JPH02247964A - 断面形状測定法及び断面形状比較検査法並びにそれらの装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体ウェハ等の上に形成された微細パターン
の断面形状測定法及び断面形状比較検査法並びにそれら
の装置に係り、特に電子線装置等により非破壊で対象の
形状によらず試料の断面形状を測定するに好適な断面形
状測定法及び断面形状比較検査法並びにそれらの装置に
関する。

〔従来の技術〕

従来のこの種の断面形状測定法およびその装置は、特開
昭６３−１７０８４０号公報に記載のように、複数の検
出器を備えた走査型電子顕微鏡を用い、測定対象物の同
一部位を複数種の異なる傾斜角度にセットされた試料台
上で観察して得られた画像を用いて断面形状を求める断
面形状測定法及び装置において、試料上の緩やかな傾斜
を有する部分に対しては、上記複数の検出器から取り込
んだ信号に基づいて求めた試料上の面素の傾き成分から
断面形状を求め、試料上の急な傾斜部分あるいは不連続
な段差を有する部分に対しては、上記試料台の傾斜状態
で取り込んだ画像から視差の原理に基づいて断面形状を
求め、これらを合成して出力するものであって、これに
よると試料表面の傾きによらず断面形状が算出できた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は試料上の面素の傾きを求めるさいに第６
図のように２次電子または反射電子のパターンにより影
となる部分については影の影響に対する配慮がされてお
らず、この影となる部分で断面形状の算出結果が実際の
形状から大きくずれてしまうという問題があった。

本発明の目的は試料上のパターンによる影の影響を考慮
して試料表面の形状の変化を正確に測定する断面形状測
定法並びにその装置を提供することにある。

本発明の他の目的は試料表面の傾きの大小によらず断面
形状を正確に算出する断面形状測定法並びにその装置を
提供することにある。

本発明のさらに他の目的はチルト機構を荷電粒子ビーム
の傾斜で代用することにより、試料ステージを簡略化し
て位置決め精度を上げ、また試料室を小型化して真空度
を上げコンタミネーションを防ぐことのできる断面形状
測定法並びにその装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は断面形状の比較による検査を
行い、３次元形状の不一致部分を求めることにより、明
るさの比較による従来の光学的な検査に比べて、高精度
の検査を行う断面形状比較検査法並びにその装置を提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明の断面形状測定法並
びにその装置は、パターンの影の影響を考慮して試料表
面の形状の変化を捉えるべく、少なくとも２種のチルト
角で傾斜させた試料上で荷電粒子線または電磁波を走査
し、試料より発生する２次電子または反射電子を少なく
とも２つの検出器で検出し、複数のチルト角に対する複
数の検出器の出力の差信号を用いて面素の傾きを求め、
これを積分することにより断面形状を得るように方式改
良した照度差ステレオ法によるものである。

また上記他の目的を達成するために、本発明の断面形状
測定法並びにその装置は、試料表面の傾きの大小によら
ず断面形状を正確に測定するべく、複数のチルト角に対
する複数の検出器の出力の和信号を用いて急峻な形状の
変化を正確に測定できるステレオ法と、複数のチルト角
に対する複数の検出器の出力の差信号を用いて画素の傾
きを求め、これを積分することにより緩やかな形状の変
化を正確に測定できる照度差ステレオ法との、２つの方
法の算出結果を波形合成して断面形状を得るようにした
ものである。

また上記さらに他の目的を達成するために、本発明の断
面形状測定法並びにその装置は、チルト機構を荷電粒子
線の傾斜法で代用して、試料ステージおよび試料室を小
型化するべく、対物レンズの下に偏向コイルを設けるこ
とにより、荷電粒子線を傾斜させるようにしたものであ
る。

また上記さらに他の目的を達成するために、本発明の断
面形状比較検査法並びにその装置は、断面形状の比較に
よる検査を行って高精度の欠陥検査を行うべく、比較す
べき測定対象パターンと基準対象パターンの２対象の断
面形状を断面形状測定法並びにその装置を用いて算出し
、２つの算出結果の位置合わせを行い、その差部分のサ
イズや体積などの大小により欠陥か否かの判定を行うよ
うにしたものである。

（作用〕 上記断面形状測定法並びにその装置は、改良した方式の
照度差ステレオ法により第６図のようなパターンの影の
部分の影響を考慮したものであり、チルト角θ１．θ８
のときの２つの左、右の検出器の２次電子または反射電
子の強度を各々ＳＬ　Ｉ　＋Ｓ□、ＳＬ！、５Ｉ１１と
し、第６図のように放出２次電子または反射電子のパタ
ーンの影となる角ψ、。

