JP2012033369A - 荷電ビーム装置及びパターンの傾斜角度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高感度でかつ測定誤差の小さい側壁角度を非破壊で算出可能な荷電ビーム装置を提供する。
【解決手段】本発明の荷電ビーム装置は、荷電ビームを試料に対して斜め入射させて得られたＳＥＭ画像により得られる生のＳＥＭ輝度値プロファイルを移動平均フィルタを用いて生のＳＥＭ輝度値プロファイル信号に含まれているノイズを除去した後、ノイズが除去されたＳＥＭ輝度値プロファイル信号を微分してその微分波形Ｐｗの最大値Ｐｗｍａｘと最小値Ｐｗｍｉｎとを取得し、最大値に対応する電子線の走査方向のピクセルの座標点と微分波形の最小値に対応する電子ビームの走査方向のピクセルの座標点との差に基づきピーク幅ｗ４を求め、実際に測定により求めた側壁部の傾斜角度とピーク幅との関係に基づき得られた換算係数と、ピーク幅ｗ４とに基づき側壁部の傾斜角度を求める。
【選択図】図１１

Description

本発明は荷電ビーム装置及びパターンの傾斜角度測定方法に関する。

半導体素子の製造過程には、例えば、マスクのパターンを試料としての基板に転写する工程、ウェーハやレチクル等の基板上に形成されたパターンの寸法を測定する工程が含まれる。パターン寸法の測定は、通常、測長機能を備えた走査型電子顕微鏡である測長ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いてパターンのトップダウン画像を取得し、このトップダウン画像により配線幅やホール径などを測定している。

近年、このような２次元情報のみならず、パターンの側壁部の形状等の３次元情報も実際の製造工程において重要な評価項目となってきている。

そこで、例えば、試料台及びステージを機械的に傾斜させることなく、インラインでの評価に用いることが可能で高速かつ高精度の傾斜観察機能を有する荷電ビーム装置及びパターンの側壁部の傾斜角度を非破壊で測定可能なパターンの傾斜角度測定方法が提供されつつある（特許文献１参照）。

このものでは、ＳＥＭ画像により得られたＳＥＭ輝度値プロファイル信号の側壁相当部分である山の裾の部分からの高さが２０％のときのピクセルの横方向（電子線の走査方向）の座標点と山の裾の部分からの高さが８０％のときの横方向（電子線の走査方向）の座標点との差（線幅）を意味するピクセル数を用いて、非破壊でマスクのパターンの側壁部の傾斜角度を算出している。

更に、試料のパターンの側壁部の傾斜頂部から傾斜裾部までのデータを微分して、側壁部の傾斜角度を求める技術も従来から知られている（特許文献２の図８、図９参照）。

特開２００１−２７３８６１号公報 特許４０５７９２８号公報（図８、図９）

しかしながら、特許文献１に開示の側壁部の傾斜角度の測定方法では、ＳＥＭ輝度値プロファイル信号の側壁相当部分の一部のピクセル数を利用して傾斜角度を求めるため、側壁部の傾斜角度を求めるのに十分なピクセル数を確保できず、言い換えると、ＳＥＭ画像のうちの側壁部像の特定の狭い領域のピクセル数を用いて、非破壊で側壁部の傾斜角度を算出する測定方法であるため、測定感度が不足し、測定誤差を克服し難いという懸念がある。
また、特許文献２に開示の技術では、ＳＥＭ輝度値プロファイル信号に含まれているノイズのため、測定誤差を克服し難いという懸念がある。

本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、本発明の目的は、従来よりもより一層多くのピクセル数を用いて高感度でかつ測定誤差の小さい側壁角度を非破壊で算出可能な荷電ビーム装置及びパターンの傾斜角度測定方法を提供すること、更には、ＳＥＭ輝度値プロファイル信号に含まれているノイズを除去する際に生のＳＥＭ輝度値プロファイル信号のピークに対してノイズ除去処理後のＳＥＭ輝度値プロファイル信号のピークのずれが小さい荷電ビーム装置及びパターンの傾斜角度測定方法を提供することにある。

本発明に係る荷電ビーム装置は、荷電ビームを生成して検査対象である試料に照射する荷電ビーム出射手段と、前記荷電ビームを集束するコンデンサレンズと、前記荷電ビームを偏向させて前記試料上で走査する走査偏向器と、前記荷電ビームを前記試料面に結像させる対物レンズと、前記対物レンズと前記試料との間に設けられて前記荷電ビームを偏向してビーム軸に対して任意の傾斜角度を有するように前記荷電ビームを前記試料に対して斜めに入射させる傾斜観察用偏向器と、前記荷電ビームの照射により前記試料から発生した２次荷電粒子と前記試料により反射された反射荷電粒子との少なくとも一方の荷電粒子を検出する荷電粒子検出手段と、前記傾斜角度を制御する制御手段と、
前記荷電粒子検出手段により検出した荷電粒子に基づきＳＥＭ画像を構築するＳＥＭ画像構築手段と、前記ＳＥＭ画像から電子線の走査方向のＳＥＭ輝度値プロファイル信号を各走査に対応して構築するＳＥＭ輝度値プロファイル構築手段と、前記ＳＥＭ輝度値プロファイル構築手段により得られた生のＳＥＭ輝度値プロファイル信号を移動平均フィルタを用いて平均化処理することにより前記生のＳＥＭ輝度値プロファイル信号に含まれているノイズを除去するノイズ除去手段と、前記ノイズ除去手段によりノイズが除去されたＳＥＭ輝度値プロファイル信号を微分処理して微分波形を取得する微分処理手段と、前記微分波形の最大値に対応する電子線の走査方向のピクセルの座標点と前記微分波形の最小値に対応する電子線の走査方向のピクセルの座標点との差に基づきピーク幅を求めるピーク幅演算手段と、実際に測定により求めた側壁部の傾斜角度とピーク幅との関係に基づき得られた換算係数を記憶する記憶手段と、前記ピーク幅と前記換算係数とに基づき前記側壁部の傾斜角度を演算する傾斜角度演算手段とを備えていることを特徴とする。

