JP2006127903A - 走査型電子顕微鏡及び試料観察方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 試料表面のチャージアップの影響を十分に軽減し、安定した走査画像を得ることができる走査型電子顕微鏡及び試料観察方法を提供する。
【解決手段】 走査型電子顕微鏡１は電子銃３Ａ，３Ｂを備え、電子銃３Ａから放出される電子ビームＢ_１は、電子銃３Ｂから放出される電子ビームＢ_２よりも高いエネルギーを有している。電子銃３Ａ，３Ｂから放出された電子ビームＢ_１，Ｂ_２は、ビーム曲げ機構８によって基板２に対する照射方向が一致するように曲げられ、更にアライメントコイル９及び対物レンズ１０を通り、走査コイル１１により走査されて基板２の同じ位置に照射される。このとき、基板２から放出された２次電子は検出器１５で検出され、この検出器１５の検出信号が画像処理部１６に送られ、画像処理部１６により基板２の走査画像が生成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば試料上に設けられた微細パターンの寸法測定等を行うための走査型電子顕微鏡及び試料観察方法に関するものである。

走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）は、電子銃から放出された電子ビームを試料に走査させて照射し、これによって試料から放出される２次電子を検出して試料の走査画像（ＳＥＭ像）を得るものである。このような走査型電子顕微鏡では、従来から試料表面に生じるチャージアップが問題となっている。このチャージアップに起因した不具合を解決するための走査型電子顕微鏡としては、例えば特許文献１に記載されているものが知られている。
特開平１１−６７１３９号公報

しかしながら、上記従来技術においては、例えばフローティング状態の導電膜や絶縁膜の表面が正に帯電（チャージ）するチャージアップについては、何ら考慮されていない。特に絶縁物の表面が正に帯電している場合には、様々な問題点が顕在化する。

例えばレチクルでは、基本的にガラス基板上にパターンを形成するが、ガラス基板は非常にチャージアップしやすい。このため、測長用ＳＥＭ（ＣＤ−ＳＥＭ）を用いてパターンの寸法測定（測長）を行う場合、パターンの密度によって画像の品質や測長値が影響を受ける可能性がある。その対策として、サンプルにガス（例えばＮ_２ガス）を吹き付けてチャージを吸収する方法が提案されているが、この場合には、ガスの放電によりガスから電子が発生し、それがノイズとなったり、電子銃から放出された電子とガスとの相互作用によりＳＥＭ像の解像度が低下するといった問題がある。

また、近年では、デバイスの小型化・微細化に伴う層間絶縁膜の薄膜化のために、誘電率の低い基板（Low-k基板やUltra Low-k基板）が使われ始めている。しかし、そのような基板は、チャージが溜まりやすく、また一旦チャージすると、そのチャージが抜けにくい。その結果、チャージアップによってデバイスの静電破壊を起こすことがある。

本発明の目的は、試料表面のチャージアップの影響を十分に軽減し、安定した走査画像を得ることができる走査型電子顕微鏡及び試料観察方法を提供することである。

本発明は、試料に電子ビームを走査させて照射し、試料から放出される２次電子を取り込んで画像化する走査型電子顕微鏡であって、第１電子ビームを放出する第１ビーム発生手段と、第１電子ビームよりもエネルギーの低い第２電子ビームを放出する第２ビーム発生手段と、第１電子ビーム及び第２電子ビームを試料の同じ位置に照射させるビーム照射手段と、第１電子ビーム及び第２電子ビームが試料に照射されたときに試料から放出される２次電子に基づいて試料の走査画像を取得する処理手段とを備えることを特徴とするものである。

このような走査型電子顕微鏡において、第１ビーム発生手段は、試料の走査画像を取得すべく、２次電子の放出効率が１よりも大きい高エネルギーの第１電子ビームを放出する。ただし、試料が絶縁材料の場合や導電性材料でもフローティング（接地されていない）状態の場合には、上記の第１電子ビームだけを試料に照射すると、通常の測長用走査型電子顕微鏡の測長範囲で使われるエネルギーのビームでは、試料表面に存在する電子が足りなくなるため、試料表面が正に帯電するチャージアップが発生する。そこで、高エネルギーの第１電子ビームを放出する第１ビーム発生手段に加えて、２次電子の放出効率が１よりも小さい低エネルギーの第２電子ビームを放出する第２ビーム発生手段を設ける。第２電子ビームは走査画像の取得に寄与しないビームであり、低エネルギーであっても全く構わない。そして、ビーム照射手段によって、その第２電子ビームを試料における第１電子ビームの照射位置と同じ位置に照射させる。これにより、第１電子ビームの照射による試料表面の電子の不足分が第２電子ビームの電子で補われることになるため、試料表面のチャージアップが低減される。従って、処理手段によって得られる走査画像は、チャージアップの影響を殆ど受けない安定した画像となる。

