WO2022254698A1 - 試料像観察装置及び方法 - Google Patents

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    • H01L22/12—Measuring as part of the manufacturing process for structural parameters, e.g. thickness, line width, refractive index, temperature, warp, bond strength, defects, optical inspection, electrical measurement of structural dimensions, metallurgic measurement of diffusions

Definitions

  • the present invention relates to a sample image observation apparatus and method, and more particularly to a sample image observation technique that realizes low-damage observation.
  • a scanning electron microscope detects signal electrons generated when a focused probe electron beam irradiates and scans a sample, and the signal intensity at each irradiation position is used as the scanning signal of the irradiated electron beam.
  • a two-dimensional image of the scanned area of the sample surface is obtained by synchronously displaying the images.
  • Patent Document 1 discloses sparse sampling image acquisition and image restoration in SEM.
  • a scanning method that randomly hops along a line is used to sample only neighboring pixels, thereby alleviating the effects of the response delay of the deflector of the primary electron beam.
  • the image quality of the restored image is characterized by a large change depending on the irradiation rate for the entire field of view, which is the observation area.
  • the irradiation ratio is defined as the ratio of the number of pixels irradiated with an electron beam to the number of pixels corresponding to the entire field of view when acquiring a digital image in a certain field of view. That is, in a general scanning image in the SEM, all the pixels in the image are densely irradiated with the electron beam, so an image of 100% of the irradiation area is obtained.
  • the main reason for the change in the restored image quality with respect to the irradiation rate is that the average distance between each irradiation point changes depending on the irradiation rate.
  • Restoration from a sparsely sampled image is synonymous with restoration from spatially thinned-out information, so the actual resolution depends on the average distance between each irradiation point.
  • the image quality required for sample observation in SEM changes depending on the observation magnification and the structure size of the target sample included in the observation field. That is, when observing a specific sample structure, it means that with a single irradiation ratio, observation with a reduced dose can be performed with sufficient image quality only at a limited observation magnification and field of view.
  • the image acquisition conditions such as determining the acceleration voltage appropriate for observation and adjusting the probe current are set first, and then observation is started.
  • observation is started, a series of operations such as searching for a field of view is first performed, followed by detailed observation of a region of interest, and image capturing. During this observation, the observation magnification is frequently changed and the field of view is moved.
  • the electron beam irradiation rate or irradiation pattern is basically not changed during a series of observations. Therefore, when changing the observation conditions such as changing the magnification or moving the field of view, it may become difficult to obtain a reconstructed image with sufficient resolution for observing the structure of the target sample.
  • An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems in specimen image observation technology, and to maintain a constant restored image quality regardless of changes in observation conditions, thereby improving observation throughput and usability.
  • An object of the present invention is to provide a sample image observation apparatus and method for realizing restoration.
  • the present application includes a plurality of means for solving the above problems.
  • One example is to irradiate a part of the observation area of the sample with an electron beam, and restore an image including pixels not irradiated with the electron beam.
  • a storage unit for storing a correlation between the irradiation condition of the electron beam with respect to the observation area of the sample and the observation condition of the sample; and the irradiation condition of the electron beam based on the correlation.
  • a control section for synchronizing observation conditions.
  • a sample image observation method using a sample image observation device for irradiating a part of an observation region of a sample with an electron beam and restoring an image including pixels not irradiated with the electron beam comprising:
  • the specimen image observation apparatus includes: a storage unit for storing a correlation between the irradiation condition of the electron beam for the observation area of the specimen and the observation condition of the specimen; and a controller for synchronizing with the sample image observation method, wherein the irradiation conditions are determined based on the size of the structure of the sample.
  • the restored image quality can be kept constant regardless of changes in observation conditions, and observation throughput and usability can be improved.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a sample image observation device according to a first embodiment
  • FIG. FIG. 2 is a diagram showing a main part of a control system for the sample image observation device according to the first embodiment
  • 4 is a diagram showing an example of the correlation between observation magnification and irradiation ratio according to Example 1.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the correlation between observation magnification and irradiation ratio according to Example 1.
  • FIG. FIG. 4 is a diagram showing an example of the correlation between the irradiation ratio and the restored image resolution according to the first embodiment
  • 4 is a diagram showing an example of a sample observation flow of the sample image observation apparatus according to the first embodiment;
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a sparse sampling and restoration processing flow of the sample image observation apparatus according to the first embodiment
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a sparse sampling and restoration processing flow of the sample image observation apparatus according to the first embodiment
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a scan setting screen of the sample image observation device according to the first embodiment
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of an image restoration adjustment screen of the sample image observation device according to the first embodiment
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a restoration condition adjustment processing flow of the sample image observation device according to the first embodiment
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of a processing flow according to the second embodiment
  • Embodiment 1 is a specimen image observation apparatus that irradiates a part of an observation area of a specimen with an electron beam and restores an image including pixels that are not irradiated with the electron beam.
  • a sample image observation apparatus comprising: a storage unit for storing a correlation between an irradiation position, which is an irradiation condition, and a sample observation condition; and a control unit for synchronizing the electron beam irradiation condition with the observation condition based on the correlation.
  • sample image observation device that irradiates a part of the observation area of the sample with an electron beam and restores an image including pixels not irradiated with the electron beam
  • the sample image observation device is a storage unit for storing the correlation between the electron beam irradiation condition for the observation area of the specimen and the specimen observation condition; and a control unit for synchronizing the electron beam irradiation condition with the observation condition based on the correlation, is an example of a sample image observation method in which determination is made based on the size of the structure of the sample.
  • FIG. 1 shows a configuration example of a sample image observation device according to this embodiment.
  • a probe electron beam which is a primary electron beam emitted from an electron gun 11 installed inside a scanning electron microscope (SEM column) 10
  • SEM column scanning electron microscope
  • the condenser lens 12 and an aperture 13 passes through a scanning deflector 14.
