JP2003142021A - 像評価方法及び顕微鏡 - Google Patents

像評価方法及び顕微鏡

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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、顕微鏡像の像分解能を客観的
判断のもとに評価できる像評価方法の提供にある。 【解決手段】画像の部分領域の分解能を、前記画像全体
或いは前記画像の一部領域に亘って求め、前記画像全体
或いは前記一部領域に亘って平均化し、前記画像全体、
或いは一部領域の分解能評価値とすることを特徴とする
像評価方法を提供する。このような構成によれば、顕微
鏡の像分解能の評価において、評価者の主観が入り込ま
ないので、像分解能の評価値に対して高い精度と良い再
現性を達成できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、走査形電子顕微鏡
や走査形イオン顕微鏡などの顕微鏡における画像の評価
方法であって、特に像分解能を評価する方法、及び評価
機能を備えた顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】荷電粒子顕微鏡（走査形電子顕微鏡ＳＥ
Ｍや走査形イオン顕微鏡ＳＩＭなど）において、従来の
像分解能評価方法には大別して２種類ある。第一の方法
は、特開平５−４５２６５号公報のようにカーボン上に
金粒子を蒸着した試料を顕微鏡観察し、その観察画像上
で目視確認できる粒子の最小２点間のギャップ距離で評
価するギャップ法である。もう一つの方法は、前記の観
察画像を特開平１１−２２４６４０号公報のように、観
察画像のデータを２次元フーリエ変換(ＦＦＴ)による周
波数解析から像分解能を評価するＦＦＴ法である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の第１のギャップ
法においては、撮像対象の金粒子には大きさ，形状にば
らつきがあること、また目視確認できる粒子の最小２点
間に評価者の主観が入り込むことにより、像分解能の評
価値に高い精度や再現性が望めない問題がある。また従
来の第２のＦＦＴ法においても、周波数解析のパワース
ペクトル図上で設定する分解能判定曲線の作成時に目視
判断による分解能評価を行っており、やはり評価者の主
観が取りきれていない問題がある。
【０００４】特に半導体製造工程においては、複数台の
顕微鏡が半導体デバイスの品質管理のために長時間使わ
れているが、その像分解能が従来法で評価しているため
に、像分解能の顕微鏡ごとの差（機差）や時間変化が高
精度に管理できず、デバイスの品質ばらつきを小さく抑
えたデバイス製造が行えない等の問題がある。
【０００５】本発明の目的は、客観的な像評価を行うこ
とにあり、特に顕微鏡像の像分解能を客観的判断のもと
に評価できる像評価方法、及び分解能評価機能を備えた
顕微鏡を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、上記目
的を達成するために、画像の像分解能を評価する方法で
あって、前記画像の部分領域の分解能を、前記画像全体
或いは前記画像の一部領域に亘って求め、前記画像全体
或いは前記一部領域に亘って平均化し、前記画像全体、
或いは一部領域の分解能評価値とすることを特徴とする
像評価方法を提供する。本発明の他の目的、及び具体的
な構成については、発明の実施の形態の欄で説明する。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態例とする走査形
電子顕微鏡（以下ＳＥＭと呼ぶ）の概略を説明する。図
１の電子光学系は荷電粒子である電子を放出する荷電粒
子源(電子銃)１から発せられる該荷電粒子線（電子線）
２をレンズ３により試料４上に集束させて任意の順序で
走査することができる。電子線の照射により試料４の表
面において発生する二次粒子（２次電子）５は二次粒子
検出系６により検出され、画像データとして画像演算制
御の機能も持たせた制御系７（制御プロセッサ）に入力
される。試料４はＸ−Ｙ−Ｚステージ８により３次元方
向すべての方向に移動可能である。制御系７は、荷電粒
子源（電子銃）１，レンズ３，二次粒子検出系６，Ｘ−
Ｙ−Ｚステージ８、および画像表示装置９の制御も行
う。
【０００８】本実施例の場合、電子線２は、図示しない
走査コイルで試料４上を二次元的（Ｘ−Ｙ方向）に走査
される。二次粒子検出系６内の二次電子検出器で検出さ
れた信号は、制御系７内の信号増幅器で増幅された後、
画像メモリに転送されて画像表示装置９に試料像として
表示される。二次信号検出器は二次電子や反射電子を検
出するものであっても、光やＸ線を検出するものであっ
ても良い。
【０００９】なお、画像メモリのメモリ位置に対応した
