(57)【要約】【課題】  帯電の影響を無くして、画質を向上させる。【解決手段】  電子銃１からの電子ビームで試料４上の観察すべき領域を二次元的に走査し、この走査により二次電子検出器３１で検出された観察領域からの二次電子に基づく信号により表示装置３４に観察領域の二次電子像を表示させる。この様な観察において、観察領域の二次電子ビーム像を得る前に、少なくとも観察領域を含む領域に対して帯電が起こらない様に電子ビームでプリ照射する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームで試料上の観察すべき領域を二次元的に走査し、該走査により検出された観察領域からの荷電粒子ビームに基づく信号により表示装置に観察領域の荷電粒子ビーム像を表示させるように成した荷電粒子ビーム観察方法において、前記観察領域の荷電粒子ビーム像を得る前に、少なくとも前記観察領域を含む領域に対して帯電が起こらない様に荷電粒子ビームでプリ照射した荷電粒子ビーム観察方法。
【請求項２】
試料表面における入射電子量に対する二次電子の放出量の比が１になるランディングエネルギーで電子ビーム照射してプリ照射を行う様にした請求項１記載の荷電粒子ビーム観察方法。
【請求項３】
試料から放出された荷電粒子が試料に戻らない状態でプリ照射を行う様にした請求項２記載の荷電粒子ビーム観察方法。
【請求項４】
試料から放出された荷電粒子が試料に戻る状態でプリ照射を行う様にした請求項２記載の荷電粒子ビーム観察方法。
【請求項５】
ランディングエネルギーを任意に設定し、その設定したエネルギー値に対する試料表面における入射電子量に対する二次電子の放出量の比が１になる様にし、その状態でプリ照射を行う様にした請求項２記載の荷電粒子ビーム観察方法。
【請求項６】
試料から放出された荷電粒子が試料に戻らない状態でプリ照射を行う様にした請求項５記載の荷電粒子ビーム観察方法。
【請求項７】
試料から放出された荷電粒子が試料に戻る状態でプリ照射を行う様にした請求項５記載の荷電粒子ビーム観察方法。
【請求項８】
前記試料が絶縁物と導電物からなる場合、絶縁物に対して求められているランディングエネルギー値に対する試料表面における入射電子量に対する二次電子の放出量の比の曲線と、導電物に対して求められているランディングエネルギー値に対する試料表面における入射電子量に対する二次電子の放出量の比の曲線との交点に対応するランディングエネルギー値に設定し、その設定したエネルギー値に対する試料表面における入射電子量に対する二次電子の放出量の比が１になる様にし、その状態でプリ照射を行う様にした請求項１記載の荷電粒子ビーム観察方法。
【請求項９】
前記プリ照射を、断面の大きさが観察領域より大きい荷電粒子ビームを照射することにより前記プリ照射を行う様にした請求項１記載の荷電粒子ビーム観察方法。
【請求項１０】
前記観察領域を荷電子光軸上に持って来るために試料を移動させている最中に、プリ照射を行う様にした請求項１記載の荷電粒子ビーム観察方法。
【請求項１１】
荷電子ビーム加速電圧と試料にかかる電圧に基づいてランディングエネルギーをコントロールするようにした請求項２記載の荷電粒子ビーム観察方法。
【請求項１２】
試料表面上方に形成される電界をコントロールすることにより試料から放出される荷電粒子を試料に戻さないようにした請求項３若しくは６記載の荷電粒子ビーム観察方法。
【請求項１３】
試料表面上方に形成される電界をコントロールすることにより試料から放出される荷電粒子を試料に戻すようにした請求項４若しくは７記載の荷電粒子ビーム観察方法。
【請求項１４】
試料に印加される電圧をコントロールすることにより試料から放出される荷電粒子を試料に戻さないようにした請求項３若しくは６記載の荷電粒子ビーム観察方法。
【請求項１５】
試料に印加される電圧をコントロールすることにより試料から放出される荷電粒子を試料に戻すようにした請求項４若しくは７記載の荷電粒子ビーム観察方法。
【請求項１６】
試料に流れる吸収電流を検出し、その値に基づいてプリ照射による試料の帯電状態を判断するようにした請求項１記載の荷電粒子ビーム観察方法。
【請求項１７】
荷電子ビームを加速するための電圧を発生する電源，試料表面上方に電界を形成するための電圧を発生する電源、及び試料に印加する電圧を発生する電源として、プリ照射時用と、観察領域の観察のための走査時用とを設け、各々の時に切り換えるようにした請求項１記載の荷電粒子ビーム観察方法。
【請求項１８】
荷電粒子ビーム発生手段、該荷電粒子ビーム発生手段からの荷電粒子ビームで試料上の観察すべき領域を二次元的に走査させる走査手段、該走査により観察すべき領域から発生する荷電粒子ビームを検出する手段、該検出された観察領域からの荷電粒子ビームに基づいて観察領域の荷電粒子ビーム像を表示する表示装置、前記荷電粒子ビーム発生手段からの荷電粒子ビームを試料方向に加速するための電圧を発生する加速電源等から成る加速手段、試料表面上に電界を形成するための電界形成手段、及び、試料に電圧を印加するための試料電圧印加手段を備えており、前記観察領域の荷電粒子ビーム像を得る前に、少なくとも前記観察領域を含む領域に対して帯電が起こらない様に荷電粒子ビームでプリ照射するように成した荷電粒子ビーム装置。
