WO2010035416A1 - 荷電粒子ビーム装置 - Google Patents

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WO2010035416A1
WO2010035416A1 PCT/JP2009/004506 JP2009004506W WO2010035416A1 WO 2010035416 A1 WO2010035416 A1 WO 2010035416A1 JP 2009004506 W JP2009004506 W JP 2009004506W WO 2010035416 A1 WO2010035416 A1 WO 2010035416A1
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WO
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charged particle
particle beam
sample
astigmatism
optical system
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PCT/JP2009/004506
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福田宗行
山梨弘将
早田康成
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株式会社日立ハイテクノロジーズ
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Publication date
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    • H01J37/153—Electron-optical or ion-optical arrangements for the correction of image defects, e.g. stigmators
    • H—ELECTRICITY
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    • H01J2237/22—Treatment of data
    • H01J2237/221—Image processing

Definitions

  • the present invention relates to a charged particle beam apparatus that measures the shape and dimensions of a fine pattern on the surface of a sample (semiconductor wafer, reticle, etc.) using a charged particle beam.
  • the charged particle beam apparatus irradiates a sample with a primary charged particle beam and detects secondary charged particles generated thereby. Then, the detected secondary charged particles are imaged and displayed on the display device.
  • the primary charged particle beam is an electron beam
  • it is a scanning electron microscope (hereinafter, abbreviated as SEM).
  • SEM scanning electron microscope
  • electrons emitted from a heating type or field emission type electron source are accelerated. Thereafter, an electron beam is formed by narrowing the beam diameter of the electron beam with a lens.
  • CD-SEM Cross-Dimension Scanning Electron Microscope
  • a mechanism is provided that accelerates after electrons are generated from the electron source and applies a decelerating electric field (application of a retarding voltage) before the electrons enter the sample. This makes it possible to achieve both high resolution of the acquired image and low acceleration of the landing energy.
  • Patent Document 1 discloses a technique for measuring an astigmatism difference from a distance between two points at which the contrast of a differential image in a direct orientation at different focus positions is maximized by image processing.
  • Patent Document 2 discloses a technique for finding a point where the amount of movement during defocusing is minimized by applying astigmatism correction to an azimuth perpendicular to an axial beam.
  • Patent Document 1 in order to measure the astigmatic difference, it is necessary to acquire and compare several tens of images. Therefore, a scanning electron microscope that observes at several pA to several tens of pA requires 3 to 10 seconds for processing. On the other hand, in Patent Document 2, since the astigmatism sensitivity of the movement amount at the time of defocusing is small, there is a case where accuracy is insufficient as compared with the correction method of Patent Document 1.
  • An object of the present invention is to provide a charged particle beam apparatus capable of reducing the astigmatism measurement sensitivity and reducing the measurement time.
  • electrons are irradiated with a tilted beam tilted from the normal line on the sample in order to measure the movement amount and the direction by comparing the observation images obtained with the two-direction irradiation beams.
  • a storage unit that registers and holds the optical system setting, and a processing unit that compares the observation image obtained with the tilted beam to measure the movement amount and direction, and calculates the astigmatism correction amount from the movement amount and direction.
  • the charged particle beam apparatus characterized by this is constructed.
  • the probe shape of the charged particle beam becomes an astigmatic shape when the in-focus position differs for each azimuth angle.
  • the difference in in-focus position between two orthogonal directions is an astigmatism difference.
  • visual field movement occurs when the electron beam is tilted with respect to the in-focus position in the direction in which the astigmatism is to be measured.
  • the amount of visual field movement is proportional to the astigmatic difference. In order to suppress the astigmatism, it is necessary to measure and control the direction and amount generated.
  • the prediction width of the sample potential (retarding voltage) at the time of in-focus detection can be narrowed by improving the prediction accuracy of the surface potential distribution.
  • the width of the retarding voltage in a wafer that does not have a rotationally symmetric potential distribution, it is possible to effectively reduce the width of the retarding voltage.
  • the autofocus operation time can be reduced to 1/10 or less.
  • by using a plurality of astigmatism correctors it is possible to individually measure and correct astigmatism caused by the apparatus and astigmatism caused by the sample, which is effective in improving correction accuracy.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a scanning electron microscope system according to a first embodiment. It is a figure which shows the flowchart of a scanning electron microscope system concerning a 1st Example. It is a figure explaining the image movement amount produced by parallax with an electron beam inclined at azimuth angles of 0 degrees and 45 degrees. It is a figure explaining the image movement amount produced by the parallax with azimuth angles of 0 degrees, 45 degrees, and 90 degrees. It is a schematic block diagram of the scanning electron microscope system concerning a 2nd Example. It is a figure which shows the flowchart of a scanning electron microscope system concerning a 2nd Example.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a method for enhancing astigmatism of an electron beam by a parallax method.
  • 1 is a non-tilted beam, that is, an electron beam in the normal direction of the XY plane
  • 2 and 3 are tilted beams, that is, electron beams having a non-zero gradient with respect to the normal direction.
  • the probe shape of the tilted electron beam that is, the tilted beams 2 and 3 becomes an astigmatic shape when the in-focus position differs for each azimuth angle.
  • the difference between the in-focus positions between two orthogonal directions that is, the azimuth angle of 0 degrees and the azimuth angle of 90 degrees is an astigmatism difference.
  • the astigmatic difference (nm) is represented by
  • the positive focus range (nm) is
  • the beam inclination angles in the respective directions are ⁇ X and ⁇ Y
  • the astigmatic difference (nm) is
  • and the positive focus range (nm) are
  • Astigmatism difference (nm) is expressed as
  • ⁇ Y ) / TAN ( ⁇ Y ) is expressed as
  • the astigmatism difference between two azimuth angles between 0 °, 90 °, 45 °, and 135 ° is measured from the reference azimuth in the sample plane, and the astigmatism and amount are calculated.
  • An astigmatism correction amount that is a control amount of the astigmatism corrector is calculated. Specific examples of this calculation will be described in detail in the description of the following examples.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the charged particle beam apparatus according to the first embodiment, that is, a scanning electron microscope system.
  • the scanning electron microscope system of this embodiment includes a charged particle beam optical system 10, a control system 20, a transport system 30, and a sample chamber 40.
  • the charged particle beam optical system 10 includes a charged particle source 101 that emits a primary charged particle beam 100, an extraction electrode 102, a condenser lens 103, an alignment coil 104, a deflection coil 105, an objective lens 106, and secondary charging. It has a secondary charged particle detector 107 for detecting particles, a height detecting laser emitter 108, a position sensor 109, and an astigmatism corrector 110.
  • the control system 20 includes an overall control unit 201, a user interface unit 202, a charged particle beam optical system control device 203, a stage control device 204, an acceleration voltage control device 205, a condenser lens control unit 206, an amplifier 207, , An alignment control unit 208, a deflection signal control unit 209, an objective lens control unit 210, a secondary charged particle image display device 211, a retarding control unit 212, and an astigmatism corrector control unit 213.
  • the overall control unit 201 includes a central processing unit (CPU) 201a that is a processing unit and a memory 201b that is a storage unit.
  • the charged particle beam optical system control device 211 includes a processing unit and a storage unit (not shown). The processing unit executes various controls, image processing, computations, and the like described below. Measurement data and calculation result data are stored.
  • the charged particle beam 11 is accelerated to a value suitable for sample observation and analysis.
  • the charged particle beam optical system controller 203 instructs the condenser lens control unit 206 to set values for controlling the amount of current of the charged particle beam 11 and the opening angle of focusing.
  • the axis deviation correction value of the charged particle beam 100 is sent from the charged particle beam optical system control device 203 to the alignment control unit 208.
  • the charged particle beam optical system controller 203 sends a value at which the charged particle beam 100 becomes a focal point on the sample to the objective lens controller 210.
  • the deflection signal control unit 209 deflects the charged particle beam 100 by the deflector 105 and creates an observation image on the secondary charged particle image display device 211 in synchronization with the signal from the amplifier 207. In-focus determination is performed by comparing observation images for each setting change of the objective lens control unit 210 or the retarding control unit 212 by image processing or operator observation.
  • the transfer system 30 includes a wafer cassette 301 that holds a semiconductor wafer 300 as a sample, a transfer arm 302, a wafer transfer device 303, an aligner 307, a probe 304, a sample exchange chamber 305, gate valves 306a and 306b, Have
  • the sample chamber 40 has a sample stage 401 that moves the semiconductor wafer 300 in a direction perpendicular to the incident direction of the charged particle beam 100.
  • the overall control unit 201 controls charged particle beam optical systems according to inspection recipe information (acceleration voltage of the charged particles 100, information on the semiconductor wafer 300, position information of measurement points, etc.) input by the operator via the user interface unit 202.
  • inspection recipe information acceleration voltage of the charged particles 100, information on the semiconductor wafer 300, position information of measurement points, etc.
  • the entire system is controlled via the apparatus 203, the stage control apparatus 204, and the wafer transfer apparatus 303.
  • the wafer transfer apparatus 303 that has received a command from the overall control unit 201 operates the transfer arm 302 to take out the semiconductor wafer 300 from the wafer cassette 301. Then, the gate valve 306 a that separates the sample exchange chamber 305 held in vacuum from the outside at atmospheric pressure is opened, and the semiconductor wafer 300 is carried into the sample exchange chamber 305. The semiconductor wafer 300 that has entered the sample exchange chamber 305 is transferred to the sample chamber 110 via the gate valve 306 b and fixed on the sample stage 401.
  • the charged particle optical system control device 203 is in accordance with an instruction from the overall control unit 201, and includes an acceleration voltage control device 205, a condenser lens control unit 206, an amplifier 207, an alignment control unit 208, a deflection signal control unit 209, an objective lens control unit 210, The retarding control unit 212 is controlled.
  • the charged particle beam 100 extracted from the charged particle source 101 by the extraction electrode 102 is focused by the condenser lens 103 and the objective lens 106 and irradiated onto the semiconductor wafer 300 on the sample stage 401.
  • the primary charged particle beam 11 drawn out from the charged particle source 101 is adjusted in its trajectory by the alignment coil 104, and two-dimensionally on the semiconductor wafer 300 by the deflection coil 105 that receives the signal from the deflection signal control unit 209. Scanned.
  • a retarding voltage (a negative voltage in the case of an electron microscope) for decelerating the primary charged particle beam 100 is applied to the semiconductor wafer 300 on the sample stage 401 from the retarding control unit 212. Due to irradiation of the primary charged particle beam 100 to the semiconductor wafer 300, secondary charged particles are emitted from the semiconductor wafer 300. The secondary charged particles are detected by the secondary charged particle detector 107 and used as a luminance signal of the secondary charged particle image display device 211 via the amplifier 207. The scanning signal of the secondary charged particle image display device 211 and the deflection signal of the deflection coil 105 are synchronized. Therefore, the circuit pattern shape formed on the semiconductor wafer 300 is faithfully reproduced on the secondary charged particle image display device 211.
