(57)【要約】【課題】走査型電子顕微鏡において、一次電子線や二次電子の偏向量が少なくなる最適な走査方法を決定して安定した画像を取得できるようにするものである。【解決手段】エネルギーフィルタを用いてエネルギーを弁別し、得られる電子収量の変化から試料電位の変動を測定し、電子線照射時に形成される帯電の時定数を抽出する。抽出した時定数を基に走査方法を最適化し、ＳＥＭ像に現れる歪みや倍率変動を抑制する。【選択図】図１
2008123716.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に一次電子線を照射し、試料の像を取得する走査型電子顕微鏡であって、
前記試料より放出された電子のうち、所定値以上のエネルギーを持つ電子を取り出すためのエネルギーフィルタと、
前記エネルギーフィルタによって取り出された電子の信号強度と電子線照射時間との関係を示す時間変化曲線の時定数を抽出する時定数抽出手段と、
前記抽出した時定数に基づいて前記試料を前記電子線で走査する走査順序を決定する走査順序決定手段と、を備え、
前記決定された走査順序で試料を走査して観察することを特徴とする走査型電子顕微鏡。
【請求項２】
前記走査順序決定手段は、前記抽出された時定数と１ラインの走査時間及び走査間隔で規定される走査条件を基に、時間−距離の空間上に走査点を配置し、各走査点の距離が最大となるように走査順序を決定することを特徴とする請求項１に記載の走査型電子顕微鏡。
【請求項３】
前記走査順序決定手段は、前記走査点の配置が三角形、四角形、或いは六角形となるように前記走査順序を決定することを特徴とする請求項２に記載の走査型電子顕微鏡。
【請求項４】
前記走査順序決定手段は、電子線照射に起因する電位変動の時定数の基準となる時定数に対する比較結果に応じて、前記時間−距離の空間上に配置した走査点の縦横比を変更することを特徴とする請求項２に記載の走査型電子顕微鏡。
【請求項５】
前記時定数抽出手段は、前記エネルギーフィルタのフィルタ電位を固定し、前記試料に一次電子線を照射したときの輝度の時間変化から電位変動の時定数を抽出することを特徴とする請求項１に記載の走査型電子顕微鏡。
【請求項６】
前記時定数抽出手段は、前記一次電子線の照射位置を移動させながら前記試料上の複数位置に前記一次電子線を照射するように電子線照射手段を制御し、複数位置で得られた輝度の時間変化平均値を前記時間変化曲線とし、電位変動の時定数を抽出することを特徴とする請求項５に記載の走査型電子顕微鏡。
【請求項７】
試料に一次電子線を照射し、試料の像を取得する走査型電子顕微鏡における前記試料の走査順序決定方法であって、
前記試料より放出された電子のうち、所定値以上のエネルギーを持つ電子を取り出すためのエネルギーフィルタによって取り出された電子の信号強度と電子線照射時間との関係を示す時間変化曲線の時定数を、時定数抽出手段が抽出する時定数抽出工程と、
前記抽出した時定数に基づいて前記試料を前記電子線で走査する走査順序を、走査順序決定手段が決定する走査順序決定工程と、
を備えることを特徴とする走査順序決定方法。
【請求項８】
前記走査順序決定工程では、前記走査順序決定手段が、前記抽出された時定数と１ラインの走査時間及び走査間隔で規定される走査条件を基に、時間−距離の空間上に走査点を配置し、各走査点の距離が最大となるように走査順序を決定することを特徴とする請求項７に記載の走査順序決定方法。
【請求項９】
前記走査順序決定工程では、前記走査順序決定手段が、前記走査点の配置が三角形、四角形、或いは六角形となるように前記走査順序を決定することを特徴とする請求項８に記載の走査順序決定方法。
【請求項１０】
前記走査順序決定工程では、前記走査順序決定手段が、電子線照射に起因する電位変動の時定数の基準となる時定数に対する比較結果に応じて、前記時間−距離の空間上に配置した走査点の縦横比を変更することを特徴とする請求項８に記載の走査順序決定方法。
【請求項１１】
前記時定数抽出工程では、前記時定数抽出手段が、前記エネルギーフィルタのフィルタ電位を固定し、前記試料に一次電子線を照射したときの輝度の時間変化から電位変動の時定数を抽出することを特徴とする請求項７に記載の走査順序決定方法。
【請求項１２】
前記時定数抽出工程では、前記時定数抽出手段が、前記一次電子線の照射位置を移動させながら前記試料上の複数位置に前記一次電子線を照射するように電子線照射手段を制御し、複数位置で得られた輝度の時間変化平均値を前記時間変化曲線とし、電位変動の時定数を抽出することを特徴とする請求項１１に記載の走査順序決定方法。
【請求項１３】
