(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子源から放出される荷電粒子線の照射によって試料から放出される荷電粒子を検出し、当該荷電粒子の検出に基づいて、前記試料の段差を判定する段差判定方法において、
複数の異なる焦点位置毎に、前記試料の段差を含む領域に対し、前記荷電粒子線を走査して、当該複数の異なる焦点位置毎に、複数のプロファイル波形を形成し、
当該複数のプロファイル波形のピークを中心とした、当該ピークの一方の幅，傾きの緩慢さ，信号量の総和、或いはピークの特定位置の信号量に関する第１の信号と、当該ピークの他方の幅，傾きの緩慢さ，信号量の総和、或いはピークの特定位置の信号量に関する第２の信号を算出し、
前記第１の信号の最小値に対応する焦点距離が、前記第２の信号の最小値に対応する焦点距離より短いとき、前記一方側に相当する試料上の位置に前記段差の上面が存在し、前記他方側に相当する試料上の位置に前記段差の下面が存在すると判定することを特徴とする段差判定方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記ピークの幅，傾きの緩慢さ，信号量の総和、及びピークの特定位置の信号量の内、少なくとも２つを用いて、前記段差を判定することを特徴とする段差判定方法。
【請求項３】
荷電粒子源から放出される荷電粒子線の照射によって試料から放出される荷電粒子を検出し、当該荷電粒子の検出に基づいて、前記試料の段差を判定する段差判定方法において、
複数の異なる焦点位置毎に、前記試料の段差を含む領域に対し、前記荷電粒子線を走査して、当該複数の異なる焦点位置毎に、複数のプロファイル波形を形成し、
前記複数のプロファイル波形毎に、１のピークと、当該１のピークの一方側に隣接するピークとの間の第１の幅に関する第１の信号と、当該１のピークと当該１のピークの他方側に隣接するピークとの間の第２の幅に関する第２の信号を算出し、
前記第１の幅の最小値に対応する焦点距離より、第２の幅の最小値に対応する焦点距離の方が短いときに、前記一方側に上面が存在すると判定し、前記他方側に下面が存在すると判定することを特徴とする段差判定方法。
【請求項４】
請求項１又は３において、
前記複数の位置へ焦点を移動させたときに算出される前記第１の幅と第２の幅のいずれが先に最小値となるかの判定に基づいて、前記上面、及び下面の判定を行うことを特徴とする段差判定方法。
【請求項５】
請求項１又は３において、
前記複数の位置への焦点の移動は、前記荷電粒子線のオートフォーカス時に行われることを特徴とする段差判定方法。
【請求項６】
荷電粒子源から放出される荷電粒子線の照射によって試料から放出される荷電粒子を検出し、当該荷電粒子の検出に基づいて、前記試料の段差を判定する段差判定方法において、
前記荷電粒子線について、オートフォーカスを実行することによって、第１の焦点位置に前記荷電粒子線の焦点を移動し、
当該第１の焦点位置にてプロファイル波形を形成し、
当該第１の焦点位置より、短焦点側の第２の焦点位置、及び／又は長焦点側の第３の焦点位置へ、前記荷電粒子線の焦点を移動し、
当該第２の焦点位置、及び／又は第３の焦点位置にてプロファイル波形を形成し、
前記第１の焦点位置と、前記第２の焦点位置、及び／又は第３の焦点位置にて形成されたプロファイル波形のピークを中心とした、当該ピークの一方の幅について、それぞれ第１の幅と、第２の幅、及び／又は第３の幅を算出し、
当該第２の幅が第１の幅より狭いとき、及び／又は第３の幅が第１の幅より広いとき、前記ピークの一方側に段差の上面が存在し、前記ピークの他方側に段差の下面が存在すると判定することを特徴とする段差判定方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかにおいて、
前記荷電粒子の検出を少なくとも２つの焦点位置にて行い、当該検出された荷電粒子に基づいて、前記プロファイル波形を形成することを特徴とする段差判定方法。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかにおいて、
前記段差はラインアンドスペースパターンであることを特徴とする段差判定方法。
【請求項９】
荷電粒子源と、
前記荷電粒子源より放出された荷電粒子線を試料上で走査する走査偏向系と、
前記荷電粒子源より放出された荷電粒子線の焦点を変更する制御系と、
前記荷電粒子源より放出された荷電粒子線の照射個所から放出される荷電粒子を検出する検出器と、
検出された荷電粒子に基づく信号を処理する演算部と、
を備える荷電粒子線装置において、
前記演算部は、複数の異なる焦点位置毎に、前記荷電粒子線を走査することによって検出される荷電粒子に基づいて、複数のプロファイル波形を形成し、
当該複数のプロファイル波形のピークを中心とした、当該ピークの一方の幅，傾きの緩慢さ，信号量の総和、或いはピークの特定位置の信号量に関する第１の信号と、当該ピークの他方の幅，傾きの緩慢さ，信号量の総和、或いはピークの特定位置の信号量に関する第２の信号を算出し、
