(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-02-01
(45)【発行日】2022-02-09
(54)【発明の名称】オートフォーカス装置
(51)【国際特許分類】
H01J 37/21 20060101AFI20220202BHJP
G02B 7/28 20210101ALI20220202BHJP
H01J 37/28 20060101ALI20220202BHJP
H01J 37/20 20060101ALI20220202BHJP
【ＦＩ】
H01J37/21 B
G02B7/28 H
H01J37/28 B
H01J37/20 A
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2020136635
(22)【出願日】2020-08-13
(62)【分割の表示】P 2019117160の分割
【原出願日】2014-06-30
(65)【公開番号】P2020198310
(43)【公開日】2020-12-10
【審査請求日】2020-08-13
(73)【特許権者】
【識別番号】591012668
【氏名又は名称】株式会社ホロン
(74)【代理人】
【識別番号】100089141
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 守弘
(72)【発明者】
【氏名】山田 恵三
【審査官】藤本 加代子
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１９－１５３６０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－３３２５９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－１２１９７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－３５２７６０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－０４３６１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０４－１６２３３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５２－１０３９６５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｊ ３７／２０
Ｈ０１Ｊ ３７／２１
Ｈ０１Ｊ ３７／２８
Ｇ０２Ｂ ７／２８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
荷電粒子ビームを細く絞って試料に照射しつつ走査し、そのときに放出、反射、吸収された信号をもとに当該荷電粒子ビームのオートフォーカスを行うオートフォーカス装置において、前記荷電粒子ビームを細く絞って前記試料に照射しつつ走査する対物レンズおよび走査系を設け、当該対物レンズの外面の部分あるいは当該対物レンズに設けた穴の部分に、干渉装置と光ファイバーで接続されたセンサーヘッドを試料に向けて固定し、
該センサーヘッドが前記干渉装置から入射した光線を試料に向けて放射し、反射して帰ってきた光線を受光して前記干渉装置に出射し、
該干渉装置が光線の出射と入射とをもとに前記センサーヘッドと試料との間の距離をリアルタイムに測定し、該測定した距離をもとに、オートフォーカス手段が荷電粒子ビームを前記試料にオートフォーカスし、試料の全面ないし前記荷電粒子ビームが走査する試料の領域よりも広範囲にフォーカスさせることを特徴とするオートフォーカス装置。
【請求項2】
前記干渉装置を、複数の波長を利用した分光器にしたことを特徴とする請求項１に記載のオートフォーカス装置。
【請求項3】
前記オートフォーカス手段は、少なくとも３つ以上の圧電素子で保持し、試料の高さあるいは試料の高さと傾斜を補正する機構を有するＺステージを用い、前記荷電粒子ビームがフォーカスする前記試料を当該荷電粒子ビームの軸方向に移動させフォーカスして高速化したことを特徴とする請求項１から請求項２のいずれかに記載のオートフォーカス装置。
【請求項4】
前記荷電粒子ビームを試料に照射しつつ走査し、そのときに放出、反射、吸収された信号から生成した画像を取得中は、前記１つあるいは複数個のセンサーヘッドによってリアルタイムに該試料の高さを測定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のオートフォーカス装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、オートフォーカス装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
半導体デバイスはムーアの法則に従って、毎年縮小が進み、最先端デバイスでは量産段階のデバイスでも最小フィーチャーサイズが２０ｎｍを切ろうとしている。小さなフィーチャーサイズを実現するためには、より小さなパターンを形成できる露光技術が必要である。
【0003】
従来は波長１９３ｎｍのレーザー光線が露光に使用されてきたが、光学的に分解できる限度を既に大きく超えているため、近年では波長が１３．５ｎｍのＥＵＶ光を利用する露光技術が精力的に進められている。この技術は日本発と言われる技術であるが、１０年以上昔からＡＳＭＬ等で実用化に向けて研究開発されている。露光装置本体光学系はほぼ完成しているが、現状のＥＵＶ露光装置は経済的量産に必要とされる１００Ｗから２００Ｗの光源パワーを得ることが出来ないため、２０ｎｍ世代の露光に使用することはスキップされた。
【0004】
その代わりに既存の波長１９３ｎｍ露光プロセスを複数回繰り返し行うことでさらに小さなフィーチャーサイズを実現することができる、いわゆるダブルあるいはトリプル露光技術が実際の生産現場では用いられている。原理上は波長１９３ｎｍのレーザー光線を用いた液浸リソグラフィーを複数回繰り返すことにより幾らでも小さなパターンを作ることが可能であるが、従来よりも１ケタ高い精度のｎｍオーダーのアライメント精度が必要なことや化学増幅レジストの大きな分子構造から来る大きなラフネス等が繰り返し露光プロセスの制限になることが知られている。現在は、経済的限度と言われている露光プロセスを２回繰り返すダブルパターニングが実用に供せられており比較的構造の簡単なメモリーデバイスでは、２０ｎｍから１６ｎｍのライン＆スペースを実現するために利用されている。
【0005】
構造の簡単なメモリーデバイスだけでなく、ＣＰＵやロジックデバイスも機能拡充や消費電力低減のためにパターン縮小を行うことが必要である。ロジックデバイスは繰り返しの無い複雑なパターンを利用するためロジックデバイスをダブルあるいはトリプル露光で作るためには相当複雑なパターンが必要である。本来１回の露光で実現出来るパターンを複数回の露光で利用可能な用に２枚のフォトマスク上のパターンに分割するためには非常に複雑な計算が必要である。パターンによっては分割計算が発散するなどして必要な結果が得られない場合がある。
【0006】
これらの複雑さを回避する目的で、コンプリメンタリーリソグラフィーと呼ばれる、主にインテルが提唱しているリソグラフィー容易化技術が使われようとしている。この露光方法では、複雑なロジック回路をメモリー回路の様なL&Sの簡単なパターンに還元したパターンを利用することに特徴がある。このようにすることで、複雑なロジックデバイスのパターンを最も露光しやすいL&Sパターンとそのラインをカットするプロセスのみに限定しているため、複雑なパターン分割計算が必要なく、プロセスは簡単で、計算上は８ｎｍ程度まで行くとされている。
【0007】
