JP2008064505A - 電子ビーム寸法測定装置及び電子ビーム寸法測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】試料表面の電位を一定にして精度よく試料を測定することのできる電子ビーム寸法測定装置及び電子ビーム寸法測定方法を提供すること。
【解決手段】電子ビーム寸法測定装置は、電子ビームを試料の表面に照射する電子ビーム照射手段と、試料７を載置するステージ５と、試料７と対向して配置する光電子生成電極５２と、紫外光を照射する紫外光照射手段５３と、紫外光照射手段５３に紫外光を所定の時間照射させて試料７及び光電子生成電極５２から光電子を放出させ、光電子生成電極５２に試料７が放出する光電子のエネルギーと光電子生成電極５２が放出する光電子のエネルギーとの差に相当するエネルギーを供給する電圧を印加して、試料７の表面電位を０［Ｖ］にする制御手段２０とを有する。前記制御手段２０は、試料７の表面の電位を一定にした後、試料７の寸法測定を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子ビームを試料に照射して試料を観察する電子ビーム寸法測定装置及び電子ビーム寸法測定方法に関する。

半導体装置の製造工程において、電子顕微鏡等の電子ビーム装置による試料の観察や、パターンの線幅等の測定が行われている。電子ビーム装置による試料の観察や測定では、観察する部分に電子ビームを照射させながら走査して、二次電子等の電子量を輝度に変換して表示装置に画像として表示している。

このように試料を観察したり測定する際に、電子ビームを照射するが、この電子ビームの照射によって試料表面が帯電する現象が発生する。すなわち、試料に入射する荷電粒子と放出される荷電粒子が有する電荷の差によって、照射面が正または負に帯電する。試料表面に帯電が発生すると、放出された二次電子が加速されたり、試料に引き戻されたりして二次電子放出の効率が変化する。その結果、試料表面の画像の質が不安定になるという問題がある。また、試料表面の帯電が進行すると、一次電子ビームを偏向させ、画像に歪みを生じさせてしまう場合がある。

このような問題に対し、試料上の帯電を防止する方法が種々提案されている。

これに関する技術として、特許文献１には、筐体内のガスに紫外光を照射してガスをイオン化し、イオン化したガスが試料に届くように吹き付けて試料を中和する装置が開示されている。また、特許文献２には、紫外光を試料に照射して試料から光電子を放出させ、マイナス帯電を中和する装置が開示されている。
特開平４−２１８９４１号公報 特開２００５−１７４５９１号公報

上記したように、電子ビーム装置における試料の観察において、試料が帯電する現象が発生するが、例えばウエハのように試料を電気的に接続できる場合には、電気的に接続されたウエハ上の導体を接地することにより、試料の帯電現象を防止することができ、特に問題にはならない。

しかし、試料が非導電性の場合や、導電性の材料が使用されていても接地することができず、電気的にフローティングな場合には試料の帯電現象が発生する。

例えば、半導体の露光の原盤として用いられるフォトマスクの寸法を測定する場合に、次の２つの状態で、帯電が発生してしまう。一つは、配線の製造途中過程であるガラス基板の上全体にクロム等の導体があり、その上にクロムへ配線をエッチングするためのレジスト配線がある状態である。二つめは、配線の製造工程が完了した状態であり、ガラス基板の上にクロム等の導体でできた配線がある状態である。

特に、クロムをエッチングする直前の状態では、ガラス基板上の全体にクロム等の導体の層があるため、ある場所で電子ビームを照射して帯電が発生すると、基板上全体の導体の層が帯電するため、別の場所の観察や寸法測定にも影響を及ぼしてしまう。また、一つの場所での帯電が微小であっても、数百〜数千の場所に電子ビームを照射すれば、最終的には大きな帯電となり、最初に測定した寸法と最後に測定した寸法の相関が取れなくなってしまう。

このような寸法の変化として、例えば、電子ビームの照射エネルギーが１５００ｅＶの場合、試料表面電位が１０Ｖ変化すると２μｍの寸法が６ｎｍ変動することが発明者の実験により確認された。

