JP2019045225A - 画像生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】画像ドリフトを補正することで試料の明瞭な画像を生成することができる方法を提供する。
【解決手段】画像生成方法は、試料を電子ビームで走査して複数の画像を生成し、複数の画像の特定領域内での画像ドリフト量を計算し、画像ドリフト量から、連続的な画像ドリフト量を補間により計算し、連続的な画像ドリフト量から、複数の画像の各画素での画像ドリフト量を決定し、各画素での画像ドリフト量に基づいて、各画素の輝度を補正することで複数の画像を補正し、補正された複数の画像から合成画像を生成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ウェーハまたはガラス基板などの試料の表面を形成する絶縁材料の画像を走査電子顕微鏡を用いて生成する方法に関し、特に、絶縁材料の帯電に起因して起こる画像ドリフトを補正する方法に関する。本発明は、例えば、設計データに基づき製造された、半導体集積回路（ＬＳＩ）や液晶パネルおよびそれらのホトマスク（レチクル）などの微細パターンを検査するためのパターン検査装置に適用することができる。

半導体集積回路の製造工程におけるウェーハのパターン検査、あるいはそのパターン形成用のホトマスクのパターン検査には、走査型電子顕微鏡により生成された電子像を用いた欠陥検出方法がある。

走査型電子顕微鏡により生成された電子像を用いる方法では、電子ビームを二次元的に試料上に照射し、得られた二次電子、または反射電子を検出して二次元画像を得る。得られる画像のＳ／Ｎ比を高めるために、電子ビームで試料を複数回走査し、同じ位置から得られた複数の検出信号を平均化する方法が用いられる。

試料の一例である半導体集積回路では、レジスト、酸化膜等の絶縁材料が使われている。また高スループットの検査を実現するため大電流の電子ビームを試料に照射する場合がある。これらの理由により試料が帯電し、電子ビームが目標の位置と異なる位置に照射される現象が発生する。このような現象が発生すると、電子ビームで試料を複数回走査した場合に各走査における電子ビームの照射位置が変化してしまう。本明細書では、この現象を画像ドリフトと呼ぶ。画像ドリフトが起こると、前述の平均化処理で明瞭な画像を得ることができない。

図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）は、画像ドリフトにより画像が不明瞭になる現象の一例を示す図である。より詳しくは、図１０（ａ）は、パターン２００が形成された試料２１０の表面を電子ビームで２回走査する様子を示す模式図である。図１０（ａ）に示すように、１回目の走査に比べて、２回目の走査での電子ビームの照射位置が僅かにずれている。これは、上述したように、１回目の走査での電子ビームの照射により、試料の表面を形成する絶縁材料が帯電したためである。

図１０（ｂ）は、１回目の走査で得られたパターン画像２０１と、２回目の走査で得られたパターン画像２０２を示す模式図である。図１０（ｂ）から分かるように、パターン画像２０２の位置はパターン画像２０１からややずれている。図１０（ｃ）は、図１０（ｂ）に示す２つのパターン画像２０１，２０２を平均化することで得られた平均画像２０３を示す模式図である。パターン画像２０１，２０２間に位置ずれがある結果、得られた平均画像２０３は不明瞭となってしまう。

本発明は、画像ドリフトを補正することで試料の明瞭な画像を生成することができる方法を提供する。

本発明の一態様は、試料を電子ビームで走査して複数の画像を生成し、前記複数の画像の特定領域内での画像ドリフト量を計算し、前記画像ドリフト量から、連続的な画像ドリフト量を補間により計算し、前記連続的な画像ドリフト量から、前記複数の画像の各画素での画像ドリフト量を決定し、各画素での画像ドリフト量に基づいて、各画素の輝度を補正することで前記複数の画像を補正し、前記補正された複数の画像から合成画像を生成することを特徴とする画像生成方法である。

前記合成画像は、前記補正された複数の画像の平均画像であることを特徴とする。
前記複数の画像を補正する工程は、各画素の位置に前記画像ドリフト量を加えることでシフト位置を求め、前記シフト位置にある画素の輝度を取得し、前記取得した輝度を、前記画像ドリフト量を加える前の前記位置の画素の輝度に割り当てることで、前記複数の画像を補正する工程であることを特徴とする。

