JP3405891B2 - 合焦位置算出装置及びその方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型電子顕微鏡
の合焦位置算出装置及びその方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、走査型電子顕微鏡（Scanning Ele
ctron Microscope：以下、ＳＥＭと呼ぶ）の分解能はｎ
ｍ（ナノメートル）の領域に達しており、半導体検査等
において盛んに利用されている。

【０００３】このＳＥＭにおいて、検査の度に行われる
オートフォーカスを高速化することは極めて重要であ
り、幾つかの高速化手法が検討されている。

【０００４】一般にオートフォーカスは、以下の２つの
ステップからなる。

【０００５】(1) 各フォーカスで得られる画像のピント
が合っている度合（以下、鮮明度と呼ぶ）を評価する。

【０００６】(2) 鮮明度のフォーカスに対する変化から
ピークを検出し、そのピーク位置を合焦位置とする。

【０００７】鮮明な画像は、高周波成分を多く含む。従
って、鮮明度の評価関数としては、画像の高周波成分の
強度を用いれば良い。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、フルサイズ
の画像をフォーカスの全段階分入力すると非常に時間が
かかるので、オートフォーカスを高速化する方法とし
て、画像の一部分のみを入力する方法や（特開平７−１
５３４０７号）、合焦位置を予測しながら、合焦位置付
近のみ段階を密に入力する方法がある（特開昭５６−４
１６６３号）。

【０００９】画像の一部分のみを入力する方法、すなわ
ち、前者の方法は、入力した部分画像の濃度勾配が小さ
ければ、フォーカスに対する鮮明度の変化が明確なピー
クを持たないので、算出した合焦位置の精度が非常に悪
くなるという問題がある。

【００１０】これは、濃度勾配が小さい場合は、フォー
カスが変化しても画像は殆ど変化しないためである。

【００１１】例えば、図１（ａ）に部分画像中の濃度勾
配が比較的大きい場合のフォーカスに対する鮮明度の変
化を示し、同図（ｂ）に濃度勾配が小さい場合のフォー
カスに対する鮮明度の変化の例を示す。

【００１２】また、前者の方法は、この問題を避けるた
め最初に１画面分の画像を入力し、その画像から濃度勾
配が大きい領域を抽出後、その領域のみフォーカスを変
化させて入力している。しかし、ノイズ領域も濃度勾配
が大きくなるため、ノイズ領域を誤って入力し、誤った
合焦位置を出力する危険性があり、しかも特徴抽出の時
間だけ処理時間を要する。

【００１３】また、合焦位置を予測しながら、合焦位置
に近い段階を密に入力する後者の方法では、幾つかのフ
ォーカスで画像を入力し、各フォーカスにおける画像の
鮮明度を得る。

【００１４】例えば、図２（ａ）のように５つのフォー
カス位置での鮮明度が黒丸のように得られたとする。こ
こで、ｆ１〜ｆ２の間に合焦位置が存在するとして、ｆ
１〜ｆ２の間のフォーカスに対する画像のみ入力し、同
図（ｂ）の黒丸のように、ｆ１〜ｆ２の間のフォーカス
に対する画像の鮮明度を評価する。以上の処理を繰り返
し、ピーク位置を予測しながら求めていく。しかし、必
ずしもｆ１〜ｆ２にピーク位置が存在するとは限らな
い。例えば、ｆ１〜ｆ２の外側に真のピーク位置が存在
する場合は、誤った合焦位置を出力するという問題があ
る。

【００１５】本発明は、上記事情を鑑みてなされたもの
で、従来よりも、高速、かつ、高精度に焦点調節を行う
合焦位置算出方法及び装置に関する。

【００１６】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、電子ビー
ムを試料に対して走査し、これにより生じた二次電子を
検出し、この検出した二次電子の検出量をコントラスト
の情報に変換して前記試料の拡大した画像を表示する走
査型電子顕微鏡において、前記試料に対し前記電子ビー
ムを縦横それぞれに所定の間隔で飛越して走査する電子
ビーム制御手段と、前記電子ビーム制御手段からの電子
ビームの前記試料に対するフォーカスを変化させるフォ
ーカス制御手段と、前記電子ビームによって前記試料か
ら生じる二次電子を検出する検出手段と、前記フォーカ
ス制御手段によって前記試料に対するフォーカスを変化
させながら、前記検出手段によって検出した二次電子の
検出量から各フォーカス毎の画像であって、前記電子ビ
ームを縦横それぞれに所定の間隔で飛越し走査すること
によって得られる画像である縮小画像の画像情報を求め
る画像情報算出手段と、前記画像情報算出手段によって
求めた各フォーカス毎の前記縮小画像の画像情報につい
てそれぞれ鮮明度を求め、これら鮮明度から前記縮小画
像に対する合焦位置に相当するフォーカスを求める画像
処理手段からなることを特徴とする合焦位置算出装置で
ある。

