する。そして高さ算出処理１７５で、シフト量が２ｍΔｚ・ｓｉｎθとなることから、各スリットの被測定対象物１５上の高さΔｚを
算出する。

２次元スリット６４のスリット幅を小さくするとパターン境界の反射率差による検出波形の歪みは小さくなるため、前記第１実施例の方法ではパターン境界部分の歪が検出できなくなる場合がある。本実施例では、シフト量に着目して隣接スリットとの比較から、検出誤差が大きくなる部分を除外しているため、スリット幅とは無関係に検出誤差がある部分のスリットを除去して高さ検出できる。本実施例により、光学的高さ検出の高精度化が可能となるため、前記第１実施例と同様にＣＤ−ＳＥＭ装置で測長する際、低倍の画像取得時には、焦点位置の合った高画質な電子線像が得られ、画像による位置決めが高精度に行える。又、高倍の画像取得時には、光学的高さ検出に基づいて行われる自動焦点制御の処理時間を短縮できるため、ＣＤ−ＳＥＭ装置のスループットを向上できる。

（第３実施例）
次に、本発明の第３実施例におけるＣＤ−ＳＥＭ装置について、図８を用いて説明する。本実施例は、２次元スリット像から対象物の高さを算出する高さ算出処理器３２が、前記第１実施例、及び前記第２実施例と異なり、検出誤差として除外するスリットを、各スリットのシフト量を曲線にあてはめ、曲線との差が大きいスリットとしたものである。

本実施例は、前記第２実施例の図７（ｂ）に示すスリット部分切出し処理１７１で、各スリット部分を切り出した各スリット部分の検出波形に対し、スリット毎にスリット像のシフト量を算出し、算出されたシフト量をそれぞれｘ方向、ｙ方向で検出ライン毎に曲線によるあてはめを行い、あてはめた曲線との差が大きいスリット部分を除外して、差が小さなスリット部分のみを用いて対象物の高さを検出する。

本実施例が対象とする被測定対象物１５の例として、ここでは、図８（ａ）に示すように、低反射率部１９１と高反射率部１９２とからなるパターンの境界部分があり、全体として傾斜している場合について説明する。

このような被測定対象物１５に対し、図４（ｃ）と同様の方法で１次元スリット検出波形１９３が得られる。１次元スリット検出波形１９３は、図８（ｂ）に示すスリット部分切出し処理２０１で、図４（ｄ）と同様の方法で各スリット部分を切り出し、各スリット部分の検出波形を得る。次にシフト量算出処理２０２で、各スリット部分の検出波形から重心、あるいは低閾値中点によって、各スリットにおけるスリット像の位置を決定する。決定されたスリット像の位置と各スリットのｚ＝０におけるスリット像の位置からスリット像のシフト量を算出する。

本実施例における被測定対象物１５は全体にｚの＋方向に位置し、傾斜しているため、シフト量算出処理２０２で算出されたシフト量（−を上方向）は図８（ｃ）に示すように、高反射率部１９２の方が大きくなる。又、パターン境界部ではパターン間の反射率差のため、検出波形が歪み、シフト量が最大となる。このシフト量から被測定対象物１５の高さを算出すると、パターン境界部に検出誤差が発生する。

そのため、本実施例では、曲線あてはめ処理２０３で、算出されたシフト量をそれぞれｘ方向、ｙ方向で検出ライン毎に曲線によるあてはめを行う。曲線のあてはめは、例えば、曲線が３次関数で表せるとし、最小二乗法によって曲線の係数を求める。求めた曲線が被測定対象物１５の傾斜を表している。そして、シフト大スリット除去処理２０４で、各スリットのシフト量があてはめた曲線２１１に対し、予め設定した値より大きい場合、異常スリット２１２として高さ検出の候補から除外する。ｘ、ｙ方向終了処理２０５で、ｘ、ｙの２方向の処理を行い、高さ算出処理２０６で、シフト量が２ｍΔｚ・ｓｉｎθとな
ることから各スリットの被測定対象物１５上の高さΔｚを算出する。

