JP2016178037A - 荷電粒子ビーム装置及び荷電粒子ビーム装置を用いた画像の生成方法並びに画像処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】荷電粒子ビーム装置において、微細なパターンからの微小な二次荷電粒子検出信号からノイズ成分を除去して、コントラストが良く、視認性のよい画像を取得できるようにする。
【解決手段】荷電粒子ビーム装置を、収束させた荷電粒子ビームを試料の表面に照射して走査する荷電粒子光学系と、荷電粒子光学系により荷電粒子ビームが照射された試料から発生した二次荷電粒子を検出する検出部と、検出部の検出信号を受けて試料の画像を生成する画像生成部と、画像生成部で生成した画像を処理する画像処理部と、画像処理部で処理して結果を表示する表示部とを備えて構成し、画像生成部は、検出部の検出信号のうちのパルス信号成分の累積ヒストグラム情報を作成し、この作成した累積ヒストグラム情報を用いてパルス信号検出の閾値を設定し、この設定したしきい値よりも大きい検出信号をパルス信号として出力するパルスカウント方式信号処理部を備えて構成した。
【選択図】 図２

Description

本発明は、試料上に形成された微細なパターンを計測、観察又は検査するための荷電粒子ビーム装置及び荷電粒子ビーム装置を用いた画像の生成方法並びに画像処理装置に関する。

試料上に形成された微細なパターンを計測、観察又は検査するための荷電粒子ビーム装置では、試料に荷電粒子ビームを照射した際に発生する二次荷電粒子を検出するために、シンチレータと光電子増倍管を組み合わせた検出器が用いられる。計測、観察又は検査対象のパターンの微細化が更に進むと、試料に荷電粒子ビームを照射した際に発生する二次荷電粒子の量が減少して、検出器に入射する二次荷電粒子が離散的になる。その結果、二次荷電粒子を検出した検出器からは、パルス状の信号が出力される。

この検出器から出力されたパルス状の信号を処理する方法の一方式として、パルスカウンティング方式がある。このパルスカウンティング方式に関係する先行技術例として、国際公開ＷＯ２０１３／１８７５１１号明細書（特許文献１）、特開平０８−０６２２７４号公報（特許文献２）及び特開２０１１−１７５８１１号公報(特許文献３)に記載されているような技術がある。

特許文献１では、以下の内容が記載されている。「簡単な操作で微量の光の信号成分と暗電流に起因するノイズの信号成分とを弁別することができる光信号検出回路、光量検出装置、および荷電粒子線装置を提供すること。データ処理部（４４１）が、アンプ（４１）およびＡ／Ｄ変換部（４２）により変換された光量に応じたデジタル電圧信号からパルスを検出してパルスの最大電圧値である波高値を求め、求めた波高値ごとの出現頻度を頻度数記憶領域（４５１）に記憶させ、データ解析部（４４２）が、頻度数記憶領域（４５１）に記憶された波高値に対応付けられた当該波高値の出現頻度のうち、波高値の値が小さいものから順に当該波高値の出現頻度と予め定められた頻度下限値とを比較し、比較の結果出現頻度が頻度下限値以下となった波高値の値をパルス判定しきい値とし、しきい値処理部（４３）が、パルス判定しきい値以上のデジタル電圧信号を検出信号として出力する。」
特許文献２では、以下の内容が記載されている。「入力は、比較器２に於て、閾値Ｖthと比較される。閾値設定回路１が、閾値Ｖthを随時決定している。閾値Ｖthを越える入力Ｖjに対して、比較器２は読み込み信号３を発生する。閾値Ｖthを入力信号の大きさ、頻度に応じて変更し、閾値Ｖth以上の入力信号の単位時間内の数が常にある範囲内に収まるようにする。ノイズレベルが低い場合は閾値Ｖthが低くなり、低レベルノイズも通して計測するので、測定器の故障でないことが分かる。ノイズが大きい場合は閾値Ｖthを上げて、ノイズの入るのを抑制する。この場合でも、部分放電の信号は落とさないで計測することができる。」
特許文献３では、「出力信号が当該検出器へ一つの荷電粒子が入射される状態における出力信号であるか、検出器へ複数の荷電粒子が入射される状態における出力信号であるかを判定する判定部と、出力信号が検出器へ一つの荷電粒子が入射される状態における出力信号であると判断された場合には、パルスカウント法による信号処理により画像形成を行い、出力信号が検出器へ複数の荷電粒子が入射される状態における出力信号であると判断された場合には、アナログ法による信号処理により画像形成を行う演算部を備えた」荷電粒子線装置について記載されている。

国際公開ＷＯ２０１３／１８７５１１号明細書 特開平０８−０６２２７４号公報 特開２０１１−１７５８１１号公報

半導体製造プロセスにおいて、半導体基板（ウェハ）上に形成される回路パターンの微細化が急速に進んでおり、それらのパターンが設計通りに形成されているか否か等を監視するプロセスモニタリングの重要性が益々増加している。例えば、半導体製造プロセスにおける異常や不良（欠陥）の発生を早期に或いは事前に検知するために、各製造工程の終了時に、ウェハ上の回路パターン等の計測及び検査が行われる。

上記計測・検査の際、走査型電子ビーム方式を用いた電子顕微鏡装置（ＳＥＭ）などの計測検査装置及び対応する計測検査方法においては、対象のウェハ（試料）に対して電子ビーム（電子線）を走査（スキャン）しながら照射し、これにより発生する二次電子・反射などのエネルギーを検出する。そしてその検出に基づき信号処理・画像処理などにより画像（計測画像や検査画像）を生成し、当該画像に基づいて計測、観察又は検査が行われる。

