WO2020194575A1 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

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sample
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optical
charged particle
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美南 庄子
津野　夏規
太田　洋也
大輔 備前
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株式会社日立ハイテク
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Definitions

  • the present invention relates to a charged particle beam device that irradiates a sample with a charged particle beam.
  • a low-acceleration SEM (LV SEM: Low Voltage SEM) using an electron beam having an acceleration voltage of several kV or less has a shallow penetration depth of the electron beam and can obtain an image rich in surface information. It is extremely useful in the inspection and measurement of two-dimensional shapes such as the resist pattern in the above and the gate pattern in the previous process.
  • organic materials such as resists and antireflection films used in the lithography process have similar compositions to each other, or silicon-based semiconductor materials constituting transistors have similar compositions to each other, so that there is a difference in secondary electron emission from the materials. Hard to obtain.
  • the image contrast of the SEM of a sample made of such a material is low, the visibility of ultrafine patterns and defects of the semiconductor device is lowered.
  • a method for improving the visibility of SEM a method for adjusting observation conditions such as an accelerating voltage and an irradiation current and a technique for discriminating energy of electrons emitted from a sample are known, but resolution and imaging speed become problems depending on the conditions.
  • Patent Document 1 discloses a technique for controlling the image contrast of an SEM by irradiating the observation region of the SEM with light. Since excitation carriers are generated by light irradiation, the conductivity of semiconductors and insulators changes. The difference in conductivity of the materials is reflected in the potential contrast of the SEM image. By controlling the potential contrast of the SEM by light irradiation, it is possible to detect a poor continuity portion of a semiconductor device or the like.
  • Patent Document 2 discloses a method of controlling the image contrast of SEM by selecting a plurality of wavelengths of light, paying attention to the difference in light absorption characteristics depending on the wavelength of the irradiated light.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 control the image contrast of an SEM by determining the wavelength of light according to the difference in light absorption characteristics between materials.
  • the light absorption characteristics of a material largely depend on optical parameters other than wavelength, it is not possible to fully utilize the difference in light absorption characteristics by controlling only a single optical parameter.
  • the light absorption characteristic depends not only on the material but also on the pattern of the semiconductor device. Therefore, the image contrast of the SEM can be controlled with high accuracy only by controlling a single optical parameter. It becomes difficult to do.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and provides a charged particle beam apparatus capable of increasing the contrast of an observed image of a sample as much as possible according to the light absorption characteristics that change for each optical parameter. With the goal.
  • the charged particle beam device changes an optical parameter such as a plane of polarization of light irradiating a sample, and generates an observation image having a contrast corresponding to the changed optical parameter.
  • the optical parameters that maximize the light absorption coefficient of the sample are specified according to the feature amount of the shape pattern of the sample.
  • the sample is irradiated with light having different light parameters to obtain an observation image. Therefore, by using suitable light parameters according to the light absorption characteristics of the sample, the sample can be obtained. The contrast of the observed image can be increased.
  • FIG. 1 It is a block diagram of the charged particle beam apparatus 1 which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. 1 The configuration for irradiating the sample 8 with the light emitted by the light source 13 after controlling the wavelength / polarization plane / irradiation amount set by the user is shown.
  • a configuration example is shown in which the optical control unit 14 controls the optical parameters according to the conditions set via the input setting unit 21.
  • a configuration example for controlling the wavelength of light and the plane of polarization is shown. This is an example of the GUI provided by the display unit 20.
  • This is an example of an SEM image imaged by adjusting the polarizing plane according to the pattern shape.
  • FIG. 2 The configuration for irradiating the sample 8 with the light emitted by the light source 13 after controlling the wavelength / polarization plane / irradiation amount set by the user is shown.
  • a configuration example is shown in which the optical control unit 14 controls the optical parameters according to the conditions set via the input setting unit 21.
  • An example of using the Fourier transform as a method for extracting the feature amount of the shape of a sample having a periodic shape is shown. It is a figure explaining the method of determining the polarization plane from a feature quantity.
  • the feature amount of the pattern shape is extracted from the SEM image of the sample 8, and the observation image acquired by using the optical parameter having the highest light absorption coefficient according to each pattern is shown.
  • This is an example of the GUI provided by the display unit 20 in the second embodiment.
  • the optical path configuration when the irradiation ratio of P-polarized light and S-polarized light is measured and the irradiation amount of light is adjusted according to the feature amount of the shape pattern is shown.
  • the present invention determines the light irradiation condition (light parameter) that gives the highest image contrast, and provides an image contrast with high visibility of patterns and defects.
  • the present invention specifies suitable light irradiation conditions (polarizing plane, irradiation direction, irradiation angle, wavelength, light irradiation cycle, irradiation amount per unit time of light) composed of a plurality of light irradiation parameters.
  • ⁇ S is the amount of amplified electrons emitted by light irradiation
  • ⁇ is the absorption coefficient of the material
  • D pulse is the amount of light irradiation per unit time on the sample.
  • the amount of light irradiated per unit time is expressed by the formula (2).
  • Wave is the average output of light
  • f pulse is the frequency in the case of a pulse laser
  • N shot is the number of pulses to be irradiated per unit time.
  • the average output of light is the irradiation amount D cw of light per unit time.
  • the absorption coefficient ⁇ is expressed by the equation (3).
  • ⁇ is the extinction coefficient and ⁇ is the wavelength of light.
  • the quenching coefficient ⁇ is expressed by equation (4).
  • R is the reflectance with respect to the light intensity
  • ⁇ is the phase shift of the light.
  • the reflectance R differs depending on whether the plane of polarization is P-polarized light or S-polarized light, and is represented by the equations (5) and (6), respectively.
  • R p is the reflectance of P-polarized light
  • R s is the reflectance of S-polarized light.
  • N is the complex refractive index of the material and ⁇ is the irradiation angle. That is, it can be seen that the emission efficiency of secondary electrons depends not only on the wavelength but also on the irradiation amount of light per unit time, the plane of polarization, and the irradiation angle of light.
  • the amount of emitted electrons emitted from the sample during electron beam irradiation is controlled by controlling the polarization plane and other optical parameters of the intermittently irradiated light, and the image has high image contrast.
  • a charged particle beam device that realizes acquisition will be described.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a charged particle beam device 1 according to the first embodiment.
  • the charged particle beam device 1 is configured as a scanning electron microscope that acquires an observation image of the sample 8 by irradiating the sample 8 with an electron beam 30 (primary charged particles).
  • the charged particle beam device 1 includes an electron optics system, a stage mechanism system, an electron beam control system, a light irradiation system, and a main console 16.
  • the electron optics system is composed of an electron gun 2, a deflector 3, an electronic lens 4, and a detector 5.
  • the stage mechanism system is composed of an XYZ stage 6 and a sample holder 7.
  • the electron beam control system is composed of an electron gun control unit 9, a deflection signal control unit 10, a detection control unit 11, and an electron lens control unit 12.
  • the light irradiation system is composed of a light source 13, a light control unit 14, a light irradiation unit 24, and an input setting unit 21.
  • the main console 16 includes an image forming system and an input / output system.
  • the image forming system is composed of an image processing unit 17 and an image signal processing unit 19 having a detection sampling function synchronized with the deflection signal.
  • the input / output system is composed of an input setting unit 21 and a display unit 20 for imaging conditions of the electron beam 30.
  • the electron beam 30 accelerated by the electron gun 2 is focused by the electron lens 4 and irradiated to the sample 8.
  • the deflector 3 controls the irradiation position of the electron beam 30 with respect to the sample 8.
  • the detector 5 detects emitted electrons (secondary charged particles) emitted from the sample 8 by irradiating the sample 8 with an electron beam 30.
  • the input setting unit 21 is a functional unit for the user to specify and input an acceleration voltage, an irradiation current, a deflection condition, a detection sampling condition, an electronic lens condition, and the like.
  • the light source 13 emits light to irradiate the sample 8.
  • the light source 13 is a laser capable of outputting a single wavelength or multiple wavelengths in a region where the output wavelength is from ultraviolet rays to near infrared rays.
  • the light emitted from the light source 13 is applied to the sample 8 placed in the vacuum through the glass window 22 provided in the apparatus housing 23.
  • the optical control unit 14 controls optical parameters representing the physical characteristics emitted by the light source 13. The user specifies an optical parameter to the optical control unit 14 via the input setting unit 21.
  • FIG. 2 shows a configuration for irradiating the sample 8 with the light emitted by the light source 13 after controlling the wavelength / polarization plane / irradiation amount set by the user.
  • the plane of polarization includes linearly polarized light and circularly polarized light.
  • Linearly polarized light has P-polarized light and S-polarized light
  • circularly polarized light has left-handed and right-handed.
  • the light irradiation unit 24 controls the wavelength / polarization plane / irradiation amount of the light to be irradiated.
  • the light irradiation unit 24 can be composed of, for example, a wavelength conversion unit / polarization control unit / intensity control unit.
  • the polarization control unit is a component capable of changing the plane of polarization of light, and examples thereof include a wire grid type and a crystal type utilizing the birefringence phenomenon of the material itself.
  • the intensity control unit can control the light intensity by, for example, the pulse width of the light.
  • the light irradiation unit 24 can change the light parameters by using these devices.
  • FIG. 3A shows a configuration example in which the optical control unit 14 controls the optical parameters according to the conditions set via the input setting unit 21.
  • the light control unit 14 controls the light parameters of the light emitted to the sample 8 by controlling each control element included in the light irradiation unit 24.
  • the optical control unit 14 further controls optical parameters such as the wavelength of the light emitted by the light source 13.
  • FIG. 3A a configuration example for controlling the plane of polarization and the irradiation amount per unit time is shown.
  • the light irradiation unit 24 is composed of a polarization conversion plate 32 and a light amount variable filter 33, and the light control unit 14 controls these.
  • the light emitted from the light source 13 is converted by the polarization conversion plate 32 into a polarization plane designated by the input setting unit 21.
  • the light amount variable filter 33 controls the light amount so that the irradiation amount per unit time specified by the input setting unit 21 is reached.
  • the light whose polarization plane and irradiation amount per unit time is adjusted is applied to the sample 8 through the adjustment mirror 31 and the glass window 22.
  • FIG. 3B shows a configuration example for controlling the wavelength of light and the plane of polarization.
  • the light irradiation unit 24 is composed of a wavelength conversion unit 34 and a polarization conversion plate 32.
  • the light emitted from the light source 13 is adjusted by the wavelength conversion unit 34 so as to be emitted at the wavelength specified by the input setting unit 21, and the polarization plane is controlled by the polarization conversion plate 32.
  • FIG. 4 is an example of a GUI (Graphical User Interface) provided by the display unit 20.
  • the image acquisition operation designation unit 206 sets the acceleration voltage / irradiation current / scanning speed / irradiation interval of the electron beam 30, and also samples the sampling cycle of the light to be irradiated / irradiation amount per unit time / wavelength / irradiation angle / irradiation intensity ( This is a column for setting the pulse width).
  • the polarization plane setting unit 205 is a column for setting the polarization plane of light. For example, one can be selected from P-polarized light, S-polarized light, circularly polarized light, and elliptically polarized light.
  • the display unit 201A displays an SEM image when no light is irradiated
  • the display unit 201B displays an SEM image when light with a set polarizing surface is irradiated.
  • the difference image display unit 202 displays the difference image of the SEM image displayed by the display units 201A and 201B.
  • the image processing unit 17 generates a difference image by subtracting the SEM image when no light is irradiated from the SEM image when light is irradiated. The user can confirm the effect of improving the contrast by the light irradiation by confirming the portion emphasized by the light irradiation through the difference image.
  • the image pickup start button 203 is a button instructing the charged particle beam device 1 to start imaging the observation image of the sample 8.
  • the difference imaging button 204 is a button instructing the charged particle beam device 1 to generate a difference image.
  • FIG. 5 is an example of an SEM image taken by adjusting the polarizing plane according to the pattern shape.
  • the sample 8 a sample in which the resist 42 was coated on the antireflection film 41 was used.
  • the resist 42 formed on the antireflection film 41 is formed as a line and space having different pitches.
