(57)【要約】【課題】  走査型電子顕微鏡を用いて検査装置によって検出された試料上の欠陥を観察する場合において，オートフォーカス処理にかかる時間を削減する。また，安定性を向上させる。【解決手段】  走査型電子顕微鏡を用いて検査装置によって検出された試料上の欠陥を観察する場合において，半導体の設計情報からオートフォーカスに用いる領域を撮像領域内もしくはその周辺に１箇所以上設定し，設定した領域を用いてオートフォーカス処理を実行し，撮像領域における合焦位置を求め，得られた合焦位置を低倍撮像と高倍撮像に用いる。また，半導体の設計情報をもとに各撮像領域に適したオートフォーカス処理を選択する。【選択図】  図４
2009085657.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査型電子顕微鏡を用いて欠陥を観察する方法であって，
他の検査装置で検出された試料上の欠陥の位置情報を用いて走査型顕微鏡でオートフォーカスを行うための前記試料上の撮像領域を設定し、
該設定した試料上の撮像領域を前記走査型電子顕微鏡の焦点位置を変えながら複数回撮像し、
該焦点位置を変えながら複数回撮像して得た前記撮像領域の複数の画像信号から前記走査型顕微鏡の合焦位置情報を求め、
該求めた合焦位置情報を用いて前記走査型顕微鏡で前記試料を第１の倍率で撮像し、
該第１の倍率で撮像して得た前記試料の画像から前記他の検査装置で検出した欠陥の位置情報を得、
該得た欠陥の位置情報と前記求めた合焦位置情報を用いて前記走査型顕微鏡で前記試料を前記第１の倍率よりも高い第２の倍率で撮像し、
該第２の倍率で撮像して得た前記試料の画像から前記他の検査装置で検出した欠陥の画像を抽出する
ことを特徴とする走査型電子顕微鏡を用いた欠陥の観察方法。
【請求項２】
前記オートフォーカスを行うための前記試料上の撮像領域を設定することを、設計情報を用いて行うことを特徴とする請求項１記載の走査型電子顕微鏡を用いた欠陥の観察方法。
【請求項３】
前記オートフォーカスを行うための前記試料上の撮像領域を、前記試料上の欠陥の位置の近傍でパターンのエッジがある領域を含むように設定することを特徴とする請求項１記載の走査型電子顕微鏡を用いた欠陥の観察方法。
【請求項４】
前記オートフォーカスを行うための前記試料上の撮像領域を、前記試料上の欠陥の位置の近傍で配線パターンが集中している領域を含むように設定することを特徴とする請求項１記載の走査型電子顕微鏡を用いた欠陥の観察方法。
【請求項５】
前記走査型電子顕微鏡で前記試料上の撮像領域を撮像することを、前記パターンのエッジと直交する方向に前記走査型電子顕微鏡の電子線を走査することにより撮像することを特徴とする請求項３又は４に記載の走査型電子顕微鏡を用いた観察方法。
【請求項６】
前記合焦位置情報を用いて前記走査型顕微鏡で前記試料を第１の倍率で撮像することを、前記他の検査装置で検出された試料上の欠陥の位置情報を用いて該欠陥を含む第１の領域を撮像することと、該欠陥を含まない本来前記第１の領域と同じパターンが形成されている第２の領域を撮像することとを含むことを特徴とする請求項１記載の走査型電子顕微鏡を用いた欠陥の観察方法。
【請求項７】
欠陥を観察する走査型電子顕微鏡システムであって，
集束させた電子線を観察対象試料に照射して走査することにより前記観察対象試料から発生する２次荷電粒子を検出して前記観察対象試料の画像を得る走査型電子顕微鏡と、
該走査型電子顕微鏡を制御する制御手段と、
他の検査装置で検出された観察対象試料上の欠陥の位置情報を記憶する第１の記憶手段と、
前記観察対象試料の設計情報を記憶する第２の記憶手段と、
前記走査型電子顕微鏡で取得した前記観察対象試料の画像を処理する画像処理手段と、
前記走査型電子顕微鏡の前記観察対象試料に対する合焦位置を算出して記憶する演算記憶手段と、
前記制御手段と前記第１の記憶手段と前記第２の記憶手段と前記画像処理手段と前記第３の記憶手段と接続して情報の入出力を行う入出力手段を備え、
前記制御手段は、前記第１の記憶手段に記憶された他の検査装置で検出された観察対象試料上の欠陥の位置情報を用いて走査型顕微鏡でオートフォーカスを行うための前記観察対象試料上の撮像領域を設定し、前記走査型電子顕微鏡を制御して、該設定した観察対象試料上の撮像領域を前記走査型電子顕微鏡の焦点位置を変えながら複数回撮像し、
前記演算記憶手段は前記制御手段で制御して焦点位置を変えながら複数回撮像して得た前記撮像領域の複数の画像信号から前記走査型顕微鏡の前記観察対象試料に対する合焦位置を算出し、
前記制御手段は該演算記憶手段で算出した合焦位置情報を用いて前記走査型顕微鏡を制御して前記観察対象試料を第１の倍率で撮像し、
前記画像処理手段は前記制御手段で前記走査型顕微鏡を制御して第１の倍率で撮像して得た前記観察対象試料の画像を処理して前記他の検査装置で検出した欠陥の前記走査型顕微鏡上における位置情報を得、
前記制御手段は、更に、該画像処理手段で画像を処理して得た欠陥の位置情報と前記演算記憶手段に記憶しておいた合焦位置情報を用いて前記走査型顕微鏡を制御して前記観察対象試料を前記第１の倍率よりも高い第２の倍率で撮像し、
