JP2010182423A

JP2010182423A - 荷電粒子ビームの焦点評価方法及び荷電粒子線装置

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Publication number: JP2010182423A
Application number: JP2009022101A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Tanii; 和真谷井; Koji Ikeda; 光二池田
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2009-02-03
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2010-08-19

Abstract

【課題】本発明は、視野内に含まれるパターンの量に依らず、画像の定量的な焦点評価を行うことが可能な荷電粒子ビームの焦点評価方法及び荷電粒子線装置の提供を目的とする。
【解決手段】上記目的を達成するために、荷電粒子ビームの焦点評価方法であって、荷電粒子線の照射によって得られる画像の輝度ヒストグラムの標準偏差を算出し、当該標準偏差に関する値を、当該画像に含まれるパターンのエッジ量に関する値で除算し、当該除算に基づいて得られる値を用いて、前記画像の焦点調整状態を判定する焦点評価方法、及び荷電粒子線装置を提案する。
【選択図】図２

Description

本発明は荷電粒子ビームの照射に基づいて得られる画像を用いて焦点評価を行う方法、及び装置に係り、特にパターンの種類に依らず、安定した焦点評価を行い得る焦点評価方法、及び装置に関する。

現在、多くの半導体製造ラインにおいて、デバイスの寸法管理にＣＤ−ＳＥＭ（Critical Dimension-Scanning Electron Microscope）を使用している。そして、生産効率を向上するために全自動検査／計測が採用されている。また、高精度に寸法測定を行うためには、電子ビームの焦点（フォーカス）が適正に設定されている必要がある。特許文献１には、フォーカスずれによる画質の変動を数値的に捉えるために、画像内のパターン部と背景部の分離度を求め、当該分離度を基準値と比較することで、パターン計測の可否を判定する手法が開示されている。

一方、特許文献２には、表面電位が既知の試料画像から得られた輝度ヒストグラムのピーク位置と、測定対象の試料へのビーム照射によって得られた輝度ヒストグラムのピーク位置を比較し、ピーク位置のシフト量に基づいて、表面電位を計測し、当該計測値に基づいて、フォーカス条件を修正することが説明されている。

特開２００６−０２９８９１号公報特開２００５−０６１９９８号公報

特許文献１，２に説明されているように、ビーム照射によって得られる画像の評価によって、フォーカスコンディションをモニタする手法は既に知られているが、画像処理に用いられる画像フィルタ等による判定では、画像内に含まれるパターン量によって、結果が異なる可能性があることから、比較の対象となる基準データを、パターンの種類ごとに作成する等の煩雑な作業が発生する可能性がある。

以下に、視野（Field Of View：ＦＯＶ）内に含まれるパターンの量に依らず、画像の定量的な焦点評価を行うことを目的とする荷電粒子ビームの焦点評価方法及び荷電粒子線装置を説明する。

上記目的を達成するために、荷電粒子ビームの焦点評価方法であって、荷電粒子線の照射によって得られる画像の輝度ヒストグラムの標準偏差を算出し、当該標準偏差に関する値を、当該画像に含まれるパターンのエッジ量に関する値で除算し、当該除算に基づいて得られる値を用いて、前記画像の焦点調整状態を判定する焦点評価方法、及び荷電粒子線装置を提案する。

上記構成によれば、焦点の程度を示す輝度ヒストグラムの標準偏差に関する値を、パターンのエッジ量に関する値で除算しているため、パターンの種類に依存しない値となるため、パターンの種類に依らない、基準値との比較に基づく、焦点判定を行うことが可能となる。

ＣＤ−ＳＥＭの概略構成図。画像の焦点調整状態を評価する工程を説明するフローチャート。ガウシアンフィルタの概要を説明する図。ラプラシアンフィルタの概要を説明する図。インテンシティーフィルタの概要を説明する図。

荷電粒子ビーム装置の１つである走査電子顕微鏡の中でも、ＣＤ−ＳＥＭは、レシピと呼ばれる走査電子顕微鏡の自動制御プログラムを用いた制御によって、自動的な測定を行っている。しかしながら、取得された画像の焦点を定量的な基準に基づいて評価するまでには至っていない。また、ＳＥＭの操作者が、焦点調整の程度を目視で判断する場合には、人によって判断が異なる場合がある。

また、種々の画像処理フィルタが存在するが、画像のパターン量によって、画像評価結果が異なり、デバイス，工程ごとに閾値を設定するなどの作業が発生し、煩雑であるために、合焦点評価値の定量化を行うことは事実上困難である。そのため、人、或いはパターン依存性の無い合焦点評価を行うための手法が求められている。

