JP5934501B2 - 走査電子線装置およびそれを用いた寸法計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハ上の微細パターンの寸法を計測する走査電子線装置およびそれを用いた寸法計測方法に関する。特に、アスペクト比の高い孔や溝の寸法を計測する走査電子線装置に関する。

本発明は、半導体デバイスの製造途中のウエハの深孔と深溝を自動的に計測する装置にかかわるものであり、はじめに半導体デバイスの製造工程において深孔と深溝が増えていることを説明し、その後に半導体デバイスの自動計測装置について説明する。

近年になり、半導体デバイスの製造工程では、高いアスペクト比の孔や溝の底の寸法計測の重要性が増している。例えば、非特許文献１や非特許文献２では、フラッシュメモリのリソグラフィーコストを低減するために、導電膜と絶縁膜を多数重ね、一括して、エッチングする方法が述べられており、これらの構造を製造する過程では孔や溝のアスペクト比は３０以上となる。また、非特許文献３では、トランジスタのソースとドレインの間、すなわち、活性領域をゲート線で取り囲む構造が示されており、この構造を作る過程においても、孔や溝のアスペクト比は３０以上となる。

半導体デバイスの量産工場においては、半導体デバイスの製造工程を管理するために、孔や溝のトップとボトムの寸法を計測する。この寸法計測は走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）を用いて行うことができる。ＳＥＭでは、電子源から放出された電子を加速し、励磁電流を印加した対物レンズによって収束させてウエハ表面に照射する。これを電子線という。電子線の照射によってウエハからは二次電子が発生する。電子線を電磁気的な偏向によってウエハ表面上で走査させて二次電子信号強度を取得すると、ウエハの形状を反映した電子顕微鏡画像（ＳＥＭ画像）が得られる。このＳＥＭ画像と像の倍率からウエハの上のパターンの寸法を決定する。

電子線を用いてウエハ上のパターンの寸法を自動的に計測する走査電子線装置では、ウエハを設置したステージを水平に移動させ、所定の計測点に電子線を照射し、パターンの寸法を計測する。ウエハの反りやステージの傾きがあるので、ステージを水平移動させるとウエハの高さが変動する。ウエハの高さの変動は、焦点のズレ、すなわち、画像のボケを発生させ、パターン寸法の計測精度を劣化させる。そのため、特許文献１に開示されているように、ワーキングディスタンス（WD）、あるいは、電磁レンズまたは静電レンズの強度を変化させて、焦点を合わせることになる。細かく述べると以下のとおりである。ウエハに電子線を照射して取得したＳＥＭ画像に基づいてフォーカスを合わせれば、画像のボケは解消するが、照射する電子が増えるのでウエハの帯電や汚染、及び、レジストシュリンクといった障害を引き起こす。これら電子線照射に伴う障害を避けるためには、フォーカス合わせのための電子線照射時間を短縮すればよく、そのためには、ＳＥＭ画像に基づいたフォーカスの前に、高さセンサでウエハ高さを計測し、予めフォーカスを粗調整すればよい。フォーカスの粗調整は、対物レンズの励磁電流の調整による電磁フォーカスにより行う。ウエハの高さに応じて励磁電流を調整するためには、焦点距離の逆数、つまり、レンズ強度が常に励磁電流に比例することが望ましい。

特開２００１−２３６９１５号公報

田中 他２名、「低ビットコストで大容量な３次元構造のＮＡＮＤ型フラッシュメモリ」、東芝レビュー、 ６３、 ２８（２００８年） J. Kim他９名、"Novel Vertical-Stacked-Array-Transistor (VSAT) for ultra-high-density and cost-effective NAND Flash memory devices and SSD (Solid State Drive)"、VLSI Tech. Dig.、 １８６（２００９年） Digh Hisamoto、 "Impact of the Vertical SOI DELTA’ Structure on Planar Device Technology"、 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES、 ３８、 １４１９ （１９９１）

本発明が解決しようとする課題は、アスペクト比が３０以上となる深孔、深溝を含む半導体を量産する場合に、その工程を管理する目的で、孔や溝の上部と底部、すなわち、トップとボトムの両方の寸法を計測することである。トップの計測は低加速電子線で可能であるが、アスペクト比３０の孔や溝の底を計測するには、高加速の電子線を照射し、底部で発生した反射電子を検出することになる。ところが、ボトム計測のために、加速電圧を上げると、新たに３つの小課題が生まれる。

ボトム計測のために、加速電圧を上げると、電子線が収束しにくくなる。高加速の電子線を収束させるには、２つの方法があり、第１の方法はワーキングディスタンス（ＷＤ：Working Distance）を延長することであり、第２の方法は対物レンズの励磁電流を大きくすることである。
第１の方法をとる、すなわち、ＷＤを延長すると、低加速電圧時に色収差と球面収差が増えて分解能が劣化し、パターンの寸法計測精度も劣化する。

第２の方法をとる、すなわち、励磁電流を大きくすると、２つの障害がある。
第１の障害は、ヒステリシス、すなわち、磁気履歴の磁界強度への影響が強くなることである。この場合、レンズ強度も履歴に影響されることになり、励磁電流が分かっても、レンズ強度が分からない。レンズ強度が分からないと、像の倍率を決めることができず、パターンの寸法計測は不可能である。なお、励磁電流を変えるたびに対物レンズを消磁すれば、この障害を避けることができるが、加速電圧が大きく、ヒステリシスの強い場合には、消磁に要する時間が長くなり、寸法自動計測のスループットは著しく低下する。

第２の障害は励磁電流を大きくしていくと、対物レンズの磁路が磁気飽和し、レンズ強度が上がらなくなることである。この場合、電子線の収束ができなくなり、パターン寸法の計測も不可能となる。

以上をまとめると、低加速電圧時のトップの寸法計測と高加速電圧時のボトムの寸法計測を両立させるためには、次の３点が小課題となる。第１の小課題は低加速電圧時の分解能の劣化、第２の小課題は高加速電圧時の対物レンズのヒステリシスにより倍率が決定できないこと、第３の小課題は高加速電圧時に対物レンズの磁気飽和により電子線が収束できないことである。言い換えると、アスペクト比が３０以上となる深孔または深溝のトップとボトムの両方の寸法計測において、電子線を収束させるために、特許文献１の方法を用いる、すなわち、ＷＤ、あるいは、電磁レンズまたは静電レンズの強度を変化させると、分解能の劣化、倍率が決定できないこと、対物レンズの磁気飽和により電子線が収束できないことの３つの小課題の少なくとも一つが発生する。

本発明は、アスペクト比の高い孔または溝の上部と底部の両方の寸法を高精度に計測する走査電子線装置を提供することを目的とする。

本発明では、ステージを昇降可能とし、加速電圧に応じて最適なステージ高さを選択し、さらに、昇降可能なステージをウエハの高さ変動に対するフォーカス粗調整手段として用いることにより、３つの小課題を解決し、アスペクト比が３０以上となる深孔と深溝のトップとボトムの両方の寸法の計測を可能とする。

３つの小課題の解決方法を順に説明する。第１の小課題は、低加速電圧時にＷＤを短縮することにより解決する。つまり、低加速電圧時にＷＤを短縮することにより、色収差と球面収差が減らし、低加速電圧時の分解能の劣化を防ぐ。第２の小課題、すなわち、高加速電圧時の対物レンズのヒステリシスにより倍率が決定できないことは、ステージ昇降によるＷＤ調整を高さ変動に対応したフォーカス粗調整手段として利用することにより解決する。第２の小課題の解決をより詳しく説明する。ステージ昇降によるＷＤ調整を高さ変動に対応したフォーカス粗調整手段として利用すれば、高さ変動に対応したフォーカス粗調整のための励磁電流変更は不要となる。そのため、対物レンズの励磁電流の変更回数が激減し、励磁電流変更ごとに消磁しても、寸法計測のスループットを著しく悪化させることはない。消磁を含めて励磁電流を変更し、その後、励磁電流を変えなければ、レンズ強度と倍率は一定である。そして、倍率が一定であれば倍率制御が可能となる。第３の小課題、すなわち、高加速電圧時に対物レンズの磁気飽和により電子線が収束できないことは、高加速時にＷＤを伸ばし、磁気飽和しない小さな励磁電流で電子線を収束させることにより、解決する。

