(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子源から放出された電子ビームを、試料支持台上に配置された試料上にて走査する走査電子顕微鏡において、
試料に負電圧を印加することによって、前記電子ビームに対する減速電界を形成する負電圧印加電源と、
複数の内部電極間に電位差を与えて試料に対する吸着力を発生する静電チャック機構と、
前記試料支持台上に、試料を配置したときに、前記試料に接触するように構成された接触端子と、
当該接触端子の接続先を、前記負電圧印加電源とアースとの間で切り替えるスイッチとを備え、
前記静電チャック機構は、前記接触端子が前記試料に接した状態であり、且つ前記スイッチの選択によって、前記接触端子の接続先が前記アースとなっている状態で、前記内部電極間に電位差を生じさせ、
当該電位差を生じさせた後に、前記スイッチの切り替えによって、前記接触端子に前記負電圧印加電源より負の電圧を印加することを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１において、
前記接触端子と、前記負電圧印加電源との間に流通する電流を検出する電流計を備えたことを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項３】
請求項２において、
前記静電チャック機構は、前記電流計によって検出される電流量が所定の条件を満たさなかった場合に、前記電位差を大きくするように制御されることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項１において、
前記接触端子は、前記試料に対し、弾性部材によって押圧される構成を備えていることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項１において、
前記試料に接触する接触端子が２つ設けられることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項６】
請求項５において、
前記２つの接触端子の内、１の接触端子と試料間に、所定の電流が流通しない場合に、前記２つの接触端子の内、他の接触端子から、前記試料に対し、前記負電圧印加電源から負電圧を印加されることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項７】
静電チャックにより試料を保持しつつ電子ビームを用いて前記試料表面を計測する走査電子顕微鏡において、
リターディング電圧を印加するリターディング電圧電源と、
複数の内部電極間に電位差を与えて試料に対する吸着力を発生する静電チャック機構と、
前記静電チャックの表面から突出するように弾性部材に保持されたコンタクトピンと、
当該コンタクトピンの接続先を、前記リターディング電圧電源と、アースとの間で切り替えるスイッチとを備え、
前記静電チャック機構は、前記コンタクトピンが前記試料に接した状態であり、且つ前記スイッチの切り替えによって、前記コンタクトピンの接続先が前記アースとなっている状態で、前記複数の内部電極に絶対値の異なる直流電圧を印加し、当該絶対値の異なる直流電圧を印加した後に、且つ前記スイッチの切り替えによって、前記コンタクトピンにリターディング電圧を印加することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項８】
内部に複数の電極を備えた静電チャックにより試料を保持しつつ電子ビームを用いて前記試料表面を計測する走査電子顕微鏡の試料保持方法であって、
前記静電チャックの表面から突出するように弾性部材に保持されたコンタクトピンに前記試料を接触させ、且つ前記コンタクトピンの接続先をアースとするステップと、前記コンタクトピンを前記試料に接触させ、且つ前記コンタクトピンの接続先をアースとした状態で、前記静電チャックの内部電極に絶対値の異なる直流電圧を印加するステップと、当該絶対値の異なる直流電圧を印加した後であり、且つ前記スイッチの切り替えによって、少なくとも前記コンタクトピンに対してはリターディング電圧を印加するステップを有することを特徴とする走査電子顕微鏡の試料保持方法。
【請求項９】
静電チャックにより試料を保持しつつ電子ビームを用いて前記試料表面を計測する走査電子顕微鏡において、リターディング電圧を印加するリターディング電圧電源と、複数の内部電極間に電位差を与えて試料に対する吸着力を発生する静電チャック機構と、前記静電チャックの表面から突出するように弾性部材に保持された少なくとも２つのコンタクトピンと、当該少なくとも２つのコンタクトピンの一方のコンタクトピンの接続先を、前記リターディング電圧電源と、アースとの間に切り替える第１のスイッチと、前記少なくとも２つのコンタクトピンの他方のコンタクトピンをアースに接続するか当該アースから遮断するかを切り替える第２のスイッチとを備え、前記静電チャック機構は、前記少なくとも２つのコンタクトピンが前記試料に接した状態であり、且つ前記第２のスイッチの切り替えによって、前記他方のコンタクトピンの接続先がアースになっている状態で、前記内部電極間に電位差を生じさせ、当該電位差を生じさせた後に、前記第１のスイッチの切り替えによって、前記リターディング電圧電源から前記一方のコンタクトピンに対し、リターディング電圧を印加し、当該一方のコンタクトピンに対するリターディング電圧印加後、前記他方のコンタクトピンを、前記アースから遮断するように、前記第２のスイッチを切り替えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１０】
内部に複数の電極を備えた静電チャックにより試料を保持しつつ電子ビームを用いて前記試料表面を計測する走査電子顕微鏡の試料保持方法であって、
