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WO2018138875A1 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

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WO2018138875A1
WO2018138875A1 PCT/JP2017/002968 JP2017002968W WO2018138875A1 WO 2018138875 A1 WO2018138875 A1 WO 2018138875A1 JP 2017002968 W JP2017002968 W JP 2017002968W WO 2018138875 A1 WO2018138875 A1 WO 2018138875A1
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WO
WIPO (PCT)
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charged particle
detector
particle beam
image
control device
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/002968
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
亮太 渡邉
岩淵　裕子
一成 淺尾
鈴木　誠
渉 森
山崎　実
Original Assignee
株式会社 日立ハイテクノロジーズ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社 日立ハイテクノロジーズ filed Critical 株式会社 日立ハイテクノロジーズ
Priority to JP2018564047A priority Critical patent/JP6739553B2/ja
Priority to PCT/JP2017/002968 priority patent/WO2018138875A1/ja
Priority to US16/477,986 priority patent/US10991542B2/en
Publication of WO2018138875A1 publication Critical patent/WO2018138875A1/ja

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    • H01J37/26—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes
    • H01J37/28—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes with scanning beams

Definitions

  • the present disclosure relates to a charged particle beam apparatus, and more particularly to a charged particle beam apparatus capable of appropriately processing a signal obtained by scanning a sample with a beam.
  • a scanning electron microscope (Scanning Electron Microscope: SEM), which is one of charged particle beam devices, scans a fine object with an electron beam, emits signal electrons from a sample, and detects them with a detector. It is an apparatus that performs sample observation and inspection, measurement of dimensions, and the like based on the detection signal.
  • Patent Document 1 describes a method of adjusting the brightness and contrast of a detector so that the brightness of a region of interest in the field of view is optimized.
  • Patent Document 2 describes a method for acquiring information on the bottom and groove bottom of a sample in a short time and a method for adjusting the brightness and contrast of a detector.
  • JP 2002-319366 A Japanese Patent No. 5655064 (corresponding US Pat. No. 8,841,612)
  • Patent Document 1 When observing the bottom of a fine groove structure or hole structure, it is necessary to set apparatus conditions such as the brightness and contrast of the detector to values suitable for bottom observation.
  • apparatus conditions such as the brightness and contrast of the detector to values suitable for bottom observation.
  • an area of interest in a visual field is selected automatically or manually, and ABCC is performed.
  • image integration to the extent that the contrast of the region of interest can be detected is necessary.
  • Patent Document 2 describes a method for improving S / N by outputting an image based on the number of detected signals when the number of detected signals is one or less per pixel.
  • the number of gradations that can be used to draw the region of interest is limited to the number of detection signals. For this reason, under conditions that require stronger signal discrimination, the image quality of the region of interest may be rough, and sufficient information may not be obtained for dimension measurement or defect inspection.
  • a detector for detecting charged particles obtained based on irradiation of a charged particle beam emitted from a charged particle source to a sample, and an output of the detector are obtained.
  • a charged particle beam apparatus including a control device for processing a signal, wherein the control device performs statistical processing on a gradation value of a predetermined region of an image generated based on an output of the detector, and performs the statistical processing.
  • a charged particle beam apparatus that executes signal processing for correcting the difference between the statistical value obtained by the above and the reference data related to the gradation value of the image is proposed.
  • an objective lens for focusing the charged particle beam emitted from the charged particle source and detection for detecting charged particles obtained based on irradiation of the sample with the charged particle beam are detected.
  • a charged particle beam device comprising a control device for processing a signal obtained based on the output of the detector, wherein the control device is a predetermined region of an image generated based on the output of the detector.
  • an objective lens for focusing the charged particle beam emitted from the charged particle source and detection for detecting charged particles obtained based on irradiation of the sample with the charged particle beam are detected.
  • a charged particle beam device comprising a control device for processing a signal obtained based on the output of the detector, wherein the control device is a predetermined region of an image generated based on the output of the detector.
  • the figure which shows the structure of a charged particle beam apparatus The figure which shows the structure of a charged particle beam apparatus.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a change in a gradation dispersion value when a focus condition is changed.
  • the embodiment described below relates to a charged particle beam apparatus, and more particularly, to a charged particle beam apparatus that can extract and process statistical information on the field of view and the number of beam scans for a signal from a sample.
  • a detector that detects charged particles obtained based on irradiation of a charged particle source and a beam emitted from the charged particle source to a sample, and a detection signal obtained by the detector.
  • a charged particle beam apparatus characterized by having a function of extracting and calculating statistical information regarding an arbitrary region in the field of view and frame integration will be described.
  • the above configuration it is possible to acquire gradation values with little variation in a short time even under observation conditions with few detection signals.
  • the brightness and contrast of the detector can be adjusted based on the gradation value.
  • the following description relates to a charged particle beam apparatus, and more particularly to an apparatus having a function of extracting and calculating statistical information regarding the field of view of a detection signal obtained based on irradiation of a charged particle beam and the number of beam scans.
  • the charged particle beam device includes a focused ion beam device in addition to the SEM. Also, as an example of SEM according to a specific application, a length measuring electron microscope that measures the dimensions of a circuit pattern created on a semiconductor wafer, and a review electron that closely observes and analyzes foreign matter and structural defects There is a microscope.
  • a gradation value is assigned to each pixel of an image based on a detection signal.
  • the detection signal is classified into 2 8, that is, 256 discrete gradation values.
  • the gradation value 0 is black, 255 is white, and the gray scale is between them.
  • ABCC sets the brightness and contrast of the detector so that the gradation value is suitable for the visibility of the region of interest, dimension measurement, or accuracy of defect inspection.
  • the measurement of the semiconductor pattern dimension is performed by acquiring and analyzing the distribution of gradation values in the region of interest based on the SEM image. For this reason, it is important to obtain gradation values at high speed and to reduce the variation in order to improve apparatus measurement, inspection accuracy, and high throughput.
  • a method for acquiring a large number of signals by scanning the beam multiple times (2) A method for increasing the current of the beam (3) A method for increasing the detection efficiency of signal electrons
  • the method (1) increases the number of scans. As a result, the image acquisition time increases.
  • the sample is easily charged, contaminated, and damaged.
  • a method has been proposed in which a region of interest is emphasized by discriminating the energy of signal electrons and the emission angle on the sample when observing a complex sample. Since the total amount of signals is reduced by signal discrimination, the effect of method (3) is also limited.
  • the present invention proposes a method for reducing variations in gradation values under a small number of beam scanning times or small current conditions by providing a calculation unit that performs statistical processing on the field of view and the integrated frame at each pixel of the image. is there.
  • the configuration shown in FIGS. 1 and 2 is proposed as one aspect of the apparatus.
  • each of the statistical processing units 4 and 14 receives an image gradation value and a detection signal as input, and extracts and calculates an average value, a variance value, a frequency, a probability distribution function, a statistical test and an estimation.
  • Each pixel is assigned a gradation value calculated from the intensity and frequency of the signal.
  • the gradation value output based on one beam scan is set as S n (P)
  • the gradation value S M (P) obtained by integration M times is an average value of S n (P), that is,
  • FIG. 3 is a schematic diagram of an observation image of a semiconductor groove pattern.
  • spike noise or called cheating noise
  • the noise component appears strongly in the line profile calculated based on the gradation value.
  • the measurement variation of a dimension will become large.
  • a method of calculating the gradation value at the time of M (>> N) accumulation using statistical processing from the N frame accumulated image and its accumulation process will be described. The statistical processing methods are roughly classified into the following (A) and (B) depending on the matter of interest.
