JP2021174305A - 画像生成方法および画像生成システム - Google Patents

Abstract

【課題】事前照射の量を減らし、撮像のスループットを向上させることができる画像生成方法を提供する。【解決手段】本方法は、パターンのあるターゲット領域の撮像を走査電子顕微鏡１により繰り返し実行して２つの画像５０を生成し、電子ビーム照射に起因するターゲット領域の帯電により生じた２つの画像５０の差異を示す評価値を算定し、ターゲット領域の画像５０の生成と、直近の２つの画像５０の差異を示す評価値の算定を繰り返し、評価値の変化率がしきい値よりも下回ったことを決定し、その後、ターゲット領域の積算画像を生成する。【選択図】図２

Description

本発明は、ウェーハ、パネル、マスク、基板などの試料に形成されたパターンの画像を生成する技術に関する。

ＳＥＭ撮像のように同一箇所を短時間で複数回ビーム照射して積算画像を得る技術がある。電子ビーム照射による一時的な帯電が大きい試料、例えば絶縁膜を有する試料では、帯電の影響でビーム照射位置が変化し、最終的に積算した画像の先鋭度や鮮明度に悪影響を及ぼす。ビーム照射を繰り返すと帯電の影響が漸次減少することが分かっている。したがって、一定量照射を行った後に必要な撮像を行うといった手法がとられている。

特開２０００−３３１６３５号公報

しかし、ウェーハパターンの形状検査や寸法測定を行う場合、検査領域のパターンの密度や下層のパターンの有無などにより、処理領域ごとの帯電の影響が大きく異なる場合がある。一定量照射を行った場合、帯電の影響の大小によらず、一律事前照射を増加させることになり、全体の処理時間が著しく延長されることになる。

そこで、本発明は、事前照射の量を減らし、撮像のスループットを向上させることができる画像生成方法および画像生成システムを提供する。

一態様では、パターンのあるターゲット領域の撮像を走査電子顕微鏡により繰り返し実行して２つの画像を生成し、電子ビーム照射に起因する前記ターゲット領域の帯電により生じた前記２つの画像の差異を示す評価値を算定し、前記ターゲット領域の画像の生成と、直近の２つの画像の差異を示す評価値の算定を繰り返し、前記評価値の変化率がしきい値よりも下回ったことを決定し、その後、前記ターゲット領域の積算画像を生成する、画像生成方法が提供される。

一態様では、前記評価値を算定する工程は、前記２つの画像の差異を表す評価画像を生成し、前記評価画像を構成する画素の色データの統計量である前記評価値を算定する工程である。
一態様では、前記評価画像を生成する工程は、前記２つの画像を所定の演算アルゴリズムに従って処理することで前記評価画像を生成する工程である。
一態様では、前記所定の演算アルゴリズムは、画素の色指標値の差の絶対値を算定する処理、画素の色指標値の平均を算定する処理、画素の色指標値の平均を算定することで得られた平均画像にエッジ検出フィルタを適用する処理、画素の色指標値の論理和を算定する処理、画素の色指標値の論理積を算定する処理、および画素の色指標値の排他的論理和を算定する処理のうちのいずれか１つである。

一態様では、パターンのあるターゲット領域の撮像を実行する走査電子顕微鏡と、前記走査電子顕微鏡の動作を制御する動作制御部を備え、前記動作制御部は、前記走査電子顕微鏡に指令を発して、前記ターゲット領域の撮像を繰り返し実行させて２つの画像を生成させ、電子ビーム照射に起因する前記ターゲット領域の帯電により生じた前記２つの画像の差異を示す評価値を算定し、前記走査電子顕微鏡に指令を発して前記ターゲット領域の画像を生成させる動作と、直近の２つの画像の差異を示す評価値を算定する動作を繰り返し、前記評価値の変化率がしきい値よりも下回ったことを決定し、前記ターゲット領域の積算画像を生成するように構成されている、画像生成システムが提供される。

