JP7323574B2 - 荷電粒子線装置および画像取得方法 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線装置および画像取得方法に関する。

走査電子顕微鏡では、細く絞った電子線を試料上で走査し、電子の照射によって試料から放出された電子を検出して、ＳＥＭ像を取得することができる。

このような走査電子顕微鏡では、例えば、複数の検出領域を備えた分割型検出器を用いて、試料表面の傾斜角度の情報を得ることができる。例えば、特許文献１には、光軸に関して対称に配置された４つの検出領域を有する分割型検出器を用いて、試料の３次元構造を再構築する手法が開示されている。

例えば、４つの検出領域でそれぞれ独立して電子を検出することによって４つのＳＥＭ像を取得し、４つのＳＥＭ像の同一座標におけるコントラストの差を計算することによって、試料表面の傾斜角度を求めることができる。また、各座標の傾斜角度を積分することで、試料表面の形状を再構築できる。

特開２０１９－２０４７０６号公報

しかしながら、上述した試料表面の傾斜角度を求める手法では、試料表面の傾斜角度が大きくなると、傾斜角度を正確に求めることができない。これは、試料表面の傾斜角度が大きくなると、傾斜角度の変化に対して各検出領域で検出される信号量の変化が小さくなるためのである。このように、試料表面に傾斜角度が大きい部分があると、試料表面の形状を正確に再構築できない場合がある。

本発明に係る荷電粒子線装置の一態様は、
荷電粒子線で試料上を走査し、前記試料から放出される荷電粒子を検出して走査像を取得する荷電粒子線装置であって、
前記荷電粒子線を放出する荷電粒子線源と、
前記荷電粒子線で前記試料を走査する照射光学系と、
前記試料から放出された荷電粒子を検出する複数の検出部と、
前記複数の検出部から出力される複数の検出信号に基づいて、試料表面の形状を再構築する画像処理部と、
を含み、
前記画像処理部は、
前記複数の検出信号に基づいて、前記試料表面の傾斜角度を求める処理と、
前記走査像に基づいて、前記試料表面の高さを求める処理と、
前記試料表面の傾斜角度および前記試料表面の高さに基づいて、前記試料表面の形状を再構築する処理と、
を行い、
前記画像処理部は、
前記試料表面の高さを求める処理において、
前記走査像に基づいて、前記試料の第１領域の前記試料表面の高さを求め、
前記試料表面の形状を再構築する処理において、
前記第１領域の前記試料表面の高さおよび前記試料表面の傾斜角度に基づいて、前記第１領域と隣り合う第２領域の前記試料表面の高さを求める。

このような荷電粒子線装置では、例えば、試料表面の傾斜角度のみから試料表面の形状
を再構築する場合と比べて、より正確に試料表面の形状を再構築できる。

本発明に係る画像取得方法の一態様は、
荷電粒子線を放出する荷電粒子線源と、
前記荷電粒子線で試料を走査する照射光学系と、
前記試料から放出された荷電粒子を検出する複数の検出部と、
を含む荷電粒子線装置における画像取得方法であって、
前記複数の検出部から出力される複数の検出信号に基づいて、試料表面の傾斜角度を求める工程と、
前記荷電粒子線で前記試料上を走査し、前記試料から放出される荷電粒子を検出して走査像を取得する工程と、
前記走査像に基づいて、前記試料表面の高さを求める工程と、
前記試料表面の傾斜角度および前記試料表面の高さに基づいて、前記試料表面の形状を再構築する工程と、
を含み、
前記試料表面の高さを求める工程において、
前記走査像に基づいて、前記試料の第１領域の前記試料表面の高さを求め、
前記試料表面の形状を再構築する工程において、
前記第１領域の前記試料表面の高さおよび前記試料表面の傾斜角度に基づいて、前記第１領域と隣り合う第２領域の前記試料表面の高さを求める。

