JP2006019301A - 電子ビームの調整方法，荷電粒子光学系制御装置、及び走査電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、試料上の帯電によって生ずる荷電粒子線装置のフォーカスずれ，倍率変動，測長値誤差を低減するに好適な荷電粒子線照射方法、及び荷電粒子線装置の提供にある。
【解決手段】
上記目的を達成するために本発明では、荷電粒子線の搬入機構によって搬入される試料の通過中に、試料上の電位を測定する静電電位計によって試料上の電位分布を計測する手法を提案する。また、試料上の特定箇所の局所帯電を計測し、その帯電量から大域帯電量分を分離して計測する手法を提案する。更に、特定箇所の帯電量を、少なくとも２つの荷電粒子光学条件で計測し、特定箇所の帯電量変化に伴う荷電粒子線を用いた寸法測定値の変化を計測し、この変化に基づいて測長値、或いは倍率を補正する手法を提案する。
【選択図】図３

Description

本発明は荷電粒子線装置に係り、特に試料上に形成されたパターンの寸法や形状を測定或いは検査する装置を用いた測定方法、及び装置に関する。

近年、半導体素子の高集積化および微細化に伴い、ウェハ上に多種多様なパターンが形成され、その形状や寸法の評価，測定が益々重要となっている。多数の測定点を自動的にかつ高速に処理するためには、測定点の検出を如何に高速に実行できるかが重要であり、そのためには測定点に移動した際にパターン上にフォーカスが合っており、更に所望の観察倍率が設定されていることが必須である。

荷電粒子光学系において、ウェハ上へのフォーカス条件は荷電粒子源の加速電圧，ウェハに印加される電圧，ウェハの高さから決定される。例えば特許文献１には、レーザー光をウェハに照射し、その反射光を利用してウェハの高さを検出し、得られた高さ情報を荷電粒子光学系の制御装置の一つである対物レンズ制御系にフィードバックし、測定点への移動が終了すると同時に必要な励磁を対物レンズに印加する方法がとられている。

特開平１１−１２６５７３号公報 特開平７−１７６２８５号公報 特開２００１−５２６４２号公報

しかし、近年になって接地しても残留する固定的な帯電をもつウェハが散見されるようになった。この固定的帯電の原因は例えばスピンコーターによるレジスト塗布時の摩擦でレジスト内部での有極性物質が分極し電位が固定するのであるとか、プラズマを使用したエッチング処理による帯電であると言われている。

このような試料上に残る帯電は、荷電粒子線のフォーカスずれを招き、更には倍率の変動や荷電粒子線装置による測定の誤差要因にもなっていた。フォーカスずれの問題を解決するために、例えば特許文献２に開示されているように、走査電子顕微鏡の測定点ごとにフォーカスのオフセット値を記憶させ、フォーカスずれによって自動測定が妨げられないような方法がある。また、特許文献３に記載されているように、真空内で試料に近接した場所に複数個の電位計を設置し、その測定結果に基づいた値をリターディング電圧にフィードバックする方法などが考案されている。

しかしながら特許文献２に開示の技術には以下の問題がある。ウェハの帯電電圧はその製造過程における温度や湿度，レジストの状態，プラズマ強度に左右されるため、同一の製造過程を経ていても一定ではない。したがって、自動測定用のファイルにフォーカスずれを記憶させてもウェハ毎に更新する必要がある。したがって、ウェハの測定に要する時間が長くなり生産性が低下する。また、ウェハの帯電電位はそのままであるので、実際に使用したい加速電圧と実際の加速電圧が異なるため、形成される二次荷電粒子像に現れる微細な構造やコントラストが異なる、あるいは倍率の制御に誤差が発生するなどの問題は解決されない。

また、特許文献３に開示されているように、真空内に設置された電位計を用いる場合、測定点に移動しないとその電位を測定することができないため、一点あたりの測定に要する時間が長くなる、また故障したときには真空容器である荷電粒子光学系およびステージを一旦大気に開放する必要がありメンテナンス性が悪い、また複数個使用する電位計が常に同一の出力をするように調整する必要があるなどの問題がある。

本発明の第１の目的は、測定点毎に帯電測定を行わずとも、試料固有の帯電状態を検出する方法、及び装置を提供することにある。

本発明の第２の目的は、帯電による倍率変動や測定誤差を低減、或いはなくすのに好適な試料寸法測定方法，倍率調整方法、及びこれらを実現する装置を提供することにある。

上記第１の目的を達成するために、本発明では、荷電粒子線の搬入機構によって搬入される試料の通過中に、試料上の電位を測定する静電電位計によって試料上の電位分布を計測する手法を提案する。

上記第２の目的を達成するために、本発明では、試料上の特定箇所の帯電を計測し、その帯電量から大域帯電量分を分離して計測する手法を提案する。また、上記第２の目的を達成するための他の手法として、特定箇所の帯電量を、少なくとも２つの荷電粒子照射条件で照射し、この照射条件の変化に対する帯電電圧の変化を表すフィッティング関数を形成して、形成されたフィッティング関数に基づいて、前記パターン寸法を補正する手法を提案する。

本発明の具体的構成については、発明を実施するための最良の形態の欄でより詳細に説明する。

本発明の一例によれば、試料固有の帯電に基づく、フォーカスずれを適性に補正することができるようになる。

（実施例１）
以下、図面を用いて本発明の実施形態について述べる。なお、本実施例においては走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）を例にとって説明するが、これに限られることはなく、他のイオンビーム照射装置等の他の荷電粒子線装置にも適用が可能である。また、本実施例は、荷電粒子の１つである二次電子、及び／又は反射電子を検出する例を説明するが、これに限られることはなく、例えば二次イオン等、他の荷電粒子を検出するようにしても良い。

図１は本発明の全体構成を示したものである。全体制御部４２はユーザーインターフェース４３からオペレータによって入力された荷電粒子の加速電圧，ウェハ情報，観察位置情報などを基に、荷電粒子光学系制御装置４１，ステージ制御装置４０，ウェハ搬送装置２８を介して、装置全体の制御を行っている。

全体制御部からの命令を受けたウェハ搬送装置２８はウェハカセット２９から搬送アーム３０によりウェハを取り出し、真空に保持されている試料交換室２５と大気である外部とを分離するゲートバルブ２６ｂを開けウェハを試料交換室に導入する。試料交換室に入ったウェハはゲートバルブ２６ａを介して試料室２４に送られ、試料ステージ２１上に固定される。

荷電粒子光学系制御装置４１は全体制御部４２からの命令に従い高電圧制御装置３４，リターディング制御部３３，コンデンサレンズ制御部３５，増幅器３６，アライメント制御部３７，偏向信号制御部４４，対物レンズ制御部３９を制御している。引出電極１２により荷電粒子源１１から引き出された一次荷電粒子線１３はコンデンサレンズ１４，対物レンズ１８により収束されウェハ１９上に照射される。途中荷電粒子線はアライメントコイル１６によりその軌道を調整され、また、偏向信号増幅器３８を介して偏向信号制御部から信号を受けた偏向コイル１７によりウェハ上を二次元的に走査される。なお、以下の説明では荷電粒子線の光学条件を変更するための信号を各光学素子に送り、必要な演算を行う構成を制御部，制御装置、或いは制御プロセッサ等と呼ぶこともある。

ウェハにはリターディング制御部３３から荷電粒子線を減速するためのリターディング電圧（電子顕微鏡の場合は負電圧）が印加されている。上記ウェハ１９への一次荷電粒子線１３の照射に起因して、ウェハから放出される二次荷電粒子２０は二次荷電粒子検出器１５により捕捉され、増幅器を介して二次荷電粒子像表示装置４６の輝度信号として使用される。また二次荷電粒子像表示装置の偏向信号と、偏向コイルの偏向信号とは同期しているため、二次荷電粒子像表示装置上にはウェハ上のパターン形状が忠実に再現される。

