(57)【要約】【課題】異なる高さの検査対象の鮮明な画像を高速に取得することが可能な走査電子顕微鏡を備えた画像取得システムを提供する。【解決手段】画像取得システムは、走査電子顕微鏡１００と、試料の表面を構成する３次元階層構造における各層の２次元設計情報と、各層の高さ情報を含む設計データを格納するための記憶装置を有するコンピュータ１５０とを備える。コンピュータ１５０は、記憶装置から２次元設計情報と、高さ情報とを読み出し、２次元設計情報と、高さ情報とから試料上の画像取得位置の高さを算出し、走査電子顕微鏡１００に指令を発し、算出された画像取得位置の高さに基づいて電子ビームの焦点を画像取得位置に合わせる。【選択図】図５
2019008873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームで試料を走査しながら、試料から放出された二次電子及び反射電子を検出することで試料の画像を生成する走査電子顕微鏡と、
前記試料の表面を構成する３次元階層構造における各層の２次元設計情報と、各層の高さ情報を含む設計データを格納するための記憶装置を有するコンピュータとを備え、
前記コンピュータは、
前記記憶装置から前記２次元設計情報と、前記高さ情報とを読み出し、
前記２次元設計情報と、前記高さ情報とから前記試料上の画像取得位置の高さを算出し、
前記走査電子顕微鏡に指令を発し、算出された前記画像取得位置の高さに基づいて電子ビームの焦点を前記画像取得位置に合わせるように構成されたことを特徴とする画像取得システム。
【請求項２】
前記コンピュータは、前記２次元設計情報と、前記高さ情報とから前記試料の表面の高さ分布を算出するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の画像取得システム。
【請求項３】
前記コンピュータは、
前記電子ビームの焦点の変更に伴って発生する前記電子ビームの走査の倍率変化及び回転角度変化を算出し、
前記走査電子顕微鏡に指令を発し、算出された前記倍率変化及び回転角度変化に基づいて、前記電子ビームの走査の倍率及び回転角度を補正することを特徴とする請求項１に記載の画像取得システム。
【請求項４】
試料の表面を構成する３次元階層構造における各層の２次元設計情報と、各層の高さ情報を含む設計データを読み出し、
前記２次元設計情報と、前記高さ情報とから前記試料上の画像取得位置の高さを算出し、
走査電子顕微鏡に指令を発し、算出された前記画像取得位置の高さに基づいて電子ビームの焦点を前記画像取得位置に合わせることを特徴とする画像取得方法。
【請求項５】
前記２次元設計情報と、前記高さ情報とから前記試料の表面の高さ分布を算出する工程をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の画像取得方法。
【請求項６】
前記電子ビームの焦点の変更に伴って発生する前記電子ビームの走査の倍率変化及び回転角度変化を算出し、
前記走査電子顕微鏡に指令を発し、算出された前記倍率変化及び回転角度変化に基づいて、前記電子ビームの走査の倍率及び回転角度を補正する工程をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の画像取得方法。
【請求項７】
試料の表面を構成する３次元階層構造における各層の２次元設計情報と、各層の高さ情報を含む設計データを読み出すステップと、
前記２次元設計情報と、前記高さ情報とから前記試料上の画像取得位置の高さを算出するステップと、
走査電子顕微鏡に指令を発し、算出された前記画像取得位置の高さに基づいて電子ビームの焦点を前記画像取得位置に合わせる動作を前記走査電子顕微鏡に実行させるステップをコンピュータに実行させるためのプログラムを記録した非一時的なコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査電子顕微鏡のダイナミックフォーカス技術に適用可能な画像取得システムおよび画像取得方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体デバイスは平面構造内の微細化を続けてきた。しかし、特に微細化の先端を進んできたＮＡＮＤフラッシュメモリでは、微細化の影響により記憶素子に蓄えることができる電子数が減少し、デバイス特性の物理的限界によりデバイスの信頼性が悪化した。この解決策として、記憶素子を縦方向に配列した３次元のメモリセル構造によりデバイス特性の物理限界を解決し、記憶素子の大容量化が実現されている。