該試料保持方法は前記電子ビームを前記試料に照射する以前に、前記静電チャックの表面から突出するように弾性部材に保持された少なくとも２つのコンタクトピンに前記試料を接触させるステップと、前記少なくとも２つのコンタクトピンの一方に接続され、当該一方のコンタクトピンの接続先を、リターディング電圧電源とアースとの間で切り替える第１のスイッチの切り替えによって、当該一方のコンタクトピンが前記アースに接続された状態であり、且つ前記少なくとも２つのコンタクトピンの他方に接続され、当該他方のコンタクトピンを、アースに接続するか当該アースから遮断するかを切り替える第２のスイッチの切り替えによって、当該他方のコンタクトピンの接続先がアースになっている状態で、前記内部電極間に電位差を生じさせるステップと、当該電位差を生じさせた後に、前記一方のコンタクトピンに対してリターディング電圧を印加するように前記第１のスイッチを切り替えるステップと、前記一方のコンタクトピンに対するリターディング電圧印加後、前記他方のコンタクトピンを、前記アースから遮断するように、前記第２のスイッチを切り替えるステップ有することを特徴とする走査電子顕微鏡の試料保持方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビームを利用して、半導体装置の線幅計測や欠陥検査を行う計測装置ならびに検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスパターンの寸法測定や欠陥検査に電子顕微鏡が応用されている。電子顕微鏡は、細く絞った電子ビームを試料に照射することによって得られる電子を検出することによって、画像の形成，パターンの寸法測定、或いは欠陥検査を行う装置である。一般的に電子ビームの加速エネルギーが高い方が高分解能像を形成することができる反面、高い加速エネルギーの電子ビームは、試料帯電や試料へダメージを及ぼす場合がある。このように相反する課題を解決するための手法として、リターディング技術がある。【０００３】
リターディング技術は、試料に負電圧を印加することによって、試料上に電子ビームに対する減速電界を形成する手法である。即ち、高いエネルギーをもって対物レンズを通過した電子ビームは、試料に到達する直前で減速されることになる。このように試料への到達エネルギーを低下させるリターディング技術によれば、画像の高分解能化と試料へのダメージの抑制の両立を実現することが可能となる。【０００４】
一方、半導体デバイスの中には、表面が酸化膜や窒化膜のような絶縁膜に覆われたものが存在し、適正にリターディング電圧を印加できない場合がある。絶縁膜が覆われた試料の導通をとる技術が、特許文献１及び特許文献２に説明されている。特許文献１には、半導体ウエハに導通ピンを押圧することによって、絶縁層を突き破る手法が説明されている。特許文献２には、試料と接する接地電極から、リーク電流を流すことにより絶縁膜を清浄化することで、接地電極と試料間の接触抵抗を低減する技術が説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２５２２７５号公報
【特許文献２】特開２００６−１３０４９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に開示された電子ビーム近接露光装置によれば、マスクパターンをウエハに転写する際に、導通ピンが邪魔にならない状態でウエハの導通をとるために、ウエハを保持する静電チャックの吸着面から出没可能な先端の鋭利な導通ピンを複数個設ける方法が開示されている。また、導通ピンとウエハの導通を確実にするために、導通ピンの突出方向に付勢する弾性部材と、導通ピンを左右に高速で振動させることが可能な駆動機構を設け、ウエハに付けられた絶縁膜を機械的に突き破り導通をとる方法も開示されている。【０００７】
一方、特許文献２に開示された電子線露光装置のマスクやウエハの接地機構によれば、接地電極とウエハの接触による裏面異物の増加を抑えつつ、確実に接地するために、先端が鋭利ではない接地電極をウエハに接触させ、接地電極に電圧を印加して表面活性化電流をながして絶縁膜を清浄にし（パージし）、接触抵抗を下げる方法が開示されている。また、導通を確実にするため、表面活性化電流の測定と、印加する電圧を交互に測定し、十分な表面活性化電流が流れるまで印加電圧を調節することが開示されている。このとき印加する電圧の極性は、ウエハを保持する静電チャックに印加する電圧とは逆の極性とし、吸着力が低下することを防止することも開示されている。【０００８】
特許文献１と特許文献２に開示された手法によれば、接地電位と、試料を導通することは可能である。しかしながら、リターディング電圧を適正に印加することについて何も説明されていない。【０００９】
以下に、導通を取った試料に対し、適切にリターディング電圧を印加することを目的とする電子顕微鏡を説明する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、電子源から放出された電子ビームを、試料支持台上に配置された試料上にて走査する走査電子顕微鏡において、試料に負電圧を印加することによって、前記電子ビームに対する減速電界を形成する負電圧印加電源と、複数の内部電極間に電位差を与えて試料に対する吸着力を発生する静電チャック機構と、前記試料支持台上に、試料を配置したときに、前記試料に接触するように構成された接触端子とを備え、前記静電チャック機構は、前記接触端子が前記試料に接した状態で、前記内部電極間に電位差を生じさせ、前記負電圧印加電源は、当該電位差を生じさせた後に、前記接触端子に負の電圧を印加することを特徴とする電子顕微鏡を提案する。
【発明の効果】
【００１１】
