(57)【要約】【課題】表面電界制御電極を設け，かつ一次電子ビーム径を縮小させた電子光学系を実現するには，表面電界制御電極をウェハに近接させる必要があり，このため，焦点あわせ用の高さ検出が行えなくなる。【解決手段】高さ計測位置を一次電子照射位置からずらし，高さ計測位置と一次電子照射位置との水平位置，および時間的な違いによる高さのずれを補正するための高さ補正機構を設ける。また，ずれ量を最小化するため，表面電界制御電極の周囲にウェハと同一電位のシールド板をおき，これに光路を設けて高さ計測を行う。【選択図】  図１
2010073507.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を載置して平面内で移動可能なテーブル手段と、
一次電子ビームを発射する電子銃と、該電子銃から発射された一次電子ビームを収束させる電子レンズ部と、該電子レンズ部で集束させた一次電子ビームを偏向させて前記テーブル手段に載置された試料の表面に走査して照射するビーム偏向器とを有する電子光学系手段と、
該電子光学系手段により一次電子ビームが走査して照射された前記試料から発生する二次電子及び/又は反射電子を検出する二次電子検出手段と
該二次電子検出手段で前記試料から発生した二次電子及び/又は反射電子を検出して得られた信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換手段と、
該Ａ／Ｄ変換手段でデジタル化した信号を入力してデジタル画像として記憶する画像記憶手段と、
該画像記憶手段に記憶されたデジタル画像を処理する画像処理手段と、
前記テーブル手段に載置された試料の表面の高さを検出して前記電子光学系手段の電子レンズのフォーカス位置を制御する高さ検出・制御手段と
を備えた走査電子顕微鏡装置であって、
該高さ検出・制御手段は、
前記テーブル手段に載置された試料の表面のうちの前記電子光学系手段の電子線光軸から離れた位置の高さを検出する高さ検出部と、
該高さ検出部で検出した前記試料の表面の前記電子線光軸から離れた位置の高さの情報を用いて前記電子光学系手段の電子線光軸上の部分における前記試料の表面の高さを推定する試料高さ推定部と、      
該試料高さ推定部で推定した前記電子光学系手段の電子線光軸上の部分における前記試料の高さの情報に基づいて前記電子光学系手段の電子レンズ部を制御して前記一次電子ビームのフォーカス位置を調整するフォーカス位置調整部と
を備えることを特徴とする走査電子顕微鏡装置。
【請求項２】
請求項１記載の走査電子顕微鏡装置であって、前記電子光学系手段の電子レンズ部と前記テーブル手段との間に配置されて前記テーブル手段との間の電界を変更可能な表面電界制御電極手段を更に備え、該表面電界制御電極は中心部に前記一次電子，二次電子及び反射電子を通過させる開口部を有し，前記表面電界制御電極は該開口部の近傍で前記テーブル手段の前記試料を載置する面との間隔が小さく，前記中心部から離れた部分では前記テーブル手段の前記試料を載置する面との間隔が大きく，回転対称な形状を有することを特徴とする走査電子顕微鏡装置。
【請求項３】
請求項１記載の走査電子顕微鏡装置であって、前記テーブル手段に載置した試料と等しい電位に設定可能なシールド電極手段を前記表面電界制御電極手段の前記電子線光軸の外側に備え，前記高さ検出部で前記電子線光軸から離れた位置の高さを検出ための開口部を前記電子線光軸に対して非軸対象に備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡装置。
【請求項４】
請求項１記載の走査電子顕微鏡装置であって、前記高さ検出・制御手段の高さ検出部は、前記テーブル手段に載置された試料の表面のうちの前記電子光学系手段の電子線光軸から離れた位置に光パターンを投影する光パターン照明部と、該試料の表面に投影された光パターンを該光パターンが投影された方向と異なる方向から撮像する光パターン撮像部と、該光パターン撮像部で撮像して得た前記試料の表面に投影された光パターンの像の情報を用いて前記試料の表面の該光パターンが投影された箇所の高さを算出する高さ算出部とを有することを特徴とする走査電子顕微鏡装置。
【請求項５】
請求項４記載の走査電子顕微鏡装置であって、前記高さ検出・制御手段の試料高さ推定部は、前記高さ検出部で検出した前記試料の表面の光パターンが投影された箇所の高さ情報を記憶する高さ情報記憶部と、前記高さ検出部から出力された前記試料の表面の前記光パターンが投影された箇所の高さデータと前記高さ情報記憶部に記憶されている高さデータをもとに前記電子光学系手段の電子線光軸上の部分における該試料の高さを算出する試料高さ算出部とを有することを特徴とする走査電子顕微鏡装置。      
【請求項６】
請求項１記載の走査電子顕微鏡装置であって、前記テーブル手段は前記載置した試料の位置を検出する位置検出部を備え、前記高さ検出・制御手段の試料高さ推定部の高さ情報格納部は、前記高さ検出部で検出した前記試料の表面の光パターンが投影された箇所の高さ情報を，前記位置検出部で検出した試料の位置情報と関連付けて記憶することを特徴とする走査電子顕微鏡装置。
【請求項７】
請求項６記載の高さ情報格納手段は，前記試料上の同一の位置について異なるタイミングで取得した前記試料の表面の光パターンが投影された箇所の高さ情報を格納することを特徴とする走査電子顕微鏡装置。
【請求項８】
請求項１記載の走査電子顕微鏡装置であって、前記テーブル手段は回転可能な回転テーブルと該回転テーブルの回転角度を制御する回転角度制御部とを有し、前記光パターン照明手段は光パターンとしてスリット光を前記試料の表面のうちの前記電子光学系手段の電子線光軸から離れた位置に投影し、前記回転角度制御部は、前記試料に投影されるスリット光が該試料上に形成されたパターンと交差するように前記試料の回転角度を制御することを特徴とする走査電子顕微鏡装置。
【請求項９】
請求項１記載の走査電子顕微鏡装置であって，前記高さ検出・制御手段は、前記光パターン照明部と前記光パターン撮像部との組を複数の組備え，該複数の光パターン照明部と光パターン撮像部との組はそれぞれ前記試料の表面のうちの前記電子光学系手段の電子線光軸から離れた位置の高さを計測することを特徴とする走査電子顕微鏡装置。
【請求項１０】
平面内で移動可能なテーブルに載置した試料に走査電子顕微鏡装置の電子光学系の電子レンズ部を介して集束させた電子ビームを照射して走査し、
該集束させた電子ビームが照射されて走査された前記試料から発生した二次電子及び/又は反射電子を検出し、
該検出して得た信号をＡ／Ｄ変換して前記試料のデジタル画像を得、
該得たデジタル画像を処理する走査電子顕微鏡装置を用いて試料の画像を取得する方法であって、  
前記試料のデジタル画像を得る工程において、
前記テーブルに載置された試料の表面のうちの前記電子光学系の電子線光軸から離れた位置の高さを検出し、
該検出した前記試料の表面の前記電子線光軸から離れた位置の高さの情報を用いて前記電子線光軸上の部分における前記試料の表面の高さを推定し、      
該推定した前記電子線光軸上の部分における前記試料の高さの情報に基づいて前記電子光学系の電子レンズ部を制御して前記試料に照射する電子ビームのフォーカス位置を調整し、
該フォーカス位置を調整した電子ビームを試料に照射して走査することにより前記試料から発生した二次電子及び/又は反射電子を検出して得た信号から前記試料のデジタル画像を得る
ことを特徴とする走査電子顕微鏡装置を用いた試料の撮像方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の走査電子顕微鏡装置を用いた試料の撮像方法であって、前記試料のデジタル画像を得る工程において前記電子光学系の電子線光軸から離れた位置の高さを検出することを、前記試料の表面のうちの前記電子光学系の電子線光軸から離れた位置に光パターンを投影し、該試料の表面に投影された光パターンを該光パターンが投影された方向と異なる方向から撮像し、該撮像して得た前記試料の表面に投影された光パターンの像の情報を用いて前記試料の表面の該光パターンが投影された箇所の高さを算出することを特徴とする走査電子顕微鏡装置を用いた試料の撮像方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の走査電子顕微鏡装置を用いた試料の撮像方法であって、前記電子光学系の電子線光軸から離れた位置位置に投影する光パターンが、スリット光であることを特徴とする走査電子顕微鏡装置を用いた試料の撮像方法。
