JP2012177654A - パターン高さ測定装置及びパターン高さ測定方法 - Google Patents

パターン高さ測定装置及びパターン高さ測定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】パターンの高さを非破壊で迅速に測定することができるパターン高さ測定装置及びパターン高さ測定方法を提供する。
【解決手段】試料表面の観察領域を電子ビームを照射で走査し、観察領域の斜め上方に配置された検出器９９ａによる二次電子の検出信号に基づいて画像（ＳＥＭ画像）を取得し、その画像に現れるパターン８２の影の長さＬを検出する。そして、あらかじ求めた検出器９９ａの試料表面に対する見掛け上の角度θと検出された影の長さＬとに基づいて、パターン８２の高さＨをＨ＝Ｌ×ｔａｎθにより求める。パターン８２の影の長さＬは、例えばパターン８２のエッジ８２ａ、８２ｂと直交するラインＸ−Ｘ上の二次電子の強度分布を抽出し、その二次電子の強度分布の凹部が所定のしきい値Ｉと交差する２点間の距離として求める。
【選択図】図５

Description

本発明は、パターン高さ測定装置及びパターン高さ測定方法に関し、特に電子ビームを試料の表面に照射してパターンの高さを測定するパターン高さ測定装置及びパターン高さ測定方法に関する。
近年、半導体装置の微細化の進展に伴い、マスクパターンの微細化及び薄型化が進んできている。そのため、線幅等の二次元的なマスクパターン形状の測定だけでなく、転写特性等に影響を及ぼすマスクパターンの高さの測定も重要となっている。
パターンの高さを測定する技術としては、（１）試料の断面を走査型電子顕微鏡（Scanning Electron microscope；ＳＥＭ）で観察して高さを検出する方法、（２）原子間力顕微鏡（Atomic Force microscope；ＡＦＭ）で高さを測定する方法、及び（３）フォーカス条件を変えたＳＥＭ画像を複数撮像し、画像処理を施して高さを測定する方法等がある。
しかし、（１）の試料の断面をＳＥＭで観察する方法は、断面を観察するまでに長時間を要する上、破壊検査であるために測定に用いた試料を製品として使用できないという問題がある。
また、（２）のＡＦＭで高さを測定する方法では、試料を非破壊で測定することができるものの、測定に長時間を要し、スループットが遅い。また、測定回数の増加に応じて、プローブが摩耗して測定精度が低下するという問題がある。
さらに、（３）のフォーカス条件を変えたＳＥＭ画像による方法では、パターンの厚さがＳＥＭの焦点深度よりも浅くなると正確な測定を行うことができないという問題がある。
特開平５−２９９０４８号公報
そこで、本発明は、パターンの高さを非破壊で迅速に測定することができるパターン高さ測定装置及びパターン高さ測定方法を提供することを目的とする。
本発明の一観点によれば、電子ビームを試料表面に照射つつ走査させる電子ビーム走査部と、前記試料表面の上方に配置され、前記電子ビームの照射によって前記試料の表面から放出される二次電子の強度を検出する検出器と、前記検出器の検出信号に基づいて前記試料表面を写した画像データを生成する信号処理部と、前記画像データに基づいて前記試料表面に形成されたパターンのエッジと交差するラインに沿った二次電子の強度分布を抽出し、前記エッジ付近の二次電子の強度分布に基づいて前記パターンの影の長さを検出する画像処理部と、前記画像処理部で検出した前記影の長さに基づいて前記パターンの高さを算出する演算部と、を備えたパターン高さ測定装置が提供される。
上記観点のパターン高さ測定装置において、前記検出器を前記電子ビームの光軸の周りに複数配置し、前記信号処理部は前記複数の検出器からの検出信号に基づいて、前記試料表面をそれぞれ異なる方向から写した複数の画像データを生成するようにしてもよい。この場合には、前記画像処理部は、前記パターンのエッジに直交する方向から写した画像データから前記二次電子の強度分布を抽出するようにしてもよい。
また、画像処理部は、（１）エッジ付近の二次電子の強度分布と所定のしきい値とが交差する２点間の距離、（２）エッジ付近の二次電子の強度分布と所定のしきい値とが前記パターンから離れた側で交差する点と前記二次電子の強度分布の極小値部分との距離、（３）エッジ付近の二次電子の強度分布と所定のしきい値を表す直線とに囲まれた領域の面積の平方根、及び（４）エッジ付近の二次電子の強度分布と所定のしきい値とが前記パターンから離れた側で交差する点と前記パターンのエッジの上端又は下端との距離のいずれかを影の長さとして検出してもよい。この場合には、しきい値を、前記二次電子の強度分布の凹部の極小値よりも高く、前記二次電子の強度分布の凹部に隣接する平坦部の二次電子の強度よりも低い範囲で設定することができる。
さらに、演算部は、検出器の試料表面に対する見かけ上の角度と、前記影の長さとに基づいてパターンの高さを算出してもよい。また、演算部は、前記試料の表面の材料によって決まる所定のオフセット値を前記影の長さに加算することにより、前記パターンの高さを算出してもよい。
