JP6736498B2 - 計測装置及び観測条件の設定方法 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線を用いて試料形態を観察する計測装置、特に、電子顕微鏡に関する。

エレクトロニクス分野では、半導体等のデバイスサイズが年々微細化傾向にあるため、半導体の表面だけではなく拡散相等の底部の構造に起因した内部の情報を得ることも重要になっている。

半導体の表面を観察する方法として、走査型電子顕微鏡を用いる方法が挙げられる。なお、以下の説明では、走査型電子顕微鏡をＳＥＭとも記載する。

前述の観測方法では、ＳＥＭが、試料に対して一次電子線を走査し、試料から放出される放出電子（オージェ電子、二次電子、及び反射電子等）を検出器を用いて検出する。検出器を用いて検出された放出電子に対応する放出方向の検出信号は、一定の周期でサンプリングされる。放出電子の信号のサンプリングは、走査信号に同期するように行われ、二次元画像の画素に対応した抽出信号が得られる。ＳＥＭは、抽出された信号の強度を明るさに変換することによって画像を生成し、又は、一次電子線の走査下における座標及び明るさの関係から画像を生成する。

ＳＥＭを用いることによってフォーカス調整及び非点調整だけで高い空間分解能を有した画像を取得できるため、試料表面の微細な形状の観察及び局所的な組成分析等に利用されている。通常、ＳＥＭを用いた試料の観察では、同一箇所に複数回電子線を走査させることによって得られた抽出信号を積算することによって、画質の向上が図られる。

近年、有機材料及び生体材料等のソフトマテリアル、並びに複合材料等の試料がＳＥＭを用いた観察対象になってきている。ソフトマテリアル及び複合材料が観察対象である場合、電子線を照射することによって表面が帯電しやすいため、観察中の画像ドリフト及び試料ダメージが問題となる。そのため、電子線の照射量を小さくする観察が求められている。これに対して、特許文献１及び特許文献２に記載の技術が知られている。

特許文献１には、「電子線を用いて試料の構造観察や材料特性を評価するにあたって、断続的に電子線を照射し、断続的な電子線照射下で得られる２次電子の過渡応答の中で、必要な試料情報を反映した２次電子信号を検出時間により選択することで、不要な情報の重畳を防ぎ、高画質な観察を実現する。」ことが記載されている。また、特許文献２には、「観察領域内に固定した位置に、パルス状の断続的な電子線を照射する工程と、前記断続的な電子線による試料からの放出電子の時間変化を検出する工程と、前記放出電子の時間変化から、電子顕微鏡の観察条件を設定する工程を含むことを特徴とする。」ことが記載されている。

特開２０１２−２５２９１３号公報 特開２０１３−２１４４６７号公報

近年、半導体の微細化に加え、二次元構造から三次元構造への移行に伴う構造の複雑化に伴って、半導体の導通及び非導通の判定、下層容量、並びに形状の検査等が重要になっている。

しかし、半導体のサイズの微細化及び構造の複雑化に伴い、拡散層の電気特性の差が小さくなっているため、帯電が定常となる。したがって、従来の電位コントラスト法では、電荷量の差が小さくなり検査感度が低くなるため、プラグ間のグレースケール化が極めて困難となる。また、構造が複雑化した半導体の場合、従来の手法では観察対象のプラグ近傍の表面帯電の影響を強く受けるため、帯電に起因した電位コントラストがＳＥＭ像に重畳され、コントラスト差がつきにくい。また、同一画素内に照射する電子の数が少ない場合、積算数を増やしても、電子が照射されていない不要な信号を送ることになり、画質が向上しない。

本願において開示される発明の代表的な一例を示せば以下の通りである。すなわち、２次元的に走査する荷電粒子線を周期的に照射して試料を観察する計測装置であって、前記荷電粒子線を出力する粒子源と、前記荷電粒子線を集束するレンズと、前記荷電粒子線を照射した前記試料から放出される放出電子の信号を検出する検出器と、観測条件に基づいて前記荷電粒子線の出力及び前記放出電子の信号の検出を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記観測条件として、前記荷電粒子線の２次元的な走査を制御する第１のパラメータを設定し、前記観測条件として、走査中の前記荷電粒子線の照射位置を指定する照射周期を制御する第２のパラメータを設定し、前記観測条件として、パルス状の荷電粒子線のパルス幅を制御する第３のパラメータを設定し、前記観測条件として、前記パルス状の荷電粒子線の照射時間内において前記放出電子の信号の検出タイミングを制御する第４のパラメータを設定し、前記第４のパラメータは、前記荷電粒子線の照射位置から放出される複数の放出電子の信号の各々の強度の差に基づいて決定されることを特徴とする。

本発明によれば、第１のパラメータ、第２のパラメータ、第３のパラメータ、及び第４のパラメータを含む観測条件に基づいた計測装置の制御によって、高精度な試料の電位コントラスト像を生成できる。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明によって明らかにされる。

実施例１の走査電子顕微鏡の構成の一例を示す図である。 実施例１の走査電子顕微鏡を用いて観察する試料の一例を示す図である。 実施例１の走査電子顕微鏡の制御方法を説明する図である。 実施例１の走査電子顕微鏡の制御方法を説明する図である。 実施例１の動的電位コントラスト法の原理について説明する図である。 実施例１の出力装置に表示される操作画面の一例を示す図である。 実施例１の走査電子顕微鏡が観察条件を設定する場合に実行する処理を説明するフローチャートである。 実施例１の走査電子顕微鏡が生成する画像の一例を示す図である。 実施例２のシミュレーションに用いるモデルを示す図である。 実施例２の出力装置に表示される操作画面の一例を示す図である。 実施例２の走査電子顕微鏡が観察条件を設定する場合に実行する処理を説明するフローチャートである。 実施例３の走査電子顕微鏡の構成の一例を示す図である。 実施例３の出力装置に表示される操作画面の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。なお、添付図面は本発明の原理に沿った具体的な実施例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。

