(57)【要約】【課題】ＳＥＭ画像に欠陥に由来する輝度ムラが発生した場合であっても、正確な凹凸情報を有する３次元画像を生成できるパターン検査方法及びパターン検査装置を提供する。【解決手段】観察対象パターンが形成された欠陥観察領域から、観察対象パターンのエッジ方向の電子検出器の差分値から第１の差分画像を生成し、その第１の差分画像を積分処理して、欠陥の３次元形状を求める。次いで、観察対象パターンと同一形状の参照パターンを含む参照観察領域において、参照パターンのエッジ方向に直交する方向の電子検出器の差分値から第２の差分画像を生成し、その第２の差分画像を積分処理して参照パターンの３次元形状を求める。その後、欠陥の３次元形状と参照パターンの３次元形状とを合成して欠陥を含む観察対象パターンの３次元形状を求める。【選択図】図８
2014211313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次電子ビームの光軸の周囲に複数の電子検出器が配置された走査型電子顕微鏡を用いたパターン検査方法であって、
欠陥を有する観察対象パターンを含む欠陥観察領域を設定するステップと、
前記欠陥観察領域で前記１次電子ビームを走査させ、前記複数の電子検出器のそれぞれのＳＥＭ画像を取得するステップと、
前記観察対象パターンのエッジが延在する方向と同一方向に配置された前記電子検出器のＳＥＭ画像の差分をとった第１の差分画像を取得するステップと、
前記観察対象パターンと同じ形状の参照パターンを含む参照観察領域を設定するステップと、
前記参照観察領域で前記１次電子ビームを走査させ、前記複数の電子検出器のそれぞれのＳＥＭ画像を取得するステップと、
前記参照パターンのエッジの延在する方向と直交する方向に配置された前記電子検出器のＳＥＭ画像の差分をとって第２の差分画像を取得するステップと、
前記第１の差分画像と前記第２の差分画像とに基づいて、前記観察対象パターンの３次元形状を再現するステップと、
を有することを特徴とするパターン検査方法。
【請求項２】
前記３次元形状を再現するステップは、
前記第１の差分画像を前記観察対象パターンのエッジが延在する方向に積分処理して前記欠陥の３次元形状を生成するステップと、
前記第２の差分画像を前記参照パターンのエッジの延在する方向と直交する方向に積分処理して前記参照パターンの３次元形状を生成するステップと、
前記第１の差分画像の積分処理結果と前記第２の差分画像の積分処理結果とを加算するステップと、
を有することを特徴とする請求項１に記載のパターン検査方法。
【請求項３】
前記欠陥観察領域は、欠陥の位置を表す欠陥位置座標データにおいて欠陥があるとされた部分に設定され、前記参照観察領域は前記欠陥位置座標データにおいて欠陥がないとされた部分に設定されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパターン検査方法。
【請求項４】
試料の表面において、欠陥を有する観察対象パターンが存在する部分に欠陥観察領域を設定するとともに、前記観察対象パターンと同一の形状の参照パターンを有し且つ欠陥のない部分に参照観察領域を設定する観察領域設定部と、
前記欠陥観察領域及び参照観察領域で１次電子ビームを走査させる電子走査部と、
前記１次電子ビームの光軸の周りに配置され、前記１次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電子を検出する複数の電子検出器と、
前記複数の電子検出器の各々の検出信号に基づく複数のＳＥＭ画像を生成する信号処理部と、
前記複数のＳＥＭ画像に基づいて前記観察対象パターンの三次元形状を算出する解析部とを有するパターン検査装置であって、
前記解析部は、
前記欠陥観察領域について、前記観察対象パターンのエッジが延在する方向と同一方向に配置された前記電子検出器のＳＥＭ画像の差分をとった第１の差分画像に基づいて前記欠陥の３次元形状を生成するステップと、
前記参照観察領域について前記参照パターンのエッジが延在する方向と直交する方向に配置された前記電子検出器のＳＥＭ画像の差分をとった第２の差分画像に基づいて前記参照パターンの３次元形状を生成するステップと、