ψ■を定義し、求めたい垂直軸（ビーム軸）に対する面
素の傾きをΦとすると、チルト角θ、に対して、 ｓｔ＊＝ｃｏｓ−’Φ・（ｃｏｓψ＠−５ｉｎΦ）（２
）ＳＩＩＩ−ＣＯ８−１Φ　−（ｃｏｓψａ＋ｓｉｎΦ
）（３）が成り立ち、従来の照度差ステレオ法では例え
ばＳＬｌ、　　Ｓ□の差、 ＳＬＩ　　ｓ＋ｔｌ””Ｃｏ５−’Φ′（ＣＯ３ψＡ−
Ｃ０５９ｍ　　２ｓｉｎΦ）より、パターンの影の影響
を考慮せず、ψ、＝ψ１−〇として、 ＳＬＩ　　ｓｍｔ＝ｃｏｓ−’Φ　（２ｓｉｎΦ）とす
ることにより、面素の傾きΦを（ＳＬ−Ｓ□）の関数と
して求めていたので、パターンの影の影響のある所では
実際の形状からの誤差が生じていたのに対し、本改良方
式の照度差ステレオ法では、もう１つのチルト角θ、に
対して、 ＳＬｌ−ＣＯ８−’（Φ＋ΔΦ）（ｃｏｓψａ−ｓｉｎ
（Φ÷ΔΦ））（４）Ｓｍｔ＝ｃｏｓ−’（Φ＋ΔΦ）
−（ｃｏｓψ、＋５ｉｎ（Φ＋ΔΦ））（５）が成り立
ち、ただしΔΦ＝０８−〇、であり、この（２）〜（５
）式より中１．ψ１を消去してΦを求め、とすることに
より、面素の傾きΦを２種類のチルト角θ、、θ８のと
きの２つの検出器の出力の差（Ｓ□−３□）、（ＳＬＩ
　　Ｓ。）と、チルト角θ１゜θ８の差ΔΦ（−８３−
〇、）の関数としてパターンの影の影響を受けずに求め
ることができ、この傾きΦを積分して倍率Ｍをかけるこ
とにより断面形状が得られる。

また上記断面形状測定法並びにその装置は、ステレオ法
と改良方式の照度差ステレオ法との２つの方法の算出結
果を合成して出力するものであり、ステレオ法ではチル
ト角θ、、θ８に変えた２つの画像中の特徴点を抽出し
、これらの対応づけを行って断面形状を測定するので、
特徴点が不明確な緩やかな形状の変化は測定できないが
、特徴点が明確に決定できる急峻な形状の変化が測定で
き、一方の照度差ステレオ法では複数のチルト角θ１゜
θ２に対して入射荷電粒子線または電磁波に対し対向す
る位置に置かれた複数の検出器で２次電子または反射電
子委検出し、その出力の差からパターンの影の影響を考
慮して各点の面素の傾きΦを求め、これを積分して断面
形状を測定するので、複数の検出器の差信号と面素の傾
きΦの相関がくずれる急峻な形状の変化は測定できない
が、相関関係の成立する緩やかな形状の変化を測定でき
るから、そこで上記２方法の算出結果を合成して出力す
ることにより、試料表面の傾きによらずに断面形状を算
出することができる。

また上記断面形状測定法並びにその装置は、入射荷電粒
子線に対して対物レンズの下に偏向コイルを設けること
により、試料ステージのチルト機構の代りに荷電粒子線
を傾斜させて照射できるので、試料ステージおよび試料
室を小型化して位置決め精度および真空度を上げ、コン
タミネーションを防ぐことができる。

また上記断面形状比較検査法並びにその装置は、比較す
べき測定対象パターンと基準対象パターンの断面形状を
本断面形状測定法並びにその装置を用いて算出し、２つ
の算出結果を比較するので、高精度の欠陥検査を行うこ
とができる。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例を第１図ないし第１３図により説
明する。

第１図は本発明による電子ビームを用いた断面形状測定
装置の第１の実施例を示す構成ブロック図である。第１
図において、この断面形状測定装置は走査型電子顕微鏡
ｌと、これに接続あるいは内蔵された断面形状算出部２
より成る。走査型電子顕微鏡１は電子を放出する電子銃
３と、電子銃３より出た電子ビームを縮小するコンデン
サレンズ４と、電子ビームをラスク走査させる偏向コイ
ル５と、電子ビームを更に縮小して試料１０に照射させ
る対物レンズ６と、試料１０から放出される２次電子ま
たは反射電子を検出する２つの検出器７゜８と、試料ｌ
Ｏを固定してｘｙｚの３方向の移動および回転およびチ
ルトが可能な試料ステージ９と、試料ｌＯと、偏向コイ
ル５の偏向制御部１１と、試料ステージ９のステージ駆
動部１２から成る。このうち２つの検出器７，８は試料
１０の入射電子ビームに対して対向した左右の位置で、
かつ試料台９のチルト軸に垂直な面内に配置される。