  • the objective lens 16 passes through the objective lens 16 and scans the surface of the sample 19 on the stage 18 .
  • Signal electrons which are secondary electrons generated from the sample 19, are detected by the detector 20, and the detected signal is sent to the control system 22 to restore the image of the surface of the sample 19.
  • the SEM column may include other components such as lenses, electrodes, and detectors in addition to those described above, and is not limited to the configuration described above.
  • FIG. 2 is a diagram showing the main part of the functional configuration of the control system 22, which is the control part of the sample image observation apparatus, according to the first embodiment.
  • the control system may be implemented using, for example, a general-purpose computer, or may be implemented as a function of a program executed on the computer.
  • a computer includes at least a processor such as a CPU (Central Processing Unit), a storage unit such as a memory, and a storage device such as a hard disk.
  • the processing of the control unit may be implemented by storing program codes in a memory and executing each program code by a processor.
  • part of the control unit may be configured by hardware such as a dedicated circuit board.
  • control system 22 is composed of a control device 210, an arithmetic device 220, a drawing device 230, etc., which are connected to a bus 240.
  • the controller 210 comprises a main controller 211 that controls the SEM, a beam controller 212 , a scan controller 213 and a stage controller 214 .
  • the computing device 220 is composed of a route determination unit 221 that determines the irradiation position and route, which are the irradiation conditions of the primary electron beam, a correlation storage unit 222, and a restored image estimation unit 223.
  • the correlation memory stores the correlation between observation conditions for observation areas of 222 samples and irradiation conditions related to sparse sampling of the primary electron beam.
  • the path determination unit 223 determines the irradiation position and path of the electron beam based on the correlation stored in the correlation storage unit. According to this determination, the controller 210 controls the electron beam to obtain a sparsely sampled image.
  • a restored image estimation unit 223 estimates a restored image from the sparsely sampled image by computer processing.
  • the drawing device 230 consists of a restored image output unit 231 and a scanned image output unit 232, and sequentially draws using the restored images estimated by the restored image estimation unit 223.
  • the outputs of the restored image estimation unit 223 and the scanned image output unit 232 are sent to the display unit of the input/output terminal 21 .
  • the correlation stored in the correlation storage unit 222 may be, for example, the correspondence relationship between the observation magnification and the irradiation ratio. Furthermore, it is preferable that the relationship is stored in the correlation storage unit 222 as a dependency relationship combined with the observation sample information.
  • the information of the observed sample is the amount related to the size, positional distribution, and frequency distribution of the characteristic structure of the sample.
  • the structure size means the size of the structure of the sample, for example, the size of the interval between adjacent structures, line width, layer thickness, particle size, and the like. A feature amount obtained by calculation of the minimum value, average value, or statistical variance of these structure sizes, distributions, or a combination of these may be used. In particular, information such as the sample structure feature amount for structures existing within the field of view during imaging is important.
  • the correlations stored in the correlation storage unit 222 are determined in advance based on sample information, for example.
  • the information derived by computer processing after inputting the sample information may be stored again in the correlation storage unit 222 and used.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing an example of the correlation between the observation magnification and the irradiation rate as an example of the correlation stored in the correlation storage unit 222.
  • FIG. 3 In order to suppress changes in restored image quality due to observation magnification, a relationship is used in which the irradiation ratio decreases as the observation magnification increases, and the irradiation ratio increases as the observation magnification decreases. Additionally, this correlation is described in a manner that includes a dependence on the observed sample structure within the field of view. For example, when the structural size of the observation target within the field of view becomes smaller due to sample exchange or field movement, the correlation changes from curve A to curve B in FIG. This enables observation with a restored image quality suitable for the sample.
  • the correlation to be referred to may be a discretized step-like correlation as exemplified by the solid line in FIG. 4 instead of the continuous curve as exemplified in FIG. Further, when determining the irradiation rate by referring to the recorded continuous correlation, it may be used after being discretized with an arbitrary step width.
  • the correlation stored in the correlation storage unit may be the correspondence relationship between the irradiation rate and the restored image resolution.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram showing an example of the correlation between the irradiation ratio and the restored image resolution at a specific observation magnification.
  • the path determination unit 221 sequentially compares the observation magnification and sample information input via the input/output terminal 21 with the correlation, and dynamically determines the irradiation position and path of the electron beam.
  • the sample information may be input by directly inputting the feature amount of the sample structure as a numerical value, or by utilizing the design data of the observation object.
  • an image that serves as a reference may be image-analyzed to extract a feature amount, which may be used as an input.
  • the movement of the irradiation position of the primary electron beam when performing sparse sampling is performed using the scan deflector 14, for example.
  • the scanning deflector 14 may be of a magnetic field type using an electromagnetic coil or an electric field type using electrodes.
  • a deflector for sparse sampling may be used.
  • the blanker 15 may be used during movement between the irradiation points so that the primary electron beam is not irradiated onto the sample. It is possible to reduce specimen damage and suppress detection of signal electrons from positions other than the intended irradiation position.
  • Fig. 6 shows an example of a sample observation flow using the sample image observation device of this embodiment.
  • sample observation is started (S601)
  • the sample is placed on the stage 18 (S602)
  • sample information is input (S603)
  • image acquisition conditions are set (S604).
  • the irradiation conditions such as the irradiation rate of the primary electron beam, the irradiation position, and the movement route are determined (S606).
  • Sparse primary electron beam irradiation is performed according to the determined irradiation conditions (S607), and image restoration processing is executed using detection signals to generate an image (S608).
  • FIG. 7 shows an example of the sparse sampling and restoration processing flow of this embodiment.
  • the sparse sampling and restoration processing is started (S701)
  • the sample information input from the sample information input unit is read (S703). It is read (S704).
