JP4750959B2 - 電子線装置用データ処理装置、電子線装置、電子線装置のステレオ測定方法 - Google Patents
電子線装置用データ処理装置、電子線装置、電子線装置のステレオ測定方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、電子顕微鏡により得られた画像をステレオ観察可能な画像としたり、試料の形状を求めたりする電子線装置用データ処理装置、電子線装置のステレオ測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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ステレオ観察が行われている。また、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（「医学・生物学電子顕微鏡観察法」第278頁〜第299頁、1982年刊行参照）。そして、肉眼においてステレオ観察をする場合のように、試料の概括的な凸凹形状を観察する用途には十分な画像が得られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
他方、異なる傾斜角度の画像から左右画像を得てステレオ観察を行って、試料の正確な三次元形状の計測を行う場合には、電子顕微鏡の電子レンズ系における収差の影響や試料の傾斜角度、或いは電子線の傾斜角度を数秒程度の非常に正確な角度で制御する必要がある。しかしながら、従来の傾斜角度は数度若しくは数分程度の概括的な制御しか行われておらず、左右画像の立体視から正確な三次元形状の計測を行うには不十分であるという課題があった。
【０００４】
本発明は、上述した課題を解決したもので、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て、試料の三次元形状計測を行うことができる電子線装置用データ処理装置、電子線装置のステレオ測定方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成する本発明の電子線装置用データ処理装置は、図３、図１５、並びに図１６に示すように、電子線装置１０に接続されるデータ処理装置２０であって、電子線装置１０での測定条件を受け取る測定条件判別部２５と、試料ホルダ３と照射電子線７とを相対的に傾斜させた際の、電子線検出部４で検出した複数傾斜角度での検出データを受取り、測定条件判別部２５で判別する測定条件に基づいて、試料９の形態を立体的に測定する形状測定部３２とを備えている。ここで、電子線装置１０は、電子線７を放射する電子線源１と、電子線７を試料９に照射する電子光学系２と、試料９を保持する試料ホルダ３と、試料ホルダ３と照射電子線７とを相対的に傾斜させる試料傾斜部と、試料９から出射される電子線７ｄを検出する電子線検出部４とを有する。
【０００６】
ここで、試料傾斜部は、試料ホルダ３の傾斜角度を制御して、試料９を照射電子線７に対して傾斜させるホルダ傾斜制御部５ｂを用いて構成されていてもよい。或いは、試料傾斜部は、照射電子線７を試料９に対して傾斜して照射するように電子光学系２を制御するビーム傾斜制御部５ａを用いて構成されていてもよい。また、電子線検出部４は、試料９から出射される二次電子を検出するように構成されていると、走査型電子顕微鏡として好ましい。
【０００７】
試料ホルダ３と照射電子線７とが第１及び第２の相対的傾斜角度をなす状態は、図３に示すように、ビーム傾斜制御部５ａを用いる場合には第１の相対的傾斜角度では照射電子線７Ｒとなり、第２の相対的傾斜角度では照射電子線７Ｌとなる。また、図１５並びに図１６に示すように、ホルダ傾斜制御部５ｂを用いる場合には第１の相対的傾斜角度では試料ホルダ３の傾斜角度Ｒとなり、第２の相対的傾斜角度では試料ホルダ３の傾斜角度Ｌとなる。
【０００８】
好ましくは、測定条件判別部２５は、電子線装置１０の種類、又は電子光学系２の倍率の少なくとも一方の情報を用いて測定条件の判別を行う構成とすると、複数傾斜角度での検出データを矯正する演算形態が適切に選択できる。電子線装置１０の種類としては、透過型電子顕微鏡や走査型電子顕微鏡の別がある。電子光学系２の倍率としては、低倍率と高倍率の区別があり、例えば複数傾斜角度での検出データを矯正する演算形態として、中心投影と平行投影のどちらを選択するかの要素として用いる。電子光学系２の倍率は、電子線装置１０に設けられる倍率変更部６の倍率指定信号から定める。
【０００９】
好ましくは、試料９は基準位置となる基準マークを有し、形状測定部３２は、複数傾斜角度での検出データに含まれる基準マークに基づいて、複数傾斜角度での検出データに含まれる傾斜による歪みと縮尺の相違が矯正された状態で、試料９の形態を立体的に測定する構成とすると、試料９に設けられた基準マークを用いて複数傾斜角度での検出データを偏位修正データに矯正した状態で試料９の形態を立体的に測定できる。基準マークは、試料９に電子線７を照射して形成したり、試料９に既に存在するパターン等の特徴点を用いる。
【００１０】
好ましくは、データ処理装置２０は、基準テンプレートの基準マークを用いて、試料ホルダ３と照射電子線７との複数傾斜角度での検出データに含まれる傾斜による歪みと縮尺の相違を矯正する為の偏位修正パラメータ取得手段３１ａと、取得した偏位修正パラメータを用いて、試料９の複数傾斜角度での検出データに含まれる傾斜による歪みと縮尺の相違を矯正する画像データ偏位修正手段３１ｂと、画像データ偏位修正手段で矯正された複数傾斜角度での検出データを用いて、試料９の形態を立体的に測定する形状測定部３２を備える構成とすると、基準マークの形成された基準テンプレートにより偏位修正パラメータを取得することができ、試料９に基準マークを形成したり、特徴点を抽出したりする必要がなく、効率的に試料９の正確な形態の立体的測定が行える。
【００１１】
好ましくは、本発明の電子線装置用データ処理装置は、さらに基準テンプレートの基準マークは、少なくとも２種類の高さに関連付けて設けられており、偏位修正パラメータ取得手段３１ａは更に電子光学系２のレンズ歪を補正するレンズ歪補正パラメータを取得し、画像データ偏位修正手段３１ｂは、更にレンズ歪補正パラメータを用いて、複数傾斜角度での検出データに含まれるレンズ歪を矯正する構成とすると、形状測定部３２はレンズ歪も補正した試料９の正確な形態の立体的測定が行える。
【００１２】
上記課題を達成する本発明の電子線装置のステレオ測定方法は、図１１に示すように、試料９には基準位置となる基準マークが作成されており（Ｓ３１１、Ｓ３１４）、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状態において、電子線検出部４で第１の検出データを検出し（Ｓ３１６）、試料ホルダ３と照射電子線７とが第２の相対的傾斜角度をなす状態において、電子線検出部４で第２の検出データを検出し（Ｓ３１６）、第１及び第２の検出データに含まれる基準マークに基づいて、第１及び第２の検出データに含まれる第１及び第２の相対的傾斜角度の相違による歪みと縮尺の相違を矯正し（Ｓ３２２、Ｓ３２６）、試料９の形態を立体的に測定する（Ｓ３３０）工程を有している。
【００１３】
上記課題を達成する本発明の電子線装置のステレオ測定方法は、図６に示すように、試料９の代わりに、基準位置となる基準マークが作成された基準テンプレート４０を試料ホルダ３に挿入し（Ｓ２０４）、試料ホルダ３と照射電子線７とが第１及び第２の相対的傾斜角度をなす状態において、電子線検出部４で基準テンプレート４０に対する第１及び第２の検出データを検出し（Ｓ２０６）、前記基準マークを用いて、第１及び第２の検出データに含まれる前記第１及び第２の相対的傾斜角度の相違による歪みと縮尺の相違を矯正する為の偏位修正パラメータを取得する（Ｓ２０８，Ｓ２１０）工程を有している。
【００１４】
続いて、図１０に示すように、試料９を試料ホルダ３に挿入し（Ｓ２５２）、試料ホルダ３と照射電子線７とが第１及び第２の相対的傾斜角度をなす状態において、電子線検出部４で試料９に対する第１及び第２の検出データを検出し（Ｓ２５４）、取得した偏位修正パラメータを用いて、試料９の第１及び第２の相対的傾斜角度の相違による歪みと縮尺の相違を矯正し（Ｓ２５８、Ｓ２６０）、試料９の形態を立体的に測定する（Ｓ２６４）工程を有している。
【００１５】
【発明の実施の形態】
［ステレオ画像を用いた三次元形状測定の原理］
まず、本発明の電子線装置を説明する前に、傾斜角の異なった画像を立体視可能な画像に偏位修正し、立体観察を行うと同時に三次元計測を行う測定原理について説明する。図１は３本の同じ長さの直線パターンが等間隔に存在している被写体に対して所定の傾斜角度で撮影したステレオ画像の説明図で、図１（Ａ）は０度（平行）、図１（Ｂ）は１０度傾斜している場合を示している。平行の場合、図１（Ａ）に示すように、等間隔ｄで同じ長さｌの直線パターンが映っていた場合、１０度に傾いた画像では、図１（Ｂ）に示されるように異なる間隔ｄ１２，ｄ２３で、異なる長さｌ１、ｌ２、ｌ３となる。
【００１６】
図１（Ａ）と図１（Ｂ）の画像をステレオメーター（視差測定かん）で立体視しようとしても、立体視ができないばかりでなく、視差差の測定に基づく比高の正確な計測もできないという課題がある。さらに三次元計測するために画像相関処理によるステレオマッチングを行おうとしても、左右画像の傾斜角度が異なるために旨くいかないという課題がある。
【００１７】
図２は図１（Ａ）、（Ｂ）の傾斜画像を偏位修正画像に修正したステレオ画像の説明図で、図２（Ａ）、（Ｂ）共に平行状態に偏位修正している場合を示している。偏位修正された結果、傾いて撮影された図１（Ａ）、（Ｂ）の傾斜画像は対象物に対して平行となり、縮尺も等しくなって縦視差が除去されて、図２（Ａ）、（Ｂ）に示されるように立体視が可能となる。立体視可能なステレオ画像は、同一エピポーラライン上にある左右画像の対応点を求めることにより正確な三次元座標が求めることができるようになる。偏位修正画像を作成するためには、２枚の画像上で最低３点以上の既知の基準点座標が画像上に必要である。
【００１８】
また、それら基準点から、二つの画像の傾き、位置（これらを外部標定要素と呼ぶ）等を算出することができる。これら外部標定要素が最初から判っていれば偏位修正処理を行うことができる。本発明においては、偏位修正画像を作成するために基準点となる基準マークを有する基準テンプレートを予め作成、若しくは試料面上を電子線で撮影中に試料に基準点となる基準マークを作成し、画像の偏位修正処理によるデータ修正をして外部標定要素を求めるものである。偏位修正処理後のステレオ画像は、立体視可能であると同時に三次元計測も可能な状態となっている。