前記画像処理手段は、更に前記制御手段で前記走査型顕微鏡を制御して該第２の倍率で撮像して得た前記試料の画像から前記他の検査装置で検出した欠陥の画像を抽出する
ことを特徴とする欠陥を観察するための走査型電子顕微鏡システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記オートフォーカスを行うための前記試料上の撮像領域を、前記観察対象試料上の欠陥の位置の近傍でパターンのエッジがある領域を含むように設定することを特徴とする請求項７記載の欠陥を観察するための走査型電子顕微鏡システム。
【請求項９】
前記制御手段は、前記オートフォーカスを行うための前記試料上の撮像領域を、前記試料上の欠陥の位置の近傍で配線パターンが集中している領域を含むように設定することを特徴とする請求項７記載の欠陥を観察するための走査型電子顕微鏡システム。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記観察対象試料上の撮像領域を、前記パターンのエッジと直交する方向に電子線を走査するように前記走査型電子顕微鏡を制御することを特徴とする請求項８又は９に記載の走欠陥を観察するための走査型電子顕微鏡システム。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記合焦位置情報を用いて前記走査型顕微鏡で前記試料を第１の倍率で撮像することを、前記他の検査装置で検出された試料上の欠陥の位置情報を用いて該欠陥を含む第１の領域を撮像することと、該欠陥を含まない本来前記第１の領域と同じパターンが形成されている第２の領域を撮像することとを含むことを特徴とする請求項７記載の欠陥を観察するための走査型電子顕微鏡システム。
【請求項１２】
欠陥を観察する走査型電子顕微鏡システムであって，
集束させた電子線を試料に照射して走査することにより前記試料から発生する２次荷電粒子を検出して前記試料の画像を得る走査型電子顕微鏡と、
観察対象試料の設計情報を記憶する設計情報記憶手段と、
他の検査装置で検出された観察対象試料上の欠陥の位置情報と前記設計情報記憶手段に記憶された前記観察対象試料の設計情報とを用いて前記走査型顕微鏡でオートフォーカスを行うための前記観察対象試料上の撮像領域を設定する撮像領域設定手段と、
前記走査型電子顕微鏡で前記集束させた電子線の焦点位置を変化させて前記撮像領域設定手段で設定した撮像領域を撮像して得た複数の画像信号から前記走査型顕微鏡の合焦位置を算出する合焦位置算出手段と、
前記走査型電子顕微鏡を制御して前記合焦位置算出手段で算出した合焦位置情報を用いて前記他の検査装置で検出された観察対象試料上の欠陥を含む第１の領域と該欠陥を含まない本来前記第１の領域と同じパターンが形成されている第２の領域とを第１の倍率で撮像して第１の倍率の欠陥画像と参照画像とを取得する撮像制御手段と、
該撮像制御手段で前記走査型電子顕微鏡を制御して取得した第１の倍率の欠陥画像と参照画像とを比較して欠陥位置を求める欠陥位置算出手段と、
該欠陥位置算出手段で求めた欠陥の位置情報に基づいて前記走査型電子顕微鏡を制御して前記合焦位置算出手段で算出した合焦位置情報を用いて前記欠陥を前記第１の倍率よりも高い第２の倍率で撮像して前記欠陥の画像を取得する欠陥画像取得制御手段と
を備えたことを特徴とする欠陥を観察するための走査型電子顕微鏡システム。
【請求項１３】
前記撮像領域設定手段は、前記オートフォーカスを行うための前記試料上の撮像領域を、前記観察対象試料上の欠陥の位置の近傍でパターンのエッジがある領域を含むように設定することを特徴とする請求項１２記載の欠陥を観察するための走査型電子顕微鏡システム。
【請求項１４】
前記撮像領域設定手段は、前記オートフォーカスを行うための前記試料上の撮像領域を、前記試料上の欠陥の位置の近傍で配線パターンが集中している領域を含むように設定することを特徴とする請求項７記載の欠陥を観察するための走査型電子顕微鏡システム。
【請求項１５】
前記合焦位置算出手段は、前記撮像領域設定手段で設定した前記観察対象試料上の撮像領域を該撮像領域に含まれるパターンのエッジと直交する方向に前記走査型電子顕微鏡の電子線を走査して得られた複数の画像信号から前記走査型顕微鏡の合焦位置を算出する    ことを特徴とする請求項１２記載の走欠陥を観察するための走査型電子顕微鏡システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，半導体ウェハや液晶パネルなどの製造工程において発生する欠陥等を観察するための走査型電子顕微鏡を用いた試料の観察方法およびそのシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体の歩留まり向上のため，製造工程における欠陥の発生原因を早急に究明することが重要となっている。現在，半導体の製造現場では欠陥検査装置と観察装置を用いて欠陥の解析を行っている。欠陥検査装置とは光学的な手段もしくは電子線を用いてウェハを観測し，検出された欠陥座標を出力する装置である。
【０００３】