一態様では、前記動作制御部は、前記２つの画像の差異を表す評価画像を生成し、前記評価画像を構成する画素の色データの統計量である前記評価値を算定するように構成されている。
一態様では、前記動作制御部は、前記２つの画像を所定の演算アルゴリズムに従って処理することで前記評価画像を生成するように構成されている。
一態様では、前記所定の演算アルゴリズムは、画素の色指標値の差の絶対値を算定する処理、画素の色指標値の平均を算定する処理、画素の色指標値の平均を算定することで得られた平均画像にエッジ検出フィルタを適用する処理、画素の色指標値の論理和を算定する処理、画素の色指標値の論理積を算定する処理、および画素の色指標値の排他的論理和を算定する処理のうちのいずれか１つである。

本発明によれば、評価値の変化率がしきい値を下回った後に積算画像が生成される。したがって、必要最小限の事前照射のみが行われ、撮像のスループットを向上させることができる。さらに、積算画像の生成に使用される複数の対象画像間の変化は小さいので、良好な積算画像を得ることができる。

画像生成システムの一実施形態を示す模式図である。 走査電子顕微鏡により連続して生成されたターゲット領域の複数の画像を示す図である。 評価値である統計量として標準偏差を用いた例を示すグラフである。 種々の演算アルゴリズムに従って生成された評価画像の変化の様子を示す図である。

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、画像生成システムの一実施形態を示す模式図である。画像生成システムは、試料Ｗの画像を生成する走査電子顕微鏡１と、走査電子顕微鏡１の動作を制御する動作制御部５を備えている。試料Ｗの例としては、半導体デバイスの製造に使用されるウェーハ、マスク、パネル、基板などが挙げられる。

動作制御部５は、少なくとも１台のコンピュータから構成される。動作制御部５は、プログラムが格納された記憶装置５ａと、プログラムに含まれる命令に従って演算を実行する処理装置５ｂを備えている。記憶装置５ａは、ＲＡＭなどの主記憶装置と、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）などの補助記憶装置を備えている。処理装置５ｂの例としては、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＧＰＵ（グラフィックプロセッシングユニット）が挙げられる。ただし、動作制御部５の具体的構成はこれらの例に限定されない。

走査電子顕微鏡１は、電子ビームを放出する電子銃１５、電子銃１５から放出された電子ビームを集束する集束レンズ１６、電子ビームをＸ方向に偏向するＸ偏向器１７、電子ビームをＹ方向に偏向するＹ偏向器１８、電子ビームを試料Ｗにフォーカスさせる対物レンズ２０、試料Ｗを支持するステージ３１を有する。電子銃１５、集束レンズ１６、Ｘ偏向器１７、Ｙ偏向器１８、および対物レンズ２０は、カラム３０内に配置されている。

電子銃１５から放出された電子ビームは集束レンズ１６で集束された後に、Ｘ偏向器１７、Ｙ偏向器１８で偏向されつつ対物レンズ２０により集束されて試料Ｗの表面に照射される。試料Ｗに電子ビームの一次電子が照射されると、試料Ｗからは二次電子および反射電子などの電子が放出される。試料Ｗから放出された電子は電子検出器２６により検出される。電子検出器２６の電子検出信号は、画像取得装置２８に入力され画像に変換される。このようにして、走査電子顕微鏡１は、試料Ｗの表面の画像を生成する。画像取得装置２８は動作制御部５に接続されている。

画像生成システムは、試料Ｗの画像の尖鋭度、鮮明度、またはＳ／Ｎ比などを改善するために、走査電子顕微鏡１により試料Ｗの同じ領域を繰り返し撮像して積算画像を生成するように構成されている。さらに、画像生成システムは、上記積算画像を生成する前に、以下に説明する事前照射を実行するように構成されている。

動作制御部５は、走査電子顕微鏡１に指令を発して、パターンのあるターゲット領域の撮像を繰り返し実行させて２つの画像を生成させる。２つの画像は、上述したような動作に従い、走査電子顕微鏡１によって連続的に生成される。言い換えれば、これら２つの画像は、時間的に連続して生成された２つの画像である。ターゲット領域は、試料Ｗの表面内の領域であり、ターゲット領域内のパターンは、例えば、絶縁層に形成された配線パターンである。パターンの位置および形状の情報は、記憶装置５ａ内に格納された設計データ（ＣＡＤデータともいう）に含まれている。

