JP4995542B2 - Autofocus method of charged particle beam apparatus, computer program, and recording medium - Google Patents
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Description
本発明は、試料上の観察対象領域に荷電粒子ビームを照射し、試料から発生する二次荷電粒子により試料像を形成する荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法、コンピュータプログラム、及び、記録媒体に関する。 The present invention relates to an autofocus method, a computer program, and a recording medium for a charged particle beam apparatus that irradiates an observation target region on a sample with a charged particle beam and forms a sample image with secondary charged particles generated from the sample.
近年走査電子顕微鏡等の荷電粒子ビーム装置にあっては、試料に照射する電子線の観察視野は高精度かつ広域のものが求められ、オートフォーカス装置も高速で高い焦点精度が要求される。また、観察時試料の損傷を極力防止する必要があり、低ダメージ化が要求されている。 In recent years, a charged particle beam apparatus such as a scanning electron microscope is required to have a high-accuracy and wide-area observation field of an electron beam applied to a sample, and an autofocus apparatus is also required to have high focus accuracy at high speed. Further, it is necessary to prevent damage to the sample at the time of observation as much as possible, and a reduction in damage is required.
このようなオートフォーカス装置において、フォーカス値検出の代表的な方法として、フォーカスを変えながら、複数の画像を取得し複数の画像を参照して最適なフォーカス値を決定する方法がある。 In such an autofocus device, as a typical method of focus value detection, there is a method of acquiring a plurality of images while changing the focus and determining an optimum focus value by referring to the plurality of images.
図６は従来の荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法を説明する図である。この例は、焦点位置を基準フォーカス位置ＦからΔfずつ変化させながら複数の画像（図６（ａ）〜（ｅ））を取得し、それぞれの画像における像の鮮鋭度を評価し、この鮮鋭度から最適なフォーカス値を算出するものである。図５に示す例ではＦ＋Δｆ×２の画像（図６（ｃ））が最適なフォーカス値を有するものとして検出される。 FIG. 6 is a diagram for explaining an autofocus method of a conventional charged particle beam apparatus. In this example, a plurality of images (FIGS. 6A to 6E) are acquired while changing the focal position by Δf from the reference focus position F, and the sharpness of the image in each image is evaluated. Is used to calculate an optimum focus value. In the example shown in FIG. 5, an image of F + Δf × 2 (FIG. 6C) is detected as having an optimum focus value.
これに類似する方法が特許文献１に記載されている。特許文献１には、電子ビームを試料上に集束すると共に、試料上の所定領域でビームを次元的に走査する荷電粒子ビーム装置において、試料上におけるビームのフォーカスの状態を段階的に変化させ、各フォーカスの段階において試料上の特定領域をビームによって走査し、ビーム走査に基づいて得られた検出信号に適当な処理を施してピーク確度を判定し判定された複数のピーク確度を比較していずれかのピーク位置を選択し、選択されたピーク位置に対応する電子ビームのフォーカスの状態にビームのフォーカス状態をセットするものが記載されている。これらは、試料像を撮影する１フレーム毎にフォーカスを変化させて、適正なフォーカス位置を求める方法である。 A similar method is described in Patent Document 1. In Patent Document 1, in a charged particle beam apparatus that focuses an electron beam on a sample and scans the beam in a predetermined area on the sample, the focus state of the beam on the sample is changed stepwise. At each focus stage, a specific area on the sample is scanned with a beam, the detection signal obtained based on the beam scan is appropriately processed to determine the peak accuracy, and the determined peak accuracy is compared. In such a case, the peak position is selected, and the focus state of the beam is set to the focus state of the electron beam corresponding to the selected peak position. These are methods for obtaining an appropriate focus position by changing the focus for each frame in which a sample image is taken.
また、焦点位置検出の他の方法として、焦点位置検出時のスキャン領域を狭くし、フォーカスを変化させることにより最適なフォーカス値を決定する方法がある。図７は従来の荷電粒子ビーム装置の他のオートフォーカス方法を示す図である。この例は、試料に荷電粒子ビームを狭い同一領域に複数回スキャンし、１スキャン毎にフォーカスを変化させるものである。図７に示す例では、スキャン領域を中央だけに限定し（図７（ａ））、フォーカスを変化させ、それぞれのフォーカス値における画像を、順に並べ画像を得る（図７（ｂ））。つまり図７（ｂ）の画像では、最上位置にＦｏｃｕｓ値：Ｆ時の画像が表示され、次の行には、Ｆｏｃｕｓ ＋Δｆの画像が表示され、下方に向け次々にΔｆが加算された状態の画像が表示される。この例では、得られた図６（ｂ）の画像より、各行における画像の鮮鋭度を求め、この鮮鋭度より最適なフォーカス値を算出するものである。
ところで、前者のフォーカスを変化させながら複数の画像を取得する方法では、複数の画像を取得する必要があるため、実行時間が長くなるという問題がある。即ち、最適フォーカス値の算出に複数の画像を得る必要があり、この問題は、観察視野の高精細化（ピクセル数の増大）に伴ってより顕著に現れる。 By the way, in the former method of acquiring a plurality of images while changing the focus, since it is necessary to acquire a plurality of images, there is a problem that the execution time becomes long. In other words, it is necessary to obtain a plurality of images for calculating the optimum focus value, and this problem becomes more prominent as the observation field of view becomes higher in definition (the number of pixels increases).
また、後者のスキャン領域を狭くした方法では、高速に最適なフォーカス値を得ることができるが、荷電粒子ビームを試料の狭い領域に何回も照射するためその部分のダメージが大きくなるという欠点がある。また狭くした領域にパターンがない場合にはオートフォーカスできないという欠点もある。 In addition, the latter method in which the scan area is narrowed can obtain an optimum focus value at high speed. However, the charged particle beam is irradiated many times on a narrow area of the sample, so that the damage of the portion becomes large. is there. In addition, there is a drawback that autofocus cannot be performed when there is no pattern in the narrowed area.