【０００３】
ＮＡＮＤフラッシュメモリのメーカー各社は、従来の半導体デバイス微細化技術の開発から、３次元メモリ構造における積層技術の開発に方向転換し、積層数の増大による更なる大容量化を目指している。２０１６年において、既に５０層近い３次元メモリ構造のデバイスが製品化され、今後も積層数の増大が要求されている。
【０００４】
一方、メモリセルの積層構造の加工結果の検査の対象は、高アスペクトのホール、積層構造内の異物、複数の階層にまたがるパターン等、従来の検査、測定装置では対応できない対象が増え、新たな検査方法が求められている。
【０００５】
特に、積層されたメモリセルアレイの端部は階段状に加工され、積層されたメモリセルの各層に対して上層からコンタクトするために用いられる。このため、この階段状のパターンの不良は、デバイスの良品率に影響を与える重要な要素となっている。
【０００６】
従来の平面構造デバイスにおける２次元パターンの検査には、電子ビームを対象パターン上で走査しパターンから発生する電子を検出して画像化する走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、以下ＳＥＭという）によるパターンの画像が用いられてきた。
【０００７】
ＳＥＭは、半導体ウェーハ上に形成されたパターンの画像を取得するために、その検査対象のパターン、または検査対象の近傍のパターンを用いて電子ビームのフォーカスを調整した後に、対象パターンの画像取得を行う。電子ビームの焦点深度は数百ｎｍあり、１００ｎｍ以下である平面構造デバイスにおけるパターンの凹凸と比較すると十分大きいため、一度フォーカスを調整することによりその近傍のパターンの鮮明な画像を取得することができた。
【０００８】
前記階段状のパターンでは、１段の高低差は１００ｎｍ以下であり、電子ビームの焦点深度以下である。しかしながら、数十段の階段構造では数ｕｍの高低差が発生し、電子ビームの焦点深度では階段構造の鮮明な画像をとらえることができない。このような３次元の各層の画像を取得する場合、電子ビームのフォーカスの調整、ＸＹステージによる画像取得座標への移動、及び画像取得、検査を、階層毎に繰り返す必要があり、検査にかかる時間が著しく増大する。
【０００９】
また、前記階段状のパターンにおいて、各層のパターン間の距離を検査する場合、複数の階層のパターンが含まれる画像を取得し、画像上においてパターン間の相対距離を検査する手法が考えられる。しかし、複数の階層におけるパターンを同一画像に含める場合、電子ビームの焦点深度を超える高低差に及ぶパターンの鮮明な画像をとらえることはできない。
【００１０】
既存技術として、特許文献１に開示される走査電子顕微鏡およびその制御方法のように、試料を傾斜させて観察する場合に、電子ビーム走査位置によりフォーカスを変化させて画像を取得するダイナミックフォーカスの技術が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−１４９７９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、半導体デバイスの検査には、ウェーハの面内において複数の位置、また広範囲における検査を行う必要がある。このため、上述の公知技術を用いるためには電子ビーム走査範囲における正確な高さ情報が必要となる。
【００１３】
そこで、本発明は、設計データ、すなわち半導体デバイスの設計情報を用いて、電子ビームが走査される画像取得位置の高さ情報を計算することにより、異なる高さの検査対象の鮮明な画像を高速に取得することが可能な走査電子顕微鏡を備えた画像取得システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一態様では、電子ビームで試料を走査しながら、試料から放出された二次電子及び反射電子を検出することで試料の画像を生成する走査電子顕微鏡と、前記試料の表面を構成する３次元階層構造における各層の２次元設計情報と、各層の高さ情報を含む設計データを格納するための記憶装置を有するコンピュータとを備え、前記コンピュータは、前記記憶装置から前記２次元設計情報と、前記高さ情報とを読み出し、前記２次元設計情報と、前記高さ情報とから前記試料上の画像取得位置の高さを算出し、前記走査電子顕微鏡に指令を発し、算出された前記画像取得位置の高さに基づいて電子ビームの焦点を前記画像取得位置に合わせるように構成されたことを特徴とする画像取得システムが提供される。
【００１５】
