(57)【要約】【課題】  本開示は、試料表面高さが大きく変化する場合であっても、比較的簡単な構成で、それぞれの高さにて高精度に高さ測定を行う高さ測定装置の提案を目的とする。【解決手段】  被測定物に光を投射するように構成された投射光学系と、前記被測定物からの反射光を検出するように構成された検出素子を含む検出光学系とを備えた高さ測定装置であって、投射光学系は、前記被測定物に照射される前記光の軌道を複数に分割する光分割素子（１０３）を備え、複数の高さに被測定物が位置する場合であっても所定の位置に光を投射できる高さ測定装置を提案する。【選択図】  図１
2020148463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に光を投射するように構成された投射光学系と、
前記被測定物からの反射光を検出するように構成された検出素子を含む検出光学系と、
前記検出素子の出力に基づいて前記被測定物の高さを測定するように構成された処理装置を備え、
前記投射光学系は、前記被測定物に照射される前記光の軌道を複数に分割する光分割素子を備えた高さ測定装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記投射光学系は、光を放出するように構成された光源を備え、前記光分割素子は、前記光源から放出された光の一部を選択的に通過させる開口が形成された開口形成部材であって、当該開口形成部材には、前記光の軌道を複数に分割する複数の開口が形成されている高さ測定装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記開口は、複数のスリットが配列された２次元スリットである高さ測定装置。
【請求項４】
請求項２において、
前記投射光学系は、前記被測定物が第１の高さに配置されたときの前記被測定物に対する光の照射点の位置と、前記被測定物が前記第１の高さとは異なる第２の高さに配置されたときの前記被測定物に対する光の照射点の位置が一致するように構成されている高さ測定装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記投射光学系は、前記被測定物が第１の高さに配置されたときの前記被測定物に対する光の照射点の位置と、前記被測定物が前記第１の高さとは異なる第２の高さに配置されたときの前記被測定物に対する光の照射点の位置が一致するように、前記分割された光の軌道を変化させる投影レンズを備えている高さ測定装置。
【請求項６】
請求項４において、
前記検出素子は、前記第１の高さに配置された被測定物からの反射光と、前記第２の高さに配置された被測定物からの反射光が到達する位置に、前記検出素子の検出面が位置するように構成されている高さ測定装置。
【請求項７】
請求項１において、
前記光分割素子によって複数に分割された光の一方の被測定物に対する集束条件を、他方の光の集束条件と一致させる調整素子が、前記一方の光の光路に配置されている高さ測定装置。
【請求項８】
請求項１において、
前記複数に分割された光の一方の光路の長さを、他方の光路の長さより伸長させる調整素子を、前記光源と被測定物との間に配置した高さ測定装置。
【請求項９】
請求項８において、
前記調整素子は、前記一方の光路の長さをＯｐｔｅｘｔ１分、伸長させる光学素子であって、Ｏｐｔｅｘｔ１は下記式によって求められる高さ測定装置。
（式）Ｏｐｔｅｘｔ１＝ＷＤ／ｃｏｓθ
ＷＤ…第１の高さにある被測定物と第２の高さにある被測定物の高さの差
θ…被測定物表面に対する法線と、前記光の光路の相対角
【請求項１０】
請求項１において、
前記複数に分割された光の複数の反射光の一方の光路の長さを、他方の光路の長さより伸長させる調整素子を、前記被測定物と前記検出素子との間に配置した高さ測定装置。
【請求項１１】
請求項１において、
前記被測定物から反射した複数の反射光を前記検出素子の１箇所に集束させる素子を、前記被測定物と前記検出素子との間に配置した高さ測定装置。
【請求項１２】
請求項１において、
前記検出光学系は、前記分割された光の前記被測定物への投射によって得られる第１の光の反射光を検出する第１の検出素子を含む第１の検出光学系と、第２の光の反射光を検出する第２の検出素子を含む第２の検出光学系を備え、当該第２の検出光学系は、前記第２の光の反射光を反射して前記第２の検出素子に到達させるミラーを含む高さ測定装置。
【請求項１３】
被測定物を載せるように構成された試料台と、
当該試料台に載せられた被測定物にビームを照射するように構成され、前記ビームを集束するレンズを備えたビーム照射光学系と、
前記被測定物に光を投射するように構成された投射光学系と、
前記被測定物からの反射光を検出するように構成された検出素子を含む検出光学系と、
前記検出素子の出力に基づいて、前記ビームの焦点を調整するように前記レンズを制御するように構成された制御装置を備え、