好ましくは、ビーム照射手段は、試料に対する第１電子ビーム及び第２電子ビームの照射方向が一致するように、第１電子ビーム及び第２電子ビームの方向を変化させるビーム曲げ部と、ビーム曲げ部で曲げられた第１電子ビーム及び第２電子ビームを試料に対して走査させるビーム走査部とを有する。第１電子ビーム及び第２電子ビームを試料の同じ位置に照射するためには、第１電子ビーム及び第２電子ビームを走査させる前に、第１電子ビームの照射経路と第２電子ビームの照射経路とを揃えておくのが好適である。そこで、第１電子ビーム及び第２電子ビームの方向を変化させるビーム曲げ部を設け、第１電子ビーム及び第２電子ビームの照射方向を合わせることにより、第１電子ビーム及び第２電子ビームを容易に試料の同じ位置に走査させて照射することができる。

また、好ましくは、ビーム照射手段は、第１電子ビームのビーム径が第２電子ビームのビーム径よりも小さくなるように、少なくとも第１電子ビームを絞る手段を有する。上述したように第１電子ビームは走査画像を取得するためのビームであるため、第１電子ビームのビーム径は可能な限り小さいことが好ましいが、第２電子ビームは走査画像の取得には寄与しないため、第２電子ビームのビーム径には特にそのような制約は無い。従って、第１電子ビームのみを十分に絞れば良いので、電子ビームを絞るための構成を簡単化することができる。

さらに、好ましくは、第１電子ビームの照射及び照射停止を切り換える第１動作切換手段と、第２電子ビームの照射及び照射停止を切り換える第２動作切換手段と、第１電子ビーム及び第２電子ビームが試料の同じ位置に同時に照射されるように第１動作切換手段及び第２動作切換手段を制御する制御手段とを更に備える。これにより、第１電子ビームの照射による試料表面の電子の不足分が効率的に第２電子ビームの電子で補われるため、試料表面のチャージアップを確実に低減することができる。

このとき、好ましくは、制御手段は、第１電子ビーム及び第２電子ビームが試料の同じ位置に同時に照射される第１期間と、第２電子ビームのみが試料の対応する位置に照射される第２期間とを含むように、第１動作切換手段及び第２動作切換手段を制御し、処理手段は、第１期間において取得した走査画像の波形と第２期間において取得した走査画像の波形との差を抽出する手段を有する。例えば第２電子ビームのエネルギーが若干高い場合には、第１電子ビーム及び第２電子ビームが試料の同じ位置に同時に照射されたときに、処理手段により取得した走査画像に、第２電子ビームの照射に起因したノイズが加わることがある。そこで、第１電子ビーム及び第２電子ビームの同時照射により得られた走査画像の波形と、第２電子ビームのみの照射により得られた走査画像の波形との差を抽出することにより、第２電子ビームの照射によって生じるノイズが除去された高精度な走査画像を得ることができる。

また、第１電子ビームの照射及び照射停止を切り換える第１動作切換手段と、第２電子ビームの照射及び照射停止を切り換える第２動作切換手段と、第１電子ビーム及び第２電子ビームが試料の同じ位置に交互に照射されるように第１動作切換手段及び第２動作切換手段を制御する制御手段とを更に備えていても良い。この場合にも、第１電子ビームの照射による試料表面の電子の不足分が効率的に第２電子ビームの電子で補われるため、試料表面のチャージアップを確実に低減することができる。

また、本発明の試料観察方法は、上記の走査型電子顕微鏡を用いて、試料の走査画像を観察することを特徴とするものである。なお、ここでいう観察とは、試料の寸法測定（測長）や欠陥検査等も含んだ概念である。これにより、上述したように試料表面のチャージアップが低減されるため、安定した走査画像を得ることができる。

本発明によれば、エネルギーの異なる第１電子ビーム及び第２電子ビームを試料の同じ位置に走査させて照射するようにしたので、試料が絶縁物等の場合であっても、試料表面のチャージアップの影響を十分に軽減し、安定した走査画像を得ることができる。これにより、例えば絶縁膜上に形成されたパターンの観察や寸法測定等を良好に行うことが可能となる。

以下、本発明に係わる走査型電子顕微鏡及び試料観察方法の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係わる走査型電子顕微鏡の一実施形態を示す概略構成図である。同図において、本実施形態の走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭという）１は、ウェハ等の基板２に電子ビーム（１次電子）を走査させて照射し、その時に基板２から放出される２次電子を取り込んで基板２の走査画像を取得することにより、基板２上に形成されたパターン等の測長を行うための測長用ＳＥＭである。