本発明の別の一観点によれば、電子ビームを試料の表面に照射しつつ走査させるとともに、前記電子ビームの照射によって前記試料の表面から放出される二次電子の強度を前記試料表面の上方に配置された検出器で検出するステップと、前記検出器からの検出信号に基づいて、前記試料表面を写した画像データを生成するステップと、前記画像データから前記試料表面に形成されたパターンのエッジと交差するラインに沿った二次電子の強度分布を抽出し、該二次電子の強度分布の凹部に基づいて前記パターンの影の長さを検出するステップと、前記影の長さに基づいて前記パターンの高さを算出するステップと、を有するパターン高さ測定方法が提供される。
上記観点のパターン高さ測定装置及びパターン高さ測定方法によれば、試料表面を電子ビームで走査して得られる画像データから、パターンのエッジ部分に現れる影の長さを検出し、その影の長さに基づいてパターンの高さを検出する。これにより、パターンの高さを非破壊で迅速に測定することができる。
図１は、第１の実施形態に係るパターン高さ測定装置を示すブロック図である。 図２は、図１のパターン高さ測定装置の検出器の配置を示す模式図である。 図３は、図１のパターン高さ測定装置の信号処理部が生成する画像データの一例を示す模式図である。 図４は、第１の実施形態に係るパターンの高さ測定の原理を示す模式図である。 図５は、第１の実施形態に係るパターン高さ測定装置によるパターンの高さの測定方法を示すフローチャートである。 図６は、図１の画像処理部におけるパターンの影の長さの検出方法を示すフローチャートである。 図７は、ラインプロファイルの正規化の方法を説明する図である。 図８（ａ）〜（ｃ）は、しきい値とラインプロファイルとに基づいて影の長さを検出する方法を示す図である。 図９（ａ）は第１のマスクの構造を示す断面図であり、図９（ｂ）は第２のマスクの構造を示す断面図である。 図１０は、実験例１において図８（ａ）に示す方法（第１の方法）で検出した影の長さと、ＡＦＭで求めたパターンの高さとの相関を示すグラフである。 図１１は、実験例１において図８（ｂ）に示す方法（第２の方法）で検出した影の長さと、ＡＦＭで求めたパターンの高さとの相関を示すグラフである。 図１２は、実験例１において図８（ｃ）に示す方法（第３の方法）で検出した影の長さと、ＡＦＭで求めたパターンの高さとの相関を示すグラフである。 図１３は、実験例２において第１の方法で検出した影の長さに基づいて求めたパターンの高さと、ＡＦＭで求めたパターンの高さの相関を示すグラフである。 図１４は、実験例３に係る試料の左画像を示す図である。 図１５は、図１４から抽出したラインプロファイル（正規化後）を示す図である。 図１６は、パターンの側壁の傾斜角と第１の方法で求めたパターンの影の長さとの関係を示すグラフである。 図１７は、側壁の傾斜角がそれぞれ８７°及び８４°のパターンのラインプロファイルを、側壁付近で拡大して示す図である。 図１８は、第２の実施形態におけるパターンの側壁の上端及び下端の位置の検出方法を説明する模式図である。 図１９は、第２の実施形態における影の長さの検出方法（第４の方法）を説明する模式図である。 図２０は、実験例４においてパターンの側壁の傾斜角と第１の方法及び第４の方法で求めた影の長さとの関係を示すグラフである。 図２１は、実験例５において、第１の方法及び第４の方法でそれぞれ求めた影の長さとＡＦＭで求めたパターン高さとの相関係数を示すグラフである。 図２２は、実験例６において、第４の方法による影の長さに基づいて求めたパターン高さと、ＡＦＭで求めたパターン高さとの相関を示すグラフである。
以下、実施形態について添付の図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るパターン高さ測定装置を示すブロック図であり、図２は同じくパターン高さ測定装置の検出器の配置を示す模式図である。
図１に示すように、本実施形態のパターン高さ測定装置１００は、試料８を収容するチャンバー２と、試料８に電子ビーム３１を照射する電子ビーム走査部１と、パターン高さ測定装置１００の各部の制御及び測定データの処理を行う制御部１０とを備えている。
チャンバー２には、支持体７ａを介してウェハやフォトマスクなどの試料８を保持するステージ７が設けられている。このステージ７は、制御部１０からの制御信号に基づいて試料８を移動させて、試料８の観察領域を電子ビーム走査部１による電子ビーム照射範囲に移動させることができる。
電子ビーム走査部１は電子銃３を有し、この電子銃３から所定の加速電圧で電子ビーム３１を放出させる。電子ビーム３１はコンデンサレンズ４で収束され、偏向コイル５で位置決めされた後、対物レンズ６で焦点合わせされて試料８の表面に照射される。
また、電子ビーム走査部１には、試料８の表面に電子ビーム３１を照射することによって発生する二次電子を検出するための第１〜第４の検出器９ａ〜９ｄが設けられている。
図２に示すように、第１〜第４の検出器９ａ〜９ｄは、電子ビーム３１の光軸の周りに相互に９０°の角度を開けて対称に配置されている。ここでは、各検出器９ａ〜９ｄは矩形状の観察領域８１の対角線方向に配置され、各検出器９ａ〜９ｄは観察領域８１の斜め上方に約４５°の角度で配置されているものとする。これらの検出器９ａ〜９ｄは、例えばシンチレータ等よりなり、検出した二次電子の強度をそれぞれ信号ｃｈ１〜ｃｈ４として出力する。
一方、制御部１０には、図１に示すように信号処理部１１と、画像処理部１２と演算部１３とが設けられている。
