WO2011007517A1 - 試料電位測定方法、及び荷電粒子線装置 - Google Patents

試料電位測定方法、及び荷電粒子線装置 Download PDF

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particle beam
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石島達晃
那須修
福田宗行
大橋健良
山梨弘将
宮本卓治
酒井計
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株式会社 日立ハイテクノロジーズ
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    • H01L22/12—Measuring as part of the manufacturing process for structural parameters, e.g. thickness, line width, refractive index, temperature, warp, bond strength, defects, optical inspection, electrical measurement of structural dimensions, metallurgic measurement of diffusions

Definitions

  • the present invention relates to a charge measurement method, a focus adjustment method, and a charged particle beam apparatus, and more particularly, a charge measurement method for automatically or accurately measuring or observing the size and shape of a pattern formed on a semiconductor device,
  • the present invention relates to a focus adjustment method and a scanning electron microscope.
  • a charged particle beam apparatus typified by a scanning electron microscope is an apparatus that irradiates a sample with a charged particle beam such as an electron beam and detects secondary electrons and the like emitted from the irradiation site.
  • a semiconductor device or the like is measured or inspected by detecting secondary electrons or the like emitted from the sample. Since the charged particle beam apparatus is an apparatus that irradiates a sample with charged particles, when the sample is charged, the irradiated charged particle beam is also affected.
  • This fixed charging is said to be that the polar substance in the resist is polarized by the friction at the time of applying the resist by a spin coater and the potential is fixed, or that the charging is caused by the etching process using plasma ( Since this fixed charge is a charge that adheres to the entire surface of the wafer, it may be referred to as a global charge or a fixed charge in the following description). Further, when using SOI (Silicon-on-insulator) technology, an insulating film is formed on a wafer and a semiconductor pattern is formed on the insulating film, so that charging of several hundred volts may occur.
  • SOI Silicon-on-insulator
  • Patent Document 1 the global charge is measured before the wafer is introduced into the sample chamber, and the negative voltage applied to the sample is changed based on the measured global charge, thereby focusing the electron beam.
  • the adjustment method is described.
  • a method of adjusting the focal position of the electron beam by adjusting the voltage applied to the sample is called retarding focus, and this method is described in Patent Documents 2 and 3.
  • Patent Document 4 describes a more advanced technique for performing a retarding focus based on the yield of secondary electrons detected by a detector.
  • induced charge or induced charge The charge (hereinafter also referred to as induced charge or induced charge) is generated in a certain sample environment, and is provided outside the sample chamber as described in Patent Document 1. It is not measured with a simple electrometer. Therefore, focus adjustment based on measurement by an electrometer provided outside the sample chamber requires a certain amount of time to reach just focus.
  • the sample potential information obtained by the first sample potential measuring device or the sample potential information acquired in advance is selectively greater than or equal to a predetermined threshold.
  • a sample potential measuring method characterized by measuring a sample potential with a second sample potential measuring device and an apparatus for realizing the same are proposed.
  • a sample potential measuring method characterized by performing sample potential measurement using a sample potential measuring device and an apparatus for realizing the same are proposed.
  • the fixed charge and the induced charge are included. An accurate charge amount can be measured before introduction into the sample chamber.
  • the schematic block diagram of a scanning electron microscope The figure explaining the sample surface potential state of the sample which has fixed electrification and is not covered with the insulating film. The figure explaining the sample surface potential state of the sample which has fixed electrification and is covered with the insulating film. The figure explaining the sample surface potential state of the sample which does not have fixed electrification and is not covered with the insulating film. The figure explaining the sample surface potential state of the sample which does not have fixed electrification and is covered with the insulating film. The flowchart explaining the step which determines the necessity of an offset electrification measurement according to the measurement result of a global electrification. The schematic block diagram of the scanning electron microscope provided with the energy filter.
  • the schematic explanatory drawing of the scanning electron microscope provided with the electrode surrounding the measurement region vicinity by the probe for sample potential measurement The schematic explanatory drawing of a scanning electron microscope provided with the probe for providing a sample electric potential measurement in a sample exchange chamber, and having the electrode surrounding the measurement region vicinity by the said probe.
  • the schematic block diagram of the scanning electron microscope provided with the electrode which forms the raising electric field with respect to a secondary electron The schematic block diagram of the scanning electron microscope provided with the electrode which forms the raising electric field with respect to a secondary electron, and the electrode which surrounds the measurement region vicinity by the probe for sample potential measurement.
  • the focus condition on the wafer is determined from the acceleration voltage of the electron beam and the height of the wafer.
  • the energy reaching the specimen of the electron beam is determined by the voltage when the electron beam is extracted from the electron source and accelerated, the retarding voltage applied to the wafer to decelerate the electron beam, and the charging voltage on the wafer surface.
  • the retarding voltage applied to the wafer to decelerate the electron beam is determined by the voltage when the electron beam is extracted from the electron source and accelerated, the retarding voltage applied to the wafer to decelerate the electron beam, and the charging voltage on the wafer surface.
  • the retarding focus method described above is applied to the adjustment.
  • the focusing condition is changed by changing the retarding voltage while keeping the voltage for extracting and accelerating the electron beam constant, the retarding voltage when the focus is on the wafer, and the extraction voltage value Then, the wafer charging voltage at the measurement point is calculated backward from the height of the wafer.
  • some wafers that do not have a static charge do not have the same potential between the sample stage and the wafer even when a retarding voltage is applied to the wafer. This is because even if a retarding voltage is applied to the insulating film, the silicon substrate inside the insulating film is not completely applied because the back and side surfaces of the wafer in contact with the sample stage are covered with the insulating film. This is because the wafer surface is also not at the same potential as the sample stage.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-171791 describes a technique for obtaining stable arrival energy of an electron beam regardless of the change in the kind of sample. In this method, by arranging members with the same potential above and below the wafer to form a non-electric field region with the same potential as the retarding voltage around the wafer, it is possible to achieve stable energy arrival regardless of the type of sample. Measurement and inspection are realized.
  • the potential difference can be seen as if the charge was induced on the wafer surface.
  • the induced charging varies depending on, for example, whether or not an electrode is arranged on the upper part of the sample as described above.
  • a scanning electron microscope capable of measuring a sample charge and adjusting a focus with high accuracy and high speed even when there is a possibility of induction charging and fixed charging will be described.
  • a method for selectively measuring a potential in a sample chamber when it is determined that inductive charging exists will be described.
  • an electrode is arranged on the upper side of the sample, and the potential difference between the sample stage for fixing the sample and the electrode is kept constant, thereby inducing regardless of the magnitude of the retarding voltage applied to the sample.
  • an apparatus configuration in which the generation of static charge is kept constant and at the same time almost uniform on the entire surface of the wafer (this induced charge is almost constant over the entire surface of the wafer. Sometimes called).
  • the following description mainly relates to the above-described two embodiments, and a method for adjusting the retarding voltage based on the measurement results of fixed charging and induced charging, or a method for realizing them will be described.
  • the static charge is first measured, and if it is determined that inductive charge may occur, the wafer surface is maintained while keeping the potential difference between the sample stage and the upper side of the sample constant in the sample chamber.
  • a method for measuring the charge and obtaining the induced charge from the difference from the fixed charge measured earlier will be described.
  • the fixed charge and the induced charge are measured in advance, and before the movement of the sample stage is completed, the sum of the fixed charge and the induced charge at the measurement point after the movement is obtained.
  • the retarding voltage to be applied to the sample it becomes possible to irradiate the measurement point with the electron beam with a desired acceleration voltage simultaneously with the arrival at the measurement point.
  • the height of the measurement point it becomes possible to automatically focus the electron beam on the measurement point.
  • the acceleration voltage can be kept constant, the correct observation magnification can be calculated.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a scanning electron microscope.
  • a scanning electron microscope is introduced as an example of one aspect of the charged particle beam apparatus, but the present invention is not limited to this.