上記静電チャック機構が持つ複数の電極間に生じる電位差によって、接触端子と試料間の導通が得られるため、当該導通状態にて試料に負電圧を印加することによって、絶縁膜等の存在に依らず、試料に安定して負の電圧を印加することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】静電チャック機構と、リターディング電圧印加回路を備えた試料保持機構の一例を説明する図である（第一実施例）。
【図２】試料との接触端子の一例であるコンタクトピンの概要を説明する図。
【図３】静電チャック機構とリターディング電圧印加回路の等価回路モデルを説明する図。
【図４】静電チャック機構とリターディング電圧印加回路における電圧印加のタイミングを示すタイムチャート（第一実施例）。
【図５】走査電子顕微鏡の概略構成図。
【図６】試料との接触端子の一例であるコンタクトピンの概要を説明する図（第二実施例）。
【図７】試料との接触端子の一例であるコンタクトピンの概要を説明する図（第三実施例）。
【図８】静電チャック機構とリターディング電圧印加回路の等価回路モデルを説明する図（第四実施例）。
【図９】静電チャック機構とリターディング電圧印加回路における電圧印加のタイミングを示すタイムチャート（第四実施例）。
【図１０】静電チャック機構とリターディング電圧印加回路の回路構成図の一例を説明する図（第五実施例）。
【図１１】静電チャック機構とリターディング電圧印加回路における電圧印加のタイミングを示すタイムチャート（第五実施例）。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
例えば、半導体デバイスのゲート寸法の測定には、走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）の一種である測長ＳＥＭ（Critical-Dimension ＳＥＭ、以下ＣＤ−ＳＥＭ）を用い、欠陥検査には欠陥検査ＳＥＭを用いる。また、電位コントラストを利用し、配線用深穴の導通検査にも走査電子顕微鏡が用いられるようになっている。
【００１４】
一例として、ＣＤ−ＳＥＭを例にとり、測定の基本原理を簡単に説明する。基本的には走査型電子顕微鏡と同じである。電子銃から一次電子を放出させ、電圧を印加して加速する。その後、電磁レンズによって電子ビームのビーム径を細く絞る。この電子ビームを半導体ウエハ等の試料上に２次元的に走査する。走査した電子ビームが試料に入射することにより発生する２次電子を検出器で検出する。
【００１５】
この２次電子の強度は、試料表面の形状を反映するので、電子ビームの走査と２次電子の検出を同期させてモニタに表示することで、試料上の微細パターンが画像化できる。ＣＤ−ＳＥＭでは、例えばゲート電極の線幅を測定する場合には、得られた画像の明暗の変化にもとづいてパターンのエッジを判別して寸法を導き出す。以上がＣＤ−ＳＥＭの測定原理である。
【００１６】
走査電子顕微鏡では、電子ビームを用いることで非常に高分解能でパターンや欠陥を分析することが可能であるが、電子ビームを利用することに起因する課題もある。一例として、帯電の問題がある。すなわち、２次電子の発生効率は試料へ入射する１次電子の加速エネルギーに依存し、入射エネルギーが比較的大きい場合には２次電子発生効率は１より小さくなるため、試料の絶縁性が高いと表面が負に帯電する。測定中に試料が帯電していくと、像ひずみやコントラストの変化を引き起こす。また、測定対象となる材料の中には、入射エネルギーが大きな電子ビームの照射により損傷を受けるものも存在し、これもまた問題となる。これらの問題を防止するためには、入射エネルギーはなるべく低めにするほうが有利であり、加速電圧を１ｋＶ以下まで下げた方がよい場合もある（一般的なＳＥＭでは５ｋＶから３０ｋＶ程度の加速電圧を用いる）。
【００１７】
一方、加速電圧を単に低くすると十分に電子ビームの径を絞ることができず、分解能が低下するという問題がある。そこで、高い加速電圧で電子ビームを加速してビーム径を小さく絞り、試料へ入射する直前で減速電圧（リターディング電圧）を印加してビームの入射エネルギーを低減する、いわゆるリターディング法が適用されている。これにより、高分解能での分析と試料の帯電、および損傷防止を両立させている。
【００１８】
ウエハにリターディング電圧を印加する方法としては、ウエハを積載するステージにリターディング電圧を印加することが考えられる。つまり、通常ウエハはステージと接触するために同電位となるので、ステージにリターディング電圧を印加することによりウエハもリターディング電圧となる。
【００１９】
もし、ウエハの裏面異物低減をねらい、ステージとウエハの直接接触を減らす目的でステージとウエハの間に３ないし４本程度の支持ピンを介在させる場合には、この支持ピンを導電性材料としてステージと導電位とし、ステージに印加するリターディング電圧を印加すればよい。
【００２０】
しかし、実際の製造ラインで流れてくるウエハは表面に酸化膜や窒化膜といった絶縁性の薄膜が付けられていることが多い。この場合、単にウエハをステージや支持ピンに積載しただけでは、絶縁膜により電気的に絶縁されてしまうため、ウエハをリターディング電圧に固定することができずに、ウエハ電位が安定しない。
【００２１】
また、近年ではウエハを平坦化することによりフォーカスあわせが容易になる効果を期待して、ステージに静電チャックを用いるようになってきている。静電チャックは、通常はウエハを保持する面は電気絶縁性の高いセラミックスで覆われている。したがって、静電チャック上にウエハを積載しただけでは電子ビームによる帯電が発生し、ウエハ電位を安定化させることができない。
【００２２】
