JP6029293B2 - 走査型電子顕微鏡の画像処理装置、および、走査方法 - Google Patents

Description

本発明は、走査型電子顕微鏡の画像処理装置、および、走査方法に関するものである。

走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）は、電子銃から放出された電子ビームを試料に照射することによって、試料の表面から発生する２次電子を検出し、得られた信号を処理して電子ビーム照射による画像（ＳＥＭ画像）を取得する。ＳＥＭ画像は、試料の観察や測定に使用される。

走査型電子顕微鏡は、半導体デバイスの計測に広く応用されており、半導体デバイスの微細化に伴って、その計測技術は多種多彩なパターンエッジの計測に対応していく必要がある。その一例として、従来のラインおよびスペース計測などの１次元計測に加え、コンタクトホールや配線のパターンエッジなどの２次元寸法計測への対応がある。２次元寸法計測を高精度に行うためには視野全域に対して高画質な画像を取得する必要がある。

しかし、電子ビームを用いて画像を取得する場合、電子線の走査方向に平行なパターンエッジの情報が欠落してしまう。そこで、特許文献１には、検査対象であるパターンエッジの形状情報から、パターンエッジにほぼ直交する線群とパターンエッジにほぼ平行となる線群を作成し、それらの線群で画定される格子群からエッジに対して垂直な電子ビームの走査方向を決定する旨が記載されている。
これにより、パターンエッジの進行方向と、電子ビームの走査方向とが垂直になることで、パターンエッジの画像を鮮明に取得することができる。

特開２００５−１１６７９５号公報

なお、電子ビームを試料に照射することによって発生する帯電現象により、取得画像に形状歪みや明るさムラが生じる。
例えば、ホールパターンなどの曲線を持つパターンエッジに対して特許文献１の方式を適用した場合、曲線の内径では電子ビームの照射領域は重なってしまい、帯電量が増加してしまう。その結果、帯電量の変化による像ドリフトが発生してしまう。

そこで、本発明は、前記した問題を解決し、走査型電子顕微鏡によるパターンエッジの走査結果として、高精度な画像を取得することを、主な目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、走査型電子顕微鏡の電子ビームを撮影対象に照射することで撮影される画像データを処理する画像処理装置であって、
前記撮影対象のパターンエッジを含む撮像領域を走査型電子顕微鏡に撮影させて撮像画像を取得する手段と、
取得した前記撮像画像を複数の走査領域へと分割し、前記撮像画像内の前記各走査領域に撮影されている前記パターンエッジをもとに、前記各走査領域内の走査方向を決定する手段と、
決定された前記各走査領域内の走査方向が、ラスタ走査の水平方向となるように、前記各走査領域を構成するピクセルごとにラスタ走査を行う走査順番を前記各走査領域内の一方の端点から他方の端点までを走査する複数のラスタ走査の走査線分ごとに求め、その求めた走査順番を前記各走査領域内の前記電子ビームの照射位置の移動軌跡として決定する手段と、
前記各走査領域について、決定された前記移動軌跡に従って走査型電子顕微鏡に撮影させて走査画像を取得する手段と、を有することを特徴とする。
その他の手段は、後記する。

本発明によれば、走査型電子顕微鏡によるパターンエッジの走査結果として、高精度な画像を取得することができる。

本発明の一実施形態に関する走査型電子顕微鏡システムを示す構成図である。 本発明の一実施形態に関する撮像画像に対する各画像処理を示す説明図である。 本発明の一実施形態に関するピクセル走査順番の決定処理を示す説明図である。 本発明の一実施形態に関する走査型電子顕微鏡システムによる各処理を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に関する図４の各処理の詳細を示す説明図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、走査型電子顕微鏡システムを示す構成図である。走査型電子顕微鏡システムは、画像処理装置１と、外部記憶媒体２と、電子ビーム制御部３と、筐体４と、画像生成部５とを含めて構成される。
画像処理装置１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とメモリとハードディスク（記憶手段）とネットワークインタフェースを有するコンピュータとして構成され、このコンピュータは、ＣＰＵが、メモリ上に読み込んだプログラムを実行することにより、各処理部を動作させる。画像処理装置１は、表示部であるディスプレイと接続されている。

外部記憶媒体２は、画像データあるいはパターン形状情報（ＣＡＤデータなど）を保持する。
電子ビーム制御部３は、画像処理装置１で決定した走査方法に従い電子ビームを制御する。
筐体４は、電子銃４０１と、電子銃から出射された電子ビーム４０２の照射位置を制御する走査コイル４０３と、電子ビーム４０２の照射位置により試料４０４から放出される２次電子４０５を検出する２次電子検出部４０６から構成される。
画像生成部５は、筐体４にて検出された情報を画像として生成する。