前記第１の信号の最小値に対応する焦点距離が、前記第２の信号の最小値に対応する焦点距離より短いとき、前記一方側に相当する試料上の位置に前記段差の上面が存在し、前記他方側に相当する試料上の位置に前記段差の下面が存在すると判定することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１０】
請求項９において、
前記演算部は、前記ピークの幅，傾きの緩慢さ，信号量の総和、及びピークの特定位置の信号量の内、少なくとも２つを用いて、前記段差を判定することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１１】
荷電粒子源と、
前記荷電粒子源より放出された荷電粒子線を試料上で走査する走査偏向系と、
前記荷電粒子源より放出された荷電粒子線の焦点を変更する制御系と、
前記荷電粒子源より放出された荷電粒子線の照射個所から放出される荷電粒子を検出する検出器と、
検出された荷電粒子に基づく信号を処理する演算部と、
を備える荷電粒子線装置において、
前記演算部は、複数の異なる焦点位置毎に、前記荷電粒子線を走査することによって検出される荷電粒子に基づいて、複数のプロファイル波形を形成し、
前記複数のプロファイル波形毎に、１のピークと、当該１のピークの一方側に隣接するピークとの間の第１の幅に関する第１の信号と、当該１のピークと当該１のピークの他方側に隣接するピークとの間の第２の幅に関する第２の信号を算出し、
前記第１の幅の最小値に対応する焦点距離より、第２の幅の最小値に対応する焦点距離の方が短いときに、前記一方側に上面が存在すると判定し、前記他方側に下面が存在すると判定することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１２】
請求項９又は１１において、
前記演算部は、前記複数の位置へ焦点を移動させたときに算出される前記第１の幅と第２の幅のいずれが先に最小値となるかの判定に基づいて、前記上面、及び下面の判定を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１３】
請求項９又は１１において、
前記制御系は、前記複数の位置への焦点の移動を、前記荷電粒子線のオートフォーカス時に行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１４】
荷電粒子源と、
前記荷電粒子源より放出された荷電粒子線を試料上で走査する走査偏向系と、
前記荷電粒子源より放出された荷電粒子線の焦点を変更する制御系と、
前記荷電粒子源より放出された荷電粒子線の照射個所から放出される荷電粒子を検出する検出器と、
検出された荷電粒子に基づく信号を処理する演算部と、
を備える荷電粒子線装置において、
前記制御系は、前記荷電粒子線について、オートフォーカスを実行することによって、第１の焦点位置に前記荷電粒子線の焦点を移動し、前記走査偏向系による荷電粒子線の走査が行われた後に、当該第１の焦点位置より、短焦点側の第２の焦点位置、及び／又は長焦点側の第３の焦点位置へ、前記荷電粒子線の焦点を移動し、
前記演算部は、前記第１の焦点位置と、前記第２の焦点位置、及び／又は第３の焦点位置にて検出された荷電粒子に基づいて、プロファイル波形を形成し、前記第１の焦点位置と、前記第２の焦点位置、及び／又は第３の焦点位置にて形成されたプロファイル波形のピークを中心とした、当該ピークの一方の幅について、それぞれ第１の幅と、第２の幅、及び／又は第３の幅を算出し、
当該第２の幅が第１の幅より狭いとき、及び／又は第３の幅が第１の幅より広いとき、前記ピークの一方側に段差の上面が存在し、前記ピークの他方側に段差の下面が存在すると判定することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１５】
請求項９乃至１４のいずれかにおいて、
前記検出器は、前記荷電粒子の検出を少なくとも２つの焦点位置にて行い、前記演算部は、当該検出された荷電粒子に基づいて、前記プロファイル波形を形成することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１６】
荷電粒子線を試料上に走査することによって得られる荷電粒子に基づいて、プロファイル波形を形成する走査電子顕微鏡の演算装置に、試料上の形成された段差を判定させるコンピュータープログラムにおいて、
当該プログラムは、前記演算装置に、複数の異なる焦点位置毎に、前記荷電粒子線を走査することによって得られる荷電粒子に基づいて、複数のプロファイル波形を形成させ、
当該複数のプロファイル波形のピークを中心とした、当該ピークの一方の幅，傾きの緩慢さ，信号量の総和、或いはピークの特定位置の信号量に関する第１の信号と、当該ピークの他方の幅，傾きの緩慢さ，信号量の総和、或いはピークの特定位置の信号量に関する第２の信号を算出させ、
前記第１の信号の最小値に対応する焦点距離が、前記第２の信号の最小値に対応する焦点距離より短いとき、前記一方側に相当する試料上の位置に前記段差の上面が存在し、前記他方側に相当する試料上の位置に前記段差の下面が存在すると判定させることを特徴とするコンピュータープログラム。