ウェハ上のパターンを高速に検査，観察するためには試料ステージが所望の観察点に移動したときのウェハ高さを検出し、その高さに応じた対物レンズのフォーカスをあわせることが必要である。そのため、光を用いたウェハ高さ検出機能が設けられている。試料ステージ位置検出部３２により試料ステージ位置を検出し、所定の位置近傍に試料ステージが接近した時点から高さ検出用レーザー発光器２２がウェハに向けて光を照射し、その反射光をポジションセンサ２３で受光し、その受光位置からウェハの高さを検出する。そして検出された高さに応じたフォーカス量が対物レンズにフィードバックされる。その結果、試料ステージが所定の位置に到達した際にはすでにフォーカスが設定されており、オペレータによる操作なしにパターンの検出を自動で行うことができる。

ウェハが帯電していない場合、フォーカスに必要な対物レンズの励磁電流は一般的に式（１）に示すような関数で表される。

Ｉ_obj＝Ｆ（Ｖ_o，Ｖ_r，Ｚ） （１）
ここで、Ｉ_obj は、ウェハが帯電していないときの対物レンズの励磁電流、Ｆは、対物レンズの励磁電流を計算する関数、Ｖ_o は荷電粒子源の電圧、Ｖ_r はウェハの電位（ウェハに印加されるリターディング電圧）、Ｚはウェハの高さである。関数Ｆは電子光学シミュレーションあるいは実測により導出することが出来る。通常帯電していないウェハの電位はウェハに印加されたリターディング電圧と同電位で式（１）に示す関係が成り立つため、所定のフォーカス制御が可能である。ところがウェハ自身が帯電している場合に必要な対物レンズの励磁電流は式（２）に示すような値となり、帯電していない場合と帯電している場合ではフォーカス電流が異なる。

Ｉ_obj′＝Ｆ（Ｖ_o，Ｖ_g′，Ｚ） （２）
そのためいくら高さを正確に検出できても、フォーカスが合わないために二次荷電粒子像がぼやけ観察点の検出に失敗し自動での測定が不可能となる。Ｉ_obj′ はウェハが帯電しているときの対物レンズの励磁電流、Ｖ_g′ はリターディング電圧Ｖ_r とウェハ帯電電圧ΔＶ_g の合計電圧Ｖ_g ＝Ｖ_r ＋ΔＶ_g である。

これらウェハの帯電はレジストや下地の材質などにより異なるが、多くの場合は同心円状に帯電している。本発明は、このように同心円状に帯電したウェハの帯電量を測定し、その電位をフィードバックするものである。ウェハカセット内に格納されたウェハを搬送アーム３０（搬送機構）が取り出し、試料交換室内に搬送する途中にプローブ３１により測定する。その測定値は静電電位計４５を介して荷電粒子光学系制御装置に伝達される。

なお、本実施例では、試料上の電位を測定するプローブが、搬送機構によって搬送される試料移動軌道の上であって、試料から離間した位置に配置される例について説明するがこれに限られることはない。例えば試料室と予備排気室との間で試料を受け渡しするための機構や、外部から予備排気室へ試料を導入する機構による搬送軌道上にプローブを配置するようにしても良い。

上記説明にあるように、ウェハは同心円状に帯電する傾向にあるので、ウェハ面上の中心位置を含む直線状に電位分布を計測すれば、おおよそ試料全体の電位分布が把握できることによる。以下の説明は、このような電位分布を示す半導体ウェハのような試料を測定する走査電子顕微鏡に特に有効な実施例を示すものである。

図２は、ウェハカセットと試料搬入機構の一要素である搬送アームとウェハと静電電位計と試料交換室の関係を示したものである。ウェハはウェハカセット２９から搬送アーム３０によって取り出され、試料交換室２５内へと搬送される。静電電位計のプローブ３１はウェハの搬送経路上で、かつその中心線５２がウェハの中心線５１とウェハ上で一致するように固定台５３により固定されている。静電電位計のプローブはウェハと接地されている搬送アームの両方の電位を測定することになるので、搬送アームの接地電位をもとにウェハ電位を校正できるのでより正確な測定値となる。またウェハの通過位置は常に一定であり、プローブも固定台により固定されているためこれら２つの位置関係が変わらないため常に安定した測定が行える。また、プローブが真空外にあるため、プローブが故障した場合でもその修理や交換が容易な構造となっている。

この様に本実施例では取り扱いの容易性を考慮して、真空外にプローブを配置しているが、これに限られることなくウェハが通過する道程のいずこかに配置しておいても良い。また、本実施例ではプローブの中心と、ウェハの中心線が一致するようにウェハを移動させているが、これに限られることはない。上記説明にあるように、ウェハの帯電は同心円状に帯電することが多い。この帯電の分布が、ウェハの中心を最高点としてウェハの縁にいくに従って、帯電量が低くなるような、いわゆる山なりに形成されるような場合、プローブの中心がウェハの中心から若干ずれていたとしても、電位分布のおおよその把握ができるので、ウェハ中心からずれた線状の電位分布から、全体の電位分布を把握しても良い。

図３は表面電位の測定から帯電電圧をウェハ面上の分布関数として表現し、リターディングにフィードバックするための手順を示したものである。一般的にウェハの搬送アームは一定速度では運動していないので電位測定の周期は時間的には一定であってもウェハ上の座標は一定間隔ではない。そこで搬送アームの速度パターンから電位測定時のウェハ上の座標を計算すれば正確な座標に対応した電位が得られる。この得られたデータをもとに電位の分布関数を作る。まず、得られたすべてのデータを使用して偶関数（図３では４次関数）で近似式を作成する。

次に各測定点において近似式との差分を計算する。電位の測定値には誤差が含まれており、この差分値が設定された閾値より大きいものは測定値の誤差が大きいものとして除外する。除外されたデータを除き再度近似式を作成する。この手順を何度か繰り返し、最終的にすべての値の差分が閾値よりも小さくなれば終了する。ここで作られた関数はウェハの中心からの距離に対する電位の関数である。

この関数と、ステージ制御装置から得られたステージ座標から補正すべき電位が計算され、図１に示したリターディング制御部を介して補正電位がウェハに供給される。データの取得は観察するウェハが試料交換室に送られるたびに行われ、そのウェハの観察が終わり、元のウェハカセットに戻すための命令が発生するまで有効である。

以上が本発明実施例の説明である。本発明実施例では測定されたウェハの帯電電位をそのままリターディング電圧にフィードバックする方法を示したが、帯電電位を対物レンズの励磁電流に変換してフィードバックしてもよい。ただしこの場合はリターディング電圧とウェハの帯電電位を足して荷電粒子源の電位を上回らないことが必要である。たとえば荷電粒子源の電圧が−２０００Ｖであり、試料に照射する荷電粒子の電位を−３００Ｖにしたい場合、ウェハにかかるリターディング電圧は−１７００Ｖであることが必要である。

この条件で最大−２９０Ｖ帯電しているウェハを観察する場合を考えると、リターディングに−２９０Ｖを補正する電位を印加しても、あるいはその電位を励磁電流に換算して対物レンズに印加しても一次荷電粒子線は試料に到達することができる。しかし、最大−３１０Ｖ帯電しているウェハではリターディング電圧と帯電電圧を足すと−２０１０Ｖとなり荷電粒子源の電位を上回る。

この場合、一次荷電粒子線は試料に到達することができず反射されてしまう。この場合にはリターディング電圧に−３１０Ｖを補正するための電圧３１０Ｖを印加しなければならない。また測定された電位はリターディング電圧ではなく荷電粒子源の電位にフィードバックしてもよい。更に本発明実施例では、フィードバックの対象を、インダクタンスが大きく高速制御が難しい磁界レンズではなく、リターディング電圧としているが、対物レンズを静電レンズとするか、或いは磁界レンズの他に静電レンズを設けて、これら静電レンズに、帯電電位に基づいて得られるフォーカス補正値をフィードバックするようにしても良い。

また、他にも対物レンズ内に正電圧を印加した筒状電極を配置するいわゆるブースティング法を用いたＳＥＭの場合、印加される正電圧を調整することによって、フォーカスを調整するようにしても良い。更に他にも電子線のフォーカスを調整する技術全般の適用が可能である。

