WO2012081428A1 - 走査電子顕微鏡及びそれを用いた測長方法 - Google Patents

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WO2012081428A1
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electron microscope
scanning electron
thin film
electrons
energy
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大輔 備前
牧野　浩士
田中　潤一
江角　真
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株式会社日立ハイテクノロジーズ
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    • H01J2237/24485—Energy spectrometers

Definitions

  • the present invention relates to a scanning electron microscope (hereinafter referred to as SEM) and a length measuring method using the same.
  • Non-Patent Document 1 there is a method of energy discrimination of signal electrons detected in the SEM (for example, Non-Patent Document 1).
  • Signal electrons detected in SEM are classified as secondary electrons, reflected electrons, and Auger electrons. Discrimination of the signal electrons is expected to be effective in measuring the dimensions of a three-dimensional device and performing local elemental analysis.
  • the reflected electrons have high energy, they can escape from the bottom of the three-dimensional device and are expected to be useful for observing the bottom.
  • Auger electrons have an energy inherent to the element and are generated only on the surface of the sample, local elemental analysis can be performed by detecting Auger electrons.
  • secondary electrons are electrons generally used for image formation in a scanning electron microscope and are generated from the surface of the sample, so that information reflecting the shape of the sample can be obtained.
  • an energy filter for discriminating signal electrons a voltage is applied to a metal grid, etc., and a deceleration electric field type that allows only electrons with energy higher than the applied voltage to pass through. Electrons are deflected by an electromagnetic field and discriminated by differences in electron trajectories. Two types of deflection type are often used.
  • a thin-film transmission type energy filter has been devised that utilizes the fact that the penetration depth into a substance varies depending on the energy of electrons.
  • the thin film transmission type has a problem that the energy of signal electrons that can be transmitted is determined by the thickness of the thin film, so that arbitrary energy discrimination cannot be performed.
  • the deceleration electric field type energy filter transmits all electrons having energy equal to or higher than the threshold value, and thus is superior to the deflection type in terms of signal intensity, and is superior to the thin film transmission type in that the user can freely determine the threshold value. On the other hand, there is a problem that the energy resolution is inferior to the deflection type.
  • the deceleration electric field type energy filter includes a conductor grid 201 and an energy filter power source 126 connected to the grid as shown in FIG.
  • a negative voltage VF is applied to the conductor grid 201 by the energy filter power source 126, a potential barrier as shown by an equipotential line (equipotential surface) 202 is formed.
  • signal electrons 139 including secondary electrons, reflected electrons, and Auger electrons are emitted from the wafer 113. Thereafter, only the electrons having energy exceeding the potential barrier among the signal electrons 139 incident on the energy filter pass through the energy filter and are detected.
  • a retarding method in which a negative voltage Vr of several kV is applied to the wafer 113 by the retarding power source 121 and the primary electrons 138 are decelerated immediately before the wafer is often employed.
  • the retarding method is characterized in that the signal electrons 139 emitted from the wafer 113 are accelerated by a negative voltage Vr of several kV applied to the wafer 113. Therefore, when the retarding method and the deceleration electric field type energy filter are used together, the signal electrons 139 enter the energy filter 108 with energy of several keV. In this case, in order to discriminate the signal electrons 139 from energy, it is necessary to apply a voltage of ⁇ several kV to the energy filter power supply 126.
  • the potential at the center of the grid is lower than the voltage VF applied to the conductor grid 201.
  • An object of the present invention is to provide a scanning electron microscope including a decelerating electric field type energy filter capable of obtaining high energy resolution even when a retarding optical system is provided, and a length measuring method using the same.
  • an electron source, a deflector for deflecting a primary electron beam emitted from the electron source, and the primary electron beam deflected by the deflector are converged.
  • a scanning electron microscope comprising: a decelerating electric field type energy filter that discriminates energy of the signal electrons, wherein the decelerating electric field type energy filter includes a conductor thin film for energy discrimination of the signal electrons. Use a microscope.
  • FIG. 4 is a graph of the number of electrons passing through a filter (S curve) with respect to a voltage applied to a grid, for explaining a difference in energy resolution between the energy filters shown in FIGS. 2 and 3. It is a graph of the number of signal electrons with respect to the energy of signal electrons detected by the energy filter shown in FIGS. 2 and 3.
  • a conductive thin film having a thickness of 100 mm to 500 mm (10 nm to 50 nm) is pasted on a grid of a conventional deceleration electric field type energy filter, and a negative voltage is applied to the grid to discriminate energy of signal electrons. It is characterized by performing.
  • the present embodiment in the SEM using the retarding method, it is possible to obtain energy resolution superior to that of the conventional decelerating electric field type energy filter. The reason why an energy resolution better than that of the conventional deceleration electric field type energy filter can be obtained by using the conductive thin film will be described below.
  • the potential at the center of the grid is lower than the voltage VF ( ⁇ 0) applied to the conductor grid 201 (FIG. 2). Due to the influence of this potential drop, even electrons having an energy lower than ⁇ VF can pass through the energy filter, and the energy resolution is lowered.
  • a conductor thin film 304 is attached to a conductor grid 302 to which a voltage is applied (FIG. 3).
  • the equipotential lines 202 are formed substantially parallel to the conductor thin film 304 as shown in FIG.
  • the equipotential lines 202 are formed more parallel to the conductor thin film 304 on the signal electron incident side.
  • the potential drop at the center of the grid caused by the conventional decelerating electric field type energy filter (FIG. 2) is eliminated, and a substantially uniform potential barrier of the applied voltage VF is formed.
  • FIG. 4 shows how the number of electrons passing through the filter changes with respect to the voltage VF applied to the conductor grids 201 and 302 at this time.
  • the curve shown in FIG. 4 is called an S curve.
  • the S curve shows a behavior close to a step function (solid line in FIG. 4), and the energy resolution is larger than that of the conventional energy filter. improves.
  • the energy resolution is defined by the rising width of the S curve, and the energy resolution is better as the width is smaller.
  • the deceleration electric field type energy filter is a so-called high-pass filter having a characteristic of allowing all electrons having energy that can pass through a potential barrier formed by a voltage applied to the grid to pass.
  • the energy dependence of the number of signal electrons emitted from the sample is generally represented in FIG.
  • the signal electrons those having an energy of 0 to 50 eV are called secondary electrons 501, and those having an energy of 50 eV or more are called reflected electrons 502.
  • the Auger electron 503 is an electron emitted due to excitation of the inner core electron of the atom, and its energy is unique to the atom.
  • a scanning image is formed only with the secondary electrons 501, an image reflecting the shape of the sample surface is obtained, and when a scanning image is formed only with the reflected electrons 502, an image reflecting the inside of the sample and the difference in element numbers is obtained. It is done.
  • a deceleration electric field type energy filter using a conductive thin film makes it possible to detect only electrons having energy higher than the voltage applied to the filter. This effect is effective, for example, when detecting reflected electrons having energy in the vicinity of V0, or detecting secondary electrons having energy of ⁇ 10 eV or more.
  • the conductor 602 is connected to a retarding power source 121 for applying a potential Vr ( ⁇ 0) for decelerating the primary electrons 138 immediately before the sample.
  • the insulator 601 When the insulator 601 is irradiated with the primary electrons 138, the insulator 601 is charged, and whether the charge is positive or negative is determined by the secondary electron generation efficiency defined by (secondary electron amount) / (primary electron amount).
  • the insulator 601 is negatively charged if the secondary electron generation efficiency is smaller than 1.0, and positively charged if it is larger than 1.0.
  • the secondary electron generation efficiency is determined by the energy when the primary electrons 138 are incident, and the secondary electron generation efficiency of an insulator generally used in a semiconductor device exceeds 1.0 from 500 eV to 1000 eV.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of energy distribution of signal electrons emitted from the conductor pattern and the insulator pattern.
  • the deceleration electric field type energy filter is a high-pass filter that passes all electrons having energy equal to or higher than a certain threshold. However, a differential image of two images obtained by applying two different set voltages to the filter grid is used. When formed, it is possible to form an image created by signal electrons in an arbitrary energy range.
  • a scanned image 1 After applying a first set voltage VF1 to the grid of the filter at the same location of the sample using a decelerating electric field type energy filter using a conductive thin film, a scanned image 1 is acquired, and then a second set voltage VF2 ( After applying ⁇ VF1), a scanned image 2 is acquired.
  • the difference image between the scanned images 1 and 2 is an image formed by signal electrons in the energy range from ⁇ VF1 to ⁇ VF2 as indicated by the hatched portion in FIG.
  • the deceleration electric field type energy filter using a conductive thin film has better energy resolution than a conventional filter, for example, an image can be formed only from Auger electrons. Since the energy of Auger electrons is unique to an element, the spatial distribution of a minute region of an arbitrary element can be visualized by forming a scanning image from Auger electrons.
  • FIG. 1 is a schematic overall configuration diagram of a scanning electron microscope (SEM type length measuring device) provided with a deceleration electric field type energy filter using a conductive thin film according to the present embodiment.
  • SEM type length measuring device scanning electron microscope
  • the SEM type length measuring device is roughly divided into a SEM casing 103, a sample chamber 117, a SEM system control unit 136, a vacuum exhaust system unit 112, an image forming unit 129, and a length measurement system control unit 137.
  • the SEM casing 103 and the sample chamber 117 are scanned by a vacuum exhaust system unit 112 having a vacuum exhaust device such as a rotary pump, a dry pump, and a turbo molecular pump and a mechanism for controlling them. It is evacuated so that a sufficient degree of vacuum is maintained.
  • the evacuation system unit 112 controls opening and closing of the valve (A) 141 and the valve (B) 142 that connect the evacuation apparatus, the SEM housing 103 and the sample chamber 117.
  • the SEM housing 103 includes an irradiation system that irradiates a sample with primary electrons 138 and a detection system, and includes an electron source 102, a condenser lens 104, a diaphragm 105, a reflector 128, a detector 127, an E ⁇ B deflector 107, An energy filter 108, deflectors 109 and 110, a booster electrode 125, an objective lens (converging lens) 111, and a trap plate electrode 123 are included.
  • a decelerating electric field type energy filter 108 using a conductive thin film which will be described later, is directly under the E ⁇ B deflector 107, and a negative voltage is applied from the energy filter power supply 126 to the conductive thin film in order to decelerate the signal electrons 139. Applied and functions as an energy filter.
  • the primary electrons 138 emitted from the electron source 102 are converged by the condenser lens 104, pass through the aperture 105 for controlling the current of the primary electrons 138 incident on the wafer (sample) 113, and the holes and energy of the reflector 128. After passing through a shield pipe (details will be described later) of the filter 108 and being deflected by the deflectors 109 and 110, it is narrowed down by the objective lens (convergence lens) 111 and enters the sample.
  • Signal electrons 139 (secondary electrons, reflected electrons, Auger electrons) generated by irradiating the wafer 113 with the primary electrons 138 are negative voltage applied to the wafer holder 114 by the retarding power source 121, and trap plate electrodes. 123 and the booster electrode 125 are accelerated by the potential difference, converged by the objective lens (convergence lens) 111, deflected by the deflectors 109 and 110, pass through the energy filter 108, and collide with the reflector 128.
  • the objective lens convergence lens
  • Electrons 140 (tertiary electrons) generated from the reflecting plate 128 due to the signal electrons 139 colliding with the reflecting plate 128 are drawn into the detector 127 by the E ⁇ B deflector 107.
  • a configuration for detecting electrons 140 (tertiary electrons) generated from the reflector 128 will be described.
  • a detector capable of directly detecting the signal electrons 139 at the reflector 128 position such as a semiconductor detector or a microchannel plate, is provided. Even if installed, the effect of the present invention can be obtained.
  • the signal electrons 139 can be lifted to the reflector 128 side.
  • the same voltage as the retarding voltage is applied to the trap plate electrode 123 from the trap plate power source 122 in order to prevent the potential of the booster electrode 125 from leaking onto the wafer 113 and to equalize the charge of the wafer 113 to be charged. To do.
  • the sample chamber 117 includes a stage 116, an insulating material 115, and a wafer holder 114 on which the wafer 113 is placed.
  • the wafer holder 114 and the stage 116 grounded are electrically insulated by the insulating material 115.
  • a voltage can be applied to the wafer holder 114 from the outside by a retarding power source 121.
  • the wafer 113 and the wafer holder 114 are in contact with each other, and the wafer 113 and the wafer holder 114 are at the same potential.
  • a negative voltage can be applied to the other sample from the retarding power source 121 and observed.
  • the stage 116 can be driven in a plane perpendicular to the central axis of the SEM casing 103. That is, if the central axis of the SEM casing 103 is the z axis, the stage 116 can move in the x, y plane.
  • the wafer holder 114 is fixed to the stage 116 via an insulating material 115, and the wafer holder 114 can be moved by driving the stage 116.
  • the movement of the stage 116 is controlled by the stage controller 119 and the stage driving unit 120 in the stage control unit 118.
  • the SEM system control unit 136 includes an electron gun power source 101 that controls the acceleration voltage of the primary electrons 138 emitted from the electron source 102, a condenser lens 104, an E ⁇ B deflector 107, deflectors 109 and 110, and an objective lens (converging lens).
  • the device is connected to an energy filter power source 126 that controls a voltage applied to the conductive thin film of the filter 108, an evacuation system unit 112, an image forming unit 129, and an image display unit 135, and controls the above apparatus by sending a signal.
  • the current of the primary electrons 138 passing through the diaphragm 105 is controlled by controlling the current flowing through the coil constituting the condenser lens 104 by the electron optical system control power source 106. Further, by controlling the current of the coil constituting the E ⁇ B deflector 107 and the voltage of the electrodes by the electron optical system control power source 106, the primary electrons 138 are not deflected by the E ⁇ B deflector 107, and the tertiary The electrons 140 can be drawn into the detector 127. Further, the primary electron 138 is scanned on the wafer 113 by controlling the current flowing in the coils constituting the deflectors 109 and 110 by the electron optical system control power source 106.
  • the current flowing through the coils constituting the objective lens 111 is controlled by the electron optical system control power source 106. This control is performed by the electron gun power source 101, the booster power source 124, the trap plate power source. 122.
  • the retarding power supply 121 changes, the primary electrons 138 are always focused on the wafer 113.
  • the energy of the primary electrons 138 incident on the wafer 113 is determined by the difference between the acceleration voltage set by the electron gun power supply 101 and the voltage (retarding voltage) applied to the wafer holder 114 by the retarding power supply 121, and by changing the retarding voltage.
  • the energy of the primary electrons 138 incident on the wafer 113 can be changed.
