JP2021026942A - 走査電子顕微鏡及びパタン計測方法 - Google Patents

走査電子顕微鏡及びパタン計測方法 Download PDF

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Abstract

【課題】反射電子検出器の帯電による２次電子検出信号量の変動を低減、または回避でき、信頼性の高い検査、計測が可能な走査電子顕微鏡を提供する。【解決手段】電子源１００と対物レンズ１０９とを含む電子光学系と、試料１１４が載置されるステージ１１２と、対物レンズよりも電子源側に配置され、２次電子１７１を検出する２次電子検出器１２０と、対物レンズとステージとの間に配置され、反射電子１７２を検出する反射電子検出器１２５と、反射電子検出器に電圧を印加する反射電子検出系制御部１３８と、反射電子検出器に所定の電圧を印加した状態で試料に１次電子を照射したときの２次電子検出器の信号強度に基づき、反射電子検出器の帯電状態を検出する装置制御演算装置１５０とを有する。【選択図】図１２

Description

本発明は、電子ビームを用いて検査や計測を行う走査電子顕微鏡及び走査電子顕微鏡を用いたパタン計測方法に関する。
走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）は、電子源から放出された電子を加速し、静電レンズや電磁レンズによって試料表面上に収束させて照射する。試料に照射する電子を１次電子と呼んでいる。１次電子の入射によって試料からは信号電子（ここでは低エネルギーの信号電子を２次電子、高エネルギーの信号電子を反射電子と分けて呼ぶ）が放出される。電子ビームを偏向して走査しながら試料から放出される２次電子を検出することで、試料上の微細パタンの画像を得ることができる。反射電子と２次電子の検出方法に関し、特許文献１には、試料に最も近い電磁レンズ（以降、対物レンズと呼ぶ）よりも電子源側に配置した検出器を用いて主に２次電子を検出し、試料と対物レンズの間に配置した検出器を用いて主に反射電子を検出する方法が開示されている。
ＳＥＭを用いて絶縁物試料を観察する際には、１次電子の照射により試料表面に帯電が生じる場合がある。試料表面の帯電により１次電子や２次電子のエネルギーや軌道が変化し、検出される信号が変化する場合がある。特許文献２には、２次電子が検出器へ入射する軌道上に配置されたエネルギーフィルタを用い、エネルギーフィルタの電圧を変えながら取得した信号量から、試料帯電電圧を計測する手法が開示されている。
特開２０１３−３３６７１号公報 特開２００８−２１８０１４号公報
特許文献１のように、試料と対物レンズとの間に配置した反射電子検出器により反射電子を検出し、対物レンズより電子源側に配置した２次電子検出器で対物レンズを通過した２次電子を検出する場合、反射電子検出器の表面が帯電することにより、２次電子の軌道が変化し、２次電子検出器で検出される信号量が変化するおそれがある。
図１を用いて本課題について説明する。図１にはＳＥＭの反射電子検出器周りの構造物を模式的に示している。この例では、反射電子検出器１２５として、アニュラー形状のシンチレータを備えている。反射電子検出器１２５は、１次電子１７０が試料１１４に入射して放出される反射電子１７２を多く検出することを目的に、試料の近傍に配置される。その結果、大量の反射電子がシンチレータに入射し帯電を引き起こす。反射電子検出器１２５の帯電を防ぐため、シンチレータの表面が導体となるよう加工を施していたとしても、導体表面上に有機物の汚れが堆積して帯電が生じる場合がある。有機物の汚れの一因は、試料室内に含まれる有機物ガスが電子線照射により固定化することである。試料１１４の近傍に設置される反射電子検出器１２５の周囲には、試料１１４からのデガスで生じる有機物ガスが高濃度で含まれている場合が多く、大量の反射電子１７２が反射電子検出器１２５に入射されることにより、検出器表面に有機物ガスが固定化され、帯電のリスクが大きくなっている。
反射電子検出器１２５の帯電は、反射電子検出器１２５の孔、および対物レンズ１０９の開口部を通して２次電子検出器１２０に検出される２次電子１７１の軌道に影響がある。特に、反射電子検出器１２５が負帯電すると、反射電子検出器１２５の孔の周囲にポテンシャルバリアが形成され、エネルギーの小さい２次電子１７１ｂはポテンシャルバリアを越えられず、試料に引き戻されて２次電子検出器１２０で検出されなくなる。すなわち、２次電子検出器１２０で検出される信号量が、反射電子検出器１２５の帯電によって低下する。ＳＥＭを検査や計測に用いる場合には、結果の再現性が重要であるため、反射電子検出器１２５が経時的に帯電することによって、検出される２次電子信号量が変化することは望ましくない。
本発明の一実施態様である走査電子顕微鏡は、１次電子を放出する電子源と対物レンズとを含む電子光学系と、試料が載置されるステージと、対物レンズよりも電子源側に配置され、１次電子と試料との相互作用により放出される２次電子を検出する２次電子検出器と、対物レンズとステージとの間に配置され、１次電子と試料との相互作用により放出される反射電子を検出する反射電子検出器と、反射電子検出器に対応して設けられ、反射電子検出器に電圧を印加する反射電子検出系制御部と、反射電子検出器に所定の電圧を印加した状態で試料に１次電子を照射したときの２次電子検出器の信号強度に基づき、反射電子検出器の帯電状態を検出する装置制御演算装置とを有する。