欠陥検査装置は広範囲を高速に処理する事が重要であるため，可能な限り取得する画像の画素サイズ（検出器の１画素で検出する試料上の寸法）を大きく（つまり低解像度化）することによる画像データ量の削減を行っており，多くの場合，検出した低解像度の画像からは欠陥の存在は確認できても，その欠陥の種類を詳細に判別することはできない。そこで，観察装置が用いられる。観察装置とは，検査装置の出力を用い，ウェハの欠陥座標を高解像度に撮像し，画像を出力する装置である。
【０００４】
半導体製造プロセスは微細化が進み，それに伴い欠陥サイズも数十nmのオーダに達していることもあり，欠陥を詳細に観察するためには数nmオーダの分解能が必要である。そのため，近年では走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた観察装置（以下レビューＳＥＭと呼ぶ）が広く使われている。半導体の量産ラインでは観察作業の自動化が望まれており，レビューＳＥＭはウェハ内の欠陥座標における画像を自動収集するＡＤＲ（Automatic Defect Review），得られた画像を自動分類するＡＤＣ（Automatic Defect Classification）機能を搭載している。
【０００５】
走査型電子顕微鏡は焦点深度が0.5〜1.0[μm]程度であるため，ぼけのない画像を撮像するためには電子ビームの焦点位置を合焦位置に設定する必要がある。ここで，合焦位置とは焦点が試料表面に設定され，ぼけのない画像が撮像可能な焦点位置のことを言う。試料には高さ方向の変動があるのが一般的であり，観察領域毎に合焦位置が異なる。
【０００６】
オートフォーカスは観察領域における合焦位置を自動で算出する機能である。オートフォーカス処理の１つとして，焦点位置を変化させながら複数枚の画像を撮像し，各画像から焦点の合い具合を示す焦点測度を算出し，焦点測度が最大となる焦点位置を合焦位置とする手法がある。焦点位置が合焦位置に設定されて撮像された画像においてはエッジ部の濃淡値が急峻に変化するが，合焦位置から外れて撮像された画像においてはエッジ部の濃淡値は緩やかに変化する。この事を用いて，焦点測度として画像中に撮像されたエッジ部の濃淡値の急峻さ（以下，エッジ先鋭度）を用いる。そのため，ＳＥＭ画像を用いたオートフォーカスでは画像中にコントラストが高いエッジを撮像する必要がある。走査型電子顕微鏡においても本手法は有効であり，レビューＳＥＭにおいても用いられている。 
半導体の量産ラインにおいては，製造プロセスにおける欠陥発生状態を正しくモニタリングする必要がある。そのため，可能な限り多くのウェハについて，検査装置による検査とレビューＳＥＭによる欠陥の観察・分類を行う必要があり，検査装置及びレビューＳＥＭにおいては，処理速度つまりスループットの向上が特に重要となっている。このようなレビューＳＥＭの従来技術については特許文献１：２００１−３３１７８４号公報に開示されている。この文献には，レビューＳＥＭの構成，ＡＤＲ及びＡＤＣの機能及び動作シーケンス，また，取得した画像や分類結果の表示方法等について記載がされている。
【０００７】
また、ＳＥＭ画像を取得するときにオートフォーカス処理を行うことについては特許文献２：特開２００５−２８５７４６号公報に記載されている。
【０００８】
また、メモリセル部において撮像領域中のパターンの周期性を利用し，参照画像なしに欠陥位置を特定するＡＤＲシーケンスが特許文献３：特開２００３−９８１１４に開示されている。
【０００９】
さらに、メモリセル部周辺の一部ロジックパターンが撮像領域に含まれる場合においても参照画像なしに欠陥位置を特定するＡＤＲシーケンスが特許文献４：特開２００７−４０９１０に開示されている。
【００１０】
図２に，従来のＡＤＲシーケンスの一例を示す。欠陥検査装置が出力する欠陥座標と実際の欠陥座標の誤差には±4μm程度のばらつきがあるのが一般的である。そのため，欠陥検査装置が出力した欠陥座標を視野2.5μm程度の領域を高倍率（例えば，５万倍）で撮像した場合，欠陥が視野内に入らない可能性がある。そこで，まず視野9μm程度の領域を低倍率（例えば，１万５千倍）で撮像し（以下，低倍撮像と記載する），次に低倍画像から欠陥座標を特定，最後に高倍率で特定した欠陥座標に対応する位置を高倍率で撮像する（以下，高倍撮像と記載する）。
【００１１】
先ず、低倍率の参照画像（以下、低倍参照画像と記す）を取得するために参照座標位置へ試料を載置したテーブルが移動し（Ｓ２０１），欠陥座標と同様の配線パターンを持つが欠陥が無い座標位置を低倍で撮像する（低倍参照画像撮像：Ｓ２０３）。次に、低倍率の欠陥画像（以下、低倍欠陥画像と記す）を取得するために欠陥座標位置へステージが移動して（Ｓ２０４），欠陥座標位置を同じ低倍で撮像する（低倍比較画像撮像：Ｓ２０６）。この際，参照画像と比較画像とをそれぞれ取得した２箇所の撮像領域における合焦位置をそれぞれオートフォーカス処理（Ｓ２０２，Ｓ２０５）により算出し，焦点位置を合焦位置に設定した上で撮像する。欠陥座標を特定するには，得られた２画像間の差分を取ることで行う（Ｓ２０７）。
【００１２】