したがって、ウエハの電位を固定するための端子が必要となるが、この場合も前述したようにウエハ表面に付いた絶縁膜の存在が問題となる。さらに、走査電子顕微鏡に静電チャックを用いる場合には、ウエハに入射する電子ビームが残留電荷として残ると、この電荷により残留吸着力が発生する。残留着力は、搬送エラーの原因となりやすいため、静電チャックを用いる場合には特に注意が必要となる。
【００２３】
以下に説明する実施例では、ウエハ等の試料への導通の確保と、当該導通が確保された状態にて、リターディング電圧を印加することが可能な静電チャック機構、或いは当該静電チャック機構を搭載した走査電子顕微鏡について、説明する。
【００２４】
コンタクトピンとウエハ間の導通を確実にとり、コンタクトピンを介してウエハにリターディング電圧を印加しつつ試料を観察可能な走査電子顕微鏡の試料保持方法についても併せて説明する。
【００２５】
以下の実施例では、電子ビームを用いて試料表面を計測等を行う走査電子顕微鏡において、試料の保持を内部に複数の電極を備えた静電チャックで行い、試料に対しては静電チャックの表面から突出するように弾性部材に保持されたコンタクトピンを介してリターディング電圧を印加する構成とし、静電チャックの複数の電極に対して少なくとも電子ビームの照射を開始する以前に絶対値の異なる直流電圧を印加する構成からなる走査電子顕微鏡を主に説明する。
【００２６】
また、他の実施例として試料の保持を内部に複数の電極を備えた静電チャックで行い、静電チャックの表面から突出するように弾性部材に保持されたコンタクトピンを少なくとも複数個設け、試料に対しては複数個のコンタクトピンの少なくとも一方に対して、電子ビームの照射を開始する以前にリターディング電圧を印加する構成からなる走査電子顕微鏡について説明する。
【００２７】
また、更に他の実施例として、内部に複数の電極を備えた静電チャックにより試料を保持しつつ電子ビームを用いて試料表面を計測する際、電子ビームを試料に照射する以前に、静電チャックの表面から突出するように弾性部材に保持されたコンタクトピンに試料が接触するステップと、静電チャックの内部電極に絶対値の異なる直流電圧を印加するステップと、少なくともコンタクトピンに対してはリターディング電圧を印加するステップを有する試料保持方法について説明する。
【００２８】
また、電子ビームを試料に照射する以前に、静電チャックの表面から突出するように弾性部材に保持された複数のコンタクトピンに試料が接触するステップと、コンタクトピンの少なくとも一方に対してリターディング電圧を印加するステップを有する試料保持方法について説明する。
【００２９】
上記実施例によれば、走査電子顕微鏡において、静電チャックでウエハを平坦に保持しつつ、ウエハ電位を確実にリターディング電圧に維持しながらウエハ表面の計測を行うことができ、しかも計測終了後にウエハを静電チャックからスムーズに搬送することができるため、計測中の像ひずみやコントラストの変化がなく、高分解能で試料表面に損傷を与えることがなく、高いスループットで計測することが可能となる。
【００３０】
以下、静電チャック機構と、リターディング法を併用したＳＥＭの具体例を、図面を用いて説明する。
【００３１】
図５に、ＣＤ−ＳＥＭの概略図を示す。電子源１から放出された電子は、高圧電源３により高圧電圧が印加された一次電子加速電極２で加速される。電子ビーム１４は、収束用の電子レンズ４で収束される。電子ビームは絞り５でビーム電流量を調節された後、走査コイル６で２次元的に走査される。電子ビームは試料である半導体ウエハ（以下、単にウエハ）９の直上に配置された電子対物レンズ８で絞られ、ウエハに入射する。一次電子が入射した結果発生する２次電子１５は、２次電子検出器７により検出される。検出される２次電子の量は、試料表面の形状を反映するので、２次電子の情報にもとづき表面の形状を画像化することができる。ここで、筐体１３の内部は高真空に維持されている。ウエハ９は静電チャック１０上に一定の平坦度を確保しながら保持されており、Ｘ−Ｙステージ１６上に固定されている。なお、本図では筐体とその内部構造を横方向から見た断面図で記述したが、Ｘ−Ｙステージと静電チャック、ウエハは動作をイメージしやすいように斜視図で記載している。静電チャックはＸ−ＹステージのＹステージ１１上に積載されており、Ｙ方向に移動可能となっている。また、ＹステージはＸステージ１２上に積載されており、Ｘ方向に移動可能となっている。したがって、ウエハはＸ方向，Ｙ方向いずれも自由に動作可能であり、ウエハ面内の任意の位置を計測可能となっている。また、試料支持台となる静電チャックには３個の貫通穴１８が設けてあり、ウエハを静電チャック上に着脱するための搬送用押し上げピンが上下動作可能である。また、１７はウエハにリターディング電圧を印加するために用いられるコンタクトピンである。当該コンタクトピンは、リターディング電源と絶縁膜等に覆われたウエハ内部との接触端子として機能する。また、図５に例示する走査電子顕微鏡は、図示しない制御装置によって制御され、以下に説明する静電チャック機構やリターディング電圧印加電源も当該制御装置によって制御される。
【００３２】
