(57)【要約】    【課題】  半導体ウェーハの測定、検査、欠陥レビュー用の走査電子顕微鏡において、高倍率での画像の撮像を行うには、複数の電子顕微鏡で撮像した画像をもとに合焦点画像を撮像するための焦点制御量を算出する必要があるが、複数の画像を電子顕微鏡で撮像するのに多くの時間を要し、短タクトでの画像撮像を行うことが困難であった。    【解決手段】  本発明は、ステージが移動中、あるいは制動中にステージの移動に関わらず、ほぼ同一位置に収束電子線が複数回照射可能なように収束電子線を走査する領域を狭く設定し、該走査する領域に対し、焦点位置を変化させながら複数回収束電子線を照射し、その像を形成し、該形成した像より合焦点位置を算出可能な区間を算出し、算出した区間より合焦点位置を算出する電子顕微鏡である。【選択図】  図１
2005332593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線の電子源と前記電子線を収束し収束電子線を発生させる電子レンズと前記収束電子線の照射位置を視野内において偏向し、観察対象に収束電子線を照射する偏向手段と前記観察対象から放出される２次電子あるいは反射電子を検出して信号に変換する電子検出器と前記収束電子線の焦点位置を制御する焦点位置制御手段とを備えた電子光学系と、
該電子光学系の電子検出器で検出した２次電子あるいは反射電子の信号をデジタル信号に変換してメモリに記憶するＡＤ変換・記憶手段と、
前記電子光学系または前記撮像対象を相対的に移動して前記電子光学系が前記撮像対象を撮像する視野を移動させる視野移動手段とを備えた走査電子顕微鏡であって、
前記視野移動手段によって前記電子光学系が前記撮像対象を撮像する視野を移動させた状態で、前記焦点位置制御手段を制御して前記Ｚ方向に焦点位置を変化させながら各焦点位置において前記視野の移動量に応じて前記偏向手段を制御して前記収束電子線の走査位置を補正して該走査位置を補正された収束電子線を前記撮像対象上の焦点合わせポイントに照射し、前記各焦点位置において前記焦点合わせポイントから得られる二次電子または反射電子を前記電子光学系の電子検出器により検出して合焦点位置算出用の強度信号を得て、前記ＡＤ変換・記憶手段によりデジタル信号に変換してメモリに記憶させる第１の電子線照射制御手段と、
該第１の電子線照射制御手段により前記メモリに記憶された各焦点位置における合焦点位置算出用の強度信号を解析して合焦点位置を算出する解析部を有し、該解析部で算出された合焦点位置に基づいて前記焦点位置制御手段の制御量を算出する第１の合焦点位置制御量算出手段とを備え、
該第１の合焦点位置制御量算出手段で算出された制御量を基に前記焦点位置制御手段を制御して合焦点状態で前記電子光学系により前記撮像対象上の所定領域の画像を撮像するように構成したことを特徴とする走査電子線顕微鏡。
【請求項２】
前記視野移動手段は、前記撮像対象を載置したステージで構成することを特徴とする請求項１記載の走査電子線顕微鏡。
【請求項３】
更に、前記視野移動手段による移動する視野の移動量を計測する計測手段を備え、前記第１の電子線照射制御手段において、前記計測手段で計測された視野の移動量に応じて前記偏向手段を制御して前記収束電子線の走査位置を補正することを特徴とする請求項１または２記載の走査電子顕微鏡。
【請求項４】
前記第１の電子線照射制御手段において、前記走査位置を補正した収束電子線を前記撮像対象上の焦点合わせポイントに複数の方向に走査して照射するように構成したことを特徴とする請求項１または２記載の走査電子顕微鏡。
【請求項５】
前記第１の電子線照射制御手段において、前記視野移動手段によって前記電子光学系が前記撮像対象を撮像する視野を移動させた状態を、前記視野移動手段に制動を作用させて得ることを特徴とする請求項１または２または３または４記載の走査電子顕微鏡。
【請求項６】
前記第１の合焦点位置制御量算出手段の解析部において、前記各焦点位置における合焦点位置算出用の強度信号に対してバンドパスフィルタを適用し、該バンドパスフィルタの出力プロファイルに対して任意の複数の区間に区分けをし、該区分けされた複数の区間の内バンドパスフィルタの出力プロファイルが判定基準より大なる区間を、合焦点位置制御量を算出可能な区間として特定し、該特定された区間における各焦点位置における合焦点位置算出用の強度信号を解析して合焦点位置を算出するように構成したことを特徴とする請求項１または２または３または４または５記載の走査電子顕微鏡。
【請求項７】
更に、前記第１の合焦点位置制御量算出手段の解析部において合焦点位置制御量を算出できないとき、前記視野移動手段によって視野を停止させた状態で、前記焦点位置制御手段を制御して前記Ｚ方向に焦点位置を変化させながら各焦点位置において前記偏向手段を制御して収束電子線を走査して前記撮像対象上の焦点合わせポイントに照射し、前記各焦点位置において前記焦点合わせポイントから得られる二次電子または反射電子を前記電子光学系の電子検出器により検出して合焦点位置算出用の強度信号を得て、前記ＡＤ変換・記憶手段によりデジタル信号に変換してメモリに記憶させる第２の電子線照射制御手段と、
該第２の電子線照射制御手段により前記メモリに記憶された各焦点位置における合焦点位置算出用の強度信号を解析して合焦点位置を算出する解析部を有し、該解析部で算出された合焦点位置に基づいて前記焦点位置制御手段の制御量を算出する第２の合焦点位置制御量算出手段とを備え、
該第２の合焦点位置制御量算出手段で算出された制御量を基に前記焦点位置制御手段を制御して合焦点状態で前記電子光学系により前記撮像対象上の所定領域の画像を撮像するように構成したことを特徴とする請求項１または２または３または４または５記載の走査電子顕微鏡。
【請求項８】
更に、前記第１の合焦点位置制御量算出手段の解析部において合焦点位置制御量を算出可能な区間が特定できないとき、前記視野移動手段によって視野を停止させた状態で、前記焦点位置制御手段を制御して前記Ｚ方向に焦点位置を変化させながら各焦点位置において前記偏向手段を制御して収束電子線を走査して前記撮像対象上の焦点合わせポイントに照射し、前記各焦点位置において前記焦点合わせポイントから得られる二次電子または反射電子を前記電子光学系の電子検出器により検出して合焦点位置算出用の強度信号を得て、前記ＡＤ変換・記憶手段によりデジタル信号に変換してメモリに記憶させる第２の電子線照射制御手段と、
該第２の電子線照射制御手段により前記メモリに記憶された各焦点位置における合焦点位置算出用の強度信号を解析して合焦点位置を算出する解析部を有し、該解析部で算出された合焦点位置に基づいて前記焦点位置制御手段の制御量を算出する第２の合焦点位置制御量算出手段とを備え、
該第２の合焦点位置制御量算出手段で算出された制御量を基に前記焦点位置制御手段を制御して合焦点状態で前記電子光学系により前記撮像対象上の所定領域の画像を撮像するように構成したことを特徴とする請求項６記載の走査電子顕微鏡。
【請求項９】
電子線の電子源と前記電子線を収束し収束電子線を発生させる電子レンズと前記収束電子線の照射位置を視野内において偏向し、観察対象に収束電子線を照射する偏向手段と前記観察対象から放出される２次電子あるいは反射電子を検出して信号に変換する電子検出器と前記収束電子線の焦点位置を制御する焦点位置制御手段とを備えた電子光学系と、