これに対し、電子ビーム寸法測定装置に対する寸法精度は２μｍに対して誤差１ｎｍ以下となることが要求されている。従って、照射エネルギーが１５００ｅＶの場合は、許容される試料表面の電位変化は、１．７Ｖ程度が許容範囲である。

また、配線描画プロセスの一過程であるレジスト材の寸法測定においては、レジスト材への損傷を避けるため、電子ビームの照射エネルギーを５００ｅＶ程度まで下げることが一般的である。この場合、寸法精度の要求を満たすためには、試料表面の電位変動を約０．６Ｖ以下にする必要がある。

さらに、レジスト材によっては電子ビームによる損傷感度が高いため、照射エネルギーを４００ｅＶから３００ｅＶ程度にまで下げる必要があり、試料表面の電位変動は０Ｖに近くなることが望ましい。

なお、上記した、紫外光を利用して試料表面の帯電を制御する方法では、試料表面の電位を１Ｖ以下の精度で一定にすることは困難である。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑みなされたものであり、電気的に接続できない導体や絶縁物で構成される試料の電位を１Ｖ以下で一定になるようにして、精度よく試料の測定をすることができる電子ビーム寸法測定装置及び電子ビーム寸法測定方法を提供することを目的とする。

上記した課題は、電子ビームを試料の表面に照射する電子ビーム照射手段と、前記試料を載置するステージと、前記試料と対向して配置される光電子生成電極と、紫外光を照射する紫外光照射手段と、前記紫外光照射手段に紫外光を照射させて前記試料及び光電子生成電極から光電子を放出させ、前記光電子生成電極に前記試料が放出する光電子のエネルギーと前記光電子生成電極が放出する光電子のエネルギーとの差に相当する電圧を印加して、前記試料の表面電位を０［Ｖ］にする制御手段とを有することを特徴とする電子ビーム寸法測定装置により解決する。

上記した電子ビーム寸法測定装置において、前記所定の時間は、前記試料と材質が同じで寸法が既知の校正試料を用いて寸法を測定した値を第１の測定値とし、前記紫外光を照射した後の前記試料を寸法測定した値を第２の測定値としたときに、前記第１の測定値と第２の測定値とが等しくなるときの時間であるようにしても良い。

また、上記した電子ビーム寸法測定装置において、更に、対物レンズを有し、前記制御手段は、前記対物レンズに電圧を印加しないで前記紫外光照射手段に紫外光を照射させるようにしてもよく、前記制御手段は、前記試料及び光電子生成電極のうち、前記対物レンズに電圧を印加して生成される電界の影響が及ばない範囲に紫外光を照射させるようにしてもよい。

本発明では、試料の寸法の測定に先立って、試料上の電位を０［Ｖ］で一定になるようにしている。この電位を一定にするために、試料と対向させて接地可能な光電子生成電極に所定の電圧を印加して、試料及び光電子生成電極の両方に紫外光を照射している。紫外光の照射により、試料及び光電子生成電極から光電子が放出されるが、光電子生成電極に印加した電圧の値によって、試料の表面電位を０［Ｖ］にしている。光電子生成電極に印加する電圧は、紫外光の照射により試料が放出する光電子のエネルギーと光電子生成電極が放出する光電子のエネルギーとの差に相当するエネルギーを供給する電圧である。これにより、電子ビームが試料上の異なる電位の影響を受けて電子ビームの照射範囲が変化することがなく、安定した測定を行うことが可能となる。

また、本発明の他の形態によれば、電子ビームを試料の表面に照射する電子ビーム照射手段と、前記試料を載置するステージと、前記試料と対向して配置される光電子生成電極と、紫外光を照射する紫外光照射手段とを具備する電子ビーム寸法測定装置において、前記光電子生成電極に印加する電圧を求めるステップと、前記電圧を前記光電子生成電極に印加し、前記試料及び光電子生成電極に前記紫外光を所定の時間照射させて前記試料の電位を０［Ｖ］にするステップと、前記試料の電位を０［Ｖ］にした後、当該試料の寸法測定を行うステップとを含むことを特徴とする電子ビーム寸法測定方法が提供される。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