前記投射光学系は、前記被測定物に照射される前記光の軌道を複数に分割する光分割素子を備えたビーム照射装置。
【請求項１４】
請求項１３において、
前記試料台を前記被測定物表面の法線方向に移動させる駆動機構を備えたビーム照射装置。
【請求項１５】
請求項１４において、
前記駆動機構は、前記被測定物が少なくとも第１の高さと、当該第１の高さとは異なる第２の高さとなるように、前記試料台を移動させるように構成され、
前記投射光学系は、前記被測定物が第１の高さとなったときの前記被測定物に対する光の照射点の位置と、前記被測定物が前記第２の高さとなったときの前記被測定物に対する光の照射点の位置が一致するように構成されているビーム照射装置。
【請求項１６】
請求項１３において、
前記光分割素子によって複数に分割された光の一方の被測定物に対する集束条件を、他方の光の集束条件と一致させる調整素子が、前記一方の光の光路に配置されているビーム照射装置。
【請求項１７】
請求項１３において、
前記複数に分割された光の一方の光路の長さを、他方の光路の長さより伸長させる調整素子を、前記光源と被測定物との間に配置したビーム照射装置。
【請求項１８】
請求項１７において、
前記調整素子は、前記一方の光路の長さをＯｐｔｅｘｔ１分、伸長させる光学素子であって、Ｏｐｔｅｘｔ１は下記式によって求められるビーム照射装置。
（式）Ｏｐｔｅｘｔ１＝ＷＤ／ｃｏｓθ
ＷＤ…第１の高さにある被測定物と第２の高さにある被測定物の高さの差
θ…被測定物表面に対する法線と、前記光の光路の相対角
【請求項１９】
被測定物を載せるように構成された試料台と、
当該試料台を前記被測定物表面の法線方向に移動させる駆動機構と、
前記被測定物に光を投射するように構成された投射光学系と、
前記被測定物からの反射光を検出するように構成された検出素子を含む検出光学系と、
前記検出素子の出力に基づいて前記被測定物の高さを測定するように構成された処理装置を備え、
前記投射光学系は、前記被測定物に照射される前記光の軌道を切り替えるように構成された切り替え素子を備え、当該切り替え素子は、前記駆動機構によって前記被測定物が第１の高さに位置付けられたときの光の照射点の位置と、前記被測定物が前記第１の高さとは異なる第２の高さに位置付けられたときの前記被測定物に対する光の照射点の位置が一致するように、前記光の軌道を切り替えるように構成されている高さ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、高さ測定装置に係り、特に測定対象に対して光を照射したときに得られる反射光の検出に基づいて、その高さを測定する高さ測定装置、及びビーム照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ＣＤ−ＳＥＭ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ−Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）等の計測装置に搭載された高さ測定装置が開示されている。特許文献１には、被測定対象物の斜め上方から２次元スリット光を投影し、被測定対象物の反射光を検出することによって被測定対象物の高さを検出する高さ測定装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４４２６５１９号（対応米国特許ＵＳＰ７，５９９，０７６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示されているような高さ検出方法によれば、試料の高さの変化を捉え、その変化を補償するように装置条件の調整を行うことができる。一方、傾斜した方向から光を照射する構成上、基準高さと試料表面との間に大きな高低差があると、本来高さ測定を行うべき個所とは異なる位置に光を照射することになる。また、反射光を受光する検出器の検出面の大きさには限りがあり、高精度に高さを測定できる範囲には限りがある。
【０００５】
以下に、試料表面高さが大きく変化する場合であっても、比較的簡単な構成で、それぞれの高さにて高精度に高さ測定を行うことを目的とする高さ測定装置を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための一態様として、被測定物に光を投射するように構成された投射光学系と、前記被測定物からの反射光を検出するように構成された検出素子を含む検出光学系と、前記検出素子の出力に基づいて前記被測定物の高さを測定するように構成された処理装置を備え、前記投射光学系は、前記被測定物に照射される前記光の軌道を複数に分割する光分割素子を備えた高さ測定装置、或いは当該高さ測定装置を搭載したビーム照射装置を提案する。
【０００７】