このような画像取得方法では、例えば、試料表面の傾斜角度のみから試料表面の形状を再構築する場合と比べて、より正確に試料表面の形状を再構築できる。

本発明の一実施形態に係る走査電子顕微鏡の構成を示す図。 分割型検出器を模式的に示す平面図。 試料表面の傾斜角度と検出領域で検出される信号量の関係を説明するための図。 傾斜マップを説明するための図。 傾斜マップから求めた、試料表面の形状を示す図。 試料表面の高さを求める手法を説明するための図。 傾斜マップを示す図。 傾斜マップから試料表面の形状を求めた結果の一例を示す図。 焦点距離Ｚ_Ａ、焦点距離Ｚ_Ｂ、および傾斜マップから試料表面の形状を求めた結果の一例を示す図。 画像処理部の処理の一例を示すフローチャート。 焦点位置の異なる３つのＳＥＭ像を示す図。 合焦点位置を求める手法を説明するための図。 小領域のヒストグラムの一例を示す図。 小領域のヒストグラムの一例を示す図。 Ｚマップの一例を示す図。 Ｚマップと傾斜マップを示す表。 試料の表面形状を再構築する手法を説明するための表。 試料の表面形状を再構築する手法を説明するための表。 試料の表面形状を再構築する手法を説明するための表。 Ｘ－Ｚ画像を示す図。 Ｚマップの一例を示す図 試料の表面形状を再構築する手法の一例を説明するための表。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

また、以下では、本発明に係る荷電粒子線装置として、電子線を照射して試料から放出
される電子を検出して走査像を取得する走査電子顕微鏡を例に挙げて説明する。なお、本発明に係る荷電粒子線装置は電子線以外の荷電粒子線（イオンビーム等）を照射して試料から放出される荷電粒子を検出して走査像を取得する装置であってもよい。

１． 走査電子顕微鏡の構成
まず、本発明の一実施形態に係る走査電子顕微鏡について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る走査電子顕微鏡１００の構成を示す図である。

走査電子顕微鏡１００は、電子線で試料１０１上を走査し、試料１０１から放出される電子を検出して、走査像を取得する。走査像は、電子線などのプローブで試料１０１を走査し、試料１０１から発生した信号を検出して得られる像である。

走査電子顕微鏡１００は、図１に示すように、電子源（荷電粒子線源の一例）１０と、照射光学系２０と、試料ステージ３０と、二次電子検出器４０と、分割型検出器５０と、走査信号発生器６０と、増幅器６１，６２，６３，６４，６５と、信号調整器６６と、信号取得部７０と、信号変換器７２と、操作部８０と、表示部８２と、記憶部８４と、画像処理部９０と、を含む。

電子源１０は、電子を発生させる。電子源１０は、例えば、陰極から放出された電子を陽極で加速し電子線を放出する電子銃である。

照射光学系２０は、電子源１０から放出された電子線を集束し、集束された電子線で試料１０１を走査する。照射光学系２０は、収束レンズ２２と、対物レンズ２４と、走査偏向器２６と、を含む。

収束レンズ２２は、対物レンズ２４とともに、電子源１０から放出された電子線を収束させて電子プローブを形成する。収束レンズ２２によって、電子プローブの径やプローブ電流（照射電流量）を制御することができる。

対物レンズ２４は、試料１０１の直前に配置された電子プローブを形成するためのレンズである。対物レンズ２４は、例えば、コイルと、ヨークと、を含む。対物レンズ２４では、コイルで作られた磁力線を、透磁率の高い材料で作られたヨークに閉じ込め、ヨークの一部に切欠きを作ることで、高密度に分布した磁力線を光軸ＯＡ上に漏洩させる。

走査偏向器２６は、収束レンズ２２と対物レンズ２４とによって形成された電子プローブを偏向させる。走査偏向器２６は、電子プローブで試料１０１上を走査するために用いられる。走査偏向器２６は、走査信号発生器６０が発生させた走査信号に応じて駆動し、電子線を偏向させる。この結果、電子プローブで試料１０１上を走査できる。

試料ステージ３０には、試料１０１が載置される。試料ステージ３０は、試料１０１を支持している。試料ステージ３０は、試料１０１を移動させるための駆動機構を有している。

二次電子検出器４０は、試料１０１に電子線が照射されることによって試料１０１から放出された二次電子を検出する。二次電子検出器４０は、検出された電子の量に応じた信号量の検出信号を出力する。二次電子検出器４０は、例えば、シンチレーター（蛍光物質）と、光電子増倍管と、を含む。二次電子検出器４０では、入射した電子はシンチレーターによって光に変換され、光電子増倍管によって電子に変換され増幅されて電流として検出される。

分割型検出器５０は、試料１０１に電子線が照射されることによって試料１０１から放出された電子（例えば、反射電子）を検出する。分割型検出器５０は、例えば、半導体検出器である。分割型検出器５０は、対物レンズ２４と試料ステージ３０との間に配置されている。

