JP5164754B2 - 走査型荷電粒子顕微鏡装置及び走査型荷電粒子顕微鏡装置で取得した画像の処理方法 - Google Patents

Description

本発明は，荷電粒子を用いて試料表面を走査して画像を取得する走査型荷電粒子顕微鏡及び走査型荷電粒子顕微鏡装置で取得した画像の処理方法に係り，特に高分解能な画像を生成する分解能向上方法およびその装置に関する。

走査型荷電粒子顕微鏡は，半導体ウェーハ上に形成されたパターンの測定や観察に適する装置である。特に，半導体製造プロセスにおいて，半導体の検査やパターン計測などの対象試料の特徴量を求める用途として，画像観察のみではなく，半導体ウェーハ上に発生した欠陥の検出および欠陥の原因調査，パターンの寸法や形状の計測のために使われている。パターンの微細化に伴い，微小欠陥の検査や，パターンの高精度計測の必要性が増してきており，高分解能かつ明瞭な画像を得ることがますます重要となってきた。

しかし，現状としては，走査型荷電粒子顕微鏡自体の原因や試料に照射した荷電粒子により試料の内部で荷電粒子ビームの拡散することなどにより，分解能や画質が劣化してしまうという問題があった。分解能劣化の原因としては，大きく三つがある。一つ目として，粒子が波動の性質を持つことにより発生する回折収差や，レンズの特性に起因する色収差，球面収差のため，荷電粒子ビームはこれらの収差に対応するビーム強度波形を持って試料表面に入射することである。また，二つ目として，試料内に入射した荷電粒子ビームは，一般に試料内で拡散した後，試料上で荷電粒子ビームが入射した領域よりも広い領域から放出または試料を透過することである。これらの現象は，分解能劣化の要因となる。三つ目の原因としては，試料の材質などが原因で撮像条件が制限されることである。例えば，ArFレジストのような電子線耐性の弱い材質に対しては，試料へのダメージ低減のため，低加速電圧で撮像しなければならないが加速電圧を低くすると，回折収差と色収差が大きくなるため，分解能の低下が生じる。
高分解能化のため，電子光学系の設計による分解能向上技術や画像処理による分解能向上技術が検討されてきた。

電子光学系の設計による分解能向上技術では，主に収差を低減することで分解能向上を図る。例えば，特許文献１には収差低減の手法が提案されて，ブースティング電圧による加速手段を新たに設けることで，色収差を軽減した高分解能な走査型電子顕微鏡画像を得ることが記載されている。

一方，画像処理による分解能向上技術に関して，特許文献２には画像復元技術が提案されている。この手法は試料表面でのビーム強度分布を劣化関数として画像復元処理を行うことで，対象試料像の分解能を向上させている。

特許文献３には複数枚の合焦位置の異なる撮像画像を用いて撮像試料像の全体にわたって焦点外れによるボケのない２次元画像を合成する手法が提案されている。

更に、特許文献４には、画像内の局所領域ごとの濃度勾配を用いた分解能評価方法が開示されている。

また、非特許文献１には、色収差補正器等に用いられるような多極子レンズについて開示されている。

更に、非特許文献２には、劣化関数を正確に求めることに対して有用な計算方法が開示されている。

非特許文献３には、反復法として広く知られた手法であるRichardson-Lucy法で画像f_i(x,y)の更新を行う場合において、画像f_i(x,y)はノイズがポアソン分布に従うときの最尤解に収束することが示されている。

特開平 ９−１７１７９１号公報 特開平 ３−４４６１３号公報 特開 ２００６−１９０６９３号公報 特開２００７−１２８９１３号公報 Ｊ. Ｚａｃｈ, "Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｈｉｇｈ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｌｏｗ−ｖｏｌｔａｇｅ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ", Ｏｐｔｉｋ ８３, ３０(１９８９) Ｊ.Ｏｒｌｏｆｆ : Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｏｐｔｉｃｓ, ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ (１９９７) Ａ. Ｋ. Ｋａｔｓａｇｇｅｌｏｓ : Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ, ２８, ７, ｐｐ. ７３５−７４８ (１９８９)

しかし，上記に示したような従来の技術では，分解能向上度合いに限界がある。

例えば，特許文献１に記載されているような電子光学系の改良による分解能向上方法では，物理的な限界があるため，回折収差・色収差・球面収差による影響を完全に取り除くことができず，更なる高分解能化が困難である。

また，特許文献２に記載されている方法は，撮像系から取得した撮像画像の分解能劣化度合いが大きいほど，十分に高い分解能が得られなくなる。

特許文献３に記載されている複数枚の合焦位置の異なる撮像画像を用いて撮像試料像の全体にわたって焦点外れによるボケのない２次元画像を合成する手法では，焦点外れ以外の分解能劣化要因を低減することはできない。また，高さのある試料を焦点外れがないように撮像するためには，数多くの画像を撮像する必要がある。

さらに，最適な撮像条件は，試料の形状や材質等によって異なるため，特定の撮像条件を用いた１枚の画像撮像のみでは，十分良好な画質が得られない場合がある。例えば，半導体パターンにおいてはパターンの長手方向と平行に電子ビームをスキャンすると，パターンのエッジ部分に電子ビームが照射されない場合が発生し，パターンが明瞭に表示されなくなってしまうという問題がある。このため，多くのパターン方向を含む試料に対しては，電子ビームを特定の方向にだけスキャンして撮像した画像では十分な画質が得られない。

本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決して単純に撮像して得られる１枚の画像よりも高い解像度を有する画像を得ることを可能にする走査型荷電粒子顕微鏡及び走査型荷電粒子顕微鏡装置で取得した画像の処理方法を提供することにある。

上記の課題を解決するため，本発明では，走査型荷電粒子顕微鏡において，分解能に影響を与える要因に対応する条件を変えて撮像して複数の画像を取得し，これらの画像を用いて１枚の分解能を向上させた画像を生成するようにした。