また、上記目的を達成するための他の一態様として、被測定物を載せるように構成された試料台と、当該試料台を前記被測定物表面の法線方向に移動させる駆動機構と、前記被測定物に光を投射するように構成された投射光学系と、前記被測定物からの反射光を検出するように構成された検出素子を含む検出光学系と、前記検出素子の出力に基づいて前記被測定物の高さを測定するように構成された処理装置を備え、前記投射光学系は、前記被測定物に照射される前記光の軌道を切り替えるように構成された切り替え素子を備え、当該切り替え素子は、前記駆動機構によって前記被測定物が第１の高さに位置付けられたときの光の照射点の位置と、前記被測定物が前記第１の高さとは異なる第２の高さに位置付けられたときの前記被測定物に対する光の照射点の位置が一致するように、前記光の軌道を切り替えるように構成されている高さ測定装置、或いは当該高さ測定装置を搭載したビーム照射装置を提案する。
【発明の効果】
【０００８】
上記構成によれば、試料高さが大きく変化するような場合であっても、それぞれの高さで高精度に高さ測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】複数の光路に光を分割する光分割素子を備えた高さ測定装置の一例を示す図。
【図２】Ｚステージに載せられた被測定物の高さを測定する高さ測定装置の一例を示す図。
【図３】光分割素子の一例を示す図。
【図４】複数の光路に光を分割する光分割素子を備えた高さ測定装置であって、分割された一方の光路の集束条件を他の光路と一致させる調整素子を備えた高さ測定装置の一例を示す図。
【図５】複数の光路に光を分割する光分割素子を備えた高さ測定装置であって、検出素子の１箇所に複数の反射光の軌道を集束させる素子を備えた高さ測定装置の一例を示す図。
【図６】複数の光路に光を分割する光分割素子を備えた高さ測定装置であって、複数の検出素子を備えた高さ測定装置の一例を示す図。
【図７】光の軌道を切り替える切り替え素子を備えた高さ測定装置の一例を示す図。
【図８】光の軌道を切り替える切り替え素子を備えた高さ測定装置の一例を示す図。
【図９】高さ測定装置に用いられる２次元スリットの一例を示す図。
【図１０】高さ測定装置を備えた走査電子顕微鏡の一例を示す図。
【図１１】加速電圧に応じて被測定物の高さを調整し、調整後の被測定物の高さを高さ測定装置で測定する工程を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
半導体の製造過程で微細なパターン幅や穴径を計測するために用いられる、ＣＤ−ＳＥＭや、ＳＥＭ式検査装置では、電子ビームの焦点が試料にあっていないと見かけ上のパターン幅や穴径が変化し、正しい測長ができない。また、パターン比較による欠陥検出などでは、正しいパターンを欠陥として誤検出してしまう恐れがある。そのため、電子ビームの焦点合わせが重要となるが、一般的な焦点合わせを自動化する自動焦点制御では、対物レンズの焦点位置を変化させ、各点で電子線像を検出し、その電子線像から合焦点位置を検出するため、自動焦点合わせに時間がかかってしまう。
【００１１】
半導体製造工程の中で用いられるＣＤ−ＳＥＭやＳＥＭ式検査装置は、スループットも重要な性能指標の一つである。画像処理等を用いた自動焦点合わせだけで焦点調整を行うと相応の時間を要することになり好ましくない。よって、光学式の高さ測定装置をＣＤ−ＳＥＭ等に搭載することによって、試料のおおよその高さを測定し、その高さに焦点が合うようにレンズを制御し、自動焦点調整の際の焦点変動量を極小化することが望ましい。
【００１２】
光学式高さ計測器は、画像処理等を用いた電子ビームの自動焦点合わせに比べると精度は劣るが、計測時間の面で優れている。つまり、光学的高さ計測器の測定精度を向上することができれば、ＣＤ−ＳＥＭ装置やＳＥＭ式検査装置のスループット向上に寄与できる。
【００１３】
ところで、高さ測定装置として、斜方投射、斜方検出型の光学式高さ測定機を用いる場合、試料（ウエハ）の高さ変動量が大きくなると、試料に対する照射位置が変化する。例えば電子ビームの照射位置と、光学式高さ測定機の光の投射位置を同じにして、電子ビームの照射位置の高さを高精度に測定する装置の場合、試料高さが大きく変わると、電子ビームの照射位置から光の照射位置が外れ、電子ビームの焦点調整を行うための高さ測定が適正に行われなくなる。また、試料面で反射した光を拡大光学系で変位拡大する検出光学系の場合、高さの変動が大きいとセンサ面での光の到達位置も大きく変化することになり、大型のセンサが必要となる。
【００１４】
以下に、主に簡便な光学系で安価、高精度、かつ実用的な検出速度を持ち、百ナノメートル単位の測定精度を維持したまま、ミリメートル単位のウエハ移動量を実現する高さ測定装置について説明する。
【００１５】