前記欠陥の３次元形状と前記参照パターンの３次元形状とを合成するステップと、
により前記観察対象パターンの３次元形状を再現することを特徴とするパターン検査装置。
【請求項５】
前記解析部は、前記第１の差分画像を前記観察対象パターンのエッジが延在する方向に積分処理して前記欠陥の３次元形状を生成するとともに、前記第２の差分画像を前記参照パターンのエッジの延在する方向と直交する方向に積分処理して前記参照パターンの３次元形状を生成することを特徴とする請求項４に記載のパターン検査方法。
【請求項６】
前記解析部は、前記第１の差分画像の積分処理結果と、前記第２の差分画像の積分処理結果とを加算することにより前記観察対象パターンの３次元形状を再現することを特徴とする請求項５に記載のパターン検査方法。
【請求項７】
前記観察領域設定部は、欠陥の位置を示す欠陥座標データを参照して欠陥が有ると判定された部分に前記欠陥観察領域を設定し、欠陥が無いと判定された部分に前記参照観察領域を設定することを特徴とする請求項４乃至請求項６の何れか１項に記載のパターン検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、電子ビームを走査させて得られる二次電子像からパターンの３次元形状を求めるパターン検査方法及びパターン検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体装置や半導体製造用のフォトマスクの高密度化及び微細化に伴い、それらの基板上に形成されるパターンの形状、深さ、高さ、及び側壁の傾斜角といったパターン形状の微細な変化も製品に大きな影響を与える。そのため、パターンの寸法及び形状を高精度に測定する欠陥検査技術が求められている。
【０００３】
ウェハやフォトマスクの欠陥検査では、まず、スループットの高い光学式の検査装置を用いた検査を行う。この光学式の検査装置によれば、例えば１０ｎｍ以下といった微細な欠陥を検出することができる。しかし、解像度の制約により、光学式の検査装置では欠陥の形状までは判別できない。
【０００４】
そこで、光学式の検査装置で欠陥が検出された場合、次の検査工程（欠陥レビュー工程）で欠陥の位置、形状及び大きさを確認する。この欠陥レビュー工程では、一般的に走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope; SEM）が用いられている。走査型電子顕微鏡によれば、光学式の検査装置では捉えきれない微細な欠陥の形状を測定できる。
【０００５】
走査型電子顕微鏡を用いた欠陥の観察方法としては、１次電子ビームの周囲に配置された複数の電子検出器を用いる方法がある。この方法では、各電子検出器を用いて取得した画像（ＳＥＭ画像）の差分を取ることで、欠陥部分を含む試料表面の３次元形状を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平３−１９３６４５号公報
【特許文献２】特開２０１２−１１２９２７号公報
【特許文献３】特開２００７−２２５５３１号公報
【特許文献４】特開２００７−１２９０５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
走査型電子顕微鏡でパターンを観察した場合において、パターンに欠陥などがあると、ＳＥＭ画像に電子ビームの走査方向と同じ方向に延びた輝度ムラが発生することがある。このような場合に、複数の電子検出器で得られた画像の差分を取って試料表面の３次元形状を再現すると、輝度ムラが影響し、本来存在しないはずの凹凸が現れてしまう場合がある。