(57)【要約】【課題】半導体装置のような微細なパターンを有する試料の形状を短時間で観察でき、試料に与えるダメージが小さい形状観察装置を提供する。【解決手段】基準方向３２から見た形状が基準形状４１乃至４５である観察マーク３１を試料１１の表面に形成する形成部１９と、観察マーク３１の形成後に、観察マーク３１を基準方向３２とは異なる観察方向３３から撮影し観察画像５１を取得する観察画像撮影部２１と、観察画像５１を表示する観察画像表示部２２とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準方向から見た形状が基準形状である観察マークを試料の表面に形成する形成部と、
前記観察マークの形成後に、前記観察マークを前記基準方向とは異なる観察方向から撮影し観察画像を取得する観察画像撮影部と、
前記観察画像を表示する観察画像表示部とを有することを特徴とする形状観察装置。
【請求項２】
前記形成部が前記観察マークを形成する前に、前記観察マークを形成する前記試料上の位置を特定する特定部を有することを特徴とする請求項１に記載の形状観察装置。
【請求項３】
前記形成部が前記観察マークを形成する前に、前記観察マークを形成する前記試料上の位置と前記基準形状を特定する特定部を有することを特徴とする請求項１に記載の形状観察装置。
【請求項４】
前記特定部は、
前記試料を前記基準方向から撮影して基準画像を取得する基準画像撮影部と、
前記基準画像を表示する基準画像表示部と、
前記基準画像表示部に表示された前記基準画像の上に、前記基準形状を有する基準マークを配置させるユーザの支援をするＧＵＩとを有し、
前記形成部は、配置された前記基準マークの位置と前記基準形状に基づいて、前記観察マークを形成することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の形状観察装置。
【請求項５】
前記形成部は、
照射形状が前記基準形状になるように、前記基準方向から荷電粒子線または光を前記試料に照射する第１荷電粒子線源または第１光源を利用して、前記観察マークを前記試料の表面に形成することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の形状観察装置。
【請求項６】
前記観察画像撮影部は、
前記観察方向から荷電粒子線または光を前記試料に照射する第２荷電粒子線源または第２光源を利用して、前記観察マークを撮影することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の形状観察装置。
【請求項７】
前記観察マークの形成には、荷電粒子線または光を集束したビーム、もしくは、荷電粒子線または光の干渉パターンを利用することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の形状観察装置。
【請求項８】
前記形成部は、電子線露光装置、集束イオンビーム露光装置とレーザ線照射装置の少なくとも１つを利用することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の形状観察装置。
【請求項９】
前記観察画像撮影部は、電子顕微鏡、集束イオンビーム顕微鏡と光学顕微鏡の少なくとも１つを利用することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の形状観察装置。
【請求項１０】
前記観察マークは、前記試料のスパッタ加工、前記試料上へのデポジション加工、前記試料の物理的変化、前記試料の化学的変化、または、前記試料の表面改質によって、形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の形状観察装置。
【請求項１１】
前記観察マークには、前記試料を構成する元素の原子番号より、５以上離れた原子番号の元素を含ませることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の形状観察装置。
【請求項１２】
前記基準形状は、ライン、ストライプ、メッシュ、同心円と、放射状の線の少なくとも１つを含む形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の形状観察装置。
【請求項１３】
前記観察マークは、溝であり、
前記基準方向から死角になる前記試料の表面に達するように前記溝を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の形状観察装置。
【請求項１４】
前記形成部は、前記第１荷電粒子線源または第１光源が照射する荷電粒子線または光を偏向する第１偏向部を利用し、
前記基準方向から死角になる前記試料の表面に前記観察マークを形成することを特徴とする請求項５乃至請求項１３のいずれか１項に記載の形状観察装置。