以下の実施例では、対象物（試料表面）に対し傾斜した方向（走査電子顕微鏡の場合、電子ビーム光軸より傾斜した方向）から光（例えば２次元スリット像）を投影し、この投影された光が対象物で反射した結果得られる反射光を検出し、この検出された光の投影像を２次元エリアセンサ等で電気信号に変換し、この電気信号から計算によって高さを検出する高さ測定装置を説明する。
【００１６】
更に、以下の実施例では光を複数の光路に分割する光分割素子（例えば、複数のスリットを含む開口が複数設けられた開口形成部材）を投影光学系に備え、試料高さに応じて、分割された光の反射光のいずれを用いて高さ測定を行うかを選択する高さ測定装置を説明する。
【００１７】
また、投射光学系に設けられた分割素子によって分割された光は、異なる試料高さに照射されることを前提として分割されるため、光路長（光源から試料までの距離）が変化することになる。よって、分割された光の条件を揃えるべく、一方の光路に、他方の光路の条件を一致させるための調整素子を備えた高さ測定装置について説明する。
【００１８】
更に、試料が第１の高さにある場合と、第１の高さとは異なる第２の高さにあるとき場合とで、試料に対する光の照射点を維持するように、光の軌道を切り替える切り替え素子を備えた高さ測定装置について説明する。
【００１９】
また、複数のスリットが周期的に配列された２次元スリットが複数形成されたスリット形成部材を備え、当該複数の２次元スリットに光を投射することによって、複数の２次元スリットに光を選択的に通過させることで、光を複数に分割する高さ測定装置について説明する。
【００２０】
上述のような構成によれば、ミリメートル単位離れた、複数の試料基準高さに対して数百マイクロメートル単位の測定範囲で、数十ナノメートル単位の分解能で高さ検出を行うことが可能となる。
【００２１】
複数の周期的スリットをミリメートル単位で離れた複数の試料基準高さに合わせて配置することで、簡便な構造で、ミリメートル単位で離れた複数の試料基準高さにおいて、それぞれ数十ナノメートル単位の分解能で高さ測定できる光学式高さ検出器を構成できる。
【００２２】
以下に説明する実施例では、基準高さが２つの例を説明するが、基準高さが３つ以上で、光路を３つ以上に分割するようにしても良い。
【実施例１】
【００２３】
図１乃至図３は、異なる試料高さに対応すべく、投射光学系に光源から放出される光を分割する分割素子を備えた高さ測定装置を説明する図である。高さ測定装置には光源１０１が備えられており、光源１０１から出射した光は、レンズ１０２を通過し、後述する２連マルチスリット１０３（複数の２次元スリット）を通って絞り１０４の位置で集光する。
【００２４】
２連マルチスリット１０３は、光の軌道を複数（本実施例では２つ）に分割するために設けられている。図３は２連マルチスリットの一例を示す図であり、本例では円形のスリット形成部材３０１に、複数のシングルスリットが配列されたマルチスリット１１８が２つ形成された例を示している。スリット形成部材３０１に照射された光を２つのマルチスリット１１８（２つの開口）によって選択的に通過させることで、光路を複数に分割する。
【００２５】
絞り１０４を通過した複数の光は、投影レンズ１０５によって集光されると共に、その軌道が変化し、２つの光の軌道は平行となり、試料に照射される。投影レンズ１０５は、試料上に光を集光させるためだけではなく、分割された光の方向を統一し、異なる高さの試料であっても、同じ位置に光が照射されるように光の軌道を調整する。例えば、図１に例示する高さ測定装置が、走査電子顕微鏡に搭載されている場合、被測定物が第１の基準高さ１０６及び第２の基準高さ１０７のいずれにあっても、電子ビームの理想光軸１１１と交差する点に照射されるように構成されている。即ち高さが異なる場合であっても、被測定物に対する光の照射位置が一致するように光路を分割している。
【００２６】
投影レンズ１０５によって軌道を調整された光は、第１の基準高さ１０６にある被測定物、もしくは第２の基準高さ１０７にある被測定物に対して斜方より入射し、第１の基準高さ１０６にある被測定物、もしくは第２の基準高さ１０７にある被測定物の表面付近で２連マルチスリットのうちの片方のマルチスリットの像を結像する。
【００２７】
第１の基準高さ１０６にある被測定物、もしくは第２の基準高さ１０７にある被測定物の表面で反射した、２次元スリット像は、検出光学系に含まれる検出レンズ１０８によって、２次元撮像素子（検出素子）１０９の表面で再結像する。
【００２８】
図２は被測定物を移動するためのステージ機構と、被測定物の高さ測定装置を含むシステムの一例を示す図であり、例えば、走査電子顕微鏡に搭載される構成の一部を示している。第１の基準高さ１０６にある被測定物は、静電チャック等の試料吸着機構１１２、Ｘ−Ｙステージ１１３、及びＺステージ１１４を含むステージ機構に搭載されている。Ｚステージ１１３は電子ビームの理想光軸１１１の方向に被測定物を移動させるための駆動機構が内蔵されている。
【００２９】