例えば、回路パターンにおける欠陥の検査を行う装置（検査装置、検査機能）の場合は、検査画像を用いて、同様の回路パターンの画像同士を比較し、それらの差が大きい箇所を欠陥として判定・検出する。また回路パターンにおける計測を行う装置（計測装置、計測機能）の場合は、二次電子・反射電子などの発生量が試料の凹凸（表面形状）によって変化するので、その二次電子などの信号の評価処理により、試料の表面形状の変化などを捉えることができる。特に、回路パターンのエッジ部で二次電子などの信号が急激に増減することを利用して、当該回路パターンの画像内でのエッジ位置を推定することで、回路パターンの寸法値などを計測することができる。そしてその計測結果に基づいて、当該回路パターンの加工の良否などを評価することができる。更に、他の検査装置で検出した欠陥を詳細に観察する装置（レビュー装置）の場合は、他の検査装置で検出した欠陥の位置座標に基づいて低倍率の二次電子像で欠陥位置を検出し、次に高倍率の二次電子像で欠陥の拡大像を撮像し、この拡大画像で欠陥を観察すると共に、拡大画像から欠陥の画像上の特徴量を抽出して欠陥の分類を行っている。

従来例のＳＥＭ等の計測検査装置及び方法における電子ビーム走査方式について以下に説明する。例えばＣＤ−ＳＥＭ（測長ＳＥＭ）における通常の走査を、ＴＶ走査またはラスタ走査などと呼ぶ。またＴＶ走査を基準としてそのｎ倍速とした走査をｎ倍速走査などと呼ぶ。従来例のラスタ走査方式またはＴＶ走査方式では、電子ビームの走査方向や走査速度、試料上に形成されたパターンの形状、大きさなどに応じて、試料の帯電量に違いが生じるという課題がある。すなわち、試料の帯電量の違いにより、二次電子を検出して得た画像において、画像コントラストが低下、あるいは回路パターンのエッジが消失する等、試料表面状態の観察すなわち測定や検査の精度が低下するまたは不可能となる。この現象は、検査対象のパターンのサイズが微細化するにしたがって、より顕著に表れてくる。

計測・検査の精度低下に対処する方法として、単位領域あたりの電子ビーム照射時間を短くし、即ち照射電荷密度を小さくし、試料の帯電量を下げる又は適切にすることが有効である。このためには、電子ビーム照射走査速度をｎ倍速のように速くすること即ち高速走査を実現することが有効である。しかし、上記電子ビームの高速走査による照射電荷密度低下に伴い、試料から生じる二次電子・反射電子などの発生頻度が減少、すなわち二次電子等の検出頻度が低下する。

二次電子・反射電子などの検出方式として、アナログ検出方式とパルスカウンティング方式がある。アナログ検出方式は、二次電子検出頻度が比較的高い場合に用いられ、二次電子等を信号に変換して平均化した信号強度を検出する方式である。一方、パルスカウンティング方式は、二次電子検出頻度が比較的低い場合に用いられ、二次電子等を信号に変換して二次電子数に相当する信号数を検出する方式である。二次電子等の発生頻度低下に対して、パルスカウンティング方式は、アナログ検出方式と比較して高い信号対雑音比（Ｓ/Ｎ比）で検出でき、低頻度の二次電子等検出に有効である。

電子顕微鏡にパルスカウンティング方式を採用する場合、検出画像等の視認性を向上させるため、低頻度で発生する二次電子・反射電子等を漏れなく検出することが要求される。特に、深溝・深穴または高速スキャン等の条件下では、二次電子・反射電子等の発生頻度は極端に低下し、検出画像等の視認性改善に対する要求が高い。

特許文献１に記載されたパルスカウンティング方式は、二次電子等を信号に変換した後、信号強度を増大または制御し、アナログ‐デジタル変換器（以下、ＡＤＣ）で信号を検出するとともに、一定時間で検出した信号の波高値ごとに信号の出現頻度を求め、予め記憶した頻度より出現頻度が低いとき、予め記憶した値をしきい値として判定する方法である。この方法では、二次電子等の発生頻度が低下した場合、一定時間での信号の出現頻度が低下して誤ったしきい値を判定して信号を誤検出する可能性がある。

特許文献２に記載された方法は、可変しきい値の比較器で信号を検出し、予め設定した検出信号数にとなるように、可変しきい値を判定する方法である。この方法では、二次電子等の発生頻度が低下した場合、ノイズを含めて検出するため、信号を誤検出する課題がある。すなわち、二次電子等の誤検出を生じ、検出画像等の視認性を劣化させる原因となる。

特許文献３には、検出器からの信号収量を評価して、シングルシグナルと判定したときにはパルスカウント法による画像の作成を行い、マルチシグナルであると判定したときにはアナログ法による信号処理により画像を作成することが記載されているが、パルスカウント法においては、暗電流のピークとシングルシグナルピークとの間に設けたしきい値を超えた測定点の値を１、しきい値以下の場合は０として、各測定点の値を合計し、それをもとに明るさの諧調を決めるとしか記載されておらず、具体的に多諧調の画像を得る方法については記載されていない。

本発明は、上記した従来技術の課題を解決して、微細なパターンからの微小な二次荷電粒子検出信号からノイズ成分を除去して、コントラストが良く、視認性のよい画像を取得できるようにした荷電粒子ビーム装置及び荷電粒子ビーム装置を用いた画像の生成方法並びに画像処理装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明では、荷電粒子ビーム装置を、収束させた荷電粒子ビームを試料の表面に照射して走査する荷電粒子光学系と、荷電粒子光学系により荷電粒子ビームが照射された試料から発生した二次荷電粒子を検出する検出部と、検出部の検出信号を受けて試料の画像を生成する画像生成部と、画像生成部で生成した画像を処理する画像処理部と、画像処理部で処理して結果を表示する表示部とを備えて構成し、画像生成部は、検出部の検出信号のうちのパルス信号成分の累積ヒストグラム情報を作成し、この作成した累積ヒストグラム情報を用いてパルス信号検出の閾値を設定し、この設定したしきい値よりも大きい検出信号をパルス信号として出力するパルスカウント方式信号処理部を備えて構成した。

