JP4106755B2

JP4106755B2 - 写像型観察方法及び写像型荷電粒子線顕微鏡

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Application number: JP23510898A
Authority: JP
Inventors: 明弘後藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-08-21
Filing date: 1998-08-21
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2018-08-21
Also published as: JP2000067798A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば少なくとも一次元方向に広がった視野内の像を荷電粒子線を介して形成し、この像に基づいて試料を観察する写像型観察方法、及び写像型荷電粒子線顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より半導体デバイス等の試料の表面の微細な構造等を観察するために、電子顕微鏡が使用されている。従来の電子顕微鏡としては、試料上の一点に絞って照射された電子ビームを電磁的に２次元方向に走査することによって、所定の被検領域の観察を行う走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）が主に使用されていた。しかしながら、このように試料上の一点に集束された電子ビームを走査する方式では、試料上の広い領域を観察するのにかなり長い時間を要するため検査効率が悪かった。そこで、例えばK.Tsuno:Ultramicroscopy 55,pp.127-140(1994) に開示されているように、試料上で例えば２次元的に広がった視野（被検領域）に電子ビームを照射して、電子光学系を介してその視野の拡大像を形成し、この拡大像に基づいて試料の観察を効率的に行う写像型電子顕微鏡が開発されている。このように試料上の一点ではなく、少なくとも一次元方向に広がった視野に電子ビームを照射して、その視野の像を形成する方式は「写像型」と呼ばれている。
【０００３】
従来の写像型電子顕微鏡は、電子銃から発生した電子ビームを、照明レンズにより整形した後、ビームセパレータにより観察対象の試料に向けて偏向し、偏向された電子ビームを開口絞り、及びカソードレンズを介して試料表面の２次元的に広がる視野に照射していた。そして、試料から発生する２次電子、又は反射電子を、カソードレンズと試料との間に形成された減速電界により引き上げ、結像レンズを介してその視野の像を形成し、この像を電子検出系によって光学像に変換することにより、試料の観察を行っていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の如く従来の写像型電子顕微鏡では、電子銃、照明レンズ、ビームセパレータ、開口絞り、及びカソードレンズ等から構成される照射系により観察対象の試料上の視野に電子ビームを照射していた。しかしながら、電子銃上での輝度むら、及び電子放出強度の角度依存性等によって、照射系を介して視野内に照射される電子ビームの強度分布が不均一であった。これを改善するために、ケーラー照明を行うことも考えられるが、ケーラー照明は電子銃の輝度むらを平均化できても、電子放出強度の角度依存性に関しては補正できないため、視野内での強度分布は例えばガウス型となってしまう。そのため、従来の写像型電子顕微鏡では、試料を観察して得られる画像の強度分布（輝度分布）が、その視野内に照射される電子ビームの強度分布の影響を含んだものとなってしまい、真の画像と異ったものになるという不都合が生じていた。また、画像の各部分毎の強度（輝度）の分析精度が低下する不都合もあった。
【０００５】
これに対して、視野内における電子強度分布を平均化するために、ケーラー照明の照明領域を広くして、その照明領域中の有効照明領域の割合を小さくすることが考えられるが、この場合には照明強度が低下するという不都合があった。また、試料をクリティカル照明や、ケーラー照明とクリティカル照明との中間の照明により照明したとしても、視野内に照射される電子線の強度分布の形状が変化するだけであり、電子強度分布を平均化することはできなかった。更に、照射系を構成している電子光学系の幾何光学的収差や機械的製造誤差等の影響によって、視野内に照射される電子ビームの強度分布はより複雑な形状になっていたため、単にその強度分布をガウス型と仮定するのみでは実際の画像の強度分布を正確に補正することは困難であった。
【０００６】
また、試料から発生する２次電子、又は反射電子の像を光学像に変換して検出する電子検出系は、製造誤差等により検出感度の不規則なばらつきを有しており、観察される画像の強度分布には、電子検出系の電子−光変換効率、光電変換効率等による検出感度分布のばらつきの影響も含まれていた。
本発明は斯かる点に鑑み、試料上の視野に電子ビーム等の荷電粒子線を照射してその視野の像を観察するに際して、その視野上に照射される荷電粒子線の強度分布のばらつきの影響を軽減して、その試料の実際の像にできるだけ近い像を観察できる写像型観察方法を提供することを第１の目的とする。
【０００７】