特に、昨今の全自動検査／計測ではオペレータが介在しないために、人の手を介さない焦点評価手法が求められている。ＣＤ−ＳＥＭでは撮像画像のエッジプロファイル特徴量からパターンの距離（寸法）を計算しており、同対象物であっても合焦点程度によって測長値が異なる。また、測長結果だけではなく、合焦点程度が悪くなると、パターンの特徴が損なわれノイズ，背景と同化してしまう可能性があることを意味する。

合焦点程度が悪い場合、原因を解明する必要があるが、原因はプロセス変動，帯電，フォーカス精度，レシピの設定ミスなど多種多様であり、早急に特定できる場合が少ない。そのため、合焦点程度を完全に保証することは困難である。以上から、原因は別途詳細調査をして、合焦点程度の影響を検査／計測結果に反映させないことが重要である。別な言い方をすれば、検査／計測装置や試料起因の変動をなくした結果を入手できることが重要である。

以下に、種々の画像処理を組み合わせて、人，パターン量に依存しない合焦点程度を定量化するシステムを搭載したＣＤ−ＳＥＭについて説明する。具体的には、事前取得したテンプレートと直接検査／計測に使用する画像を比較して、検査／計測画像の合焦点程度がテンプレートに対して一定の許容範囲（閾値）外の画像を排除した検査／計測結果を得る手法を説明する。以下に説明する実施例では、エッジ量の影響を排除するために、パターン量を用いて、焦点状態を示す情報を規格化する。

図１は、ＣＤ−ＳＥＭの概略構成図である。なお、以下の説明では、荷電粒子ビーム装置の一態様であるＣＤ−ＳＥＭを例示するが、これに限られることはなく、他のＳＥＭ、或いは走査イオン顕微鏡等の他の荷電粒子ビーム装置への適用も可能である。

陰極１と第一陽極２の間には、コンピュータ２０で制御される高圧制御電源１５により電圧が印加され、所定のエミッション電流で１次電子線４が陰極１から引き出される。陰極１と第二陽極３の間には、コンピュータ２０で制御される高圧制御電源１５により加速電圧が印加され、陰極１から放出された１次電子線４が加速されて後段のレンズ系に進行する。

１次電子線４は、レンズ制御電源１６で制御された収束レンズ５で収束され、絞り板８で１次電子線の不要な領域が除去された後に、レンズ制御電源２で制御された収束レンズ６、および対物レンズ制御電源１７で制御された対物レンズ７により試料１０に微小スポットとして収束される。対物レンズ７は、インレンズ方式，アウトレンズ方式、およびシュノーケル方式（セミインレンズ方式）など、種々の形態をとることができる。また、試料に電圧を印加して１次電子線を減速させるリターディング方式もとることが可能である。さらに、各々のレンズは、複数の電極で構成される静電型レンズで構成してもよい。

１次電子線４は走査コイル９で試料１０上を二次元的に走査される。１次電子線の照射で試料１０から発生した２次電子等の２次信号１２は、対物レンズ７の上部に進行した後、２次信号分離用直交電磁界（ＥＸＢ）発生器１１により、１次電子と分離されて検出器１３に検出される。検出器１３で検出された信号は、信号増幅器１４で増幅された後、画像メモリ１８に転送されて像表示装置１９に、所定のＦＯＶの試料像が表示される。

なお、コンピュータ２０には、図示しない設計データ管理装置が接続されている。設計データ管理装置は、ＳＥＭの測定対象である半導体デバイスの設計情報がＧＤＳフォーマット等の形式で保存されており、コンピュータ２０は、必要に応じて設計データ管理装置から、必要な情報を引き出すことが可能である。また、コンピュータ２０の内部、或いは外部には記憶媒体が設置されており、後述するようなテンプレート画像（基準画像）が記憶され、コンピュータ２０は必要に応じて、当該基準画像に関する情報を、記憶媒体に書き込んだり、読み込んだりする機能を備えている。

本実施例では、事前に検査／計測箇所のテンプレート画像から合焦点程度を算出しておき、直接検査／計測に使用する撮像画像の合焦点程度と比較する。一定の閾値以下になった場合、検査／計測結果から排除する、或いは再焦点調整を行う。また、焦点条件を段階的に変化させ、最も焦点が合った画像を取得したときの焦点調整条件を、レンズ条件とするオートフォーカスのために、後述する画像評価法を適用することも可能である。