本発明によれば、電子ビーム走査時の画像ドリフト量を複数の画像間のずれから推定することによって画像ドリフトを補正する。これにより、画像ドリフトが発生するような試料に対しても明瞭な画像を得ることができる。

走査電子顕微鏡を備えた画像生成システムの一実施形態を示す模式図である。 画像ドリフト補正方法の一実施形態を示すフローチャートである。 図２に示すフローチャートのステップ２の概念図である。 図２に示すフローチャートのステップ３の概念図である。 図２に示すフローチャートのステップ４の概念図である。 図２に示すフローチャートのステップ５の概念図である。 図２に示すフローチャートのステップ６の概念図である。 図２に示すフローチャートのステップ７の概念図である。 コンピュータの構成を示す模式図である。 画像ドリフトの例を示す概念図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、走査電子顕微鏡を備えた画像生成システムの一実施形態を示す模式図である。図１に示すように、画像生成システムは、走査電子顕微鏡１００と、走査電子顕微鏡の動作を制御するコンピュータ１５０とを備えている。走査電子顕微鏡１００は、一次電子（荷電粒子）からなる電子ビームを発する電子銃１１１と、電子銃１１１から放出された電子ビームを集束する集束レンズ１１２、電子ビームをＸ方向に偏向するＸ偏向器１１３、電子ビームをＹ方向に偏向するＹ偏向器１１４、電子ビームを試料であるウェーハ１２４にフォーカスさせる対物レンズ１１５を有する。

集束レンズ１１２及び対物レンズ１１５はレンズ制御装置１１６に接続され、集束レンズ１１２及び対物レンズ１１５の動作はレンズ制御装置１１６によって制御される。このレンズ制御装置１１６はコンピュータ１５０に接続されている。Ｘ偏向器１１３、Ｙ偏向器１１４は、偏向制御装置１１７に接続されており、Ｘ偏向器１１３、Ｙ偏向器１１４の偏向動作は偏向制御装置１１７によって制御される。この偏向制御装置１１７も同様にコンピュータ１５０に接続されている。二次電子検出器１３０と反射電子検出器１３１は画像取得装置１１８に接続されている。画像取得装置１１８は二次電子検出器１３０と反射電子検出器１３１の出力信号を画像に変換するように構成される。この画像取得装置１１８も同様にコンピュータ１５０に接続されている。

試料チャンバー１２０内に配置されるＸＹステージ１２１は、ステージ制御装置１２２に接続されており、ＸＹステージ１２１の位置はステージ制御装置１２２によって制御される。このステージ制御装置１２２はコンピュータ１５０に接続されている。ウェーハ１２４を、試料チャンバー１２０内のＸＹステージ１２１に載置するためのウェーハ搬送装置１４０も同様にコンピュータ１５０に接続されている。

電子銃１１１から放出された電子ビームは集束レンズ１１２で集束された後に、Ｘ偏向器１１３、Ｙ偏向器１１４で偏向されつつ対物レンズ１１５により集束されてウェーハ１２４の表面に照射される。ウェーハ１２４に電子ビームの一次電子が照射されると、ウェーハ１２４からは二次電子及び反射電子が放出される。二次電子は二次電子検出器１３０により検出され、反射電子は反射電子検出器１３１により検出される。検出された二次電子の信号、及び反射電子の信号は、画像取得装置１１８に入力され画像に変換される。画像はコンピュータ１５０に送信される。

図２は画像ドリフト補正方法の一実施形態を示すフローチャートである。画像ドリフト補正は、図１に示すコンピュータ１５０によって実行される。本実施形態では、試料は、絶縁材料から構成された表面を有するウェーハ１２４である。走査電子顕微鏡１００は、図１に示すＸ偏向器１１３およびＹ偏向器１１４を制御してウェーハ１２４面内の同一箇所を複数回走査し、予め設定された枚数のウェーハ１２４上のパターンの複数の画像を生成する（ステップ１）。コンピュータ１５０は、上記複数の画像を走査電子顕微鏡１００から取得する。

