WO2022070498A1 - 荷電粒子線装置及びそれを用いる試料観察方法 - Google Patents

荷電粒子線装置及びそれを用いる試料観察方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2022070498A1
WO2022070498A1 PCT/JP2021/018025 JP2021018025W WO2022070498A1 WO 2022070498 A1 WO2022070498 A1 WO 2022070498A1 JP 2021018025 W JP2021018025 W JP 2021018025W WO 2022070498 A1 WO2022070498 A1 WO 2022070498A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sample
charged particle
particle beam
angle
boundary
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/018025
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
駿也 田中
健史 大森
Original Assignee
株式会社日立製作所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社日立製作所 filed Critical 株式会社日立製作所
Priority to KR1020227045199A priority Critical patent/KR20230015441A/ko
Publication of WO2022070498A1 publication Critical patent/WO2022070498A1/ja

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/22—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material
    • G01N23/2204—Specimen supports therefor; Sample conveying means therefore
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/22—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material
    • G01N23/225—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material using electron or ion
    • G01N23/2251—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material using electron or ion using incident electron beams, e.g. scanning electron microscopy [SEM]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/20—Means for supporting or positioning the objects or the material; Means for adjusting diaphragms or lenses associated with the support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/22—Optical or photographic arrangements associated with the tube
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/26—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes
    • H01J37/28—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes with scanning beams