はじめに、電子ビーム寸法測定装置の構成について説明する。次に、本発明の特徴である試料表面の電位を一定にする処理について説明する。次に、電子ビーム寸法測定装置を用いた電子ビーム寸法測定方法について説明する。

（電子ビーム寸法測定装置の構成）
図１は、本実施形態に係る電子ビーム寸法測定装置の構成図である。

この電子ビーム寸法測定装置１００は、電子走査部１０と、信号処理部３０と、表示部４０と、電位一定処理部５０と、電子走査部１０、信号処理部３０、表示部４０及び電位一定処理部５０の各部を制御する制御部２０とに大別される。このうち、電子走査部１０は、電子鏡筒部（コラム）１５と試料室１６とで構成される。

電子鏡筒部１５は、電子銃（電子ビーム照射手段）１とコンデンサレンズ２と偏向コイル３と対物レンズ４とを有し、試料室１６は、ステージ５と絶縁物で構成される試料支持部６とを有している。

試料室１６にはステージ５を移動させるためのモーター（不図示）、及び試料室１６内を所定の減圧雰囲気に保持するための真空排気ポンプ（不図示）がそれぞれ接続されている。

電位一定処理部５０は、試料の電位を一定にする処理を実施する電位一定化処理室５１を備え、電位一定化処理室５１では、紫外光照射部５３、光電子生成電極５２を有している。光電子生成電極５２は、試料７と対向して配置される。また、光電子生成電極５２は試料７の表面全体が覆われるような大きさであることが望ましい。

電子銃１から照射された電子ビーム９をコンデンサレンズ２、偏向コイル３、対物レンズ４を通して、ステージ５上の試料７に照射するようになっている。なお、対物レンズ４の試料７と対向する側の先端部に静電レンズを設けることにより、鏡筒内で加速された電子を減速して低加速電圧の電子プローブが得られる。

電子ビーム９が照射されて試料７から出た二次電子又は反射電子の量は、二次電子制御電極やシンチレータ等で構成される電子検出器８によって検出され、信号処理部３０においてその検出量がＡＤ変換器によってデジタル量に変換され、さらに輝度信号に変換されて表示部４０で表示される。偏向コイル３の電子偏向量と表示部４０の画像スキャン量は制御部２０によって制御される。

制御部２０はマイクロコンピュータで構成され、測長を実行するためのプログラムが格納されている。また、制御部２０は電子ビーム９の加速電圧を決定し、電気的に接続されている電子銃１に対して加速電圧を印加する。さらに、光電子生成電極５２に印加する電圧値を決定し、紫外光照射部５３に紫外光を照射させて試料７の電位を一定にするためのプログラムが格納されている。

図２は、電位一定化処理室５１を示した図である。電位一定化処理室５１では、ステージ５上の試料７の表面電位が０［Ｖ］になるように制御する。本実施形態では、試料室１６とは別に電位一定化処理室５１を設け、ステージ５を電位一定化処理室５１に移動させて試料７の表面電位を調整するようにしている。

以上のように構成した電子ビーム寸法測定装置１００において、ステージ５上に載置された試料７の観察又は測長をする前に、試料の表面電位を０〔Ｖ〕に調整する。この調整を行った後、試料７を試料室１６に移動して試料７の観察又は測長を行う。

（試料の表面の電位を一定にする処理）
次に、試料７の観察又は測長に先立って行う試料の表面の電位を一定にする処理について説明する。始めに、試料の帯電について説明し、その後、試料の電位を一定にする原理及び方法について説明する。

（試料の帯電について）
図３は、絶縁膜あるいはフローティング状態の金属表面が帯電する様子を模式的に示した図である。図３（ａ）は、二次電子放出比が１より大きい場合である。二次電子放出比が１より大きい範囲では、試料７から放出される二次電子４２の数が試料に入射する一次電子４１の数を上回るため、試料７の表面は正に帯電する。一方、図３（ｂ）は、二次電子放出比が１より小さい場合である。二次電子放出比が１より小さい範囲では、試料７の表面に電子が多く残り、試料７の表面は負に帯電する。