図２は、画像の焦点調整状態を評価する工程を説明するフローチャートである。図３は、画像フィルタの１種であるガウシアンフィルタ、図４はラプラシアンフィルタ、図５はインテンシティーフィルタの概要を説明する図である。

ガウシアンフィルタは画像平滑化できるフィルタであり、エッジ情報を残しつつノイズを除去することが可能である。ラプラシアンフィルタは２次微分で輪郭を抽出するフィルタである。ラプラシアンフィルタには４方向と８方向があり、図４は８方向のものである。４方向と８方向の違いは上下左右（４方向），上下左右斜め（８方向）であり、対象方向が異なる。ラプラシアンフィルタを用いると、画像のコントラスト情報が損なわれるため、コントラスト変動によるパターン量の変動を除外することが可能になる。ガウシアンフィルタ，ラプラシアンフィルタ共に、ある注目画素を中心とした上下左右斜めの９つの画素値に対して、係数をそれぞれ乗算し、結果を合計し、合計した値を新しい画素値とする。

インテンシティーフィルタは、画像全ての画素の輝度から、ヒストグラムを作成し、そのヒストグラムの標準偏差を出力する。合焦点程度が悪化すると、ヒストグラムの裾が広がるため、標準偏差が大きくなる。この標準偏差の変動によって合焦点程度を把握する。

以下に、焦点調整状態（焦点評価値）の算出の工程について説明する。
（１）まず、取得された画像に、ラプラシアンフィルタとガウスフィルタを用いたラプラスオブガウス処理を施し、画像のエッジ強調と、ノイズ除去を行う。
（２）次に、インテンシティーフィルタを用いた処理を行うことによって、画像輝度値のσを算出する。画像輝度値のσは、縦軸を画素数、横軸を輝度とした輝度ヒストグラムの幅に関する情報であり、ヒストグラムの裾の広がりに関する情報である。また定量的な評価が可能であれば、輝度の分散を示す他の値に置き換えても良い。
（３）次に、算出したσを画像のエッジ量に関する値で除算する。本実施例の説明では、除算した値をσ′とする。エッジ量に関する情報は、画像中に含まれるエッジに相当する部分がどれだけ含まれるかを示す値であり、例えば、エッジに相当する個所の画素数，画像内のエッジ部分の面積や、これらの値に相当する値をエッジ量に相当する値としても良い。
（４）次に取得された撮像画像のσ´（σ₁´）と、予め登録しておいた基準画像（テンプレート）のσ´（σ₀´）との比に関する値を算出する。本実施例では、σ₁´／σ₀´×１００（＝Ｆ）を算出する。
（５）Ｆと、予め登録されたしきい値とを比較し、Ｆがしきい値未満（或いはしきい値以下）か否かを判断する。Ｆがしきい値以上（或いはしきい値より上）である場合には、フォーカスが合った画像と判断できるので、当該画像を測定や検査画像として採用したり、当該画像を取得したときのレンズ条件を、画像取得のためのレンズ条件として採用するようにしても良い。更に、しきい値判定により、フォーカスが合っていないと判定された場合には、再度画像を取得するようにしても良い。

本実施例では、エッジ量はテンプレート及び撮像画像から抽出しないで、設計データから抽出する。その理由は、実画像の場合、合焦点程度が悪くなると、エッジの特徴が損なわれノイズ，背景と同化してしまう可能性があるためである。σでは、パターンによってパターン量が異なるために、パターンに依存した値になるが、σ′ではパターン量で規格化するために、パターンに依存しない値となる。そのため、同一閾値で一元管理することが可能になる。

なお、設計データからエッジ量に関する値を抽出する場合には、もとのベクトルデータから、エッジ部分の画素数や面積、或いはこれらに相当する値をエッジ量に関する値として算出する。

以上、合焦点程度が閾値未満の場合、その画像を排除して検査／計測結果を算出すると記載したが、例えば、アラームを出して検査／計測を止めたり、再度、撮像し直すような処理を行っても良い。また、検査／計測結果に合焦点程度が閾値未満になったことを表示したり、一度目は撮像し直して、同一箇所で二回発生した場合は、検査／計測結果に合焦点程度が閾値未満になったことを表示するような処理を行っても良い。

なお、上述の焦点評価法とは異なる演算手法として、自動焦点合わせ時に微分フィルタ等を用いて、エッジが最もシャープになる条件（微分値が最大）を抽出する方法がある。自動焦点合わせは、電子ビームの焦点位置を自動で調整するものであり、引き出し電圧，対物電流，リターディング電圧等を制御して、微分フィルタ処理結果（画像微分値）が最大になる条件を検出する。