ＳＥＭ１は、基板２に照射する電子ビームを発生させる２つの電子銃３Ａ，３Ｂを備えている。電子銃３Ａ，３Ｂから放出される電子ビームＢ_１，Ｂ_２の加速エネルギーは、電圧源４Ａ，４Ｂにより供給される電圧（加速電圧）によってそれぞれ個別に設定される。

電子銃３Ａから放出される電子ビームＢ_１は、基板２に対するランディングエネルギーが例えば２００ｅＶ〜１ｋｅＶといった高い加速エネルギーを有している。この電子ビームＢ_１の加速エネルギーは、基板２の走査画像を取得するのに必要なエネルギーである。電子銃３Ｂから放出される電子ビームＢ_２は、基板２に対するランディングエネルギーが例えば０〜１００ｅＶといった低い加速エネルギーを有している。この電子ビームＢ_２は、基板２の走査画像の取得には殆ど関与しないものである。なお、基板２に対するランディングエネルギー（図３参照）とは、電子ビームＢ_１，Ｂ_２が基板２に当たった時のエネルギーをいう。

また、ＳＥＭ１は、動作切換機構５Ａ，５Ｂと、アライメントコイル６Ａ，６Ｂと、収束レンズ７Ａ，７Ｂと、ビーム曲げ機構８と、アライメントコイル９と、対物レンズ１０と、走査コイル１１とを備えている。

動作切換機構５Ａ，５Ｂは、電子銃３Ａ，３Ｂから放出された電子ビームＢ_１，Ｂ_２の基板２に対する照射及び照射停止をそれぞれ切り換えるものである。動作切換機構５Ａは、例えば２枚の電極プレートからなり、電圧源１２Ａにより各電極プレートを同電位としたときは、電子ビームＢ_１をまっすぐに通過させ、電圧源１２Ａにより一方の電極プレートをアースに落としたときは、電子ビームＢ_１を当該電極プレートに逃がして基板２に向かわないようにする。動作切換機構５Ｂは、動作切換機構５Ａと同じ構成及び機能を有し、電圧源１２Ａにより動作する。

アライメントコイル６Ａ，６Ｂは、動作切換機構５Ａ，５Ｂを通過した電子ビームＢ_１，Ｂ_２の軸調整をそれぞれ行うものであり、図示しない電圧源により動作する。収束レンズ７Ａ，７Ｂは、アライメントコイル６Ａ，６Ｂを通過した電子ビームＢ_１，Ｂ_２をそれぞれ収束させるものである。

ビーム曲げ機構８は、収束レンズ７Ａ，７Ｂを通過した電子ビームＢ_１，Ｂ_２の基板２に対する照射方向が一致するように、電子ビームＢ_１，Ｂ_２の方向を変化させるものである。ビーム曲げ機構８は、例えば２枚の電極プレートからなり、電圧源１３により各電極プレートに異なる電圧を供給することで、電子ビームＢ_１，Ｂ_２を強制的に曲げることができる。このとき、電子ビームＢ_２の加速エネルギーは電子ビームＢ_１の加速エネルギーよりも低いため、電子ビームＢ_２は電子ビームＢ_１よりも長く各電極プレート間に存在することになる。このため、電子ビームＢ_２は、電子ビームＢ_１に比べて曲がりやすくなる。従って、電圧源１３の供給電圧を調整することにより、電子ビームＢ_１，Ｂ_２の経路（方向）がほぼ一致するように電子ビームＢ_１，Ｂ_２を曲げることが可能である。

なお、電子ビームＢ_１，Ｂ_２の経路をより正確に揃えるためには、図示はしないが、例えばビーム曲げ機構８の後段側に発散レンズ及び集束レンズを並べて配置するのが望ましい。この場合には、ビーム曲げ機構８を通過した電子ビームＢ_１，Ｂ_２が一旦発散レンズで発散され、更に発散した電子ビームＢ_１，Ｂ_２が集束レンズで集束されることになるため、電子ビームＢ_１，Ｂ_２中の電子のうち方向の揃った電子のみを取り出すことができる。