以上の３つの小課題の解決により、広い範囲の加速電圧で、電子線の収束、ウエハ高さに対応したフォーカス粗調整、倍率制御が可能となり、より大きな課題、つまり、低加速によるトップの寸法計測と高加速によるボトムの寸法計測を可能とする。

本発明の走査電子線装置の一例を挙げるならば、電子源と、前記電子源から放出された電子線を偏向する偏向器と、前記電子線を収束する対物レンズと、リターディング電極と、ウエハを設置するステージと、制御部とを有し、前記電子線をウエハに照射しウエハから発生する二次電子を検出することによりウエハのＳＥＭ画像を得る走査電子線装置において、前記ステージまたは前記対物レンズを昇降可能とし、前記制御部は、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整を、前記ステージまたは前記対物レンズの昇降による機械フォーカスにより行うようにしたものである。

また、本発明の走査電子線装置は、前記制御部は、電子線の加速電圧の低加速電圧領域では、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整および精調整を前記対物レンズの励磁電流調整による電磁フォーカスにより行い、高加速電圧領域では、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整を、前記ステージまたは前記対物レンズの昇降による機械フォーカスにより行い、精調整を、前記リターディング電極に加えるリターディング電圧の調整による静電フォーカス、ブースティング電極に加えるブースティング電圧の調整による静電フォーカス、または、前記電子源の初期加速電圧の調整による静電フォーカスにより行うようにしたものである。

本発明の走査電子線装置を用いた寸法計測方法の一例を挙げるならば、電子源と、前記電子源から放出された電子線を偏向する偏向器と、前記電子線を収束する対物レンズと、リターディング電極と、ウエハを設置するステージと、制御部とを有し、前記電子線をウエハに照射しウエハから発生する二次電子を検出することによりウエハのＳＥＭ画像を得る走査電子線装置を用いた寸法計測方法であって、加速電圧を変化させてＳＥＭ画像を取得する際に、ウエハの孔や溝の上部を計測するために低加速の電子線を用いる場合は、ウエハの表面と対物レンズの下端との距離で表されるＷＤを短縮して画像を取得し、ウエハの孔や溝の底部を計測するために高加速の電子線を用いる場合は、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整を、前記ステージまたは前記対物レンズの昇降によりＷＤを調整する機械フォーカスにより行って画像を取得し、得られたＳＥＭ画像から、ウエハの孔や溝の上部および底部の寸法を計測するものである。

本発明により、アスペクト比の高い孔と溝のトップとボトムの寸法計測が可能となり、半導体ウエハの量産管理が容易になる。

本発明の実施例１の装置構成を示す図。 ステージの昇降によるＷＤ調整を説明する図。 ステージの昇降による機械フォーカスを説明する図。 電磁フォーカスと静電フォーカスを説明する図。 対物レンズの励磁電流の調整による電磁フォーカスを説明する図。 リターディング電圧の調整による静電フォーカスを説明する図。 加速電圧に対する励磁電流、ＷＤ、初期加速電圧、リターディング電圧の標準値の関係を説明する図。 本発明を適用せずにＷＤを短くした場合を説明する図。 本発明を適用せずにＷＤを長くした場合を説明する図。 加速電圧に対するＷＤの許容値の変化を説明する図。 加速電圧に対する励磁電流の補正量の変化を説明する図。 加速電圧に対するリターディング電圧補正量の変化を説明する図。 加速電圧に対する偏向信号強度係数の変化を説明する図。 各パラメータを表示し修正する画面を示す図。 レシピ作成時のパラメータ表示画面を示す図。 ＷＤ変化を伴うレシピの作成と実行時のワーニングを示す図。 一枚のウエハの処理を示すフローチャート。 一枚のＳＥＭ画像を取得する処理を示すフローチャート。 ＷＤ調整を示すフローチャート。 弱励磁電気系補正を示すフローチャート。 強励磁電気系補正を示すフローチャート。 ＷＤ調整のエラー画面を示す図。 ＳＥＭ画像の表示画面を示す図。 輪郭を重ねてＳＥＭ画像を表示する画面を示す図。 実施例２におけるＷＤ許容値を説明する図。 実施例３における対物レンズの昇降によるＷＤ調整を説明する図。 実施例３における対物レンズの昇降による機械フォーカスを説明する図。 本発明の実施例３の装置構成を説明する図。 実施例４におけるブースティング電圧調整による静電フォーカスを説明する図。 実施例４における加速電圧による励磁電流、ＷＤ、初期加速電圧、ブースティング電圧の変化を説明する図。 実施例４におけるブースティング電圧補正量を説明する図。 実施例５における初期加速電圧調整による静電フォーカスを説明する図。 実施例５における加速電圧に応じた励磁電流、ＷＤ、初期加速電圧、リターディング電圧の標準値を説明する図。 実施例５における初期加速電圧補正量を説明する図。 実施例６におけるＷＤ調整を示すフローチャート。 実施例７における加速電圧に応じた励磁電流、ＷＤ、初期加速、リターディングの標準値を説明する図。 実施例８における加速電圧に応じた励磁電流とＷＤの標準値を説明する図。 実施例９における１枚のウエハの処理を示すフローチャート。 実施例１０における拡大許容値を説明する図。 実施例１０におけるＷＤ調整を示すフローチャート。

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、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１に、本発明を適用した実施例１の装置の構成と各部の働きを説明する。

実施例１の走査電子線装置は、図１に示すように、電子源１、コンデンサレンズ２、絞り３、ブランキング電極４、偏向器５、ブースティング電極６、対物レンズ７、リターディング電極８、ステージ９、ステージ昇降機１０、二次電子検出器１１、ウエハ高さセンサ１２、光源１３、画像処理ユニット１４、制御部１５から構成され、ウエハ１６をステージ９に設置して使用する。

電子源１から放出された電子線１７は、コンデンサレンズ２により収束し、電子線の一部だけが絞り３を通過し、さらに、ブランキング電極４、偏向器５、ブースティング電極６、対物レンズ７を通過したのち、ウエハ１６に照射される。

電子線１７は、電子源１からウエハ１６に至るまでの間に、各電極に印加された電圧による加速と減速を受ける。以下では、各電極に印加する電圧の符号について説明し、電子線の加速と減速について説明する。

電子源１には負の電圧、ブースティング電極６には正の電圧、リターディング電極８には負の電圧を印加する。本発明では、電子源１に印加する電圧、すなわち、初期加速電圧１８、及び、リターディング電極に印加する電圧、すなわち、リターディング電圧１９の値を表現するときには、絶対値で表す。例えば、リターディング電圧が１ｋＶとあれば、リターディング電極に−１ｋＶを印加することを意味する。なお、ブースティング電極６に印加する電圧は正なので、そのまま、表現する。

電子源１からウエハ１６に至るまでの間に、電子線１７は、初期加速電圧１８による加速、ブースティング電圧２０による加速と減速、リターディング電圧１９による減速を受ける。ここで、ブースティング電圧２０による加速と減速は相殺するので、初期加速電圧１８による加速とリターディング電圧１９による減速が正味の加速電圧となる。以下では、初期加速電圧１８とリターディング電圧１９の差を加速電圧と呼ぶ。