図２にコンタクトピンの詳細構造を示す。静電チャックに貫通穴が設けてあり、この貫通穴に迎合するように絶縁パイプ１９が詰め込まれている。この絶縁パイプの中には、先端が導電性ダイヤモンドのコンタクトピン１７が挿入されている。このコンタクトピンの静電チャックの下側には、鍔２０が設けてあり、静電チャックにボルト２１で固定されたカバー２２に収められたコイルバネ２３に支持されている。この状態で、コンタクトピン１７の先端が静電チャック表面から突出するように構成されており、ウエハが積載されるとウエハの自重でコンタクトピンが沈み込むようになっている。したがって、ウエハが積載された状態ではコンタクトピンはコイルバネの押し上げ力によりウエハ裏面に押し付けられた状態となっており、これによりウエハ裏面に酸化膜や窒化膜などの絶縁膜がある場合でもコンタクトピンとウエハ間の導通が得られ易くなる。この、ウエハを積載していない状態におけるコンタクトピンの適正な突出量は、コイルバネのバネ定数と、コンタクトピンに与えたい押し付け力から決定される。発明者らの実験によると、アースピンの先端半径が１から１０μｍの場合、後述する電気回路構成では、押し付け力は２０gfから６０gf程度が、導通の再現性ならびに低異物の観点からよいことがわかった。そこで、本実施例では、コイルバネのバネ定数は８０gf／mmとし、コンタクトピンの突出量を０.５mmとしている。つまり、押し付け力は４０gfとなる。例えば８インチ、ならびに１２インチウエハの自重はそれぞれおよそ、５０gf，１２０gfであり、ウエハを載せると自重によりコンタクトピンは押し下げられる。
【００３３】
図１に、静電チャック、およびリターディング電圧の印加回路の模式図を示す。静電チャックのバルク材質は高抵抗アルミナであり、内部に２個の内部電極２５，２６を内蔵している。すなわち、本発明の静電チャックは、いわゆる双極型である。また、静電チャックの表面には、ウエハ裏面への異物付着を防止する目的で、直径が１mm以下で高さが２０μｍ以下のドット上の突起が全投影面積の１０％未満の割合で設けてある。内部電極２５，２６には直流電源２７，２８が接続されている。この直流電源２７，２８はウエハにリターディング電圧を印加するリターディング電源２９に対し、フローティング状に接続されている。また、コンタクトピン１７も直流電源と同様にリターディング電源に対してフローティング状に接続され、先端はウエハ９に接触している。３０はコンタクトピンを流れるリーク電流を測定するための電流計であり、図示しない外部のモニタで監視することができるようになっている。
【００３４】
図３に図１の等価回路モデルを、図４に電圧印加のタイムチャートを示す（第一実施例）。まず、図３中の電気素子を説明する。リターディング用スイッチ３１は、リターディング電源２９とアースを切り替えるためのものである。直流電源用スイッチ３２，３３は、静電チャックの内部電極に直流電源を接続するために用いられる。図３に例示する等価回路には、静電チャックの誘電体膜の静電容量３４，３６、及び当該誘電体膜の抵抗３５，３７が含まれる。また、コンタクトピンとウエハ裏面の接触部の接触抵抗３８が含まれる。リターディング電源用スイッチ３９は、コンタクトピンをアース、もしくはリターディング電源と接続ないしは切り離すために用いられる。
【００３５】
つづいて図４のタイムチャートを説明する。まず、時間Ｔ1に静電チャック上にウエハが積載される。これにより、ウエハはコンタクトピンと接触する。この時点では、図３のリターディング用スイッチ３１はアースに接続されている。また、直流電源用スイッチもオフ、すなわち内部電極２５，２６もアースされている。コンタクトピン用のスイッチは開放された状態であり、ウエハはフローティング電位となっている。
【００３６】
時間Ｔ2において、図３の直流電源用スイッチ３２と３３が同時にオンされ、内部電極２５，２６に直流電圧が印加される。本実施例では、内部電極２５には＋１０２０Ｖ、内部電極２６には−１０００Ｖを印加する。その結果、ウエハ電位は印加した電圧のほぼ中間電位をとり、本実施例では＋１０Ｖの電位となる。
【００３７】
次に時間Ｔ3において、リターディング電源用スイッチ３９を切り替える。上述の操作により、コンタクトピンの先端とウエハのバルクシリコンとの間には１０Ｖの電圧が印加され、その結果リーク電流が流れることによりコンタクトピンとシリコン間の導通が確実になる。また、本実施例ではこのときに回路に流れたリーク電流を電流計３０により測定可能であり、コンタクトピンとウエハの導通状態をモニタすることが可能である。また、モニタの結果導通が不十分であると判定した場合には、内部電極に印加する電圧の差を大きくし、再度コンタクトピン用のスイッチを切り替えることで導通を確実にすることも可能である。
【００３８】
より具体的には、電流量にある閾値を設けておき、電流計３０によって検出される電流量が当該閾値に到達しない、或いは当該閾値以下である場合には、複数の内部電極間の電位差を、例えば所定値分、大きくすることが考えられる。また、それでも電流量が所定条件を満たさない場合には、より大きな電位差を与える処理を繰り返す。このような構成によれば、導通が十分に確保されたことを確認した上で、リターディング電圧を印加することが可能となる。また、電流計３０によって検出される電流量に応じて、電位差を調整することも可能である。
【００３９】
次に、時間Ｔ4にリターディング用スイッチ３１を切り替えることにより、回路全体にフローティング状にリターディング電圧を印加する。
【００４０】
つづいて、Ｔ5に計測を開始（ビーム電流を印加）する。一定時間の計測の後、時間Ｔ6に計測を終了（ビーム電流をオフ）する。ウエハ表面を計測中に入射するビーム電流は、リターディング電源を介してアースに流れるために、ウエハがチャージアップすることを防止することができる。
【００４１】
その後、Ｔ7にリターディング用スイッチをアースに切り替え、Ｔ8に静電チャックの内部電極への電圧印加を終了する。その後、Ｔ9にはリフトピンの上昇動作によりウエハを静電チャックから押し上げて引き離す。この引き剥がしは、ウエハに余分な電荷が残留することがないために残留吸着が発生せず、スムーズに行われる。その後、コンタクトピン用スイッチをアースに切り替え、コンタクトピンをリターディング回路から切り離す。
【００４２】
したがって、本実施例の走査電子顕微鏡では、静電チャックでウエハを平坦に保持しつつ、ウエハ電位を確実にリターディング電圧に維持しながらウエハ表面の計測を行うことができ、しかも計測終了後にウエハを静電チャックからスムーズに搬送することができるため、計測中の像ひずみやコントラストが変化することなく、かつ高分解能で試料表面に損傷を与えずに高いスループットで計測することが可能となる。