また、電子ビームＢ_１，Ｂ_２を強制的に曲げる手段としては、特に上記のような２枚の電極プレートからなるものには限られず、偏向コイル等を用いても良い。

アライメントコイル９は、基板２に対する照射経路が揃った電子ビームＢ_１，Ｂ_２の軸調整を行うものであり、図示しない電圧源により動作する。対物レンズ１０は、アライメントコイル９を通過した電子ビームＢ_１，Ｂ_２のビーム径を絞るものであり、図示しない電圧源により動作する。上述したように加速エネルギーの高い電子ビームＢ_１は、基板２の走査画像を取得するための電子ビームであるため、できる限り絞る必要がある。このため、対物レンズ１０は、電子ビームＢ_１のビーム径を１０ｎｍ以下、好ましくは３ｎｍ以下に絞るように設定されている。このように高エネルギーの電子ビームＢ_１を基準にしてビーム径を調整すると、低エネルギーの電子ビームＢ_２のビーム径については数μｍ程度までしか絞れないが、電子ビームＢ_２は基板２の走査画像の取得には殆ど寄与しないため、特に支障は無い。

走査コイル１１は、電圧源１４により供給される電圧によって駆動し、対物レンズ１０を通過した電子ビームＢ_１，Ｂ_２を偏向させて基板２上に２次元的に走査させる。

また、アライメントコイル９と対物レンズ１０との間には、電子ビームＢ_１，Ｂ_２が基板２の表面に照射されたときに基板２の表面から放出される２次電子を検出する検出器１５が配置されている。なお、検出器１５では、電子ビームＢ_１，Ｂ_２の照射によって基板２の表面で反射した電子も検出される。

さらに、ＳＥＭ１は、画像処理部１６と、制御・演算処理部１７とを備えている。画像処理部１６は、検出器１５の検出信号に基づいて基板２の走査画像を生成する。制御・演算処理部１７は、電圧源４Ａ，４Ｂ、電圧源１２，１２Ｂ、電圧源１３及び電圧源１４を含む各種電圧源を制御すると共に、画像処理部１６で生成された走査画像のデータに基づいて所定の演算処理を行う。

図２は、制御・演算処理部１７の処理手順の詳細を示すフローチャートである。このフローチャートを用いて、ＳＥＭ１により基板２を観察する方法について説明する。図２では、処理の簡略化のために、１枚の基板２に対して１つの走査画像を生成し、その１フレームの走査画像を基にして所定の演算処理を行うものとしている。なお、１フレームの走査画像は、電子ビームにより基板２を複数の走査ラインに沿って走査することにより得られる。

ここで、電子銃３Ａから放出される高エネルギーの電子ビームＢ_１は、ランディングエネルギーが例えば５００ｅＶになるように設定され、電子銃３Ｂから放出される低エネルギーの電子ビームＢ_２は、ランディングエネルギーが例えば５０ｅＶとなるように設定されている（図３参照）。なお、これらの電子ビームＢ_１，Ｂ_２を基板２の同じ位置に確実に照射可能となるように、基板２には例えば−３０００Ｖのバイアスがかけられていると共に、電子銃３Ａには例えば−３５００Ｖの加速電圧が供給され、電子銃３Ｂには例えば−３０５０Ｖの加速電圧が供給されている。

制御・演算処理部１７は、まず電子銃３Ａ，３Ｂから放出された電子ビームＢ_１，Ｂ_２が基板２に向けて同時に照射されるように、電圧源４Ａ，４Ｂを制御する（手順５１）。これにより、電子銃３Ａ，３Ｂから放出された電子ビームＢ_１，Ｂ_２は、動作切換機構５Ａ，５Ｂ、アライメントコイル６Ａ，６Ｂ、収束レンズ７Ａ，７Ｂを通り、更にビーム曲げ機構８によって曲げられて合流する。そして、その合流した電子ビームＢ_１，Ｂ_２は、アライメントコイル９及び対物レンズ１０を通り、走査コイル１１により偏向（走査）されて、走査ラインに沿って基板２の同じ位置に同時に照射される。このとき、基板２から放出された２次電子が検出器１５で検出され、この検出器１５の検出信号が画像処理部１６に送られ、画像処理部１６により１走査ライン分の基板２の走査画像が生成される。そして、制御・演算処理部１７は、画像処理部１６で作成された基板２の走査画像データを入力してメモリに記憶する（手順５２）。

続いて、制御・演算処理部１７は、電圧源４Ａ，４Ｂを制御して、基板２に対する電子ビームＢ_１，Ｂ_２の照射を一旦停止し、次の走査ラインの走査の準備を行う。そして、再び電子ビームＢ_１，Ｂ_２が基板２に向けて照射されるように、電圧源４Ａ，４Ｂを制御する（手順５３→手順５１）。すると、上記と同様に、電子ビームＢ_１，Ｂ_２は、合流した状態で次の走査ラインに沿って基板２の同じ位置に同時に照射され、画像処理部１６により当該走査ラインにおける基板２の走査画像が生成される。そして、制御・演算処理部１７は、その基板２の走査画像データをメモリに記憶する（手順５２）。

