(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハに対して一次荷電粒子線を照射し、これにより発生する二次荷電粒子を検出する荷電粒子線光学系と、前記半導体ウェハ上の前記一次荷電粒子線の照射位置を検出する位置検出手段と、前記荷電粒子線光学系の設定パラメータを制御する制御手段と、を有する荷電粒子線システムであって、
前記荷電粒子線光学系が、荷電粒子源と、前記荷電粒子源から荷電粒子線を引き出す引き出し電極と、前記荷電粒子線を前記半導体ウエハ上に集束させる電磁レンズと、を有し、
前記制御手段は、
前記半導体ウェハの表面電位分布を表す表面電位分布関数を用いて、前記位置検出手段により検出された前記一次荷電粒子線の照射位置における前記半導体ウェハの表面電位の予測値を算出する処理と、
前記予測値の真値に対するばらつきの大きさを表す振り幅を算出する処理と、
前記半導体ウェハ上の前記一次荷電粒子線の照射位置で前記一次荷電粒子線を集束させるための前記リタ―ディング電圧または前記引き出し電極に印加する電圧または前記電磁レンズに流す電流の調整幅を、前記予測値および前記振り幅により特定される表面電位の範囲に応じて決定する処理と、を行うこと
を特徴とする荷電粒子線システム。
【請求項２】
請求項１に記載の荷電粒子線システムであって、
前記表面電位分布関数は、
前記半導体ウェハ上の複数の位置で測定された表面電位値を用いて最小二乗法により係数が算出された関数であり、
前記制御手段は、前記振り幅を算出する処理において、
前予測値の分散を用いて、前記予測値の真値に対するばらつきの大きさを表す振り幅を算出すること
を特徴とする荷電粒子線システム。
【請求項３】
請求項１に記載の荷電粒子線システムであって、
前記表面電位分布関数は、
前記半導体ウェハ上の複数の位置で測定された表面電位値を用いてスプライン補間により算出された関数であり、
前記制御手段は、前記振り幅を算出する処理において、
前記一次荷電粒子線の照射位置を含む所定領域で前記表面電位分布関数がとり得る表面電位の範囲を用いて、前記予測値の真値に対するばらつきの大きさを表す振り幅を算出すること
を特徴とする荷電粒子線システム。
【請求項４】
請求項１に記載の荷電粒子線システムであって、
前記半導体ウェハ上の複数の位置で表面電位を計測する表面電位計測手段を、さらに有し、
前記制御手段は、
前記表面電位計測手段により前記半導体ウェハ上の複数の位置で測定された表面電位値を用いて、最小二乗法により、予め用意された複数の関数各々の係数を算出する処理と、
それぞれ係数が決定され複数の関数各々について、前記表面電位計測手段により前記半導体ウェハ上の複数の位置で測定された表面電位値の当てはまりのよさを検定し、最も当てはまりのよい関数を、前記半導体ウェハの表面電位分布を表す表面電位分布関数に決定する処理と、
前記表面電位分布関数を用いて、前記位置検出手段により検出された前記一次荷電粒子線の照射位置における前記半導体ウェハの表面電位の予測値を算出する処理と、
前記予測値を用いて、前記半導体ウェハ上の前記一次荷電粒子線の照射位置で前記一次荷電粒子線を集束させるための前記リタ―ディング電圧または前記引き出し電極に印加する電圧または前記電磁レンズに流す電流の調整を行う処理と、を行うこと
を特徴とする荷電粒子線システム。
【請求項５】
請求項４に記載の荷電粒子線システムであって、
前記制御手段は、前記表面電位分布関数に決定する処理において、
それぞれ係数が決定された複数の関数各々について、χ二乗値が自由度νを超える確率を算出し、該確率が最も高い関数を前記最も当てはまりのよい関数として、前記表面電位分布関数に決定すること
を特徴とする荷電粒子線システム。
【請求項６】
請求項１に記載の荷電粒子線システムであって、
前記半導体ウェハ上の複数の位置で表面電位を計測する表面電位計測手段を、さらに有し、
前記制御手段は、
前記表面電位計測手段により前記半導体ウェハ上の複数の位置で測定された表面電位値を用いて、スプライン補間により、前記半導体ウェハの表面電位分布を表す表面電位分布関数を算出する処理と、
前記表面電位分布関数を用いて、前記位置検出手段により検出された前記一次荷電粒子線の照射位置における前記半導体ウェハの表面電位の予測値を算出する処理と、
前記予測値を用いて、前記半導体ウェハ上の前記一次荷電粒子線の照射位置で前記一次荷電粒子線を集束させるためのリタ―ディング電圧または前記引き出し電極に印加する電圧または前記電磁レンズに流す電流の調整を行う処理と、を行うこと
を特徴とする荷電粒子線システム。
【請求項７】
請求項６に記載の荷電粒子線システムであって、
前記制御手段は、前記表面電位分布関数を算出する処理において、
前記表面電位計測手段により前記半導体ウェハのウェハ中心を含む直線（直径）上の複数の位置で測定された表面電位値を用いて、最小二乗法により、偶関数を横軸方向に移動した関数を求め、求めた関数の線対称位置を前記半導体ウェハのウェハ中心として検出し、
前記半導体ウェハのウェハ中心位置以上または以下の領域に含まれる表面電位の測定値を用いて、スプライン補間により、前記半導体ウェハのウェハ中心位置からの距離を変数とする前記表面電位分布関数を算出すること
を特徴とする荷電粒子線システム。
【請求項８】
請求項４乃至７のいずれか一項に記載の荷電粒子線システムであって、
前記半導体ウェハが載置されるステージを備えた真空試料室と、
前記真空試料室に前記半導体ウェハを導入するための試料交換室と、
前記試料交換室に前記半導体ウェハを搬入するための搬送手段と、をさらに有し、
前記表面電位計測手段は、
前記試料交換室のウェハ導入口付近に配置されていること
を特徴とする荷電粒子線システム。
【請求項９】
半導体ウェハに対して一次荷電粒子線を照射し、これにより発生する二次荷電粒子を検出する荷電粒子線光学系と、前記半導体ウェハ上の前記一次荷電粒子線の照射位置を検出する位置検出手段と、を有する荷電粒子線システムにおいて、前記荷電粒子線光学系の設定パラメータを制御するためのコンピュータで読取可能なプログラムであって、
前記荷電粒子線光学系が、荷電粒子源と、前記荷電粒子源から荷電粒子線を引き出す引き出し電極と、前記荷電粒子線を前記半導体ウェハ上に集束させる電磁レンズと、を有し、
前記コンピュータに、
前記半導体ウェハの表面電位分布を表す表面電位分布関数を用いて、前記位置検出手段により検出された前記一次荷電粒子線の照射位置における前記半導体ウェハの表面電位の予測値を算出する処理と、
前記予測値の真値に対するばらつきの大きさを表す振り幅を算出する処理と、
前記半導体ウェハ上の前記一次荷電粒子線の照射位置で前記一次荷電粒子線を集束させるためのリタ―ディング電圧または前記引き出し電極に印加する電圧または前記電磁レンズに流す電流の調整幅を、前記予測値および前記振り幅により特定される表面電位の範囲に応じて決定する処理と、を実行させること
を特徴とするコンピュータで読取可能なプログラム。
【請求項１０】
請求項９に記載のコンピュータで読取可能なプログラムであって、
前記荷電粒子線システムは、前記半導体ウェハ上の複数の位置で表面電位を計測する表面電位計測手段を、さらに有し、
前記コンピュータに、
前記表面電位計測手段により前記半導体ウェハ上の複数の位置で測定された表面電位値を用いて、最小二乗法により、予め用意された複数の関数各々の係数を算出する処理と、
それぞれ係数が決定され複数の関数各々について、前記表面電位計測手段により前記半導体ウェハ上の複数の位置で測定された表面電位値の当てはまりのよさを検定し、最も当てはまりのよい関数を、前記半導体ウェハの表面電位分布を表す表面電位分布関数に決定する処理と、
前記表面電位分布関数を用いて、前記位置検出手段により検出された前記一次荷電粒子線の照射位置における前記半導体ウェハの表面電位の予測値を算出する処理と、
前記予測値を用いて、前記半導体ウェハ上の前記一次荷電粒子線の照射位置で前記一次荷電粒子線を集束させるためのリタ―ディング電圧または前記引き出し電極に印加する電圧または前記電磁レンズに流す電流の調整を行う処理と、を実行させること
を特徴とするコンピュータで読取可能なプログラム。
【請求項１１】
請求項９に記載のコンピュータで読取可能なプログラムであって、
前記荷電粒子線システムは、前記半導体ウェハ上の複数の位置で表面電位を計測する表面電位計測手段を、さらに有し、
前記コンピュータに、
前記表面電位計測手段により前記半導体ウェハ上の複数の位置で測定された表面電位値を用いて、スプライン補間により、前記半導体ウェハの表面電位分布を表す表面電位分布関数を算出する処理と、
前記表面電位分布関数を用いて、前記位置検出手段により検出された前記一次荷電粒子線の照射位置における前記半導体ウェハの表面電位の予測値を算出する処理と、
前記予測値を用いて、前記半導体ウェハ上の前記一次荷電粒子線の照射位置で前記一次荷電粒子線を集束させるためのリタ―ディング電圧または前記引き出し電極に印加する電圧または前記電磁レンズに流す電流の調整を行う処理と、を実行させること
を特徴とするコンピュータで読取可能なプログラム。
【請求項１２】
半導体ウェハに対して一次荷電粒子線を照射し、これにより発生する二次荷電粒子を検出する荷電粒子線光学系を用いた半導体ウェハのパターン計測方法であって、
前記荷電粒子線光学系が、荷電粒子源と、前記荷電粒子源から荷電粒子線を引き出す引き出し電極と、前記荷電粒子線を前記半導体ウェハ上に集束させる電磁レンズと、を有し、
前記半導体ウェハ上の前記一次荷電粒子線の照射位置を検出し、
前記半導体ウェハの表面電位分布を表す表面電位分布関数を用いて、前記一次荷電粒子線の照射位置における前記半導体ウェハの表面電位の予測値を算出し、
前記予測値の真値に対するばらつきの大きさを表す振り幅を算出し、
前記半導体ウェハ上の前記一次荷電粒子線の照射位置で前記一次荷電粒子線を集束させるためのリタ―ディング電圧または前記引き出し電極に印加する電圧または前記電磁レンズに流す電流の調整幅を、前記予測値および前記振り幅により特定される表面電位の範囲に応じて決定すること
を特徴とするパターン計測方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載のパターン計測方法であって、
