JP2012053989A - 画像形成装置、及びコンピュータプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、荷電粒子ビームの走査領域内の歪みに関する情報の抽出を実現する画像形成装置、及びコンピュータプログラムの提供を目的とする。
【解決手段】上記目的を達成するための一態様として、荷電粒子線装置によって得られた画像データを積算する画像形成装置であって、荷電粒子線装置の走査方向が異なる複数の画像から、荷電粒子線のビーム照射時間に応じて変化する特徴量の変化量に関する第１の情報と、ビームの走査方向の変化前と変化後の特徴量の変化量に関する第２の情報、及び／又はビームの走査方向の変化前と変化後の前記画像上のパターンの位置ずれに関する第３の情報を算出する画像形成装置、及び上記処理を演算装置に実行させるコンピュータプログラムを提案する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、画像形成装置、及びコンピュータプログラムに係り、特に荷電粒子線を走査することによって得られる画像の評価を行うことが可能な画像形成装置、及びコンピュータプログラムに関する。

走査電子顕微鏡に代表される荷電粒子線装置では、試料に細く収束された荷電粒子線を走査し、試料から放出された信号に基づいて試料像を形成する。このような荷電粒子線装置では、年々高分解能化が進んでおり、必要とされる観察倍率が高くなっている。

一方、観察の高倍率化に伴い、以下のように試料像の信頼性が問題となってきている。試料に荷電粒子線を走査すると、試料の材質によってはそのエネルギーにより、試料が収縮したり（シュリンク）、装置および試料中の炭化水素系の残留ガスが解離して試料表面に炭素系の堆積物が付着したり（コンタミネーション）、観察像が観察前の試料の形状とは異なってしまう場合がある。

また、試料に荷電粒子線を走査すると、観察領域に帯電の偏りが発生して、試料像が実際の試料の形状とは異なってしまう場合がある。ここで、帯電の偏りは、以下の様々な要因に依存していることがわかっている。
ａ）一次電子線のエネルギー，電流密度，観察倍率及び試料の二次電子／後方散乱電子イールドに依存する変化。
ｂ）電子の移動や拡散，電子ホールの再結合による消滅等に依存する時間的変化。
ｃ）走査方法に依存する変化。

上記現象の結果として、試料を観察することによって、試料像が歪み、試料像の信頼性が著しく低下してしまう。従来から、試料像の歪みを低減する手法として、以下の方法が考えられる。

特許文献１には、電子線照射による試料のシュリンクやコンタミネーションを抑制するために、電子線の走査間隔を拡張し、走査領域のＸ方向の長さに比べて、Ｙ方向の長さを長くすることによって、走査領域を長方形とし、試料上の単位面積当たりの電子線照射量を低減する手法が説明されている。

特許文献２には、電子線照射による局所的な試料の帯電の影響によって試料像が歪むことを抑制するために、画面内垂直方向でラスター走査する順番を以前に走査した任意の２本の中間を常に走査する手法が説明されている。

特許文献３には、試料上の帯電特性の異なる領域を電子線で走査した場合、各領域で帯電電位が変わるために試料像が歪むことを抑制するために、試料上の各領域の帯電を計測し、電気特性を把握することで、帯電や除電手段の設定条件を最適化する手法が説明されている。

ＷＯ２００３／０２１１８６号公報（対応米国特許ＵＳＰ７，６５９，５０８） 特開２００７−５９３７０号公報（対応米国特許ＵＳＰ７，１８７，３４５） 特開２００９−１７０１５０号公報（対応米国特許公開公報ＵＳ２００９／０１７９１５１）

特許文献１，特許文献２，特許文献３に開示の各々の技術は、試料上のある特定の現象に対して効果がある。しかし、試料及び観察条件によっては、シュリンク，コンタミネーション，帯電と現象が同時に発生する場合があり、また、従来から知られている帯電とは、現象が異なる場合がある。

このような未知の要因、或いは複合的な要因によって、荷電粒子ビームの照射によって形成される画像内にて、ある部分的が他の部分に対して変動する現象が生じることが、発明者らの検討によって明らかになった。試料が歪んだように形成されていることも考えられるため、画像を見ただけでは、試料が歪んだように形成されているのか、画像が歪んでいるのか判断が困難であった。また、画像の歪みを目視で判断することは非常に困難である。

以下に、荷電粒子ビームの走査領域内の歪みに関する情報の抽出を目的とする画像形成装置、及びコンピュータプログラムについて説明する。

上記目的を達成するための一態様として、以下に荷電粒子線装置によって得られた画像データを積算することによって、積算画像を形成する演算装置を備えた画像形成装置であって、荷電粒子線装置の走査方向が異なる複数の画像から、荷電粒子線のビーム照射時間に応じて変化する特徴量の変化量に関する第１の情報と、ビームの走査方向の変化前と変化後の特徴量の変化量に関する第２の情報、及び／又はビームの走査方向の変化前と変化後の前記画像上のパターンの位置ずれに関する第３の情報を算出する演算装置を備えた画像形成装置、及び上記処理を演算装置に実行させるコンピュータプログラムを提案する。

