JP4532177B2 - 電子線システム - Google Patents

Description

この発明は、電子顕微鏡で撮像された試料画像を用いて、試料の三次元計測を精度よく行なう電子線システムと電子線システム用基準試料に関し、特に３Ｄ計測する際の走査型荷電粒子ビーム装置のビームや試料傾斜時の角度と倍率の補正や電子光学系における補正を画像計測に適するように調整することのできる電子線システムと電子線システム用基準試料に関する。

従来の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）のような走査型荷電粒子ビーム装置では、走査型電子顕微鏡像等の分解能を高めるために、電子レンズの軸外収差を補正することが行なわれている。電子レンズの軸外収差は、例えば球面収差、コマ収差、像面収差、非点収差、像面歪曲収差を補償することにより行なわれている。また、球面収差に関しては、ツェルツァーの定理が知られており、電子顕微鏡等に用いられている軸対称な電子レンズでは、静電型や磁界型に拘らず、球面収差をゼロにできないことが知られている。そこで、球面収差を補償するために、非球面メッシュや非球面フォルムが静電電極形状や磁極形状として用いられている。

他方、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の場合には試料を傾斜させ、異なる傾斜角度の透過画像を得て、これを左右画像として試料のステレオ観察が行われている。また、例えば非特許文献１で示すように、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の場合には試料を傾斜させたり、電子線を傾斜させたりして、異なる傾斜角度の反射画像を得て、これを左右画像としてステレオ観察が行われている。そして、例えば特許文献１、２で示すように、半導体製造装置の分野において、電子顕微鏡から得られたステレオの検出データを適切に処理して、試料像を正確に精度よく立体観察可能とし、かつこれに基づき三次元形状計測を行うことができる電子線装置や電子線装置用データ処理装置が提案されている。

特開２００２−２７０１２６号公報 ［０００５］、図３、図１５ 特開２００２−２７０１２７号公報 ［０００５］、図３、図１５ 「医学・生物学電子顕微鏡観察法」 第278頁〜第299頁、1982年刊行

ところが、特に半導体チップやシリコンウエハのような試料を３Ｄ計測しようとした場合、計測撮影時のビームや試料の傾斜角度や倍率を正確に求める必要がある。また試料の傾斜方向や高さ方向に依存する電子線歪みや倍率歪みが存在している。傾斜角度や倍率が正確でなかったり試料画像の計測方向に電子線歪みや倍率歪みが含まれていると、画像計測によって試料を測定する際の値が正しく求まらず、さらに精度が変動するという課題があった。近年の半導体微細加工において、例えばチップに形成するパターン幅がサブミクロンオーダーに微細化しており、従来に比較して三次元形状計測に許容される寸法誤差は一段と厳しくなっている。そこで、従来のような概略の傾斜角度値や倍率、そして球面収差のような電子レンズの軸外収差の補償方式では、ステレオ画像計測で必要とされる精度が得られないという課題があった。

本発明は上述した課題を解決したもので、試料の傾斜角や高さに依存することなく、精度のよい試料の画像計測が行なえる電子線装置と電子線装置用基準試料を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の電子線システムは、例えば図１に示すように、電子線を射出する電子線源１と；電子線源１から射出された電子線７を収束し、試料９に照射する電子光学系２と；電子線７が照射された試料９からの電子７ｄを受け取る検出部４と；試料９を支持する試料支持部３と；試料支持部３で支持された試料９に照射される電子線７と試料３とを相対的に傾斜させる試料傾斜部５（５ａ，５ｂ）と；前記相対的な傾斜が自在であるように試料支持部３で支持された少なくとも傾斜した２面を有する基準試料９ａから電子を受け取った検出部４からの検出信号を、傾斜毎に受け取り、前記傾斜した２面の画像と基準試料９ａの基準寸法とから、基準試料９ａの傾斜角度を求めるデータ処理部２０等とを備える。

前記データ処理部は、前記電子線システムにおいて、さらに試料画像の倍率を求めるように構成されていてもよい。

また、前記データ処理部は、得られた傾斜角度に基づき試料傾斜量の補正係数を求め、試料傾斜量の補正係数に基づき傾斜角度の補正を行うように構成されていてもよい。ここでいう試料は典型的には被計測試料である。

前記データ処理部は、得られた複数の傾斜角度に基づき、測定された傾斜角度間の傾斜に関しても試料傾斜量の補正係数を求め、測定された傾斜角度以外の傾斜角度に関しても試料傾斜量の補正を行うように構成されていてもよい。

上記目的を達成する本発明の電子線システムは、例えば図１に示すように、電子線を射出する電子線源１と；電子線源１から射出された電子線７を収束し、試料に照射する電子光学系２と；電子線７が照射された試料９からの電子を受け取る検出部４と；試料９を支持する試料支持部３と；試料支持部３で支持された試料９に照射される電子線７と試料９とを相対的に傾斜させる試料傾斜部５（５ａ，５ｂ）と；前記相対的な傾斜が自在であるように試料支持部３で支持された少なくとも傾斜した２面を有する基準試料９ａから電子を受け取った検出部４からの検出信号を、傾斜毎に受け取り、試料９の画像のうち、試料９の傾斜によっても電子線光学系における変位が少ない位置の画像に基づき、その画像中の傾斜した２面の画像と、基準試料９ａの基準寸法とから、基準試料９ａの傾斜角度を求める処理と、周辺画像におけるその傾斜角度における倍率と、検出信号による画像の倍率の差に基づき補正係数を求める処理と、を行うデータ処理部とを備える。
本電子線システムは、典型的には、角度測定、電子レンズ歪、スキャン歪等の画像補正をするものであり、典型的には平行投影を行うものである。