実施例１では、試料の観察に最適な観察条件に基づいて画像（電位コントラスト像）を生成する装置、及び観察条件の設定方法について説明する。

図１は、実施例１の走査電子顕微鏡１０の構成の一例を示す図である。図２は、実施例１の走査電子顕微鏡１０を用いて観察する試料の一例を示す図である。

なお、実施例１では試料の観察に使用する計測装置の一例として走査電子顕微鏡１０を用いているが、断続的な電子線を用いた電子顕微鏡でもよい。

走査電子顕微鏡１０は、電子光学系、ステージ機構系、ＳＥＭ制御系、信号処理系、及びＳＥＭ操作系から構成される。より具体的には、走査電子顕微鏡１０は、電子光学系及びステージ機構系を含む電子光学系鏡筒１０１、並びに、ＳＥＭ制御系、信号処理系、及びＳＥＭ操作系を含む制御ユニット１０２から構成される。

電子光学系は、電子銃１１１、偏向器１１３、対物レンズ１１５、及び検出器１１９から構成される。電子銃１１１は、一次電子線１１２を出力する。本実施例では、一次電子線１１２としてパルス電子線を試料１１６に照射する。パルス電子線の出力は、パルス偏向器に対応する偏向器１１３の制御によって実現してもよいし、また、パルス電子線を出力可能な電子銃１１１を用いて実現してもよい。

なお、電子銃１１１から出力される電子の数は、１から１００００の範囲で調整でき、また、入射エネルギーは１ｅＶから３０００ｅＶの範囲で調整できるものとする。

一次電子線１１２は、偏向器１１３及び対物レンズ１１５の通過時にフォーカス等が調整される。また、一次電子線１１２は、偏向器１１３の通過時に軌道が偏向され、試料１１６を二次元に走査する。一次電子線１１２が照射された試料１１６から放出された放出電子は、検出器１１９によって検出される。検出器１１９によって検出された放出電子の信号は、制御ユニット１０２によって処理される。一次電子線１１２の照射位置に対応した二次元画像は、出力装置１２５に表示される。

ステージ機構系は、試料１１６を設置するステージを備える試料ホルダ１１７から構成される。ステージは、傾斜制御及び三次元方向（ＸＹＺ軸）の移動制御が可能である。なお、試料１１６は、図２に示すような半導体基板２００を想定する。半導体基板２００は、絶縁膜２０１、コンタクトプラグ２０２、及びゲート２０３等から構成される。なお、図２に示す半導体基板２００は一例であってこれに限定されない。

制御ユニット１０２は、演算装置１２１、記憶装置１２２、パルス電子制御装置１２３、入力装置１２４、及び出力装置１２５を有する。なお、制御ユニット１０２は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）及びＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記憶媒体を含んでもよい。

演算装置１２１は、記憶装置１２２に格納されるプログラムにしたがって、所定の演算処理を実行する。演算装置１２１は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）及びＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等が考えられる。

記憶装置１２２は、演算装置１２１が実行するプログラム及び当該プログラムが使用するデータを格納する。また、記憶装置１２２は、プログラムが使用するワークエリア等の一時記憶領域を含む。記憶装置１２２は、例えば、メモリ等が考えられる。記憶装置１２２に格納されるプログラム及びデータについては後述する。

パルス電子制御装置１２３は、パルス電子線の出力を制御する。本実施例のパルス電子制御装置１２３は、偏向器１１３と通信可能なように接続される。

入力装置１２４は、データの入力を行う装置であり、キーボード、マウス、及びタッチパネル等を含む。また、出力装置１２５は、データの出力を行う装置であり、タッチパネル及びディスプレイ等を含む。

記憶装置１２２は、制御モジュール１３１及び画像生成モジュール１３２を実現するプログラムを格納する。また、記憶装置１２２は、条件情報１３３及び画像情報１３４を格納する。なお、記憶装置１２２は、図示しないプログラム及び情報を格納してもよい。

制御モジュール１３１は、電子光学系鏡筒１０１の各構成部品を制御する。画像生成モジュール１３２は、放出電子の信号から画像を生成する。本実施例では、制御モジュール１３１又は画像生成モジュール１３２が、放出電子の信号をサンプリングする。

条件情報１３３は、観察条件を管理する情報である。なお、観察条件は、加速電圧、照射電流、パルス幅（照射時間）、ピクセルスプリット数（照射周期）、タイミングディレイ、及び画像の格納位置を示すポインタ等が対応付けられたデータ（エントリ）として生成され、条件情報１３３に登録される。なお、当該エントリには、試料１１６の識別情報及び種別等が含まれてもよい。画像情報１３４は、生成された電位コントラスト像を管理する情報である。

本実施例では、ＳＥＭ制御系は制御モジュール１３１及びパルス電子制御装置１２３から構成され、信号処理系は画像生成モジュール１３２から構成され、ＳＥＭ操作系は入力装置１２４及び出力装置１２５から構成される。

図３及び図４は、実施例１の走査電子顕微鏡１０の制御方法を説明する図である。図３はパルス電子線を用いた走査制御を示し、図４は走査電子顕微鏡１０のサンプリング制御を示す。

矩形３００は、一次電子線１１２の照射範囲を示す。図３では、走査電子顕微鏡１０は、矩形３００の左上から走査を開始し、矩形３００の左下まで一次電子線１１２を走査する。具体的な一次電子線の走査軌跡は、図３の矢印に示すようになる。なお、走査の制御におけるＸ方向の移動は、偏向器１１３への制御信号に基づいて行われる。

パルス電子制御装置１２３は、制御モジュール１３１と連携して、パルス電子線を用いた走査を制御し、また、画像生成モジュール１３２は、放出電子の検出タイミングを制御する。パルス電子線の照射に同期した走査制御を実現でき、また、パルス電子線の照射に同期して検出された放出電子の信号から電位コントラスト像を取得できる。

