JP2002042706A

JP2002042706A - 走査電子顕微鏡の自動焦点機能

Info

Publication number: JP2002042706A
Application number: JP2000229023A
Authority: JP
Inventors: Masaji Wada; 正司和田; Masaya Yasukochi; 正也安河内; 淳 ▲高▼根; Atsushi Takane
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2002-02-08

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、焦点深度を外れる高低差のある被写
体に対して、全領域で焦点の合った画像を提供すること
にある。【解決手段】試料の形状に合わせた励磁電流マップを、
複数の焦点位置画像から画像処理により作成し、焦点位
置マップを参照しながら焦点位置を変化させて観察画像
を撮影する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査電子顕微鏡に
おける自動焦点機能に関するもので、特に事前に得られ
た結果から焦点を適切に制御しながら撮影する機能を備
えた走査電子顕微鏡装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査電子顕微鏡は、光学系顕微鏡で観察
できないような微細な形状の画像の撮影に使用される。
その信号は、一般にノイズを含んだ粗い画像であるた
め、画像の積算処理により信号対ノイズ（Ｓ／Ｎ）比を
改善している。Ｓ／Ｎは、一般に積算回数が多いほど改
善する。しかし、積算回数が多いほど撮影時間は長くな
る問題がる。

【０００３】ところで、走査電子顕微鏡は、その特徴か
ら半導体ウェーハ上に形成された微細なパターンの測定
や観察に使用される。例えば、半導体ウェーハの生産で
は、あるプロセス後のウェーハのパターン寸法管理等に
用いる。管理パターンは、ライン幅やホールパターンの
内径等であるが、プロセスの後の工程になるほどウェー
ハ上の段差は複雑になる。

【０００４】近年、半導体のウェーハはさらに微細化さ
れ、半導体上のライン間の静電容量の増加により伝播遅
延が伸びる傾向がある。そのため、ライン間の距離を保
ちながら微細化を実現するために、配線材料に銅（Ｃ
ｕ）を使用したり、誘電率の低い絶縁膜を導入する手法
や配線層の多層化が行われる（吉川公麿、「３ＧＨｚ
超のＭＰＵを実現する半導体設計」日経エレクトロニク
ス２０００年１−３ｎｏ．７６０号、ｐｐ．１３７−
１４２）。

【０００５】そのため、アスペクト比が大きく、コンタ
クトホールの底部のように焦点が合わない測定部位に対
し、従来の装置は、特開平７−１７６２８５号公報に記
載のように、予め準備しておいたウェーハ情報ファイル
から観察者、または、自動的に焦点補正値を登録装置に
記憶し、補正値だけ焦点位置をずらして撮影する方法と
なっていた。

【０００６】あるいは、特開平１１−２９６６８０号公
報に記載のように、複数の焦点位置画像を使用して、焦
点があった局部画像を選択して、全焦点画像を得る方法
となっていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記の特開平７−１７
６２８５号公報の従来技術は、予め形状情報を準備する
必要がある点について配慮がされておらず、形状が予見
できない画像には対応できない問題があった。

【０００８】また、特開平１１−２９６６８０号公報の
従来技術は、電子顕微鏡の信号特性から積算回数を重ね
ないと観察に耐えうる画像が提供できない点について配
慮がされておらず、その方法から、焦点が合っている撮
影フェーズのみの信号を使い、その他の撮影フェーズで
の信号を捨てるため、撮影時間に対するＳ／Ｎ比の改善
効果が小さくなるという問題があった。

【０００９】本発明は、従来技術と同等の撮影時間に対
するＳ／Ｎ比の改善効果を保ったまま、焦点深度を外れ
る高低差のある試料に対して、全領域で焦点の合った画
像を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、焦点位置を変えた複数の撮影画像から画
像処理により局部ごとに焦点の合った撮影画像の焦点位
置を算出する。

