(57)【要約】【課題】本発明は、試料に対する荷電粒子ビームの照射を行うことなく、正確な試料表面電位の測定、或いは試料表面の電位に応じた焦点調整を行う荷電粒子線装置の提供を目的とする。【解決手段】上記目的を達成するために、荷電粒子源と、当該荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを集束して試料に照射する対物レンズと、負電圧の印加によって試料に到達する荷電粒子ビームを減速する電界を形成する負電圧印加電源と、当該負電圧印加電源を制御して、前記荷電粒子ビームの焦点調整を行う制御装置を備えた荷電粒子線装置において、当該制御装置は、前記試料の物性データと前記荷電粒子ビームの走査条件に基づいて、前記試料電位を求め、当該表面電位に基づいて、前記負電圧印加電源を制御することを特徴とする荷電粒子線装置を提案する。【選択図】  図１
2010211973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子源と、当該荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを集束して試料に照射する対物レンズと、負電圧の印加によって試料に到達する荷電粒子ビームを減速する電界を形成する負電圧印加電源と、当該負電圧印加電源を制御して、前記荷電粒子ビームの焦点調整を行う制御装置を備えた荷電粒子線装置において、
当該制御装置は、前記試料の物性データと前記荷電粒子ビームの走査条件に基づいて、前記試料電位を求め、当該表面電位に基づいて、前記負電圧印加電源を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記制御装置は、前記求められた試料電位に基づいて、前記試料に照射される荷電粒子ビームのエネルギーを制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記試料上の複数の点について、前記試料電位を求め、当該試料電位と、前記負電圧印加電源によって印加される電圧との差が最も小さい点で、前記荷電粒子ビームを照射することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項２において、
前記制御装置は、所望する測定より前に実施した荷電粒子線走査による試料表面電位変化を求めることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記制御装置は、同一測定点の複数回走査による表面電位変化を求め、当該変化値に基づいて、前記荷電粒子ビームの走査回数を決定することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記制御装置は、前記決定された走査回数を超えた走査を行う場合には、最終走査時の前記表面電位に基づいて、前記負電圧印加電源を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項７】
請求項４において、
前記制御装置は、前記求められた試料電位に基づいて、複数の測定点の測定順序を決定することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記制御装置は、各測定点について求められた試料電位と、前記負電圧印加電源によって印加される電圧の差の最大値が最も小さくなるように、複数の測定点の測定順序を決定することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項９】
請求項１において、
前記制御装置は、荷電粒子線走査時の試料内部の電位を求めることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１０】
請求項９において、
前記制御装置は、前記求められた電位によって、前記負電圧印加電源を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子線装置に係り、特に焦点調整機能が備えられた荷電粒子線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体デバイスの高集積化，微細化に伴い、これらの複雑なパターン形状や寸法を評価することの重要性が高まっている。この半導体デバイスパターンの検査や寸法測定に主に用いられているのが、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）である。ＳＥＭは、加速した荷電粒子線を対物レンズや試料を設置するステージ電圧の調整によって試料上に収束させ、この収束した荷電粒子線を二次元的に走査させた際に発生する二次電子を検出器で検出することで、試料表面の二次元画像を得る。鮮明な画像を取得するためには、試料上で荷電粒子線を収束させる（フォーカスを合わせる）ことが非常に重要であり、オートフォーカス機能を有したＳＥＭ装置も一般的になっている。