【請求項１９】
荷電子粒子を加速するための電圧と試料印加電圧とに基づいてランディングエネルギーをコントロールするように成した請求項１９記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項２０】
試料表面上方に電極を設け、該電極に印加される電圧に基づいて試料表面上方に形成される電界をコントロールするように成した請求項１９記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項２１】
試料印加電圧に基づいて試料表面上方に形成される電界をコントロールするように成した請求項１９記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項２２】
試料表面上方に設けられた電極に印加される電圧と試料印加電圧とに基づいて試料表面上方に形成される電界をコントロールするように成した請求項１９記載の荷電粒子ビーム装置。  
【請求項２３】
前記電子を加速するための電圧を発生する電源，試料表面上方に電界を形成するための電圧を発生する電源、及び試料に印加する電圧を発生する電源として、プリ照射時用と、観察領域の観察のための走査時用とを設け、各々の時に切り換えられる様に成した請求項１９記載の荷電粒子ビーム装置。    
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体デバイスの製造プロセスにおける試料の観察等を行うのに適した荷電粒子ビーム観察方法及び荷電粒子ビーム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスは、例えば、シリコンウエハ（シリコン基板）の上に多層構造が形成されたものである。この多層構造において、特定の層と層の間には絶縁層が形成され、該絶縁層にコンタクトホール或いはビアホールが形成されている。そして、該コンタクトホール或いはビアホールに配線（導電性材料）を埋め込むことによって特定層間の電気的接続を行うようにしている。尚、以後コンタクトホールを例に上げて説明する。
【０００３】
この様なコンタクトホールは、半導体デバイスを製造する過程で、絶縁層にレジストを塗布し、その上にコンタクトホールのパターンを露光し、その後、現像処理、エッチング処理等を施すことによって形成される。
【０００４】
この様なコンタクトホールの形成において、所定の径のコンタクトホールが形成されなかったり、或いは、図１に示す様に、伝導層Ｄとの境に絶縁層Ａの一部が残ったコンタクトホールＣＨが形成されたりすることがある。
【０００５】
その為、コンタクトホールを形成した後、コンタクトホールの形成状態を検査することは、その後の製造プロセスを行うか否かの決定上で重要となる。又、この検査によって得られたコンタクトホールの形成状態によって、前の工程で行われた現像処理若しくはエッチング処理が適切であったか否かの判断を行うことが出来、且つ、コンタクトホールの形成プロセスの不良原因の解析も行うことが出来る。
【０００６】
この様なコンタクトホールの形成状態の検査は、例えば、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の電子ビーム照射により、非破壊で行われている。即ち、コンタクトホール上を電子ビームで走査し、該走査によって検出された、例えば、二次電子に基づいてコンタクトホールの二次電子像を表示装置上の画面上に表示させ、該コンタクトホールの像を観察することにより、コンタクトホールの形成状態の検査を行っている。
【０００７】
この様な電子ビーム走査によってコンタクトホールの二次電子像を得る場合、絶縁層の電子ビーム照射により帯電が発生する。
【０００８】
即ち、絶縁物試料においては、ランディングエネルギー（一般に、電子ビームの加速電圧と試料にかかっている電圧から決まるエネルギー）Ｅに対して、入射電子量に対する二次電子の放出量の比δ（以後、二次電子放出率と称す）が変化し（図２の曲線参照）、或るエネルギー領域（図２では、δ＝１であるＥａとＥｂの間）でδ＞１となり、それ以外のエネルギー領域ではδ＜１となり、前者の場合には試料表面が正に、後者の場合には負に帯電する事が知られている（尚、δ＝１になるエネルギー値Ｅａ，Ｅｂは物質により異なる）。
【０００９】
試料が正又は負に帯電すると、ＳＥＭ観察時のＳ／Ｎ比の劣化及び帯電コントラスト（異常コントラスト）による観察画像の歪みを引き起こしたりする。
【００１０】
そこで、この様な問題を解決する為に、例えば、次の様な画質改善方法が提案されている。
【００１１】