試料に一次電子線を照射し、試料の像を取得する走査型電子顕微鏡であって、
前記試料より放出された電子のうち、所定値以上のエネルギーを持つ電子を取り出すためのエネルギーフィルタと、
予め観察する試料毎に、前記エネルギーフィルタによって取り出された電子の信号強度と電子線照射時間との関係を示す時間変化曲線の時定数を記録する時定数記録手段と、
指示入力に応じて観察すべき試料を指定する試料指定手段と、
前記試料指定手段によって指定された試料に対応する前記時定数を前記時定数記録手段から取得し、この時定数に基づいて前記観察すべき試料を前記電子線で走査するときの走査順序を決定する走査順序決定手段と、を備え、
前記決定された走査順序で試料を走査して観察することを特徴とする走査型電子顕微鏡。
【請求項１４】
試料に一次電子線を照射し、試料の像を取得する走査型電子顕微鏡であって、
予め観察すべき試料毎に、試料を前記電子線で走査するときの走査順序を記録する走査順序記憶手段と、
指示入力に応じて観察すべき試料を指定する試料指定手段と、
指定された試料に対応する走査順序を前記走査順序記憶手段から取得し、その走査順序に基づいて前記試料を前記一次電子線で走査する走査手段と、を備え、
前記走査順序は、それぞれの試料に対して、
前記試料より放出された電子のうち、所定値以上のエネルギーを持つ電子を取り出すためのエネルギーフィルタによって取り出された電子の信号強度と電子線照射時間との関係を示す時間変化曲線の時定数が抽出され、前記抽出した時定数に基づいて決定されることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子線を用いて試料を観察する電子顕微鏡であって、電子線照射によって試料から発生する電子を検出し、試料の形状や組成を測定もしくは検査するための走査電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＵＬＳＩ（Ultra-Large Scale Integration）素子の微細化や高集積化が急速に進められ、加工寸法が数十ｎｍのデバイス加工が行われつつある。また高速化のために低誘電率膜やメタルゲート膜の採用、対エッチング耐性を高めるための３層レジストなど、多種類の新材料を用いた多層化が進行している。そのために、ＵＬＳＩ加工時の寸法精度（ＣＤ）管理に対する要請が厳しくなっている。
【０００３】
レジストや絶縁膜、Ｌｏｗ−ｋ材等の絶縁体は半導体加工工程で多く用いられているが、この絶縁体（試料）表面は、電子線照射により帯電する。帯電すると試料表面から脱出しようとする二次電子の量を変えたり、また一次電子線の軌道を曲げたりするため、走査電子顕微鏡の画像を歪ませることになる。その結果として、真の加工寸法や形状を測定することが困難になっている。例えばＡｒＦレジストでは、エッチング工程でラインエッジラフネス（ＬＥＲ）が発生したのか、また電子顕微鏡での帯電による寸法の誤測定なのかの判定ができなくなる。また高アスペクトのコンタクトホール観察では、コンタクトホールの形状が歪んで観測されたり、ホールの上部径と下部径の識別が困難となったりする問題が発生する。帯電は電子の移動・拡散による空間的変化に加え、ホール・電子再結合などによる減衰など、空間的／時間的に変化する。また、観察条件（試料表面に入射する電子のエネルギー、倍率、電流量、走査方法）によって“正に帯電”したり、“負に帯電”したりする。そのため、帯電を制御することが重要になっている。
【０００４】
従来から、帯電制御として以下の方法が考えられている。例えば、特許文献１には、観察時の倍率とは異なる低倍率で予め一次電子を照射して（プリドーズ）、観察領域より広い範囲に電子を照射させて積極的に帯電させ、これより観察領域での帯電を一様化することで、安定な画像を取得することが記載されている。また、特許文献２では、観察時の一次電子線のエネルギーと異なるエネルギーの電子線を予め照射することにより、正や負の帯電を相殺させたり緩和させたりし、帯電の影響を受けにくくしている。さらに、同様の技術を開示する特許文献３によれば、観察領域及びそれより広い領域は、複数回のフレームサイクルの間に正の電荷でフラッド（照射）されることにより、走査領域と周囲領域の間の電圧差を減少させ、その後、観察領域を個別に走査することにより、観察領域の画像を明るくして観察する。また、特許文献４には、概略円形である孔を走査する際に、表面電荷の影響を減少させる走査技術が開示されている。さらに、低倍率において孔の中心位置を特定し、高倍率において電子ビームを孔の中心から放射状に外側に向かう方向に、孔の縁を越える点まで走査することを繰り返す方法もある。これらの技術によって、帯電の影響を抑制し、正確な画像の安定取得を図っている。