動作制御部５は、走査電子顕微鏡１から上記２つの画像を取得し、これら２つの画像の差異を示す評価値を算定する。さらに、動作制御部５は、走査電子顕微鏡１に指令を発してターゲット領域の新たな画像を生成させる動作と、直近の２つの画像の差異を示す評価値を算定する動作を繰り返す。動作制御部５は、連続して生成された複数の画像を走査電子顕微鏡１から取得し、画像間の差異を表す評価値を算定する。

評価値は、画像上に現れるパターンの変形およびパターンの位置の変化を反映した数値である。パターンの変形およびパターンの位置の変化は、ターゲット領域への電子ビーム照射に起因する帯電によって起こる。したがって、ターゲット領域の画像が生成されるたびに、評価値は少しずつ変化する。しかしながら、ターゲット領域の帯電には限界があるため、ターゲット領域の画像生成が繰り返されるにつれて、評価値の変化率は次第に小さくなる。

評価値の変化率がある程度小さくなれば、画像生成システムは鮮明な積算画像を生成することが可能である。そこで、画像生成システムは、評価値の変化率がしきい値を下回るまで、ターゲット領域の画像を繰り返し生成する事前照射を実行する。画像生成システムは、評価値の変化率をしきい値と比較し、評価値の変化率がしきい値を下回ったことを決定した後、ターゲット領域の積算画像を生成するように構成されている。より具体的には、動作制御部５は、評価値の変化率がしきい値を下回ったことを決定すると、走査電子顕微鏡１に指令を発して、上記ターゲット領域の画像を繰り返し生成させ、これら複数の画像の各画素の色指標値を積算して積算画像を生成するように構成されている。

次に、評価値の算定、および評価値に基づいた画像変化の評価について説明する。図２は、走査電子顕微鏡１により連続して生成されたターゲット領域の複数の画像５０を示す図である。各画像５０にはパターン５１，５２が現れている。画像生成システムは、ターゲット領域の画像５０の生成と、直近の２つの画像５０の差異を示す評価値の算定を繰り返すように構成されている。すなわち、動作制御部５は、走査電子顕微鏡１に指令を発してターゲット領域の新たな画像５０を生成させる動作と、直近の２つの画像５０の差異を示す評価値を算定する動作を繰り返す。直近の２つの画像５０は、連続して生成された２つの画像、すなわちＮ番目の画像５０と、Ｎ＋１番目の画像５０である（Ｎは自然数）。

動作制御部５は、連続して生成された２つの画像５０の差異を表す評価画像６０を生成する。連続して生成された２つの画像５０の差異は、電子ビーム照射に起因するターゲット領域の帯電により生じたものである。一般に、２つの画像間に差異が生じる原因には、ターゲット領域の帯電に加えて、ステージ３１の変動、カラム３０の帯電変動がある。ステージ３１の変動およびカラム３０の帯電変動に起因した画像の変化は、ステージ３１の変位に基づいたビーム補正や、カラム３０の構造的な補強により改善することができる。本実施形態は、ターゲット領域の帯電の影響を排除するための技術である。

さらに、動作制御部５は、評価画像６０を構成する画素の色データの統計量である評価値を算定する。より具体的には、動作制御部５は、予め定められた演算アルゴリズムに従って２つの画像５０を処理し、評価画像６０を作成する。図２に示す実施形態では、演算アルゴリズムは、２つの画像５０の画素の色指標値の差の絶対値を算定するアルゴリズムである。各画素の色指標値の例としては、ＲＧＢ値、グレースケールに従った輝度値、白または黒を表す数値などが挙げられる。例えば、色指標値は、グレースケールに従った輝度値である。

図２に示す実施形態では、評価画像６０は、連続して生成された２つの画像５０の差分画像である。評価画像６０は、２つの画像５０の各画素の色指標値の差の絶対値をそれぞれ有する画素から構成される。動作制御部５は、２つの画像５０の各画素の色指標値の差の絶対値を算定し、算定された差の絶対値を有する画素から構成される評価画像６０を作成する。図２から分かるように、ターゲット領域の画像５０が繰り返し生成されるにつれて、差分画像からなる評価画像６０の変化は徐々に小さくなる。

評価値は、評価画像６０を構成する画素の色データの統計量である。動作制御部５は、２つの画像５０の差異を表す評価画像６０を生成し、評価画像６０を構成する画素の色データの統計量である評価値を算定するように構成されている。色データは、評価画像６０を構成する画素の色指標値（ＲＧＢ値、グレースケールに従った輝度値、白または黒を表す数値など）の集まりである。統計量の例としては、平均、標準偏差、尖度、メジアンなどが挙げられる。

