JP2019169406A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、試料表面と底部のそれぞれに焦点を合わせる際に発生する視野ずれを抑制しつつ、試料表面と底部に焦点の合った画像等を取得することを目的とする荷電粒子線装置を提案する。【解決手段】上記目的を達成するために、試料表面側に焦点が調整されたビームの照射に基づいて、第１のエネルギーの荷電粒子検出に基づく第１の画像（３０１）を形成し、試料に含まれるパターンの底側に焦点が調整されたビームの照射に基づいて、前記第１のエネルギーに対して相対的にエネルギーの高い第２のエネルギーの荷電粒子検出に基づく第２の画像（３０４）と、第１のエネルギーの荷電粒子検出に基づく第３の画像（３０３）を形成し、第１の画像と第３の画像との間のずれを求め、当該ずれを補正するように第１の画像と前記第２の画像を合成する荷電粒子線装置を提案する。【選択図】図３

Description

本開示は、荷電粒子線装置、及び試料像の形成方法に係り、特に深孔や深溝形状のパターンを含む領域の試料像を形成する荷電粒子線装置に関する。

走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）のような荷電粒子線装置を用いた深孔観察法が知られている。特許文献１には、コンタクトホールのような深孔の底から放出された電子に基づいて、高コントラストの孔底の画像を形成するために、電子ビームの光軸に近い軌道を通過する電子（光軸との相対角が小さい軌道を通過する電子（高アングル電子））と、相対的に電子ビームの光軸から離間した軌道を通過する電子（高アングル電子に対して相対的に光軸との相対角が大きい軌道を通過する電子（低アングル電子））を弁別して検出する２段の検出器を備えたＳＥＭが開示されている。特許文献２、３には、複数の検出器での検出信号を均一にすべく、二次電子の軌道を制御する二次電子用の偏向器を設けたＳＥＭが開示されている。

特許第３４５６９９９号（対応米国特許ＵＳＰ５，４９３，１１６） 特許第５０３３３１０号（対応米国特許ＵＳＰ７，４４９，６９０） 特許第４９４３７３３号（対応米国特許ＵＳＰ８，１５３，９６９）

走査電子顕微鏡は、焦点深度が比較的長く、深孔等の観察を行うときも、試料表面と底に焦点が合ったような画像を取得することができる。しかしながら、昨今、半導体デバイス上に形成された孔や溝の深さが深くなり、走査電子顕微鏡の焦点深度より深い孔や溝が散見されるようになってきた。このような深孔や深溝を高精度に計測、検査するためには、試料表面と孔や溝の底部のそれぞれに焦点を合わせて画像等を取得する必要がある。しかしながら、試料表面と底部のそれぞれに焦点を合わせるべく、一方の画像を取得した後、他方の画像を取得しようとすると、その間で視野ずれが発生し、同じ視野の画像を取得することが困難となる場合がある。特許文献１乃至３には、高アスペクト比のパターンについて、試料表面と底部のそれぞれに焦点を合わせるときに発生する視野ずれについては何ら論じられていない。

以下に、試料表面と底部のそれぞれに焦点を合わせる際に発生する視野ずれ等を抑制しつつ、試料表面と底部に焦点の合った画像等を取得することを目的とする荷電粒子線装置を提案する。

上記目的を達成するための一態様として、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束するレンズと、試料に対する荷電粒子ビームの照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、当該検出器の出力に基づいて荷電粒子ビームの照射領域の画像を生成する演算処理装置と、前記レンズを制御する制御装置とを備え、前記演算処理装置は、前記制御装置によって試料表面側に焦点が調整されたビームの照射に基づいて、第１のエネルギーの荷電粒子検出に基づく第１の画像を形成し、前記制御装置によって前記試料に含まれるパターンの底側に焦点が調整されたビームの照射に基づいて、前記第１のエネルギーに対して相対的にエネルギーの高い第２のエネルギーの荷電粒子検出に基づく第２の画像と、前記第１のエネルギーの荷電粒子検出に基づく第３の画像を形成し、前記第１の画像と前記第３の画像との間のずれを求め、当該ずれを補正するように前記第１の画像と前記第２の画像を合成する荷電粒子線装置を提案する。

また、上記目的を達成するための他の一態様として、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束するレンズと、試料に対する荷電粒子ビームの照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、当該検出器の出力に基づいて荷電粒子ビームの照射領域の画像を生成する演算処理装置と、前記レンズを制御する制御装置とを備え、前記演算処理装置は、前記制御装置によって試料表面側に焦点が調整されたビームの照射に基づいて、第１のエネルギーの荷電粒子検出に基づく第１の画像を形成し、前記制御装置によって前記試料に含まれるパターンの底側に焦点が調整されたビームの照射に基づいて、前記第１のエネルギーに対して相対的にエネルギーの高い第２のエネルギーの荷電粒子検出に基づく第２の画像を形成し、前記第１の画像の輝度分布情報に基づいて、前記第１の画像と前記第２の画像の合成比を求める荷電粒子線装置を提案する。

