JP5474312B2 - 荷電粒子ビーム装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、試料に荷電粒子ビームを照射し、この試料から発生する二次荷電粒子を検出する荷電粒子ビーム装置及びその制御方法に関する。

半導体ウェハ等の試料に形成された回路パターンを観察する装置として、荷電粒子ビーム装置がある。荷電粒子ビーム装置は、試料に一次荷電粒子ビームを照射し、これにより発生する二次荷電粒子を検出し、これを画像化して表示する装置である。この一次荷電粒子ビームが電子ビームの場合は、この荷電粒子ビーム装置は走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、以下ＳＥＭと略す）と呼ばれる。

このＳＥＭで、電子ビームが試料に深く進入すると、二次荷電粒子の分解能が低下する。また、試料のなかには電子ビームに対する耐性が低いものも多い。このため、ＳＥＭの中は、電子ビームを減速するためのリターディング電圧を試料に印加する機構が設けられているものがある。

ところで、試料の中には、試料自体が帯電しているものがある。試料が帯電する原因としては、例えば、試料が半導体ウェハである場合、プラズマエッチング処理やレジストの塗布処理が考えられているが、全ての帯電の原因を説明することはできない。いずれにしろ、試料を接地させても残留してしまう固定的な電荷による帯電が原因と考えられている。このような帯電は、試料に照射する電子ビームの軌道を曲げたり、合焦点をずらしたりする。この結果、フォーカス位置を再度調整するために電磁レンズなどの調整に時間がかかり、微細パターンの測定スループットは著しく低下する。

そこで、以下の特許文献１では、半導体ウェハの電位を推定する技術が開示されている。この技術では、半導体ウェハを搬送ロボットで試料交換室へ搬送する過程で、ウェハの中心を通る直線上の複数のポイントの電位を検知し、この検知結果に基づいて半導体ウェハの電位分布関数を得ている。具体的には、まず、半導体ウェハの半径中の複数のポイントの電位を検知し、これらのポイントでの電位を四次関数で近似して、ウェハ中心を原点としてこの四次関数を回転させて、電位分布関数を得ている。そして、この電位分布関数を用いて、測定ポイントの電位を推定し、この値をリターディング電圧にフードバックすることで、短時間でフォーカスを合わせている。

国際公開ＷＯ２００３/００７３３０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ウェハ上の電位分布が同心円状である、言い換えると、１回回転対称であると仮定しているため、電位分布が回転対称でない場合には、実際の電位分布と推定した電位分布との間に大きなずれが生じ、リターディング電圧を適切な値に設定することができず、測定ポイントにおける測定に時間がかかってしまうという問題点がある。

本発明は、このような従来技術の問題点に着目し、帯電によるウェハの電位分布を正確に推定し、リターディング電圧等の荷電粒子ビーム光学系の設定パラメータを適切な値に設定することができる荷電粒子ビーム装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

前記問題点を解決するため、本発明では、
試料表面上の複数のポイントでの電位を検知する電位計測計を設け、この電位計測計により検知された複数のポイントでの電位を用いて、互いに異なる方向のそれぞれで隣り合うポイント間の電位を補間して、試料表面上の電位分布に関する二次元補間関数を求める。例えば、電位計測計で前記試料表面上の直線状に並んでいる複数のポイントでの電位を計測する場合には、直線状に並んでいる複数のポイントでの電位を用いて、直線状に並んでいる複数のポイント列毎に隣り合うポイント間の電位を補間して直線方向電位分布関数を求める。続いて、この直線方向電位分布関数で定められる任意のポイントに関して周方向に隣り合うポイント間の電位を補間して、前記二次元補間関数を求めるとよい。そして、この二次補間関数を用いて、試料表面上の測定ポイントでの電位を推定し、推定された測定ポイントでの電位を用いて、荷電粒子ビーム光学系の設定パラメータを求める。

ここで、電位計測計は、複数設けてもよい。例えば、互いに平行な複数の直線方向の電位をそれぞれ計測する電位計測計を設けてもよい。この場合、前記制御装置は、複数の前記電位計測計のそれぞれで検知された前記試料表面上の直線状に並んでいる複数のポイントでの電位を用いて、直線状に並んでいる複数のポイント列毎に隣り合うポイント間の電位を補間すると共に、周方向に隣り合うポイント間の電位を補間して、前記二次元補間関を求めるとよい。

また、例えば、前記試料表面上の直線上に並んでいる複数のポイントでの電位を計測する直線方向電位計測計と、前記試料の中心を基準として周方向に並んでいる複数のポイントでの電位を計測する周方向電位計測計とを設けてもよい。この場合、前記制御装置は、直線方向電位計測計で検知された前記試料表面上の直線状に並んでいる複数のポイントでの電位を用いて、直線状に並んでいる複数のポイントで隣り合うポイント間の電位を補間して直線方向電位分布関数を求めると共に、前記周方向電位計測計で検知された該試料表面上の周方向に並んだ複数のポイントでの電位を用いて、周方向に隣り合うポイント間の電位を補間して周方向電位分布関数を求め、該直線電位分布関数と該周方向電位分布関数のそれぞれに重み付けして両者を加算して、前記二次元補間関数を求めるとよい。

ここで、補間の境界条件としては、帯電に特有の条件を考慮する。例えば、試料の外側では帯電電位は０となるので、試料端部で電位が不連続に変化する、あるいは、補間する二方向のうちの一方が試料の周方向である場合には、この周方向の電位分布がθ＝０と２πの位置で連続（＝なめらかに繋がる）等である。

補間に用いる関数としては、例えば、スプライン関数が好適である。スプライン補間では、連続するいくつかの点（数学的には節点）を取り出して、それらの節点を結ぶ曲線の微分係数が制御点において連続するような関数を使用する。スプライン関数の他、例えば、ラグランジュ関数や三角関数、あるいは多項式を用いて補間を行っても構わない。但し、いずれも節点の数が増えるとフィッティング関数が振動するため、余り好適ではない。

以上のように、本発明では、互いに異なる方向のそれぞれで隣り合うポイント間の電位を補間して、試料表面上の電位分布に関する二次元補間関数を求めているので、電位分布が回転対称でない場合でも、この二次元補間関数（電位分布関数）で試料表面上の電位を正確に推定することができる。また、特許文献１に記載の技術のように、半導体ウェハの半径中のポイントのみの実測電位に基づいて、電位分布関数を求める必要性がないため、試料中の広い範囲でのポイントの実測電位に基づいて、電位分布関数を求めることができるので、この電位分布関数で試料表面上の全域に渡って、正確な電位を推定することができる。

したがって、試料表面上の電位に関係する設定パラメータを適切な値に設定することができる。

以下、本発明に係る荷電粒子ビーム装置としての走査電子顕微鏡システムの各種実施形態について、図面を用いて説明する。

「第一の実施形態」
本実施形態の走査電子顕微鏡システムは、図１に示すように、電子線光学系１０、制御系２０、搬送系３０、試料室４０などのサブシステムを有して構成される。なお、図１中の一点破線及び二点破線は、各サブシステムの境界を示す仮想的な線である。

電子線光学系１０は、一次電子線１１を出射する電子源１０１と、この電子源１０１から発生した電子に所望の加速電圧を与えるための引出電極１０２ａ，１０２ｂと、一次電子線１１を集光させるためのコンデンサレンズ１０３と、一次電子線１１の光軸調整を行うためのアライメントコイル１０４と、一次電子線１１を試料上で操作するための走査偏向器１０５と、一次電子線１１を試料上に集束させる対物レンズ１０６と、試料からの二次荷電粒子１２を検出する二次荷電粒子検出器１０７と、試料１３の高さを検出するための高さ検出用レーザ発光器１０８と、このレーザ発光器１０８からのレーザ光を試料を介して受光する高さセンサ１０９と、試料にリターディング電圧を印加するリターディングピン１１１と、を有している。