【請求項１５】
前記第１荷電粒子線源または第１光源が照射する荷電粒子線または光は、前記試料を貫通して、前記基準方向から死角になる前記試料の表面に達し、前記基準方向から死角になる前記試料の表面に前記観察マークを形成することを特徴とする請求項５乃至請求項１４のいずれか１項に記載の形状観察装置。
【請求項１６】
前記第１荷電粒子線源または前記第１光源が、
荷電粒子線または光を前記基準方向から前記試料に照射してから、
荷電粒子線または光を前記観察方向から前記試料に照射するように、
荷電粒子線または光の前記試料に照射する方向を変更する方向変更部を利用し、
前記第１荷電粒子線源または第１光源は、
前記第２荷電粒子線源または第２光源に兼用されていることを特徴とする請求項５乃至請求項１５のいずれか１項に記載の形状観察装置。
【請求項１７】
前記方向変更部は、前記試料を傾斜させる傾斜部を有することを特徴とする請求項１６に記載の形状観察装置。
【請求項１８】
前記方向変更部は、前記第１荷電粒子線源または第１光源が照射する荷電粒子線または光を偏向させる第２偏向部を有することを特徴とする請求項１６または請求項１７に記載の形状観察装置。
【請求項１９】
前記観察画像から前記観察マークの画像である変形マークを抽出する抽出部を有することを特徴とする請求項１乃至請求項１８のいずれか１項に記載の形状観察装置。
【請求項２０】
前記変形マークと前記観察方向とから、前記試料の断面形状を算出する断面形状算出部を有することを特徴とする請求項１９に記載の形状観察装置。
【請求項２１】
前記断面形状の寸法または角度を計測する計測部を有することを特徴とする請求項２０に記載の形状観察装置。
【請求項２２】
前記試料が半導体製品であることを特徴とする請求項１乃至請求項２１のいずれか１項に記載の形状観察装置。
【請求項２３】
前記観察マークの形成後に、前記観察マークを残して前記観察マークの周辺の前記試料を選択的にエッチングするエッチング部を有することを特徴とする請求項１乃至請求項２２のいずれか１項に記載の形状観察装置。
【請求項２４】
基準方向から見た形状が基準形状である観察マークを試料の表面に形成し、
前記観察マークの形成後に、前記観察マークを前記基準方向とは異なる観察方向から撮影して観察画像を取得し、
前記観察画像を表示することを特徴とする形状観察方法。
【請求項２５】
前記観察マークの形成後に、前記観察マークを残して前記観察マークの周辺の前記試料を選択的にエッチングすることを特徴とする請求項２４に記載の形状観察方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の形状の形状観察装置および形状観察方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の微細化が進められている。半導体装置には、微細なパターンが三次元形状として形成されている。このパターンの三次元形状を観察する装置としては、断面ＳＥＭのように半導体装置の全体もしくは一部分を破断してその断面を観察する装置と、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）のように微小な探針を半導体装置の表面に走査させて観察する装置が提案されている。なお、半導体装置を取り扱う際には、半導体装置内の位置を特定するために、半導体装置内にマークを形成することが提案されている（例えば、特許文献１乃至３参照）。
【特許文献１】特開２００２−３４０７５６号公報
【特許文献２】特開平１１−１０８８１０号公報
【特許文献３】特開平１０−９２３６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、断面ＳＥＭでは、半導体装置を破断するのでダメージを受ける領域が大きく、場合によっては破断された半導体装置、さらには、半導体装置を複数載せた半導体ウェーハを利用できないという問題がある。また、原子間力顕微鏡では、微小な探針を走査するので、走査に時間が掛かり、また、三次元形状の逆テーパを検出することができないという問題がある。一方、半導体装置内に形成されているマークは、これが形成されることにより、半導体装置の表面形状を変えてしまったりパーティクルを発生させたりするので、マークを半導体装置の三次元形状の観察に用いることはなかった。
【０００４】