上記構成によれば、試料表面と底部のそれぞれに焦点を合わせる際に発生する視野ずれ等を抑制しつつ、試料表面と底部に焦点の合った画像等を取得することが可能となる。

走査電子顕微鏡の概略図。 合成画像の形成工程を示すフローチャート。 二次電子画像間のずれ評価に基づいて、二次電子画像と反射電子画像を合成する工程を示す図。 像表示装置に表示されるＧＵＩ画面の一例を示す図。 試料表面から放出される電子と、ホール底から放出される電子の軌道を示す図。 二次電子画像に基づいてマスク画像を生成し、マスク画像によって選択された領域の焦点評価に基づいて反射電子画像の焦点調整を行う工程を示す図。 合成画像の形成工程を示すフローチャート。 二次電子画像の輝度ヒストグラムを示す図。 レンズ条件と焦点評価値との関係を示す図。 焦点評価領域の位置を調整しつつ、焦点調整を行う工程を示すフローチャート。 二次電子画像の輝度分布に基づいて、二次電子画像と反射電子画像の合成比率を求めて画像合成する工程を示す図。 二次電子画像の輝度分布の反転波形を用いて、反射電子画像の重み係数を求める工程を示す図。

以下に説明する実施例では、高精度にパターンの計測を実行する演算処理装置を備えた荷電粒子線装置を説明する。また、以下に説明する荷電粒子線装置は、コンピュータプロセッサと、非一時的なコンピュータ可読媒体とを備えた制御装置によって制御される。非一時的なコンピュータ可読媒体は、コンピュータプロセッサによって実行されると、システムコントローラに所定の処理を実行させるコンピュータ命令で符号化され、後述するような処理工程に沿って、荷電粒子線装置を制御する。

半導体製造プロセスの微細化が進むにつれ、二次元平面での微細化にとどまらず、三次元積層で集積度を上げるためのデバイスを開発する技術が普及してきている。年々構造が複雑化し、深い孔や溝のような高アスペクト比の試料を形成するにあたり、エッチングや穴埋めＣＶＤが困難になることが予想される。また、アスペクト比の大きい深孔、深溝のエッチングではウェハ全面にわたってエッチングガスを垂直に制御する必要があり、この制御を誤ると斜めにエッチングされるといった事象問題も発生する。半導体計測検査装置では歩留まりの確認のため、前述するアスペクト比の大きいパターン等でＴｏｐ（試料表面）とＢｏｔｔｏｍ（孔底や溝底）の径だけでなくＴｏｐとＢｏｔｔｏｍとの間の位置ずれを計測、管理したいというニーズが高まりつつある。

また、荷電粒子線装置の焦点深度よりも深い孔や溝のＴｏｐとＢｏｔｔｏｍのそれぞれを高精度に計測、検査する必要性が高まることが予想される。特に、ＴｏｐとＢｏｔｔｏｍのそれぞれの寸法や、両者間のずれを、Ｔｏｐとｂｏｔｔｏｍのそれぞれに正確に焦点の合った状態で得られた信号を用いて、計測等を行う必要性が高まることが予想される。一方、ＴｏｐとＢｏｔｔｏｍのそれぞれで、最適なフォーカス値を設定し、それぞれの信号を検出できればＴｏｐとＢｏｔｔｏｍでの高精度計測は可能となるが、フォーカス値を変えることでＴｏｐと/Ｂｏｔｔｏｍとの間の撮像視野位置がずれてしまう。例えば、ＴｏｐとＢｏｔｔｏｍとの間のずれの計測や合成画像生成の際に、両者間にずれが存在すると、高精度な計測や適正な画像生成が望めない。また、ＴｏｐとＢｏｔｔｏｍの寸法を一度の計測により取得することができない。

以下、深孔、深溝のような高アスペクト比のパターンの計測や画像生成を行う場合であっても、視野ずれを抑制しつつ、高精度な計測や画像生成を可能とする荷電粒子線装置、及び試料像の形成方法について説明する。

以下に説明する実施例では主に、試料から放出される荷電粒子を二次電子と反射電子に分別して検出する検出器を備えた荷電粒子線装置であって、前記試料から放出された反射電子を必要な信号だけ選択的に取得する弁別器を備え、フォーカス値を変えて二段階で撮像した際に画像処理でＴｏｐ／Ｂｏｔｔｏｍの画像の位置ずれ検出を行うことで、Ｔｏｐ／Ｂｏｔｔｏｍのずれ量の計測を可能にし、その位置ずれ量を用いて二段階で撮像した画像の合成を行うことでＴｏｐ／Ｂｏｔｔｏｍの寸法とずれの視認性を向上させた画像を生成する荷電粒子線装置について説明する。

上記構成によれば深孔や深溝のような高アスペクトの試料で判定や計測が困難だったエッチング等によるパターン形成時のＴｏｐ／Ｂｏｔｔｏｍのずれが計測可能な画像を生成できる。

図１は、走査電子顕微鏡の概要を示す図である。電界放出陰極１と引出電極２との間に引出電圧を印加することで一次電子線３を引き出す。一次電子線３（電子ビーム）は、コンデンサレンズ４で収束作用を受け、対物レンズ５のレンズ中心を支点として試料６を二次元走査するように調整されている。加速された一次電子線３は対物レンズ５のレンズ作用で絞られステージ７に保持された試料６に到達する。

