(57)【要約】  【課題】荷電粒子線装置において、試料上の所定領域の画像を得るため、複数フレームの積算を行なう際、一次荷電粒子ビーム照射による試料表面の帯電の影響を防止する。  【解決手段】試料ウェハ７８上の所定領域に対して、電子銃７０からの一次電子ビームを走査し、発生した二次電子を検出器６３で検出しながら、複数のフレームを生成して積算し、所定領域の画像を得る。この複数のフレームを生成する際、検出器６３の検出信号により所定領域の帯電量が規定値になったと判断される場合、次のフレームを生成するに先立ち、ブースティング電極７７に除電用電圧を印加することにより除電、帯電緩和を行なう。これにより、フレーム各々を生成する際に、帯電の影響を緩和することができ、複数のフレームを積算して得られる画像のＳ／Ｎ向上を図ることが可能となる。【選択図】図７
2008282630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の所定領域上を荷電粒子ビームで走査し、発生する二次粒子を検出して、前記所定領域の試料像を得る荷電粒子線装置であって、
前記荷電粒子ビームを発生する荷電粒子源と、
前記荷電粒子ビームを前記所定領域上で走査する偏向器と、
前記荷電粒子ビームの走査により前記試料から発生する前記二次粒子を検出する検出器と、
前記検出器の検出信号が入力され、前記検出信号に基づき、前記荷電粒子ビームを複数回走査して複数のフレームを生成し、生成された複数の前記フレームを積算した画像を得る情報処理部と、
複数の前記フレームを生成するための、前記荷電粒子ビームの走査の合間に、帯電除去用電圧を印加するブースティング電圧印加部とからなる
荷電粒子線装置。
【請求項２】
請求項１記載の荷電粒子線装置であって、
前記所定領域の近傍に光ビームまたは電子ビームを照射するビーム照射部を更に有し、
前記ビーム照射部は、前記帯電除去用電圧を印加する際に、前記光ビームまたは前記電子ビームを前記所定領域の近傍に照射する
荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項１記載の荷電粒子線装置であって、
前記荷電粒子源からの前記荷電粒子ビームのビーム電流を切替えるビーム電流切替部を更に有し、
前記ビーム電流切替部は、前記帯電除去用電圧を印加する際に、前記ビーム電流を、前記フレーム生成時に比較しより大電流に切替える
荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項１記載の荷電粒子線装置であって、
前記情報処理部は、前記検出信号に基づき前記フレームの平均信号量を算出し、前記平均信号量が所定の閾値以下になった場合に、前記ブースティング電圧印加部が前記帯電除去用電圧を印加するよう制御する
荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項１記載の荷電粒子線装置であって、
前記情報処理部は、前記試料の帯電緩和時定数に基づき、前記ブースティング電圧印加部が前記帯電除去用電圧を印加するよう制御する
荷電粒子線装置。
【請求項６】
試料の所定領域上を荷電粒子ビームで走査し、発生する二次粒子を検出して、前記所定領域の画像を得る荷電粒子線装置であって、
前記荷電粒子ビームを発生する荷電粒子源と、
前記荷電粒子ビームを前記所定領域上で走査する偏向走査部と、
前記荷電粒子ビームの走査により前記試料から発生する前記二次粒子を検出する検出器と、
前記検出器の検出信号が入力され、前記検出信号に基づき、前記荷電粒子ビームの走査により生成した複数のフレームを積算し、前記画像を得ると共に、前記所定領域における帯電状態を検出し、帯電緩和の要否を判断する情報処理部と、
前記情報処理部による帯電緩和の要否判断に基づき、前記フレームを生成する合間に帯電緩和を行なうよう制御する帯電緩和制御部とからなる
荷電粒子線装置。
【請求項７】
請求項６記載の荷電粒子線装置であって、
前記帯電緩和制御部は、ブースティング電圧を印加するブースティング電極と、前記ブースティング電圧を制御するブースティング電圧制御部とからなる
荷電粒子線装置。
【請求項８】
請求項７記載の荷電粒子線装置であって、
前記帯電緩和制御部は、前記所定領域の近傍に光ビームまたは電子ビームを照射するビーム照射部を更に有し、