  • helium ions or liquid metal ions are focused on a sample and irradiated. It is also possible to apply the technique described later to the focused ion beam apparatus.
  • the primary electrons 2 extracted from the electron source 1 by the extraction electrode 20 are narrowed down by the condenser lens 3 and then two-dimensionally scanned on the wafer 10 by the scanning deflector 5.
  • the primary electrons are decelerated by the surface potential of the sample to which the retarding voltage is applied, converged by the lens action of the objective lens 6 and irradiated onto the wafer.
  • the electrode 15 is installed on the upper side of the sample, and the same retarding voltage as that of the sample stage 14 is applied, so that the electric field between the sample stage and the electrode becomes zero.
  • the electrode 15 has a sufficient size so that the wafer can always move in the sample chamber without protruding from the space where the electric field is zero.
  • the first sample potential measuring device is provided with an electrostatic potentiometer that measures the fixed charge of the sample. Since the fixed charging voltage of the wafer is substantially concentric, if the potential distribution is measured linearly including the center position on the wafer surface, the potential distribution of the entire sample can be roughly grasped. Specifically, the probe 13 is fixed on the transfer path of the wafer 10 and measurement is performed linearly using the movement of the grounded transfer table 31, or the transfer table 31 is stopped and used for electrostatic potential measurement. A method of moving the probe 13 linearly is appropriate. When measuring the surface potential of the entire wafer surface, if a plurality of electrostatic electrometer probes are prepared, the time required for the measurement can be shortened.
  • the data of the static charging of the wafer 10 measured in this way is taken into the charging correction control unit 18.
  • the charge correction control unit 18 calculates the global charge on the entire surface of the wafer from the output value of the probe 13, and uses the result to control the negative voltage (retarding voltage) applied to the sample via the sample stage. It has become.
  • a storage medium (not shown) for storing a program for this purpose is incorporated.
  • the charging correction control unit 18 has a retarding focus function for adjusting the focus of the electron beam by controlling the voltage applied to the sample.
  • the charging correction control unit 18 controls the sample potential so as to cancel the sample potential, or the sample potential so that the sharpness and focus evaluation value of the image formed based on the acquired secondary electrons are maximized. To control. Further, the charging correction control unit 18 does not need to be integrated with the scanning electron microscope apparatus, and may be processed by an external control device or arithmetic device.
  • FIG. 2 shows the potential transition of the wafer surface when the electrodes are arranged on the back surface side or both sides of the wafer having the fixed charge remaining in the wafer surface layer 51 even when grounded and the potential of each electrode is changed.
  • a part of the wafer surface handled here is not covered with an insulating film and that the electrode 52 on the inside and the back side thereof are electrically connected, and therefore the electrode and the silicon substrate inside the wafer have the same potential.
  • the wafer surface layer 51 is fixedly charged in the same way as the wafer in FIG. 2, but the contact surface with the electrode 52 on the wafer back side is all covered with an insulating film.
  • the potential transition of the wafer when the electrode 52 and the silicon substrate inside the wafer cannot be secured and the potential is not the same will be described.
  • the potential difference between the electrode 52 and the silicon substrate changes without changing the fixed potential difference V sa ′ inside the wafer.
  • the potential on the wafer surface changes to V sa + V s1 obtained by adding the offset charging voltage V s1 to the global charging voltage V sa .
  • the potential difference between the electrode 52 and the wafer surface is maintained at V sa + V s1 .
  • the applied voltage is changed while keeping the potential difference between both electrodes constant as shown in (d)
  • the potential difference between the electrode 52 and the silicon substrate is readjusted. the sum V sa + V s2 of the voltage V sa and the new offset charging voltage V s2.
  • FIG. 4 explains the potential transition when the inside of the wafer having almost no static charge and the electrode 52 on the back side are conductive. Since the electrode 52 and the silicon substrate inside the wafer are at the same potential, and the potential difference between the silicon substrate and the wafer surface layer 51 is kept zero, the wafer surface potential does not depend on the potential of the electrode 53 disposed on the upper side of the wafer. The potential is always the same as that of the electrode on the back side of the wafer.
  • FIG. 5 explains the potential transition of the wafer when the silicon substrate and the electrode 52 inside the wafer having almost no fixed charge cannot be kept at the same potential because the conduction cannot be ensured.
  • a minute potential difference remains between the grounded electrode 52 and the silicon substrate as in (a)
  • the result is canceled by the minute potential difference V sa ′′ between the silicon substrate and the wafer surface layer 51.
  • another electrode 53 grounded as shown in (b) is placed on the upper portion of the wafer, the wafer surface potential remains unchanged and remains zero (c
  • the potential difference between the electrode 52 and the wafer surface is kept zero even if the voltage applied to both electrodes is changed simultaneously as in (), the voltage applied while keeping the potential difference between both electrodes constant as in (d).
  • the potential difference between the electrode 52 and the silicon substrate is adjusted, and as a result, the potential difference between the electrode 52 and the wafer surface becomes constant at the offset charging voltage V s3 .
  • the potential difference generated between the electrode on the wafer back side and the wafer surface is such that the electrode placed on the wafer back side or both sides is only for the electrode on the wafer back side and the wafer that is not electrically connected to the inside of the wafer.
  • almost uniform induced charging occurs on the entire wafer surface.
  • the induction charge can be reduced. Generation can be suppressed to zero.
  • FIG. 1 A method for measuring the surface potential of the sample at high speed using these characteristics is shown in FIG.
  • the global charging of the wafer is measured outside the sample chamber and approximated by an even function V sa (r) having a radius r from the wafer center.
  • V sa (r) the maximum absolute value of V sa (r) is lower than the threshold value A (or when the maximum value is equal to or lower than the threshold value A)
  • the wafer surface potential V s (r) is expressed by the equation (1).
  • V s (r) 0 (1) In other cases, it is determined that the wafer has global charging, and the presence or absence of offset charging is confirmed by the following method.
  • the wafer surface potential V s (R) at a position R from the wafer center in the sample chamber is measured.
  • V s (R) As a measuring method of V s (R), it is possible to measure by using the technique of using the output of the detector when the retarding voltage is gradually changed, the retarding focus, or the like. At this time, it is important to change the voltage applied to the electrodes on both sides of the wafer at the same time so that the electric field between the electrodes is always kept constant.
  • the offset charging voltage V s1 generated in the sample chamber can be obtained from equation (2).
  • V s1 V s (R) ⁇ V sa (R) (2) If the absolute value of the offset charging voltage V s1 is lower than the threshold value B (or less than the threshold value B), it is determined that the wafer has no offset charging, and the surface potential V s (r) of the wafer in the sample chamber is expressed by the formula ( It becomes equal to the global charging voltage as in 3).
  • V s (r) V sa (r) (3)
  • V sa (r) V sa (r) (3)
  • V s (r) V sa (r) + V s1 (4)
  • the offset charging voltage V s1 was obtained from the difference between the wafer surface potential V s (R) at the measurement point at a distance R from the wafer center and the global charging voltage V s (R). If the difference between the wafer surface potential and the global charging is obtained and the average value thereof is used as the offset charging voltage Vs1 , the measurement accuracy of the offset charging can be improved. Strictly speaking, offset charging changes slightly due to physical changes such as wafer warpage and film thickness. Therefore, a fitting function is obtained from the measurement results of the offset charging voltage at the plurality of measurement points, and an arbitrary measurement of the wafer is performed. A strict offset charging voltage at a point may be obtained. The offset charge is theoretically generated uniformly throughout the sample.
  • the sample potential is evaluated based on Equation (4), and the value is stored as an offset value. If the above calculation is performed for the irradiation region, it is possible to accurately evaluate the potential while suppressing a decrease in throughput.
  • the measurement by the surface potential measuring device provided outside the sample chamber may be performed in an environment irradiated with an electron beam.
