(57)【要約】【課題】  装置倍率の高精度な誤差計測と倍率校正を自動で行う荷電粒子線装置を提供する。【解決手段】  本発明は、ピッチ平均寸法が既知の周期構造を有する基準試料の走査像に対して、自己相関、あるいはＦＦＴ変換の画像処理を用いて、走査像の有する平均周期情報を検出して、装置の倍率誤差を計測するとともに、得られた倍率誤差の情報を装置の倍率制御手段にフィードバックして精度の高い倍率の校正を自動で行うことを特徴とする。【選択図】図１
2005209488.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子源と、当該荷電粒子源から放出される荷電粒子線を集束して試料上で走査する荷電粒子光学系と、当該荷電粒子線の走査によって試料から放出される二次信号粒子を検出する検出器を備えた荷電粒子線装置において、
前記二次信号粒子の検出に基づいて形成される画像、或いはラインプロファイルから前記試料の周期情報を検出し、当該周期情報に基づいて倍率誤差を測定する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記制御装置は、前記検出した周期情報と、前記画像の画素サイズ又は前記画像の設定倍率から、前記荷電粒子線の倍率誤差を計測することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記制御装置は、前記画像、或いはラインプロファイルの自己相関を計算して、前記周期情報を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項２において、
前記制御装置は、前記ラインプロファイルを、所定方向に沿って平均化し、当該平均化したラインプロファイルを、前記所定方向とは異なる方向にずらして自己相関を計算して、当該計算された自己相関の分布から相関値のピークを得ることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項２において、
前記制御装置は、前記画像をＦＦＴ変換して前記周期情報を検出することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項６】
請求項２において、
前記制御装置は、前記計測した倍率誤差に基づいて、倍率制御パラメータを変更することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項７】
請求項１において、
前記制御装置は、前記計測した倍率誤差が所定の範囲を超えた場合に、メッセージを表示する表示手段を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項８】
請求項１において、
前記計測した倍率誤差を表示する表示装置を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項９】
請求項２において、
前記制御装置は、前記周期情報が所定の画素数より大きいときは、第１の手法で前記周期情報を検出し、前記周期情報が所定の画素数以下のときは、第２の手法で前記周期情報を検出することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１０】
請求項９において、
前記第１の手法は、自己相関法であり、前記第２の手法はＦＦＴ変換法であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１１】
請求項２において、
前記制御装置は、前記画像全体の画素数を前記検出した周期情報の画素数で割り算して求めた周期繰り返し数が、予め定めた所定の値よりも小さいときには、前記周期数に応じて定めた枚数の複数の異なる視野で画像を取得し、該取得画像のそれぞれから周期を検出し、検出した複数の周期情報からその平均値を求めて周期の代表値とすることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記複数の異なる視野は、荷電粒子線照射位置を電気的に移動（偏向）して得ることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１３】
請求項２において、
前記制御装置は、既知の試料ピッチ寸法と、画像の画素数の選択範囲と、倍率の選択範囲から、画像取得時の画素数と倍率を決定し、当該決定された画素サイズと倍率で画像を取得することを備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１４】
荷電粒子源と、当該荷電粒子源から放出される荷電粒子線を集束して試料上で走査する荷電粒子光学系と、当該荷電粒子線の走査によって試料から放出される二次信号粒子を検出する検出器を備えた荷電粒子線装置において、