そこで、本発明は上記の課題を解決して高速かつ高い効率で焦点位置の検出を行うと共に、試料の帯電（チャージング）、損傷などを防ぐことができる荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法、コンピュータプログラム及び記録媒体を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention solves the above-described problems, detects the focal position at high speed and with high efficiency, and prevents the charging (charging), damage, etc. of the sample, and the autofocus method and computer for the charged particle beam apparatus An object is to provide a program and a recording medium.
請求項１の発明は、荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法において、焦点位置に荷電粒子ビームを収束する収束手段と前記荷電粒子ビームを２次元的に走査する走査手段とを備え、前記荷電粒子ビームが照射された試料からの２次荷電粒子に基づいて画像信号を取得し試料像を形成する荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法において、複数の走査ラインからなる１フレーム分の試料領域を走査するに際して前記収束手段を駆動して前記荷電粒子ビームの焦点位置を所定範囲にわたって移動させ、前記画像信号中に現れる試料像のエッジ数が所定数以下のとき、その画像信号を無視してスコア値を得る画像情報取得工程と、前記焦点移動中に得られた１フレームの前記試料像を表す画像信号を解析して適正な荷電粒子ビームの焦点位置を取得する焦点位置検出工程と、前記収束手段を前記適正な焦点位置に設定する焦点位置設定工程とを備える荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法である。 According to a first aspect of the present invention, in the autofocus method of the charged particle beam apparatus, the charged particle beam comprises: a converging unit that converges the charged particle beam at a focal position; and a scanning unit that scans the charged particle beam two-dimensionally. In an autofocus method of a charged particle beam apparatus that acquires an image signal based on secondary charged particles from a sample irradiated with a beam and forms a sample image, when scanning a sample region for one frame composed of a plurality of scanning lines The focusing means is driven to move the focal position of the charged particle beam over a predetermined range, and when the number of edges of the sample image appearing in the image signal is equal to or less than the predetermined number, the image signal is ignored and a score value is obtained. An image information acquisition step and an image signal representing the sample image of one frame obtained during the focal point movement are analyzed to obtain an appropriate focal point of the charged particle beam. A focus position detection step of acquiring location autofocusing method of the charged particle beam device and a focus position setting step of setting the converging means in a proper focus position said.
請求項２の発明は、荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法において、焦点位置に荷電粒子ビームを収束する収束手段と前記荷電粒子ビームを２次元的に走査する走査手段とを備え、前記荷電粒子ビームが照射された試料からの２次荷電粒子に基づいて画像信号を取得し試料像を形成する荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法において、複数の走査ラインからなる１フレーム分の試料領域を走査するに際して前記収束手段を駆動して前記荷電粒子ビームの焦点位置を所定範囲にわたって移動させる画像情報取得工程と、前記焦点移動中に得られた１フレームの前記試料像を表す画像信号を解析して適正な荷電粒子ビームの焦点位置を取得し、前記試料像の鮮鋭度を表す画像信号のスコア値を求め、スコア値Ｓ（ｙ）をエッジ数ＥＮ（ｙ）で割ることによりパターンの多寡によるスコア値の影響を除去する焦点位置検出工程と、前記収束手段を前記適正な焦点位置に設定する焦点位置設定工程とを備える荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法である。 According to a second aspect of the present invention, in the autofocus method for a charged particle beam apparatus, the charged particle beam comprises: a converging unit for converging the charged particle beam at a focal position; and a scanning unit for two-dimensionally scanning the charged particle beam. In an autofocus method of a charged particle beam apparatus that acquires an image signal based on secondary charged particles from a sample irradiated with a beam and forms a sample image, when scanning a sample region for one frame composed of a plurality of scanning lines An image information acquisition step of driving the focusing means to move the focal position of the charged particle beam over a predetermined range, and analyzing an image signal representing the sample image of one frame obtained during the focal movement Gets the focal position of the charged particle beam, obtains a score value of the image signal representing the sharpness of the sample image, the number of edges EN the score value S (y) a focus position detection step of removing the influence of the score value by amount of the pattern by dividing y), autofocus method of the charged particle beam device and a focus position setting step of setting a proper focus position the said converging means It is.
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法において、前記画像情報取得工程では、前記焦点位置の移動を複数周期からなる鋸歯状波に基づいて行うことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the autofocus method of the charged particle beam apparatus according to the first or second aspect, in the image information acquisition step, the focal position is moved based on a sawtooth wave having a plurality of periods. Features.
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法において、前記焦点位置検出工程では、前記試料像の鮮鋭度を表す画像信号のスコア値を求め、このスコア値に基づいて前記適正な焦点位置を取得することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the autofocus method for a charged particle beam apparatus according to any one of the first to third aspects, in the focal position detection step, a score value of an image signal representing the sharpness of the sample image And obtaining the appropriate focus position based on the score value.
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法において、前記焦点位置検出工程では、走査によって得られる複数回の画像信号から取得したスコア値を平均化して適正な焦点位置を得ることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the autofocus method for a charged particle beam apparatus according to any one of the first to fourth aspects, in the focal position detecting step, a score obtained from a plurality of image signals obtained by scanning. The values are averaged to obtain an appropriate focal position.
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法において、前記画像情報取得工程では、交差する方向に荷電粒子ビームを走査して１フレームの画像を複数取得し、前記焦点位置検出工程では、前記複数の画像により適正な焦点位置を得ることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the autofocus method for a charged particle beam apparatus according to any one of the first to fifth aspects, in the image information acquisition step, the charged particle beam is scanned in the intersecting direction to obtain one frame. A plurality of images are acquired, and in the focal position detection step, an appropriate focal position is obtained from the plurality of images.
請求項７の発明は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法において、前記画像情報取得工程では、複数フレームの画像を得るものとし、各フレームでは、荷電粒子ビームの焦点位置の走査方向、偏向量、位置、及び、周期数の少なくとも一つを相違させて荷電粒子ビームを走査し、
前記焦点位置検出工程では、得られた複数フレームの画像に基づいて適正な焦点位置を得ることを特徴とする。
A seventh aspect of the present invention is the charged particle beam device autofocus method according to any one of the first to sixth aspects, wherein the image information acquisition step obtains a plurality of frames of images, Scanning the charged particle beam by changing at least one of the scanning direction, the deflection amount, the position, and the number of periods of the focal position of the charged particle beam;
In the focal position detection step, an appropriate focal position is obtained based on the obtained images of a plurality of frames.