本発明に係るパターンの傾斜角度測定方法は、荷電ビームを生成して検査対象である試料に照射する荷電ビーム出射手段と、前記荷電ビームを集束するコンデンサレンズと、前記荷電ビームを偏向させて前記試料上で走査する走査偏向器と、前記荷電ビームを前記試料面に結像させる対物レンズと、前記対物レンズと前記試料との間に設けられて前記荷電ビームを偏向してビーム軸に対して任意の傾斜角度を有するように前記荷電ビームを前記試料に対して斜めに入射させる傾斜観察用偏向器と、前記荷電ビームの照射により前記試料から発生した２次荷電粒子と前記試料により反射された反射荷電粒子との少なくとも一方の荷電粒子を検出する荷電粒子検出手段と、前記傾斜角度を制御する制御手段とを備えた荷電ビーム装置を用いて前記パターンの側壁部の傾斜角度を測定する傾斜角度測定方法であって、
前記荷電ビームを前記試料に照射する照射工程と、前記走査偏向器により前記荷電ビームを前記試料面で結像させる結像工程と、前記荷電ビームを偏向して前記試料に対して斜めに入射させる斜入射工程と、前記荷電ビームの照射により前記試料から発生した２次荷電粒子と前記試料により反射された反射荷電粒子との少なくとも一方の荷電粒子を検出する荷電粒子検出工程と、前記荷電粒子検出工程により検出した荷電粒子に基づきＳＥＭ画像を構築するＳＥＭ画像構築工程と、前記ＳＥＭ画像から電子線の走査方向のＳＥＭ輝度値プロファイル信号を各走査に対応して構築するＳＥＭ輝度値プロファイル構築工程と、前記ＳＥＭ輝度値プロファイル構築工程により得られた生のＳＥＭ輝度値プロファイル信号を移動平均フィルタを用いて平均化処理することにより前記生のＳＥＭ輝度値プロファイル信号に含まれているノイズを除去するノイズ除去工程と、前記ノイズ除去工程によりノイズが除去されたＳＥＭ輝度値プロファイル信号を微分処理して微分波形を取得する微分処理工程と、前記微分波形の最大値に対応する電子線の走査方向のピクセルの座標点と前記微分波形の最小値に対応する電子線の走査方向のピクセルの座標点との差に基づきピーク幅を求めるピーク幅演算工程と、実際に測定により求めた側壁部の傾斜角度とピーク幅との関係に基づき得られた換算係数と前記ピーク幅とに基づき前記側壁部の傾斜角度を演算する傾斜角度演算工程とを含むことを特徴とする。
すなわち、荷電ビームを試料に対して斜め入射させてＳＥＭ画像を取得する工程と、
前記工程により得られたＳＥＭ画像により得られる生のＳＥＭ輝度値プロファイルを移動平均フィルタを用いて生のＳＥＭ輝度値プロファイル信号に含まれているノイズを除去するノイズ除去工程と、
前記ノイズ除去後のＳＥＭ輝度値プロファイル信号を微分してその微分波形の最大値と最小値とを取得し、最大値に対応する電子ビームの走査方向のピクセルの座標点と微分波形の最小値に対応する電子線の走査方向のピクセルの座標点との差に基づきピーク幅を求める工程と、
実際に測定により求めた側壁部の傾斜角度とピーク幅との関係に基づき得られた換算係数とピーク幅とに基づき側壁部の傾斜角度を求める工程とを含むことを特徴とする。
移動平均フィルタはゼロ位相デジタルフィルタ処理関数であるのが望ましい。

本発明によれば、従来よりもより一層多くのピクセル数を用いて高感度でかつばらつき測定誤差の小さい側壁角度を非破壊で算出可能な荷電ビーム装置及びパターンの傾斜角度測定方法を提供でき、更には、生のＳＥＭ輝度値プロファイル信号に含まれているノイズを除去する際にこの生のＳＥＭ輝度値プロファイル信号のピークに対してノイズ除去処理後のＳＥＭ輝度値プロファイル信号のピークのずれが小さい荷電ビーム装置及びパターンの傾斜角度測定方法を提供できる。