次に、コンピュータ１５０は、各画像間の位置ずれ量、すなわち画像上の特定領域内での画像ドリフト量を計算する（ステップ２）。加えて、コンピュータ１５０は、電子ビームが上記特定領域を走査したときの時間を画像ごとに計算する。特定領域は、各画像内に定義された領域であり、本実施形態では特定領域はパターンの画像を含む領域である。特定領域は上記複数の画像に亘って同じ位置にある。

コンピュータ１５０は、ステップ２で計算した画像ドリフト量を、時間および画像ドリフト量を表す座標軸を有する座標系上にプロットする（ステップ３）。さらに、コンピュータ１５０は、ステップ３でプロットした離散的な画像ドリフト量から、連続的な画像ドリフト量を補間により計算する（ステップ４）。次に、コンピュータ１５０は、ステップ４で求めた連続的な画像ドリフト量に基づいて、複数の画像の各画素の画像ドリフト量を決定する（ステップ５）。コンピュータ１５０は、各画素の画像ドリフト量に基づいて、各画素の輝度を補正することで上記複数の画像を補正する（ステップ６）。最後に、コンピュータ１５０は、補正した複数の画像から合成画像を生成する（ステップ７）。

図３は、図２のステップ２の概念図である。走査電子顕微鏡１００は、試料の表面を電子ビームで複数回走査し、配線溝やコンタクトホールなどのパターン３００の複数の画像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を生成する。コンピュータ１５０は、複数の画像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を走査電子顕微鏡１００から取得する。コンピュータ１５０は、各画像間の位置合わせに用いる特定領域３０１を、１回目の走査により生成された画像Ｉ１内に設定する。この特定領域３０１にはパターン３００が含まれる。特定領域３０１の位置を決定する方法としては、画像Ｉ１にラプラシアンフィルタを適用してパターン３００のエッジを強調し、エッジ密度が高い領域を選択する方法を用いることができる。特定領域３０１の中心位置は、基準点（Ｘｃ，Ｙｃ）と定義される。この基準点（Ｘｃ，Ｙｃ）は、走査開始位置Ｏを原点とするＸＹ座標系上の点である。

同様に、コンピュータ１５０は、２回目の走査により生成された画像Ｉ２、３回目の走査により生成された画像Ｉ３内に、基準点（Ｘｃ，Ｙｃ）を中心とした特定領域３０２，３０３を設定する。特定領域３０１，３０２，３０３は、複数の画像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３に亘って同じ位置にある。コンピュータ１５０は、画像Ｉ１の特定領域３０１内のパターン３００と、画像Ｉ２の特定領域３０２内のパターン３００との位置合わせを行う。より具体的には、特定領域３０１内のパターン３００が特定領域３０２内のパターン３００に一致するまで、特定領域３０１内のパターン３００を移動させる。パターン３００の位置合わせ（すなわちパターンマッチング）には、相互相関法を用いることができる。

コンピュータ１５０は、位置合わせに必要なパターン３００の移動距離、すなわち画像Ｉ１，Ｉ２間での画像ドリフト量（Ｓｘ２，Ｓｙ２）を計算する。画像ドリフト量（Ｓｘ２，Ｓｙ２）は、走査方向に平行な方向における画像ドリフト量であるＸ方向ドリフト量Ｓｘ２と、走査方向に垂直な方向における画像ドリフト量であるＹ方向ドリフト量Ｓｙ２から構成される。同様に、コンピュータ１５０は、画像Ｉ２の特定領域３０２内のパターン３００と、画像Ｉ３の特定領域３０３内のパターン３００との位置合わせを行い、画像Ｉ２，Ｉ３間での画像ドリフト量（Ｓｘ３，Ｓｙ３）を計算する。画像ドリフト量（Ｓｘ２，Ｓｙ２），（Ｓｘ３、Ｓｙ３）は、それぞれ、特定領域３０２の中心での２回目の走査における画像ドリフト量、特定領域３０３の中心での３回目の走査における画像ドリフト量である。

