JPH0982259A - 走査型電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 パターン認識機能を搭載した走査型電子顕微
鏡において、測定条件ファイルの相互利用を行ったと
き、測定条件ファイルを作成した装置以外でも高いパタ
ーン認識率を得られる走査型電子顕微鏡を提供する。 【構成】 走査型電子顕微鏡の記憶媒体３０内に、パタ
ーン認識のための参照画像を複数登録可能とする。ま
た、測定条件ファイル内に参照画像を登録し、さらに、
インデックスを付加する。インデックスは、装置に付属
する記憶媒体３０内の参照画像を指し示す。測定条件フ
ァイル内の参照画像とインデックスが指し示す参照画像
を、設定された条件に従い一方もしくは両方を用いてパ
ターン認識を実行する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体の回路パターン
等の検査に使用される走査型電子顕微鏡に関し、特にパ
ターン認識技術を利用して測定位置を自動的に決定する
ことのできる走査型電子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体素子の高集積化に伴い、回
路パターンの線幅を精度よく測定したり形状を観察する
ために、走査型電子顕微鏡をはじめとする高解像度の観
察装置が使用されている。特に、回路パターンの微細化
が進んだ結果、光学顕微鏡では解像度が不足するため、
解像度の高い走査型電子顕微鏡が盛んに利用されるよう
になっている。

【０００３】半導体チップの製造においては、装置を自
動運転することで可能な限り人手を減らしたいという要
求がある。人手を減らすことにより発塵が押さえられ、
良品取得率が向上するためである。半導体ウエハの製造
工程でパターンの検査を行う走査型電子顕微鏡に対して
も同様に自動化の要求があり、測定遂行に必要な情報を
予め測定条件ファイルに記録しておき、検査時にその測
定条件ファイルに記録された情報に基づいて、ウエハ上
の測定すべき位置を自動で検出し、その位置のパターン
線幅を自動測定するといった運転が可能になりつつあ
る。ここで測定条件ファイルとは、測定場所の概略座
標、測定順序、参照画像、走査型電子顕微鏡の加速電圧
や観察倍率等、走査型電子顕微鏡を自動運転する上で必
要な情報を記録したファイルのことである。

【０００４】測定条件ファイルに記録された参照画像
は、ウエハ上で測定すべき位置を割り出すためのもので
あり、入力画像（観察画像）の中から参照画像のパター
ンに一致した部分をパターン認識によって探し出すこと
で測定位置の設定が行われる。この参照画像の登録（記
録）や測定条件ファイルの作成には時間と手間がかかる
ため、工場もしくは製造ラインに複数の走査型電子顕微
鏡が導入された場合、ある走査型電子顕微鏡で作成した
測定条件ファイルを、他の走査型電子顕微鏡で利用する
ことが頻繁に行われている。このように測定条件ファイ
ルを複数の装置で相互に利用することを、本明細書では
“測定条件ファイルの相互利用”という。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】測定条件ファイルの相
互利用は非常に便利である反面、次のような問題があ
る。すなわち、走査型電子顕微鏡においては、電子レン
ズのコイルの巻き方を完全に同一にすることが難しく、
電子線を集束する電子レンズの磁場特性を全ての装置で
全く同じにすることが困難である。また、電子ビームを
全ての装置で同じ状態にすることは困難である。このよ
うに電子レンズの磁場特性が異なったり、電子ビームの
調整具合が異なる複数の走査型電子顕微鏡で像の表示の
され方を完全に同一にするのは困難であり、例えばある
装置では左側のエッジが太く表示され、別の装置では右
側のエッジが太く表示されるといった具合に、観察像の
エッジの表示のされ方が異なるようなことが生じる。

【０００６】また、２次電子を検出してからモニタに出
力するまでの回路が複雑なために、その回路の電気的な
特性を完全に同一にすることが難しい。そのため、同一
のパターンを複数の走査型電子顕微鏡で観察すると、あ
る装置では明るい部分と暗い部分の差が大きく表示され
たり、逆に差が小さく表示されたりするといった、コン
トラストの違いが発生する。電子顕微鏡は電気的に濃淡
値を調整する手段を備えているが、それらの多くは濃淡
値の線形変換を行うものである。したがって、明るさの
特性が非線形であり、非線形の具合が装置ごとに異なる
場合は、濃淡値の調整だけでコントラストの違いを完全
になくすることはできない。

