(57)【要約】【課題】高さ測定の分解能を向上させることができる表面高さ測定システムと、電子ビームの焦点位置を補正する対物レンズ制御ユニットを備えた走査電子顕微鏡を提供する。【解決手段】走査電子顕微鏡１００は、電子ビーム照射システム１０１と、真空チャンバ１２０内に配置された試料テーブル１２１上の試料１２４の表面高さを測定する表面高さ測定システム１４０を備える。表面高さ測定システム１４０は、試料テーブル１２１のテーブル面１２１ａを向いて配置されたセンサヘッド１４２を有する分光干渉変位計１４４と、センサヘッド１４２とテーブル面１２１ａとの間に配置されたビームスプリッター１４６と、ビームスプリッター１４６で分岐された光路上に配置された反射体１４８を備えている。表面高さ測定システム１４０は、電子ビームの焦点位置を補正する対物レンズ制御ユニット１３５に接続されている。【選択図】図２
2020119665.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビーム照射システムと、
真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に配置された試料テーブルと、
前記試料テーブルを移動させるテーブルステージと、
前記試料テーブル上の試料の表面高さを測定する表面高さ測定システムと、
電子ビームの焦点位置を補正する対物レンズ制御ユニットを備え、
前記表面高さ測定システムは、
前記試料テーブルのテーブル面を向いて配置されたセンサヘッドを有する分光干渉変位計と、
前記センサヘッドと前記テーブル面との間に配置されたビームスプリッターと、
前記ビームスプリッターで分岐された光路上に配置された反射体と、
前記試料テーブルに固定された基準構造体と、
前記試料の表面高さの測定値からオフセット値を減算し、かつ予め定められた補正値を前記測定値に加算することで、前記電子ビーム照射システムの下端と前記試料の表面との距離を算出する演算装置を備え、
前記補正値は、前記電子ビーム照射システムの下端と前記基準構造体との距離と、予め定められた基準高さと前記電子ビーム照射システムの下端との距離の合計から、前記表面高さ測定システムによって取得された前記基準構造体の高さの測定値を減算することで得られた数値である、走査電子顕微鏡。
【請求項２】
前記センサヘッドは、前記テーブル面に対して垂直である、請求項１に記載の走査電子顕微鏡。
【請求項３】
前記表面高さ測定システムは、前記真空チャンバの外に配置されている、請求項１または２に記載の走査電子顕微鏡。
【請求項４】
前記センサヘッドは、前記真空チャンバを構成する上壁に固定されたハウジング内に配置されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の走査電子顕微鏡。
【請求項５】
前記表面高さ測定システムは、前記ビームスプリッターおよび前記反射体が固定された透明ブロックをさらに備えている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の走査電子顕微鏡。
【請求項６】
前記表面高さ測定システムは、前記センサヘッドと前記ビームスプリッターとの間に配置された凹レンズをさらに備えている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の走査電子顕微鏡。
【請求項７】
前記表面高さ測定システムは、前記ビームスプリッターと前記テーブル面との間に配置された円偏光板をさらに備えている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の走査電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査電子顕微鏡に関し、特に試料テーブル上の試料表面の高さ測定の分解能を向上させ、電子ビームの焦点位置を補正するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路装置のパターンを鮮明に撮像するためには、ウェーハの表面高さを高精度に測定することが重要である。そこで、走査電子顕微鏡には、試料表面の高さを非接触で測定する光学式高さ測定システムが搭載されている。一般に、走査電子顕微鏡の対物レンズと試料表面との距離は、数ミリメートルと非常に短い。このため、レーザー光線を試料表面に斜めに入射させ、その反射光をＣＣＤやＰＳＤ等の光センサで検出し、対物レンズから試料表面までの高さを算出する方式が採られてきた。
