JP2022153926A - 走査電子顕微鏡のオートフォーカス方法および画像生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間でフォーカス調整を完了することができる方法を提供する。【解決手段】本方法は、走査電子顕微鏡１のフォーカス位置を連続的に変更しながら、ワークピースＷの表面に形成されたパターンの画像を走査電子顕微鏡１により繰り返し生成し、パターンの複数の移動平均画像ＭＡ１～ＭＡ７を作成し、複数の移動平均画像ＭＡ１～ＭＡ７のそれぞれの複数の鮮鋭度を算出し、複数の鮮鋭度に基づいて最適なフォーカス位置を決定する。【選択図】図２

Description

本発明は、走査電子顕微鏡のオートフォーカス技術に関し、特にオートフォーカスに必要な時間を短縮するための技術に関する。

走査電子顕微鏡は、ウェーハの表面に形成された配線パターンの寸法測定や、配線パターンの欠陥検出などのウェーハ検査に使用されている。走査電子顕微鏡は、一般に、電子ビームをウェーハの表面上に自動でフォーカスさせるオートフォーカス機能を有している。

図４は、従来のオートフォーカス方法を説明するための模式図である。図４示すように、走査電子顕微鏡は、フォーカス位置を固定した状態で所定枚数（例えば４枚）の画像Ｐ１～Ｐ４を生成し、これらの画像から平均画像ＡＰ１を作成する。次に、フォーカス位置を少しだけ変化させ、同じようにして所定枚数の画像Ｐ５～Ｐ８を生成し、これらの画像から平均画像ＡＰ２を作成する。このような動作を繰り返し実行することで、複数の画像Ｐ１～Ｐ２８から複数の平均画像ＡＰ１～ＡＰ７が作成される。

走査電子顕微鏡は、得られた複数の平均画像ＡＰ１～ＡＰ７の鮮鋭度を算出する。より具体的には、走査電子顕微鏡は、各平均画像を微分処理し、平均画像上のパターンエッジの鮮鋭度を算出する。そして、走査電子顕微鏡は、最も高い鮮鋭度の平均画像に対応するフォーカス位置を決定する。

特開２００７－１０９４０８号公報

しかしながら、従来のオートフォーカス技術は、図４に示すように、多くの画像Ｐ１～Ｐ２８を生成するためにある程度の長い時間を必要とする。結果として、ウェーハ検査のスループットが低下してしまう。また、複数の画像Ｐ１～Ｐ２８を生成するために電子ビームがウェーハに繰り返し照射されるため、ウェーハの表面を形成する膜（例えばレジスト）が帯電してしまう。結果として、画像に現れるパターン形状が歪んだり、輝度が不均一となってしまう。

そこで、本発明は、短時間でフォーカス調整を完了することができる方法および装置を提供する。

一態様では、走査電子顕微鏡のオートフォーカス方法であって、前記走査電子顕微鏡のフォーカス位置を連続的に変更しながら、ワークピースの表面に形成されたパターンの画像を前記走査電子顕微鏡により繰り返し生成し、前記パターンの複数の移動平均画像を作成し、前記複数の移動平均画像のそれぞれの複数の鮮鋭度を算出し、前記複数の鮮鋭度に基づいて最適なフォーカス位置を決定する、オートフォーカス方法が提供される。

一態様では、前記複数の移動平均画像のそれぞれは、前記最適なフォーカス位置の決定において生成された、時間的に連続する所定枚数の画像の平均画像である。
一態様では、前記パターンの画像の生成を繰り返すたびに、１枚の移動平均画像を作成する。

一態様では、オートフォーカス機能を有する画像生成装置であって、走査電子顕微鏡と、プログラムが格納された記憶装置および前記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を有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のフォーカス位置を連続的に変更しながら、前記走査電子顕微鏡に指令を発して、ワークピースの表面に形成されたパターンの画像を繰り返し生成させ、前記パターンの複数の移動平均画像を作成し、前記複数の移動平均画像のそれぞれの複数の鮮鋭度を算出し、前記複数の鮮鋭度に基づいて最適なフォーカス位置を決定するように構成されている、画像生成装置が提供される。