  • the secondary charged particles are charged particles that are secondarily emitted from the semiconductor wafer 300 upon irradiation with the charged particle beam 100, and are generally secondary electrons, Auger electrons, reflected electrons, secondary ions. Refers to what is called.
  • the height of the semiconductor wafer 300 when the sample stage 401 moves to a desired measurement point is detected, and the height is measured. Accordingly, so-called focusing adjustment is necessary in which the focal length of the objective lens 106 is adjusted. For this reason, a wafer height detection mechanism using laser light is provided.
  • the sample stage position is detected by the sample stage position detector, and when the sample stage 401 approaches the vicinity of the desired position, the height detection laser emitter 108 irradiates the semiconductor wafer 300 on the sample stage 401 with laser light. .
  • the reflected light is received by the position sensor 109, and the height of the semiconductor wafer 300 is detected from the light receiving position.
  • This height information of the semiconductor wafer 13 is fed back to the focal length of the objective lens 106. That is, the objective lens control unit 210 adjusts the focal length of the objective lens 106 based on the height information of the semiconductor wafer 13 detected by the position sensor 109. As a result, when the sample stage 401 reaches a predetermined position, the charged particle beam 100 is focused on the semiconductor wafer 300. Therefore, the circuit pattern of the semiconductor wafer 300 can be automatically detected without any operation by the operator.
  • the objective lens 106 is an electromagnetic lens, and the focal length is determined by the excitation current.
  • the exciting current necessary for focusing the charged particle beam 100 on the semiconductor wafer 300 is expressed as a function of the acceleration voltage of the charged particle beam 100, the surface potential of the semiconductor wafer 300, and the height of the semiconductor wafer 300. This function can be derived by optical simulation or actual measurement.
  • the excitation current necessary for focusing the charged particle beam 100 on the semiconductor wafer 300 is a function of the acceleration voltage of the primary charged particle beam 11 and the height of the semiconductor wafer 300. Therefore, if the acceleration voltage of the primary charged particle beam 100 is constant, the height information at the measurement point of the semiconductor wafer 300 detected by the position sensor 109 is fed back to the focal length of the objective lens 106, and the primary charge at this measurement point.
  • the particle beam 100 can be focused.
  • the astigmatism correction amount of the charged particle beam 100 and the surface potential of the semiconductor wafer 300 change according to the position of the measurement point.
  • the astigmatism correction amount and the excitation current necessary for focusing the charged particle beam 100 on the semiconductor wafer 300 are the acceleration voltage of the charged particle beam 100, the surface potential of the semiconductor wafer, and the height of the semiconductor wafer 300. It cannot be obtained with a function alone. Therefore, even if the acceleration voltage of the charged particle beam 100 is constant, not only the height information at the measurement point of the semiconductor wafer 300 detected by the position sensor 109 but also the astigmatism correction amount at this measurement point is transferred to the astigmatism corrector 110.
  • the charged particle beam 100 cannot be focused at this measurement point.
  • the height information of the measurement point can be measured in real time immediately before the start of measurement using the height detection laser emitter 108 and the position sensor 109 as described above.
  • the semiconductor wafer 300 is placed in the sample exchange chamber 305 in the scanning charged particle microscope system (S304), and is transferred to the sample chamber 40 via the gate valve 306b.
  • the semiconductor wafer 300 is fixed to the sample stage 401 (S309) and aligned with a sample stage position detector (not shown).
  • the sample stage position is detected by the sample stage position detector, and the sample stage is moved to the vicinity of the desired position (S310).
  • the deflection signal control unit 209 deflects the charged particle beam 100 by the deflector 105 and creates an observation image on the secondary charged particle image display device 211 in synchronization with the signal from the amplifier 207.
  • the observation image moving amount due to the change of the objective lens control unit 210 or the retarding control unit 212 is compared by image processing or operator observation to determine the minimum setting.
  • In-focus determination is performed by comparing observation images for each setting change of the objective lens control unit 210 or the retarding control unit 212 by image processing or operator observation.
  • the convergence point of the astigmatic difference is determined by comparing the observation images for each setting change of the astigmatism corrector control unit 213 by image processing or operator observation.
  • Another method relating to the determination of the convergence point of the astigmatic difference is to compare the observation images for each setting change of the objective lens control unit 210 or the retarding control unit 212 by image processing.
  • the adjustment of the beam axis of the primary charged particle beam 100 is completed by the alignment determination, the in-focus determination, and the determination of the convergence point of the astigmatic difference (S311).
  • the primary charged particle beam 100 is tilted to irradiate the semiconductor wafer 300 obliquely at a specified tilt angle and a specified azimuth angle.
  • the deflection coil 105 and the deflection signal control unit 209 or the alignment coil 104 and the alignment control unit 208 can be easily controlled by separately adding them for the tilt trajectory. Every time the setting of the deflection signal control unit 209 is changed, the tilt trajectory is determined by comparing the amount of observation image movement before and after setting the tilt trajectory by image processing or operator observation.
  • the charged particle beam optical system control device 203 stores the set values of the deflection signal control unit 209 and the alignment control unit 208, the tilt angle, the azimuth angle, and the observation image movement amount in the charged particle beam optical system control device 203. Is registered as a tilt trajectory in the storage area (S312).
  • the tilt trajectory to be registered inclines the beam irradiation angle with respect to the semiconductor wafer 300 in the range of 0.1 to 10 degrees.
  • a plurality of tilt trajectories are registered by changing the azimuth angle of the tilt as necessary.
  • the adjustment of the beam axis and the registration of the tilt trajectory are performed by selecting items as necessary every time the semiconductor wafer 300 is loaded into the sample chamber 110. For example, if the semiconductor wafer 300 is exchanged within a lot, the adjustment of the beam axis and the registration of the tilt trajectory may be omitted.
  • the sample stage position is detected by a sample stage position detector (not shown), and the sample stage is moved near the position of the measurement point (S313).
  • the height of the semiconductor wafer 300 is detected by the position sensor 109 (S314), and the in-focus position of the objective lens 106 is adjusted to the height (S315).
  • the retarding control unit 212 controls the landing energy of the primary charged particle beam 100 by interlocking with the surface potential of the measurement point (S316).
  • the surface potential correction flow disclosed in International Publication WO2003 / 007330 is shown below.
  • the surface potential is measured in parallel with the wafer transfer (S300-S304) (S305, S306). At present, measurements are made at equal intervals on a straight line passing through the center of the wafer (S306).
  • a function that approximates a one-dimensional distribution of the surface potential is obtained by fitting an even function to the measurement result of the surface potential using the least square method (S307).
  • the function is developed into a function representing a two-dimensional distribution.
  • the stage is moved to an alignment pattern provided in the vicinity of the measurement point.
  • the wafer potential is predicted based on the approximate function obtained in 2) (S308), and the retarding voltage is calculated.
  • the optimum value of the retarding voltage is obtained by checking the focus while changing the retarding voltage above and below the voltage obtained in 4) (S316). Move the stage to the measurement point and perform the measurement.
  • steps 1) and 2) are performed only once for each wafer and are performed in parallel with the transfer, so that the influence on the processing time per wafer is small.
  • steps 3) to 6) are repeated for each measurement point, the influence on the processing time per wafer is large.
  • step 5 the focus is confirmed while the retarding voltage is changed within a predetermined swing width at a constant voltage interval, and the optimum retarding voltage is searched.
  • the time until the optimum value is determined depends on the swing width, voltage interval, signal acquisition time, and the like. For wafers whose charge distribution is not rotationally symmetric, it is possible to cope with this by improving the processes 1) and 2).
  • the processing unit of the charged particle beam optical system control device 203 reads the value of the tilt trajectory registration (S312) to the deflection signal control unit 209 and the alignment control unit 208, and performs image processing on the observation image movement amount before and after setting the tilt trajectory.
  • Measure with The tilt trajectory measures the amount of observation image movement by changing the tilt azimuth as necessary.
  • the observation image movement amount between the azimuth angles of 0 °, 90 °, 45 °, and 135 ° is measured, and the astigmatism difference and the in-focus position are obtained from the observation image movement amount / tilt angle.
  • the processing unit of the charged particle beam optical system control device 203 sets the astigmatism correction amount obtained by applying the astigmatism to the astigmatism difference in the astigmatism controller control unit 213.
  • the objective lens correction amount obtained by multiplying the in-focus position by the objective lens sensitivity is set in the objective lens control unit 210, or the retarding correction amount obtained by applying the retarding sensitivity is retarded.
  • the unit 212 sets the astigmatism correction amount obtained by applying the astigmatism to the astigmatism difference in the astigmatism controller control unit 213.
  • the processing unit of the charged particle beam optical system control device 203 performs astigmatism measurement, setting to the astigmatism corrector control unit 213, measurement of the in-focus position, and setting to the objective lens control unit 210 for each measurement point. Select items as necessary. For example, if an astigmatism difference does not occur between measurement points, the setting to the astigmatism corrector control unit 213 may be omitted.
  • the primary charged particle beam 100 is focused at the measurement point in the determination of the in-focus state by the above flow (S317) executed by the processing unit of the charged particle beam optical system control device 203, and the deflection signal control unit 209 is the deflector 105.
  • the charged particle beam 100 is deflected, and an observation image is created on the secondary charged particle image display device 211 in synchronization with the signal from the amplifier 207.
  • the sample stage is moved to the next measurement coordinate (S319), and the above flow is repeated.
  • the measurement / observation results at the measurement point are transferred to the analysis process (S320) for advanced analysis.
  • the wafer is unloaded (S321) and replaced.
  • FIG. 4 is a diagram of the XY plane 41 showing the amount of image movement caused by parallax when an observation image is acquired with a charged particle beam in which the beam is tilted by 0.1 to 10 degrees at azimuth angles of 0 degrees and 45 degrees.
  • the processing unit calculates the field movement amount of two azimuth angles by the parallax of the azimuth angles of 0 degrees and 45 degrees with respect to the sample from the distance of the field movement amount and the azimuth of the field movement.
  • the amount of visual field movement due to parallax with an azimuth angle of 45 degrees is
  • L 45 is the visual field movement amount at an azimuth angle of 45 degrees
  • L is the visual field movement amount
  • ⁇ is the visual field movement angle. That is, when the route 2 is multiplied by the sine function of the angle multiplied by the visual field movement amount, the visual field movement amount at an azimuth angle of 45 degrees is calculated. Next, the amount of visual field movement due to parallax with an azimuth angle of 0 degrees is
  • L 0 is a visual field movement amount with an azimuth angle of 0 degree.
  • the visual field movement amount multiplied by the sine function of the angle and the cosine function are added together, the visual field movement amount at an azimuth angle of 0 degrees is calculated.