  • the distribution of gradation values of the pixel at the time of M (>> 1) frame integration becomes a normal distribution of (E, ⁇ / ⁇ M) by the central limit theorem of probability theory and statistical theory. That is, if the gradation value distribution (E, ⁇ ) of a desired region is extracted from a single image, a gradation histogram of M frames in the region can be calculated.
  • the edge of the pattern becomes white.
  • the gradation is not uniform on the surface and bottom of FIG. 3, and an image with gradation as shown in FIG. 4 is obtained.
  • the same processing can be performed by designating the linear region 25 based on the distance from the edge of the pattern.
  • the sub-detector 35 shown in FIG. 5 is attached.
  • the ABCC of the main detector 34 is performed using the sub-detector 35 and the statistical processing 36.
  • the added sub-detector 35 detects signal electrons, for example, secondary electrons, that are not captured by the main detector 34 for signal discrimination.
  • the number of signals of the sub-detector 35 is larger than that of the main detector 34, and the pattern can be recognized even with low frame integration.
  • the pattern shape in the visual field can be clearly detected by the characteristics of the secondary electrons. Therefore, as shown in FIG.
  • the field division 49 of the field of view of the main detector 34 is performed based on the image of the sub detector 35 based on the beam scanning of one frame. Then, based on the image of the main detector, the gradation value distribution of each region is statistically processed by the method described in (A). A gradation histogram of M frames obtained by the statistical processing is obtained. ABCC is executed by the methods (a) and (b) using the histogram. In this manner, ABCC can be performed on an image of M (>> 1) frames by beam scanning of one frame or less or beam scanning of several frames.
  • a plurality of detectors are used to extract and process the region division and the gradation value histogram at the same time.
  • the same ABCC can be performed by performing beam scanning a plurality of times while changing the parameters of the detector and the beam irradiation amount. For example, consider the case where the presence / absence of signal discrimination is controlled by ON / OFF of the energy filter. Beam scanning is performed under the condition that the energy filter is OFF, and the field of view is divided from the obtained image. Then, the energy filter is switched on to perform beam scanning for performing ABCC.
  • the beam scanning speed or the amount of electron beam irradiation current may be changed.
  • the execution time of ABCC is longer than in the case of using a sub-detector.
  • the visual field shift or the like may occur due to the switching of conditions, and the calculation accuracy of statistical processing may deteriorate.
  • FIG. 11 is a diagram showing an outline of a scanning electron microscope which is a kind of charged particle beam apparatus.
  • FIG. 11 is a diagram for mainly explaining a processing circuit for processing a signal obtained when an electron beam is irradiated on a sample.
  • An electron beam 1302 extracted from an electron source 1301 by an extraction electrode (not shown) and accelerated by an acceleration electrode is scanned by a scanning deflector 1304 that scans the electron beam in accordance with a scanning signal supplied from a scanning signal generator 1303. Scanned.
  • the emitted electrons 1306 such as secondary electrons (SE) and backscattered electrons (BSE) emitted from the sample 1305 by scanning the sample 1305 with the electron beam 1302 are detected by the detection surface 1308 of the lower detector 1307. Collides with (phosphor) to generate light. The generated light is guided to the photomultiplier tube 1310 by the light guide 1309.
  • the photomultiplier tube 1301 is an element that converts light energy into electric energy using the photoelectric effect, and can increase light energy and convert it into an electric signal.
  • the scanning electron microscope illustrated in FIG. 11 includes an upper detector 1320 in addition to the lower detector 1307.
  • the emitted electrons 1322 that have passed through the opening provided on the detection surface 1308 of the lower detector 1307 are deflected from the optical axis of the electron beam 1302 by the deflector 1321 and collide with the detection surface 1308 of the upper detector 1320.
  • a negative voltage (retarding voltage) is applied to the sample 1305, and electrons emitted from the sample are accelerated toward the electron source 1301.
  • secondary electrons having a relatively low energy with respect to the backscattered electrons are dispersed by the focusing action of the objective lens 1324 so as to be separated from the electron beam optical axis. Therefore, a relatively large number of secondary electrons are detected by the lower detector 1308.
  • an energy filter 1326 between the upper detector 1320 and the deflector 1321 and applying a voltage equivalent to retarding, the upper detector 1320 selectively detects backscattered electrons. You can also.
  • a detector that detects the signal by directly colliding electrons emitted from the sample with a phosphor or the like is employed.
  • the collision of electrons at the position of the detection surface illustrated in FIG. A secondary electron conversion electrode that generates additional secondary electrons is installed, and a secondary electron generated at the secondary electron conversion electrode is drawn into the detection surface of the detector by the suction electric field. It is also possible to do.
  • the photomultiplier tube 1310 can control the amplification factor, and can adjust the contrast of the image by controlling the amplification factor.
  • An output signal of the photomultiplier tube 1312 is input to an amplifier circuit 1312 including a preamplifier (P) and a main amplifier (M) included in the control device 1311 (image generation device), and is amplified by the amplifier circuit 1312. Further, as will be described later, the amplifier circuit 1312 can perform bias control and can adjust brightness (brightness).
  • the output of the amplifier circuit 1312 is converted into a digital signal by the A / D converter 1313 and the signal is stored in the frame memories 1314 and 1323.
  • the frame memory 1316 stores the output signal of the A / D converter 1315 at an address corresponding to a pixel of a display device (not shown) in synchronization with the scanning signal of the scanning signal generator 1303.
  • the arithmetic processing unit 1315 reads out the signals stored in the frame memories 1314 and 1323, and performs control as described later to generate control signals to the contrast adjusting unit 1316 and the brightness adjusting unit 1317.
  • the control device 1311 generates an integrated image of N frames through a process illustrated in FIG.
  • An operation program for executing image processing including the steps illustrated in FIG. 12 is stored in advance in a storage medium (not shown), and the control device 1311 executes image generation processing according to the operation program.
  • the control device 1313 scans a small number of frames (one frame in the example of FIG. 12), and generates an image by acquiring an image signal (steps 1401, 1402, 1403).
  • an image is generated based on the output of the lower detector 1307.
  • FIG. 10A is a diagram illustrating an example of an image generated based on a signal obtained by scanning an electron beam in a groove pattern.
  • FIG. 10B is a cross-sectional view of the groove pattern.
  • the lower detector 1307 can detect a large amount of secondary electrons with respect to the backscattered electrons, and the pattern shape can be changed from a small frame image as illustrated in FIG. 10A. A sufficient signal can be obtained.
  • region division as illustrated in FIG.
  • step 10C is performed on the image generated based on the output of the lower detector 1307 (step 1405).
  • the area division in step 1405 is performed using an image signal stored in the frame memory 1323, for example.
  • the groove bottom 1202 tends to be dark and the sample surface 1203 tends to be bright.
  • the edge portion 1204 has the highest luminance, the two areas separated by the high luminance portion are classified according to the brightness.
  • the image region is divided into a region A 1205 and a region B 1206 divided by the high-intensity region corresponding to the edge portion 1204.
  • Other image processing methods may be used for area division.
  • a luminance histogram is generated for each divided region (step 1405).
  • the target for generating the luminance histogram is an image generated based on the output of the upper detector 1320, and the luminance histogram for the output image region of the upper detector corresponding to the image region specified based on the output of the lower detector. Is generated.
  • FIG. 13A illustrates the luminance distribution 1501 of the region A1205, and
  • FIG. 13B illustrates the luminance distribution 1502 of the region B1206.
  • FIG. 13 shows an example of a histogram representing the gradation (gray level) of each pixel and its frequency. Distributions 1501 and 1502 indicate gradations obtained by one-frame scanning and their frequencies. As characteristics of the distributions 1501 and 1502, luminance information indicating the edge of the pattern formed on the sample is scarce and there is a tendency to include many low gradation signals due to detector noise.