前記電子線システムでは、試料傾斜部５は、試料９を電子線７に対して傾斜させる試料ホルダー３の傾斜制御５ｂ（たとえば図１）、または、電子線７を試料９に対して異なる角度で照射するようにする電子線７の偏向制御５ａ（例えば図１７）のいずれかをするように構成されているとよい。

前記データ処理部は、補正係数を用いて、電子線検出部４からの信号に基づき、電子レンズ歪、スキャン歪などを補正した試料画像を形成する画像形成部２４を有するとよい。ここでいう試料は典型的には被計測試料である。電子線検出部４で検出する電子は、二次電子や反射電子が該当する。

前記電子線システムでは、前記データ処理部は、測定が行われた傾斜に関する補正係数に加えて、測定が行われていない傾斜における補正係数も補間により求めるように構成されているとよい。

上記目的を達成する本発明の基準試料９ａは、所定のテーパ角により底部と、頂部とこれをつなぐ側面部とからなるパターンであって、各部の寸法、側面部の角度、高さが既知である、前記電子線システムに用いる基準試料である。

前記基準試料９ａでは、前記パターンはラインアンドスペースパターンから構成されているとよい。

前記基準試料９ａでは、前記ラインアンドスペースパターンは、試料の傾斜方向と直交する方向に形成されているとよい。

本発明の電子線装置と電子線装置用基準試料によれば、たとえば、傾斜角、倍率、電子光学系に付随するひずみを算出し、補正することにより撮影画像を修正し、精度のよい試料の計測を行うことができる。

［高さ計測］
本発明の説明に先立ち、基本となる高さ計測の原理について説明する。
図２、図３は、傾斜画像取得の際のホルダの傾斜と、試料ホルダ３（図１参照）の座標系を説明する座標図と斜視図である。試料ホルダ３の座標系において、Ｙ軸が回転軸で、角度θは時計回り方向を＋方向としている。

図４は電子線を被計測対象物９に照射した時の、画像と試料の関係を示す正面図である。幾何学的関係より、
左画像 Ｌｘ＝(Ｘ×cosθ＋Ｚ×sinθ)×s ……（１）
Ｌｙ＝Ｙ
右画像 Ｒｘ＝(Ｘ×cosθ−Ｚ×sinθ)×s ……（２）
Ｒｙ＝Ｙ
ｓ：分解能(1pixel)
となり、画像と試料の回転角度を考慮してオリエンテーション行列により三次元の座標を求めると、以下のようになる。
Ｘ＝Ｌｘ＋Ｒｘ ……（３）
Ｚ＝Ｌｘ−Ｒｘ
Ｙ＝Ｌｙ＝Ｒｙ
式（３）は図５に示すように、ステレオ画像の撮影方向として、左右画像がＺ軸を挟んだ角度を持つ場合のみに有効である。次に角度に依存することなく使える式を導く。図６は、ステレオ画像の撮影方向として、左右画像がＺ軸に対して夫々θ１、θ２傾斜している場合を示している。

左画像の角度はθ１、右画像の角度はθ２であるが、Ｚ軸をθ’傾けたＺ’軸を想定する。ここで、図５のステレオ画像の左右撮影方向は、Ｚ’軸を中心として左右対称であるとする。すると、擬似的な座標（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）を適用することにより、画像の角度はθ’±θとなり、式（２）を使い、さらに座標ＸＹＺに直すように、後でθ’回転させる。
Ｚ’＝((Ｌｘ−Ｒｘ)／(２×sinθ))×s ……（４）
Ｘ’＝((Ｌｘ＋Ｒｘ)／(２×cosθ))×s
Ｙ’＝Ｌｙ＝Ｒｙ
よって、次式が成立している。
Ｘ＝Ｘ’×cosθ’−Ｚ’×sinθ’ ……（５）
Ｚ＝Ｘ’×sinθ’＋Ｚ’×cosθ’
Ｙ＝Ｙ

［原理］
本発明における基本原理は、基準試料としての基準テンプレートの既知の形状データと、電子線測定装置を傾斜させて得られる基準テンプレートのデータから基準テンプレートを撮影したときの傾斜角度θ、倍率、電子光学系に起因するひずみを求め、それら値を記憶させておき、補正した傾斜角度にて試料を計測する際には、あらかじめ基準テンプレートにて算出された傾斜角度、倍率、電子光学系のひずみを利用して画像修正し３Ｄ計測を行うものである。
基準テンプレートとしては、形状が既知なものを利用するか、既知でないものを利用する場合は計測して基準テンプレートとする。基準テンプレートとしては、凹凸のあるもの、たとえば図７に示すようなライン＆スペースのようなものでよいが、基準テンプレートとして必要な既知データは、図８、図９に示されているような、凹凸の形状、すなわち凹凸間の間隔Ｌ（ライン＆スペースパターンの場合はピッチ間隔Ｌ）や凹凸の高さｈ、テーパ角φなどである。
そして、本発明の電子線システムの撮影により得られたこの基準テンプレートの画像から、ピッチ間隔Ｌ’と側面の間隔ｄ‘（ｘ‘）を求める。
これらを求めると以下の式から、撮影したときの電子線測定装置の傾斜角θ、倍率ｓを算出することができる。