即ち、本発明では、走査型荷電粒子顕微鏡装置を用いて試料を撮像して得た画像の分解能を向上させて処理する方法において、異なる撮像条件下で試料を撮像して該試料の複数の画像を取得し，この取得した複数の画像についてそれぞれの画像の劣化関数を生成し、取得した複数の画像と生成したそれぞれの画像に対応する劣化関数とを用いて分解能を向上させた画像を生成し、この分解能を向上させた画像を処理するようにした。

また本発明では、走査型荷電粒子顕微鏡装置を，試料に集束させた荷電粒子線を走査して照射して試料から発生する二次荷電粒子を検出することにより試料を撮像して試料の画像を取得する画像取得手段と，画像取得手段で撮像条件の異なる複数の画像を取得するように画像取得手段を制御する画像取得条件制御手段と、画像取得条件制御手段で制御された画像取得手段で取得した撮像条件の異なる複数の画像についてそれぞれの画像の劣化関数を生成する劣化関数生成手段と、画像取得条件制御手段で制御された画像取得手段で取得した撮像条件の異なる複数の画像と劣化関数生成手段で生成したそれぞれの画像に対応する劣化関数とを用いて分解能を向上させた画像を生成する分解能向上画像生成手段と，分解能向上画像生成手段で分解能を向上させた画像を処理する画像処理手段とを備えて構成した。

本発明によれば，走査型荷電粒子顕微鏡において，通常に設定した一つの撮像条件の下で撮像して得られる画像よりも分解能が高い画像を得ることができるので、この画像を処理することにより、微細構造の観察，および対象試料の特徴量の高精度な計算が可能になる。

以下の本発明実施例の説明は，走査型荷電粒子顕微鏡の１つである走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ: 以下、ＳＥＭと記載する）を例にとって説明する。ただし，これに限られるものではなく，走査型イオン顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｉｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ: ＳＩＭ）などであっても良い。

図１は，異なる撮像条件下で撮像した２枚以上の画像から分解能を向上させた１枚の画像を生成する処理フローの一実施例を示す説明図である。まず，１０１の撮像画像取得ステップで異なる撮像条件下で，ｎ枚の撮像画像（１１１の撮像画像I_in,1から１１２の撮像画像I_in,n）を取得する（n≧2）。画像撮像毎に変更できる撮像条件としては，ブースティング電圧，加速電圧，スキャン方法，電子ビームの強度波形，電子ビームの形状，焦点深度，繰り返しパターンの異なる位置等がある。

次に，１０２の劣化関数生成ステップでは，画像撮像の際に用いたそれぞれの撮像条件および試料情報に基づき，撮像画像I_in,1からI_in,nに対応するｎ個の劣化関数（１１３の劣化関数A₁から１１４の劣化関数A_n）を生成する。劣化関数とは，分解能の劣化度合いを表す関数である。n個の劣化関数は異なっていても良いし，同一の関数を含んでいても良い。最後に，１０３の分解能向上ステップでは，n枚の撮像画像I_in,1からI_in,n，およびそれぞれに対応する劣化関数A₁からA_nを用いて，分解能向上処理を行い，１１３の結果画像（分解能向上画像）I_outを求める。異なる撮像条件の決定方法については，後述のように設計データの情報を用いて決定しても良いし，ユーザにより決定するようなインターフェースを備えていても良い。

図２は，本発明に係るＳＥＭの一実施例を示す概略構成図である。ＳＥＭは，電子光学系２１０１を有する撮像部２１，入出力部２２，制御部２３，処理部２４，記憶部２５，および画像処理部２６等を備えて構成される。撮像部２１の電子光学系２１０１は，電子銃２０２と，電子銃２０２から放出された一次電子ビーム２００の放出をアライメントするアライメントコイル２０３と，一次電子ビーム２００を集束させるコンデンサレンズ２０４と，一次電子ビーム２００の非点収差を補正する非点収差補正コイル２０５と，一次電子ビーム２００を２次元に偏向させ，偏向された１次電子ビーム２０１を生成する偏向器２０６，２０７と，ブースティング電極２０８と，対物レンズ２０９と，対物レンズ絞り２１０、偏向された１次電子ビーム２０１が照射された試料２１４から発生した二次電子（反射電子も含む）を検出する検出器２１１，２１２等を備えて構成される。また，画像処理部２６においては，設計データ読込部２７１，位置合わせ部２７２，画質改善処理部２７３等を備える構成となっている。撮像条件や撮像位置を変えて撮像すると，撮像して得られた複数の画像間には位置ずれの問題が生じることがある。このような場合には複数の画像を用いて１枚の画像を生成する前に，位置合わせ部２７２において画像間の位置合わせを行う必要がある。その後，画質改善処理部２６３において画質改善処理を行うことにより，取得したｎ枚の撮像画像から１枚の分解能を向上させた画像を生成する。

ウェーハ等の試料２１４はXYステージ２１５に載せられ，XYステージ２１５によってXY方向に走行されることにより，試料２１４上の任意の位置で撮像して画像を取得することが可能である。検出器２１１，２１２で試料２１４から発生した二次電子を検出して得た信号はＡ／Ｄ変換機２１３でデジタル信号に変換され、画像生成部２６でディジタル画像（以下、画像と記す）が生成される。検出器２１１，２１２は，例えば，一方が反射電子を多く検出するようにした反射電子検出器であって，他方が二次電子を多く検出するようにした二次電子検出器であっても良い。

制御部２３は，撮像部２１の電子光学系２１０１の電子銃２０２の周辺，アライメントコイル非点収差補正コイル２０５，ブースティング電極２０８に印加する電圧，集束するための電子レンズ（例えばコンデンサレンズ２０４や対物レンズ２０９）の焦点位置調整，ステージ２１５の位置，Ａ／Ｄ変換器２１３の動作タイミング画像生成部２６における画像の生成等を制御する。処理部２４において図１のステップ１０２における劣化関数の生成やステップ１０３における分解能向上処理等が行われる。記憶部２５にて画像処理部２６で得られた撮像画像，処理部２４で処理された結果得られた処理画像，劣化関数，撮像条件や試料情報等が保存される。設計データの入力，撮像画像または処理画像の出力，劣化関数の出力等は，入出力部２２により行われる。