前記二次信号粒子の検出に基づいて形成される画像から、周期情報と周期構造の向きを検出し、検出した周期構造の向きが、予め定められた所定の条件を満たした場合に、倍率誤差を測定することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１５】
請求項１４において、
前記制御装置は、前記周期構造と前記が像の画素サイズ又は倍率の情報から、前記倍率誤差を計測することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１６】
請求項１４において、
前記検出した周期構造の向きが予め定めた所定の条件を満たさない場合に、メッセージを表示する表示装置を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１７】
請求項１４において、
前記制御装置は、前記検出した周期構造の向きが予め定めた所定の条件を満たさない場合に、画像上における周期構造の向きのずれを修正するように荷電粒子線の走査方向を制御、或いはステージの回転動作を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１８】
ピッチ寸法が既知の周期構造を有する試料のディジタル画像から周期情報を検出し、検出した周期情報と試料のピッチ寸法から計算した画素サイズを基準として画像内の任意区間の寸法を計測する寸法計測法。
【請求項１９】
ピッチ寸法が既知の周期構造を有する試料のディジタル画像から周期情報を検出し、検出した周期情報と試料のピッチ寸法から装置の倍率誤差を計測する倍率誤差計測法。
【請求項２０】
荷電粒子源と、当該荷電粒子源から放出される荷電粒子線を集束して試料上で走査する荷電粒子光学系と、当該荷電粒子線の走査によって試料から放出される二次信号粒子を検出する検出器を備えた荷電粒子線装置において、
前記二次信号粒子の検出に基づいて形成される画像、或いはラインプロファイルから前記試料上の周期構造の周期情報を検出し、当該周期情報から得られるピッチ計測値と、前記試料上の周期構造のピッチ公証値を比較し、その比率に基づいて倍率誤差を測定する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２１】
荷電粒子源と、当該荷電粒子源から放出される荷電粒子線を集束して試料上で走査する荷電粒子光学系と、当該荷電粒子線の走査によって試料から放出される二次信号粒子を検出する検出器を備えた荷電粒子線装置において、
前記二次信号粒子の検出に基づいて形成される画像の所定領域について、周期構造の特定方向に対する自己相関の計算、或いはＦＦＴ変換を行い、前記所定領域内におけるピッチを計測し、当該ピッチ計測値と前記周期構造のピッチ公証値の比率に基づいて倍率誤差を測定する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２２】
周期構造上に荷電粒子線を或る設定倍率で走査し、当該荷電粒子線の走査によって形成される画像に基づいて、当該画像の倍率誤差を計測する倍率誤差計測方法において、
前記画像の所定領域について、前記周期構造の特定方向に対する自己相関の計算、或いはＦＦＴ変換を行い、前記所定領域内におけるピッチを計測し、当該ピッチ計測値と前記周期構造のピッチ公証値との比率に基づいて、倍率誤差を計測する倍率誤差計測方法。
【請求項２３】
試料に荷電粒子線を走査して得られる画像内のパターン数が所定値以下の場合、前記荷電粒子線の走査領域を移動させて、複数の画像を形成し、当該複数の画像から、前記荷電粒子線の倍率誤差を計測することを特徴とする倍率誤差計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は荷電粒子線装置に係り、特に、試料像の実倍率や装置の倍率ずれを高精度に計測するとともに、装置の倍率を自動で校正するに好適な荷電粒子線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査電子顕微鏡に代表される荷電粒子線装置では、細く集束された荷電粒子線を試料上で走査して試料から所望の情報（例えば試料像）を得る。このような荷電粒子線装置は、半導体デバイスのパターン幅や膜厚の計測などに用いられるため、装置の像倍率を高精度に維持することが極めて重要である。
【０００３】
倍率誤差の計測を行うには、図２に示すような、ピッチ寸法（周期）が公証値として既知の周期構造を有する倍率基準試料を用いてその拡大像を取得し、得られた拡大像から試料のピッチ寸法を測定する。そして、この測定値とピッチ公証値とのずれを倍率誤差としている。装置の倍率を校正するには、この倍率誤差が最小になるように装置の倍率制御パラメータ（走査電子顕微鏡では像倍率と試料上のビーム走査幅との関係を決める係数）を調整する。
【０００４】
倍率基準試料のピッチ公証値は、一般に、倍率基準試料の繰り返しパターンのピッチ平均値を表すため、精度の高い倍率校正を行うには、基準試料の少なくとも１０点程度の異なる位置でピッチを測定して、その平均値から像のピッチ測定値を決める必要がある。