【０００７】このように、走査型電子顕微鏡では、像の
表示のされ方やコントラストを全ての装置で完全に同一
にすることが困難であり、このような状態で測定条件フ
ァイルを相互利用するため、測定条件ファイルを作成し
た走査型電子顕微鏡では正常にパターン認識を行うこと
ができても、他の装置でその測定条件ファイルを用いる
と正しいパターン認識を行うことができない場合が生じ
る。これは、測定条件ファイルに含まれる参照画像が、
パターン認識を実行した装置にとって適切でなかったた
めである。

【０００８】本発明は、上述の問題に鑑み、測定条件フ
ァイルを相互利用しながらパターン認識率を向上させた
走査型電子顕微鏡を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明では、測定条件フ
ァイルに参照画像とインデックスを記録し、装置内の記
憶媒体には参照画像を複数記録する。インデックスは、
装置内の記憶媒体に記録された複数の参照画像の中の特
定の参照画像を指定するためのものである。より具体的
には、本発明は、ＸＹステージ上に載置された被測定物
の表面形状を２次元画像として表示する手段と、予め用
意された参照画像を用いて前記２次元画像の中で参照画
像と一致するパターンを認識するパターン認識手段と、
認識したパターンの位置から指定されたオフセットだけ
離れた位置のパターン寸法を測定する手段と、記憶手段
と、予め用意されている測定条件ファイルの内容に従っ
て自動運転を行う制御手段とを備える走査型電子顕微鏡
において、記憶手段に複数の参照画像を登録し、測定条
件ファイルに参照画像及び記憶手段に登録された複数の
参照画像の中の特定の参照画像を指定するためのインデ
ックスを含ませたことを特徴とする。

【００１０】パターン認識手段は、測定条件ファイルに
含まれている参照画像あるいは測定条件ファイルのイン
デックスにより指定される参照画像を定められた規則に
従って使用してパターン認識を行う。参照画像は装置ご
とに複数登録できる。登録される参照画像は、参照画像
ごとに別ファイルとして管理してもよいし、全てを一つ
のファイルの中に記録し、参照テーブルを用いて管理し
てもよい。

【００１１】測定条件ファイルには参照画像と共にイン
デックスを記録する。インデックスは、装置内に格納さ
れる複数の参照画像のうちの特定の参照画像を指定する
ものであり、ファイル名や番号等をインデックスとする
ことができる。測定条件ファイルの相互利用を行った場
合、インデックスは実行する装置の記憶手段に格納され
ている参照画像を指定する。なお、インデックスにより
指定した装置側の参照画像を利用する場合は、測定条件
ファイルに参照画像が登録されていなくともよい。

【００１２】参照画像が測定条件ファイルと装置側の両
方に存在する場合にどちらの参照画像を使用するかの決
定は、次の５つのうちの一つの方法によって行うことが
できる。この条件は測定条件ファイルの中に記述した
り、装置内の記憶媒体に記憶させておくことができる。 （１）測定条件ファイルを使用する前に、測定条件ファ
イルに含まれる参照画像を用いるか、測定条件ファイル
のインデックスが示す装置側の参照画像を用いるかを予
め指定する方法。 （２）測定条件ファイルに含まれる参照画像を使用する
か、測定条件ファイルのインデックスにより指定される
参照画像を使用するかを、測定条件ファイルに含まれる
識別子を用いて切り替える方法。 （３）まず測定条件ファイルに含まれる参照画像を用い
てパターン認識を行い、目的のパターンを認識できなか
った場合に、測定条件ファイルのインデックスで指定さ
れる装置側の参照画像を用いてパターン認識を行う方
法。 （４）まず測定条件ファイルのインデックスで指定され
る装置側の参照画像を用いてパターン認識を行い、目的
のパターンを認識できなかった場合に、測定条件ファイ
ルに含まれる参照画像を用いてパターン認識を行う方
法。 （５）測定条件ファイルに含まれる参照画像と、測定条
件ファイルのインデックスで指定される装置側の参照画
像を用いてそれぞれパターン認識を行い、それぞれのパ
ターン認識で得られる相関を比べて相関の高い方の検出
結果を有効とする方法。