このような動作は、１フレームにおける全ての走査ラインの走査が終了し、１フレーム分の基板２の走査画像データが制御・演算処理部１７に取り込まれるまで繰り返し行われる（手順５３）。そして、制御・演算処理部１７は、１フレーム分の基板２の走査画像データを入力すると、その走査画像データに基づいて、基板２上のパターンの寸法測定（測長）を行う（手順５４）。

なお、ノイズの影響が軽減された基板２の走査画像を得るためには、１つの基板２に対して複数フレームの走査画像を生成し、これらの走査画像を用いて手順５４の処理を行うのが望ましい。この場合には、上記の手順５１〜５３をフレーム数だけ繰り返し実行することになる。

以上において、電子銃３Ａ及び電圧源４Ａは、第１電子ビームＢ_１を放出する第１ビーム発生手段を構成する。電子銃３Ｂ及び電圧源４Ｂは、第１電子ビームＢ_１よりもエネルギーの低い第２電子ビームＢ_２を放出する第２ビーム発生手段を構成する。動作切換機構５Ａ及び電圧源１２Ａは、第１電子ビームＢ_１の照射及び照射停止を切り換える第１動作切換手段を構成する。動作切換機構５Ｂ及び電圧源１２Ｂは、第２電子ビームＢ_２の照射及び照射停止を切り換える第２動作切換手段を構成する。ビーム曲げ機構８、アライメントコイル９、対物レンズ１０及び走査コイル１１は、第１電子ビームＢ_１及び第２電子ビームＢ_２を試料２の同じ位置に照射させるビーム照射手段を構成する。制御・演算処理部１７の手順５１は、第１電子ビームＢ_１及び第２電子ビームＢ_２が試料２の同じ位置に同時に照射されるように第１動作切換手段及び第２動作切換手段を制御する制御手段を構成する。画像処理部１６及び制御・演算処理部１７の手順５２〜５４は、第１電子ビームＢ_１及び第２電子ビームＢ_２が試料２に照射されたときに試料２から放出される２次電子に基づいて試料２の走査画像を取得する処理手段を構成する。

以上のようなＳＥＭ１において、電子銃３Ａから放出される電子ビームＢ_１は、２次電子の放出効率（２次電子の個数／１次電子の個数）が１よりも大きく、基板２に正（＋）のチャージを与えるような高いエネルギーを有している（図３参照）。一方、電子銃３Ｂから放出される電子ビームＢ_２は、２次電子の放出効率が１よりも小さく、基板２に負（−）のチャージを与えるような低いエネルギーを有している（図３参照）。

このようなエネルギー量の異なる２種類の電子ビームＢ_１，Ｂ_２を基板２の同じ部位に同時に照射することにより、高エネルギーの電子ビームＢ_１の照射によって基板２の表面に生じる電子の過不足分が、低エネルギーの電子ビームＢ_２の照射によって充足されることになる。このため、基板２の表面自体や基板２上のパターンに生じる正のチャージアップが低減され、高エネルギーの電子ビームＢ_１が照射し続けられることによる２次電子の放出効率の低下が抑えられる。

従って、画像処理部１６で生成される基板２の走査画像の解像度が上がるため、走査画像の歪みや揺らぎが防止される。また、基板２上のパターンが正にチャージされていると、その電界によってパターンの側方を通る１次電子ビームが局所的に曲げられるため、パターンの測長値がずれることがあるが、上記のようにパターンのチャージアップが抑制されることで、測長値のずれを防止することができる。さらに、基板２の表面のチャージアップによってフォーカス点がずれ、これにより走査画像の倍率のずれ（レンズ効果）が生じて測長値に影響を与える場合があるが、これも防止することができる。以上により、安定した走査画像が得られるため、パターンの寸法を正確に測定することが可能となる。

また、パターンが正にチャージされていると、同じパターンを複数回連続して測定する際に、チャージアップの量が変化していくため測長値がドリフトする。しかし、上記のようにパターンのチャージアップが抑制されることで、安定した走査画像が得られ、パターンの測長値が安定化するため、測定再現性が向上する。