前記半導体ウェハ上の複数の位置で表面電位値を測定し、
前記複数の位置で測定した表面電位の測定値を用いて、最小二乗法により、予め用意された複数の関数各々の係数を算出し、
それぞれ係数が決定され複数の関数各々について、前記複数の位置で測定した表面電位の測定値の当てはまりのよさを検定し、最も当てはまりのよい関数を、前記半導体ウェハの表面電位分布を表す表面電位分布関数に決定し、
前記半導体ウェハ上の前記一次荷電粒子線の照射位置を検出し、
前記表面電位分布関数を用いて、前記一次荷電粒子線の照射位置における前記半導体ウェハの表面電位の予測値を算出し、
前記予測値を用いて、前記半導体ウェハ上の前記一次荷電粒子線の照射位置で前記一次荷電粒子線を集束させるためのリタ―ディング電圧または前記引き出し電極に印加する電圧または前記電磁レンズに流す電流の調整を行うこと
を特徴とするパターン計測方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載のパターン計測方法であって、
前記半導体ウェハ上の複数の位置で表面電位値を測定し、
前記複数の位置で測定した表面電位の測定値を用いて、スプライン補間により、前記半導体ウェハの表面電位分布を表す表面電位分布関数を算出し、
前記半導体ウェハ上の前記一次荷電粒子線の照射位置を検出し、
前記表面電位分布関数を用いて、前記一次荷電粒子線の照射位置における前記半導体ウェハの表面電位の予測値を算出し、
前記予測値を用いて、前記半導体ウェハ上の前記一次荷電粒子線の照射位置で前記一次荷電粒子線を集束させるためのリタ―ディング電圧または前記引き出し電極に印加する電圧または前記電磁レンズに流す電流の調整を行うこと
を特徴とするパターン計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子線を用いて、半導体ウェハ等の試料に形成された回路パターンを計測する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハ等の試料に形成された回路パターンを計測する技術として、荷電粒子線システムがある。荷電粒子線システムは、試料に一次荷電粒子線を照射し、これにより発生する二次荷電粒子を検出する。そして、検出した二次荷電粒子を画像化して表示装置に表示する。
【０００３】
荷電粒子線システムにおいて、試料上の多数の測定点を迅速に処理するためには、各測定点に照射される一次荷電粒子線の集束調整等に要する時間を短縮することが好ましい。一次荷電粒子線の集束条件は、一次荷電粒子線の加速電圧、試料に印加される電圧、および試料の高さ等から決定される。例えばレーザ光を試料に照射し、その反射光を利用して試料の高さを検出する。そして、得られた高さ情報を、荷電粒子線光学系の制御装置（例えば対物レンズの制御装置）にフィードバックし、一次荷電粒子線が各測定点で集束するように、荷電粒子線光学系の設定パラメータを決定する。
【０００４】
半導体製造プロセスにおいて、半導体ウェハに形成された回路パターンの測定に荷電粒子線システムを用いる場合、この測定よりも前のプロセスでの処理によって半導体ウェハが帯電することがある。例えばレジスト塗布において、レジスト塗布に用いるスピンコータによる摩擦により、レジストを構成する物質が分極して、半導体ウェハが帯電することがある。また、エッチングにおいて、エッチングに用いるプラズマによって半導体ウェハが帯電することがある。荷電粒子線システムにおいて、試料が帯電していると、一次荷電粒子線の軌道が乱れ、測定点で集束せず、このため計測精度が低下する。特許文献１には、この問題を解決するための技術が開示されている。
【０００５】
特許文献１に記載の技術では、真空チャンバ内への搬送経路に表面電位計を設置し、この表面電位計を用いて、一次荷電粒子線による計測に先立って、半導体ウェハの中心を含む直線上の表面電位を測定する。次に、表面電位の測定結果を用いて、予め定義された関数の係数を決定することにより、半導体ウェハの中心を含む直線上の表面電位を表現する近似関数を求める。半導体ウェハは、同心円状に帯電する傾向（回転対称性）がある。この特性を利用して、半導体ウェハの中心を含む直線上の表面電位を表現する近似関数から、半導体ウェハ全面の表面電位分布を表現する近似関数を求める。この半導体ウェハ全面の表面電位分布を表現する近似関数を用いて、半導体ウェハの測定点における表面電位を算出し、算出した表面電位を用いて、一次荷電粒子線の集束調整の際に半導体ウェハに印加するリターディング電圧を補正する。このようにすることで、半導体ウェハが帯電している場合でも、半導体ウェハの所望の測定点で一次荷電粒子線を集束させることができる。
【０００６】
【特許文献１】国際公開第０３/００７３３０号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、帯電した半導体ウェハの表面電位分布形状は、帯電の原因となった半導体プロセスあるいはそのプロセス条件によって変化する。このため、半導体ウェハの各測定点における表面電位計での表面電位測定結果が、予め定義された近似関数によく当てはまる場合とそうでない場合とがある。図１１（Ａ）、（Ｂ）は、半導体ウェハの表面電位分布の代表的な例を示している。ここで、符号９０１は半導体ウェハの各測定点の測定電位を示している。符号９０２は半導体ウェハの各測定点の測定電位９０１を用いて係数（定数を含む）が決定された、予め定義された近似関数を示している。ここでは、予め定義された近似関数として、ｆ（ｒ）＝ａｒ４+ｂｒ２+ｃで表される四次の項までを含む偶関数を想定している。
【０００８】
図１１（Ａ）では、半導体ウェハの各測定点の測定電位９０１が半導体ウェハの中心から外側へいくにつれて、表面電位の変化率がなだらかに上昇している。このような場合、上記の偶関数がよく当てはまる。一方、図１１（Ｂ）では、半導体ウェハの各測定点の測定電位９０１が、半導体ウエアの中心を含む内部で略一定であり、その周縁部で急峻に変化している。このような場合、どのように係数を調整しても、上記の偶関数では当てはまりが悪く、残差（近似関数により求められる予測値と実際の測定値との差）が大きい。
【０００９】
荷電粒子線システムを用いて、半導体ウェハに形成された回路パターンを測定する場合、通常、リターディング電圧を設定値の周りで振りながら（変化させながら）、ビームの集束状態を調べ、リターディング電圧の最適値を調べる。特許文献１に記載の技術では、近似関数を用いて測定点の表面電位を予測し、この予測値を元に最適と思われるリターディング電圧を設定する。そして、リターディング電圧をこの設定値の周りで振りながら、ビームの集束状態を調べ、リターディング電圧の最適値を調べる。しかし、上述の残差が大きいと、各測定点でのリターディング電圧の振り幅が大きくなる。このため、各測定点に照射される一次荷電粒子線の集束調整等に要する時間が長くなり、試料上の多数の測定点を迅速に処理することができない。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、一次荷電粒子線を用いて、試料上の多数の測定点を迅速に処理することができる技術を提供することにある。
【００１１】
具体的には、本発明の目的の一つは、試料の各測定点に照射される一次荷電粒子線の集束調整等に要する時間を短縮することにある。また、本発明の他の目的の一つは、試料の表面電位分布を表す近似関数の精度を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の第一の態様は、試料の各測定点ついて、表面電位分布を表す近似関数から求まる当該測定点での表面電位の確からしさを求め、この確からしさに基づいて当該測定点での荷電粒子線光学系の設定パラメータ（例えばリターディング電圧）の振り幅を決定する。そして、決定した振り幅の範囲で設定パラメータを変化させながら一次荷電粒子線の集束状態を調べ、測定に用いる設定パラメータを決定する。
【００１３】
例えば、本発明の第一の態様の荷電粒子線システムは、半導体ウェハに対して一次荷電粒子線を照射し、これにより発生する二次荷電粒子を検出する荷電粒子線光学系と、前記半導体ウェハ上の前記一次荷電粒子線の照射位置を検出する位置検出手段と、前記荷電粒子線光学系の設定パラメータを制御する制御手段と、を有する荷電粒子線システムであって、
前記制御手段は、
前記半導体ウェハの表面電位分布を表す表面電位分布関数を用いて、前記位置検出手段により検出された前記一次荷電粒子線の照射位置における前記半導体ウェハの表面電位の予測値を算出する処理と、
前記予測値の真値に対するばらつきの大きさを表す振り幅を算出する処理と、
前記半導体ウェハ上の前記一次荷電粒子線の照射位置で前記一次荷電粒子線を集束させるための前記設定パラメータの調整幅を、前記予測値および前記振り幅により特定される表面電位の範囲に応じて決定する処理と、を行う。
【００１４】
また、本発明の第二の態様は、予め定義された近似関数を複数用意し、試料の各測定点の測定電位を用いて各近似関数の係数（定数を含む）を決定する。そして、係数が決定された近似関数各々について、試料の各測定点の測定電位の当てはまりのよさを検定し、最も当てはまりのよい近似関数を、試料の表面電位分布を表す近似関数に選択する。
【００１５】
例えば、本発明の第二の態様の荷電粒子線システムは、半導体ウェハに対して一次荷電粒子線を照射し、これにより発生する二次荷電粒子を検出する荷電粒子線光学系と、前記半導体ウェハ上の前記一次荷電粒子線の照射位置を検出する位置検出手段と、前記荷電粒子線光学系の設定パラメータを制御する制御手段と、前記半導体ウェハ上の複数の位置で表面電位を計測する表面電位計測手段と、を有する荷電粒子線システムであって、
前記制御手段は、
前記表面電位計測手段により前記半導体ウェハ上の複数の位置で測定された表面電位値を用いて、最小二乗法により、予め用意された複数の関数各々の係数を算出する処理と、
それぞれ係数が決定され複数のた関数各々について、前記表面電位計測手段により前記半導体ウェハ上の複数の位置で測定された表面電位値の当てはまりのよさを検定し、最も当てはまりのよい関数を、前記半導体ウェハの表面電位分布を表す表面電位分布関数に決定する処理と、