前記ビーム照射部は、前記フレーム生成の合間の帯電緩和に際し、前記光ビームまたは前記電子ビームを前記所定領域の近傍に照射する
荷電粒子線装置。
【請求項９】
請求項７記載の荷電粒子線装置であって、
前記帯電緩和制御部は、前記荷電粒子源からの前記荷電粒子ビームのビーム電流を切替制御する電流切替制御部を更に有し、
前記フレーム生成の合間の帯電緩和に際し、前記ビーム電流がより大電流となるよう制御する
荷電粒子線装置。
【請求項１０】
請求項６記載の荷電粒子線装置であって、
前記情報処理部は、前記フレームを生成した前記検出信号の平均信号量を算出することにより、前記所定領域における帯電状態を検出する
荷電粒子線装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の荷電粒子線装置であって、
前記情報処理部は、前記平均信号量が所定の閾値以下になった場合、前記フレーム生成の合間に帯電緩和を行うよう前記帯電緩和制御部を制御する
荷電粒子線装置。
【請求項１２】
請求項７記載の荷電粒子線装置であって、
前記情報処理部は、前記フレームを生成した前記検出信号の平均信号量を算出することにより、前記所定領域における帯電状態を検出する
荷電粒子線装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の荷電粒子線装置であって、
前記ブースティング電圧制御部は、前記平均信号量が所定の閾値以下になった場合、前記フレーム生成の合間に帯電緩和を実行するため、前記ブースティング電圧印加部に印加する前記ブースティング電圧を制御する
荷電粒子線装置。
【請求項１４】
一次電子ビームを試料上で走査することにより、前記試料の二次元像を得る荷電粒子線装置であって、
前記一次電子ビームを発生する電子銃と、
前記一次電子ビームを前記試料の所定領域で走査する走査偏向部と、
前記一次電子ビームを収束する対物レンズと、
前記一次電子ビームの照射により発生する二次電子を検出し、検出信号を出力する検出部と、
前記所定領域で前記一次電子ビームの走査を繰り返し、前記検出信号に基づき走査毎に生成されるフレームを複数積算して前記所定領域の画像を取得し、且つ前記フレームの信号量に基づき帯電除去の必要性を判断する情報処理部と、
取得された前記画像を表示する表示部と、
ブースティング電圧を印加するブースティング電極と、
前記情報処理部の判断に基づき、前記フレームの生成のための前記一次電子ビームの走査の合間に、前記試料の帯電除去を実行するよう前記ブースティング電圧を制御するブースティング電圧制御部と
を有する荷電粒子線装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の荷電粒子線装置であって、
前記情報処理部は、前記フレームの信号量が所定の閾値以下になった場合、前記試料の帯電除去を実行するよう前記ブースティング電圧制御部を制御する
荷電粒子線装置。
【請求項１６】
請求項１５記載の荷電粒子線装置であって、
前記所定領域の近傍に光ビームまたは電子ビームを照射するビーム照射部を更に有し、
前記ビーム照射部は、前記フレーム生成の合間の帯電除去に際し、前記光ビームまたは前記電子ビームを前記所定領域の近傍に照射する
荷電粒子線装置。
【請求項１７】
請求項１５記載の荷電粒子線装置であって、
前記荷電粒子源からの前記荷電粒子ビームのビーム電流を制御するビーム電流制御部を更に有し、
前記フレーム生成の合間の帯電除去に際し、前記ビーム電流が前記フレーム生成時に比較しより大電流となるよう制御する
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、特に試料上に形成されたパターンの寸法や形状の検査・測定を行なう装置における試料の帯電防止技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの製造において、製造プロセスの途中で半導体ウェハ上に形成された回路パターンの状態の検査・測定は、歩留りの向上や信頼性の確立に重要な役割を担う技術である。この検査・測定は、光を用いた装置や、荷電粒子線を用いた装置によって実現される。特に、近年の半導体デバイスの微細化に伴って、測長走査電子顕微鏡（Critical Dimension Scanning Electron Microscope、ＣＤ−ＳＥＭ）など電子線に代表される荷電粒子線を用いた検査やレビューが重要となっている。しかし、製造プロセス途中の半導体ウェハ表面は酸化ケイ素、窒化ケイ素、有機性材料や高誘電材料などの絶縁性の膜で構成されているため、荷電粒子線をウェハ表面に照射すると試料ウェハ表面が帯電し、これによって表面から発生する信号粒子の軌道が変化するなどの影響があり、得られる走査画像が劣化する。