本実施例では、被測定対象物の傾斜が大きい場合でも、傾斜部分を検出誤差がある部分として除去することがないため、より多様な被測定対象物に対応できる。本実施例により、光学的高さ検出の高精度化が可能となるため、前記第２実施例と同様にＣＤ−ＳＥＭ装置で測長する際、焦点位置の合った高画質な電子線像が得られ、画像による位置決めが高精度に行える。又、光学的高さ検出に基づいて行われる自動焦点制御の処理時間を短縮できるため、ＣＤ−ＳＥＭ装置のスループットを向上できる。

（第１〜第３実施例の応用例）
なお、前述した第１実施例、第２実施例、第３実施例では、被測定対象物１５上に投影された２次元スリット光の照射個所は、図４（ａ）に示すように低反射率部８１と高反射率部８２とからなる垂直パターンの境界部分に当った場合を例として、説明したが、図９に示すように、低反射率部８１と高反射率部８２とからなる水平パターンの境界部分２２１に当る場合も起こる。２次元スリット光の投影方向８４、検出方向８５はそれぞれ図に矢印で示す方向で、ＸＹステージ１６のＸ方向１０１に対し傾斜している。

図９（ａ）に示すように、スリットがマルチスリットの場合、マルチスリット像２２２において、パターンの反射率差の影響は全てのスリットに現れる。そのため、各スリットの検出位置を平均化する、あるいは、重み付けする処理を行っても、検出誤差を低減することはできない。一方、図９（ｂ）に示すように、スリットが２次元スリットの場合、２次元スリット像２２３においてパターンの反射率差の影響はスリット２２４〜スリット２２９と一部のスリットのみに現れる。従って、前記第１〜第３実施例に述べた方法で検出誤差が大きくなるパターン境界部分のスリットを検出し、検出したスリット部分を除外することによって、検出誤差の低減された高さ検出が可能となる。

一般に、パターンの境界は垂直、水平方向が多いが、パターンの境界の方向が、２次元スリット光の投影方向８４、検出方向８５に対し、垂直になる場合も生じる。そのとき、２次元スリット像におけるパターンの境界部分は、スリットの垂直方向の１列分が該当する。その場合にも、前記第１〜第３実施例に述べた方法で検出誤差が大きくなるパターンの境界部分のスリット部分を除外することにより、検出誤差の低減された検出が可能となる。以上、本実施例では、パターンの境界の方向によらず、検出誤差の低減された高精度な光学的高さ検出が可能となる。

更に、図１０に示すように、前記第１〜第３実施例のいずれかの方法によって求めたスリットの２次元上位置に対応した高さ分布に対し、求めた高さから２次元上のスリットの位置を高精度に算出することができる。図１０に示すように、被測定対象物１５の高さｚ＝０における２次元スリット像２３２の中心は、ＣＤ−ＳＥＭ装置の電子光学系の光軸２３１に一致する。しかし、被測定対象物１５の高さがΔｚだけ変化すると、２次元スリッ
ト像２３３の中心はＣＤ−ＳＥＭ装置の電子光学系の光軸２３１からΔｚ・ｔａｎθだけ
シフトする（図では便宜上垂直方向もシフトしているが、水平方向のみシフトする）。従って、各スリットにおいて求めた高さを用い、同様にして、各スリットの位置をΔｚ・ｔ
ａｎθだけシフトすることにより、正しく補正されたスリット位置が得られる。補正されたスリット位置を用いて、例えば、電子光学系の光軸２３１上における高さを求めることができる。２次元上のスリットの位置による高さ分布は、ＣＤ−ＳＥＭ装置におけるイメージシフト時のシフト位置での高さを求める際等に利用できる。