【０００５】
また、帯電電位の計測方法として、特許文献５には、複数画像の輝度変化から輝度の時定数を求め、これらの時定数を電位情報として出力する技術について開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−１５１９２７号公報
【特許文献２】特開２０００−２００５７号公報
【特許文献３】特表２００１−５０８５９２号公報
【特許文献４】特許３２３８７０５号公報
【特許文献５】特開昭６２−５２８４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般的に、絶縁体試料表面の帯電量と分布は、以下の要因に大きく依存することが知られている。
【０００８】
ａ）一次電子のエネルギー、電流密度、観察倍率及び試料の二次電子／後方散乱電子イールドに依存する変化。
ｂ）電子の移動や拡散、電子−ホール再結合による消滅等に依存する時間的変化。
ｃ）走査方法に依存する変化。
【０００９】
特許文献１は上述のように、プリドーズによって観察領域よりも広い領域に帯電させて、観察領域での電位を一様と見なせるようにし、画像の安定化を図るものである。しかしながら、この場合、帯電の影響を一様と見なせるようにしても、上記ｂ）の帯電の時間変化やｃ）の帯電が次の走査時の電子軌道が偏向することが考慮されていないので、走査の間隔や走査回数によって画像が変化したり歪むなどの問題点がある。
【００１０】
また、特許文献２は、観察時の一次電子線のエネルギーと異なるエネルギーの電子線を予め照射することにより、正や負の帯電を緩和させるものである。この場合、例えば予備照射で正に帯電させて観察時に負に帯電させるエネルギーで電子を照射すると、観察領域の帯電は緩和されるが、経過時間と共に帯電量や分布が変化すること、走査する場所とされていない場所とでも分布が変化する。すなわちｂ）及びｃ）の現象を考慮していないため、走査で得られた画像が‘真の’画像である保証がないことや、時間や回数によって変化するという問題がある。さらに、特許文献３についても、同様の問題がある。
【００１１】
特許文献４は、円形の孔の中心から外側に向かって電子線を走査する方法であるが、孔の底に電荷が蓄積されて、次の走査時に中心に照射された電子線は偏向されることになる。これは走査に要する時間や走査回数によっても変化するので、真の画像の安定取得が困難となる。
【００１２】
また、特許文献５は、複数の画像の輝度変化から電位分布を表示する方法であるが、この時の輝度変化の主要因は、低いエネルギーの放出電子が、帯電の影響で試料に引き戻されたり、軌道が偏向されて検出不能になるためである。このため、出力される電位情報は、放出電子のエネルギー分布や帯電領域の広さに大きく依存する事となり、正確な帯電電位の変化の計測は困難である。
【００１３】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、走査型電子顕微鏡において、一次電子線や二次電子の偏向量が少なくなる最適な走査方法を決定して安定した画像を取得できるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明は、試料の帯電状態を測定し、その測定結果を用いて、帯電の影響を低減する電子線の走査順序を決定する方法を提供する。
【００１５】
一般に、二次電子／後方散乱電子のイールドは、ＵＬＳＩに使われる材料毎に電子の加速エネルギーによって異なり、また電子線の電流密度や観察倍率によっても帯電の分布や電位が異なる。そのため、材料毎にまた時間によって変動する帯電をモニターする必要がある。そこで、本発明では、エネルギーフィルタを用いて、放出電子のエネルギーを弁別し、特定のエネルギーを持つ電子（特に高エネルギーで試料より放出された電子）の挙動に着目している。
【００１６】
即ち本発明は、試料に一次電子線を照射し、試料の像を取得する走査型電子顕微鏡であって、試料より放出された電子のうち、所定値以上のエネルギーを持つ電子を取り出すためのエネルギーフィルタと、エネルギーフィルタによって取り出された電子の信号強度と電子線照射時間との関係を示す時間変化曲線の時定数を抽出する時定数抽出手段と、抽出した時定数に基づいて試料を電子線で走査する走査順序を決定する走査順序決定手段と、を備え、決定された走査順序で試料を走査して観察することを特徴とする。
【００１７】