更に本発明はその視野の像を観察するに際して、その視野の像を検出するための検出系の検出感度分布のばらつきの影響を軽減できる写像型観察方法を提供することを第２の目的とする。更に本発明は、そのような写像型観察方法を実施できる写像型荷電粒子線顕微鏡を提供することも目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による写像型観察方法は、第１方向（Ｘ方向）への強度分布がガウス分布状である荷電粒子線（ＥＢ）を、試料（８）上のその第１方向とこの第１方向に垂直な第２方向（Ｙ方向）とからなる２次元方向に広がり、その第１方向を長手方向とする視野（２８）に照射する照射系（１〜７）と、その荷電粒子線の照射によりその試料から発生する荷電粒子線を集束してその視野内のその試料の像を形成する結像系（７〜５，１０〜１３）と、この結像系によって形成される像を画像信号に変換する検出系（２１）とを用いてその試料を観察する写像型観察方法であって、その照射系の照明条件、及びその結像系の結像条件を所定の条件に設定する第１のステップ（１０１）と、この設定された条件のもとで、その照射系を介して均一な表面形状を有する基準試料（８Ａ）を照射して、その基準試料とその視野とをその第２方向に相対走査しながら、その結像系及びその検出系を介してその視野内のその基準試料の像を変換し、この変換された画像信号をその第２方向に積算して平均化して得られる画像信号より、その照射系における荷電粒子線の強度分布及びその検出系における検出感度分布に応じた基準画像信号を生成して記憶する第２のステップ（１０２，１０３）と、その所定の条件のもとでその照射系、その結像系、及びその検出系を介して観察対象の試料の像を試料画像信号に変換し、この変換された試料画像信号をリアルタイムで、又は所定期間記憶した後に、その基準画像信号と演算して得られる信号に基づいてその試料を観察する第３のステップ（１０４〜１０６）と、その基準画像信号の更新を行うかどうか判定する第４のステップ（１０８）とを有するものである。
【０００９】
斯かる本発明の写像型観察方法によれば、その視野（２８）内の所定の計測方向に沿った位置をｘとして、その視野内の基準試料（８Ａ）の像を変換して得られる基準画像信号をＩ_０ｍ（ｘ）、試料画像信号をＩ_ｍ(ｘ）とすると、これらは一例としてそれぞれ以下の式により表される。なお、その視野（２８）内に照射される荷電粒子線の強度分布をＧ（ｘ）、検出系（２１）の検出感度分布をＤ（ｘ）として、Ｇ（ｘ）及びＤ（ｘ）が一定（＝１）であるような理想的な状態でその基準試料（８Ａ）を観察したときの画像信号、即ち、真の基準画像信号をＩ_０(ｘ）とし、真の試料画像信号をＩ（ｘ）とする。
【００１０】
Ｉ_0m（ｘ）＝Ｇ（ｘ）・Ｄ（ｘ）・Ｉ₀(ｘ）（１）
Ｉ_m(ｘ）＝Ｇ（ｘ）・Ｄ（ｘ）・Ｉ（ｘ）（２）
そこで、試料画像信号Ｉ_m(ｘ）を基準画像信号Ｉ_0m（ｘ）で除算すると、真の基準画像信号であるＩ₀(ｘ）が一定値Ｃとみなせるため、その商はＩ（ｘ）／Ｃとなり、真の試料画像信号Ｉ（ｘ）に比例する信号が得られる。これによって、その照射系からその視野（２８）に照射される荷電粒子線の強度分布のばらつき、及び検出系（２１）の検出感度分布のばらつきの影響が全体として除去されるため、試料を真の状態に近い状態で観察することができる。
【００１１】
次に、本発明の実施の形態に記載された別の写像型観察方法は、荷電粒子線（ＥＢ）を試料（８）上の少なくとも一次元方向に広がった視野（２８）に照射する照射系（１〜７）と、その荷電粒子線の照射によりその試料から発生する荷電粒子線を集束してその視野内のその試料の像を形成する結像系（７〜５，１０〜１３）と、この結像系によって形成される像を画像信号に変換する検出系（２１）とを用いて試料を観察する写像型観察方法であって、その照射系の照明条件を所定の条件に設定する第１のステップ（２０２）と、この設定された条件のもとでその照射系（１〜７）を介してその視野を照射した状態で、この視野内におけるその荷電粒子線の強度分布を測定し、この強度分布に応じた基準画像信号を生成して記憶する第２のステップ（２０３，２０４）と、その所定の条件のもとでその照射系、その結像系、及びその検出系を介して観察対象の試料の像を試料画像信号に変換し、この変換された試料画像信号をリアルタイムで、又は所定期間記憶した後に、その基準画像信号と演算して得られる信号に基づいてその試料を観察する第３のステップ（２０５〜２０７）とを有するものである。
【００１２】
この別の写像型観察方法によれば、上記の照射系によってその視野内に照射される荷電粒子線の強度分布Ｇ（ｘ）に比例する基準画像信号が生成される。そこで、例えばその試料画像信号をその基準画像信号で除算することによって、その視野内の荷電粒子線の強度分布の影響を除去して試料を観察することができる。
【００１３】
次に、本発明の写像型荷電粒子線顕微鏡は、第１方向（Ｘ方向）への強度分布がガウス分布状である荷電粒子線を、試料上のその第１方向とこの第１方向に垂直な第２方向（Ｙ方向）とからなる２次元方向に広がり、その第１方向を長手方向とする視野（２８）に照射する照射系（１〜７）と、その視野とその試料とをその第２方向に相対走査する走査機構（９）と、その荷電粒子線の照射によりその試料から発生する荷電粒子線を集束してその視野内のその試料の像を形成する結像系（７〜５，１０〜１３）と、この結像系によって形成される像を画像信号に変換するＴＤＩセンサ（２２）を備えた検出系（２１）とを用いて試料を観察する写像型荷電粒子線顕微鏡であって、そのＴＤＩセンサによってその第２方向に積算され平均化されて、その照射系におけるその荷電粒子線の強度分布及びその検出系における検出感度分布に応じた基準画像信号を記憶する記憶装置（１８Ａ）と、その照射系、その結像系、及びその検出系を介して観察対象の試料のその視野内の像を試料画像信号に変換する制御系（２４）と、その照射系及びその結像系の条件に応じてその記憶装置から読み出された所定のその基準画像信号とその試料画像信号とを演算してその試料に対応する信号を生成する画像演算系（１９）と、を有し、その制御系は、試料の観察終了後、その基準画像信号の更新を行うか、又は別の試料の観察を行うかどうかを判断するものである。