【０００５】
図３に従来のピッチ寸法測定法の例を示す。試料像から基準試料のピッチ（Ｌm ）を測定するには、図３（ａ）に示すように、ディジタル画像として取得した試料像上でピッチに対応する位置にカーソルを手動で合わせて、カーソル間の画素数（Ｎ）を計数する。この値（Ｎm ）と試料像の画素サイズ（Ｌp ）とから、ピッチ（Ｌm ）は、
【０００６】
【数１】
2005209488.tif 000003
【０００７】
で計算される。これ以外の方法として、図３（ｂ）に示すように、試料像のピッチ計測領域を指定して、その間のラインプロファイル（画像上の水平線または垂直線に沿った画素値（明るさ）の分布）からパターンエッジ部を検出して、ピッチ寸法を自動で計測する方法も実用化されている。一方、画素サイズ（Ｌp ）と像倍率Ｍとは次の関係にある。
【０００８】
【数２】
2005209488.tif 000004
【０００９】
ここで、Ｋp は、倍率が正しく表示されるための画像の表示サイズであり、Ｎp は、画素数である。例えば、取り込んだ画像の画素数が６４０×４８０画素で、画像の表示サイズが１２８mm×９６mmとすると、倍率１００００倍における画素サイズＬp は、１２８mm／（６４０×１００００）＝２０ｎｍとなる。したがって、倍率Ｍに誤差があると、この誤差は式（２）の画素サイズＬp の誤差として現れるため、式（１）で計算されるピッチ寸法（Ｌp ）に誤差が生じることになる。
【００１０】
上記方法で測定した基準試料のピッチ測定値（Ｌm ）とピッチ公証値（Ｌs ）から、装置倍率のずれΔＭが、
【００１１】
【数３】
2005209488.tif 000005
【００１２】
で計算できる。走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）では、像倍率（Ｍ）と試料上でのビーム走査幅（Ｌb ）との間に、
【００１３】
【数４】
2005209488.tif 000006
【００１４】
の関係があり、倍率係数Ｋm は装置の制御プログラム内の倍率制御(ビーム走査幅の制御)に用いられる。校正前の倍率係数Ｋm に対して、式（３）の倍率ずれΔＭがある場合、
【００１５】
【数５】
2005209488.tif 000007
【００１６】
とすれば、装置の倍率が校正される。すなわち、装置の制御に用いられる倍率係数の値を「Ｋm ＊（Ｌm／Ｌs）」に変換する処理が、倍率校正である。
【００１７】
加速電圧やＷＤの動作範囲の広い汎用形の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）では、全ての動作領域で倍率を高精度に制御することが技術的に困難なため、装置の倍率精度は、±１０％になっている。そのため、このような汎用ＳＥＭを用いて、より高い精度の観察や寸法計測を行うためには、加速電圧やＷＤなど、装置の使用条件毎の倍率校正が必要となる。
【００１８】
また、例えば特許文献１には、透過型電子顕微鏡において、異なった２枚の画像を比較して倍率誤差を計測する技術が開示されている。
【００１９】
【特許文献１】特開２０００−３２３０８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
半導体デバイスにおける寸法計測では±１％程度の高い精度が必要になるため、こうした高精度が測定を汎用ＳＥＭで行う場合は、加速電圧やＷＤなどの使用条件毎に倍率校正を行う必要がある。しかし、上記従来技術では、倍率校正を行うために基準試料の複数の位置でピッチを計測する必要がある。さらに、これらの作業が手作業であり、人為誤差や測定ミスの可能性も避けられないため、ユーザレベルで倍率ずれの高精度な計測や高精度な倍率校正を簡単にできない問題があった。
【００２１】
また、特許文献１に開示の技術によれば、予めリファレンスとなる画像を、同じ試料で、且つ同じ光学条件で取得しておく必要があり、余分な手間がかかり、また、装置条件の経時変化等の影響により高精度な計測が難しいという問題がある。
【００２２】
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決して、取得した倍率基準試料の画像から、高精度な倍率ずれの計測と、倍率ずれの補正を実現するための方法、及び装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記目的を達成するために、本発明によれば、試料に荷電粒子線を走査して得られる画像の所定個所の周期情報に基づいて、試料上の周期構造のピッチを計測し、計測されたピッチに基づいて、荷電粒子線の倍率誤差を計測する方法及び装置を提供する。
【００２４】