アドレス信号が、制御系７内、或いは別に設置されたコ
ンピュータ内で生成され、アナログ変換された後に、走
査コイルに供給される。Ｘ方向のアドレス信号は、例え
ば画像メモリが５１２×512画素(pixel）の場合、０か
ら５１２を繰り返すデジタル信号であり、Ｙ方向のアド
レス信号は、Ｘ方向のアドレス信号が０から５１２に到
達したときにプラス１される０から５１２の繰り返しの
デジタル信号である。これがアナログ信号に変換され
る。
【００１０】画像メモリのアドレスと電子線を走査する
ための偏向信号のアドレスが対応しているので、画像メ
モリには走査コイルによる電子線の偏向領域の二次元像
が記録される。なお、画像メモリ内の信号は、読み出し
クロックで同期された読み出しアドレス生成回路で時系
列に順次読み出すことができる。アドレスに対応して読
み出された信号はアナログ変換され、画像表示装置９の
輝度変調信号となる。
【００１１】画像メモリには、Ｓ／Ｎ比改善のため画像
（画像データ）を重ねて(合成して)記憶する機能が備え
られている。例えば８回の二次元走査で得られた画像を
重ねて記憶することで、１枚の完成した像を形成する。
即ち、１回もしくはそれ以上のＸ−Ｙ走査単位で形成さ
れた画像を合成して最終的な画像を形成する。１枚の完
成した像を形成するための画像数（フレーム積算数）は
任意に設定可能であり、二次電子発生効率等の条件を鑑
みて適正な値が設定される。また複数枚数積算して形成
した画像を更に複数枚重ねることで、最終的に取得した
い画像を形成することもできる。所望の画像数が記憶さ
れた時点、或いはその後に一次電子線のブランキングを
実行し、画像メモリへの情報入力を中断するようにして
も良い。
【００１２】またフレーム積算数を８に設定した場合
に、９枚目の画像が入力される場合には、１枚目の画像
は消去され、結果として８枚の画像が残るようなシーケ
ンスを設けても良いし、９枚目の画像が入力されるとき
に画像メモリに記憶された積算画像に７／８を掛け、こ
れに９枚目の画像を加算するような重み加算平均を行う
ことも可能である。
【００１３】制御系７には、図示しない入力装置が設け
られ、画像の取り込み条件（走査速度，画像積算枚数）
や視野補正方式などの指定、および画像の出力や保存な
どを指定することができる。更に制御系７には図示しな
い記憶媒体が内蔵され種々のデータを記憶できる。
【００１４】また本発明実施例装置は、検出された二次
電子或いは反射電子等に基づいて、ラインプロファイル
を形成する機能を備えている。ラインプロファイルは一
次電子線を一次元、或いは二次元走査したときの電子検
出量、或いは試料像の輝度情報等に基づいて形成される
ものであり、得られたラインプロファイルは、例えば半
導体ウェハ上に形成されたパターンの寸法測定等に用い
られる。
【００１５】なお、図１の説明は制御系７が走査電子顕
微鏡と一体、或いはそれに準ずるものとして説明した
が、無論それに限られることはなく、走査電子顕微鏡鏡
体とは別に設けられた制御プロセッサで以下に説明する
ような処理を行っても良い。その際には二次信号検出器
で検出される検出信号を制御プロセッサに伝達したり、
制御プロセッサから走査電子顕微鏡のレンズや偏向器等
に信号を伝達する伝達媒体と、当該伝達媒体経由で伝達
される信号を入出力する入出力端子が必要となる。
【００１６】更に、本実施例装置は、例えば半導体ウェ
ハ上の複数点を観察する際の条件（測定個所，走査電子
顕微鏡の光学条件等）を予めレシピとして記憶してお
き、そのレシピの内容に従って、測定や観察を行う機能
を備えている。
【００１７】また、以下に説明する処理を行うプログラ
ムを記憶媒体に登録しておき、画像メモリを有し走査電
子顕微鏡に必要な信号を供給する制御プロセッサで、当
該プログラムを実行するようにしても良い。即ち、以下
に説明する本発明実施例は画像プロセッサを備えた走査
電子顕微鏡等の荷電粒子線装置に採用可能なプログラム
の発明としても成立するものである。また、本実施例の
ステージ８には、以下に説明する像分解能の評価試料が
載置されている。
【００１８】像分解能の評価用試料には、通常、カーボ
ン等の被蒸着材に対し、原子番号の大きな金粒子等を蒸
着させたものを用いる。図２にそのＳＥＭ画像の代表例
を示す。画像は大きさ５１２×５１２ピクセルからなる
デジタル画像である。像分解能は、以下の評価アルゴリ
ズムにより算出する。その像分解能の評価コンセプトを
ギャップ分解能評価法と共に図８に、また像分解能の算
出フローチャートを図９に示す。詳細は以下の実施例の
中で説明する。
【００１９】〔実施例１〕本実施例では、顕微鏡画像を
３次元物体の一方向からの観察画像と見立てて、まず各
画素位置Ｐでの物体面の勾配や曲率を求める。次に、そ
の物体位置が周囲から認識できるに必要な仮想最短距
離、つまり局所分解能を認識に必要な最小コントラスト
と前記勾配から計算する。そして、局所分解能を画像全