その結果、走査型電子顕微鏡による観察では正確な凹凸情報が得られなくなってしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、ＳＥＭ画像に欠陥等に由来する輝度ムラが発生した場合であっても、正確な凹凸情報を有する３次元画像を生成できるパターン検査方法及びパターン検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一観点によれば、１次電子ビームの光軸の周囲に複数の電子検出器が配置された走査型電子顕微鏡を用いたパターン検査方法であって、欠陥を有する観察対象パターンを含む欠陥観察領域を設定するステップと、前記欠陥観察領域で前記１次電子ビームを走査させ、前記複数の電子検出器のそれぞれのＳＥＭ画像を取得するステップと、前記観察対象パターンのエッジが延在する方向と同一方向に配置された前記電子検出器のＳＥＭ画像の差分をとった第１の差分画像を取得するステップと、前記観察対象パターンと同じ形状の参照パターンを含む参照観察領域を設定するステップと、前記参照観察領域で前記１次電子ビームを走査させ、前記複数の電子検出器のそれぞれのＳＥＭ画像を取得するステップと、前記参照パターンのエッジの延在する方向と直交する方向に配置された前記電子検出器のＳＥＭ画像の差分をとって第２の差分画像を取得するステップと、前記第１の差分画像と前記第２の差分画像とに基づいて、前記観察対象パターンの３次元形状を再現するステップと、を有するパターン検査方法が提供される。
【００１０】
また、別の一観点によれば、試料の表面において、欠陥を有する観察対象パターンが存在する部分に欠陥観察領域を設定するとともに、前記観察対象パターンと同一の形状の参照パターンを有し且つ欠陥のない部分に参照観察領域を設定する観察領域設定部と、前記欠陥観察領域及び参照観察領域で１次電子ビームを走査させる電子走査部と、前記１次電子ビームの光軸の周りに配置され、前記１次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電子を検出する複数の電子検出器と、前記複数の電子検出器の各々の検出信号に基づく複数のＳＥＭ画像を生成する信号処理部と、前記複数のＳＥＭ画像に基づいて前記観察対象パターンの三次元形状を算出する解析部とを有するパターン検査装置であって、前記解析部は、前記欠陥観察領域について、前記観察対象パターンのエッジが延在する方向と同一方向に配置された前記電子検出器のＳＥＭ画像の差分をとった第１の差分画像に基づいて前記欠陥の３次元形状を生成するステップと、前記参照観察領域について前記参照パターンのエッジが延在する方向と直交する方向に配置された前記電子検出器のＳＥＭ画像の差分をとった第２の差分画像に基づいて前記参照パターンの３次元形状を生成するステップと、前記欠陥の３次元形状と前記参照パターンの３次元形状とを合成するステップと、により前記観察対象パターンの３次元形状を再現するパターン検査装置が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
上記観点によれば、欠陥部分の３次元形状とパターン部分の３次元形状とを別々に求め、それぞれの３次元形状を合成することにより欠陥を含む観察対象パターンの３次元形状を求めている。これにより、欠陥部分に由来する輝度ムラが生じていても、輝度ムラに由来する窪みや突起のない３次元形状が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施形態に係るパターン評価装置のブロック図である。
【図２】図２は、図１のパターン評価装置の電子検出器の配置を示す斜視図である。
【図３】図３は、観察領域の一例を示す平面図である。
【図４】図４は、図３の観察領域を図１のパターン評価装置で観察した結果を示すＳＥＭ画像である。
【図５】図５は、図４の観察領域の差分画像である。
【図６】図６は、図５の差分画像を積分処理して観察領域の３次元形状を再現した結果を示す図である。
【図７】図７は、実施形態に係るパターン評価方法を示すフローチャートである。
【図８】図８は、欠陥観察領域と電子検出器の配置を示す平面図である。
【図９】図９は、図８の欠陥観察領域の差分画像（第１の差分画像）に現れるパターンを示す図である。
【図１０】図１０は、参照観察領域と電子検出器の配置を示す図である。
【図１１】図１１は、図１０の参照観察領域の差分画像（第２の差分画像）に現れるパターンを示す図である。