一次電子線３の照射によって試料６で発生した信号電子は運動エネルギーに応じて二次電子８と反射電子９に分類される。二次電子８はエネルギーが低く広がりが大きいため、光軸を一次電子線３と逆方向に進行後、二次電子制御板１０に衝突し二次電子検出器１４で検出される。反射電子９（後方散乱電子：Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ（ＢＳＥ））はエネルギーが高いため、光軸を一次電子線３と逆方向に進行し二次電子制御板１０の孔を通過する。試料から放出された電子が電界放出陰極１に向かうことがないように、信号電子偏向器１１によって、反射板１３に向かって試料から放出された電子を偏向する。信号電子偏向器１１は、試料から放出された電子の電子ビーム光軸外への偏向を行いつつ、電子ビームの軸外への偏向を抑制するために、ウィーンフィルタ偏向器が採用されている。偏向された反射電子９は更にエネルギー弁別器１２によって必要な信号だけを選択的に検出すると共に不要な信号をノイズとして破棄する。その後は反射板１３に衝突する。反射板１３に対する反射電子９の衝突によって、反射板１３から二次電子が放出され、当該二次電子は反射電子検出器１５で検出される。

二次電子検出器１４と反射電子検出器１５で検出された信号は演算器１６でデジタル画像化し、画像メモリ１８に格納する。なお、本実施例では試料から放出された電子を、反射板のような二次電子変換電極に衝突させ、その衝突によって反射板から放出される電子を検出する検出方式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、試料から放出される電子の軌道上に検出器の検出面を配置することによって、試料から放出される電子を直接検出する検出方式を採用するようにしても良い。また、反射電子検出器１５にて検出する電子は、実際は反射板で発生する二次電子であるが、反射板からは反射電子の入射量に応じて二次電子が発生し、検出される二次電子は反射電子量を反映したものとなるため、本実施例では反射電子検出器と称し、実質的に反射電子を検出するものと定義する。図１に例示するような装置によれば、例えば０〜５０ｅＶのエネルギー（第１のエネルギー）を持つ二次電子と、５０ｅＶ以上のエネルギー（第２のエネルギー）を持つ反射電子を分けて検出することができる。

画像メモリ１８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１回目は８枚分の二次電子を検出した画像を重ねて記憶し、１枚の完成した像を形成する。２回目は１２８枚分の反射電子を検出した画像を重ねて記憶し１枚の積算画像を形成する。１回目と２回目で取得した画像の合成比率を変更して１枚の積算した画像を形成する。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）は入力装置２５から任意に設定可能であり、二次電子、反射電子の発生効率等の条件を鑑みて適正な値を設定するものとする。また複数枚数積算して形成した画像を２回もしくはそれ以上の異なる条件に分けて撮像し、合成方法や合成比率を適正な値に設定す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。また、所望の画像数が画像メモリに記憶された時点で画像合成の要求を出すことができても良い。演算器１６では入力装置２５から設定によって検出された信号を用いて輝度調整や複数走査によって得られた画像間の位置ずれを検出することもできる。

一次電子線３は、対物レンズ制御電源１７で制御された対物レンズ５によって、試料６に微小スポットとして収束される。また、リターディング電圧電源２０からステージ７に負電圧を印加することによって、電子ビームに対する減速電界を形成し、当該印加電圧の調整によってビームのフォーカス条件を調整することも可能である。試料やステージに印加する負電圧によって形成される電界は、ビームを集束する静電レンズとなるため、対物レンズ５に代えて或いは対物レンズ５と共にビームの焦点調整を行うことができる。

像表示装置１９では画像メモリ１８に設定した画像データを表示することができる。また、画像メモリ１８に設定した画像データを記憶媒体に保存するため記憶装置２１を備えることも可能である。

入力装置２５からは、画像の取り込みの実行、画像の取り込み条件（走査速度、走査方向、画像積算枚数、フォーカス位置、視野ずれ補正方法）や画像合成方法、および画像の出力や保存等を指定することができる。

制御装置２４には演算器１６（演算処理装置）、対物レンズ制御電源１７、リターディング電圧電源２０、加速電圧電源２２、レンズ制御電源２３、画像メモリ１８、記憶装置２１、像表示装置１９、入力装置２５接続されており、これらの装置を制御する。

また、図１に例示する走査電子顕微鏡は、検出された二次電子８或いは反射電子９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。

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、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。その際には二次電子検出器１４や反射電子検出器１５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。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。

以下に示す実施例では、深い孔や溝のような高アスペクト比で形成された試料のＴｏｐ（例えば試料表面）／Ｂｏｔｔｏｍ（例えば孔底や溝底）の寸法とずれの計測を高精度に実現し得る画像生成方法、及び信号電子を用いた計測方法について説明する。深孔、深溝のようにアスペクト比（深孔や深溝の場合、「孔や溝の深さ／孔底や溝底の幅」で定義する）の高いパターンの底部から放出される電子に基づく情報を顕在化するためには、相対的にエネルギーの高い電子、例えば反射電子を選択的に検出する必要がある。

図５に例示するように、高アスペクトの構造物（ホール５０５）の底部５０６から放出される電子の内、反射電子５０１は試料表面に脱出できる。二次電子５０２は、試料表面に脱出する前に構造物の側壁に衝突してしまう可能性が高い。このように反射電子５０１は比較的高効率に検出することができるが、二次電子５０２の検出効率は低い。一方、構造物表面５０７から放出される反射電子５０３、二次電子５０４は共に高効率に検出することができる。即ち、アスペクト比の高いパターンの底部は、二次電子５０２の検出効率が低いため、結果として試料表面と比較すると底部が暗い画像が形成されることになる。