（第４実施例）
次に、本発明の第４実施例におけるＳＥＭ式検査装置について、図１１を用いて説明する。図１１は、ＳＥＭ式検査装置の構成を示す図である。ＳＥＭ式検査装置は、従来行われてきた光学式外観検査装置に代わり、分解能の高い電子線を用いて、半導体ウェハ上の微細なパターンの欠陥を検出する外観検査装置で、走査電子顕微鏡により被測定対象物１５に形成された微細なパターンの電子線像（ＳＥＭ画像）を得、ＳＥＭ画像のパターン比較により、被測定対象物１５の欠陥を検出するものである。

ＳＥＭ式検査装置は、被測定対象物１５のＳＥＭ画像を得、パターン比較等の画像処理を行う走査電子顕微鏡系と、走査電子顕微鏡の焦点合わせを行う焦点制御系と、被測定対象物１５の高さを検出する光学的高さ検出系と、全体制御系とからなる。

走査電子顕微鏡系は、電子線を出射する電子線源２４１と、電子線源２４１より出た電子線を集束するコンデンサレンズ２４２と、集束された電子線を走査する偏向器２４３と、電子線を被測定対象物１５に集束する対物レンズ２４４と、被測定対象物１５を載置するＸＹステージ２４６と、被測定対象物１５の位置を計測するレーザ測長器２４７と、電子線の照射により被測定対象物１５から放出される二次電子を検出する二次電子検出器２４８と、検出された二次電子信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器２４９と、Ａ／Ｄ変換された二次電子信号によるＳＥＭ画像を記憶する画像メモリ２５２と、ＳＥＭ画像を画像処理し、ＳＥＭ画像によるパターン比較から欠陥を検出する画像処理手段２５０とから構成される。

焦点制御系は、走査電子顕微鏡の対物レンズ２４４の励磁電流を調節して対物レンズ２４４の焦点合わせを行う焦点制御器２５１より構成される。

光学的高さ検出系は、被測定対象物１５に２次元スリット光を投影し、被測定対象物１５で反射された２次元スリット光を検出し、２次元エリアセンサで２次元スリット像による電気信号を検出する光学的高さ検出光学系２６１と、２次元スリット像による電気信号から検出誤差の大きなスリット部分を除外して対象物の高さを算出する高さ算出処理器２６２とから構成される。光学的高さ検出光学系２６１は、前記第１実施例の光学的高さ検出光学系３１と同一である。

全体制御系は、走査電子顕微鏡系、焦点制御系、光学的高さ検出系の全体の制御を行うと共に、画像処理手段２５０で処理された検査結果を表示手段２７２に表示したり、記憶手段２７３に記憶する全体制御部２７１からなる。

次に、図１１を用いて、ＳＥＭ式検査装置で、半導体ウェハ等の被測定対象物１５上の微細なパターンの欠陥を検出する方法について説明する。ＳＥＭ画像を取得するには、ＸＹステージ２４６を静止した状態で電子線を２次元走査し、ステップ＆リピートでＳＥＭ画像を取得する方法がある。

ＳＥＭ式検査装置では、広い領域を高速で検査するため、ＸＹステージ２４６を一方向に一定速度で移動し、電子線をＸＹステージの移動方向と直角に走査して２次元のＳＥＭ画像を得る。そこで、被測定対象物１５が載置されたＸＹステージ２４６を全体制御部２７１の指示によりＸ方向に定速で駆動する。これと同時に、偏向器２４３は、全体制御部２７１の指示により電子線をこれと直交するＹ方向に走査する。レーザ測長器２４７によりＸＹステージ２４６の位置をモニタする。

又、これと同時に、全体制御部２７１の指示により光学的高さ検出光学系２６１によって、被測定対象物１５に２次元スリット光を投影し、被測定対象物１５で反射された２次元スリット光を検出し、２次元エリアセンサで２次元スリット像による電気信号を検出する。そして、高さ算出処理器２６２で、検出された２次元スリット像による電気信号から検出誤差の大きなスリット部分を除外して被測定対象物１５の高さを算出する。算出された高さに対して走査電子顕微鏡の焦点を合わせるため、焦点制御器２５１によって走査電子顕微鏡の対物レンズ２４４の励磁電流を調節する。