  • Detector and image forming unit In order to form a scanning image, the primary electrons 138 are deflected by the deflectors 109 and 110 so that the primary electrons 138 scan on the wafer 113, and the signals of the tertiary electrons 140 captured by the detector 127 are converted into signal amplifiers.
  • the signal After being amplified at 130, the signal is converted into a digital signal by the AD converter unit 131 and sent to the image processing unit 132.
  • the image processing unit 132 forms a scanned image as a map of tertiary electron signals synchronized with the scanning signal.
  • the formed scanned image is stored in the image memory unit 133.
  • the amplification of the signal amplifier 130 is performed so that the maximum gradation value and the minimum gradation value of the formed scanning image fall within the range from the lowest value to the highest value assigned to one pixel of the image. Rate and offset are adjusted automatically. The amplification factor and offset can also be set by the user.
  • the detector 127 is floated at a positive high voltage.
  • the difference processing unit 134 has a function of forming a difference image between any two scanned images stored in the image memory unit 133. As will be described later, the difference processing unit 134 is used when forming an image using signal electrons in an arbitrary energy range.
  • the length measuring system control unit 137 has the pattern and process information of the wafer 113 to be measured, process information, observation conditions, length measuring region, so that optimum length measurement is always performed.
  • An algorithm used for length measurement is stored and connected to the SEM system control unit 136, and the entire apparatus is managed and controlled via the SEM system control unit 136.
  • the SEM type length measuring device is capable of measuring the length of the wafer 113 regardless of the presence or absence of an operator and monitoring the length measurement result.
  • Structure of a deceleration electric field type energy filter using a conductive thin film Next, the structure of the deceleration electric field type energy filter 108 using a conductive thin film will be described in detail with reference to FIGS.
  • FIG. 10 is a schematic sectional view of a deceleration electric field type energy filter using a conductive thin film used in the scanning electron microscope according to the present embodiment, and FIG. 18 is a perspective view thereof.
  • the energy filter 108 mounted on the SEM type length measuring device is composed of conductor grids 301, 302, and 303.
  • the pitch of the conductor grids 301, 302, and 303 is such that the conductor thin film is not torn and is stuck loosely, for example, ⁇ 1 mm.
  • conductor thin film 304 is attached only to the conductor grid 302
  • a conductor thin film similar to the conductor thin film 304 can be attached to both or one of the conductor grids 301 and 303 in addition to the conductor grid 302.
  • the conductor grid 302 is connected to an energy filter power supply 126 capable of applying a negative voltage through a feedthrough (not shown) capable of maintaining a vacuum. Further, in order to avoid discharge, the conductor grid 302 is separated from the conductor grids 301 and 303 and the shield pipe 1001 by ⁇ 1 mm or more.
  • the conductive thin film 304 has conductivity, and as the conductive material, for example, a conductor such as Al, Au, Cu, W, C, or stainless steel, or an insulating thin film such as SiN on which the above-described conductor is deposited is used. be able to. These may be used alone or in combination.
  • graphene can be used as a conductor instead of a conductor such as Al, Au, Cu, W, C, and stainless steel.
  • the thickness of the conductor thin film 304 is 3 mm or more and 30 mm or less (0.3 nm or more and 3 nm or less), and by reducing the thickness of the conductor thin film 304, secondary electrons having energy to be transmitted are scattered in the thin film. This makes it possible to reduce the phenomenon that is difficult to detect. Furthermore, an improvement in the S / N ratio of the SEM image can be obtained by improving the transmittance of the thin film.
  • the conductor thin film 304 preferably has an opening of about several ⁇ m for allowing the signal electrons 139 to pass through.
  • the conductive thin film 304 there is a microgrid that is commercially available as a sample holder in a transmission electron microscope. Even when the conductor thin film 304 has an opening of about .mu.m, the uniformity of the potential barrier formed on the conductor grid 302 is sufficiently maintained.
  • an aperture ratio of 80% and an energy filter having a size of 10 cm ⁇ were used. However, it is not limited to this. It is desirable that the aperture ratio be as high as possible within a range in which an equal electric field is formed in parallel with the conductor thin film.
  • an example of a method of attaching the conductor thin film 304 to the conductor grid 302 will be described.
  • An organic film such as collodion is attached to the conductor grid 302, and a conductor such as Al, Au, Cu, W, or stainless steel is deposited on the above-described organic film in a thickness of 100 to 500 mm, and then heated to burn off the organic film.
  • a conductor such as Al, Au, Cu, W, or stainless steel is deposited on the above-described organic film in a thickness of 100 to 500 mm, and then heated to burn off the organic film.
  • the conductor thin film which has C as a main component is produced by heating the said organic film single-piece
  • the graphene produced on a metal substrate such as Cu or Ni is transferred to a resist such as polymethyl methacrylate (PMMA), and then the PMMA to which the graphene is transferred is attached to the conductor grid 302.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • the conductor thin film 304 can be obtained by removing only PMMA with a resist stripper.
  • a negative voltage can be applied from the energy filter power supply 126 to the conductor grid 302 to which the conductive thin film 304 is attached, and a potential barrier is formed by the applied voltage, and only the signal electrons 139 having energy higher than the potential barrier can pass the energy filter 108. I can pass.
  • the orbit of the primary electrons 138 becomes approximately 0V, Even if a voltage is applied to the energy filter, the primary electrons 138 can pass through the energy filter 108 with little influence.
  • the diameter of the shield pipe is about 1 mm (1 ⁇ 0.5 mm).
  • the above-described shield pipe 1001 is connected to both of the conductor grids 301 and 303, but can be connected to only one of the conductor grids 301 and 303.
  • the conductive thin film is used for the deceleration electric field type energy filter, so that the energy resolution of the small electric field type filter with a large signal amount is greatly improved, and the retarding optical system is provided. Even if it is a case, the scanning electron microscope provided with the deceleration electric field type
  • the automatic length measurement is divided into an “recipe creation process” by an operator and an “automatic length measurement process” using a recipe.
  • the recipe creation of the present embodiment is executed on the SEM type length measuring apparatus shown in FIG. 1, and each of the recipe creation process or the automatic length measurement process is entirely performed by the length measurement system control unit 137. It is governed.
  • an external server is connected to the length measuring system control unit 137 or the image display unit 135, and the recipe Information with a large data size, such as information, is stored in an external server.
  • the length measurement system control unit 137 or the image display unit 135 is provided with a communication function depending on whether or not connection to the server is possible.
  • the communication function means, for example, software for controlling communication processing, a computer for executing software, or a terminal for connecting to a communication line.
  • communication processing software The realized function may be referred to as a communication function.
  • “Recipe creation process” The recipe creation procedure will be described with reference to FIG. (Sample Basic Information Input Step S1100) An operator who wants to measure a sample first inputs information on the sample to be measured. For example, the device operator inputs information while viewing the input screen displayed on the image display unit 135.
  • the type of wafer and the name of the manufacturing process correspond to the information described above, and these pieces of information input by the operator are used to classify and manage a plurality of recipes.
  • Optical condition selection step S1101 Select the optical conditions to be used when measuring.
  • the parameters of the optical conditions are the probe current incident on the sample, the field of view at the time of imaging, the incident energy, and the electric field strength formed on the sample.
  • the SEM image the SEM is acquired by multiple image acquisition such as frame addition. "Deterioration of image quality” and "abnormal contrast such as unevenness of brightness, which is a detrimental effect during measurement,” are determined not to occur.
  • the operator may arbitrarily select the optical conditions, or the manufacturer may determine recommended conditions at the time of shipping the apparatus and use them.
  • Temporal registration step S1102 for alignment In a sample on which a pattern such as a semiconductor wafer is formed, it is necessary to accurately measure the positional relationship between the coordinates of the stage 116 that moves the sample and the coordinates of the pattern formed on the sample. In this embodiment, the process of measuring this positional relationship is referred to as an alignment process.
  • the image of the pattern on the sample that can be recognized on the optical image and the SEM image is registered in the external server as a template.
  • a template may be registered by connecting an external storage device to the length measurement system control unit 137.
  • optical image template is used in the first alignment step
  • SEM image template is used in the second alignment step.
  • the second alignment step with high accuracy is performed.
  • the registration work is executed by, for example, selecting an optical image and an SEM image displayed on the image display unit 135 by the apparatus operator.
  • Registration position registration step S1103 In order to accurately correct the positional relationship between the coordinates of the stage 116 and the coordinates of the pattern formed on the sample, it is necessary to perform an alignment process in at least two places. Here, the location where alignment is performed is registered.
  • the registration is executed, for example, when the apparatus operator selects an appropriate position on the SEM image displayed on the image display unit 135.
  • Alignment execution step S1104 Here, the positional relationship between the coordinates of the stage 116 and the coordinates of the sample pattern is measured from an image comparison between the template and the optical image and SEM image captured at the location registered above.
  • a position search template for searching for a place to be measured is registered in the vicinity of the pattern to be measured.
  • the template for measuring position search is stored in an external server like the template for alignment, but the template may be registered by connecting an external storage device to the length measurement system control unit 137.
  • the registration operation itself is performed in the same manner as when the alignment template is registered.
  • Information registered as a template is a low-magnification SEM image and stage coordinates.
  • a low-magnification SEM image is taken, and the position is determined by performing pattern matching with the registered image.
  • the template for the part to be measured is registered in the external server.
  • the image registered as the template an image having the same magnification as the imaging magnification of the SEM when measuring the dimension of the pattern is registered.
  • the work performed at the time of registration is the same as the work of registering the alignment template and the measurement position search template.
  • Step S1107 of necessity of energy filter If it is necessary to use an energy filter for the sample to be measured, set the energy filter according to the following procedure. If it is not necessary to use the energy filter, the process jumps to the image acquisition process (execution of length measurement) in step S1109 shown in FIG. Although it is possible for the operator to determine whether or not to use the energy filter, it can be set freely. However, the apparatus may automatically determine whether or not it is necessary to use the energy filter from the basic information of the sample described above.
  • the device automatically determines There are two types of methods that the device automatically determines.
  • One is a method in which an apparatus determines whether or not it is necessary to use an energy filter by referring to a recipe created in the past.
  • the recipe is stored in the external server, but an external storage device different from the server may be connected to the length measurement system control unit 137.
  • a storage unit such as a memory may be provided in the length measurement system control unit 137 or another device element to store the recipe.
  • the length measurement system control unit 137 calls a recipe from an external server or an external storage device and refers to it according to the basic information of the sample input by the apparatus operator.
  • the device manufacturer stores a correspondence table on the necessity of using the energy filter in the device, and the device judges whether or not the energy filter is necessary based on the correspondence table. It is a method. For example, when the sample is a semiconductor wafer, the structure and material on the wafer surface are reflected in the process name, and a correspondence table of energy filter usage conditions recommended by the manufacturer is created for each name and stored in the apparatus.
  • an external storage device is connected to the length measurement system control unit 137 to store a correspondence table.
  • the length measurement system control unit 137 refers to the correspondence table using the name of the manufacturing process input by the apparatus operator as a reference key, and determines whether or not the use of an energy filter is necessary for the sample manufactured by the manufacturing process.
  • the correspondence table can be updated only by exchanging the recording medium when the correspondence table is updated, the updating operation is facilitated.
  • the entire length measurement system is configured such that a new correspondence table is stored in an external server and can be downloaded from the server when the correspondence table is updated, the work of updating the correspondence table is further facilitated.
  • the “length measuring system” means a system constituted by an SEM type length measuring device, an external server, and a communication line, and includes other system elements within a range related to length measurement.
  • the type of sample to be measured is selected from the choices by pressing the button (A) 1202 that can select information stored in the apparatus by a pull-down function (S1302).
  • the length measurement system control unit 137 calls an energy-dependent spectrum of the number of signal electrons (secondary electrons, reflected electrons, Auger electrons) from an external server or an external storage device in accordance with the type of sample input by the apparatus operator. (S1303).
  • the spectrum of the energy dependence of the number of signal electrons for a typical sample is recorded by the manufacturer on an external server or an external storage device, but for a sample that is not recorded, the user can add it later.
  • the spectrum can be directly registered in the external server or the external storage device by the user as numerical data, but can also be measured by the SEM type length measuring device shown in FIG.
  • the S curve measured from the signal electrons generated from the sample is a convolution of the energy dependence spectrum of the number of signal electrons and the transmission function of the energy filter 108.
  • the S curve is obtained by observing the sample while changing the voltage applied to the energy filter 108.
  • the transmission function of the energy filter 108 is, for example, that the same voltage as the voltage for accelerating the primary electrons 138 by the electron source 102 is applied to the wafer (sample) 113, and the primary electrons 138 are rebounded immediately above the wafer 113. Can be determined by measuring the change in the number of electrons reaching the detector 127 with respect to the voltage applied to the energy filter 108.
  • the transmission function can be measured by the user, but the manufacturer may record it in advance on an external server or an external storage device.
  • the S curve and the transmission function are obtained, the energy dependence spectrum of the target number of signal electrons can be obtained by deconvolution of both.
  • This calculation and processing can be executed by the length measurement system control unit 137, and the result is stored in an external server or an external storage device connected to the length measurement system control unit 137.
  • the detected energy range is displayed as a hatched portion on the spectrum of the GUI 1201. (S1305).
  • a method of inputting the energy range of signal electrons on the GUI 1201 will be described, but the same result can be obtained even if the user inputs the energy range using a slide bar or the like.
  • the input range of the detection lower limit energy (E1) is 0 ⁇ E1 ⁇ Vin (Vin: incident energy of the primary electrons to the wafer), and the input range of the detection upper limit energy (E2) is E1 ⁇ E2 ⁇ Vin.
  • E2 Vin in step S1306, the first set voltage VF1 of the energy filter is set to Vr ⁇ E1 (Vr: retarding voltage in the first embodiment), and the second set voltage VF2 of the energy filter is set to 0.
  • the setting is made (S1307).
  • an image by signal electrons in the energy range from E1 to E2 (hatched portion on the spectrum of the GUI 1201) is displayed on the scanning image display unit 1205 on the GUI 1201 at any time.
  • the imaging method and the total number of images to be displayed are selected from the options by pressing a button (B) 1206 and a button (C) 1207 that can select information stored in the apparatus by a pull-down function.
  • the user can change the energy range of the signal electrons to be detected in synchronization with the operation of changing the energy range of the detected signal electrons.
  • An image to be formed can be observed on the GUI 1201. Thereby, the user can determine the optimum energy range in a short time.
  • the process proceeds to “image acquisition process” in FIG. (Step S1109 of image acquisition / processing) Details of processing performed in “image acquisition / processing” will be described with reference to a flowchart (FIG. 14). This flowchart corresponds to steps S1107 to S1109 in FIG.