今回の発明では静電電位計のプローブがウェハの中心と一致するように一つ置く場合について述べたが、複数個のプローブを設置してもよい。図４は複数個のプローブをウェハの搬送経路に並べてウェハ面全体の測定を行う場合の構成図の一つである。プローブ３１は固定台の上に複数個マトリクス状に並べられている。この場合、ウェハ１９は搬送中に所定の位置で一旦停止しそれぞれの場所の帯電を測定する。搬送アームは停止しているので速度と座標との関係を考える必要がない、あるいは帯電が軸対称分布をしていない場合でも分布関数を作ることができるなどのメリットがある。また、全自動で半導体のパターン幅や欠陥を検査する走査電子顕微鏡は、予め測定個所が決まっているので、その測定個所、或いはその近傍の帯電量を選択的に検知しておき、フィードバックをかけるようにしても良い。

なお本実施例においては、単なる帯電量に基づくフィードバックだけではなく、他の情報も重畳してリターディング電圧のフィードバック値を求めるようにしても良い。また、何等かの原因で静電電位計に不具合が発生した場合、リターディング電圧へのフィードバックを行うと、逆にフォーカス値がずれる可能性があるので、フォーカスを評価する手段を他に設けておき、フォーカス評価値が異常を示す場合に、静電電位計の故障診断を行ったり、帯電電位測定に基づくフォーカスのフィードバック処理を中止したり、オペレータに異常がある旨を警告するような手段を設けておいても良い。

以上説明したように、本発明によってこれまで帯電しているためにフォーカスずれが発生し、自動測定時のパターン検出の成功率が低下していたウェハでもその帯電電位を補正することができるようになるので、帯電していないウェハと同様に自動測定が可能となる。またウェハ毎に帯電電圧を測定するので、測定用ファイルに依存せずまた帯電の有無やその大きさによるファイルの修正を必要としないなどのメリットがある。

（実施例２）
以下に示す実施例は、試料（半導体ウェハ等）に異なる帯電現象が混在するが故に、正確な検査，測定が困難であるという点に鑑み、異なる帯電現象が含まれていたとしても、高精度な検査，測定を可能ならしめる方法、及び装置に関するものである。

荷電粒子線装置では、前述したように、荷電粒子線の走査と同期して二次荷電粒子検出器の出力情報が像表示装置に再現される。試料上の２点間距離ａに対するブラウン管（像表示装置）上の走査像の２点間距離Ａの比が観察倍率Ｍ_SEMである。

Ｍ_SEM＝Ａ／ａ （３）
通常、ブラウン管上の画面の大きさは固定であるから、試料上の２点間距離ａは観察倍率Ｍ_SEM に反比例する。従って、ブラウン管上の走査像の２点間距離Ａを計測し、観察倍率Ｍ_SEMで除することにより、試料上の配線寸法等ａ＝Ａ／Ｍ_SEMを導出できる。

近年、半導体産業の微細化が進んだことから、ＳＥＭが光学顕微鏡に代わって、半導体素子製作のプロセスまたはプロセス完成後の検査（例えば電子ビームによる寸法測定や電気的動作の検査）に使われるようになった。絶縁物が使われている半導体産業の試料（ウェハ）では、一次電子ビームの照射により絶縁物の帯電が時間的に変動し、走査像が劣化する。

この問題を避ける代表的な技術として特開平５−１５１９２７号公報に記載のＳＥＭでは、観察時の倍率とは異なる倍率で一次電子ビームを照射し、積極的に試料表面を帯電させるプリドーズ方式を備えている。続いて、特開平９−１７１７９１号記載のリターディング方式及びブースティング方式が開発され、試料に印加するリターディング電圧を調整し、絶縁物が正に帯電する１ｋＶ以下の低加速電圧の一次電子ビームで観察することにより、再現性のある安定した表面帯電が生成できるようになり、かつ３ｎｍ程度の高分解能が実現できた。

その後、特開２０００−２００５７９号公報記載のＳＥＭのように、通常観察時の一次電子ビームとは異なるエネルギーの電子ビームを予め照射し、より積極的に表面帯電を生成する方式が開発された。これらの方式により、安定した高い表面帯電電圧が容易に生成でき、アスペクト比の高いコンタクトホール底面部の残膜や帯電電圧の差異に基づく電位コントラストの観察が可能となった。

しかし、前記の表面帯電電圧の条件で観察した場合、表面帯電を増加させるに従って寸法測定値が数％程度変動することが判明した。この寸法測定値変動量は、より微細化した製造プロセスにおいて、許容限界に達している。この不具合の原因は、表面帯電に伴って観察倍率Ｍ_SEMが変動しているためである。

図９は走査偏向器，対物レンズと試料からなる電子光学系において、観察倍率Ｍ_SEM と対物レンズ１０６の光学倍率Ｍ_obj に対する走査偏向器１０７のコイル電流Ｉ₇ の関連を示している。クロスオーバー面の一点から放射状に出射された一次電子ビーム１０１はウェハ１０８面上の一点に集束する。走査偏向器１０７を使って、仮想的な一次電子の出射点が中心軸から１だけ離れるようにすると、試料面ではＭ_obj だけ離れる。走査偏向器
１０７の換算係数およびコイル電流をそれぞれ、ＫおよびＩ₇ とすると試料上の２点間距離ａは次式で計算できる。

ａ＝ＫＭ_objＩ₇ （４）
また、ブラウン管の換算係数をＬとすると、ブラウン管上の走査像の２点間距離Ａは次式となる。

Ａ＝ＬＩ₇ （５）
ここで、光学倍率がＭ_objからＭ_obj′に変動した場合を考えると、試料上の２点間距離ａを走査するための電流はＩ₇からＩ₇′に変化し、ブラウン管上の走査像の２点間距離はＡからＡ′に変化する。

ａ＝ＫＭ_objＩ₇′ （６）
Ａ′＝ＬＩ₇′ （７）
結局、観察倍率はＭ_SEMからＭ_SEM′に変動する。

Ｍ_SEM′＝（Ｍ_obj／Ｍ_obj′）Ｍ_SEM （８）
次式を用いれば、観察倍率が変動しても、正しく寸法測定できる。

ａ＝Ａ′／Ｍ_SEM′ （９）
結局、高精度の寸法測定のためには、帯電の有無に依らず光学倍率Ｍ_objとＭ_obj′が精度良く計算できれば良い。

図１０はウェハにおける表面帯電の原理を説明している。ウェハ基板にはリターディング電圧Ｖ_r が印加されている。ウェハはスピンコーターによるレジスト塗布時の摩擦や、プラズマを使用したエッチング処理のため、ＳＥＭで観察する以前から（ａ）の固有な帯電をしている場合がある。（ａ）の帯電電圧はウェハの全面に渡っており、大域帯電電圧ΔＶ_g と呼ぶことにする。観察点付近での大域帯電電位はＶ_g＝Ｖ_r＋ΔＶ_g である。大域帯電電位Ｖ_g での光学倍率Ｍ_obj は式（１）同様な次式で表せる。

Ｍ_obj＝Ｍ（Ｖ_o，Ｖ_g，Ｚ） （１０）
この関数Ｍについても、電子光学シミュレーションあるいは実測により導出することが出来る。一方、電子ビーム照射による帯電電圧ΔＶ_s は（ｂ）のように局所的であり、局所帯電電圧と呼ぶことにする。両者の帯電が重畳した場合（ｃ）の局所電位はＶ_s＝Ｖ_g＋ΔＶ_sである。

図１１は試料の大域帯電電位Ｖ_g および局所帯電電圧ΔＶ_s が対物レンズの光学倍率
Ｍ_obj を変動させるメカニズムを説明している。大域帯電電位Ｖ_g は対物レンズ１０６ａ内の電位を変化させるため、静電レンズが試料上に形成され、フォーカスがずれることになり、そのフォーカスを合わせると、励磁電流Ｉ₆ の顕著な変化として現れる。Ｉ₆ が変化し、さらに試料への入射エネルギーも変動するので、軌道１ａのように集束し、光学倍率Ｍ_objが変動する。しかし、逆にＩ₆の変動量からＶ_gを推測できる。