また、上記課題を解決するために、本発明では、荷電粒子ビーム装置を用いた画像の生成方法を、荷電粒子光学系により収束させた荷電粒子ビームを試料の表面に照射して走査し、荷電粒子ビームが照射された試料から発生した二次荷電粒子を検出部で検出し、二次荷電粒子を検出した検出部の検出信号を受けて画像生成部で試料の画像を形成し、画像生成部で生成した画像を画像処理部で処理し、画像処理部で処理した結果を表示部に表示する方法とし、画像形成部で画像を形成することを、検出部からの検出信号のうちのパルス信号成分の累積ヒストグラム情報を作成し、この作成した累積ヒストグラム情報を用いてパルス信号検出の閾値を設定し、この設定したしきい値よりも大きい検出信号をパルス信号として抽出し、この抽出したパルス信号の情報を用いてパルス信号成分に基づく画像を形成するようにした。

更に、上記課題を解決するために、本発明では、荷電粒子ビーム装置で収束させた荷電粒子ビームを試料の表面に照射して走査することにより試料から発生した二次荷電粒子を検出器で検出した信号を受けて試料の画像を生成する画像処理装置を、検出部の検出信号のうちのパルス信号成分の累積ヒストグラム情報を作成し、作成した累積ヒストグラム情報を用いてパルス信号検出の閾値を設定し、設定したしきい値よりも大きい検出信号をパルス信号として出力するパルスカウント方式信号処理部と、パルスカウント方式信号処理部から出力されたパルス信号情報を用いてパルス信号成分に基づく画像を生成するパルスカウント画像生成部とを備えて構成した。

本発明のうち代表的な形態によれば、計測・検査装置において、視認性の良い計測・検査用の画像を取得することができるようになった。

本発明の実施例１における荷電粒子ビーム装置の概略の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１における荷電粒子ビーム装置の二次電子検出信号処理部の概略の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１における荷電粒子ビーム装置の弁別しきい値を設定して検査・計測画像を取得する処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施例１における荷電粒子ビーム装置の弁別しきい値を設定して検査・計測画像を取得する処理において使用する弁別しきい値電圧のデータテーブルである。 本発明の実施例１における荷電粒子ビーム装置における弁別しきい値電圧と検出信号のカウント数の関係を示すグラフである。 本発明の実施例１における荷電粒子ビーム装置の信号処理・画像生成ブロックの概略の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１における荷電粒子ビーム装置のユーザインタフェースを示す画面の正面図である。 本発明の実施例２における荷電粒子ビーム装置の二次電子検出信号処理部の概略の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例２における荷電粒子ビーム装置の検出器のゲインと弁別しきい値を設定して検査・計測画像を取得する処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施例２における荷電粒子ビーム装置の弁別しきい値を設定して検査・計測画像を取得する処理において使用する弁別しきい値電圧のデータテーブルである。 本発明の実施例２における荷電粒子ビーム装置の検出器のゲインを設定して検査・計測画像を取得する処理において使用するゲイン電圧のデータテーブルである。 本発明の実施例２における荷電粒子ビーム装置の検出器のゲインを変えた場合の弁別しきい値電圧と検出信号のカウント数との関係を表す累積ヒストグラムである。

本発明は、微細なパターンが形成された試料の表面に荷電粒子ビームを照射し走査して、試料から発生する二次荷電粒子を検出して試料の二次荷電粒子画像を得るときに、微細なパターンからの微小な二次荷電粒子検出信号からノイズ成分を除去することにより、コントラストが良く、視認性のよい画像を取得できるようにしたものである。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、実施形態の説明するための全図において、同一部には原則として同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、計測観察検査装置および計測観察検査方法とは、計測、観察、検査のうち何れか一つ又はそれらの組み合わせた場合を含む。

本発明は、荷電粒子ビーム装置として、電子ビームを用いた装置や、イオンビームを用いた装置を対象とするが、図１に、荷電粒子ビーム装置の一例として、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた計測観察検査システムの一例（概略）を示す。本実施例に係る計測観察検査システム１０００は、走査型電子顕微鏡１００と二次電子検出信号処理部１１３、信号処理・画像生成ブロック１１５、コンピュータ１２０を備えて構成される。

走査型電子顕微鏡１００には、カラム１５０と、電子ビーム１０２を照射させる電子銃１０１、コンデンサレンズ１０３、ブランキング制御電極１０４、アパーチャ１０５、偏向器１０６、対物レンズ１０７、二次電子検出器１０９などで構成される電子光学系１１０を備えている。

二次電子検出器１０９は、電子ビーム１０２の照射により計測観察検査の対象である試料１から発生した二次電子１０８を検出する。

また、二次電子検出信号処理部１１３は、二次電子検出器１０９からの出力信号を処理し、信号処理・画像生成ブロック１１５は、二次電子検出信号処理部１１３からの出力信号を受けて画像を生成する。更に、コンピュータ１２０は、信号処理・画像生成ブロック１１５からの出力信号１１６を入力して試料１を計測、観察、検査の何れか、又はそれらを組合せた画像処理を行い、その結果を計測観察検査画像１２１としてユーザインタフェース画面１２２に表示する。

また、走査型電子顕微鏡１００の電子銃１０１、コンデンサレンズ１０３、ブランキング制御電極１０４、アパーチャ１０５、偏向器１０６、対物レンズ１０７、二次電子検出器１０９は、カラム１５０の内部に配置されており、カラム１５０の内部は、図示していない真空排気手段により、真空に排気される。