一実施形態では、前記コンピュータは、前記２次元設計情報と、前記高さ情報とから前記試料の表面の高さ分布を算出するように構成されたことを特徴とする。
一実施形態では、前記コンピュータは、前記電子ビームの焦点の変更に伴って発生する前記電子ビームの走査の倍率変化及び回転角度変化を算出し、前記走査電子顕微鏡に指令を発し、算出された前記倍率変化及び回転角度変化に基づいて、前記電子ビームの走査の倍率及び回転角度を補正することを特徴とする。
【００１６】
本発明の一態様では、試料の表面を構成する３次元階層構造における各層の２次元設計情報と、各層の高さ情報を含む設計データを読み出し、前記２次元設計情報と、前記高さ情報とから前記試料上の画像取得位置の高さを算出し、走査電子顕微鏡に指令を発し、算出された前記画像取得位置の高さに基づいて電子ビームの焦点を前記画像取得位置に合わせることを特徴とする画像取得方法が提供される。
【００１７】
一実施形態では、前記２次元設計情報と、前記高さ情報とから前記試料の表面の高さ分布を算出する工程をさらに含むことを特徴とする。
一実施形態では、前記電子ビームの焦点の変更に伴って発生する前記電子ビームの走査の倍率変化及び回転角度変化を算出し、前記走査電子顕微鏡に指令を発し、算出された前記倍率変化及び回転角度変化に基づいて、前記電子ビームの走査の倍率及び回転角度を補正する工程をさらに含むことを特徴とする。
【００１８】
本発明の一態様では、試料の表面を構成する３次元階層構造における各層の２次元設計情報と、各層の高さ情報を含む設計データを読み出すステップと、前記２次元設計情報と、前記高さ情報とから前記試料上の画像取得位置の高さを算出するステップと、走査電子顕微鏡に指令を発し、算出された前記画像取得位置の高さに基づいて電子ビームの焦点を前記画像取得位置に合わせる動作を前記走査電子顕微鏡に実行させるステップをコンピュータに実行させるためのプログラムを記録した非一時的なコンピュータ読み取り可能な記録媒体が提供される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、走査電子顕微鏡は、三次元構造の表面高さの変化に応じて電子ビームの焦点を変化させることができる。したがって、走査電子顕微鏡は、異なる高さの検査対象の鮮明な画像を高速に取得することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】走査電子顕微鏡を備えた画像取得システムの一実施形態を示す模式図である。
【図２】ウェーハ上のショットのレイアウトを示す概念図である。
【図３】ショット内のチップレイアウトを示す概念図である。
【図４】メモリセル端部の階段構造を示す概念図である。
【図５】メモリセル端部の階段構造の設計情報を示す概念図である。
【図６】メモリセル端部の階段構造の画像を取得するための一実施形態を示すフローチャートである。
【図７】設計情報を用いた高さ計算を行い、パターン検査を行う一実施形態を示すフローチャートである。
【図８】三次元構造と電子ビームの焦点面を示す概念図である。
【図９】三次元構造の端部に形成された階段構造に沿った平面を示す概念図である。
【図１０】コンピュータの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
以下、図面を参照し、本発明の実施形態に関して詳しく説明する。
図１は、走査電子顕微鏡を備えた画像取得システムの一実施形態を示す模式図である。
図１に示すように、画像取得システムは、走査電子顕微鏡１００と、走査電子顕微鏡の動作を制御するコンピュータ１５０とを備えている。走査電子顕微鏡１００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収束する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Ｗにフォーカスさせる対物レンズ１１５を有する。
【００２２】
集束レンズ１１２及び対物レンズ１１５はレンズ制御装置１１６に接続され、集束レンズ１１２及び対物レンズ１１５の動作はレンズ制御装置１１６によって制御される。このレンズ制御装置１１６はコンピュータ１５０に接続されている。Ｘ偏向器１１４、Ｙ偏向器１１５は、偏向制御装置１１７に接続されており、Ｘ偏向器１１３、Ｙ偏向器１１４の偏向動作は偏向制御装置１１７によって制御される。この偏向制御装置１１７も同様にコンピュータ１５０に接続されている。二次電子検出器１３０と反射電子検出器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。この画像取得装置１１８も同様にコンピュータ１５０に接続されている。