前記表面電位分布関数を用いて、前記位置検出手段により検出された前記一次荷電粒子線の照射位置における前記半導体ウェハの表面電位の予測値を算出する処理と、
前記予測値を用いて、前記半導体ウェハ上の前記一次荷電粒子線の照射位置で前記一次荷電粒子線を集束させるための前記設定パラメータの調整を行う処理と、を行う。
【００１６】
また、本発明の第三の態様は、試料の各測定点の測定電位を滑らかに繋ぐ複数の多項式からなる関数を求め、これを試料の表面電位分布を表す近似関数に決定する。
【００１７】
例えば、本発明の第三の態様の荷電粒子線システムは、半導体ウェハに対して一次荷電粒子線を照射し、これにより発生する二次荷電粒子を検出する荷電粒子線光学系と、前記半導体ウェハ上の前記一次荷電粒子線の照射位置を検出する位置検出手段と、前記荷電粒子線光学系の設定パラメータを制御する制御手段と、前記半導体ウェハ上の複数の位置で表面電位を計測する表面電位計測手段と、を有する荷電粒子線システムであって、
前記制御手段は、
前記表面電位計測手段により前記半導体ウェハ上の複数の位置で測定された表面電位値を用いて、スプライン補間により、前記半導体ウェハの表面電位分布を表す表面電位分布関数を算出する処理と、
前記表面電位分布関数を用いて、前記位置検出手段により検出された前記一次荷電粒子線の照射位置における前記半導体ウェハの表面電位の予測値を算出する処理と、
前記予測値を用いて、前記半導体ウェハ上の前記一次荷電粒子線の照射位置で前記一次荷電粒子線を集束させるための前記設定パラメータの調整を行う処理と、を行う。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、一次荷電粒子線を用いて、試料上の多数の測定点を迅速に処理することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２０】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態が適用された走査電子顕微鏡システムの概略構成図である。
【００２１】
図示するように、本実施形態の走査電子顕微鏡システムは、荷電粒子線光学系１０と、制御系２０と、搬送系３０と、試料室４０と、を有する。
【００２２】
荷電粒子線光学系１０は、一次荷電粒子線１１を出射する荷電粒子源１０１と、引出電極１０２ａ、１０２ｂと、コンデンサレンズ１０３と、アライメントコイル１０４と、偏向コイル１０５と、対物レンズ１０６と、二次荷電粒子１２を検出する二次荷電粒子検出器１０７と、高さ検出用レーザ発光器１０８と、ポジションセンサ１０９と、を有する。
【００２３】
制御系２０は、統括制御部２０１と、ユーザインターフェース部２０２と、荷電粒子線光学系制御装置２０３と、ステージ制御装置２０４と、加速電圧制御装置２０５と、コンデンサレンズ制御部２０６と、増幅器２０７と、アライメント制御部２０８と、偏向信号制御部２０９と、対物レンズ制御部２１０と、二次荷電粒子像表示装置２１１と、リターディング制御部２１２と、試料ステージ位置検出器２１３と、表面電位計２１４と、を有する。
【００２４】
搬送系３０は、試料である半導体ウェハ１３を保持するウェハカセット３０１と、搬送アーム３０２と、ウェハ搬送装置３０３と、プローブ３０４と、試料交換室３０５と、ゲートバルブ３０６ａ、３０６ｂと、を有する。
【００２５】
試料室４０は、一次荷電粒子線１１の入射方向に対して垂直方向に半導体ウェハ１３を移動させる試料ステージ４０１を有する。
【００２６】
統括制御部２０１は、ユーザインターフェース部２０２を介してオペレータより入力された検査レシピ情報（一次荷電粒子の加速電圧、半導体ウェハ１３に関する情報、測定点の位置情報等）に従い、荷電粒子線光学系制御装置２０３、ステージ制御装置２０４、およびウェハ搬送装置３０３を介して、システム全体の制御を行う。
【００２７】
統括制御部２０１から命令を受けたウェハ搬送装置３０３は、搬送アーム３０２を操作してウェハカセット３０１から半導体ウェハ１３を取り出す。そして、真空に保持されている試料交換室３０５を大気圧にある外部から分離するゲートバルブ３０６ａを開け、半導体ウェハ１３を試料交換室３０５に搬入する。試料交換室３０５に入った半導体ウェハ１３は、ゲートバルブ３０６ｂを介して試料室１１０に搬送され、試料ステージ４０１上に固定される。
【００２８】
荷電粒子光学系制御装置２０３は、統括制御部２０１からの命令に従い、加速電圧制御装置２０５、コンデンサレンズ制御部２０６、増幅器２０７、アライメント制御部２０８、偏向信号制御部２０９、対物レンズ制御部２１０、およびリターディング制御部２１２を制御する。
【００２９】
引出電極１０２ａ、１０２ｂにより荷電粒子源１０１から引き出された一次荷電粒子線１１は、コンデンサレンズ１０３、対物レンズ１０６により集束され、試料ステージ４０１上の半導体ウェハ１３に照射される。なお、荷電粒子源１０１から引き出された一次荷電粒子線１１は、アライメントコイル１０４によりその軌道を調整され、偏向信号制御部２０９から信号を受けた偏向コイル１０５により、半導体ウェハ１３上を二次元に走査される。
【００３０】
試料ステージ４０１上の半導体ウェハ１３には、リターディング制御部２１２から一次荷電粒子線１１を減速するためのリターディング電圧（電子顕微鏡の場合は負電圧）が印加されている。半導体ウェハ１３への一次荷電粒子線１１の照射に起因して、半導体ウェハ１３から二次荷電粒子１２が放出される。この二次荷電粒子１２は、二次荷電粒子検出器１０７により検出され、増幅器２０７を介して二次荷電粒子像表示装置２１１の輝度信号として使用される。二次荷電粒子像表示装置２１１の走査信号と偏向コイル１０５の偏向信号とは同期している。このため、二次荷電粒子像表示装置２１１には、半導体ウェハ１３に形成された回路パターン形状が忠実に再現される。なお、二次荷電粒子１２とは、一次荷電粒子線１１の照射に伴い半導体ウエア１３から二次的に放出される荷電粒子であり、一般的には二次電子、オージェ電子、反射電子、二次イオンと呼ばれるものを指す。
【００３１】
上記構成の走査電子顕微鏡システムにおいて、半導体ウェハ１３上の回路パターンを高速に計測するためには、試料ステージ１１が所望の測定点に移動したときの半導体ウェハ１３の高さを検出し、その高さに応じて対物レンズ１０６の焦点距離を調整する、いわゆる集束調整が必要である。このため、レーザ光を用いたウェハ高さ検出機構が設けられている。試料ステージ位置検出器２１３により試料ステージ位置を検出し、所望の位置近傍に試料ステージ４０１が接近したときに、高さ検出用レーザ発光器１０８が試料ステージ４０１上の半導体ウェハ１３にレーザ光を照射する。そして、その反射光をポジションセンサ１０９で受光し、その受光位置から半導体ウェハ１３の高さを検出する。この半導体ウェハ１３の高さ情報は対物レンズ１０６の焦点距離にフィードバックされる。つまり、対物レンズ制御部２１０は、ポジションセンサ１０９が検出した半導体ウェハ１３の高さ情報に基づいて対物レンズ１０６の焦点距離を調節する。その結果、試料ステージ４９０１が所定の位置に到達した際には、一次荷電粒子線１１は半導体ウェハ１３上に集束される。したがって、半導体ウェハ１３の回路パターンの検出を、オペレータによる操作なしに自動で行うことができる。
【００３２】
本実施形態において、対物レンズ１０６は電磁レンズであり、励磁電流によって焦点距離が決定される。半導体ウェハ１３上に一次荷電粒子線１１が集束するために必要な励磁電流は、一次荷電粒子線１１の加速電圧、半導体ウェハ１３の表面電位、および半導体ウェハ１３の高さの関数で表される。この関数は光学シミュレーションまたは実測により導出することができる。
【００３３】
半導体ウェハ１３が帯電していない場合、半導体ウェハ１３の表面電位は、測定点の位置にかかわらずリターディング電圧と等しくなる。この場合、半導体ウェハ１３上に一次荷電粒子線１１が集束するために必要な励磁電流は、一次荷電粒子線１１の加速電圧および半導体ウェハ１３の高さの関数となる。したがって、一次荷電粒子線１１の加速電圧が一定ならば、ポジションセンサ１０９で検出した半導体ウェハ１３の測定点における高さ情報を対物レンズ１０６の焦点距離にフィードバックすることで、この測定点で一次荷電粒子線１１を集束させることができる。
【００３４】
しかし、半導体ウエア１３が帯電している場合、半導体ウェハ１３の表面電位は、測定点の位置に応じて変化する。この場合、半導体ウェハ１３上に一次荷電粒子線１１が集束するために必要な励磁電流は、一次荷電粒子線１１の加速電圧、半導体ウェハ１３の表面電位、および半導体ウェハ１３の高さの関数となる。したがって、一次荷電粒子線１１の加速電圧が一定でも、ポジションセンサ１０９で検出した半導体ウェハ１３の測定点における高さ情報のみならず、この測定点における表面電位を対物レンズ１０６の焦点距離にフィードバックさせなければ、この測定点で一次荷電粒子線１１を集束させることができない。ここで、測定点の高さ情報は、上述したように、高さ検出用レーザ発光器１０８およびポジションセンサ１０９を用いて測定開始直前に（リアルタイムで）計測することができる。しかし、測定点の表面電位を測定開始直前に（リアルタイムで）計測することは現実的でない。
【００３５】
そこで、本実施形態では、測定に先立って半導体ウェハ１３の表面電位を計測し、この計測結果を用いて半導体ウェハ１３の表面電位分布を表す近似関数（表面電位分布関数）を求める。そして、この表面電位分布関数を用いて測定点での表面電位を算出し、この表面電位とリターディング電圧との和が所定の一定電圧となるように、リターディング制御部２１２を制御する。このようにすることで、半導体ウェハ１３上に一次荷電粒子線１１が集束するために必要な励磁電流の条件を、半導体ウェハ１３が帯電していない場合と同様に扱えるようにしている。つまり、一次荷電粒子線１１の加速電圧が一定ならば、ポジションセンサ１０９で検出した半導体ウェハ１３の測定点における高さ情報を対物レンズ１０６の焦点距離にフィードバックすることで、この測定点で一次荷電粒子線１１を集束させることができるようにしている。