一方、以上述べたように１９３ｎｍ露光技術が延命されると、それに利用されるフォトマスクはレイヤー毎に露光回数分増加し、従来以上に多くのマスク検査や精密な寸法測定が要求されるようになる。例えば、ダブルパターニングでは、２枚のフォトマスクを順次重ねて用いるため、２枚のマスク間のマスク上に形成されているラインの絶対位置精度やアライメント精度が今まで以上に重要である。より細かいパターンを露光するための光学補正も複雑かつ、精密になる。インバースリソグラフィーを用いたマスクなどは、高次の回折高まで使用するため、補正に利用するパターンサイズはさらに小さい。
【0008】
これらのマスクが正しい寸法で出来ているかどうかを調べるためには、電子顕微鏡技術が必須であるが、高精細画像を取得するためにはオートフォーカス技術が非常に重要である。しかしながら従来のオートフォーカスを用いると、マスクによってはオートフォーカスが失敗するなどの課題があった。オートフォーカスが失敗すると、測定が出来ないばかりか、誤った測定値がプロセス制御に提供されることになり、余計に歩留りが下がる原因になって、大きな損失を被るため失敗は許されない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
従来の電子ビーム光学系のオートフォーカスを助ける目的で、電子ビーム照射点のサンプル高さを非接触測定する光学式高さ測定方法が開発されてきている。電子ビームコラム先端には対物レンズがあり、そのポールピース先端部は観察対象試料と非常に位置関係が近いため、数ミリメートルしか間隔が開いていない。その距離を測定するために、従来は、斜めからＬＥＤやレーザー光線を入射して、電子ビーム照射点に当て、その反射光の位置をＣＣＤ等の光センサーで検出し、試料の高さを測定する方式が採られてきた。
【0010】
しかしながら、光線の入射度と高さ測定分解能は比例の関係があるため、入射角度が１度のように小さくなると高さ測定分解能がほとんど取れないという問題があった。
【0011】
また、サンプルが傾斜していると、サンプル高さ変化と区別がつかないため、高さ成分とサンプル傾斜成分を分離する複雑な補正を必要となるという問題があった。サンプル表面のパターンや材質によっては測定が不安定になることがあった。
【0012】
一方、ＬＥＤやレーザー光源あるいはそれらを構成する光学系の光路長は数十センチと大きなサイズとなるため、気圧変化による天板の変形や温度膨張による光路長変動、入射角度変動などが、外部環境変化によって容易に引き起こされるため、測定精度が低下するといった問題もあった。もちろんこれらの外部環境変化をセンサー等で測定することで、補正を行うことは可能であるが、システムがさらに複雑になり、高コスト、メインテナンス困難等の課題を余計に引き起こす問題があった。
【0013】
また、従来のシステムはシステム自身が発熱するため、使用時間につれて、装置周辺部の温度が変化し、測定値に影響を与えるという問題もあった。これらを総合すると精々１ミクロン程度の測定精度しか実現できなくなってしまうという問題もあった。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本発明では、電子ビーム装置（荷電粒子線装置）において試料の高さを精密に測定、設定すると共に、高速、精密かつ確実なオートフォーカスすることを目的とする。
【0015】
そのため、本発明は、荷電粒子ビームを細く絞って試料に照射しつつ走査し、そのときに放出、反射、吸収された信号をもとに画像を生成する荷電粒子線装置において、荷電粒子ビームを細く絞って試料に照射しつつ走査する対物レンズおよび走査系を設け、試料から見える、対物レンズの外面の部分あるいは対物レンズに設けた穴の部分に、光線を試料に向けて照射すると共に試料で反射した光線を受光する導光器と、導光器に光線を照射すると共に導光器から放出された光線を受光するセンサーヘッドと、センサーヘッドに光線を放射すると共に当該センサーヘッドから放出された光線を受光し、これら放射した光線および受光した光線をもとに、試料上の光線の照射位置を検出する分光器とを備える。
【0016】
この際、導光器およびセンサーヘッドを一体とするようにしている。
【0017】
また、導光器は、試料から見える部分に、反射鏡、プリズム、あるいは光ファイバーを装着し、光線を試料に照射すると共に試料で反射した光線を受光するようにしている。
【0018】
また、光線を試料に照射は、光線を試料にほぼ垂直に照射するようにしている。
【0019】
また、導光器は、複数個、設けるようにしている。
【0020】
また、複数個の導光器の各試料の高さをもとに電子ビーム照射位置の試料の高さを求めるようにしている。
【0021】
また、１つあるいは複数の導光器で試料の複数の場所における高さをそれぞれ測定し、試料の場所と高さの関係を予め測定するようにしている。
【0022】
また、１つあるいは複数の導光器で測定した各試料の高さ、あるいは予め測定して記憶しておいた試料の高さをもとに、荷電粒子ビームが照射する試料の場所の高さを一定値に調整する高さ調整機構を設けるようにしている。
【0023】
また、１つあるいは複数個の導光器によって測定した試料の高さ、あるいは測定をもとに一定値に設定した試料の高さをもとに、荷電粒子ビームによるオートフォーカスを高速かつ確実に行い、フォーカスのあった画像を生成するようにしている。
【発明の効果】
【0024】
本発明は、電子ビーム照射点近傍の試料の高さを１つあるいは複数の光学式高さセンサーで直接測定して設定し、測定あるいは設定した試料の高さをもとに電子ビームによる精密オートフォーカスを行い、試料の高さについて極めて簡単な構成で０．１ミクロンを超える安定した超高精度高さ設定が出来るようになると共に、測定あるいは設定した試料の高さをもとに高速かつ精密かつ確実に電子ビームのオートフォーカスすることができる。
【0025】
また、試料の高さの測定用光線は試料が半導体ウエハーの場合には、従来は光線の照射領域における導電性を変化させ、電子ビームによる測定値に影響を与える場合が発生することがあるが、本発明では、電子ビーム測定点を光線が直接照射しないため、光線で試料の高さをリアルタイムに測定（推定）しながら、一方、電子ビームで試料に照射して測定を並行して行うことができる。
【0026】
以下実際の装置について詳細に説明する。
【0027】
（１）本発明を利用すると、従来の電子ビームオートフォーカスのみ利用していた場合と比較して、オートフォーカス失敗が無く、高速で正確な電子ビーム合焦点状態を実現できる。電子ビームオートフォーカスを行う前に、十分に電子ビーム合焦点状態に近い状態を作り上げることが出来るため、電子ビームオートフォーカスがフォーカス値を探す範囲を従来の約１０分の１程度以下にすることが可能で、その分だけ高速にオートフォーカスが出来る。
【0028】
（２）Ｚステージ２２を使用した場合には、高さが常に一定に成っているため、画像回転が無く、精度の高い測定が実現できる。
【0029】
（３）光学式高さセンサーが従来とは異なり非常にコンパクトなので実装、メインテナンスが容易である。高さを直接測定するため、従来の方式で必要であった、試料９の傾斜補正が不要。電子ビーム照射点での測定を必要としないので、対物レンズ５のポールピース先端と試料９の表面の狭い空間にセンサを押し込める必要が無い。
【0030】
（４）センサー動作時に電磁波や熱等を発生しないため、測定が非常に安定化出来る。
材料がカラスと金属なため、真空の汚染を避けることが出来る。可動部が無く、長寿命。
センサーと測定点の距離が短いため外乱の影響が小さい。
材料がカラスと金属なため、真空の汚染を避けることが出来る。可動部が無く、長寿命。
センサーと測定点の距離が短いため外乱の影響が小さい。
【0031】
（５）実時間で対物レンズ５のポールピースと試料９の表面の距離が測定できるので、外部環境変化で試料９の高さが変化した場合にも、その変化をリアルタイム測定することが可能で、電子ビームオートフォーカスが成功しやすく出来る。
【0032】
（６）２つの光学式高さセンサーを同時に実時間測定できない場合でも、予め作成したフォーカスマップを活用することで、ほぼ実時間で測定しているのと同じような高さ測定を行うことが出来る。