【０００３】
この画像劣化の原因は種々考えられる。その一つは、図１に示すような、ウェハなどの試料表面の帯電による像歪である。すなわち、既に画像を取得した領域は二次電子の放出により正帯電されており、その領域に隣接する領域の走査像を得ようとした場合、一次電子ビームは隣接領域に帯電する正電荷の影響により軌道に影響がでるため、検出した二次電子によって作成される走査像に歪が生じ、局所的な倍率変動を引き起こす。
【０００４】
また、図２に示すように、試料表面の帯電により、対物レンズによる一次電子ビームのフォーカス電場に影響が出るため、一次電子ビームがフォーカス状態（同図（a））からデフォーカス状態（同図（ｂ））となり、得られる走査像の解像度が劣化する。
【０００５】
更に、図３に示すように、ウェハ表面の正帯電により試料から発生した二次電子がウェハ表面の正帯電に引っ張られることによりウェハに戻ってしまうため、検出する二次電子の検出効率が変動し、得られる走査像全体が暗い、或いは局所的な輝度の低下を起こす。
【０００６】
この試料上の帯電の影響を避けるため、例えば、特許文献１にみるように、ブースティング方式による帯電緩和が提案されている。このブースティング方式においては、観察する試料のパターン形状や材質に応じて、ＳＥＭの対物レンズに組み込んだブースタ（ブースティング）電極に印加する電圧（ブースティング電圧）を設定し、試料の表面電界強度を変化させている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３４５２７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＣＤ−ＳＥＭなどの荷電粒子線装置においては、通常、得られる二次粒子検出量に基づく画像のＳ／Ｎ向上のため、試料像を得ようとする領域を４、８、１６回、或いは３２回など複数回走査し、得られる複数のフレームを積算する必要がある。これは、分解能向上、或いは耐性の弱い試料の劣化防止の観点からは一次電子ビームの電流値を減らしたいのに対し、Ｓ／Ｎ向上の観点からは、より多くの一次電子ビームを照射することが望ましいとの理由による。この結果、積算されるフレーム数が多くなるとウェハ表面が帯電し、得られる走査画像への影響が大きくなる。
【０００９】
しかし、上述した従来のブースティング方式においては、観察試料の複数回走査による複数フレームの積算によって一つの画像を得る場合、観察試料のパターン形状や材質に応じて設定される同一のブースティング電圧を印加している。このため、これら複数フレームの電子線照射によって蓄積される試料表面の帯電の影響により、複数のフレームを積算して得られる画像の悪化が生じることになる。
【００１０】
本発明の目的は、複数フレームの積算により対象試料の画像を得るＣＤ−ＳＥＭなどの荷電粒子線装置において、帯電の影響を極力排除し、得られる画像のＳ／Ｎの向上を図る荷電粒子線装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明においては、試料の所定領域上を荷電粒子ビームで走査し、発生する二次粒子を検出して、所定領域の試料像を得る荷電粒子線装置を、荷電粒子ビームを発生する荷電粒子源と、荷電粒子ビームを所定領域上で走査する偏向器と、記荷電粒子ビームの走査により試料から発生する二次粒子を検出する検出器と、検出器の検出信号が入力され、検出信号に基づき、荷電粒子ビームを複数回走査して複数のフレームを生成し、生成された複数のフレームを積算した画像を得る情報処理部と、複数のフレームを生成するための、荷電粒子ビームの走査の合間に、帯電除去用電圧を印加するブースティング電圧印加部とから構成する。この荷電粒子線装置の構成によって、積算される複数のフレーム各々に対する、帯電の影響を除去、或いは低減することができ、Ｓ／Ｎの向上した画像を得ることが出来る。