  • step S1401 of necessity of energy filter when the energy filter is not used, a scanning image is acquired under the conditions determined in the selection of the optical conditions (FIG. 11, step S1101), and the “execution of length measurement” step S1409 is performed.
  • step S1401 when the energy filter is used, first, the first set voltage VF1 is applied to the grid of the energy filter (S1402), and the scanned image 1 at that time is acquired (S1403). If the set value of VF2 is 0 in step S1404, the scanning image 1 is used to perform “measurement” in FIG. If the set value of VF2 is not 0 in step S1404, the scanned image 1 is stored in the image memory unit (S1405), the second set voltage VF2 is applied to the energy filter grid (S1406), and the scanned image 2 is acquired. (S1407).
  • a difference image between the scanned image 1 and the scanned image 2 is formed (S1408), and the formed difference image is used after “execution of length measurement (step S1409)” in FIG.
  • Length measurement is performed on the image obtained in step S1109 of “image acquisition / processing”, and the apparatus stores the result.
  • the information stored here may be only the measured dimension, but an SEM image may be attached and stored.
  • Recipe file saving step S1110) If the length is properly measured, the recipe file is saved (step S1110). If the length cannot be measured appropriately, the process returns to “Optical condition selection (step S1101)” and the same operation as above is repeated.
  • “Automatic length measurement process” Next, the procedure of automatic length measurement using a recipe is shown using FIG.
  • Step S1501 At the start of this step, first, the operator inputs basic information of the sample to be measured.
  • the apparatus reads an appropriate recipe from an external server based on the input basic information, and starts automatic length measurement. Since the process after the input of the basic information is automatically executed based on the recipe by the length measuring SEM, the operator's hand is not bothered.
  • Alignment is performed based on the alignment point information recorded in the recipe, and the positional relationship between the stage coordinates and the coordinates of the sample pattern is corrected.
  • Transfer to measurement position Step S1503 Next, a location to be measured is searched based on the coordinates recorded as the measurement position search template and the low-magnification image of the SEM.
  • the SEM system control unit 136 moves the stage 116 via the stage control unit 118 so that the measurement site on the sample is located in the irradiation region of the primary electron beam 138.
  • the information on the necessity of using the energy filter recorded in the recipe is read, and if the energy filter needs to be used, the energy filter condition recorded in the recipe is set (S1505), and the image acquisition / processing step ( Move to S1506). If it is not necessary to use the energy filter, the process proceeds to the image acquisition / processing step (S1506) without setting the energy filter.
  • Step S1506 of image acquisition / processing Image acquisition and difference processing are performed under the conditions recorded in the recipe.
  • the obtained image is used in the length measurement step.
  • Measurement step S1507 Length measurement is performed on the image obtained in the image acquisition / processing step.
  • the result may be stored only in the measured dimension as in the above (execution of length measurement), but may be stored with an image attached. Further, the result can be confirmed by displaying it on the image display unit 135 (S1508).
  • the stage 116 moves the sample to the next length measurement point, and performs the length measurement in the same procedure as described above.
  • length measurement with the use of an energy filter can be realized.
  • unnecessary energy filter operations can be omitted from the entire length measurement process. This is effective in improving the measurement throughput, and is particularly effective when a measurement SEM is provided in a mass production line for manufacturing semiconductor devices.
  • energy filter control software is stored in the length measurement system control unit 137 by providing a memory or other external storage device.
  • a dedicated chip for executing the steps shown in FIGS. 11 and 15 may be incorporated in the length measurement system control unit.
  • a high-precision pattern dimension can be obtained by using a scanning electron microscope equipped with a deceleration electric field type energy filter having a conductive thin film.
  • a length measurement method capable of measurement can be provided.
  • FIG. 16 is a schematic configuration diagram of an essential part of the SEM type length measuring apparatus according to the present embodiment.
  • the conductive thin film 304 is used. It is necessary to remove the attached contamination or replace the conductive thin film 304. When exchanging the conductive thin film with contamination, it is necessary to disassemble the SEM casing 103, which is a heavy burden on the operator.
  • a method of automatically removing the contaminants adhering to the conductive thin film 304 of the energy filter 108 part and using the apparatus for the SEM type length measuring apparatus (FIG. 1) shown in the first embodiment without maintenance. provide.
  • This embodiment can be realized only by adding the gas supply unit 1601 shown in FIG. 16 to the SEM type length measuring device (FIG. 1) shown in the first embodiment.
  • a method for removing carbon as a contaminant attached to the conductive thin film will be described with reference to FIG.
  • the contamination removal method described below is set in the length measurement system control unit 137 so that it is automatically performed when the usage time of the apparatus exceeds a certain time (for example, 1000 hours). The user can also manually select to remove contamination.
  • valve (A) 141 and the valve (B) 142 connecting the SEM housing 103 and the sample chamber 117 and the vacuum exhaust unit 112 are closed.
  • ozone gas is introduced from the gas supply unit 1601. Carbon, the main component of ozone and contamination, C + O 3 ⁇ CO + O 2 As shown in FIG.
  • Embodiments 1 and 2 the same effects as those of Embodiments 1 and 2 can be obtained.
  • a maintenance-free scanning electron microscope and a length measurement method using the same can be provided.
  • FIG. 17 shows a schematic overall configuration diagram of a scanning electron microscope (SEM type length measuring device) according to the present embodiment.
  • the detector (B) 1709 is provided below the energy filter 108, so that the tertiary electrons (B) 1704 generated by the signal electrons 139 colliding with the energy filter 108 are obtained. It is possible to detect.
  • the above-mentioned tertiary electrons have been lost without being detected by the SEM type length measuring apparatus shown in FIG. 1, and secondary electrons are mainly generated among the signal electrons colliding with the filter. Therefore, in the SEM type length measuring device described in this embodiment, signal electrons that have passed through an energy filter to which a negative voltage is applied, for example, both reflected electrons and secondary electrons that have collided with the filter are simultaneously detected and imaged. Can do.
  • the SEM type length measuring device is roughly divided into a SEM casing 103, a sample chamber 117, a SEM system control unit 136, a vacuum exhaust system unit 112, an image forming unit 129, and a length measurement system control unit 137.
  • the SEM housing 103 includes an irradiation system that irradiates a sample with primary electrons 138 and a detection system.
  • the SEM housing 103 includes an electron source 102, a condenser lens 104, a diaphragm 105, a reflector 128, a detector (A) 1705, and a detector (B 1709, E ⁇ B deflector (A) 1701, E ⁇ B deflector (B) 1702, energy filter 108, deflectors 109 and 110, booster electrode 125, objective lens 111, and trap plate electrode 123.
  • the primary electrons 138 emitted from the electron source 102 are converged by the condenser lens 104, pass through the aperture 105 for controlling the current of the primary electrons 138 incident on the wafer 113, the holes of the reflector 128, and the energy filter 108. After passing through the shield pipe and being deflected by the deflectors 109 and 110, it is narrowed down by the objective lens 111 and enters the sample.
  • an E ⁇ B deflector (A) 1701 and a detector (A) 1705 are installed on the reflector side of the energy filter 108, and the E ⁇ B is positioned on the objective lens 111 side of the energy filter 108.
  • a B deflector (B) 1702 and a detector (B) 1709 are installed.
  • Signal electrons 139 (secondary electrons, reflected electrons, Auger electrons) generated by irradiating the wafer 113 with the primary electrons 138 are negative voltage applied to the wafer holder 114 by the retarding power source 121, and trap plate electrodes. 123 and the booster electrode 125 are accelerated by the potential difference, converged by the objective lens 111, deflected by the deflectors 109 and 110, pass through the energy filter 108, and collide with the reflector 128.
  • Electrons (tertiary electrons (A) 1703) generated from the reflector 128 due to the signal electrons 139 colliding with the reflector 128 are drawn into the detector (A) 1705 by the E ⁇ B deflector (A) 1701. .
  • Electrons (tertiary electrons (B) 1704) generated from the energy filter 108 due to the signal electrons 139 colliding with the energy filter 108 are drawn into the detector (B) 1709 by the E ⁇ B deflector (B) 1702.
  • the signal electrons 139 can be lifted to the reflector 128 side. Further, in order to prevent the potential of the booster electrode 125 from leaking onto the wafer (sample) 113 and to make the charging of the wafer 113 to be charged uniform, the trap plate electrode 123 is supplied with the same voltage as the retarding voltage. Applied from 122. (Electronic optical system control power supply) The current of the primary electrons 138 passing through the diaphragm 105 is controlled by controlling the current flowing through the coil constituting the condenser lens 104 by the electron optical system control power source 106.
  • the primary electrons 138 are Without being deflected by the E ⁇ B deflector (A) 1701 and the E ⁇ B deflector (B) 1702, the tertiary electron (A) 1703 and the tertiary electron (B) 1704 are detected by the detector (A) 1705, the detector ( B) Can be pulled into 1709. Further, the primary electron 138 is scanned on the wafer 113 by controlling the current flowing through the coils constituting the deflectors 109 and 110 by the electron optical system control power source 106.
  • the current flowing through the coils constituting the objective lens 111 is controlled by the electron optical system control power source 106. This control is performed by the electron gun power source 101, the booster power source 124, the trap plate power source. 122.
  • the retarding power supply 121 changes, the primary electrons 138 are always focused on the wafer 113.
  • the energy of the primary electrons 138 incident on the wafer 113 is determined by the difference between the acceleration voltage set by the electron gun power supply 101 and the voltage (retarding voltage) applied to the wafer holder 114 by the retarding power supply 121, and by changing the retarding voltage.
  • the energy of the primary electrons 138 incident on the wafer 113 can be changed.
  • Detector and image forming unit In order to form a scanning image by signal electrons detected by the detector (A) 1705, the deflectors 109 and 110 deflect the primary electrons 138 so that the primary electrons 138 scan on the wafer 113, and the detector ( A)
  • the signal of the tertiary electrons (A) 1703 taken in by 1705 is amplified by the signal amplifier (A) 1706, and then converted into a digital signal by the AD converter (A) 1707, and then sent to the image processor (A) 1708.
  • An image processing unit (A) 1708 forms a scanned image as a map of tertiary electron signals synchronized with the scanning signal.
  • the formed scanned image is stored in the image memory unit 133.
  • the deflectors 109 and 110 deflect the primary electrons 138 so that the primary electrons 138 scan on the wafer 113, and
  • the signal of the tertiary electrons (B) 1704 captured by the detector (B) 1709 is amplified by the signal amplifier (B) 1710, and then converted into a digital signal by the AD converter unit (B) 1711, and the image processing unit (B ) Send a signal to 1712.
  • the image processing unit (B) 1712 forms a scanned image as a map of tertiary electron signals synchronized with the scanning signal.
  • the formed scanned image is stored in the image memory unit 133.
  • the detector (A) 1705 and the detector (B) 1709 are floated to a positive high voltage.
  • the difference / combination processing unit 1713 has a function of forming a difference image and a composite image of any two scanned images stored in the image memory unit 133. As described in the second embodiment, the difference / combination processing unit 1713 detects the detector (A) 1705 to the image processing unit (A) 1708 when the first set voltage VF1 ( ⁇ 0) is applied to the energy filter 108. When the second set voltage VF2 ( ⁇ 0) is applied, a difference image between the scan image A1 obtained in step S1 and the scan image A2 obtained in the image processing unit (A) 1708 can be created. This difference image is formed by signal electrons having energies from -VF1 to -VF2.
  • the scanned image A obtained by the detector (A) 1705 to the image processing unit (A) 1708 and the detector (B) 1709 to the image processing unit (B) 1712 are obtained.
  • a composite image of the scanned image B can be created. This is effective when no voltage is applied to the energy filter 108. This is because, even when no voltage is applied to the energy filter 108, a certain percentage of signal electrons collide with the conductor meshes (grids) 301, 302, 303 and the conductor thin film 304, so that the electrons that can reach the reflector 128 are This is because there are few compared with the case where the energy filter 108 is not mounted. As a result, when using the SEM type length measuring device with the energy filter 108 mounted but without applying a voltage, the S / N of the image is deteriorated, leading to deterioration of length measurement reproducibility and reduction of throughput.
  • the energy filter is detected by detecting the tertiary electrons (B) 1704 generated by colliding with the energy filter 108 by the E ⁇ B deflector (B) 1702 and the detector (B) 1709. Even when the SEM type length measuring device is used without applying a voltage to 108, the S / N equivalent to that of the SEM type length measuring device without the energy filter 108 can be maintained.
  • the user can confirm the scanned image stored in the image memory unit 133 and the difference image and the synthesized image formed by the difference / combination processing unit 1713 at any time via the SEM system control unit 136.
  • this invention is not limited to the above-mentioned Example, Various modifications are included.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of a certain embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of a certain embodiment.
  • SYMBOLS 101 Electron gun power supply, 102 ... Electron source, 103 ... SEM housing, 104 ... Condenser lens, 105 ... Aperture, 106 ... Electron optical system control power supply, 107 ... ExB deflector, 108 ... Energy filter, 109 ... Deflection (A), 110 ... deflector (B), 111 ... objective lens, 112 ... evacuation system section, 113 ... wafer, 114 ... wafer holder, 115 ... insulating material, 116 ... stage, 117 ... sample chamber, 118 ... stage Control unit, 119 ... stage controller, 120 ... stage drive unit, 121 ... retarding power supply, 122 ...
  • Conductor grid 2 303 ... Conductor grid 3, 304 ... Conductor thin film, 501 ... Secondary electrons, 502 ... Reflected electrons, 503 ... Auger electrons, 601 ... insulator, 602 ... conductor, 603 ... secondary electrons emitted from the insulator, 604 ... secondary electrons emitted from the conductor, 701 ... energy dependence of the number of secondary electrons emitted from the conductor, 702 ... energy dependence of the number of secondary electrons emitted from the insulator, 1001 ... Shield pipe, 1201 ... GUI, 1202 ... Button (A), 1203 ... Detection lower limit energy input section, 1204 ... Detection upper limit energy input section, 1205 ...
  • Scanned image display section 1206 ... Button (B), 1207 ... Button (C), 1601 ... Gas supply unit, 1701 ... ExB deflector (A), 1702 ... ExB deflector (B), 1703 ... tertiary electron (A), 1704 ... tertiary electron (B), 1705 ... detector (A), 1706 ... signal amplifier (A), 1707 ... AD converter section (A), 1708 ... image forming section (A), 1709 ... detector (B), 1710 ... signal amplifier (B), 1711 ... AD converter section (B), 1712 ... image Forming unit (B), 1713... Difference / combination processing unit.

