走査電子顕微鏡装置及びそれを用いた画像取得方法
【課題】電子ビーム装置を用いたパターンの寸法計測または、形状観察において、高スループット化を可能にする。
【解決手段】試料の表面に走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の収束させた電子ビームを照射し走査して試料から発生する二次電子または反射電子を検出して試料のＳＥＭ画像を取得し、取得したＳＥＭ画像を処理して画像取得条件を設定し、設定した画像取得条件に基づいて走査電子顕微鏡で試料のＳＥＭ画像を取得し、設定した画像取得条件に基づいて取得したＳＥＭ画像を処理する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて試料を撮像して得たＳＥＭ画像を処理する走査電子顕微鏡装置及びその画像取得方法において、画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得するときの電子ビームの走査条件と、画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得するときの電子ビームの走査条件を変えてＳＥＭ画像を取得するようにした。
【解決手段】試料の表面に走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の収束させた電子ビームを照射し走査して試料から発生する二次電子または反射電子を検出して試料のＳＥＭ画像を取得し、取得したＳＥＭ画像を処理して画像取得条件を設定し、設定した画像取得条件に基づいて走査電子顕微鏡で試料のＳＥＭ画像を取得し、設定した画像取得条件に基づいて取得したＳＥＭ画像を処理する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて試料を撮像して得たＳＥＭ画像を処理する走査電子顕微鏡装置及びその画像取得方法において、画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得するときの電子ビームの走査条件と、画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得するときの電子ビームの走査条件を変えてＳＥＭ画像を取得するようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細なパターンを有する半導体装置、基板、ホトマスク（露光マスク）、液晶等を計測又は検査又は観察するのに好適な走査電子顕微鏡装置及びそれを用いた画像取得方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路の微細化、高集積化が進む中で、半導体集積回路の製造過程における異常や不良発生を早期に、あるいは事前に検知するため、各製造過程の終了時に半導体ウエア上のパターンを観測し測長及び検査が行われる。これらは電子ビーム技術を用いた走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、以下ＳＥＭと略す）などを用いて検査対象領域の画像情報を取得することで行われる。
【０００３】
半導体集積回路の製造におけるプロセスパターンの寸法管理においても、電子ビーム技術を用いたＳＥＭを半導体専用に特化した測長ＳＥＭ（Critical-Dimension ＳＥＭ、ＣＤ−ＳＥＭと略す）が用いられる。ＣＤ−ＳＥＭはプロセスパターンの観察や、精度の高い寸法測定を行うものである。
【０００４】
また、半導体集積回路の歩留り等のプロセス管理においても、電子ビーム技術を用いたＳＥＭによりチップの素子パターン上の欠陥を検出するために、例えば欠陥検査ＳＥＭ（Defect Review ＳＥＭ、ＤＲ−ＳＥＭ）といった検査装置が使用されている。
【０００５】
これら走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた装置においては、複数の走査ラインに沿って所定の加速電圧で順次電子ビームを照射して、半導体ウエハ上の検査対象領域を走査（スキャン）し、出射される二次電子を検出して検査対象領域の検査を行っているが、近年の半導体ウエハの大口径化と回路パターンの微細化に追随して装置の高スループット化が求められている。高スループット化では、電子ビームを走査（スキャン）するためのスキャン制御の高速化と、取得した画像情報を演算する画像処理の高速化が必須である。
【０００６】
電子ビームを用いて画像取得を行う際の画像サイズは、目的毎にサイズが異なり様々な種類がある。垂直サイズのみで１０種類以上あり、水平サイズとの組み合わせでは１００種類以上となる。これら画像サイズを変更しながら画像取得する場合もあるため、画像サイズを設定する設定時間は、電子ビーム装置の処理時間に影響を与える。
【０００７】
一方、画像取得を行う際には、画像がぼやけるのを防止するために、試料表面上に正確に焦点を合わせたり、正確な測定・検査を行うために画像の明るさやコントラストを調整する必要がある。これら調整には、測定対象に電子ビームを走査して得られた画像を用いて、焦点の評価値や明るさ、コントラスト等の特徴量を算出して調整を行う。
これら特徴量を算出するための電子ビームの走査は、特許文献１のように、特徴量を算出する場合であっても検査・測長時と同様に一定方向へ予め規定された範囲に電子ビーム走査を行い、画像を取得する。このため、通常の画像取得と同じスキャン時間が必要であり、装置の高スループット化に影響する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１４２０３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
試料上に形成されたパターンの寸法を計測したり、パターンの形状を観察するためにＳＥＭ１で画像取得を行う際には、画像がぼやけるのを防止するために、試料表面上に正確に焦点を合わせたり、正確な測定・検査を行うために画像の明るさやコントラストを調整する必要がある。これら調整は、測定対象に電子ビームを照射し走査して得られた画像を用いて、焦点の評価値や明るさ、コントラスト等の特徴量を算出して調整を行う。
これら特徴量を算出するための電子ビームの走査は、特許文献１のように、パターンの寸法を計測したり、パターンの形状を観察するときと同様に一定方向へ予め規定された範囲に電子ビーム走査（ラスタスキャン）を行い、画像を取得する。このため、通常の画像取得と同じスキャン時間が必要であり、パターンの寸法計測または、形状観察時に装置の高スループット化を図る上で障害となる。
【００１０】
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決して、パターンの寸法計測または、形状観察時の高スループット化を可能にする走査電子顕微鏡装置及びそれを用いた画像取得方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するため、スキャン座標の最大及び最小値から取得範囲を算出する手段と、算出した取得範囲から有効データを生成する手段を設ける。また、スキャン座標により入力された画像データの並べ替え手段を設け、スキャン座標に基づいて入力された画像データの並べ替えを行う構成とする。
【００１２】
即ち、上記目的を達成するために、本発明では、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて試料を撮像して得たＳＥＭ画像を処理する装置において、試料の表面に収束させた電子ビームを照射して走査し、試料から発生する二次電子または反射電子を検出して試料のＳＥＭ画像を取得する走査電子顕微鏡手段と、電子ビームの走査条件を制御するスキャン制御手段と、走査電子顕微鏡手段で取得するＳＥＭ画像の画像取得条件を設定する画像取得条件設定手段と、画像取得条件設定手段で設定した条件に基づいて走査電子顕微鏡手段で取得したＳＥＭ画像を処理する画像処理手段を備え、スキャン制御手段は、走査電子顕微鏡手段の電子ビームの走査を制御して、画像取得条件設定手段で画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得するときと、画像処理手段で画像処理するためのＳＥＭ画像を取得するときとで電子ビームの走査条件を変えて取得するようにした。
【００１３】