【０００３】
試料が帯電している場合には、その帯電量に応じてフォーカス位置が変化する。そのため、帯電している試料に対してオートフォーカスを実施すると、対物レンズの励磁電流やステージ電圧の調整幅を大きくとらなければならず、結果としてオートフォーカス時間が長くなるという問題がある。また、同一ウェハ上で何点もＳＥＭ画像を取得すると、それまでの履歴による帯電がウェハ表面全体に生じているため、フォーカスのずれたＳＥＭ画像になり、鮮明な画像を取得するためには、頻繁にオートフォーカスを実施しなければならない。
【０００４】
このような試料帯電によるフォーカスずれの問題を解決方法として、試料表面電位（帯電量）を知ることが考えられており、特許文献１では試料を試料室に搬送する過程で静電容量計によって帯電量を測定する技術、特許文献２では、リターリング電圧を変えながらビームを照射し、そのときの二次電子検出量によって帯電量を推定する技術が開示されている。また、特許文献３には、電子ビームのエネルギーを複数段階変化させ、各段階で得られた信号をスコア化し、当該スコアの解析に基づいて、ビームエネルギーを調整する集束方法が説明されている。更に特許文献４には、二次電子検出器の出力波形信号のピークが最も大きく検出された試料電圧を試料に印加することによって、チャージアップのない走査像を形成することが説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００３／００７３３０号公報（対応米国特許USP6,946,656）
【特許文献２】特開２００７−２５７９６９号公報（対応米国公開公報ＵＳ２００７／０２２１８４５）
【特許文献３】特開２００１−２３６９１５号公報（対応米国特許USP6,521,891）
【特許文献４】特開平４−２２９５４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の方法は、測定前からの帯電量は測定できるものの、厳密には実際に測定を行う領域を含む広い領域の電位測定であるため、電子ビームが照射される部位の電位とは異なる場合がある。また、電子ビームの走査によって得られる二次電子のエネルギーを検出することによって、試料表面帯電を測定する場合であっても、実際に試料にビームを照射した上でなければ、表面帯電を測定することはできず、表面帯電測定に相応の時間を要する。特許文献２，３，４に開示の技術も同様であり、実際に電子ビームを照射した上でなければ、適正な試料電圧値等を検出することはできず、やはり実際の測定等の前に、適正な試料電位やフォーカス条件を求めるステップを要していた。
【０００７】
上述のように、鮮明なＳＥＭ画像を取得するためにオートフォーカスは重要であるものの、画像取得時の試料表面電位（帯電量）を正確に把握することが困難であったため、その調整に時間を要していた。
【０００８】
以下に、試料に対する荷電粒子ビームの照射を行うことなく、正確な試料表面電位の測定、或いは試料表面の電位に応じた焦点調整を行うことを目的とした荷電粒子線装置を説明する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、荷電粒子源と、当該荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを集束して試料に照射する対物レンズと、負電圧の印加によって試料に到達する荷電粒子ビームを減速する電界を形成する負電圧印加電源と、当該負電圧印加電源を制御して、前記荷電粒子ビームの焦点調整を行う制御装置を備えた荷電粒子線装置において、当該制御装置は、前記試料の物性データと前記荷電粒子ビームの走査条件に基づいて、前記試料電位を求め、当該表面電位に基づいて、前記負電圧印加電源を制御することを特徴とする荷電粒子線装置を提案する。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成によれば、オートフォーカスに要する時間を短縮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】走査電子顕微鏡の概略構成図。
【図２】表面電位を推定した上で、リターディングフォーカスによるオートフォーカスを実行するプロセスを説明するフローチャート。
【図３】複数のオートフォーカス点候補の中から、オートフォーカス点を自動的に選択（設定）するプロセスを説明するフローチャート。
【図４】推定帯電量に基づいて、オートフォーカスの要否判断を行うプロセスを説明するフローチャート。
【図５】同一測定点の複数回走査と表面電位の推定を並行して行うプロセスを説明するフローチャート。