【００１９】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態を図面により説明する。図３は本発明の第１の実施の形態を説明する構成ブロック図で、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。図において、走査型顕微鏡としての電子線装置１０は、電子線７を放射する電子線源１、電子線７を試料９に照射する電子光学系２、試料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を検出する検出器４、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、試料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、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は、第１の実施の形態で用いないが、後で説明する第２の実施の形態で用いる。
【００２０】
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。
【００２１】
試料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、試料９は−２．４ｋＶに印加されている。試料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。なお、試料９をマースポテンシャルにした場合には、二次電子は霧のように振る舞いエネルギが弱く、検出器４で直接検出することができ、２次電子変換ターゲット８は不要である。
【００２２】
データ処理装置２０は、画像作成処理部２１、表示装置２２、基準マークパターン発生器２３、測定条件判別部２５、データ修正部３１、形状測定部３２、立体画像観察部３３、並びにステレオ画像記憶部３４を有している。画像作成処理部２１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。表示装置２２は画像作成処理部２１で作成された画像をオペレータが観察できるように表示するもので、例えばＣＲＴや液晶パネルが用いられる。表示装置２２は通常の一画面モニタでもよく、ステレオ表示可能なモニタでもよく、或いは両方備えていてもよい。
【００２３】
基準マークパターン発生器２３は、電子線７を制御して試料９に基準マークを作成するものである。好ましくは、基準マークパターン発生器２３に、予め試料９の面上からパターン形状やエッチングパターン等から特徴点を抽出し、既に存在する特徴点では不足する場合に基準マークを作成すべき位置と個数を定める機能も持たせるとよい。基準テンプレートに基準マークを作成する場合にも、基準マークパターン発生器２３に基準マークの作成数と作成位置を記憶させておくとよい。
【００２４】
測定条件判別部２５は、電子線装置１０の種類、並びに電子光学系２の倍率のの情報を用いて測定条件の判別を行う。電子線装置１０の種類としては、透過型電子顕微鏡や走査型電子顕微鏡の別がある。電子光学系２の倍率としては、低倍率と高倍率の区別があり、例えばデータ修正部３１において複数傾斜角度での検出データを矯正する演算形態として、中心投影と平行投影のどちらを選択するかの要素として用いる。
【００２５】
データ修正部３１は、画像作成処理部２１で作成した画像を偏位修正画像に修正して立体視可能なステレオ画像とするもので、リアルタイムで偏位修正画像に修正する場合は直接、画像作成処理部２１から電子顕微鏡１０での測定条件を受け取っている。なお、電子顕微鏡１０での測定条件は、一旦ステレオ画像記憶部３４に画像を記憶させている場合は、測定条件判別部２５から受取っても良く、またステレオ画像記憶部３４に画像と共に記憶された電子顕微鏡１０での測定条件を用いても良い。形状測定部３２は、データ修正部３１により修正されたステレオ画像に基づき試料９の三次元形状を測定する。立体画像観察部３３は、データ修正部３１により修正されたステレオ画像に基づき試料９の立体的な画像を形成する。ステレオ画像記憶部３４は、画像作成処理部２１で作成した画像を記憶すると共に、データ修正部３１により修正されたステレオ画像を記憶するもので、例えば磁気ハードディスク、ＣＲ−ＲＯＭ、フロッピーディスク、光磁気ディスクのような情報記憶媒体に画像データを記憶している。なお、ステレオ画像記憶部３４が、画像作成処理部２１で作成した偏位修正されていない画像を記憶する場合は電子顕微鏡１０での測定条件も記憶しておくと良い。
【００２６】
データ修正部３１は、基準位置となる基準マークを有する試料９を用いて直接データ修正する場合と、基準マークを有する基準テンプレートを用いて試料９のデータ修正をする場合の二通りに対処している。試料９が基準位置となる基準マークを有する場合は、データ修正部３１は基準マークを用いて、ステレオの検出データを偏位修正データに修正する。
【００２７】
基準マークを有する基準テンプレートを用いて試料９のデータ修正をする場合に備えて、データ修正部３１は偏位修正パラメータ取得手段３１ａと画像データ偏位修正手段３１ｂとを有している。偏位修正パラメータ取得手段３１ａは、基準テンプレートの基準マークを用いて、ステレオの検出データを得る試料ホルダ３と照射電子線７との相対的傾斜角度における偏位修正パラメータを取得する。ここで、ステレオの検出データとは、試料ホルダ３と照射電子線７とが第１及び第２の相対的傾斜角度をなす状態において、電子線検出部４で試料９に対する第１及び第２の検出データを検出することを言う。画像データ偏位修正手段３１ｂは、取得した偏位修正パラメータを用いて、試料９のステレオの検出データを偏位修正データに修正する。
【００２８】
図４は試料若しくは基準テンプレート基板に形成する基準マークの説明図で、（Ａ）は四隅に基準マークを有する平面図、（Ｂ）は格子状に基準マークを有する平面図、（Ｃ）はレンズ歪補正用の基準テンプレートの断面図である。試料９の場合には、四隅に基準マーク９ａを形成すると、データ修正部３１による偏位修正が行いやすい。基準マーク９ａは試料９のなるべく広い範囲に３点以上形成すると使用しやすい。基準マーク９ａとは、三次元位置が既知の基準点である。基準テンプレート４０であっても、四隅に基準マークを形成してよい。基準テンプレート４０とは、ステレオ画像を形成する基準面となる平坦面を有するもので、好ましくは試料９を構成する材料と同一の組成成分を有し、凸凹のない平坦なものがよい。基準テンプレート基板４０ｂとは、基準マークを作成して基準テンプレート４０とする基板である。
【００２９】
基準テンプレート４０の場合は、基準マーク４０ａを基準テンプレート基板４０ｂの任意の位置に形成できるので、例えば格子状に基準マークを形成する。格子状に基準マークを設けると、外部標定要素に加えて電子線のレンズ歪まで補正するのに用いることができる。電子線のレンズ歪を補正する場合は、平坦な基準テンプレートの場合には複数方向から撮影する必要がある。図４（Ｃ）のように基準テンプレートに段差を付けて、且つこの段差方向の縁に格子状に基準マークを設けると、基準マークに高さ成分が含まれる為、電子線のレンズ歪が正確に補正できる。なお、レンズ歪にはザイデル収差である球面収差、コマ収差、湾曲収差、非点収差、歪み収差等があり、色収差として軸上収差、倍率色収差、回転色収差がある。
【００３０】
［試料若しくは基準テンプレート基板に基準マークを作成する方法］
続いて、試料若しくは基準テンプレート基板に基準マークを作成する方法について説明する。試料９や基準テンプレート基板４０ｂの場合には、基準マークパターン発生器２３を用いて電子線７を位置決めして照射することでコンタミネーション、欠陥等を試料９面上に形成して基準マークとすることができる。電子線７を用いることで、基準マークは非常に精密な位置決め精度で試料９や基準テンプレート基板４０ｂに形成される。
【００３１】
コンタミネーションは試料上の炭化水素の分子が電子線照射により焼き付く現象で、その大きさは、電子線のプローブ径に依存するが、電子線密度、照射時間が大きいほど、コンタミ量は多くなり、ほぼ裾野を持つ円錐状に育つ。従ってプローブをゆっくり走査させると、コンタミネーションはその走査の形状に沿って付くようになる。コンタミネーションを任意の形状や任意の分布をさせるには、その形状に従って電子線プローブを走査して一定時間保持する。コンタミネーションを作成する場合、その大きさをビーム径、電流値等で電子線密度、照射時間を制御する。画像処理しやすくするために、基準マークは、画像上で１０画素以上とするのが望ましく、照射するビーム径を画素以上にする。好ましくは、基準マークパターン発生器２３に電子線照射制御の最適値を設定しておく。
【００３２】
コンタミネーションが付きやすい時は、照射系の一部に電子線７をカットするビームブランキングを設けて、電子線の走査に伴う移動の時は、電子線７が試料９に当たらなくするとよい。また、検出器４から得られる二次電子信号のレベルを基準マークパターン発生器２３に帰還して、電子線７の照射時間を調整することによりコンタミネーションの量を制御することができる。
【００３３】
図５は試料若しくは基準テンプレート基板に基準マークを作成する手順を示す流れ図である。まず、基準マークを作成する試料９若しくは基準テンプレート基板４０ｂを試料ホルダ３に収容し、基準マークパターン発生器２３に基準マークを作成する位置を読み込ませる（Ｓ１００）。そして、電子線源１から電子線７を照射しつつ、走査レンズ２ｃにより電子線７を試料９若しくは基準テンプレート基板４０ｂの面上でスキャンさせる（Ｓ１０２）。次に、電子線７の照射位置が、予めプログラムされた基準マークの作成位置か確認する（Ｓ１０４）。基準マークの作成位置であれば、電子線７をその位置で停止させ（Ｓ１０６）、電子線７を照射させる（Ｓ１０８）。ここで検出器４によって得られた信号が予め設定された閾値以上か判定し、閾値以上となるまで基準マークの作成位置にて照射し続ける（Ｓ１１０）。閾値以上となると、基準マークを所定数作成したか確認する（Ｓ１１２）。仮に所定数に達していなければ、Ｓ１０２に戻り、再び電子線７をスキャンさせ、所定数の基準マークを作成していれば終了する（Ｓ１１４）。
【００３４】
なお、図４（Ｃ）のように基準テンプレート基板４０ｂに段差の形状があって、コンタミネーションを段差上に付ける場合は次のように行う。まず、基準テンプレート基板４０ｂの段差の作製は、レジストの露光、エッチングを繰り返すことにより任意の形状で段差を作ることが可能である。電子顕微鏡は焦点深度が高いため段差の任意の場所に電子線プローブをとどめることにより、電子線プローブが止まったところにコンタミネーションの基準マークを作ることが可能である。
【００３５】
このように作成された基準テンプレートを用いて偏位修正パラメータを取得する処理手順について説明する。図６は基準テンプレートを用いて偏位修正パラメータを取得する処理の流れ図である。まず、電子顕微鏡の倍率を決定する（Ｓ２０２）。これによって中心投影か平行投影かを決定する。なお、中心投影と平行投影については後で説明する。次に、基準マークを有する基準テンプレート４０を試料ホルダ３にセットする（Ｓ２０４）。外部標定要素を補正する場合は、基準マークが３点以上の基準テンプレート４０を用い、レンズ歪補正まで行う場合は基準マークが多数作成されている方の基準テンプレート４０を使用する。ただし、外部標定要素のみであっても、基準マークが多数作成されている基準テンプレート４０を使用することもできる。また、レンズ歪補正を正確に行う場合は、段差付きの基準テンプレート４０が望ましい。
【００３６】