画像の電位コントラストを改善するために、画像取得前に画像取得領域を含む領域に電子ビームを照射して該領域を正又は負に帯電させておく（特許文献１）。
【００１２】
ドライエッチング後のコンタクトホール底や側壁の如き凹凸の大きい試料に対し、画像取得前に画像取得領域を含む領域に電子ビームを照射して該領域を正に帯電させておく（特許文献２）。
【００１３】
画像取得前に画像取得領域を含む領域に電子ビームで走査して該領域を正又は負に帯電させ、正に帯電させた場合には該領域を負に帯電させる条件で画像を取得し、負に帯電させた場合には該領域を正に帯電させる条件で画像を取得する（特許文献３）。
【００１４】
【特許文献１】特開２０００−２０８０８５号公報
【特許文献２】特開２００２−２７０６６５号公報
【特許文献３】特表２００２−５２４８２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、何れの画質改善方法も、次の問題を有している。
【００１６】
観察すべき試料が絶縁体にプラグを埋め込んだ如き構造のもので、そのプラグが基板のグランドに接続されている場合（例．前記シリコン基板の上に形成された多層構造の絶縁層に形成されているコンタクトホールに配線（プラグに相当）を埋め込むことによって特定層間の電気的接続を行うように成した如き構造の半導体デバイス）、画像取得前のプリチャージ時、絶縁体部分は正又は負に帯電するが、プラグ部分は帯電しない。この様に、画像取得前のプリチャージ時に観察領域（画像取得領域）に帯電する部分と帯電しない部分が発生すると、画像取得の際、画像に歪みが発生してしまい、画質が改善されないことになる。
【００１７】
又、前記特許文献３の方法はプリチャージを電子ビーム走査により行っていることから、プリチャージに時間がかかり、画像取得のスループットが低下する。
【００１８】
本発明は、この様な問題を解決する新規な荷電粒子ビーム観察方法及び荷電粒子ビーム装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の荷電粒子ビーム観察方法は、荷電粒子ビームで試料上の観察すべき領域を二次元的に走査し、該走査により検出された観察領域からの荷電粒子ビームに基づく信号により表示装置に観察領域の荷電粒子ビーム像を表示させるように成した荷電粒子ビーム観察方法において、前記観察領域の荷電粒子ビーム像を得る前に、少なくとも前記観察領域を含む領域に対して帯電が起こらない様に荷電粒子ビームでプリ照射したしたことを特徴とする。
【００２０】
本発明の荷電粒子ビーム装置は、荷電粒子ビーム発生手段、該荷電粒子ビーム発生手段からの荷電粒子ビームで試料上の観察すべき領域を二次元的に走査させる走査手段、該走査により観察すべき領域から発生する荷電粒子ビームを検出する手段、該検出された観察領域からの荷電粒子ビームに基づいて観察領域の荷電粒子ビーム像を表示する表示装置、前記荷電粒子ビーム発生手段からの荷電粒子ビームを試料方向に加速するための電圧を発生する加速電源等から成る加速手段、試料表面上に電界を形成するための電界形成手段、及び、試料に電圧を印加するための試料電圧印加手段を備えており、前記観察領域の荷電粒子ビーム像を得る前に、少なくとも前記観察領域を含む領域に対して帯電が起こらない様に荷電粒子ビームでプリ照射するように成した。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の荷電粒子ビーム観察方法によれば、観察すべき試料が絶縁物若しくは絶縁物を含み、その表面物質が絶縁物と導電物から成る試料であっても、帯電の影響のない画質の良い荷電粒子ビーム像が得られる。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明は試料の所定領域上での電子ビーム走査による走査領域の画像取得（画像化）前に、試料表面を帯電させないように電子ビームでプリ照射することにより、画像取得時（観察時）に画質の良い画像を取得出来るように成したもので、以下に説明する原理に基づいている。
【００２３】
従来の方法を用いて試料表面材質が均一な試料（試料表面が絶縁物だけから成る試料）をプリチャージ（例えば、正にチャージ）した場合、試料Ｓａの表面の電荷は図３の（ａ）で示したように均一となる。この様に試料表面の電荷分布が均一な場合、観察時に電子ビームで試料Ｓａ上を走査しても試料表面から二次電子は均一に出射するので、取得した画像の画質はチャージアップの影響を受けず良好である。しかし、従来の方法を用いて試料表面材質が均一でない試料、例えば絶縁体に導電体（例えば、プラグ）を埋め込んだような試料で、且つ、プラグが基板のグラウンドに接続されている様な試料Ｓｂをプリチャージ（例えば、正若しくは負にチャージ）した場合、図３の（ｂ），（ｃ）に示す様に、絶縁体部分は正または負に帯電するが、プラグ部分Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄ，Ｐｅ，Ｐｆは帯電せず、試料表面の電荷は不均一となる。その様な試料表面上を観察時に電子ビームで試料上を走査すると、試料表面の電荷分布が不均一な箇所では、試料表面から出射した電子のエネルギーは異なるので、二次電子像に輝度むらが発生する。又、試料表面上方部の電界が一様でなくなるので、試料表面の帯電状態が、出射した電子の試料表面への回帰により変化する。従って、取得した画像にチャージアップによる異常コントラストが発生し、画質の改善は不可能となる。