体に亘って重み付き調和平均を計算し、その平均値を画
像代表の像分解能とみなす。以下にその具体例を図９の
像分解能の算出フローチャートに沿って説明する。
【００２０】顕微鏡画像を３次元物体の１方向から観察
した画像と見なし、距離画像解析によりその物体形状の
勾配や曲率半径などの幾何学的特徴を算出する。画像は
ｎ×ｎ画素からなるデジタル画像である。この画像上の
任意点Ｐの画素位置を（ｘ，ｙ）とし、濃度をｚとす
る。今、点Ｐ(ｘ，ｙ)における物体形状の勾配と曲率半
径を算出するために、点Ｐを中心とした大きさｍ×ｍ画
素（通常、ｍ＝５）の局所領域（部分領域）を切り出
し、その局所面の形状を多次方程式ｚ(ｘ，ｙ)で近似す
る。ここでは、多次の一つとして二次を採用し、下（式
１）の二次方程式で表される曲面で近似する。
【００２１】 ｚ(ｘ，ｙ)＝ａｘ2＋ｂｙ2＋ｃｘｙ＋ｄｘ＋ｅｙ＋ｆ …（式１） その曲面の合わせに関しては、そのあわせ誤差の２乗和
が最小になるように係数ａ，…，ｆを決定する。これら
の係数が決まれば下記の幾何学計算（式２）を用いて局
所面の勾配ｇ（ｘ，ｙ；θ）［θは勾配の方位角］が算
出できる。
【００２２】 ｇ(ｘ，ｙ；θ)＝｛(δｚ／δｘ)2＋(δｚ／δｙ)2｝1/2 …（式２ａ） θ＝arctan｛(δｚ／δｙ)／(δｚ／δｘ)｝ …（式２ｂ） 同様に、曲率半径Ｒｃも算出できる。この近似曲面の当
てはめには、画像ノイズの除去効果がある。即ち、ノイ
ズが混入した画像を部分的に切り出して曲面、或いは平
面で近似すれば、部分的にノイズを除去することがで
き、ノイズの影響を軽減した勾配の計算ができる。
【００２３】ノイズ除去効果および計算時間の短縮の観
点からは、局所領域の大きさ５×５画素（ｍ＝５）が好
都合であり、これに合った方程式の次数は二次が良い。
もし、局所領域の大きさとして３×３画素（ｍ＝３）を
採用すれば計算時間は早くなるが、画像パターンにおい
て特に周期３ピクセルを超える周波数成分のノイズ除去
効果がｍ＝５の二次方程式を用いた場合より悪くなる。
一方、画像自体にノイズが少なく、画像パターンにおい
て周期５ピクセル未満の周波数成分を多く含む画像にお
いては、局所領域の大きさとして３×３画素を採用した
方が、勾配の算出精度が高くなる。また、近似面として
曲面ではなく平面（表示関数式は一次となる）を当ては
める場合は、計算時間は早くなるが、二次方程式表示の
曲面を用いた場合よりノイズ除去効果が悪くなる。
【００２４】ここでは、特定の方位角θi−π／ｎから
θi＋π／ｎの範囲を代表する方位角をθi(ｉ＝１，
２，…，ｎ；ｎ＝３６）で表し、その方位角θi を持つ
局所像分解能Ｒｐの重みＷｐを付けて画像内で調和平均
化した分解能を方位像分解能Ｒ(θi）と見なす。像全体
の像分解能Ｒはこの方位像分解能能Ｒ(θi）を全方位角
で相乗平均して求める。これにより、例えば顕微鏡像の
一部に予期しないノイズが混入したとしても、算出され
る像分解能は殆ど影響を受けない。
【００２５】 １／Ｒ(θi）＝［∫{Ｗｐ(ｘ，ｙ)／Ｒp(ｘ，ｙ；θI)}ｄｘｄｙ］ ／［∫Ｗｐ(ｘ，ｙ)ｄｘｄｙ］ …（式３ａ） Ｒｐ(ｘ，ｙ；θi)＝２ΔＣ／｜ｇ(ｘ，ｙ；θi)｜ …（式３ｂ） Ｒ＝{Ｒ(θ1），Ｒ(θ2），…，Ｒ(θn）}1/n …（式４） ここで、ΔＣは分解能に対応する物体形状上のギャップ
が認識できるためのしきいコントラストであり、（式
１）から計算した濃度期待値Ｅ｛ｚ｝の最大振幅に比例
し、その比例係数をＫｃとした。通常、Ｋｃ＝０.１で
ある。
【００２６】 ΔＣ＝Ｋｃ・［Ｅ{ｚ(max)｝−Ｅ{ｚ(min)}］ …（式５） また局所重みＷｐは、勾配ｇのみ（式６ａ）かｇと［Ｅ
{ｚ(ｘ，ｙ)｝−Ｅ｛ｚ(min)｝］の積(式６ｂ）とし
た。評価像において勾配ｇが大きく、かつ明るい部分に
より注目する場合は後者を採用する。これにより、ブラ
イトネス変更の分解能への影響が大きく軽減できる。
【００２７】 Ｗｐ(ｘ，ｙ)＝｜ｇ(ｘ，ｙ)｜ …（式６ａ） ［Ｅ{ｚ(ｘ，ｙ)}−Ｅ{ｚ(min)}］・｜ｇ(ｘ，ｙ)｜］ …（式６ｂ） ここで、当てはめ面が曲面の場合、局所分解能を高精度
に計算するために取り上げられるのは、その１／２値
（＝Ｒｐ／２）が最小曲率半径の絶対値以下の場合に限
るとしてＷｐを（式６）から計算し、一方、これ以外の
場合はＷｐ＝０と置いた。また、画像の画質評価パラメ
ータである濃度の標準偏差σ（画像ノイズに相当）も局
所ノイズσpを用いて計算できる。
【００２８】 σ＝{１／(ｎ−２)}{Σ(σp 2)}1/2 （ｍ＝５の場合） …（式７ａ） σp＝{１／ｍ}{Σ［ｚ(ｘ，ｙ)−Ｅ{ｚ(ｘ，ｙ)}］2｝1/2 …（式７ｂ） 本分解能評価法による評価実施例を図２を用いて説明す
る。(ａ）および(ｂ）は分解能評価用試料からＳＥＭの
光学条件を変えて撮影した像（５１２×５１２画素）で
ある。本評価法による像分解能Ｒｃｇと従来のギャップ
