JP2008186727A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、荷電粒子線の走査に基づいて検出される信号を合成する際に、低ノイズ化と低ドーズ化の両立を実現するための合成信号形成方法、及び装置を提供することにある。
【解決手段】
上記目的を達成するために、荷電粒子線の複数回の走査に基づいて検出される信号を合成して、合成信号を形成する方法おいて、前記複数の走査によって得られる複数の信号間の乗算を行うと共に、当該乗算された信号について、前記走査の回数の逆数を指数とした演算を行うことを特徴とする。
【選択図】図１１

Description

本発明は、被観察試料へ荷電粒子線を当ててそこから得られる２次電子発生等の物理現象を利用して試料の形状または材質等を観察または測定する荷電粒子線装置に関し、特に複数回の走査によって得られる信号を合成して合成信号を形成する荷電粒子線装置に関する。

真空中にて、電子線を加速して試料へ当てると、試料表面より表面状態に応じて、２次電子（Secondary Electron：ＳＥ）、或いは後方散乱電子（Backscattered Electron：
ＢＳＥ）が試料より放出される。走査電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope：SEM)は、２次電子等の放出量等が、試料の形状等に強く依存して変化する現象を利用して、試料表面形状の撮像を行う。このとき、照射される電子線は、試料表面に焦点位置を一致させるように電子レンズを用いてフォーカスされる。

以上のような構成により、試料上の凹凸を鮮明な画像として捉えることが可能となる。このような走査電子顕微鏡では、２次電子の発生効率は非常に悪く、また白色ノイズ等、非常に不規則なノイズの影響を強く受けることがあり、撮像領域内を１回走査しただけでは、十分な信号量が得られず、ＳＮ比の非常に悪い像しか得られない場合がある。

特許文献１、及び特許文献２には、上述のようなノイズの影響を抑えるために、同じ撮像領域内を複数回に亘って走査し、走査の結果得られた信号を加算平均する技術が説明されている。加算平均を行うことによって、不規則に生じるノイズをある程度抑制することが可能となる。また、特許文献２には積算される画像の信号強度を適宜調整することで、ノイズ低減効果を制御する技術が説明されている。

なお、本明細書の説明では、走査１回毎に得られる撮像全領域分の像信号を１フレームと呼び、走査２回分の平均像信号を２フレーム像、走査４回分の平均像信号を４フレーム像のように称する場合がある。

特開平９−３３０６７９号公報 特開２０００−１８２５５６号公報

近年、半導体デバイス等の微細化に伴い、電子顕微鏡による微細パターンの測定，検査が重要になってきた。例えば、走査電子顕微鏡によるパターンの測長等では、得られる画像の像質と測長再現性を考慮して、３２フレームまたは１６フレームの像が用いられることがある。

先に述べたように、このフレーム枚数を小さくすると、不規則なノイズの影響を強く受けるようになり、像質を落とす原因となる。また、全く同じ箇所にある同一パターンを複数回に渡って撮像とパターン寸法測定を繰り返したときに得られる測長再現性も、やはり不規則なノイズの影響を受けて、悪化する。

一方で、半導体工程にて製造する半導体デバイスの微細化はますます進展している。このような状況下で、測定，検査等に用いられる走査電子顕微鏡には、試料への低ダメージ化のために、ますます電子線の低ドーズ化（所定領域に対するビームの低照射量化）が必要とされている。

以上のように、画像の像質や測長再現性等の観点からは、フレーム枚数が多い方が望ましいが、一方でフレーム枚数の増加は、電子線量の増加に比例するので、試料へのダメージが懸念される。例えば、１６フレーム程度まで加算枚数を低下させると、所定の像質を得ることが困難になる場合がある。

一方でフレーム枚数の増加は、試料表面での帯電量を増やすこととなる。特に、電子線照射によって表面帯電を発生し易い試料の撮像では、帯電起因の視野ドリフトや像歪みを生じ易くなる。また、１枚の画像を得るためにより多くのフレーム数に渡って像を取り込む必要があることから、画像取り込み時間がより長くなるという問題もある。