走査電子顕微鏡は、電子線源２４１より引き出された電子線をコンデンサレンズ２４２で集束し、偏向器２４３でＹ方向に走査し、対物レンズ２４４で集束して被測定対象物１５に照射する。二次電子検出器２４８で電子線の照射により被測定対象物１５から放出される二次電子を検出し、Ａ／Ｄ変換器２４９で二次電子信号をＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換された二次電子信号により被測定対象物１５のＳＥＭ画像を得る。ＳＥＭ画像を得る際、ＸＹステージ２４６を移動しながら、光学的高さ検出系により、被測定対象物１５の高さを検出し、焦点制御器２１で高さ検出値を用いて対物レンズ２４４の焦点合わせを行うため、焦点位置の合った高画質なＳＥＭ画像が得られる。

又、電子線源２４１は、通常のＳＥＭ装置のように、低電流の電子線で低速に走査することは行わず、大電流の電子線で高速に走査するため、熱電界放出型電子源を用いる。又、電子線の低加速電圧領域で高分解能を得るため、被測定対象物１５に減速電圧を印加するリターディング方式を用いる。その場合、被測定対象物１５から放出される二次電子は加速されるため、図示していないが、二次電子を偏向、反射する機器が必要となる。

そして、画像処理手段２５０は、一定時間だけ遅延させた画像メモリ２５２によるＳＥＭ画像と、Ａ／Ｄ変換器２４９から直接入力されたＳＥＭ画像を比較し、不一致部分を欠陥として検出する。比較検査は、画像メモリ２５２に得られるＳＥＭ画像が、ＸＹステージ２４６がダイのピッチ分だけ移動する時間遅延させた場合、ダイ比較、メモリセルのピッチ分だけ移動する時間遅延させた場合、セル比較となる。

次に、前記光学的高さ検出系における高さ算出処理器２６２について、説明する。高さ算出処理器２６２において、２次元エリアセンサ７１で得られた２次元スリット像の電気信号から２次元スリット像のシフト量を算出し、各スリットのシフト量から、被測定対象物１５の２次元の各スリット位置に対応した高さΔｚを算出する方法は、前記第１〜第３
実施例と同一である。しかし、ＳＥＭ式検査装置では、ＣＤ−ＳＥＭ装置と異なり、ＳＥＭ画像はステージを移動しながら取得する。そのため、高さ算出結果を基に焦点制御器２５１で対物レンズの焦点合わせを行っても、２次元エリアセンサ７１、高さ算出処理、焦点制御器２５１で時間遅れｔが生じるため、被測定対象物１５の実際の高さはステージの送り速度ｖとするとｖｔだけずれた位置における高さとなる。そのため、予めこの位置ずれ量ｖｔに対応する位置を測定するように光学的高さ検出系を設置することにより、ステージが移動しているときでも、高精度に高さ検出できる。

このように、ＳＥＭ式検査装置では、高さ検出を行うスリットの位置ずれ量を考慮して高さ検出するため、ステージを移動しながらＳＥＭ画像を取得する場合でも、リアルタイムで高精度に、対物レンズ２４４の焦点合わせが可能となる。従って、焦点位置の合った高画質なＳＥＭ像が得られ、信頼性の高い検査が行える。

（第１〜第４実施例の応用例）
ところで、前記実施例１〜第４実施例において、図２に示す、光学的高さ検出光学系３１で、２次元スリット光を検出する２次元エリアセンサ７１の代わりに、図１２に示すように、複数の１次元ラインセンサ２８１，２８２，２８３，２８４，２８５を１列に並べてもよい。そのとき、１次元ラインセンサの個数は、２次元スリット６４、又は７２、又は７３の、各スリットの行の数だけ設ける必要がある。又、図２に示す２次元スリット６４の代わりに、図１２に示すマルチスリット２８６を用い、マルチスリット光を検出するセンサとして２次元エリアセンサ７１を使用し、２次元エリアセンサ７１上の画素位置から、マルチスリット２８６の各スリット上の位置を検出することにより、実質的に２次元スリット光を検出する方式を用いてもよい。