【００１４】
斯かる本発明の写像型荷電粒子線顕微鏡によれば、その試料の代わりに均一な表面形状を有する基準試料を載置して基準画像信号を生成して記憶しておくことによって、本発明の写像型観察方法を実施することができる。更にその基準画像信号として視野内の荷電粒子線の強度分布に応じた信号を記憶しておくことで、上記の別の写像型観察方法が実施できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態につき図面を参照して説明する。
図１は、本例の写像型電子顕微鏡の概略構成を示し、この図１において、電子銃１から射出された電子ビームＥＢは、第１照明レンズ２、第２照明レンズ３、及び静電型の第１収差補正系４を介して整形された後、ビームセパレータ５によりＸＹステージ９上に載置された試料８の表面に対して垂直な方向に偏向される。照明レンズ２，３は静電レンズである。そして、ビームセパレータ５により偏向された電子ビームＥＢは、開口絞り６の開口の中心にクロスオーバ像を形成した後、カソードレンズ７と試料８との間に形成された減速電界によって減速され、試料８表面上の視野（被検領域）２８をケーラー照明方式で照明する。電子銃１〜カソードレンズ７より照射系が構成されている。また、本例の試料８は、シリコン又はＳＯＩ(silicon on insulator)等のウエハ（wafer)であり、このウエハ上には半導体デバイスの回路パターンが形成されている。
【００１６】
以下、試料８の表面に垂直な方向にＺ軸を取り、試料８の表面に平行な平面内で図１の紙面に平行にＸ軸を、図１の紙面に垂直にＹ軸を取って説明する。この場合、試料８上の視野２８は、Ｙ方向の幅よりもＸ方向の幅の方が広い２次元的な細長い領域である（図２参照）。
そして、電子ビームＥＢの照射により試料８から発生した２次電子、又は反射電子（以下「被検電子」という）はカソードレンズ７と試料との間に形成されている減速電界によって引き上げられ、カソードレンズ７、開口絞り６の開口、及びビームセパレータ５を通過後、静電型の第２収差補正系１０、電磁レンズよりなる第１結像レンズ１１、及び静電型の第３収差補正系１２を介して、中間結像面２３に一旦視野２８の像を形成する。そして、中間結像面２３を通過した被検電子は静電レンズよりなる第２結像レンズ１３を介してＭＣＰ(Micro Channel Plate）１４の入射面に視野２８の拡大像を形成する。この被検電子による拡大像はＭＣＰ１４の射出面の蛍光面１４ａで蛍光による像（光学像）に変換される。蛍光面１４ａを発した光束は光学レンズ１５を介して、ＴＤＩ(Time Delay Integration)方式のＣＣＤ型の撮像素子（以下、「ＴＤＩセンサ」という。）２２の撮像面に視野２８内のパターンの光による拡大像を形成する。なお、試料８に入射する電子ビームと試料８からの被検電子とを分離する分離系としてのビームセパレータ５としては、例えばK.Tsuno:Ultramicroscopy 55,pp.127-140(1994) に開示されているように、所定の電界及び磁界を発生するウィーン・フィルタ（Wien filter)を使用することができる。
【００１７】
Ｚ軸に平行な光軸ＡＸに沿って配列されたカソードレンズ７〜第２結像レンズ１３より結像系が構成され、ＭＣＰ１４、光学レンズ１５、及びＴＤＩセンサ２２より電子像を光による像に変換し、更に光電変換する電子検出系２１が構成されている。そして、ＴＤＩセンサ２２の各画素より出力された画像信号は、通常は画像信号処理部１７からＶＲＡＭ方式の画像メモリ１８Ｂに格納され、所定範囲のデータが蓄積された後にマイクロプロセッサ及びＲＡＭ等からなる画像信号演算部１９に順次読み込まれる。光学レンズ１５としては、蛍光面１４ａの像を全体として、ＴＤＩセンサ２２上に投影するレンズ系を使用してもよいが、その代わりに光ファイバー束を用いて、蛍光面１４ａの光をそのままＴＤＩセンサ２２上に導いてもよい。
【００１８】
また、リアルタイムで演算を行う場合には、画像信号処理部１７は、ＴＤＩセンサ２２からの画像信号を直接その画像信号演算部１９に供給する。画像信号演算部１９は、その画像信号に記憶部１８Ａから読み出された基準画像信号を用いて後述する演算を施すことによってその画像信号のレベルを補正した後、所定の閾値で２値化する処理を施してＣＲＴディスプレイ等の出力装置２０に出力する。出力装置２０にも画像メモリが備えられており、出力装置２０の表示部には、例えば試料８の表面の欠陥部等が表示される。また、記憶部１８Ａとしては、磁気記憶装置とＲＡＭとの組み合わせ等が使用される。
【００１９】
観察対象の試料８が載置され、且つ例えば静電吸着方式で固定されているＸＹステージ９は、ベース２５の上面に載置され、例えばリニアモータ方式でＸ方向、及びＹ方向に連続移動することができる。また、その連続移動によってステップ移動も行うことができる。そして、ＸＹステージ９（試料８）の座標計測を行うために、ＸＹステージ９の上端にＸ軸の移動鏡２６ｍ、及びＹ軸の移動鏡（不図示）が固定され、移動鏡２６ｍ等に対して、レーザ干渉計２６よりレーザビームがそれぞれＸ軸及びＹ軸に沿って平行に照射されている。レーザ干渉計２６では、戻されたレーザビームと対応する不図示の参照用のレーザビームとの干渉光を光電検出することによって、Ｘステージ９（試料８）のＸ座標及びＹ座標を検出する。この位置情報はコンピュータよりなる主制御系２４に供給されており、主制御系２４ではその位置情報に基づいて、ステージ駆動装置２７を介してＸＹステージ９の移動速度や位置決め動作を制御している。