Definitions

  • the present invention relates to a charged particle beam device that forms an observation image of a sample by irradiating the sample with a charged particle beam and a sample observation method for observing a sample using a charged particle beam device.
  • the charged particle beam device is a device that forms an observation image for observing the fine structure of a sample by irradiating the sample with a charged particle beam such as an electron beam, and is used in a semiconductor manufacturing process or the like.
  • a charged particle beam such as an electron beam
  • the tilt angle of the sample table on which the sample is placed is adjusted.
  • Patent Document 1 in order to efficiently and accurately arrange the observation surface perpendicular to the irradiation direction of the charged particle beam, an image of the observation surface is acquired and observed while changing the inclination angle of the sample table on which the sample is placed. It is disclosed that the sample table is tilted to the tilt angle at which an image with a larger surface area is obtained.
  • Patent Document 1 does not give consideration to the case where the observation surface is larger than the field of view of the charged particle beam device. That is, if the observation surface is larger than the field of view, the area of the observation surface cannot be compared in the images acquired while changing the inclination angle of the sample table, and the inclination angle of the sample table cannot be determined.
  • an object of the present invention is to provide a charged particle beam device capable of appropriately setting the tilt angle of the sample table even when the observation surface is larger than the field of view, and a sample observation method using the charged particle beam device.
  • the present invention is a charged particle beam device that acquires an observation image of the sample by irradiating the sample with the charged particle beam, and tilts around each of two intersecting tilt axes.
  • the boundary between the upper surface of the sample and the fractured surface is detected from each of the sample table holding the sample and the observation image obtained while changing the tilt angle of the sample table, and the charged particle beam at the boundary is detected.
  • Top surface detection that detects the top surface from the boundary detection unit that obtains the tilt with respect to the scanning direction and the observation image for each tilt angle, and calculates the top surface disappearance angle that is the tilt angle of the sample table when the top surface disappears from the observation image.
  • It is characterized by including a unit and a calculation processing unit that calculates the initial sample orientation, which is the orientation of the fractured surface when the inclination angle is zero, based on the inclination of the boundary and the disappearance angle of the upper surface for each inclination angle. do.
  • the present invention is a sample observation method using a charged particle beam device that acquires an observation image of the sample by irradiating the sample with a charged particle beam, and is inclined around each of two intersecting inclination axes.
  • the boundary between the upper surface of the sample and the fractured surface is detected from each of the observation images obtained while changing the inclination angle of the sample table holding the sample, and the inclination of the boundary with respect to the scanning direction is obtained.
  • the boundary detection step, the top surface detection step that detects the top surface from the observation image for each tilt angle, and calculates the top surface disappearance angle that is the tilt angle of the sample table when the top surface disappears from the observation image, and each tilt angle. It is characterized by comprising a calculation processing step for calculating the initial sample orientation which is the orientation of the fractured surface when the inclination angle is zero, based on the inclination of the boundary and the disappearance angle of the upper surface.
  • the present invention it is possible to provide a charged particle beam device capable of appropriately setting the tilt angle of the sample table even when the observation surface is larger than the field of view, and a sample observation method using the charged particle beam device.
  • the charged particle beam device is a device that forms an observation image for observing a sample by irradiating the sample with a charged particle beam.
  • a scanning electron microscope SEM that forms an observation image of a sample by scanning the sample with an electron beam will be described.
  • the configuration of the scanning electron microscope will be described with reference to FIG.
  • the scanning electron microscope includes an electron gun 101, a focusing lens 102, an aperture 103, a deflection coil 104, an objective lens 105, a sample table 107, a secondary electron detector 108, an image forming unit 111, a detection unit 112, a calculation processing unit 115, and a control.
  • a unit 116 and an input display unit 117 are provided. Hereinafter, each part will be described.
  • the electron gun 101 is a radiation source that irradiates the sample 106 with an electron beam 109 accelerated by a predetermined acceleration voltage.
  • the focusing lens 102 and the objective lens 105 are lenses that focus the electron beam 109.
  • the diaphragm 103 is a plate having an opening through which a part of the electron beam 109 passes, and adjusts the opening angle of the electron beam 109.
  • the deflection coil 104 is a coil or electrode that generates a magnetic field or an electric field that deflects the electron beam 109, and the surface of the sample 106 is scanned by the deflected electron beam 109.
  • the sample table 107 holds the sample 106, moves the sample 106 in the horizontal direction, and tilts the sample 106 with respect to the horizontal plane.
  • FIG. 2A shows a perspective view of the sample 106 used in the semiconductor manufacturing process.
  • the sample 106 has an upper surface 118 on which the semiconductor pattern 150 is formed, a fractured surface 119, and a side surface 121.
  • an ideal cross section 120 which is a cross section orthogonal to the longitudinal direction of the semiconductor pattern 150 in order to improve the length measurement accuracy.
  • the split cross section 119 manually cut is often not orthogonal to the upper surface 118 or the side surface 121.
  • the side surface 121 is orthogonal to the upper surface 118.
  • the sample table 107 for holding the sample 106 will be described with reference to FIG. 2B.
  • the sample table 107 has a first tilt axis 123 and a second tilt axis 124 orthogonal to each other, and is tilted about each of the first tilt axis 123 and the second tilt axis 124. It is desirable that the first tilt axis 123 and the second tilt axis 124 are substantially orthogonal to the irradiation direction of the electron beam 109.
  • the tilted state of the sample table 107 is reproduced by designating the tilting order and tilting angle of the first tilting shaft 123 and the second tilting shaft 124. Further, the first tilting shaft 123 and the second tilting shaft 124 do not need to be exposed.
  • the sample table 107 is tilted by adjusting the height of each support point of the sample table 107 supported by three points. May be.
  • the sample 106 is held on the sample table 107 so that the fractured surface 119 and the ideal cross section 120 face the electron gun 101, and the vicinity of the boundary 122 between the upper surface 118 and the fractured surface 119 is observed.
  • the secondary electron detector 108 is an ET detector, a semiconductor detector, or the like composed of a scintillator, a light guide, and a photomultiplier tube, and secondary electrons emitted from the sample 106 irradiated with the electron beam 109. 110 is detected.
  • the detection signal output from the secondary electron detector 108 is transmitted to the image forming unit 111.
  • a backscattered electron detector for detecting backscattered electrons and a transmitted electron detector for detecting transmitted electrons may be provided.
  • the image forming unit 111 is an arithmetic unit that forms an observation image of the sample 106 based on the detection signal transmitted from the secondary electron detector 108, and is, for example, an MPU (Micro Processing Unit), a GPU (Graphics Processing Unit), or the like. be.
  • the observation image formed by the image forming unit 111 is transmitted to the input display unit 117 for display, or is transmitted to the detection unit 112 and the calculation processing unit 115 for various processing.
  • the detection unit 112 is an arithmetic unit that detects the characteristic unit of the sample 106 from the observation image, and is, for example, an MPU or a GPU.
  • the detection unit 112 includes a boundary detection unit 113 that detects the boundary 122 from the observation image and a top surface detection unit 114 that detects the upper surface 118 from the observation image.
  • the boundary detection unit 113 detects the boundary 122 from the observation image and calculates the inclination of the boundary 122 with respect to the scanning direction of the electron beam 109.
  • the inclination of the boundary 122 is calculated for each of the observation images acquired while changing the inclination angle of the sample table 107.
  • the top surface detection unit 114 detects the top surface 118 from the observation image, and calculates the top surface disappearance angle, which is the tilt angle of the sample table 107 when the top surface 118 disappears from the observation image.
  • the calculation processing unit 115 is the orientation of the fractured surface 119 of the sample 106 when the sample table 107 is in the horizontal state, that is, when the inclination angle of the sample table 107 is zero, based on the inclination of the boundary 122 and the top surface disappearance angle. It is an arithmetic unit that calculates the orientation of the initial sample. Further, the calculation processing unit 115 may calculate the inclination angle of the sample table 107 which is the observation direction specified by the operator by using the initial sample orientation.
  • the control unit 116 is an arithmetic unit that controls each unit and processes and transmits data formed by each unit, such as a CPU (Central Processing Unit) and an MPU.
  • the control unit 116 may be connected to a storage unit that stores data generated by each unit.
  • the storage unit is a device that stores various data and programs, such as an HDD (Hard Disk Drive) and an SSD (Solid State Drive).
  • the input display unit 117 is a device for inputting observation conditions, which are conditions for observing the sample 106, and displaying an observation image formed by the image forming unit 111, for example, a keyboard, a mouse, a touch panel, and a liquid crystal display. Display etc.
  • the operation screen which is a screen operated by the operator, is displayed on the input display unit 117.
  • the operation screen exemplified in FIG. 3 includes an initial sample orientation calculation button 125, a first observation orientation designation unit 126, a second observation orientation designation unit 127, a scanning direction designation unit 128, an inclination angle adjustment button 129, and an observation orientation display unit 130.
  • an initial sample orientation calculation button 125 a first observation orientation designation unit 126, a second observation orientation designation unit 127, a scanning direction designation unit 128, an inclination angle adjustment button 129, and an observation orientation display unit 130.
  • the initial sample orientation calculation button 125 is a button that causes the calculation processing unit 115 to calculate the initial sample orientation.
  • the first observation direction designation unit 126, the second observation direction designation unit 127, and the scanning direction designation unit 128 are boxes for inputting the direction in which the operator wants to observe.
  • An angle related to the irradiation direction of the electron beam 109 is input to the first observation direction designation unit 126 and the second observation direction designation unit 127, and an angle related to the scanning direction of the electron beam 109 is input to the scanning direction designation unit 128.
  • the tilt angle adjustment button 129 is a button that causes the control unit 116 to adjust the tilt angle of the sample table 107 so as to have a designated observation direction.
  • the observation direction display unit 130 is the polar coordinates representing the observation direction, the horizontal axis is the component related to the first observation direction designation unit 126, the vertical axis is the component related to the second observation direction designation unit 127, and the coordinate center is the electron beam. Corresponds to the irradiation direction of 109 orthogonal to the observation plane.
  • An observation window 131 indicating the observation direction and the scanning direction is superimposed on the observation direction display unit 130.
  • the observation window 131 is rectangular, and the coordinates of the center of the observation window 131 indicate an angle related to the irradiation direction of the electron beam 109, and the direction parallel to the long side of the observation window 131 indicates the scanning direction of the electron beam 109.
  • the calculation processing unit 115 calculates the initial sample orientation.
  • the calculation processing unit 115 repeats the processing from S501 to S506 a specified number of times.
  • the specified number of times may be read out the number of times stored in the storage unit in advance, or may be input by the operator via the input display unit 117. As will be described later, it is desirable that the specified number of times is five or more.
  • the control unit 116 sets the tilt angle of the sample table 107.
  • the tilt angle to be set may be read out from the storage unit at each iteration process, or may be calculated at each iteration process based on the parameters stored in the storage unit. For example, the first tilt angle may be set to zero, and the second and subsequent tilt angles may be set by sequentially adding the step amount of the tilt angle stored in the storage unit to the previous tilt angle. Since the sample table 107 has a first tilt axis 123 and a second tilt axis 124, an tilt angle for each is set. That is, when the tilt angle with respect to the first tilt axis 123 is T and the tilt angle with respect to the second tilt axis 124 is A, the combination of (T, A) is set.