一次電子のエネルギーが十分大きく、二次電子放出比が１より小さい場合、試料７の表面が負に帯電するため、一次電子は試料７の付近で減速する。この帯電は、二次電子放出比が１に近づくまで進行することになる。

一方、二次電子放出比が１より大きい場合には試料７の表面が正に帯電するが、数Ｖ帯電すると数ｅＶのエネルギーしか持たない二次電子４３は試料７の表面に引き戻されるようになる。一次電子と表面に引き戻される二次電子とをあわせた入射電流と放出される二次電子による放出電流とがつりあい、それ以上帯電が進行しない。

このような帯電均一化において、従来は、照射電子ビームのエネルギーを変えて試料表面の電位をプラス方向またはマイナス方向に帯電させ、試料表面の電位の変化を抑制している。この際に、二次電子放出比を１にして、帯電を防止するように、加速電圧を設定するようにしている。しかし、試料７の材質によって二次電子４２の発生効率が１になる加速電圧が異なるため、加速電圧を調整しながら二次電子発生効率が１になるような加速電圧を見出さなければならず、加速電圧の設定が困難である。また、この方法では、１Ｖ以下の精度で帯電を制御することは困難である。

（試料の電位を一定にする原理及び方法）
本実施形態では、接地できない試料７の電位を制御するために試料７に対向して配置する電極及びその電極に印加する電圧に着目した。

以下に、試料７の材質をクロム（Ｃｒ）とし、試料７に対向して配置する光電子生成電極の材質をニッケル（Ｎｉ）とした場合を例として、試料表面の電位を０［Ｖ］で一定にする原理について説明する。

図４は、試料７と光電子生成電極５２とを対向して配置し、光電子生成電極５２の電位を電圧制御部５４で制御し、紫外光照射装置５３から紫外光を照射したときに試料７の電位を一定にする処理を説明する図である。

図４のＰＥcrは試料７から放出される光電子、ＰＥniは光電子生成電極５２から放出される光電子を示している。光電効果により金属から光電子を放出するためには、その金属の仕事関数が、照射する光のエネルギーの値以下であることが必要である。例えば、波長が２５０［ｎｍ］の紫外光を照射するものとする。この波長の紫外光のエネルギーは４．９０［ｅＶ］であり、この値以下の仕事関数を持つ金属であれば、紫外光を照射したときに光電子が放出される。

ニッケルの仕事関数Ｗniは４．６［ｅＶ］であり、クロムの仕事関数Ｗcrは４．４［ｅＶ］である。よって、試料７及び光電子生成電極５２に紫外光を照射したとき、試料７及び光電子生成電極５２の表面から光電子ＰＥcr、ＰＥniが放出される。

光電子生成電極５２から放出される光電子のエネルギーＥniは４．９−４．６＝０．３［ｅＶ］となり、試料７から放出される光電子のエネルギーＥcrは４．９−４．４＝０．５［ｅＶ］となる。

試料７と光電子生成電極５２間の電位差をΔＶとする。

試料７及び光電子生成電極５２から放出された各々一つの光電子は、ΔＶより加減速さ
れる事でエネルギーが増減する。試料７と光電子生成電極５２の中心位置における各光電子のエネルギーを考えると試料７から放出された光電子のエネルギーは放出時に与えられたエネルギーＥcrと中心まで加速したエネルギー−ΔＶ／２の和Ｅcr1になる。同様に光
電子生成電極５２から放出された光電子のエネルギーも放出時のエネルギーＥniとΔＶ／
２の和Ｅni1となる。

Ｅni1 ＝ Ｅni ＋ ΔＶ／２
Ｅcr1 ＝ Ｅcr − ΔＶ／２
Ｅcr1＝Ｅni1となった時に光電子の移動が０になると考えられる。

Ｅni1 ＝ Ｅcr1は、Ｅni + ΔＶ／２ ＝Ｅcr − ΔＶ／２であるから、ΔＶ ＝
Ｅcr −Ｅniとなる。ここでは光電子の位置を中心としたが、試料７と光電子生成電極５２から各々放出された光電子が、同じ位置で重なる時のＥni1 ＝ Ｅcr1が成り立つ条件は、同様にΔＶ ＝ Ｅcr − Ｅniとなる。