信号処理部１１は検出器９ａ〜９ｄから送出された信号ｃｈ１〜ｃｈ４をデジタル信号に変換し、このデジタル信号に基づいて画像データ（ＳＥＭ画像）を生成する。
図３は、信号処理部１１が生成する画像データの一例を示す模式図である。
図３に示すように、信号処理部１１は、信号ｃｈ１〜ｃｈ４に基づいて、観察領域８１をそれぞれ左下、左上、右上、右下から写したＳＥＭ画像に相当する左下画像ａ１、左上画像ａ２、右上画像ａ３及び右下画像ａ４を生成する。
また、信号処理部１１は、隣接する検出器からの信号同士を加算することにより、各検出器９ａ〜９ｄの中間方向（左、右、下及び上）から写したＳＥＭ画像に相当する左画像ａ５、右画像ａ６、下画像ａ７及び上画像ａ８を生成する。すなわち、信号ｃｈ１とｃｈ２との加算により左画像ａ５を生成し、信号ｃｈ３とｃｈ４との加算により右画像ａ６を生成する。また、信号ｃｈ１とｃｈ４との加算により下画像ａ７を生成し、信号ｃｈ２とｃｈ３との加算により上画像ａ８を生成する。
さらに、信号処理部１１は、信号ｃｈ１〜ｃｈ４をすべて加算することにより、全加算画像ａ９を生成する。この全加算画像ａ９は、通常の走査型電子顕微鏡による二次電子像と同様な画像であり、パターンのエッジに影は生じない。
以上のようにして信号処理部１１で生成された各画像ａ１〜ａ９は、表示部２０（図１参照）に表示される。
制御部１０の画像処理部１２（図１参照）は、信号処理部１１で生成された画像データに基づいて、パターンのエッジと交差するラインに沿った二次電子の強度分布（ラインプロファイル）を抽出する。そして、そのラインプロファイルに基づいて、パターンの影の長さを検出する。
また、演算部１３は画像処理部１２が検出したパターンの影の長さに基づいてパターンの高さを算出する。
以下、本実施形態のパターンの高さの測定の原理について説明する。
図４（ａ）は、上下方向に延在するラインパターンの左画像ａ５を示す図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＸ−Ｘ線上の二次電子の強度分布（ラインプロファイル）を示す図である。また、図４（ｃ）は、パターンの影の長さとパターンの高さとの関係を説明する模式図である。
通常の走査型電子顕微鏡による二次電子像では、パターンの側壁部分で二次電子が多く発生し、どの方向のエッジも白く高い輝度で表示される。しかし、図４（ａ）及び図４（ｂ）のように、本実施形態のパターン高さ測定装置１００による左画像ａ５では、ラインパターンの左側のエッジ部分は高い輝度（凸部４２ａ）で表示されるのに対し、ラインパターンの右側のエッジ部分Ｅには輝度の低い黒い影（凹部４３）が現れる。
これは、図４（ｃ）のように、ラインパターン８２の右側の側壁８２ｂが障壁の役割を成し、右側の側壁８２ｂの近傍で発生した二次電子が左画像ａ５に対応する検出器９９ａに届かなくなるためと考えられる。
図４（ｃ）において、角度θは試料表面に対する左側の検出器９９ａの見かけ上の角度を示している。この検出器９９ａの見かけ上の角度θは同種の試料について一定であり、ラインパターン８２によって二次電子の検出が妨げられる領域（影の長さ）Ｌは、ラインパターン８２の高さＨに応じて変化するものと考えられる。そこで、本実施形態ではパターン８２の影の長さＬと、検出器９９ａの見かけ上の角度θとに基づいて、パターン８２の高さＨをＨ＝Ｌ×ｔａｎθにより求める。
影の長さＬは、図４（ａ）のパターンと交差するラインＵ（Ｘ−Ｘ線）に沿った二次電子の強度分布（ラインプロファイル、図４（ｂ））を取得し、このラインプロファイルのエッジ付近の曲線（凹部４３）から求めることができる。
また、検出器９９ａの見かけ上の角度θは、あらかじめ測定対象と同一の材料からなる参照試料を用意し、この参照試料上のパターンをＡＦＭや膜厚計等を用いて測定したパターン高さＨAと、パターン高さ測定装置１００による画像データから求めた影の長さＬとに基づいて、θ＝ｔａｎ-1ＨA／Ｌとして求めるものとする。検出器９９ａの見かけ上の角度θは、パターン８２及び基板８０の材料によって異なるため、材料が変わる毎に検出器９９の見かけ上の角度θを実験的に求めておくことが好ましい。
本実施形態のパターン高さ測定装置１００では、観察領域を複数の方向から写した画像を取得することができるため、上記の上下方向に延在するパターンだけでなく、様々な形状のパターンの高さを検出することができる。この場合には、測定対象となるパターンのエッジに直交する方向から写した画像を用いることで、上記の原理に基づくパターンの高さの測定が可能である。
以下、本実施形態に係るパターン高さ測定装置１００によるパターンの高さの測定方法について説明する。ここに、図５は、本実施形態に係るパターン高さ測定装置１００によるパターンの高さの測定方法を示すフローチャートである。
まず、図５のステップＳ１１において、電子ビーム走査部１により電子ビーム３１を試料８の観察領域８１上に照射及び走査させて、観察領域８１の観察を行う。電子ビーム３１の照射によって観察領域８１の表面から放出される二次電子は検出器９ａ〜９ｄによって捕捉され、各照射位置における二次電子の強度が信号ｃｈ１〜ｃｈ４として制御部１０の信号処理部１１に出力される。