  • the electrons detected by the upper detector 1320 are mainly backscattered electrons, and the amount thereof is smaller than that of secondary electrons. Therefore, it is difficult to generate an image that can specify the shape of the pattern with a small frame image.
  • a lower detector output that mainly detects secondary electrons is used, and an image generated based on backscattered electron detection is segmented. .
  • the arithmetic processing unit 1315 calculates a statistical value of luminance values of pixels included in the regions A and B (step 1406). More specifically, G aAVG and G bAVG are calculated by obtaining an average value of luminance values of pixels included in each of the regions A and B. Further, the variances D a and D b are obtained using arithmetic expressions such as [Equation 2] and [Equation 3].
  • s (x, y) is a gradation value of pixel coordinates (x, y)
  • E is an average of gradation values
  • M is the number of pixels in a region (ROI: Region Of Interest).
  • a combined histogram (a waveform indicated by a solid line in FIG. 13C) is generated by combining the two peaks 1503 and 1504 obtained as described above.
  • the difference ⁇ a, ⁇ b
  • the difference in peak width difference in dispersion value
  • an arithmetic expression indicating the relationship between the peak difference and the adjustment amount such as the gain, or a table indicating the relationship between the two is stored in a predetermined storage medium in advance, and an appropriate value is calculated based on the peak difference value calculation.
  • An appropriate gain adjustment amount or the like is obtained, and adjustment by the contrast adjustment unit 1316 or the like is executed (step 1411).
  • N frame image signals are generated and N frame images are integrated.
  • an integrated image is generated (steps 1412 and 1413).
  • an appropriate signal processing condition can be found before scanning N frames, and as a result, a signal processing condition for generating a desired image can be set in a short time.
  • an appropriate ABCC condition can be obtained before actually scanning a large number of frames.
  • region A In the case of an image in which a hole or trench pattern (region A) is included in the visual field, if the area of the sample surface (region B) is large with respect to the hole or trench, the number of pixels on the sample surface side increases. As illustrated in FIG. 14, when the peak position ( GAVG_A , GAVG_B ) and the peak width are obtained based on the statistical values, it is desirable to set the distribution height according to the size of the region.
  • an apparatus condition determination method for positioning the field of view of an electron microscope in order to review a foreign substance based on coordinate information of the foreign substance will be described.
  • Backscattered electrons are suitable for generating a contrast image according to the type of material.
  • apparatus conditions are automatically set. An electron microscope that can be used will be described.
  • an image can be output by assigning a gradation value based on the distribution to each region.
  • the boundary line of the area may be displayed in black or white, or the gradation value when there is no signal may be acquired and assigned in advance. In the latter method, the presence or absence of a signal in each region can be confirmed.
  • a defect such as a foreign object and the other area are identified using a secondary electron image obtained by a small frame scan (for example, one frame).
  • the secondary electron image is less likely to have contrast according to the difference in material, but it is easy to identify an edge such as a foreign object and can perform shape determination with high accuracy. Therefore, it is possible to generate a cumulative image under appropriate ABCC conditions by identifying foreign objects and other regions and performing image generation along the steps illustrated in FIG.
  • the composition included in each region may be identified from the luminance information of each region obtained by performing the operations up to step 1407.
  • a table storing the relationship between luminance information and composition information may be prepared, and the composition may be identified by referring to the luminance information in the table.
  • the composition may be identified.
  • the bottom region may be further divided into a plurality of regions 53 to 55.
  • a search is made for a condition that optimizes E and ⁇ 2 of the plurality of regions.
  • a region including the bottom edge and a region in the center of the bottom surface may be set, and a condition that maximizes the difference between the gradation values of the two regions may be searched.
  • the same control as in the past may be performed based on the focus information described above. That is, the control is such that the focus position of the beam is changed using the excitation current of the objective lens and the like, and the condition that the index of the focus information is maximized or minimized is searched for and set.
  • the focus accuracy depends on the method of area division. It can be automatically set by a method such as setting the shape of region division and the size of the region based on the shape, size and depth of the pattern opening, or the ratio thereof.
  • the scanning electron microscope illustrated in FIG. 11 includes an objective lens 1324 and a lens condition control unit 1325 that controls the excitation current of the objective lens 1425.
  • the control device 1311 executes autofocus processing as exemplified in FIG.
  • the lens condition control unit 1325 supplies an excitation current to the objective lens 1425 so that a predetermined lens condition is satisfied (step 1701).
  • an electromagnetic objective lens will be described as an example, but an electrostatic objective lens may be used.
  • a small frame scan is performed while maintaining the set lens conditions, and an image as illustrated in FIG. 7 is acquired (step 1702).
  • FIG. 16 is a diagram showing a change in the variance ⁇ of the luminance histogram when the focus condition is changed from (a) to (e).
  • FIG. 16 shows that the lens condition of (c) has the smallest dispersion among (a) to (e). That is, under the condition (c), the beam is irradiated only on the bottom of the trench and does not hit the edge, so that it can be seen that the range of the luminance distribution is narrow.
  • the best force condition is determined by repeating the lens condition change until the lens condition that minimizes the dispersion is found in this way (step 1705). Further, in order to determine the best focus condition, a predetermined number of focus adjustments may be performed to find a focus condition with the smallest variance.
  • the beam scan can be performed under a focus condition suitable for the bottom of the trench or hole.
  • the example in which the ROI is set on the image and the statistical processing of the pixel value in the ROI is described has been described.
  • the ROI may be selectively set in the trench.
  • the lens condition for the just focus is obtained based on the evaluation of the dispersion ⁇ .
  • the lens condition is obtained based on the evaluation of the luminance average E and the peak height h of the luminance distribution. You may do it.
  • the edge portion tends to be dark, so an image formed by a just focus beam that does not include the edge portion is relatively brighter than an image that includes the edge portion.
  • the lens condition for the just focus can be determined by finding the lens condition with the highest luminance average E (or a predetermined value or more) and the lens condition with the highest peak height h (or a predetermined value or more). It is possible to find out.
  • the dispersion value may be regarded as a gradation value and attached as image information, or the calculated numerical value may be attached as it is. Further, a generating function for calculating gradation values and variances may be used as main information, and an image based on gradation values acquired by integration may be attached. Based on these statistical information, analysis can be performed using a computer or personal computer outside the apparatus.
  • SYMBOLS 1 Charged particle beam apparatus, 2 ... Mirror body, 3 ... Signal conversion part, 4 ... Statistical processing part, 5 ... Display, 6 ... Detector, 7 ... Charge Particle source, 8 ... charged particle beam, 9 ... sample, 10 ... signal, 11 ... charged particle beam device, 12 ... mirror body, 13 ... signal conversion unit, 14 ... Statistical processing unit, 15 ... display, 16 ... detector, 17 ... charged particle source, 18 ... beam, 19 ... sample, 20 ... signal, 21 ... bottom, 22 ... surface, 23 ... bottom, 24 ... surface, 25 ... example of linear region, 34 ... main detector, 35 ... sub-detector, 36 ...