本発明の具体的内容、或いは他の構成及びその効果については、以下の発明の実施の形態にて説明する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、取得した倍率基準試料のＳＥＭ像から、倍率ずれを検出して高精度な倍率校正を自動で行うことができる。また、基準試料のピッチ公証値に応じて倍率計測に最適な画像条件を自動で設定して画像を取得することができる。倍率計測に自己相関や
ＦＦＴ法を用いることにより、計測されるピッチ情報は、画像全体におけるピッチの平均となり、基準試料のピッチ公証値に最も適した信頼性の高い結果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下の本発明実施例では、周期構造を有する倍率基準試料のディジタル画像から自己相関を求めて相関値のピークを計測することで、倍率誤差を計測する技術，画像のＦＦＴ変換により周期に対応する空間周波数を検出する技術について説明する。
【００２７】
また、画像上における周期（ピッチ）が所定の値よりも大きい場合には自己相関法により周期情報を検出し、周期が所定の値よりも小さい場合にはＦＦＴ変換法により周期情報を検出する技術や、画像上における周期数（パターンの数）が所定の数に満たない場合には、試料の異なる視野で複数の試料像を取得し、取得した複数の試料像から検出した各々の周期情報から平均値を求め、この平均値を周期の代表値とする技術についても説明する。
【００２８】
さらに、基準試料の周期公証値（既知）を入力し、装置の倍率や画素サイズの情報を装置制御部から抽出して、抽出した倍率あるいは、画素サイズの情報と、検出した周期情報と、試料の周期公証値とから、装置の倍率ずれを計算して表示する技術、および倍率ずれを校正する技術についても説明する。
【００２９】
また、倍率の計測、または倍率を校正するために取得した画像が適性か否かを検出するために、取得した画像からパターンの向き（回転）を検出し、検出したパターンの向きが所定の条件を満たさない場合に警告を発する技術や、回転したパターンの向きを修正して画像の再取得を行うために装置の制御（ビーム走査方向の制御、または、ステージの回転方向の制御）を行う技術についても説明する。
【００３０】
更に、倍率の計測および校正を基準試料のピッチ公証値と計測対象となる倍率範囲、および取得画像の画素数選択範囲から、倍率計測、または倍率校正に適した画素数と像倍率を決定する技術についても説明する。
【００３１】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００３２】
図１は、本発明の一例である走査電子顕微鏡の概略構成図である。陰極１と第一陽極２の間には、コンピュータ４０で制御される高圧制御電源２０により電圧が印加され、所定のエミッション電流で一次電子線４が陰極１から引き出される。陰極１と第二陽極３の間には、コンピュータ４０で制御される高圧制御電源２０により加速電圧が印加され、陰極１から放出された一次電子線４が加速されて後段のレンズ系に進行する。一次電子線４は、第一集束レンズ制御電源２１で制御された第一集束レンズ５で集束され、絞り板８で一次電子線の不要な領域が除去された後に、第二集束レンズ制御電源２２で制御された第二集束レンズ６、および対物レンズ制御電源２３で制御された対物レンズ７により試料１０に微小スポットとして集束される。対物レンズ７は、インレンズ方式，アウトレンズ方式、およびシュノーケル方式（セミインレンズ方式）など、種々の形態をとることができる。また、試料に負の電圧を印加して一次電子線を減速させるリターディング方式も可能である。さらに、各々のレンズは、複数の電極で構成される静電型レンズで構成してもよい。
【００３３】
一次電子線４は、倍率制御電源２４で制御された走査コイル９で試料１０上を二次元的に走査される。一次電子線の照射で試料１０から発生した二次電子等の二次信号１２は、対物レンズ７の上部に進行した後、二次信号分離用直交電磁界発生装置１１により、一次電子と分離されて二次信号検出器１３に検出される。二次信号検出器１３で検出された信号は、信号増幅器１４で増幅された後、画像メモリ２５に転送されて像表示装置２６に試料像として表示される。
【００３４】
走査コイル９と同じ位置に、ビーム位置制御電源３１で制御された２段の偏向コイル
（イメージシフトコイル）５１が配置されており、一次電子線４の試料上での走査領域
（観察視野）を二次元的に移動させることができる。
【００３５】
ステージ１５は、試料を少なくとも一次電子線と垂直な面内の２方向(Ｘ方向，Ｙ方向)に試料１０を移動することができる。
【００３６】
入力装置４２からは、画像の取り込み条件（走査速度，加速電圧，倍率，画素数など）の指定、および画像の出力や保存などを指定することができ、取り込まれた画像データや観察条件などは、記憶装置４１に保存される。
【実施例１】
【００３７】
図１の構成により、倍率ずれの計測を自己相関を応用して行う実施例について、図４，図５を用いて以下に詳細に説明する。
【００３８】
図４に、自己相関で倍率誤差を計測するための処理フローを示す。