ここで、走査順序決定手段は、抽出された時定数と１ラインの走査時間及び走査間隔で規定される走査条件を基に、時間−距離の空間上に走査点を配置し、各走査点の距離が最大となるように走査順序を決定するようにしてもよい。そして、走査点の配置は、三角形、四角形、或いは六角形となるように走査順序が決定される。また、走査順序決定手段は、電子線照射に起因する電位変動の時定数の基準となる時定数に対する比較結果に応じて、時間−距離の空間上に配置した走査点の縦横比を変更するようにしてもよい。
時定数抽出手段は、エネルギーフィルタのフィルタ電位を固定し、試料に一次電子線を照射したときの輝度の時間変化から電位変動の時定数を抽出するようにする。そして、時定数抽出手段は、一次電子線の照射位置を移動させながら試料上の複数位置に一次電子線を照射するように電子線照射手段を制御し、複数位置で得られた輝度の時間変化平均値を時間変化曲線とし、電位変動の時定数を抽出する。
【００１８】
本発明による走査順序決定方法は、試料に一次電子線を照射し、試料の像を取得する走査型電子顕微鏡における前記試料の走査順序決定方法であって、試料より放出された電子のうち、所定値以上のエネルギーを持つ電子を取り出すためのエネルギーフィルタによって取り出された電子の信号強度と電子線照射時間との関係を示す時間変化曲線の時定数を抽出する時定数抽出工程と、抽出した時定数に基づいて前記試料を前記電子線で走査する走査順序を決定する走査順序決定工程と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明による別の形態の走査型電子顕微鏡は、試料に一次電子線を照射し、試料の像を取得する走査型電子顕微鏡であって、試料より放出された電子のうち、所定値以上のエネルギーを持つ電子を取り出すためのエネルギーフィルタと、予め観察する試料毎に、前記エネルギーフィルタによって取り出された電子の信号強度と電子線照射時間との関係を示す時間変化曲線の時定数を記録する時定数記録手段と、指示入力に応じて観察すべき試料を指定する試料指定手段と、指定された試料に対応する時定数を時定数記録手段から取得し、この時定数に基づいて観察すべき試料を電子線で走査するときの走査順序を決定する走査順序決定手段と、を備え、決定された走査順序で試料を走査して観察することを特徴とする。
【００２０】
本発明によるさらに別の形態の走査型電子顕微鏡は、試料に一次電子線を照射し、試料の像を取得する走査型電子顕微鏡であって、予め観察すべき試料毎に、試料を電子線で走査するときの走査順序を記録する走査順序記憶手段と、指示入力に応じて観察すべき試料を指定する試料指定手段と、指定された試料に対応する走査順序を走査順序記憶手段から取得し、その走査順序に基づいて試料を前記一次電子線で走査する走査手段と、を備え、走査順序は、それぞれの試料に対して、試料より放出された電子のうち、所定値以上のエネルギーを持つ電子を取り出すためのエネルギーフィルタによって取り出された電子の信号強度と電子線照射時間との関係を示す時間変化曲線の時定数が抽出され、抽出した時定数に基づいて決定されることを特徴とする。
【００２１】
さらなる本発明の特徴は、以下本発明を実施するための最良の形態および添付図面によって明らかになるものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、最適な（電子線照射によって発生する帯電の影響を最も受けにくい）走査順序を決定でき、その走査順序によって試料を走査すれば、精度の良い安定した画像を取得することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明による実施形態について添付図面を用いて詳細に説明する。なお、本発明による実施形態は本発明を実現する上での一例に過ぎず、本発明はこれによって限定されるものではない。
【００２４】
＜装置構成＞
図１は、本発明の実施形態で用いるＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）の概略構成を示す図である。電界放出陰極１１と引出電極１２との間に引出電圧１３を印加することで、一次電子ビーム１を生成する。一次電子ビーム１はコンデンサレンズ１４、上走査偏向器２１、下走査偏向器２２で走査偏向を受ける。上走査偏向器２１、下走査偏向器２２の偏向強度は、対物レンズ１７のレンズ中心を支点として試料２３上を二次元走査するように調整されている。偏向を受けた一次電子ビーム１は、対物レンズ１７の通路に設けられた加速円筒１８でさらに後段加速電圧１９の加速をうける。後段加速された一次電子ビーム１は、対物レンズ１７のレンズ作用で試料２３上に細く絞られる。
【００２５】