複数の画像歪み要因ごとに、それら要因の程度を算出することによって、歪みの発生要因の特定、或いは歪みの発生を抑制し得る装置条件の検出を容易に実現することができる。

走査電子顕微鏡の構成を示す概略図。 フレーム積算の一例として、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ことを説明する図。 電子線走査による試料像の歪みを検出するフローチャートの一例。 特徴量を計測する方法の一例として、試料像からラインプロファイルを形成する方法を説明する図。 時間による特徴量の変化量を算出する方法の一例として、フレーム間の画像を用いる方法を説明する図。 時間による特徴量の変化量を算出する方法の一例として、インターレス方式のラスター走査を行っている場合に、偶数行で構成される画像と奇数行で構成される画像を用いる方法を説明する図。 走査方向，空間による特徴量変化を計測する際に、同一観察領域で複数枚の試料像を取得する場合の画像取得手順及び特徴量の変化量の算出方法を説明する図。 算出した特徴量の変化量と付帯情報を元に作成された現状分析シートを説明する図。 現象を特定する際に用いる、画像間の時間，走査方向，空間の変化による特徴量の変化傾向と各現象を関連付けた現象ライブラリを説明する図。 試料に荷電粒子線を走査すると、装置および試料中の炭化水素系の残留ガスが解離して試料表面に炭素系の堆積物が付着（コンタミネーション）する場合の、試料表面での物理現象を説明する図。 コンタミネーションが単独で発生した場合の特徴量変化の一例を説明する図。 コンタミネーションが単独で発生した場合の現象分析シートの一例を説明する図。 試料に荷電粒子線を走査すると、そのエネルギーによりＡｒＦレジストや有機系Ｌｏｗ−ｋ材などの試料が収縮（シュリンク）する場合の、試料表面での物理現象を説明する図。 シュリンクが単独で発生した場合の特徴量変化の一例を説明する図。 シュリンクが単独で発生した場合の現象分析シートの一例を説明する図。 試料に荷電粒子線をインターレス方式のラスター走査すると、偶数行の走査によって、観察領域が正に帯電する場合の、試料表面での物理現象を説明する図。 観察領域が正に帯電する場合の特徴量変化の一例を説明する図。 観察領域が正に帯電する場合の現象分析シートの一例を説明する図。 走査方向を反転させると、パターン寸法が変化する場合の特徴量変化の一例を説明する図。 空間（Ｘ方向）による特徴量の変化がある場合の、現象分析シートの一例を説明する図。 走査方向を反転させると、パターン寸法が変化する場合の特徴量変化の一例を説明する図。 走査方向（１８０度）による特徴量の変化がある場合の、現象分析シートの一例を説明する図。 走査方向を垂直にすると、パターン寸法が変化する場合の特徴量変化の一例を説明する図。 走査方向（９０度）による特徴量の変化がある場合の、現象分析シートの一例を説明する図。 走査電子顕微鏡を制御するコンピュータに内蔵された演算装置の概要を説明する図。

以下の説明では、主に荷電粒子線の走査方向（走査線の向き）が異なる３条件以上で試料像を取得し、時間，走査方向，空間の変化における、試料像の特徴量の変化から試料像の歪みを検出し、それら特徴量の変化と現象が関連付けられたライブラリから現象の変化要因を特定する装置、及び上記のような処理を演算装置に実行させるためのコンピュータプログラム、或いは当該プログラムを記憶した記憶媒体について説明する。

上述のような演算装置による処理によれば、荷電粒子線による試料像の歪みに関する情報の検出が可能となる。歪みの情報が把握できるようになれば、装置条件の調整や測定，検査の信頼性の判断を行うことが可能となる。また、複雑な現象が発生した場合にも、ライブラリを用いて現象の要因を把握でき、作業効率が向上する。

なお、以下の説明では、荷電粒子線装置の一態様として、走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）を例にとって説明するが、これに限られることはなく、例えば、液体金属イオン源や気体イオン源から放出されるイオンビームを試料に照射する集束イオンビーム（Focused Ion Beam）装置を画像形成装置として適用することも可能である。

図１は、走査電子顕微鏡の構成を示す概略図である。陰極１０１と第一陽極１０２の間には、コンピュータ１３０で制御される高圧制御電源１２０により電圧が印加され、所定のエミッション電流で一次電子線１０４が陰極１０１から引き出される。陰極１０１と第二陽極１０３の間には、コンピュータ１３０で制御される高圧制御電源１２０により加速電圧が印加され、陰極１０１から放出された一次電子線１０４が加速されて後段のレンズ系に進行する。

一次電子線１０４（電子ビーム）は、レンズ制御電源１２１で制御された第一集束レンズ１０５で収束され、絞り板１０８で一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１２２で制御された第二集束レンズ１０６、および対物レンズ制御電源１２３で制御された対物レンズ１０７により試料１１０に微小スポットとして収束される。対物レンズ１０７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、試料に負の電圧を印加して一次電子線を減速させるリターディング方式も可能である。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。