【請求項１７】
荷電粒子線を試料上に走査することによって得られる荷電粒子に基づいて、プロファイル波形を形成する走査電子顕微鏡の演算装置に、試料上の形成された段差を判定させるコンピュータープログラムにおいて、
当該プログラムは、前記演算装置に、複数の異なる焦点位置毎に、前記荷電粒子線を走査することによって得られる荷電粒子に基づいて、複数のプロファイル波形を形成させ、
前記複数のプロファイル波形毎に、１のピークと、当該１のピークの一方側に隣接するピークとの間の第１の幅に関する第１の信号と、当該１のピークと当該１のピークの他方側に隣接するピークとの間の第２の幅に関する第２の信号を算出させ、
前記第１の幅の最小値に対応する焦点距離より、第２の幅の最小値に対応する焦点距離の方が短いときに、前記一方側に上面が存在すると判定し、前記他方側に下面が存在すると判定させることを特徴とするコンピュータープログラム。
【請求項１８】
荷電粒子線を試料上に走査することによって得られる荷電粒子に基づいて、プロファイル波形を形成する走査電子顕微鏡の演算装置に、試料上の形成された段差を判定させるコンピュータープログラムにおいて、
当該プログラムは、前記演算装置に、オートフォーカスによって第１の焦点位置に焦点が位置づけられた荷電粒子線の走査によって得られる第１のプロファイル波形と、当該第１の焦点位置より、短焦点側の第２の焦点位置、及び／又は長焦点側の第３の焦点位置に、焦点が位置づけられた荷電粒子線の走査によって得られる第２及び／又は第３のプロファイル波形に基づいて、当該ピークを中心とした、当該ピークの一方の幅について、それぞれ第１の幅と、第２の幅、及び／又は第３の幅を算出させ、
当該第２の幅が第１の幅より狭いとき、及び／又は第３の幅が第１の幅より広いとき、前記ピークの一方側に段差の上面が存在し、前記ピークの他方側に段差の下面が存在すると判定させることを特徴とするコンピュータープログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は試料のパターンの段差及び凹凸判定或いは三次元情報を得る方法、特に半導体ウェハ上に形成されたライン＆スペースパターンの凹凸情報を得るに好適な方法、及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査電子顕微鏡等の荷電粒子線装置は、微細化の進む半導体ウェハ上に形成されたパターンの測定や観察に好適な装置である。従来、荷電粒子線装置で試料の三次元情報を得る方法として、特許文献１に開示されているようなステレオ観察法がある。
【０００３】
ステレオ観察法は、傾斜した２枚のステレオ画像を撮影し、その２枚の画像間でステレオマッチングを行い、対応点を求めて行くことで高さを算出し、３次元情報を得るものである。
【０００４】
また、特許文献２には、試料上のパターンに対し、斜めからビームを照射してパターンの寸法測定を行う技術が開示されている。
【０００５】
さらに、引用文献３には、斜めからビームを照射してパターンの凹凸を判定する方法が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−４１１９５号公報
【特許文献２】特開平５−１７５４９６号公報
【特許文献３】特開２０００−９０７１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
走査電子顕微鏡によって、試料上のライン＆スペースパターンの測長を行う場合、ラインとスペースの幅がほぼ等しいと、その判別が難しく、間違ってしまうという問題があった。この問題を解決する手段として特許文献１のステレオ観察法を利用することが考えられる。
【０００８】
しかし、特許文献１のステレオ観察法は、走査電子顕微鏡で得られた画像のＳ／Ｎ比，分解能、及び試料の構造等が問題となり、良好な３次元画像を得ることが難しいという問題がある。即ちＳ／Ｎ比や分解能が低いと、２枚の画像のマッチングを採るための対応点を見つけることが難しく、結果としてマッチングの十分にとれていない、ぼやけた像となる場合がある。更にステレオ観察法は、高度な画像処理を必要とするため、処理時間がかかるという問題もある。
【０００９】
また、特許文献２に開示されている技術もライン＆スペースの判定まで言及されていない。
【００１０】
特許文献３についても、ビームを斜めから照射しているため、ビームの傾斜方向が異なると、各々の画像が一致しないという問題が生じる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の目的は、より簡単な手法で試料上に形成された段差及び凹凸の判定、或いは３次元情報を得ることにあり、特に試料上に形成されたライン＆スペースパターンの凹凸判定に好適な判定方法、及び装置を提供することにある。
【００１２】