分解能Ｒｇａｐにおいて、条件（ａ）と（ｂ）の分解能
比および、その複数評価者による誤差も比較表示してあ
る。いずれの分解能においても、Ｒ（ｂ）／Ｒ（ａ）が
１を越すことを示すものの、従来のギャップ法では複数
評価者による誤差が約±５０％にもなるのに対し、本手
法では同一画像データである限りその誤差は０になる。
【００２９】以上、このようにして算出する分解能評価
アルゴリズムは、その算出に必要なパラメータ全てを該
画像が持つ情報のみで決定するものである。よって本評
価法は、評価者の主観が入り込まないアルゴリズムとな
り以下の特徴を持つ。
【００３０】従来のギャップ分解能評価法に付随する
評価者の主観が排除できる。つまり客観的な評価ができ
る。
【００３１】計算を実空間上で行うので計算パラメー
タが物理量として判り易い(ＦＦＴ法では周波数空間で
計算）。
【００３２】分解能だけでなく濃度の標準偏差（画像
ノイズ）も算出・評価できる。
【００３３】さらに、画像のＳＮ比，画質、および観
察倍率の精度（あるいは誤差）も算出・評価できる。
【００３４】ブライトネス変更や画像ノイズに影響を
受けにくい。
【００３５】方向性の強いパターン試料に対しても適
用性がある（ＦＦＴ法では不可）。試料の汚染などの影
響を受けにくい。
【００３６】複数の装置間で、同じ試料（画像）に基
づく分解能評価が可能となり、装置間の機差の判定が容
易になる。
【００３７】特に、特徴は、同種の顕微鏡間における
像分解能の客観的比較を可能とするもので、ユーザの機
種選定にも大いに役に立つ。なお、本実施例では試料像
（画像）全体に亘って像分解能を求める例について説明
したが、これに限られることはなく、例えば試料像の特
定領域（像全体領域以下、局所分解能Ｒｐを算出するた
めの局所領域以上）の分解能を算出するようにしても良
い。例えば制御系７に図示しない画像領域選択手段（ポ
インティングデバイス等）を接続し、画像上の任意の位
置と大きさを選択できるようにしておき、この選択手段
によって選択された画像に相当する領域の像分解能を算
出するようにしても良い。これによって測定対象とは直
接関係のない背景の情報を排除し、測定対象部分の現実
的な像分解能を得ることができる。また特定部分だけの
演算ですむので像分解能演算のスループット向上にも効
果がある。
【００３８】〔実施例２〕次に、この像分解能評価法を
利用した走査形電子顕微鏡（ＳＥＭ：ScanningElectron
Microscope)の実施例について説明する。なお、走査形
電子顕微鏡は一例に過ぎず、画像を評価する必要のある
検査装置全般に適用が可能である。
【００３９】半導体製品等の生産ラインにおいては、図
７のように半導体デバイスパターンなどの測長管理のた
めに、複数台のＳＥＭ７０１〜７０４が管理用マスター
計算機７０５にネットワーク接続されている。
【００４０】個々のＳＥＭには、上記の像分解能評価方
法に基づく像分解能計算機能が該ＳＥＭの制御系の計算
機に組み込まれており、装置オペレータの指示により、
像分解能性能が自己評価できる。その分解能評価値は、
顕微鏡画像を表示していた画像表示装置を用いて表示す
る。
【００４１】また、長期にわたってデバイスパターンな
どの測長管理に用いているＳＥＭにおいては、各々のＳ
ＥＭが像分解能評価用試料を用いて定期的に像分解能を
評価し、その評価値の推移情報と共に表示・記録する。
この定期的な分解能評価値は、マスター計算機７０５に
吸い上げられ、ここで他のＳＥＭからの情報と合わせて
集中管理される。像分解能評価値が設定許容範囲、或い
は設定値を外れた場合は、その顕微鏡においても、また
マスター計算機においても、その異常が装置オペレータ
に知らされる。マスター計算機７０５は画像表示モニタ
と、先に説明したような画像プロセッサを備えており、
画像表示モニタに、像分解能評価値が設定許容範囲、或
いは設定値を外れた事実が表示される。具体的な表示形
態としては、複数のＳＥＭの評価値の推移情報をグラフ
状に表示し、且つ設定許容範囲を許容範囲外と識別表示
するようにしても良いし、図７に示すように複数のＳＥ
Ｍをモデル表示しておき、設定許容範囲、或いは設定値
を外れたときに特定のSEMモデルを点滅させるようにし
ても良い。このように表示させることによって、各装置
間の測定誤差（機差）によって生じる測定精度の低下を
防ぐための対策を講じることができる。本実施例では、
検査装置が出力する画像が、含まれているべき分解能評
価値の許容範囲を外れたときに、その旨の表示、或いは
記憶を行うようにすることで、高分解能を維持するだけ
ではなく各検査装置間の機差をも管理することが可能に
なる。
【００４２】また、その異常となった顕微鏡において
は、装置オペレータからの指示、あるいは制御系に組み
込まれたプログラムから指示により、検査条件の１つで
ある光学系の調整が命令され、この評価値を基にした信