そこで、本発明の課題は、半導体装置のような微細なパターンを有する試料の形状を短時間で観察でき、試料に与えるダメージが小さい形状観察装置、および、形状観察方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決した本発明は、基準方向から見た形状が基準形状である観察マークを試料の表面に形成する形成部と、前記観察マークの形成後に、前記観察マークを前記基準方向とは異なる観察方向から撮影し観察画像を取得する観察画像撮影部と、前記観察画像を表示する観察画像表示部とを有する形状観察装置であることを特徴とする。また、本発明は、基準方向から見た形状が基準形状である観察マークを試料の表面に形成し、前記観察マークの形成後に、前記観察マークを前記基準方向とは異なる観察方向から撮影して観察画像を取得し、前記観察画像を表示する形状観察方法であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、半導体装置のような微細なパターンを有する試料の形状を短時間で観察でき、試料に与えるダメージが小さい形状観察装置、および、形状観察方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【０００８】
（第１の実施形態）
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る形状観察装置１は、第１走査型電子顕微鏡（鏡筒）２と、第２走査型電子顕微鏡（鏡筒）６とを有している。第１走査型電子顕微鏡（鏡筒）２は、第１荷電粒子線源３と、第１偏向部４とを有している。第２走査型電子顕微鏡（鏡筒）６は、第２荷電粒子線源７と、図示しない偏向部とを有している。第１走査型電子顕微鏡（鏡筒）２としては、走査型電子顕微鏡に限らず、電子線露光装置、集束イオンビーム露光装置やレーザ線照射装置であってもよく、第１走査型電子顕微鏡（鏡筒）２は、荷電粒子線および光の照射装置の１例示である。第２走査型電子顕微鏡（鏡筒）６としては、電子顕微鏡に限らず、集束イオンビーム顕微鏡や光学顕微鏡であってもよく、第２走査型電子顕微鏡（鏡筒）６は、荷電粒子線および光の照射装置を利用した顕微鏡の１例示である。したがって、第１荷電粒子線源は第１光源である場合や、第２荷電粒子線源７は第２光源である場合があり、それぞれ、電子線やイオン線の荷電粒子線や光線を照射する。
【０００９】
第１走査型電子顕微鏡（鏡筒）２は、減圧可能なチャンバ１０に取り付けられ、チャンバ１０内の試料ステージ９上に置かれた半導体装置や半導体装置を複数載せた半導体ウェーハの半導体製品等の微細なパターンを有する試料１１に、電子線４７を照射することができ、さらには、必ずしも必要ではないが、電子線４７の照射により試料１１の像を撮影することができる。第２走査型電子顕微鏡（鏡筒）６も、減圧可能なチャンバ１０に取り付けられ、試料１１に、電子線を照射して試料１１の像を撮影することができる。第１走査型電子顕微鏡（鏡筒）２は、基準方向３２から電子線４７を照射し、第２走査型電子顕微鏡（鏡筒）６は、基準方向３２とは異なる観察方向３３から電子線を照射することができる。
【００１０】
原料ガス供給部５は、チャンバ１０内に、シラン（ＳｉＨ４）のような原料ガスを供給する。原料ガスは、第１走査型電子顕微鏡（鏡筒）２の第１荷電粒子線源３から試料１１に照射された電子線４７により分解され、原料ガスに含まれる元素は、電子線４７が照射された試料１１の表面に固定される。固定された元素によって、観察マーク３１が構成される。なお、観察マーク３１は、原料ガスを用いずに、第１荷電粒子線源３から照射される荷電粒子と試料１１とから形成してもよく、観察マーク３１は、試料１１の荷電粒子のイオンによるスパッタ加工、試料１１上への原料ガスやイオンによるデポジション加工、試料１１の相変化等の物理的変化や化学的変化、または、試料１１の表面改質によって、形成されても良い。
【００１１】
観察マーク３１は、試料１１の表面に形成され、試料１１の表面の三次元形状は、観察マーク３１に転写されることになる。観察マーク３１を観察することにより、試料１１の三次元形状を把握することができる。なお、観察マーク３１の観察は、第２走査型電子顕微鏡６を用いて行う。
【００１２】
エッチング部８は、チャンバ１０内に、例えば、塩素（Ｃｌ）系のエッチングガスを供給し、観察マーク３１の形成後に、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる観察マーク３１を残して観察マーク３１の周辺のシリコン（Ｓｉ）からなる試料１１を選択的にエッチングする。このエッチングによれば、観察マーク３１の観察を容易にすることができる。
【００１３】
第１制御部１２は、表示画面を有しており、第１走査型電子顕微鏡２の制御を主に行う。第２制御部１３も、表示画面を有しており、第２走査型電子顕微鏡６の制御を主に行う。
【００１４】
図２に示すように、第１制御部１２は、ＣＰＵと、ＨＤＤと、出力Ｉ／Ｆと、入力Ｉ／Ｆと、ＲＡＭとを有している。出力Ｉ／Ｆには、表示画面が接続されている。また、入力Ｉ／Ｆには、マウス等のポインティングデバイスが接続されている。ＲＡＭには、ＣＰＵに読み出されて働く、特定部１４と、形成部１９とが、プログラムとして記憶されている。特定部１４は、さらに、基準画像撮影部１５と、基準画像表示部１６と、ＧＵＩ１７とを有している。