【図６】複数の測定点の測定順序を決定するプロセスを説明するフローチャート。
【図７】複数の測定点の測定順序を決定するプロセスを説明するフローチャート。
【図８】試料内部にある測定対象のＳＥＭ画像を取得する際のフォーカス調整について説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本実施例では、主に荷電粒子源と、前記荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームの走査によって発生する二次的な荷電粒子を検出する検出器と、測定試料を設置するステージと、前記ステージに電圧を印加する電源を備えた荷電粒子線装置において、測定する試料の物性値と寸法に基づいて荷電粒子ビーム走査時の試料表面電位を推定する装置を備え、前記推定値を用いて前記ステージ電位を制御することを特徴とした荷電粒子線装置を説明する。本実施例の主たる目的の１つは、オートフォーカス時の調整幅を狭くし、オートフォーカス時間を短縮することができる。即ち、測定する試料の物性値に基づいて推定した荷電粒子ビーム走査時の試料表面電位を用いてステージ電位を制御することで、オートフォーカス時間および計測時間の短縮を実現することができる。
【００１３】
以下図面を用いて、試料表面電位の計算値或いは推定値等に基づいて、フォーカス調整を行う荷電粒子線装置を説明する。なお、以下に説明する実施例では、荷電粒子線装置の１種である走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）を例にとって説明するが、これに限られることはなく、例えば集束イオンビーム（Focused Ion Beam）装置への適用も可能である。
【００１４】
図１は、走査電子顕微鏡の概略構成図である。電子銃１から放出される電子ビーム１４は加速電極２によって加速され、コンデンサレンズ３、及び対物レンズ６によって集束されて、試料７に照射される。
【００１５】
電子ビーム１４は、走査偏向器５によって、試料７上を一次元、或いは二次元的に走査される。走査領域から放出される二次電子或いは後方散乱電子等の電子は、検出器４によって検出され、図示しない記憶媒体（フレームメモリ等）に記憶される。なお、図１では、図示を省略しているが、走査電子顕微鏡の各構成要素を制御する制御装置によって、各構成要素が制御される。また、試料を少なくともＸ−Ｙ方向（電子ビームの理想光軸をＺとしたとき）に移動させる試料ステージ８を介して試料に負電圧を印加するための負電圧印加電源９が設けられている。なお、本実施例では、試料ステージ８上に試料７を直接載置する例について説明するが、試料を搬送するための試料ホルダ上に試料を載置した上で、当該試料ホルダを介して試料に負電圧を印加するようにしても良い。
【００１６】
負電圧印加電源９は、通常、電子ビーム１４の試料７への到達エネルギーを減少させることで、電子ビームが対物レンズを高加速で通過することによる高分解能化と、試料への到達エネルギーを低下させることによる試料の低ダメージ化の両立のために用いられるものであるが、併せて、本実施例では電子ビーム１４の焦点調整に用いる。この手法はリターディングフォーカスと呼ばれるものである。試料電位推定装置１０は、負電圧印加電源９を制御することで、フォーカス調整を実施する制御装置としても機能する。
【００１７】
試料電位推定装置１０は、外部、或いは電子顕微鏡装置に接続されるデータ管理装置（図示せず）の記憶媒体に記憶された半導体デバイスの設計データ１１，装置仕様データ１２，走査条件データ１３から必要なデータを読み出しが可能なように構成されている。設計データはＧＤＳやＯＡＳＩＳ形式で記憶され、併せて試料の誘電率や導電率のような物性値等のデータが保存されている。また、装置仕様データは、主に試料と対物レンズ間の距離（ワーキングディスタンス），試料に対面する対面電極と試料間の距離等、装置固有のデータが保存されている。更に、走査条件データ１３には、ビームの加速エネルギー，倍率，ビーム電流，試料への印加電圧等、使用者が設定可能なビーム条件に関する情報が記憶されている。
【００１８】
試料電位推定装置１０は、試料に電子ビームを照射したときに試料表面に形成される帯電情報、或いは帯電関連情報を、試料情報（設計データ１１），装置固有の条件（装置仕様データ１２）、及び装置の設定条件（走査条件データ１３）に基づいて求める。
【００１９】
また、試料電位推定装置１０では、主に荷電粒子の軌道計算と帯電後の電位計算を実施する。荷電粒子は電磁界中ではローレンツ力を受ける。そのため、設計データ１１，装置仕様データ１２，走査条件データ１３から荷電粒子の初速、測定空間の電界と磁界の大きさを求めることで、例えば一次電子であれば、電子銃１から試料７に至るまでの軌道および試料７に衝突した位置や速度を計算することができる。また、試料７に衝突した一次電子は、試料内で散乱するとともに二次電子１５などを放出し、帯電を引き起こす。そこで、試料内散乱に伴う荷電粒子の移動や電子の放出過程を考慮した電位計算をすることで、試料表面電位、すなわち電子ビーム１４の照射によって発生する帯電量を推定することができる。