  • an electrode 12 having the same potential as that of the transport table 11 (the sample table or an electrode disposed on the sample table) is installed above the sample, and an electric field is zero between the transport table and the electrode 12. It becomes.
  • the electrode 12 has the necessary size so that the wafer does not protrude from the zero electric field space during the measurement of the static charge.
  • the offset charging voltage is always zero, as can be seen from the fact that the potential difference between the wafer front surface and the wafer rear surface side electrode does not always change.
  • the sample potential including the offset charging voltage can be measured by the probe 13.
  • the sample is sandwiched between the electrodes having the same potential, and the sandwiched sample region is measured by the probe 13 (first sample potential measuring device).
  • the distance between the electrode 12 and the transport table 11 is the same as that of the electrode 12 and the sample stage 14 in the sample chamber.
  • an electric potential can be measured in the same environment as a sample chamber.
  • the presence / absence of fixed charging (+ offset charging) may be determined by comparison with a predetermined threshold as illustrated in FIG.
  • the wafer surface potential V s (r) is expressed by equations (1) to (3) regardless of the presence or absence of conduction between the electrode on the back surface of the wafer and the inside of the wafer.
  • the time required for measuring the wafer surface potential V s (r) can be minimized.
  • the wafer surface potential V s (r) in advance and adjusting the retarding voltage V r while fixing the extraction voltage V 0 so that the acceleration voltage V a expressed by the equation (5) is constant, The acceleration voltage of the electron beam can be kept constant.
  • V a V 0 + (V r ⁇ V s (r)) (5)
  • V r is expressed by Expression (6).
  • V r V r0 + V s (r) (6)
  • the retarding voltage V r may be fixed and the extraction voltage V 0 may be adjusted.
  • the surface potential of a wafer with global charging was first assumed under the assumption that all wafers had zero offset charging. May be all represented by the formula (3).
  • the retarding voltage V r or the extraction voltage V 0 is adjusted so that the acceleration voltage V a represented by the equation (5) becomes constant, and the focus is automatically adjusted.
  • the pattern to be measured is automatically detected under the focus condition, and if the automatic detection succeeds, the assumption is correct. If the automatic detection fails, the assumption is incorrect. There is a possibility that automatic detection failed because the focus was not achieved.
  • the offset charging voltage V s1 is measured only for this wafer, it is possible to reduce the number of wafers to be measured for offset charging, and the time required for measuring the wafer surface potential can be further reduced. .
  • the premise of measuring the global charge using the first sample potential measuring device has been described.
  • Sample potential measurement including offset charging and focus adjustment may be performed.
  • global charging information acquired in advance by another potential measuring device or the like is stored in the charging correction control unit 18 or the like, and after performing the determination illustrated in FIG. May be performed.
  • the information may be used instead of the measurement by the first sample potential measuring device.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining an example of a GUI (Graphical User Interface) screen for setting the threshold A.
  • the threshold value set here has a standard value, but it is also possible to change the setting according to the type of wafer.
  • the allowable range for example, Loose, Normal, Tight
  • a voltage value may be set.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining an example of a GUI screen for designating the measurement position of the wafer surface potential V S (R).
  • V S wafer surface potential
  • the center of the wafer is set as the measurement point.
  • multiple measurement points can be specified based on the chip or coordinate settings in order to suppress measurement errors. You can also By comparing the potential obtained based on such measurement point setting with the global charging voltage, more accurate offset charging can be obtained.
  • a chip represented by a hatched portion is defined as a measurement point.
  • the measurement site may be set only with the coordinate values. As the number of measurement sites increases, it becomes possible to measure the distribution of the global charge more accurately, but the measurement time increases.
  • the operator can set an arbitrary measurement point in consideration of the measurement accuracy and the throughput.
  • FIG. 7 is a schematic explanatory diagram of a scanning electron microscope provided with an energy filter.
  • an energy filter 19 is provided as means for measuring the wafer surface potential V s (R) at the position R from the wafer center (second sample potential measuring device). .
  • the voltage applied to the energy filter is swept, and the voltage V r applied to the sample when the yield of electrons by the detector or the brightness of the image reaches a predetermined value.
  • a value based on the difference between the applied voltage V e to the energy filter is the charging voltage.
  • the sample potential may be measured using a technique as exemplified in Patent Document 4.
  • FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a scanning electron microscope including a load lock chamber (sample exchange chamber).
  • the wafer 10 is transferred onto a transfer table 11 in the sample exchange chamber through a gate valve 16 that separates the sample exchange chamber 8 capable of holding a vacuum and the outside as the atmosphere. Further, the wafer is transferred to the sample chamber 9 through the gate valve 17 and fixed to the sample stage 14.
  • the sample stage 14 may be the same as the transfer table 11, in which case the transfer table 11 moves back and forth in the gate valve 17 together with the wafer.
  • a probe 13 is installed on the upper side of the sample exchange chamber, and the wafer surface potential is measured linearly by using the movement of the transfer table 11.
  • FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a scanning electron microscope provided with an extraction electrode for highly efficiently guiding secondary electrons and the like to a detector disposed on the objective lens.
  • a constant potential difference is given between the electrodes on the upper surface and the back surface of the wafer in order to efficiently take out secondary electrons from the sample.
  • a wafer having a fixed charge and having a contact surface with the electrode on the back side of the wafer covered with an insulating film is between the electrodes on both sides of the wafer.
  • offset charging is larger in the case where there is a potential difference.
  • the wafer having a contact surface with the electrode on the back surface side of the wafer is covered with an insulating film without having a static charge.
  • the wafer having a contact surface with the electrode on the back surface side of the wafer is covered with an insulating film without having a static charge.
  • the measurement and adjustment method of the sample potential or the focus adjustment condition is changed depending on whether or not a pull-up electric field for the secondary electrons or the like is generated.
  • in the flowchart of FIG. 6 when it is determined that
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example in which the electrode 12 is provided in the scanning electron microscope illustrated in FIG.
  • the sample potential can be evaluated using the probe 13 in the state where the electrode arrangement conditions are the same as those in the sample chamber, but a pulling electric field for secondary electrons or the like is formed.
  • the potential of the sample surface changes depending on whether or not the sample is covered with an insulating film. More specifically, as illustrated in FIGS. 2 and 3, if global charging is attached to the sample, the sample surface potential is V r + V sa in the sample in which the insulating film is not formed. However, in the sample in which the insulating film is formed, the sample surface potential is V r + V sa + V s2 . Even when the global charging is not formed, the sample surface potential becomes V r (FIG. 4) and V r + V r3 (FIG. 5) as shown in FIGS. .
  • the charging correction control unit 18 measures the potential of the sample surface and monitors the offset value in the sample chamber, regardless of the presence or absence of global charging, when forming the pulling electric field. In this way, by determining whether or not measurement is necessary depending on the presence or absence of a pulling-up electric field, it becomes possible to selectively perform necessary measurement, and continuous measurement can be performed while maintaining high throughput. It becomes possible.
  • the sample potential can be measured in the same environment as the sample chamber by applying the same voltage to the electrode 12 as the voltage applied to the electrode 15 (voltage for secondary electron pulling). It is possible to eliminate the need for indoor potential measurement.
  • the presence or absence of the insulation film is determined based on the sample surface potential before and after the application of V r1. You may do it.
  • the information may be stored as sample information in a storage medium in the apparatus.
  • the fixed charge of the sample and the induced charge generated in the sample chamber can be measured separately to measure the surface potential of the wafer at high speed, and the automatic focusing and measurement can be performed.
  • the automatic point detection at high speed it is possible to calculate the observation magnification from an accurate acceleration voltage in consideration of the charged voltage of the wafer and to measure the pattern dimension with high accuracy.

