(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対物レンズと絶縁物試料の間に試料に対向して配置される平板電極を備える電極ユニットであって、
前記試料上のローカル帯電を除去するための第１の荷電粒子線を発する第１の帯電中和用荷電粒子線源と、
前記試料上のグローバル帯電を除去するための第２の荷電粒子線を発する第２の帯電中和用荷電粒子線源と、を備え、
前記平板電極には、一次荷電粒子線が通過する第１の孔と、前記第２の荷電粒子線が出射するための第２の孔とが設けられ、
前記第１及び第２の帯電中和用荷電粒子線源は、互いに干渉しないような位置に配置され、
前記第１の帯電中和用荷電粒子線源から発せられた荷電粒子線は、前記第１の孔に向かって導入されることを特徴とする電極ユニット。
【請求項２】
前記第１及び第２の帯電中和用荷電粒子線源は、不活性ガスを導入して使用することを特徴とする請求項１に記載の電極ユニット。
【請求項３】
前記平板電極には、前記第１の荷電粒子線が前記平板電極に対して斜めに出射するための第３の孔が設けられ、
前記第１の孔を通過した一次荷電粒子線と前記第３の孔を出射した前記第１の荷電粒子線とが、前記試料上における前記第１の荷電粒子線の照射点で交差することを特徴とする請求項１に記載の電極ユニット。
【請求項４】
前記第１の孔において、前記一次荷電粒子線の入射側の径が出射側の径より小さいことを特徴とする請求項１に記載の電極ユニット。
【請求項５】
前記平板電極は、前記一次荷電粒子線の入射側に円筒状の多段オリフィスを備えることを特徴とする請求項４に記載の電極ユニット。
【請求項６】
前記平板電極は、前記試料の移動範囲全体を覆い、前記試料がはみ出ないような大きさであることを特徴とする請求項１に記載の電極ユニット。
【請求項７】
さらに、前記平板電極の下側であって前記第１の孔付近にイオンコレクタを備えることを特徴とする請求項１に記載の電極ユニット。
【請求項８】
荷電粒子線を試料に照射して、前記試料を観察するための荷電粒子線装置であって、
一次荷電粒子線を発する一次荷電粒子線源と、
対物レンズと、
前記試料と前記対物レンズとの間に配置された請求項１に記載の電極ユニットと、
前記第１及び第２の帯電中和用荷電粒子線源の動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記一次荷電粒子線源の照射エネルギーが規定値よりも高い場合に、前記第１及び第２の帯電中和用荷電粒子線源の少なくとも１つを動作させることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記対物レンズのフォーカス電流値又はフォーカス電圧値の経時的変化に基づいて、前記第２の帯電中和用荷電粒子線源を動作させるか否か判断することを特徴とする請求項８に記載の荷電粒子線装置。
【請求項１０】
前記制御部は、前記試料の画像の経時的なぼけの変化に基づいて、前記第２の帯電中和用荷電粒子線源を動作させるか否か判断することを特徴とする請求項８に記載の荷電粒子線装置。
【請求項１１】
前記制御部は、前記試料の表面電位を計測するための表面電位計の計測結果に基づいて、前記第２の帯電中和用荷電粒子線源を動作させるか否か判断することを特徴とする請求項８に記載の荷電粒子線装置。
【請求項１２】
前記制御部は、前記試料の画像が参照画像と比較してコントラストが反転したか否かに基づいて、前記第１の帯電中和用荷電粒子線源を動作させるか否か判断することを特徴とする請求項８に記載の荷電粒子線装置。
【請求項１３】
前記制御部は、ＣＡＤデータを利用して前記一次荷電粒子線の照射位置に絶縁物があるか否かの情報に基づいて、前記第１の帯電中和用荷電粒子線源を動作させるか否か判断することを特徴とする請求項８に記載の荷電粒子線装置。
【請求項１４】
前記制御部は、前記試料の画像の明るさに基づいて、前記第１の帯電中和用荷電粒子線源を動作させるか否か判断することを特徴とする請求項８に記載の荷電粒子線装置。
【請求項１５】
前記制御部は、前記試料の画像の経時的なずれに基づいて、前記第１の帯電中和用荷電粒子線源を動作させるか否か判断することを特徴とする請求項８に記載の荷電粒子線装置。
【請求項１６】
さらに、前記電極ユニットと前記試料との間にイオンコレクタを備え、
前記イオンコレクタの中心が前記一次荷電粒子線の光軸に一致するように配置されたことを特徴とする請求項８に記載の荷電粒子線装置。
【請求項１７】
前記平板電極は、前記一次荷電粒子線の入射側に円筒状の多段オリフィスを備えることを特徴とする請求項８に記載の荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対物レンズと絶縁物試料の間に試料に対向して配置される平板電極を備える電極ユニット、及び、その電極ユニットを有し、荷電粒子線を試料に照射して試料を観察するための荷電粒子線装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
絶縁物表面から２次的に放出される荷電粒子(電子やイオン)を、試料表面の構造や物質を可視化したり特定したりする信号として用いる荷電粒子線装置、例えばＳＥＭや収束イオンビーム(ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ)装置またはＳＥＭとＦＩＢを組み合わせた装置で観察対象となる絶縁物の代表的なものにフォトマスクがある。
【０００３】
フォトマスクは一般的に６ｍｍ程度の厚みをもったガラス基板上に光を遮蔽、反射もしくは透過させるために、代表的には導体であるクロムやモリブデン、シリコンの積層膜のパターニングが施されている。フォトマスクを試料として、荷電粒子線、例えばＳＥＭを用いてパターン形状の観察や寸法計測のために電子線を照射した場合、導体であるパターン部と絶縁体であるガラス部での２次電子発生効率が異なることや絶縁体上での電荷蓄積によって、試料上には不均一な電荷の分布や試料全体の正ないし負極性の変動を伴う電位上昇が生じたりする。
【０００４】
また、半導体ウェーハにおいてもシリコン基板上に多層構造を持たせて集積回路を形成するが、荷電粒子線が照射される領域が絶縁膜若しくは絶縁物を含む構造を有する場合には、フォトマスク同様、程度の差はあれ電荷の不均一な分布や蓄積が起こる。
【０００５】
この結果、試料表面では電子線照射領域内または領域内外において、電位勾配が発生すると同時に電界の作用によって電子線が偏向されてＳＥＭ画像のドリフトが発生する。さらに試料の電位が不安定で予測が困難となるため、ＳＥＭの倍率に係る電子線の制御が不適切となる。このため、測長ＳＥＭのように高精度かつ安定した再現性が求められる装置では帯電の除去や一定化が必須である。
【０００６】
従来技術として典型的なものは、試料に照射する荷電粒子線（１次荷電粒子線）のエネルギーや照射量または試料上をラスター走査する速度など、荷電粒子と試料表面の物理的な相互作用、例えば試料の２次電子発生効率や試料内への荷電粒子の侵入深さとエネルギー授受や電荷の移動度など帯電を緩和するパラメータとなりうる荷電粒子線の制御可能量を帯電が小さくなるように設定することである。
【０００７】
荷電粒子線の照射エネルギーは、絶縁物の帯電が正の極性となるように数１００ｅＶの低いエネルギーに設定されることが多い。これは、荷電粒子線装置のように試料への荷電粒子の入射と試料から荷電粒子が放出される系では正の帯電条件を用いることで過剰な電荷の蓄積が進行しないという利点のためである。
【０００８】
この正の帯電の制御技術は、荷電粒子線の照射条件と帯電した部分の電位上昇に伴う電位鞍点の形成と制御による帯電の自己的な収束を利用したものであり、例えば、特許文献１乃至３に開示されている。
【０００９】