  • the wavelengths at which the resist 42 and the antireflection film 41 used in the evaluation shown in FIG. 5 had the highest absorption coefficients were 200 nm for the resist 42 and 400 nm for the antireflection film 41.
  • the line-and-space pitch width is a pitch width of 500 nm for the line pitch A and a pitch width of 250 nm for the line pitch B.
  • the electron beam irradiation conditions are an acceleration voltage of 0.8 keV, an irradiation current of 15 pA, and a scanning speed of TV rate scanning.
  • the light irradiation conditions were a wavelength of 400 nm, an irradiation amount of 100 mW per unit time of light, and P-polarized light and S-polarized light.
  • the irradiation angle is 30 degrees.
  • the detection sampling frequency is 100 MHz.
  • the line pitch A when the P-polarized light is irradiated, the image brightness of the antireflection film 41 becomes brighter than that of the resist 42, so that the image contrast between the antireflection film 41 and the resist 42 is improved.
  • the contrast between the antireflection film 41 and the resist 42 is low. Under this irradiation condition, P-polarized light is efficiently absorbed by the antireflection film 41, so that high image contrast can be obtained.
  • the line pitch B when the S-polarized light is irradiated, the light is efficiently absorbed by the antireflection film 41, so that the image contrast is improved.
  • P-polarized light when P-polarized light is irradiated, the image contrast becomes low.
  • the charged particle beam device 1 generates an observation image of the sample 8 for each optical parameter while changing the optical parameter including the plane of polarization of light, thereby producing an observation image having a different contrast for each optical parameter. Generate.
  • observation images having different contrasts depending on the light absorption characteristics of the sample 8 for each light parameter. Therefore, the visibility of the observed image can be improved by selecting the light parameter according to the light absorption characteristic of the sample 8.
  • the charged particle beam apparatus 1 generates observation images having different contrasts corresponding to each optical parameter, and also generates a difference image between the observation images and displays the difference image on the difference image display unit 202. .. This makes it possible to clearly see the difference between the observed images having different contrasts.
  • the contrast of the observed image may be adjusted by adjusting other optical parameters according to the light absorption characteristics of the sample 8.
  • the irradiation amount per unit time of light, pulse width, irradiation angle (elevation angle), wavelength, irradiation direction (azimuth), light irradiation cycle, and the like can be adjusted.
  • the irradiation angle is an angle formed between the perpendicular (Z-axis) and the electron beam 30 on the vertical plane.
  • the irradiation direction is an angle formed between the electron beam 30 and any of the coordinate axes (XY axes) on the horizontal plane.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of the charged particle beam device 1 according to the second embodiment.
  • the charged particle beam device 1 according to the second embodiment includes a feature amount extraction unit 18 and an optical parameter identification unit 15 in addition to the configuration described in the first embodiment.
  • the feature amount extraction unit 18 acquires the shape pattern of the sample 8 and extracts the feature amount of the shape pattern.
  • the optical parameter specifying unit 15 determines the parameter that maximizes the absorption coefficient of the light emitted to the sample 8 according to the feature amount.
  • the feature amount extraction unit 18 extracts the feature amount such as the dimensions / density / period / area / contour line / optical properties of the material constituting the sample 8 from the SEM image, the emitted electronic signal, the design data, and the like. Extract.
  • the storage device 81 will be described later.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a procedure in which the optical parameter specifying unit 15 determines the optical parameter. Each step of FIG. 7 will be described below.
  • Fig. 7 Steps S1 to S3
  • the user inserts the sample 8 and the stage mechanism moves the sample to the observation position (S1).
  • the user sets irradiation conditions such as the irradiation current of the electron beam 30, and the image processing unit 17 acquires an SEM image of the sample 8 according to the irradiation conditions (S2).
  • the feature amount extraction unit 18 extracts the shape pattern of the sample 8 and the feature amount thereof from the SEM image obtained in S2 (S3).
  • the optical parameter specifying unit 15 temporarily sets an optical parameter (for example, an irradiation amount per unit time) to any value (S4).
  • the light control unit 14 and the light irradiation unit 24 irradiate the sample 8 with light using the light parameters (S5).
  • the image processing unit 17 acquires the SEM image of the sample 8 and calculates the contrast of the SEM image (S6). Steps S4 to S6 are repeated while changing the values of the optical parameters. For example, when the irradiation amount per unit time is provisionally set as an optical parameter in step S4, S4 to S6 are repeated over the entire settable numerical range while changing the numerical value of the irradiation amount.
  • the optical parameter specifying unit 15 compares the contrast at each value of the optical parameter with the image contrast when no light is irradiated.
  • the optical parameter specifying unit 15 adopts the value having the highest contrast.
  • "no irradiation" is adopted as the light parameter.
  • Steps S4 to S7 are repeated for all combinations of optical parameters. For example, S4 to S7 are carried out for the irradiation amount per unit time, and then S4 to S7 are carried out for the wavelength. The same applies to other optical parameters. As an example of the combination of optical parameters, each parameter that can be specified on the image acquisition operation designation unit 206 of FIG. 4 is given as an example.
  • FIG. 8A shows an example in which the Fourier transform is used as a method for extracting the feature amount of the shape of the sample having a periodic shape.
  • the sample 8 is irradiated with the electron beam 30 according to the irradiation conditions set by the input setting unit 21, and the detector 5 detects the emitted electrons emitted from the sample 8.
  • the image processing unit 17 images the emitted electronic signal.
  • the feature amount extraction unit 18 analyzes the shape pattern of the sample 8 by frequency analysis and extracts the feature amount such as dimensions and pitch.
  • the width from the center of the image to the bright spot or bright line is the pattern frequency of each shape, and the pattern size can be calculated from the reciprocal of the pattern frequency.
  • f x is the X direction of the pattern frequency of the sample
  • f y is the Y-direction of the pattern frequency.
  • f x is a value smaller than f y .
  • P x be the pattern density in the X direction
  • P y be the pattern density in the Y direction
  • P x is the product of FOV and f x
  • P y is the product of FOV and f y .
  • the pattern density P x in the X direction having a low pattern frequency is lower than the pattern density P y in the Y direction having a high pattern frequency.
  • FIG. 8B is a diagram illustrating a method of determining a plane of polarization from a feature amount.
  • the horizontal axis of FIG. 8B is the product of the wavelength ⁇ of light and the pattern frequency f, and corresponds to a parameter representing diffraction efficiency.
  • the vertical axis is the absorption coefficient for each of P-polarized light and S-polarized light for the sample. This graph can be made into a database by optical simulation or actual measurement in advance.
  • FIG. 8B shows the value when the wavelength is ⁇ 1 .
  • the S-polarized light has a higher absorption coefficient for light of the sample 8 than the P-polarized light
  • the P-polarized light has a larger light absorption coefficient of the sample 8.
  • the light intensity of the light intensity of S-polarized light I s and P-polarized light I p are each of the absorption coefficient of the S polarized light and P-polarized light alpha s, It may be adjusted by dividing by the product of ⁇ p and the pattern densities P x , P y ( ⁇ s P x , ⁇ p P y ). Details will be described in the third embodiment described later.
  • FIG. 9 shows an observation image obtained by extracting the feature amount of the pattern shape from the SEM image of the sample 8 and using the optical parameter having the highest light absorption coefficient according to each pattern.
  • the sample 8 a sample in which the oxide film 45 was formed on the underlying silicon substrate 43 and the polysilicon 44 was formed on the oxide film 45 was used.
  • the polysilicon 44 is formed in an island shape having different pitches in the XY directions.
  • the irradiation conditions of the electron beam 30 are an acceleration voltage of 1.5 keV, an irradiation current of 300 pA, and a scanning speed of 150 nsec / pixel.
  • the light irradiation conditions were a wavelength of 535 nm, and the polarizing surface was irradiated with P or S polarized light according to a pattern for which contrast was desired to be improved.
  • the detection sampling frequency is 400 MHz.
  • the oxide film 45 of the shape pattern in the X direction has an emphasized image contrast, and the change with respect to the pattern in the Y direction is small.
  • the image brightness of the oxide film 45 of the Y-direction pattern is increased and the contrast in the Y-direction is emphasized as compared with the change in image brightness with respect to the pattern in the X direction. In this way, arbitrary contrast control is possible by using the light irradiation parameter including the polarizing surface that matches the direction of the pattern shape.
  • FIG. 10 is an example of the GUI provided by the display unit 20 in the second embodiment.
  • a method for extracting the feature amount can be selected. For example, in addition to the Fourier analysis of the observation image illustrated in FIG. 8A, a method of extracting the feature amount of the shape pattern from the design data, a method of measuring the pattern size on the observation image, and the like can be mentioned as examples.
  • the optical parameter specifying unit 15 refers to the database. By doing so, the optical parameters corresponding to the extracted feature amount can be automatically specified. In this case, it is not necessary to carry out the flowchart of FIG. 7, and each optical parameter corresponding to the feature amount can be automatically selected on the screen of FIG.
  • the database can be configured, for example, by storing data describing the correspondence between the feature amount and the optical parameter in the storage device 81.
  • Display units 207 and 208 display observation images with different optical parameters.
  • the light irradiation condition monitor unit 209 displays the current value of each light parameter.
  • the imaging condition display units 210 and 211 display the imaging conditions corresponding to the display units 207 and 208, respectively.
  • the charged particle beam device 1 identifies an optical parameter having the highest light absorption coefficient in the feature amount according to the feature amount of the sample 8, and observes the light after irradiating with light having the light parameter. Get the image. As a result, the contrast of the observed image can be increased as much as possible for each shape pattern of the sample 8.
  • the charged particle beam device 1 sets the optical parameters corresponding to the feature amount by referring to the database describing the correspondence between the feature amount and the optical parameter, or according to the flowchart of FIG. By searching, the optical parameters that can increase the contrast are identified. When using a database, the optimum optical parameters can be quickly identified. Even if the database cannot be prepared in advance, the optical parameters can be specified according to FIG. 7. Further, a database can be constructed by storing the optical parameters specified according to FIG. 7 in the storage device 81.
  • FIG. 11A shows an optical path configuration when measuring the irradiation ratio of P-polarized light and S-polarized light and adjusting the irradiation amount of light according to the feature amount of the shape pattern.
  • the light amount variable filter 33 adjusts the irradiation amount per unit time.
  • P-polarized light is emitted from the light source 13 and split into two optical paths by the unpolarized beam splitter 47.
  • the irradiation amount per unit time is adjusted by the light amount variable filter 33 while keeping P-polarized light, and the irradiation amount per unit time of P-polarized light is measured by the beam monitor 49.
  • the irradiation amount per unit time is adjusted by the light amount variable filter 33, and the unit of S-polarized light is adjusted by the beam monitor 49. Measure the amount of irradiation per hour.
  • FIG. 11B shows the optical path configuration after adjusting the irradiation amount.
  • the light control unit 14 controls the irradiation amount according to the shape pattern of the sample by using the procedure described later.
  • the beam monitor 49 is movable and is removed from the optical path when the adjustment of the irradiation amount per unit time is completed.
  • FIG. 12A is a diagram illustrating an example of a procedure for extracting the feature amount of the sample.
  • the feature amount extraction unit 18 acquires line profiles in the X direction and the Y direction, respectively, and extracts feature amounts such as line dimensions and pitches.
  • the line pitch was extracted as a feature amount.
  • the line pitch can be extracted, for example, as the brightness peak interval of the observed image.
  • the line pitch in the X direction is L x
  • the line pitch in the Y direction is L y .
  • FIG. 12B is a diagram illustrating a method of determining light irradiation conditions from the feature amount extracted by the feature amount extraction unit 18.
  • the horizontal axis is the ratio of the wavelength ⁇ to the line pitch L
  • the vertical axis is the absorption coefficient of the irradiation light with respect to the sample 8.
  • alpha P is the absorption coefficient of the P-polarized light with respect to wavelength ⁇ and a line pitch L
  • alpha S is the absorption coefficient of the S-polarized light with respect to wavelength ⁇ and a line pitch L
  • D P pulse and D S pulse is, P is irradiated to the sample 8 It is the irradiation amount per unit time of each of polarized light and S polarized light.
  • FIG. 12C shows the results of observation by controlling the irradiation amount per unit time for each polarizing surface.
