JP2012068138A

JP2012068138A - パターン画像測定方法及びパターン画像測定装置

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Publication number: JP2012068138A
Application number: JP2010213643A
Authority: JP
Inventors: Hidemitsu Namikii; 秀充波木井
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2030-09-24
Also published as: JP5549502B2

Abstract

【課題】走査型電子顕微鏡で得られるパターン断面を撮像した画像から、パターン断面の側壁角度を精度良く計測することができるパターン画像測定方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のパターン画像測定方法は、パターン断面画像を画像処理して断面の輪郭線座標データを抽出し、前記輪郭線座標データからパターン上部と下部に相当する座標値を抽出し、パターンの高さ、計測範囲２点の座標値及び計測範囲の高さを算出する。前記２点の座標値に相当するｘ方向の輝度分布信号を取得し、信号から断面ＳＥＭ画像特有の白い影部分に相当する範囲の信号成分を除去する。前記信号に対して、相互相関法を適用し、２つの信号間距離を算出し、側壁角度を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パターン画像測定方法及びパターン画像測定装置に関し、特に、走査型電子顕微鏡の二次電子像からパターン断面形状の側壁角度を測定するパターン画像測定方法及びパターン画像測定装置に関する。

近年の半導体ＬＳＩパターンの微細化に伴い、パターン原版としてのフォトマスクも同様に微細化が進んできており、寸法計測以外の３次元形状の測定が重要視されてきている。
３次元形状を計測する装置の一つに、パターンの断面形状を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、Scanning Electron Microscope）で計測するものがある。この装置は一般的に断面ＳＥＭと呼ばれ、試料に電子線を照射して試料内部から発生する二次電子を検出することによってパターンの断面像を得るもので、比較的簡便にパターンの断面を確認することが出来るため広く用いられている。

従来の断面ＳＥＭの活用としては、パターンの断面形状を大まかに確認するという利用が多かったが、近年はパターンの断面形状を定量化し、プロセスやシミュレーションにフィードバックする傾向が増えてきている。それは、フォトマスクのパターンエッジの形状が転写パターンに及ぼす影響が無視できなくなるほど、微細化が進展したことによる。定量化項目としては、パターンエッジ上部と下部の丸み、側壁角度、高さ、などがある。特に側壁角度の計測は、次世代マスクとして期待されているＥＵＶ（Extreme Ultra Violet）マスクにおいては重要である。それは、ＥＵＶマスクが従来のフォトマスクの透過型とは異なり、反射型であるためである。

断面ＳＥＭ像のパターン断面の側壁角度を計測する方法としては、断面の輪郭線を抽出して、前記輪郭線上の適当な２点間の傾きを求めて、側壁角度とする方法がある。輪郭線抽出の従来技術として、多値のエッジ画像を用いて、過去のトレース方向を参照しながら局所的な最大エッジ画素を追跡する方法がある。下記特許文献１には、輪郭点近傍の輝度分布情報を取得し、輝度レベルの変化点を輪郭点とする方法が記載されている。前記変化点を定義する方法としては、輝度レベルで任意の閾値を設定する方法や、輝度レベルが最も変化する最大傾斜点を変化点とする方法などがある。

特公昭６３−５３５８７号公報

断面ＳＥＭ像の画質は、オペレーターの技量やサンプルの帯電しやすさなどにより左右されるため、定量化計測の課題としてあらゆる画質の画像にもエラーなく計測することが求められる。断面ＳＥＭ像の画質悪化の問題として顕著なのが図８のような白い影である。断面ＳＥＭでは、観察している断面の奥行き方向にある試料表面からも二次電子が放出される。奥行き方向は焦点が合わないため画質がボケたような白い影が現れる。断面ＳＥＭ像はパターン部と非パターン部である空間部のコントラスト差が明確なほど良質な画質と言えるが、図８のように白い影がパターンのエッジ部分にかかっている場合、パターンエッジの輪郭線抽出などが不正確になってしまう。