高倍撮像における焦点深度は低倍撮像におけるものよりも浅いのが一般的であり，高倍撮像時には高い精度の合焦位置が必要となる。ＳＥＭ画像オートフォーカスでは焦点深度が深い場合，精度良く合焦位置を求めることが困難なため，低倍率のＳＥＭ画像オートフォーカスによって得られた合焦位置は高倍撮像時においては精度不足となる。そのため，高倍撮像時には再度，高倍率でＳＥＭ画像オートフォーカスを実行する（Ｓ２０９）。このように，レビューに掛かる時間のうちオートフォーカス処理の占める時間が大きくなり，スループット低下の要因となっている。
【００１３】
ＳＥＭ画像オートフォーカスでは，配線パターンが形成されている領域など高いコントラストを持つエッジが存在する領域（以下，エッジ領域）を撮像する必要がある。特許文献２では低倍画像からエッジを含む狭領域を抽出し，高倍率のＳＥＭ画像オートフォーカスにおける撮像領域（以下，オートフォーカス実行領域）として設定することで（Ｓ２０８），撮像時間および処理時間を短縮している。
【００１４】
【特許文献１】特開２００１−３３１７８４号公報
【特許文献２】特開２００５−２８５７４６号公報
【特許文献３】特開２００３−９８１１４号公報
【特許文献４】特開２００７−４０９１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
他の検査装置で検出された欠陥を観察するＡＤＲにおいて、特許文献２に開示されているような手法を用いた場合、低倍撮像後にオートフォーカス実行領域を設定するため，低倍撮像前に行う，低倍率のＳＥＭ画像オートフォーカスについては高速化を図ることが難しい。すなわち、従来の方式によるＡＤＲシーケンスでは，オートフォーカス実行領域を設定しない状態で低倍撮像を行っていたために、１回のオートフォーカス処理で確実に合焦位置を検出することができずにオートフォーカス処理を繰返してオートフォーカス処理に適した領域を見つけなければならない場合が生じ、ＡＤＲ処理時間において低倍率のＳＥＭ画像オートフォーカスにかかる時間の占める割合が大きく，低倍率のＳＥＭ画像オートフォーカスの処理時間短縮が課題となっている。
【００１６】
また，半導体ウェハ内において配線パターンが形成されていない領域では，エッジが欠陥にしか存在しない。この様な場合においては，低倍率のＳＥＭ画像オートフォーカスでは欠陥が小さく撮像されるため，焦点測度の算出が安定せず，信頼性高く合焦位置を求めることが原理的に困難である。従来のＡＤＲシーケンスでは，配線パターンが形成されていない領域においても低倍率のＳＥＭ画像オートフォーカスを用いて合焦位置を算出するため，安定化しないという課題がある。
【００１７】
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決して、低倍率のＳＥＭ画像オートフォーカスの処理時間を短縮した電子顕微鏡を用いた試料観察方法とその装置を提供することにある。
【００１８】
また本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決して、試料上の配線パターンが形成されていない領域においても低倍率のＳＥＭ画像においてオートフォーカスの合焦点位置を安定して求めることができる電子顕微鏡を用いた試料観察方法とその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するために本発明では、レビューＳＥＭ装置を，半導体の設計情報（以下，設計情報）を用いて，低倍撮像前にＳＥＭ画像オートフォーカスの実行領域を設定し，高倍率でＳＥＭ画像オートフォーカスを行い，前ステップで得た合焦位置を用いて低倍撮像と高倍撮像を行う手段と，ＳＥＭ画像オートフォーカスの実行領域を設計情報座標系と観察座標系の詳細なアライメントなしに設定可能とする手段を持つように構成してオートフォーカスの処理時間を短縮できるようにした。
【００２０】
また，上記課題を解決するために本発明では、レビューＳＥＭ装置を，低倍撮像領域周辺の設計情報をもとに，その領域に適したオートフォーカス処理を選択する手段と，オートフォーカスに用いる領域を低倍撮像領域内もしくはその周辺に複数箇所設定する手段と，複数箇所の領域における合焦位置から撮像領域における合焦位置を推定する手段を持つように構成して試料上の配線パターンが形成されていない領域においても低倍率のＳＥＭ画像においてオートフォーカスの合焦点位置を安定して求めることができるようにした。
【発明の効果】
【００２１】
本発明により，低倍撮像用のオートフォーカスを実行する必要が無くなり，１欠陥の観察に要する時間を短縮することが可能となる。また，オートフォーカス処理を選択すること，および複数箇所の合焦位置を用いることにより，オートフォーカスの安定性を向上させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明にかかる走査電子顕微鏡を用いた欠陥観察装置（レビューＳＥＭ）について以下説明する。
【実施例１】
【００２３】
本発明にかかるレビューＳＥＭの装置構成を図１に示す。本発明に係るレビューＳＥＭ装置は、ＳＥＭ画像取得部１００と信号処理部２００で構成され、その間をバス１１８で繋がれている。ＳＥＭ画像取得部１００において１０１は１次電子１０８を発生させる電子源，１０２は１次電子を加速する為の加速電極，１０３は１次電子を収束する為の集束レンズ，１０４は１次電子を２次元走査偏向する偏向器，１０５は１次電子を試料１０６上に収束させるための対物レンズである。１０７は試料を搭載してＸＹ平面内で移動可能なステージである。１１０は試料より発生した２次電子１０９を検出する検出器である。１１１は検出された信号をデジタル化する（Ａ/Ｄ変換）ためのデジタル化手段である。これらの各部位は，バス１１８を通じて全体制御部１１２に接続されている。