【００２４】
そこで、本発明は、観察時に画像取得の為に行う試料上での電子ビーム走査の前に、試料表面が帯電しないように電子ビームでプリ照射し、試料表面の電位を均一にした。これにより、試料表面材質が異なる試料（試料表面が絶縁物と導電物から成る試料）においても、画質改善出来ることを見出した。
【００２５】
電子ビームでのプリ照射で試料表面が帯電しないようにするために、電子のランディングエネルギー、試料上方部電界、ビーム電流、ビーム径を制御するようにした。プリ照射により帯電していないかどうかの確認は、プリ照射実施直後にプリ照射領域よりも狭い領域を電子ビームで走査し、該走査領域の画像を取得し、該走査領域の画像の輝度と、プリ照射領域内における前記走査領域の周辺領域の輝度との比較により行う。即ち、前者と後者の領域の輝度が変わらなければ帯電していない、後者の領域に対し前者の領域が黒くなれば正帯電が進行している、白くなれば負帯電に進行していると判断する。
【００２６】
本発明は、この様な帯電させないプリ照射をした後に、プリ照射領域の一部を荷電粒子ビームで走査し、該領域から得られた荷電粒子に基づきその領域の画像を観察すると、その画像にチャージの影響がないことを見出した。
【００２７】
図４の（ａ）は、帯電しないようにプリ照射した試料Ｓｃの表面の電荷分布状態を模式的に示している。試料表面は帯電しない状態にセッティングされ、電荷が均一にデポジットされていると、試料表面には、負電荷が表面近傍の正電荷に非常に弱いエネルギーでトラッピングされていると考えられる。この負電荷は、正電荷のサイトを介して、容易に試料表面を移動することができる。
【００２８】
この様に帯電しないようにプリ照射した試料に対し、画像取得時に（観察時に）画像取得領域Ｒｐに電子ビーム走査に基づく電子線照射を行うと、試料表面から二次電子ｅｓが放出され、試料表面がランディングエネルギーに依存して正または負に帯電が進行する。例えば、図４の（ｂ）に示す様に、画像取得領域Ｒｐに負に帯電を進行させた場合、画像取得領域Ｒｐの表面及び表面近傍は負電荷が過剰になるので、図４の（ｃ）に示す様に、画像取得領域Ｒｐの表面及びその表面の周辺部に負電荷が移動し、負電荷が移動した画像取得領域Ｒｐの表面近傍にその周囲の正電荷が移動し、図４の（ｄ）に示す様に、プリ照射した時の状態、即ち、試料表面は帯電していない状態に戻る。
【００２９】
一方、図４の（ｅ）に示す様に、画像取得時（観察時）、画像取得領域Ｒｐに正の帯電を進行させた場合、画像取得領域Ｒｐの表面は、負電荷が不足するので、図４の（ｆ）に示す様に、試料表面において、周辺部の表面に弱いエネルギーでトラッピングされた負電荷が画像取得領域Ｒｐに移動し、図４の（ｇ）に示す様に、プリ照射した時の状態、即ち、試料表面は帯電していない状態に戻る。
【００３０】
この様に、観察時、画像取得の為に行う画像取得領域上での電子ビーム走査の前に、画像取得領域を含む試料表面が帯電しないように電子ビームでプリ照射し、試料表面の電位を均一にしておけば、画像取得時、画像取得領域を電子ビームで走査し、該領域から得られた二次電子に基づきその領域の画像を観察しても、その画像にチャージの影響がない。
【００３１】
実際に本発明の効果を検証すると、次の様になった。
【００３２】
先ず、プリ照射なしで、試料上を電子ビームで走査することにより画像化する。更に、その直後に前記走査領域よりも広い範囲を走査することにより、広い範囲を画像化する。第一の画像取得後から第二の画像取得までの時間は、０．５から５ｓｅｃの間に設定した。第一の画像取得領域と第二の画像取得領域の輝度差から第一の画像取得領域の帯電に関する情報を得ることが出来る。実験の結果、第一の画像取得領域は、周辺部と比較して輝度が白くなる傾向にあったので、負に帯電が進行していることがわかった。この際、第一の画像取得から第二の画像取得までの時間を変えても、第二の画像における第一の画像取得領域の帯電状態は変わらなかった。
【００３３】
一方、本発明の様に、画像取得領域を含む試料表面を帯電させないようにプリ照射した後、プリ照射領域の一部を電子ビームで走査することにより画像化した場合は結果が異なる。プリ照射した後に、上記と同様に第一の領域での画像化の直後に第二の領域での画像化を行った。第二の画像における第一の領域とその周りの輝度差は、画像取得間隔が０．５ｓｅｃの場合においても、帯電のないプリ照射を行わない場合と比較して小さかった。これは、帯電のないプリ照射を行った場合、第一の画像取得における帯電が少ないことを意味する。又、帯電のないプリ照射を行った場合、画像取得間隔が長くなるにつれて、第二の画像における第一の領域とその周りの輝度差が小さくなることが分かった。これは、上記した様に表面にトラップされたチャージが簡単に移動出来る為に、第一の画像化によるチャージが緩和されるためである。