☆ 計算式：傾斜角、倍率算出
ピッチ間隔Ｌ[nm]、テーパ角φ[度]、高さｈ[nm]がわかっているＬ／Ｓ試料を、倍率Ｓ[倍]、傾斜角度θ[度]で撮影した時のｓとθを求める。

θ傾斜した場合のピッチ間隔L’[pixel]は、1pixelの大きさをｓ[nm]として、
L’＝L × cosθ ／ s ……E1

θ傾斜した時の側面の幅ｄ’[pixel]は
ｄ’＝l × cos(φ−θ) ／ s
＝ (h ／ sinφ) × cos(φ−θ) ／s ……E2

式E1と式E2をsについて解くと、
L× cosθ ／L’＝ (h ／ sinφ)× cos(φ−θ)／ ｄ’
＝ (h ／ sinφ) ×(cosφcosθ ＋ sinφsinθ) ／ ｄ’

∴θ ＝ tan^‐1( Lｄ’／h L’− (1 ／ tanφ) ) ……E3

☆ひずみ補正
さらに、電子光学系のひずみ補正パラメータ算出について説明する。
電子光学系のひずみについては、レンズ系の歪曲収差や電子線のスキャン歪、その他電子光学系全体でもつ歪について一括して補正係数を持たせることで補正が可能となる。
たとえば、基準テンプレートを図７のようなライン＆スペースとした場合、この基準テンプレートの側面と上面、側面と底面の境界は直線となるので、この部分を直線として近似することにより補正が可能となる。
すなわち、直線は以下の式で近似できる（図１９参照）。
xsinα＋ycosα＝q
電子光学系の歪を考慮した場合上式は、
(x＋Δx)sinα＋(y+Δy)cosα＝q
ここでΔｘ、Δｙはひずみ量である。
上式は、基準テンプレートの側面と底面、側面と上面の境界上のいくつかの点（ひずみのため曲がっている）が「直線上の点である」という条件を示している。
これらの点を補正したときに直線になるように、ひずむモデルを調整する。

［レンズ歪補正］
電子光学系２を構成する電子レンズの歪曲収差を求める場合は、式（６）によって補正することが可能となる。即ち、式（１１）、（１２）でレンズ歪を補正したｘ、ｙ座標をｘ’、ｙ’とすれば、次式が成立する。
ｘ’＝ｘ＋Δｘ ………（６）
ｙ’＝ｙ＋Δｙ
ここで、ｋ１、ｋ２を放射方向レンズ歪み係数とすると、次式により行われる。

電子レンズの歪曲収差の計算は、画像座標と対象座標を計測することにより、上式にあてはめ逐次近似解法によって算出される。電子レンズの歪曲収差の計算では、レンズ歪係数が未知変量として増えるので、直線上の多数の点を基準点として画像座標と対象座標を計測して、あてはめ逐次近似解法によって算出するとよい。また、レンズ歪係数は、式（７）では放射方向レンズ歪みとしているが、さらにタンジェンシャルレンズ歪みやスパイラルレンズ歪み、その他電子レンズの歪曲収差の修正に必要な要素を式（７）に加えてレンズ歪係数を求めれば、それらの較正（キャリブレーション）が可能となる。
例えば、求められたレンズ歪係数を利用して、レンズ歪みを補正するようにビームをスキャンすれば、結果として補正した画像を取得することが可能となる。あるいは、レンズ歪をメモリに記憶させ、レンズ歪を補正するようにビームスキャンさせれば、画像におけるレンズ歪補正が可能となる。
以上のように基準テンプレートを傾斜させたい方向に傾斜させ、そのときの実際の傾斜角、倍率、電子光学系の歪を計算によりあらかじめ求めておき記憶させておけば、試料を計測する際の試料もしくはビームを傾斜させたときにそれら値を利用することで正確な三次元形状を求めることができる。測定の際の傾斜角を求め、その傾斜角に応じた各補正係数を演算により求め、補正を施すように構成してもかまわない。

以下、図１１のフローチャートに従って手順を説明する。
図７は、基準テンプレート９ａとして、たとえばライン＆スペースのパターンを示しており、図８はライン＆スペースパターンのピッチ間隔とその傾斜について、また図９は側面の部分を説明している図である。
たとえば、基準テンプレート９ａをたとえば図７のようなライン＆スペースのパターンとする。
この基準テンプレートは、基準テンプレートとして販売されている市販のピッチスタンダードのようなものでもよいし、なければ、図７のようなライン＆スペースパターンをCD−AFMなどの計測装置で計測してもよい。
この基準テンプレートから、試料のピッチ間隔Ｌ、テーパ角φ、高さｈの値を市販品であれば利用し、そうでなければこれらデータをあらかじめ計測しておく。
S1000:電子線測定装置の試料もしくはビームの傾斜角を設定し、傾斜させる。
この傾斜角は、あらかじめ計測したい傾斜角についてすべて、あるいは代表的なものについて行う。
S1010:基準テンプレートを電子線測定装置により撮影する
S1020：撮影された基準テンプレートのピッチ間隔Ｌ‘と側面の幅ｄ’（ｘ’）を画像処理により算出する。