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Abstract

本発明の走査電子顕微鏡は、電子源（１０２）と、一次電子線（１３８）を試料（１１３）に照射するための電子光学系（１０９、１１０、１１１）と、前記試料から放出される信号電子（１３９）を検出する電子検出器（１２７）と、減速電界型エネルギーフィルタ（１０８）とを備え、前記減速電界型エネルギーフィルタは信号電子のエネルギー弁別用の導体薄膜（３０４）を有する。これにより、リターディング光学系を有する場合であっても高いエネルギー分解能が得られる減速電界型エネルギーフィルタを備えた走査電子顕微鏡を実現できる。

Description

走査電子顕微鏡及びそれを用いた測長方法
　本発明は、走査電子顕微鏡（以下、ＳＥＭ）及びそれを用いた測長方法に関する。
　現在、半導体の製造ラインでは工程の途中でウェハ上に形成された回路パターンの寸法を計測する技術が重要な役割を担っている。従来、この計測技術は光学式顕微鏡をベースにしたものが大半であったが、近年は半導体パターンの微細化に伴いＳＥＭをベースにした計測装置（以下、ＳＥＭ式測長装置）が広く普及している。
　しかし、現在、半導体デバイスの３次元化および使用される材料の多様化が進んでいる。それに伴い、３次元デバイスの寸法計測、局所元素分析への要求が高まりつつある。
　この要求を満足する手段として、ＳＥＭにおいて検出される信号電子をエネルギー弁別する方法が挙げられる（例えば、非特許文献１）。
　信号電子をエネルギー弁別する用途で用いられる装置はエネルギーフィルタと総称される。これまでに、金属グリッドに電圧を印加し、印加電圧以上のエネルギーを持つ電子のみを通過させるエネルギーフィルタ（以下、減速電界型エネルギーフィルタ）に関する特許が考案されている（例えば、特許文献１、特許文献２）。
特開昭６０－２４００４７号公報 ＷＯ０１／０７５９２９号公報
　ＳＥＭにおいて検出される信号電子は二次電子、反射電子、オージェ電子に分類される。３次元デバイスの寸法計測、局所元素分析を行う上で、前記信号電子の弁別が有効であると期待される。
　なぜならば、反射電子はエネルギーが高いため、３次元デバイスの底から脱出でき、底部の観察に有用であると期待される。また、オージェ電子はそのエネルギーが元素固有であり、発生も試料ごく表面に限られるため、オージェ電子の検出により局所元素分析が可能になる。一方、二次電子は走査電子顕微鏡において一般的に画像形成に用いられる電子であり、試料表面から発生するため、試料の形状を反映した情報が得られる。
　信号電子を弁別するエネルギーフィルタとして、従来、金属グリッド等に電圧を印加し、印加電圧以上のエネルギーを持つ電子のみを通過させる減速電界型と、電磁場によって電子を偏向し電子軌道の違いにより弁別する偏向型の二種類が良く用いられる。また、電子のエネルギーによって物質への侵入長が異なることを利用した薄膜透過型のエネルギーフィルタも考案されている。
　偏向型のエネルギーフィルタでは減速電界型よりも良いエネルギー分解能が得られるが、装置が大規模になることに加え、ごく一部のエネルギー範囲のみを検出する（バンドパス）のため信号強度が弱いという課題がある。薄膜透過型は透過できる信号電子のエネルギーが薄膜の厚さで決まるため、任意のエネルギー弁別ができないという課題がある。
　信号強度が弱い場合は、画像のＳ／Ｎが悪く、画像を積算する必要があるため、高スループットを必要とするＳＥＭ式測長装置には適さない。また、ＳＥＭ式測長装置では計測する試料によって、検出する二次電子や反射電子を変える必要があるので、任意のエネルギー弁別ができないエネルギーフィルタも同様にＳＥＭ式測長装置には適さない。
　減速電界型エネルギーフィルタは、閾値以上のエネルギーを持つ電子を全て透過させるため、信号強度の点で偏向型よりも優れており、閾値をユーザが自由に決定できる点では薄膜透過型よりも優れる。その一方で、エネルギー分解能では偏向型に劣るという課題がある。
　以下では、従来の減速電界型エネルギーフィルタの原理と課題について、図２を用いて説明する。
　減速電界型エネルギーフィルタは、図２に示すように導体グリッド２０１とグリッドに接続されたエネルギーフィルタ電源１２６で構成される。エネルギーフィルタ電源１２６により導体グリッド２０１に負電圧ＶＦを印加すると、等電位線(等電位面)２０２に示すような電位障壁が形成される。
　一次電子がウェハ（試料）１１３に照射されるとウェハ１１３から二次電子や反射電子、オージェ電子を含む信号電子１３９が出射される。その後、エネルギーフィルタに入射した信号電子１３９の内、電位障壁を超えるエネルギーをもつ電子のみがエネルギーフィルタを通過し、検出される。
　現在、ＳＥＭ式測長装置ではリターディング電源１２１によりウェハ１１３に数ｋＶの負電圧Ｖｒを印加し、ウェハ直前で一次電子１３８を減速させるリターディング法が良く採用されている。リターディング法では、ウェハ１１３から出射した信号電子１３９はウェハ１１３に印加された数ｋＶの負電圧Ｖｒによって加速されるという特徴を持つ。そのため、リターディング法と減速電界型エネルギーフィルタを併用すると、信号電子１３９は数ｋｅＶのエネルギーを持ってエネルギーフィルタ１０８に入射することになる。この場合、信号電子１３９をエネルギー弁別するためにはエネルギーフィルタ電源１２６に－数ｋＶの電圧を印加する必要がある。
　一方、減速電界型エネルギーフィルタでは、導体グリッド２０１に印加した電圧ＶＦよりもグリッド中央部の電位が低くなる。この電圧降下量が大きいほどエネルギーフィルタのエネルギー分解能は低下することに加え、この電圧降下量はＶＦに比例する。すなわち、グリッド中央部における電圧降下のため、減速電界型エネルギーフィルタではＶＦが大きくなるに従い、エネルギー分解能も劣化する。このため、リターディング法と高エネルギー分解能の両立はこれまで困難とされてきた。
　本発明の目的は、リターディング光学系を有する場合であっても高いエネルギー分解能が得られる減速電界型エネルギーフィルタを備えた走査電子顕微鏡及びそれを用いた測長方法を提供することにある。
　上記目的を達成するための一実施形態として、電子源と、前記電子源から放出される一次電子線を偏向するための偏向器と、前記偏向器によって偏向された前記一次電子線を収束するための収束レンズと、前記収束レンズによって収束された前記一次電子線の試料への照射に起因して放出される信号電子を検出する電子検出器と、前記電子検出器よりも前記試料側に配置され前記信号電子のエネルギーを弁別する減速電界型エネルギーフィルタと、を備えた走査電子顕微鏡において、前記減速電界型エネルギーフィルタは、前記信号電子のエネルギー弁別用の導体薄膜を有することを特徴とする走査電子顕微鏡とする。
　また、上記走査電子顕微鏡において、更に前記導体薄膜に第一の設定電圧を印加した状態で得られる第一の走査像と、前記導体薄膜に第二の設定電圧を印加した状態で得られる第二の走査像との差分画像を形成する画像処理回路を備えた走査電子顕微鏡を用いた測長方法であって、前記導体薄膜に第一の電圧を印加し、前記信号電子が前記第一の電圧でエネルギー弁別された電子に基づいて第一の画像を得る工程と、前記導体薄膜に第二の電圧を印加し、前記信号電子が前記第二の電圧でエネルギー弁別された電子に基づいて第二の画像を得る工程と、前記第一の画像と前記第二の画像の差分画像を形成する工程と、前記差分画像より前記試料のパターン寸法を計測する工程とを含み、前記差分画像が前記試料のオージェ電子によって形成されることを特徴とする測長方法とする。
　減速電界型エネルギーフィルタに導体薄膜を用いることにより、リターディング光学系を有する場合であっても高いエネルギー分解能が得られる減速電界型エネルギーフィルタを備えた走査電子顕微鏡及びそれを用いた測長方法を提供することが可能となる。
第１の実施例に係る走査電子顕微鏡（ＳＥＭ式測長装置）の概略全体構成図である。 従来の減速電界型エネルギーフィルタの動作を説明するための概略構成図である。 第１の実施例に係る走査電子顕微鏡における減速電界型エネルギーフィルタの動作を説明するための概略構成図である。 図２および図３で示したエネルギーフィルタのエネルギー分解能の違いを説明するための、グリッドへ印加する電圧に対するフィルタ通過電子数（Ｓカーブ）のグラフである。 図２および図３で示したエネルギーフィルタにより検出される、信号電子のエネルギーに対する信号電子の数のグラフである。 一次電子照射時の導体パターンと絶縁体パターンの電位差を計測する方法について説明するための図である。 導体パターン及び絶縁体パターンから出射される信号電子が有するエネルギー分布の一例を示す図である。 導体パターン及び絶縁体パターンから出射される信号電子のグリッドへ印加する電圧に対するフィルタ通過電子数（Ｓカーブ）のグラフである。 バンドパス検出を説明するための信号電子のエネルギーに対する信号電子の数のグラフである。 第１の実施例に係る走査電子顕微鏡で用いる導体薄膜を用いた減速電界型エネルギーフィルタの概略構成断面図である。 第２の実施例に係る測長のためのレシピ作成手順を示すフローチャートである。 第２の実施例に係る走査電子顕微鏡（ＳＥＭ式測長装置）で用いる減速電界型エネルギーフィルタの条件設定のためのＧＵＩ画面の一例を示す図である。 第２の実施例に係る走査電子顕微鏡で用いる減速電界型エネルギーフィルタの設定手順を示すフローチャートである。 第２の実施例に係る走査電子顕微鏡における画像取得・処理手順を示すフロー図である。 第２の実施例に係る測長手順を示すフロー図である。 第３の実施例に係る走査電子顕微鏡（ＳＥＭ式測長装置）の概略要部構成図である。 第４の実施例に係る走査電子顕微鏡（ＳＥＭ式測長装置）の概略全体構成図である。 図１０で示した減速電界型エネルギーフィルタの斜視図である。
　以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。
　本実施の形態では、従来の減速電界型エネルギーフィルタのグリッドに、厚さが１００Å以上５００Å以下（１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下）の導体薄膜を張り付け、グリッドに負電圧を印加することで信号電子のエネルギー弁別を行うことを特徴とする。本実施の形態により、リターディング法を用いたＳＥＭにおいて、従来の減速電界型エネルギーフィルタよりも優れたエネルギー分解能を得ることができる。導体薄膜を用いることで、従来の減速電界型エネルギーフィルタよりも良いエネルギー分解能を得ることができる理由について以下に述べる。
　まず、従来の減速電界型エネルギーフィルタでは、導体グリッド２０１に印加した電圧ＶＦ（＜０）よりもグリッド中央部の電位が低くなる（図２）。この電位降下の影響により、－ＶＦより低いエネルギーを持つ電子であってもエネルギーフィルタを通過することができ、このためエネルギー分解能が低下する。
　詳細は後で説明するが、本実施の形態では電圧を印加する導体グリッド３０２に導体薄膜３０４を張り付ける（図３）。導体グリッド３０２に導体薄膜３０４を張り付け、エネルギーフィルタ電源１２６より電圧ＶＦ（＜０）を印加した場合、等電位線２０２は図３に示すように導体薄膜３０４と略平行に形成される。特に、導電薄膜３０４を導体グリッド３０２の信号電子入射側に張り付けることにより、等電位線２０２は信号電子入射側において導体薄膜３０４に対し、より平行に形成される。この場合、従来の減速電界型エネルギーフィルタ（図２）で生じたグリッド中央部における電位降下が無くなり、印加電圧ＶＦのほぼ均一な電位障壁が形成される。
　次に、図３に示すエネルギーフィルタと従来のエネルギーフィルタの信号透過率特性の違いについて説明する。
　ここで、導体薄膜を用いた減速電界型エネルギーフィルタと、従来のエネルギーフィルタの両者に、Ｖ０（＞０）のエネルギーを持つ電子が、導体グリッド２０１、３０１、３０２、３０３のピッチよりも十分に広い範囲に照射した場合を考える。この時、フィルタを通過する電子数が導体グリッド２０１、３０２に印加する電圧ＶＦに対してどのように変化するのかを図４に示す。一般に、図４に示すカーブはＳカーブと呼ばれる。
　従来のエネルギーフィルタは、前述の電位降下の影響により、－Ｖ０より高い電圧を印加した状態でも一定数の電子が透過し（図４中破線）、これによってエネルギー分解能が低下する。
　一方、導体薄膜３０４を導体グリッド３０２に張り付けると電位降下が無視できるほど小さくなるため、Ｓカーブは階段関数に近い振舞いを示し（図４中実線）、エネルギー分解能が従来のエネルギーフィルタよりも大きく向上する。ここで、エネルギー分解能はＳカーブの立ち上がりの幅で定義し、幅が狭いほどエネルギー分解能は良いとする。
　次に、導体薄膜を用いた減速電界型エネルギーフィルタを用いて試料観察を行う場合の利点について説明する。
　減速電界型エネルギーフィルタは、グリッドに印加した電圧によって形成される電位障壁を通過できるエネルギーを持つ電子を全て通過させる特性を有する、言わばハイパスフィルタである。
　一次電子が試料へＶ０のエネルギーを持って入射した場合、試料から放出される信号電子数のエネルギー依存性は一般に図５で表される。信号電子の内、０～５０ｅＶのエネルギーを持つものは二次電子５０１、５０ｅＶ以上のエネルギーを持つものは反射電子５０２と呼ばれる。また、オージェ電子５０３は原子の内殻電子の励起に起因して放出される電子であり、そのエネルギーは原子固有である。一般に、二次電子５０１のみで走査像を形成すると、試料表面の形状を反映した画像が得られ、反射電子５０２のみで走査像を形成すると、試料内部や元素番号の違いを反映した画像が得られる。
　ここで、図５のスペクトルで表される信号電子を、導体薄膜を用いた減速電界型エネルギーフィルタと従来のものでフィルタリングした場合を比較する。導体薄膜を用いた減速電界型エネルギーフィルタに電圧ＶＦ（＜０）を印加した場合、－ＶＦ以上のエネルギーを持つ電子のみエネルギーフィルタを通過することができる（図５上斜線部）。一方、従来のエネルギーフィルタはエネルギー分解能が本発明よりも劣るため、－ＶＦ以下のエネルギーを持つ電子もエネルギーフィルタを通過してしまう（図５下斜線部）。この場合、目的のエネルギー以外の電子も検出される。
　導体薄膜を用いた減速電界型エネルギーフィルタは、フィルタに印加した電圧以上のエネルギーを持つ電子のみ検出することを可能にする。この効果は、例えば、反射電子の中でもＶ０近傍のエネルギーを持つものを検出する、または、二次電子の中でも～１０ｅＶ以上のエネルギーを持つものを検出する場合に有効である。
　次に、導体薄膜を用いた減速電界型エネルギーフィルタを用いて試料の電位差を計測する際の効果について説明する。