本発明の他の実施態様であるパタン計測方法は、１次電子を放出する電子源と対物レンズとを含む電子光学系と、試料が載置されるステージと、対物レンズよりも電子源側に配置され、１次電子と試料との相互作用により放出される２次電子を検出する２次電子検出器と、対物レンズとステージとの間に配置され、１次電子と試料との相互作用により放出される反射電子を検出する反射電子検出器とを有する走査電子顕微鏡を用いて試料のパタン計測を行うパタン計測方法であって、電子光学系の光学条件を調整する第１の工程と、２次電子検出器を用いて試料の位置合わせ用パタンを含む画像を取得し、位置合わせ用パタンから計測対象パタンまでの正確な距離を算出する第２の工程と、計測対象パタンへ視野移動して焦点を調整する第３の工程と、２次電子検出器を用いて計測対象パタンを含む画像を取得し、前記計測対象パタンを計測する第４の工程と、第２の工程及び第４の工程の少なくともいずれかにおいて、反射電子検出器に基準電圧を印加した状態で画像を取得し、画像から算出される２次電子検出器の信号強度に基づき、反射電子検出器の帯電の有無を判定する第５の工程とを有し、基準電圧は、第１の工程において、電子光学系の光学条件を調整が完了したときの反射電子検出器への印加電圧とする。
反射電子検出器の帯電による２次電子検出信号量の変動を低減、または回避でき、信頼性の高い検査、計測が可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかになるであろう。
本発明の課題を説明するための図である。 実施例１のフローチャートである。 反射電子検出器への印加電圧と２次電子による画像の平均階調値の関係を示す図である。 実施例２のフローチャートである。 実施例３のフローチャートである。 反射電子検出器の帯電解消方法を説明するための図である。 実施例４のフローチャートである。 帯電の有無による平均階調値の違いを説明するための図である。 実施例５のフローチャートである。 実施例６のフローチャートである。 表面電位計測プローブと除電装置とを備えたステージの模式図である。 反射電子検出器の帯電電圧の経時変化の表示例である。 ＳＥＭの全体概略図である。
走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を例にとって本発明の実施形態を説明する。ただし、本発明はＳＥＭ以外の電子ビーム装置にも適用可能である。また、２次電子検出器の信号強度として、２次電子検出器を用いて取得した画像の平均階調値を用いる例を説明するが、これに限られず、たとえば２次電子検出器から出力される電気信号などを用いてもよい。
図１２にＳＥＭの全体概略図を示す。電子源１００から放出された電子ビーム（１次電子１７０）は電子銃１０１により加速され、第１コンデンサレンズ１０３、第２コンデンサレンズ１０５を通り、対物レンズ１０９によりステージ１１２上の試料台１１３に保持された試料１１４上に結像して、照射される。対物レンズ上磁路１１０ａにはブースター電圧制御部１４１から正電圧が、試料１１４には試料台電圧制御部１４４から負電圧が印加可能に構成されており、静電レンズを形成し、いわゆる減速光学系を構成可能とされている。また、対物レンズ１０９の上磁路１１０ａと下磁路１１０ｂからなる開口は、ステージ１１２側に向いており、セミインレンズ型と呼ばれるレンズ構造となっている。これにより分解能の高い電子ビームを形成することができる。対物レンズ制御部１４２は、対物レンズコイル１１１に流れる励磁電流を制御する。
試料１１４から放出される低エネルギーの２次電子１７１は対物レンズ磁場により上方に巻き上げられて対物レンズ上流にある２次電子検出器１２０により検出される。２次電子１７１は対物レンズ上流でＥｘＢ素子１２１による偏向作用を受け、メッシュ電極１２２を通過して２次電子検出器１２０に到達する。ＥｘＢ素子１２１は電場と磁場とを直交して発生させることの出来る電子光学素子であり、ＥｘＢ素子制御部１４７により制御される。２次電子検出器１２０は正電圧で２次電子１７１を吸引するため、メッシュ電極１２２はその漏洩電場を遮断する役割を果たしている。メッシュ電極１２２の電位はメッシュ電極制御部１４６により制御される。２次電子検出系制御部１４５は、２次電子検出器１２０で検出された信号を増幅して装置制御演算装置１５０に送る。
一方、高エネルギーの反射電子１７２は対物レンズ磁路１１０ａ，１１０ｂと試料台１１３との間にある反射電子検出器１２５により検出される。反射電子検出器１２５は試料台１１３に向かってテーパ形状の孔が形成されており、そのテーパ面（孔の内壁）及び下面にて反射電子１７２を検出している。反射電子検出系制御部１３８は、反射電子検出器１２５に印加する電圧を制御するとともに、検出器で検出された信号を増幅して装置制御演算装置１５０に送る。
