JP5530980B2 - パターン測定装置及びパターン測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、パターン測定装置及びパターン測定方法に関し、特に電子ビームで試料表面を走査してパターンの形状の測定を行うパターン測定装置及びパターン測定方法に関する。

近年、半導体装置の更なる微細化及び高集積化を目指して、極端紫外（ＥＵＶ）光源を用いる露光技術や、ナノインプリントといった新たなリソグラフィ技術の開発が進められている。これらのリソグラフィ技術では、高いパターン転写精度が要求されることから、精度に影響を及ぼすマスクパターンのエッジの傾斜角の管理が重要となっている。そのため、マスクパターンの製造に際しては、パターンのエッジ傾斜角を正確に評価することが求められる。

パターンのエッジ傾斜角の測定方法の一つとして、走査型電子顕微鏡で撮像した二次電子像を用いる方法がある。この方法では、パターンの二次電子像において、パターンのエッジ部分に現れる輝度の高い帯状の領域（ホワイトバンド）の幅をエッジの幅として検出する。そして、このホワイトバンドの幅と、既知のパターンの高さとに基づいてエッジの傾斜角を求める。

しかし、この方法では、ホワイトバンドの幅が１次電子ビームの径よりも狭くなることはなく、エッジ幅が１次電子ビームよりも狭くなった場合に、エッジの幅及び傾斜角を正確に検出できない。

また、試料を切断した断面を高解像度の電子顕微鏡で観察してエッジの傾斜角を直接求める方法もある。この方法では精度よくエッジの傾斜角を求めることができるが、試料の調整に時間を要し、測定に用いた試料も破壊されてしまう。

特開平５−２９６７５４号公報 特開２００５−１９５３６１号公報 特開２００７−２９２７３２号公報

そこで、パターンのエッジの幅及び傾斜角を高精度に測定できるパターン測定装置及パターン測定方法を提供することを目的とする。

一観点によれば、電子ビームを試料表面の観察領域に照射するとともに、前記観察領域内で前記電子ビームを走査させる電子走査部と、前記電子ビームの光軸の周りに配置され、前記電子ビームの照射によって前記試料の表面から放出される電子を検出する複数の電子検出器と、前記電子検出器の検出信号に基づいて、前記観察領域をそれぞれ異なる方向から写した複数の画像データを生成する信号処理部と、前記光軸を挟んで対向する２方向からの前記画像データから、それぞれ前記試料上に形成されたパターンのラインプロファイルを抽出するとともに、前記２方向の画像データから抽出したラインプロファイルの差分を取った差分プロファイルを生成するプロファイル作成部と、前記差分プロファイルに基づいて前記パターンのエッジの上端の位置を検出するとともに、前記エッジの下端の位置を該エッジによる影を生じない方向からの画像データから抽出したラインプロファイルに基づいて前記エッジの下端の位置を検出するエッジ検出部と、を備えるパターン測定装置が提供される。

また、前記エッジ検出部は、前記差分プロファイルの微分値の極小値の位置を前記エッジの上端の位置として検出してもよい。

さらに、別の一観点によれば、試料の表面に電子ビームを照射して前記試料の表面から放出される電子の量を、前記電子ビームの光軸の周りに複数配置された電子検出器で検出するパターン測定方法であって、前記電子検出器からの検出信号に基づいて、前記試料の表面を複数の異なる方向から写した画像データを生成する工程と、前記光軸を挟んで対向する２方向からの画像データに基づいて、前記試料上に形成されたパターンのラインプロファイルを抽出する工程と、前記光軸を挟んで対向する２方向からの画像データから抽出されたラインプロファイルの差分をとって差分プロファイルを生成する工程と、前記差分プロファイルに基づいて前記パターンのエッジの上端の位置を検出する工程と、前記エッジによる影を生じない方向から写した画像データから抽出されたラインプロファイルに基づいて、前記パターンのエッジの下端の位置を検出する工程と、を有するパターン測定方法が提供される。

上記観点のパターン測定装置によれば、前記パターンのエッジの上端の位置を前記光軸を挟んで対向する２方向からの画像データからそれぞれ作成された２つのラインプロファイルの差分に基づいて検出する。これにより、パターンのエッジの上端付近で電子の拡散によって生じるホワイトバンドの広がりを打ち消すことができ、エッジの幅が１次電子ビームの径よりも小さくなった場合であってもエッジの上端の位置が正確に求まる。

また、パターンのエッジの下端の位置を片方の画像データから作成したラインプロファイルに基づいて検出するので、差分プロファイルを用いる場合に比べてノイズ成分を抑制でき、エッジの下端位置を正確に検出できる。