【0033】
（７）電子ビーム画像だけではオートフォーカス困難な試料９でも、最初に光学式高さセンサで高さを測定し、合焦点状態に近い状態にまで持っていくことが出来るので、非常に細かい電子ビームフォーカスを振ることが出来る。これにより、立体物やエッジコントラストが低い測定対象における電子ビーム合焦点状態を得やすくなる。
【0034】
（８）３点支持のＺステージ２２を利用した場合には、試料９の傾斜を０にしかつ試料９の高さを一定にすることが可能となり、電子ビーム照射を垂直にすることが出来るようになる。これにより、より正確な電子ビーム画像を取得することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0035】
本発明は、電子ビーム照射点近傍の試料の高さを１つあるいは複数の光学式センサーで直接測定して設定し、測定あるいは設定した試料の高さをもとに電子ビームによる精密オートフォーカスを行い、試料の高さについて極めて簡単な構成で０．１ミクロンを超える安定した超高精度高さ設定が出来るようになると共に、測定あるいは設定した試料の高さをもとに高速かつ精密かつ確実に電子ビームのオートフォーカスすることを実現した。
【0036】
また、試料の高さの測定用光線は試料が半導体ウエハーの場合には、従来は光線の照射領域における導電性を変化させ、電子ビームによる測定値に影響を与える場合が発生することがあるが、本発明では、電子ビーム測定点を光線が直接照射しないため、光線で試料の高さをリアルタイムに測定しながら、一方、電子ビームで試料に照射して測定を並行して行うことを実現した。
【実施例1】
【0037】
図１および図２は、本発明の１実施例構造図を示す。以下荷電粒子線のうち電子線を用いた装置、ここでは、走査型電子顕微鏡について１実施例構造について以下順次詳細に説明する。尚、電子線以外の荷電粒子線（イオンなど）もそれぞれの荷電粒子線に合わせて以下と同様に構成し得るものである。
【0038】
【0039】
図１の（ａ）において、電子銃１は、電子線を発生させる公知のものであって、数百Ｖないし数十ＫＶに加速された電子ビーム２を発生させるものである。
【0040】
電子ビーム２は、電子銃１で発生され、放出された電子ビームである。電子ビーム２は、図示外の集束レンズで集束される。
【0041】
偏向装置３は、集束された電子ビーム２について、Ｘ、Ｙ方向にそれぞれ偏向（通常は２段偏向）し、対物レンズ５で細く絞られた電子ビーム２を試料（フォトマスク）９上を平面走査（ＸおよびＹ方向に走査）する公知のものである。
【0042】
電子検出器４は、試料（フォトマスク）９から放出された２次電子／反射電子６などを検出し、当該検出した信号をもとに画像（２次電子画像、反射電子画像など）を表示する公知のものである。
【0043】
対物レンズ５は、電子ビーム２を細く絞って試料（フォトマスク）９上に照射する公知のものである。
【0044】
２次電子／反射電子６は、電子ビーム２を試料（フォトマスク）９上に平面走査したときに放出された２次電子、反射電子である。
【0045】
反射鏡７は、導光器７の１つである反射鏡であって、センサーヘッド８からの光線（レーザ光線）を反射して試料（フォトマスク）９に向けて放射（反射）、および試料９で反射した光線をセンサーヘッド８の方向に反射するものである。導光器７としては、反射器、プリズムの他に、光ファイバーなどがあり、センサーヘッド８から出力される光線を試料９に向けて照射し、試料９で反射した光線をセンサーヘッド８に導光すれば、どのようなものであってもよい。レーザーヘッド８から放射されるレーザー光線のサイズは、０.１から１．数ｍｍ程度の直径であり、実験では約０．６ｍｍ直径のものを用いた。このため、反射鏡（導光器）７は、０．１ないし２ｍｍ程度の反射部分を有するものであればよく、非常に小さいものを用いることができる。
【0046】
レーザーヘッド８は、分光器１１からの光線を導光器（反射鏡）７に出力して試料９を照射し、試料９で反射した光線を導光器（反射鏡）７を経由して取り込んで分光器１１に送出するものである。レーザーヘッド８から放射されるレーザー光線のサイズは、０．１から１．数ｍｍ程度の直径であり、実験では約０．６ｍｍ直径のものを用いた。尚、レーザーヘッド８から放射される光線は反射鏡７によって反射されて試料９を照射し、試料９で反射した光線は反射鏡７で反射してレーザーヘッド８に入射するときの光路長が変化しないように、レーザーヘッド８、反射鏡９を取り付ける部分（通常は対物レンズ５あるいはその周辺の部材）は熱変化による膨張により誤差を発生するので熱変化による影響を受けない、あるいは熱膨張係数の小さい材料、あるいは熱膨張係数が同じ材料を採用するなどし、光路長が変化しないように工夫する必要がある。
【0047】
分光器１１は、レーザーヘッド８および導光器（反射鏡）７と一体となって分光干渉型レーザー変位測定装置を構成するものである。以下、便宜的に対物レンズ５と試料（フォトマスク）９の表面との距離を、高さ（試料の高さ、Ｚ）と呼ぶ。分光干渉型レーザー変位測定装置を構成する分光器１１、センサーヘッド８および導光器７のうち、センサーヘッド８の大きさは長さ数センチメートル、幅数ｍｍと通常非常に小型である。センサーヘッド８の内部には光学素子が内蔵され、センサーヘッド８の端部には外部（分光器１１）からレーザー光線を入れるための光ファイバーが付いている。電気回路はセンサーヘッド８の内部に通常、存在しないため、電気ノイズの発生源にはならない。利用しているレーザー光線の出力もｍＷ以下と小さいため、熱源にもならず、測定対象（例えば試料９）やその近傍の部材が温度の影響を受けることもない。センサーヘッド８は非磁性金属のハウジングで覆われている。レーザー出射用のレンズはガラスで出来ており、通常、図１の構造の場合には試料室の内部に配置し、プラズマ洗浄等にも耐えることが出来る。試料９の高さの測定速度は最高２００μｓにもなるため、ほぼ実時間で高さ測定を実行できる。
【0048】
また、分光器１１、センサーヘッド８および反射鏡（導光器）７による高さセンサの測定精度は１ｎｍの測定分解能を有し、測定再現性も１０ｎｍが得られる。本実施例では２つの高さセンサを利用している。２つの高さセンサは対物レンズ中心に対してここでは対称配置されする。必ずしも対称に配置する必要はない。
【0049】
フォーカス制御手段１２は、分光器１１からの試料９の高さデータをもとに、電子ビーム２が試料９を照射しつつ平面走査したときの２次電子、反射電子を検出して生成した画像をもとに、自動的に対物レンズ５の電流を制御（正確には、対物レンズ５に別途設けた図示外のダイナミックフォーカスコイルの電流を制御）してフォーカス制御（例えば画像の微分波形の積分値が最大値となるフォーカス電流にフォーカス制御）するものである。この際、分光器１１、センサーヘッド８および反射鏡（導光器）７によるシステムによって試料（フォトマスク）９の高さが精密に測定されているので、この測定された試料９の高さにフォーカスするように対物レンズ５の電流を制御し、これを中心にわずかに精密にフォーカス制御しなおせばよく、短時間かつ確実に自動フォーカスすることが可能となる。
【0050】
画像処理手段１３は、電子検出器４で検出した信号をもとに画像（２次電子画像、反射電子画像など）を生成するものである。
【0051】
光ファイバ１４は、センサーヘッド８と分光器１１とを接続（レーザ光線を送受信）する光ファイバーである。
【0052】
図２の（ｂ）は下面図を示す。ここでは、図示のように、対物レンズ５の中心における試料の高さＺｅ、センサーヘッド（Ｚ１）８からの光線を受光し、試料９に反射する反射鏡７の試料の高さＺ１，センサーヘッド（Ｚ２）８からの光線を受光し、試料９に反射する反射鏡７の試料の高さＺ２とする。また、対物レンズ５の中心（光軸）からセンサーヘッド（Ｚ１）８の反射鏡７の位置（光線を試料９に照射する位置）の距離をＺ１，対物レンズ５の中心（光軸）からセンサーヘッド（Ｚ２）８の反射鏡７の位置（光線を試料９に照射する位置）の距離をＺ１と定義する。