【００１３】上記の５つの方法では、測定条件ファイル
の中の参照画像と、測定条件ファイルのインデックスで
指定される装置側の参照画像とがともに存在することを
前提にしているが、測定条件ファイルのインデックスに
より指定される参照画像が装置側の記憶装置内に用意さ
れていない場合もある。この場合は、測定条件ファイル
に含まれる参照画像を用いてパターン認識を行う。ま
た、測定条件ファイルに参照画像が登録（記録）されて
いない場合には、インデックスにより指定される参照画
像を用いてパターン認識を行う。

【００１４】また、本発明は、複数の走査型電子顕微鏡
をネットワークで接続したシステムに対しても適用する
ことができる。その場合には、測定条件ファイルを他の
走査型電子顕微鏡の制御手段に転送する手段もしくは測
定条件ファイルを他の走査型電子顕微鏡の記憶手段から
読み込む手段を備えればよい。ネットワークに接続され
ている記憶手段を共有する場合には、その記憶手段に、
測定条件ファイル及び各走査型電子顕微鏡ごとに登録さ
れた複数の参照画像を記憶させ、測定条件ファイルのイ
ンデックスで各走査電子顕微鏡ごとに登録された複数の
参照画像の中の特定の参照画像を指定するようにすれば
よい。

【００１５】

【作用】本発明によると、装置ごとに画像のコントラス
トが違ったりエッジの表示のされ方が異なっていても、
測定条件ファイルの相互利用が可能となる。そのため、
測定条件ファイルの作成作業の低減を図ることができ
る。また、各装置ごとに最適な参照画像を指定すること
ができるため、全ての装置で高いパターン認識率を得る
ことができ、装置の稼働率を向上させることができる。

【００１６】測定条件ファイルに含まれる参照画像と測
定条件ファイルのインデックスにより指定される装置側
の参照画像の２つの参照画像のうち一方もしくは両方を
用いてパターン認識を行うことで、次のようなメリット
が得られる。第１のメリットは、測定条件ファイルの相
互利用を行い、測定条件ファイル中の参照画像を用いて
目的のパターンを認識できなかったとき、測定条件ファ
イルのインデックスで指定された参照画像を用いてパタ
ーン認識を行うことにより、目的のパターンを認識でき
ることである。インデックスで指定された参照画像が装
置内に存在しない場合は、インデックスで指定される参
照画像をその時点で作成して登録（記録）すればよい。
これにより、測定条件ファイルを変更することなく、測
定条件ファイルの相互利用が可能となる。

【００１７】第２のメリットは、全ての装置に同一名称
の参照画像をそれぞれ登録しておき、インデックスによ
りその参照画像を指定することにより、目的のパターン
を認識できることである。この場合は、測定条件ファイ
ルに参照画像を登録する必要がないため短時間で測定条
件ファイルを作成することができる。また、インデック
スで指定される装置側の参照画像は元々その装置で記録
された画像であるから、その装置に適した参照画像であ
り、パターン認識において高い検出率を得ることができ
る。特に、実際の半導体製造においては、検査を簡便に
するために、同一形状の検査パターンを一つの種類だけ
でなく複数の種類のウェーハ上に配置していることが多
い。このような場合には、同一形状の検査パターンを参
照画像として装置ごとに登録しておけば、同一形状の検
査パターンが配置された新たな種類のウェーハを測定す
るときは、測定条件ファイルのインデックスで検査パタ
ーン用の参照画像を指定すればよい。

