JP5576469B2 - パターン検査装置及びパターン検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＳＥＭ画像に基づいてパターンの寸法や形状を評価するパターン検査装置及びパターン検査方法に関する。

ＳＥＭ画像を用いたパターン検査において、設計データを利用してＳＥＭ画像上で検査を行う部分を特定したり、設計データ上のパターンと比較することで、欠陥を検出する方法が提案されている。

しかし、ＳＥＭ画像には歪みが生じている場合があり、このような場合にはＳＥＭ画像と設計データとの対応関係が取れなくなり、正確な検査が行えないという問題がある。

特開２０１１−１６９８３５号公報

そこで、ＳＥＭ画像に歪みが生じている場合であっても、正確に検査を行えるパターン検査装置及びパターン検査方法を提供することを目的とする。

一観点によれば、電子ビームで試料表面を走査し、前記試料の表面から放出される二次電子を検出する電子走査部と、前記電子ビームの照射位置と前記二次電子の検出量との関係に基づいてＳＥＭ画像を生成する信号処理部と、前記ＳＥＭ画像の歪みによって生じる前記電子ビームの走査方向の位置ずれの大きさを表す歪み量データを格納する記憶部と、前記歪み量データに基づいて前記試料の設計データ及び前記ＳＥＭ画像の少なくとも一方を修正することにより、前記設計データとＳＥＭ画像とを対応付ける制御部と、を備え、前記制御部は、前記歪み量データに基づいて前記ＳＥＭ画像のパターンの輪郭点の座標を補正する輪郭点座標補正部と、前記試料の設計データを参照して、前記ＳＥＭ画像上のパターンの輪郭点と前記設計データ上のパターンの頂点とに基づいて前記設計データのパターンの位置合わせを行うアライメント部と、前記設計データ上のパターンと前記ＳＥＭ画像上のパターンの一致率を測定する比較検査部と、を有するパターン検査装置が提供される。

上記観点において、前記制御部は、前記試料の設計データを参照して、該設計データのパターンに測定領域を設定する測定領域設定部と、前記歪み量データに基づいて前記測定領域の位置座標を修正して前記ＳＥＭ画像上に前記測定領域を配置する測定領域修正部と、前記ＳＥＭ画像上の測定領域内のパターンの寸法測定を行う測定部と、を備えてもよい。

上記観点において、前記制御部は、前記歪み量データに基づいて前記ＳＥＭ画像のパターンの輪郭点の座標を補正する輪郭点座標補正部と、前記試料の設計データを参照して、該設計データ上のパターンと前記ＳＥＭ画像上のパターンとの位置合わせを行うアライメント部と、前記設計データ上のパターンと前記ＳＥＭ画像上のパターンの一致率を測定する比較検査部と、を備えてもよい。

また、別の一観点によれば、電子ビームで試料表面を走査し、前記試料の表面から放出される二次電子を検出して前記試料のＳＥＭ画像を生成するステップと、前記ＳＥＭ画像の歪みによって生じる前記電子ビームの走査方向の位置ずれの大きさを表す歪み量データに基づいて、前記試料の設計データと前記ＳＥＭ画像とを対応付けるステップと、前記歪み量データに基づいて前記ＳＥＭ画像のパターンの輪郭点の座標を補正するステップと、前記試料の設計データを参照して、該前記ＳＥＭ画像上のパターンの輪郭点と前記設計データ上のパターンの頂点とに基づいて前記設計データのパターンの位置合わせを行うステップと、前記設計データ上のパターンと前記ＳＥＭ画像上のパターンの一致率を測定するステップと、を有するパターン検査方法が提供される。

上記観点によれば、ＳＥＭ画像の歪みによって生じる電子ビームの走査方向の位置ずれの大きさを表す歪み量データに基づいて、設計データとＳＥＭ画像といずれかを修正することで両者の対応を取る。これにより、ＳＥＭ画像が歪んでいる場合であっても、設計データを利用してＳＥＭ画像上のパターンの検査を正確に行える。

図１は、予備的事項に係る測定領域の配置方法を示す図である。 図２は、予備的事項に係るＳＥＭ画像の一例を示す図である。 図３は、図２の枠部分に配置された測定領域を示す図である。 図４は、ＳＥＭ画像に歪みが生じた場合に生じる問題を示す図である。 図５は、第１実施形態に係るパターン検査装置のブロック図である。 図６は、第１実施形態に係るＳＥＭ画像の歪み量データの測定方法を示すフローチャートである。 図７（ａ）〜（ｃ）は、実施形態に係るＳＥＭ画像の歪み量データの測定方法を説明する図である。 図８は、第１実施形態に係るパターン検査方法を示すフローチャートである。 図９は、第１実施形態に係るパターン検査方法において、ＳＥＭ画像の歪み量データに基づいて測定領域の位置を修正する方法を示す平面図である。 図１０は、図５のパターン検査装置で撮影したＳＥＭ画像の一例を示す図である。 図１１は、図８を参照しつつ説明した方法でＳＥＭ画像上に測定領域を配置した例を示す図である。 図１２は、第２実施形態に係るパターン検査装置のブロック図である。 図１３は、第２実施形態に係るパターン検査方法のフローチャートである。 図１４（ａ）〜（ｅ）は、第２実施形態に係るパターン検査方法において、ＳＥＭ画像上のパターンの輪郭点列を抽出する方法を説明する図である。 図１５（ａ）〜（ｃ）は、第２実施形態に係るパターン検査方法において、設計データのパターンとＳＥＭ画像のパターンとの差分値の求め方を説明する図である。