【００２０】
そして、試料観察時には、図２（ａ）に示すように、試料８上で回路パターンが形成されている検査対象の領域は、視野２８のＸ方向の幅よりわずかに小さいピッチでＸ方向に複数例の観察領域４２Ａ〜４２Ｇに分割される。そして、図１の走査機構としてのＸＹステージ９を移動することによって、まず、試料８の観察領域４２Ａを軌跡４１に沿って視野２８に対して−Ｙ方向に走査し、観察領域４２Ａの像を撮像する。次で、ＸＹステージ９をステップ移動させて視野２８の手前に観察領域４２Ｂを移動させてから、観察領域４２Ｂを視野２８に対して＋Ｙ方向に走査することによって観察領域４２Ｂの像を撮像する。このように、ステップ移動及び連続移動（走査）を繰り返して観察領域４２Ａ〜４２Ｇを視野２８で相対走査することによって、試料８上の検査対象の領域の全体の像を観察する。
【００２１】
このように、試料８上を視野２８でＹ方向（走査方向）に相対走査する際には、図１のＴＤＩセンサ２２は、視野２８の像を相対走査に同期して走査方向に積分する。これによって、ＳＮ比の良好な画像信号が得られるが、以下ではこの原理につき説明する。
図３は、本例の写像型電子顕微鏡に使用されるＴＤＩセンサ２２を示し、この図３において、図２（ａ）のＸ方向、Ｙ方向に対応する方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向（走査方向）としている。ＴＤＩセンサ２２は、視野２８の像に対応して２次元のＸ方向に細長い画素領域を有し、この細長い画素領域はＹ方向に所定ピッチで配列された複数のラインＬ₁ 〜Ｌ₃ より構成されており、ラインＬ₁ 〜Ｌ₃ はそれぞれ複数の画素をＸ方向に所定ピッチで並べて構成されている。ＴＤＩセンサ２２は、光軸ＡＸの近傍に位置しているラインＬ₃ の画素の画像信号（電荷）を任意のタイミングでＸ方向に読み出すことができると共に、その直後にラインＬ₂及びＬ₁の画像信号（電荷）を順次Ｙ方向にラインＬ₃及びＬ₂に移動することができる。ラインＬ₃及びＬ₂ではその後に電荷の蓄積を開始するため、結果として画像信号は順次Ｙ方向に積算されることになる。
【００２２】
即ち、ＴＤＩセンサ２２では、試料８を視野２８、ひいてはＴＤＩセンサ２２に対して走査する際に、試料８上の同一の領域が視野２８内で第１ラインＬ₁ に対応する領域に入ったときから第３ラインＬ₃ に対応する領域を出るまでの間に、ＴＤＩセンサ２２が有しているラインＬ₁ 〜Ｌ₃ の本数分（図３では３本分）だけ、その同一の領域を各ラインＬ₁ 〜Ｌ₃ により順次撮像し、得られる画像信号を積算する。そして、ＴＤＩセンサ２２の内部では、最終的にラインＬ₃ で積算及び撮像により得られる画像信号（積算画像信号）を可変ゲインの増幅器３２、及びＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器３３を介して画像信号処理部１７に供給する。そして、順次ラインＬ₃ から出力される画像信号を例えば画像メモリ１８Ｂに格納することによって試料８上の２次元領域の画像に対応する画像信号が構築される。
【００２３】
図４は、視野２８、ひいてはＴＤＩセンサ２２に対して試料８を走査しながら撮像するときの位置関係を示し、図４（ａ）において、ＴＤＩセンサ２２の第１ラインＬ₁ は、視野２８内の試料８上のＸ方向の幅ΔＸでＹ方向の幅ΔＹの領域Ｐ₁ の像を検出して画像信号を生成し、その画像信号を第２ラインＬ₂ に転送する。次に、図４（ｂ）に示すように、試料８がＹ方向にΔＹだけ移動して領域Ｐ₁ が第２ラインＬ₂ と共役な領域に移動したときに、第２ラインＬ₂ により領域Ｐ₁ の像を検出して画像信号を生成する。この画像信号は第１ラインＬ₁ から転送された画像信号に加算される形で生成され、第２ラインＬ₂ の画像信号は第３ラインＬ₃ に転送される。このとき、第１ラインＬ₁ は、試料８上の領域Ｐ₁に隣接する幅ΔＹの領域Ｐ₂ の像を検出して画像信号を生成し、第２ラインＬ₂ に転送する。そして、図４（ｃ）に示すように、領域Ｐ₁ が第３ラインＬ₃ と共役な領域に移動したときに、第３ラインＬ₃ は、先に第２ラインＬ₂ から転送されて来た領域Ｐ₁ の画像信号に加算する形で、領域Ｐ₁ の像を検出して画像信号を生成する。この際に第２ラインＬ₂ 及び第１ラインＬ₁ では、それぞれ領域Ｐ₂、及びこれに隣接する幅ΔＹの領域Ｐ₃の像を撮像している。これによって、試料８上の幅ΔＹの領域の画像信号が順次生成される。
【００２４】
このように、ＴＤＩセンサ２２を使用することによって、各ラインＬ₁ 〜Ｌ₃ で生成された試料８上の同一領域の像の画像信号が積算されて出力されるため、試料８からの被検電子の量が小さい場合（ＳＮ比が小さい場合）であっても、比較的大きな信号レベルを持つ画像信号を得ることができる。また、電子検出系２１中のＭＣＰ１４の各画素毎、及びＴＤＩセンサ２２の各画素毎の検出感度のばらつきの影響が積算方向（Ｙ方向）に関して平均化される利点がある。なお、本例では、説明の簡単のため、図３においてＴＤＩセンサ２２は、３×１０個の画素を有するものとして説明を行ったが、ＴＤＩセンサ２２は実際には、一例として１００×１０００個（１００ライン×１０００画素）程度の画素を有している。