【００１５】
図３に示すように、第２制御部１３も、ＣＰＵと、ＨＤＤと、出力Ｉ／Ｆと、入力Ｉ／Ｆと、ＲＡＭとを有している。出力Ｉ／Ｆには、表示画面が接続されている。また、入力Ｉ／Ｆには、マウス等のポインティングデバイスが接続されている。ＲＡＭには、ＣＰＵに読み出されて働く、観察画像撮影部２１と、観察画像表示部２２と、観察画像記憶部２３と、抽出部２４と、断面形状算出部２８と、計測部２９とがプログラムとして記憶されている。抽出部２４は、さらに、輪郭抽出部２６と、細線化部２７とを有している。
【００１６】
次に、形状観察装置１を用いて試料１１の三次元形状を観察する方法を説明する。
【００１７】
まず、図１に示すように、試料１１を試料ステージ９に図示しない搬送手段を用いて載せ、チャンバ１０内を図示しない減圧手段を用いて減圧する。
【００１８】
特定部１４の基準画像撮影部１５は、第１走査型電子顕微鏡２を用いて、試料１１を基準方向３２から撮影し図４に示す基準画像３４を取得する。
【００１９】
図４に示すように、基準画像表示部１６は、第１制御部１２の表示画面に、基準画像３４を表示する。なお、撮影した基準方向３２は、試料１１の表面の法線方向に一致していることが好ましく、一致させることで、基準画像３４として、試料１１のトップダウンビューを得ることができる。なお、基準画像３４には、試料１１の基板３６上に形成されたラインパターン３５が写っているとする。
【００２０】
ＧＵＩ１７は、基準画像３４を用いて、前記観察マーク３１を形成する試料１１上の位置と基準形状を特定する。ＧＵＩ１７は、基準画像３４の上に、基準形状を有する基準マークを配置させる形状観察装置１のユーザの支援をする。
【００２１】
具体的に、ＧＵＩ１７は、表示画面にツールバー３７を表示する。ツールバー３７には、ラインの基準形状４１と、ストライプの基準形状４２と、メッシュの基準形状４３と、同心円の基準形状４４と、放射状の線の基準形状４５とが表示されている。ユーザは、ＧＵＩ１７により、ポインティングデバイスを用いて、基準形状４１乃至４５の少なくとも１つを指定することができる。
【００２２】
例えば、ユーザが、ラインの基準形状４１をＧＵＩ１７により指定する場合を説明する。まず、ユーザは、ツールバー３７上で、ラインの基準形状４１をＧＵＩ１７により指定する。ユーザは、さらに、基準画像３４上で、ラインの左端を配置する位置をＧＵＩ１７により指定する。ついで、ユーザは、基準画像３４上で、ラインの右端を配置する位置をＧＵＩ１７により指定する。以上により、ユーザは、ＧＵＩ１７により、図５に示すように、基準画像３４上の任意の位置に任意の大きさのラインの基準形状４１を有する基準マーク４６を配置することができる。
【００２３】
同様に、ユーザが、ストライプの基準形状４２をＧＵＩ１７により指定する場合を説明する。まず、ユーザは、ツールバー３７上で、ストライプの基準形状４２をＧＵＩ１７により指定する。ユーザは、さらに、基準画像３４上で、ストライプ全体の左上端を配置する位置をＧＵＩ１７により指定する。ついで、ユーザは、基準画像３４上で、ストライプ全体の右上端を配置する位置をＧＵＩ１７により指定する。さらに、ユーザは、基準画像３４上で、ストライプ全体の左下端を配置する位置をＧＵＩ１７により指定する。また、ユーザは、基準画像３４上で、ストライプ全体の右下端を配置する位置をＧＵＩ１７により指定する。最後に、ユーザは、ツールバー３７上で、ストライプのピッチをＧＵＩ１７により入力する。以上により、ユーザは、ＧＵＩ１７により、図６に示すように、基準画像３４上の任意の位置に任意のピッチのストライプの基準形状を有する基準マーク４６を配置することができる。
【００２４】
ユーザが、メッシュの基準形状４３をＧＵＩ１７により指定する場合を説明する。まず、ユーザは、ツールバー３７上で、メッシュの基準形状４３をＧＵＩ１７により指定する。ユーザは、さらに、基準画像３４上で、メッシュ全体の左上端を配置する位置をＧＵＩ１７により指定する。ついで、ユーザは、基準画像３４上で、メッシュ全体の右上端を配置する位置をＧＵＩ１７により指定する。さらに、ユーザは、基準画像３４上で、メッシュ全体の左下端を配置する位置をＧＵＩ１７により指定する。また、ユーザは、基準画像３４上で、メッシュ全体の右下端を配置する位置をＧＵＩ１７により指定する。最後に、ユーザは、ツールバー３７上で、メッシュの横方向のピッチＸと縦方向のピッチＹをＧＵＩ１７により入力する。以上により、ユーザは、ＧＵＩ１７により、基準画像３４上の任意の位置に任意のピッチＸとピッチＹのメッシュの基準形状４３を有する基準マークを配置することができる。
【００２５】