次にΔＶ ≠ Ｅcr −Ｅniの条件を考える。

もし、ΔＶ ＞ Ｅcr − Ｅni の場合、Ｅni1 ＞ Ｅcr1となり、光電子の移動は
光電子生成電極５２から試料７の方向となり試料７の電位が下降してΔＶが小さくなる方
向に作用する。一方、ΔＶ ＜ Ｅcr − Ｅniでは、ΔＶは大きくなるように作用す
る。ΔＶ ≠ Ｅcr − Ｅniでは、光電子の移動がΔＶ ＝ Ｅcr − Ｅniになるよ
うに作用するため、平衡状態としてはΔＶ ＝ Ｅcr − Ｅniとなり、試料７における
光電子の放出と吸収が同量になり安定し、帯電の進行が停止する。

前述の説明では中心位置としたが、試料７と光電子生成電極５２から各々放出された一つの光電子が同じ位置で重なる時のエネルギーに着目し、かつ試料７と光電子生成電極５２における光電子の放出数や放出角度や光電子の吸収率等の各種条件が同一であり、違いは仕事関数の差のみであるとすれば、全体としても同様の振る舞いとなる。

以上より、試料７と光電子生成電極５２の間の電圧はΔＶ ＝ Ｅcr − Ｅniとなり
一定になる。ここで光電子生成電極５２の電位を任意に設定すれば、試料７の電位を所望の値に制御する事が出来る。即ち、光電子生成電極５２に電圧制御部５４を制御して所定の値の電圧Ｖｄを印加する。この電圧Ｖｄを、ΔＶを打ち消すように設定すれば、試料電
位は０［Ｖ］となる。例えば、図４においてはΔＶ ＝ ０．２[Ｖ]であるからＶｄ＝
−０．２［Ｖ］とすれば良い。

次に、試料７の表面の電位を一定にする方法について説明する。上記したように、試料７表面の電位は、試料７及び光電子生成電極５２に紫外光を照射して放出させた光電子を、光電子生成電極５２に印加する電圧によって制御することで一定化することが可能である。

図５は、試料７の表面が一定電位でない場合に、試料７の測定値が時間の経過によって変化する様子を示している。

時間ｔ０において測定した寸法がαであるとする。試料７の寸法測定をする間、試料７上には電子ビームが照射されるため、試料７表面が帯電し、電子ビームの軌道が変化する。そのため、例えば、図５に示すように時間の経過とともに寸法が実際の値よりも大きな値に測定されるようになってしまう。

そこで、時間ｔ１において、試料７表面を一定電位にするために、電位一定化処理を実施する。この電位一定化処理は、時間ｔ０における測定値と一致するまで行う。図５では、時間ｔ２まで実施することにより、時間ｔ０の状態に戻ったことになる。その後、試料７上の寸法測定、電位一定化処理を繰り返し行う。

まず、試料７の寸法測定に先立って、試料７の帯電電位を０［Ｖ］にする処理を行う。この処理は、試料７を電位一定化処理室５１に移動して、光電子生成電極５２と試料７とを対向するように配置する。光電子生成電極５２には試料を０［Ｖ］にするために必要な電圧を印加する。この状態で、所定の時間試料７及び光電子生成電極５２に紫外光照射装置５３から紫外光を照射する。

試料７の表面の電位が０［Ｖ］になったか否かの判定は、実際に試料７の寸法を測定し、予め測定した校正試料の寸法と一致するか許容できる誤差の範囲内になっているか否かで判定する。