  • the sample 8 a sample in which the pattern of polysilicon 44 was formed on the underlying silicon carbide substrate 46 was used.
  • the polysilicon 44 is formed as an island shape having different pitches in the X direction and the Y direction.
  • the irradiation conditions of the electron beam 30 are an acceleration voltage of 0.3 keV, an irradiation current of 1 nA, and a scanning speed of 20 nsec / pixel.
  • the light irradiation conditions are a wavelength of 300 nm and a detection sampling of 2 nsec.
  • the plane of polarization and the irradiation amount per unit time were controlled so that the contrast was constant according to the procedure described with reference to FIGS. 12A to 12B.
  • the irradiation amount per unit time is controlled by using the variable light amount filter 33, but in the case of a pulse laser, a pulse picker is used instead of the variable light amount filter 33 per unit time of P polarization.
  • the number of pulses of S polarization may be controlled to be two-thirds of the number of pulses per unit time of S-polarized light.
  • FIG. 13 is an example of the GUI provided by the display unit 20 in the third embodiment.
  • pattern dimensions were extracted from the line profile as feature quantities.
  • the SEM image when no light is irradiated is displayed on the display unit 201A, and the image captured under the determined light irradiation conditions is displayed on the display unit 201B.
  • the polarizing plane ratio adjusting unit 213 is a scroll bar used for manually adjusting the ratio of S-polarized light and P-polarized light.
  • the irradiation amount adjusting unit 214 is a scroll bar used for adjusting the irradiation amount per unit time of each of P-polarized light and S-polarized light.
  • the polarization type selection button 216 is used to select a polarization plane.
  • the live image display unit 215 displays the SEM image during light irradiation condition extraction.
  • the light control unit 14 selects the polarization plane of light and the irradiation amount per unit time according to the feature amount of the sample 8 according to the procedure described above. The selection result is automatically reflected on the screen of FIG.
  • the charged particle beam device 1 specifies the optical parameters according to the feature amount of the pattern shape of the sample 8, and also per unit time for each optical parameter according to the optical absorption coefficient corresponding to each optical parameter. Adjust the irradiation dose. As a result, the contrast for each optical parameter can be made uniform. Therefore, for example, even when the feature amount of the sample 8 is different depending on the observation direction, a uniform contrast can be obtained.
  • the charged particle beam device 1 includes a mechanism for adjusting the angle of light emitted to the sample 8 in addition to the configurations described in the first to third embodiments.
  • the functional unit for example, the light irradiation unit 24 for adjusting the light irradiation conditions other than the angle may be installed in front of or behind the adjustment mirror 31.
  • FIG. 14A is an example of controlling the angle of the light applied to the sample 8 by adjusting the inclination angle of the XYZ stage 6.
  • the light control unit 14 controls the angle of light by designating the tilt angle with respect to the XYZ stage 6.
  • FIG. 14B is an example in which the angle of light emitted to the sample 8 is adjusted by a mirror 35 installed outside the apparatus housing 23.
  • the light control unit 14 controls the angle of light by designating the tilt angle with respect to the mirror 35.
  • the pulse width and the number of irradiation pulses per unit time can be controlled.
  • the pulse width and the number of irradiation pulses per unit time can be adjusted by a function mounted on the pulse laser, or may be adjusted by another function incorporated in the irradiation optical system.
  • the pulse width can be adjusted with a Q switch, and the number of irradiation pulses per unit time can be adjusted with a pulse picker using a Pockels cell.
  • the polarization of the pulsed laser can be adjusted using the same configuration as in the third embodiment.
  • FIG. 15A is an example in which a histogram of the brightness of the SEM image is acquired in each of the XY directions.
  • the brightness histogram represents the frequency distribution of the brightness value of each pixel in the SEM image.
  • a brightness difference histogram may be used instead of the brightness histogram.
  • brightness may be used instead of brightness. In the following, the brightness histogram will be used.
  • FIG. 15B shows a procedure for maximizing contrast using a brightness histogram.
  • the optical control unit 14 first creates a brightness histogram while changing the wavelength and the polarization plane, and specifies the wavelength and the polarization plane at which the peak interval H is maximized.
  • the light control unit 14 specifies the light irradiation angle at which the peak interval H is maximized.
  • the optical control unit 14 specifies the irradiation amount of the light having the maximum peak interval H per unit time.
  • the irradiation amount can be adjusted by, for example, the pulse width, the number of pulses included in a unit time, the average output of the pulse laser, and the like.
  • the peak interval H can be maximized for each optical parameter.
  • the peak interval H may be maximized for each of the wavelength, the irradiation direction (azimuth) with respect to the sample, the light irradiation cycle, and the like.
  • the order of adjustment may be from any parameter.
  • the optimum value of the optical parameter may be adjusted for each observation direction. Further, when the optimum optical parameter is determined according to the feature amount of the sample 8 (for example, when the optimum optical parameter is determined by the procedure as described in the first embodiment), only the other optical parameters may be adjusted.
  • FIG. 16 is an example of the GUI provided by the display unit 20 in the fourth embodiment.
  • the user inputs the light parameter and the search range for searching the optimum value on the light irradiation condition selection unit 217.
  • the polarization plane to be irradiated on the polarization type selection unit 222 is checked.
  • the wavelength of the light to be irradiated, the irradiation amount per unit time, the irradiation angle, the light irradiation interval, the light irradiation direction (azimuth) with respect to the sample, and the pulse width can be set.
  • the display unit 201A displays an SEM image when no light is irradiated, and the display unit 201B displays an image captured using the optical parameter having the largest peak interval H.
  • the live image display unit 215 displays the SEM image during the optical parameter search.
  • the image processing display unit 221 displays a composite image or a difference image between the acquired images.
  • the user selects an image file in the image selection unit 218.
  • the user determines the image calculation method on the calculation selection unit 219. For example, if you want to output the difference image between the images A and B selected in the image selection unit 218, select the minus sign, and if you want to output the composite image, select the plus sign.
  • the processing start button 220 is selected, the image processing unit 17 starts image processing.
  • the charged particle beam apparatus 1 specifies optical parameters so that the peak interval H of the brightness histogram of the SEM image becomes large. Thereby, the optical parameters can be optimized so as to improve the pattern contrast of the SEM image.
  • the shape patterns on the sample 8 are arranged in a straight line, and an example in which P-polarized light or S-polarized light is used depending on the observation direction has been described.
  • the invention can be applied.
  • the fifth embodiment of the present invention as one example, an example of improving the image contrast of the SEM image obtained by photographing the magnetic domain of the material will be described.
  • the configuration of the charged particle beam device 1 is the same as that of the first to fourth embodiments.
  • the polarization conversion plate 32 may be a ⁇ / 2 polarizing plate or a ⁇ / 4 polarizing plate, or may be a combination of a ⁇ / 2 polarizing plate and a ⁇ / 4 polarizing plate. It may be another element capable of converting the plane of polarization.
  • the GUI is the same as in FIG.
  • FIG. 17 is an example of an SEM image in which the image contrast of the magnetic domain of the sample 8 is improved.
  • the sample 8 an iron thin film having a domain different from the magnetic domain was used.
  • the irradiation conditions of the electron beam 30 are an acceleration voltage of 0.5 keV, an irradiation current of 20 pA, and a scanning speed of 100 nsec / pixel.
  • the light irradiation conditions were a wavelength of 800 nm, and the plane of polarization was (1) circularly polarized light counterclockwise and (2) circularly polarized light clockwise.
  • FIG. 18 is a configuration diagram of the charged particle beam device 1 according to the sixth embodiment.
  • the charged particle beam device 1 is a multi-beam scanning electron microscope that acquires an observation image of the sample 8 in a wide field of view by irradiating the sample 8 with a plurality of electron beams 55, 56, 57 (primary charged particles). It is configured as.
  • the charged particle beam device 1 includes an electron optics system, a stage mechanism system, an electron beam control system, a light irradiation system, and a main console 16.
  • the electron optics system is composed of a multi-beam optical device 50 and detectors 51, 52, 53 that form and irradiate a plurality of electron beams.
  • the stage mechanism system is composed of an XYZ stage 6 and a sample holder 7.
  • the electron beam control system is composed of a multi-beam electron beam control unit 61, a detection control unit (a) 58, a detection control unit (b) 59, and a detection control unit (c) 60.
  • the light irradiation system is composed of a light source 13, a light control unit 14, a light irradiation unit 24, and an input setting unit 21.
  • the main console 16 includes an image forming system and an input / output system.
  • the image forming system is composed of an image processing unit 17 and an image signal processing unit 19 having a detection sampling function synchronized with the deflection signal.
  • the input / output system is composed of an input setting unit 21 and a display unit 20 for imaging conditions of electron beams 55, 56, and 57.
  • the feature amount extraction unit 18 acquires the shape pattern of the sample 8 and extracts the feature amount of the shape pattern.
  • the optical parameter specifying unit 15 determines the parameter that maximizes the absorption coefficient of the light emitted to the sample 8 according to the feature amount.
  • the feature amount extraction unit 18 extracts the feature amount such as the dimensions / density / period / area / contour line / optical properties of the material constituting the sample 8 from the SEM image, the emitted electronic signal, the design data, and the like. Extract.
  • the electron beams 55, 56, 57 accelerated by the multi-beam optical device 50 irradiate the sample 8, and control the irradiation position of the electron beams 55, 56, 57 with respect to the sample 8.
  • the detector 5 detects emitted electrons (secondary charged particles) emitted from the sample 8 by irradiating the sample 8 with electron beams 55, 56, 57.
  • the input setting unit 21 is a functional unit for the user to specify and input an acceleration voltage, an irradiation current, a deflection condition, a detection sampling condition, an electronic lens condition, and the like.
  • FIG. 19 shows an SEM image acquired by irradiation with a plurality of electron beams.
  • SEM observation is possible by irradiating a plurality of electron beams, the area that can be acquired by one observation is expanded. As a result, it is possible to observe in a wide field of view, so that regions having different pattern feature amounts are acquired in one image.
  • images were taken under a sample and conditions in which pattern A and pattern B, which have the same pattern pitch but different pattern formation directions, are mixed in one field of view.
  • the feature amount of the shape pattern is extracted for each SEM image acquired by each detector.
  • the method for extracting the feature amount with respect to the shape pattern of the sample is specified from the line pitch of the sample pattern used in Example 3.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating a method of determining light irradiation conditions based on the feature amount extracted by the feature amount extraction unit 18 from each image acquired by a plurality of electron beam irradiations.
  • the horizontal axis is the ratio of the wavelength ⁇ to the line pitch L
  • the vertical axis is the absorption coefficient of the irradiation light with respect to the sample 8.
  • a line pitch L A pattern A, line pitch L B is plotted with respect to the pattern B.
  • the irradiation amount D A per unit time for the pattern A and the irradiation amount D B per unit time for the pattern B are equal, the contrast at each line pitch becomes uniform.
  • the irradiation amount per unit time of each polarizing surface is calculated by the formulas (9) and (10).
  • alpha P (A) is the absorption coefficient of the P-polarized light with respect to wavelength ⁇ and a line pitch L A
  • ⁇ S (A) is the absorption coefficient of the S-polarized light with respect to wavelength ⁇ and a line pitch L A
  • ⁇ P (B) is a wavelength ⁇ and a line absorption coefficient of the P-polarized light with respect to the pitch L B
  • ⁇ S (B) is the absorption coefficient of the S-polarized light with respect to wavelength ⁇ and a line pitch L B.
  • D A and D B is the amount of irradiation per unit time of the irradiated is P-polarized light and S-polarized light to the sample 8.
  • FIG. 21 shows the results of observation by controlling the irradiation amount per unit time for each polarizing surface.
  • a sample in which the pattern of polysilicon 71 was formed on the underlying silicon 70 was used.
  • the irradiation conditions of the electron beam 30 are an acceleration voltage of 5.0 keV, an irradiation current of 5 nA, and a scanning speed of 100 nsec / pixel.
  • the light irradiation conditions are a wavelength of 405 nm and a detection sampling of 20 nsec.
  • the plane of polarization and the irradiation amount per unit time were controlled so that the contrast was constant according to the procedure described with reference to FIG.