従来の走査電子顕微鏡は、１回の走査で試料１１６に照射する一次電子線１１２の電子照射密度（走査線密度）を制御する走査速度及びプローブ電流を調整して、一次電子線１１２を試料１１６に照射する。

試料１１６から放出される放出電子は、観測対象の近傍の表面帯電の影響を強く受ける。放出電子と帯電との間の相互作用が弱い場合、帯電の影響が少ない電位コントラスト像が得られるが、放出電子と帯電との間の相互作用が強い場合、帯電に起因した電位コントラストがＳＥＭ像に重畳される。また、放出電子と帯電との間の相互作用は試料１１６の電気特性に強く依存する。

本実施例の走査電子顕微鏡１０は、前述した問題を解決するために、ピクセルスプリット制御に基づいてパルス電子線を試料１１６に照射する。これによって、試料１１６の帯電を制御し、また、試料１１６の帯電の過渡状態を可視化できる。

ピクセルスプリット制御では、走査線密度、パルス電子線の照射の時間間隔、及びパルス電子線のパルス幅が制御される。より具体的には、走査速度及びプローブ電流を調整する走査線密度の制御に加えて、走査方向（Ｘ方向）の画素単位のパルス電子線の照射の時間間隔（照射周期）及びパルス幅の制御が行われる。Ｙ方向の制御と組み合わせることによって、試料１１６の帯電に対して高い制御性を有する。

図３の偏光器制御信号及び電子線照射制御信号のグラフは横軸が時間を表し、縦軸が信号の強度を示す。偏光器制御信号の強度の増加に伴って、一次電子線１１２の照射位置がＸ方向に移動する。また、電子線照射制御信号に基づいて、左端から右端に一定の時間間隔でパルス電子線が試料１１６に照射される。走査電子顕微鏡１０は、右端に到達した場合、すなわち、偏光器制御信号の強度が初期値に変化した場合、Ｙ方向に一定間隔あけた走査線に移動した後、左端から右端にパルス電子線が試料１１６に照射される。Ｙ方向の下への移動ができない場合、未処理の走査線のうちの最も上側にある走査線に移動し、同様の処理を行う。

試料の電気特性の差に応じた電位コントラスト像を得るためには、観察対象の近傍の帯電と放出電子との間の相互作用に対する調整が可能な本制御が有効である。

本実施例の走査電子顕微鏡１０は、ピクセルスプリット制御を適用し、さらに、精度の高い電位コントラスト像を得るための動的電位コントラスト法を実現する。

図４に示す基準信号は、ＳＥＭ制御系及び信号処理系等の動作の基準となる信号である。本実施例の制御ユニット１０２は、前述の偏光器制御信号及び一次電子線照射制御信号を用いた制御に加えて、信号検出サンプリング制御信号を用いた制御を行う。各制御信号は、基準信号に同期するように制御される。なお、制御ユニット１０２は、基準信号の時間分解能の１０分の１の精度で各制御信号を調整できる。

ＴＶ走査線における１画素当たりのパルス電子線が試料１１６に滞留する時間は、パルス電子線の照射時間、すなわち、パルス幅Ｔｐに等しい。放出電子検出信号は、検出した放出電子の信号を示す。図４に示すように時間経過とともに信号の強度が低下する。

画像生成モジュール１３２は、パルス電子線の照射中の任意のタイミングで放出電子を１回検出するようにサンプリングを行う。検出タイミングは、パルス電子線の照射開始時点からの遅延時間を示すタイミングディレイＴｄを用いて調整される。

本実施例では、パルス電子線の出力に関する制御条件及び放出電子の信号の検出タイミングに関する制御条件が、観察条件として設定される。以下の説明では、パルス電子線の照射に関する制御条件を走査条件と記載し、放出電子の信号の検出タイミングに関する制御条件を検出条件とも記載する。

本実施例では、検出タイミングは１０ＭＨｚから１０００ＭＨｚの範囲内となるように決定される。

ここで、放出電子の信号の検出タイミングを調整することによって、高い精度の電位コントラスト像が得られる理由を図５を用いて説明する。

図５は、実施例１の動的電位コントラスト法の原理について説明する図である。

図２に示すような試料１１６にパルス電子線を照射した場合、隣接するコンタクトプラグ２０２から放出される放出電子が検出される。当該放出電子線は、図５に示すような変化を示す。ここで、図５の横軸は時間を示し、縦軸は電流等の放出電子信号の強度を示す。

画像生成モジュール１３２が検出タイミング１で放出電子の信号を検出した場合、隣接するコンタクトプラグ２０２から放出される放出電子の信号の強度にはほとんど差が無いため、コントラスト差がない電位コントラスト像が生成される。一方、画像生成モジュール１３２が検出タイミング２で放出電子の信号を検出した場合、隣接するコンタクトプラグ２０２から放出される放出電子の信号の強度に差があるため、コントラスト差が生じた電位コントラスト像が生成される。なお、時間経過とともに試料１１６が帯電することによって放出される放出電子の信号の強度は弱くなるため、検出タイミングを時間軸の後方に設けた場合、精度の高い電位コントラスト像を得ることが難しい。なお、放出電子の信号の強度の時間変化は主にパルス幅に依存する。

本実施例では、前述のような放出電子の時間変化（過渡特性）を考慮して、最適な電位コントラスト像を得られるように検出タイミングが調整される。

次に、図６及び図７を用いて観察条件の設定方法について説明する。

図６は、実施例１の出力装置１２５に表示される操作画面６００の一例を示す図である。

操作画面６００は、観察条件の設定時に表示される画面であり、条件設定ボタン６０１、条件設定領域６０２、過渡特性取得ボタン６０３、過渡特性表示領域６０４、画像取得ボタン６０５、画像表示領域６０６、及び保存ボタン６０７、６０８を含む。