図１は本発明に係る荷電粒子装置の概略図である。 図２は図１に示す傾斜観察用静電偏向器の概略図であり、（ａ）はその傾斜観察用静電偏向器の平面図であり、（ｂ）は傾斜観察用静電偏向器の縦断面図である。 図３は図２に示す傾斜観察用静電偏向器の動作を説明するための等電位線を示す説明図である。 図４は図２に示す傾斜観察用静電偏向器の電極に印加する電圧と電子ビームの偏向角度との関係を示すグラフである。 図５は図１に示す試料Ｓに形成されたパターンの傾斜観察方法の手順を示すフローチャートである。 図６は図５に示す手順により得られたパターンの傾斜画像（ＳＥＭ画像）の一例を示す説明図である。 図７は従来のパターンの側壁部の傾斜角度の測定方法の説明図であって、（ａ）は実際に試料Ｓにフォーカスドビームを照射して得られたパターンの拡大断面像を示し、（ｂ）は傾斜観察法により得られたパターンの傾斜画像の部分拡大図を示し、（ｃ）は（ｂ）に示す傾斜画像の電子線走査方向のＳＥＭ輝度値プロファイルを示し、（ｄ）は（ｃ）に示すＳＥＭ輝度値プロファイルの拡大図を示す。 図８は本発明に係るパターンの側壁部の傾斜角度を測定する手順を説明するためのフローチャートである。 図９は図７（ｄ）に示すＳＥＭ輝度値プロファイル信号に対応する生のＳＥＭ輝度値プロファイル信号を示す図である。 図１０はノイズ除去処理後のＳＥＭ輝度値プロファイル信号を示す図であって、（ａ）は生のＳＥＭ輝度値プロファイル信号にゼロ位相デジタルフィルタ関数を用いて５点移動平均処理を行うことにより得られたＳＥＭ輝度値プロファイル信号を示す図であり、（ｂ）は生のＳＥＭ輝度値プロファイル信号にゼロ位相デジタルフィルタ関数を用いて１０点移動平均処理を行うことにより得られたＳＥＭ輝度値プロファイル信号を示す図であり、（ｃ）は生のＳＥＭ輝度値プロファイル信号にゼロ位相デジタルフィルタ関数を用いて１５点移動平均処理を行うことにより得られたＳＥＭ輝度値プロファイル信号を示す図である。 図１１はノイズ処理後のＳＥＭ輝度値プロファイル信号の微分処理の説明図であって、（ａ）はノイズ処理後のＳＥＭ輝度値プロファイル信号の拡大図であり、（ｂ）は（ａ）に示すノイズ処理後のＳＥＭ輝度値プロファイル信号の微分波形図である。 図１２はパターンの側壁部の傾斜角度と微分波形により得られたピーク幅との相関関係を示す説明図であって、（ａ）は破壊検査によりパターンを断面して実際に測定して得た側壁部の傾斜角度とピーク幅との相関関係を示すグラフであり、（ｂ）は破壊検査によりパターンを断面して実際に測定して得た側壁部の傾斜角度とピーク幅から計算により求めた側壁部の傾斜角度との相関関係を示すグラフである。 図１３は試料Ｓに形成された角柱型パターンの電子ビームの走査方向を示す説明図である。

図１は、本発明に係る荷電ビーム装置の実施例を示す概略図である。
この図１において、１０は荷電ビーム装置を示している。ここでは、この荷電ビーム装置は、試料に形成されたマスクのパターンを検査するマスク検査装置であり、このマスク検査装置には、荷電ビーム描画装置、マスクを成形加工するＦＩＢ（フォーカスドイオンビーム）装置や、試料のパターンを検査する走査型電子顕微鏡等を用いることができる。

この荷電ビーム装置１０は、電子銃部と電子光学系とステージと２次電子画像取得部と制御部とを備える。電子銃部は荷電ビームを生成して検査対象である試料に照射する荷電ビーム出射手段として機能する。
符号４２はステージである。このステージ４２は、水平方向に移動可能な機構を有する。そのステージ４２の上面には試料Ｓが載置される。試料Ｓには、ここでは、図１に示すように、３本の台形（テーパ）状のマスクパターンＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３が形成されているが、これに限定されるものではなく、逆台形状のマスクパターンであってもよい。なお、その図１において、符号ＰＳ１Ｌ、ＰＳ２Ｌ、ＰＳ３Ｌは、各マスクパターンＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３の左側壁部を示し、符号ＰＳ１Ｒ、ＰＳ２Ｒ、ＰＳ３Ｒは、各マスクパターンＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３の右側壁部を示す。

ステージ４２は、任意の方向に水平移動可能な機構を有する。このステージ４２は電源４３に接続され、これにより、試料Ｓに任意の電圧を印加する。これにより、試料Ｓの上方に減速電界が形成される。
電子銃部は、電子銃１２と引出し電極１４と加速電極１６とを含む。電子銃１２は、電圧の印加を受けて電子を放出する。引出し電極１４は、電圧の印加によりこの放出された電子（放出電子）を引出す。加速電極１６は、加速電圧の印加により、引出された放出電子を加速させ、電子ビーム６として電子光学系に入射させる。

電子光学系は、コンデンサレンズ２２、走査偏向器２６、対物レンズ２８、傾斜観察用偏向器３２を含む。コンデンサレンズ２２は、加速電極１６を通過した電子ビーム６を集束し、その集束された電子ビーム６は絞り２４を通過する。

走査偏向器２６は、後述する走査偏向制御部５６から櫛状信号ＡＣａ〜ＡＣｄを受けて、絞り２４を通過した電子ビーム６を走査偏向する。対物レンズ２８は、走査された一次電子ビーム６を集束して試料Ｓの上面に結像させる。

傾斜観察用偏向器３２は対物レンズ２８と試料Ｓとの間に設けられている。この実施例では、傾斜観察用偏向器３２は静電型の偏向器である。傾斜観察用偏向器３２の詳細な構成および動作については後述する。

２次電子画像取得部は、２次電子検出器８２と画像処理部８４とモニタ８６とを有する。電子ビーム６が試料Ｓに照射されると、試料Ｓの表面から２次電子および反射電子（以下、２次電子等という）が発生する。２次電子検出器８２は荷電ビームの照射により試料Ｓから発生した２次荷電粒子と試料Ｓにより反射された反射荷電粒子との少なくとも一方の荷電粒子を検出する荷電粒子検出手段として機能する。

発生した２次電子等は試料Ｓと対物レンズ２８との間に形成された減速電界によって加速されながら対物レンズ２８の内部を通過した後に２次電子検出器８２に引き込まれる。２次電子検出器８２に検出された２次電子等は、画像処理部８４により電気信号に変換・増幅されてモニタ８６に供給される。モニタ８６には、試料１２表面の状態を表す２次電子画像が表示される。
画像処理部８４はその検出された２次電子等の荷電粒子に基づきＳＥＭ画像を構築するＳＥＭ画像構築手段として機能する。

