JP6138460B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

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Description

本発明は、欠陥検査手段を備えた荷電粒子線装置、特に電子線を用いた欠陥検査装置、レビュー装置に関する。
コンピュータ等に使用されるメモリやマイクロコンピュータなどの半導体デバイスは、ホトマスクに形成された回路等のパターンを、露光処理、リソグラフィー処理、エッチング処理等により転写する工程を繰り返すことによって製造される。半導体デバイスの製造過程において、リソグラフィー処理、エッチング処理、その他の処理結果の良否、異物発生等の欠陥の存在は、半導体デバイスの歩留まりに大きく影響を及ぼす。したがって、歩留まり向上のために、各製造工程の終了時に半導体ウェーハ上のパターンの検査を実施し、異常発生や不良発生を、早期にまたは事前に検知している。
上記のような工程で用いられる検査装置は、ウェーハの口径増大と回路パターンの微細化に追随して高スループット且つ高精度な検査を行うことが求められている。検査精度を保ちつつ短時間で数多くの領域を検査するため、半導体デバイスの検査手法の1つとして、予め指定したウェーハ上の領域を事前に指定しておき、一度の検査実行で複数の箇所の画像を撮像してその画像を検査する方法がある。例えば特許文献1に示す特許は、試料の画像に基づいて得られるテンプレート画像を用いて、被検査画像を比較画像と比較して欠陥候補を検出することを行っている。
特開2011−158439号公報
近年、半導体回路の微細化に伴い、領域を特定し検出感度を上げた定点検査の適用事例が増えてきている。定点検査ではステージの移動が終了し停止した後撮像を行うため、ステージ移動などに伴うノイズ成分が低減されより鮮明な画像が得られる。一方で、ステージ位置精度やウェーハ支持部の熱膨張などによる歪み、試料の帯電による荷電粒子線の歪み、ウェーハの歪みなどに起因する撮像位置のばらつき等が発生し、テンプレート画像と比較を行う定点検査の場合、テンプレート画像とのズレが大きいと有効検査領域が減ってしまうという問題がある。また、これを避けるためにテンプレートを大きくしすぎた場合、位置あわせ処理などに演算時間がかかってしまうという問題がある。
特許文献1には、画像を重ね合わせてテンプレートを求める方法が提案されているが、ステージ連続移動して撮像した大きな画像を用いており、またアライメントに必要な特徴のある部位を切り出して重ねている。しかしながら、ステージ位置精度のような機差やウェーハ毎に異なる帯電ムラによるステージ停止時の撮像位置ズレは考慮されておらず最適な大きさのテンプレートを求めることはできていない。
そこで、本願発明は、定点検査に用いる最適な大きさのテンプレート画像を生成し、高速に検査を行う装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は、複数のダイのそれぞれにおいて同じパターンを有するべき領域を含む複数の画像を撮像し、それらの画像を合成して当該合成に用いた画像に含まれる全ての領域を包含する大きさのテンプレート画像を生成し、そのテンプレート画像と取得した各画像上の同一部分を比較することで欠陥部分を検出することを特徴とする。合成に用いる画像は、被検査領域の位置に依存した大きさの位置ずれ分互いにずれたものであって、この位置ずれを保ったまま複数の画像を重ね合わせてテンプレート画像を合成することを特徴とする。
本発明によれば、ステージ精度やウェーハばらつきがあっても有効検査領域が減りにくく、演算負荷が高くならない大きさのテンプレート画像を生成することができるので、高速に検査を行うことができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
荷電粒子線装置の全体構成図。 本実施例の画像処理部の機能ブロック図。 本実施例の処理フローチャート。 ウェーハ上の測定箇所入力に用いる操作画面。 テンプレート画像、マスク領域作成の説明図。 欠陥検出の処理フローチャート。 位置合わせの説明図。 出力画面の説明図。 レシピ編集画面の説明図。
