WO2011108402A1 - 荷電粒子線顕微鏡 - Google Patents

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pattern
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信裕 岡井
早田　康成
田中　潤一
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    • H01J2237/2813—Scanning microscopes characterised by the application
    • H01J2237/2817—Pattern inspection

Definitions

  • the present invention relates to a charged particle beam microscope apparatus, and more particularly to a charged particle beam microscope including a scanning electron microscope whose target is a sample whose shape is changed or charged when irradiated with an electron beam.
  • a charged particle beam microscope for example, a scanning electron microscope, irradiates a sample with a finely focused electron beam, detects secondary electrons and reflected electrons generated by the electron beam irradiation, and forms an image by modulating the luminance based on the detection signal. It is a device to do.
  • a length measurement image is generally created by integrating a plurality of frame images obtained by scanning a region including a pattern to be observed, and the obtained length measurement image.
  • a pattern to be observed is analyzed using various length measurement algorithms, and the pattern dimensions are calculated with high accuracy.
  • an image obtained by scanning the observation field once is defined as a frame image
  • an image obtained by integrating a plurality of frame images is defined as a length measurement image.
  • a length measurement SEM is used for the purpose of measuring the dimensions of a pattern created on a semiconductor substrate.
  • a material is obtained by acquiring a plurality of length measurement images and observing changes over time of the acquired images.
  • pattern information such as three-dimensional structure is obtained.
  • Typical examples of pattern information that changes with time due to electron beam irradiation include shrinking of a resist pattern and charging of a sample surface. The acquisition of pattern information using such time-dependent change information is used for measurement of resist shrinkage, line-space determination, and material estimation.
  • Photoresists compatible with ArF (wavelength: 193 nm) exposure machines used in recent semiconductor device fabrication are subject to damage caused by electron beam irradiation and cause volume shrinkage (shrink).
  • shrinkage occurs when the resist pattern is observed using a scanning electron microscope. Thus, the original dimensions of the pattern could not be measured correctly.
  • the horizontal Y direction is set to a lower magnification than the X direction perpendicular to the pattern to reduce the irradiation density of the electron beam, thereby suppressing the occurrence of shrinking and an accurate pattern.
  • Dimension measurements are calculated.
  • the dimension before shrink is calculated by fitting the approximate function which shows the length measurement value and progress of shrink to an experimental value.
  • the base material of the resist is made of an insulator such as an acrylic resin
  • an insulator such as an acrylic resin
  • the contrast of light and dark changes, and it becomes impossible to determine whether the pattern to be measured is a remaining pattern (Line pattern) or a removed part (Space pattern).
  • the inner dimension and the outer dimension of the resist pattern are measured for two resist pattern images. It is determined whether it is.
  • Patent Document 4 a signal waveform of reflected electrons corresponding to the number of scanning times of the electron beam until the charge on the substrate reaches an equilibrium state is measured, and the unknown substance is identified by comparing with the data of the known substance. It is possible.
  • An object of the present invention is to provide a charged particle beam microscope capable of obtaining information on a pattern material and a three-dimensional structure without reducing the throughput of pattern dimension measurement.
  • a charged particle beam microscope comprising: an image storage unit; and a control unit having an arithmetic processing unit for obtaining a dimension of a pattern formed on the sample from the length measurement image, wherein the data processing unit is Charging having a function of forming a plurality of frame images, one frame image, or sub-frame image integrated with a smaller number of frames than the number of frames constituting the length measurement image as a separate image And child-ray microscope.
  • a plurality of frame images obtained by scanning the observation visual field of the sample are obtained, and the dimension of the pattern formed on the sample is calculated using a length measurement image created by integrating the plurality of frame images.
  • a pattern material and a three-dimensional structure are formed using an image formed from the obtained frame image and an image accumulated by a smaller number of frames than the acquired number of frames, or a fractional image consisting of one frame image or subframe image.
  • the charged particle beam microscope is characterized by creating information.
  • a charged particle beam microscope that can obtain pattern information on a pattern material and a three-dimensional structure can be provided without reducing the throughput of pattern dimension measurement by using an image constituting a length measurement image (sorted image).
  • FIG. 7 is a pattern cross-sectional view for explaining shrinkage and measured dimensions when the pattern is irradiated with an electron beam, where (a) is the pattern shown in FIG. 6 (a) and (b) is FIG. The case of the pattern shown in FIG. It is the figure showing the time change of the length measurement value of each pattern shown to Fig.6 (a) (b).
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a scanning electron microscope according to the present embodiment.
  • This apparatus makes it possible to obtain a pattern information from a time-dependent change of a plurality of frame images constituting a length measurement image by creating a length measurement image by integrating frame images and a length measurement function.
  • an image created by integrating a plurality of frame images obtained by scanning the observation field once is defined as a length measurement image.
  • a scanning electron microscope having a function of acquiring pattern information includes an electron microscope unit 101, a control unit 102, and a display unit 103.
  • the electron beam 120 emitted from the electron source 104 is focused by the focusing lens 105 and the objective lens 107 and then irradiated on the sample 108 placed on the sample stage 109.
  • the electron beam is scanned two-dimensionally on the sample by the deflector 106. Secondary electrons and reflected electrons 130 generated from the sample are detected by the detector 110, and the data processing unit 111 modulates the luminance of the signal to convert it into a frame image, which is stored in the image storage unit 112.
  • pattern information is acquired by the arithmetic processing unit 113 from a plurality of temporal changes. Simultaneously with the acquisition of the pattern information, a plurality of frame images stored in the image storage unit 112 are integrated in the data processing unit 111 to obtain a length measurement image.
  • pattern information is added to the measurement image and displayed on the monitor 114.
  • the pattern size is calculated from the length measurement image by the arithmetic processing unit 113.
  • the pattern information may be added to the image, or may be added as text data to the length measurement image condition file.
  • the functions of the data processing unit 111 and the arithmetic processing unit 113 can be executed by the CPU, respectively, and the image storage unit 112 can be provided in a memory unit connected to the CPU. Each may be configured with dedicated hardware.
  • a length measurement image obtained by scanning an observation field multiple times is generally used.
  • “measurement” is, for example, calculation of a pattern dimension formed on a semiconductor wafer.
  • a length measurement image obtained by scanning the sample a plurality of times is an image having a better S / N ratio than a frame image obtained by scanning only once. Even if the shape of the sample and the charge distribution change during scanning, information on these patterns is lost and only averaged information is obtained. Since the scanning electron microscope for length measurement is intended to calculate the dimensions of the observation pattern, such a method of use is used, but in the future, it will be necessary to obtain pattern information simultaneously with the dimension measurement. Then, a new function for obtaining pattern information is added to a general scanning electron microscope.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a procedure for measuring pattern dimensions using a conventional scanning electron microscope. This flowchart will be described below.
  • measurement conditions are set (S201).
  • the measurement conditions include apparatus conditions such as acceleration voltage, coordinates of measurement points, pattern shapes, and length measurement conditions.
  • the stage is moved to a measurement point (S202).
  • the irradiation position of the electron beam is finely adjusted by the deflector 106 so that the target pattern is included in the visual field (S203). If the stage movement accuracy is sufficient, step S203 may not be performed.
  • the number of frame images set in S201 in the same field of view is continuously acquired (S204, S205).
  • the preset number of images it is determined whether or not to end the measurement (S206). If there is other data to be acquired, the process returns to S202 and the same process is repeated.
  • the frame images acquired in S204 and S205 are integrated to create a length measurement image (S207) and stored in the image storage unit 112. At this time, since the frame image is overwritten, it is not stored in the image storage unit 112. Finally, the dimension of the pattern is calculated using the length measurement image obtained in S207 (S208).
  • FIG. 3 shows a processing flow diagram in a scanning electron microscope having a function of obtaining pattern information at the same time as the dimension calculation without reducing the throughput according to the present embodiment.
  • the dimension calculation process is the same as that shown in FIG. 2.
  • S301 to S304 are the same processes as S201 to S204.
  • S301 in addition to the measurement conditions set in S201, a condition for acquiring pattern information is included.
  • the frame image acquired in S305 and S306 is stored in the image storage unit 112 (S309 and 310). At this time, the frame image is stored in the moving image format in addition to the image format (S311).
  • length measurement values are calculated for the frame images stored in S309 and S310 (S312 and 313). If the frame image has insufficient length measurement accuracy, the frame image is subjected to known image processing to improve the sharpness.
  • image processing for improving the sharpness of an image a method of emphasizing an edge in an image using an image filter can be used. However, any method that improves measurement accuracy is not limited to an image filter. It may be applied.