本実施例における計測観察検査システム１０００は、電子ビーム１０２が照射された試料１から発生した二次電子１０８を検出した信号を処理して試料１の計測観察検査を行うものであり、二次電子１０８を発生頻度の多い状態から発生頻度が低い状態まで対応するものであるが、本実施例では、試料１に形成された極微細なパターン上を電子ビーム１０２を高速に走査して撮像する場合のような、低頻度の二次電子が発生する状態における、信号とノイズとを弁別するしきい値を判定するための構成について説明し、二次電子１０８を発生頻度の多い状態で検出して二次電子の信号強度を画素単位の積分値を用いて画像化するアナログ法による信号処理を行うための構成についての詳細な説明は省略する。

図１に示した構成において、電子銃１０１は、一次電子ビームであるビーム１０２を出射する。コンデンサレンズ１０３は、集束レンズであり、電子銃１０１から出射されたビーム１０２を集束させる。

ブランキング制御電極１０４は、ビーム１０２の試料１上への照射の遮断をオン／オフ制御する場合に使用される。通常、遮断オフ時には、ブランキング制御電極１０４間をビームがそのまま通過し、ビーム１０２のようにアパーチャ１０６を通る。遮断オン時には、ブランキング制御電極１０４間でビームが曲げられ、ビーム１０２はアパーチャ１０６に照射されて試料１上への照射が遮断される。アパーチャ１０５を通過したビーム１０２は、偏向器１０６を通じて偏向制御される。即ちビーム１０２は、偏向制御を含む走査制御を通じて、対物レンズ１０７等を経て、試料１に対して走査しながら照射される。

試料１に対する電子ビーム１０２の照射により試料１から発生する二次電子１０８の一部は検出器１０９に入射して、電気信号１１２に変換されて検出器１０９から出力される。

二次電子１０８が入射した検出器１０９で検出されたアナログ信号は、プリアンプ回路(図示せず)での電流（Ｉ）−電圧（Ｖ）変換、及び前置増幅を経て、二次電子検出信号処理部１１３に入力される。二次電子検出信号処理部１１３では、アナログ方式信号検出部１１３１とパルスカウント方式信号検出部１１３２を経て、アナログ方式信号検出部１１３１で処理された画像情報とパルスカウント方式信号検出部１１３２で得た画像情報を、信号処理・画像生成ブロック１１５で合成される。

信号処理・画像生成ブロック１１５で合成された画像がコンピュータ１２０に送られて画像処理が行われ、計測観察検査システム１０００が計測機能の場合は計測画像を生成し、当該画像内の試料１に形成されたパターンの寸法値の計算などを行う。また、計測観察検査システム１０００が検査機能の場合は、検査画像を生成し、当該画像内の欠陥などを検出・判定する処理などを行う。

図２に、本実施例における、二次電子検出信号処理部１１３の構成を示す。二次電子検出信号処理部１１３は、検出器１０９から出力されて増幅された検出信号を受けて信号を分離する信号分離部１１３０と、この信号分離部１１３０で分離された信号のうち発生頻度が高く連続的に検出される二次電子を検出した信号を低周波アナログ信号として処理するアナログ方式信号検出部１１３１と、信号分離部１１３０で分離された信号のうち離散的に発生した二次電子の検出信号を高周波信号としてパルスカウント方式の信号処理を行うパルスカウント方式信号検出部１１３２を備えている。

アナログ方式信号検出部１１３１は、発生頻度の多い状態で検出した二次電子１０８のアナログ信号を画素単位で多値のデジタル化して画像を生成する信号処理を行うもので、その詳細な説明は省略する。

パルスカウント方式信号検出部１１３２は、二次電子検出器１０９から入力した信号１１２と弁別しきい値２０５を比較し、検出信号１１４を出力するコンパレータ２０１、検出信号１１４から制御信号２０４を生成する累積ヒストグラム処理部２０２、累積ヒストグラム処理部２０２で生成した制御信号２０４から弁別しきい値電圧２０５を生成する可変電圧源２０３を備えて構成される。

図３Ａに、二次電子検出信号処理部１１３による弁別しきい値を判定するフローチャートを示す。また、図４に、弁別しきい値電圧２０５と検出信号１１４のカウント数との関係を表す累積ヒストグラム４０１を示す。

本実施例における、弁別しきい値を判定する動作について、図３Ａのフロー図を用いて説明する。まず、コンピュータ１２０より走査型電子顕微鏡１００を操作して試料１の計測条件および計測領域を設定する（Ｓ３０１）。累積ヒストグラム処理部２０２で、カウンタiを初期値である０に設定し（Ｓ３０２）、コンピュータ１２０のメモリ(図示せず)に保存された図３Ｂに示すようなテーブル３２０からｉ＝０に相当するしきい値電圧Ｖｔｈ(０)を読み出し、制御信号２０４を出力して可変電圧源２０３から弁別しきい値２０５をしきい値電圧Ｖｔｈ(０)に設定する（Ｓ３０３）。

次に、試料１の計測領域に電子ビーム１０２を走査するようにコンピュータ１２０で偏向部１０３を制御し、発生した二次電子１０８を検出した検出器１０９からの出力信号１１２をコンパレータ２０１に入力する。コンパレータ２０１では、信号１１２とＳ３０３で設定した弁別しきい値２０５とを比較し、信号１１２が弁別しきい値２０５よりも大きいときには出力１、信号１１２が弁別しきい値２０５よりも小さいときには出力０を検出信号１１４として順次検出し、このコンパレータ２０１から出力される検出信号１１４を累積ヒストグラム処理部２０２でカウントし（Ｓ３０４）、そのカウント数ＣＮＴ（０）をコンピュータ１２０のメモリに保存する（Ｓ３０５）。