  • the detection unit 112 acquires an observation image at the tilt angle set in S502.
  • the observed image acquired is an image formed by the image forming unit 111 based on the detection signal transmitted from the secondary electron detector 108.
  • the boundary detection unit 113 detects the boundary 122 from the observation image acquired in S503, and calculates the inclination of the boundary 122 with respect to the scanning direction of the electron beam 109.
  • the boundary detection unit 113 performs edge enhancement processing on the observation image acquired in S503 to generate an edge enhancement image.
  • a Sobel filter, a Prewitt filter, or the like is used for the edge enhancement process.
  • the type of filter and the filter size are preferably selected according to the observation magnification and the number of pixels of the observation image. For example, a 3 ⁇ 3 vertical Prewitt filter is selected.
  • the boundary detection unit 113 performs binarization processing on the edge-enhanced image generated in S601 to generate a binarized image.
  • the threshold value used in the binarization process may be set by a mode method or the like, or a value stored in advance in the storage unit may be read out.
  • the boundary detection unit 113 detects the boundary 122 from the binarized image generated in S602. For example, the Hough transform is performed on the binarized image, and the straight line having the largest number of votes is detected as the boundary 122.
  • the boundary detection unit 113 determines whether or not the boundary 122 detected in S603 is appropriate. If it is appropriate, the processing flow ends, and if it is not appropriate, the processing is returned to S601 via S605 and S606. For example, the number of votes of the Hough transform is used for the determination of the boundary 122, and if the number of votes is half or more of the number of pixels of the observation image, it is determined that the detected boundary 122 is appropriate.
  • the control unit 116 adjusts the observation conditions.
  • the adjustment of the observation conditions may be performed based on the parameters input by the operator via the input display unit 117, or may be automatically performed by the control unit 116.
  • the boundary detection unit 113 reacquires the observation image formed based on the observation conditions adjusted in S605.
  • the boundary 122 is detected from the observation image acquired at the inclination angle set in S502, and the inclination of the boundary 122 with respect to the scanning direction of the electron beam 109 is calculated.
  • the upper surface detection unit 114 sets two regions divided by the boundary 122 with respect to the observation image acquired in S503, and calculates the brightness average value of each set region.
  • FIG. 7A shows an observation image including the top surface 118 and the fractured surface 119.
  • the observation image of FIG. 7A also includes a sample table region 158, which is a region of the sample table 107, and a boundary 122 detected by the boundary detection unit 113.
  • the split cross section 119 is substantially perpendicular to the irradiation direction of the electron beam 109, whereas the upper surface 118 is substantially parallel to the edge. Due to the effect, the upper surface 118 has a higher brightness value than the fractured surface 119.
  • the top surface detection unit 114 sets a non-split cross-section region 159 and a split cross-section region 160, which are two regions divided by the boundary 122, with respect to the observation image exemplified in FIG. 7A.
  • the non-split section region 159 is a region sandwiched between a dotted line set at a predetermined distance above the boundary 122, for example, 10 pixels away, and the boundary 122, and does not include the split section 119.
  • the fractured surface region 160 is a region sandwiched between a dotted line set at a predetermined distance below the boundary 122, for example, 10 pixels away, and the boundary 122, and is a region including the fractured surface 119.
  • the upper surface detection unit 114 calculates the brightness average value of each of the set two regions, that is, the non-split section region 159 and the split section region 160.
  • the boundary detection unit 113 detects the boundary 122 from each of the tilt angles of the sample table 107, that is, the observation images acquired for each combination of (T, A). , Calculate the slope of the boundary 122 with respect to the scanning direction.
  • the upper surface detection unit 114 calculates the brightness average value of the non-split cross-section region 159 and the split cross-section region 160, which are two regions divided by the boundary 122, with respect to the observation image for each inclination angle of the sample table 107. That is, the brightness average values of the non-split cross-section region 159 and the split cross-section region 160 are calculated for each inclination angle of the sample table 107.
  • the top surface detection unit 114 calculates the top surface disappearance angle, which is the tilt angle of the sample table 107 when the top surface 118 disappears from the observation image.
  • the brightness average values of the non-split cross-section region 159 and the split cross-section region 160 for each inclination angle of the sample table 107 calculated in S505 are used while the processes from S501 to S506 are repeated. Be done.
  • FIG. 7A shows an observation image including the upper surface 118, a fractured surface 119, and a sample table area 158
  • FIG. 7B shows an observation image not including the upper surface 118
  • FIG. 8 shows a graph 162 of the brightness average values of the non-split cross-section region 159 and the split cross-section region 160 with respect to the inclination angle of the sample table 107.
  • the luminance value of the fractured surface region 160 is substantially constant regardless of the tilt angle, whereas the luminance value of the non-split cross-section region 159 becomes smaller as the area of the upper surface 118 included in the observation image becomes smaller as the tilt angle changes. It decreases and becomes the minimum value in the observation image that does not include the upper surface 118. Therefore, the top surface disappearance angle is calculated by fitting the average luminance value of the non-split cross-section region 159 of the graph 162 illustrated in FIG. 8 with the sigmoid curve shown in the following equation.
  • E a / (1 + exp (-b (T-c))) + d ... (1)
  • E is an average luminance value
  • T is an inclination angle.
  • a, b, c, and d are fitting parameters, and can be obtained by using a non-linear least squares method or the like.
  • the top surface disappearance angle ⁇ c is calculated by, for example, the following equation.
  • ⁇ c c-ln ( ⁇ -1 -1) / b ... (2)
  • ⁇ is a threshold value for obtaining the top surface disappearance angle, and when the ratio of the difference between d and E to a is ⁇ or less, that is, when (d—E) / a ⁇ ⁇ , the top surface 118 is observed. It is considered to have disappeared from the image.
  • ⁇ is set to, for example, 0.01.
  • the following equation may be used instead of the equation (2).
  • the calculation processing unit 115 is based on the tilt angle of the sample table 107, the tilt of the boundary 122 with respect to the scanning direction calculated for each tilt angle, and the top surface disappearance angle, and the fracture surface when the tilt angle of the sample table 107 is zero.
  • the initial sample orientation which is the orientation of 119, is calculated. The calculation of the initial sample orientation will be described below together with the principle related to the initial sample orientation.
  • the sample orientation can be uniquely determined by specifying the normal direction vector of each face.
  • the fractured surface 119 is not perpendicular to the top surface 118, so here we focus on the normal vector of the top surface 118 and the side surface 121.
  • the observation image may basically be a parallel projection of the sample. That is, parallel straight lines are projected in parallel in the observation image.
  • the reference world coordinate system and the view coordinate system in the observation image are set by the right-handed Cartesian coordinate system.
  • the x-axis and y-axis of the world coordinate system are set to be parallel to the first tilt axis 123 and the second tilt axis 124 of the sample table 107, and the z-axis is the first tilt axis 123 and the second tilt axis. It is set to be orthogonal to 124.
  • the tilt axes of the sample table 107 are not orthogonal to each other, one tilt axis is set to be parallel to the x-axis and the other tilt axis is set to be parallel to the xy plane.
  • the horizontal orientation of the observation image is set as the X-axis
  • the vertical orientation is set as the Y-axis. That is, the scanning direction is the X axis, and the irradiation direction of the electron beam 109 is the Z axis. Therefore, the observation direction is expressed as a rotation matrix that converts xyz to XYZ.
  • This rotation matrix R xyz is expressed by multiplying R x ( ⁇ x), Ry ( ⁇ y), and Rz ( ⁇ z). However, the order of multiplication is unified.
  • N 1 is a normal vector of the side surface 121, that is, a unit vector parallel to the boundary 122 between the fracture surface 119 and the top surface 118. Since it is necessary to obtain the observation direction at the same time in order to obtain N 1 , the two variables representing N 1 and the three variables representing the observation direction are obtained. Since N 1'is parallel to the boundary 122 included in the observation image, (Y component of N 1') / (X component of N 1 ' ) is the slope of the boundary 122. The slope of the boundary 122 contains information relating to the two variables of N1 and the three variables for observation.
  • the processes S501 to S506 are repeated five or more times and the slope of the boundary 122 is calculated for each of the five or more different points (T, A), the two variables representing N1 and the observation direction are obtained.
  • Five variables with three variables to represent are obtained. That is, it is desirable that the number of times S501 is specified is five or more. If it is difficult to obtain the five variables as an analytical solution, the five variables may be obtained by fitting using a non-linear least squares method or the like.
  • N 2 is a normal direction vector of the upper surface 118
  • the Z component of N 2 ′ becomes 0 in the observation image when the sample table 107 is set to the upper surface disappearance angle.
  • N 2' is obtained by using the binding condition in which N 1'and N 2'are orthogonal to each other and the three variables related to the observation direction obtained together with N 1 .
  • the remaining one variable is calculated, so it may be calculated using Newton's method or the like. From the above, the initial sample orientation is calculated. Returning to the description of FIG.
  • the boundary detection unit 113 acquires an observation image at the inclination angle set in S509, detects the boundary 122 from the acquired observation image, and calculates the inclination of the boundary 122 with respect to the scanning direction.
  • the control unit 116 determines whether or not the slope of the boundary 122 calculated in S510 matches the calculated value. If they match, the processing flow of FIG. 5 ends, and if they do not match, the processing is returned to S501, and the calculation for the initial sample is repeated. Whether or not they match is determined by whether or not the absolute value of the difference between the slope calculated in S510 and the calculated value is equal to or less than a predetermined threshold value. By such a determination, the calculation accuracy for the initial sample can be improved.
  • the initial sample orientation is calculated according to the processing flow described with reference to FIG.
  • the processing of S509 to S511 is not essential, and may be terminated by calculating the initial sample orientation in S508. Returning to the description of FIG.
  • the control unit 116 updates the operation screen based on the initial sample orientation calculated in S401. Specifically, the display range of the polar coordinates of the observation orientation display unit 130 is updated based on the angle range in which the sample table 107 can be tilted and the initial sample orientation.
  • the control unit 116 acquires the observation direction via the operation screen updated in S402. That is, the values input by the operator to each of the first observation direction designation unit 126, the second observation direction designation unit 127, and the scanning direction designation unit 128 on the operation screen are acquired.
  • the control unit 116 updates the position and inclination of the observation window 131 in polar coordinates based on the acquired observation direction. If the input value is outside the display range of polar coordinates, an error is displayed in the first observation direction designation unit 126 or the like.
  • the control unit 116 sets the tilt angle and the scanning direction of the sample table 107 based on the observation direction acquired in S403, triggered by the pressing of the tilt angle adjustment button 129.
  • the control unit 116 acquires an observation image by irradiating the sample 106 held on the sample table 107 with the electron beam 109 based on the inclination angle and the scanning direction set in S404.
  • the conditions relating to the irradiation of the electron beam 109 may be set by the operator using the input display unit 117, or the conditions stored in advance in the storage unit may be read out.
  • the initial sample orientation which is the orientation of the fractured surface 119 when the inclination angle of the sample table 107 is zero. Since the initial sample orientation is calculated without using the area of the observation surface, the observation surface may be larger than the field of view. Further, an observation image is acquired at an inclination angle of the sample table 107 set based on the calculated initial sample orientation and the observation orientation set by the operator. That is, it is possible to provide a charged particle beam device capable of appropriately setting the tilt angle of the sample table even when the observation surface is larger than the field of view, and a sample observation method using the same.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