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Abstract

本発明は、検出信号が少ない場合であっても、短時間で適正にブライトネスや、コントラストの調整、或いはフォーカス調整等を行う荷電粒子線装置の提供を目的とする。この目的を達成するための一態様として、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームの試料への照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、当該検出器の出力に基づいて得られる信号を処理する制御装置を備えた荷電粒子線装置であって、前記制御装置は、前記検出器の出力に基づいて生成される画像の所定領域の階調値の統計処理を行い、当該統計処理によって得られる統計値と、画像の階調値に関する参照データとの違いを補正する信号処理を実行する荷電粒子線装置を提案する。

Description

荷電粒子線装置
　本開示は、荷電粒子線装置に係り、特に、試料に対し、ビームを走査することによって得られる信号の処理を適正に行い得る荷電粒子線装置に関する。
　荷電粒子線装置の１つである走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）は、微細な対象物に対して電子ビームを走査することによって、試料から信号電子を出射させて検出器で検出し、当該検出信号に基づいて試料の観察や検査、寸法の計測等を行う装置である。
　検出信号に基づいて画像を生成する際の調整の１つに、画像のコントラストとブライトネスの調整がある。また、ブライトネスとコントラストを自動で調整する機能として、オードブライトネスコントラスト（Ａｕｔｏ　Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒａｓｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ：ＡＢＣＣ）機能が知られている。特許文献１には視野内の関心領域の明るさが最適になるように検出器のブライトネスとコントラストを調整する方法が記載されている。特許文献２には、試料の孔底や溝底の情報を短時間で取得する方法および検出器のブライトネスとコントラストを調整する方法が記載されている。
特開２００２－３１９３６６号公報 特許第５６５５０６４号（対応米国特許ＵＳＰ８，８４１，６１２）
　微細な溝構造や穴構造の底部を観察する場合、検出器のブライトネスやコントラスト等の装置条件を、底部観察に適した値に設定する必要がある。特許文献１に示された方法では、視野内の関心領域を自動または手動で選択肢、ＡＢＣＣを実施する。このとき、関心領域のコントラストが検知できる程度の画像積算が必要である。特許文献２では、信号検出数が１ピクセル当たり１個以下の場合、検出信号数に基づいて画像を出力することにより、Ｓ／Ｎを向上する方法が記載されている。本手法では、当該関心領域を描画するために使用できる階調の数は検出信号数程度に留まる。そのため、より強い信号弁別が必要な条件では、関心領域の画質にざらつきが発生してしまい、寸法計測や欠陥検査に十分な情報を得られない可能性がある。
　以下に、検出信号が少ない場合であっても、短時間で適正にブライトネスや、コントラストの調整、或いはフォーカス調整等を行うことを目的とする荷電粒子線装置を提案する。
　上記目的を達成するための一態様として、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームの試料への照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、当該検出器の出力に基づいて得られる信号を処理する制御装置を備えた荷電粒子線装置であって、前記制御装置は、前記検出器の出力に基づいて生成される画像の所定領域の階調値の統計処理を行い、当該統計処理によって得られる統計値と、画像の階調値に関する参照データとの違いを補正する信号処理を実行する荷電粒子線装置を提案する。
　また、上記目的を達成するための他の態様として、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束する対物レンズと、荷電粒子ビームの試料への照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、当該検出器の出力に基づいて得られる信号を処理する制御装置を備えた荷電粒子線装置であって、前記制御装置は、前記検出器の出力に基づいて生成される画像の所定領域の階調値の統計処理を行い、当該統計処理によって得られる統計値の評価に基づいて、前記対物レンズのレンズ条件を調整する荷電粒子線装置を提案する。
　更に、上記目的を達成するための他の態様として、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束する対物レンズと、荷電粒子ビームの試料への照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、当該検出器の出力に基づいて得られる信号を処理する制御装置を備えた荷電粒子線装置であって、前記制御装置は、前記検出器の出力に基づいて生成される画像の所定領域の階調値に基づいて得られる分散値が小さくなるように、前記対物レンズのレンズ条件を調整する荷電粒子線装置を提案する。
　上記構成によれば、検出信号が少ない場合であっても、短時間で適正にブライトネスや、コントラストの調整、或いはフォーカス調整等を行うことが可能となる
荷電粒子線装置の構成を示す図。 荷電粒子線装置の構成を示す図。 荷電粒子線装置によって得られる画像の一例を示す図。 荷電粒子線装置によって得られる画像の一例を示す図。 ２つの検出器を備えた荷電粒子線装置の構成を示す図。 荷電粒子線装置によって得られる画像の一例を示す図。 荷電粒子線装置によって得られる画像の一例を示す図。 荷電粒子線装置によって得られる画像の一例を示す図。 荷電粒子線装置によって得られる画像の一例を示す図。 溝状パターンの画像と、溝状パターン画像の各領域に輝度評価領域を設定した例を示す図。 ２つの検出器と、検出器出力を処理する制御装置を備えた荷電粒子線装置の概要を示す図。 荷電粒子線装置のブライトネス、コントラスト調整工程を示すフローチャート。 複数の輝度評価領域の階調値の統計処理に基づいて、合成ヒストグラムを生成する例を示す図。 複数の輝度評価領域の階調値の統計処理に基づいて、合成ヒストグラムを生成する例を示す図。 １フレーム走査によって得られた信号に基づくオートフォーカス処理工程を示すフローチャート。 フォーカス条件を変化させたときの階調の分散値の変化を説明する図。
　以下に説明する実施例は、荷電粒子線装置に係り、特に試料からの信号について、視野内およびビーム走査回数に関する統計情報を抽出し、処理することができる荷電粒子線装置に関する。
　ＳＥＭを用いた信号検出および画像出力では、試料におけるユーザーの関心領域や関心のある特徴を明瞭に視覚化することが求められることがある。例えば、半導体デバイスの製造工程では、回路パターンの集積化に伴って、微細な溝構造や穴構造の寸法計測や、欠陥の抽出や検査、３次元構造の表面、底部および側壁の状態を観察する。このようなパターンを明瞭に観察するためには、試料から出射する信号の内、所望の特性情報を反映する成分を選択的に捉える検出器が求められる。
　以下に説明する実施例では、例えば、荷電粒子源と試料に対する当該荷電粒子源から放出されるビームの照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、当該検出器によって得られた検出信号から視野内の任意の領域およびフレーム積算に関する統計情報を抽出し演算する機能を持つことを特徴とする荷電粒子線装置について説明する。
　上記構成によれば、検出信号が少ない観察条件においても、短時間でばらつきの少ない階調値を取得することができる。そして、当該階調値に基づいて検出器のブライトネスとコントラストを調整することができる。
　以下の説明は、荷電粒子線装置に係り、特に荷電粒子線の照射に基づいて得られる検出信号の視野内やビーム走査回数に関する統計情報を抽出し、演算する機能を有する装置に関する。