一次電子線１０４は、走査コイル１０９により試料１１０上を二次元的（Ｘ−Ｙ方向）に走査される。走査コイル１０９は、走査コイル制御電源１２４によって電流が供給される一次電子線の照射により試料１１０から発生した二次電子等の二次信号１１２は、対物レンズ１０７の上部に進行した後、二次信号分離用の直交電磁界発生装置１１１により、一次電子と分離されて二次信号検出器１１３に検出される。二次信号検出器１１３で検出された信号は、信号増幅器１１４で増幅された後、画像メモリ１３１に転送されて像表示装置１３２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。

なお、画像メモリ１３１のメモリ位置に対応したアドレス信号が、コンピュータ１３０内で生成され、アナログ変換された後に走査コイル制御電源１２４を経由して、走査コイル１０９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１３１が５１２×５１２画素の場合、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。

画像メモリ１３１のアドレスと一次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１３１には走査コイル１０９による一次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１３１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（図示せず）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、像表示装置１３２の輝度変調信号となる。

画像メモリ１３１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。図２に示すように、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１０４のブランキングを実行し、画像メモリ１３１への情報入力を中断するようにしても良い。

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１３１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。走査コイル１０９と同じ位置に２段の偏向コイル１１５（イメージシフト偏向器）が配置されており、試料１１０上における一次電子線１０４の位置（観察視野）を二次元的に制御できる。偏向コイル１１５は、偏向コイル制御電源１２５によって制御される。

試料ステージ１１６は、試料を少なくとも一次電子線と垂直な面内の２方向（Ｘ方向，Ｙ方向）に試料１１０を移動することができる。また、図１に例示するＳＥＭ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。本実施例装置は更に外部装置等に画像データを転送するためのインターフェース１３４や所定の記憶媒体に画像データを記憶させるための記録装置１３３を備えることも可能である。

入力装置１３５からは、光学条件（電子線の収束条件，電子線の走査電流），走査条件（倍率，走査方法，走査速度），画像の取り込み条件（画素数，画像積算枚数）やパターン寸法の計測条件などの指定、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、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（光学条件，走査条件，画像の取込み条件）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、パターンの寸法測定や観察を行う機能を備えている。

なお、図１の説明は制御装置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１１３で検出される検出信号を制御プロセッサに伝達し、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。

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。

図２５は、コンピュータ１３０の概要を説明する図である。コンピュータ１３０内には、演算装置２５０１と記憶部２５０２が内蔵されている。演算装置２５０１は、記憶部２５０２に記憶されて条件に従って、後述するような処理を実行する。なお、走査電子顕微鏡によって得られた画像データや形成された画像、或いは測定結果等は記憶部２５０２に記憶させても良いし、図示しない外部の記憶媒体に通信回線等を介して伝送することで、記憶させるようにしても良い。

画像形成部は、走査電子顕微鏡によって得られた画像データを積算して画像を形成する。その際、記憶部には、画像を形成した際のフレーム数や走査方向等、必要な情報が合わせて記憶される。測定部では、形成された画像や、輝度分布情報等に基づいて、パターンの測定を実施する。パターンの測定は、ラインプロファイルと呼ばれる波形データを形成し、当該波形データのピーク間の距離情報等を利用して測定を行う。特徴量演算部では、後述するような演算式に基づいて、走査電子顕微鏡にて得られたデータに関する演算を実行する。また、分析シート作成部では、特徴量演算部にて得られた演算情報や、後述するレシピ作成部に登録されている画像形成情報に基づいて、後述するような分析シートを作成する処理を実行する。また、ライブラリ作成部では、分析シート作成部にて作成された分析シート情報や、外部からの入力情報に基づいて、分析シートとの情報の突合せを行うためのライブラリを作成する。レシピ作成部は、入力された情報に基づいて、電子顕微鏡の装置条件（倍率（視野サイズ），走査方向，加速電圧，プローブ電流，ビームの走査位置等）を動作プログラムとして設定し、記憶媒体に記憶する。レシピ実行部は、記憶媒体に登録されているレシピに基づいて、走査電子顕微鏡を動作させる。また、図３に例示するような処理工程に沿って、画像診断を行う処理を実行する。警報発生部は、測定部によって得られた測定結果や、特徴量演算部の演算結果が所定の閾値を超えたときに、或いは特徴量とライブラリとの突き合わせによって、所定の情報が得られた場合に、警報を発生する。

図３は、試料像の歪みを判定する工程を説明するフローチャートである。

まず、試料像を取得する工程Ｓ１１において、電子線の走査方向が異なる３条件以上で試料像を取得する。例えば、走査方向は、観察条件を基準として、反対方向及び垂直方向である。二次元走査の場合、走査方向を反対にすると画像は１８０度回転し、垂直方向にすると画像は９０度回転する。試料像を取得する領域は、同一箇所で行う。但し、繰返しパターンであり、同一のパターンと見なせる場合は、異なった箇所で、試料像を取得することが可能である。