［ラインのエッジ検出処理］
画像上のピッチ間隔を精度良く算出し倍率・角度の補正を行うために、ライン＆スペースのエッジをサブピクセル精度で求める。方法は、取得した基準テンプレート（原器）の画像に対して直線検出オペレータを施し、エッジ点を検出する。
直線検出オペレータは画像処理でよく利用されている３×３のフィルタ型のものなどなんでもよい。
求まった全エッジ点を基に、エッジの連結性を利用して、閾値より連結したエッジ郡を基準テンプレートのライン（直線）として認識する。図２１は実際にエッジ検出した例である。

S1030:撮影時の傾斜角と倍率、電子光学系に起因するひずみを算出する
これは先に原理で説明した式を用いて計算する
S1040:これら算出された傾斜角度、倍率、ひずみのパラメータを補正係数記憶部に記憶する
S1050:設定した傾斜角度につきすべて行っていれば終了、そうでなければS1000へ戻り繰り返し傾斜角度を変えて各パラメータを算出させる。

このように構成された装置において、電子線測定装置は、各傾斜角度において、基準テンプレート画像上の形状を取得しておき、それとあらかじめ計測されていた基準テンプレートから三次元計測の際に必要な傾斜角、倍率、そして電子光学系に起因する画像歪を取り除く為の補正係数を取得する。次に、基準テンプレートに代わる試料９を試料ホルダ３に置いて、任意の傾斜角度で試料９を被写体として、試料９の画像を電子線測定装置によって取得する。

以下、本発明の実施の形態を図面により説明する。図１は本発明の実施例１を説明する構成ブロック図で、対象物を保持するホルダの回転角を調整して対象物の傾斜角を調整することで、ステレオ画像を得る場合を示している。図において、電子線システムにおける像形成光学系としての電子線装置１０（走査型顕微鏡）は、電子線７を放射する電子線源１、電子線（ビーム）７を対象物９に照射する電子光学系２、対象物９を傾斜可能に保持する試料ホルダ３、電子光学系２の倍率を変える倍率変更部６、倍率変更部６に電力を供給する走査電源６ａ、電子線７が照射された対象物からの二次電子又は反射電子を検出する検出器４、試料ホルダ３を傾斜制御する傾斜制御部５としてのホルダ傾斜制御部５ｂ、対象物９から出射される二次電子のエネルギを減衰させて検出器４に反射させる２次電子変換ターゲット８を備えている。なお、電子線７を傾斜制御する傾斜制御部５としてのビーム傾斜制御部５ａは、実施例１で用いないが、後で説明する実施例３で用いる。

電子光学系２は、電子線源１から放射された電子線７の電子流密度、開き角、照射面積等を変えるコンデンサレンズ２ａ、電子線７の試料面上の入射角度を制御する偏向レンズ２ｂ、細かく絞られた電子線７を偏向して試料面上を二次元的に走査させる走査レンズ２ｃ、最終段縮小レンズの働きと共に試料面上での入射プローブの焦点合わせを行う対物レンズ２ｄを備えている。倍率変更部６の倍率変更命令に従って、走査レンズ２ｃにより電子線７を走査する試料面上の領域が定まる。ビーム傾斜制御部５ｂは試料ホルダ３に傾斜制御信号を送り、試料ホルダ３と照射電子線７とが第１の相対的傾斜角度をなす第１の姿勢の試料ホルダ３Ｌと、第２の相対的傾斜角度をなす第２の姿勢の試料ホルダ３Ｒとで切替えている。

第１の姿勢の試料ホルダ３Ｌに載置される対象物９の三次元座標系Ｃ_Ｌは、電子線装置１０側を固定座標系として表すと、（Ｘ_Ｌ，Ｙ_Ｌ，Ｚ_Ｌ）となる。また、第２の姿勢の試料ホルダ３Ｒに載置される対象物９の三次元座標系Ｃ_Ｒは、電子線装置１０側を固定座標系として表すと、（Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒ，Ｚ_Ｒ）となる。なお、ホルダ傾斜制御部５ｂによる試料ホルダ３と照射電子線７の相対的傾斜角度は、ここでは右側上がりＲと左側上がりＬの二通りに切替えて設定する場合を図示しているが、２段に限らず多段に設定してよいが、ステレオの検出データを得る為には最小２段必要である。対象物９の三次元座標系として、例えばヨー軸、ピッチ軸、ロール軸を設定した場合に、ヨー軸がＺ軸、ピッチ軸がＸ軸、ロール軸がＹ軸に対応する。

対象物９は、例えばシリコン半導体やガリウム・ヒ素半導体のような半導体のチップであるが、電力用トランジスタ、ダイオード、サイリスタのような電子部品でもよく、また液晶パネルや有機ＥＬパネルのようなガラスを用いた表示装置用部品でもよい。典型的な走査型顕微鏡の観察条件では、電子線源１は−３ｋＶ、対象物９は−２．４ｋＶに印加されている。対象物９から放出された二次電子は、２次電子変換ターゲット８に衝突して、エネルギが弱められて検出器４で検出される。

図１において、電子線システムは、第１の測定部としての測定部２０、校正データ作成部３０、既知基準データ記憶部３２、校正部４０、電子レンズ収差補償部４２、形態・座標測定部５０、画像修正部６０、補正係数算出部６２、補正係数記憶部６４を備えている。

測定部２０は、試料ホルダ３に保持された基準テンプレート９ａと照射電子線７とを試料傾斜部５により相対的に傾斜させて、電子線検出部４で撮影された基準テンプレート９ａの撮影画像に基づいて、基準テンプレート９ａの形態または座標値（ピッチ間隔L、テーパ角φ、高さｈその他）を求めるものである。測定部２０は、入射角度調整部２２、画像形成部２４、基準テンプレート測定部２６並びに表示装置２８を有している。