一方、電子ビーム照射による帯電電圧ΔＶ_sは局所的であるため、励磁電流Ｉ₆への影響がほとんど無い。それにもかかわらず、局所帯電電圧ΔＶ_s は微小な静電レンズ１０８ｂを形成するため、一次電子１０１を軌道１０１ｂのように集束させ光学倍率Ｍ_obj を大きく変動させる。以上のような事実から、大域帯電はフォーカスに大きな影響を与え、局所帯電は倍率に大きな影響を与えることが確認できた。

以上のように、全く特性の異なる２つの帯電現象が含まれ、それぞれの帯電が、倍率やフォーカスに与える影響の程度が異なるため、これらを分離せずに補正を試みても、精度の高い補正が実現できなかった。

このような課題を解決するためには、大域帯電電圧ΔＶ_gおよび局所帯電電圧ΔＶ_sを分離して計測、あるいは推定する手段を設け、これらのデータに基づいて正しい光学倍率
Ｍ_objを計算する手段が実現できればよい。

この倍率補正量に基づいて走査偏向器の偏向強度を補正することにより指定観察倍率の二次元走査像を正確に表示することができるが、半導体プロセスの寸法測定においては、測長値そのものに倍率補正する簡便化が実用的である。

図１２および図１３を用いて上記した本発明の作用を示す。

図１２はリターディング電位Ｖ_r＝−１.２ｋＶにおいて、大域帯電位Ｖ_gが−０.６ｋＶから−１.５ｋＶの範囲で変動した場合の倍率変動感度係数Ｔ_gを示している。Ｔ_gと
ΔＶ_gから倍率変動量ΔＭ_g＝（Ｍ_obj′−Ｍ_obj） が次式で計算できる。

ΔＭ_g／Ｍ_obj＝Ｔ_g＊ΔＶ_g （１１）
ここで、Ｔ_gは帯電前の観察条件および大域帯電電位Ｖ_gによって変動するため、観察条件毎に図８のグラフを予め実験あるいは計算により記憶させておくことが必要となる。あるいは、式（１１）を用いずに大域帯電電位Ｖ_g から直接、倍率Ｍ_objあるいはＭ_obj′を求めても問題ない。

一方、図１３はリターディング電位Ｖ_r＝−１.２ｋＶにおいて、ビーム照射面積を変動した場合の倍率変動感度係数Ｔ_sを示している。Ｔ_s とΔＶ_s から倍率変動量ΔＭ_s ＝
（Ｍ_obj′−Ｍ_obj）が次式で計算できる。

ΔＭ_s／Ｍ_obj＝Ｔ_s＊ΔＶ_s／Ｖ_acc （１２）
ここで、Ｔ_s は帯電前の観察条件およびビーム照射面積によって変動するが、式(１２)が示すように倍率補正量ΔＭ_s と局所帯電電位ΔＶ_s とはよい比例関係にある。また、
Ｔ_s はビーム照射面積（即ち、照射倍率）に応じて４つの区間に分けることができる。
５０倍より低倍率では大域帯電と見なせる。５０倍から５００倍の区間では大域帯電から局所帯電への遷移領域にある。５００倍から５０００倍の区間ではほぼ一定値と見なせる。５０００倍より高倍率では徐々にＴ_s が減少する傾向にある。従って、倍率変動感度係数Ｔ_s がほぼ一定値と見なせる５００倍から５０００倍の区間を含むように、照射面積の一辺を１０μｍから３００μｍにすれば、補正値の推定精度を保持したまま、予め記憶しておくデータ数を削減できるので好都合である。

図５に、本実施例におけるＳＥＭの第１の具体例を示す。陰極１０４から引き出された一次電子ビーム１０１はコンデンサレンズ１０５で絞られ、さらに走査偏向器１０７によってウェハ１０８上を二次元走査される。一次電子ビーム１０１は、試料ステージ１０９を介してウェハ１０８に印加した負のリターディング電圧のため、対物レンズ１０６とウェハ１０８間の減速電界で減速され、かつ対物レンズ１０６のレンズ作用でウェハ１０８上に細く絞られる。

一次電子ビーム１０１がウェハ１０８を照射すると二次電子１０２が発生する。対物レンズ１０６とウェハ１０８間に作られている電界は、発生した二次電子１０２に対しては加速電界として作用するため、対物レンズ１０６の電子ビーム通過孔内に吸引され、対物レンズ１０６の磁界でレンズ作用を受けながら上昇する。上昇した二次電子１０２は変換電極１１０に高エネルギーで衝突し、新たな二次電子１０３を発生する。この二次電子
１０３は正の約１０ｋＶの高電圧を印加したシンチレータ１１１に吸引され、シンチレータ１１１に衝突した際、光を発生する。図示していないが、この光をライトガイドで光電子増倍管に導き、電気信号に変換し、増幅した後、この出力でブラウン管の輝度変調を行う。

なお、図５の説明は制御プロセッサ部が走査電子顕微鏡と一体、或いはそれに準ずるものとして説明したが、無論それに限られることはなく、走査電子顕微鏡鏡体とは別に設けられた制御プロセッサで以下に説明するような処理を行っても良い。その際には二次電子検出器で検出される検出信号を制御プロセッサに伝達したり、制御プロセッサから走査電子顕微鏡のレンズや偏向器等に信号を伝達する伝達媒体と、当該伝達媒体経由で伝達される信号を入出力する入出力端子が必要となる。また、以下に説明する処理を行うプログラムを記憶媒体に登録しておき、画像メモリを有し走査電子顕微鏡に必要な信号を供給する手段を備えた制御プロセッサで、当該プログラムを実行するようにしても良い。

本実施例装置では、大域帯電電圧ΔＶ_g の計測手段（電位分布計測装置）として、例えば実施例１で説明したような静電電位計を備える。ウェハの大域帯電電圧は同心円状なので、ウェハ面上の中心位置を含む直線状に電位分布を計測すれば、おおよそ試料全体の電位分布が把握できることができる。従って、具体的には、実施例１に記載のように、ウェハ１８０の搬送経路上に静電電位計プローブ１１４を固定し、搬送アーム１８１の移動を利用して直線状に測定する方法が適当である。測定データを用いて、大域帯電電圧ΔＶ_gをウェハ中心からの距離ｒの関数として表現し、測定点が移動するごとにリターディング電位Ｖ_r をフィードバックし、一次電子ビーム１０１がウェハ１０８に入射する電圧が常に一定値Ｖ_acc＝Ｖ_o＋Ｖ_gとなるようにする。ここで、Ｖ_oは陰極１０４の電圧に相当する。

さらに、本実施例では、局所帯電電圧ΔＶ_sの計測手段（電位計測装置）として二次電子のエネルギーフィルタを備える。例えば、変換電極１１０の下にメッシュ電極１１２を設置し、大域帯電電位Ｖ_g を基点としてメッシュ電極１１２の印加電圧を走引し、二次電子の信号量変化（いわゆるＳカーブ）を計測する。表面が導電性の試料で測定したＳカーブと実試料の観察点でのＳカーブを比較し、シフト電圧を局所帯電電圧ΔＶ_sとする。

帯電補正制御部１２０は上述した大域帯電電位Ｖ_g の測定、局所帯電電圧ΔＶ_s を得るまでのＳカーブ測定シーケンスを実行する。さらに、求めたＶ_g，ΔＶ_s、および対物レンズ１０６の励磁電流等に基づいて倍率補正量を計算し、走査偏向器１０７の偏向強度を補正する。

本実施例では、大域帯電に比べて局所帯電の方が倍率に与える影響が大きいことに鑑み、特定箇所の帯電量（局所帯電量）から大域帯電量に相当する値を差し引いた値に基づいて、倍率補正を行う。単なるエネルギーフィルタによる帯電量測定では、局所帯電と大域帯電（少なくとも走査領域より大きな領域の帯電、例えば倍率５０倍の観察領域より大きな領域）が複合された状態で検出されてしまうため、本実施例ではエネルギーフィルタで計測された帯電量から、静電電位計１１４で計測された電子線の走査箇所における帯電量を差し引くことで、大域帯電によらない真の電子線照射に基づく局所帯電量を計測することが可能になる。

また、本実施例装置では、上記演算式で得られた倍率変動量ΔＭ_s に基づいて、走査偏向器の偏向範囲を調整することもできるし、計測された測長値を補正することも可能としている。