【００４３】
以上、本実施例では、コンタクトピンの回路をリターディング回路に接続するかアースするかをコンタクトピンスイッチで切り替えることが可能であったが、必ずしもこのような構成である必要はなく、常時リターディング回路に接続した回路構成とすることも可能である。
【００４４】
さらに、本実施例のタイムチャートでは、内部電極に印加する電圧に２０Ｖの電位差を与え、ビーム照射による計測中においてもこの電圧を維持したが、必ずしもこれに限定される必要はなく、コンタクトピンによる導通が確認できた後、内部電極に印加する電圧の電位差を０とするよう、２個の直流電源の印加電圧の絶対値を同一に調節してもよい。
【００４５】
また、本実施例ではリターディング電圧の印加をスイッチ３１の切り替えで行うように説明したが、必ずしもこれに限定されるわけではなく、リターディング電源を介して常にアースに接続され、リターディング電圧の印加を０Ｖから所望の値まで連続的に調節するやり方であっても同様の効果を実現することができる。
【００４６】
また、本実施例では静電チャックの誘電体膜は高抵抗アルミナで形成し、静電チャックはいわゆるクーロン方式の静電チャックとしているが、必ずしもこれに限定されるわけではなく、誘電体膜の固有抵抗率が１×１０12Ωcm以下程度で数μＡオーダーのリーク電流が流れるいわゆるジョンソンラーベック型の静電チャックであってもよい。また、静電チャックの内部電極は２個のいわゆる双極型の静電チャックとしているが必ずしもこれに限定されるわけではない。例えば、将来半導体ウエハが大型化した場合に、エリア毎に吸着力の大きさを調節する必要があるなどの理由で内部電極をより多く配置する場合にも適用可能である。重要なポイントは、コンタクトピンと試料の導通を確実にするために、静電チャックの内部電極に印加する電圧の絶対値に差を持たせることでウエハとコンタクトピン間に電位差を与える点である。
【００４７】
したがって、本実施例では、印加電圧を＋１０２０Ｖと−１０００Ｖとして逆極性を印加したが、必ずしも逆極性である必要もなく、例えば＋１２００Ｖと＋２００Ｖなどとしても同様の効果が期待できる。
【００４８】
本実施例では、コンタクトピンはコイルバネに単に支持されているだけであったため、単純な構造でコンタクトピンとウエハ間の押し付け力を管理することができる。しかし一方で、コイルバネに対し横方向に拘束する要因がないので、絶縁パイプの径方向に対して比較的容易に移動してしまう。その結果、不必要にコンタクトピンとウエハにすべり摩擦を起こす場合があり、裏面異物が増加する可能性がある。したがって、ごくわずかな裏面異物の増加をも問題にするような場合、横方向の移動を制限することが必要になる。そこで、コンタクトピンの横方向の移動を低減することにより裏面異物の発生を抑えた。
【００４９】
そのコンタクトピンの具体的な構造を図６に示す（第二実施例）。本実施例では静電チャックの背面とコンタクトピンの鍔の間にスペーサ２４をかませ、コイルバネを予め圧縮して予圧を与えた構成としている。この実施例では、コイルバネを０.３mm圧縮した。したがって、コンタクトピンの先端の突出量は第一の実施例では０.５mmであったものが０.２mmと小さくなっている。この構成では、コンタクトピンがスペーサの貫通穴でそもそも横方向に移動できる量が抑えられる上、コイルバネに予圧がかかっているためにウエハとコンタクトピンが接触を開始しピンが沈み込みを開始した時点からある程度の押し付け力が発生するために、コンタクトピンとウエハ裏面のすべり摩擦が低減される。これにより、不用意な裏面異物の増加を防止する効果を期待することができる。
【００５０】
また、本構成ではスペーサの厚みを変更することで、コンタクトピンの突出量とコンタクトピンのウエハへの押し付け力を調節することができる。したがって、突出量を小さく設定しておくことにより、ウエハ自重よりも大きな押し付け力を与える必要がある場合に、ウエハを載置しただけではウエハが静電チャック表面から浮き上がるような状態においても、静電チャックの吸引力によりウエハを確実にチャックし、コンタクトピンのウエハへの押し付け力を大きくとることができる。このようにすることで、いかなる厚みの絶縁膜が付いたウエハであろうと、確実に導通を確保することができる。
【００５１】
図７に、コンタクトピンの他の構成例を示す（第三実施例）。本実施例では、図６の構成のカバー２２の貫通穴部をメネジに変更したカバー４０に変更し、このカバー４０のメネジに対し、中心に貫通穴を有しカバー４０のメネジに迎合するネジ構造を有する圧縮部材４１を取り付けた構成としている。この例では、圧縮部材のねじ込み量を調節することで、コイルバネに与える圧縮量、すなわちコンタクトピンの押し付け力を容易に調節することが可能となる。したがって、この構成であれば、ウエハ裏面の絶縁膜の厚みに応じてコンタクトピンの押し付け力を調節することが可能となり、ウエハに応じて押し付け荷重を調節することができるので、不必要に大きな押し付け荷重で押し付けることにより裏面異物を増やすことなく、確実に導通をとることが可能となる。
【００５２】
本発明の第二および第三の実施例では、アースピンを支持するコイルバネに予圧を与えることが可能であるが、装置の外部から予圧を調節することができないため、ウエハ毎に押し付け荷重を調節することができない。その結果、裏面絶縁膜が厚いウエハの計測で困難であったり、裏面絶縁膜に対して不必要に過大な押し付け荷重を与えるような情況が発生する可能性がある。このような状況を回避する方法としては、コイルバネの押し付け力を制御する手段を付与することが考えられる。
【００５３】