一態様では、前記複数の移動平均画像のそれぞれは、前記最適なフォーカス位置の決定において生成された、時間的に連続する所定枚数の画像の平均画像である。
一態様では、前記動作制御部は、前記走査電子顕微鏡が前記パターンの画像の生成を繰り返すたびに、１枚の移動平均画像を作成するように構成されている。

本発明によれば、オートフォーカス動作時に生成される画像の枚数が従来のオートフォーカス方法に比べて少なくなり、結果として、より短い時間でオートフォーカス動作を完了することができる。

画像生成装置の一実施形態を示す模式図である。 オートフォーカス動作の一実施形態を説明するための図である。 図２に示す複数の移動平均画像のそれぞれの複数の鮮鋭度を表すグラフである。 従来のオートフォーカス方法を説明するための模式図である。

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、画像生成装置の一実施形態を示す模式図である。画像生成装置は、ワークピース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。ワークピース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、ランダムアクセスメモリ（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、電子ビームをワークピースＷにフォーカスさせる対物レンズ２０、電子ビームの焦点距離を調整するフォーカスレンズ２１、ワークピース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、対物レンズ２０、およびフォーカスレンズ２１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およびフォーカスレンズ２１により集束されてワークピースＷの表面に照射される。ワークピースＷに電子ビームの一次電子が照射されると、ワークピース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。ワークピース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、ワークピース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。

走査電子顕微鏡１は、ワークピースＷの画像の鮮鋭度、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は、ワークピースＷの同じ領域を繰り返し撮像して複数の画像を生成し、動作制御部５はこれらの画像を積算し、さらに積算された画像の各画素の輝度値の平均を算出することで平均画像を生成するように構成されている。

上述のように構成された画像生成装置は、ワークピースＷの表面に形成されたパターン上に電子ビームを自動でフォーカスさせるオートフォーカス動作を実施するように構成されている。本実施形態のオートフォーカス動作は、時間軸に沿って並ぶ複数の画像から作成された移動平均画像を利用する。以下、本実施形態に係るオートフォーカス動作について説明する。

動作制御部５は、走査電子顕微鏡１に指令を発して、ワークピースＷを電子ビームで走査することで、ワークピースＷの表面に形成されたパターンの画像を生成させる。動作制御部５は、走査電子顕微鏡１の画像取得装置２８から画像を取得する。次に、動作制御部５は、走査電子顕微鏡１のフォーカス位置を変更する。フォーカス位置は、フォーカスレンズ２１に流す電流の値、対物レンズ２０に流す電流の値、Ｘ偏向器１７およびＹ偏向器１８に流す電流の値が挙げられる。本実施形態では、動作制御部５は、ファインフォーカスに適したフォーカスレンズ２１に流す電流を変更させることで、電子ビームの焦点距離を変化させる。

一実施形態では、動作制御部５は、対物レンズ２０に流す電流の値を変更させる、またはＸ偏向器１７およびＹ偏向器１８に流す電流の値を変更させることで、電子ビームの焦点距離を変化させてもよい。Ｘ偏向器１７およびＹ偏向器１８は、通常、電子ビームを偏向させる目的で使用されるのであるが、Ｘ偏向器１７およびＹ偏向器１８は電子ビームの焦点距離を変化させる機能も有している。

動作制御部５は、走査電子顕微鏡１のフォーカス位置を連続的に変更しながら、走査電子顕微鏡１に指令を発して、ワークピースＷの同じ領域の画像を繰り返し生成させ、上記同じ領域の複数の移動平均画像を作成する。より具体的には、走査電子顕微鏡１は、動作制御部５からの指令に従い、ワークピースＷ上の同じ領域の画像を生成し、次いで動作制御部５はフォーカス位置を少しだけ変更する。走査電子顕微鏡１は、フォーカス位置が変更された状態で、ワークピースＷ上の同じ領域の画像を生成する。その後、動作制御部５はフォーカス位置を少しだけさらに変更し、走査電子顕微鏡１は、フォーカス位置が変更された状態で、ワークピースＷ上の同じ領域の画像を再び生成する。このようにして、同じ領域の画像の生成と、フォーカス位置の変更を繰り返すことで、時間軸に沿って並ぶ複数の画像を生成する。