【００３６】
次に、表面電位分布関数の算出手順について説明する。
【００３７】
搬送アーム３０２によってウェハカセット３０１から取り出された半導体ウェハ１は、図示していない搬送路を通って試料交換室３０５に搬入される。この際、表面電位計２１４は、プローブ３０４を用いて、搬送路を流れる半導体ウェハ１３のウェハ中心を含む直線（直径）上の複数の点で表面電位を測定し、測定結果を統括制御部２０１に送信する。統括制御部２０１は、表面電位計２１４から受信した測定結果を測定点の位置情報と共に、データ格納部２０１ｂに格納する。ここで、測定点の位置情報は、例えば最初の測定点からの直線距離（この場合、最初の測定点は原点となる）で表してもよい。この直線距離は表面電位計２１４での各測定点の測定時刻（最初の測定点が測定されてからの経過時間）および搬送路の搬送速度を用いて算出できる。本実施形態では、半導体ウェハ１３のウェハ中心を含む直線（直径）上の３３点で表面電位を測定することで、３３組の測定データ（ｘｉ,ｙｉ）を得ている。ここでｘは測定点の位置情報、ｙは測定点の表面電位、そして、ｉは測定点の識別番号（１≦ｉ≦３３）である。
【００３８】
次に、統括制御部２０１は、データ格納部２０１ｂに格納された測定データを用いて、計算部２０１ａにより半導体ウェハ１３の表面電位分布関数を求める。先ず、計算部２０１ａは、予め登録された複数のモデル関数各々について、データ格納部２０１ｂに格納された測定データを用いて最小二乗法により当該関数の係数（定数：０次の係数を含む）を算出する。本実施形態では、図２に示す４つのモデル関数２０１１〜２０１４を用意している。これらのモデル関数２０１１〜２０１４は、半導体ウェハ１３の表面電位分布によくフィットする関数として経験的に選び出されたものである。本実施形態では、モデル関数毎に、３つの係数ａ、ｂ、ｃのそれぞれについて、所定の最小二乗法の式に３３個の測定データを代入して、これらの測定データが最もよく当てはまる値を算出する。そして、図２に示すように、各係数の算出結果２０１５を対象のモデル関数２０１１〜２０１４に対応付けて、データ格納部２０１ｂに格納する。
【００３９】
次に、計算部２０１ａは、以上のようにして係数が算出されたモデル関数のそれぞれについて、χ二乗値および自由度νを算出する。χ二乗値は、例えば次式（数１）で算出できる。
【００４０】
【数１】
0004705869.tif 000002
ここで、ｎは測定点の数である。σｉはｉ番目の測定点ｘｉで表面電位を測定したときの測定誤差である。σｉはｉ（測定点）にかかわらず一定としてもよい。ｙｉは測定点ｘｉで測定した表面電位（観測度数）である。そして、ｆ（ｘｉ）は、モデル関数に対応付けられている係数の値が設定されたモデル関数を用いて算出した、測定点ｘｉの表面電位（期待度数）である。
【００４１】
自由度νは、測定データの数ｎからモデル関数の係数（定数：０次の係数も含む）の数ｍを差し引くことで算出する（ν≡ｎ-ｍ）。本実施形態の場合、測定点の数は３３個である。また、いずれもモデル関数も係数の数は３個である（図２参照）。したがって、自由度νは３０となる。
【００４２】
次に、計算部２０１ａは、図２に示すように、モデル関数毎に算出したχ二乗値２０１６および自由度ν２０１７を、対象のモデル関数２０１１〜２０１４に対応付けて、データ格納部２０１ｂに格納する。
【００４３】
それから、計算部２０１ａは、モデル関数それぞれについて、以上のようにして算出したχ二乗値および自由度νを用いて、測定データ（ｘｉ,ｙｉ）のモデル関数に対する当てはまりのよさを検定する。
【００４４】
モデル関数が妥当であった場合、すなわち、モデル関数により求まる表面電位の、測定データが示す表面電位からの誤差が正規分布に従っている場合、χ二乗値は、自由度νのχ二乗分布に従う。したがって、自由度νのχ二乗分布において、χ二乗値＝自由度νを検定すればよい。そこで、自由度νのχ二乗分布において、χ二乗値が自由度νを超える確率Ｐを算出する。この確率Ｐは、例えば次式（数２）で算出できる。
【００４５】
【数２】
0004705869.tif 000003
ここで、Γ関数は次式（数３）で定義される。
【００４６】
【数３】
0004705869.tif 000004
モデル関数２０１１〜２０１４のそれぞれについて、χ二乗値、自由度νが図２に示すとおりである場合、確率Ｐは、４６.６％、１０.５％、１.２％、０.１％となる。計算部２０１ａは、図２に示すように、モデル関数毎に算出した確率Ｐを、測定データ（ｘｉ,ｙｉ）のモデル関数に対する当てはまりのよさを示す指標値２０１８として、対象のモデル関数２０１１〜２０１４に対応付けてデータ格納部２０１ｂに格納する。
【００４７】
次に、計算部２０１ａは、データ格納部２０１ｂを参照し、最も高い指標値Ｐに対応付けられているモデル関数を選択する。図２に示す例では、モデル関数２０１１が選択される。それから、選択したモデル関数の各係数に、当該モデル関数に対応付けられてデータ格納部２０１ｂに登録されている当該係数の値を設定して、半導体ウェハ１３の表面電位分布を表す表面電位分布関数を生成する。
【００４８】
次に、計算部２０１ａは、生成した表面電位分布関数ｆ（ｘ）の変数ｘ（半導体ウェハ１３のウェハ中心を含む直線（直径）上の位置情報）を半導体ウェハ１３のウェハ中心からの距離情報ｒに変換する。半導体ウェハ１３は同心円状に帯電する傾向があるため、半導体ウエア１３の表面電位分布が半導体ウェハ１３の中心に対して回転対象性を有することを仮定できる。そこで、計算部２０１ａは、ｆ（ｘ）が最小となる変数の値ｘ０を求め、これを半導体ウェハ１３の中心に決定する。そして、ｒ＝ｘ-ｘ０として、表面電位分布関数ｆ（ｘ）を表面電位分布関数ｆ（ｒ）に変換し、データ格納部２０１ｂに格納する。
【００４９】
図３は、図２に示すモデル関数２０１１〜２１０４それぞれについて、当該モデル関数の各係数に当該モデル関数に対応付けられている係数の値を設定し、変数ｘ（半導体ウェハ１３のウェハ中心を含む直線（直径）上の位置情報）を半導体ウェハ１３のウェハ中心からの距離情報ｒに変換したものをプロットしたものである。また、図３において、符号５０１（黒点）は実際の測定データを示している。図３から明らかなように、最も高い指標値Ｐを持つモデル関数２０１１の測定データ５０１に対する当てはまりが最もよい。
【００５０】
次に、半導体ウェハ１３に一次荷電粒子線１１を照射して測定する際のリテーディング電圧の調整手順を説明する。
【００５１】
上述したように、半導体ウェハ１３が帯電していない場合、半導体ウェハ１３の表面電位はリターディング電圧Ｖ０と等しい。これに対して、半導体ウェハ１３が帯電している場合、半導体ウェハ１３の表面電位は、リターディング電圧と半導体ウェハ１３の帯電による電位との和になる。このため、半導体ウェハ１３の表面電位を、半導体ウェハ１３が帯電していない場合と同じ一定電位に揃えるためには、半導体ウェハ１３に印加するリターディング電圧を補正する必要がある。半導体ウェハ１３の帯電による電位をＶｓ、リターディング電圧をＶｒとした場合、Ｖｒ＝Ｖ０-Ｖｓとなるように、リターディング電圧Ｖｒを設定すればよい。
【００５２】
そこで、統括制御部２０１の計算部２０１ａは、荷電粒子線光学系制御装置２０３およびステージ制御装置２０４を介して、試料ステージ検出器２１３から測定点（一次荷電粒子線照射位置）のステージ座標を受信すると、このステージ座標と半導体ウェハ１３の試料ステージ４０１に対する設置位置（オフセット位置）とを用いて、測定点の半導体ウェハ１３のウェハ中心からの距離ｒを求める。そして、求めた距離ｒをデータ格納部２０１ｂに格納されている表面電位分布関数ｆ（ｒ）に代入し、測定点における表面電位の予測値Ｖｅｘｐ（＝ｆ（ｒ））を算出する。
【００５３】
次に、計算部２０１ａは、半導体ウェハ１３の測定点におけるリターディング電圧の振り幅Ｖｖａｒを決定する。上記の手順によって生成された表面電位分布関数ｆ（ｒ）であっても、それが半導体ウェハ１３の表面電位分布を完全に再現することは困難である。そこで、測定点でのリターディング電圧Ｖｒの初期値をＶ０-Ｖｅｘｐ-Ｖｖａｒ/２に設定し、測定点に照射した一次荷電粒子線による二次荷電粒子の撮像信号から一次荷電粒子線の集束状態（合焦状態）を調べる。集束していない場合は、リターディング電圧を現在の値から所定の電圧値ｄｖだけ高く設定し、測定点に照射した一次荷電粒子線による二次荷電粒子の撮像信号から一次荷電粒子線の集束状態を調べる。計算部２０１ａは、集束状態を検出するまでこの処理を繰り返す。但し、リターディング電圧ＶｒがＶ０-Ｖｅｘｐ+Ｖｖａｒ/２に到達した場合は、この測定点での測定を中止し、荷電粒子線光学系制御装置２０３およびステージ制御装置２０４を介して、試料ステージ４０１を制御し、一次荷電粒子線照射位置を次の測定点に移動させる。
【００５４】
なお、本実施形態では、リターディング電圧Ｖｒをｄｖきざみで、振り幅Ｖｖａｒだけ振る（変化させる）。このため、リターディング電圧Ｖｒの最適値を求めるのに要する時間はＶｖａｒ/ｄｖに比例する。したがって、測定時間短縮の観点から、振り幅Ｖｖａｒはできるだけ小さいことが望ましい。しかし、振り幅Ｖｖａｒが小さすぎると、最適値がリターディング電圧Ｖｒの変化幅から外れるため、集束調整を自動的に行うことができなくなる。そこで、本実施形態では、より高速にリターディング電圧Ｖｒの最適値を求めるために、測定点に応じてリターディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒを動的に変化させ、振り幅Ｖｖａｒの最適化を行っている。振り幅Ｖｖａｒの最適化は、次の要領で行う。
【００５５】