また断面形状算出部２は断面形状算出全体を制御する制
御部１３と、２つの左、右の検出器７．８の出力す、ｃ
の和信号ｄを求める和信号検出部１４と、２つの検出器
７，８の出力す、　　ｃの差信号ｅを求める差信号検出
部１５と、和信号検出部１４の出力ｄからステレオ法に
より断面形状算出を行うステレオ法算出部１６と、差信
号検出部１５の出力ｅから°パターンによる影の影響を
考慮した改良方式の照度差ステレオ法により断面形状算
出を行う照度差ステレオ法算出部１７と、ステレオ法算
出部１６の算出結果ｆを一画面分記憶するステレオ法記
憶部１８と、照度差ステレオ法算出部１７の算出結果ｇ
を一画面分記憶する照度差ステレオ法記憶部１９と、試
料ステージ９のチルト角θ１を記憶するθ、記憶部２０
と、試料ステージ９の゛チルト角θ２を記憶するθ８記
憶部２１と、走査型電子顕微鏡１の倍率Ｍを記憶する倍
率記憶部２２と、ステレオ法記憶部１８に記憶した算出
結果ｆと照度差ステレオ法記憶部１９に記憶した算出結
果ｇを合成する波形合成部２３と、波形合成部２３の合
成結果りを表示するデイスプレィ２４と、パラメータ入
力に用いるＣＲＴ２５と、同じくキーボード２６とから
成る。

第２図は第１図の実施例における処理の流れを示すフロ
ーチャートである。第２図により上記構成をもつ装置の
動作について説明する。まずステップ３０ではパラメー
タ入力を行い、ここでＣＲＴ２５とキーボード２６より
ｘ、ｙ座標とチルト角θ１゜θ２と倍率Ｍを入力して、
チルト角θ１．θ冨は各々θ１θ２記憶部２０．２１に
記憶し、倍率Ｍは倍率記憶部２２に記憶しておく、ステ
ップ３１では試料ステージ９の移動を行い、ここで制御
部１３からの指令によりステージ駆動部１２で設定ｘ、
　　ｙ座標に移動して、さらにチルト角θ１にチルトさ
せ、θ１は例えばθ°　（水平）とする、ステップ３２
では画像入力を行い、ここで電子銃３より電子ビームを
放出させ、放出したビームをコンデンサレンズで縮小し
、偏向制御部１１により偏向コイル５でＸ−Ｙ方向にラ
スク走査を行い、対物レンズ６で更に縮小して試料１０
に照射する。このとき試料１０から放出される２次電子
または反射電子を２つの左。

右の検出器７．８で検出して電気信号に変換し、この検
出器７，８で検出された電気信号す、　　ｃは和信号検
出部１４と差信号検出部１５に送られる。和信号検出部
１４は２つの電気信号す、ｃの和信号ｄを検出し、差信
号検出部１５は２つの電気信号す。

Ｃの差信号ｅを検出して、ステレオ法算出部１６では和
信号ｄを一画面分記憶し、照度差ステレオ法算出部１７
では差信号ｅを一画面分記憶する。

次のステップ３３ではステップ３１と同様の試料ステー
ジ９の移動を行い、こんどはチルト角θ２にチルトさせ
、θ２は例えば５′″〜ｌＯ″とする。ステップ３４で
はステップ３２と同様の画像入力を行い、ここでステレ
オ法算出部１６では和信号ｄを一画面分先程と違う所に
記憶し、照度差ステレオ法記憶部１７では差信号ｅを一
画面分先程と違う所に記憶する。ステップ３５ではステ
レオ法による断面形状算出をステレオ法算出部１６で行
い、ここで和信号ｄを用いるのはパターンによる影の影
響を除いて信号をバランスさせるためであり、断面形状
算出結果ｆはステレオ法記憶部１８に記憶しておく、ス
テップ３６ではパターンによる影の影響を考慮した照度
差ステレオ法による断面形状算出を照度差ステレオ法算
出部１７で行い、ここで２つのチルト角θ、、θ８に対
する差信号ｅを用いることによりパターンの影の影響を
除くことができ、断面形状算出結果ｇは照度差ステレオ
法記憶部１９に記憶してお（、ステップ３７ではステレ
オ法による断面形状算出結果ｆと照度差ステレオ法によ
る断面形状算出結果ｇの波形合成を波形合成部２３で行
い、その合成結果りを出力する。最後にステップ３８で
は合成結果りをデイスプレィ２４上に表示する。

第３図は第１図（第２図）の実施例における波形合成の
例を示す説明図である。第３図において、第３図のａは
測定対象の試料１０の断面形状、第３図のｂは左方の検
出器７の出力信号波形、第３図のＣは右方の検出器８の
出力信号波形、第３図のｄはｂとＣの和信号波形、第３
図のｅはｂとＣの差信号波形、第３図のｆはステレオ法
算出部１６の出力信号波形、第３図のｇは照度差ステレ
オ法算出部１７の出力信号波形、第３図のｈはｆとｇを
用いた波形合成信号波形で、これらの波形の記号す。

ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇは第１図中の信号す、ｃ、ｄ。

ｅ、ｆ、ｇの記号と対応している。第３図より、第３図
のａの断面形状に対して、第３図のｒのステレオ法算出
部１６の出力信号波形では急峻な変化しか捉えておらず
、緩やかな変化はわからないし、また第３図のｇの照度
差ステレオ部１６の出力信号波形では緩やかな変化は捉
えているが、急峻な変化の部分では実際の断面形状との
ずれが生じていることがわかる。そこで急峻な変化の部
分では第３図のｆのステレオ法算出部１６の出力信号波
形を用い、緩やかな変化の部分では第３図のｇの照度差
ステレオ法算出部１７の出力信号波形を用いるように波
形合成を波形合成部２３で次の方法で行えば、第３図の
ｈの波形合成信号波形のように測定対象の形状によらず
断面形状を算出することができる。