【００１８】以上では参照画像を測定条件ファイルに含
めることと、装置ごとに参照画像を持つことについて述
べたが、参照画像だけでなく、参照画像に密接に関係す
るパラメータについては参照画像とともに保存するのが
よい。そのようなパラメータの第１のものは、パターン
認識において、一致か不一致かを判断するために使用さ
れるしきい値である。このしきい値は参照画像の状態に
密接に関係するため、参照画像と対応させて保存するの
がよい。第２のものは、パターン認識により認識された
位置と、線幅の測定を行う位置との相対距離（オフセッ
ト）である。任意の位置を参照画像として登録できるた
め、参照画像の位置を変えると測定位置との相対距離が
変わる。そこで、オフセットについても参照画像と対応
するように保存するのがよい。

【００１９】

【実施例】以下、実施例により本発明を詳細に説明す
る。図１は、集束した電子ビームを走査することにより
半導体集積回路のパターン線幅を測定する走査型電子顕
微鏡の全体構成図である。電子銃１から放出される電子
ビームはコンデンサレンズ２で集束され、クロスオーバ
した電子ビームは、対物レンズ４によりＸ，Ｙ方向に可
動するＸＹステージ６に載せられたウェーハ５上で再度
集束される。ウェーハ上で集束された電子ビームは走査
レンズ３により２次元的に走査される。ここで、電子銃
１は電子銃制御回路１０により制御され、コンデンサレ
ンズ２はコンデンサレンズ制御回路１１、走査レンズ３
は走査レンズ制御回路１２、対物レンズ４は対物レンズ
制御回路１３により夫々制御される。また、ＸＹステー
ジ６は、ステージ制御回路１４により制御されるモータ
７により駆動される。各制御回路は、制御コンピュータ
２０により制御される。

【００２０】電子ビームの照射によってウェーハ５から
発生する２次電子は、検出器８で検出される。検出器８
の出力は画像メモリ１５に格納され、２次元画像が構成
される。画像メモリ１５の出力は、モニタ１６に表示さ
れてウェーハ表面の観察に供されるとともに、パターン
認識装置２１に入力される。本実施例の走査型電子顕微
鏡を自動運転する場合の動作を図２のフローチャートに
従って説明する。まず、装置に内蔵されている記憶媒体
３０もしくは脱着可能な記憶媒体３１から、予め登録さ
れている測定条件ファイルを読み出し、測定点の座標、
パターン認識のときのしきい値、オフセット等の測定条
件を読み込む（Ｓ１）。測定条件ファイルは通信回路３
２を通して、外部の記憶媒体や、他装置から読み込むこ
ともできる。次に、カウンタのカウントｎを１にセット
し（Ｓ２）、読み込んだ第１測定点の位置情報をもとに
ＸＹステージ６を駆動して第１測定点を観察視野の中心
に移動する（Ｓ３）。次に、対物レンズ４の励磁電流を
制御して焦点合わせを行い（Ｓ４）、観察視野の画像を
画像メモリ１５に取り込む（Ｓ５）。

【００２１】Ｓ３におけるＸＹステージ６の操作だけで
は測定点の精密な位置決めができないため、観察視野中
で参照画像と一致する領域を検索し、その領域に対して
既知の位置関係（オフセット）にある測定位置でパター
ンの線幅測定を行う。そのために、続いて参照画像を読
み込み（Ｓ６）、先に画像メモリに記憶した観察視野の
画像中で参照画像と一致する箇所をパターン認識装置２
１で検索する（Ｓ７）。Ｓ８で観察視野中に参照画像と
一致する箇所があるかどうか、すなわちパターンを認識
できたかどうかを判定し、パターン認識できた場合はス
テージ移動あるいは走査レンズ３等で電子ビームの走査
原点を変更するなどして、参照画像から所定の方向に所
定の距離だけ離れた位置の測定すべきパターン上へ電子
ビームを移動する（Ｓ９）。そして、そのパターンの線
幅測定を行う（Ｓ１０）。その後、全ての測定点につい
ての測定が終了したかどうかを判定し（Ｓ１１）、まだ
測定すべき点が残っていればカウンタのカウントを１だ
け進め（Ｓ１３）、Ｓ２に戻って同様の操作を反復す
る。またＳ８で観察視野中に参照画像と一致する箇所を
見出せなかった場合、すなわちパターン認識に失敗した
場合にはＳ１２でエラー処理を行ったのち、Ｓ１１に進
む。