又、上記目的を達成するために、本発明では、試料の表面に走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の収束させた電子ビームを照射し走査して試料から発生する二次電子または反射電子を検出して試料のＳＥＭ画像を取得し、取得したＳＥＭ画像を処理して画像取得条件を設定し、設定した画像取得条件に基づいて走査電子顕微鏡で試料のＳＥＭ画像を取得し、設定した画像取得条件に基づいて取得したＳＥＭ画像を処理する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて試料を撮像して得たＳＥＭ画像を処理する走査電子顕微鏡装置の画像取得方法において、画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得するときの電子ビームの走査条件と、画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得するときの電子ビームの走査条件を変えてＳＥＭ画像を取得するようにした。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、取得画像の特徴量に必要な画像データのみスキャンして画像処理を行うことで、取得画像の特徴量を高速に算出し、装置の高スループット化を実現することができた。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例に係る電子ビーム装置の概略の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例に係る画像処理システムの最大/最小値算出手段の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例に係る画像処理システムの取得範囲算出、有効データ信号生成手段の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施例に係る画像処理システムのメモリ制御手段の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施例に係るスキャン制御手段の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の実施例に係る座標変換手段の例として（ａ）ルックアップテーブル（ＬＵＴ）による変換のれいと、（ｂ）座標演算による変換の例を示す図である。
【図７】本発明の実施例に係る特徴量算出の例（ｂ）を従来技術による特徴算出の例（ａ）と比較して示した図である。
【図８】本発明の実施例に係る特徴量算出の例における動作概要（ｂ）を従来技術における動作概要（ａ）と比較して示した図である。る。
【図９】本発明の実施例に係る電子ビーム装置の概略の構成を示し、特にＧＵＩ画面を拡大して表示したブロック図である。
【図１０】本発明の実施例に係る処理の流れを示すフロー図である。
【図１１】本発明の実施例に係る特徴量算出及び画像取得の動作概要を従来技術と比較して示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施例を、図を用いて説明する。
本発明に係る画像処理システム及び電子ビーム装置の基本構成を図１を用いて説明する。
図１において、電子ビーム装置は、ＳＥＭ１、画像生成部２、電子ビーム制御部３、画像処理システム９、及び表示部であるディスプレイを有するパーソナルコンテュータ１０（以下、ＰＣを略す）を備えて構成される。画像処理システム９は、ＡＤ変換器４、画像データ並び換え部５、画像処理部６、画像転送部７、スキャン制御部８で構成され、画像データ並び替え部５は、タイミング調整部１１、ブランキング検出部１２、最大／最小値算出部１３、取得範囲算出部１４、有効データ信号生成部１５を備えて構成される。
【００１７】
ＳＥＭ１は、電子ビームを出射する電子銃１０１と、電子銃１０１から出射された電子ビーム１０２の照射位置を制御する走査コイル（偏向電極）１０３と、電子ビーム１０２の照射により試料１００から出射される二次電子１０４を検出する二次電子検出部１０５、試料１００を載置してＸＹ平面内で移動可能なステージ部１０６を備えて構成される。半導体集積回路の製造過程における異常や不良発生を早期に、あるいは事前に検知するため、各製造過程の終了時に電子ビーム装置を使用して半導体集積回路の観測が行われるが、観測方法としては、ＳＥＭ１を用いて複数のラインに沿って電子ビーム１０２を走査（ラスタスキャン）しながら被対象物（試料）１００に照射して試料１００から発生した２次電子１０５または反射電子を二次電子検出部１０５で検出し、画像生成部２を介して。画像処理システム９でスキャン制御部８から電子ビーム制御部３へ出力される偏向電極１０３のスキャン制御信号と同期させて処理して試料１００上の対象領域の画像情報を取得することで行う。
【００１８】
画像情報の取得は、電子ビーム装置にて処理が行われる単位で行う。例えば、ウェハ上に形成された半導体集積回路を観察する場合、一度にウエハ全体の画像を取得することができないため、５１２×５１２等の画像サイズ単位に分割して複数の分割画像を取得する。分割された画像サイズを一つの単位とし、この範囲、即ち対象領域で電子ビームを走査（スキャン）させて画像を取得する。分割された単位の対象領域の基準点が電子銃１０１から出射された電子ビーム１０２の照射範囲に入るようにするための試料１００の位置合せは、ステージ部１０６をＰＣ１０と接続しているステージ制御部１１０により制御されたステージ駆動部１１１で駆動することで行われる。分割画像の画像サイズは、対象となる半導体集積回路の微細化に伴い、５１２×５１２から４０９６×４０９６のサイズへと拡大している。
【００１９】
以下、分割された単位である、一つの分割画像の画像サイズ内で行われる走査（スキャン）について説明する。
【００２０】
まず、スキャン制御部８では、ＳＥＭ１の走査（スキャン）を行うためスキャン座標及びスキャン制御信号を生成する。生成されたスキャン座標及びスキャン制御信号は、電子ビーム制御部３にてディジタル信号からアナログ信号へ変換され、電子ビームの走査を行う。例えば画像サイズが５１２×５１２の場合での通常のスキャンでは、Ｘ及びＹ座標を０とし、Ｘ座標を０から５１１まで順番に生成する。次にＹ座標を１とし、同様にＸ座標を０から５１１まで順番に生成する。これを繰り返してＹ座標が５１１になるまで座標を生成する。このようにＸ及びＹ座標を０から順番に行うスキャンをラスタスキャンと呼ぶ場合がある。
【００２１】
一方、背景技術で前述したように、試料１００上に形成されたパターンの寸法を計測したり、パターンの形状を観察するためにＳＥＭ１で画像取得を行う際には、画像がぼやけるのを防止するために、試料１００の表面上に正確に焦点を合わせたり、正確な測定・検査を行うために画像の明るさやコントラストを調整する必要がある。
【００２２】
これらの調整には、測定対象である試料１００に電子ビーム１０２を走査して得られた画像を用いて、焦点の評価値や明るさ、コントラスト等の特徴量を算出して調整を行う。例えば、画像サイズが５１２×５１２の画像を取得する場合、まず画像取得と同様に５１２×５１２の画像サイズを取得して特徴量を算出し調整を行う。このため、画像の特徴量を算出する場合でも通常の画像取得と同じスキャン時間が必要となる。すなわち、パターンの寸法計測または形状観察することに直接係らない準備作業用のために、パターンの寸法計測や形状観察する場合と同程度の画像取得時間を費やすことになり、パターンの寸法計測や形状観察する場合のスループットを低下させる原因となっている。
【００２３】
そこで、本実施例においては、画像の特徴量を算出する時間を短縮するため、取得画像の特徴量を算出するために必要な画像データのみスキャンし、入力された画像データの並び替えを行って特徴量を算出するようにした。
【００２４】
以下、図１から図８を用いてこれら取得画像の特徴量を算出するためのスキャン方法及び画像データ並び替えについて説明する。
【００２５】
図１に示した画像処理システム９は、任意の画像サイズ、スキャン種類に対応するための画像データ並び替え手段を備えている。
【００２６】
画像処理システム９は、二次電子を検出したＳＥＭ１の二次電子検出部１０５からの出力を受けて画像生成部２で生成した画像信号を入力してＡ/Ｄ変換して画像データを生成するＡ/Ｄ変換部４と、Ａ/Ｄ変換部４で生成した画像のデータを並び替える画像データ並び替え部５と、画像データ並び替え部５で並び替えられた画像を処理する画像処理部６と、処理された画像をＰＣ１０に転送する画像転送部７と、電子ビーム制御部３で偏向電極１０３を駆動して電子ビーム１０２の偏向を制御するためのスキャン制御信号を発生させるスキャン制御部８を備えている。
【００２７】
また、画像データ並び替え部５は、スキャン制御部８からのスキャン制御信号を受けて画像データ並び替え部５の内部のスキャン制御信号を発生するタイミング調整部１１と、タイミング調整部１１からのスキャン制御信号を受けてＳＥＭ１の電子ビーム１０２のブランキングの状態を検出するブランキング検出部１２、タイミング調整部１１からのスキャン制御信号を受けてＳＥＭ１の電子ビーム１０２のスキャン範囲の最大値と最小値とを算出する最大値/最小値算出部１３、最大値/最小値算出部１３からのスキャン範囲の最大値と最小値との情報を受けてＳＥＭ画像の取得範囲を算出する取得範囲算出部１４、ブランキング検出部１２からの電子ビーム１０２のブランキングに関する情報と取得範囲算出部１４で算出したＳＥＭ画像の取得範囲の情報とを用いて有効データ信号生成部１５、Ａ/Ｄ変換部４からの画像データとタイミング調整部１１からのスキャン座標情報と最大値/最小値算出部１３と有効データ信号生成部１５からの信号を受けて処理した画像データを画像メモリ１７に記憶させるメモリ制御部１６を備えている。
【００２８】
画像データ並び替え部５では、まず、スキャン制御部８からのスキャン座標及びスキャン制御信号を入力し、タイミング調整部１１にて、スキャン制御部８から電子ビーム制御部３、ＳＥＭ１、画像生成部２、ＡＤ変換器４を経由して入力される画像データのタイミングを合わせるための調整を行う。次にメモリ制御部１６にて入力された画像データをスキャン座標に対応したアドレスの画像メモリ１７へ格納する。また、最大／最小値算出部１３にて、スキャン座標の最大及び最小値を算出して取得範囲算出部１４へ入力する。取得範囲算出部１４では、スキャン座標の最大及び最小値から入力された画像データを含む画像範囲を算出し、有効データ信号生成部１５にて有効データ信号を生成する。最後に、メモリ制御部１６で、生成された有効データ信号を基に画像メモリ１７から画像データの読み出しを行い、有効データ信号と共に画像処理部６へ画像データを転送する。