走査偏向器の偏向範囲を調整する場合には、電磁式の走査偏向器の場合、倍率変動量
ΔＭ_s を補正するに必要な電流を、もとの偏向電流に加算或いは減算すると良い。また、測長値へのフィードバックについては、既知の走査電子顕微鏡等に採用されている測長法によって得られた測長値に、倍率変動比を乗除算することで、正確な測長値を算出することができる。なお、本実施例は大域帯電と局所帯電を分離して計測することを要旨とするものであり、上記走査偏向器の調整法や測長値の補正法は特に上述するものに限られない。

図６は本実施例の第２の具体例である。この具体例では、先の具体例の静電電位計に代えて、試料高さを計測する手段を追加した。例えば、所定の観察点近傍に試料ステージ
１０９が接近した時点から高さ検出用レーザー発光器１１５がウェハ１０８に向けてレーザー光１１６を照射し、その反射光をポジションセンサ１１７で受光し、その受光位置からウェハの高さを検出する、いわゆるＺセンサを備える。ジャストフォーカスとなる対物レンズの励磁電流と試料高さのデータから、大域帯電電位Ｖ_g が一意に決まるので、予めこれら３つの物理量の関係を実験、あるいは電子光学シミュレーションによって計算しておけば、直接電位を測定しなくても大域帯電電位Ｖ_gが推測できる。

本実施例では、帯電補正制御部１２０は上述した大域帯電電位Ｖ_g を推測するまでのＺセンサによる試料高さ計測，局所帯電電圧ΔＶ_s を得るまでのＳカーブ測定シーケンスを実行する。さらに、先の具体例と同様に、求めたＶ_g，ΔＶ_s、および対物レンズ１０６の励磁電流等に基づいて倍率補正量を計算し、走査偏向器１０７の偏向強度、或いは得られた測長値を補正する。

次に実施例の更なる具体例を説明する。これは以上の２つの具体例で述べた静電電位計と試料高さを計測する手段の両方を備えたＳＥＭである。両手段を備えることにより、大域帯電電位Ｖ_gと局所帯電電圧ΔＶ_sをより高精度に、安定して計測できる。

即ち、静電電位計プローブ１１４の測定データ、あるいはフィッティングされた関数によって第一近似値Ｖ_g(1)を求め、Ｚセンサからの試料高さデータを加味してジャストフォーカスとなる対物レンズの励磁電流を推定しておけば、ジャストフォーカスの探索（いわゆるオートフォーカス）を短時間に完了することができる。Ｖ_g(1)から計算した対物レンズの励磁電流とオートフォーカスで求まった励磁電流の差から、正確な大域帯電電位Ｖ_gを計算することができる。Ｖ_gが正確であれば、局所表面電位Ｖ_sとの差であるΔＶ_s＝Ｖ_s−Ｖ_gは正確に計算でき、倍率補正精度も向上する。

図７は上述した実施例が備えるエネルギーフィルタをより詳細に説明している。二次電子変換電極１１０の下に、接地されたメッシュ電極１１３で上下に挟まれたメッシュ電極１１２を設置し、大域帯電電位Ｖ_gあるいは第一近似値Ｖ_g(1)を初期値としてメッシュ電極１１２の印加電圧を走引し、Ｓカーブ（エネルギーフィルタへの印加電圧を変化させたときの二次電子量分布）を計測する。接地されたメッシュ電極１１３はメッシュ電極112の電界が変換電極１１０等への不要な広がりを防止する。また、下側のメッシュ電極113にはメッシュ電極１１２の電圧に依らず、一定量の二次電子１０２が衝突し、一定量の新たな二次電子１３０が生成される。この二次電子１３０は正の約１０ｋＶの高電圧を印加したシンチレータ１３１に吸引される。シンチレータ１１１からの電流Ｉ₁₁をシンチレータ１３１からの電流Ｉ₃₁で規格化することで、Ｓカーブを高精度に計測できる。シンチレータ１１１の場合と同様にブラウン管に像表示も可能である。

図８は、特に上述した３つ目の具体例の帯電補正制御部１２０を詳細に説明している。帯電補正制御部１２０は、静電電圧計測データテーブル２０１，オートフォーカス制御部２０２，大域帯電電位計算部２０３，Ｓカーブを自動計測するエネルギーフィルタ電圧制御部２０４，局所帯電電圧計算部２０５および倍率補正計算部２０６から成る。

まず、静電電圧計測データテーブル２０１には静電電圧計で測定した試料の座標に対する電圧Ｖ₁₄のデータ、あるいはフィッティングされた関数形を記憶しておく。観察点が移動する毎に対応する大域帯電電圧ΔＶ_gを計算し、所望の加速電圧Ｖ_acc＝Ｖ_o＋ΔＶ_g＋
Ｖ_rを満足するように試料ステージ１０９へのリターディング電圧Ｖ₉（＝Ｖ_r）を調整する。オートフォーカス制御部２０２はＺセンサからの試料高さデータＺ_iと設定した加速電圧Ｖ_accに対する励磁電流Ｉ₆(1)を計算し、この電流の近傍を走引することで、ジャストフォーカスする励磁電流Ｉ₆を探索する。続いて、大域帯電電位計算部２０３はＩ₆(1)とＩ₆に差が有る場合に加速電圧Ｖ_accに誤差があると考え、ΔＶ_gを修正し、正確な大域帯電電位Ｖ_gを求める。

一方、エネルギーフィルタ電圧制御部２０４は帯電のない状態でのＳカーブを計測し、局所帯電電圧計算部２０５に記憶しておく。Ｓカーブの計測シーケンスは上述したように、大域帯電電位Ｖ_g あるいはその推定値Ｖ_g(1)を基点としてメッシュ電極１１２の印加電圧Ｖ₁₂を走引し、二次電子の電流Ｉ₁₁の変化を計測する。シンチレータ３１からの電流
Ｉ₃₁で規格化することもできる。記憶しておくデータとしては、Ｓカーブそのもの、あるいは閾値を超えるフィルタ電圧，Ｓカーブの傾斜が最大となるフィルタ電圧等の処理済みのデータでも良い。試料の材質に依存してＳカーブが若干異なるので、材質毎にデータを記憶することで、以後の計算精度を高めることができる。局所帯電電圧計算部２０５は基準となるＳカーブを選択し、電圧のシフト量から局所帯電電圧ΔＶ_s を計算する。最後に、倍率補正計算部２０６は大域帯電電位Ｖ_gと局所帯電電圧ΔＶ_sから、それぞれの式(１)および（２）を用いて倍率補正量ΔＭ_g，ΔＭ_sを計算し、総合的な倍率Ｍ＋ΔＭ_g＋ΔＭ_sの逆数で走査偏向器の電流Ｉ₇ を補正することで、帯電電圧に依らずに常に所望の倍率で像観察ができる。

半導体素子製作ラインで大量のウェハを自動処理する場合には、エネルギーフィルタによるＳカーブ測定回数を減らして、処理速度を上げることが有効である。同一回路バターン，同一材料においては局所帯電電圧ΔＶ_sは同一となるので、測定済みのΔＶ_sを流用することができる。場合によっては、ウェハ毎に一回のＳカーブ測定で済ませることも可能である。新規にＳカーブを測定した場合には局所帯電電圧計算部２０５のデータベースに自動的に追加される。

本実施例によれば、絶縁物試料の像観察，寸法測定において、観察倍率の変動量が高精度に計算でき、所望の観察倍率に固定、或いは倍率変動によって変化する測長値を補正することも可能である。これによって、超微細化された半導体素子製作のプロセスにおいて、高精度の寸法管理が可能となる。

また、付加的効果として、試料に入射する一次電子ビームのエネルギーを高精度に制御可能であることから安定した画質がえられる。さらに、局所帯電電圧ΔＶ_s をモニターしておくことにより、過大な帯電による絶縁破壊の防止，アスペクトの大きなコンタクトホール底面観察が可能な帯電電圧が得られているかの指標とすることができる。