一次電子ビーム１が試料２３を照射すると二次信号２乃至３が発生する。ここで考慮する二次信号はエネルギーの低い二次電子２とエネルギーの高い二次電子３である。対物レンズ１７と試料２３間に作られている電界は、発生した二次信号に対しては加速電界として作用するため、対物レンズ１７の通路内に吸引され、対物レンズ１７の磁界でレンズ作用を受けながら上昇する。対物レンズ１７内を通過した二次信号２乃至３は走査偏向器２２、２１を通過し、エネルギーフィルタ３０に入射し、エネルギーの低い二次電子２はエネルギーフィルタ３０を通過できず、エネルギーの高い二次電子３はエネルギーフィルタ３０を通過する。一次電子ビーム１を試料２３に照射し続けると、試料２３が帯電し、試料電位Ｖｓが変動する。ここで試料電位Ｖｓは電子線照射によって形成される帯電電位ΔＶｓと試料ホルダ２４に印加されるリターディング電位２５の和である。帯電により試料電位Ｖｓ（＝Ｖｒ＋ΔＶｓ）が増加すると、エネルギーフィルタ３０を通過できる二次電子の数が減少するため、検出器７で検出される信号電子４は減少する。
【００２６】
そして、時定数抽出から走査順序を決定するまでの構成図である図２に示されるように、検出器７の出力は入力Ｄ１として時定数抽出装置１１０に供給される。時定数抽出装置１１０は、入力データＤ１から帯電の時定数としてτ１とτ２（図７参照）の２つを抽出する。抽出された時定数τ１若しくはτ２は時定数記録装置１２０に保存され、保存した時定数と走査条件Ｄ２（走査間隔Δｌ、走査回数ｎ）を用いて走査順序決定装置１３０で走査順序を決定する。そして、決定された走査順序で試料に対して電子線を走査してその試料を観察する。
【００２７】
＜処理シーケンス＞
図３は、本実施形態によるＳＥＭの処理シーケンスを説明するためのフローチャートである。
【００２８】
ステップＳ１００では同種のサンプル或いは同じウェハで以前に時定数が測定されてそれらが時定数記録装置１２０に格納されているか否かが判断され、時定数測定の要否が決定される。時定数を計測する場合はステップＳ１０１で時定数の測定箇所に電子線を移動する。時定数の計測箇所は、試料の平坦部若しくは観察部、観察部と等価なパターン部が望ましい。
【００２９】
続いてステップＳ１０２において、エネルギーフィルタ３０に印加する阻止電位が決定され、フィルタ電位が設定される。このフィルタ電位は、試料上の局所的な帯電分布によって影響を受けない高エネルギーの二次電子を取り込むための電位である。そして、ステップＳ１０３及びＳ１０４で一次電子ビーム１を試料２３に照射して二次信号４と時間の関係（入力Ｄ１：図７参照）を取得する。
【００３０】
ステップＳ１０５では、ステップＳ１０４で取得した入力Ｄ１を時定数抽出装置１１０に入力し、観察試料の時定数τを抽出する。抽出処理の詳細については後述する。
ステップＳ１０６では、抽出した時定数τを時定数記録装置１２０に保存する。
【００３１】
ステップＳ１０７では、抽出した時定数と走査条件（入力Ｄ２）を元に最適な走査順序を決定する。走査順序の決定方法の詳細については後述する。なお、ここで走査条件とは、走査間隔Δｌと走査回数ｎ、１ｌｉｎｅの走査時間Δｔを意味する。
【００３２】
ステップＳ１０８では、走査順序決定装置から出力された走査順序を用いて実際に試料観察を行う。また、ここで出力された走査順序を記録装置に保存しておけば、以後材料若しくは構造若しくはパターンが同等と見なせる試料観察時に、時定数の測定や走査順序の最適化を行う必要なく最適な走査順序でＳＥＭ像を取得できる。
【００３３】
ステップＳ１００で時定数の計測は不要と判断した場合には、処理はステップＳ１１０に移行する。ステップＳ１１０では、過去に時定数を測定した場合は、時定数記録装置１２０より時定数を読み出す。過去に測定した経験がない場合には、観察試料の材料から時定数を推定する。
【００３４】
＜エネルギーフィルタ及び二次信号と時間の関係取得処理（ステップＳ１０４）について＞
図４は、エネルギーフィルタ３０の作用を説明する図である。図４に示すように、試料２３及びエネルギーフィルタ３０にそれぞれＶｒ（２５：例えば０Ｖ）、Ｖｆ（４５：例えば５Ｖ）の電位印加した場合、阻止電位Ｖｒｆ（＝Ｖｒ−Ｖｆ、試料２３の電位に対してどの位低い電位を設定しているかを示す）が形成される。この時、試料２３から放出された電子のうち阻止電位Ｖｒｆよりもエネルギーの高いものは検出できるが低い電子はできない。
【００３５】