入射角度調整部２２は、対象物９（基準テンプレート９ａを含む）の姿勢を調整して、電子線装置１０により対象物９に投影される電子線７と対象物９との相対的な入射角度を、対象物９についてステレオ画像を形成可能に調整する。即ち、入射角度調整部２２は、ホルダ傾斜制御部５ｂに制御信号を送って、対象物９の姿勢を調整している。更に、入射角度調整部２２は、ホルダ傾斜制御部５ｂに制御信号を送って、電子線源１から放射される電子線７の走査する基準面を調整して、ステレオ画像を形成するのに必要とされる左右画像を形成可能としている。画像形成部２４は、走査レンズ２ｃにより電子線７が試料面上の領域を走査する際に、検出器４で検出される二次電子線を用いて、試料面上の画像を作成する。基準テンプレート測定部２６は、電子線検出部４で撮影された基準テンプレート９ａの画像に基づいて、基準テンプレート９ａの形態または座標値を求める。表示装置２８は、電子線検出部４で撮影された対象物９（基準テンプレート９ａを含む）のステレオ画像の各左右画像を表示するもので、例えばＣＲＴや液晶ディスプレイが用いられる。

校正データ作成部３０は、測定部２０での基準テンプレートの測定結果と、基準テンプレート９ａに関する既知基準データを利用して、電子線システムにより撮影されるステレオ画像の補正係数や校正データを作成する。基準テンプレート既知基準データ記憶部３２は、基準テンプレート９ａの形態（ピッチ間隔、テーパ角、高さ、他）が記憶されている。校正データ作成部３０によって作成される電子線システムの校正データには、以下のものがある。
（１）試料傾斜部５の傾斜量の校正データ。
（２）電子光学系２の照射電子線７に対する照射方向の校正データ。
（３）電子光学系２の倍率に関する校正データ。
（４）電子光学系２の歪み補正に関する校正データ。

校正部４０は、校正データに基づき、電子線検出部４で検出される試料像の収差を減少させるように校正を行う。校正部４０は、上述の校正データ作成部３０によって作成される電子線システムの校正データに応じて、以下の態様がある。
（１）試料傾斜部５の傾斜量が校正されるように校正部４０を構成する。
（２）電子光学系２の照射電子線７の照射方向が校正されるように校正部４０を構成する。
（３）電子光学系２の走査範囲が校正されるように校正部４０を構成する。
（４）電子光学系２の走査コイルの走査方向が校正されるように校正部４０を構成する。

電子レンズ収差補償部４２は、校正部４０から出力される校正信号に従って、電子光学系２を構成する電子レンズの磁界ポテンシャルや静電ポテンシャルの分布状態を補償して、試料像の収差を減少させて、画像計測に適する電子光学系２に調整する。電子線装置１０が、試料９から放射される二次電子を電子線源１から放射される電子線７と分離して電子線検出部４に送るＥｘＢと呼ばれる電磁プリズムを有する場合には、校正部４０による校正対象となる電子光学系２に、このＥｘＢと呼ばれる電磁プリズムを含むものとする。

形態・座標測定部５０は、校正部４０による校正が行なわれた試料ホルダ３に載置された試料９であって、試料傾斜部５によって形成される傾斜状態で電子線検出部４により撮影された試料９のステレオ画像に基づいて、試料９の形態または座標値を求める。形態・座標測定部５０は、測定部２０の入射角度調整部２２、画像形成部２４並びに表示装置２８を、基準テンプレート測定部２６と共通に用いている。

次に、図１２を参照して、このように構成された装置によるステレオ画像計測に必要な電子線装置の校正手続きに関して説明する。図１２は本発明の実施例１における電子線装置の校正手続きを含む電子線測定のフローチャートである。図１２では、基準テンプレート９ａを用いて電子線装置の校正処理を行ない、次に試料の画像計測を行う処理フローを示している（Ｓ１００）。まず、試料ホルダ３に基準テンプレート９ａを載せて、試料ホルダ３もしくは電子線７を傾斜状態に移行させる（Ｓ１０２）。例えば、ビーム傾斜制御部５ｂによって試料ホルダ３に傾斜制御信号を送り、入射角度調整部２２により電子線７と対象物９との相対的な入射角度が調整される。この傾斜角度は、計測する基準テンプレート９ａの傾斜角度に対して設定されるもので、例えば図２（Ａ）に示す傾斜状態や図２（Ｂ）に示す傾斜状態に設定する。傾斜角度が複数存在する場合は、予め計測可能性のある角度にすべて傾斜角を設定して、画像を取得しておくとよい。

測定部２０は、電子線検出部４から得られる基準テンプレート９ａの傾斜画像を取得する（Ｓ１０４）。そして、測定部２０は、電子線検出部４で撮影された基準テンプレート９ａの画像に基づいて、基準テンプレート９ａの形態を求める（Ｓ１０６）。Ｓ１０６の処理に関しては、原理で説明したエッジ抽出処理を用いるとよい。

校正データ作成部３０は、Ｓ１０６での基準テンプレート９ａの測定結果と、基準テンプレート９ａに関する既知基準データを利用して補正係数を算出し（原理の項で説明）、電子線装置１０により撮影されるステレオ画像の校正データを作成する（Ｓ１０８）。校正部４０は、校正データに基づき、電子線検出部４で検出される試料像の収差を減少させるように、電子線装置１０の校正を行う（Ｓ１１０）。