【００２５】
次に、本例の写像型電子顕微鏡を用いた試料の観察方法につき図９のフローチャートを参照して説明する。
先ず、ステップ１０１において、観察対象の試料８を図１のＸＹステージ９上に載置して静電吸着等によって固定した後、照射系（電子銃１〜カソードレンズ７）、及び結像系（カソードレンズ７〜第２結像レンズ１３）を調整して、試料８を観察するための電子ビームの強度（輝度）、視野の大きさ、及び観測倍率等の照明条件及び結像条件を設定する。これらの条件は、例えばオペレータが主制御装置２４を介して設定する。このとき、例えば図５に示すように、電子検出系２１より出力される画像信号Ｉｍ（ｘ）の信号レベルが、視野２８内のＸ方向の幅の全域でＳＮ比を十分な大きさにできる最小レベルＩｍｉｎ以上で、ＴＤＩセンサ２２の各画素の飽和レベルＩｍａｘ以下になるように、例えば電子銃１の輝度と視野２８の大きさとを調整する。図５において、横軸はＴＤＩセンサ２２上のＸ座標を視野２８上のＸ座標の値に換算した位置ｘ、縦軸は位置ｘにおける画像信号Ｉｍ（ｘ）を示している。
【００２６】
次に、ステップ１０２に進み、均一な表面形状を有する基準試料８ＡをＸＹステージ９上に載置して固定した後、その上の所定範囲の領域の像を撮像する。基準試料８Ａとして、本例では試料８とほぼ同じ形状で表面の平面度の良好なシリコンウエハ（スーパーフラットウエハ）を使用する。なお、基準試料８Ａとしては、所定の金属膜が蒸着されたスーパーフラットウエハ等を使用してもよい。基準試料８Ａを撮像する際には、図１に示すＸＹステージ９を＋Ｙ方向（又は−Ｙ方向）に移動することによって、図２（ｂ）に示すように、基準試料８Ａ表面上の矩形の観察領域４３を視野２８に対して走査しながらＴＤＩセンサ２２の画像信号を画像信号処理部１７を介して画像信号演算部１９に取り込む。この際に観察領域４３をＹ方向に幅ΔＹ（図４参照）で分割して得られる複数の領域のそれぞれについて得られる複数ライン分の画像信号を、画像信号演算部１９で平均化することによって、基準試料８Ａの画像が有する若干の明るさのむらを走査方向に平均化して、均一度の高い基準試料８Ａの画像信号を得ることができる。そして、ステップ１０３に進み、画像信号演算部１９での平均化によって得られた画像信号を基準画像信号として記憶部１８Ａ内の例えばＲＡＭに記憶する。
【００２７】
なお、本例のＴＤＩセンサ２２は複数のラインの画素列を有するため、図２（ｂ）に示す広い観察領域４３を視野２８に対して走査することなく、基準試料８Ａを静止させた状態で視野２８内の像をＴＤＩセンサ２２で一度に撮像するだけでよい。この場合、撮像後に図３に示すようにその複数ラインの画像信号を一列ずつＹ方向に移動させてからＸ方向に読み出す動作を繰り返し、順次読み出される画像信号を平均化することによって、視野２８内でＹ方向に平均化された基準画像信号が得られる。
【００２８】
ここで、視野２８内のＸ座標に沿った位置をｘとして、位置ｘでの上記の照射系による電子ビームの強度分布をＧ（ｘ）、位置ｘと共役な位置での電子検出系２１の各画素毎の検出感度分布をＤ（ｘ）とする。そして、強度分布Ｇ（Ｘ）及び検出感度分布Ｄ（ｘ）がそれぞれ一定（＝１とする）である理想的な状態で基準試料８Ａを観察したときの基準画像信号をＩ₀(ｘ）とすると、実際に基準試料８Ａから得られる基準画像信号Ｉ_0m（ｘ）は、次式により表される。
Ｉ_0m（ｘ）＝Ｇ（ｘ）・Ｄ（ｘ）・Ｉ₀(ｘ）（３）
【００２９】
なお、基準試料８Ａの一部領域に、観察対象の試料８に形成されている回路パターンと同様なパターンを形成しておいてもよい。この場合には、基準試料８Ａ上でそのパターンが形成された領域を利用してステップ１０１の観測条件の設定を行い、その後、ＸＹステージ９を移動して基準試料８Ａ上でパターンが形成されていない領域を視野２８内に移動するのみで、ステップ１０２及び１０３の基準画像信号の生成を行うことができる。なお、試料８と基準試料８Ａとの画像の差（欠陥部等）を測定する場合には、基準試料８Ａは必ずしも均一な表面形状を有するものでなくともよい。
【００３０】
次に、ステップ１０４に進み、観察対象の試料８をＸＹステージ９上に載置して固定した後、図２（ａ）に示すように視野２８に対して試料８を走査することによって、試料８上の検出対象の領域の像を順次撮像し、その検出対象の領域をＸ方向の幅ΔＸ、Ｙ方向の幅ΔＹで分割した複数の領域（図４参照）の像をそれぞれ画像信号に変換する。個々の領域毎に変換される画像信号は、それぞれ視野２８内のＸ方向の位置ｘの関数と見なすことができるため、それらの画像信号を代表的に試料画像信号Ｉｍ（ｘ）と呼ぶ。試料画像信号Ｉｍ（ｘ）は、例えば画像メモリ１８Ｂに順次格納される。
【００３１】
ここで、試料８を視野２８内の電子ビームの強度分布Ｇ（ｘ）、及び電子検出系２１の検出感度分布Ｄ（ｘ）がそれぞれ一定（＝１）の理想的な状態で観察したときの試料画像信号をＩ（ｘ）とすると、実際の試料画像信号Ｉ_m(ｘ）は、次式により表される。
Ｉ_m(ｘ）＝Ｇ（ｘ）・Ｄ（ｘ）・Ｉ（ｘ）（４）
そして、ステップ１０５に進み、図１の画像信号演算部１９は、画像メモリ１８Ｂから順次読み出した試料画像信号Ｉ_m(ｘ）をそれぞれ記憶部１８Ａから読み出した基準画像信号Ｉ_0m（ｘ）で除算して次のようにその商信号Ｓ（ｘ）を求める。この際に、（３）式、（４）式が使用されている。
Ｓ（ｘ）＝Ｉ_m(ｘ）／Ｉ_0m（ｘ）
＝Ｉ（ｘ）／Ｉ₀(ｘ）（５）
【００３２】