ここまで、各部品に印加する電圧と電流について述べたが、電子源１に印加する電圧、すなわち、初期加速電圧１８、コンデンサレンズ２に印加する電流、ブランキング電極４の印加電圧２２、ブースティング電極６の印加電圧、すなわち、ブースティング電圧２０、対物レンズ７に印加する電流、すなわち、励磁電流２３、リターディング電極８の印加電圧、すなわち、リターディング電圧１９は可変である。また、ステージ９にはステージ昇降機１０が設けられており、昇降可能となっており、対物レンズ７の下端からウエハ１６の表面までの距離、すなわち、ＷＤが可変となっている。

ブランキング電極４と偏向器５の機能について説明する。
ブランキング電極４は、これに電圧を印加することにより、電子線１７を曲げ、不要時に電子線の照射をとめるためのものであり、印加する電圧は正でも負でもよい。不要時に電子線の照射をとめることにより、電子線照射によるウエハ１６の帯電、汚染、シュリンクが低減できる。なお、ブランキング電極４は、コイルに電流を印加し、磁界により電子線を曲げることによって代替できる。

電子線１７が偏向器５を通過する際には、偏向器５が発生させた磁場により、電子線１７は、曲げられ、ウエハ１６の所望の位置に照射される。ここで、偏向器５に印加する電流を偏向信号２１と呼ぶ。なお、ここでは、偏向器５に電流を流す電磁偏向を説明したが、電圧を印加する静電偏向でもよい。

対物レンズ７を通過する際には、磁界による収束作用を受け、電子線１７はウエハ１６の表面上で収束する。

電子線１７をウエハ１６に照射すると、ウエハ１６から二次電子２４が放出される。二次電子２４は、リターディング電圧１９とブースティング電圧２０により加速され、二次電子検出器１１で検出される。二次電子検出器１１は検出した二次電子の量に応じた信号を発生し、この信号は画像処理ユニット１４に送られる。画像処理ユニット１４では、偏向信号２１と二次電子信号を対応させてＳＥＭ画像を構成する。

ウエハ高さセンサ１２は、光源１３から発せられウエハ１６で反射された光を受容することにより、ウエハ１６の高さを測定する。図中の太い線は光路である。

実施例１の装置の電子源１から画像処理ユニット１４までの各部品は、制御部１５によって統合的に制御される。特に、加速電圧に応じて、初期加速電圧１８、ブースティング電圧２０、リターディング電圧１９、対物レンズ７の励磁電流２３、ステージ昇降機１０で調整し高さセンサ１２で測定したウエハ高さが統合的に制御されることが本発明の特徴である。これら、本発明の特徴となる制御関係を図中に点線で示した。
以上で、装置の構成と各部の働きの説明を終わる。

図２は、ステージの昇降によるＷＤの調整を説明するものである。この調整では、標準ＷＤと実際のＷＤの許容値が、予め定められており、実際のＷＤと標準ＷＤの差、すなわち、ＷＤ誤差がＷＤ許容値より小さくなる、つまり、ＷＤが許容範囲内に入るようにする。この図の上段では、ウエハ１６が低すぎる、つまり、ＷＤが長すぎるときに、ステージの上昇により、ＷＤを許容範囲内にしている。また、この図の下段では、ウエハ１６が高すぎる、つまり、ＷＤが短すぎるときに、ステージの下降により、ＷＤを許容範囲内にしている。なお、ウエハはステージに対して固定されているので、ステージが移動すれば、ウエハも移動する。実際のウエハ１６の高さは、ウエハ高さセンサ１２で測定する。

ウエハ１６の高さを変えることとＷＤを変えることは等価であることを補足する。具体的には、ウエハ１６を高くすればＷＤは短くなり、ウエハ１６を低くすればＷＤは長くなる。従って、ＷＤが標準ＷＤとなるときのウエハ１６の高さを標準高さと呼び、ＷＤ許容値を高さ許容値と言い換えることができる。

図３は、ステージの昇降によるＷＤ調整を利用した機械フォーカスを説明するものである。この図では、左から順に、オーバーフォーカス、ジャストフォーカス、アンダーフォーカスの状態であり、ＷＤが短くなっている。オーバーフォーカスの状態ではウエハ１６より上で電子線１７が収束しており、ジャストフォーカスの状態ではウエハ１６の表面で電子線１７が収束しており、アンダーフォーカスの状態ではウエハ１６の表面ではまだ電子線１７が収束していない。なお、この図には、ブースティング電極６が描かれているが、これは、ステージ９と対物レンズ７のどちらが移動しているかを分かりやすくするためのものであり、機械フォーカスの機能には関係ない。また、ウエハ１６はステージ９に固定されているので、ステージ９が移動すれば、ウエハ１６も移動する。

この図に示すステージ９の昇降による機械フォーカスでは、オーバーフォーカスの状態ならばステージ９を上昇させ、アンダーフォーカスの状態ならばステージ９を下降させることにより、ＷＤを調整し、ジャストフォーカスの状態にする。

図４では電磁フォーカスと静電フォーカスを大まかに説明し、図５と図６では、これらをより詳しく説明する。

図４は電磁フォーカスと静電フォーカスを大まかに説明するものである。ＷＤ調整後には、ＷＤは許容範囲はいっているものの、電子線１７が収束する高さ、すなわち、焦点高さとウエハ１６の高さが一致していない。そこで、電磁フォーカスまたは静電フォーカスにより、焦点高さとウエハ１６の高さを一致させる。このように、ＷＤ調整の後に電磁フォーカスまたは静電フォーカスを行うのは、機械的動作によるＷＤ調整の精度を高めることが困難だからである。

図５は、対物レンズの励磁電流２３を調整することによる電磁フォーカスを説明するためのものであり、左から順に、オーバーフォーカス、ジャストフォーカス、アンダーフォーカスの状態である。オーバーフォーカスの状態では対物レンズ７の励磁電流２３が大きすぎるのでこれを小さくし、アンダーフォーカスの状態では対物レンズ７の小さすぎる励磁電流２３を大きくすることにより、対物レンズの強度を調整して、ジャストフォーカスの状態にする。

図６は、リターディング電圧１９を調整する静電フォーカスを説明するためのものである。リターディング電圧１９を調整する静電フォーカスでは、オーバーフォーカスの状態では高すぎるリターディング電圧１９を低くし、アンダーフォーカスの状態では低すぎるリターディング電圧１９を高くすることにより、ジャストフォーカスの状態にする。

図７には、加速電圧に対して、初期加速電圧１８とリターディング電圧１９、励磁電流２３、ＷＤの標準値が記されている。本発明では、ウエハ１６の高さ変動に対するフォーカス手段を、粗調整と精調整の２段階に分けており、二重線になっている部分は、ウエハ１６の高さ変動に対するフォーカスの粗調整または精調整の一方または両方の手段として用いられる部分である。また、本発明の装置では、図７に示した加速電圧に対する初期加速電圧、リターディング電圧、励磁電流、ウエハ高さの標準値を記憶させておき、丸のある加速電圧のみで使用する。なお、丸の間の値を補間することにより、丸のない部分の電圧で使用してもよいし、加速電圧の関数としてフィッティングした数式を用いてもよい。ただし、補間やフィッティングを行う場合、その精度が悪ければ、最終的に寸法計測の精度が悪くなる。なお、この説明に用いる加速電圧、３ｋＶ、１０ｋＶ、２０ｋＶ、３０ｋＶは一例であり、発明の内容を数値的に限定するものではない。

以下では、図７を用いて、初期加速電圧１８とリターディング電圧１９の設定方法、及び、フォーカスの粗調整と精調整の方法が、加速電圧により変わることを説明する。

加速電圧３ｋＶ以下では、色収差を低減し分解能を向上するために、初期加速電圧を３ｋＶとし、リターディング電圧１９で加速電圧を調整することとなる。対物レンズ７の励磁電流２３の調整による電磁フォーカスは、大きな高さ変動にも小さな高さ変動にも対応できるので、ウエハ１６の高さ変動に対するフォーカスの粗調整と精調整をかねている。