動作制御部５は、時間的に連続する所定枚数の画像の平均画像である移動平均画像を作成する。本実施形態では、スループットを向上するために、動作制御部５は、走査電子顕微鏡１が画像の生成を繰り返すたびに、１枚の移動平均画像を作成する。

図２は、本実施形態におけるオートフォーカス動作を説明するための図である。図２に示すように、走査電子顕微鏡１は、最初に、フォーカス位置を初期値に固定した状態で、ワークピースＷ上の領域の画像Ｐ１を生成する。次に、動作制御部５は、フォーカス位置を初期値から少しだけ変更する。例えば、動作制御部５は、フォーカスレンズ２１に流す電流を変更させることで、電子ビームの焦点距離を変える。動作制御部５は、走査電子顕微鏡１に指令を発して、フォーカス位置が変更された状態で、ワークピースＷ上の同じ領域の画像Ｐ２を生成させる。

本実施形態では、４枚の画像から１つの移動平均画像を生成する。したがって、ワークピースＷ上の同じ領域の画像の生成と、フォーカス位置の変更が繰り返され、４枚の画像Ｐ１～Ｐ４が走査電子顕微鏡１によって生成される。画像の対象であるワークピースＷ上の領域は、パターンが形成されている領域である。パターンは、第１方向に延びるエッジ、および第１方向とは垂直な第２方向に延びるエッジを有するパターンであることが望ましい。１つの移動平均画像を生成するために必要な画像の枚数は４枚に限られず、４枚より少ない、または４枚よりも多い枚数であってもよい。

動作制御部５は、上記４枚の画像Ｐ１～Ｐ４を走査電子顕微鏡１から取得し、記憶装置５ａ（図１参照）に保存する。さらに、動作制御部５は、４枚の画像Ｐ１～Ｐ４から１つの移動平均画像ＭＡ１を生成する。より具体的には、動作制御部５は、４枚の画像Ｐ１～Ｐ４を積算して、積算画像を生成する。複数の画像を積算することは、画像を構成する各画素の輝度値を加算することである。さらに、動作制御部５は、積算画像の各画素の輝度値を積算枚数（４枚）で割り算して、移動平均画像ＭＡ１を作成する。

動作制御部５は、フォーカス位置を現在値から少しだけ変更し、次いで、走査電子顕微鏡１に指令を発して、フォーカス位置が変更された状態で、ワークピースＷ上の同じ領域の画像Ｐ５を１枚生成させる。動作制御部５は、新たに生成された画像Ｐ５を走査電子顕微鏡１から取得し、記憶装置５ａに保存する。動作制御部５は、記憶装置５ａに既に保存してある複数の画像のうちの最新の３枚の画像Ｐ２～Ｐ４と、新たに生成した画像Ｐ５から、移動平均画像ＭＡ２を作成する。

動作制御部５は、フォーカス位置を現在値から少しだけさらに変更する。次いで、動作制御部５は、走査電子顕微鏡１に指令を発して、フォーカス位置が変更された状態で、ワークピースＷ上の同じ領域の画像Ｐ６を生成させる。動作制御部５は、新たに生成された画像Ｐ６を走査電子顕微鏡１から取得し、記憶装置５ａに保存する。動作制御部５は、記憶装置５ａに既に保存してある複数の画像のうちの最新の３枚の画像Ｐ３～Ｐ５と、新たに生成した画像Ｐ６から移動平均画像ＭＡ３を作成する。

同様にして、画像の生成とフォーカス位置の変更を繰り返しながら、動作制御部５は複数の移動平均画像ＭＡ１～ＭＡ７を作成する。複数の移動平均画像ＭＡ１～ＭＡ７のそれぞれは、時間的に連続する所定枚数（本実施形態では４枚）の画像の平均画像である。走査電子顕微鏡１は、フォーカス位置を連続的に変化させながら複数の画像Ｐ１～Ｐ１０を生成するので、図２に示すように、複数の移動平均画像ＭＡ１～ＭＡ７のそれぞれに現れるエッジの鮮明度が変化する。