【図１２】図１２は、図９の第１の差分画像の積分処理により得られる３次元形状を示す斜視図である。
【図１３】図１３は、図１１の第２の差分画像の積分処理により得られる３次元形状を示す斜視図である。
【図１４】図１４は、図１２の３次元形状データと図１３の３次元形状データとを合成して得られる３次元形状を示す斜視図である。
【図１５】図１５は、実験例に係る欠陥観察領域の電子顕微鏡像である。
【図１６】図１６は、実験例に係る参照観察領域の電子顕微鏡像である。
【図１７】図１７は、実験例に係る欠陥観察領域の差分画像である。
【図１８】図１８は、実験例に係る参照観察領域の差分画像である。
【図１９】図１９は、図１７の差分画像の積分処理によって得られる３次元形状を示す図である。
【図２０】図２０は、図１８の差分画像の積分処理によって得られる３次元形状を示す図である。
【図２１】図２１は、図１９の３次元形状のデータ及び図２０の３次元形状のデータを合成して得られる３次元形状を示す図である。
【図２２】図２２は、図１５の欠陥観察領域を原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscopy; AFM）により観察した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施形態について添付の図面を参照しつつ説明する。
【００１４】
図１は、実施形態に係るパターン検査装置のブロック図であり、図２は図１のパターン検査装置の電子検出器の配置を示す斜視図である。
【００１５】
図１に示すように、パターン検査装置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３ａを照射する電子走査部１と、電子走査部１及びチャンバー２内の機器の制御並びに測定データの処理を行う制御部１０１とを備える。
【００１６】
電子走査部１は、電子銃３を備え、電子銃３からは電子ビーム３ａが放出される。この電子ビーム３ａ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による焦点合わせを経て試料８の表面に照射される。
【００１７】
また、電子走査部１には４つの電子検出器１ａ〜１ｄが設けられている。
【００１８】
図２に示すように、電子検出器１ａ〜１ｄは試料８の観察領域１２の上方に設けられている。各電子検出器１ａ〜１ｄは、電子ビーム３ａの光軸の周りに相互に約９０°の角度を開けて光軸周りに対称に配置されている。特に限定されないが、ここでは各電子検出器１ａ〜１ｄが矩形状の観察領域１２の各辺に対して直交する方向に配置されているものとする。
【００１９】
これらの電子検出器１ａ〜１ｄは、例えばシンチレータ等よりなり、電子ビーム３ａの照射によって発生した二次電子や反射電子を検出して、各電子検出器１ａ〜１ｄの位置における電子量をそれぞれ信号Ｃｈ１〜Ｃｈ４として出力する。
【００２０】
一方、チャンバー２の内部には、図１に示すように、試料８を支持するステージ７が設けられている。このステージ７は不図示の駆動機構を備えており試料８を移動させることができる。
【００２１】
制御部１０１は、試料８の表面で電子ビームを走査させる領域である観察領域１２を設定する観察領域設定部１０２を有している。この観察領域設定部１０２は、欠陥の位置座標を表す欠陥座標データ１０６に基づいて、試料８に欠陥観察領域を設定する。欠陥座標データ１０６は、例えば光学式の検査装置等による検査結果として得られる。
【００２２】
また、観察領域設定部１０２は、設計データ１０８及び欠陥座標データ１０６を参照して、欠陥観察領域のパターンと同じ形状のパターン（参照パターン）を有し、且つ欠陥がないと判定された部分に参照観察領域を設定する。
【００２３】
なお、パターン検査装置１００は、手動操作又は外部機器による観察領域の設定も可能であり、制御部１０１には手動操作又は外部機器による観察領域の設定を行うための入力部１０４が設けられている。
【００２４】
