KR20230015441A - 하전 입자선 장치 및 그것을 사용하는 시료 관찰 방법 - Google Patents

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슌야 다나까
šœ야 다나까
다께시 오모리
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가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
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Abstract

관찰면이 시야보다도 큰 경우라도 시료대의 경사 각도를 적절하게 설정 가능한 하전 입자선 장치 및 그것을 사용하는 시료 관찰 방법을 제공한다. 하전 입자선을 시료에 조사함으로써 상기 시료의 관찰상을 취득하는 하전 입자선 장치이며, 교차하는 2개의 경사축의 각각을 중심으로 하여 경사짐과 함께 상기 시료를 보유 지지하는 시료대와, 상기 시료대의 경사 각도를 바꾸면서 취득되는 관찰상의 각각으로부터, 상기 시료의 상면과 할단면의 경계를 검출하여, 상기 경계의 상기 하전 입자선의 주사 방향에 대한 기울기를 구하는 경계 검출부와, 경사 각도마다의 관찰상으로부터 상기 상면을 검출하여, 관찰상으로부터 상기 상면이 소실될 때의 상기 시료대의 경사 각도인 상면 소실 각도를 산출하는 상면 검출부와, 경사 각도마다의 상기 경계의 기울기와 상기 상면 소실 각도에 기초하여, 상기 경사 각도가 제로일 때의 상기 할단면의 방향인 초기 시료 방향을 산출하는 계산 처리부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

하전 입자선 장치 및 그것을 사용하는 시료 관찰 방법
본 발명은, 하전 입자선을 시료에 조사함으로써 시료의 관찰상을 형성하는 하전 입자선 장치 및 하전 입자선 장치를 사용하여 시료를 관찰하는 시료 관찰 방법에 관한 것이다.
하전 입자선 장치는, 전자선 등의 하전 입자선을 시료에 조사함으로써, 시료의 미세한 구조를 관찰하기 위한 관찰상을 형성하는 장치이고, 반도체의 제조 공정 등에 사용된다. 반도체의 제조 공정에서는, 디바이스 성능에 크게 기여하는 패턴 형상의 폭을 고정밀도로 측정하기 위해, 패턴 형상의 길이 방향과 직교하는 면을 관찰면으로 하는 화상이 형성되는 것이 바람직하다. 조사되는 하전 입자선에 대하여 적절한 관찰면을 배치하기 위해서는, 시료가 적재되는 시료대의 경사 각도가 조정된다.
특허문헌 1에는, 하전 입자선의 조사 방향에 대하여 수직으로 관찰면을 효율적으로 정확하게 배치하기 위해, 시료가 적재된 시료대의 경사 각도를 바꾸면서 관찰면의 화상을 취득하고, 관찰면의 면적이 더 큰 화상을 취득한 경사 각도로 시료대를 경사지게 하는 것이 개시된다.
일본 특허 공개 제2013-196972호 공보
그러나 특허문헌 1에서는, 관찰면이 하전 입자선 장치의 시야보다도 큰 경우에 대한 배려가 이루어져 있지 않다. 즉 관찰면이 시야보다도 크면, 시료대의 경사 각도를 바꾸면서 취득되는 화상에서는 관찰면의 면적을 비교할 수 없어, 시료대의 경사 각도가 결정되지 않는다.
그래서 본 발명은, 관찰면이 시야보다도 큰 경우라도 시료대의 경사 각도를 적절하게 설정 가능한 하전 입자선 장치 및 그것을 사용하는 시료 관찰 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 하전 입자선을 시료에 조사함으로써 상기 시료의 관찰상을 취득하는 하전 입자선 장치이며, 교차하는 2개의 경사축의 각각을 중심으로 하여 경사짐과 함께 상기 시료를 보유 지지하는 시료대와, 상기 시료대의 경사 각도를 바꾸면서 취득되는 관찰상의 각각으로부터, 상기 시료의 상면과 할단면의 경계를 검출하여, 상기 경계의 상기 하전 입자선의 주사 방향에 대한 기울기를 구하는 경계 검출부와, 경사 각도마다의 관찰상으로부터 상기 상면을 검출하여, 관찰상으로부터 상기 상면이 소실될 때의 상기 시료대의 경사 각도인 상면 소실 각도를 산출하는 상면 검출부와, 경사 각도마다의 상기 경계의 기울기와 상기 상면 소실 각도에 기초하여, 상기 경사 각도가 제로일 때의 상기 할단면의 방향인 초기 시료 방향을 산출하는 계산 처리부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 하전 입자선을 시료에 조사함으로써 상기 시료의 관찰상을 취득하는 하전 입자선 장치를 사용하는 시료 관찰 방법이며, 교차하는 2개의 경사축의 각각을 중심으로 하여 경사짐과 함께 상기 시료를 보유 지지하는 시료대의 경사 각도를 바꾸면서 취득되는 관찰상의 각각으로부터, 상기 시료의 상면과 할단면의 경계를 검출하여, 상기 경계의 상기 하전 입자선의 주사 방향에 대한 기울기를 구하는 경계 검출 스텝과, 경사 각도마다의 관찰상으로부터 상기 상면을 검출하여, 관찰상으로부터 상기 상면이 소실될 때의 상기 시료대의 경사 각도인 상면 소실 각도를 산출하는 상면 검출 스텝과, 경사 각도마다의 상기 경계의 기울기와 상기 상면 소실 각도에 기초하여, 상기 경사 각도가 제로일 때의 상기 할단면의 방향인 초기 시료 방향을 산출하는 계산 처리 스텝을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 관찰면이 시야보다도 큰 경우라도 시료대의 경사 각도를 적절하게 설정 가능한 하전 입자선 장치 및 그것을 사용하는 시료 관찰 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 관한 하전 입자선 장치의 구성도이다.