【００１２】
更に、本発明においては、上記目的を達成するため、一次電子ビームを発生する電子銃と、一次電子ビームを試料の所定領域で走査する走査偏向部と、一次電子ビームを収束する対物レンズと、一次電子ビームの照射により発生する二次電子を検出し、検出信号を出力する検出部と、所定領域で一次電子ビームの走査を繰り返し、その検出信号に基づき走査毎に生成される複数のフレームを積算して所定領域の画像を取得し、且つフレームの信号量に基づき帯電除去の必要性の有無を判断する情報処理部と、取得された画像を表示する表示部と、情報処理部の判断に基づき、フレームの生成のための一次電子ビームの走査の合間に、試料の帯電を緩和するためブースティング電圧を印加するブースティング電極と、ブースティング電圧を制御するブースティング電圧制御部とを有する走査電子顕微鏡を提供する。
【００１３】
なお、本明細書において、取得する画像は複数フレームの積算によって得ることの出来る積算走査像であり、フレームとは観察試料の走査毎に得られる走査像データを意味する。複数のフレームを積算して、一つの画像を取得する際には、その視野（Field of View、ＦＯＶ）は変化させないことは言うまでもない。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、複数フレームを積算して観察試料の画像を得る際に発生する帯電を緩和し、画像のＳ／Ｎの改善を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の実施の形態を説明するに先立ち、図４、５を用いて本発明の原理を説明する。図４は、試料（ウェハ）表面近傍における電位と二次電子の軌道を示している。例えば、引出電界が２ｋＶ／ｍｍの下、１μｍの視野（走査領域）でフレームを重ねると、同図（a）に示すように、視野内の試料表面が５．４Ｖまで帯電し、先に図１〜図３で説明した障害を起こす。なお、この状態に至ると、同図(a)に示すように３Ｖの電位障壁が生じる。このとき、
一次電子１＝検出される二次電子２
となり定常状態となっている。従って、この状態で一次電子を当て続けても、障害は解消されない。
【００１６】
一方、本発明においては、フレーム取得の合間に帯電除去する帯電除去期間を設置することをその原理とする。図５は、図４の定常状態になった後、引出電界を１ｋＶ／ｍｍにまで弱めた状態を示す。つまり、試料上の１μｍの視野（走査領域）内が５．４Ｖまで帯電しており、引出電界が１ｋＶ／ｍｍの状態を示す。この状態では同図（a）に示すように、試料上の約１μｍの位置に３．８ｋＶの電位障壁があるため、一次電子１を照射すると、発生した二次電子の多くが試料（ウェハ）に戻る二次電子２となり、この戻り二次電子２'によりウェハの正帯電が緩和される。本発明において好適には、この引出電界の制御を、フレーム取得の合間にブースティング電圧を制御することにより実現し、引き続くフレーム取得において、ウェハの帯電の影響が除去、或いは緩和された走査像を得ることができ、複数のフレームの積算の結果得られる画像のＳ／Ｎ向上を図ることができる。
【００１７】
以下、図面を用いて、本発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００１８】
第一の実施例は複数のフレームを順次作成して画像を得る際、フレーム取得の合間にブースティング電圧を変えて帯電を緩和するＳＥＭの実施例である。
【００１９】
図６は、第一の実施例のＳＥＭ全体構成を示している。同図において、６１はＳＥＭの鏡筒とその周辺機器、６２は鏡筒、６３は反射電子等の二次粒子の検出器、６４は一次電子ビームが照射されるウェハ等の試料が設置される試料室、６５はブースティング電源を示す。６６は電源の制御等を行なう制御部、６７は複数フレームが積算された画像を表示する画像表示部、６８は情報処理部である。なお、この情報処理部６８は通常のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）などで構成され、処理部であるＣＰＵと記憶部であるメモリ、制御部６６や画像表示部６７との入出力インタフェース部を有する。