これにより、精度よくエッジの幅及び傾斜角を測定できる。

図１は、実施形態に係る走査型電子顕微鏡（パターン測定装置）の構成図である。 図２は、図１の電子検出器の配置を示す斜視図である。 図３は、図１の信号処理部が生成する画像データの模式図である。 図４は、第１のアルゴリズムを示すフローチャートである。 図５は、第１のアルゴリズムで生成される信号波形とパターンのエッジとの関係を示す模式図である。 図６は、パターンのエッジの上端付近で発生する二次電子の拡散の影響を示す模式図である。 図７は、第２のアルゴリズムを示すフローチャートである。 図８は、第２のアルゴリズムで生成される信号波形とパターンのエッジとの関係を示す模式図である。 図９は、実験例１の試料のＳＥＭ画像（差分画像）及び差分プロファイルを示す図である。 図１０は、差分プロファイル及びその微分プロファイルの一例を示すグラフである。 図１１は、第２のアルゴリズムでエッジの下端の検出が困難になる理由を説明する模式図である。 図１２は、第３のアルゴリズムを示すフローチャートである。 図１３は、第３のアルゴリズムで生成される信号波形とパターンのエッジとの関係を示す模式図である。 図１４は、実験例２の第１の試料及び第２の試料の断面のＳＥＭ画像である。 図１５は、実験例２の第１の試料のエッジ傾斜角の測定結果を示す図である。 図１６は、実験例２の第２の試料のエッジ傾斜角の測定結果を示す図である。 図１７は、第１のアルゴリズム及び第３のアルゴリズムのそれぞれの測定結果と断面観察による測定結果との差を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して説明する。

図１は、実施形態に係る走査型電子顕微鏡の構成図である。

この走査型電子顕微鏡１００は、電子走査部１０と、信号処理部３０と、画像表示部２４と、記憶部２３と、制御部２０とに大別される。

電子走査部１０は、電子銃１を備え、この電子銃１からは所定の加速電圧で電子が放出される。電子銃１から放出された電子はコンデンサレンズ２で収束されて１次電子ビーム９となり、その電子ビーム９は偏向コイル３で偏向された後、対物レンズ４によって焦点合わせされて試料７の表面に照射される。電子走査部１０は、偏向コイル３で電子ビーム９を偏向させることにより、電子ビーム９を試料７の表面の観察領域内で走査させる。

一次電子ビーム９の照射によって、試料７の表面からは二次電子が放出され、放出された二次電子は、試料ステージ５の上方に設けられた複数の電子検出器８によって検出される。

図２は、電子検出器８ａ〜８ｄの配置を示す斜視図である。

ここでは、図２のように、４台の電子検出器８ａ〜８ｄが、電子ビーム９の光軸の周りに互いに均等な角度（９０°）を開けて配置されている。なお、電子検出器の数は４台でなくてもよく、２以上の任意の数とすればよい。

各電子検出器８ａ〜８ｄで検出された二次電子の量は、それぞれ検出信号ｃｈ１〜ｃｈ４として信号処理部３０（図１参照）に出力される。

図１の信号処理部３０は、検出された二次電子の量をＡＤ変換機でデジタル量に変換する。そして、二次電子の量と偏向コイル３による一次電子ビーム９の偏向位置とを対応づけて二次元配列上に並べて画像データ（ＳＥＭ画像）を生成する。

図３は、信号処理部３０によって生成される画像データの一例を示している。

信号処理部３０は、異なる方向に配置された電子検出器８ａ〜８ｄでそれぞれ検出した
電子量に基づいて、左下画像ａ１、左上画像ａ２、右上画像ａ３及び右下画像ａ４の各画像を生成する。これらの画像は、各電子検出器８ａ〜８ｄの方向に放出された二次電子の量を反映しており、試料７の表面に形成されたパターンのエッジの向きによって輝度値が異なる。すなわち左向きのエッジ（斜面の法線方向が左方向のエッジ）に対しては、左下及び左上の電子検出器８ａ、８ｂの信号の方が、右上及び右下の電子検出器８ｃ、８ｄからの信号よりも大きくなる。また、右向きのエッジ（斜面の法線方向が右方向のエッジ）に対しては、右上及び右下の電子検出器８ｃ、８ｄの信号の方が、左下及び左上の電子検出器８ａ、８ｂからの信号よりも大きくなる。

さらに、信号処理部３０は、隣接する検出信号同士を加算して、各電子検出器８ａ〜８ｄの中間方向の画像データ（ＳＥＭ画像）を生成する。例えば、左下の電子検出器８ａからの検出信号ｃｈ１と左上の電子検出器８ｂからの検出信号ｃｈ２とを加算して左画像ａ５を生成し、右上の電子検出器８ｃからの検出信号ｃｈ３と右下の電子検出器８ｄからの検出信号ｃｈ４とを加算して右画像ａ６を生成する。