走査方向と平行な方向に並ぶ各画像内の画素の数をＳｉｚｅＸ、走査方向に垂直な方向に並ぶ各画像内の画素の数をＳｉｚｅＹとする。電子ビームが単位時間当たりに試料表面を走査する速度を走査レート［ｐｉｘｅｌ／ｓｅｃ］とすると、１つの画像を生成するために必要な走査期間ｔ１は（ＳｉｚｅＸ×ＳｉｚｅＹ）／走査レートで求まる。一方、各画像において走査開始位置Ｏから特定領域の中心（Ｘｃ，Ｙｃ）までの走査期間ｔ２は、（Ｘｃ＋Ｙｃ×ＳｉｚｅＸ）／走査レートで求まる。

コンピュータ１５０は、上述した走査期間ｔ１と走査期間ｔ２を計算し、電子ビームが特定領域３０１，３０２，３０３を走査したときの時間を画像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３ごとに計算する。本実施形態では、電子ビームが特定領域３０１，３０２，３０３を走査したときの時間は、電子ビームが特定領域３０１，３０２，３０３の中心（Ｘｃ，Ｙｃ）を走査したときの時間に相当する。具体的には、電子ビームが特定領域３０１の中心（Ｘｃ，Ｙｃ）を走査したときの時間はｔ２であり、電子ビームが特定領域３０２の中心（Ｘｃ，Ｙｃ）を走査したときの時間はｔ１＋ｔ２であり、電子ビームが特定領域３０３の中心（Ｘｃ，Ｙｃ）を走査したときの時間はｔ１×２＋ｔ２である。

図４は図２のステップ３の概念図である。ステップ２で求めた画像ドリフト量（Ｓｘ２，Ｓｙ２）および画像ドリフト量（Ｓｘ３，Ｓｙ３）を、時間および画像ドリフト量を座標軸に持つ座標系上にプロットする。より具体的には、コンピュータ１５０は、画像ドリフト量（Ｓｘ２，Ｓｙ２）をＸ方向ドリフト量Ｓｘ２とＹ方向ドリフト量Ｓｙ２とに分解し、走査開始時点０から時間ｔ１＋ｔ２が経過した位置に、Ｘ方向ドリフト量Ｓｘ２およびＹ方向ドリフト量Ｓｙ２をプロットする。同様に、コンピュータ１５０は、画像ドリフト量（Ｓｘ３，Ｓｙ３）をＸ方向ドリフト量Ｓｘ３とＹ方向ドリフト量Ｓｙ３とに分解し、走査開始時点０から時間ｔ１×２＋ｔ２が経過した位置に、Ｘ方向ドリフト量Ｓｘ３およびＹ方向ドリフト量Ｓｙ３をプロットする。

図５は図２のステップ４の概念図である。コンピュータ１５０は、プロットした離散的な画像ドリフト量から、連続的な画像ドリフト量を補間により計算する。補間には、多項式補間や３次スプライン補間を用いることができる。

図６は、図２のステップ５の概念図である。ステップ３で求めた連続的な画像ドリフト量から、各画像の各画素における画像ドリフト量を決定する。Ｎ枚目の画像における画素の位置（Ｘｉ，Ｙｉ）での画像ドリフト量（Ｓｘｉ，Ｓｙｉ）は、走査開始時点０からｔ１×(Ｎ−１)＋（Ｘｉ＋Ｙｉ×ＳｉｚｅＸ）／走査レートの時間が経過した時点における画像ドリフト量となる。

図７は、図２のステップ６の概念図である。コンピュータ１５０は、ステップ５で求めた画像ドリフト量（Ｓｘｉ，Ｓｙｉ）に基づいて、Ｎ枚目の画像ＩＮ内の位置（Ｘｉ，Ｙｉ）にある画素の輝度を補正する。より具体的には、コンピュータ１５０は、画素の位置（Ｘｉ，Ｙｉ）に画像ドリフト量（Ｓｘｉ，Ｓｙｉ）を加えることでシフト位置（Ｘｉ＋Ｓｘｉ，Ｙｉ＋Ｓｙｉ）を求め、このシフト位置にある画素の輝度を取得し、この取得した輝度を元の位置（Ｘｉ，Ｙｉ）の画素の輝度に割り当てる。ＳｘｉおよびＳｙｉが整数とならない場合は、近傍画素の補間によって画素の輝度を決定する。

ステップ５およびステップ６の手順をすべての画像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３のすべての画素に対して行い、画像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３についての補正画像を生成する。