  • the astigmatic difference between the azimuth angles of 45 and 135 degrees is
  • D 45-135 is an astigmatism difference between azimuth angles 45 degrees and 135 degrees
  • ⁇ is a tilt angle obtained by tilting the charged particle beam
  • D 0-90 is an astigmatism difference between azimuth angles 0 degrees and 90 degrees.
  • the distance obtained by dividing the visual field movement amounts of the azimuth angles of 45 degrees and 0 degrees by the tangent function of the tilt angle corresponds to the astigmatism difference of each azimuth.
  • the tilt angle is an angle at which the beam is tilted at an azimuth angle of 0 degrees and 45 degrees. In that case, it is necessary to correct by a trigonometric function.
  • the astigmatism correction amount obtained by applying the astigmatism sensitivity to the astigmatism difference obtained from the visual field movement amount is set in the astigmatism controller control unit 213.
  • the astigmatic coil sensitivity is often processed by a determinant or the like because it has a rotational action or a nonlinear action. Considering the tilt angle and azimuth at the time of registration with the tilt trajectory and the deviation of the observation image movement from the ideal trajectory, the accuracy is further improved.
  • the astigmatism amount can be calculated with two observation images, and the astigmatism correction was completed at 100 msec to 600 msec under the observation condition where the beam current was 10 pA.
  • FIG. 5 is a diagram of the XY plane 51 showing the amount of movement caused by parallax when an observation image is acquired with a charged particle beam in which the beam is tilted by 0.1 to 10 degrees at azimuth angles of 0 degrees, 45 degrees, and 90 degrees with respect to the sample. It is.
  • the movement amount caused by parallax at an azimuth angle of 45 degrees with respect to the sample from the distance and angle of the second movement amount to 0 degrees and 90 degrees with respect to the sample.
  • the amount of movement caused by parallax is
  • L 45 is the amount of movement caused by the parallax with the azimuth angle of 45 degrees
  • L 1 is the amount of movement caused by the parallax between the azimuth angles of 0 and 45 degrees
  • ⁇ 1 is the parallax between the azimuth angles of 0 and 45 degrees.
  • the resulting movement angle, L 0 is the amount of movement caused by the parallax with an azimuth angle of 0 °
  • L 2 is the amount of movement caused by the parallax between the azimuth angle of 0 ° and 90 °
  • ⁇ 2 is the parallax between the azimuth angle of 0 ° and 90 °
  • the angle of movement caused by, L 90 is the amount of movement caused by parallax with an azimuth angle of 90 degrees.
  • the astigmatism difference between the in-focus position, the azimuth angle 0 degree, and the azimuth angle 90 degrees is
  • F is the in-focus position
  • ⁇ is the tilt angle at which the charged particle beam is tilted
  • D 0-90 is the astigmatism difference between the azimuth angles of 0 ° and 90 °.
  • the average value and the difference of the distance obtained by dividing the movement amount of the azimuth angle of 0 degrees and the azimuth angle of 90 degrees by the tangent function of the tilt angle are the astigmatic difference between the in-focus position and the azimuth angles of 0 degrees and 90 degrees, respectively. Furthermore, the astigmatism difference between the azimuth angles of 45 degrees and 135 degrees is
  • D 45-135 is an astigmatism difference between azimuth angles of 45 degrees and 135 degrees.
  • the distance obtained by multiplying the in-focus position by the tangent function of the tilt angle and the distance obtained by subtracting the distance of the azimuth angle of 45 degrees by the tangent function of the tilt angle is the astigmatic difference between the azimuth angles of 45 degrees and 135 degrees. It is.
  • the astigmatism correction amount obtained by multiplying the astigmatic difference obtained from the visual field movement amount by the astigmatic coil sensitivity is set in the astigmatism controller control unit 213, and at the same time, the objective lens sensitivity is applied to the in-focus position.
  • the objective lens correction amount obtained in this way is set in the objective lens control unit 210, or the retarding correction amount obtained by applying the retarding sensitivity is set in the retarding control unit 212 to obtain a focal point.
  • the astigmatism difference and the in-focus position can be calculated with three observation images, and the correction of the focus and astigmatism is completed in 150 msec to 900 msec under the observation condition where the beam current is 10 pA. did.
  • D 0-90 can also be obtained from the amount of movement between the azimuth angles of 0 degrees and 270 degrees.
  • D 45-135 can also be obtained from the amount of movement between azimuth angles 135 ° and 225 °, between 225 ° and 315 °, and 315 ° and 45 °.
  • the in-focus position can be measured more accurately.
  • the in-focus position where the amount of movement becomes zero can be detected more accurately.
  • Measure astigmatism difference between azimuth angle 0 degree and 90 degrees more accurately by measuring the difference of movement caused by parallax between azimuth angle 90 degrees and 270 degrees and azimuth angle 0 degree and 180 degrees Can do. The above method can be applied to measure astigmatism between azimuth angles of 45 degrees and 135 degrees.
  • the focal point position is changed by an objective lens or retarding, and a plurality of movements caused by parallax are measured.
  • the in-focus position where the movement amount becomes 0 is detected from the movement amount caused by the parallax by function fitting.
  • the processing unit of the charged particle beam optical system control device 203 can accurately obtain the astigmatism difference from the difference in in-focus position between the azimuth angles obtained by the above method.
  • FIG. 6 shows a schematic configuration diagram of the apparatus according to the second embodiment
  • FIG. 7 shows a flowchart thereof.
  • the astigmatism correction was focused on.
  • the objective lens has a first astigmatism corrector 407 and a second astigmatism corrector 404 outside the objective lens.
  • inside the objective lens means being located between the object surface 405 of the objective lens and the sample 300 forming the image plane
  • “outside the objective lens” means being located outside the objective lens.
  • the astigmatism calibration mark 406 is provided on the stage.
  • the astigmatism calibration mark 406 is moved below the beam (S701).
  • the mark 406 is formed of tungsten on the silicon substrate to have conductivity.
  • the mark shape preferably has a high density with sides in a plurality of directions.
  • the astigmatism calibration mark 406 may be placed on the sample holder.
  • astigmatism correction is performed by the first astigmatism corrector 407 based on the amount of movement of the tilted beam image (S702).
  • the tilt beam trajectory is formed in the objective lens using the alignment coil 104 and the deflection coil 105, astigmatism obtained from the tilt beam image is astigmatism in the objective lens.
  • the reason why the tilt beam is formed in the objective lens is that existing electron optical elements such as an alignment coil and a deflection coil can be used, and if the tilt beam is formed above the objective lens, the beam collides with an intermediate electron optical element. It is.
  • astigmatism is corrected by the second astigmatism corrector 404 based on the sharpness of the pattern edge (S703). Since the astigmatism obtained by the sharpness of the pattern edge is the sum of the astigmatism generated in the entire electron beam system, the second astigmatism corrects the astigmatism outside the objective lens substantially. Will be. The value given to each astigmatism corrector is displayed on the secondary charged particle image display device 211.
  • the measurement point of the sample is moved below the beam (S704).
  • Astigmatism newly generated in the sample is caused by charge distribution in the sample, and astigmatism is generated in the objective lens. Therefore, astigmatism measurement using an inclined beam that can be expected to be performed at high speed and high accuracy is effective.
  • astigmatism correction is performed using the first astigmatism corrector (S705). If the first astigmatism corrector is installed in the objective lens, the amount of movement of the tilted beam image is reduced by the correction, so that it is possible to verify the effect of the correction and increase the accuracy of the correction by repetition.
  • the movement of the measurement point position and the astigmatism correction are repeated.
  • the use of the first astigmatism calibration mark 406 may be performed only for each lot or every day depending on the stability of the apparatus.
  • Astigmatism in the objective lens can also be obtained from the sharpness of the pattern edge in the image. Accordingly, astigmatism can be obtained and compared for verification by two methods, and this switching is also performed on the secondary charged particle image display device 211.
  • the first astigmatism corrector is used, the correction effect using the tilted beam can be confirmed.
  • the first astigmatism 407 substantially reduces the astigmatism caused by the sample by the second astigmatism. It can be considered that the point corrector 404 corrects astigmatism caused by the apparatus.
  • the aberration correction can also be performed according to the flowchart of FIG.
  • the astigmatism calibration mark 406 is moved below the beam (S801).
  • astigmatism is corrected by the second astigmatism corrector 404 based on the sharpness of the pattern edge (S802).
  • an inclined beam trajectory is formed, and the amount of image movement is measured (S803). If the moving amount of the image is large, the tilt beam trajectory formation conditions are finely adjusted so that the moving amount becomes zero (S804). If the moving amount of the image is small, the moving amount is stored and the operation proceeds to the next operation. This is based on the idea that even if there is astigmatism in the objective lens, there should be no astigmatism as a whole.
  • the measurement point of the sample is moved below the beam (S805), and the astigmatism is corrected by the first astigmatism corrector based on the moving amount of the tilted beam image (S806).
  • the newly generated astigmatism is obtained from the amount of movement of the tilted beam image on the sample with reference to the amount of movement of the image on the astigmatism calibration mark.
  • the tilt beam condition setting need only be executed for each lot or every day depending on the stability of the apparatus.
  • the astigmatism of the device and the astigmatism of the sample can be individually corrected, and finally the astigmatism on the sample can be corrected with an astigmatism of 0.5 ⁇ m or less and a time of 1 second or less. It became possible to correct.
  • the focus is on astigmatism correction, but the same can be applied to focus correction. That is, instead of the first astigmatism corrector 407, the focus correction means in the objective lens such as the voltage of the objective lens 106 and the sample 300 is used, and the objective lens such as the condenser lens 103 is used instead of the second astigmatism corrector.
  • a focus correction amount may be given using an external focus correction means. By using an inclined beam, astigmatism and defocus can be measured simultaneously. From the viewpoint of efficiency, the merit of handling both aberrations is great.
  • FIG. 9 shows a schematic configuration of the apparatus according to the third embodiment
  • FIG. 10 shows an operation flowchart thereof.
  • the apparatus shown in FIG. 9 has the first astigmatism corrector 407 in the objective lens, but does not have the second astigmatism corrector.
  • the astigmatism calibration mark 406 is moved below the beam (S1001).
  • astigmatism is corrected by the first astigmatism corrector 407 based on the sharpness of the pattern edge (S1002).
  • an inclined beam trajectory is formed, and the amount of image movement is measured (S1003). If the image movement amount is large, the tilt beam trajectory formation conditions are readjusted so that the movement amount becomes zero (S1004). If the image movement amount is small, the movement amount and the readjustment value are stored, and the next operation is performed. Transition. Since the entire astigmatism is corrected by the astigmatism corrector in the objective lens, there is a high possibility that a large astigmatism is generated inside the objective lens.
  • astigmatism on the sample can be corrected by re-adjusting the conditions for forming the tilted beam trajectory and storing the amount of image movement.