以上の様な理由により、複数枚の画像を加算平均する特許文献１のような手法では、画像の像質等の向上と、低ドーズ化の両立が困難であるという問題がある。また、特許文献２には、各フレームに対し、任意の係数を乗算することでノイズ低減効果をコントロールすることが説明されているが、試料の種類や装置条件に応じて変化する適正な係数を求めることは非常に困難であり、且つその条件を見出すために時間を要してしまうという問題がある。

本発明の目的は、荷電粒子線の走査に基づいて検出される信号を合成して、合成信号を形成する際に、低ノイズ化と低ドーズ化の両立を実現するための合成信号形成方法、及び装置を提供することにある。

本発明の一態様では、上記目的を達成するために、荷電粒子線の複数回の走査に基づいて検出される信号を合成して、合成信号を形成する方法、及び装置において、前記複数の走査によって得られる複数の信号間の乗算を行うと共に、当該乗算された信号について、当該乗算数の逆数を指数とした演算を行うことを特徴とする信号合成方法、及び装置を提供する。

以上のような本発明の一態様によれば、複数の走査において、安定して信号が検出される個所（例えばエッジ部分等）については、安定した合成信号を得ることができると共に、ノイズによって不規則に発生する信号については、上述の演算により効果的に減少させることができる。例えば、複数の走査を行った際に、安定して信号が得られる個所は、複数の走査ごとに同じレベルの信号が検出されるため、複数の信号間の乗算を行った上で、走査の回数の逆数を指数とした演算を行ったとしても、演算結果は元の結果と同じになる。例えば信号をＳとした場合、(Ｓⁿ)^1/n＝Ｓとなる（ｎは走査回数，フレーム数、或いは乗算数）。

その一方で、ノイズは不規則に発生するため、同じ個所であっても複数の走査回数ごとに同じノイズが発生することは稀である。例えば、ある特定の走査回数のときのみ、ノイズが発生した場合、上述の演算式を当てはめると、(Ｓｈ×Ｓⁿ)^1/nとなる（Ｓｈはノイズが発生したときの信号）。このような演算を行った場合、加算平均を行う場合と比較して、様々な状態でノイズを減らせることが確認できた。

このような本発明の一態様によれば、不規則に発生するノイズを効果的に減少させることができると共に、安定して信号が得られる個所についても、加算平均と同等の信号量を確保することが可能となる。

また、上記のような問題点を解決するために、本発明では各画素にて任意に選択された複数のフレームに含まれる像信号をフレームに渡って演算する演算手段を備え、その演算された結果を最大値が１、最小値が０となるような比例値に置き換える規格化手段を備え、その比例値を任意のフレームに含まれる像信号に当該画素毎に掛け合せる手段を備え、その掛け合せた結果を当該フレームの像信号として保持する手段を備え、全てのフレームについて前記掛け合せる手段によって求めた結果を最後に画素毎に積算する手段を備え、その積算された結果を像信号として表示または保存することで、１６フレーム以下の低いフレーム枚数の像にて十分なＳＮ比を持った像を得ること可能とする。

上記本発明の一態様によれば、合成信号を形成する際に、低ノイズ化と低ドーズ化の両立を実現するための合成信号形成方法、及び装置を提供することが可能となる。なお本発明の他の構成、及び具体的な実施態様は、発明を実施するための最良の形態の欄の中で明かにする。

以下に図面を用いて、本発明の具体的構成について例示する。

図１は走査電子顕微鏡の概略を説明する図である。なお、以下の説明では、荷電粒子線装置の一例である走査電子顕微鏡を例にとって説明するが、これに限られることはなく、画像等の二次信号を合成して合成信号を形成するイオンビーム装置等の他の荷電粒子線装置にも適用が可能である。

図１に図示する走査電子顕微鏡は、電子線源１と、当該電子線源１より放出された１次電子線２（電子ビームと称することもある）を収束する第一収束レンズ３および第二収束レンズ４と、前記１次電子線２を試料表面７上で走査するために偏向をかける偏向器５と、前記１次電子線２を試料表面７上で焦点を結ばせる対物レンズ６を備えている。