図２は、分割型検出器５０を模式的に示す平面図である。分割型検出器５０は、図２に示すように、４つの検出領域（第１検出領域５２、第２検出領域５４、第３検出領域５６、第４検出領域５８）を有している。４つの検出領域５２，５４，５６，５８は、それぞれ独立して電子を検出可能である。すなわち、４つの検出領域５２，５４，５６，５８の各々が、検出された電子の量に応じた信号量の検出信号を出力する検出部として機能する。分割型検出器５０では、第１検出領域５２から第１検出信号が出力され、第２検出領域５４から第２検出信号が出力され、第３検出領域５６から第３検出信号が出力され、第４検出領域５８から第４検出信号が出力される。

図２に示す例では、円環状の検出面を円周方向に分割することで、４つの検出領域５２，５４，５６，５８が形成されている。分割型検出器５０には、電子線を通過させる孔が設けられている。分割型検出器５０では、４つの検出領域５２，５４，５６，５８が光軸ＯＡに関して対称に配置されている。４つの検出領域５２，５４，５６，５８は、光軸ＯＡに垂直な面内に配置されている。すなわち、４つの検出領域５２，５４，５６，５８は、光軸ＯＡに垂直な面内において、光軸ＯＡに関して対称に配置されている。４つの検出領域５２，５４，５６，５８の面積は、例えば、互いに等しい。

なお、検出領域の形状や、分割数は、図２に示す例に限定されない。例えば、検出領域の数は２以上であればよい。また、分割型検出器５０のかわりに、検出領域が１つの電子検出器を複数配置してもよい。この場合、１つの電子検出器が１つの検出部を構成する。

また、図１に示す例では、分割型検出器５０が対物レンズ２４の直下に配置されているが、分割型検出器５０は、試料１０１から放出された反射電子を検出することができればその位置は特に限定されない。

例えば、図示はしないが、走査電子顕微鏡１００において、対物レンズ２４として、レンズの磁場を積極的に試料１０１付近まで発生させることで低加速電圧での分解能を向上させたレンズ（いわゆるシュノーケルレンズ）を用いた場合、分割型検出器５０を対物レンズ２４内に配置してもよい。この場合、試料１０１から放出された電子は対物レンズ２４の中心穴を通過して対物レンズ２４内に到達しやすいためである。

走査電子顕微鏡１００では、電子源１０から放出された電子線を収束レンズ２２および対物レンズ２４によって収束して電子プローブを形成し、走査偏向器２６で電子線を偏向させることによって、電子プローブで試料１０１上を走査する。これにより、試料１０１から電子（二次電子や反射電子）が放出される。試料１０１から放出された二次電子は、二次電子検出器４０で検出され、試料１０１から放出された反射電子は、分割型検出器５０で検出される。

二次電子検出器４０から出力された二次電子検出信号は、増幅器６５で増幅される。第１検出領域５２から出力された第１検出信号は、増幅器６１で増幅される。第２検出領域５４から出力された第２検出信号は、増幅器６２で増幅される。第３検出領域５６から出力された第３検出信号は、増幅器６３で増幅される。第４検出領域５８から出力された第４検出信号は、増幅器６４で増幅される。増幅器６１，６２，６３，６４，６５における検出信号の増幅率およびオフセット量等は、信号調整器６６により調整される。

信号取得部７０は、増幅器６５で増幅された二次電子検出信号を取得する。信号取得部７０は、増幅器６１，６２，６３，６４で増幅された第１～第４検出信号を取得する。また、信号取得部７０は、走査信号発生器６０からの走査信号を受け付けて、試料１０１における電子線の照射位置の情報を取得する。信号取得部７０では、二次電子検出信号が電子線の照射位置の情報に関連づけられる。信号取得部７０では、第１～第４検出信号が電子線の照射位置の情報に関連づけられる。信号取得部７０は、例えば、専用回路により実現できる。

信号取得部７０から出力された検出信号は、信号変換器７２において画像処理部９０で読み取り可能な信号に変換される。画像処理部９０では、信号変換器７２で変換された検出信号に基づいてＳＥＭ像が生成される。例えば、画像処理部９０は、二次電子検出信号から二次電子像を生成し、第１～第４検出信号から反射電子像を生成する。画像処理部９０は、電子線の照射位置を座標（Ｘ，Ｙ）、その照射位置で検出された信号量を輝度（明るさ）で表しＳＥＭ像を生成する。例えば、画像処理部９０は、照射位置ごとに第１～第４検出信号の信号量の総和を計算し、信号量の総和を輝度で表すことで反射電子像を生成する。ＳＥＭ像は、二次電子像および反射電子像を含む。