ここで第１図の波形合成部２３では、特開昭６３−１７
０８４０号公報に記載のように次の３つの場合に分けて
、ステレオ法算出部１６の算出結果ｒと照度差ステレオ
法算出部１７の算出結果ｇを合成する。まず第１は左が
画面の左端で、右側が特徴点で、ステレオ法により高度
が定まっている場合であり、この場合には照度差ステレ
オ法の算出結果ｇに定数を加えて右端が一致するように
する。第２は右が画面の右端で、左側が特徴点の場合で
あり、この場合には第１の場合と同様に左端が一致する
ように定数を加える。第３は両端とも特徴点で、ステレ
オ法により高度が決定されている場合である。

この場合にはその左端高度をＺＬ　、右端高度を２１′
とし、ステレオ法で算出された左端と右端の高度を各々
ＺＬ、Ｚｌとするとき、この区間にＮ画素あるものとし
て、照度差ステレオ法の算出結果ｇを次のように変換す
る。

Ｚｔ　　＝Ｚ！＋（Ｚ’　　Ｌ　　Ｚｔ　）＋　　　　
　（（Ｚ’　＊−Ｚｔ）−（Ｚ’　Ｌ−ＺＬ　））ここ
でｉ＝０のとき左端で、ｉ＝Ｎのとき右端とする。

第４図は第１図のステレオ法算出部１６の構成を示すブ
ロック図である。第４図において、ステレオ法算出部１
６は制御部１３からの切換信号により和信号検出部１４
からの和信号ｄを０１画像記憶部４２または０２画像記
憶部４３に切り換えて記憶する切換部４１と、チルト角
θ、のときの和信号ｄを記憶する０１画像記憶部４２と
、チルト角θ２のときの和信号ｄを記憶する０２画像記
憶部４３と、パターンの特徴点（段差部分の上端と下端
）を求める特徴点算出部４４と、２つの画像の対応関係
を相関値により求める対応点算出部４５と、パターンの
特徴点とθ、、θ８記憶部２０．２１からのチルト角θ
１．θ２および倍率記憶部２２からの倍率Ｍより高さを
算出する演算部４６とから成る。

第５図は第４図のパターンの特徴点の算出法の説明図で
ある。第５図によりステ・レオ法算出部１６の動作につ
いて説明する。まず切換部４１による和信号ｄのθ３．
θ、西像のθ、、θ２画像記憶部４２、４３への記憶ま
でが終ったとすると、つぎに特徴点算出部４４において
チルト角θ１の画像よりパターンの特徴点の座標を求め
る。第５図において、第５図のｉはパターンの段差部分
の断面形状ａを示し、ここで求めたい特徴点は段差部分
の上端と下端があって第５図のｉ中の点Ａと点Ｂに当た
る。

そこで第５図のｊ−ｍの和信号ｄの波形中で点Ａ。

Ｂに対応する座標Ｘａ、Ｘｍを求める０段差部分の上端
Ａに対する座標ＸＡについては第５図の１〜ｍに示すよ
うに例えば和信号ｄの波形中の最大値をとる矢印点の座
標Ｘ、より求める。また段差部分の下端Ｂに対する座標
Ｘ、については第５図の１〜ｍに示すような例えば４手
法がある。第５図のｊは和信号ｄの波形中の最小値をと
る矢印点の座標Ｘｌより求める手法であり、第５図のＫ
は和信号ｄの波形中の最大値と最小値、０間を１００％
としたときに最小値からｎ％となる３矢印点の座標Ｘ、
より求め、ｎはあらかじめ対象の試料１０に対して最適
値を求めておくものとし、ｎとして例えば５０％などが
考えられる手法であり、第５図の！は和信号ｄの波形中
から水平部分と傾斜部分を抽出し、各部分で直接近似し
て一点鎖線で示す直線り、、Ｌ！を求め、その交点であ
る矢印点の座標Ｘ、より求める手法であり、第５図のｍ
は和信号ｄの波形中の最大傾斜の矢印点すなわち第５図
のｍ′の和信号ｄの微分波形の最大値の点の座標Ｘ、よ
り求める手法である。これらの手法のうちどれが適当か
は試料ｌＯの材質や走査型電子顕微鏡１の加速電圧など
の条件によって変化するので、測定条件に合った手法を
測定者が選択する。なお特徴点は測定者が画像をデイス
プレィ２４で見ながら、ＣＲＴ２５とキーボード２６に
より入力してもよい。

上記のパターンの特徴点の算出後は、対応点算出部４５
においてチルト角θ、の画像中の特徴点を含む微小領域
とチルト角θ２の画像中の微小領域の対応を求める。こ
の対応を求めるために特開昭６３−１７０８４０号公報
記載のように相関値を用い、相関値の最も大きくなった
領域を採用するものとする。そこで対応点算出部４５は
相関値を求める手段と相関値の最大値を求める手段から
成り、この対応が求められることにより０１画像および
０２画像中の特徴点が決定される。こうして決定された
０１画像中の特徴点の座標ｘＡＩ＋　　Ｘｌｌと、０２
画像中の特徴点の座標Ｘａｇ＋　　Ｘｌｌと、操作型電
子顕微鏡１の倍率Ｍと、チルト角θ８．θ２とより、次
の（１）式により特徴点間の高度差りを求める。