【００２４】
一方、信号処理部２００は，取得画像に対し画像処理や分類処理を行う演算部１１３，試料を予め他の欠陥検査装置で検査して検出した欠陥のうちの自動観察対象となる欠陥の前記欠陥検査装置で検査して得た座標情報を含む観察条件情報（レシピ）などが格納される記憶部１１４，画像データを格納される記憶部１１５，半導体の設計情報を格納する記憶部１１６，撮装置に対し指示を与える為のキーボードやマウスなどのデバイス，及び装置からのデータを出力するモニタやプリンタなどからなる入出力部１１７を備えて構成されており、それらの間はバス１１８により互いに接続されている。
【００２５】
次に，本発明に関わるレビューＳＥＭにおけるＡＤＲシーケンスについて図４に沿って説明する。先ず撮像に先立ち，試料ウェハ１０６をステージ１０７に搭載する。オペレータは，入出力部１１７を通して，記憶部１１４に登録された複数のレシピから，測定に用いるレシピを選択し，そこに格納された条件でＡＤＲとＡＤＣを行うように全体制御部１１２に指示を与える。レシピには画像撮像する際の各種の電子光学系条件（例えば，加速電圧，プローブ電流，撮像倍率）等が格納されているものとする。その後，全体制御部１１２は，自動観察対象となる欠陥の座標情報を記憶部１１４から読み込む。読み込んだ各欠陥の座標情報を用いて，以下に説明するＳ４０１〜Ｓ４０８の処理を行うことで欠陥画像の収集を行う。
【００２６】
シーケンスの説明に先立ち，ＡＤＲにおける欠陥座標の特定方法を図３を用いて説明する。ＡＤＲにおいては、記憶部１１４から読み出した予め他の欠陥検査装置で検査して検出した欠陥の座標情報を用いてレビューＳＥＭの観察視野内で欠陥位置を特定する。  
この欠陥位置の特定は、欠陥座標位置を含む領域を低倍で撮像した低倍欠陥画像と，低倍欠陥座標位置と同様の配線パターンを持つが欠陥が無い座標位置を含む領域を低倍で撮像した低倍参照画像との差分を求めることにより行う。
【００２７】
半導体ウェハでは，同一の回路パターンが形成されているチップが複数個整列しているため，通常の場合，欠陥が存在するチップの隣接チップにおける，欠陥位置座標に対応する位置を含む領域を低倍参照画像として撮像する。低倍参照画像の例を図３(ａ)，低倍欠陥画像の例を図３（ｂ）に示す。図３（ａ）と図３（ｂ）の差分画像が図３（ｃ）であり，欠陥位置（図３（ｃ）の黒地部分の中の白地箇所）が顕在化されている。図３（ｃ）から求めた欠陥位置３０１を高倍率で撮像したのが図３（ｄ）である。
【００２８】
図４に戻りＳ４０１〜Ｓ４０６について説明を続ける。記憶部１１４から読み出した観察対象欠陥の座標情報を用いて低倍参照画像を撮像するため，該欠陥座標位置に対応する隣接チップの撮像領域に電子ビームが照射可能になるようステージ１０７を移動させる（Ｓ４０１）。低倍参照画像の撮像前に，該画像の撮像領域における電子ビームの合焦位置をオートフォーカス処理（Ｓ４０２：例えば、従来技術の欄に記載したような、焦点位置を連続的に変化させて準じ撮像して得た複数の画像から焦点測度を算出し、焦点測度が最大となる位置を合焦位置とする方法。後述する図８の説明において、詳細に説明する）により算出し，合焦位置情報を記憶部４１０に保存する。低倍参照画像撮像時（Ｓ４０３）には記憶部４１０より合焦位置情報を読み出し，フォーカス位置を合焦位置に設定したのち低倍参照画像を撮像する。
【００２９】
次に，低倍欠陥画像の撮像（Ｓ４０４〜Ｓ４０６）が行われる。先ず、低倍参照画像の撮像と同様に，記憶部１１４から読み出した観察対象欠陥の座標情報を用いてステージ１０７を移動させ（Ｓ４０４），Ｓ４０２と同様の方法によりオートフォーカス処理（Ｓ４０５）を行って撮像対象の欠陥座標領域における合焦位置を算出し，この算出した合焦位置情報を記憶部４１１に保存する。欠陥座標領域を低倍で撮像する時には記憶部４１１から合焦位置を読み込み，フォーカス位置を合焦位置に設定したのち低倍欠陥画像を撮像する（Ｓ４０６）。なお、記憶部４１０と４１１とは、撮像レシピを記憶する記憶部１１４と共通であっても良い。
【００３０】
低倍及び高倍の画像の撮像は以下の手順で行われる。まず，電子源１０１より放出された１次電子１０８が，加速電極１０２により加速された後，集束レンズ１０３で収束され，その後さらに対物レンズ１０５で収束され，試料１０６の測定部位に照射される。また，偏向器１０４は，レシピに登録された倍率で定まる視野範囲を１次電子が２次元走査するように，１次電子ビームを偏向する。電子ビームの照射により試料表面から発生した，２次電子１０９等が，検出器１１０により捕獲され，シンチレータ（図示せず）により光信号に変換された後さらに，光電子倍増管（図示せず）により電気信号に変換された後，デジタル化手段１１１でデジタル信号に変換（Ａ／Ｄ変換）される。得られたデジタル信号はデジタル画像として，記憶部１２１に格納される。