該電子光学系の電子検出器で検出した２次電子あるいは反射電子の信号をデジタル信号に変換してメモリに記憶するＡＤ変換・記憶手段と、
前記電子光学系または前記撮像対象を相対的に移動して前記電子光学系が前記撮像対象を撮像する視野を移動させる視野移動手段とを備えた走査電子顕微鏡であって、
前記焦点位置制御手段を制御して前記Ｚ方向に焦点位置を変化させながら前記収束電子線の走査位置が各焦点位置において同一あるいは近傍になるように収束電子線走査領域Ａに対して収束電子線を照射し、各焦点位置において前記収束電子線走査領域Ａから得られる二次電子または反射電子を前記電子光学系の電子検出器により検出して合焦点位置算出用の強度信号を得て、前記ＡＤ変換・記憶手段によりデジタル信号に変換してメモリに記憶させる第３の電子線照射制御手段と、
該第３の電子線照射制御手段により前記メモリに記憶された各焦点位置における合焦点位置算出用の強度信号を解析して合焦点位置を算出することができないと判断された場合には、前記焦点位置制御手段を制御して前記Ｚ方向に焦点位置を変化させながら前記収束電子線を前記収束電子線走査領域Ａよりも広い収束電子線走査領域Ｂに走査して照射し、各焦点位置において前記収束電子線走査領域Ｂから得られる二次電子または反射電子を前記電子光学系の電子検出器により検出して合焦点位置算出用の強度信号を得て、前記ＡＤ変換・記憶手段によりデジタル信号に変換してメモリに記憶させる第４の電子線照射制御手段と、
該第４の電子線照射制御手段により前記メモリに記憶された各焦点位置における合焦点位置算出用の強度信号を解析して合焦点位置を算出し、該算出された合焦点位置に基づいて前記焦点位置制御手段の制御量を算出する第４の合焦点位置制御量算出手段とを備え、
該第４の合焦点位置制御量算出手段で算出された制御量を基に前記焦点位置制御手段を制御して合焦点状態で前記電子光学系により前記撮像対象上の所定領域の画像を撮像するように構成したことを特徴とする走査電子線顕微鏡。
【請求項１０】
更に、前記第３の電子線照射制御手段により前記メモリに記憶された各焦点位置における合焦点位置算出用の強度信号を解析して合焦点位置を算出することができると判断された場合には、合焦点位置を算出し、該算出された合焦点位置に基づいて前記焦点位置制御手段の制御量を算出する第３の合焦点位置制御量算出手段を備え、
該第３の合焦点位置制御量算出手段で算出された制御量を基に前記焦点位置制御手段を制御して合焦点状態で前記電子光学系により前記撮像対象上の所定領域の画像を撮像するように構成したことを特徴とする請求項８記載の走査電子線顕微鏡。
【請求項１１】
前記解析部には、各焦点位置で検出される強度信号を隣り合う複数の焦点位置に亘って順次オーバーラップさせてライン加算して平均化された複数の焦点位置での強度信号を得るオーバーラップライン加算部を有すること特徴とする請求項１または２または３または４または５記載の走査電子顕微鏡。
【請求項１２】
更に、前記撮像対象の表面の高さを光学的に検出する光学的高さ検出器を備えたことを特徴とする請求項１または２または３または４または５または９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、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、収束電子線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）に関し、特に高倍率の画像を撮像することが必要なＳＥＭ式半導体ウェーハ検査装置や半導体ウェーハで検出された欠陥をより詳細に観察するためのレビューＳＥＭ、さらに半導体ウェーハ上に形成されたパターンの計測をおこなう測長ＳＥＭにおいて自動焦点を実行する時間を不要化することでＳＥＭ画像の撮像タクトタイムを短縮させる技術に関する。
【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、光学式の顕微鏡では欠陥の検出、観察、そしてパターン幅の寸法測長が困難になってきており、ＳＥＭによる画像撮像をベースにした検査、レビュー、測長が行われるようになってきている。ＳＥＭによる画像撮像は光学式のそれに比較して焦点深度が深いという特性があったため、特にＳＥＭ式の検査装置やレビュー装置では従来、精度の良い自動焦点は必要性が低かった。例えばウェーハ表面高さを例えば特開平１１−１８３１５４号公報（特許文献１）に記載されている光学式の高さ検出器で検出し、その表面高さをもとにＳＥＭの焦点をあわせるといった方式によりＳＥＭで撮像した画像をもとにした自動焦点をかけなくても撮像対象はＳＥＭの焦点深度内に入れることができたためである。
【０００３】
この公知例としては例えば特開２００２−３１０９６２号公報（特許文献２）が知られている。特許文献２の手法では、高速なレビュー装置の実現方法として、ステージを移動させながら画像を撮像する方法が述べられているが、この発明においてはオートフォーカスのかけ方に関して、ステージ移動に対してウェーハの高さ方向をリアルタイムに検出するセンサを用いるとしていた。しかし、観察対象を更に高倍で撮像する場合には焦点深度は更に浅くなりＳＥＭで撮像した画像により自動焦点をかける必要が発生する。この場合のＳＥＭで撮像した画像により自動焦点をかける手法としては、例えばＳＥＭの照射する収束電子線の照射方向をＺ方向として、ＳＥＭの焦点位置がＺ方向にそれぞれ異なるように電子光学系の設定を変化させながら、各設定において画像を撮像し、これらの画像に対し、空間周波数が高い成分のみを透過させるハイパスフィルタを適用し、この出力レスポンスが最も大きくなる画像を撮像した設定において、最も焦点が合っていると判断していると判定し、この画像を撮像した電子光学系の設定をもとに自動焦点をかける方法が知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１８３１５４号公報
【０００５】
【特許文献２】特開２００２−３１０９６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来の技術には短いタクトで高倍率の画像を撮像することができないという課題があった。上記で説明したように、ＳＥＭで高倍率の画像を撮像する場合には焦点深度が浅くなる。２００４年の時点で半導体のライン間の幅は９０ｎｍとなってきており、この配線の太さを精度良く計測するためには、例えば１５万倍程度の倍率で画像を撮像する必要がある。この倍率では電子光学系の解像度は２ｎｍ程度が要求され、この解像度を実現するための焦点深度は一般には１μｍ未満となる。このように焦点深度が浅くなってきている為、リアルタイムでその表面高さを検出することは困難になってきている。また、仮に１μｍ未満の誤差でウェーハ表面高さをリアルタイムに計測できたとしても、この計測値をもとにした高精度な焦点合わせは一般には不可能である。
【０００７】
ＳＥＭは収束電子線を観察対象に照射し、その観察対象から放出される二次電子や反射電子を検出して画像を撮像するが、照射する収束電子線と放出される二次電子、あるいは反射電子の量のバランスが崩れると観察対象が帯電し、この帯電による観察対象表面の電界の影響を受け、焦点位置が変化してしまうためである。特に最近のウェーハではウェーハ表面が酸化シリコン等絶縁膜に覆われているものが多く、入射される電子数に対して放出される電子数が多くなると、ウェーハ表面は正に帯電するが、素材自体が絶縁膜であるため、欠乏した電子をウェーハの他のエリアから供給することが困難であり、帯電量が多くなる傾向にある。このため、絶縁膜に覆われたウェーハでは特に表面高さを検出した結果に基づいて焦点のあった画像を撮像することは困難になってきている。