ただし、θ＝０２−０１である。

第６図は第１図の照度差ステレオ法算出部１７のパター
ンの影の影響を考慮した改良方式の照度差ステレオ法の
説明図である。第６図において、従来の照度差ステレオ
法では図示のようにパターンにより影となる部分がある
ため、パターンの近くで実際の断面形状からの測定誤差
が生じるので、この誤差を補正するための方式改良を行
っている。

ここで例えばチルト角θ、のときの２つの左、右の検出
器７．８の２次電子または反射電子の強度を各々Ｓ　Ｌ
　Ｉ　ｈ　Ｓ　Ｉ　Ｉとし、図示のように円で示す放出
２次電子または反射電子のパターンの影となる角ｖ、、
’ｒ、を定義し、求めたい入射電子ビーム（垂直軸）と
試料ｌＯの面素の垂線Ｎとのなす面素の傾き角をφとす
る。このときスキャニング・マイクロスコピー第１巻、
第３号（１９８７年）第９６３頁から第９７３頁（Ｓｃ
ａｎｎｉｎｇ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ、　Ｖｏｌ、　１
　、　Ｎａ３　（１９８７）　ｐｐ９６３−９７３）に
よると次の式が成り立つ。

ＳＬＩ”Ｃｏ５−’Φ・（ｃｏｓ’ｉ’４−ｓｉｎΦ）
（２）ｓａｔ”ｃｏｓ−’Φ−（ｃｏＳ’ｓ、　　＋ｓ
ｉｎΦ）（３）ここで従来の照度差ステレオ法は例えば
チルト角θ、−のときの強度ＳＬｌ、　　Ｓ□の差、５
ＬＩ−３ｌｌ”’　　ｃｏｓ−’Φ　＠　（ｃｏｓ’Ｐ
４−ｃｏｓ’Ｐｓ＋−２ｓｉｎΦ）を考え、パターンの
影の影響°を考慮せず、すなわちパターンの影となる角
’Ｐａ−’Ｐａ”　Ｏ＠として、ＳＬ、−３，、＝ｃｏ
ｓ−’Φ・（−２ｓｉｎΦ）とすることにより、強度Ｓ
Ｌｌ＋　　３１１の差を面素の傾き角Φのみの関数と考
え、あらかじめ５ＬＩ−８□とΦの関係を求めておき、
測定した５ＬＩ−３□からΦを求めていた。そのためパ
ターンの影の影響のある所では実際の断面形状からの誤
差が生じていた。

本実施例では、ここでパターンの影の影響を考慮するた
め、チルト角θ、からチルト角θ８に変化させｈときの
２つの左、右の検出器７．８の２次電子または反射電子
の強度を各々ＳＬＩ！＋　　ｓａｔとすると、 ＳＬ、−ｃｏｓ−’（Φ（ΔΦ）・　（ｃｏｓψ４−ｓ
ｉｎ（Φ＋ΔΦ））（４）Ｓｍ　＊　−（６ｇ　−１（
Φ＋ΔΦ）−（ｃｏｓψ、＋５ｉｎ（Φ＋ΔΦ））（５
）が成り立つ、ただし、ΔΦ＝θ、二〇、である。

このＣ）〜（５）式よりψ、、ψ１を消去し、Φを求め
ると、 となる、したがって（６）式により、２種類のチルト角
θ１．θ８のときの２つの検出器７．８の出力す。

Ｃの差（ＳＬＩ　　Ｓａ＋）　、　　（Ｓｔｇ　　Ｓｌ
りと、チルト角θ１．θよの差ΔΦ（＝０８−〇、）と
より、パターンの影の影響を受けずに面素の傾き角Φが
求められることがわかる。この傾き角Φを積分し、倍率
Ｍをかけることにより、断面形状が得られる。

第７図は第１図（第６図）の照度差ステレオ法算出部１
７の構成ブロック図である。第７図において、本照度差
ステレオ法算出部１７は上記第６図のパターンの影の影
響を考慮した改良方式の照度差ステレオ法による断面形
状算出を実行するもので、制御部１３からの切換信号に
より差信号検出部１５からの差信号ｅをθ６．０３画像
記憶部６２．６３に切り換えて記憶する切換部６１と、
チルト角θ、のときの差信号ｅを記憶するθ１画像記憶
部６２と、チルト角θ：のときの差信号ｅを記憶するθ
８画像記憶部６３と、（６）式の演算を行い面素の傾き
角Φを求める演算部６４と、面素の傾き角Φを積分して
試料１０の断面形状を求める積分部６５とから成る。こ
の構成により、第６図で説明したとおり、まず切換部６
１による差信号ｅの８７．０８画像のθ１．θ鵞画像記
憶部６２．６３への記憶までが終ったとすると、つぎに
演算部６４において（６）式によりチルト角θ、。