【００２９】
以上により、画像データ並び替え部５では、入力された画像データを含む取得範囲をスキャン座標から算出し、有効データ信号と共に画像処理部６へ出力することが可能である。
【００３０】
ここで、電子ビーム１０２をラスタースキャンして画像を取得する通常の画像取得を行う場合には、ＡＤ変換器４からの画像データを直接画像処理部６に入力することも可能である。
【００３１】
図２は、最大／最小値算出部１３の構成を示した図である。最大／最小値算出部１３は、Ｘ座標最大／最小値算出部１８、Ｙ座標最大／最小値算出部１９で構成され、各々の最大／最小値算出部１８及び１９は、比較器２０、セレクタ２１、レジスタ２２で構成される（図２においては、図示を簡略化するために、Ｙ座標最大／最小値算出部１９の内部の構成について記載を省略してあるが、その内部の構成は、Ｘ座標最大／最小値算出部１８に示した構成と同じである）。スキャン制御部８から入力されたスキャン座標情報から、Ｘ座標最大／最小値算出部１８及びＹ座標最大／最小値算出部１９でそれぞれＸ座標及びＹ座標におけるスキャン座標の最大及び最小値を算出し、取得範囲算出部１４へ出力する。
【００３２】
図３は、取得範囲算出部１４及び有効データ信号生成部１５の構成を示した図である。取得範囲算出部１４は、減算器２３、レジスタ２２を備え、有効データ信号生成部１５は、水平（Ｘ）カウンタ２４、垂直（Ｙ）カウンタ２５でを備えて構成される。取得範囲算出部１４では、Ｘ座標最大／最小値算出部１８及びＹ座標最大／最小値算出部１９からのＸ座標及びＹ座標の最大／最小値を入力し、各々最大値から最小値を減算し、その結果をＸ及びＹサイズとしてレジスタ２２に格納する。
【００３３】
有効データ信号生成部１５では、レジスタ２２に格納されたＸサイズ及びＹサイズの値をカウントしたものを有効データ信号としてメモリ制御部１６へ出力する。
【００３４】
図４は、メモリ制御部１６の構成を示した図である。メモリ制御部１６は、ライト制御部２６、固定値を格納するレジスタ２２、リード制御部２７を備えている。ライト制御部２６では、タイミング調整部１１より入力されたスキャン座標をメモリアドレスとして、Ａ/Ｄ変換部４より入力された画像データを画像メモリ１７に格納する制御を行う。このとき、画像メモリ１７には、予めレジスタ２２に設定されている、例えば‘０’等の固定値をライト制御部２６を介して格納しておく。これにより、タイミング調整部１１からのスキャン座標が入力されない画像メモリ１７のメモリアドレスには、レジスタ２２で設定された値が格納される。リード制御部２７は、最大値/最小値算出部１３からの最大／最小値の情報、及び有効データ信号生成部１５からの有効データ信号を基に、画像メモリ１７から画像データを読み出す。
【００３５】
ここで、メモリ制御部１６においては、画像メモリ１７へ画像データを書き込むためのライトクロックと画像メモリ１７から画像データを読み出すためのリードクロックが異なる。これは、画像メモリ１７へ書込みを行う画像データは電子ビーム１０２のスキャンクロックに従って入力されるため、画像メモリ１７への書込み速度はスキャン速度によって決まり、これに対してリードクロックは、画像メモリ１７に画像データが格納された後に読み出しを行うため、スキャン速度に合わせる必要がないためである。電子ビーム制御部３では、電子ビーム１０２のスキャンの制御をアナログ処理で行うためにスキャン速度を上げるには限界があり、電子ビーム１０２のスキャン速度を高速化することは難しい。つまり、読み出し側のクロックはスキャン速度に影響されないためクロック速度をあげることができるが、書込み側のライトクロックはクロック速度を上げることが困難である。本発明では特徴量を算出する場合に、書込み側の画像データの数を低減することでスキャン時間の短縮を図る。
【００３６】
図５は、スキャン制御部８の構成を示した図である。スキャン制御部８は、基本座標を生成する基本座標生成部２８、スキャンの水平方向であるＸ座標を変換するＸ座標変換部３０、スキャンの垂直方向であるＹ座標を変換するＹ座標変換部３１、制御回路２９、出力部３２を備えている。スキャン制御部８では、基本座標生成部２８により生成された基本座標をＸ座標変換部３０及びＹ座標変換部３１により座標変換を行い出力部３２から出力する。以下、図６を用いてスキャン制御部８におけるＸ及びＹ座標の変換について説明する。
【００３７】
図６は、Ｘ及びＹ座標変換の方法について示した図である。図６では、変換方法の例として、（ａ）にＬＵＴ（Ｌｏｏｋ Ｕｐ Ｔａｂｌｅ）による変換方法と、（ｂ）に傾き係数を乗算する方法を示している。（ａ）に示したＬＵＴによる変換方法は、予めＬＵＴ３４に変換する座標を格納しておき、基本座標生成部２８からの基本座標３４１をリードアドレス３４２として、格納されたデータを読み出すことでスキャン座標３４３に座標変換を行う。（ｂ）に示した傾き係数を乗算する方法は、レジスタ２２に予め設定された傾き係数３５１と基本座標３５２を乗算器３５により乗算することでスキャン座標３５３に座標変換を行う。
【００３８】
特徴量を算出するために必要なスキャン座標３４３又は３５３は、画像取得する半導体集積回路のパターンの種類や、観察する倍率等により様々であり、これら条件毎のスキャン座標を予め装置の予備実験またはＣＡＤ等の設計データにより求め、これら求められたスキャン座標を、全体制御を行なうＰＣ１０に条件毎のスキャン座標として格納しておき、測長及び検査時にソフトウエア処理によりスキャン制御部８のメモリまたはレジスタ（図示せず）へ設定することで行う。
図７（ｂ）は、本実施例による特徴量算出の例を示した図である。ここでは、画像サイズを８×８とし、取得画像の明るさ（輝度）の平均値を求める場合の例について説明する。図７（ａ）には比較のために従来のラスタスキャン方式を示す。従来のラスタスキャンではＸ及びＹ座標を０から７までスキャンを行い、６４個の画像データにおける明るさの平均値を求める。これに対し、（ｂ）に示した本実施例によるスキャン方式では、スキャンを斜め方向に間引きスキャンを行い、１５個の画像データにより明るさの平均値を求めている。ここで、取得した画像データ１５個は前述した画像メモリ１７に格納され、最大／最小値算出部１３でスキャン座標よりＸ座標の最小値は２、最大値は５を算出し、Ｘサイズは４となる。同様にＹ座標の最小値は０、最大値は７を算出し、Ｙサイズは８となる。取得範囲算出部１４及び有効データ信号生成部１５では、Ｘサイズ４、Ｙサイズ８を取得範囲とし、画像メモリ１７から４×８＝３２個の範囲で画像データの読み出しを行う。これにより、必要最小限の画像データで特徴量を算出することができる。
【００３９】
図８（ａ）および（ｂ）は、図７（ａ）および（ｂ）で示した特徴量算出の例におけるスキャン時間とスループットの概要を示した図である。 図８（ａ）に示した従来の構成の場合、６４画素の画像データを取得するため、６４個のスキャンクロックが必要となる。また、画像データの有効範囲を示すフレーム信号も同様に６４クロック分となる。これに対し、図８（ｂ）に示した本実施例の場合、１５画素の画像データを取得するための１５個のスキャンクロックでよい。
【００４０】
画像データの取得時間はスキャンクロック周期に画素数をかけたものであるため、図８（ｂ）の場合図８（ａ）の例に比べて、４９個のスキャンクロックの周期の時間を短縮することが可能となる。ここで、本実施例のフレーム信号は取得する画素数分のみであるため、画像処理を行うためには取得範囲を算出する必要があるが、前述した最大／最小値算出部１３及び取得範囲算出部１４にて算出することが可能である。
以上のように、本実施例によれば、取得画像の特徴量に必要な画像データのみスキャンして画像処理を行うことで、取得画像の特徴量を高速に算出することが可能である。
【００４１】
図９は、電子ビーム装置の全体制御を行うＰＣ１０の表示部（ディスプレイ）１３０に表示されるＧＵＩ（グラフィックユーザインタフェース）画面３３の概略を示した図である。本実施例における電子ビーム装置では、特徴量を算出してから画像を取得するまでを一括して行うモード（オートモード）９１０と、特徴量を種類毎に求め、各々算出した特徴量毎に調整を行うモード（マニュアルモード）９２０とを備え、ユーザがこのＧＵＩ画面３３を用い、オートモード９１０またはマニュアルモード９２０により特徴量算出から画像取得を行う。
【００４２】
マニュアルモード９２０においては、複数の特徴量算出を行うモード９３０，９４０を備えており、各々の特徴量算出では、まず、焦点の評価値や明るさ、コントラスト等の特徴量９３１を指定し、次に、特徴量を算出する位置９３２を指定する。更に、スキャンの種別９３３を指定する。この特徴量算出位置９３２は、半導体のウエハの位置の指定やチップの指定、さらにはチップ内のパターンの指定を行う。従来はスキャンの種別９３３を指定することができず、取得画像の特徴量算出する場合でも画像取得と同様のスキャン時間が必要であるため、ウエハ上の数か所のみ特徴量を算出て調整を行っている。
【００４３】