【００２３】
試料チャンバー１２０内に配置される試料ステージ１２１は、Ｘ方向およびＹ方向に移動可能なＸＹステージ１２３と、垂直方向に移動可能なＺステージ１２４を備えている。試料ステージ１２１は、ステージ制御装置１２２に接続されており、試料ステージ１２１の位置はステージ制御装置１２２によって制御される。このステージ制御装置１２２はコンピュータ１５０に接続されている。ウェーハＷを、試料チャンバー１２０内の試料ステージ１２１に載置するためのウェーハ搬送装置１４０も同様にコンピュータ１５０に接続されている。コンピュータ１５０は、レシピデータベース１６１ａおよび設計データベース１６１ｂが格納された記憶装置１６２、及びキーボード、マウス等の入力装置１６３、表示装置１６４を備えている。
【００２４】
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Ｗの表面に照射される。ウェーハＷに電子ビームの一次電子が照射されると、ウェーハＷからは二次電子及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。検出された二次電子の信号、及び反射電子の信号は、画像取得装置１１８に入力され画像データに変化される。画像データはコンピュータ１５０に送信され、ウェーハＷの画像はコンピュータ１５０の表示装置１６４上に表示される。
【００２５】
ウェーハＷの画像取得のために必要な動作情報は、レシピとしてコンピュータ１５０上で作成される。このレシピはレシピデータベース１６１ａに登録され、記憶装置１６２に記憶される。コンピュータ１５０は、記憶装置１６２に格納されているレシピデータベース１６１ａからレシピを読み出すことが可能である。電子ビームの焦点合わせに必要となるウェーハＷの設計データ（パターンの設計情報などを含む）は、記憶装置１６２に予め記憶されている。記憶装置１６２には、設計データベース１６１ｂが構築されており、ウェーハＷの設計データは、設計データベース１６１ｂ内に予め格納される。コンピュータ１５０は、記憶装置１６２に格納されている設計データベース１６１ｂからウェーハＷの設計データを読み出すことが可能である。
【００２６】
ウェーハＷに関して図２、図３を参照して説明する。ウェーハＷ上には複数のショット２０２が形成される。各ショット２０２は、半導体デバイスの加工に用いられるフォトレジストパターンをウェーハＷ上に描画するための単位である。図３に示すように、各ショット２０２には複数のチップ３０２を含めることができる。チップ３０２内にはパターン３０３が形成されており、チップ３０２の左下に形成されるパターンは基準パターン３０４として用いることができる。基準パターン３０４の画像は、ウェーハＷのアライメントに用いることができる。
【００２７】
設計データは、配線、ゲート、トランジスタなどの複数種のパターンの設計図である。設計データには、チップ３０２内のパターン３０３の形状情報及び位置情報が含まれている。半導体デバイスの製造工程においては、数十の積層膜に対してパターンの加工が行われるため、設計データには数十のレイヤのデータが含まれる。すなわち、設計データは、各層の二次元設計情報と、各層の高さ情報を含む。
【００２８】
メモリセル端部の階段構造のパターン検査においては、図４に示すような三次元構造の画像取得が行われる。メモリセルはこの三次元構造の中央部４０１に形成され、各層のメモリを制御するために階段構造４０２が形成される。この三次元構造を示す設計データは、図５に示される。すなわち、設計データは、各層の二次元設計情報５０１と、各層の高さ情報ｈ１〜ｈｎを含む。各層の二次元設計情報５０１に表されるパターン５０２が積層されることにより、図４に示す階段構造を有する三次元構造が形成される。
【００２９】
コンピュータ１５０には、画像取得対象および画像取得方法を特定するためのレシピが設定される。図４に示す階段構造の画像を取得するための、具体的なレシピの設定方法を、図６のフローチャートを参照して説明する。
【００３０】
ウェーハアライメント設定においては、ウェーハ搬送装置１４０により試料ステージ１２１上に置かれたウェーハＷのずれと回転を調整するためのウェーハアライメントの情報が設定される（Ｓ６０１）。具体的には、基準パターン３０４の画像の位置を特定するための情報などが設定される。チップレイアウト設定においては、ウェーハＷ上に形成されたチップの配列を特定するためのチップレイアウトの情報が設定される（Ｓ６０２）。