さらに、信号処理部３０は、各検出信号ｃｈ１〜ｃｈ４の全てを加算して全加算画像ａ９を生成する。この全加算画像ａ９は、一般的な走査型電子顕微鏡によるＳＥＭ画像と同様に、いずれの方向のエッジも高い輝度で表示され、エッジの向きによる輝度の差はほとんど現れない。

信号処理部３０で生成された画像データは、図１に示す記憶部２３に格納されるとともに、一部の画像は輝度信号に置き換えられて画像表示部２４で表示される。

上記の電子走査部１０、信号処理部３０、画像表示部２４及び記憶部２３は制御部２０によって制御される。また、制御部２０には、パターンのエッジ幅及びエッジ傾斜角の検出を行うためのプロファイル作成部２１及びエッジ検出部２２が設けられている。

プロファイル作成部２１は、指定された領域の画像データを抽出し、その画像データから、所定方向のラインに沿った輝度値の分布（ラインプロファイル）を抽出する。

エッジ検出部２２は、プロファイル作成部２１が作成したラインプロファイルに基づいて、パターンのエッジ幅を検出する。さらに、エッジ検出部２２は、検出したエッジ幅と既知のパターン高さとに基づいてエッジの傾斜角を算出する。

次に、図１の走査型電子顕微鏡１００によるパターンのエッジの幅及び傾斜角の測定のための第１のアルゴリズムについて説明する。

（第１のアルゴリズム）
図４は、第１のアルゴリズムを示すフローチャートである。

まず、図４のステップＳ１１において、信号処理部３０が試料７の表面の観察領域７１の全加算画像ａ９を生成する。

図５（ａ）は、試料７の一例を示す斜視図である。ここでは、試料７は、図示のようにフォトマスク基板５０と、そのフォトマスク基板５０の上に形成されたラインパターン５１とを備えているものとする。ラインパターン５１の周囲には、傾斜したエッジ（側壁）が形成されている。図中、破線で囲んだ部分は、走査電子顕微鏡１００による電子ビーム９の走査が行われる観察領域７１である。

ステップＳ１１により、図５（ａ）の観察領域７１で電子ビーム９の走査が行われ、信
号処理部３０によって各電子検出器８ａ〜８ｄの信号が加算されて、図５（ｂ）に示すような、全加算画像ａ９が生成される。

次に、図４のステップＳ１２において、制御部２０のプロファイル作成部２１が全加算画像ａ９からラインプロファイルを抽出する。

ここでは、図５（ｂ）のように、観察領域７１から更にエッジ付近を含む領域に限定された検査領域７１ａを設定する。検査領域７１ａは、例えば幅Ｈ１が４００ピクセルであり、長さがＬの領域であるものとする。この検査領域７１ａは、上側ラインマーカーＬＭ１、下側ラインマーカーＬＭ２、左側ラインマーカーＬＭ３及び右側ラインマーカーＬＭ４によってオペレータによって選択される。

次に、プロファイル作成部２１は、抽出した検査領域７１ａの画像をＨ１方向に複数の領域に分割し、分割した領域のピクセルデータからＩ−Ｉ線方向の輝度の分布（ラインプロファイル）を抽出する。なお、ラインプロファイルを求めるときに、長さＬ方向に例えば３ピクセル幅でスムージング処理を行ってノイズ成分を抑制してもよい。

図５（ｃ）の中段に、図５（ｂ）の検査領域７１ａから抽出したラインプロファイルの一例を示す。図示のように、全加算画像ａ９から抽出したラインプロファイルではパターンのエッジ部分に輝度値のピークが現れ、輝度値が急激に変化する。

次に、図４のステップＳ１３において、制御部２０のエッジ検出部２２がラインプロファイルを微分して微分プロファイルを生成する。

図５（ｃ）の上段に、微分プロファイルの一例を示す。図示のように、微分プロファイルにはラインプロファイルのピークの立ち上がり部分と立下り部分に対応した極大値及び極小値が現れる。

次に、図４のステップＳ１４において、エッジ検出部２２が微分プロファイルから極大値の位置Ｐ１及び極小値の位置Ｐ２を検出する。そして、極大値の位置Ｐ１から極小値の位置Ｐ２までの距離をエッジ幅として求める。

なお、極大値及び極小値の位置Ｐ１、Ｐ２を検出する場合は、図５（ｄ）のように、ピーク前後の複数の微分信号からピクセル間を補完した微分波形Ｃ１、Ｃ２を求めることにより、微分プロファイルの極大値Ｐ１及び極小値Ｐ２の位置をより正確に求めてもよい。