そのため、実際の画像取得位置での特徴量と異なった値で調整され、取得画像による検査・測長の精度が劣化する可能性がある。これに対し、本実施例によれば、取得画像の特徴量に必要な画像データのみスキャンして画像処理を行うことで、取得画像の特徴量を高速に算出できるため、実際の画像取得位置での特徴量を算出することが可能になる。
【００４４】
特徴量算出を行う条件９３０，９４０を設定した後、画像取得ボタン９６０をクリックすると、マニュアルモードでの画像取得が行われる。
【００４５】
図１０は、上記に説明した方法で取得した画像を用いて決定した画像取得条件に基づいて試料のＳＥＭ画像を取得して試料上に形成されたパターンの測長または検査・観察を行う処理のフローを示した図である。
【００４６】
試料のＳＥＭ画像を取得して測長または検査・観察を行う際には、まず、焦点の評価値や明るさ、上記に説明した方法で画像を取得しこの画像を用いてコントラスト等の特徴量を算出（Ｓ１１０、Ｓ１２０）し、これら算出した特徴量を用いてＰＣ１０でＳＥＭ１を制御して電子ビーム１０２の焦点位置や加速エネルギなどのＳＥＭ画像取得条件の調整を行う（Ｓ１３０）。その後、調整した条件に基づいてＳＥＭ画像を取得してこのＳＥＭ画像から試料上に形成されたパターンの測長及び検査を行う（Ｓ１４０）。上記に説明した方法で画像を取得して特徴量を算出するフロー（Ｓ１１０，Ｓ１２０）について、詳細に説明する。Ｓ１１０とＳ１２０とでは，指定する特徴量が異なるだけで、処理のステップは実質的に同じであるので、Ｓ１１０の例について説明する。
Ｓ１１０の特徴量算出（１）では、前述したように、まず、焦点の評価値や明るさ、コントラスト等の特徴量を指定し（Ｓ１１１）、次に、ウエハ位置やチップ位置、パターン指定など特徴量を算出する位置を指定する（Ｓ１１２）、その後、特徴量を算出するために必要なスキャンを行うスキャン種別を指定（Ｓ１１３）、特徴量を算出して、その結果を保存する（Ｓ１１４）。これら算出された特徴量は、Ｓ１３０の明るさ、コントラスト、終点等の調整に使用される。
【００４７】
図１１は、特徴量算出及び画像取得の動作概要を従来の方式と本実施例による方式とで比較して示した図である。画像取得を行う前に、焦点の評価値や明るさ、コントラスト等の特徴量を算出するが、本実施例により、これら特徴量算出の時間を短縮することが可能である。図１１に示した例では、特徴量として（１）と（２）とを算出する例を示したが、更に多くの特徴量を算出して画像取得条件を決める場合には、本実施例による時間短縮の効果がより顕著に現れる。
【００４８】
特徴量の算出時間Ｔは、画像サイズＡ、スキャンクロック周期Ｓ、特徴量を算出するために必要なスキャン数Ｋとすると、以下の式であらわされる。
Ｔ＝Ａ×Ｓ×（Ｋ／Ａ） ・・・(数１)
ここで、Ｋ／Ａは１以下の値であり、従来のスキャン時間に対する短縮時間Ｂは、以下の式であらわされる。
Ｂ＝（Ａ×Ｓ）−（Ａ×Ｓ×（Ｋ／Ａ））
＝（Ａ×Ｓ）×（１−Ｋ／Ａ） ・・・(数２)
以上により、特徴量を算出するための時間は、画像サイズとスキャンクロック周期に比例することがわかる。
【００４９】
例えば、図７及び図８で示した明るさの特徴量算出の例では、画像サイズ６４（８×８）、スキャンクロック周期５０ｎｓ（２０ＭＨｚ）、明るさの特徴量を算出するために必要なスキャン数１５（４×８）となり、特徴量算出時間Ｔは、
Ｔ＝６４×５０ｎｓ×（１５／６４）
＝７５０ｎｓ ・・・(数３)
従来のスキャン時間に対する短縮時間Ｂは、
Ｂ＝６４×５０ｎｓ×（１−１５／６４）
＝２４５０ｎｓ ・・・(数４)
となる。
【００５０】
通常の画像取得は画像サイズ５１２×５１２であり、特徴量を算出するために必要なスキャン数は、特徴量の種類によって様々である。例えばＫ／Ａを０．５〜０．９とした場合、従来のスキャン時間に対する短縮時間Ｂは、
Ｂ(0.5)＝５１２×５１２×５０ｎｓ×（１−０．５）
＝６．５５ｍｓ ・・・(数５)
Ｂ（0.9）＝５１２×５１２×５０ｎｓ×（１−０．９）
＝１．３１ｍｓ ・・・(数６)
となる。特徴量の算出は、画像取得する半導体集積回路のパターンの種類や、観察する倍率等により、数十種類の特徴量を算出する場合があり、その場合、数十ｍｓの時間を短縮することが可能である。
【００５１】
以上により、本発明によれば、取得画像の特徴量に必要な画像データのみスキャンして画像処理を行うことで、取得画像の特徴量を高速に算出することが可能であり、これにより装置の高スループット化が可能となる。
【符号の説明】
【００５２】
１・・・ＳＥＭ ２・・・画像生成部 ３・・・電子ビーム制御部 ４・・・Ａ/Ｄ変換部 ５・・・画像データ並び換え部 ６・・・画像処理部 ７・・・画像転送部 ８・・・スキャン制御部 ９・・・画像処理システム １０・・・ＰＣ
１１・・・タイミング調整部 １２・・・ブランキング検出部 １３・・・最大/最小値検出部 １４・・・取得範囲算出部 １５・・・有効データ信号生成
１６・・・メモリ制御部 １７・・・画像メモリ部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細なパターンを有する半導体装置、基板、ホトマスク（露光マスク）、液晶等を計測又は検査又は観察するのに好適な走査電子顕微鏡装置及びそれを用いた画像取得方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路の微細化、高集積化が進む中で、半導体集積回路の製造過程における異常や不良発生を早期に、あるいは事前に検知するため、各製造過程の終了時に半導体ウエア上のパターンを観測し測長及び検査が行われる。これらは電子ビーム技術を用いた走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、以下ＳＥＭと略す）などを用いて検査対象領域の画像情報を取得することで行われる。
【０００３】
半導体集積回路の製造におけるプロセスパターンの寸法管理においても、電子ビーム技術を用いたＳＥＭを半導体専用に特化した測長ＳＥＭ（Critical-Dimension ＳＥＭ、ＣＤ−ＳＥＭと略す）が用いられる。ＣＤ−ＳＥＭはプロセスパターンの観察や、精度の高い寸法測定を行うものである。
【０００４】
また、半導体集積回路の歩留り等のプロセス管理においても、電子ビーム技術を用いたＳＥＭによりチップの素子パターン上の欠陥を検出するために、例えば欠陥検査ＳＥＭ（Defect Review ＳＥＭ、ＤＲ−ＳＥＭ）といった検査装置が使用されている。
【０００５】
これら走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた装置においては、複数の走査ラインに沿って所定の加速電圧で順次電子ビームを照射して、半導体ウエハ上の検査対象領域を走査（スキャン）し、出射される二次電子を検出して検査対象領域の検査を行っているが、近年の半導体ウエハの大口径化と回路パターンの微細化に追随して装置の高スループット化が求められている。高スループット化では、電子ビームを走査（スキャン）するためのスキャン制御の高速化と、取得した画像情報を演算する画像処理の高速化が必須である。
【０００６】
電子ビームを用いて画像取得を行う際の画像サイズは、目的毎にサイズが異なり様々な種類がある。垂直サイズのみで１０種類以上あり、水平サイズとの組み合わせでは１００種類以上となる。これら画像サイズを変更しながら画像取得する場合もあるため、画像サイズを設定する設定時間は、電子ビーム装置の処理時間に影響を与える。
【０００７】
一方、画像取得を行う際には、画像がぼやけるのを防止するために、試料表面上に正確に焦点を合わせたり、正確な測定・検査を行うために画像の明るさやコントラストを調整する必要がある。これら調整には、測定対象に電子ビームを走査して得られた画像を用いて、焦点の評価値や明るさ、コントラスト等の特徴量を算出して調整を行う。
これら特徴量を算出するための電子ビームの走査は、特許文献１のように、特徴量を算出する場合であっても検査・測長時と同様に一定方向へ予め規定された範囲に電子ビーム走査を行い、画像を取得する。このため、通常の画像取得と同じスキャン時間が必要であり、装置の高スループット化に影響する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１４２０３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
試料上に形成されたパターンの寸法を計測したり、パターンの形状を観察するためにＳＥＭ１で画像取得を行う際には、画像がぼやけるのを防止するために、試料表面上に正確に焦点を合わせたり、正確な測定・検査を行うために画像の明るさやコントラストを調整する必要がある。これら調整は、測定対象に電子ビームを照射し走査して得られた画像を用いて、焦点の評価値や明るさ、コントラスト等の特徴量を算出して調整を行う。
これら特徴量を算出するための電子ビームの走査は、特許文献１のように、パターンの寸法を計測したり、パターンの形状を観察するときと同様に一定方向へ予め規定された範囲に電子ビーム走査（ラスタスキャン）を行い、画像を取得する。このため、通常の画像取得と同じスキャン時間が必要であり、パターンの寸法計測または、形状観察時に装置の高スループット化を図る上で障害となる。
【００１０】