【０００３】
図１４は、従来の高さ測定システムを説明する模式図である。対物レンズ２００の一方側に光源２０２および投光レンズ２０３が配置され、対物レンズ２００の反対側に光センサ２１０および受光レンズ２１１が配置されている。試料２２０は、試料テーブル２３０上に置かれる。試料２２０の表面の高さＺは、三角測量の原理により与えられる次式から求めることができる。
Z=２L・(sinα・sinβ)/sin(α＋β）
ここで、２Ｌは、投光レンズ２０３と受光レンズ２１１との間の距離を表す。
【０００４】
α=βの場合、高さＺはL・tanβとなる。ここで光センサ２１０の検出面上の像の位置が微小変化(ΔX)した時の角度変化(Δβ)に対応する高さの変化量(ΔZ)は、
ΔZ=(∂Z/∂β)・Δβ=(∂Z/∂β)・(∂β/∂X)ΔX=(L・sec2β)γΔX
Δβ=(∂β/∂X)・ΔX=γΔX
（γ：光センサ２１０の検出面上の１ピクセル当たりの角度変化量、rad/pixel）
と与えられる。
【０００５】
入射角度(α=β)が１度のように小さくなると、光源２０２や光センサ２１０の取付空間を確保するために基準距離Ｌを長くする必要がある。このため、基準距離Ｌは、光センサ２１０と受光レンズ２１１との距離ｆよりもかなり長くなる。基準距離Ｌが長くなると、光センサ２１０の検出面上での位置分解能(検出可能な最小変化量)ΔＸに対応する角度変化(Δβ=γΔX)に応じた試料２２０の表面高さの変化量、すなわち高さ分解能ΔＺは粗くなる（低下する）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１−１２０７４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光の入射角度と高さ測定分解能にはこのような関係があるため、対物レンズ２００の先端と試料２２０の表面との間が数ミリメートルの隙間しかなく、しかも光の入射角度が１度のように小さくなると、必要とする高さ測定の分解能が得られないという問題がある。
【０００８】
さらに、光源２０２と光センサ２１０との間の光路長は数十センチ〜１メートルと長くなるため、環境変化に起因して光路長変動および入射角度変動が起こりやすい。特に走査電子顕微鏡は真空チャンバを構成要素に持つため、圧力変化で生じる壁部の変形が光路に影響を与えやすい。このような背景から、高さ測定の分解能は１μｍ程度と低く、精度のよい高さ測定ができなかった。さらに、光源２０２と光センサ２１０などの光学系は、試料が置かれる真空チャンバ内に設置されるため、保守作業が容易でないといった問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、高さ測定の分解能を向上させることができる表面高さ測定システムと、電子ビームの焦点位置を補正する対物レンズ制御ユニットを備えた走査電子顕微鏡を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一態様では、電子ビーム照射システムと、真空チャンバと、前記真空チャンバ内に配置された試料テーブルと、前記試料テーブルを移動させるテーブルステージと、前記試料テーブル上の試料の表面高さを測定する表面高さ測定システムと、電子ビームの焦点位置を補正する対物レンズ制御ユニットを備え、前記表面高さ測定システムは、前記試料テーブルのテーブル面を向いて配置されたセンサヘッドを有する分光干渉変位計と、前記センサヘッドと前記テーブル面との間に配置されたビームスプリッターと、前記ビームスプリッターで分岐された光路上に配置された反射体と、前記試料テーブルに固定された基準構造体と、前記試料の表面高さの測定値からオフセット値を減算し、かつ予め定められた補正値を前記測定値に加算することで、前記電子ビーム照射システムの下端と前記試料の表面との距離を算出する演算装置を備え、前記補正値は、前記電子ビーム照射システムの下端と前記基準構造体との距離と、予め定められた基準高さと前記電子ビーム照射システムの下端との距離の合計から、前記表面高さ測定システムによって取得された前記基準構造体の高さの測定値を減算することで得られた数値である、走査電子顕微鏡が提供される。
【００１１】
一態様では、前記センサヘッドは、前記テーブル面に対して垂直である。
一態様では、前記表面高さ測定システムは、前記真空チャンバの外に配置されている。