一方、反射電子を選択的に検出することができれば、底部と試料表面との検出効率の差が抑制される分、試料底部の情報をより顕在化することが可能となる。

そこで本実施例では、試料の底部の画像は、反射電子のような高エネルギーの電子の選択的な検出に基づいて形成する。高エネルギー電子の選択的な検出は、例えばエネルギーフィルタと呼ばれる低エネルギー電子の通過を遮断する素子を用いて行う。また、試料表面の画像は、二次電子のような比較的信号量の多い低エネルギーの電子の検出に基づいて形成する。本実施例では、上記のように試料表面から得られた画像と、試料の底部から得られた画像の双方を用いて画像生成を行うべく、以下のような画像処理及び装置制御を自動的に行う制御装置を備えた走査電子顕微鏡について説明する。具体的には、試料表面にフォーカスを合わせて二次電子画像（第１画像）を取得し、パターン底部にフォーカスを合わせて二次電子画像（第３画像）と反射電子画像（第２画像）を取得する。更に、第１画像と第３画像に含まれるパターン（例えばホールパターン）の重心を求め、両者間の位置ずれを求める。

本実施例では、視野位置を固定した状態で試料表面とパターン底部に焦点が合うようにフォーカス調整を行うが、フォーカス調整前後で帯電等の影響で視野がずれる可能性がある。フォーカス調整前後の画像を比較することによって、そのずれ量を正確に把握することが可能となる。また、第１画像はＳ／Ｎ比が高く、パターンの重心が求めやすい二次電子画像であり、第３画像はパターンの輪郭は不明瞭であるものの、Ｓ／Ｎ比が高くパターンの重心が求めやすい二次電子画像であるため、重心位置間のずれ量を正確に求めることができる。

更に求められたずれ量とずれの方向（ベクトル情報）の情報を利用して第１画像と第２画像のずれを補正するように位置合わせを行い、位置合わせ後の両画像を合成して合成画像を生成する。上述のような工程を経て形成された合成画像は、試料表面と試料底部の両方の情報が顕在化した画像となる。なお、試料表面にフォーカスが合った状態で取得される反射電子画像（第４画像）は、他に必要がある場合に取得するようにしても良い。

図２は合成画像生成工程を示すフローチャートである。なお、図１に例示する走査電子顕微鏡には、反射電子のような高エネルギー電子を検出する検出器と、二次電子のような低エネルギー電子を検出する検出器が設けられており、両者を同時に検出することが可能な構成となっているが、これに限られることなく、１の検出器を持つ装置で上述のような合成画像生成を行うようにしても良い。その場合は一回の撮像で二次電子、反射電子の両方の画像を取得できないため、それぞれ撮像を行い、画像メモリ１８に設定する。

しかしながら、検出器が１つの装置の場合、同じフォーカス条件で反射電子画像と二次電子画像を取得する場合であっても、取得タイミングに時間差が生じてしまうため、同じフォーカス条件で同じ視野位置の高エネルギー電子と低エネルギー電子を同時に取得できる複数検出器を備えた走査電子顕微鏡を採用することが望ましい。

図２に例示する処理工程開始前にはビームのフォーカスをＴｏｐ側に合わせておく。操作者が手動で合わせても良いし、オートフォーカス等により自動で合わせても良い。なお、オートフォーカスによる調整を行う場合、視野内の試料表面の面積の割合が大きければ、おおよそ試料表面に焦点が合うので通常のオートフォーカスを行うと良い。一方、視野内の試料表面の面積割合が小さい場合には、試料表面ではなく相対的に面積割合の大きい領域の試料高さに焦点が合うことになるので、そのような場合は、試料表面を選択的に含むような焦点評価領域を設定しておき、当該領域における選択的な焦点評価を行うことによって、オートフォーカスを行うようにすると良い。

まず、入力装置２５から合成画像生成のシーケンスの実行を指示する。制御装置２４は、対物レンズ制御電源１７、及びリターディング電圧電源２０の少なくとも一方を制御し、ＴＯＰに焦点が合うように焦点調整を実行し、その焦点調整状態にて二次電子画像（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｉｍａｇｅ：ＳＥ ｉｍａｇｅ）３０１と、反射電子画像（ＢＳＥ ｉｍａｇｅ）３０２を撮像（ステップ２０１）し、画像メモリ１８に登録する。帯電によりフレーム積算中の像ドリフトが発生する可能性があるためＳＥ像３０１撮像時にはフレーム間でドリフト量を検出して補正を行っても良い。

次に、ｂｏｔｔｏｍに焦点が合うように、対物レンズ制御電源１７、及びリターディング電圧電源２０の少なくとも一方を制御する（ステップ２０２）。この場合、例えば試料表面とパターン底部との高低差（深さ）とフォーカス条件（対物レンズの励磁電流、ステージへの印加電圧）との関係をテーブル化しておき、深さ情報の入力に基づいてフォーカス条件を調整する。表示画面を確認しつつ、反射電子画像のホール底の画像が鮮明になるように、手動でフォーカス条件を調整するようにしても良い。この時に変更前のＴｏｐ側のフォーカス値は保持しておくものとする。