断面ＳＥＭ像の画質が良好でコントラスト差が明確な場合は、従来技術に記述した方法でも、エッジの正確な輪郭点を決めることが可能である。しかし、断面ＳＥＭ像の画質が悪い場合には、輝度分布が白い影の影響を受けて緩やかな変化となるため、前記方法では正確なエッジ点を決めることが困難になり、測定が不正確になってしまう。図８のように、断面の下部にかけて白い影の影響が大きくなっている場合、図９のように、Aの高さにおけるｘ方向の輝度分布信号とBの高さにおける信号とで大きく異なる。あらかじめ設定された閾値をエッジ点とすると、特に白い影の影響が顕著なBにおいては、正確なエッジ点が決められない。オペレーターがその都度適切な閾値を設定すれば、正確なエッジ点を決めることは可能であるが、処理が煩雑になることやオペレーターによる主観が入るため、定量的な計測を行うことはできない。

本発明は上記の事情に鑑みなされたもので、その目的は、断面ＳＥＭで撮像された画像からパターン断面の側壁角度を、精度良く測定することができるパターン画像測定方法及びパターン画像測定装置を提供することにある。

請求項１に記載の本発明は、走査型電子顕微鏡で得られるパターン断面を撮像した画像から、パターン断面の側壁角度を計測する方法において、撮像されたＳＥＭ画像を取得する工程と、前記取得した画像を画像処理してパターン断面の輪郭線座標データを抽出する工程と、前記輪郭線座標データから、パターン上部と下部の座標値を抽出する工程と、前記座標値からパターンの高さを算出する工程と、側壁角度を計測する範囲２点の座標値を抽出し、計測範囲の高さを算出する工程と、前記ＳＥＭ画像を画像処理して、前記２点の座標値に相当する輝度分布信号を生成する工程と、前記輝度分布信号の一部の信号成分を除去する工程と、前記除去後の２つの信号に対して相互相関法を適用し、２つの信号のピーク間距離を算出する工程と、前記計測範囲の高さと前記信号ピーク間距離とから、側壁角度を算出する工程と、を具備することを特徴とするパターン画像測定方法である。

請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載のパターン画像測定方法であって、前記信号成分の除去範囲は、輝度分布信号の最大点から非パターン部にかけての白い影の影響が出ている範囲であることを特徴とするパターン画像測定方法である。
請求項３に記載の本発明は、請求項１又は２に記載のパターン画像測定方法であって、前記除去後の２つの信号に対して相互相関法を適用し、２つの信号のピーク間距離を算出する前記工程は、２つの信号の差分相関値を計算し、前記差分相関値が最小となるときの移動量を２つの信号間の距離とする工程を含んでいることを特徴とするパターン画像測定方法である。

請求項４に記載の本発明は、走査型電子顕微鏡で得られるパターン断面を撮像した画像から、パターン断面の側壁角度を計測する装置において、撮像されたＳＥＭ画像を取得する手段と、前記取得した画像を画像処理してパターン断面の輪郭線座標データを抽出する手段と、前記輪郭線座標データから、パターン上部と下部の座標値を抽出する手段と、前記座標値からパターンの高さを算出する手段と、側壁角度を計測する範囲２点の座標値を抽出し、計測範囲の高さを算出する手段と、前記ＳＥＭ画像を画像処理して、前記２点の座標値に相当する輝度分布信号を生成する手段と、前記輝度分布信号の一部の信号成分を除去する手段と、前記除去後の２つの信号に対して相互相関法を適用し、２つの信号のピーク間距離を算出する手段と、前記計測範囲の高さと前記信号ピーク間距離とから、側壁角度を算出する手段と、を具備することを特徴とするパターン画像測定装置である。

請求項５に記載の本発明は、請求項４に記載のパターン画像測定装置であって、前記信号成分の除去範囲は、輝度分布信号の最大点から非パターン部にかけての白い影の影響が出ている範囲であることを特徴とするパターン画像測定装置である。
請求項６に記載の本発明は、請求項４又は５に記載のパターン画像測定装置であって、前記除去後の２つの信号に対して相互相関法を適用し、２つの信号のピーク間距離を算出する前記手段は、２つの信号の差分相関値を計算し、前記差分相関値が最小となるときの移動量を２つの信号間の距離とする工程を含んでいることを特徴とするパターン画像測定装置である。