さらに、上記のエッジ幅の検出処理を分割したそれぞれの領域で行い、各領域で算出したエッジの幅の平均値を求めることにより、より正確なエッジの幅Ｗ１を求める。

その後、図４のステップＳ１５に移行して、エッジ検出部２２は、エッジ幅Ｗ１と既知のパターン高さＨとに基づいてエッジの傾斜角θを、θ＝ｔａｎ-1（Ｈ／Ｗ１）として求め、第１のアルゴリズムを終了する。

上記のように、第１のアルゴリズムでは、全加算画像ａ９からラインプロファイルを抽出し、これを微分した微分プロファイルを求める。そして、微分プロファイルの極大値から極小値までの距離に基づいて、エッジ幅及びエッジ傾斜角を検出する。

ところが、全加算画像ａ９のラインプロファイルのエッジ部分に現れるピークの幅は、１次電子ビームの径よりも小さくなることはない。そのため、第１のアルゴリズムでは、１次電子ビーム９の径よりも狭いエッジ幅を正確に求めることができない。

また、図６のように、１次電子ビーム９がエッジ５１ａから離れているにもかかわらず、パターン５１の内部で発生した二次電子が拡散してエッジ５１ａの上端に到達し、二次電子がパターン５１のエッジ５１ａの上端から高い輝度で放出される現象が発生する。これにより、エッジ幅が１次電子ビームの径よりも大きい場合であっても、検出されるエッジ幅が実際のエッジ幅よりも広くなってしまい、エッジ幅を及びエッジ傾斜角を正確に測定できない。

そこで、第１のアルゴリズムよりも正確にエッジ幅及びエッジ傾斜角を測定できる第２のアルゴリズムについて説明する。

（第２のアルゴリズム）
図７は、第２のアルゴリズムを示すフローチャートであり、図８は第２のアルゴリズムで生成される信号波形とパターンのエッジとの関係を示す模式図である。

先ず、図７のステップＳ２１において、走査型電子顕微鏡１００の信号処理部３０は、電子ビーム９の光軸を挟んで向かい合う２方向からの画像データを生成する。ここでは、検出対象となるパターンのエッジの延在方向と直交する２方向からの画像データを生成するものとする。

例えば、図８の下段に示すように、基板６０の上に図の紙面に垂直な方向に延在するパターン６１が形成されている場合には、紙面の左右方向に配置された電子検出器からの画像を生成する。ここでは、左側からの画像が左画像ａ５であり、右側からの画像が右画像ａ６であるものとする。

次に、図７のステップＳ２２において、信号処理部３０がステップＳ２１で生成した２つの画像の差分をとって差分画像を生成する。図８の場合には、左画像ａ５と右画像ａ６との差分画像を生成する。

次に、図７のステップＳ２３に移行して、制御部２０のプロファイル作成部２１が差分画像からパターンの延在方向と直交するラインに沿った差分値の分布を抽出して差分プロファイルを作成する。

なお、ステップＳ２２の差分画像の生成を省略し、図８のように、左画像ａ５及び右画像ａ６からそれぞれラインプロファイルＬ１，Ｌ２を抽出し、それらのラインプロファイルＬ１、Ｌ２の差分をとって差分プロファイルＬ３を求めてもよい。

これにより、図８の場合には、上段に示すような差分プロファイルＬ３（Ｌ−Ｒ信号）が得られる。差分プロファイルでは基板６０及びパターン６１の表面の平坦な領域で差分値がゼロに近くなる。また、左側の傾斜６１ａでの差分値はプラス側に強調され、右側の傾斜６１ｂでの差分値はマイナス側に強調される。このように、差分プロファイルでは、試料表面のエッジ６１ａ、６１ｂからの信号が強調され、平坦な領域からの信号が打ち消される。さらに、エッジ６１ａ、６１ｂの上端付近で二次電子の拡散によって生じるホワイトバンドの広がりは、左画像及び右画像との差分をとることにより消去される。

このような差分プロファイルにおいて、エッジ付近にはＬ信号Ｌ１及びＲ信号Ｌ２の変化率の差を反映した段差７７が現れ、その段差７７を上回る部分として差分プロファイルのピークが現れる。この差分プロファイルのピーク（段差を上回る部分）の幅は、パターン６１のエッジ６１ａ、６１ｂの幅を反映しており、パターンの幅が１次電子ビームの径よりも狭くなった場合であっても、エッジ６１ａ、６１ｂの幅と良好な相関を有する。

そこで、次のステップＳ２４（図７参照）において、制御部２０のエッジ検出部２２は差分プロファイルを微分し、エッジに対応するピーク付近で微分値の極大値及び極小値の位置を検出する。