検出器６３で検出された二次粒子の検出信号は、制御部６６を介して、情報処理部６８に送られる。また、情報処理部６８は、後で詳述するように、制御部６６を介して受信した検出信号に対し積算処理等の処理を施し、得られた所定領域の画像データを画像表示部６７に送信し、ウェハ７８の所定領域に対応した画像が画像表示部６７に表示される。更にまた、情報処理部６８の役割として、制御部６６への制御信号の送出機能がある。制御部６６は、鏡筒とその周辺機器の電源制御などを行なうが、情報処理部６８は、これらの電源制御に必要な制御信号を算出して、制御部６６に出力する。
【００２０】
図７に第一の実施例のＳＥＭ鏡筒とその周辺機器６１の詳細構造の一例を示す。同図において、図６における数番と同一の番号は同一物を示し、７０は電子銃、７１は電子銃７０からの一次電子ビームを絞るコンデンサレンズ、７２は絞り、７３はブランキング電源、７４は反射板、７５は偏向走査部である偏向器、７６は対物レンズ、７７はブースティング電極、７８はウェハ、７９はステージである。ブースティング電極７７に印加されるブースティング電源６５は、上述したように詳述するように制御部６６からの制御信号で制御される。なお、本明細書において、ブースティング電源６５、ブースティング電源６５の制御に係わる制御部６６の機能、及びブースティング電極７７をブースティング電圧印加部と呼び、ブースティング電源６５とブースティング電源６５の制御に係わる制御部６６の機能をブースティング電圧制御部と呼称する場合がある点、留意されたい。
【００２１】
良く知られているように、電子銃７０からの一次電子ビームは、偏向器７５によって、ウェハ７８上の所定領域を走査する。ウェア７８から発生する二次粒子は反射板７４に衝突・反射し、検出器６３で検出される。上述の通り、検出された二次粒子の検出信号は制御部６６に入力、図示されていないアナログ・ディジタル変換器（Ａ／Ｄ）によりデジタル信号に変換された後、情報処理部６８に送出され、情報処理部６８で積算処理等の処理がなされ、取得された画像が画像表示部６７にて表示される。
【００２２】
図８は、第一の実施例のＳＥＭにおいて、試料ウェハの所定領域の画像を得、試料ウェハの測長を行なうための動作の粗フローを示す図である。この処理フローは、先に説明した情報処理部６８のＣＰＵにおけるプログラムとして実行される。同図において、まずステージ７９上にウェハロードされ（ステップ８１）、第１のステージ移動により、画像取得のため一次電子ビームが照射される所定領域から１〜１０μｍ離れたフォーカス調整位置にウェハ７８をセットする（ステップ８２）。続いて、一次電子ビームをウェハ上でフォーカスし（ステップ８３）、第２のステージ移動によりウェハ７８上の所定領域を画像取得領域としてセットする（ステップ８４）。後で詳述するように、一次電子ビームの照射によってウェハ７８から発生する二次電子等の二次粒子を検出器６３で検出し、画像取得する（ステップ８５）。なお、所定領域の画像取得毎にフォーカスを合わせるのは、ウェハが完全な平面でないためである。また、フォーカス調整の場所が画像取得する所定領域と異なる位置となるのはフォーカスをあわせる際の試料の帯電を防ぐためである。
【００２３】
また、必要に応じて、ステージ移動ステップ８２に戻りウェハ上の隣接する領域などの別領域の画像取得を行なうことができ、全ての画像取得が終了した場合、ステージを移動し（ステップ８６）、ウェハのアンロードを実行する（ステップ８７）。
【００２４】
図９は図８の処理フローにおける画像取得（ステップ８５）の詳細フローを示す図である。この処理フローについても、情報処理部６８のＣＰＵで実行されるプログラムで実現される。ステップ９０で撮像が開始されると、情報処理部６８から制御部６６に出力される制御信号に基づき、制御部６６はまずブースティング電源６５の電圧を撮像用電圧に設定する（ステップ９１）。なお、この撮像用電圧については後で図１０を用いて詳述する。そして、電子線（一次電子ビーム）照射を行なう（ステップ９２）。その結果、試料から発生する二次電子等の二次粒子を検出する検出器６３の検出信号を制御部６６経由で、情報処理部６８で受信する（ステップ９３）。この検出信号、即ち走査像データは、次に述べるフレームの生成に用いられると共に、