【００３４】
以上説明した様に、試料表面を帯電しないようにするプリ照射は、試料表面に負電荷をデポジットして電荷状態を均一とし、観察時に画像を取得する際の帯電を、デポジットした電荷の移動により抑制するのである。
【００３５】
本発明は、この様に、試料表面材質が異なる試料（表面が絶縁物と導電物から成る試料）であっても、試料表面を帯電させないようにするプリ照射を行うことにより、画質改善を可能にしたものである。この結果、試料の細部まで精細に観察出来る様になった。
【００３６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００３７】
図５は本発明の荷電粒子ビーム装置の１例である電子ビーム検査装置の１概略例を示したものである。
【００３８】
図中１は電子銃で、該電子銃からの電子ビームはコンデンサレンズ２と対物レンズ３により試料４上に適宜集束される。５Ｘ，５ＹはＸ方向，Ｙ方向偏向コイルで、試料上を電子ビームで走査させるものである。前記試料４はステージ駆動機構６により移動制御されるステージ７上に載置されている。
【００３９】
８は電流制限絞り、９は開き角レンズ、１０は試料４と対物レンズ３との間に配置された上方電極、１１はステージ７上に絶縁して取り付けられ、試料を直接載置した基板電極である。
【００４０】
１２，１３，１４はそれぞれ前記コンデンサレンズ２，対物レンズ３，開き角レンズ９の励磁強度をコントロールするためのレンズ制御回路、１５は前記偏向コイル５Ｘ，５Ｙに偏向信号を供給する偏向制御回路である。１６は前記電子銃１に加速電圧を供給するための加速電圧制御回路、１７はステージの移動制御信号をステージ駆動機構６に供給するステージ制御回路である。１８，１９はそれぞれ前記上方電極１０，基板電極１１に電圧を印加するための電圧源、２０，２１は各電圧源の制御回路である。
【００４１】
前記レンズ制御回路１２，１３，１４、偏向制御回路１５、加速電圧制御回路１６、ステージ制御回路１７、電圧源制御回路２０，２１には、それぞれ、ＤＡ変換器２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９を介して各種指令と各種データ処理を行う制御装置３０からレンズ制御指令、偏向制御指令、加速電圧制御指令、ステージ移動指令、電圧制御指令が送られる。
【００４２】
図中３１は試料４からの二次電子を検出するための二次電子検出器で、検出された二次電子信号はアンプ３２及びＡＤ変換器３３を介して前記制御装置３０に送られる。３４は表示装置（例えば、陰極線管や液晶表示装置等）、３５は複数のフレームメモリからなる記憶装置である。
【００４３】
３６は試料４に流れる吸収電流を検出する吸収電流検出器で、該吸収電流検出器３６で検出された吸収電流はＡＤ変換器３７を介して前記制御装置３０に送られる。
【００４４】
尚、前記ステージ７はＸ，Ｙの水平二次元方向に移動可能に、Ｘ，Ｙ何れかの軸の周りに傾斜可能に、且つ、電子光軸（Ｚ軸）の周りに回転可能に成っている。
【００４５】
又、制御装置３０には、試料の検査レシピが組み込まれている。検査レシピには、観察位置およびプリ照射条件および画像取得条件としてランディングエネルギー、試料基板電圧、試料上方部電界、ビーム電流およびビーム径が登録されている。
【００４６】
又、ランディングエネルギーは、電子銃１の加速電圧と基板電極１１の電圧（試料４にかかる電圧）の和に基づいて求まる。尚、プリ照射および画像取得の条件は、試料の表面材質情報からデータベース化された条件群から選択することも出来る様に成っている。
【００４７】
この様な構成の装置において、観察すべき領域を電子ビームで走査し、該走査により検出された二次電子に基づいて観察すべき領域の画像を取得する前に、観察すべき領域を含む広い領域へのプリ照射を行う。
【００４８】
このプリ照射は次の様にして行われる。
【００４９】
ステージ制御回路１７は制御装置３０からのステージ移動指令に基づいてステージ駆動機構６に移動駆動信号を送り、検査レシピに登録されている試料４の観察すべき領域の中心が電子光軸上に来る様にステージ７を移動させる。この観察位置へ移動中、レンズ制御回路１２，１３，１４、偏向制御回路１５及び電圧源制御回路２０，２１はプリ照射条件に各種レンズを設定する
プリ照射は、電子線を走査せず、大きな断面の電子ビーム照射により行う様にする。図６に示す様に、プリ照射の電子ビームとしては、その断面Ｂｄが観察時の画像取得領域Ｒｐを含む大きさにビーム径Ｄａを設定し、ビーム電流密度がブロードな領域を用いるようにした。尚、プリ照射の領域の広さは、電子ビームのプリ照射領域の直径をＤａ、観察時の画像取得領域Ｒｐの大きい方の寸法をＤｂとすると、ＤＡ≧Ｄｂになるように、行われる。