次に、前記第１実施例〜第４実施例において、図２に示す２次元スリット光の被測定対象物１５への入射角θ７４について説明する。図１３に示すように、被測定対象物１５がＳｉ基板２９２に対し、透明な薄膜としてＳｉＯ₂膜２９１が表面に形成された場合について考える。ここでは、スリットとして２次元スリット６４のうち、中心に位置する１つのスリットについて説明する。

スリット光２９３はＳｉＯ₂膜２９１で一部が反射し、残りは透過するが、透過したスリット光は多重反射を繰返し、スリット光２９３は２次元エリアセンサ７１上で複数のスリット像２９４，２９５，２９６を形成し、全体としてスリット像位置２９７は、ずれる。スリット位置のずれ量２９８は入射角θ７４が大きくなる程、小さくなる。これは、ＳｉＯ₂膜２９１での反射率が、スリット光２９３の入射角θ７４が大きくなる程大きくなるため、スリット光２９３のＳｉＯ₂膜２９１への入射光量が小さくなり、多重反射が起こりにくくなるためである。従って、多重反射に関しては、入射角θ７４が大きい程、スリット位置のずれ量２９８は小さく、検出誤差は小さくなる。又、多重反射による検出誤差のスリット幅の変化に対する影響は小さい。又、偏光に関して、ずれ量２９８は、スリット光２９３がＰ偏光よりＳ偏光の方が小さくなる。これは、ＳｉＯ₂膜２９１の反射率が、Ｐ偏光よりＳ偏光の方が大きいためである。

一方、図１４（ａ）に示すように、２次元スリット光が入射角θ７４で被測定対象物１５の低反射率部３０１と高反射率部３０２からなる垂直パターンの境界部分３０３を照射した場合を考える。ここでは、スリットとして２次元スリット６４のうち、中心に位置する１つのスリットについて説明する。

スリット幅３０５をｄとし、投影光学系の倍率を１とすると、スリット光３０４によって被測定対象物１５上に投影されるスリット像幅３０６はｄ／ｃｏｓθとなる。そこで、入射角θ７４を５０〜８０°と変化した場合、図１４（ｂ）に示すように、２次元スリット光の被測定対象物１５上に投影されるスリット像幅３０６は入射角θ７４が大きくなる程、大きくなる。ここで、スリット光３０４の投影方向３０７、検出方向３０８はそれぞれ図に矢印で示す方向で、ＸＹステージ１６のＸ方向１０１に対して傾斜している。又、スリット像幅３０６が大きくなると、図から分かるように、パターンの境界部分３０３がスリットにかかる部分の長さが長くなり、スリットからの検出光３０９の強度分布は低反射率側と高反射率側での差が大きくなり、検出光の強度分布の歪みが大きくなる。検出光の強度分布の歪みが大きくなると、それを基に算出するスリットの結像位置のずれ量が大きくなるため、パターン境界部分では、入射角θ７４が大きい程、検出誤差は大きくなる。又、スリット像幅３０６はスリット幅３０５のｄに比例し、スリット幅が小さくなる程、小さくなるため、パターン境界部分の検出誤差は、スリット幅が小さくなる程、小さくなる。

以上より、多重反射とパターン境界部分による検出誤差の影響を考えると、検出誤差はスリット幅が大きいと、パターン境界部分による影響が大きく、スリット幅が小さくなると多重反射による影響が大きくなる。従って、検出誤差は、スリット幅が大きいと、パターン境界部分による検出誤差が支配的となり、入射角θ７４が大きくなる程、検出誤差が大きくなる。一方、スリット幅が小さくなると、多重反射による検出誤差が支配的となり、入射角θ７４が大きくなる程、検出誤差が小さくなる。従って、検出誤差を小さくするために、入射角θ７４を必ずしも大きくする必要がなく、スリット幅が比較的大きいときは、入射角θ７４を小さくした方が、検出誤差が小さくなる場合がある。