搬送系３０は、本実施形態における試料である半導体ウェハ１３を収納しておくウェハカセット３０１と、半導体ウェハ１３を搬送するウェハ搬送装置３０２と、半導体ウェハ１３の向きや中心位置を調整するアライナ３０７と、搬送中の半導体ウェハ１３の電位を検知する電位計測計３０４と、を有している。電位計測計３０４は、半導体ウェハ１３の直線搬送経路上に設けられているプローブ３０４ａと、計測計本体３０４ｂとを有している。

試料室４０は、半導体ウェハ１３が載置される試料ステージ４０１と、試料交換室４０５と、試料交換室４０５の出入口に設けられているゲートバルブ４０６ａ，４０６ｂと、を有している。先に説明した電子線光学系１０及び試料ステージ４０１は、真空室１１０内に設けられている。試料交換室４０５は、この真空室１１０の入り口に設けられている。

制御系２０は、走査電子顕微鏡システムの全体を統括制御する統括制御部２２０と、キーボード等によりユーザの要求を入力するユーザインターフェース部２０２と、電子光学系１０を制御する電子光学系制御装置２０３と、試料ステージ４０１を制御するステージ制御装置２０４と、電子光学系制御装置２０３からの指示に従って電子源１０１や引出電極１０２ａ，１０２ｂを制御する加速電圧制御装置２０５と、電子光学系制御装置２０３からの指示に従ってコンデンサレンズ１０３を制御するコンデンサレンズ制御部２０６と、二次荷電粒子検出器１０７からの信号を増幅する増幅器２０７と、電子光学系制御装置２０３からの指示に従ってアライメントコイル１０４を制御するアライメント制御部２０８と、電子光学系制御装置２０３からの指示に従って走査偏向器１０５を制御する偏向信号制御部２０９と、電子光学系制御装置２０３からの指示に従って対物レンズ制御部２１０と、画像表示装置２１１と、半導体ウェハ１３に印加するリターディング電位を制御するリターディング制御部２１２、試料ステージ４０１の位置を検出するステージ位置検出器２１３と、を有している。

統括制御部２２０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、電子線光学系制御装置２０３、ステージ制御装置２０４等を介して、システム全体の制御を行う。統括制御部２２０は、演算部２２１と記憶部２３１とを有している。記憶部２３１は、例えば半導体メモリなどにより構成される。この記憶部２３１には、システム全体の統括制御のために必要な情報やプログラムが格納されていると共に、システムの動作過程で得られる各種データを一時的に格納される。演算部２２１は、統括制御に必要なプログラムを実行する。

加速電圧制御装置２０５は、電子光学系制御装置２０３の制御を受けて、一次電子線１１の加速電圧を試料観察・分析などに適切な値に制御する。同様に、コンデンサレンズ制御部２０６は、電子光学系制御装置２０３の制御によって、電子線１１の電流量や集束の開き角などを制御するための適切な値に、コンデンサレンズ１０３の励磁電流を設定する。その際、一次電子線１１の軸ずれ補正値が電子線光学系制御装置２０３からアライメント制御部２０８に送信される。対物レンズ制御部２１０は、対物レンズ１０６の励磁電流値を電子線１１が試料上で合焦点となるような値に設定するが、その設定値は、電子光学系制御装置２０３から送付される。偏向信号制御部２０９は、走査偏向器１０５に対して電子線１１を偏向するための偏向信号を供給し、かつ電子光学系制御装置２０３へ伝送する。伝送された偏向信号は、検出器増幅器２０７の出力信号読み出しの為の参照信号として使用される。統括制御部２２０の演算部２２１は、電子線走査のタイミングと同期して、二次電子検出器１０７からの出力信号を読み出し、画像表示装置２１１に表示する観察像を作成する。

ここで、本実施形態の走査電子顕微鏡システムの動作概要について説明する。

ウェハ搬送装置３０２は、統括制御部２２０から命令を受けて、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４０５を大気圧にある外部から分離するゲートバルブ４０６ａが開けられると、半導体ウェハ１３を試料交換室４０５に搬入する。試料交換室４０５に入った半導体ウェハ１３は、ゲートバルブ４０６ｂを介して真空室１１０内に搬送され、試料ステージ４０１上に固定される。

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４０１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、本実施形態では、高さ検出用レーザ発光器１０８、及びこのレーザ発光器１０８からのレーザ光を試料を介して受光する高さセンサ１０９が設けられている。

ステージ位置検出器２１３により試料ステージ４０１の位置が検出され、統括制御部２２０が所望の位置近傍に試料ステージ４０１が接近したと把握すると、高さ検出用レーザ発光器１０８に試料ステージ４０１上の半導体ウェハ１３にレーザ光を照射させる。そして、高さセンサ１０９が半導体ウェハ１３からの反射光を受光し、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、高さセンサ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。

一次電子線１１は、引出電極１０２ａ，１０２ｂにより電子源１０１から引き出さる。
この一次電子線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、電子源１０１から引き出された一次電子線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から信号を受けた走査偏向器１０５により、半導体ウェハ１３上を二次元に走査される。

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上に一次電子線１１が集束するために必要な励磁電流は、一次電子線１１の加速電圧、半導体ウェハ１３の表面電位、及び前述した半導体ウェハ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。

試料ステージ４０１上の半導体ウェハ１３には、リターディングピン１１１を介して、リターディング制御部２１２から一次電子線１１を減速するためのリターディング電圧が印加されている。半導体ウェハ１３への一次電子線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を介して画像表示装置２１１の輝度信号として使用される。画像表示装置２１１は、偏向信号制御部２０９から走査偏向器１０５へ出力される偏向信号と同期している。このため、画像表示装置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、一次電子線１１の照射に伴い半導体ウェハ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。

一次電子線照射の合焦判定（一次電子線の集束状態判定）は、対物レンズ制御部２１０又はリターディング制御部２１２の設定変更毎の観察像を統合制御部２２０が画像処理して行われる。その結果、試料ステージ４０１が所定の位置に到達した際には、一次電子線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。

ここで、半導体ウェハ１３が帯電していなければ、高さセンサ１０９で検出した半導体ウェハ１３上の測定点（一次電子線１１の照射点）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れば、前述したように、一次電子線１１を測定点に集束させることができる。なぜなら、帯電が無ければ、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ため、合焦のために必要な対物レンズ励磁電流は、一次電子線１１の加速電圧が一定という条件下で一次電子線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ためである。

しかし、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、ビーム照射位置に応じて変化することになる。したがって、合焦のために必要な対物レンズ１０６の励磁電流は、一次電子線１１の加速電圧と半導体ウェハ１３の高さに加えて、半導体ウェハ１３の表面電位も含んだ関数とする必要がある。繰り返すことになるが、対物レンズ１０６の焦点距離制御にあたって、試料の表面電位情報を考慮しなければ、一次電子線１１を測定点に集束させることができない。測定点の高さ情報は、高さ検出用レーザ発光器１０８および高さセンサ１０９を用いて測定開始直前（リアルタイム）に計測することができる。しかしながら、電子線照射位置の表面電位を測定開始直前（即ち、電子線照射の直前に）計測することは現実的には困難である。よって、試料の表面電位分布を予め推定し、電子線光学系１０の焦点調整にフィードバックすることが必要となる。そこで、本実施形態では、半導体ウェハ１３の直径上の帯電電位を測定前の搬送過程で実測し、得られた実測値から、電位分布を示す二次元の補間関数を求め、これを用いて試料上の測定点の電位を推定している。

以上の二次元補間関数の算出処理、測定点の電位算出処理、電子線光学系１０の焦点調整処理は、いずれも、統括制御部２２０の演算部２２１により、記憶部２３１に記憶されているプログラムの実行で処理される。