【００３１】
図４に戻りＳ４０７〜Ｓ４０８について説明を続ける。Ｓ４０３で低倍参照画像，Ｓ４０６で低倍欠陥画像を取得後，２枚の低倍画像の異なる部位を画像処理による差演算処理により求め、この異なる部位の位置情報から画像内の欠陥位置を特定する欠陥抽出処理（Ｓ４０７）が行われる。次に抽出された欠陥位置を中心として高倍率の欠陥画像を撮像する（Ｓ４０８）。なお，高倍欠陥画像撮像時には記憶部４１１より合焦位置を読み出し，フォーカス位置を合焦位置に設定したのち画像を撮像する。図３（ｄ）が撮像された高倍欠陥画像である。
【００３２】
以上の処理により，１欠陥に対して詳細観察が可能な画像を取得することが可能である。ＡＤＲにおいては以上の処理を全欠陥座標に対して行う（Ｓ４０９）。
【００３３】
本発明に関わるＡＤＲシーケンスのオートフォーカス処理（Ｓ４０２，Ｓ４０５）について図５に沿って説明する。まず全体制御部１１２は、記憶部１１６から読み出した設計情報を用いて撮像領域および周辺領域においてパターンのエッジが存在する領域を抽出し，オートフォーカスを実行するためのオートフォーカス実行領域を設定する（Ｓ５０２）。このとき，設計情報は情報量が大きいため，あらかじめ観察対象周辺の設計情報を切り出しておき（Ｓ５０１），探索範囲を絞ることで処理を高速化する。以下，切り出した設計情報を周辺設計情報と呼ぶ。
【００３４】
ここで，オートフォーカス実行領域として望ましい条件の説明をする。ＳＥＭ画像を取得する場合のオートフォーカスでは，ＳＥＭ画像におけるパターンの画像信号のパターンエッジに相当する部分の先鋭度、即ちエッジの先鋭度を基に合焦位置を推定するため，コントラストが高いエッジを多く含む領域が望ましい。また，本発明に関わるレビューＳＥＭでは電子ビームの走査間隔を変更することが可能であるが，走査間隔を広げた場合，走査間隔方向の高周波成分が失われる。即ち、試料上に複数並んで形成されたライン状のパターンのＳＥＭ像を撮るとき、ライン状のパターンの並びの方向（ライン状のパターンの長手方向）に沿って電子ビームを走査する場合に走査の間隔を広げると、ライン状のパターンのエッジ部分が電子ビームの走査の間に入ってしまいパターンエッジ部分の信号を得られなくなってしまう場合がある。
【００３５】
前述の様にＳＥＭ画像オートフォーカスではエッジの先鋭度（つまり高周波成分）をもとに焦点測度を算出するため，走査間隔方向を広げた場合に高周波成分が失われるのは好ましくない。そこで，走査間隔の影響を受けないようにするために，パターンのエッジ方向と直交する方向に電子ビームの走査方向を調整する。
【００３６】
本発明に関わるオートフォーカス処理において，設計情報よりオートフォーカス実行領域を設定する処理（Ｓ５０２）について説明するにあたり，まず処理の課題について図７を用いて説明する。図７（ａ）に観察座標系７０１と設計情報の座標系７０２の関係を示す。この例の様に，観察座標系７０１と，設計情報の座標系７０２には誤差７０４が生じるのが一般的である。この誤差の要因としては，ウェハ座標系７０３を設定する時の誤差７０５，撮像時におけるステージおよびビーム照射誤差７０６などが存在する。特にステージおよびビーム照射誤差は撮像毎に異なるため，設計情報の座標系７０２と，観察座標系７０１を一致させることは困難である。図７（ｂ），（ｃ）は図７（ａ）に示した誤差が生じている状態で，記憶部１１６から読み出した設計情報に基づいて低倍画像に相当する領域を切り出した設計情報７０７と，試料を実際にＳＥＭ撮像部１００で撮像した低倍画像７０８を示している。
【００３７】
観察座標系７０１と設計情報の座標系７０２との間に図７（ａ）に示したような誤差７０４が生じている状態で図７（ｂ）に示したように設計情報の配線パターン７０９上にオートフォーカス領域７１０を設定した場合，図７（ｃ）に示したように撮像時のオートフォーカス領域７１１には配線パターン７１２が入らず，オートフォーカスが失敗する可能性が生じる。この問題を防ぐため，オートフォーカス実行領域を設定する際に，観察座標系７０１と設計情報の座標系７０２との誤差を考慮する必要がある。
【００３８】
オートフォーカス実行領域設定処理（Ｓ５０２）の手順について図６の配線パターンを例に説明する。まず，低倍撮像領域６０２を含むより広い領域である周辺設計領域６０１の設計情報よりエッジとなる線分を抽出し，水平および垂直方向のエッジ毎に，エッジ間距離がしきい値ThDよりも小さいエッジ同士をグルーピングし，エッジが集中している領域（以下，エッジ集中領域）を作成する。
【００３９】
図６（ａ）に示した例では垂直方向のエッジは６０３のエッジ間距離がしきい値ThD以下であり，６０４のエッジ間距離がしきい値ThDよりも大きいため，図６（ｂ）に示すようにエッジ集中領域として６０６と６０７の２領域が作成される。また，水平方向のエッジに関しては，図６（ａ）においてエッジ間距離６０５がしきい値ThDよりも小さいため，図６（ｂ）に示すようにエッジ集中領域６０８が作成される。通常，しきい値ThDはオートフォーカス領域の大きさに合わせれば良い。
【００４０】