号により該顕微鏡の制御系を介してレンズ系が制御さ
れ、像分解能が所望の許容値に入るように調整が行われ
る。この調整過程の経過情報は、その異常ＳＥＭ自体に
記録され、またマスター計算機に報告される。本例で
は、各ＳＥＭが像分解能を自己評価したが、制御用マス
ター計算機が各ＳＥＭから送ってもらった画像の像分解
能評価をしてその評価値信号を各ＳＥＭに送り返しても
よい。各ＳＥＭは、この評価値信号を基に、前記と同様
に該顕微鏡の制御系を介してレンズ系を制御し、像分解
能が所望の許容値に入るように調整するのである。
【００４３】こうして、複数台のＳＥＭの分解能差を同
時に計測管理し、異常が認められた場合には、上記の手
段を用いて調整を行う。これにより、各製造工程間のデ
バイス品質の差異を低減し、品質の安定化が可能とな
る。また、異なる場所にある工場とも通信を行い、工場
間においても同様に品質の安定したデバイス製造が可能
となった。
【００４４】〔実施例３〕次に、前記の像分解能評価用
試料を用いた実施例についてより詳細に述べる。本実施
例では、像分解能評価用試料に絶対寸法パターンを有す
る標準試料として、特開平８−３１３６３号公報に開示
されている寸法校正試料を用いた。図４はそのＳＥＭ像
である。シリコン基板上に作られた格子パターンのピッ
チ寸法は０.２４０±０.００１μｍと非常に高精度であ
る。
【００４５】これを用いることによりＳＥＭ画像の高精
度の倍率校正が可能になった。すなわち、顕微鏡のデジ
タル画像の大きさ単位ピクセルと実寸法単位（例えば、
ナノメータ）と間で、高精度換算が可能になった。これ
により、本発明の分解能評価値Ｒは長さ単位（例えば、
ナノメータ）で表示することも可能である。ただし、こ
こでの評価像分解能は試料パターンが縦線状であるた
め、（式４）の全方位の平均から算出する像分解能では
なく、（式３ａ）から算出する方位像分解能のうち最小
値を示す方位（図４例では横方向）の方位像分解能を用
いる。
【００４６】分解能評価値Ｒの表示に関して、実寸法
（長さ）単位表示は、観察倍率に依存しない値であり、
実使用には好都合な表示である。一方、ピクセル単位表
示は、像分解能値に所望のピクセル数を割り当てる、つ
まり最適な観察倍率を直接算出する場合に好都合とな
る。像分解能の表示の場合、通常、長さ単位であるが、
これも装置オペレータの選択により、ピクセル単位、あ
るいは両単位で並列表示も可能である。また、像分解能
値に割り当てるピクセル数を予め設定しておくことによ
り、種々の試料に対して、観察倍率を自動設定すること
も可能になった。
【００４７】顕微鏡画像の画質評価パラメータは、像分
解能と信号ノイズ比（ＳＮＲ）である。ここで、濃度期
待値Ｅ{ｚ}の平均値Ｚａｖとすると、信号ＳはＳ＝Ｚａ
ｖ−Ｅ{ｚ(min)}、ノイズＮはＮ＝σ（（式７）参照）
で近似でき、ＳＮＲは次式から算出できる。
【００４８】 ＳＮＲ＝［Ｚａｖ−Ｅ{ｚ(min)}］／σ …（式８） 画質評価パラメータとして、像分解能値程度の微細構造
パターンに注視して、その構造パターンの１ピクセル当
たりに持ち得る最大情報量Ｃ（単位はビット）を採用す
ると、Ｃはピクセル単位の像分解能値Ｒを用いて次式か
ら近似計算できる。
【００４９】 Ｃ＝{log2(１＋ＳＮＲ)｝／Ｒ2 …（式９） これにより、ここの画像が像分解能，ノイズ、および画
質の観点から評価できるようになった。これら評価パラ
メータの少なくとも一つに対し、画像の良し悪しを判定
する評価しきい値を設定しておくことにより、撮像した
画像に対してそれぞれの評価値とともに判定設定のパラ
メータに対する画像の良し悪しも判定できるようになっ
た。
【００５０】画像表示装置には、それぞれの画像に対し
てこれらの評価値と判定結果（例えばしきい値を超えた
か否か、どの程度しきい値を超えたか等）の良し悪しに
より異なるメッセージが表示されるが、装置オペレータ
の選択により、それらの一部のみの表示も可能である。
また制御プロセッサ内の記憶媒体に登録しておき、後か
ら読み出せるようにしても良い。
【００５１】〔実施例４〕次に、観察倍率の精度（ある
いは誤差）について述べる。いま、特定の観察倍率下で
寸法校正試料を撮像した顕微鏡画像の像分解能評価値
（単位μｍ）をＲ，寸法校正試料のピッチ絶対寸法Ｌ，
誤差をΔｘ（単位μｍ）とする。上記寸法校正試料の例
では、Ｌ＝０.２４０μｍ，Δｘ＝０.００１μｍであ
る。この試料表面には、シリコンの異方性エッチングを
利用して矩形波状断面の繰り返しパターンが作製されて
いる。矩形のエッジは、試料表面に対し垂直に立つシャ
ープなエッジである。
【００５２】観察倍率の校正は、寸法校正試料の格子パ
ターン像が表示画面上で垂直になるように像回転補正を
行った後、倍率５〜１０万倍で複数点（１０〜２０点程
度）のピッチ寸法の測長を行い、その平均値が０.２４
０μｍ となるように校正する。即ち、測長平均値が０.