本発明によれば、断面ＳＥＭ像の画質に左右されることなく、パターン断面の側壁角度を精度高く測定することができる。

本発明の原理を説明するフローチャート図である。本発明のブロック図である。実施例における計測パターンの断面ＳＥＭ像である。パターン断面の輪郭線座標データを表す図である。実施例における計測パターンの輝度分布信号図である。実施例における計測パターンの輝度分布信号図である。実施例における計測パターンの相互相関値を示す図である。断面ＳＥＭ像の一例である。図８のA、Bにおける輝度分布信号図である。

以下、本発明によるパターン画像測定方法について、図示の実施の形態により詳細に説明する。なお、以下の説明では、フォトマスクのパターン断面形状を断面ＳＥＭ像から定量化する場合について述べるが、本発明の適用範囲は、それのみに限定されるものではない。
ＳＥＭは、電子線を照射した試料の試料面から発生する二次電子を検出器で集め、光電子増倍管で電気信号に変えて増幅し、その信号を電子プローブと同期して走査するディスプレイに送り、テレビジョンと同様な方式により２次元的な走査像を得る走査型電子顕微鏡である。主にＳＥＭの走査像では二次電子発生量を２５６階調（８ビット）のグレイ画像で表現している。

前述した図８の断面ＳＥＭ画像のように、ＳＥＭでパターン断面を観察すると、パターン部から二次電子が放出されるため、パターン部が明るく、非パターン部である空間部が暗く見え、画質が良質な場合には両者のコントラスト差が明確になる。またパターンエッジ部分からは二次電子が多く放出されるため、エッジ部分が明るく見える。そのため、パターン部と空間部の境界を含む範囲の輝度分布信号は、前述した図９のようにエッジ部で高い輝度値を示す分布となる。

次に断面ＳＥＭ像からパターン断面の側壁角度を計測する方法を説明する。図１は計測アルゴリズムのフローチャートを表している。まずパターンの断面ＳＥＭ像を取得する（Ｓ１０）。次に、断面ＳＥＭ像からパターン断面の輪郭線座標データ抽出処理を行う（Ｓ１１）。次に、パターン上部と下部の座標位置を抽出する（Ｓ１２）。この処理は、輪郭線の端点から任意の２点間の傾きを計算していき、前記傾きが設定した閾値を超過する点を、パターンの上部と下部の座標位置として定義すればよい。次に、パターン上部と下部の座標値からパターンの高さを算出する（Ｓ１３）。次に、側壁角度を計測する範囲２点の座標値を抽出し、計測範囲の高さを算出する（Ｓ１４）。次に、前記２点の座標値に相当するｘ方向の輝度分布信号を取得する（Ｓ１５）。前記輝度分布信号はｙ方向の前後５ピクセル程度の範囲で取得した信号を平均する。こうすれば、ＳＥＭ像特有のノイズの影響を少なくすることができる。次に、前記輝度分布信号から白い影部分に相当する範囲の信号成分を除去する（Ｓ１６）。この処理は、信号の最大点から非パターン部（空間部）に相当する範囲の信号を除去すればよい。次に、相互相関法を用いて２つの信号のピーク位置の距離を算出する（Ｓ１７）。断面ＳＥＭ像の角度を計測する２点間の信号はごく近いところであり、信号データの絶対値はそれほど変化していないと考えられ、計算処理の時間なども考慮し差分相関法を適用する。相関計算は次の式に基づき行う。

δ_kは相互相関係数、N₁、N₂はそれぞれの信号のデータサンプル数、ｋはサブピクセル移動量、S₁、S₂はそれぞれ２点の輝度分布信号を表す。上記式によって得られる相互相関値δ_kが最小となる時のｋが２つの信号間の距離となる。

次に、（Ｓ１４）の処理で算出した前記高さと（Ｓ１７）の処理で算出した前記ピーク位置の距離から傾きすなわち側壁角度を算出する（Ｓ１８）。
本発明のパターン画像測定方法は、断面ＳＥＭ画像に特有の白い影部分の信号成分を除去し、除去後の２つの信号に相互相関法を適用して、断面形状の側壁角度を算出する工程を備えていることを特徴とする。