一方、信号処理部１０７には、電子検出器１ａ〜１ｄからの検出信号Ｃｈ１〜Ｃｈ４が入力される。信号処理部１０７は、電子検出器１ａ〜１ｄのそれぞれの検出信号の強度と電子ビーム３ａの照射位置とを対応付けて、各電子検出器１ａ〜１ｄに対応するＳＥＭ画像をそれぞれ生成する。信号処理部１０７によって生成されたＳＥＭ画像は、解析部１０３に送られると共に、表示部１０５で表示される。
【００２５】
以下、パターン検査装置１００を用いたパターンの検査の一例について説明する。
【００２６】
図３は、観察対象パターンとしてのラインパターン４２に欠陥観察領域１２が設定された例を示している。
【００２７】
ラインパターン４２は、ガラス基板上に堆積させたクロム膜をパターニングして形成されたものであり、図示のように欠陥観察領域１２において横方向に伸びている。そのラインパターン４２には、ラインパターン４２の一部が削れてできた欠陥４１がある。
【００２８】
電子検出器１ａ、１ｃは、ラインパターン４２に並行な向きに配置されており、電子検出器１ｂ、１ｄはラインパターン４２に垂直な向きに配置されている。
【００２９】
図４は、上記の欠陥観察領域１２のＳＥＭ画像である。
【００３０】
ここでは、パターン４２のエッジを感度良く捉えて正確な３次元形状を測定するために、電子ビーム３ａをパターン４２のエッジと直交する方向（図の縦方向）に走査させている。そして、電子検出器１ａ〜１ｄからの信号Ｃｈ１〜Ｃｈ４の全てを加算して画像化して図４のＳＥＭ画像を得た。
【００３１】
このＳＥＭ画像は、電子検出器１ａ〜１ｄの位置に応じた成分が打ち消されているため、単一の電子検出器を備えた一般的な走査型電子顕微鏡によるＳＥＭ画像と同様の画像となっている。
【００３２】
欠陥４１のように、電子ビーム３ａの走査方向に平行なエッジが存在していると、そのエッジ部分で試料表面の帯電状態の変化が他の部分よりも大きくなり、欠陥４１のエッジから電子ビーム３ａの走査方向で２次電子の放出率が変わってしまう。そのため、欠陥４１の周囲に帯状の輝度ムラが生じる。
【００３３】
次に、パターン４２の３次元形状を求めるために、パターン４２のエッジと直交する方向に配置された電子検出器１ｂの信号Ｃｈ２と電子検出器１ｄの信号Ｃｈ４との差分をとって差分画像を求めた。
【００３４】
図５は、電子ビームの走査方向と平行な方向の電子検出器１ｂ、１ｄの信号Ｃｈ２、Ｃｈ４の差分をとって求めた差分画像である。なお、図５の差分画像上のパターン４２ａはＳＥＭ画像上のパターン４２に対応している。
【００３５】
電子検出器１ｂ，１ｄの検出信号は、ラインパターン４２のエッジの向きに応じて異なるため、電子検出器１ｂ、１ｄの信号の差分をとって求めた差分画像では、ラインパターン４２のエッジがその傾きに応じた輝度で現れる。
【００３６】
その差分画像から差分をとった方向の輝度分布である差分プロファイルを抽出し、差分をとった方向に積分処理を行うことでパターン４２を含む観察領域の３次元形状が求まる。
【００３７】
図６は、図５の差分画像について積分処理を行なって欠陥観察領域の３次元形状を求めた結果を表すグラフである。
【００３８】
図６に示すように、差分画像を積分処理して求めた３次元形状では、実際のパターン４２には存在しないはずの窪み４４や突起４５が現れており、正確な３次形状を再現できない。
【００３９】
このように、欠陥４１の近傍では、欠陥４１付近の帯電の異常によってＳＥＭ画像に輝度ムラが発生してしまう。その結果、差分画像の輝度値が欠陥４１の近傍においてパターン４２のエッジの傾斜を正確に反映せず、積分処理を行なっても正確な３次元形状が求まらない。
【００４０】
そこで、本実施形態では、以下に説明する方法により、観察対象パターンの３次元形状を求める。
【００４１】
図７は、実施形態に係るパターン検査方法を示すフローチャートである。
【００４２】
まず、ステップＳ１１において、制御部１０１の観察領域設定部１０２は、欠陥座標データ１０６に基づいて、欠陥観察領域を設定する。
【００４３】