【0053】
以上のように、
・対物レンズ５の中心の試料の高さ＝Ｚｅ
・センサーヘッド（Ｚ１）の反射鏡７の試料の高さ＝Ｚ１
・センサーヘッド（Ｚ２）の反射鏡７の試料の高さ＝Ｚ２
と定義すると、
・対物レンズの中心の試料の高さＺｅ＝（Ｚ１＋Ｚ２）／２
と計算できる（センサーヘッド（Ｚ１）、（Ｚ２）を光軸に軸対称に配置した場合）。
・対物レンズ５の中心の試料の高さ＝Ｚｅ
・センサーヘッド（Ｚ１）の反射鏡７の試料の高さ＝Ｚ１
・センサーヘッド（Ｚ２）の反射鏡７の試料の高さ＝Ｚ２
と定義すると、
・対物レンズの中心の試料の高さＺｅ＝（Ｚ１＋Ｚ２）／２
と計算できる（センサーヘッド（Ｚ１）、（Ｚ２）を光軸に軸対称に配置した場合）。
【0054】
次に、本発明に係る分光器１１、センサーヘッド８および導光器（反射鏡）７による試料９の高さ測定の動作および特徴について説明する。
【0055】
（１）センサーヘッド８から出射したレーザー光線は、試料（フォトマスク）９に対して真横に出射する。このレーザー光線は９０度の反射鏡７により、進行方向を９０0度曲げられ、試料９の面にほぼ垂直に照射する。
【0056】
（２）試料９の面で反射したレーザー光線は再び同じ経路を戻り、センサーヘッド８を経由し、更に光ファイバーで分光器１１に到達する。
【0057】
（３）分光器１１で、放出したレーザー光線（広波長帯域のレーザー光線）と試料９で反射したレーザー光線とを干渉させ、距離情報（変位データ）を作り出す。これをもとにフォーカス制御を行う。
【0058】
（４）本発明の試料の高さの測定方法は、既述した従来の傾斜式高さ測定方法とは異なり、試料９に対して入射角度がほぼ垂直であるので、試料９の傾斜に対して測定値の変動（誤差）がきわめて少ないので、従来の試料９の傾斜補正も必要なく、使い方が容易である。また、試料９の表面の模様に対しても影響を受けにくい。
【0059】
（５）更に、センサーヘッド８から外部に光ファイバーで導かれたレーザー光線は外部にある分光器１１に取り込まれ、距離（試料の高さ）に変換する。この分光器１１は発熱するが、通常、真空の試料室の内部に無いので、測定の誤差原因に成らない。分光器１１で測定されたデータは、ＴＣＰ／ＩＰあるいはＵＳＢ等の通信手段によってパソコンに導かれ、測定点座標との対応関係の保存などの所望の処理を行う（フローチャートを用いて後述する）。
【0060】
（６）図１、図２に示す２つのセンサーヘッド８、反射鏡（導光器）７は、電子ビーム２の試料９上の照射位置とは異なった場所の高さを測定するが、例えば、２つのセンサーヘッド８が対物レンズ５の中心に対して同じ距離に配置した場合、両者の出力値の平均値が電子ビーム２の試料９上の照射点の当該試料の高さを表す（推定する）。このような計算をパソコンで行う（後述するフローチャート参照）ことにより、電子ビーム２の試料９上の照射点位置の試料の高さを直接測らなくても精密かつリアルタイムに求めることができる。
【0061】
（７）また、対物レンズ５のポールピース先端と試料９との間隔は通常、数ｍｍと狭いため、その位置に試料の高さセンサーを配置することは事実上不可能であるが、本発明では、対物レンズ５のポールピース先端から離れた位置に反射鏡（導光器）７を配置したり、更に、後述する対物レンズ９に穴を開けてその内部に導光器７を配置でき、０．１ないし２ｍｍ程度のサイズの導光器（反射鏡、プリズム、光ファイバなど）７を任意の場所に容易に配置し、試料の高さを高精度かつリアルタイムに測定できる。
【0062】
図３および図４は、本発明の詳細構造図を示す。図３は導光器７を対物レンズ５の外側に配置した詳細構造例を示し、図４は導光器７を対物レンズの内側に設けた穴に配置した詳細構造例を示す。以下順次詳細に説明する。
【0063】
【0064】
図３の（ａ）は、反射器７を対物レンズ５の側面に図示のように配置した構造例を示す。図示の構造例では、センサーヘッド（Ｚ１）８から右方向に放出された光線（レーザー光線）は９０度の鏡（あるいはプリズム）で下方向に反射され、試料（フォトマスク）９にほぼ垂直に照射し、反射した光線は逆方向にセンサーヘッド（Ｚ１）８に入射する。センサーヘッド（Ｚ１）８には光ファイバで図１の分光器１１に接続されている。分光器１１から放出された光線はセンサーヘッド（Ｚ１）８、反射鏡７を経由し、試料９に垂直方向から照射し、反射した光線は逆方向に戻り、分光器１１に入射する。分光器１１では、放出したレーザー光線（広帯域）と、試料９で反射して戻ってきたレーザー光線とを干渉させ、試料９の高さの変位データを生成する。これにより、レーザーヘッド（Ｚ１）８の反射鏡７の位置における試料９の高さＺ１をリアルタイムかつ高精度に測定することが可能となる。同様に、右側のセンサーヘッド（Ｚ２）８についても同様に、当該レーザーヘッド（Ｚ２）８の反射鏡７の位置における試料９の高さＺ２をリアルタイムかつ高精度に測定することが可能となる。
【0065】
図３の（ｂ）は、反射鏡７を対物レンズ５の側面に図示のように３個配置した構造例を示す。この場合には、フォトマスク９を垂直方向から光線を照射した３番目の反射鏡７の位置の試料の高さＺ１、Ｚ２を測定でき、対物レンズ５の光軸に、図３の（ａ）よりも近い位置の試料の高さＺ１、Ｚ２を測定できる。
【0066】
図３の（ｃ）は、反射鏡７を対物レンズ５の底面に図示のように配置した構造例を示す。この場合には、フォトマスク９を垂直方向から光線を照射した３番目の反射鏡７の位置の試料の高さＺ１、Ｚ２を測定でき、対物レンズ５の光軸に、図３の（ｂ）よりも更に近い位置の試料の高さＺ１、Ｚ２を測定できる。
【0067】
尚、反射鏡７は、１ないし２ｍｍ程度の小さいものであり、電子のチャージを防ぐように、表面あるいは全体に導電性を持たせるようにする。
【0068】
また、反射鏡７は、対物レンズ５の光軸を中心に対称に配置し、電子ビーム２が試料９を照射しつつ走査したときに方向依存性が生じないように配置あるいはダミーの反射鏡７を配置することが望ましい。
【0069】
図４は、本発明の詳細構造図（その２）を示す。
【0070】
図４の（ｄ）は、反射鏡７を対物レンズ５の上に配置し、該対物レンズ５の中心の穴を透過した光線を試料（フォトマスク）９に照射する構造例を示す。この場合には、対物レンズ５の中心の穴のうち電子ビーム２が通過する部分の外側の部分を使い、センサーヘッド（Ｚ１、Ｚ２）８から放出された光線を試料（フォトマスク）９にほぼ垂直に照射し、反射した光線を該センサーヘッド（Ｚ１、Ｚ２）８に入射するので、電子ビーム２が試料９を照射する位置の近傍の試料の高さＺ１，Ｚ２を容易にリアルタイムかつ高精度に測定できる。
【0071】
図４の（ｅ）は、反射鏡７を対物レンズ５のほぼ中央の穴（既存の穴あればそれを用い、なければ光線が通過するために開けた小さな穴）の内部に配置し、該対物レンズ５の中心の穴を透過した光線を試料（フォトマスク）９に照射する構造例を示す。この場合も同様に、対物レンズ５の中心の穴のうち電子ビーム２が通過する部分の外側の部分を使い、センサーヘッド（Ｚ１、Ｚ２）８から放出された光線を試料（フォトマスク）９にほぼ垂直に照射し、反射した光線を該センサーヘッド（Ｚ１、Ｚ２）８に入射するので、電子ビーム２が試料９を照射する位置の近傍の試料の高さＺ１，Ｚ２を容易にリアルタイムかつ高精度に測定できる。
【0072】
図４の（ｆ）は、反射鏡７の代わりに光ファイバ１５を用い、対物レンズ５の上下方向のほぼ中央の穴（既存の穴あればそれを用い、なければ光ファイバ１５を通す開けた小さな穴）、およびの該対物レンズ５の中心の電子ビーム２が通らない穴の部分に該光ファイバ１５を配置し、該光ファイバ１５から放出した光線を試料（フォトマスク）９にほぼ垂直に照射する構造例を示す。この場合は、光ファイバ１５を対物レンズ５の穴を通し、センサーヘッド（Ｚ１、Ｚ２）８から放出された光線を試料（フォトマスク）９にほぼ垂直に当該光ファイバ１５の先端から照射し、反射した光線を該光ファイバ１５を経由して該センサーヘッド（Ｚ１、Ｚ２）８に戻すので、電子ビーム２が試料９を照射する位置の近傍の試料の高さＺ１，Ｚ２を容易にリアルタイムかつ高精度に測定できると共に、反射鏡が不要となる。