一方、荷電粒子線の照射によって誘起された帯電電荷を、それが持つ極性と逆の極性の電荷で中和することも利用されている。例えば、特許文献４に、荷電粒子線装置が備える真空雰囲気とした試料室内に、ガスの放電またはガスに紫外光を照射するイオン発生器を備え、発生する正イオンや負イオンを用いることが開示されている。
【００１０】
また、例えば、特許文献５及び６には、紫外光を試料近傍の部材に照射して発生する光電子によって正帯電を中和する方法や、試料表面に直接紫外光を照射することで試料表面の吸着ガスをイオン化したり、試料表面の電子を励起して導通過させて帯電を中和することが開示されている。
【００１１】
荷電粒子線装置の中には荷電粒子照射光学系の差動排気を強化し、試料室を数パスカル（Ｐａ）〜数１０００パスカル（Ｐａ）に低真空化したまま荷電粒子線の照射が可能な、いわゆるＥＳＥＭ(Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ＳＥＭ)やＬＶＳＥＭ(Ｌｏｗ Ｖａｃｕｕｍ ＳＥＭ)が実用化されている。
【００１２】
これらＥＳＥＭやＬＶＳＥＭは、試料室内に残留もしくは導入したガスが照射する電子線や試料から発生した２次電子と衝突することによって電離し、生成したイオンと電子が正または負の帯電中和に寄与したり、導入または残留する水分によって絶縁物を帯電させずに観察が可能とされている。
【００１３】
しかし、ＥＳＥＭやＬＶＳＥＭでは１次荷電粒子線が低真空内を長距離通過し、荷電粒子線はガスとの衝突で散乱されて広がるため、分解能が低下する。さらに高真空中で動作する荷電粒子の検出器が、低真空中では放電したりする問題がある。
【００１４】
この問題を克服するために、例えば、特許文献７ではガスを導入して試料表面のみにガスの層をつくり、試料室全体の圧力を大きく低下させない手法が開示されている。
【００１５】
【特許文献１】特開昭５９―１５５９４１号公報
【特許文献２】特許第３３４３４２１号公報
【特許文献３】特開２００６―５４０９４号公報
【特許文献４】特開２００７―１４９４４９号公報
【特許文献５】特開２００５―１７４５９１号公報
【特許文献６】特開２０００―３６２７３号公報
【特許文献７】米国特許６５５５８１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
フォトマスクでも半導体ウェーハでも、その製造過程では表面に感光材料であるレジストを塗布してパターニングを行なう。レジストは有機材料からなる絶縁物であるため、これらを荷電粒子線装置の試料とする場合には帯電が起こる。
【００１７】
また、絶縁物上にレジストを塗布した場合には、一般的により帯電が顕著となり、ＳＥＭにおいては異常なコントラストを呈して画像の認識が困難となったり、ドリフトが大きくなったりして全く安定した測長ができなくなる。
【００１８】
従来、ＳＥＭでレジストを観察する場合、照射する電子線のエネルギーを０．５ｋｅＶ程度にまで下げて、２次電子発生効率を１にしている。つまり、入射した電子数と同じ２次電子数が発生する状態とするか、若しくは発生した２次電子の一部が磁界や電界の作用によって試料に戻る軌道をとり、試料に再吸収されるようにすることで、入射した電子数と実効的に電荷の収支のバランスを１：１とし、帯電を抑えている。
【００１９】
しかし、通常ＳＥＭでは電子線の照射エネルギーを小さくすると色収差が増加して電子線のプローブ径がぼけて大きくなるため、分解能の低下とＳ／Ｎの低下が問題となる。また、パターンの微細化が進む今日ではレジストの現像精度も重要度を増しており、レジストの形状および寸法精度の高分解能での管理が求められる。
【００２０】
一方、レジストは感光性を有するため、紫外光の照射による従来の帯電除去方法は適用できない。
【００２１】
よって、レジストにおいても帯電を除去して異常コントラストがなく安定で高分解能な画像ならびに形状や寸法測定に用いる信号、例えば２次電子や反射電子を再現性よく取得することが必要である。
【００２２】
ここで、帯電と認識される電荷の蓄積や分布は、荷電粒子線が照射される局所的な領域内、もしくは近傍の絶縁物のパターン形状や構造によって左右される。例えば、レジスト付フォトマスクでクロム上のレジストがライン、ガラスがスペースを形成するパターンにＳＥＭを用いて電子線を走査、照射した場合、照射した電子線のレジストとガラスへの電荷蓄積と、ガラスで発生した２次電子や反射電子がレジスト側面に付着したり、さらなる２次電子を発生させたりして時々刻々と電荷の移動と局所的な電位変化が起こる。加えてガラスやレジスト表面の電荷の拡散は速やかに行なわれることがなく、電位は不安定なまま長時間にわたって変化し続ける。また、パターンが入組んだ迷路のようになっていれば、電荷は等方的に拡散できないため、電荷密度の濃淡を生じて、安定しない異常なコントラストやビームドリフトがさらに助長される。
【００２３】
よって、試料画像の安定取得のためには、試料全体の帯電（グローバル帯電）と１次荷電粒子線を照射する局所領域の帯電（ローカル帯電）の両方を除去する必要がある。
【００２４】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、荷電粒子線装置において試料画像の高分解能化及び安定取得を実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
（１）上記課題を解決するために、本発明では、荷電粒子線の照射エネルギーを従来よりも高くして使用する。例えば、従来数１００ｅＶであったものを１ｋｅＶ〜２ｋｅＶとすれば、色収差は劇的に改善されると同時に照射部位へのダメージも小さく抑えられる。
【００２６】
しかし、照射エネルギーを大きくすると２次電子発生効率が１未満となるため絶縁物は負の帯電を帯びて従来の正の帯電を制御する手段がとれなくなる。よって、負の帯電を正の帯電または帯電中和された状態に変化させて制御する手段を用いればよい。具体的には、特許文献３で実施されているようなフォトマスク上の帯電緩和に有効と考えられる電極に負の帯電を正の帯電に変化させることが可能な付加的な要素を組合せることが有効と考えられる。
【００２７】
また、他の高分解能化技術としては、試料と荷電粒子線を収束するためのレンズとの距離であるＷＤ(Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｄｉｓｔａｎｃｅ)を短くすることで次のような利点がある。短焦点化することで色収差係数や球面収差係数を小さくすることが可能であり、光学的な縮小率も大きく(光学倍率としては小さく)なるため荷電粒子線源の光源径の試料上への投影サイズやノイズによる影響を小さくできる。
【００２８】
さらに、ＳＥＭの対物レンズに用いられる電磁レンズでは上記利点をより効率的に実現するために磁界を試料に含浸させるタイプのレンズ、いわゆるインレンズ、セミインレンズを使用して短焦点化することができる。試料から発生した２次電子は出射直後から試料上の磁界中で螺旋運動をすることになるが、本発明の課題を解決する手段として都合がよい。
【００２９】
（２）また、上記課題を解決するために、本発明は、試料全体の帯電（グローバル帯電）及び局所領域の帯電（ローカル帯電）の双方を除去する構成を備える。絶縁物に荷電粒子を照射すると、絶縁物には導電性がないため、試料に入射した電荷と発生する２次電子との収支によって余剰の正または負の電荷が試料の誘電率に応じて蓄積し、時間的にも電位変化を伴う。この電位変化は誘電体全体としての電位上昇と荷電粒子線の照射領域レベル(数１００μｍ〜数１００ｎｍ)の電位上昇とを区別する必要があることである（以下では前者をグローバル帯電、後者をローカル帯電と呼ぶことにする。）。試料に荷電粒子線を照射することで、グローバル帯電とローカル帯電が同時に進行する。グローバル帯電は試料全体もしくはローカル帯電に比して桁違いに大きい領域での帯電である。しかし、従来技術のように誘起された帯電と逆の極性の荷電粒子つまり中和用のイオンや電子を試料に単純に照射しても、グローバル帯電させる荷電粒子はローカル帯電の電場に対して感度が著しく低い。グローバル帯電による電場の方が、ローカル帯電の形成する電場よりも大きいからである。よって、中和用の荷電粒子のほとんどがグローバル帯電を中和し、かつ中和状態を維持することに作用する。