次に本発明に係るＳＥＭ装置における撮像条件を変更する実施例について図３乃至図９を用いて説明する。

以下では，２枚の撮像画像を撮像する場合（ｎ＝２）の実施例について説明するが，本発明はこれに限られず、３枚以上（ｎ≧３）の画像を用いても良い。
まず，本発明のブースティング電極２０８を制御してブースティング電圧を変更する実施例について図３乃至図５を用いて説明する。ブースティング電極２０８のブースティング電圧は多くの2次電子を吸い上げる等のために用いられる。特に，ブースティング電圧を変更することで，コンタクトホールを持つ試料に対して，コンタクトホールに関してより多くの情報を取得することが可能である。コンタクトホールを持つ試料に対して，図３(ａ)〜（ｃ）には低いブースティング電圧を掛けた時，図４(ａ)〜（ｃ）に高いブースティング電圧を掛けた時の２次電子の変化および生成された撮像画像における変化を示す。

図３(ａ) 〜（ｃ）において，低いブースティング電圧をかける時，図３（ａ）に示すように平坦な試料表面領域３０３において，放出された２次電子３０２１は二次電子検出器２１１および２１２により検出される。この二次電子検出器２１１及び２１２で二次電子を検出した信号を受けて画像生成部２６で生成された画像３１１では，明瞭かつ分解能の高い画質が得られる。これに対して，図３（ｂ）に示すようにコンタクトホール底面３０４１の領域から放出された二次電子３０２２はコンタクトホール３０４の壁３０４２にぶつかってしまい，二次電子検出器２１１および２１２で検出されないため，図３（ｃ）に示した撮像画像３１１では，コンタクトホール底面３０４１のパターンは見えない。

図４(ａ)〜（ｃ）に示すように，ブースティング電極２０８に高いブースティング電圧を掛けた時，図４（ｂ）に示すようにコンタクトホール底面３０４１の領域から放出された二次電子３０２２’は吸い上げられ，二次電子検出器２１１および２１２で検出されるため，この結果得られる図４（ｃ）に示すような画像３１２では，コンタクトホール底面３０４１の明瞭な画質が得られる。これに対して，図４（ａ）に示したように平坦な試料表面領域３０３において，高いブースティング電圧がかけられると，試料表面３０３および試料内部３０３１にあった多くの電子が吸い上げられ，試料表面３０３が帯電状態になりやすい。このため，図４（ｃ）の画像３１２においては，平坦な試料表面領域３０３に形成されたパターンの画像３０５１は歪んでしまう，また，平坦な試料表面領域３０３の画像３０５２において光むらが生じてしまうことになる。

図５（ａ）〜(ｃ)に，本実施例による，２枚以上の撮像画像を用いた場合の処理の手順を示す。本実施例では，平坦な試料表面領域３０３にて低いブースティング電圧を掛けた時に得られた情報，およびコンタクトホール底面３０４１の領域にて高いブースティング電圧を掛けた時に得られた情報を活用して分解能向上処理１０４を行う。これにより，結果画像I_out３１５において，平坦な試料表面領域３０３においても，コンタクトホール底面３０４１においても，明瞭な画質を得ることができる。ブースティング電圧は，例えば０〜１０kVの間で変更すれば良いが，これに限らない。

次に，本発明の一次電子ビーム２００の加速電圧を変更する実施例について図６を用いて説明する。加速電圧は電子銃２０２と試料２１４の間に掛けられる電圧である。加速電圧を変更すると，電子の試料への進入深さや試料内における散乱による広がり等が変化する。

図６の試料断面模式図４００と４００’にはそれぞれ低加速電圧時，および高加速電圧時の電子ビーム４０１の進入深さや試料内における散乱による広がりの様子を示す。試料断面模式図４００は低加速電圧をかけた状態を示し，試料表面４０２に照射する電子ビーム４０１のビーム径は増大する。４ａは低加速電圧をかけた時の電子の試料内における散乱領域である。すなわち，電子の進入深さが浅くなり，広がりが小さくなり，試料の表面情報に敏感になる。それに伴い，低加速電圧時に得られた画像において，試料の表面が明瞭に映る。

これに対して，試料断面模式図４００’に示すように、高加速電圧時をかけた場合には，電子の試料への進入深さが増大する。そうすると，高加速電圧をかけたときの試料内における電子の散乱領域４ｂの電子の試料内における散乱領域が大きくなり，試料深部の情報を多く取得できる。このとき得られた画像において，試料の深部が明瞭に映る。また，加速電圧が高いほど試料表面４０２でのビーム径は小さくなり，試料表面４０２に形成されたパターンのエッジ部の分解能が向上する。本発明の処理において，２枚の撮像画像に含まれる情報をできるだけ残しながら分解能向上処理１０４を行うことにより，結果画像I_out４１５において，試料表面４０２における多くの情報と試料深部における多くの情報を表すことができる。加速電圧は，例えば，１００〜５０kVの間で変更すれば良いが，これに限らない。

次に，本発明の電子ビームのスキャン方向を変更する実施例について図７を用いて説明する。スキャン方向を特定の一方向のみにすると，試料表面４０２に形成されたパターンが電子ビームスキャン方向と平行している場合，パターンのエッジ部分に電子ビームが照射されず，パターンが明瞭に表示されない場合がある。本実施例では，この問題を解決するため，多方向にビームスキャンを行うようにした。

図７に，電子ビームスキャン方向が横方向である場合，と縦方向である場合の様子を示す。試料の表面を電子ビームで横方向にスキャンする状態を示す模式図５００において，ビームスキャン方向５０１が横方向であるため，縦沿い（ビームスキャン方向５０１に対して直角な方向）のパターン５ａに対しては，エッジに関する十分な信号を取得できるが，横沿い（ビームスキャン方向５０１に対して平行な方向）のパターン５ｂに対して，横沿いの部分のエッジに関する信号を取得できない。したがって，このとき得られる撮像画像I_in５１１では，パターン５ａの画質は明瞭であるが，５ｂの横沿いの部分は欠如してしまう。