ユーザが、同心円の基準形状４４をＧＵＩ１７により指定する場合を説明する。まず、ユーザは、ツールバー３７上で、同心円の基準形状４４をＧＵＩ１７により指定する。ユーザは、さらに、基準画像３４上で、同心円の中心を配置する位置をＧＵＩ１７により指定する。ついで、ユーザは、基準画像３４上で、同心円の最外周にある円の外周を配置する位置をＧＵＩ１７により指定する。最後に、ユーザは、ツールバー３７上で、同心円の半径のピッチをＧＵＩ１７により入力する。以上により、ユーザは、ＧＵＩ１７により、基準画像３４上の任意の位置に任意の半径のピッチを有する同心円の基準形状４４を有する基準マーク４６を配置することができる。
【００２６】
ユーザが、放射状の線の基準形状４５をＧＵＩ１７により指定する場合を説明する。まず、ユーザは、ツールバー３７上で、放射状の線の基準形状４５をＧＵＩ１７により指定する。ユーザは、さらに、基準画像３４上で、放射状の線の中心を配置する位置をＧＵＩ１７により指定する。ついで、ユーザは、基準画像３４上で、放射状の線の端部を配置する位置をＧＵＩ１７により指定する。最後に、ユーザは、ツールバー３７上で、放射状の線の隣接する線となす角度のピッチをＧＵＩ１７により入力する。以上により、ユーザは、ＧＵＩ１７により、基準画像３４上の任意の位置に任意の角度のピッチを有する放射状の線の基準形状４５を有する基準マーク４６を配置することができる。
【００２７】
また、ユーザが、ツールバー３７上で、ドットをＧＵＩ１７により指定すれば、ユーザがさらに、ドットピッチをＧＵＩ１７により入力することにより、ＧＵＩ１７は、基準画像３４上に配置された基準形状４１乃至４５を有する基準マーク４６を、線分のように連続していないドット列により表すことができる。
【００２８】
このように、基準マーク４６は、図５に示すような任意の長さの線分でも良いし、図６に示すような複数の線分でも良い。また、メッシュでも同心円でも放射状の線分でも良い。走査方向や放射方向に放射強度を変えた干渉縞のような形状でも良い。また、これらの複合でも良い。なお、線分やドットを試料１１上に形成する際には、電子線４７を集束したビームを用いれば良いが、ストライプ、メッシュ、同心円、放射状の線のように形状が繰り返される場合は、光に代表されるような干渉パターンを利用することができる。
【００２９】
なお、ユーザによるデータ入力がＧＵＩ１７により行われているが、これに限らず、ポインティングデバイスを用いても良いし、表示画面上に表示されたマーク位置を表すアイコンを選択しても良い。また、基準画像３４を縦に２分割する水平線分（基準マーク）をあらかじめ基準画像３４上に設定しておき、ラインパターン３５が基準画像３４の所望の位置に配置されるように撮影しても良い。
【００３０】
ユーザにより基準マーク４６の指定の終了が入力されると、形成部１９は、第１走査型電子顕微鏡２を制御して電子線４７を照射し、基準方向３２から見た形状が基準形状４１乃至４５である観察マーク３１を試料１１の表面に形成する。このとき、形成部１９は、基準画像３４上に配置された基準マーク４６の位置と基準形状４１乃至４５に基づいて、観察マーク３１を形成する。
【００３１】
ここで注意すべきは、第１走査型電子顕微鏡２は、照射形状が基準形状４１乃至４５になるように、基準方向３２から電子線４７を試料１１に照射して、観察マーク３１を試料１１の表面に形成するが、試料１１にはラインパターン３５が形成され凹凸があるので、観察マーク３１を基準方向３２とは異なる方向、たとえば、観察方向３３から観察すると、ラインパターン３５によって観察マーク３１は歪んで観察されることである。この歪みを観察することにより、ラインパターン３５の凹凸を検出することができる。
【００３２】
観察マーク３１を試料１１に形成する際には、基準画像３４を撮影するときより、電子線４７のビームの強度（電圧、電流）を強くしたり、照射時間を長くしたりしても良い。このことにより、撮影の際には生じない試料１１の物理的変化（コンタミネーションを含む）や化学的変化や電気的変化を起こすことができ、これらの変化を観察マーク３１にすることができる。
【００３３】
図７に試料１１の鳥瞰図を示すように、ラインパターン３５の形状が順テーパであれば、基板３６の法線方向４８から電子線４７を照射することで、ラインパターン３５の側面にも、電子線４７を照射でき、側面に観察マーク３１を形成することができる。
【００３４】
図８（ａ）に試料１１の鳥瞰図を示すように、ラインパターン３５の形状が逆テーパであれば、基板３６の法線方向４８から電子線４７を照射すると、ラインパターン３５の側面は、電子線４７の影になり、側面に観察マーク３１を形成することができないと考えられる。そこで、図８（ａ）に示すように、強度の強いビーム、具体的には、加速電圧を高めた電子線４７を照射することで、電子線４７にラインパターン３５内部を貫通させ、ラインパターン３５の側面に観察マーク３１を形成している。このことによれば、電子線４７は、基準方向３２から死角になる試料１１の表面にも達し、基準方向３２から死角になる試料１１の表面に観察マーク３１を形成することができる。