도 2a는 본 발명에 관한 시료에 대하여 설명하는 도면이다.
도 2b는 본 발명에 관한 시료대에 대하여 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명에 관한 조작 화면에 대하여 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명에 관한 처리의 흐름의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 초기 시료 방향을 산출하는 처리의 흐름의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6은 경계의 검출과 기울기의 산출에 관한 처리의 흐름의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7a는 시료의 상면이 소실되어 있지 않은 관찰상을 나타내는 도면이다.
도 7b는 시료의 상면이 소실된 관찰상을 나타내는 도면이다.
도 8은 상면 소실 각도의 산출에 대하여 설명하는 도면이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 하전 입자선 장치의 실시예에 대하여 설명한다. 하전 입자선 장치는, 하전 입자선을 시료에 조사함으로써, 시료를 관찰하기 위한 관찰상을 형성하는 장치이다. 이하에는, 하전 입자선 장치의 일례로서, 전자선으로 시료를 주사함으로써 시료의 관찰상을 형성하는 주사 전자 현미경(SEM; Scanning Electron Microscope)에 대하여 설명한다.
도 1을 사용하여 주사 전자 현미경의 구성에 대하여 설명한다. 주사 전자 현미경은, 전자총(101), 집속 렌즈(102), 조리개(103), 편향 코일(104), 대물 렌즈(105), 시료대(107), 2차 전자 검출기(108), 화상 형성부(111), 검출부(112), 계산 처리부(115), 제어부(116), 입력 표시부(117)를 구비한다. 이하, 각 부에 대하여 설명한다.
전자총(101)은, 소정의 가속 전압에 의해 가속된 전자선(109)을 시료(106)에 조사하는 선원이다. 집속 렌즈(102) 및 대물 렌즈(105)는, 전자선(109)을 집속시키는 렌즈이다. 조리개(103)는, 전자선(109)의 일부가 통과하는 개구를 갖는 판이고, 전자선(109)의 개방각을 조정한다. 편향 코일(104)은, 전자선(109)을 편향시키는 자계나 전계를 발생시키는 코일이나 전극이고, 편향되는 전자선(109)에 의해 시료(106)의 표면이 주사된다.
시료대(107)는 시료(106)를 보유 지지함과 함께, 수평 방향으로 시료(106)를 이동시키거나, 수평면에 대하여 시료(106)를 경사지게 하거나 한다.
도 2a를 사용하여 시료(106)에 대하여 설명한다. 도 2a에는, 반도체의 제조 공정에 사용되는 시료(106)의 사시도가 나타난다. 시료(106)는, 반도체 패턴(150)이 형성되는 상면(118)과, 할단면(119), 측면(121)을 갖는다. 반도체 패턴(150)을 측장하는 경우에는, 측장 정밀도를 향상시키기 위해, 반도체 패턴(150)의 길이 방향과 직교하는 단면인 이상 단면(120)에 관찰상을 형성하는 것이 바람직하다. 그러나, 수동으로 할단된 할단면(119)은 상면(118)이나 측면(121)과 직교하지 않는 경우가 많다. 또한 측면(121)은 상면(118)과 직교한다.
도 2b를 사용하여 시료(106)를 보유 지지하는 시료대(107)에 대하여 설명한다. 시료대(107)는, 서로 직교하는 제1 경사축(123)과 제2 경사축(124)을 갖고, 제1 경사축(123)과 제2 경사축(124)의 각각을 중심으로 하여 경사진다. 제1 경사축(123)과 제2 경사축(124)은, 전자선(109)의 조사 방향과 대략 직교하는 것이 바람직하다. 시료대(107)의 경사 상태는, 제1 경사축(123)과 제2 경사축(124)의 경사 순서와 경사 각도가 지정됨으로써 재현된다. 또한 제1 경사축(123)과 제2 경사축(124)은 드러나 있을 필요는 없고, 예를 들어 3점에서 지지되는 시료대(107)의 각 지지점의 높이를 조정함으로써 시료대(107)를 경사지게 해도 된다. 또한 시료(106)는, 할단면(119)이나 이상 단면(120)이 전자총(101)의 측을 향하도록 시료대(107)에 보유 지지되어, 상면(118)과 할단면(119)의 경계(122)의 근방이 관찰된다.