【００５０】
この様な電子ビームで試料表面を帯電させないようにプリ照射した試料表面は均一な密度のビームで照射されるので、試料表面の電荷は均一に分布できる。また、プリ照射は走査しないので、最低１フレーム走査分の時間を余分に必要しない。よって、スループットの低下を防ぐことが出来る。
【００５１】
レンズ制御回路１２は、コンデンサレンズ２の励磁を制御し、電子銃１からの電子ビームのビーム電流を設定する。又、レンズ制御回路１４は、開き角制御レンズ１９の励磁を制御し電子ビームのビーム径を設定する。尚、ビーム径の設定はレンズ制御回路１３により対物レンズ３の励磁を制御することによって可能である。
【００５２】
又、コンデンサレンズ２，開き角制御レンズ９及び対物レンズ３の設定の組みあわで、電子ビームのビーム電流密度及びビーム径を決定するようにしても良い。プリ照射時には、偏向制御回路１５は、Ｘ，Ｙ偏向コイル５Ｘ，５Ｙの励磁を制御し、電子ビームが試料上を走査しないようにする。
【００５３】
試料表面を帯電させないように電子ビームでプリ照射する方法として、例えば、次の４つの方法が考えられる。
【００５４】
前述した様に、試料表面の帯電状態は、ランディングエネルギーに依存して変化する。図７の曲線Ｑａは、図２に示すランディングエネルギーと二次電子放出率の関係を一部拡大したものである。二次電子放出率δ＝１となるランディングエネルギーＥａ，Ｅｂでは、試料表面は入射電子量と放出量が等しいので帯電しない。一方、二次電子放出率δ＞１となる（ＥａとＥｂの間のランディングエネルギーでは、入射電子量に対して放出量が多いので正に帯電する。又、二次電子放出率δ＜１となるＥａ未満及びＥｂより大きいランディングエネルギーでは、入射電子量に対して放出量が少ないので負に帯電する。従って、試料表面を帯電させないためには、二次電子放出率δ＝１となるランディングエネルギーで電子ビーム照射すればよい。さて、試料表面の帯電状態は、試料表面上方の電界にも依存して変化する。試料表面上方に、試料より放出された二次電子が試料に戻らない方向の電界を印加すると二次電子放出率曲線はＱｂの様になり、二次電子放出率δ＝１となるＥｃ及びＥｄのランディングエネルギーで電子ビーム照射すれば試料表面は帯電しない。
【００５５】
この様な理論に基づき、帯電させないようにプリ照射するために、ランディングエネルギー（電子加速電圧と試料印加電圧（基板電極電圧）により決まる）、試料表面上方電界及び基板電極電圧を制御する。
【００５６】
第１の方法は、二次電子が試料４に戻らない方向に電圧が印加されている場合の二次電子放出率曲線Ｑｂにおいて放出率δ＝１となるランディングエネルギーＥｃ又はＥｄで試料表面を電子ビームでプリ照射する。この場合、試料表面上方電界が二次電子が試料に戻らない様に、上方電極１０の電圧を設定する。又、ランディングエネルギーは電子銃１の加速電圧と基板電極１１の電圧によってコントロールする。
【００５７】
第２の方法は、放出された二次電子が試料に戻る方向に電圧を印加し（この場合の二次電子放出率曲線はＱａ）、二次電子放出率δ＝１となるランディングエネルギーＥａ又はＥｂで電子ビームでプリ照射する。この場合、試料表面上方電界が二次電子が試料に戻る様に、上方電極１０の電圧を設定する。又、ランディングエネルギーは電子銃１の加速電圧と基板電極１１の電圧によってコントロールする。
【００５８】
第３の方法は、二次電子が試料に戻らない方向に電圧を印加し（この場合の二次電子放出率曲線はＱｂ）、ランディングエネルギーを任意の値に設定し、その設定したランディングエネルギーに対する二次電子放出率δが１になる様に、上方電極１０の電圧により試料表面上方電界をコントロールし、この状態で前記設定したランディングエネルギーの電子ビームでプリ照射する。
【００５９】
第４の方法は、放出された二次電子が試料に戻る方向に電圧を印加し（この場合の二次電子放出率曲線はＱａ）、ランディングエネルギーを任意の値に設定し、その設定したランディングエネルギーに対する二次電子放出率δが１になる様に、上方電極１０の電圧によりコントロールして試料表面上方電界をコントロールし、この状態で前記設定したランディングエネルギーの電子ビームでプリ照射する。
【００６０】
試料表面材質が異なる場合（試料表面が絶縁物と導電物から成る試料）の帯電させないプリ照射は次の様にして行われる。
【００６１】
図８に示す曲線ＱＡａ，ＱＡｂは、それぞれ、材料Ａの放出された二次電子が試料に戻る場合、戻らない場合の二次電子放出率である。一方、二次電子放出率の曲線ＱＢａ，ＱＢｂは、それぞれ、材料Ｂの放出された二次電子が試料に戻る場合、戻らない場合の二次電子放出率である。この様に試料表面材質が異なる場合、ランディングエネルギーのみを調整しても、異なった物質に対して二次電子放出率σ＝１とするのは困難で、次の様にして帯電させないプリ照射を行う。