統括制御部２２０は、機能的には、図２に示すように、電位計測計３０４からの電位情報とウェハ搬送装置３０２のエンコーダ等からのウェハ位置情報とから、半導体ウェハ１３の直径上の複数点の電位を取得する直径方向電位分布検出部２２３と、この直径方向電位分布検出部２２３が取得した半導体ウェハ１３の直径上の複数点の電位が記憶される電位分布記憶部２３２と、半導体ウェハ１３の中心を原点とした極座標系で表された電位分布に関する二次元補間関数を作成する二次元補間関数作成部２２４と、この二次元補間関数が記憶される二次元補間関数記憶部２３３と、ステージ位置検出器２１３で検出された半導体ウェハ１３上の照射位置、言い換えると測定点の直交座標系での座標値を極座標系に変換する座標変換部２２５と、この測定点での電位を二次元補間関数を用いて算出する測定点電位算出部２２６と、この測定点での電位に基づいてリターデング電圧を求めるリターディング電圧算出部２２７と、二次荷電粒子検出器１０７からの信号を画像処理する画像処理部２２８とを有している。この画像処理部２２８は、合焦しているか否かを判定する合焦状態検出部２２８ａを有している。

なお、以上の機能構成要素のうち、電位分布記憶部２３２と二次元補間関数記憶部２３３は、いずれも、統括制御部２２０の記憶部２３１内に確保される。

次に、図３に示すフローチャートに従って、先に述べた二次元補間関数の算出処理、測定点の電位算出処理、電子線光学系１０の焦点調整処理の内容を中心して、統括制御部２２０の処理動作について説明する。

統括制御部２２０は、装置ユーザにより画像表示装置２１１に表示されるＧＵＩ画面上でスタートボタンがクリックされると、図２に示すように、ウェハ搬送装置３０２を動作させて、ウェハカセット３０１から半導体ウェハ１３を搬出させ、これをアライナ３０７に移動させる（Ｓ１）。続いて、このアライアナ３０７により、半導体ウェハ１３の中心軸調整等が実行させる（Ｓ２）。

半導体ウェハ１３には、通常、ノッチ１３ａと呼ばれる切り欠き部が形成されており、アライナ３０７では、このノッチ１３ａが所定方向に向き且つアライナ３０７の回転中心と半導体ウェハ１３の中心が一致するように、半導体ウェハ１３の位置が調整される。ノッチ１３ａの位置は、アライナ３０７の光学センサなどでモニタされる。半導体ウェハ１３がアライナ３０７に搬入される時点ではノッチ１３ａがどの方向を向いているか不明であるので、アライナ３０７では、半導体ウェハ１３を回転台上で少なくとも１回転させ、アライナ３０７の回転中心と半導体ウェハ１３の中心が一致し、且つノッチ１３ａが所定の方向を向くと、ウェハの回転を停止させる。

統括制御部２２０は、アライナ３０７により半導体ウェハ１３の位置及び向き調整が終了すると（Ｓ３）、ウェハ搬送装置３０２により、半導体ウェハ１３を試料交換室４０５に向って直線搬送させる（Ｓ４）。

この半導体ウェハ１３の直線搬送の過程で、半導体ウェハ１３の中心及びノッチ１３ａを通る直線上の複数点での電位が検出される（Ｓ５）。この際、統括制御部２２０の直径方向電位分布検出部２２３は、電位計測計３０４からの電位情報とウェハ搬送装置３０２のエンコーダ等からのウェハ位置情報とから、半導体ウェハ１３の直径上の電位分布を取得し、これを電位分布記憶部２３２に格納する。この電位分布記憶部２３２には、電位検知位置の座標値と、その座標値での電位とが対応付けられて記憶される。

次に、統括制御部２２０の二次元補間関数作成部２２４は、半導体ウェハ１３の中心を通る直線上の複数点での電位を用いて、半導体ウェハ１３の中心を通る直線方向で隣り合う検出点間の電位をスプライン補間すると共に、半導体ウェハ１３の周方向で隣り合う検出点間の電位をスプライン補間して、この半導体ウェハ１３の電位分布に関する二次元補間関数を求め、これを二次元補間関数記憶部２３３に格納する（Ｓ６）。なお、この二次元補間関数の作成の詳細については後述する。また、この二次元補間関数の作成処理は、後述のステップ１２の前であればいつ行ってもよい。

半導体ウェハ１３は、その後、ウェハ搬送装置３０２により、試料交換室４０５を経て、試料ステージ４０１上にセットされる（Ｓ７）。試料交換室４０５の内部は、ゲートバルブ３０６ａにより減圧状態に保たれており、半導体ウェハ１３の搬入の際には、ゲートバルブ３０６ａが解放され、内部が大気圧状態になる。試料交換室４０５内への搬入が終わるとゲートバルブ３０６ａは閉じられ、試料交換室４０５の内圧が真空室１１０の内圧と同じになると、ゲートバルブ３０６ｂが開き、半導体ウェハ１３は試料ステージ４０１上にセットされ、ステージ移動により電子光学鏡筒直下の位置まで移動される。厳密に説明すると、ウェハの計測・検査に使用する高倍画像取得のための電子線照射位置にウェハを移動するためには、光学顕微鏡による粗位置合わせのステップを経るが、煩雑になるため説明は省略する。

次に、統括制御部２２０は、図２に示すように、ステージ座標系（ＸＹ座標系）の原点と試料ステージ４０１上の半導体ウェハ１３の中心とのオフセット値（ΔＸ，ΔＹ）を取得し、半導体ウェハ１３の中心を原点とする新たなＸ’Ｙ’座標系を設定した後、このＸ’Ｙ’座標系の原点を原点とする極座標系を設定する（Ｓ８）。なお、ＸＹ座標系及びＸ’Ｙ’座標系のＹ方向及びＹ’方向は、いずれも、ウェハ搬送装置３０２による搬入方向であり、Ｘ方向及びＸ’方向は、いずれも、Ｙ方向及びＹ’方向に対して垂直な方向である。また、オフセット値（ΔＸ，ΔＹ）は、試料ステージ４０１上の半導体ウェハ１３の位置を検出する図示されていないセンサから取得する。

統括制御部２２０は、次に、ステージ制御装置２０４に指示を与え、統括制御部２２０に予め入力されていた複数の測定点のうちの一つの測定点の近傍に設けられたアライメントパターンが一次電子線の照射位置になるように、試料ステージ４０１を移動させる（Ｓ９）。アライメントパターンへのステージ移動後、統括制御部２２０は、高さセンサ１０９により測定点の高さ測定を実行させ、この高さ情報を対物レンズ制御部２１０及び電子光学系制御装置２０３へ転送する（Ｓ１０）。なお、このアライメントパターンは、測定点に極めて近い、例えば、測定点から数μ程度の位置に存在するものが選択される。このため、一次電子線の照射位置は、実質的に測定点であると言ってよい。

統括制御部２２０は、高さ測定の終了後、対物レンズ１０６のフォーカス条件を設定する（Ｓ１１）。実際には、フォーカス条件設定の前に一次電子線の加速電圧や電流値を設定するが、図３中では、これらの設定ステップを省略している。対物レンズ１０６のフォーカス設定の際には、電子光学系制御装置２０３に格納された励磁電流テーブルから対物レンズ１０６の励磁電流値が読み出され、対物レンズ制御装置２１０に転送される。このステップで画像のフォーカスは大まかには一致するが、半導体ウェハ１３の表面電位の影響により、フォーカスは完全には合焦状態にはならない。よってリターディング電位を調整することにより、フォーカスの微調整を行う必要がある。

統括制御部２２０の測定点電位算出部２２６は、二次元補間関数記憶部２３３に記憶されている二次元補間関数を用いて、測定点の電位を算出する（Ｓ１２）。この際、二次元補間関数は、極座標系の変数を用いて表されているため、座標変換部２２５により、ステージ位置検出器２１３で検出された測定点のＸＹ座標値を極座標値に変換される。測定点電位算出部２２６は、この測定点の極座標値を二次元補間関数に代入して、この測定点の電位を算出する。