実施形態の説明に先立って、予備的事項について説明する。

ＳＥＭ画像を用いたパターン検査方法では、ＳＥＭ画像において、測定対象パターンのエッジを横切るように矩形状の測定領域を配置する。次に、その測定領域内から一定方向に延在する線分に沿った輝度値の分布を表すラインプロファイルを複数本抽出する。その後、抽出したラインプロファイルの輝度値が大きく変化する部分の位置を検出し、その位置を複数本のラインプロファイル間で平均化したものをパターンのエッジ位置として検出する。そして、上記の方法で検出したエッジ位置に基づいて、パターンの幅やパターン間の距離を測定する。

このように、ＳＥＭ画像を用いた寸法測定では、測定対象パターン毎に測定領域を設定する。

ところがＳＥＭ画像上の多数のパターンの寸法測定を行う場合には、測定領域を手作業で配置することは困難なことから、本願発明者らは以下に説明するように設計データを利用して自動的に測定領域を設定する方法を検討している。

図１（ａ）は、設計データに基づいて測定領域を設定する方法を示す図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）で設定された測定領域をＳＥＭ画像上に配置する方法を説明する図である。

図１（ａ）に示す設計データ３１は、例えばＧＤＳ形式等のＣＡＤデータであり、パターンは複数の矩形状の小領域（ブロックともいう）の集まりとして表わされる。図示の例では、パターン３１ａ、３１ｂ、３１ｃがそれぞれ４つの矩形状の小領域で表されている。

まず、設計データ３１に基づいて測定領域を設定する。パターン３１ａ、３１ｂ、３１ｃの線幅を測定する場合は、それらのパターンに含まれる矩形状の小領域を横切るように測定領域を設定する。

例えば、図示のようにパターン３１ａ、３１ｂ、３１ｃにそれぞれ測定領域３３ａ、３３ｂ、３３ｃを設定するものとする。なお、各パターンの全ての小領域に対して測定領域を配置しても構わないが、ここでは各パターンにつき１つの小領域に測定領域を配置した例で説明する。

次に、図１（ｂ）のＳＥＭ画像３２の上に、図１（ａ）の設計データ３１の測定領域３３ａ、３３ｂ、３３ｃの座標を利用して測定領域を配置する。

ＳＥＭ画像３２と設計データ３１とは、不図示の位置合わせパターンの観察によって位置合わせされているが、その精度は十分ではなく並進方向の位置ずれがある。そのため、設計データ３１上で設定された測定領域３３ａ、３３ｂ、３３ｃの位置座標をそのまま利用してＳＥＭ画像３２に測定領域を配置したのでは、ＳＥＭ画像３２上のパターン３２ａ、３２ｂ、３２ｃのエッジを捉えるように測定領域を配置できない場合がある。

そこで、設計データ３１のパターンに含まれる小領域の頂点の座標データを集めた頂点列と、ＳＥＭ画像３２のパターンの輪郭点の座標データを集めた輪郭点列とを利用して、以下のようにして測定領域の位置合わせを行う。

先ず、設計データ３１を代表するパターンを１乃至数個選び出し、そのパターンの頂点列を集める。次いで、ＳＥＭ画像３２上の対応するパターンの輪郭点列を抽出する。

例えば、図１（ａ）の設計データ３１の中央のパターン３１ｂから頂点列を抽出する。また、図１（ｂ）のＳＥＭ画像３２の中央のパターン３２ｂから輪郭点列を抽出する。

次に、それらの頂点列の位置座標と輪郭点列の位置座標との関係に基づいて、設計データの測定領域の中心位置の座標を修正する。そして、修正した測定領域の位置座標に基づいてＳＥＭ画像３２上に測定領域を配置する。例えば、設計データ３１のパターン３１ｂの頂点列の座標と、その頂点列に対応するＳＥＭ画像３２のパターン３２ｂの輪郭点の座標とが一致するように、設計データ３１上の測定領域３３ａ、３３ｂ、３３ｃの中心位置の座標を修正する。

これにより、設計データ３１に設定された測定領域３３ａ、３３ｂ、３３ｃに基づいて、ＳＥＭ画像３２のパターン３２ａ、３２ｂ、３２ｃ上に測定領域３４ａ、３４ｂ、３４ｃが配置される。

なお、上記の説明では並進方向の位置ずれのみがある場合について説明したが、ＳＥＭ画像と設計データとの間に倍率ずれや回転ずれがある場合には、頂点列の位置座標と輪郭点列の位置座標とを利用して測定領域のサイズや角度を修正すればよい。

ところが、上記の方法で測定領域の位置合わせを行った場合であっても、ＳＥＭ画像の一部でパターンと測定領域との位置のずれが大きくなり、寸法測定に失敗する場合があることが判明した。