試料ホルダ３と照射電子線７とが第１及び第２の相対的傾斜角度をなす状態において、電子線検出部４で基準テンプレート４０に対する第１及び第２の検出データを検出する（Ｓ２０６）。外部標定要素の補正であれば、この第１及び第２の相対的傾斜角度は試料９を計測するのと同じ角度とし、少なくとも２方向以上の傾斜角度にて撮影する。レンズ歪補正を行う場合は、試料９を計測するのと同じ２方向の傾斜角度に加えて、第３の傾斜角度（例えばプラス３方向）から撮影する。次に、撮影された画像から画像相関処理等を用いて基準マークを抽出して、計測する（Ｓ２０８）。
【００３７】
図７は画像相関処理の説明図である。図中、探索画像Ｔは縦Ｎ１、横Ｎ１で左上座標が(a,b)となっている小さな矩形図である。対象画像Ｉは縦Ｍ、横Ｍの大きな矩形図である。画像相関処理は、正規化相関法や残差逐次検定法（ＳＳＤＡ法）など、どれを用いてもよい。残差逐次検定法を使用すれば処理が高速化できる。残差逐次検定法は次式を用いる。
【数１】
ここで、Ｔ(m1,n1)は探索画像、Ｉ(a,b)(m1,n1)は対象画像の部分画像、(a,b)は探索画像の左上座標、Ｒ(a,b)は残差である。残差Ｒ(a,b)が最小になる点が求める画像の位置である。処理の高速化をはかるため、式（１）の加算において、Ｒ(a,b)の値が過去の残差の最小値を越えたら加算を打ち切り、次のＲ(a,b)に移るよう計算処理を行う。
【００３８】
再び図６に戻り、基準マークを用いて、ステレオの検出データを得る試料ホルダ３と照射電子線７との相対的傾斜角度における偏位修正パラメータの計算を行う（Ｓ２１０）。計測された基準マークの画像座標と実際の座標から、中心投影の場合は後述する式（２）〜（４）を使って偏位修正パラメータを算出する。平行投影の場合は式（５）、（６）を使って偏位修正パラメータを算出する。レンズ歪補正まで行う場合は、式（７）を使って偏位修正パラメータを算出する。そして、試料ホルダ３から基準テンプレート４０を取り出して、偏位修正パラメータの取得が完了する（Ｓ２１２）。
【００３９】
［平行投影と中心投影］
電子顕微鏡では倍率が低倍率〜高倍率（ex.数倍〜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。中心投影と平行投影とを切替える倍率は、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倍乃至10000倍から適宜選択される。図８は中心投影の説明図である。中心投影の場合、投影中心点Ｏｃを基準にして試料９の置かれる対象座標系５０と、検出器４の置かれる画像座標系５２が図８のような位置関係にある。対象座標系５０における基準マークのような対象物の座標を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、投影中心点Ｏｃの座標を（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）とする。画像座標系５２における座標を（ｘ，ｙ）、投影中心点Ｏｃから画像座標系５２までの画面距離をＣとする。このとき、中心投影式として次式が成立する。
【００４０】
【数２】
ここで、ｋは係数、ａi,j：(i＝1,2,3；j＝1,2,3)は回転行列の要素である。式（２）を画像座標系５２の座標（ｘ，ｙ）について解くと次式が成立する。
【数３】
また、回転行列の要素ａi,jは画像座標系５２の対象座標系５０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。
【数４】
【００４１】
図９は平行投影の説明図である。平行投影の場合は、中心投影の投影中心点Ｏｃに相当する点がない。そこで、対象座標系５４として回転を考慮した座標系（ＸＲ，ＹＲ，ＺＲ）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。
【数５】
すると、対象座標系５４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。
【数６】
ここで、オリエンテーション行列Ａの要素ａi,jに関しては式（４）に相当する関係が成立している。
【００４２】
偏位修正パラメータの算出においては、式（２）〜（４）又は式（５）、（６）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、Ｓ２１０において、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（２）〜（４）又は式（５）、（６）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。
【００４３】
［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まで求める場合は、さらに複数の基準マークを用意し、複数方向からの画像を得ることにより式（７）、（８）によって補正することが可能となる。即ち、式（２）〜（４）又は式（５）、（６）でさらに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 ・・・…（７）
ｙ'＝ｙ＋Δｙ
ここで、ｋ１、ｋ２を放射方向レンズ歪み係数とすると、Δｘ、Δｙは次式により表される。
【数７】
【００４４】
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。また、レンズ歪係数は、式（８）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（８）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。
【００４５】
続いて、偏位修正パラメータを取得した後で、試料のステレオ画像を処理する処理手順について説明する。図１０は偏位修正パラメータを用いて試料のステレオ画像を処理する手順の流れ図である。まず、観察・計測したい試料９を試料ホルダ３にセットする（Ｓ２５２）。続いて、ビーム傾斜制御部５ａにより、電子線７の試料ホルダ３に対する傾斜角を２つ以上にして、電子線検出部４で試料９に対する第１及び第２の検出データを検出し、ステレオ撮影を行って画像を取り込む（Ｓ２５４）。この２つ以上の傾斜角は、Ｓ２０６において偏位修正パラメータを取得するのに用いた、試料ホルダ３と照射電子線７とがなす第１及び第２の相対的傾斜角度と同じ角度とする。
【００４６】
次に、倍率変更部６の設定倍率により、試料９の撮影は中心投影か平行投影かを判別する（Ｓ２５６）。中心投影の場合には、偏位修正パラメータとしての６つの外部標定要素ω、φ、κ、Ｘｏ、Ｙｏ、Ｚｏを用いて、対象座標に該当する画像座標を式（２）〜（４）に代入して求め、それをステレオ表示したい立体画像観察部３３の座標系に変換して、再配列を行えば、データ修正部３１により検出器４で検出するステレオ画像の偏位修正画像を作成することができる（Ｓ２５８）。平行投影の場合には、６つの外部標定要素ω、φ、κ、Ｘｏ、Ｙｏ、Ｚｏを用いて、対象座標に該当する画像座標を式（５）、（６）に代入して求め、それをステレオ表示したい立体画像観察部３３の座標系に変換して、再配列を行えば、データ修正部３１により検出器４で検出するステレオ画像の偏位修正画像を作成することができる（Ｓ２６０）。
【００４７】
そして、偏位修正パラメータによって偏位修正されたステレオ画像は一旦ステレオ画像記憶部３４に記録されると共に、立体画像観察部３３で立体表示する（Ｓ２６２）。なお、立体画像観察部３３のような立体モニタがない場合は、代替手段として表示部２２の１画面上に２画像表示すると、オペレータ側の対処で立体視が可能となる。
【００４８】
次に、形状測定部３２により、データ修正部３１により修正されたステレオ画像に基づき試料９の三次元計測したい箇所を計測する（Ｓ２６４）。三次元計測は立体表示させた左右画像を計測することにより（横視差を求める）、三角測量の原理により算出される。左右画像の計測はマニュアル、或いは画像相関処理等を用いて行うことができる。
【００４９】
そして、測定終了であるか判断し（Ｓ２６６）、測定を継続するのであれば既に求めてある偏位修正パラメータが利用できるか判断する（Ｓ２６７）。同じ倍率で別試料を測定する場合と、違う倍率で測定を行う場合であっても電子顕微鏡の倍率再現性があるときは、既に求めてある偏位修正パラメータを利用して、Ｓ２５２に戻って計測を繰り返す。電子顕微鏡に倍率再現性がない場合、或いは経時変化がある場合は、既に求めてある偏位修正パラメータが利用できないので、図６のＳ２０２に戻り、最初から基準テンプレート４０を使用して倍率に応じた偏位修正パラメータを算出する。測定終了の場合は試料９を試料ホルダ３から抜いて終了する（Ｓ２６８）。
【００５０】
図１１は試料に存在する基準マークを用いてステレオ画像の観察を行う手順の流れ図である。まず、試料９を試料ホルダ３に挿入する（Ｓ３０２）。続いて、倍率変更部６により試料９を観察又は計測する倍率を設定する（Ｓ３０４）。そして、設定した倍率にて電子線７により試料９の面上をプリスキャンする（Ｓ３０６）。プリスキャンにより検出器４が二次電子を検出して、画像作成処理部２１により画像が作成される。基準マークパターン発生器２３では、画像作成処理部２１により作成された画像から特徴点を抽出する（Ｓ３０８）。ここで、特徴点とは基準マークのように偏位修正パラメータの算出に適する位置に存在する明認できるマークである。
【００５１】
［特徴点の抽出処理］
ここで、基準マークパターン発生器２３で行う特徴点の抽出処理について説明する。入力画像をｆ（ｉ，ｊ）、入力画像のラプラシアンを∇２ｆ（ｉ，ｊ）とすると、画像の鮮鋭化処理が行われる。
ｇ（ｉ，ｊ）＝ｆ（ｉ、ｊ）−∇２ｆ（ｉ，ｊ） ・・・…（９）
ここで、ｇ（ｉ，ｊ）は鮮鋭化画像である。また、入力画像のラプラシアン∇２ｆ（ｉ，ｊ）に関しては、ラプラシアン・オペレータ、線検出オペレータ等のいろいろな形の微分オペレータがある。
【００５２】
図１２は３ｘ３画素用の画像鮮鋭化処理の微分オペレータで、（Ａ）はラプラシアン・オペレータ、（Ｂ）は線検出オペレータである。中心の画素に重い重み付けをし、隣接する画素に軽い重み付けをすることで鮮鋭化処理を行っている。なお、画像鮮鋭化処理の微分オペレータは、図１２の３ｘ３画素用微分オペレータにガウス曲線による重み付けの修正を施したものとしてもよい。
【００５３】
画像の鮮鋭化処理の次に、エッジ抽出処理が行われる。エッジ抽出処理は、鮮鋭化画像の濃度値のゼロ交差点をエッジとすることにより行うことができる。すなわち、ゼロとなった点のみを画像化する、或いはゼロを境にしてプラス領域を白、マイナス領域を黒とすることにより画像化される。
【００５４】
また、式（９）を用いたデジタル画像処理に代えて、下式に示されるような計算処理によって求めてもよい。
【数８】
式（１０）は、計算処理の中にガウス曲線による濃淡の激変緩和措置を内蔵させたものである。
【００５５】
図１１に戻り、基準マークパターン発生器２３では、特徴点の位置と数が十分か判断し（Ｓ３１０）、十分であれば特徴点を基準マークとして扱う（Ｓ３１１）。不十分であれば既存の特徴点を基準マークとして扱うと共に、追加して形成すべき基準マークの位置決定をし（Ｓ３１２）、基準マークパターン発生器２３により基準マークを作成する（Ｓ３１４）。特徴点の位置と数が十分か否か判断するために、画像作成処理部２１により作成された画像をブロック分けしてから判断するとよい。