【００２０】
また、発生した二次電子１５の中には、二次電子検出器４まで到達せずに再び試料７に到達するものがある。この再び試料に到達した二次電子１５によっても帯電は発生するため、二次電子１５についても、電子ビーム１４と同様にその軌道を計算し、さらに電位計算も行うことで、より精度良く試料７の表面電位を推定することができる。
【００２１】
表面電位の具体的な求め方の一例を以下に説明する。本例ではシミュレーションによって試料表面帯電を求める。まず測定箇所に応じて計算を行う範囲を決定する。当該範囲として、試料面方向には観察領域（ＳＥＭの視野（Field Of View：ＦＯＶ））＋α、垂直方向には表面より上の空間領域β、及び表面以下の領域γを選択する。
【００２２】
ここで、α，β，γは任意の設定事項であり、本実施例では、α：５μｍ，β：２μｍ，γ：２μｍとしている。これは、αおよびβは一次電子を照射することで、試料から出てきた二次電子や後方散乱電子の挙動（表面戻りなど）を追跡するのに必要な領域である。
【００２３】
試料から放出される電子の挙動を考慮する場合、αは観察領域の１０倍程度を確保することが望ましい。また、試料表面は平坦ではないことが多く、更に埋設配線等も存在する。即ち、試料構造を三次元的に捉える必要がある。例えば、半導体デバイスでは、異なる材料の積層や、内部への別材料の埋め込みがあり、材料や膜厚，形状によって帯電状態が異なってくる。
【００２４】
本実施例では、三次元情報やＦＯＶ外部のパターン構成も踏まえて構造を定義し、シミュレーションを行うため、下地の影響や試料内部の状態等も考慮する。更に、照射する一次電子のエネルギーによって電子の侵入長も異なるため、これらを考慮してγは設定する必要がある。また、試料上部の空間を、試料から出た二次電子が拡散するが、試料の帯電に伴い、空間の電界が変化する。このため空間部も数μｍ程度の領域を考慮する必要がある。
【００２５】
次に測定（走査）条件（装置条件）の設定を行う。ここでユーザが指定する条件としては、観察の際の倍率がある。指定された倍率で観察する際の、走査の順番や電流量，一次電子の加速電圧条件を数種類用意し、各条件でシミュレーションを実施する。
【００２６】
各材料の物性パラメータは、可能であればシミュレーションの前に、１ラインあるいは平面のみを走査し、実験結果（輝度の変化）から帯電の時間変化（電子，ホールの移動度）や収率を求めても良い。
【００２７】
同じ材料でも、供給元を変更すると帯電の影響が異なることがあるが、上記実験からパラメータを用意することで、材料間のばらつきを減らすことが可能である。
【００２８】
シミュレーションの手法としては、有限要素法（ＦＥＭ），境界要素法（ＢＥＭ），モンテカルロ法（ＭＣ）のいずれかを用いる。ここではＦＥＭの例を説明する。まず、上述のようにして設定した範囲に対して電界計算を実施し、各領域の電界を用意する。得られた電界内で、一次電子を発生させ、指定した条件（角度，エネルギー）で試料表面に照射する。
【００２９】
試料表面に一次電子が到達した際には、一次電子の加速エネルギー，入射角度、および電子が到達した表面の形状，材質（試料情報）に応じて、異なる状態にて二次電子を発生させる。発生させる二次電子数およびエネルギー，角度は、文献等で公知となっている値をパラメータとして用いる。表面から発生した二次電子は、出射時のエネルギーおよび角度に応じて再び真空中を飛散するため、真空中における二次電子軌道の追跡を行う。また、試料内に侵入した電子が試料内で拡散し、その上で真空中に飛び出すこともあるため、その点も考慮に入れた軌道追跡を行う。
【００３０】
表面の帯電等により、再び試料表面に到達した際には、電子のエネルギー，角度，到達場所（形状，材料）に応じて、二次電子放出，反射、あるいは表面付着する。このような再付着によって、試料上の電荷の移動が生ずる。
【００３１】
表面に付着した場合には、表面の電荷を変更し、次の一次電子を照射する。また、表面に付着せず、計算構造から出た場合や、電極などに到達した場合にも次の一次電子の照射に戻る。ここで、ある条件（例えば、表面からの高さ数μｍに達した二次電子など）を満たした二次電子をカウントし、メモリあるいはハードディスク上に記憶しておく。この条件を満たす電子を、実際の測定で検出される電子として取扱い、電子のカウント数を画像の輝度に対応させることが可能である。この場合、電子のカウント数と輝度情報を予め対応付けて記憶し、求められたカウント数に応じた輝度情報を読み出すようにしても良い。
【００３２】