　荷電粒子線装置には、ＳＥＭの他に集束イオンビーム装置がある。また、特定の用途に応じたＳＥＭの例として、半導体ウエハ上に作成された回路パターンの寸法を計測する測長用電子顕微鏡や、異物や構造の欠陥を詳細に観察し、分析するレビュー用電子顕微鏡がある。
　ＳＥＭでは、検出信号に基づいて画像の各ピクセルに階調値を割り当てる。例えば、８ｂｉｔ画像の場合、検出信号を２の８乗個、すなわち２５６個の離散的な階調値に分類する。ディスプレイに表示する際には、階調値０を黒、２５５を白として、その間をグレースケールとする。ＡＢＣＣは関心領域の視認性や寸法計測、或いは欠陥検査等の精度に適した階調値となるよう、検出器のブライトネスとコントラストを設定する。また、半導体パターン寸法の計測は、ＳＥＭの画像を元に関心領域における階調値の分布を取得し、解析することによって成される。そのため、階調値を高速で取得し、かつ、そのばらつきを低減する事が装置の計測、検査精度の向上や高スループット化にとって重要である。
　階調値のばらつきを低減する方法として、例えば以下の３つの方法が挙げられる。
　（１）ビームを複数回走査させることで多くの信号を取得する方法
　（２）ビームを大電流化する方法
　（３）信号電子の検出効率を上げる方法
（１）の方法は、走査回数の増大に伴って、画像取得時間が増大する。また（１）乃至（２）の方法では、試料の帯電やコンタミネーション、ダメージが発生しやすくなる。近年では、複雑な試料を観察する際、信号電子のエネルギーや試料上での出射角度を弁別することで関心領域を強調する方法が提案されている。信号の弁別によって信号の総量が減ってしまうため、（３）の方法もその効果は限定的である。本発明では、画像の各ピクセルにおいて、視野内や積算フレームに関する統計処理を行う演算部を備えることにより、少ないビーム走査回数または小電流条件における階調値のばらつきを低減させる方法を提案するものである。装置の一態様として、図１乃至図２の構成を提案する。ここで、統計処理部４および１４では、それぞれ、画像の階調値や検出信号を入力とし、それらの平均値、分散値、頻度、確率分布関数の抽出および演算、統計論的な検定および推定を行う論理回路を有する。
　ＳＥＭでは、試料に対して電子ビームを２次元的に走査し、試料上の位置Ｘ＝（ｘ，ｙ）とディスプレイのピクセルＰ＝（ｐ，ｑ）を対応させる。各ピクセルには、信号の強度や頻度より算出される階調値が割り当てられる。１回のビーム走査に基づいて出力される階調値をＳｎ（Ｐ）と置くと、Ｍ回積算による階調値ＳＭ（Ｐ）をＳｎ（Ｐ）の平均値、すなわち、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
によって定めることができる。簡単のため、特に断らない限り、以降ではピクセルに関する引数Ｐを明示しない。
　図３は半導体の溝パターンの観察像の模式図である。積算フレーム数Ｎが小さいとき、パターン像と共に各ピクセルの階調値のばらつき、所謂スパイクノイズ（あるいはごましおノイズと呼ばれる）が顕著になる。このため、階調値に基づいて算出されるラインプロファイルには、当該ノイズ成分が強く現れる。その結果、パターンの寸法を計測する場合には、寸法の計測ばらつきが大きくなってしまう。階調値のばらつきを低減するために、Ｎフレーム積算画像およびその積算過程から、統計処理を用いてＭ（＞＞Ｎ）積算時の階調値を算出する方法について説明する。統計処理の方法は、関心事項によって以下の（Ａ）（Ｂ）に大別される。
　（Ａ）階調ヒストグラム等、画像全体や一部領域の明るさに関する情報
　（Ｂ）一つ一つのピクセルの階調値および周囲のピクセルとの差
　（Ａ）は検出器のブライトネスやコントラストを調整するために必要な情報である。（Ｂ）は寸法計測や欠陥検査時に必要な情報である。例えば、視野の広い低倍の画像や、複数のビームを同時に走査することによって広範囲の欠陥検査を行うニーズが高まっている。このような場合、視野内で関心領域が小さくなるため、関心領域において異常な階調値が得られたとしても、試料の異常か上記スパイクノイズかを高精度に見分ける必要がある。
（Ａ）の方法について説明する。図３の溝の観察例では、底部２１から出射した信号電子の一部は側壁に衝突して損失するため、底部２１は表面２２と比較して暗くなる。すなわち、小さい階調値が割り当てられる。表面２２と底部２１それぞれの領域では、ビーム照射時に出射する信号電子のエネルギーや出射角などの特性やその頻度は同じである。したがって、式（１）におけるｎの和を同じ画像のピクセルの和に置き換えることができる。また、領域内のある１ピクセルにおいて、１フレーム分の階調値の平均をＥ、その分散をσと置くと、統計分布（Ｅ，σ）は領域内の各ピクセルで同一である。いっぽう、当該ピクセルのＭ（＞＞１）フレーム積算時の階調値の分布は確率論および統計論の中心極限定理によって、（Ｅ，σ／√Ｍ）の正規分布となる。つまり、ある一枚の画像から、所望の領域の階調値の分布（Ｅ，σ）を抽出すれば、当該領域のＭフレームの階調ヒストグラムを計算することができる。
　二次電子を用いて試料を観察する場合、パターンのエッジ部が白くなる現象が知られている。このような場合、図３の表面と底部において階調は一様にならず、図４の様なグラデーションのある像が得られる。しかし、例えば、パターンのエッジからの距離を元に線状の領域２５を指定することで、同様の処理が可能である。
　上述の統計処理を用いて検出器のブライトネスとコントラストを自動調整するＡＢＣＣを実施する方法を説明する。十分に信号量が多い場合には、１フレームあるいは低フレームの画像を用いて、（Ａ）で述べた領域分けと、各領域における統計処理を同時に行うことができる。統計処理によって得られたＭフレームの階調ヒストグラムを基に、以下（ａ）（ｂ）に例示する、従来行われている方法を利用すればよい。
　（ａ）所望の１領域あるいは複数領域の階調値が所望の値となるようにブライトネスとコントラストを調整する。
　（ｂ）全画像または所望の領域の階調値ヒストグラムにおけるピークの裾野が所望の値となるようにブライトネスとコントラストを調整する。
　なお、（ｂ）の方式では、（Ａ）で述べた中心極限定理の変わりに確率論および統計論の大偏差原理に基づいて階調値を算出したほうが高精度となる場合もある。
　いっぽうで、反射電子の検出時やエネルギーフィルタを使用することによる信号弁別を行う際に、低フレームの画像ではパターンを確認できない。このような場合に対処するため、図５に示す副検出器３５を付帯する。副検出器３５と統計処理３６を用いて主検出器３４のＡＢＣＣを実施する。追加された副検出器３５では、信号弁別のため主検出器３４では捉えない信号電子、例えば、二次電子を検出する。すると、主検出器３４と比較して副検出器３５の信号数は多く、低フレームの積算でもパターンを認識することができる。また、二次電子の特性で、視野内のパターン形状を明瞭に検知することができる。そこで、図６に示す様に、１フレームのビーム走査に基づき、副検出器３５の画像を元に主検出器３４の視野の領域分け４９を行う。そして、主検出器の画像を元に各領域の階調値の分布を（Ａ）で述べた方法で統計処理する。当該統計処理によって得られたＭフレームの階調ヒストグラムが得られる。当該ヒストグラムを用いて（ａ）や（ｂ）の方法でＡＢＣＣを実行する。このようにして、１フレーム以下のビーム走査乃至数フレームのビーム走査によって、Ｍ（＞＞１）フレームの画像に対するＡＢＣＣを実施することができる。
　上記の方法では、複数の検出器を用い、領域分けと階調値ヒストグラムを同時に抽出、処理する。副検出器に相当する機能を持つ検出器を持たない装置においても、検出器のパラメータやビーム照射量を変化させて複数回のビーム走査を行うことで、同様のＡＢＣＣを実施することができる。例えば、エネルギーフィルタのＯＮ、ＯＦＦによって信号弁別の有無を制御する場合を考える。エネルギーフィルタＯＦＦの条件でビーム走査を行い、得られた画像から視野の領域分けを行う。そして、エネルギーフィルタをＯＮに切り替えてＡＢＣＣを実施するためのビーム走査を行う。領域分けを行うために、ビーム走査速度や、電子ビームの照射電流量を変更しても良い。これらの方法では、副検出器を用いる場合よりもＡＢＣＣの実行時間が長くなる。また、条件の切り替えによって、視野ずれ等が発生し、統計処理の演算精度が悪化する可能性がある。