【０００８】
一方、前記Ｚ方向に焦点をずらした画像を複数撮像し、このそれぞれの画像に空間周波数が高い成分のみを透過させるハイパスフィルタを適用し、この出力レスポンスが最も大きくなる画像を撮像した設定において、最も焦点が合っていると判断していると判定し、この画像を撮像した電子光学系の設定をもとに自動焦点をかける方法では観察対象の視野における位置が変化しないよう観察対象と電子光学系との位置が静止している状態で複数の画像を撮像する必要があり、このため、タクトが長くなるという課題があった。例えばテレビの電子銃と同じ周波数で収束電子線を走査した場合には正方形の視野を前提とすると３３ｍｓ程度を必要とする。
【０００９】
ＳＥＭの撮像画像は一般にはノイジーであることが多く、このＳ／Ｎを改善するため、一般にフレーム加算と呼ばれる手法が採用されている。この手法は視野に対して複数回収束電子線を走査し、このとき得られた画像をフレームとした場合に複数フレームの同一アドレスの平均値を算出し、この平均値を画像として保存することで、フレームの加算数Ｎとおいた場合にノイズを１／√Ｎに低減させる手法である。今、自動焦点をおこなうためにフレーム加算数を４とした場合、１枚の画像の撮像には１３２ｍｓを要することになる。いまここで、Ｚ方向に焦点位置をずらした画像を１０枚撮像し、自動焦点をかけると仮定すれば、画像の撮像時間のみで１．３秒程度要することとなり、短タクトでの画像撮像は不可能である。
【００１０】
本発明の目的は、半導体ウェーハ等の試料の測定、検査、欠陥レビュー用の高倍率（例えば１５万倍程度の倍率）で画像を撮像する走査電子顕微鏡において、短タクトでの走査電子顕微鏡による撮像画像を基に自動合焦点制御して、２ｎｍ程度までの高解像度が得られるようにした走査電子顕微鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記従来の課題を解決するために、本発明は、ＳＥＭの撮像視野を制御するステージ等の視野移動手段によって視野を移動させた状態で、合焦点状態の焦点位置制御手段の制御量を算出して自動焦点をかけるようにした走査電子顕微鏡である。
【００１２】
即ち、本発明は、ＳＥＭの撮像視野を制御するステージ等の視野移動手段の移動によらず、各焦点位置を変化させながら、収束電子線の走査位置を補正することにより、収束電子線を焦点合わせポイントにおける同一の箇所に走査させることにより自動焦点を実施可能にすることを特徴とする。
【００１３】
即ち、本発明は、ステージ等の視野移動手段によって視野を移動させた状態で、焦点位置制御手段を制御してＺ方向に焦点位置を変化させながら各焦点位置において前記視野の移動量に応じて偏向手段を制御して収束電子線の走査位置を補正して該走査位置を補正された収束電子線を撮像対象上の焦点合わせポイントに照射し、前記各焦点位置において前記焦点合わせポイントから得られる二次電子または反射電子による強度信号を得る第１の電子線照射制御手段と、該第１の電子線照射制御手段により得られた各焦点位置における合焦点位置算出用の強度信号を解析して合焦点位置を算出する解析部を有し、該解析部で算出された合焦点位置に基づいて前記焦点位置制御手段の制御量を算出する第１の合焦点位置制御量算出手段とを備え、該第１の合焦点位置制御量算出手段で算出された制御量を基に前記焦点位置制御手段を制御して合焦点状態で前記電子光学系により前記撮像対象上の所定領域の画像を撮像するように構成した走査電子線顕微鏡である。
【００１４】
また、本発明は、更に、前記視野移動手段による移動する視野の移動量を計測する計測手段を備え、前記第１の電子線照射制御手段において、前記計測手段で計測された視野の移動量に応じて前記偏向手段を制御して前記収束電子線の走査位置を補正することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、前記第１の電子線照射制御手段において、前記走査位置を補正した収束電子線を前記撮像対象上の焦点合わせポイントに複数の方向に走査して照射するように構成したことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、前記第１の電子線照射制御手段において、前記視野移動手段によって前記電子光学系が前記撮像対象を撮像する視野を移動させた状態を、前記視野移動手段に制動を作用させて得ることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、前記第１の合焦点位置制御量算出手段の解析部において、前記各焦点位置における合焦点位置算出用の強度信号に対してバンドパスフィルタを適用し、該バンドパスフィルタの出力プロファイルに対して任意の複数の区間に区分けをし、該区分けされた複数の区間の内バンドパスフィルタの出力プロファイルが判定基準より大なる区間を、合焦点位置制御量を算出可能な区間として特定し、該特定された区間における各焦点位置における合焦点位置算出用の強度信号を解析して合焦点位置を算出するように構成したことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、各焦点位置で検出される強度信号（プロファイル信号）を隣り合う複数の焦点位置に亘って順次オーバーラップさせてライン加算して平均化された複数の焦点位置での強度信号を得ることによって収束電子線をライン走査する回数を減らして視野の移動量を収束電子線の走査位置を補正できる範囲（例えば３０μｍ）内にすることを可能とすることにある。
【００１９】
また、本発明ではステージがステップ＆リピートで移動する場合には、比較的ステージの移動スピードが低いステージ移動減速時に自動焦点をかけ、ステージ静止時に撮像対象の画像をとることにより、高い解像度の画像撮像を可能にしている。
【００２０】
また、本発明は、自動焦点をかける際に撮像した信号波形に基づいて焦点位置算出に用いることができる区間を特定し、この区間が見つからない場合にはステージが静止してから再度自動焦点をかけることを可能にしている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、自動焦点をステージが移動中に行うことが可能になるため、短タクトでの走査電子顕微鏡による画像撮像が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
半導体ウェーハは、多数の工程により多層構造的にパターンが形成されていく。この多層構造を製造していく過程において、その製造プロセスをモニタリングするためにレイヤー毎に形成されたパターンの寸法測定、外観検査や、その外観検査で検出された欠陥のレビューが行われている。
【００２３】
最近の半導体プロセスはますます微細化してきているため、これらをおこなうための画像撮像には光学式の顕微鏡よりも高い解像度での画像撮像が可能なＳＥＭが適用されるようになってきている。ＳＥＭは、１５万倍程度の倍率で画像を撮像する場合には１μｍ以下の焦点深度になる。ＳＥＭ式の外観検査装置ではこれよりも低い数千倍の倍率で画像を撮像するのであるが、高速な画像撮像をおこなうため、収束電子線の電流量を大きくする必要があり、このときにも観察対象表面における収束電子線のビーム径が小さくなるようにするため、収束電子線の開き角を大きくする必要があり、焦点深度は数μｍと比較的浅くなっている。