観察面が視野よりも大きい場合であっても試料台の傾斜角度を適切に設定可能な荷電粒子線装置及びそれを用いる試料観察方法を提供する。荷電粒子線を試料に照射することによって前記試料の観察像を取得する荷電粒子線装置であって、交差する二つの傾斜軸のそれぞれを中心として傾斜するとともに前記試料を保持する試料台と、前記試料台の傾斜角度を変えながら取得される観察像のそれぞれから、前記試料の上面と割断面との境界を検出し、前記境界の前記荷電粒子線の走査方向に対する傾きを求める境界検出部と、傾斜角度毎の観察像から前記上面を検出し、観察像から前記上面が消失するときの前記試料台の傾斜角度である上面消失角度を算出する上面検出部と、傾斜角度毎の前記境界の傾きと前記上面消失角度に基づいて、前記傾斜角度がゼロのときの前記割断面の向きである初期試料向きを算出する計算処理部を備えることを特徴とする。

Description

荷電粒子線装置及びそれを用いる試料観察方法
　本発明は、荷電粒子線を試料に照射することによって試料の観察像を形成する荷電粒子線装置及び荷電粒子線装置を用いて試料を観察する試料観察方法に関する。
　荷電粒子線装置は、電子線等の荷電粒子線を試料に照射することによって、試料の微細な構造を観察するための観察像を形成する装置であり、半導体の製造工程等に用いられる。半導体の製造工程では、デバイス性能に大きく寄与するパターン形状の幅を高精度に測定するために、パターン形状の長手方向と直交する面を観察面とする画像が形成されることが望ましい。照射される荷電粒子線に対して適切な観察面を配置するには、試料が載せられる試料台の傾斜角度が調整される。
　特許文献１には、荷電粒子線の照射方向に対し垂直に観察面を効率よく正確に配置するために、試料が載せられた試料台の傾斜角度を変えながら観察面の画像を取得し、観察面の面積がより大きい画像を取得した傾斜角度に試料台を傾斜させることが開示される。
特開２０１３－１９６９７２号公報
　しかしながら特許文献１では、観察面が荷電粒子線装置の視野よりも大きい場合に対する配慮がなされていない。すなわち観察面が視野よりも大きければ、試料台の傾斜角度を変えながら取得される画像では観察面の面積を比較できず、試料台の傾斜角度が決められない。
　そこで本発明は、観察面が視野よりも大きい場合であっても試料台の傾斜角度を適切に設定可能な荷電粒子線装置及びそれを用いる試料観察方法を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために本発明は、荷電粒子線を試料に照射することによって前記試料の観察像を取得する荷電粒子線装置であって、交差する二つの傾斜軸のそれぞれを中心として傾斜するとともに前記試料を保持する試料台と、前記試料台の傾斜角度を変えながら取得される観察像のそれぞれから、前記試料の上面と割断面との境界を検出し、前記境界の前記荷電粒子線の走査方向に対する傾きを求める境界検出部と、傾斜角度毎の観察像から前記上面を検出し、観察像から前記上面が消失するときの前記試料台の傾斜角度である上面消失角度を算出する上面検出部と、傾斜角度毎の前記境界の傾きと前記上面消失角度に基づいて、前記傾斜角度がゼロのときの前記割断面の向きである初期試料向きを算出する計算処理部を備えることを特徴とする。
　また本発明は、荷電粒子線を試料に照射することによって前記試料の観察像を取得する荷電粒子線装置を用いる試料観察方法であって、交差する二つの傾斜軸のそれぞれを中心として傾斜するとともに前記試料を保持する試料台の傾斜角度を変えながら取得される観察像のそれぞれから、前記試料の上面と割断面との境界を検出し、前記境界の前記荷電粒子線の走査方向に対する傾きを求める境界検出ステップと、傾斜角度毎の観察像から前記上面を検出し、観察像から前記上面が消失するときの前記試料台の傾斜角度である上面消失角度を算出する上面検出ステップと、傾斜角度毎の前記境界の傾きと前記上面消失角度に基づいて、前記傾斜角度がゼロのときの前記割断面の向きである初期試料向きを算出する計算処理ステップを備えることを特徴とする。
　本発明によれば、観察面が視野よりも大きい場合であっても試料台の傾斜角度を適切に設定可能な荷電粒子線装置及びそれを用いる試料観察方法を提供することができる。
本発明に係わる荷電粒子線装置の構成図である。 本発明に係わる試料について説明する図である。 本発明に係わる試料台について説明する図である。 本発明に係わる操作画面について説明する図である。 本発明に係わる処理の流れの一例を示す図である。 初期試料向きを算出する処理の流れの一例を示す図である。 境界の検出と傾きの算出に関する処理の流れの一例を示す図である。 試料の上面が消失していない観察像を示す図である。 試料の上面が消失した観察像を示す図である。 上面消失角度の算出について説明する図である。
　以下、図面を参照して、本発明の荷電粒子線装置の実施例について説明する。荷電粒子線装置は、荷電粒子線を試料に照射することによって、試料を観察するための観察像を形成する装置である。以下では、荷電粒子線装置の一例として、電子線で試料を走査することにより試料の観察像を形成する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ；Scanning Electron Microscope）について説明する。
　図１を用いて走査電子顕微鏡の構成について説明する。走査電子顕微鏡は、電子銃１０１、集束レンズ１０２、絞り１０３、偏向コイル１０４、対物レンズ１０５、試料台１０７、二次電子検出器１０８、画像形成部１１１、検出部１１２、計算処理部１１５、制御部１１６、入力表示部１１７を備える。以下、各部について説明する。
　電子銃１０１は、所定の加速電圧によって加速された電子線１０９を試料１０６に照射する線源である。集束レンズ１０２及び対物レンズ１０５は、電子線１０９を集束させるレンズである。絞り１０３は、電子線１０９の一部が通過する開口を有する板であり、電子線１０９の開き角を調整する。偏向コイル１０４は、電子線１０９を偏向させる磁界や電界を発生するコイルや電極であり、偏向される電子線１０９によって試料１０６の表面が走査される。
　試料台１０７は試料１０６を保持するとともに、水平方向に試料１０６を移動させたり、水平面に対して試料１０６を傾斜させたりする。
　図２Ａを用いて試料１０６について説明する。図２Ａには、半導体の製造工程に用いられる試料１０６の斜視図が示される。試料１０６は、半導体パターン１５０が形成される上面１１８と、割断面１１９、側面１２１を有する。半導体パターン１５０を測長する場合には、測長精度を向上させるために、半導体パターン１５０の長手方向と直交する断面である理想断面１２０にて観察像を形成することが望ましい。しかし、手動で割断された割断面１１９は上面１１８や側面１２１と直交しない場合が多い。なお側面１２１は上面１１８と直交する。
　図２Ｂを用いて試料１０６を保持する試料台１０７について説明する。試料台１０７は、互いに直交する第一傾斜軸１２３と第二傾斜軸１２４を有し、第一傾斜軸１２３と第二傾斜軸１２４のそれぞれを中心として傾斜する。第一傾斜軸１２３と第二傾斜軸１２４は、電子線１０９の照射方向と略直交することが望ましい。試料台１０７の傾斜状態は、第一傾斜軸１２３と第二傾斜軸１２４との傾斜順序と傾斜角度とが指定されることにより再現される。また第一傾斜軸１２３と第二傾斜軸１２４は顕になっている必要はなく、例えば三点で支持される試料台１０７の各支持点の高さを調整することによって試料台１０７を傾斜させても良い。なお試料１０６は、割断面１１９や理想断面１２０が電子銃１０１の側を向くように試料台１０７に保持され、上面１１８と割断面１１９との境界１２２の近傍が観察される。