さらに、例えば基板２上の金属膜の表面に薄い層間絶縁膜が形成されている場合、チャージアップが原因で生じやすい基板２の静電破壊を防止することもできる。

図４は、制御・演算処理部１７の処理手順の変形例を示すフローチャートである。同図に示す手順に従って基板２の観察を行う場合には、制御・演算処理部１７は、まず電子銃３Ｂから放出された低エネルギーの電子ビームＢ_２のみが基板２に向けて照射されるように、電圧源４Ｂを制御する（手順６１）。これにより、電子銃３Ｂから放出された電子ビームＢ_２は、動作切換機構５Ｂ、アライメントコイル６Ｂ、収束レンズ７Ｂ、ビーム曲げ機構８、アライメントコイル９及び対物レンズ１０を通り、走査コイル１１により走査ラインに沿って基板２に照射される。このとき、基板２から放出された２次電子が検出器１５で検出され、この検出器１５の検出信号が画像処理部１６に送られ、画像処理部１６により基板２の走査画像が生成される。そして、制御・演算処理部１７は、その基板２の走査画像データを入力してメモリに記憶する（手順６２）。その後、制御・演算処理部１７は、電圧源４Ｂを制御して、基板２に対する電子ビームＢ_２の照射を一旦停止する。

このような動作は、１フレームにおける全ての走査ラインの走査が終了し、１フレーム分の基板２の走査画像データが制御・演算処理部１７に取り込まれるまで繰り返し行われる（手順６３）。

そして、制御・演算処理部１７は、１フレーム分の基板２の走査画像データを入力すると、今度は電子銃３Ａ，３Ｂから放出された電子ビームＢ_１，Ｂ_２が基板２に向けて同時に照射されるように、電圧源４Ａ，４Ｂを制御する（手順６４）。これにより、電子銃３Ａ，３Ｂから放出された電子ビームＢ_１，Ｂ_２は、動作切換機構５Ａ，５Ｂ、アライメントコイル６Ａ，６Ｂ、収束レンズ７Ａ，７Ｂ、ビーム曲げ機構８、アライメントコイル９及び対物レンズ１０を通り、走査コイル１１により先と同じ走査ラインに沿って基板２の同じ位置に同時に照射される。このとき、基板２から放出された２次電子が検出器１５で検出され、この検出器１５の検出信号が画像処理部１６に送られ、画像処理部１６により基板２の走査画像が生成される。そして、制御・演算処理部１７は、その基板２の走査画像データを入力してメモリに記憶する（手順６５）。その後、制御・演算処理部１７は、電圧源４Ａ，４Ｂを制御して、基板２に対する電子ビームＢ_１，Ｂ_２の照射を一旦停止する。

このような動作は、１フレームにおける全ての走査ラインの走査が終了し、１フレーム分の基板２の走査画像データが制御・演算処理部１７に取り込まれるまで繰り返し行われる（手順６６）。そして、制御・演算処理部１７は、１フレーム分の基板２の走査画像データを入力すると、先にメモリに記憶した走査画像データ（電子ビームＢ_２のみの照射により得られた走査画像データ）と、電子ビームＢ_１，Ｂ_２の同時照射により得られた走査画像データとを読み出す。そして、電子ビームＢ_１，Ｂ_２の同時照射により得られた走査画像の波形と電子ビームＢ_２のみの照射により得られた走査画像の波形との差をとるように、両者の画像波形を合成する（手順６７）。続いて、その走査画像の合成波形に基づいて、基板２上に設けられたパターンの測長を行う（手順６８）。

ここで、手順６１，６４は、第１電子ビームＢ_１及び第２電子ビームＢ_２が試料２の同じ位置に同時に照射される第１期間と、第２電子ビームＢ_２のみが試料２の対応する位置に照射される第２期間とを含むように、第１動作切換手段及び第２動作切換手段を制御する手段を構成する。手順６７は、第１期間において取得した走査画像の波形と第２期間において取得した走査画像の波形との差を抽出する手段を構成する。

このように電子ビームＢ_１，Ｂ_２の同時照射により得られた走査画像の波形と低エネルギーの電子ビームＢ_２のみの照射により得られた走査画像の波形との差を抽出することにより、電子ビームＢ_２のエネルギーが多少高い場合でも、電子ビームＢ_２の照射により得られる走査画像に生じるノイズが除去され、必要な情報（パターン）だけを取り出すことができる。これにより、一層安定した基板２の走査画像が得られるため、パターン寸法の測定精度を更に向上させることが可能となる。

なお、上記の処理手順では、低エネルギーの電子ビームＢ_２のみを照射させてから、電子ビームＢ_１，Ｂ_２を同時に照射させるようにしたが、これとは逆に、先ず電子ビームＢ_１，Ｂ_２を同時に照射させ、その後で電子ビームＢ_２のみを照射させても良い。また、上記の処理手順では、電子ビームＢ_２のみの照射と電子ビームＢ_１，Ｂ_２の同時照射とを１フレーム単位で切り換えるようにしたが、両者の切換タイミングとしては、１スキャン単位または複数スキャン単位であっても良い。