１ピクセル分の一次電子をすべて照射し終えた段階で、表面および試料内に蓄積された電荷の移流拡散をシミュレートする。試料表面及び内部に蓄積された電荷は材料ごとに、周囲の電界状態に応じて表面および内部を移動する。ここでの移流拡散計算のタイミングは、１電子照射毎，１ピクセル毎，１０ピクセル毎や１ライン毎といったように変更可能である。次に一次電子の照射点を移動し、電界計算後、次のピクセルへの一次電子照射を実施する。
【００３３】
上述の例では電界計算を、ＦＥＭを用いて行ったが、ＢＥＭに置き換えることが可能である。また、三次元の構造で内部材料の帯電の影響を考慮する場合には、電子の試料内拡散を検討する必要がある。ＭＣを用いることにより、一次電子の表面到達後の試料内拡散を検討可能である。
【００３４】
なお、帯電現象として検討すべき対象には以下のようなものがある。
【００３５】
まず、帯電現象を帯電が付着する領域の大きさで分類すると、数１０mm程度のグローバル帯電，１００μｍ程度のローカル帯電，１０μｍ以下のマイクロ帯電に分かれると考えられており、次のように説明される。
【００３６】
（ａ）グローバル帯電
主に、ＳＥＭによる測定や検査の前工程等で蓄積される帯電、或いは二次電子等が、試料上に配置された対面電極が形成する電界によって試料に戻され、試料に再付着することによって形成される帯電の内、比較的広範囲に形成される帯電である。空間的変化が穏やかであり、静電電位計による直接計測やリターディング電圧を変えてフォーカスの合う電圧値から求められる。オートフォーカス後の対物レンズ電流から光学倍率を推測し、測長値の補正を実施できる。
【００３７】
（ｂ）ローカル帯電
周囲のデバイス観察時の戻り電子の影響や磁場や電極によって戻される電子が関連し、非点（電子軌道の曲がりのため検出されない結果、観察されない点）に影響する。偏向倍率の変化率を検知し、これを基にローカル帯電の影響を補正している。エネルギーフィルタを用いれば測定できるが、次に示すマイクロ帯電の重畳があり、空間分布の特定は困難な状況にある。
【００３８】
（ｃ）マイクロ帯電
ＬＳＩパターン等の小さいスケールで、デバイス構造や画素スケールで起こる試料帯電である。電子が作り出す試料帯電によって、一次電子や試料から脱出した二次電子の軌道が曲げられることによる画像歪みや、コントラスト異常が得られる場合があり、測長値やパターンの輪郭抽出精度が低下する原因となる。ビーム走査は帯電現象をさらに複雑化する。画素に電子が照射されると、二次電子の抜けた部分が正帯電し、二次電子は試料に戻るようになる。照射位置が正帯電する一方、その周辺は戻り電子のために負帯電する。次の画素に移ると、隣りの正帯電と周辺の負帯電の影響を受ける。別の走査ラインに移ると、既に照射された場所の帯電の影響を受ける。その際、周囲の帯電が時間変化しているので、空間変化だけでなく時間変化の影響を受ける。
【００３９】
また、帯電には試料表層にあって電荷が比較的早く広がっていくものと、試料深くに電子が打ち込まれ、数分にもわたって電荷が消失しないものがある。以上のように平坦試料を扱うだけでも、マイクロ帯電は複雑な現象である。解明するには、計測手段に加え定量解析ツールを用いる必要がある。電位分布を求めて電界計算するために、ポアソン方程式を有限要素法を用いて離散化する。
【００４０】
△φ＝−ρ／ε                                                      …（１）
【００４１】
ここで、φはポテンシャル、ρは電荷密度、εは誘電率である。はじめに、φを形状関数Ｎｉ（ｘ，ｙ，ｚ）を用いて次のように表す。
【００４２】
φ＝ΣＮｉφｉ                                                      …（２）
【００４３】
重み関数として次に示すδφ(ｘ)を、あわせて残差Ｒを定義する。
【００４４】
δφ(ｘ)＝ΣδφｉＮｉ                                              …（３）
Ｒ＝ε△φ＋ρ                                                      …（４）
【００４５】
重み関数を用いた積分式Ｉを次のように定義する。
【００４６】
Ｉ＝∫Ｒδφ(ｘ)ｄＶ                                                …（５）
【００４７】
上式に式（３），式（４）を代入して部分積分すると、次式が得られる。
【００４８】
Ｉ＝∫(ε△φδφ(ｘ)＋ρδφ(ｘ))ｄＶ
＝∫(ε▽φ)・ｎδφ(ｘ)ｄＳ−∫ε▽φｉ▽ｉδφ(ｘ)ｄＶ＋∫ρδφ(ｘ)ｄＶ
…（６）
【００４９】
さらに、行列表示すると次式を得る。
【００５０】
Ｉ＝{δφ}Ｔ∫[Ｎ]Ｔ[Ｎ]{(ε▽φ)ｎ}ｄＳ＋{δφ}Ｔ∫[Ｂ]Ｔ[Ｅ][Ｂ]ｄＶ{φ}