도 1의 설명으로 돌아간다. 2차 전자 검출기(108)는, 신틸레이터·라이트 가이드·광전자 증배관으로 구성되는 E-T 검출기나 반도체 검출기 등이고, 전자선(109)이 조사되는 시료(106)로부터 방출되는 2차 전자(110)를 검출한다. 2차 전자 검출기(108)로부터 출력되는 검출 신호는 화상 형성부(111)로 송신된다. 또한 2차 전자 검출기(108)와 함께, 반사 전자를 검출하는 반사 전자 검출기나 투과 전자를 검출하는 투과 전자 검출기가 구비되어도 된다.
화상 형성부(111)는 2차 전자 검출기(108)로부터 송신되는 검출 신호에 기초하여 시료(106)의 관찰상을 형성하는 연산기이고, 예를 들어 MPU(Micro Processing Unit)나 GPU(Graphics Processing Unit) 등이다. 화상 형성부(111)에 의해 형성된 관찰상은, 입력 표시부(117)로 송신되어 표시되거나, 검출부(112)나 계산 처리부(115)로 송신되어 다양한 처리가 실시되거나 한다.
검출부(112)는, 관찰상으로부터 시료(106)의 특징부를 검출하는 연산기이고, 예를 들어 MPU나 GPU이다. 검출부(112)는, 관찰상으로부터 경계(122)를 검출하는 경계 검출부(113)와, 관찰상으로부터 상면(118)을 검출하는 상면 검출부(114)를 포함한다.
경계 검출부(113)는, 관찰상으로부터 경계(122)를 검출함과 함께, 전자선(109)의 주사 방향에 대한 경계(122)의 기울기를 산출한다. 또한, 경계(122)의 기울기는, 시료대(107)의 경사 각도를 바꾸면서 취득되는 관찰상의 각각에 있어서 산출된다.
상면 검출부(114)는, 관찰상으로부터 상면(118)을 검출함과 함께, 관찰상으로부터 상면(118)이 소실될 때의 시료대(107)의 경사 각도인 상면 소실 각도를 산출한다.
계산 처리부(115)는, 경계(122)의 기울기와 상면 소실 각도에 기초하여, 시료대(107)가 수평 상태에 있을 때, 즉 시료대(107)의 경사 각도가 제로일 때의 시료(106)의 할단면(119)의 방향인 초기 시료 방향을 산출하는 연산기이다. 또한 계산 처리부(115)는, 초기 시료 방향을 사용하여, 조작자에 의해 지정되는 관찰 방향이 되는 시료대(107)의 경사 각도를 산출해도 된다.
제어부(116)는, 각 부를 제어함과 함께, 각 부에서 형성되는 데이터를 처리하거나 송신하거나 하는 연산기이고, 예를 들어 CPU(Central Processing Unit)나 MPU 등이다. 제어부(116)는, 각 부에서 생성되는 데이터를 기억하는 기억부에 접속되어도 된다. 기억부는, 각종 데이터나 프로그램이 기억되는 장치이고, 예를 들어 HDD(Hard Disk Drive)나 SSD(Solid State Drive) 등이다.
입력 표시부(117)는, 시료(106)를 관찰하기 위한 조건인 관찰 조건이 입력되거나, 화상 형성부(111)에 의해 형성되는 관찰상이 표시되거나 하는 장치이고, 예를 들어 키보드나 마우스, 터치 패널, 액정 디스플레이 등이다. 입력 표시부(117)에는, 조작자가 조작하는 화면인 조작 화면이 표시된다.
도 3을 사용하여, GUI(Graphical User Interface)로서의 조작 화면의 일례에 대하여 설명한다. 도 3에 예시되는 조작 화면은, 초기 시료 방향 산출 버튼(125), 제1 관찰 방향 지정부(126), 제2 관찰 방향 지정부(127), 주사 방향 지정부(128), 경사각 조정 버튼(129), 관찰 방향 표시부(130)를 갖는다.
초기 시료 방향 산출 버튼(125)은, 계산 처리부(115)에 초기 시료 방향을 산출시키는 버튼이다. 제1 관찰 방향 지정부(126), 제2 관찰 방향 지정부(127), 주사 방향 지정부(128)는, 조작자가 관찰하고 싶은 방향을 입력하기 위한 박스이다. 제1 관찰 방향 지정부(126)와 제2 관찰 방향 지정부(127)에는 전자선(109)의 조사 방향에 관한 각도가, 주사 방향 지정부(128)에는 전자선(109)의 주사 방향에 관한 각도가 각각 입력된다. 경사각 조정 버튼(129)은, 지정된 관찰 방향이 되도록 시료대(107)의 경사 각도를 제어부(116)에 조정시키는 버튼이다.
관찰 방향 표시부(130)는, 관찰 방향을 나타내는 극좌표이고, 횡축은 제1 관찰 방향 지정부(126)에 관한 성분, 종축은 제2 관찰 방향 지정부(127)에 관한 성분이고, 좌표 중심은 전자선(109)의 조사 방향이 관찰면에 직교하는 것에 대응한다. 관찰 방향 표시부(130)에는, 관찰 방향과 주사 방향을 나타내는 관찰 창(131)이 중첩된다. 관찰 창(131)은 직사각형이고, 관찰 창(131)의 중심의 좌표가 전자선(109)의 조사 방향에 관한 각도를 나타내고, 관찰 창(131)의 긴 변과 평행인 방향이 전자선(109)의 주사 방향을 나타낸다. 관찰 방향 표시부(130)가 표시됨으로써, 관찰 방향이 명확해진다.