制御装置２４は、ｂｏｔｔｏｍにフォーカスを合わせた状態で、二次電子画像３０３と反射電子画像３０４を形成すべく、電子ビームを走査させ、当該走査によって得られる二次電子と反射電子を検出し、その画像データを画像メモリ１８に登録する（ステップ２０３）。帯電によりフレーム積算中の像ドリフトが発生する可能性があるためＳＥ像３０３撮像時にはフレーム間でドリフト量を検出して補正を行っても良い。

制御装置２４は、ステップ２０２で記憶しておいたフォーカス条件を設定し、電子ビームの焦点位置をＴＯＰに合わせる（ステップ２０４）。ステップ２０４にて焦点位置をＴＯＰに合わせる（元に戻す）ような処理を行うことによって、焦点調整条件が同等の他の計測点において、図２に例示するような処理を円滑に開始することができる。

次に、フォーカス調整前後での視野ずれを補正するため、ステップ２０１及びステップ２０３にて取得されたＳＥ画像３０１とＳＥ画像３０３を、画像メモリ１８から読み出し、両者のずれを検出する（ステップ２０５）。この際、正規化相互相関法によるパターンマッチングアルゴリズムを用いて、ずれ量とずれの方向を求める。なお、パターン検出アルゴリズムは正規化相関のアルゴリズムに限定せず、位相限定相関等のアルゴリズムを用いても良い。この際、（Δｘ，Δｙ）分、ずれた位置でマッチングした場合は、例えば（−Δｘ，−Δｙ）を補正データとして所定の記憶媒体に登録する。

ステップ２０６では、ステップ２０５で求められた補正データを用いて、ＢＳＥ画像の位置を補正し、位置補正処理が施された位置補正ＢＳＥ画像３０５を、画像メモリ１８に登録する。更にステップ２０７では、ＳＥ画像３０１に含まれるホールパターンの重心位置と、位置補正ＢＳＥ画像３０５に含まれるホールパターンの重心位置を算出し、それぞれで算出した重心位置のずれを求める。

このようにして算出した重心位置間のずれを、半導体デバイスのレイヤ間のオーバーレイ誤差として表示装置に表示、或いは所定の記憶媒体に記憶させる。このような処理によって、レイヤ間のオーバーレイ誤差を知ることができる。なお、ずれの計測は、ｔｏｐのＳＥ画像からパターンエッジの輪郭線（エッジ部分の細線化処理によって抽出される線分）から求められる重心位置と、ｂｏｔｔｏｍのＢＳＥ画像の輝度分布の重心位置との距離から求めるようにしても良い。このように、ｔｏｐ側とｂｏｔｔｏｍ側で重心位置抽出の処理法を変えることによって、双方の画像状態に合った適切な重心位置特定が可能となり、結果として高精度なオーバーレイ誤差計測が可能となる。

次に、ＳＥ画像３０１と位置補正ＢＳＥ画像３０５を合成し、合成画像３０６を生成する（ステップ２０８）。画像合成の際には、例えばＴＯＰ側はＳＥ画像３０１の情報、ｂｏｔｔｏｍ側は位置補正ＢＳＥ画像３０５の情報が強調できれば良いため、例えばＳＥ画像３０１からパターンの輪郭線を抽出し、当該輪郭線の外側はＳＥ画像３０１の情報を適用し、輪郭線の内側は位置補正ＢＳＥ画像３０５の情報を適用することによって、合成画像を生成するようにすると良い。他の合成法については後述する。

合成画像は、像表示装置１９に試料像として表示される。合成した画像は記録装置３０に保存することもできる。

また、図４に例示するグラフィカルユーザーインターフェース画面は、像表示装置１９に表示され、制御装置２４はＧＵＩ画面上で設定された装置条件に応じて、走査電子顕微鏡を制御する。ＧＵＩ画面中、Ｔｏｐ／Ｂｏｔｔｏｍ画像撮像時の共通パラメータの設定ウィンドウでは倍率（４０１）、スキャンサイズ（４０２）の設定が可能となっている。試料のＴｏｐの画像の撮像条件の設定ウィンドウではＳ／Ｎを向上させた画像を得るためのフレーム積算枚数（４０３）等の指定が可能となっている。なお、Ｔｏｐ画像の条件設定ウィンドウにて設定した装置条件は、Ｔｏｐにフォーカスが合っているときの装置条件として設定され、Ｂｏｔｔｏｍ画像の条件設定ウィンドウにて設定した装置条件は、Ｂｏｔｔｏｍにフォーカスが合っているときの装置条件として設定される。また、試料帯電を抑制するための電子線走査方法を設定するような設定ウィンドウを設けるようにしても良い。試料のＢｏｔｔｏｍの画像の撮像条件の設定ウィンドウではＳ／Ｎを向上させた画像を得るためのフレーム積算枚数（４０３）、帯電によるフレーム積算中の像ドリフトの補正（０４０４）やＢｏｔｔｏｍにフォーカスが合った画像を得るためのフォーカス位置（４０５）を指定が可能となっている。また、試料帯電を抑制するための電子線走査方法を設定する設定ウィンドウを設けるようにしても良い。