【００１１】次に、この局部ごとの焦点位置を合わせ
て、被写体の形状に対応した焦点位置マップを作成す
る。

【００１２】そして、この焦点位置マップを参照しなが
ら、局部ごとに対物レンズの励磁電流値を変化させる、
つまり、焦点位置を被写体の形状に合わせて連続的に変
化させ、焦点深度を越えた部位でも焦点を合わせるよう
にしたものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は本発明の走査電子顕微鏡の
構成概略図である。また、図２が本発明の処理フローを
示す図である。まず、これらの図を使い本発明の処理内
容を説明する。

【００１４】制御用計算機１００が全ての撮影手順をコ
ントロールする。まず、１０１のセレクタを切替えて励
磁電流制御信号を固定値側に設定する。次に、１０２の
励磁電流固定値回路に焦点位置に対応した励磁電流制御
信号値を設定する。この励磁電流固定値回路は設定した
励磁電流信号値を保持する回路である。そして、制御用
計算機から１０３の撮影タイミング発生回路に起動を指
示する。撮影タイミング発生回路では撮影タイミングと
して垂直同期信号、水平同期信号、画素クロック等の撮
影制御信号を発生する。

【００１５】撮影制御信号は１０４の偏向回路で２次元
の座標データに変換され、１０５のＸ、Ｙ方向の偏向レ
ンズを駆動する。１０６の電子銃で発生した電子線は、
偏向レンズで位置を制御され、１０７の対物レンズで焦
点位置の調整を行って１０８の試料に照射される。そし
て、試料からは形状や材質の情報を含んだ２次電子や反
射電子等が発生し、１０９の検出器により電気信号に変
換される。１１０の増幅器で微弱な信号を増幅して、１
１１のアナログ／デジタルコンバータで、画像処理で扱
い易いデジタル信号に変換する。１１２の前処理回路で
信号積算処理によりＳ／Ｎの改善が行われ、画像データ
が１１３の画像メモリに格納される。

【００１６】そして、予め設定した撮影焦点範囲を焦点
深度で分割して得られるステップ数回分、励磁電流固定
値回路の設定値を変更して、上記撮影手順を繰り返し、
各励磁電流設定値ごとの画像データを画像メモリに格納
する。この時の前処理の積算枚数は、撮影時間の短縮の
ため、積算枚数抑えたＳ／Ｎが低い画像である。

【００１７】得られた各励磁電流設定値の画像データご
とに、１１４の画像処理計算機で、エッジ検出処理と焦
点評価処理を行って焦点位置マップを作成する。作成し
たマップは、１１５の励磁電流マップ記憶回路に記憶さ
れる。

【００１８】次に、セレクタをマップ記憶回路側に変更
して撮影を開始する。開始されると撮影タイミング発生
回路の同期信号に合わせて、焦点位置マップ記憶回路か
ら励磁電流の制御信号を出力する。励磁電流値に合わせ
て１１６の励磁回路で対物レンズを制御し、照射位置ご
とに焦点位置を連続的に変化させて撮影を行う。この
時、高品位の画像を得るために、積算回数を増やしてＳ
／Ｎを改善する。撮影した画像は画像メモリに格納し
て、１１７の表示装置で出力する。

【００１９】図１、図２の形態では、固定値回路と焦点
位置マップ記憶回路が分かれており、セレクタで切替え
る構成であるが、焦点位置マップ記憶回路のみとして、
マップに固定値を書込むことで実現しても良い。

【００２０】図３は本発明の画像処理計算機で実効され
る焦点位置マップ作成処理の概略図である。焦点位置は
等間隔でδｄごとに変化させて撮影する。このδｄは有
効焦点深度幅以下であれば良い。また、δｄと励磁電流
は図４のような関係があり、励磁電流を変化させること
で焦点位置が変更できる。図３は焦点位置に対応した励
磁電流を６段階に変化させて６枚の画像データを取得し
ている図である。この取得枚数は、各分割有効焦点深度
範囲が連続して要求焦点範囲をカバーするなら何枚でも
よい。

【００２１】画像処理の内容は、各原画像ごとにエッジ
検出処理を行う。例えば、エッジ検出画像処理として
は、雑音低減とエッジ検出を行う一次微分オペレータを
使用するプレヴィットフィルタやソーベルフィルタ等が
有り、さらに、二次微分オペレータを使用するラプラシ
アンフィルタがある。さらに、予め準備しておいたエッ
ジパターンに整合するモデルによって、エッジ方向や大
きさを決定するモデル整合等を利用しても良い（土屋
裕、深田陽司、「画像処理」、ｐｐ．６８−７６、コ
ロナ社（１９９０））。