（実施例３）
図１１を用いて説明したように、局所帯電電圧ΔＶ_s は、対物レンズの光学倍率Ｍ_objを変動させる。電子ビーム照射による帯電電圧ΔＶ_s は局所的であるため、励磁電流Ｉ₆ への影響がほとんど無い。それにもかかわらず、局所帯電電圧ΔＶ_s は微小な静電レンズ１０８ｂを形成するため、グローバル帯電（大域帯電）によって偏向された一次電子の軌道１０１ａを軌道１０１ｂのように集束させ光学倍率Ｍ_objを大きく変動させることは、先の実施例で説明した通りである。

このように、異なる帯電現象が複合しているために、困難となっている正確な検査，測定を行うための更なる手法を以下に説明する。

本実施例では、局所帯電電圧ΔＶ_sによる倍率変動の補正を行い、正しい光学倍率Ｍ_objを計算する手法を提案する。

局所帯電によって引き起こされる倍率変動は、局所帯電電圧ΔＶ_s に依存し、局所帯電電圧ΔＶ_s は、電子線の照射倍率（本実施例では、検査，計測のための電子線照射の前に、本実施例で説明するような電子線照射を行うことを主に説明するため、以下プリドーズ倍率とする）Ｍ_preと試料表面近くの電場と試料の種類に依存する。

図１４にブースティング電圧０.５ｋＶ と５ｋＶにおいて、プリドーズ倍率Ｍ_pre を変動させた場合の局所帯電電圧ΔＶ_s を示す。ここで言うブースティングとは、対物レンズ内を電子線が高加速で通過できるように少なくとも対物レンズ内に正電圧が印加された円筒電極を配置する手法である。図１４は、円筒電極に印加する電圧を０.５ｋＶ とした場合と、５ｋＶとした場合に、プリドーズ倍率を変化させたときの表面電位を計測した結果である。ブースティング技術は例えば特開平９−１７１７９１号（USP5,872,358）に詳細に記載されている。

局所帯電電圧ΔＶ_s を変動させるパラメータを、試料表面電場とプリドーズ倍率とした時、ブースティング電圧Ｖ_b，リターディング電圧Ｖ_r，フィッティング係数Ａ₁およびａ₁、プリドーズ倍率Ｍ_pre から局所帯電電圧ΔＶ_s は次のフィッティング関数で計算できる。

ΔＶ_s＝Ａ₁（Ｖ_b−Ｖ_r）／Ｍ_pre＋ａ₁ （１３）
また、倍率感度係数Ｔ_sを用いることによりΔＶ_sから倍率変動量ΔＭ／Ｍ_objを次式で計算できる。

ΔＭ／Ｍ_obj＝Ｔ_s＊ΔＶ_s （１４）
図１５にリターディング電位Ｖ_r＝−１.２ｋＶにおいて、ビームの照射面積（∝１／プリドーズ倍率＝１／Ｍ_pre）を変動した場合の倍率変動感度係数Ｔ_sを示す。Ｔ_s はビーム照射面積に応じて４つの区間に分けることができる。５０倍より低倍率ではグローバル帯電と見なせる。

５０倍から５００倍までの区間はグローバル帯電から局所帯電への遷移領域にある。
５００倍から５０００倍の区間ではほぼ一定と見なせる。５０００倍より高倍率では徐々にＴ_sが減少する傾向にある。従って、照射領域を倍率変動感度係数Ｔ_sが一定値と見なせる５００倍から５０００倍の倍率に相当する照射領域（一辺が１０μｍから３００μｍ）に設定すれば、補正値の推定精度を保持したまま、予め記憶しておくデータ数を削減できる。

パターンの寸法の真値と実測値をそれぞれＬ，Ｌ_exとすると、倍率変動量Ｂ＝ΔＭ／
Ｍ_objは次式で計算できる。

Ｌ／Ｌ_ex＝１＋Ｂ （１５）
式（１３），式（１４），式（１５）を用いて、真の測長値を推定する場合、未知の係数はＡ₁及びａ₁である。そのためプリドーズ倍率Ｍ_pre もしくは試料表面の電場に比例する（Ｖ_b−Ｖ_r）を変えて二度以上測定した結果を用いれば、真の測長値Ｌを推定することができる。

上記の方法は、未知の絶縁体試料を観察する場合において、プリドーズ倍率Ｍ_pre もしくは試料表面の電場等を変化させて、二つ以上の異なる局所帯電電圧ΔＶ_s で観測することにより真の測長値を推定できるという利点も持つ。また上記の方法を用いる際に、局所帯電電圧ΔＶ_s を、式（１３）に示したようなプリドーズ倍率や表面電場を帯電可変パラメータとして持つフィッティング関数ではなく入射ビームのエネルギーや照射時間及び試料内の電子及びホールの移動度等も帯電可変パラメータとして持つ別のフィッティング関数で表しても同様な効果を得ることができる。

また、式（１３）に用いられたフィッティング係数ａ₁及びＡ₁を記憶部に記憶しておくことにより、１つのプリドーズ倍率と表面電界における測長値を用いて真の寸法値を推定する事が出来る。一方、式（１３）に用いられたフィッティング係数ａ₁ はプリドーズ倍率や、表面電場に左右されない項である。そのため、同じ種類の試料の測長値を補正する際に用いられたａ₁ のばらつきを式（１３），式（１４），式（１５）に代入することによって補正に用いられたフィッティングパラメータの信頼性を測長値の偏差として評価することができる。

図１６にプリドーズ倍率に対する補正前の測長値と補正後の測長値の関係を表すグラフを示す。式（１５）に従って、真の寸法値と補正前の測長値の関係から計算したプリドーズ倍率毎の倍率変動量Ｂを記憶しておくことにより、１つの観察条件における測長値から真の寸法値を推測する事が出来る。

またプリドーズを行う際に、特開２０００−２００５７９号公報に示されている最適加速電圧を用いることにより高コントラストの画像を得ることができ、より高精度の観測結果を得ることができる。

本実施例の第１の具体例では、真の寸法値の推定手段として、局所帯電電圧を可変する帯電可変パラメータを変化させ計測した複数個の測長値を用いることにより真の寸法値を推定する機能を、図５や図６の帯電補正制御部１２０に持たせた例について説明する。

図１７に帯電補正制御部１２０の模式図を示す。帯電補正制御部１２０には大きくグローバル帯電補正部３０２と局所帯電補正部３０３から構成される。局所帯電補正部３０３は３１３ａを介して測定条件（帯電可変パラメータ，加速電圧，プリドーズ時の一次電子照射時間）を設定する。

設定した条件において計測した測長値を、入力装置（図示せず）から局所帯電補正部
３０３に、３１３ｂを経由して入力する。入力された測長値と設定した測定条件から、局所帯電補正を行う倍率変動量Ｂを、３１３ｄを通し帯電補正統括部３０４に入力する。またグローバル帯電補正部３０２で計算された倍率変動量も３１３ｅを通り帯電補正統括部３０４に入力する。

帯電補正統括部３０４で入力された局所帯電補正部３０３及びグローバル帯電補正部
３０２のそれぞれの補正部で導出された倍率変動量からグローバル帯電と局所帯電の影響によって変動した測長値の補正を行った寸法値を出力する。

図１８に測長値を補正する場合のフローチャートを示す。まず、ステップｓ１０１で帯電可変パラメータ及び測定条件を設定する。ステップｓ１０２で、ステップｓ１０１で定めた条件に従い試料に電子ビームを照射し試料を帯電させる。ステップｓ１０３で、ステップｓ１０１、もしくはステップｓ１０９で定めた帯電可変パラメータの下で計測した測長値Ｌ_exを得る。ステップｓ１０４で、ステップｓ１０３で取得した測長値Ｌ_exから、十分な精度で測長が行えたか判断する。十分な精度で測長が行えていないと判断した場合、ステップｓ１０１で観察条件を設定しなおす。

ステップｓ１０６でステップｓ１０７での補正に必要な複数回のデータがそろっているかを判別し、データが不足している場合はステップｓ１０９で異なる帯電可変パラメータを設定しもう一度測長する。ステップｓ１０７でステップｓ１０５において計測した測長値とステップｓ１０２及びステップｓ１０９で定めた帯電可変パラメータを用いて、測長値を補正する。ステップ１０８で補正した測長値をモニターに出力する。