【0073】
図５は、本発明のフォーカスマップ作成フローチャートを示す。
【0074】
図５において、Ｓ１は、マスク上の定められた座標にステージを移動する。これは、右側に記載したように左右上下対称に９点以上のマスク上の定められた座標にステージを順次移動し、Ｓ２を繰り返す。例えば後述する図６のフォトマスク９に示すように、（ｘ０、ｙ０）、（ｘ１．ｙ０）・・・（ｘｎ，ｙｎ）という９点以上に図１から図４のフォトマスク９を図示外のステージを移動して位置づける（位置は図示外のレーザ干渉計で精密測定しつつ位置づける）。
【0075】
Ｓ２は、高さセンサーで高さを測定し記録する。これは、Ｓ１でステージを用いてフォトマスク９上の所定位置に位置づけた状態で、図１から図４の高さセンサー（分光器１１、センサーヘッド８、導光器７から構成される高さセンサー、以下「高さセンサー」という）で各位置の試料の高さを測定し、記録、例えば後述する図７に示すように、座標（Ｘ、Ｙ）に対応づけて高さ（Ｚ）を記録する。
【0076】
Ｓ３は、フォーカスマップ近似関数のパラメータのフィッティングを行う。これは、Ｓ１、Ｓ２で測定して記録した９点以上の位置（ｘ，ｙ）とそのときの試料の高さＺのデータをもとに、近似関数（例えばＺ２＝Ｘ２＋Ｙ２）のパラメータのフィッティング、例えば後述する図８の（ａ）に示すようにフォーカスマップの近似曲線のパラメータのフィッティングを行う。
【0077】
Ｓ４は、フォーカスマップ完成する。
【0078】
以上によって、フォトマスク９上の複数位置の高さを図１から図４の高さセンサで試料の高さＺをそれぞれ実測し（図６、図７）、これらをもとにフォーカスマップ近似曲線のパラメータのフィッティングを行い、フォーカスマップ（図８）を作成することが可能となる。以降は、該フォーカスマップを参照し、フォトマスク９上の任意の位置の高さ情報を読み出しこの読み出した試料の高さを中心にして、後述する高速かつ確実に電子ビームの自動フォーカスを行うことが可能となる。
【0079】
以下実際の装置について詳細に説明する。
【0080】
（１）図５を用いて説明したように、本発明の装置（光学式高さセンサ）は電子ビーム照射とは無関係にほぼ連続的に試料９の高さ測定を光学的に実行できる。そのため、測定対象の試料９を真空チャンバーに搬入した瞬間から、高さ測定を実行できる。フォーカスマップは、対物レンズポールピース先端から測定対象までの距離（いわゆる試料の高さ）を測定対象観察位置（Ｘ、Ｙ）の関数として表現したものである。対物レンズ９は天板に固定されているため、天板が大きく気圧変動しで動かない限り、ほぼ同じ高さに位置する。一方、測定対象の試料９は、サンプルホルダーに設置される際に、必ずしも水平に置かれるとは限らないため、試料９が傾斜している可能性がある。また、試料９を移動するためのステージには、ヨーイング、ピッチング、ローリング等の特性があり、ステージ移動に伴って、試料９の高さが微妙に変化する可能性がある。つまり、ステージ位置変化に対する試料９の高さの変化は、上記２つの値の合成で与えられる。中でもステージ移動に伴う試料の高さ変化量はステージの固有値であり、繰り返し測定に対して再現性があることが知られているため、それを固有の関数として記述することが可能である。
【0081】
（２）そこで、新たな試料（フォトマスク）９がサンプルホルダーに設置される度に、試料の傾斜量を測定し、既知のＸＹステージ固有の関数と合成することで、任意の電子ビーム照射点における試料の高さを計算によって求めることが出来るようになる。
【0082】
（３）例えば、以下の様にしてステージの固有関数を算出する。
【0083】
試料をサンプルホルダーに設置して、出来るだけ測定対象の外周部に隣接する座標の高さ分布を光学式高さセンサで測定する。測定対象が半導体用フォトマスクのような場合には、極めて平坦なので、例えば図６で示したような９点程度を測定点とする。それぞれの位置にＸＹステージを移動して高さセンサでその位置の高さＺを測定し、記録する（図５のＳ１、Ｓ２）。これを何度か繰り返えして平均値を求める。次に、ステージ固有の関数は、ステージの中心に対して対称性があるので、それを利用して、関数が持つオフセット成分を取り除く。このようにすることで、ステージ固有の高さ変化を表した関数を得ることが出来る（図５のＳ３、Ｓ４）。この関数があれば、新しい測定対象をホルダーに設置して、数か所の高さを測定することで、本測定対象に対するフォーカスマップを得ることが出来る（図５から図９）。
【0084】
（４）また、新たな測定対象をサンプルホルダーに設置する度に、ＸＹステージ位置に対する試料の高さ分布を取得して、それをその測定におけるアドホックなフォーカスマップとして利用することも出来る。この場合は、測定対象のホルダー設置傾斜も込みのフォーカスマップが得られる。任意の座標に対する高さが計算できるように、上記値を、平面の関数として表せるようにカーブフィティングを行い、近似曲線を得る。近似曲線としては、図８に示したような２次平面関数やスプライン関数などの出来るだけ簡単な関数を用いる。この関数のＸ、Ｙに値を入れることで、任意の座標における高さが計算により求まる。
【0085】
図６は、本発明のフォーカスマップ測定点の例を示す。これは、フォトマスク９上に９点以上の測定点を設けた例である。本例では、フォトマスク９は縦横１５ｃｍであって、この内部に図示のように、３×３の測定点（ｘ０，ｙ０），（ｘ１，ｙ０），（ｘ２，ｙｏ）・・・・を図示のように設ける。
【0086】
図７は、本発明の高さ測定値例を示す。ここでは、高さテーブルに、図６のフォトマスク９上のｘ、ｙと、そのときに図１から図４の高さセンサで実測した試料の高さｚ（高さ測定値）とを対応づけて図示のように保存した例を示す。
【0087】
【0088】
図８の（ａ）において、図示のフォーカスマップの例は、図７で測定したフォトマスク９上の位置（ｘ、ｙ）のときに実測した高さ（ｚ）の関係をもとに、測定点（ｘ，ｙ，ｚ）が通過する近似曲線（ここでは、図８の（ｂ）の近似曲線Ｚ２＝Ｘ２＋Ｙ２）ついてフォーカスマップを求めた例を示す。
【0089】
図９は、本発明の試料の高さ測定フローチャートを示す。これは、試料の高さを実際に測定する場合の試料の高さ測定フローチャートを示す。
【0090】
図９において、Ｓ１１は、測定座標（Ｘｎ，Ｙｎ）にサンプルを移動する。これは、サンプル（図１のフォトマスク９）を、指示された測定点（Ｘｎ，Ｙｎ）にＸＹステージで移動する（レーザー干渉計で精密測定しつつ移動する）。
【0091】
Ｓ１２は、測定点が２つのセンサーで測定できる領域内か判別する。これは、図１に示す２つの高さセンサー（Ｚ１、Ｚ２）を用いた場合に、これら２つの高さセンサー（Ｚ１、Ｚ２）の両者が測定領域内のときはＳ１２のＹＥＳとなり、Ｓ１３に進む。ＮＯの場合には、２つの高さセンサー（Ｚ１、Ｚ２）の１つ、あるいは２つともに測定領域内でない（測定領域外）と判明したので、Ｓ１２のＮＯとなり、Ｓ１４に進む。
【0092】
Ｓ１３は、Ｓ１２のＹＥＳで、２つの高さセンサ（Ｚ１，Ｚ２）が測定領域内と判明したので、２つのセンサーの平均値を高さと決定する。
【0093】
Ｓ１４は、Ｓ１２のＮＯで、２つの高さセンサ（Ｚ１，Ｚ２）が測定領域内でないと判明したので、更に、Ｚ１の高さＯＫか判別する。これは、２つの高さセンサ（Ｚ１，Ｚ２）の両者が測定領域内でないと判明したので、更に、Ｚ１の高さがＯＫ（測定領域内）かを判定する。ＹＥＳの場合には、ＯＫの高さセンサ（Ｚ１）の高さＺ１と、フォーカスマップ上でのＮＧの高さセンサ（Ｚ２）の位置（Ｘ＋Ｌ，Ｙ）の高さＺ（Ｘ＋Ｌ，Ｙ）との平均値の高さ（Ｚ１＋Ｚ（Ｘ＋Ｌ、Ｙ））／２を算出する。一方、Ｓ１４のＮＯの場合には、Ｓ１６に進む。
【0094】