  • pattern information is acquired using the length measurement values of the frame images obtained in S312 and S313 (S314). Note that the processing from S309 to S314 can be executed using a stage movement time zone or the like. Therefore, even if these pattern information acquisition processes are added, the pattern dimension measurement throughput hardly decreases.
  • pattern information is obtained by performing analysis for each frame.
  • an image from which pattern information is obtained is an image obtained by integrating the number of frames less than the number of frames constituting the length measurement image, or an image of one frame or subframe. It may be used.
  • An image for obtaining such pattern information is defined as a sorted image. The separated image formation is performed by the data processing unit.
  • FIG. 4 shows an example of a GUI (Graphical User Interface) for setting an environment for acquiring pattern information in step S301 for setting pattern information acquisition conditions according to the present embodiment.
  • GUI Graphic User Interface
  • an image format and a moving image format can be selected.
  • the capacity can be reduced from 1/5 to about 1/10 as compared with the image format.
  • the moving image format generally uses the MPEG4 (Moving Picture Experts Group) format capable of high compression, but may be saved in another moving image format to match the format compatible with the image analysis software.
  • the compression rate of the moving image can be selected. The compression rate can be specified by 8 bits from 0 to 255. The larger the compression rate, the more the moving image capacity can be reduced. However, since the image information is reduced, the data accuracy obtained is lowered.
  • the data storage in the moving image format is intended to reduce the capacity while maintaining the data accuracy, and the optimum compression rate is determined by the data accuracy required for the acquired pattern information.
  • the data accuracy must be increased by setting the compression rate low.
  • the compression rate is set high in order to reduce the data capacity. Note that each item shown in FIG. 4 may be displayed in a plurality of screens instead of one screen.
  • FIG. 5 shows an example of a GUI for selecting the number of frames of the sorted image for analyzing pattern information.
  • the number of frames can be selected from a subframe, a frame, and a plurality of frames, and the subframe and the plurality of frames can be set in more detail.
  • the number of frames can be changed in accordance with the target pattern information, and the pattern information can be obtained with high accuracy by this change.
  • the selection of the number of frames can be specified individually, but can be automatically set to an appropriate value according to the pattern information.
  • the number of classified image frames appropriate for each pattern information will be described for each pattern information.
  • step S314 for acquiring pattern information using a plurality of frame images according to the present embodiment will be described.
  • FIG. 6 is a diagram showing length measurement values obtained for two pattern shapes. In the scanning electron microscope, these patterns are used to create an image using secondary electrons generated when an electron beam is irradiated from above, and dimension measurement is performed.
  • FIG. 6C shows an example of an SEM image.
  • the pattern dimension is measured as a length measurement value CD by detecting the edge portion of the pattern with various length measurement algorithms. Therefore, the length measurement value CD is highly sensitive to changes in the width of the pattern, but not sensitive to changes in the cross-sectional shape.
  • CD1 is measured as a pattern dimension.
  • the pattern dimension is generally measured by a distance CD2 between positions corresponding to half the height of the pattern.
  • Dimension CD2 measured here is different from the top width CD3 and bottom width CD4 of the pattern. If CD1 and CD2 are the same, the two patterns in FIG. 6 are recognized as patterns having the same shape. The phenomenon that the pattern shapes are different even if the length measurement values obtained with such a scanning electron microscope are the same causes a problem when observing the resist pattern after development in the photolithography process.
  • the post-development process is a lower layer etching process, and the bottom width of the resist pattern is important for the post-development pattern.
  • the bottom width CD4 is the length measurement value CD2 obtained with the scanning electron microscope. Different. Therefore, in the pattern dimension management process using the scanning electron microscope, a technique for discriminating the difference in the cross-sectional shape of the resist pattern in addition to the calculation of the length measurement value is required.
  • FIG. 7 shows the shrinkage of the resist that occurs when the two resist patterns shown in FIGS. 6A and 6B are irradiated with an electron beam, and the pattern dimensions measured at that time.
  • the electron beam 120 is indicated by an arrow, and a region to be shrunk by irradiation of the electron beam 120 is indicated by oblique lines.
  • FIG. 7A since the electron beam 120 is irradiated onto the pattern from above, the electron beam is irradiated almost on the upper surface and hardly irradiated on the side surface. Therefore, the amount of shrink on the upper surface of the pattern is large due to the amount of irradiation, but the amount of shrink on the side surface is small.
  • the pattern dimension is CD5, which is slightly smaller than the length measurement value CD1 before shrinking.
  • the shrink amount on the upper surface is the same as that in FIG. 7A because the irradiation amount of the electron beam 120 does not change, but the side surface receives the irradiation of the electron beam 120 over a wide area. Therefore, the amount of shrinkage becomes larger than that in FIG. 7A, and the length measurement value is greatly reduced from CD2 to CD6.
  • FIG. 8 shows changes in the measured value as a function of the electron beam irradiation time for these two resist patterns.
  • the same length measurement value is obtained although the cross-sectional shapes of the pattern (a) and the pattern (b) are different.
  • the resist pattern shrinks. As described above, the size of the shrink differs between the patterns (a) and (b), and the length measurement value is a pattern (compared to the pattern (a) ( b) changes greatly.
  • the specific usage method is to identify a pattern that has a different shape from the original, and set the amount of deviation from the reference data acquired in advance or the amount of deviation from the result obtained for the same type of pattern.
  • the difference in shape is determined by comparing with the value. If there is a deviation from the set value, an error is displayed.
  • the present invention can be applied not only to an electron beam but also to a microscope using an ion beam.
  • the pattern information is acquired using the fractional images constituting the length measurement image, so that the pattern material and the three-dimensional structure can be obtained without reducing the pattern dimension measurement throughput.
  • a charged particle beam microscope from which information can be obtained can be provided.
  • the cross-sectional shape of the pattern can be estimated by obtaining the change over time of the length measurement value.
  • the second embodiment will be described with reference to FIGS.
  • the contents described in the first embodiment can also be applied to the present embodiment unless there are special circumstances.
  • zero shrink estimation will be described.
  • FIG. 9 shows the dimension measurement method before shrinking compared with the conventional method.
  • FIG. 9 (a) shows a conventionally used method for calculating the zero time value
  • FIG. 9 (b) shows the technique of the present invention.
  • FIG. 9A a length measurement image obtained by scanning the observation location a plurality of times is obtained a plurality of times, and a length measurement value is calculated for each length measurement image. Plot the number of measurements on the horizontal axis and the measured value on the vertical axis. Since the resist pattern has a characteristic of shrinking when irradiated with an electron beam, the length measurement value gradually decreases with the number of measurements (elapse of irradiation time). Next, an approximate straight line is fitted to the measurement point, and the intercept with the vertical axis is calculated as a length measurement value before shrinking. This value is called the zero time value.
  • This method can obtain high accuracy, but it takes time to measure because it is necessary to acquire a plurality of measurement images, and the accuracy of zero count is greatly affected by the fitting accuracy. Further, since the observed place is greatly shrunk, there is a problem that it becomes impossible to use as a circuit element after measuring the pattern dimension.
  • FIG. 9B which is the present embodiment, will be described.
  • length measurement is performed on the sorted images constituting the length measurement image, and the length measurement results are plotted in the same manner as in FIG.
  • the condition closest to the zeroth value is the length measurement value of the first length measurement image, but here the length measurement value of the first sorted image is the zeroth time measurement value.
  • the error from the value can be reduced.
  • the length measurement value of the first sorted image is used, but the intercept with the vertical axis obtained by fitting an approximate curve to a plurality of length measurement values of the sorted image may be used. good.
  • the length measurement accuracy of the separated image is lower than the length measurement accuracy of the length measurement image. Therefore, in order to improve the length measurement accuracy, the absolute value of the length measurement value is matched with the length measurement value of the length measurement image. May be. In order to further improve the accuracy, it is possible to use a method in which two length measurement images are acquired and the corresponding sorted images are plotted to match the absolute values. Therefore, it is possible to calculate the dimension of the zero count value with higher accuracy than before by calculating and measuring the length measurement value using the sorted image.
  • Fig. 10 shows a processing flow diagram for analysis for each subframe.
  • S1001 to S1008 have the same processing flow as S301 to S308.
  • the frame images acquired in S1004 and S1005 are divided to create subframe images and stored in the image storage unit 112 (S1009 and S1010).
  • the subframe image is saved in a moving image format (S1011).
  • length measurement values are calculated for the subframe images stored in S1009 and S1010 (S1012 and S1013).
  • image processing for improving the sharpness of an image a method of emphasizing an edge in an image using an image filter can be used.