ここで、電子線照射によって帯電が発生し、試料上の電位がΔＶｓだけ上昇した場合を考える（図５参照）。この時、試料電位ＶｓはＶｓ＝Ｖｒ＋ΔＶｓとなり、阻止電位Ｖｒｆ（＝Ｖｒ＋ΔＶｓ−Ｖｆ）がΔＶｓだけ上昇するため、エネルギーフィルタによって取り出されて検出される電子が減少する。このため画像の輝度が減少する。以上の原理を用いて、画像の輝度（図５の斜線部分）から帯電電位ΔＶｓ（＝電子線を照射していない試料上の箇所を基準とした変動分）を求めることができる。また、エネルギーフィルタ３０に印加する電圧Ｖｆを調整し、高エネルギーで試料２３から放出された電子の収量変化のみに着目すれば、試料帯電により放出電子の軌道が変化する事を考慮することなく高精度な電位測定を行える。
【００３６】
具体的な方法としては、エネルギーフィルタ３０に電圧Ｖｆを印加し、そこを通過する電子による画像の輝度の時間変化を測定する。時間変化を測定する方法としては、観察ウェハ内にある観察箇所若しくは平坦部で、エネルギーフィルタを透過する電子による画像輝度の時間変化を測定する。この時、一次電子の走査方法は、目的に応じて任意に設定すればよい（一点照射、ライン走査、ＴＶ走査、ランダム走査、ｅｔｃ）。また、Ｓ／Ｎ比を上げる観点からフィルタ電位を固定し、観察ウェハ内の、複数の箇所で上記を実施する。
【００３７】
また、ウェハ内において材料やパターン形状の異なる箇所で測定すれば、任意の箇所での電位変化を測定できる。
これらの測定結果から、信号強度Ｓの時間変化曲線Ｓ（ｔ）（図７参照）を取得する。
【００３８】
なお、走査順序決定にはμｓオーダの高い時間分解能で数Ｖの試料電位の変動を計測し、時定数を抽出する必要がある。エネルギーフィルタを用いた電位計測の時間分解能と計測電位の精度にはトレードオフの関係があり、時間分解能が向上すると検出される二次信号４のＳ／Ｎが減少し、計測電位の誤差が増大する。そこで、ウェハ上の複数の測定点を移動し、二次信号４を複数回測定する。測定した信号値の平均値を用いれば、Ｓ／Ｎが向上し、電位の測定精度と時間分解能を両立できる。時定数の測定シーケンスを図６に示す。
【００３９】
図６において、ステップＳ２０１で信号値の平均値を求めるための測定回数Ｍを決定する。この測定回数Ｍの値は、最初に信号値を１回測定し、その測定結果のＳ／Ｎを見て決定される。つまり、図７のような信号の時間変化曲線を得るには、時間と二次電子信号量の関係を取得しなければならないが、１回の測定のみでは良好な信号を取ることができない。そこで、Ｓ／Ｎを良くするためにＭ回平坦な場所で測定することとしている。
【００４０】
ステップＳ２０２では、電子線を照射し二次信号４の時間変化を取得する。そして、ステップＳ２０３で測定箇所を移動する。ステップＳ２０４では、測定回数がＭになるまで測定を繰り返す。
【００４１】
最後に、ステップＳ２０５において、測定したＭ回の信号値の平均曲線を求め、入力Ｄ１として時定数抽出装置１１０に引き渡す。
【００４２】
図７は、以上のようにして得られた信号電子４と電子線の照射時間の関係（例）を示している。
【００４３】
＜時定数の抽出処理（ステップＳ１０５）について＞
続いて、時定数抽出装置１１０で実行される時定数抽出処理について詳細に説明する。
【００４４】
信号強度の時間変化を、係数Ｓ０、時定数τとして、Ｓ＝Ｓ０・ｅｘｐ（−ｔ／τ）と表した場合、時定数τは図７のＳ（ｔ）とのフィッティングにより求められる。つまり、一次電子線によって試料が正に帯電する場合、図７のように信号強度は変化する。はじめの急速な変化は、電子線によって正電荷が蓄積されている状態であり、輝度が暗くなる。この時定数をτ１（電子線照射によって正の電荷が蓄積される過程を特徴付ける時定数）と表す。その後ゆっくり変化するのは、電子の移動・拡散による散逸と電子・ホールの再結合によって電荷が消滅する過程と一次電子線による正電荷の供給との差をあらわし、この時定数をτ２とする。帯電の時定数としてτ１とτ２の２つを抽出する。通常のＳＥＭ観察条件下においてはτ１＜τ２となっている。
【００４５】
ここで、ある時定数τで電位変動する試料を観察した場合の観察時間とＳＥＭ像の関係を考察する。
【００４６】
１）観察時間が時定数τに比べて十分小さい場合は、帯電の影響を受けないので、ＳＥＭ像は歪まない。２）観察時間と時定数τが同程度の場合は、観察中に帯電による影響が変化するので、ＳＥＭ像が不均一に歪む。３）観察時間が時定数に比べて十分大きい場合は、観察中に同じ大きさの帯電の影響を受け続けるので、倍率が変動する、つまり一様に像が歪む。
【００４７】
そこで、ライン毎の歪み量を最小にしたければ１ラインの取得時間に近い時定数を選択し走査順序を決定すればよく、フレームごとの歪み量を最小にしたければ１フレームの取得時間に近い時定数を選択して走査順序を決定すればよいことになる。
【００４８】