　図１の説明に戻る。二次電子検出器１０８は、シンチレータ・ライトガイド・光電子増倍管で構成されるＥ-Ｔ検出器や半導体検出器等であり、電子線１０９が照射される試料１０６から放出される二次電子１１０を検出する。二次電子検出器１０８から出力される検出信号は画像形成部１１１へ送信される。なお二次電子検出器１０８とともに、反射電子を検出する反射電子検出器や透過電子を検出する透過電子検出器が備えられても良い。
　画像形成部１１１は二次電子検出器１０８から送信される検出信号に基づいて試料１０６の観察像を形成する演算器であり、例えば、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等である。画像形成部１１１によって形成された観察像は、入力表示部１１７に送信されて表示されたり、検出部１１２や計算処理部１１５に送信されて様々な処理が施されたりする。
　検出部１１２は、観察像から試料１０６の特徴部を検出する演算器であり、例えばＭＰＵやＧＰＵである。検出部１１２は、観察像から境界１２２を検出する境界検出部１１３と、観察像から上面１１８を検出する上面検出部１１４を含む。
　境界検出部１１３は、観察像から境界１２２を検出するとともに、電子線１０９の走査方向に対する境界１２２の傾きを算出する。なお、境界１２２の傾きは、試料台１０７の傾斜角度を変えながら取得される観察像のそれぞれにおいて算出される。
　上面検出部１１４は、観察像から上面１１８を検出するとともに、観察像から上面１１８が消失するときの試料台１０７の傾斜角度である上面消失角度を算出する。
　計算処理部１１５は、境界１２２の傾きと上面消失角度に基づいて、試料台１０７が水平状態にあるとき、つまり試料台１０７の傾斜角度がゼロのときの試料１０６の割断面１１９の向きである初期試料向きを算出する演算器である。また計算処理部１１５は、初期試料向きを用いて、操作者によって指定される観察向きとなる試料台１０７の傾斜角度を算出しても良い。
　制御部１１６は、各部を制御するとともに、各部で形成されるデータを処理したり送信したりする演算器であり、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ等である。制御部１１６は、各部で生成されるデータを記憶する記憶部に接続されても良い。記憶部は、各種データやプログラムが記憶される装置であり、例えばＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）等である。
　入力表示部１１７は、試料１０６を観察するための条件である観察条件が入力されたり、画像形成部１１１によって形成される観察像が表示されたりする装置であり、例えばキーボードやマウス、タッチパネル、液晶ディスプレイ等である。入力表示部１１７には、操作者が操作する画面である操作画面が表示される。
　図３を用いて、ＧＵＩ（Graphical User Interface）としての操作画面の一例について説明する。図３に例示される操作画面は、初期試料向き算出ボタン１２５、第一観察向き指定部１２６、第二観察向き指定部１２７、走査方向指定部１２８、傾斜角調整ボタン１２９、観察向き表示部１３０を有する。
　初期試料向き算出ボタン１２５は、計算処理部１１５に初期試料向きを算出させるボタンである。第一観察向き指定部１２６、第二観察向き指定部１２７、走査方向指定部１２８は、操作者が観察したい方向を入力するためのボックスである。第一観察向き指定部１２６と第二観察向き指定部１２７には電子線１０９の照射方向に係る角度が、走査方向指定部１２８には電子線１０９の走査方向に係る角度がそれぞれ入力される。傾斜角調整ボタン１２９は、指定された観察向きとなるように試料台１０７の傾斜角度を制御部１１６に調整させるボタンである。
　観察向き表示部１３０は、観察向きを表す極座標であり、横軸は第一観察向き指定部１２６に係る成分、縦軸は第二観察向き指定部１２７に係る成分であり、座標中心は電子線１０９の照射方向が観察面に直交することに対応する。観察向き表示部１３０には、観察向きと走査方向を示す観察窓１３１が重畳される。観察窓１３１は長方形であり、観察窓１３１の中心の座標が電子線１０９の照射方向に係る角度を示し、観察窓１３１の長辺と平行な方向が電子線１０９の走査方向を示す。観察向き表示部１３０が表示されることにより、観察向きが明確になる。
　図４を用いて、走査電子顕微鏡によって実行される処理の流れの一例についてステップ毎に説明する。
　（Ｓ４０１）
　計算処理部１１５は、初期試料向きを算出する。
　図５を用いて、Ｓ４０１の処理の流れの一例について説明する。
　（Ｓ５０１）
　計算処理部１１５は、Ｓ５０１からＳ５０６までの処理を指定回数繰り返す。指定回数は、予め記憶部に記憶された回数が読み出されても良いし、入力表示部１１７を介して操作者によって入力されても良い。なお、後述されるように指定回数は五回以上であることが望ましい。
　（Ｓ５０２）
　制御部１１６は、試料台１０７の傾斜角度を設定する。設定される傾斜角度は繰り返し処理の度に記憶部から読み出されても良いし、記憶部に記憶されるパラメータに基づいて繰り返し処理の度に算出されても良い。例えば、初回の傾斜角度はゼロに設定され、二回目以降の傾斜角度は記憶部に記憶される傾斜角度のステップ量が前回の傾斜角度に順次加算されて設定されても良い。なお、試料台１０７は第一傾斜軸１２３と第二傾斜軸１２４を有するので、それぞれに関する傾斜角度が設定される。すなわち、第一傾斜軸１２３に関する傾斜角度をＴ、第二傾斜軸１２４に関する傾斜角度をＡとするとき、（Ｔ、Ａ）の組み合わせが設定される。
　（Ｓ５０３）
　検出部１１２は、Ｓ５０２で設定された傾斜角度のときの観察像を取得する。取得される観察像は、二次電子検出器１０８から送信される検出信号に基づいて、画像形成部１１１によって形成された画像である。
　（Ｓ５０４）
　境界検出部１１３は、Ｓ５０３で取得された観察像から境界１２２を検出するとともに、電子線１０９の走査方向に対する境界１２２の傾きを算出する。
　図６を用いて、Ｓ５０４の処理の流れの一例について説明する。
　（Ｓ６０１）
　境界検出部１１３は、Ｓ５０３で取得された観察像に対してエッジ強調処理を施し、エッジ強調画像を生成する。エッジ強調処理には、ＳｏｂｅｌフィルタやＰｒｅｗｉｔｔフィルタ等が用いられる。なおフィルタの種類やフィルタサイズは観察倍率や観察像のピクセル数に応じて選択されることが好ましく、例えば３×３の縦方向のＰｒｅｗｉｔｔフィルタが選択される。
　（Ｓ６０２）
　境界検出部１１３は、Ｓ６０１で生成されたエッジ強調画像に対して二値化処理を施し、二値化画像を生成する。二値化処理に用いられる閾値は、モード法等によって設定されても良いし、記憶部に予め記憶された値が読み出されても良い。
　（Ｓ６０３）
　境界検出部１１３は、Ｓ６０２で生成された二値化画像から境界１２２を検出する。例えば、二値化画像に対してＨｏｕｇｈ変換が行われ、投票数が最多の直線が境界１２２として検出される。
　（Ｓ６０４）