ステップ１：
倍率誤差を計測する条件（加速電圧，ＷＤ，倍率など）、および、画像を取得する画素数（画像解像度）を設定する。
ステップ２：
倍率誤差を計測するための倍率基準試料の情報（ピッチ公証値や倍率誤差を計測する方向）を設定する。例えば、図２（ａ）のメッシュ基準試料の場合は、Ｘ方向とＹ方向に周期構造があるので、Ｘ方向とＹ方向の両方で倍率誤差を計測できるが、図２（ｂ）のマイクロスケールのような基準試料の場合には、特定な方向にのみ周期構造（パターン）を有するので、パターンの方向と垂直な方向の倍率誤差計測に限定される。一個、あるいは複数の基準試料が予め決まっている場合には、入力画面に基準試料のリストを表示してリストから選択することによって、試料情報を設定することもできる。
ステップ３：
倍率基準試料のＳＥＭ像をディジタル画像として取得する。
ステップ４：
取り込んだＳＥＭ像の自己相関を計算して、相関値がピークとなる位置（画素数）を検出する。図５に、図２（ａ）のメッシュ基準試料像に対するＸ方向の自己相関の例を示す。この例では、図２（ａ）のメッシュ像をＸ方向に５２画素シフトさせたときに相関値のピークが検出される。相関値のピーク前後における複数の相関値から２次関数などの非線形補間を行うと、１画素以下の精度でピーク位置が検出できる。なお、自己相関は、取り込んだ画像全体で行うこともできるが、画像の一部（例えば、画像中央部）を用いて行うこともできる。倍率が低い場合やビームの走査速度が速い場合には、ビーム走査の歪みによって、画像周辺部の倍率と中央部の倍率とが若干異なる場合がある。このような場合には、画像中央部のデータを用いて倍率誤差を計測するほうが適切である。このような場合、低倍率時には、画像周辺部を外して倍率誤差計測用の画像範囲を選択し、高倍率時には、画像全部、或いは低倍率時より大きな範囲を、倍率誤差計測用の画像範囲（所定領域）とするようなシーケンスを組んでおいても良い。これによって、倍率に関わらず精度の高い倍率誤差測定を行うことができる。
ステップ５：
本実施例の場合、画像取得時の画素数は６４０×４８０画素であり、装置の制御倍率と画素サイズとの関係より、倍率４００倍（図２(ａ)のメッシュ像の例）での画素サイズは０.５μｍとなる。これより、自己相関で計測されるピッチ情報は、５２画素×０.５μｍ＝２６.０μｍと計算される。
ステップ６：
ステップ５のピッチ計測値とピッチ公証値から、倍率誤差を計算する。本実施例（図２（ａ）のメッシュ試料）の場合、ピッチ公証値が２５.４μｍ なので、倍率誤差は、
（２６.０−２５.４）／２５.４＝０.０２４（２.４％）として計算される。
ステップ７：
ステップ５で計算した倍率誤差を表示装置に表示する。倍率誤差が予め定めた許容値よりも大きい場合には、同表示装置に「倍率誤差が許容値を超えている」旨の警告を表示させることもできる。
【００３９】
所定領域内で画像の相関をとる如き本実施例の手法によれば、従来技術のように、複数の位置でピッチ計測する必要がなく、人為誤差や測定ミスのない高精度な倍率誤差測定、それに基づく倍率誤差校正を行うことが可能となる。なお、このような本実施例の効果は、本発明の技術範囲から、画像上の複数領域毎の自己相関をとることによる複数の倍率誤差を計測することを除外するものではない。例えば１つの画面上に複数の基準試料が存在する場合、その夫々に所定領域を設定し、その夫々において自己相関の演算を行い複数の倍率誤差を算出するようにしても良い。
【実施例２】
【００４０】
図１の構成により、倍率誤差の計測をＦＦＴ変換で行う実施例について、図６〜図８を用いて以下に詳細に説明する。
【００４１】
図６に、ＦＦＴ変換で倍率誤差を計測するための処理フローを示す。
ステップ１〜３：
実施例１と同様の手順で、倍率基準試料のＳＥＭ像をディジタル画像として取得する。
ステップ４：
取り込んだＳＥＭ像のＦＦＴ変換を計算する。図７に本実施例で用いた倍率基準試料のＳＥＭ像（画素数：６４０×４８０画素）を示す。本実施例では、図２（ｂ）のマイクロスケール試料を用いて比較的低い倍率（５０００倍）での倍率誤差を計測する例を示す。
ＦＦＴ変換は、画像全体で行うことも可能だが、中央から２のべき乗の画素数だけの画像を抽出して行うこともできる。ＦＦＴ変換の場合、画素数を２のべき乗にすると計算時間が短縮できる。図８に、図７の中央部の２５６×２５６画素を抽出して計算したＦＦＴ変換結果を示す。図８の結果から、ピーク周波数(図８のＡ点(周波数座標：−２１,−３９)とＢ点（周波数座標：２１，３９））が検出できる。Ａ点，Ｂ点ともに、空間周波数の絶対値は４４.３となる。
ステップ５：
ピーク周波数と画素サイズからピッチ計測値を計算する。
【００４２】
ステップ４で得られたピッチ周波数（４４.３ ）から、ピッチ寸法（画素数）が２５６÷４４.３＝５.７８画素として計算される。また、６４０×４８０画素で取り込んだ倍率５０００倍のＳＥＭ像の画素サイズは０.０４μｍ となるため、この場合のピッチ計測値は５.７８×０.０４μｍ＝０.２３１μｍとして計算される。