図２は、予備的事項に係るＳＥＭ画像の一例を示しており、図３は図２のＳＥＭ画像の枠部分３６での測定領域の配置結果を示している。

ここでは、図２に示すＳＥＭ画像に現れる複数の矩形パターン３５の各々について、図１を参照しつつ説明した方法で測定領域を配置した。

その結果、図３に示すように、図２のＳＥＭ画像の視野の周辺部分では、矩形パターン３５の中心と測定領域３７の中心とが矢印に示す方向にずれており、測定領域３７の中には矩形パターン３５の右側のエッジしか捉えられていない。そのため、これらの測定領域３７では、矩形パターン３５の幅の測定が行えない結果となった。

本願発明者らは、このような測定領域の位置ずれが生じる原因について種々の調査を行った結果、ＳＥＭ画像の歪みが生じており、そのＳＥＭ画像の歪みによって測定領域の位置ずれが生じることが判明した。

図４は、ＳＥＭ画像３２に歪みが生じた場合に生じる問題を示す図である。

図４に模式的に示すように、ＳＥＭ画像３２には電子ビームの走査方向（図において横方向）に画像の歪みが生じる。この歪みによって、部分拡大図に示すように、右側のパターン３２ｃに配置された測定領域３４ｃは、パターン３２ｃの片方のエッジを捉えることができない。

そのため、設計データのパターンの頂点列及びＳＥＭ画像のパターンの頂点列を利用した位置合わせだけでは、一部のパターン３２ｃに対して、適切に測定領域３４ｃを配置できない。

このようなＳＥＭ画像の歪みは、電子ビームの走査に用いる偏向コイル（磁気偏向器）の励磁電流の大きさと、電子ビームの偏向量とが直線的な変化を示さないことにより生じ、図３に示すように、走査方向（図の横方向）に比較的大きな歪みが生じる。そして、ＳＥＭ画像上の歪みによって生じる位置ずれの大きさの分布は偏向コイルに固有のものであることが判明した。

以上の知見に基づき、以下に説明する実施形態を着想するに至った。

（第１実施形態）
図５は、実施形態に係るパターン検査装置１００のブロック図である。

図５に示すように、実施形態に係るパターン検査装置１００は、試料８を収容するチャンバー２と、試料８に電子ビーム３ａを照射する電子走査部１と、電子走査部１及びチャンバー２の制御並びにデータ処理を行う制御部１０とを備える。

チャンバー２には、支持体７ａを上部に備えたステージ７が設けられており、その支持体７ａの上にはウエハやフォトマスク等の試料８が保持される。ステージ７は駆動部７ｃによって駆動され、その移動量はレーザー干渉計７ｂで測定される。

試料８の表面には、不図示の位置決めマークが形成されており、その位置決めマークを観察することで試料８の位置座標が決定される。

一方、試料８の上方に配置された電子走査部１の電子銃３からは、電子ビーム３ａが放出される。その電子ビーム３ａはコンデンサレンズ４で収束された後、偏向コイル５（磁気偏向器）で走査され、対物レンズ６を経て試料８の表面に照射される。

電子ビーム３ａの照射によって試料８の表面から二次電子が放出され、その二次電子は検出器９によって検出されて電気信号に変換される。

検出器９からの検出信号は、制御部１０の信号処理部１１に入力される。信号処理部１１は、検出器９からの信号強度と、電子ビーム３ａの照射位置との関係に基づいて、試料表面のＳＥＭ画像を生成する。そして信号処理部１１で生成されたＳＥＭ画像はＳＥＭ画像処理部１３に送られると共に、表示部２１の表示画面に表示される。

制御部１０の設計データ処理部１２は、記憶部２０に格納された試料８の設計データを参照して、設計データに基づいて測定領域を設定する。また設計データ処理部１２の第１検出部１５は、設計データのパターンから測定領域の位置合わせのための頂点列を検出する。

一方、ＳＥＭ画像処理部１３は第２検出部１９を備え、その第２検出部１９によりＳＥＭ画像のパターンの輪郭点列を検出する。そして、ＳＥＭ画像処理部１３のアライメント部１６により、設計データのパターンの頂点列とＳＥＭ画像のパターンの輪郭点列との位置関係に基づいて設計データの測定領域の位置座標を修正する。

さらに、本実施形態では、ＳＥＭ画像処理部１３の測定領域修正部１７により、ＳＥＭ画像の走査方向の歪みによって生じる位置ずれの大きさの分布を表す歪み量データに基づいて設計データ上の測定領域の位置座標を修正してＳＥＭ画像上に測定領域を配置する。

ＳＥＭ画像処理部１３の測定部１８は、ＳＥＭ画像上に配置された測定領域からパターンのエッジ位置を検出して寸法測定を行う。

一方、記憶部２０には、試料の設計データとともに、ＳＥＭ画像の歪みによって生じる走査方向の位置ずれの大きさの分布を表す歪み量データが格納されている。

以下、パターン検査装置１００を用いたパターン検査方法について説明する。

まず、ＳＥＭ画像を用いた寸法測定に先立って、ＳＥＭ画像の歪み量データの測定を行う。

図６は、ＳＥＭ画像の歪み量データの測定方法示すフローチャートであり、図７（ａ）〜（ｃ）は歪み量データの測定方法を説明する図である。

まず、図６のステップＳ１１に示すように、パターン検査装置１００により校正用試料のＳＥＭ画像を撮影する。

この校正用試料としては、例えば、図７（ａ）に示すようなラインスペースパターン４０を用いればよい。このラインスペースパターン４０は、例えば石英ガラスなどの基板４１の上に、クロム膜などで形成された複数のラインパターン４２を備えている。これらのラインパターン４２は、一定の幅Ｗに形成されており、それぞれが一定の間隔Ｄのスペースを隔てて配置されている。