加速電圧が３ｋＶを超えると、色収差が減少するので、リターディング電圧１９に分解能向上の役割はなくなる。リターディング電圧１９は、二次電子検出効率向上と静電フォーカスのオフセットの役割だけとなり、小さなものとなる。対物レンズ７の励磁電流２３の調整による電磁フォーカスは、大きな高さ変動にも小さな高さ変動にも対応できるので、ウエハ１６の高さ変動に対するフォーカスの粗調整と精調整をかねている。

加速電圧が１０ｋＶを超えると、励磁電流２３が大きくなり、ヒステリシスが大きくなる。従って、対物レンズ７の励磁電流２３の調整による電磁フォーカスが不可となり、ステージ９の昇降によりＷＤを調整する機械フォーカスがウエハ１６の高さ変動に応じたフォーカス粗調整とする。また、リターディング電圧１９の調整による静電フォーカスがウエハ１６の高さ変動に応じたフォーカス精調整となる。

加速電圧が２０ｋＶを超えると、対物レンズ７の励磁電流２３を増やしても、磁気飽和により対物レンズ７のレンズ強度が上がらない。そこで、加速電圧を上げるに従って、ステージ９を下げてＷＤを伸ばすこととなる。加速電圧が２０ｋＶ以上でも、対物レンズ７の励磁電流２３の調整による電磁フォーカスが不可となり、ステージ９の昇降によりＷＤを調整する機械フォーカスが、ウエハ１６の高さ変動に応じたフォーカス粗調整とする。また、リターディング電圧１９の調整による静電フォーカスがウエハ１６の高さ変動に応じたフォーカス精調整となる。

ここまで、初期加速電圧１８とリターディング電圧１９の設定方法、及び、フォーカスの粗調整と精調整の方法が、加速電圧により変わることを説明した。以下では、ここまでに述べたフォーカス方法を分類し、加速電圧をフォーカス方法の関係をまとめておく。

フォーカス方法を精度に基づいて分類すると、ウエハ１６の高さ変動に対応した粗調整と精調整、及び、ＳＥＭ画像に基づく微調整の３種となる。また、フォーカスの方式で分類すると、電磁レンズの強度を調整する電磁フォーカス、静電レンズの強度を調整する静電フォーカス、ＷＤを調整する機械フォーカスの３種となる。本発明において、電磁フォーカスの具体的手段は対物レンズ７の励磁電流２３を調整することであり、静電フォーカスの具体的手段はリターディング電圧１９を調整することであり、機械フォーカスの具体的手段はステージ９の昇降によりＷＤを調整することである。図３〜６に示すように、電磁フォーカスと静電フォーカスでは、電子線の収束する高さ、すなわち、焦点高さが移動し、機械フォーカスではＷＤが変化する。

加速電圧とフォーカス方法の関係をまとめておく。
加速電圧１０ｋＶ以下では、ウエハ１６の高さ変動に対応したフォーカスの粗調整も精調整も、対物レンズ７の励磁電流調整による電磁フォーカスを用いる。ステージ９の昇降によりＷＤを調整する機械フォーカスは用いない。ステージ９を昇降するのは、図７において加速電圧を３０ｋＶから３ｋＶに変更した後のように、加速電圧の変更に伴い標準ＷＤが変わったときだけである。

加速電圧１０ｋＶ以上では、ウエハ１６の高さ変動に対応したフォーカス粗調整は、ステージ９の昇降によりＷＤを調整する機械フォーカスであり、ウエハ１６の高さ変動に対応した精調整は、リターディング電圧１９の調整による静電フォーカスとなる。電磁フォーカスをフォーカス調整の手段として用いることはない。

以上のように、加速電圧が１０ｋＶを越えると、ヒステリシスが大きくなり、フォーカス方法が大きく変わる。以下では、図７に示すように、ヒステリシスが大きくなるときの励磁電流を閾励磁電流、また、このときの加速電圧を閾加速電圧と記す。この例では、閾加速電圧は１０ｋＶである。

以上、加速電圧に応じて、初期加速電圧、リターディング電圧、対物レンズの励磁電流、ＷＤの標準値が変わることを説明した。

図８と図９では、本発明の効果を明らかにするために、本発明を適用しない２つの場合について、本発明を適用した場合と比較しながら説明する。

図８では、本発明を適用せず、ＷＤを短くした場合を説明する。この図において、実線は本発明を適用しない場合を示し、点線は本発明を適用した場合である。本発明を適用しない場合は、ステージが昇降しないので、どの加速電圧もＷＤは一定となっている。そして、加速電圧１０ｋＶ以上ではヒステリシスが発生し、ウエハ１６の高さ変動に対応したフォーカスができなくなる。さらに、加速電圧が２０ｋＶを超えると電子線の収束が不可となる。いずれにせよ、パターンの寸法計測はできない。パターンの寸法計測ができるのは、加速電圧が１０ｋＶ以下である。

図９では、本発明を適用せず、ＷＤを長くした場合を説明する。この図において、実線は本発明を適用しない場合を示し、点線は本発明を適用した場合である。本発明を適用しない場合は、ステージが昇降しないので、どの加速電圧もＷＤは一定となっている。そして、全ての加速電圧において、電子線の収束、及び、ウエハ１６の高さ変動に対応した電磁フォーカスが可能となっている。しかし、ＷＤは非常に長いものとなり、分解能は悪くなり、パターン寸法の計測精度は悪化する。
以上で、本発明を適用しない２つの場合の説明を終わる。

図１０〜１３では、加速電圧を変えた時に、初期加速電圧とリターディング電圧、励磁電流、ＷＤの標準値、及び、フォーカスの粗調整と精調整の方法の変化に伴い、二次的に、ＷＤの許容値、励磁電流の補正量、リターディング電圧の補正量、偏向信号強度係数が変わることを示す。これらの値は、初期加速電圧やリターディング電圧と同様に、加速電圧と許容範囲の関係を装置に記憶させることとなる。

図１０は、加速電圧が１０ｋＶ以下ではＷＤの許容値が大きく、加速電圧が１０ｋＶを超えるとＷＤの許容値が小さくなることを示している。この理由は、加速電圧が１０ｋＶ以下では電磁フォーカスを行うので、ＷＤのズレを電磁フォーカスで大きく補正できるからである。これに対し、加速電圧が１０ｋＶ以上では、ＷＤのズレを静電フォーカスで補正せねばならず、静電フォーカスでは大きな補正が期待できないからである。以上の理由により、加速電圧によって許容範囲が変わる。なお、ステージ昇降の精度が非常に高い場合、加速電圧にかかわらず、ステージの昇降精度をＷＤの許容範囲としてもよい。

ここで、加速電圧が１０ｋＶ以下のときにＷＤの許容値を大きくすることの利点を説明する。ＷＤの許容値を大きくすると、ステージ昇降の精度を粗くすることができる。そして、ステージの昇降精度が粗くてよければ、ステージの昇降速度を上げ、スループットを向上させることができる。

改めて、ウエハ１６の高さを変えることとＷＤを変えることは等価であることを補足する。ＷＤが標準ＷＤとなるときのウエハ１６の高さを標準高さと呼び、ＷＤ許容値を高さ許容値と言い換えることができる。