また、取得した試料像は、最終的な積算画像だけでなく、未積算画像、或いは一部を積算した画像で保存される。各画像には、観察条件が付帯情報として関連付けられる。

試料像の特徴量を計測する工程Ｓ１２において、試料像の全体、或いは一部の評価領域の画像情報から特徴量を計算する。図４に示すように、保存した画像のラインプロファイルから特徴量を計測することができる。ラインプロファイルは、評価領域で評価方向に取得され、そのときの特徴量は、パターン寸法やパターン間のピッチ寸法などがある。また、特徴量の計測は、保存した画像だけでなく、保存した画像の一部で構成された画像でも可能である。

試料像の歪みを算出する工程Ｓ１３において、試料像の歪みは、画像間の時間による特徴量変化と走査方向，空間による特徴量の変化量から算出する。特徴量には、そのときの変化因子が付帯情報として関連付けられる。時間による特徴量変化は、画像間の特徴量の変化量から算出される。また、走査の累計時間が付帯情報として、関連付けられる。例えば、フレーム画像間から、特徴量を算出する場合は、図５に示すように、ｋ枚目（但し、ｋは正の整数）のフレーム画像の特徴量をＬ_kFrameとすると、ｋ枚目のフレーム画像の特徴量の変化量は（１）式で算出される。
特徴量の変化量＝（Ｌ_kFrame）−（Ｌ_1Frame） …（１）
付帯情報：時間の変化量＝（１Ｆｒａｍｅの走査時間）×ｋ

更にインターレス方式のラスター走査を行っている場合、図６に示すように、１枚目のフレーム画像を偶数行で構成された画像と奇数行で構成された画像に分割することで１フレーム内の特徴量の変化量を算出することができる。ここで、偶数行で構成された画像の特徴量をＬ_Even、奇数行で構成された画像の特徴量をＬ_Oddとすると、偶数行の走査と奇数行の走査間での特徴量の変化は、（２）式で算出される。また、付帯情報として半フレームの走査時間が算出される。
特徴量の変化量＝（Ｌ_Odd）−（Ｌ_Even） …（２）
付帯情報：時間の変化量＝（１Ｆｒａｍｅの走査時間）÷２

走査方向，空間による特徴量変化は、走査方向が異なる３条件以上の条件で取得された画像間の特徴量の変化量から算出される。

式（１），（２）は、フレーム数の増加に伴って変化する特徴量の変化量を算出する演算式である。フレーム数は、ビームの照射時間に応じて（比例して）変化するものであるため、式（１），（２）はビーム照射時間に応じて変化する特徴量の変化量に関する情報である。

また、走査方向の変化量及びパターンの位置ずれベクトルが付帯情報として、関連付けられる。例えば、同一観察領域で複数枚の試料像を取得する場合は、図７に示すように、１）初期の観察条件（走査方向：θ度、特徴量Ｌ_1stを求めるための画像）、２）走査方向が反対の条件（走査方向：θ＋α度（本例の場合はθ＋１８０度）、特徴量Ｌ_2ndを求めるための画像）、３）走査方向が反対の条件（走査方向：θ＋α度、特徴量Ｌ_3rdを求めるための画像であって、２）の画像より所定フレーム数、或いは所定時間ビーム照射量が多い画像）、４）初期の観察条件（走査方向：θ度、特徴量Ｌ_4thを求めるための画像）、５）走査方向が垂直の条件（走査方向：θ＋β度（本例の場合はθ＋９０度）、特徴量Ｌ_5thを求めるための画像）、６）走査方向が垂直の条件（走査方向：θ＋β度、特徴量Ｌ_6thを求めるための画像であって、５）の画像より所定フレーム数、或いは所定時間ビーム照射量が多い画像）、及び７）初期の観察条件（走査方向：θ度、特徴量Ｌ_7thを求めるための画像）の順番で画像の取得を行う。そのときの特徴量Ｌ_1st，Ｌ_2nd，Ｌ_3rd，Ｌ_4th，Ｌ_5th，Ｌ_6th，Ｌ_7thに基づいて、走査方向，空間による特徴量の変化量及び付帯情報を、（３）式，（４）式で算出する。
特徴量の変化量＝（Ｌ_2nd＋Ｌ_3rd−Ｌ_1st−Ｌ_4th）÷２ …（３）
付帯情報：走査方向の変化量＝１８０度、位置ずれベクトル＝（Ｘ１８０度，Ｙ１８０度）
特徴量の変化量＝（Ｌ_5th＋Ｌ_6th−Ｌ_4th−Ｌ_7th）÷２ …（４）
付帯情報：走査方向の変化量＝９０度、位置ずれベクトル＝（Ｘ９０度，Ｙ９０度）