  • the observation magnification is set or changed (S706)
  • the correlation between the observation magnification and the irradiation ratio recorded in the correlation recording unit 222 is referred to (S707).
  • An optimal irradiation rate is derived based on the already read sample information from the referenced correlation (S708).
  • the current irradiation ratio and the derived optimum value are compared (S709), and if different from the optimum value (NO), the irradiation ratio is changed (S710).
  • the current irradiation rate is the optimum value (YES)
  • the irradiation rate is not changed.
  • the irradiation position and movement path are determined based on the determined irradiation ratio, sparse primary electron beam irradiation (S711) is performed, an image is generated by image restoration processing (S712) based on the detection signal, and the restored image is sent to the drawing device 230. is drawn (S713).
  • this irradiation ratio change processing be performed immediately and sequentially in conjunction with the change in observation magnification. However, it is not strictly necessary to change the observation magnification at the same time. If so, it may be performed at intervals of the drawing time of the unit block.
  • the concept of compressed sensing may be used for image restoration processing from sparse primary electron beam irradiation.
  • the processing may be processing using a rule-based algorithm, processing using a learning algorithm, or a plurality of combinations thereof.
  • These restoration algorithms may be selected and used, for example, from the viewpoint of processing time and restored image quality.
  • FIG. 8 shows an example of a modification of the flow of sparse sampling and restoration processing by the sample image observation device of this embodiment.
  • the sparse sampling and restoration processing is started (S801), after reading the irradiation conditions (S802), the input sample information is read (S803), and then the preset initial irradiation ratio is read. (S804).
  • Observation is started (S805), and when the observation field of view is set and changed (S806), sample information corresponding to the position of the observation field of view is first referred to from the sample information that has already been read (S807), and the structure of the sample within the field of view is determined. Features are determined. Then, the sample structure feature amount before and after the field of view movement is compared (S808), and if the sample structure feature amount has changed (YES), the correlation between the observation magnification and the irradiation ratio recorded in the correlation recording unit is referenced. (S809). From the referenced correlation, the optimal irradiation ratio is derived based on the specimen structure feature amount after the field of view movement and the current observation magnification (S810). Then, the current irradiation ratio is compared with the derived optimum value (S811), and if different from the optimum value (NO), the irradiation ratio is changed (S812).
  • the irradiation position and movement path are determined by the path determination unit 221 based on the determined irradiation ratio, the primary electron beam is irradiated sparsely based on the determination (S813), and an image is generated by image restoration processing based on the detection signal ( S814), and the restored image is drawn (S815). Moreover, even when the sample structure feature amount in the field of view does not change before and after the field of view movement (S808 No), the irradiation ratio is not changed.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of a scan setting screen of the sample image observation device in this embodiment.
  • the scan setting screen 90 displayed on the display unit of the input/output terminal 20 as shown in FIG.
  • Any sparse, sparse scan to illuminate can be selected.
  • the sparse scan mode it is possible to select a variable mode in which the irradiation rate is dynamically changed and controlled according to changes in observation conditions, and a fixed mode in which a constant value is maintained.
  • FIG. 10 and 11 are diagrams for explaining the restoration condition adjustment processing in this embodiment.
  • FIG. 10 shows an example of the image restoration adjustment screen
  • FIG. 11 shows an example of the restoration condition adjustment processing flow.
  • the image restoration adjustment screen in FIG. 10 it is possible to set observation condition parameters such as irradiation voltage, probe current, frame rate, and imaging magnification. Also, the image restoration adjustment screen can display a sparsely sampled image, its irradiation ratio, and a restored image. Furthermore, a typical sample size can be input as a sample information input section, and can be changed by moving a slider as well as by directly inputting numerical values.
  • the image restoration adjustment screen 100 is displayed on the display unit of the input/output terminal 20 connected to the control system 21 (S1102). , adjustment is started. Then, using the screen, observation conditions are first set (S1103). Then, it is checked whether the sample information is to be automatically input (S1104). If the input is not automatic (NO), the user manually inputs the sample information on the adjustment screen (S1105).
  • the sample information is the amount related to the size, position distribution, and frequency distribution of the characteristic structure of the sample. For example, on the adjustment screen shown in FIG. 10, the typical sample size corresponds to the sample information. Based on the input sample information, parameters are set as the sample structure feature amount (S1109).
  • sample information is to be automatically input (YES)
  • the sample is densely irradiated with an electron beam (S1106), and an image for sample structure estimation is acquired from the detection signal (S1107).
  • the acquired image is computer-processed to calculate the sample structure feature amount (S1108), and the parameters are set (S1109).
  • the sample structure estimation image here may be an image acquired under a single observation condition, or may be a combination of images acquired under a plurality of fields of view or a plurality of observation magnifications.
  • sparse sampling is executed (S1110) and image restoration processing (S1111) is performed based on the set parameters, and the restoration result is drawn (S1112), and restoration condition adjustment processing ends (S1113).
  • the user looks at the rendered restored image and confirms that it has the desired image quality. If further adjustment is required, the parameters are adjusted and this adjustment flow is repeated. At this time, it is desirable that the sparse sampling before restoration and the irradiation ratio are also displayed on the display section of the screen. This enables the user to grasp the state of electron beam irradiation to the sample.
  • Embodiment 2 is an embodiment in which the specimen image observation apparatus described in Embodiment 1 is applied particularly to inspection and measurement of semiconductor circuit patterns.
  • a method Die to Database
  • This embodiment describes how to apply the sparse sampling and restoration processing flow to this Die to Database.
  • FIG. 12 shows an example of the processing flow in this embodiment.
  • a circuit pattern design drawing to be observed is input from the input/output terminal 21 connected to the control system 22 (S1202).
  • the input circuit pattern design drawing is recorded in a circuit pattern recording unit (not shown) attached to the arithmetic device 220 .