このように、時定数としてτ１及びτ２のいずれを用いるかは、走査に要する時間や注目している現象の特性時間によって判断する。つまり、走査に要する時間（ライン走査の時間）に注目して走査順序を決定すると、１フレーム内の歪量の差が最小化される。また、注目している減少の特性時間、つまり観察に要する時間（数ピクセル、数ライン、１フレーム、１枚、数枚、数十枚・・・の画像の取得時間）に注目して走査順序を決定すると、観察に要する時間に対する歪量が最小化される。
【００４９】
＜走査順序決定の処理（ステップＳ１０７）について＞
次に、走査順序決定装置１３０が実行する走査順序決定処理について詳細に説明する。
【００５０】
電子線照射によって蓄積される帯電の影響は、電子線を照射した場所から、可能な限り距離を離して次の走査をすること、もしくは次の照射までの時間をできるだけ空けることによって除かれることが分かっている。しかし、単に走査の距離や時間間隔を空ける事は、画像取得のスループットを落とすことになる。
【００５１】
そこで、走査方法の最適化のため、電子線照射が及ぼす距離と時間の関係を次のように定量化することとする。
【００５２】
ここでは、ライン毎に電子線を走査する場合を例にして、定量化方法を示す。現在の走査ラインから次の走査ラインまでの距離をΔｌ、次の走査までに要する時間（走査時間）をΔｔ、帯電電荷量をＱとする。ここで帯電電荷量Ｑは、上記の信号強度の時間変化から、Ｑ＝Ｑ０ｅｘｐ（−Δｔ／τ）と表される。この時に、前回走査したラインからｌだけ離れた位置を走査した時に電子線が受ける力ＦはＦ＝Ｑ／ｌと表されるので、電子線の偏向量ΔＬはａを比例定数として、
ΔＬ＝ａ・Ｑ０ｅｘｐ（−Δｔ／τ）／ｌ      （１）
と表される。さらに観察領域での走査本数をｎとすると、観察領域全体での一次電子の偏向量Ｌは、
Ｌ＝ΣΔＬ＝Σａ・Ｑ０ｅｘｐ（−Δｔ／τ）／ｌ  （２）
と表される。
【００５３】
今、一例として９回ライン走査する場合（１ラインの走査時間Δｔ、走査間隔Δｌ）の走査点の配置を図８に示す。画像の上から順番に走査した時の走査点の配置を図８（ａ）に示す。１回目の走査は一番上のラインを走査するため、走査点をＡに配置する。２回目の走査は、１回目の走査のΔｔ秒後に次のラインを走査するため、Ｂに走査点を配置する。２回目の走査時には、１回目の走査時に形成された帯電の影響を受け、一次電子が偏向される。この時の偏向量ΔＬは（２）式よりａ・Ｑ０・ｅｘｐ（−Δｔ／τ）／Δｌとなる。このように上から順番に走査した場合、走査点の距離が短いため、以前に走査した際に形成された帯電の影響を大きく受けることになる。
【００５４】
このため帯電による画像歪みを最小にするためには、（２）式で表される全偏向量Ｌ＝ΣΔＬを最小にするように走査点を配置すればよい。これは、（Δｌ、Δｔ）刻みの距離−時間の空間に、ｎ点の走査点を埋め込む問題を解くことに等しいものである。そのための方法としては、距離−時間の空間に走査点を重複することなく、均等に配置すればよく、時間−距離空間で、走査点間の距離が最大となるように配置すれば良いことになる。以上の考察の結果、最も効率のよい配置（均等な配置）は走査点を三角形若しくは四角形、六角形で埋め尽くせばよいことが分かる。
【００５５】
１ラインの走査時間Δｔと走査間隔Δｌが一次電子ビーム１の偏向量に対して等価に影響する場合、図８（ｂ）に示す配置となる。図８（ｂ）によれば、走査順序は、ライン＃４→＃７→＃２→＃９→＃５→＃１→＃８→＃３→＃６となり、この順序によって９ライン全てが走査される。
【００５６】
また、試料の時定数τが図８（ｂ）の場合に比べて大きい場合は、走査点の形状を横に引き伸ばせばよい。また、試料の時定数τが図８（ｂ）の場合に比べて小さい場合は、走査点の形状を縦に引き伸ばせばよい。よって、図８（ｃ）又は図８（ｄ）に示す形状となる。なお、図８（ｂ）乃至（ｄ）で示される配置方法は、走査点を四角形に設定した例である。
【００５７】
このように、電荷量の時間変化の時定数τが求まれば、式（２）を最小にする走査方法は一意的に決定できることが分かる。
【００５８】
＜他の実施形態＞
本発明では、予め複数の試料毎にエネルギーフィルタによって取り出された電子の信号強度と電子線照射時間との関係を示す時間変化曲線の時定数を時定数記録装置１２０に記録しておき、それを用いて試料の最適な走査順序を決定するようにしてもよい。つまり、ユーザが観察すべき試料を図示しない入力手段（キーボードやマウス等）によって指定する。そして、指定された試料に対応する時定数を時定数記録装置１２０から読み出し、この時定数に基づいて観察すべき試料を前記電子線で走査するときの走査順序を決定する。走査順序の決定方法は、上述した方法と同様に行う。
【００５９】