図２は、撮像画像に対する各画像処理を示す説明図である。
画像生成部５は、同じ試料４０４の撮影結果として、２種類の画像（撮像画像、走査画像）を生成する。

図２（ａ）に示す撮像画像は、撮像領域（ＦＯＶ：Field of View）を撮影範囲として撮影したものである。撮像領域は、５１２×５１２ピクセルなどの走査画像の撮影範囲（走査領域とする）と比べて広い範囲である。撮像画像の生成目的は、走査画像の撮影用パラメータを決定することであり、撮像画像をそのまま試料４０４の撮影結果としてユーザに見せることではないが、撮像画像をそのままユーザに見せてもよい。

走査画像は、５×５ピクセルや１×１ピクセルなどの走査領域を撮影範囲として撮影したものである。走査領域は、１つの撮像領域を複数の領域形状（図２（ａ）では正方形）に分割した領域であり、ある走査領域と別の走査領域とは領域の重複箇所が存在しない。
図２（ａ）では、１つの撮像領域が、（ｉ＋１）×（ｊ＋１）個の走査領域へと分割されている旨が示されており、撮像領域の左下には、試料４０４（撮影対象）の輪郭がパターンエッジＰＥとして撮影されている。以下、撮像領域内での走査領域の位置を「Ａ_ｉ，ｊ」のように行列表記する。「Ａ_ｉ，ｊ」とは、撮像領域内で横ｉ番目、縦ｊ番目に位置する走査領域を示す。

図２（ｂ）は、図２（ａ）の撮像領域から、パターンエッジＰＥが撮影されている付近の左下の（４×４＝１６領域分の）走査領域を抽出したものである。
画像処理装置１は、各走査領域について、走査画像を撮影するためのパラメータ（走査方向、走査順序、ピクセル走査順番）を計算する。例えば、走査領域「Ａ_{１，ｊ−２}」には、左上から右下に向かってパターンエッジＰＥが撮影されているので、このパターンエッジＰＥを直線に近似したときに直交するように走査方向を決定する。

そして、図２（ｃ）に示すように、走査領域「Ａ_{１，ｊ−２}」に隣接する（真下に位置する）走査領域「Ａ_{１，ｊ−１}」の走査方向を決定するときに、隣接する走査領域「Ａ_{１，ｊ−２}」の走査方向（右上から左下への矢印）と同じ方向としてもよい。この隣接する走査領域の走査方向を自身の走査領域の走査方向へと活用する処理は、自身の走査領域にパターンエッジＰＥが撮影されているかいないかにかかわらず、実行してもよい。
これにより、同じ走査方向の走査領域が連続し、走査開始位置への移動が減るため、走査時間を短縮することができる。

さらに、図２（ｃ）に示すように、走査領域「Ａ_{１，ｊ−３}」は、パターンエッジＰＥが撮影されていない走査領域なので、この走査領域に対する走査方向の計算を省略して、走査領域「Ａ_{１，ｊ−３}」に対する走査処理（走査画像の作成処理）を省略（または他の走査領域よりも高速に走査）してもよい。
これにより、電子ビーム照射によるシュリンクも低減することができる。

図３は、走査領域ごとのピクセル走査順番の決定処理を示す説明図である。
図３（ａ）として、走査領域「Ａ_{１，ｊ−２}」の走査方向は、図２（ｂ）で説明したように、右上から左下への矢印として計算されている。
図３（ｂ）として、走査領域「Ａ_{１，ｊ−２}」の走査順序は、走査方向に直交するように設定する。
図３（ｃ）として、走査領域「Ａ_{１，ｊ−２}」のピクセルごとの走査順番（以下、ピクセル走査順番とする）は、走査方向への走査を走査順序に従って走査領域を網羅するように設定する。この設定処理は、走査方向をラスタ走査における水平方向とし、走査順序をラスタ走査における垂直方向としたときの走査領域に対するラスタ走査ともいえる。

図４は、走査型電子顕微鏡システムによる各処理を示すフローチャートである。これらのフローチャートが示す各手順は、画像処理装置１があらかじめ外部記憶媒体２に保存されたプログラムをメモリに読み込んで実行することにより、実現される。