制御部は、制御コンピュータ２と走査偏向制御部５６と傾斜観察用偏向制御部６２とを備える。制御コンピュータ２は、装置全体を統括制御する。走査偏向制御部５６は、走査偏向器２６に接続され、制御コンピュータ２から供給される指令信号に基づいて櫛状信号ＡＣａ〜ＡＣｄを設定して、それぞれ走査偏向器２６に供給する。

傾斜観察用偏向制御部６２は、傾斜観察用偏向器３２に接続され、制御コンピュータ２からの制御信号に基づいて傾斜観察用の直流電圧ＤＣ１を設定し、傾斜観察用偏向器３２に印加する。なお、符号ＤＣ０は直流電圧が印加されていない状態を示している。制御コンピュータ２は荷電ビームの傾斜角度を制御する制御手段としても機能する。

図２は、傾斜観察用偏向器３２の概略図であり、（ａ）は底面図、（ｂ）は正面図である。荷電ビーム装置１０では、対物レンズ２８と試料Ｓとの距離は一般的に非常に狭く数ｍｍ程度である。この実施例では、対物レンズ２８と試料Ｓとの距離は２．５ｍｍである。従って、傾斜観察用偏向器３２は小型かつ簡易な構成とされている。

その傾斜観察用偏向器３２は、本体１１２と、スリーブ１１６と、４個の電極１１４とを備え、本体１１２とスリーブ１１６の上面が対物レンズ２８の下極の下面に接するように取付けられている。なお、ここでは、電極１１４の極数は４極であるが、これに限るものではなく、例えば、８極でも良い。

本体１１２は、円環状の本体部１１２ａと、本体部１１２の下面周縁部に形成された４つの突起部１１２ｂとを含み、この実施例では、本体部１１２ａと突起部１１２ｂは絶縁材料で一体形成される。突起部１１２ｂは、ビーム軸を中心に同心円をなすように本体部１１２ａの外周縁から外側へ突出するように配置される。

突起部１１２ｂの周面および底面にはそれぞれ金メッキが施され、この金メッキ部により電極１１４が構成される。各電極１１４は配線によりそれぞれの傾斜観察用偏向制御部６２に接続され、電圧の印加を受けられるようになっている。

電極１１４に印加される電圧は、数ｋＶの値であるため、電極１１４と対物レンズ２８の下極との間で放電が発生するおそれがある。そこで、この実施例では、絶縁材料を用いて既述の構造を採用することより十分な縁面距離（図２のＤＥａ＋ＤＥｂを参照）を確保している。

スリーブ１１６は、本体１１２の内周面に取付けられ、本体部１１２ａと中心を共通にする円筒形状をなし、その底部は本体部１１２ａの底面から試料Ｓ側に突出するように形成される。この形状・配置により、対物レンズ２８の下極底面から電子ビーム６が試料面に入射する直前の領域まで電界シールドが形成される。その結果、電子ビーム６のレンズ収差等の電子光学特性の低下を防止することができる。

電子ビーム６の偏向角度および偏向方向は、各傾斜観察用偏向制御部６２の設定値により制御される。この実施例では、傾斜観察用偏向器３２は、静電型偏向器であるので、電極１１４に印加する直流電圧成分で制御が可能となる。

対向する２個の電極１１４にそれぞれ異なる直流電圧を印加すると、電極１１４間および電極１１４の下側に不均一な電界が形成され、一方向にのみ偏向角度を変えることにより、電子ビーム６を傾斜させることが可能である。

図３は、対向する２個の電極１１４に、それぞれ０Ｖと＋３．０ｋＶを印加した条件で、数値計算により算出した等電位線の一例である。対物レンズ２８と試料Ｓとの間隔は２．５ｍｍ、試料Ｓへの入射電圧は０．４ｋＶ、試料電圧は０Ｖである。この図３から分るように、３．０ｋＶを印加した電極１１４の周辺には電界が形成され、スリーブ１１６の下側では、電界が電子ビーム６の軌道の方へ張り出している。

このような不均一な電界により、鉛直下向きの電子ビーム６はその軌道を曲げられ、電圧を印加した電極１１４の方向に引き寄せられる。この結果、電子ビーム６は、対物レンズ２８で与えられた力により集束しながら、試料Ｓに対して約２０°の偏向角度をもって入射する。このように傾斜した電子ビーム６の照射により、モニタ８６に映し出される２次電子画像は、試料Ｓを２０°だけ傾斜させた画像となる。

図４は、電極電圧を０Ｖから４ｋＶまで変えたときの電子ビーム６の偏向角度を示している。同図中、○印間を結ぶ線は試料電圧＝０Ｖ、△印間を結ぶ線は試料電圧＝−２．６ｋＶ（電子ビーム６＝＋３．０ｋＶ）の場合の偏向角度を示している。
この図４から、電極１１４に印加する直流電圧により電子ビーム６の偏向角度が直線的に変化していることがわかる。

このことから、電極電圧、電子ビーム６のエネルギー及び試料電圧が既知ならば、偏向角度は計算または実験により求められることがわかる。なお、この図４から、減速電界の発生の有無に関わらず、傾斜観察が可能であることも分る。

その図３、図４では、説明の簡略化のため、２個の対向する電極１１４について説明したが、４個の電極１１４にそれぞれ異なる直流電圧を印加すると、任意の方向について偏向角度を変えることができる。

これにより、任意の傾斜画像を得ることができる。試料Ｓの３次元情報を得る必要から傾斜観察用偏向器３２には、走査偏向器２６の偏向角度（０．２°程度）と比較して非常に大きな偏向角度（１°以上）が必要となる。なお、図１では紙面左側の電極１１４に印加される電圧が０Ｖであるが、これに限ることなく、電極相互間に電位差さえ発生すれば、電子ビーム６の軌道を曲げることは可能である。

