JP5948074B2 - 画像形成装置及び寸法測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、顕微鏡等を用いて画像、或いは信号波形を取得する画像形成装置、或いは寸法測定装置に係り、特に画像信号や信号波形を積算して画像、或いは波形を形成する画像形成装置、或いは寸法測定装置に関する。

走査電子顕微鏡に代表される荷電粒子線装置では、細く収束された荷電粒子線を試料上で走査して試料から所望の情報（例えば試料像）を得る。このような荷電粒子線装置では、年々高分解能化が進んでおり、高分解能化とともに必要とされる観察倍率が高くなっている。また、試料像を得るためのビーム走査方法には、高速走査で得られた複数の画像を積算して最終の目的画像を得る方法と、１回の低速走査（１フレームの画像取り込み時間：４０ミリ秒から８０ミリ秒程度）で目的の画像を取得する方法がある。観察倍率が高くなるにつれて、視野のドリフトが取得画像に与える影響が深刻になる。例えば、高速走査で得られた画像信号を画素ごとに積算（フレーム積算）して目的画像を取得する方法においては、画像積算中に試料のチャージアップ等に基づくドリフトがあると、視野のずれた画素を積算することになるため、積算後の目的画像がドリフト方向にぼけてしまう。ドリフトの影響を低減するには、積算フレーム数を減らして積算時間を短くすればよいが、これでは、十分なＳ／Ｎ比が得られなくなってしまう。

低速走査で画像を取得する方法においては、画像取り込み中にドリフトが発生するとドリフト方向に視野が流れるため画像が変形する。

また、感度の高いレジストパターンに荷電粒子線装置によって荷電粒子を照射した場合、レジストの科学的特質によってレジストがシュリンク（収縮）する。前記している高速走査で得られた複数の画像を積算して最終の目的画像を取得する方法において、画像積算中にシュリンクが発生すると、シュリンクによりエッジ位置がずれた画素を積算することになるため、積算後の目的画像のエッジがぼけてしまう。

特許文献１には、前記複数回の走査に基づいて得られる複数画像のドリフトによる画像の変形、或いは位置ずれを画像マッチングにより検出し、画像の変形、或いは位置ずれの検出し、位置ずれを補正した合成画像を生成する技術が開示されている。

特開２００７−２９９７６８号公報（対応米国特許ＵＳＰ７，０３４，２９６）

一方、昨今の半導体デバイスの微細化等により、観察や測定の対象となるパターン及びその間の間隔が狭くなり、観察や測定の対象として連続的に同じようなパターンが複数配列されるパターン（繰り返しパターン）が見られるようになってきた。このようなパターンの場合、同じようなパターンが多数配列されているが故に、例えば特許文献１に開示されているように、積算対象となる画像信号間にてマッチングを実行した上で積算を行おうとすると、誤った位置にマッチングしてしまい、結果として積算処理が適切に行われなくなる可能性がある。

また、電子ビームを照射するとシュリンクが発生する試料があり、積算のために複数のフレームの画像信号を取得すると、シュリンク前後でエッジの位置がシフトすることになるため、やはり信号の積算が適正に行われなくなる場合がある。

以下に、繰り返しパターンやシュリンクするパターン等、マッチングが適正に行われなくなる可能性のあるパターンの画像や信号波形を取得する場合であっても、適正な積算信号を形成することを目的とする画像形成装置、及び寸法測定装置について説明する。

上記目的を達成するための一態様として、以下に顕微鏡にて得られる複数の画像信号を積算して積算画像を形成する演算装置を備えた画像形成装置において、当該演算装置は、前記複数の画像信号間にてマッチング処理を行うマッチング処理部と、当該マッチング処理部によって位置合わせがなされた複数の画像信号を積算する画像積算部と、前記画像信号に含まれるパターンの周期性を判定する周期性判定部を備え、前記マッチング処理部は、当該周期性判定部による判定に応じて、前記マッチングに供する画像信号領域の大きさを変化させる画像形成装置を提案する。

また、上記目的を達成するための他の態様として、顕微鏡にて得られる複数の画像信号を積算して積算画像を形成する演算装置を備えた画像形成装置において、当該演算装置は、前記複数の画像信号間にてマッチング処理を行うマッチング処理部と、当該マッチングによって位置合わせがなされた複数の画像を積算する画像積算部と、前記複数の画像信号間のずれを検出するずれ検出部を備え、当該ずれ検出部は前記画像の特定方向のずれを選択的に検出し、前記画像積算部は、当該特定方向のずれを選択的に補正し、前記ずれ検出部は、当該特定方向のずれが選択的に補正された複数の画像信号について、前記特定方向とは異なる方向のずれを選択的に検出し、前記画像積算部は、当該特定方向のずれとは異なる方向のずれを選択的に補正して積算画像を形成する画像形成装置を提案する。

また、上記目的を達成する更に他の態様として、顕微鏡にて得られる複数の信号波形を積算して積算信号を形成し、当該積算信号に基づいて試料上に形成されたパターンの寸法を測定する演算装置を備えた寸法測定装置において、当該演算装置は、前記複数の信号波形間にてマッチング処理を行うマッチング処理部と、当該マッチング処理によって位置合わせがなされた複数の信号波形を積算する信号積算部とを備え、前記マッチング処理部は、或る信号波形に、他の信号波形形状を合せるように、前記マッチングを実行する寸法測定装置を提案する。