請求項８の発明は、前記請求項１乃至７のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法をコンピュータで実行することを特徴とするコンピュータプログラムである。
The invention of claim 8 is a computer program characterized in that the autofocus method for a charged particle beam apparatus according to any one of claims 1 to 7 is executed by a computer.
請求項９の発明は、請求項８記載のプログラムを格納したことを特徴とする記録媒体である。 A ninth aspect of the present invention is a recording medium in which the program according to the eighth aspect is stored.
本発明によれば、荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス動作において、最小で試料の１フレームをスキャンする間に適正な焦点位置を取得することができるので、試料を１フレームだけスキャンするだけ迅速なオートフォーカス動作を行うことができる。また複数回にわたり試料画像を積算すればノイズの低減を図ることができる。更に、試料の局所に荷電粒子ビームを照射することがないので試料の帯電、損傷などを防ぐことができる。 According to the present invention, in the autofocus operation of the charged particle beam apparatus, an appropriate focal position can be acquired while scanning one frame of the sample at a minimum. Focus operation can be performed. Further, noise can be reduced by integrating the sample images over a plurality of times. Furthermore, since the charged particle beam is not irradiated on the sample locally, the sample can be prevented from being charged or damaged.
以下本発明が適用される荷電粒子ビーム装置の一例である走査電子顕微鏡について説明する。図１は実施の形態に係る走査電子顕微鏡の構成を示すブロック図である。 A scanning electron microscope which is an example of a charged particle beam apparatus to which the present invention is applied will be described below. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a scanning electron microscope according to the embodiment.
走査電子顕微鏡１０は、図１に示すように、鏡筒１１内上部の電子線源１２から発生した電子線１３を、アライメントコイル１４（走査手段）、スティグコイル１５（走査手段）で収差補正をしつつ走査し、対物レンズコイル１６（収束手段）でフォーカスを調整し、例えばウェハ等の資料２１を走査する。そして、試料室２０内の試料２１から発生する二次電子、反射電子などの荷電粒子１７を検出器１８で検出し、この検出器１８からの信号を顕微鏡制御装置３０で処理し、前記走査手段の走査に同期して画像表示装置３５に試料像として観察可能に表示するものである。また、本例に係る走査電子顕微鏡１０には、オートフォーカス装置４０が接続されている。 As shown in FIG. 1, the scanning electron microscope 10 corrects the aberration of the electron beam 13 generated from the electron beam source 12 in the upper part of the lens barrel 11 by an alignment coil 14 (scanning means) and a stig coil 15 (scanning means). Then, scanning is performed, the focus is adjusted by the objective lens coil 16 (convergence means), and the material 21 such as a wafer is scanned. Then, the charged particles 17 such as secondary electrons and reflected electrons generated from the sample 21 in the sample chamber 20 are detected by the detector 18, the signal from the detector 18 is processed by the microscope control device 30, and the scanning means The sample image is displayed on the image display device 35 so as to be observable in synchronization with the scanning. In addition, an autofocus device 40 is connected to the scanning electron microscope 10 according to this example.
次にオートフォーカス装置４０について説明する。図２は実施の形態に係る走査電子顕微鏡のオートフォーカス装置の構成を示すブロック図である。オートフォーカス装置４０は、図２に示すように、焦点位置変更装置４１と、焦点位置検出装置４２と、焦点位置設定装置４３とを備えている。 Next, the autofocus device 40 will be described. FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the autofocus device of the scanning electron microscope according to the embodiment. As shown in FIG. 2, the autofocus device 40 includes a focus position changing device 41, a focus position detecting device 42, and a focus position setting device 43.
なお、顕微鏡制御装置３０及びオートフォーカス装置４０はコンピュータにプログラムを実行させることにより前記機能を実現する。このプログラムは、ＣＤ、ＤＶＤ等の記録媒体に格納しておくことができ、コンピュータにイントールされることにより、コンピュータは前記機能を実現する。 The microscope control device 30 and the autofocus device 40 realize the functions by causing a computer to execute a program. This program can be stored in a recording medium such as a CD and a DVD, and the computer realizes the above functions by being installed in the computer.
焦点位置変更装置４１は、複数の走査ラインから構成される１フレーム分の試料領域を走査するに際して前記収束手段を駆動して前記荷電粒子ビームの焦点位置を所定範囲にわたって移動させる。即ち本例では、焦点位置変更装置４１は、顕微鏡制御装置３０を介して対物レンズコイル１６を駆動して、１フレームの間に荷電粒子ビームを基準フォーカス位置Ｆから指定された振り幅ΔＦを加えた位置（Ｆ＋ΔＦ）まで複数回（例えば４回〜６４回）変更して照射する。 The focal position changing device 41 drives the converging means to move the focal position of the charged particle beam over a predetermined range when scanning a sample region for one frame composed of a plurality of scanning lines. In other words, in this example, the focus position changing device 41 drives the objective lens coil 16 via the microscope control device 30 and adds a specified amplitude ΔF of the charged particle beam from the reference focus position F during one frame. Irradiation is performed by changing to a certain position (F + ΔF) a plurality of times (for example, 4 to 64 times).
図３は実施の形態に係る焦点位置変更装置の動作を示す模式図である。焦点位置変更装置４１は、図３（ａ）に示すように、試料２１の１領域を撮影するに際して、焦点位置を４周期にわたりＦ〜Ｆ＋ΔＦに変更する（図３（ｂ））。この変更は鋸歯状波によって行われる。なお、この変更は他の波形例えば三角波によるものであってもよい。また、反復周期は４に限らず１、２、８、１６…としてよい。 FIG. 3 is a schematic diagram showing the operation of the focal position changing apparatus according to the embodiment. As shown in FIG. 3A, the focal position changing device 41 changes the focal position to F to F + ΔF over four periods when photographing one area of the sample 21 (FIG. 3B). This change is made by a sawtooth wave. This change may be caused by another waveform such as a triangular wave. Further, the repetition period is not limited to 4, and may be 1, 2, 8, 16,.