同様に，試料の表面を電子ビームで縦方向にスキャンする状態を示す模式図５００’において，ビームスキャン方向５０２が縦方向の場合，横沿い（ビームスキャン方向５０２に対して直角な方向）のパターン５ｂは明瞭に取得できるが，縦沿い（ビームスキャン方向５０２に対して平行な方向）のパターン５ａが欠如してしまう。本実施例では，模式図５００に示すように電子ビームを横方向５０１にスキャンして得られた撮像画像５１１と模式図５００’ に示すように電子ビームを縦方向５０２にスキャンして得られた撮像画像５１２及び劣化関数５１３と５１４とを用いて，分解能向上処理１０４を行うことで，縦方向パターン５ａ，横方向パターン５ｂともに明瞭かつ高分解能に表示された結果画像５１５を得ることができる。

次に，本発明の試料表面におけるビーム強度波形の周波数分布を変更する時の実施例について図８を用いて説明する。グラフ６００，６００’において，横軸は周波数，縦軸はビーム強度波形の振幅である。試料表面におけるビーム強度波形の周波数分布は，例えば電子ビームの開き角によって変更することができる。しかし，低周波情報を多く取得できる条件と高周波情報を多く取得できる条件は，異なっており，１枚の画像撮像のみでは，すべての周波数について多くの情報を取得することは困難である。グラフ６００に，低周波情報をより多く取得できる状態における試料表面でのビーム強度波形の周波数分布６ａの一実施例を示す。グラフ６００’に，高周波情報をより多く取得できる状態における試料表面でのビーム強度波形の周波数分布６ｂの一実施例を示す。本実施例の分解能向上処理１０３を通して，グラフ６００’’のような低周波情報成分も高周波情報成分もより多く含む結果画像I_out６１５を求めることができる。

次に，本発明の試料表面における電子ビーム径を変更する実施例について図９を用いて説明する。非特許文献１で開示されている色収差補正器等に用いられるような多極子レンズを利用することにより，ビーム強度波形は回転対称ではなくなるものの，特定の方向におけるビーム径をより細く収束できる。

ビーム断面図７００におけるビーム断面形状７ａは，縦方向のビーム径が小さい場合の試料表面におけるビーム断面形状である。ビーム断面図７００’におけるビーム断面形状７ｂは，横方向のビーム径が小さい場合の試料表面におけるビーム断面形状である。それぞれのビーム断面形状に対応する撮像条件にて撮像して画像７１１及び７１２を取得した後，エッジ方向毎にビーム径の小さい方の画像の情報を優先的に用いて劣化関数７１３及び７１４を用いて処理することにより，ビーム断面図７００”全ての方向において収束性の高いビーム断面形状７ｃに対応する結果画像I_out７１５を求めることができる。

次に，本発明の焦点深度を変更する実施例について図１０を用いて説明する。試料上のある点に焦点を合わせたとき，奥行きのある試料だと焦点が外れる領域ができる。焦点外れによるボケの度合いが一定以内である試料の高さの範囲を焦点深度（DOF）と言う。図１０(a)には焦点深度が深い時の電子ビームの光軸方向の断面形状、図１０(b)には焦点深度が深い時の試料の高さ方向の位置と分解能との関係を示す。図１０(ｃ)には焦点深度が浅い時の電子ビームの光軸方向の断面形状、図１０(ｄ)には焦点深度が浅い時の試料の高さ方向の位置と分解能との関係を示す。図１０(a)において，電子ビーム８０１は対物レンズ８０２によって収束される。レンズの開き角αが小さいと，焦点深度DOF８０３が深くなる。図１０(b)のグラフ８００は，特定の合焦位置で撮像を行ったときの，試料の高さと分解能の関係を表す。レンズの開き角αが小さい場合には，合焦位置から外れた距離においても，分解能の劣化は比較的に小さくなる。

一方で，図１０(ｃ)に示すようにレンズの開き角が大きい方が，図１０(ｄ)に示すように合焦位置における分解能は高くなる。このため，奥行きのある試料を開き角が大きい場合と小さい場合でそれぞれ撮像すると，合焦位置の近くでは開き角が大きい方が高分解能であるが，合焦位置から離れると逆に開き角が小さい方が高分解能となる。

そこで，本実施例では、図１１に示すように、グラフ８００とグラフ８００’とに示すように開き角αを変えて撮像して複数枚の画像８１１，８１２を取得した後，各位置について分解能の高い画像の情報を活用することにより，グラフ８００”に示すように全ての位置での高分解能な画像を生成できるようにした。

次に，本発明の繰り返しパターンに対して撮像位置を変更する実施例について図１２を用いて説明する。図３〜図１１に示した例では，試料の同一箇所に対して撮像条件を変えて複数枚の画像を撮像する場合について述べた。しかし，同一箇所で繰り返し撮像を行うと，顕微鏡内部に存在する汚染物等によるコンタミが発生する。また，ＡｒＦレジストのような電子線耐性の弱い半導体材質に対しては，レジストパターンのシュリンクも発生する。したがって，本実施例では，繰り返しパターンのある試料に対して撮像を行う際に，コンタミやシュリンクを防ぐため，撮像位置を変更して撮像を行う場合について説明する。

図１２(ａ)と図１２(ｂ)にその一実施例を示す。図１２（ａ）の場合においては、先ず試料９０１の対象パターン９ａを撮像し、次にパターン９ａと同じ形状を持つパターン９ｂを撮像する。この例は、２回目以後の撮像対象となるパターン９ｂが，１回目の撮像対象となるパターン９ａを平行移動させたものである場合を示す。一方，図１２(ｂ)の場合においては，先ず試料９０２の対象パターン９ａ’を撮像し、次にパターン９ａ’と同じ形状を持つパターン９ｂ’を撮像する。この例は、２回目以後の撮像対象となるパターン９ｂ’が，１回目の撮像対象となるパターン９ａ’を平行移動および回転移動させたものである場合を示す。これにより，コンタミやシュリンク等による画質の劣化を防ぎながら，繰り返し現れるようなパターン等を明瞭に観察することができる。