１次電子１７０は、第１走査偏向器１０６と第２走査偏向器１０８により試料上を２次元に走査され、結果として試料の２次元画像を得ることができる。２次元走査は一般的に横方向のライン走査を縦方向に開始位置を移動しながら行われる。この２次元画像の中心位置は、第１走査偏向器制御部１３７によって制御される第１走査偏向器１０６と第２走査偏向器制御部１３９によって制御される第２走査偏向器１０８により規定される。第１走査偏向器１０６及び第２走査偏向器１０８はいずれも静電偏向器である。２次元画像は装置制御演算装置１５０により形成され、表示装置１５２に表示される。なお、電子銃１０１は電子銃制御部１３１により、第１コンデンサレンズ１０３は第１コンデンサレンズ制御部１３３により、第２コンデンサレンズ１０５は第２コンデンサレンズ制御部１３５により、それぞれ制御される。電子銃１０１の後段には１次電子１７０のビーム軸を制御するための第１アライナー１０２が配置され、第１アライナー制御部１３２によって制御される。
また、装置全体を制御する装置制御演算装置１５０は、記憶装置１５１に記憶された制御データ等に基づいて電子光学系、検出系の制御部を統一的に制御する。２つの検出器１２０，１２５によって検出される検出信号は、装置制御演算装置１５０により画像化され、記憶装置１５１に記憶されたり、表示装置１５２に表示されたりして利用される。
図１２の構成をもつＳＥＭにおいて、反射電子検出器１２５に電圧を印加し、印加電圧を変えながら２次電子検出器１２０で検出される２次電子信号量を計測した結果、反射電子検出器１２５の電圧が負から正へ変化する際に２次電子信号量（信号強度）が急峻に変化することが見出された。反射電子検出器１２５が帯電していたとすれば、帯電電圧と印加電圧が打ち消しあった条件において２次電子信号量の急峻な変化が生じることになる。実施例１では、この現象を利用して反射電子検出器１２５の帯電を計測する。
図２は、反射電子検出器の帯電の計測を行い、あらかじめ設定した許容値を超える帯電が生じた場合にはエラーを表示してＳＥＭのオペレータに警告を与えるフローチャートである。本フローチャートは装置制御演算装置１５０により実行される。
ステップＳ２０１では、反射電子検出器１２５へあらかじめ設定した電圧を印加する。
ステップＳ２０２では、２次電子検出器１２０を用いて試料の画像を取得し、画像の平均階調値を算出する。ここで、画像を取得する試料は、帯電しない、あるいは帯電が十分小さい試料とする。試料自体の帯電が２次電子検出器１２０で検出される２次電子信号量に影響を与えることを抑制するためである。例えば、シリコン（Ｓｉ）や金属膜などの半導体や導体の試料を用いることが望ましい。また、検出画像を取得する視野にはパタンが含まれないことが望ましい。反射電子検出器１２５への印加電圧の変化により視野移動が生じ、視野にパタンが存在すると視野移動に起因して平均階調値が変化してしまうおそれがあるためである。視野移動などに起因する画像階調値の変化が十分小さければパタンを含んでもよい。本計測専用の試料や視野を用いることが理想的ではあるが、スループット向上のため、パタンの計測を行う視野で本フローを実施する場合もある。このような場合には、反射電子検出器１２５への印加電圧の変化による視野移動が十分小さくなるよう、あらかじめ電子光学系を調整しておくことが望ましい。
ステップＳ２０３では、２次電子信号量の変化点を求めるために必要なデータを取得したか判定する。必要なデータを取得するまで、反射電子検出器１２５に印加する設定電圧をあらかじめ設定した量だけ変化させ（ステップＳ２０４）、ステップＳ２０１、ステップＳ２０２を繰り返す。ステップＳ２０３での判定は、あらかじめ定めた回数に達したかどうかで判断してもよいし、階調値の変化が現れたかどうかで判断してもよいし、階調値があらかじめ定めた閾値を越えて変化したかどうかで判断してもよい。
なお、ステップＳ２０１からＳ２０４では、電圧設定、画像取得、階調値算出をこの順で繰り返す手順について説明したが、これらを並行して行ってもよいし、階調値算出を最後にまとめて実施するようにしてもよい。
ステップＳ２０５では、以上のステップで取得した反射電子検出器１２５への印加電圧と画像の平均階調値との関係から、反射電子検出器の帯電電圧を算出する。図３は、反射電子検出器１２５への印加電圧と２次電子による画像の平均階調値との関係３０１を示したものである。波形３０１の急峻な変化点から、反射電子検出器１２５の帯電を相殺する印加電圧３０２を求める。変化点は、波形３０１の微分が最大となる点として求めてもよいし、閾値階調値３０３となる点として求めてもよい。閾値階調値３０３は、あらかじめ定めた値を用いてもよいし、得られた波形３０１における最小階調値３０４と最大階調値３０５の平均としてもよい。なお、閾値階調値３０３としてあらかじめ定めた値を用いる場合には、計測階調値が１次電子の電流量（プローブ電流）に依存することを考慮して、プローブ電流で規格化するなどの補正を行う必要がある。このようにして求めた変化点の電圧３０２を正負反転することで、反射電子検出器１２５の帯電電圧が算出できる。
ステップＳ２０６では、算出した帯電電圧があらかじめ定めた許容範囲かどうかを判定し、許容範囲を外れた場合には、ステップＳ２０７に移行して表示装置１５２にエラーを表示し、許容範囲内であれば、そのまま終了する。
以上の方法により、反射電子検出器１２５の帯電を検出することができる。これにより、帯電に顕著な影響を受けたパタン計測結果を全体の結果から除外したり、ＳＥＭのメンテナンスを促して、さらなる帯電の影響や帯電の増大を防止したりすることができる。
図４は、計測した反射電子検出器１２５の帯電を補正するフローチャートである。
ステップＳ４０１では、実施例１のステップＳ２０１〜Ｓ２０５と同様の方法で、反射電子検出器１２５の帯電電圧を算出する。本フローチャートも装置制御演算装置１５０により実行される。