도 4를 사용하여, 주사 전자 현미경에 의해 실행되는 처리의 흐름의 일례에 대하여 스텝별로 설명한다.
(S401)
계산 처리부(115)는, 초기 시료 방향을 산출한다.
도 5를 사용하여, S401의 처리의 흐름의 일례에 대하여 설명한다.
(S501)
계산 처리부(115)는, S501부터 S506까지의 처리를 지정 횟수 반복한다. 지정 횟수는, 미리 기억부에 기억된 횟수가 읽어내어져도 되고, 입력 표시부(117)를 통해 조작자에 의해 입력되어도 된다. 또한, 후술되는 바와 같이 지정 횟수는 5회 이상인 것이 바람직하다.
(S502)
제어부(116)는, 시료대(107)의 경사 각도를 설정한다. 설정되는 경사 각도는 반복 처리할 때마다 기억부로부터 읽어내어져도 되고, 기억부에 기억되는 파라미터에 기초하여 반복 처리할 때마다 산출되어도 된다. 예를 들어, 첫회의 경사 각도는 제로로 설정되고, 2회째 이후의 경사 각도는 기억부에 기억되는 경사 각도의 스텝량이 전회의 경사 각도에 순차 가산되어 설정되어도 된다. 또한, 시료대(107)는 제1 경사축(123)과 제2 경사축(124)을 가지므로, 각각에 관한 경사 각도가 설정된다. 즉, 제1 경사축(123)에 관한 경사 각도를 T, 제2 경사축(124)에 관한 경사 각도를 A라고 할 때, (T, A)의 조합이 설정된다.
(S503)
검출부(112)는, S502에서 설정된 경사 각도일 때의 관찰상을 취득한다. 취득되는 관찰상은, 2차 전자 검출기(108)로부터 송신되는 검출 신호에 기초하여, 화상 형성부(111)에 의해 형성된 화상이다.
(S504)
경계 검출부(113)는, S503에서 취득된 관찰상으로부터 경계(122)를 검출함과 함께, 전자선(109)의 주사 방향에 대한 경계(122)의 기울기를 산출한다.
도 6을 사용하여, S504의 처리의 흐름의 일례에 대하여 설명한다.
(S601)
경계 검출부(113)는, S503에서 취득된 관찰상에 대하여 에지 강조 처리를 실시하여, 에지 강조 화상을 생성한다. 에지 강조 처리에는, Sobel 필터나 Prewitt 필터 등이 사용된다. 또한 필터의 종류나 필터 사이즈는 관찰 배율이나 관찰상의 픽셀수에 따라 선택되는 것이 바람직하고, 예를 들어 3×3의 종방향의 Prewitt 필터가 선택된다.
(S602)
경계 검출부(113)는, S601에서 생성된 에지 강조 화상에 대하여 2치화 처리를 실시하여, 2치화 화상을 생성한다. 2치화 처리에 사용되는 역치는, 모드법 등에 의해 설정되어도 되고, 기억부에 미리 기억된 값이 읽어내어져도 된다.
(S603)
경계 검출부(113)는, S602에서 생성된 2치화 화상으로부터 경계(122)를 검출한다. 예를 들어, 2치화 화상에 대하여 Hough 변환이 행해지고, 투표수가 최다인 직선이 경계(122)로서 검출된다.
(S604)
경계 검출부(113)는, S603에서 검출된 경계(122)가 적절한지 여부를 판정한다. 적절하면 처리의 흐름은 종료로 되고, 적절하지 않으면 S605와 S606을 통해 S601로 처리가 복귀된다. 경계(122)의 판정에는, 예를 들어 Hough 변환의 투표수가 사용되고, 투표수가 관찰상의 픽셀수의 절반 이상이면, 검출된 경계(122)가 적절하다고 판정된다.
(S605)
제어부(116)는, 관찰 조건을 조정한다. 관찰 조건의 조정은, 입력 표시부(117)를 통해 조작자가 입력하는 파라미터에 기초하여 행해져도 되고, 제어부(116)가 자동적으로 행해도 된다.
(S606)
경계 검출부(113)는, S605에서 조정된 관찰 조건에 기초하여 형성된 관찰상을 재취득한다.
도 6을 사용하여 설명한 처리의 흐름에 의해, S502에서 설정된 경사 각도에서 취득된 관찰상으로부터 경계(122)가 검출됨과 함께, 전자선(109)의 주사 방향에 대한 경계(122)의 기울기가 산출된다. 도 5의 설명으로 돌아간다.
(S505)
상면 검출부(114)는, S503에서 취득된 관찰상에 대하여, 경계(122)에서 나뉘는 2영역을 설정함과 함께, 설정된 각 영역의 휘도 평균값을 산출한다.