制御装置１１７は、光源１０１から試料に向かって光を照射するように、光源１０１を制御すると共に、予め設定された条件に基づいてＸ−Ｙステージ１１３、及びＺステージ１１４を移動させるように、ステージ駆動電源１１５を制御する。
【００３０】
図２に例示する光路１１０は、電子ビームの理想光軸１１１と交わるように設定されている。また、光路１１０を通過する光は、２連マルチスリット１０４によって２つに分割され、投影レンズ１０５によってその軌道が曲げられた後、光路１１０と平行な軌道を通過して、被測定物に投影される。２つに分割された光の内、一方の光は、被測定物が第１の基準高さ１０６にあるときに、被測定物表面で電子ビームの理想光軸１１１と交わり、他方の光は、被測定物が第２の基準高さ１０７にあるときに、被測定物表面で電子ビームの理想光軸１１１と交わるように構成されている。
【００３１】
２次元撮像センサ１０９は、被測定物からの反射光を受光する位置に設置されており、反射光が到達する位置の変化を検出する。２次元撮像センサ１０９の出力（電気信号）は、高さ演算処理装置１１６に伝達され、後述する演算式に基づいて、被測定物の高さ、或いは基準高さからの相対変化を示すパラメータに基づいて、電子顕微鏡の対物レンズのレンズ条件（励磁電流、印加電圧、ＤＡＣ値等）を算出する。数１は予め所定の記憶媒体に記憶され、高さ演算処理装置１１６の出力は、制御装置１１７に伝達され、制御装置１１７は、得られた高さ情報、或いはレンズ条件に基づいて、レンズを制御する。
【００３２】
高さ演算処理装置１１６は、数１に例示する演算式に基づいて、基準高さに対する相対高さΔＺを算出する。
【００３３】
【数１】
2020148463.tif 000003
【００３４】
ここでθは、電子ビーム光軸１１１（被測定物表面に対する法線）に対する光路１１０の相対角（入射角）、ΔＳは、２次元撮像センサ１０９の検出面に到達するスリット像の重心座標の基準位置に対する移動量、ｐは、２次元エリアセンサ１０９に含まれる画素の画素サイズ、ｍは被測定物で反射した後の結像光学系の結像倍率である。なお、本実施例では、複数の画素がマトリクス状に配列された２次元エリアセンサを用いる例について説明したが、１次元ラインセンサを複数配列して、２次元センサとするようにしても良い。
【００３５】
また本実施例では、第１の基準高さと第２の基準高さのそれぞれで、高さを計測するため、少なくとも２つの基準高さ（センサ（検出素子）上での基準位置）を予め設定しておき、その差分（移動量）から相対高さを求める。
【００３６】
なお、電子ビームを用いた測長又は検査装置においては、より安定した高画質の像を取得するため、高さ測定の高精度化が求められている。一方、電子ビームを高加速化することによって、試料の内部構造の観察を行うというニーズもある。例えば、電子ビームの試料への到達エネルギー（加速エネルギー）が高い程、電子ビームが試料内部まで到達し、試料表面から見えない情報を可視化することができる。また、電子ビームを用いた測長や検査を行う装置には、高い分解能が求められている。電子ビーム装置の高分解能化のためには、試料表面と対物レンズとの間の距離（ワーキングディスタンス：ＷＤ）を短くすることが望ましい。
【００３７】
しかしながら、対物レンズは理想光軸に向かって電子を収斂して、ビームを集束するという原理上、ビームが高加速化する程、より強い収束作用が必要となる。また、ワーキングディスタンスが短いと、短い距離で電子を収斂させる必要があるため、やはり強い収束作用が必要となり、ワーキングディスタンスの短縮化とビームの高エネルギー化の両立は難しい。
【００３８】
そこで本実施例では、低エネルギービームを用いた測定、検査のときには、分解能を優先してワーキングディスタンスを短くし、高エネルギービームを用いた測定、検査のときには、電子を収斂させる作用を優先してワーキングディスタンスを長くするように、ステージの高さ方向の位置を制御する電子ビーム装置について説明する。
【００３９】
図１０は、荷電粒子ビーム装置の一例である走査電子顕微鏡の概略構成図である。走査電子顕微鏡は、主にビーム照射光学系である電子ビームカラム、被測定物の雰囲気を真空状態に維持する真空試料室１００７、及び後述する電子ビームカラム内に含まれる光学素子を制御する制御装置１１７より構成されている。電子源１００１から引出電極１００２によって引き出され、図示しない加速電極によって加速された電子ビームは、ビームの理想光軸１００３に沿って集束レンズの一形態であるコンデンサレンズ１００４に入射し、絞られた後に、走査偏向器１００５により、試料１００９上を一次元的、或いは二次元的に走査される。電子ビームは試料台１００８に内蔵された電極に印加された負電圧により減速されると共に、対物レンズ１００６のレンズ作用によって集束されて試料１００９上に照射される。
【００４０】