図３は、評価値である統計量として標準偏差を用いた例を示すグラフである。図３において、縦軸は標準偏差としての評価値を表し、横軸は図２に示す評価画像の番号を表している。動作制御部５は、ターゲット領域の画像を走査電子顕微鏡１から取得するたびに、直近の２つの画像から評価画像を生成し、かつ評価画像を構成する画素の色データの標準偏差を算定する。図３に示すように、評価値は、評価画像の番号とともに徐々に低下する。

標準偏差からなる評価値は、ターゲット領域の画像が生成されるにつれて低下する。動作制御部５は、評価値の変化を監視するために、評価値の変化率を算定する。評価値の変化率は、直近の２つの評価画像にそれぞれ対応する２つの評価値の変化量を表す。動作制御部５は、評価値の変化率を予め定められたしきい値と比較し、評価値の変化率がしきい値よりも小さいか否かを決定する。

図３に示す例では、６番目の評価画像の評価値の変化率は、しきい値よりも小さい。６番目の評価画像は、ターゲット領域の６番目の画像と７番目の画像から作成されたものである（図２参照）。動作制御部５は、評価値の変化率がしきい値を下回っていることを決定すると、ターゲット領域の積算画像の生成を開始する。具体的には、動作制御部５は、走査電子顕微鏡１に指令を発して、ターゲット領域の新たな画像を繰り返し生成させ、ターゲット領域の複数の追加の画像を走査電子顕微鏡１から取得する。動作制御部５は、上記複数の追加の画像を少なくとも含む複数の対象画像を積算して積算画像を生成する。上記複数の対象画像は、ターゲット領域の７番目の画像を含んでもよい。

本実施形態によれば、評価値の変化率がしきい値を下回った後に積算画像が生成される。したがって、必要最小限の事前照射のみが行われ、撮像のスループットを向上させることができる。さらに、積算画像の生成に使用される複数の対象画像間の変化は小さいので、良好な積算画像を得ることができる。

図２を参照して説明した実施形態では、連続的に生成された２つの画像から評価画像を生成するための演算アルゴリズムとして、画素の色指標値の差の絶対値を算定する処理が用いられている。しかしながら、本発明は上記実施形態には限定されず、演算アルゴリズムは、平均、平均とエッジ抽出の組み合わせ、論理和、論理積、排他的論理和などであってもよい。

演算アルゴリズムの一例である平均は、２つの画像の各画素の色指標値の平均を算定する処理である。
演算アルゴリズムの一例である平均とエッジ抽出の組み合わせは、上述した平均により得られた平均画像にエッジ検出フィルタ（例えばソーベルフィルタ）を適用する処理である。
演算アルゴリズムの一例である論理和は、２つの画像の各画素の色指標値の論理和を算定する処理である。
演算アルゴリズムの一例である論理積は、２つの画像の各画素の色指標値の論理積を算定する処理である。
演算アルゴリズムの一例である排他的論理和は、２つの画像の各画素の色指標値の排他的論理和を算定する処理である。

図４は、種々の演算アルゴリズムに従って生成された評価画像の変化の様子を示す図である。いずれの演算アルゴリズムの例でも、ターゲット領域の画像の生成が繰り返されるにつれて、評価画像には有意に変化する。したがって、動作制御部５は、評価画像から算定された評価値の変化率としきい値との比較から、ターゲット領域の帯電の飽和状態を決定することができる。画像生成装置は、必要最小限の事前照射で、品質のよい積算画像を生成することができる。

演算アルゴリズムによっては、ターゲット領域の画像の生成を繰り返すにつれて、評価値自体は増加する場合もある。この場合でも、ターゲット領域の画像の生成が繰り返されるにつれて、評価値の変化率は減少する。したがって、動作制御部５は、評価値の変化率としきい値との比較から、ターゲット領域の帯電の飽和状態を決定することができる。