  • irradiation conditions such as irradiation voltage, probe current, frame rate and observation magnification are read (S1203).
  • the stage 18 is moved to the coordinates to be observed, and the coordinates after movement are read (S1204).
  • the structure of the observation sample is calculated from the coordinates in the sample image observation device and the design drawing of the semiconductor circuit pattern.
  • the circuit pattern at the coordinates is referred to in the circuit pattern design drawing
  • the pattern size included in the field of view under the irradiation conditions is extracted from the circuit pattern, and the sample structure feature amount is calculated (S1205).
  • the calculated sample structure feature amount is set (S1206)
  • sparse sampling is executed (S1207)
  • image restoration processing is performed, and the restoration result is drawn (S1209).
  • the design drawing of the semiconductor circuit pattern referred to in this embodiment is not limited to the design drawing itself.
  • an arrangement diagram or layout of circuit patterns may be referred to, or a simulated observation image generated based on arrangement/design information of these patterns may be referred to.
  • a sample observation image including the target region of the sample a sample observation image having an equal or higher irradiation ratio may be referred, or a plurality of sample observation images obtained under a plurality of irradiation conditions may be referred to. Also good.

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Abstract

観察条件の変更に関わらず復元像質を一定に保つことにより、観察スループットおよびユーザビリティの改善が可能な疎サンプリング像からの像復元を実現する試料像観察装置及び方法を提供する。試料（１９）の観察領域の一部に対して電子線を照射し、電子線照射のない画素を含む画像を復元処理する試料像観察装置であって、その制御システム（２２）は、試料の観察領域に対する電子線の照射条件と試料の観察条件との相関を記憶する記憶部と、当該相関に基づき、電子線の照射割合を観察条件に同期させる制御部と、試料の試料情報を入力する入力部と、を備えている。

Description

試料像観察装置及び方法
　本発明は、試料像観察装置及び方法に係り、特に低ダメージ観察を実現する試料像観察技術に関する。
　走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：SEM）は、収束させたプローブ電子線を試料上に照射及び走査した際に発生する信号電子を検出し、各照射位置の信号強度を照射電子線の走査信号と同期して表示することで、試料表面の走査領域の２次元画像を得るものである。
　近年、SEM観察対象の生体試料などソフトマテリアルへの広がりや、検査対象である半導体デバイスの微細化に伴いSEM観察時の電子線照射に伴う試料ダメージを低減した観察ニーズが高まっている。これに対しSEMにおいて低ダメージ観察を実現する方法の一つに、圧縮センシング(Compressed Sensing：CS)の概念を応用し、試料の限られた点のみに電子線照射して得られる疎サンプリング像から、計算機処理で元の情報を復元する手法がある。従来の試料の全面を電子線走査する観察法に比べ、結果的に試料に対するドーズ量を削減することが可能となり、全体的なダメージ低減が図れる。
　このような試料像観察技術に関する先行技術文献としては、例えば特許文献１があり、SEMにおける疎サンプリング像取得および像復元について開示している。特に、疎サンプリング像の取得方法としてライン上にランダムホッピングするスキャン手法により、サンプリングを隣接ピクセルのみにすることで1次電子線の偏向器の応答遅れの影響の緩和を図る手段を開示している。
特表２０１９－５２５４０８
　疎サンプリング像からの復元において、復元像の像質、特に空間的な解像度は、観察領域である視野全面に対する照射割合に依存して大きく変化する特徴がある。ここで照射割合とは、ある視野でデジタル画像を取得する際に、視野全面に対応する画素数に対して電子線を照射する画素数の比で定義される。即ち、SEMにおける一般的な走査像においては画像内の全ての画素に密に電子線が照射されているため照射領域100%の画像を取得していることとなる。照射割合に対する復元像質の変化の主な原因は、照射割合によって各照射点間の平均的な距離が変化することによる。疎サンプリング像からの復元は、空間的に間引きされた情報から復元を行っていることと同義であるため、実質的な解像度は各照射点間の平均的な距離に依存する。