【００３０】
このことから、ローカル帯電を中和するには、試料に照射する１次荷電粒子線の局所的な照射領域に、効率良く中和用の荷電粒子を作用させることが必要であることが分かる。この問題の解決手段は、１次荷電粒子線の光軸が試料と交差する点を見込んだ光軸をもつ中和用荷電粒子源を用いて、中和用荷電粒子の照射を可能とすればよい。
【００３１】
この中和用荷電粒子源は、ガスの放電やフィラメントから放出される電子の衝撃によるガスの電離を利用してイオンや電子を発生させればよく、荷電粒子線装置に組み込みやすいコンパクトな構造で実現可能である。
【００３２】
しかし、中和用荷電粒子に大きなエネルギーをもたせて試料に照射すると、それが試料に衝突することで２次電子を発生させて、正負の電荷のバランスが得られなくなったり、中和用荷電粒子の電荷の極性と同じ帯電が中和を通り越して過剰になったりする。
【００３３】
この過剰な帯電を避けるためには、中和用荷電粒子線は試料に対して電気的に加速しないか、試料と荷電粒子線源間の電位差は数ボルト〜数１０ボルト程度にすればよい。また、中和用荷電粒子源は１次荷電粒子線の光軸近くに設置することが好ましいことは明白である。
【００３４】
さらに、高分解能化のためには、試料に対向させた電極に中和用荷電粒子源を一つのユニットとして組合せ、かつ電極と試料ホルダーを同電位とすれば試料と電極間は無電界となる。このため、中和用荷電粒子源から漏れ出させた中和用荷電粒子は、エネルギーの低い状態でローカル帯電に照射可能になる。なお、該電極ユニットは誘電体である試料、特にフォトマスクでは静電容量を一定に保つために、試料の移動範囲全体を覆い、かつ試料が電極ユニットからはみ出ないような十分な大きさを有することが望ましい。
【００３５】
仮に中和用荷電粒子を、より効率的に試料に入射させるために、試料と電極間に小さい電位差をつけても、低エネルギーの荷電粒子、特にイオンの衝突による２次電子の発生は無視できるほど小さいため、帯電電荷と中和用荷電粒子の電荷の均衡が変動することはなく、たとえ過剰な中和用荷電粒子が付着して、負の帯電を正の帯電に変化させようとしても、該電極の効果によって正の帯電は進行せず、自己的に中和される。
【００３６】
加えて、照射する中和用荷電粒子のエネルギーが小さければ、該荷電粒子の電荷と同じ極性の帯電には、該荷電粒子は反発されて到達できないため、過剰な帯電の進行が防止できる。この効果はローカル帯電もグローバル帯電についても同じである。
【００３７】
上記の中和用荷電粒子源は、ローカル帯電と同時にグローバル帯電にも効果がある。しかし、現実的にはローカル帯電とグローバル帯電各々に寄与する電荷量は、１次荷電粒子線および副次的に発生する電荷量に依存して異なる。つまり、１次荷電粒子線の照射される領域では、２次電子発生効率やパターン形状の影響を受けやすいため、ローカル帯電はグローバル帯電と電荷密度が異なる。
【００３８】
よって、各々の帯電を一つの中和用荷電粒子源で同時に電荷のバランスをとって中和することは困難となり、ローカル帯電とグローバル帯電用の中和用荷電粒子源を別個に設けることが好適である。
【００３９】
さらに好適なのは、中和用荷電粒子源を１次荷電粒子線の照射箇所の直上に配置することである。しかし、試料と対物レンズ間に従来技術として開示されているようなプラズマ発生源などの構造物を配置することは、物理的に困難である。
【００４０】
ところが、試料直上に局所的な低真空領域を実現することができれば、ＬＶＳＥＭやＥＳＥＭのように、導入したガスを１次荷電粒子線と２次電子によって電離させて、イオンや電子を得ることが可能になる。
【００４１】
そこで、グローバル帯電およびローカル帯電の双方を除去して試料画像の高分解能化と安定取得を実現する手段の１つとしては、電極内にガスの導入経路を設け、該電極の中心に開けられた１次荷電粒子線の通過孔からガスが高真空領域に流れるようにすればよい。そして、この通過孔は近傍の圧力が局所的に低真空(数パスカル（Ｐａ）〜数１０パスカル（Ｐａ）)となるように孔径を小さくしておけば、試料室全体の圧力を大きく低下させることがない。
【００４２】
また、局所的な低真空のために１次荷電粒子線のガス分子による散乱は小さく、分解能の劣化が非常に小さい。さらに、通常は高真空で動作する荷電粒子線装置においても試料室の圧力の悪化が軽度であるので、既存の信号検出系がそのまま使用可能となる。
【００４３】
さらに、本発明によれば、局所的なガス圧を上昇させるのに適したガス流量の実現を可能とする、ガス導入経路を備えた電極の厚みは１ｍｍ程度で製作可能である。よって、短いＷＤを維持したまま適用が可能であり、該電極が試料を覆うようにすれば、ガスの密度は電極と試料間で高くなるため、電離効率が良くなる。加えて、前述したように対物レンズにセミインレンズを用いれば、２次電子の飛程が増すため、より電離効率が上がる。
【００４４】
（３）ところで、試料が絶縁物を含む場合、その構造や材質の構成によって帯電の程度は異なることが多く、帯電が小さくなるように荷電粒子線の照射条件を設定する従来技術では、荷電粒子線の最適な照射条件を試料毎に再設定が必要である。
【００４５】
よって、煩雑な照射条件の設定を必要としない、自動化に適した、つまり試料に依存しない帯電の除去が可能な構成と、自動的に帯電除去が行なわれる制御方法の実現が望まれる。
【００４６】
このためには、中和用荷電粒子の照射量制御の容易さを実現し、照射の必要性を適切に判断する方法が必要となる。上述のように、グローバル帯電とローカル帯電の双方を除去する手段を用いれば、過剰な帯電を誘起することなく帯電の中和が可能であり、中和用荷電粒子源から放出される荷電粒子は、帯電量に応じた電荷量を消費する。
【００４７】
放出される荷電粒子数が、帯電電荷よりも少なければ帯電の中和は不可能であるが、多い場合には速やかに帯電の中和が可能であり、余剰の荷電粒子は導体である電極に衝突して消滅する。
【００４８】
仮に、中和用の荷電粒子が帯電電荷よりも桁違いに多くなった場合には、放電を起こす可能性もあるため、電極と試料間に余剰の中和用荷電粒子を捕獲する捕集電極を設ければよい。該捕集電極は、電離真空計に採用されているイオンコレクタと同様の作用をするものであり、中和用荷電粒子源に対して数ボルト〜数１０ボルトのバイアスをかけることで実現可能である。
【００４９】
よって、中和用荷電粒子源からは常に帯電電荷に対して余剰の中和用荷電粒子が発生するようにしておけばよく、その量の設定は、帯電を誘起する原因である１次荷電粒子線の照射量と対応付けておくことで、試料に依存しない簡便な制御が可能となる。
【００５０】
本発明では１次荷電粒子線のエネルギーが低い場合、凡そ１ｋｅＶ未満の場合には絶縁物試料でも正の帯電として、中和用荷電粒子を用いないで観察および測定が行なえる。
【００５１】
しかし、その条件での分解能不足や、低いＳ／Ｎによる信号の不安定さによって満足な結果が得られないときには、１ｋｅＶ以上のエネルギーを用いて負の帯電を誘起させて、これを中和用荷電粒子にて中和ないし制御可能な正の帯電に変化させることができる。ただし、一次荷電粒子線のエネルギーを大きくしても、実際に負の帯電が誘起されていない場合には、中和用荷電粒子を使うまでもなく、無駄な電力や導入するガスの消費を抑える。このために、自動的に中和用荷電粒子源を動作させる判断を行なう機能を設けることもできる。
【００５２】
帯電除去の必要性の判断としては、グローバル帯電であれば、１次荷電粒子線の顕著な焦点位置の変化、例えば経時的な負の帯電の進行によって、１次荷電粒子線は減速されてオーバーフォーカスとなるため、試料上にフォーカスさせるための対物レンズの励磁変化を自動的に測定することが実施可能である。