具体的には、モータ等の駆動機構を追加して、例えば第三の実施例の圧縮部材を回転させて圧縮部材をカバーのメネジに沿って変位させる方法がある。また、第三の実施例のカバーに設けた圧縮部材の代わりに、モータ等の駆動機構によりシャフトをコイルバネを伸縮可能な状態で駆動させることも可能である。また、コイルバネの上下方向の変位を、例えばピエゾ素子とこのピエゾ素子の変位を拡大する機構を組み合わせて駆動することも可能である。
【００５４】
このような構成で、アースピンとウエハ間に流れる電流をモニタし、このモニタした結果にもとづいてコイルバネの圧縮量を制御してやることにより、ウエハに応じて適正な押し付け荷重で導通を確保することが可能となる。
【００５５】
以上の実施例ではアースピンはコイルバネにより支持していたが、必ずしもこれだけに限定されるわけではなく、弾性的に支持可能なものであれば同様の効果を期待することができる。
【００５６】
図８に、静電チャック機構とリターディング法を併用した他の構成例を示す（第四実施例）。本実施例は第一の実施例とは異なり、内部電極２５，２６には直流電源２７，２８のみを接続し、リターディング電源を接続していない。一方、コンタクトピン１７に対しては、電流計３０を介してリターディング電源４２を接続している。電流計の出力は、図示しない外部のモニタで監視することができるようになっている。
【００５７】
図９に電圧印加のタイムチャートを示す。まず、時間Ｔ1に静電チャック上にウエハが積載される。これにより、ウエハはコンタクトピンと接触する。この時点ではリターディング電源のスイッチはオフされ、リターディング電圧も印加されておらず、またアースにも接続されていない。また、直流電源用のスイッチはアースに接続され、内部電極２５，２６はアースされている。
【００５８】
時間Ｔ2において、直流電源のスイッチが切り替えられ、２７と２８が同時にオンされ、内部電極２５，２６に直流電圧が印加される。本実施例では、内部電極２５には＋１０２０Ｖ、内部電極２６には−１０００Ｖを印加した。その結果、ウエハ電位は印加した電圧のほぼ中間電位をとり、本実施例では＋１０Ｖの電位となる。
【００５９】
次に時間Ｔ3において、リターディング電源用スイッチ３９をアースに切り替える。その結果、コンタクトピンの先端とウエハのバルクシリコンとの間には１０Ｖの電圧が印加され、リーク電流が流れることによりコンタクトピンとシリコン間の導通が確実になる。また、本実施例ではこのときに回路に流れたリーク電流を電流計３０により測定可能であり、コンタクトピンとウエハの導通状態をモニタすることが可能である。また、モニタの結果導通が不十分であると判定した場合には、内部電極に印加する電圧の差を大きくし、再度コンタクトピン用のスイッチを切り替えることで導通を確実にすることも可能である。
【００６０】
次に、時間Ｔ4にリターディング電源のスイッチを切り替えることにより、ウエハにリターディング電圧を印加する。つづいて、Ｔ5に計測を開始（ビーム電流を印加）する。一定時間の計測の後、時間Ｔ6に計測を終了（ビーム電流をオフ）する。この、ウエハ表面を計測中に入射するビーム電流は、リターディング電源を介してアースに流れるために、ウエハがチャージアップすることを防止することができる。
【００６１】
その後、Ｔ7にリターディング電源のスイッチをアースに切り替え、Ｔ8に静電チャックの内部電極への電圧印加を終了する。その後、Ｔ9にはリフトピンの上昇動作によりウエハを静電チャックから押し上げて引き離す。この引き剥がしは、ウエハに余分な電荷が残留することがないために残留吸着が発生せず、スムーズに行われる。その後、Ｔ10にリターディング電源のスイッチをオフし、コンタクトピンをリターディング回路から切り離す。
【００６２】
したがって、本実施例の走査電子顕微鏡では、静電チャックでウエハを平坦に保持しつつ、ウエハ電位を確実にリターディング電圧に維持しながらウエハ表面の計測を行うことができ、しかも計測終了後にウエハを静電チャックからスムーズに搬送することができるため、計測中の像ひずみやコントラストの変化がなく、高分解能で試料表面に損傷を与えることがなく、高いスループットで計測することが可能となる。
【００６３】
本実施例では、時間Ｔ2で印加した静電チャックの電圧は、Ｔ3にリターディング電圧を印加した後も特に調節することはしていなかったが、リターディング電圧の値に応じて調節することも可能である。具体的には、例えば、リターディング電圧としてウエハに−１０００Ｖを印加したような場合、−１０００Ｖの電圧を印加した内部電極上では吸着力を発生しないことになってしまう。そこで、例えば＋１０２０Ｖの電圧を印加した側の電圧を０Ｖに、−１０００Ｖ印加した側の電圧を−２０００Ｖに変更すれば、リターディング電圧を印加中にも静電チャックとしての印加電圧は±１０００Ｖとなるため、吸着力がバランスよく維持することが可能となる。
【００６４】
図１０に、静電チャック機構とリターディング法を併用した更に他の構成例を示す（第五実施例）。本実施例は第四の実施例に、第二のコンタクトピンを追加した構成としている。
【００６５】
スイッチ４５は、第二のコンタクトピン４３をアースに接続するかアースするかを切り替えるスイッチである。第一から第四の実施例では、内部電極に印加する電圧の電位差を利用してウエハに電圧を与えるので、例えば＋１０００Ｖと０Ｖを印加した場合でも、アースピンとウエハに印加できる電圧は５００Ｖにとどまる。一方、本方式ではリターディング電源の電圧を利用して導通を確保することが可能となるので、より大きな電位差を与えることができ、より確実に導通を確保することが可能となる。また、静電チャックの電源を利用せずに導通を確保することが可能であるので、静電チャックや電源が故障した場合にも導通を確保することができ、静電チャックを動作させなくとも装置を稼動させることが可能となる。