【００２４】
ＳＥＭの焦点あわせは、ウェーハ表面の高さを検出し、その表面位置で収束電子線のビーム径が最小になるように調整するが、ＳＥＭの焦点位置はウェーハの表面電位により影響を受けるため、ウェーハ表面高さが計測できたからといって合焦点画像が得られる訳ではない。そこで、収束電子線の照射方向をＺとおいた場合に、Ｚ方向に焦点位置が互いに異なる像を複数撮像し、このうち最も焦点位置のあった像をもとめて自動焦点をかける方法が広く適用されているが、この方法は自動焦点をかける時間が長くかかるという課題がある。
【００２５】
そこで、本発明は、Ｚ方向に焦点位置が互いに異なる像を複数撮像し、自動焦点をかける方式を採用するが、これを視野移動の期間におこなうことにより実質、自動焦点にかける時間を不要化するものである。
【００２６】
以下、本発明に係る走査電子顕微鏡の実施の形態について図１〜図７を用いて具体的に説明する。
【００２７】
図１は、本発明に係る走査電子顕微鏡の基本構成を示す。
１０１は電子線源であり、電子線を照射する。照射された電子線はコンデンサーレンズ１０２によって収束される。該収束された電子線は、偏向制御部１５２、１５３によって偏向制御される走査ユニット（偏向器）１０３、１０４によりＸ、Ｙ方向に偏向されて照射する位置が制御される。なお、１５１は数千倍から１５万倍程度の倍率に設定される倍率設定部である。更に、電子線は対物レンズ１０５により収束されてウェーハ１０６の撮像対象１０７に対して照射される。撮像対象１０７からはこの結果、２次電子と反射電子が放出され、２次電子および反射電子はＥｘＢ１０８により偏向されて電子検出器１０９により検出される。電子検出器１０９で検出された２次電子および反射電子はＡ／Ｄコンバータ１１１でデジタル画像信号に変換され、画像メモリ（デジタル画像信号記憶手段）１１２に格納される。１４０は焦点位置制御手段であり、対物レンズ１０５の励磁電流を変化させ、収束電子線の焦点位置、すなわちビーム径が最小となるＺ方向の高さを制御する。１１４はＸＹステージであり、ウェーハ１０６を移動させ、ウェーハ１０６の任意の位置の画像撮像を可能にしている。１１５と１１６はレーザ測長器であり、ステージの位置を計測する。そして、全体制御ユニット１３０のステージ移動速度及び移動量算出部１３４は、レーザ測長器１１５、１１６で計測されるステージの位置情報に基づいてステージの移動速度及び移動量（自動焦点合わせ用に画像を撮像始めてから終了するまでの３０μｍ程度以下の視野移動量）が算出される。焦点位置設定部１３３は、決定された焦点位置を変化させる範囲を基に電子光学系の各焦点位置を設定するものである。電子線走査位置補正部１３２は、ステージ移動速度及び移動量算出部１３４で算出される各焦点位置における視野移動量を基に電子線走査位置を補正するものである。
【００２８】
画像処理ユニット１２０における合焦点位置算出用画像処理ユニット１２１は、オーバーラップによるライン加算部１２１１とフィルタリング部１２１２と有して構成される。オーバーラップによるライン加算部１２１１は、画像メモリ１１２から得られる、各焦点位置１〜Ｎにおいて収束電子線の１ライン走査によって得られた画像をライン１、ライン２、…、ラインＮのようにしておいて、ライン１からライン４を加算した画像２．５、ライン２からライン５を加算した画像３．５、…、ラインＮ−３からラインＮを加算した画像Ｎ−１．５というように例えば３ライン分オーバーラップを持たせることによって、Ｎ−３回変えた各焦点位置での平均化された画像を取得する機能部分である。フィルタリング部１２１２は、オーバーラップによるライン加算部１２１１から得られる各焦点位置（例えば２．５、３．５、…、Ｎ−１．５）での画像信号に対してより低い空間周波数も透過させて焦点状態を示すプロファイル信号を得るバンドパスフィルタ等で構成される。各焦点位置でのプロファイルの任意の区間への区分け部１３５は、図４（ｃ）に示すように、フィルタリング部１２１２から得られる各焦点位置でのプロファイル信号（５０５、５０６、…、５０８）に対して任意の区間に区分けする機能部分である。合焦点位置算出用に適用できる区間の判断部１３６は、区分け部１３５で区分けされた各区間について合焦点位置算出用に適用できるか否かを判断する機能部分である。即ち、判断部１３６は、フィルタリング部１２１から得られる各焦点位置におけるフィルタレスポンス波形を任意の区間（例えばＭ等分した区間）に区分けし、該区分けした区間から得られるプロファイルに基いて合焦点位置算出用に適用できる区間であるか否かを判断し、適用できる区間である場合にはそれを特定し、適用できない区間の場合には収束電子線の走査領域を広げたり、または方向を変えたりするものである。
【００２９】
従って、全体制御ユニット１３０の合焦点位置制御量算出部１３１は、焦点位置制御手段１４０に与えた各焦点位置と上記判断部１３６から得られる合焦点位置算出用に適用できる区間における各焦点位置での焦点状態を示すプロファイル信号に基いて合焦点位置を倍率設定部１５１で設定される倍率（１万倍〜１５万倍）に応じて数〜１μｍ以下の精度で算出するものである。当然、倍率に応じて収束電子線の照射領域が変わるため、合焦点合せ精度も変わることになる。
【００３０】
ステージコントローラ１５０は、全体制御ユニット１３０からの指令に基づいてＸＹステージ１１４を移動制御するものである。
【００３１】
また、全体制御ユニット１３０は、ステージ移動量による電子線走査位置を補正する場合、オーバーラップを持たせたライン加算によって視野の移動を３０μｍ程度以下にしたステージ１１４の移動量をレーザ測長器１１５、１１６で計測し、それぞれのフレームを撮像する際に計測したステージ１１４の移動量分補正するように偏向制御部１５２、１５３を介して走査ユニット１０３及び１０４に対して収束電子線の照射位置を制御することにより、電子線検出器１０９によって焦点合わせポイントにおける同一箇所の焦点位置の異なる画像を検出することが可能となり、その結果自動焦点をかけることができるようになる。
【００３２】
１６０、１６１は、例えば特開平１１−１８３１５４号公報（特許文献１）に記載されている光学式の高さ検出器であり、これによってウェーハ１０６の表面を電子光学系の焦点基準位置に粗く合せるものである。１６０はウェーハ１０６の表面に例えば格子状縞パターンを投影する光学系で、１６０はウェーハ１０６の表面のＺ方向の変位に応じて表面からの反射光像のシフト位置を検出する検出器である。このように、光学式の高さ検出器１６０、１６１によってウェーハ１０６の表面を電子光学系の焦点基準位置に粗く合せることによって、後述する焦点位置制御手段１４０によるＺ方向の焦点変化範囲を狭く設定することができることになる。
【００３３】
また、画像処理ユニット１２０における欠陥検出ユニット１２２は、電子光学系を合焦点状態に制御された状態で電子検出器１０９で撮像対象から検出される撮像画  像を基に欠陥を検出したり、該欠陥をカテゴリに分類したり、または欠陥の致命性をレビューする部分である。そして、欠陥検出ユニット１２２で検査、分類またはレビュー結果は、全体制御ユニット１３０に送信されて表示装置の画面に出力することが可能となる。