【００２２】エッジ検出処理が行われた画像は、その焦
点合致度によりその信号レベルが変わり、最も信号レベ
ルが高い焦点位置、つまり、励磁電流値がその局所部位
を撮影するのに最も適していることを意味する。これ
は、焦点位置がずれてボケた画像にエッジ検出処理を施
して得られる信号レベルと、焦点位置が合って、エッジ
がシャープな画像にエッジ検出処理を施して得られる信
号レベルでは、後者の方が大きな信号レベルを示すこと
を利用している。

【００２３】ここで、エッジ検出処理の特性から試料の
階調差のない平坦部分では焦点評価画像信号レベルが低
いため、信号レベルのピークが発生せずに焦点位置を決
定できない問題がある。

【００２４】そこで、本発明では焦点評価画像信号レベ
ルに閾値を設けて、閾値を越えた信号レベルがある場合
と、全ての信号レベルで閾値を越えなかった場合とに分
けて処理を行う。閾値を越えた場合は、その最大信号を
出力した励磁電流値を励磁電流制御信号マップの対応す
る座標に書込む。また、閾値を越えなかった場合は、隣
接する閾値を越えない画素どうしで連結して平坦部分の
領域分割を行う。領域分割した平坦部分が全て埋まった
ら、周囲の隣接画素の励磁電流値をこの領域分割部位の
励磁電流値とするか、または、連続性のある値を分割領
域の励磁電流値としてマップに書込めば良い。この時の
閾値は、有効焦点深度範囲内であればよく、有効焦点深
度範囲以下の微細構造は無視することで、対物レンズの
追従速度を遅くできる。

【００２５】以上のような上記手順を各焦点位置で実効
し、焦点位置マップを完成させる。完成した焦点位置マ
ップに従い、励磁回路で対物レンズを駆動する。励磁回
路で対物レンズを駆動する場合の問題点として、一般に
対物レンズのコアが鉄芯等の磁気回路で構成されるた
め、磁束変化による電磁電流作用で渦電流等の電磁誘導
電流が、その磁束変化を妨げる方向に発生し、この電磁
誘導電流が対物レンズの応答特性を低下させることであ
る。つまり、走査速度に対物レンズの焦点制御が追従で
きない問題である。以下、この点を考慮した実地例を示
す。

【００２６】まず、高いＳ／Ｎ比が要求される観察画像
の撮影に、走査速度を対物レンズの応答速度まで落とす
方法である。この場合、単位時間当たりの画質改善効果
を維持するために、画素積算処理を行う。これは、図５
に示すように、サンプリング時間が走査速度より速く、
一定な場合、走査が画素を横断する間に、サンプリング
した信号を積算処理して、代表画素の値にすることで、
Ｓ／Ｎを改善する効果を利用している。

【００２７】図６は対物レンズの磁束密度を、６０１の
ピックアップコイルまたは、ホール素子で検出して、そ
の信号を撮影タイミング発生回路にフィールドバックし
て、走査速度を対物レンズの応答速度に同期させる実地
例である。この場合、図７に示すように試料形状の高低
差に合わせて走査速度を変化させ、さらに、走査速度の
変化に合わせて６０２のサンプリング制御回路でサンプ
リングタイミングも変化させて、規定画素の画像を得る
構成である。さらに、この変速サンプリングと先の画素
積算処理を組み合わせても良い。

【００２８】図８は対物レンズの磁束密度信号を励磁回
路にフィールドバックして追従性を上げる実地例であ
る。図９に、このフィールドバック回路のモデル図を示
す。焦点位置マップ記憶回路の制御信号に合わせて、十
分な駆動力を持った励磁駆動回路で対物レンズを駆動し
て焦点位置を変化させる。この時、鉄芯の渦電流により
応答良く磁束密度が変化しない場合、磁束検出器で得た
磁束密度信号を焦点位置マップ記憶回路の出力にフィー
ルドバック処理して、励磁駆動回路の出力を適切に調整
して対物レンズを駆動する。