電子ビームが試料１００９に照射されると、当該照射個所から二次電子、及び後方散乱電子のような電子１０１０が放出される。放出された電子１０１０は、試料に印加される負電圧に基づく加速作用によって、電子源方向に加速され、変換電極１０１２に衝突し、二次電子１０１１を生じさせる。変換電極１０１２から放出された二次電子１０１１は、検出器１０１３によって捕捉され、捕捉された二次電子量によって、検出器１０１３の出力Ｉが変化する。この出力Ｉに応じて図示しない表示装置の輝度が変化する。例えば二次元像を形成する場合には、走査偏向器１００５への偏向信号と、検出器１０１３の出力Ｉとの同期をとることで、走査領域の画像を形成する。また、図１０に例示する走査電子顕微鏡には、電子ビームの走査領域を移動する偏向器（図示せず）が備えられている。
【００４１】
なお、図１０の例では試料から放出された電子を変換電極にて一端変換して検出する例について説明しているが、無論このような構成に限られることはなく、例えば加速された電子の軌道上に、電子倍像管や検出器の検出面を配置するような構成とすることも可能である。制御装置１１７は、走査電子顕微鏡の各構成を制御すると共に、検出された電子に基づいて画像を形成する機能や、ラインプロファイルと呼ばれる検出電子の強度分布に基づいて、試料上に形成されたパターンのパターン幅を測定する機能を備えている。
【００４２】
また、図１０に例示する電子ビーム装置は、光源１０１５、受光素子１０１６を含む高さ測定装置を備えている。この高さ測定装置は、例えば図２等に例示したものと同じである。また、試料室１００７には試料（被測定物）載せる試料台１００８をｘ−ｙ方向に移動させるｘ−ｙ駆動機構と、ｚ方向に移動させるｚ駆動機構が内蔵されている。これらの駆動機構は制御装置１１７から供給される制御信号によって制御される。
【００４３】
なお、高さ測定装置の投射光学系のビーム軌道と、検出光学系のビーム軌道が、理想光軸１００３を含む仮想平面を鏡面とする鏡面対称となるように、高さ測定装置を構成する光学素子が設置されている。
【００４４】
更に、制御装置１１７は、高さ測定装置の出力に基づいて、ｚ駆動機構を制御すると共に、高さ測定装置（Ｚセンサ）の出力に基づいて、対物レンズ１００６の励磁電流を制御する。制御装置１１７は、予め記憶された高さ測定装置の出力と対物レンズ１００６の制御信号との関係情報に基づいて、対物レンズ１００６のレンズ条件（励磁電流）を制御する。
【００４５】
図１１は、設定されたビーム条件（加速電圧、或いはビームの試料への到達エネルギー）に応じた、ステージ制御と高さ測定を行うように走査電子顕微鏡を制御する工程を示すフローチャートである。まず、制御装置１１７は予め動作プログラム（レシピ）等で設定されている加速電圧等の条件を読み取り、低加速が設定されている場合には、ＷＤ１（＜ＷＤ２）となるよう、ｚ駆動機構を制御し、高加速が設定されている場合には、ＷＤ２（＞ＷＤ１）となるようにｚ駆動機構を制御する。ここで高加速か低加速かの識別は、予め設定した閾値で判断しても良いし、特定の加速電圧に予め高加速、或いは低加速かの識別情報を付与しておき、当該識別情報をもとに判断するようにしても良い。また、ワーキングディスタンス、或いは試料高さ（例えば所定の基準位置と試料表面の高低差）を直接設定し、当該設定に基づいてｚ駆動機構を制御するようにしても良い。
【００４６】
次に、Ｚセンサを用いた高さ測定を行う。この際、レシピにＷＤ１が設定されている場合は、試料高さに関する値として、ΔＺ１＝（ΔＳ１×ｐ）／（２×ｍ×ｓｉｎθ）を演算し、ＷＤ２が設定されている場合には、ΔＺ２＝（ΔＳ２×ｐ）／（２×ｍ×ｓｉｎθ）を演算することによって、試料表面高さと基準高さの差異を求める。Ｓ１は、被測定物を第１の基準高さ１０６に位置付けたときの２次元撮像センサ上の基準位置と実際の光の到達位置との違い（スリット像の重心位置の違い）であり、Ｓ２は、被測定物を第２の基準高さ１０７に位置付けたときの２次元撮像センサ上の基準位置と実際の光の到達位置との違いである。図１に例示するように、被測定物を第１の基準高さ１０６に位置付けた場合と、被測定物を第２の基準高さ１０７に位置付けた場合とでは、２次元撮像センサ１０９に対する反射光の到達位置が異なるため、それぞれの高さ毎に基準位置を設定しておく。
【００４７】
なお、本実施例では、上記演算式を用いた演算を行う例について説明するが、予めΔＺとΔＳの関係を示すテーブルを作成しておき、当該テーブルを参照することによってΔＺを出力するようにしても良い。制御装置１１７は、ΔＺと対物レンズのレンズ条件の関係式、或いはテーブルを用いて、レンズ条件を特定し、対物レンズ１００６を制御する。
【００４８】
また、ΔＺではなくΔＯｂｊ（対物レンズの励磁電流（ビーム集束条件）の差異）とΔＳとの関係を示す演算式、或いはテーブルを用意しておき、ΔＳの入力に基づいて、対物レンズの励磁電流を調整するようにしても良い。
【００４９】