【００３４】
さて、本発明では、ウェーハ１０６を移動させるＸＹステージ１１４により視野移動を移動させながら自動焦点をかけるのであるが、視野移動中に電子線を照射した場合の課題としては視野が移動してしまい、異なるＺ方向の焦点位置において同一の領域に対して収束電子線を照射することができないことがあげられる。
【００３５】
これを解決する方式として、本発明においては、収束電子線の走査領域（焦点合わせポイント）を例えば一方向ライン走査の場合（倍率が１５万倍程度の高倍率の場合、４μｍ×４ｎｍ程度）、図３に示すように複数方向または曲線走査する場合（倍率が１５万倍程度の高倍率の場合、４μｍ×４μｍ程度）なるように極めて狭く限定するようにした。収束電子線の走査領域は、倍率が１万倍程度で低倍率で、例えば一方向ライン走査の場合、１３．５μｍ×４ｎｍ程度となり、正方視野の場合、１３．５μｍ×１３．５μｍ程度となる。
【００３６】
ところで、通常、自動焦点をかける場合には収束電子線を照射する領域のいずれにテキスチャ（繰り返しパターン）があるか判断することができないため、Ｚ方向に焦点を変化させながら比較的広い正方視野（例えば倍率が１５万倍程度の高倍率の場合４μｍ×４μｍ程度）に対して収束電子線を照射して正方領域の画像を撮像し、この画像に対して高い空間周波数のみを透過させるデジタルフィルタとのコンボリューション演算をもとにテキスチャに相当する高周波レスポンスを算出し、高周波レスポンスの大きい画像を撮像したＺ方向の位置で焦点があったと判断している。
【００３７】
しかしながら、この方法をステージ移動中(非常に低速度の状態)に適用することは困難である。その理由は次に説明する如くである。即ち、前述のようにＳＥＭ画像は一般にノイジーであるため、フレーム加算を行いＳ／Ｎを向上させるが、１フレームの撮像に３３ｍｓかかるとすると、各焦点位置において４フレーム加算した一枚の画像を取得するのに、１３２ｍｓ程度要することになる。その結果、焦点位置を例えば１０回変えて１０枚の４フレーム加算した画像を得、該得られた１０枚の画像を基に合焦点位置を探すのに１３２０ｍｓ程度を要することになる。
【００３８】
一方、ステージの移動スピードはステップ＆リピートの動作をする場合には５０ｍｍ／ｓ程度の移動速度になる。その結果、自動焦点合せするための、１枚目の画像を取得するときと１０枚目の画像を取得するときとの間には６６ｍｍ程度視野がずれてしまうことになる。このように視野がずれてしまった場合、それぞれの視野には異なるパターンが撮像されるため、各画像より高周波レスポンスを撮像したとしても、そのレスポンスの差が撮像対象パターンの違いによるのか、Ｚ方向の焦点位置の違いによるのかを判断することができなくなってしまうためである。
【００３９】
そこで、本発明においては、まず、自動焦点をかける領域（焦点合わせポイント）を極めて狭く（例えば、４μｍ×４ｎｍ程度）設定することとした。通常、自動焦点をかける画像は５１２回の収束電子線の走査により撮像されるが、例えばこれを１回の走査により撮像すると仮定すると１スキャン分の画像は通常の時間の１／５１２となり、１３２０ｍｓ／５１２≒２．６ｍｓ程度、このときの視野の移動は１３０μｍ程度となる。
【００４０】
しかし、１５万倍程度の高倍率の撮像が可能なＳＥＭで、走査ユニット１０３、１０４により視野移動が可能な領域は３０μｍ程度であることが多く、走査ユニット１０３、１０４のみでは上記１３０μｍ程度の視野移動をかけることができない。
【００４１】
そこで、本発明においては、自動焦点をかける場合には、ステージ１１４を停止に近い非常に低速度の状態で（ステージ移動中に）、全体制御ユニット１３０からの焦点位置制御手段１４０への制御を基に焦点位置を例えばＮ回（例えば１３回）程度変化させながら、連続的に収束電子線を繰り返し走査し（各焦点位置で１回のライン走査）、その結果Ｎ回撮像されたライン画像をメモリ１１２に格納していくことになる。ここで、各焦点位置１〜Ｎにおいて収束電子線の１ライン走査によって得られた画像をライン１、ライン２、…、ラインＮのようにおく。そして、１ライン走査によって得られる画像はノイジーであるため、ライン１からライン４を加算した画像２．５（焦点位置２．５における平均画像に相当する）、ライン２からライン５を加算した画像３．５（焦点位置３．５における平均画像に相当する）、…、ラインＮ−３からラインＮを加算した画像Ｎ−１．５（焦点位置Ｎ−１．５における平均画像に相当する）というように例えば３ライン分オーバーラップを持たせることによって、Ｎ−３回変えた各焦点位置での平均化された画像が３３０ｍｓ／５１２≒０．６ｍｓ程度で得られることとなり、そのときの自動焦点合わせ用に画像を撮像始めてから終了するまでのステージ移動による視野移動は３０μｍ程度となり、走査ユニット１０３、１０４による電子線走査位置補正の範囲内にすることが可能となる。
【００４２】
そこで、Ｎ回の各焦点位置において、静止状態に近いステージ１１４の３０μｍ程度以内の移動量をレーザ測長器１１５、１１６で計測し、該計測したステージ１１４の移動量分補正するように、全体制御ユニット１３０が走査ユニット１０３及び１０４に対して収束電子線の照射位置を制御することにより、電子検出器１０９によって同一箇所の焦点位置の異なる画像を検出することができ、その結果ステージを非常に低速度で移動中でも自動焦点制御をかけることが可能となる。
【００４３】
ただし、上記の如く各焦点位置における１走査分のデータのみから自動焦点制御をかけることは常に十分な精度を得られるとは限らない。
【００４４】
また、観察対象であるウェーハの表面には様々なパターンが形成されている可能性があり、例えば図２（ａ）に示す２０１のような線状繰返しパターンでは図２（ａ）のＹ方向には空間周波数の高周波数成分があるが、Ｘ方向には周波数成分が無い。ここで、２０２のように収束電子線をＸ方向に走査した場合には、Ｙ方向の空間周波数は算出できないため、空間周波数の高周波レスポンスをもとに自動焦点をかけることができなくなってしまう。また図２（ｂ）に示す２０３のようにパターンが局所的にしか発生しなかった場合にはパターンが無い位置で収束電子線を照射したとしても線状繰返しパターンの空間周波数を算出することができず、自動焦点を実現できない。
【００４５】
このように、本発明においては、観察対象であるウェーハ１０６の表面には様々なパターンが形成されている可能性があるため、収束電子線の走査方向を単一方向ではなく、複数の方向にする必要がある。例えば図３（ａ）に示すように、２０１のようなパターンに対して、３０１から３０６に示すように収束電子線を走査すれば、３０３〜３０６の走査線で高周波の空間周波数を検出することができる。複数に走査する方法としては３０１〜３０６に示したように複数の直線を描くように走査する方法以外に、図３（ｂ）に示すように、３０７に示したように一度の走査において曲線を描くようにして次第に走査方向が変化するようにする方法もあり、どのようにこれを実現してもかまわない。
【００４６】