【請求項１３】
請求項１０記載の走査電子顕微鏡装置を用いた試料の撮像方法であって、前記試料のデジタル画像を得る工程において前記電子線光軸上の部分における前記試料の表面の高さを推定することを、前記検出した前記試料の表面の光パターンが投影された箇所の高さ情報を記憶しておき、前記検出された前記試料の表面の前記光パターンが投影された箇所の高さデータと前記記憶しておいた高さデータをもとに前記電子線光軸上の部分における該試料の高さを算出することを特徴とする走査電子顕微鏡装置を用いた試料の撮像方法。
【請求項１４】
請求項１２記載の走査電子顕微鏡装置を用いた試料の撮像方法であって、前記検出した前記試料の表面の光パターンが投影された箇所の高さ情報を、前記テーブルに載置された試料の位置情報と関連付けて記憶することことを特徴とする走査電子顕微鏡装置を用いた試料の撮像方法。
【請求項１５】
請求項１２記載の走査電子顕微鏡装置を用いた試料の撮像方法であって、前記検出した前記試料の表面の光パターンが投影された箇所の高さ情報を記憶しておくことを、前記試料上の同一の位置について異なるタイミングで取得した前記試料の表面の光パターンが投影された箇所の高さ情報を格納することを特徴とする走査電子顕微鏡装置を用いた試料の撮像方法。
【請求項１６】
請求項１１記載の走査電子顕微鏡装置を用いた試料の撮像方法であって、前記光パターンとしてスリット光を前記試料の表面のうちの前記電子光学系の電子線光軸から離れた位置で前記試料上に形成されたパターンと交差するように投影することを特徴とする走査電子顕微鏡装置を用いた試料の撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は工業製品，特に半導体前工程における製造途中の半導体に対し，収束電子ビームを照射しその照射位置から放出される電子を検出して観察対象の画像を撮像する走査電子顕微鏡（以下ＳＥＭ: Scanning Electron Microscope）装置に関し，特に高倍率の画像を撮像することが必要なＳＥＭ式半導体ウェハ検査装置やＳＥＭ式半導体パターン計測装置，半導体ウェハで検出された欠陥をより詳細に観察し，さらにこれらの検査装置で出力された欠陥をもとにさらに詳細な検査を行う半導体の検査，レビュー装置，更には計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の微細化に伴い、半導体の前工程製造プロセスの制御はますます困難になってきており，半導体の露光工程においては４５nm以降のノードになってくると，２５nm以下の欠陥が電気的不良を引き起こすため，半導体ウェハ表面を極めて高精細に撮像し，外観不良の検出，あるいはパターン幅の計測を行う必要が発生する。この目的のため，従来の光学式の外観検査や測長に変わり，ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）式の検査やレビュー，パターン測長が重要になっている。これらのＳＥＭを搭載した装置においては検査対象に電子線を照射し，検査対象から放出された二次電子，あるいは反射電子を収集してこれを画像化し，光学式に比較して高解像画像を得ることができる。また，検出する二次電子は，検査対象の電位の影響を受けて増減するため，撮像対象の電気的な特性を可視化することができる。
【０００３】
ウェハ表面は半導体ウェハ自体の反りによりSEMと撮像対象のワークディスタンスは一定ではないため，このままでは一次電子を撮像対象上でベストフォーカスを得られなくなってしまう。そこで，ウェハの表面高さを高さ計測器で求め，この高さ位置にあわせてＳＥＭのフォーカスを設定することが特許文献１に記載されている。
【０００４】
撮像画像のＳ/Ｎは対象に照射する一次電子の電子数と，撮像対象の二次電子yieldの積に大きく依存するため，短時間に高Ｓ/Ｎの画像を得るためには一次電子で与える電子数を多くする，すなわちプローブ電流を大きくする必要がある。ところが，これを行うと撮像対象から短時間に多数の二次電子が放出されてしまうため，試料表面が正に帯電してしまい，試料表面から放出される二次電子の軌道を曲げる，あるいは撮像対象の電気的な特性を可視化できなくなってしまう。
【０００５】
これを防ぐ目的のため，ＳＥＭのウェハに最も近い箇所にウェハとの相対的な電圧を変更できる下部レンズ極片を設置することが特許文献２に記載されている。  この下部レンズ極片を制御することにより，ウェハ表面で発生する二次電子のうち，電極とウェハにより形勢される電界により発生するポテンシャルを超えるエネルギーを持った二次電子のみ，ＳＥＭの検出器に導き，それ以外の電子を再度ウェハに戻すことにより，ウェハの帯電電位を制御することができる。
【０００６】
上記２つの従来技術を組み合わせることにより，ウェハの反りに影響を受けずにＳＥＭの焦点あわせを行い，かつ帯電を制御可能な実用的なSEM式の検査，計測装置を構成することができる。
【０００７】
また，更に高速かつ解像度の高いSEM画像を撮像するためには，複数の電子線を同時に照射し，このそれぞれのビームスポットを独立して検出する公知例が示されている（特許文献３）。本従来例では，電子光学系のウェハに最も近い箇所に，特許文献１の下部レンズ極片と同じ目的で備えられた表面電界制御電極に高さ計測用の光を透過する穴があけられていた。
【０００８】
【特許文献１】特開平11-149895号公報
【特許文献２】特許第３７３０２６３号公報
【特許文献３】特開２００７−３１７４６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
近年の検査，計測対象の微細化は，より高解像の撮像をSEMに要求するようになってきている。このためには，SEMは一次電子のウェハ表面での収束される径であるビーム径をできる限り小さくする必要がある。
【００１０】
しかし，特許文献１に記載されている構成の下部レンズ極片，あるいは特許文献３で述べられている表面電界制御電極を（ほぼ同じ効果であるため，以下表面電界制御電極で統一する），ウェハの正の帯電が進まないよう，ウェハと同程度の電位か，あるいはそれより低く設定すると，ビーム径が増大するという問題が発生する。
【００１１】
例えば回折収差や色収差のSEMの収差や一次電子ビームの電流が大きい場合に問題になる軌道上のビームが反発するクーロン力による電子の広がりは，電子の軌道における電子の速度と密接に影響しており，可能な限り，電子を高速に撮像対象に照射することが必要である。
【００１２】
しかし，下部電極片がウェハと同等以下の電位に設定すると電子の飛行スピードは急激に失われ，ビーム径が増大してしまう。
【００１３】
更に特許文献３に記載されているような例では，表面電界制御電極をウェハ電位に対してほぼ同電位，あるいは負の電位に設定すると，複数箇所に照射した一次電子を分離検出できなくなってしまう。
【００１４】
このビーム径の増大を最低限にするには，表面電界制御電極を出来る限りウェハに近接させ，電子が低速で飛行する区間を最小限にする必要がある。実際，特許文献３の公知例では表面電界制御電極とウェハ間の距離を３００μmまで近接させているが，このような構成をとると電子ビームの径が増大してしまう。
【００１５】
一般にビーム径を縮小させるためには，ウェハ面まで強い磁場を形成するセミインレンズ型の電子レンズの採用が有利であるが，このレンズは，対物レンズの下部に強い磁場を漏洩させる形態をとるため，磁場を通すための磁路をコンパクトに設計することができない。このため，表面電界制御電極に穴を空け，高さ検出のための光路を設けたとしても，磁路のウェハに近接した箇所に穴を開放させると対物レンズの収差が増大してしまうため，これを行うことはできない。