次に，図２４で，複数枚の撮像画像に対して位置合わせを行った後に，分解能向上処理を行う一実施例について説明する。図２４における劣化関数を生成する処理１０２及び分解能向上処理１０３は，図１を用いて説明した場合の処理と同じである。まず、ステップ１０１において異なる撮像条件下で撮像して２枚以上の画像を取得した後，位置合わせ処理２００１により複数枚の撮像画像に対して位置合わせを行う。次に，劣化関数を生成する処理１０２において求めた劣化関数１１３，１１４と位置合わせ処理２００１により位置合わせを行った複数枚の撮像画像を用いて分解能向上処理１０３により結果画像I_out１１５を求める。図１２で説明したような，撮像位置を変えて撮像する場合や，同一の撮像位置でも、変更する撮像条件によっては撮像画像の間に無視できない位置ずれが発生する場合も考えられる。本実施例によれば，このような位置ずれが発生した場合でも良好な結果を得ることができる。

次に，図１３乃至１５を用いて、分解能向上処理１０３について説明する。

図１３に示した分解能向上処理１０３−１では，本発明の撮像画像I_in,1，撮像画像I_in,2，劣化関数A₁，劣化関数A₂を用いた分解能向上処理フローの一実施例を示す。この処理において，まず，撮像画像I_in,1，撮像画像I_in,2に対して，画像合成処理１００１を行う。そして，劣化関数A₁，劣化関数A₂に対して，劣化関数合成処理１００２を行う。最後に，画像合成処理および劣化関数合成処理により得られた合成後の撮像画像I’_in，および劣化関数A’を用いて，復元処理１００３を行い，結果画像I_out１３１５を求める。

図１４に，別の処理フローの一実施例１０３−２を示す。この実施例において，まず，各撮像画像と対応する劣化関数を用いて復元処理１００３を行う。そして，得られた復元画像f_r1，と復元画像f_r2に対して，画像合成処理１００１を行い，結果画像I_out１４１５を求める。

図１５には別の処理フローの一実施例１０３−３を示す。この実施例の合成・復元処理１００４のステップにおいて，撮像画像I_in,1，撮像画像I_in,2，劣化関数A₁，劣化関数A₂を用いて一度に合成・復元処理を行い，結果画像I_out１５１５を求める。

図１３及び図１４における復元処理１００３には，画像復元処理を用いることができる。しかし，これに限らず，復元処理には，エッジ強調処理を用いても良いし，画像復元処理とエッジ強調処理を組み合わせた処理を用いても良い。

復元処理１００３及び合成・復元処理１００４の一実施例として，図１６を用いて本発明に係る反復法に基づく画像復元処理の一実施例について説明する。
一般に，復元処理対象となる入力画像（通常撮像画像）は，次式（数１）の画像劣化モデルで表すことができる。

ここで，g(x,y)は入力画像， f(x,y)は出力画像（復元画像と呼ぶ）A(x,y)は劣化関数，n(x,y)はノイズ成分であり，(x,y)は画素の位置座標を表す。式におけるノイズ成分n(x,y)はホワイトノイズと仮定される場合が多いが，f(x,y)と独立でないノイズや，ガウス分布以外の，例えばポアソン分布に従うノイズであっても良い。また，ノイズは加法的ではなく，乗法的でも良い。

本発明における劣化関数に関して，荷電粒子顕微鏡のシステム特性を考慮する必要がある。荷電粒子顕微鏡において，劣化関数に影響を与える要因として，プローブ電流や焦点位置，ビーム開き角等が挙げられる。これらに関するパラメータを用いて，例えば，非特許文献２に開示されている計算方法により劣化関数を正確に求めることができる。

一方，図１３乃至図１５を用いて説明した復元処理１００３及び合成・復元処理１００４において，エッジ強調処理を用いる場合には，劣化関数は，エッジ強調度合いを表すパラメータのことを指す。この場合，劣化関数は位置(X,Y)によらない定数であっても良い。

入力画像g(x,y)，と劣化関数A(x,y)が既知であると，反復法に基づく画像復元処理を実行できる。図１６（ａ）は，１枚の入力画像および１つの劣化関数を入力とする場合の画像復元の一実施例である。反復法では，画像f_i(x,y)を反復して更新することにより画像f_i(x,y)の分解能向上やノイズ低減を行い，復元画像f(x,y)を求める方法である。まず，入力画像g(x,y)：１１０１を用いてステップ１１２１により画像f_i(x,y)：１１０２の初期値である画像f₀(x,y)を作成する。画像f₀(x,y)は入力画像g(x,y)：１１０１そのものとしても良いし，入力画像g(x,y)：１１０１にノイズ除去等の前処理を施した画像や，他の画像復元手法により求められた復元画像としても良い。

次に，ステップ１１２２で画像f₀(x,y)と劣化関数Aとの畳み込み結果である画像g₀(x,y)を計算する。その後，画像f_i(x,y)更新のステップ１１２３で入力画像g(x,y)，画像f₀(x,y)，画像g₀(x,y)を用いて画像f₀(x,y)を更新し，画像f₁(x,y)を得る。以下，終了条件１１２４を満たすまで，ステップ１１２２〜１１２４を繰返すことにより画像f_i(x,y)：１１０２を更新し，終了条件１１２４を満たしたら画像f_i(x,y)：１１０２を復元画像f(x,y)：１１０４として出力する。

終了条件１１２４は，一定の反復回数実施後や，一定の処理時間経過後，または画像f_i(x,y)の更新量が十分小さくなったとき，画像f_i(x,y)がある特定の条件を満たしたとき等が考えられる。

１１２３の画像f_i(x,y)更新のステップでは，多くの手法が提案されている。例えば，反復法として広く知られた手法であるＲｉｃｈａｒｄｓｏｎ−Ｌｕｃｙ法では，次式

に従って画像f_i(x,y)の更新を行う。この手法では，画像f_i(x,y)はノイズがポアソン分布に従うときの最尤解に収束する。非特許文献３にその詳細が説明されている。