次に、試料ホルダ３に試料（計測対象物）９を載せる（Ｓ１１２）。そして、電子線７もしくは試料ホルダ３を所望の傾斜状態にして、電子線検出部４により試料９を撮影する（Ｓ１１４）。所望の傾斜状態は、例えば試料９の三次元画像計測を行う場合に、死角の少ない角度や、特に測定したいターゲットが良好に撮影される角度を選定する。そして、所望の傾斜状態における試料９のステレオ画像に基づいて、試料９の形態または座標値を求める（Ｓ１１６）。この処理は、２枚のステレオ画像からのステレオマッチング処理により求めることができる。

［ステレオマッチング処理］
次に図１３を参照して、ステレオマッチング処理の一例として、エリアベースの正規化相関係数によるマッチング法について説明する。図１３は、正規化相関係数によるマッチング法の説明図で、図中の右画像を基準画像、左画像を捜索画像とする。ここでは、Ｎ個のデータからなる基準画像中の基準データブロックをＭ、座標（Ｕ，Ｖ）を起点とする捜索画像中の捜索データブロックをＩとする。

正規化相関係数によるマッチング法は、捜索データブロックＩ中で基準データブロックＭのラスタ走査を行いながら、各位置での基準データブロックＭと捜索データブロックＩとの類似度を相関係数により求める方法である。ここで、ラスタ走査とは、基準データブロックＭを捜索データブロックＩの中を左から右に動かし、捜索データブロックＩの右端まで行くと下がって左端に戻り、また捜索データブロックＩを左から右に動かす走査状態をいう。相関係数値Ｒの最大の位置を探せば、捜索データブロックＩ中の基準データブロックＭと同じ場所を探す事ができる。

Ｍ＝Ｍ（Ｘｉ，Ｙｉ） １≦ｉ≦Ｎ ……（８）
Ｉ＝Ｉ（Ｕ＋Ｘｉ，Ｖ＋Ｙｉ） ……（９）
とすると、正規化相関係数Ｒ（Ｕ，Ｖ）は、
Ｒ（Ｕ，Ｖ）＝（ＮΣＩｉＭｉ−ΣＩｉΣＭｉ）
／ＳＱＲＴ［｛ＮΣＩｉ^２−（ΣＩｉ）^２｝ｘ｛ＮΣＭｉ^２−（ΣＭｉ）^２｝］ ……（１０）
となる。相関係数値Ｒは常に−１から＋１までの値をとる。相関係数値Ｒが＋１の場合には、テンプレートと探索画像が完全に一致した事になる。

そして、補正係数算出部６２（図１参照）は、選定された基準画像を用いて、ステレオペアとなっている傾斜画像の非基準画像に対して、ステレオペア画像の対応関係を用いて、非基準画像を基準画像の画像歪み状態とする第１の補正係数を求める。求めた第１の補正係数は、例えば測定部２０、形態・座標測定部５０や画像修正部６０による利用可能な状態で、例えば補正係数記憶部６４に記憶される。第１の補正係数は、平行投影のキャリブレーション法により検出された点を使ってモデル化したり、最小二乗法により曲線近似する方法、アフィン変換等を使って近似し、その近似に用いた係数を求める方法等、各種の演算処理によって画像歪みを修正しつつ画像変換処理を行なう係数を求めるものである。
試料の観察を行なう為に、電子線検出部４により検出された電子線に基づき、表示装置２８に試料９のステレオ画像を表示する（Ｓ１１８）。試料９の形態または座標値が取得できれば、リターンとなる（Ｓ１２０）。

なお、今まで説明してきた校正データ作成部３０、校正部４０、電子レンズ収差補償部４２を用いて校正せずとも、補正係数算出部６２により算出された補正係数にて画像修正部６０にて画像修正し、形態・座標測定部５０にて三次元測定値を得ることにより正確な補正が可能な場合は、それらはなくてもよい。
その場合は、図１２のフローチャートの、S108における校正データ作成およびS110の校正データに基づき電子線システムの校正を行う必要がない。

［平行投影］
ここで、電子線装置の校正手続きの前提となる平行投影について説明する。電子顕微鏡では倍率が低倍率〜高倍率（ex.２〜数百万倍）までレンジが幅広いため、電子光学系２が低倍率では中心投影、高倍率では平行投影とみなせる。平行投影と見なせる倍率は、偏位修正パラメータの算出精度を基準にして定めるのがよく、例えば1000倍や10000倍を基準倍率とする。偏位修正パラメータは、ステレオ画像で立体視できるように、試料の左右画像を偏位修正する為のパラメータである。

図１４は平行投影の説明図である。平行投影の場合は、対象座標系７４として回転を考慮した座標系（Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒ，Ｚ_Ｒ）を用い、縮尺係数としてＫ１、Ｋ２を選定すると次式が成立する。
すると、対象座標系７４で選択した原点（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）とオリエンテーション行列Ａを用いて、次のように表せる。
ここで、オリエンテーション行列Ａの要素ａi,jに関しては、回転行列の要素ａi,jが画像座標系７２の対象座標系７４を構成する３軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対する傾きω、φ、κを用いて、次のように表せる。