【００５３】
また、ローカル帯電は１次荷電粒子線のフォーカスを大きく変化させるほどの電場を形成しないため、フォーカス変化から帯電状況を読み取りにくくなる。しかし、１次荷電粒子線照射直後に負帯電が誘起されると、試料上方との電位差による電子の引き上げ効果と電位鞍点の消失により、２次電子の検出量が増えるため、信号量、つまり画像の明るさが明確な増加をもって判断される。
【００５４】
加えて、帯電による不均一電場によるビームドリフトの発生や、正の帯電としたときに取得したテンプレート画像との比較などによっても、中和用荷電粒子源を動作させる判断が可能となる。
【００５５】
（４）即ち、本発明による電極ユニットは荷電粒子線装置に用いられるものであり、対物レンズと絶縁物試料の間に試料に対向して配置される平板電極を備える電極ユニットであって、試料上のローカル帯電を除去するための第１の荷電粒子線を発する第１の帯電中和用荷電粒子線源と、試料上のグローバル帯電を除去するための第２の荷電粒子線を発する第２の帯電中和用荷電粒子線源と、を備える。また、平板電極には、一次荷電粒子線が通過する第１の孔と、第２の荷電粒子線が出射するための第２の孔とが設けられ、第１及び第２の帯電中和用荷電粒子線源は、互いに干渉しないような位置に配置される。そして、第１の帯電中和用荷電粒子線源から発せられた荷電粒子線は、第１の孔付近に導入される。ここで、第１及び第２の帯電中和用荷電粒子線源は、不活性ガスを導入して使用される。
【００５６】
平板電極には、第１の荷電粒子線が平板電極に対して斜めに出射するための第３の孔が設けられ、第１の孔を通過した一次荷電粒子線と第３の孔を出射した第１の荷電粒子線とが、試料における第１の荷電粒子線導入箇所付近で交差するようになっている。
【００５７】
第１の孔において、一次荷電粒子線の入射側の径が出射側の径より小さい。このとき、平板電極は、一次荷電粒子線の入射側に円筒状の多段オリフィスを備えるようにしてもよい。
【００５８】
また、平板電極は、試料の移動範囲全体を覆い、試料がはみ出ないような大きさである。
【００５９】
さらに、電極ユニットは、平板電極の下側であって第１の孔付近にイオンコレクタを備えるようにしてもよい。
【００６０】
本発明による荷電粒子線装置は、上述のような電極ユニットを有し、さらに、第１及び第２の帯電中和用荷電粒子線源の動作を制御する制御部と、を備えている。この制御部は、一次荷電粒子線源の照射エネルギーが規定値よりも高い場合に、第１及び第２の帯電中和用荷電粒子線源の少なくとも１つを動作させるようにこれらを制御する。
【００６１】
また、制御部は、対物レンズのフォーカス電流値又はフォーカス電圧値の経時的変化、試料の画像の経時的なぼけの変化、或いは、試料の表面電位を計測するための表面電位計の計測結果に基づいて、第２の帯電中和用荷電粒子線源を動作させるか否か判断する。
【００６２】
また、制御部は、試料の画像が参照画像と比較してコントラストが反転したか否か、ＣＡＤデータを利用して前記一次荷電粒子線の照射位置に絶縁物があるか否かの情報、試料の画像の明るさ、或いは、試料の画像の経時的なずれに基づいて、前記第１の帯電中和用荷電粒子線源を動作させるか否か判断する。
【００６３】
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】
【００６４】
本発明によれば、荷電粒子線装置において試料画像の高分解能化及び安定取得を実現することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６５】
本発明は、一部に絶縁物を含む、もしくは全部が絶縁物からなる試料に荷電粒子を照射したときに生じる帯電を除去し、試料表面の構造を明瞭かつ安定に画像化する技術に関するものである。特に、光リソグラフィの原版となるフォトマスクやそれらを用いて製造される半導体ウェーハ上に形成されたパターンの寸法測定を行なう測長ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）に有用な技術である。
【００６６】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、本実施形態は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではないことに注意すべきである。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。
【００６７】
＜荷電粒子線装置の構成＞
図１は、本発明の実施形態による荷電粒子線装置の概略構成を示す図である。本発明の原理や効果は、ＦＩＢやＳＥＭなど一般的な荷電粒子線装置について適用可能であるが、以下ではＳＥＭに適用した場合の例について説明する。
【００６８】
本実施形態によるＳＥＭでは、電子銃１で発生する電子線が光学系カラム２および対物レンズ１８を含む光学系カラム３にて拡大もしくは縮小され、絶縁物試料８に照射される。真空ポンプ５は、電子銃１を超高真空レベルに排気するためのポンプである。真空ポンプ６は、光学系カラム２および光学系カラム３を高真空に排気するポンプである。光学系カラム３内の圧力をより下げたい場合には真空ポンプ６とは別のポンプを光学系カラム３に追加してもよい。試料室４内は真空ポンプ７によって排気され、１０−４Ｐａ〜１０−５Ｐａ台の圧力に到達する。
【００６９】
絶縁物試料８は、移動機構を含む試料ホルダー９に積載され、試料室４内を移動可能である。試料８とカラム３の間には、特許文献３に開示されているタイプの電極１０が配置されている。この電極１０は、試料８の移動範囲全体をカバーできる大きさで構成され、試料８に対向して配置されている。電極１０および試料ホルダー９は、各々独立して高圧電源１６、高圧電源１７に接続されており、試料に照射される１次電子線を減速することを目的とした、リターディング法も適用可能である。
【００７０】
また、電極１０にはガス導入経路を設けることもできる。そして、このガス導入経路にガス流量調整器１２を備えたガス導入パイプ１１を接続すれば、真空外から試料上へのガス導入が可能となる。さらに、電極１０には荷電粒子源１３が接続される。荷電粒子源１３の詳細は後述するが、制御電源１５で行うガスの電離によるイオン生成によって帯電を中和するものであるため、イオンの量を大量にしたいときは、ガス流量調整器１４を介してガスを導入することが可能である。
【００７１】
なお、ガス流量調整器１２及び１４は、各々ガスボンベに接続されるが、使用するガスは窒素やアルゴンといった、電子衝撃によるイオン化断面積が比較的大きい不活性ガスを用いる。また、真空ポンプ５及び６の制御、試料ホルダー９（ステージ）の移動制御、ガス導入の制御、荷電粒子のイオンによる帯電中和の制御等の各種制御は、図示しない制御部（例えば、ＣＰＵ）によって行われるものである。さらに、例えば、図９のフローチャートに対応するコンピュータプログラムを格納したメモリを設けるようにし、制御時にこのプログラムを読み込み、ＣＰＵの制御下で帯電除去の処理を実行するようにしてもよい。
【００７２】
＜光学系カラムの構成＞
図２は、上述の荷電粒子線装置の一部である、対物レンズを含む光学系カラム３及びその周辺部の概略構成を示す図である。
【００７３】
電極１０は、対物レンズ１８と試料８の間に配置されており、試料８と電極１０との距離は約１ｍｍである。また、試料８の上端部と対物レンズ１８との距離は３ｍｍ程度である。対物レンズ１８は、高分解能化が可能な磁界含浸型のセミインレンズであり、セミインレンズと後述の構成を用いることにより、イオンの生成効率を高める効果も期待できる。
【００７４】
対物レンズ１８の上方には１次電子線の軌道を変化させず、試料から発生した２次電子のみを偏向可能な、いわゆるＥ×Ｂフィルター２０とＥｖｅｒｈａｒｔ−Ｔｈｏｒｎｌｅｙタイプの荷電粒子検出器２１からなる検出ユニットと、１次電子線を試料上でスキャンするための偏向器１９が配置されている。