図５は、図１に示す荷電ビーム装置１０を用いて２次電子画像を取得するための手順を示すフローチャートである。
まず、加速電圧や出射電流など、電子ビーム６の照射条件を設定する（ステップＳ１）。次に、走査偏向器２６の制御値を設定する（ステップＳ２）。これらの設定は、制御コンピュータ２に設定値を入力することにより行う。

次に、ステップＳ３に移行して、傾斜画像を取得するか否かを判断し、傾斜画像を取得しない場合、荷電ビーム装置１０は、従来通り、電子ビーム６を走査偏向して試料Ｓに対して電子ビーム６を垂直に入射させ（ステップＳ８）、これにより２次電子画像を取得し（ステップＳ９）、トップダウン画像がモニタ８６に出力される（ステップＳ１０）。

傾斜画像を取得する場合（ステップＳ３）、観察する傾斜角度を制御コンピュータ２から入力する（ステップＳ４）。これにより、制御コンピュータ２は、電子ビーム６の入力照射条件や試料印加電圧等から目標傾斜角度に電子ビーム６を傾斜する直流電圧を計算した後、傾斜観察用偏向制御部６２へ制御信号を供給する（ステップＳ５）。

傾斜観察用偏向制御部６２は、その制御信号に基づいて直流電圧の電圧値を設定する。この直流電圧が傾斜観察用偏向器３２の静電電極１１４に印加される（ステップＳ６）。この結果、既述の通り電子ビーム６が対物レンズ２８の電界により走査偏向されながら、傾斜観察用偏向器３２が形成する不均一な電界により偏向されて、電子ビーム６が試料Ｓに対して斜めに入射する（ステップＳ７）。

その後、電子ビーム６の入射により試料Ｓから発生した２次電子等を２次電子検出器８２で取り込むことにより２次電子画像を取得し（ステップＳ９）、モニタ８６に傾斜画像を表示させる（ステップＳ１０）。

この電子ビーム６の試料Ｓの台形状マスクパターンへの斜め入射により発生した２次電子を取り込むことにより、台形状マスクパターンの左側壁部、右側壁部の傾斜画像（ＳＥＭ画像）が得られる。

図６は図１に示すように電子ビームを曲げた状態で、試料Ｓを走査したときに得られる傾斜画像（ＳＥＭ画像）を示し、この図６において、符号ＰＳ１’、ＰＳ２’、ＰＳ３’はそれぞれマスクパターンＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３に対応するパターン像、符号ＰＳ１Ｌ’、ＰＳ２Ｌ’、ＰＳ３Ｌ’は、各マスクパターンＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３の左側壁部に対応する左側壁部像を示し、符号ＰＳ１Ｒ’、ＰＳ２Ｒ’、ＰＳ３Ｒ’は、各マスクパターンＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３の右側壁部に対応する右側壁部像をそれぞれ示している。

ところで、このマスクパターンＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３の管理のために、側壁部ＰＳ１Ｌ、ＰＳ２Ｌ、ＰＳ３Ｌ、ＰＳ１Ｒ、ＰＳ２Ｒ、ＰＳ３Ｒの傾斜角度を測定することが必要となる。

図７（ａ）は、台形状のマスクパターンＰＳ１の左側壁部相当部分ＰＳ１Ｌ”（図６参照）の断面ＳＥＭ画像又はＴＥＭ画像であり、その図７（ａ）において、横軸は電子ビームの走査方向、縦軸は台形状マスクパターンの試料基準面（山の裾に相当）Ｓｇからの高さを示し、符号ｗ１は左側壁部の線幅、符号θ１は側壁部の傾斜角度を示している。

側壁部の傾斜角θ１は試料基準面Ｓｇから台形状マスクパターンの頂部Ｓｍまでの高さの差ｈを線幅ｗ１によって除すことにより求められる。この傾斜角θ１を求める手法は、破壊測定である。

従来、この台形状マスクパターンの左側壁部、右側壁部の傾斜角度を測定するのに、以下に説明する非破壊測定手法により行っていた。
図７（ｂ）ないし図７（ｄ）は、その従来の台形状マスクパターンの傾斜角度の非破壊測定手法の説明図であって、（ｂ）は左側壁部ＰＳ１Ｌの傾斜画像（ＳＥＭ画像）であり、傾斜画像（ＳＥＭ画像）は横方向画素（Ｘ方向画素）と縦方向画素（Ｙ方向画素）とによって構築される。

その図７（ｂ）において、縦方向は台形状マスクパターンが延びる方向に対応し、横方向は台形状マスクパターンの配列方向（電子ビーム走査方向）に対応しており、２次電子の取得量が多い画素（ピクセル）は輝度が高く白で表現され、２次電子の取得量が少ない画素（ピクセル）は輝度が低く灰色（網点で表している）で表現され、符号ｗ３は左側壁部像のＸ方向の線幅を示している。

ここでは、Ｘ方向の画素の個数をＭ個、Ｙ方向の画素の個数をＮ個とし、横方向にｉ番目、縦方向にｊ番目の走査線に対応する画素をＧｉｊで表すことにする。
図７（ｃ）はその２次電子により得られたＳＥＭ輝度値プロファイル信号Ｐｒｏである。このＳＥＭ輝度値プロファイル信号は、ｊ番目の行におけるＸ方向の各画素（ｉ＝１からｉ＝ｍまで）の輝度に基づき画像構築した輝度値プロファイル信号Ｐｒｏを例示的に示し、この輝度分布は、第１番目から第Ｎ番目までの各走査線に対応してそれぞれ構築され、ここでは、この輝度値プロファイル信号ＰｒｏはＮ枚である。図７（ｄ）はその図７（ｃ）に示すＳＥＭ輝度値プロファイル信号Ｐｒｏの拡大図である。