ここで、基準画像信号Ｉ₀(ｘ）は、一定値Ｃとみなすことができ、商信号Ｓ（ｘ）は次式のように理想的な状態で得られる試料画像信号Ｉ（ｘ）に比例する形で表される。
Ｓ（ｘ）＝Ｉ_m(ｘ）／Ｃ（６）
以上のように、実際の試料画像信号Ｉ_m(ｘ）を基準画像信号Ｉ_0m（ｘ）で除算してその商信号Ｓ（ｘ）を求めることにより、視野２８内の電子ビームの強度分布Ｇ（ｘ）、及び電子検出系２１の検出感度分布Ｄ（ｘ）の影響を除去することができる。なお、（５）式の除算を行う代わりに基準画像信号Ｉ_0m（ｘ）の逆数１／Ｉ_0m（ｘ）を画像信号演算部１９において求めて記憶部１８Ａに記憶しておき、その逆数と試料画像信号Ｉ_m(ｘ）との積を求めるようにしてもよい。また、次式で表されるように、商信号Ｓ（ｘ）に規格化係数Ｃ０を掛けることによって、信号レベルの調整を任意に行うようにしてもよい。
【００３３】
Ｃ０・Ｓ（ｘ）＝Ｉ（ｘ）・Ｃ０／Ｃ（７）
そして、ステップ１０６に進み、画像信号演算部１９は、信号レベルを補正した商信号Ｓ（ｘ）又はＣ０・Ｓ（ｘ）を図６に示すように、所定の閾値レベルＳＬ以上の部分でハイレベル”１”となり、その閾値レベルＳＬより小さい部分でローレベル”０”となる画像信号Ｓ（ｘ）’を生成し、この画像信号Ｓ（ｘ）’を出力装置２０に供給する。出力装置では、画像信号Ｓ（ｘ）’がハイレベル”１”、及びローレベル”０”となる部分をそれぞれ明部及び暗部として表示部に表示する。
【００３４】
出力装置２０で、図２（ａ）の試料８上の検査対象の領域に対応する画面で、それぞれ２値化した画像を表示することによって、例えば回路パターンの欠陥がある部分は明部として表示されるため、どの部分に欠陥があるかを容易に、かつ高速に識別することができる。例えば図６の商信号Ｓ（ｘ）では位置ｘ１，ｘ２，ｘ３に欠陥があることが分かる。そして、ステップ１０７で別の試料を観察しない場合には、観察を終了し、別の試料を観察する場合には、ステップ１０８で基準画像信号の更新を行うかどうかを判定し、基準画像信号の更新を行わないときにはステップ１０４に戻り、別の観察対象の試料をＸＹステージ９上に載置して観察する。また、基準画像信号の更新を行う場合には、ステップ１０８からステップ１０１に戻り、観察のための照明条件、及び結像条件の設定を再び行う。なお、視野２８内の電子ビームの強度分布Ｇ（ｘ）、及び電子検出系２１の検出感度分布Ｄ（ｘ）は、写像型電子顕微鏡の使用時間に伴って徐々に変化することがあるため、定期的に基準画像信号の更新を行うことが望ましい。
【００３５】
上述のように本例によれば、照射系による電子ビームの強度分布、及び電子検出系２１の電子−光変換効率や光電変換効率等のばらつきに起因する検出感度分布のばらつきの影響が除去されており、試料８の真の状態に近い像を正確に観察することができる。また、本例では視野２８に対する電子ビームのＸ方向への強度分布はほぼガウス分布状となっている。この場合、図１のＭＣＰ１４の蛍光面１４ａの中央部で電子ビームの強度分布が大きくなるため、その中央部で検出感度の低下（ゲイン低下）が起こり易い。しかしながら、このようにその蛍光面１４ａの中央部で検出感度が低下しても、本例では基準画像信号を用いることによってその検出感度の低下の影響が考慮されるため、常に試料８の正確な像を観察できる利点がある。
【００３６】
なお、上述の演算による試料画像信号の信号レベルの補正、所定の閾値を用いた２値化処理、及び出力装置２０による画像出力は所定量のデータを蓄積した後で、まとめて行っているが、その代わりに図４（ａ）の幅ΔＸ×幅ΔＹのスリット状の領域（１ライン分の領域）の画像信号が得られる毎にリアルタイムで行ってもよい。
【００３７】
また、本例では、電子検出系２１の撮像素子としてＴＤＩセンサ２２を使用したが、その撮像素子として２次元配列された画素を有するＣＣＤ型等の撮像素子や、ＣＣＤ型等のラインセンサを使用する場合にも本発明を適用することができる。
その撮像素子として、例えば図２（ａ）の試料８上の視野２８に対応する領域でＹ方向に対応する方向にｎ列の（ｎ＝２，３，４，…）ラインに亘って配列された画素列を有し、各ラインの画像信号を独立にＸ方向に対応する方向に読み出すことができる２次元の撮像素子を用いた場合につき、簡単に説明する。この場合、視野２８のＹ方向の幅をΔＹＴとすると、先ず図２（ｂ）の基準試料８Ａを静止させた状態で視野２８の像を撮像し、その撮像素子のｎラインの画素列からそれぞれ読み出されるｎ個の画像信号を、ｎ個の基準画像信号として記憶する。次に試料８の観察を行う際には、図２（ａ）において、試料８をＹ方向にΔＹＴだけステップ移動する毎に、その２次元の撮像素子で視野２８内のパターンの像を撮像する。そして、Ｙ方向の幅ΔＹＴの領域毎に、その撮像素子のｎラインの画素列から得られる試料画像信号をそれぞれ対応するｎ個の基準画像信号で除算することによって、電子ビームの強度分布や検出感度分布の影響が補正される。このように２次元の撮像素子を用いると、試料８の観察を短時間に効率的に行うことができる。
【００３８】
次に、本発明の第２の実施の形態につき図７、図８及び図１０を参照して説明する。本例の写像型電子顕微鏡は、第１の実施の形態に対して視野２８内の電子ビームの強度分布Ｇ（ｘ）、及び電子検出系２１の検出感度分布Ｄ（ｘ）の測定機構を設けたものであり、図７、及び図８において図１に対応する部分には同一符号を付してその詳細説明を省略する。
【００３９】