  • the reason for leaving the astigmatism corrector in the objective lens is to verify the effect of the correction as in Example 2 and to increase the accuracy of correction by repetition.
  • the measurement point of the sample is moved below the beam (S1005), and astigmatism is corrected by the first astigmatism corrector based on the moving amount of the tilted beam image (S1006).
  • the newly generated astigmatism is obtained from the amount of movement of the tilted beam image on the sample with reference to the amount of movement of the image on the astigmatism calibration mark 406.
  • the tilt beam condition setting need only be executed for each lot or every day depending on the stability of the apparatus.
  • the amount of movement of the tilted beam image on the astigmatism calibration mark 406 is large and an error is likely to occur in the measurement value, but the number of astigmatism correctors may be reduced. I can do it.
  • astigmatism on the sample can be corrected with an astigmatism difference of 1 ⁇ m or less and a time of 1 second or less.
  • the flow of beam axis adjustment and tilt trajectory registration selects items as necessary on the input screen every time the semiconductor wafer 300 is loaded into the sample chamber 110.
  • FIG. 11 shows an example of a schematic configuration of an input screen displayed on the user interface unit 202 of each embodiment.
  • a Loaded Recipe window 1100 is a screen for reading and reading recipes for controlling the scanning charged particle microscope system from a memory or a network.
  • the Cassette Setup window 1101 is a screen for selecting and displaying recipe settings for each wafer in the wafer cassette.
  • the Wafer Alignment window 1102 is a screen for setting and displaying an alignment recipe for each wafer.
  • the present embodiment is characterized in that a Beam Assign list and a Beam Alignment icon for selecting a beam alignment recipe are displayed in the Cassette Setup window 1101 and the Wafer Alignment window 1102. If the semiconductor wafer 300 is exchanged in a wafer cassette or lot, the adjustment of the beam axis and the registration of the tilt trajectory may be omitted, and the flow for performing the beam alignment should be set in detail. Can do.
  • a Beam Alignment screen 1103 for setting the detailed contents of beam alignment.
  • a Parallax Correction icon is displayed, and an operation for calibrating the parallax difference between the in-focus position and the azimuth of the tilt trajectory can be selected.
  • a Beam Alignment icon is displayed along with the Parallax Correction icon, and the axis adjustment of the charged particle beam can be set.
  • the in-focus position of the tilt trajectory can be detected by creating the in-focus state with the conventional Auto-Focus and deflecting the beam so that the visual field movement does not occur in the tilt trajectory.
  • the parallax difference between azimuths can be detected by creating a state in which the astigmatic difference is corrected by the conventional method of Auto Astigmation, and deflecting the beam so that the visual field movement does not occur in the tilt trajectory for each azimuth.
  • Measure Setup screen 1104 To set the contents of Measure Setup, in the Measure Setup screen 1104, a Measure Address icon for selecting the measurement point in the wafer, a Measure Execution icon for setting the measurement contents, and a Result Output icon for setting the measurement result output method It is easy to use if there is.
  • a Loaded Defectlist icon for selecting a database related to defect coordinates
  • a detection Method icon for selecting an algorithm for detecting defects
  • a range for observing defects It is easy to use both the Detection Range and the Low Mag Image icon for setting and saving the observation image for defect detection, the High Mag Image icon for setting and saving the defect observation image, and the Classification icon for defect classification processing.
  • the parallax difference between the in-focus position and orientation of the registered tilt trajectory can also be displayed.
  • a button can also be provided on the input screen to initiate automatic configuration of the tilt trajectory for periodic maintenance. At this time, it is preferable to provide a screen for displaying success and failure of the automatic configuration.
  • the processing time of astigmatism control can be shortened to 1 second or less by improving the measurement accuracy of the astigmatic difference.
  • astigmatism correction can be effectively performed on a wafer having astigmatism distribution.
  • the measurement time can be greatly shortened.
  • by using a plurality of astigmatism correctors it is possible to individually measure and correct astigmatism caused by the apparatus and astigmatism caused by the sample, which is effective in improving correction accuracy.
  • the present invention is useful as a charged particle beam apparatus that measures the shape and dimensions of a fine pattern on the surface of a sample (semiconductor wafer, reticle, etc.) using a charged particle beam.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Charged particle beam optical system, 11 ... Primary charged particle beam, 12 ... Secondary charged particle, 13 ... Semiconductor wafer, 20 ... Control system, 30 ... Transfer system, 40 ... Sample chamber, 101 ... Charged particle source, 102a, DESCRIPTION OF SYMBOLS 102b ... Extraction electrode, 103 ... Condenser lens, 104 ... Alignment coil, 105 ... Deflection coil, 106 ... Objective lens, 107 ... Secondary charged particle detector, 108 ... Laser emitter for height detection, 109 ... Position sensor, 201 DESCRIPTION OF SYMBOLS General control part 202 ... User interface part 203 ...