本実施例においては、ブースティング電圧の切替要否を判断するために用いられる。
【００２５】
この検出信号、即ち走査像データにより、フレームが生成され（ステップ９４）、情報処理部６８内のメモリに順次記憶される。また、ステップ９５において、ＣＰＵはこのフレームの平均信号量を算出し、最新フレームの平均信号量として同様にメモリなどに記憶する。更に、ステップ９６において、得られたフレームをそれまでに積算され、メモリに記憶されているフレーム積算データと積算する。そして、その積算回数が１６や３２といった所定のフレーム数に到達した場合、撮像を終了する（ステップ９７）。もし、積算回数が所定のフレーム数に達していない場合は、先に求めた最新フレームの平均信号量が規定値（閾値）より大きいか否かを判断し、規定値より大きい場合、ステップ９１に戻り、新たなフレームを生成する。この平均信号量の規定値は、先に図４、図５の原理説明における定常状態時の二次電子量などに基づき設定する。本実施例においては、この平均信号量が規定値より小さくなった場合、試料表面の帯電除去のための除電シーケンスが必要となったと判断し、情報処理部６８は、制御部６６に制御信号を送出し、ブースティング電源６５の電圧を除電用電圧に設定するよう制御する。なお、この除電用電圧について、以下詳述する。
【００２６】
図１０は第一の実施例における画像取得の際において、ブースティング電源６５によって、ブーティング電極７７に印加されるブースティング電圧のタイムチャートを模式的に示している。同図において、「撮像」は一つのフレーム生成期間を示す。「照射のみ」は一次電子ビームの照射の際、ブースティング電極により除電電圧が印加される除電期間、帯電緩和期間を示す。上述したように画像取得に際し、所定数のフレームの積算を行なうため、複数のフレームの撮像が実施される。このフレームの撮像の際、ブースティング電圧は第一のレベルの電圧（ＢＶ１）が印加される。一方、一次電子ビームを試料に照射し、帯電を緩和する除電期間、帯電緩和期間においては、ブースティング電圧は第二のレベルの電圧（ＢＶ２）が印加される。図１０より明らかなように、ブースティング電圧の第二のレベル（ＢＶ２）は第一のレベル（ＢＶ１）より低い値に設定されるため、一次電子ビームの照射により試料から発生する二次電子の多くが試料に戻ることになり、この試料に戻った一次電子ビームにより試料の帯電を効率的に除去或いは緩和できることになる。この第二のレベルの電圧（ＢＶ２）は必要に応じて、負電圧に設定される。
【００２７】
以上詳述した第一の実施例によれば、複数のフレームを積算して画像取得を行なうため、連続して複数フレームを生成する場合、例えばフレームの信号量を用いて試料表面の帯電状況を観察し、帯電が所定の規定値に達したと判断される場合、次のフレーム生成に先立ち、ブースティング電圧を印加する除電シーケンスを実施し、帯電を緩和することにより、取得される画像のＳ／Ｎ向上を図ることができる。
【実施例２】
【００２８】
第二の実施例は第一の実施例同様、フレーム間の除電シーケンスによってブースティング電圧を変えて帯電を緩和すると共に、更に光照射や電子ビーム照射により除電、帯電緩和期間における帯電緩和効果の向上を図る実施例である。
【００２９】
図１１は、第二の実施例のＳＥＭ全体構成を示している。図１１において、図６に示した第一の実施例の構成と同一の番号は同一物を示す。６９は、本実施例において追加された第２の光源（光ビームまたは電子ビームを照射するビーム照射部）であり、観察試料上に、電子ビームや紫外光線などの光ビームを照射して、帯電の緩和を更に促進するものである。
【００３０】
図１２に第二の実施例のＳＥＭの鏡筒とその周辺機器６１の詳細構造の一例を示す。同図において、図７、図１１における数番と同一の番号は同一物を示している。第２の光源６９としては、例えば紫外線光源を用い、帯電した試料近傍のブースティング電極７７などに照射することにより光電子を発生させ、この発生した光電子により、第一の実施例のブースティング電圧印加と相乗し、より効率的に正に帯電した観察試料の帯電緩和を行なうことができる。図１１、図１２では簡単のため、制御部６６から第２の光源６９への制御信号のための配線が省略されているが、第２の光源６９のオンオフ制御も、情報処理部６８の指示によってなされることは言うまでもない。本明細書において、ブースティング電源６５、ブースティング電極７７、第２の光源６９等、帯電緩和のための構成部分を帯電緩和制御部と総称することがある点留意されたい。