  • the GUI is the same as in FIG.
  • the irradiation amount of S and P polarized light for pattern A per unit time is determined from the equations (9) and (10), and the S and P polarized light for pattern B It was found that it is necessary to control the irradiation amount to be half of the irradiation amount per unit time. Under the light irradiation OFF condition of FIG. 21A, the contrast difference between the polysilicon 44 and the silicon carbide substrate 46 is small. Further, when an SEM image is acquired under the condition of irradiating light without extracting the feature amount of the shape pattern shown in FIG.
  • the contrast of silicon and polysilicon in the pattern A is compared with that of the pattern B.
  • the contrast difference between silicon and polysilicon is small, and a uniform contrast improving effect cannot be obtained in patterns A and B.
  • a uniform contrast improving effect was confirmed for both pattern A and pattern B as shown in FIG. 21 (c). ..
  • the irradiation amount per unit time is controlled by using a variable light amount filter, but in the case of a pulse laser, a pulse picker is used instead of the variable light amount filter to pulse P-polarized light per unit time.
  • the number may be controlled to be two-thirds of the number of pulses per unit time of S-polarized light.
  • the charged particle beam device 1 specifies an optical parameter according to the feature amount of the pattern shape of the sample 8, and also per unit time for each optical parameter according to the optical absorption coefficient corresponding to each optical parameter. Adjust the irradiation dose. As a result, the contrast for each optical parameter can be made uniform. Therefore, for example, even when the feature amount of the sample 8 is different depending on the observation direction, a uniform contrast can be obtained.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications.
  • the above-described embodiment has been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to the one including all the described configurations.
  • it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.
  • the present invention describes the other charged particle beam devices. Can also be used. That is, the present invention can be applied to other charged particle beam devices that adjust the emission efficiency of secondary charged particles by irradiating the sample 8 with light.
  • the pulse laser is used as the light source 13, but other light sources capable of irradiating light can also be used.
  • FIG. 3 an example of controlling the polarization by using the polarization conversion plate 32 has been described, but the polarization may be controlled by using other means.
  • a ⁇ / 4 polarizing plate may be used to convert direct polarized light into circularly polarized light or elliptically polarized light.
  • the configuration for adjusting the light irradiation angle is not limited to that illustrated in FIGS. 14A and 14B.
  • the light irradiation angle may be controlled by adjusting the angle of the adjustment mirror 31.
  • the optical properties of the shape pattern of the sample include the light absorption rate of the material of the sample 8, the light reflectance of the material of the sample 8, the dielectric constant of the material of the sample 8, and the number of abbreviations of the material of the sample 8. ,
  • the light reflectance of the material of the sample 8, and the like can be considered.
  • the light is sampled at a time interval shorter than the cycle of irradiating the sample 8 with the electron beam 30. It is desirable to irradiate to 8.
  • the main console 16 can be configured by an arithmetic unit such as a computer.
  • Each function unit (image processing unit 17, feature amount extraction unit 18, input setting unit 21), optical control unit 14, and optical parameter identification unit 15 included in the main console 16 are hardware such as a circuit device that implements these functions. It can be configured by using, or it can be configured by the arithmetic unit executing software that implements these functions.

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Abstract

本発明は、光パラメータごとに変化する光の吸収特性にしたがって、試料の観察像のコントラストをできる限り高めることができる、荷電粒子線装置を提供することを目的とする。本発明に係る荷電粒子線装置は、試料に対して照射する光の偏光面などの光パラメータを変化させ、変化させた光パラメータに対応するコントラストを有する観察像を生成する。また、試料の形状パターンの特徴量に応じて、試料の光吸収係数が最大となるような光パラメータを特定する（図５参照）。

Description

荷電粒子線装置
　本発明は、荷電粒子線を試料に照射する荷電粒子線装置に関する。
　半導体デバイスの製造工程では、歩留まり向上を目的として、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によるインライン検査計測が重要な検査項目となっている。特に、数ｋＶ以下の加速電圧を有する電子線を用いた低加速ＳＥＭ（ＬＶ　ＳＥＭ：Ｌｏｗ　Ｖｏｌｔａｇｅ　ＳＥＭ）は、電子線の侵入深さが浅く、表面情報に富む画像が得られることから、リソグラフィ工程におけるレジストパターンや前工程におけるゲートパターンなど２次元形状の検査計測において極めて有用である。しかしながら、リソグラフィ工程において利用されるレジストや反射防止膜等の有機材料は互いに組成が近く、あるいはトランジスタを構成する珪素系の半導体材料は互いに組成が近いので、材料からの２次電子放出の差が得られにくい。このような材料によって構成された試料はＳＥＭの像コントラストが低くなってしまうので、半導体デバイスの超微細パターンや欠陥の視認性が低下する。ＳＥＭの視認性向上法として、加速電圧や照射電流などの観察条件の調整法や試料から放出される電子のエネルギ弁別技術が知られているが、条件によっては分解能や撮像速度が課題となる。
　特許文献１には、ＳＥＭの観察領域に光を照射することによりＳＥＭの像コントラストを制御する技術が開示されている。光照射によって励起キャリアが発生するので、半導体や絶縁体の導電率が変化する。材料の導電率の差はＳＥＭの画像の電位コントラストに反映される。光照射によるＳＥＭの電位コントラスト制御によって半導体デバイス等の導通不良箇所を検出できる。特許文献２には、照射する光の波長に依存する光の吸収特性の差に着目し、複数の光の波長選択によってＳＥＭの像コントラストを制御する方法が開示されている。
特開２００３－１５１４８３号公報 特許第５１９０１１９号公報
　特許文献１や特許文献２は、材料間の光吸収特性の差に応じて光の波長を決定することにより、ＳＥＭの像コントラストを制御する。しかし、材料の光の吸収特性は波長以外の光パラメータにも大きく依存するので、単一の光パラメータを制御するのみでは、光の吸収特性の差を十分に利用できない。さらに、周期パターンを有する半導体デバイスにおいては、光の吸収特性が材料だけでなく半導体デバイスのパターンにも依存するので、単一の光パラメータを制御するのみでは、ＳＥＭの像コントラストを高精度に制御することが困難となる。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、光パラメータごとに変化する光の吸収特性にしたがって、試料の観察像のコントラストをできる限り高めることができる、荷電粒子線装置を提供することを目的とする。
　本発明に係る荷電粒子線装置は、試料に対して照射する光の偏光面などの光パラメータを変化させ、変化させた光パラメータに対応するコントラストを有する観察像を生成する。また、試料の形状パターンの特徴量に応じて、試料の光吸収係数が最大となるような光パラメータを特定する。
　本発明に係る荷電粒子線装置によれば、異なる光パラメータを有する光を試料に対して照射して観察像を取得するので、試料の光吸収特性に応じた好適な光パラメータを用いることにより、観察像のコントラストを高めることができる。