【００１６】
また，表面電界制御電極のビーム光軸に近い箇所に光路を設定すると電界の均一性が崩れてしまい，収差が増大するという問題もある。特にこの課題は高さ検出器用にスリット光を照射する場合には大きな課題となる。
【００１７】
スリット光を照射するためには大きな開口が必要になり，電界の均一性は大きく崩れてしまうためである。例えば，ウェハの高さ変動が±４０μｍ，長さ１ｍｍのスリット光をウェハの法線に対して８０度の入射角であった場合には，最小で１ｍｍｘ５００μｍを超える開口を光軸近くに２つ設ける必要があり，表面電界を制御することができなくなる。
【００１８】
一方において，１つのスポット光で高さ検出する場合には，スポットの照射位置における対象の反射率の影響を受け，最悪，ビーム径の１/２の誤差が発生する。このため，１つのビームスポットでの高さ計測は，高精度かつ安定した検査，計測では不可能であり，スリット光，それも望ましくは複数のスリット光を用いる必要がある。これに必要な巨大な開口と高解像のＳＥＭ撮像とは両立しない。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するために，本発明では表面電界制御電極，あるいはその表面電界制御電極周囲に設けたウェハからの高さ位置が表面電界制御と同程度のシールド電極，あるいはその２つの電極の間に，高さ計測用の光路を電子光学系光軸から一定距離以上離れた位置に光軸に対して非点対称に設け，この光路を用いてウェハ高さを計測する高さ計測手段を設けた。
さらに，高さ計測手段の出力するウェハ高さを保持するメモリ手段とウェハの位置を計測するウェハ位置計測手段を設け，事前に計測した電子線光軸上でのウェハ表面高さよりＳＥＭのフォーカス位置制御を行えるようにした。更に事前に計測したウェハ表面高さと，リアルタイムに計測した表面高さをもとに，事前計測した結果からのずれ量を補正して，フォーカス位置を制御する機構を設けた。
【発明の効果】
【００２０】
本発明を用いて，表面電界制御電極をウェハに近接させた状態でウェハ高さ検出を行い，焦点合わせを行うことができるため，高画質のＳＥＭ像の撮像が可能になり，特に，配線幅が４５nm以降の半導体ウェハの検査・計測を実現することができる。
電子光学系光軸から一定距離以上離れた位置に光軸に対して非点対称に設けた高さ計測用の光路は，電子光学系光軸の電界に影響を与えることがなく，表面電界制御電極をウェハに近接化させることを実現した。また，メモリに記憶された事前に計測したウェハの高さと，リアルタイムに計測した高さをもとに事前計測した結果からのずれ量を補正してフォーカス位置を制御する機構は，長時間の検査，あるいは計測による，ＳＥＭが取り付けられている真空チャンバーの時間変化によるフォーカス位置の変動に対して安定なＳＥＭ像の撮像を実現した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１はＳＥＭ式の検査装置の全体構成図である。
【００２３】
検査装置全体は、電子光学系１０、テーブル系２０、検出系３０、画像処理系４０、高さ検出系５０、制御系６０、二次記憶装置１２１及び計算機１２３で構成され、ネットワーク１３８に接続している。
【００２４】
電子光学系１０は、電子銃１０１、コンデンサーレンズ１０２と１０３、偏向器１０５と１０６、対物レンズ１０７、表面電界制御板１３２、シールド電極１３３を備えている。
【００２５】
テーブル系２０は、ウェハホルダ１３４、XYステージ１１７，レーザ測長器等のステージ位置の計測手段１０４を備えている。
【００２６】
検出系３０は、ExB１１０、電子検出器１１１とA/D変換器１１２を備えている。
【００２７】
画像処理系４０は、分配手段１１３、記憶部（１）１１５と記憶部（２）１１６とを有する記憶手段１１４、アライメント手段１１９、差分算出手段１２０、差分大領域抽出手段１２２を備えている。
【００２８】
高さ検出系５０は、光パターン投影手段１２４、光パターン撮像手段１２５、パターン記憶手段１２６，高さ算出手段１２７、高さ算出結果格納バッファ１２８、面内高さ算出手段１２９，記憶手段１３０，高さデータ補正量算出器１３１を備えている。
【００２９】
制御系６０は、偏向制御手段１１８、シーケンス制御手段１３５、ステージ制御手段１３６，電子光学系制御手段１３７、焦点あわせ手段１３９を備えている。
【００３０】
上記した構成における各部の動作を以下に説明する。
電子銃１０１から発射された電子ビームは、１０２と１０３の２つのコンデンサーレンズを介した後，X偏向器１０５は，Y偏向器１０６で偏向したのち，対物レンズ１０７で、半導体ウェハ（以下、ウェハと記す）１０８の電子ビーム照射領域１０９に電子ビームを照射する。この電子ビームが照射された照射電子ビーム照射領域１０９からは二次電子と反射電子が発生し，対物レンズ１０７を介してExB１１０で偏向された後、電子検出器１１１で検出される。
【００３１】
表面電界制御板１３２は，電位をウェハ１０８に対して正または負に設定することができる。シールド電極１３３は，ウェハ１０８と同電位に設定されている。半導体ウェハ１０８は静電容量を用いてウェハを吸着するウェハホルダ１３４に保持される。Ａ／D変換器１１２は、電子検出器１１１から出力されたアナログ電気信号をデジタル信号化する。
【００３２】
分配手段１１３で、A/D変換器１１２から出力されたデジタル信号は記憶手段１１４の記憶部（１）１１５または記憶部（２）１１６の何れかに分配されて格納される。本実施例においては、記憶部（１）１１５に少なくとも比較を行う２つのダイで検出した信号を参照画像として格納し，記憶部（２）１１６に少なくとも比較を行う２つのダイで検出した信号を検査画像として格納する場合について述べる。
【００３３】
XYステージ１１７は，レーザ測長器等のステージ位置の計測手段１０４を備えている。偏向制御手段１１８にはステージ位置の計測手段１１７で計測されたXYステージ１１７の位置情報が入力され、Ｘ偏向器１０５とＹ偏向器１０６とを制御してウェハ１０８を一方向に連続的に移動させながら撮像するときに電子ビームをＸＹステージ１１７の移動方向と直交するように走査することにより，記憶手段１１４に二次元画像を格納する。
【００３４】
偏向制御手段１１８は， XYステージ１１７が移動中において，ステージ移動速度が変動した場合においても同一の画素サイズの画像が取得できるよう，X偏向器１０５とY偏向器１０６を微小調整する。なお，異なるモードにおいては，ＸＹステージ１１７を静止させた状態において，X偏向器１０５とY偏向器１０６とを視野に対して二次元にスキャンすることで，二次元画像を取得できるようにする。アライメント手段１１９は，この出力画像の正規化相関のピーク，あるいは２枚の画像の差分の２乗和の最小値，あるいは，差分の絶対値などの公知の位置あわせ技術をもとに参照画像と検査画像とのアライメントを行う。差分算出手段１２０は，アライメントの結果をもとに同一のパターン同士を比較して差分を算出する。
【００３５】
二次記憶装置１２１，検査パラメータを保存する。差分大領域抽出手段１２２は，二次記憶装置１２１に格納されている検査パラメータに対して差分算出手段１２０から出力される差分の大きさが大なる箇所を欠陥として出力する。なお，差分算出手段１２０より画像特徴が入力されている場合は，この差分算出手段１２０より入力された画像特徴をともに用いて判定しても良い。また，二次記憶装置１２１は記憶手段１１４の記憶部（１）１１５又は記憶部（２）１１６のいずれかの領域に格納された画像を入力して，格納できるように設定されており，更に，差分大領域抽出手段１２２で抽出された欠陥の座標や，差分算出手段１２０で出力される画像特徴を格納することも可能にする。１２３はGUI端末を有した計算機であり，ウェハマップ上に抽出したプロセス変動による影響を大きく受ける箇所の候補を表示する。また，計算機１２３は外部LAN１３８に接続されており，検査パラメータの入力や，取得画像，検査結果の出力を外部の装置に対して行うことができる。