　境界検出部１１３は、Ｓ６０３で検出された境界１２２が適切か否かを判定する。適切であれば処理の流れは終了となり、適切でなければＳ６０５とＳ６０６を介してＳ６０１に処理が戻される。境界１２２の判定には、例えばＨｏｕｇｈ変換の投票数が用いられ、投票数が観察像のピクセル数の半分以上であれば、検出された境界１２２が適切であると判定される。
　（Ｓ６０５）
　制御部１１６は、観察条件を調整する。観察条件の調整は、入力表示部１１７を介して操作者が入力するパラメータに基づいて行われても良いし、制御部１１６が自動的に行っても良い。
　（Ｓ６０６）
　境界検出部１１３は、Ｓ６０５で調整された観察条件に基づいて形成された観察像を再取得する。
　図６を用いて説明した処理の流れにより、Ｓ５０２で設定された傾斜角度で取得された観察像から境界１２２が検出されるとともに、電子線１０９の走査方向に対する境界１２２の傾きが算出される。図５の説明に戻る。
　（Ｓ５０５）
　上面検出部１１４は、Ｓ５０３で取得された観察像に対して、境界１２２で分けられる二領域を設定するとともに、設定された各領域の輝度平均値を算出する。
　図７Ａを用いて、境界１２２で分けられる二領域の設定について説明する。図７Ａには、上面１１８と割断面１１９が含まれる観察像が示される。なお図７Ａの観察像には、試料台１０７の領域である試料台領域１５８と、境界検出部１１３によって検出された境界１２２も含まれる。図２Ｂに例示されるように試料台１０７に保持された試料１０６では、電子線１０９の照射方向に対して割断面１１９が略垂直であるのに対して上面１１８は略平行であるため、エッジ効果によって上面１１８は割断面１１９よりも高い輝度値になる。
　上面検出部１１４は図７Ａに例示される観察像に対して、境界１２２で分けられる二領域である非割断面領域１５９と割断面領域１６０を設定する。非割断面領域１５９は、境界１２２から上側に所定の距離、例えば１０ピクセル離れて設定される点線と境界１２２とで挟まれる領域であって、割断面１１９を含まない領域である。割断面領域１６０は、境界１２２から下側に所定の距離、例えば１０ピクセル離れて設定される点線と境界１２２とで挟まれる領域であって、割断面１１９を含む領域である。上面検出部１１４は、設定された二領域、すなわち非割断面領域１５９と割断面領域１６０の各領域の輝度平均値を算出する。
　（Ｓ５０６）
　Ｓ５０１からＳ５０６までの処理が指定回数繰り返されることにより、境界検出部１１３は、試料台１０７の傾斜角度、すなわち（Ｔ、Ａ）の組み合わせ毎に取得される観察像のそれぞれから境界１２２を検出し、走査方向に対する境界１２２の傾きを算出する。
　また上面検出部１１４は、試料台１０７の傾斜角度毎の観察像に対して、境界１２２で分けられる二領域である非割断面領域１５９と割断面領域１６０の輝度平均値を算出する。すなわち非割断面領域１５９と割断面領域１６０の輝度平均値が試料台１０７の傾斜角度毎に算出される。
　（Ｓ５０７）
　上面検出部１１４は、観察像から上面１１８が消失するときの試料台１０７の傾斜角度である上面消失角度を算出する。上面消失角度の算出には、Ｓ５０１からＳ５０６までの処理が繰り返される間に、Ｓ５０５にて算出された試料台１０７の傾斜角度毎の非割断面領域１５９と割断面領域１６０の輝度平均値が用いられる。
　図７Ａ、図７Ｂ、図８を用いて、上面消失角度の算出について説明する。図７Ａには上面１１８と割断面１１９、試料台領域１５８が含まれる観察像が、図７Ｂには上面１１８が含まれない観察像が示される。また図８には試料台１０７の傾斜角度に対する非割断面領域１５９と割断面領域１６０の輝度平均値のグラフ１６２が示される。
　割断面領域１６０の輝度値は傾斜角度に依らず略一定であるのに対し、非割断面領域１５９の輝度値は、傾斜角度の変化にともない観察像に含まれる上面１１８の面積が小さくなるにつれて低下し、上面１１８が含まれない観察像において最小値となる。そこで図８に例示されるグラフ１６２の非割断面領域１５９の輝度平均値を次式に示すシグモイド曲線でフィッティングすることによって上面消失角度を算出する。
　Ｅ＝ａ／（１＋ｅｘｐ（－ｂ（Ｔ－ｃ）））＋ｄ　…（１）
ここで、Ｅは平均輝度値、Ｔは傾斜角度である。またａ、ｂ、ｃ、ｄはフィッティングパラメータであり、非線形の最小二乗法等を用いることにより求められる。
　求められたフィッティングパラメータａ、ｂ、ｃ、ｄを用いることにより、上面消失角度θｃは、例えば次式によって算出される。
　θｃ＝ｃ－ｌｎ（α－１－１）／ｂ　…（２）
ここでαは上面消失角度を求めるための閾値であり、ｄとＥとの差分のａに対する割合がα以下になるとき、すなわち（ｄ－Ｅ）／ａ≦αとなるとき、上面１１８が観察像から消失したとみなされる。αは例えば０．０１に設定される。
　なお、二次電子検出器１０８の種類などによって、上面１１８と割断面１１９の輝度値の高低が入れ替わる場合は、（２）式の代わりに次式が用いられても良い。
　θｃ＝ｃ＋ｌｎ（α－１－１）／ｂ　…（３）
　（Ｓ５０８）
　計算処理部１１５は、試料台１０７の傾斜角度と、傾斜角度毎に算出された境界１２２の走査方向に対する傾きと、上面消失角度に基づいて、試料台１０７の傾斜角度がゼロのときの割断面１１９の向きである初期試料向きを算出する。初期試料向きの算出について、初期試料向きに係る原理等とともに、以下で説明する。
　［試料向き］
　試料１０６を直方体と仮定し、直方体の面の中から互いに直交する二面を選ぶと、各面の法線方向ベクトルを指定することにより、試料向きを一意に決定できる。しかし、多くの場合、割断面１１９は上面１１８に対して垂直でないので、ここでは上面１１８と側面１２１の法線方向ベクトルに注目する。
　［平行投影］
　ＳＥＭなどの荷電粒子線顕微鏡では高倍率にて試料を観察することが多く、ワーキングディスタンスに対して試料の走査範囲が小さいため、基本的に観察像は試料を平行投影したものとして良い。すなわち、平行な直線群は観察像において平行に投影される。
　［方向ベクトルの回転］
　三次元の直交座標系において、座標内の任意の位置に配置されるベクトルＶを、任意の回転軸、例えば原点を通過し方向ベクトルがｎである回転軸を中心にθ回転させる操作は、ロドリゲスの回転公式によれば回転行列Ｒｎ（θ）として表される。ベクトルＶの始点を表す位置ベクトルをＶ１、終点を表す位置ベクトルをＶ２とするとき、回転後の始点はＲｎ（θ）Ｖ１、終点はＲｎ（θ）Ｖ２になるので、ベクトルＶの回転後の方向ベクトルは、Ｒｎ（θ）Ｖ２－Ｒｎ（θ）Ｖ１＝Ｒｎ（θ）（Ｖ２－Ｖ１）となる。なお、Ｖ２－Ｖ１は回転前のベクトルＶの方向ベクトルであり、回転後の方向ベクトルはベクトルＶの位置に依らない。
　［観察方向および座標系］
　試料向きが同じ状態であったとしても、電子線１０９の照射方向、走査方向によって観察向きが異なるため、試料の見え方も変化する。特に、境界１２２の傾きの値は観察向きの影響が大きい。そこで、基準となるワールド座標系と観察像におけるビュー座標系を、右手直交座標系により設定する。なお、ワールド座標系のｘ軸とｙ軸は、試料台１０７の第一傾斜軸１２３と第二傾斜軸１２４と平行になるように設定され、ｚ軸は第一傾斜軸１２３及び第二傾斜軸１２４に直交するように設定される。試料台１０７の傾斜軸が直交していない場合、一方の傾斜軸はｘ軸に、他方の傾斜軸はｘｙ平面と平行になるように設定される。また、ビュー座標系は、観察像の横向きがＸ軸 、縦向きがＹ軸として設定される。すなわち、走査方向がＸ軸、電子線１０９の照射方向がＺ軸となる。よって、観察方向はｘｙｚからＸＹＺに変換する回転行列として表現される。この回転行列ＲｘｙｚはＲｘ（θｘ）、Ｒｙ（θｙ）、Ｒｚ（θｚ）を掛け合わせることで表現される。ただし、掛け合わせる順序は統一される。