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  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)

Abstract

　本発明は、固定帯電と誘起帯電が複合して存在する可能性のある試料に対しても、高速且つ高精度に試料帯電測定、或いは焦点調整を行うことを目的とする。　上記目的を達成するための一態様として、試料室外に設けられた第１の試料電位測定装置によって得られる試料電位情報、或いは予め取得された試料電位情報が、所定の閾値以上、又は当該閾値より大きい場合に、選択的に、試料室内にて第２の試料電位測定装置を用いた試料電位の測定を行うことを特徴とする試料電位測定方法、及びそれを実現する装置を提案する。

Description

試料電位測定方法、及び荷電粒子線装置
　本発明は、帯電測定方法，焦点調整方法、及び荷電粒子線装置に係り、特に半導体デバイス上に形成されたパターンの寸法や形状を自動でかつ高精度に計測あるいは観察するための帯電測定方法，焦点調整方法、及び走査電子顕微鏡に関する。
　走査電子顕微鏡に代表される荷電粒子線装置は、電子ビーム等の荷電粒子線を試料に照射し、当該照射個所から放出される二次電子等を検出する装置である。試料から放出される二次電子等を検出することによって、半導体デバイス等の測定や検査が行われる。荷電粒子線装置は、試料に電荷を持つ粒子を照射する装置であるため、試料が帯電していると、照射される荷電粒子線も影響を受ける。
　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（この固定的帯電は、ウェハの全面に亘って付着する帯電であるため、以下の説明では大域帯電、或いは固定帯電と称することもある）。またＳＯＩ（Silicon on Insulator）技術を使用する場合、ウェハに絶縁膜を形成し、絶縁膜上に半導体パターンを形成するため、数百ボルトの帯電が発生する場合がある。
　特許文献１には、ウェハを試料室に導入する前に、大域帯電を測定し、当該測定された大域帯電に基づいて、試料に印加される負電圧を変化させることで、電子ビームの焦点を調整する手法が説明されている。試料に印加する電圧を調整することで、電子ビームの焦点位置を調整する手法は、リターディングフォーカスと呼ばれ、当該手法は、特許文献２，３に説明されている。また、検出器によって検出される二次電子等の収量に基づいて、リターディングフォーカスを行うより発展的な手法が、特許文献４に説明されている。
ＷＯ２００３／００７３３０号公報 特開平１０－１２５２７１号公報 米国特許公報ＵＳＰ６,５２１,８９１ 特開２００７－２５７９６９号公報
　上記のような固定帯電とは別に、或る環境下にて誘起される帯電の存在が明らかになってきた。当該帯電（以下、誘起的帯電、或いは誘起帯電と称することもある）は、或る試料環境下にて発生する帯電であり、特許文献１に説明されているような試料室外部に設けられた単なる電位計では計測されない。よって、試料室外部に設けられた電位計による測定に基づく、焦点調整ではジャストフォーカスに至るまでに或る程度の時間を要してしまう。
　一方、特許文献２～４に説明されているようなリターディングフォーカス法等によれば、試料測定時と同じ状態で、誘起帯電を含めた帯電量のモニタが可能であるが、試料上に存在する複数の照射点毎に、大きな振り幅で試料への印加電圧を変化させるには相応の時間を要する。特に、誘起帯電と固定帯電の存否が定かではない場合、最大の帯電量を見越して、試料への印加電圧の振り幅を設定する必要があり、測定時間の短縮化（高スループット化）という意味では、改善の余地がある。
　以下に、固定帯電と誘起帯電が複合して存在する可能性のある試料に対しても、高速且つ高精度に試料帯電測定、或いは焦点調整を行うことを目的とする方法、及び装置について説明する。
　上記目的を達成するための一態様として、第１の試料電位測定装置によって得られる試料電位情報、或いは予め取得された試料電位情報が、所定の閾値以上、又は当該閾値より大きい場合に、選択的に、第２の試料電位測定装置にて試料電位の測定を行うことを特徴とする試料電位測定方法、及びそれを実現する装置を提案する。
　また、他の態様として、荷電粒子線が照射される試料室外にて、試料電位を測定するときに、試料が載置される試料台と、当該試料台と同電位の電極との間で、試料電位測定装置を用いた試料電位測定を行うことを特徴とする試料電位測定方法、及びそれを実現する装置を提案する。
　上述の一態様によれば、高速且つ高精度に、誘起帯電が生じる可能性のある試料電位を測定することが可能となる。即ち、もともと固定帯電が大きい場合には、それと併せて誘起帯電も発生する可能性があるため、その場合に選択的に試料電位測定を行うことによって、必要なときに選択的に試料電位測定を行うことになるため、高効率な測定を実現することが可能となる。
　更に、上述の他の態様によれば、試料に荷電粒子線に照射するための試料室と同じ環境の下で、試料帯電を測定することが可能となるため、固定帯電と誘起帯電とを含む正確な帯電量を、試料室への導入前に測定することが可能となる。
走査電子顕微鏡の概略構成図。 固定的帯電を持ち、且つ絶縁膜に覆われていない試料の試料表面電位状態を説明する図。 固定的帯電を持ち、且つ絶縁膜に覆われている試料の試料表面電位状態を説明する図。 固定的帯電を持たず、且つ絶縁膜に覆われていない試料の試料表面電位状態を説明する図。 固定的帯電を持たず、且つ絶縁膜に覆われている試料の試料表面電位状態を説明する図。 大域帯電の測定結果に応じてオフセット帯電測定の要否を決定するステップを説明するフローチャート。 エネルギーフィルタを備えた走査電子顕微鏡の概略構成図。 試料電位測定用プローブによる測定領域近傍を包囲する電極を備えた走査電子顕微鏡の概略説明図。 試料交換室に試料電位測定用プローブを設けると共に、当該プローブによる測定領域近傍を包囲する電極を備えた走査電子顕微鏡の概略説明図。 二次電子に対する引上電界を形成する電極を備えた走査電子顕微鏡の概略構成図。 二次電子に対する引上電界を形成する電極と、試料電位測定用プローブによる測定領域近傍を包囲する電極を備えた走査電子顕微鏡の概略構成図。 大域帯電の比較対象となる閾値を設定するためのＧＵＩ画面の一例を説明する図。 ウェハ表面電位を測定する部位を設定するＧＵＩ画面の一例を説明する図。
　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，高速かつ高精度で測定するためには、まず測定点の検出を如何に高速で処理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いることが必須である。
　また、高精度にパターン寸法を測定するためには、ウェハがもつ帯電圧を考慮した正確な加速電圧から観察倍率を算出し、測定を行う必要がある。電子光学系において、ウェハ上へのフォーカス条件は電子ビームの加速電圧，ウェハの高さから決定される。
　電子ビームの試料への到達エネルギーは、電子源から電子ビームを引き出し、加速する際の電圧，電子ビームを減速するためウェハに印加されるリターディング電圧，ウェハ表面の帯電電圧によって定まる。帯電量等に依らずに所望の到達エネルギーを得るため、引出電圧等を一定に保った状態で、ウェハの帯電電圧等に応じてリターディング電圧をコントロールする技術があり、これを電子ビームの焦点調整に応用したのが、先に説明したリターディングフォーカス法である。
　リターディングフォーカスでは、電子ビームを引き出し、加速するための電圧を一定に保ちながらリターディング電圧を変化させることによりフォーカス条件を変化させ、フォーカスがウェハに合ったときのリターディング電圧と、引出電圧値，ウェハの高さから測定点のウェハ帯電電圧を逆算する。