　観察するサンプルやＡＢＣＣに求められる精度によってはフレーム積算中の試料帯電やコンタミネーションが問題となることがある。この場合、ｎフレームのビーム走査による階調値の分布の変動を補正すれば良い。例えば、Ｍフレーム積算時のｎフレーム目において当該分布を抽出し、そのトレンドをモニタする。そして、平均値Ｅが許容値を超えて変動した場合に、以降のＡＢＣＣでは当該画像を取得する過程で得たトレンドを補正する。補正方法はトレンドの要因に依存するため、状況に合わせて最適なものを選択すれば良い。例えば、補正項εｎや補正因子ηｎを導入し、ＥをＥ＋εｎ、σｎをσｎ×√ηｎの様に置き換える。
　（Ａ）で用いた中心極限定理は補正値を含めて成立するため、試料帯電やコンタミネーションが発生していても同様のＡＢＣＣを実行できる。
　以下、より具体的な実施例を、図１０～１４を用いて説明する。図１１は、荷電粒子線装置の一種である走査電子顕微鏡の概要を示す図である。図１１は、試料に電子ビームを照射したときに得られる信号を処理する処理回路を主に説明するための図である。電子源１３０１から図示しない引出電極によって引き出され、加速電極によって加速された電子ビーム１３０２は、走査信号発生部１３０３から供給される走査信号に応じて電子ビームを走査する走査偏向器１３０４によって、試料１３０５に走査される。試料１３０５に対する電子ビーム１３０２の走査によって試料１３０５から放出される２次電子（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ：ＳＥ）や、後方散乱電子（Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ：ＢＳＥ）等の放出電子１３０６は、下段検出器１３０７の検出面１３０８（蛍光体）へ衝突し、光を発生させる。発生した光はライトガイド１３０９によって、光電子増倍管１３１０に導かれる。光電子増倍管１３０１は、光電効果を利用して光エネルギーを電気エネルギーに変換する素子であり、光エネルギーを増大させて電気信号に変換することができる。図１１に例示する走査電子顕微鏡には、下段検出器１３０７の他に、上段検出器１３２０が設けられている。下段検出器１３０７の検出面１３０８に設けられた開口を通過した放出電子１３２２は、偏向器１３２１によって電子ビーム１３０２の光軸から偏向され、上段検出器１３２０の検出面１３０８に衝突する。
　図１１に例示する走査電子顕微鏡では、試料１３０５に負電圧（リターディング電圧）が印加されており、試料から放出された電子は電子源１３０１の方向に向かって加速される。また、本実施例の光学系の場合、対物レンズ１３２４の集束作用によって、後方散乱電子に対して相対的にエネルギーの低い２次電子が、電子ビーム光軸から離軸するように分散する。よって、相対的に多くの２次電子が下段検出器１３０８によって検出される。その一方で上段検出器１３２０と、偏向器１３２１との間にエネルギーフィルタ１３２６を設置し、リターディング相当の電圧を印加しておくことによって、上段検出器１３２０によって後方散乱電子を選択的に検出することもできる。また、試料からの放出エネルギーが低い電子（例えば２次電子）は、電子源１３０１の方向に向かって加速されるため、エネルギーフィルタがなければ多くの２次電子等を、上段検出器１３２０に到達させることもできる。２次電子に対し、比較的エネルギーの高い電子（例えば後方散乱電子）は、試料１３０５に対するリターディング電圧によって形成される電界の影響を受けにくく、放出軌道から軌道を大きく変えることなく散乱するため、下段検出器１３０７に多く到達させることもできる。このように装置条件によって、検出器による検出対象を切り替えることができる。
　なお、図１１の例では試料から放出された電子を蛍光体等に直接衝突させて信号を検出する検出器を採用しているが、例えば図１１に例示する検出面の位置に、電子の衝突によって更なる２次電子を発生させる二次電子変換電極を設置しておき、当該二次電子変換電極で発生した２次電子を、吸引電界によって検出器の検出面に引き込むような検出方式を採用することも可能である。
　また、後述するように、光電子増倍管１３１０は、増幅率の制御が可能であり、増幅率の制御によって、画像のコントラストの調整を行うことができる。光電子増倍管１３１２の出力信号は、制御装置１３１１（画像生成装置）に含まれるプリアンプ（Ｐ）とメインアンプ（Ｍ）を含むアンプ回路１３１２に入力され、アンプ回路１３１２によって増幅される。また、後述するように、アンプ回路１３１２はバイアス制御が可能であり、明るさ（ブライトネス）の調整が可能である。アンプ回路１３１２の出力は、Ａ／Ｄコンバーター１３１３によってデジタル信号に変換され、その信号はフレームメモリ１３１４、１３２３に記憶される。フレームメモリ１３１６は、走査信号発生部１３０３の走査信号に同期して、図示しない表示装置の画素に対応するアドレスにＡ／Ｄコンバーター１３１５の出力信号を記憶する。
　演算処理部１３１５は、フレームメモリ１３１４、１３２３に記憶された信号を読み出し、後述するような演算を行うことによって、コントラスト調整部１３１６、及びブライトネス調整部１３１７への制御信号を生成する。
　制御装置１３１１は、図１２に例示するような工程を経て、Ｎフレームの積算画像を生成する。図１２に例示するような工程からなる画像処理を実行するための動作プログラムは、予め図示しない記憶媒体に記憶され、制御装置１３１１はこの動作プログラムに従って、画像生成処理を実行する。
　まず、制御装置１３１３は、少フレーム（図１２の例では１フレーム）走査を行い、画像信号を取得することによって画像を生成する（ステップ１４０１、１４０２、１４０３）。本実施例ではまず下段検出器１３０７の出力に基づいて、画像を生成する。図１０（ａ）は、溝状パターンに電子ビームを走査することによって得られる信号に基づいて生成した画像の一例を示す図である。図１０（ｂ）は溝状パターンの断面図である。上述したように、下段検出器１３０７は後方散乱電子に対し、量が多い２次電子を多く検出することができ、少フレーム画像からでも図１０（ａ）に例示するように、パターンの形状を特定するに足る信号を得ることができる。次に、下段検出器１３０７の出力に基づいて生成された画像について、図１０（ｃ）に例示するような領域分けを実行する（ステップ１４０５）。ステップ１４０５の領域分けは、例えばフレームメモリ１３２３に記憶された画像信号を用いて行う。図１０に例示するような溝状パターンの場合、溝底１２０２が暗く、試料表面１２０３が明るくなる傾向にある。また、エッジ部１２０４が最も高い輝度を持つことになるため、高輝度部で区切られた２つの領域を、その明るさに応じて分類するようにする。図１０に例示した画像の場合、エッジ部１２０４に対応する高輝度領域によって、区切られる領域Ａ１２０５と、領域Ｂ１２０６に画像領域を分割する。領域分割は他の画像処理法を用いても良い。
　次に、領域分けされた各領域単位で、輝度ヒストグラムを生成する（ステップ１４０５）。輝度ヒストグラムを生成する対象は上段検出器１３２０の出力に基づいて生成された画像であり、下段検出器の出力に基づいて特定された画像領域に対応する上段検出器の出力画像領域について、輝度ヒストグラムを生成する。図１３（ａ）は領域Ａ１２０５の輝度分布１５０１を、図１３（ｂ）は領域Ｂ１２０６の輝度分布１５０２を例示している。図１３は、各画素の階調（グレーレベル）とその頻度を表すヒストグラムの一例を示している。分布１５０１、１５０２は、１フレーム走査によって得られる階調とその頻度を示している。分布１５０１、１５０２の特徴として、試料上に形成されたパターンのエッジ等を示す輝度情報に乏しく、検出器のノイズに起因する低階調の信号が多く含まれる傾向にある。
　上段検出器１３２０によって検出される電子は、主に後方散乱電子であり、２次電子と比較して量が少ない。よって、少フレーム画像では、パターンの形状を特定できる程の画像を生成することが困難である。本実施例ではこのような後方散乱電子の収率の低さに鑑み、主に２次電子を検出する下段検出器出力を用い、後方散乱電子検出に基づいて生成される画像の領域分けを行う。