このような順番で画像を取得した場合、電子線を走査する前のパターンの特徴量をＬ、ｋ回目の電子線を走査したことによる実際のパターンの特徴量の変化量、すなわち、帯電による試料像の歪みを除いたパターンの特徴量の変化量をＥｋ、その時の帯電によるパターンの特徴量の変化量をＤ走査方向とすると、例えばＬ_1st〜Ｌ_4thは、
Ｌ_1st＝Ｌ＋Ｅ_k1st＋Ｄ_0度 …（５）
Ｌ_2nd＝Ｌ＋Ｅ_k1st＋Ｅ_k2nd＋Ｄ_180度 …（６）
Ｌ_3rd＝Ｌ＋Ｅ_k1st＋Ｅ_k2nd＋Ｅ_k3rd＋Ｄ_180度 …（７）
Ｌ_4th＝Ｌ＋Ｅ_k1st＋Ｅ_k2nd＋Ｅ_k3rd＋Ｅ_k4th＋Ｄ_0度 …（８）
Ｌ：パターン寸法の真値
となり、
（３）式，（４）式は、各々（９）式，（１０）式のようになる。
特徴量の変化量＝（Ｄ_180度−Ｄ_0度）＋（Ｅ_2nd−Ｅ_4th）÷２ …（９）
付帯情報：走査方向の変化量＝１８０度、位置ずれベクトル＝（Ｘ１８０度，Ｙ１８０度）
特徴量の変化量＝（Ｄ_90度−Ｄ_0度）＋（Ｅ_5th−Ｅ_7th）÷２ …（１０）
付帯情報：走査方向の変化量＝１８０度、位置ずれベクトル＝（Ｘ１８０度，Ｙ１８０度）

よって、（Ｅ_2nd−Ｅ_4th），（Ｅ_5th−Ｅ_7th）が特徴量の変化の許容値に対して十分小さいと考えられる場合は、本画像取得手順が有効である。

一方、試料像の歪みの検出には、評価領域の画像間の正規化相関値を用いることも可能である。その場合も、上記と同様に、試料像の歪みは、画像間の時間による特徴量変化と走査方向，空間による特徴量の変化量から算出する。

式（３），（４）は、ビームの走査方向の変化前と変化後の特徴量の変化量に関する値を算出する演算式である。即ち、走査線の方向、或いは視野内の対象パターンの位置に応じた特徴量の変化を示す指標値である。

試料像の歪みを判定する工程Ｓ１４において、上記で算出された特徴量の変化量が、予め設定された許容値を満たしているかを判定する。試料像の歪みが許容値を満たしていない場合は、ライブラリから現象の要因を特定する工程Ｓ１５において、上記で算出した特徴量の変化量と付帯情報から、図８に示すような現象分析シートを作成する。但し、特徴量の変化が許容値を外れた項目のみで十分である。ここで、Ｎo.の列は、評価領域毎に番号が付けられる。特徴量の種類には、評価対象として、測長値（ライン），測長値（スペース），測長値（非対称パターン），測長値（パターン間）などが付けられる。時間の列は、（１）式，（２）式で算出される特徴量の符号が付けられる。走査方向の列は、１８０度に（３）式で算出される特徴量の符号が付けられ、９０度に（４）式で算出される特徴量の符号が付けられる。空間の列は、Ｘ方向に、（３）式の特徴量と位置ずれベクトルのＸ成分を乗じたときの符号、もしくは、（４）式の特徴量と位置ずれベクトルのＸ成分を乗じたときの符号が付けられ、Ｙ方向に、（３）式の特徴量と位置ずれベクトルのＹ成分を乗じたときの符号、もしくは、（４）式の特徴量と位置ずれベクトルのＹ成分を乗じたときの符号が付けられる。ここで、時間の列，走査方向の列，空間の列は特徴量の種類が同じグループ内で整合が確認され、不整合な場合はその列のデータは無効となる。このようにして作成された現象分析シートは、特徴量の変化要因の把握を効率化する。

上述のように、特徴量の変動要因と、特徴量の種類や評価方向等の画像データ取得条件とを関連付けて記憶媒体に記憶させると共に、像表示装置１３２等に表示させることによって、電子顕微鏡の操作者は、特徴量の変動要因の特定を容易に実現することが可能となる。

次に、図９に示すような画像間の時間，走査方向，空間の変化による特徴量の変化傾向と各現象を関連付けた現象ライブラリから、現象分析シートの要因と一致するものを見つけ、現象を特定する。特徴量の種類および要因に関しては、現象分析シートと同じである。現象の列は、現象に対して適当な名前が付けられる。対策条件の列は、その現象に対して効果のある１つ或いは複数の対策方法が設定しておくこともできる。

以上のように、変動要因の組み合わせ単位で、測定結果（現象分析シート）とライブラリ（現象ライブラリ）との比較を行うことによって、歪みの要因特定を行うことができる。

試料像の歪みを警告する工程Ｓ１６において、試料像に歪みがあることを、画面に表示して警告する。更に、上記で算出した特徴量の変化量及び付帯情報を画面表示してもよい。また、現象分析シート及び現象ライブラリに記載した対策方法を画面に表示しても良い。現象分析シートの結果をライブラリに登録することもできる。