まず、画像処理装置１は、撮像領域内のパターンエッジＰＥを外部記憶媒体２から取得し、画像処理装置１にてエッジ情報として保持する。取得するエッジ情報は、事前に取得された撮像画像あるいはＣＡＤデータなどがある。画像処理装置１にて保持されたパターンエッジＰＥの情報は、電子ビーム制御部３にて設定可能なピクセル数の画像データに変換する。
以下に示すＳ１１〜Ｓ１４では、事前に取得された撮像画像からパターンエッジＰＥの情報を取得する一例を示す。

Ｓ１１では、画像処理装置１は、撮影倍率の決定（撮像領域の大きさの決定）を行う。例えば、半導体集積回路のウェーハを観察する場合、一度にウェーハ全体の画像を取得することができない。よって、画像処理装置１の表示部に表示されるＧＵＩ（Graphical User Interface）画面にてユーザは撮像領域を指定し、指定された撮像領域を５１２×５１２ピクセルなどの画像として取得する。

Ｓ１２では、画像処理装置１は、電子線の走査方向のパターンを決定する。例えば、撮像領域に表示されるパターンエッジに対して、垂直となるような走査方向を決定する。なお、撮像領域に表示されるパターンエッジの方向が複数ある場合、画像処理装置１は、それぞれのパターンエッジに垂直となるような走査方向を複数決定する。

Ｓ１３では、画像処理装置１は、Ｓ１２で決定した走査方向のパターンのうちのまだ撮影に使用していない走査方向に従って電子ビームを走査させて撮像領域を撮像し、撮像画像として保存する。つまり、Ｓ１２で決定した走査方向を電子ビーム制御部３に設定し、設定した走査方向は画像処理装置１から電子ビーム制御部３に設定され、画像生成部５にて画像が生成され、画像処理装置１を介して外部記憶媒体２に保存される。

Ｓ１４では、画像処理装置１は、撮像画像の撮像完了か否かを判定する。Ｓ１２で決定した走査方向のパターンのうち、Ｓ１３での撮影に使用していないパターンが存在するときには、撮像完了ではない（Ｓ１４，Ｎｏ）のでＳ１３に戻る。

Ｓ２１では、画像処理装置１は、Ｓ１１で決定した撮像領域を示す撮像画像を、複数の走査領域へと分割する。
Ｓ２２では、画像処理装置１は、Ｓ２１で分割された撮像画像を走査領域ごとに画像評価し、走査領域ごとの走査方向を決定する。画像評価とは、例えば、図３で示したように、パターンエッジＰＥの直線近似により、走査方向を決定してもよいし、Ｓ１２で決定した走査方向のパターンごとに撮影された撮像画像内に最もパターンエッジＰＥが鮮明に撮像されている撮像画像の走査方向を、その走査領域の走査方向として決定してもよい。
なお、鮮明に撮像されている度合いの評価関数としては、例えば、撮像画像内の隣接する画素間での画素値（例えば明るさ値）の差分が大きいほど、鮮明に撮像されている評価関数を用いてもよい。

Ｓ２３では、画像処理装置１は、図３（ｂ）から図３（ｃ）で示したように、Ｓ２２で決定した走査方向から走査領域ごとのピクセル走査順番を走査領域ごとに作成する。
これにより、パターンエッジＰＥに対してほぼ垂直な走査方向にて、電子ビームの走査が行われる。

Ｓ２４では、画像処理装置１は、Ｓ２３で決定したピクセル走査順番を電子ビーム制御部３に設定して走査領域を撮像し、その撮影結果を走査画像として保存する。走査画像は走査領域ごとに撮影され、かつ、走査領域どうしは重複箇所が存在しないので、電子ビームの照射領域が重ならずに済むので、帯電の影響を低減した高画質な画像の取得が可能となる。

Ｓ２５では、画像処理装置１は、画像処理装置１の表示部に表示されるＧＵＩ画面に、走査画像を表示する。なお、走査画像に併せて、その走査領域や走査方向などの撮影用パラメータを重ねて表示することで、走査方向が画像に与える影響を分析することができる。

図５は、図４の各処理の詳細を示す説明図である。
図５（ａ）は、Ｓ２１の撮像画像を複数の走査領域に分割するときの１つの走査領域の範囲を示す領域形状のバリエーションを示す。走査領域の領域形状は、四角だけでなく、Ｌ形や凹形や凸形などでもよい。
図５（ｂ）は、Ｓ１２で電子線の走査方向のパターンを決定するときに選択可能な走査方向の一例を示す。ここでは、上下左右に加えて、ななめ方向を加えた合計８方向を、走査方向のパターンの選択対象とする。
図５（ｃ）は、Ｓ２５の表示処理として、画像処理装置１の表示部に表示されるＧＵＩ画面に、外部記憶媒体２より入力した画像データあるいはＣＡＤデータを表示する例を示している。４つのパターンエッジＰＥを撮影するために、正方形の走査領域が格子状（タイル状）に敷き詰められ（分割され）、パターンエッジＰＥが存在する走査領域にはその走査方向を示す矢印が記載されるとともに、パターンエッジＰＥが存在しない走査領域にはＳ２４の走査を省略する旨（矢印の非記載）が示されている。