例えば図８の差分プロファイルの場合には、微分値の極大値の位置がそれぞれＱ１、Ｑ４として検出され、微分値の極小値の位置がそれぞれＱ２、Ｑ３として検出される。

次に、図７のステップＳ２５において、エッジ検出部２２はステップＳ２４で検出した微分値の極大値の位置から極小値との位置までの距離に基づいてエッジ幅を検出する。図８の場合には、微分値の極大値の位置Ｑ１から極小値の位置Ｑ２までの距離が左側のエッジ６１ａの幅として検出され、微分値の極小値の位置Ｑ３から極大値の位置Ｑ４までの距離が右側のエッジ６１ｂの幅として検出される。

その後、図７のステップＳ２６において、エッジ検出部２２はステップＳ２５で検出したエッジ幅Ｗと、予め別の方法等で求めたパターンの高さＨとに基づいて、エッジの傾斜角θをθ＝ｔａｎ-1（Ｈ／Ｗ）として求める。

上記のように、第２のアルゴリズムでは、電子ビームの光軸を挟んで向かい合う２方向からの信号（画像）の差分プロファイルを用いる。これにより、パターンのエッジから情報を抽出することができ、エッジ上端付近で電子ビームの拡散によって生じるホワイトバンドの広がりの影響を排除することができる。そして、パターンのエッジの幅が電子ビームの径よりも狭くなった場合であっても、エッジの傾斜角を精度よく検出できる。

（実験例１）
以下、電子ビーム光軸を挟んで対向する２方向からの画像データの差分画像及び差分プロファイルのピークとエッジの傾斜角との相関について調べた実験例１について説明する。

図９（ａ）は、エッジに傾斜があるライン／スペースパターン（試料）６３の差分画像及びラインプロファイルを示している。なお、図９（ａ）の試料６３は、ガラス基板の上に厚さが約７０ｎｍ程度のクロム膜からなるラインパターンを形成したものである。図中の領域６３ａはスペースの部分に対応し、領域６３ｂはラインパターンの部分に対応する。

図示のように、差分画像ではラインパターン６３ｂの左側のエッジに対応する部分が高い輝度で白く表示され、パターン６３ｂの右側のエッジに対応する部分が低い輝度で黒く表示される。差分プロファイルＬ４に着目すると、左側のエッジに対応する部分で、部分拡大図に示すように段差６５が現れている。そして、この段差６５の隣に、幅数ｎｍ程度の範囲にわたって段差６５から突出したピーク６６が確認できる。

図９（ｂ）は、エッジが垂直に切り立ったライン／スペースパターン６４の差分画像及びラインプロファイルを示している。図中の領域６４ａはスペースの部分に対応し、領域６４ｂはラインパターンの部分に対応する。

図示のように、エッジが垂直なパターン６４ｂでも、パターン６４ｂの左側のエッジに対応する部分が高い輝度で白く表示され、パターン６４ｂの右側のエッジに対応する部分が低い輝度で黒く表示される。

しかし、差分プロファイルＬ５に着目すると、部分拡大図に示すように、エッジ付近で
は段差が現れず、段差から突出したピーク部分も現れない。これは、エッジ傾斜角が９０°でエッジ幅が略ゼロであることを反映して、ピークの幅もゼロとなってピークが消滅したことを示している。

上記の図９（ａ）及び図９（ｂ）の結果から、差分プロファイルの段差から突出したピークの幅は、パターンのエッジ幅と相関があることがわかる。

上記のように、第２のアルゴリズムでは、差分プロファイルのエッジ付近の段差及びピークを検出することでエッジ幅を求めている。しかし、実際の検査では、試料表面を観察した画像にノイズ成分が多く含まれる場合がある。

図１０は、エッジ付近の差分プロファイル及び微分プロファイルの一例を示すグラフである。

図１０（ａ）に示す差分プロファイルでは、差分プロファイルの立ち上がり部分８１でノイズ成分による凹凸が複数現れる。そのため、エッジ幅に由来する段差とノイズ成分による凹凸（段差）との識別が困難となる。

図１０（ａ）の差分プロファイルを微分すると、図１０（ｂ）のような微分プロファイルが得られる。図１０（ｂ）の微分プロファイルによれば、微分値の極小値の位置Ｑ２（エッジの上端の位置）は明確に検出できる。しかし、微分値の極大値の位置はノイズ成分に隠れてしまい、極大値（エッジの下端の位置）の検出は困難である。

このように、画像データにノイズ成分が多く含まれていると、エッジの下端の検出が困難となる。また、一般に、エッジ傾斜角が増大してエッジ幅が狭くなるほど段差及びピークが小さくなり、ノイズの影響を受けやすくなってエッジ幅の検出が困難となる。