　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（この固定的帯電は、ウェハの全面に亘って付着する帯電であるため、以下の説明では大域帯電と称することもある）。またＳＯＩ（Silicon on Insulator）技術を使用する場合、ウェハに絶縁膜を形成し、絶縁膜上に半導体パターンを形成するため、数百ボルトの帯電が発生する場合がある。
　一方、固定的帯電をもたないウェハの中にも、ウェハにリターディング電圧を印加しても試料ステージとウェハが同電位にならないものがある。これは試料ステージと接触するウェハの裏面や側面が絶縁膜で覆われているなどの理由から、その絶縁膜にリターディング電圧を印加しても絶縁膜内部にあるシリコン基板まで完全に印加されないため、ウェハ表面もまた試料ステージと同電位にならないことを理由とする。
　一方、このようにウェハ表面と試料ステージとの間に、電位差が生じてしまうと、絶縁膜で覆われている試料と、そうでない試料とでは、試料表面に到達する電子ビームの到達エネルギーが変化し、結果として試料の状態の変化に応じてビームの光学条件も変化してしまうことになる。このような試料の種類の変化に依らず、安定した電子ビームの到達エネルギーを得るための手法が、特開平９－１７１７９１号公報に説明されている。当該手法では、ウェハの上下に、同じ電位の部材を配置することにより、ウェハ周囲にリターディング電圧と同電位の無電界領域を形成することで、試料の種類に依らない、安定した到達エネルギーによる測定，検査を実現している。
　ウェハ表面と、試料ステージ（或いは試料ホルダ）との間に電位差が生じると、その電位差の発生は見かけ上、ウェハ表面に帯電が誘起されたと同じ状態と見做すことができる。誘起帯電は、例えば、上述のような試料上部に電極が配置されているか否かによって変化する。
　このように固定的帯電と誘起的帯電はその発生原因が異なるため、両方の帯電を合わせもつウェハや一方の帯電が付着するウェハもまた存在し得る。固定的帯電と誘起的帯電を重畳したものが実際のウェハの表面帯電となるため、２種類の帯電の存否を正確に把握した上で、装置の光学条件を調整する必要がある。エネルギーフィルタを用いた試料電位測定や、リターディングフォーカス法では、両者を併せて測定することになり、相応の精度での測定が可能であるが、誘起帯電が判らない状態で、エネルギーフィルタやリターディング電圧の調整によって、試料電位を見出すことは、非効率であり、改善の余地がある。
　本実施例では、誘起帯電と固定帯電が存在する可能性があっても高精度且つ高速に試料帯電の測定，焦点調整を行い得る走査電子顕微鏡について説明する。第１に誘起的帯電が存在すると判断される場合に、選択的に試料室内にて電位測定を行う手法を説明する。
　また、後述する実施例では、試料の上側に電極を配置し、試料を固定する試料ステージと前記電極間の電位差を一定に保つことにより、試料へ印加するリターディング電圧の大きさに関わらず誘起的帯電の発生を一定に保つと同時に、ウェハ全面でほぼ均一化した装置構成を主に説明する（この誘起的帯電は、ウェハの全面に亘ってほぼ一定であるため、以下の説明ではオフセット帯電と称することもある）。
　以下の説明は、主に上記２つの実施例に関するものであり、固定的帯電と誘起的帯電の測定結果に基づきリターディング電圧を調整する方法、或いはそれらを実現するための手法を説明する。
　具体的には、まず固定的帯電を測定し、その結果から誘起的帯電が発生する可能性があると判断した場合は、試料室内で試料ステージと試料上側の電位差を一定に保ちつつウェハの表面帯電を測定し、さきに測定した固定的帯電との差から誘起的帯電を求める手法を説明する。
　以上のような構成により予め固定的帯電と誘起的帯電を測定しておき、試料ステージの移動が完了する前に移動後の測定点の固定的帯電と誘起的帯電の和を求め、それに応じて試料に印加するリターディング電圧を調整しておくことで、測定点への到着と同時に電子ビームを所望の加速電圧で測定点に照射することが可能となる。さらにその測定点の高さを計測することにより、測定点上に電子ビームのフォーカスを自動で合わせることも可能となる。また加速電圧を一定に保つことができるため正しい観察倍率を算出することができる。
　以下、図面を用いて本実施例の具体的な実施形態について述べる。
　図１は、走査型電子顕微鏡の概略構成図である。なお、以下の説明では、荷電粒子線装置の一態様として走査電子顕微鏡をその一例として紹介するが、これに限られることはなく、例えば、ヘリウムイオンや液体金属イオンを試料に集束して照射する集束イオンビーム装置に、後述するような手法を適用することも可能である。電子源１から引出電極２０によって引き出された一次電子２は、コンデンサレンズ３で絞られた後、走査偏向器５によりウェハ１０上を二次元走査される。一次電子は、リターディング電圧が印加されている試料の表面電位により減速され、かつ対物レンズ６のレンズ作用で収束されてウェハ上に照射される。
　一次電子２が試料に照射されると二次電子２１が発生し、二次電子２１はリターディング電圧により電子源方向に加速される。二次電子２１は変換電極４にあたり、新たに変換電極４から発生した二次電子２２が二次電子検出器７で捕捉され、この二次電子の量に応じて二次電子検出器の出力Ｉが変化する。この出力Ｉに応じてディスプレーの輝度調整を行う。なお、図１では試料から放出された二次電子を変換電極にていったん変換して検出する例について説明しているが、無論このような構成に限られることはなく、例えば、加速された二次電子、或いは後方散乱電子の軌道上に、電子倍増管や検出器の検出面を配置するような構成とすることも可能である。
　試料室内には試料の上側に電極１５が設置されており、試料ステージ１４と同じリターディング電圧が印加されるため、試料ステージと電極間の電界が零となる。また試料観察中に試料ステージ１４が試料室内を移動しても、ウェハが常に前記電界零の空間からはみ出すことなく試料室内を移動できるよう、電極１５は十分な大きさをもつのが特徴である。
　本実施例では、第１の試料電位測定装置として、試料がもつ固定的な帯電を計測する静電電位計を備える。ウェハの固定帯電電圧はほぼ同心円状なので、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、試料全体の電位分布をおおよそ把握できる。具体的には、ウェハ１０の搬送経路上にプローブ１３を固定し、接地された搬送台３１の移動を利用して直線状に測定するか、搬送台３１を静止させて静電電位計測用のプローブ１３を直線状に移動させる方法が適当である。また、ウェハ全面の表面電位をくまなく測定する場合は、静電電位計プローブを複数用意すれば、測定にかかる時間を短縮することができる。
　こうして測定されたウェハ１０の固定的帯電のデータは帯電補正制御部１８に取り込まれる。帯電補正制御部１８は、プローブ１３の出力値からウェハ全面の大域帯電を計算し、その結果を利用して試料ステージを介して試料に印加する負電圧（リターディング電圧）を制御可能な構成となっている。そのためのプログラムを記憶するための図示しない記憶媒体が内蔵されている。
　また、帯電補正制御部１８は試料への印加電圧をコントロールすることで、電子ビームのフォーカスを調整するリターディングフォーカスの機能を備えている。帯電補正制御部１８は、試料電位を相殺するように試料電位を制御したり、取得された二次電子等に基づいて形成される画像の鮮鋭度や焦点評価値が最大となるように試料電位を制御する。また、帯電補正制御部１８は、走査電子顕微鏡装置と一体化されている必要はなく、外部の制御装置，演算装置にてその処理を行うようにしても良い。