次に、統括制御部２２０のリターディング電圧算出部２２７が、測定点の電位Ｖexpを用いてリターディング電圧Ｖrを算出する（Ｓ１３）。

前述したように、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。そこで、半導体ウェハ１３の帯電による電位をＶs、帯電が無い場合のリターディング電位をＶo、帯電が存在する場合のリターディング電圧をＶrとした場合、Ｖｒ＝Ｖo-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。このようにすることで、対物レンズ１０６の励磁電流に対する表面電位の影響をキャンセルし、半導体ウェハ１３上に一次電子線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うことが可能となる。つまり、一次電子線１１の加速電圧が一定ならば、高さセンサ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、この測定点で一次電子線１１を集束させることができるようにしている。

ところで、二次元で補間した関数を用いも、この関数は限られた実測データを元に求めているため、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。このため、本実施形態では、リターデイング電圧Ｖｒを一定の範囲Ｖvar内で、適当な刻み幅ｄで変えて二次荷電粒子走査像を取得し、これら複数の画像データ毎に合焦判定を実行するようにしている。そこで、ここでは、まず、図６に示すように、帯電が無い場合のリターディング電位Ｖ_０から、帯電による測定点の電位Ｖexpを引き、この電位（Ｖ_０-Ｖexp）を基準リターデング電圧とし、この基準リターディング電圧から電圧振り幅Ｖvarの半分の値（Ｖvar/２）を減算した電圧を初期リターディング電圧Ｖｒとしている（Ｓ１３）。

リターディング電圧算出部２２７は、リターディング電圧Ｖrを算出すると、この値をリターディング電圧制御部２１２に設定する（Ｓ１４）。リターディング電圧制御部２１２は、リターディング電圧の値が設定されると、試料ステージ４０１にリターディングピン１１１に、この値のリターディング電圧が印加される。

統合制御部２２０は、電子線光学系制御部２０３に指示を与え、試料ステージ４０１の半導体ウェハ１３に一次電子線を照射させる（Ｓ１５）。この一次電子線は、前述したように、電子源１０１から引出電極１０２ａ，１０２ｂにより引き出され、コンデンサレンズ１０３及び対物レンズ１０６により集束されて、試料ステージ４０１上の半導体ウェハ１３に照射される。

この半導体ウェハ１３への一次電子線の照射により、半導体ウェハ１３から二次荷電粒子１２が放出され、この二次荷電粒子１２が二次荷電粒子検出器１０７により検出される。二次荷電粒子検出器１０７からの出力は、増幅器２０７で増幅されてから、統合制御部２２０の合焦状態検出部２２８ａに送られ、ここで合焦しているか否かが判定される（Ｓ１６）。合焦しているか否かの判定は、二次荷電粒子走査像の鮮鋭度を判断することにより行われる。より具体的には、例えば、アライメントパターンのエッジを強調するフィルタをかけて、その際のコントラストで合焦判定を行うことができる。合焦していれば後述のステップ２０に進み、合焦していなければ、リターディング電圧算出部２２７が、先に定めたリターディング電圧Ｖrに、予め定めた刻み幅ｄを加えて、これを新たなリターディング電圧Ｖrとし（Ｓ１７）、この新たなリターディング電圧Ｖrがリターディング電圧の上限値(（Ｖo−Ｖexp）+Ｖvar/2）より大きいか否かを判定する（Ｓ１８）。

新たなリターディング電圧Ｖrがリターディング電圧の上限値より大きい場合には、ステップ９に戻り、新たな測定点が照射位置に至るように試料ステージ４０１を移動させて、ステップ１０以降を実行する。また、新たなリターディング電圧Ｖrがリターディング電圧の上限値以下である場合には、ステップ１４と同様に、この新たなリターディング電圧Ｖrを設定し（Ｓ１９）、この状態が合焦しているか否か判定が行われる（Ｓ１６）。以降、合焦していると判定されるまで、リターディング電圧Ｖrが上限値を超えない限り、ステップ１６〜ステップ１９の処理が繰り返される。

ステップ１６で合焦していると判定されると、測定点での実際の測定が実行される（Ｓ２０）。測定点での測定が終了すると、統合制御部２２０は、他の測定点が残っているか否かを判断し（Ｓ２０）、他の測定点がなくなるまで、以上のステップ９〜ステップ２１の処理を繰り返す。

なお、以上では、ステップ１８でリターディング電圧Ｖrが上限値を超えた場合に、一次電子線照射位置を次の測定点に移動させているが、この替わりに、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て、再度最適値を探索するようにしてもよい。この場合、リターディング電位の再設定を数回繰り返しても合焦状態に至らないときには、設定した対物レンズ１０６の励磁電流値もしくは計算した表面電位分布関数のいずれかに問題があると考えられるので、高さ計測もしくは半導体ウェハ１３の表面電位計測をやり直すとよい。

以上説明した実施形態では、リターディング電圧Ｖrをｄ刻みで、振り幅Ｖvarだけ振る（変化させる）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/ｄに比例する。したがって、測定時間短縮の観点からは、振り幅Ｖvarはできるだけ小さいことが望ましい。一方、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の振り幅Ｖvarから外れる可能性が高まり、集束調整を自動的に行うことができなくなる場合が多くなる。しかし、本実施形態では、後述するように、二次元補間関数により、半導体ウェハ１３の電位予測精度が向上するために、振り幅Ｖvarを小さくでき、高速にリターディング電圧Ｖrの最適値を求めることが可能になる。

以上説明したフォーカス設定は、測定点毎に繰り返される。このため、ウェハ1枚あたりの処理時間に与える影響が大きい。例えば、測長について言えば、帯電が不均一なウェハにおいて、現状では、リターディング電位の最適値決定ステップで測定点1点あたり0〜3秒の時間を要しており、これは、フォーカス調整完了後に実行される測長1点あたりの所要時間 0〜3 秒とほぼ同等である。したがって、高速にリターディング電圧Ｖrの最適値を求めることは、測定全体のスループットの向上に極めて有用である。

次に、以上で述べた二次元補間関数の作成方法について説明する。なお、ここでは、図４（Ａ）に示すように、便宜上、半導体ウェハ１３の直径が300mmであるとする。このため、あり半導体ウェハ１３の中心を原点とする前述のＸ’Ｙ’座標系では、ノッチ１３ａが(０，−１５０)に位置することになる。このＸ’Ｙ’座標系で、電位の検知点は、（０，０）の位置、つまり半導体ウェハ１３の中心と、Ｙ’軸上であって、（＋）Ｙ側、つまり搬入方向側の５点と、Ｙ’軸上であって、（−）Ｙ側、つまり搬出方向側の５点の合計１１点である。これらの点の隣り合う点間隔は、同一である。

まず、以下の数１により、１１点の実測データを第一のスプライン補間して、Ｙ’軸上の電位分布を推定する。ここでは、Ｙ’軸上で（−）側の電位分布をＶ_Ｌとし、Ｙ’軸上で（＋）側の電位分布をＶ_Ｕとして、Ｙ’軸上の電位分布を二つに分けて推定する。スプライン補間関数としては種々の関数を用いることが可能であるが、ここでは、実測データと、この実測データの二階微分値とを用いて補間を行う。

この数１中の各係数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、数２のように定義する。

ここで、数１及び数２中のiは、表面電位の実測点を示すための引数で、１≦i≦１０の自然数で、ＹはＹ’軸上の任意箇所の座標を意味する。よって、数１は、Ｙ’軸上で（−）の任意位置の電位Ｖ_Ｌをその両隣の実測データでスプライン補間することにより推定していることになる。なお、Ｙ’軸上で（−）側の電位分布Ｖ_Ｕを示す式は、基本的に数１及び数２と同様である。但し、引数iが数１及び数２とは異なる。

次に、得られたＹ’軸上の補間電位データ、つまり第一の補間により得られた直線上の電位分布を用いて、第二の補間を行って、半導体ウェハ１３上の任意位置(Ｘ，Ｙ)の表面電位を推定する。ここで、半導体ウェハ１３は通常円形であるので、Ｘ’Ｙ’直交座標系よりは、Ｒθ極座標系を使用した方が計算が単純化される。よって、以下の数３及び数４を用いて、ウェハ上の座標値(Ｘ，Ｙ)を座標値(Ｒ，θ)に変換する。