上記構成によれば、以下に、繰り返しパターンやシュリンクするパターン等、マッチングが適正に行われなくなる可能性のあるパターンの画像や信号波形を取得する場合であっても、適正な積算信号を形成することが可能となる。

走査電子顕微鏡の概略図である。 パターンの周期性判断により探査領域を設定する工程を示すフローチャートである。 １フレーム画像で自己相関をとった相関値分布の結果を示す例である。 相関値の極大値の検出位置から一次元に相関値を取得した場合の相関値のヒストグラムを示す図である。 ライン形状以外の周期性のあるパターンにおいて周期データを決定する方法を示す図である。 周期性のあるパターンにおいて探査範囲の最適化を行った例を示す図である。 最適化した探査範囲で１回の走査で半周期以上のドリフトが発生する場合の例を示す図である。 像表示装置に表示されるＧＵＩ画面の一例を示す図である。 ラインパターンのラフネス計測に対応したドリフト補正方法を示すフローチャート。 ラインパターンでＸ方向に荷電粒子線を走査して取得した画像がＸ、Ｙ方向にドリフトしている例を示す図である。 検出したドリフト量とドリフト量を近似曲線でフィッティングした例を示す図である。 ラインパターンにおいて１フレーム画像のＸ方向の位置ずれを補正した例を示す図である。 Ｘ方向の位置ずれを補正した１フレーム画像を用いてＹ方向の位置ずれを検出した例を示す図である。 パターンのラフネスを利用しラインパターンのＹ方向の位置ずれを補正した例を示す図である。 ラインパターンの断面図と電子顕微鏡像の例を示す図である。 ラインパターンの単純加算後のプロファイルと重み付き加算後のプロファイルを示す図である。 シュリンク後期のプロファイルの加算重みを変えた積算画像を作成する方法を示すフローチャート。 エッジ位置ずれを補正したラインパターンのプロファイルを示す図である。 シュリンクによるフレーム間のエッジのずれを検出してエッジ位置を補正した合成画像を作成する方式を示すフローチャート。 像表示装置に表示されるシュリンクエッジ補正のＧＵＩ画面の例を示す図である。 ドリフトによる位置ずれとシュリンクによるエッジの位置ずれを検出し、位置ずれを補正した合成画像を作成する方法を示すフローチャート。 パターン中心を基準位置としてドリフト量の検出方法の例を示す図である。 走査電子顕微鏡を用いた画像形成システム、或いは寸法測定システムの概要を示す図。

以下にマッチング処理によって、位置合わせが行われた画像信号や信号波形を積算処理し、合成信号を形成する装置について詳細に説明する。以下の実施例では特に、同等のパターンが複数配列される周期パターンやシュリンクするパターン等の画像や信号波形を形成するのに適した画像形成装置や寸法測定装置について説明する。

マッチングを行う場合、正規化相関を行う対象が周期パターンが表示された画像の場合、本来位置合わせを行いたい場所と同等のマッチングスコアを示す個所が複数存在することになり、適切な探査領域を設定しないと画像間の位置ずれ量の検出において誤検出が発生する可能性がある。

例えば誤検出が発生すると、検出した位置を元に画像を合成すると合成画像に広領域のコントラストむらが発生してしまう。そのため、前記の合成画像のコントラストむらが発生している領域において計測精度が低下する可能性がある。

また、ラインパターンではチャージアップに基づくドリフトが発生した場合、画像間の位置ずれの検出においてパターンに対して水平方向の位置ずれを高精度に検出しなければ位置ずれ補正後の合成画像でラフネスまで認識した合成画像を得ることができない。ラインパターンのエッジに対し、水平な方向は、マッチングスコアを求めるための特徴量が少ないため、高精度に位置ずれを検出することが困難である。そのため、ドリフト補正技術を適用した合成画像でラインパターンのラフネスまで計測したい場合、計測精度が低下する可能性がある。

また、荷電粒子線の走査による影響で画像取り込み中にシュリンクが発生した場合、フレーム積算をする際に計測すべきエッジ位置がずれて加算され、合成画像のエッジがぼけたものになってしまう。そのため、複数の画像を積算して最終の目的画像を得る方法では合成画像の計測精度が低下する可能性がある。

以下に説明する実施例は、特に昨今の半導体デバイスの変遷によって生ずる新たな信号積算時の課題を解決するためのものであり、荷電粒子線照射による帯電やシュリンクの影響を抑制しつつ、高精度に視野ずれの抑制を実現する画像形成装置、及び寸法測定装置に関するものである。

以下に説明する実施例は、試料上に荷電粒子線を走査し、試料から放出された二次信号に基づいて画像を形成する試料像形成方法において、複数回の走査で得られる複数の画像を合成して合成画像を複数形成し、当該複数の合成画像間の位置ずれを補正して画像を合成し、更なる合成画像を形成する装置に係り、周期パターン、ラインパターン、或いはシュリンクするパターン等、マッチング精度を低下させる可能性のある特徴を持つパターンの画像や信号波形を高精度に形成し得る装置に関するものである。