【００１７】電子ビーム制御手段が、電子ビームが予め
設定した間隔で試料表面を走査するように制御するか
ら、通常よりもサイズが小さい画像を縮小画像を入力す
ることになり、画像入力時間が短縮される。また、合焦
位置を求める過程で行われる画像処理もその縮小画像を
対象として行われるから、処理時間が短縮される。

【００１８】第２の発明は、電子ビームを試料に対して
走査し、これにより生じた二次電子を検出し、この検出
した二次電子の検出量をコントラストの情報に変換して
前記試料の拡大した画像を表示する走査型電子顕微鏡に
おいて、前記試料に対し前記電子ビームを縦横それぞれ
に所定の間隔で飛越して走査する電子ビーム制御ステッ
プと、前記電子ビームによって前記試料から生じる二次
電子を検出する検出ステップと、前記試料に対するフォ
ーカスを変化させながら、前記検出ステップによって検
出した二次電子の検出量から各フォーカス毎の画像であ
って、前記電子ビームを縦横それぞれに所定の間隔で飛
越し走査することによって得られる画像である縮小画像
の画像情報を求める画像情報算出ステップと、前記画像
情報算出ステップにおいて求めた各フォーカス毎の画像
情報についてそれぞれ鮮明度を求め、これら鮮明度から
前記縮小画像に対する合焦位置に相当するフォーカスを
求める画像処理ステップからなることを特徴とする合焦
位置算出方法である。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の一実施例につい
て図３から図７を参照して説明する。

【００２０】図３に本実施例におけるＳＥＭの概略構成
を示す。

【００２１】ここでは、カソード１ａ及びアノード１ｂ
からなり、高輝度の電子ビームを発生する電解放出型の
電子銃１と、電子ビームを試料表面に集束させる集束レ
ンズ２と、非点を補正するスティグマタ（非点補正装
置）３と、電子ビームを試料表面上で走査させる偏向器
４と、電子ビームを試料表面に集束させる対物レンズ５
と、試料表面から放出される二次電子を検出する検出器
６と、検出器６により検出された信号を画像として表示
するモニタ７と、電子ビームの照射位置を制御する電子
ビーム制御部８と、対物レンズ５のフォーカスを制御す
るフォーカス制御部９と、検出器６の信号から生成され
る画像を処理し、合焦位置を算出する画像処理部１０か
ら構成している。また、図３中で点線で囲んだ部分、つ
まり、電子銃１、集束レンズ２、スティグマタ３、偏向
器４、対物レンズ５、検出器６をまとめて画像入力部１
１と呼ぶ。

【００２２】図４にオートフォーカスのフローチャート
を示す。なお、図４及び以下では、フォーカスｆにおけ
る画像をＩ_ｆ（ｆ＝１，２，……，Ｆ）と表現する。

【００２３】ｆの初期値をｆ＝１とセットする（ステッ
プ１）。

【００２４】次に、上記フォーカス制御部９から送信さ
れるフォーカス値ｆにおける縮小画像Ｉ_ｆを、画像入力
部１１により入力する（ステップ２）。この縮小画像
は、試料の測定したい位置であって、かつ、測定したい
画像の大きさに拡大率を合わせる。

【００２５】「縮小画像」とは、電子ビームを予め設定
した間隔で飛越し走査することによって得られる画像で
ある。図５に縮小画像の説明図を示す。同図において、
各枡目は画素に対応する。通常の画像は、全枡目位置に
電子ビームを照射することによって得られる。図５の例
では１２×１２画素の画像が通常の画像である。縮小画
像は、電子ビーム制御部８が電子ビームの照射位置を制
御し、通常の画像入力時よりも大きい間隔で電子ビーム
を走査する。例えば、図５の例では、縦横共に３画素飛
び越して×印の位置のみ電子ビームを照射することによ
り得られる３×３画素の画像が縮小画像である。