【００２２】図３により、参照画像を用いて測定位置を
決定する方法について説明する。参照画像はウエハ上に
形成された回路パターン６２の一部や位置決め用のマー
ク６１等の画像であり、図３の場合、参照画像は幅を持
った十字形のマークである。観察視野６０中において参
照画像で表されるパターンあるいはマークをパターン認
識の手法で探し、その位置を手がかりにして線幅を測定
すべき位置６４（図中に十字線で示す）を見出す。この
参照画像で表されるウエハ上のパターンあるいはマーク
６１と一致した領域の基準位置から線幅を測定すべき位
置６４に引いたベクトル６３をオフセットという。オフ
セットは既知であり、測定条件ファイル中に記述されて
いる。

【００２３】このように、測定条件ファイル中に、参照
画像を記録し、測定点の座標やオフセット等の情報を記
述しておくと、まずＸＹステージ６を駆動して大まかな
位置合わせをし、続いてパターン認識の手法で視野中に
参照画像と一致する領域を検出し、その領域からオフセ
ットだけ離れた位置でパターンの線幅測定を行うこと
で、測定を高精度にかつ自動的に行うことができる。

【００２４】図４に、パターン認識のしきい値とオフセ
ットの２つのパラメータを参照画像とともに保存した例
を示す。しきい値とオフセット及び参照画像は、測定条
件ファイルの中及び装置ごとに格納する参照画像に付属
させて格納される。測定条件ファイル中の参照画像を用
いてパターン認識を行う場合は、測定条件ファイルの中
のしきい値とオフセットを使用してパターン認識を実行
する。また、測定条件ファイルのインデックスで指定さ
れている装置側の参照画像を用いる場合は、その参照画
像とともに保存されているしきい値とオフセットを使用
してパターン認識を実行する。図４には、しきい値とオ
フセットの両方を参照画像とともに保存する例を示した
が、しきい値だけを参照画像とともに保存したり、オフ
セットだけを参照画像とともに保存してもよい。

【００２５】図５に、複数の走査型電子顕微鏡を接続し
た例を示す。この例では、ネットワーク４０を用いて複
数の走査型電子顕微鏡５１，５２，５３を接続してい
る。また、測定条件ファイルを格納するための記憶媒体
４１がネットワーク４０に接続されており、記憶媒体４
１上の情報を全ての走査型電子顕微鏡から読み出したり
書き込んだりすることができる。このようなシステムに
も、本発明を適用することができる。

【００２６】参照画像はそれぞれの走査型電子顕微鏡５
１，５２，５３で登録可能であり、それぞれの装置に内
蔵する記憶媒体５１ａ，５２ａ，５３ａに格納される。
走査型電子顕微鏡５１で測定条件ファイルが作成される
と、その測定条件ファイルはネットワーク上の記憶媒体
４１に格納される。この測定条件ファイルは、全ての装
置から読み込むことができる。たとえば装置５２で測定
を実行する場合、測定条件ファイルがネットワーク上の
記憶媒体４１から読み出され、そこに記述された情報が
測定に使用される。

【００２７】この例では測定条件ファイルを格納するた
めに専用の記憶媒体を用意しているが、次のような応用
も考えられる。第１は、ある装置の記憶媒体を全ての装
置から読み書き可能とすれば、専用の記憶媒体４１をネ
ットワーク上に用意する必要がない。第２は、それぞれ
の装置に参照画像を格納するのではなく、ネットワーク
上の記憶媒体４１に格納する方法である。この場合は、
装置ごとに参照画像を格納するための記憶媒体５１ａ〜
５３ａを持つ必要がない。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、測定条件ファイルの相
互利用を行ったとき、目的のパターンを認識できない場
合は、測定条件ファイルのインデックスで指定される参
照画像を装置内に登録することにより、測定条件ファイ
ルを変更せずにパターンを認識することが可能となる。
これにより、全ての装置で測定条件ファイルの相互利用
が可能となる。