図１は、画像形成装置、或いは寸法測定装置、或いはその一部をなす走査電子顕微鏡の概略構成図である。陰極１と第一陽極２の間には、コンピュータ４０で制御される高圧制御電源２０により電圧が印加され、所定のエミッション電流で一次電子線４が陰極１から引き出される。陰極１と第二陽極３の間には、コンピュータ４０で制御される高圧制御電源２０により加速電圧が印加され、陰極１から放出された一次電子線４が加速されて後段のレンズ系に進行する。

一次電子線４は、レンズ制御電源２１で制御された収束レンズ５で収束され、絞り板８で一次電子線の不要な領域が除去された後に、レンズ制御電源２２で制御された収束レンズ６、および対物レンズ制御電源２３で制御された対物レンズ７により試料１０に微小スポットとして収束される。対物レンズ７は、インレンズ方式、アウトレンズ方式、およびシュノーケル方式（セミインレンズ方式）など、種々の形態をとることができる。また、試料に負の電圧を印加して一次電子線を減速させるリターディング方式も可能である。さらに、各々のレンズは、複数の電極で構成される静電型レンズで構成してもよい。

一次電子線４は、走査コイル９により試料１０上を二次元的（Ｘ−Ｙ方向）に走査される。走査コイル９は、走査コイル制御電源２４によって電流が供給される一次電子線の照射により試料１０から発生した二次電子等の二次信号１２は、対物レンズ７の上部に進行した後、二次信号分離用の直交電磁界発生装置１１により、一次電子と分離されて二次信号検出器１３に検出される。二次信号検出器１３で検出された信号は、信号増幅器１４で増幅された後、画像メモリ２５に転送されて像表示装置２６に試料像として表示される。二次信号検出器は二次電子や反射電子を検出するものであっても、光やＸ線を検出するものであっても良い。

なお、画像メモリ２５のメモリ位置に対応したアドレス信号が、コンピュータ４０内で生成され、アナログ変換された後に走査コイル制御電源２４を経由して、走査コイル９に供給される。Ｘ方向のアドレス信号は、例えば画像メモリ２５が５１２×５１２画素の場合、０から５１１を繰り返すデジタル信号であり、Ｙ方向のアドレス信号は、Ｘ方向のアドレス信号が０から５１１に到達したときにプラス１される０から５１１の繰り返しのデジタル信号である。これがアナログ信号に変換される。

画像メモリ２５のアドレスと一次電子線を走査するための偏向信号のアドレスが対応しているので、画像メモリ２５には走査コイル９による一次電子線の偏向領域の二次元像が記録される。なお、画像メモリ２５内の信号は、読み出しクロックで同期された読み出しアドレス生成回路（図示せず）で時系列に順次読み出すことができる。アドレスに対応して読み出された信号はアナログ変換され、像表示装置２６の輝度変調信号となる。

画像メモリ２５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８回の二次元走査で得られた画像を重ねて記憶することで、１枚の完成した像を形成する。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）は任意に設定可能であり、二次電子発生効率等の条件を鑑みて適正な値が設定される。また複数枚積算して形成した画像を更に複数枚重ねることで、最終的に取得したい画像を形成することもできる。所望の画像数が記憶された時点、或いはその後に一次電子線のブランキングを実行し、画像メモリへの情報入力を中断するようにしても良い。

またフレーム積算数を８に設定した場合に、９枚目の画像が入力される場合には、１枚目の画像は消去され、結果として８枚の画像が残るようなシーケンスを設けても良いし、９枚目の画像が入力されるときに画像メモリに記憶された積算画像に７／８を掛け、これに９枚目の画像を加算するような重み加算平均を行うことも可能である。

走査コイル９と同じ位置に２段の偏向コイル５１（イメージシフト偏向器）が配置されており、試料１０上における一次電子線４の位置（観察視野）を二次元的に制御できる。偏向コイル５１は、偏向コイル制御電源３１によって制御される。

ステージ１５は、試料を少なくとも一次電子線と垂直な面内の２方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に試料１０を移動することができる。

入力装置４２からは、画像の取り込み条件（走査速度、画像積算枚数）や視野補正方式などの指定、および画像の出力や保存などを指定することができる。

また、図１に例示する装置は、検出された二次電子或いは反射電子等に基づいて、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。本実施例装置は更に外部装置等に画像データを転送するためのインターフェース４１や所定の記憶媒体に画像データを記憶させるための記録装置２７を備えることも可能である。

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、無論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。その際には二次信号検出器１３で検出される検出信号を制御プロセッサに伝達したり、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としても成立するものである。

図２３は、走査電子顕微鏡を含む画像形成装置、或いは寸法測定装置の一態様を示す図である。本システムには、ＳＥＭ本体２３０１、Ａ／Ｄ変換機２３０４、演算装置（画像処理を行う信号処理装置２３０６を含む）２３０５が含まれている。