条件設定ボタン６０１は、条件設定領域６０２に設定された値を観察条件に含めるパラメータとして設定するための操作ボタンである。条件設定ボタン６０１が操作された場合、制御ユニット１０２は、条件設定領域６０２に設定された値を含む観察条件を記憶装置１２２に一時的に保存する。

条件設定領域６０２は、観察条件を設定するための領域である。条件設定領域６０２は、加速電圧欄、照射電流欄、パルス幅欄、ピクセルスプリット数欄、タイミングディレイ欄、及び検出開始時間欄を含む。

加速電圧欄、照射電流欄、パルス幅欄、及びピクセルスプリット数欄は、走査条件として設定するパラメータを入力する欄である。パルス幅欄は、パルス電子線のパルス幅、すなわち、電子線を継続して試料１１６に照射する時間、すなわち、照射時間を指定するパラメータである。ピクセルスプリット数欄は、照射位置を指定するピクセルの数、すなわち、パルス電子線の照射周期を指定するパラメータである。

タイミングディレイ欄及び検出開始時間欄は、検出条件として設定するパラメータを入力する欄である。ここで、タイミングディレイ欄は、放出電子の検出タイミングを決定するためのパラメータを指定する欄である。検出開始時間欄は、タイミングディレイを決定するために複数の電位コントラスト像を取得する場合に、タイミングディレイの初期値を指定する欄である。

なお、過渡特性取得ボタン６０３の操作時には、タイミングディレイ欄及び検出開始時間欄に値は設定されていなくてもよい。

過渡特性取得ボタン６０３は、放出電子の信号の強度の時間変化を示すグラフを取得するための操作ボタンである。本実施例の走査電子顕微鏡１０は、過渡特性取得ボタン６０３の操作を受け付け場合、観察条件に基づいてパルス電子線を試料１１６に照射し、放出電子の信号の時間変化を示すデータを記憶装置１２２に記録する。過渡特性表示領域６０４は、放出電子の信号の強度の時間変化を示すグラフを表示する領域である。

画像取得ボタン６０５は、電位コントラスト像の生成を指示するための操作ボタンである。画像表示領域６０６は、指定されたタイミングディレイに基づいて検出された放出電子の信号をサンプリングすることによって生成される電位コントラスト像を表示する領域である。

保存ボタン６０７、６０８は、設定された観察条件を条件情報に登録するための操作ボタンである。保存ボタン６０７が操作された場合、制御ユニット１０２は、画像表示領域６０６に表示される全ての電位コントラスト像の生成時に用いた観察条件が条件情報１３３に登録する。保存ボタン６０８が操作された場合、制御ユニット１０２は、画像表示領域６０６から選択された電位コントラスト像の生成時に用いた観察条件を条件情報１３３に登録される。

ユーザは、放出電子の信号の時間変化のグラフ及び電位コントラスト像を参照することによって、試行錯誤することなく最適なパラメータを含む観測条件を設定できる。

図７は、実施例１の走査電子顕微鏡１０が観察条件を設定する場合に実行する処理を説明するフローチャートである。

走査電子顕微鏡１０は、過渡特性取得ボタン６０３が操作された場合、以下で説明する処理を開始する。

制御ユニット１０２は、電子光学系鏡筒１０１に走査条件を設定する（ステップＳ１０１）。

具体的には、制御モジュール１３１が、パルス電子制御装置１２３に、走査条件を含む設定指示を出力する。これによって、視野、加速電圧、及びピクセルスプリット数等が電子光学系鏡筒１０１に設定される。

制御ユニット１０２は、試料１１６へのパルス電子線の照射を電子光学系鏡筒１０１に指示する（ステップＳ１０２）。

電子光学系鏡筒１０１は、当該指示を受け付けた場合、パルス電子制御装置１２３によって設定された走査条件に基づいて、所定のパルス幅のパルス電子線を試料１１６に周期的に照射する。

このとき、制御モジュール１３１は、検出器１１９によって検出された放出電子の信号の時間変化を示すデータを記憶装置１２２に記録する。制御ユニット１０２は、当該記録が完了した後、過渡特性取得ボタン６０３の操作を促すメッセージを出力装置１２５に出力する。

制御ユニット１０２は、放出電子の信号の強度の時間変化を示すグラフを表示し、また、タイミングディレイの設定を受け付ける（ステップＳ１０３）。

具体的には、制御モジュール１３１は、過渡特性取得ボタン６０３の操作を受け付けた場合、記憶装置１２２に記録されたデータからグラフを生成し、過渡特性表示領域６０４に生成されたグラフを表示する。なお、制御モジュール１３１が自動的に設定してもよい。例えば、制御モジュール１３１は、放出電子の信号の時間変化に基づいて、複数の信号の差が最大となる検出タイミングを決定し、当該検出タイミングに対応するタイミングディレイを設定する。

ユーザは、当該グラフに基づいて、条件設定領域６０２のタイミングディレイ欄又は検出開始時間欄に値を設定する。また、ユーザは、画像取得ボタン６０５を操作する。

制御ユニット１０２は、設定されたタイミングディレイに基づいて、放出電子の信号のサンプリングを行って、画像取得ボタン６０５の操作を受け付けた場合、電位コントラスト像を生成する（ステップＳ１０４）。

具体的には、画像生成モジュール１３２が、設定されたタイミングディレイに基づいて、検出器１１９が検出した放出電子の信号をサンプリングし、サンプリングされた放出電子の信号を用いて電位コントラスト像を生成する。すなわち、画像生成モジュール１３２は、放出電子の信号の時間変化のグラフを参照し、検出タイミングに対応する時間の値を取得する。

また、画像生成モジュール１３２は、出力装置１２５に表示された操作画面６００の画像表示領域６０６に電位コントラスト像を出力する。なお、画像生成モジュール１３２は、電位コントラスト像とタイムディレイとを対応付けて出力する。