Landscapes

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Abstract

非点較差の測定精度を向上させることにより、非点制御の処理時間を１秒以下に短縮する。 荷電粒子ビーム装置は、試料を搭載するステージと、試料をステージ上へ搬送する搬送機構と、ステージ上の試料に荷電粒子ビームを照射し、試料から発生する二次荷電粒子を検出する荷電粒子ビーム光学系と、荷電粒子ビーム光学系の設定パラメータを定めて、制御する制御装置を有する。制御装置は、荷電粒子ビームとして、試料上の法線から傾斜させた傾斜ビームを照射する電子光学系設定を登録し保持し、傾斜ビームで得た観察像を比較して移動量と方向を測定し、この移動量と方向から非点補正量を算出する。

Description

荷電粒子ビーム装置
　荷電粒子ビームを用いて、試料（半導体ウエハやレチクル等）表面の微細パターンの形状やその寸法を測定する荷電粒子ビーム装置に関する。
　半導体ウェハ等の試料に形成された回路パターンを観察する技術として、荷電粒子ビーム装置がある。荷電粒子ビーム装置は、試料に一次荷電粒子ビームを照射し、これにより発生する二次荷電粒子を検出する。そして、検出した二次荷電粒子を画像化して表示装置に表示する。一次荷電粒子ビームが電子ビームの場合は、走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、以下ＳＥＭと略す）である。まず、加熱型や電界放出型の電子源から放出した電子を加速する。その後、レンズによって電子ビームのビーム径を細くしぼった電子ビームを形成する。その電子ビームを試料（例えば、ウエハやレチクル等）上に２次元的に走査し、発生する２次電子を検出することで、試料上の微細パターンの２次元の走査電子画像を得ることができる。
　このとき、試料上への１次電子のランディングエネルギーに依存して電子の試料への進入が深く広がり2次電子検出像の分解能が劣化する。したがって、ランディングエネルギーを低くする必要がある。さらに、プロセス工程に導入される材料の中には、電子ビームに対する耐性が弱いものが増加している。そのため、入射電子の低エネルギー化は必須である。さらに、試料上への入射電子のランディングエネルギーに依存して２次電子の発生効率が変化するため、試料サンプルがチャージアップしてしまう。したがって、ランディングエネルギーを適切に選び２次電子の発生効率を１に保つことが要求される。分解能と電子ビームに対する耐性とチャージアップをすべて両立するためには、低エネルギー化は必須である。
　半導体デバイスパターンの寸法測定には前記ＳＥＭの一例である測長ＳＥＭ（Critical-Dimension Scanning Electron Microscope、以下ＣＤ－ＳＥＭと略す）を用いるのが主流である。近年の回路パターンの微細化に伴い高分解能化が要求される。電子源から電子が発生した後に加速し、試料に電子が入射する前に、減速電界をかける（リターディング電圧の印加）という機構が設けられている。これによって取得する画像の高分解能化とランディングエネルギーの低加速化を両立することができる。
　しかし、近年、測定する試料の中に帯電をもつものやビーム照射により帯電を生じるものが現れ始め、試料の帯電やその分布によってＣＤ－ＳＥＭのフォーカスずれや非点収差などを引き起こす。このような帯電は、試料に照射する一次荷電粒子ビームの軌道を曲げたり、電磁レンズで一次荷電粒子ビームを収束すると試料表面の合焦点をずらしたりする。それらの結果、フォーカス位置と非点を再度調整するために前記電磁レンズなどの調整に時間が必要になる。さらに、上述の帯電が試料上で面内分布を有する場合、各試料上の測定点に一次荷電粒子ビーム照射位置が移動する毎に、フォーカス位置と非点の再調整が必要になる。その結果、ＣＤ－ＳＥＭなどの荷電粒子ビームによる微細パターンの計測、検査においてスループットは著しく低下する。
　これに対し、特許文献１では、画像処理により、異なるフォーカス位置での直行する方位の微分画像のコントラストが最大になる２点間の距離から非点較差を測定する技術が開示されている。特許文献２では、軸上のビームに対して直行する方位に非点補正をかけて、デフォーカス時の移動量が最小になる点を見つける技術が開示されている。
特開２００３－１６９８３号公報 特開２００２－１３４０５９号公報
　特許文献１では、非点較差を測定するためには、数10枚の画像を取得して比較する必要である。そのため、数pA～数10pAで観察する走査電子顕微鏡では処理に3～10秒必要となる。一方、特許文献2では、デフォーカス時の移動量の非点較差感度が小さいため、特許文献１の補正方法に比べて精度不足が発生する場合があった。
　本発明の課題は、非点較差測定感度を落すことなく、かつ測定する時間を短縮することが可能な荷電粒子ビーム装置を提供することにある。
　上記の課題を解決するため、本発明においては、２方向の照射ビームで得た観察像の比較で移動量と方向測定を行うため、試料上の法線から傾斜させた傾斜ビームを照射する電子光学系設定を登録し保持する記憶部と、この傾斜ビームで得た観察像を比較して移動量と方向を測定し、この移動量と方向から非点補正量を算出する処理部とを有することを特徴とする荷電粒子ビーム装置を構成する。
　荷電粒子ビームのプローブ形状は、方位角ごとに合焦点位置が異なると非点形状になる。この際、直行する2方位間の合焦点位置の差が非点較差である。この非点較差があるとき、非点量を測りたい方位に合焦点位置を基準に電子ビームを傾斜させると視野移動が発生する。視野移動量は非点較差に比例する。非点を抑制するには、発生する方位と量を測定し制御する必要がある。そのためには、試料面内の基準方位から0度と45度の２つの方位角の非点較差を測定し、その結果から非点の方位と量を算出して非点補正器の制御量を算出する必要がある。また、対物レンズ内と対物レンズ外に少なくとも１つずつ非点補正器を有することも有効である。この場合、試料上の非点収差は対物レンズ内の非点補正器で補正することが効果的である。更に、画像内のパターンエッジの先鋭度から非点収差を求める手段を合わせ持つことが望ましい。
　上述した構成の本発明により、表面電位分布の予測精度を向上させることにより、合焦点検出時の試料電位（リターディング電圧）のふり幅を狭くすることができる。特に、回転対称な電位分布ではないウェハでは、リターディング電圧のふり幅を効果的に狭くすることが可能となる。その結果、オートフォーカスの動作時間を1/10以下にすることができる。また、非点補正器を複数用いることで、装置起因の非点収差と試料起因の非点収差を個別に計測・補正することが可能となり、補正精度の向上に効果がある。
本発明の視差法により非点補正量の強調手段を説明する概略図である。 第１の実施例に係わる、走査電子顕微鏡システムの概略構成図である。 第１の実施例に係わる、走査電子顕微鏡システムのフローチャートを示す図である。 方位角0度と45度に傾斜した電子ビームで視差により生じる像移動量を説明する図である。 方位角0度と45度と90度傾斜での視差により生じる像移動量を説明する図である。 第２の実施例に係わる、走査電子顕微鏡システムの概略構成図である。 第２の実施例に係わる、走査電子顕微鏡システムのフローチャートを示す図である。 第２の実施例に係わる、走査電子顕微鏡システムのもう１つのフローチャートを示す図である。 第３の実施例に係わる、走査電子顕微鏡システムの概略構成図である。 第３の実施例に係わる走査電子顕微鏡システムのフローチャートを示す図である。 各実施例に係わるシステムのユーザインターフェース部２０２に表示される入力画面の一概略構成を示す図である。
　以下に、本発明の実施の形態を図面により説明する。
　図1は視差法により電子ビームの非点を強調する方法を示す概略図である。同図において、１は非傾斜ビーム、即ちＸＹ平面の法線方向の電子ビーム、２、３は傾斜ビーム、即ち上記法線方向に対し零でない傾斜度を有する電子ビームを示す。傾斜した電子ビーム、すなわち傾斜ビーム２、３のプローブ形状は、方位角ごとに合焦点位置が異なると非点形状になる。この際、直行する2方位間、すなわち方位角０度と方位角９０度の合焦点位置の差が非点較差である。非点較差（nm）は、｜ΔＸ－ΔＹ｜／ＴＡＮ（Θ）で表される。正焦点較差（nm）は、｜ΔＸ＋ΔＹ｜／２ＴＡＮ（Θ）である。ただし、傾斜ビーム２、３のビーム傾斜Θに較差が生じる場合でも対応することができ、それぞれの方位のビーム傾斜角をΘＸとΘＹとして、非点較差（nm）は、｜ΔＸ／ＴＡＮ（ΘＸ）－ΔＹ／ＴＡＮ（ΘＹ）｜、正焦点較差（nm）は、｜ΔＸ／ＴＡＮ（ΘＸ）＋ΔＹ／ＴＡＮ（ΘＹ）｜／２である。方位角０度と９０度の傾斜時の方位角のずれをαＸとαＹとして、非点較差（nm）は、｜ΔＸ／cos(αＸ)／ＴＡＮ（ΘＸ）－ΔＹ／cos(αＹ)／ＴＡＮ（ΘＹ）｜である。
　上記非点較差があるとき、非点量を測りたい方位に合焦点位置を基準に電子ビームを傾斜させると視野移動が発生する。視野移動量は非点較差に比例する。非点を抑制するには、発生する方位と量を測定し制御する必要がある。そのため、本発明においては、試料面内の基準方位から0度と90度間と45度と135度間の２つの方位角の非点較差を測定し、非点の方位と量を算出して非点補正器の制御量である非点補正量を算出する。この算出の具体例については、以下の実施例の説明中で詳述する。
　図２は、第１の実施例に係わる荷電粒子ビーム装置、すなわち走査電子顕微鏡システムの概略構成図である。
　図示するように、本実施例の走査電子顕微鏡システムは、荷電粒子線光学系１０と、制御系２０と、搬送系３０と、試料室４０と、を有する。荷電粒子線光学系１０は、一次荷電粒子線１００を出射する荷電粒子源１０１と、引出電極１０２と、コンデンサレンズ１０３と、アライメントコイル１０４と、偏向コイル１０５と、対物レンズ１０６と、二次荷電粒子を検出する二次荷電粒子検出器１０７と、高さ検出用レーザ発光器１０８と、ポジションセンサ１０９と、非点補正器１１０を有する。
　制御系２０は、統括制御部２０１と、ユーザインターフェース部２０２と、荷電粒子線光学系制御装置２０３と、ステージ制御装置２０４と、加速電圧制御装置２０５と、コンデンサレンズ制御部２０６と、増幅器２０７と、アライメント制御部２０８と、偏向信号制御部２０９と、対物レンズ制御部２１０と、二次荷電粒子像表示装置２１１と、リターディング制御部２１２と、非点補正器制御部２１３と、を有する。統括制御部２０１は処理部である中央処理部（Central Processing Unit：ＣＰＵ）２０１aと記憶部であるメモリ２０１ｂとから構成される。荷電粒子線光学系制御装置２１１も同様に、図示を省略した処理部と記憶部を備えており、処理部は以下で説明する種々の制御、画像処理、演算等を実行し、記憶部は各種の計測データや計算結果データを記憶する。
　荷電粒子線光学系制御装置２０３から加速電圧制御装置２０５を制御することにより、試料観察・分析などに適切な値に荷電粒子線１１を加速する。荷電粒子線光学系制御装置２０３から荷電粒子線１１の電流量や集束の開き角などを制御するための設定値をコンデンサレンズ制御部２０６に指令する。その際、荷電粒子線１００の軸ずれ補正値を荷電粒子線光学系制御装置２０３からアライメント制御部２０８に送付する。荷電粒子線光学系制御装置２０３から対物レンズ制御部２１０に荷電粒子線１００が試料上で合焦点となる値を送付する。偏向信号制御部２０９は偏向器１０５で荷電粒子線１００を偏向し、増幅器２０７の信号と同期させて二次荷電粒子像表示装置２１１に観察像を作成する。対物レンズ制御部２１０又はリターディング制御部２１２の設定変更毎の観察像を画像処理又はオペレータの観察により比較して合焦点判定を行う。
　搬送系３０は、試料である半導体ウェハ３００を保持するウェハカセット３０１と、搬送アーム３０２と、ウェハ搬送装置３０３と、アライナ３０７、プローブ３０４と、試料交換室３０５と、ゲートバルブ３０６ａ、３０６ｂと、を有する。
　試料室４０は、荷電粒子線１００の入射方向に対して垂直方向に半導体ウェハ３００を移動させる試料ステージ４０１を有する。
　統括制御部２０１は、ユーザインターフェース部２０２を介してオペレータより入力された検査レシピ情報（荷電粒子１００の加速電圧、半導体ウェハ３００に関する情報、測定点の位置情報等）に従い、荷電粒子線光学系制御装置２０３、ステージ制御装置２０４、およびウェハ搬送装置３０３を介して、システム全体の制御を行う。