【００３６】
光パターン投影手段１２４は，シールド電極１３３に設けられた光路を介し，ウェハ１０８の表面に光パターンを照明する。なお，光パターンとしては1本，あるいは複数の線パターンや，あるいは１つ，あるいは複数の点パターンを用いる。また，あるいは，線とパターンの組み合わせでも良い。光パターンはウェハ１０８の表面で電子光学系の光軸１０１０に対してずれて（離れて）照明される。本実施例では，電子光学系の光軸に対して15mm，ステージの走査方向にずらして照明する。また，垂直方向の照射角度はウェハ法線から80°に設定した。
【００３７】
光パターン撮像手段１２５は，光パターン投影手段１２４でウェハ１０８の表面に照明された光パターンを撮像する。パターン記憶手段１２６は，光パターン撮像手段１２５で撮像されたウェハ１０８の表面に照明された光パターンの画像を記憶する。高さ算出手段１２７は，パターン記憶手段１２６に記憶された画像に対して処理を行い，ウェハ１０８上に照射された線，あるいは点パターンの位置を求め，得られた位置をもとに高さ算出を三角測量の原理を用いて算出する。高さ算出結果格納バッファ１２８は，ステージ位置計測手段１０４の出力値をもとに高さ算出手段１２７で算出されたウェハ高さと，その高さが計測されたウェハ位置１５０とを対応付けて格納する。光パターン投影手段１２４と光パターン撮像手段１２５とを組合せたものを、以後、高さセンサと記載する。
【００３８】
なお，ウェハ１０８の高さが変動すると，光パターン投影手段１２４でウェハ１０８の表面に照明される光パターンの位置（高さが計測されるウェハ位置１５０）が変化し、光パターン撮像手段１２５で撮像するウェハ１０８上の光パターンの照射位置が水平方向に変化するので，この変化分を算出して，高さが計測された位置を決定する。
【００３９】
面内高さ算出手段１２９は，高さ算出結果格納バッファ１２８に格納された複数の高さ算出結果より，ウェハ全体，あるいはその部分的な領域の高さを算出する。面内高さ算出手段１２９で得られた面内高さのデータを格納する記憶手段１３０は，ステージ位置計測手段１０４の出力をもとに，格納するウェハ高さとその計測位置との対応がとれるように格納され，ステージ位置計測手段１０４の出力に基づき，電子光学系光軸１０１０に対応する（電子光学系光軸１０１０上の），既に格納しているウェハ高さデータを出力するようにしてある。
【００４０】
高さデータ補正量算出器１３１は，記憶手段１３０に格納されている事前に格納した高さデータと，その後の同一位置で取得した高さデータとを比較し，異なるタイミングで得られたデータ毎の比較をもとに事前に算出した高さデータを補正する。焦点あわせ手段１３９は，ＳＥＭの対物レンズの励磁電流を制御する機構を内蔵する。また，高さ算出結果格納バッファ１２８は焦点あわせ手段１３９にも直接接続されており，ステージ位置計測手段１０４の出力データに基づき，記憶手段１３０と同様に電子光学系光軸１０１０に対応する既に格納しているウェハ高さデータを出力するようにしてある。また，シーケンス制御手段１３５は，装置全体の動作を制御し，ステージ制御手段１３６は，シーケンス制御手段１３５のシーケンスに基づいてＸＹステージ１１７の移動を制御する。更に電子光学系制御手段１３７は，電子光学系１０のビーム電流や電子レンズ(対物レンズ１０７)の励磁電流を制御する。
【００４１】
図２の（ａ）と（ｂ）に表面電界制御板１３２の構造を示す。図２(a)は表面電界制御板１３２の斜視図、図２（ｂ）は平面図を示す。表面電界制御板１３２は，電子光学系光軸１０１０の近傍において，ウェハ１０８に近接させることでウェハ１０８に照射する電子ビームの収差を小さくする一方，高さ計測用の照明光，およびウェハ１０８からの反射光がこれにあたることを防ぐため，周辺部においてはウェハからの距離が大きくなるように基本形状は円錐形２０１とし，中心部に一次電子および二次電子を通過させる穴２０２を設ける。表面電界を均一にするという目的から，電子光学系光軸１０１０に近接した部分はウェハ１０８に対して平行，あるいは平行に近い面を持たせる。電子光学系光軸１０１０から離れた位置では，一次電子，あるいは二次電子に及ぼす影響が少ないため，回転対称であれば比較的形状の制約はなく，高さ計測用の照明光が当たるのを防ぐようなその他の形状，例えば，下に凸のドーム型のようにしてもよい。
【００４２】
図３（a）〜（ｃ）に光パターン投影手段１２４がウェハ１０８を照明する光パターンを示す。図３（a）の３０１は光パターンがポイントビームの場合，図３（ｂ）の３０２は光パターンがスリット光の場合，図３（ｃ）の３０３は複数ポイントビームの場合である。光パターンが図３（a）に示すようなポイントビーム３０１の場合，ウェハ１０８上の電子ビーム照射位置１０９に反射率の異なる物質が存在した場合，光パターンの照射位置において明度変化が発生するため，光パターン撮像手段１２５で検出するパターンの位置がずれてしまう。例えば，照明のNAが０．０５であり，光パターン投影手段１２４が照明する照明光が５３２nmのレーザ光であった場合，ビーム径は６．３μm程度になり，照明の入射角がウェハ法線に対して８０°である場合には，高さ誤差は３．２μm程度となる。このスペックは，本発明が対象としている高解像のＳＥＭ撮像の焦点深度（１μｍ以下）を大幅に超えているため適用できない。
【００４３】
ウェハ１０８上に形成される半導体デバイスのパターンは領域に応じたパターン密度の違いにより、水平方向，または垂直方向に反射率の異なる境界が存在する場合が多いため，図３（ｂ）の３０２に示したように，ウェハ１０８上に形成される半導体デバイスのパターンに対してスリット状の光パターンが斜めに投影されるようにするのがウェハ１０８の高さ検出において高い精度を得るためには適している。これは、反射率が異なるパターンの境界が斜めに投影されたスリット状の光パターンの照射面積に占める割合が図３（ａ）の場合に比べて大幅に低減し，高さ計測誤差が大幅に縮小するためである。また，図３（ｃ）の３０３に示すように複数のビームを照明した場合は，複数照明したビームのうち，反射率の異なる領域の境界面以外に照明した光ビームによる反射光を用いることで本誤差を解消することができる。この効果を最大にするためには，ビームが複数，半導体パターンに対して直交しないように照明する。
【００４４】
以下，図３（ｂ）のスリット光３０２をウェハ１０８を照明する光パターンとして採用する方式について述べる。スリット光３０２のスリット長手方向の幅は１mmとした。ウェハ１０８の高さ変動のレンジを８０μｍと仮定した場合、高さ変動によるスリット光３０２の反射光の光路の変化は１５０μｍである。スリットの方向はステージの走査方向に対して６０度傾いている状態に設定した。
【００４５】
図４にスリット光３０２の水平方向の入射角度を示す。４００はＳＥＭカラム，４０１は水平方向の入射角がステージ走査方向に対して６０度傾いている場合，４０２は７５度傾いている場合である。ＸＹステージ１１７をX方向に移動させた際に，高さ計測がされた後，ＳＥＭ撮像がされるように高さ計測位置１５０を設定する必要があるが，スリット光３０２の水平方向の入射角が９０度よりも小さい場合には，電子光学系の光軸１０１０に最も近接する位置はパターンが照明される位置と異なり，水平方向の入射角が４０１の場合は４０３，水平方向の入射角が４０２の場合は４０４の位置になる。そこで，高さ計測においては，この４０３の位置，４０４の位置における電極や対物レンズの磁路との干渉が問題になる。
【００４６】
電子光学系の光軸１０１０とスリット光照射位置との距離をΔX，水平方向の入射角をφとすると，もっとも近接する位置における電子光学系光軸１０１０からの距離Ｄは以下の式で表される。
Ｄ＝Δx sin φ      (数１)
このため，電極や対物レンズとの干渉を小さくするためにはφをなるべく９０度に近くすることが必要である。しかし，スリット光３０２を９０度入射に近づけると，ウェハ１０８の異なる反射率をもつ境界（パターン領域の境界）と同一方向になる確率が極めて高くなるため，高さ検出誤差を発生させやすくなる。そこで，本発明ではスリット光３０２を回転させて入射させることとした。