本発明では、次の通りである。まず、荷電粒子線を試料上に照射し、当該走査個所から放出される荷電粒子の検出を複数の焦点位置で行う。そして、当該複数の焦点位置で得られた信号量又はプロファイルを比較し、当該信号量の増減または当該プロファイルの形状変化に基づいて前記走査個所の段差又は凹凸状態を判定する。
【発明の効果】
【００１３】
以上のような構成によれば、荷電粒子線像内の段差及び凹凸判定を行うことが容易になり、特にライン＆スペースパターンのような同じようなパターンが連続するパターンの凹凸状態を判定することが容易となる。また、複雑な画像処理技術を採用しなくても試料上の段差又は凹凸判定が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明の画像処理装置の一実施例である走査電子顕微鏡装置の構成概要のブロック図である。この走査電子顕微鏡には自動焦点制御機能が組み込まれている。
【００１５】
図１において、１０１は試料台、１０２は試料台上の撮影対象試料、１０４は陰極、
１０５は走査コイル、１０６は電子レンズ、１０８は走査コイル制御回路、１０９はレンズ制御回路である。
【００１６】
電子ビーム１１４は、走査コイル１０５によって試料１０２上を走査され、試料１０２から発せられた電子は検出器１０３で検出される。検出器１０３からの信号は図示していない増幅器によって増幅される。検出器１０３からの（増幅された）信号Ｓ１がＡＤ変換器１０７に入力されてデジタル信号Ｓ２へと変換される。Ｓ２のデジタル信号は、画像処理プロセッサ１１０に入力され、画像処理と特徴量の抽出が行われ、その結果は制御用計算機１１１へ送られる。また、処理された画像は、表示装置１１２へ送られ表示される。さらに、デジタル信号からデジタル信号波形（プロファイル）が作成される。制御用計算機１１１からの焦点制御信号Ｓ３は、レンズ制御回路１０９に入力されレンズ１０６の励磁電流を調節することで焦点制御を行うことができる。１１３は、制御用計算機１１１に接続される入力手段である。
【００１７】
半導体デバイス作成時、ウェハ上に描かれた微細なパターンの線幅を計測する場合に電子顕微鏡装置が使われる。ここで、ウェハ上の線幅を計測する部分がラインもしくはスペースの場合は、ラインとスペースの幅が同じようであると、その区別がつかなくなり、３次元的な情報から区別することが必要とされる。また、表示された画像のみから段差の上下を判断することは困難である。
【００１８】
本発明は、簡便な手法でライン＆スペース試料の凹凸情報を得ること又は段差の上下を判定することができる荷電粒子線装置に関するものであるため、図１の走査電子顕微鏡装置に適応することが可能である。無論それに限られることは無く、集束イオンビーム装置等、他の荷電粒子線装置にも適用が可能である。
【００１９】
なお、画像メモリのメモリ位置に対応したアドレス信号が、制御用計算機１１１内で生成され、アナログ変換された後に走査コイル制御電源（図示せず）を経由して、走査コイル１０５に供給される。Ｘ方向のアドレス信号は、例えば画像メモリが５１２×５１２画素の場合、０から５１２を繰り返すデジタル信号であり、Ｙ方向のアドレス信号は、Ｘ方向のアドレス信号が０から５１２に到達したときにプラス１される０から５１２の繰り返しのデジタル信号である。これがアナログ信号に変換される。
【００２０】
画像メモリのアドレスと電子線を走査するための偏向信号のアドレスが対応しているので、画像メモリには走査コイル１０５による電子線の偏向領域の二次元像が記録される。
【００２１】
なお、画像メモリ内の信号は、読み出しクロックで同期された読み出しアドレス生成回路（図示せず）で時系列に順次読み出すことができる。アドレスに対応して読み出された信号はアナログ変換され、表示装置１１２の輝度変調信号となる。
【００２２】
画像メモリには、Ｓ／Ｎ比改善のため画像（画像データ）を重ねて（合成して）記憶する機能が備えられている。例えば８回の二次元走査で得られた画像を重ねて記憶することで、１枚の完成した像を形成する。即ち、１回もしくはそれ以上のＸ―Ｙ走査単位で形成された画像を合成して最終的な画像を形成する。１枚の完成した像を形成するための画像数（フレーム積算数）は任意に設定可能であり、二次電子発生効率等の条件を鑑みて適正な値が設定される。また複数枚数積算して形成した画像を更に複数枚重ねることで、最終的に取得したい画像を形成することもできる。所望の画像数が記憶された時点、或いはその後に一次電子線のブランキングを実行し、画像メモリへの情報入力を中断するようにしても良い。
【００２３】
試料１０２は試料台１０１上に配置され、当該試料１０２は電子線と垂直な面内の２方向（Ｘ方向，Ｙ方向）に移動することができる。また本発明実施例装置は、検出された二次電子或いは反射電子等に基づいて、ラインプロファイルを形成する機能を備えている。ラインプロファイルは一次電子線を一次元、或いは二次元走査したときの電子検出量、或いは試料像の輝度情報等に基づいて形成されるものであり、得られたラインプロファイルは、例えば半導体ウェハ上に形成されたパターンの寸法測定等に用いられる。
【００２４】