このラインスペースパターン４０を、ラインパターン４２がＳＥＭ画像においてＹ方向を向くように配置し、電子ビームをＸ方向に走査させながらＳＥＭ画像を撮影する。

次に、図６のステップＳ１２に示すように、ステップＳ１１で取得したＳＥＭ画像からパターンのエッジ位置を検出する。

ここでは、まずラインパターン４２のエッジと交差する線分に沿ったラインプロファイルを抽出する。

図７（ｂ）は、図７（ａ）のラインスペースパターン４０のＳＥＭ画像から抽出したラインプロファイルの一部分を示している。

図７（ｂ）に示すラインプロファイルを微分して微分プロファイルを求め、その微分プロファイルの極大値又は極小値の位置をエッジの位置として検出する。すなわち、図示のラインプロファイルのなかで最も傾斜がきつい部分をエッジ位置として検出する。なお、エッジ位置をラインプロファイルのピーク位置等から求めてもよい。

ラインパターンのエッジ位置の検出は、ＳＥＭ画像の視野内に含まれる全てのラインパターンについても行う。

次に、図６のステップＳ１３においてＳＥＭ画像の歪みによって生じる走査方向の位置ずれの大きさの分布を求める。

ＳＥＭ画像の歪み量は、ラインスペースパターン４０のラインパターン４２の真のエッジ位置に対して、ステップＳ１２で検出したエッジ位置がどの程度ずれているかを求めることにより得られる。

図７（ｂ）の例では、破線４５は真のラインパターン４２の位置を示しており、実線４４はＳＥＭ画像から求めたラインパターン４２のラインプロファイルを示している。そのラインパターン４２の左側の真のエッジ位置はＢ₁であるのに対し、ＳＥＭ画像から求めたラインパターン４２のエッジ位置はＡ₁となっている。

この場合には、真のエッジ位置Ｂ₁と、ＳＥＭ画像から求めたエッジ位置Ａ₁との距離ΔＸ₁がＳＥＭ画像の位置Ａ₁における位置ずれの大きさとして求まる。

上記の処理を全てのラインパターン４２のエッジについて行うことで、例えば図７（ｃ）の線４７に示すようなＳＥＭ画像の走査方向（Ｘ方向）の各位置での位置ずれの大きさの分布を表す歪み量データが求まる。

なお、図７（ｃ）に示す位置と歪み量の関係は一例であり、必ずしも直線状になるとは限らない。

以上により、電子ビームをＸ方向に走査させた場合のＳＥＭ画像の歪み量データが求まる。

その後、ラインパターン４２の向きをＸ方向に向けて配置した上でＹ方向に電子ビームを走査させてＳＥＭ画像を撮影し、図６のステップＳ１１〜ステップＳ１３の処理を行う。これにより、電子ビームをＹ方向に走査させた場合のＳＥＭ画像の歪み量データが求まる。

なお、上述のＳＥＭ画像の歪み量データの測定は、パターン検査の都度行う必要はなく、例えばパターン検査装置１００の製品出荷時や、メンテナンス作業での偏向コイル５の調整の際に行なえばよい。

以上の測定で得られたＳＥＭ画像の歪み量データは、パターン検査装置１００の記憶部２０に格納され、以下に説明する測定領域の配置及び寸法測定に利用される。

図８は、図５のパターン検査装置１００を用いたパターン検査方法を示すフローチャートである。

先ず、図８のステップＳ２１において、パターン検査装置１００（図１参照）により試料８の表面のＳＥＭ画像を取得する。

次に、ステップＳ２２において、設計データ処理部１２の測定領域設定部１４（図５参照）が設計データを参照して測定領域を設定する。

ここでは、図１（ａ）を参照しつつ説明した方法により、設計データのパターンに対して測定領域を設定する。

次に、図８のステップＳ２３において、ＳＥＭ画像処理部１３のアライメント部１６が、設計データのパターンの頂点列とＳＥＭ画像のパターンの輪郭点列との位置関係に基づいて、設計データの測定領域をＳＥＭ画像に位置合わせする。

ここでは、図５の設計データ処理部１２の第１検出部１５が、設計データのパターンの頂点列を検出する。また、ＳＥＭ画像処理部１３の第２検出部１９がＳＥＭ画像のパターンの輪郭点列を検出する。

そして、図１を参照しつつ説明した方法により、アライメント部１６が設計データの測定領域の位置をＳＥＭ画像に合わせ込む。なお、ＳＥＭ画像と設計データとの間に倍率ずれや回転ずれがある場合には、設計データの測定領域のサイズや角度を修正を行ってもよい。

その後、図８のステップＳ２４において、ＳＥＭ画像処理部１３の測定領域修正部１７が、記憶部２０に格納された歪み量データを参照し、その歪み量データに基づいて測定領域の中心位置の座標を修正する。

例えば、電子ビームをＸ方向に走査させてＳＥＭ画像を取得した場合には、図７（ｃ）の歪み量データに基づいて、測定領域の中心座標での位置ずれの大きさを求める。そして、図９に示すように、ステップＳ２３で設定された測定領域５１の中心座標に位置ずれの大きさを加算することで、ＳＥＭ画像上の測定領域５２の中心座標を求める。