【００７５】
偏向器１９が静電的な偏向器の場合や荷電粒子検出器２１には、１０ｋＶ程度の高電圧が偏向器１９や荷電粒子検出器２１に印加されている。このため、これらの高電圧印加動作は放電防止のためにも通常高真空中で行われる。なお、これら偏向器１９や検出ユニット２０及び２１は、この実施形態の構成に限られるものではなく、一般的に荷電粒子線装置で採用されている構成でもよい。このような構成がそのまま使用できるのは、次に述べる中和用荷電粒子源の採用が可能なためである。
【００７６】
＜帯電中和用荷電粒子源の構成＞
図３は、ローカル帯電とグローバル帯電各々の中和用荷電粒子源の構成例を示している。
【００７７】
図３（ａ）は電極１０上にローカル帯電の中和用荷電粒子源２３を備えた例である。荷電粒子源２３の荷電粒子出射孔２４の中心軸は、試料上の１次電子線照射点２２に交差する位置関係とし、荷電粒子源２３から出射する荷電粒子が、帯電の誘起箇所である試料上の１次電子線照射点２２を直接見込むようにすることで、効率よく荷電粒子の照射が可能となる。
【００７８】
また、図３（ｂ）は電極１０上にグローバル帯電の中和用荷電粒子源２５を備えた例である。グローバル帯電は、絶縁物試料の広範囲の電位変化を伴うため、１次電子線照射点２２を直接見込む必要は無く、光軸からオフセットした位置に設ければ良い。これにより、グローバル帯電の中和用荷電粒子源２５とローカル帯電の中和用荷電粒子源２３との位置的な干渉を避けることができる。
【００７９】
＜荷電粒子線発生源の構成＞
図４及び図５は、ローカル帯電の中和用荷電粒子源２３及びグローバル帯電の中和用荷電粒子源２５両方に使える荷電粒子発生源の例である。
【００８０】
図４（ａ）は三極管ないしは電離真空計と同様の構造をもち、内径数ｍｍの金属円筒３０の中に、通電によって熱電子を発生するフィラメント３２と該熱電子を加速、吸収するメッシュ、もしくはコイル状のグリッド３１を具備する荷電粒子源２９（図１の１３に相当）を示している。
【００８１】
図４（ａ）において、フィラメント３２は、接地された金属円筒３０よりも数１０ボルト正の電位にある。グリッド３１は、フィラメント３２よりも数１００ボルト正の電位としてフィラメント３２と金属円筒３０間で電子衝撃によるガスの電離を行い、イオンと電子を生成する。
【００８２】
荷電粒子源２９の左開口部は電極１０に接続され、右開口部はガス流量調整器１４に接続されて試料８に対してガスを導入することが可能となっている。なお、荷電粒子源２９を接続する電極１０に電圧を印加する場合には、ガス流量調整器１４との絶縁をとるために、金属円筒３０の一部もしくは全体をガラス等の絶縁物で構成してもよい。
【００８３】
ガスを導入すれば、荷電粒子源２９の内圧と荷電粒子出射孔２４（図３参照）外部との圧力差で生じるガスの流れと同様に、生成したイオンも噴出されるため、高エネルギーの１次電子線によって誘起された負の帯電を中和するイオンを引出すための電極も必要なく、低エネルギーのイオンを１次電子線照射点２２に照射することができる（図３参照）。このとき、荷電粒子出射孔２４をΦ０．５ｍｍ以下の程度とすれば、荷電粒子源２９の内圧は数パスカル（Ｐａ）となり、試料室４の真空度は到達真空度よりも１桁程度悪化するレベルで高真空を維持可能である。荷電粒子出射孔２４の孔径がこの程度であっても、フィラメント３２から放出される熱電子を増やせば、生成するイオンは十分な量を確保することができる。
【００８４】
なお、ＳＥＭで用いられる１次電子線の量は、数ｐＡ〜数１００ｐＡ程度である。本実施形態ではガスを導入しなくても、試料室中でフィラメント３２の熱電子放出量を１０μＡとしたときに生成されるイオン量は、１ｎＡ程度の十分な量が得られる。よって、図４（ｂ）のように、金属円筒３０の右開口部をフィードスルー３４とした形状の荷電粒子源３３も用いることができる。また、ガス導入を行わないため、荷電粒子出射孔２６（図３参照）は、金属円筒３０と同程度の大きさにしてイオンの拡散を容易にすれば、グローバル帯電の中和用荷電粒子源２５として使用するのに好適となり、イオン生成量も熱電子の量で容易に制御可能である。
【００８５】
図５は金属電極４０と金属電極４２の間をガラスまたはセラミックス製の絶縁筒４１とした荷電粒子源を示している。図５の荷電粒子源の形状は内径５ｍｍ程度の円筒パイプである。荷電粒子源４６は、左開口部を電極１０に接続して、ガスを導入した状態で電極４０と電極４２の間に高圧電源４４または高圧電源４５にて電位差を作ると、絶縁筒４１内で持続的な放電を起こしてプラズマを生成する。ここで、高圧電源４４及び４５は図１の制御電源１５及び１６に相当するものである。
【００８６】
図５の構成において、ガス導入は、絶縁筒４３を、接地してあるガス流量調整器１４に接続するため、絶縁筒４３は高圧電源４５で電極４２に高電圧を印加しても、プラズマを生成しないように十分な長さとすればよい。具体的には、（ガスの圧力）×（絶縁筒４３の長さ）が４００Ｐａ・ｍｍ以上になるようにすれば、高圧電源４５を実用的な電圧にしても絶縁筒４３内の放電を防ぐことができる。
【００８７】
本実施形態（図３）では、例えば、荷電粒子出射孔２４はΦ０．５ｍｍ、絶縁筒４１の長さは２０ｍｍとする。電極４０を電極１０に接続して接地電位とし、４０Ｐａ程度のガスを導入する。そして、電極４２に、正または負どちらでもよいが１ｋＶ前後の直流電圧を印加すると持続的な放電が起こり、試料上では数１００ｐＡ〜数１００ｎＡのイオンが得られる。
【００８８】
＜電極ユニットの構成＞
図６は、ローカル帯電の中和用荷電粒子源と、グローバル帯電の中和用荷電粒子源２５を備えた電極ユニット５０（図１の電極１０に相当）を示す図である。
【００８９】
ローカル帯電の中和用荷電粒子源は、ガス導入パイプ１１によって供給されるガスの導入経路５４を電極１０内に設け、荷電粒子通過孔５３近傍に形成される局所的な低真空領域において、１次電子線や２次電子によってガスの電離を行うものである。
【００９０】
一方、グローバル帯電の中和用荷電粒子源２５としては、図４及び図５に示される何れかの方式を用いることができる。
【００９１】
電極５０は中央に１次荷電粒子通過孔５３を有する円板状ないしは四角形であるが、試料８が移動しても常に試料８上部に対向して配置される形状であればいかような形状であってもよい。また、電極５０は、上部電極５１と下部電極５２を貼りあわせた構造であり、貼り合せには溶接ないしは接着剤やねじを用いてもよい。
【００９２】
上部電極５１及び下部電極５２の片方または両方に溝状のガス導入経路５４を加工すれば、電極１０の厚みは１ｍｍ程度に薄くすることが可能であるため、限られたＷＤ内に小スペースで配置できる。
【００９３】
さらに、対物レンズ１８と試料８の間に配置して、リターディング電圧を印加しても１次電子線の収差を小さくすることが可能である。
【００９４】
なお、本実施形態では、ガス導入経路５４は幅４ｍｍ程度、溝深さ０．３ｍｍ程度であり、１次荷電粒子孔５３をΦ１ｍｍ程度とすれば、通常のＳＥＭの排気系に手を加えることなく、試料室４の圧力を高真空１０−３Ｐａ台に保つことが可能なガス流量が実現でき、該孔５３での局所的ガス圧力を数Ｐａにすることが可能である。
【００９５】
１次荷電粒子通過孔５３は、上部電極５１の孔径と下部電極５２の孔径は異なってもよく、好ましくは上部電極５１の孔径を下部電極５２の孔径よりも小さくすることで、導入したガスの光学系カラム３内への流入を小さくすることができる。よって、偏向器１９や荷電粒子検出器２１での放電やノイズ信号をなくすとともに、１次荷電粒子通過孔５３と試料８間の局所にガスを存在させることが可能となる。この結果、１次電子線や荷電粒子検出器２１で検出される２次電子の散乱による分解能の劣化や、Ｓ／Ｎの低下を最小限とすることができる。
【００９６】