【００２９】また、同一名称の参照画像を予め全ての装
置で用意し、測定条件ファイルのインデックスにその参
照画像の名称を指定することにより、測定条件ファイル
を全ての装置で利用することが可能となる。この場合
は、全ての装置で高いパターン認識率を得ることがで
き、装置の稼働率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による走査型電子顕微鏡の一実施例の全
体構成図。

【図２】測定条件ファイルを用いた自動測定における測
定の流れを示した図。

【図３】参照画像と一致する領域と測定位置をの関係を
説明する図。

【図４】しきい値とオフセットを参照画像とともに格納
する実施例の説明図。

【図５】複数の走査型電子顕微鏡を接続した図。

【符号の説明】

１…電子銃、２…コンデンサレンズ、３…偏向レンズ、
４…対物レンズ、５…ウエーハ、６…ＸＹステージ、７
…モータ、８…検出器、２０…制御コンピュータ、２１
…パターン認識装置、３０…記憶媒体、３１…脱着可能
記憶媒体、３２…通信回路、６０…観察視野、６１…マ
ーク、６２…回路パターン、６３…オフセット、６４…
測定位置

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＸＹステージ上に載置された被測定物の
   表面形状を２次元画像として表示する手段と、予め用意
   された参照画像を用いて前記２次元画像の中で参照画像
   と一致するパターンを認識するパターン認識手段と、認
   識したパターンの位置から指定されたオフセットだけ離
   れた位置のパターン寸法を測定する手段と、記憶手段
   と、予め用意されている測定条件ファイルの内容に従っ
   て自動運転を行う制御手段とを備える走査型電子顕微鏡
   において、 前記記憶手段に複数の参照画像が登録され、前記測定条
   件ファイルは参照画像及び前記記憶手段に登録された複
   数の参照画像の中の特定の参照画像を指定するためのイ
   ンデックスを含むことを特徴とする走査型電子顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記パターン認識手段は、測定条件ファ
   イルに含まれている参照画像あるいは測定条件ファイル
   のインデックスにより指定される参照画像を定められた
   規則に従って使用してパターン認識を行うことを特徴と
   する請求項１記載の走査型電子顕微鏡。
3. 【請求項３】 前記パターン認識手段は、測定条件ファ
   イルのインデックスで指定される参照画像を優先的に使
   用してパターン認識を行い、測定条件ファイルのインデ
   ックスで指定される参照画像が前記記憶手段中に存在し
   ないときに測定条件ファイルに含まれる参照画像を使用
   してパターン認識を行うことを特徴とする請求項１記載
   の走査型電子顕微鏡。
4. 【請求項４】 パターン認識に使用するしきい値及び前
   記オフセットの一方もしくは両方を前記記憶手段又は測
   定条件ファイル中に参照画像と関連付けて含ませたこと
   を特徴とする請求項１、２又は３記載の走査型電子顕微
   鏡。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の走査型電子顕微鏡を複
   数台含み、測定条件ファイルを他の走査型電子顕微鏡の
   制御手段に転送する手段もしくは測定条件ファイルを他
   の走査型電子顕微鏡の記憶手段から読み込む手段を有す
   ることを特徴とするシステム。
6. 【請求項６】 複数台の走査型電子顕微鏡と、記憶手段
   をネットワークで接続したシステムにおいて、 前記走査型電子顕微鏡は、ＸＹステージ上に載置された
   被測定物の表面形状を２次元画像として表示する手段
   と、予め用意された参照画像を用いて前記２次元画像の
   中で参照画像と一致するパターンを認識するパターン認
   識手段と、認識したパターンの位置から指定されたオフ
   セットだけ離れた位置のパターン寸法を測定する手段
   と、予め用意されている測定条件ファイルの内容に従っ
   て自動運転を行う制御手段とを含み、 前記記憶手段は測定条件ファイル及び各走査型電子顕微
   鏡ごとに登録された複数の参照画像を含み、前記測定条
   件ファイルは参照画像及び各走査電子顕微鏡ごとに登録
   された前記複数の参照画像の中の特定の参照画像を指定
   するためのインデックスを含むことを特徴とするシステ
   ム。