実施形態１に係る荷電粒子線装置１の構成図である。 光源１３が出射した光を、ユーザが設定した波長／偏光面／照射量に制御した上で試料８に対して照射するための構成を示す。 入力設定部２１を介して設定された条件にしたがって光制御部１４が光パラメータを制御する構成例を示す。 光の波長と偏光面を制御する構成例を示す。 表示部２０が提供するＧＵＩの例である。 パターン形状に合わせて偏光面を調整し、撮像したＳＥＭ像の例である。 実施形態２に係る荷電粒子線装置１の構成図である。 光パラメータ特定部１５が光パラメータを決定する手順を説明するフローチャートである。 周期的な形状を有する試料の形状の特徴量を抽出する方法として、フーリエ変換を用いる例を示す。 特徴量から偏光面を決定する方法を説明する図である。 試料８のＳＥＭ像からパターン形状の特徴量を抽出し、各パターンに合わせて光の吸収係数が最も高い光パラメータを用いて取得した観察像を示す。 実施形態２において表示部２０が提供するＧＵＩの例である。 Ｐ偏光とＳ偏光の照射割合を測定し、形状パターンの特徴量に合わせて光の照射量を調整する際の光路構成を示す。 照射量を調整した後の光路構成である。 試料の特徴量を抽出する手順の１例を説明する図である。 特徴量抽出部１８が抽出した特徴量から光の照射条件を決定する方法を説明する図である。 偏光面ごとに単位時間当たりの照射量を制御して観察した結果を示す。 実施形態３において表示部２０が提供するＧＵＩの例である。 ＸＹＺステージ６の傾斜角度を調整することにより、試料８に照射される光の角度を制御する例である。 試料８に対して照射する光の角度を、装置筐体２３の外部に設置したミラー３５によって調整する例である。 ＳＥＭ像の明度のヒストグラムをＸＹ方向それぞれにおいて取得した例である。 明度ヒストグラムを用いてコントラストを最大化する手順を示す。 実施形態４において表示部２０が提供するＧＵＩの例である。 試料８の磁区の像コントラストを向上させたＳＥＭ像の例である。 実施形態６に係る荷電粒子線装置１の構成図である。 複数の電子線照射によって取得させるＳＥＭ像である。 特徴量抽出部１８が抽出した特徴量から光の照射条件を決定する方法を説明する図である。 実施形態６による光の照射条件でのコントラスト制御の効果を示す図である。
＜本発明の基本原理について＞
　以下ではまず本発明の基本原理について説明し、次に本発明の具体的な実施形態について説明する。本発明は、最も高い像コントラストとなる光照射条件（光パラメータ）を決定し、パターンや欠陥の視認性の高い像コントラストを提供する。本発明は、複数の光照射のパラメータで構成された好適な光照射条件（偏光面、照射方向、照射角度、波長、光の照射周期、光の単位時間当たりの照射量）を特定する。試料に対して光を照射することにより、試料には光子数に応じてキャリアが励起され、電子状態が変化する。光照射下における２次電子の放出量は式（１）となる。ΔＳは光照射による放出電子の増幅量、αは材料の吸収係数、Ｄｐｕｌｓｅは試料への単位時間当たりの光の照射量である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　単位時間当たりの光の照射量は式（２）で表される。Ｗａｖｅは光の平均出力、ｆｐｕｌｓｅはパルスレーザの場合の周波数、Ｎｓｈｏｔは単位時間当たりに照射するパルス数である。連続で光を発振する連続レーザにおいては、光の平均出力は単位時間当たりの光の照射量Ｄｃｗとなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　吸収係数αは、式（３）で表される。κは消光係数であり、λは光の波長である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　消光係数κは式（４）で表される。Ｒは光強度に対する反射率であり、θは光の位相のずれである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　反射率Ｒは、偏光面がＰ偏光とＳ偏光いずれであるのかによって異なり、それぞれ式（５）（６）で表される。ＲｐはＰ偏光の反射率であり、ＲｓはＳ偏光の反射率である。Ｎは材料の複素屈折率であり、φは照射角度である。つまり、２次電子の放出効率は波長だけでなく、光の単位時間当たりの照射量、偏光面、光の照射角度に依存することがわかる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
＜実施の形態１＞
　本発明の実施形態１では、断続的に照射される光の偏光面その他の光パラメータを制御することによって電子線照射時の試料からの放出電子の放出量を制御し、高い像コントラストを有する画像取得を実現する荷電粒子線装置について述べる。
　図１は、本実施形態１に係る荷電粒子線装置１の構成図である。荷電粒子線装置１は、試料８に対して電子線３０（１次荷電粒子）を照射することにより試料８の観察像を取得する、走査型電子顕微鏡として構成されている。荷電粒子線装置１は、電子光学系、ステージ機構系、電子線制御系、光照射系、メインコンソール１６を備える。
　電子光学系は、電子銃２、偏向器３、電子レンズ４、検出器５により構成されている。ステージ機構系は、ＸＹＺステージ６、試料ホルダ７により構成されている。電子線制御系は、電子銃制御部９、偏向信号制御部１０、検出制御部１１、電子レンズ制御部１２により構成されている。光照射系は、光源１３、光制御部１４、光照射部２４、入力設定部２１により構成されている。メインコンソール１６は、画像形成系と入出力系を備える。画像形成系は、偏向信号と同期した検出サンプリング機能を備えた画像処理部１７と画像信号処理部１９で構成されている。入出力系は、電子線３０の撮像条件の入力設定部２１と表示部２０で構成されている。
　電子銃２より加速された電子線３０は、電子レンズ４によって集束され、試料８に照射される。偏向器３は、試料８上に対する電子線３０の照射位置を制御する。検出器５は、電子線３０を試料８に対して照射することにより試料８から放出される放出電子（２次荷電粒子）を検出する。入力設定部２１は、加速電圧、照射電流、偏向条件、検出サンプリング条件、電子レンズ条件などをユーザが指定入力するための機能部である。
　光源１３は、試料８に対し照射する光を出射する。光源１３は、出力波長が紫外線から近赤外までの領域で単波長もしくは多波長が出力可能なレーザである。光源１３より放出された光は、装置筐体２３に具備されたガラス窓２２を介して、真空中に設置された試料８に対して照射される。光制御部１４は、光源１３が出射する物理的特性を表す光パラメータを制御する。ユーザは入力設定部２１を介して、光パラメータを光制御部１４に対して指定する。
　図２は、光源１３が出射した光を、ユーザが設定した波長／偏光面／照射量に制御した上で試料８に対して照射するための構成を示す。一般的に、偏光面としては直線偏光と円偏光がある。直線偏光はＰ偏光とＳ偏光があり、円偏光は左回りと右回りがある。光照射部２４は、照射する光の波長／偏光面／照射量を制御する。光照射部２４は、例えば波長変換部／偏光制御部／強度制御部によって構成することができる。偏光制御部は、光の偏光面を変更することが可能な部品であり、例として、ワイヤーグリッドタイプや材料自体が有する複屈折現象を利用した結晶タイプがある。強度制御部は、例えば光のパルス幅によって光強度を制御することができる。光照射部２４は、これらデバイスを用いて光パラメータを変更することができる。
　図３Ａは、入力設定部２１を介して設定された条件にしたがって光制御部１４が光パラメータを制御する構成例を示す。光制御部１４は、光照射部２４が備える各制御素子を制御することにより、試料８に対して照射される光の光パラメータを制御する。光制御部１４はさらに、光源１３が出射する光の波長などの光パラメータを制御する。図３Ａにおいては、偏光面と単位時間当たりの照射量を制御する構成例を示した。光照射部２４は偏光変換板３２と光量可変フィルタ３３で構成されており、光制御部１４はこれらを制御する。
　光源１３より照射された光は、偏光変換板３２によって入力設定部２１が指定する偏光面に変換される。光量可変フィルタ３３は、入力設定部２１が指定する単位時間当たりの照射量になるように光量を制御する。偏光面および単位時間当たりの照射量を調整された光は、調整ミラー３１とガラス窓２２を介して試料８に照射される。
　図３Ｂは、光の波長と偏光面を制御する構成例を示す。光照射部２４は、波長変換部３４と偏光変換板３２で構成されている。光源１３より照射された光は、入力設定部２１が指定する波長で照射されるように波長変換部３４によって調整され、偏光変換板３２により偏光面が制御される。
　図４は、表示部２０が提供するＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ　Ｕｓｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）の例である。画像取得オペレーション指定部２０６は、電子線３０の加速電圧／照射電流／走査速度／照射間隔を設定するとともに、照射する光のサンプリング周期／単位時間当たりの照射量／波長／照射角度／照射強度（パルス幅）を設定する欄である。偏光面設定部２０５は、光の偏光面を設定する欄である。例えばＰ偏光／Ｓ偏光／円偏光／楕円偏光のなかからいずれかを選択できる。表示部２０１Ａは光を照射しない場合のＳＥＭ像を表示し、表示部２０１Ｂは設定した偏光面を有する光を照射した際のＳＥＭ画像を表示する。差画像表示部２０２は、表示部２０１Ａと２０１Ｂが表示しているＳＥＭ像の差画像を表示する。画像処理部１７は、光照射時のＳＥＭ像より光無照射時のＳＥＭ像を減算することにより、差画像を生成する。ユーザは差画像を介して、光照射によって強調されている部分を確認することにより、光照射によるコントラストの向上効果を確認することができる。撮像開始ボタン２０３は、荷電粒子線装置１に対して試料８の観察像を撮像開始するように指示するボタンである。差画像化ボタン２０４は、荷電粒子線装置１に対して差画像を生成するように指示するボタンである。
　図５は、パターン形状に合わせて偏光面を調整し、撮像したＳＥＭ像の例である。試料８として、反射防止膜４１の上にレジスト４２が塗布されているものを用いた。反射防止膜４１上に形成されたレジスト４２は、ピッチの異なるラインアンドスペースとして形成されている。図５に示す評価において使用したレジスト４２と反射防止膜４１の吸収係数が最も高い波長は、レジスト４２については２００ｎｍ、反射防止膜４１については４００ｎｍであった。ラインアンドスペースのピッチ幅は、ラインピッチＡについてはピッチ幅５００ｎｍ、ラインピッチＢについてはピッチ幅２５０ｎｍである。電子線の照射条件は、加速電圧０．８ｋｅＶ、照射電流１５ｐＡ、走査速度はＴＶレートスキャンである。光照射条件は、波長４００ｎｍ、光の単位時間当たりの照射量１００ｍＷ、偏光面はＰ偏光とＳ偏光とした。照射角度は３０度である。検出サンプリング周波数は１００ＭＨｚである。
　ラインピッチＡにおいては、Ｐ偏光を照射した際に、反射防止膜４１の画像明度がレジスト４２と比較して明るくなるので、反射防止膜４１とレジスト４２との間で像コントラストが向上する。これに対し、Ｓ偏光を照射した際には、反射防止膜４１とレジスト４２との間のコントラストは低い。本照射条件では、Ｐ偏光が反射防止膜４１に効率的に吸収されるので、高い像コントラストが得られる。ラインピッチＢにおいては、Ｓ偏光を照射した際に、反射防止膜４１に光が効率的に吸収されるので、像コントラストが向上する。これに対し、Ｐ偏光を照射した際には、像コントラストが低くなる。
＜実施の形態１：まとめ＞
　本実施形態１に係る荷電粒子線装置１は、光の偏光面を含む光パラメータを変えながら光パラメータごとに試料８の観察像を生成することにより、光パラメータごとに異なるコントラストを有する観察像を生成する。これにより、各光パラメータに対する試料８の光吸収特性に応じてそれぞれ異なるコントラストを有する観察像を得ることができる。したがって、試料８の光吸収特性に合わせて光パラメータを選択することにより、観察像の視認性を向上させることができる。
　本実施形態１に係る荷電粒子線装置１は、各光パラメータに対応するそれぞれ異なるコントラストを有する観察像を生成するとともに、観察像間の差画像を生成し、差画像表示部２０２上に表示する。これにより、それぞれ異なるコントラストを有する観察像間の差異を明確に視認することができる。
　図５においては、光パラメータとして偏光面を調整する例を示したが、試料８の光吸収特性に応じてその他の光パラメータを調整することにより観察像のコントラストを調整してもよい。例えば光の単位時間当たりの照射量、パルス幅、照射角度（仰角）、波長、照射方向（方位角）、光の照射周期、などを調整することができる。照射角度は、垂直面上において垂線（Ｚ軸）と電子線３０との間で形成される角度である。照射方向は、水平面上において電子線３０といずれかの座標軸（ＸＹ軸）との間で形成される角度である。
＜実施の形態２＞
　本発明の実施形態２では、試料８の形状パターンの特徴量を抽出したうえで、試料８に対して照射する光の光パラメータをその特徴量にしたがって制御する構成例について説明する。