なお、図１の説明は制御計算機が走査電子顕微鏡と一体、或いはそれに準ずるものとして説明したが、無論それに限られることはなく、走査電子顕微鏡鏡体とは別に設けられた制御プロセッサで以下に説明するような処理を行っても良い。その際には二次信号検出器１０３で検出される検出信号を制御プロセッサに伝達したり、制御プロセッサから走査電子顕微鏡の電子レンズや走査コイル等に信号を伝達したりする伝達媒体と、当該伝達媒体経由で伝達される信号を入出力する入出力端子が必要となる。
【００２５】
また、以下に説明する処理を行うプログラムを記憶媒体に登録しておき、画像メモリを有し走査電子顕微鏡に必要な信号を供給する制御プロセッサで、当該プログラムを実行するようにしても良い。
【実施例１】
【００２６】
図２は、ライン＆パターン試料の凸部分に焦点が合う場合のプロファイル波形をあらわしたものである。２０１は照射される電子線、２０２のライン＆パターン試料の凸断面、２０３，２０４，２０５は画像から得られるプロファイル波形である。（ａ）は下面に焦点があった場合、（ｂ）は上面下面の中間に焦点があった場合、（ｃ）は上面に焦点があった場合である。
【００２７】
（ａ）ように下面に焦点が合った場合のプロファイル波形は、２０３に示すように、ピーク外側の裾引きが先鋭化し、ピーク内側の裾引きが緩やかになる。これに対して、焦点が上面にあった（ｃ）では、ピーク外側の裾引きが緩やかになり、ピーク内側の裾引きが先鋭化する。（ｂ）では、その中間の形状となる。
【００２８】
図３は、ライン＆パターン試料の凹部分に焦点が合う場合のプロファイル波形をあらわしたものである。３０１は照射される電子線、３０２のラインとパターン試料の凹断面、３０３，３０４，３０５は画像から得られるプロファイル波形である。（ａ）は下面に焦点があった場合、（ｂ）は上面下面の中間に焦点があった場合、（ｃ）は上面に焦点があった場合である。
【００２９】
（ａ）ように下面に焦点が合った場合のプロファイル波形は、３０３に示すように、ピーク外側の裾引きが緩やかで、ピーク内側の裾引きが先鋭化する。これに対して、焦点が上面にあった（ｃ）では、ピーク外側の裾引きが先鋭化し、ピーク内側の裾引きが緩やかになる。（ｂ）では、その中間の形状となる。これは、図２の凸部のプロファイル波形と反対の傾向である。
【００３０】
図２及び図３の凹凸を段差と見ることもできる。図２（ａ）及び図３の（ａ）のように、段差の下面に焦点があった場合のプロファイルの波形は、段差下面側のピークの裾引きが先鋭化し、段差上面側のピークの裾引きが緩やかになる。これに対して、焦点が上面に合った図２（ｃ）及び図３（ｃ）では、段差下面側のピークの裾引きが緩やかになり、段差上面側のピークの裾引きが先鋭化する。
【００３１】
図２，図３に示したように、凹部と凸部若しくは段差の上面と下面では、焦点位置を変えた場合のプロファイル波形の形状変化が逆である。この特徴を利用すれば、ライン＆スペースパターンの凹凸判定若しくは段差判定が可能になる。
【００３２】
次に実際に計測すべき形状変化部分を図４，図８，図９，図１４を用いて説明する。なお本実施例では、計測すべき形状変化部分として半値幅を用いているが、これに限られることはなく、焦点位置の移動による形状変化が比較できる部分であればピーク半値以外の部分でも構わない。
【００３３】
まず図１４を用いて、凹凸エッジにおけるプロファイル波形におけるピークの内外半値幅の算出例を説明する。１４０１は凸形状のプロファイル波形である。凸エッジに対応して１４０３，１４０９の２つのピークが立つ。１４０３のピークに対し、外側の半値幅とは、ピーク値１４０３と凸部外側の最小値１４０２との半分の位置１４０５とピーク位置１４０３との距離、つまり１４０７である。これに対して、内側の半値幅とは、ピーク値１４０３と凸部内側の最小値１４０４との半分の位置１４０６とピーク位置１４０３との距離、つまり１４０８である。
【００３４】
ここで、内外側の最小値１４０２と１４０８は最小値ではなく、平坦部分たとえば一定の値が続く部分の値を用いることもできる。
【００３５】
図４は、凹凸エッジのプロファイル波形のピークが持つ、外側の半値幅と内側の半値幅を計測して比較する方法である。図４は凸部の場合を示している。４０１，４０３が外側の半値幅であり、４０２，４０４が内側の半値幅である。（ａ）は焦点が下面にあった状態であるので外側の裾引きが先鋭化し４０１が小さくなる。逆に内側の裾引きは緩やかになるので、４０２が大きくなる。（ｃ）は焦点が上面にあった状態であるので外側の裾引きが緩やかになり４０３が大きくなる。逆に内側の裾引きは先鋭化し、４０４が小さくなる。凹部では、焦点位置に対する半値幅の傾向が凸部に対して逆になる。
【００３６】
図５に、凸部と凹部の内側と外側の半値幅変化を示す。５０１，５０４が内側の半値幅の変化であり、５０２，５０３が外側の半値幅の変化である。凸部では、フォーカス位置を下面から上面に上げて行くと、初めに外側の半値幅（５０２）がａで最小値を作り、次に内側の半値幅（５０１）がｃで最小値を作る。凹部では、この逆になり、初めに内側の半値幅（５０４）がａ′で最小値を作り、次に外側の半値幅（５０３）がｃ′で最小値を作る。このように内外の半値幅のどちらが先に最小値をとるかによって凹凸判定ができるわけである。