なお、電子ビームをＹ方向に走査させる場合には、Ｙ方向について測定領域の中心位置の座標を修正すればよい。

なお、パターン検査装置１００では、偏向コイル５の特性により電子ビームの走査方向と垂直な方向の歪み量はほとんど生じないため、電子ビームの走査方向に垂直な方向の修正は行わなくてもよい。

その後、修正した測定領域５２をＳＥＭ画像上に配置して図８のステップＳ２４が完了する。

次に、ステップＳ２５において、ＳＥＭ画像処理部１３の測定部１８がＳＥＭ画像に配置された測定領域からパターンのエッジ位置を検出する。

ここでは、ＳＥＭ画像上の測定領域から複数本のラインプロファイルを抽出し、それらのラインプロファイルの微分をとってそれぞれの微分プロファイルを求め、微分プロファイルの極大値（又は極小値）の位置を検出する。そして複数の微分プロファイルの極大値（又は極小値）の位置を平均化することで、パターンのエッジ位置を検出する。

ここで検出されたエッジ位置は、歪んだＳＥＭ画像の位置座標に基づくものであるため、そのエッジ位置をそのまま用いたのでは正確な寸法測定は行えない。

そこで、次のステップＳ２６において、ＳＥＭ画像処理部１３の測定部１８が、ＳＥＭ画像の歪み量データに基づいてステップＳ２５で検出したエッジ位置を修正する。

測定部１８は、ステップＳ２５で検出したエッジ位置での位置ずれの大きさΔＸを、ＳＥＭ画像の歪み量データを参照して求める。そして、その位置ずれの大きさΔＸをステップＳ２５で検出したエッジの位置座標に加算又は減算することにより、エッジ位置を修正する。

その後、ステップＳ２７において、ＳＥＭ画像処理部１３の測定部１８が、ステップＳ２６で修正したエッジ位置の間の距離を求めることにより、エッジ間の距離を測定する。

以上により、測定領域における寸法測定が完了する。

上記に説明したように、本実施形態のパターン検査方法によれば、ＳＥＭ画像の歪み量データに基づいて測定領域の位置を修正するので、ＳＥＭ画像が歪んでいてもパターンのエッジを捉えるように測定領域を配置できる。これにより、手動による測定領域の再配置が不要となり、多数の測定箇所の寸法測定を迅速に行える。

また、本実施形態によれば、歪み量データに基づいてＳＥＭ画像から検出したエッジ位置を修正するので、ＳＥＭ画像が歪んでいても精度よく寸法測定を行える。

さらに、測定領域やエッジ位置のみの修正を行うので、ＳＥＭ画像全体から歪みを取り除く処理を行う場合に比べて計算量を大幅に削減でき、迅速に寸法測定を行える。

（実験例）
以下、本願発明者らが実際に設計データに基づいてＳＥＭ画像に測定領域を配置した実験例について説明する。

図１０は、実験例に用いた試料のＳＥＭ画像をトレースした図である。

この実験例では、図１０に示すように、矩形パターン６１が一定のピッチで縦横に繰り返し配置されてなる試料を用いた。そして、その試料を観察して得られたＳＥＭ画像上の各パターン６１に、図８及び図９を参照しつつ説明した方法により測定領域６２を配置した。

図１１は、実験例においてＳＥＭ画像に測定領域６２を配置した結果を示す図である。なお、図１１に示す部分は図１０の矩形枠６６で示す部分に対応している。

図１１に示すように、本実験例によれば、測定領域６２が矩形パターン６１の横方向の２つのエッジを捉えていることがわかる。

この結果から、実施形態に係るパターン検査方法によれば、ＳＥＭ画像に歪みがある場合であっても正確に測定領域を配置できることが確認できた。

（第２実施形態）
本実施形態では、ＳＥＭ画像上のパターンと設計データ上のパターンとの比較検査について説明する。

図１２は、本実施形態に係るパターン検査装置２００のブロック図である。なお、パターン検査装置２００の構成は、制御部７０を除いて、図５のパターン検査装置１００と同様であり、パターン検査装置１００と同じ構成については同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

図１２に示すように、制御部７０は、信号処理部１１に加えて、ＳＥＭ画像処理部７１と、設計データ処理部７２と、比較検査部７７とを有している。

ＳＥＭ画像処理部７１には、輪郭点抽出部７３が設けられており、その輪郭点抽出部７３においてＳＥＭ画像上の各パターンの輪郭点列が抽出される。そして、輪郭点座標補正部７４により、抽出された輪郭点の位置座標の修正が行われる。この輪郭点座標補正部７４は、記憶部２０に格納された歪み量データを参照して、ＳＥＭ画像の走査方向の歪みによって生じた輪郭点の位置座標の位置ずれの補正を行う。

一方、設計データ処理部７２には、パターン抽出部７５とアライメント部７６とが設けられている。このうち、パターン抽出部７５は、設計データから各パターンを切り出すとともに、切り出された各パターンに含まれる複数の小領域を結合して１つのポリゴンに変換する。抽出されたパターンは、アライメント部７６によりＳＥＭ画像上のパターンの位置に位置決めされる。