【００２９】図１０は焦点位置マップ記憶回路の制御信
号に、電磁誘導作用によって磁束の変化を妨げる方向に
発生する渦電流による反発磁束と同程度の補正信号を加
える実地例である。つまり、渦電流分の励磁電流を上乗
せして、磁束の変化波形を補正する方法である。補正量
は、事前にシュミレーションや実験を行い、変化速度に
対する最適地を求めておけば良い。また、補正量は制御
信号出力に加える他に、焦点位置マップ記憶回路の内容
を、励磁電流制御信号を補正した値で書き換えても良
い。

【００３０】図１１は、１１０６の電子放出陰極から１
１０３の引出し電極により電子が引出され、試料に照射
される途中で、１１０２の変速電極で電位を変化させる
ことで、１次電子の速度を制御し、焦点位置を制御する
実地例である。電子の速度が光速に比べて十分に遅い場
合、電子の運動エネルギーは、

【００３１】

【数１】

【００３２】で近似できる。つまり、電位差Ｖにより電
子の速度ｖを制御できることを意味する。図１２の様
に、１次電子線には、対物レンズでローレンツ力

【００３３】

【数２】

【００３４】が加わり、１次電子線は、ある位置で焦点
を結ぶ。この焦点の位置は、ローレンツ力の強弱により
変り、ローレンツ力は、式に示すように、速度と磁束密
度のベクトル積で求まる。本実地例では、対物レンズ手
前に設けた変速電極で電位を可変することにより、一次
電子の速度を変化させ、焦点位置を可変させるものであ
る。また、１１０５のホルダに電位を掛けて同様な効果
を持たせても良い。

【００３５】図１３は本発明と従来技術の焦点位置と処
理内容の関係を示す図である。上段が本発明であり、中
段が従来の自動焦点合わせ法であり、下段が従来の画像
合成処理法によるものである。まず、本発明と従来技術
の違いについて、その処理フローと焦点位置の関係から
説明する。

【００３６】本発明では、まず、焦点位置画像取得処理
として積算数を少なく押さえた各励磁電流の焦点情報画
像を撮影する。次に、画像処理により焦点位置マップを
作成する。そして、積算数を増やした観察用の画像を、
焦点位置マップに従い焦点位置を連続的に変化させて撮
影する。

【００３７】ところで、従来の自動焦点合わせ機能で
は、まず、焦点位置画像取得処理として積算数を押さえ
た各励磁電流の焦点情報画像を撮影する。次に、簡単な
画像評価を行い、ある一定の励磁電流値を選択する。そ
して、選択した固定の励磁電流値で積算数を増やした観
察用の画像を撮影する。つまり、本発明とほぼ同じ処理
フローであり、積算により画質改善を行うため、撮影時
間に対するＳ／Ｎ比の改善効果は、同等である。しか
し、励磁電流（焦点位置）が一定であるため、画像に焦
点位置が外れたボケた部位があり認識性が良くなかっ
た。

【００３８】また、従来の画像合成処理によるもので
は、焦点位置画像取得処理は行わずに、はじめから積算
数を増やした観察用の画像を撮影する。これを、焦点深
度ごとに欲しい焦点範囲分撮影を繰り返す。そして、各
焦点位置の画像を画像処理にて合成し、一枚の全焦点画
像を得る。つまり、全焦点でピントが合い認識性は良い
が、本発明や上記従来技術の同じＳ／Ｎ比を得るために
は、合成処理で捨てた撮影フェーズ分の積算回数分の追
加撮影を行わなければならないため、撮影時間が長くな
る問題があった。

【００３９】以上のように、本発明では、従来の自動焦
点合わせ機能とほぼ同じ処理フローで撮影を行いなが
ら、全焦点画像を得ることができるため、従来技術と同
じ撮影時間に対するＳ／Ｎ比の改善効果を保ったまま、
焦点深度を外れる高低差のある試料に対して、全領域で
焦点の合った画像を提供できる。