　統括制御部２０１から命令を受けたウェハ搬送装置３０３は、搬送アーム３０２を操作してウェハカセット３０１から半導体ウェハ３００を取り出す。そして、真空に保持されている試料交換室３０５を大気圧にある外部から分離するゲートバルブ３０６ａを開け、半導体ウェハ３００を試料交換室３０５に搬入する。試料交換室３０５に入った半導体ウェハ３００は、ゲートバルブ３０６ｂを介して試料室１１０に搬送され、試料ステージ４０１上に固定される。荷電粒子光学系制御装置２０３は、統括制御部２０１からの命令に従い、加速電圧制御装置２０５、コンデンサレンズ制御部２０６、増幅器２０７、アライメント制御部２０８、偏向信号制御部２０９、対物レンズ制御部２１０、およびリターディング制御部２１２を制御する。
　引出電極１０２により荷電粒子源１０１から引き出された荷電粒子線１００は、コンデンサレンズ１０３、対物レンズ１０６により集束され、試料ステージ４０１上の半導体ウェハ３００に照射される。なお、荷電粒子源１０１から引き出された一次荷電粒子線１１は、アライメントコイル１０４によりその軌道を調整され、偏向信号制御部２０９から信号を受けた偏向コイル１０５により、半導体ウェハ３００上を二次元に走査される。
　試料ステージ４０１上の半導体ウェハ３００には、リターディング制御部２１２から一次荷電粒子線１００を減速するためのリターディング電圧（電子顕微鏡の場合は負電圧）が印加されている。半導体ウェハ３００への一次荷電粒子線１００の照射に起因して、半導体ウェハ３００から二次荷電粒子が放出される。この二次荷電粒子は、二次荷電粒子検出器１０７により検出され、増幅器２０７を介して二次荷電粒子像表示装置２１１の輝度信号として使用される。二次荷電粒子像表示装置２１１の走査信号と偏向コイル１０５の偏向信号とは同期している。このため、二次荷電粒子像表示装置２１１には、半導体ウェハ３００に形成された回路パターン形状が忠実に再現される。なお、二次荷電粒子とは、荷電粒子線１００の照射に伴い半導体ウェハ３００から二次的に放出される荷電粒子であり、一般的には二次電子、オージェ電子、反射電子、二次イオンと呼ばれるものを指す。
　上記構成の走査電子顕微鏡システムにおいて、半導体ウェハ３００上の回路パターンを高速に計測するためには、試料ステージ４０１が所望の測定点に移動したときの半導体ウェハ３００の高さを検出し、その高さに応じて対物レンズ１０６の焦点距離を調整する、いわゆる集束調整が必要である。このため、レーザ光を用いたウェハ高さ検出機構が設けられている。試料ステージ位置検出器により試料ステージ位置を検出し、所望の位置近傍に試料ステージ４０１が接近したときに、高さ検出用レーザ発光器１０８が試料ステージ４０１上の半導体ウェハ３００にレーザ光を照射する。そして、その反射光をポジションセンサ１０９で受光し、その受光位置から半導体ウェハ３００の高さを検出する。この半導体ウェハ１３の高さ情報は対物レンズ１０６の焦点距離にフィードバックされる。つまり、対物レンズ制御部２１０は、ポジションセンサ１０９が検出した半導体ウェハ１３の高さ情報に基づいて対物レンズ１０６の焦点距離を調節する。その結果、試料ステージ４０１が所定の位置に到達した際には、荷電粒子線１００は半導体ウェハ３００上に集束される。したがって、半導体ウェハ３００の回路パターンの検出を、オペレータによる操作なしに自動で行うことができる。
　本実施例において、対物レンズ１０６は電磁レンズであり、励磁電流によって焦点距離が決定される。半導体ウェハ３００上に荷電粒子線１００が集束するために必要な励磁電流は、荷電粒子線１００の加速電圧、半導体ウェハ３００の表面電位、および半導体ウェハ３００の高さの関数で表される。この関数は光学シミュレーションまたは実測により導出することができる。
　非点や帯電がない場合、半導体ウェハ３００の表面電位は、測定点の位置にかかわらずリターディング電圧と等しくなる。この場合、半導体ウェハ３００上に荷電粒子線１００が集束するために必要な励磁電流は、一次荷電粒子線１１の加速電圧および半導体ウェハ３００の高さの関数となる。したがって、一次荷電粒子線１００の加速電圧が一定ならば、ポジションセンサ１０９で検出した半導体ウェハ３００の測定点における高さ情報を対物レンズ１０６の焦点距離にフィードバックすることで、この測定点で一次荷電粒子線１００を集束させることができる。
　しかし、非点や帯電がある場合、荷電粒子線１００の非点補正量と半導体ウェハ３００の表面電位は、測定点の位置に応じて変化する。この場合、半導体ウェハ３００上に荷電粒子線１００が集束するために必要な非点補正量と励磁電流は、荷電粒子線１００の加速電圧、半導体ウェハの表面電位、および半導体ウェハ３００の高さの関数だけでは求めることができない。したがって、荷電粒子線１００の加速電圧が一定でも、ポジションセンサ１０９で検出した半導体ウェハ３００の測定点における高さ情報のみならず、この測定点における非点補正量を非点補正器１１０に表面電位を対物レンズ１０６の焦点距離にフィードバックさせなければ、この測定点で荷電粒子線１００を集束させることができない。ここで、測定点の高さ情報は、上述したように、高さ検出用レーザ発光器１０８およびポジションセンサ１０９を用いて測定開始直前に、リアルタイムで計測することができる。しかし、測定点の非点補正量と表面電位を測定開始直前に、計測することは現実的でない。
　そこで、本実施例の走査電子顕微鏡システムでは、図３に示すようなフローチャートで動作する。
　まず、走査荷電粒子顕微鏡システムに半導体ウェハ３００を試料交換室３０５に入れて（Ｓ３０４）、ゲートバルブ３０６ｂを介して試料室４０に搬送される。半導体ウェハ３００は試料ステージ４０１に固定され（Ｓ３０９）、図示を省略した試料ステージ位置検出器に対してアライメントをとる。試料ステージ位置検出器により試料ステージ位置を検出し、所望の位置近傍に試料ステージを移動する（Ｓ３１０）。偏向信号制御部２０９は偏向器１０５で荷電粒子線１００を偏向し、増幅器２０７の信号と同期させて二次荷電粒子像表示装置２１１に観察像を作成する。
　アライメント制御部２０８の設定変更毎に、対物レンズ制御部２１０又はリターディング制御部２１２の変更による観察像移動量を画像処理又はオペレータの観察により比較して最小となる設定をアライメント判定する。対物レンズ制御部２１０又はリターディング制御部２１２の設定変更毎の観察像を画像処理又はオペレータの観察により比較して合焦点判定を行う。同様に、非点補正器制御部２１３の設定変更毎の観察像を画像処理又はオペレータの観察により比較して非点格差の収束点を判定する。非点格差の収束点の判定に関する別の方法に、対物レンズ制御部２１０又はリターディング制御部２１２の設定変更毎の観察像を画像処理により比較するものもある。上記アライメント判定と上記合焦点判定と上記非点較差の収束点の判定により、一次荷電粒子線１００のビーム軸の調整を完了する（Ｓ３１１）。
　次に、偏向信号制御部２０９とアライメント制御部２０８で適切な設定をすることにより、一次荷電粒子線１００を半導体ウェハ３００に規定のチルト角と規定の方位角で斜めに照射するチルト軌道にする。偏向コイル１０５と偏向信号制御部２０９又はアライメントコイル１０４とアライメント制御部２０８はチルト軌道用に別途追加することで制御を容易にすることもできる。偏向信号制御部２０９の設定変更毎にチルト軌道に設定する前後の観察像移動量を画像処理又はオペレータの観察により比較して最小となるチルト軌道判定を行う。荷電粒子線光学系制御装置２０３は、偏向信号制御部２０９とアライメント制御部２０８の設定値と前記チルト角と前記方位角と前記観察像移動量を荷電粒子線光学系制御装置２０３に設けた記憶部の記憶領域にチルト軌道として登録（Ｓ３１２）する。登録するチルト軌道は半導体ウェハ３００に対して０．１から１０度の範囲でビーム照射角度を傾斜させる。チルト軌道は必要に応じて傾斜の方位角を変えて複数点登録する。
　上記ビーム軸の調整と上記チルト軌道の登録は、半導体ウェハ３００を試料室１１０にロードする毎に必要に応じて項目を選択しておこなう。例えば、ロット内での半導体ウェハ３００の交換であれば、上記ビーム軸の調整と上記チルト軌道の登録は割愛することができる場合もある。
　次に、図示を省略した試料ステージ位置検出器により試料ステージ位置を検出し、測定点の位置近傍に試料ステージを移動する（Ｓ３１３）。ポジションセンサ１０９で半導体ウェハ３００の高さを検出し（Ｓ３１４）、対物レンズ１０６の合焦点位置を上記高さにあわせる（Ｓ３１５）。必要に応じて、リターディング制御部２１２は測定点の表面電位に連動させることで一次荷電粒子線１００のランディングエネルギーを制御する（Ｓ３１６）。
　帯電したウェハの処理に際しては、フォーカスずれを防ぐため、ウェハに印加するリターディング電圧により表面電位を補正する必要がある。例えば、国際公開ＷＯ２００３/００７３３０号公報に開示された表面電位の補正フローを以下に示す。
ウェハを装置内にロードする際に、ウェハ搬送（Ｓ３００－Ｓ３０４）と並行して表面電位を測定する（Ｓ３０５，Ｓ３０６）。現状では、ウェハ中心を通る直線上を等間隔で測定する（Ｓ３０６）。
最小二乗法を用いて表面電位の測定結果に偶関数をフィッティングし、表面電位の一次元分布を近似する関数を求める（Ｓ３０７）。さらに、表面電位分布の回転対称性を仮定して二次元分布を表す関数に展開する。
試料のロード後、測定点の近傍に設けられたアライメントパターンにステージを移動させる。
2) で求めた近似関数を元にウェハ電位を予測し（Ｓ３０８）、リターディング電圧を計算する。
4) で求めた電圧の上下でリターディング電圧を変化させながらフォーカスを確認することにより、リターディング電圧の最適値を求める（Ｓ３１６）。
測定点にステージを移動し、測定を実施する。
　これらの工程のうち1)および2)はウェハ毎に一回だけの実施であり、且つ搬送と並行して行われるため、ウェハ1枚あたりの処理時間に与える影響が小さい。しかし、3)から6)の工程は測定点毎に繰り返されるため、ウェハ1枚あたりの処理時間に与える影響が大きい。
　5)の工程では、リターディング電圧を予め決められたふり幅内を一定の電圧間隔で変化させながら、フォーカスを確認し、最適なリターディング電圧を探している。最適値を決定するまでの時間は、ふり幅、電圧間隔および信号取り込み時間などに依存する。帯電分布が回転対称でないウェハでは、1)と2)の工程を改良することで対応することも可能である。
　荷電粒子線光学系制御装置２０３の処理部は、チルト軌道の登録（Ｓ３１２）の値を偏向信号制御部２０９とアライメント制御部２０８に読出し、チルト軌道に設定する前後の観察像移動量を画像処理により測定する。チルト軌道は必要に応じて傾斜の方位角を変えて観察像移動量を測定する。本実施例では、方位角０度と９０度間と４５度と１３５度間の観察像移動量を測定し、観察像移動量／チルト角度から非点較差と合焦点位置を求める。荷電粒子線光学系制御装置２０３の処理部は、非点較差に非点コイル感度をかけて求めた非点補正量を非点補正器制御部２１３に設定する。合焦点を得るために、合焦点位置に対物レンズ感度をかけて求めた対物レンズ補正量を対物レンズ制御部２１０に設定するか又はリターディング感度をかけて求めたリターディング補正量をリターディング制御部２１２に設定する。
　荷電粒子線光学系制御装置２０３の処理部は、非点較差の測定と非点補正器制御部２１３への設定と合焦点位置の測定と対物レンズ制御部２１０への設定を、測定点毎に必要に応じて項目を選択しておこなう。例えば、測定点間で非点較差が発生しなければ、非点補正器制御部２１３への設定は割愛することができる場合もある。
　荷電粒子線光学系制御装置２０３の処理部が実行する、以上のフローによる合焦点状態の判定（Ｓ３１７）で一次荷電粒子線１００を測定点で集束し、偏向信号制御部２０９は偏向器１０５で荷電粒子線１００を偏向し、増幅器２０７の信号と同期させて二次荷電粒子像表示装置２１１に観察像を作成する。測定点での測定・観察完了の後（Ｓ３１８）、次の測定座標に試料ステージを移動し（Ｓ３１９）、上記フローを繰り返す。測定点での測定・観察結果は解析処理（Ｓ３２０）に引き渡されて高度な分析を施す。全ての測定点での測定・観察が完了すればウェハを搬出（Ｓ３２１）して交換する。
　まず、非点のみ補正する場合について述べる。荷電粒子線光学系制御装置２０３の処理部が、２つの画像比較により求めた視野移動量より、試料に対する方位角０度と９０度間と４５度と１３５度間の２つの非点較差を算出する方法を以下に示す。図４は、方位角０度と４５度にビームを０．１～１０度傾斜させた荷電粒子ビームで観察像を取得したときに視差により生じる像移動量を示すＸＹ平面４１の図である。処理部は、視野移動量の距離と視野移動の方位から試料に対する方位角０度と４５度の視差による２つの方位角の視野移動量を算出する。方位角４５度の視差による視野移動量は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