また、予め観察すべき試料毎に、試料を電子線で走査するときの最適な走査順序を図示しないメモリに記憶させておき、これを用いて試料を観察するようにしても良い。つまり、つまり、ユーザが観察すべき試料を図示しない入力手段（キーボードやマウス等）によって指定する。そして、指定された試料に対応する走査順序を上記メモリから読み出し、その走査順序に基づいて試料を一次電子線で走査する。メモリに記憶されている最適な走査順序は、それぞれの試料に対して、上述した方法によって決定されたものである。
【００６０】
＜まとめ＞
本実施形態では、試料より放出された電子のうち、所定値以上のエネルギーを持つ電子をエネルギーフィルタによって取り出される。そして、取り出された電子の信号強度と電子線照射時間との関係を示す時間変化曲線の時定数が抽出され、この時定数に基づいて試料を電子線で走査する走査順序が決定される。このようにエネルギーフィルタを用いて、試料が帯電したときに放出された電子のうちエネルギーの低い電子を除去して帯電の影響を受けにくい高エネルギーの電子を取り出しているので、より正確に帯電の電位を見積もることができる。よって、抽出される時定数をμｓオーダの時間分解能で計測することができるので、それを用いて最適な走査順序を決定することができる。
【００６１】
また、走査順序を決定する際には、抽出された時定数と１ラインの走査時間及び走査間隔で規定される走査条件を基に、時間−距離の空間上に走査点を配置し、各走査点の距離が最大となるように走査順序を決定する。このようにすることにより、以前に走査したときに形成された帯電の影響を最小限に抑えることができるようになる。なお、走査点の配置を三角形、四角形、或いは六角形となるように走査順序を決定すれば、各走査点間の距離を大きく取ることができるので、各走査によって形成された帯電がお互いに影響を大きく与えることなく、最も効率のよい配置を実現することができる。
【００６２】
さらに、電子線照射に起因する電位変動の時定数の基準となる時定数に対する比較結果に応じて、前記時間−距離の空間上に配置した走査点の縦横比を変更するようにしてもよい。つまり、図８（ｂ）を基準として、そのときの時定数τよりも大きい場合には、走査点で構成される図形（例えば四角形）の形状を横に引き伸ばし（図８（ｃ））、時定数τが小さい場合には、その形状を縦に引き伸ばすようにする（図８（ｄ））。このように走査順序を決定すれば、最適な走査順序を一意に決定することができるようになる。
【００６３】
また、時定数を抽出する際には、エネルギーフィルタのフィルタ電位を固定し、試料に一次電子線を照射したときの輝度の時間変化から電位変動の時定数を抽出する。このように検出された電子の収量変化のみに着目して、高精度な電位測定ができるので、より正確な信号強度の時間変化曲線を取得でき、よって正確な時定数が抽出できる。なお、よりＳ／Ｎを良くするには、一次電子線の照射位置を移動させながら測定するようにし、複数位置で得られた輝度の時間変化平均値を時間変化曲線とするとよい。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明のＳＥＭの全体概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態による時定数抽出から走査順序決定までの装置構成図である。
【図３】本発明の実施形態による走査順序決定の処理を説明するためのフローチャートである。
【図４】阻止電位型エネルギーフィルタの動作説明図である。
【図５】電子線照射によって帯電が発生し、試料上の電位がΔＶｓだけ上昇した場合のエネルギー特性を示す図である。
【図６】二次信号と時間の関係を示す時間変化曲線を取得するための処理を示すフローチャートである。
【図７】二次電子信号量と電子線の照射時間の関係図である。
【図８】走査順序決定方法の説明図である。
【符号の説明】
【００６５】
１：一次電子ビーム、２：エネルギーの低い二次電子、３：エネルギーの高い二次電子、４：信号電子、５：シンチレータ、６：ライトガイド、７：検出器、１１：電界放出陰極、１２：引出電極、１３：引出電圧、１４：コンデンサレンズ、１７：対物レンズ、１８：加速円筒、１９：後段加速電圧、２１：上走査偏向器、２２：下走査偏向器、２３：試料、２４：ホールダ、２５：リターディング電圧、２６：静電偏向器、２７：静電偏向器（メッシュ）、２８：偏向コイル、２９：反射板、
【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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