【００４７】
図５に示すようにスリット光３０２をψ回転させ，スリット光３０２の垂直方向入射角がθであると，ウェハ上のスリットの回転角Ψは以下の式で表される。
Ψ＝atan(tan ψ/sin θ)      (数２)
このため，水平方向の入射角φを大きくしても，スリット光３０２とステージ走査方向とのなす角度を小さくすることが可能である。本発明では，ψを２度に設定し，ウェハ１０８上でスリット光３０２が水平方向の入射角に対して-１４度の傾きをもつようにした。これにより，スリット光３０２の水平方向の入射角度は７４度にした場合にも，スリットの角度を６０度にすることが可能になった。
【００４８】
なお，このスリット光３０２が水平になるように検出するため，光パターン投影手段１２４は-２度の角度を持たせて実装する。これにより，本実施例で，光路の最も電子光学系の光軸に近づく位置はスリットサイズを含めて１３．４mmとなり，この位置における光路のウェハ１０８からの垂直方向の距離は，ウェハ１０８の高さ変動がレンジで最大８０μｍとした場合，約９００μｍとなる。そこで，本実施例では表面電界制御板１３２は電子光学系の光軸１０１０から１３．４mmの位置においてウェハ１０８から１mm以上離れるように設計した。
【００４９】
シールド電極１３３の構造を図６に示す。シールド電極１３３はウェハ１０８の端部のSEM画像を撮像する際に，ウェハ１０８の端部のへりの高さ変動等による電界の乱れを抑制するために設け，ウェハ１０８と同電位に設定する。表面電界制御板１３２が，時にはウェハ１０８に対して数KV高い電圧が設定されることがあるため，近接化すると放電を引き起こす可能性があるため，近接化には限界があるが，シールド電極１３３はウェハ１０８と同電位に設定するため，よりウェハ１０８に近づけることが可能であり，また，ウェハ１０８と近づけた方が光路による電界の乱れを抑制することができる。
【００５０】
図６（ｂ）に示した角孔６０１および角孔６０２はそれぞれ，シールド電極１３３の照明光を通過させるための光路である。角孔６０１の光路の設定には，スリット光３０２の照明，および検出系のNAを考慮する必要があり，ここでは，加工精度も考慮し，ともに１．３mm x ４００μmのサイズとし，ウェハ面とのギャップは０．５mmとした。
【００５１】
なお，本実施例ではシールド電極１３３に光路を設けたが，表面電界制御板１３２のサイズを大きくし，これに光路を設けることも可能である。ただし，表面電界制御板１３２に穴を設ける場合には，これに印加する電圧がウェハ電位と大きく異なっていることもあり，電界の乱れが大きくなる。このため，電界の乱れが電子線の照射エリアに影響を与えないよう，電子光学系の光軸１０１０から，スリット光３０２の照明位置１０９をより離す必要がある。
【００５２】
また，もうひとつの方法としては，シールド電極１３３に光路を設けず，表面電界制御板１３２とシールド電極１３３との間にスペースを設け，この間を光路としてスリットパターンの投影と検出を行う方法もあるが，これを行うと，シールド電極１３３の電子光学系光軸１０１０からの距離が大きくなりすぎ，ウェハ１０８の外周部を検査する際の安定性が欠如するという欠点がある。
【００５３】
図７に検査エリアを示す。一般にはウェハ１０８のエリア７０１の検査をする場合，ＳＥＭ画像を撮像する領域はエリア７０１のみであるが，本発明では高さ計測とＳＥＭ画像の撮像領域とが異なっているため，高さ計測位置とＳＥＭの電子光学系の光軸１０１０との距離に相当する１５mm分の領域である領域７０３のを加えた領域７０２でステージ走査を行う必要がある。また，図７において，矢印７１１のように左から右にＸＹステージ１１７を走査する場合には，高さ計測をした後にＳＥＭ撮像が可能であるが，矢印７１２のように右から左にＸＹステージ１１７の走査を行った場合にはＳＥＭ撮像の後に高さ計測がされる順番となるため，フォーカス制御を行うことが出来ない。
【００５４】
まず，領域７０２でＸＹステージ１１７を左から右に移動させて検査を行う場合には，高さ計測を行った場所のＳＥＭ撮像を行うまで時間遅れを持たせてフォーカス制御を行えばよい。ここで，ＸＹステージ１１７の移動スピードは必ずしも一定速度ではないことに注意が必要である。
【００５５】
本発明で述べる高さ計測は，特にＳＥＭ撮像を微小な，例えば５０nm以下の画素で撮像する場合，ＳＥＭ撮像では例えば１×１０５ピクセル／秒で動作可能なイメージセンサを用いた場合に５mm/s程度のステージ移動スピードであるのに対して，高さ計測は５００ｎｍ程度の画素サイズで５０mm/s程度のステージ移動スピードでも安定した高さ計測を行うことが可能であり，ステージ走査開始直後の，高さ計測のみを行う箇所や，チップ境界等の検査パターンが無い領域ではステージスピードを高くすることがスループット的に優位になる。この方式を採用することにより，高さ計測用に増加するＸＹステージ１１７の移動時間は一秒程度に抑えることが可能である。しかし，この制御を行った場合，ＸＹステージ１１７の移動スピードは複雑に変化するため，高さデータはステージ位置計測手段１０４の出力に基づきSEM撮像位置１０９と高さ計測位置との対応をとるようにした。このときの焦点制御は高さ算出結果収納バッファ１２８ に格納された高さ計測データで行われることになる。
【００５６】
電子光学系光軸１０１０と高さ計測位置との距離１５mmに対応する高さデータを計測する方法として，本実施例では更に，事前に計測した高さデータをもとに，スプライン関数などで内挿し，このデータを用いて焦点合わせを行う。すなわち本実施例においては、XおよびY両方向にずれた複数の位置で計測された高さデータをもとに内面高さ算出手段１２９で内挿関数を用いて任意の位置の高さを算出する。内挿関数を用いることにより，高さ計測取得時間を短縮することが可能である。算出した高さデータは記憶手段１３０に格納される。
【００５７】
図７に示した領域７０２に本実施例を適用した場合，矢印７１１のように左から右にＸＹステージ１１７を走査する場合には，ＸＹステージ１１７は領域７０３を事前に走査することになり，領域７０１のみ走査する。これにより，ＳＥＭ撮像位置１０９が領域７０１の一部である領域７０４にある場合には事前に内挿関数で算出されたデータである記憶手段１３０に格納された高さデータで焦点制御を行うことになり，ＳＥＭ撮像位置１０９が領域７０１の残りの部分である領域７０５にある場合には高さ算出結果格納バッファ１２８に格納された高さ計測データで焦点制御を行う。
【００５８】
高さ算出結果格納バッファ１２８に格納されたデータは，さらにそれより以前に取得された高さデータとともに，その近傍の領域の高さデータを内面高さ算出手段１２９において算出し，記憶手段１３０に格納する。
【００５９】
一方、矢印７１２のように領域７０２を右から左にＸＹステージ１１７を移動する場合には，隣接する検査領域で，既に高さデータが計測されて記憶手段１３０に格納されたデータを用いて焦点制御を行う。本実施例のＳＥＭの視野は６００μｍ以下であるのに対して，高さ計測器のスリット長は１mmであるため，検査領域が隣接している場合には，隣で得られた高さデータを用いて焦点制御を行っても問題はない。
【００６０】
領域７０２を矢印７１２のように右から左にＸＹステージ１１７ステージを移動する場合であっても，高さデータは計測し，高さ算出結果格納バッファ１２８に高さデータを格納し，それ以前に取得した高さデータとともに内挿演算に用いられ，記憶手段１３０に格納されたデータを更新する。領域７０３のような検査領域の長さが１５mmに満たない場合においては高さ計測領域とＳＥＭ撮像領域１０９が重ならないが，やはりこの場合にも事前に計測した高さデータをもとに，記憶手段１３０に格納された高さデータをもとに焦点制御を行う。
【００６１】