ユーザは、表示された電位コントラスト像を参照して、最適な電位コントラスト像に対応する観察条件を条件情報１３３に登録する。なお、保存ボタン６０７、６０８が操作された場合、制御モジュール１３１は、選択された電位コントラスト像に対応付けられたタイムディレイを検出条件に設定し、また、ステップＳ１０１において設定された走査条件とを含む観察条件を生成する。制御モジュール１３１は、条件情報１３３に観察条件を登録する。

なお、観察条件へのタイムディレイの設定方法及び条件情報１３３への観察条件の登録方法は一例であってこれに限定されない。

検出開始時間欄に値が設定されている場合、画像生成モジュール１３２は、当該値を基準値として複数の候補タイミングディレイ（検出タイミング）を設定する。さらに、画像生成モジュール１３２は、各検出タイミングに対応する電位コントラスト像を生成する。例えば、画像生成モジュール１３２は、検出開始時間欄の値を基準値とし、２０ｎｓ前後にずらすことによって、候補タイミングディレイを設定する。タイミングディレイ欄に値が設定されている場合、制御ユニット１０２は、一意に定まったタイミングディレイに対応する検出タイミングを設定し、当該検出タイミングに対応する電位コントラスト像を生成する。

本実施例では、ユーザが画像を参照して観察条件を登録しているが、制御モジュール１３１が、自動的にタイミングディレイを設定してもよい。例えば、図５に示すグラフの場合、制御モジュール１３１は、二つの放出電子の信号の強度の差が最大となる時間を検出タイミングに設定する。この場合、ステップＳ１０３及びステップＳ１０４の処理の代わりに前述した処理が実行される。放出電子の信号が三つ以上の場合、制御モジュール１３１は、各信号の強度の差の合計が最小となる時間を検出タイミングに設定する。

観察条件の設定が完了した後、実際の試料１１６の観察が行われる。本実施例の制御ユニット１０２は、試料１１６の観察要求を受け付けた場合、条件情報から観察条件を取得し、観察条件に基づいてパルス電子線の出力及び放出電子の信号の検出を制御する。具体的には、走査線密度、試料１１６に対するパルス電子線の照射の時間間隔、及びパルス幅等のパラメータを含む走査条件に基づいて、パルス電子線を試料１１６に照射し、また、タイミングディレイを含む検出条件に基づいて放出電子の信号をサンプリングし、サンプリングされた信号を用いて画像を生成する。

図８は、実施例１の走査電子顕微鏡１０が生成する画像の一例を示す図である。

画像１は、タイミングディレイが小さい場合の電位コントラスト像である。画像１は、例えば、図５の検出タイミング１において検出した放出電子の信号から生成された画像である。画像２は、タイミングディレイが長い場合の電位コントラスト像である。画像２は、例えば、図５の検出タイミング２において検出した放出電子の信号から生成された画像である。画像２は、画像１よりコントラストが明確であることから、高い精度で試料１１６の構造を調べることができる。

実施例１によれば、走査電子顕微鏡１０は、微細な構造を有する試料１１６の高い精度の電位コントラスト像を生成することができる。

実施例２では、試料１１６の設計データを用いたシミュレーションに基づいて、観察条件を設定する点が実施例１と異なる。以下、実施例１との差異を中心に、実施例２を説明する。

実施例２の走査電子顕微鏡１０の構成は、実施例１の走査電子顕微鏡１０の構成と同一であるため説明を省略する。また、適用する動的電位コントラスト法に基づく走査電子顕微鏡１０の制御方法は、実施例１の制御方法と同一であるため説明を省略する。

実施例２では、試料１１６の設計データ（ＲＣ定数）が予め分かっており、試料１１６の電気特性が等価回路を用いてモデル化されているものとする。

図９は、実施例２のシミュレーションに用いるモデルを示す図である。

実施例２では、図９に示すように、帯電による表面電位によって生じる電位鞍点が存在する放出電子のエネルギー分布モデルを用いて、動的電位コントラスト法による電位コントラスト像のシミュレーションを行う。

なお、図９の左側は電位の分布を示す図であり、図９の右側は電位の変化を示すグラフである。

図９に示すモデルにおいて、試料１１６にパルス電子線を照射した場合、試料１１６の表面では試料１１６の電気特性に依存した表面電位Ｖ_ｓを生じ、また、試料のＺ方向の電解と表面電位との相互作用によって電位鞍点Ｖ_φが生じる。電位鞍点は、表面電位に対して負のポテンシャルとなるため、放出電子に対してエネルギー障壁Ｖ_ｂとして作用する。なお、エネルギー障壁は、電位鞍点と表面電位との差として与えられる。表面電位の増加に伴って、放出電子の放出電流（信号の強度）が減少し、帯電の能力が小さくなる。

本実施例では、図９に示すモデルにおける放出電子のエネルギー分布Ｎ（Ｗ）の積分値を式（１）のように設定する。

ここで、δは放出電子放出率を表し、Ｉ_ｐは照射電流を表し、βは放出電子のエネルギー分布の特性パラメータを表す。例えば、試料１１６が金属の場合、βは８に設定され、試料１１６が絶縁体の場合、βは４に設定される。

上記のエネルギー分布モデルを用いることによって、試料１１６の電気特性を等価回路（ＲＣ並列回路）として見積もることができる。また、試料１１６に対応する等価回路を、式（１）に基づいて制御された電流源に結線した場合、電流源が放出電子の放出電流に相当するため、電位コントラスト像のシミュレーションが可能となる。試料１１６として半導体基板２００を観察する場合、コンタクトプラグ２０２をＲＣ並列回路でモデル化することによって、コンタクトプラグ２０２のＲＣ定数に基づいて放出電子の放出電流の時間変化をシミュレーションできる。

図１０は、実施例２の出力装置１２５に表示される操作画面１０００の一例を示す図である。

操作画面１０００は、観察条件の設定時に表示される画面であり、条件設定ボタン１００１、条件設定領域１００２、過渡特性計算ボタン１００３、過渡特性表示領域１００４、画像取得ボタン１００５、画像表示領域１００７、及び保存ボタン１００８、１００９を含む。