【００３１】
なお、この第二の実施例における走査電子顕微鏡の動作、及びタイムチャートは、第一の実施例で図８〜図１０を用いて説明した動作、タイムチャートと同様であり、第２の光源６９による試料近辺へのビーム照射のタイミングは、図１０のタイムチャートに図示した「照射のみ」の期間となる。
【００３２】
以上の第二の実施例においても、複数のフレームを積算して画像取得を行なうため、連続して複数フレームを生成する場合、試料表面の帯電状況を観察し、帯電量が所定の規定値（閾値）以下になった場合、次のフレーム生成に先立ち、ブースティング電圧印加と電子ビームや光ビームの照射により除電シーケンスを実施し、効率よく帯電を緩和することが可能となる。
【実施例３】
【００３３】
第三の実施例は第一の実施例同様、除電シーケンスが必要と判断され、実行される除電、帯電緩和期間において、ブースティング電圧として除電用電圧を印加して帯電を緩和すると共に、試料に照射する一次電子線のビーム量を制御して、より効果的に帯電を緩和するＳＥＭの実施例である。
【００３４】
図１３は、第三の実施例のＳＥＭ全体構成を示している。図１３において、図６に示した第一の実施例の構成と同一の番号は同一物を示す。１３０は、本実施例において追加された帯電緩和制御部として機能する帯電緩和用静電レンズ電源であり、観察試料上に照射する一次電子ビーム量を制御することにより、帯電の緩和を促進するものである。
【００３５】
図１４に第三の実施例のＳＥＭ鏡筒とその周辺機器６１の詳細構造の一例を示す。同図において、図７、図１３における数番と同一の番号は同一物を示している。１４０は静電レンズであり、その電圧は静電レンズ電源１３０によって制御され、電子銃７０からの一次電子ビームのビーム量を制御することにより、正に帯電した試料の帯電緩和を効率的に行なうことができる。
【００３６】
なお、この第三の実施例におけるＳＥＭの動作の粗フローは、第一の実施例で図８を用いて説明した動作と同様であるので説明を省略する。図１５は、第三の実施例におけるＳＥＭの動作の画像取得の際の詳細フローを示す。同図において、撮像開始ステップ９０から撮像終了ステップ９７までは、図９と同一のステップとなる。ステップ９４において、積算された画像が所定のフレーム数に到達していない場合であって、そのフレームの信号が規定値より大きくない場合、第一、第二の実施例同様、ブースティング電源６５を除電用電圧に設定する（ステップ１５０）と共に、静電レンズ電源１３０で発生する静電レンズ１４０への印加電圧を除電用電圧に設定する（ステップ１５１）。そして、試料上に電子線を照射し、帯電の緩和を図る（ステップ１５２）。大電流照射が伴う除電、帯電緩和期間後、静電レンズ１４０の電圧を撮像用電圧に設定し（ステップ１５３）、ステップ９１に戻り、撮像を開始することになる。
【００３７】
次に、本実施例における静電レンズ１４０に印加される除電用電圧、及び撮像用電圧について図１６を用いて説明する。同図（Ａ）に静電レンズ１４０に印加する電圧のタイムチャートの一例を示す。なお、同図（Ｂ）はブースティング電極７７に同時に印加されるブースティング電圧のタイムチャートを示している。図１６から明らかなように、本実施例においても、画像取得に際し、所定数のフレームの積算を行なうため、連続したフレームの撮像が行なわれる。このフレームの撮像の際、静電レンズ１４０に印加される電圧は、零に設定される。また、図１６（Ｂ）から明らかなように、ブースティング電圧は第一のレベルの電圧（ＢＶ１）に設定される。
【００３８】