従来、この図７（ｄ）に拡大して示すように、非破壊的に側壁部の傾斜角度を求めるために、ＳＥＭ輝度プロファイル信号Ｐｒｏの山の裾の部分から２０％の点と８０％の点とを求め、この両点の横方向の線幅ｗ２を側壁部の角度に換算して傾斜角θ２を求めていた。
というのは、線幅ｗ２が大きいと、側壁部の傾斜角θ２は小さく、線幅ｗ２が小さいと傾斜角θ２は大きいという関係があるからである。

また、ＳＥＭ輝度プロファイル信号Ｐｒｏの山の裾の部分から２０％の点と８０％の点とを求め、この部分の線幅ｗ２を用いて傾斜角θ２を求めていたのは、この２０％の点から８０％の点までの傾斜部の信号が非常に安定していたからである。なお、線幅ｗ１、ｗ２、ｗ３は画素数（ピクセル数）に対応している。

ところが、この非破壊の側壁部の傾斜角の測定手法では、側壁部の一部のピクセル数のみを利用して傾斜角度を求めるため、傾斜角度を求めるのに十分なピクセル数（画素数）ｗ３を確保できず、すなわち、側壁部の特定の狭い領域のみのピクセル数（画素数）ｗ２を用いて傾斜角度を算出する手法を採用しているため、測定感度が不足し、測定誤差を克服し難いという懸念がある。

そこで、この実施例では、以下に説明する測定手法により側壁部の傾斜角度を算出する。
図８に示すように、制御コンピュータ２は、側壁角度演算モードに入ると、側壁角演算を開始する。

まず、０度画像、傾斜画像を取得する（ステップＳ２１）。ここで、０度画像とは、電子ビーム６を垂直に入射したときに得られるトップダウン画像である（図５のステップＳ８参照）。
ついで、図７の（ｃ）、（ｄ）に示すように、画像データから生のＳＥＭ輝度値プロファイル信号Ｐｒｏを抽出する（ステップＳ２２）。
制御コンピュータ２は、ＳＥＭ画像から電子線の走査方向の生のＳＥＭ輝度値プロファイル信号Ｐｒｏを各走査に対応して構築するＳＥＭ輝度値プロファイル構築手段としての役割も果たす。

ついで、ｊ個のＳＥＭ輝度値プロファイル信号Ｐｒｏについて、図９に示すように、最大ピーク位置Ｐｅを探索する（ステップＳ２３）。ついで、図９に示すようにこの最大ピーク位置Ｐｅの前側の数十ピクセルから後側の数十ピクセル分までの範囲Ｗの画像データを「探索範囲」分だけ抽出する（ステップＳ２４）。

というのは、データ個数が多いと、その分演算に負荷がかかり、演算速度が遅くなるからである。生のＳＥＭ輝度値プロファイル信号Ｐｒｏには、図９に示すように、ノイズ成分が含まれている。そこで、生のＳＥＭ輝度値プロファイル信号Ｐｒｏに含まれているノイズ成分を除去する処理を行う（ステップＳ２５）。このノイズ成分を除去するのに移動平均フィルタ処理を実行する。
また、制御コンピュータ２は、ＳＥＭ輝度値プロファイル構築手段により得られた生のＳＥＭ輝度値プロファイル信号Ｐｒｏを移動平均フィルタを用いて平均化処理することにより生のＳＥＭ輝度値プロファイル信号Ｐｒｏに含まれているノイズを除去するノイズ除去手段として機能する。

移動平均フィルタ処理を行うと、ノイズ成分を除去できるが、ピークＰｅがなまりかつピークＰｅの大きさが小さくなり、しかも、ピークＰｅの位置が電子ビームの走査方向（Ｘ方向）にずれることになる。ＳＥＭ画像上のピークＰｅの位置と移動平均処理後のＳＥＭ輝度値プロファイルＰｒｏ’のピークＰｅの位置とがずれると、ＳＥＭ画像解析に支障をきたすので、この実施例では、この移動平均フィルタ処理にはゼロ位相デジタルフィルタ処理関数を用いる。

図１０はそのゼロ位相デジタルフィルタ処理関数を用いて生の輝度値プロファイル信号Ｐｒｏのノイズ除去を行った後の輝度値プロファイル信号Ｐｒｏ’を示し、（ａ）は５点移動平均後の輝度値プロファイル信号Ｐｒｏ’であり、（ｂ）は１０点移動平均後の輝度値プロファイル信号Ｐｒｏ’であり、（ｃ）は１５点移動平均後の輝度値プロファイル信号Ｐｒｏ’である。

一般に、ｐ点移動平均とは、ｉ番目の画素（ピクセル）Ｇｉについて、ＧｉからＧｉ＋ｐまでのｐ個のＸ方向の画素（ピクセル）の各輝度の和をｐで除すことを意味し、図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す輝度値プロファイルは画素Ｇｉ（ｉ＝１からｍまで）の各画素について移動平均処理を行うことによって得られたものである。図１１（ａ）はこのようにして得られたノイズ除去後の輝度値プロファイル信号Ｐｒｏ’の拡大図を示している。

ついで、このノイズ除去後の輝度値プロファイル信号Ｐｒｏ’を微分処理する（ステップＳ２６）。図１１（ｂ）は図１１（ａ）に示す輝度値プロファイル信号Ｐｒｏ’を微分処理した微分プロファイル信号（微分波形）Ｐｗを示している。その図１１（ｂ）において、符号Ｐｗｍａｘは微分プロファイルＰｗの最大値を示し、符号Ｐｗｍｉｎは微分プロファイルＰｗの最小値を示している。
すなわち、制御コンピュータ２は、ノイズが除去されたＳＥＭ輝度値プロファイル信号を微分処理して微分波形を取得する微分処理手段として機能する。