本実施例では、高さ算出処理器３２で検出誤差が生じるスリット部分を除外して、高さ算出をしているため、入射角θ７４を適当に選ぶことによって、除外するスリット部分の個数を最小化することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明は、半導体ウェハ等の半導体基板を対象とし、対象物への電子線、イオンビーム等の荷電粒子線照射によって得られる対象物の荷電粒子線像による対象物の測定、検査技術に関し、特に、荷電粒子線像の焦点制御のため、ウェハ高さを光学的に検出する光学的高さ検出方法とそれを適用したＣＤ−ＳＥＭ装置やＳＥＭ式検査装置等の電子線装置に好適である。

本発明の第１実施例におけるＣＤ−ＳＥＭ装置の装置構成を示す概略図である。 （ａ），（ｂ）は本発明の第１実施例におけるＣＤ−ＳＥＭ装置において、光学的高さ検出光学系の構成を示す概略図である。 本発明の第１実施例におけるＣＤ−ＳＥＭ装置において、光学的高さ検出光学系における対象物の高さとスリット像のシフト量の関係を説明する概略図である。 （ａ）〜（ｅ）は本発明の第１実施例におけるＣＤ−ＳＥＭ装置において、高さ算出処理器における処理方法を説明する概略図である。 本発明の第１実施例におけるＣＤ−ＳＥＭ装置において、高さ算出処理における、波形対称性算出処理の処理方法を説明する概略図である。 本発明の第１実施例におけるＣＤ−ＳＥＭ装置における計測手順を説明する概略図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の第２実施例のＣＤ−ＳＥＭ装置における高さ算出処理器の処理方法を説明する概略図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の第３実施例のＣＤ−ＳＥＭ装置における高さ算出処理器の処理方法を説明する概略図である。 （ａ），（ｂ）は本発明の第１〜第３実施例の応用例におけるＣＤ−ＳＥＭ装置において、パターン方向による検出誤差の違いを説明する概略図である。 本発明の第１〜第３実施例の応用例におけるＣＤ−ＳＥＭ装置において、検出した高さからスリット位置を算出する方法を説明する概略図である。 本発明の第４実施例におけるＳＥＭ式検査装置の装置構成を示す概略図である。 本発明の第１〜第４実施例の応用例において、光学的高さ検出光学系で１次元ラインセンサ、マルチスリットを用いる場合の構成を示す概略図である。 本発明の第１〜第４実施例の応用例において、多重反射による検出誤差を説明する概略図である。 （ａ），（ｂ）は本発明の第１〜第４実施例の応用例において、パターン境界による検出誤差の入射角依存性を説明する概略図である。 従来技術のシングルスリット方式を説明する概略図である。 従来技術のマルチスリット方式を説明する概略図である。

符号の説明

１１…電子線源、１２…コンデンサレンズ、１３…偏向器、１４…対物レンズ、１５…被測定対象物、１６…ＸＹステージ、１７…レーザ測長器、１８…二次電子検出器、１９…Ａ／Ｄ変換器、２０…画像処理手段、２１…焦点制御器、２２…自動焦点制御器、３１…光学的高さ検出光学系、３２…高さ算出処理器、４１…全体制御部、４２…表示手段、４３…記憶手段、５１…投影光学系、５２…検出光学系、６１…白色光源、６２…帯域フィルタ、６３…コンデンサレンズ、６４…２次元スリット、６５…偏光フィルタ、６６…投影レンズ、６７…検出レンズ、６８…ミラー、６９…中間２次元スリット像、７０…拡大レンズ、７１…２次元エリアセンサ、７２…２次元スリット、７３…２次元スリット、７４…入射角、７５…検出拡大レンズ、１３１…波形対称性算出処理、１３２…非対称性波形除去処理、１３３…高さ算出処理、１７１…スリット部分切出し処理、１７２…シフト量算出処理、１７３…隣接スリット差算出処理、１７４…シフト大スリット除去処理、１７５…高さ算出処理、２０１…スリット部分切出し処理、２０２…シフト量算出処理、２０３…曲線あてはめ処理、２０４…シフト大スリット除去処理、２０５…ｘ、ｙ方向終了処理、２０６…高さ算出処理、２４１…電子線源、２４２…コンデンサレンズ、２４３…偏向器、２４４…対物レンズ、２４６…ＸＹステージ、２４７…レーザ測長器、２４８…二次電子検出器、２４９…Ａ／Ｄ変換器、２５０…画像処理手段、２５１…焦点制御器、２５２…画像メモリ、２６１…光学的高さ検出光学系、２６２…高さ算出処理器、２７１…全体制御部、２７２…表示手段、２７３…記憶手段。