以下、図面を参照し、本発明の実施例について詳細に説明する。
本実施例では、荷電粒子線装置の一例として、複数のダイが形成された半導体ウェーハ表面上の欠陥を検出する欠陥検査装置および欠陥検査の実施形態について説明するが、これは本発明の単なる一例であって、本発明は以下説明する実施の形態に限定されるものではない。例えば、ここでいう欠陥検査装置は、画像を取得して当該画像から欠陥の有無を判断するものを広く指す。荷電粒子線装置の一例として、走査型電子顕微鏡を用いた検査装置、レビュー装置、パターン計測装置が挙げられる。また、レビュー装置等の荷電粒子線装置では、定点観測やプロセスモニタリングのために、試料上の予め決められた位置を検査する手段等の欠陥検査手段を備えたものがあるが、これらの荷電粒子線装置にも当然適用可能であって、以下でいう欠陥検査装置にはこれらも含むものとする。
また、本明細書において、「欠陥」とはパターンの欠陥に限らず、異物やパターン寸法異常、構造不良等、観察対象物を広く含むものとする。
実施例1では、被検査画像と対応する部分の比較画像から欠陥候補を抽出し、指定した領域に含まれる欠陥候補を欠陥として表示する欠陥検査装置について説明する。以下において、被検査画像と対応する部分の比較画像のことをテンプレート画像または基準画像と称することにする。また、ここでいう「対応する部分」とは、被検査画像の比較対象となるパターンを有する領域のことであって、言い換えれば被検査領域と同じパターンを有するべき領域である。例えば、ウェーハ上に形成された他のダイにおける同一パターンをもつべき領域のことである。
図1は、欠陥検査装置の全体構成例を示す概略図である。欠陥検査装置は、荷電粒子光学系、試料室、制御部等からなる。荷電粒子光学系は、電子線107を発する電子銃101、電子線107を収束するレンズ102、電子線107を偏向制御する偏向器103、電子線107を収束する対物レンズ104、電子線107を試料105に照射することで発生する二次電子108や反射電子109を検出する二次電子検出器122や反射電子検出器123からなる。欠陥検査装置は、この荷電粒子光学系と、試料105を載置する試料台106、試料台106を移動させる移動ステージ124等で構成された走査電子顕微鏡(SEM)を有している。反射電子検出器123は双対な陰影像を撮像するために互いに直線上に、向かい合わせの位置に設置されている。そしてこれらは、カラム(図示せず)中に配置され、真空ポンプ(図示せず)により真空中に維持することができる。装置構成はこれに限られず、上記以外のレンズ、絞り、検出器等を含んでいてもよく、また配置が異なっていてもよい。
電子銃101から放射された電子線107はレンズ102で収束され、偏向器103で二次元的に走査偏向されたのち、対物レンズ104で収束されて試料105に照射される。試料105に電子線107が照射されると、試料105の形状や材質に応じた二次電子108や反射電子109が発生する。これら二次電子108や反射電子109は、二次電子検出器122または反射電子検出器123で検出され、増幅器(図示せず)により増幅された後、アナログ/デジタル(A/D)変換器113でデジタル値に変換される。反射電子検出器123からの信号は、反射電子像であるL像およびR像の形成に用いられ、二次電子検出器122からの信号は、二次電子像であるS像の形成に用いられる。以下、二次電子、反射電子等の試料から得られる信号をまとめて二次荷電粒子と呼ぶ。また特に断らない限りL像、R像、S像、またはこれらの合成画像を用いて画像処理を行ってもよく、本明細書中ではこれらをまとめて画像と総称する。
デジタル値に変換されたデータは画像メモリ115に記憶される。この際、アドレス制御回路114は、画像メモリ115に記憶される画像データのアドレスとして、電子線107の走査信号に同期したアドレスを生成する。また、画像メモリ115は、記憶した画像データを随時、画像処理部119に転送する。
画像処理部119では、送られてきた画像データを制御部118を介してディスプレイ等の表示部117に送ると共に、この画像データを基に演算処理を行い欠陥の抽出等の処理を行う。ここでの欠陥抽出(検出)処理は、送られてきた画像データと、この画像データに対応するパターンから得られた他の画像データとを比較演算することで行う。画像処理部119については後述する。