検出器１８は試料２１からの荷電粒子１７を検出して、顕微鏡制御装置３０は試料の１フレームの画像信号を得る。この動作では、荷電粒子ビームの走査は、試料の観察領域の全面について最小で１回だけ行われるから、試料にダメージを与えることがない。なお、走査は試料画像のノイズ低減のため複数回画像を積算することも可能である。
The detector 18 detects the charged particles 17 from the sample 21, and the microscope control device 30 obtains an image signal of one frame of the sample. In this operation, the scanning of the charged particle beam is performed at least once on the entire surface of the observation region of the sample, so that the sample is not damaged. Note that scanning can integrate the images multiple times to reduce noise in the sample image.
このように荷電粒子ビームの焦点位置が変更されつつ走査されると、画像信号として、図３（ｂ）に示すものが得られる。この例では、画像信号から得られる画像は、鋸歯状波の周期毎に４つに分けることができる。この周期毎の画像（分割画像）毎にフォーカスが合っている個所では、試料のパターン（模様）が明瞭に現れ、その前後では、焦点があっておらず徐々にパターンがぼやけていく。 When scanning is performed while the focal position of the charged particle beam is changed in this way, an image signal shown in FIG. 3B is obtained. In this example, the image obtained from the image signal can be divided into four for each period of the sawtooth wave. In a place where each image (divided image) is in focus for each cycle, the pattern (pattern) of the sample appears clearly, and before and after that, the pattern is gradually blurred without being focused.
次に焦点位置検出装置４２について説明する。焦点位置検出装置４２は、焦点位置変更装置４１による走査で取得した画像中からパターンの線（エッジ）を抽出し、このエッジの画像情報を解析して、鮮鋭度を表す画像信号のスコア値を求め、このスコア値に基づいて前記適正な焦点位置を取得する。 Next, the focal position detection device 42 will be described. The focal position detection device 42 extracts a pattern line (edge) from the image acquired by scanning by the focal position changing device 41, analyzes the image information of the edge, and obtains a score value of the image signal representing the sharpness. The proper focal position is obtained based on the score value.
また、焦点位置検出装置４２は、画像の取得周期（位置）による試料のパターンの多寡や、部分的にパターンがない場合、これらによりスコア値に影響が出るのを防止する補正を行うものとしている。この補正は、得られた４周期の画像に基づいて試料像の鮮鋭度を表す画像信号のスコア値をそれぞれの周期で求め、これらのスコア値を平均することによる。 In addition, the focal position detection device 42 performs correction to prevent the influence of the influence on the score value when there are many patterns of the sample due to the image acquisition cycle (position) or when there is no partial pattern. . This correction is based on obtaining score values of image signals representing the sharpness of the sample image in each cycle based on the obtained four-cycle images and averaging these score values.
更に、焦点位置検出装置４２は、試料像の試料のパターンの多寡による影響を排除する補正を行うものとしている。この補正は、１周期における画像信号中にエッジ数が所定数より少ない場合、焦点位置検出の対象から外すことによる。 Further, the focal position detection device 42 performs correction to eliminate the influence of the number of sample patterns in the sample image. This correction is performed by removing the focus position detection target when the number of edges in the image signal in one cycle is smaller than a predetermined number.
以下焦点位置検出装置４２の動作アルゴリズムについて説明する。図４は焦点位置検出装置の動作を示すフローチャート、図５は焦点位置検出装置の動作を示す模式図である。なお、説明中のｙ方向はフォーカスを変更させた方向を、ｘ方向はフォーカスを変更しない方向を、ｆは焦点の変更方向（電子線光軸上）をさす。 Hereinafter, an operation algorithm of the focal position detection device 42 will be described. FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the focal position detection device, and FIG. 5 is a schematic diagram showing the operation of the focal position detection device. In the description, the y direction indicates the direction in which the focus is changed, the x direction indicates the direction in which the focus is not changed, and f indicates the focus change direction (on the electron beam optical axis).
焦点位置検出装置４２は各分割画像の鮮鋭度を以下の手順で算出して評価する。まず、焦点位置検出装置４２は、繰り返し回数を設定する（ＳＴ１）。初期値を０とし、処理の繰り返し毎に「１」を加算して繰り返し回数を算出する。 The focal position detection device 42 calculates and evaluates the sharpness of each divided image according to the following procedure. First, the focal position detection device 42 sets the number of repetitions (ST1). The initial value is 0, and “1” is added every time the process is repeated to calculate the number of repetitions.
次いでフォーカスの振り幅の判定を行う（ＳＴ２）。フォーカスの振れ幅（ΔＦ）が閾値１（予め定めた任意の定数）より大きい場合にはエラーと判断する。フォーカスの振れ幅は、後段の処理により増減する。振れ幅が大きすぎると、フォーカスの精度が不良となるためである。 Next, the focus width is determined (ST2). When the focus fluctuation width (ΔF) is larger than the threshold value 1 (an arbitrary predetermined constant), it is determined that an error has occurred. The focus amplitude is increased or decreased by subsequent processing. This is because if the swing width is too large, the focus accuracy becomes poor.
次いで、繰り返し回数の判定を行う（ＳＴ３）、繰り返し回数が、閾値２（任意の定数）より大きい場合にはエラーと判断する。一定回数以上繰り返しても適正なフォーカス値を得ることができない場合は適正なフォーカス値が取得ができないものと判断する。 Next, the number of repetitions is determined (ST3). If the number of repetitions is greater than threshold value 2 (arbitrary constant), an error is determined. If an appropriate focus value cannot be obtained even after repeating a certain number of times, it is determined that an appropriate focus value cannot be obtained.