θ２のときの差信号検出部１５からの差信号ｅの強度差
（ＳＬＩ　　Ｓ□）、（ＳＬ！Ｓ□）と、チルト角θ１
．θよの差ΔΦ（＝０８−〇、）とより面素の傾き角Φ
を求め、積分部６５において画素の傾き角Φを積分し、
倍率Ｍをかけることによりパターンの影の影響を除去し
た試料１０の断面形状が得られる。

第８図（ａ）〜（ｆ）は本発明による電子ビームを用い
た断面形状測定装置の第２の実施例を示す部分構成ブロ
ック図および電子ビーム傾斜法の説明図である。第８図
（ａ）〜（ｆ）において、第１図と同一符号は相当部分
を示し、この断面形状測定装置の構成は第８図（ａ）に
示すように第１図とほぼ同様であるが、第１図との違い
は走査型電子顕微鏡ｌの対物レンズ６の下に更にもう１
つの偏向コイル６０を設け、これを偏向制御部１１で制
御することである。

この構成により、第１図のように試料ステージ９にチル
ト機構を持たなくとも、または試料ステージ９をチルト
させずに、電子銃３からの電子ビームを試料ｌＯに対し
傾斜させて照射でき、これにより断面形状算出部２のス
テレオ法算出部１６および照度差ステレオ法算出部１７
におけるステレオ法および照度差ステレオ法の算出がで
きる。第８図（ｂ）に示すように例えば偏向コイル６０
による電子ビームの傾斜角を垂直軸に対し±３°とする
と、傾斜角の誤差を±０．Ｏ１％（３°±０．０３＠”
）とした場合に、視野５μ−を得るには、ワーキングデ
イスタンスをｈとして、次式が成り立つ。

これを解いて、ｈ″＃４．８ｓ＋ａを得る。よってこの
空間に偏向コイル６０を配置することは十分に可能であ
る。また第８図（ａ）の構成においては、第８図（Ｃ）
〜（ｆ）に示す様々な電子ビームの偏向方法が考えられ
、第８図（Ｃ）は対物レンズ６の中央を通り対物レンズ
６の上の偏向コイル５で電子ビームを偏向する方法、第
８図（ロ）は対物レンズ６の中央を通り対物レンズ６の
下の偏向コイル６０で電子ビームを偏向する方法、第８
図（ｅ）は対物レンズ６の中央を通らずに対物レンズ６
に垂直軸に平行に入射させ対物レンズ６の上の偏向コイ
ル５で偏向する方法、第８図（ｆ）は対物レンズ６の中
央を通らずに対物レンズ６に垂直軸に平行に入射させ対
物レンズ６の下の偏向コイル６０で偏向する方法などで
ある。

第９図は本発明による断面形状測定装置を用いた断面形
状比較検査装置の一実施例を示す構成ブロック図である
。第９図において、この断面形状比較装置は第１図に示
した断面形状測定装置（第１図の１は第８図に置換可）
７０と、その測定対象パターンの試料ｌＯに対する出力
波形りを記憶する記憶部７１と、断面形状測定装置７０
の出力波形りと記憶部７１の出力波形とを入力して２つ
の出力波形の位置合わせを行う位置合わせ部７３と、そ
の２つの波形の差をとる差検出部７３と、２つの出力波
形の差の体積の大きい部分を欠陥と判定する欠陥判定部
７４とから成る。この構成により、断面形状測定装置７
０の測定対象パターンの試料１０の出力波形りを記憶部
７１に記憶しておき、比較すべき基準対象パターンの出
力波形を入力し、位置合わせ部７２でこれらの２つの出
力波形の位置合わせを行い、差検出部７３でその２つの
波形の差をとり、欠陥判定部７４でその差の体積の大き
い部分を欠陥と判定して出力する０本実施例によれば、
従来の明るさの差による光学的な断面形状比較検査装置
に比べ、欠陥のサイズが深さ方向についてもわかるため
、より厳密な検査を行うことができる。

第１θ図は本発明によるイオンビームを用いた断面形状
測定装置の第３の実施例を示す構成ブロック図である。

第１０図において、第１図と同一符号は相当部分を示し
、この断面形状測定装置は電子線に限らず他の荷電粒子
線を試料１０に照射させることによっても可能であるか
ら、第１図の電子源（電子銃）３の代わりに例えばイオ
ン源（イオン銃）８０を用いたイオンビーム放射装置８
１によるものであり、他は第１図と同様の構成である。

この構成により、イオンビーム放射袋２８１のイオン源
８０よりイオンビームを放出させ、放出した、イオンビ
ームをコンデンサレンズ４により縮小し、偏向コイル５
でＸ−Ｙ方向にラスク走査を行い、対物レンズ６で更に
縮小して試料１０に照射させる。このとき次の第１１回
申）および第１２図のように試料１０より２次電子が発
生する。