以下、この実施例で得られる結果の一例を具体的な現象を用いて説明する。図１０に示すように、試料に荷電粒子線を走査すると、装置および試料中の炭化水素系の残留ガスが解離して試料表面に炭素系の堆積物が付着（コンタミネーション）する場合がある。本対策には、観察条件で電子線の照射密度を低減することが有効であり、フレーム積算数の減少や、特許文献１で説明されている手法が用いられる。図１１に、コンタミネーションが単独で発生した場合の結果を示す。時間による特徴量変化が見られ、ライン寸法は走査時間とともに増加している。図１２に現象分析シートを作成した結果を示す。特徴量の種類はライン測長値であり、評価方向は走査方向，時間による特徴量変化は増加なので、正となる。

更に、各パターンにて発生するコンタミネーション（寸法増加）に差が存在する場合、何等かの原因で、画像内に歪みが発生している可能性がある。例えば、帯電等の影響により、単位面積当たりのビーム照射量に偏りが生じている場合が考えられる。即ち、同じ材質のパターンに対し同じビームを照射すれば、同じ推移をもって寸法幅が変動する筈であるが、何等かの事情により、ＦＯＶ（Field Of View：視野）内にて照射条件に偏りが生じる場合、時間経過に伴う寸法変化に差が生じる場合がある。本実施例のように、ＦＯＶ（Field Of View：視野）内にて、異なる位置に配置されたパターンの時間的な特徴量の推移をモニタすることによって、そのような状態を把握することが可能となる。電子顕微鏡の操作者は、そのモニタ結果を参照することによって、電子顕微鏡の光学条件が適正であるか否か等の判断を行うことが可能となる。

例えば、３つのパターンの寸法値の１つ、或いは２つのみが所定値を超えるような場合、あるパターンの寸法値の変化率と、他のパターンの寸法値の変化率に所定値以上の乖離が生じた場合等、警報を発生することによって、操作者にそのときに装置条件が適切ではないことを知らしめることができる。

図１３に示すように、試料に荷電粒子線を走査すると、そのエネルギーによりＡｒＦレジストや有機系Ｌｏｗ−ｋ材などは、試料が収縮（シュリンク）する場合がある。本対策には、観察条件で電子線の照射密度を低減することが有効であり、フレーム積算数の減少、特許文献１で説明されている手法が用いられる。図１４に、シュリンクが単独で発生した場合の結果を示す。時間による特徴量変化が見られ、ライン寸法は走査時間とともに減少している。図１５に現象分析シートを作成した結果を示す。特徴量の種類はライン測長値であり、評価方向は走査方向，時間による特徴量変化は減少なので、負となる。

図１６に示すように、試料に荷電粒子線をインターレス方式のラスター走査を行うと、偶数行の走査によって、観察領域が正に帯電する。その後、奇数行を走査する際、正帯電による電位勾配が発生し、一次電子の軌道が曲げられ、走査領域が狭くなるため、実際の観察倍率が設定倍率より大きくなってしまう。本対策には、帯電の緩和や除電が有効であり、特許文献２，特許文献３で説明されている手法が用いられる。図１７に、観察領域が均一で安定的に正に帯電した場合の結果を示す。時間による特徴量変化が見られ、ピッチ寸法はフレーム１枚目の偶数行から奇数行走査の間に増加している。その後、観察領域の帯電状態は安定するため、フレーム間では時間による特徴量変化は見られない。図１８に現象分析シートを作成した結果を示す。特徴量の種類はピッチ測長値であり、評価方向は走査方向，時間による特徴量変化は増加なので、正となる。

帯電特性の異なる領域を電子線で走査した場合、各領域で帯電電位が変わり、試料像の歪みもパターンによって複雑になる。しかし、このような複雑な現象が発生した場合にも、本実施例にて提案する方法を用いれば、試料像の歪みを検出し、どのような要因による変化であるかを把握することが容易になる。

図１９に示すように、３本の走査方向に垂直なラインパターンがあり、走査方向を反転させると、パターン寸法が変化する場合がある。各ラインパターンによって、特徴量の変化が異なっている。図２０に現象分析シートを作成した結果を示す。特徴量の種類はライン測長値であり、評価方向は走査方向である。走査方向（１８０度）に関しては、パターンによって特徴量の変化の符号が異なっているため、不整合となる。空間（Ｘ方向）に関しては、パターン１は画面中心に位置しているためにゼロ、パターン２はＸ方向の位置ずれが正、且つ、ライン寸法も増加しているために正となる。パターン３はＸ方向の位置ずれが負、且つ、ライン寸法も減少しているために正となる。よって、本試料像には、空間による歪みがあることがわかる。