【００４０】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、従
来技術と同じ撮影時間に対するＳ／Ｎ比の改善効果を保
ったまま、焦点深度を外れる高低差のある試料に対し
て、全領域で焦点の合った画像を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の走査電子顕微鏡の構成概略図。

【図２】本発明の処理フローチャート。

【図３】本発明の励磁電流制御信号マップ作成処理の概
略図。

【図４】励磁電流と焦点位置の関係を示す図。

【図５】画素積算処理の説明図。

【図６】本発明の励磁電流制御タイミングと走査タイミ
ングの同期に関係する走査電子顕微鏡の構成概略図。

【図７】試料の高低差と走査速度の関係を示す図。

【図８】本発明の励磁電流制御タイミングと走査タイミ
ングの同期に関係する走査電子顕微鏡の構成概略図。

【図９】磁束検出器信号を使った励磁回路のフィールド
バック制御のモデル図。

【図１０】渦電流補正を行った励磁回路の励磁電流制御
のモデル図。

【図１１】本発明の１次電子線電位を可変して焦点位置
を変更する走査電子顕微鏡の構成概略図。

【図１２】電子線電位と焦点位置の関係を示す図。

【図１３】本発明と従来技術の焦点位置と処理内容の関
係を示す図。

【符号の説明】

１００…制御用計算機、１０１…セレクタ、１０２…固
定値回路、１０３…撮影タイミング発生回路、１０４…
偏向回路、１０５…偏向レンズ、１０６…電子銃、１０
７…対物レンズ、１０８…試料、１０９…検出器、１１
０…増幅器、１１１…アナログ／デジタルコンバータ、
１１２…前処理回路、１１３…画像メモリ、１１４…画
像処理計算機、１１５…焦点マップ記憶回路、１１６…
励磁回路、１１７…表示装置、１１８…１次電子線、１
１９…２次電子、６０１…磁束変化検出器、６０２…サ
ンプリング制御、１１０１…変速電位回路、１１０２…
変速電極、１１０３…引出し電極、１１０４…陽極、１
１０５…ホルダ、１１０６…電子放出陰極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｊ 37/28 Ｇ０２Ｂ 7/11 ＪＮ (72)発明者 ▲高▼根淳茨城県ひたちなか市大字市毛882番地株式会社日立製作所計測器グループ内Ｆターム(参考） 2G001 AA03 BA07 CA03 FA06 GA03 GA04 GA11 JA02 JA11 JA20 KA20 2H051 AA11 DB01 GB11 5C033 DD09 DD10 MM03 UU02 UU05 UU06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料に照射する電子ビームの焦点位置を
変化させる焦点可変手段と、試料上の所定領域を電子ビ
ームで走査する走査手段と、電子ビームを試料へ照射し
て発生した形状、材質等の情報を含む信号を検出する検
出手段と、電子ビームの走査と焦点位置を制御する制御
手段と、検出した信号を画像処理する画像処理手段と、
焦点位置マップを記憶する記憶手段を有する走査電子顕
微鏡において、焦点位置の異なる複数の画像から、画像
処理により焦点位置マップを作成して、焦点位置マップ
に沿って、局部ごとに焦点位置を変化させて撮影するこ
とを特徴とする走査電子顕微鏡装置。
【請求項２】対物レンズの焦点位置マップの作成手段
において、エッジ検出処理で作成した焦点評価画像の信
号レベルから焦点位置を求める手順で、閾値を設けて、
閾値を越えない領域の焦点位置データを分割処理し、分
割処理した領域データを周辺の焦点位置データと連続性
のある値で埋めたことを特徴とする走査電子顕微鏡装
置。
【請求項３】対物レンズの励磁電流の制御方法におい
て、対物レンズの磁束密度を検出する手段を設けて、検
出した磁束密度信号を、走査を制御する手段にフィール
ドバックして、励磁電流変化タイミングと走査タイミン
グの同期を取り、信号サンプリングタイミングを変化さ
せながら撮影することを特徴とする走査電子顕微鏡装
置。
【請求項４】電子放出陰極と試料の間に、１次電子の
速度を制御する変速電極を設け、１次電子速度を試料の
凹凸合わせて変化させることを特徴とする走査電子顕微
鏡装置。