次に、累積ヒストグラム処理部２０２でカウンタｉをインクリメントし（Ｓ３０６）、図３Ｂに示すようなテーブル３２０からｉ＝１に相当するしきい値電圧Ｖｔｈ（１）をしきい値に設定し（Ｓ３０７）、Ｓ３０４の場合と同様に検出信号をカウントし（Ｓ３０８）、そのカウント数ＣＮＴ（１）をメモリに保存する（Ｓ３０９）。このとき、制御信号２０４、可変電圧源２０３弁別しきい値２０５、電子ビーム１０２、偏向部１０６、検出器１０９等の動作は前記と同様である。累積ヒストグラム処理部２０２でカウント数ＣＮＴ（ｉ）とＣＮＴ（ｉ−1）を比較し（Ｓ３１０）、比較の結果が判定値以下の場合、カウンタをインクリメントし（Ｓ３０６）、異なるしきい値でＳ３０７、Ｓ３０８、Ｓ３０９を実行する。比較の結果が判定値を超える場合、カウンタをデクリメントしたしきい値電圧Ｖｔｈ（ｉ−１)を図３Ｂのテーブル３２０から読み出し、制御信号２０４を出力して可変電圧源２０３から弁別しきい値２０５にＶｔｈ（ｉ−１)を設定する（Ｓ３１１）。

しきい値Ｖｔｈ（ｉ−１)とＶｔｈ（ｉ)とが、図４のグラフの信号とノイズを含む領域４０４にあるとき、カウント数ＣＮＴ（ｉ−１）とＣＮＴ（ｉ）との差は小さい。この場合、Ｓ３１０における比較の結果(比)は予め設定した判定値以下となり、Ｓ３０６に戻って図３Ｂのテーブル３２０から読出した（ｉ＋１）の弁別しきい値電圧でＳ３０７、Ｓ３０８、Ｓ３０９を実行する。

図３Ｂのテーブルに示すように、しきい値Ｖｔｈ（ｉ−１)はしきい値Ｖｔｈ（ｉ)よりも大きい。すなわち、ｉを順次大きくしていくことはしきい値電圧を順次小さくしていくことになり、図４のグラフで右側から左側に向かってカウント数ＣＮＴ（ｉ）のデータを取っていくことになる。

ここで、判定値は、図４で累積ヒストグラム４０１の曲線の信号とノイズを含む領域４０４における傾きとノイズ領域４０３における傾きの差を識別できる値、即ち、信号とノイズを含む領域４０４における累積ヒストグラム４０１の曲線の傾きが最大となる位置におけるカウント数ＣＮＴ（ｉ−１）とＣＮＴ（ｉ）の比の値よりも大きく、ノイズ領域４０３における累積ヒストグラム４０１の曲線の傾きが最少となる位置におけるカウント数ＣＮＴ（ｉ−１）とＣＮＴ（ｉ）の比の値よりも小さくなるような値に設定する。

一方、しきい値Ｖｔｈ（ｉ−１)が適切な弁別しきい値４０２であるとき、カウント数ＣＮＴ（ｉ−１）は信号とノイズを含む領域４０４、カウント数ＣＮＴ（ｉ）はノイズ領域４０３にあり、カウント数の差は大きくなる。この場合、Ｓ３１０の判定における比較の結果(比)が上記に説明したように設定した判定値を超えるので、Ｓ３１１へ進んで、弁別しきい値２０５としてＶｔｈ（ｉ−１)を設定する。

その後、試料１０４の計測領域に電子ビーム１０２を走査するように偏向部１０３を制御し、発生した二次電子１０８を検出器１０９を介して信号１１２に変換して出力する。信号１１２を入力した二次電子検出信号処理部１１３では、信号分離部１１３０で入力した信号１１２を信号１１２１と信号１１２２とに分離し、信号１１２１を低周波信号として処理するアナログ方式信号検出部１１３１へ送り、信号１１２２を高周波信号としてパルスカウント方式信号検出部１１３２へ送る。

パルスカウント方式信号検出部１１３２では、信号分離部１１３０で分離された信号１１２２をコンパレータ２０１に入力する。コンパレータ２０１では、コンピュータ１２０で偏向電極１０６を作動させて電子ビーム１０２の試料１上の走査位置を制御する信号を受けて、入力した信号１１２２とＳ３１１で設定した弁別しきい値２０５とを比較して、入力した信号１１２２が弁別しきい値２０５より大きい場合には１を、小さい場合には０を検出信号１１４として信号処理・画像生成ブロック１１５へ出力する。

信号処理・画像生成ブロック１１５の構成を図５に示す。信号処理・画像生成ブロック１１５は、積算画像作成部１１５５とパルスカウント画像生成部１１５０と画像合成部１１５６を備える。パルスカウント画像生成部１１５０は、パルスカウント部１１５１と、明るさ諧調作成部１１５２及び画像生成部１１５３を備えている。

ここで、計測観察検査システム１０００が計測機能の場合は、走査型電子顕微鏡１００で撮像した試料表面の画像のコントラストを向上させるために、試料１の表面の同じ領域を電子ビーム１０２を走査して撮像することを複数回繰り返し、同じ領域の複数のフレームの画像を取得する。信号処理・画像生成ブロック１１５では、それら複数のフレームの画像を積算してコントラストを向上させた画像を得ている。

パルスカウント方式信号検出部１１３２で複数のフレームの画像を順次処理した場合、コンパレータ２０１から出力される０又は１の信号に基づいて信号処理・画像生成ブロック１１５で作成される１フレーム分の画像は０と１だけで構成された２値画像になる。しかし、同じ領域の複数のフレームの画像を加算することにより、同じ領域の値が加算されて、多値の画像情報を得ることができる。