次いで画像取得を行う（ＳＴ４）。焦点位置変更装置４１により１フレーム内で指定されたフォーカス振り幅によりフォーカスを変化させた画像（図５（ａ）を取得する。またこのときのフォーカスを変化させた周期データ（周期、ゲイン、開始位置のオフセットなど）も記憶する。 Next, image acquisition is performed (ST4). The focus position changing device 41 obtains an image (FIG. 5A) in which the focus is changed according to the focus swing specified within one frame. Further, the period data (period, gain, start) at which the focus is changed at this time is acquired. Also store position offsets).
次いで、エッジ閾値を算出する（ＳＴ５）。前述の画像に対し、平滑化処理など必要な処理を行い、画像の明るさと頻度を軸にしたヒストグラムを積分したものより、暗いほうからｙ１％、ｙ２％（それぞれｙ１％を約２％、ｙ２％を約９８％、等）を取り、その差分（ｙ２−ｙ１）をもとに、エッジ閾値を算出する。 Next, an edge threshold value is calculated (ST5). Necessary processing such as smoothing processing is performed on the above-mentioned image, and y1% and y2% from the darker than the histogram obtained by integrating the brightness and frequency of the image as axes (y1% is about 2% and y2 respectively). The edge threshold value is calculated based on the difference (y2−y1).
次いで、スコア値の算出を行う（ＳＴ６）。取得した画像に対し、画像の１行毎にスコア値Ｓ（ｙ）及びエッジ数ＥＮ（ｙ）を算出する。得られるスコア値Ｓ（ｙ）の模式図を図５（ｃ）に示す。ここで画像をＩ（ｘ，ｙ）、ｍ，ｎは任意の定数、エッジ閾値をＥＴ、エッジ数をＥＮ（ｙ）として、差分Ｄ（ｘ、ｙ）を算出する。差分Ｄ（ｘ，ｙ）は、式（１）で得られる。 Next, a score value is calculated (ST6). For the acquired image, the score value S (y) and the number of edges EN (y) are calculated for each line of the image. A schematic diagram of the score value S (y) obtained is shown in FIG. Here, the difference D (x, y) is calculated by assuming that the image is I (x, y), m, n are arbitrary constants, the edge threshold is ET, and the number of edges is EN (y). The difference D (x, y) is obtained by Expression (1).
ただしＤ（ｘ、ｙ）≦０の場合はＤ（ｘ，ｙ）＝０とする。なお、差分Ｄ（ｘ，ｙ）は、以下の（２）式で求めることもできる（ｍ，ｎ，ｏ，ｐは任意の定数）。 However, if D (x, y) ≦ 0, D (x, y) = 0. The difference D (x, y) can also be obtained by the following equation (2) (m, n, o, p are arbitrary constants).
各行のスコア値Ｓ（ｙ）、及び有効データ個数Ｅ（ｙ）は以下のようにして求められる。ここでＩＸはフォーカスを変化させない方向の画像サイズであり、ＥＮ（ｙ）は、Ｄ（ｘ，ｙ）＞０となった個数である。またＥＮ（ｙ）より、閾値ＥＮｉを算出する。ＥＮｉは任意の定数であってもよいし、ＥＮ（ｙ）の分散などにより求める値でもよい。 The score value S (y) and the number of valid data E (y) for each row are obtained as follows. Here, IX is an image size in a direction in which the focus is not changed, and EN (y) is a number where D (x, y)> 0. Further, the threshold value ENi is calculated from EN (y). ENi may be an arbitrary constant, or may be a value obtained by dispersion of EN (y) or the like.
ＥＮ（ｙ）＜ＥＮｉとなるｙは、Ｓ（ｙ）＝０、Ｅ（ｙ）＝０とし、それ以外は以下の計算を実行することにより得られる。 Y satisfying EN (y) <ENi is obtained by executing the following calculation except that S (y) = 0 and E (y) = 0.
ここでＳ（ｙ）をＥＮ（ｙ）で除することによりパターン数の多寡に影響されにくくなる。
また、ＥＮiとの比較により、パターンが少ないと判断される場所を計算より除外することができる。
Here, by dividing S (y) by EN (y), it becomes difficult to be influenced by the number of patterns.
Further, it is possible to exclude from the calculation places where it is determined that the pattern is small by comparison with ENi.
次いで、スコア値の平均を求める（ＳＴ７）。画像内のフォーカスの周期数をｉとした場合に、各周期の画像のＹ方向の位置に対するフォーカス値をＦ１（ｆ），Ｆ２（ｆ）…Ｆｉ（ｆ）とし、各周期の画像のＹ方向の位置に対する鮮鋭度プロファイルをＳ１（ｆ），Ｓ２（ｆ）…Ｓｉ（ｆ）とし、Ｅ（ｙ）より、各フォーカス位置の有効データ数Ｅ（ｆ）を算出する。・・・（５）
ここで各周期の鮮鋭度プロファイルを加算する。
Next, the average of the score values is obtained (ST7). When the number of focus periods in the image is i, the focus values for the position in the Y direction of the image in each period are F1 (f), F2 (f)... Fi (f), and the Y direction of the image in each period S1 (f), S2 (f)... Si (f), and the number of effective data E (f) at each focus position is calculated from E (y). ... (5)
Here, the sharpness profile of each period is added.
次いで、仮ピーク算出を行い（ＳＴ８）、有効周期の判定を行う（ＳＴ９）。得られた結果Ｓ（ｆ）に対し、ピーク位置Ｐを求める。各周期のピーク位置周辺の平均値Ａ１（ｆ），Ａ２（ｆ）…Ａｉ（ｆ）は以下のように求められる。なお、ｗは任意の定数である。 Next, a temporary peak is calculated (ST8), and an effective period is determined (ST9). A peak position P is obtained for the obtained result S (f). Average values A1 (f), A2 (f)... Ai (f) around the peak position of each cycle are obtained as follows. W is an arbitrary constant.