図１１は、実際のＷＤが標準より長いときと短いときの励磁電流補正量が、加速電圧によって変わることを示している。より詳しく説明すると、本発明では、加速電圧が１０ｋＶ以下で、ＷＤ調整後に、ウエハ高さ変動に対するフォーカスの粗調整と精調整を兼ねて、電磁フォーカスを行う。電磁フォーカスの際には、ウエハ高さセンサ１２で測定したウエハ１６の高さから実際のＷＤを求め、標準ＷＤと比べて、実際のＷＤが短ければ励磁電流を大きくし、実際のＷＤが長ければ励磁電流を小さくする。この電磁フォーカスにおける励磁電流の増減が励磁電流補正量である。ここで、実際のＷＤと標準ＷＤの差、すなわち、ＷＤ誤差が大きいと、励磁電流補正量は大きくなる。また、加速電圧と励磁電流は概ね比例するので、加速電圧が高いほど励磁電流補正量も大きくなる。

図１２は、実際のＷＤが標準より長いときと短いときのリターディング電圧補正量が、加速電圧によって変わることを示している。より詳しく説明すると、本発明では、加速電圧が１０ｋＶを超えると、ＷＤ調整後に、ウエハ高さ変動に対するフォーカスの精調整として、静電フォーカスを行う。静電フォーカスの際には、標準ＷＤと比べて、実際のＷＤが短ければリターディング電圧を大きくし、実際のＷＤが長ければリターディング電圧を小さくする。この静電フォーカスにおけるリターディング電圧の増減がリターディング電圧補正量である。ここで、ＷＤ誤差が大きいと、リターディング電圧補正量は大きくなる。また、加速電圧が高いほどリターディング電圧補正量も大きくなる。

図１３は、実際のＷＤが標準より長いときと短いときの偏向信号強度係数が、加速電圧によって変わることを示している。より詳しく説明すると、本発明では、ＷＤ調整の後、電磁フォーカス、または、静電フォーカスを行い、偏向信号強度係数を決定する。偏向信号強度係数は、偏向感度の逆数であり、ウエハ１６上で電子線の着地位置を単位長さ移動させるときに偏向器５に印加する電流である。この値により、電子線の着地位置と偏向信号の関係が正確に求まり、高精度な寸法計測が可能となる。加速電圧が高くなると電子線は曲がりにくくなるので、より大きな偏向信号を印加することになる、つまり、偏向信号強度係数は大きくなる。また、ＷＤが短いときにも、偏向信号強度係数は大きくなる。

図１４〜１６は、本発明の装置の機能の一部を示すもので、特に、励磁電流、ＷＤ、初期加速電圧、リターディング電圧の標準値、及び、ＷＤの許容値、励磁電流補正量、リターディング補正量、偏向信号強度係数に関連した部分である。以下では、３つの機能、すなわち、第１に、これらの値を表示し修正する機能、第２にレシピ作成時にこれらの値を表示する機能、第３に一枚のウエハの処理中に標準ＷＤが変わるレシピに関して、そのようなレシピが作成されたとき、または、そのようなレシピを実行する際にワーニングを出す機能を示す。

図１４は、加速電圧から求まる値、すなわち、励磁電流、ＷＤ、初期加速電圧、リターディング電圧の標準値、ＷＤの許容値、励磁電流補正量、リターディング補正量、偏向信号強度係数を表示し修正する画面である。この図では、値が存在しない部分はハイフンで示している。値が存在しない部分は、ウエハ高さ設定誤差に対する励磁電流とリターディング電圧の補正量の部分に存在する。この機能は、装置の組み上げや月日の経過によって、表の中の値が変えねばならないときに必要となる。

図１５は、レシピ作成時に加速電圧を入力した際に、加速電圧から求まる値を表示する画面である。この画面において、ユーザーは、加速電圧の欄は変更できるが、加速電圧から求まる値の欄は変更できない。この機能により、ユーザーは寸法計測の条件を容易に確認できる。

図１６は、一枚のウエハの処理中に標準ＷＤが変わるレシピに関して、そのようなレシピが作成されたとき、または、そのようなレシピを実行する際に表示するワーニングである。この機能の目的を説明する。ＷＤを変えないレシピに比べて、ＷＤを変えるレシピは実行に時間がかかる。そこで、低加速電圧でトップの寸法計測だけを行いたい時、つまり、ＷＤを変える必要がない時に、ユーザーが誤ってＷＤの変わるレシピを作成したり実行したりするのを防ぐためである。

図１７〜２４は、本発明の装置の処理を詳しく説明するためのものであり、図１７〜２１はフローチャート、図２２はエラー処理で使われるエラー画面、図２３と２４はＳＥＭ画像の表示に関するものである。

図１７〜２１のフローチャートを説明するに当たり、予め、各フローチャートの関係を説明しておく。図１７は一枚のウエハの処理のフローチャートで、図１８〜２１はその詳細である。図１８は一枚の画像を取得する処理のフローチャートで、図１７のフローチャートから呼び出される。図１９〜２１は、ＷＤ調整、及び、弱励磁電気系補正と強励磁電気系補正の処理のフローチャートで、図１８のフローチャートから呼び出される。以下では、図１９〜２１のフローチャートから先に説明し、図１７と図１８のフローチャートを後から説明する。

図１９は、ＷＤ調整の処理のフローチャートである。この処理は、図２に示したようにＷＤの高さと標準ＷＤの差、すなわち、ＷＤ誤差がＷＤ許容値より小さくなる、つまり、ＷＤが許容範囲内に入るようにする処理である。この処理を開始する時点では、ＷＤの標準値とＷＤの許容値が決まっている。この処理では、ウエハ１６の高さをウエハ高さセンサ１２で測定し、実際のＷＤを求める（Ｓ１９０１）。そして、実際のＷＤが許容範囲に入るまで、ステージ９の昇降を繰り返す（Ｓ１９０４）。ＷＤが許容範囲入れば（Ｓ１９０２）、ＷＤを記録する（Ｓ１９０５）。所定の昇降回数で、ＷＤが許容範囲に入らなければ（Ｓ１９０３）、エラー処理を行う（Ｓ９０６）。エラー処理においては、図２２に示すように、ＷＤが許容範囲に入らなかった旨のメッセージを表示し、シーケンスを停止する。なお、このＷＤ調整の処理の開始時にＷＤ高さが許容範囲内にあれば、ステージの昇降をすることなく、この処理は終了する。なお、ウエハ１６の高さを変えることとＷＤを変えることは等価であり、標準ＷＤは標準高さ、ＷＤ許容値を高さ許容値と言い換えることができるのは、既に説明したとおりである。

図２０は、弱励磁電気系補正の処理のフローチャートである。この処理では、フォーカスの粗調整と精調整を兼ねて図５に示した電磁フォーカスを行い、フォーカスの微調整として図６に示した静電フォーカスを行う。この処理の開始時には、加速電圧とＷＤ誤差が決まっている。はじめに、図１１に示した関係に基づいて、加速電圧とＷＤ誤差から励磁電流補正量を決定し、対物レンズ７の励磁電流を補正する（Ｓ２００１）。以上で、フォーカスの粗調整と精調整を兼ねた電磁フォーカスは終了である。次に、図７に示した関係に基づいて、加速電圧から標準リターディング電圧を求め（Ｓ２００２）、リターディング電極８に印加する（Ｓ２００３）。その後、電子線の照射を開始し（Ｓ２００４）、リターディング電圧調整による静電フォーカスを行う（Ｓ２００５）。この際、計測点ではなく、計測点近くの点の画像で調整してもよい。これにより、測定点の帯電やダメージを減らすことができる。以上で、フォーカスの微調整としての静電フォーカスは終了であり、弱励磁電流電気系補正の処理も終了である。なお、画像信号に基づくフォーカス微調整は電磁フォーカスで行ってもよい。