以上説明した本実施形態では、観察条件として設定された撮像領域を、四角やＬ形など任意の領域形状で走査領域へと分割し、その走査領域内で画像処理を行い、走査領域内に存在するパターンエッジに対して垂直となるような走査方向を決定する。そして、決定された走査方向が示すピクセル走査順番に従って走査領域を走査して走査画像を作成する。
これにより、電子ビームの照射領域（ピクセル走査順番）が互いに重複せず、帯電を低減した画像を、２次元寸法計測に適した高精度な画像として取得できる。つまり、スキャンスピードやパターン形状などの撮像条件により異なる帯電の影響を抑制することで、高精度な画像を取得することができる。

１ 画像処理装置
２ 外部記憶媒体
３ 電子ビーム制御部
４ 筐体
５ 画像生成部
４０１ 電子銃
４０２ 電子ビーム
４０３ 走査コイル
４０４ 試料
４０５ ２次電子
４０６ ２次電子検出部
ＰＥ パターンエッジ

Claims (5)

1. 走査型電子顕微鏡の電子ビームを撮影対象に照射することで撮影される画像データを処理する画像処理装置であって、
   前記撮影対象のパターンエッジを含む撮像領域を走査型電子顕微鏡に撮影させて撮像画像を取得する手段と、
   取得した前記撮像画像を複数の走査領域へと分割し、前記撮像画像内の前記各走査領域に撮影されている前記パターンエッジをもとに、前記各走査領域内の走査方向を決定する手段と、
   決定された前記各走査領域内の走査方向が、ラスタ走査の水平方向となるように、前記各走査領域を構成するピクセルごとにラスタ走査を行う走査順番を前記各走査領域内の一方の端点から他方の端点までを走査する複数のラスタ走査の走査線分ごとに求め、その求めた走査順番を前記各走査領域内の前記電子ビームの照射位置の移動軌跡として決定する手段と、
   前記各走査領域について、決定された前記移動軌跡に従って走査型電子顕微鏡に撮影させて走査画像を取得する手段と、を有することを特徴とする
   画像処理装置。
2. 前記画像処理装置は、さらに、取得した前記走査画像と、その走査画像の撮影に使用された前記走査方向とを併せて表示装置に表示させる手段を有することを特徴とする
   請求項１に記載の画像処理装置。
3. 前記各走査領域内の前記走査方向を決定する手段は、前記撮像画像内の前記各走査領域に撮影されている前記パターンエッジを直線近似し、その直線に直交する方向の前記走査方向を決定することを特徴とする
   請求項１または請求項２に記載の画像処理装置。
4. 前記各走査領域内の前記走査方向を決定する手段は、前記撮像画像内の前記各走査領域に撮影されている画素値について、隣接する画素間の差分が大きい前記撮像画像の前記走査方向を、前記走査領域の前記走査方向として決定することを特徴とする
   請求項１または請求項２に記載の画像処理装置。
5. 走査型電子顕微鏡の電子ビームを撮影対象に照射することで撮影される画像データを処理する画像処理装置による走査方法であって、
   前記画像処理装置は、
   前記撮影対象のパターンエッジを含む撮像領域を走査型電子顕微鏡に撮影させて撮像画像を取得する手順と、
   取得した前記撮像画像を複数の走査領域へと分割し、前記撮像画像内の前記各走査領域に撮影されている前記パターンエッジをもとに、前記各走査領域内の走査方向を決定する手順と、
   決定された前記各走査領域内の走査方向が、ラスタ走査の水平方向となるように、前記各走査領域を構成するピクセルごとにラスタ走査を行う走査順番を前記各走査領域内の一方の端点から他方の端点までを走査する複数のラスタ走査の走査線分ごとに求め、その求めた走査順番を前記各走査領域内の前記電子ビームの照射位置の移動軌跡として決定する手順と、
   前記各走査領域について、決定された前記移動軌跡に従って走査型電子顕微鏡に撮影させて走査画像を取得する手順と、を実行することを特徴とする
   走査方法。

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