次に、この微分プロファイルＰｒｏに基づき、微分プロファイルＰｗの最大値Ｐｗｍａｘに対応するＸ方向の画素位置（走査方向のピクセルの座標点）、最小値Ｐｗｍｉｎに対応するＸ方向の画素位置（走査方向のピクセルの座標点）を探索する。この探索には、公知の手法を用いる。

ついで、この微分プロファイルＰｗの最大値Ｐｗｍａｘに対応するＸ方向の画素位置（走査方向のピクセルの座標点）と微分プロファイルＰｗの最小値Ｐｗｍｉｎに対応するＸ方向の画素位置（走査方向のピクセルの座標点）とに基づき走査線方向のピーク幅（ピクセル数）ｗ４を求める（ステップＳ２７）。

すなわち、制御コンピュータ２は、微分波形の最大値に対応する電子ビームの走査方向のピクセルの座標点と微分波形の最小値に対応する電子ビームの走査方向のピクセルの座標点との差に基づきピーク幅ｗ４を求めるピーク幅演算手段として機能する。

このピーク幅（ピクセル数）ｗ４は、図７（ｃ）に示す線幅（ピクセル数）ｗ２よりも大きく、より多くのピクセル数を含んでいる。というのは、微分プロファイルＰｗのピーク波形部の立ち上がり側と立ち下がりとの両側を利用しているからである。

このピーク幅ｗ４を所定本数の走査線について求め、その各走査線毎に得られたピーク幅ｗ４の和をその本数で除すことによって、ピーク幅Ｗ４の平均値を求める（ステップＳ２８）。

ついで、下記の式に基づいて、ピーク幅ｗ４から側壁部の傾斜角度を演算する（ステップＳ２９）。
θ＝ａｘ＋ｂ （１）
ここで、θは側壁部の傾斜角度であり、ａは換算係数としてのスロープ（傾斜係数）、ｂは換算係数としてのインターセプト値（切片）、ｘはピーク幅ｗ４を意味する。

スロープａ、ｂは図７（ａ）に示す破壊測定により実際に測定した傾斜角度θ１と図１１（ｂ）に示すピーク幅ｗ４との相関関係データを集め、蓄積することによって決定される。
ここで、このスロープ値ａ、インターセプト値ｂを、左側壁部ＰＳＬ、右側壁部ＰＳＲのそれぞれについて求める。

左側壁部ＰＳＬに対応するスロープ値ａＬ、インターセプト値ｂＬ、右側壁部ＰＳＲに対応するスロープ値ａＲ、インターセプト値ｂＲをそれぞれ求めて、換算係数を記憶部２’にあらかじめ記憶保存しておく。
すなわち、制御コンピュータ２は、測定により得られたピーク幅ｗ４と記憶手段２’に記憶されている換算係数ａ、ｂとに基づき側壁部の傾斜角度θを演算する傾斜角度演算手段として機能する。

図１２（ａ）はその実際の傾斜角度θ１とピーク幅ｗ４との相関図を示し、図１２（ｂ）はその実際の傾斜角度θ１と（１）に示す式を用いて求めた側壁角度θとの相関図を示している。
その図１２（ａ）、（ｂ）において、「●」印はパターンＡの右側壁部の実際の傾斜角度（実測値）θ１とピーク幅Ｗ４との相関関係を示し、「▲」印はパターンＡの左側壁部の実際の傾斜角度（実測値）θ１とピーク幅Ｗ４との相関関係を示し、「○」印はパターンＢの右側壁部の実際の傾斜角度（実測値）θ１とピーク幅Ｗ４との相関関係を示し、「△」印はパターンＢの左側壁部の実際の傾斜角度（実測値）θ１とピーク幅Ｗ４との相関関係を示している。

この実施例では、右側壁部の換算係数と左側壁部の換算係数とを個別に求めて、（１）式の変数ｘにピーク幅ｗ４を代入して、演算により側壁部の傾斜角度を求めているので、左側壁部と右側壁部とのオフセット成分を除去可能であり、この図１２（ａ）、図１２（ｂ）から明らかなように、ピーク幅ｗ４を用いて（１）式を用いて演算により求めた傾斜角度θと実際の傾斜角度θ１との相関関係は良好であり、非破壊検査により誤差の少ない傾斜角度を求めることができる。

なお、この実施例では、左右の側壁部の傾斜角度を求めることにしたが、図１３に示すように、角柱型のマスクパターンの場合には、上下左右方向の側壁部の傾斜角度を求めるために、左右方向の傾斜角度のスロープ値ａＬ、ａＲ、インターセプト値ｂＬ、ｂＲに加えて、上下方向の側壁部の傾斜角度を求めるために、上下方向の傾斜角度のスロープ値ａＵ、ａＤ、インターセプト値ｂＵ、ｂＤをそれぞれ求めて、記憶部２’に記憶させておく構成とすることもできる。

なお、図１に示す荷電ビーム装置１０の傾斜観察用偏向器３２の電極１１４の個数は用途に応じて変更可能であり、傾斜方向が１方向のみで十分である場合は電極１１４は最低１個で良く、また、任意の方向からの傾斜画像が必要な場合は電極１１４は４個以上必要となる。
この実施例では、傾斜観察用偏向器３２として、高速偏向とリニアリティに優れた静電偏向器と電極を使用しているが、磁界偏向器とコイルの組み合わせでも電子ビーム６の軌道を曲げて傾斜観察できることは勿論である。

Ｐｗ…微分プロファイル（微分波形）
Ｐｗｍａｘ…最大値
Ｐｗｍｉｎ…最小値
ｗ４…ピーク幅

Claims (5)