ステップ６：
ピッチ計測値と試料のピッチ公証値から倍率誤差を計算する。
【００４３】
本実施例の基準試料（図７）ピッチ公証値は０.２４０μｍ であるため、倍率誤差は
（０.２３１−０.２４０）／０.２４０＝−０.０３８(−３.８％）として計算される。
ステップ７：
実施例１と同様に、得られた倍率誤差を表示する。
【実施例３】
【００４４】
本実施例では、倍率基準試料のディジタル画像から平均化した一次元のラインプロファイルを生成して、このラインプロファイルから自己相関によりピッチ寸法を検出する方法について説明する。
【００４５】
図２（ｂ）のマイクロスケールのように、一方向にのみパターン構造を有する基準試料の場合、パターンと直交する方向のラインプロファイルをパターンの方向に沿って平均化して１本のラインプロファイル（平均化ラインプロファイル）を生成することができる。この平均化ラインプロファイルをパターンと直交する方向にずらして自己相関を計算すると、相関値のピークが現れる位置がパターンのピッチ寸法に対応する。この方法では、画像のＳ／Ｎが悪くても、再現性の高いピッチ寸法計測が可能であり、２次元画像の自己相関に比較して、計算時間が大幅に短縮される。
【実施例４】
【００４６】
本実施例では、倍率基準試料の周期（画素数換算）が画像サイズ（画素数換算）に対して、ある所定の値よりも小さい場合と大きい場合とで周期検出法を切り替える方法を、図９を用いて説明する。
【００４７】
図９は、画像上で計測対象となる周期（ピッチ）を形成する画素数と、自己相関およびＦＦＴ変換で周期を検出したときの最大誤差の関係を示している。図９に示すように、自己相関の場合、ピッチ寸法に対応する画素数（ピッチ画素数）が大きいほど計測精度が向上する。一方、ＦＦＴ変換の場合は、ピッチ画素数が大きくなると、画像全体における周期数が減少するため、逆に計測精度が低下する。両者の最大計測誤差が一致するピッチ画素数をＮc とすると、ピッチ寸法がＮc よりも大きいときには自己相関を用い、Ｎc よりも小さいときにはＦＦＴ変換を用いるとピッチ計測誤差を最小に抑えることができる。自己相関やＦＦＴ変換からピーク位置を検出したときの最大誤差（ピーク位置検出誤差）は、ピーク検出の方法で異なるが、両者のピーク検出精度が画素換算で一致（例えば、
±０.５画素の精度）していると仮定すると、両者の計測誤差の最大値が一致するピッチ画素数Ｎc が、
【００４８】
【数６】
2005209488.tif 000008
【００４９】
となることを見出した。ここで、Ｎp は計測画像の画素数である。
【００５０】
基準試料のピッチ公証値と装置の倍率、および計測画像の画素数から、取り込んだ画像上でのピッチ画素数が予測できる。したがって、この予測値と式（６）のＮc とを比較して、自己相関とＦＦＴ変換から適切な（計測誤差の小さい）計測方法を選択することができる。また、最初に自己相関でピッチ画素数を計測し、その値とＮc とを比較して最終的な検出方法を選択することもできる。
【実施例５】
【００５１】
本実施例では、特に高倍率での倍率誤差計測において、取り込んだ画像上に計測の信頼性を確保するのに十分な周期数（パターン数）がない場合の倍率誤差計測について、図
１０を用いて説明する。
【００５２】
高倍率（例えば、数十万倍）では、図１０に示すように、基準試料のピッチの極一部分が画像として表示される。このとき、この情報のみでピッチ計測を行うと、計測値の信頼性が低下する。高倍率における計測信頼性の低下を避けるために、画像全体の画素数に対してピッチ画素数の比率が所定の値（例えば、２０％）を超える場合は、図１０に点線で示すように、異なる走査領域（視野）で複数の画像を取り込むことができる。視野の移動は、通常、ビーム照射位置の制御（イメージシフト）で行うが、移動量が大きい場合には、試料ステージを移動させて視野移動を行うことも可能である。
【００５３】
このようにして取得した複数の画像から、それぞれ自己相関によってピッチを計測して、それらの平均値を求めて基準試料のピッチ計測値とする。この実施例では、画像にピッチ情報が少ない場合でも、最終的に得られるピッチ計測値の信頼性を上げることができる。
【実施例６】
【００５４】