一態様では、前記センサヘッドは、前記真空チャンバを構成する上壁に固定されたハウジング内に配置されている。
一態様では、前記表面高さ測定システムは、前記ビームスプリッターおよび前記反射体が固定された透明ブロックをさらに備えている。
一態様では、前記表面高さ測定システムは、前記センサヘッドと前記ビームスプリッターとの間に配置された凹レンズをさらに備えている。
一態様では、前記表面高さ測定システムは、前記ビームスプリッターと前記テーブル面との間に配置された円偏光板をさらに備えている。
【発明の効果】
【００１２】
表面高さ測定システムによれば、高さ測定の分解能を約０．１μｍまで向上させることができる。表面高さ測定システムを用いた高さ測定を電子ビームのフォーカスサーチの前に実施し、表面高さ測定システムに接続された対物レンズ制御ユニットで電子ビームの焦点位置を補正すると、電子ビームを試料の表面に実質的にフォーカスさせることができる。したがって、走査電子顕微鏡は、フォーカスサーチに生成する画像の枚数を大幅に低減することができ、フォーカスサーチを高速に実行することができる。結果として、走査電子顕微鏡は、明瞭なパターン像を迅速に生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】走査電子顕微鏡の一実施形態を示す模式図である。
【図２】表面高さ測定システムの詳細な構造を示す図である。
【図３】センサヘッドからビームスプリッターを経由した反射体までの距離と、センサヘッドからウェーハの表面までの距離との差を、表面高さ測定システムで測定した検証実験の結果を示すグラフである。
【図４】表面高さ測定システムの他の実施形態を示す図である。
【図５】表面高さ測定システムのさらに他の実施形態を示す図である。
【図６】表面高さ測定システムのさらに他の実施形態を示す図である。
【図７】表面高さ測定システムのさらに他の実施形態を示す図である。
【図８】表面高さ測定システムのさらに他の実施形態を示す図である。
【図９】表面高さ測定システムのさらに他の実施形態を示す図である。
【図１０】基準構造体が対物レンズの下方に位置しているときの状態を示す図である。
【図１１】ウェーハの表面上の測定点の位置と、対物レンズの下端からウェーハの表面上の測定点までの距離の関係を示す高さマップを示す図である。
【図１２】ウェーハの高さ測定を実行するフローチャートである。
【図１３】走査電子顕微鏡のオートフォーカス動作を説明するフローチャートである。
【図１４】従来の高さ測定システムを説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、走査電子顕微鏡の一実施形態を示す模式図である。図１に示すように、走査電子顕微鏡１００は、電子ビーム照射システム１０１と、真空チャンバ１２０と、真空チャンバ１２０内に配置された試料テーブル１２１と、試料テーブル１２１を移動させるテーブルステージ１２３と、試料テーブル１２１上の試料の表面高さを測定する表面高さ測定システム１４０と、試料の表面高さに基づいてフォーカス値を調節する対物レンズ制御ユニット１３５を備えている。真空チャンバ１２０は、図示しない真空ポンプに接続されており、真空チャンバ１２０内に真空が形成されるようになっている。
【００１５】
電子ビーム照射システム１０１は、一次電子（荷電粒子）からなる電子ビームを発する電子銃１１１と、電子銃１１１から放出された電子ビームを集束する集束レンズ１１２、電子ビームをＸ方向に偏向するＸ偏向器１１３、電子ビームをＹ方向に偏向するＹ偏向器１１４、電子ビームを試料であるウェーハ１２４にフォーカスさせる対物レンズ１１５を有する。対物レンズ１１５は対物レンズ制御ユニット１３５に接続されており、対物レンズ１１５のフォーカス値は対物レンズ制御ユニット１３５により制御される。表面高さ測定システム１４０は、対物レンズ制御ユニット１３５に接続されている。
【００１６】
真空チャンバ１２０内の試料テーブル１２１の位置および高さは、テーブルステージ１２３によって調節される。テーブルステージ１２３は、試料テーブル１２１のテーブル面１２１ａに平行なＸ方向およびＹ方向に試料テーブル１２１移動させることができ、さらにテーブル面１２１ａに垂直なＺ方向に試料テーブル１２１を移動させることが可能に構成されたＸＹＺステージである。試料であるウェーハ１２４は、試料テーブル１２１のテーブル面１２１ａ上に置かれる。試料テーブル１２１は、ウェーハ１２４の下面を保持できるように構成されている。試料テーブル１２１の一例として、静電チャックテーブルが挙げられる。