図１１は、差分プロファイルでエッジの下端の検出が困難となる原因を説明する模式図である。

図１１に示すように、差分プロファイルはパターン６１の左側の電子検出器Ｌｃｈと、右側の電子検出器Ｒｃｈとの差分として求めている。ここで、右側の電子検出器Ｒｃｈの信号に着目する。１次電子ビーム９の照射位置が矢印Ｆで示される範囲内の場合には、試料表面から発生した二次電子がパターン６１によって遮られてしまい、右側の電子検出器Ｒｃｈに届きにくくなる。そのため、矢印Ｆの範囲は右画像ａ６では輝度が低い影の部分となる。この影の部分では、電子検出器Ｒｃｈの信号から左側のエッジ６１ａの下端付近の情報がほとんど得られず、その部分でノイズの比率が相対的に増加する。したがって、電子検出器Ｌｃｈ及びＲｃｈに基づいて差分プロファイルを生成すると、エッジ６１ａの下端付近で差分プロファイルのノイズの割合が相対的に増加する。同様の現象は、パターン６１の右側のエッジ６１ｂでも発生する。

そこで、ノイズの割合が多い場合には、以下に説明する第３のアルゴリズムで、パターンの幅を検出する。

（第３のアルゴリズム）
図１２は、第３のアルゴリズムを示すフローチャートであり、図１３は第３のアルゴリズムで生成される信号波形とパターンのエッジとの関係を示す模式図である。

まず、図１２のステップＳ３１において、走査型電子顕微鏡１００の信号処理部３０が、電子ビーム９の光軸を挟んで対向する２方向からの画像を生成する。例えば、図１３の
試料のように、基板６０上に紙面に垂直な方向に延在するパターン６１が形成されている場合には、紙面左側からの画像（左画像ａ５）と右側からの画像（右画像ａ６）とを生成する。

次に、図１２のステップＳ３２において、信号処理部３０は、ステップＳ３１で生成した２方向からの画像の差分をとって差分画像を生成する。

次に、ステップＳ３３に移行して、制御部２０のプロファイル生成部２１が、ステップＳ３１で生成した２枚の画像から、それぞれ第１のラインプロファイルＬ６（Ｌ信号）及び第２のラインプロファイルＬ７（Ｒ信号）を抽出する。また、プロファイル生成部２１は、ステップＳ３２で生成した差分画像から、差分プロファイルＬ８（Ｌ−Ｒ信号）を抽出する。

なお、上記のステップＳ３２による差分画像の生成を省略し、ステップＳ３３で抽出したラインプロファイルＬ６、Ｌ７の差分を取って差分プロファイルＬ８を求めてもよい。

次に、図１２のステップＳ３４において、制御部２０のエッジ検出部２２は、ステップＳ３４で抽出された差分プロファイルＬ８に基づいてエッジの上端の位置を検出する。

ここでは、図１３の差分プロファイルＬ８の微分をとり、その微分値の極小値の位置Ｒ２を左側のエッジ６１ａの上端の位置として検出する。また、微分値の極小値の位置Ｒ３を右側のエッジ６１ｂの上端の位置として検出する。

次に、図１２のステップＳ３５において、エッジ検出部２２は、検出対象となるエッジに対して影を生じない側の画像から抽出したラインプロファイルに基づいてエッジの下端の位置を検出する。

例えば、検出対象となるエッジが、図１３の左側のエッジ６１ａの場合には、左側のエッジ６１ａで影を生じない側の信号、すなわち左画像ａ５から抽出したラインプロファイルＬ６（Ｌ信号）を用意する。そして、ラインプロファイルＬ６を微分し、左側のエッジ６１ａ付近での微分値の極大値の位置Ｒ１を求める。この微分値の極大値の位置Ｒ１を左側のエッジ６１ａの下端の位置として検出する。

また、右側のエッジ６１ｂについては、右画像ａ６から抽出したラインプロファイルＬ７（Ｒ信号）を用意する。そしてこのラインプロファイルＬ７を微分して右側のエッジ６１ｂ付近での微分値の極小値の位置Ｒ４を求める。この微分値の極小値の位置Ｒ４を右側のエッジ６１ｂの下端の位置として検出する。

上記のように、ステップＳ３５（図１２参照）では、エッジの下端の位置を、検出対象となるエッジに対して影を生じない側の画像から抽出したラインプロファイルに基づいて検出する。このような影を生じない側の画像から抽出したラインプロファイルは、エッジの側面から下端にかけての情報が含まれている。そのため、差分プロファイルＬ８を用いる場合に比べて、ノイズ成分の割合が小さくなり、エッジの下端位置を正確に検出できる。

次に、図１２のステップＳ３６において、エッジ検出部２２は、ステップＳ３４で検出したエッジの上端位置とステップＳ３５で検出したエッジの下端位置とに基づいてエッジの幅Ｗを検出する。