偏位修正パラメータの算出においては、式（１１）、（１２）に含まれる６つの外部標定要素ω、φ、κ、Ｘｏ、Ｙｏ、Ｚｏを求める。即ち、これらの式を、最低３点以上の基準マークにより観測方程式をたて、逐次近似解法によってこれら６つの外部標定要素を算出する。具体的には、未知変量の近似値を与え、近似値のまわりにテーラー展開して線形化し、最小二乗法により補正量を求めて近似値を補正し、同様の操作を繰り返し収束解を求める逐次近似解法によってこれら６つの外部標定要素を求めることができる。また、式（１１）、（１２）に代えて、単写真標定や相互標定、その他空中三角測量で外部標定として用いられている各種の演算式のうちから適宜採択して演算を行うとよい。

図１５は本発明の実施例２を説明する構成ブロック図である。図において、電子線システムは、前述の測定部２０、校正データ作成部３０、既知基準データ記憶部３２、校正部４０、電子レンズ収差補償部４２、形態・座標測定部５０、画像修正部６０、補正係数算出部６２、補正係数記憶部６４、補正係数推論部５４を備えている。ここで、校正データ作成部３０、既知基準データ記憶部３２、校正部４０、補正係数算出部６２、補正係数記憶部６４、補正係数推論部５４などがデータ処理部を構成する。

補正係数記憶部６４は、各傾斜角度による傾斜角度、倍率、電子光学系などの補正係数を記憶しているが、補正係数推論部５４は、これらの記憶していない傾斜角度においても、記憶している補正係数から推論（補間）してそれら補正係数を求めるものである。
推論（補間）は各係数においてカーブフィッティングやその他の手法によって補正関数を作成することにより行うことができる。この機能を追加することにより、あらゆる傾斜角度にて画像を撮影し補正した正確な三次元計測が可能となる。

次に図１６を参照して、このように構成された装置によるステレオ画像計測に必要な電子線装置の校正手続きに関して説明する。図１６は本発明の実施例３における電子線装置の校正手続きを含む電子線測定のフローチャートである。図１６では、基準テンプレート９ａを用いて電子線装置の校正処理を行ない、次に試料の画像計測を行う処理フローを示している（Ｓ２００）。まず、Ｓ２０２〜Ｓ２１０に関しては、前述のＳ１０２〜Ｓ１１０の説明と同様である。即ち、試料ホルダ３に基準テンプレート９ａを載せて、試料ホルダ３もしくは電子線７を傾斜状態に移行させる（Ｓ２０２）。測定部２０は、電子線検出部４から得られる基準テンプレート９ａの傾斜画像を取得する（Ｓ２０４）。そして、測定部２０は、電子線検出部４で撮影された基準テンプレート９ａの画像に基づいて、基準テンプレート９ａの形態または座標値を求める（Ｓ２０６）。校正データ作成部３０は、Ｓ２０６での基準テンプレート９ａの測定結果と、基準テンプレート９ａに関する既知基準データとを利用して補正係数を算出して、電子線装置１０により撮影される画像の校正データを作成する（Ｓ２０８）。校正部４０は、校正データに基づき、電子線検出部４で検出される試料像の収差を減少させるように、電子線装置１０の校正を行う（Ｓ２１０）。補正係数算出部６２は、試料傾斜部５によって形成される複数の傾斜状態について、電子線検出部４により撮影される画像に対する補正係数を算出して、補正係数記憶部６４に記憶し、補正係数推論部５４によって各種補正係数の傾斜角度による補正関数を作成する（Ｓ２１２）。

次に、試料ホルダ３に試料（計測対象物）９を載せる（Ｓ２１４）。そして、電子線７もしくは試料ホルダ３を所望の傾斜状態にして、電子線検出部４により試料９を撮影する（Ｓ２１６）。所望の傾斜状態は、例えば試料９の三次元画像計測を行う場合に、死角の少ない角度や、特に測定したいターゲットが良好に撮影される角度を選定する。そして、概略測定部５２により、所望の傾斜状態における試料９のステレオ画像に基づいて、試料９の形態または座標値を求める（Ｓ２１８）。

試料９の形態または座標値が精密に取得できれば、リターンとなる（Ｓ２２６）。好ましくは、試料の観察を行なう為に、画像修正部６０によって修正されたステレオ画像を、表示装置２８に表示するとよい。
なお、複数傾斜させた場合、ステレオマッチングだけでなく、マルチマッチング（2枚以上からの画像で対応点を求め座標を計測する）を行ってもよい。当然この場合もこれら補正係数を利用する。
さらに傾斜方向は1軸方向だけでなく図２０のようにさらに直角方向、斜め方向へ傾斜させ、それら補正係数について算出、あらゆる方向の傾斜に対応させるようにしてもよい。
さらにそれら複数方向への対応として、基準テンプレートを図１０のように複数方向に混載させたもので補正してもよい。これら処理は方向が複数に増えるだけで同様となるので説明は省略する。

図１７は、本発明の実施例３を説明する全体構成ブロック図である。実施例１、２では、ステレオ画像を得る場合に、ホルダを傾斜させていたが、実施例３は走査型顕微鏡の電子線を偏向させてステレオ画像を得る場合を示している。ここでは、図１７において、図１と共通する構成要素について同一符号を付して説明を省略する。ここでは、電子線７を傾斜制御する傾斜制御部５としてのビーム傾斜制御部５ａが設けられている。ビーム傾斜制御部５ａは偏向レンズ２ｂに傾斜制御信号を送り、試料ホルダ３と照射電子線７とが第１の相対的傾斜角度をなす電子線７Ｒと、第２の相対的傾斜角度をなす電子線７Ｌとで切替えている。なお、ビーム傾斜制御部５ａによる試料ホルダ３と照射電子線７の相対的傾斜角度は、２個に限らず多段に設定してよいが、ステレオの検出データを得る為には最小２個必要である。