【００５６】
図１３は特徴点の抽出処理後に、画像作成処理部により作成された画像をブロック分けする場合の説明図である。画像作成処理部２１により作成された画像は、例えば４個のブロックＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに区分する。好ましくは、画像のブロック分けは各ブロックに１個若しくは２個の特徴点が存在するように定めると共に、各ブロックの面積と形状は均等になるようにするとよい。もし、あるブロックに特徴点が存在しない場合は、基準マークの作成位置を決める。
【００５７】
図１４は基準マークの形成された試料面の一例を示す平面図である。試料９は既に所定のパターン９ｂを有する半導体基板とする。試料９の画像の四隅には基準マーク９ａが形成されている。このような基準マーク９ａは、試料面を対象画像Ｉとし、標準的な基準マークを有する探索画像Ｔにてマッチングをとることで、容易に検出できる。
【００５８】
図１１に戻り、ビーム傾斜制御部５ａにて電子線７の傾斜角を制御して電子線７Ｒ、７Ｌを切替えて、画像作成処理部２１に画像を必要枚数取り込む（Ｓ３１６）。倍率変更部６で設定される倍率により、データ修正部３１にて中心投影により偏位修正パラメータを算出するのか、平行投影により偏位修正パラメータを算出するのか選択する（Ｓ３１８）。続いて、画像中の基準マークの座標を検出する（Ｓ３２０、Ｓ３２４）。図１３に示すように、基準マークがどのブロックにあるか予め判っているので、図７及び図１４に示すように、画像相関処理によってその領域を探索、検出する。
【００５９】
データ修正部３１は、検出された基準マークの画像座標の座標から、中心投影の場合は前述した式（２）〜（４）を使って偏位修正パラメータを算出する。そして、偏位修正パラメータとしての６つの外部標定要素ω、φ、κ、Ｘｏ、Ｙｏ、Ｚｏを用いて、対象座標に該当する画像座標を式（２）〜（４）に代入して求め、それをステレオ表示したい立体画像観察部３３の座標系に変換して、再配列を行えば、データ修正部３１により検出器４で検出するステレオ画像の偏位修正画像を作成することができる（Ｓ３２２）。
【００６０】
平行投影の場合は前述した式（５）、（６）を使って偏位修正パラメータを算出する。レンズ歪補正まで行う場合は、式（７）を使って偏位修正パラメータを算出する。そして、６つの外部標定要素ω、φ、κ、Ｘｏ、Ｙｏ、Ｚｏを用いて、対象座標に該当する画像座標を式（５）、（６）に代入して求め、それをステレオ表示したい立体画像観察部３３の座標系に変換して、再配列を行えば、データ修正部３１により検出器４で検出するステレオ画像の偏位修正画像を作成することができる（Ｓ３２６）。
【００６１】
続いて、ステレオ画像の偏位修正画像を立体画像観察部３３に表示して、立体観察可能とする（Ｓ３２８）。次に、形状測定部３２により、データ修正部３１により修正されたステレオ画像に基づき試料９の三次元計測したい箇所を計測する（Ｓ３３０）。そして、測定終了であるか判断し（Ｓ３３２）、さらに同じ倍率で別試料を測定する場合、或いは倍率を変更して行う場合は、Ｓ３０４に戻って計測を繰り返す。測定終了の場合は試料９を試料ホルダ３から抜いて終了する（Ｓ３３４）。ここで、倍率を変更して同じ試料９を計測する場合、基準マークを既に作成してあるので、それが特徴点として使用可能かは、Ｓ３０８の特徴抽出処理にて判定して使用可能であれば使用する。使用できなければ、基準マークを新たに作成する（Ｓ３１２、Ｓ３１４）。
【００６２】
なお、図１１に示す処理は画像作成処理部２１を介して自動で行う実施の形態を示したが、表示装置２２にプリスキャン画像を表示しながらオペレータがマニュアルにて実行してもよい。
【００６３】
［第２の実施の形態］
図１５は本発明の第２の実施の形態を説明する構成ブロック図で、試料ホルダの傾斜角度を変えて走査型顕微鏡のステレオ画像を得る場合を示している。第２の実施の形態では、試料ホルダ３を傾斜制御する傾斜制御部５としてホルダ傾斜制御部５ｂを用いており、ビーム傾斜制御部５ａは作動させない。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。試料９を所定角度（±θ）傾けて検出器４で撮影することは、試料９を固定して電子線７を所定角度（±θ）傾けて照射し、検出器４で撮像することと等価となる。
【００６４】
このように構成された装置においても、第１の実施の形態と同様に検出した生の画像を偏位修正画像に修正して立体視できるようにする。偏位修正画像に修正する態様としては、図６、図１０に示すように基準テンプレートを用いて偏位修正パラメータを取得し、その後試料のステレオ画像を処理するものと、図１１に示すように試料の基準マークを用いて直接ステレオ画像を処理するものとがある。
【００６５】
［第３の実施の形態］
図１６は本発明の第３の実施の形態を説明する構成ブロック図で、試料ホルダの傾斜角度を変えて透過型顕微鏡のステレオ画像を得る場合を示している。電子線装置１０が透過型顕微鏡であるため、電子線検出部４ａ、４ｂが試料ホルダ３を挟んで電子線源１の反対側にある。電子光学系２は、電子線７を試料９に照射する第１の電子光学系と、試料９を透過した電子線７をＣＣＤ(Charge-coupled devices)等の検出器４ａに導く第２の電子光学系を有している。第１の電子光学系として、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が設けられている。第２の電子光学系として、結像レンズ系の初段にある対物レンズ２ｇ、対物レンズ２ｇの像面に作られる像、あるいは後焦点面に作られる回折像を拡大・投影する中間レンズ２ｅと投影レンズ２ｆが設けられている。
【００６６】
検出器４ａの検出信号はＣＣＤ制御部４ｂを介して画像作成処理部２１に送られる。倍率変更部６は電子光学系２の倍率を変えるもので、ここでは対物レンズ２ｇ、中間レンズ２ｅ、投影レンズ２ｆに倍率制御信号を送っている。試料ホルダ３を傾斜制御する傾斜制御部５としてホルダ傾斜制御部５ｂを用いている。なお、透過型顕微鏡であっても、試料ホルダ３を傾斜制御する傾斜制御部５としてビーム傾斜制御部に相当する構成要素を用いても良い。
【００６７】
このように構成された装置においても、第１の実施の形態と同様に検出した生の画像を偏位修正画像に修正して立体視できるようにする。偏位修正画像に修正する態様としては、図６、図１０に示すように基準テンプレートを用いて偏位修正パラメータを取得し、その後試料のステレオ画像を処理するものと、図１１に示すように試料の基準マークを用いて直接ステレオ画像を処理するものとがある。
【００６８】
なお、上記実施の形態においては、電子顕微鏡としてビーム傾斜制御部により電子線を偏向させてステレオ画像を得る方式と、ホルダ傾斜制御部により試料を傾斜させてステレオ画像を得る方式との両方式が採用できる構成となっているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ビーム傾斜制御部とホルダ傾斜制御部の何れか一方を備える電子顕微鏡としても、データ処理装置は対処できる。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電子線装置用データ処理装置によれば、電子線装置に接続されるデータ処理装置であって、電子線装置での測定条件を受け取る測定条件判別部と、試料を保持する試料ホルダと電子線源の照射する電子線とを相対的に傾斜させた際の、複数傾斜角度での試料から出射される電子線検出部で検出した電子線検出データを受取り、測定条件判別部で判別する測定条件に基づいて、試料の形態を立体的に測定する形状測定部とを備える構成としているので、電子線装置での測定条件に応じて適切な条件で試料の形態を立体的に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ３本の同じ長さの直線パターンが等間隔に存在している被写体に対して所定の傾斜角度で撮影した画像の説明図である。
【図２】 図１（Ａ）、（Ｂ）の傾斜画像を偏位修正画像に修正したステレオ画像の説明図である。
【図３】 本発明の第１の実施の形態を説明する構成ブロック図で、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。
【図４】 試料若しくは基準テンプレート基板に形成する基準マークの説明図である。
【図５】 試料若しくは基準テンプレート基板に基準マークを作成する手順を示す流れ図である。
【図６】 基準テンプレートを用いて偏位修正パラメータを取得する処理の流れ図である。
【図７】 画像相関処理の説明図である。
【図８】 中心投影の説明図である。
【図９】 平行投影の説明図である。
【図１０】 偏位修正パラメータを用いて試料のステレオ画像を処理する手順の流れ図である。
【図１１】 試料に存在する基準マークを用いてステレオ画像の観察を行う手順の流れ図である。
【図１２】 ３ｘ３画素用の画像鮮鋭化処理の微分オペレータである。
【図１３】 特徴点の抽出処理後に、画像作成処理部により作成された画像をブロック分けする場合の説明図である。
【図１４】 基準マークの形成された試料面の一例を示す平面図である。
【図１５】 本発明の第２の実施の形態を説明する構成ブロック図で、試料ホルダの傾斜角度を変えて走査型顕微鏡のステレオ画像を得る場合を示している。
【図１６】 本発明の第３の実施の形態を説明する構成ブロック図で、試料ホルダの傾斜角度を変えて透過型顕微鏡のステレオ画像を得る場合を示している。
【符号の説明】
１ 電子線源
２ 電子光学系
３ 試料ホルダ
４ 電子線検出部
５ データ修正部
５ａ ビーム傾斜制御部
５ｂ ホルダ傾斜制御部
６ 倍率変更部
７ 電子線
９ 試料
１０ 電子線装置
２０ データ処理装置
２１ 画像作成処理部
２２ 表示装置
２３ 基準マークパターン発生器
２５ 測定条件判別部
３１ データ修正部
３１ａ 偏位修正パラメータ取得手段
３１ｂ 画像データ偏位修正手段
３２ 形状測定部
３３ 立体画像観察部
３４ ステレオ画像記憶部
【産業上の利用分野】
この発明は、電子顕微鏡により得られた画像をステレオ観察可能な画像としたり、試料の形状を求めたりする電子線装置用データ処理装置、電子線装置のステレオ測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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ステレオ観察が行われている。また、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（「医学・生物学電子顕微鏡観察法」第278頁〜第299頁、1982年刊行参照）。そして、肉眼においてステレオ観察をする場合のように、試料の概括的な凸凹形状を観察する用途には十分な画像が得られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