先ず、計算部２０１ａは、一次荷電粒子線の照射による測定に先立って（例えば表面電位分布関数ｆ（ｒ）の生成時に）、表面電位分布関数ｆ（ｒ）の各係数の分散を求め、データ格納部２０１ｂに格納する。本実施形態では、モデル関数２０１１〜２０１４各々の３つの係数ａ、ｂ、ｃを最小二乗法により求めた。したがって、本実施形態では、表面電位分布関数ｆ（ｒ）の最小二乗法により求めた３つの係数ａ、ｂ、ｃ各々の分散σａ、σｂ、σｃを算出する。なお、最小二乗法における係数の分散の求め方は、例えば、William H. Press、William T. Vetterling、Saul A. Teukolsky、Brian P. Flannery  著、丹慶 勝市、佐藤 俊郎、奥村 晴彦、小林 誠  訳、技術評論社  発行  「ニューメリカルレシピ・イン・シー 日本語版  Ｃ言語による数値計算のレシピ」に詳しい。最小二乗法により求めた係数の分散は、測定データがモデル関数の周りにどの程度ばらついているかによって決まる。ばらつきが小さい場合は分散も小さく、ばらつきが大きい場合は分散も大きい。
【００５６】
さて、計算部２０１ａは、一次荷電粒子線の照射による測定に際し、データ格納部２０１ｂに格納されている表面電位分布関数ｆ（ｒ）の各係数ａ、ｂ、ｃの分散σａ、σｂ、σｃを用いて、表面電位分布関数ｆ（ｒ）から求めた測定点の表面電位における分散σｆ（ｒ）２を算出する。誤差伝播の考え方を適用して、次式（数４）により算出することができる。
【００５７】
【数４】
0004705869.tif 000005
ここで、ｒは測定点の半導体ウェハ中心からの距離である。誤差伝播に関しては、例えば、Taylor, John R  著、  林  茂雄、馬場  凉  訳、東京化学同人 発行  「An Introduction to ERROR ANALYSIS : The Study of Uncertainties in Physical Measurements」に詳しい。
【００５８】
図４は、横軸をウェハ中心からの距離ｒとし、縦軸を測定点の分散σｆとして、上記数４で表される関数をプロットした図である。図示するように、数４で表される関数５０２は、半導体ウェハ１３のウェハ中心に比べてその周辺部で分散σｆが大きくなっている。このことから、半導体ウェハ１３のウェハ中心部に比べてその周辺部で、表面電位分布関数ｆ（ｒ）で求めた表面電位（予測値）の測定データ（実測値）に対するばらつきが大きいことが分かる。つまり、半導体ウェハ１３のウェハ中心では表面電位の真の値（実測値）が予測値と近い確率が高く、周辺部では離れている確率が高い。
【００５９】
そこで、本実施形態では、測定点における分散σｆを用いてこの測定点におけるリテーディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒを決定する。すなわち、計算部２０１ａは、測定点の半導体ウェハ１３のウェハ中心からの距離ｒを上記の数４に代入して分散σｆを求め、この分散σｆに基づき、マージンを考慮して測定点におけるリテーディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒを決定する。例えば分散σｆに所定の係数（例えば３）を乗算して、測定点の振り幅Ｖｖａｒを計算する。
【００６０】
そして、測定点でのリターディング電圧Ｖｒの初期値をＶ０-Ｖｅｘｐ-Ｖｖａｒ/２に設定し、測定点に照射した一次荷電粒子線による二次荷電粒子の撮像信号から一次荷電粒子線の集束状態（合焦状態）を調べる。集束していない場合は、リターディング電圧を現在の値から所定の電圧値ｄｖだけ高く設定し、測定点に照射した一次荷電粒子線による二次荷電粒子の撮像信号から一次荷電粒子線の集束状態を調べる。計算部２０１ａは、集束状態を検出するまでこの処理を繰り返す。但し、リターディング電圧ＶｒがＶ０-Ｖｅｘｐ+Ｖｖａｒ/２に到達した場合は、この測定点での測定を中止し、荷電粒子線光学系制御装置２０３およびステージ制御装置２０４を介して、試料ステージ４０１を制御し、一次荷電粒子線照射位置を次の測定点に移動させる。
【００６１】
このようにすることで、測定点の位置にかかわらずリターディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒを一律に設定する場合に比べ、自動的に振り幅を最適化することができる。すなわち、表面電位の予測値と真の値（実測値）とが比較的近い半導体ウェハ１３のウェハ中心部では、リターディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒを小さく設定することができる。このため、より高速にリターディング電圧Ｖｒの最適値を求めることができる。
【００６２】
本発明者等は、本実施形態を適用してリターディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒを測定点に応じて変化させた場合と、測定点にかかわらず一定とした場合とで、その他の条件は同じにして、各測定点でリテーディング電圧の調整に係る時間の総和を調べた。その結果、測定点にかかわらず一定とした場合は、半導体ウェハ１３の１７点の測定点各々に対して１０秒ずつ、合計で１７０秒かかった。一方、測定点に応じて変化させた場合は、１０秒を要したのは半導体ウェハ１３のウェハ中心から最も遠い４点のみで、残りのうち８点は３秒、ウェハ中心に最も近い５点は１秒しか要しなかった。すなわち、半導体ウェハ一枚あたりの調整時間が、１７０秒から６９秒に短縮した。
【００６３】
なお、リターディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒ内で、リターディング電圧Ｖｒの最適値が見つからなかった場合は、リターディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒをより大きく設定し直しして、再度最適値を探索するようにしてもよい。
【００６４】
また、本実施形態では、表面電位の分散σｆに比例したリターディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒを設定した。しかし、例えばＶｒ＝ａ+σｆなどの他の関数を用いて効果が得られる場合もある。また、分散σｆに対して必ずしも連続的に振り幅Ｖｖａｒを決定する必要はない。分散σｆにに応じて振り幅Ｖｖａｒに適した値を、予め設定された数種類の値の中から選んでもよい。
【００６５】
また、本実施形態では、半導体ウェハ１３の表面電位分布が回転対称性を持つことを前提としている。しかし、本発明は、回転対称性のない半導体ウェハ１３の表面電位分布にも適用可能である。この場合は、半導体ウェハ１３の表面電位分布関数として、半導体ウエア１３のウェハ中心からの距離ｒと偏角θとに依存する関数ｆ（ｒ,θ）を定義すればよい。
【００６６】
＜第２実施形態＞
上記の第１実施形態では、予め用意しておいた複数のモデル関数のうち測定データとの当てはまりが最もよいモデル関数を用いて半導体ウェハ１３の表面電位分布関数を生成した。これに対し、本実施形態では、測定データ間の表面電位を補間することで半導体ウェハ１３の表面電位分布関数を生成する。また、上記の第１実施形態では、測定点における分散σｆを用いてこの測定点におけるリターディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒを決定した。これに対し、本実施形態では、測定点を含む所定領域にて表面電位分布関数がとり得る表面電位値を用いてこの測定点におけるリターディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒを決定する。なお、本実施形態が適用された走査電子顕微鏡システムの概略構成は、第１実施形態のものと同様である。
【００６７】
先ず、表面電位分布関数の算出手順について説明する。
【００６８】
搬送アーム３０２によってウェハカセット３０１から取り出された半導体ウェハ１は、図示していない搬送路を通って試料交換室３０５に搬入される。この際、表面電位計２１４は、第１実施形態と同様、プローブ３０４を用いて、搬送路を流れる半導体ウェハ１３のウェハ中心を含む直線（直径）上の複数の点で表面電位を測定し、測定結果を統括制御部２０１に送信する。統括制御部２０１は、表面電位計２１４から受信した測定結果を測定点の位置情報と共に、データ格納部２０１ｂに格納する。本実施形態では、半導体ウェハ１３のウェハ中心を含む直線（直径）上の２３点で表面電位を測定することで、２３組の測定データ（ｘｉ,ｙｉ）を得ている。ここでｘは測定点の位置情報、ｙは測定点の表面電位、そして、ｉは測定点の識別番号（１≦ｉ≦２３）である。
【００６９】
次に、統括制御部２０１は、データ格納部２０１ｂに格納された測定データを用いて、計算部２０１ａにより半導体ウェハ１３のウェハ中心の位置情報を検出する。本実施形態では、半導体ウェハ１３の帯電分布が、多くの場合、概略同心円状であることを利用し、最小二乗法により偶関数を横軸方向に移動した関数を求め、この関数の対象性を利用して半導体ウェハ１３のウェハ中心の位置を求める。具体的には、計算部２０１ａは、予め用意された四次の項とオフセット項とを含む偶関数、例えばｆ（ｘ）＝ａ（ｘ-ｘ０）４+ｂの各係数ａ、ｂ、ｘ０について、測定データを用いて最小二乗法により算出する。ここで、係数ｘ０は、半導体ウェハ１３のウェハ中心の位置情報である。図５（Ａ）は、測定データと、該測定データから最小二乗法により求めた偶関数ｆ（ｘ）＝ａ（ｘ-ｘ０）４+ｂとをプロットした図である。符号５０３（黒点）が測定データ、符号５０４（点線）が偶関数ｆ（ｘ）である。
【００７０】
次に、計算部２０１ａは、データ格納部２０１ｂに格納された測定データを補間することで、半導体ウェハ１３の表面電位分布関数を求める。先ず、計算部２０１ａは、半導体ウェハ１３のウェハ中心ｘ０以上（または以下）の領域において、隣接する測定データによって形成される区間各々の補間式を算出する。最も簡単に求めることができる補間式は、２点を直線で結ぶ線形補間である。しかし、多項式、有理関数あるいは三角関数を用いた補間がより正確である。本実施形態では、多項式を用いた補間方法の一つである三次スプライン補間を用いる。スプライン補間は、関数の一階導関数が区間の境界で連続となることを要請しながら、各区間を三次の多項式で補間する方法である。図５（Ｂ）は図５（Ａ）に示す２３点の測定データ５０３のうち、ウェハ中心ｘ０以上の領域にある１２点の測定データによって形成された１１区間のそれぞれについてスプライン補間により求めた補間式５０５（実線）をプロットした図である。計算部２０１ａは、ユーザインターフェース部２０２を介して、このスプライン補間により求めた各区間の補間式をオペレータに表示する。また、計算部２０１ａは、各区間の補間式をデータ格納部２０１ｂに格納する。