２４０μｍ に近づくように電子線の走査範囲を変更す
る。複数点の測定は、パターンそのもののピッチ寸法が
数ｎｍの誤差を持つため、これを平均化して低減するた
めに行うものである。この時、％表示における倍率誤差
Ｅおよび倍率精度Ｐは、それぞれ次式から算出できる。
【００５３】 Ｅ＝１００ｘ{(Δｘ)2＋Ｒ2}1/2／Ｌ …（式１０） Ｐ＝１００−Ｅ …（式１１） 一般的な走査電子顕微鏡で検証した結果、観察倍率の誤
差Ｅとして、それぞれ±２％および±０.５％ 以下が得
られた。これより、観察倍率の精度や誤差を個々の顕微
鏡ばかりでなく、複数台の顕微鏡においても、像分解能
と同様に顕微鏡ごとの差（機差）や経時変化の観点から
高精度に管理できるようになった。これらの評価パラメ
ータの経時変化データは、装置オペレータの操作によ
り、必要に応じて、グラフや表のフォーマットで画像表
示装置に表示することも可能である。画像表示装置に表
示したＳＥＭ装置ＡおよびＢの像分解能における１ヶ月
間の経時変化グラフの例を図５に示す。両装置とも分解
能３.２−３.８間の許容範囲に収まっていることがわか
る。もし、この範囲からはみ出した場合は、装置保守作
業が必要になる。また、このグラフからわかるように両
装置の像分解能は共に許容範囲に収まっているが装置Ｂ
の方が０.１ 良いという機差があることがわかった。そ
れぞれの装置の測長値に対し、この機差を基に装置間の
機差補正係数を求め、両装置からの測長値を補正するこ
とにより、デバイス製造の顕微鏡管理において機差をよ
り小さく抑えた管理ができるようになった。
【００５４】図６に方位分解能を用いた非点画像の評価
実施例を示す。図６ａは顕微鏡の制御系７にある像非点
制御系において補正パラメータｓ.ｐ.値が０，４０およ
び８０時の金粒子試料からの顕微鏡像である。その時の
方位像分解能を図６ｂに極座標プロットする。方位像分
解能カーブがｓ.ｐ.＝０の時、ほぼ円形であるのに対
し、４０，８０と大きくなるにつれ方位分解能は方位
８，１６の方向（矢印方向）では余り変化しないのに対
し、方位１７，３５の方向（矢印方向）では増加してい
るのがわかる。これらの変化は図６ａの像のボケ方向と
大きさを反映している。この像ボケは、顕微鏡のビーム
のボケに対応する（図６ａのｓ.ｐ.＝８０画像参照）。
この方位像分解能の評価方法とこの評価値を全方位に対
して最小とする最適化方法を組み合わせたプログラムを
制御系７にある計算機に組み込む事により、フォーカス
調整と非点補正を自動で高精度に行う顕微鏡を実現する
ことができた。
【００５５】上記実施例では、ＳＥＭについて説明した
が、走査形透過電子顕微鏡(STEM)，走査イオン顕微鏡
（ＳＩＭ）においても同様な効果が得られた。ＳＴＥＭ
においては、試料が薄膜であり、画像形成につかわれる
輝度信号は、二次電子，試料透過の一次電子，一次電子
で励起されたＸ線などである。特に、ＳＩＭにおいて
は、ＳＥＭやＳＴＥＭには存在しないイオンビームによ
る試料表面のスパッタリング損傷が発生するため、試料
の同じ個所を高倍率で観察できない。そのため、本方法
の特徴として既述した方向性の強いパターン試料に対
しても適用性があることから、分解能評価用試料の範囲
が広がった。実用上、操作性の向上，観察像分解能の精
度向上に大いに効果があった。
【００５６】上記では実施例装置として顕微鏡を取り上
げて説明した。顕微鏡画像をビーム位置合わせやビーム
照射領域の設定などに利用している装置、例えば集束イ
オンビーム加工装置，電子ビーム診断装置，電子ビーム
露光装置などの荷電粒子ビーム装置においても、本発明
の像分解能評価方法を全く同様に実施でき、同じ効果が
ある。ここで言う「顕微鏡」は、顕微鏡画像を利用して
いる「荷電粒子ビーム装置」も含むものである。
【００５７】また、本発明での顕微鏡画像を３次元物体
の一方向からの観察画像と見立てて、前記の局所領域ご
とに多次（あるいは一次）関数ｚ＝ｆ(ｘ，ｙ)で記述さ
れる曲面（あるいは平面）を近似的に当てはめた手法
は、画像のノイズを軽減するための画像処理方法として
も非常に有効である。画像処理後の濃度分布は、(式７)
のＥ{ｚ(ｘ，ｙ)}分布に他ならない。図３に分解能標準
試料のＳＥＭ像を用いて、画像処理効果を見る。図
（ａ）がオリジナル画像、図（ｂ）が処理画像である。
図（ｂ）では画像が滑らかになっており、ノイズ除去効
果が大きなことがわかる。
【００５８】本発明は、ＳＥＭ，ＳＩＭに限らず、これ
まで画像分解能の評価法として従来のギャップ分解能法
やＦＦＴ法を使っていた顕微鏡であれば、例えば、光学
顕微鏡であっても、あるいは走査形プローブ顕微鏡であ
っても、つまりどんな顕微鏡に対しても適用できる。ま
た画像処理法においても同様、ＳＥＭ，ＳＩＭに限ら
ず、全ての顕微鏡の画像においてノイズ除去の効果があ
る。
【００５９】
【発明の効果】本発明によれば、顕微鏡における像分解
能の評価過程において、評価者の主観が入り込まないの
で、像分解能の評価値に対して高い精度と良い再現性が
達成できる。
【００６０】倍率校正試料を用いた像分解能評価法で
は、評価値信号を利用して光学性能を高精度に調整する