ステップＳ４０２では、ステップＳ４０１で計測した帯電を補正する。具体的には、帯電電圧を相殺する電圧、あるいはそれ以上の電圧を、反射電子検出器１２５に常時オフセット電圧として印加する。なお、オフセット電圧は帯電電圧を相殺する電圧を超えてもよいが、１次電子１７０の軌道への影響が無視できる程度の電圧とする必要がある。
また別の方法としては、帯電電圧と同じ電圧、あるいはそれ以下の電圧を試料台電圧制御部１４４により試料台１１３に常時オフセット電圧として印加させる。ただし、試料台１１３、すなわち試料１１４にオフセット電圧を印加する場合は、１次電子１７０のランディングエネルギーが変化し、また、２次電子１７１のエネルギーや軌道も変化するため、これらの変化を補正するための電子光学系の調整が必要になる。したがって、反射電子検出器１２５にオフセット電圧を印加する方法がより望ましい。
以上の方法により、反射電子検出器１２５に帯電が生じた場合においても、２次電子検出への影響を抑制でき、信頼性の高いパタン計測が可能となる。
図５は、計測した反射電子検出器１２５の帯電を解消する、あるいは、減少させるフローチャートである。本フローチャートも装置制御演算装置１５０により実行される。
ステップＳ５０１では、実施例１のステップＳ２０１〜Ｓ２０５と同様の方法で、反射電子検出器１２５の帯電電圧を算出する。
ステップＳ５０２では、計測した帯電電圧が許容範囲内であるかを判定し、許容範囲を超えた場合には、ステップＳ５０３に移行する。
ステップＳ５０３では、反射電子検出器１２５に正帯電が生じるように光学条件を調整して試料１１４に向けて１次電子１７０を照射することで、反射電子検出器１２５の負帯電を解消、あるいは減少させる。
具体的な帯電解消方法の例を、図６を用いて説明する。反射電子検出器１２５に反射電子１７２が入射した結果、反射電子検出器１２５から３次電子６０１が放出される。反射電子１電子あたりの３次電子放出量は、反射電子１７２の加速電圧や反射電子検出器１２５のシンチレータの表面の材料に依存する。また、反射電子１７２の加速電圧は１次電子１７０の加速電圧に依存する。そこで、１次電子１７０の加速電圧を、反射電子検出器１２５へ入射する反射電子数より、反射電子１７２により反射電子検出器１２５から放出される３次電子数が多くなるように調整することにより、反射電子検出器１２５の正帯電を促進する、すなわち負帯電を減少させることができる。このとき、反射電子検出系制御部１３８により反射電子検出器１２５に印加する電圧６０３を負とする、及び／または試料台電圧制御部１４４により試料１１４に印加する電圧６０４を正とすることで、反射電子検出器１２５から放出される３次電子６０１が反射電子検出器１２５に再入射されることを抑制でき、反射電子検出器１２５の正帯電をさらに促進することができる。また、反射電子検出器１２５からグランド（接地電位）へ流出する電流を、反射電子検出系制御部１３８の電流計６０２により計測することで、反射電子検出器１２５の帯電の進行方向が正か負かを判別できるため、設定した光学条件が適切であったか判断することができる。
なお、この負帯電を解消する方法は、反射電子検出器１２５の正帯電を解消したい場合にも適用可能である。この場合、負帯電を解消する場合とは逆の条件、すなわち、反射電子検出器１２５へ入射する反射電子数より、反射電子により放出される３次電子数が少なくなる加速電圧条件を用いる。このとき同様に、反射電子検出器１２５に印加する電圧６０３を正とする、及び／または試料１１４に印加する電圧６０４を負とすることで、負帯電の解消を促進できる。
ステップＳ５０３の実行後、再びステップＳ５０１にて反射電子検出器１２５の帯電電圧計測を行い、許容範囲となるまで、この動作を繰り返す。
ステップＳ５０３における１次電子照射時間、つまり帯電解消動作時間は、あらかじめ定めた時間でもよいし、１次電子照射を行ったときの単位時間あたりの電圧変化をあらかじめ計測しておき、その結果とステップＳ５０１にて計測した帯電電圧とから、１次電子照射時間を求めてもよい。あるいは、ステップＳ５０１〜５０３のループを複数回繰り返す場合には、直前の帯電解消動作時の時間と帯電電圧変化量、および残留する帯電電圧から、ニュートン法により、次回の帯電解消動作時間を決定してもよい。
以上の方法により、反射電子検出器１２５に生じた帯電を解消、あるいは減少させることにより２次電子検出への影響を回避して、信頼性の高いパタン計測が可能となる。
図７Ａは、反射電子検出器１２５の帯電の有無を簡易に検査するフローチャートである。本フローチャートも装置制御演算装置１５０により実行される。
ステップＳ７０１では、反射電子検出器１２５への印加電圧をあらかじめ設定した基準電圧Ｖｒに設定する。基準電圧Ｖｒは０Ｖとすることが望ましい。反射電子検出器１２５の帯電がないとすれば（電子光学系において減速光学系は適用しないものとする）、０Ｖの前後で２次電子検出量が急峻に変化するため感度よく帯電の有無を検知できるためである。ただし、試料１１４に電圧を印加する場合や、反射電子検出器１２５への印加電圧を安定的に０Ｖとすることが難しい場合などは、０Ｖ以外の電圧としてもよい。
ステップＳ７０２では、試料の画像を取得し、画像の平均階調値を算出する。この場合も、試料の帯電が取得する画像に影響を与えないように、試料は帯電しない、あるいは帯電が十分小さい試料とする。