更に、１次電子線２が試料表面７上に衝突した後に発生する２次電子１６を検出する２次電子検出器１２と、前記第一収束レンズ３および第二収束レンズ４を駆動する第一収束レンズ電源８および第二収束レンズ電源９と、前記１次電子線２を試料表面７上で所定の方法で走査させるよう偏向信号を生成する偏向信号発生器１１と、その偏向信号を受けて前記偏向器５を駆動する偏向器駆動器１０と、前記２次電子検出器１２にて検出した２次電子信号を増幅する増幅器１３と、その増幅された２次電子信号から１フレーム毎に像を生成するフレーム画像構成装置１７と、前記１次電子線２を所定の位置で焦点を結ばせるよう前記対物レンズ６を駆動する対物レンズ電源１４と、以上の制御を行う制御器１５を備えている。

ここで、フレーム画像構成装置１７で生成されたフレーム画像Ｖ（ｘ，ｙ，frame ）は、いったんフレーム画像保存装置１８にフレーム毎に保存された後、演算部１９および画素掛算部２０へ送られる。演算部１９では、送られて来たフレーム画像毎にあらかじめ定められた演算式ｈ（ｘ，ｙ，frame ）に従って画素単位で演算結果を求めて、その結果を一時的に保存する。

一方、画素掛算部２０では、送られて来たフレーム画像Ｖ（ｘ，ｙ，frame ）と演算部１９で求められた当該演算結果ｈ（ｘ，ｙ，frame ）との積を画素単位で求め、さらに所望の積算枚数分だけフレーム画像Ｖ（ｘ，ｙ，frame）×ｈ（ｘ，ｙ，frame）を積算した後に積算枚数Ｎで割算を行う。その結果に係数Ｋ１を掛けて、そこへフレーム画像Ｖ（ｘ，ｙ，frame ）を加算平均した結果に係数Ｋ２を掛けたものを足し込んで、最終的に表示および測長を行うＳＥＭ画像を得る。なお、フレーム画像Ｖ（ｘ，ｙ，frame ）を得るところから、最終的なＳＥＭ画像を得るまでの流れは制御器１５から適時に出される表示命令１から４に従って行われる。

次に図２にて、偏向信号発生器１１および画像構成装置１７を含めて、最終的なＳＥＭ像を得るまでの詳細な動作を説明する。まず偏向信号発生器１１において、書込みクロック出力回路３１から出力されるクロックに従って、書込みアドレス生成回路３２にて試料７上で電子線を照射する位置を示すアドレスを出力する。そのアドレスを基にＤ／Ａ変換器３３から１次電子２を偏向させたい量に相当するアナログ信号を水平方向および垂直方向各々について発生させる。

そのアナログ信号に従って、偏向駆動器１０が偏向器５を駆動させる。一方のフレーム画像構成装置１７は以下のように動作する。すなわち、２次電子検出器１６にて検出した２次電子信号は増幅器１３にて増幅された後にＡ／Ｄ変換器３４にてディジタル信号へ変換される。

このディジタル信号は入力スイッチ３５にて指示される画像メモリ３６内にあるメモリ群へ記憶される。ここで選択されるメモリ群は書込アドレス生成回路（ＭＷ１）３２にて生成されているアドレスによって示されるラインと一対一の関係となっている。ここで、書込みアドレス生成回路（ＮＷ１）３２で生成している１次電子線の偏向位置を図５に示している偏向パターンＡに従って制御する。従って、画像メモリへ送られて来る１ライン毎の画像データは試料上の観察領域の中で垂直方向（ラインと垂直）に上から下へ順番に並んでいる。

入力スイッチ３５は、これらの画像データを画像メモリ内で垂直方向に上から下へ順番に並ぶように次々に格納して行く。なお、本発明の電子顕微鏡では、適用される偏向パターンは図５のものに限らない。その他の偏向パターンを使ったときでも、上記と全く同じ仕組みによって、得られる画像データは画像メモリ３６内に、そのときに適用された偏向パターンに従って並べられる。

このような手順を繰り返して試料７上の所定の領域に相当する画像を取り終えると、画像メモリ３６と実際には一体化されているフレーム画像保存装置１８にフレーム毎にいったん保存され、必要に応じて読出しを行われる。読出しアドレス生成回路(ＭＲ１)４７にて指示される画像メモリ３６内にあるメモリ群から出力スイッチ３７によって読出されたフレーム画像は、演算部１９および画素掛算部２０へ送られる。