　図６は、本実施形態２に係る荷電粒子線装置１の構成図である。本実施形態２に係る荷電粒子線装置１は、実施形態１で説明した構成に加えて、特徴量抽出部１８と光パラメータ特定部１５を備える。特徴量抽出部１８は、試料８の形状パターンを取得し、その形状パターンの特徴量を抽出する。光パラメータ特定部１５は、その特徴量にしたがって、試料８に対して照射する光の吸収係数が最大となるパラメータを決定する。特徴量抽出部１８は、ＳＥＭ像、放出電子信号、設計データなどから、形状パターンの寸法／密度／周期／面積／輪郭線／試料８を構成している材料の光物性、などの特徴量を抽出する。記憶装置８１については後述する。
　図７は、光パラメータ特定部１５が光パラメータを決定する手順を説明するフローチャートである。以下図７の各ステップについて説明する。
（図７：ステップＳ１～Ｓ３）
　ユーザは試料８を挿入し、ステージ機構系は試料を観察位置まで移動する（Ｓ１）。ユーザは電子線３０の照射電流などの照射条件を設定し、画像処理部１７はその照射条件にしたがって試料８のＳＥＭ像を取得する（Ｓ２）。特徴量抽出部１８は、Ｓ２で得たＳＥＭ像より試料８の形状パターンとその特徴量を抽出する（Ｓ３）。
（図７：ステップＳ４～Ｓ６）
　光パラメータ特定部１５は、光パラメータ（例えば単位時間当たりの照射量）をいずれかの値に仮設定する（Ｓ４）。光制御部１４と光照射部２４は、その光パラメータを用いて光を試料８に対して照射する（Ｓ５）。画像処理部１７は、試料８のＳＥＭ像を取得するとともに、ＳＥＭ像のコントラストを算出する（Ｓ６）。光パラメータの値を変えながら、ステップＳ４～Ｓ６を繰り返す。例えばステップＳ４において光パラメータとして単位時間当たりの照射量を仮設定する場合、照射量の数値を変えながら、設定可能な数値範囲全体にわたってＳ４～Ｓ６を繰り返す。
（図７：ステップＳ７）
　光パラメータ特定部１５は、光パラメータの各値におけるコントラストと、光を照射していないときにおける像コントラストをそれぞれ比較する。光パラメータ特定部１５は、コントラストが最も高い値を採用する。光を照射しないときのコントラストが最も高い場合は、光パラメータとして「照射なし」を採用することになる。
（図７：ステップＳ４～Ｓ７）
　ステップＳ４～Ｓ７を、光パラメータの全組み合わせについて繰り返し実施する。例えば単位時間当たりの照射量についてＳ４～Ｓ７を実施した後、波長についてＳ４～Ｓ７を実施する。その他の光パラメータについても同様に実施する。光パラメータの組み合わせとしては、図４の画像取得オペレーション指定部２０６上で指定することができる各パラメータが例として挙げられる。
　図８Ａは、周期的な形状を有する試料の形状の特徴量を抽出する方法として、フーリエ変換を用いる例を示す。入力設定部２１で設定した照射条件にしたがって電子線３０を試料８に対して照射し、検出器５は試料８より放出された放出電子を検出する。画像処理部１７は放出電子信号を画像化する。特徴量抽出部１８は、ＳＥＭ像をフーリエ変換後、試料８の形状パターンを周波数分析によって解析し、寸法、ピッチ等の特徴量を抽出する。画像中心から輝点もしくは輝線までの幅が各形状のパターン周波数であり、パターン寸法はパターン周波数の逆数より算出することができる。
　図８Ａにおいて、ｆｘは試料のＸ方向のパターン周波数であり、ｆｙはＹ方向のパターン周波数である。図８Ａにおいて、ｆｘはｆｙより小さい値であることがわかる。Ｘ方向のパターン密度Ｐｘ、Ｙ方向のパターン密度Ｐｙとし、ＰｘはＦＯＶとｆｘの積、ＰｙはＦＯＶとｆｙの積で求まる。図８Ａにおいては、パターン周波数の低いＸ方向のパターン密度Ｐｘは、パターン周波数の高いＹ方向のパターン密度Ｐｙより低くなる。
　図８Ｂは、特徴量から偏光面を決定する方法を説明する図である。図８Ｂの横軸は光の波長λとパターン周波数ｆの積であり、回折効率を表すパラメータに相当する。縦軸は試料に対するＰ偏光とＳ偏光それぞれに対する吸収係数である。本グラフは、あらかじめ光学シミュレーションや実測によってデータベース化できる。図８Ｂは波長がλ１であるときの値を示した。λ１ｆｘにおいてはＳ偏光の方がＰ偏光よりも試料８の光に対する吸収係数が高く、λ１ｆｙにおいてはＰ偏光の方が試料８の光吸収係数が大きい。式（１）に示すように、試料８の光吸収係数が大きい偏光面の光を照射したほうが画像明度の変化が増加し、コントラストも向上する。
　Ｘ方向のパターンとＹ方向のパターンに対するコントラストの向上効果を均一にするため、Ｓ偏光の光強度ＩｓとＰ偏光の光強度Ｉｐは、Ｓ偏光とＰ偏光のそれぞれの吸収係数αｓ 、αｐとパターン密度Ｐｘ、Ｐｙの積（αｓＰｘ 、αｐＰｙ）によって除算することにより調整してもよい。詳細は後述の実施形態３で説明する。
　図９は、試料８のＳＥＭ像からパターン形状の特徴量を抽出し、各パターンに合わせて光の吸収係数が最も高い光パラメータを用いて取得した観察像を示す。試料８としては、下地のシリコン基板４３上に酸化膜４５を形成し、酸化膜４５上にポリシリコン４４が形成されているものを用いた。ポリシリコン４４はＸＹ方向でピッチが異なるアイランド形状に形成されている。電子線３０の照射条件は、加速電圧１．５ｋｅＶ、照射電流３００ｐＡ、走査速度１５０ｎｓｅｃ／画素である。光照射条件は、波長５３５ｎｍ、偏光面はコントラストを向上させたいパターンに合わせてＰまたはＳ偏光を照射した。検出サンプリング周波数は４００ＭＨｚである。
　図８Ｂから、Ｘ方向のパターン周波数ｆｘについてはＳ偏光に対する吸収係数が高く、Ｙ方向のパターン周波数ｆｙについては、Ｐ偏光に対する吸収係数が高いことがわかる。ここでは、パターン密度Ｐｘ 、Ｐｙと吸収係数αｓ 、αｐを考慮し、Ｓ偏光の単位時間当たりの光の照射量は７ｍＷ、Ｐ偏光の単位時間当たりの光の照射量は１０ｍＷとした。図９の例においては、Ｓ偏光を照射した場合、Ｘ方向の形状パターンの酸化膜４５が強調された像コントラストとなり、Ｙ方向のパターンに対する変化は小さい。これに対して、Ｐ偏光の光を照射した場合、Ｘ方向のパターンに対する画像明度変化と比較して、Ｙ方向パターンの酸化膜４５の画像明度が増加し、Ｙ方向のコントラストが強調される。このように、パターン形状の方向にあわせた偏光面を含む光照射パラメータを用いることによって、任意のコントラスト制御が可能となる。
　図１０は、本実施形態２において表示部２０が提供するＧＵＩの例である。特徴量抽出欄２１２は、特徴量を抽出する方法を選択することができる。例えば図８Ａで例示した観察像のフーリエ解析の他に、設計データから形状パターンの特徴量を抽出する方法、観察像上でパターン寸法を計測する方法、などが例として挙げられる。
　特徴量と、その特徴量を有する試料８の像コントラストを最も高めることができる光パラメータとの間の対応関係を、あらかじめデータベースとして格納しておく場合、光パラメータ特定部１５は、そのデータベースを参照することにより、抽出した特徴量に対応する光パラメータを自動的に特定することができる。この場合は図７のフローチャートを実施する必要はなく、図１０の画面上で特徴量に対応した各光パラメータを自動選択することができる。データベースは、例えば特徴量と光パラメータの対応関係を記述したデータを記憶装置８１に格納することにより構成することができる。
　表示部２０７と２０８は、それぞれ異なる光パラメータにおける観察像を表示する。光照射条件モニタ部２０９は、各光パラメータの現在値を表示する。撮像条件表示部２１０と２１１は、それぞれ表示部２０７と２０８に対応する撮像条件を表示する。
＜実施の形態２：まとめ＞
　本実施形態２に係る荷電粒子線装置１は、試料８の特徴量に応じて、その特徴量における光吸収係数が最も高い光パラメータを特定し、その光パラメータを有する光を照射した上で観察像を取得する。これにより、試料８の形状パターンごとに観察像のコントラストをできる限り高めることができる。
　本実施形態２に係る荷電粒子線装置１は、特徴量と光パラメータとの間の対応関係を記述したデータベースを参照することにより、あるいは、図７のフローチャートにしたがって特徴量に対応する光パラメータを探索することにより、コントラストを高めることができる光パラメータを特定する。データベースを用いる場合は、最適な光パラメータを速やかに特定することができる。データベースをあらかじめ準備することができない場合であっても、図７にしたがって光パラメータを特定することができる。さらには図７にしたがって特定した光パラメータを記憶装置８１に格納することにより、データベースを構築することもできる。
＜実施の形態３＞
　図９において説明した形状パターンは、形状パターンのＸ方向における特徴量とＹ方向における特徴量が互いに異なるので、各方向における光吸収係数が互いに異なる。そこで本発明の実施形態３では、各観察方向における特徴量が異なる場合であっても、各観察方向において均一にコントラストを向上させる手順について説明する。荷電粒子線装置１の構成は実施形態２と同様である。
　図１１Ａは、Ｐ偏光とＳ偏光の照射割合を測定し、形状パターンの特徴量に合わせて光の照射量を調整する際の光路構成を示す。光量可変フィルタ３３は、単位時間当たりの照射量を調整する。光源１３よりＰ偏光の光が放出され、無偏光ビームスプリッタ４７により２つの光路に分割される。一方の光路は、Ｐ偏光のまま光量可変フィルタ３３によって単位時間当たり照射量を調整し、ビームモニタ４９によりＰ偏光の単位時間当たりの照射量を測定する。もう一方の光路は、偏光変換板３２を用いてＰ偏光からＳ偏光に偏光面を変換させた後、光量可変フィルタ３３で単位時間当たりの照射量を調整し、ビームモニタ４９でＳ偏光の単位時間当たりの照射量を測定する。
　図１１Ｂは、照射量を調整した後の光路構成である。図１１Ａの光路構成において測定した照射量にしたがって、光制御部１４は後述の手順を用いて試料の形状パターンに応じて照射量を制御する。ビームモニタ４９は可動式であり、単位時間当たりの照射量の調整が完了すると、光路上から外される。
　図１２Ａは、試料の特徴量を抽出する手順の１例を説明する図である。図１２Ａにおいて特徴量抽出部１８は、Ｘ方向とＹ方向それぞれラインプロファイルを取得し、ラインの寸法やピッチなどの特徴量を抽出する。図１２Ａにおいては、ラインピッチを特徴量として抽出した。ラインピッチは、例えば観察像の明度ピーク間隔として抽出することができる。図１２Ａにおいて、Ｘ方向におけるラインピッチはＬｘ、Ｙ方向におけるラインピッチはＬｙである。
　図１２Ｂは、特徴量抽出部１８が抽出した特徴量から光の照射条件を決定する方法を説明する図である。図１２Ｂのグラフにおいて、横軸は波長λとラインピッチＬの比、縦軸は試料８に対する照射光の吸収係数である。Ｐ偏光の単位時間当たりの照射量ＤｐとＳ偏光の単位時間当たりの照射量Ｄｓが等しくなるとき、各ラインピッチにおけるコントラストは均一となる。各偏光面の単位時間当たりの照射量は式（７）（８）で算出される。αＰは波長λとラインピッチＬに対するＰ偏光の吸収係数、αＳは波長λとラインピッチＬに対するＳ偏光の吸収係数、ＤＰ ｐｕｌｓｅとＤＳ ｐｕｌｓｅは、試料８に対して照射されるＰ偏光とＳ偏光それぞれの単位時間当たりの照射量である。Ｄｐ＝ＤｓとなるようにＤＰ ｐｕｌｓｅとＤＳ ｐｕｌｓｅのいずれかまたは双方を調整することにより、各方向におけるコントラストを均一にすることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　図１２Ｃは、偏光面ごとに単位時間当たりの照射量を制御して観察した結果を示す。試料８としては、下地のシリコンカーバイド基板４６上に、ポリシリコン４４のパターンが形成されたものを用いた。ポリシリコン４４は、Ｘ方向及びＹ方向でピッチが異なるアイランド形状として形成されている。電子線３０の照射条件は、加速電圧 ０．３ｋｅＶ、照射電流１ｎＡ、走査速度２０ｎｓｅｃ／画素である。光照射条件は、波長３００ｎｍ、検出サンプリング２ｎｓｅｃである。偏光面と単位時間当たりの照射量は、図１２Ａ～図１２Ｂで説明した手順にしたがって、コントラストが一定となるように制御した。
　ラインピッチλ１／ｄｘとλ１／ｄｙそれぞれにおけるコントラストの向上効果が一定とするためには、式（７）（８）より、Ｐ偏光の単位時間当たりの照射量が、Ｓ偏光の単位時間当たりの照射量に対して３分の２となるように制御する必要があることがわかった。図１２Ｃの光照射ＯＦＦの条件においては、ポリシリコン４４とシリコンカーバイド基板４６のコントラスト差が小さい。一方、形状パターンの特徴量に応じた偏光ごとの単位時間当たりの光の照射量を制御した結果、均一なコントラスト向上効果が確認できた。
　本実施形態３では、光量可変フィルタ３３を用いて単位時間当たりの照射量を制御したが、パルスレーザの場合であれば、光量可変フィルタ３３の代わりにパルスピッカを用いて、Ｐ偏光の単位時間当たりのパルス数を、Ｓ偏光の単位時間当たりのパルス数に対し、３分の２となるように制御しても構わない。
　図１３は、本実施形態３において表示部２０が提供するＧＵＩの例である。図１３においては特徴量としてラインプロファイルからパターン寸法を抽出した。光を照射しない場合のＳＥＭ像を表示部２０１Ａに表示し、決定した光照射条件で撮像した画像を表示部２０１Ｂに表示する。偏光面割合調整部２１３は、Ｓ偏光とＰ偏光の割合を手動で調整するために用いるスクロールバーである。照射量調整部２１４は、Ｐ偏光とＳ偏光それぞれの単位時間当たりの照射量を調整するために用いるスクロールバーである。偏光種類選択ボタン２１６は、偏光面を選択するために用いる。ライブ画像表示部２１５は、光照射条件抽出中のＳＥＭ画像を表示する。光制御部１４は、以上説明した手順にしたがって、試料８の特徴量に合わせて光の偏光面や単位時間当たりの照射量を選択する。その選択結果が図１３の画面上において自動的に反映される。