【００２６】また、「飛越し走査」は、試料に対し現在
入力したい画像の大きさより、拡大した画像を入力する
場合と同様の走査を行う。すなわち、図５の画像の一辺
の寸法が１２ｎｍ（１升が１ｎｍ）とすると、飛越し走
査は、４ｎｍ毎に行われる。この走査は一辺の寸法が１
２ｎｍの４倍の４８ｎｍの画像を走査する場合（拡大率
は、１／４となっている。）と同様の動作を画像入力部
１１によって行うことにより実現できる。但し、入力さ
れる情報量は、一辺４８ｎｍの画像を走査する場合と同
様であっても、一辺１２ｎｍの画像の情報を入力するた
めに、その情報量は非常に少なくなる。具体的には、
（１／４）² ＝１／１６となり、その処理が迅速にな
る。

【００２７】この縮小画像Ｉ_ｆの鮮明度Ｅ（ｆ）を画像
処理部１０が評価する。一般に鮮明な画像は、ぼけた画
像よりも高周波成分の強度が大きくなる。従って、高域
強調フィルタの出力画像の全画素の総和を鮮明度とす
る。ここでは、高域強調フィルタとして画像の局所的な
濃度勾配を算出するＳｏｂｅｌ微分フィルタを用いる。
Ｓｏｂｅｌ微分フィルタの重み付けを図６に示す。
Ｉ_ｘ、Ｉ_ｙは、ｘ、ｙ方向の濃度勾配を各々表す。フォ
ーカスｆにおける画像Ｉ_ｆ上の点（ｘ，ｙ）の濃度勾配
は、

【数１】 で計算されるから、画像Ｉ_ｆの鮮明度Ｅ（ｆ）は、

【数２】 より求めることができる（ステップ３）。

【００２８】但し、ｗ、ｈは各々、画像の縦、横の画素
数である。

【００２９】鮮明度Ｅ（ｆ）を算出後、ｆ＜Ｆであれ
ば、フォーカス制御部９にｆを１ステップ増加させる命
令を送信する（ステップ４）。

【００３０】フォーカス制御部９ではフォーカスを１増
加させて（ステップ５）、画像を入力し、同様に鮮明度
を算出する。

【００３１】これらの一連の処理をｆ＜Ｆを満たす限り
繰り返し行い、図７のようなフォーカスに対する鮮明度
の変化を求める。この曲線を鮮明度曲線と呼ぶ。

【００３２】ｆ≧Ｆとなった時点で繰り返し計算処理を
終了し、得られた鮮明度曲線のピーク位置を求め、その
ピーク位置ｆ_peakをフォーカス制御部９に送信する（ス
テップ６）。ピーク位置を求める方法としては、ここで
は、最も単純に、鮮明度が最大となるｆをピーク位置と
する方法を用いる。

【００３３】フォーカス制御部９では、画像処理部１０
より送信されたｆ_peakの位置にフォーカスを合わせ、画
像入力部１１がフォーカスｆ_peakにおける合焦画像を入
力する（ステップ７）。

【００３４】ここでは、縮小画像ではなく、サンプリン
グ間隔を最も密にして画像を入力するように電子ビーム
制御部８が電子ビームの照射位置を制御する。

【００３５】以上のようにして、画像処理によるオート
フォーカス機能が実現される。

【００３６】なお、電子ビーム制御部８の飛越し走査す
る間隔は、一の画像において予め設定した一定の間隔で
あったが、これに代えて、各走査毎に予め設定した間
隔、または、ぞれぞれ異なる間隔で行ってもよい。

【００３７】また、図４のフローチャートのステップ１
からステップ７の内容をＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に記
憶させておく。そして、飛越し走査が可能なＳＥＭに、
この記録媒体の内容を移し、ステップ１からステップ７
の動作を行わせてもよい。

【００３８】なお、本実施例では、鮮明度が最大となる
ｆを鮮明度曲線のピークとしているが、鮮明度曲線に、
ガウス曲線等の曲線を当てはめ、その曲線のピークを求
める方法を用いても良い。

【００３９】また、鮮明度としてＳｏｂｅｌ微分フィル
タを用いているが、他の微分フィルタを用いても良い
し、また、他の高周波成分を取出すフィルタ、例えば、
局所分散を用いても良いし、フーリエ変換を用いて周波
数解析を行ってもよい。

【００４０】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で
変形を実施できる。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、画像の入力、処理を通
じて対象となるのは縮小画像であるから、通常よりも格
段に高速なオートフォーカス機能を実現することができ
る。また、縮小画像は、電子ビームを間隔を粗くして画
像全域に渡って走査することによって得られるから、常
に安定に焦点調節が実現される。また、画像処理は、主
として局所演算であるから、画像処理ハードウェアを用
いた高速化が容易であり、その実用的効果は多大であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来法を説明するための図である。