　SEMにおける試料観察に必要な像質は、観察倍率や観察視野に含まれる対象試料の構造サイズによって変化する。即ち、特定の試料構造を観察する場合、単一の照射割合では、限定された観察倍率や視野でしか十分な像質のもとでドーズ量を低減した観察が行えないことを意味する。
　一般的にSEM観察においては、まず観察に適切な加速電圧の決定やプローブ電流調整などの画像取得条件設定が行われたのち、観察を開始する。観察が開始されると最初に視野探しを行い、続いて注目領域の詳細観察、そして画像撮影といった一連の操作が連続して行われることが普通である。この観察中には、観察倍率変更や視野移動が頻繁になされる。
　この一連した観察行為の中では、基本的に1次電子線に関わる画像取得条件の変更を行わないシームレスな観察がなされることが求められる。なぜなら、画像取得条件変更を行った場合にはフォーカス調整や非点補正などを逐一行う必要があり、観察スループットやユーザビリティを著しく損なうことになるからである。これらの要求は、前述した疎サンプリング像からの復元を用いた観察方法を用いる際も同様である。
　しかし、例えば特許文献１に開示の技術においては、電子線の照射割合または照射パターンは一連の観察中に基本的に変更されることはない。そのため倍率変更や視野移動などの観察条件の変更時において、対象試料の構造観察に十分な解像度を持った復元像の取得が困難となる場合が発生する。
　本発明の目的は、上述した試料像観察技術における課題を解決し、観察条件の変更に関わらず復元像質を一定に保つことにより、観察スループットおよびユーザビリティの改善が可能な疎サンプリング像からの像復元を実現する試料像観察装置、及び方法を提供することにある。
　上記課題を解決するために、例えば、特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例をあげるならば、試料の観察領域の一部に対して電子線を照射し、電子線照射のない画素を含む画像を復元処理する試料像観察装置であって、前記試料の観察領域に対する前記電子線の照射条件と前記試料の観察条件との相関を記憶する記憶部と、前記相関に基づき、前記電子線の照射条件を前記観察条件に同期させる制御部と、を備える試料像観察装置を提供する。
　また、試料の観察領域の一部に対して電子線を照射し、電子線照射のない画素を含む画像を復元処理する試料像観察装置を使った試料像観察方法であって、
前記試料像観察装置は、前記試料の観察領域に対する前記電子線の照射条件と前記試料の観察条件との相関を記憶する記憶部と、前記相関に基づき、前記電子線の照射条件を前記観察条件に同期させる制御部と、を備え、前記照射条件は、前記試料の構造の大小に基づいて決定する、試料像観察方法を提供する。
　本発明によれば、疎サンプリング像からの復元像を得る試料像観察装置において、観察条件の変更に関わらず復元像質を一定に保つことが可能となり、観察スループットおよびユーザビリティの改善効果が得られる。
　本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
実施例１に係る、試料像観察装置の一構成例を示す図。 実施例１に係る、試料像観察装置の制御システムの要部を示す図。 実施例１に係る、観察倍率と照射割合の相関の一例を示す図。 実施例１に係る、観察倍率と照射割合の相関の一例を示す図。 実施例１に係る、照射割合と復元像分解能の相関の一例を示す図。 実施例１に係る、試料像観察装置の試料観察フローの一例を示す図。 実施例１に係る、試料像観察装置の疎サンプリングおよび復元処理フローの一例を示す図。 実施例１に係る、試料像観察装置の疎サンプリングおよび復元処理フローの一例を示す図。 実施例１に係る、試料像観察装置のスキャン設定画面の一例を示す図。 実施例１に係る、試料像観察装置の像復元調整画面の一例を示す図。 実施例１に係る、試料像観察装置の復元条件調整処理フローの一例を示す図。 実施例２に係る、処理フローの一例を示す図。
　以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。なお、添付図面は本発明の原理に則った具体的な実施例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。なお、実施例および変形例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
　実施例１は、試料の観察領域の一部に対して電子線を照射し、電子線照射のない画素を含む画像を復元処理する試料像観察装置であって、試料の観察領域に対する電子線の照射条件である照射位置と試料の観察条件との相関を記憶する記憶部と、この相関に基づき、電子線の照射条件を観察条件に同期させる制御部と、を備える構成の試料像観察装置、及び試料の観察領域の一部に対して電子線を照射し、電子線照射のない画素を含む画像を復元処理する試料像観察装置を使った試料像観察方法であって、試料像観察装置は、試料の観察領域に対する電子線の照射条件と試料の観察条件との相関を記憶する記憶部と、相関に基づき、電子線の照射条件を観察条件に同期させる制御部と、を備え、照射条件は、試料の構造の大小に基づいて決定する、試料像観察方法の実施例である。
　図１に、本実施例に係る試料像観察装置の一構成例を示す。同図において、走査電子顕微鏡鏡体（SEMカラム）１０の内部に設置された電子銃１１からの１次電子線であるプローブ電子線は、コンデンサレンズ１２、絞り１３を通過し、スキャン偏向器１４で偏向され、対物レンズ１６を通過し、ステージ１８上の試料１９表面を走査する。試料１９から発生した２次電子である信号電子は検出器２０で検出され、その検出信号は制御システム２２に送られ、試料１９の表面の画像が復元される。なお、SEMカラムは、上記した以外にレンズ、電極、検出器などの他の構成要素を含んでもよく、上述した構成に限定されない。