レンズ102、偏向器103および対物レンズ104は、それぞれレンズ制御回路110、偏向制御回路111および対物レンズ制御回路112からの制御信号により制御され、電子線107の焦点位置や偏向量が制御される。これにより、電子線107が試料105に対して適切な位置に照射されるように調整できる。また、試料台106を載置した移動ステージ124は機構制御回路116からの制御信号により二次元的に平行移動させることができる。このため、試料台106によって保持されている試料105も二次元的に平行移動させることができ、これにより試料105に対して電子線107を走査させる位置を制御することができる。なお、レンズ制御回路110、偏向制御回路111、対物レンズ制御回路112および機構制御回路116は、いずれも制御部118からの信号により制御される。
また、キーボードやマウス等からなる入力部120はディスプレイ等からなる表示部117に表示される装置操作やパラメータ設定などのGUI(Graphical User Interface)の操作に用いられる。外部入出力部121はHDD、USBメモリなどの外部記憶装置と本装置との電子ファイルのやり取りを行うのに使用する。また、LAN等の通信ネットワークの入出力口を利用することもできる。
画像処理部119は以下に説明する、テンプレート画像生成、欠陥候補検出、欠陥判定を行う部分で、これらの各機能ブロックは、各部の処理を実行する演算処理回路を組み合わせて構成(いわゆるハード実装)してもよいし、各部の処理に相当するプログラムを格納したメモリを画像処理部119内に設け、同じく画像処理部119内に設けたプロセッサによりプログラムを実行させることにより、仮想的に図2に示す機能ブロックを実現してもよい。
図2を用いて、画像処理部119に含まれる各機能ブロック図の説明をする。
テンプレート生成時は画像処理部119内の画像位置あわせ機能部に複数画像が入力され、位置が合う座標を平均・ノイズ除去機能部に、それぞれの画像に対して出力する。位置あわせとしては、例えば、入力された画像の座標をずらしながら、各箇所で正規化相関値を求め、その値が最も高い部分を位置があった場所とみなしてもよい。
平均・ノイズ除去機能部では入力されたそれぞれの画像に対する位置が合う座標を元に、重なる画素ごとに平均化処理またはノイズ除去処理などを実施する。画素ごとに平均化を行い、平均化した画像データをテンプレート画像生成機能に出力する。
テンプレート画像生成機能部では入力された画像データをレシピ(検査条件設定ファイル)に保存する。
欠陥検出時は、欠陥候補検出機能部にレシピと検査対象画像が入力され、画像位置あわせ機能部によってテンプレート画像と検査対象画像の位置あわせを行い、画素ごとに差分を求め、レシピで定められた閾値を超えた部分が欠陥候補となり、欠陥特徴量演算機能部へ出力される。
欠陥特徴量演算機能部では、検出された欠陥候補毎に、大きさ、平均画素値、形状などの欠陥の特徴を規定する量である特徴量を求め、欠陥判定機能へ出力される。
欠陥判定機能へは欠陥候補およびその欠陥の特徴量とレシピが入力され、レシピで設定された特徴量条件に当てはまる欠陥候補を最終的に欠陥と判定する。判定された欠陥はディスプレイ等からなる表示部117に表示される。
画像処理部を含む上記システムの構成はこれに限られず、システムを構成する装置の一部または全部が共通の装置であってもよい。
また上記システムにおける処理は、ハードウェア、ソフトウェアいずれの方式でも実現可能である。ハードウェアにより構成する場合には、処理を実行する複数の演算器を配線基板上、または半導体チップもしくはパッケージ内に集積することにより実現できる。ソフトウェアにより構成する場合には、システムを構成する装置に搭載された中央演算処理装置(CPU)またはシステムに接続された汎用のコンピュータに搭載された汎用CPUにより、所望の演算処理を実行するプログラムを実行することで実現できる。また、一部の機能ブロックを専用処理回路で実現し、残りの機能ブロックをプログラムとプロセッサとによりソフトウェア的に実現してもよい。このプログラムが記録された記録媒体により、既存の装置をアップグレードすることも可能である。