図１６(ｂ)は，２枚の入力画像および２つの劣化関数を入力とする場合の画像復元の一実施例を示す。まず，入力撮像画像g₁(x,y)：１１０５とg₂(x,y)：１１０６を用いてステップ１１２５により画像f_ｉ’(x,y)の初期値である画像f₀’(x,y)を作成する。画像f₀’(x,y)は入力画像g₁(x,y)：１１０５またはg₂(x,y)：１１０６そのもの，またはそれらを合成して得られる画像g(x,y)としても良いし，例えば画像g(x,y)にノイズ除去等の前処理を施した画像や，他の画像復元手法により求められた復元画像としても良い。

次に，ステップ１１２２１と１１２２２で，画像f₀’(x,y)と劣化関数A₁：１１１２およびA₂：１１１３との畳み込み結果である画像g₁₀(x,y)：１１０８とg₂₀(x,y)：１１０９を計算する。その後，画像f_ｉ’(x,y)更新のステップ１１２６で入力画像g₁(x,y)：１１０５，g₂(x,y)：１１０６、画像f₀’(x,y)，画像g₁₀(x,y)：１１０８とg₂₀(x,y)：１１０９を用いて画像f₀’(x,y)を更新し，画像f_ｉ’(x,y)を得る。以下，終了条件１１２７を満たすまで，ステップ１１２２１〜１１２７を繰返すことにより画像f_ｉ’ (x,y)を更新し，終了条件１１２７を満たしたら画像 f_ｉ’(x,y)を復元画像f’(x,y)：１１１０として出力する。終了条件１１２７は，一定の反復回数実施後や，一定の処理時間経過後，または画像f_ｉ’(x,y)の更新量が十分小さくなったとき，画像f_ｉ’(x,y)がある特定の条件を満たしたとき等が考えられる。

２枚の撮像画像及び２つの劣化関数を用いて画像復元を行う場合には，Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ−Ｌｕｃｙ法の式を下記のように変形した式（数３）を用いることができる。

ここで，d(x,y)は画像g₁(x,y)と画像g₂(x,y)に対する重みを表す。d(x,y)は下記の式（数４）により計算することができる。

h₁(x,y)とh₂(x,y)はそれぞれ画像g₁(x,y)，g₂(x,y)，または画像g₁(x,y)，g₂(x,y)に対する分解能評価値を表す。kは定数である。分解能指標値h₁(x,y)，h₂(x,y)は，例えば，特許文献４（ＣＧ法）に開示されている画像内の局所領域ごとの濃度勾配を用いた分解能評価方法を，位置(XY)の画素を含む局所領域に対して適用することにより求めることができる。

次に，図１３及び図１４における画像合成処理１００１の手順について図１７を用いて説明する。はじめに，１２０１のステップで、それぞれの画像の各局所領域における分解能評価値h₁(x,y)とh₂(x,y)を算出した後，１２０２のステップで２枚の画像を合成するための重み係数d(x,y)を求める。最後に，１２０３のステップでは（数５）によって２枚の入力画像から１枚の画像に合成する。

d(x,y)は，（数４）を用いて求めることもできるし，グラフ１２０４のように

と非線形の関係であっても良い。

図１８に画像合成処理の手順に関して別の一実施例を示す。はじめに，１３０１のステップにおいて，２枚の入力画像を周波数空間へ変換する。次に，１３０２のステップでは，２枚の画像に対応するそれぞれの２つの劣化関数を周波数空間へ変換する。その次に，１３０３のステップでは，２つの劣化関数の振幅分布Amp₁(u,v)，Amp₂(u,v)に基づいて，重み係数d’(u,v)を算出する。ここで，u，vはそれぞれx方向，y方向の周波数を表す。

そして，数(５)に類似した式によって１枚の画像に合成した後，１３０５のステップでは，合成画像を実空間へ変換する。d’(u,v)は，例えばグラフ１３０６で示されるように、

を用いて算出できる。

次に，図１３における劣化関数合成処理１００２の実施例について図１９を用いて説明する。はじめに，ステップ１４０１において，２つの劣化関数を周波数空間へ変換する。次に，ステップ１４０２では，図１８で説明したステップ１３０３と同じように，ステップ１４０３で２つの劣化関数の振幅分布に基づいて，重み係数d’(u,v)を算出する。そして，式（５）に類似した式によって劣化関数の合成を行った後，１４０４では，合成した劣化関数を実空間へ変換する。

次に，本発明に係る設計データや試料情報に基づいて撮像条件を切り替えるインターフェースの実施例について図２０を用いて説明する。まず，与えられた設計データおよび試料情報に応じて，１５０１のスイッチにより切り替え対象項目を決定する。切り替え対象項目として，例えばブースティング電圧，または加速電圧，または焦点深度等が決定される。そして，１５０２の撮像条件決定ステップにおいて，設計データや撮像条件入力値に基づき，各撮像時に用いられる撮像条件１〜ｎを決める。撮像条件入力値は予め準備しておいたデフォルト値でも良いし，または，ユーザにより設定された値でも良い。撮像条件決定ステップでは，撮像条件のうち切り替え対象項目については，設計データまたは撮像条件入力値に基づいて異なる値を設定する。それ以外の項目については，同一の値を設定する。切り替え対象項目は，複数の項目の組であっても良い。

図２１は撮像条件の設定をユーザに促すＧＵＩ画面の一実施例である。このＧＵＩ画面により，異なる複数の撮像条件を設定することができる。１６０１は，撮像条件を設定する領域である。条件１のカラムにおいて，各撮像条件の具体的な条件設定欄の前にあるチェックボックスによりこの条件を設定するかどうかを決める。すなわち，設定したい撮像条件がある場合には，対応するチェックボックスに”×”を付ける。その右側の条件設定欄に具体的な数字を設定することとなる。撮像条件を設定しない場合には，１６０２のデフォルト値が適用される。条件２〜条件nのカラムには条件１と同じようなチェックボックスと具体的な条件を記入する条件設定欄があり，変更・設定方法は条件１と同様である。