　以下、図６に示すように導体６０２の試料上に絶縁体６０１パターンがある場合、導体６０２と絶縁体６０１の電位差を計測する方法について説明する。ここで、導体６０２は一次電子１３８を試料直前で減速させるための電位Ｖｒ（＜０）を印加するためのリターディング電源１２１に接続されている。
　一次電子１３８が絶縁体６０１に照射されると絶縁体６０１は帯電し、帯電の正負は（二次電子量）／（一次電子量）で定義される二次電子発生効率で決まる。二次電子発生効率が１．０より小さければ絶縁体６０１は負に帯電し、１．０より大きければ正に帯電する。二次電子発生効率は一次電子１３８の入射時のエネルギーによって決まり、半導体デバイスで一般に使用される絶縁物の二次電子発生効率が１．０を超えるのは５００ｅＶから１０００ｅＶである。
　以下は、絶縁体６０１が正に帯電した場合について説明する。まず、導体６０２から放出された二次電子６０４はリターディング電圧Ｖｒによって加速され、エネルギーフィルタへ入射するときは－Ｖｒのエネルギーを持っているため、図７中の符号７０１で示す分布になる。なお、図７は導体パターン及び絶縁体パターンから出射される信号電子が有するエネルギー分布の一例を示す図である。
　一方、正にΔＶだけ帯電した絶縁体６０１から放出された二次電子６０３がエネルギーフィルタへ入射するときは、－Ｖｒ－ΔＶのエネルギーを持っているため、図７中の符号７０２で示すように、二次電子数のエネルギー分布はΔＶだけシフトする。
　図７に示した導体と絶縁体について、導体薄膜を用いた減速電界型エネルギーフィルタによりＳカーブを取得すると図８上のようになる。導体部はグリッドにＶｒから透過電子数が低下し始めるが、絶縁体部はΔＶ分だけＳカーブがシフトする。このため、グリッドにＶｒ近傍の電圧を印加した場合は、フィルタを透過し検出される電子の大部分は導体から放出された二次電子６０４となり、導体６０２のみが明るい画像が得られる。
　一方、図７に示した導体と絶縁体について、従来の減速電界型エネルギーフィルタによりＳカーブを取得すると図８下のようになる。従来のエネルギーフィルタでもＳカーブはΔＶ分だけシフトするが、エネルギー分解能が悪いために、Ｓカーブの変化はなだらかである。その結果、グリッドにＶｒ近傍の電圧を印加した場合、導体から放出された二次電子６０４だけではなく、絶縁体から放出された二次電子６０３の多くもエネルギーフィルタを通過してしまい、導体６０２と絶縁体６０１で画像の明るさにあまり差がつかない。
　このため、従来のエネルギーフィルタでは、導体６０２と絶縁体６０１の画像明るさに大きな差をつけるためには、ΔＶを大きくする、つまり、絶縁体６０１の帯電量を大きくする必要があった。しかしながら、導体薄膜を用いた減速電界型エネルギーフィルタを用いることにより、従来と比較して僅かな電位の違いでも、導体と絶縁体の画像明るさに差をつける方法を提供できる。
　次に、導体薄膜を用いた減速電界型エネルギーフィルタを用いて、任意のエネルギー範囲の信号電子により走査像を形成する方法について説明する。
　減速電界型エネルギーフィルタは、ある閾値以上のエネルギーを持つ電子を全て通過させるハイパスフィルタであるが、フィルタのグリッドに異なる二種類の設定電圧を印加して得られた２枚の画像の差分画像を形成すると、任意のエネルギー範囲の信号電子が作る画像を形成することができる。
　電子源において加速電圧Ｖ０で加速された一次電子が、リターディング電源に接続された試料に照射された場合、試料から放出された信号電子はリターディング電圧Ｖｒで加速され、エネルギーフィルタに侵入する際の信号電子の個数とエネルギーの関係は図９に示す分布で表される。
　導体薄膜を用いた減速電界型エネルギーフィルタを用い、試料の同一箇所において、フィルタのグリッドに第一設定電圧ＶＦ１を印加した後、走査像１を取得し、次に、第二の設定電圧ＶＦ２（＜ＶＦ１）を印加した後、走査像２を取得する。走査像１と２の差分画像は、図９上の斜線部で示すように－ＶＦ１から－ＶＦ２までのエネルギー範囲の信号電子が作る画像である。
　一方、従来のフィルタを用い前述の方法で差分画像を得ると、図９下の斜線部で示すエネルギー範囲の信号電子が作る画像になり、ＶＦ１およびＶＦ２の設定とは異なるエネルギー領域の電子が混入してしまう。このため、例えば、オージェ電子のみを検出することはできない。
　導体薄膜を用いた減速電界型エネルギーフィルタは従来のフィルタと比較してエネルギー分解能が良いため、例えば、オージェ電子のみから画像を形成することが可能になる。オージェ電子のエネルギーは元素に固有であるため、オージェ電子より走査像を形成することで、任意の元素の微小領域の空間分布を可視化することができる。
　以下、実施例により詳細に説明する。
　第1の実施例について、図１、図１０、図１８を用いて説明する。なお、発明を実施するための形態に記載され、本実施例に未記載の事項は本実施例に適用することができる。図１は本実施例に係る導体薄膜を用いた減速電界型エネルギーフィルタを備えた走査電子顕微鏡（ＳＥＭ式測長装置）の概略全体構成図である。
　以下は、本実施例のＳＥＭ式測長装置の基本的な構成について説明する。ＳＥＭ式測長装置は大きく分けて、ＳＥＭ筐体１０３、試料室１１７、ＳＥＭシステム制御部１３６、真空排気システム部１１２、画像形成部１２９、測長システム制御部１３７で構成される。
　ＳＥＭ筐体１０３および試料室１１７は、図中に示していないが、ロータリーポンプ、ドライポンプ、ターボ分子ポンプ等の真空排気装置とそれらを制御する機構を備えた真空排気システム部１１２により、走査像を得るために十分な真空度が維持される様、排気される。また、真空排気システム部１１２は真空排気装置とＳＥＭ筐体１０３および試料室１１７とをつなぐバルブ（Ａ）１４１、バルブ（Ｂ）１４２の開閉を制御する。
（ＳＥＭ筐体および試料室）
　ＳＥＭ筐体１０３は、試料に対して一次電子１３８を照射する照射系と検出系からなり、電子源１０２、コンデンサレンズ１０４、絞り１０５、反射板１２８、検出器１２７、Ｅ×Ｂ偏向器１０７、エネルギーフィルタ１０８、偏向器１０９、１１０、ブースタ電極１２５、対物レンズ(収束レンズ)１１１、トラップ板電極１２３で構成される。
　本実施例では、後述する導体薄膜を用いた減速電界型エネルギーフィルタ１０８がＥ×Ｂ偏向器１０７直下にあり、信号電子１３９を減速させるためにエネルギーフィルタ電源１２６から導体薄膜に負極性の電圧が印加され、エネルギーフィルタとして機能する。
　電子源１０２から放出された一次電子１３８は、コンデンサレンズ１０４によって収束され、ウェハ（試料）１１３に入射する一次電子１３８の電流を制御するための絞り１０５を通過し、反射板１２８の穴およびエネルギーフィルタ１０８のシールドパイプ（詳細は後述）を通過し、偏向器１０９、１１０で偏向されたのち、対物レンズ(収束レンズ)１１１によって細く絞られ試料へ入射する。
　一次電子１３８がウェハ１１３に照射されることに起因して発生する信号電子１３９（２次電子、反射電子、オージェ電子）は、リターディング電源１２１によってウェハホルダ１１４に印加された負電圧、トラップ板電極１２３およびブースタ電極１２５の電位差によって加速され、対物レンズ（収束レンズ）１１１によって収束され、偏向器１０９、１１０で偏向されたのち、エネルギーフィルタ１０８を通過し反射板１２８に衝突する。
　反射板１２８に衝突した信号電子１３９に起因して反射板１２８より発生する電子１４０（三次電子）は、Ｅ×Ｂ偏向器１０７によって検出器１２７へと引き込まれる。本実施例では反射板１２８より発生する電子１４０（三次電子）を検出する構成について説明するが、反射板１２８位置に信号電子１３９を直接検出できる検出器、例えば半導体検出器やマイクロチャンネルプレート、を設置しても本発明の効果を得ることができる。
　ブースタ電極１２５にブースタ電源１２４より正電圧を印加することで、信号電子１３９は反射板１２８側に引き上げられる効果を得られる。また、ブースタ電極１２５の電位がウェハ１１３上に漏れることを防ぐとともに、帯電するウェハ１１３の帯電を均一化する目的で、トラップ板電極１２３にはリターディング電圧と同電圧をトラップ板電源１２２より印加する。
　試料室１１７はステージ１１６、絶縁材１１５、ウェハ１１３を載せるウェハホルダ１１４で構成され、ウェハホルダ１１４と接地されたステージ１１６とは、絶縁材１１５で電気的に絶縁されている。また、ウェハホルダ１１４には、リターディング電源１２１で、外部から電圧が印加できるようになっている。さらに、ウェハ１１３とウェハホルダ１１４は接触しており、ウェハ１１３とウェハホルダ１１４は同電位である。本実施例では、半導体ウェハを観察する場合について説明するが、他の試料について負極性の電圧をリターディング電源１２１より印加して観察することができる。
　また、ステージ１１６はＳＥＭ筐体１０３の中心軸に対する垂直方向の面内に駆動可能である。つまり、ＳＥＭ筐体１０３の中心軸をｚ軸とすれば、ステージ１１６はｘ，ｙ面内に移動可能である。ウェハホルダ１１４はステージ１１６に対して絶縁材１１５を介して固定されており、ステージ１１６を駆動することによりウェハホルダ１１４を動かすことができる。ステージ１１６の移動は、ステージ制御部１１８内のステージコントローラ１１９、ステージ駆動部１２０で制御される。
（ＳＥＭシステム制御部）
　ＳＥＭシステム制御部１３６は、電子源１０２から出射する一次電子１３８の加速電圧を制御する電子銃電源１０１、コンデンサレンズ１０４、Ｅ×Ｂ偏向器１０７、偏向器１０９、１１０、対物レンズ（収束レンズ）１１１を制御する電子光学系制御電源１０６、ブースタ電極１２５の電圧を制御するブースタ電源１２４、トラップ板電極１２３の電圧を制御するトラップ板電源１２２、ウェハホルダ１１４の電圧を制御するリターディング電源１２１、エネルギーフィルタ１０８の導体薄膜に印加する電圧を制御するエネルギーフィルタ電源１２６、真空排気システム部１１２、画像形成部１２９、画像表示部１３５と接続されており、信号を送ることで上記の装置を制御する。
（電子光学系制御電源）
　電子光学系制御電源１０６により、コンデンサレンズ１０４を構成するコイルに流れる電流を制御することで、絞り１０５を通過する一次電子１３８の電流を制御する。さらに、電子光学系制御電源１０６により、Ｅ×Ｂ偏向器１０７を構成するコイルの電流、および電極の電圧を制御することで、一次電子１３８はＥ×Ｂ偏向器１０７において偏向させること無く、三次電子１４０を検出器１２７に引き込むことができる。さらに、電子光学系制御電源１０６により、偏向器１０９、１１０を構成するコイルに流れる電流を制御することで、一次電子１３８をウェハ１１３上で走査する。
　一次電子１３８をウェハ１１３上で焦点を結ぶように、電子光学系制御電源１０６により対物レンズ１１１を構成するコイルに流れる電流を制御し、この制御は電子銃電源１０１、ブースタ電源１２４、トラップ板電源１２２、リターディング電源１２１が変化した際、常に一次電子１３８がウェハ１１３上で絞られるように行う。
　ウェハ１１３に入射する一次電子１３８のエネルギーは、電子銃電源１０１で設定した加速電圧とリターディング電源１２１によりウェハホルダ１１４に印加した電圧（リターディング電圧）の差で決まり、リターディング電圧を変えることでウェハ１１３に入射する一次電子１３８のエネルギーを変えることができる。  
（検出器及び画像形成部）
　走査像を形成するためには、一次電子１３８がウェハ１１３上を走査するように偏向器１０９、１１０で一次電子１３８を偏向し、検出器１２７で取り込まれた三次電子１４０の信号を、信号増幅器１３０で増幅した後、ＡＤコンバータ部１３１でデジタル信号に変換し、画像処理部１３２へ信号を送る。画像処理部１３２では走査信号と同期した３次電子信号のマップとして走査像を形成する。形成された走査像は画像メモリ部１３３に保存される。
　ここで、形成された走査像の最大階調値と最小階調値が、画像の１画素に割り当てられた階調値の最低値から最高値の範囲内に収まるように、信号増幅器１３０の増幅率及びオフセットは自動で調整される。また、この増幅率およびオフセットはユーザが設定することも可能である。検出器１２７は正極性の高電圧にフローティングされている。
　差分処理部１３４は、画像メモリ部１３３に保存された任意の二枚の走査像の差分画像を形成する機能を有する。後で説明するが、この差分処理部１３４は任意のエネルギー範囲の信号電子による画像を形成する際に使用される。
　画像メモリ部１３３に保存された走査像および差分処理部１３４で形成された差分画像は随時、ＳＥＭシステム制御部１３６を介して、画像表示部１３５でユーザが確認できる。  
（測長システム制御部）  
　本実施例に示したＳＥＭ式測長装置では、常に最適な測長が行なわれるよう、測長システム制御部１３７が、測長するウェハ１１３のパターンおよびプロセスの情報、観察条件、測長領域、測長に用いるアルゴリズム等を記憶し、かつＳＥＭシステム制御部１３６と接続されており、ＳＥＭシステム制御部１３６を介して装置全体を管理及び制御する。
　これにより、ＳＥＭ式測長装置では、オペレータの有無に関わらずウェハ１１３の測長を行い、測長結果をモニタできる仕組みになっている。  
（導体薄膜を用いた減速電界型エネルギーフィルタの構造）  
　次に、導体薄膜を用いた減速電界型エネルギーフィルタ１０８の構造について図１０、図１８を用いて詳細に説明する。図１０は本実施例に係る走査電子顕微鏡で用いる導体薄膜を用いた減速電界型エネルギーフィルタの概略構成断面図であり、図１８はその斜視図である。
　本実施例においてＳＥＭ式測長装置に搭載するエネルギーフィルタ１０８は導体グリッド３０１、３０２、３０３で構成される。導体グリッド３０１、３０２、３０３のピッチは導体薄膜が破れず、弛まずに張り付けられる程度であり、例えば～１ｍｍである。
　以下、導体グリッド３０２のみ導体薄膜３０４を張り付けた場合について説明するが、導体グリッド３０２に加えて導体グリッド３０１、３０３の両方、もしくは一方に導体薄膜３０４と同様の導体薄膜を張り付けることができる。
　導体グリッド３０２は真空を維持できるフィードスルー（図示せず）を介して、負極性の電圧を印加できるエネルギーフィルタ電源１２６に接続されている。また、放電を避けるため、導体グリッド３０２は、導体グリッド３０１、３０３間およびシールドパイプ１００１間と～１ｍｍ以上離れている。
　導体グリッド３０２には厚さ１００Å以上５００Å以下（１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下）の導体薄膜３０４が張り付けられている。導体薄膜３０４は導電性を有しており、導電性材料として、例えばＡｌ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｗ，Ｃ，ステンレスなどの導体、或いはＳｉＮなどの絶縁体薄膜に前述の導体を蒸着したものを用いることができる。これらは単体で用いても良いし、組み合わせることもできる。  