操作部８０は、ユーザーからの指示を信号に変換して画像処理部９０に送る処理を行う。操作部８０は、例えば、ボタン、キー、タッチパネル型ディスプレイ、マイクなどの入力機器により実現できる。

表示部８２は、画像処理部９０で生成された画像を出力する。表示部８２は、例えば、ＬＣＤ（liquid crystal display）などのディスプレイにより実現できる。

記憶部８４は、画像処理部９０が各種の計算処理を行うためのプログラムやデータ等を記憶している。また、記憶部８４は、画像処理部９０のワーク領域として用いられる。記憶部８４は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、およびハードディスクなどにより実現できる。

画像処理部９０は、上述したように、二次電子像および反射電子像を含むＳＥＭ像を生成する。また、画像処理部９０は、第１～第４検出信号に基づいて、試料表面の傾斜角度を求める。また、画像処理部９０は、ＳＥＭ像に基づいて、試料表面の高さを求める。画像処理部９０は、試料表面の傾斜角度および試料表面の高さに基づいて、試料表面の形状を再構築する。画像処理部９０の処理の詳細については後述する。

画像処理部９０の機能は、各種プロセッサー（ＣＰＵ（Central Processing Unit）など）でプログラムを実行することにより実現できる。なお、画像処理部９０の機能の少なくとも一部を、ＡＳＩＣ（ゲートアレイ等）などの専用回路により実現してもよい。

２． 画像取得方法
２．１． 原理
走査電子顕微鏡１００では、分割型検出器５０を用いることによって、試料１０１の３次元形状を再構築できる。具体的には、分割型検出器５０の４つの検出領域５２，５４，５６，５８で４つのＳＥＭ像を取得する。４つのＳＥＭ像のコントラストの差は、試料表面１０２の傾斜角度を反映しているため、同一座標の４つの信号量の差（コントラストの差）を計算して試料表面１０２の傾斜角度を求めることができる。したがって、４つのＳＥＭ像から傾斜マップを作成できる。傾斜マップにおいて試料表面の傾斜角度を積分すると、傾斜マップの各位置（座標）の高さを求めることができる。これにより、試料表面の３次元形状を再構築できる。

ここで、上述した分割型検出器５０を用いて試料表面の傾斜角度を求める手法では、傾斜角度が大きくなると、傾斜角度の誤差が大きくなってしまう。例えば、傾斜角度が７０°以上になると、この手法では誤差が大きくなってしまう。

そのため、本実施形態における画像取得方法では、試料表面１０２の高さの情報を用いて傾斜角度の誤差を補正し、試料表面の形状を再構築する。以下、本実施形態における画像取得方法の原理をより詳細に説明する。

２．１．１． 試料表面の傾斜角度を求める
図３は、試料表面の傾斜角度と検出領域で検出される信号量の関係を説明するための図である。ここでは、対称な位置に配置された２つの検出領域（第１検出領域５２と第３検出領域５６）で検出される信号量の関係について説明する。図３では、試料１０１から放出される電子の量を矢印の大きさで示している。

図３に示すように、試料表面１０２が傾斜している場合、試料１０１から放出された電子（散乱電子）は、試料表面１０２が傾斜している方向に多く放出される。そのため、図３に示す例では、試料表面１０２が傾斜している方向に位置している第１検出領域５２から出力される第１検出信号の信号量が第３検出領域５６から出力される第３検出信号の信号量よりも大きくなる。第１検出信号と第３検出信号の信号量の差は、試料表面１０２の傾斜角度が大きくなるほど大きくなる。そのため、当該信号量の差に基づいて、試料表面１０２の傾斜角度を求めることができる。

図４は、傾斜マップＭ２を説明するための図である。図４では、試料表面１０２の傾斜角度を矢印の傾きで表している。

電子線で試料表面１０２を走査しながら、各照射位置において分割型検出器５０を用いて電子線を検出し、第１検出信号と第３検出信号の信号量の差から試料表面１０２の傾斜角度を計算する。これにより、各照射位置における試料表面１０２の傾斜角度を得ることができる。この結果、図４に示す傾斜マップＭ２を作成できる。傾斜マップＭ２は、試料表面１０２の傾斜角度のマップである。傾斜マップＭ２では、試料表面１０２の位置（座標）と、試料表面１０２の傾斜角度が対応付けられている。