加速電圧を変更する場合には，加速電圧の撮像条件項目に対応する条件２〜ｎに対してチェックボックスにチェックをし，条件設定欄に具体的な条件を記入する。図示の場合，他の条件は固定のままで，加速電圧をそれぞれ１０００V，１５００Vと設定して２枚の撮像画像を取得することを表す。ただし，１６０１の領域は，この例に限らず，例えば，図２０の実施例のように設計データを用いて撮像条件を切り替えることのできるようなインターフェースであっても良い。

また，図２１のＧＵＩ画面には，領域１６０３のように，試料情報を設定するための領域がある。また，領域１６０４のように分解能評価値を計算するための局所領域の大きさを指定するための領域もあっても良い。さらに，本発明における手法により分解能向上した効果を直感的にみるために，撮像画像や結果画像を表示する画像表示領域１６０５や分解能の値を表示する領域１６０６があっても良い。

寸法計測や形状計測において，分解能向上画像を用いることにより，高精度な計測を実現できる。図２２は，測長ＳＥＭなどの半導体計測用ＳＥＭにおいて，２枚以上の異なる撮像画像に対して，分解能向上処理により生成された１枚の明瞭かつ高分解能な画像を用いてパターン寸法計測または形状計測を行う処理フローの一実施例である。１０１〜１０３のシーケンスは図１と同じである。１１５の分解能向上処理後の結果画像I_outに対し，１７０１のステップで画像に含まれるパターンの寸法計測または形状計測を行う。

測長ＳＥＭでは主に２次電子を検出することにより撮像画像を生成する。半導体試料におけるパターンエッジは撮像画像においてホワイトバンド（明度値が大きいライン状の領域）と表現される。パターンの寸法計測や形状計測はホワイトバンドを用いて行われる。しかし，分解能が低い画像であるほど，ホワイトバンドの幅が広くなることに起因した精度低下の問題がある。従って，分解能を向上した画像に対してパターンの寸法計測や形状計測を行ったほうが，計測精度を向上できる。

図２３は，ＳＥＭ検査装置や欠陥レビューＳＥＭなどの半導体検査用ＳＥＭにおいて，２枚以上の異なる撮像画像に対して，分解能向上処理により生成された１枚の明瞭かつ高分解能な画像を用いて欠陥検出または欠陥分類を行う処理フローの一実施例である。１０１〜１０３のシーケンスは図１と同じである。１１５の分解能向上処理後の結果画像I_outに対し，１７０２のステップで欠陥検出または欠陥分類を行う。従来の撮像画像に対して欠陥検出を行った場合，分解能低下が原因で微小な欠陥を検出しにくい問題がある。従って，撮像画像に対して，高分解能化を行うことで，欠陥が顕在化され，検出されやすくなる。同様に，１６０２のステップで欠陥分類を行った場合，撮像画像に対して，高分解能化を行うことで，画像の特徴量が明瞭になるため，分類しやすくなる。

異なる撮像条件下で２枚以上の画像から分解能が向上した１枚の画像を生成する処理フローの一実施例を示す図である。 ＳＥＭ装置の一実施例を示す概略構造図である。 低いブースティング電圧をかけた場合の実施例を示す図である。 高いブースティング電圧をかけた場合の実施例を示す図である。 ２枚以上の画像を用いた処理の手順を示す図である。 電子ビームの加速電圧を変えて撮像した画像に対して分解能向上処理を施す例を示す図である。 電子ビームのスキャン方向を変えて撮像した複数の画像を用いて分解能向上処理を施す例を示す図である。 試料表面におけるビーム強度波形の周波数分布を変えて撮像して得た複数の画像を用いて分解能向上処理を施す例を示す図である。 試料表面における電子ビーム形状を変えて撮像して得た複数の画像を用いて分解能向上処理を施す例を示す図である。 電子ビームの開き角と焦点深度及び試料の高さ方向と分解能の関係を説明する図である。 電子ビームの開き角を変えて焦点深度が異なる状態で撮像して得た複数の画像を用いて分解能向上処理を施す例を示す図である。 繰り返しパターンに対して撮像位置を変更する実施例を示す図である。 複数の撮像画像を用いて合成画像処理を行い、それぞれの画像に対応する劣化関数を劣化関数合成処理を行って合成劣化関数を求め、合成画像と合成劣化関数を用いて分解能向上処理を行う実施例を示す図である。 複数の撮像画像それぞれを対応する劣化関数を用いて復元処理を行い、この復元処理を行った複数の画像を合成して分解能向上処理を行う実施例を示す図である。 複数の撮像画像それぞれを対応する劣化関数を用いて一度に合成・復元処理を行って分解能向上処理を行う実施例を示す図である。 反復法に基づく画像復元処理の一実施例を示す図で、（ａ）は一組の入力画像と劣化関数を用いる場合を示し、（ｂ）は複数の組の入力画像と劣化関数を用いる場合を示す。 画像合成処理の手順を示す図である。 画像合成処理の別の手順を示す図である。 劣化関数合成処理の手順を示す図である。 設計データや試料情報に基づいて撮像条件を切り替えるインターフェースの実施例を示す図である。 撮像条件の設定をユーザに促すＧＵＩ画面の一実施例を示す図である。 分解能向上した画像を用いてパターン寸法計測・形状計測や欠陥検出・欠陥分類を行う処理フローの一実施例を示す図である。 分解能向上した画像を用いて欠陥検出・欠陥分類を行う処理フローの一実施例を示す図である。 複数枚の撮像画像に対して位置合わせを行った後に，分解能向上処理を行う一実施例を示す図である。

符号の説明

１０１・・・撮像画像取得ステップ １０２・・・劣化関数生成ステップ １０３・・・分解能向上ステップ ２１・・・撮像部 ２２・・・入出力部 ２３・・・制御部 ２４・・・処理部 ２５・・・記憶部 ２００・・・電子ビーム ２０１・・・偏向された電子ビーム ２０２・・・電子銃 ２０３・・・アライメントコイル ２０４・・・コンデンサレンズ ２０５・・・非点補正コイル ２０６，２０７・・・偏向器 ２０８・・・ブースティング電極 ２０９・・・対物レンズ ２１０・・・対物レンズ絞り ２１１，２１２・・・検出器（反射電子検出器，２次電子検出器） ２１３・・・画像生成器 ２１４・・・試料 ２１５・・・XYステージ ２６１・・・設計データ読込部 ２６２・・・位置合わせ部 ２６３・・・画質改善処理部