事前に格納された高さデータをもとに焦点制御を行う場合の課題は，高さデータ計測時間の差による高さ変動である。この主要因は大気圧および外気温変動による真空チャンバーの変形とウェハ自体の変形であり，実験をした結果，およそ1時間で数μｍ程度の変形をすることがあることがわかった。本発明が必要とする焦点あわせ精度は１μｍ以下であるため，この高さ変動は致命的である。
【００６２】
そこで，事前データがある場合には，事前の高さ計測データと，ＳＥＭ画像取得時に得られた高さ計測データを比較して，この変化量を求め，変化量を補正データとして，高さデータ補正量算出器１３１における補正量を決定する。これを図８を用いて説明する。ある時間X方向走査による高さ計測データと事前に得た計測データをそれぞれ，h(x,y,t)とし，また，その点に関する事前に計測した高さデータh(x,y,t0)が予め判っているものとする。
【００６３】
本発明の構成では，求める電子光学系光軸１０１０から，Δx離れた，h(x+Δx,y,t)はリアルタイムに計測することができるため，一般に必要になるのは，h(x,y,t)- h(x+Δx,y,t)の推定である。ここで，既にh(x,y,t0)-h(x+Δx,y,t0)は既値である。なお，h(x,y,t0)とh(x+Δx,y,t0)は同時に計測できるわけではないため，厳密には，この表記で高さの変動を示すことはできないが，ここではほぼ同一時刻を同じt0で表す。
【００６４】
(x,y,t)に最も近接した既に高さ計測を行った点，例えば，1ステージ走査前のｘ座標がほぼ同一位置の高さ，h(xn, yn,tn)を求めるようにする。なお，wx, wyを重み係数，f()を好適に設定した関数として，近接の尺度DLは例えば以下のようにして，算出する。
DL = Wx(xn-x)2+ wy (yn-y)2+f(t-tn)       (数３)
このとき，h(x,y,t)を例えば以下のように決定する。
h(x,y,t)=h(x+Δx,y,t)+h(x,y,t0)-h(x+Δx, y,t0)+ h(xn,yn,tn)
-( h(xn+Δx,yn,tn)+h(xn,yn,t0)-h(xn+Δx, yn,t0))        (数４)
この式は，事前に計測した高さデータを，既計測の時間および空間的な近傍高さデータにおける推定高さデータと実測高さデータとの差分による補正と考えることが可能であり，本演算を高さデータ補正量算出器１３１で実施する。
【００６５】
本演算を行うために，記憶手段１３０には同一の水平方向位置に対して複数のタイミングで得られた高さデータか，あるいは１つの高さデータとその差分を格納するようにする。なお，各点の高さデータの代わりに得られた高さデータより求めたフィッティング関数を記憶すれば，メモリ量を削減可能であるので，この形式で格納しても良い。
【００６６】
ウェハ１０８の端部で，高さセンサーがh(x+Δx,y,t)がウェハ１０８の端から出てしまっている場合においては，h(x,y,t)を算出する式は以下のように書き換えられる。
h(x,y,t)= h(x,y,t0)+ h(xn,yn,tn)-h(xn,yn,t0)         (数５)
（数５）は求める(x,y)の近傍(xn,yn)におけるウェハ高さの変動をもとに（数４）に対して時刻tにおいてリアルタイムに得られるデータが無い分，tnとtとの時間差が大きい場合には精度低下要因が増大する。このため，SEM撮像の直前にh(xn,yn,tn)を計測する必要があり，事前の計測に時間を要してしまう。そこで，同一のステージ走査であっても，リアルタイムの計測ができない場合のみ(数５)を用い，リアルタイムに高さ計測ができる領域に入った後は，（数４）を用いて焦点制御をするように設定した。
【００６７】
以上説明した制御により，事前のt0の時間に得たウェハ高さデータのみではなく，リアルタイムに得られた高さデータと，さらには求める高さ位置に最も近接した高さデータも用いて高さ推定を行うことが可能となるため，高精度な焦点合わせを実現することができる。
【００６８】
なお，より高い精度で焦点合わせをするには，h(xn, yn, tn)やh(x,y,t0)等の高さデータを，近傍で得られた複数のデータの平均値などにすることも，一般性を失わずに実施することができる。また，例えばウェハ上の少数の点で高さを計測し，これをスプライン補間や，二次関数補間をおこなったものを事前のt0の時間に得たウェハ高さデータとするのが，検査前のオーバーヘッドを低減するために望ましい。なお，上記に示した計算を実行するためには，同一地点における異なった時間での高さを記憶しておくことが必要であり，このため，高さデータ格納手段である高さ算出結果格納バッファ１２８と記憶手段１３０に格納されるデータは，これを組み合わせた場合に同一地点における異なるタイミングのウェハ高さ情報として記憶するようにした。
［第１の実施例の変形例］
上記に説明した実施例においては、ＸＹステージ１１７を走査しながらＳＥＭ画像を得る方式について述べてきた。次に、その変形例として、例えば、他の検査装置でウェハ１０８を検査して検出された複数の欠陥を順次観察するレビューＳＥＭや、ウェハ１０８上に形成されたパターンの寸法を複数の箇所について順次計測する側長ＳＥＭのように、ＸＹステージ１１７を間歇的に移動、即ちステップ・アンド・リピートで移動させてウェハ１０８上の所望の領域を順次撮像するときに第１の実施例で説明したのと同様の方式で焦点合わせを行う場合について説明する。
【００６９】
この変形例においては，事前のt0においてウェハ高さデータを取得しないので，ＳＥＭ撮像の直前に高さを計測し，この位置で高さをあわせることが必要である。ＳＥＭ撮像に用いるＳＥＭ装置の電子光学系１０、テーブル系２０、検出系３０、高さ検出系５０の構成は、図１で説明したものと同じであるが、画像処理系４０と制御系６０とは多少構成が異なる。本変形例における画像処理系４１と制御系６１との構成を図１６に示す。
【００７０】
画像処理系４１は、記憶手段４１１と画像処理部４１２とを備え、レビューＳＥＭの場合、画像処理部４１２では検査対象領域のＳＥＭ画像から欠陥の画像を抽出する。一方、側長ＳＥＭの場合は、画像処理部４１２では検査対象領域のＳＥＭ画像から計測対象パターンの寸法を算出する。
【００７１】
一方、制御系６１は、偏向制御手段６１１８、シーケンス制御手段６１３５、ステージ制御手段６１３６，電子光学系制御手段６１３７、焦点あわせ手段６１３９を備えている点において第１の実施例の場合と同じであるが、シーケンス制御手段６１３５およびステージ制御手段６１３６はそれぞれレビューＳＥＭ又は側長ＳＥＭに応じた制御を行い、ＸＹステージ１１７をステップ・アンド・リピートで移動させてウェハ１０８の所望の領域を順次撮像する。
【００７２】
このときのシーケンスを図１５（ａ）と（ｂ）とを用いて説明する。図１５（ａ）と図１５（ｂ）とは、対応する処理フローを示し、図１５（ａ）は図で、図１５（ｂ）はフローチャートで示す。撮像する点数が少ない場合においてはＳＥＭ撮像の度に，まず高さセンサー（光パターン投影手段１２４と光パターン撮像手段１２５とを組合せたもの）でＳＥＭ撮像位置１０９の高さを計測可能なようにＸＹステージ１１７の位置を移動し（Ｓ１５０１），次いで，高さ計測を行う（Ｓ１５０２）。その後，ＳＥＭ撮像位置１０９がＳＥＭで撮像できる範囲になるようＸＹステージ１１７を再度移動し(Ｓ１５０３)，その位置においてＳＥＭ撮像を行う（Ｓ１５０４）。最良のスループットを得るため，１５０２においてはＸＹステージ１１７を停止させることなく，移動をさせながら高さ計測を行うことが望ましい。
【００７３】
また，異なる実施形態としては，レビューＳＥＭ又は側長ＳＥＭにおいてＳＥＭの撮像視野内にウェハ１０８上の観察箇所又は計測箇所が入るようにＸＹステージ１１７を移動させ，Δｘ離れた位置でリアルタイムに計測した高さデータを用いて焦点合わせをすることも可能である。特に測長ＳＥＭや欠陥レビューＳＥＭにおいては，ＳＥＭ撮像の際にはＳＥＭの画像をもとにしたオートフォーカスであるＳＥＭ AFを行い，1μｍ未満の精度を不要とすることで，この問題を解決することができる。図１に示した本実施例においては、ウェハ１０８を静電容量式の吸着機構を備えるウェハホルダ１３４で保持する構成になっているので，ΔXが１５mm程度離れても，その高さ変化量を1μｍ程度以下に抑えることができ，ＳＥＭ  ＡＦを行う場合の初期値決めには問題がない。