演算部１９では、送られて来たフレーム画像毎にあらかじめ定められた演算式ｈ（ｘ，ｙ，frame ）に従って画素単位で演算結果を求めて、その結果を一時的に保存する。一方、画素掛算部２０では、送られて来たフレーム画像Ｖ（ｘ，ｙ，frame ）と演算部１９で求められた当該演算結果ｈ（ｘ，ｙ，frame ）との積を画素単位で求め、さらに所望の積算枚数分だけフレーム画像Ｖ（ｘ，ｙ，frame）×ｈ（ｘ，ｙ，frame）を積算した後に積算枚数Ｎで割算を行う。

その結果に係数Ｋ１を掛けて、そこへフレーム画像Ｖ（ｘ，ｙ，frame ）を加算平均した結果に係数Ｋ２を掛けたものを足し込んで、最終的に表示および測長を行うＳＥＭ画像を得る。ここで得られたＳＥＭ画像は、入力スイッチ３８にて、書込みアドレス生成回路（ＭＷ２）４８にて指示される画像メモリ４９内にあるメモリ群へ格納される。

なお、画素演算器２０での演算と結果の保存を円滑に行うために、読出しアドレス生成回路（ＭＲ１）４７と書込みアドレス生成回路（ＭＷ２）４８は演算クロック出力回路
３９によって同期して動作している。以上の手順によって最終的に得られたＳＥＭ画像は、以下の手順にて従って表示される。

すなわち、読出しクロック出力回路４０から出力されるクロックに従って、読出しアドレス生成回路（ＭＲ２）４１にて表示器４６上で描画する位置を示すアドレスを出力する。そのアドレスを基にＤ／Ａ変換器４２から表示器４６内で発生させる描画用電子線を偏向させたい量に相当するアナログ信号を水平方向および垂直方向各々について発生させる。そのアナログ信号に従って、偏向増幅器４３にて表示器４６内にある偏向器を駆動させる。

このとき、画像構成装置２１は以下のように動作する。すなわち、画像メモリ４９内にすでに画像データが蓄積されている状態で、出力スイッチ４４にて指示される画像メモリ４９内にあるメモリ群から１ライン分の画像データをディジタル信号として読出す。

ここで選択されるメモリ群は読出しアドレス生成回路（ＭＲ２）４１にて生成されているアドレスによって示されるラインと一対一の関係となっている。読出されたディジタル信号をＤ／Ａ変換器４５にてアナログ信号へ変換して、表示器４６内へ供給する。表示器４６内では、そのアナログ信号に従ってカソードから発生している描画用電子線の輝度を変化させるとともに、その描画用電子線を先に説明した表示器４６内にある偏向器にて偏向することによって像を表示させる。ここで、読出しアドレス生成回路（ＭＲ２）４１で生成している表示器４６上で描画する位置をやはり図５に示す偏向パターンＡに従って制御する。

従って、画像メモリから出力されて来る１ライン毎の画像データは試料上の観察領域の中で垂直方向（ラインと垂直）に上から下へ順番に並んでいる。出力スイッチ４４は、これらの画像データを同じく偏向パターンＡに従って順番に表示器４６へ送る。これらの過程を経て試料の走査型電子顕微鏡像を表示する。また、本図とは別に、画像メモリ４９に蓄積された画像データは制御器１５へ送られて、しかるべき画像処理を経て所定の目的を達成する。

なお、本発明の電子顕微鏡では、適用される偏向パターンは図５のものに限らないのは、書込みアドレス生成回路（ＮＷ１）３２にて生成している１次電子線の偏向位置の場合と同様である。

図３および図４に、図１と図２に示した実施例の他の例を示す。動作としては、ほぼ同様であるが、演算式ｈ（ｘ，ｙ，frame）はｇ（ｘ，ｙ，frame）に置き換えている。図６に、演算部１９で用いられる演算式ｇ（ｘ，ｙ，frame）（演算式ｈ（ｘ，ｙ，frame）でも同様）を生成する仕組みを示す。すなわち、フレーム画像Ｖ（ｘ，ｙ，frame ）は、入力制御器１または２によって演算器Ｃ＝Ａ×ＢまたはＣ＝Ａ＋Ｂへ順次選択入力される。