ＳＥＭ本体２３０１は電子デバイスが製造されたウェハ等の試料に電子ビームを照射し、試料から放出された電子を検出器２３０３で捕捉し、Ａ／Ｄ変換器２３０４でデジタル信号に変換する。デジタル信号は演算装置２３０５に入力されてメモリ２３０７に格納され、信号処理部２３０６に内蔵されるＣＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の画像処理ハードウェアによって、目的に応じた画像処理が行われる。また、信号処理部２３０６は、検出信号に基づいて、ラインプロファイルを作成し、プロファイルのピーク間の寸法を測定する機能をも備えている。

更に演算装置２３０５は、入力手段を備えた入力装置２３１５と接続され、当該入力装置１１０８に設けられた表示装置に、操作者に対して画像や検査結果等を表示する機能を備えている。

なお、演算装置２３０５における制御や処理の一部又は全てを、ＣＰＵや画像の蓄積が可能なメモリを搭載した電子計算機等に割り振って処理・制御することも可能である。また、入力装置２３１５は、検査等に必要とされる電子デバイスの座標、位置決めに利用するパターンマッチング用のテンプレート、撮影条件等を含む撮像レシピを手動もしくは、電子デバイスの設計データを活用して作成する撮像レシピ作成装置としても機能する。

入力装置２３１５は、設計データに基づいて形成される線図画像の一部を切り出して、テンプレートとするテンプレート作成部を備えており、作成されたテンプレートは信号処理部２３０６に内蔵されるマッチング処理部２３０６におけるテンプレートマッチングのテンプレートとして、メモリ２３０５に登録される。テンプレートマッチングは、位置合わせの対象となる撮像画像と、テンプレートが一致する個所を、正規化相関法等を用いた一致度判定に基づいて特定する手法であり、マッチング処理部２３０８は、一致度判定に基づいて、撮像画像の所望の位置を特定する。

信号積算部２３０９はメモリ２３０７に登録、或いは走査電子顕微鏡によって取得された積算前の信号を積算する。また、周期性判定部１３１０は自己相関法等により、取得した画像、或いは信号波形の周波数成分の解析を行う。周期性判定部１３１０では、特定方向（Ｘ方向、Ｙ方向）について、周期性を判定し、周期性があると判断されたときに、その判定結果をマッチング処理部１３０８に伝達する。

マッチング処理部１３０８では、判定結果に基づいて、マッチングを行うための画像領域の大きさをメモリ２３０７に記憶された条件に基づいて設定する。例えば、周期性なしと判断される場合には、予め記憶されている大きさの画像領域、或いは予め記憶されている画像領域より大きくなるように画像領域を選択する。一方、周期性ありと判断される場合には、予め記憶されている大きさの画像領域、或いは予め記憶されている画像領域より小さくなるように画像領域を選択する。このように周期性ありと判断される場合に、相対的に小さな画像領域を設定する。周期性ありと判断されるときの画像領域の大きさは、画像領域内にマッチングスコアが高いと思われる個所が複数含まれないようにすべく、２以上の同一形状のパターンが含まれないような範囲に制限することが望ましい。周期性がない場合には、より複雑なパターン形状を含む画像領域を用いてマッチングを行うべく、相対的に画像領域を広めることが望ましい。

ずれ検出部１３１１では、例えば自己相関法に基づいて特定方向のずれを検出する。例えばＹ方向に延びるラインパターンの場合は、Ｘ方向に輝度分布（プロファイル波形）を検出すると、エッジ部分にピークが発生するため、或るフレームで取得された波形と、異なるタイミングで取得された波形との間で自己相関を行うことによって、ずれ量を評価する。また、ラインパターンの場合、Ｘ方向のずれを検出するときに、Ｙ方向に異なる位置の信号波形を加算し、それを平均することによって、ノイズ成分を減らすことができる。更にＹ方向のずれを検出する場合、エッジ部分のパターンのラフネスの周波数成分を示す波形を形成し、異なるフレームにて取得された波形間のずれを相互相関法によって求めるようにしても良い。

なお、以下に説明する実施例では、ＳＥＭに搭載された制御装置、或いはＳＥＭに通信回線等を経由して接続される制御装置（入力装置１３１５）を例に採って説明するが、これに限られることはなく、コンピュータープログラムによって、画像処理を実行する汎用の演算装置を用いて、後述するような処理を行うようにしても良い。更に、集束イオンビーム（Focused Ion Beam：ＦＩＢ）装置等、他の荷電粒子線装置に対しても、後述する手法の適用が可能である。