　図２は実施例１に係る、試料像観察装置の制御部である制御システム２２の機能構成の要部を示す図である。制御システムは、例えば、汎用のコンピュータを用いて実現されてもよく、コンピュータ上で実行されるプログラムの機能として実現されてもよい。コンピュータは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサと、メモリなどの記憶部と、ハードディスクなどの記憶装置を少なくとも備える。制御部の処理は、プログラムコードとしてメモリに格納し、プロセッサが各プログラムコードを実行することによって実現されてもよい。なお、制御部の一部が、専用の回路基板などのハードウェアによって構成されてもよい。
　同図に示す通り、制御システム２２は、バス２４０に接続された制御装置２１０、演算装置２２０、描画装置２３０などで構成される。制御装置２１０は、SEMの制御を行う主制御部２１１、ビーム制御部２１２、スキャン制御部２１３、ステージ制御部２１４からなる。
　演算装置２２０は、１次電子線の照射条件である照射位置及び経路を決定する経路決定部２２１、相関記憶部２２２、復元像推定部２２３からなる。相関記憶部は２２２試料の観察領域に対する各観察条件と1次電子線の疎サンプリングに関わる照射条件の相関を記憶している。経路決定部２２３では、相関記憶部の記憶している相関に基づいて、電子線の照射位置及び経路を決定する。この決定に従い制御装置２１０で電子線を制御し、疎サンプリング像を得る。復元像推定部２２３では疎サンプリング像から計算機処理により復元像を推定する。
　描画装置２３０は、復元像出力部２３１、スキャン像出力部２３２からなり、復元像推定部２２３が推定した復元像を使って逐次描画を行う。復元像推定部２２３およびスキャン像出力部２３２の出力は入出力端末２１の表示部に送られる。
　ここで、相関記憶部２２２に格納されている相関は、例えば観察倍率と照射割合の対応関係であってもよい。更に、観察試料の情報と組み合わせた依存関係として相関記憶部２２２に格納されていることが好ましい。この場合の観察試料の情報とは、試料の持つ特徴的な構造のサイズや位置分布や頻度分布に関係した量を用いる。構造サイズとは、試料の構造の大小、例えば、隣り合う構造の間隔、ライン幅、層の厚み、粒子径等の大小を意味する。これら構造サイズや分布の最小値や平均値や統計的分散など、もしくはこれらを組み合わせた演算によって求められる特徴量を用いてもよい。特に、撮像時の視野内に存在する構造に対する試料構造特徴量などの情報が重要となる。
　また、相関記憶部２２２に格納されている相関は、例えば試料情報に基づいてあらかじめ定められたものである。もしくは試料情報入力後に計算機処理によって導出されたものを改めて相関記憶部２２２に格納し用いても良い。
　図３は相関記憶部２２２に格納される相関の一例として観察倍率と照射割合の相関の例を示す概念図である。観察倍率による復元像質変化を抑制するため、観察倍率が高倍率になるに従い照射割合は低くなり、観察倍率が低倍率になるに従い照射割合は高くなるような関係を用いる。加えて、この相関は視野内の観察対象となる試料構造に対する依存性を含む形で記述される。例えば試料交換や視野移動によって視野内の観察対象の構造サイズが小さくなった場合、図３の曲線Aから曲線Bへと相関は変化する。これにより、試料に応じた復元像質での観察が可能となる。
　また、参照される相関は図３に例示するような連続的な曲線ではなく図４に実線で例示するような離散化されたステップ状の相関であっても良い。また、記録されている連続的な相関を参照して照射割合を決定する際に、任意のステップ幅で離散化変換して用いても良い。
　また、相関記憶部に格納されている相関は、照射割合と復元像分解能の対応関係であっても良い。図５はある特定の観察倍率における照射割合と復元像分解能の相関の例を示す概念図である。あらかじめ照射割合における復元像の分解能との相関を導出しておき記憶しておくことで、観察に必要な分解能に対応する照射割合を決定することが可能となる。なお、照射割合と復元像分解能の相関は、例えば照射点の空間分布に関連する統計量から解析的に導出しても良いし、例えば照射割合毎の疎サンプリング像を取得する実験によって得られた実際の復元像から推定してもよい。
　これらの相関は相関記憶部２２２に記憶され、経路決定部２２１より参照される。経路決定部２２１は観察倍率や入出力端末２１を介して入力された試料情報と相関とを逐次照らし合わせ、電子線の照射位置及び経路を動的に決定する。この時試料情報の入力は試料構造の特徴量を直接数値として入力しても良いし、観察対象の設計データを活用しても良い。また、リファレンスとなる画像を画像解析し特徴量を抽出し入力としても良い。
　また、疎サンプリングを行う際の1次電子線の照射位置移動は、例えばスキャン偏向器１４を用いて行われる。このスキャン偏向器１４は電磁コイルを用いた磁場方式でもよいし、電極を用いた電場方式でもよい。また、通常のラスタスキャンに用いられるスキャン偏向器１４とは別に、疎サンプリング用途の偏向器を用いても良い。更に、照射点間の移動時にはブランカ１５を用いて1次電子線が試料に照射されないように制御されても良い。試料ダメージの低減と照射予定位置以外からの信号電子の検出を抑制することが可能となる。
　図６に本実施例の試料像観察装置による試料観察フローの一例を示した。同図において、試料観察が開始されると（Ｓ６０１）、ステージ１８に試料の設置（Ｓ６０２）と、試料情報の入力（Ｓ６０３）、画像取得条件の設定（Ｓ６０４）がなされる。そして、低ドーズ条件か否かのチェック（Ｓ６０５）により、低ドーズ条件の場合（YES）、1次電子線の照射割合、照射位置や移動経路等の照射条件の決定を行う（Ｓ６０６）。決定された照射条件に従って疎な１次電子線照射がなされ（Ｓ６０７）、検出信号による画像復元処理が実行され画像が生成される（Ｓ６０８）。
　一方、低ドーズ条件で無い場合(NO)、密な１次電子線照射がなされ（Ｓ６０９）検出信号により画像生成される。画像取得条件の変更から電子線照射、画像取得（Ｓ６１０）が繰り返され、全データ取得か否かをチェックし（Ｓ６１１）、全データ取得されると（YES）、１次電子線照射が停止され（Ｓ６１２）、試料の取り出し（Ｓ６１３）で、試料観察が終了する（Ｓ６１４）。
　図７に本実施例の疎サンプリングおよび復元処理フローの一例を示した。同図において、疎サンプリングおよび復元処理が開始されると（Ｓ７０１）、照射条件読み込み（Ｓ７０２）後、試料情報の入力部より入力された試料情報が読み込まれ（Ｓ７０３）、続いて初期照射割合が読み込まれる（Ｓ７０４）。観察が開始され（Ｓ７０５）、観察倍率が設定、変更されると（Ｓ７０６）、相関記録部２２２に記録された、観察倍率と照射割合との相関が参照される（Ｓ７０７）。参照された相関からすでに読み込まれた試料情報に基づいて最適な照射割合を導出する（Ｓ７０８）。