【００１７】
走査電子顕微鏡１００は、二次電子検出器１３０、反射電子検出器１３１、および画像取得装置１１８をさらに備えている。二次電子検出器１３０および反射電子検出器１３１は、画像取得装置１１８に接続されている。画像取得装置１１８は二次電子検出器１３０と反射電子検出器１３１の出力信号を画像に変換するように構成される。
【００１８】
走査電子顕微鏡１００の動作は次のようになる。電子銃１１１から放出された電子ビームは集束レンズ１１２で集束された後に、Ｘ偏向器１１３、Ｙ偏向器１１４で偏向されつつ対物レンズ１１５により集束されてウェーハ１２４の表面に照射される。ウェーハ１２４に電子ビームの一次電子が照射されると、ウェーハ１２４からは二次電子および反射電子が放出される。二次電子は二次電子検出器１３０により検出され、反射電子は反射電子検出器１３１により検出される。二次電子の検出信号および反射電子の検出信号は、画像取得装置１１８に入力され画像に変換される。本実施形態では、試料の例としてウェーハ１２４が使用されるが、本発明は本実施形態に限定されない。例えば、試料は、ガラス基板であってもよい。
【００１９】
表面高さ測定システム１４０は、真空チャンバ１２０の外に配置されている。表面高さ測定システム１４０は、走査電子顕微鏡１００がオートフォーカス動作を実行する前に、試料テーブル１２１上のウェーハ１２４の表面高さを測定する。以下、表面高さ測定システム１４０について説明する。
【００２０】
図２は、表面高さ測定システム１４０の詳細な構造を示す図である。表面高さ測定システム１４０は、試料テーブル１２１のテーブル面１２１ａを向いて配置されたセンサヘッド１４２を有する分光干渉変位計１４４と、センサヘッド１４２とテーブル面１２１ａとの間に配置されたビームスプリッター１４６と、ビームスプリッター１４６で分岐された光路上に配置された反射体１４８を備えている。センサヘッド１４２から放出される光の方向に対するビームスプリッター１４６の角度は、４５度である。反射体１４８の反射面は、センサヘッド１４２から放出される光の方向と平行である。
【００２１】
分光干渉変位計１４４は、光を発する光源１５０と、光を波長に従って分解し、光の強度を波長ごとに測定する分光器１５１と、分光器１５１によって得られた光の強度データから分光波形を生成し、分光波形を解析してウェーハ１２４の表面の高さを決定する波形分析装置１５５をさらに備えている。分光器１５１は、ＣＣＤなどの光センサ（図示せず）を備えている。光源１５０および分光器１５１は、センサヘッド１４２に接続されている。
【００２２】
センサヘッド１４２は、光源１５０によって発せられた光をビームスプリッター１４６に導き、かつウェーハ１２４および反射体１４８からの反射光を受けるためのレンズおよび光ファイバ（図示せず）を有している。ウェーハ１２４の表面からの反射光と、反射体１４８からの反射光は、互いに干渉しながら、センサヘッド１４２に入射する。互いに干渉した２つの反射光は、センサヘッド１４２を通じて分光器１５１に伝送される。分光器１５１は、互いに干渉した２つの反射光を波長に従って分解し、光の強度を波長ごとに測定する。波形分析装置１５５は、分光器１５１によって得られた光の強度データから分光波形を生成する。
【００２３】
ウェーハ１２４の表面からの反射光と、反射体１４８からの反射光の干渉の仕方は、センサヘッド１４２からビームスプリッター１４６を経由した反射体１４８までの距離Ｌ１と、センサヘッド１４２からウェーハ１２４の表面までの距離Ｌ２との差に依存して変わる。センサヘッド１４２と、ビームスプリッター１４６と、反射体１４８との相対位置は、固定されている。したがって、距離Ｌ１は常に一定である。一方、距離Ｌ２は、ウェーハ１２４の表面高さに依存して変わる。したがって、ウェーハ１２４の表面からの反射光と、反射体１４８からの反射光の干渉の仕方は、ウェーハ１２４の表面高さに依存して変わる。波形分析装置１５５によって生成された分光波形は、このような２つの反射光の波の干渉の仕方に従って変化する。したがって、波形分析装置１５５は、分光波形を解析することで、ウェーハ１２４の表面の高さを決定することができる。
【００２４】
反射体１４８は、センサヘッド１４２からテーブル面１２１ａまでの距離と、距離Ｌ１との差が設定範囲内に収まるような位置に配置される。設定範囲は、分光干渉変位計１４４の有効測定範囲に基づいて予め定められる。設定範囲は０を含んでもよい。