他方、異なる傾斜角度の画像から左右画像を得てステレオ観察を行って、試料の正確な三次元形状の計測を行う場合には、電子顕微鏡の電子レンズ系における収差の影響や試料の傾斜角度、或いは電子線の傾斜角度を数秒程度の非常に正確な角度で制御する必要がある。しかしながら、従来の傾斜角度は数度若しくは数分程度の概括的な制御しか行われておらず、左右画像の立体視から正確な三次元形状の計測を行うには不十分であるという課題があった。
【０００４】
本発明は、上述した課題を解決したもので、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て、試料の三次元形状計測を行うことができる電子線装置用データ処理装置、電子線装置のステレオ測定方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成する本発明の電子線装置用データ処理装置は、図３、図１５、並びに図１６に示すように、電子線装置１０に接続されるデータ処理装置２０であって、電子線装置１０での測定条件を受け取る測定条件判別部２５と、試料ホルダ３と照射電子線７とを相対的に傾斜させた際の、電子線検出部４で検出した複数傾斜角度での検出データを受取り、測定条件判別部２５で判別する測定条件に基づいて、試料９の形態を立体的に測定する形状測定部３２とを備えている。ここで、電子線装置１０は、電子線７を放射する電子線源１と、電子線７を試料９に照射する電子光学系２と、試料９を保持する試料ホルダ３と、試料ホルダ３と照射電子線７とを相対的に傾斜させる試料傾斜部と、試料９から出射される電子線７ｄを検出する電子線検出部４とを有する。
【０００６】
ここで、試料傾斜部は、試料ホルダ３の傾斜角度を制御して、試料９を照射電子線７に対して傾斜させるホルダ傾斜制御部５ｂを用いて構成されていてもよい。或いは、試料傾斜部は、照射電子線７を試料９に対して傾斜して照射するように電子光学系２を制御するビーム傾斜制御部５ａを用いて構成されていてもよい。また、電子線検出部４は、試料９から出射される二次電子を検出するように構成されていると、走査型電子顕微鏡として好ましい。
【０００７】
試料ホルダ３と照射電子線７とが第１及び第２の相対的傾斜角度をなす状態は、図３に示すように、ビーム傾斜制御部５ａを用いる場合には第１の相対的傾斜角度では照射電子線７Ｒとなり、第２の相対的傾斜角度では照射電子線７Ｌとなる。また、図１５並びに図１６に示すように、ホルダ傾斜制御部５ｂを用いる場合には第１の相対的傾斜角度では試料ホルダ３の傾斜角度Ｒとなり、第２の相対的傾斜角度では試料ホルダ３の傾斜角度Ｌとなる。
【０００８】
好ましくは、測定条件判別部２５は、電子線装置１０の種類、又は電子光学系２の倍率の少なくとも一方の情報を用いて測定条件の判別を行う構成とすると、複数傾斜角度での検出データを矯正する演算形態が適切に選択できる。電子線装置１０の種類としては、透過型電子顕微鏡や走査型電子顕微鏡の別がある。電子光学系２の倍率としては、低倍率と高倍率の区別があり、例えば複数傾斜角度での検出データを矯正する演算形態として、中心投影と平行投影のどちらを選択するかの要素として用いる。電子光学系２の倍率は、電子線装置１０に設けられる倍率変更部６の倍率指定信号から定める。
【０００９】
好ましくは、試料９は基準位置となる基準マークを有し、形状測定部３２は、複数傾斜角度での検出データに含まれる基準マークに基づいて、複数傾斜角度での検出データに含まれる傾斜による歪みと縮尺の相違が矯正された状態で、試料９の形態を立体的に測定する構成とすると、試料９に設けられた基準マークを用いて複数傾斜角度での検出データを偏位修正データに矯正した状態で試料９の形態を立体的に測定できる。基準マークは、試料９に電子線７を照射して形成したり、試料９に既に存在するパターン等の特徴点を用いる。
【００１０】
好ましくは、データ処理装置２０は、基準テンプレートの基準マークを用いて、試料ホルダ３と照射電子線７との複数傾斜角度での検出データに含まれる傾斜による歪みと縮尺の相違を矯正する為の偏位修正パラメータ取得手段３１ａと、取得した偏位修正パラメータを用いて、試料９の複数傾斜角度での検出データに含まれる傾斜による歪みと縮尺の相違を矯正する画像データ偏位修正手段３１ｂと、画像データ偏位修正手段で矯正された複数傾斜角度での検出データを用いて、試料９の形態を立体的に測定する形状測定部３２を備える構成とすると、基準マークの形成された基準テンプレートにより偏位修正パラメータを取得することができ、試料９に基準マークを形成したり、特徴点を抽出したりする必要がなく、効率的に試料９の正確な形態の立体的測定が行える。
【００１１】
好ましくは、本発明の電子線装置用データ処理装置は、さらに基準テンプレートの基準マークは、少なくとも２種類の高さに関連付けて設けられており、偏位修正パラメータ取得手段３１ａは更に電子光学系２のレンズ歪を補正するレンズ歪補正パラメータを取得し、画像データ偏位修正手段３１ｂは、更にレンズ歪補正パラメータを用いて、複数傾斜角度での検出データに含まれるレンズ歪を矯正する構成とすると、形状測定部３２はレンズ歪も補正した試料９の正確な形態の立体的測定が行える。
【００１２】
上記課題を達成する本発明の電子線装置のステレオ測定方法は、図１１に示すように、試料９には基準位置となる基準マークが作成されており（Ｓ３１１、Ｓ３１４）、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状態において、電子線検出部４で第１の検出データを検出し（Ｓ３１６）、試料ホルダ３と照射電子線７とが第２の相対的傾斜角度をなす状態において、電子線検出部４で第２の検出データを検出し（Ｓ３１６）、第１及び第２の検出データに含まれる基準マークに基づいて、第１及び第２の検出データに含まれる第１及び第２の相対的傾斜角度の相違による歪みと縮尺の相違を矯正し（Ｓ３２２、Ｓ３２６）、試料９の形態を立体的に測定する（Ｓ３３０）工程を有している。
【００１３】
上記課題を達成する本発明の電子線装置のステレオ測定方法は、図６に示すように、試料９の代わりに、基準位置となる基準マークが作成された基準テンプレート４０を試料ホルダ３に挿入し（Ｓ２０４）、試料ホルダ３と照射電子線７とが第１及び第２の相対的傾斜角度をなす状態において、電子線検出部４で基準テンプレート４０に対する第１及び第２の検出データを検出し（Ｓ２０６）、前記基準マークを用いて、第１及び第２の検出データに含まれる前記第１及び第２の相対的傾斜角度の相違による歪みと縮尺の相違を矯正する為の偏位修正パラメータを取得する（Ｓ２０８，Ｓ２１０）工程を有している。
【００１４】
続いて、図１０に示すように、試料９を試料ホルダ３に挿入し（Ｓ２５２）、試料ホルダ３と照射電子線７とが第１及び第２の相対的傾斜角度をなす状態において、電子線検出部４で試料９に対する第１及び第２の検出データを検出し（Ｓ２５４）、取得した偏位修正パラメータを用いて、試料９の第１及び第２の相対的傾斜角度の相違による歪みと縮尺の相違を矯正し（Ｓ２５８、Ｓ２６０）、試料９の形態を立体的に測定する（Ｓ２６４）工程を有している。
【００１５】
【発明の実施の形態】
［ステレオ画像を用いた三次元形状測定の原理］
まず、本発明の電子線装置を説明する前に、傾斜角の異なった画像を立体視可能な画像に偏位修正し、立体観察を行うと同時に三次元計測を行う測定原理について説明する。図１は３本の同じ長さの直線パターンが等間隔に存在している被写体に対して所定の傾斜角度で撮影したステレオ画像の説明図で、図１（Ａ）は０度（平行）、図１（Ｂ）は１０度傾斜している場合を示している。平行の場合、図１（Ａ）に示すように、等間隔ｄで同じ長さｌの直線パターンが映っていた場合、１０度に傾いた画像では、図１（Ｂ）に示されるように異なる間隔ｄ１２，ｄ２３で、異なる長さｌ１、ｌ２、ｌ３となる。
【００１６】
図１（Ａ）と図１（Ｂ）の画像をステレオメーター（視差測定かん）で立体視しようとしても、立体視ができないばかりでなく、視差差の測定に基づく比高の正確な計測もできないという課題がある。さらに三次元計測するために画像相関処理によるステレオマッチングを行おうとしても、左右画像の傾斜角度が異なるために旨くいかないという課題がある。
【００１７】
図２は図１（Ａ）、（Ｂ）の傾斜画像を偏位修正画像に修正したステレオ画像の説明図で、図２（Ａ）、（Ｂ）共に平行状態に偏位修正している場合を示している。偏位修正された結果、傾いて撮影された図１（Ａ）、（Ｂ）の傾斜画像は対象物に対して平行となり、縮尺も等しくなって縦視差が除去されて、図２（Ａ）、（Ｂ）に示されるように立体視が可能となる。立体視可能なステレオ画像は、同一エピポーラライン上にある左右画像の対応点を求めることにより正確な三次元座標が求めることができるようになる。偏位修正画像を作成するためには、２枚の画像上で最低３点以上の既知の基準点座標が画像上に必要である。
【００１８】
また、それら基準点から、二つの画像の傾き、位置（これらを外部標定要素と呼ぶ）等を算出することができる。これら外部標定要素が最初から判っていれば偏位修正処理を行うことができる。本発明においては、偏位修正画像を作成するために基準点となる基準マークを有する基準テンプレートを予め作成、若しくは試料面上を電子線で撮影中に試料に基準点となる基準マークを作成し、画像の偏位修正処理によるデータ修正をして外部標定要素を求めるものである。偏位修正処理後のステレオ画像は、立体視可能であると同時に三次元計測も可能な状態となっている。
【００１９】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態を図面により説明する。図３は本発明の第１の実施の形態を説明する構成ブロック図で、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。図において、走査型顕微鏡としての電子線装置１０は、電子線７を放射する電子線源１、電子線７を試料９に照射する電子光学系２、試料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を検出する検出器４、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、試料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、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は、第１の実施の形態で用いないが、後で説明する第２の実施の形態で用いる。
【００２０】
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。
【００２１】
試料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、試料９は−２．４ｋＶに印加されている。試料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。なお、試料９をマースポテンシャルにした場合には、二次電子は霧のように振る舞いエネルギが弱く、検出器４で直接検出することができ、２次電子変換ターゲット８は不要である。
【００２２】