第１１図（ａ）、　（ｂ）、　（Ｃ）は各々電子、イオ
ン、電磁波照射と固体表面の相互作用の模式図である。

この模式図は安盛岩雄、染野檀による「表面分析」講談
社発行（１９７６年）第５頁に記載のもので、第１１図
（ａ）において、第１図および第８図（ａ）〜（ｆ）の
１次電子線Ｉ′ｐに対して固体表面の破線で囲む相互作
用領域より２次電子（オージェ電子）や後方散乱電子の
ほか、イオンやＸ線、けい光、リン光などが発生し、第
１１回申）において、第１０図の１次イオン線１ｐに対
しては２次電子のほか後方散乱イオン、反射イオン、２
次イオン、中性原子やＸ線、光などが発生し、第１１図
（Ｃ）において、電磁波に対しては光電子や２次電子（
オージェ電子）のはかＸ線などが発生している。

第１２図はイオンビームと放出される２次電子の角度分
布を示す図である。第１２図において、第１０図のイオ
ンビームの照射による第１１図（ロ）のような２次電子
の発生については、例えばマイクロエレクトロニック　
エンジニアリング５　（１９８６年）第４８１頁から第
４８９頁（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉ
ｎｅｅｒｉｎｇ５　（１９８６）ｐｐ　４８１−４８９
）に論じられているように第１２図のようになり、この
例ではＫ　、　＋のイオンビームのＷ　（ｐｏｌｙｃｒ
、）への入射角は６０°であり、加速電圧５　ｋｅｙ、
　１０ｋｅＶ、　１９ｋｅＶに対して放出される２次電
子の角度分布が示されている。そこで第１図の電子ビー
ムの場合と同様に第１０図のイオンビームの照射により
試料ｌＯから発生する２次電子を用いて、断面形状算出
部２による断面形状の算出を行うことができる。また第
８図の場合と同様に対物レンズ６の下に設けた偏向コイ
ル６０によるイオンビーム傾斜法を用いることができる
。

第１３図は本発明によるＸ線を用いた断面形状測定装置
の第４の実施例を示す構成ブロック図である。第１３図
において、第１図と同一符号は相当部分を示し、この断
面形状測定装置は荷電粒子線の代りに電磁波であるＸ線
を用いた例で、第１図の電子ビーム系の代りにＸ線源９
０と、スリット９２と、ミラー９３などから成るＸ線装
置９１によるものであり、他は第１図と同様の構成であ
る。この構成により、ＸｖＡ装置９１のＸ線源９０から
放射されたＸ線をスリット９２とミラー９３を用いて試
料１０に照射し、このとき第１１図（Ｃ）に示すように
試料ｌＯより発生する２次電子を用いて電子線の場合と
同様の処理を行う、ここでミラー９３としてはアプライ
ド　オプティクス第１７巻、第１４号（１９７８年）第
６０１頁から第６０３頁（ＡＰＰＬＩＢＤ　０ＰＴＩＣ
３Ｖｏｌ、１７．１１ｋＬ１４（１９７Ｂ）ｐｐ６０１
−６０３）に記載のＴｏｒｏｉｄａｌミラー、または「
固体物理Ｊ　Ｖｏｌ、２０．　Ｆｉｌｌ　（１９８５年
）第８６５頁から第８７０真に記載のＷｏｌｔｅｒ型ミ
ラーなどを用いることができ、またミラーの代りにゾー
ンプレートを用いてもよく、さらにシュワルツシルトの
対物レンズを用いてもよい、ただしＸ線の場合は第８図
のような電子線と違って偏向はできないので、第１図と
同様に試料ステージ９をステージ駆動部１２により動か
すことにより偏向と同様の動作をさせる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、複数のチルト角に対する複数の検出器
の差信号により照度差ステレオ法で面素の傾きを求めて
いるので、パターンの影の影響により面素の傾きに真価
との誤差が生じることがなく、これを積分することによ
り緩やかな断面形状の変化を場所によらず算出すること
ができる。

また急な傾斜部および段差部分は複数のチルト角に対す
る複数の検出器の和信号によりステレオ法で断面形状を
求め、緩やかな傾斜の部分は複数の検出器の差信号によ
り照度差ステレオ法で断面形状を求め、これらの２方式
による波形を合成して出力するようにしているので、試
料表面の傾斜の大小によらず断面形状を算出できる。

さらに対物レンズの下に新たに偏向コイルを設け、これ
を用いて荷電粒子線を傾斜させて照射することにより、
チルト機構の代用として試料ステージを簡単化できるの
で、位置決め精度を向上させ、また試料室を小型化して
真空度を上げコンタミネーシヨンを軽減できる。