次に、ステップＳ１２において、信号処理部１１が検出器９ａ〜９ｄから送出された信号ｃｈ１〜ｃｈ４をデジタル信号に変換し、このデジタル信号に基づいて画像ａ１〜ａ９（図３参照）を生成する。
次に、ステップＳ１３において、制御部１０の画像処理部１２が、信号処理部１１が生成した画像に基づいて影の長さを検出する。
図６は、画像処理部１２による影の長さの検出方法を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ２１において、画像処理部１２は、測定対象となるパターンのエッジに直交する方向から写した画像データを取得する。例えば、図４（ａ）のように上下方向に延在するラインパターンの場合には、左画像ａ５を取得する。なお、左画像ａ５に代えて右画像ａ６を取得してもよい。
次いで、ステップＳ２２において、画像処理部１２は、ステップＳ２１で取得した画像データから、パターンのエッジと直交するラインに沿った二次電子の強度分布（ラインプロファイル）を抽出する。例えば、図４（ａ）のラインパターンの場合には、Ｘ−Ｘ線上のラインプロファイルを抽出する。なお、一本のラインプロファイルだけでは、パターンのエッジの局所的な揺らぎなどの影響を受ける可能性がある。そこで、より高い精度が必要とされる場合には、複数のラインに沿った二次電子の強度分布を求め、これらを平均化することでラインプロファイルを求めてもよい。
次に、図６のステップＳ２３において、画像処理部１２は、ステップＳ２２で抽出したラインプロファイルを正規化する。図７は、ラインプロファイルの正規化の方法を説明する模式図である。
ここでは、画像処理部１２は、ラインプロファイルの凹部４３の極小値４３ａの輝度と、凹部４３に隣接する平坦部４４の平均輝度とを検出する。そして、図７に示すように、極小値４３ａの輝度が０となるように、ラインプロファイルの全体の輝度をシフトさせる。続いて、平坦部４４の平均輝度が５０となるようにラインプロファイルの輝度の比率を調整する。以上によりラインプロファイルの正規化が完了する。
次に、画像処理部１２は、図６のステップＳ２４において、所定の輝度にしきい値Ｉを設定し、そのしきい値Ｉと正規化したラインプロファイルとに基づいて、下記に説明する第１〜第３の方法のいずれかにより、影の長さを検出する。
図８（ａ）〜（ｃ）は、しきい値とラインプロファイルに基づいて影の長さを検出する方法を示す図である。
第１の方法（凹部の幅を基準とする方法）は、図８（ａ）に示すように、ラインプロファイルの凹部としきい値Ｉとが交差する２点Ａ、Ｂの位置を求め、その２点Ａ，Ｂ間の距離を影の長さとして検出する。
第２の方法（極小値を基準とする方法）は、図８（ｂ）に示すように、ラインプロファイルの凹部としきい値Ｉとが交差する２点のうちパターンから離れた側の点Ｂと、ラインプロファイルの極小値部分４３ａの位置Ｃとの距離を影の長さとして検出する。ラインプロファイルにおいて、パターンの高さが変化すると、極小値４３ａよりもパターンから離れた側のプロファイルが最も大きく変化するため、第２の方法によれば測定感度を高められる可能性がある。
第３の方法（面積を基準とする方法）では、図８（ｃ）に示すように、ラインプロファイルの凹部４３としきい値Ｉを表す直線とに囲まれる領域の面積Ｓを求め、その面積Ｓの平方根を影の長さとして検出する。第３の方法では、面積Ｓに基づいて影の長さを検出するので、しきい値Ｉとの交点でラインプロファイルに微小なバラツキがあってもその影響を受けにくくなる。そのため、他の方法に比べて測定の安定性が改善される可能性がある。
以上により、画像処理部１２による影の長さの検出（ステップＳ１３、図５）が完了する。
その後、図５のステップＳ１４において、パターン高さ測定部１３は、影の長さＬと、予め求めた検出器の見かけ上の角度θとに基づいて、パターンの高さＨを計算式Ｈ＝Ｌ×ｔａｎθにより求め、パターン高さ測定装置１００によるパターンの高さの測定処理を終了する。
以上のように、本実施形態のパターン高さ測定装置１００によれば、ＳＥＭ画像に現れるパターンの影の長さに基づいてパターンの高さを求めるため、非破壊で迅速にパターンの高さを測定することができる。
（実験例１）
実験例１では、影の長さを検出する際に用いるしきい値Ｉが測定精度に及ぼす影響について調べた。
図９は実験例における評価に用いた試料の断面図であり、図９（ａ）、図９（ｂ）はそれぞれ第１のマスク及び第２のマスクの構造を示している。
第１のマスク５０は、図９（ａ）に示すように、石英ガラス基板５１の上に厚さが約１００ｎｍのＣｒ膜５２を形成し、そのＣｒ膜５２の上に、厚さＴが５０ｎｍ〜７０ｎｍ及び幅が約５００ｎｍのＴａＳｉからなるラインパターン５３を形成したものである。ここでは、ラインパターン５３の厚さＴを５０ｎｍ、６０ｎｍ、７０ｎｍとした試料を用意した。
第２のマスク６０は、図９（ｂ）に示すように、石英ガラス基板６１の上に厚さが７０ｎｍのＴａＳｉ膜を形成し、これをパターニングして幅が約４００ｎｍのラインパターン６２を形成したものである。なお、ＴａＳｉ膜のエッチングの際に石英ガラス基板６１の一部がエッチングされて溝６１ａが形成されている。ここでは、エッチング条件を調整することにより、第２のマスク６０の溝６１ａの深さＤを１〜１０ｎｍの範囲で変化させた試料を用意した。