半導体ウェハ１３上の任意位置(Ｘ，Ｙ)（＝（Ｒ，θ））の電位Ｖは、数５に示すように、先に求めた正軸側電位Ｖ_Ｕと負軸側電位Ｖ_Ｌとのそれぞれに重み付けして求める。この数５は、図４（Ｂ）に示すように、周方向でと隣り合う点、つまり所定半径Ｒ上で、Ｙ’軸上の２つの点間を補間する式である。

ここで、数５中の重み係数Ｅ，Ｆは、帯電の特性（ある程度の対象性を持つ、ウェハの領域外では帯電電位が０になる）を考慮し、数６で示す条件により定める。

この条件を満たす関数としては、例えば、数７に示すような関数がある。

統括制御部２２０の二次元補間関数作成部２２４は、以上の式を作成して、これを前述したように、二次元補間関数記憶部２３３に格納する。そして、測定点電位算出部２２６は、以上の式で示される二次元補間関数に、半導体ウェハ１３上の測定点（Ｒ，θ）を代入して、この測定点（Ｒ，θ）の電位を求める。

以上の式で示される二次元補間関数を用いて、半導体ウェハ１３上の任意位置(Ｘ，Ｙ)（＝（Ｒ，θ））の表面電位を求めた結果が図４(Ｃ)及び図４（Ｄ）である。なお、図４（Ｃ）は電位分布を二次元表示したものであり、図４（Ｄ）は電位分布を三次元表示したものである。

ここで、図５を用いて、本実施形態における電位分布の算出手法と、特許文献１に記載の従来の電位分布算出手法について、比較する。なお、図５（Ａ）は従来手法に基づくものであり、図５（Ｂ）は本実施形態手法に基づくもので、図５中の上段が各手法により求められた電位分布を二次元で表したものであり、図５中の下段が各手法により求められた電位分布と実測した電位分布との残差を三次元的に表したものである。

従来手法は、「背景技術」で述べたように、半導体ウェハの半径中の複数の点の実測値を用いて、この半径中の電位分布を四次関数で近似し、これをウェハ中心を原点として回転させて電位分布関数で求めている。このため、この関数を用いて求めたウェハ上の電位分布は、図５（Ａ）の上段に示すように、回転対称である。また、図５（Ｂ）の下段に示すように、Ｙ’軸上で残差が大きくなっており、これは、一次元の補間データを単に面内で回転させた場合、回転開始位置と終了位置での電位の不連続性に起因すると考えられる。

一方、本実施形態手法では、図５（Ｂ）の上段に示すように、ウェハ上の電位分布が非対称になっていることが理解できる。また、図５（Ｂ）の下段に示すように、全体として、残差が小さく、実際の電位分布に近いものが得られたことが理解できる。

このように、本実施形態手法でウェハ上の電位分布を推定すると、ウェハ上の電位分布が正確に推定することができるため、短時間で適切なリターディング電圧を設定することができ、ステージ移動完了から測定開始までの調整時間を短縮することができる。具体的には、表面電位分布の推定手法以外の条件は同じにして、本実施形態手法と従来手法とで、リターディング電圧の調整に要する時間を比較したところ、従来手法の場合では、半導体ウェハ１３上の測定点２０点の各々に対して１０秒ずつ、合計２００秒かかった。一方、本実施形態手法の場合には、１０秒を要したのは半導体ウェハ１３の５点のみで、残りのうち８点は３秒、７点は１秒しか要しなかった。すなわち、半導体ウェハ１３の一枚あたりの調整時間が、２００秒から８１秒に短縮された。

以上、本実施形態では、測定開始までの時間を短くでき、ユーザにストレスを感じさせない走査電子顕微鏡が実現可能となる。また、測長ＳＥＭやレビューＳＥＭあるいは外観検査装置などの計測・検査装置に適用した場合には、ウェハ１枚当たりの処理時間の短い、即ち従来よりも高スループットの装置を実現することが可能となる。さらに、より多くの表面電位測定点を確保すると、予想精度が向上して表面電位分布の予測のみでフォーカスをあわせることも可能になる。

「第二の実施形態」
第一の実施形態では、半導体ウェハ１３の中心とノッチ１３ａとを通る直線上（Ｙ’軸上）の点の電位のみを実測したが、本実施形態では、電位分布の精度を高めるために、図７に示すように、Ｘ’軸方向に三つの電位検知プローブ３０４ａを設け、Ｙ’軸と平行な三本の直線上の点の電位を実測し、この実測した点の電位に基づいて、二次補間関数を求めるようにしている。すなわち、本実施形態の走査電子顕微鏡システムは、三つの電位計測計３０４を有している点と、これらの電位計測計３０４で実測した電位に基づいて、三次元補間関数を求める点とが、第一の実施形態と異なっており、その他は第一の実施形態と同様である。このため、本実施形態の走査電子顕微鏡システムの全体構成、各構成要素、及び全体フローの説明は省略する。

図８（Ａ）に示すように、ここでも、第一の実施形態と同様に、直径が300mmの半導体ウェハ１３を対象とする。前述したように、本実施形態では、Ｙ’軸上の点と、これと平行な二本の直線上の点の電位を実測する。ここでは、三本の直線間隔を90mmとしている。すなわち、本実施形態では、三つの電位検知プローブ３０４ａをＸ’軸方向に直線上に並べ、これらの間隔を90mmにしている。

ウェハ表面電位の実測点は、ウェハ中心を原点とするＸ’Ｙ’座標系で、点(−９０,０)を通りＹ’軸に平行なライン（以下、ライン１）上の９点、Ｙ’軸上（以下、ライン２）の１１点（第一の実施形態の実測点と同じ）、点(９０,０)を通りＹ’軸に平行なライン（以下、ライン３）上の９点であり、合計２９点である。

次に、以上の実測点を用いた二次元補間関数の求め方について説明する。

まず、第一の実施形態で説明した数１及び数２を用いて、第一のスプライン補間を行い、３本の直線上のそれぞれの電位分布を求める。次に、第一の実施形態と同様に、数３及び数４を用いて、ウェハ上の座標値(Ｘ，Ｙ)を座標値(Ｒ，θ)に変換する。

図８（Ｂ）に示すように、原点を中心として半径が90mmの円Ｃ１、即ち、ライン１とライン３の距離を直径とする円内の領域内では、ライン１およびライン３と交差する任意半径の円が存在しない。そこで、この円Ｃ１内の領域（領域Ｓ１）と、その外周側の領域（領域Ｓ２）とに分けて電位分布を推定する。

領域Ｓ１の形状とこの領域Ｓ１内の実測点の位置との関係は、基本的に第一の実施形態と同様である。このため、領域Ｓ１内の電位を示す二次元補間関数は、ライン１とライン３上の情報は用いず、第一の実施形態と同様に、ライン２上、つまりＹ’軸上の情報のみを用いて、数５で特定されるものになる。

領域Ｓ２内の電位を示す二次元補間関数は、この領域Ｓ２内のライン１〜ライン３上の全ての情報を用いる。領域Ｓ２内に含まれる任意半径Ｒの円を考えると、この円上にライン１〜３と交差する点が６点存在することが分かる。これらの交点の座標のθ成分を各々θ₁，θ２，θ３，θ４，θ５，θ₆とする。これらθ₁〜θ₆の座標位置での電位をＶ(Ｒ_j，θ_i)｜{i：１〜６}と表記すると、上記半径Ｒ_j上の任意箇所の電位は、θ方向に隣り合った位置の電位の電位を用いて第二のスプライン補間した場合、数８で示すことができる。

ここで、jは、領域Ｓ２内での特定の半径Ｒを示すための引数である。また、この数８中の各係数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、数９のように定義する。