試料１上の微細なパターンが形成された領域に電子ビーム１０２を照射して高速に走査したとき、試料から発生する二次電子の量は少なくなる。しかし、そのような状況の中でも、二次電子放出率が角度依存性を持つことから、微細なパターンの角部(エッジ)から発生する二次電子の量は平坦な部分と比べて多くなる。その結果、パルスカウント方式信号検出部１１３２から出力される１フレーム分の画像中の微細なパターンのエッジ部分に相当する位置の画像信号は、１となる確率が高くなる。したがって、複数のフレーム画像を加算すると、パターンのエッジ部分が強調された画像を得ることができる。

パルスカウント部１１５１では、コンパレータ２０１から出力された検出信号１１４とコンピュータ１２０からコンパレータ２０１へ送られた偏向電極１０６を作動させる信号とを受けて、複数のフレームについて領域ごとのパルス数をカウントする。次に、明るさ諧調作成部１１５２では、パルスカウント部１１５１で領域ごとにカウントしたパルス数の情報に基づいて、カウント数に応じた明るさ諧調を作成する。そして、画像生成部１１５３において明るさ諧調作成部１１５２で作成した明るさ諧調の情報に基づいてパルスカウント部１１５１で領域ごとにカウントしたパルス数の情報を用いてパルスカウント方式による多値の合成画像を作成する。この多値の合成画像は、前述したように、パターンのエッジ部分が強調された画像になる。

一方、積算画像生成部１１５５では、アナログ方式信号検出部１１３１で検出器１０９から出力された二次電子検出信号波形に基づいて作成した各フレームごとの画像を積算して積算画像を生成する。

画像合成部１１５６では、パルスカウント画像生成部１１５０で生成したパルスカウント方式による多値の合成画像と積算画像生成部１１５５で生成した積算画像とを合成して、合成画像を作成する。この合成画像には、パルスカウント画像生成部１１５０で生成されたパターンのエッジ部分が強調された画像成分が含まれているので、積算画像生成部１１５５で生成した積算画像と比べてパターンのエッジ部分のコントラストが良い画像となる。この合成した画像の情報は、画像情報１１６としてコンピュータ１２０に伝送する。

コンピュータ１２０では、画像情報１１６を計測観察検査画像１２１としてユーザインタフェース画面１２２に表示する。また、画像情報１１６に含まれている試料１に形成されたパターンの寸法を計測してその結果及び基準値との比較結果をユーザインタフェース画面１２２に表示する。この一連の動作により、検査計測画像は取得される（Ｓ３１２）。この動作をＳ３０１で領域ごとに行うことにより領域ごとに弁別しきい値を設定することができる。よって、二次電子検出信号処理部１１３は、計測条件および計測領域ごとに、弁別しきい値２０５を適切な状態に設定することができ、適切な弁別しきい値で検査・計測画像を取得することが可能となる。

図６に、コンパレータ２０１のリファレンス信号（ＲＥＦ）として入力する弁別しきい値電圧２０５を調整する場合のユーザインタフェースを示す。弁別しきい値電圧２０５は、前述のように自動で設定することができるが、必要に応じてユーザが調整することも可能である。ユーザは、弁別しきい値電圧を調整するため、ユーザインタフェース１２２の操作画面６０１に表示された調整する弁別しきい値６０３を、弁別しきい値調整ボタン６０２によって、調整することが可能である。

以上は、二次電子１０８を検出して処理する処理系統：二次電子検出器１０９，二次電子検出信号処理部１１３、信号処理・画像生成ブロック１１５の信号処理の例について説明したが、反射電子を検出して処理する処理系統：反射電子検出器，反射電子検出信号処理部、信号処理・画像生成ブロックにおける構成及び信号処理手順も上記に説明した二次電子１０８を検出して処理する処理系統と同じであるので、その詳細な説明は省略する。

以上、本実施例によれば、低頻度の二次電子が発生する状態において、二次電子検出信号処理部１１３にパルスカウント方式信号検出部１１３２を設けて画像ノイズとパルス信号とを確実に識別できるようにしたことにより、計測条件および計測領域ごとに適切な弁別しきい値２０５を設定することで、低頻度の二次電子等の未検出・誤検出を抑制でき、検査、計測画像の視認性を向上することができる。

本実施例では、検出器１０９から出力される信号１１２の未検出・誤検出を抑制するため、実施例１で図１に示した構成において、検出器１０９を制御して信号１１２の波高値を最適化する構成について説明する。

図７に、本実施例における二次電子検出信号処理部７０８の構成を示す。図７においては、説明を簡単にするために、実施例１において図２の構成で説明した、信号分離部１１３０、アナログ方式信号検出部１１３１の記載を省略した。図７に示した二次電子検出信号処理部７０８は、検出器１０９から出力された信号１１２とリファレンス入力端子（ＲＥＦ）に入力する弁別しきい値電圧７０５を比較して検出信号７０９を出力するコンパレータ７０１、検出信号７０９から制御信号７０４、７１０を生成する累積ヒストグラム処理部７０２、制御信号７０４から弁別しきい値電圧７０５を生成する可変電圧源７０３を備えて構成される。

図８Ａに、本実施例において、制御信号７１０によって検出器１０９の利得を制御した場合の検出システム７０８による弁別しきい値を判定するフローチャートを示す。

図９に、本実施例において、制御信号７１０によって検出器１０９の利得を制御した場合の弁別しきい値電圧７０５と検出信号１０９のカウント数との関係を表す累積ヒストグラムを示す。累積ヒストグラム９０２は、検出器１０９の利得が適切な場合であり、弁別しきい値電圧７０５が低い部分では低振幅なノイズによりカウント数が多く、弁別しきい値電圧７０５が高い部分では信号１１２の波高値分布に従ってカウント数が小さくなる。