【００３１】
半導体のデバイスの製造では、通常、半導体ウェーハ上に形成された膜に対して加工を行い、この加工された膜の積層構造が回路を形成する。設計データは、チップ上に形成されているパターンの形状と位置を表す二次元設計情報を含む。この設計データは、設計データベース１６１ｂから読み出され、設計データに含まれる二次元設計情報はレシピに入力される（Ｓ６０３）。設計データベース１６１ｂ上の設計データのアドレスは、レシピに記憶される。設計データベース１６１ｂから読み出された設計データには、チップ上に形成されているパターン各層の高さ情報がさらに含まれる。この各層の高さ情報は、ウェーハに形成された膜の厚さの情報としてレシピに入力される（Ｓ６０４）。
【００３２】
入力された各層の二次元設計情報は、パターンレイアウトとしてコンピュータ１５０の表示装置１６４上に表示される（Ｓ６０５）。このパターンレイアウトの表示は、各層を区別するために、層毎に異なる色を用いた二次元表示が行われる。二次元設計情報をコンピュータ１５０の表示装置１６４上に表示し、この二次元表示上にチップ内の座標を表示することで、次に述べる画像取得エリア設定とキャリブレーション座標設定が可能となる。
【００３３】
画像取得エリア設定において、チップの画像取得を行うときの走査範囲を特定するための座標が入力される（Ｓ６０６）。走査電子顕微鏡１００においては、試料であるウェーハの表面上に電子ビームの焦点を合わせる作業が必要になる。ウェーハのパターン検査においては、数十枚から数万枚の画像取得を行う必要があるため、電子ビームの焦点キャリブレーションは自動で行う必要がある。焦点キャリブレーションは画像取得位置の近傍のパターンの画像の鮮鋭度を用いて行われることが一般的である。そこで、キャリブレーション座標設定においては、電子ビームの焦点キャリブレーションをするために必要な基準パターン３０４のチップ内座標がレシピに設定される（Ｓ６０７）。
【００３４】
画像取得を行うときに用いられる、レンズ制御装置１１６で用いられる制御パラメータ、偏向制御装置１１８で用いられる制御パラメータ、及び画像取得装置１１８で用いられる制御パラメータは、コンピュータ１５０に一括で記憶されている。画像取得を行うために最適な制御パラメータはパターン各層ごとに異なるため、制御パラメータに名前を付けて予め複数登録しておくことができる。また、取得された画像を用いて行われるパターン検査のための各種検査パラメータも、名前を付けて複数個を予め登録しておくことができる。レシピでは、画像取得に用いられる各種制御パラメータの名前、パターン検査において用いられる各種検査パラメータの名前が指定される（Ｓ６０８）。このようにして各項目の情報が設定されたレシピは、コンピュータ１５０のレシピデータベース１６１ａに保存される（Ｓ６０９）。
【００３５】
走査電子顕微鏡１００は、上記レシピに従って自動的に画像を取得する。以下に、画像取得の動作を、図７を参照して説明する。ウェーハＷは、ウェーハ搬送装置１４０により、試料チャンバー１２０内の試料ステージ１２１上に置かれる（Ｓ７０１）。コンピュータ１５０は、ウェーハＷに適用される画像取得のためのレシピを、レシピデータベース１６１ａから読み込む（Ｓ７０２）。
【００３６】
このレシピに登録されている各種情報は、以下に述べる動作においてコンピュータ１５０にて用いられる。また、レシピに登録されている各種制御パラメータは、画像取得が実行される前に、コンピュータ１５０、レンズ制御装置１１６、偏向制御装置１１８、画像取得装置１１７に設定される。コンピュータ１５０は、設計データの設計データベース１６１ｂ上のアドレスをもとに、設計データを設計データベース１６１ｂから読み込む（Ｓ７０３）。設計データのアドレスは、レシピ内に含まれる。
【００３７】
ウェーハＷが試料ステージ１２１上に置かれる工程において、ウェーハＷのＸＹ方向および回転方向のずれが発生する。これらのずれを解消するため、ウェーハＷ上に予め作成されている基準パターン３０４の画像を用いてウェーハアライメントが行われる（Ｓ７０４）。
【００３８】
パターン検査では、走査電子顕微鏡１００は、一枚のウェーハの検査において数十枚から数万枚の画像を自動で取得する。この画像取得の動作は、試料ステージ１２１の移動（Ｓ７０５）と画像取得（Ｓ７１０）を繰り返す動作となる。試料ステージ１２１の移動距離が設定値よりも大きい場合（Ｓ７０６）、電子ビームの焦点は、試料ステージ１２１上のウェーハＷの傾きに起因してウェーハＷの表面からずれる。そこで、基準パターン３０４の画像の鮮鋭度を用いた電子ビームの焦点キャリブレーションが行われる（Ｓ７０８）。