図２１に示すように、複数の領域からなるパターンがあり、走査方向を反転させると、パターン寸法が変化する場合がある。図２２に現象分析シートを作成した結果を示す。特徴量の種類は、評価パターンの左側エッジが領域Ｄから領域Ａ、右側のエッジが領域Ａから領域Ｂと左右エッジが非対称となり、評価方向は走査方向となる。走査方向（１８０度）に関しては、パターン１，２ともに特徴量の変化が正であるために正となる。空間方向（Ｘ方向）に関しては、パターン１はＸ方向の位置ずれが正、且つ、パターン寸法も増加しているために正となり、パターン２はＸ方向の位置ずれが負、且つ、パターン寸法は増加しているために負となり、パターンによって異なることから、不整合となる。よって、本試料像には、走査方向（１８０度）による歪みがあることがわかる。

図２３に示すように、ホールパターンがあり、走査方向を垂直方向にすると、ホール形状が歪むことがある。図２４に現象分析シートを作成した結果を示す。特徴量の種類は、ホールの測長値、評価方向は走査方向となる。走査方向（９０度）に関しては、パターン１，２ともに特徴量の変化が正であるために正となる。空間方向（Ｘ方向）に関しては、パターン１はＸ方向の位置ずれが正、且つ、パターン寸法も増加しているために正となり、パターン２はＸ方向の位置ずれが負、且つ、パターン寸法は増加しているために負となり、パターンによって異なることから、不整合となる。よって、本試料像には、走査方向（９０度）による歪みがあることがわかる。

上述のように、現象分析シート、或いはデータベースを参照することにより、歪みの状態を評価することによって、複雑な歪みの状況を把握することが可能になるが、以下に、比較的、単純な歪みが発生している場合に、特に有効な歪み評価法について説明する。

本実施例では、２つの走査線方向にてビームを走査することによって得られる画像信号に基づいて、歪み要因を特定する手法について説明する。図７の例では、３方向（θ，θ＋１８０度，θ＋９０度）に走査線方向を設定し、特徴量Ｌ_1st〜Ｌ_7thを求める例について説明したが、本例では、Ｌ_1st〜Ｌ_3rdに基づいて、画像の歪み評価を行う例について説明する。仮に、帯電等の影響によって、パターン幅が直線的に増加するようなビーム条件、及び試料条件の場合、Ｌ_1st〜Ｌ_3rdは、
Ｌ_1st＝Ｌ＋Ｅ_k＋Ｄ_0度 …（１１）
Ｌ_2nd＝Ｌ＋２Ｅ_k＋Ｄ_180度 …（１２）
Ｌ_3rd＝Ｌ＋３Ｅ_k＋Ｄ_180度 …（１３）
のように表すことができる。

以上の式から、Ｄ_180度−Ｄ_0度、及びｎ・Ｅ_kを解くことによって、面内の歪みの発生状況と、走査方向（走査領域内の測定対象の位置）、或いはビームの照射時間の歪みへの影響度を把握することが可能となる。例えばＤ_180度−Ｄ_0度が大きい場合には、走査方向に依存する歪みが大きいことが判る。また、ｎ・Ｅ_kの方が大きい場合には、ビーム照射による時間的な要因に基づいて、歪みが発生していくことが判る。よって、単に影響度の大小のみを知りたい場合には、その情報を表示装置等に表示すると良い。また、所定の閾値を超えた場合に、警報を発生するようにしても良い。

１０１ 陰極
１０２ 第一陽極
１０３ 第二陽極
１０４ 一次電子線
１０５ 第一集束レンズ
１０６ 第二集束レンズ
１０７ 対物レンズ
１０８ 絞り板
１０９ 走査コイル
１１０ 試料
１１１ 二次信号分離用直交電磁界（Ｅ×Ｂ）発生器
１１２ 二次信号
１１３ 二次信号検出器
１１４ 信号増幅器
１１５ 偏向コイル
１１６ 試料ステージ
１２０ 高圧制御電源
１２１，１２２ レンズ制御電源
１２３ 対物レンズ制御電源
１２４ 走査コイル制御電源
１２５ 偏向コイル制御電源
１３０ コンピュータ
１３１ 画像メモリ
１３２ 像表示装置
１３３ 記録装置
１３４ インターフェース
１３５ 入力装置

Claims (18)