図3は本実施例におけるテンプレート画像生成のフローチャートを示している。まずステップ301でウェーハ上の画像を取得する場所を指定する。ウェーハ上には複数のダイが形成されており、それぞれのダイの基準位置を示すダイ基準座標と、ダイ基準座標からのダイ内におけるパターンまたは領域の位置を示す相対座標であるダイ内座標によりウェーハ上の全座標が定義されている。したがって、同じダイ内座標であれば異なるダイにおける同じパターンを有する箇所を表すことになる。
複数のダイまたは代表する一つのダイに対して同じダイ内座標の画像を用いて欠陥の有無を判定することを定点検査と呼び、同じく配線幅、ホール径などの出来栄えを観測することを定点観測と呼ぶ。
画像取得場所を指示する手段は入力装置120から直接座標を入力してもよいし、図4のようにチップを選択して複数箇所を一度に登録できるような入力補助のためのGUIを搭載しておくと、使用者の入力の負担が軽減する。図4は座標入力GUIを示し、ウェーハ上のダイ構成を示し、画像取得するダイの選択にも使用するウェハマップ402、実際にダイ内部の座標を入力するダイ内座標表示部403、登録ボタン404、キャンセルボタン405、登録した測定箇所の一覧を示す測定箇所リスト406から構成されている。使用者は、ダイ内部の座標をダイ内座標表示部403に入力装置により入力し、画像取得するダイをウェハマップ402からダイを直接クリックして選択する。ウェハマップ402は選択されたダイを灰色で表示しており、また、選択ダイ内部の点は、実際の画像取得箇所を示している。入力した内容が問題なければ、登録ボタンをクリックすると、画像取得箇所リスト406に登録される。入力した内容を削除したい場合はキャンセルボタン405をクリックする。画像取得箇所リスト406は入力した画像取得箇所の一覧を表示しており、本表示例では括弧内にダイ内部のX座標、Y座標、その隣に画像取得箇所数を記載している。このような入力補助GUIを用意し使用者に入力させてもよいし、他の装置またはコンピュータで作成された座標が記載されたファイルを外部入力部121から読み込ませてもよい。
画像取得場所を自動的に指定してもよく、その時には撮像位置精度が比較的よいウェーハ中央部分と撮像位置ズレの比較的大きいウェーハ外周部を含める。
次に、ステップ302に移り、ステップ301で入力した座標値に基づきウェーハを移動させ、登録した座標の画像を撮像する。その画像は画像メモリ115に入力される。図5の501〜507にはステップ302で取得した画像の例を示している。図5の501〜507はそれぞれ異なるダイで取得された同じパターンを有するべき領域を含む画像であるが、撮像時の位置ずれのために撮像視野はこの位置ずれ分だけ互いにずれている。この位置ずれは、ステージ位置精度やウェーハ支持部の熱膨張などによる歪み、試料の帯電による荷電粒子線の歪み、ウェーハの歪みなどに起因する撮像位置のばらつき等によって発生する。特に非検査領域の位置に依存した大きさの位置ずれが生じる場合には事前にこの位置ずれの大きさを把握および補正することは難しく、実際には501〜507の画像のようにこの位置ずれ分だけ視野がずれてしまう。特に試料の帯電による荷電粒子線のゆがみに起因する視野ずれは、帯電状況はパターンに依存するため、被検査対象のパターンによってそのずれの大きさが異なる。
次に、ステップ303では、取得した画像を位置あわせした後重ね合わせる。例えば、位置あわせとして取得した画像の座標をずらしながら、各箇所で正規化相関値を求め、その値が最も高い部分を位置があった場所とみなしてもよい。画像には503に示すようなパターンの形成されていない画像も含まれる可能性があるので、位置あわせをした際に画像の類似度が低い画像は除いて重ね合わせを行う。例えば欠陥類似度を求める方法に正規化相関値を用いてもよい。またパターンが形成されている場合でも504に示すような欠陥が含まれている可能性があるので、位置あわせの後、重なった画素ごとに統計処理を行い、画素値が平均から外れている画素を除いて重ね合わせを行う。例えば、重なった画素の標準偏差を求め、重なった画素平均値から標準偏差の3倍以上離れる画素を除いて平均値を再計算し、これを全ての重なった画素について行うことで欠陥部を除いたテンプレートを得ることができる。