도 7a를 사용하여, 경계(122)에서 나뉘는 2영역의 설정에 대하여 설명한다. 도 7a에는, 상면(118)과 할단면(119)이 포함되는 관찰상이 나타난다. 또한 도 7a의 관찰상에는, 시료대(107)의 영역인 시료대 영역(158)과, 경계 검출부(113)에 의해 검출된 경계(122)도 포함된다. 도 2b에 예시된 바와 같이 시료대(107)에 보유 지지된 시료(106)에서는, 전자선(109)의 조사 방향에 대하여 할단면(119)이 대략 수직인 것에 비해 상면(118)은 대략 평행이기 때문에, 에지 효과에 의해 상면(118)은 할단면(119)보다도 높은 휘도값으로 된다.
상면 검출부(114)는 도 7a에 예시되는 관찰상에 대하여, 경계(122)에서 나뉘는 2영역인 비할단면 영역(159)과 할단면 영역(160)을 설정한다. 비할단면 영역(159)은, 경계(122)부터 상측으로 소정의 거리, 예를 들어 10픽셀 이격되어 설정되는 점선과 경계(122)사이에 끼워지는 영역이며, 할단면(119)을 포함하지 않는 영역이다. 할단면 영역(160)은, 경계(122)로부터 하측으로 소정의 거리, 예를 들어 10픽셀 이격되어 설정되는 점선과 경계(122)사이에 끼워지는 영역이며, 할단면(119)을 포함하는 영역이다. 상면 검출부(114)는, 설정된 2영역, 즉 비할단면 영역(159)과 할단면 영역(160)의 각 영역의 휘도 평균값을 산출한다.
(S506)
S501부터 S506까지의 처리가 지정 횟수 반복됨으로써, 경계 검출부(113)는, 시료대(107)의 경사 각도, 즉 (T, A)의 조합마다 취득되는 관찰상의 각각으로부터 경계(122)를 검출하여, 주사 방향에 대한 경계(122)의 기울기를 산출한다.
또한 상면 검출부(114)는, 시료대(107)의 경사 각도마다의 관찰상에 대하여, 경계(122)에서 나뉘는 2영역인 비할단면 영역(159)과 할단면 영역(160)의 휘도 평균값을 산출한다. 즉, 비할단면 영역(159)과 할단면 영역(160)의 휘도 평균값이 시료대(107)의 경사 각도마다 산출된다.
(S507)
상면 검출부(114)는, 관찰상으로부터 상면(118)이 소실될 때의 시료대(107)의 경사 각도인 상면 소실 각도를 산출한다. 상면 소실 각도의 산출에는, S501부터 S506까지의 처리가 반복되는 동안에, S505에서 산출된 시료대(107)의 경사 각도마다의 비할단면 영역(159)과 할단면 영역(160)의 휘도 평균값이 사용된다.
도 7a, 도 7b, 도 8을 사용하여, 상면 소실 각도의 산출에 대하여 설명한다. 도 7a에는 상면(118)과 할단면(119), 시료대 영역(158)이 포함되는 관찰상이, 도 7b에는 상면(118)이 포함되지 않는 관찰상이 나타난다. 또한 도 8에는 시료대(107)의 경사 각도에 대한 비할단면 영역(159)과 할단면 영역(160)의 휘도 평균값의 그래프(162)가 나타난다.
할단면 영역(160)의 휘도값은 경사 각도에 따르지 않고 대략 일정한 것에 비해, 비할단면 영역(159)의 휘도값은, 경사 각도의 변화에 수반하여 관찰상에 포함되는 상면(118)의 면적이 작아짐에 따라 저하되고, 상면(118)이 포함되지 않는 관찰상에 있어서 최솟값으로 된다. 그래서 도 8에 예시되는 그래프(162)의 비할단면 영역(159)의 휘도 평균값을 다음 식에 나타내는 시그모이드 곡선으로 피팅함으로써 상면 소실 각도를 산출한다.
Figure pct00001
여기서, E는 평균 휘도값, T는 경사 각도이다. 또한 a, b, c, d는 피팅 파라미터이고, 비선형의 최소 제곱법 등을 사용함으로써 구해진다.
구해진 피팅 파라미터 a, b, c, d를 사용함으로써, 상면 소실 각도 θc는, 예를 들어 다음 식에 의해 산출된다.
Figure pct00002
여기서 α는 상면 소실 각도를 구하기 위한 역치이고, d와 E의 차분의 a에 대한 비율이 α 이하로 될 때, 즉 (d-E)/a≤α로 될 때, 상면(118)이 관찰상으로부터 소실되었다고 간주된다. α는 예를 들어 0.01로 설정된다.
또한, 2차 전자 검출기(108)의 종류 등에 따라, 상면(118)과 할단면(119)의 휘도값의 고저가 교체되는 경우는, (2)식 대신에 다음 식이 사용되어도 된다.
Figure pct00003
(S508)
계산 처리부(115)는, 시료대(107)의 경사 각도와, 경사 각도마다 산출된 경계(122)의 주사 방향에 대한 기울기와, 상면 소실 각도에 기초하여, 시료대(107)의 경사 각도가 제로일 때의 할단면(119)의 방향인 초기 시료 방향을 산출한다. 초기 시료 방향의 산출에 대하여, 초기 시료 방향에 관한 원리 등과 함께, 이하에 설명한다.