【００３９】
試料ステージ１２１の移動距離が設定値よりも小さい場合、例えば試料ステージ１２１の移動距離が２００μｍよりも小さい場合には、積層構造のうち同一層内での電子ビームの焦点のずれは無視できる。この場合、焦点キャリブレーションを実施する必要はない。しかし、積層構造からなる３次元構造が対象の場合には、３次元構造の表面高さに従って電子ビームの焦点を変化させる必要がある。焦点キャリブレーションに使用された基準パターン３０４と、３次元構造上の画像取得位置との高さの差は、各層の二次元設計情報と、各層の高さ情報から求めることができる（Ｓ７０７）。各層の二次元設計情報と、各層の高さ情報は、上述した設計データに含まれている。
【００４０】
コンピュータ１５０は、走査電子顕微鏡１００に指令を発して、電子ビームの焦点をウェーハ表面上の上記画像取得位置に合わせる。より具体的には、コンピュータ１５０は、レンズ制御装置１１６に対して、電子ビーム収束量の更新を指示し、ステップＳ７０７で求めた基準パターン３０４と画像取得位置との高さの差に基づいて、電子ビームの焦点を変更する（Ｓ７０９）。このようにして、三次元構造の表面高さの変化に従って電子ビームの焦点が調整される。電子ビームの焦点を調整（変更）する方法には、対物レンズ１１５により電子ビームの収束を変化させる方法、Ｘ偏向器１１３、Ｙ偏向器１１４の電位を変化させ電子ビームの収束を変化させる方法、ウェーハＷの電位を変化させ電子ビームの収束を変化させる方法、試料ステージ１２１のＺステージ１２４でウェーハＷの高さを変化させる方法がある。
【００４１】
電子ビームの焦点を変更した後、上記画像取得位置での画像取得が行われる（Ｓ７１０）。その後、試料ステージ１２１によりウェーハＷが移動され、次の画像取得位置での画像取得が同じようにして行われる。全ての画像取得位置での画像取得が完了したら（Ｓ７１１）、ウェーハＷはウェーハ搬送装置１４０により試料ステージ１２１から取り出される（Ｓ７１２）。
【００４２】
次に、走査電子顕微鏡１００の視野内、つまり電子ビームの走査範囲内に高さ変化がある三次元構造の画像を取得する場合の実施形態に関して説明する。図８は、三次元構造８０１と、三次元構造に沿った電子ビームの焦点面８０２を示す。走査電子顕微鏡１００による三次元構造８０１の画像取得は、電子ビームの焦点を階段形状の焦点面８０２に沿って段階的に変化させることで可能となる。
【００４３】
二次元平面上の電子ビームの照射位置は、Ｘ偏向器１１３、Ｙ偏向器１１４を制御する偏向制御装置１１７に入力される数値により特定できる。これらの数値は、コンピュータ１５０から偏向制御装置１１７に入力される。また、コンピュータ１５０は、電子ビームの走査範囲内に含まれる三次元構造の表面高さの分布を、設計データに含まれる二次元設計情報、及び各層の高さ情報から算出する。コンピュータ１５０は、三次元構造の表面高さの分布と、Ｘ偏向器１１３およびＹ偏向器１１４を制御するための上記数値（すなわち、二次元平面上の電子ビームの照射位置）に基づいて、ウェーハの三次元構造の表面上の画像取得位置の高さを算出することができる。コンピュータ１５０は、走査電子顕微鏡１００に指令を発して、上記算出された画像取得位置の高さに基づいて、電子ビームの焦点を画像取得位置に合わせる。このようにして、走査電子顕微鏡１００は、三次元構造の表面高さの変化に応じて電子ビームの焦点を変化させることができる。
【００４４】
三次元構造の表面高さの変化に従って電子ビームの焦点を調整（変更）する方法には、対物レンズ１１５により電子ビームの収束を変化させる方法、Ｘ偏向器１１３、Ｙ偏向器１１４の電位を変化させ電子ビームの収束を変化させる方法、ウェーハＷの電位を変化させ電子ビームの収束を変化させる方法、試料ステージ１２１のＺステージ１２４でウェーハＷの高さを変化させる方法がある。
【００４５】
図９は、三次元構造９０１の端部に形成された階段構造に沿った平面９０２を示す図である。一般的に、Ｘ偏向器１１３、Ｙ偏向器１１４による電子ビームの偏向スピードに比較して、上記電子ビームの焦点を変化させるスピードは遅い。この遅延による電子ビームの焦点のずれは、電子ビームの焦点を平面９０２に沿って緩やかに変化させることで防ぐことができる。
【００４６】