　次に、演算処理部１３１５は、領域Ａ、領域Ｂに含まれる画素の輝度値の統計値を算出する（ステップ１４０６）。より具体的には、領域Ａ、Ｂのそれぞれに含まれる画素の輝度値の加算平均値を求めることで、ＧａＡＶＧ、ＧｂＡＶＧを算出する。更に、分散Ｄａ、Ｄｂを［数２］、［数３］のような演算式を用いて求める。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ｓ（ｘ，ｙ）はピクセル座標（ｘ，ｙ）の階調値、Ｅは階調値の平均、Ｍは領域（ＲＯＩ：Ｒｅｇｉｏｎ　Ｏｆ　Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）内の画素数である。これらの演算に基づいて、ピーク位置をＧａＡＶＧ、ピーク幅をＤａとするピーク１５０３と、ピーク位置をＧｂＡＶＧ、ピーク幅をＤｂとするピーク１５０４を算出する（ステップ１４０７）。
　次に、以上のようにして求められた２つのピーク１５０３、１５０４を合成することによって、合成ヒストグラム（図１３（ｃ）の実線で示す波形）を生成する。このように生成された合成ヒストグラムと、参照ヒストグラム（ＧａＲ、ＧｂＲの２つのピークを持つ波形）を比較することによって、その差分（Δａ、Δｂ）やピーク幅の違い（分散値の違い）を求め、その差分を補正するようなコントラストとブライトネスの調整量を算出する（ステップ１４０９、１４１０）。この際、ピークの差分と、ゲイン等の調整量との関係を示す演算式、或いは両者の関係を示すテーブルを予め所定の記憶媒体に記憶しておき、ピークの差分値演算に基づいて、適正なゲイン調整量等を求め、コントラスト調整部１３１６等による調整を実行する（ステップ１４１１）。
　以上のようにして調整されたゲイン値やバイアス値によって信号処理を行いつつ、所定数（Ｎフレーム）の走査を行うことによって、Ｎフレームの画像信号を生成し、Ｎフレームの画像を積算することによって、積算画像を生成する（ステップ１４１２、１４１３）。本実施例によれば、Ｎフレームを走査する前に、適切な信号処理条件を見出すことができ、結果として、所望の画像を生成するための信号処理条件を短時間で設定することが可能となる。特に、多数のフレーム画像を積算することで初めてパターンを認識できる後方散乱電子画像を生成する際に、実際に多数フレームの走査を行う前に、適正なＡＢＣＣ条件を求めることができる。
　なお、視野内にホールやトレンチパターン（領域Ａ）が含まれた画像の場合、ホールやトレンチに対して、試料表面（領域Ｂ）の面積が大きいと、試料表面側の画素数が多くなるため、図１４に例示するように、その統計値に基づいてピーク位置（ＧＡＶＧ＿Ａ、ＧＡＶＧ＿Ｂ）とピーク幅を求める場合に、領域の大きさに応じた分布高さとすることが望ましい。
　また、試料の種類に応じた複数の参照ヒストグラムを予め記憶しておくことによって、２次電子を用いたパターン形状特定に応じて、適切なＡＢＣＣの調整量を求めることが可能となる。
　本実施例では、異物等の座標情報に基づいて、その異物等のレビューを行うために、電子顕微鏡の視野を位置づける際の装置条件決定法について説明する。このような装置では、視野内の異物の詳細形状ではなく、材料コントラストを検知したいというニーズがある。後方散乱電子は、材料の種類に応じたコントラスト像を生成するのに適しており、本実施例では後方散乱電子の検出に基づいて異物等の検査を行う場合に、自動的に装置条件を設定することが可能な電子顕微鏡について説明する。
　本実施例では、実施例２で説明した方法で、各領域の分布（Ｅ，σ）を求めた後、各領域に当該分布に基づく階調値を割り当てることで画像を出力することができる。領域の境界線は、黒や白で表示しても良いし、事前に信号が無い場合の階調値を取得しておき、割り当てても良い。後者の方法では、各領域における信号の有無を確認することができる。
　より具体的には、まず、少フレーム走査（例えば、１フレーム）によって得られた２次電子画像を用いて、異物等の欠陥とそれ以外の領域の識別を行う。実施例２にて説明したように、２次電子像は、材料の違いに応じたコントラストは付きにくいものの、異物等のエッジの特定が容易であり、高精度に形状判定を行うことができる。そこで、異物とそれ以外の領域を識別し、図１２に例示するような工程に沿って、画像生成を行うことによって、適切なＡＢＣＣ条件における積算画像を生成することが可能となる。
　また、ステップ１４０７までの演算を行うことによって得られる各領域の輝度情報から、各領域に含まれる組成を同定するようにしても良い。例えば、輝度情報と組成情報の関連を記憶したテーブルを用意しておき、当該テーブルに輝度情報を参照することによって、組成を同定するようにしても良い。また、半導体デバイスを構成するシリコン等との輝度差（放出電子量のイールド差）を予め求めておき、レビュー対象となる異物や欠陥の輝度とシリコン等との輝度差を参照情報に参照することによって、組成の同定を行うようにしても良い。
　半導体の３次元パターンの溝や穴構造に置いて、底部の計測や検査を行う場合に、パターン底部にフォーカスを合わせるニーズがある。表面の開口部に対して溝や穴構造が深いとき、底部を観察するためには強い信号弁別が必要となる。フォーカスを合わせるためには底部を視認する必要があるため、この画像を得るためにスループットが低下してしまう。このような場合に、実施例６で説明した方法を用いて高速にフォーカス情報を抽出する方法を提案する。
　図７の底部領域５２に注目する。底部にフォーカスが合っていないとき、この領域には底面とエッジの情報が含まれる。そのため、底部の階調値Ｅは、エッジの階調値の影響を受けて、ジャストフォーカス時より小さく、または、大きくなる。同様に、分散σ２は大きくなる。フォーカスを変化させて、Ｅの極大または極小、或いはσ２の極小を探索する。そして、該当条件に設定することでフォーカスを合わせることができる。
　図８に示す様に底部の領域をさらに複数の領域５３乃至５５に分けても良い。この場合、それら複数の領域のＥやσ２が最適となるような条件を探索する。また、底部エッジを含むような領域と底面中央部の領域を設定し、当該２領域の階調値の差が最大となる条件を探索しても良い。
　フォーカスを自動で合わせる機能、所謂オートフォーカスを実施する場合には、上述のフォーカス情報に基づいて、従来同様の制御を行えばよい。すなわち、対物レンズの励磁電流等を用いてビームのフォーカス位置を変化させ、上記フォーカス情報の指標が最大、或いは最小となる条件を探索し、設定するという制御である。
　フォーカスの精度は領域分けの方法に依存する。パターンの開口部の形状と大きさや深さ、或いはその比に基づいて、領域分けの形状や領域の大きさを設定する等の方法で、自動設定することができる。
　以下、オートフォーカスの具体的な処理内容について、図面を用いて説明する。図１１に例示する走査電子顕微鏡には、対物レンズ１３２４と、対物レンズ１４２５の励磁電流を制御するレンズ条件制御部１３２５が設けられている。制御装置１３１１は、図１５に例示するようなオートフォーカス処理を実行する。まず、レンズ条件制御部１３２５は、所定のレンズ条件となるように、対物レンズ１４２５に励磁電流を供給する（ステップ１７０１）。なお、本実施例では電磁型対物レンズを例にとって説明するが、静電型の対物レンズであっても良い。次に、設定されたレンズ条件を維持した状態で、少フレーム走査を行い、図７に例示するような画像を取得する（ステップ１７０２）。次に底部領域５２（トレンチの底部に設定されたＲＯＩ）に含まれる複数の画素の輝度値を加算平均（統計処理、ステップ１７０４）することによって、ＲＯＩの輝度ヒストグラムの波形位置（ＧＡＶＧ）と、その分散σを求める。なお、分散σは数２、数３を用いて求められるＤをσ２に置き換えて使用する（ステップ１７０４）。