以上の手法により求めた二次補間関数、つまり領域Ｓ１内に関しては、数５に示される二次補間関数、領域Ｓ２内に関しては、数７に示される二次元補間関数を用いて、半導体ウェハ１３上の任意位置(Ｘ，Ｙ)（＝（Ｒ，θ））の表面電位を求めた結果が図７(Ｃ)である。同図に示すように、本実施形態で求めた表面電位分布は、図４（Ｃ）に示す第一の実施形態で求めた表面電位分布よりも、更に非対称性が強調された電位分布が得られていることが分かる。言い換えると、本実施形態では、第一の実施形態よりも、より精密な電位分布を求められることが分かる。

なお、本実施形態では、半導体ウェハ１３の表面電位を３本のライン上で実測して、二次元補間関数を求めたが、２本あるいは４本以上のライン上で表面電位を実測して、二次元補間関数を求めても良い。この場合に、帯電分布の対称性を考えると、試料の中心を通るラインは必ず含んでいた方が良い。よって、複数ライン上で電位計測を行う場合には、電位の実測ラインは偶数よりも奇数（中心を通るラインとその両側のラインｎ本）の方が良い。但し、電位計測ラインの本数を一定以上に増やしても、電位の推定精度の向上効果は逓減していくので、実際には、使用する表面電位計の数は、３個ないし５個が良い。

以上、本実施形態では、第一の実施形態よりも更に調整時間を短くでき、計測・検査のスループットを高めることができる。

「第三の実施形態」
第一及び第二の実施形態では、半導体ウェハ１３の直線上の点の電位のみを実測したが、電位分布が半導体ウェハ１３の周方向にも連続的に変化することを考えれば、半導体ウェハ１３の周方向の複数の点の電位も実測し、この実測データも用いた方が電位分布推定の精度がより向上することが期待される。そこで、本実施形態では、ウェハ周方向、すなわちθ方向の複数の点の電位も実測し、この実測データも用いて二次元補間関数を求めるようにしている。

本実施形態では、図９に示すように、半導体ウェハ１３の直線搬送経路上に電位検知プローブ３０４ａを配置すると共に、半導体ウェハ１３が回転するアライナ３０７内にも電位検知プローブ３０４ａを配置する。このように、アライナ３０７内に電位検知プローブ３０４ａを配置することにより、半導体ウェハ１３の周方向の複数の点の電位も検知できるようになる。なお、本実施形態では、アライナ３０７内に電位検知プローブ３０４ａを配置したが、別途、半導体ウェハ１３を回転させる機構を設け、ここに電位検知プローブ３０４ａを配置してもよい。但し、観察効率の点から、半導体ウェハ１３を回転させる機構を別途も受けるよりも、本実施形態の方が好ましい。

本実施形態の統合制御部２２０の機能構成要素は、基本的に、第一の実施形態と同様である。但し、本実施形態では、周方向の複数の点の電位も検知するため、第一の実施形態の統合制御部２２０の機能構成要素の他に、周方向電位分布検知部２２２も有している。この周方向電位分布検知部２２２は、アライナ３０７内にプローブ３０４ａが配置されている電位計測計３０４からの電位情報と、アライナ３０７のロータリーエンコーダ等からの角情報とから、半導体ウェハ１３の周方向の電位分布を取得し、これを電位分布記憶部２３２に格納する。この電位分布記憶部２３２には、ウェハ回転角度θと、その角度θでの電位とが対応付けられて記憶される。

次に、図１０に示すフローチャートに従って、本実施形態の統括制御部２２０の動作について説明する。

本実施形態では、図３に示す第一の実施形態の動作と同様に、統合制御部２２０は、ウェハ搬出指示（Ｓ１）、アライナ３０７によるアライメント指示（Ｓ２）を行う。次に、統合制御部２２０は、アライメントによる半導体ウェハ１３の回転軸調整と向き調整とのうち、回転軸調整がＯＫか否か、つまり、アライナ３０７の回転中心と半導体ウェハ１３の中心が一致しているか否かを判断する（Ｓ３ａ）。

アライナ３０７の回転中心と半導体ウェハ１３の中心が一致していると判断した場合には、アライナ３０７による半導体ウェハ１３の回転を維持した状態で、統合制御部２２０の周方向電位検知部２２２による周方向電位分布検知が実行される（Ｓ５ａ）。この周方向電位分布検知部２２２は、前述したように、アライナ３０７内にプローブ３０４ａが配置されている電位計測計３０４から、回転中の半導体ウェハの複数点の電位情報と、アライナ３０７のロータリーエンコーダ等からの各点の角情報を取得し、これを電位分布記憶部２３２に格納する。統合制御部２２０は、この周方向電位分布検知が終了すると、向き調整がＯＫか否か、つまり半導体ウェハ１３のノッチ１３ａが所定の方向を向いたか否かを判断する（Ｓ３ｂ）。

半導体ウェハ１３のノッチ１３ａが所定の方向を向いたと判断した場合には、アライナ３０７による半導体ウェハ１３の回転を直ちに停止させ、ウェハ搬送装置３０２により、半導体ウェハ１３を試料交換室４０５に向って直線搬送させる（Ｓ４）。そして、第一の実施形態と同様に、半導体ウェハ１３の直線方向電位分布検知が実行される（Ｓ５）。以降、統合制御部２２０は、基本的に第一の実施形態と同様に動作する。

次に、図１１を用いて、本実施形態における二次元補間関数の作成方法について説明する。

図１１（Ａ）に示すように、ここでも、第一の実施形態と同様に、直径が300mmの半導体ウェハ１３を対象とする。前述したように、本実施形態では、Ｙ’軸上の点と、半導体ウェハ１３の中心を中心とする円周上の点の電位を実測する。この円の半径は90mmである。

ウェハ表面電位の実測点は、ウェハ中心を原点とするＸ’Ｙ’座標系のＹ’軸上の１１点、半径90mmの円周上であって、点(０,-９０)、点(９０,０)、点(０,９０)、点(−９０,０)を含む８点であり、合計１９点である。

以上の実測データを用いて、二次元補間関数を作成するには、まず、第一の実施形態で説明した数１及び数２を用いて、Ｙ’軸上の１１点の実測データをスプライン補間して、Ｙ’軸上の電位分布Ｖ_Ｕ, Ｖ_Ｌを求める。

次に、半径90mmの円周上の電位分布を求める。ウェハ上の任意位置(Ｒ，θ)の表面電位をＶ(Ｒ，θ)と表記すると、同円周上の電位分布Ｖ_θはＶ(Ｒ=90、θ)のことであり、Ｒ=90を一般化してＲ_jと表記すれば、補間式は、数１０のように表現できる。

ここで、この数１０中の各係数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、数１１のように定義する。

なお、数１０及び数１１において、引数jは、半径方向の特定の位置を示すための引数、引数iは、θ方向の特定位置を示すための引数である。

次に、図１１（Ｂ）に示すように、上で説明したＶ_Ｕ、Ｖ_ＬおよびＶ(Ｒ_j，θ_i)を用いて補間演算を行い、ウェハ上の任意位置の電位を計算する。ウェハ上の任意位置(Ｒ，θ)の表面電位Ｖ(Ｒ，θ) 電位を記述する補間式は、半径Ｒの円とＹ軸との交点位置(Ｒ,０)、(Ｒ,π)の電位Ｖ_Ｌj、Ｖ_Ｕjと、Ｖ_θと位置(Ｒ，θ)と原点を結ぶ線分との交点位置における電位Ｖ(Ｒ=Ｒ_j，θ)を用いて、数１２のように表現できる。すなわち、数１２は、Ｖ_Ｕ、Ｖ_ＬおよびＶ(Ｒ_j，θ_i)のそれぞれに重み付けし、その結果を加算したものである。

ここで、Ｖ_θiはＶ(Ｒ=Ｒ_j，θ)のことであり、煩雑さを避けるため省略して表記した。図１０(Ｂ)には、以上の関係を図示した。

また、数１２中の各係数は以下の条件を満たすように定める。

以上の数１３〜数１５を満たす関数としては、例えば、数１６に示す関数がある。

数１２で示される二次元補間関数を用いて、半導体ウェハ１３上の任意位置(Ｘ，Ｙ)（＝（Ｒ，θ））の表面電位を求めた結果が図１１(Ｃ)及び図１１（Ｄ）である。なお、図１１（Ｃ）は電位分布を二次元表示したものであり、図１１（Ｄ）は電位分布を三次元表示したものである。