ターゲット領域は、パターンを含む領域である。評価値は、ターゲット領域の直近の２つの画像の差異を表す指標であり、主に画像上のパターンの変化（変形および位置変化を含む）を表している。言い換えれば、ターゲット領域内にパターンが存在しない場合は、評価値は変化しにくい。このような観点から、ターゲット領域はパターンを含む領域である。動作制御部５は、設計データ（ＣＡＤデータ）に基づいて、ターゲット領域にパターンがあるか否か、およびどのようなパターンがターゲット領域内に存在するかを判断することができる。

２つのターゲット領域内のパターンの配置が互いに類似しているときは、一方のターゲット領域の画像生成の結果を、他方のターゲット領域の画像生成に適用することができる。すなわち、第１ターゲット領域では上述した実施形態に従って評価値を算定しながら事前照射を実行し、第２ターゲット領域では評価値を算定せずに事前照射を行ってもよい。第１ターゲット領域と第２ターゲット領域の選択は、設計データ（ＣＡＤデータ）に基づいて実行される。このようにすることで、第２ターゲット領域の事前照射での計算負荷を低減することができる。

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。

１ 走査電子顕微鏡
５ 動作制御部
１５ 電子銃
１６ 集束レンズ
１７ Ｘ偏向器
１８ Ｙ偏向器
２０ 対物レンズ
２６ 電子検出器
３０ カラム
３１ ステージ
５０ 画像
５１，５２ パターン
６０ 評価画像

Claims (8)

1. パターンのあるターゲット領域の撮像を走査電子顕微鏡により繰り返し実行して２つの画像を生成し、
   電子ビーム照射に起因する前記ターゲット領域の帯電により生じた前記２つの画像の差異を示す評価値を算定し、
   前記ターゲット領域の画像の生成と、直近の２つの画像の差異を示す評価値の算定を繰り返し、
   前記評価値の変化率がしきい値よりも下回ったことを決定し、その後、
   前記ターゲット領域の積算画像を生成する、画像生成方法。
2. 前記評価値を算定する工程は、前記２つの画像の差異を表す評価画像を生成し、前記評価画像を構成する画素の色データの統計量である前記評価値を算定する工程である、請求項１に記載の画像生成方法。
3. 前記評価画像を生成する工程は、前記２つの画像を所定の演算アルゴリズムに従って処理することで前記評価画像を生成する工程である、請求項２に記載の画像生成方法。
4. 前記所定の演算アルゴリズムは、画素の色指標値の差の絶対値を算定する処理、画素の色指標値の平均を算定する処理、画素の色指標値の平均を算定することで得られた平均画像にエッジ検出フィルタを適用する処理、画素の色指標値の論理和を算定する処理、画素の色指標値の論理積を算定する処理、および画素の色指標値の排他的論理和を算定する処理のうちのいずれか１つである、請求項３に記載の画像生成方法。
5. パターンのあるターゲット領域の撮像を実行する走査電子顕微鏡と、
   前記走査電子顕微鏡の動作を制御する動作制御部を備え、
   前記動作制御部は、
   前記走査電子顕微鏡に指令を発して、前記ターゲット領域の撮像を繰り返し実行させて２つの画像を生成させ、
   電子ビーム照射に起因する前記ターゲット領域の帯電により生じた前記２つの画像の差異を示す評価値を算定し、
   前記走査電子顕微鏡に指令を発して前記ターゲット領域の画像を生成させる動作と、直近の２つの画像の差異を示す評価値を算定する動作を繰り返し、
   前記評価値の変化率がしきい値よりも下回ったことを決定し、
   前記ターゲット領域の積算画像を生成するように構成されている、画像生成システム。
6. 前記動作制御部は、前記２つの画像の差異を表す評価画像を生成し、前記評価画像を構成する画素の色データの統計量である前記評価値を算定するように構成されている、請求項５に記載の画像生成システム。
7. 前記動作制御部は、前記２つの画像を所定の演算アルゴリズムに従って処理することで前記評価画像を生成するように構成されている、請求項６に記載の画像生成システム。
8. 前記所定の演算アルゴリズムは、画素の色指標値の差の絶対値を算定する処理、画素の色指標値の平均を算定する処理、画素の色指標値の平均を算定することで得られた平均画像にエッジ検出フィルタを適用する処理、画素の色指標値の論理和を算定する処理、画素の色指標値の論理積を算定する処理、および画素の色指標値の排他的論理和を算定する処理のうちのいずれか１つである、請求項７に記載の画像生成システム。

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