図６の電極ユニット５０をＳＥＭに適用して、レジスト付のフォトマスクのような絶縁物試料を観察すると、帯電による異常なコントラストや明るさの経時的な変化のない、帯電の除去されたＳＥＭ像が得られる。
【００９７】
しかし、１次電子線のラスタースキャン速度がＴＶレート以上に速くなると、ローカル帯電の中和効果が低下する可能性がある。これは、局所的なガス中での１次電子線の停滞時間が短くなり、電離効率が低下することや、イオンが電子に比して質量が大きくて移動が遅いため、１次電子線照射点の移動によって、時々刻々と誘起される画像の画素サイズに相当する、小さな領域の負帯電の中和が間に合わなくなるためである。
【００９８】
１次電子線のスキャン速度が速ければ、Ｓ／Ｎの低下や帯電の中和効率が悪化することが考えられるが、逆にスキャン速度を遅くすることは高スループットが必要な測長ＳＥＭには好ましくない。この解決策としては、１次電子線の照射量を増加させる以外にも、局所的な電離効率を上げてイオンの密度を増加させることが有効である。
【００９９】
そこで、図７（ａ）に示すように、１次荷電粒子通過孔５３近傍のガス圧力を上げて電離効率を増加させるために、上部電極５１に円筒型オリフィス５５を設けると良い。円筒型オリフィス５５は、典型的にΦ０．５ｍｍ〜Φ１ｍｍ程度のオリフィスを数段重ねたものであり、それらの中心軸は、１次電子線通過孔５３の中心軸に一致して配置される。図中ではオリフィスは２段としたが、実用上はこれに限られたものではない。このように、オリフィスが数段重ねられるために、コンダクタンスを並列的に増加させることができる。また、オリフィス間はｍｍオーダーであるため、オリフィスによって仕切られる各空間の差圧は小さくできる。少なくとも１次荷電粒子通過孔５３ないしは隣接する空間の圧力を、該円筒型オリフィス５５がないときの局所的なガス圧力の数倍に高めることが可能である。その結果、スキャン速度を速くしたり、１次電子線のドーズ量を数１００ｐＡと多くしても、ローカル帯電の中和が実現できるようになる。
【０１００】
また、円筒型オリフィス５５のオリフィス群は、図７（ｂ）に示したように、シミュレーションによって求められる２次電子軌道５６に鑑みて、その位置や孔径を決定すればよく、試料８から発生する２次電子のロスを最小限にすることができる。
【０１０１】
さらに、オリフィスによって空間が仕切られるため、ガスに散乱されて迷走する２次電子が、荷電粒子検出器２１に到達することも防止でき、Ｓ／Ｎのよい画像信号の取得が可能となる。
【０１０２】
＜変形例＞
電極ユニット５０に類似した別の形態として、図８に示したように、電極ユニット５０から分離可能な、グローバル帯電の中和用荷電粒子源２５を、電極ユニットの下方で、かつ絶縁物試料８を見込む位置に配置することも可能である。この位置に配置されたグローバル帯電の中和用荷電粒子源６０は、図４および図５に示した形態を用いればよい。
【０１０３】
また、電極ユニット５０と試料ホルダー９は同電位、または電極ユニット５０を試料８に対して数ボルト〜数１０ボルトの電位差を設けて無電界または弱い電界中で使用ことによって、該荷電粒子源６０からのイオンは、試料８のグローバル帯電に十分作用する程度に拡散可能である。
【０１０４】
特に、クロム膜やモリブデンとシリコンの積層膜といった、導体膜を有するレジスト付のフォトマスクの場合には、フォトマスクの側面のみにしかイオンが照射されなくても、導体での電荷移動が速いため、十分なグローバル帯電の中和効果が得られる。
【０１０５】
＜帯電除去の自動化制御シーケンス＞
本発明は絶縁物試料の観察において、数１００ｅＶの低エネルギーの１次電子線を用いた従来の手法を用いることもできるが、従来不可能であった数ｋｅＶの高エネルギーの１次電子線を用いても、その誘起される負の帯電を除去し、高分解能で安定した像取得や測長を行なうことに有効である。
【０１０６】
さらに、従来技術では試料毎に１次電子線の量やエネルギーやスキャン速度などのパラメータを最適化する必要があったが、自動的に負の帯電を中和、もしくは正の帯電に変化させてから自己的に帯電を収束させることも可能とする。
【０１０７】
帯電の自動的中和、若しくは自己的帯電の収束は、今まで述べてきたように、第一に、帯電の過程や電荷密度が異なるため、同時にかつ迅速に中和することが困難なグローバル帯電やローカル帯電に別個に対応すること、第二に、低エネルギーのイオンを用いることで、試料上の帯電とは逆の正極性の電荷が過剰に蓄積することがなく、帯電電荷の中和に必要なイオンのみが作用できるようにして、１次電子線のパラメータに依存しないこと、第三に、照射する１次電子線のドーズ量にイオン発生量を対応付ける制御を行なうことで実現可能である。
【０１０８】
これらをふまえて、以下、帯電除去処理の自動化制御シーケンスについて、図９及び１０を参照しながら説明する。図９は、帯電除去の自動化処理の動作を説明するためのフローチャートである。また、図１０は、中和の原理を説明するための図である。
【０１０９】
１次電子線の照射エネルギーの設定は手動でもよいし、測長ＳＥＭで用いられる、測定箇所や測定条件が決められたレシピの付帯情報に従うものであってもよい。なお、各ステップの処理動作主体は、特に断らない限り、図示しない制御部（ＣＰＵ）である。
【０１１０】
まず、ステップＳ９０において、１次電子線の照射エネルギーが規定値よりも高いか否か判断される。照射エネルギーが規定値より低ければ、処理はステップＳ９１に移行し、イオン照射が不要とされる。照射エネルギーが規定値より高ければ、処理はステップＳ９２に移行し、イオン照射可能なシーケンスに移行する。なお、ステップ９０で用いられる規定値は、観察対象となる材料の物性上、明らかに正の帯電が誘起される、例えば、２次電子発生効率が１以上となる値とすればよく、規定値よりもエネルギーが低ければ、イオンを照射するまでもなく、低エネルギーで１次電子線の照射を行うこととなる。ただし、１次電子線の設定されたエネルギーによらず、常にグローバル帯電中和用荷電粒子源２５又は６０を動作させておくことも可能である。
【０１１１】
続いて、ステップＳ９２では、グローバル帯電の除去の必要性について判断される。必要性がなければ、処理はステップＳ９３に移行し、グローバル帯電中和用荷電粒子源２５及び６０を動作させず、必要性があれば、処理はステップＳ９５に移行し、荷電粒子源２５又は６０が動作するように制御される。
【０１１２】
グローバル帯電除去の必要性の判断は、測長ＳＥＭでは、アライメント点や任意の一点もしくは定期的に複数点で実施するようにレシピを作っておき、それを用いて行えば良い。
【０１１３】
具体的には、ステップＳ９２では、グローバル帯電が１次電子線のエネルギーを変化させて焦点位置が変化することを利用する。
【０１１４】
一般的に、ＳＥＭはオートフォーカス機能を有しており、取得した画像のぼけを画像処理にて解析し、対物レンズ１８のフォーカス電流を走査してジャストフォーカスを得ることができるため、連続した２回以上のオートフォーカス実施によってジャストフォーカス時の電流の変化を検知可能である。これは、１次電子線が規定値以上の高エネルギーで照射された場合は、負のグローバル帯電が経時的に進行し、試料直上で１次電子線は減速されるため、フォーカス電流は経時的に減少するからである。
【０１１５】
さらに、オートフォーカス実行時のＳＥＭ倍率は、パターン認識が可能かつ１次電子線によるグローバル帯電の時間変化が顕著となる、比較的に低倍率、例えば３０００倍〜５０００倍を用いることが望ましい。
【０１１６】
本実施形態ではオートフォーカス機能を用いたが、より短時間かつ簡便に検知するために、フォーカス電流の変化の変わりに一定時間内の画像ボケの変化を、画像処理によって検知するようにしてもよい。
【０１１７】
一方、フォーカス電流変化に反映されないようなグローバル帯電があったとしても、その帯電電荷量は少ないため、後続するローカル帯電の中和によって除去され得る。
【０１１８】