次に、第１のマスク５０及び第２のマスク６０について、ＡＦＭでパターンの高さを測定するとともに、パターン高さ測定装置１００（図１参照）で観察を行ってパターンの影の長さを検出した。
図１０は、横軸にしきい値をとり、縦軸に相関係数をとって、第１の方法（図８（ａ）参照）で検出した影の長さとＡＦＭによる測定結果との相関を示すグラフである。なお、図１０において、Ｔｈは正規化されたラインプロファイルにおけるしきい値の値（輝度値）を表している。例えば、Ｔｈ＝１０は、ラインプロファイルの凹部に隣接する平坦部の平均輝度５０の２０％（＝１０／５０）の輝度に相当する。
図１０に示すように、第１の方法で検出した影の長さは、しきい値の値によらずに、ＡＦＭによるパターン高さの測定結果と比較的高い相関関係を示している。この結果により、第１の方法によれば、しきい値依存性が比較的少なく、再現性の高い測定が可能であることがわかる。
図１１は、横軸にしきい値をとり、縦軸に相関係数をとって、第２の方法（図８（ｂ）参照）で検出した影の長さとＡＦＭによる測定結果との相関を示すグラフである。
図１１に示すように、第２の方法で検出した影の長さは、第１のマスク５０については、しきい値によらずにＡＦＭの測定結果と高い相関が得られる。しかし、第２のマスクについては、しきい値が小さくなるほどＡＦＭの測定結果との相関が低くなる。このように、測定の精度がしきい値によって変わるのは好ましくないため、第２の方法による影の長さの検出は、第２のマスク６０のパターン高さの評価には適さないことがわかる。
図１２は、横軸にしきい値をとり、縦軸に相関係数をとって、第３の方法（図８（ｃ）参照）で検出した影の長さとＡＦＭによる測定結果との相関を示すグラフである。
図１２に示すように、第３の方法で検出した影の長さは、しきい値が低い部分で、ＡＦＭによる測定結果との相関が低下した。また、しきい値による相関係数の変動も第１の方法に比べて大きいことがわかる。そのため、第３の方法で求めた影の長さを用いた場合には、第１の方法に比べて測定精度が低下する。このように第３の方法の影長さとパターン高さとの相関が低下する原因としては、影長さの検出の前段階で行うラインプロファイルの正規化による影響が考えられる。すなわち、正規化によってラインプロファイルの縦方向の情報が変化するため、第３の方法の影長さとパターン高さとの相関が低下するものと考えられる。
（実験例２）
実験例２では、図９に示す第１のマスク５０及び第２のマスク６０について、影の長さから求めたパターンの高さと、ＡＦＭで求めたパターン高さとの相関を調べた。なお、本実験例において、影の長さは第１の方法で求めるものとし、その際のしきい値は２５（平坦部の輝度の５０％）とした。
本実験例では、第１のマスク５０及び第２のマスク６０について、それぞれパターンの厚さが異なる４つの試料を用いて検出器の見かけ上の角度θを求めた。その結果、検出器の見かけ上の角度θは第１のマスク５０については６６．２°であり、第２のマスク６０については６３．２°であった。
次に、別のパターン厚さを有する第１のマスク５０及び第２のマスク６０を用意し、それらについて、第１の方法で影の長さＬを求め、先に求めた検出器の見かけ上の角度θにより、パターンの高さを算出した。また、同一のパターンについてＡＦＭにより高さ測定を行なった。
図１３（ａ）は、横軸にＡＦＭで求めたパターン高さをとり、縦軸にＳＥＭ画像から求めたパターンの高さをとり、第１のマスク５０の測定結果を示すグラフであり、図１３（ｂ）は同じく、第２のマスク６０の測定結果を示すグラフである。
図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、第１のマスク５０及び第２のマスク６０について、ＡＦＭの測定結果と良好な相関が得られることが確認できた。
（第１の実施形態の変形例）
上記の説明において、演算部１３は、影の長さＬにｔａｎθを乗ずることによりパターンの高さＨを求めているが、これに代えて、本変形例のように影の長さＬに一定のオフセット値Ｌoffを加算してパターンの高さＨを求めてもよい。
ここで、オフセット値Ｌoffは、ＡＦＭによる測定で求めたパターン高さＨAからパターン高さ測定装置１００で求めたパターンの影の長さＬを減ずることにより、実験的に求めることができる。このオフセット値Ｌoffは試料表面の材料によって異なる。そのため、評価対象となる試料の材料が変わるごとに、測定に先立ってオフセット値Ｌoffを求めておくことが好ましい。
（実験例３）
実験例３では、第１の実施形態の変形例の方法でパターン高さを求めた例について説明する。
本実験例では、光学研磨された６インチ角の石英ガラス基板上に、厚さが１００ｎｍの酸化クロムよりなる遮光膜を形成し、その遮光膜をパターニングして幅が約２００ｎｍのラインパターンを形成した試料を用意した。
次に、本実験例の試料について、ＡＦＭによりパターンの高さＨAを測定するとともに、パターン高さ測定装置１００を用いて第２の方法（図８（ｂ）参照）によりパターンの影の長さＬを検出した。そして、それらの値の差を取ることにより、オフセット値Ｌoffを求めた。その結果、本実験例の試料のオフセット値Ｌoffは３１．４ｎｍであった。
次に、本実験例の試料の別の箇所を測定領域に選び、その測定領域についてパターン高さ測定装置１００で観察を行った。図１４は、実験例３の試料の左画像ａ５を示している。