次に，図６（ｃ）に示すように、各エッジ集中領域の各座標において領域端からの最短距離を算出した距離マップ６０９を作成する。図６（ｃ）の距離マップ６０９においては、領域端からの距離に応じて色を変化させて表示しており、白いほど領域端からの距離が大きいことを表している。この距離マップは座標系の誤差に対するロバスト性を表している。つまり，領域端からの距離が大きいほど（図６（ｃ）の距離マップ６０９において色が白いほど），座標系の誤差が大きくてもオートフォーカス実行領域内にエッジを捉えられる可能性が高くなる。よって，距離マップにおいて領域端からの最短距離が最大となる領域にオートフォーカス領域６１０を設定すれば良い。
【００４１】
図６（ｄ）に、このようにして設定したオートフォーカス領域６１０の例を示す。このオートフォーカス領域６１０において，電子ビームスキャン方向６１１を配線パターンの長手方向、即ちエッジ方向と直交する方向に設定する。図６に示した例では水平と垂直方向のエッジが形成されている領域を例に説明したが，同様の処理において斜め方向のエッジにも対応可能である。
【００４２】
なお，オートフォーカス実行領域は，幾何情報である設計情報を量子化し画像化したものから設定しても良い。
【００４３】
図４，図５ではステージ移動（Ｓ４０１）のオートフォーカス処理（Ｓ４０２）においてオートフォーカス実行領域設定処理（Ｓ５０２）を実行する例を示したが，このオートフォーカス実行領域設定処理（Ｓ５０２）はステージ移動（Ｓ４０１）と平行して実行しても良い。また、観察開始前に実行しておきオートフォーカス領域６１０の情報を記憶部１１４に保存しておいても良い。この場合，オートフォーカス処理（Ｓ４０２）においては、事前に実行して記憶部１１４に保存されているオートフォーカス領域６１０の情報をオートフォーカス実行領域設定処理（Ｓ５０２）に対応するステップにおいて記憶部１１４から読み出すだけで良い。
【００４４】
また，低倍参照画像と低倍欠陥画像の相対的な位置関係をＶとすると，低倍欠陥画像用のオートフォーカス（Ｓ４０５）では，低倍参照画像用のオートフォーカス（Ｓ４０２）で設定したオートフォーカス実行領域をＶだけ移動させて用いても良い。なぜならば，欠陥画像撮像領域と参照画像撮像領域は，欠陥部を除き同様のパターンが形成されているからである。
【００４５】
オートフォーカス実行領域の設定情報（たとえば，図６（ｄ））は，入出力部１１７の画面に出力される。また入出力部１１７を用いてユーザにより調整することを可能とする。
【００４６】
図５に戻りオートフォーカス処理（Ｓ４０２，Ｓ４０５）について説明を続ける。オートフォーカス処理では，周辺設計情報ないし周辺設計情報を画像化したもののうち少なくとも１以上の情報から得た配線パターンの形成状況をもとにオートフォーカス処理の切り替えを行う。
【００４７】
まず，オートフォーカス実行領域設定処理（Ｓ５０２）のステップにおいてオートフォーカス実行領域を設定できなかった場合，ＳＥＭ画像オートフォーカスは信頼性が低くなるため、オートフォーカス実行領域が存在するかを判定ステップ（Ｓ５０３）において実行不可能（Ｎ）と判定する。この場合，ＳＥＭ画像オートフォーカスの代わりに，光学式高さセンサやウェハ面内の合焦位置を補間したフォーカスマップから合焦位置を算出する（Ｓ５０６）。なお，フォーカスマップを用いて合焦点位置を算出することについては特許文献２に開示されている。
【００４８】
一方，オートフォーカス実行領域が存在するかを判定ステップ（Ｓ５０３）において存在すると判断すると、次にオートフォーカス実行領域が観察座標近傍に存在するかを判定する（Ｓ５０４）。ここで、低倍撮像領域９０１の領域内もしくはその近傍に，オートフォーカス実行領域が存在しない（Ｎ）と判断した場合（図９に示すような場合），撮像領域（図９の９０１）と合焦位置を求める領域（図９の９１１，９１２，９１３）の距離が大きくなるため，撮像領域における合焦位置を正しく算出できない可能性が生じる。そこで，低倍撮像領域の周辺に１箇所以上のオートフォーカス実行領域を設定し（Ｓ５０７），各領域における合焦位置を算出し（Ｓ５０８，Ｓ５０９），撮像領域における合焦位置を周辺の合焦位置から補間（Ｓ５１０）することにより求める。複数箇所のオートフォーカス実行領域は，各エッジ密集領域から，距離マップ６０９の値が大きい座標に設定する。合焦位置の補間の方法として一番簡単なものは，各領域の合焦位置の平均を用いることである。また，３箇所以上において合焦位置を求めた場合は，平面または曲面を当てはめて補間をしても良い。
【００４９】
オートフォーカス実行領域が観察座標近傍に存在するかを判定する（Ｓ５０４）ステップにおいて存在する（Ｙ）と判定した場合（例えば図６（ａ）に示すような場合）には、低倍撮像領域６０２の領域内もしくはその近傍に，オートフォーカス実行領域６１１を設定し，その領域を用いて合焦位置を算出する（Ｓ５０５）。
【００５０】
合焦位置算出処理（Ｓ５０５，Ｓ５０８）について図８を用いて説明する。フォーカス位置をＦ１〜Ｆｎまで変化させ，フォーカス位置がＦｓ変化するごとに設定された領域を撮像し，画像を取得する（Ｓ８００１、Ｓ８０１，Ｓ８００２，Ｓ８００３）。８０７はＳ８００１でフォーカス位置をＦ１に設定して撮像した画像，８０９はＳ８００２とＳ８００３とを繰返すことによりフォーカス位置をＦｎに設定して撮像した画像を表しており，電子ビーム８０４，８０６がそれぞれステージ８０３に保持されているウェハ８０２の表面において収束していないためボケた画像が取得される。８０８はフォーカス位置が合焦位置近くのＦｉに設定され，電子ビーム８０５がウェハ表面において収束している場合に取得される画像で，エッジが際立っている。