ステップＳ７０３では、画像の平均階調値があらかじめ定めた閾値Ｔth以上であるかを判定し、閾値Ｔth未満であれば反射電子検出器１２５に帯電が生じている可能性があると判断して、帯電計測を行うステップＳ７０４に移行する。
ステップＳ７０４では、実施例１のステップＳ２０１〜Ｓ２０５と同様の方法で、反射電子検出器１２５の帯電電圧を算出する。
ステップＳ７０５では、実施例２のステップＳ４０２と同様の方法で、反射電子検出器１２５の帯電を補正する。あるいは、実施例３のステップＳ５０３と同様の方法で、帯電を解消する動作を行ってもよい。その場合は、図５のフローチャートと同様、再度ステップＳ７０４に戻って反射電子検出器１２５の帯電を算出し、帯電が許容範囲となるまで帯電解消動作を繰り返してもよい。
反射電子検出器１２５が帯電していない場合（計測１）と反射電子検出器１２５が帯電している場合（計測２）での平均階調値の違いを図７Ｂに模式的に示す。計測１では、画像取得（ステップＳ７０２）により平均階調値Ｔ1が得られ、計測２では、画像取得（ステップＳ７０２）により平均階調値Ｔ2が得られたとする。図３に示したように、反射電子検出器１２５への印加電圧と取得画像の平均階調値とは所定の関係３０１を有しており、波形３０１−２は反射電子検出器１２５の帯電量に応じて波形３０１−１を平行移動した波形に相当する。このように、算出される平均階調値Ｔは、反射電子検出器１２５の帯電量に応じて低下する。したがって、閾値Ｔthを適切に設定しておくことにより、１回の画像取得により、反射電子検出器１２５の帯電判定が可能になる。
閾値Ｔthは、あらかじめ実施例１のステップＳ２０１〜Ｓ２０４を実施して、図７Ｂに示した反射電子検出器への印加電圧と２次電子による画像の平均階調値との関係を取得して設定することができる。これにより、反射電子検出器のわずかな帯電による２次電子検出信号の減少も検知可能な閾値設定が可能となる。あるいは、図７Ａのフローチャートを類似した試料に対して繰り返し実施する場合には、ステップＳ７０２で得られた平均階調値を記録しておき、それまでの平均階調値の平均値に１以下の一定の係数を乗じた平均階調値を閾値値Ｔthとしてもよい。これにより、突発的に生じる反射電子検出器の帯電を検知することができる。
以上の方法により、１回の画像取得により、簡便に反射電子検出器１２５の帯電の有無を検査できるため、スループットの低下を最小限にしながら、反射電子検出器の帯電による２次電子検出への影響を回避して、信頼性の高いパタン計測が可能となる。
図８は、試料１１４に形成されたパタンを計測するフローチャートであり、反射電子検出器１２５の帯電を簡易的に検査、あるいは計測、あるいは補正、あるいは解消する工程を有している。本フローチャートも装置制御演算装置１５０により実行される。このフローチャートでは、パタンの計測を行うシーケンスにおいて、実施例１〜４の方法が適用可能であるタイミングで、それらを実施するように記述している。ただし、図８に含まれる反射電子検出器１２５の帯電を検査、補正等する全てのステップを必ずしも実施する必要はなく、求められるパタン計測の安定度、試料や光学条件を考慮した際の反射電子検出器帯電のリスク、スループットなどを総合的に考慮して、必要なステップを選択して実施すればよい。また、このフローチャートには、試料の回転ずれや位置ずれの補正シーケンスなどは明示していないが、パタンの計測に必要なステップは含まれるものとする。なお、パタン計測に限らず、例えばパタンを検査する工程にも同様に適用することが可能である。
ステップＳ８０１では、ステージ１１２を移動させる、あるいは１次電子１７０の照射位置を移動させることにより、光軸調整用の校正用試料１１５へ視野を移動させる。校正用試料１１５は試料台１１３上に搭載され、その表面に光軸調整用の校正パタンが形成されている。
ステップＳ８０２では、校正パタンの画像を用いて、光軸調整シーケンスを実施する。光軸調整を含む電子光学系の光学条件の調整が完了したときの反射電子検出器１２５への印加電圧を基準電圧Ｖｒ（実施例４を参照）とする。
ステップＳ８０３では、反射電子検出器１２５の帯電計測用の標準試料へ視野移動する。ここで、標準試料は、帯電しない、あるいは帯電が十分小さい試料とする。校正用試料１１５を標準試料として兼用することで、ステップＳ８０３は割愛できる。
ステップＳ８０４では、実施例１のステップＳ２０１〜２０５と同様の方法で、反射電子検出器１２５の帯電電圧を算出する。なお、ステップＳ８０４にて帯電電圧を算出した後、実施例２のステップＳ４０２を実施して帯電を補正することが望ましい。この場合、基準電圧Ｖｒについても、反射電子検出器１２５に印加したオフセット電圧を加える補正を行い、以降のステップでの基準電圧Ｖｒとして、オフセット補正した基準電圧を用いる。あるいは実施例３のステップＳ５０２、Ｓ５０３、Ｓ５０１を繰り返し実施して、帯電電圧が許容範囲内になるまで、帯電を解消する動作を実施してもよい。
ステップＳ８０５では、計測対象である試料１１４の位置合わせパタンへ視野を移動する。位置合わせパタンは計測対象パタンを視野におさめるために設けられる、計測対象パタンまでの距離が既知であるパタンである。
ステップＳ８０６では、位置あわせ用パタンの画像を取得し、視野内の位置あわせ用パタンの位置から計測対象パタンまでの正確な距離を算出する。このとき、反射電子検出器１２５への印加電圧は、基準電圧Ｖｒに設定されている。