図５は、制御・演算処理部１７の処理手順の他の変形例を示すフローチャートである。同図に示す手順に従って基板２の観察を行う場合には、制御・演算処理部１７は、まず電子銃３Ａから放出された高エネルギーの電子ビームＢ_１のみが基板２に向けて照射されるように、電圧源４Ａを制御する（手順７１）。これにより、電子銃３Ａから放出された電子ビームＢ_１は、動作切換機構５Ａ、アライメントコイル６Ａ、収束レンズ７Ａ、ビーム曲げ機構８、アライメントコイル９及び対物レンズ１０を通り、走査コイル１１により走査ラインに沿って基板２に照射される。このとき、基板２から放出された２次電子が検出器１５で検出され、この検出器１５の検出信号が画像処理部１６に送られ、画像処理部１６により基板２の走査画像が生成される。その後、制御・演算処理部１７は、電圧源４Ａを制御して、基板２に対する電子ビームＢ_１の照射を一旦停止する。

続いて、制御・演算処理部１７は、今度は電子銃３Ｂから放出された低エネルギーの電子ビームＢ_２のみが基板２の同じ位置に照射されるように、電圧源４Ｂを制御する（手順７２）。これにより、電子銃３Ｂから放出された電子ビームＢ_２は、動作切換機構５Ｂ、アライメントコイル６Ｂ、収束レンズ７Ｂ、ビーム曲げ機構８、アライメントコイル９及び対物レンズ１０を通り、走査コイル１１により上記と同じ走査ラインに沿って基板２に照射される。このとき、上記と同様にして、画像処理部１６により基板２の走査画像が生成される。その後、制御・演算処理部１７は、電圧源４Ｂを制御して、基板２に対する電子ビームＢ_２の照射を一旦停止する。

続いて、制御・演算処理部１７は、画像処理部１６により生成した基板２の走査画像データを入力してメモリに記憶する（手順７３）。このとき、実質的に基板２の走査画像を作るための電子ビームは電子ビームＢ_１だけであるので、当該電子ビームＢ_１のみの照射により得られた走査画像データだけを取り込んでも良いし、或いは電子ビームＢ_１のみの照射により得られた走査画像データと電子ビームＢ_２のみの照射により得られた走査画像データとの両方を取り込んでも良い。

このような動作は、１フレームにおける全ての走査ラインの走査が終了し、１フレーム分の基板２の走査画像データが制御・演算処理部１７に取り込まれるまで繰り返し行われる（手順７４）。そして、制御・演算処理部１７は、１フレーム分の基板２の走査画像データを入力すると、その走査画像データに基づいて、基板２上のパターンの測長を行う（手順７５）。

ここで、手順７１，７２は、第１電子ビームＢ_１及び第２電子ビームＢ_２が試料２の同じ位置に交互に照射されるように第１動作切換手段及び第２動作切換手段を制御する制御手段を構成する。

このようにエネルギーの異なる電子ビームＢ_１，Ｂ_２を基板２の同じ位置に交互に照射する場合であっても、高エネルギーの電子ビームＢ_１の照射による基板２表面の電子の不足分を、低エネルギーの電子ビームＢ_２の照射によって補うことができる。従って、この場合にも、基板２の表面に生じる正のチャージアップが低減されるため、当該チャージアップの影響を軽減し、安定した走査画像を得ることが可能となる。

このとき、１枚の基板２に対して複数フレームの走査画像を取得する場合には、電子ビームＢ_１，Ｂ_２を基板２の同じ位置に、上記と同様に１走査（スキャン）単位で交互に照射しても良いし、複数スキャン単位または１フレーム単位で交互に又は時間差をもって照射しても良い。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、電子銃３Ａ，３Ｂから放出される電子ビームＢ_１，Ｂ_２のエネルギー量やビーム径等については、観察すべき試料の種類、寸法、特性等に応じて適宜設定すれば良い。

また、上記実施形態では、エネルギーの異なる２種類の電子ビームＢ_１，Ｂ_２を途中で強制的に曲げることにより、電子ビームＢ_１，Ｂ_２の照射経路を揃えた状態で、電子ビームＢ_１，Ｂ_２を走査させて基板２の同じ位置に照射するようにしたが、他の構成を採用しても良い。例えばアライメントコイル９、対物レンズ１０及び走査コイル１１を電子銃３Ａ，３Ｂに対応して２組設けることにより、電子ビームＢ_１，Ｂ_２の照射経路を特に揃えることなく、電子ビームＢ_１，Ｂ_２を走査させて基板２の同じ位置に照射しても良い。