＜実施の形態３：まとめ＞
　本実施形態３に係る荷電粒子線装置１は、試料８のパターン形状の特徴量にしたがって光パラメータを特定するとともに、各光パラメータに対応する光吸収係数にしたがって、光パラメータごとに単位時間当たりの照射量を調整する。これにより、光パラメータごとのコントラストを均一にすることができる。したがって、例えば観察方向ごとに試料８の特徴量が異なる場合であっても、均一なコントラストを得ることができる。
＜実施の形態４＞
　本発明の実施形態４では、試料８からの放出電子の効率が最大となる光パラメータを特定し、高いコントラストを有する観察像を得ることができる構成例について説明する。本実施形態４に係る荷電粒子線装置１は、実施形態１～３で説明した構成に加えて、試料８に対して照射する光の角度を調整する機構を備える。角度以外の光照射条件を調整する機能部（例えば光照射部２４）は、調整ミラー３１の前後どちらに設置してもよい。
　図１４Ａは、ＸＹＺステージ６の傾斜角度を調整することにより、試料８に照射される光の角度を制御する例である。光制御部１４は、ＸＹＺステージ６に対して傾斜角度を指定することにより、光の角度を制御する。
　図１４Ｂは、試料８に対して照射する光の角度を、装置筐体２３の外部に設置したミラー３５によって調整する例である。光制御部１４は、ミラー３５に対して傾斜角度を指定することにより、光の角度を制御する。
　光源１３として例えば波長可変のパルスレーザを用いることにより、パルス幅や単位時間当たりの照射パルス数を制御できる。パルス幅や単位時間当たりの照射パルス数は、パルスレーザが搭載する機能によって調整することもできるし、照射光学系に組み込んだ別機能によって調整してもよい。例えばＱスイッチによってパルス幅を調整し、ポッケルスセルを用いたパルスピッカによって単位時間当たりの照射パルス数を調整することができる。パルスレーザの偏光は、実施形態３と同様の構成を用いて調整することができる。
　図１５Ａは、ＳＥＭ像の明度のヒストグラムをＸＹ方向それぞれにおいて取得した例である。試料８としては図１２Ａと同様のものを用いた。明度ヒストグラムは、ＳＥＭ像における各ピクセルの明度値の度数分布を表す。コントラストを最適化することができればよいので、明度ヒストグラムに代えて明度差ヒストグラムを用いてもよい。さらに明度に代えて輝度を用いてもよい。以下では明度ヒストグラムを用いるものとする。
　図１５Ｂは、明度ヒストグラムを用いてコントラストを最大化する手順を示す。像コントラストを最大化するためには、明度ヒストグラムの度数ピーク間隔Ｈが最も大きくなる光パラメータを特定すればよいと考えられる。図１５Ｂに示す例において、光制御部１４はまず波長と偏光面を変えながら明度ヒストグラムを作成し、ピーク間隔Ｈが最大となる波長と偏光面を特定する。次に光制御部１４は、ピーク間隔Ｈが最大となる光照射角度を特定する。最後に光制御部１４は、ピーク間隔Ｈが最大となる光の単位時間当たりの照射量を特定する。照射量は、例えばパルス幅、単位時間あたりに含まれるパルス数、パルスレーザの平均出力、などによって調整することができる。
　ピーク間隔Ｈは、光パラメータごとに最大化することができる。図１５Ｂで例示した光パラメータの他に、波長、試料に対する照射方向（方位角）、光の照射周期などについてもそれぞれピーク間隔Ｈを最大化してもよい。調整する順番は、どのパラメータからでも構わない。観察方向ごとに光パラメータの最適値を調整してもよい。さらに、試料８の特徴量にしたがって最適な光パラメータを定める場合（例えば実施形態１で説明したような手順によって定める場合）は、それ以外の光パラメータのみ調整してもよい。例えばＸ方向においてはＰ偏光が最適でありＹ方向においてはＳ偏光が最適である場合、Ｘ方向の明度ヒストグラムについてはＰ偏光を前提として波長のみ最適化し、Ｙ方向の明度ヒストグラムについてはＳ偏光を前提として波長のみ最適化してもよい。
　図１６は、本実施形態４において表示部２０が提供するＧＵＩの例である。ユーザは光照射条件選択部２１７上で、最適値を探索する光パラメータと探索範囲を入力する。偏光種類選択部２２２上で照射する偏光面にチェックする。照射する光の波長、単位時間当たりの照射量、照射角度、光照射間隔、試料に対して光の照射方向（方位角）、パルス幅が設定可能となっている。表示部２０１Ａは光を照射しない場合のＳＥＭ像を表示し、表示部２０１Ｂはピーク間隔Ｈが最も大きい光パラメータを用いて撮像した画像を表示する。ライブ画像表示部２１５は光パラメータ探索中のＳＥＭ画像を表示する。画像処理表示部２２１は、取得した画像同士の合成画像もしくは差分画像を表示する。ユーザは画像選択部２１８内で画像ファイルを選択する。ユーザは次に演算選択部２１９上で画像の演算方法を決定する。例えば、画像選択部２１８内で選択したＡとＢの画像の差画像を出力したい場合はマイナス記号を選択し、合成画像を出力したい場合はプラス記号を選択する。処理開始ボタン２２０を選択すると画像処理部１７は画像処理を開始する。
＜実施の形態４：まとめ＞
　本実施形態４に係る荷電粒子線装置１は、ＳＥＭ画像の明度ヒストグラムのピーク間隔Ｈが大きくなるように光パラメータを特定する。これにより、ＳＥＭ画像のパターンコントラストを向上させるように、光パラメータを最適化することができる。
＜実施の形態５＞
　以上の実施形態においては、試料８上の形状パターンが直線状に配列されており、観察方向に応じてＰ偏光またはＳ偏光を用いる例を説明したが、これ以外の形状パターンであっても本発明を適用することができる。本発明の実施形態５ではその１例として、材料の磁区を撮影したＳＥＭ画像の像コントラストを向上させる例について説明する。荷電粒子線装置１の構成は実施形態１～４と同様である。偏光変換板３２は、λ／２偏光板やλ／４偏光板でもよいし、λ／２偏光板とλ／４偏光板を組み合わせてもよい。偏光面を変換できるその他素子であってもよい。ＧＵＩは図１６と同様である。
　図１７は、試料８の磁区の像コントラストを向上させたＳＥＭ像の例である。試料８としては、磁区のことなるドメインを有する鉄薄膜を用いた。電子線３０の照射条件は、加速電圧０．５ｋｅＶ、照射電流２０ｐＡ、走査速度１００ｎｓｅｃ／画素である。光照射条件は、波長８００ｎｍ、偏光面は（１）円偏光　左回り、（２）円偏光　右回りとした。磁区のことなるドメインを有する試料８に対して、左右の異なる円偏光を有する光を照射した場合、磁気円二色性によって磁化軸ごとに異なる吸収係数が得られる。つまり偏光を制御した光照射下で得られるＳＥＭ像は、磁区の状態を反映したコントラストを有する。図１７（１）においては、地面に対して上向きの成分の磁区を持つ領域の信号量が増加したのに対して、図１７（２）においては、地面に対して下向きの成分の磁区を持つ領域のコントラストが増加した。さらに、図１６のＧＵＩを用いて、図１７の（１）と（２）の差画像を取得した（図１７（３））。差画像化することによって、種類の異なる偏光面照射による各ドメインの磁区に対する影響を評価することができる。
＜実施の形態６＞
　複数の電子線照射によって１枚のＳＥＭ像に含まれる形状パターンのＸ方向における特徴量とＹ方向における特徴量が互いに異なるので、各方向における光吸収係数が互いに異なる。そこで本発明の実施形態６では、複数の電子線照射による広視野観察において、各観察方向における特徴量が異なる場合であっても、各観察方向において均一にコントラストを向上させる手順について説明する。断続的に照射される光の偏光面その他の光パラメータを制御することによって電子線照射時の試料からの放出電子の放出量を制御し、高い像コントラストを有する画像取得を実現する荷電粒子線装置について述べる。
　図１８は、本実施形態６に係る荷電粒子線装置１の構成図である。荷電粒子線装置１は、試料８に対して複数の電子線５５、５６、５７（１次荷電粒子）を照射することにより試料８の観察像を広視野に取得する、マルチビーム走査型電子顕微鏡として構成されている。荷電粒子線装置１は、電子光学系、ステージ機構系、電子線制御系、光照射系、メインコンソール１６を備える。電子光学系は、複数の電子線を形成，照射するマルチビーム光学器５０、検出器５１、５２、５３により構成されている。ステージ機構系は、ＸＹＺステージ６、試料ホルダ７により構成されている。電子線制御系は、マルチビーム電子線制御部６１、検出制御部（ａ）５８、検出制御部（ｂ）５９、検出制御部（ｃ）６０により構成されている。光照射系は、光源１３、光制御部１４、光照射部２４、入力設定部２１により構成されている。メインコンソール１６は、画像形成系と入出力系を備える。画像形成系は、偏向信号と同期した検出サンプリング機能を備えた画像処理部１７と画像信号処理部１９で構成されている。入出力系は、電子線５５，５６，５７の撮像条件の入力設定部２１と表示部２０で構成されている。特徴量抽出部１８は、試料８の形状パターンを取得し、その形状パターンの特徴量を抽出する。光パラメータ特定部１５は、その特徴量にしたがって、試料８に対して照射する光の吸収係数が最大となるパラメータを決定する。特徴量抽出部１８は、ＳＥＭ像、放出電子信号、設計データなどから、形状パターンの寸法／密度／周期／面積／輪郭線／試料８を構成している材料の光物性、などの特徴量を抽出する。
　マルチビーム光学器５０より加速された電子線５５、５６、５７は試料８に照射され、試料８上に対する電子線５５，５６，５７の照射位置を制御する。検出器５は、電子線５５，５６，５７を試料８に対して照射することにより試料８から放出される放出電子（２次荷電粒子）を検出する。入力設定部２１は、加速電圧、照射電流、偏向条件、検出サンプリング条件、電子レンズ条件などをユーザが指定入力するための機能部である。
　図１９に複数の電子線照射によって取得されるＳＥＭ像を示す。図１９に示すように，複数の電子線照射でＳＥＭ観察が可能となるため、一つの観察で取得可能な領域が拡大する。これにより、広視野で観察が可能となるためパターン特徴量の異なる領域が１枚の画像で取得されてしまう。本実施例では、図１９に示すように、パターンピッチは同様であるが、パターンの形成方向が異なるパターンＡとパターンＢが一視野内に混在する試料及び条件で撮像した。
　はじめに、各検出器で取得されたＳＥＭ像毎での形状パターンの特徴量抽出を実施する。本実施形態において、試料の形状パターンに対する特徴量の抽出方法は、実施例３で用いた試料パターンのラインピッチより特定した。
　図２０は、複数の電子線照射によって取得された各画像から特徴量抽出部１８が抽出した特徴量で光の照射条件を決定する方法を説明する図である。図２０のグラフにおいて、横軸は波長λとラインピッチＬの比、縦軸は試料８に対する照射光の吸収係数である。パターンＡのラインピッチＬＡと、パターンＢに対するラインピッチＬＢがプロットされている。パターンＡに対する単位時間当たりの照射量ＤＡとパターンＢに対する単位時間当たりの照射量ＤＢが等しくなるとき、各ラインピッチにおけるコントラストは均一となる。各偏光面の単位時間当たりの照射量は式（９）（１０）で算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　αＰ（Ａ）は波長λとラインピッチＬＡに対するＰ偏光の吸収係数、αＳ（Ａ）は波長λとラインピッチＬＡに対するＳ偏光の吸収係数、αＰ（Ｂ）は波長λとラインピッチＬＢに対するＰ偏光の吸収係数、αＳ（Ｂ）は波長λとラインピッチＬＢに対するＳ偏光の吸収係数である。ＤＡとＤＢは、試料８に対して照射されるＰ偏光とＳ偏光の単位時間当たりの照射量である。ＤＡ＝ＤＢとなるようにＤＰ ｐｕｌｓｅとＤＳ ｐｕｌｓｅのいずれかまたは双方を調整することにより、各方向におけるコントラストを均一にすることができる。
　図２１は、偏光面ごとに単位時間当たりの照射量を制御して観察した結果を示す。試料８としては、下地のシリコン７０上に、ポリシリコン７１のパターンが形成されたものを用いた。ポリシリコン７１は、Ｘ方向及びＹ方向で同じピッチのラインアンドスペースが形成されているが、パターンＡとパターンＢのパターン形成の位相が９０度異なって形成されている。電子線３０の照射条件は、加速電圧 ５．０ｋｅＶ、照射電流５ｎＡ、走査速度１００ｎｓｅｃ／画素である。光照射条件は、波長４０５ｎｍ、検出サンプリング２０ｎｓｅｃである。偏光面と単位時間当たりの照射量は、図２０で説明した手順にしたがって、コントラストが一定となるように制御した。また、ＧＵＩは図１３と同様である。
　図１９に示した形状パターンの試料にて観察を実施した。パターンＡとＢそれぞれにおけるコントラストの向上効果が一定とするためには、式（９）（１０）より、パターンＡに対するＳ及びＰ偏光の単位時間当たりの照射量が、パターンＢに対するＳ及びＰ偏光の単位時間当たりの照射量に対して２分の１となるように制御する必要があることがわかった。図２１（ａ）の光照射ＯＦＦの条件においては、ポリシリコン４４とシリコンカーバイド基板４６のコントラスト差が小さい。また、図２１（ｂ）に示した形状パターンの特徴量を抽出せずに光を照射した条件でＳＥＭ像を取得すると、パターンＡ内にシリコンとポリシリコンのコントラストと比較して、パターンＢのシリコンとポリシリコンのコントラスト差が小さく、パターンＡとＢで均一なコントラスト向上効果が得られない。一方、形状パターンの特徴量に応じた偏光ごとの単位時間当たりの光の照射量を制御した結果、図２１（ｃ）に示すようにパターンＡ及びパターンＢ共に均一なコントラスト向上効果が確認できた。