図８は欠陥観察領域と電子検出器の配置を示す平面図である。図８の例では、欠陥２１を含むライン状の観察対象パターン２２に対して矩形状の欠陥観察領域１２を設定している。特に限定されないが、ここでは観察領域設定部１０２は、観察対象パターン２２に対して電子検出器１ａ〜１ｄが並行な方向及び垂直な方向に位置するように欠陥観察領域１２を設定する。
【００４４】
次に、図７のステップＳ１２において、電子走査部１（図１参照）は欠陥観察領域１２に電子ビームを照射して走査する。電子ビームは、観察対象パターン２２のエッジを精度よく捉えるために観察対象パターン２２のエッジと直交する方向に走査させることが好ましい。
【００４５】
そして、本実施形態では、制御部１０の信号処理部１０７において、観察対象パターン２２に平行な方向の電子検出器１ａ及び電子検出器１ｃの検出信号Ｃｈ１、Ｃｈ３の差分をとった第１の差分画像を生成する。
【００４６】
図９は、図８の観察領域の差分画像（第１の差分画像）を示す図である。
【００４７】
観察対象パターン２２のエッジは、エッジに平行な方向に配置された電子検出器１ａ及び電子検出器１ｃにおいてほぼ同じ輝度で検出される。そのため、図９に示すように、第１の差分画像では観察対象パターン２２のエッジは消去される。また、欠陥２１に由来する輝度ムラも消去される。
【００４８】
これに対し、欠陥２１のエッジの中でも、観察対象パターン２２のエッジと直交する方向のエッジは電子検出器１ａ及び電子検出器１ｃにおいて異なる輝度で検出される。そのため、第１の差分画像において欠陥２１のエッジが強調されて表示される。その結果、第１の差分画像では欠陥２１のみが残る。
【００４９】
次に、図７のステップＳ１３において、観察領域設定部１０２は設計データ及び欠陥座標データを参照して、欠陥観察領域と同一の形状のパターン（参照パターン）を有し、かつ欠陥が存在しないと判定された部分に参照観察領域を設定する。
【００５０】
図１０は、参照観察領域の設定例を示す図である。
【００５１】
図１０に示すように、参照観察領域１３は、欠陥観察領域１２と同一のサイズであり、且つ、参照観察領域１３内における参照パターン２３の位置が、欠陥観察領域１２における観察対象パターン２２の位置と一致するように予め位置決めされる。
【００５２】
なお、欠陥観察領域１２の観察対象パターン２２が単純なラインパターンである場合には、参照観察領域１３は観察対象パターン２２の延在方向に沿って欠陥観察領域１２を移動させることで設定しても良い。また、基板上の別の領域に同一の参照パターンが存在する場合には、設計データを参照して参照観察領域１３を設定してもよい。
【００５３】
また、特に限定されないが、ここでは電子検出器１ａ〜１ｄは矩形状の参照観察領域１３の縦又は横方向に配置されるものとする。
【００５４】
次に図７のステップＳ１４において、電子走査部１が参照観察領域１３に対して電子ビーム走査させる。そして、信号処理部１０７において参照観察領域１３の第２の差分画像を生成する。ここでは、信号処理部１０７は、参照パターン２３のエッジに直交する方向の電子検出器１ｂ，１ｄの差分をとって第２の差分画像を求める。
【００５５】
図１１は、第２の差分画像に現れるパターンを示す図である。
【００５６】
第２の差分画像では、参照パターン２３のエッジに直交する方向に配置された電子検出器１ｂ、１ｄからの信号Ｃｈ２、Ｃｈ４の差分をとる。この差分信号では、参照パターン２３のエッジが強調される。そのため、図１１に示すように第２の差分画像では参照パターン２３ａの凹凸を反映した凹凸パターン２３ａが現れる。
【００５７】
次に、ステップＳ１５（図７参照）に移行して、パターン検査装置１００の解析部１０３（図１参照）が第１の差分画像の積分処理を行なって欠陥観察領域１２の３次元形状を求める。なお、積分処理は以下の方法で行う。
【００５８】
まず、第１の差分画像（図９参照）から差分とった方向（図９の場合には横方向）の差分プロファイルを縦方向に一定のピッチで複数本抽出する。そして、各差分プロファイルにおいて横方向に差分プロファイルの値を積分してゆき、積分値の分布である積分プロファイルを求める。この積分プロファイルは、差分画像に現れるパターンの立体形状を反映している。
【００５９】