本実施例は、ピッチを計測しようとする画像において、パターンの向きが不適切な場合に、ピッチ計測を実行しないようにした例である。図１１（ａ）は、取り込んだ基準試料のパターンが回転方向（時計方向）にずれた状態のＳＥＭ像である。この状態で、例えば、Ｘ方向のピッチ情報を検出すると、回転がずれた分だけピッチ計測値がずれてしまう。これを避けるために、画像からパターンのエッジ情報（エッジライン）を検出して、このエッジラインと水平線、あるいは垂直線との角度を検出する手段を設けている。エッジラインの検出法として、例えば、画像を微分処理して２値化する方法がある。エッジラインを抽出した処理画像の例を図１１（ｂ）に示す。このエッジラインから直線を抽出すれば、直線の傾きからパターンの回転方向のずれ角θが得られる。本実施例では、エッジラインから検出したパターンの回転方向のずれ角θがある所定の角度以上（例えば、±５°以上）のときには、「ピッチ計測が無効」という情報を表示して、オペレータに知らせることができる。さらに、このずれ角θをビーム走査（ラスターローテーション機能）にフィードバックして、回転ずれの生じないＳＥＭ像を新たに取得することができる。また、特定の走査方向での倍率誤差を計測する目的の場合、ラスターローテーションを所定の角度以上動作させると、Ｘ方向とＹ方向の倍率誤差が混合するため、θが所定の値以上（例えば、２０°以上）となった場合には、ラスターローテーションへのフィードバックではなく、ステージの機械的回転動作にフィードバックして、回転ずれの生じないＳＥＭ像を新たに取得することも可能である。なお、ラスターローテーションは、電場或いは磁場によって、ビームの走査方向を回転させる技術である。
【実施例７】
【００５５】
本実施例では、基準試料のピッチ公証値，倍率誤差を測定する倍率制御範囲、および画像の画素数の選択範囲が特定されたときに、最適な画像取得条件（倍率，画素数）を決める手段（処理）の具体例について説明する。
【００５６】
ＳＥＭの倍率は数十倍から数十万倍以上までの範囲があるため、走査コイルに流す走査信号の振幅には大きなダイナミックレンジを必要とする。この範囲を回路の利得だけで全てカバーすることは技術的に困難なため、通常は、図１２に示すように、走査信号を減衰器に通してから走査コイルに供給する構成とし、所定の倍率範囲毎に減衰器の減衰率を切り替える。このとき、減衰率の誤差によって、減衰率（倍率レンジ）の切り替え点毎に異なる倍率誤差が発生する。この倍率誤差を補正するには、倍率レンジ毎に倍率校正を行う必要がある。本実施例の目的は、各倍率レンジ内において、倍率誤差計測（ピッチ計測）の精度が最も良くなる画像取得条件を決定することにある。
【００５７】
ピッチ画素数をＮpitch 、ピッチを計測するためのピーク検出誤差（画素換算）をＰとすると、自己相関法で計測されるピッチ計測誤差の最大値ε（ＡＣＦ）（ＡＣＦ：Auto 
Correlation Function）は、次式で与えられる。
【００５８】
【数７】
2005209488.tif 000009
【００５９】
ここで、Ｎpitchは、像倍率Ｍとピッチ計測方向の画素数Ｎpに比例するため、式（７）は、
【００６０】
【数８】
2005209488.tif 000010
【００６１】
と書くことができる。ここで、Ｋは換算係数である。本実施例では、Ｎp を６４０，1280，２５６０，５１２０の中から選択することができる。加速電圧とＷＤが与えられた状態で、倍率レンジが決まると、その倍率レンジ内の倍率制御範囲（Ｍ1，Ｍ2）が図１２に示す減衰器の値から一義的に決まる。したがって、ピッチ計測誤差の目標値をε0 とすると、
【００６２】
【数９】
2005209488.tif 000011
【００６３】
を満たすＭとＮp の組み合わせを決めることができる。本実施例では、倍率を優先としたとき、倍率レンジ内の最低倍率（Ｍ1 ）で式（９）を満たす画素数Ｎp を選択肢のなかから見つける。また、画素数Ｎp を優先とすると、式（９）を満たす倍率をＭ1〜Ｍ2の範囲から決定する。ただし、いずれの選択でも式（９）を満たさない場合には、式（９）のピッチ計測誤差が目標値ε0 に最も近くなる条件（Ｍ・Ｎp ）を決定する。
【００６４】
一方、ピッチ計測をＦＦＴで行う場合の最大誤差ε（ＦＦＴ）は、
【００６５】
【数１０】
2005209488.tif 000012
【００６６】
で与えられる。自己相関の場合と同様に、Ｎpitch がＭとＮp に比例することから、式
（７）は、
【００６７】
【数１１】
2005209488.tif 000013
【００６８】
と書ける。したがって、ＦＦＴ変換でピッチを計測する場合には、レンジ内での最低倍率（Ｍ1 ）を選択する。ただし、Ｎpitchの値が２画素以下では周期情報が画像から失われるため、Ｎpitchの値が少なくとも３画素以上となるように倍率選択時の処理で考慮する。
【実施例８】
【００６９】
本実施例では、これまでの実施例に記載した方法、もしくは類似の方法によって検出した基準試料のピッチ計測値を倍率制御にフィードバックして倍率校正を自動で行う例について説明する。
【００７０】
ＳＥＭの走査コイルには、一次ビームを試料上で走査するための走査信号が流れる。このとき、走査信号の振幅をＩd 、ＳＥＭの像倍率をＭとすると、倍率制御回路は、次の関係を満たすようにＩd を制御する。
【００７１】
【数１２】
2005209488.tif 000014
【００７２】