さて、３０１や３０４に示したように走査をすれば、１ラインを走査する場合に対して走査長が長くなる為、単位走査長さあたりの検出電子数を同一にしようとすれば走査時間に多くの時間がかかることになり、例えば、２０２のように収束電子線を走査する場合に比較し、５倍程度の時間がかかることになる。すると、先ほど２０２のように走査する場合に自動焦点合わせ用に像を撮像始めてから終了するまでのステージ移動による視野移動を３０μｍとしたが、この長さが１５０μｍ程度に増加してしまい、１０３と１０４の走査ユニット（偏向器）のみではステージ移動による視野移動を補正することができなくなってしまう。
【００４７】
そこで、本発明においては、ステップ＆リピートで移動するステージ１１４に対しては、ステージに制動がかかった後に自動焦点をかけるという手法を適用する。ステージが静止する場合には、静止する直前では２００ｍｓ程度で２００μｍかけて移動する状態を想定することができる。自動焦点のために走査電子線画像を撮像する時間は１１．５ｍｓ程度であるから、この自動焦点用の走査電子線画像の撮像期間における視野移動は１１．５μｍであり、走査ユニット１０３、１０４でステージ移動量を補正することが可能となる。また、ステージ１１４が連続的に移動中に収束電子線を照射し、画像を撮像する場合には、もともとステージ移動スピードが遅いため、制動期間でなくとも同様の方法により自動焦点をかけることができる。
【００４８】
次に、本発明に係る自動焦点用の走査電子線画像の撮像シーケンスについて図４を用いて説明する。
【００４９】
図４（ａ）は、ステージ移動量による電子線走査位置補正有りの場合（ステージが停止状態に近い状態で検出される走査電子線画像を基に焦点制御をする場合）を示す図である。
【００５０】
図４（ｂ）は、ステージ移動量による電子線走査位置補正無しの場合（ステージが停止状態で検出される走査電子線画像を基に焦点制御する場合）を示す図である。
【００５１】
まず、図４（ａ）に示す撮像シーケンスを用いて説明する。即ち、撮像対象１０７の表面の高さは、常に光学式の高さ検出器１６０、１６１によって検出されて電子光学系の合焦点位置（基準位置）に粗く合せられているので、まず、全体制御ユニット１３０の焦点位置設定部１３３は、焦点位置制御手段１４０に対して電子光学系の基準焦点位置を基準にして焦点位置を変化させる範囲を決定し（Ｓ４０１）、焦点位置制御手段１４０に対して電子光学系の焦点位置をその初期値に設定する（Ｓ４０２）。同時に、全体制御ユニット１３０の電子線走査位置補正部１３２は、ステージ１１４の基準位置をレーザ測長器１１５、１１６により計測したときの走査ユニット（偏向器）１０３、１０４に対するＸおよびＹの補正オフセット量をそれぞれ０に設定する。次いで、ステージ移動量算出部１３４は、ステージに制動が作用して静止直前でのステージの移動量またはステージの低速での移動量をレーザ測長器１１５、１１６により計測し（Ｓ４０３）、該計測された測長値の変化量（ステージの視野移動量）を算出して電子線走査位置補正部１３２にフィードバックする。電子線走査位置補正部１３２は、上記フィードバックされた測長値の変化量を基に、走査ユニット（偏向器）１０３、１０４に対するＸおよびＹの補正オフセット量としてセットして電子線走査位置の補正を行う（Ｓ４０９）。同時に、全体制御ユニット１３０の走査ユニット（偏向器）１０３、１０４に対する補正制御の基に、上述したようにして決定した極めて狭い領域に対して電子線走査位置が補正された収束電子線を照射することにより、初期焦点位置での極めて狭い領域の同一箇所から放出される走査電子線画像が電子検出器１０９で検出できることになる（Ｓ４０４）。そして、初期焦点位置での走査電子線画像は、Ａ／Ｄコンバータ１１１による変換ののち、デジタル信号像として画像メモリ１１２に記憶される（Ｓ４０４）。
【００５２】
次に、焦点位置設定部１３３は、焦点位置制御手段１４０に対して次の焦点位置での撮像のためのＺ方向焦点位置を電子光学系にセットする（Ｓ４０５）。次いで、ステージ移動量算出部１３４は、ステージ１１４の移動量をレーザ測長器１１５、１１６により計測し（Ｓ４０６）、該計測された測長値の変化量（ステージの視野移動量）を算出して電子線走査位置補正部１３２にフィードバックする。電子線走査位置補正部１３２は、上記フィードバックされた測長値の変化量を基に、走査ユニット（偏向器）１０３、１０４に対するＸおよびＹの補正オフセット量（電子線走査位置の補正量）としてセットする。この時点（Ｓ４１０）において自動焦点用の撮像が終了していなければ、Ｓ４０９にもどり、再度上記セットされたＸおよびＹの補正オフセット量に基き電子線走査位置を補正して収束電子線を極めて狭い領域に対して照射し、次の焦点位置での極めて狭い領域（焦点合わせポイント）の同一箇所から放出される走査電子線像を画像メモリ１１２に記憶する（Ｓ４０４）。
【００５３】
ここで、各焦点位置（２．５、３．５、…、Ｎ−１．５）での電子線を照射する際に、ステージの移動量に応じた補正オフセット量だけずらして照射することにより、検出する走査電子線画像自体の位置が変化しないようにすることが可能となる。ところで、電子検出器１０９から検出される１ライン走査による画像はノイジーであるため、前述したように、オーバーラップライン加算部１２１１において、各焦点位置１〜Ｎにおいて収束電子線の１ライン走査によって得られた画像について、例えば３ライン分オーバーラップを持たせることによって、Ｎ−３回変えた各焦点位置での平均化された画像が０．６ｍｓ程度で得られることとなり、そのときの自動焦点合わせ用に画像を撮像始めてから終了するまでのステージ移動による視野移動は３０μｍ程度となり、走査ユニット１０３、１０４による電子線走査位置補正の範囲内にすることが可能となる。
【００５４】
そして、Ｓ４１０において自動焦点用の撮像が終了すれば、Ｓ４０７にて画像メモリ１２２に格納された各焦点位置での走査電子線画像をもとに画像処理ユニット１２０のフィルタリング部１２１で例えばより低い空間周波数も透過させるバンドパスフィルタ処理を行って図５（ｂ）に示すプロファイル信号（５０１、５０２、５０３、５０４）が得られる。区間区分け部１３５は、各焦点位置でのプロファイル信号に対して図５（ｃ）に示すように任意の区間（１〜Ｍ）で区分けする。判断部１３６は、図５（ｄ）に示すように、区分けされた区間毎に、各焦点位置でのプロファイル分布（パワー分布）Ｐ（ｉ，ｊ）の近似解析（ガウス関数近似、放物線関数近似、多項式関数近似等）を行って合焦点位置算出用に適用できる区間である否かの判断を行う。該判断において、適用できる区間と判断されたとき、その区間における各焦点位置での焦点状態を示すプロファイル信号を合焦点位置制御量算出部１３１に送信する。そして、合焦点位置制御量算出部１３１は、焦点位置制御手段１４０に与えた各焦点位置と上記判断部１３６から得られる合焦点位置算出用に適用できる区間の各焦点位置での焦点状態を示すプロファイル信号に基いて合焦点画像を撮像するための焦点制御量を数〜１μｍ以下の精度で求める（Ｓ４０７）。
【００５５】
なお、判断部１３６において合焦点位置算出用に適用できる区間である否かを判断するプロファイル信号としてはフィルタリング部１２１２においてバンドパスフィルタ処理した信号を用い、合焦点位置制御量算出部１３１にて合焦点位置算出するための特定区間におけるプロファイル信号としてはフィルタリング部１２１２においてハイパスフィルタ処理された信号を用いてもよい。ステージが停止状態で高密度パターンを撮像するときには、フィルタリング部１２１２においてハイパスフィルタ処理された信号を用いてもよい。