ＴＶ走査像を積算してＳ／Ｎ比を改善する方法への実施例において、図２の処理フローを以下に詳細に説明する。以下に説明する手法を採れば、本実施例において、ドリフトによるＴＶ走査像の位置ずれが発生している場合、ＴＶ走査像のパターン形状、構造などから探査範囲の最適化を行い、位置ずれの検出および位置ずれを補正した合成画像を生成することが可能となる。以下の処理は例えばコンピュータ４０や演算装置２３０５にて実行する。
第１ステップ（Ｓ２００１）：
入力装置４２から、フレーム積算枚数Ｎを指定する。
第２ステップ（Ｓ２００２）：
入力装置４２から画像取り込み開始が指示されると、同一視野においてフレーム積算枚数Ｎの１フレーム画像Ｆ（Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３…、ＦＮ）を連続して取得し、メモリ領域に設定する。
第３ステップ（Ｓ２００３）：
図３のように１フレーム画像データ３００１の自己相関をとり１フレーム画像の相関値分布３００２を取得する。相関値が高くなる検出位置３００３の相関値のピーク（極大値）をパターン形状や周期性判断に利用する。
第４ステップ（Ｓ２００４）：
第３ステップで取得した相関値のデータからパターン形状の判断を行う。まず、最も相関値が高くなる検出位置から水平方向、垂直方向に相関値のヒストグラムを作成する。作成したヒストグラムにおいて図４のようにある特定の区間のデータが集中している場合、検出方向にライン形状を示すと判断する。

Ｘ、Ｙ方向のどちらかがライン形状と判断された場合、第５ステップの処理を行う。またＸ、Ｙ方向にライン形状ではないと判断された場合、第７ステップの処理を行う。
第５ステップ（Ｓ２００５）
ライン形状の場合、周期性判断を行う。最も相関値が高くなる検出位置からライン形状と判断しなかった方向に対して一次元に相関値を取得し、相関値のピーク（極大値）を算出する。例えば垂直ラインパターンの場合はＸ方向の相関値を取得する。また水平方向のラインパターンでは、Ｙ方向の相関値を取得する。

取得した相関値をある特定の閾値でフィルタリングし、相関値のピークを算出する。ピークが複数存在する場合は周期性ありと判断し、相関値のピークが１つの場合は周期性なしと判断する。
第６ステップ（Ｓ２００６）
ライン形状のパターンで周期性ありと判断した場合、相関値のピーク間の距離を平均し、周期データとする。
第７ステップ（Ｓ２００７）
ライン形状以外のパターンの場合、周期性判断を行う。図３の相関分布のデータ３００２から取得した相関値をある特定の閾値でフィルタリングし、相関値のピーク（極大値）が存在するか判定する。相関値のピークが複数存在する場合周期性ありと判断し、相関値のピークが１つの場合周期性なしと判断する。
第８ステップ（Ｓ２００８）
ライン形状以外のパターンで周期性ありと判断した場合、図５のように最も相関値が高くなる検出位置５００１から水平方向、垂直方向の相関値のピークを除いた、最短距離に位置する相関値５００２のピークの検出位置を取得し、２点間の距離５００３をＸ方向５００４、Ｙ方向５００５の成分にそれぞれ分解したものをＸ方向、Ｙ方向の周期データとする。
第９ステップ（Ｓ２００９）：
第５ステップ、第７ステップにおいてパターン構造に周期性が有りと判断された場合、取得したＸ、Ｙ方向の周期性データを図６のようにドリフト量の探査範囲として設定する。第６ステップ、第８ステップで算出した周期性データをそのまま探査範囲として設定すると隣のパターンを検出してしまう可能性があるため周期性データをわずかに狭めた範囲を探査範囲として設定する。

第５ステップ、第７ステップでＸ、Ｙ方向の周期性なしと判断した場合、探査範囲にはデフォルト値を設定する。探査範囲はユーザが設定した任意の値に設定することも可能である。
第１０ステップ（Ｓ２０１０）：
第９ステップで算出した探査範囲を設定して隣接する１フレーム画像間Ｆ（ｎ−１）とＦ（ｎ）の組み合わせで位置ずれ量を検出する。パターン検出の位置ずれ量は正規化相互相関などから算出できる。

検出した位置ずれ量を積算対象となる基準画像との位置ずれ量に累積する。また、第４ステップで判断したパターン形状の情報に応じた検出方法を採っても良いこととする。
第１１ステップ（Ｓ２０１１）：
第１０ステップで算出した基準画像との位置ずれ量を補正した１フレーム画像を生成し、基準画像に加算することで積算画像を生成する。
第１２ステップ（Ｓ２０１２）：
フレーム積算枚数Ｎまで、第１０ステップと第１１ステップを繰り返す。

本実施例において低速走査などにより図７のように１回の電子線走査で半周期以上ドリフトした場合、最適化した探査範囲内でパターン検出を行う。実際のパターンと合成位置は異なるが一度に多くのパターンを計測する場合は複数パターンの測定結果を平均する場合が多く、１周期重ねる位置がずれたとしても測定結果には問題はない。

また、本実施例装置ではドリフト補正技術の適用を操作者に行わせるべく図８のようにグラフィカルユーザーインターフェース（Graphical User Interface：ＧＵＩ）上に像ドリフト補正技術適用の要否０８０１の選択やドリフト補正適用の先見情報として補正対象パターン形状、構造、位置ずれ探査範囲の入力設定を行う仕組みを設ける。ＧＵＩ上でパターン形状０８０２、構造０８０３、探査範囲情報０８０４を予め設定している場合、本実施例の第３ステップから第８ステップを省略可能である。