ＴｏｐとＢｏｔｔｏｍの位置ずれの検出方法の設定ウィンドウ（４０６）では対象となるパターンの形状に応じて検出方法を指定することができる。Ｘ、Ｙ方向はＸ、Ｙの両方向の位置ずれの検出を行い、Ｘ方向、Ｙ方向は一方向のみ位置ずれを検出する。また、検出アルゴリズム等を設定させても良い。実施例１のような深孔、深溝のパターンではＸ、Ｙ方向を設定し、両方向の検出を行う。

合成比率の設定ウィンドウ（４０７）では、画像合成の際のＳＥ画像とＢＳＥ画像を合成する方式の設定が可能となっている。設定ウィンドウ４０７のプルダウンメニューとして、“Ｉｎｐｕｔ ｖａｌｕｅ”、“Ｗｅｉｇｈｔｉｎｇ １”、“Ｗｅｉｇｈｔｉｎｇ ２”が表示され、任意の合成方式の選択が可能となっている。このウィンドウで“Ｉｎｐｕｔ ｖａｌｕｅ”を設定すると、数値入力ウィンドウでのＴｏｐの画像とＢｏｔｔｏｍの画像の合成比率を設定することができる。実行ボタン（４０８）を押下することで図２に示す処理フローを開始する。

本実施例では、ホールパターン等の底部に焦点を合わせる際に、底部の焦点評価値を適正に評価し、その評価に基づいて底部にビームの焦点を合わせる工程を含む合成画像生成法、及び走査電子顕微鏡について図６、図７を用いて説明する。図６は、試料表面側に焦点の合った画像の解析に基づいて、底部の焦点評価を実施するための評価領域を設定し、その評価領域内での焦点評価に基づいて、底部への焦点調整を行う処理の流れを示す図であり、図７は、その処理工程を示すフローチャートである。なお、本実施例における処理は、図４に例示するＧＵＩ画面に含まれるフォーカス調整設定ウィンドウ４１０のｂｏｔｔｏｍの設定を“Ａｕｔｏ”にすることによって行われる。なお、図４では“Ｆｉｘｅｄ Ｖａｌｕｅ”が選択されており、この設定状態のときはフォーカス位置設定ウィンドウ４０５に対する深孔、深溝の深さの入力に基づいて、ｂｏｔｔｏｍに対する焦点調整を行う。深さと、対物レンズや試料に印加する負電圧との関係を予めテーブル化しておき、所定の記憶媒体に記憶させておくことで、制御装置２４は記憶媒体に記憶された情報を参照して、フォーカス調整を実行する。

制御装置２４は、まず試料高さ情報を利用した焦点調整を行う（ステップ７０１）。試料高さの測定は例えばＺセンサと呼ばれる試料高さ計測装置を用いて行い、計測された高さにおおよそ焦点が合うように焦点調整を行う。次に、試料表面の焦点評価値を評価しつつ焦点を変化させ、試料表面に合焦するようレンズ条件（対物レンズの励磁条件、試料ステージへの負電圧印加条件の少なくとも一方）を設定する（ステップ７０２）。焦点調整後、図１に例示する走査電子顕微鏡に内蔵された二次電子検出器１４と反射電子検出器１５によって、二次電子と反射電子を検出し（ステップ７０３）、ＳＥ画像６０１（第１画像）とＢＳＥ画像６０２（第４画像）を形成する（ステップ７０４）。

上述したように、試料表面から放出される二次電子は高効率に検出ができる反面、パターンの底部から放出される二次電子は、試料表面から脱出することができず、検出量は限られている。よって試料表面とパターン底部は明るさが大きく異なる。図８は、ＳＥ画像に含まれる画素の輝度分布を示すグラフである。図８に例示するように、パターン底部領域の画素値の集合である低輝度分布８０２と、試料表面領域の画素値の集合である高輝度分布８０３がはっきりと分かれている。

本実施例では、以上のような現象を利用して所定の輝度に閾値８０１を設定し、当該閾値を超えた画素領域がマスクされるようなマスク画像６０３を生成する（ステップ７０５）。マスク画像６０３は、低輝度画素領域はマスクされず、電子顕微鏡像とマスク画像を重ねると、パターン底部のような低輝度領域が選択的に表示された画像となる。

以上のようにして形成されたマスク画像を、パターンマッチングアルゴリズム等を用いてＢＳＥ画像に重ね合わせ、マスクされていない領域（アンマスク領域）を焦点評価領域とした画像６０４を用いて、焦点調整を実行する（ステップ７０６）。焦点調整後、その焦点調整状態を維持しつつ、ビーム走査を行うことによって、ＳＥ画像（第３画像）とＢＳＥ画像（第２画像）を生成する（ステップ７０７）。次に、第１画像と第３画像間の位置ずれを求め（ステップ７０８）、当該位置ずれを補償するように、第１の画像と第２の画像を重ね合わせ、合成画像を生成する（ステップ７０９）。

アンマスク領域の選択的な焦点評価によって、パターン底部に高精度に焦点調整を行うことができ、画像全体で高精度に焦点の合った合成画像を生成することが可能となる。なお、本実施例では画像に含まれるパターン底部に対応する領域の選択的な焦点評価を可能とすべく、その他の領域をマスクするような処理を行ったが、マスク領域を設けることなく、特定の領域（焦点評価領域）で選択的に焦点評価を行う他の画像処理法によっても同等の効果を実現することが可能となる。例えば、所定の領域以外では焦点評価を行わないような演算を行うことによって、マスク領域を設けた場合と同じ効果が期待できる。