  • any method that improves measurement accuracy is not limited to an image filter. It may be applied.
  • pattern information is acquired using the length measurement values of the sub-frame images obtained in S1012 and S1013 (S1014).
  • FIG. 11 illustrates a method of creating a subframe image when using interlaced scanning, which is one of typical scanning methods.
  • the number of scanning lines of the image is 16.
  • Interlaced scanning is a method of forming an image by scanning odd lines of an image in order from the top and then scanning even lines in order from the top.
  • an image obtained only by odd line scanning and an image obtained only by even line scanning are respectively subframe images.
  • FIG. 11A is a frame image
  • FIG. 11B is a subframe image obtained by scanning odd lines
  • FIG. 11C is a subframe image obtained by scanning even lines.
  • the method of dividing the image into the odd line scanning lines and the even line scanning lines which can grasp the whole image and can easily identify the pattern, has been described as a method for creating the subframe image. There are also ways to create images.
  • the pattern information is acquired using the fractional images constituting the length measurement image, so that the pattern material and the three-dimensional structure can be obtained without reducing the pattern dimension measurement throughput.
  • a charged particle beam microscope from which information can be obtained can be provided.
  • the zero count value can be obtained from the relationship between the number of measurements of the sorted image and the length measurement value.
  • the third embodiment will be described with reference to FIGS.
  • the contents described in the first embodiment can also be applied to the present embodiment unless there are special circumstances.
  • a method for determining whether a pattern is a remaining pattern (Line pattern) or a removed portion (Space pattern) with respect to a resist pattern will be described.
  • Fig. 12 (a) shows an example image of the observed pattern.
  • an example is shown in which there is no difference in the contrast between the Line portion and the Space portion.
  • This method is not limited to this case, and the present method can be applied to the case where it is not possible to discriminate which pattern remains from the remaining part even if the light and shade are seen, or in the case of the pattern in which the light and dark contrast changes during observation.
  • the length measurement values of CD1 and CD2 having adjacent pattern widths are measured.
  • FIG. 12 (b) shows the result of observing the time change of the measured values of CD1 and CD2. As time elapses (increase in the number of frames), CD1 decreases and CD2 increases accordingly. Since the resist has a characteristic of shrinking with electron beam irradiation, it is possible to determine that the portion corresponding to CD1 is the resist and the portion corresponding to CD2 is the base.
  • the obtained results are displayed as L (Line) and S (Space) at the top of the pattern as shown in FIG. However, even if it is not displayed in the pattern, it may be written which pattern is Line or Space in the image condition file, or the image may be displayed with a color.
  • Fig. 13 shows a processing flow diagram for analyzing multiple frames.
  • S1301 to S1308 have the same processing flow as S301 to S308.
  • a plurality of frame images are created by grouping the frame images acquired in S1304 and S1305 for each small group and stored in the image storage unit 112 (S1309, S1310).
  • a plurality of frame images are stored in a moving image format (S1311).
  • length measurement values are calculated for the multiple frame images stored in S1309 and S1310 (S1312, S1313).
  • the multi-frame image can obtain higher length measurement accuracy than the frame image, but it is preferable to obtain higher length measurement accuracy by further improving the definition by performing image processing.
  • image processing for improving the sharpness of an image a method of emphasizing an edge in an image using an image filter can be used.
  • any method that improves measurement accuracy is not limited to an image filter. It may be applied.
  • pattern information is acquired using the length measurement values of the plurality of frame images obtained in S1312, S1313 (S1314).
  • the pattern information is acquired using the fractional images constituting the length measurement image, so that the pattern material and the three-dimensional structure can be obtained without reducing the pattern dimension measurement throughput.
  • a charged particle beam microscope from which information can be obtained can be provided. In particular, it is possible to determine whether it is a remaining pattern (Line pattern) or a removed portion (Space pattern) with respect to the resist pattern from the change in length of the measurement value.
  • the fourth embodiment will be described with reference to FIGS.
  • the contents described in the first embodiment can also be applied to the present embodiment unless there are special circumstances.
  • a method for estimating the material of a pattern will be described.
  • FIG. 14A shows an example of an observed image.
  • a method for examining which of a pattern in which a conductor and an insulator are mixed corresponds to a conductor will be described. Assume that the conductor and insulator materials are known. Such an object is often used in a photomask in which chromium as a conductor is patterned on a quartz substrate as an insulator.
  • FIG. 14B shows the result of observing the temporal change of the gradation value for the pattern in which these conductors and insulators are mixed.
  • the change in gradation value is greatly affected by the charged state of the sample surface. Since the charged state varies depending on the material of the sample, it is possible to determine the material of the sample by observing the change in gradation value.
  • the charge on the sample surface is saturated in a short time after irradiation with the electron beam, whereas in the conductor, the charge gradually diffuses because the charge diffuses throughout the conductor.
  • the gradation value changes abruptly in a short time in the insulator and then stagnates, while the gradation value changes gradually in the conductor. By examining such a change in gradation value, it is possible to determine which of the patterns is a conductor or an insulator.
  • FIG. 15 shows a processing flow diagram in the present embodiment.
  • S1501 to S1511 are the same processes as S301 to S311.
  • S1512 and S1513 not the length measurement value but the gradation value of each pattern in the image is calculated. Pattern information is acquired using these gradation values (S1514).
  • the pattern information is acquired using the fractional images constituting the length measurement image, so that the pattern material and the three-dimensional structure can be obtained without reducing the pattern dimension measurement throughput.
  • a charged particle beam microscope from which information can be obtained can be provided.
  • the fifth embodiment will be described with reference to FIGS.
  • the contents described in the first embodiment can also be applied to the present embodiment unless there are special circumstances.
  • FIG. 16 is a diagram showing a configuration of a scanning electron microscope in the present embodiment.
  • moving image data obtained by a scanning electron microscope is transferred to an image processing server and developed into a still image in the image processing server to acquire pattern information.
  • Image data stored in the image storage unit 112 of the control unit 102 of the scanning electron microscope is transferred to the image storage unit 1602 of the image processing server 1601 in a moving image format.
  • the moving image data is expanded into a still image by the image expansion unit 1603, and pattern information is acquired by the data processing unit 1604.
  • FIG. 17 shows a processing flowchart in the present embodiment.
  • length measurement is performed at the same time as image acquisition and pattern information is acquired.
  • pattern information acquisition is performed offline after transferring all image data to a server for a scanning electron microscope.
  • S1701 to S1711 are the same processing flow as S301 to S311.
  • the moving image data stored in S1711 is transferred to the image storage unit 1602 of the image processing server 1601 (S1712). Next, the transferred moving image data is expanded into a still image in order to analyze the image information (S1713), and pattern information is acquired (S1714).
  • the image data is not analyzed by the control unit of the scanning electron microscope and the pattern information is acquired as in the first embodiment, but the image data is transferred to the image processing server for analysis. Transfer is an important issue. If the image data is a still image such as a frame image, the capacity is large and a load is imposed on data transfer. Therefore, the load of data transfer can be reduced by converting the still image into a moving image and compressing the capacity. Moreover, since the internal memory is not consumed for acquiring the pattern information, the load on the scanning electron microscope can be reduced.
  • the pattern information is acquired using the fractional images constituting the length measurement image, so that the pattern material and the three-dimensional structure can be obtained without reducing the pattern dimension measurement throughput.
  • a charged particle beam microscope from which information can be obtained can be provided.
  • the load on the charged particle beam microscope can be reduced.
  • a pattern material or a three-dimensional structure is formed by using an image accumulated from the obtained frame image and a fractional image consisting of one frame image or a sub-frame image.
  • Charged particle beam microscope characterized by creating information on (2)
  • a charged particle beam microscope according to (1), wherein the number of frames of the sorted image to be stored can be selected in accordance with information on the material of the pattern to be acquired and the three-dimensional structure.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Electron microscope part, 102 ... Control part, 103 ... Display part, 104 ... Electron source, 105 ... Condensing lens, 106 ... Deflector, 107 ... Objective lens, 108 ... Sample, 109 ... Sample stand, 110 ... Detector, DESCRIPTION OF SYMBOLS 111 ... Data processing part, 112 ... Image storage part, 113 ... Arithmetic processing part, 114 ... Monitor, 120 ... Electron beam, 130 ... Secondary electron and reflected electron, 1601 ... Image processing server, 1602 ... Image storage part, 1603 ... Image development unit, 1604... Data processing unit.