さらに、上記実施形態の走査型電子顕微鏡１は測長用ＳＥＭであるが、本発明は、欠陥検査用ＳＥＭ（ＤＲ−ＳＥＭ）等にも適用できることは言うまでもない。

本発明に係わる走査型電子顕微鏡の一実施形態を示す概略構成図である。 図１に示した制御・演算処理部の処理手順の詳細を示すフローチャートである。 電子ビームのランディングエネルギーと２次電子の放出効率との関係の一例を示すグラフである。 図１に示した制御・演算処理部の処理手順の変形例を示すフローチャートである。 図１に示した制御・演算処理部の処理手順の他の変形例を示すフローチャートである。

符号の説明

１…走査型電子顕微鏡、２…基板（試料）、３Ａ…電子銃（第１電子ビーム発生手段）、３Ｂ…電子銃（第２電子ビーム発生手段）、４Ａ…電圧源（第１電子ビーム発生手段）、４Ｂ…電圧源（第２電子ビーム発生手段）、５Ａ…動作切換機構（第１動作切換手段）、５Ｂ…動作切換機構（第２動作切換手段）、８…ビーム曲げ機構（ビーム曲げ部、ビーム照射手段）、９…アライメントコイル（ビーム照射手段）、１０…対物レンズ（ビーム照射手段）、１１…走査コイル（ビーム走査部、ビーム照射手段）、１２Ａ…電圧源（第１動作切換手段）、１２Ｂ…電圧源（第２動作切換手段）、１６…画像処理部（処理手段）、１７…制御・演算処理部（制御手段、処理手段）。

Claims (7)

1. 試料に電子ビームを走査させて照射し、前記試料から放出される２次電子を取り込んで画像化する走査型電子顕微鏡であって、
   第１電子ビームを放出する第１ビーム発生手段と、
   前記第１電子ビームよりもエネルギーの低い第２電子ビームを放出する第２ビーム発生手段と、
   前記第１電子ビーム及び前記第２電子ビームを前記試料の同じ位置に照射させるビーム照射手段と、
   前記第１電子ビーム及び前記第２電子ビームが前記試料に照射されたときに前記試料から放出される２次電子に基づいて前記試料の走査画像を取得する処理手段とを備える走査型電子顕微鏡。
2. 前記ビーム照射手段は、前記試料に対する前記第１電子ビーム及び前記第２電子ビームの照射方向が一致するように、前記第１電子ビーム及び前記第２電子ビームの方向を変化させるビーム曲げ部と、前記ビーム曲げ部で曲げられた前記第１電子ビーム及び前記第２電子ビームを前記試料に対して走査させるビーム走査部とを有する請求項１記載の走査型電子顕微鏡。
3. 前記ビーム照射手段は、前記第１電子ビームのビーム径が前記第２電子ビームのビーム径よりも小さくなるように、少なくとも前記第１電子ビームを絞る手段を有する請求項１または２記載の走査型電子顕微鏡。
4. 前記第１電子ビームの照射及び照射停止を切り換える第１動作切換手段と、
   前記第２電子ビームの照射及び照射停止を切り換える第２動作切換手段と、
   前記第１電子ビーム及び前記第２電子ビームが前記試料の同じ位置に同時に照射されるように前記第１動作切換手段及び前記第２動作切換手段を制御する制御手段とを更に備える請求項１〜３のいずれか一項記載の走査型電子顕微鏡。
5. 前記制御手段は、前記第１電子ビーム及び前記第２電子ビームが前記試料の同じ位置に同時に照射される第１期間と、前記第２電子ビームのみが前記試料の対応する位置に照射される第２期間とを含むように、前記第１動作切換手段及び前記第２動作切換手段を制御し、
   前記処理手段は、前記第１期間において取得した走査画像の波形と前記第２期間において取得した走査画像の波形との差を抽出する手段を有する請求項４記載の走査型電子顕微鏡。
6. 前記第１電子ビームの照射及び照射停止を切り換える第１動作切換手段と、
   前記第２電子ビームの照射及び照射停止を切り換える第２動作切換手段と、
   前記第１電子ビーム及び前記第２電子ビームが前記試料の同じ位置に交互に照射されるように前記第１動作切換手段及び前記第２動作切換手段を制御する制御手段とを更に備える請求項１〜３のいずれか一項記載の走査型電子顕微鏡。
7. 請求項１〜６のいずれか一項記載の走査型電子顕微鏡を用いて、前記試料の走査画像を観察する試料観察方法。
   
   
   

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