【００７４】
少数の事前高さ計測結果をもとにステップ・アンド・リピートのステージ移動を行ってＳＥＭ画像を取得する例として，測長ＳＥＭに適用した場合のシーケンスを図１３に示す。
【００７５】
まず，ウェハ１０８全体の高さ分布を求めるため，ウェハ１０８上に均一に設定した複数点，例えば図１４（ａ）に黒丸１４０１に示す１３点程度の位置で，高さデータが取得できるようＸＹステージ１１７を移動し(１３０１)，高さデータを取得する(１３０２)。なお，ＸＹステージ１１７を間欠的に移動させると計測点に対して計測時間が増大してしまうため，図１４（ｂ）に複数のライン１４０２に示すように，ライン状にステージを移動させながら，高さを計測しても良い。
【００７６】
次いで，予め定められたアライメントマーク複数点（3点程度）が高さ計測できるよう，ステージを移動し（１３０３），高さ計測を行い（１３０４），次いでアライメントマークがＳＥＭ撮像できるようステージを移動し（１３０５），１３０４で得られた高さ計測結果よりＳＥＭ ＡＦのレンジを決定して，ＳＥＭ ＡＦを行う（１３０６）。ＳＥＭ ＡＦでは，焦点位置を互いにずらしてＳＥＭ撮像を行い，その画像の高周波数成分をエッジ検出で求め，この度合いを焦点測度とし，このピークを合焦位置とする方式を採用する。
【００７７】
合焦点位置に焦点をあわせてアライメントマークのＳＥＭ撮像を行い（１３０７），所定のアライメント位置と撮像したＳＥＭ像より得られたアライメントマーク位置のずれ量をもとにウェハライメントを行う（１３０８）。次いで，高さデータ取得ステップ１３０２と高さ計測ステップ１３０４で得られた高さデータを用いてウェハ１０８全体の高さデータの分布を二次関数フィッティングで演算し，初期データh(x,y,t0)を算出する（1309）。さらに，アライメントマーク位置におけるＳＥＭ ＡＦ次いで，測長ポイントの撮像を行う。
【００７８】
まず，各測長ポイントの近傍に設けたＳＥＭ  ＡＦポイントとＳＥＭの電子光学系の光軸１０１０が一致するようにＸＹステージ１１７を移動し(１３１０)，高さ計測を行う(１３１１)。次いで，式(1)を用いて既計測データよりもっとも近接したデータを探索し（１３１２），式(２)を用いてＳＥＭ光軸位置１０１０におけるウェハ１０８の高さを推定する(１３１３)。ウェハ高さをもとに，ＳＥＭ ＡＦをかけるレンジを設定し，ＳＥＭ ＡＦを行う(１３１４)。次いで，ＳＥＭ ＡＦを行った位置から，一次ビームの偏向範囲内に設定した望ましくはユニークな形状のパターンであり，微小アライメントを行うアライメントポイントのＳＥＭ像を撮像し（１３１５），予め定めておいたアライメント位置と比較して位置ずれ補正を行う。
【００７９】
ついで，パターン幅を測長するパターンの位置に，視野を移動して画像を撮像し(１３１６)，得られた画像からパターン幅を計測すればよい。なお，１３１６は一次ビームの変更範囲内にあるため，視野移動のためのステージ移動は不要である。１３１７にて，測長ポイントのＳＥＭ画像をもとに，所定の位置のパターン幅，パターン間距離等の計測を行う。
【００８０】
なお，ここでは測長ＳＥＭを例にとりステップ・アンド・リピートのステージ移動をする装置での適用例を示したが，例えば欠陥レビューＳＥＭの場合においても，測長ポイントを検査装置が出力する欠陥座標に置き換えれば，同様のシーケンスで欠陥の高倍画像を自動的に撮像するADR（Automatic Defect Review）を構成することができる。
【実施例２】
【００８１】
本発明の第２の実施例を図９及び１０を用いて説明する。先ず、図９に第２の実施例に係るＳＥＭ装置の構成を示す。９０１は電子源であり，９０２，９０３の２つの電磁レンズを用いて電子ビームを平行に整える。９０４は開口を二次元に配列した第1のアパーチャアレイであり，一次ビームを複数に分割する。本実施例では開口数は４であり，一次ビームは4本に分割される。９１１はレンズアレイであり，一次ビームを収束させる。９１２は第２のアパーチャアレイであり，第２のアパーチャアレイ９１２の位置で収束しなかった電子を遮断させる効果をもつ。９１３は電磁レンズである。９1４はＸ偏向器，9１５はＹ偏向器であり，電子ビームを偏向させ，ウェハ９０８上面で一次電子の走査を制御する。９1６はExBであり，一次電子は偏向させず，二次電子を検出器の方向に偏向させる。９1７は電磁レンズであり，ウェハ９０８上面に第２のアパーチャアレイ９１２の像を縮小光学系で結像させる。９１８は電磁レンズ，９１９はアパーチャであり，電磁レンズ９１８とアパーチャ９１９との組み合わせにより，二次電子の放出方向が著しくウェハ法線からはずれているものを遮断する。
【００８２】
９２０，９２１，９２2，９２3はそれぞれ検出器である。検出器９２０〜９２3の出力はそれぞれA/D変換器９２４〜９２７でデジタル信号に変換された後，画像生成手段９２８で，A/D変換器９２４〜９２７の出力すべてを用いて1枚の画像を生成する。画像生成手段９２８で生成された画像は分配手段９１１３に転送され、記憶手段９１１４の記憶部（１）９１１５または記憶部（２）９１１６の何れかに格納される。本実施例においては、記憶部（１）９１１５に少なくとも比較を行う２つのダイで検出した信号を参照画像として格納し，記憶部（２）９１１６に少なくとも比較を行う２つのダイで検出した信号を検査画像として格納する場合について述べる。
【００８３】
９１１７はＸＹステージであり，レーザ測長器等のステージ位置の計測手段９１０４を備えている。９１１８は偏向制御手段で、ステージ位置の計測手段９１０４で計測されたＸＹステージ９１１７の位置情報が入力され、Ｘ偏向器９１４とＹ偏向器９１５とを制御してウェハ９０８を一方向に連続的に移動させながら撮像するときに電子ビームをＸＹステージ９１１７の移動方向と直交するように走査することにより，記憶手段９１１４に二次元画像を格納する。偏向制御手段９１１８は， ＸＹステージ９１１７が移動中において，ステージ移動速度が変動した場合においても同一の画素サイズの画像が取得できるよう，X偏向器９１４とY偏向器９１５を微小調整する。なお，異なるモードにおいては，ＸＹステージ９１１７を静止させた状態において，X偏向器９１４とY偏向器９１５とを視野に対して二次元にスキャンすることで，二次元画像を取得できるようにする。９１１９はアライメント手段であり，第１の実施例の場合と同様に参照画像と検査画像とのアライメントを行う。９１２０は差分算出手段であり，アライメントの結果をもとに同一のパターン同士を比較して差分を算出する。
【００８４】
９１２１は二次記憶装置であり，検査パラメータを保存する。９１２２は差分大領域抽出手段であり，二次記憶装置９１２１に格納されている検査パラメータに対して差分算出手段９１２０から出力される差分の大きさが大なる箇所を欠陥として出力する。なお，差分算出手段９１２０より画像特徴が入力されている場合は，この差分算出手段９１２０より入力された画像特徴をともに用いて判定しても良い。また，二次記憶装置９１２１は記憶手段９１１４の記憶部（１）９１１５又は記憶部（２）９１１６のいずれかの領域に格納された画像を入力して，格納できるように設定されており，更に，差分大領域抽出手段９１２２で抽出された欠陥の座標や，差分算出手段９１２０で出力される画像特徴を格納することも可能にする。９１２３はGUI端末を有した計算機であり，ウェハマップ上に抽出したプロセス変動による影響を大きく受ける箇所の候補を表示する。また，計算機９１２３は外部LAN９１３８に接続されており，検査パラメータの入力や，取得画像，検査結果の出力を外部の装置に対して行うことができる。
【００８５】