図７（ａ）は、本例の写像型電子顕微鏡の下部を拡大して示し、この図７（ａ）において、ＸＹステージ９上の試料８の近傍には電子ビームの強度分布Ｇ（ｘ）を測定するためのファラデーカップ２９が絶縁体３０を介して設けられている。強度分布計測系としてのファラデーカップ２９の検出信号は、電流検出部３１を介して画像信号演算部１９に供給されている。画像信号演算部１９には、図１のレーザ干渉計２６によって計測されるＸＹステージ９のＸ座標、Ｙ座標も供給されている。ファラデーカップ２９は、電子ビームＥＢの照射を受け、その強度（電流）を測定するものであり、強度分布Ｇ（ｘ）を測定する際には、ＸＹステージ９を駆動してファラデーカップ２９を視野２８の端部に移動し、視野２８をＸ方向に横切るようにファラデーカップ２９をＸ方向に走査し、得られる電流をＸ方向の位置ｘの関数として記憶する。なお、ファラデーカップ２９の分解能（Ｘ方向の幅）は電子検出系２１の分解能（各画素の幅）より大きい（粗い）ため、ファラデーカップ２９により測定される強度分布Ｇ（ｘ）については位置ｘについて適宜内挿することが望ましい。
【００４０】
次に、本例の写像型電子顕微鏡を使用した観察方法につき図１０のフローチャートを参照して説明する。先ず、ステップ２０１において、本例の写像型電子顕微鏡に電子検出系２１を設置する前に、電子検出系２１の検出感度分布Ｄ（ｘ）を予め測定しておく。図８（ｂ）は、本例における検出感度分布Ｄ（ｘ）の測定の様子を示し、この図８（ｂ）において、電子検出系２１はＸ方向に連続移動することができるステージ３７上に載置されている。そして、電子検出系２１の検出感度分布Ｄ（ｘ）を測定する際には、ステージ３７を駆動して電子検出系２１をＸ方向に走査しながら、電子銃を含む電子ビーム照射装置３４より、電磁レンズよりなる照明レンズ３５及びアパーチャ板３６を介してＭＣＰ１４の照射面に電子ビームＥＢを照射し、電子検出系２１の走査が終了してからＴＤＩセンサ２２から読み出される画像信号を、図１の画像信号処理部１７を介して画像信号演算部１９に出力する。画像信号演算部１９は、図８（ａ）に示すように、その画像信号を視野２８上のＸ方向の位置ｘに対応する位置の関数Ｄ（ｘ）として記憶部１８Ａに格納する。その関数Ｄ（ｘ）が検出感度分布となる。これによって、実質的に均一な強度分布を有する電子線を照射した場合と同様な効果が得られ、電子検出系２１の検出感度分布Ｄ（ｘ）を正確に測定することができる。
【００４１】
次に、ステップ２０２に進み、第１の実施の形態と同様に、試料８を観察するための結像条件、及び照明条件を設定する。そして、ステップ２０３に進み、図７（ａ）に示すように、ＸＹステージ９を移動してファラデーカップ２９をＸ方向に走査しながら、視野２８内の電子ビームの強度分布を測定する。即ち、画像信号演算部１９は、ファラデーカップ２９を介して検出される電流を、図７（ｂ）に示すように視野２８内のＸ方向の位置ｘの関数Ｇ（ｘ）として記憶部１８Ａに記憶させる。その関数Ｇ（ｘ）が入射する電子ビームの強度分布となる。そして、ステップ２０４において、画像信号演算部１９は、ステップ２０１で測定した電子検出系２１の検出感度分布Ｄ（ｘ）と視野２８に対する電子ビームの強度分布Ｇ（ｘ）との積を求め、この積Ｇ（ｘ）・Ｄ（ｘ）を基準画像信号として記憶部１８Ａに記憶させる。
【００４２】
次に、ステップ２０５において、第１の実施の形態と同様に、観察対象の試料８をＸＹステージ９上に載置して視野２８に対して走査して、試料８の像を試料画像信号Ｉ_m(ｘ）に変換する。そして、ステップ２０６において、試料画像信号Ｉ_m(ｘ）を基準画像信号Ｇ（ｘ）・Ｄ（ｘ）で除算して商信号Ｓ’（ｘ）を求めることで、試料画像信号Ｉ_m(ｘ）の信号レベルの補正を行う。試料画像信号Ｉ_m(ｘ）は、上述の（４）式によって表されるため、その商信号Ｓ’（ｘ）は真の試料画像信号Ｉ（ｘ）となる。従って、視野２８内の電子ビームの強度分布Ｇ（ｘ）、及び電子検出系２１の検出感度分布Ｄ（ｘ）のばらつきの影響を除去した試料画像信号を得ることができる。
【００４３】
そして、ステップ２０７において、信号レベルを補正した商信号Ｓ’（ｘ）を例えば所定の閾値で２値化して出力装置２０に出力する。これによって、欠陥部等が表示される。そして、同じ条件で別の試料を観察する場合には、ステップ２０８，２０９を経てステップ２０５に戻り、別の試料をＸＹステージ９に載置する。一方、基準画像信号の更新を行う場合には、ステップ２０９からステップ２０２に戻り、観察のための照明条件、及び結像条件を再び設定し、次で視野２８内の電子ビームの強度分布を測定する。
【００４４】
このように本例によれば、視野２８内の電子ビームの強度分布Ｇ（ｘ）、及び電子検出系２１の検出感度分布Ｄ（ｘ）が直接高精度に計測されているため、それらの補正を行うことで試料８の実際の回路パターンの状態を高精度に観察できる。また、強度分布Ｇ（ｘ）を高精度に計測しているため、図７（ｂ）において、中央の幅Ｌの比較的強度分布が平坦な領域のみならず、より広い幅Ｗの領域を視野２８として使用できる。従って、測定効率を更に向上できる。
【００４５】
なお、上記の実施の形態では荷電粒子線として電子ビームが使用されているが、荷電粒子線としてイオンビーム等を使用する場合にも本発明を適用することができる。
このように、本発明は上述の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の写像型観察方法によれば、視野内の荷電粒子線の強度分布及び荷電粒子線の検出系の検出感度分布のばらつきの影響を軽減して、試料をより実際の像に近い状態で観察することができる利点がある。
【００４７】
次に、本発明の写像型荷電粒子線顕微鏡によれば、本発明による写像型観察方法を実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態において使用される写像型電子顕微鏡を示す概略構成図である。