　そして現在の照射割合と導出した最適値の比較を行い（Ｓ７０９）、最適値と異なる場合(NO)、照射割合の変更（Ｓ７１０）が行われる。一方で、現在の照射割合が最適値であった場合(YES）、照射割合の変更はなされない。確定した照射割合に基づいて照射位置や移動経路が決定され、疎な１次電子線照射（Ｓ７１１）がなされ、検出信号による画像復元処理（Ｓ７１２）により画像が生成され、復元画像が描画装置２３０により描画される（Ｓ７１３）。
　この照射割合の変更処理は、観察倍率の変更に連動して逐次即座に行われることが望ましい。ただし、厳密に観察倍率変更と同時である必要はなく、例えば画像の描画時間であるフレームレートごとに照射割合が変更されていても良いし、画像描画が画像全体でなくブロック単位で行われるのならば単位ブロックの描画時間の時間間隔で行われても良い。
　また、疎な1次電子線照射からの画像復元処理には例えば圧縮センシングの概念を用いても良い。その場合、ルールベースのアルゴリズムを用いた処理であっても良いし、学習型のアルゴリズムを用いた処理であってもよく、それらの複数の組み合わせであっても良い。これらの復元アルゴリズムは例えば処理時間や復元像質の観点で選択して用いられても良い。
　図８に本実施例の試料像観察装置による疎サンプリングおよび復元処理フローの変形例の一例を示した。同図において、疎サンプリングおよび復元処理が開始されると（Ｓ８０１）、照射条件読み込み（Ｓ８０２）後、入力された試料情報が読み込まれ（Ｓ８０３）、続いてあらかじめ設定された初期照射割合が読み込まれる（Ｓ８０４）。
　観察が開始され（Ｓ８０５）、観察視野が設定、変更されると（Ｓ８０６）、まず既に読み込まれている試料情報から、観察視野位置に対応する試料情報を参照し（Ｓ８０７）視野内の試料構造特徴量が決定される。そして視野移動前後の試料構造特徴量が比較され（Ｓ８０８）、試料構造特徴量が変化している場合(YES)、相関記録部に記録された、観察倍率と照射割合との相関が参照される（Ｓ８０９）。参照された相関から視野移動後の試料構造特徴量と現在の観察倍率に基づいて最適な照射割合を導出する（Ｓ８１０）。そして現在の照射割合と導出した最適値の比較を行い（Ｓ８１１）、最適値と異なる場合(NO)、照射割合の変更（Ｓ８１２）が行われる。
　一方で、現在の照射割合が最適値であった場合(YES）、照射割合の変更はなされない。確定した照射割合に基づいて照射位置や移動経路が経路決定部２２１により決定され、決定に基づいて疎な１次電子線照射がなされ（Ｓ８１３）、検出信号による画像復元処理により画像が生成され（Ｓ８１４）、復元画像が描画される（Ｓ８１５）。また、視野移動前後で視野内の試料構造特徴量が変化しない（Ｓ８０８ No）場合も照射割合の変更はなされない。
　図９は本実施例における試料像観察装置のスキャン設定画面の一例を示す図である。同図に示すように入出力端末２０の表示部に表示されるスキャン設定画面９０を用いて、ユーザはスキャン方法として視野全面を走査する密なスキャンであるラスター、あるいは特定の画素のみに電子線照射する疎なスキャンであるスパースの何れかを選択できる。加えて、スパーススキャンモード時に、照射割合を観察条件変化に伴い動的に変更制御する可変モードと、一定値を保つ固定モードとを選択できる。
　図１０、図１１は本実施例における復元条件調整処理を説明するための図であり、図１０は像復元調整画面の一例を、図１１は復元条件調整処理フローの一例を示している。
　図１０の像復元調整画面においては、観察条件パラメータである照射電圧、プローブ電流、フレームレート、撮像倍率を設定可能である。また、像復元調整画面には、疎サンプリング像とその照射割合、および復元像を表示することができる。更に、試料情報の入力部として典型的試料サイズが入力可能となっており、数値の直接入力だけでなくスライダーを動かすことによって変更可能となっている。
　図１１に示す復元条件調整処理フローにおいて、復元条件調整処理が開始されると（Ｓ１１０１）、制御システム２１に接続された入出力端末２０の表示部に像復元調整画面１００が表示され（Ｓ１１０２）、調整が開始される。そして、画面を使ってまず観察条件設定（Ｓ１１０３）がなされる。そして試料情報を自動で入力するかチェックがなされる（Ｓ１１０４）。自動入力でない場合(NO)、調整画面にユーザが試料情報を手動で入力する（Ｓ１１０５）。ここで試料情報とは試料の持つ特徴的な構造のサイズや位置分布や頻度分布に関係した量を入力する。例えば図１０に示した調整画面においては典型的試料サイズが試料情報に該当する。入力された試料情報に基づき試料構造特徴量としてパラメータ設定される（Ｓ１１０９）。
　一方で、試料情報を自動入力する場合(YES)は、試料に密な電子線照射が行われ（Ｓ１１０６）検出信号から試料構造推定用の画像が取得される（Ｓ１１０７）。そして取得画像の計算機処理により試料構造特徴量が計算され（Ｓ１１０８）、パラメータ設定される（Ｓ１１０９）。ここでの試料構造推定用画像は単一の観察条件で取得された画像であっても良いし、複数の視野や複数の観察倍率で取得した画像を組み合わせて用いても良い。
　そして設定されたパラメータに基づいて疎サンプリング実行（Ｓ１１１０）、画像復元処理（Ｓ１１１１）がなされ復元結果が描画される（Ｓ１１１２）復元条件調整処理が終了する（Ｓ１１１３）。ユーザは、描画された復元像を見て所望の画質であることを確認する。更なる調整が必要であるときはパラメータを調整し本調整フローを繰り返す。このとき、画面の表示部には復元前の疎サンプリングや照射割合が合わせて表示されることが望ましい。これにより試料への電子線照射状態をユーザが把握することが可能となる。
　以上説明した実施例１の試料像観察装置、及び試料像観察方法によれば、観察条件に関わらず観察対象の試料構造に則した像質にて、試料ダメージを抑制した高精度観察、分析が可能となる。
　実施例２は、実施例１に記載の試料像観察装置を特に半導体回路パターンの検査計測に適応する場合の実施例である。半導体回路パターンの検査計測では試料画像と当該画像取得座標における回路パターンの設計図とを参照し、試料像と設計図との差分より半導体回路パターンの欠陥位置を特定する手法（Die to Database）が広く普及している。本実施例ではこのDie to Databaseに疎サンプリングおよび復元処理フローを適応する方法について述べる。