　本実施形態６では、光量可変フィルタを用いて単位時間当たりの照射量を制御したが、パルスレーザの場合であれば、光量可変フィルタの代わりにパルスピッカを用いて、Ｐ偏光の単位時間当たりのパルス数を、Ｓ偏光の単位時間当たりのパルス数に対し、３分の２となるように制御しても構わない。
　本実施形態６に係る荷電粒子線装置１は、試料８のパターン形状の特徴量にしたがって光パラメータを特定するとともに、各光パラメータに対応する光吸収係数にしたがって、光パラメータごとに単位時間当たりの照射量を調整する。これにより、光パラメータごとのコントラストを均一にすることができる。したがって、例えば観察方向ごとに試料８の特徴量が異なる場合であっても、均一なコントラストを得ることができる。
＜本発明の変形例について＞
　本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　以上の実施形態においては、試料８の観察像を取得する構成例として、荷電粒子線装置１が走査電子顕微鏡として構成されている例を説明したが、本発明はそれ以外の荷電粒子線装置においても用いることができる。すなわち、試料８に対して光を照射することにより２次荷電粒子の放出効率を調整するその他の荷電粒子線装置に対して、本発明を適用することができる。
　以上の実施形態においては、光源１３としてパルスレーザを用いたが、光が照射可能なその他光源を用いることもできる。図３においては、偏光変換板３２を用いて偏光を制御する例を説明したが、その他手段を用いて偏光を制御してもよい。例えばλ／４偏光板を用いて直接偏光を円偏光や楕円偏光に変換してもよい。
　実施形態４において、光の照射角度を調整する構成は、図１４Ａと図１４Ｂに例示するものに限られない。例えば図１４Ｂにおいて、調整ミラー３１の角度を調整することにより光の照射角度を制御してもよい。
　以上の実施形態において、試料の形状パターンが有する光物性としては、試料８の材料の光吸収率、試料８の材料の光反射率、試料８の材料の誘電率、試料８の材料のアッベ数、試料８の材料の光屈折率、などが考えられる。
　以上の実施形態において、試料８に対して光を照射することにより放出電子の効率を確実に高めるためには、電子線３０を試料８に対して照射する周期よりも短い時間間隔で光を試料８に対して照射することが望ましい。
　以上の実施形態において、メインコンソール１６は、コンピュータなどの演算装置によって構成することができる。メインコンソール１６が備える各機能部（画像処理部１７、特徴量抽出部１８、入力設定部２１）、光制御部１４、光パラメータ特定部１５は、これらの機能を実装した回路デバイスなどのハードウェアを用いて構成することもできるし、これらの機能を実装したソフトウェアを演算装置が実行することにより構成することもできる。
１　荷電粒子線装置
２　電子銃
３　偏向器
４　電子レンズ
５　検出器
６　ＸＹＺステージ
７　試料ホルダ
８　試料
９　電子銃制御部
１０　偏向信号制御部
１１　検出制御部
１２　電子レンズ制御部
１３　光源
１４　光制御部
１５　光パラメータ特定部
１６　メインコンソール
１７　画像処理部
１８　特徴量抽出部
１９　画像信号処理部
２０　表示部
２１　入力設定部
２２　ガラス窓
２３　筐体
２４　光照射部
２５　照射光
３０　電子線
３１　調整ミラー
３２　偏光変換板
３３　光量可変フィルタ
３４　波長変換部
４１　反射防止膜
４２　レジスト
４３　シリコン基板
４４　ポリシリコン
４５　酸化膜
４６　シリコンカーバイド基板
４７　無偏光ビームスプリッタ
４９　ビームモニタ
５０　マルチビーム光学器
５１　検出器
５２　検出器
５３　検出器
５５　電子線
５６　電子線
５７　電子線
５８　検出制御部（ａ）
５９　検出制御部（ｂ）
６０　検出制御部（ｃ）
６１　マルチビーム電子線制御部
７０　シリコン
７１　ポリシリコン
８１　記憶装置
２０１Ａ　表示部
２０１Ｂ　表示部
２０２　差画像表示部
２０３　撮像開始ボタン
２０４　差画像化ボタン
２０５　偏光面設定部
２０６　画像取得オペレーション指定部
２０７　表示部
２０８　表示部
２０９　光照射条件モニタ部
２１０　撮像条件表示部
２１１　撮像条件表示部
２１２　特徴量抽出欄
２１３　偏光面割合調整部
２１４　照射量調整部
２１５　ライブ画像表示部
２１６　偏光種類選択ボタン
２１７　光照射条件選択部
２１８　画像選択部
２１９　演算選択部
２２０　処理開始ボタン
２２１　画像処理表示部
２２２　偏光種類選択部

Claims (15)

  1. 　試料に対して荷電粒子線を照射する荷電粒子線装置であって、
    　前記試料に対して１次荷電粒子を照射する荷電粒子源、
    　前記試料に対して照射する光を出射する光源、
    　前記１次荷電粒子を前記試料に対して照射することにより前記試料から生じる２次荷電粒子を検出する検出器、
    　前記検出器が検出した前記２次荷電粒子を用いて前記試料の観察像を生成する画像処理部、
    　前記光の物理的特性を表す光パラメータを制御する光制御部、
    　を備え、
    　前記光制御部は、前記光パラメータとして前記光の偏光面を変化させることにより、変化させた前記偏光面に対応するコントラストを有する前記観察像を前記画像処理部に生成させる
    　ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 　前記光制御部は、前記光パラメータとして前記光の偏光面を第１偏光面に制御することにより、前記試料が前記第１偏光面に対応する第１光吸収係数を有するようにした上で、前記観察像を前記画像処理部に生成させ、
    　前記光制御部は、前記光パラメータとして前記光の偏光面を前記第１偏光面とは異なる第２偏光面に制御することにより、前記試料が前記第２偏光面に対応する第２光吸収係数を有するようにした上で、前記観察像を前記画像処理部に生成させる
    　ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
  3. 　前記光制御部は、前記光パラメータとして、
    　　前記光を水平面上に投影したとき前記光と前記水平面上の座標軸との間に形成される角度、
    　　前記光を垂直面上に投影したとき前記光と前記垂直面上の座標軸との間に形成される角度、
    　　前記光の波長、
    　　前記光の照射周期、
    　　前記光の単位時間当たりの照射量、
    　のうち少なくともいずれかを制御する
    　ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
  4. 　前記画像処理部は、前記光制御部が前記光パラメータを第１パラメータに調整したときにおける前記試料の第１観察像と、前記光制御部が前記光パラメータを第２パラメータに調整したときにおける前記試料の第２観察像とを生成し、
    　前記画像処理部は、前記第１観察像と前記第２観察像との間の差分を求めることにより差画像を生成し、
    　前記荷電粒子線装置はさらに、前記差画像を表示する表示部を備える
    　ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
  5. 　試料に対して荷電粒子線を照射する荷電粒子線装置であって、
    　前記試料に対して１次荷電粒子を照射する荷電粒子源、
    　前記試料に対して照射する光を出射する光源、
    　前記１次荷電粒子を前記試料に対して照射することにより前記試料から生じる２次荷電粒子を検出する検出器、
    　前記検出器が検出した前記２次荷電粒子を用いて前記試料の観察像を生成する画像処理部、
    　前記光の物理的特性を表す光パラメータを制御する光制御部、
    　前記試料上に形成されている形状パターンの特徴量を抽出する特徴量抽出部、
    　前記光に対する前記試料の光吸収係数が最大となるような前記光パラメータを前記特徴量にしたがって特定する光パラメータ特定部、
    　を備える
    　ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  6. 　前記荷電粒子線装置はさらに、１以上の前記光パラメータと前記光吸収係数との間の対応関係を記述した吸収係数データを格納する記憶部を備え、
    　前記光パラメータ特定部は、前記吸収係数データを参照することにより、前記観察像のコントラストができる限り大きくなる前記光パラメータを特定する
    　ことを特徴とする請求項５記載の荷電粒子線装置。
  7. 　前記特徴量抽出部は、
    　　前記形状パターンの寸法、
    　　前記形状パターンの平面密度、
    　　前記形状パターンの繰り返し周期、
    　　前記形状パターンの面積、
    　　前記形状パターンの輪郭線、
    　　前記形状パターンを構成する材料の光物性、
    　のうち少なくともいずれかを前記特徴量として抽出する
    　ことを特徴とする請求項５記載の荷電粒子線装置。
  8. 　前記特徴量抽出部は、前記観察像または前記形状パターンの設計データを用いて、前記特徴量を抽出する
    　ことを特徴とする請求項５記載の荷電粒子線装置。
  9. 　前記光制御部は、前記光パラメータを変更することにより、各前記光パラメータを有する前記光を前記試料に対して照射し、
    　前記画像処理部は、各前記光パラメータを有する前記光を前記試料に対して照射しているときにおける前記観察像のコントラストのうち、最もコントラストが高いときにおける前記光パラメータに対応する前記観察像を取得する
    　ことを特徴とする請求項５記載の荷電粒子線装置。
  10. 　前記光制御部は、前記光パラメータとして、前記光の単位時間当たりの照射量と、前記照射量以外の別パラメータとを制御するように構成されており、
    　前記光制御部は、前記別パラメータを第１パラメータに調整したときにおける前記観察像の第１コントラストと、前記別パラメータを第２パラメータに調整したときにおける前記観察像の第２コントラストとの間の差分が小さくなるように、前記別パラメータを前記第１パラメータに調整したときにおける前記照射量と前記別パラメータを前記第２パラメータに調整したときにおける前記照射量を調整する
    　ことを特徴とする請求項５記載の荷電粒子線装置。
  11. 　前記光制御部はさらに、
    　　前記第１パラメータを有する前記光の前記照射量を測定する第１測定器、
    　　前記第２パラメータを有する前記光の前記照射量を測定する第２測定器、
    　を備え、
    　前記光制御部は、前記第１測定器が測定した前記照射量、前記第２測定器が測定した前記照射量、前記第１パラメータを有する前記光に対する前記試料の第１吸光係数、および前記第２パラメータを有する前記光に対する前記試料の第２吸光係数を用いて、前記第１コントラストと前記第２コントラストとの間の差分が小さくなるように前記照射量を制御する
    　ことを特徴とする請求項１０記載の荷電粒子線装置。
  12. 　前記光制御部は、前記観察像が有する各ピクセルの輝度値もしくは明度値のヒストグラム、または前記観察像が有する各ピクセルの輝度差もしくは明度差のヒストグラムを取得し、
    　前記光制御部は、前記ヒストグラム上の度数ピーク間隔が最大となるように、前記光パラメータを調整する
    　ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
  13. 　前記光制御部は、前記光パラメータとして第１パラメータと第２パラメータを制御するように構成されており、
    　前記光制御部は、前記ヒストグラムとして、前記光パラメータが前記第１パラメータのときにおける第１ヒストグラムを取得するとともに、前記光パラメータが前記第２パラメータのときにおける第２ヒストグラムを取得し、
    　前記光制御部は、前記第１ヒストグラム上の度数ピーク間隔が最大となるように前記第１パラメータを制御するとともに、前記第２ヒストグラム上の度数ピーク間隔が最大となるように前記第２パラメータを制御する
    　ことを特徴とする請求項１２記載の荷電粒子線装置。
  14. 　前記光制御部は、前記１次荷電粒子を前記試料に対して照射する第１時間間隔よりも短い第２時間間隔ごとに、前記試料に対して前記光を照射し、
    　前記光制御部は、前記光の平均強度、前記光の照射時間幅、前記光の照射周期、前記第２時間間隔、単位時間当たりの前記光の照射数のうち少なくともいずれかを制御することにより、前記光の単位時間当たりの照射量を制御する
    　ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
  15. 　前記光物性は、前記材料の光吸収率、前記材料の光反射率、前記材料の誘電率、前記材料のアッベ数、前記材料の光屈折率、のうち少なくともいずれかである
    　ことを特徴とする請求項７記載の荷電粒子線装置。
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