Ａｉの最大値Ａmaxを求め、Ａmax／ｎ＜Ａｉとなる周期ｉのみを有効とする。（ｎは任意の定数）
The maximum value Amax of Ai is obtained, and only the period i where Amax / n <Ai is valid. (N is an arbitrary constant)
また、例えばＡiの分散Ａσを求め、Ａmax／ｎ＜Ａiとなる周期iのみを有効にする方法を採用することができる（ｎは任意の定数）。この処理を行うことにより、パターンが少ないと判断される周期を計算より除外することができる。 Further, for example, a method of obtaining the variance Aσ of Ai and enabling only the period i where Amax / n <Ai can be employed (n is an arbitrary constant). By performing this process, it is possible to exclude from the calculation a cycle in which it is determined that there are few patterns.
次いで、フォーカス値を算出する（ＳＴ１０）。こうして得られた有効な周期iのみを用いて、（５）の操作、及び、（６）式を再実行し、得られたＳ（ｆ）に対し、ピーク位置を算出する。ただしＳ（ｆ）＝０となるＳ（ｆ）は、除外し近似を行う。これによりパターンのないエリアがあったとしても近似時には除外されるため最適フォーカス値の算出に影響を与えないようになる。なお、ピーク位置の算出に際しては、ピーク位置を中心とした２次近似を採用することができる他、ピーク位置の左右の一定範囲（２０％〜８０％など）の範囲の直線近似の交点を採用することができる。そして、得られたピーク位置より、最適フォーカス値、近似値と実際のデータとの一致度を示す決定係数Ｒ２を算出する。 Next, the focus value is calculated (ST10). Using only the effective period i thus obtained, the operation of (5) and the expression (6) are re-executed, and the peak position is calculated for the obtained S (f). However, S (f) where S (f) = 0 is excluded and approximated. As a result, even if there is an area without a pattern, it is excluded at the time of approximation and does not affect the calculation of the optimum focus value. When calculating the peak position, a quadratic approximation centered on the peak position can be used, and the intersection of linear approximations within a certain range (20% to 80%, etc.) on the left and right sides of the peak position can be used. can do. Then, from the obtained peak position, the optimum focus value, to calculate the coefficient of determination R 2 indicating the degree of coincidence between the actual data and the approximate value.
更に、決定係数の比較を行い（ＳＴ１１）、フォーカス値の設定を行う（ＳＴ１２）。得られた決定係数Ｒ２を閾値３（所定の定数）と比較し、予め定めた閾値３より小さい場合には、フォーカスレンジ（前記ΔＦ）の範囲を拡大し（ＳＴ１４）、再度繰り返し回数の設定（ＳＴ１）からの処理を繰り返す。また、決定係数Ｒ２が閾値３より大きい場合には、計算されたフォーカス値を設定フォーカス値として焦点位置検出装置４２に設定する。 Further, determination coefficients are compared (ST11), and a focus value is set (ST12). The coefficient of determination R 2 obtained compared threshold 3 (predetermined constant), when the predetermined threshold is smaller than 3, to expand the range of the focus range (the [Delta] F) (ST14), setting the number of repetitions again The processing from (ST1) is repeated. Further, when the coefficient of determination R 2 is larger than the threshold value 3 is set to the focus position detecting device 42 the calculated focus value as the set focus value.
次に、フォーカスレンジ判定２を行う（ＳＴ１３）。フォーカスレンジの値をとして、所定の精度を確保できる閾値４を定めておきΔＦが閾値４以下である場合には正常終了し、そうでない場合には、フォーカスレンジを縮小し、再度繰り返し回数の設定（ＳＴ１）より繰り返す。 Next, focus range determination 2 is performed (ST13). The threshold value 4 that can ensure a predetermined accuracy is determined by using the focus range value. If ΔF is equal to or smaller than the threshold value 4, the process ends normally. If not, the focus range is reduced and the number of repetitions is set again. Repeat from (ST1).
以上の手順により焦点位置検出装置４２は、フォーカス値を決定する。焦点位置設定装置４３は、このフォーカス値に基づいて対物レンズコイル１６等の調整を行うことができ、走査電子顕微鏡１０のオートフォーカス操作を実行できる。 The focal position detection device 42 determines the focus value by the above procedure. The focus position setting device 43 can adjust the objective lens coil 16 and the like based on the focus value, and can execute an autofocus operation of the scanning electron microscope 10.
なお、上記例では、焦点位置変更装置４１及び焦点位置検出装置４２による処理は毎回実行されるように説明したが、オートフォーカス装置はオペレータ等の外部からの切替操作により、フォーカス（画像）の鮮鋭度の評価を行うようにしてもよい。また、焦点位置検出装置４２の設定フォーカス値と現在のフォーカス値とを比較してその差が一定範囲を超えた場合に警告を表示するか、もしくは焦点位置設定装置４３に自動調整を行うようすることができる。 In the above example, the processing by the focus position changing device 41 and the focus position detecting device 42 has been described to be executed every time. However, the autofocus device sharpens the focus (image) by an external switching operation such as an operator. You may make it perform evaluation of a degree. Further, the set focus value of the focus position detection device 42 is compared with the current focus value, and a warning is displayed when the difference exceeds a certain range, or the focus position setting device 43 is automatically adjusted. be able to.
また、実施の形態例では、試料としてウェハを挙げたが、試料はこれに限定されず、電子ビームによって検出可能なパターン等が形成されたマスク等の任意の試料であってもよい。また、荷電粒子ビーム装置は、走査電子顕微鏡に限定されず、半導体製造・検査装置などの電子ビーム照射装置であってもよい。更に、荷電粒子ビーム装置で使用する荷電粒子は、電子に限らず、イオンなどの他の荷電粒子であってもよい。 In the embodiment, a wafer is used as a sample. However, the sample is not limited to this, and may be an arbitrary sample such as a mask on which a pattern detectable by an electron beam is formed. The charged particle beam apparatus is not limited to the scanning electron microscope, and may be an electron beam irradiation apparatus such as a semiconductor manufacturing / inspection apparatus. Furthermore, the charged particles used in the charged particle beam apparatus are not limited to electrons but may be other charged particles such as ions.
更に、上記例では焦点位置変更装置は、１フレームの走査中において走査方向を同一のものとしたが、走査方向を交差する２方向で行うことができる。 Further, in the above example, the focal position changing device has the same scanning direction during scanning of one frame, but it can be performed in two directions intersecting the scanning direction.