＋{δφ}Ｔ∫[Ｎ]Ｔ[Ｎ]{ρ}ｄＶ                                  …（７）
【００５１】
ここで［Ｅ］は単位行列、［Ｎ］は形状関数の行列表示、［Ｂ］は［Ｎ］の導関数であり、
{ｄφ(ｘ)／ｄｘ}＝[Ｂ]{φ}                                          …（８）
の関係がある。∂Ｉ／∂{δφ}＝０とすると
∫[Ｎ]Ｔ[Ｎ]{(ε▽φ)ｎ}ｄＳ＋{δφ}Ｔ∫[Ｂ]Ｔ[Ｅ][Ｂ]ｄＶ{φ}
＝−∫[Ｎ]Ｔ[Ｎ]{ρ}ｄｖ                                          …（９）
となる。これが解くべき有限要素式である。
【００５２】
以上のような演算式に基づいて、
∫[Ｎ]Ｔ[Ｎ]{(ε▽φ)ｎ}ｄＳ′＋{δφ}Ｔ∫[Ｂ]Ｔ[Ｅ][Ｂ]ｄＶ′{φ}
＝−∫[Ｎ]Ｔ[Ｎ]{ρ}ｄＶ′                                      …（１０）
を得る。さらに、積分の部分をGauss−Legendre積分に置き換えて計算する。
【００５３】
∫[Ｎ]Ｔ[Ｎ]{ρ}ｄＶ′＝ΣｉΣｊΣｋ[Ｎ]Ｔ[Ｎ]ρ(ξｉ,ηｊ,ζｋ)ｗｉｗｊｗｋ                                                                      …（１１）
【００５４】
ここで、ξｉ，ηｊ，ζｋは要素内のサンプリングポイントの座標値で、ｗｉｗｊｗｋは重み因子である。荷電粒子（電子，イオン）の軌道は次の運動方程式を用いて追跡する。
【００５５】
ｍｄｖ／ｄｔ＝ｑ(Ｅ＋ｖ×Ｂ)，ｄｘ／ｄｔ＝ｖ                      …（１２）
【００５６】
これを４段四次のルンゲクッタ法を用いて、荷電粒子の位置及び速度（ｘ，ｖ）の時間変化を求める。粒子は空間の任意の場所を移動するが，それに働くクーロン力やローレンツ力を求めるために，電界や磁界を粒子位置に対して補間する。電子が試料に衝突した時に発生する反射電子及び二次電子の効率については、イールドの対エネルギー曲線の実験値を用いる。入射電子の角度依存性については、次の経験式を用いる。試料表面の法線となす角度をφとすると，反射電子イールドη及び二次電子イールドは
η＝Ｂ(η(φ＝０)／Ｂ)cosφ，δ＝δ(φ＝０)／cosφ                …（１３）
と表される。電子が１個試料に入射すると、試料は差し引きで（１−η−δ）帯電することになる。二次電子の放出角度θについては‘cos則’に従う。反射電子については次の経験式を用いる。
【００５７】
δ(θ)∝cosθ，η(θ)∝cos［(π／２)(φ−θ)／(π／２−φ)］      …（１４）
【００５８】
ここでφは一次電子の入射角である。また、試料に蓄積された電荷が時間的，空間的に変化することが帯電現象を複雑にしている。電子照射によって生じた帯電は、電界による移動や密度勾配による拡散によって拡がっていく。そこで、キャリア移動を、以下のようにキャリア密度が移流と拡散で移動するというマクロモデルを用いて記述する。
【００５９】
∂ｎ／∂ｔ＋▽ｊ＝０，ｊ＝μｎＥ−Ｄ▽ｎ                          …（１５）
【００６０】
ここでｎはキャリア密度（電子，ホール）、ｊは電流密度、μは移動度、Ｄは拡散係数である。電流密度ｊの第１項は移流項であり、そのまま定式化すると不安定や振動が生ずることになるので、μｎＥの符号に応じた風上差分を用いて安定化させる。μ及びＤは試料によって異なるため、実験結果から各材料ごとにパラメータを推定する必要がある。これらのパラメータは予め設計データに登録しておくことが可能である。上述の試料電位推定装置１０は上述の演算を行うためのプログラムを記憶しており、当該プログラムは、主に、下記の（ａ），（ｂ），（ｃ）のモジュールから構成される。
【００６１】
（ａ）前処理部（Pre）：
体系作成，境界条件入力とビーム／走査条件入力計算体系となる三次元体系を作成し、境界条件及び初期条件を入力する。各材料に対して物性データや二次電子放出データを用意する。ビームの電流値・エネルギー値・スポット径，ピクセル数や走査順序等をファイル入力する。
【００６２】
（ｂ）帯電計算部：
電界，軌道計算による帯電分布と電荷移動計算による時間的空間的変化の追跡部分。ピクセル毎に電界，軌道及び電荷移動のループを計算する。粒子はＮ次電子まで追跡するとし、その数だけ電界−軌道計算を繰返し、その後電荷移動を求める。その間に試料部の電荷密度は空間的・時間的に変化し、その後に照射及び発生する電子の軌道が変化する。その際、電子の到達位置や電位分布等を記録する。Ｎ＝１は入射電子でＮ≧２は試料表面からの電子である。
【００６３】
（ｃ）後処理部（Post）：