　図２に、接地しても残留する固定的な帯電をウェハ表面層５１内にもつウェハの裏面側または両側に電極を配置し、各電極の電位を変化させた場合のウェハ表面の電位遷移について説明する。ここで扱うウェハ表面の一部は絶縁膜に覆われておらずその内部と裏面側にある電極５２の導通が取れているものとし、そのため前記電極とウェハ内部のシリコン基板は同電位となる。
　そのうえで、（ａ）のように電極５２を接地してもウェハ表面に大域帯電電圧Ｖsaが残留する場合、（ｂ）のように接地された別の電極５３をウェハの上部に配置しても、ウェハ表面の電位はほぼＶsaのままである。これはウェハ表面層５１の厚さが前記電極５３までの距離に比べ非常に薄く、ウェハの表面電位がウェハの内部のシリコン基板とウェハ表面層５１間の電位差Ｖsaとほぼ一致するからである。その上で（ｃ）のように両電極に印加する電圧を同時に変化させたり、（ｄ）のように両電極の電位差を一定に保ちつつ印加する電圧を変化させても、電極５２とウェハ表面間の電位差はほぼＶsaを保つ。
　一方、図３では、ウェハ表面層５１内に固定的な帯電をもつことは図２のウェハと同じであるが、ウェハ裏面側にある電極５２との接触面が全て絶縁膜で覆われているなどの理由で、前記電極５２とウェハ内部にあるシリコン基板の導通が確保できずに同電位にならない場合のウェハの電位遷移について説明する。
　この場合（ａ）のように電極５２を接地してもシリコン基板の電位は零にはならないが、ウェハの内部ではシリコン基板とウェハ表面層５１間に固定的な電位差Ｖsa′が残留しているため、結果としてウェハ表面電位がＶsaになる。
　さらに（ｂ）のように接地された別の電極５３をウェハの上側に配置すると、ウェハ内部の固定的な電位差Ｖsa′は変化せずに電極５２とシリコン基板間の電位差が変化するため、ウェハ表面の電位は大域帯電電圧Ｖsaにオフセット帯電電圧Ｖs1を加えたＶsa＋Ｖs1に変化する。その上で（ｃ）のように両電極に印加する電圧を同時に変化させても電極５２とウェハ表面の電位差はＶsa＋Ｖs1に保たれる。しかし（ｄ）のように両電極の電位差を一定に保ちつつ印加する電圧を変化させる場合は、電極５２とシリコン基板間の電位差が再調整されるため、電極５２とウェハ表面の電位差は大域帯電電圧Ｖsaと新たなオフセット帯電電圧Ｖs2の和Ｖsa＋Ｖs2となる。
　図２，図３を比較すると判るように、試料上に電極が配置されている条件下では、試料が絶縁膜に包囲されている場合は、オフセット電圧Ｖs1を発生し、包囲されていない場合ではオフセット電圧Ｖs1は発生しない。
　図４に固定的な帯電を殆ど持たないウェハの内部と裏面側にある電極５２の導通が取れている場合の電位遷移について説明する。電極５２とウェハ内部のシリコン基板は同電位となり、またシリコン基板とウェハ表面層５１間の電位差は零を保つため、ウェハ表面の電位はウェハの上側に配置される電極５３の電位にはよらず、常にウェハ裏面側にある電極と同電位となる。
　図５では固定的な帯電を殆ど持たないウェハの内部にあるシリコン基板と電極５２の導通が確保できずに、同電位にならない場合のウェハの電位遷移について説明する。この場合（ａ）のように接地された電極５２とシリコン基板の間に微小な電位差が残るものの、シリコン基板とウェハ表面層５１間にある微小な電位差Ｖsa″によって打ち消されるなどして結果的に表面電位が零になる。さらに（ｂ）のように接地された別の電極５３をウェハの上部に配置しても、ウェハ表面電位は変化せず零のままである。その上で（ｃ）のように両電極に印加する電圧を同時に変化させても電極５２とウェハ表面の電位差は零に保たれるが、（ｄ）のように両電極の電位差を一定に保ちつつ印加する電圧を変化させる場合は、電極５２とシリコン基板間の電位差が調整され、結果的に電極５２とウェハ表面の電位差はオフセット帯電電圧Ｖs3で一定となる。
　以上のようにウェハ裏面側にある電極とウェハ表面間に生じる電位差は、ウェハ裏面側にある電極とウェハ内部の導通が取れていないウェハに対してのみ、ウェハの裏面側ないし両側に配置する電極がもつ電位条件に応じて、ウェハ全面でほぼ均一な誘起的帯電（オフセット帯電）が発生する。ただし前記ウェハが固定的な帯電を同時に持たない場合は、図５の（ｂ）、及び（ｃ）で示したように、ウェハの両側に同電位をもつ電極を配置することで誘起的帯電の発生を零に抑えることができる。
　これらの特性を利用して、試料の表面電位を高速に測定する方法を図６に示す。まず試料室外にてウェハの大域帯電を計測し、ウェハ中心から半径ｒの偶関数Ｖsa(ｒ)で近似する。Ｖsa(ｒ)の絶対値の最大値が閾値Ａを下回る場合（或いは最大値が閾値Ａ以下の場合）は、大域帯電をもたないウェハと判断する。この場合図４および図５より、ウェハの両側に同電位の電極を配置した試料室内ではオフセット帯電もまた発生しないため、ウェハ表面電位Ｖs(ｒ)は式（１）で表される。
　　Ｖs(ｒ)＝０　　　　　　　　　　　　 …（１）
　それ以外の場合は大域帯電をもつウェハと判断し、以下の方法でオフセット帯電の有無を確認する。
　試料室内にてウェハ中心から距離Ｒの位置におけるウェハ表面電位Ｖs(Ｒ)を計測する。Ｖs(Ｒ)の計測方法としては、特許文献４のリターディング電圧を徐々に変化させたときの検出器の出力を用いる技術やリターディングフォーカスなどを使用すれば測定が可能である。この際、ウェハ両側にある電極に印加する電圧は同時に変化させ、両電極間の電界を常に一定に保つことが重要である。試料室内で発生するオフセット帯電電圧Ｖs1は式（２）より求められる。
　　Ｖs1＝Ｖs(Ｒ)－Ｖsa(Ｒ)　　　　　　　…（２）
　オフセット帯電電圧Ｖs1の絶対値が閾値Ｂを下回れば（或いは閾値Ｂ以下であれば）、オフセット帯電をもたないウェハと判断し、試料室内におけるウェハの表面電位Ｖs(ｒ)は式（３）のように大域帯電電圧と等しくなる。
　　Ｖs(ｒ)＝Ｖsa(ｒ)　　　　　　　　　　…（３）
　それ以外の場合はオフセット帯電をもつウェハと判断し、式（４）に示すようにウェハ表面電位Ｖs(ｒ)を大域帯電電圧Ｖsa(ｒ)とオフセット帯電電圧Ｖs1の和で表す。
　　Ｖs(ｒ)＝Ｖsa(ｒ)＋Ｖs1　　　　　　　…（４）
　以上のような判断に基づいて、試料電位測定や焦点調整を行うことによって、試料の種類に依らない高精度な電位測定や焦点調整を行うことが可能となる。また、試料室に試料を導入した時点で固定的帯電量が判明しているため、その値を基準にリターディングフォーカスを行えば、オフセット帯電を早期に検出することができる。
　なお、今回はオフセット帯電電圧Ｖs1をウェハ中心から距離Ｒの位置における測定点のウェハ表面電位Ｖs(Ｒ)と大域帯電電圧Ｖs(Ｒ)の差から求めたが、複数の測定点でウェハ表面電位と大域帯電の差を求め、それらの平均値をもって前記オフセット帯電電圧Ｖs1とすれば、オフセット帯電の測定精度を向上できる。また、厳密にいえばオフセット帯電はウェハの反りや膜厚などの物理的変化より微小に変化するため、前記複数の測定点におけるオフセット帯電電圧の測定結果からフィッティング関数を求め、ウェハの任意の測定点における厳密なオフセット帯電電圧を求めてもよい。オフセット帯電は、理論的には試料全体で均一に発生するものである。よって、多数の照射点が存在する試料であっても、全ての照射点についてオフセット帯電を測定する必要はない。例えば最初の１点、或いはその他、高精度にオフセット帯電を取得し得る複数点での測定の後、式（４）に基づく試料電位評価を行い、その値をオフセット値として記憶し、他のビーム照射領域について上記演算を行うようにすれば、スループット低下を抑制しつつ、正確な電位の評価を行うことが可能となる。
　また、図８に例示するように、試料室外に設けられる表面電位測定装置による測定を、電子ビームが照射される環境のもとで、行うようにしても良い。本例では、試料の上側には搬送台１１（試料台、或いは試料台上に配置される電極）と同電位である電極１２が設置されており、搬送台と電極１２の間は電界が零となる。電極１２は、固定的帯電の測定中にウェハが電界零の空間からはみ出さないために必要な大きさをもつ。