[시료 방향]
시료(106)를 직육면체라고 가정하고, 직육면체의 면 중에서 서로 직교하는 이면을 선택하면, 각 면의 법선 방향 벡터를 지정함으로써, 시료 방향을 일의적으로 결정할 수 있다. 그러나, 대부분의 경우, 할단면(119)은 상면(118)에 대하여 수직이 아니므로, 여기서는 상면(118)과 측면(121)의 법선 방향 벡터에 주목한다.
[평행 투영]
SEM 등의 하전 입자선 현미경에서는 고배율로 시료를 관찰하는 경우가 많고, 워킹 디스턴스에 대하여 시료의 주사 범위가 작기 때문에, 기본적으로 관찰상은 시료를 평행 투영한 것으로 해도 된다. 즉, 평행한 직선군은 관찰상에 있어서 평행하게 투영된다.
[방향 벡터의 회전]
삼차원의 직교 좌표계에 있어서, 좌표 내의 임의의 위치에 배치되는 벡터 V를, 임의의 회전축, 예를 들어 원점을 통과하여 방향 벡터가 n인 회전축을 중심으로 θ회전시키는 조작은, 로드리게스의 회전 공식에 의하면 회전 행렬 Rn(θ)으로서 표현된다. 벡터 V의 시점을 나타내는 위치 벡터를 V1, 종점을 나타내는 위치 벡터를 V2라고 할 때, 회전 후의 시점은 Rn(θ)V1, 종점은 Rn(θ)V2로 되므로, 벡터 V의 회전 후의 방향 벡터는, Rn(θ)V2-Rn(θ)V1=Rn(θ)(V2-V1)로 된다. 또한, V2-V1은 회전 전의 벡터 V의 방향 벡터이고, 회전 후의 방향 벡터는 벡터 V의 위치에 따르지 않는다.
[관찰 방향 및 좌표계]
시료 방향이 동일한 상태였다고 해도, 전자선(109)의 조사 방향, 주사 방향에 따라 관찰 방향이 다르기 때문에, 시료가 보이는 쪽도 변화된다. 특히, 경계(122)의 기울기의 값은 관찰 방향의 영향이 크다. 그래서, 기준이 되는 월드 좌표계와 관찰상에 있어서의 뷰 좌표계를, 오른손 직교 좌표계에 의해 설정한다. 또한, 월드 좌표계의 x축과 y축은, 시료대(107)의 제1 경사축(123)과 제2 경사축(124)과 평행이 되도록 설정되고, z축은 제1 경사축(123) 및 제2 경사축(124)에 직교하도록 설정된다. 시료대(107)의 경사축이 직교하고 있지 않은 경우, 한쪽의 경사축은 x축에, 다른 쪽의 경사축은 xy 평면과 평행이 되도록 설정된다. 또한, 뷰 좌표계는, 관찰상의 횡방향이 X축, 종방향이 Y축으로서 설정된다. 즉, 주사 방향이 X축, 전자선(109)의 조사 방향이 Z축이 된다. 따라서, 관찰 방향은 xyz로부터 XYZ로 변환되는 회전 행렬로서 표현된다. 이 회전 행렬 Rxyz는 Rx(θx), Ry(θy), Rz(θz)를 곱합으로써 표현된다. 단, 곱하는 순서는 통일된다.
[시료대의 경사에 의한 방향 벡터의 회전 행렬]
월드 좌표계에 있어서, 시료대(107)의 경사에 의해 방향 벡터를 회전시키는 회전 행렬 RTA(T, A)는 로드리게스의 공식에 의해 구해진다. 또한 T는 시료대(107)의 제1 경사축(123)의 경사 각도이고, A는 제2 경사축(124)의 경사 각도이다. 회전 행렬의 요소는 시료대(107)의 경사 기구에 따라 다르다. 또한 경사 순서에 따라 시료대(107)의 경사 상태가 다른 경우는, 관찰 중의 경사 순서를 통일시킨다.
[법선 방향 벡터의 회전]
상면(118)과 측면(121)의 법선 방향 벡터를 시료대(107)의 경사 각도로서 표현하는 데 있어서, (T, A)=(0, 0)일 때의 월드 좌표계에서의 측면(121)의 법선 방향 벡터를 N1, 상면(118)의 법선 방향 벡터를 N2라고 한다. 또한 2개의 법선 방향 벡터 N1, N2를 초기 시료 방향으로서 정의한다.
회전 후의 방향 벡터는 회전 전의 벡터의 위치에 따르지 않고 회전 행렬의 곱만으로 구해진다. 즉, 시료대(107)의 경사 각도가 (T, A)일 때, 뷰 좌표계에 있어서의 측면(121)의 법선 방향 벡터는 N1'=RxyzRTAN1이 되고, 상면(118)의 법선 방향 벡터는 N2'=RxyzRTAN2가 된다.