そして、上記例は定めた一定の荷電粒子ビームの焦点位置の走査方向、偏向量、位置、及び、周期数で１フレームの画像を取得して焦点位置を求める場合について説明したが、焦点位置変更装置は複数フレームの画像を得るものとし、各フレームでは、荷電粒子ビームの焦点位置の走査方向、偏向量、位置、及び、周期数の少なくとも一つを相違させて荷電粒子ビームを走査するものとし、焦点位置検出装置では、得られた複数フレームの画像に基づいて適正な焦点位置を得るようにしてもよい。このようにすると、パターンが局所的にしかない場合や、パターンのエッジが特定方向だけにある場合にも精度良くオートフォーカス動作を行うことができる。
In the above example, the case where the focal position is obtained by acquiring an image of one frame with the scanning direction, the deflection amount, the position, and the number of periods of the focal position of the fixed charged particle beam has been described. The apparatus shall obtain images of multiple frames, and in each frame, the charged particle beam shall be scanned with at least one of the scanning direction, deflection amount, position, and period number of the focal position of the charged particle beam being different. The focal position detection device may obtain an appropriate focal position based on the obtained images of a plurality of frames. In this way, the autofocus operation can be performed with high accuracy even when the pattern is only locally or when the edge of the pattern is only in a specific direction.
また、上記請求の範囲では、本発明を方法として記載したが、本発明を装置の発明として特定すると以下の手段を挙げることができる。 Further, in the above claims, the present invention has been described as a method, but when the present invention is specified as an apparatus invention, the following means can be cited.
この場合、第１の手段は、焦点位置に荷電粒子ビームを収束する収束手段と前記荷電粒子ビームを２次元的に走査する走査手段とを備え、前記荷電粒子ビームが照射された試料からの２次荷電粒子に基づいて画像信号を取得し試料像を形成する荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス装置において、複数の走査ラインからなる１フレーム分の試料領域を走査するに際して前記収束手段を駆動して前記荷電粒子ビームの焦点位置を所定範囲にわたって移動させる焦点位置変更装置と、前記焦点変更中に得られた１フレームの前記試料像を表す画像信号を解析して適正な荷電粒子ビームの焦点位置を取得する焦点位置検出装置と、得られた焦点位置に荷電粒子ビームを照射するように前記収束手段を設定する焦点位置設定装置と、を備えることを特徴とする荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス装置である。 In this case, the first means includes a converging means for converging the charged particle beam at a focal position and a scanning means for two-dimensionally scanning the charged particle beam, and 2 from the sample irradiated with the charged particle beam. In an autofocus device of a charged particle beam apparatus that obtains an image signal based on the next charged particle and forms a sample image, the converging means is driven to scan the sample region for one frame composed of a plurality of scanning lines. A focal position changing device that moves the focal position of the charged particle beam over a predetermined range, and an image signal representing the sample image of one frame obtained during the focal change is analyzed to obtain an appropriate focal position of the charged particle beam. And a focus position setting device that sets the convergence means so as to irradiate the obtained focus position with a charged particle beam. An autofocus device of a charged particle beam device according to symptoms.
また、第２の手段は、前記第１の手段記載の荷電粒子ビームのオートフォーカス装置の焦点位置変更装置において、試料の１フレームの領域において前記所定範囲において焦点位置の移動を複数回にわたり行い、各移動回における画像信号を取得し、前記焦点位置検出装置は、前記各移動回における画像信号に基づいて適正な荷電粒子ビームの焦点位置を取得することを特徴とするものである。 Further, the second means is the focal position changing device of the charged particle beam autofocus device described in the first means, wherein the focal position is moved a plurality of times in the predetermined range in one frame region of the sample, An image signal at each moving time is acquired, and the focal position detection device acquires an appropriate focal position of the charged particle beam based on the image signal at each moving time.
また、第３の手段は、前記第１又は第２の手段記載の荷電粒子ビームのオートフォーカス装置において、前記焦点位置変更装置は、前記焦点位置の移動を鋸歯状波に基づいて行うことを特徴とするものである。 Further, the third means is the charged particle beam autofocus apparatus according to the first or second means, wherein the focal position changing apparatus performs movement of the focal position based on a sawtooth wave. It is what.
また、第４の手段は、前記第１乃至第３の手段のいずれか記載の荷電粒子ビームのオートフォーカス装置焦点位置検出装置において、前記試料像の鮮鋭度を表す画像信号のスコア値を求め、このスコア値に基づいて前記適正な焦点位置を取得することを特徴とするものである。 Further, the fourth means obtains a score value of an image signal representing the sharpness of the sample image in the charged particle beam autofocus device focal position detection device according to any one of the first to third means, The proper focus position is acquired based on the score value.
また、第５の手段は、前記第１乃至第４の手段のいずれか記載の荷電粒子ビームのオートフォーカス装置において、前記焦点位置検出装置は前記焦点位置検知装置走査によって得られる複数回の画像信号から取得したスコア値を平均化して適正な焦点位置を得ることを特徴とする。 The fifth means is the charged particle beam autofocus device according to any one of the first to fourth means, wherein the focus position detection device is a plurality of image signals obtained by scanning the focus position detection device. The score values obtained from the above are averaged to obtain an appropriate focal position.
また、第６の手段は、前記第１乃至第５の手段のいずれか記載の荷電粒子ビームのオートフォーカス装置において、前記焦点位置検出装置は、前記画像信号中に現れる試料像のエッジ数が所定数以下のとき、その画像信号を無視して前記スコア値を得ることを特徴とすることを特徴とする。 The sixth means is the charged particle beam autofocus device according to any one of the first to fifth means, wherein the focal position detection device has a predetermined number of edges of the sample image appearing in the image signal. When the number is less than or equal to the number, the score value is obtained by ignoring the image signal.