【００７１】
なお、スプライン補間は測定区間が短いほど精度が上がる。しかし、測定点が増えるため、測定に要する時間が長くなる。そこで、半導体ウェハ１３の表面電位の変化が大きい領域のみ、測定点を増やすようにしてもよい。
【００７２】
図６は本発明の第２実施形態における表面電位分布関数の算出手順の変形例を説明するためのフロー図である。
【００７３】
先ず、計算部２０１ａは、予め設定された測定条件に従い、表面電位計２１４に、搬送路を流れる半導体ウェハ１３のウェハ中心を含む直線（直径）上の複数の測定点で表面電位を測定させ、各測定データ（ｘｉ,ｙｉ）をデータ格納部２０１ｂに格納する（Ｓ１０１）。
【００７４】
次に、計算部２０１ａは、データ格納部２０１ｂに格納されている各測定データについて、隣接する測定点間各々の測定データの表面電位差ΔＶ（＝ｙｉ-ｙｉ-１、但し２≦ｉ≦測定数）を計算する（Ｓ１０２）。
【００７５】
それから、計算部２０１ａは、表面電位差ΔＶが所定の基準値を超えている測定点間（区間）があるか否かを調べる（Ｓ１０３）。そのような区間があるならば（Ｓ１０３でＹＥＳ）、この区間（例えば中点）に測定点を追加する（Ｓ１０４）。そして、計算部２０１ａは、表面電位計２１４に、搬送路を流れる半導体ウェハ１３のウェハ中心を含む直線（直径）上の、追加した測定点を含む複数の測定点で表面電位を測定させ、各測定データ（ｘｉ,ｙｉ）をデータ格納部２０１ｂに格納する（Ｓ１０５）。その後、Ｓ１０２に戻る。
【００７６】
一方、表面電位差ΔＶが所定の基準値を超えている区間がない場合（Ｓ１０３でＮＯ）、スプライン補間により各区間の補間式を算出し（Ｓ１０６）、データ格納部２０１ｂに格納する（Ｓ１０７）。
【００７７】
次に、半導体ウェハ１３に一次荷電粒子線１１を照射して測定する際のリテーディング電圧の調整手順を説明する。
【００７８】
先ず、統括制御部２０１の計算部２０１ａは、荷電粒子線光学系制御装置２０３およびステージ制御装置２０４を介して、試料ステージ検出器２１３から測定点（一次荷電粒子線照射位置）のステージ座標を受信すると、このステージ座標と半導体ウェハ１３の試料ステージ４０１に対する設置位置（オフセット位置）とを用いて、測定点の半導体ウェハ１３のウェハ中心からの距離ｒを求める。そして、求めた距離ｒを含む区間（測定点間）の補間式をデータ格納部２０１ｂから読み出して、この補間式に距離ｒを代入し、測定点における表面電位の予測値Ｖｅｘｐを算出する。それから、計算部２０１ａは、測定点におけるリターディング電圧Ｖｒの基準値を、Ｖｒ＝Ｖ０-Ｖｅｘｐに設定する。ここで、Ｖ０は、半導体ウェハ１３が帯電していない場合のリターディング電圧である。
【００７９】
次に、計算部２０１ａは、半導体ウェハ１３の測定点におけるリターディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒを決定する。本実施形態では、表面電位分布関数を最小二乗法ではなくスプライン補間で生成している。このため、表面電位分布関数の各係数の分散を求めることができない。そこで、計算部２０１ａは、測定点を含む区間で当該区間の補間式により特定される表面電位分布関数がとり得る表面電位値を用いて、この測定点におけるリテーディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒを決定する。
【００８０】
図７はスプライン補間により求めた各区間（測定点間）の補間式により特定される表面電位分布関数をプロットした図である。ここで、符号５０６（黒点）は表面電位計２１４による表面電位の測定データ、符号５０７（実線）はスプライン補間により得られた電位分布関数、そして、符号５０８（三角）は電位分布関数５０７により得られる一次荷電粒子線の照射位置ｘ’の表面電位の予測値Ｖｅｘｐである。
【００８１】
図７において、照射位置ｘ’を含む区間（測定点間）は区間ｂである。この区間ｂにおいて、補間式がとり得る最大値（Ｖｍａｘ）は区間ａとの境界点である。一方、補間式がとり得る最小値（Ｖｍｉｎ）は区間ｂにおける極小点である。この区間ｂ内の最大値と最小値の差Ｖｒａｎｇｅ（＝Ｖｍａｘ-Ｖｍｉｎ）は、補間式の区間ｂ内の変動の大きさを示す値である。表面電位の変動が区間ｂ内で充分に緩やかである場合、照射位置ｘ’における真の表面電位（測定値）と予測値Ｖｅｘｐとの差は、区間ｂ内の最大値と最小値の差Ｖｒａｎｇｅ以内に収まると考えられる。そこで、計算部２０１ａは、リターディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒを、例えばＶｖａｒ＝ａ（例えばａ＝２）×Ｖｒａｎｇｅのように、Ｖｒａｎｇｅと関連付けて設定する。これにより、表面電位の変化率が大きな区間ではリターディング電圧の振り幅Ｖｖａｒを大きくし、一方、表面電位の変化率が小さな区間ではリターディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒを小さく設定することができる。このため、半導体ウェハ１３内の全領域においてリターディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒを一律に設定する場合に比べ、より高速にリターディング電圧Ｖｒの最適値を求めることができる。
【００８２】
なお、本実施形態では、一次荷電粒子線の照射位置が含まれる区間における補間式がとり得る表面電位の最大値および最小値を用いてリターディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒを求めた。しかし、本発明はこれに限定されない。これとは別に、補間式の微分係数によりリターディング電圧の振り幅Ｖｖａｒを求めてもよい。
【００８３】
＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態として、量産工程において、上記の第１実施形態の走査電子顕微鏡システムを用いて、同一ロットまたは同一プロセスで作製された半導体ウェハ１３のパターンを測定する場合を例にとり説明する。
【００８４】
図８は本発明の第１実施形態の走査電子顕微鏡システムを用いて、同一ロットまたは同一プロセスで作製された半導体ウェハ１３のパターンを測定する場合の動作手順を説明するためのフロー図である。
【００８５】
先ず、統括制御部２０１は、表面電位計２１４を用いて測定対象の半導体ウェハ１３の表面電位を測定する（Ｓ２０１）。上述したように、表面電位計２１４は、プローブ３０４を用いて、ウェハカセット３０１から取り出され、試料交換室３０５に搬入される半導体ウェハ１３のウェハ中心を含む直線（直径）上の複数の点で表面電位を測定し、測定結果を統括制御部２０１に送信する。統括制御部２０１は、表面電位計２１４から受信した測定結果を測定点の位置情報と共に、データ格納部２０１ｂに格納する。
【００８６】
次に、統括制御部２０１は、計算部２０１ａを用いて最小二乗法により予め用意された複数のモデル関数各々の各係数を算出する。そして、各係数が算出されたモデル関数の中から測定データとの当てはまりが最もよいモデル関数を検出し、これを表面電位分布関数に決定する（Ｓ２０２）。
【００８７】
具体的には、計算部２０１ａは、予め登録された複数のモデル関数各々について、データ格納部２０１ｂに格納された測定データを用いて最小二乗法により当該関数の係数を算出する。次に、計算部２０１ａは、以上のようにして係数が算出されたモデル関数のそれぞれについて、χ二乗値および自由度νを算出する。それから、計算部２０１ａは、モデル関数それぞれについて、以上のようにして算出したχ二乗値および自由度νを用いて、χ二乗値が自由度νを超える確率（指標値）Ｐを算出することで、測定データ（ｘｉ,ｙｉ）のモデル関数に対する当てはまりのよさを検定する。そして、最も高い確率（指標値）値Ｐに対応付けられているモデル関数を選択し、これを半導体ウェハ１３の表面電位分布を表す表面電位分布関数に決定する。
【００８８】
次に、統括制御部２０１は、ステージ制御装置２０４を用いて、試料ステージ４０１に載置された半導体ウェハ１１の所望の測定（観察）点が一次荷電粒子線の照射位置にくるように、この試料ステージ４０１を移動する（Ｓ２０３）。
【００８９】
次に、統括制御部２０１は、計算部２０１ａを用いて、半導体ウェハ１１の測定点における表面電位の予測値Ｖｅｘｐを算出する（Ｓ２０４）。計算部２０１ａは、試料ステージ検出器２１３から受信した測定点（一次荷電粒子線の照射位置）のステージ座標と半導体ウェハ１３の試料ステージ４０１に対する設置位置（オフセット位置）とを用いて、測定点の半導体ウェハ１３のウェハ中心からの距離ｒを求める。そして、求めた距離ｒを表面電位分布関数に代入し、測定点における表面電位の予測値Ｖｅｘｐを算出する。それから、計算部２０１ａは、測定点におけるリターディング電圧Ｖｒの基準値を、Ｖｒ＝Ｖ０-Ｖｅｘｐに設定する。ここで、Ｖ０は、半導体ウェハ１３が帯電していない場合のリターディング電圧である。
【００９０】
次に、統括制御部２０１は、表面電位分布関数の各係数の分散σａ、σｂ、σｃを求め、求めた各係数の分散σａ、σｂ、σｃを用いて、表面電位分布関数から求めた測定点の表面電位における分散σｆを算出する。また、半導体ウェハ１１の測定点におけるリターディング電圧の振り幅Ｖｖａｒを算出するのに用いる係数（パラメータ）Ａを初期値（例えば３）に設定する（Ｓ２０５）。
【００９１】
次に、統括制御部２０１は、測定対象の半導体ウェハ１３が同一ロットまたは同一プロセスで作製された半導体ウェハの１枚目か否かを判断する（Ｓ２０６）。これは、同一ロットまたは同一プロセスで製作された半導体ウェハ１３の表面電位は互いに似ている場合が多いことを考慮し、履歴を利用してリターディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒを決定するためである。具体的には、ユーザインターフェース部２０２を介してオペレータから、測定対象の半導体ウェハ１３が同一ロットまたは同一プロセスで作製された半導体ウェハの１枚目か否かを示す情報を受付ける。あるいは、測定対象の半導体ウェハ１３に付与された識別情報（例えばロット番号およびウェハ番号）から、測定対象の半導体ウェハ１３が同一ロットまたは同一プロセスで作製された半導体ウェハの１枚目か否かを判断する。