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決して、パターンの寸法計測または、形状観察時の高スループット化を可能にする走査電子顕微鏡装置及びそれを用いた画像取得方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するため、スキャン座標の最大及び最小値から取得範囲を算出する手段と、算出した取得範囲から有効データを生成する手段を設ける。また、スキャン座標により入力された画像データの並べ替え手段を設け、スキャン座標に基づいて入力された画像データの並べ替えを行う構成とする。
【００１２】
即ち、上記目的を達成するために、本発明では、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて試料を撮像して得たＳＥＭ画像を処理する装置において、試料の表面に収束させた電子ビームを照射して走査し、試料から発生する二次電子または反射電子を検出して試料のＳＥＭ画像を取得する走査電子顕微鏡手段と、電子ビームの走査条件を制御するスキャン制御手段と、走査電子顕微鏡手段で取得するＳＥＭ画像の画像取得条件を設定する画像取得条件設定手段と、画像取得条件設定手段で設定した条件に基づいて走査電子顕微鏡手段で取得したＳＥＭ画像を処理する画像処理手段を備え、スキャン制御手段は、走査電子顕微鏡手段の電子ビームの走査を制御して、画像取得条件設定手段で画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得するときと、画像処理手段で画像処理するためのＳＥＭ画像を取得するときとで電子ビームの走査条件を変えて取得するようにした。
【００１３】
又、上記目的を達成するために、本発明では、試料の表面に走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の収束させた電子ビームを照射し走査して試料から発生する二次電子または反射電子を検出して試料のＳＥＭ画像を取得し、取得したＳＥＭ画像を処理して画像取得条件を設定し、設定した画像取得条件に基づいて走査電子顕微鏡で試料のＳＥＭ画像を取得し、設定した画像取得条件に基づいて取得したＳＥＭ画像を処理する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて試料を撮像して得たＳＥＭ画像を処理する走査電子顕微鏡装置の画像取得方法において、画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得するときの電子ビームの走査条件と、画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得するときの電子ビームの走査条件を変えてＳＥＭ画像を取得するようにした。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、取得画像の特徴量に必要な画像データのみスキャンして画像処理を行うことで、取得画像の特徴量を高速に算出し、装置の高スループット化を実現することができた。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例に係る電子ビーム装置の概略の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例に係る画像処理システムの最大/最小値算出手段の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例に係る画像処理システムの取得範囲算出、有効データ信号生成手段の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施例に係る画像処理システムのメモリ制御手段の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施例に係るスキャン制御手段の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の実施例に係る座標変換手段の例として（ａ）ルックアップテーブル（ＬＵＴ）による変換のれいと、（ｂ）座標演算による変換の例を示す図である。
【図７】本発明の実施例に係る特徴量算出の例（ｂ）を従来技術による特徴算出の例（ａ）と比較して示した図である。
【図８】本発明の実施例に係る特徴量算出の例における動作概要（ｂ）を従来技術における動作概要（ａ）と比較して示した図である。る。
【図９】本発明の実施例に係る電子ビーム装置の概略の構成を示し、特にＧＵＩ画面を拡大して表示したブロック図である。
【図１０】本発明の実施例に係る処理の流れを示すフロー図である。
【図１１】本発明の実施例に係る特徴量算出及び画像取得の動作概要を従来技術と比較して示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施例を、図を用いて説明する。
本発明に係る画像処理システム及び電子ビーム装置の基本構成を図１を用いて説明する。
図１において、電子ビーム装置は、ＳＥＭ１、画像生成部２、電子ビーム制御部３、画像処理システム９、及び表示部であるディスプレイを有するパーソナルコンテュータ１０（以下、ＰＣを略す）を備えて構成される。画像処理システム９は、ＡＤ変換器４、画像データ並び換え部５、画像処理部６、画像転送部７、スキャン制御部８で構成され、画像データ並び替え部５は、タイミング調整部１１、ブランキング検出部１２、最大／最小値算出部１３、取得範囲算出部１４、有効データ信号生成部１５を備えて構成される。
【００１７】
ＳＥＭ１は、電子ビームを出射する電子銃１０１と、電子銃１０１から出射された電子ビーム１０２の照射位置を制御する走査コイル（偏向電極）１０３と、電子ビーム１０２の照射により試料１００から出射される二次電子１０４を検出する二次電子検出部１０５、試料１００を載置してＸＹ平面内で移動可能なステージ部１０６を備えて構成される。半導体集積回路の製造過程における異常や不良発生を早期に、あるいは事前に検知するため、各製造過程の終了時に電子ビーム装置を使用して半導体集積回路の観測が行われるが、観測方法としては、ＳＥＭ１を用いて複数のラインに沿って電子ビーム１０２を走査（ラスタスキャン）しながら被対象物（試料）１００に照射して試料１００から発生した２次電子１０５または反射電子を二次電子検出部１０５で検出し、画像生成部２を介して。画像処理システム９でスキャン制御部８から電子ビーム制御部３へ出力される偏向電極１０３のスキャン制御信号と同期させて処理して試料１００上の対象領域の画像情報を取得することで行う。
【００１８】
画像情報の取得は、電子ビーム装置にて処理が行われる単位で行う。例えば、ウェハ上に形成された半導体集積回路を観察する場合、一度にウエハ全体の画像を取得することができないため、５１２×５１２等の画像サイズ単位に分割して複数の分割画像を取得する。分割された画像サイズを一つの単位とし、この範囲、即ち対象領域で電子ビームを走査（スキャン）させて画像を取得する。分割された単位の対象領域の基準点が電子銃１０１から出射された電子ビーム１０２の照射範囲に入るようにするための試料１００の位置合せは、ステージ部１０６をＰＣ１０と接続しているステージ制御部１１０により制御されたステージ駆動部１１１で駆動することで行われる。分割画像の画像サイズは、対象となる半導体集積回路の微細化に伴い、５１２×５１２から４０９６×４０９６のサイズへと拡大している。
【００１９】
以下、分割された単位である、一つの分割画像の画像サイズ内で行われる走査（スキャン）について説明する。
【００２０】
まず、スキャン制御部８では、ＳＥＭ１の走査（スキャン）を行うためスキャン座標及びスキャン制御信号を生成する。生成されたスキャン座標及びスキャン制御信号は、電子ビーム制御部３にてディジタル信号からアナログ信号へ変換され、電子ビームの走査を行う。例えば画像サイズが５１２×５１２の場合での通常のスキャンでは、Ｘ及びＹ座標を０とし、Ｘ座標を０から５１１まで順番に生成する。次にＹ座標を１とし、同様にＸ座標を０から５１１まで順番に生成する。これを繰り返してＹ座標が５１１になるまで座標を生成する。このようにＸ及びＹ座標を０から順番に行うスキャンをラスタスキャンと呼ぶ場合がある。
【００２１】
一方、背景技術で前述したように、試料１００上に形成されたパターンの寸法を計測したり、パターンの形状を観察するためにＳＥＭ１で画像取得を行う際には、画像がぼやけるのを防止するために、試料１００の表面上に正確に焦点を合わせたり、正確な測定・検査を行うために画像の明るさやコントラストを調整する必要がある。
【００２２】
これらの調整には、測定対象である試料１００に電子ビーム１０２を走査して得られた画像を用いて、焦点の評価値や明るさ、コントラスト等の特徴量を算出して調整を行う。例えば、画像サイズが５１２×５１２の画像を取得する場合、まず画像取得と同様に５１２×５１２の画像サイズを取得して特徴量を算出し調整を行う。このため、画像の特徴量を算出する場合でも通常の画像取得と同じスキャン時間が必要となる。すなわち、パターンの寸法計測または形状観察することに直接係らない準備作業用のために、パターンの寸法計測や形状観察する場合と同程度の画像取得時間を費やすことになり、パターンの寸法計測や形状観察する場合のスループットを低下させる原因となっている。
【００２３】