【００５６】
次いで、ステップＳ４１１においてステージ１１４が静止状態または極低速度の状態になったとき、全体制御ユニット１３０は、合焦点位置制御量算出部１３１で得られた焦点制御量を用いて焦点位置制御手段１４０により対物レンズ１０５の励磁電流を制御することにより電子光学系の焦点位置を最適になるように補正し、合焦点状態で撮像対象１０７に収束電子線を照射して電子線検出器１０９によって撮像対象のＳＥＭ画像を撮像する（Ｓ４０８）。画像処理ユニット１２０の欠陥検出ユニット１２２は、該撮像されたＳＥＭ画像を基に欠陥検査や欠陥の分類や欠陥のレビューを行う。
【００５７】
次に、図４（ｂ）に示す撮像シーケンスを用いて説明する。図４（ｂ）に示す撮像シーケンスは、ステージが停止状態で行われるため、図４（ａ）に示すステージ位置計測ステップＳ４０３、電子線走査位置補正ステップＳ４０９およびステージ位置計測ステップＳ４０６をなくしたものとなる。
【００５８】
以上説明した本方式では、比較的パターンの密度が高い場合には、図３に示すように走査した収束電子線がウェーハ上のいずれかのパターンのエッジの像を検出することを期待でき、良好に自動焦点を行うことができる。
【００５９】
しかしながら、半導体ウェーハには低密度にパターンが形成された箇所もある。ステージを停止させて自動焦点を行う方式では、ステージの移動が無いため、比較的広い領域に収束電子線を照射可能であり、この結果低密度にパターンが形成された箇所において撮像されたパターンをもとに自動焦点をかけることが可能となる。
【００６０】
本発明の方式では既に説明したようにステージが移動している最中において自動焦点をかける必要性から、図３に示したように狭い領域のみにしか収束電子線を照射することができず、この結果、パターン密度が低い場合には必ずしも収束電子線をパターン上で走査させることができなくなる。そこで、このような場合には視野移動が停止した後、全体制御ユニット１３０からの指令に基づいてステージコントローラ１５０を介してステージ１１４の移動範囲を広げることによって広い領域に収束電子線を照射する方式で自動焦点をかけることが望ましい。
【００６１】
ここでの課題は、視野移動中の自動焦点が良好に行えるかの判断の方法である。本発明では、視野移動中に走査した収束電子線より検出したＺ方向合焦点位置算出用画像についての、画像処理ユニット１２０のフィルタリング部１２１での空間周波数解析をもとに、全体制御ユニット１３０の区分け部１３５及び判断部１３６において、合焦点位置算出用に適用できる区間を算出し、この区間が無いか、あるいは安定した焦点位置算出が期待できない程度に区間長（プロファイルの幅）が短ければ、視野移動中の自動焦点では良好な焦点合わせが出来ないと判断する。図５にこの処理の基本的な考え方を示す。図５（ａ）は、収束電子線がライン走査される状態を示す。図５（ｂ）に示す５０１〜５０４は、ステップＳ４０４にて検出され、ライン加算部１２１１でオーバーラップ加算されたＺ方向に異なる各焦点位置（２．５、３.５、…、Ｎ−１．５）で撮像した自動焦点用の画像の明度プロファイルである。次に、この画像にフィルタリング部１２１２で空間周波数のバンドパスフィルタをかけた後のプロファイルが５０５〜５０８である。このバンドパスフィルタは、最も焦点のあった焦点位置を適用するハイパスフィルタを適用することも可能であるが、より望ましくはこれとは異なるより低い空間周波数も透過させるバンドパスフィルタを適用する。
【００６２】
本発明の方法では、できる限り異なる焦点位置で収束電子線を同一の領域に照射するようにしているが、視野の移動中にこれを行っている為、特に対象パターンが微細な場合にも対応できるように収束電子線のビーム径が小さい場合には、ステージ移動量の計測に基づく走査位置の補正誤差がビーム径に対して大きくなる傾向がある。このため、異なるＺ方向の焦点位置で走査したプロファイルが異なる位置で電子線を走査した結果得られたものである恐れがある。そこで、多少走査位置が変化しても安定したプロファイルを得られる箇所を合焦点位置算出用に適用できる区間と判断する必要がある。例えば図６（ａ）の６０１に示すパターンにこのパターンと直交する方向に収束電子線を走査した場合には、走査線がＹ方向にずれた場合においても安定したプロファイルを得ることができるが、図６（ｂ）の６０２のような箇所に走査された場合にはＺ方向の焦点位置毎にパターン上のプロファイルを得る場合と得られない場合とが混在してしまい、焦点が合わなくなってパターンの高周波成分を撮像できなくなったのか、あるいは単に電子線がパターンをはずれてしまっただけなのかを判断できなくなってしまうためである。ここで、検出したプロファイルは多少焦点があわなくなると急激にその高周波数レスポンスは低下するため、空間周波数の高いバンドのみを透過させるハイパスフィルタを適用してしまっては、少数の検出プロファイルでのみレスポンスを安定して検出できなくなり、電子線がパターンをはずれただけなのか、焦点がはずれたのかを判断することが困難になる。そこで、フィルタリング部１２１２で、より低い空間周波数を透過させるバンドパスフィルタを適用すれば、より多くのプロファイルでその透過レスポンスを検出することが可能になる。
【００６３】
このように、安定して同一のパターンからのプロファイルを検出できたと仮定すれば、そのＺ方向の各焦点位置における同一位置でのフィルタレスポンスは合焦点位置のプロファイルが最大の強度をもち、合焦点位置から外れるにしたがって、そのフィルタレスポンスは小さくなっていく。
【００６４】
更に、区分け部１３５において、図５（ｃ）の５０５〜５０８のフィルタレスポンス波形を、同図に示すように任意の区間に区分し（例えばＭ等分し）、判断部１３６において、区間ｉごとにフィルタレスポンスのパワーの平均を求める。すると、焦点位置ｊの区間ｉのパワー分布Ｐ（ｉ，ｊ）は、５０９（区間２の場合を示す。）に示すように、合焦点位置のプロファイルより求めたフィルタレスポンスのパワーの平均をピークとしたガウス関数で近似することが可能である。そこで、判断部１３６は、このガウス関数のピークが設定閾値をこえており、かつ、各プロファイルから得たフィルタレスポンスのパワーとフィッティングしたガウス関数との差分が小さく、さらにガウス関数の分散が予め設定した値と大きく異なっていなければ、合焦点位置算出用に適用できる区間であると判断することが可能である。このようにして合焦点位置算出用に適用できる区間を特定し、この区間が見つからない、あるいは合焦点位置算出用に適用できる区間長（プロファイルの幅）が予め設定しておいた閾値よりも短い場合には、視野移動を行っている間に撮像した像からは焦点位置を求めることができないと判断する。
【００６５】
なお、上記説明では、焦点位置ｊの区間ｉのパワー分布Ｐ（ｉ，ｊ）をガウス関数で近似したが、それ以外に放物線関数、多項式関数で近似することも可能である。
【００６６】
ここまでは、視野移動中に検出した画像を用いて自動焦点制御を行うことができるかを判定し、不可能であると判定した場合には視野移動が終了した後に再度自動焦点制御を行うため、得られたプロファイルに対してより低い空間周波数を透過させるバンドパスフィルタを適用することにした。
【００６７】
なお、視野移動が終了した後、再度自動焦点を行うときには、フィルタリング部１２１２としては、ハイパスフィルタを用いてもよい。
【００６８】