なお、オートフォーカスを行うためには、フォーカス条件ごとに画像を取得する必要があるが、フォーカスを変化させ、画像を取得している過程でも視野がずれてしまい、適切な領域での焦点評価ができなくなることが考えられる。そこで、本実施例では更にオートフォーカス実行時に適切な焦点評価を行うための例について説明する。図１０は、図７のステップ７０６における焦点調整工程の詳細を示すフローチャートである。試料表面に焦点が合った状態から焦点位置を変更（レンズ条件を変更）し、変更後、ビーム走査を行うことによって、ＳＥ、ＢＳＥを検出し、ＳＥ画像とＢＳＥ画像を生成する（ステップ１００１〜１００４）。

次にステップ１００３で得られたＳＥ画像と、試料表面に焦点が合った状態で得られたＳＥ画像を比較し、パターンマッチングアルゴリズム等を用いることによって、両者間のずれを測定する（ステップ１００５）。このずれがゼロ、或いは所定値未満である場合には、評価領域（アンマスク領域）に対応するＢＳＥ画像内領域の焦点評価を行う（ステップ１００７）。一方、ステップ１００３で得られたＳＥ画像と、試料表面に焦点が合った状態で得られたＳＥ画像間に位置ずれが合った場合には、帯電等の影響により視野位置がずれ、パターン底部に評価領域が適切に位置づけられていないことになるため、視野位置のずれに追従すべく、ステップ１００５で測定されたずれを補償するように、評価領域を移動させる（ステップ１００６）。焦点評価によって、合焦点（図９の９０１）を認識するまで、ステップ１００１〜１００７を繰り返し実行し、パターン底部に対する焦点調整を行う。

図１０に例示した調整プログラムを予め所定の記憶媒体に記憶しておき、制御装置２４で実行することによって、パターン底部の焦点を選択的に評価しつつ、焦点合わせを行う過程で、常に正確な位置の焦点の評価を行うことができ、パターン底部への正確な焦点調整を行うことが可能となる。

次にＳＥ画像とＢＳＥ画像を合成する際に、その合成比率を適正化する手法について説明する。図４に例示するＧＵＩ画面の合成比率の設定ウィンドウ４０７にて“Ｗｅｉｇｈｔｉｎｇ １”を選択することによって、制御装置２４は後述する処理を自動的に実行する。

実施例１、実施例２では、例えばホールパターンの場合、ホール底はＢＳＥ画像、試料表面はＳＥ画像となるように合成画像を生成したが、検出信号の状態に応じて、適正な比率で両者を混合することによって、画像全体で高コントラストの画像を形成することが可能となる。図１１はその原理を説明する図である。まず、実施例１、実施例２に例示した画像取得アルゴリズムを用いて、試料表面のＳＥ画像とパターン底部のＢＳＥ画像を取得する。そして、ＳＥ画像とＢＳＥ画像の合成処理を行う際に、ＳＥ画像の輝度分布情報を取得し、更に図１１に例示するように、最大輝度が１．０となるように輝度分布を規格化することによって、合成比率テーブルを生成する。輝度分布情報は例えばｘ方向の輝度変化を示す情報であり、ｙ方向の画素ごとに生成し、それぞれの合成比率テーブルを生成する。

演算器１６は合成比率が１．０の画素ではＳＥ信号が１００％、ＢＳＥ信号が０％となるように合成し、合成比率が０の画素ではＳＥ信号が０％、ＢＳＥ信号が１００％となるように画像合成を行う。ＳＥ信号の強さに応じて、ＢＳＥ信号の合成比率を調整するような処理によって、ＳＥ信号が少ないホール底等では他の部分に対して相対的にＢＳＥ信号の比率を高めることができ、結果として、画像全体で高コントラストとなるような画像形成を行うことが可能となる。

孔底に焦点が合った状態で取得されたＢＳＥ画像は、孔底の構造物が明瞭に視認できる反面、エッジ部分は輝度の変化がなだらかな画像となる。そこで、本実施例では、ＢＳＥ画像の輝度の変化がなだらかな部分の合成画像に与える影響を低下させ、視認性の良い合成画像を生成する手法について説明する。図４に例示するＧＵＩ画面の合成比率の設定ウィンドウ４０７にて“Ｗｅｉｇｈｔｉｎｇ ２”を選択することによって、制御装置２４は後述する処理を自動的に実行する。

本実施例では、実施例１で用いた二次電子画像３０３を用いて、ＢＳＥ画像の不明瞭な部分の影響を低下させる例について説明する。図１２は、その画像処理工程を示す図である。ＳＥ画像１２０１（二次電子画像３０３）は、エッジ効果によってパターンのエッジ部分が高輝度となると共に、試料表面には焦点が合っていないため、その高輝度部分１２０２がぼけて拡がったような画像となる。この高輝度部分の位置は、ＢＳＥ画像１２０３の不明瞭部分１２０４の位置におおよそ一致するため、高輝度部分１２０４の強度に相反するように、ＢＳＥ画像の強度を調整すれば、ＢＳＥ画像の輝度の変化がなだらかな部分の合成画像への影響を抑制することができる。