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Abstract

　パターン寸法計測のスループットを低下させることなくパターンの材料や立体構造に関する情報を得ることができる荷電粒子線顕微鏡を提供するために、荷電粒子線顕微鏡において、試料の観察視野を走査して得られたフレーム画像を複数枚取得し（Ｓ３０４、Ｓ３０５）、それらの画像を積算し（Ｓ３０７）、試料上に形成されたパターンの寸法を算出（Ｓ３０８）すると共に、フレーム画像を構成する１フレーム画像またはサブフレーム画像等からなる分別画像（Ｓ３０９，Ｓ３１０）を用いてパターン情報を取得する（Ｓ３１４）。

Description

荷電粒子線顕微鏡
　本発明は、荷電粒子線顕微鏡装置に係り、特に、電子線を照射することによって形状の変化や帯電が生じる試料を測定の対象とする走査電子顕微鏡を含む荷電粒子線顕微鏡に関する。
　荷電粒子線顕微鏡、例えば走査電子顕微鏡は、試料に細く絞った電子線を照射し、電子線照射により発生した二次電子や反射電子を検出し、検出信号を元に輝度変調して画像を形成する装置である。
　半導体製造工程においては、パターンの微細化に伴い、高い計測精度を持つ装置が必要とされている。光学式の計測装置では計測できない数十ナノメートルオーダーの微細パターンの幅を計測する寸法計測ツールとしては、それらのパターンを１０万倍以上の拡大倍率で撮像可能なパターン幅計測用の走査電子顕微鏡（測長ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ））が用いられている。
　このような目的で用いられる走査電子顕微鏡においては、一般に観察対象となるパターンを含む領域を走査して得られたフレーム画像を複数枚積算して測長画像を作成し、得られた測長画像を様々な測長アルゴリズムを用いて解析することでパターンの寸法を高い精度で算出している。ここでは、観察視野を一度走査して得られた画像をフレーム画像、複数枚のフレーム画像を積算した画像を測長画像と定義している。
　測長ＳＥＭは半導体基板上に作成されたパターンの寸法を計測する目的で用いられているが、前記用途に加えて測長画像を複数枚取得して取得画像の経時変化を観察することで材料や立体構造などのパターン情報が得られている。電子線の照射により経時変化するパターン情報の代表例として、レジストパターンのシュリンクや試料表面の帯電があげられる。これらの経時変化情報を用いたパターン情報の取得は、レジストのシュリンク量の計測やＬｉｎｅ－Ｓｐａｃｅ判定、材料推定に活用されている。
　近年の半導体デバイスの作成で使用されているＡｒＦ（波長１９３ｎｍ）露光機対応のフォトレジストは、電子線の照射によりダメージを受けて体積の収縮（シュリンク）が生じることが課題となっている。半導体素子が設計どおりの性能を実現するためには、半導体製造工程において回路パターンの形状や寸法を厳しく管理することが必要であるが、走査電子顕微鏡を用いてレジストパターンを観察すると、シュリンクが発生してパターンが有する本来の寸法を正しく計測できなかった。
　この課題を解決するために、特許文献１ではパターンに垂直なＸ方向より水平なＹ方向を低倍率に設定して電子線の照射密度を低下させることでシュリンクの発生を抑制し、正確なパターンの寸法測定を算出している。また、特許文献２では、シュリンクが発生しても測長値とシュリンクの経過を示す近似関数を実験値にフィッティングさせることでシュリンク前の寸法を算出している。
　また、レジストは基材がアクリル樹脂等の絶縁体で構成されているため、電子線を照射すると試料表面に電荷が蓄積した帯電状態となる。帯電が発生すると濃淡コントラストが変化してしまい、測定しようとしているパターンが残しパターン（Ｌｉｎｅパターン）なのか抜き部分（Ｓｐａｃｅパターン）なのか判別できなくなる。この課題を解決するために、特許文献３では２枚のレジストパターン画像に対して、レジストパターンの内側寸法と外側寸法を計測し、測長値の比較によってレジストパターンが残し部と抜き部のどちらかであるかを判定している。
　また、特許文献４では基板上の帯電が平衡状態に達するまでの電子ビームの走査回数に対応する反射電子の信号波形を測定し、既知物質のデータと比較することで未知物質を同定することを可能としている。
特開２００７－００３５３５号公報 特開２００５－３３８１０２号公報 特開２００８－２３２８１８号公報 特開平５－０２９４２４号公報
　上記従来技術により走査電子顕微鏡を用いて寸法情報に加えてパターン情報の取得が可能となっているものの、これらの技術ではパターン情報の取得に測長画像を複数枚取得することが必要であり、スループットの低下を生じさせていた。
　本発明の目的は、パターン寸法計測のスループットを低下させることなく、パターンの材料や立体構造に関する情報を得ることのできる荷電粒子線顕微鏡を提供することにある。
　上記目的を達成するための一実施形態として、荷電粒子源と、試料台と、前記荷電粒子源から放出された荷電粒子の照射に因る前記試料台上に配置される試料からの荷電粒子を検出する検出部と、を有する顕微鏡部と、前記検出器からの検出信号のフレーム画像への変換や複数の前記フレーム画像を積算して測長画像とするデータ処理部と、前記フレーム画像を保存する画像記憶部と、前記測長画像から前記試料上に形成されたパターンの寸法を求める演算処理部とを有する制御部と、を備えた荷電粒子線顕微鏡であって、前記データ処理部は、前記測長画像を構成するフレーム枚数より少ないフレーム数で積算した複数フレーム画像や１フレーム画像またはサブフレーム画像を分別画像として形成する機能を有することを特徴とする荷電粒子線顕微鏡とする。
　また、試料の観察視野を走査して得られたフレーム画像を複数枚取得し、複数枚のフレーム画像を積算して作成した測長画像を用いて試料上に形成されたパターンの寸法を算出する荷電粒子線顕微鏡において、得られたフレーム画像から形成される、取得したフレーム枚数より少ないフレーム数で積算した画像や１フレーム画像またはサブフレーム画像からなる分別画像を用いてパターンの材料や立体構造に関する情報を作成することを特徴とする荷電粒子線顕微鏡とする。
　測長画像を構成する画像（分別画像）を用いることで、パターン寸法計測のスループットを低下させることなく、パターンの材料や立体構造に関するパターン情報が得られる荷電粒子線顕微鏡を提供することができる。
第１の実施例に係る走査電子顕微鏡の概略構成図である。 従来の走査電子顕微鏡を用いてパターン寸法を計測する手順を示すフロー図である。 第１の実施例に係る走査電子顕微鏡を用いてパターン寸法及びパターン情報を取得する手順を示すフロー図である。 第１の実施例に係る走査電子顕微鏡を用いてパターン情報の取得を行う環境設定を行うＧＵＩの一例を示す図である。 第１の実施例に係る走査電子顕微鏡を用いてパターン情報を解析するための分別画像のフレーム数を選択するＧＵＩの一例を示す図である。 測定対象パターンの断面形状が異なる二つのパターンにおける計測寸法の違いを説明するための図であり、（ａ）はテーパーの無いパターンの断面図、（ｂ）は順テーパーを有するパターンの断面図、（ｃ）はパターンの平面ＳＥＭ画像の模式図を示す。 パターンに電子線を照射したときのシュリンクと計測される寸法を説明するためのパターン断面図であり、（ａ）は図６（ａ）に示したパターンの場合、（ｂ）は図６（ｂ）に示したパターンの場合を示す。 図６（ａ）（ｂ）に示したそれぞれのパターンの測長値の時間変化を表した図である。 シュリンク前の寸法を算出する工程を表した図であり、（ａ）は従来の走査電子顕微鏡を用いた場合、（ｂ）は第２の実施例に係る走査電子顕微鏡を用いた場合を示す。 第２の実施例に係る走査電子顕微鏡を用いてパターン寸法及びパターン情報を取得する手順を示すフロー図である。 分割画像の中のサブフレーム画像の一例である。 第３の実施例に係る走査電子顕微鏡を用いてＬｉｎｅとＳｐａｃｅを判定する工程を説明するための図であり、（ａ）はパターンの平面ＳＥＭ画像の模式図、（ｂ）は測長値の経時変化、（ｃ）は判定結果を示す。 第３の実施例に係る走査電子顕微鏡を用いてパターンのＬｉｎｅとＳｐａｃｅを判定する手順を説明するためのフロー図である。 第４の実施例に係る走査電子顕微鏡を用いて材料推定を行うための工程を説明するための図であり、（ａ）はパターンの平面ＳＥＭ画像の模式図、（ｂ）は階調値の経時変化、（ｃ）は推定結果を示す。 第３の実施例に係る走査電子顕微鏡を用いてパターンの材料推定を行うための手順を説明するためのフロー図である。 第５の実施例に係る走査電子顕微鏡の概略構成図である。 第５の実施例に係る走査電子顕微鏡を用いてパターン寸法及びパターン情報を取得する手順を示すフロー図である。
　以下、実施例により説明する。
　第１の実施例について、図１から図８を用いて説明する。図１は本実施例に係る走査電子顕微鏡の構成を示す図である。この装置は、フレーム画像の積算による測長画像の作成と測長機能、測長画像を構成する複数枚のフレーム画像の経時変化からパターン情報を取得することを可能とするものである。ここで、観察視野を一度走査して得られたフレーム画像を複数枚積算して作成した画像を測長画像と定義する。