本実施形態では、このように第１の差分画像から欠陥の３次元形状データを取得する際に、輝度ムラが発生する電子ビームの走査方向と異なる方向に積分プロファイルをとっている。これにより、本実施形態によれば、輝度ムラによる高さ方向の誤差を抑制できる。
【００６０】
図１２は、図９の第１の差分画像の積分プロファイルを３次元的に並べて示した図である。図１２に示すように、第１の差分画像に現れた欠陥２１ａの３次元形状がパターン３１として現れる。なお、観察対象パターン２２や輝度ムラは差分プロファイルを取ることで消去されるため、積分プロファイルには反映されない。
【００６１】
これにより、欠陥観察領域１２から欠陥２１の３次元形状のみが抽出されたことになる。
【００６２】
次に、ステップＳ１６（図７参照）において、解析部１０３が第２の差分画像の積分処理を行なって参照観察領域１３の３次元形状を求める。積分処理は以下の方法で行う。
【００６３】
まず、第２の差分画像（図１１参照）から差分をとった方向（図１１の場合には縦方向）のラインに沿った差分プロファイルを横方向に一定のピッチで複数本抽出する。そして、各差分プロファイルにおいて縦方向に差分プロファイルの値を積分してゆき、積分値の分布である積分プロファイルを求める。この積分プロファイルは、参照パターン２３ａの立体形状を反映している。
【００６４】
図１３は、図１１の第２の差分画像の積分プロファイルを３次元的に並べて示した図である。図１３に示すように、第２の差分画像に現れた参照パターン２３ａの３次元形状がパターン３２として現れる。
【００６５】
これにより、欠陥２１が存在しない場合の観察対象パターン２２の３次元形状がパターン３２として再現されたことになる。
【００６６】
次に、ステップＳ１７において、解析部１０３が第１の差分画像から求めた３次元形状のデータに第２の差分画像から求めた３次元形状のデータを加算して新たな３次元形状データを合成する。
【００６７】
図１４は、図１２の３次元形状データと図１３の３次元形状データとを合成して得られる３次元形状データを示す図である。
【００６８】
図１２の欠陥２１のみを抽出した３次元形状データと、図１３の欠陥のないパターン２３の３次元形状データとを合成することにより、欠陥観察領域１２の欠陥２１を有する観察対象パターン２２の３次元形状が再現されたことになる。
【００６９】
このように、本実施形態では欠陥２１と参照パターン２２とから観察対象パターン２２の３次元形状の生成を行うため、ＳＥＭ画像に現れる輝度ムラによって生じる窪みや突起がなくなり、正確な３次元形状を再現できる。
【００７０】
また、輝度ムラに起因する窪みや突起がなくなることにより、より正確なパターンの高さ測定や欠陥の深さを測定できる。
【００７１】
（実験例）
以下、フォトマスク基板の上に、形成したパターン及び欠陥についてパターン検査装置１００でパターンの検査を行った例について説明する。
【００７２】
本実験例では、石英ガラス製の基板の上に、厚さが約６０ｎｍ程度のクロム膜を形成し、そのクロム膜をパターニングしてラインパターンを形成した試料を用いた。
【００７３】
図１５は、実験例に係る試料のラインパターンのＳＥＭ画像である。なお、図１５のＳＥＭ画像は、電子ビームを図の縦方向に走査させながら撮像した。
【００７４】
図示のように、ラインパターン４２は欠陥観察領域において横方向に延びており、ラインパターン４２上には欠陥４１が存在している。この欠陥４１は、ラインパターン４２の一部が削れてできた欠け欠陥である。欠陥４１の電子ビームの走査方向の両側には輝度ムラが現れている。
【００７５】
次に、同一のラインパターン４２の別の箇所に参照観察領域を設定し、その参照観察領域で電子ビームを走査させてＳＥＭ画像を撮像した。なお、以下ではラインパターン４２に対応する参照観察領域上の参照パターンをラインパターン４３と呼ぶ。
【００７６】
図１６は、実験例に係る参照観察領域のＳＥＭ画像である。参照観察領域には、ラインパターン４２と同一の線幅のラインパターン４３が現れている。この参照観察領域のラインパターン４３には欠陥はなく、また欠陥に由来する輝度ムラもない。