[초기 시료 방향 산출 방법]
초기 시료 방향의 산출은 N1, N2를 구하는 것이다. 먼저, N1의 산출 방법을 설명한다. N1을 측면(121)의 법선 벡터, 즉, 할단면(119)과 상면(118)의 경계(122)에 평행한 단위 벡터라고 가정한다. N1을 구하기 위해서는, 관찰 방향을 동시에 구할 필요가 있으므로, N1을 나타내는 2변수와 함께 관찰 방향을 나타내는 3변수를 구하게 된다. N1'은 관찰상에 포함되는 경계(122)와 평행이므로, (N1'의 Y성분)/(N1'의 X성분)이 경계(122)의 기울기가 된다. 경계(122)의 기울기에는, N1의 2변수와 관찰 방향의 3변수에 관한 정보가 포함된다. 그래서, S501부터 S506의 처리가 5회 이상 반복되고, 다른 5점 이상의 (T, A)의 각각에 대하여, 경계(122)의 기울기가 산출되면, N1을 나타내는 2변수와 관찰 방향을 나타내는 3변수의 5변수가 구해진다. 즉, S501의 지정 횟수는 5회 이상인 것이 바람직하다. 또한, 5변수를 해석값으로서 구하는 것이 곤란한 경우는, 비선형의 최소 제곱법 등을 사용한 피팅에 의해 5변수가 구해져도 된다.
이어서, N2의 산출 방법을 설명한다. N2는 상면(118)의 법선 방향 벡터이므로, 상면 소실 각도에 시료대(107)가 설정되었을 때의 관찰상에 있어서, N2'의 Z 성분이 0으로 된다. 또한, N1'과 N2'이 직교하는 속박 조건과, N1과 함께 구해지는 관찰 방향에 관한 3변수를 사용함으로써, N2'은 구해진다. N2'을 구할 때는, 나머지의 일변수를 구하는 형태로 되기 때문에, 뉴턴법 등을 사용하여 산출해도 된다. 이상에 의해, 초기 시료 방향이 산출된다. 도 5의 설명으로 돌아간다.
(S509)
계산 처리부(115)는, S508에서 산출된 초기 시료 방향에 기초하여, 이상 단면(120)이 전자선(109)의 조사 방향과 직교할 때, 즉 시료(106)의 법선 벡터가 N1=(0, 0, 1), N2=(0, 1, 0)이 될 때의 시료대(107)의 경사 각도를 산출한다. 경사 각도의 산출에는, N1'=RxyzRTAN1과 N2'=RxyzRTAN2가 사용된다. 또한 뉴턴법 등이 사용되어도 된다. 시료대(107)는, 산출된 경사 각도로 설정된다.
(S510)
경계 검출부(113)는, S509에서 설정된 경사 각도에 있어서의 관찰상을 취득하고, 취득된 관찰상으로부터 경계(122)를 검출함과 함께, 주사 방향에 대한 경계(122)의 기울기를 산출한다.
(S511)
제어부(116)는, S510에서 산출된 경계(122)의 기울기가 계산값과 일치하는지 여부를 판정한다. 일치하면 도 5의 처리의 흐름은 종료가 되고, 일치하지 않으면 S501로 처리가 복귀되어, 초기 시료 방향의 산출을 다시 한다. 일치하는지 여부는, S510에서 산출된 기울기와 계산값의 차이의 절댓값이 미리 정해진 역치 이하인지 여부에 따라 판정된다. 이러한 판정에 의해, 초기 시료 방향의 산출 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 5를 사용하여 설명한 처리의 흐름에 의해, 초기 시료 방향이 산출된다. 또한, S509 내지 S511의 처리는 필수는 아니고, S508에서 초기 시료 방향이 산출됨으로써 종료로 되어도 된다. 도 4의 설명으로 돌아간다.
(S402)
제어부(116)는, S401에서 산출된 초기 시료 방향에 기초하여, 조작 화면을 갱신한다. 구체적으로는, 시료대(107)가 경사 가능한 각도 범위와 초기 시료 방향에 기초하여, 관찰 방향 표시부(130)의 극좌표의 표시 범위가 갱신된다.
(S403)
제어부(116)는, S402에서 갱신된 조작 화면을 통해, 관찰 방향을 취득한다. 즉, 조작자가 조작 화면의 제1 관찰 방향 지정부(126), 제2 관찰 방향 지정부(127), 주사 방향 지정부(128)의 각각에 입력하는 값이 취득된다. 제어부(116)는, 취득한 관찰 방향에 기초하여, 관찰 창(131)의 극좌표에서의 위치와 기울기를 갱신한다. 또한 입력된 값이 극좌표의 표시 범위 외인 경우는, 제1 관찰 방향 지정부(126) 등에 에러가 표시된다.
(S404)
제어부(116)는, 경사각 조정 버튼(129)의 누름을 트리거로 하여, S403에서 취득된 관찰 방향에 기초하여, 시료대(107)의 경사 각도와 주사 방향을 설정한다.
(S405)
제어부(116)는, S404에서 설정된 경사 각도와 주사 방향에 기초하여, 시료대(107)에 보유 지지되는 시료(106)를 향해 전자선(109)을 조사시킴으로써 관찰상을 취득한다. 전자선(109)의 조사에 관한 조건은, 조작자가 입력 표시부(117)를 사용하여 설정해도 되고, 기억부에 미리 기억된 조건이 읽어내어져도 된다.