条件設定ボタン１００１は、条件設定領域１００２に設定された値をシミュレーション設定情報に含めるパラメータとして設定するための操作ボタンである。ここで、シミュレーション設定情報は、観測条件及び過渡特性条件を含む。

条件設定領域１００２は、観察条件及び過渡特性条件を設定するための領域である。条件設定領域１００２は、加速電圧欄、照射電流欄、放出電子放出率欄、パルス幅欄、ピクセルスプリット数欄、タイミングディレイ欄、抵抗値欄、静電容量欄、及び材料選択欄を含む。

加速電圧欄、照射電流欄、パルス幅欄、ピクセルスプリット数欄、及びタイミングディレイ欄は、条件設定領域１００２に含まれるものと同一である。放出電子放出率、抵抗値欄、静電容量欄、及び材料選択欄は、過渡特性条件として設定する値を入力する欄である。

なお、異なるシミュレーション設定情報がタブ形式で表示される。各タブには、例えば、試料１１６の構造体（コンタクトプラグ２０２等）の種別ごとのシミュレーション設定情報を設定できる。

過渡特性計算ボタン１００３は、シミュレーションの実行を指示するための操作ボタンである。過渡特性計算ボタン１００３が操作された場合、制御モジュール１３１は、シミュレーション設定情報に基づいてシミュレーションを行う。制御モジュール１３１は、放出電子の放出電流（信号）の時間変化を示すデータをシミュレーション結果として記憶装置１２２に記録する。

過渡特性表示領域１００４は、放出電子の放出電流の時間変化を示すグラフを表示する領域である。本実施例の過渡特性表示領域１００４には、シミュレーション設定情報の各々に対応するグラフが表示される。なお、タブを切り替えることによって、異なるシミュレーション設定情報のグラフを参照できる。「全て選択」のタブが選択された場合、各シミュレーション設定情報に対応するグラフを統合したグラフが表示される。

画像取得ボタン１００６は、シミュレーション結果を用いた電位コントラスト像の生成を指示するための操作ボタンである。本実施例では、過渡特性表示領域１００４に表示されるグラフに対応するシミュレーション結果及びタイミングディレイに基づいて電位コントラスト像が生成される。

このとき、制御モジュール１３１は、タイミングディレイ欄に設定された値に対応する検出タイミングでサンプリングを行い電位コントラスト像を生成する。なお、制御モジュール１３１は、タイミングディレイ欄の値を基準値として複数の検出タイミングを設定し、各検出タイミングに対応する電位コントラスト像を生成してもよい。

画像表示領域１００７は、生成された電位コントラスト像を表示する領域である。保存ボタン１００８、１００９は、シミュレーション設定情報に含まれる観察条件を条件情報１３３に登録するための操作ボタンである。

図１１は、実施例２の走査電子顕微鏡１０が観察条件を設定する場合に実行する処理を説明するフローチャートである。

走査電子顕微鏡１０は、過渡特性計算ボタン１００３が操作された場合、以下で説明する処理を開始する。

制御ユニット１０２は、記憶装置１２２に格納されるシミュレーション設定情報に含まれるパラメータをシミュレーションモデルに設定する（ステップＳ２０１）。ここでは、走査条件及び過渡特性条件に含まれるパラメータが設定される。

制御ユニット１０２は、シミュレーションを実行し、シミュレーション結果に基づいてグラフを表示する（ステップＳ２０２）。

なお、複数のシミュレーション設定情報が設定されている場合、制御モジュール１３１は、各シミュレーション設定情報についてシミュレーションを実行する。この場合、過渡特性表示領域１００４には、各シミュレーション設定情報に対応するグラフが表示される。

制御ユニット１０２は、タイミングディレイの設定を受け付ける（ステップＳ２０３）。

制御ユニット１０２は、タイミングディレイ欄への値の入力及び画像取得ボタン１００６の操作を促すメッセージを出力する。ユーザは、過渡特性表示領域１００４に表示されるグラフに基づいて、タイミングディレイ欄に値を設定し、画像取得ボタン１００６を操作する。

制御ユニット１０２は、設定されたタイミングディレイに基づいて、放出電子の信号のサンプリングを行って、電位コントラスト像を生成する（ステップＳ２０４）。

具体的には、制御モジュール１３１が、画像生成モジュール１３２に放出電子の信号の時間変化を示すデータ及びタイミングディレイを入力して、電位コントラスト像の生成を指示する。画像生成モジュール１３２は、タイミングディレイを用いて放出電子の信号サンプリングを行い、サンプリングされた放出電子の信号を用いて電位コントラスト像を生成する。

なお、観察条件へのタイムディレイの設定方法及び条件情報１３３への観察条件の登録方法は実施例１の方法と同一であるため説明を省略する。また、実施例２の観測条件に基づく走査電子顕微鏡１０の制御方法も実施例１と同一の方法であるため説明を省略する。

実施例２によれば、走査電子顕微鏡１０は、微細な構造を有する試料１１６の高い精度の電位コントラスト像を生成することができる。また、実際に試料１１６にパルス電子線を照射することなく観察条件を設定できる。

実施例３は、走査電子顕微鏡１０の構成が一部異なる。以下、実施例１との差異を中心に実施例３を説明する。

図１２は、実施例３の走査電子顕微鏡１０の構成の一例を示す図である。

実施例３の走査電子顕微鏡１０は、有機材料等の帯電しやすい試料１１６を観察するために電子光学系鏡筒１０１の構成を一部変更している。なお、実施例３の制御ユニット１０２の構成は、実施例１の制御ユニット１０２の構成と同一であるため説明を省略する。