　また、Ａｌ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｗ，Ｃ，ステンレスなどの導体に代わる導体として、グラフェンを用いることも可能である。この場合、導体薄膜３０４の厚さは３Å以上３０Å以下（０．３ｎｍ以上３ｎｍ以下）となり、導体薄膜３０４の厚さを薄くすることで、透過すべきエネルギーを持った二次電子が薄膜に散乱されて検出されにくくなる現象を低減することが可能となる。さらに、薄膜の透過率が向上することで、ＳＥＭ画像のＳＮ比が向上する効果も得られる。
　導体薄膜３０４は信号電子１３９が通るための数μｍ程度の開口を有していることが好ましい。例えば、導体薄膜３０４の例として、透過電子顕微鏡において試料の保持台として市販されているマイクログリッドが挙げられる。導体薄膜３０４に～μｍ程度の開口がある場合でも、導体グリッド３０２に形成される電位障壁の均一性は十分保たれる。本実施例では開口率８０％、エネルギーフィルタの寸法として１０ｃｍφのものを用いた。但し、これに限定されるものではない。開口率は、等電界が導体薄膜に平行に形成される範囲で出来るだけ高い方が望ましい。
　図には示していいないが、導体薄膜３０４の導体グリッド３０２への張り付け方法の例を説明する。コロジオンなどの有機膜を導体グリッド３０２へ張り付け、前述の有機膜に、Ａｌ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｗ，ステンレスなどの導体を１００Å以上５００Å以下の厚みで蒸着した後、加熱し有機膜を焼き飛ばすことで前記導体薄膜を得る。また、Ｃを主成分とする導体薄膜は、前記の有機膜単体を加熱することで作製する。  
　また、導体として、グラフェンを用いる場合は、Ｃｕ，Ｎｉなどの金属基板上に作製したグラフェンをポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などのレジストに転写した後、グラフェンを転写したＰＭＭＡを導体グリッド３０２に貼り付け、レジスト剥離剤によりＰＭＭＡのみ除去することで導体薄膜３０４を得ることができる。
　導体薄膜３０４を張り付けた導体グリッド３０２にはエネルギーフィルタ電源１２６より負電圧を印加でき、印加された電圧により電位障壁が形成され、電位障壁よりも高いエネルギーを持つ信号電子１３９のみがエネルギーフィルタ１０８を通過できる。
　本実施例では、導体グリッド３０２に～ｋＶの負電圧を印加するため、導体グリッド３０２および導体薄膜３０４のみで減速電界型エネルギーフィルタを構成した場合、一次電子線はエネルギーフィルタを通過する際に大きく偏向される。
　導体グリッド３０２上下に配置された導体グリッド３０１、３０３を接地し、かつ一次電子１３８が通るシールドパイプ１００１を導体グリッド３０１、３０３で連結することにより、一次電子１３８の軌道上はほぼ０Ｖになり、一次電子１３８はエネルギーフィルタに電圧を印加してもほとんど影響を受けずにエネルギーフィルタ１０８を通過することが可能になる。
　一次電子１３８が通るシールドパイプ１００１を接地することで、導体グリッド３０２に電圧を印加しても、一次電子１３８のビーム径に影響が無く（空間分解能が悪化せず）、一次電子１３８のウェハ１１３上での位置ずれおよびフォーカスのボケが小さくなるという効果が得られる。また、シールドパイプの直径は１ｍｍ程度である（１±０．５ｍｍ）。
　導体グリッド３０２に導体薄膜３０４を張り付け、かつ接地したシールドパイプ１００１を組み合わせることで、高いエネルギー分解能を得ることができ、かつエネルギーフィルタ電源１２６より印加する電圧を変化させても位置ずれやフォーカスボケの補正を行う必要が無く、空間分解能も悪化しないため、微小な構造を観察しながら最適な印加電圧を探索することができる。
　前述のシールドパイプ１００１は導体グリッド３０１、３０３の両方と連結されていたが、導体グリッド３０１、３０３のどちらか一方にだけ連結することもできる。
　以上説明したように、本実施例によれば、導電薄膜を減速電界型エネルギーフィルタに用いることにより、小型で信号量が多い減速電界型フィルタのエネルギー分解能を大きく向上させ、リターディング光学系を有する場合であっても高いエネルギー分解能が得られる減速電界型エネルギーフィルタを備えた走査電子顕微鏡を提供することができる。また、減速電界型フィルタにシールドパイプを備えることにより、一次電子線の位置ずれやフォーカスボケ補正が不要となり、また空間分解の劣化を抑制することができる。
　第２の実施例について、図１１～図１５を用いて説明する。なお、実施例1に記載され、本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。実施例1と同一の符号は同一の構成要素を示す。
　本実施例では、実施例１で説明した導体薄膜を用いた減速電界型エネルギーフィルタを搭載したＳＥＭ式測長装置における自動測長の方法について説明する。
　自動測長は、オペレータによる「レシピ作成の工程」とレシピを用いた「自動測長の工程」に分かれている。以下、それぞれの工程について説明する。なお、本実施例のレシピ作成は、図１に示すＳＥＭ式測長装置上で実行されており、かつレシピ作成の工程ないし自動測長の工程の各々は、全体が測長システム制御部１３７により統御されている。また、図１には図示されていないが、本実施例で使用されるＳＥＭ式測長装置においては、測長システム制御部１３７または画像表示部１３５には、外部サーバが接続されており、レシピ情報など、データサイズが大きな情報は外部サーバに格納されている。更にまた、測長システム制御部１３７または画像表示部１３５には、サーバとの接続可否に応じて通信機能がそなえられている。ここで、通信機能とは、例えば通信処理を制御するためのソフトウェアやソフトウェアを実行するためのコンピュータ、あるいは通信回線に接続するための端子などを意味するが、以下の説明では、通信処理ソフトウェアにより実現される機能を通信機能と称する場合もある。  
「レシピ作成の工程」  
　図１１を用いてレシピの作成手順を示す。  
（試料の基本情報の入力ステップＳ１１００）  
　試料の測長を行おうとするオペレータは、まず、測長する試料の情報を入力する。装置オペレータは、例えば、画像表示部１３５に示される入力画面を見ながら、情報を入力する。ここで、試料が例えば半導体ウェハの場合は、ウェハの品種、製造工程の名称が前述の情報に相当し、オペレータが入力したこれらの情報は複数存在するレシピを分類し管理するために用いられる。  
（光学条件の選定ステップＳ１１０１）  
　測長を行う際に用いる光学条件を選定する。光学条件のパラメータは、試料に入射するプローブ電流、撮像時の視野、入射エネルギー、試料上に形成される電界強度であり、ＳＥＭ画像の取得で、「フレーム加算等の複数回の画像取得でＳＥＭの画質が劣化」「測長時の弊害となる明るさムラ等の異常コントラスト」が発生しないよう決められる。この作業は、オペレータが光学条件を任意に選んでも良いし、装置出荷時に製造元が推奨条件を決め、それを用いても良い。  
（アライメント用のテンプレート登録ステップＳ１１０２）  
　半導体ウェハ等のパターンが形成された試料では、試料を動かすステージ１１６の座標と試料上に形成されたパターンの座標との位置関係を正確に計測する必要がある。本実施例では、この位置関係を計測する工程をアライメント工程とする。ここでは、光学画像上及びＳＥＭ画像上で認識可能な試料上のパターンの画像を、テンプレートとして外部サーバに登録する。測長システム制御部１３７に外部記憶装置を接続してテンプレートを登録しても良い。
　このテンプレートには、光学画像とＳＥＭ画像の２種類を登録することができ、光学画像のテンプレートは第１のアライメント工程、ＳＥＭ画像のテンプレートは第２のアライメント工程に用いられる。通常、精度の低い第１のアライメント工程を経てから高精度な第２のアライメント工程を行う手順となる。
　登録作業は、例えば、画像表示部１３５上に表示される光学画像とＳＥＭ画像とを、装置オペレータが選択することにより実行される。
（アライメント位置の登録ステップＳ１１０３）  
　ステージ１１６の座標と試料上に形成されたパターンの座標との位置関係を正確に補正するためには最低２つの場所でアライメント工程を行う必要がある。  
ここではアライメントを行う場所の登録を行う。登録は、例えば、画像表示部１３５に表示されるＳＥＭ画像上での適当な位置を、装置オペレータが選択することにより実行される。  
（アライメントの実行ステップＳ１１０４）  
　ここでは、テンプレートと上記で登録した場所で撮像した光学画像及びＳＥＭ画像の画像比較からステージ１１６の座標と試料のパターンの座標の位置関係を計測する。  
（測定位置検索用のテンプレート登録ステップＳ１１０５）  
　次に、測長するパターンの近傍に測定する場所を探すための位置検索用テンプレートを登録する。測定位置検索用のテンプレートは、アライメント用のテンプレートと同様、外部サーバに記憶されるが、測長システム制御部１３７に外部記憶装置を接続してテンプレートを登録しても良い。
　登録作業自体は、アライメント用のテンプレートの登録時と同様に行う。テンプレートとして登録する情報は、低倍のＳＥＭ画像とステージ座標である。測定する箇所を探す処理は、登録したステージ座標に移動した後、低倍のＳＥＭ画像を撮像し、登録した画像とパターンマッチングを行うことで位置を決定する。  
（測長点のテンプレートを登録Ｓ１１０６）  
　前記の測定位置検索用のテンプレートを登録後、測長する箇所のテンプレートを外部サーバに登録する。ここで、テンプレートとして登録される画像はパターンの寸法を測定するときの、ＳＥＭの撮像倍率とほぼ同じ倍率の画像を登録する。登録時に実行する作業は、アライメント用のテンプレート及び測定位置検索用のテンプレートの登録作業と同じである。  
（エネルギーフィルタ要否の判定ステップＳ１１０７）  
　測長する試料にエネルギーフィルタの使用が必要な場合は、以下の手順でエネルギーフィルタの設定を行う。エネルギーフィルタの使用が不要の場合、図１１に示されるステップＳ１１０９の画像取得処理（測長の実施）に飛ぶ。エネルギーフィルタ使用の要不要は、オペレータが判断し、自由に設定することも可能だが、先に記述した試料の基本情報から、装置が自動的にエネルギーフィルタ使用の要不要を判断しても良い。
　装置が自動的に判断する方法には２種類ある。１つは、過去に作成されたレシピを参照し、エネルギーフィルタ使用の要否を装置が判断する方式である。レシピは外部サーバに格納されるが、サーバとは別の外部記憶装置を測長システム制御部１３７に接続しても良い。あるいは、測長システム制御部１３７あるいは他の装置要素にメモリなどの記憶手段を設け、レシピを格納してもよい。測長システム制御部１３７は、装置オペレータが入力した試料の基本情報に従ってレシピを外部サーバないしは外部記憶装置から呼び出して参照する。
　もう１つは、ＳＥＭ式測長装置の出荷時、装置の製造元がエネルギーフィルタ使用の要否の対応表を装置に記憶させ、その対応表を元に装置がエネルギーフィルタ使用の要否を判断する方式である。例えば、試料が半導体ウェハの場合は、ウェハ表面の構造および材料が工程の名称に反映されるので、その名称ごとに製造元が推奨するエネルギーフィルタ使用条件の対応表を作成し、装置に記憶させる。
　本方式を実際に装置に実装する場合には、例えば、測長システム制御部１３７に外部記憶装置を接続して対応表を記憶させる。測長システム制御部１３７は、装置オペレータが入力した製造工程の名称を参照キーとして上記対応表を参照し、当該製造工程により製造された試料にエネルギーフィルタの使用が必要か不要かを判断する。本方式を採用した装置の場合、新たな製造工程が開発される毎に対応表を更新する必要がある。このため、外部記憶装置として可搬性の記録媒体を用い、当該可搬性記録媒体に対応表を格納する。
　これにより、対応表の更新時に記録媒体を交換するだけで対応表が更新できるため、更新作業が容易となる。あるいは、新たな対応表を外部サーバに格納し、対応表の更新時にからサーバからダウンロードできるように測長システム全体を構成すると、対応表の更新作業が更に容易となる。なおここで「測長システム」とは、ＳＥＭ式測長装置と外部サーバ及び通信回線により構成されるシステムの意味であり、測長に関係する範囲内で、他のシステム要素も含む。  
（エネルギーフィルタの設定ステップＳ１１０８）  
　エネルギーフィルタの使用条件の設定方法について図１２に示すＧＵＩ１２０１と、図１３に示すフローチャートを用いて説明する。エネルギーフィルタを使用する場合、図１２に示すＧＵＩ１２０１が新たに画像表示部１３５に表示される（Ｓ１３０１）。
　まず、測長対象となる試料の種類は、プルダウン機能で装置に記憶されている情報を選択できるボタン（Ａ）１２０２を押し、選択肢の中から選択する（Ｓ１３０２）。測長システム制御部１３７は、装置オペレータが入力した試料の種類に従って、信号電子数（二次電子、反射電子、オージェ電子）のエネルギー依存性のスペクトルを外部サーバないしは外部記憶装置から呼び出し、ＧＵＩ１２０１上に表示する（Ｓ１３０３）。典型的な試料に対する信号電子数のエネルギー依存性のスペクトルは、製造元が外部サーバないしは外部記憶装置に記録するが、記録されていない試料については、後でユーザが追加することができる。前記スペクトルは、ユーザが数値データとして直接、外部サーバないしは外部記憶装置に登録することもできるが、図１に示すＳＥＭ式測長装置で測定することもできる。
　ここで、前記スペクトルをＳＥＭ式測長装置で測定する方法について説明する。試料から発生した信号電子から測定したＳカーブは、信号電子数のエネルギー依存性のスペクトルとエネルギーフィルタ１０８が持つ透過関数が畳み込まれたものである。ここで、Ｓカーブはエネルギーフィルタ１０８に印加する電圧を変えながら試料を観測することで得られる。また、エネルギーフィルタ１０８が持つ透過関数は、例えば、ウェハ（試料）１１３に電子源１０２で一次電子１３８を加速する電圧と同電圧を印加し、一次電子１３８をウェハ１１３直上ではね返してエネルギーフィルタ１０８に入射する条件で、検出器１２７に到達する電子数のエネルギーフィルタ１０８に印加する電圧に対する変化を測定することで決定できる。この透過関数は、ユーザが測定することもできるが、製造元が外部サーバないしは外部記憶装置にあらかじめ記録しておいても良い。Ｓカーブと透過関数が得られると、両者を逆畳み込みすることで、目的とする信号電子数のエネルギー依存性のスペクトルが得られる。この計算および処理は測長システム制御部１３７で実行でき、結果は、測長システム制御部１３７に接続された外部サーバないしは外部記憶装置に記憶される。
　走査像を形成する信号電子のエネルギー範囲をＧＵＩ１２０１上の検出下限エネルギー入力部１２０３と検出上限エネルギー入力部１２０４に入力すると（Ｓ１３０４）、検出されるエネルギー範囲がＧＵＩ１２０１のスペクトル上に斜線部で表示される（Ｓ１３０５）。本実施例では、信号電子のエネルギー範囲をＧＵＩ１２０１上で入力する方式について説明するが、ユーザがスライドバー等によりエネルギー範囲を入力しても同様の結果を得ることができる。