比較検査部７７は、設計データ上のパターンとＳＥＭ画像上のパターンとを比較してそれらの差分及びパターン同士の一致率の計算を行なう。

以下、本実施形態に係るパターン検査方法について説明する。図１３は、本実施形態に係るパターン検査方法のフローチャートである。

先ず、図１３のステップＳ３１において、パターン検査装置２００（図１２参照）が測定対象試料に電子ビーム３ａを照射しつつ走査させて試料８のＳＥＭ画像を取得する。

次に、ステップＳ３２に移行して、ＳＥＭ画像処理部７１の輪郭点抽出部７３がステップＳ３１で取得したＳＥＭ画像に含まれるパターンを検出し、それらのパターンのエッジから輪郭点列を抽出する。

ここでは、以下の方法で輪郭点列を抽出する。図１４（ａ）〜（ｄ）はＳＥＭ画像上の１つのパターンの輪郭点列の抽出方法を説明する図である。

まず、図１４（ａ）に示すように、ＳＥＭ画像において、輪郭点を検出するパターン８０の内側に含まれる点Ｍを探す。続いて、その点Ｍを始点として矢印Ｃに示すように角度を変えながら複数のラインを引き、それらのラインに沿ったラインプロファイルをそれぞれ求め、パターン８０のエッジを探索する。

ここでは、一例としてＸ方向に引いたラインプロファイル上のエッジＥ₀を、最初の輪郭点として検出するものとする。

次に、図１４（ｂ）に示すように、エッジＥ₀からＹ方向に輪郭点の抽出間隔を指定する指定ステップΔＬの２倍の距離だけ離れた位置に、Ｘ方向に延びるライン８１を設定する。続いて、そのライン８１に沿ったラインプロファイルを求め、そのラインプロファイルから仮検出エッジＰ₁を求める。

次に、図１４（ｃ）に示すように、エッジＥ₀と仮検出エッジＰ₁とを通るライン８２を設定する。続いて、そのライン８２に沿ってエッジＥ₀から指定ステップΔＬだけ離れた位置でライン８２と直交するライン８３を設定する。また、そのライン８２に沿ってエッジＥ₀から指定ステップΔＬの２倍の距離だけ離れた位置でライン８２と直交するライン８４を設定する。

その後、ライン８３に沿ったラインプロファイルに基づいてエッジＥ₁をパターン８０の二つ目の輪郭点として検出する。また、ライン８４に沿ったラインプロファイルに基づいて再検出エッジＲ₁を検出する。

次に図１４（ｄ）に示すように、エッジＥ₁と再検出エッジＲ₁とを通るライン８５を設定する。続いて、ライン８５に沿って、エッジＥ₁から指定ステップΔＬの２倍だけ離れた位置でライン８５と直交するライン８６を設定する。そして、そのライン８６に沿ったラインプロファイルから二番目の仮検出エッジＰ₂を検出する。

次に図１４（ｅ）に示すように、エッジＥ₁と仮検出エッジＰ₂とを通るライン８７を設定する。続いて、ライン８７に沿って、エッジＥ₁から指定ステップΔＬの距離だけ離れた位置でライン８７と直交するライン８８を設定する。そしてライン８８に沿ったラインプロファイルに基づいて、３番目のエッジＥ₂を検出する。

また、ライン８７に沿ってエッジＥ₁から指定ステップΔＬの２倍の距離だけ離れた位置でライン８７と直交するライン８９を設定する。そして、ライン８９に沿ったラインプロファイルに基づいて、２番の再検出エッジＲ₂を検出する。

その後、図１４（ｄ）及び図１４（ｅ）で説明した手順を繰り返すことにより、パターン８０の周囲を一周するようにして輪郭点を検出してゆく。最後にエッジＥ₁の直前に検出したエッジＥ_nを最終のエッジとして、パターン８０のエッジの抽出を終了する。

さらに、以上に説明した方法をＳＥＭ画像上の他のパターンについても繰り返すことで、全てのパターンについて輪郭点を求める。

次に、図１３のステップＳ３３において、ＳＥＭ画像処理部７１の輪郭点座標補正部７４がステップＳ３２で検出した輪郭点の位置座標を修正する。

ここでは、輪郭点座標補正部７４が記憶部２０に格納された歪み量データに基づいて輪郭点の位置座標の修正を行う。これにより、ＳＥＭ画像の走査方向に生じる歪みによる位置座標のずれが補正され、正確なパターンの輪郭形状が求まる。

本実施形態でも、ＳＥＭ画像の全ピクセルについて位置ずれの補正を行うのではなく、抽出した輪郭点に対してのみ位置ずれ補正を行うので、より少ない計算量で迅速に歪みによる位置ずれを補正できる。

次に、ステップＳ３４に移行して、設計データ処理部７２のパターン抽出部７５が、設計データ上のパターンを抽出する。

例えば、図１（ａ）の設計データ３１の場合には、パターン抽出部７５は、複数の小領域を含んだパターン３１ａ、３１ｂ、３１ｃをそれぞれ切り出す。続いて、パターン３１ａに含まれる小領域を結合させて１つのポリゴンとする。また、パターン３１ｂ、３１ｃについても、小領域を結合させることで１つのポリゴンとする。