　パターン情報を取得する機能を備えた走査電子顕微鏡は、電子顕微鏡部１０１、制御部１０２、表示部１０３から構成されている。電子源１０４から放出された電子線１２０は、集束レンズ１０５、対物レンズ１０７で収束された後に試料台１０９に載置された試料１０８に照射される。電子線は偏向器１０６により、試料上を二次元的に走査される。試料から発生した二次電子や反射電子１３０は、検出器１１０で検出され、データ処理部１１１で信号を輝度変調してフレーム画像に変換し、画像記憶部１１２に格納される。
　画像記憶部１１２に保存されたフレーム画像は、複数枚の経時変化から演算処理部１１３においてパターン情報が取得される。また、パターン情報の取得と同時にデータ処理部１１１において画像記憶部１１２に保存された複数枚のフレーム画像が積算され、測長画像が得られる。
　その後、測長画像にパターン情報が追加され、モニタ１１４に表示する。この際、演算処理部１１３にて測長画像からパターン寸法を算出する。パターン情報は画像に追加しても良いが、測長画像の条件ファイルにテキストデータとして追加しても良い。データ処理部１１１及び演算処理部１１３の機能はＣＰＵにてそれぞれ実行可能であり、前記画像記憶部１１２はＣＰＵに接続されるメモリ部に設けることができる。なお、それぞれを専用ハードで構成してもよい。
　走査電子顕微鏡を用いた計測では、一般に観察視野を複数回走査して得られた測長画像が用いられる。ここでの「計測」とは、例えば半導体ウエハ上に形成されたパターン寸法の算出である。試料を複数回走査して得られた測長画像は、１回だけ走査して得られたフレーム画像に較べてＳ／Ｎ比の良い画像となるため高い測長精度が得られるが、複数回走査している間に試料の形状や帯電分布が変化したとしても、これらのパターンに関する情報は失われて平均化された情報だけが得られている。測長用の走査電子顕微鏡は観察パターンの寸法算出が目的であるため、このような使用方法が用いられているが、今後、寸法計測と同時にパターン情報の入手が必要となるため、本実施例では一般的な走査電子顕微鏡に新たにパターン情報を得る機能を追加している。
　図２は従来の走査電子顕微鏡を用いてパターン寸法を計測する手順を示すフロー図である。以下にこのフロー図について説明する。
　まず、測定条件を設定する（Ｓ２０１）。ここで、測定条件とは加速電圧などの装置条件や測定点の座標、パターンの形状、測長条件などである。次に、ステージを動かして測定点に移動する（Ｓ２０２）。次に、偏向器１０６により電子線の照射位置を微調整して目的のパターンが視野に含まれるように調整する（Ｓ２０３）。もし、ステージ移動精度が十分であればステップＳ２０３は行わなくても良い。
　次に、同一視野においてフレーム画像をＳ２０１で設定した枚数分を連続して取得する（Ｓ２０４、Ｓ２０５）。あらかじめ設定された画像枚数が取得されたら測定を終了するか判定し（Ｓ２０６）、もし他に取得すべきデータがあればＳ２０２に戻り、同じ工程を繰り返す。
　また、前記ステップと同時にＳ２０４、Ｓ２０５で取得されたフレーム画像を積算して測長画像を作成し（Ｓ２０７）、画像記憶部１１２に保存する。この際、フレーム画像は上書きされるため画像記憶部１１２には保存されない。最後に、Ｓ２０７で得られた測長画像を用いてパターンの寸法を算出する（Ｓ２０８）。
　次に、本実施例であるスループットを低下させることなく寸法算出と同時にパターン情報を得ることができる機能を有する走査電子顕微鏡での処理フロー図を図３に示す。寸法算出の工程については図２と同じであり、ここでは新たな機能として加わったパターン情報の取得機能に対応する処理フローについて説明する。Ｓ３０１乃至Ｓ３０４はＳ２０１乃至Ｓ２０４と同じ処理である。Ｓ３０１ではＳ２０１で設定した測定条件に加え、パターン情報を取得する条件を含む。
　まず、Ｓ３０５、Ｓ３０６で取得したフレーム画像を画像記憶部１１２に保存する（Ｓ３０９、３１０）。この際、フレーム画像は画像形式に加えて、動画像形式でも保存を行う（Ｓ３１１）。
　次に、Ｓ３０９、Ｓ３１０で保存したフレーム画像に対して測長値を算出する（Ｓ３１２、３１３）。フレーム画像では測長精度が十分でない場合は、フレーム画像に公知の画像処理を行って鮮明度を向上させる。画像の鮮明度を向上させる画像処理としては、画像フィルタを用いて画像内のエッジを強調する手法などを取ることができるが、画像フィルタに限らず測定精度が向上する手法であればどの手法を適用しても良い。
　最後に、Ｓ３１２、Ｓ３１３で得られたフレーム画像の測長値を用いてパターン情報を取得する（Ｓ３１４）。なお、Ｓ３０９からＳ３１４の処理は、ステージ移動の時間帯等を利用して実行することができる。そのため、これらパターン情報取得の処理が追加されてもパターン寸法計測のスループットの低下はほとんど生じない。
　本実施例ではフレームごとに解析を行ってパターン情報を得ているが、パターン情報を得る画像は測長画像を構成するフレーム枚数より少ないフレーム数で積算した画像や１フレームまたはサブフレームの画像を用いても良い。このようなパターン情報を得るための画像を分別画像と定義する。なお、分別画像形成はデータ処理部で行なわれる。
　本実施例のパターン情報の取得条件を設定するステップＳ３０１について、パターン情報の取得を行う環境設定を行うＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ　Ｕｓｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）の一例を図４に示す。まず、画像観察時に取得するパターン情報を選択する。パターン情報は、形状推定、ゼロシュリンク測定、Ｌｉｎｅ－Ｓｐａｃｅ判定、材料推定が選択可能となっており、複数のパターン情報を同時に得ることも可能となっている。
　また、パターン情報を取得する際に用いた分別画像を保存するか否か選択が可能となっている。保存形式は画像形式と動画像形式が選択でき、動画像形式では画像形式に較べて容量を１／５から１／１０程度まで低減することができる。動画像形式は一般的に高圧縮が可能なＭＰＥＧ４（Ｍｏｖｉｎｇ　Ｐｉｃｔｕｒｅ　Ｅｘｐｅｒｔｓ　Ｇｒｏｕｐ）形式を用いるが、画像解析ソフトとの対応形式に合わせるために他の動画像形式で保存しても良い。また、動画像の圧縮率も選択が可能である。圧縮率は０乃至２５５の８ビットで指定することができ、圧縮率を大きくするほど動画像の容量を低減することができるが、画像情報が減るために得られるデータ精度は低下する。
　動画像形式でのデータ保存はデータ精度を維持しつつ容量を低減することが目的であり、最適な圧縮率は取得するパターン情報に必要なデータ精度によって決まる。例えば、レジストパターンの立体形状の差を調べる手法では二つのパターンにおける測長値の変化量の差を計測することが必要であることから、圧縮率を低く設定してデータ精度を高めなければならない。一方、Ｌｉｎｅ－Ｓｐａｃｅ判定では測長値が増加あるいは減少する特性が判別できれば良いのでデータ容量を低減するために圧縮率は高く設定する。なお、図４に示した各項目は、一画面ではなく複数画面に分けて表示してもよい。
　パターン情報を解析するための分別画像のフレーム数を選択するためのＧＵＩの一例を図５に示す。フレーム数は、サブフレーム、フレーム、複数フレームが選択可能となっており、サブフレームと複数フレームはさらに詳細な設定が可能となっている。フレーム数は目的とするパターン情報に合わせて変更することができ、この変更により高い精度でパターン情報を得ることができる。フレーム数の選択は個々に指定することも可能であるが、パターン情報に応じて自動的に適切な値に設定することも可能である。それぞれのパターン情報に適切な分別画像のフレーム数についてはパターン情報ごとに説明する。
　本実施例の複数枚のフレーム画像を用いてパターン情報を取得するステップＳ３１４について、得られるパターン情報についてそれぞれ説明する。
　図６は二つのパターン形状について得られる測長値を表した図である。走査電子顕微鏡ではこれらのパターンに対して上方から電子線を照射したときに発生する二次電子を用いて画像を作成して寸法計測を行う。図６（ｃ）にＳＥＭ画像の例を示す。
　パターン寸法はパターンのエッジ部分を様々な測長アルゴリズムで検出することで測長値ＣＤとして計測される。したがって、測長値ＣＤはパターンの幅の変化に対する感度は高いが、断面形状の変化に対しては感度が高くない。例えば、図６（ａ）のようなテーパーのないパターンにおいては、ＣＤ１がパターン寸法として計測される。一方、図６（ｂ）のように順テーパーのパターンにおいては、パターン寸法は一般的にパターンの高さの半分に相当する位置間の距離ＣＤ２で計測される。
　ここで計測された寸法ＣＤ２はパターンのトップ幅ＣＤ３やボトム幅ＣＤ４とは異なる。もし、ＣＤ１とＣＤ２が同じ場合、図６の二つのパターンは同じ形状を持つパターンとして認識されてしまう。このような走査電子顕微鏡で得られた測長値が同じであってもパターン形状が異なる現象は、フォトリソグラフィ工程における現像後のレジストパターンの観察時に問題となる。