【００２５】
表面高さ測定システム１４０は、センサヘッド１４２とビームスプリッター１４６との間に配置された凹レンズ１５６をさらに備えている。この凹レンズ１５６は、センサヘッド１４２から放出された光（集束光）の焦点をウェーハ１２４の表面上に位置させるために設けられている。凹レンズ１５６がなくても、光の焦点がウェーハ１２４の表面上に位置することができるのであれば、凹レンズ１５６は設けなくてもよい。
【００２６】
センサヘッド１４２、ビームスプリッター１４６、凹レンズ１５６、および反射体１４８は、ハウジング１５８内に収容されており、かつハウジング１５８に固定されている。ハウジング１５８は、真空チャンバ１２０を構成する上壁１３７に固定されている。センサヘッド１４２は、テーブル面１２１ａに対して垂直である。このように配置されたセンサヘッド１４２は、ウェーハ１２４の表面に垂直に光を導き、かつウェーハ１２４の表面からの反射光を受けることができる。センサヘッド１４２は、対物レンズ１１５の横に配置されている。センサヘッド１４２と対物レンズ１１５との距離は、できるだけ短いことが好ましい。
【００２７】
本実施形態では、センサヘッド１４２とウェーハ１２４の表面との距離Ｌ２は、５０ｍｍ〜１００ｍｍである。この距離は、図１４に示す従来の表面高さ測定システムの光路長（数十センチ〜１メートル）に比べて、非常に短い。したがって、真空チャンバ１２０内の圧力変動に起因して上壁１３７が変形したときでも、表面高さ測定システム１４０はそのような環境変化にほとんど影響されずに、ウェーハ１２４の表面高さを高精度に測定することができる。
【００２８】
図３は、センサヘッド１４２からビームスプリッター１４６を経由した反射体１４８までの距離Ｌ１と、センサヘッド１４２からウェーハ１２４の表面までの距離Ｌ２との差を、表面高さ測定システム１４０で測定した検証実験の結果を示すグラフである。この検証実験では、距離Ｌ１と距離Ｌ２との差を同じ条件下で１０００回測定した。センサヘッド１４２からウェーハ１２４の表面までの距離Ｌ２は７０ｍｍであった。得られた測定データの３σは、０．０５μｍであった。これは、測定値のばらつきが０．１μｍの範囲内に収まっていることを示している。したがって、検証実験の結果から、本実施形態の表面高さ測定システム１４０は、０．１μｍ未満の分解能が得られることが分かる。
【００２９】
表面高さ測定システム１４０によって測定されるウェーハ１２４の表面高さは、ある基準高さからウェーハ１２４の表面までの距離である。本実施形態では、基準高さを、真空チャンバ１２０の上壁１３７の下面の高さとする。基準高さは、表面高さ測定システム１４０に予め設定される。図２に示すように、表面高さ測定システム１４０の測定値は、Ｍｎｓで表される。測定値Ｍｎｓは、基準高さからウェーハ１２４の表面までの距離として表される。対物レンズ１１５とウェーハ１２４の表面との距離Ｚｎｏは、次の式（１）から求めることができる。
Ｚｎｏ＝Ｍｎｓ−Ｚｏｆｆ      （１）
ただし、Ｚｏｆｆは、基準高さである真空チャンバ１２０の上壁１３７の下面から対物レンズ１１５の下端までの距離を表すオフセット値である。このオフセット値Ｚｏｆｆは、走査電子顕微鏡１００に固有の固定値である。
【００３０】
表面高さ測定システム１４０は、分光干渉変位計１４４の波形分析装置１５５に接続された演算装置１６０をさらに備えている。演算装置１６０は、処理装置１６０Ａ（例えばＣＰＵ）などの処理装置１６０Ａと、記憶装置１６０Ｂと、測定結果を表示する表示装置１６０Ｃを備えている。上記式（１）およびオフセット値Ｚｏｆｆは、記憶装置１６０Ｂ内に予め格納されている。ウェーハ１２４の表面高さの測定値Ｍｎｓは波形分析装置１５５から演算装置１６０に送られ、演算装置１６０は上記式（１）を用いて対物レンズ１１５とウェーハ１２４の表面との距離Ｚｎｏを算出する。演算装置１６０は、汎用のコンピュータまたは専用のコンピュータから構成されてもよい。演算装置１６０は、対物レンズ制御ユニット１３５に接続されている。
【００３１】