ここで、所定の回数ｎ１またはｎ２だけ演算を繰り返した後、演算器Ｃ＝Ａ×Ｂからの出力はｎ１分の１乗として、さらに信号の最大値Ｖｍａｘにて割る。一方、演算器Ｃ＝Ａ＋Ｂからの出力はｎ２分の１として、さらに信号の最大値Ｖｍａｘにて割る。これらの結果は一時的にStack（１）からStack（Ｍ）までに記憶されて、次段の演算に使われる。

次段の演算では、やはり演算器Ｃ＝Ａ×ＢまたはＣ＝Ａ＋Ｂへ順次選択入力される。ここで、所定の回数ｎ３またはｎ４だけ演算を繰り返した後、演算器Ｃ＝Ａ×Ｂからの出力はｎ３分の１乗とする。一方、演算器Ｃ＝Ａ＋Ｂからの出力はｎ４分の１とする。これらの結果は、演算しているフレーム画像と対になるｇ（ｘ，ｙ，frame ）へと一時的に格納される。以上のようにして合成信号が形成される。なお、本例では画像情報のような二次元的な信号を合成することについて説明するが、これに限られることはなく、ラインプロファイルのような一次元的な情報を合成するときに用いることも可能である。

このように求められる演算式の１例を演算式例１から６までに記す。

以下で本発明の効果を説明する。

図７に示すような内径φ，高さＨのホールにてＳＥＭ像を収得すると、理想的には図８に示すようにエッジ傾斜部で最大値を取る滑らかな曲線を描く信号を得られるはずである。しかし、実際の走査型電子顕微鏡の像はホワイトノイズの影響を強く受けており、１フレームの画像は図９に示すように信号部分とノイズ部の区別も難しい状態となる。

例えば、図１０に示すように本来の像信号最大値Ｈに対して、その０.７１倍(0.71Ｈ)の高さとなるノイズを位置Ａに持つフレーム画像Ｉ（同図（ａ）参照）と、同じく像信号最大値Ｈに対して０.７１倍（０.７１Ｈ）の高さとなるノイズを位置Ｂに持つフレーム画像II（同図（ｂ）参照）を得たとする。それらを、本発明の方法によって積算処理した時の結果を図１１（ａ）に、従来から行われている「積算して平均を取る」方法によって積算処理した時の結果を同図（ｂ）に示す。

これらを比較してみると分かるように、本発明の方法によって積算処理したときには、位置Ａのノイズの高さは像信号最大値Ｈの０.３７倍(０.３７Ｈ)、位置Ｂのノイズは同じくＨの０.１９倍（０.１９Ｈ）と小さくなる。しかし、従来から行われている「積算して平均を取る」方法では、位置Ａのノイズの高さは像信号最大値Ｈの０.５５倍(０.５５Ｈ)、位置Ｂのノイズは同じくＨの０.３７倍（０.３７Ｈ）となることが分かる。その一方で、本発明の方法による積算処理では、像信号最大値Ｈは処理の影響を全く受けない。

これらより、本発明の方法による積算処理を行えば、従来比でノイズを約半分に抑え込めることが分かる。また、それにともない、本発明の方法による積算処理によれば、像のノイズ度合いを測る尺度であるＳＮ比を従来比で約２倍とすることが可能となる。

走査電子顕微鏡の概略を説明する図。 偏向信号発生器と画像構成装置の詳細を説明する図。 走査電子顕微鏡の概略を説明する図。 偏向信号発生器と画像構成装置の詳細を説明する図。 走査偏向器の偏向パターンを説明する図。 演算部での演算のステップを説明する図。 ホールパターンのＳＥＭ像を説明する図。 ラインプロファイルの一例を説明する図。 本発明実施例の効果を説明する図。 本発明実施例の効果を説明する図。 本発明実施例の効果を説明する図。