【図２】（ａ）は、図１の視野２８に対して試料８を走査して観察する際の説明に供する平面図、（ｂ）は、基準試料８Ａを示す平面図である。
【図３】図１のＴＤＩセンサ２２を示す図である。
【図４】ＴＤＩセンサ２２を用いて視野２８内の像を撮像する際の動作の説明に供する図である。
【図５】図１の視野２８内の試料の画像信号の一例を示す図である。
【図６】画像信号を２値化処理する際の説明に供する図である。
【図７】（ａ）は、本発明の第２の実施の形態の写像型電子顕微鏡の要部を示す一部を切り欠いた構成図、（ｂ）は、図７（ａ）のファラデーカップ２９により測定される視野２８内の電子ビームの強度分布Ｇ（ｘ）の一例を示す図である。
【図８】（ａ）は、電子検出系の検出感度分布Ｄ（ｘ）の一例を示す図、（ｂ）は、電子検出系の検出感度分布の測定機構の一例を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態の写像型電子顕微鏡を使用して試料を観察する際の動作の一例を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の第２の実施の形態の写像型電子顕微鏡を使用して試料を観察する際の動作の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
ＥＢ…電子ビーム、１…電子銃、５…ビームセパレータ、６…開口絞り、７…カソードレンズ、８…試料、８Ａ…基準試料、９…ＸＹステージ、１４…ＭＣＰ、１５…光学レンズ、１７…画像信号処理部、１８Ａ…記憶部、１８Ｂ…画像メモリ、１９…画像信号演算部、２０…出力装置、２１…電子検出系、２２…ＴＤＩ方式のＣＣＤ型の撮像素子、２８…視野

Claims

第１方向への強度分布がガウス分布状である荷電粒子線を、試料上の前記第１方向と該第１方向に垂直な第２方向とからなる２次元方向に広がり、前記第１方向を長手方向とする視野に照射する照射系と、前記荷電粒子線の照射により前記試料から発生する荷電粒子線を集束して前記視野内の前記試料の像を形成する結像系と、該結像系によって形成される像を画像信号に変換する検出系と、を用いて試料を観察する写像型観察方法であって、
前記照射系の照明条件及び前記結像系の結像条件を所定の条件に設定する第１のステップと、
該設定された条件のもとで、前記照射系を介して均一な表面形状を有する基準試料を照射して、前記基準試料と前記視野とを前記第２方向に相対走査しながら、前記結像系及び前記検出系を介して前記視野内の前記基準試料の像を変換し、該変換された画像信号を前記第２方向に対応する方向に積算し平均化して得られる画像信号より、前記照射系における前記荷電粒子線の強度分布及び前記検出系における検出感度分布に応じた基準画像信号を生成して記憶する第２のステップと、
前記所定の条件のもとで前記照射系、前記結像系、及び前記検出系を介して観察対象の試料の像を試料画像信号に変換し、該変換された試料画像信号をリアルタイムで、又は所定期間記憶した後に、前記基準画像信号と演算して得られる信号に基づいて前記試料を観察する第３のステップと、
前記基準画像信号の更新を行うかどうか判定する第４のステップとを有することを特徴とする写像型観察方法。
請求項１に記載の写像型観察方法であって、
前記検出系は前記第１方向に対応する方向に沿って配列された複数の画素を有し、前記複数の画素の感度のばらつきを予め測定して、該測定されたばらつきに応じた感度分布を求めておき、
前記第２のステップにおいて、前記強度分布の測定結果と前記感度分布との積に基づいて前記基準画像信号を生成することを特徴とする写像型観察方法。
請求項１または２に記載の写像型観察方法であって、
前記第３のステップにおいて、前記試料画像信号を前記基準画像信号で除算することを特徴とする写像型観察方法。
第１方向への強度分布がガウス分布状である荷電粒子線を、試料上の前記第１方向と該第１方向に垂直な第２方向とからなる２次元方向に広がり、前記第１方向を長手方向とする視野に照射する照射系と、
前記視野と前記試料とを前記第２方向に相対走査する走査機構と、
前記荷電粒子線の照射により前記試料から発生する荷電粒子線を集束して前記視野内の前記試料の像を形成する結像系と、
該結像系によって形成される像を画像信号に変換するＴＤＩセンサを備えた検出系と、を用いて試料を観察する写像型荷電粒子線顕微鏡であって、
前記ＴＤＩセンサによって前記第２方向に対応する方向に積算され平均化されて、前記照射系における前記荷電粒子線の強度分布及び前記検出系における検出感度分布に応じた基準画像信号を記憶する記憶装置と、
前記照射系、前記結像系、及び前記検出系を介して観察対象の試料の前記視野内の像を試料画像信号に変換する制御系と、
前記照射系及び前記結像系の条件に応じて前記記憶装置から読み出された所定の前記基準画像信号と前記試料画像信号とを演算して前記試料に対応する信号を生成する画像演算系と、を有し、
前記制御系は、試料の観察終了後、前記基準画像信号の更新を行うか、又は別の試料の観察を行うかどうかを判断することを特徴とする写像型荷電粒子線顕微鏡。
請求項４に記載の写像型荷電粒子線顕微鏡であって、
前記視野内の前記荷電粒子線の強度分布を計測する強度分布計測系を更に備えたことを特徴とする写像型荷電粒子線顕微鏡。
請求項４に記載の写像型荷電粒子線顕微鏡であって、
前記荷電粒子線の前記第１方向の強度分布を測定するためのファラデーカップを有することを特徴とする写像型荷電粒子顕微鏡。