以上説明した方法によれば、パターン断面の側壁角度の情報をＳＥＭを使って高速かつ高精度に取得することができるため、この方法で取得した情報を転写シミュレーションに利用することも可能である。転写シミュレータは、ＳＥＭによって得られた寸法値などの２次元情報及び側壁形状などの３次元情報を入力し、所望する寸法パターンの転写像が得られるかのシミュレーションを行う。本発明によって取得した情報を転写シミュレーションに利用することで、マスク検査の精度及びスピードを向上させることが出来る。

図２は本発明に係るパターン画像測定装置の測定方法および測定装置の一実施形態における構成を示すブロック図である。この図において、引用符号１は測定したい断面ＳＥＭ画像を取得する画像取得部である。引用符号２は断面ＳＥＭ画像に対して輪郭線座標データ抽出処理を行う画像処理部である。引用符号３のデータ処理部でパターン上部と下部の座標値、パターンの高さ、側壁角度を計測する範囲２点の座標値、計測範囲の高さを算出し、引用符号４の数値データ保存部に保存される。引用符号５の画像処理部で断面ＳＥＭ画像から前記２点の高さに相当する輝度分布信号を取得する。引用符号６のデータ解析部で前記輝度分布信号の一部の信号成分を除去、相互相関法による信号間距離の算出が行われ、引用符号７の数値データ保存部にデータを保存する。引用符号８のデータ計算部で側壁角度を算出する処理が行われる。最後に、引用符号９の結果表示部で、測定結果がファイルやプリンタ、モニタ等に表示されるとともに計測結果を表す直線が断面ＳＥＭ画像上に表示される。

以下、本発明のパターン画像測定方法について具体的な実施例を示す。
本実施例ではフォトマスクパターンの断面形状を撮像したＳＥＭ画像に対して側壁角度の計測を行った。ＳＥＭ画像は図３のように、パターンエッジ部に白い影が見られ画質が悪い場合の画像に対して実施した。

まず、断面ＳＥＭ画像上で計測対象のパターン断面部分を任意に囲い（図３のC）、指定した領域内の断面の輪郭線座標データを抽出した（図４）。次に、パターン上部と下部のｙ座標値を抽出した（座標原点は領域内の左上とする）。この時、パターン上部のｙ座標値が３０．１、パターン下部が８８．７であった。次にパターンの高さ５８．６を算出した。次に、側壁角度を計測する範囲２点の座標値を抽出し、計測範囲の高さ３５．１を算出した。ここで、計測範囲の高さは２０％と８０％に設定した（パターン下部を０％、上部を１００％とする）。次に、前記２点の座標値に相当するｘ方向の輝度分布信号を取得した（図５）。次に、輝度分布信号から白い影部分に相当する範囲の信号成分を除去した（図６）。今回は、輝度最大点から３ピクセル分まで信号を残し、白い影の情報を含むそれ以外の信号成分を除去した。次に２つの信号に対し相互相関法を適用し、相互相関値を求めた（図７）。次に、相互相関値δ_kが最小となる時のｋを算出した。本実施例では１．２が得られた。次に、前記計測範囲の高さと前記相互相関値が最小となる時のｋの値から側壁角度８８．０度を算出した。

次に、得られた計測値の妥当性を評価するために、マニュアル操作で断面のエッジ部分に相当する任意の２点の座標値を画像から抽出し、２点間の傾きすなわち側壁角度を算出したところ８７．８度となり、本発明手法による測定結果とほぼ一致した。このことからも、断面ＳＥＭ画像からパターン断面の側壁角度を計測する本実施例の方法は、精度良く行なえるものであることが分かった。

なお、前記ＳＥＭ画像に対して、従来技術に記載の方法（閾値法）で行った計測結果が７５．７度で、白い影の影響を含んでいる信号成分を除去せずに、相互相関法を適用し行った計測結果が８４．７度であった。いずれの計測結果も実際の側壁角度とは差があり、本発明の方法が有効であることを確認した。

本発明のパターン画像測定方法は、パターン断面の側壁角度を測定することが出来ることから、半導体、フォトマスク、ナノインプリントなどのパターン断面を計測する分野に利用することが期待される。