1. 荷電ビームを生成して検査対象である試料に照射する荷電ビーム出射手段と、
   前記荷電ビームを集束するコンデンサレンズと、
   前記荷電ビームを偏向させて前記試料上で走査する走査偏向器と、
   前記荷電ビームを前記試料面に結像させる対物レンズと、
   前記対物レンズと前記試料との間に設けられて前記荷電ビームを偏向してビーム軸に対して任意の傾斜角度を有するように前記荷電ビームを前記試料に対して斜めに入射させる傾斜観察用偏向器と、
   前記荷電ビームの照射により前記試料から発生した２次荷電粒子と前記試料により反射された反射荷電粒子との少なくとも一方の荷電粒子を検出する荷電粒子検出手段と、
   前記傾斜角度を制御する制御手段とを備え、
   前記荷電粒子検出手段により検出した荷電粒子に基づきＳＥＭ画像を構築するＳＥＭ画像構築手段と、
   前記ＳＥＭ画像から電子線の走査方向のＳＥＭ輝度値プロファイル信号を各走査に対応して構築するＳＥＭ輝度値プロファイル構築手段と、
   前記ＳＥＭ輝度値プロファイル構築手段により得られた生のＳＥＭ輝度値プロファイル信号を移動平均フィルタを用いて平均化処理することにより前記生のＳＥＭ輝度値プロファイル信号に含まれているノイズを除去するノイズ除去手段と、
   前記ノイズ除去手段によりノイズが除去されたＳＥＭ輝度値プロファイル信号を微分処理して微分波形を取得する微分処理手段と、
   前記微分波形の最大値に対応する電子ビームの走査方向のピクセルの座標点と前記微分波形の最小値に対応する電子ビームの走査方向のピクセルの座標点との差に基づきピーク幅を求めるピーク幅演算手段と、
   実際に測定により求めた側壁部の傾斜角度とピーク幅との関係に基づき得られた換算係数を記憶する記憶手段と、
   前記ピーク幅と前記換算係数とに基づき前記側壁部の傾斜角度を演算する傾斜角度演算手段とを備えていることを特徴とする荷電ビーム装置。
2. 前記移動平均フィルタはゼロ位相デジタルフィルタ処理関数であることを特徴とする請求項１に記載の荷電ビーム装置。
3. 荷電ビームを生成して検査対象である試料に照射する荷電ビーム出射手段と、前記荷電ビームを集束するコンデンサレンズと、前記荷電ビームを偏向させて前記試料上で走査する走査偏向器と、前記荷電ビームを前記試料面に結像させる対物レンズと、前記対物レンズと前記試料との間に設けられて前記荷電ビームを偏向してビーム軸に対して任意の傾斜角度を有するように前記荷電ビームを前記試料に対して斜めに入射させる傾斜観察用偏向器と、前記荷電ビームの照射により前記試料から発生した２次荷電粒子と前記試料により反射された反射荷電粒子との少なくとも一方の荷電粒子を検出する荷電粒子検出手段と、前記傾斜角度を制御する制御手段とを備えた荷電ビーム装置を用いて前記パターンの側壁部の傾斜角度を測定する傾斜角度測定方法であって、
   前記荷電ビームを前記試料に照射する照射工程と、
   前記走査偏向器により前記荷電ビームを前記試料面で結像させる結像工程と、
   前記荷電ビームを偏向して前記試料に対して斜めに入射させる斜入射工程と、
   前記荷電ビームの照射により前記試料から発生した２次荷電粒子と前記試料により反射された反射荷電粒子との少なくとも一方の荷電粒子を検出する荷電粒子検出工程と、
   前記荷電粒子検出工程により検出した荷電粒子に基づきＳＥＭ画像を構築するＳＥＭ画像構築工程と、
   前記ＳＥＭ画像から電子ビームの走査方向のＳＥＭ輝度値プロファイルを各走査に対応して構築するＳＥＭ輝度値プロファイル構築工程と、
   前記ＳＥＭ輝度値プロファイル構築工程により得られた生のＳＥＭ輝度値プロファイル信号を移動平均フィルタを用いて平均化処理することにより前記生のＳＥＭ輝度値プロファイル信号に含まれているノイズを除去するノイズ除去工程と、
   前記ノイズ除去工程によりノイズが除去されたＳＥＭ輝度値プロファイル信号を微分処理して微分波形を取得する微分処理工程と、
   前記微分波形の最大値に対応する電子線の走査方向のピクセルの座標点と前記微分波形の最小値に対応する電子線の走査方向のピクセルの座標点との差に基づきピーク幅を求めるピーク幅演算工程と、
   実際に測定により求めた側壁部の傾斜角度とピーク幅との関係に基づき得られた換算係数と前記ピーク幅とに基づき前記側壁部の傾斜角度を演算する傾斜角度演算工程とを含むことを特徴とするパターンの傾斜角度測定方法。
4. 前記移動平均フィルタはゼロ位相デジタルフィルタ処理関数であることを特徴とする請求項３に記載のパターンの傾斜角度測定方法。
5. 荷電ビームを試料に対して斜め入射させてＳＥＭ画像を取得する工程と、
   前記工程により得られたＳＥＭ画像により得られる生のＳＥＭ輝度値プロファイルを移動平均フィルタを用いて生のＳＥＭ輝度値プロファイル信号に含まれているノイズを除去するノイズ除去工程と、
   前記ノイズ除去後のＳＥＭ輝度値プロファイル信号を微分してその微分波形の最大値と最小値とを取得し、最大値に対応する電子ビームの走査方向のピクセルの座標点と微分波形の最小値に対応する電子線の走査方向のピクセルの座標点との差に基づきピーク幅を求める工程と、
   実際に測定により求めた側壁部の傾斜角度とピーク幅との関係に基づき得られた換算係数とピーク幅とに基づき側壁部の傾斜角度を求める工程と、
   を含むことを特徴とするパターンの傾斜角度測定方法。