検査を行う座標および条件で画像を取得することで、検査時と同じ座標ズレの画像セットが取得できる。この画像セットの各画像が有する位置ずれを保ったまま重ね合わせて合成するため、作成されたテンプレート画像の大きさは、当該検査時に発生する座標ズレを最適にカバーする大きさになっている。より具体的には、テンプレート画像の大きさは、合成に用いた画像に含まれる全ての領域を包含する大きさとなる。上記方法により、「当該パターンの実際の検査で発生するずれ量分」被検査画像より大きいテンプレート画像を生成することができる。
次にステップ304では、重ね合わせた画像の少なくともいずれか一つに含まれる領域の集合からなる領域に外接する矩形領域508を設定する。矩形領域の設定は重ねあわせ処理の中で行ってもよい。
次にステップ305では、304で設定した矩形内で合成画像を含まない領域510〜513をマスク領域と設定する。マスク領域509の設定は重ね合わせ処理の中で行ってもよい。
次にステップ306では、重ね合わせた画像に外接する矩形領域508を保存する。
次にステップ307では、マスク領域509を保存する。この時、ステップ306で保存する矩形領域508の画像情報にマスク領域の情報を含めても良い。本実施例によれば、テンプレート画像のうち比較検査に用いることができる領域(有効検査領域)は矩形領域508からマスク領域509によってマスクされている箇所510〜513を覗いた箇所となる。
また、矩形領域508のように取得された全ての画像領域を包含するテンプレート画像ではなく、合成に用いられた画像の少なくともいずれか一つに含まれる領域の集合からなる領域に内接する矩形領域をテンプレート画像と使用してもよく、その場合はマスク領域の設定は必要ない。この場合には内接する矩形領域の全体が有効検査領域となる。
図6は、上記の処理を用いて生成しレシピに登録されているテンプレート画像を用いた欠陥検出のフローチャートを示している。以下で説明する欠陥検出処理は画像処理部に含まれる欠陥検出部で行う。まずステップ601でウェーハ上の画像を取得する。取得する座標はステップ301で登録された座標を用いる。次のステップ602では、テンプレート画像との位置合わせを行う。位置合わせは、例えば図7の703のように、テンプレート画像701を被検査画像上702で走査して各箇所で正規化相関値を求め、その値が最も高い部分をパターンが一致する場所とみなし、その画像ずらし量を求める方法が挙げられる。ずらし量は、図7中でdx、dyと表記している値に相当する。もちろん他の方法でも、テンプレート画像と被検査画像との位置関係が特定できる方法であれば何でもよい。ステップ603では、この位置合わせ処理で求められた画像のずらし量分画像をずらし、画像を引き算することで、各画素の差分値が求められる。ステップ604では、テンプレート画像のマスク領域と重なる画素の差分値を0または一定値より小さい値に設定する。この差分値が当該一定値以上ある部分、つまりテンプレート画像との間に一定以上の違いがみられる部分を欠陥として検出する。ステップ605では、検出された欠陥情報をファイルなどに保存する。
以上に説明したように、本実施例では、取得した複数の被検査画像がそれぞれ有する位置ずれを保持したまま重ね合わせを行い、取得した画像より大きいテンプレート画像を作成する。テンプレート画像の大きさを取得した複数の画像が有する最大の位置ばらつきの大きさ分だけ、取得画像より大きくすることで、有効検査領域を減らすことなく、また無駄な演算コストをかけてスループットを落とすことなく、欠陥検出処理を効率的に行うことができる。特に、位置ずれがどれくらいの量かを予め設定してその分だけテンプレート画像を大きくする方法に比べて、実際の被検査画像におけるばらつきを利用しているので、有効検査領域確保のため位置ずれ量を無駄に大きく設定してしまうことが無く、最適な大きさのテンプレート画像を得ることができる。