本実施形態では対物レンズ１８は電磁レンズを用いたが、これが静電レンズの場合でもフォーカス変化は静電レンズに印加するフォーカス電圧で感知できることは言うまでもない。
【０１１９】
グローバル帯電が検知されて、グローバル帯電中和用荷電粒子源２５又は６０を動作させる場合（ステップＳ９４）では、高真空型荷電粒子源３３を用いたとき、グリッド３１及びフィラメント３２に所定の電圧を印加して、フィラメントに通電することで熱電子を発生させ、残留ガスの電離を行なう。荷電粒子源３３を用いて利用することができるイオン量は、熱電子量とグリッド３１の印加電圧で変化させることが可能であるが、あらかじめイオン量とそれらの関係を所定の条件として求めておけばよい。
【０１２０】
実際にイオンを利用する場合には、適宜モニター可能な１次電子線の電流量と同等のイオン量が得られるように動作させればよく、グローバル帯電の電荷と同等レベルの中和用電荷を供給することが自動的に可能となる。
【０１２１】
また、ガス導入型荷電粒子源２９やプラズマ型荷電粒子源４６を用いた場合には、動作時に窒素やアルゴンといったガスを供給するボンベに接続されたガス流量調整器１４にてガス導入を行うが、ガスを導入しても試料室４の圧力を高真空に保ったまま必要十分なイオンの利用が可能なことは既に述べた通りである。なお、必要なイオン電流を得るための動作条件は前述同様あらかじめ求められるものであることは言うまでもない。
【０１２２】
このように、グローバル帯電中和用荷電粒子源２５又は６０を動作させたときの帯電中和の原理は、図１０（ａ）と図１０（ｂ）に示されるようになる。
【０１２３】
図１０（ａ）において、試料はガラス基板８２上にクロム膜８１とレジスト膜８０が形成された、典型的に帯電しやすいＡＤＩ（Ａｆｔｅｒ  Ｄｅｖｅｌｏｐｐｅｄ  Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ）マスクである。１次電子線の照射によって蓄積した負の電荷は、グローバル帯電８６を誘起するが、荷電粒子源２５ないしは荷電粒子源６０から放出された正イオン８４は、負の極性に導かれて中和される。ただし、ローカル帯電８５よりも広範囲に分布する電荷の電場を感じるため、ローカル帯電８５には十分作用せず、実際には、供給される１次電子線の電子を継続的に打ち消し続ける。
【０１２４】
さらに中和が進み、グローバル帯電がほぼ中和された状態の模式図が図１０（ｂ）である。グローバル帯電８６の中和において、過剰量のイオンが付着して、正の電位ができたとしても正イオン８４はこれに反発されるため過剰なイオンの蓄積は生じることができず、グローバル帯電は収束していく。グローバル帯電の中和に寄与しない過剰なイオンは、大部分が電極ユニット５０やその周辺部材に衝突して中性化するが、荷電粒子源２５ないし荷電粒子源６０にガスを導入している場合には、迷走するイオンが増加して、電気的なノイズや検出信号のノイズ成分となったり、荷電粒子線装置を構成する絶縁部材に帯電して電圧の不安定化や、放電の原因にもなったりする。
【０１２５】
これを回避するためには、図３（ａ）と図３（ｂ）に示したリング状のワイヤーであるイオンコレクタ２７を各図のように配置して、電極１０あるいは電極ユニット５０に対して数ボルトの低い負電圧を印加しておけば、実効的に負の帯電がつくるイオンに作用する電界を妨げることはない。
【０１２６】
また、イオンの照射される空間は無電界、ないしは弱い電界が存在するのみなので、エネルギーの低い過剰なイオンはイオンコレクタ２７で効率よく捕獲することができる。
【０１２７】
以上のようなグローバル帯電除去の処理によれば、１次電子線を照射する以前、つまり製造プロセスやハンドリングで電荷の蓄積があって、グローバル帯電が生じている試料（このような試料は実際に存在する）については、試料室４に搬送された時点でグローバル帯電が速やかに中和される。
【０１２８】
また、グローバル帯電は巨視的な帯電であるため、ケルビンプローブのような試料表面の電位計測に利用可能な計測器によって感知が可能であり、これを試料室４内、もしくは試料室４の入り口や前室に設けておいて(図示せず)、帯電を感知したら荷電粒子源２５又は６０を動作させるようにしてもよい。
【０１２９】
なお、この帯電が正の場合であっても、該荷電粒子源では電子も生成されているので中和することが可能である。
【０１３０】
図９に戻り、次に、ローカル帯電の除去の必要性について判断される（ステップＳ９５）。ローカル帯電は１次電子線のフォーカスに影響を与えにくいため、グローバル帯電と同じ条件を用いて除去の必要性を判断することはできない。ローカル帯電は、１次電子線の照射領域および該照射領域から発生した２次電子が飛散して試料上に着地する領域での、電荷の蓄積やそれに伴う不安定な電界による電荷の移動を生じると考えられる。なお、ステップＳ９５は、ステップＳ９２の前に実行しても良い。また、ステップＳ９５とＳ９２とは独立して処理しても良い。
【０１３１】
ローカル帯電の実際的な現象は、ＳＥＭ画像を介して、オペレーターが帯電の有無を判断する要因として認知されるものである。具体的には、パターンに依存したものでは、円形であるはずのコンタクトホールが楕円に見えたり、ラインやスペースの明らかな寸法変化や部分的な湾曲が見えたりするが、これらは該当部分を測定して初めて認識可能なものであり、実用上の判断条件としては用い難い。
【０１３２】
パターンに依存しない判断方法としては、あらかじめ規定値よりも低いエネルギーで取得した帯電のない、もしくは正のローカル帯電の画像と比較して、コントラストの反転を画像処理にて検知する方法がある。また、測長ＳＥＭでは、設計図であるＣＡＤデータを基に測定位置の認識が可能であるため、ＣＡＤデータにてレジスト膜や絶縁膜が存在することがあらかじめ分かれば、レジスト膜や絶縁膜が存在する場合にはイオン照射を行なう必要性があると判断することもできる。
【０１３３】
これら、２つの必要性判断方法は、あらかじめ用意された判断条件を用いる方法であるが、次のように動的な帯電の誘起を検知することも考えられる。
【０１３４】
ステップＳ９０で用いた規定値よりも高いエネルギーで１次電子線の照射を行なうと、負の帯電が誘起される。このため、放出される２次電子は、電極ユニット５０方向に加速されて孔５３を通過すると、荷電粒子検出器２１で検出される。検出される２次電子は、１次電子線照射直後から経時的に負の帯電が助長されるため、ＳＥＭ画像の明るさが増加することになる。これは、正の帯電が誘起された場合には電位鞍点の形成により２次電子が試料側に戻ることで起こる明るさの低下とは逆の現象である。
【０１３５】
よって、荷電粒子検出器２１に入射する信号量の増加を電気的にモニターしたり、ＳＥＭ画像の画素のデジタル的な階調から平均輝度の変化を検知したりして、信号量が経時的に増加する場合にはイオン照射を行なう必要性（ローカル帯電の除去の必要性）があると判断することができる（ステップＳ９５）。また、より簡便には、当該信号量があらかじめ決められた負の帯電と対応付けられた規定値よりも大きいことを必要性判断の条件とすることもできる。
【０１３６】
なお、該信号量ないしは画像の取得に際しては、スループットを損なわないために、１次電子線のスキャンは１ラインのみ、ないしは画像の１フレーム、もしくは１フィールド分の全領域よりも十分小さくなる複数のラインから構成される領域からの信号を用いればよい。加えて、上記の他にローカル帯電の不均一な電場によって生じる１次電子線のドリフトを画像の移動から直接検知し、ドリフトが検知された場合にはイオンの照射を行なうようにしてもよい。
【０１３７】
また、ローカル帯電除去の必要性の判断でのＳＥＭ倍率は、局所的な帯電を高感度で高Ｓ／Ｎで検知するため、グローバル帯電除去の必要性の判断で用いるＳＥＭ倍率よりも大きく、実用的に微細パターンを測定する倍率、具体的には５００００倍以上の倍率を用いることが望ましい。
【０１３８】