データ処理装置２０は、画像作成処理部２１、表示装置２２、基準マークパターン発生器２３、測定条件判別部２５、データ修正部３１、形状測定部３２、立体画像観察部３３、並びにステレオ画像記憶部３４を有している。画像作成処理部２１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。表示装置２２は画像作成処理部２１で作成された画像をオペレータが観察できるように表示するもので、例えばＣＲＴや液晶パネルが用いられる。表示装置２２は通常の一画面モニタでもよく、ステレオ表示可能なモニタでもよく、或いは両方備えていてもよい。
【００２３】
基準マークパターン発生器２３は、電子線７を制御して試料９に基準マークを作成するものである。好ましくは、基準マークパターン発生器２３に、予め試料９の面上からパターン形状やエッチングパターン等から特徴点を抽出し、既に存在する特徴点では不足する場合に基準マークを作成すべき位置と個数を定める機能も持たせるとよい。基準テンプレートに基準マークを作成する場合にも、基準マークパターン発生器２３に基準マークの作成数と作成位置を記憶させておくとよい。
【００２４】
測定条件判別部２５は、電子線装置１０の種類、並びに電子光学系２の倍率のの情報を用いて測定条件の判別を行う。電子線装置１０の種類としては、透過型電子顕微鏡や走査型電子顕微鏡の別がある。電子光学系２の倍率としては、低倍率と高倍率の区別があり、例えばデータ修正部３１において複数傾斜角度での検出データを矯正する演算形態として、中心投影と平行投影のどちらを選択するかの要素として用いる。
【００２５】
データ修正部３１は、画像作成処理部２１で作成した画像を偏位修正画像に修正して立体視可能なステレオ画像とするもので、リアルタイムで偏位修正画像に修正する場合は直接、画像作成処理部２１から電子顕微鏡１０での測定条件を受け取っている。なお、電子顕微鏡１０での測定条件は、一旦ステレオ画像記憶部３４に画像を記憶させている場合は、測定条件判別部２５から受取っても良く、またステレオ画像記憶部３４に画像と共に記憶された電子顕微鏡１０での測定条件を用いても良い。形状測定部３２は、データ修正部３１により修正されたステレオ画像に基づき試料９の三次元形状を測定する。立体画像観察部３３は、データ修正部３１により修正されたステレオ画像に基づき試料９の立体的な画像を形成する。ステレオ画像記憶部３４は、画像作成処理部２１で作成した画像を記憶すると共に、データ修正部３１により修正されたステレオ画像を記憶するもので、例えば磁気ハードディスク、ＣＲ−ＲＯＭ、フロッピーディスク、光磁気ディスクのような情報記憶媒体に画像データを記憶している。なお、ステレオ画像記憶部３４が、画像作成処理部２１で作成した偏位修正されていない画像を記憶する場合は電子顕微鏡１０での測定条件も記憶しておくと良い。
【００２６】
データ修正部３１は、基準位置となる基準マークを有する試料９を用いて直接データ修正する場合と、基準マークを有する基準テンプレートを用いて試料９のデータ修正をする場合の二通りに対処している。試料９が基準位置となる基準マークを有する場合は、データ修正部３１は基準マークを用いて、ステレオの検出データを偏位修正データに修正する。
【００２７】
基準マークを有する基準テンプレートを用いて試料９のデータ修正をする場合に備えて、データ修正部３１は偏位修正パラメータ取得手段３１ａと画像データ偏位修正手段３１ｂとを有している。偏位修正パラメータ取得手段３１ａは、基準テンプレートの基準マークを用いて、ステレオの検出データを得る試料ホルダ３と照射電子線７との相対的傾斜角度における偏位修正パラメータを取得する。ここで、ステレオの検出データとは、試料ホルダ３と照射電子線７とが第１及び第２の相対的傾斜角度をなす状態において、電子線検出部４で試料９に対する第１及び第２の検出データを検出することを言う。画像データ偏位修正手段３１ｂは、取得した偏位修正パラメータを用いて、試料９のステレオの検出データを偏位修正データに修正する。
【００２８】
図４は試料若しくは基準テンプレート基板に形成する基準マークの説明図で、（Ａ）は四隅に基準マークを有する平面図、（Ｂ）は格子状に基準マークを有する平面図、（Ｃ）はレンズ歪補正用の基準テンプレートの断面図である。試料９の場合には、四隅に基準マーク９ａを形成すると、データ修正部３１による偏位修正が行いやすい。基準マーク９ａは試料９のなるべく広い範囲に３点以上形成すると使用しやすい。基準マーク９ａとは、三次元位置が既知の基準点である。基準テンプレート４０であっても、四隅に基準マークを形成してよい。基準テンプレート４０とは、ステレオ画像を形成する基準面となる平坦面を有するもので、好ましくは試料９を構成する材料と同一の組成成分を有し、凸凹のない平坦なものがよい。基準テンプレート基板４０ｂとは、基準マークを作成して基準テンプレート４０とする基板である。
【００２９】
基準テンプレート４０の場合は、基準マーク４０ａを基準テンプレート基板４０ｂの任意の位置に形成できるので、例えば格子状に基準マークを形成する。格子状に基準マークを設けると、外部標定要素に加えて電子線のレンズ歪まで補正するのに用いることができる。電子線のレンズ歪を補正する場合は、平坦な基準テンプレートの場合には複数方向から撮影する必要がある。図４（Ｃ）のように基準テンプレートに段差を付けて、且つこの段差方向の縁に格子状に基準マークを設けると、基準マークに高さ成分が含まれる為、電子線のレンズ歪が正確に補正できる。なお、レンズ歪にはザイデル収差である球面収差、コマ収差、湾曲収差、非点収差、歪み収差等があり、色収差として軸上収差、倍率色収差、回転色収差がある。
【００３０】
［試料若しくは基準テンプレート基板に基準マークを作成する方法］
続いて、試料若しくは基準テンプレート基板に基準マークを作成する方法について説明する。試料９や基準テンプレート基板４０ｂの場合には、基準マークパターン発生器２３を用いて電子線７を位置決めして照射することでコンタミネーション、欠陥等を試料９面上に形成して基準マークとすることができる。電子線７を用いることで、基準マークは非常に精密な位置決め精度で試料９や基準テンプレート基板４０ｂに形成される。
【００３１】
コンタミネーションは試料上の炭化水素の分子が電子線照射により焼き付く現象で、その大きさは、電子線のプローブ径に依存するが、電子線密度、照射時間が大きいほど、コンタミ量は多くなり、ほぼ裾野を持つ円錐状に育つ。従ってプローブをゆっくり走査させると、コンタミネーションはその走査の形状に沿って付くようになる。コンタミネーションを任意の形状や任意の分布をさせるには、その形状に従って電子線プローブを走査して一定時間保持する。コンタミネーションを作成する場合、その大きさをビーム径、電流値等で電子線密度、照射時間を制御する。画像処理しやすくするために、基準マークは、画像上で１０画素以上とするのが望ましく、照射するビーム径を画素以上にする。好ましくは、基準マークパターン発生器２３に電子線照射制御の最適値を設定しておく。
【００３２】
コンタミネーションが付きやすい時は、照射系の一部に電子線７をカットするビームブランキングを設けて、電子線の走査に伴う移動の時は、電子線７が試料９に当たらなくするとよい。また、検出器４から得られる二次電子信号のレベルを基準マークパターン発生器２３に帰還して、電子線７の照射時間を調整することによりコンタミネーションの量を制御することができる。
【００３３】
図５は試料若しくは基準テンプレート基板に基準マークを作成する手順を示す流れ図である。まず、基準マークを作成する試料９若しくは基準テンプレート基板４０ｂを試料ホルダ３に収容し、基準マークパターン発生器２３に基準マークを作成する位置を読み込ませる（Ｓ１００）。そして、電子線源１から電子線７を照射しつつ、走査レンズ２ｃにより電子線７を試料９若しくは基準テンプレート基板４０ｂの面上でスキャンさせる（Ｓ１０２）。次に、電子線７の照射位置が、予めプログラムされた基準マークの作成位置か確認する（Ｓ１０４）。基準マークの作成位置であれば、電子線７をその位置で停止させ（Ｓ１０６）、電子線７を照射させる（Ｓ１０８）。ここで検出器４によって得られた信号が予め設定された閾値以上か判定し、閾値以上となるまで基準マークの作成位置にて照射し続ける（Ｓ１１０）。閾値以上となると、基準マークを所定数作成したか確認する（Ｓ１１２）。仮に所定数に達していなければ、Ｓ１０２に戻り、再び電子線７をスキャンさせ、所定数の基準マークを作成していれば終了する（Ｓ１１４）。
【００３４】
なお、図４（Ｃ）のように基準テンプレート基板４０ｂに段差の形状があって、コンタミネーションを段差上に付ける場合は次のように行う。まず、基準テンプレート基板４０ｂの段差の作製は、レジストの露光、エッチングを繰り返すことにより任意の形状で段差を作ることが可能である。電子顕微鏡は焦点深度が高いため段差の任意の場所に電子線プローブをとどめることにより、電子線プローブが止まったところにコンタミネーションの基準マークを作ることが可能である。
【００３５】
このように作成された基準テンプレートを用いて偏位修正パラメータを取得する処理手順について説明する。図６は基準テンプレートを用いて偏位修正パラメータを取得する処理の流れ図である。まず、電子顕微鏡の倍率を決定する（Ｓ２０２）。これによって中心投影か平行投影かを決定する。なお、中心投影と平行投影については後で説明する。次に、基準マークを有する基準テンプレート４０を試料ホルダ３にセットする（Ｓ２０４）。外部標定要素を補正する場合は、基準マークが３点以上の基準テンプレート４０を用い、レンズ歪補正まで行う場合は基準マークが多数作成されている方の基準テンプレート４０を使用する。ただし、外部標定要素のみであっても、基準マークが多数作成されている基準テンプレート４０を使用することもできる。また、レンズ歪補正を正確に行う場合は、段差付きの基準テンプレート４０が望ましい。
【００３６】
試料ホルダ３と照射電子線７とが第１及び第２の相対的傾斜角度をなす状態において、電子線検出部４で基準テンプレート４０に対する第１及び第２の検出データを検出する（Ｓ２０６）。外部標定要素の補正であれば、この第１及び第２の相対的傾斜角度は試料９を計測するのと同じ角度とし、少なくとも２方向以上の傾斜角度にて撮影する。レンズ歪補正を行う場合は、試料９を計測するのと同じ２方向の傾斜角度に加えて、第３の傾斜角度（例えばプラス３方向）から撮影する。次に、撮影された画像から画像相関処理等を用いて基準マークを抽出して、計測する（Ｓ２０８）。
【００３７】
図７は画像相関処理の説明図である。図中、探索画像Ｔは縦Ｎ１、横Ｎ１で左上座標が(a,b)となっている小さな矩形図である。対象画像Ｉは縦Ｍ、横Ｍの大きな矩形図である。画像相関処理は、正規化相関法や残差逐次検定法（ＳＳＤＡ法）など、どれを用いてもよい。残差逐次検定法を使用すれば処理が高速化できる。残差逐次検定法は次式を用いる。
【数１】
【００３８】
再び図６に戻り、基準マークを用いて、ステレオの検出データを得る試料ホルダ３と照射電子線７との相対的傾斜角度における偏位修正パラメータの計算を行う（Ｓ２１０）。計測された基準マークの画像座標と実際の座標から、中心投影の場合は後述する式（２）〜（４）を使って偏位修正パラメータを算出する。平行投影の場合は式（５）、（６）を使って偏位修正パラメータを算出する。レンズ歪補正まで行う場合は、式（７）を使って偏位修正パラメータを算出する。そして、試料ホルダ３から基準テンプレート４０を取り出して、偏位修正パラメータの取得が完了する（Ｓ２１２）。