一方、検出器１０９の利得が高い場合の累積ヒストグラム９０１は、検出器１０９で低振幅なノイズを増幅し、増幅されたノイズの誤検出により、コンパレータ７０１から出力される検出信号７０９のカウント数はコンパレータ７０１に入力する信号１１２よりも多くなる。他方、検出器１０９の利得が低い場合の累積ヒストグラム９０３は、検出器１０９の増幅不足により信号１１２が未検出となるためカウント数が少ない。よって、信号１１２の誤検出・未検出を抑制するため、検出器１０９の利得を適切に設定する必要がある。

本実施例における、弁別しきい値を判定する動作について、図８Ａのフローチャートに沿って、図１、図７及び図９を参照したて説明する。
まず、コンピュータ１２０より走査型電子顕微鏡１００を操作して試料１の計測条件および計測領域を設定する（Ｓ８０１）。累積ヒストグラム処理部７０２で、カウンタiおよびｊを初期値である０に設定し（Ｓ８０２）、コンピュータ１２０のメモリに保存された図８Ｂに示したテーブル８３０からｉ＝０に相当するしきい値電圧Ｖｔｈ(０)を読み出し、制御信号７０４を出力して可変電圧源７０３から弁別しきい値電圧７０５をしきい値電圧Ｖｔｈ(０)に設定し（Ｓ８０３）、メモリに保存された図８Ｃに示したテーブル８３１からｊ＝０に相当する印加電圧Ｇａｉｎ(０)を読み出し、制御信号７１０を出力して検出器１０９の印加電圧をＧａｉｎ(０)に設定する（Ｓ８０４）。検出器からの出力に基づく信号１１２をカウントするため、試料１の計測領域に電子ビーム１０２を走査するようにコンピュータ１２０で偏向部１０３を制御し、発生した二次電子１０８を検出器１０９を介して信号１１２に変換し、コンパレータ７０１に入力する。コンパレータ７０１では、入力した信号１１２と弁別しきい値電圧７０５を比較、検出し、出力される検出信号７０９を累積ヒストグラム処理部７０２でカウントし（Ｓ８０５）、そのカウント数ＣＮＴＧ（０）をメモリに保存する（Ｓ８０６）。

次に、累積ヒストグラム処理部７０２でカウンタｊをインクリメントし（Ｓ８０７）、図８Ｃのテーブル８３１からｊ＝１に相当するＧａｉｎ（１）を印加電圧に設定し（Ｓ８０８）、検出信号をカウントし（Ｓ８０９）、そのカウント数ＣＮＴＧ（１）をメモリに保存する（Ｓ８１０）。このとき、制御信号７０４、可変電圧源７０３弁別しきい値電圧７０５、電子ビーム１０２、偏向部１０３、検出器１０９等の動作は前記と同様である。累積ヒストグラム処理部７０２でカウント数ＣＮＴＧ（ｊ）とＣＮＴＧ（ｊ−1）を比較し（Ｓ８１１）、Ｇａｉｎ判定値未満の場合、カウンタをインクリメントし（Ｓ８０７）、異なる印加電圧でＳ８０８、Ｓ８０９、Ｓ８１０を実行する。Ｓ８１１で判定値以下の場合、印加電圧Ｇａｉｎ（ｊ)を図８Ｃのテーブル８３１から読み出し、制御信号７１０を出力して検出器１０９の印加電圧をＧａｉｎ（ｊ）に設定する（Ｓ８１２）。また、Ｓ８１３〜Ｓ８２２のフローチャートは、実施例１と同様であるため説明を割愛する。

本実施例によれば、二次電子検出信号処理部７０８は、計測条件および計測領域ごとに、信号１１２の波高値、および、二次電子検出信号処理部７０８の弁別しきい値電圧７０５を適切な状態に設定することができ、適切な弁別しきい値で検査・計測画像を取得することが可能となる。

なお、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を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD（Solid State Drive）等の記録装置、または、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。

１００・・・走査型電子顕微鏡 １０１・・・電子銃 １０２・・・電子ビーム １０３・・・偏向部 １０４・・・ブランキング電極 １０５・・・アパーチャ １０６・・・偏向電極 １０７・・・対物レンズ １０９・・・検出器 １１０・・・電子光学系 １１３・・・二次電子検出信号処理部 １１５・・・信号処理・画像生成ブロック １２０・・・コンピュータ ２０１，７０１・・・コンパレータ ２０２，７０２・・・累積ヒストグラム処理部 ２０３，７０３・・・可変電圧源

Claims (13)