　現像後の工程は下層のエッチング工程であり、現像後のパターンではレジストパターンのボトム幅が重要となる。図６（ａ）では得られた測長値がそのままパターンのボトム幅に相当するため問題はないが、図６（ｂ）ではボトム幅ＣＤ４は走査電子顕微鏡で得られた測長値ＣＤ２とは異なる。したがって、走査電子顕微鏡を用いたパターン寸法の管理工程において、測長値の算出に加えてレジストパターンの断面形状の差を判別する技術が必要となる。
　図６（ａ）（ｂ）で示した二つのレジストパターンについて、電子線を照射したときに生じるレジストのシュリンク、及びその際に計測されるパターン寸法を図７に示す。電子線１２０は矢印で示しており、電子線１２０の照射によってシュリンクする領域は斜線で表している。まず、図７（ａ）では、電子線１２０はパターンに対して上方から照射されるため、電子線はほぼ上面に照射され側面にはほとんど照射されない。したがって、照射量の大きさからパターンの上面のシュリンク量は大きいが側面のシュリンク量は小さい。このとき、パターン寸法はＣＤ５となり、シュリンク前の測長値ＣＤ１に較べてわずかに小さくなる特性を持つ。
　一方、図７（ｂ）のパターンにおいては上面のシュリンク量は図７（ａ）と電子線１２０の照射量が変わらないために同じであるが、側面は電子線１２０の照射を広い領域にわたって受けるために図７（ａ）に較べてシュリンク量が大きくなり、測長値はＣＤ２からＣＤ６と大きく減少する。
　これら二つのレジストパターンに対して電子線の照射時間を関数とした測長値変化を図８に示す。ここでは、パターン（ａ）とパターン（ｂ）の断面形状が異なるが同じ測長値が得られた場合を仮定している。これらのパターンに対して電子線を照射するとレジストパターンはシュリンクし、前述したようにシュリンクの大きさはパターン（ａ）と（ｂ）で異なり、測長値はパターン（ａ）に較べてパターン（ｂ）が大きく変化する。
　このようにシュリンク量の違いを観察することで、フォトリソグラフィ工程における現像後のレジストパターンに対して、測長値だけでなく断面形状の違いを検出することでパターン管理の精度を向上させることが可能となる。具体的な使用方法としては、本来とは異なる形状となっているパターンを識別することであり、あらかじめ取得していたリファレンスデータからのずれ量、あるいは同種パターンについて取得した結果からのずれ量を設定値と比較することで形状の差を判定する。もし設定値よりずれていた場合にはエラー表示をする。
　このような目的では、シュリンクによる測長値変化曲線の差が二種類のパターンで判別できることが重要である。したがって、フレーム数は測長値の変化が認識できるように細かく分割すること、および測長精度が十分保たれていることが必要であることから、１フレームごとに解析をすることが好ましい。
　また、画像を動画形式で保存することで異なる時間でのパターン情報の取得が可能となる。これにより、プロセスに異常が発見された場合の解析が容易となる、時間を掛けて複数のパターン情報を取得できる、などのメリットを得ることが出来る。逆に、このような解析を行わない場合には分別画像や動画像の保存の必要はなく、最終的に測長に用いる加算画像と取得されたパターン情報のみ保存することで、システムを簡素化できる。
　以上電子線を用いた場合について説明したが、電子線に限らずイオンビームを用いた顕微鏡にも適用することができる。
　以上述べたように、本実施例によれば、測長画像を構成する分別画像を用いてパターン情報を取得することで、パターン寸法計測のスループットを低下させることなく、パターンの材料や立体構造に関する情報が得られる荷電粒子線顕微鏡を提供することができる。特に、測長値の経時変化を求めることによりパターンの断面形状を推定できる。
　第２の実施例について図９、図１０を用いて説明する。なお、実施例１に記載の内容は特段の事情がない限り、本実施例にも適用できる。本実施例ではゼロシュリンク推定について説明する。
　図９に従来手法と比較したシュリンク前の寸法計測方法を示す。図９（ａ）は従来から用いられてきたゼロ回値の算出方法を、図９（ｂ）に本発明の手法を示している。
　まず、図９（ａ）について説明する。まず、観察箇所を複数回走査して得られた測長画像を取得することを複数回行い、それぞれの測長画像で測長値を算出する。横軸に測定回数、縦軸に測長値をプロットする。レジストパターンでは電子線の照射によりシュリンクする特性が見られることから、測定回数(照射時間の経過)とともに測長値は徐々に減少する。次に、測定点に対して近似直線をフィッティングして縦軸との切片をシュリンク前の測長値として算出する。この値をゼロ回値と呼ぶ。
　この手法は高い精度が得られるが、測長画像を複数枚取得する必要があるために計測に時間がかかり、またゼロ回値の精度がフィッティング精度に大きく影響を受ける。さらに、観察した場所は大きくシュリンクするためにパターン寸法の計測後に回路素子として使えなくなるといった課題が生じている。
　次に、本実施例である図９（ｂ）について説明する。ここでは、測長画像を構成する分別画像で測長を行っており、測長結果を図９（ａ）と同様にプロットしている。図９（ａ）ではゼロ回目の値に最も近い条件は１枚目の測長画像の測長値であるが、ここでは１枚目の分別画像の測長値となっており、ゼロ回目の値からのエラーを小さくすることができている。ゼロ回値の大きさは、１枚目の分別画像の測長値を用いるが、分別画像の複数個の測長値に近似曲線をフィッティングして得られた縦軸との切片を用いても良い。
　ここで、分別画像の測長精度は測長画像の測長精度に較べて低下しているので、測長精度を高めるために、測長値の絶対値を測長画像の測長値に合わせても良い。さらに精度を高めるためには、測長画像を二枚取得し、それに対応する分別画像をプロットして絶対値を合わせる手法を用いることができる。したがって分別画像を用いて測長値算出して調べることでゼロ回値の寸法をこれまでより高い精度で算出することが可能となる。
　このような目的では、測長値を細かく調べることが重要であり、フレーム数をなるべく小さくすることが必要であり、１フレームあるいはサブフレームごとに解析をすることが好ましい。
　サブフレームごとに解析する処理フロー図を図１０に示す。Ｓ１００１乃至Ｓ１００８はＳ３０１乃至Ｓ３０８と同じ処理フローとなっている。
　まず、Ｓ１００４、Ｓ１００５で取得したフレーム画像を分割してサブフレーム画像を作成して画像記憶部１１２に保存する（Ｓ１００９、Ｓ１０１０）。次に、サブフレーム画像を動画像形式で保存を行う（Ｓ１０１１）。
　次に、Ｓ１００９、Ｓ１０１０で保存したサブフレーム画像に対して測長値を算出する（Ｓ１０１２、Ｓ１０１３）。サブフレーム画像では測長精度が十分でない場合は、サブフレーム画像に画像処理を行って鮮明度を向上させることが好ましい。画像の鮮明度を向上させる画像処理としては、画像フィルタを用いて画像内のエッジを強調する手法などを取ることができるが、画像フィルタに限らず測定精度が向上する手法であればどの手法を適用しても良い。
　最後に、Ｓ１０１２、Ｓ１０１３で得られたサブフレーム画像の測長値を用いてパターン情報を取得する（Ｓ１０１４）。
　図１１には代表的な走査方法の一つであるインターレス走査を用いた場合のサブフレーム画像の作成方法について説明する。簡単のため、画像の走査ライン数は１６にしている。インターレス走査とは、画像の奇数ラインを上から順番に走査した後に偶数ラインを上から順番に走査して１枚の画像を形成する手法である。ここでは、奇数ライン走査のみで得られる画像と偶数ライン走査のみで得られる画像をそれぞれサブフレーム画像とした。
　図１１（ａ）はフレーム画像であり、図１１（ｂ）は奇数ラインの走査で得られるサブフレーム画像、図１１（ｃ）は偶数ラインの走査で得られるサブフレーム画像である。本実施例ではサブフレーム画像の作成方法として画像の全体像を把握可能でパターンの同定が容易な奇数ライン走査線と偶数ライン走査線に分ける方法を説明したが、画像を上下に分けてサブフレーム画像を作成する方法などもある。
　以上述べたように、本実施例によれば、測長画像を構成する分別画像を用いてパターン情報を取得することで、パターン寸法計測のスループットを低下させることなく、パターンの材料や立体構造に関する情報が得られる荷電粒子線顕微鏡を提供することができる。特に、分別画像の測定回数と測長値との関係からゼロ回値を求めることができる。
　第３の実施例について図１２、図１３を用いて説明する。なお、実施例１に記載の内容は特段の事情がない限り、本実施例にも適用できる。本実施例ではレジストパターンに対してパターンが残しパターン（Ｌｉｎｅパターン）なのか抜き部分（Ｓｐａｃｅパターン）なのか判別するための手法について説明する。
　図１２（ａ）に観察されるパターンの画像例を示す。ここではＬｉｎｅ部分とＳｐａｃｅ部分の濃淡コントラストに差が見られない例を示している。この場合に限らず、濃淡が見られてもどちらが残しパターンと抜き部分か判別できない場合や、観察途中に濃淡コントラストが変化するようなパターンの場合に本手法は適用が可能である。この課題を解決するために、本実施例では隣り合うパターン幅のＣＤ１とＣＤ２の測長値を計測する。