以上により設計データ上のパターンが抽出が完了する。

次に、ステップＳ３５に移行して、アライメント部７６（図１２参照）がステップＳ３４で抽出された設計データのパターンとＳＥＭ画像上のパターンとの位置合わせを行う。

ここでは、設計データ上の各パターンの相対的な位置関係を維持しつつ、設計データを代表する例えば３つのパターンのエッジがＳＥＭ画像上の対応するパターンの輪郭点列と一致するように設計データ上のパターンの位置合わせを行う。

この位置合わせによれば、ＳＥＭ画像上のパターンが設計データと同様の相対的な位置関係を保って配置されている場合にはＳＥＭ画像上のパターンと設計データ上のパターンとの一致率が高くなる。すなわち、パターンの配置位置が正確か否かを反映した一致率が得られる。

次に、ステップＳ３６に移行して、制御部７０がパターン形状評価モードが選択されているか否かを判断する。ステップＳ３６において、パターン形状評価モードが選択されていないと判断された場合（ＮＯ）には、ステップＳ３８に移行して一致率を算出する。またステップＳ３６においてパターン形状評価モードが選択されていると判断された場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ３７に移行してさらに個々の設計データ上のパターンとＳＥＭ画像上のパターンとの位置合わせを行う。

このステップＳ３７では、設計データ上の各パターンの相対的な位置関係を破棄して、個々のパターンのエッジがＳＥＭ画像上のパターンの輪郭点と最も一致するように位置合わせを行う。

この位置合わせによれば、設計データのパターンとＳＥＭ画像のパターンの形が近似しているほど、両者の一致率が高くなる。そのため、パターンの形状が設計データ上のパターンの形状と一致しているかを反映した一致率が得られる。

その後、ステップＳ３８に移行する。

次のステップＳ３８では、比較検査部７７（図１２参照）が、位置合わせされた設計データ上のパターンとＳＥＭ画像上のパターンとの一致率を求める。

ここでは、ＳＥＭ画像のパターンと設計データのパターンとが重ならない部分の面積を表す差分値ΔＳを求め、その差分値ΔＳと設計データ上のパターンの面積Ｓ_designとに基づいて下記の計算式によりパターンの一致率Ｈを算出する。

Ｈ＝１−（ΔＳ／Ｓ_design） ・・・（１）
上記の（１）式で求まる一致率Ｈは、パターン同士が完全に一致したときに最大値の１となる。また、ＳＥＭ画像上のパターンが欠落している場合やＳＥＭ画像上のパターンが設計データ上のパターンとまったく重なっていない場合には、一致率は０となる。

なお、ＳＥＭ画像上のパターンが設計データ上のパターンの２倍以上の面積の場合のように、（１）式による一致率Ｈの計算結果が負の値となる場合には、一致率を０とする。

ここで、差分値ΔＳは、設計データとＳＥＭ画像のパターン同士の重なり具合により、以下のように場合分けして求める。

図１５は設計データ上のパターンとＳＥＭ画像上のパターンとの差分値の求め方を説明する図である。

図１５（ａ）に示すように、ＳＥＭ画像上のパターン９１が設計データ上のパターン９２の内側に含まれる場合には、パターンの差分値ΔＳは、設計データ上のパターンの面積Ｓ_designからＳＥＭ画像上のパターンの面積Ｓ_semを減ずることで求める。図中の斜線を付した部分が差分値ΔＳに相当する。

また、図１５（ｂ）に示すように、ＳＥＭ画像上のパターン９３と設計データ上のパターン９４とが一部で重なっている場合には、パターン９３のパターン９４と重ならない部分の面積ΔＳ₁と、パターン９４のパターン９３と重ならない部分の面積ΔＳ₂との和により差分値ΔＳを求める。

さらに、図１５（ｃ）に示すように、ＳＥＭ画像上のパターン９５が設計データ上のパターン９６よりも大きい場合には、パターン９５の面積Ｓ_semからパターン９６の面積Ｓ_designを減ずることにより差分値ΔＳを求める。

上記の方法によるパターンの一致率の計算を、ＳＥＭ画像の視野内の全てのパターンについても行う。

なお、ステップＳ３７で設計データ上のパターンとＳＥＭ画像上のパターンとを位置合合わせした場合には、パターンの形状を反映した一致率が求まる。

一方、ステップＳ３７の位置合わせを行わなかった場合には、パターンの配置位置を反映した一致率が求まる。

その後、図１３のステップＳ３９に移行して、制御部７０がパターンの一致率の計算結果を表示部２１に表示させて、パターンの比較検査を終了する。

以上のように、本実施形態によれば、ＳＥＭ画像上のパターンの形状及び配置位置が設計データとどの程度一致しているかを一致率として定量的に評価できる。

１…電子走査部、２…チャンバー、３…電子銃、３ａ…電子ビーム、４…コンデンサレンズ、５…偏向コイル、６…対物レンズ、７…ステージ、７ａ…支持体、７ｂ…レーザー干渉計、７ｃ…駆動部、８…試料、９…検出器、１０、７０…制御部、１１…信号処理部、１２、７２…設計データ処理部、１３、７１…ＳＥＭ画像処理部、１４…測定領域設定部、１５…第１検出部、１６、７６…アライメント部、１７…測定領域修正部、１８…測定部、１９…第２検出部、２０…記憶部、２１…表示部、３１…設計データ、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３５、８０、９１〜９６…パターン、３２…ＳＥＭ画像、３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３７、５１、５２…測定領域、３６、６６…枠、４０…ラインスペースパターン（校正用試料）、４１…基板、４２…ラインパターン、４４…ラインプロファイル、７３…輪郭点抽出部、７４…輪郭点座標補正部、７５…パターン抽出部、７７…比較検査部。