符号の説明

１ 電子線源
２ １次電子線
３ 第一収束レンズ
４ 第二収束レンズ
５ 偏向器
６ 対物レンズ
７ 試料
８ 第一収束レンズ電源
９ 第二収束レンズ電源
１０ 偏向器駆動器
１１ 偏向信号発生器
１２ ２次電子検出器
１３，４３ 増幅器
１４ 対物レンズ電源
１５ 制御器
１６ ２次電子線
１７ フレーム画像構成装置
１８ フレーム画像保存装置
１９ 演算部
２０ 画素掛算部
２１ 画像構成装置
３１ 書込みクロック出力回路
３２ 書込みアドレス生成回路ＭＷ１
３３，４２，４５ Ｄ／Ａ変換器
３４ Ａ／Ｄ変換器
３５，３８ 入力スイッチ
３６ 画像メモリ
３７，４４ 出力スイッチ
３９ 演算クロック出力回路
４０ 読出しクロック出力回路
４１ 読出しアドレス生成回路ＭＲ１
４６ 表示器

Claims (15)

1. 荷電粒子線の複数回の走査に基づいて検出される信号を合成して、合成信号を形成する合成信号形成方法において、
   前記複数の走査によって得られる複数の信号間の乗算を行うと共に、当該乗算された信号について、当該乗算数の逆数で累乗した演算を行うことを特徴とする合成信号形成方法。
2. 請求項１において、
   前記乗算は、同じ位置の画素ごとに行われることを特徴とする合成信号形成方法。
3. 荷電粒子源と、
   当該荷電粒子源より放出される荷電粒子線を走査する走査偏向器と、当該走査偏向器の走査によって得られる信号をフレーム単位で合成する制御装置を備えた荷電粒子線装置において、
   前記制御装置は、前記走査偏向器による複数回の走査によって得られる複数の信号間の乗算を行うと共に、当該乗算された信号について、当該乗算数の逆数で累乗した演算を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項３において、
   前記乗算は、同じ位置の画素ごとに行われることを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 走査によって得られた画像間での演算を行う装置において、前記演算式の中に少なくとも１つの乗算を含むことを特徴とした装置。
6. 走査型電子顕微鏡において、
   各画素にて任意に選択された複数のフレームに含まれる像信号をフレームに渡って演算する演算手段を備え、その演算された結果を最大値が１、最小値が０となるような比例値に置き換える規格化手段を備え、その比例値を任意のフレームに含まれる像信号に当該画素毎に掛け合せる手段を備え、その掛け合せた結果を当該フレームの像信号として保持する手段を備え、全てのフレームについて前記掛け合せる手段によって求めた結果を最後に画素毎に積算する手段を備え、その積算された結果を像信号として表示または保存する手段を備えたことを特徴とする装置。
7. 走査型電子顕微鏡において、
   各画素にて任意に選択されたフレームに含まれる単数または複数の像信号を保持する手段を備え、その保持された結果を最大値が１、最小値が０となるような比例値に置き換える規格化手段を備え、その比例値を任意のフレームに含まれる像信号に当該画素毎に掛け合せる手段を備え、その掛け合せた結果を当該フレームの像信号として保持する手段を備え、全てのフレームについて前記掛け合せる手段によって求めた結果を最後に画素毎に積算する手段を備え、その積算された結果を像信号として表示または保存する手段を備えたことを特徴とする装置。
8. 請求項６において、
   前記演算手段に使われる複数のフレームと、その演算結果を掛け合せるフレームとの間に排他的な関係を持つことを特徴とする装置。
9. 請求項７において、
   その像信号が前記規格化される複数のフレームと、その規格化結果を掛け合せるフレームとの間に排他的な関係を持つことを特徴とする装置。
10. 請求項６および８のいずれかにおいて、
    前記演算手段に少なくとも１つ以上の掛け算を含むことを特徴とする装置。
11. 請求項１０において、
    Ｎ個の掛け算を含む前記演算手段の演算結果をＮ＋１分の１乗に再演算する手段を備えたことを特徴とする装置。
12. 請求項６および８のいずれかにおいて、
    前記演算手段に少なくとも１つ以上の足し算を含むことを特徴とする装置。
13. 請求項１２において、
    Ｎ個の足し算を含む前記演算手段の演算結果をＮ＋１分の１に再演算する手段を備えたことを特徴とする装置。
14. 請求項６および８のいずれかにおいて、
    前記演算手段に少なくとも１つ以上の引き算を含むことを特徴とする装置。
15. 請求項６および８のいずれかにおいて、
    前記演算手段に少なくとも１つ以上の割り算を含むことを特徴とする装置。

Images