図８は、図２のステップ７の概念図である。本実施形態では、補正画像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３から合成画像の一例である平均画像を生成する。より具体的には、補正画像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の同一位置の画素の輝度ｐ１，ｐ２，ｐ３を平均し、得られた平均ｐａを平均画像Ｉａの画素の輝度とする。この平均処理を全画素に対して行い、平均画像Ｉａを得る。

一実施形態では、平均処理以外の処理を用いて合成画像を生成してもよい。例えば、補正画像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の各画素の輝度の中央値を用いて合成画像を生成してもよい。より具体的には、補正画像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の同一位置の画素の輝度ｐ１，ｐ２，ｐ３の中央値を決定し、この中央値を合成画像Ｉａの画素の輝度とする。この処理を全画素に対して行い、合成画像Ｉａを得る。

図９は、コンピュータ１５０の構成を示す模式図である。コンピュータ１５０は、プログラムやデータなどが格納される記憶装置１１６２と、記憶装置１１６２に格納されているプログラムに従って演算を行うＣＰＵ（中央処理装置）などの処理装置１１２０と、データ、プログラム、および各種情報を記憶装置１１６２に入力するための入力装置１１６３と、処理結果や処理されたデータを出力するための出力装置１１４０と、インターネットなどのネットワークに接続するための通信装置１１５０を備えている。

記憶装置１１６２は、処理装置１１２０がアクセス可能な主記憶装置１１１１と、データおよびプログラムを格納する補助記憶装置１１１２を備えている。主記憶装置１１１１は、例えばランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）であり、補助記憶装置１１１２は、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）またはソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）などのストレージ装置である。

入力装置１１６３は、キーボード、マウスを備えており、さらに、記録媒体からデータを読み込むための記録媒体読み込み装置１１３２と、記録媒体が接続される記録媒体ポート１１３４を備えている。記録媒体は、非一時的な有形物であるコンピュータ読み取り可能な記録媒体であり、例えば、光ディスク（例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ）や、半導体メモリ（例えば、ＵＳＢフラッシュドライブ、メモリーカード）である。記録媒体読み込み装置１１３２の例としては、ＣＤドライブ、ＤＶＤドライブなどの光学ドライブや、カードリーダーが挙げられる。記録媒体ポート１１３４の例としては、ＵＳＢ端子が挙げられる。記録媒体に電気的に格納されているプログラムおよび／またはデータは、入力装置１１６３を介してコンピュータ１５０に導入され、記憶装置１１６２の補助記憶装置１１１２に格納される。出力装置１１４０は、表示装置１１６４、印刷装置１１４２を備えている。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１００ 走査電子顕微鏡
１１１ 電子銃
１１２ 集束レンズ
１１３ Ｘ偏向器
１１４ Ｙ偏向器
１１５ 対物レンズ
１１６ レンズ制御装置
１１７ 偏向制御装置
１１８ 画像取得装置
１２０ 試料チャンバー
１２１ ＸＹステージ
１２２ ステージ制御装置
１２４ ウェーハ
１３０ 二次電子検出器
１３１ 反射電子検出器
１４０ ウェーハ搬送装置
１５０ コンピュータ

Claims (3)

1. 試料を電子ビームで走査して複数の画像を生成し、
   前記複数の画像の特定領域内での画像ドリフト量を計算し、
   前記画像ドリフト量から、連続的な画像ドリフト量を補間により計算し、
   前記連続的な画像ドリフト量から、前記複数の画像の各画素での画像ドリフト量を決定し、
   各画素での画像ドリフト量に基づいて、各画素の輝度を補正することで前記複数の画像を補正し、
   前記補正された複数の画像から合成画像を生成することを特徴とする画像生成方法。
2. 前記合成画像は、前記補正された複数の画像の平均画像であることを特徴とする請求項１に記載の画像生成方法。
3. 前記複数の画像を補正する工程は、各画素の位置に前記画像ドリフト量を加えることでシフト位置を求め、前記シフト位置にある画素の輝度を取得し、前記取得した輝度を、前記画像ドリフト量を加える前の前記位置の画素の輝度に割り当てることで、前記複数の画像を補正する工程であることを特徴とする請求項１または２に記載の画像生成方法。
   
   

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