【００３７】
尚、図７に示すようにフォーカス位置とフォーカス値（励磁電流）との関係は、装置によって関係がわかっているので、フォーカス位置を下面から上面に上げていく等の制御は簡単に行うことができる。
【００３８】
図８は、プロファイル波形のピークと微分波形のピーク間距離を計測し比較する方法である。図８は凸部の場合を示している。８０１，８０３が外側のピーク間距離であり、
８０２，８０４が内側のピーク間距離である。（ａ）は焦点が下面にあった状態であるので外側のピーク間距離が短く、８０１が小さくなる。逆に内側のピーク間距離は長くなるので、８０２が大きくなる。（ｂ）は焦点が上面にあった状態であるので外側のピーク間距離が長くなり８０３が大きくなる。逆に内側のピーク間距離は短くなるので、４０４が小さくなる。凹部では、焦点位置に対するピーク間距離の傾向が凸部に対して逆になる。このフォーカス位置とピーク間距離との関係は、図５のフォーカス位置と半値幅の関係と同様なグラフとなる。したがって、内外のピーク間距離のどちらが先に最小値をとるかを比較することで凹凸判定が可能になる。
【００３９】
計測すべき形状変化部分は他にも可能である。ここでは、プロファイル波形のある所定位置での高さ測定により形状変化を比較する方法について説明する。
【００４０】
凹凸の上下面の間に焦点がある状態で測定したとき（例えば、後述するオートフォーカスを利用して測定した場合が相当する）、凸部形状を測定した場合、図１４のようなプロファイル形状が得られる。当該プロファイル波形のピーク値１４０３と凸部外側の最小値１４０２との半分の位置１４０５及び、ピーク値１４０３と凸部内側の最小値１４０４との半分の位置１４０６における高さを測定しても形状変化が判定できる。
【００４１】
焦点位置が凸部の下面にある場合、前記１４０５を定めた座標における高さは低くなり、一方で前記１４０６を定めた座標における高さは高くなる。焦点位置が、凸部の上面にある場合は、逆に、前記１４０５を定めた座標における高さは高くなり、一方で前記1406を定めた座標における高さは低くなる。
【００４２】
なお、このプロファイル形状における高さは、信号量と言い換えることもできる。
【００４３】
さらに、当該プロファイル波形のピーク値１４０３と凸部外側の最小値１４０２との半分の位置１４０５における傾き、及びピーク値１４０３と凸部内側の最小値１４０４との半分の位置１４０６における傾きを測定対象としても良い。
【００４４】
焦点位置が凸部の下面にある場合、前記１４０５を定めた座標における傾きは急峻になり、一方で前記１４０６を定めた座標における傾きは緩慢になる。焦点位置が、凸部の上面にある場合は、逆に、前記１４０５を定めた座標における傾きは緩慢になり、一方で前記１４０６を定めた座標における傾きは急峻になる。
【００４５】
ここで、プロファイル波形の傾きは信号変化と言い換えることもできる。
【００４６】
他にも、当該プロファイル波形の位置１４０５からピーク値１４０３までの信号量の総和及び、位置１４０６からピーク値１４０３までの信号量の総和を測定対象としても良い。
【００４７】
焦点位置が凸部の下面にある場合、前記１４０５を定めた座標からピーク値１４０３までの信号量の総和は小さくなり、一方で前記１４０６を定めた座標からピーク値１４０３までの信号量の総和は大きくなる。焦点位置が、凸部の上面にある場合は、逆に、前記
１４０５を定めた座標からピーク値１４０３までの信号量の総和は大きくなり、一方で前記１４０６を定めた座標からピーク値１４０３までの信号量の総和は小さくなる。
【００４８】
なお本実施例では、計測すべき形状変化部分として半値幅を与える部分の位置を用いているが、形状変化が比較できれば、ピークの半分の位置以外でも構わない。
【００４９】
今まで測定すべき形状変化部分として複数取り上げたが、これらを組み合わせてより精度のよい凹凸判定を行うことができる。
【００５０】
上記実施例は凹凸判定について述べたが、段差の判定においても同様にこれを適用することができる。前記したように、段差の上面と下面においては、焦点位置を変化させたときのプロファイル波形の形状変化が異なる。当該形状変化を凹凸判定のときのように、例えば半値幅，所定の位置での高さ（信号量），傾き，信号量の総和などから読み取り、段差の上下を判定することができる。
【００５１】
図９は、ライン部分の幅とスペース部分の幅を計測し比較する方法である。９０１がライン部分、９０２がスペース部分である。９０３，９０５がライン部分の幅であり、904，９０６がスペース部分の幅である。この２つの幅を決める高さは、例えばプロファイル波形のピーク高さの半分のところと決める。（ａ）は焦点が下面にあった状態であるのでスペース部分の幅が長く、９０４が大きくなる。逆にライン部分の幅が短くなり、９０３が小さくなる。（ｂ）は焦点が上面にあった状態であるのでスペース部分が短くなり906が小さくなる。逆にライン部分の幅は長くなるので、９０５が大きくなる。
【００５２】