である。ここで、L45は方位角４５度の視野移動量、Lは視野移動量、Θは視野移動の角度である。すなわち、視野移動量に角度のサイン関数をかけてルート２をかけると方位角４５度の視野移動量を算出する。次に、方位角０度の視差による視野移動量は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
である。ここで、L0は方位角０度の視野移動量である。視野移動量に角度のサイン関数をかけたものとコサイン関数をかけたものを足し合わせると方位角０度の視野移動量を算出する。方位角４５度と１３５度間の非点較差は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
であり、と方位角０度と９０度間の非点較差は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
である。ここで、Ｄ45-135は方位角４５度と１３５度間の非点較差、αは荷電粒子ビームを傾斜させたチルト角、Ｄ0-90は方位角０度と９０度間の非点較差である。上記方位角４５度と０度の視野移動量をチルト角のタンジェント関数で割って求めた距離が各方位の非点較差に相当する。上記チルト角は、方位角０度と４５度でビームを傾斜する角度であるが、必ずしも一致しない場合が想定される。その場合は、三角関数などで補正を行う必要がある。最後に、視野移動量より求めた上記非点較差に非点コイル感度をかけて求めた非点補正量を非点補正器制御部２１３に設定する。一般に非点コイル感度は回転作用や非線形作用をもつため行列式などで処理することが多い。チルト軌道と登録する際のチルト角度と方位角と観察像移動量の理想軌道からのずれを考慮するとより精度が向上する。
　本実施例の構成においては、観察像２枚で非点量が算出でき、ビーム電流が１０ｐＡの観察条件下、非点を１００ｍｓｅｃ～６００ｍｓｅｃで補正を完了した。
　次に、非点較差と合焦点検出を平行して行う方法について述べる。図５は試料に対する方位角０度と４５度と９０度にビームを０．１～１０度傾斜させた荷電粒子ビームで観察像を取得したときに視差により生じる移動量を示すＸＹ平面５１の図である。図４と同様な手法で、第１移動量の距離と角度から試料に対する方位角４５度に視差で生じる移動量と、第２移動量の距離と角度から試料に対する方位角０度と９０度に視差で生じる移動量は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
である。ここで、Ｌ45は方位角４５度の視差で生じる移動量、Ｌ1は方位角０度と４５度間の視差により生じた移動量、Θ1は方位角０度と４５度間の視差で生じる移動の角度、Ｌ0は方位角０度の視差で生じる移動量、Ｌ2は方位角０度と９０度間の視差により生じた移動量、Θ2は方位角０度と９０度間の視差により生じた移動の角度、Ｌ90は方位角９０度の視差で生じる移動量である。合焦点位置と方位角０度と方位角９０度間の非点較差は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
である。ここで、Ｆは合焦点位置、αは荷電粒子ビームを傾斜させたチルト角、Ｄ0-90は方位角０度と９０度間の非点較差である。
　方位角０度と方位角９０度の移動量にチルト角のタンジェント関数で割って求めた距離の平均値と較差がそれぞれ合焦点位置と方位角０度と９０度間の非点較差である。さらに、方位角４５度と１３５度間の非点較差は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
である。ここで、Ｄ45-135は方位角４５度と１３５度間の非点較差である。
　合焦点位置にチルト角のタンジェント関数をかけて求めた距離を方位角４５度の移動量から引いた距離をチルト角のタンジェント関数で割った距離が方位角４５度と１３５度間の非点較差である。最後に、視野移動量よりも求めた上記非点較差に非点コイル感度をかけて求めた非点補正量を非点補正器制御部２１３に設定すると同時に上記合焦点位置に対物レンズ感度をかけて求めた対物レンズ補正量を対物レンズ制御部２１０に設定するか又はリターディング感度をかけて求めたリターディング補正量をリターディング制御部２１２に設定して合焦点を得る。以上詳述してきたように、本実施例では、観察像３枚で非点較差と合焦点位置を算出でき、ビーム電流が１０ｐＡの観察条件下、フォーカスと非点を１５０ｍｓｅｃ～９００ｍｓｅｃで補正を完了した。方位角０度と２７０度間の移動量からもＤ0-90を求めることができる。方位角１３５度と２２５度間の移動量、２２５度と３１５度間、３１５度と４５度からもＤ45-135を求めることができる。
　試料に対する方位角０度と１８０度にビームを傾斜させて視差により生じる移動量を測定すると、より正確に合焦点位置を測定することができる。また、対物レンズやリターディングにより合焦点位置を変更して視差により生じる移動量を、複数点測定し関数でフィットすると、移動量が０となる合焦点位置をより正確に検出することができる。試料に対する方位角９０度と２７０度間と方位角０度と１８０度間の視差により生じる移動量の差を測定すると、より正確に方位角０度と９０度間の非点較差を測定することができる。上記手法を方位角４５度と１３５度間の非点較差の測定に適用することができる。方位角毎に、対物レンズやリターディングにより合焦点位置を変更して、視差により生じる移動量を複数点測定する。視差により生じる移動量から関数のフィットにより移動量が０となる合焦点位置を検出する。荷電粒子線光学系制御装置２０３の処理部は、上記手法で求めた方位角間の合焦点位置の較差より、正確に非点較差を求めることができる。
　図６に実施例２の装置の概要構成図を、図７にそのフローチャートを示す。本実施例では非点収差補正に絞って実施した。対物レンズ内に第１の非点補正器４０７と対物レンズ外に第２の非点補正器４０４を有している。ここで対物レンズ内とは対物レンズの物面４０５と像面を形成する試料３００との間に位置することを意味し、対物レンズ外とはその外に位置することを意味する。また、本実施例ではステージ上に非点校正用マーク４０６を有している。
　図７のフローチャートに従って実施例２の動作概要を説明する。非点校正用マーク４０６をビームの下に移動する（Ｓ７０１）。マーク４０６は導電性を持たせるためにシリコン基板上にタングステンで形成されている。マーク形状は複数の方向に辺を持ち、密度の高いものが好ましい。なお、非点校正用マーク４０６は試料ホルダーに設置しておいても良い。次に、傾斜ビーム像の移動量をもとに第１の非点補正器４０７により非点補正を行う（Ｓ７０２）。本実施例ではアライメントコイル１０４と偏向コイル１０５を用いて対物レンズ内で傾斜ビーム軌道を形成しているために、傾斜ビーム像から得られる非点収差は対物レンズ内の非点収差である。対物レンズ内で傾斜ビームを形成する理由はアライメントコイルや偏向コイルといった既存の電子光学素子を活用できることと、対物レンズより上方で傾斜ビームを形成すると途中の電子光学素子にビームが衝突してしまうことである。
　更にパターンエッジの先鋭度をもとに第２の非点補正器４０４により非点収差を補正する（Ｓ７０３）。パターンエッジの先鋭度で得られる非点収差は電子ビーム全系で発生する非点収差の合計であるため、第２の非点補正器は実質的に対物レンズ外の非点収差を補正していることになる。それぞれの非点補正器に与える値は２次荷電粒子像表示装置２１１に表示されることになる。
　以上の準備段階を経た後に、試料の測定点をビームの下に移動する（Ｓ７０４）。試料で新たに発生している非点収差は試料内の帯電分布に起因し、非点収差は対物レンズ内で発生している。従って、高速高精度が期待できる傾斜ビームを用いた非点計測が威力を発揮する。計測された非点補正量をもとに第１の非点補正器を用いて非点補正を行う（Ｓ７０５）。第１の非点補正器を対物レンズ内に設置してあれば傾斜ビーム像の移動量は補正により小さくなるので、補正の効果の検証や繰り返しによる補正の高精度化が可能となる。
　ここで、測定点が複数あれば、測定点位置の移動と非点補正を繰り返すことになる。また、始めの非点校正用マーク４０６の使用は装置の安定性次第で、ロット毎や日毎でのみ実行すればよい。対物レンズ内の非点収差は画像内のパターンエッジの先鋭度からも求められることも出来る。従って、２つの方法で非点収差を求めて比較検証することも可能であり、この切り替えも２次荷電粒子像表示装置２１１上で行うことになる。
　第１の非点補正器を用いれば傾斜ビームを用いた補正効果の確認も可能である。また、装置固有の非点収差の多くは対物レンズの外で生じているために、本実施例では実質的に第１の非点補正器４０７により試料起因の非点収差を、第２の非点補正器４０４により装置起因の非点収差を補正していると考えることができる。
　また、収差補正は図８のフローチャートに従って行うことも可能である。まず、非点校正用マーク４０６をビームの下に移動する（Ｓ８０１）。次にパターンエッジの先鋭度をもとに第２の非点補正器４０４により非点収差を補正する（Ｓ８０２）。次に傾斜ビーム軌道を形成し、像の移動量を計測する（Ｓ８０３）。像の移動量が大きければ移動量がゼロとなるように傾斜ビーム軌道の形成条件を微調整し（Ｓ８０４）、像の移動量が小さければ移動量を保存して次の動作に移行する。これは対物レンズ内に非点収差があっても、全体で非点収差がなければ良いとの考え方に基づいている。
　この後、試料の測定点をビームの下に移動し（Ｓ８０５）、傾斜ビーム像の移動量をもとに第１の非点補正器で非点収差を補正する（Ｓ８０６）。この際、非点校正用マーク上での像の移動量を基準として、試料上での傾斜ビーム像の移動量から新たに発生した非点収差を求めることになる。図４の場合と同様に、測定点が複数あれば、測定点位置の移動と非点補正を繰り返すことになる。また、傾斜ビームの条件設定は装置の安定性依存してロット毎や日毎でのみ実行すれば良い。
　以上の結果、装置の非点収差と試料の非点収差を個別に補正することが可能となり、最終的に試料上の非点収差を非点較差0.5μm以下の精度と1秒以下の時間で補正することが可能となった。
　本実施例では非点収差補正に絞って実施したが、焦点補正に関しても同様のことが可能である。すなわち、第１の非点補正器４０７の替わりに対物レンズ１０６や試料３００の電圧などの対物レンズ内での焦点補正手段を、第２の非点補正器の替わりにコンデンサレンズ１０３などの対物レンズ外の焦点補正手段を用い、焦点補正量を与えれば良い。傾斜ビームを用いることにより非点収差と焦点ぼけの同時計測が可能であり、効率化の観点から見ると両収差を同時に扱うことのメリットは大きい。なお、これらのことは本発明全般に当てはまることであり、本実施例に限ったことではない。
　図９に第３の実施例に係わる装置の概要構成を、図１０にその動作フローチャートを示す。図９の装置には対物レンズ内の第１の非点補正器４０７は搭載してあるが、第２の非点補正器は搭載していない。
　まず、非点校正用マーク４０６をビームの下に移動する（Ｓ１００１）。次にパターンエッジの先鋭度をもとに第１の非点補正器４０７により非点収差を補正する（Ｓ１００２）。次に傾斜ビーム軌道を形成し、像の移動量を計測する（Ｓ１００３）。像の移動量が大きければ移動量がゼロとなるように傾斜ビーム軌道の形成条件を再調整し（Ｓ１００４）、像の移動量が小さければ移動量と再調整値を保存して次の動作に移行する。全体の非点収差を対物レンズ内の非点補正器で補正しているため、対物レンズ内部では逆に大きな非点が発生している可能性が高い。しかし、傾斜ビーム軌道の形成条件の再調整や像の移動量の保存で、試料上の非点補正が可能となる。また、対物レンズ内の非点補正器を残した理由は、実施例２と同様に補正の効果の検証や繰り返しによる補正の高精度化のためである。
　この後、試料の測定点をビームの下に移動し（Ｓ１００５）、傾斜ビーム像の移動量をもとに第１の非点補正器で非点収差を補正する（Ｓ１００６）。この際、非点校正用マーク４０６上での像の移動量を基準として、試料上での傾斜ビーム像の移動量から新たに発生した非点収差を求めることになる。図４の場合と同様に、測定点が複数あれば、測定点位置の移動と非点補正を繰り返すことになる。また、傾斜ビームの条件設定は装置の安定性依存してロット毎や日毎でのみ実行すれば良い。
　実施例２と比較すると、本実施例では、非点校正用マーク４０６上での傾斜ビーム像の移動量が大きく、計測値に誤差が生じやすいが、非点補正器の数を少なくすることが出来る。本実施例では試料上の非点収差を非点較差1μm以下の精度と1秒以下の時間で補正することが可能となった。
　以上説明した実施例において、ビーム軸の調整とチルト軌道の登録のフローは、半導体ウェハ３００を試料室１１０にロードする毎に必要に応じて項目を入力画面で選択する。