ので、所望の像分解能，倍率，画像ノイズ、および画質
を高精度に維持，管理できる。
【００６１】さらに、半導体製造の品質管理のために使
用される複数台の顕微鏡に本発明を採用した場合、像分
解能などにおける顕微鏡ごとの差（機差）や時間変化が
高精度に管理できるため、デバイスの品質ばらつきを小
さく抑えたデバイス製造が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】走査電子顕微鏡の概略図。
【図２】金蒸着試料を用いた分解能評価結果を説明する
図。
【図３】ＳＥＭ画像において本発明の画像処理法におけ
るノイズ除去効果を示す図。
【図４】寸法校正試料である寸法校正試料のＳＥＭ画像
（ピッチ寸法：０.２４０±０.００１μｍ）。
【図５】画像表示装置に表示したＳＥＭ装置ＡおよびＢ
の像分解能における１ヶ月間の経時変化グラフ。
【図６】方位分解能を用いた非点画像の評価実施例を説
明する図。
【図７】検査装置評価システムの一例を示した図。
【図８】局所像分解能の模式図。
【図９】像分解能の算出フローチャート。
【符号の説明】
１…荷電粒子源、２…荷電粒子線、３…レンズ、４…試
料、５…二次粒子、６…二次粒子検出系、７…制御系、
８…Ｘ−Ｙ−Ｚステージ、９…画像表示装置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 貢 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株 式会社日立ハイテクノロジーズ設計・製造 統括本部那珂事業所内 (72)発明者 戸所 秀男 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株 式会社日立ハイテクノロジーズ設計・製造 統括本部那珂事業所内 (72)発明者 大高 正 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株 式会社日立ハイテクノロジーズ設計・製造 統括本部那珂事業所内 (72)発明者 飯泉 孝 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株 式会社日立ハイテクノロジーズ設計・製造 統括本部那珂事業所内 (72)発明者 ▲高▼根 淳 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株 式会社日立ハイテクノロジーズ設計・製造 統括本部那珂事業所内 Ｆターム(参考） 5C030 AA04 5C033 UU04 UU05

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】画像の像分解能を評価する方法であって、
    前記画像の部分領域の分解能を、前記画像全体或いは前
    記画像の一部領域に亘って求め、前記画像全体或いは前
    記一部領域に亘って平均化し、前記画像全体、或いは一
    部領域の分解能評価値とすることを特徴とする像評価方
    法。
  2. 【請求項２】請求項１において、 前記部分領域ごとの濃度勾配から前記局所分解能を求
    め、前記画像全体、或いは一部領域に亘って重み付き平
    均化することを特徴とする像評価方法。
  3. 【請求項３】請求項２において、 前記画像の濃度をｚ、該画面内の任意の部分領域の位置
    を（ｘ，ｙ）として、前記部分領域ごとに多次、或いは
    一次関数ｚ＝ｆ(ｘ，ｙ)の曲面、或いは平面を当ては
    め、前記関数の微分値から前記濃度勾配を求めることを
    特徴とする像評価方法。
  4. 【請求項４】画像の像分解能を評価する方法であって、
    画像の或る部分の勾配を求め、当該部分を認識するのに
    必要な距離を前記勾配から計算し、当該計算を前記画像
    全体、或いは画像の一部領域に亘って行い、当該計算に
    よって得られた値を前記画像全体、或いは一部領域に亘
    って平均化した結果を分解能評価値とすることを特徴と
    する像評価方法。
  5. 【請求項５】画像評価を行う方法であって、画像の像分
    解能と画像ノイズ評価値を算出し、算出された画像の像
    分解能と画像ノイズ評価値に基づいて、画像評価パラメ
    ータを算出し、当該画像評価パラメータを用いて前記画
    像を評価することを特徴とする像評価方法。
  6. 【請求項６】請求項５において、 前記画像評価パラメータは、画像上の構造パターンの１
    画素当たりに持ち得る最大情報量であることを特徴とす
    る像評価方法。
  7. 【請求項７】複数の検査装置にネットワークを解して接
    続され、これら検査装置で得られた画像の評価を行う検
    査装置評価システムであって、 前記複数の検査装置で得られた画像を評価し、その評価
    値が、前記複数の検査装置の画像の評価値が含まれてい
    た所定の許容範囲、或いは設定値を外れた場合に、その
    旨を表示、或いは前記許容範囲或いは設定値を外れた検
    査装置の検査条件を調整する命令を出すことを特徴とす