Claims (18)

1. 走査型荷電粒子顕微鏡装置を用いて試料を撮像して得た画像の分解能を向上させて処理する方法であって、
   異なる撮像条件下で試料を撮像して該試料の複数の画像を取得する画像取得ステップと，
   該画像取得ステップで取得した複数の画像についてそれぞれの画像の劣化関数を生成する劣化関数生成ステップと，
   前記画像取得ステップで取得した複数の画像と前記劣化関数生成ステップで生成したそれぞれの画像に対応する前記劣化関数とを用いて分解能を向上させた画像を生成する分解能向上画像生成ステップと，
   該分解能を向上させた画像を処理する画像処理ステップとを有することを特徴とする走査型荷電粒子顕微鏡装置で取得した画像の処理方法。
2. 前記異なる撮像条件は，ブースティング電圧を変更することを特徴とする請求項１記載の走査型荷電粒子顕微鏡装置で取得した画像の処理方法。
3. 前記異なる撮像条件は，荷電粒子ビームの加速電圧を変更することを特徴とする請求項１記載の走査型荷電粒子顕微鏡装置で取得した画像の処理方法。
4. 前記異なる撮像条件は，荷電粒子ビームのスキャンの方向を変更することを特徴とする請求項１記載の走査型荷電粒子顕微鏡装置で取得した画像の処理方法。
5. 前記異なる撮像条件は，試料表面におけるビーム強度波形の周波数分布を変更することを特徴とする請求項１記載の走査型荷電粒子顕微鏡装置で取得した画像の処理方法。
6. 前記異なる撮像条件は，試料表面におけるビーム強度波形のビーム径が最小となる方向を変更することを特徴とする請求項１記載の走査型荷電粒子顕微鏡装置で取得した画像の処理方法。
7. 前記異なる撮像条件は，焦点深度を変更することを特徴とする請求項１記載の走査型荷電粒子顕微鏡装置で取得した画像の処理方法。
8. 前記異なる撮像条件は，設計データに基づいて切り替えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の走査型荷電粒子顕微鏡装置で取得した画像の処理方法。
9. 前記画像処理ステップでは、前記分解能向上画像生成ステップで分解能を向上させた画像を処理して前記試料上の形成されたパターンの特徴量として、パターン形状，パターン寸法，欠陥有無，欠陥位置，欠陥種類の少なくとも一つを求めることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の走査型荷電粒子顕微鏡装置で取得した画像の処理方法。
10. 走査型荷電粒子顕微鏡装置であって，
    試料に集束させた荷電粒子線を走査して照射して該試料から発生する二次荷電粒子を検出することにより前記試料を撮像して前記試料の画像を取得する画像取得手段と，
    該画像取得手段で撮像条件の異なる複数の画像を取得するように前記画像取得手段を制御する画像取得条件制御手段と、
    該画像取得条件制御手段で制御された前記画像取得手段で取得した撮像条件の異なる複数の画像についてそれぞれの画像の劣化関数を生成する劣化関数生成手段と、
    前記画像取得条件制御手段で制御された前記画像取得手段で取得した撮像条件の異なる複数の画像と前記劣化関数生成手段で生成したそれぞれの画像に対応する前記劣化関数とを用いて分解能を向上させた画像を生成する分解能向上画像生成手段と，
    該分解能向上画像生成手段で分解能を向上させた画像を処理する画像処理手段とを備えたことを特徴とする走査型荷電粒子顕微鏡装置。
11. 前記画像取得条件制御手段は、前記画像取得手段のブースティング電圧を制御して画像取得手段で前記試料を撮像する撮像条件を変えることを特徴とする請求項１０記載の走査型荷電粒子顕微鏡装置。
12. 前記画像取得条件制御手段は、前記画像取得手段で前記試料に照射して走査する荷電粒子ビームの加速電圧を制御して画像取得手段で前記試料を撮像する撮像条件を変えることを特徴とする請求項１０記載の走査型荷電粒子顕微鏡装置。
13. 前記画像取得条件制御手段は、前記画像取得手段で前記試料に照射して走査する荷電粒子ビームの前記走査の方向を制御して画像取得手段で前記試料を撮像する撮像条件を変えることを特徴とする請求項１０記載の走査型荷電粒子顕微鏡装置。
14. 前記画像取得条件制御手段は、前記画像取得手段で前記試料に照射して走査する荷電粒子ビームの前記試料表面におけるビーム強度波形の周波数分布を制御して画像取得手段で前記試料を撮像する撮像条件を変えることを特徴とする請求項１０記載の走査型荷電粒子顕微鏡装置。
15. 前記画像取得条件制御手段は、前記画像取得手段で前記試料に照射して走査する荷電粒子ビームの前記試料表面におけるビーム強度波形のビーム径が最小となる方向を制御して画像取得手段で前記試料を撮像する撮像条件を変えることを特徴とする請求項１０記載の走査型荷電粒子顕微鏡装置。
16. 前記画像取得条件制御手段は、前記画像取得手段で前記試料に照射して走査する荷電粒子ビームの焦点深度を制御して画像取得手段で前記試料を撮像する撮像条件を変えることを特徴とする請求項１０記載の走査型荷電粒子顕微鏡装置。
17. 前記画像取得条件制御手段は、設計データに基づいて画像取得手段で前記試料を撮像する撮像条件を変えることを特徴とする請求項１０記載の走査型荷電粒子顕微鏡装置。
18. 前記画像処理手段は、前記分解能向上画像生成手段で分解能を向上させた画像を処理して前記試料上の形成されたパターンの特徴量として、該パターンの形状，該パターンの寸法，該パターンの欠陥の有無，該欠陥の位置，該欠陥の種類のうち少なくとも一つを求めることを特徴とする請求項１０乃至１７のいずれか一項に記載の走査型荷電粒子顕微鏡装置。

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