　ここで、検出下限エネルギー（Ｅ１）の入力範囲は０≦Ｅ１＜Ｖｉｎ（Ｖｉｎ：一次電子のウェハへの入射エネルギー）、検出上限エネルギー（Ｅ２）の入力範囲はＥ１＜Ｅ２≦Ｖｉｎである。ステップＳ１３０６においてＥ２＝Ｖｉｎの場合は、エネルギーフィルタの第一の設定電圧ＶＦ１をＶｒ－Ｅ１に設定し（Ｖｒ：実施例１のリターディング電圧）、エネルギーフィルタの第二の設定電圧ＶＦ２は０に設定する（Ｓ１３０７）。ステップＳ１３０６においてＥ２≠Ｖｉｎの場合は、エネルギーフィルタの第一の設定電圧ＶＦ１をＶｒ－Ｅ１に、第二の設定電圧ＶＦ２をＶｒ－Ｅ２に設定する（Ｓ１３０８）。
　詳しくは画像取得・処理のステップ（Ｓ１３０９）で述べるが、Ｅ１からＥ２のエネルギー範囲（ＧＵＩ１２０１のスペクトル上の斜線部）の信号電子による画像は随時、ＧＵＩ１２０１上の走査像表示部１２０５に表示される。表示される画像の撮像方式および積算枚数はそれぞれ、プルダウン機能で装置に記憶されている情報を選択できるボタン（Ｂ）１２０６、ボタン（Ｃ）１２０７を押し、選択肢の中から選択する。
　本実施例に示すＧＵＩ１２０１およびその制御・処理機能をＳＥＭ式測長装置に適用することにより、ユーザは検出する信号電子のエネルギー範囲を変える動作に同期して、設定されたエネルギー範囲の信号電子が形成する画像をＧＵＩ１２０１上で観察することができる。これにより、ユーザは最適なエネルギー範囲の決定を短時間で行うことができる。以上のエネルギーフィルタ設定の後、図１１中の「画像取得処理」へ進む。  
（画像取得・処理のステップＳ１１０９）  
　「画像取得・処理」で行う処理の詳細についてフローチャート（図１４）を用いて説明する。本フローチャートは、図１１のステップＳ１１０７～ステップＳ１１０９に対応する。
　まず、エネルギーフィルタの要否ステップＳ１４０１において、エネルギーフィルタを使用しない場合は、光学条件の選定(図１１、ステップＳ１１０１)で決めた条件で走査像を取得し、「測長の実施」ステップＳ１４０９へと進む。
　エネルギーフィルタの要否ステップＳ１４０１において、エネルギーフィルタを使用する場合、まず、エネルギーフィルタのグリッドに第一の設定電圧ＶＦ１を印加し（Ｓ１４０２）、その時の走査像１を取得する（Ｓ１４０３）。ステップＳ１４０４においてＶＦ２の設定値が０の場合、走査像１を用いて図１４中「測長の実施」を行う。ステップＳ１４０４においてＶＦ２の設定値が０ではない場合、走査像１を画像メモリ部に保存し（Ｓ１４０５）、エネルギーフィルタのグリッドに第二の設定電圧ＶＦ２を印加し（Ｓ１４０６）、走査像２を取得する（Ｓ１４０７）。差分画像処理部において、走査像１と走査像２の差分画像を形成し（Ｓ１４０８）、図１４中の「測長の実施(ステップＳ１４０９)」以降では形成された差分画像を用いる。「画像取得・処理」のステップＳ１１０９で得られた画像に対して、測長点の測長を実施し、結果を装置が記憶する。ここで記憶される情報は、測長した寸法だけでも良いが、ＳＥＭ画像も添付して記憶させても良い。  
（レシピファイルの保存ステップＳ１１１０）  
　適切に測長が行なわれている場合は、レシピのファイルの保存を行う（ステップＳ１１１０）。適切に測長ができない場合は、「光学条件の選定(ステップＳ１１０１)」まで戻り、上記と同じ作業を繰り返す。  
「自動測長の工程」  
　次に図１５を用いてレシピを用いた自動測長の手順を示す。  
（レシピファイルの読み出しステップＳ１５０１）  
　本ステップの開始に当たって、まず、オペレータは測長する試料の基本情報を入力する。装置は入力された基本情報を元に、外部サーバより適切なレシピを読み出し、自動測長を開始する。基本情報の入力以降の処理は、測長ＳＥＭがレシピを元に自動的に実行するため、オペレータの手を煩わせることはない。  
（アライメントステップＳ１５０２）  
　レシピに記録されているアライメント点の情報を元にアライメントを行い、ステージ座標と試料のパターンの座標との位置関係を補正する。  
（測定位置への移動ステップステップＳ１５０３）  
　次に、測定位置検索用テンプレートとして記録される座標とＳＥＭの低倍画像を元に測長する場所を探す。測長箇所の位置座標が判明すると、ＳＥＭシステム制御部１３６はステージ制御部１１８を介して、試料上の測長箇所が一次電子線１３８の照射領域に位置するようにステージ１１６を移動する。  
（エネルギーフィルタ要否の判定ステップＳ１５０４）～（エネルギーフィルタの設定ステップＳ１５０５））  
　レシピに記録されているエネルギーフィルタ使用の要否の情報を読み出し、エネルギーフィルタの使用が必要な場合は、レシピに記録されたエネルギーフィルタの条件に設定し（Ｓ１５０５）、画像取得・処理のステップ（Ｓ１５０６）に移動する。エネルギーフィルタの使用が不要の場合は、エネルギーフィルタの設定は行わずに画像取得・処理のステップ（Ｓ１５０６）に移動する。  
（画像取得・処理のステップＳ１５０６）  
　レシピに記録された条件で、画像の取得および差分処理を行う。得られた画像は測長のステップで使用する。  
（測長のステップＳ１５０７）  
　画像取得・処理のステップで得られた画像に対して測長を実施する。結果は前記の（測長の実施）と同様、測長した寸法のみ記憶しても良いが、画像を添付して保存しても良い。また、結果は画像表示部１３５に表示することにより確認することができる（Ｓ１５０８）。
　測定が終了したら、ステージ１１６は試料を次の測長点へ移動させ、上記と同じ手順で測長を実施する。
　以上説明したステップを、ＳＥＭ式測長装置にソフトウェア実装ないしハードウェア実装することにより、エネルギーフィルタの使用を伴った測長が実現可能となる。特に、エネルギーフィルタ使用の要否判断をレシピとして格納しておくことにより、必要のないエネルギーフィルタの動作を測長プロセス全体から省くことが可能となる。これは、測長のスループットを向上する上で効果があり、特に、半導体デバイス製造の量産ラインに測長ＳＥＭを設ける場合には、効果が大きい。
　上記のソフトウェア実装としては、例えば、エネルギーフィルタ制御用のソフトウェアを、測長システム制御部１３７内にメモリその他の外部記憶装置を設けて格納する。
　ハードウェア実装としては、図１１、図１５に示すようなステップを実行させるための専用チップを測長システム制御部内に組み込んでおけば良い。
　実施例１に係るＳＥＭ式測長装置を用い、本実施例の測長方法により導体上の絶縁体ラインパターンの寸法を計測した結果、導体パターンと絶縁体パターンの境界が鮮明に区別され、高精度の寸法計測ができた。
　以上説明したように、本実施例によれば、リターディング光学系を有する場合であっても、導体薄膜を有する減速電界型エネルギーフィルタを備えた走査電子顕微鏡を用いることにより、高精度のパターン寸法計測が可能な測長方法を提供することができる。
　第３の実施例について、図１６を用いて説明する。なお、実施例１や２に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。図１６は、本実施例に係るＳＥＭ式測長装置の概略要部構成図である。
　実施例１に示すＳＥＭ式測長装置（図１）では、エネルギーフィルタ１０８の導体薄膜３０４に信号電子が絶えず衝突するため、長時間使用すると炭素を主成分とする汚染物（以下、コンタミ）が導体薄膜３０４に付着する。コンタミとして付着した炭素は絶縁性を有する。絶縁性のコンタミが付着すると、コンタミの帯電によりエネルギーフィルタ１０８の導体薄膜３０４に形成される電位障壁の均一性が悪化するため、エネルギー分解能が劣化する。
　従って、実施例１に示すＳＥＭ式測長装置（図１）に搭載している導体薄膜を用いた減速電界型エネルギーフィルタ１０８について、その性能を維持しつつ使用するためには、導体薄膜３０４に付着したコンタミを除去するか、導体薄膜３０４の交換を行う必要がある。コンタミが付着した導体薄膜を交換する場合は、ＳＥＭ筐体１０３を分解する必要があるため作業者にとって大きな負担となる。
　そこで、本実施例では、実施例１に示すＳＥＭ式測長装置（図１）について、エネルギーフィルタ１０８部の導体薄膜３０４に付着するコンタミを自動で除去し、メンテナンスフリーで装置を使用する方法を提供する。本実施例は、実施例１に示すＳＥＭ式測長装置（図１）へ、図１６に示すガス供給部１６０１を追加するだけで実現可能である。
　導体薄膜に付着したコンタミとしての炭素を除去する方法について図１６を用いて説明する。以下で述べるコンタミの除去方法は、装置の使用時間がある一定時間（例えば、１０００時間）を超えると自動で行われる様、測長システム制御部１３７に設定されている。ユーザが手動でコンタミ除去の実施を選択することもできる。
　始めに、ＳＥＭ筐体１０３および試料室１１７と真空排気部１１２をつなぐバルブ（Ａ）１４１およびバルブ（Ｂ）１４２を閉じる。次に、ガス供給部１６０１よりオゾンガスを導入する。オゾンとコンタミの主成分である炭素は  
　　　　Ｃ＋Ｏ３　→ＣＯ＋Ｏ２  
の通りに反応し、導体薄膜３０４表面より離脱する。
　上記の反応が十分進んだら、オゾンガスの導入を止め、ＳＥＭ筐体１０３および試料室１１７と真空排気部１１２をつなぐバルブ（Ａ）１４１、バルブ（Ｂ）１４２を開き、導体薄膜３０４より離脱したガスを排気すると共にＳＥＭ筐体１０３および試料室１１７を真空に戻す。なお、導体薄膜としてＣおよびグラフェンを用いる場合には、コンタミとしての絶縁性炭素のみが除去された時点で上記反応を停止するように処理時間を調整することは言うまでもない。また、本実施例では、コンタミ除去に用いるガスとしてオゾンを用いる例について説明したが、オゾンガスの代わりにコンタミ除去機能を持つ他のガス、例えば活性酸素を用いことができる。本実施例で説明したコンタミ除去方法により、メンテナンスフリーなエネルギーフィルタを搭載したＳＥＭ式測長装置を実現できる。
　実施例３に係るＳＥＭ式測長装置を用い、実施例２の測長方法により導体上の絶縁体ラインパターンの寸法を計測した結果、導体パターンと絶縁体パターンの境界が鮮明に区別され、高精度の寸法計測ができた。
　以上説明したとおり、本実施例によれば実施例１や２と同様の効果が得られる。また、導体薄膜に付着するコンタミ除去を行なうことにより、メンテナンスフリーの走査電子顕微鏡及びそれを用いた測長方法を提供することができる。
　第４の実施例について、図１７を用いて説明する。なお、実施例１～３のいずれかに記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施にも適用することができる。
　本実施例では、導体薄膜を用いた減速電界型エネルギーフィルタを適用したＳＥＭ式測長装置において、特に前記エネルギーフィルタの上下に信号電子の検出器を搭載したＳＥＭ式測長装置の構成例について説明する。図１７に本実施例に係る走査電子顕微鏡（ＳＥＭ式測長装置）の概略全体構成図を示す。
　本実施例で説明するＳＥＭ式測長装置では、検出器（Ｂ）１７０９をエネルギーフィルタ１０８の下方に設けたことにより、エネルギーフィルタ１０８に衝突した信号電子１３９が生成する三次電子（Ｂ）１７０４を検出することが可能である。前述の三次電子は、図１に示すＳＥＭ式測長装置では検出されずに失われていたものであり、主にフィルタに衝突した信号電子の内の二次電子が生成する。従って、本実施例で説明するＳＥＭ式測長装置では負電圧を印加したエネルギーフィルタを通過した信号電子、例えば反射電子と、フィルタに衝突した二次電子の両方を同時に検出し、画像化することができる。
　ＳＥＭ式測長装置は大きく分けて、ＳＥＭ筐体１０３、試料室１１７、ＳＥＭシステム制御部１３６、真空排気システム部１１２、画像形成部１２９、測長システム制御部１３７で構成される。ここで、試料室１１７、ＳＥＭシステム制御部１３６、真空排気システム部１１２、測長システム制御部１３７の構成及び機能は、図１に示した構成及び機能と同じであるため、説明は省略する。  
（ＳＥＭ筐体および試料室）  
　ＳＥＭ筐体１０３は、試料に対して一次電子１３８を照射する照射系と検出系からなり、電子源１０２、コンデンサレンズ１０４、絞り１０５、反射板１２８、検出器（Ａ）１７０５、検出器（Ｂ）１７０９、Ｅ×Ｂ偏向器（Ａ）１７０１、Ｅ×Ｂ偏向器（Ｂ）１７０２、エネルギーフィルタ１０８、偏向器１０９、１１０、ブースタ電極１２５、対物レンズ１１１、トラップ板電極１２３で構成される。
　電子源１０２から放出された一次電子１３８は、コンデンサレンズ１０４によって収束され、ウェハ１１３に入射する一次電子１３８の電流を制御するための絞り１０５を通過し、反射板１２８の穴およびエネルギーフィルタ１０８のシールドパイプを通過し、偏向器１０９、１１０で偏向されたのち、対物レンズ１１１によって細く絞られ試料へ入射する。
　本実施例のＳＥＭ式測長装置では、エネルギーフィルタ１０８より反射板側にＥ×Ｂ偏向器（Ａ）１７０１および検出器（Ａ）１７０５を設置し、エネルギーフィルタ１０８より対物レンズ１１１側にＥ×Ｂ偏向器（Ｂ）１７０２および検出器（Ｂ）１７０９を設置する。
　一次電子１３８がウェハ１１３に照射されることに起因して発生する信号電子１３９（２次電子、反射電子、オージェ電子）は、リターディング電源１２１によってウェハホルダ１１４に印加された負電圧、トラップ板電極１２３およびブースタ電極１２５の電位差によって加速され、対物レンズ１１１によって収束され、偏向器１０９、１１０で偏向されたのち、エネルギーフィルタ１０８を通過し反射板１２８に衝突する。
　反射板１２８に衝突した信号電子１３９に起因して反射板１２８より発生する電子（三次電子（Ａ）１７０３）は、Ｅ×Ｂ偏向器（Ａ）１７０１によって検出器（Ａ）１７０５へと引き込まれる。エネルギーフィルタ１０８に衝突した信号電子１３９に起因してエネルギーフィルタ１０８より発生する電子（三次電子（Ｂ）１７０４）はＥ×Ｂ偏向器（Ｂ）１７０２によって検出器（Ｂ）１７０９へと引き込まれる。
　ブースタ電極１２５にブースタ電源１２４より正電圧を印加することで、信号電子１３９は反射板１２８側に引き上げられる効果を得られる。また、ブースタ電極１２５の電位がウェハ（試料）１１３上に漏れることを防ぐとともに、帯電するウェハ１１３の帯電を均一化する目的で、トラップ板電極１２３にはリターディング電圧と同電圧をトラップ板電源１２２より印加する。  
（電子光学系制御電源）  