【００３５】
また、図８（ｂ）に示すように、試料１１を傾斜させて電子線４７を照射することにより、電子線４７は、基準方向３２から死角になる試料１１の表面にも達し、基準方向３２から死角になる試料１１の表面に観察マーク３１を形成することができる。形成部１９は、試料１１を傾斜させるために、図１の傾斜可能な試料ステージ９を利用することができる。
【００３６】
また、図８（ｃ）に示すように、電子線４７を傾斜させて照射することにより、電子線４７は、基準方向３２から死角になる試料１１の表面にも達し、基準方向３２から死角になる試料１１の表面に観察マーク３１を形成することができる。形成部１９は、電子線４７を傾斜させるために、電子線４７を偏向する図１の第１偏向部４を利用することができる。
【００３７】
また、観察マーク３１として溝を形成するという物理的変化をおこしても良い。この溝は、基準方向３２から死角になる試料１１の表面に達するように、すなわち、ラインパターン３５を２つに分断するように形成する。
【００３８】
試料１１に観察マーク３１が形成された後に、図３の観察画像撮影部２１は、図１に示すように、第２走査型電子顕微鏡６を利用して、観察マーク３１を基準方向３２とは異なる観察方向３３から撮影し図９の観察画像５１を取得する。観察画像撮影部２１は、観察方向３３から電子線を試料１１に照射する第２荷電粒子線源７を利用して、観察マーク３１を撮影する。なお、観察マーク３１の撮影では、エネルギ分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）を用いても良い。ＥＤＸによれば、特定の元素のマッピングを観察画像５１にすることができる。したがって、試料１１には含まれておらず、観察マーク３１のみには含まれている元素について、ＥＤＸによりマッピングを行えば、観察マーク３１のみを抽出して撮影することができる。ただ、ＥＤＸの感度を上げるためには、元素の原子番号は離れていたほうがよく、観察マーク３１のみに、試料１１を構成する元素の原子番号より、５以上離れた原子番号の元素を含んでいることが望ましい。そして、後述する、抽出部２４による抽出を省くことができる。
【００３９】
図９に示すように、観察画像表示部２２（図３参照）は、第２制御部１３の表示画面に、観察画像５１を表示する。ラインパターン３５による凹凸で、観察画像５１に写った観察マークは歪んでいる。この歪んで写された観察マークの画像を変形マーク５２とする。ユーザは変形マーク５２を観察することにより、ラインパターン３５の三次元形状を把握することができる。なお、観察画像記憶部２３は、必要に応じて、観察画像５１を記憶する。
【００４０】
次に、試料１１として、図１０に示すようなホールパターン４９を例に、観察画像５１さらには観察マーク３１の撮影について説明する。
【００４１】
図１０に示すように、ホールパターン４９の形状が順テーパであれば、試料１１の法線方向４８から電子線４７を照射することで、ホールパターン４９の側面にも、電子線４７を照射でき、側面に観察マーク３１を形成することができる。しかし、観察マーク３１を斜め方向から撮影しようとすると、ホールパターン４９の側面に遮られて観察マーク３１を撮影できない場合があると考えられる。
【００４２】
そこで、図１１（ａ）に示すように、観察マーク３１が見えるところまで試料１１を傾斜させて、第２走査型電子顕微鏡６からの電子線５０を照射することにより、電子線５０は、観察方向３３から死角になる試料１１の表面にも達し、観察方向３３から死角になる観察マーク３１も撮影することができる。観察画像撮影部２１は、試料１１を傾斜させるために、図１の傾斜可能な試料ステージ９を利用することができる。
【００４３】
また、図１１（ｂ）に示すように、電子線５０を基板の法線の方向へ傾斜させて照射することにより、電子線５０は、観察方向３３から死角になる試料１１の表面にも達し、観察方向３３から死角になる観察マーク３１を撮影することができる。観察画像撮影部２１は、電子線５０を傾斜させるために、第２走査型電子顕微鏡６により電子線５０を偏向させることができる。
【００４４】
図１１（ｃ）に示すように、強度の強いビーム、具体的には、加速電圧を高めた電子線５０を照射することによっても、電子線５０がホールパターン４９の側面を透過するようになるので、ホールパターン４９内の観察マーク３１を撮影することができる。
【００４５】