１・・・画像取得部
２・・・画像処理部
３・・・データ処理部
４・・・数値データ保存部
５・・・画像処理部
６・・・データ解析部
７・・・数値データ保存部
８・・・データ計算部
９・・・結果表示部
Ｓ１０・・・断面ＳＥＭ像の取得
Ｓ１１・・・輪郭線座標データの抽出処理
Ｓ１２・・・パターン上部と下部の座標値を抽出
Ｓ１３・・・パターンの高さを算出
Ｓ１４・・・角度計測範囲２点の座標値を抽出し、高さを算出
Ｓ１５・・・２点の輝度分布信号を取得
Ｓ１６・・・信号成分の一部を除去
Ｓ１７・・・相互相関法を適用し、信号間距離を算出
Ｓ１８・・・側壁角度を算出
Ａ・・・パターン高さの８０％に相当する線分
Ｂ・・・パターン高さの２０％に相当する線分
Ｃ・・・計測対象範囲を示す線

Claims

走査型電子顕微鏡で得られるパターン断面を撮像した画像から、パターン断面の側壁角度を計測する方法において、
撮像されたＳＥＭ画像を取得する工程と、
前記取得した画像を画像処理してパターン断面の輪郭線座標データを抽出する工程と、
前記輪郭線座標データから、パターン上部と下部の座標値を抽出する工程と、
前記座標値からパターンの高さを算出する工程と、
側壁角度を計測する範囲２点の座標値を抽出し、計測範囲の高さを算出する工程と、
前記ＳＥＭ画像を画像処理して、前記２点の座標値に相当する輝度分布信号を生成する工程と、
前記輝度分布信号の一部の信号成分を除去する工程と、
前記除去後の２つの信号に対して相互相関法を適用し、２つの信号のピーク間距離を算出する工程と、
前記計測範囲の高さと前記信号ピーク間距離とから、側壁角度を算出する工程と、を具備することを特徴とするパターン画像測定方法。
請求項１に記載のパターン画像測定方法であって、
前記信号成分の除去範囲は、輝度分布信号の最大点から非パターン部にかけての白い影の影響が出ている範囲である
ことを特徴とするパターン画像測定方法。
請求項１又は２に記載のパターン画像測定方法であって、
前記除去後の２つの信号に対して相互相関法を適用し、２つの信号のピーク間距離を算出する前記工程は、２つの信号の差分相関値を計算し、前記差分相関値が最小となるときの移動量を２つの信号間の距離とする工程を含んでいる
ことを特徴とするパターン画像測定方法。
走査型電子顕微鏡で得られるパターン断面を撮像した画像から、パターン断面の側壁角度を計測する装置において、
撮像されたＳＥＭ画像を取得する手段と、
前記取得した画像を画像処理してパターン断面の輪郭線座標データを抽出する手段と、
前記輪郭線座標データから、パターン上部と下部の座標値を抽出する手段と、
前記座標値からパターンの高さを算出する手段と、
側壁角度を計測する範囲２点の座標値を抽出し、計測範囲の高さを算出する手段と、
前記ＳＥＭ画像を画像処理して、前記２点の座標値に相当する輝度分布信号を生成する手段と、
前記輝度分布信号の一部の信号成分を除去する手段と、
前記除去後の２つの信号に対して相互相関法を適用し、２つの信号のピーク間距離を算出する手段と、
前記計測範囲の高さと前記信号ピーク間距離とから、側壁角度を算出する手段と、を具備することを特徴とするパターン画像測定装置。
請求項４に記載のパターン画像測定装置であって、
前記信号成分の除去範囲は、輝度分布信号の最大点から非パターン部にかけての白い影の影響が出ている範囲である
ことを特徴とするパターン画像測定装置。
請求項４又は５に記載のパターン画像測定装置であって、
前記除去後の２つの信号に対して相互相関法を適用し、２つの信号のピーク間距離を算出する前記手段は、２つの信号の差分相関値を計算し、前記差分相関値が最小となるときの移動量を２つの信号間の距離とする工程を含んでいる
ことを特徴とするパターン画像測定装置。