　上述のように、試料室外における大域帯電の測定時にウェハ両側にある電極間の距離と、試料室内においてウェハ両側にある電極間の距離が等しい場合、図２及至図５の（ｂ）と（ｃ）の間でウェハ表面とウェハ裏面側電極間の電位差が常時変化しないことからわかるように、オフセット帯電電圧は常に零となる。換言すれば、オフセット帯電電圧を含んだ試料電位を、プローブ１３にて測定することができる。以上のように、同じ電位を持つ電極にて試料を挟むと共に、当該挟まれた試料領域を、プローブ１３（第１の試料電位測定装置）にて測定する。電極１２と搬送台１１との間隔は、試料室内の電極１２と試料ステージ１４と同じくする。電極１２と搬送台１１との間は、電気的に試料室と同じ環境と定義づけることができるので、試料室と同じ環境下で電位の測定を行うことができる。固定帯電（＋オフセット帯電）の有無は、図６に例示したように、所定の閾値との比較によって決定すれば良い。
　ウェハ表面電位Ｖs(ｒ)は、ウェハ裏面側の電極とウェハ内部の導通の有無によらず式（１）ないし式（３）で表されることになる。
　以上のように大域帯電電圧とオフセット帯電電圧を分離して測定することにより、ウェハ表面電位Ｖs(ｒ)の測定にかかる時間を最小限に抑えることができる。予めウェハ表面電位Ｖs(ｒ)を測定し式（５）で表される加速電圧Ｖaが一定となるように、引出電圧Ｖ0を固定した上でリターディング電圧Ｖrを調整すれば、電子ビームの加速電圧を一定に保つことが可能になる。
　　Ｖa＝Ｖ0＋（Ｖr－Ｖs(ｒ)）　　　　　…（５）
　ここでウェハ表面電位Ｖs(ｒ)が零のときのリターディング電圧をＶr0とすると、Ｖrは式（６）で表される。
　　Ｖr＝Ｖr0＋Ｖs(ｒ)　　　　　　　　　…（６）
　或いは、式（５）においてＶaを一定に保つため、リターディング電圧Ｖrを固定し引出電圧Ｖ0を調整してもよい。
　またここでは、大域帯電電圧をもつウェハについては、必ずオフセット帯電の有無を確認することとしたが、どのウェハもオフセット帯電が零であるという仮定のもとでまず大域帯電をもつウェハの表面電位が全て式（３）で表されるとしてもよい。この場合、まず式（５）で表される加速電圧Ｖaが一定となるようリターディング電圧Ｖrないし引出電圧Ｖ0を調整し、自動でフォーカスを合わせる。そのフォーカス条件のもとで測定するパターンを自動検出し、自動検出が成功すれば前記仮定が正しかったことがわかり、逆に自動検出に失敗すれば前記仮定が間違っていた、つまりウェハがオフセット帯電をもつためにフォーカスが合わず自動検出に失敗した可能性がある。このウェハに対してのみオフセット帯電電圧Ｖs1の測定を行うこととすれば、オフセット帯電の測定対象となるウェハを少なくすることが可能となり、ウェハ表面電位の測定にかかる時間を一層抑えることができる。
　また、上記実施例では第１の試料電位測定装置を用いて、大域帯電を測定する前提の装置を説明したが、例えば大域帯電の存在が予め判っている場合には、その情報に基づいて、オフセット帯電を含めた試料電位測定や焦点調整を行うようにしても良い。より具体的には、予め他の電位測定装置等で取得した大域帯電の情報を帯電補正制御部１８等に記憶しておき、図６に例示したような判定を行った上で、電位測定等を行うようにしても良い。また、試料の種類に応じた電位マップ等が予め用意されている場合は、上記第１の試料電位測定装置による測定に替えて、当該情報を用いるようにしても良い。
　図１２は、上記閾値Ａを設定するためのＧＵＩ(Graphical User Interface)画面の一例を説明する図である。ここで設定される閾値は標準値を持つが、ウェハの種類に応じて設定を変えることも可能である。このとき、許容範囲の大小（例えばLoose, Normal, Tight）を設定するようにしても良いし、電圧値を設定するようにしても良い。
　図１３は、ウェハ表面電位ＶS(Ｒ)の計測位置を指定するＧＵＩ画面の一例を説明する図である。本例の場合、“wafer center”を選択すると、ウェハの中央を測定点と設定する。但し、ウェハ中央付近の帯電分布が一定ではない場合も考えられるため、測定誤差を抑制するために、測定点を、ウェハ上のチップ、或いは座標（coordinate）の設定に基づいて、複数指定可能にすることもできる。このような測定点設定に基づいて得られた電位を、大域帯電電圧と比較することによって、より正確なオフセット帯電を求めることが可能となる。本例の場合、斜線部で表現されたチップを測定点と定義している。また、単に座標値のみをもって測定部位を設定するようにしても良い。測定部位が多くなるほど、大域帯電の分布をより正確に測定することが可能となるが、反面測定時間が増加する。図１３に例示するようなＧＵＩ画面上での設定を可能とすることによって、操作者は測定精度とスループットを勘案して、任意の測定点を設定することが可能となる。
　図７は、エネルギーフィルタを備えた走査型電子顕微鏡の概略説明図である。式（２）からオフセット帯電電圧Ｖs1を求めるのに、ウェハ中心から距離Ｒの位置におけるウェハ表面電位Ｖs(Ｒ)の計測手段（第２の試料電位測定装置）として、エネルギーフィルタ１９を備える。エネルギーフィルタによる試料電位測定を行う場合には、エネルギーフィルタへの印加電圧を掃引し、検出器による電子の収量、或いは画像の明るさが所定の値となったときの試料への印加電圧Ｖrと、エネルギーフィルタへの印加電圧Ｖeとの差異に基づく値が、帯電電圧となる。また、特許文献４に例示されているような手法を用いて、試料電位を測定するようにしても良い。
　図９は、ロードロック室（試料交換室）を含む走査型電子顕微鏡の概略構成図である。ウェハ１０は真空の保持が可能な試料交換室８と大気である外部とを分離するゲートバルブ１６を通じて、試料交換室内の搬送台１１上に搬送される。さらにウェハはゲートバルブ１７を介して試料室９に移送され、試料ステージ１４に固定される。ここで試料ステージ１４は搬送台１１と同一であってもよく、その場合搬送台１１はウェハとともにゲートバルブ１７内を行き来する。この試料交換室の上側にプローブ１３を設置し、搬送台１１の移動を利用してウェハ表面電位を直線状に測定する。搬送台１１と電極１２の距離が、試料ステージ１４と電極１５の距離に一致すれば、いかなるウェハに対してもオフセット帯電は発生しないため試料交換室における大域帯電の測定のみでよい。それ以外の場合はオフセット帯電が発生しうるが、この場合も図６の方法で大域帯電とオフセット帯電を分離して測定できる。
　図１０は、二次電子等を対物レンズ上に配置された検出器に高効率に導くための引出電極を備えた走査型電子顕微鏡の概略構成図である。試料室においてはときに試料からの二次電子を効率よく取り出すため、ウェハ上面と裏面の電極間に一定の電位差を与える場合がある。図３の（ｃ）と（ｄ）を比較するとわかるように、固定的帯電をもちウェハ裏面側にある電極との接触面が絶縁膜で覆われているウェハに対し、ウェハ両側の電極間に電位差がある場合とない場合では、ある場合の方がオフセット帯電は大きい。また図５の（ｃ）と（ｄ）を比較すると判るように、固定的帯電をもたなくても、ウェハ裏面側にある電極との接触面が絶縁膜で覆われているウェハに対してはオフセット帯電が発生する。従って、本実施例は図１に示す実施例に比べオフセット帯電が発生するウェハの種類が増えるとともにオフセット帯電の大きさが増加する。
　よって、二次電子等に対する引上電界を発生させるか否かによって、試料電位、或いは焦点の調整条件の測定，調整手法を変化させる。具体的には、図６のフローチャートの｜Ｖsa(ｒ)｜の判定ステップにおいて、当該｜Ｖsa(ｒ)｜が閾値Ａより小さいと判断された場合（試料に大域帯電が付着されていないと判断された場合）であっても、引出電界を発生させる場合には、ウェハの表面電位を計測するようにすると良い。ここで計測された表面電位をオフセットとして、その後の試料電位評価、或いは焦点調整を行うようにすれば、スループットの低下を抑制しつつ、試料電位評価、或いは焦点調整を行うことが可能となる。