ここでは、微分フィルタを例に記載したが、他のフィルタでも適用可能である。この方法では、自動焦点合わせの後に検査／計測位置の画像を取得する。そのため、検査／計測位置で再度電子ビーム照射が必要であり、その電子ビーム照射によって検査／計測位置の電位が変わり、結果的に合焦点程度が変わる可能性が有る。これは、撮像条件、試料の構造等によって変わる。このようなケースがあることから、合焦点程度を算出する画像は直接検査／計測に用いる画像を用いる必要がある。

１陰極
２第一陽極
３第二陽極
４１次電子線
５，６収束レンズ
７対物レンズ
８絞り板
９走査コイル
１０試料
１１２次信号分離用直交電磁界（ＥＸＢ）発生器
１２２次信号
１３検出器
１４信号増幅器
１５高圧制御電源
１６レンズ制御電源
１７対物レンズ制御電源
１８画像メモリ
１９画像表示装置
２０コンピュータ

Claims

試料に対する荷電粒子ビームの照射によって得られた画像に基づいて、前記荷電粒子ビームの焦点調整状態を評価する荷電粒子ビームの焦点評価方法において、
前記荷電粒子線の照射によって得られる画像の輝度ヒストグラムの標準偏差を算出し、
当該標準偏差に関する値を、当該画像に含まれるパターンのエッジ量に関する値で除算し、
当該除算に基づいて得られる値を用いて、前記画像の焦点調整状態を判定することを特徴とする荷電粒子ビームの焦点評価方法。
請求項１において、
前記パターンのエッジ量に関する値は、当該パターンの設計データのエッジ量に相当する値から求められることを特徴とする荷電粒子ビームの焦点評価方法。
請求項１において、
前記画像に、ガウシアンフィルタ、及びラプラシアンフィルタによる画像処理を行った後に、前記画像の輝度ヒストグラムの標準偏差を算出することを特徴とする荷電粒子ビームの焦点評価方法。
請求項１において、
前記パターンの基準画像、或いは当該基準画像の輝度ヒストグラムの標準偏差に関する値を、エッジ量に関する値で除算した値を記憶しておき、当該記憶された除算値と、前記荷電粒子ビームの照射によって得られる画像から求められる除算値の比率を算出し、当該比率が所定のしきい値以上であるか、所定のしきい値未満であるかを判定することを特徴とする荷電粒子ビームの焦点評価方法。
請求項１において、
前記荷電粒子ビームの焦点を段階的に変化させたときに得られる複数の画像について、前記焦点調整状態を判定し、当該判定によって焦点が合っていると判定された画像を得るための焦点調整状態となるように、前記荷電粒子線の焦点を調整することを特徴とする荷電粒子ビームの焦点評価方法。
荷電粒子源と、
当該荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを集束して前記試料に照射するレンズと、
当該レンズ条件を制御する制御装置を備えた荷電粒子ビーム装置において、
前記制御装置は、前記荷電粒子線の照射によって得られる画像の輝度ヒストグラムの標準偏差を算出し、当該標準偏差に関する値を、当該画像に含まれるパターンのエッジ量に関する値で除算し、当該除算に基づいて得られる値を用いて、前記画像の焦点調整状態を判定することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
請求項１において、
前記制御装置は、前記パターンのエッジ量に関する値を、当該パターンの設計データに基づいて、設定することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
請求項６において、
前記制御装置は、前記画像に、ガウシアンフィルタ、及びラプラシアンフィルタによる画像処理を行った後に、前記画像の輝度ヒストグラムの標準偏差を算出することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
請求項６において、
前記制御装置は、前記パターンの基準画像、或いは当該基準画像の輝度ヒストグラムの標準偏差に関する値を、エッジ量に関する値で除算した値を記憶しておき、当該記憶された除算値と、前記荷電粒子ビームの照射によって得られる画像から求められる除算値の比率を算出し、当該比率が所定のしきい値以上であるか、所定のしきい値未満であるかを判定することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
請求項６において、
前記制御装置は、前記荷電粒子ビームの焦点を段階的に変化させたときに得られる複数の画像について、前記焦点調整状態を判定し、当該判定によって焦点が合っていると判定された画像を得るための焦点調整状態となるように、前記荷電粒子線の焦点を調整することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。