　［試料台の傾斜による方向ベクトルの回転行列］
　ワールド座標系において、試料台１０７の傾斜により方向ベクトルを回転させる回転行列ＲＴＡ（Ｔ、Ａ）はロドリゲスの公式によって求められる。なおＴは試料台１０７の第一傾斜軸１２３の傾斜角度であり、Ａは第二傾斜軸１２４の傾斜角度である。回転行列の要素は試料台１０７の傾斜機構によって異なる。また傾斜順序によって試料台１０７の傾斜状態が異なる場合は、観察中の傾斜順序を統一させる。
　［法線方向ベクトルの回転］
　上面１１８と側面１２１の法線方向ベクトルを試料台１０７の傾斜角度として表現するにあたり、（Ｔ、Ａ）＝（０、０）のときのワールド座標系での側面１２１の法線方向ベクトルをＮ１、上面１１８の法線方向ベクトルをＮ２とする。また二つの法線方向ベクトルＮ１、Ｎ２を初期試料向きとして定義する。
　回転後の方向ベクトルは回転前のベクトルの位置に依らず回転行列の積のみで求められる。すなわち、試料台１０７の傾斜角度が（Ｔ、Ａ）であるとき、ビュー座標系における側面１２１の法線方向ベクトルはＮ１’＝ＲｘｙｚＲＴＡＮ１となり、上面１１８の法線方向ベクトルはＮ２’＝ＲｘｙｚＲＴＡＮ２となる。
　［初期試料向き算出方法］
　初期試料向きの算出はＮ１、Ｎ２を求めることである。まず、Ｎ１の算出方法を説明する。Ｎ１を側面１２１の法線ベクトル、すなわち、割断面１１９と上面１１８との境界１２２に平行な単位ベクトルと仮定する。Ｎ１を求めるには、観察向きを同時に求める必要があるので、Ｎ１を表す二変数とともに観察向きを表す三変数を求めることになる。Ｎ１’は観察像に含まれる境界１２２と平行であるので、（Ｎ１’のＹ成分）／（Ｎ１’のＸ成分）が境界１２２の傾きになる。境界１２２の傾きには、Ｎ１の二変数と観察向きの三変数に係る情報が含まれる。そこで、Ｓ５０１からＳ５０６の処理が五回以上繰り返され、異なる五点以上の（Ｔ、Ａ）のそれぞれに対して、境界１２２の傾きが算出されれば、Ｎ１を表す二変数と観察向きを表す三変数との五変数が求められる。つまり、Ｓ５０１の指定回数は五回以上であることが望ましい。なお、五変数を解析解として求めることが困難な場合は、非線形の最小二乗法等を用いたフィッティングにより五変数が求められても良い。
　次に、Ｎ２の算出方法を説明する。Ｎ２は上面１１８の法線方向ベクトルであるので、上面消失角度に試料台１０７が設定されたときの観察像において、Ｎ２’のＺ成分が０になる。さらに、Ｎ１’とＮ２’が直交する束縛条件と、Ｎ１とともに求められる観察向きに係る三変数を用いることで、Ｎ２’は求められる。Ｎ２’を求める際は、残りの一変数を求める形になるため、ニュートン法等を用いて算出しても良い。以上により、初期試料向きが算出される。図５の説明に戻る。
　（Ｓ５０９）
　計算処理部１１５は、Ｓ５０８で算出された初期試料向きに基づいて、理想断面１２０が電子線１０９の照射方向と直交するとき、すなわち試料１０６の法線ベクトルがＮ１＝（０、０、１）、Ｎ２＝（０、１、０）となるときの試料台１０７の傾斜角度を算出する。傾斜角度の算出には、Ｎ１’＝ＲｘｙｚＲＴＡＮ１とＮ２’＝ＲｘｙｚＲＴＡＮ２が用いられる。またニュートン法等が用いられても良い。試料台１０７は、算出された傾斜角度に設定される。
　（Ｓ５１０）
　境界検出部１１３は、Ｓ５０９で設定された傾斜角度における観察像を取得し、取得された観察像から境界１２２を検出するとともに、走査方向に対する境界１２２の傾きを算出する。
　（Ｓ５１１）
　制御部１１６は、Ｓ５１０で算出された境界１２２の傾きが計算値と一致するか否かを判定する。一致すれば図５の処理の流れは終了となり、一致しなければＳ５０１へ処理が戻され、初期試料向きの算出をやり直す。一致するか否かは、Ｓ５１０で算出された傾きと計算値との差異の絶対値が予め定められた閾値以下であるか否かによって判定される。このような判定により、初期試料向きの算出精度を向上できる。
　図５を用いて説明した処理の流れにより、初期試料向きが算出される。なお、Ｓ５０９からＳ５１１の処理は必須ではなく、Ｓ５０８で初期試料向きが算出されることにより終了となって良い。図４の説明に戻る。
　（Ｓ４０２）
　制御部１１６は、Ｓ４０１で算出された初期試料向きに基づいて、操作画面を更新する。具体的には、試料台１０７が傾斜可能な角度範囲と初期試料向きとに基づいて、観察向き表示部１３０の極座標の表示範囲が更新される。
　（Ｓ４０３）
　制御部１１６は、Ｓ４０２で更新された操作画面を介して、観察向きを取得する。すなわち、操作者が操作画面の第一観察向き指定部１２６、第二観察向き指定部１２７、走査方向指定部１２８のそれぞれに入力する値が取得される。制御部１１６は、取得した観察向きに基づいて、観察窓１３１の極座標での位置と傾きを更新する。なお入力された値が極座標の表示範囲外である場合は、第一観察向き指定部１２６等にエラーが表示される。
　（Ｓ４０４）
　制御部１１６は、傾斜角調整ボタン１２９の押下をトリガとして、Ｓ４０３で取得された観察向きに基づいて、試料台１０７の傾斜角度と走査方向を設定する。
　（Ｓ４０５）
　制御部１１６は、Ｓ４０４で設定された傾斜角度と走査方向に基づいて、試料台１０７に保持される試料１０６に向かって電子線１０９を照射させることにより観察像を取得する。電子線１０９の照射に係る条件は、操作者が入力表示部１１７を用いて設定しても良いし、記憶部に予め記憶された条件が読み出されても良い。
　以上説明した処理の流れによって、試料台１０７の傾斜角度がゼロのときの割断面１１９の向きである初期試料向きが算出される。初期試料向きは、観察面の面積を用いることなく算出されるので、観察面は視野よりも大きくても良い。また算出された初期試料向きと、操作者が設定した観察向きとに基づいて設定された試料台１０７の傾斜角度において、観察像が取得される。すなわち観察面が視野よりも大きい場合であっても試料台の傾斜角度を適切に設定可能な荷電粒子線装置及びそれを用いる試料観察方法を提供できる。
　以上、本発明の実施例について説明した。本発明は上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせても良い。さらに、上記実施例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。
１０１：電子銃、１０２：集束レンズ、１０３：絞り、１０４：偏向コイル、１０５：対物レンズ、１０６：試料、１０７：試料台、１０８：二次電子検出器、１０９：電子線、１１０：二次電子、１１１：画像形成部、１１２：検出部、１１３：境界検出部、１１４：上面検出部、１１５：計算処理部、１１６：制御部、１１７：入力表示部、１１８：上面、１１９：割断面、１２０：理想断面、１２１：側面、１２２：境界、１２３：第一傾斜軸、１２４：第二傾斜軸、１２５：初期試料向き算出ボタン、１２６：第一観察向き指定部、１２７：第二観察向き指定部、１２８：走査方向指定部、１２９：傾斜角調整ボタン、１３０：観察向き表示部、１３１：観察窓、１５０：半導体パターン、１５８：試料台領域、１５９：非割断面領域、１６０：割断面領域、１６２：グラフ