ローカル帯電の除去の必要性判断は、グローバル帯電の除去の必要性の判断と同一箇所を用いてもよいし、コンタクトホールなどの特徴的なパターンを使用してもよい。これらの場所の指定については、測長ＳＥＭであればレシピ中に指定することも可能であるし、マニュアルユースのＳＥＭにおいては、帯電が懸念される任意の場所を選択すればよい。
【０１３９】
ローカル帯電の除去の必要性があると判断された場合は、ステップＳ９７においてイオンの照射が実行される。ただし、起動されるイオン発生源はローカル帯電中和用荷電粒子源２３乃至電極ユニット５０に具備される局所的ガス導入の形態を用いて、１次電子線の照射領域のローカル帯電が効率的に中和される。
【０１４０】
なお、荷電粒子源２３には、グローバル帯電中和用荷電粒子源２５と同じく、図４乃至図５に示された構成を採用することができるが、これらはグローバル帯電について述べたように、ステップＳ９４で説明した動作方法と同じように使用することができることは明らかである。ただし、グローバル帯電と同様に、ローカル帯電除去の必要性判断するための条件に選択条件を付加して、１次電子線の設定されたエネルギーによらず、常に荷電粒子源２３若しくは、電極ユニット５０に具備される局所的ガス導入の形態を常に動作させておく使い方をしてもよい。
【０１４１】
ここで、グローバル帯電と同様に、ローカル帯電の中和の原理について、図１０（ａ）乃至（ｃ）を用いて説明する。図１０（ａ）のように、１次電子線８３を試料に照射すると、レジスト８０部にローカル帯電８５が誘起される。しかし、グローバル帯電の中和用イオン８４ではピンポイント的にローカル帯電８５を中和することはできず、グローバル帯電８６が中和されても、図１０（ｂ）のように入射する１次電子線８３によって、グローバル帯電とは電荷密度の異なるローカル帯電８５が継続的に誘起されている。
【０１４２】
しかし、ローカル帯電の領域に、効率的にイオンの供給が可能な本発明の荷電粒子源を用いれば、イオン８７はローカル帯電８５に到達でき、これを中和することができる。
【０１４３】
図１０（ｃ）のように、仮に過剰なイオンによって正のローカル帯電８７に変化しても正の帯電の直上には電位鞍点８９が形成されて、放出された低エネルギーの２次電子８８は試料方向に戻り、正のローカル帯電８７を中和するよう作用して、帯電は自己的に収束する。
【０１４４】
＜まとめ＞
荷電粒子線装置にて、絶縁物もしくは絶縁物を含む試料、特にレジストが表面に付いたフォトマスクや半導体ウェーハ上のパターンを観察したり、測長したりする場合に発生する帯電を除去することができる。また、高分解能化が可能な装置構成が可能なため、帯電の影響のない高分解能な像取得および安定した測長精度と再現性が得られる。
【０１４５】
本発明の実施形態では、ローカル帯電の中和用荷電粒子源およびグローバル帯電の中和用荷電粒子源を具備した電極ユニットを試料に対向させて配置し、負の帯電を誘起する高いエネルギーを用いて１次荷電粒子線を照射する。何れの中和用荷電粒子源も、ガスを導入して放電や電子衝撃によってイオンと電子を生成するコンパクトなものであり、中和用荷電粒子は、無電界ないしは若干バイアスされた試料と電極ユニットとの間に低エネルギーで放出させる。
【０１４６】
特にローカル帯電の中和用荷電粒子源は、該電極ユニット内に設けられた経路にガスを導入することによって、１次荷電粒子線の照射領域の直上に効率的に局所的な低真空領域を形成し、試料から発生する２次電子（および反射電子）量に関連づいて、導入したガスの電離が行なわれる。このため、生成したイオンと電子により帯電の極性に応じた荷電粒子が、セルフバイアス的にローカル帯電の中和を可能とするのに好適な手段となる。
【０１４７】
しかも、局所的な低真空が実現できるため、通常の荷電粒子線装置の構成ないしは信号検出系等のユニットの性能を損なうことなく、そのまま使用可能である。また、通常絶縁物に対しては用いることのできない高エネルギーで１次荷電粒子線を使用でき、電極ユニットも厚みが薄く、ＷＤを短くすることが可能であるので、高分解能化が可能となる。
【０１４８】
よって、本実施形態における電極ユニットは、グローバル帯電およびローカル帯電各々に専用の中和用荷電粒子源を、その配置方法および中和用荷電粒子発生方法に特徴を持たせたうえで組合せて初めて、グローバル帯電およびローカル帯電に自己的な帯電の中和作用を発揮せしめる。この結果、真に帯電の中和状態を保つことが可能な点で、特許文献７とは異なる。
【０１４９】
さらに、本実施形態によれば、帯電は自己的に収束し、かつ中和用荷電粒子による過剰な帯電の進行がないため、１次荷電粒子線の照射電荷量と同等の帯電量に対しては、過剰な量の中和用荷電粒子を供給すればよい。
【０１５０】
この結果、従来のように、試料に依存して帯電を緩和するための１次荷電粒子線の照射条件を設定する必要がなくなり、オートフォーカスによる経時的なフォーカス変化量や、画像の輝度変化を電気的に捉えることで、中和用荷電粒子源の動作判断のみ行なうことが可能となり、同時または独立に、かつ自動的にグローバル帯電除去とローカル帯電除去を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１５１】
【図１】本発明の実施形態による荷電粒子線装置の概略構成を示す図である。
【図２】対物レンズと電極ユニットの配置関係を示す図である。
【図３】ローカル帯電中和用荷電粒子源及びグローバル帯電中和用荷電粒子源の構成を示す図である。
【図４】中和用荷電粒子源の例を示す図である。
【図５】中和用荷電粒子源の別の例を示す図である。
【図６】グローバル帯電中和用荷電粒子源とローカル帯電中和用荷電粒子源を備える電極ユニットの構成例を示す図である。
【図７】ガス流量制限用オリフィスを有する電極ユニットの模式図である。
【図８】グローバル帯電中和用荷電粒子源の配置を説明するための図である。
【図９】帯電の除去を自動的に行うシーケンスを説明するためのフローチャートである。
【図１０】グローバル帯電、ローカル帯電の中和過程、及びローカル帯電の自己的な中和を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１５２】
１…電子銃、２…光学系カラム、３…対物レンズを含む光学系カラム、４…試料室、５…真空ポンプ、６…真空ポンプ、７…真空ポンプ、８…試料、９…試料ホルダー、１０…電極、１１…ガス導入パイプ、１２…ガス流量調整器、１３…荷電粒子源、１４…ガス流量調整器、１５…制御電源、１６…高圧電源、１７…高圧電源、１８…対物レンズ、１９…偏向器、２０…Ｅ×Ｂフィルター、２１…荷電粒子検出器、２２…試料上の１次荷電粒子線照射点、２３…ローカル帯電中和用荷電粒子源、２４…荷電粒子出射孔、２５…グローバル帯電中和用荷電粒子源、２６…荷電粒子出射孔、２７…イオンコレクタ、２９…ガス導入型荷電粒子源、３０…金属円筒、３１…グリッド、３２…フィラメント、３３…高真空型荷電粒子源、３４…フィードスルー、４０…プラズマ型荷電粒子源の電極、４１…プラズマ型荷電粒子源の絶縁筒、４２…プラズマ型荷電粒子源の電極、４３…プラズマ型荷電粒子源の絶縁筒、４４…高圧電源、４５…高圧電源、４６…プラズマ型荷電粒子源、５０…電極ユニット、５１…上部電極、５２…下部電極、５３…１次荷電粒子通過孔、５４…ガス導入経路、５５…円筒型オリフィス、５６…２次電子軌道、６０…グローバル帯電中和用荷電粒子源、８０…レジスト膜、８１…クロム膜、８２…ガラス基板、８３…１次電子線、８４…グローバル帯電中和用イオン、８５…ローカル帯電、８６…グローバル帯電、８７…正のローカル帯電、８８…２次電子、８９…正の帯電領域での電位鞍点を表す等電位線群
【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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