また、第７の手段は、前記第１乃至第６の手段のいずれか記載の荷電粒子ビームのオートフォーカス装置において、前記焦点位置変更装置は、交差する方向に荷電粒子ビームを走査して１フレームの複数の画像を得て、複数の画像により適正な焦点位置を得ることを特徴とする。 The seventh means is the charged particle beam autofocus device according to any one of the first to sixth means, wherein the focal position changing device scans the charged particle beam in the intersecting direction to perform one frame. And obtaining an appropriate focal position from the plurality of images.
請求項８の手段は、前記第１乃至第７の手段のいずれか記載の荷電粒子ビームのオートフォーカス装置において、前記焦点位置変更装置は、複数フレームの画像を得るものとし、各フレームでは、荷電粒子ビームの焦点位置の走査方向、偏向量、位置、及び、周期数の少なくとも一つを相違させて荷電粒子ビームを走査し、前記焦点位置検出装置は、得られた複数フレームの画像に基づいて適正な焦点位置を得ることを特徴とする。
The means of claim 8 is the charged particle beam autofocus device according to any one of the first to seventh means, wherein the focal position changing device obtains an image of a plurality of frames. The charged particle beam is scanned by changing at least one of the scanning direction, the deflection amount, the position, and the number of periods of the focal position of the particle beam, and the focal position detection device is based on the obtained images of a plurality of frames. It is characterized by obtaining an appropriate focal position.
そして、第９の手段は、前記第１乃至第８のいずれか記載のオートフォーカス装置を備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム装置である。 A ninth means is a charged particle beam apparatus comprising the autofocus apparatus according to any one of the first to eighth aspects.
１０ 走査電子顕微鏡
１１ 鏡筒
１２ 電子線源
１３ 電子線
１４ アライメントコイル
１５ スティグコイル
１６ 対物レンズコイル
１７ 荷電粒子
１８ 検出器
２０ 試料室
２１ 試料
３０ 顕微鏡制御装置
３５ 画像表示装置
４０ オートフォーカス装置
４１ 焦点位置変更装置
４２ 焦点位置検出装置
４３ 焦点位置設定装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Scanning electron microscope 11 Lens tube 12 Electron beam source 13 Electron beam 14 Alignment coil 15 Stig coil 16 Objective lens coil 17 Charged particle 18 Detector 20 Sample chamber 21 Sample 30 Microscope control device 35 Image display device 40 Autofocus device 41 Focus position Changing device 42 Focus position detecting device 43 Focus position setting device
Claims (9)
複数の走査ラインからなる１フレーム分の試料領域を走査するに際して前記収束手段を駆動して前記荷電粒子ビームの焦点位置を所定範囲にわたって移動させ、前記画像信号中に現れる試料像のエッジ数が所定数以下のとき、その画像信号を無視してスコア値を得る画像情報取得工程と、
前記焦点移動中に得られた１フレームの前記試料像を表す画像信号を解析して適正な荷電粒子ビームの焦点位置を取得する焦点位置検出工程と、
前記収束手段を前記適正な焦点位置に設定する焦点位置設定工程とを備えることを特徴とする荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法。 Converging means for converging the charged particle beam at a focal position and scanning means for two-dimensionally scanning the charged particle beam, and image signals are obtained based on secondary charged particles from the sample irradiated with the charged particle beam. In an autofocus method of a charged particle beam device that acquires and forms a sample image,
When the sample area for one frame consisting of a plurality of scanning lines is scanned, the focusing means is driven to move the focal position of the charged particle beam over a predetermined range, and the number of edges of the sample image appearing in the image signal is predetermined. When the number is less than or equal to a number, an image information acquisition step of obtaining a score value ignoring the image signal
A focus position detecting step of analyzing an image signal representing the sample image of one frame obtained during the focus movement and acquiring a focus position of an appropriate charged particle beam;
A focus position setting step of setting the convergence means to the proper focus position; and an autofocus method for a charged particle beam apparatus.
複数の走査ラインからなる１フレーム分の試料領域を走査するに際して前記収束手段を駆動して前記荷電粒子ビームの焦点位置を所定範囲にわたって移動させる画像情報取得工程と、
前記焦点移動中に得られた１フレームの前記試料像を表す画像信号を解析して適正な荷電粒子ビームの焦点位置を取得し、前記試料像の鮮鋭度を表す画像信号のスコア値を求め、スコア値Ｓ（ｙ）をエッジ数ＥＮ（ｙ）で割ることによりパターンの多寡によるスコア値の影響を除去する焦点位置検出工程と、
前記収束手段を前記適正な焦点位置に設定する焦点位置設定工程とを備えることを特徴とする荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法。 Converging means for converging the charged particle beam at a focal position and scanning means for two-dimensionally scanning the charged particle beam, and image signals are obtained based on secondary charged particles from the sample irradiated with the charged particle beam. In an autofocus method of a charged particle beam device that acquires and forms a sample image,
An image information acquisition step of driving the converging means to move the focal position of the charged particle beam over a predetermined range when scanning a sample region of one frame composed of a plurality of scanning lines;
Analyzing the image signal representing the sample image of one frame obtained during the focal point movement to obtain an appropriate focal position of the charged particle beam, obtaining a score value of the image signal representing the sharpness of the sample image, A focus position detecting step of removing the influence of the score value due to the variation of the pattern by dividing the score value S (y) by the number of edges EN (y);
A focus position setting step of setting the convergence means to the proper focus position; and an autofocus method for a charged particle beam apparatus.
前記焦点位置検出工程では、前記複数の画像により適正な焦点位置を得ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法。 In the image information acquisition step, the charged particle beam is scanned in the intersecting direction to acquire a plurality of images of one frame,
Wherein the focal position detection step, autofocus method of the charged particle beam device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that to obtain a proper focus position by the plurality of images.
前記焦点位置検出工程では、得られた複数フレームの画像に基づいて適正な焦点位置を得ることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法。 In the image information acquisition step, an image of a plurality of frames is obtained. In each frame, at least one of the scanning direction, the deflection amount, the position, and the period number of the focal position of the charged particle beam is different, and the charged particle beam is changed. Scan
Wherein the focal position detection step, autofocus method of the charged particle beam device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that to obtain a proper focus position based on the image of the plurality of frames obtained.
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