ここで、図１２を用いて、本実施形態における電位分布の算出手法と、第一の実施形態おける電位分布算出手法について、比較する。なお、図１２（Ａ）は第一の実施形態手法に基づくものであり、図１２（Ｂ）は本実施形態手法に基づくもので、図１１中の上段が各手法により求められた電位分布を二次元で表したものであり、図１２中の下段が各手法により求められた電位分布と実測した電位分布との残差を三次元的に表したものである。同図からは、第一の実施形態手法による電位分布より、本実施形態手法による電位分布の方が分布の非対称性が良く表現できており、より実際の電位分布に近いものが得られたことが理解できる。また、ここでは、図示していないが、本実施形態手法による電位分布は、第二の実施形態手法よりも多くの場合、より実際の電位分布に近いものを得ることができる。

このため、第一及び第二の実施形態よりも、本実施形態の方が、ステージ移動完了から測定開始までの調整時間も更に短縮することができる。具体的には、表面電位分布の推定手法以外の条件は同じにして、本実施形態手法と第一の実施形態手法とで、リターディング電圧の調整に要する時間を比較したところ、第一の実施形態手法の場合には、半導体ウェハ１３上の測定点２０点中、５点に１０秒、８点に３秒、７点に１秒、合計８１秒の時間を要したが、本実施形態手法の定手法の場合には、調整に１０秒を要したのは測定点２０点中の２点のみで、８点は３秒、１０点は１秒、合計５４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、実施形態の８１秒から５４秒に短縮することができる。

以上、本実施形態では、第一及び第二の実施形態よりも更に調整時間の短い走査電子顕微鏡が実現可能となる。また、測長ＳＥＭやレビューＳＥＭあるいは外観検査装置などの計測・検査装置に適用した場合には、第一及び第二の実施形態よりも、高スループットの装置を実現できることは言うまでもない。この場合、ウェハ１枚当たりの測定点数が多くなるほどトータルのスループット向上効果は大きく、特に外観検査装置やレビューＳＥＭに適用した場合にはその効果が大きい。

なお、以上の各実施形態では、走査電子顕微鏡を用いて説明を行ったが、本実施形態手法が、電子線だけではなくイオンビームなど、帯電によるフォーカスずれが問題になるような系であれば、広く荷電粒子ビーム装置一般（イオンビーム加工装置、イオンビーム照射装置など）にも適用できることは言うまでもない。

また、以上では、試料として半導体ウェハを例示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ガラス基板、磁気ディスク基板、絶縁膜が形成された金属基板等、他の試料であってもよい。

また、試料の表面電位を計測する電位計測手段として、検知プローブ３０４ａを有する電位計測計３０４を用いているが、例えば、吸収電流測定法を利用する電位計測計等、他の計測計を用いてもよい。また、この計測計の配置としては、基本的に何処でもよく、以上の各実施形態は、スループットの観点からの好ましい配置に過ぎない。

また、二次元の電位分布関数を求めるために、以上では、極座標系を用いたが、二次元の補間関数を表現できれば、つまり基底ベクトルが二つ存在する座標系であれば、例えば、直交座標系や斜交座標系等の任意の座標系を用いてもよい。

また、以上では、推定した測定点の電位を用いて、電子線光学系１０の設定パラメータであるフォーカス調整のためのリターディング電圧を求めているが、このリターデイング電圧のみならず、例えば、推定した測定点の電位を用いて、走査偏向器の駆動信号の振幅、対物レンズ１０６の励磁電流、対物レンズ１０６のフォーカス用駆動電圧等を求めてもよい。また、ＳＥＭ画像を得るウェハの帯電電位を制御するため、画像取得前に、ウェハに電子線を照射するプリドーズ技術において、この推定した測定点の電位を用いるようにしてもよい。

本発明に係る第一の実施形態における走査電子顕微鏡システムの構成図である。 本発明に係る第一の実施形態における統括制御部の機能構成及び搬送系の構成を示す説明図である。 本発明に係る第一の実施形態における統括制御部の動作を示すフローチャートである。 本発明に係る第一の実施形態に関する説明図で、同図（Ａ）は実測点を示し、同図（Ｂ）は二次元補間関数の作成方法を示し、同図（Ｃ）は二次元的に表現した推定電位分布を示す。 従来手法と第一の実施形態手法における電位分布推定結果を示す説明図で、同図（Ａ）は従来手法を示し、同図（Ｂ）は第一の実施形態手法を示す。 本発明に係る第一の実施形態におけるリターディング電圧の設定方法を説明するための説明図である。 本発明に係る第二の実施形態における統括制御部の機能構成及び搬送系の構成を示す説明図である。 本発明に係る第二の実施形態に関する説明図で、同図（Ａ）は実測点を示し、同図（Ｂ）は二次元補間関数の作成方法を示し、同図（Ｃ）は二次元的に表現した推定電位分布を示す。 本発明に係る第三の実施形態における統括制御部の機能構成及び搬送系の構成を示す説明図である。 本発明に係る第三の実施形態における統括制御部の動作を示すフローチャートである。 本発明に係る第三の実施形態に関する説明図で、同図（Ａ）は実測点を示し、同図（Ｂ）は二次元補間関数の作成方法を示し、同図（Ｃ）は二次元的に表現した推定電位分布を示す。 第一の実施形態手法と第三の実施形態手法における電位分布推定結果を示す説明図で、同図（Ａ）は従来手法を示し、同図（Ｂ）は第一の実施形態手法を示す。

符号の説明

１０：電子線光学系、１１：一次電子線、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：電子源、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：高さセンサ、１１０：真空室、１１１：リターディングピン、２０２：ユーザインターフェース部、２０３：電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：画像表示装置、２１２：リターディング制御部、２１３：試料ステージ位置検出器、２２０：統括制御部、２２１：演算部、２２２：周方向電位分布検出部、２２３：直線方向電位分布検出部、２２４：二次元補間関数作成部、２２６：測定点電位算出部、２２７：リターディング電圧算出部、２２８：画像処理部、２２８ａ：合焦状態検出部、３０１：ウェハカセット３０１、３０２：ウェハ搬送装置、３０４：電位計測計、３０４ａ：プローブ、３０４ｂ：計測計本体、３０７：アライナ、４０１：試料ステージ、４０５：試料交換室

Claims (16)