ここで、Ｋ1 は、加速電圧やＷＤ，倍率レンジなどに連動して、制御ＣＰＵが電子光学系の計算によって求める倍率制御係数である。Ｋ2 は、Ｋ1 の制御誤差を補正して倍率制御精度を高めるための倍率補正係数である。倍率制御が理想的ならばＫ2 ＝１でよいが、現実の装置では倍率制御誤差によって倍率誤差が発生する。これを補正するＫ2 の値を決めるのが倍率校正である。
【００７３】
実施例１から７に示した方法、もしくはそれらと類似の方法によって、倍率基準試料のピッチ寸法Ｌm が測定されると、基準試料のピッチ公証値（Ｌs ）から制御倍率Ｍと倍率基準試料のピッチ寸法を基準とした倍率Ｍ0 （真値）との関係が、次のように計算される。
【００７４】
【数１３】
2005209488.tif 000015
【００７５】
例えば、ピッチ測定値（Ｌm ）がピッチ公証値（Ｌs ）よりも大きい値として計測されたとすれば、制御倍率Ｍが正しい倍率Ｍ0 に対してプラスの方向に倍率誤差が発生していることを意味する。これを補正（倍率校正）するためには、式（１２）の倍率補正係数
（Ｋ2 ）を次のように置き換えればよい。
【００７６】
【数１４】
2005209488.tif 000016
【００７７】
すなわち、制御倍率Ｍがプラス方向にずれている（走査信号の振幅が小さい方向にずれている）場合には、走査信号の振幅を大きくする方向に補正係数Ｋ2 を修正（校正）すればよい。本実施例では、倍率誤差の計測で得られたピッチ測定値（Ｌm ）と、設定されたピッチ公証値（Ｌs ）とから、式（１４）の演算を自動で行うことにより、制御倍率の校正を行う。
【００７８】
倍率補正係数Ｋ2 は、Ｘ走査用とＹ走査用を独立に設定できるので、本実施例では、式（１４）の係数補正をピッチ計測の方向（Ｘ方向またはＹ方向のいずれか）で実施する場合と、計測結果をＸ方向とＹ方向の補正係数に同時に反映させる方法とを切り替えることができる。
【実施例９】
【００７９】
本実施例では、取得した倍率基準試料の画像と実際のアプリケーション画像とを同一の装置観察条件（加速電圧，ＷＤ）で取得し、これらの画像からアプリケーション画像の高精度な寸法計測を行う例について説明する。
【００８０】
これまで述べた実施例によれば、倍率基準試料の画像から基準試料のピッチ（Ｌm ）を高精度に計測できる。この値（Ｌm ）とピッチ公証値（Ｌs ）とを用いると、実際のアプリケーションで計測された寸法（Ｌ）に対して、次の換算を行って、精度の高い寸法値
（Ｌ′）を得る。
【００８１】
【数１５】
2005209488.tif 000017
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の一例である走査電子顕微鏡の概略構成図。
【図２】倍率基準試料のＳＥＭ像の例を示す図。
【図３】ピッチ寸法を測定する従来法の例を示す図。
【図４】自己相関を応用した倍率誤差の計測法の処理フローを示す図。
【図５】倍率基準試料のＳＥＭ像から自己相関を行った結果の例を示す図。
【図６】ＦＦＴ変換を応用した倍率誤差の計測法の処理フローを示す図。
【図７】ＦＦＴ変換の例に使用した倍率基準試料のＳＥＭ像を示す図。
【図８】倍率基準試料のＳＥＭ像からＦＦＴ変換を行った結果の例を示す図。
【図９】自己相関とＦＦＴ変換によるピッチ計測誤差とピッチ画素数の関係を示す図。
【図１０】倍率基準試料のＳＥＭ像にピッチ情報が少ないとき（倍率が高いとき）の高精度ピッチ計測法の例を示す図。
【図１１】倍率基準試料のパターンが回転方向にずれたときのＳＥＭ像と、回転方向ずれを検出する方法を示す図。
【図１２】ＳＥＭの倍率レンジを切り替えるブロック図。
【符号の説明】
【００８３】
１…陰極、２…第一陽極、３…第二陽極、４…一次電子線、５…第一集束レンズ、６…第二集束レンズ、７…対物レンズ、８…絞り板、９…走査コイル、１０…試料、１１…二次信号分離用直交電磁界（ＥＸＢ）発生器、１２…二次信号、１３…二次信号用検出器、１４…信号増幅器、１５…ステージ、２０…高圧制御電源、２１…第一集束レンズ制御電源、２２…第二集束レンズ制御電源、２３…対物レンズ制御電源、２４…倍率制御電源、２５…画像メモリ、２６…像表示装置、３１…ビーム位置制御電源、３２…ビーム位置制御コイル（イメージシフトコイル）、４０…コンピュータ、４１…記憶装置、４２…入力装置。
【図１】
2005209488.tif 000018
【図２】
2005209488.tif 000019
【図３】
2005209488.tif 000020
【図４】
2005209488.tif 000021
【図５】
2005209488.tif 000022
【図６】
2005209488.tif 000023
【図７】
2005209488.tif 000024
【図８】
2005209488.tif 000025
【図９】
2005209488.tif 000026
【図１０】
2005209488.tif 000027
【図１１】
2005209488.tif 000028
【図１２】
2005209488.tif 000029