図４および図５は、表面高さ測定システム１４０の他の実施形態を示す図である。図４に示す実施形態では、センサヘッド１４２から放出される光の方向に対するビームスプリッター１４６の角度は、４５度以外の角度である。反射体１４８は、全体として、ビームスプリッター１４６よりも高い位置にある。図５に示す実施形態は、センサヘッド１４２から放出される光の方向に対するビームスプリッター１４６の角度が４５度である点で図２に示す実施形態と同じであるが、２つの反射体、すなわち第１反射体１４８Ａと第２反射体１４８Ｂが設けられている点で異なっている。第２反射体１４８Ｂは、第１反射体１４８Ａの上方に配置される。図５に示す実施形態は、第１反射体１４８Ａとビームスプリッター１４６との距離を短くし、必要とする設置スペースの幅を小さくできるという利点がある。
【００３２】
図６は、表面高さ測定システム１４０のさらに他の実施形態を示す図である。図６に示す実施形態に係る表面高さ測定システム１４０は、ビームスプリッター１４６および反射体１４８が固定された透明ブロック１７０を備えている。透明ブロック１７０は、ガラスまたは水晶などの透明な材料から構成されている。ビームスプリッター１４６は、透明ブロック１７０内に位置している。このような構成は、三角プリズムの側面に膜状のビームスプリッター１４６を形成し、この三角プリズムと他の三角プリズムでビームスプリッター１４６を挟むことで製作することができる。反射体１４８は、透明ブロック１７０の端面に固定されている。一例では、反射体１４８は、アルミニウムなどの金属や誘電多層膜を透明ブロック１７０の端面に蒸着させることで形成することができる。
【００３３】
ビームスプリッター１４６と反射体１４８の相対位置および相対角度は、透明ブロック１７０によって固定される。したがって、ビームスプリッター１４６および反射体１４８の角度調整が不要であり、かつ測定精度が安定する。さらに、ビームスプリッター１４６および反射体１４８をそれぞれ固定するための部材の数が少なくなる。
【００３４】
図７は、表面高さ測定システム１４０のさらに他の実施形態を示す図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図６に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図７に示す実施形態は、第１反射体１４８Ａおよび第２反射体１４８Ｂを備えている。これら２つの反射体１４８は、透明ブロック１７０の端面に固定されている。本実施形態は、図６に示す実施形態で得られる利点に加え、必要とする設置スペースの幅を小さくできるという利点がある。
【００３５】
図８は、表面高さ測定システム１４０のさらに他の実施形態を示す図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図２に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。表面高さ測定システム１４０は、ビームスプリッター１４６とテーブル面１２１ａとの間に配置された円偏光板１７５をさらに備えている。センサヘッド１４２から放出された光は、円偏光板１７５を通過してテーブル面１２１ａ上のウェーハ１２４に向かう。円偏光板１７５は、直線偏光を円偏光に変換する機能を有する。光源１５０にレーザーを使用する場合は、センサヘッド１４２から放出される光は直線偏光である。センサヘッド１４２から放出された直線偏光は、円偏光板１７５を通過するときに円偏光に変換される。
【００３６】
ウェーハ１２４の表面に形成されているパターンが、ある一方向に延びる規則的なパターンである場合、ウェーハ１２４の表面での光の反射率はパターンの方向に影響されることがある。そこで、本実施形態では、円偏光がウェーハ１２４の表面に照射される。円偏光の反射率は、パターンの方向に依存しにくく、結果として、表面高さの測定精度が安定する。
【００３７】
図９は、表面高さ測定システム１４０のさらに他の実施形態を示す図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図２に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。表面高さ測定システム１４０は、試料テーブル１２１に固定された基準構造体１８０を備えている。本実施形態では基準構造体１８０は試料テーブル１２１の側面に固定されているが、基準構造体１８０は試料テーブル１２１の上面に固定されてもよい。
【００３８】
基準構造体１８０は、テーブル面１２１ａと平行な平坦な上面を有している。基準構造体１８０の材料は特に限定されないが、光を反射しやすい材料（例えば金属）から構成される。本実施形態では、基準構造体１８０の上面の高さは、テーブル面１２１ａ上のウェーハ１２４の表面と同じ高さであるが、ウェーハ１２４の表面の高さと異なってもよい。