二次電子分布の等高線化による画像出力や電位分布等の出力一連のループが終了すると、記録された電子軌道のデータ等を条件毎に出力する。例えばピクセル毎、或いは複数のピクセルを含む領域ごとに条件を満足する二次電子の個数を数え、その二次電子量を反映した輝度情報を配列するとＳＥＭ画像が得られる。このプログラムを用いて、ビームや走査条件等による帯電分布の変化や電子軌道を解析し、帯電がＳＥＭ像に及ぼす影響を調べることが可能である。
【００６４】
試料電位推定装置１０では、上述のような手法を用いて表面帯電の推定を行う。なお、上述のような高度なシミュレーションを用いれば、精度の高い帯電シミュレーションを行うことが可能となるが、より簡便に行う手法もある。電子ビーム走査によって発生する帯電（ローカル帯電）は、電子ビームの二次電子放出効率δと、戻り電子量で決定する。即ち、電子ビームを走査したときの走査領域（Field Of View：ＦＯＶ）へ入る電子量と、当該領域から放出される電子量で決定する。試料に入る電子が出る電子より多ければ、試料は負に帯電し、逆であれば正に帯電する。この帯電量の計算を、ＦＯＶに対して行うことによって、ＦＯＶの帯電を求めることができる。一例を挙げると、（電子ビームの電子量−出射電子量＋戻り電子量）から、試料の帯電量をモニタすると良い。戻り電子は、必ずしもＦＯＶ内に戻ってくるとは限らないので、例えば、戻り電子量に、（ＦＯＶ内に戻る戻り電子／戻り電子の総量）から求められる係数を乗算することで、ＦＯＶ内に戻る電子量を計算するようにしても良い。この係数は実測値であっても、上述の二次電子の軌道シミュレーションから求められるものであっても良い。
【００６５】
二次電子放出効率δは、試料材質と試料に対する電子ビームの到達エネルギー（電子ビームの加速電圧−試料への印加電圧（リターディング電圧））に応じて変化するため、設計データからは、試料の材質情報を取得し、走査条件データ１３からは少なくとも入射電流量と到達エネルギーに関する情報を取得することで、放出される電子量を求めるようにしても良い。また、入射電流量，到達エネルギー、及び試料材質の組み合わせと、出射電子量との関係をデータベース化、或いは関数化しておき、条件の入力に応じて、出射電子量を読み出すようにしても良い。
【００６６】
更に、上述のようにＦＯＶ内に戻る戻り電子量は、パターンの形状や周囲状況等によっても変化するため、これらの情報ごとの重み付け係数を用意し、必要に応じて、帯電量計算に用いるようにしても良い。
【００６７】
また、ＦＯＶ外に到達した電子であっても、ＦＯＶ近傍に到達したものであれば、フォーカスコンディションに影響を与える可能性があるので、上記係数はその状況も考慮した値とすることもできる。ＦＯＶ内に到達した電子量が求まれば、その電子量に応じた帯電量を求めることが可能となる。上記帯電量は必ずしも、電圧値で表現する必要はなく、例えば電圧値とは異なる値（電子量やそれに類する値）にて表現するようにしても良い。このようにして求められた帯電量に関する値を、例えばグローバル帯電量に加算することで、ＦＯＶ部分の帯電量とすることもできる。グローバル帯電は、走査電子顕微鏡の試料室に導入する前でも測定が可能であるため、例えば、試料導入時にグローバル帯電の測定を行い、当該測定結果と、シミュレーションによって求められる帯電量を加算し、当該加算に基づいて、後述するフォーカス調整を行うようにすれば、オートフォーカスに要する時間を短縮することが可能となる。
【実施例１】
【００６８】
上述のように、試料７の表面電位を推定することは、特にフォーカス調整（オートフォーカス）で有効になる。図２を用いて、表面電位を推定した上で、リターディングフォーカスによるオートフォーカスを実行するプロセスを説明する。図２に示すように、オートフォーカス点の試料表面電位を予め推定し、その値に基づいてオートフォーカスを実施する。この手順を適用することで、オートフォーカス時のステージ電位の振り幅を小さくすることができるため、オートフォーカスに要する時間を短縮することができる。
【００６９】
また、オートフォーカスを行う点は、測定点以外であれば良いため、その候補となる場所は試料上に多数存在する。そこで、図３に示すように、各オートフォーカス点候補に対してオートフォーカスを実施した際の、オートフォーカス点ならびに測定点の表面電位を推定し、最も測定点が帯電しない位置をオートフォーカス点として決定する手順を設けても構わない。さらに、図３では最も測定点が帯電しない位置をオートフォーカス点に設定しているが、ＳＥＭ測定の目的は半導体パターンなどの測定対象に対して検査や寸法測定ができるような画像を取得することであるため、所望する分解能の画像が取得できる範囲であれば、帯電量が最小である必要はない。そこで、所望する分解能に応じて帯電量あるいは表面電位に閾値を設定し、この閾値を超えない点をオートフォーカス点として設定しても構わない。