そこで、本実施例においては、画像の特徴量を算出する時間を短縮するため、取得画像の特徴量を算出するために必要な画像データのみスキャンし、入力された画像データの並び替えを行って特徴量を算出するようにした。
【００２４】
以下、図１から図８を用いてこれら取得画像の特徴量を算出するためのスキャン方法及び画像データ並び替えについて説明する。
【００２５】
図１に示した画像処理システム９は、任意の画像サイズ、スキャン種類に対応するための画像データ並び替え手段を備えている。
【００２６】
画像処理システム９は、二次電子を検出したＳＥＭ１の二次電子検出部１０５からの出力を受けて画像生成部２で生成した画像信号を入力してＡ/Ｄ変換して画像データを生成するＡ/Ｄ変換部４と、Ａ/Ｄ変換部４で生成した画像のデータを並び替える画像データ並び替え部５と、画像データ並び替え部５で並び替えられた画像を処理する画像処理部６と、処理された画像をＰＣ１０に転送する画像転送部７と、電子ビーム制御部３で偏向電極１０３を駆動して電子ビーム１０２の偏向を制御するためのスキャン制御信号を発生させるスキャン制御部８を備えている。
【００２７】
また、画像データ並び替え部５は、スキャン制御部８からのスキャン制御信号を受けて画像データ並び替え部５の内部のスキャン制御信号を発生するタイミング調整部１１と、タイミング調整部１１からのスキャン制御信号を受けてＳＥＭ１の電子ビーム１０２のブランキングの状態を検出するブランキング検出部１２、タイミング調整部１１からのスキャン制御信号を受けてＳＥＭ１の電子ビーム１０２のスキャン範囲の最大値と最小値とを算出する最大値/最小値算出部１３、最大値/最小値算出部１３からのスキャン範囲の最大値と最小値との情報を受けてＳＥＭ画像の取得範囲を算出する取得範囲算出部１４、ブランキング検出部１２からの電子ビーム１０２のブランキングに関する情報と取得範囲算出部１４で算出したＳＥＭ画像の取得範囲の情報とを用いて有効データ信号生成部１５、Ａ/Ｄ変換部４からの画像データとタイミング調整部１１からのスキャン座標情報と最大値/最小値算出部１３と有効データ信号生成部１５からの信号を受けて処理した画像データを画像メモリ１７に記憶させるメモリ制御部１６を備えている。
【００２８】
画像データ並び替え部５では、まず、スキャン制御部８からのスキャン座標及びスキャン制御信号を入力し、タイミング調整部１１にて、スキャン制御部８から電子ビーム制御部３、ＳＥＭ１、画像生成部２、ＡＤ変換器４を経由して入力される画像データのタイミングを合わせるための調整を行う。次にメモリ制御部１６にて入力された画像データをスキャン座標に対応したアドレスの画像メモリ１７へ格納する。また、最大／最小値算出部１３にて、スキャン座標の最大及び最小値を算出して取得範囲算出部１４へ入力する。取得範囲算出部１４では、スキャン座標の最大及び最小値から入力された画像データを含む画像範囲を算出し、有効データ信号生成部１５にて有効データ信号を生成する。最後に、メモリ制御部１６で、生成された有効データ信号を基に画像メモリ１７から画像データの読み出しを行い、有効データ信号と共に画像処理部６へ画像データを転送する。
【００２９】
以上により、画像データ並び替え部５では、入力された画像データを含む取得範囲をスキャン座標から算出し、有効データ信号と共に画像処理部６へ出力することが可能である。
【００３０】
ここで、電子ビーム１０２をラスタースキャンして画像を取得する通常の画像取得を行う場合には、ＡＤ変換器４からの画像データを直接画像処理部６に入力することも可能である。
【００３１】
図２は、最大／最小値算出部１３の構成を示した図である。最大／最小値算出部１３は、Ｘ座標最大／最小値算出部１８、Ｙ座標最大／最小値算出部１９で構成され、各々の最大／最小値算出部１８及び１９は、比較器２０、セレクタ２１、レジスタ２２で構成される（図２においては、図示を簡略化するために、Ｙ座標最大／最小値算出部１９の内部の構成について記載を省略してあるが、その内部の構成は、Ｘ座標最大／最小値算出部１８に示した構成と同じである）。スキャン制御部８から入力されたスキャン座標情報から、Ｘ座標最大／最小値算出部１８及びＹ座標最大／最小値算出部１９でそれぞれＸ座標及びＹ座標におけるスキャン座標の最大及び最小値を算出し、取得範囲算出部１４へ出力する。
【００３２】
図３は、取得範囲算出部１４及び有効データ信号生成部１５の構成を示した図である。取得範囲算出部１４は、減算器２３、レジスタ２２を備え、有効データ信号生成部１５は、水平（Ｘ）カウンタ２４、垂直（Ｙ）カウンタ２５でを備えて構成される。取得範囲算出部１４では、Ｘ座標最大／最小値算出部１８及びＹ座標最大／最小値算出部１９からのＸ座標及びＹ座標の最大／最小値を入力し、各々最大値から最小値を減算し、その結果をＸ及びＹサイズとしてレジスタ２２に格納する。
【００３３】
有効データ信号生成部１５では、レジスタ２２に格納されたＸサイズ及びＹサイズの値をカウントしたものを有効データ信号としてメモリ制御部１６へ出力する。
【００３４】
図４は、メモリ制御部１６の構成を示した図である。メモリ制御部１６は、ライト制御部２６、固定値を格納するレジスタ２２、リード制御部２７を備えている。ライト制御部２６では、タイミング調整部１１より入力されたスキャン座標をメモリアドレスとして、Ａ/Ｄ変換部４より入力された画像データを画像メモリ１７に格納する制御を行う。このとき、画像メモリ１７には、予めレジスタ２２に設定されている、例えば‘０’等の固定値をライト制御部２６を介して格納しておく。これにより、タイミング調整部１１からのスキャン座標が入力されない画像メモリ１７のメモリアドレスには、レジスタ２２で設定された値が格納される。リード制御部２７は、最大値/最小値算出部１３からの最大／最小値の情報、及び有効データ信号生成部１５からの有効データ信号を基に、画像メモリ１７から画像データを読み出す。
【００３５】
ここで、メモリ制御部１６においては、画像メモリ１７へ画像データを書き込むためのライトクロックと画像メモリ１７から画像データを読み出すためのリードクロックが異なる。これは、画像メモリ１７へ書込みを行う画像データは電子ビーム１０２のスキャンクロックに従って入力されるため、画像メモリ１７への書込み速度はスキャン速度によって決まり、これに対してリードクロックは、画像メモリ１７に画像データが格納された後に読み出しを行うため、スキャン速度に合わせる必要がないためである。電子ビーム制御部３では、電子ビーム１０２のスキャンの制御をアナログ処理で行うためにスキャン速度を上げるには限界があり、電子ビーム１０２のスキャン速度を高速化することは難しい。つまり、読み出し側のクロックはスキャン速度に影響されないためクロック速度をあげることができるが、書込み側のライトクロックはクロック速度を上げることが困難である。本発明では特徴量を算出する場合に、書込み側の画像データの数を低減することでスキャン時間の短縮を図る。
【００３６】
図５は、スキャン制御部８の構成を示した図である。スキャン制御部８は、基本座標を生成する基本座標生成部２８、スキャンの水平方向であるＸ座標を変換するＸ座標変換部３０、スキャンの垂直方向であるＹ座標を変換するＹ座標変換部３１、制御回路２９、出力部３２を備えている。スキャン制御部８では、基本座標生成部２８により生成された基本座標をＸ座標変換部３０及びＹ座標変換部３１により座標変換を行い出力部３２から出力する。以下、図６を用いてスキャン制御部８におけるＸ及びＹ座標の変換について説明する。
【００３７】
図６は、Ｘ及びＹ座標変換の方法について示した図である。図６では、変換方法の例として、（ａ）にＬＵＴ（Ｌｏｏｋ Ｕｐ Ｔａｂｌｅ）による変換方法と、（ｂ）に傾き係数を乗算する方法を示している。（ａ）に示したＬＵＴによる変換方法は、予めＬＵＴ３４に変換する座標を格納しておき、基本座標生成部２８からの基本座標３４１をリードアドレス３４２として、格納されたデータを読み出すことでスキャン座標３４３に座標変換を行う。（ｂ）に示した傾き係数を乗算する方法は、レジスタ２２に予め設定された傾き係数３５１と基本座標３５２を乗算器３５により乗算することでスキャン座標３５３に座標変換を行う。
【００３８】
特徴量を算出するために必要なスキャン座標３４３又は３５３は、画像取得する半導体集積回路のパターンの種類や、観察する倍率等により様々であり、これら条件毎のスキャン座標を予め装置の予備実験またはＣＡＤ等の設計データにより求め、これら求められたスキャン座標を、全体制御を行なうＰＣ１０に条件毎のスキャン座標として格納しておき、測長及び検査時にソフトウエア処理によりスキャン制御部８のメモリまたはレジスタ（図示せず）へ設定することで行う。
図７（ｂ）は、本実施例による特徴量算出の例を示した図である。ここでは、画像サイズを８×８とし、取得画像の明るさ（輝度）の平均値を求める場合の例について説明する。図７（ａ）には比較のために従来のラスタスキャン方式を示す。従来のラスタスキャンではＸ及びＹ座標を０から７までスキャンを行い、６４個の画像データにおける明るさの平均値を求める。これに対し、（ｂ）に示した本実施例によるスキャン方式では、スキャンを斜め方向に間引きスキャンを行い、１５個の画像データにより明るさの平均値を求めている。ここで、取得した画像データ１５個は前述した画像メモリ１７に格納され、最大／最小値算出部１３でスキャン座標よりＸ座標の最小値は２、最大値は５を算出し、Ｘサイズは４となる。同様にＹ座標の最小値は０、最大値は７を算出し、Ｙサイズは８となる。取得範囲算出部１４及び有効データ信号生成部１５では、Ｘサイズ４、Ｙサイズ８を取得範囲とし、画像メモリ１７から４×８＝３２個の範囲で画像データの読み出しを行う。これにより、必要最小限の画像データで特徴量を算出することができる。
