JP4274146B2 - 像評価方法及び顕微鏡 - Google Patents
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Description
本実施例では、顕微鏡画像を3次元物体の一方向からの観察画像と見立てて、まず各画素位置Pでの物体面の勾配や曲率を求める。次に、その物体位置が周囲から認識できるに必要な仮想最短距離、つまり局所分解能を認識に必要な最小コントラストと前記勾配から計算する。そして、局所分解能を画像全体に亘って重み付き調和平均を計算し、その平均値を画像代表の像分解能とみなす。以下にその具体例を図9の像分解能の算出フローチャートに沿って説明する。
その曲面の合わせに関しては、そのあわせ誤差の2乗和が最小になるように係数a,…,fを決定する。これらの係数が決まれば下記の幾何学計算(式2)を用いて局所面の勾配g(x,y;θ)[θは勾配の方位角]が算出できる。
θ=arctan{(δz/δy)/(δz/δx)} …(式2b)
同様に、曲率半径Rcも算出できる。この近似曲面の当てはめには、画像ノイズの除去効果がある。即ち、ノイズが混入した画像を部分的に切り出して曲面、或いは平面で近似すれば、部分的にノイズを除去することができ、ノイズの影響を軽減した勾配の計算ができる。
Wpを付けて画像内で調和平均化した分解能を方位像分解能R(θi)と見なす。像全体の像分解能Rはこの方位像分解能能R(θi)を全方位角で相乗平均して求める。これにより、例えば顕微鏡像の一部に予期しないノイズが混入したとしても、算出される像分解能は殆ど影響を受けない。
/[∫Wp(x,y)dxdy] …(式3a)
Rp(x,y;θi)=2ΔC/|g(x,y;θi)| …(式3b)
R={R(θ1),R(θ2),…,R(θn)}1/n …(式4)
ここで、ΔCは分解能に対応する物体形状上のギャップが認識できるためのしきいコントラストであり、(式1)から計算した濃度期待値E{z}の最大振幅に比例し、その比例係数をKcとした。通常、Kc=0.1である。
また局所重みWpは、勾配gのみ(式6a)かgと[E{z(x,y)}−E{z(min)}]の積(式6b)とした。評価像において勾配gが大きく、かつ明るい部分により注目する場合は後者を採用する。これにより、ブライトネス変更の分解能への影響が大きく軽減できる。
[E{z(x,y)}−E{z(min)}]・|g(x,y)|] …(式6b)
ここで、当てはめ面が曲面の場合、局所分解能を高精度に計算するために取り上げられるのは、その1/2値(=Rp/2)が最小曲率半径の絶対値以下の場合に限るとして
Wpを(式6)から計算し、一方、これ以外の場合はWp=0と置いた。また、画像の画質評価パラメータである濃度の標準偏差σ(画像ノイズに相当)も局所ノイズσpを用いて計算できる。
σp={1/m}{Σ[z(x,y)−E{z(x,y)}]2}1/2 …(式7b)
本分解能評価法による評価実施例を図2を用いて説明する。(a)および(b)は分解能評価用試料からSEMの光学条件を変えて撮影した像(512×512画素)である。本評価法による像分解能Rcgと従来のギャップ分解能Rgapにおいて、条件(a)と(b)の分解能比および、その複数評価者による誤差も比較表示してある。いずれの分解能においても、R(b)/R(a)が1を越すことを示すものの、従来のギャップ法では複数評価者による誤差が約±50%にもなるのに対し、本手法では同一画像データである限りその誤差は0になる。
次に、この像分解能評価法を利用した走査形電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)の実施例について説明する。なお、走査形電子顕微鏡は一例に過ぎず、画像を評価する必要のある検査装置全般に適用が可能である。
次に、前記の像分解能評価用試料を用いた実施例についてより詳細に述べる。本実施例では、像分解能評価用試料に絶対寸法パターンを有する標準試料として、特開平8−
31363号公報に開示されている寸法校正試料を用いた。図4はそのSEM像である。シリコン基板上に作られた格子パターンのピッチ寸法は0.240±0.001μmと非常に高精度である。
画質評価パラメータとして、像分解能値程度の微細構造パターンに注視して、その構造パターンの1ピクセル当たりに持ち得る最大情報量C(単位はビット)を採用すると、Cはピクセル単位の像分解能値Rを用いて次式から近似計算できる。