本実施例を用いて局所帯電補正を行えば、予備測定を行ったことのない試料の形状および材質についても異なる局所帯電電圧で二回以上測定することにより、真の寸法値を高精度に推測することが出来る。また、倍率毎のエネルギーフィルタを用いた予備測定が不要となるので、測定速度の向上にも効果がある。

図１９にプリドーズ倍率を変え試料に帯電させた時の試料帯電の模式図を示す。二つ以上の異なるプリドーズ倍率を用いそれぞれの倍率で測長する場合、次に示す手順を用いることにより、早く安定した局所帯電を作り出すことができる。

試料１０８は、表面全体に広がるグローバル帯電電位Ｖ_g と電子照射によって引き起こされる局所帯電電圧ΔＶ_s の二種類の帯電をしている。図１９（１）においてプリドーズ倍率の小さい状態で観測した後にプリドーズ倍率を上げて観測するとき、残留帯電領域
１０８ｄができる。この残留帯電領域の帯電が十分緩和するまでの緩和時間をとらなければ局所帯電補正に悪影響を及ぼす。しかし、図１９（２）のようにプリド−ズ倍率が大きい状態で観測した後にプリドーズ倍率を下げて観測を行えば、残留帯電領域が存在しないため、緩和時間は必要なくプリドーズ終了後すぐに測定に入れる。上記の手順を用いる事で、精度の良い帯電領域の下で早く観測を行うことが出来る。

続いて本発明実施例の第２の具体例を図２０及び図２１を用いて説明する。本実施例では帯電補正部１２０内に組み込まれている記憶部３０１に倍率変動量Ｂもしくは局所帯電電圧ΔＶ_s を表す関数のフィッティング定数のデータベースを備える。局所帯電補正部
３０３から３１３ａを経由して測定条件（帯電可変パラメータ，加速電圧，プリドーズ時の一次電子照射時間）を設定する。

設定した条件において計測した測長値を局所帯電補正計算部３０３に３１３ｂを経由して入力する。帯電可変パラメータもしくは倍率変動量Ｂを、３１３ｇを経由して記憶部
３０１へ入力する。記憶部３０１で入力された帯電可変パラメータに適応するΔＶ_s と帯電可変パラメータを関連付けるフィッティング係数もしくは倍率変動量Ｂを、３１３ｈを経由し局所帯電補正部３０３に入力する。入力されたデータを用いて補正を行い計算した補正後の測長値を、３１３ｄを経由して出力する。

図２１に補正データを記憶している場合の測定手順のフローチャートを示す。ステップ２０１で帯電可変パラメータ及び測定条件を設定する。ステップ２０２において、ステップｓ２０１で設定した条件に従い試料に電子ビームを照射し試料を帯電させる。ステップｓ２０３で、ステップｓ２０１、もしくはステップｓ２０９で定めた帯電可変パラメータの下で計測した測長値Ｌ_exを得る。ステップｓ２０４で十分な精度で測長が行えたか判断する。十分な精度での測長が行えていないと判断した場合、ステップｓ２０９で観察条件を設定しなおす。

ステップ２０６で、記憶部３０１から補正データとして同じ帯電可変パラメータの下で過去に導出した倍率変動率ＢもしくはＶ_s を表すフィッティング関数のフィッティング係数を読み込む。ステップｓ２０７で、取得した測長値Ｌ_ex、及びステップｓ２０１或いはステップｓ２０８で定めた帯電可変パラメータから、補正可能か否かを判断する。補正不可能と判断した場合、ステップｓ２０９で観察条件を設定し直す。

ステップ２０８で局所帯電補正部３０３にステップｓ２０５で計測した測長値Ｌ_exを入力する。同時にこのデータを用いて局所帯電補正部３０３で補正を行い補正後の測長値を得る。

本実施例を用いて局所帯電補正を行うことにより、一度測定をした試料の少なくとも同一パターン，同一条件部についての局所帯電補正を一つの帯電可変パラメータの下で計測した測長値から行う事ができるため、測長時間の短縮を測ることができる。ステップs201で特開２０００−２００５７９号公報に示されるような最適プリドーズ条件を設定すればより高精度で安定した観測を行うことができる。

本実施例の第３の具体例は、補正された測長値の信頼性向上のために、記憶部３０１に、過去に測定した同種の試料における測定条件及び倍率変動量Ｂ及びＶ_s のフィッティング関数のフィッティング係数をデータベースとして備えた構成を説明する。

本実施例は記憶部３０１に上記のデータベースを備えることにより、局所帯電補正後の測長値の精度を、補正後の測長値の偏差として定量的に評価する。この測長値の偏差から閾値を設定する。設定した閾値を超える測長値を計測した場合、異常測定を行ったと判断し、異常測定の原因が試料表面についた不純物などの影響による異常帯電の影響によるかそうでないかを判別する。

本実施例を用いる場合の手順を次に示す。まずデータベース構築の手順を示す。試料の局所帯電電圧ΔＶ_s を変化させ計測した同一点間の測長値から、複数個の局所帯電電圧のフィッティング係数を導出する。同様に同種の試料の異なる二点間の測長値から局所帯電電圧ΔＶ_sのフィッティング関数のフィッティング係数を導出する。

これを繰り返すことにより求められた複数のフィッティング係数のうち帯電可変パラメータに依存しない項のフィッティング係数ａ₁ のばらつきを抽出する。フィッティング係数ａ₁のばらつき及びフィッティング係数ａ₁のばらつきを測長値の偏差に直したものを記憶部３０１に記憶する。

次に構築したデータベースを用いて、異常帯電の有無を判定するための手順を次に示す。試料の交換毎もしくは測長する毎に、帯電可変パラメータを変化させ計測した測長値から導出した測長値が、記憶部３０１に記憶していた測長値の偏差から求められた閾値を超える時、図２２（ａ）（ｂ）に示す画面の表示例を表示し使用者に帯電異常の有無を知らせる。

今回の補正に用いられたフィッティング係数ａ₁が記憶部３０１に記憶されている過去に測定されたフィッティング係数ａ₁のばらつきから求められた閾値内である場合、局所帯電は正常に行われていると推定し異常帯電が無い事を示す。

今回の補正に用いられたフィッティング係数ａ₁ の値が記憶部３０１に記憶されているフィッティング係数ａ₁ のばらつきから求められた閾値を超える場合は異常帯電が生じた事を示す。本実施例を用いることにより、局所帯電の異常帯電の有無を知ることができるため高信頼度の補正後の測長値を求めることができる。

本実施例の第４の具体例は、上記の実施例のすべてを組み合わせた機能を持つものである。本実施例のフローチャートを図２３に示す。ステップｓ１で記憶部３０１に今回の観測試料に対する補正データ有無の判別を行う。記憶部３０１に今回の測長に必要な補正データが無い場合、ループ１のフローに入りステップｓ１００で第１の具体例に示す処理を行うことにより補正後の測長値Ｌを導き出す。

ステップｓ１２０及びステップｓ１６０で補正結果を画面に表示し、今回使用した補正データを次回以降使用するかを決定し、次回以降使用する場合ステップｓ１７０で記憶部３０１に補正データを記憶する。ステップｓ１で補正データがある場合ループ２に入り第２の具体例に示す処理を行うことにより補正後の測長値Ｌを導き出す。ステップｓ１２０で図２２（ａ）（ｂ）に示す画面に補正結果を表示する。

ステップ２１０において、第３の具体例に示す評価を行い帯電異常が検出された場合に、ワーニングを表示しループ３に入り、ステップｓ１００で複数回第１の具体例に示す手順を繰り返す事により、複数の条件におけるフィッティング係数ａ₁ を出力する。ステップｓ３００において、ステップｓ１００で求めた複数個のフィッティング係数の、ばらつきの平均値を用いてフィッティング関数を作る。

複数個のフィッティング係数ａ₁ のばらつきによる測長値の偏差から、今回作成したフィッティング関数の信頼度を評価する。フィッティング関数が信頼できると判断できなかった場合もう一度ステップｓ１００に戻る。ステップｓ３００で異常帯電部に対して十分信頼できるフィッティング関数を得ることができたと判断した場合、ステップｓ１２０で今回作成したフィッティング関数を用いた補正後の測長値及び測長値の偏差等の計算結果を画面に表示する。