一方、本実施例においてフレーム間に大電流の電子ビームを試料に照射し、帯電を緩和する除電、帯電緩和期間（図１６において「大電流照射」と図示された期間）において、静電レンズ１４０に所定電圧（ＥＶ）が印加される。ブースティング電極７７に同時に印加されるブースティング電圧は第二のレベルの電圧（ＢＶ２）が印加される。図１６（Ａ）より明らかなように、静電レンズ１４０には正の所定電圧が印加され、電子銃７０からの一次電子ビームは絞り７４の位置においてより収束され、絞り７４を通過する一次電子ビームが増加し、試料に大電流量の電子ビームが照射される。第一の実施例同様、この期間においては、ブースティング電圧の第二のレベルは第一のレベルより低い値に設定されるため、一次電子ビームの照射により試料ウェハから発生する二次電子の多くが試料ウェハ上に戻ることになり、この試料ウェハに戻った二次電子ビームにより、大電流照射による放出される二次電子の増大と相まって、より効率的に試料の正帯電を緩和できることになる。
【００３９】
なお、本発明の種々の実施例を詳述したが、これらの実施例に限られないことは言うまでも無い。上述の実施例においては、試料表面が正帯電する場合を例示して説明したが、フレーム間ブースティング電圧や静電レンズ印加電圧等を適当に選択することにより、試料ウェハ表面が負帯電する場合においても効果を得ることができる。また、上述してきた実施例において、帯電状態を検出するため、二次電子の検出信号にから算出したフレームの平均信号量を用いたが、他の方法を用いても良いことは言うまでもない。例えば、観察対象の試料の帯電緩和時定数を予め情報処理部６８の内部のメモリに記憶しておき、この帯電緩和時定数に基づき帯電状態を判断し、除電期間、帯電緩和期間を、どのフレームの合間に挿入するかを決定することも出来る。
【００４０】
更に、ブースティング電圧を印加する電極の構造は、図７、１２、１４に示したブースティング電極７７の構造以外の構造であって良い。また更に、荷電粒子線装置としてＳＥＭを例示して説明したが、一次荷電粒子ビームとして、一次電子ビーム以外のイオンビームなどの荷電粒子ビームを用いる荷電粒子線装置にも適用できることは言うまでもない。
【００４１】
以上、詳述したように、本発明により、複数フレームを積算して観察試料の画像を得る荷電粒子線装置において、各フレームにおいて検出される二次粒子の量等に応じて、フレーム間に除電、帯電緩和が必要か否かを判断し、複数フレームを得るため同一の領域を一次荷電粒子線で走査する際に発生する帯電を緩和し、複数フレームを積算して得た所定領域の画像のＳ／Ｎの改善を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】従来の荷電粒子線装置の課題である像歪を説明するための図。
【図２】従来の荷電粒子線装置の課題であるフォーカスズレを説明するための図。
【図３】従来の荷電粒子線装置の課題であるウェハに戻る二次電子を説明するための図。
【図４】本発明の原理を説明するため、強電界の正帯電の定常状態を示す図。
【図５】本発明の原理を説明するため、正帯電が緩和される状態を示す図。
【図６】第一の実施例の荷電粒子線装置（ＳＥＭ）の全体構成を示す図。
【図７】第一の実施例の鏡筒とその周辺機器を示す図。
【図８】第一の実施例のＳＥＭの動作の粗フローを示す図。
【図９】第一の実施例のＳＥＭの動作の画像取得ステップの詳細なフローを示す図。
【図１０】第一の実施例のＳＥＭの動作のタイムチャートを示す図。
【図１１】第二の実施例のＳＥＭの変形例の全体構成を示す図。
【図１２】第二の実施例のＳＥＭの鏡筒とその周辺機器を示す図。
【図１３】第三の実施例のＳＥＭの全体構成を示す図。
【図１４】第三の実施例のＳＥＭ鏡筒とその周辺機器を示す図。
【図１５】第三の実施例の荷電粒子線装置の動作の画像取得ステップの詳細なフローを示す図。
【図１６】第三の実施例の荷電粒子線装置の動作のタイムチャートを示す図。
【符号の説明】
【００４３】
１：一次電子ビーム、２：二次電子、３：試料に戻る二次電子、６１：鏡筒とその周辺機器、６２：鏡筒、６３：検出器、６４：試料室、６５：ブースティング電源、６６：制御部、６７：画像表示部、６８：情報処理部、６９：第２の光源、７０：電子銃、７１：コンデンサレンズ、７２：絞り、７３：ブランキング電源、７４：反射板、７５：偏向器、７６：対物レンズ、７７：ブースティング電極、７８：ウェハ、７９：ステージ、１３０：対物緩和用静電レンズ電源、１４０：静電レンズ。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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