また、ｚ駆動機構を制御して焦点調整を行う装置の場合、上記ΔＺを相殺するようにｚ駆動機構を制御するようにしても良いし、ΔＳとステージ移動量との関係を示す演算式、或いはテーブルを用意しておき、これら情報を用いて、ｚ駆動機構を制御するようにしても良い。
【００５０】
なお、本実施例では、ビーム照射装置の一種として、走査電子顕微鏡を例に説明したが、光学式の検査装置等への適用も可能である。特に高低差が大きな試料を測定する場合や、上述のように必要に応じてｚ方向に被測定物を移動させるｚステージを備えた種々の装置への適用が可能である。
【００５１】
図４は、第２の基準高さ１０７に位置付けられた被測定物に光を照射する光学系（第２の照射光学系）と、反射光を検出する検出光学系（第２の検出光学系）のそれぞれに、第１の基準高さ１０６に位置付けられた被測定物に光を照射する光学系（第１の照射光学系）と、反射光を検出する検出光学系（第１の検出光学系）と光学条件を統一するための補正素子を設置した例を示す図である。
【００５２】
図１に例示する高さ測定装置は、光路を２つに分割でき、且つ異なる高さであっても同じ方向から同一個所（電子ビームの照射点）を照射することができるが、投影レンズ１０５と被測定物との間の光路長、及び被測定物と検出レンズ１０８との間の光路長が、それぞれ異なる。即ち、仮に第１の基準高さ１０６に位置付けられた被測定物の表面に、投影レンズ１０５の焦点が合っている場合、第２の基準高さに位置付けられた被測定物の表面には焦点が合わないことになる。
【００５３】
図４は、第２の基準高さ１０７にある被測定物にも、投影レンズ１０５の焦点を適切に位置付けることを可能とすべく、焦点位置を調整するための調整素子を、第２の照射光学系の光路に設置した例を示す図である。調整素子は例えば光の入射面と出射面が共に平坦なガラス部材であり、当該ガラス部材の挿入により、挿入しない場合と比較して焦点位置を遠方に位置付けることができる。
【００５４】
両端（入射面と出射面）が平坦なガラス部材を挿入することで、ガラスの屈折効果によって光が焦点を結ぶ位置を変化させることができる。
【００５５】
図４に例示する構成では、第２の基準高さ１０７にある被測定物に対して光源側にガラス１１９を挿入することで、２連マルチスリット１０３の像が結像する位置と、第２の基準高さ１０７にある被測定物の表面の位置を合わせることができる。より具体的には、第１の照射光学系に対し、Ｏｐｔ＿ｅｘｔ１分、焦点距離を延ばす素子（光路を伸長する素子）を光路中に挿入することによって、２つの照射光学系の集束条件を一致させることができ、被測定物の設定高さによらず、高精度な高さ計測を行うことができる。なお、Ｏｐｔ＿ｅｘｔ１は数２によって求めることができる。なお、｜ＷＤ１−ＷＤ２｜は第１の高さと第２の高さの差（ＷＤ）である。
【００５６】
【数２】
2020148463.tif 000004
【００５７】
また、照射光学系と同様に、第１の検出光学系と第２の検出光学系では、被測定物と検出レンズ１０８との距離が異なる。よって、被測定物の設定高さによらず、同じ条件で反射光を検出レンズ１０８に入射させるべく、補正素子として、ガラス１２０を第２の検出光学系の被測定物と検出レンズ１０８との間に配置する。また、第２の検出光学系は第１の検出光学系と比較して、数２で求められる長さ分、被測定物と検出レンズ１０８との間の距離が長くなるため、第１の検出光学系と同じ結像状態とする補正素子を採用する。
【００５８】
第２の基準高さ１０７にある被測定物で反射した後、検出レンズ１０８との間にガラス１２０を挿入することで、２次元撮像素子１０９の面で第１の基準高さ１０６にある被測定物で反射した光と、第２の基準高さ１０７にある被測定物で反射した光の両方を、同時にピントを合わせた状態で結像できる。
【００５９】
ここで、ガラス１１９、およびガラス１２０は、両端（光の入射面と出射面）が平行で、滑らかな平面であればよく、形状は板、柱、ブロックなどを問わない。また、ガラス１１９とガラス１２０の光路方向の長さは同一である必要は無い。結像位置の補正量に応じた長さとなるので、ガラス１１９よりもガラス１２０のほうが短くなる。
【００６０】
図５は、第１の検出光学系と第２の検出光学系の光の軌道を、２次元撮像素子１０９上で１箇所に集束させる素子を備えた高さ測定装置の一例を示す図である。図１等で例示した高さ測定装置では、第１の基準高さ１０６に被測定物が存在する場合と、第２の基準高さに被測定物が存在する場合とでは、２次元撮像素子１０９に到達する光の位置が異なるため、２つの光の到達位置を包含するような大きさの検出面が必要となる。一方、図５に例示する構成によれば、２つの光の軌道を検出面の１点、或いは近い位置に集光する素子を、被測定物と２次元撮像素子１０９との間に備えることによって、小さな検出面を持つ２次元撮像素子であっても、異なる設定高さで反射する光を検出することが可能となる。