次に、図１４の左画像ａ５からラインプロファイルを抽出し、これを正規化した。図１５は、実験例３の正規化されたラインプロファイルを示す図である。
次に、図１５のラインプロファイルに基づいて、第２の方法により、ラインプロファイルの極小値の位置Ｈと、ラインプロファイルの凹部としきい値とが交差する点Ｋの位置とを求め、ＨとＫ間の距離を影の長さとして求めた。その結果、影の長さは６７．７ｎｍであった。
以上のようにして求めた、影の長さ６７．７ｎｍにオフセット値３１．４ｎｍを加算して、本実験例のパターン高さが９９．１ｎｍと求まった。
一方、図１５のラインパターンの高さをＡＦＭで測定したところ、９９．８ｎｍであった。これらの結果から、第１の実施形態の変形例に示す方法によっても、パターン高さを精度よく計測できることが確認できた。
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、パターンの側壁の傾斜角の影響を考慮した影の長さの検出方法について説明する。なお、本実施形態において、影の長さの検出方法以外は第１の実施形態と同様であるので、共通する部分の説明は省略する。
本願発明者らはパターンの側壁の傾斜角が測定結果に与える影響を調べるべく、側壁角度を変化させた試料を用意し、図１のパターン高さ測定装置１００を用いて影の長さを検出した。なお、影の長さの検出は、図８（ａ）に示す第１の方法で実施した。
図１６は、パターンの側壁の傾斜角とパターンの影の長さとの関係を示すグラフである。
図１６に示すように、第１の方法で検出した影の長さは、側壁の傾斜角が小さくなるほど短くなることがわかる。したがって、第１の方法で影の長さを検出すると、パターンの側壁の傾斜角によって影の長さが変わってしまい、側壁の傾斜角のバラツキが大きな試料に対しては、誤差を生じるおそれがある。
図１７は、側壁の傾斜角がそれぞれ８７°及び８４°のパターンのラインプロファイルを、側壁付近で拡大して示す図である。
図１７に示すように、側壁の傾斜角が変化しても、極小値部分よりもパターンから離れた側の領域（図において極小値よりも右側の領域）では二次電子の強度分布はほとんど変化しない。これに対し、ラインプロファイルの極小値部分よりもパターン寄りの領域（図において極小値よりも左側の領域）では、側壁の傾斜角が変化により二次電子の強度分布が変化することがわかる。
これは、側壁の傾斜角によって、パターンの側壁の上端付近で二次電子が放出される領域が変化することが原因と考えられる。すなわち、パターンの側壁の上端付近では、いわゆるエッジ効果により二次電子の放出効率が増加するが、そのような二次電子の放出効率が増加する領域は、側壁の傾斜角が小さくなるほどパターンの側壁の上端付近から離れた部分にまで広がるものと考えられる。
そして、このようなラインプロファイルの変化によって、しきい値Ｉとラインプロファイルの凹部とが交差する２点のうちパターンに近い側の点Ａ1、Ａ2の位置は、角度が小さくなるほどパターンから離れた側にシフトする。これにより、パターンの側壁の傾斜角が小さくなるほど、影の長さ短くなってしまう。
このような問題を防ぐために、影の長さを検出するための基準点を、パターンの側壁の傾斜角の影響を受けない部分に設定することが望まれる。
そこで、本実施形態では、影の長さを検出するための基準点として、パターンの側壁の上端又は下端に着目した。以下、本実施形態によるパターンの影の長さの検出方法について説明する。
図１８は、本実施形態におけるパターンの側壁の上端及び下端の位置の検出方法を説明する模式図である。
本実施形態では、画像処理部１２において、パターンを２方向から写した画像データに基づいてパターンの側壁の上端及び下端を検出する。ここでは、上下方向に延在するパターンを、左画像ａ５及び右画像ａ６を用いて検出する例について説明する。
まず、画像処理部１２は、図１８のようにパターン８５の側壁８５ａに直交する方向に配置された検出器９９ａ、９９ｂで写した左画像ａ５及び右画像ａ６を取得する。そして、それらの画像ａ５、ａ６から、パターンのエッジと直交する所定のラインに沿ったラインプロファイルを抽出する。
次いで、左画像ａ５のラインプロファイルと右画像ａ６のラインプロファイルの差分を取って、図１８の中段のように差分プロファイルを求める。この差分プロファイルには、パターン８５の側壁８５ａに対応する部分に凸部又は凹部が現れる。
次に、上記の差分プロファイルを微分して、図１８の下段のように微分プロファイルを求める。この微分プロファイルでは、試料表面の傾斜の変化率を表しており、傾斜の変化率が最も大きくなる側壁８５ａの上端又は下端に対応する部分に凸部又は凹部が現れる。そこで、この微分プロファイルの極小値の位置を検出することにより側壁８５ａの上端の位置を検出することができる。また、微分プロファイルの極大値の位置を検出することにより側壁８５ａの下端の位置を検出することができる。これらの微分プロファイルの極大値又は極小値の位置は、パターンの側壁の傾斜角には依存しないため、本実施形態では、これらの位置を基準に影の長さを求める。
図１９は本実施形態における影の長さの検出方法（第４の方法）を説明する模式図である。