【００９２】
測定対象の半導体ウェハ１３が同一ロットまたは同一プロセスで作製された半導体ウェハの１枚目である場合（Ｓ２０６でＹＥＳ）、測定点におけるリテーディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒについて、利用できる履歴が存在しない。この場合、Ｓ２０５で決定した係数Ａおよび分散σｆを用いてリターディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒ（＝Ａ・σｆ）を算出する（Ｓ２０８）。
【００９３】
上述したように、同一ロットあるいは同一プロセス内の１枚目の半導体ウェハ１３は、参照できる履歴データがない。したがって、表面電位分布関数により得られる表面電位の予測値Ｖｅｘｐが真の値からどの程度離れているのか不明である。このため、振り幅Ｖｖａｒは、算出結果よりも若干大きめに設定するとよい。
【００９４】
一方、測定対象の半導体ウェハ１３が同一ロットまたは同一プロセスで作製された半導体ウェハの２枚目以降である場合（Ｓ２０６でＮＯ）、統括制御部２０１は、測定点の位置情報に対応付けてデータ格納部２０１ｂに蓄積されている残差の総和を算出する。そして、算出した総和に応じてＳ２０５で設定した係数Ａを補正する（Ｓ２０７）。例えば、残差の総和に所定の係数を乗算した値を、係数Ａに加算して補正する。
【００９５】
それから、統括制御部２０１は、Ｓ２０５で決定した分散σｆおよびＳ２０７で補正した係数Ａを用いて、リターディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒ（＝Ａ・σｆ）を算出する（Ｓ２０８）。
【００９６】
以上のようにして、振り幅Ｖｖａｒを算出したならば、統括制御部２０１は、この振り幅ＶｖａｒとＳ２０４で決定したリテーディング電圧Ｖｒとを用いて、リテーディング電圧Ｖｒの最適値を検出する（Ｓ２０９）。
【００９７】
具体的には、統括制御部２０１は、測定点でのリターディング電圧Ｖｒの初期値をＶ０-Ｖｅｘｐ-Ｖｖａｒ/２に設定し、測定点に照射した一次荷電粒子線による二次荷電粒子の撮像信号から一次荷電粒子線の集束状態（合焦状態）を調べる。集束していない場合は、リターディング電圧Ｖｒを現在の値から所定の電圧値ｄｖだけ高く設定し、測定点に照射した一次荷電粒子線による二次荷電粒子の撮像信号から一次荷電粒子線の集束状態を調べる。計算部２０１ａは、集束状態を検出するまでこの処理を繰り返す。そして、二次荷電粒子像表示装置２１１は、合焦状態で検出した二次荷電粒子の像を表示する。
【００９８】
次に、統括制御部２０１は、以上のようにしてリターディング電圧Ｖｒの最適値を検出したならば、この最適値とＳ２０４で決定したリテーディング電圧Ｖｒの基準値との差分を求め、この残差を履歴データとして、測定点の位置情報に対応付けてデータ格納部２０１ｂに蓄積する（Ｓ２１０）。この残差が小さいほど、表面電位分布関数による半導体ウェハ１３の表面電位の再現性が高いことを示す。
【００９９】
それから、統括制御部２０１は、データ格納部２０１ｂ等に登録されている測定対象の半導体ウェハ１３の全測定点について、一次荷電粒子線による測定が終了したか否かを判断する（Ｓ２１１）。終了している場合（Ｓ２１０でＹＥＳ）、このフローを終了する。一方、終了していない場合は（Ｓ２１０でＮＯ）、未測定の測定点を測定するべくＳ２０３に戻る。
【０１００】
なお、本実施形態では、リターディング電圧Ｖｒの振り幅ＶｖａｒをＶｖａｒ＝Ａ・σｆにより算出した。しかし、本発明はこれに限定されない。これとは別の式、例えば蓄積された残差Ｖｒｅｓを用いて、Ｖｖａｒ＝σｆ+Ｖｒｅｓ、またはＶｖａｒ＝√（σｆ２+Ｖｒｅｓ２）などを用いてもよい。
【０１０１】
また、本実施形態では、同一ロットまたは同一プロセス内の全ての半導体ウェハ１３について、複数の測定点で表面電位を測定し、その測定データを元に表面電位分布関数を算出している。しかし、同一ロットまたは同一プロセス内において、半導体ウェハ１３の表面電位分布のばらつきが十分に小さい場合は、例えば同一ロットまたは同一プロセス内の１枚目についてのみ複数の測定点で表面電位の測定を行って表面電位分布関数を生成し、２枚目以降の半導体ウェハ１３については、１枚目の半導体ウェハ１３に対して生成した表面電位分布関数を流用することにより、複数の測定点での表面電位の測定を省略するようにしてもよい。
【０１０２】
＜第４実施形態＞
本発明の第４実施形態として、量産工程において、上記の第２実施形態の走査電子顕微鏡システムを用いて、同一ロットまたは同一プロセスで作製された半導体ウェハ１３のパターンを測定する場合を例にとり説明する。
【０１０３】
図９は本発明の第２実施形態の走査電子顕微鏡システムを用いて、同一ロットまたは同一プロセスで作製された半導体ウェハ１３のパターンを測定する場合の動作手順を説明するためのフロー図である。
【０１０４】
先ず、統括制御部２０１は、表面電位計２１４を用いて測定対象の半導体ウェハ１３の表面電位を測定する（Ｓ３０１）。上述したように、表面電位計２１４は、プローブ３０４を用いて、ウェハカセット３０１から取り出され、試料交換室３０５に搬入される半導体ウェハ１３のウェハ中心を含む直線（直径）上の複数の点で表面電位を測定し、測定結果を統括制御部２０１に送信する。統括制御部２０１は、表面電位計２１４から受信した測定結果を測定点の位置情報と共に、データ格納部２０１ｂに格納する。
【０１０５】
次に、統括制御部２０１は、計算部２０１ａを用いてスプライン補間により測定対象の半導体ウェハ１３の表面電位分布関数を生成する（Ｓ３０２）。計算部２０１ａは、データ格納部２０１ｂに格納された隣接する測定点間（区間）の測定データをスプライン補間し、各区間の補間式を半導体ウェハ１３の表面電位分布関数としてデータ格納部２０１ｂに格納する。
【０１０６】
次に、統括制御部２０１は、ステージ制御装置２０４を用いて、試料ステージ４０１に載置された半導体ウェハ１１の所望の測定（観察）点が一次荷電粒子線の照射位置にくるように、この試料ステージ４０１を移動する（Ｓ３０３）。
【０１０７】
次に、統括制御部２０１は、計算部２０１ａを用いて、半導体ウェハ１１の測定点における表面電位の予測値Ｖｅｘｐを算出する（Ｓ３０４）。計算部２０１ａは、試料ステージ検出器２１３から受信した測定点（一次荷電粒子線の照射位置）のステージ座標と半導体ウェハ１３の試料ステージ４０１に対する設置位置（オフセット位置）とを用いて、測定点の半導体ウェハ１３のウェハ中心からの距離ｒを求める。そして、求めた距離ｒを含む区間（測定点間）の補間式をデータ格納部２０１ｂから読み出して、この補間式に距離ｒを代入し、測定点における表面電位の予測値Ｖｅｘｐを算出する。それから、計算部２０１ａは、測定点におけるリターディング電圧Ｖｒの基準値を、Ｖｒ＝Ｖ０-Ｖｅｘｐに設定する。ここで、Ｖ０は、半導体ウェハ１３が帯電していない場合のリターディング電圧である。
【０１０８】
次に、統括制御部２０１は、計算部２０１ａを用いて、半導体ウェハ１１の測定点におけるリターディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒを算出する（Ｓ３０５）。計算部２０１ａは、測定点を含む区間の補間式および当該区間の両端の位置情報（表面電位の測定データ）をデータ格納部２０１ｂから読み出す。そして、この補間式により特定される表面電位分布関数が当該区間に対応する距離ｒの範囲でとり得る表面電位値を用いて、この測定点におけるリテーディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒを決定する。
【０１０９】
次に、統括制御部２０１は、測定対象の半導体ウェハ１３が同一ロットまたは同一プロセスで作製された半導体ウェハの１枚目か否かを判断する（Ｓ３０６）。これは、同一ロットまたは同一プロセスで製作された半導体ウェハ１３の表面電位は互いに似ている場合が多いことを考慮し、履歴を利用してリターディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒを決定するためである。具体的には、ユーザインターフェース部２０２を介してオペレータから、測定対象の半導体ウェハ１３が同一ロットまたは同一プロセスで作製された半導体ウェハの１枚目か否かを示す情報を受付ける。あるいは、測定対象の半導体ウェハ１３に付与された識別情報（例えばロット番号およびウェハ番号）から、測定対象の半導体ウェハ１３が同一ロットまたは同一プロセスで作製された半導体ウェハの１枚目か否かを判断する。
【０１１０】
測定対象の半導体ウェハ１３が同一ロットまたは同一プロセスで作製された半導体ウェハの１枚目である場合（Ｓ３０６でＹＥＳ）、測定点におけるリテーディング電圧Ｖｒの振り幅Ｖｖａｒについて、利用できる履歴が存在しない。この場合、Ｓ３０４およびＳ３０５で決定したリテーディング電圧Ｖｒおよび振り幅Ｖｖａｒを用いて、リテーディング電圧Ｖｒの最適値を検出する（Ｓ３０８）。
【０１１１】
具体的には、統括制御部２０１は、測定点でのリターディング電圧Ｖｒの初期値をＶ０-Ｖｅｘｐ-Ｖｖａｒ/２に設定し、測定点に照射した一次荷電粒子線による二次荷電粒子の撮像信号から一次荷電粒子線の集束状態（合焦状態）を調べる。集束していない場合は、リターディング電圧を現在の値から所定の電圧値ｄｖだけ高く設定し、測定点に照射した一次荷電粒子線による二次荷電粒子の撮像信号から一次荷電粒子線の集束状態を調べる。計算部２０１ａは、集束状態を検出するまでこの処理を繰り返す。そして、二次荷電粒子像表示装置２１１は、合焦状態で検出した二次荷電粒子の像を表示する。
【０１１２】