走査電子顕微鏡１００では、電子ビームの焦点の変化に伴って、電子ビームの走査の倍率及び回転角度がわずかに変化する。結果として、得られる画像が歪むことがある。そこで、そのような電子ビームの走査の倍率及び回転角度の変化をなくすために、コンピュータ１５０は、電子ビームの焦点の変更に伴って発生する電子ビームの走査の倍率変化及び回転角度変化を算出し、走査電子顕微鏡１００に指令を発し、算出された倍率変化及び回転角度変化を無くすように、電子ビームの走査の倍率及び回転角度を補正するように構成されている。
【００４７】
本発明は、三次元構造を有するウェーハに加えて、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）など、三次元構造を有する他の試料の画像を取得する場合にも適用することができる。
【００４８】
図１０は、コンピュータ１５０の構成を示す模式図である。コンピュータ１５０は、プログラムやデータなどが格納される記憶装置１６２と、記憶装置１６２に格納されているプログラムに従って演算を行うＣＰＵ（中央処理装置）などの処理装置１１２０と、データ、プログラム、および各種情報を記憶装置１６２に入力するための入力装置１６３と、処理結果や処理されたデータを出力するための出力装置１１４０と、インターネットなどのネットワークに接続するための通信装置１１５０を備えている。
【００４９】
記憶装置１６２は、処理装置１１２０がアクセス可能な主記憶装置１１１１と、データおよびプログラムを格納する補助記憶装置１１１２を備えている。主記憶装置１１１１は、例えばランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）であり、補助記憶装置１１１２は、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）またはソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）などのストレージ装置である。
【００５０】
入力装置１６３は、キーボード、マウスを備えており、さらに、記録媒体からデータを読み込むための記録媒体読み込み装置１１３２と、記録媒体が接続される記録媒体ポート１１３４を備えている。記録媒体は、非一時的な有形物であるコンピュータ読み取り可能な記録媒体であり、例えば、光ディスク（例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ）や、半導体メモリ（例えば、ＵＳＢフラッシュドライブ、メモリーカード）である。記録媒体読み込み装置１３２の例としては、ＣＤドライブ、ＤＶＤドライブなどの光学ドライブや、カードリーダーが挙げられる。記録媒体ポート１１３４の例としては、ＵＳＢ端子が挙げられる。記録媒体に電気的に格納されているプログラムおよび／またはデータは、入力装置１６３を介してコンピュータ１５０に導入され、記憶装置１６２の補助記憶装置１１１２に格納される。出力装置１１４０は、表示装置１６４、印刷装置１１４２を備えている。
【００５１】
コンピュータ１５０は、記憶装置１６２に電気的に格納されたプログラムに従って動作する。このプログラムは、非一時的な有形物であるコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶され、記録媒体を介してコンピュータ１５０に提供される。または、プログラムは、インターネットなどの通信ネットワークを介してコンピュータ１５０に提供されてもよい。
【００５２】
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】
【００５３】
１００      走査電子顕微鏡
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
１１６      レンズ制御装置
１１７      偏向制御装置
１１８      画像取得装置
１２０      試料チャンバー
１２１      試料ステージ
１２２      ステージ制御装置
１３０      二次電子検出器
１３１      反射電子検出器
１４０      ウェーハ搬送装置
１５０      コンピュータ
１６２      記憶装置
１６３      入力装置
１６４      表示装置
Ｗ      ウェーハ
【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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