図１１は像表示装置上でポインティングデバイス０８０５等によって選択を行う例を示したものであるが、これに限られることはなく、公知の他の入力設定手段によって設定できるようにしても良い。

垂直なラインパターンでＸ方向に粒子線を走査して取得した画像がＸ、Ｙ方向にドリフトしている場合にドリフト補正技術を適用した場合の実施例を示す。本実施例について図９の処理フローで説明し、補足説明を図１０〜図１３に示す。
第１ステップ（Ｓ０９０１）：
パターンのＳ／Ｎが十分に得られるＮ枚の画像を１フレームずつ取得する。
第２ステップ（Ｓ０９０２）：
（ｎ−１）フレーム目の画像と（ｎ）フレーム目の画像を用いてＸ方向のドリフト量を検出する。

ドリフトの影響があると、図１０のようにラインパターンが変形して見える場合がある。このような画像でＹ方向のドリフト検出を行っても、パターン検出でドリフトの影響を受けてしまう。そのため、第１ステップではＸ方向のみのずれ量を検出しておく。ドリフト量はパターン検出の位置ずれ量から算出し、パターン検出の位置ずれ量は正規化相互相関などから算出できる。

ドリフト量の累計より近似曲線を求めるために、（ｎ）フレーム目までのＸ方向のドリフト量Δｘの累計を算出しておく。Ｎフレーム分のＸ方向のドリフト量Δｘが算出できたら、Δｘを近似曲線でフィッティングする。図１１にドリフト量とその近似曲線のグラフを示す。帯電の影響によるドリフトであれば、画像取得開始直後のドリフト量が大きく、その後徐々に収まっていく傾向が現れる。そのため近似曲線は、対数近似や多項式近似を用いて近似ができる。
第３ステップ（Ｓ０９０３）：
Δｘの近似曲線より、Ｘ方向に補正した１〜Ｎフレーム分の補正画像を生成する。図１２のようにＸ方向の補正を行うことで、１フレーム内で発生しているドリフトを補正することができ、Ｙ方向の補正はパターンのラフネス具合をうまく利用して補正することが可能になる。
第４ステップ（Ｓ０９０４）：
続いてＸ方向のドリフトを補正したＮ枚分の補正画像を用いて図１３のようにＹ方向のドリフト量を検出する。Ｘ方向と同様にＹ方向でもドリフト量の累計を算出しておく。Ｎフレーム目までのドリフト量の検出が終了したあと、Ｘ方向と同様にドリフト量の累計を近似曲線でフィッティングする。
第５ステップ（Ｓ０９０５）：
図１４のように求めた近似曲線よりＹ方向のドリフトを補正しながらＮフレーム分合成した合成画像を生成して処理を終了する。このように、Ｘ方向とＹ方向を別々に補正することで、パターンのラフネスを利用し、Ｙ方向も正しく補正することが可能になる。

ＴＶ走査像を積算してＳ／Ｎ比を改善する方法でシュリンクにより発生する積算画像のエッジ位置ずれが発生する場合の実施例を示す。

フレーム積算時の加算の重みを変更することでシュリンクによるエッジぼけの影響を軽減する。また、各フレーム間のエッジのずれを検出してエッジ位置を補正した合成画像を作成することも可能である。

図１５、図１６を用いてフレーム積算時の加算の重みを変更する方式を説明する。図１５は半導体ラインパターンの断面図と電子顕微鏡像の例である。基板上１５０１に形成されたエッジ１５０３を持ったレジストのラインパターン１５０２は電子顕微鏡像ではパターン部１５１２とエッジ部１５１３のように観察される。電子顕微鏡像１５１１はラインパターン１５０２を上から観察した画像である。

図１５のようなラインパターンの寸法を計測する場合は電子顕微鏡像１５１１から図１６に示すようなプロファイルを作成した後、エッジ部１５１３の微分ピークなどの特徴的な位置を捉える。その特徴的な位置を左右のエッジについて検出し、その距離をパターン寸法とする方法が一般的である。シュリンクが発生するパターンにおいて得られるプロファイルは、シュリンク初期のプロファイル１６０１と、シュリンク後期のプロファイル１６０２とを加算することによって、単純加算プロファイル１６０４のようになる。このようなプロファイルにおいて寸法を計測するとプロファイルのエッジ部分がぼやけて特徴的な位置も不安定となり、測定再現性も低下する。

シュリンク初期のプロファイル１６０１とシュリンク後期のプロファイル１６０２の加算重みを変えたプロファイル１６０３の積算画像を作成するフローについて図１７に示す。以下に各ステップの説明を行う。
第１ステップ（Ｓ１７００１）：
画像取得が開始されると１フレーム画像を画像メモリ２５に取り込む。
第２ステップ（Ｓ１７００２）：
コンピュータ４０でラインプロファイルを作成する。
第３ステップ（Ｓ１７００３）
得られたプロファイルから特徴的な位置をエッジとして検出し、その位置情報をコンピュータ４０に記憶しておく。
第４ステップ（Ｓ１７００４）
Ｓ１７００１〜Ｓ１７００３の処理を指定フレーム数分繰り返す。
第５ステップ（Ｓ１７００５）
各フレームのエッジ位置から各フレーム間のエッジ位置のずれ量を算出し、全ずれ量を各フレーム間のずれ量で割ったものを重みとする。すなわち各フレームの重みＷ（ｘ）は以下の式で表される。
Ｗ(ｘ)＝Ｓｔ／Ｓ(ｘ) …式（１）
ここでＳｔは全ずれ量、Ｓ（ｘ）は各フレーム間のずれ量