図２１は、強励磁電気系補正のフローチャートである。この処理では、フォーカスの精調整とフォーカスの微調整のために、図６に示した静電フォーカスを行う。この処理の開始時には、加速電圧とＷＤ誤差が決まっている。はじめに、図７に示した関係に基づいて、加速電圧から標準リターディング電圧を決定する（Ｓ２１０１）。その後、図１２に示した関係に基づいて、加速電圧とＷＤ誤差からリターディング電圧補正量を決定する（Ｓ２１０２）。標準リターディング電圧にリターディング電圧補正量を補正したリターディング電圧をリターディング電極８に印加する（Ｓ２１０３）。以上で、フォーカスの精調整としての静電フォーカスは終了である。その後、電子線の照射を開始し（Ｓ２１０４）、リターディング電圧調整による静電フォーカスを行う（Ｓ２１０５）。この際、計測点ではなく、計測点近くの点の画像で調整してもよい。これにより、測定点の帯電やダメージを減らすことができる。以上で、フォーカスの微調整としての静電フォーカスは終了であり、強励磁電流電気系補正の処理も終了である。

図１７は、一枚のウエハの処理のフローチャートであり、一枚のウエハの処理を大まかに表したものである。はじめに、ウエハをロードし（Ｓ１７０１）、ステージの水平移動により計測点に移動する（Ｓ１７０２）。レシピに従って加速電圧を決定し（Ｓ１７０３）、ＳＥＭ画像を取得する（Ｓ１７０４）。加速電圧を変えながらこれらの処理を繰り返し、ひとつの計測点において、全ての加速電圧での撮像が終われば（Ｓ１７０５）、異なる加速電圧で撮像した像を並べて表示する（Ｓ１７０６）。ひとつの計測点での撮像が終われば、ステージ９を水平移動し、次の計測点で、撮像、寸法計測する。これら、ステージ９の移動と計測を繰り返し、全ての計測点の計測が終われば（Ｓ１７０７）、ウエハ１６をアンロードする（Ｓ１７０８）。

図２３と２４は、図１７のフローチャートにおけるＳＥＭ画像の表示に関するものである。図１７のフローチャートの表示の部分では、図２３に示すように、ひとつの計測点について、異なる加速電圧のＳＥＭ画像を表示する。この際、加速電圧の変更に伴い視野がずれた場合は、アライメントマークのＳＥＭ画像や予め取得した加速電圧毎の典型的なＳＥＭ画像（図示しない）に基づいて、視野ズレを補正するとよい。さらに、図２４に示すように、各加速電圧の画像から抽出した輪郭を重ねて表示してもよい。
以上で、一枚のウエハの処理の説明を終わる。

図１８は、一枚のＳＥＭ画像取得のフローチャートであり、図１７のフローチャートのＳＥＭ画像の取得（Ｓ１７０４）から呼び出される。この処理の開始時点では加速電圧が決まっているので、図７の関係から、初期加速電圧、標準励磁電流、標準ＷＤ、ＷＤ許容値が決定できる。この処理では、はじめに２つのステップを行う。第１に、加速電圧から初期加速電圧を決定し、初期加速電圧を電子源１に印加する（Ｓ１８０１）。初期加速電圧を早めに印加するのは、電子銃が安定するまでに時間がかかるからである。第２に、加速電圧から標準励磁電流を決定し、対物レンズを消磁した後に、対物レンズに標準励磁電流を印加する（Ｓ１８０２）。ここで、標準励磁電流の印加を早めに行うのは、対物レンズが安定するまでの時間がかかるからである。以下の処理は、閾加速電圧と比較して、加速電圧が高い場合と低い場合で異なる。

図１８のフローチャートで、加速電圧が閾加速電圧より低い場合には、加速電圧から標準ＷＤとＷＤ許容値を決定し（Ｓ１８０７）、図１９に示したＷＤ調整の処理を行い（Ｓ１８０８）、ＷＤを標準ＷＤから許容範囲内に入れる。この処理は、常に、加速電圧の変更に伴う標準ＷＤ変更に対応する役割を果たす。その後、図２０に示す弱励磁電気系調整の処理を行う（Ｓ１８０９）、つまり、フォーカスの粗調整と精調整を兼ねて図５に示した電磁フォーカスを行い、フォーカスの微調整として図６に示した静電フォーカスを行う。

図１８のフローチャートで、加速電圧が閾加速電圧より高い場合には、加速電圧から標準ＷＤとＷＤ許容値を決定し（Ｓ１８０４）、図１９に示したＷＤ調整の処理を行い、ＷＤを標準ＷＤから許容範囲内に入れる。標準ＷＤとＷＤ許容値の決定、及び、調整の処理は、加速電圧が閾加速電圧より低い場合と同じであるが、加速電圧が閾加速電圧より高い場合、ＷＤはフォーカスの粗調整手段であり、図１０に示すようにＷＤ許容値は小さく設定される。ＷＤ調整の後には（Ｓ１８０５）、図２１に示す強励磁電気系補正の処理を行う（Ｓ１８０６）、つまり、フォーカスの精調整とフォーカスの微調整のために、図６に示した静電フォーカスを行う。

図１８のフローチャートにおいて、弱励磁電気系調整、または、強励磁電気系調整が終わった後には、加速電圧とＷＤ誤差が決定している。加速電圧は図１８の処理の開始時から決まっているし、ＷＤ誤差はＷＤ調整の処理時に決まる。図１３の関係に基づき、加速電圧とＷＤ誤差から偏向信号強度係数を求め、さらに、レシピで定めた倍率と偏向信号強度係数から偏向信号の振幅を決め、ＳＥＭ画像を取得する。その後、電子線照射を停止し、リターディング電圧をゼロVにする（Ｓ１８１０）。さらに、取得した画像を表示し保存する。この処理で、電子線照射を停止するのは、電子線照射によるウエハ１６の汚染、帯電などを避けるためである。また、リターディング電圧をゼロVにするのは、後にステージ９の昇降時の放電を避けるためである。

以上、一枚のＳＥＭ画像の取得の処理が終われば、図１７に示す一枚のウエハの処理に戻り、既に説明したように、加速電圧を変えながら図１８の一枚の画像の取得の処理を繰り返し、ひとつの計測点での撮像が終われば、ステージ９を水平移動し、次の計測点で、撮像、寸法計測をする。これら、ステージ９の移動と計測を繰り返す。

ここで、実施例１の走査電子線装置を用いたウエハの孔や溝の上部と底部の寸法計測について説明する。
例えば１０ｋＶ以下の低加速電圧領域においては、図７に示されるようにＷＤを短い値に設定し、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整および精調整を対物レンズの励磁電流調整による電磁フォーカスにより行う。低加速電圧時にＷＤを短縮することにより、色収差と球面収差を減らし、低加速電圧時の分解能の劣化を防ぐことができ、ウエハの孔や溝の上部を高精度で計測することができる。
例えば１０ｋV以上の高加速電圧領域においては、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整をステージの昇降によりＷＤを調整する機械フォーカスにより行う。また、フォーカスの精調整をリターディング電圧の調整による静電フォーカスにより行う。フォーカス調整手段として対物レンズの励磁電流調整による電磁フォーカスを用いないことにより、フォーカス粗調整のための励磁連流変更が不要となり、励磁電流変更によるヒステリシスの影響を避けることができ、ウエハの孔や溝の底部を短時間かつ精度良く計測することができる。
例えば２０ｋV以上の更に高加速電圧領域においては、図７に示されるように、ＷＤを伸ばして、励磁コイルが磁気飽和しない励磁電流とすることにより、磁気飽和の影響を避けることができ、ウエハの孔や溝の底部が計測できなくなるという障害を除くことができる。