【図２】従来法を説明するための図である。

【図３】本実施例の全体構成図である。

【図４】本実施例のフローチャートを示す図である。

【図５】縮小画像の説明図である。

【図６】Ｓｏｂｅｌ微分のマスクを示す図である。

【図７】鮮明度曲線を示す図である。

【符号の説明】

１ 電子銃 ２ 集束レンズ ３ スティグマタ ４ 偏向器 ５ 対物レンズ ６ 検出器 ７ モニタ ８ 電子ビーム制御部 ９ フォーカス制御部 １０ 画像処理部 １１ 画像入力部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−104446（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−138605（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−153407（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−11842（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−202835（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−54159（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−52467（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−41663（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−219543（ＪＰ，Ａ) 実開 昭51−6861（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/21

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子ビームを試料に対して走査し、これに
   より生じた二次電子を検出し、この検出した二次電子の
   検出量をコントラストの情報に変換して前記試料の拡大
   した画像を表示する走査型電子顕微鏡において、 前記試料に対し前記電子ビームを縦横それぞれに所定の
   間隔で飛越して走査する電子ビーム制御手段と、 前記電子ビーム制御手段からの電子ビームの前記試料に
   対するフォーカスを変化させるフォーカス制御手段と、 前記電子ビームによって前記試料から生じる二次電子を
   検出する検出手段と、 前記フォーカス制御手段によって前記試料に対するフォ
   ーカスを変化させながら、前記検出手段によって検出し
   た二次電子の検出量から各フォーカス毎の画像であっ
   て、前記電子ビームを縦横それぞれに所定の間隔で飛越
   し走査することによって得られる画像である縮小画像の
   画像情報を求める画像情報算出手段と、 前記画像情報算出手段によって求めた各フォーカス毎の
   前記縮小画像の画像情報についてそれぞれ鮮明度を求
   め、これら鮮明度から前記縮小画像に対する合焦位置に
   相当するフォーカスを求める画像処理手段からなること
   を特徴とする合焦位置算出装置。
2. 【請求項２】前記電子ビーム制御手段は、 一定の間隔、又は、異なる間隔で飛越走査をすることを
   特徴とする請求項１記載の合焦位置算出装置。
3. 【請求項３】前記画像処理手段は、 前記画像情報算出手段によって求めた前記各フォーカス
   毎の前記縮小画像の画像情報に対し、高周波成分を取出
   すフィルタをそれぞれかけて、その出力情報から前記各
   フォーカス毎の前記縮小画像の画像情報の鮮明度を算出
   し、 その算出した鮮明度が最大であるフォーカスを合焦位置
   とすることを特徴とする請求項１記載の合焦位置算出装
   置。
4. 【請求項４】電子ビームを試料に対して走査し、これに
   より生じた二次電子を検出し、この検出した二次電子の
   検出量をコントラストの情報に変換して前記試料の拡大
   した画像を表示する走査型電子顕微鏡において、 前記試料に対し前記電子ビームを縦横それぞれに所定の
   間隔で飛越して走査する電子ビーム制御ステップと、 前記電子ビームによって前記試料から生じる二次電子を
   検出する検出ステップと、 前記試料に対するフォーカスを変化させながら、前記検
   出ステップによって検出した二次電子の検出量から各フ
   ォーカス毎の画像であって、前記電子ビームを縦横それ
   ぞれに所定の間隔で飛越し走査することによって得られ
   る画像である縮小画像の画像情報を求める画像情報算出
   ステップと、 前記画像情報算出ステップにおいて求めた各フォーカス
   毎の画像情報についてそれぞれ鮮明度を求め、これら鮮
   明度から前記縮小画像に対する合焦位置に相当するフォ
   ーカスを求める画像処理ステップからなることを特徴と
   する合焦位置算出方法。
5. 【請求項５】前記電子ビーム制御ステップは、 一定の間隔、又は、異なる間隔で飛越走査をすることを
   特徴とする請求項４記載の合焦位置算出方法。
6. 【請求項６】前記画像処理ステップは、 前記画像情報算出ステップにおいて求めた前記各フォー
   カス毎の前記縮小画像の画像情報に対し、高周波成分を
   取出すフィルタをそれぞれかけて、その出力情報から前
   記各フォーカス毎の前記縮小画像の画像情報の鮮明度を
   算出し、 その算出した鮮明度が最大であるフォーカスを合焦位置
   とすることを特徴とする請求項４記載の合焦位置算出方
   法。