試料７の表面の電位が０［Ｖ］になっていると判定された後、試料７を電子ビーム寸法測定装置の試料室１６に移動して、試料７の観察或いは寸法測定を実施する。

このようにして、接地のできない試料７に代わり、接地のできる光電子生成電極５２に印加する電圧を制御することにより、試料７の表面の帯電を０［Ｖ］に制御することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態では、試料７の寸法測定に先立って、試料７上の電位を一定にしている。この電位を一定にするために、試料７と対向させて接地可能な光電子生成電極５２に所定の電圧を印加して、試料７及び光電子生成電極５２の両方に紫外光を照射している。紫外光の照射により、試料７及び光電子生成電極５２から光電子が放出されるが、光電子生成電極５２に印加した電圧の値によって、試料７の表面電位を０［Ｖ］になるように制御している。光電子生成電極５２に印加する電圧は、紫外光の照射により試料７が放出する光電子のエネルギーと光電子生成電極５２が放出する光電子のエネルギーとの差に相当するエネルギーを光電子に供給する電圧である。これにより、電子ビームが試料７上の異なる電位の影響を受けて電子ビームの軌道が変化することがなく、安定した測定を行うことが可能となる。

（電子ビーム寸法測定方法）
次に、本実施形態の電子ビーム寸法測定装置１００を用いて試料７上の電位を一定にして試料７の測長をする方法について図６のフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップＳ１１において、校正試料を用いて基準寸法を測定する。測定した基準寸法の値をＬ１とする。校正試料は測定対象の試料７と同じ材質のものであり、予め寸法が既知（例えば、ラインアンドスペースパターンのピッチが既知）のものを使用する。この校正試料を接地して試料表面の電位を０[Ｖ]とし、試料表面の電位が変動する前に測長する。測長は、試料上に電子ビームを照射しながら走査して画像を取得し、取得した画像から寸法を測定する。

なお、校正試料は、基板全体を導体で構成しても良く、ステージ上で一時的に接地する機構を持つものでも良い。ステージ上で一時的に接地する機構を持つ校正試料を使用する場合には、接地状態で基準となる寸法を測定するようにする。

次のステップＳ１２では、光電子生成電極５２に印加する電圧（Ｖ１とする）を算出する。光電子生成電極５２に印加する電圧は、試料７から放出される光電子のエネルギーと光電子生成電極５２から放出される光電子のエネルギーとの差に相当するエネルギーを電子に供給する電圧である。

次のステップＳ１３では、試料７を試料室１６のステージ５に載置する。

次のステップＳ１４では、ステージ５を電位一定化処理室５１に移動し、光電子生成電極５２と試料７とを所定の距離だけ離して対向するように配置する。光電子生成電極５２は試料７の表面全面を覆うように配置する。

次のステップＳ１５では、ステージ５に載置した試料７の表面電位を０［Ｖ］になるように調整する。光電子生成電極５２に電圧Ｖ１を印加し、紫外光照射部５３から試料７及び光電子生成電極５２に所定の波長、例えば２５０［ｎｍ］の波長の紫外光を照射する。この照射を所定の時間、例えば１０秒照射を行う。所定の時間が経過したら、紫外光の照射を止め、光電子生成電極５２の電圧の印加も停止する。

次のステップＳ１６では、電位一定化処理室５１から試料室１６にステージ５を移動して、試料７の寸法測定を行う。測定値をＬ２とする。

次のステップＳ１７では、電位一定化処理を実施した後、試料７の表面電位が０［Ｖ］に近い値になったか否かを判定する。この判定は、校正試料の測長値Ｌ１と試料の測長値Ｌ２との差が所定の値、例えば０．１［ｎｍ］以下になっているか否かで判定する。所定の値以下であれば、ステップＳ１８に移行する。一方、所定の値より大きければ、試料の表面電位が０［Ｖ］に近い値でないと判定され、ステップＳ１４に戻り、再度、電位一定化処理を行う。

次のステップＳ１８では、表面電位が０［Ｖ］になった試料７の寸法測定を行う。

次のステップＳ１９では、測長を終了した試料７を試料室１６から取り出す。

次のステップＳ２０では、すべての試料７の測長が終了したか否かを判定する。測長が終了していなければ、ステップＳ１３に戻り、測長を継続する。すべての試料７の測長が終了したと判定されれば、本寸法測定処理を終了する。