【００７０】
なお、本実施例では、図１に示す試料電位推定装置１０で、一次電子は電子銃１から試料７に至るまでの軌道を計算するとしているが、試料に衝突する位置と速度さえ分かれば良いため、必ずしも電子銃１から軌道を追跡する必要はなく、電子銃１と試料７の途中で一次電子の位置を測定あるいは仮定し、その点から一次電子の軌道を計算しても構わない。さらに言えば、表面電位を推定する精度は落ちるものの、軌道を追跡せずに設計データ１１，装置仕様データ１２，走査条件データ１３から一次電子が試料に衝突する位置と速度を仮定し、その値から試料内散乱に伴う荷電粒子の移動や電子の放出過程を考慮した電位計算を実施しても構わない。
【００７１】
なお、表面帯電に関する値と、リターディング電圧との関連を関数化、或いはデータベース化しておき、上記帯電量の計算、或いはシミュレーションに基づいて、リターディング電圧を導出するようにしても良い。
【実施例２】
【００７２】
実施例１では表面電位の推定値をオートフォーカスに適用したが、測定に適用しても構わない。図４に同一測定点の複数回走査時の手順を示す。より鮮明なＳＥＭ画像を得るために、同一測定点を何度も走査して多フレーム分の画像を取得するが、その際に図４に示すように１フレーム分の画像を取得する毎に測定点の表面電位を推定し、その値が所望する分解能が得られる表面電位の閾値を超えているかどうか確認する。もし超えている場合には、改めてオートフォーカスを実施するという手順にすることで、その測定点に対して高分解能のＳＥＭ画像を取得することができる。さらに、図５に示すように、実際の測定と表面電位の推定を並行して実施することで、更なる測定時間の高速化も可能である。なお、図４および図５で示しているオートフォーカスの実施手順は、従来技術のオートフォーカス手順であっても、実施例１で示したオートフォーカス手順であっても構わない。高分解能の画像よりも測定時間の短縮が望まれる場合には、帯電推定値が閾値を超えた時点で、オートフォーカスを実施するのではなく測定を終了するようにしても構わない。
【実施例３】
【００７３】
表面電位の推定値を測定に適用する他の実施例として、図６に複数の測定点の測定順序を決定する手順を示す。図６に示すように、リストアップされた測定点全てに対して走査した際の表面電位の推定を行い、最も帯電量が少なかった測定点を最初の測定点とする。次に、最初の測定点が終了した初期帯電条件にて、残りの測定点について走査した際の表面電位の推定を行い、最も帯電量が少なかった測定点を次の測定点とする。これを繰り返すことで、帯電の影響を受け難い測定順序を決定することが可能である。また、図６では、それぞれの測定する機会毎に帯電量が最も小さい測定点を選択したが、前述のように、所望する分解能の画像が取得できる範囲であれば帯電量が最小である必要はないため、測定開始から全ての測定点の測定を終了するまでを通して、各測定時における測定点での推定帯電量が最小になるように、あるいは、測定点での推定帯電量が常にある閾値を超えないように測定順序を決定しても構わない。
【実施例４】
【００７４】
上述の試料電位推定装置１０に、試料表面だけではなく試料内部の電位も推定する機能を持たせることによって、試料内部に埋もれている測定対象の検査や寸法測定も可能になる。図８に試料内部に測定対象が埋もれている場合のフォーカス調整について示す。試料内部にある測定対象１６の画像を高分解能で取得する場合には、その測定対象の表面にて一次電子線１７が集束されることが望ましい。しかしながら、試料内部の測定対象１６の電位を直接測ることはできない。そこで、上述の試料電位推定装置１０にて、試料ステージ８の電位と試料内部の測定対象１６の電位との関係を推定し、この関係に基づいて負電圧印加電源９によってフォーカス調整をする。これにより、高分解能での画像取得やオートフォーカス時間の短縮を図ることができる。なお、図８では測定対象が試料内部に埋もれている場合を示したが、測定対象に一次電子線を直接照射することができない構造全般に対して、本実施例と同様のフォーカス調整方法を適用することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１  電子銃
２  加速電極
３  コンデンサレンズ
４  二次電子検出器
５  走査偏向器
６  対物レンズ
７  試料
８  試料ステージ
９  負電圧印加電源
１０  試料電位推定装置
１１  設計データ
１２  装置仕様データ
１３  走査条件データ
１４  電子ビーム
１５  二次電子
１６  試料内部の測定対象
１７  集束した一次電子線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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