Claims (11)

1. 電子ビームで試料表面を走査し、前記試料の表面から放出される二次電子を検出する電子走査部と、
   前記電子ビームの照射位置と前記二次電子の検出量との関係に基づいてＳＥＭ画像を生成する信号処理部と、
   前記ＳＥＭ画像の歪みによって生じる前記電子ビームの走査方向の位置ずれの大きさを表す歪み量データを格納する記憶部と、
   前記歪み量データに基づいて前記試料の設計データ及び前記ＳＥＭ画像の少なくとも一方を修正することにより、前記設計データとＳＥＭ画像とを対応付ける制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記歪み量データに基づいて前記ＳＥＭ画像のパターンの輪郭点の座標を補正する輪郭点座標補正部と、
   前記試料の設計データを参照して、前記ＳＥＭ画像上のパターンの輪郭点と前記設計データ上のパターンの頂点とに基づいて前記設計データのパターンの位置合わせを行うアライメント部と、
   前記設計データ上のパターンと前記ＳＥＭ画像上のパターンの一致率を測定する比較検査部と、
   を有することを特徴とするパターン検査装置。
2. 前記制御部は、
   前記試料の設計データを参照して、該設計データ上のパターンに測定領域を設定する測定領域設定部と、
   前記歪み量データに基づいて前記設計データ上の測定領域の位置座標を修正して前記ＳＥＭ画像上に前記測定領域を配置する測定領域修正部と、
   前記ＳＥＭ画像上の測定領域内のパターンの寸法測定を行う測定部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のパターン検査装置。
3. 前記測定部は、前記ＳＥＭ画像上で検出したパターンのエッジ位置の座標を前記歪み量データに基づいて補正した後、前記パターンのエッジ間の距離をパターンの長さとして検出することを特徴とする請求項２に記載のパターン検査装置。
4. 前記制御部は、前記ＳＥＭ画像上のパターンの輪郭点と前記設計データ上のパターンの頂点とに基づいて前記設計データ上の測定領域の位置合わせを行うアライメント部を有することを特徴とする請求項２に記載のパターン検査装置。
5. 前記電子走査部は、前記電子ビームを走査させる磁気偏向器を有することを特徴とする請求項１に記載のパターン検査装置。
6. 電子ビームで試料表面を走査し、前記試料の表面から放出される二次電子を検出して前記試料のＳＥＭ画像を生成するステップと、
   前記ＳＥＭ画像の歪みによって生じる前記電子ビームの走査方向の位置ずれの大きさを表す歪み量データに基づいて、前記試料の設計データと前記ＳＥＭ画像とを対応付けるステップと、
   前記歪み量データに基づいて前記ＳＥＭ画像のパターンの輪郭点の座標を補正するステップと、
   前記試料の設計データを参照して、該前記ＳＥＭ画像上のパターンの輪郭点と前記設計データ上のパターンの頂点とに基づいて前記設計データのパターンの位置合わせを行うステップと、
   前記設計データ上のパターンと前記ＳＥＭ画像上のパターンの一致率を測定するステップと、
   を有することを特徴とするパターン検査方法。
7. 前記試料の設計データを参照して、該設計データ上のパターンに測定領域を設定するステップと、
   前記歪み量データに基づいて前記設計データ上の測定領域の位置座標を修正して前記ＳＥＭ画像に測定領域を配置するステップと、
   前記ＳＥＭ画像の測定領域内のパターンの寸法測定を行うステップと
   を有することを特徴とする請求項６に記載のパターン検査方法。
8. 前記ＳＥＭ画像で検出したパターンのエッジ位置の座標を前記歪み量データに基づいて補正した後、前記パターンのエッジ間の距離を前記パターンの長さとして検出するステップを有することを特徴とする請求項７に記載のパターン検査方法。
9. 前記設計データ上のパターンの頂点と前記ＳＥＭ画像上のパターンの輪郭点とに基づいて前記測定領域の位置合わせを行うステップを有することを特徴とする請求項７に記載のパターン検査方法。
10. 前記ＳＥＭ画像上の測定領域からパターンのエッジ位置を検出するステップと、
    前記ＳＥＭ画像上で検出したエッジ位置を前記歪み量データに基づいて修正するステップと、
    前記修正されたエッジ位置に基づいてエッジ間の距離を測定するステップと、
    を有することを特徴とする請求項７に記載のパターン検査方法。
11. 一定間隔でラインパターンとスペースとが交互に配置されたラインスペースパターンのＳＥＭ画像を取得するステップと、
    前記ＳＥＭ画像から検出したラインスペースパターンのエッジ位置と、前記ラインスペースパターンのラインパターンの幅及びスペースの幅から求まる真のエッジ位置との関係に基づいて、前記ＳＥＭ画像の歪みによって生じ位置ずれの大きさを表す歪み量データを求めるステップと、
    を有することを特徴とする請求項６に記載のパターン検査方法。

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