1. 収束させた荷電粒子ビームを試料の表面に照射して走査する荷電粒子光学系と、
   前記荷電粒子光学系により荷電粒子ビームが照射された前記試料から発生した二次荷電粒子を検出する検出部と、
   前記検出部の検出信号を受けて前記試料の画像を生成する画像生成部と、
   前記画像生成部で生成した画像を処理する画像処理部と、
   前記画像処理部で処理して結果を表示する表示部と
   を備えた荷電粒子ビーム装置であって、
   前記画像生成部は、
   前記検出部の検出信号のうちのパルス信号成分の累積ヒストグラム情報を作成し、前記作成した累積ヒストグラム情報を用いてパルス信号検出の閾値を設定し、前記設定したしきい値よりも大きい検出信号をパルス信号として出力するパルスカウント方式信号処理部を有する
   ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
2. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置であって、
   前記画像生成部は、パルスカウント画像生成部を更に有し、前記パルスカウント方式信号処理部から出力されたパルス信号情報を用いてパルス信号成分に基づく画像を生成することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
3. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置であって、
   前記パルスカウント方式信号処理部は、前記荷電粒子光学系で前記収束させた荷電粒子ビームを試料の表面の所定の領域に照射して走査することを複数回繰返したときに前記前記パルスカウント方式信号処理部から出力された複数のフレーム分のパルス信号情報から各フレームの対応する位置にパルス数をカウントするパルスカウント部と、
   前記パルスカウント部でカウントしたパルス数の情報から画像の明るさ諧調を設定する明るさ諧調設定部と、
   前記パルスカウント部でカウントした前記複数のフレームの各位置ごとのパルス数の情報と前記諧調設定部で設定した画像の明るさ諧調の情報を用いて画像を生成する画像生成部と、
   を備えることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
4. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置であって、
   前記画像生成部は前記検出部の検出信号のうち低周波成分の信号を処理して画像を生成するアナログ方式信号検出部と、
   アナログ方式信号検出部で生成した画像を積算する積算画像合成部と、
   をさらに備えることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
5. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置であって、
   前記画像処理部は、前記画像生成部で形成した画像を処理して、前記試料に形成されたパターンの寸法を計測し、前記表示部は、前記画像処理部で計測した前記パターンの寸法に関する情報を表示することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
6. 荷電粒子光学系により収束させた荷電粒子ビームを試料の表面に照射して走査し、
   前記荷電粒子ビームが照射された前記試料から発生した二次荷電粒子を検出部で検出し、
   前記二次荷電粒子を検出した検出部の検出信号を受けて画像生成部で前記試料の画像を形成し、
   前記画像生成部で生成した画像を画像処理部で処理し、
   前記画像処理部で処理した結果を表示部に表示する
   荷電粒子ビーム装置を用いた画像の生成方法であって、
   前記画像形成部で画像を形成することを、
   前記検出部からの検出信号のうちのパルス信号成分の累積ヒストグラム情報を作成し、前記作成した累積ヒストグラム情報を用いてパルス信号検出の閾値を設定し、前記設定したしきい値よりも大きい検出信号をパルス信号として抽出し、前記抽出したパルス信号の情報を用いてパルス信号成分に基づく画像を形成する
   ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置を用いた画像の生成方法。
7. 請求項６記載の荷電粒子ビーム装置を用いた画像の生成方法であって、
   前記パルス信号成分に基づく画像を形成することを、
   前記荷電粒子光学系で前記収束させた荷電粒子ビームを試料の表面の所定の領域に照射して走査することを複数回繰返して得られる複数のフレーム分のパルス信号情報から各フレームの対応する位置のパルス数をカウントし、
   前記カウントしたパルス数の情報から画像の明るさ諧調を設定し、
   前記複数のフレームの各位置ごとのパルス数の情報と前記設定した画像の明るさ諧調の情報を用いて画像を生成する、
   ことにより行うことを特徴とする荷電粒子ビーム装置を用いた画像の生成方法。
8. 請求項６記載の荷電粒子ビーム装置を用いた画像の生成方法であって、
   前記画像形成部で画像を形成することが、前記検出部の検出信号のうち低周波成分の信号を処理して画像を生成し、前記生成した画像を積算して画像を合成することをさらに含むことを特徴とする荷電粒子ビーム装置を用いた画像の生成方法。
9. 請求項６記載の荷電粒子ビーム装置を用いた画像の生成方法であって、
   前記画像処理部で画像を処理することは、前記画像形成部で形成した画像を処理して、前記試料に形成されたパターンの寸法を計測し、前記表示部は、前記画像処理部で計測した前記パターンの寸法に関する情報を表示することを含むことを特徴とする荷電粒子ビーム装置を用いた画像の生成方法。
10. 荷電粒子ビーム装置で収束させた荷電粒子ビームを試料の表面に照射して走査することにより前記試料から発生した二次荷電粒子を検出器で検出した信号を受けて前記試料の画像を生成する画像処理装置であって、
    前記検出部の検出信号のうちのパルス信号成分の累積ヒストグラム情報を作成し、前記作成した累積ヒストグラム情報を用いてパルス信号検出の閾値を設定し、前記設定したしきい値よりも大きい検出信号をパルス信号として出力するパルスカウント方式信号処理部と、
    前記パルスカウント方式信号処理部から出力されたパルス信号情報を用いてパルス信号成分に基づく画像を生成するパルスカウント画像生成部と、
    を有することを特徴とする画像処理装置。
11. 請求項１０記載の画像処理装置であって、前記パルスカウント方式信号処理部は、
    前記荷電粒子光学系で前記収束させた荷電粒子ビームを試料の表面の所定の領域に照射して走査することを複数回繰返したときに前記前記パルスカウント方式信号処理部から出力された複数のフレーム分のパルス信号情報から各フレームの対応する位置にパルス数をカウントするパルスカウント部と、
    前記パルスカウント部でカウントしたパルス数の情報から画像の明るさ諧調を設定する明るさ諧調設定部と、
    前記パルスカウント部でカウントした前記複数のフレームの各位置ごとのパルス数の情報と前記諧調設定部で設定した画像の明るさ諧調の情報を用いて画像を生成する画像生成部と、
    を備えることを特徴とする画像処理装置。
12. 請求項１０記載の画像処理装置であって、前記画像生成部は前記検出部の検出信号のうち低周波成分の信号を処理して画像を生成するアナログ方式信号検出部と、アナログ方式信号検出部で生成した画像を積算する積算画像合成部とをさらに備えることを特徴とする画像処理装置。
13. 請求項１０記載の画像処理装置であって、
    前記画像生成部で形成した画像を処理して、前記試料に形成されたパターンの寸法を計測し、前記表示部は、前記画像処理部で計測した前記パターンの寸法に関する情報を表示する画像処理部をさらに備えることを特徴とする画像処理装置。

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