Claims (7)

1. 対象物に斜め上方から２次元スリット光を投影し、この投影された２次元スリット光の前記対象物による反射光を検出し、この検出された２次元スリット光による２次元スリット像を２次元エリアセンサで電気信号に変換し、この変換された２次元スリット像による電気信号から検出誤差の大きなスリット部分を除外して前記対象物の高さを検出し、
   前記変換された２次元スリット像による電気信号から検出誤差の大きなスリット部分を除外する処理として、スリット毎に検出波形の対称性を算出し、非対称波形のスリット部分を除外して対称波形のスリット部分のみを用いて前記対象物の高さ検出処理を行うことを特徴とする光学的高さ検出方法。
2. 対象物に斜め上方から２次元スリット光を投影し、この投影された２次元スリット光の前記対象物による反射光を検出し、この検出された２次元スリット光による２次元スリット像を２次元エリアセンサで電気信号に変換し、この変換された２次元スリット像による電気信号から検出誤差の大きなスリット部分を除外して前記対象物の高さを検出し、
   前記変換された２次元スリット像による電気信号から検出誤差の大きなスリット部分を除外する処理として、スリット毎にスリット像のシフト量を算出し、この算出されたシフト量をそれぞれｘ方向、ｙ方向で検出ライン毎に曲線によるあてはめを行い、このあてはめた曲線との差が大きいスリット部分を除外して、差が小さなスリット部分のみを用いて前記対象物の高さ検出処理を行うことを特徴とする光学的高さ検出方法。
3. 請求項１または２記載の光学的高さ検出方法において、
   前記対象物に２次元スリット光を投影する投影光学系としてスリットに１次元のマルチスリットを用い、このマルチスリットによるスリット光を検出する２次元エリアセンサの画素位置から２次元スリット像を得ることを特徴とする光学的高さ検出方法。
4. 電子線源と、前記電子線源から引き出された電子線を収束するコンデンサレンズと、前記コンデンサレンズで収束された電子線を偏向する偏向器と、前記偏向器で偏向された電子線を被測定物上に集束して照射する対物レンズと、前記電子線が照射された前記被測定物から発生する二次電子を検出する二次電子検出器と、前記二次電子検出器によって検出された二次電子線像に基づいて前記被測定物上に形成されたパターンの測定を行う画像処理手段とからなる走査電子顕微鏡系と、
   前記対物レンズの励磁電流を制御して焦点制御する焦点制御手段と、前記二次電子線像により前記対物レンズの自動焦点制御を行う自動焦点制御手段とからなる焦点制御系と、
   前記被測定物に斜め上方から２次元スリット光を投影する投影光学系と、
   前記被測定物からの２次元スリット光による反射光を検出する検出光学系と、
   前記検出された２次元スリット光による２次元スリット像を電気信号に変換する２次元エリアセンサと、
   前記変換された２次元スリット像による電気信号からスリット毎に検出波形の対称性を算出する波形対称性算出手段と、
   非対称波形のスリット部分を除外して対称波形のスリット部分のみを用いて前記被測定物の高さを検出する高さ検出手段とを備えたことを特徴とする電子線測定装置。
5. 電子線源と、前記電子線源から引き出された電子線を収束するコンデンサレンズと、前記コンデンサレンズで収束された電子線を偏向する偏向器と、前記偏向器で偏向された電子線を被測定物上に集束して照射する対物レンズと、前記電子線が照射された前記被測定物から発生する二次電子を検出する二次電子検出器と、前記二次電子検出器によって検出された二次電子線像に基づいて前記被測定物上に形成されたパターンの測定を行う画像処理手段とからなる走査電子顕微鏡系と、