　図１６は、フォーカス条件を（ａ）から（ｅ）まで変えたときの輝度ヒストグラムの分散σの変化を示す図である。図１６を見ると、（ａ）から（ｅ）の内、最も分散が小さいのは（ｃ）のレンズ条件であることがわかる。すなわち（ｃ）の条件のとき、トレンチの底部のみにビームが照射され、エッジには当たっていないことから、輝度分布の範囲が狭くなっていることがわかる。このように分散が最小となるレンズ条件を見出すまでレンズ条件変化を繰り返すことによって、ベストフォース条件を決定する（ステップ１７０５）。また、ベストフォーカス条件を決定するために、所定数のフォーカス調整を行い、その中で最も分散が小さくなるフォーカス条件を見出すようにしても良い。
　以上のように決定されたフォーカス条件でビームをフォーカスしつつ、所定フレーム数の走査に基づく画像積算を行うことによって、トレンチやホールの底部に適したフォーカス条件でビーム走査を行うことができる。
　なお、図１５では画像上にＲＯＩを設定しておき、当該ＲＯＩ内の画素値の統計処理を行う例を説明したが、実施例２で説明したように、上段検出器によるパターン形状認識に基づいて、トレンチ内に選択的にＲＯＩを設定するようにしても良い。
　また、上述の例では分散σの評価に基づいて、ジャストフォーカスのためのレンズ条件を求める例について説明したが、輝度分布の輝度平均Ｅやピーク高さｈの評価に基づいて、レンズ条件を求めるようにしても良い。後方散乱電子像の場合、エッジ部分が暗くなる傾向にあるため、エッジ部分を含まないジャストフォーカスビームによって形成される画像は、エッジ部分が含まれる画像に対して相対的に明るくなる。この現象を利用して輝度平均Ｅが最も大きい（或いは所定値以上）レンズ条件や、ピーク高さｈが最も高い（或いは所定値以上）レンズ条件を見出すことによって、ジャストフォーカスのためのレンズ条件を見出すことが可能となる。
　（Ｂ）で説明した方法で画像を保存する際、各ピクセルの階調値と共に分散等の統計情報を付帯することで、階調値の測定ばらつきおよびそれに由来する寸法値のばらつきを検出することができる。分散値を階調値の様に見立て、画像情報として付帯しても良いし、算出された数値をそのまま付帯しても良い。また、階調値や分散を算出するための母関数を主情報とし、積算によって取得した階調値に基づく画像を付帯させても良い。これら統計情報に基づいて、当該装置外の計算機やパーソナルコンピュータを用いて解析を行うことが可能となる。
１・・・荷電粒子線装置、２・・・鏡体、３・・・信号変換部、４・・・統計処理部、５・・・ディスプレイ、６・・・検出器、７・・・荷電粒子源、８・・・荷電粒子ビーム、９・・・試料、１０・・・信号、１１・・・荷電粒子線装置、１２・・・鏡体、１３・・・信号変換部、１４・・・統計処理部、１５・・・ディスプレイ、１６・・・検出器、１７・・・荷電粒子源、１８・・・ビーム、１９・・・試料、２０・・・信号、２１・・・底部、２２・・・表面、２３・・・底部、２４・・・表面、２５・・・線状領域の例、３４・・・主検出器、３５・・・副検出器、３６・・・統計処理部、３７・・・検出器パラメータ算出部、３８・・・統計演算部、３９・・・統計抽出部、４０・・・パターン検出部、４１・・・ディスプレイ、４２・・・信号変換部、４３・・・荷電粒子源、４４・・・荷電粒子ビーム、４５・・・試料、４６・・・信号、４７・・・変換電極、４８・・・副検出器の画像、４９・・・底部領域、５０・・・主検出器の画像、５１・・・底部領域、５２・・・領域、５３・・・領域、５４・・・領域、５５・・・領域、５６・・・溝パターン、５７・・・座標軸、５８・・・Ｅｑ（ｘ）

Claims (13)

  1. 　荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームの試料への照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、当該検出器の出力に基づいて得られる信号を処理する制御装置を備えた荷電粒子線装置において、
    　前記制御装置は、前記検出器の出力に基づいて生成される画像の所定領域の階調値の統計処理を行い、当該統計処理によって得られる統計値と、画像の階調値に関する参照データとの違いを補正する信号処理を実行することを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記制御装置は、前記所定領域の階調値の平均値と、前記参照データとの違いを補正するように、前記検出器の出力信号に基づいて得られる画像のコントラスト、及びブライトネスを調整することを特徴とする荷電粒子線装置。
  3. 　請求項１において、
    　前記制御装置は、複数のフレーム画像を積算して積算画像を生成する画像処理装置であって、前記信号処理を行うための装置条件の変更の後、当該変更された装置条件にて、前記積算画像を生成するための信号検出を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
  4. 　請求項１において、
    　前記制御装置は、複数のフレーム画像を積算して積算画像を生成する画像処理装置であって、当該積算のためのフレーム枚数より少ないフレームの信号を用いて、前記統計処理を実行することを特徴とする荷電粒子線装置。
  5. 　請求項１において、
    　前記制御装置は、前記検出器の出力に基づいて生成される画像の複数領域で、それぞれの前記統計値を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
  6. 　請求項５において、
    　前記制御装置は、前記画像の複数領域のそれぞれで算出された複数の統計値に基づいて、複数のピークを有する輝度ヒストグラムを生成することを特徴とする荷電粒子線装置。
  7. 　請求項５において、
    　前記複数の領域は、試料上の欠陥領域とそれ以外の領域を含むことを特徴とする荷電粒子線装置。
  8. 　請求項１において、
    　前記制御装置は、複数のフレーム画像を積算して積算画像を生成する画像処理装置であって、前記荷電粒子ビームの試料への照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する第１の検出器と、第２の検出器を備え、第１の検出器によって得られた信号に基づいて、前記統計処理を行い、第２の検出器の出力に基づいて、前記積算画像を生成することを特徴とする荷電粒子線装置。
  9. 　請求項８において、
    　前記第１の検出器の出力に基づいて、前記信号処理を行うための装置条件の変更を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
  10. 　請求項９において、
    　前記第１の検出器は、２次電子を検出する検出器であることを特徴とする荷電粒子線装置。
  11. 　請求項１において、
    　前記制御装置は、前記所定領域の階調値とそのばらつきを算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
  12. 　荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束する対物レンズと、荷電粒子ビームの試料への照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、当該検出器の出力に基づいて得られる信号を処理する制御装置を備えた荷電粒子線装置において、
    　前記制御装置は、前記検出器の出力に基づいて生成される画像の所定領域の階調値の統計処理を行い、当該統計処理によって得られる統計値の評価に基づいて、前記対物レンズのレンズ条件を調整することを特徴とする荷電粒子線装置。
  13. 　荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束する対物レンズと、荷電粒子ビームの試料への照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、当該検出器の出力に基づいて得られる信号を処理する制御装置を備えた荷電粒子線装置において、
    　前記制御装置は、前記検出器の出力に基づいて生成される画像の所定領域の階調値に基づいて得られる分散値が小さくなるように、前記対物レンズのレンズ条件を調整することを特徴とする荷電粒子線装置。
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