本実施例を用いて局所帯電補正を行うことにより、同一の絶縁体試料に刻まれた同様なパターンの測長を行う際、より高速に安定した精度で測長を行うことができる。

本実施例の第５の具体例では、前回測定した帯電の影響を少なくするために紫外線照射装置３１４を備えた走査電子顕微鏡の例を説明する。図２４に紫外線照射装置を備える走査電子顕微鏡の模式図を示す。

１１３は測定条件等を入力するための入力装置である。紫外線照射装置３１４から観測ごとに紫外線を試料に照射する事により、前回測定したために蓄積された試料の帯電を初期化する事ができより安定した寸法の計測を行うことができる。

本実施例によれば、絶縁物試料の像観察，寸法測定において、観察倍率の変動量が高精度に計算できる。これによって、超微細化された半導体素子製作のプロセスにおいて、短時間で高精度の寸法管理が可能となる。

走査電子顕微鏡の全体構成を表す図である。 搬送経路におけるウェハと搬送アームと静電電位計との位置関係を示す図である。 ウェハ面上の帯電分布関数の決定方法についてのフローを示す図である。 複数個のプローブでウェハの帯電電圧を測定する方法を示す図である。 静電電位計とエネルギーフィルタを備えたＳＥＭの全構成図である。 試料高さ計測手段とエネルギーフィルタを備えたＳＥＭの全構成図である。 エネルギーフィルタの詳細構成図である。 帯電補正制御部の詳細構成図である。 対物レンズの光学倍率を説明する図である。 試料の帯電のメカニズムを説明する図である。 帯電電圧が倍率を変動されるメカニズムを説明する図である。 大域帯電電圧と倍率変動感度係数を関係付けるグラフである。 局所帯電電圧と倍率変動感度係数を関係付けるグラフである。 照射電子線の照射領域と局所帯電の関係を示すグラフである。 照射電子線の倍率と倍率変動感度係数の関係を示すグラフである。 プリドーズ倍率と、実測測長値および推定測長値の関係を示すグラフである。 局所帯電補正部のブロック図である。 ２以上の帯電測定に基づく局所帯電補正を行う手順を示したフローチャートである。 プリドーズ倍率による電子線照射を行った際の帯電状況を説明する図である。 他の局所帯電補正部のブロック図である。 記憶部に補正データがある場合の局所帯電補正の手順を示すフローチャートである。 局所帯電補正により推定された測長値の誤差確認画面を示す図である。 複数の具体例を複合した手順を示すフローチャートである。 紫外線照射装置を備えたＳＥＭの全体構成図を説明する図である。

Claims (18)

1. 半導体ウェハに印加する負の電圧を調整することによって、試料に照射される電子ビームのフォーカスを制御する電子ビームの調整方法において、
   前記半導体ウェハ上に同心円状に分布する電位の電位分布と、前記電子ビームが照射される前記半導体ウェハ上の座標を用いて、半導体ウェハに印加する負電圧を調整することを特徴とする電子ビームの調整方法。
2. 請求項１において、
   前記半導体ウェハ上の複数点の電位を測定し、当該測定データに基づいて、前記電位分布を近似する分布関数を作成することを特徴とする電子ビームの調整方法。
3. 請求項２において、
   前記半導体ウェハ上の電位を測定し、当該電位の測定データに基づいて、前記分布関数を再度作成することを特徴とする電子ビームの調整方法。
4. 請求項２において、
   前記測定データと、前記分布関数によって得られる電位の近似値との差分を計算し、当該差分が設定されたしきい値より大きいとき、前記測定データを前記分布関数の作成から除外することを特徴とする電子ビームの調整方法。
5. 請求項１において、
   前記電位分布を近似する分布関数は偶関数であることを特徴とする電子ビームの調整方法。
6. 半導体ウェハに対し負の電圧を印加して電子ビームのフォーカスを制御する走査電子顕微鏡に対し、前記負の電圧の印加を制御する信号を伝達するための荷電粒子光学系制御装置において、
   当該荷電粒子光学系制御装置は、前記半導体ウェハ上に同心円上に分布する電位分布と、前記電子ビームが照射される前記半導体ウェハ上の座標に基づいて、前記半導体ウェハに印加する負電圧を演算することを特徴とする荷電粒子光学系制御装置。
7. 請求項６において、
   前記荷電粒子光学系制御装置は、計測された前記半導体ウェハの電位の測定データに基づいて、前記電位分布を近似する分布関数を作成することを特徴とする荷電粒子光学系制御装置。
8. 請求項７において、
   前記荷電粒子光学系制御装置は、測定された前記半導体ウェハ上の電位の測定データに基づいて、前記分布関数を再度作成することを特徴とする荷電粒子光学系制御装置。
9. 請求項７において、
   前記荷電粒子光学系制御装置は、前記測定データと、前記分布関数によって得られる電位の近似値との差分を計算し、当該差分が設定されたしきい値より大きいとき、前記測定データを前記分布関数の作成から除外することを特徴とする荷電粒子線光学系制御装置。
10. 請求項６において、
    前記電位分布を近似する分布関数は偶関数であることを特徴とする荷電粒子線光学系制御装置。
11. 電子源と、当該電子源から放出された電子ビームのフォーカスを、半導体ウェハに印加する負電圧を変化させることによって調整する制御装置を備えた走査電子顕微鏡において、
    当該制御装置は前記半導体ウェハ上に同心円上に分布する電位を近似する分布関数と、前記電子ビームが照射される前記半導体ウェハ上の座標に基づいて、前記半導体ウェハに印加する負電圧を演算することを特徴とする走査電子顕微鏡。
12. 請求項１１において、
    前記制御装置は、計測された前記半導体ウェハの電位の測定データに基づいて、前記電位分布を近似する分布関数を作成することを特徴とする走査電子顕微鏡。
13. 請求項１２において、
    前記制御装置は、測定された前記半導体ウェハ上の電位の測定データに基づいて、前記分布関数を再度作成することを特徴とする走査電子顕微鏡。
14. 請求項１２において、
    前記荷電粒子光学系制御装置は、前記測定データと、前記分布関数によって得られる電位の近似値との差分を計算し、当該差分が設定されたしきい値より大きいとき、前記測定データを前記分布関数の作成から除外することを特徴とする走査電子顕微鏡。
15. 請求項１１において、
    前記電位分布を近似する分布関数は偶関数であることを特徴とする走査電子顕微鏡。
16. 半導体ウェハに印加する負の電圧を調整することによって、試料に照射される電子ビームのフォーカスを制御する電子ビームの調整方法において、
    前記半導体ウェハ上に生じる、半導体ウェハの中心を最高点として、当該ウェハの縁に行くに従って、低くなるような電位分布と、前記電子ビームが照射される前記半導体ウェハ上の座標を用いて、半導体ウェハに印加する負電圧を調整することを特徴とする電子ビームの調整方法。
17. 半導体ウェハに対し負の電圧を印加して電子ビームのフォーカスを制御する走査電子顕微鏡に対し、前記負の電圧の印加を制御する信号を伝達するための荷電粒子光学系制御装置において、
    当該荷電粒子光学系制御装置は、前記半導体ウェハ上に生じる、半導体ウェハの中心を最高点として、当該ウェハの縁に行くに従って、低くなるような電位分布と、前記電子ビームが照射される前記半導体ウェハ上の座標を用いて、半導体ウェハに印加する負電圧を調整することを特徴とする荷電粒子光学系制御装置。
18. 電子源と、当該電子源から放出された電子ビームのフォーカスを、半導体ウェハに印加する負電圧を変化させることによって調整する制御装置を備えた走査電子顕微鏡において、
    当該制御装置は前記半導体ウェハ上に生じる、半導体ウェハの中心を最高点として、当該ウェハの縁に行くに従って、低くなるような電位分布と、前記電子ビームが照射される前記半導体ウェハ上の座標を用いて、半導体ウェハに印加する負電圧を調整することを特徴とする走査電子顕微鏡。
    

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