また、本実施例では、被検査画像と異なる大きさのテンプレート画像を用いて比較しているので、表示部にこれらをそのまま表示するとユーザは目視比較がしにくい。そこで、図8にあるように、検出した欠陥を表示する際、テンプレート画像を被検査画像と同じ画素サイズで同じサイズの領域を切り出し並べて表示することで、目視による比較が行いやすくなる。この時、上述したステップ603で被検査画像と位置あわせした場所を比較表示用の画像として、テンプレート画像から切り出すと更に比較を行いやすくなる。
テンプレート画像の切り出しは画面への出力だけではなく、ファイルへの出力の際に行っても良い。
また、図9にあるようにレシピ作成時に被検査領域を本実施例で作成したテンプレート画像内で選択または指定する画面を表示してもよい。この時に、テンプレートの全体表示と拡大表示を切り替えるようにすることで、大きいテンプレートに対しても詳細に被検査領域を設定することが行いやすくなる。図9では被検査領域を太点線で囲っているが、透明色で塗りつぶしても良い。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記録装置、または、ICカード、SDカード、光ディスク等の記録媒体に置くことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
101:電子銃、102:レンズ、103:偏向器、104:対物レンズ、105:試料、106:試料台、107:電子線、108:二次電子、109:反射電子、110:レンズ制御回路、111:偏向制御回路、112:対物レンズ制御回路、113:アナログ/デジタル変換器、114:アドレス制御回路、115:画像メモリ、116:機構制御手段、117:表示部、118:制御部、119:画像処理部、120:入力部、121:外部入出力部、122:二次電子検出器、123:反射電子検出器、124:移動ステージ

Claims (6)

  1. 荷電粒子線を照射して複数のダイが形成された基板のパターンの欠陥を検査する荷電粒子線装置であって、
    前記試料に前記荷電粒子線を照射して二次荷電粒子を検出する荷電粒子光学系と、
    前記二次荷電粒子から得られる前記試料の画像を記憶する画像メモリと、
    前記複数のダイのそれぞれにおいて同じパターンを有するべき領域を含む複数の画像を合成してテンプレート画像を生成する画像処理部と、
    前記テンプレート画像と前記パターンの被検査画像とを用いて欠陥を検出する欠陥検出部と、を有し、
    前記画像処理部は、前記被検査領域の位置に依存した大きさの位置ずれ分互いにずれた複数の画像を、当該複数の画像間の位置ずれを保ったまま重ね合わせ、前記複数の画像に表示されたそれぞれの領域より広い領域であって、前記複数の画像に表示された領域を含むテンプレート画像を生成することを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 請求項1に記載の荷電粒子線装置において、
    前記テンプレート画像は、前記合成に用いた複数の画像の少なくともいずれか一つに含まれる領域の集合からなる領域に内接する矩形画像であることを特徴とする荷電粒子線装置。
  3. 請求項1に記載の荷電粒子線装置において、
    前記テンプレート画像は、前記合成に用いた複数の画像の少なくともいずれか一つに含まれる領域の集合からなる領域に外接する矩形画像であることを特徴とする荷電粒子線装置。
  4. 請求項2に記載の荷電粒子線装置において、
    前記位置ずれは前記試料の帯電による前記荷電粒子線の歪みに起因するものであることを特徴とする荷電粒子線装置。
  5. 請求項1に記載の荷電粒子線装置において、
    前記テンプレート画像から切り出した前記被検査画像と同じ大きさの画像と、前記被検査画像とを比較表示することを特徴とする荷電粒子線装置。
  6. 請求項1に記載の荷電粒子線装置において、
    前記テンプレート画像に含まれる領域から前記検査の対象とする領域を選択する画面を表示する表示部を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
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