【００３９】
このような基準構造体１８０を設ける理由は、対物レンズ１１５とウェーハ１２４の表面との距離Ｚｎｏを補正するためである。すなわち、図９に示すように、試料テーブル１２１の全体が傾いていたり、あるいはセンサヘッド１４２の高さ方向の位置が正しくない場合は、上記式（１）で得られた距離Ｚｎｏは、対物レンズ１１５とウェーハ１２４の表面との正しい距離を示さない。そこで、本実施形態では、表面高さ測定システム１４０は、次の式（２）用いて距離Ｚｎｏを算出する。
Ｚｎｏ＝Ｍｎｓ−Ｚｏｆｆ＋補正値      （２）
【００４０】
補正値は、次の式（３）で求められる。
補正値＝ΔＺｎｓ＋ΔＺｎｔ＝Ｚｏｆｆ＋Ｚｒｅ−Ｍｒｅ      （３）
ただし、ΔＺｎｓは、図１０に示すように、表面高さ測定システム１４０に設定された基準高さと、実際の基準高さ（上壁１３７の下面の高さ）との差を表し、ΔＺｎｔは、試料テーブル１２１の傾きに起因する基準構造体１８０の高さの差、すなわち基準構造体１８０が対物レンズ１１５の真下に位置しているときの基準構造体１８０の高さと、基準構造体１８０がセンサヘッド１４２の真下に位置しているときの基準構造体１８０の高さとの差を表し、Ｚｒｅは、基準構造体１８０が対物レンズ１１５の真下に位置しているときの対物レンズ１１５の下端と基準構造体１８０との距離を表し、Ｍｒｅは、図１０の点線で示すように、基準構造体１８０がセンサヘッド１４２の真下に位置しているときの基準構造体１８０の高さの測定値を表している。
【００４１】
距離Ｚｒｅは、次のようにして測定される。走査電子顕微鏡１００は、焦点を変えながら、基準構造体１８０の多数の画像を生成する。焦点は、対物レンズ１１５に流す電流値に従って変わる。走査電子顕微鏡１００は、得られた画像のうち、最も鮮明な１つの画像を選択し、その選択した画像に対応する焦点（すなわち、対物レンズ１１５に流した電流値）を決定する。対物レンズ１１５の下端と基準構造体１８０との間の距離Ｚｒｅは、上記決定された焦点から算出することができる。
【００４２】
演算装置１６０は、上記式（３）で補正値を算出し、得られた補正値を記憶装置１６０Ｂ内に格納する。ウェーハ１２４の表面高さを測定した後、演算装置１６０は、上記式（２）を用いて対物レンズ１１５とウェーハ１２４の表面との距離Ｚｎｏを算出する。本実施形態によれば、試料テーブル１２１の傾き、およびセンサヘッド１４２の高さ方向の位置ずれの影響が排除された距離Ｚｎｏが得られる。
【００４３】
上記式（２）によって得られた距離Ｚｎｏの情報は、演算装置１６０から対物レンズ制御ユニット１３５に送られる。対物レンズ制御ユニット１３５は、対物レンズ１１５を操作して、電子ビームの焦点位置を距離Ｚｎｏに基づいて補正する。
【００４４】
図１１は、ウェーハ１２４の表面上の測定点の位置と、対物レンズ１１５の下端からウェーハ１２４の表面上の測定点までの距離Ｚｎｏの関係を示す高さマップを示す図である。図１１において、Ｘ軸は、ウェーハ１２４の表面上のＸ方向に沿った位置を表し、Ｙ軸はウェーハ１２４の表面上のＹ方向に沿った位置を表し、Ｚ軸は距離Ｚｎｏを表している。高さマップは、演算装置１６０の表示装置１６０Ｃ（図２参照）に表示される。ユーザーは、表示装置１６０Ｃに現れた高さマップから、ウェーハ１２４の表面の高さ分布を知ることができる。
【００４５】
この高さマップ上の任意の目標測定点での距離Ｚｎｏは、その周囲の既知の値を用いて求めることができる。以下、目標測定点での距離Ｚｎｏを求める実施例の１つを示す。
演算装置１６０は、座標（Ｘ'，Ｙ'）で表される目標測定点の周囲にある４点の実測データ列（ｘ０，ｙ０，ｚ０）、（ｘ１，ｙ１，ｚ１）、（ｘ２，ｙ２，ｚ２）、（ｘ３，ｙ３，ｚ３）を決定し、これら４点に最も近い平面Ｚｎｏ＝ａｘ＋ｂｙ＋ｃを求める。さらに、演算装置１６０は、平面を表す上記式のｘにＸ'を代入し、かつｙにＹ'を代入することで、目標測定点での距離Ｚｎｏを、Ｚｎｏ＝ａＸ'＋ｂＹ'＋ｃとして求めることができる。
【００４６】
ここで、平面を表す式のパラメータａ，ｂ，ｃは、すべての点列と平面との距離の二乗和Ｑ＝Σ(ａｘｉ＋ｂｙｉ＋ｃｉ−ｚｉ)２を最小にする値であり、次式で求められる。
a=[C(GH-nE)+F(EG-BH)+D(nB-G2)]/[A(G2-nB)-2CFG+BF2+nC2]
b=[A(GH-nE)+F(-CH-DG)+EF2+nCD]/[A(G2-nB)-2CFG+BF2+nC2]