ステップＳ８０７では、ステップＳ８０６で取得した位置あわせ用パタンの画像を用いて、実施例４のステップＳ７０２〜７０３と同様の方法で、反射電子検出器１２５の帯電の簡易検査を実施する。帯電ありと判定される場合には、ステップＳ８０８に進んで、実施例４のステップＳ７０４〜７０５と同様の方法で、反射電子検出器１２５の帯電を補正するとともに、基準電圧Ｖｒについても、反射電子検出器１２５に印加したオフセット電圧を加える補正を行い、以降のステップでの基準電圧Ｖｒとして、オフセット補正した基準電圧を用いる。その後、ステップＳ８０６に戻って、再度、位置あわせ用パタンの画像を取得し、位置あわせ用パタンの位置から計測対象パタンまでの正確な距離を算出し直す。
ステップＳ８０７で帯電なしと判定される場合には、ステップＳ８０９に進み、ステップＳ８０９では、位置あわせ用パタンから計測対象パタンへ視野移動する。この際の移動量は、ステップＳ８０６にて算出した正確の距離を用いる。これにより、計測対象パタンを視野内の所望の位置に再現性よく移動させることができる。
ステップＳ８１０では、反射電子検出器１２５への印加電圧を変えて焦点位置を変化させながら２次電子検出器１２０による画像を取得し、画像の鮮鋭度が最も高くなる条件に焦点を調整する（オートフォーカス）。焦点調整を反射電子検出器１２５への印加電圧を変えることで行うことにより、焦点調整のために反射電子検出器１２５への印加電圧を変えながら取得した画像を、次のステップＳ８１１にて反射電子検出器１２５の帯電電圧を算出するために用いることができる。２次電子検出器１２０の画像による焦点調整が、画像階調値の低下などのため難しい場合には、同時に取得した反射電子検出器１２５、あるいは他の検出器の画像を用いて焦点調整してもよい。しかし、それらの画像をもってしても、焦点調整が難しい場合には、対物レンズの電流やその他の電極の電圧を変えることによる焦点調整を行う必要がある。この場合には、ステップＳ８１１はスキップする（反射電子検出器１２５の帯電電圧の計測は行わない）。
ステップＳ８１１では、ステップ８１０で取得した焦点調整時の２次電子検出器１２０の画像、すなわち反射電子検出器１２５への印加電圧を変えながら取得した２次電子検出器１２０の画像を利用して、実施例１のステップＳ２０５と同様に、反射電子検出器１２５の帯電電圧を算出する。なお、帯電を計測した後、実施例２のステップＳ４０２を実施して帯電を補正することが望ましい。この場合、基準電圧Ｖｒについても、反射電子検出器１２５に印加したオフセット電圧を加える補正を行い、以降のステップでの基準電圧Ｖｒとして、オフセット補正した基準電圧を用いる。
ステップＳ８１２では、２次電子検出器１２０の画像を取得する。このときの反射電子検出器１２５への印加電圧は、基準電圧Ｖｒとする。ステップＳ８１０のオートフォーカスで求められた最適な印加電圧と異なる電圧を反射電子検出器１２５に印加した場合、焦点ずれが生じる場合がある。他の方法で焦点調整を行った場合でも反射電子検出器１２５への印加電圧は、基準電圧Ｖｒとすることで画像階調の低下などを生じる場合には、次のステップＳ８１３のパタン計測結果に影響を及ぼすおそれがあるので、反射電子検出器１２５への印加電圧は、画像階調の低下や焦点ずれが生じない条件に設定する必要がある。この場合には、ステップＳ８１４はスキップする（反射電子検出器１２５の帯電の簡易検査は行わない）。なお、ステップＳ８１２で、反射電子検出器１２５の画像を同時に取得してもよい。
ステップＳ８１３では、ステップＳ８１２で取得した２次電子検出器１２０の画像、あるいは反射電子検出器１２５の画像にもとづいてパタンを計測する。
ステップＳ８１４では、ステップＳ８１２で取得した２次電子検出器１２０の画像を用いて、実施例４のステップＳ７０２〜７０３と同様の方法で、反射電子検出器１２５の帯電の簡易検査を実施する。反射電子検出器１２５に帯電が生じている可能性があると判断した場合には、実施例１のようにエラーを表示するか、あるいは実施例４のステップＳ７０４〜７０５と同様の方法で、反射電子検出器１２５の帯電を補正することが望ましい。反射電子検出器１２５の帯電を補正する場合には、基準電圧Ｖｒについても、反射電子検出器１２５に印加したオフセット電圧を加える補正を行い、以降のステップでの基準電圧Ｖｒとして、オフセット補正した基準電圧を用いる。
ステップＳ８１５では、全ての計測対象パタンの計測を完了したか判定し、完了するまでステップＳ８０５〜Ｓ８１４を繰り返す。
図８のフローチャートのなかで、反射電子検出器１２５の帯電の検査や解消等に係る必要十分なステップを選択して実施することで、スループットの低下を必要最低限にとどめつつ、あるいはスループットを低下させずに、反射電子検出器１２５に生じた帯電を検出、補正、あるいは解消することができ、信頼性の高いパタン計測が実現できる。
図９は、表面電位計測プローブを用いて反射電子検出器の帯電計測するフローチャートである。図１０に、本実施例におけるステージ１１２の模式図を示す（ここでは試料台１１３は省略している）。ステージ１１２上には、表面電位計測プローブ１００１と除電装置１００２が配置されている。
ステップＳ９０１では、ステージ１１２を移動させて、表面電位計測プローブ１００１を反射電子検出器１２５に対向させる。
ステップＳ９０２では、表面電位計測プローブ１００１を用いて反射電子検出器１２５の表面電位、すなわち帯電電圧を計測する。