【００３９】
図８（ａ）および（ｂ）は、図７（ａ）および（ｂ）で示した特徴量算出の例におけるスキャン時間とスループットの概要を示した図である。 図８（ａ）に示した従来の構成の場合、６４画素の画像データを取得するため、６４個のスキャンクロックが必要となる。また、画像データの有効範囲を示すフレーム信号も同様に６４クロック分となる。これに対し、図８（ｂ）に示した本実施例の場合、１５画素の画像データを取得するための１５個のスキャンクロックでよい。
【００４０】
画像データの取得時間はスキャンクロック周期に画素数をかけたものであるため、図８（ｂ）の場合図８（ａ）の例に比べて、４９個のスキャンクロックの周期の時間を短縮することが可能となる。ここで、本実施例のフレーム信号は取得する画素数分のみであるため、画像処理を行うためには取得範囲を算出する必要があるが、前述した最大／最小値算出部１３及び取得範囲算出部１４にて算出することが可能である。
以上のように、本実施例によれば、取得画像の特徴量に必要な画像データのみスキャンして画像処理を行うことで、取得画像の特徴量を高速に算出することが可能である。
【００４１】
図９は、電子ビーム装置の全体制御を行うＰＣ１０の表示部（ディスプレイ）１３０に表示されるＧＵＩ（グラフィックユーザインタフェース）画面３３の概略を示した図である。本実施例における電子ビーム装置では、特徴量を算出してから画像を取得するまでを一括して行うモード（オートモード）９１０と、特徴量を種類毎に求め、各々算出した特徴量毎に調整を行うモード（マニュアルモード）９２０とを備え、ユーザがこのＧＵＩ画面３３を用い、オートモード９１０またはマニュアルモード９２０により特徴量算出から画像取得を行う。
【００４２】
マニュアルモード９２０においては、複数の特徴量算出を行うモード９３０，９４０を備えており、各々の特徴量算出では、まず、焦点の評価値や明るさ、コントラスト等の特徴量９３１を指定し、次に、特徴量を算出する位置９３２を指定する。更に、スキャンの種別９３３を指定する。この特徴量算出位置９３２は、半導体のウエハの位置の指定やチップの指定、さらにはチップ内のパターンの指定を行う。従来はスキャンの種別９３３を指定することができず、取得画像の特徴量算出する場合でも画像取得と同様のスキャン時間が必要であるため、ウエハ上の数か所のみ特徴量を算出て調整を行っている。
【００４３】
そのため、実際の画像取得位置での特徴量と異なった値で調整され、取得画像による検査・測長の精度が劣化する可能性がある。これに対し、本実施例によれば、取得画像の特徴量に必要な画像データのみスキャンして画像処理を行うことで、取得画像の特徴量を高速に算出できるため、実際の画像取得位置での特徴量を算出することが可能になる。
【００４４】
特徴量算出を行う条件９３０，９４０を設定した後、画像取得ボタン９６０をクリックすると、マニュアルモードでの画像取得が行われる。
【００４５】
図１０は、上記に説明した方法で取得した画像を用いて決定した画像取得条件に基づいて試料のＳＥＭ画像を取得して試料上に形成されたパターンの測長または検査・観察を行う処理のフローを示した図である。
【００４６】
試料のＳＥＭ画像を取得して測長または検査・観察を行う際には、まず、焦点の評価値や明るさ、上記に説明した方法で画像を取得しこの画像を用いてコントラスト等の特徴量を算出（Ｓ１１０、Ｓ１２０）し、これら算出した特徴量を用いてＰＣ１０でＳＥＭ１を制御して電子ビーム１０２の焦点位置や加速エネルギなどのＳＥＭ画像取得条件の調整を行う（Ｓ１３０）。その後、調整した条件に基づいてＳＥＭ画像を取得してこのＳＥＭ画像から試料上に形成されたパターンの測長及び検査を行う（Ｓ１４０）。上記に説明した方法で画像を取得して特徴量を算出するフロー（Ｓ１１０，Ｓ１２０）について、詳細に説明する。Ｓ１１０とＳ１２０とでは，指定する特徴量が異なるだけで、処理のステップは実質的に同じであるので、Ｓ１１０の例について説明する。
Ｓ１１０の特徴量算出（１）では、前述したように、まず、焦点の評価値や明るさ、コントラスト等の特徴量を指定し（Ｓ１１１）、次に、ウエハ位置やチップ位置、パターン指定など特徴量を算出する位置を指定する（Ｓ１１２）、その後、特徴量を算出するために必要なスキャンを行うスキャン種別を指定（Ｓ１１３）、特徴量を算出して、その結果を保存する（Ｓ１１４）。これら算出された特徴量は、Ｓ１３０の明るさ、コントラスト、終点等の調整に使用される。
【００４７】
図１１は、特徴量算出及び画像取得の動作概要を従来の方式と本実施例による方式とで比較して示した図である。画像取得を行う前に、焦点の評価値や明るさ、コントラスト等の特徴量を算出するが、本実施例により、これら特徴量算出の時間を短縮することが可能である。図１１に示した例では、特徴量として（１）と（２）とを算出する例を示したが、更に多くの特徴量を算出して画像取得条件を決める場合には、本実施例による時間短縮の効果がより顕著に現れる。
【００４８】
特徴量の算出時間Ｔは、画像サイズＡ、スキャンクロック周期Ｓ、特徴量を算出するために必要なスキャン数Ｋとすると、以下の式であらわされる。
Ｔ＝Ａ×Ｓ×（Ｋ／Ａ） ・・・(数１)
ここで、Ｋ／Ａは１以下の値であり、従来のスキャン時間に対する短縮時間Ｂは、以下の式であらわされる。
Ｂ＝（Ａ×Ｓ）−（Ａ×Ｓ×（Ｋ／Ａ））
＝（Ａ×Ｓ）×（１−Ｋ／Ａ） ・・・(数２)
以上により、特徴量を算出するための時間は、画像サイズとスキャンクロック周期に比例することがわかる。
【００４９】
例えば、図７及び図８で示した明るさの特徴量算出の例では、画像サイズ６４（８×８）、スキャンクロック周期５０ｎｓ（２０ＭＨｚ）、明るさの特徴量を算出するために必要なスキャン数１５（４×８）となり、特徴量算出時間Ｔは、
Ｔ＝６４×５０ｎｓ×（１５／６４）
＝７５０ｎｓ ・・・(数３)
従来のスキャン時間に対する短縮時間Ｂは、
Ｂ＝６４×５０ｎｓ×（１−１５／６４）
＝２４５０ｎｓ ・・・(数４)
となる。
【００５０】
通常の画像取得は画像サイズ５１２×５１２であり、特徴量を算出するために必要なスキャン数は、特徴量の種類によって様々である。例えばＫ／Ａを０．５〜０．９とした場合、従来のスキャン時間に対する短縮時間Ｂは、
Ｂ(0.5)＝５１２×５１２×５０ｎｓ×（１−０．５）
＝６．５５ｍｓ ・・・(数５)
Ｂ（0.9）＝５１２×５１２×５０ｎｓ×（１−０．９）
＝１．３１ｍｓ ・・・(数６)
となる。特徴量の算出は、画像取得する半導体集積回路のパターンの種類や、観察する倍率等により、数十種類の特徴量を算出する場合があり、その場合、数十ｍｓの時間を短縮することが可能である。
【００５１】
以上により、本発明によれば、取得画像の特徴量に必要な画像データのみスキャンして画像処理を行うことで、取得画像の特徴量を高速に算出することが可能であり、これにより装置の高スループット化が可能となる。
【符号の説明】
【００５２】
１・・・ＳＥＭ ２・・・画像生成部 ３・・・電子ビーム制御部 ４・・・Ａ/Ｄ変換部 ５・・・画像データ並び換え部 ６・・・画像処理部 ７・・・画像転送部 ８・・・スキャン制御部 ９・・・画像処理システム １０・・・ＰＣ
１１・・・タイミング調整部 １２・・・ブランキング検出部 １３・・・最大/最小値検出部 １４・・・取得範囲算出部 １５・・・有効データ信号生成
１６・・・メモリ制御部 １７・・・画像メモリ部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて試料を撮像して得たＳＥＭ画像を処理する装置であって、
試料の表面に収束させた電子ビームを照射して走査し、前記試料から発生する二次電子または反射電子を検出して前記試料のＳＥＭ画像を取得する走査電子顕微鏡手段と、
前記電子ビームの走査条件を制御するスキャン制御手段と、
該走査電子顕微鏡手段で取得するＳＥＭ画像の画像取得条件を設定する画像取得条件設定手段と、
該画像取得条件設定手段で設定した条件に基づいて前記走査電子顕微鏡手段で取得したＳＥＭ画像を処理する画像処理手段を備え、
前記スキャン制御手段は、前記走査電子顕微鏡手段の前記電子ビームの走査を制御して、前記画像取得条件設定手段で画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得するときと、前記画像処理手段で画像処理するためのＳＥＭ画像を取得するときとで前記電子ビームの走査条件を変えて取得することを特徴とする走査電子顕微鏡装置。
【請求項２】
前記スキャン制御手段は、前記走査電子顕微鏡手段の前記電子ビームの走査を制御して、前記画像取得条件設定手段で画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得するときの前記電子ビームの走査回数を、前記画像処理手段で画像処理するためのＳＥＭ画像を取得するときの前記電子ビームの走査回数よりも少ない回数でＳＥＭ画像を取得することを特徴とする請求項１記載の走査電子顕微鏡装置。
【請求項３】
前記画像取得条件設定手段で画像取得条件を設定するために取得したＳＥＭ画像の画像データを並び替える画像データ並び替え手段を更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の走査電子顕微鏡装置。