Ｓ１６は、Ｓ１４のＮＯで、Ｚ１の高さＮＧと判明したので、更に、Ｚ２の高さＯＫか判別する。これは、２つの高さセンサ（Ｚ１，Ｚ２）のうちＺ１のセンサが測定領域内でないと判明したので、更に、Ｚ２の高さがＯＫ（測定領域内）かを判定する。ＹＥＳの場合には、ＯＫの高さセンサ（Ｚ２）の高さＺ２と、フォーカスマップ上でのＮＧの高さセンサ（Ｚ１）の位置（Ｘ－Ｌ，Ｙ）の高さＺ（Ｘ－Ｌ，Ｙ）との平均値の高さ（Ｚ２＋Ｚ（Ｘ－Ｌ、Ｙ））／２を算出する。一方、Ｓ１６のＮＯの場合には、Ｚ１，Ｚ２の両高さセンサがＮＧと判明したので、マップ値（Ｘ，Ｙ）の高さＺと同一と算出する。
【0095】
以上によって、指示された測定点にフォトマスク９を移動して位置づけた状態で高さセンサ（Ｚ１，Ｚ２）で高さを測定し、両者で検出できたときは平均値、１つのみでできたとき１つは測定した試料の高さとできない方はマップ上の高さとの平均値、２つともに測定できないときはマップ上の高さと算出することにより、リアルタイムかつ高精度に指示されたフォトマスク上の位置の高さを測定することが可能となる。
【0096】
図１０は、本発明のオートフォーカスフローチャート（その１）を示す。これは、本発明の光学式高さセンサによって測定した値を利用し、電子ビームオートフォーカスを失敗無く高速に行うためのフローチャートを示す。
【0097】
図１０において、Ｓ２１は、電子ビームフォーカス値を、光学式高さ測定値のサーチ下限に設定する。これは、既述した図５から図８で説明したように、試料（フォトマスク）９の高さを例えば少なくとも９点測定して当該試料（フォトマスク）９のフォーカスマップを作成し、試料（フォトマスク）９のサーチ下限（最も小さい試料の高さ）を求め、電子ビームフォーカス値を、この求めたサーチ下限（値）に設定する。
【0098】
Ｓ２２は、電子ビーム走査および画像取得する。これは、Ｓ２１で設定した電子ビームフォーカス値において、電子ビームを試料（フォトマスク）９に平面走査し、そのときに放出された２次電子（あるいは反射電子、吸収電子）を検出し、画像を生成する。
【0099】
Ｓ２３は、電子ビームフォーカス値をステップ幅増加する。これは、電子ビームフォーカス値を、所定のステップ幅だけ増加する。
【0100】
Ｓ２４は、電子ビーム走査および画像取得する。
【0101】
Ｓ２５は、サーチ範囲の上限か判別する。ＹＥＳの場合には、Ｓ２６に進む。ＮＯの場合には、Ｓ２３以降を繰り返す。
【0102】
Ｓ２６は、合焦点フォーカス値を推定する。これは、Ｓ２２、Ｓ２４で取得（生成）したサーチ下限からサーチ上限までの所定ステップ幅で電子ビームフォーカス値を変化したときに取得したそれぞれの画像について、合焦点のときのフォーカス値を推定する。その方法は、公知のコントラスト法（コントラスト最大（画像を微分してその総和が最大の画像のときのフォーカス値））、エッジ傾斜法（画像のラインプロファイルのエッジ部分の傾斜が最大の画像のときのフォーカス値）、ＦＦＴ法など公知のものを用いればよい。
【0103】
以上のように、本発明の光学式高さ測定値のサーチ下限からサーチ上限までを所定ステップ幅で電子ビームフォーカス値を変化しつつ試料（フォトマスク）９の画像を取得し、そのうちの合焦点フォーカス値を推定し、推定した合焦点フォーカス値に設定することにより、試料（フォトマスク）９の高さの上限から下限までという限定した高さ範囲のみを電子ビームによる自動フォーカスを実行することにより、高速かつ確実に自動フォーカスすることが可能となる。
【0104】
以下実際の装置について説明する。
【0105】
これから測定しようとする座標に対応する光学式高さセンサーで測定した値を得る（リアルタイムあるいはフォーカスマップから得る）。この値は光学式高さセンサーが求めたジャストフォーカスの値なので、必ずしも電子ビームオートフォーカスのジャストフォーカスと同じである保証がない。そこで、電子ビームオートフォーカスを求めるためにフォーカスを振る範囲（例えばプラスマイナス０．５ミクロン）を設定し、その下限値マイナス０．５ミクロンを上記光学的ジャストフォーカス値に足したところに電子ビームフォーカスの強さを設定する（図１０のＳ２１）。この状態で、オートフォーカスを行うために必要な画像情報を電子ビーム走査によって取得する（図１０のＳ２２）。次に、電子ビームフォーカスの値を予め決められた値だけ増加する（図１０のＳ２３）。この状態で上記同様に電子ビーム走査を行って、画像情報を取得する（図１０のＳ２４）。この作業をフォーカスの強さがフォーカス振りの上限に達するまで繰り返す（図１０のＳ５）。電子ビーム合焦点を得るための全ての情報が集まった所で、コントラスト法や最大エッジ傾斜法等の合焦点アルゴリズムを用いて、合焦点状態を計算によって求める（図１０のＳ２６）。以上によって、電子ビーム合焦点状態を失敗無く、高速、かつ正確に求めることが出来る。
【0106】
図１１は、本発明の他の実施例構造図を示す。この図１１は、本発明の光学式高さセンサーで測定した試料の高さの値を用い、常に対物レンズ５のポールピース先端と試料（フォトマスク）９の表面の高さとが一定になるように、Ｚステージ２２を制御し、更に、その後、電子ビームオートフォーカスを用いて、２段階オートフォーカスを行うことに特徴がある。それを実現するためのＺステージ２２を，図１から図４の構造に追加したものである。その他は、同一であるので、説明を省略する。
【0107】
図１１において、ＸＹステージ２１は、フォトマスク（試料）９をＸおよびＹ方向に精密に移動させるものであって、図示外のレーザー干渉計によりＸおよびＹ方向の座標を測定しつつ図示外のサーボモータにより駆動されるものである。
【0108】
Ｚステージ２２は、フォトマスク（試料）９をＺ方向に精度に移動させるものであって、ここでは、ピエゾ圧電素子Ａ，Ｂ，Ｃに所定の電圧を印加して当該素子の伸縮によってＺ方向に移動させる機構である。ここでは、サンプルホルダー２３を３つのピエゾ圧電素子で保持し、それぞれに所定の電圧を印加してフォトマスク（試料）９が水平かつ対物レンズ５との間の距離（試料の高さ）が所定値となるように移動制御するものである。
【0109】
サンプルホルダー２３は、フォトマスク（試料）９を保持するものである。
【0110】
ＸＹステージ制御手段３１は、ＸＹステージ２１を制御し、フォトマスク（試料）９を指定された位置（Ｘ、Ｙ）にレーザー干渉計からの信号をもとに移動制御するものである。
【0111】
Ｚステージ制御手段３２は、Ｚステージ２２を制御（ピエゾ圧電素子Ａ，Ｂ，Ｃに所定電圧をそれぞれ印加して制御）し、フォトマスク（試料）９を指定された位置（Ｚ）に移動制御するものである。Ｚ移動（Ｚ軸駆動）は耐振動性がいるため、大きな力を発生できるピエゾ圧電素子を用いる。例えば長さは数センチで太さ数センチメートル、１００Ｖで大凡数十ミクロンの変位量が得られる。サンプルホルダー２３は３点支持で基礎となるＸＹステージ２１の平面から支える。３つのピエゾ圧電素子Ａ，Ｂ，Ｃは、それぞれの高圧アンプが付いており、独立に制御可能となっている。従って、予めフォーカスマップを作成した際に得られたデータを用いて、フォトマスク（試料）９の傾斜成分を抽出し、その傾斜を打ち消すのに必要な変位が生じるように、ピエゾ圧電素子Ａ，Ｂ，Ｃに電圧をそれぞれ適切に加えることで、フォトマスク９の面Ｚを電子ビーム照射軸に対して垂直にすることが出来る。この状態で、さらにフォトマスク９の高さが所望の高さになるように制御を行う。
【0112】
サンプル高さ情報処理手段３３は、分光器１１、センサーヘッド７、反射鏡（導光器）７からなる光学式高さセンサを制御し、フォトマスク（試料）９の高さを測定するものである。
【0113】
オートフォーカス制御手段３４は、電子ビーム２でフォトマスク（試料）９を平面走査したときの２次電子などの信号を検出して生成した、サーチ下限からサーチ上限までの対物レンズ５に供給したフォーカス電流値に対応づけた画像をもとに合焦点フォーカスのときの対物レンズの電流値（実際は対物レンズ５とは別個に設けたダイナミックコイルに流す電流値）を推定し、当該推定した対物電流値に設定するものである。