このフォーカス位置とライン，スペース部分の幅との関係は、図５のフォーカス位置と半値幅の関係と同様なグラフとなる。したがって、ライン，スペース部分の幅のどちらが先に最小値をとるかを比較することで凹凸判定が可能になる。
【００５３】
図４，図８，図９，図１４で示した各手法を用いると、各測定値の最小値から下面、または上面の合焦点フォーカス値を算出することも可能になるため、凹凸判定または段差判定と同時に上下面の合焦点フォーカス値を得ることができる。
【００５４】
図１０は、ライン＆スペース画像で測長を行う場合にラインもしくはスペースの位置特定に本発明を用いた場合の処理フローである。１００１で走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の計測条件を設定し、１００２でフォーカス値を設定する。１００３で撮影を行い、1004で凹凸部分に相当するプロファイル波形を算出する。プロファイル波形を算出する場合は、数ラインを積算して求めても良い。１００５で、図４で示したように、プロファイル波形のピーク部分の内側，外側の半値幅を計測する。この処理をフォーカス値（フォーカス位置）を変えながら１００６で複数回実行する。１００７で、内側，外側の半値幅の最小値とその時のフォーカス位置を算出する。１００８で最小値をとったフォーカス位置を比較することで凹凸を判定する。１００５，１００７の部分は、凹凸判定手法による。図１０は、図４で示した方法であり、図８で示した方法であれば、１００５でプロファイル波形のピークと微分波形のピーク間距離を算出し、１００７でその最小値とフォーカス位置を比較する。図９で示した方法であれば、１００５でライン部分の幅とスペース部分の幅を算出し、１００７でその最小値とフォーカス位置を比較する。最後に位置検出のため1009でライン部であれば凸部分の座標、スペース部分であれば凹部分の座標を出力する。ここで、凹凸部分が複数検出された場合は、一番中央に近い座標を出力にしてもよい。
【実施例２】
【００５５】
焦点を変えて複数の画像を撮影する部分は、通常撮影時のオートフォーカス調整部分を流用することも可能である。図６にオートフォーカスで得られた画像を使う場合の処理フローを示す。オートフォーカス時に得られた画像を使うことで、焦点を変えた画像を別に取得する必要がなくなるため、その分、全体の処理時間の短縮が図れる。
【００５６】
ここで、オートフォーカスについて図１５を用いて説明する。焦点位置を変えるため励磁電流をＦ１〜Ｆｎまで変化させ、それに対した画像Ｇ１〜Ｇｎまでを取得する。次に
Ｇ１〜Ｇｎの画像に対して、それぞれ焦点評価用フィルタ（微分，２次微分，ソーベル，ラプラシアン等）を施し、焦点評価画像Ｇｆ１〜Ｇｆ２を作成し、焦点評価値ＦＥ１〜
ＦＥｎを算出する。ここで、焦点評価値としては、焦点評価値画像の全画素値の合計，その平均値，分散値等を用いることができる。ここまでの工程は、通常、オートフォーカスとして実行され、ＦＥ１〜ＦＥｎの最大時の励磁電流値を合焦点時の励磁電流とする。
【００５７】
図１２は、オートフォーカスで求めたフォーカス値に対して、±ΔＦだけ異なるフォーカス値で撮影した画像を用いて凹凸判定を行う場合の処理フローである。
【００５８】
１２０１〜１２０３までは通常の画像取得時と同様の処理で、１２０３では１２０２のオートフォーカスで求めた合焦点のフォーカス値で撮影を行う。１２０４では、合焦点より＋ΔＦだけフォーカス値をずらした値で撮影を行い、１２０５では、合焦点より−ΔＦだけフォーカス値をずらした値で撮影を行う。１２０６,１２０７で、１２０３,１２０４，１２０５で撮影した画像に対して、図４，図８で説明した方法で、プロファイル波形のピークの外側半値幅と内側半値幅を求める。次の１２０８では、図１３に示す判定内容により凹凸判定を行い、１２０９でその凹凸に従って位置検出を行う。
【００５９】
ここで、図１３で示した凹凸判定の内容を説明する。図１２、１２０２のオートフォーカスで求めたフォーカス値（ＡＦ）は、図２，図３に示す凹凸形状では、（ａ）〜（ｃ）（（ａ′）〜（ｃ′））の間の位置に存在する。つまり、（ａ）（ｃ）のフォーカス値をａ，ｃ（（ａ′）（ｃ′）のフォーカス値をａ′，ｃ′）とすると、オートフォーカスで求められるフォーカス値（ＡＦ）は、ａ≦ＡＦ≦ｃ（ａ′≦ＡＦ≦ｃ′）の範囲に存在する。
【００６０】
例えば、ａ＜ＡＦ＜ｃの場合、凸形状では、フォーカス値をＡＦ＋ΔＦとして撮影すると、図５の関係から、ＡＦで撮影した画像に対して、プロファイル波形のピークの外側半値幅が増加し、内側半値幅は減少する。逆にＡＦ−ΔＦで撮影するとプロファイル波形のピークの外側半値幅が減少し、内側半値幅が増加する。
【００６１】
凹形状では、フォーカス値をＡＦ＋ΔＦとして撮影すると、図５の関係から、ＡＦで撮影した画像に対して、プロファイル波形のピークの外側半値幅が減少し、内側半値幅は増加する。逆にＡＦ−ΔＦで撮影するとプロファイル波形のピークの外側半値幅が増加し、内側半値幅が減少する。
【００６２】
このように、凹凸形状によって、ＡＦ＋ΔＦ，ＡＦ−ΔＦにおけるプロファイル波形のピークの内外半値幅の増加減少傾向が異なる。この特徴を利用することで凹凸判定が可能になるわけである。