   前記対物レンズの励磁電流を制御して焦点制御する焦点制御手段と、前記二次電子線像により前記対物レンズの自動焦点制御を行う自動焦点制御手段とからなる焦点制御系と、
   前記被測定物に斜め上方から２次元スリット光を投影する投影光学系と、
   前記被測定物からの２次元スリット光による反射光を検出する検出光学系と、
   前記検出された２次元スリット光による２次元スリット像を電気信号に変換する２次元エリアセンサと、
   前記変換された２次元スリット像による電気信号からスリット毎にスリット像のシフト量を算出するシフト量算出手段と、
   前記算出されたシフト量をそれぞれｘ方向、ｙ方向で検出ライン毎に曲線によりあてはめを行う曲線あてはめ手段と、
   前記あてはめた曲線との差が大きいスリット部分を除外して、差が小さなスリット部分のみを用いて前記被測定物の高さを検出する高さ検出手段とを備えたことを特徴とする電子線測定装置。
6. 電子線源と、前記電子線源から引き出された電子線を収束するコンデンサレンズと、前記コンデンサレンズで収束された電子線を偏向する偏向器と、前記偏向器で偏向された電子線を被測定物上に集束して照射する対物レンズと、前記電子線が照射された前記被測定物から発生する二次電子を検出する二次電子検出器と、前記二次電子検出器によって検出された二次電子線像に基づいて前記被測定物上に形成されたパターンの検査を行う画像処理手段と、前記被測定物を一定速度で移動するＸＹステージとからなる走査電子顕微鏡系と、
   前記対物レンズの励磁電流を制御して焦点制御する焦点制御手段からなる焦点制御系と、
   前記被測定物に斜め上方から２次元スリット光を投影する投影光学系と、
   前記被測定物からの２次元スリット光による反射光を検出する検出光学系と、
   前記検出された２次元スリット光による２次元スリット像を電気信号に変換する２次元エリアセンサと、
   前記変換された２次元スリット像による電気信号からスリット毎に検出波形の対称性を算出する波形対称性算出手段と、
   非対称波形のスリット部分を除外して対称波形のスリット部分のみを用いて前記被測定物の高さを検出する高さ検出手段とを備えたことを特徴とする電子線検査装置。
7. 電子線源と、前記電子線源から引き出された電子線を収束するコンデンサレンズと、前記コンデンサレンズで収束された電子線を偏向する偏向器と、前記偏向器で偏向された電子線を被測定物上に集束して照射する対物レンズと、前記電子線が照射された前記被測定物から発生する二次電子を検出する二次電子検出器と、前記二次電子検出器によって検出された二次電子線像に基づいて前記被測定物上に形成されたパターンの検査を行う画像処理手段と、前記被測定物を一定速度で移動するＸＹステージとからなる走査電子顕微鏡系と、
   前記対物レンズの励磁電流を制御して焦点制御する焦点制御手段からなる焦点制御系と、
   前記被測定物に斜め上方から２次元スリット光を投影する投影光学系と、
   前記被測定物からの２次元スリット光による反射光を検出する検出光学系と、
   前記検出された２次元スリット光による２次元スリット像を電気信号に変換する２次元エリアセンサと、
   前記変換された２次元スリット像による電気信号からスリット毎にスリット像のシフト量を算出するシフト量算出手段と、
   前記算出されたシフト量をそれぞれｘ方向、ｙ方向で検出ライン毎に曲線によりあてはめを行う曲線あてはめ手段と、
   前記あてはめた曲線との差が大きいスリット部分を除外して、差が小さなスリット部分のみを用いて前記被測定物の高さを検出する高さ検出手段とを備えたことを特徴とする電子線検査装置。

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