上述したように、同一ロットあるいは同一プロセス内の１枚目の半導体ウェハ１３は、参照できる履歴データがない。したがって、スプライン補間により得られる表面電位の予測値Ｖｅｘｐが真の値からどの程度離れているのか不明である。このため、振り幅Ｖｖａｒは、Ｓ３０５で決定した値よりも若干大きめに設定するとよい。
【０１１３】
一方、測定対象の半導体ウェハ１３が同一ロットまたは同一プロセスで作製された半導体ウェハの２枚目以降である場合（Ｓ３０６でＮＯ）、統括制御部２０１は、測定点の位置情報に対応付けてデータ格納部２０１ｂに蓄積されている残差の総和を算出する。そして、算出した総和に応じてＳ３０５で決定した振り幅Ｖｖａｒを補正する（Ｓ３０７）。例えば、残差の総和に所定の係数を乗算した値を、振り幅Ｖｖａｒに加算して補正する。
【０１１４】
それから、統括制御部２０１は、Ｓ３０４で決定したリテーディング電圧ＶｒおよびＳ３０６で補正した振り幅Ｖｖａｒを用いて、リテーディング電圧Ｖｒの最適値を検出する（Ｓ３０８）。
【０１１５】
具体的には、統括制御部２０１は、測定点でのリターディング電圧Ｖｒの初期値をＶ０-Ｖｅｘｐ-Ｖｖａｒ/２に設定し、測定点に照射した一次荷電粒子線による二次荷電粒子の撮像信号から一次荷電粒子線の集束状態（合焦状態）を調べる。集束していない場合は、リターディング電圧を現在の値から所定の電圧値ｄｖだけ高く設定し、測定点に照射した一次荷電粒子線による二次荷電粒子の撮像信号から一次荷電粒子線の集束状態を調べる。計算部２０１ａは、集束状態を検出するまでこの処理を繰り返す。そして、二次荷電粒子像表示装置２１１は、合焦状態で検出した二次荷電粒子の像を表示する。
【０１１６】
さて、統括制御部２０１は、以上のようにしてリターディング電圧Ｖｒの最適値を検出したならば、この最適値とＳ３０４で決定したリテーディング電圧Ｖｒの基準値との差分を求め、この残差を履歴データとして、測定点の位置情報に対応付けてデータ格納部２０１ｂに蓄積する（Ｓ３０９）。この残差が小さいほど、表面電位分布関数による半導体ウェハ１３の表面電位の再現性が高いことを示す。
【０１１７】
次に、統括制御部２０１は、データ格納部２０１ｂ等に登録されている測定対象の半導体ウェハ１３の全測定点について、一次荷電粒子線による測定が終了したか否かを判断する（Ｓ３１０）。終了している場合（Ｓ３１０でＹＥＳ）、このフローを終了する。終了していない場合（Ｓ３１０でＮＯ）、未測定の測定点を測定するべくＳ３０３に戻る。
【０１１８】
本実施形態では、同一ロットまたは同一プロセス内の全ての半導体ウェハ１３について、複数の測定点で表面電位を測定し、その測定データを元に表面電位分布関数を算出している。しかし、同一ロットまたは同一プロセス内において、半導体ウェハ１３の表面電位分布のばらつきが十分に小さい場合は、上記の第３実施形態と同様に、例えば同一ロットまたは同一プロセス内の１枚目についてのみ複数の測定点で表面電位の測定を行って表面電位分布関数を生成し、２枚目以降の半導体ウェハ１３については、１枚目の半導体ウェハ１３に対して生成した表面電位分布関数を流用することにより、複数の測定点での表面電位の測定を省略するようにしてもよい。
【０１１９】
以上、本発明の実施の形態について説明した。
【０１２０】
なお、本発明は上記の各実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。
【０１２１】
例えば、上記の各実施形態では、半導体ウェハ１３に直接印加する電圧を調整することでリターディング電圧を決定している。しかし、本発明はこれに限定されない。例えば静電吸着装置を用いても、リターディング電圧を決定することができる。
【０１２２】
図１０は半導体ウェハとこれを載置する静電吸着装置を示す図である。ここで、半導体ウェハ１３は、静電吸着装置の誘電体６０２上に載置されている。誘電体６０２には、吸着電極６０３ａ、６０３ｂが埋設されている。このように吸着電極が２つに分割された静電吸着装置は双曲型と呼ばれている。
【０１２３】
吸着電極６０３ａ、６０３ｂには、それぞれ直流電源６０４ａ、６０４ｂが接続されてている。吸着電極６０３ａ、６０３ｂに与えられる電位は、それぞれ+Ｖａボルト、-Ｖｂボルトである。誘電体６０２および半導体ウェハ１３の内部を通って直流電源６０４ａから直流電源６０４ｂに電流が流れ、これにより閉回路が形成さる。半導体ウェハ１３と吸着電極６０４ａとの間の抵抗をＲａ、半導体ウェハ１３と吸着電極６０４ｂとの間の抵抗をＲｂとすると、半導体ウェハ１３の電位は（ＲｂＶａ-ＲａＶｂ）/（Ｒａ+Ｒｂ）となる。すなわち、ＶａまたはＶｂを調整することによって、リターディング電圧を決めることができる。
【０１２４】
また、上記の実施形態では、表面電位分布関数により算出した半導体ウェハ１３の測定点における表面電位に応じて、リターディング電圧を調整することにより、一次荷電粒子線をこの測定点で集束させている。しかし、本発明はこれに限定されない。荷電粒子線光学系１０のその他の設定パラメータ、例えば対物レンズ１０６の励磁電流、引出電極１０２ａ、１０２ｂの印加電圧等を調整することにより、一次荷電粒子線を測定点で集束させるようにしてもよい。
【０１２５】
また、上記の各実施形態では、本発明を走査電子顕微鏡システムに適用した場合を例にとり説明した。しかし、本発明は、これに限定されるものではなく、電子線描画装置およびイオンビーム照射装置等の他の荷電粒子線応用装置にも適用可能である。
【０１２６】
また、上記の各実施形態の走査電子顕微鏡システムにおいて、荷電粒子線光学系制御装置２０３、ステージ制御装置２０４、加速電圧制御装置２０５、コンデンサレンズ制御部２０６、増幅器２０７、アライメント制御部２０８、偏向信号制御部２０９、対物レンズ制御部２１０、二次荷電粒子像表示装置２１１、リターディング制御部２１２、試料ステージ位置検出器２１３、および表面電位計２１４は、ＡＳＩＣ（Application Specific Inteｇrated Circuits）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などの集積ロジックＩＣによりハード的に実現されるものでもよいし、あるいは、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などの計算機によりソフトウエア的に実現されるものでもよい。
【０１２７】
また、統括制御部２０１、およびユーザインターフェース部２０２は、ＣＰＵ、メモリ、ＨＤＤ等の外部記憶装置、ＣＤ-ＲＯＭやＤＶＤ-ＲＯＭ等の可搬性を有する記憶媒体から情報を読み出す読取装置、キーボードやマウスなどの入力装置、ディスプレイなどの出力装置、通信回線を介して相手装置と通信を行なうための通信装置、およびこれらの各装置を接続するバスを備えた一般的なコンピュータにおいて、ＣＰＵがメモリ上にロードされた所定のプログラムを実行することにより実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態が適用された走査電子顕微鏡システムの概略構成図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態で用いるモデル関数を説明するための図である。
【図３】図３は、図２に示すモデル関数各々について、当該モデル関数の各係数に当該モデル関数に対応付けられている係数の値を設定し、変数ｘを半導体ウェハのウェハ中心からの距離情報ｒに変換したものをプロットした図である。
【図４】図４は、横軸をウェハ中心からの距離ｒとし、縦軸を測定点の分散σｆとして、数４で表される関数をプロットした図である。
【図５】図５（Ａ）は、測定データと、該測定データから最小二乗法により求めた偶関数ｆ（ｘ）＝ａ（ｘ-ｘ０）４+ｂとをプロットした図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す２３点の測定データのうち、ウェハ中心ｘ０以上の領域にある１２点の測定データによって形成された１１区間のそれぞれについてスプライン補間により求めた補間式をプロットした図である。
【図６】図６は、本発明の第２実施形態における表面電位分布関数の算出手順の変形例を説明するためのフロー図である。
【図７】図７は、スプライン補間により求めた各区間（測定点間）の補間式により特定される表面電位分布関数をプロットした図である。
【図８】図８は本発明の第１実施形態の走査電子顕微鏡システムを用いて、同一ロットまたは同一プロセスで作製された半導体ウェハのパターンを測定する場合の動作手順を説明するためのフロー図である。
【図９】図９は、本発明の第２実施形態の走査電子顕微鏡システムを用いて、同一ロットまたは同一プロセスで作製された半導体ウェハ１３のパターンを測定する場合の動作手順を説明するためのフロー図である。
【図１０】図１０は、半導体ウェハとこれを載置する静電吸着装置を示す図である。
【図１１】図１１（Ａ）、（Ｂ）は、半導体ウェハの表面電位分布の代表的な例を示す図である。
【符号の説明】
【０１２９】
１０：荷電粒子線光学系、１１：一次荷電粒子線、１２：二次荷電粒子、１３：半導体ウェハ、２０：制御系、３０：搬送系、４０：試料室、１０１：荷電粒子源、１０２ａ、１０２ｂ：引出電極、１０３：コンデンサレンズ、１０４：アライメントコイル、１０５：偏向コイル、１０６：対物レンズ、１０７：二次荷電粒子検出器、１０８：高さ検出用レーザ発光器、１０９：ポジションセンサ、２０１：統括制御部、２０２：ユーザインターフェース部、２０３：荷電粒子線光学系制御装置、２０４：ステージ制御装置、２０５：加速電圧制御装置、２０６：コンデンサレンズ制御部、２０７：増幅器、２０８：アライメント制御部、２０９：偏向信号制御部、２１０：対物レンズ制御部、２１１：二次荷電粒子像表示装置、２１２：リターディング制御部、２１３：試料ステージ位置検出器、２１４：表面電位計、３０１：ウェハカセット３０１、３０２：搬送アーム、３０３：ウェハ搬送装置、３０４：プローブ、３０５：試料交換室、３０６ａ、３０６ｂ：ゲートバルブ
【図１】
0004705869.tif 000006
【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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