本実施例の走査電子線装置を用いた寸法計測方法は、電子源と、前記電子源から放出された電子線を偏向する偏向器と、前記電子線を収束する対物レンズと、リターディング電極と、ウエハを設置するステージと、制御部とを有し、前記電子線をウエハに照射しウエハから発生する二次電子を検出することによりウエハのＳＥＭ画像を得る走査電子線装置を用いた寸法計測方法であって、加速電圧を変化させてＳＥＭ画像を取得する際に、ウエハの孔や溝の上部を計測するために低加速の電子線を用いる場合は、ＷＤを短縮して画像を取得し、ウエハの孔や溝の底部を計測するために高加速の電子線を用いる場合は、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整を、前記ステージまたは前記対物レンズの昇降によりＷＤを調整する機械フォーカスにより行って画像を取得し、得られたＳＥＭ画像から、ウエハの孔や溝の上部および底部の寸法を計測するものである。

この走査電子線装置を用いた計測方法において、ウエハの孔や溝の上部を計測するために低加速の電子線を用いる場合は、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整および精調整を前記対物レンズの励磁電流調整による電磁フォーカスにより行う。

また、この走査電子線装置を用いた計測方法において、ウエハの孔や溝の底部を計測するために高加速の電子線を用いる場合は、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの精調整を前記リターディング電極に加えるリターディング電圧の調整による静電フォーカスにより行う。

さらに、この走査電子線装置を用いた計測方法において、ウエハの孔と溝の底部を計測するために高加速の電子線を用いる場合、ウエハを設置した前記ステージの昇降によりＷＤを伸ばして、前記励磁コイルが磁気飽和しない励磁電流で画像を取得する。

実施例１において、ＷＤ許容値を長ＷＤ側と短ＷＤ側を異なる値にしてもよい。特に、図２５に示すように、長ＷＤ側の許容値は、短ＷＤ側の許容値より小さくするほうがよい。この理由は、長ＷＤ側の許容値を大きすぎると、加速電圧が高くＷＤ調整後に静電フォーカスをする場合に、リターディング電圧を低くなりすぎ二次電子が検出できなくなることがあるからである。

実施例１〜２において、ステージ昇降によるＷＤ調整を対物レンズの昇降によるＷＤ調整に変えてもよい。これに伴い、ステージ昇降によるＷＤ調整を利用した機械フォーカスも対物レンズの昇降によるＷＤ調整を利用した機械フォーカスとなる。

図２６は、対物レンズの昇降によるＷＤの調整を説明するものである。この図の上段では、ＷＤが長すぎるときに、対物レンズ７の下降により、ＷＤを許容範囲内にしている。また、この図の下段では、ＷＤが短すぎるときに、対物レンズ７の上昇により、ＷＤを許容範囲内にしている。

図２７は対物レンズの昇降によるＷＤ調整を利用した機械フォーカスを示すものである。この図に示す対物レンズ７の昇降による機械フォーカスでは、オーバーフォーカスの状態ならば対物レンズを下降させ、アンダーフォーカスの状態ならば対物レンズを上昇させることにより、WDを調整し、ジャストフォーカスの状態にする。

図２８は、対物レンズを昇降させる場合の装置構成である。実施例１の場合と異なり、ステージ９は昇降しない。一方、対物レンズ昇降機２５により対物レンズ７が昇降可能となり、対物レンズ高さセンサ２７と、対物レンズ高さセンサ用の光源２６が加わっている。これは、対物レンズを昇降させるときに、対物レンズの高さに誤差が生じるからである。ＷＤは対物レンズ高さセンサ２７で測定した対物レンズ７の高さと、ウエハ高さセンサ１２で測定したウエハ１６の高さから求める。図中の太い線は光路である。また、各部品は、制御部１５によって統合的に制御される。特に、加速電圧に応じて、初期加速電圧１８、ブースティング電圧２０、リターディング電圧１９、対物レンズ７の励磁電流２３、対物レンズ７の高さが統合的に制御されることが本発明の特徴である。これら、本発明の特徴となる制御関係を図中に点線で示した。

実施例１〜３において、リターディング電圧調整による静電フォーカスは、図２９に示すブースティング電圧調整による静電フォーカスで代替できる。この場合、図３０に示すように、装置は、加速電圧に対して標準ブースティング電圧を記憶しておく。ここで、図３０の二重線部分はフォーカス手段として用いられる部分である。

また、図３１に示すブースティング電圧補正量も装置が記憶しておくことになる。

実施例１〜３において、リターディング電圧調整による静電フォーカスは、図３２に示す初期加速電圧調整による静電フォーカスで代替できる。この場合、図３３に二重線で示すように、加速電圧が高いときには、ウエハ高さ変動に応じて、初期加速電圧を変えることとなる。また、図３４に示すように、初期加速電圧補正量を装置が記憶しておくことになる。

実施例１〜５において、ステージ９がストッパーと接触することによって、高精度にステージの高さを調整してもよい。この場合、ウエハ１６の高さを測定するのではなく、ストッパーとの接触の有無に基づいて、ステージを昇降することとなり、ＷＤ調整の処理は図３５に示すようになる。ただし、設定可能なＷＤの値は離散的、例えば、２種類になり、ＷＤ調整によるフォーカス粗調整機能を失うので、電磁フォーカスや静電フォーカスの負荷が大きくなる。

実施例６において、図３６に示すように、ＷＤが少数、この場合２種類ですむように、設定可能な加速電圧を選ぶ。ここで、図３６の二重線部分はフォーカス手段として用いられる部分である。このようにすれば、実施例６において、一旦大きくなった電磁フォーカスや静電フォーカスの負荷を和らげることができる。

実施例６〜７において、図３７に示すように、どの加速電圧でも、励磁電流が常に閾励磁電流より小さくなるように、ＷＤを設定する。このようにすれば、どの加速電圧でも対物レンズの励磁電流調整によるフォーカスの粗調整と精調整が可能となる。この場合、図１８のフローチャートにおいて、標準励磁電流が閾励磁電流より大きくなることはないので、図２１に示す強励磁電気系調整の処理は不要となる。

実施例１〜８において、図１７に示した一枚のウエハの処理のフローチャートは、図３８のフローチャートに置き換えることができる。この場合、同じ加速電圧で多数の計測点を撮像し、全ての計測点での撮像が終わってから、加速電圧を変える。この方法では、加速電圧の変更とそれに伴う標準WDの変更の回数が減り、WD調整の処理の回数も減るので、スループットが向上する。

実施例９において、図３９に示すように、ＷＤ許容値より大きな拡大ＷＤ許容値を設定し、拡大ＷＤ許容範囲も設定する。そして、加速電圧を変えずにウエハを水平移動させた後のように、標準ＷＤが変わらなかった場合を例外処理とし、例外処理においては、拡大ＷＤ許容値によりＷＤ調整を行う。このようにすると、ＷＤ調整の処理の回数がさらに減少し、スループットが向上する。この場合のフローチャートは図４０に示すとおりとなる。

１ 電子源
２ コンデンサレンズ
３ 絞り
４ ブランキング電極
５ 偏向器
６ ブースティング電極
７ 対物レンズ
８ リターディング電極
９ ステージ
１０ ステージ昇降機
１１ 二次電子検出器
１２ ウエハ高さセンサ
１３ 光源
１４ 画像処理ユニット
１５ 制御部
１６ ウエハ
１７ 電子線
１８ 初期加速電圧
１９ リタ−ディング電圧
２０ ブースティング電圧
２１ 偏向信号
２２ ブランキング電極の印加電圧
２３ 励磁電流
２４ 二次電子
２５ 対物レンズ昇降機
２６ 光源
２７ 対物レンズ高さセンサ。

Claims (15)