これにより、ここの画像が像分解能,ノイズ、および画質の観点から評価できるようになった。これら評価パラメータの少なくとも一つに対し、画像の良し悪しを判定する評価しきい値を設定しておくことにより、撮像した画像に対してそれぞれの評価値とともに判定設定のパラメータに対する画像の良し悪しも判定できるようになった。
次に、観察倍率の精度(あるいは誤差)について述べる。いま、特定の観察倍率下で寸法校正試料を撮像した顕微鏡画像の像分解能評価値(単位μm)をR,寸法校正試料のピッチ絶対寸法L,誤差をΔx(単位μm)とする。上記寸法校正試料の例では、L=
0.240μm,Δx=0.001μmである。この試料表面には、シリコンの異方性エッチングを利用して矩形波状断面の繰り返しパターンが作製されている。矩形のエッジは、試料表面に対し垂直に立つシャープなエッジである。
0.240μm に近づくように電子線の走査範囲を変更する。複数点の測定は、パターンそのもののピッチ寸法が数nmの誤差を持つため、これを平均化して低減するために行うものである。この時、%表示における倍率誤差Eおよび倍率精度Pは、それぞれ次式から算出できる。
P=100−E …(式11)
一般的な走査電子顕微鏡で検証した結果、観察倍率の誤差Eとして、それぞれ±2%および±0.5% 以下が得られた。これより、観察倍率の精度や誤差を個々の顕微鏡ばかりでなく、複数台の顕微鏡においても、像分解能と同様に顕微鏡ごとの差(機差)や経時変化の観点から高精度に管理できるようになった。これらの評価パラメータの経時変化データは、装置オペレータの操作により、必要に応じて、グラフや表のフォーマットで画像表示装置に表示することも可能である。画像表示装置に表示したSEM装置AおよびBの像分解能における1ヶ月間の経時変化グラフの例を図5に示す。両装置とも分解能3.2−3.8 間の許容範囲に収まっていることがわかる。もし、この範囲からはみ出した場合は、装置保守作業が必要になる。また、このグラフからわかるように両装置の像分解能は共に許容範囲に収まっているが装置Bの方が0.1 良いという機差があることがわかった。それぞれの装置の測長値に対し、この機差を基に装置間の機差補正係数を求め、両装置からの測長値を補正することにより、デバイス製造の顕微鏡管理において機差をより小さく抑えた管理ができるようになった。
Claims (4)
- 荷電粒子顕微鏡にて得られる画像の像分解能を評価する方法であって、
前記画像の複数の画素を含む局所領域における画素間の濃度の変化を、一次或いは多次の方程式を用いて近似を行うことで、前記局所領域の濃度勾配を計算し、前記画像上でギャップの認識が可能なしきいコントラストを示す値を、当該濃度勾配によって除算し、この除算に基づいて得られる値を特定方位の局所像分解能とし、当該特定方位の局所像分解能について、複数の前記局所領域に関しての平均を求めることによって方位像分解能を算出し、当該方位像分解能に関して前記特定方位とされる全ての方位での平均によって像分解能評価値を求めることを特徴とする荷電粒子顕微鏡にて得られる画像の像分解能評価方法。 - 請求項1において、
前記局所領域ごとの濃度勾配から前記局所像分解能を求め、前記画像全体、或いは一部領域に亘って重み付き平均化することを特徴とする荷電粒子顕微鏡にて得られる画像の像分解能評価方法。 - 請求項2において、
前記画像の濃度をz、該画像内の任意の局所領域の位置を(x,y)として、前記局所領域ごとに多次関数z=f(x,y)にて表される曲面、或いは一次関数z=f(x,y)にて表される平面を近似的に当てはめ、前記関数の微分値から前記濃度勾配を求めることを特徴とする荷電粒子顕微鏡にて得られる画像の像分解能評価方法。 - 請求項1において、
前記局所像分解能Rpは、
Rp(x,y;θi)=2ΔC/|g(x,y;θi)|、
(g(x,y)は画素位置(x,y)における濃度勾配、θiは勾配の方向、ΔCはしきいコントラスト)
によって計算され、
前記しきいコントラストΔCは、
ΔC=Kc・[E{z(max)}−E{z(min)}]、
(Kcは比例係数、E{z(max)}は、画像中の最大濃度期待値、E{z(min)}は、画像中の最小濃度期待値)によって計算されることを特徴とする荷電粒子顕微鏡にて得られる画像の像分解能評価方法。
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