しかしながら、視野移動が終了した後、ステージが停止した後に再度自動焦点を実施しない場合においても、本手法を用いた合焦点位置算出用に適用できる区間を特定することは焦点位置算出の精度を向上させる効果がある。
【００６９】
次に、本発明に係る収束電子線による合焦点制御をレビューＳＥＭに適用した場合について説明する。図７は、レビューＳＥＭのＡＤＲシーケンスにおけるタイミングチャートを示す。図７のＡＤＲシーケンスでは、倍率設定部１５１で低倍に設定して電子光学系により電子検出器２０９で低倍の参照画像、低倍の欠陥画像（検出画像）の順に画像を撮像して画像メモリ１１２に記憶し、画像処理ユニット１２０の欠陥検出ユニット１２２は上記２つの画像の比較より低倍の欠陥画像における欠陥の位置を検出し、全体制御ユニット１３０は該検出した低倍の欠陥画像における欠陥の位置情報を基に欠陥が画像の中心に撮像されるように視野を調整し、倍率設定部１５１で高倍率に設定して電子光学系により電子検出器２０９で高倍の欠陥画像を撮像する。ここで参照画像とは、欠陥が発生した座標と同じ設計で形成された部分の画像であり、通常欠陥が発生したチップと隣接するチップのチップ内座標が同一の位置で撮像した画像を参照画像とする。
【００７０】
図７（ａ）はステージの移動スピードを示したものであり、図７（ｂ）は自動焦点の実行タイミング、図７（ｃ）は画像の撮像タイミングを示している。７０４は低倍の参照画像を視野にいれるためのステージ移動である。
【００７１】
全体制御ユニット１３０は、ステージ移動において、ステージ移動目標点の近傍になると、ステージ１１４を減速し、ステージ移動速度算出部１３４で算出されるステージの速度が予め定めた速度以下になると、７０５で示すタイミングで図４（ａ）に示す撮像シーケンスに従って自動焦点制御を開始する。自動焦点制御はステージ１１４が停止する前に終了し、ステージ停止と同期して７０６に示すタイミングで低倍の参照画像の撮像が行われて画像メモリ１１２に記憶される。次いで、全体制御ユニット１３０は、７０７にてステージ１１４を１チップ分移動させ、７０８に示すタイミングで低倍の欠陥画像の撮像が行われて画像メモリ１１２に記憶される。通常、ウェーハ上で１チップ分しか離れていない２つのチップの同じ位置ではウェーハの帯電状態はほぼ同一であるため、低倍の欠陥画像の撮像用に自動焦点をかける必要は無く、焦点制御量は参照画像でかけた自動焦点で算出した制御量をもとに設定される。
【００７２】
次いで、全体制御ユニット１３０は、７０９にて示すタイミングで、高倍の欠陥画像撮像用に自動焦点制御をかける。このときステージ１１４が移動していないため、図４（ｂ）に示す撮像シーケンスに従って自動焦点制御を行う。
【００７３】
これと同期して、画像処理ユニット１２０の欠陥検出ユニット部１２２は、画像メモリ１１２に記憶された低倍の欠陥画像と低倍の参照画像をもとに欠陥位置を特定し、該特定情報を全体制御ユニット１３０に提供する。次いで、全体制御ユニット１３０は、７１０で示すタイミングで、提供を受けた特定情報を基に特定された欠陥を高倍で撮像されるように制御する。
【００７４】
図７で示したシーケンスにおいて自動焦点制御は７０５と７０９のタイミングで行われるが、７０５においては本発明に係るステージの移動と自動焦点制御の並列化が行われ、この結果、自動焦点制御の待ち時間は発生しない。また、７０９のタイミングにおける自動焦点制御に関しては、欠陥位置の特定と自動焦点制御を並列に実施することができるため、自動焦点用にかかる時間実質的に無くなることになる。
【００７５】
図７ではレビューＳＥＭに適用した場合について説明したが、本発明に係る自動焦点制御は一般性を失うことなく、測長ＳＥＭや検査ＳＥＭ、汎用ＳＥＭなど、多様な走査電子顕微鏡を用いた装置に適用できることはもちろんである。
【００７６】
さて、ここまではステージが移動中に自動焦点を行う方式について説明してきたが、本方式で述べた方法は一般性を失うことなく、ステージが静止した後に適用することも可能である。本発明に係る自動焦点制御をステージが静止した後に適用するメリットは自動焦点用に収束電子線を走査する領域を狭くなり、この結果自動焦点に要する時間が短くなることであり、一方、課題はパターン密度が疎な位置で自動焦点を行う場合に収束電子線を走査する領域が狭くなることで、電子線がパターンを走査できなくなる怖れが発生し、この場合に自動焦点がかけられなくなることである。
【００７７】
しかし、既に説明した方法により、この課題は解決される。すなわち、Ｚ方向に焦点位置を変化させながら、設定した狭い領域に複数回収束電子線を走査して得られた像をもとに、自動焦点を行うことができるかを判定する。この結果自動焦点をかけることが不可能と判定された場合には、初めの自動焦点で収束電子線を走査した領域よりも広い領域を自動焦点用の収束電子線走査領域として設定し、再度Ｚ方向に焦点位置を変化させながら設定した領域に収束電子線を走査して自動焦点をかけるようにする。特にメモリなど、ウェーハ上の非常に広い領域がメモリセルで構成されている場合等においては、初めの狭い領域への電子線の走査で、パターン部を走査する確率が高く、全体としての自動焦点に要する時間を大幅に削減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明に係る走査電子顕微鏡の基本構成を示す図である。
【図２】本発明に係る焦点制御用の対象パターンの説明図である。
【図３】本発明に係る収束電子線の走査方法の説明図である。
【図４】本発明に係る自動焦点用画像の撮像シーケンスを示す図で、（ａ）はステージ移動量による電子線走査位置補正有りの場合（ステージ移動中の場合）を示す図、（ｂ）はステージ移動量による電子線走査位置補正無しの場合（ステージ停止状態の場合）を示す図である。
【図５】本発明に係る合焦点位置算出方法の説明図である。
【図６】本発明に係る合焦点算出における算出可能区間の説明図である。
【図７】本発明に係る収束電子線による合焦点制御をレビューＳＥＭに適用した際のＡＤＲにおけるタイミングチャートを示す図である。
【符号の説明】
【００７９】
１０１：電子線源、１０２：コンデンサーレンズ、１０３、１０４：走査ユニット（偏向器）、１０５：対物レンズ、１０６：ウェーハ、１０７：撮像対象、１０８：ＥｘＢ、１０９：電子検出器、１１０：Ａ／Ｄコンバータ、１１２：メモリ（画像メモリ）、１１４：ＸＹステージ（視野移動手段）、１１５，１１６：レーザ測長器、１２０：画像処理ユニット、１２１：合焦点位置算出用画像処理ユニット、１２１１：オーバーラップによるライン加算部、１２１２：フィルタリング部、１３０：全体制御ユニット、１３１：合焦点位置制御量算出部、１３２：電子線走査位置補正部、１３３：焦点位置設定部、１３４：ステージ移動速度及び移動量算出部、１３５：各焦点位置でのプロファイルの任意の区間への区分け部、１３６：合焦点位置算出用に適用できる区間の判断部、１４０：焦点位置制御手段、１５０：ステージコントローラ、１５２、１５３：偏向制御部、１５１：倍率設定部、１６０、１６１：光学式撮像対象高さ検出器。
【図１】
2005332593.tif 000003
【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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