【００６６】
図１１に電圧印加のタイムチャートを示す。まず、時間Ｔ1に静電チャック上にウエハが積載される。これにより、ウエハはコンタクトピンと接触する。この時点ではリターディング電源用スイッチ３９はアースに接続されている。また、直流電源用スイッチ３２，３３はアースに接続され、内部電極２５，２６もアースされている。一方、第二のコンタクトピン４３のスイッチ４５はオンされ、アースに接続されている。
【００６７】
時間Ｔ2において、直流電源用スイッチ３２，３３が切り替えられ、直流電源２７，２８が同時にオンされ、内部電極２５，２６に直流電圧が印加される。本実施例では、内部電極２５には＋１０２０Ｖ、内部電極２６には−１０００Ｖを印加した。その結果、ウエハ電位は印加した電圧のほぼ中間電位をとり、本実施例では＋１０Ｖの電位となる。この時点でコンタクトピンおよび第二のコンタクトピン４３ではウエハとの導通が確保されることも多く、その場合ウエハ電位は０Ｖとなる。
【００６８】
しかし、本実施例を適用するような絶縁膜の厚みが厚いウエハでは導通を確保できない場合もあり、以下はそのような場合を想定している。
【００６９】
次に時間Ｔ3において、リターディング電源用スイッチ３９をオンする。これにより、コンタクトピンから第二のコンタクトピンを介してアースまで、リターディング電圧が印加される。本実施例では１００Ｖを印加する。この１００Ｖの電圧は、一般的にリターディング電圧として採用される電圧より低いものである。
【００７０】
その結果リーク電流が流れることによりコンタクトピンとシリコン間の導通が確実になる。また、本実施例ではこのときに回路に流れたリーク電流を電流計３０により測定可能であり、コンタクトピンとウエハの導通状態をモニタすることが可能である。また、モニタの結果導通が不十分であると判定した場合には、リターディング電圧を大きくし、再度コンタクトピン用のスイッチを切り替えることで導通を確実にすることも可能である。
【００７１】
次に、時間Ｔ4に第二のコンタクトピンのスイッチをオフして、アースから切り離し、リターディング電圧をビーム計測に必要な値にセットする。
【００７２】
つづいて、Ｔ5に計測を開始（ビーム電流を印加）する。一定時間の計測の後、時間Ｔ6に計測を終了（ビーム電流をオフ）する。この、ウエハ表面を計測中に入射するビーム電流は、リターディング電源を介してアースに流れるために、ウエハがチャージアップすることを防止することができる。
【００７３】
その後、Ｔ7にリターディング電源のスイッチと第二のコンタクトピンのスイッチをアースに切り替え、Ｔ8に静電チャックの内部電極への電圧印加を終了する。その後、Ｔ9にはリフトピンの上昇動作によりウエハを静電チャックから押し上げて引き離す。この引き剥がしは、ウエハに余分な電荷が残留することがないために残留吸着が発生せず、スムーズに行われる。その後、リターディング電源のスイッチをオフし、コンタクトピンをリターディング回路から切り離す。
【００７４】
したがって、本実施例の走査電子顕微鏡では、静電チャックでウエハを平坦に保持しつつ、ウエハ電位を確実にリターディング電圧に維持しながらウエハ表面の計測を行うことができ、しかも計測終了後にウエハを静電チャックからスムーズに搬送することができるため、計測中の像ひずみやコントラストの変化がなく、高分解能で試料表面に損傷を与えることがなく、高いスループットで計測することが可能となる。
【００７５】
本実施例では、静電チャックに印加する電圧を１０２０Ｖと−１０００Ｖと電位差を与えたが、本実施例の特徴を最大限活かすならば極性が逆で絶対値の同じ電圧を印加し、ウエハ電位を０Ｖとなるようにしてもよい。また、本実施例ではコンタクトピンに対し、第二のコンタクトピンを付与したが、必ずしもこれだけに限定されることはなく、さらにコンタクトピンを追加することも可能である。その場合、導通をより確実にとることが可能であるが、不用意に接触部をふやすと裏面異物の増加を引き起こす。したがって、コンタクトピンの数はウエハの導通のとり易さや裏面異物の観点を考慮して任意に決定されるべきものである。更に、本実施例は静電チャックに対し電圧を印加する電源は一端をアースした構成としているが、必ずしもこれに限定されるわけではなく、第一の実施例と同様にリターディング電源に対しフローティング状に接続することも可能である。
【符号の説明】
【００７６】
１  電子源
２  一次電子加速電極
３  高圧電源
４  電子レンズ
５  絞り
６  走査コイル
７  ２次電子検出器
８  電子対物レンズ
９  ウエハ
１０  静電チャック
１１  Ｙステージ
１２  Ｘステージ
１３  筐体
１４  電子ビーム
１５  ２次電子
１６  Ｘ−Ｙステージ
１７  コンタクトピン
１８  貫通穴
１９  絶縁パイプ
２０  鍔
２１  ボルト
２２  カバー
２３  コイルバネ
２４  スペーサ
２５，２６  内部電極
２７，２８  直流電源
２９，４２  リターディング電源
３０  電流計
３１  リターディング用スイッチ
３２，３３  直流電源用スイッチ
３４，３６  誘電体膜静電容量
３５，３７  誘電体膜抵抗
３８  接触抵抗
３９  リターディング電源用スイッチ
４０  カバー
４１  圧縮部材
４３  第二のコンタクトピン
４４  導通用電源
４５  スイッチ
【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】
0005417428.tif 000009
【図９】
0005417428.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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