【００３９】
［平行投影と中心投影］
電子顕微鏡では倍率が低倍率〜高倍率（ex.数倍〜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。中心投影と平行投影とを切替える倍率は、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倍乃至10000倍から適宜選択される。図８は中心投影の説明図である。中心投影の場合、投影中心点Ｏｃを基準にして試料９の置かれる対象座標系５０と、検出器４の置かれる画像座標系５２が図８のような位置関係にある。対象座標系５０における基準マークのような対象物の座標を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、投影中心点Ｏｃの座標を（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）とする。画像座標系５２における座標を（ｘ，ｙ）、投影中心点Ｏｃから画像座標系５２までの画面距離をＣとする。このとき、中心投影式として次式が成立する。
【００４０】
【数２】
【数３】
【数４】
図９は平行投影の説明図である。平行投影の場合は、中心投影の投影中心点Ｏｃに相当する点がない。そこで、対象座標系５４として回転を考慮した座標系（ＸＲ，ＹＲ，ＺＲ）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。
【数５】
【数６】
【００４２】
偏位修正パラメータの算出においては、式（２）〜（４）又は式（５）、（６）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、Ｓ２１０において、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（２）〜（４）又は式（５）、（６）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。
【００４３】
［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まで求める場合は、さらに複数の基準マークを用意し、複数方向からの画像を得ることにより式（７）、（８）によって補正することが可能となる。即ち、式（２）〜（４）又は式（５）、（６）でさらに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 ・・・…（７）
ｙ'＝ｙ＋Δｙ
ここで、ｋ１、ｋ２を放射方向レンズ歪み係数とすると、Δｘ、Δｙは次式により表される。
【数７】
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。また、レンズ歪係数は、式（８）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（８）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。
【００４５】
続いて、偏位修正パラメータを取得した後で、試料のステレオ画像を処理する処理手順について説明する。図１０は偏位修正パラメータを用いて試料のステレオ画像を処理する手順の流れ図である。まず、観察・計測したい試料９を試料ホルダ３にセットする（Ｓ２５２）。続いて、ビーム傾斜制御部５ａにより、電子線７の試料ホルダ３に対する傾斜角を２つ以上にして、電子線検出部４で試料９に対する第１及び第２の検出データを検出し、ステレオ撮影を行って画像を取り込む（Ｓ２５４）。この２つ以上の傾斜角は、Ｓ２０６において偏位修正パラメータを取得するのに用いた、試料ホルダ３と照射電子線７とがなす第１及び第２の相対的傾斜角度と同じ角度とする。
【００４６】
次に、倍率変更部６の設定倍率により、試料９の撮影は中心投影か平行投影かを判別する（Ｓ２５６）。中心投影の場合には、偏位修正パラメータとしての６つの外部標定要素ω、φ、κ、Ｘｏ、Ｙｏ、Ｚｏを用いて、対象座標に該当する画像座標を式（２）〜（４）に代入して求め、それをステレオ表示したい立体画像観察部３３の座標系に変換して、再配列を行えば、データ修正部３１により検出器４で検出するステレオ画像の偏位修正画像を作成することができる（Ｓ２５８）。平行投影の場合には、６つの外部標定要素ω、φ、κ、Ｘｏ、Ｙｏ、Ｚｏを用いて、対象座標に該当する画像座標を式（５）、（６）に代入して求め、それをステレオ表示したい立体画像観察部３３の座標系に変換して、再配列を行えば、データ修正部３１により検出器４で検出するステレオ画像の偏位修正画像を作成することができる（Ｓ２６０）。
【００４７】
そして、偏位修正パラメータによって偏位修正されたステレオ画像は一旦ステレオ画像記憶部３４に記録されると共に、立体画像観察部３３で立体表示する（Ｓ２６２）。なお、立体画像観察部３３のような立体モニタがない場合は、代替手段として表示部２２の１画面上に２画像表示すると、オペレータ側の対処で立体視が可能となる。
【００４８】
次に、形状測定部３２により、データ修正部３１により修正されたステレオ画像に基づき試料９の三次元計測したい箇所を計測する（Ｓ２６４）。三次元計測は立体表示させた左右画像を計測することにより（横視差を求める）、三角測量の原理により算出される。左右画像の計測はマニュアル、或いは画像相関処理等を用いて行うことができる。
【００４９】
そして、測定終了であるか判断し（Ｓ２６６）、測定を継続するのであれば既に求めてある偏位修正パラメータが利用できるか判断する（Ｓ２６７）。同じ倍率で別試料を測定する場合と、違う倍率で測定を行う場合であっても電子顕微鏡の倍率再現性があるときは、既に求めてある偏位修正パラメータを利用して、Ｓ２５２に戻って計測を繰り返す。電子顕微鏡に倍率再現性がない場合、或いは経時変化がある場合は、既に求めてある偏位修正パラメータが利用できないので、図６のＳ２０２に戻り、最初から基準テンプレート４０を使用して倍率に応じた偏位修正パラメータを算出する。測定終了の場合は試料９を試料ホルダ３から抜いて終了する（Ｓ２６８）。
【００５０】
図１１は試料に存在する基準マークを用いてステレオ画像の観察を行う手順の流れ図である。まず、試料９を試料ホルダ３に挿入する（Ｓ３０２）。続いて、倍率変更部６により試料９を観察又は計測する倍率を設定する（Ｓ３０４）。そして、設定した倍率にて電子線７により試料９の面上をプリスキャンする（Ｓ３０６）。プリスキャンにより検出器４が二次電子を検出して、画像作成処理部２１により画像が作成される。基準マークパターン発生器２３では、画像作成処理部２１により作成された画像から特徴点を抽出する（Ｓ３０８）。ここで、特徴点とは基準マークのように偏位修正パラメータの算出に適する位置に存在する明認できるマークである。
【００５１】
［特徴点の抽出処理］
ここで、基準マークパターン発生器２３で行う特徴点の抽出処理について説明する。入力画像をｆ（ｉ，ｊ）、入力画像のラプラシアンを∇２ｆ（ｉ，ｊ）とすると、画像の鮮鋭化処理が行われる。
ｇ（ｉ，ｊ）＝ｆ（ｉ、ｊ）−∇２ｆ（ｉ，ｊ） ・・・…（９）
ここで、ｇ（ｉ，ｊ）は鮮鋭化画像である。また、入力画像のラプラシアン∇２ｆ（ｉ，ｊ）に関しては、ラプラシアン・オペレータ、線検出オペレータ等のいろいろな形の微分オペレータがある。
【００５２】
図１２は３ｘ３画素用の画像鮮鋭化処理の微分オペレータで、（Ａ）はラプラシアン・オペレータ、（Ｂ）は線検出オペレータである。中心の画素に重い重み付けをし、隣接する画素に軽い重み付けをすることで鮮鋭化処理を行っている。なお、画像鮮鋭化処理の微分オペレータは、図１２の３ｘ３画素用微分オペレータにガウス曲線による重み付けの修正を施したものとしてもよい。
【００５３】
画像の鮮鋭化処理の次に、エッジ抽出処理が行われる。エッジ抽出処理は、鮮鋭化画像の濃度値のゼロ交差点をエッジとすることにより行うことができる。すなわち、ゼロとなった点のみを画像化する、或いはゼロを境にしてプラス領域を白、マイナス領域を黒とすることにより画像化される。
【００５４】
また、式（９）を用いたデジタル画像処理に代えて、下式に示されるような計算処理によって求めてもよい。
【数８】
【００５５】
図１１に戻り、基準マークパターン発生器２３では、特徴点の位置と数が十分か判断し（Ｓ３１０）、十分であれば特徴点を基準マークとして扱う（Ｓ３１１）。不十分であれば既存の特徴点を基準マークとして扱うと共に、追加して形成すべき基準マークの位置決定をし（Ｓ３１２）、基準マークパターン発生器２３により基準マークを作成する（Ｓ３１４）。特徴点の位置と数が十分か否か判断するために、画像作成処理部２１により作成された画像をブロック分けしてから判断するとよい。
【００５６】
図１３は特徴点の抽出処理後に、画像作成処理部により作成された画像をブロック分けする場合の説明図である。画像作成処理部２１により作成された画像は、例えば４個のブロックＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに区分する。好ましくは、画像のブロック分けは各ブロックに１個若しくは２個の特徴点が存在するように定めると共に、各ブロックの面積と形状は均等になるようにするとよい。もし、あるブロックに特徴点が存在しない場合は、基準マークの作成位置を決める。
【００５７】
図１４は基準マークの形成された試料面の一例を示す平面図である。試料９は既に所定のパターン９ｂを有する半導体基板とする。試料９の画像の四隅には基準マーク９ａが形成されている。このような基準マーク９ａは、試料面を対象画像Ｉとし、標準的な基準マークを有する探索画像Ｔにてマッチングをとることで、容易に検出できる。
【００５８】
図１１に戻り、ビーム傾斜制御部５ａにて電子線７の傾斜角を制御して電子線７Ｒ、７Ｌを切替えて、画像作成処理部２１に画像を必要枚数取り込む（Ｓ３１６）。倍率変更部６で設定される倍率により、データ修正部３１にて中心投影により偏位修正パラメータを算出するのか、平行投影により偏位修正パラメータを算出するのか選択する（Ｓ３１８）。続いて、画像中の基準マークの座標を検出する（Ｓ３２０、Ｓ３２４）。図１３に示すように、基準マークがどのブロックにあるか予め判っているので、図７及び図１４に示すように、画像相関処理によってその領域を探索、検出する。
【００５９】
データ修正部３１は、検出された基準マークの画像座標の座標から、中心投影の場合は前述した式（２）〜（４）を使って偏位修正パラメータを算出する。そして、偏位修正パラメータとしての６つの外部標定要素ω、φ、κ、Ｘｏ、Ｙｏ、Ｚｏを用いて、対象座標に該当する画像座標を式（２）〜（４）に代入して求め、それをステレオ表示したい立体画像観察部３３の座標系に変換して、再配列を行えば、データ修正部３１により検出器４で検出するステレオ画像の偏位修正画像を作成することができる（Ｓ３２２）。
【００６０】
平行投影の場合は前述した式（５）、（６）を使って偏位修正パラメータを算出する。レンズ歪補正まで行う場合は、式（７）を使って偏位修正パラメータを算出する。そして、６つの外部標定要素ω、φ、κ、Ｘｏ、Ｙｏ、Ｚｏを用いて、対象座標に該当する画像座標を式（５）、（６）に代入して求め、それをステレオ表示したい立体画像観察部３３の座標系に変換して、再配列を行えば、データ修正部３１により検出器４で検出するステレオ画像の偏位修正画像を作成することができる（Ｓ３２６）。