　これらＣＤ１とＣＤ２の測長値の時間変化を観察した結果を図１２（ｂ）に示す。時間経過(フレーム数の増加)とともにＣＤ１は減少し、それに従ってＣＤ２は増加する。レジストは電子線の照射とともにシュリンクする特性を持っていることから、ＣＤ１に相当する部分がレジスト、一方、ＣＤ２に相当する部分が下地と判別することができる。
　得られた結果を図１２（ｃ）に示すようにパターンの上部にＬ（Ｌｉｎｅ）、Ｓ（Ｓｐａｃｅ）と表示する。しかし、パターンに表示しなくても、画像の条件ファイルにどちらのパターンがＬｉｎｅかＳｐａｃｅか書き込んでも良いし、画像に色を塗って表示しても良い。
　このような目的では、二つの測長値ＣＤ１、ＣＤ２が増加するか減少するか判別できれば十分であり、フレーム数を加算して測長精度を高めることが必要なので、４フレーム以上の複数フレーム画像を用いて解析をすることが好ましい。
　複数フレームごとに解析する処理フロー図を図１３に示す。Ｓ１３０１乃至Ｓ１３０８はＳ３０１乃至Ｓ３０８と同じ処理フローとなっている。
　まず、Ｓ１３０４、Ｓ１３０５で取得したフレーム画像を小グループごとにまとめて複数フレーム画像を作成して画像記憶部１１２に保存する（Ｓ１３０９、Ｓ１３１０）。次に、複数フレーム画像を動画像形式で保存を行う（Ｓ１３１１）。次に、Ｓ１３０９、Ｓ１３１０で保存した複数フレーム画像に対して測長値を算出する（Ｓ１３１２、Ｓ１３１３）。
　複数フレーム画像はフレーム画像と較べて高い測長精度が得られるが、画像処理を行ってさらに鮮明度を向上させることでより高い測長精度を得ることが好ましい。画像の鮮明度を向上させる画像処理としては、画像フィルタを用いて画像内のエッジを強調する手法などを取ることができるが、画像フィルタに限らず測定精度が向上する手法であればどの手法を適用しても良い。
　最後に、Ｓ１３１２、Ｓ１３１３で得られた複数フレーム画像の測長値を用いてパターン情報を取得する（Ｓ１３１４）。
　以上述べたように、本実施例によれば、測長画像を構成する分別画像を用いてパターン情報を取得することで、パターン寸法計測のスループットを低下させることなく、パターンの材料や立体構造に関する情報が得られる荷電粒子線顕微鏡を提供することができる。特に、測長値の時間変化からレジストパターンに対する残しパターン（Ｌｉｎｅパターン）なのか抜き部分（Ｓｐａｃｅパターン）なのか判別することができる。
　第４の実施例について図１４、図１５を用いて説明する。なお、実施例１に記載の内容は特段の事情がない限り、本実施例にも適用できる。本実施例ではパターンの材料推定する手法について説明する。
　図１４（ａ）は観察された画像の一例を示している。ここでは代表的な例として、導体と絶縁体が混ざっているようなパターンについてどちらが導体に対応するか調べる方法について説明する。導体と絶縁体の材料は既知であると仮定する。このような目的は、絶縁体である石英基板の上に導体であるクロムがパターニングされているフォトマスクにおいてよく用いられる。
　これら導体と絶縁体が混ざったパターンに対して階調値の時間変化を観察した結果を図１４（ｂ）に示す。階調値の変化は試料表面の帯電状態に大きく影響を受ける。試料の材質によって帯電状態は変わるので、階調値の変化を観察すれば試料の材質を判別することが可能となる。絶縁体では試料表面の帯電は電子線を照射して短い時間で飽和するのに対して、導体では電荷が導体全体に拡散するので帯電は緩やかに進行する。すなわち、階調値は絶縁体では短い時間で急激に変化してその後は停滞するのに対して、導体では緩やかに変化していく特徴が見られる。このような階調値の変化を調べることでパターンのどちらが導体か絶縁体か判別することが可能となる。
　得られた結果は図１４（ｃ）に示すようにパターンの上部にＣ（Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、Ｉ（Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）と表示する。しかし、パターンに表示しなくても、画像の条件ファイルにどちらのパターンが導体か絶縁体か書き込んでも良いし、画像に色を塗って表示しても良い。ここではフォトマスクを仮定して導体か絶縁体か表示していたが、材質ごとに帯電の特性が異なるので、材質ごとの特性を記述したリファレンスをもとに材質を推定して画像の条件ファイルに書き込んでも良い。
　このような目的では、階調値の変化量の差が二つのパターンで判別できることが重要であり、ある程度フレーム数を細かく分割することが必要であり、１フレームあるいはサブフレームごとに解析をすることが好ましい。
　図１５に本実施例における処理フロー図を示す。Ｓ１５０１乃至Ｓ１５１１はＳ３０１乃至Ｓ３１１と同じ処理である。Ｓ１５１２とＳ１５１３では測長値ではなく画像内の各パターンの階調値を算出している。これらの階調値を用いてパターン情報を取得する（Ｓ１５１４）。
　以上述べたように、本実施例によれば、測長画像を構成する分別画像を用いてパターン情報を取得することで、パターン寸法計測のスループットを低下させることなく、パターンの材料や立体構造に関する情報が得られる荷電粒子線顕微鏡を提供することができる。特に、階調値の時間変化からパターンが導体か絶縁体か判別することができる。
　第５の実施例について図１６、図１７を用いて説明する。なお、実施例１に記載の内容は特段の事情がない限り、本実施例にも適用できる。
　図１６は本実施例における走査電子顕微鏡の構成を示す図である。本実施例では走査電子顕微鏡で得られた動画像データを画像処理サーバに転送し、画像処理サーバ内で静止画像に展開してパターン情報の取得を行う。走査電子顕微鏡の制御部１０２の画像記憶部１１２に保存された画像データは動画像形式で画像処理サーバ１６０１の画像記憶部１６０２に転送される。動画像データは画像展開部１６０３において静止画像に展開され、データ処理部１６０４においてパターン情報が取得される。
　図１７に本実施例における処理フロー図を示す。図３では画像取得時と同時に測長を行い、パターン情報の取得を行っていたが、本実施例ではパターン情報の取得は全画像データを走査電子顕微鏡用のサーバに転送してからオフラインで行う。Ｓ１７０１乃至Ｓ１７１１はＳ３０１乃至Ｓ３１１と同じ処理フローである。
　Ｓ１７１１で保存された動画像データは画像処理サーバ１６０１の画像記憶部１６０２に転送される（Ｓ１７１２）。次に、転送された動画像データは画像情報を解析するために静止画像に展開され（Ｓ１７１３）、パターン情報が取得される（Ｓ１７１４）。
　本実施例では実施例１のように画像データを走査電子顕微鏡の制御部で解析してパターン情報を取得するのではなく、画像データを画像処理サーバに転送して解析を行うため、画像データの転送が重要な課題となる。画像データがフレーム画像などの静止画像では容量が大きくデータ転送における負荷がかかるため、静止画像を動画像に変換して容量を圧縮することでデータ転送の負荷を低減することができる。また、パターン情報の取得に内部メモリを消費することはないので、走査電子顕微鏡への負荷も低減することができる。
　以上述べたように、本実施例によれば、測長画像を構成する分別画像を用いてパターン情報を取得することで、パターン寸法計測のスループットを低下させることなく、パターンの材料や立体構造に関する情報が得られる荷電粒子線顕微鏡を提供することができる。また、パターン情報の取得に内部メモリを消費することはないので、荷電粒子線顕微鏡への負荷も低減することができる。
　以上、本願発明を詳細に説明したが、以下に主な発明の形態を列挙する。
（１）試料の観察視野を走査して得られたフレーム画像を複数枚取得し、複数枚のフレーム画像を積算して作成した測長画像を用いて試料上に形成されたパターンの寸法を算出する荷電粒子線顕微鏡において、得られたフレーム画像から形成される、取得したフレーム枚数より少ないフレーム数で積算した画像や１フレーム画像またはサブフレーム画像からなる分別画像を用いてパターンの材料や立体構造に関する情報を作成することを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
（２）前項（１）記載の荷電粒子線顕微鏡において、取得するパターンの材料や立体構造に関する情報に応じて保存する分別画像のフレーム数を選択できることを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
（３）前項（１）記載の荷電粒子線顕微鏡において、前記分別画像を動画圧縮技術を用いて動画像形式で保存することを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
（４）前項（３）記載の荷電粒子線顕微鏡において、取得するパターンの材料や立体構造に関する情報に応じて動画像の圧縮率を選択できることを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