【0114】
画像処理手段３５は、電子検出器４で検出した信号をもとに画像（２次電子画像、反射電子画像など）を生成するものである。
【0115】
全体制御手段３６は、図１１のシステム全体を統括制御するものである。
【0116】
以上の構造のもとで、フォトマスク（試料）９の例えば９点以上で既述した図５から図９で説明したように当該フォトマスク９のフォーカスマップを作成し、フォトマスク９の高さがいずれの場所でも一定になるようにＺステージ２２を構成する３つのピエゾ素子Ａ，Ｂ，Ｃに所定の電圧をそれぞれ印加することで、試料（フォトマスク）９の高さおよび試料（フォトマスク）９の傾斜を補正して常に水平かつ試料の高さを一定に位置づけることが可能となる。そして、試料の高さが一定かつ試料が水平にＺステージ２２で補正した後、電子ビームの自動フォーカスをサーチ下限とサーチ上限の間について実施し、合焦点画像を迅速かつ確実に取得することが可能となる。
【0117】
【0118】
図１２において、Ｓ３１は、試料の高さが一定になるようにＺステージを移動する。これは、図１１のＺステージ２２を構成する３つのピエゾ圧電素子Ａ，Ｂ，Ｃにそれぞれ所定電圧を印加し、試料９の高さおよびその傾きを補正し、当該試料８の高さが一定および試料８が水平となるようにする。
【0119】
Ｓ３２は、電子ビームフォーカス値を、規定値のサーチ下限（光学式高さ測定値のサーチ下限）に設定する。これは、既述した図５から図８で説明したように、試料（フォトマスク）９の高さを例えば少なくとも９点測定して当該試料（フォトマスク）９のフォーカスマップを作成し、試料（フォトマスク）９のサーチ下限（最も小さい試料の高さ）を求め、電子ビームフォーカス値を、この求めたサーチ下限（値）に設定する。
【0120】
Ｓ３３は、電子ビーム走査および画像取得する。これは、Ｓ３２で設定した電子ビームフォーカス値において、電子ビームを試料（フォトマスク）９に平面走査し、そのときに放出された２次電子（あるいは反射電子、吸収電子）を検出し、画像を生成する。
【0121】
Ｓ３４は、電子ビームフォーカス値をステップ幅増加する。これは、電子ビームフォーカス値を、所定のステップ幅だけ増加する。
【0122】
Ｓ３５は、電子ビーム走査および画像取得する。
【0123】
Ｓ３６は、サーチ範囲の上限か判別する。ＹＥＳの場合には、Ｓ３７に進む。ＮＯの場合には、Ｓ３４以降を繰り返す。
【0124】
Ｓ３７は、合焦点フォーカス値を推定する。これは、Ｓ３３、Ｓ３５で取得（生成）したサーチ下限からサーチ上限までの所定ステップ幅で電子ビームフォーカス値を変化したときに取得したそれぞれの画像について、合焦点のときのフォーカス値を推定する。その方法は、公知のコントラスト法、エッジ傾斜法、ＦＦＴ法など公知のものを用いればよい。
【0125】
以上のように、試料の高さをＺステージ２２を制御して一定（高さが一定かつ水平）になるように移動した後、本発明の光学式高さ測定値のサーチ下限からサーチ上限までを所定ステップ幅で電子ビームフォーカス値を変化しつつ試料（フォトマスク）９の画像を取得し、そのうちの合焦点フォーカス値を推定し、推定した合焦点フォーカス値に設定することにより、試料９の高さを一定かつ水平にＺステージで移動した後に、試料９の高さの上限から下限までという限定した高さ範囲を電子ビームによる自動フォーカスを実行することにより、高速かつ確実に自動フォーカスすることが可能となる。
【0126】
以下に実際の装置における手順および特徴を説明する。
【0127】
（１）まず、Ｚステージ２２で試料９の高さを一定かつ水平に移動する（図１２のＳ３１）。
【0128】
（２）次に、画像コントラストが最大に成る、検出器の信号の組み合わせを選択する。
【0129】
（３）（２）の条件で信号が取り込めるようにセットし、対物レンズ５等のフォーカスレンズあるいは試料９に加える電圧を変えることによりフォーカス強度をアンダーフォーカス、ニアジャストフォーカス、オーバーフォーカス等幾つか変化させた画像信号を取り込む（図１２のＳ３２からＳ３６）。
【0130】
（４）これら画像のコントラストをフォーカスの強さに対して評価して、フォーカス強度対コントラスト値の関係を示した関数を得る。
【0131】
（５）この関数を用いて最大最小あるいは極大極小等を見つける演算を行い、関数上一番コントラストが高い状態を実現出来ると推定されるフォーカス強度を合焦点とする（図１２のＳ３７）。
【0132】
（６）このフォーカス強度に実際の電子顕微鏡のフォーカスをセットすることで、合焦点画像を得ることが出来る。
【0133】
（７）尚、同様にＦＦＴ（空間周波数解析）などを用いてフォーカス強度を変えた際に得られる複数の画像を取得して、フォーカス強度と画像に含まれる最高空間周波数の関係を示す関数を得ることが出来る。この関数を用いて、最大最小、極大極小を見つける演算することで、一番高い空間周波数を含むフォーカス強度を合焦点としても良い。合焦点を見つけるための方法は上記方法のほかに世の中に広く知られている全ての方法を利用可能であり、本発明の範囲は本実施例に束縛され無い。
【0134】
（８）対物レンズポールピース先端と試料９の表面の距離が異なる場合、対物レンズ５の強さを変えることで電子ビームフォーカスを得ることが出来る。しかしながら、光学系と異なり、電子光学系では、フォーカスを変えると像が回転する。像が回転すると、場所によって画像歪が生じるため、寸法測定を行うためには、種々の補正を行う必要が出てくる。本発明では、光学式高さセンサによって予め対物レンズ５のポールピースと試料０の表面との距離（試料の高さ）を測定し、平行を出した上に、その距離が一定になるように、Ｚステージ２２を駆動して試料９の高さを変更する。その後に微妙なフォーカス誤差を修正するために、電子ビームフォーカスを行う方式である。このようにすると、ほとんど、フォーカスによる像回転は起こらない。起こったとしても非常に小さな値になるため、回転補正によって起こる測定誤差を小さくすることが出来る。
【0135】
（９）特に、最近では、２つの点の間の距離測定だけでなく、画像そのものを正確に読み取ってそれを光学シミュレーションに掛ける使用方法が増えている。これらの場合に、画像が回転したり、歪んだりすると、シミュレーションの誤差の要因となる。本発明の図１１の構造では、これらの誤差要因を非常に小さくすることが出来る。特に大きなＦＯＶの時に効果が大きい。
【0136】
図１３は、本発明のオートフォーカスフローチャート（その３）を示す。
【0137】
図１３において、Ｓ４１は、基準高さに試料を設定する。これは、試料９を予め定めた基準の高さ（試料９の高さが一定かつ試料９が水平）に、Ｚステージ２２で設定する。
【0138】
Ｓ４２は、対物レンズのフォーカス電流を測定する。これは、Ｓ４１で試料９を基準の高さに設定した状態で、電子ビームで試料９を平面走査して取得した画像をもとに合焦点時の対物レンズのフォーカス電流値を測定（推定）する。
【0139】
Ｓ４３は、試料を交換する。
【0140】
Ｓ４４は、Ｚステージで試料を基準高さに合わせる。Ｓ４で交換した後の試料について、Ｚステージで基準高さ（試料９の高さが一定かつ水平）に合わせる。
【0141】
Ｓ４５は、ラインプロファイルで分解能をチェックする。これは、Ｓ４４で新しい試料９についてＳ４４で基準高さに合わせた状態で、電子ビームにより試料９のラインプロファイルを取得してその分解能をチェックする（例えば取得した画像のラインプロファイルの分解能が現在の使用目的に対して十分かをチェックする）。
【0142】
Ｓ４８は、チャージがあるか判別する。これは、Ｓ４５のチェックでラインプロファイルでチェックした分解能が十分でなく、試料９あるいは近傍のチャージなどの影響で分解能が低下しているか判別する。ＹＥＳの場合には、Ｓ４９でチャージ分のみの補正（チャージに対応した対物レンズの電流を補正）する。一方、Ｓ４８のＮＯの場合には、終了する。
【0143】