【００６１】
続いて、ステレオ画像の偏位修正画像を立体画像観察部３３に表示して、立体観察可能とする（Ｓ３２８）。次に、形状測定部３２により、データ修正部３１により修正されたステレオ画像に基づき試料９の三次元計測したい箇所を計測する（Ｓ３３０）。そして、測定終了であるか判断し（Ｓ３３２）、さらに同じ倍率で別試料を測定する場合、或いは倍率を変更して行う場合は、Ｓ３０４に戻って計測を繰り返す。測定終了の場合は試料９を試料ホルダ３から抜いて終了する（Ｓ３３４）。ここで、倍率を変更して同じ試料９を計測する場合、基準マークを既に作成してあるので、それが特徴点として使用可能かは、Ｓ３０８の特徴抽出処理にて判定して使用可能であれば使用する。使用できなければ、基準マークを新たに作成する（Ｓ３１２、Ｓ３１４）。
【００６２】
なお、図１１に示す処理は画像作成処理部２１を介して自動で行う実施の形態を示したが、表示装置２２にプリスキャン画像を表示しながらオペレータがマニュアルにて実行してもよい。
【００６３】
［第２の実施の形態］
図１５は本発明の第２の実施の形態を説明する構成ブロック図で、試料ホルダの傾斜角度を変えて走査型顕微鏡のステレオ画像を得る場合を示している。第２の実施の形態では、試料ホルダ３を傾斜制御する傾斜制御部５としてホルダ傾斜制御部５ｂを用いており、ビーム傾斜制御部５ａは作動させない。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。試料９を所定角度（±θ）傾けて検出器４で撮影することは、試料９を固定して電子線７を所定角度（±θ）傾けて照射し、検出器４で撮像することと等価となる。
【００６４】
このように構成された装置においても、第１の実施の形態と同様に検出した生の画像を偏位修正画像に修正して立体視できるようにする。偏位修正画像に修正する態様としては、図６、図１０に示すように基準テンプレートを用いて偏位修正パラメータを取得し、その後試料のステレオ画像を処理するものと、図１１に示すように試料の基準マークを用いて直接ステレオ画像を処理するものとがある。
【００６５】
［第３の実施の形態］
図１６は本発明の第３の実施の形態を説明する構成ブロック図で、試料ホルダの傾斜角度を変えて透過型顕微鏡のステレオ画像を得る場合を示している。電子線装置１０が透過型顕微鏡であるため、電子線検出部４ａ、４ｂが試料ホルダ３を挟んで電子線源１の反対側にある。電子光学系２は、電子線７を試料９に照射する第１の電子光学系と、試料９を透過した電子線７をＣＣＤ(Charge-coupled devices)等の検出器４ａに導く第２の電子光学系を有している。第１の電子光学系として、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が設けられている。第２の電子光学系として、結像レンズ系の初段にある対物レンズ２ｇ、対物レンズ２ｇの像面に作られる像、あるいは後焦点面に作られる回折像を拡大・投影する中間レンズ２ｅと投影レンズ２ｆが設けられている。
【００６６】
検出器４ａの検出信号はＣＣＤ制御部４ｂを介して画像作成処理部２１に送られる。倍率変更部６は電子光学系２の倍率を変えるもので、ここでは対物レンズ２ｇ、中間レンズ２ｅ、投影レンズ２ｆに倍率制御信号を送っている。試料ホルダ３を傾斜制御する傾斜制御部５としてホルダ傾斜制御部５ｂを用いている。なお、透過型顕微鏡であっても、試料ホルダ３を傾斜制御する傾斜制御部５としてビーム傾斜制御部に相当する構成要素を用いても良い。
【００６７】
このように構成された装置においても、第１の実施の形態と同様に検出した生の画像を偏位修正画像に修正して立体視できるようにする。偏位修正画像に修正する態様としては、図６、図１０に示すように基準テンプレートを用いて偏位修正パラメータを取得し、その後試料のステレオ画像を処理するものと、図１１に示すように試料の基準マークを用いて直接ステレオ画像を処理するものとがある。
【００６８】
なお、上記実施の形態においては、電子顕微鏡としてビーム傾斜制御部により電子線を偏向させてステレオ画像を得る方式と、ホルダ傾斜制御部により試料を傾斜させてステレオ画像を得る方式との両方式が採用できる構成となっているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ビーム傾斜制御部とホルダ傾斜制御部の何れか一方を備える電子顕微鏡としても、データ処理装置は対処できる。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電子線装置用データ処理装置によれば、電子線装置に接続されるデータ処理装置であって、電子線装置での測定条件を受け取る測定条件判別部と、試料を保持する試料ホルダと電子線源の照射する電子線とを相対的に傾斜させた際の、複数傾斜角度での試料から出射される電子線検出部で検出した電子線検出データを受取り、測定条件判別部で判別する測定条件に基づいて、試料の形態を立体的に測定する形状測定部とを備える構成としているので、電子線装置での測定条件に応じて適切な条件で試料の形態を立体的に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ３本の同じ長さの直線パターンが等間隔に存在している被写体に対して所定の傾斜角度で撮影した画像の説明図である。
【図２】 図１（Ａ）、（Ｂ）の傾斜画像を偏位修正画像に修正したステレオ画像の説明図である。
【図３】 本発明の第１の実施の形態を説明する構成ブロック図で、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。
【図４】 試料若しくは基準テンプレート基板に形成する基準マークの説明図である。
【図５】 試料若しくは基準テンプレート基板に基準マークを作成する手順を示す流れ図である。
【図６】 基準テンプレートを用いて偏位修正パラメータを取得する処理の流れ図である。
【図７】 画像相関処理の説明図である。
【図８】 中心投影の説明図である。
【図９】 平行投影の説明図である。
【図１０】 偏位修正パラメータを用いて試料のステレオ画像を処理する手順の流れ図である。
【図１１】 試料に存在する基準マークを用いてステレオ画像の観察を行う手順の流れ図である。
【図１２】 ３ｘ３画素用の画像鮮鋭化処理の微分オペレータである。
【図１３】 特徴点の抽出処理後に、画像作成処理部により作成された画像をブロック分けする場合の説明図である。
【図１４】 基準マークの形成された試料面の一例を示す平面図である。
【図１５】 本発明の第２の実施の形態を説明する構成ブロック図で、試料ホルダの傾斜角度を変えて走査型顕微鏡のステレオ画像を得る場合を示している。
【図１６】 本発明の第３の実施の形態を説明する構成ブロック図で、試料ホルダの傾斜角度を変えて透過型顕微鏡のステレオ画像を得る場合を示している。
【符号の説明】
１ 電子線源
２ 電子光学系
３ 試料ホルダ
４ 電子線検出部
５ データ修正部
５ａ ビーム傾斜制御部
５ｂ ホルダ傾斜制御部
６ 倍率変更部
７ 電子線
９ 試料
１０ 電子線装置
２０ データ処理装置
２１ 画像作成処理部
２２ 表示装置
２３ 基準マークパターン発生器
２５ 測定条件判別部
３１ データ修正部
３１ａ 偏位修正パラメータ取得手段
３１ｂ 画像データ偏位修正手段
３２ 形状測定部
３３ 立体画像観察部
３４ ステレオ画像記憶部
Claims (6)
- 電子線を放射する電子線源、前記電子線を試料に照射する電子光学系、前記試料を保持する試料ホルダ、前記試料ホルダと前記照射電子線とを相対的に傾斜させる試料傾斜部、前記試料から出射される電子線を検出する電子線検出部とを有する電子線装置と接続される電子線装置用データ処理装置であって；
前記電子線検出部で検出される電子線を用いて、試料面上の画像を作成する画像作成処理部と；
前記画像作成処理部で作成された画像を修正する演算形態として、中心投影と平行投影のどちらを選択するかの判別要素として用いる前記電子光学系の倍率を受け取る測定条件判別部と；
前記画像作成処理部で作成された画像を修正するデータ修正部と；
前記試料傾斜部により前記試料ホルダと前記照射電子線とを相対的に傾斜させた際の検出データであって、前記データ修正部で修正された画像に基づいて、前記試料の形態を立体的に測定する形状測定部と；
を備え、
前記データ修正部は、前記測定条件判別部で受け取った電子光学系の倍率によって選択された演算形態で画像を修正する、
電子線装置用データ処理装置。 - 前記試料は基準位置となる基準マークを有し；
前記データ修正部は、前記複数傾斜角度での検出データに含まれる基準マークに基づいて、前記複数傾斜角度での検出データに含まれる前記傾斜による歪みと縮尺の相違を修正する；
請求項１に記載の電子線装置用データ処理装置。 - 前記データ修正部は、基準テンプレートの基準マークを用いて、前記複数傾斜角度での検出データに含まれる前記傾斜による歪みと縮尺の相違を矯正する為の偏位修正パラメータを取得する偏位修正パラメータ取得手段と；
前記取得した偏位修正パラメータを用いて、前記複数傾斜角度での検出データに含まれる前記傾斜による歪みと縮尺の相違を修正する画像データ偏位修正手段とを有する；
請求項１に記載の電子線装置用データ処理装置。 - 前記基準テンプレートの基準マークは、少なくとも２種類の高さに関連付けて設けられており；
前記偏位修正パラメータ取得手段は、更に前記電子光学系のレンズ歪を補正するレンズ歪補正パラメータを取得し；
前記画像データ偏位修正手段は、更に前記レンズ歪補正パラメータを用いて、前記複数傾斜角度での検出データに含まれるレンズ歪を修正する；
請求項３に記載の電子線装置用データ処理装置。 - 電子線を放射する電子線源と；
前記電子線を試料に照射する電子光学系と；
前記試料を保持する試料ホルダと；
前記試料ホルダと前記照射電子線とを相対的に傾斜させる試料傾斜部と；
前記試料から出射される電子線を検出する電子線検出部と；
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電子線装置用データ処理装置を備える；
電子線装置。 - 電子線を放射する電子線源、前記電子線を試料に照射する電子光学系、前記試料を保持する試料ホルダ、前記試料ホルダと前記照射電子線とを相対的に傾斜させる試料傾斜部、前記試料から出射される電子線を検出する電子線検出部を有する電子線装置を用いて、前記試料の形状を測定する為の電子線装置のステレオ測定方法であって；
前記電子光学系の倍率より、前記電子線検出部で得た検出データを修正する演算形態が中心投影か平行投影かのどちらなのか判別する工程と；
前記試料傾斜部により前記試料ホルダと前記照射電子線とを相対的に傾斜させた際に前記電子線検出部で得た検出データによる画像を、判別された演算形態によって修正する工程と；
修正された前記画像に基づいて、前記試料の形態を立体的に測定する工程とを備える；
電子線装置のステレオ測定方法。
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