【００５１】
次に，取得した各画像から焦点測度８１１を算出する（Ｓ８１０）。焦点測度は焦点の合い具合を示す指標値であり，撮像された画像においてはエッジの先鋭度として観察できる。そこで，取得された画像に対してラプラシアンフィルタなどのエッジ抽出フィルタを適用し，出力画像の濃淡値の分散または総和を焦点測度として用いる。
【００５２】
各画像から算出した焦点測度を，横軸に焦点位置を取りプロットすると，合焦位置を中心に上に凸の分布となる。分布はフォーカス位置をＦｓ毎も取った離散的なものであるため，分布に対してガウス曲線または２次曲線８１３を当てはめることで補間し，最大となるフォーカス位置８１４を合焦位置とする（Ｓ８１２）。
【００５３】
本実施例によれば、先ずオートフォーカス実行領域を設定してから低倍の参照画像と欠陥画像を取得するので確実に合焦位置を検出することができ、低倍の参照画像と欠陥画像を取得するのに要する時間を、従来に比べて確実に短縮することが出来るようになった。
【００５４】
さらに、低倍欠陥画像を撮像するときに実施したオートフォーカスの情報を用いて高倍の欠陥画像を撮像するために、従来のように高倍欠陥画像撮像時に改めてオートフォーカス処理を行う必要が無くなり、ＡＤＲの処理時間を短縮することが出来るようになった。
【実施例２】
【００５５】
実施例１では，低倍参照画像と低倍欠陥画像を用いて低倍画像中の欠陥位置を特定するＡＤＲシーケンスの例を示したが、特許文献３に開示されているような、メモリセル部において撮像領域中のパターンの周期性を利用し，参照画像なしに欠陥位置を特定するＡＤＲシーケンスを用いる場合にも本発明を適用することができる。この場合、図４に示したＡＤＲシーケンスのＳ４０１からＳ４０３までが不要になるが、Ｓ４０４以降のステップを実行することになり、Ｓ４０５のステップにおいて上記した実施例１で説明したようなオートフォーカス処理を行う。
【００５６】
また，特許文献４に開示されているような、メモリセル部周辺の一部ロジックパターンが撮像領域に含まれる場合においても参照画像なしに欠陥位置を特定するＡＤＲシーケンスを用いる場合にも本発明を適用することができる。この場合にも上記した場合と同様に図４に示したＡＤＲシーケンスのＳ４０１からＳ４０３までが不要になるが、Ｓ４０４以降のステップを実行することになり、Ｓ４０５のステップにおいて上記した実施例１で説明したようなオートフォーカス処理を行う。
【実施例３】
【００５７】
実施例１ないし実施例２では，低倍画像から欠陥位置を特定し，特定した位置に対して高倍率で撮像するＡＤＲシーケンスの例を示した。一方で，低倍率での撮像を行わず，高倍率で視野広く撮像するＡＤＲシーケンスも可能である。本ＡＤＲシーケンスにおいては，視野広く撮像した多画素の画像から欠陥位置を特定し，特定した欠陥位置を中心に画素を切り出し欠陥画像を作成する。なお，切り出す際に画像処理により変形を加えても良い。
このとき，欠陥位置は実施例１と同様に高倍率で視野広く撮像した参照画像と欠陥画像の差分から特定する。あるいは，実施例１と同様に欠陥画像のみから特定しても良い。
【００５８】
本ＡＤＲシーケンスにおいては，高倍撮像前のオートフォーカス処理において本発明が適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明に関わる装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】ＡＤＲシーケンスの例である。
【図３】ＡＤＲにおいて撮像される画像の例である。
【図４】本発明に関わるＡＤＲシーケンスの例である。
【図５】本発明に関わるＳＥＭ画像オートフォーカスのシーケンス例である。
【図６】本発明に関わるオートフォーカス実行領域の設定例である。
【図７】観察座標系と設計情報座標系の誤差の例である。
【図８】本発明に関わる合焦位置算出処理の例である。
【図９】本発明に関わるオートフォーカス実行領域の設定例である。
【符号の説明】
【００６０】
１０１…電子源，１０２…加速電極，１０３…集束レンズ，１０４…偏向器，１０５…対物レンズ，１０６…試料，１０７…ステージ，１０８…1次電子，１０９…２次電子，１１０…２次電子検出器，１１１…デジタル化手段，１１２…全体制御部，１１３…演算部，１１４…レシピ記憶部，１１５…画像記憶部，１１６…設計情報記憶部，１１７…入出力部，１１８…バス，４１０…参照画像合焦位置記憶部，４１１…欠陥画像合焦位置記憶部，７０９…配線パターン，７１２…配線パターン，８０２…試料，８０３…ステージ，８０４…電子ビーム，８０５…電子ビーム，８０６…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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