なお、図１２に示すように、試料１１が多層構造になっており、ホールパターン４９の側面に中間層５８が露出している場合がある。このような場合に、観察マーク３１を形成すると、中間層５８上にだけ観察マーク３１が形成されないときがある。具体的には、図１の原料ガス供給部５から供給される原料ガスが中間層５８以外の領域には反応して観察マーク３１を形成するが、中間層５８には反応しないか反応しても反応物が揮発して堆積せず観察マーク３１が形成されない場合が考えられる。また、中間層５８が窪んでいて観察マーク３１が形成されない場合も考えられる。このことから、観察マーク３１の欠けた間隔の長さを測定することで、中間層の厚さを間接的に計測することができる。
【００４６】
次に、図３の抽出部２４は、図９の観察画像５１から観察マーク３１の画像である変形マーク５２を抽出する。この抽出により、観察マーク３１および試料１１に対応する三次元形状の観察すなわち復元が可能になる。変形マーク５２を抽出する方法としては、ユーザがポインティングデバイスでなぞる方法や、輪郭抽出部２６によって画像処理の輪郭抽出処理を用いる方法などがある。また、変形マーク５２自体は幅をもつため、必要に応じて、細線化部２７がその幅の中央を通る細線を生成する細線化処理を行う。
【００４７】
断面形状算出部２８は、抽出された変形マーク５２と観察方向３３とから、試料１１の観察マーク３１を通る平面で切った断面での変形マーク５２の断面形状を算出（復元）する。変形マーク５２の断面形状は、図１３に示すように、第２制御部１３の表示画面に表示される。この変形マーク５２の断面形状は、試料およびラインパターンの断面形状を表す。なお、この断面形状の算出方法としては、抽出した変形マーク５２を観察方向３３の角度情報に応じて幾何変換する方法などがある。ひとつの観察方向３３だけではなく、複数の観察方向３３に対する複数の変形マーク５２があればより精度の高い復元が期待できる。
【００４８】
図１３に示すように、計測部２９は、変形マーク５２の断面形状の寸法または角度を計測し、観察画像５１上に表示する。図１３では、寸法として、ラインパターンの高さに相当する距離を測定している。角度としては、ラインパターンのテーパ角に相当する角度を測定している。
【００４９】
図１４に示すように、基準形状が複数のラインからなるストライプの場合、復元された三次元形状として、試料１１を複数のライン毎にラインを通る平面で切った断面での変形マーク５２の断面形状を算出している。
【００５０】
さらに、図１５に示すように、観察する視点の方向を、観察方向３３や断面視の方向でない方向に変えた場合の変形マーク５２の形状を算出しても良い。領域５３に、基準方向３２を回転軸とする視点の方向の回転角度が入力され、領域５４に、視点の方向と基準方向３２とのなす角度が入力されると、第２制御部１３は、その視点の方向から見た変形マーク５２の形状を算出し表示する。
【００５１】
なお、図１に示すように、第１制御部１２と第２制御部１３とは、それぞれ、別のコンピュータで構成しても良いし、１つのコンピュータで構成しても良い。また、変形マーク５２の観察だけで良い場合は、図３に示す抽出部２４、断面形状算出部２８、計測部２９は省いても良い。
【００５２】
以上のように、第１の実施形態の形状観察装置１によれば、試料１１に局所的な観察マーク３１を付けるだけなので、試料１１に対するダメージは少なく、電子顕微鏡、集束イオンビーム顕微鏡、もしくは、光学顕微鏡を用いて観察するので、観察マーク３１を付した試料１１の三次元形状を高速に観察することができる。また、半導体装置のような微細なパターンを有する試料の形状を観察でき、逆テーパの三次元形状の検出が可能である。
【００５３】
（第２の実施形態）
図１６に示すように、本発明の第２の実施形態に係る形状観察装置１は、第１の実施形態の形状観察装置１と比較して、走査型電子顕微鏡２と６の２台から走査型電子顕微鏡２のみの１台になっている点が異なっている。これに伴い、第２制御部１３が、第１制御部１２に組み込まれている。走査型電子顕微鏡２の第１荷電粒子線源３は、観察マーク３１を形成するためだけでなく、第１の実施形態の第２荷電粒子線源７の観察マーク３１を撮影するためにも利用される。走査型電子顕微鏡２の第１荷電粒子線源３は、観察マーク３１の形成のために電子線４７を基準方向３２から照射した後、観察マーク３１に斜め方向の観察方向３３から電子線４７を照射して観察する。この観察のときに、方向変更部では、電子線４７の試料１１に照射する方向を変更する。方向変更部は、傾斜部５５と、第２偏向部５６とを有し、試料１１もしくは電子線４７をチルトさせ、斜め方向からの観察を実現する。
【００５４】
図１７に示すように、方向変更部として、傾斜部５５は、試料１１を傾斜させる。このことにより、観察マーク３１に斜め方向の観察方向３３から電子線４７を照射して観察マーク３１を観察することが可能になる。
【００５５】
図１８に示すように、方向変更部として、第２偏向部５６は、電子線４７を偏向させる。このことによっても、観察マーク３１に斜め方向の観察方向３３から電子線４７を照射して観察マーク３１を観察することが可能になる。