その後、ステップＳ３７において、ステップＳ３６で検出したエッジ幅Ｗと予め別の方
法で測定して求めたパターン高さＨとに基づいて、エッジ傾斜角θをθ＝ｔａｎ-1（Ｈ／Ｗ）により求め、第３のアルゴリズムを終了する。

上記のように、第３のアルゴリズムによれば、差分プロファイルに基づいてエッジの上端位置を求め、エッジの影とならない側の画像から抽出したラインプロファイルに基づいてエッジの下端位置を求める。これにより、差分プロファイルにノイズ成分が多く含まれる場合や、エッジ幅が狭くて差分プロファイルの段差及びピークが小さい場合であっても、エッジ幅及びエッジ傾斜角を正確に求めることができる。

（実験例２）
以下、第１のアルゴリズム、第３のアルゴリズム及び断面のＳＥＭ観察の３つの方法でパターンのエッジの傾斜角を求めた実験例２について説明する。

まず、ガラス基板上の複数の箇所に厚さが約８４ｎｍ、幅が約２００ｎｍの孤立したラインパターンを形成した試料を作成し、ガラス基板上の異なる２か所のラインパターン（第１の試料及び第２の試料）を選び出してエッジ傾斜角の測定を行った。

図１４（ａ）、（ｂ）は、本実験例に用いた試料の断面を高解像度の走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す図である。

第１の試料の断面観察により、図１４（ａ）のようなＳＥＭ画像が得られた。この画像から、第１の試料の左側のエッジの傾斜角θが８４．４°、右側のエッジの傾斜角θは８３．４°と求まった。

また、第２の試料の断面観察により、図１４（ｂ）のようなＳＥＭ画像が得られた。この画像から、第２の試料の左側のエッジの傾斜角θが８７．４°、右側のエッジの傾斜角θが８６．９°と求まった。

次に、第１の試料について、第１のアルゴリズム及び第３のアルゴリズムでエッジ傾斜角を求めた結果について説明する。

図１５（ａ）は、実験例２の第１の試料のエッジ傾斜角を第３のアルゴリズムで検出した結果を示す模式図である。

図１５（ａ）の中央のＳＥＭ画像のように、第１の試料のラインパターンは、そのエッジの位置が幅方向にばらついている。そこで、本実験例ではラインパターンの長手方向に１０の小領域に分割し、その各領域でラインプロファイル及び差分プロファイルを抽出した。さらに、抽出したラインプロファイル及び差分プロファイルに基づいて、第３のアルゴリズムでエッジの上端及び下端の位置及びエッジ傾斜角θ°を求めた。そして、各領域で求めたエッジ傾斜角の平均を求めることにより、第１の試料のエッジ傾斜角を求めた。

その結果、第３のアルゴリズムによれば、第１の試料のエッジの傾斜角は、左側エッジの傾斜角が８３．４°であり、右側のエッジの傾斜角が８２．３°であった。

その後、第１のアルゴリズムにより第１の試料のエッジ傾斜角を求めた。

図１５（ｂ）は、第１の試料のエッジ傾斜角を第１のアルゴリズムで求めた結果を、断面観察、第３のアルゴリズムで求めた結果と共に示す図である。

図１５（ｂ）のように、第１のアルゴリズムは、他の方法に比べてエッジ傾斜角が小さ
くなっており、エッジ幅が実際よりも大きく検出されていることがわかる。また、第３のアルゴリズムでは、第１のアルゴリズムよりも、断面観察の結果により近いエッジ傾斜角が得られ、第１のアルゴリズムよりも精度よくエッジ幅及びエッジ傾斜角を測定できることがわかる。

次に、第２の試料について、第３のアルゴリズム及び第１のアルゴリズムでエッジ傾斜角を求めた結果について説明する。

図１６（ａ）は、第２の試料のエッジ傾斜角を第３のアルゴリズムで求めた結果を示し、図１６（ｂ）は第１のアルゴリズムで求めた第２の試料のエッジ傾斜角の測定結果を、断面観察及び第３のアルゴリズムでそれぞれ求めたエッジの傾斜角と比較して示す図である。

図示のように、第３のアルゴリズムによれば、第２の試料の左側のエッジの傾斜角は８６．７３°であり、右側のエッジの傾斜角は８５．４９°であった。これに対し、第１のアルゴリズムによれば、第２の試料の左側のエッジの傾斜角は８４．４°であり、右側のエッジの傾斜角は８４．０であった。

第２の試料についても、第３のアルゴリズムの方が第１のアルゴリズムよりも断面観察により近い測定結果が得られ、第１のアルゴリズムよりも精度よくエッジ幅及びエッジ傾斜角の測定を行えることがわかる。