さらに断面形状の比較により欠陥検査を行うようにして
、不一致部分の３次元形状を知ることができるので、こ
れまでの明るさの比較による欠陥検査に比べて高精度な
検査ができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による電子ビームを用いた断面形状測定
装置の第１の実施例を示す構成ブロック図、第２図は第
１図の処理の流れのフローチャート、第３図は第１図の
波形合成の説明図、第４図は第１図のステレオ法算出部
の構成ブロック図、第５図は第４図のパターン特徴点算
出法の説明図、第６図は第１図の照度差ステレオ法の説
明図、第７図は第１図の照度差ステレオ法算出部の構成
ブロック図、第８図（ａ）〜（ｆ）は電子ビームを用い
た断面形状測定装置の第２の実施例を示す電子ビーム傾
斜法の説明図、第９図は本発明による断面形状比較検査
装置の一実施例を示す構成ブロック図、第１０図は本発
明によるイオンビームを用いた断面形状測定装置の第３
の実施例を示す構成ブロック図、第１１図（ａ）〜（０
）は電子、イオン、電磁波と固体表面の相互作用の模式
図、第１２図はイオンと−ムと放出２次電子の角度分布
図、第１３図は本発明によるＸ線を用いた断面形状測定
装置の第４の実施例を示す構成ブロック図である。 １・・・走査型電子顕微鏡、２・・・断面水拭算出部、
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、７．８・・・検出器
、９・・・試料ステージ、１０・・・試料、１１・・・
偏向制御部、１２・・・ステージ駆動部、１３・・・制
御部、１４・・・和信号検出部、１５・・・差信号検出
部、１６・・・ステレオ法算出部、１７・・・照度差ス
テレオ法算出部、１８・・・ステレオ法記憶部、１９・
・・照度差ステレオ法記憶部、２０・・・θ、記憶部、
２１・・・θ２記憶部、２２・・・倍率記憶部、２３・
・・波形合成部、２４・・・デイスプレィ、２５・・・
ＣＲＴ、２６・・・キーボード、６０・・・偏向コイル
、７０・・・断面形状測定装置、７１・・・記憶部、７
２・・・位置合わせ部、７３・・・差検出部、７４・・
・欠陥判定部、８０・・・イオン源、８１・・・イオン
ビーム放射装置、９０・・・Ｘ線源、９１・・・Ｘ線装
置、９２・・・スリット、９３・・・ミラー 代理人　弁理士　　秋　本　　正　実 第 図 図 醒 −〜だい− 第 図 果 ６　図 篤 ど１ 白 第 図 （ａ） ６０：ａｒｉｌ″：Ｊ引〆 第 図 （ｆ） 七勾 ５Ｐ： 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも２種のチルト角で傾斜させた試料上で荷
   電粒子線または電磁波を走査し、試料より発生する２次
   電子または反射電子を少なくとも２つの検出器で検出し
   、各チルト角における検出器の差信号から試料表面の傾
   きを算出し、これを積分することにより断面形状を測定
   することを特徴とする断面形状測定法。 ２、２つの検出器を、試料を傾斜させるチルト軸に垂直
   な面内に配置することを特徴とする請求項１記載の断面
   形状測定法。 ３、荷電粒子線に関し、試料を傾斜させる代りに、対物
   レンズの下に偏向コイルを設け、荷電粒子線を傾斜させ
   て照射することを特徴とする請求項１記載の断面形状測
   定法。 ４、少なくとも２種のチルト角で傾斜させた試料上で荷
   電粒子線または電磁波を走査し、試料より発生する２次
   電子または反射電子を少なくとも２つの検出器で検出し
   、各チルト角における検出器の和信号からステレオ法に
   より試料の断面形状を測定し、また各チルト角における
   検出器の差信号から試料の傾きを算出し、これを積分す
   ることにより断面形状を測定し、上記２方法の断面形状
   を合成することにより断面形状を算出することを特徴と
   する断面形状測定法。 ５、請求項１記載の断面形状測定法により被検査パター
   ンの断面形状を測定し、これを基準パターンと比較する
   ことを特徴とする断面形状比較検査法。 ６、請求項４記載の断面形状測定法により被検査パター
   ンの断面形状を測定し、これを基準パターンと比較する
   ことを特徴とする断面形状比較検査法。 ７、少なくとも２種のチルト角で傾斜させた試料上で荷
   電粒子線または電磁波を走査し、試料より発生する２次
   電子または反射電子を少なくとも２つの検出器で検出す
   る手段と、各チルト角における検出器の差信号から試料
   表面の傾きを算出し、これを積分することにより断面形
   状を測定する手段とを設けたことを特徴とする断面形状
   測定装置。 ８、２つの検出器を、試料を傾斜させるチルト軸に垂直
   な面内に配置することを特徴とする請求項７記載の断面
   形状測定装置。 ９、検出する手段は、荷電粒子線に関し、試料を傾斜さ
   せる代りに、対物レンズの下に偏向コイルを設け、荷電
   粒子線を傾斜させて照射することを特徴とする請求項７
   記載の断面形状測定装置。 １０、少なくとも２種のチルト角で傾斜させた試料上で
   荷電粒子線または電磁波を走査し、試料より発生する２
   次電子または反射電子を少なくとも２つの検出器で検出
   する手段と、各チルト角における検出器の和信号からス
   テレオ法により試料の断面形状を測定する手段と、各チ
   ルト角における検出器の差信号から試料表面の傾きを算
   出し、これを積分することにより断面形状を測定する手
   段と、上記２手段の断面形状を合成することにより断面
   形状を算出する手段とを設けたことを特徴とする断面形
   状測定装置。 １１、請求項７記載の断面形状測定装置により被検査パ
   ターンの断面形状を測定し、これを基準パターンと比較
   する手段を設けたことを特徴とする断面形状比較検査装
   置。 １２、請求項１０記載の断面形状測定装置により被検査
   パターンの断面形状を測定し、これを基準パターンと比
   較する手段を設けたことを特徴とする断面形状比較検査
   装置。