【００７７】
次に、図１５の欠陥観察領域について、ラインパターン４２に対して平行な方向の電子検出器１ａ、１ｃからの信号Ｃｈ１、Ｃｈ３の差分をとって第１の差分画像を求めた。
【００７８】
図１７は、図１５の欠陥観察領域の第１の差分画像を示す図である。
【００７９】
この第１の差分画像では、ラインパターン４２に対して平行な方向の差分をとったため、ラインパターン４２のエッジが消去され、欠陥４１のみが残った。
【００８０】
次に、図１６の参照観察領域について、ラインパターン４３に対して垂直な方向の電子検出器１ｂ、１ｃからの信号Ｃｈ２、Ｃｈ４の差分をとっての第２の差分画像を求めた。
【００８１】
図１８は、図１６の参照観察領域の第２の差分画像を示す図である。
【００８２】
この第２の差分画像では、ラインパターン４３のエッジに直交する方向に差分をとったため、ラインパターン４３のエッジがその傾きに応じた輝度で表示されている。
【００８３】
次に、図１７の第１の差分画像について、横方向の差分値の分布（差分プロファイル）を求め、さらにその差分プロファイルを横方向に積分処理することにより、欠陥４１の３次元形状を求めた。
【００８４】
図１９は、第１の差分画像を積分処理して求めた３次元形状を示すグラフである。
【００８５】
同様に、図１８の第２の差分画像について、縦方向の差分値の分布（差分プロファイル）を求め、さらにその差分プロファイルを縦方向に積分処理することにより、パターン４３の３次元形状を求めた。
【００８６】
図２０は、第２の差分画像を積分処理して求めた３次元形状を示すグラフである。
【００８７】
次に、図１９の３次元形状データと図２１の３次元形状データとを合成することによって、欠陥観察領域の３次元形状を求めた。
【００８８】
図２１は、図１９の３次元形状データと図２０の３次元形状データとを合成した３次元形状を示すグラフである。
【００８９】
図２１に示すように、欠陥による輝度ムラが原因で生じる窪みや突起の発生が抑制できていることが確認できる。
【００９０】
図２２は、図１５の欠陥観察領域を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察した結果を示す図である。
【００９１】
図２２に示すＡＦＭによる測定結果と、図２１の３次元形状とは一致している。
【００９２】
以上のことから、本実験例によれば、欠陥観察領域の３次元形状が正確に求まることが確認できた。
【００９３】
なお、上記の説明では、電子検出器１ａ〜１ｄが矩形状の観察領域の各辺に直交する方向に配置されている例を示したが、本実施形態はこれに限定されるものではない。
【００９４】
例えば、特許文献２に記載されているように、電子検出器１ａ〜１ｄを、矩形状の観察領域の対角方向に配置してもよい。この場合には、隣接する電子検出器の信号を加算することで擬似的に観察領域の各辺に直交する方向のＳＥＭ画像を生成することにより、本実施形態を実施できる。
【符号の説明】
【００９５】
１…電子走査部、１ａ〜１ｄ…電子検出器、２…チャンバー、３…電子銃、３ａ…電子ビーム、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、８…試料、１２…欠陥観察領域、１３…参照観察領域、２１、２１ａ、４１、４１ａ、３１…欠陥、２２、２３、２３ａ、３２、４２…パターン、４３、４３ａ…ラインパターン（参照パターン）、１００…パターン検査装置、１０１…制御部、１０２…観察領域設定部、１０３…解析部、１０４…入力部、１０５…表示部、１０６…欠陥座標データ、１０７…信号処理部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図４】
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【図５】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２２】
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