이상 설명한 처리의 흐름에 의해, 시료대(107)의 경사 각도가 제로일 때의 할단면(119)의 방향인 초기 시료 방향이 산출된다. 초기 시료 방향은, 관찰면의 면적을 사용하지 않고 산출되므로, 관찰면은 시야보다도 커도 된다. 또한 산출된 초기 시료 방향과, 조작자가 설정한 관찰 방향에 기초하여 설정된 시료대(107)의 경사 각도에 있어서, 관찰상이 취득된다. 즉 관찰면이 시야보다도 큰 경우라도 시료대의 경사 각도를 적절하게 설정 가능한 하전 입자선 장치 및 그것을 사용하는 시료 관찰 방법을 제공할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예에 대하여 설명했다. 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 구성 요소를 변형하여 구체화할 수 있다. 또한, 상기 실시예에 개시되어 있는 복수의 구성 요소를 적절히 조합해도 된다. 또한, 상기 실시예에 나타나는 전체 구성 요소로부터 몇 가지의 구성 요소를 삭제해도 된다.
101: 전자총
102: 집속 렌즈
103: 조리개
104: 편향 코일
105: 대물 렌즈
106: 시료
107: 시료대
108: 2차 전자 검출기
109: 전자선
110: 2차 전자
111: 화상 형성부
112: 검출부
113: 경계 검출부
114: 상면 검출부
115: 계산 처리부
116: 제어부
117: 입력 표시부
118: 상면
119: 할단면
120: 이상 단면
121: 측면
122: 경계
123: 제1 경사축
124: 제2 경사축
125: 초기 시료 방향 산출 버튼
126: 제1 관찰 방향 지정부
127: 제2 관찰 방향 지정부
128: 주사 방향 지정부
129: 경사각 조정 버튼
130: 관찰 방향 표시부
131: 관찰 창
150: 반도체 패턴
158: 시료대 영역
159: 비할단면 영역
160: 할단면 영역
162: 그래프

Claims (6)

  1. 하전 입자선을 시료에 조사함으로써 상기 시료의 관찰상을 취득하는 하전 입자선 장치이며,
    교차하는 2개의 경사축의 각각을 중심으로 하여 경사짐과 함께 상기 시료를 보유 지지하는 시료대와,
    상기 시료대의 경사 각도를 바꾸면서 취득되는 관찰상의 각각으로부터, 상기 시료의 상면과 할단면의 경계를 검출하여, 상기 하전 입자선의 주사 방향에 대한 상기 경계의 기울기를 구하는 경계 검출부와,
    경사 각도마다의 관찰상으로부터 상기 상면을 검출하여, 관찰상으로부터 상기 상면이 소실될 때의 상기 시료대의 경사 각도인 상면 소실 각도를 산출하는 상면 검출부와,
    경사 각도마다의 상기 경계의 기울기와 상기 상면 소실 각도에 기초하여, 상기 경사 각도가 제로일 때의 상기 할단면의 방향인 초기 시료 방향을 산출하는 계산 처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 상면 검출부는, 경사 각도마다의 관찰상에 대하여 상기 경계에서 나뉘는 2개의 영역을 설정하고, 한쪽의 영역의 휘도 평균값을 사용하여 상기 상면 소실 각도를 산출하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 상면 검출부는, 상기 경사 각도에 대한 상기 휘도 평균값의 변화를 시그모이드 곡선으로 피팅함으로써 상기 상면 소실 각도를 산출하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 경계 검출부는, 적어도 5개의 다른 경사 각도에 대하여, 상기 경계의 기울기를 산출하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 하전 입자선의 조사 방향과 주사 방향에 관한 각도를 나타내는 관찰 창을, 상기 하전 입자선의 조사 방향에 관한 각도인 좌표축을 갖는 극좌표에 표시하는 입력 표시부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  6. 하전 입자선을 시료에 조사함으로써 상기 시료의 관찰상을 취득하는 하전 입자선 장치를 사용하는 시료 관찰 방법이며,
    교차하는 2개의 경사축의 각각을 중심으로 하여 경사짐과 함께 상기 시료를 보유 지지하는 시료대의 경사 각도를 바꾸면서 취득되는 관찰상의 각각으로부터, 상기 시료의 상면과 할단면의 경계를 검출하여, 상기 경계의 상기 하전 입자선의 주사 방향에 대한 기울기를 구하는 경계 검출 스텝과,
    경사 각도마다의 관찰상으로부터 상기 상면을 검출하여, 관찰상으로부터 상기 상면이 소실될 때의 상기 시료대의 경사 각도인 상면 소실 각도를 산출하는 상면 검출 스텝과,
    경사 각도마다의 상기 경계의 기울기와 상기 상면 소실 각도에 기초하여, 상기 경사 각도가 제로일 때의 상기 할단면의 방향인 초기 시료 방향을 산출하는 계산 처리 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 시료 관찰 방법.
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