ステップＳ９０３では、ステップＳ９０２で計測した帯電電圧が許容範囲かどうかを判定し、許容範囲を超えた場合にはステップＳ９０４へ移行する。
ステップＳ９０４では、ステージ１１２を移動させて、除電装置１００２を反射電子検出器１２５に対向させる。ここで、除電装置１００２とは、紫外線照射装置やプラズマ発生装置、電子やイオンの発生装置など、対象の表面帯電を低減する装置である。
ステップＳ９０５では、除電装置１００２を用いて、反射電子検出器１２５の帯電を除去する。
なお、本実施例のうち、帯電計測のみ（ステップＳ９０１〜９０２）を実施してもよいし、帯電計測を実施せずに定期的に帯電低減のみ（ステップＳ９０４〜９０５）を実施してもよい。
以上の方法は、ステージ１１２に保持される試料１１４を交換する際の、真空排気の待ち時間や、光学条件を変更する際の待ち時間など、１次電子を照射できない時間を利用して実施できる。このため、パタン計測の総合的なスループットを低下させずに、反射電子検出器１２５に生じた帯電を計測することができる。その結果、帯電に影響を受けたパタン計測結果を全体の結果から除外したり、メンテナンスを促して、さらなる帯電の影響や帯電の増大を防止したりすることができる。また、同様に、総合的なスループットを低下させずに、反射電子検出器１２５に生じた帯電を除去することができる。その結果、信頼性の高いパタン計測が可能となる。
また、本実施例６を実施例１〜５と組み合わせてもよい。たとえば、実施例１〜５における帯電電圧が許容範囲かどうかの判定を実施例６の方法（ステップＳ９０１〜Ｓ９０３）で行うことができる。あるいは、実施例３〜５における帯電の除去を実施例６の方法（ステップＳ９０４〜９０５）で行うことができる。
以上の実施例で説明した反射電子検出器１２５の帯電電圧の計測を定期的に実施することにより、帯電の変化をモニタすることができる。図１１は、モニタ結果の表示の例である。このような表示を行うことで、反射電子検出器の帯電の進行度を把握することができ、２次電子検出に影響が生じる前に、たとえば反射電子検出器の交換やクリーニングなどの対策を実施することが可能となる。
また、反射電子検出器の帯電を引き起こす原因の推定にも活用できる。たとえば、特定の試料の計測前後で帯電電圧が大きく増加している場合には、その試料からのデガスが原因で反射電子検出器に有機物汚れが付着し、帯電が促進された可能性が示唆される。その結果、そのような試料の計測を回避したり、計測前の処理を見直したりすることで、反射電子検出器の帯電を予防することが可能となる。
１００：電子源、１０１：電子銃、１０２：第１アライナー、１０３，１０５：コンデンサレンズ、１０６，１０８：走査偏向器、１０９：対物レンズ、１１０：磁路、１１２：ステージ、１１３：試料台、１１４：試料、１１５：校正用試料、１２０：２次電子検出器、１２１：ＥｘＢ素子、１２２：メッシュ電極、１２５：反射電子検出器、１３１：電子銃制御部、１３２：第１アライナー制御部、１３３，１３５：コンデンサレンズ制御部、１３７，１３９：走査偏向器制御部、１３８：反射電子検出系制御部、１４１：ブースター電圧制御部、１４２：対物レンズ制御部、１４４：試料台電圧制御部、１４５：２次電子検出系制御部、１４６：メッシュ電極制御部、１４７：ＥｘＢ素子制御部、１５０：装置制御演算装置、１５１：記憶装置、１５２：表示装置、１７０：１次電子、１７１：２次電子、１７２：反射電子、６０２：電流計、１００１：表面電位計測プローブ、１００２：除電装置。

Claims (16)

  1. １次電子を放出する電子源と対物レンズとを含む電子光学系と、
    試料が載置されるステージと、
    前記対物レンズよりも前記電子源側に配置され、前記１次電子と前記試料との相互作用により放出される２次電子を検出する２次電子検出器と、
    前記対物レンズと前記ステージとの間に配置され、前記１次電子と前記試料との相互作用により放出される反射電子を検出する反射電子検出器と、
    前記反射電子検出器に対応して設けられ、前記反射電子検出器に電圧を印加する反射電子検出系制御部と、
    前記反射電子検出器に所定の電圧を印加した状態で前記試料に前記１次電子を照射したときの前記２次電子検出器の信号強度に基づき、前記反射電子検出器の帯電状態を検出する装置制御演算装置とを有する走査電子顕微鏡。
  2. 請求項１において、
    前記装置制御演算装置は、前記反射電子検出器に印加する前記所定の電圧を変えながら前記試料に前記１次電子を照射したときの前記２次電子検出器の信号強度を取得し、取得した前記２次電子検出器の信号強度と前記反射電子検出器に印加した電圧との関係に基づき、前記反射電子検出器の帯電電圧を算出する走査電子顕微鏡。
  3. 請求項２において、
    前記装置制御演算装置は、取得した前記２次電子検出器の信号強度と前記反射電子検出器に印加した電圧との関係から、前記２次電子検出器の信号強度が急峻に変化する前記反射電子検出器への印加電圧を求め、前記印加電圧を正負反転した電圧を前記反射電子検出器の帯電電圧として算出する走査電子顕微鏡。
  4. 請求項２において、
    表示装置を有し、
    前記装置制御演算装置は、算出した前記反射電子検出器の帯電電圧が許容範囲を超える場合には、前記表示装置にエラーを表示させる走査電子顕微鏡。
  5. 請求項２において、
    前記装置制御演算装置は、算出した前記反射電子検出器の帯電電圧に応じたオフセット電圧を前記反射電子検出器に印加する走査電子顕微鏡。