Claims (6)

  1. 　荷電粒子線を試料に照射することによって前記試料の観察像を取得する荷電粒子線装置であって、
    　交差する二つの傾斜軸のそれぞれを中心として傾斜するとともに前記試料を保持する試料台と、
    　前記試料台の傾斜角度を変えながら取得される観察像のそれぞれから、前記試料の上面と割断面との境界を検出し、前記荷電粒子線の走査方向に対する前記境界の傾きを求める境界検出部と、
    　傾斜角度毎の観察像から前記上面を検出し、観察像から前記上面が消失するときの前記試料台の傾斜角度である上面消失角度を算出する上面検出部と、
    　傾斜角度毎の前記境界の傾きと前記上面消失角度に基づいて、前記傾斜角度がゼロのときの前記割断面の向きである初期試料向きを算出する計算処理部を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
    　前記上面検出部は、傾斜角度毎の観察像に対して前記境界で分けられる二つの領域を設定し、一方の領域の輝度平均値を用いて前記上面消失角度を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
  3. 　請求項２に記載の荷電粒子線装置であって、
    　前記上面検出部は、前記傾斜角度に対する前記輝度平均値の変化をシグモイド曲線でフィッティングすることによって前記上面消失角度を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
  4. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
    　前記境界検出部は、少なくとも五つの異なる傾斜角度に対して、前記境界の傾きを算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
  5. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
    　前記荷電粒子線の照射方向と走査方向とに係る角度を示す観察窓を、前記荷電粒子線の照射方向に係る角度である座標軸を有する極座標に表示する入力表示部をさらに備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
  6. 　荷電粒子線を試料に照射することによって前記試料の観察像を取得する荷電粒子線装置を用いる試料観察方法であって、
    　交差する二つの傾斜軸のそれぞれを中心として傾斜するとともに前記試料を保持する試料台の傾斜角度を変えながら取得される観察像のそれぞれから、前記試料の上面と割断面との境界を検出し、前記境界の前記荷電粒子線の走査方向に対する傾きを求める境界検出ステップと、
    　傾斜角度毎の観察像から前記上面を検出し、観察像から前記上面が消失するときの前記試料台の傾斜角度である上面消失角度を算出する上面検出ステップと、
    　傾斜角度毎の前記境界の傾きと前記上面消失角度に基づいて、前記傾斜角度がゼロのときの前記割断面の向きである初期試料向きを算出する計算処理ステップを備えることを特徴とする試料観察方法。
PCT/JP2021/018025 2020-09-29 2021-05-12 荷電粒子線装置及びそれを用いる試料観察方法 WO2022070498A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020227045199A KR20230015441A (ko) 2020-09-29 2021-05-12 하전 입자선 장치 및 그것을 사용하는 시료 관찰 방법

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020-162904 2020-09-29
JP2020162904A JP7391810B2 (ja) 2020-09-29 2020-09-29 荷電粒子線装置及びそれを用いる試料観察方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022070498A1 true WO2022070498A1 (ja) 2022-04-07

Family

ID=80950103

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2021/018025 WO2022070498A1 (ja) 2020-09-29 2021-05-12 荷電粒子線装置及びそれを用いる試料観察方法

Country Status (3)

Country Link
JP (1) JP7391810B2 (ja)
KR (1) KR20230015441A (ja)
WO (1) WO2022070498A1 (ja)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005183369A (ja) * 2003-11-25 2005-07-07 Hitachi High-Technologies Corp 試料の観察方法及びその装置
JP2012068138A (ja) * 2010-09-24 2012-04-05 Toppan Printing Co Ltd パターン画像測定方法及びパターン画像測定装置
JP2013196972A (ja) * 2012-03-21 2013-09-30 Hitachi High-Tech Science Corp 試料観察方法、試料作製方法及び荷電粒子ビーム装置
WO2013183573A1 (ja) * 2012-06-08 2013-12-12 株式会社 日立ハイテクノロジーズ 荷電粒子線装置
WO2017179138A1 (ja) * 2016-04-13 2017-10-19 株式会社 日立ハイテクノロジーズ パターン計測装置およびパターン計測方法
WO2019073592A1 (ja) * 2017-10-13 2019-04-18 株式会社日立ハイテクノロジーズ パターン計測装置およびパターン計測方法
JP2020043266A (ja) * 2018-09-12 2020-03-19 株式会社日立ハイテクノロジーズ 半導体ウェハの欠陥観察システム及び欠陥観察方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005183369A (ja) * 2003-11-25 2005-07-07 Hitachi High-Technologies Corp 試料の観察方法及びその装置
JP2012068138A (ja) * 2010-09-24 2012-04-05 Toppan Printing Co Ltd パターン画像測定方法及びパターン画像測定装置
JP2013196972A (ja) * 2012-03-21 2013-09-30 Hitachi High-Tech Science Corp 試料観察方法、試料作製方法及び荷電粒子ビーム装置
WO2013183573A1 (ja) * 2012-06-08 2013-12-12 株式会社 日立ハイテクノロジーズ 荷電粒子線装置
WO2017179138A1 (ja) * 2016-04-13 2017-10-19 株式会社 日立ハイテクノロジーズ パターン計測装置およびパターン計測方法
WO2019073592A1 (ja) * 2017-10-13 2019-04-18 株式会社日立ハイテクノロジーズ パターン計測装置およびパターン計測方法
JP2020043266A (ja) * 2018-09-12 2020-03-19 株式会社日立ハイテクノロジーズ 半導体ウェハの欠陥観察システム及び欠陥観察方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2022055463A (ja) 2022-04-08
KR20230015441A (ko) 2023-01-31
JP7391810B2 (ja) 2023-12-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9202671B2 (en) Charged particle beam apparatus and sample processing method using charged particle beam apparatus
JP5302595B2 (ja) 傾斜観察方法および観察装置
KR101470270B1 (ko) 하전 입자선 장치
JP5603421B2 (ja) 自動収差補正法を備えた荷電粒子線装置
US8080790B2 (en) Scanning electron microscope
JPWO2017179138A1 (ja) パターン計測装置およびパターン計測方法
US9287087B2 (en) Sample observation method, sample preparation method, and charged particle beam apparatus
US9035247B2 (en) Method for operating a particle beam device and/or for analyzing an object in a particle beam device
WO2022070498A1 (ja) 荷電粒子線装置及びそれを用いる試料観察方法
JP2008084823A (ja) 荷電粒子線調整方法及び荷電粒子線装置
JP7291047B2 (ja) 粒子ビーム照射装置
JP5813468B2 (ja) 荷電粒子線装置、及び荷電粒子線のランディング角度の計測補正方法
JP2005005055A (ja) 試料の高さ情報取得方法
JP2007207763A (ja) 荷電粒子線顕微鏡、画像形成方法、及び画像分解能評価用計算機
JP4274146B2 (ja) 像評価方法及び顕微鏡
JP6764953B2 (ja) 荷電粒子線装置
JP4431624B2 (ja) 荷電粒子線調整方法、及び荷電粒子線装置
JP7381432B2 (ja) 荷電粒子線装置
JP7323574B2 (ja) 荷電粒子線装置および画像取得方法
WO2021149117A1 (ja) 荷電粒子線画像用解析装置、検査システムおよびプログラム
WO2020075385A1 (ja) 計測装置及び試料の表面の計測方法
US20240186108A1 (en) Charged Particle Beam System
JP2024008451A (ja) 荷電粒子線装置
JPS59190610A (ja) 寸法測定装置
CN117255932A (zh) 深度测量装置、深度测量系统以及深度指标值计算方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21874805

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20227045199

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 18014803

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21874805

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1