　図１１に各実施例のユーザインターフェース部２０２に表示する入力画面の概略構成の一例を示す。Loaded Recipeウィンド１１００は走査荷電粒子顕微鏡システムをコントロールするレシピをメモリやネットワークから読み出し・読み込みの操作と表示をするための画面である。Cassette Setupウィンド１１０１は、ウェハカセット内のウェハ毎にレシピの設定を選択したり表示したりする画面である。Wafer Alignmentウィンド１１０２は、ウェハ毎のアライメントのレシピを設定したり表示したりする画面である。特に、本例ではCassette Setupウィンド１１０１やWafer Alignmentウィンド１１０２にビームアライメントのレシピを選択できるBeam AssignリストやBeam Alignmentアイコンが表示されることが特徴である。ウェハカセット内やロット内での半導体ウェハ３００の交換であれば、上記ビーム軸の調整と上記チルト軌道の登録は割愛することができる場合があり、ビームアライメントを実施するフローを詳細に設定することができる。
　ビームアライメントの詳細内容を設定するためにBeam Alignment画面１１０３がある。特に、本例では、Parallax Correctionアイコンが表示され、チルト軌道の合焦点位置と方位間の視差較差を校正する動作を選択できるようになっている。Parallax Correctionアイコンと併記してBeam Alignmentアイコンが表示され、荷電粒子ビームの軸調整を設定できるようになっている。チルト軌道の合焦点位置は、従来法のAuto Focusで合焦点状態を作り、チルト軌道で視野移動が発生しないようにビームを偏向することで検出することができる。方位間の視差較差は、従来法のAuto Astigmationにより非点較差を補正した状態を作り、方位毎にチルト軌道で視野移動が発生しないようにビームを偏向することで検出することができる。
　Measure SetupアイコンとReview SetupアイコンをLoaded Recipe１１００に表示すると、各実施例の走査荷電粒子顕微鏡システムの自動シーケンスを自由に選択できるようになる。
　Measure Setupの内容を設定するために、Measure Setup画面１１０４中に、ウェハ内の測定点の選択をするMeasure Addressアイコンと測定内容を設定するMeasure Executionアイコンと測定結果の出力方法を設定するResult Outputアイコンがあると使いやすい。
　Review Setupの内容を設定するために、Review Setup画面１１０５中に、欠陥座標に関するデータベースを選択するためのLoaded Defectlistアイコンと欠陥を検出するアルゴリズムを選択するDetection Methodアイコンと欠陥を観察する範囲を選択するDetection Rangeと欠陥検出用の観察像の設定・保存に関するLow Mag Imageアイコンと欠陥観察像の設定・保存に関するHigh Mag Imageアイコンと欠陥分類処理に関するClassificationアイコンを併記すると使いやすい。
　自動シーケンスの動作状況を表示するために、登録しているチルト軌道の合焦点位置と方位間の視差較差を表示することもできる。定期的なメンテナンスのためにチルト軌道の自動構成を開始するボタンも入力画面に設けることができる。この際、上記自動構成の成功と失敗を表示する画面も合わせて設けると良い。
　以上詳述した本発明により、非点較差の測定精度を向上させることにより、非点制御の処理時間を１秒以下に短縮することができる。特に、非点分布を有するウェハでは、非点補正を効果的に実施することが可能となる。その結果、測長時間を大幅に短縮することができる。また、非点補正器を複数用いることで、装置起因の非点収差と試料起因の非点収差を個別に計測・補正することが可能となり、補正精度の向上に効果がある。
　本発明は荷電粒子ビームを用いて、試料（半導体ウエハやレチクル等）表面の微細パターンの形状やその寸法を測定する荷電粒子ビーム装置として有用である。
１０…荷電粒子線光学系、１１…一次荷電粒子線、１２…二次荷電粒子、１３…半導体ウェハ、２０…制御系、３０…搬送系、４０…試料室、１０１…荷電粒子源、１０２ａ、１０２ｂ…引出電極、１０３…コンデンサレンズ、１０４…アライメントコイル、１０５…偏向コイル、１０６…対物レンズ、１０７…二次荷電粒子検出器、１０８…高さ検出用レーザ発光器、１０９…ポジションセンサ、２０１…統括制御部、２０２…ユーザインターフェース部、２０３…荷電粒子線光学系制御装置、２０４…ステージ制御装置、２０５…加速電圧制御装置、２０６…コンデンサレンズ制御部、２０７…増幅器、２０８…アライメント制御部、２０９…偏向信号制御部、２１０…対物レンズ制御部、２１１…二次荷電粒子像表示装置、２１２…リターディング制御部、２１３…非点補正器制御部、２１４…表面電位計、３０１…ウェハカセット３０１、３０２…搬送アーム、３０３…ウェハ搬送装置、３０４…プローブ、３０５…試料交換室、３０６ａ、３０６ｂ…ゲートバルブ、３０７…アライナ、４０４…第２の非点補正器、４０５…対物レンズの物面、４０６…非点校正用マーク、４０７：…１の非点補正器。

Claims (15)

  1. 荷電粒子ビームを用いた荷電粒子ビーム装置であって、
    試料上に上記荷電粒子ビームを照射する電子光学系と、
    上記試料上の２方向から上記荷電粒子ビームを照射する電子光学系設定を登録し保持する記憶部と、
    ２方向からの上記荷電粒子ビームの照射で得た観察像を比較して移動量と方向を測定し、上記移動量と上記方向から非点補正量を算出する処理部とを有する、
    ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
  2. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置であって、
    上記処理部は、上記荷電粒子ビームとして、上記試料上の法線方向からの垂直ビームと上記法線から傾いた傾斜ビームの照射で得た観察像を比較して上記移動量を測定する、
    ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
  3. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置であって、
    上記処理部は、上記試料上の法線に対する方位角が４５°または１３５°となる２つの軌道の傾斜ビームで得た観察像を比較して上記移動量を測定する、
    ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
  4. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置であって、
    上記処理部は、上記試料上の法線に対する方位角が４５°または１３５°となる２つの基準軌道の傾斜ビームと、上記基準軌道に対する上記方位角が９０°または－９０°になる２つの軌道から上記移動量を求める、
    ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
  5. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置であって、
    上記処理部は、上記電子光学系の少なくとも２つの焦点条件で、上記試料上の法線に対する方位角が４５°または１３５°となる２つの軌道の傾斜ビームにより取得した観察像の上記移動量より、非点補正量を算出する、
    ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
  6. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置であって、
    上記処理部は、上記電子光学系の少なくとも２つの焦点条件で、上記試料上の法線に対する方位角が４５°または１３５°となる２つの基準軌道の傾斜ビームと上記基準軌道に対する上記方位角が９０°または－９０°になる２つの軌道により取得した観察像の上記移動量より、非点補正量を算出する、
    ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
  7. 請求項３記載の荷電粒子ビーム装置であって、
    上記処理部は、上記非点補正量と共に焦点補正量を算出する、
    ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
  8. 荷電粒子ビームを用いた荷電粒子ビーム装置であって、
    試料を搭載するステージと、
    上記試料を上記ステージ上へ搬送する搬送機構と、
    上記ステージ上の上記試料に上記荷電粒子ビームを照射し、上記試料から発生する二次荷電粒子を検出する荷電粒子ビーム光学系と、
    上記荷電粒子ビーム光学系の設定パラメータを定めて上記荷電粒子ビーム光学系を制御する制御装置と、
    上記荷電粒子ビーム光学系内の対物レンズ内と対物レンズ外に少なくとも１つずつ非点補正器を有する、
    ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
  9. 請求項８記載の荷電粒子ビーム装置であって、
    上記装置の非点収差と上記試料上の非点収差とをそれぞれ異なる上記非点補正器で補正する、
    ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
  10. 請求項８記載の荷電粒子ビーム装置であって、
    上記制御装置は、上記荷電粒子ビームとして、上記試料上の法線から傾斜させた傾斜ビームを照射する電子光学系設定を登録して保持する記憶部と、上記傾斜ビームで得た観察像を比較して移動量と方向を測定し、上記移動量と上記方向から非点補正量を算出する処理部を有する、
    ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
  11. 請求項１０記載の荷電粒子ビーム装置であって、
    上記処理部は、上記試料上の法線に対する方位角が４５°または１３５°となる２つの軌道の傾斜ビームで得た観察像を比較して上記移動量を求める、
    ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
  12. 請求項１０記載の荷電粒子ビーム装置であって、
    上記処理部は、上記試料上の法線に対する方位角が４５°または１３５°となる２つの基準軌道の傾斜ビームと、上記基準軌道に対する上記方位角が９０°または－９０°になる２つの軌道から上記移動量を求める、
    ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
  13. 請求項１０記載の荷電粒子ビーム装置であって、
    上記処理部は、上記電子光学系の少なくとも２つの焦点条件で、上記試料上の法線に対する方位角が４５°または１３５°となる２つの軌道の傾斜ビームにより上記移動量を取得する、
    ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
  14. 請求項１０記載の荷電粒子ビーム装置であって、
    上記処理部は、上記電子光学系の少なくとも２つの焦点条件で、上記試料上の法線に対する方位角が４５°または１３５°となる２つの基準軌道の傾斜ビームと上記基準軌道に対する方位角が９０°または－９０°になる２つの軌道により上記移動量を取得する、
    ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
  15. 荷電粒子ビームを利用する荷電粒子ビーム装置であって、
    試料を搭載するステージと、
    上記ステージ上の上記試料に上記荷電粒子ビームを照射し、上記試料から発生する二次荷電粒子を検出する荷電粒子ビーム光学系と、
    上記荷電粒子ビーム光学系の設定パラメータを定めて上記荷電粒子ビーム光学系を制御し、検出した上記二次荷電粒子から上記試料の画像を得る制御装置とを有し、
    上記制御装置は、上記荷電粒子ビームとして、試料上の法線から傾斜させた傾斜ビームを照射する電子光学系設定を登録し保持する記憶部と、非点校正用マークを用い、上記傾斜ビームで得た観察像を比較して移動量と方向を測定し、上記移動量と上記方向から非点補正量を算出すると共に、上記非点校正用マークを用い、上記画像内のパターンエッジの先鋭度から非点収差を求める処理部とを備え、
    ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
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