【００６２】
放出された二次電子が試料４に戻る様に基板電極１１若しくは上方電極１０に電圧を印加し（この時の二次電子放出率曲線はＱＡａ，ＱＡｂ）た場合についても、或いは、二次電子が試料４に戻らない様に基板電極１１若しくは上方電極１０に電圧を印加し（この時の二次電子放出率曲線はＱＢａ，ＱＢｂ）た場合についても、各々の交点Ｃ１，Ｃ２に対応するランディングエネルギー値になるように電子ビームを設定し、二次電子放出率δが１になる様に、基板電極１１の電圧，電子ビームの加速電圧及び上方電極１０に電圧をコントロールする。この状態で、前記設定したランディングエネルギー値の電子ビームでプリ照射する。
【００６３】
以上のように、ランディングエネルギー、基板電極電圧および試料上部電界を制御することにより、二次電子放出率＝１となる条件で帯電しないようにプリ照射する。
【００６４】
尚、何れの方法であっても、試料に応じて、帯電しないプリ照射を行う為の、ランディングエネルギー（電子加速電圧と試料印加電圧（基板電極電圧）により決まる）、試料表面上方電界及び基板電極電圧は予め実験等により求められ、制御装置３０の検査レシピに、プリ照射条件として記憶されており、プリ照射時に、プリ照射条件が読み出されて、プリ照射が行われる。即ち、プリ照射条件を成す電子加速電圧データがＤＡ変換器２６を介して加速電圧制御回路１６に送られて電子銃１からの電子ビームの加速エネルギーがコントロールされ、プリ照射条件を成す試料印加電圧データがＤＡ変換器２８を介して電圧源制御回路２０に送られて電圧源１９からの基板電極１１への印加電圧がコントロールされ、プリ照射条件を成す試料表面上方電界データがＤＡ変換器２９を介して電圧源制御回路２１に送られて電圧源１８からの上方電極１４への印加電圧がコントロールされる。
【００６５】
尚、プリ照射条件の抽出は、例えば、次の様にして行われる。
【００６６】
試料表面の帯電状態は、試料表面上方電界と電子ビームのランディングエネルギー及びビーム径により制御されるが、電子ビーム照射と同期して吸収電流を検出し、吸収電流値が０Ａの時、試料表面が帯電されてないと判断できる。すなわち、入射電流をＩｐ、二次電子電流をＩｓｅ、吸収電流をＩａｅとすると、Ｉｐ＝Ｉｓｅ＋Ｉａｅの関係が成り立つ。入射電流Ｉｐを固定してプリ照射するので、吸収電流Ｉａｅを計測すれば二次電子電流Ｉｓｅが算出できる。Ｉａｅ＝０となる条件では、Ｉｐ＝Ｉｓｅが成り立つので、入射と出射の電子流が平衡、すなわち二次電子放出率δ＝１となるので、その場合に、試料表面は帯電していないと判断できる。
【００６７】
この様な理論に基づき、プリ照射条件抽出を行う。
【００６８】
ランディングエネルギー、試料表面上部電界、試料基板電圧を種々制御し前記の如きプリ照射を行い、Ｉａｅ＝０となる条件を探索する。その条件が求まると画像を取得し、制御装置３０の画像信号処理部で前記した如き輝度比較による画質判断を行う。その結果、正常と判断された場合、その時のランディングエネルギー、試料表面上部電界、試料基板電圧がプリ照射条件として決定される。
【００６９】
このプリ照射条件の処理手順は、制御装置３０に組み込まれており、自動的に探索しても良いし、マニュアルで条件を決定してもよい。
【００７０】
尚、このようなプリ照射条件の抽出は、異なった種類の試料毎に行われ、決定されたプリ照射条件は、制御装置３０の記憶装置にテーブル化して記憶される。
【００７１】
以上説明した如きプリ照射後、制御装置３０から検査開始指令に基づき、観察画像取得の為の動作が始まる。
【００７２】
電子銃１からの電子ビームは、コンデンサレンズ２及び対物レンズ３により試料上にスポット状にフォーカスを結ぶ。同時に、電子ビームはＸ方向偏向コイル５Ｘ及びＹ方向偏向コイル５Ｙにより観察領域を走査する。尚、前記した様にこの観察領域はプリ照射領域中の一部である。  
この様な走査により、観察領域から発生したに二次電子は二次電子検出器３１に検出され、該二次電子検出器の出力はアンプ３２及びＡＤ変換器３３を介して制御装置３０に送られる。該制御装置は一旦、記憶装置３５に保存し、その後呼び出して、表示装置３４の画面に観察領域の二次電子像として表示させる。
【００７３】
次に、別の領域の検査（観察）動作に移るが、その際、その検査領域が先に行ったプリ照射領域外の場合には、該検査領域の走査の前に、前記の様にしてプリ照射を行う。
【００７４】
尚、検査領域の電子ビーム走査による画像取得の前にプリ照射を行っているが、このプリ照射を、検査領域（観察すべき領域）の中心が電子ビーム光軸上を来る様にステージ移動を行っている最中に行うことにより、スループットを上げるようにしても良い。この際、プリ照射は、検査領域の中心が電子ビーム光軸に出来るだけ近くなったところで行う方が正確に行われる。従って、例えば、プリ照射領域を１００μｍ×１００μｍ、検査領域を１０μｍ×１０μｍとすると、検査領域の中心が電子ビーム光軸８０μｍ程度になった時にプリ照射を開始する。