なお、シュリンク量は指数関数的に変化することが知られているがその場合、式（１）は指定された加算フレーム数Ｎを用いて
Ｗ(ｘ，Ｎ)＝(２ｘ＋１)／(Ｎ(Ｎ＋２)) …式（２）
と表すことができる。
第６ステップ（Ｓ１７００６）：
式（１）または式（２）の重みを各フレーム画像に乗じてフレーム加算を実施するとシュリンク量を考慮した積算画像が得られる。なお、重みＷ（ｘ）については経験的に求めた任意の値を使用することも可能である。

次に各フレーム間のエッジのずれを検出してエッジ位置を補正した合成画像を作成する方式について説明する。図１８に示すようにシュリンクが発生するパターンにおいて得られるプロファイルはシュリンク初期のプロファイル１８０１とシュリンク後期のプロファイル１８０２のようにほとんど同じ形であるがパターンの中心から縮めた形となる。そこでシュリンク初期のプロファイル１８０１の重心１８０３を求めて左右に分割する。左右のエッジプロファイルについてシュリンク後期のプロファイル１８０２と相関値を計算し、最も相関値が高くなる位置に重ねる。またはプロファイルの最も高い位置や微分ピークなどを合わせてもよい。このように合わせた左右のエッジを加算平均すると重ね合わせたラインプロファイル１８０４が得られる。同様にシュリンク初期のプロファイルに合わせることもできる。上記のフローについて図１９を用いて説明する。
第１ステップ（Ｓ１９００１）：
画像取得が開始されると１フレーム画像を画像メモリ２５に取り込む。
第２ステップ（Ｓ１９００２）：
コンピュータ４０でラインプロファイルを作成する。
第３ステップ（Ｓ１９００３）：
得られたプロファイルのエッジ位置と重心を計算する。
第４ステップ（Ｓ１９００４）：
その位置と重心情報をコンピュータ４０に記憶しておく。
第５ステップ（Ｓ１９００５）：
次に記憶しておいた前のフレームのプロファイルとのずれ量を算出してエッジ位置をシフトする。
第６ステップ（Ｓ１９００６）：
Ｓ１９００１からＳ１９００５の処理を指定フレーム数分繰り返す。
第７ステップ（Ｓ１９００７）：
以上のように左右のエッジをシフトしたフレーム画像を平均加算して合成画像とする。

また、本実施例装置ではシュリンクのエッジ補正の適用を操作者に行わせるべく図２０のようにグラフィカルユーザーインターフェース（Graphical User Interface：ＧＵＩ）上にシュリンクエッジ補正適用の要否２００１の選択可能な仕組みを設ける。また、ドリフト補正２００２と併用した設定も可能としておく。図２０は像表示装置上でポインティングデバイス２００３等によって選択を行う例を示したものであるが、これに限られることはなく、公知の他の入力設定手段によって設定できるようにしても良い。

ドリフト補正技術においてドリフトとシュリンクが発生した画像の位置ずれを補正する実施例を示す。この例ではチャージアップに基づくドリフトが発生するレジストパターンでＴＶ走査像を積算して合成画像を生成した時にドリフトによる位置ずれとシュリンクの影響を受けた合成画像が生成されてしまい計測精度が大きく低下する。本実施例の処理フローを図２１に示し、詳細を以下に説明する。
第１ステップ（Ｓ２１００１）：
画像取得が開始されると１フレーム画像を画像メモリ２５に取り込む。
第２ステップ（Ｓ２１００２）：
１フレーム画像のパターンの基準位置を取得する。基準位置はシュリンクの影響を受けない位置を設定する。例えば、シュリンクした場合はエッジがパターン中心から縮小した形となるがパターン中心の位置は変わらない。そのため、基準位置をパターンの中心や重心位置としても良い。またラインプロファイルを作成しプロファイルの重心を基準位置としても良い。
第３ステップ（Ｓ２１００３）：
１フレーム画像間で基準位置のずれ量を算出する。検出した位置ずれ量を１フレーム目の画像からの位置ずれ量に累積する。図２２のような複数回走査により取得した１フレーム画像でドリフトとエッジのシュリンクが発生しているパターンでは基準位置がどれくらいシフトしたかで判断する。
第４ステップ（Ｓ２１００４）：
基準位置の位置ずれ算出後、位置ずれを補正した１フレーム画像を作成する。
第５ステップ（Ｓ２１００５）：
コンピュータ４０で補正画像のラインプロファイルを作成する。
第６ステップ（Ｓ２１００６）：
得られたプロファイルのエッジ位置と重心を計算する。その位置と重心情報をコンピュータ４０に記憶しておく。
第７ステップ（Ｓ２１００７）：
次に記憶しておいた前のフレームのプロファイルとのずれ量を算出してエッジ位置をシフトする。
第８ステップ（Ｓ２１００８）：
Ｓ２１００５〜Ｓ２１０７の処理を繰り返す。
第９ステップ（Ｓ２１００９）：
以上のように左右のエッジをシフトしたフレーム画像を平均加算して合成画像とする。