【００６３】
ＡＦ＝ａ，ＡＦ＝ｃの場合は、ＡＦ＋ΔＦ，ＡＦ−ΔＦの一方のフォーカス値で同じ傾向を示すが、他方で逆の傾向を示すため、ａ＜ＡＦ＜ｃの場合と同じく、凹凸判定が可能になる。
【００６４】
また、図１３の関係からもわかるようにオートフォーカス値がａ＜ＡＦ＜ｃ内に存在すれば、ＡＦ＋ΔＦもしくはＡＦ−ΔＦの一方だけ撮影すれば、そのプロファイル波形のピークの内外半値幅を比較することで凹凸判定することができる。
【００６５】
なお、図１３の関係をテンプレートとして装置に備えることも可能である。
【実施例３】
【００６６】
図１６は、得られた凹凸プロファイルを撮影した画像上に重ねて表示した例である。
【００６７】
本実施例では、ライン＆スペースの凹凸判定を、オートフォーカス時に取得する画像からラインとスペースに対応する部分の評点評価値を算出し、焦点合致時の励磁電流から焦点距離を求め、その値から画像の凹凸情報を得る。そのため、マッチング処理等の複雑な画像処理を用いることなく簡便な方法で凹凸情報を得ることができる。また、得られた凹凸情報を位置決定に用いるため、ライン＆スペース画像での測長ポイントの特定間違いを減少させることができる。また、この凹凸情報をパターンのマッチングに利用することができる。
【００６８】
さらに、オートフォーカスのタイミングで必要な情報を収集できるので、他のタイミングで、凹凸情報を得るための新たな工程を設ける必要がなく、スループット向上にも寄与できる。
【００６９】
ラインまたはスペースの幅の測長を行う場合は、図１０に示したような位置の特定も重要であるが、フォーカス位置も重要となる。図９に示すように焦点位置によって、ライン幅またはスペース幅が違ってくる。したがって、本発明の手法を使って上面，下面の合焦点フォーカス値を求め、上面の幅を計測したい場合は上面の合焦点フォーカス値を用いて撮影し、下面の幅を計測したい場合は下面の合焦点フォーカス値を用いて撮影することが測長精度向上につながる。
【実施例４】
【００７０】
以上、ライン＆スペース画像に関して、本発明の実施例を説明してきたが、本発明はホール画像の直径方向のプロファイル波形を用いれば、ホール画像に対しても適用可能である。
【００７１】
図１１に、フォーカス位置とホール画像のプロファイル波形の関係を示す。（ａ）は焦点がホール底面に合った場合で、（ｂ）がホール上面に合った場合である。図３の凹部のプロファイル波形同様に、焦点が底面にあった場合は内側の裾引きが先鋭化し、焦点が上面にあった場合は内側の裾引きが緩やかになる。近年、ホール底の状態をプロファイル波形から評価する試みがなされているが、図１１に示したように、焦点位置をホール底面に合わせた状態でプロファイル波形を算出しなければ、その波形を使った評価は正確性を欠くものになってしまう。したがって、プロファイル波形を使ってホール底面の評価を行う場合は、本発明の手法を使い、ホール底面の合焦点フォーカス値を求め、そのフォーカス値で撮影を行うことが必要になる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の画像処理装置の一実施例である走査電子顕微鏡装置の構成概要のブロック図。
【図２】ライン＆パターン試料の凸部分に焦点が合う場合のプロファイル波形をあらわしたもの。
【図３】ライン＆パターン試料の凹部分に焦点が合う場合のプロファイル波形をあらわしたもの。
【図４】凹凸エッジのプロファイル波形のピークが持つ、外側の半値幅と内側の半値幅を計測して比較する方法。
【図５】凸部と凹部の内側と外側の半値幅変化。
【図６】オートフォーカスで得られた画像を使う場合の処理フロー。
【図７】フォーカス位置とフォーカス値（励磁電流）との関係
【図８】プロファイル波形のピークと微分波形のピーク間距離を計測し比較する方法。
【図９】ライン部分の幅とスペース部分の幅を計測し比較する方法。
【図１０】ライン＆スペース画像で測長を行う場合にラインもしくはスペースの位置特定に本発明を用いた場合の処理フロー。
【図１１】フォーカス位置とホール画像のプロファイル波形の関係。
【図１２】オートフォーカスで求めたフォーカス値に対して、±ΔＦだけ異なるフォーカス値で撮影した画像を用いて凹凸判定を行う場合の処理フロー。
【図１３】凹凸判定の内容。
【図１４】凹凸エッジにおけるプロファイル波形のピークの内外半値幅の算出例。
【図１５】焦点評価値を算出するまでの概念図。
【図１６】得られた凹凸情報を撮影した画像上に重ねて表示した例を示す図。
【符号の説明】
【００７３】
１０１…試料台、１０２…試料、１０３…検出器、１０４…陰極、１０５…走査コイル、１０６…電子レンズ、１０７…ＡＤ変換器、１０８…走査コイル制御回路、１０９…レンズ制御回路、１１０…画像処理プロセッサ、１１１…制御用計算機、１１２…表示装置、１１３…入力手段、１１４…電子ビーム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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