動作制御部５は、複数の移動平均画像ＭＡ１～ＭＡ７のそれぞれの複数の鮮鋭度を算出し、複数の鮮鋭度に基づいて最適なフォーカス位置を決定する。鮮鋭度は、各移動平均画像を構成する画素間の輝度値の差から求められる。より具体的には、動作制御部５は、各移動平均画像に微分フィルタを適用し、各移動平均画像を構成する画素の輝度値を所定の方向に沿って微分し、上記所定の方向に並ぶ２つの画素間での輝度値の差からなる鮮鋭度を算出する。

鮮鋭度は、移動平均画像上のパターンのエッジの鮮明度、すなわちフォーカスの程度を示す指標である。動作制御部５は、複数の移動平均画像ＭＡ１～ＭＡ７のそれぞれの複数の鮮鋭度を算出し、前記複数の鮮鋭度に基づいて最適なフォーカス位置を決定する。より具体的には、動作制御部５は、複数の鮮鋭度のうち、最も高い鮮鋭度を決定し、決定された最も高い鮮鋭度に対応するフォーカス位置である最適なフォーカス位置を決定する。

図３は、図２に示す複数の移動平均画像ＭＡ１～ＭＡ７のそれぞれの複数の鮮鋭度を表すグラフである。図３から分かるように、移動平均画像ＭＡ４の鮮鋭度が最も高い。したがって、動作制御部５は、最も高い鮮鋭度を示す移動平均画像ＭＡ４に対応する最適なフォーカス位置を決定する。

図２と図４との対比から分かるように、図４に示す従来のオートフォーカス方法では、７枚の平均画像ＡＰ１～ＡＰ７を取得するのに２８枚の画像Ｐ１～Ｐ２８の生成が必要であったのに対して、本実施形態では、７枚の移動平均画像ＭＡ１～ＭＡ７を取得するのに１０枚の画像Ｐ１～Ｐ１０の生成が必要とされる。結果として、本実施形態に係るオートフォーカス方法は、より短い時間でオートフォーカス動作を完了することができる。

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
２１ フォーカスレンズ
２６ 電子検出器
３０ カラム
３１ ステージ

Claims (6)

1. 走査電子顕微鏡のオートフォーカス方法であって、
   前記走査電子顕微鏡のフォーカス位置を連続的に変更しながら、ワークピースの表面に形成されたパターンの画像を前記走査電子顕微鏡により繰り返し生成し、
   前記パターンの複数の移動平均画像を作成し、
   前記複数の移動平均画像のそれぞれの複数の鮮鋭度を算出し、
   前記複数の鮮鋭度に基づいて最適なフォーカス位置を決定する、オートフォーカス方法。
2. 前記複数の移動平均画像のそれぞれは、前記最適なフォーカス位置の決定において生成された、時間的に連続する所定枚数の画像の平均画像である、請求項１に記載のオートフォーカス方法。
3. 前記パターンの画像の生成を繰り返すたびに、１枚の移動平均画像を作成する、請求項１または２に記載のオートフォーカス方法。
4. オートフォーカス機能を有する画像生成装置であって、
   走査電子顕微鏡と、
   プログラムが格納された記憶装置および前記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を有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のフォーカス位置を連続的に変更しながら、前記走査電子顕微鏡に指令を発して、ワークピースの表面に形成されたパターンの画像を繰り返し生成させ、
   前記パターンの複数の移動平均画像を作成し、
   前記複数の移動平均画像のそれぞれの複数の鮮鋭度を算出し、
   前記複数の鮮鋭度に基づいて最適なフォーカス位置を決定するように構成されている、画像生成装置。
5. 前記複数の移動平均画像のそれぞれは、前記最適なフォーカス位置の決定において生成された、時間的に連続する所定枚数の画像の平均画像である、請求項４に記載の画像生成装置。
6. 前記動作制御部は、前記走査電子顕微鏡が前記パターンの画像の生成を繰り返すたびに、１枚の移動平均画像を作成するように構成されている、請求項４または５に記載の画像生成装置。

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