そこで演算器１６は、ＳＥ画像１２０１の輝度分布情報を取得し、当該輝度情報を反転することで重み係数を算出する。輝度情報を反転することによって生成された重み係数をＢＳＥ画像１２０３に乗算することによって、エッジ部分の影響を低下させることができるため、輝度の変化がなだらかな部分のないＢＳＥ画像を生成することができ、乗算後の加工ＢＳＥ画像１２０５と、ＳＥ画像１２０６を実施例３に例示した合成法で合成することによって、輝度の変化がなだらかな部分のない画像全体で明瞭な画像を生成することが可能となる。

１…電界放出陰極、２…引出電極、３…一次電子線、４…コンデンサレンズ、５…対物レンズ、６…試料、７…ステージ、８…二次電子、９…反射電子、１０…二次電子制御板、１１…信号偏向器、１２…エネルギー弁別器、１３…反射板、１４…二次電子検出器、１５…反射電子検出器、１６…演算器、１７…対物レンズ制御電源、１８…画像メモリ、１９…像表示装置、２０…リターディング電圧電源、２１…記憶装置、２２…加速電圧電源、２３…レンズ制御電源、２４…制御装置、２５…入力装置

Claims (11)

1. 荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束するレンズと、試料に対する荷電粒子ビームの照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、当該検出器の出力に基づいて荷電粒子ビームの照射領域の画像を生成する演算処理装置と、前記レンズを制御する制御装置とを備え、
   前記演算処理装置は、前記制御装置によって試料表面側に焦点が調整されたビームの照射に基づいて、第１のエネルギーの荷電粒子検出に基づく第１の画像を形成し、前記制御装置によって前記試料に含まれるパターンの底側に焦点が調整されたビームの照射に基づいて、前記第１のエネルギーに対して相対的にエネルギーの高い第２のエネルギーの荷電粒子検出に基づく第２の画像と、前記第１のエネルギーの荷電粒子検出に基づく第３の画像を形成し、前記第１の画像と前記第３の画像との間のずれを求め、当該ずれを補正するように前記第１の画像と前記第２の画像を合成することを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１において、
   前記試料から放出された荷電粒子の内、第１のエネルギーを有する荷電粒子を検出する第１の検出器と、前記第１のエネルギーより相対的に高い第２のエネルギーを有する荷電粒子を検出する第２の検出器を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項１において、
   前記演算処理装置は、前記パターンの底を選択的に焦点評価領域として、焦点評価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、
   前記演算処理装置は、前記第１の画像に含まれるパターン底部領域を前記焦点評価領域として設定することを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項３において、
   前記演算処理装置は、前記第１の画像内の所定値以下の輝度値を持つ領域を焦点評価領域として設定することを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項３において、
   前記演算処理装置は、前記第１の画像内の所定値以上の輝度値を持つ領域を前記焦点評価の対象としないマスク領域として設定することを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束するレンズと、試料に対する荷電粒子ビームの照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、当該検出器の出力に基づいて荷電粒子ビームの照射領域の画像を生成する演算処理装置と、前記レンズを制御する制御装置とを備え、
   前記演算処理装置は、前記制御装置によって試料表面側に焦点が調整されたビームの照射に基づいて、第１のエネルギーの荷電粒子検出に基づく第１の画像を形成し、前記制御装置によって前記試料に含まれるパターンの底側に焦点が調整されたビームの照射に基づいて、前記第１のエネルギーに対して相対的にエネルギーの高い第２のエネルギーの荷電粒子検出に基づく第２の画像を形成し、前記第１の画像の輝度分布情報に基づいて、前記第１の画像と前記第２の画像の合成比を求めることを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 請求項７において、
   前記演算処理装置は、前記第１の画像の輝度分布情報に応じて、第１の画像の輝度が強い程、前記第１の画像の比率を高くして前記第２の画像と合成することを特徴とする荷電粒子線装置。
9. 請求項７において、
   前記演算処理装置は、前記第１の画像の輝度分布情報を規格化し、規格化された値が大きい程、第１の画像の比率を高くすると共に第２の画像の比率を低くして合成を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
10. 請求項７において、
    前記演算処理装置は、前記制御装置によって前記試料に含まれるパターンの底側に焦点が調整されたビームの照射に基づいて、前記第１のエネルギーの荷電粒子検出に基づく第３の画像を形成し、当該第３の画像の輝度分布を反転させた反転情報を、前記第２の画像に重み付け乗算し、当該重み付け乗算された第２の画像と、前記第１の画像を合成することを特徴とする荷電粒子線装置。
11. 荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束するレンズと、試料に対する荷電粒子ビームの照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、当該検出器の出力に基づいて荷電粒子ビームの照射領域の画像を生成する演算処理装置と、前記レンズを制御する制御装置とを備え、
    前記演算処理装置は、前記制御装置によって試料表面側に焦点が調整されたビームの照射に基づいて、第１のエネルギーの荷電粒子検出に基づく第１の画像を形成し、前記制御装置によって前記試料に含まれるパターンの底側に焦点が調整されたビームの照射に基づいて、前記第１のエネルギーに対して相対的にエネルギーの高い第２のエネルギーの荷電粒子検出に基づく第２の画像と、前記第１のエネルギーの荷電粒子検出に基づく第３の画像を形成し、当該第３の画像の輝度分布を反転させた反転情報を、前記第２の画像に重み付け乗算し、当該重み付け乗算された第２の画像と、前記第１の画像を合成することを特徴とする荷電粒子線装置。

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