1. 試料室内に格納された試料に対して一次荷電粒子線を照射し、該試料から発生する二次荷電粒子線を検出して、検出結果を信号出力する荷電粒子ビーム光学系と、
   前記試料の表面上において当該試料の中心位置を含む線分上の複数箇所の電位を計測する電位計測手段と、
   当該計測された電位情報を元に前記荷電粒子ビーム光学系を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記電位計測手段で計測された前記複数の電位を元に、前記線分上の任意箇所の電位を第１の補間により推定し、
   当該推定された線分上の電位情報を用いて、前記試料上の任意位置の電位を第２の補間により推定することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
2. 試料室内に格納された試料に対して一次荷電粒子線を照射し、該試料から発生する二次荷電粒子線を検出して、検出結果を信号出力する荷電粒子ビーム光学系と、
   前記試料の表面上の複数箇所の電位を計測する電位計測手段と、
   当該計測された電位情報を元に前記荷電粒子ビーム光学系を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記電位計測手段で計測された前記複数の電位を元に、前記試料の表面の電位分布を二次元のスプライン補間により推定することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
3. 試料室内に格納された試料に対して一次荷電粒子線を照射し、該試料から発生する二次荷電粒子線を検出して、検出結果を信号出力する荷電粒子ビーム光学系と、
   前記試料の表面上の複数のポイントの電位を計測する電位計測手段と、
   当該計測された電位情報を元に前記荷電粒子ビーム光学系を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記電位計測手段により検知された前記複数のポイントでの電位を用いて、互いに異なる方向のそれぞれで隣り合うポイント間の電位を補間して、前記試料表面上の電位分布に関する二次元補間関数を求め、当該二次元補間関数を用いて、前記試料表面上の任意位置の電位を推定することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム装置において、
   前記試料を前記試料室内に搬送するための搬送機構を有し、
   前記電位計測手段は、当該搬送機構による前記試料の搬送経路上に設けられていることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
5. 請求項１から３のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム装置において、
   前記試料を前記試料室内に搬送するための搬送機構と、
   前記試料を前記試料室に搬入する手前で一時格納する試料交換室と、を備え、
   前記複数箇所の電位計測が、前記試料交換室に前記試料を搬送する際の当該搬送機構による直線搬送動作の際に実行されることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
6. 請求項１から３のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム装置において、
   前記電位計測手段を複数備えていることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
7. 請求項６に記載の荷電粒子ビーム装置において、
   複数の前記電位計測手段のうちの少なくとも一つとして、前記試料の周方向の電位を計測する周方向電位計測手段を備えていることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
8. 請求項１から３のいずれか一項に記載の荷電粒子ビーム装置において、
   前記電位計測手段として、前記試料の中心を含む線分上の電位を計測する第１の電位計測手段と、該試料の中心の周方向の電位を計測する第２の電位計測手段と、を備えていることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
9. 請求項８に記載の荷電粒子ビーム装置において、
   前記試料の角度調整を行うアライナを備え、
   前記第２の電位計測手段は、当該アライナ位置に配置されていることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
10. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム装置において、
    前記第１の補間および第２の補間にスプライン補間を用いることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
11. 請求項６に記載の荷電粒子ビーム装置において、
    複数の前記電位計測手段の個数が３もしくは５であることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
12. 試料に対して荷電粒子ビームを照射して、得られる二次荷電粒子の分布データを元に該被計測試料の計測を行う荷電粒子ビーム装置の制御方法において、
    前記試料上の中心を含む線分上において複数の電位を測定し、
    当該電位の測定値を補間することにより該線分上の任意位置の電位を推定し、
    前記線分が伸びている方向とは異なる方向に、当該線分上の推定電位を補間することにより、前記被計測試料表面上の任意位置の電位を推定し、
    当該得られた電位を用いて前記荷電粒子ビーム装置を調整することを特徴とする荷電粒子ビーム装置の制御方法。
13. 試料室内に格納された試料に対して一次荷電粒子線を照射し、当該試料から発生する二次荷電粒子線を検出して、検出結果を信号出力する荷電粒子ビーム光学系と、
    前記試料への前記一次荷電粒子線の照射より前に、前記荷電粒子ビーム光学系の試料台への前記試料の搬送過程において、前記試料の表面上において当該試料の中心位置を含む線分上の複数箇所の電位を計測する第一の電位計測手段と、
    前記試料への前記一次荷電粒子線の照射より前に、前記試料台上の前記試料の表面高さを計測する高さ計測手段と、
    前記高さ計測手段により取得された高さ情報と、前記第一の電位計測手段により計測された電位情報とを元に前記荷電粒子ビーム光学系を制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    前記試料への前記一次荷電粒子線の照射より前に、前記第一の電位計測手段により計測された電位を元にした第一の補間により、前記線分上の電位分布を推定し、
    前記試料への前記一次荷電粒子線の照射より前に、前記推定された線分上の電位分布を元にした前記試料の周方向における第二の補間により、前記試料上の任意位置の電位を推定することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
14. 試料室内に格納された試料に対して一次荷電粒子線を照射し、当該試料から発生する二次荷電粒子線を検出して、検出結果を信号出力する荷電粒子ビーム光学系と、
    前記試料への前記一次荷電粒子線の照射より前に、前記荷電粒子ビーム光学系の試料台への前記試料の搬送過程において、前記試料の表面上の、当該試料の中心位置を含む第一の線分上の第一の複数箇所の電位を計測する第一の電位計測手段と、
    前記試料への前記一次荷電粒子線の照射より前に、前記荷電粒子ビーム光学系の試料台への前記試料の搬送過程において、前記試料の表面上の、前記第一の線分と平行な第二の線分上の第二の複数箇所の電位を計測する第二の電位計測手段と、
    前記試料への前記一次荷電粒子線の照射より前に、前記荷電粒子ビーム光学系の試料台への前記試料の搬送過程において、前記試料の表面上において前記第一の線分と平行な第三の線分上であって前記第一の線分は前記第二の線分と前記第三の線分との間である第三の線分上の第三の複数箇所の電位を計測する第三の電位計測手段と、
    前記第一の電位計測手段と前記第二の電位計測手段と前記第三の電位計測手段とにより計測された電位情報を元に前記荷電粒子ビーム光学系を制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    前記第一の電位計測手段と前記第二の電位計測手段と前記第三の電位計測手段との各々により計測された電位を元にした第一の補間により、前記第一の線分上と前記第二の線分上と前記第三の線分上との各々の電位分布を推定し、
    前記試料の表面上における円形領域であって当該円形領域の中心位置は前記試料の中央位置と同じであり且つ当該円形領域の半径は前記第一の線分と前記第三の線分との間の距離と同じである円形領域の電位分布を、当該円形領域に含まれる前記第一の線分上の電位分布を元に、前記試料の周方向における第二の補間により推定し、
    前記試料の表面上における前記円形領域の外周である外側領域の電位分布を、当該外側領域に含まれる前記第一の線分上と前記第二の線分上と前記第三の線分上との電位分布を元に、前記試料の周方向における第三の補間により推定することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
15. 試料室内に格納された試料に対して一次荷電粒子線を照射し、当該試料から発生する二次荷電粒子線を検出して、検出結果を信号出力する荷電粒子ビーム光学系と、
    前記試料への前記一次荷電粒子線の照射より前に、前記荷電粒子ビーム光学系の試料台への前記試料の搬送過程において、前記試料の表面上において当該試料の中心に位置する円に沿った前記試料の周方向上の第一の複数箇所の電位を計測する第一の電位計測手段と、
    前記試料への前記一次荷電粒子線の照射より前に、前記荷電粒子ビーム光学系の試料台への前記試料の搬送過程において、前記試料の表面上において当該試料の中心位置を含む線分上の第二の複数箇所の電位を計測する第二の電位計測手段と、
    前記第一の電位計測手段と前記第二の電位計測手段とにより計測された電位情報を元に前記荷電粒子ビーム光学系を制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    前記一次荷電粒子線の照射より前に、前記第二の電位計測手段が前記第二の複数個所を測定した電位を元にした第一の補間により、前記線分上の電位分布を推定し、
    前記一次荷電粒子線の照射より前に、前記第一の電位測定手段が測定した電位を元に、前記円の電位分布を、前記試料の周方向における第二の補間により推定し、
    前記一次荷電粒子線の照射より前に、前記推定した前記線分上の電位分布と前記推定した前記円の電位分布とを元に、前記試料の周方向における第三の補間により、前記試料上の任意位置の電位を推定することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
16. 試料に対して荷電粒子ビームを照射して、得られる二次荷電粒子の分布データを元に当該試料の計測を行う荷電粒子ビーム装置の制御方法において、
    前記試料への前記荷電粒子ビームの照射より前に、当該荷電粒子ビームの試料台への前記試料の搬送過程において、前記試料上の中心を含む線分上において複数の電位を測定し、
    前記荷電粒子ビームの照射より前に、前記線分上において測定された電位を元に、第一の補間により前記線分上の電位分布を推定し、
    前記推定した前記線分上の電位分布を元に、前記試料の周方向における第２の補間により、前記試料表面上の任意位置の電位を推定し、
    前記第二の補間により推定された電位を用いて前記荷電粒子ビーム装置を調整することを特徴とする荷電粒子ビーム装置の制御方法。

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