c=[A(EG-BH)+C2H-CDG+(BD-CD)F]/[A(G2-nB)-2CFG+BF2+nC2]
ただし、A=Σxi2，B=Σyi2，C=Σxiyi，D=Σxizi，E=Σyizi，F=Σxi，G=Σyi，H=Σzi
【００４７】
図１２は、ウェーハ１２４の高さ測定を実行するフローチャートである。ステップ１−１では、ウェーハ１２４を試料テーブル１２１のテーブル面１２１ａ上に置く。ステップ１−２では、ウェーハ１２４の表面上の測定点がセンサヘッド１４２の真下に位置するまで、テーブルステージ１２３は試料テーブル１２１およびウェーハ１２４を移動させる。ステップ１−３では、表面高さ測定システム１４０はウェーハ１２４の表面高さを測定する。ステップ１−４では、演算装置１６０は、上記式（２）または式（３）を用いて、上記測定点での対物レンズ１１５の下端とウェーハ１２４の表面との距離Ｚｎｏを算出する。上記ステップ１−２からステップ１−４の動作は、予め指定されたすべての測定点で距離Ｚｎｏが算出されるまで繰り返される。ステップ１−５では、演算装置１６０は、距離Ｚｎｏの値と、対応する測定点の関係を示す高さマップを作成し、表示装置１６０Ｃ上に表示させる。
【００４８】
図１３は、走査電子顕微鏡１００のオートフォーカス動作を説明するフローチャートである。ステップ２−１では、テーブルステージ１２３は、ウェーハ１２４の表面上の目標測定点が対物レンズ１１５の真下に位置するまで試料テーブル１２１およびウェーハ１２４を移動させる。ステップ２−２では、演算装置１６０は、目標測定点での距離Ｚｎｏを高さマップから算出する。ステップ２−３では、走査電子顕微鏡１００は、対物レンズ１１５の焦点を、算出された距離Ｚｎｏに設定する。ステップ２−４は、走査電子顕微鏡１００は、電子ビームのフォーカスサーチを実行する。このフォーカスサーチでは、走査電子顕微鏡１００は、目標測定点でのウェーハ１２４の表面の複数枚の画像を生成し、生成した複数の画像のなかで、最も鮮明な画像を決定し、決定された画像を生成したときの焦点（すなわち、対物レンズ１１５に流した電流値）を決定する。ステップ２−５では、走査電子顕微鏡１００は、決定された焦点でウェーハ１２４の表面の画像を生成する。
【００４９】
上述した実施形態は、適宜変更することができる。例えば、２セットのセンサヘッド１４２、ビームスプリッター１４６、および反射体１４８を、対物レンズ１１５の両側に配置してもよく、または複数セットのセンサヘッド１４２、ビームスプリッター１４６、および反射体１４８を、対物レンズ１１５の周囲に等間隔に配置してもよい。
【００５０】
上述した各実施形態は、適宜組み合わせることができる。例えば、図６および図７に示す透明ブロック１７０は、図８および図９に示す実施形態に適用することが可能である。
【００５１】
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
【符号の説明】
【００５２】
１００      走査電子顕微鏡
１０１      電子ビーム照射システム
１１１      電子銃
１１２      集束レンズ
１１３      Ｘ偏向器
１１４      Ｙ偏向器
１１５      対物レンズ
１１８      画像取得装置
１２０      真空チャンバ
１２１      試料テーブル
１２１ａ    テーブル面
１２３      テーブルステージ
１３０      二次電子検出器
１３１      反射電子検出器
１３５      対物レンズ制御ユニット
１３７      上壁
１４０      表面高さ測定システム
１４２      センサヘッド
１４４      分光干渉変位計
１４６      ビームスプリッター
１４８      反射体
１４８Ａ    第１反射体
１４８Ｂ    第２反射体
１５０      光源
１５１      分光器
１５５      波形分析装置
１５６      凹レンズ
１５８      ハウジング
１６０      演算装置
１６０Ａ    処理装置
１６０Ｂ    記憶装置
１６０Ｃ    表示装置
１７０      透明ブロック
１７５      円偏光板
１８０      基準構造体
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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