図１８は、本発明の実施例４を説明する全体構成ブロック図である。電子線システムは、実施例１で説明された測定部２０に加えて、第３の測定部としての形態・座標測定部５０、画像修正部６０、補正係数算出部６２、補正係数記憶部６４、を備えている。そして、さらに補正係数推論部５４が加わっている。その他は、試料傾斜がビーム傾斜に変わった以外は、図１８において、図１５と同じであり共通する構成要素について同一符号を付して説明を省略する。

このように構成された実施例４の装置の動作は、試料を傾斜させるかわりにビームを傾斜させる以外は図１６のフローチャートと同一なため省略する。

なお、上記の実施の形態においては、校正データ作成部によって作成される電子線システムの校正データとして、試料傾斜部５の傾斜量の校正データ、電子光学系２の照射電子線７に対する照射方向の校正データ、電子光学系２の倍率に関する校正データ、電子光学系２の歪み補正に関する校正データを示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、要するに校正データ作成部によって作成される校正データは、校正部によって、電子線検出部４で検出される試料像の収差を減少させるように校正ができるものであれば良い。
なお、これら実施例においても校正データ作成部３０、校正部４０、電子レンズ収差補償部４２を用いて校正せずとも、補正係数算出部６２により算出された補正係数にて画像修正部６０にて画像修正し、形態・座標測定部５０にて三次元測定値を得ることにより正確な補正が可能な場合は、それらはなくてもよい。

本発明の実施例１を説明する全体構成ブロック図である。 電子線システムの試料ホルダにおける傾斜状態の説明図である。 試料ホルダ３の座標系を説明する斜視図である。 電子線を被計測対象物９に照射した時の、画像と試料の関係を示す正面図である。 ステレオ画像の撮影方向として、左右画像がＺ軸を挟んだ角度を持つ場合を示している。 ステレオ画像の撮影方向として、左右画像がＺ軸に対して夫々θ１、θ２傾斜している場合を示している。 ライン＆スペースで構成さらた基準テンプレートの平面図である。 図７の基準テンプレートのピッチ間隔と傾斜を説明する図である。凹凸の形状、すなわち凹凸間の間隔Ｌ（ライン＆スペースパターンの場合はピッチ間隔Ｌ）や凹凸の高さｈ、テーパ角φなどである。 図７の基準テンプレートの側面を抽出して示す図である。 図７に示すような基準テンプレートを複数方向に混載させた基準テンプレートの例を示す図である。 正確な三次元形状を求める手順の例を説明する前処理フローチャートである。 本発明の実施例１における電子線装置の校正手続きを含む電子線測定のフローチャートである。 正規化相関係数によるマッチング法の説明図である。 平行投影の説明図である。 本発明の実施例２を説明する構成ブロック図である。 本発明の実施例２における電子線装置の校正手続きを含む電子線測定のフローチャートである。 本発明の実施例３を説明する全体構成ブロック図である。 本発明の実施例４を説明する全体構成ブロック図である。 図７のような基準テンプレートの側面と上面、側面と底面の境界部分を直線近似する式を説明する図である。 傾斜方向は１軸方向だけでなく直角方向、斜め方向へ傾斜させてよいことを示す図である。 実際にエッジ検出した例を示す平面図である。

符号の説明

９ 試料（被計測対象物）
９ａ 基準テンプレート
１０ 電子線装置
２０ 測定部
３０ 校正データ作成部
４０ 校正部
５０ 形態・座標測定部
５２ 概略測定部
５４ 精密測定部
６０ 画像修正部
６４ 補正係数記憶部

Claims (2)

1. 電子線を射出する電子線源と；
   前記電子線源から射出された電子線を収束し、試料に照射する電子光学系と；
   前記電子線が照射された試料からの電子を受け取る検出部と；
   前記試料を支持する試料支持部と；
   前記試料支持部で支持された試料に照射される電子線と前記試料とを相対的に傾斜させる試料傾斜部と；
   前記相対的な傾斜が自在であるように前記試料支持部で支持された少なくとも傾斜した２面を有する基準試料から電子を受け取った前記検出部からの検出信号を、傾斜毎に受け取り、前記傾斜した２面の画像と前記基準試料の基準寸法とから、前記基準試料の傾斜角度を求めるデータ処理部とを備え；
   前記データ処理部は、補正係数推論部を有し；
   前記データ処理部は、さらに前記基準試料の画像の倍率および電子光学系に起因する画像歪を求めるように構成されており、
   前記データ処理部は、得られた傾斜角度に基づき試料傾斜量、倍率、および電子光学系に起因する画像歪の補正係数を求め、前記補正係数に基づき、傾斜角度、倍率、および画像の補正を行うように構成されており、
   前記補正係数推論部は、得られた複数の傾斜角度に基づき、測定された傾斜角度間の傾斜に関しても前記補正係数を求め、測定された傾斜角度以外の傾斜角度、倍率、および電子光学系に起因する画像歪に関しても補正を行うように構成されている、
   電子線システム。
2. 前記試料傾斜部は、試料を電子線に対して傾斜させる試料ホルダーの傾斜制御、または、前記電子線を試料に対して異なる角度で照射するようにする前記電子線の偏向制御のいずれかをするように構成されている、
   請求項１に記載の電子線システム。