図１９に示すように、本実施形態では、図１８を参照しつつ説明した方法で、微分プロファイルを求め、その極大値からパターンの側壁の上端の位置Ｊを検出する。なお、側壁の上端に代えて下端の位置を検出してもよい。
次に、図６及び図７を参照しつつ説明したのと同様の方法で正規化したラインプロファイルを抽出する。そして、所定のしきい値Ｉを設定し、ラインプロファイルの凹部としきい値Ｉとが交差する２点のうちパターンから離れた側の点の位置Ｍを検出する。
その後、画像処理部１２はラインプロファイルの凹部としきい値Ｉとが交差する２点のうちパターンから離れた側の点の位置Ｍと、パターンの側壁の上端の位置Ｊとの距離を影の長さＬとして検出する。
以上のような本実施形態の方法（以下、第４の方法と呼ぶ）によれば、パターンの側壁の傾斜角による影の長さの変動を防ぐことができ、側壁の傾斜角がばらついた試料に対しても高い精度でパターンの高さを測定することができる。
（実験例４）
実験例４では、図１６の測定の際に取得した画像データに基づいて、第４の方法で影の長さを検出し直し、影の長さの側壁傾斜角依存性を調べた。
図２０は、実験例４においてパターンの側壁の傾斜角と第１の方法及び第４の方法で求めた影の長さとの関係を示すグラフである。
図２０に示すように、第４の方法で検出した影の長さは第１の方法に比べて約７ｎｍ程度影の長さが長くなっている。しかし、第４の方法によれば、側壁の傾斜角が変化しても影の長さが変化しないことが確認できた。
（実験例５）
実験例５では、図９に示す第１のマスク５０及び第２のマスク６０の影の長さを第１の方法及び第４の方法でそれぞれ検出した結果と、ＡＦＭによる測定結果との相関を検証した。
図２１は、実験例５において、第１の方法及び第４の方法でそれぞれ求めた影の長さとＡＦＭによるパターン高さとの相関係数を示すグラフである。
図２１に示すように、本実施形態の方法でも第１の方法と同様に、ＡＦＭの測定結果と高い相関が得られることが確認できた。
（実験例６）
実験例６では、第４の方法で検出した影の長さに基づいて、図９に示す第１のマスク５０及び第２のマスク６０のパターンの高さを測定した。
まず、実験例６において、検出器の見かけ上の角度θを測定したところ、第１のマスク５０では５６．８°であり、第２のマスク６０では５５．０°であった。
次に、第１のマスク５０及び第２のマスク６０の影の長さを第４の方法で検出し、上記の検出器の見かけ上の角度θに基づいてパターンの高さを求めた。
図２２（ａ）は、本実験例及びＡＦＭで測定した第１のマスク５０のパターン高さの相関を示すグラフであり、図２２（ｂ）は、本実験例及びＡＦＭで測定した第２のマスク６０のパターン高さの相関を示すグラフである。
図２２（ａ）及び図２２（ｂ）に示すように、第１のマスク５０及び第２のマスク６０について、ＡＦＭの測定結果と良好な相関が得られることが確認できた。
１…電子ビーム走査部、２…チャンバー、３…電子銃、４…コンデンサレンズ、５…偏向コイル、６…対物レンズ、７…ステージ、７ａ…支持体、８…試料、９ａ〜９ｄ、９９ａ、９９ｂ…検出器、１０…制御部、１１…信号処理部、１２…画像処理部、１３…演算部、２０…表示部、３１…電子ビーム、４２ａ、４２ｃ…ラインプロファイルの凸部、４３…ラインプロファイルの凹部、４３ａ…ラインプロファイルの極小値部分、４４…ラインプロファイルの平坦部、５０…第１のマスク、５１、６１…石英ガラス基板、５２…Ｃｒ膜、５３、６２、８２、８５…ラインパターン、６０…第２のマスク、６１ａ…溝、８０…基板、８１…観察領域、８２ａ、８２ｂ、８５ａ…側壁。
図２に示すように、第１〜第４の検出器９ａ〜９ｄは、電子ビーム３１の光軸の周りに相互に９０°の角度を開けて対称に配置されている。ここでは、各検出器９ａ〜９ｄは矩形状の観察領域８１の対角線方向に配置されているものとする。これらの検出器９ａ〜９ｄは、例えばシンチレータ等よりなり、検出した二次電子の強度をそれぞれ信号ｃｈ１〜ｃｈ４として出力する。

Claims (20)

  1. 電子ビームを試料表面に照射つつ走査させる電子ビーム走査部と、
    前記試料表面の上方に配置され、前記電子ビームの照射によって前記試料の表面から放出される二次電子の強度を検出する検出器と、
    前記検出器の検出信号に基づいて前記試料表面を写した画像データを生成する信号処理部と、
    前記画像データに基づいて前記試料表面に形成されたパターンのエッジと交差するラインに沿った二次電子の強度分布を抽出し、前記エッジ付近の二次電子の強度分布に基づいて前記パターンの影の長さを検出する画像処理部と、
    前記画像処理部で検出した前記影の長さに基づいて前記パターンの高さを算出する演算部と、
    を備えたことを特徴とするパターン高さ測定装置。
  2. 前記検出器は前記電子ビームの光軸の周りに複数配置され、前記信号処理部は前記複数の検出器からの検出信号に基づいて前記試料表面をそれぞれ異なる方向から写した複数の画像データを生成することを特徴とする請求項１に記載のパターン高さ測定装置。
  3. 前記画像処理部は、前記パターンのエッジに直交する方向から写した画像データから前記二次電子の強度分布を抽出することを特徴とする請求項２に記載のパターン高さ測定装置。