【００６１】
具体的には、集光素子として、光路１１０と交差する２次元撮像素子１０９の検出面上の位置に向かって、複数の光を屈折するような入射面（複数の傾斜面）が形成された両側ウェッジ基板１２１を、検出レンズ１０８と２次元撮像素子１０９との間に配置する。
【００６２】
このように、片側が平面で、もう片側が二つの角度を持った両側ウェッジ基板１２１を光路中に挿入することで、光が屈折し、２次元撮像素子１０９の面の同一、もしくは近い位置に結像させることができる。これによって、限られた大きさの検出面を持つ２次元撮像素子であっても、複数の設定高さでの高さ測定を行うことが可能となる。
【００６３】
図６は２次元撮像素子を２個設けた例を示す図である。図６の例では、片方の光路（図６では第２の基準高さ１０７に位置する被測定物から反射された反射光の軌道上）にミラー１２２を配置し、被測定物からの反射光を更に反射させることで、もとの光路より離間して配置された２次元撮像素子１２３に、反射光を到達させている。このように構成することで、２次元撮像素子１０９の検出面を大きくすることなく、複数の設定高さでの高精度が高さ測定を行うことが可能となる。
【実施例２】
【００６４】
次に、第１の基準高さ１０６に被測定物が位置する場合と、第２の基準高さに被測定物が位置する場合との間で、光の軌道を切り替える照射光学系と入射光学系を備えた高さ測定装置について説明する。本実施例では、図１等に例示する２連マルチスリットに替え、図９に例示するような１のマルチスリット１１８が形成されたスリット形成部材３０２を、図７、図８に例示するマルチスリット１２２として、照射光学系に設置する。
【００６５】
光源１０１から出射した光は、レンズ１０２によって収束され、マルチスリット１２２に入射する。マルチスリット１２２を通過した光は、絞り１０４の通過開口で集光され、更にレンズ１０５によって収束され、第１の基準高さ１０６に位置する被測定物、或いは第２の基準高さ１０７に位置する被測定物に到達する。
【００６６】
被測定物とレンズ１０５との間には、光の軌道を切り替える切り替え素子の一種であり、光路１１０より光の軌道を変化させる厚いガラス板１２４（光軌道調整素子）が設けられている。光軌道調整素子には図示しない回転機構が設けられ、制御装置１１７は基準高さの設定に応じて、当該回転機構を制御することによって、第１の基準高さ１０６に被測定物が位置付けられたとき（図８）と、第２の基準高さ１０２に被測定物が位置付けられたとき（図７）のそれぞれで適切な位置（例えば被測定物の電子ビームが照射される点）に光が照射されるように、光の軌道を切り替える。厚いガラス板等を用いることによって、光の屈折作用を用いた光の軌道調整を行うことが可能となる。
【００６７】
また、被測定物と検出レンズ１０８との間に、もとの光路１１０に光の軌道を戻すような光軌道調整素子を配置することによって、小さな検出面の２次元撮像素子１０９であっても、複数の設定高さの被測定物の高さを測定することが可能となる。図７、８に例示する構成では、照射光学系と同様に、検出光学系にも回転機構に支持された厚いガラス板１２５を配置し、制御装置１１７は、厚いガラス板１２４によって変化した光の軌道をもとに戻すように、光の軌道を変化させるべく、厚いガラス板１２５の角度を、ガラス板１２４に連動して調整する。これによって、被測定物の高さが変わったことによる光線のシフトがキャンセルされ、２次元撮像素子１０９の面の中心に結像する。これによって、被測定物の高さによらず、１個の2次元撮像素子を用いて高さ測定することができる。
【００６８】
本実施例において、厚いガラス板１２４、および厚いガラス板１２５は、両者の厚さが同じでも良いし、違っても良い。ただし、第２の基準高さ１０７にある被測定物から反射した光の照射位置のずれを補正するためには、厚いガラス板１２４、および厚いガラス板１２５の厚さは同じであることが望ましい。
【００６９】
また、検出光学系については、図５や図６に例示するような構成としても良い。
【符号の説明】
【００７０】
１０１…光源、１０２…レンズ、１０３…２連マルチスリット、１０４…絞り、１０５…投影レンズ、１０６…第１の基準高さ、１０７…第２の基準高さ、１０８…検出レンズ、１０９…２次元撮像素子、１１０…光路、１１１…ビームの理想光軸（法線）、１１２…試料吸着機構、１１３…Ｘ−Ｙステージ、１１４…Ｚステージ、１１５…ステージ駆動電源、１１６…高さ演算処理装置、１１７…制御装置、１１８…マルチスリット、１１９…ガラス部材、１２０…ガラス部材、１２１…両側ウェッジ基板、１２２…ミラー、１２３…第二の２次元撮像素子、１２４…厚いガラス板、１２５…厚いガラス板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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