　図１２に本実施例における処理フローの一例を示す。検査を開始（Ｓ１２０１）する際には、制御システム２２に接続された入出力端末２１から観察対象とする回路パターン設計図を入力する（S１２０２）。入力された回路パターン設計図は演算装置２２０に付属する回路パターン記録部（図示せず）に記録される。次に照射電圧、プローブ電流、フレームレート、観察倍率等の照射条件を読み込む（S１２０３）。次に、観察したい座標にステージ１８を移動し、移動後の座標を読み込む（S１２０４）。そして、試料像観察装置内における座標と半導体回路パターンの設計図より観察試料の構造を算出する。
　すなわち、回路パターン設計図において前記座標における回路パターンを参照し、前記照射条件において視野に含まれるパターンサイズを回路パターンから抽出し、試料構造特徴量を計算する（S１２０５）。そして、計算された試料構造特徴量を設定し（Ｓ１２０６）、疎サンプリングを実行（Ｓ１２０７）、画像復元処理（Ｓ１２０８）がなされ復元結果が描画される（Ｓ１２０９）。最後に、描画された復元結果を用いて半導体回路パターンに欠陥部が存在するか否かを判別し（S１２１０）、処理を終了する（S１２１１）。
なお、本実施例において参照される半導体回路パターンの設計図とは、設計図そのもののみに限らない。例えば、回路パターンの配置図やレイアウトを参照しても良いし、これらパターンの配置・設計情報を基に生成された模擬観察像を参照しても良い。また、試料の対象領域が含まれる試料観察像や、同等またはより高い照射割合を有する試料観察像を参照しても良いし、複数の照射条件で取得した複数枚の試料観察像を参照しても良い。
　以上説明した試料像観察装置及び方法によれば、電子線照射時間の短縮と試料像の画質を両立することが可能となる。また本実施例ではDie to Databaseの用途に関して説明したが、本発明はこれに限らず半導体パターンを正確に測る目的で種々の形で適用できる。
　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のより良い理解のために詳細に説明したのであり、必ずしも説明の全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
１０　SEMカラム
１１　電子源
１２　コンデンサレンズ
１３　絞り
１４　スキャン偏向器
１５　ブランカ
１６　対物レンズ
１７　試料室
１８　ステージ
１９　試料
２０　検出器
２１　入出力端末
２２　制御システム
２１０　制御装置
２２０　演算装置
２３０　描画装置
２４０　バス

Claims (15)

  1. 試料の観察領域の一部に対して電子線を照射し、電子線照射のない画素を含む画像を復元処理する試料像観察装置であって、
    前記試料の観察領域に対する前記電子線の照射条件と前記試料の観察条件との相関を記憶する記憶部と、
    前記相関に基づき、前記照射条件を前記観察条件に同期させる制御部と、を備える、
    ことを特徴とする試料像観察装置。
  2. 請求項１に記載の試料像観察装置であって、
    試料情報を入力する入力部を、更に備える、
    ことを特徴とする試料像観察装置。
  3. 請求項２に記載の試料像観察装置であって，
    前記照射条件は、前記試料の構造の大小に基づいて決定する、
    ことを特徴とする試料像観察装置。
  4. 請求項３に記載の試料像観察装置であって、
    前記観察条件は観察倍率である、
    ことを特徴とする試料像観察装置。
  5. 請求項３に記載の試料像観察装置であって、
    前記観察条件は観察視野である、
    ことを特徴とする試料像観察装置。
  6. 請求項４又は５に記載の試料像観察装置であって、
    前記照射条件は、画像中の全画素に対する電子線照射画素の比である照射割合である、
    ことを特徴とする試料像観察装置。
  7. 請求項４又は５に記載の試料像観察装置であって、
    前記照射条件は、画像中の電子線照射画素の移動経路である、
    ことを特徴とする試料像観察装置。
  8. 請求項６又は７に記載の試料像観察装置であって，
    前記電子線の照射割合または照射位置または平均ドーズ量を表示する表示部を、更に備える、
    ことを特徴とする試料像観察装置。
  9. 請求項２に記載の試料像観察装置であって、
    前記試料は半導体回路パターンであり、前記入力部より入力される前記試料情報は、前記半導体回路パターンの設計情報である、
    ことを特徴とする試料像観察装置。
  10. 請求項９に記載の試料像観察装置であって、
    前記試料の前記試料像観察装置内における座標と前記半導体回路パターンの設計情報より前記試料の構造を算出し、前記試料の構造と前記観察条件より前記電子線の照射割合を決定する、
    ことを特徴とする試料像観察装置。
  11. 試料の観察領域の一部に対して電子線を照射し、電子線照射のない画素を含む画像を復元処理する試料像観察装置を使った試料像観察方法であって、
    前記試料像観察装置は、前記試料の観察領域に対する前記電子線の照射条件と前記試料の観察条件との相関を記憶する記憶部と、前記相関に基づき、前記電子線の照射条件を前記観察条件に同期させる制御部と、を備え、
    前記照射条件は、前記試料の構造の大小に基づいて決定する、
    ことを特徴とする試料像観察方法。
  12. 請求項１１に記載の試料像観察方法であって、
    前記観察条件は観察倍率または観察視野である、
    ことを特徴とする試料像観察方法。
  13. 請求項１２に記載の試料像観察方法であって、
    前記照射条件は画像中の全画素に対する電子線照射画素の比である照射割合である、
    ことを特徴とする試料像観察方法。
  14. 請求項１２に記載の試料像観察方法であって、
    前記照射条件は画像中の電子線照射画素の移動経路である、
    ことを特徴とする試料観察方法。
  15. 請求項１２に記載の試料像観察方法であって、
    前記試料像観察装置は表示部を有し、
    前記表示部に前記電子線の照射割合または照射位置または平均ドーズ量を表示する、
    ことを特徴とする試料像観察方法。
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