  4. 前記画像処理部は、前記エッジ付近の二次電子の強度分布と所定のしきい値とが交差する２点間の距離を前記影の長さとして検出することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のパターン高さ測定装置。
  5. 前記画像処理部は、前記エッジ付近の二次電子の強度分布と所定のしきい値とが前記パターンから離れた側で交差する点と前記二次電子の強度分布の極小値部分との距離を前記影の長さとして検出することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のパターン高さ測定装置。
  6. 前記画像処理部は、前記エッジ付近の二次電子の強度分布と所定のしきい値を表す直線とに囲まれた領域の面積の平方根を影の長さとして検出することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のパターン高さ測定装置。
  7. 前記画像処理部は、前記エッジ付近の二次電子の強度分布と所定のしきい値とが前記パターンから離れた側で交差する点と、前記パターンのエッジの上端又は下端との距離を影の長さとして検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパターン高さ測定装置。
  8. 前記しきい値は、前記エッジ付近の二次電子の強度分布の極小値よりも高く、前記二次電子の強度分布の平坦部の二次電子の強度よりも低い範囲で設定されることを特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれか１項に記載のパターン高さ測定装置。
  9. 前記演算部は、前記検出器の試料表面に対する見かけ上の角度と、前記影の長さとに基づいて、前記パターンの高さを算出することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のパターン高さ測定装置。
  10. 前記演算部は、前記試料の表面の材料によって決まる所定のオフセット値を前記影の長さに加算することにより、前記パターンの高さを算出することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のパターン高さ測定装置。
  11. 電子ビームを試料の表面に照射しつつ走査させるとともに、前記電子ビームの照射によって前記試料の表面から放出される二次電子の強度を前記試料表面の上方に配置された検出器で検出するステップと、
    前記検出器からの検出信号に基づいて、前記試料表面を写した画像データを生成するステップと、
    前記画像データから前記試料表面に形成されたパターンのエッジと交差するラインに沿った二次電子の強度分布を抽出し、該二次電子の強度分布の凹部に基づいて前記パターンの影の長さを検出するステップと、
    前記影の長さに基づいて前記パターンの高さを算出するステップと、
    を有することを特徴とするパターン高さ測定方法。
  12. 前記検出器は、前記電子ビームの光軸の周りに複数配置され、前記複数の検出器からの検出信号に基づいて、前記試料表面をそれぞれ異なる方向から写した複数の画像データを生成することを特徴とする請求項１１に記載のパターン高さ測定方法。
  13. 前記二次電子の強度分布は、前記パターンのエッジに直交する方向から写した画像データから抽出することを特徴とする請求項１２に記載のパターン高さ測定方法。
  14. 前記エッジ付近の二次電子の強度分布と所定のしきい値とが交差する２点間の距離を前記影の長さとして検出することを特徴とする請求項１１乃至請求項１３のいずれか１項に記載のパターン高さ測定方法。
  15. 前記エッジ付近の二次電子の強度分布と所定のしきい値とが前記パターンから離れた側で交差する点と前記二次電子の強度分布の極小値部分との距離を前記影の長さとして検出することを特徴とする請求項１１乃至請求項１３のいずれか１項に記載のパターン高さ測定方法。
  16. 前記エッジ付近の二次電子の強度分布と所定のしきい値を表す直線とに囲まれた領域の面積の平方根を前記影の長さとして検出することを特徴とする請求項１１乃至請求項１３のいずれか１項に記載のパターン高さ測定方法。
  17. 前記エッジ付近の二次電子の強度分布と所定のしきい値とが前記パターンから離れた側で交差する点と前記パターンのエッジの上端又は下端との距離を前記影の長さとして検出することを特徴とする請求項１１乃至請求項１３のいずれか１項に記載のパターン高さ測定方法。
  18. 前記しきい値は、前記二次電子の強度分布曲線の凹部の極小値よりも高く、前記二次電子の強度分布曲線の凹部に隣接する平坦部の二次電子の強度よりも低い範囲で設定することを特徴とする請求項１４乃至請求項１７のいずれか１項に記載のパターン高さ測定方法。
  19. 前記パターンの高さは、前記検出器の試料表面に対する見かけ上の角度と、前記影の長さとに基づいて算出することを特徴とする請求項１１乃至請求項１８のいずれか１項に記載のパターン高さ測定方法。
  20. 前記パターンの高さは、前記試料の表面の材料によって決まる所定のオフセット値を前記影の長さに加算して求めることを特徴とする請求項１１乃至請求項１８のいずれか１項に記載のパターン高さ測定方法。
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