（５）前項（１）記載の荷電粒子線顕微鏡において、荷電粒子線の照射によるレジストのシュリンクの大きさの違いから、レジストパターンの立体構造の差を推定することを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
（６）前項（１）記載の荷電粒子線顕微鏡において、複数フレーム内でのパターン寸法の変化から初期のパターン寸法を算出することを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
（７）前項（１）記載の荷電粒子線顕微鏡において、複数フレーム内での二箇所以上のパターン寸法の変化からレジストパターンの抜き部か残し部かを判定することを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
（８）前項（１）記載の荷電粒子線顕微鏡において、複数フレーム内での階調値の変化から材料を推定することを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
１０１…電子顕微鏡部、１０２…制御部、１０３…表示部、１０４…電子源、１０５…集束レンズ、１０６…偏向器、１０７…対物レンズ、１０８…試料、１０９…試料台、１１０…検出器、１１１…データ処理部、１１２…画像記憶部、１１３…演算処理部、１１４…モニタ、１２０…電子線、１３０…二次電子や反射電子、１６０１…画像処理サーバ、１６０２…画像記憶部、１６０３…画像展開部、１６０４…データ処理部。

Claims (19)

  1. 　荷電粒子源と、試料台と、前記荷電粒子源から放出された荷電粒子の照射に因る前記試料台上に配置される試料からの荷電粒子を検出する検出部と、を有する顕微鏡部と、
      前記検出器からの検出信号のフレーム画像への変換や複数の前記フレーム画像を積算して測長画像とするデータ処理部と、前記フレーム画像を保存する画像記憶部と、前記測長画像から前記試料上に形成されたパターンの寸法を求める演算処理部とを有する制御部と、を備えた荷電粒子線顕微鏡であって、
      前記データ処理部は、前記測長画像を構成するフレーム枚数より少ないフレーム数で積算した複数フレーム画像や１フレーム画像またはサブフレーム画像を分別画像として形成する機能を有することを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
  2. 　請求項１に記載の荷電粒子線顕微鏡において、
      前記分別画像のフレーム数は、取得する前記パターンの材料や立体構造に関する情報に応じて選択されるものであることを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
  3. 　請求項１に記載の荷電粒子線顕微鏡において、
      前記分別画像は、動画圧縮技術を用いて動画像形式で前記画像記憶部に保存されるものであることを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
  4. 　請求項３に記載の荷電粒子線顕微鏡において、
      前記動画像の圧縮率は、取得する前記パターンの材料や立体構造に関する情報に応じて選択されるものであることを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
  5. 　請求項１に記載の荷電粒子線顕微鏡において、
      前記試料上に形成されたパターンはレジストパターンであり、前記レジストパターンの立体構造は、前記分別画像に基づいて得られる前記レジストパターンの測長値と前記荷電粒子の照射時間との関係から推定されるものであることを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
  6. 　請求項１に記載の荷電粒子線顕微鏡において、
      前記試料上に形成されたパターンはレジストパターンであり、前記レジストパターンの前記荷電粒子照射前の寸法は、前記分別画像に基づいて得られる前記レジストパターンの測長値と前記分別画像の測定回数との関係から求められるものであることを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
  7. 　請求項１に記載の荷電粒子線顕微鏡において、
      前記試料上に形成されたパターンはレジストパターンであり、前記レジストパターンの抜き部か残し部かの判定は、前記分別画像に基づいて得られる前記レジストパターンの抜き部と残し部の測長値と前記分別画像のフレーム数との関係を用いて行われるものであることを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
  8. 　請求項１に記載の荷電粒子線顕微鏡において、
      前記試料上に形成されたパターンの材料の推定は、前記分別画像に基づいて得られるパターンの階調値と前記分別画像のフレーム数との関係を用いて行われるものであることを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
  9. 　試料の観察視野を走査して得られたフレーム画像を複数枚取得し、複数枚のフレーム画像を積算して作成した測長画像を用いて試料上に形成されたパターンの寸法を算出する荷電粒子線顕微鏡において、
      得られたフレーム画像から形成される、取得したフレーム枚数より少ないフレーム数で積算した画像や１フレーム画像またはサブフレーム画像からなる分別画像を用いてパターンの材料や立体構造に関する情報を作成することを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
  10. 　請求項９に記載の荷電粒子線顕微鏡において、
      取得するパターンの材料や立体構造に関する情報に応じて保存する分別画像のフレーム数を選択できることを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
  11. 　請求項９に記載の荷電粒子線顕微鏡において、
      前記分別画像を、動画圧縮技術を用いて動画像形式で保存することを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
  12. 　請求項１１に記載の荷電粒子線顕微鏡において、
      取得するパターンの材料や形状に関する情報に応じて動画像の圧縮率を選択できることを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
  13. 　請求項９に記載の荷電粒子線顕微鏡において、
      荷電粒子の照射によるレジストのシュリンクの大きさの違いから、レジストパターンの立体構造の差を推定することを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
  14. 　請求項９に記載の荷電粒子線顕微鏡において、
      複数フレーム内でのパターン寸法の変化から初期のパターン寸法を算出することを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
  15. 　請求項９に記載の荷電粒子線顕微鏡において、
      複数フレーム内での二箇所以上のパターン寸法の変化からレジストパターンの抜き部か残し部かを判定することを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
  16. 　請求項９に記載の荷電粒子線顕微鏡において、
      複数フレーム内での階調値の変化から材料を推定することを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
  17. 　荷電粒子源と、試料台と、前記荷電粒子源から放出された荷電粒子の照射により前記試料台上に配置される試料からの荷電粒子を検出する検出部とを有する顕微鏡部と、
      前記検出部で検出された信号を処理するデータ処理部を有する制御部と、
      前記制御部からの情報を表示するモニタと、を備えた荷電粒子線顕微鏡であって、
      前記モニタは、前記試料上に形成されたパターンのＬｉｎｅ－Ｓｐａｃｅ判定の選択画面を表示するものであることを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
  18. 　請求項１７記載の荷電粒子線顕微鏡において、
      前記モニタは、更に、フレーム数設定画面を表示するものであることを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
  19. 　請求項１７記載の荷電粒子線顕微鏡において、
      前記制御部は、前記検出部で検出された信号に基づく画像の一部を保存する画像記憶部を有する画像処理サーバに接続されていることを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
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