１ 陰極
２ 第一陽極
３ 第二陽極
４ 一次電子線
５、６ 収束レンズ
７ 対物レンズ
８ 絞り板
９ 走査コイル
１０ 試料
１１ 直交電磁界発生装置
１２ 二次信号
１３ 二次信号検出器

Claims (10)

1. 顕微鏡にて得られる複数の画像信号を積算して積算画像を形成する演算装置を備えた画像形成装置において、
   当該演算装置は、
   前記複数の画像信号間にてマッチング処理を行うマッチング処理部と、当該マッチング処理部によって位置合わせがなされた複数の画像信号を積算する画像積算部と、前記画像信号に含まれるパターンの周期性を判定する周期性判定部を備え、
   前記マッチング処理部は、当該周期性判定部による判定に応じて、前記マッチングに供する画像信号領域の大きさを変化させることを特徴とする画像形成装置。
2. 請求項１において、
   前記周期性判定部は、前記パターンの周期性の有無を判定し、
   前記マッチング処理部は、前記パターンに周期性があると判定された場合に、予め定められた画像信号領域を狭めて前記マッチングを実行することを特徴とする画像形成装置。
3. 請求項１において、
   前記周期性判定部は、前記顕微鏡にて得られる画像信号の自己相関処理に基づいて、前記周期性を判定することを特徴とする画像形成装置。
4. 請求項１において、
   前記周期性判定部は、所定の周期でパターンが存在するか否かの判定を行うことを特徴とする画像形成装置。
5. 顕微鏡にて得られる複数の画像信号を積算して積算画像を形成する演算装置を備えた画像形成装置において、
   当該演算装置は、前記複数の画像信号間にてマッチング処理を行うマッチング処理部と、当該マッチングによって位置合わせがなされた複数の画像を積算する画像積算部と、
   前記複数の画像信号間のずれを検出するずれ検出部を備え、
   当該ずれ検出部は前記画像の特定方向のずれを選択的に検出し、前記画像積算部は、当該特定方向のずれを選択的に補正し、前記ずれ検出部は、当該特定方向のずれが選択的に補正された複数の画像信号について、前記特定方向とは異なる方向のずれを選択的に検出し、前記画像積算部は、当該特定方向とは異なる方向のずれを選択的に補正して積算画像を形成することを特徴とする画像形成装置。
6. 請求項５において、
   前記ずれ検出部は、前記複数の画像信号間の相対的なずれを、前記特定方向或いは前記特定方向とは異なる方向に前記画像信号を選択的に移動させたときの相関に基づいて算出することを特徴とする画像形成装置。
7. 請求項５において、
   前記ずれ検出部は、前記特定方向、或いは前記特定方向とは異なる方向のずれ量について近似曲線を作成することを特徴とする画像形成装置。
8. 顕微鏡にて得られる複数の信号波形を積算して積算信号を形成し、当該積算信号に基づいて試料上に形成されたパターンの寸法を測定する演算装置を備えた寸法測定装置において、
   当該演算装置は、前記複数の信号波形間にてマッチング処理を行うマッチング処理部と、当該マッチング処理によって位置合わせがなされた複数の信号波形を積算する信号積算部とを備え、
   前記マッチング処理部は、時間的に先に取得された波形に、後に取得された波形を合わせるようにマッチングを行うと共に、当該波形を合わせる際には前記後に取得された波形を分割して、前記先に取得された波形にマッチングさせることを特徴とする寸法測定装置。
9. 顕微鏡にて得られる複数の信号波形を積算して積算信号を形成し、当該積算信号に基づいて試料上に形成されたパターンの寸法を測定する演算装置を備えた寸法測定装置において、
   当該演算装置は、前記複数の信号波形間にてマッチング処理を行うマッチング処理部と、当該マッチング処理によって位置合わせがなされた複数の信号波形を積算する信号積算部とを備え、
   前記マッチング処理部は、或る信号波形に、他の信号波形形状を合せるように、前記マッチングを実行し、前記積算部は、時間的に先に取得された波形の重みを、前記後に取得された波形の重みより相対的に高くして重み付け積算を実行することを特徴とする寸法測定装置。
10. 顕微鏡にて得られる複数の信号波形を積算して積算信号を形成し、当該積算信号に基づいて試料上に形成されたパターンの寸法を測定する演算装置を備えた寸法測定装置において、
    当該演算装置は、前記複数の信号波形間にてマッチング処理を行うマッチング処理部と、当該マッチング処理によって位置合わせがなされた複数の信号波形を積算する信号積算部とを備え、
    前記マッチング処理部は、或る信号波形に、他の信号波形形状を合せるように、前記マッチングを実行し、前記積算部は前記測定の対象となるパターンのシュリンク量に応じた重み付け積算を行うことを特徴とする寸法測定装置。