【００７５】
又、前記例では、スループット向上のために、プリ照射は電子ビーム走査で行わずに、電子ビームの断面を大きくして１回の照射で行っているが、スループットを向上させなくても良ければ、電子ビーム走査で行っても良い。
【００７６】
本発明によれば、帯電のないプリ照射を行うことにより、観察時（検査時）に得られる画像取得領域の画像の画質が改善されるので、この発明を種々の検出や補正等にも適用（例えば、振動変位を検出して振動補正するものや温度補正するもの等において、振動補正や温度補正の前に帯電の生じないプリ照射を行う）して新たな効果を上げることが出来る。
【００７７】
又、例えば、欠陥を含む画像と欠陥を含まない画像からそれぞれ形状を抽出し、一致度から自動的に欠陥を検出する際に、プリ照射した欠陥を含まない画像を使用すれば、プリ照射による画像は、画質改善され微小な欠陥を認識できるので、自動欠陥検出精度向上に寄与する。
【００７８】
又、自動欠陥検出ではノイズを欠陥と認識させないためにＳＮ比が良くなければならず、その為に、画像積算回数を多くして画像信号を平均化していたが、スループットが低下した。そこで、本発明の帯電させないプリ照射方法を適用して画質を改善すれば、従来の約５倍の入射電流、ビーム照射量で１／１０００００〜１／１００００００クーロン／平方センチメートル程度まで正常動作した。従って、積算回数を従来の１／４程度に低減でき、スループットを約４倍向上させることが出来る。
【００７９】
又、自動欠陥検出において抽出された欠陥を、自動欠陥分類用コンピュータに転送し、そこで、欠陥の種類を判別する自動欠陥分類において、従来では画質が悪いため、微細な欠陥分類は不可能だったが、本発明による帯電無しプリ照射により改善された画像を用いて自動欠陥分類が出来る様にしたので、微細な欠陥も精細に示されるため、自動欠陥分類精度が向上した。
【００８０】
尚、本発明は、これまで述べてきた実施例に限定されるものではない。たとえば、電子顕微鏡を含んだ複数のカラムで構成されたような半導体検査装置にも適用してもよい。
【００８１】
又、前記例において、電子を加速するための電圧を発生する電源，試料表面上方に電界を形成するための電圧を発生する電源、及び試料に印加する電圧を発生する電源として、プリ照射時用と、観察領域の観察のための走査時用とを別々に設け、各々の時に高速に切り換えるように成しても良い。
【００８２】
又、前記例では、電子ビームの走査により絶縁試料を観察する例を説明したが、イオンビームの走査により絶縁試料を観察する場合にも、本願発明は有効である。
【００８３】
又、前記例では試料の二次電子像を観察するものを説明したが、試料からの反射電子等を検出して、反射電子像等を観察するものにも本発明は有効である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】コンタクトホールの形成状態の例を示したものである。
【図２】ランディングエネルギーと二次電子放出比との関係を示している。
【図３】従来のプリチャージ法による試料表面の帯電状態を表している。
【図４】本発明の原理の説明に使用した試料表面の帯電状態を表している。
【図５】本発明の荷電粒子ビーム装置の一概略例を示している。
【図６】図５に示す装置で使用されている電子ビーム断面と画像取得領域の関係を示している。
【図７】試料表面物質が一様な場合のランディングエネルギーと二次電子放出比との関係を示している。
【図８】試料表面物質が異なる場合（試料表面が絶縁物と導電物からなる試料）のランディングエネルギーと二次電子放出比との関係を示している。
【符号の説明】
【００８５】
Ａ…絶縁層
Ｄ…伝導層
ＣＨ…コンタクトホール
Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ…試料
Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄ，Ｐｅ，Ｐｆ…プラグ部分
Ｒｐ…画像取得領域
１…電子銃
２…コンデンサレンズ
３…対物レンズ
４…試料
５Ｘ…Ｘ方向偏向コイル
５Ｙ…Ｙ方向偏向コイル
６…ステージ駆動機構
７…ステージ
８…電流制限絞り
９…開き角レンズ
１０…上方電極
１１…基板電極
１２，１３，１４…レンズ制御回路
１５…偏向制御回路
１６…加速電圧制御回路
１７…ステージ制御回路
１８，１９…電圧源
２０，２１…電圧源制御回路
２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９…ＤＡ変換器
３０…制御装置
３１…二次電子検出器
３２…アンプ
３３…ＡＤ変換器
３４…表示装置
３５…記憶装置
３６…吸収電流検出器
３７…ＡＤ変換器
【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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