Ｓ４６は、Ｓ４５でチェックしたラインプロファイルでの分解能の情報（試料の高さおよび水平の情報（Ｚステージの情報）も含む）を記憶する。
【0144】
Ｓ４７は、Ｓ４６で記録した情報（ラインプロファイルの分解能、Ｚステージの情報（試料の高さおよび水平の情報））を次回に使用する。
【0145】
以上によって、Ｚステージ２２により試料９を基準高さに設定して対物レンズのフォーカス電流を測定した状態で、試料９を交換した後にＺステージ２２により試料９を基準高さに設定してラインプロファイルで分解能をチェックし、チャージなどがあるかを判別し、チャージなどがあると判明した場合には当該チャージ分のみの補正を行うことにより、試料９を交換した場合に高速かつ安定した自動フォーカスを行うことが可能となる。
【0146】
図１４は、本発明の電子ビームによる画像取得例を示す。
【0147】
【0148】
【0149】
【0150】
以下、実際の装置における特徴を説明する。
【0151】
（１）電子ビームオートフォーカスをする場合、非常にコントラストの小さな試料９が存在する。例えば石英から出来たナノインプリント用のテンプレートとか、フォトマスク上に薄い膜が乗っているような場合、あるいはレジストが全体を覆っているような場合などで、同一材料から成る非常に小さな凸凹形状を表面に有するサンプルの場合には、通常のＳＥＭのトップダウン像では画像さえ見ることが出来ないため、通常のＳＥＭ信号を用いてオートフォーカスすることは不可能である。
【0152】
（２）このような場合、試料９を斜めから見たときに得られる信号を使うと、オートフォーカスが容易となる。そのためには、電子検出装置を例えば図１４に示すように、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４つ配置することで試料９から発生する角度に依存した信号電子を検出出来るように成る。配置する位置はプライマリー電子軸から見て軸対称であることが望ましい。例えば、Ａ+Ｂの信号からＣ+Ｄの信号を引き算することにより、Ｙ方向の差画像を作ることが出来る。あるいはＡ+Ｃの信号からＢ+Ｄの信号を引き算することによりＸ方向の差信号を作ることが出来る。検出した信号電子を以上の様に処理すると試料９を斜め方向から見たのと同じ効果が得られるため、正面から観察した通常のＳＥＭ像よりもパターンエッジがはっきりした画像を得ることが出来る。
【0153】
（３）上記のようなコントラスト強調手法をとった場合でさえ、エッジのコントラストは電子ビーム合焦点が得られている近傍の条件では観察できるが、それ以上に離れてしまうと、正面画像同様まったくエッジは観察できない。つまり、荒く、対物レンズのフォーカス強度を振って調べたのでは、合焦点状態を探し出すことが出来ない。
【0154】
（４）本発明の光学式高さセンサーを用いれば、合焦点の０．１ミクロン近傍まで寄せてから、電子ビームフォーカスを適用できるため、確実に、エッジを捉えることが可能で、オートフォーカスが成功する確率を非常に向上させることができる。
【0155】
図１５は、本発明のセンサーヘッドの配置例を示す。
【0156】
図１５において、センサー配置可能箇所と記載したいずれか１つの位置あるいは複数の位置に、既述したセンサーヘッド８を配置し、当該センサーヘッド８から放出された光線を図示外の導光器（反射鏡、光ファイバーなど）７でフォトマスク９に垂直に照射し、反射した光線を導光器（反射鏡など）７でセンサーヘッド８に入射することにより、フォトマスク９の高さを光学的に測定することができる。尚、センサーヘッド８からは光ファイバで、既述した図１の分光器１１に接続し、当該分光器１１の内部でレーザー光線（広帯域）と反射して帰ってきたレーザー光線との干渉により試料９の高さを精密に測定することが可能となる。
【0157】
図示の状態の１つのセンサーヘッド８でストローク２０ｃｍのＸＹステージでフォトマスク９の全部が測定できる範囲となる。
【0158】
図１６は、本発明の高さ推定領域の説明図を示す。
【0159】
図１６において、マスク高さを推定する領域は、２つのセンサーヘッド（Ｚ１）８、センサーヘッド（Ｚ２）８を用いてマスク（試料）９の高さを推定できる領域を示す。
【0160】
マスク外形は、試料（フォトマスク）９の外形の例を模式的に示す。
【0161】
２つの光学式高さセンサーで測定できる領域は、２つのセンサーヘッド（Ｚ１）８、センサーヘッド（Ｚ２）８で、電子ビームの照射位置の高さを推定（測定）できる領域である。その推定（測定）値は、右側に記載した
Ｚｃ＝（Ｚ１Ａ＋Ｚ２Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）
・Ｚｃ：対物レンズ位置（電子ビーム照射位置）の試料の高さ
・Ａ，Ｂ：センサーヘッド（Ｚ１），センサーヘッド（Ｚ２）からの光線を試料
に照射するときの当該試料９上の電子ビーム照射中心位置からの距離
・Ｚ１Ａ，Ｚ１Ｂ：距離Ａ，Ｂにおける試料９の高さ
で求めることができる。
Ｚｃ＝（Ｚ１Ａ＋Ｚ２Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）
・Ｚｃ：対物レンズ位置（電子ビーム照射位置）の試料の高さ
・Ａ，Ｂ：センサーヘッド（Ｚ１），センサーヘッド（Ｚ２）からの光線を試料
に照射するときの当該試料９上の電子ビーム照射中心位置からの距離
・Ｚ１Ａ，Ｚ１Ｂ：距離Ａ，Ｂにおける試料９の高さ
で求めることができる。
【0162】
尚、本発明の実験で用いた高さセンサーの原理については、例えばキーエンスのセンサーの以下のＵＲＬなどに記載されているので、参照ください。
【0163】
http://www.keyence.co.jp/henni/laser_henni/si/
【図面の簡単な説明】
【0164】
【図1】本発明の１実施例構造図（その１）である。
【図2】本発明の１実施例構造図（その２）である。
【図3】本発明の詳細構造図（その１）である。
【図4】本発明の詳細構造図（その２）である。
【図5】本発明のフォーカスマップ作成フローチャートである。
【図6】本発明のフォーカスマップ測定点の例である。
【図7】本発明の高さ測定値例である。
【図8】本発明の測定点を通過する近似曲面例である。
【図9】本発明の試料の高さ測定フローチャートである。
【図10】本発明のオートフォーカスフローチャート（その１）である。
【図11】本発明の他の実施例構造図である。
【図12】本発明のオートフォーカスフローチャート（その２）である。
【図13】本発明のオートフォーカスフローチャート（その３）である。
【図14】本発明の電子ビームによる画像取得例である。
【図15】本発明のセンサーヘッドの配置例である。
【図16】本発明の高さ推定領域の説明図である。
【符号の説明】
【0165】
１：電子銃
２：電子ビーム
３：偏向装置
４：電子検出器
５：対物レンズ
６：２次電子／反射電子
７：反射鏡、導光器、光ファイバー
８：センサーヘッド
９：フォトマスク、試料
１１：分光器
１２：フォーカス制御手段
１３：画像処理手段
１４、１５：光ファイバー
２１：ＸＹステージ
２２：Ｚステージ
２３：サンプルホルダー
３１：ＸＹステージ制御手段
３２：Ｚステージ制御手段
３３：サンプル高さ情報処理手段
３４：オートフォーカス制御手段
３５：画像処理手段
３６：全体制御手段
２：電子ビーム
３：偏向装置
４：電子検出器
５：対物レンズ
６：２次電子／反射電子
７：反射鏡、導光器、光ファイバー
８：センサーヘッド
９：フォトマスク、試料
１１：分光器
１２：フォーカス制御手段
１３：画像処理手段
１４、１５：光ファイバー
２１：ＸＹステージ
２２：Ｚステージ
２３：サンプルホルダー
３１：ＸＹステージ制御手段
３２：Ｚステージ制御手段
３３：サンプル高さ情報処理手段
３４：オートフォーカス制御手段
３５：画像処理手段
３６：全体制御手段
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】