９１２４は光パターン投影手段であり，第１の実施例の場合と同様にシールド電極９１３３に設けられた光路を介し，ウェハ９０８の表面に光パターンを照明する。なお，光パターンとしては第１の実施例と同様に1本，あるいは複数の線パターンや，あるいは１つ，あるいは複数の点パターンを用いる。また，あるいは，線とパターンの組み合わせでも良い。光パターンはウェハ９０８の表面で電子光学系の光軸９０１０に対してずれて照明される。本実施例では，電子光学系の光軸９０１０に対して１５mm，ステージの走査方向にずらして照明する。また，垂直方向の照射角度はウェハ法線から８０°に設定した。
【００８６】
９１２５は光パターン撮像手段であり，光パターン投影手段９１２４でウェハ９０８の表面に照明された光パターンを撮像する。高さ検出系９５０の９１２６はパターン記憶手段であり，光パターン撮像手段９１２５で撮像されたパターンを記憶する。９１２７は高さ算出手段であり，第１の実施例と同様に光パターン画照射されたウェハ９０８の高さを算出する。９１２８は高さ算出結果格納バッファであり，ステージ位置計測手段９１０４の出力値をもとに高さ算出手段９１２７で算出されたウェハ高さと，その高さが計測されたウェハ位置９１５０とを対応付けて格納する。なお，ウェハ９１０８の高さが変動すると，光パターン投影手段９１２４でウェハ９０８の表面に照明される光パターンの位置（高さが計測されるウェハ位置９１５０）が変化し、光パターン撮像手段９１２５で撮像するウェハ９０８上の光パターンの照射位置が水平方向に変化するので，この変化分を算出して，高さが計測された位置を決定する。
【００８７】
９１２９は面内高さ算出手段であり，高さ算出結果格納バッファ９１２８に格納された複数の高さ算出結果より，ウェハ全体，あるいはその部分的な領域の高さを算出する。９１３０は記憶手段であり第１の実施例の場合と同様に面内高さ算出手段９１２９で得られた面内高さのデータを格納する。９１３１は高さデータ補正量算出器であり，第１の実施例の場合と同様に事前に算出した高さデータを補正する。
【００８８】
制御系９６０の９１３２は焦点あわせ手段であり，ＳＥＭの対物レンズ９１７の励磁電流を制御する機構を内蔵する。また，高さ算出結果格納バッファ９１２８は焦点あわせ手段９１３２にも直接接続されており，ステージ位置計測手段９１０４の出力データに基づき，記憶手段９１３０と同様に電子光学系光軸９０１０に対応する既に格納しているウェハ高さデータを出力するようにしてある。また，９１３５はシーケンス制御手段であり，装置全体の動作を制御し，９１３６はステージ制御手段であり，シーケンス制御手段９１３５のシーケンスに基づいてステージの移動を制御する。更に９１３７は電子光学系制御手段であり，電子光学系のビーム電流や電子レンズ(対物レンズ９１７，９１８)の励磁電流を制御する。
【００８９】
図１０に本実施例で取得する画像を示す。１００１〜１００４は、ステージを走査しながらステージの走査方向に直交する方向に電子ビームを走査した場合の各検出器が取得するＳＥＭ像の対応する位置であり，それぞれ，X,Y方向に位置がずれている。そこで，９２８の画像生成手段でそれぞれの位置ずれを考慮して，1枚の画像を生成する。これ以外の処理は図１の構成で説明した処理に準じる。
【実施例３】
【００９０】
図１１に図１の構成に対して，更に高さ計測手段を複数設けた場合の実施例を示す。図１の構成とは，１１０１の光パターン投影手段および１１０２の光パターン撮像手段が更に備えられていることが異なっている。また，１３３のシールド電極には，図６に示したような１２５の光パターン投影手段と１２６の光パターン撮像手段に対するの光路６０１および６０２に加えて，１１０１の照明光を透過させる光路と１１０２に反射光を通す光路が新たに空けられている（図示を省略する）。図１２に上側からみた光パターン投影手段と光パターン撮像手段の配置を示す。光パターンの投影位置は電子光学系光軸のX方向の右，および左側に照明できるようになっており，いずれの方向からステージを移動させた場合においても，SEMの撮像位置の高さを予め計測できるようになっている。１２８の高さ算出結果格納バッファには，１１０２の出力と１２７の出力の両方が入力される。１２８の高さ算出結果格納バッファには，１１０２の出力と１２７の出力の両方が格納されるモードと，１１０２と１２７の高さ計測位置の中央の位置，すなわち，ほぼ電子光学系光軸位置で取得されたデータとして，その１１０２と１２７の平均値を格納するモードの２つを持たせる。なお，２つの高さ計測のうち，一方のみがウェハの外にでた場合には，平均値を格納するのではなく，ウェハ内で算出したにある高さ算出結果のみを格納する。
【００９１】
実施例１，２，３については，光学式の高さ検出手段をビーム光軸とずらして設置する構成について述べてきたが，この光学式の高さ検出手段をその他の高さ検出手段に変更したとしても，同様の機能を実現することができる。例えば，図１，あるいは図９の１２５と１２６の組による高さ計測を静電容量センサーに変更したとしても，図１の １２７，１２８，１２９，１３０，１３１の機能を同一にして，ＳＥＭの焦点制御を行うことができる。あるいは図１１においては１２５と１２６の組による高さ計測以外に，もう１つの高さ検出手段である１１０１と１１０２の組を静電容量センサーに変更することにより，２組の高さ検出手段による焦点制御を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】第１の実施例におけるSEM式検査装置の概略の構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施例における表面電界制御電極の一例である。
【図３】第１の実施例におけるウェハ上に照明された光パターンの例である。
【図４】第１の実施例における高さ検出器の光路の説明図である。
【図５】高さ検出器におけるスリットの照明方法である。
【図６】第１の実施例におけるシールド電極の一実施例である。
【図７】検査エリアと焦点合わせ方法の説明図である。
【図８】高さ推定方法を説明する図である。
【図９】第２の実施例におけるSEM装置の概略の構成を示すブロック図である。
【図１０】画像撮像エリアの説明図である。
【図１１】第３の実施例におけるSEM装置の概略の構成を示すブロック図である。
【図１２】高さ検出器の光路の説明図である。
【図１３】測長SEMのシーケンス図である。
【図１４】ウェハ上の初期高さ計測位置の例を示す図である。
【図１５】ステージをステップ アンド リピートで移動させながら試料を撮像する場合の  撮像シーケンスを説明する図である。
【図１６】第１の実施例の変形例を示すSEMシステムの構成図である。
【符号の説明】
【００９３】
１０１・・・電子源    １０２、１０３・・・コンデンサーレンズ    １０４・・・ステージ一計測手段    1０５・・・Ｘ偏向器        １０６・・・Ｙ偏向器    １０７・・・対物レンズ    １０８・・・半導体ウェハ    １１１・・・電子検出器    １１３・・・分配手段    １１４・・・記憶手段    １１７・・・ＸＹステージ    １１８・・・偏向制御系    １２０・・・差分算出手段    １２２・・・差分大領域抽出手段    １２４・・・光パターン投影手段    １２５・・・光パターン撮像手段    １２６・・・パターン記憶手段    １２７・・・高さ算出手段    １２８・・・高さ算出結果格納バッファ    １２９・・・面内高さ算出手段    130・・・記憶手段    １３１・・・高さデータ補正量算出器    １３２・・・表面電界制御板    １３３・・・シールド電極    １３５・・・シーケンス制御手段    １３６・・・ステージ制御手段    １３７・・・電子光学系制御手段    １３９・・・ 焦点あわせ手段
【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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【図１５】
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【図１６】
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