実施例３の電子光学系鏡筒１０１は、対物レンズ１１５と、試料１１６を設置する試料ホルダ１１７との間に、電極１５１が設けられている。制御ユニット１０２は、電極１５１を用いて試料１１６の一次電子線１１２の照射領域近傍の電界を制御する。より具体的には、制御ユニット１０２は、一次電子線１１２の加速電圧が低くなるように電極１５１を制御する。これによって、一次電子線１１２による試料１１６の帯電を低減できる。

図１３は、実施例３の出力装置１２５に表示される操作画面１３００の一例を示す図である。

操作画面１３００は、観察条件の設定時に表示される画面であり、条件設定ボタン１３０１、条件設定領域１３０２、過渡特性取得ボタン１３０３、過渡特性表示領域１３０４、画像取得ボタン１３０５、画像表示領域１３０６、及び保存ボタン１３０７、１３０８を含む。

条件設定ボタン１３０１及び条件設定領域１３０２は、条件設定ボタン６０１及び条件設定領域６０２と同一のものである。ただし、条件設定領域１３０２はリターディング電圧欄を含む。リターディング電圧欄は電極１５１を制御するためのパラメータを設定する欄である。

過渡特性取得ボタン１３０３、過渡特性表示領域１３０４、画像取得ボタン１３０５、画像表示領域１３０６、及び保存ボタン１３０７、１３０８は、過渡特性取得ボタン６０３、過渡特性表示領域６０４、画像取得ボタン６０５、画像表示領域６０６、及び保存ボタン６０７、６０８と同一のものである。

実施例３の観察条件へのタイムディレイの設定方法及び条件情報１３３への観察条件の登録方法は実施例１の方法と同一であるため説明を省略する。また、実施例３の観測条件に基づく走査電子顕微鏡１０の制御方法も実施例１と同一の方法であるため説明を省略する。

実施例３によれば、走査電子顕微鏡１０は、帯電しやすく、かつ、微細な構造を有する試料１１６の高い精度の電位コントラスト像を生成することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために構成を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成に追加、削除、置換することが可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、本発明は、実施例の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードによっても実現できる。この場合、プログラムコードを記録した記憶媒体をコンピュータに提供し、そのコンピュータが備えるプロセッサが記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出す。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施例の機能を実現することになり、そのプログラムコード自体、及びそれを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。このようなプログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭなどが用いられる。

また、本実施例に記載の機能を実現するプログラムコードは、例えば、アセンブラ、Ｃ／Ｃ＋＋、ｐｅｒｌ、Ｓｈｅｌｌ、ＰＨＰ、Ｊａｖａ（登録商標）等の広範囲のプログラム又はスクリプト言語で実装できる。

さらに、実施例の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを、ネットワークを介して配信することによって、それをコンピュータのハードディスクやメモリ等の記憶手段又はＣＤ−ＲＷ、ＣＤ−Ｒ等の記憶媒体に格納し、コンピュータが備えるプロセッサが当該記憶手段や当該記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して実行するようにしてもよい。

上述の実施例において、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。全ての構成が相互に接続されていてもよい。

１０ 走査電子顕微鏡
１０１ 電子光学系鏡筒
１０２ 制御ユニット
１１１ 電子銃
１１２ 一次電子線
１１３、１１４ 偏向器
１１５ 対物レンズ
１１６ 試料
１１７ 試料ホルダ
１１９ 検出器
１２１ 演算装置
１２２ 記憶装置
１２３ パルス電子制御装置
１２４ 入力装置
１２５ 出力装置
１３１ 制御モジュール
１３２ 画像生成モジュール
１３３ 条件情報
１３４ 画像情報
１５１ 電極
２００ 半導体基板
２０１ 絶縁膜
２０２ コンタクトプラグ
２０３ ゲート
６００、１０００、１３００ 操作画面

Claims (14)