【請求項４】
前記画像取得条件設定手段は、前記データ並び替え手段で並び替えたＳＥＭ画像を用いて画像取得条件を設定することを特徴とする請求項３記載の走査電子顕微鏡装置。
【請求項５】
前記画像処理手段は、前記ＳＥＭ画像を処理して前記試料上の形成されたパターンの寸法の計測、または前記パターンの検査、または前記パターンの観察のいずれかを行うことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の走査電子顕微鏡装置。
【請求項６】
前記走査電子顕微鏡手段は、画像処理手段で処理するために取得するＳＥＭ画像の取得時間よりも短い時間で前記画像取得条件設定手段で画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の走査電子顕微鏡装置。
【請求項７】
試料の表面に走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の収束させた電子ビームを照射し走査して前記試料から発生する二次電子または反射電子を検出して前記試料のＳＥＭ画像を取得し、
該取得したＳＥＭ画像を処理して画像取得条件を設定し、
該設定した画像取得条件に基づいて前記走査電子顕微鏡で前記試料のＳＥＭ画像を取得し、
該設定した画像取得条件に基づいて取得したＳＥＭ画像を処理する
走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて試料を撮像して得たＳＥＭ画像を処理する方法であって、
前記画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得するときの前記電子ビームの走査条件と、前記画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得するときの前記電子ビームの走査条件を変えて前記ＳＥＭ画像を取得することを特徴とする走査電子顕微鏡装置の画像取得方法。
【請求項８】
前記画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得するときの前記電子ビームの走査回数を、前記画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得するときの前記電子ビームの走査回数よりも少なくして前記ＳＥＭ画像を取得することを特徴とする請求項７記載の走査電子顕微鏡装置の画像取得方法。
【請求項９】
前記画像取得条件を設定するために取得したＳＥＭ画像データを並び替え、該並び替えた画像データを用いて前記画像取得条件を設定することを特徴とする請求項７または８に記載の走査電子顕微鏡装置の画像取得方法。
【請求項１０】
前記設定した画像取得条件に基づいて取得したＳＥＭ画像を処理することが、前記試料上の形成されたパターンの寸法の計測、または前記パターンの検査、または前記パターンの観察のいずれかであることを特徴とする請求項７乃至９の何れかに記載の走査電子顕微鏡装置の画像取得方法。
【請求項１１】
前記設定した画像取得条件に基づいて取得するＳＥＭ画像の取得時間よりも短い時間で前記画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得することを特徴とする請求項７乃至１０の何れかに記載の走査電子顕微鏡装置の画像取得方法。
【請求項１】
走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて試料を撮像して得たＳＥＭ画像を処理する装置であって、
試料の表面に収束させた電子ビームを照射して走査し、前記試料から発生する二次電子または反射電子を検出して前記試料のＳＥＭ画像を取得する走査電子顕微鏡手段と、
前記電子ビームの走査条件を制御するスキャン制御手段と、
該走査電子顕微鏡手段で取得するＳＥＭ画像の画像取得条件を設定する画像取得条件設定手段と、
該画像取得条件設定手段で設定した条件に基づいて前記走査電子顕微鏡手段で取得したＳＥＭ画像を処理する画像処理手段を備え、
前記スキャン制御手段は、前記走査電子顕微鏡手段の前記電子ビームの走査を制御して、前記画像取得条件設定手段で画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得するときと、前記画像処理手段で画像処理するためのＳＥＭ画像を取得するときとで前記電子ビームの走査条件を変えて取得することを特徴とする走査電子顕微鏡装置。
【請求項２】
前記スキャン制御手段は、前記走査電子顕微鏡手段の前記電子ビームの走査を制御して、前記画像取得条件設定手段で画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得するときの前記電子ビームの走査回数を、前記画像処理手段で画像処理するためのＳＥＭ画像を取得するときの前記電子ビームの走査回数よりも少ない回数でＳＥＭ画像を取得することを特徴とする請求項１記載の走査電子顕微鏡装置。
【請求項３】
前記画像取得条件設定手段で画像取得条件を設定するために取得したＳＥＭ画像の画像データを並び替える画像データ並び替え手段を更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の走査電子顕微鏡装置。
【請求項４】
前記画像取得条件設定手段は、前記データ並び替え手段で並び替えたＳＥＭ画像を用いて画像取得条件を設定することを特徴とする請求項３記載の走査電子顕微鏡装置。
【請求項５】
前記画像処理手段は、前記ＳＥＭ画像を処理して前記試料上の形成されたパターンの寸法の計測、または前記パターンの検査、または前記パターンの観察のいずれかを行うことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の走査電子顕微鏡装置。
【請求項６】
前記走査電子顕微鏡手段は、画像処理手段で処理するために取得するＳＥＭ画像の取得時間よりも短い時間で前記画像取得条件設定手段で画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の走査電子顕微鏡装置。
【請求項７】
試料の表面に走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の収束させた電子ビームを照射し走査して前記試料から発生する二次電子または反射電子を検出して前記試料のＳＥＭ画像を取得し、
該取得したＳＥＭ画像を処理して画像取得条件を設定し、
該設定した画像取得条件に基づいて前記走査電子顕微鏡で前記試料のＳＥＭ画像を取得し、
該設定した画像取得条件に基づいて取得したＳＥＭ画像を処理する
走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて試料を撮像して得たＳＥＭ画像を処理する方法であって、
前記画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得するときの前記電子ビームの走査条件と、前記画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得するときの前記電子ビームの走査条件を変えて前記ＳＥＭ画像を取得することを特徴とする走査電子顕微鏡装置の画像取得方法。
【請求項８】
前記画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得するときの前記電子ビームの走査回数を、前記画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得するときの前記電子ビームの走査回数よりも少なくして前記ＳＥＭ画像を取得することを特徴とする請求項７記載の走査電子顕微鏡装置の画像取得方法。
【請求項９】
前記画像取得条件を設定するために取得したＳＥＭ画像データを並び替え、該並び替えた画像データを用いて前記画像取得条件を設定することを特徴とする請求項７または８に記載の走査電子顕微鏡装置の画像取得方法。
【請求項１０】
前記設定した画像取得条件に基づいて取得したＳＥＭ画像を処理することが、前記試料上の形成されたパターンの寸法の計測、または前記パターンの検査、または前記パターンの観察のいずれかであることを特徴とする請求項７乃至９の何れかに記載の走査電子顕微鏡装置の画像取得方法。
【請求項１１】
前記設定した画像取得条件に基づいて取得するＳＥＭ画像の取得時間よりも短い時間で前記画像取得条件を設定するためのＳＥＭ画像を取得することを特徴とする請求項７乃至１０の何れかに記載の走査電子顕微鏡装置の画像取得方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−５４１７４（Ｐ２０１２−５４１７４Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９７３３４（Ｐ２０１０−１９７３３４）
【出願日】平成２２年９月３日（２０１０．９．３）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３日（２０１０．９．３）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
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