  6. 請求項２において、
    前記ステージに載置される前記試料を保持する試料台と、
    前記試料台に電圧を印加する試料台電圧制御部とを有し、
    前記装置制御演算装置は、算出した前記反射電子検出器の帯電電圧に応じたオフセット電圧を前記試料台に印加する走査電子顕微鏡。
  7. 請求項２において、
    前記装置制御演算装置は、前記電子光学系を所定の光学条件に設定して前記試料に１次電子を照射し、
    前記所定の光学条件は、前記所定の光学条件で前記試料に照射された１次電子と前記試料との相互作用により放出された反射電子が前記反射電子検出器に入射されることにより３次電子が放出され、放出される３次電子数が前記反射電子検出器に入射される反射電子数よりも多い加速電圧条件である走査電子顕微鏡。
  8. 請求項７において、
    前記装置制御演算装置は、前記電子光学系を前記所定の光学条件に設定して前記試料に１次電子を照射する期間において、前記反射電子検出器に負電圧を印加する走査電子顕微鏡。
  9. 請求項７において、
    前記反射電子検出系制御部は、前記電子光学系を前記所定の光学条件に設定して前記試料に１次電子を照射する期間において、前記反射電子検出器とグランドとの間に流れる電流を計測する走査電子顕微鏡。
  10. 請求項１において、
    前記装置制御演算装置は、前記反射電子検出器に所定の基準電圧を印加して前記試料に前記１次電子を照射したときの前記２次電子検出器の信号強度を取得し、取得した前記２次電子検出器の信号強度を閾値電圧と比較することにより、前記反射電子検出器の帯電の有無を判定する走査電子顕微鏡。
  11. 請求項１において、
    前記装置制御演算装置は、前記反射電子検出器に前記所定の電圧を印加した状態で前記試料に前記１次電子を照射して、前記２次電子検出器から検出される２次電子に基づく画像を取得し、前記画像の平均階調値を前記２次電子検出器の信号強度とする走査電子顕微鏡。
  12. 請求項１において、
    前記反射電子検出器は、アニュラー形状のシンチレータを備える走査電子顕微鏡。
  13. １次電子を放出する電子源と対物レンズとを含む電子光学系と、
    試料が載置されるステージと、
    前記対物レンズよりも前記電子源側に配置され、前記１次電子と前記試料との相互作用により放出される２次電子を検出する２次電子検出器と、
    前記対物レンズと前記ステージとの間に配置され、前記１次電子と前記試料との相互作用により放出される反射電子を検出する反射電子検出器と、
    前記反射電子検出器に対応して設けられ、前記反射電子検出器に電圧を印加する反射電子検出系制御部と、
    前記ステージ上に配置され、前記反射電子検出器の表面電位を計測する表面電位計測プローブと、
    前記ステージ上に配置され、前記反射電子検出器の帯電を除去する除電装置とを有する走査電子顕微鏡。
  14. １次電子を放出する電子源と対物レンズとを含む電子光学系と、試料が載置されるステージと、前記対物レンズよりも前記電子源側に配置され、前記１次電子と前記試料との相互作用により放出される２次電子を検出する２次電子検出器と、前記対物レンズと前記ステージとの間に配置され、前記１次電子と前記試料との相互作用により放出される反射電子を検出する反射電子検出器とを有する走査電子顕微鏡を用いて前記試料のパタン計測を行うパタン計測方法であって、
    前記電子光学系の光学条件を調整する第１の工程と、
    前記２次電子検出器を用いて前記試料の位置合わせ用パタンを含む画像を取得し、前記位置合わせ用パタンから計測対象パタンまでの正確な距離を算出する第２の工程と、
    前記計測対象パタンへ視野移動して焦点を調整する第３の工程と、
    前記２次電子検出器を用いて前記計測対象パタンを含む画像を取得し、前記計測対象パタンを計測する第４の工程と、
    前記第２の工程及び前記第４の工程の少なくともいずれかにおいて、前記反射電子検出器に基準電圧を印加した状態で前記画像を取得し、前記画像から算出される前記２次電子検出器の信号強度に基づき、前記反射電子検出器の帯電の有無を判定する第５の工程とを有し、
    前記基準電圧は、前記第１の工程において、前記電子光学系の光学条件を調整が完了したときの前記反射電子検出器への印加電圧とするパタン計測方法。
  15. 請求項１４において、
    前記第３の工程において、前記反射電子検出器に印加する印加電圧を変えながら、前記２次電子検出器を用いて複数の画像を取得し、前記複数の画像から画像の先鋭度が最も高くなるような前記反射電子検出器に印加する印加電圧を求め、
    前記第３の工程において取得した前記複数の画像のそれぞれから前記２次電子検出器の信号強度を算出し、算出した前記２次電子検出器の信号強度と前記反射電子検出器に印加した印加電圧との関係に基づき、前記反射電子検出器の帯電電圧を算出する第６の工程を有するパタン計測方法。
  16. 請求項１５において、
    前記第６の工程において、算出した前記反射電子検出器の帯電電圧に応じたオフセット電圧を前記反射電子検出器に印加するとともに、前記基準電圧を前記オフセット電圧に応じて補正するパタン計測方法。
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