1. ２次元的に走査する荷電粒子線を周期的に照射して試料を観察する計測装置であって、
   前記荷電粒子線を出力する粒子源と、
   前記荷電粒子線を集束するレンズと、
   前記荷電粒子線を照射した前記試料から放出される放出電子の信号を検出する検出器と、
   観測条件に基づいて前記荷電粒子線の出力及び前記放出電子の信号の検出を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記観測条件として、前記荷電粒子線の２次元的な走査を制御する第１のパラメータを設定し、
   前記観測条件として、走査中の前記荷電粒子線の照射位置を指定する照射周期を制御する第２のパラメータを設定し、
   前記観測条件として、パルス状の荷電粒子線のパルス幅を制御する第３のパラメータを設定し、
   前記観測条件として、前記パルス状の荷電粒子線の照射時間内において前記放出電子の信号の検出タイミングを制御する第４のパラメータを設定し、
   前記第４のパラメータは、前記荷電粒子線の照射位置から放出される複数の放出電子の信号の各々の強度の差に基づいて決定されることを特徴とする計測装置。
2. 請求項１に記載の計測装置であって、
   前記制御装置は、
   前記第１のパラメータ、前記第２のパラメータ、及び前記第３のパラメータに基づいて、前記粒子源に、所定のパルス幅のパルス状の荷電粒子線を、任意方向に走査させながら周期的に前記試料に照射させ、
   前記複数の放出電子の信号の強度の時間変化を示すデータを記録し、
   前記照射時間内における前記複数の放出電子の信号の各々の強度の差に基づいて、前記第４のパラメータを決定することを特徴とする計測装置。
3. 請求項１に記載の計測装置であって、
   前記制御装置は、
   前記試料の特性を示す第５のパラメータを設定し、
   前記第１のパラメータ、前記第２のパラメータ、前記第３のパラメータ、及び前記第５のパラメータを用いて、前記パルス状の荷電粒子線を、任意方向に走査させながら周期的に前記試料に照射した場合に放出される前記複数の放出電子の信号のシミュレーションを行い、
   前記シミュレーションの結果である前記複数の放出電子の信号の強度の時間変化を示すデータを記録し、
   前記照射時間内における前記複数の放出電子の信号の各々の強度の差に基づいて、前記第４のパラメータを決定することを特徴とする計測装置。
4. 請求項２又は請求項３に記載の計測装置であって、
   前記検出タイミングを決定するための複数の候補パラメータを設定し、
   前記記録されたデータを参照して、前記複数の候補パラメータの各々に対応した検出タイミングにおいて検出された前記放出電子の信号を取得し、
   前記取得された放出電子の信号を用いて画像を生成し、
   前記複数の候補パラメータの各々に対応する画像に基づいて、前記複数の候補パラメータの中から前記第４のパラメータとして設定する前記候補パラメータを決定することを特徴とする計測装置。
5. 請求項２又は請求項３に記載の計測装置であって、
   前記制御装置は、
   前記記録されたデータに基づいて、前記複数の放出電子の信号の各々の強度の差が最大となる時間を特定し、
   前記時間に基づいて前記第４のパラメータを設定することを特徴とする計測装置。
6. 請求項２又は請求項３に記載の計測装置であって、
   前記計測装置は、前記試料の帯電によって発生する電界を制御する制御機構を有し、
   前記制御装置は、前記制御機構を制御する第６のパラメータを設定することを特徴とする計測装置。
7. 請求項４に記載の計測装置であって、
   前記制御装置は、
   前記観測条件に含めるパラメータを設定するための設定画面を表示し、
   前記設定画面に前記画像を表示することを特徴とする計測装置。
8. ２次元的に走査する荷電粒子線を周期的に照射して試料を観察する計測装置における観測条件の設定方法であって、
   前記計測装置は、前記荷電粒子線を出力する粒子源と、前記荷電粒子線を集束するレンズと、前記荷電粒子線を照射した前記試料から放出される放出電子の信号を検出する検出器と、観測条件に基づいて前記荷電粒子線の出力及び前記放出電子の信号の検出を制御する制御装置と、を有し、
   前記観測条件の設定方法は、
   前記制御装置が、前記観測条件として、前記荷電粒子線の２次元的な走査を制御する第１のパラメータを設定する第１のステップと、
   前記制御装置が、前記観測条件として、走査中の前記荷電粒子線の照射位置を指定する照射周期を制御する第２のパラメータを設定する第２のステップと、
   前記制御装置が、前記観測条件として、パルス状の荷電粒子線のパルス幅を制御する第３のパラメータを設定する第３のステップと、
   前記制御装置が、前記観測条件として、前記パルス状の荷電粒子線の照射時間内において前記放出電子の信号の検出タイミングを制御する第４のパラメータを設定する第４のステップと、を含み、
   前記第４のパラメータは、前記荷電粒子線の照射位置から放出される複数の放出電子の信号の各々の強度の差に基づいて決定されることを特徴とする観測条件の設定方法。
9. 請求項８に記載の観測条件の設定方法であって、
   前記第４のステップは、
   前記制御装置が、前記第１のパラメータ、前記第２のパラメータ、及び前記第３のパラメータに基づいて、前記粒子源に、所定のパルス幅のパルス状の荷電粒子線を、任意方向に走査させながら周期的に前記試料に照射させるステップと、
   前記制御装置が、前記複数の放出電子の信号の強度の時間変化を示すデータを記録するステップと、
   前記制御装置が、前記照射時間内における前記複数の放出電子の信号の各々の強度の差に基づいて、前記第４のパラメータを決定するステップと、を含むことを特徴とする観測条件の設定方法。
10. 請求項８に記載の観測条件の設定方法であって、
    前記第４のステップは、
    前記制御装置が、前記試料の特性を示す第５のパラメータを設定するステップと、
    前記制御装置が、前記第１のパラメータ、前記第２のパラメータ、前記第３のパラメータ、及び前記第５のパラメータを用いて、前記パルス状の荷電粒子線を、任意方向に走査させながら周期的に前記試料に照射した場合に放出される前記複数の放出電子の信号のシミュレーションを行うステップと、
    前記制御装置が、前記シミュレーションの結果である前記複数の放出電子の信号の強度の時間変化を示すデータを記録するステップと、
    前記制御装置が、前記照射時間内における前記複数の放出電子の信号の各々の強度の差に基づいて、前記第４のパラメータを決定するステップと、を含むことを特徴とする観測条件の設定方法。
11. 請求項９又は請求項１０に記載の観測条件の設定方法であって、
    前記第４のパラメータを決定するステップは、
    前記制御装置が、前記検出タイミングを決定するための複数の候補パラメータを設定するステップと、
    前記制御装置が、前記記録されたデータを参照して、前記複数の候補パラメータの各々に対応した検出タイミングにおいて検出された前記放出電子の信号を取得するステップと、
    前記制御装置が、前記取得された放出電子の信号を用いて画像を生成するステップと、
    前記制御装置が、前記複数の候補パラメータの各々に対応する画像に基づいて、前記複数の候補パラメータの中から前記第４のパラメータとして設定する前記候補パラメータを決定するステップと、を含むことを特徴とする観測条件の設定方法。
12. 請求項９又は請求項１０に記載の観測条件の設定方法であって、
    前記第４のパラメータを決定するステップは、
    前記制御装置が、前記記録されたデータに基づいて、前記複数の放出電子の信号の各々の強度の差が最大となる時間を特定するステップと、
    前記制御装置が、前記時間に基づいて前記第４のパラメータを設定するステップと、を含むことを特徴とする観測条件の設定方法。
13. 請求項９又は請求項１０に記載の観測条件の設定方法であって、
    前記計測装置は、前記試料の帯電によって発生する電界を制御する制御機構を有し、
    観測条件の設定方法は、前記制御装置が、前記制御機構を制御する第６のパラメータを設定するステップを含むことを特徴とする観測条件の設定方法。
14. 請求項１１に記載の観測条件の設定方法であって、
    前記制御装置が、前記観測条件に含めるパラメータを設定するための設定画面を表示するステップと、
    前記制御装置が、前記設定画面に前記画像を表示するステップと、を含むことを特徴とする観測条件の設定方法。