【００５６】
（第３の実施形態）
図１９に示すように、本発明の第３の実施形態に係る形状観察装置１は、第１の実施形態の形状観察装置１と比較して、走査型電子顕微鏡２が、集束イオンビーム露光装置（鏡筒）５７になっている点が異なっている。集束イオンビーム露光装置（鏡筒）５７を用いることで、観察マーク３１の形成に、試料１１のスパッタ加工が可能になる。また、チャンバ１０内に、原料ガス供給部５から原料ガスを供給すれば、イオンビーム蒸着により、観察マーク３１の形成が可能になる。
【００５７】
以上の実施形態は、観察マーク３１を形成し観察する形状観察装置１を一体の装置として単一のチャンバ１０を有していた。しかし、これに限らず、観察マーク３１を形成する部分と、観察マーク３１を観察する部分とが分かれて、分離していても良い。また、観察マーク３１を形成する専用のチャンバと、観察マーク３１を観察する専用のチャンバとを有する形状観察装置１であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る形状観察装置の構成図である。
【図２】形状観察装置の第１制御部の構成図である。
【図３】形状観察装置の第２制御部の構成図である。
【図４】基準画像とツールバーが表示された第１制御部の画面表示である。
【図５】ラインの基準マークが配置された基準画像が表示された第１制御部の画面表示である。
【図６】ストライプの基準マークが配置された基準画像が表示された第１制御部の画面表示である。
【図７】観察マークが形成され順テーパのラインパターンを有する試料の鳥瞰図である。
【図８】（ａ）は、荷電粒子線が逆テーパのラインパターンを突き抜けて観察マークが形成された試料の鳥瞰図であり、（ｂ）は、試料を傾けて荷電粒子線を照射して観察マークを形成した試料の鳥瞰図であり、（ｃ）は、傾けた荷電粒子線を照射して観察マークを形成した逆テーパのラインパターンを有する試料の鳥瞰図である。
【図９】ラインの変形マークが写された観察画像が表示された第２制御部の画面表示である。
【図１０】観察マークが形成され順テーパのホールパターンを有する試料の鳥瞰図である。
【図１１】（ａ）は、試料を傾けて荷電粒子線を照射して観察マークを撮影している試料の鳥瞰図であり、（ｂ）は、所定の観察方向から傾けた荷電粒子線を照射して観察マークを撮影している試料の鳥瞰図であり、（ｃ）は、荷電粒子線がホールパターンを突き抜けて観察マークを撮影している試料の鳥瞰図である。
【図１２】観察マークが形成され側壁に中間層が露出している順テーパのホールパターンを有する試料の鳥瞰図である。
【図１３】ラインの変形マークが写され、計測値が表示された観察画像が表示された第２制御部の画面表示である。
【図１４】ストライプの変形マークが写された観察画像が表示された第２制御部の画面表示である。
【図１５】ストライプの変形マークを視点の方向を変えて表示した観察画像が表示された第２制御部の画面表示である。
【図１６】本発明の第２の実施形態に係る形状観察装置の構成図である。
【図１７】本発明の第２の実施形態に係る形状観察装置の試料１１が傾いている状態の構成図である。
【図１８】本発明の第２の実施形態に係る形状観察装置の荷電粒子線が偏向している状態の構成図である。
【図１９】本発明の第３の実施形態に係る形状観察装置の構成図である。
【符号の説明】
【００５９】
１      形状観察装置
２      第１走査型電子顕微鏡（鏡筒）
３      第１荷電粒子線源または第１光源
４      第１偏向部
５      原料ガス供給部
６      第２走査型電子顕微鏡（鏡筒）
７      第２荷電粒子線源または第２光源
８      エッチング部
１０    チャンバ
１１    試料
１２    第１制御部
１３    第２制御部
１４    特定部
１５    基準画像撮影部
１６    基準画像表示部
１７    ＧＵＩ
１９    形成部
２１    観察画像撮影部
２２    観察画像表示部
２３    観察画像記憶部
２４    抽出部
２８    断面形状算出部
２９    計測部
３１    観察マーク
３２    基準方向
３３    観察方向
３４    基準画像
３７    ツールバー
４１乃至４５  基準形状
４６    基準マーク
５１    観察画像
５２    変形マーク
５５    傾斜部
５６    第２偏向部
５７    集束イオンビーム露光装置（鏡筒）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図９】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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