    る検査装置評価システム。
  8. 【請求項８】荷電粒子源と、当該荷電粒子源から放出さ
    れる荷電粒子線を試料に照射することによって放出され
    る二次粒子を検出する検出器と、当該検出器の出力に基
    づいて画像を形成する制御プロセッサを備えた荷電粒子
    顕微鏡において、 前記制御プロセッサは、前記画像の部分領域の分解能
    を、前記画像全体或いは前記画像の一部領域に亘って求
    め、前記画像全体或いは前記一部領域に亘って平均化
    し、前記画像全体、或いは一部領域の分解能評価値を算
    出することを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
  9. 【請求項９】請求項８において、 前記制御プロセッサは、前記画像の部分領域の濃度勾配
    に基づいて、部分領域の分解能を算出することを特徴と
    する荷電粒子線顕微鏡。
  10. 【請求項１０】請求項８において、 前記制御プロセッサは、前記分解能評価値を定期的に算
    出し、当該算出された評価値を時間推移情報とともに表
    示、或いは記憶することを特徴とする荷電粒子線顕微
    鏡。
  11. 【請求項１１】請求項８において、 前記制御プロセッサは、前記分解能に併せて、前記画像
    の画像ノイズ，画像のＳＮ比、或いは前記分解能に基づ
    いて計算される画質評価パラメータの少なくとも１つを
    算出することを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
  12. 【請求項１２】請求項１１において、 前記制御プロセッサは、前記分解能評価値，画像ノイ
    ズ，画像のＳＮ比、或いは画質評価パラメータの少なく
    とも１つにしきい値を設定する機能を備え、当該しきい
    値を前記分解能，画像ノイズ，画像のＳＮ比、或いは画
    質評価パラメータが超えたときに、その旨を表示装置に
    表示、或いは記憶することを特徴とする荷電粒子線顕微
    鏡。
  13. 【請求項１３】請求項１１において、 前記制御プロセッサは、前記分解能評価値，画像ノイ
    ズ，画像のＳＮ比、或いは画質評価パラメータの少なく
    とも１つを定期的に評価し、その評価値を時間推移情報
    と共に表示、或いは記憶することを特徴とする荷電粒子
    線顕微鏡。
  14. 【請求項１４】請求項８において、 前記制御プロセッサは、表示装置に倍率精度、或いは倍
    率誤差を表示させることを特徴とする荷電粒子線顕微
    鏡。
  15. 【請求項１５】請求項８において、 前記分解能評価値の単位が長さであることを特徴とする
    荷電粒子線顕微鏡。
  16. 【請求項１６】請求項８において、 前記制御プロセッサは、前記部分領域ごとの濃度勾配か
    ら前記局所分解能を求め、前記画像全体、或いは一部領
    域に亘って重み付き平均化することを特徴とする荷電粒
    子線顕微鏡。
  17. 【請求項１７】請求項１６において、 前記制御プロセッサは、前記画像の濃度をｚ、該画面内
    の任意の部分領域の位置を(ｘ，ｙ)として、前記部分領
    域ごとに多次、或いは一次関数ｚ＝ｆ(ｘ，ｙ)の曲面、
    或いは平面を当てはめ、前記関数の微分値から前記濃度
    勾配を求めることを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
  18. 【請求項１８】画像の濃度をｚ、該画像の任意の部分領
    域の位置を（ｘ，ｙ）として、前記部分領域ごとに多
    次、或いは一次関数ｚ＝ｆ(ｘ，ｙ)で表される曲面、或
    いは平面を近似的に当てはめることを特徴とする画像処
    理方法。
  19. 【請求項１９】荷電粒子源と、当該荷電粒子源から放出
    される荷電粒子線を試料に照射することによって放出さ
    れる二次粒子を検出する検出器と、当該検出器の出力に
    基づいて画像を形成する制御プロセッサを備えた荷電粒
    子顕微鏡において、 前記制御プロセッサは、前記画像の部分領域に曲面、或
    いは平面を近似的に当てはめ、当該処理を画像全体、或
    いは一部領域に亘って行い、この結果を合成して画像を
    形成することを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
  20. 【請求項２０】荷電粒子源から放出される荷電粒子線を
    試料に走査して、当該走査領域から放出された荷電粒子
    に基づいて画像を形成する画像形成方法において、 前記試料上の同等の寸法を有する複数のパターンに前記
    荷電粒子線を走査して、前記パターンの測長を行い、当
    該測長結果の平均値が、前記パターンの寸法に近くなる
    ように、前記荷電粒子線の走査範囲を変更することを特
    徴とする画像形成方法。
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