なお、本寸法測定処理では、ステップＳ１８において寸法測定を行った後、ステップＳ１９において試料７を取り出しているが、寸法測定を開始してから所定の時間が経過する毎に電位一定化処理を行うようにしてもよい。この場合は、ステップＳ１８の後、所定時間、例えば、寸法測定開始から５分経過したか否かを判定し、時間が経過していれば、ステップＳ１４に戻り、再度、試料７の表面電位を０［Ｖ］にするようにしても良い。これは、寸法測定の際に電子ビームを照射するため、時間の経過に伴い試料が再びプラス又はマイナスに帯電してしまうため、帯電を除去する必要があるからである。

また、本寸法測定処理では、ステップＳ２０において、すべての試料７の寸法測定が終了していない場合、ステップＳ１３に戻り、寸法測定を継続している。しかし、寸法測定の対象となる試料７がすべて同じであるとは限らない。よって、試料７の材質が異なる場合は、ステップＳ１１に戻って校正試料を用いて基準寸法を測定することから本処理を行うようにしてもよい。

以上説明したように、本実施形態の電子ビーム寸法測定装置を用いた測定方法では、試料７の寸法の測定に先立って、試料上の電位を一定にしている。この電位を一定にするために、試料７と対向させて接地可能な光電子生成電極５２に所定の電圧を印加して、試料７及び光電子生成電極５２の両方に紫外光を照射している。紫外光の照射により、試料７及び光電子生成電極５２から光電子が放出されるが、光電子生成電極５２に印加した電圧の値によって、試料７の表面電位を０［Ｖ］にしている。これにより、電子ビームが試料上の異なる電位の影響を受けて電子ビームの軌道が変化することがなく、安定した測定を行うことが可能となる。

なお、本実施形態では、電位一定化処理について電子ビーム寸法測定装置を例にとって説明したが、これに限らず、真空中の試料の電位を一定にする必要がある装置について適用可能である。例えば、ＦＩＢやオージュ分光装置にも適用可能である。

また、本実施形態では、試料がクロムである場合について説明したが、試料がフローティング状態の金属に限らず、レジストの場合も照射する紫外光による損傷が無視できれば適用可能である。

また、試料の材質が未知の場合や、試料と同一材質の校正試料を準備できない場合は、試料上の既知の配線のピッチが既知の値で測定できるように光電子生成電極５２に印加する電圧を調整しても良い。一般に、ピッチは精度が高く試料の材質が一定で光電子の放出エネルギーや放出分布が一定であれば、この方法をとっても実用上問題ないことが多い。

（変形例）
本実施形態では、電位一定化処理を試料室１６から電位一定化処理室５１に移動させて行う例について説明したが、これに限らず、試料室１６において電位一定化処理を行うようにしてもよい。

図７は、対物レンズ４ａの下方に光電子生成電極５２ａを配置した電子ビーム寸法測定装置の一部を示した図である。図７に示すように、対物レンズ４ａは、試料７と対向する側の先端に電界レンズ６１を設置している。このような対物レンズ４ａを使用する場合には、紫外光を対物レンズ４ａによる電界の範囲に照射しないようにする必要がある。対物レンズ４ａに電圧が印加されている場合には、対物レンズ４ａによる電界６２が発生している。この電界６２は、電子ビームを細く絞る働きをしており、電界分布を乱してしまうと対物レンズ４ａの焦点距離に影響を与えてしまう。そこで、電位一定化処理を行う際には、対物レンズ４ａに電圧を印加しないで、紫外光を照射するようにする。

なお、紫外光は指向性が高いため、所望の位置に照射することが容易である。そこで、対物レンズ４ａに電圧を印加している状態であっても、対物レンズ４ａの電界による影響が及ばない範囲６３に紫外光を照射するようにして試料７の電位を一定にする処理を行うことも可能である。

本発明の実施形態で使用される電子ビーム寸法測定装置の構成図である。 図１に係る電子ビーム寸法測定装置における電位一定処理部を示す図（その１）である。 二次電子放出比と絶縁膜表面の帯電状態の関係を示す図である。 試料の電位を一定にする原理を説明する図である。 寸法測定値の時間変化を示す図である。 電子ビーム寸法測定方法を示すフローチャートである。 図１に係る電子ビーム寸法測定装置における電位一定処理部を示す図（その２）である。