1. 電子源と、前記電子源から放出された電子線を偏向する偏向器と、前記電子線を収束する対物レンズと、リターディング電極と、ウエハを設置するステージと、制御部とを有し、前記電子線をウエハに照射しウエハから発生する二次電子を検出することによりウエハのＳＥＭ画像を得る走査電子線装置において、
   前記ステージまたは前記対物レンズを昇降可能とし、
   前記制御部は、電子線の加速電圧の低加速電圧領域では、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整を前記対物レンズの励磁電流調整による電磁フォーカスにより行い、高加速電圧領域では、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整を、前記ステージまたは前記対物レンズの昇降による機械フォーカスにより行うようにした走査電子線装置。
2. 請求項1に記載の走査電子線装置において、
   前記制御部は、
   電子線の加速電圧の低加速電圧領域では、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの精調整を前記対物レンズの励磁電流調整による電磁フォーカスにより行い、
   高加速電圧領域では、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの精調整を、前記リターディング電極に加えるリターディング電圧の調整による静電フォーカス、ブースティング電極に加えるブースティング電圧の調整による静電フォーカス、または、前記電子源の初期加速電圧の調整による静電フォーカスにより行うようにした走査電子線装置。
3. 請求項２に記載の走査電子線装置において、
   前記制御部は、ウエハへの電子線の加速電圧に応じて電子線の焦点高さとウエハ表面高さの差分を制御する手段を自動的に選択することを特徴とする走査電子線装置。
4. 請求項１に記載の走査電子線装置において、
   前記制御部は、ウエハへの電子線の加速電圧に応じて、前記ステージまたは前記対物レンズを昇降することにより、ウエハの表面と対物レンズの下端との距離で表されるワーキングディスタンス（ＷＤ）を設定することを特徴とする走査電子線装置。
5. 請求項1に記載の走査電子線装置において、
   前記ステージに設置したウエハの高さを計測するためのウエハ高さセンサを備える走査電子線装置。
6. 電子源と、前記電子源から放出された電子線を偏向する偏向器と、前記電子線を収束する対物レンズと、リターディング電極と、ウエハを設置するステージと、制御部とを有し、前記電子線をウエハに照射しウエハから発生する二次電子を検出することによりウエハのＳＥＭ画像を得る走査電子線装置において、
   前記ステージまたは前記対物レンズを昇降可能とし、
   前記制御部は、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整を、前記ステージまたは前記対物レンズの昇降による機械フォーカスにより行い、
   前記ステージに設置したウエハの高さを計測するためのウエハ高さセンサと、前記対物レンズの高さを測定するための対物レンズ高さセンサを備える走査電子線装置。
7. 請求項５に記載の走査電子線装置において、
   前記制御部は、ウエハへの電子線の加速電圧に応じたウエハの標準高さデータを有し、前記ウエハ高さセンサを用いて測定したウエハの高さと標準高さとの高さ誤差を前記昇降可能なステージで低減する際の目標誤差データを有し、加速電圧に応じて前記目標誤差データの値が異なることを特徴とする走査電子線装置。
8. 請求項５に記載の走査電子線装置において、
   前記制御部は、ウエハへの電子線の加速電圧に応じたウエハの標準高さデータを有し、前記ウエハ高さセンサを用いて測定したウエハの高さと標準高さとの高さ誤差を前記昇降可能なステージで低減する際の目標誤差データを有し、少なくとも１つの高い加速電圧での前記目標誤差データの値が加速電圧の低い領域での許容値データの値より小さいことを特徴とする走査電子線装置。
9. 電子源と、前記電子源から放出された電子線を偏向する偏向器と、前記電子線を収束する対物レンズと、リターディング電極と、ウエハを設置するステージと、制御部とを有し、前記電子線をウエハに照射しウエハから発生する二次電子を検出することによりウエハのＳＥＭ画像を得る走査電子線装置において、
   前記ステージに設置したウエハの高さを計測するためのウエハ高さセンサを備え、
   前記ステージまたは前記対物レンズを昇降可能とし、
   前記制御部は、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整を、前記ステージまたは前記対物レンズの昇降による機械フォーカスにより行うようにすると共に、ウエハへの電子線の加速電圧に応じたウエハの標準高さデータを有し、前記ウエハ高さセンサを用いて測定したウエハの高さと標準高さとの高さ誤差を昇降可能なステージで低減する際の目標誤差データを有し、高さ誤差が前記目標誤差データの値以下である場合、加速電圧の低い領域では高さ誤差に従って電磁レンズの強度を設定し、加速電圧の高い領域では高さ誤差に従って静電レンズの強度を設定することを特徴とする走査電子線装置。
10. 電子源と、前記電子源から放出された電子線を偏向する偏向器と、前記電子線を収束する対物レンズと、リターディング電極と、ウエハを設置するステージと、制御部とを有し、前記電子線をウエハに照射しウエハから発生する二次電子を検出することによりウエハのＳＥＭ画像を得る走査電子線装置において、
    前記ステージまたは前記対物レンズを昇降可能とし、
    前記制御部は、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整を、前記ステージまたは前記対物レンズの昇降による機械フォーカスにより行うようにし、
    前記ステージを昇降させた際の前記ステージとの接触の有無に基づいてステージ高さを調整するストッパーを設けた走査電子線装置。
11. 請求項６に記載の走査電子線装置において、
    前記制御部は、ウエハへの電子線の加速電圧に応じた前記対物レンズの標準高さデータを有し、前記対物レンズ高さセンサを用いて測定した前記対物レンズの高さと標準高さとの高さ誤差を昇降可能な対物レンズで低減する際の目標誤差データを有し、高さ誤差が前記目標誤差データの値以下である場合、加速電圧の低い領域では高さ誤差に従って電磁レンズの強度を設定し、加速電圧の高い領域では高さ誤差に従って静電レンズの強度を設定することを特徴とする走査電子線装置。
12. 電子源と、前記電子源から放出された電子線を偏向する偏向器と、前記電子線を収束する対物レンズと、リターディング電極と、ウエハを設置するステージと、制御部とを有し、前記電子線をウエハに照射しウエハから発生する二次電子を検出することによりウエハのＳＥＭ画像を得る走査電子線装置を用いた寸法計測方法であって、
    加速電圧を変化させてＳＥＭ画像を取得する際に、
    ウエハの孔や溝の上部を計測するために低加速の電子線を用いる場合は、ウエハの表面と対物レンズの下端との距離で表されるワーキングディスタンス（ＷＤ）を短縮して画像を取得し、
    ウエハの孔や溝の底部を計測するために高加速の電子線を用いる場合は、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整を、前記ステージまたは前記対物レンズの昇降により前記ワーキングディスタンス（ＷＤ）を調整する機械フォーカスにより行って画像を取得し、
    得られたＳＥＭ画像から、ウエハの孔や溝の上部および底部の寸法を計測することを特徴とする走査電子線装置を用いた寸法計測方法。
13. 請求項１２に記載の走査電子線装置を用いた計測方法において、
    ウエハの孔や溝の上部を計測するために低加速の電子線を用いる場合は、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整および精調整を前記対物レンズの励磁電流調整による電磁フォーカスにより行うことを特徴とする走査電子線装置を用いた寸法計測方法。
14. 請求項１２に記載の走査電子線装置を用いた計測方法において、
    ウエハの孔や溝の底部を計測するために高加速の電子線を用いる場合は、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの精調整を前記リターディング電極に加えるリターディング電圧の調整による静電フォーカス、ブースティング電極に加えるブースティング電圧の調整による静電フォーカス、または、前記電子源の初期加速電圧の調整による静電フォーカスにより行うことを特徴とする走査電子線装置を用いた寸法計測方法。
15. 請求項１２に記載の走査電子線装置を用いた計測方法において、
    ウエハの孔と溝の底部を計測するために高加速の電子線を用いる場合、ウエハを設置した前記ステージまたは前記対物レンズの昇降により前記ワーキングディスタンス（ＷＤ）を伸ばして、励磁コイルが磁気飽和しない励磁電流で画像を取得することを特徴とする走査電子線装置を用いた寸法計測方法。

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