　電子光学系制御電源１０６により、コンデンサレンズ１０４を構成するコイルに流れる電流を制御することで、絞り１０５を通過する一次電子１３８の電流を制御する。さらに、電子光学系制御電源１０６により、Ｅ×Ｂ偏向器（Ａ）１７０１、Ｅ×Ｂ偏向器（Ｂ）１７０２を構成するコイルの電流、および電極の電圧を制御する事で、一次電子１３８はＥ×Ｂ偏向器（Ａ）１７０１、Ｅ×Ｂ偏向器（Ｂ）１７０２において偏向されること無く、三次電子（Ａ）１７０３、三次電子（Ｂ）１７０４を検出器（Ａ）１７０５、検出器（Ｂ）１７０９に引き込むことができる。さらに、電子光学系制御電源１０６により、偏向器１０９、１１０を構成するコイルに流れる電流を制御する事で、一次電子１３８をウェハ１１３上で走査する。
　一次電子１３８をウェハ１１３上で焦点を結ぶように、電子光学系制御電源１０６により対物レンズ１１１を構成するコイルに流れる電流を制御し、この制御は電子銃電源１０１、ブースタ電源１２４、トラップ板電源１２２、リターディング電源１２１が変化した際、常に一次電子１３８がウェハ１１３上で絞られるように行う。
　ウェハ１１３に入射する一次電子１３８のエネルギーは、電子銃電源１０１で設定した加速電圧とリターディング電源１２１によりウェハホルダ１１４に印加した電圧（リターディング電圧）の差で決まり、リターディング電圧を変えることでウェハ１１３に入射する一次電子１３８のエネルギーを変えることができる。  
（検出器及び画像形成部）  
　検出器（Ａ）１７０５で検出される信号電子による走査像を形成するためには、一次電子１３８がウェハ１１３上を走査するように偏向器１０９、１１０で一次電子１３８を偏向し、検出器（Ａ）１７０５で取り込まれた三次電子（Ａ）１７０３の信号を、信号増幅器（Ａ）１７０６で増幅した後、ＡＤコンバータ部（Ａ）１７０７でデジタル信号に変換し、画像処理部（Ａ）１７０８へ信号を送る。画像処理部（Ａ）１７０８では走査信号と同期した３次電子信号のマップとして走査像を形成する。形成された走査像は画像メモリ部１３３に保存される。
　同様に、検出器（Ｂ）１７０９で検出される信号電子による走査像を形成するためには、一次電子１３８がウェハ１１３上を走査するように偏向器１０９、１１０で一次電子１３８を偏向し、検出器（Ｂ）１７０９で取り込まれた三次電子（Ｂ）１７０４の信号を、信号増幅器（Ｂ）１７１０で増幅した後、ＡＤコンバータ部（Ｂ）１７１１でデジタル信号に変換し、画像処理部（Ｂ）１７１２へ信号を送る。画像処理部（Ｂ）１７１２では走査信号と同期した３次電子信号のマップとして走査像を形成する。形成された走査像は画像メモリ部１３３に保存される。ここで、検出器（Ａ）１７０５および検出器（Ｂ）１７０９は正極性の高電圧にフローティングされている。
　差分・合成処理部１７１３は、画像メモリ部１３３に保存された任意の二枚の走査像の差分画像および合成画像を形成する機能を有する。差分・合成処理部１７１３では、実施例２で説明したように、エネルギーフィルタ１０８に第一の設定電圧ＶＦ１（＜０）を印加した場合に検出器（Ａ）１７０５～画像処理部（Ａ）１７０８で得られる走査像Ａ１と、第二の設定電圧ＶＦ２（＜０）を印加した場合に検出器（Ａ）１７０５～画像処理部（Ａ）１７０８で得られる走査像Ａ２の差分画像を作ることができ、この差分画像は－ＶＦ１から－ＶＦ２までのエネルギーを持つ信号電子によって形成される。
　加えて、差分・合成処理部１７１３では、検出器（Ａ）１７０５～画像処理部（Ａ）１７０８で得られる走査像Ａと、検出器（Ｂ）１７０９～画像処理部（Ｂ）１７１２で得られる走査像Ｂの合成画像を作ることができる。これは、エネルギーフィルタ１０８に電圧を印加しない際に有効となる。なぜなら、エネルギーフィルタ１０８に電圧を印加していない場合でも、一定の割合の信号電子は導体メッシュ（グリッド）３０１、３０２、３０３および導体薄膜３０４に衝突するため、反射板１２８まで到達できる電子は、エネルギーフィルタ１０８を搭載しない場合と比較して少ないためである。結果、エネルギーフィルタ１０８を搭載するが電圧を印加せずにＳＥＭ式測長装置を使用する際、画像のＳ／Ｎが悪化し、測長再現性の悪化や、スループットの低下を招く。
　本実施例で示すように、Ｅ×Ｂ偏向器（Ｂ）１７０２と検出器（Ｂ）１７０９により、エネルギーフィルタ１０８に衝突して生成される三次電子（Ｂ）１７０４を検出することで、エネルギーフィルタ１０８に電圧を印加せずにＳＥＭ式測長装置を使用する際にも、エネルギーフィルタ１０８を搭載しないＳＥＭ式測長装置と同等のＳ／Ｎを維持できる。
　画像メモリ部１３３に保存された走査像および差分・合成処理部１７１３で形成された差分画像および合成画像は随時、ＳＥＭシステム制御部１３６を介して、画像表示部１３５でユーザが確認できる。
　本実施例に係るＳＥＭ式測長装置を用い、実施例２の測長方法により導体上の絶縁体ラインパターンの寸法を計測した結果、導体パターンと絶縁体パターンの境界が鮮明に区別され、高精度の寸法計測ができた。
　以上説明したとおり、本実施例によれば実施例１や２と同様の効果が得られる。また、エネルギーフィルタの上下に信号電子の検出器を搭載することにより、エネルギーフィルタに電圧を印加せずにＳＥＭ式測長装置を使用する際にも、エネルギーフィルタを搭載しないＳＥＭ式測長装置と同等のＳ／Ｎを維持することができる。
　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。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、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１０１…電子銃電源、１０２…電子源、１０３…ＳＥＭ筐体、１０４…コンデンサレンズ、１０５…絞り、１０６…電子光学系制御電源、１０７…Ｅ×Ｂ偏向器、１０８…エネルギーフィルタ、１０９…偏向器（Ａ）、１１０…偏向器（Ｂ）、１１１…対物レンズ、１１２…真空排気システム部、１１３…ウェハ、１１４…ウェハホルダ、１１５…絶縁材、１１６…ステージ、１１７…試料室、１１８…ステージ制御部、１１９…ステージコントローラ、１２０…ステージ駆動部、１２１…リターディング電源、１２２…トラップ板電源、１２３…トラップ板電極、１２４…ブースタ電源、１２５…ブースタ電極、１２６…エネルギーフィルタ電源、１２７…検出器、１２８…反射板、１２９…画像形成部、１３０…信号増幅器、１３１…ＡＤコンバータ部、１３２…画像処理部、１３３…画像メモリ部、１３４…差分処理部、１３５…画像表示部、１３６…ＳＥＭシステム制御部、１３７…測長システム制御部、１３８…一次電子、１３９…信号電子、１４０…三次電子、１４１…バルブ（Ａ）、１４２…バルブ（Ｂ）、  
２０１…導体グリッド、２０２…等電位線、  
３０１…導体グリッド１、３０２…導体グリッド２、３０３…導体グリッド３、３０４…導体薄膜、  
５０１…二次電子、５０２…反射電子、５０３…オージェ電子、  
６０１…絶縁体、６０２…導体、６０３…絶縁体から放出された二次電子、６０４…導体から放出された二次電子、  
７０１…導体から放出された二次電子数のエネルギー依存性、７０２…絶縁体から放出された二次電子数のエネルギー依存性、  
１００１…シールドパイプ、  
１２０１…ＧＵＩ、１２０２…ボタン（Ａ）、１２０３…検出下限エネルギー入力部、１２０４…検出上限エネルギー入力部、１２０５…走査像表示部、１２０６…ボタン（Ｂ）、１２０７…ボタン（Ｃ）、  
１６０１…ガス供給部、  
１７０１…Ｅ×Ｂ偏向器（Ａ）、１７０２…Ｅ×Ｂ偏向器（Ｂ）、１７０３…三次電子（Ａ）、１７０４…三次電子（Ｂ）、１７０５…検出器（Ａ）、１７０６…信号増幅器（Ａ）、１７０７…ＡＤコンバータ部（Ａ）、１７０８…画像形成部（Ａ）、１７０９…検出器（Ｂ）、１７１０…信号増幅器（Ｂ）、１７１１…ＡＤコンバータ部（Ｂ）、１７１２…画像形成部（Ｂ）、１７１３…差分・合成処理部。

Claims (16)

  1. 　電子源と、前記電子源から放出される一次電子線を偏向するための偏向器と、前記偏向器によって偏向された前記一次電子線を収束するための収束レンズと、前記収束レンズによって収束された前記一次電子線の試料への照射に起因して放出される信号電子を検出する電子検出器と、前記電子検出器よりも前記試料側に配置され前記信号電子のエネルギーを弁別する減速電界型エネルギーフィルタと、を備えた走査電子顕微鏡において、
      前記減速電界型エネルギーフィルタは、前記信号電子のエネルギー弁別用の導体薄膜を有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
  2. 　請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
      更に、前記試料に照射される前記一次電子線を減速するための減速手段を備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  3. 　請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
      前記導体薄膜は、少なくともＣ，グラフェン，Ａｌ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｗのいずれかを有し、厚みが０．３ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲であることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  4. 　請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
      前記導体薄膜は絶縁体と導体との多層膜であり、厚みが０．３ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲であることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  5. 　請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
      前記導体薄膜は穴を多数有しており、
      多数の前記穴は前記試料から放出された前記信号電子が通過するものであることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  6. 　請求項５に記載の走査電子顕微鏡において、
      多数の前記穴は１０μｍ以下の直径を有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
  7. 　請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
      前記導体薄膜は開口部を少なくとも一つ有しており、
      前記開口部は前記一次電子線が通過するものであることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  8. 　請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
      前記開口部は１±０．５ｍｍの直径を有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
  9. 　請求項７に記載の走査電子顕微鏡において、
      前記開口部の内部には前記一次電子線が通過するシールドパイプが配置され、
      前記シールドパイプは接地されていることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  10. 　請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
      更に、前記導体薄膜に印加する設定電圧を入力するためのユーザインターフェースを備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
  11. 　請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
      前記導体薄膜に第一の設定電圧を印加した状態で得られる第一の走査像と、
      前記導体薄膜に第二の設定電圧を印加した状態で得られる第二の走査像との差分画像を形成する画像処理回路を備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
  12. 　請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
      更に、前記導体薄膜よりも前記試料側に第２の電子検出器を備え、
      前記第２の電子検出器は、前記試料より放出された前記信号電子が前記導体薄膜へ衝突することに起因して放出される電子を検出するものであることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  13. 　請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
      更に、前記導体薄膜の表面に付着する汚染物を除去するためのオゾンもしくは活性酸素のガス供給システムを備え、
      前記ガス供給システムは前記電子検出器と前記試料との間に配置されることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  14. 　請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
      前記減速電界型エネルギーフィルタは、前記導体薄膜を挟んで設けられた第１と第２の導体グリッドとを有し、
      前記第１と第２の導体グリッドは接地されていることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  15. 　請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
      前記導体薄膜は導体グリッドの試料側端部に配置されていることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  16. 　請求項１１に記載の走査電子顕微鏡を用いた測長方法であって、
      前記導体薄膜に第一の電圧を印加し、前記信号電子が前記第一の電圧でエネルギー弁別された電子に基づいて第一の画像を得る工程と、
      前記導体薄膜に第二の電圧を印加し、前記信号電子が前記第二の電圧でエネルギー弁別された電子に基づいて第二の画像を得る工程と、
      前記第一の画像と前記第二の画像の差分画像を形成する工程と、
      前記差分画像より前記試料のパターン寸法を計測する工程とを含み、
    前記差分画像が前記試料のオージェ電子によって形成されることを特徴とする測長方法。
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