　図１１は、図１０に例示した走査電子顕微鏡に、電極１２を設けた例を説明する図である。図１１に例示した構成によれば、電極の配置条件を試料室と同じくした状態にて、プローブ１３を用いた試料電位評価を行うことができるが、二次電子等に対する引上電界を形成する場合には、試料が絶縁膜に覆われているか、否かによって試料表面の電位が変化する。より具体的には、図２，図３に例示したように、大域帯電が試料に付着している場合であれば、絶縁膜が形成されていない試料では、試料表面電位は、Ｖr＋Ｖsaとなるが、絶縁膜が形成されている試料では、試料表面電位は、Ｖr＋Ｖsa＋Ｖs2となる。大域帯電が形成されていない場合であっても、図４，図５に例示するように、試料表面電位は、Ｖr（図４）とＶr＋Ｖr3（図５）となり、やはり違いが生ずる。
　よって、帯電補正制御部１８では、引上電界を形成する場合には、試料室内において、大域帯電の有無に係らず、試料表面の電位測定を行い、オフセット値をモニタする。このように、引上電界の有無によって、測定の要否を決定することで、必要な測定を選択的に行うことが可能となり、高いスループットを維持した状態で、連続的な測定を行うことが可能となる。なお、電極１２に、電極１５に印加される電圧（二次電子引上のための電圧）と同じ電圧を印加することによって、試料室と同じ環境で試料電位を測定することができるため、試料室内での電位測定を不要とすることができる。
　また、絶縁膜の存否によって、大域帯電の存在に依らず、Ｖr1印加前後の試料表面電位が変化するため、Ｖr1印加前後の試料表面電位をモニタに基づいて、絶縁膜有無の判定を行うようにしても良い。当該情報は、例えば装置内の記憶媒体に試料情報として記憶するようにしても良い。
　上述のような実施例によれば、予め試料がもつ固定的帯電と試料室内で発生する誘起的帯電を分離して測定し、ウェハの表面電位を高速で測定できるとともに、フォーカスの自動合わせ、測定点の自動検出を高速で行うこと、ウェハがもつ帯電圧を考慮した正確な加速電圧から観察倍率を算出し高精度にパターン寸法を測定することが可能になる。また、試料が配置される環境を試料室と同じくした状態で電位測定を行うことで、適正な試料電位測定を行うことが可能となる。
１　電子源
２　一次電子
３　コンデンサレンズ
４　変換電極
５　走査偏向器
６　対物レンズ
７　二次電子検出器
８　試料交換室
９　試料室
１０　ウェハ
１１　搬送台
１２，１５，５２，５３　電極
１３　プローブ
１４　試料ステージ
１６，１７　ゲートバルブ
１８　帯電補正制御部
１９　エネルギーフィルタ
２１　二次電子
２２　変換電極から発生した二次電子
５１　ウェハ表面層

Claims (15)

  1. 　荷電粒子線装置によって、当該試料の試料電位を測定する電位測定方法において、
    　前記荷電粒子線を照射するための試料室外に設置された第１の試料電位測定装置によって得られる試料電位情報、或いは予め取得された試料電位情報が、所定の閾値以上、又は当該閾値より大きい場合に、選択的に前記試料室内にて第２の試料電位測定装置を用いた試料電位測定を行うことを特徴とする試料電位測定方法。
  2. 　請求項１において、
    　前記第２の試料電位測定装置によって測定された試料電位情報が、所定の閾値以上、或いは当該閾値より大きい場合に、当該第２の試料電位測定装置によって測定された試料電位情報と、前記第１の試料電位測定装置によって測定された試料電位情報、或いは前記予め取得された試料電位情報との差分を、オフセット量とすることを特徴とする試料電位測定方法。
  3. 　請求項２において、
    　前記オフセット量と、前記第１の試料電位測定装置、或いは予め取得された試料電位情報との加算値を、前記試料上の各照射量域の電位とすることを特徴とする試料電位測定方法。
  4. 　請求項１において、
    　前記第１、或いは第２の試料電位測定装置によって計測された試料電位、又は予め取得された試料電位を相殺するように、前記試料に印加される電圧を制御することを特徴とする試料電位測定方法。
  5. 　荷電粒子線装置が照射される試料が載置される試料室と、当該試料室外にて取得された試料電位情報に基づいて、前記試料に印加する電圧を調整する制御部を備えた荷電粒子線装置において、
    　前記制御部は、前記試料室外にて取得された試料電位情報が、所定の閾値以上、又は当該閾値より大きい場合に、選択的に前記試料室内にて、前記試料の試料電位を測定することを特徴とする荷電粒子線装置。
  6. 　請求項５において、
    　前記試料室外にて取得される試料電位情報は、前記試料室に試料を導入するための試料交換室に設けられた電位計によって取得されることを特徴とする荷電粒子線装置。
  7. 　請求項５において、
    　前記制御部は、前記試料室内にて取得される試料電位情報が、所定の閾値以上、或いは当該閾値より大きい場合に、当該試料室内にて取得される試料電位情報と、前記試料室外にて取得された試料電位情報との差を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
  8. 　請求項７において、
    　前記制御部は、前記差と、前記試料室外にて取得された試料電位情報との加算値を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
  9. 　請求項５において、
    　前記制御部は、前記試料室内、或いは試料室外にて取得された試料電位を相殺するように、前記試料に印加する電圧を調整することを特徴とする荷電粒子線装置。
  10. 　荷電粒子線装置を照射するための試料室の外で、前記試料の電位を測定する試料電位測定方法において、前記試料が載置される試料台と、当該試料台と同電位の電極との間で、試料電位測定装置を用いた電位測定を行うことを特徴とする試料電位測定方法。
  11. 　請求項１０において、
    　前記試料台と前記電極との距離は、前記荷電粒子線を照射するための試料室内の試料台と、前記試料上に設置される電極との距離と等しいことを特徴とする試料電位測定方法。
  12. 　請求項１０において、
    　前記測定された電位が、所定値以上、或いは当該所定値を超えている場合に、当該測定された電位を相殺するように、前記試料台に印加する電圧を調整することを特徴とする試料電位測定方法。
  13. 　荷電粒子線装置が照射される試料が載置される試料室と、当該試料室外にて前記試料の電位を測定する電位計を備えた荷電粒子線装置において、
    　前記電位計は、前記試料室外にて前記試料を載置する試料台と、前記試料台との間で前記試料を挟むように配置される電極との間で、前記試料電位を測定するように設置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
  14. 　請求項１３において、
    　前記試料台と前記電極との距離は、前記荷電粒子線を照射するための試料室内の試料台と、前記試料上に設置される電極との距離と等しいことを特徴とする荷電粒子線装置。
  15. 　請求項１３において、
    　前記測定された電位が、所定値以上、或いは当該所定値を超えている場合に、当該測定された電位を相殺するように、前記試料台に印加する電圧を調整する制御部を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
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