符号の説明

１００…電子ビーム寸法測定装置、１…電子銃、２…コンデンサレンズ、３…偏向コイル、４…対物レンズ、５…ステージ、７…試料、８…電子検出器、９…電子ビーム、１０…電子走査部、１５…電子鏡筒部、１６…試料室、２０…制御部、３０…信号処理部、４０…表示部、４１…一次電子、４２，４３…二次電子、５０…電位一定処理部、５１…電位一定化処理室、５２…光電子生成電極、５３…紫外光照射部、５４…電圧制御部。

Claims (11)

1. 電子ビームを試料の表面に照射する電子ビーム照射手段と、
   前記試料が載置されるステージと、
   前記試料と対向して配置される光電子生成電極と、
   紫外光を照射する紫外光照射手段と、
   前記紫外光照射手段に紫外光を所定の時間照射させて前記試料及び光電子生成電極から光電子を放出させ、前記光電子生成電極に前記試料が放出する光電子のエネルギーと前記光電子生成電極が放出する光電子のエネルギーとの差に相当するエネルギーを供給する電圧を印加して、前記試料の表面電位を０［Ｖ］にする制御手段と
   を有することを特徴とする電子ビーム寸法測定装置。
2. 前記所定の時間は、前記試料と材質が同じで寸法が既知の校正試料を用いて寸法を測定した値を第１の測定値とし、前記紫外光を照射した後の前記試料を寸法測定した値を第２の測定値としたときに、前記第１の測定値と第２の測定値とが等しくなるときの時間であることを特徴とする請求項１に記載の電子ビーム寸法測定装置。
3. 前記紫外光は前記試料及び前記光電子生成電極の仕事関数よりも大きいエネルギーであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子ビーム寸法測定装置。
4. 前記光電子生成電極は、前記試料の表面全体を覆うように対向して配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電子ビーム寸法測定装置。
5. 更に、先端部に静電レンズを設置した対物レンズを有し、
   前記制御手段は、前記対物レンズに電圧を印加しないで、前記紫外光照射手段に紫外光を照射させることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電子ビーム寸法測定装置。
6. 更に、先端部に静電レンズを設置した対物レンズを有し、
   前記制御手段は、前記試料及び光電子生成電極のうち、前記対物レンズに電圧を印加して生成される電界の影響が及ばない範囲に紫外光を照射させることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電子ビーム寸法測定装置。
7. 前記制御手段は、前記試料の表面の電位を一定にした後、前記試料の寸法測定を行うことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電子ビーム寸法測定装置。
8. 電子ビームを試料の表面に照射する電子ビーム照射手段と、前記試料を載置するステージと、前記試料と対向して配置される光電子生成電極と、紫外光を照射する紫外光照射手段とを具備する電子ビーム寸法測定装置において、
   前記光電子生成電極に印加する電圧を求めるステップと、
   前記電圧を前記光電子生成電極に印加し、前記試料及び光電子生成電極に前記紫外光を所定の時間照射させて前記試料の電位を０［Ｖ］にするステップと、
   前記試料の電位を０［Ｖ］にした後、当該試料の寸法測定を行うステップと
   を含むことを特徴とする電子ビーム寸法測定方法。
9. 前記所定の時間は、前記試料と材質が同じで寸法が既知の校正試料を用いて寸法を測定した値を第１の測定値とし、前記紫外光を照射した後の前記試料を寸法測定した値を第２の測定値としたときに、前記第１の測定値と第２の測定値とが等しくなるときの時間であることを特徴とする請求項８に記載の電子ビーム寸法測定方法。
10. 前記紫外光は前記試料及び前記光電子生成電極の仕事関数よりも大きいエネルギーであることを特徴とする請求項８又は９に記載の電子ビーム寸法測定方法。
11. 前記光電子生成電極に印加する電圧は、前記紫外光を照射したときに前記試料から放出される光電子のエネルギーと前記光電子生成電極から放出される光電子のエネルギーとの差に相当するエネルギーを供給する電圧であることを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載の電子ビーム寸法測定方法。

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