次に、ガラス基板上でそれぞれ異なる箇所に形成された４つのパターンを用い、第１のアルゴリズム及び第３のアルゴリズムの測定結果のばらつきを調べた。

図１７は、第１のアルゴリズム及び第３のアルゴリズムのそれぞれの測定結果を、断面観察による測定結果との差として示す図である。

図１７に示すように、第３のアルゴリズムで求めたエッジ傾斜角は、第１のアルゴリズムで求めたエッジ傾斜角に比べて断面観察による測定結果により近い値となっている。また、第３のアルゴリズムの測定結果のばらつきの範囲は、第１のアルゴリズムの測定結果のばらつきの範囲よりも狭い範囲に収まっていることがわかる。

この結果から、第３のアルゴリズムでは測定値のばらつきがより少なくなり、第１のアルゴリズムよりも精度よくパターンのエッジ傾斜角を測定できることがわかる。

１…電子銃、２…収束レンズ、３…偏向コイル、４…対物レンズ、５…試料ステージ、７、６３、６４…試料、８、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ…電子検出器、９…電子ビーム、１０…電子走査部、２０…制御部、２１…プロファイル作成部、２２…エッジ検出部、２３…記憶部、２４…画像表示部、３０…信号処理部、５０、６０…基板、５１、６１、６３ｂ、６４ｂ…パターン、５１ａ、５１ｂ、６１ａ、６１ｂ、６３ｃ…エッジ、６３ａ、６４ａ…スペース、６５、７７…段差、６６、６７…ピーク、７１…観察領域、７１ａ…検査領域。

Claims (10)

1. 電子ビームを試料表面の観察領域に照射するとともに、前記観察領域内で前記電子ビームを走査させる電子走査部と、
   前記電子ビームの光軸の周りに配置され、前記電子ビームの照射によって前記試料の表面から放出される電子を検出する複数の電子検出器と、
   前記電子検出器の検出信号に基づいて、前記観察領域をそれぞれ異なる方向から写した複数の画像データを生成する信号処理部と、
   前記光軸を挟んで対向する２方向からの前記画像データから、それぞれ前記試料上に形成されたパターンのラインプロファイルを抽出するとともに、前記２方向の画像データから抽出したラインプロファイルの差分を取った差分プロファイルを生成するプロファイル作成部と、
   前記差分プロファイルに基づいて前記パターンのエッジの上端の位置を検出するとともに、前記エッジの下端の位置を該エッジによる影を生じない方向からの画像データから抽出したラインプロファイルに基づいて前記エッジの下端の位置を検出するエッジ検出部と、
   を備えることを特徴とするパターン測定装置。
2. 前記エッジ検出部は、前記差分プロファイルの微分値の極小値の位置を前記エッジの上端の位置として検出することを特徴とする請求項１に記載のパターン測定装置。
3. 前記エッジ検出部は、前記ラインプロファイルを微分した微分プロファイルの極小値又は極大値の位置から前記エッジの下端の位置を検出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパターン測定装置。
4. 前記エッジ検出部は、前記エッジの上端の位置と下端の位置との距離に基づいて前記エッジの幅を検出することを特徴とする請求項３に記載のパターン測定装置。
5. 前記エッジ検出部は、前記エッジの幅と、パターンの高さとに基づいてエッジの傾斜角を算出することを特徴とする請求項４に記載のパターン測定装置。
6. 試料の表面に電子ビームを照射して前記試料の表面から放出される電子の量を、前記電子ビームの光軸の周りに複数配置された電子検出器で検出するパターン測定方法であって、
   前記電子検出器からの検出信号に基づいて、前記試料の表面を複数の異なる方向から写した画像データを生成する工程と、
   前記光軸を挟んで対向する２方向からの画像データに基づいて、前記試料上に形成されたパターンのラインプロファイルを抽出する工程と、
   前記光軸を挟んで対向する２方向からの画像データから抽出されたラインプロファイルの差分をとって差分プロファイルを生成する工程と、
   前記差分プロファイルに基づいて前記パターンのエッジの上端の位置を検出する工程と、
   前記エッジによる影を生じない方向から写した画像データから抽出されたラインプロファイルに基づいて、前記パターンのエッジの下端の位置を検出する工程と、
   を有することを特徴とするパターン測定方法。
7. 前記エッジの上端の位置は、前記差分プロファイルの微分値の極小値の位置に基づいて検出することを特徴とする請求項６に記載のパターン測定方法。
8. 前記エッジの下端の位置は、前記ラインプロファイルを微分した微分プロファイルの極小値又は極大値の位置から前記エッジの下端の位置を検出することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のパターン測定方法。
9. 前記エッジの上端の位置と下端の位置との距離に基づいて前記エッジの幅を検出することを特徴とする請求項８に記載のパターン測定方法。
10. 前記エッジの幅と、パターンの高さとに基づいてエッジの傾斜角を算出することを特徴とする請求項９に記載のパターン測定方法。

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