1. 荷電粒子線装置によって得られた画像データを積算することによって、積算画像を形成する演算装置を備えた画像形成装置において、
   当該演算装置は、前記荷電粒子線装置の走査方向が異なる複数の画像から、前記荷電粒子線のビーム照射時間に応じて変化する特徴量の変化量に関する第１の情報と、前記ビームの走査方向の変化前と変化後の特徴量の変化量に関する第２の情報、及び／又は前記ビームの走査方向の変化前と変化後の前記画像上のパターンの位置ずれに関する第３の情報を算出することを特徴とする画像形成装置。
2. 請求項１において、
   前記第１の情報は、異なるタイミングにて取得された異なる画像データ間の前記特徴量との差分情報であることを特徴とする画像形成装置。
3. 請求項１において、
   前記第２の情報は、前記走査方向の変化前に取得された特徴量と、走査方向の変化後に取得された特徴量との差分情報であることを特徴とする画像形成装置。
4. 請求項３において、
   前記第２の情報は、
   （Ｌ_2nd＋Ｌ_3rd−Ｌ_1st−Ｌ_4th）÷２
   Ｌ_1st：走査方向θにて得られる特徴量、
   Ｌ_2nd：走査方向θ＋αにて得られる特徴量、
   Ｌ_3rd：特徴量Ｌ_2ndを取得した後に、走査方向θ＋αにて得られる特徴量、
   Ｌ_4th：特徴量Ｌ_3rdを取得した後に、走査方向θにて得られる特徴量、
   に基づいて算出されることを特徴とする画像形成装置。
5. 請求項４において、
   前記第２の情報は、更に、
   （Ｌ_5th＋Ｌ_6th−Ｌ_4th−Ｌ_7th）÷２
   Ｌ_5th：走査方向θ＋βにて得られる特徴量、
   Ｌ_6th：特徴量Ｌ_5thを取得した後に、走査方向θ＋βにて得られる特徴量、
   Ｌ_7th：特徴量Ｌ_6thを取得した後に、走査方向θにて得られる特徴量、
   を含んでいることを特徴とする画像形成装置。
6. 請求項１において、
   前記第３の情報は、前記ビームの走査方向の変化前と変化後の前記画像上の同一パターンの位置ずれに関する情報であることを特徴とする画像形成装置。
7. 請求項６において、
   前記演算装置は、前記第３の情報と前記第２の情報を乗算することを特徴とする画像形成装置。
8. 請求項１において、
   前記演算装置は、前記第１の情報と、第２の情報、及び／又は第３の情報の符号を抽出することを特徴とする画像形成装置。
9. 請求項１において、
   前記演算装置は、前記第１の情報と、前記第２の情報、及び／又は第３の情報と、前記荷電粒子線による画像データ取得条件を関連付けて、記憶媒体に記憶させることを特徴とする画像形成装置。
10. 請求項９において、
    前記画像データ取得条件は、
    前記パターンの種類、或いはビームの走査方向の少なくとも１つを含んでいることを特徴とする画像形成装置。
11. 請求項９において、
    前記演算装置は、前記画像データ取得条件と、前記第１の情報と、前記第２の情報、及び／又は第３の情報の組み合わせを関連付けて表示装置に表示させることを特徴とする画像形成装置。
12. 請求項９において、
    前記演算装置は、前記第１の情報と、前記第２の情報、及び／又は第３の情報の組み合わせと、画像の歪みに関する情報とを関連付けて記憶するライブラリと、前記画像取得に基づいて得られる第１の情報と、前記第２の情報、及び／又は第３の情報との比較処理を行うことを特徴する画像形成装置。
13. 演算装置に、複数の画像データの積算処理を実行させて、積算画像を形成させるコンピュータプログラムにおいて、
    当該プログラムは、前記演算装置に、荷電粒子線装置の走査方向が異なる複数の画像から、荷電粒子線のビーム照射時間に応じて変化する特徴量の変化量に関する第１の情報と、前記ビームの走査方向の変化前と変化後の特徴量の変化量に関する第２の情報、及び／又は前記ビームの走査方向の変化前と変化後の前記画像上のパターンの位置ずれに関する第３の情報を算出させることを特徴とするコンピュータプログラム。
14. 請求項１３において、
    前記第１の情報は、異なるタイミングにて取得された異なる画像データ間の前記特徴量との差分情報であることを特徴とするコンピュータプログラム。
15. 請求項１３において、
    前記第２の情報は、前記走査方向の変化前に取得された特徴量と、走査方向の変化後に取得された特徴量との差分情報であることを特徴とするコンピュータプログラム。
16. 請求項１５において、
    前記第２の情報は、
    （Ｌ_2nd＋Ｌ_3rd−Ｌ_1st−Ｌ_4th）÷２
    Ｌ_1st：走査方向θにて得られる特徴量、
    Ｌ_2nd：走査方向θ＋αにて得られる特徴量、
    Ｌ_3rd：特徴量Ｌ_2ndを取得した後に、走査方向θ＋αにて得られる特徴量、
    Ｌ_4th：特徴量Ｌ_3rdを取得した後に、走査方向θにて得られる特徴量、
    に基づいて算出されることを特徴とするコンピュータプログラム。
17. 請求項１６において、
    前記第２の情報は、更に、
    （Ｌ_5th＋Ｌ_6th−Ｌ_4th−Ｌ_7th）÷２
    Ｌ_5th：走査方向θ＋βにて得られる特徴量、
    Ｌ_6th：特徴量Ｌ_5thを取得した後に、走査方向θ＋βにて得られる特徴量、
    Ｌ_7th：特徴量Ｌ_6thを取得した後に、走査方向θにて得られる特徴量、
    を含んでいることを特徴とするコンピュータプログラム。
18. 請求項１３において、
    前記第３の情報は、前記ビームの走査方向の変化前と変化後の前記画像上の同一パターンの位置ずれに関する情報であることを特徴とするコンピュータプログラム。

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