図５は、傾斜マップＭ２から求めた、試料表面１０２の形状を示す図である。

図５に示すように、傾斜マップＭ２において試料表面１０２の傾斜角度を積分することによって、試料表面１０２の形状を求めることができる。

なお、上記では、２つの検出領域を用いて試料表面１０２の一方向（Ｘ方向）の傾斜角度のデータを取得したが、同様の手法により、４つの検出領域を用いて試料表面１０２の二方向（Ｘ方向およびＹ方向）の傾斜角度のデータを取得してもよい。これにより、試料表面１０２の３次元形状を再構築できる。

２．１．２． 試料表面の高さを求める
試料表面の高さを求める際には、まず、電子線の焦点位置を変えて撮影した複数のＳＥＭ像を解析し、それぞれのＳＥＭ像において合焦点している位置（合焦点位置）を求める。例えば、ＳＥＭ像中において像の鮮明さを評価し、ＳＥＭ像中において鮮明な像が得られた領域、すなわち、焦点があった像である合焦点像が得られた領域を合焦点位置とする。

合焦点位置において、対物レンズ２４の焦点距離（以下、単に「焦点距離」ともいう）
を求めることで、試料表面の高さを求めることができる。焦点距離は、対物レンズ２４の主面と電子線の焦点位置との間の距離である。焦点距離は、電子線の照射条件から計算できる。電子線の照射条件は、電子線のエネルギー（すなわち加速電圧）および照射光学系２０の条件を含む。

例えば、電子線の焦点位置を変えた複数のＳＥＭ像を取得し、それぞれのＳＥＭ像を撮影したときの電子線の照射条件から焦点距離を計算し、各ＳＥＭ像において合焦点位置を求めることで、試料表面の複数の領域で試料表面の高さを求めることができる。

図６は、試料表面の高さを求める手法を説明するための図である。図６では、試料１０１が基板１０３上に球状の粒子１０４が配置されたものである例を示している。

照射条件Ｃ_Ａの電子線でＳＥＭ像を撮影した場合、得られるＳＥＭ像では、基板１０３の表面が鮮明に観察できる。すなわち、このＳＥＭ像では、基板１０３の表面に焦点があっている。照射条件Ｃ_Ａに基づいて焦点距離Ｚ_Ａを計算することで、基板１０３の表面の高さを求めることができる。

照射条件Ｃ_Ｂの電子線でＳＥＭ像を取得した場合、得られるＳＥＭ像では、粒子１０４の頂点が鮮明に観察できる。すなわち、このＳＥＭ像では、粒子１０４の頂点に焦点があっている。照射条件Ｃ_Ｂに基づいて焦点距離Ｚ_Ｂを計算することで、粒子１０４の頂点の高さを求めることができる。

また、焦点距離Ｚ_Ａと焦点距離Ｚ_Ｂの差Ｚ_Ａ－Ｚ_Ｂを計算することによって、基板１０３の表面と粒子１０４の頂点との間の距離、すなわち、粒子１０４の高さを求めることができる。

２．１．３． 試料表面の形状の再構築
図７は、図６に示す試料１０１の傾斜マップＭ２を示す図である。

図７に示す傾斜マップＭ２では、位置Ｐ１における試料表面の傾斜角度は、０°であり、位置Ｐ２における試料表面の傾斜角度は、＋９０°であり、位置Ｐ３における試料表面の傾斜角度は、＋４５°であり、位置Ｐ４における試料表面の傾斜角度は、０°であり、位置Ｐ５における試料表面の傾斜角度は、－４５°であり、位置Ｐ６における試料表面の傾斜角度は、－９０°であり、位置Ｐ７における試料表面の傾斜角度は、０°である。なお、位置Ｐ１および位置Ｐ７は、基板１０３上に位置し、位置Ｐ２および位置Ｐ６は、粒子１０４の側面に位置し、位置Ｐ４は粒子１０４の頂点に位置している。また、位置Ｐ３は、位置Ｐ２と位置Ｐ４の間に位置し、位置Ｐ５は、位置Ｐ４と位置Ｐ６の間に位置している。

このように、球状の粒子１０４の側面では、傾斜角度が＋９０°、－９０°になる。

図８は、傾斜マップＭ２から試料表面の形状を求めた結果の一例を示す図である。

図３に示すように、２つの検出領域５２，５６の信号量の差に基づいて試料表面１０２の傾斜角度を求める場合、試料表面の傾斜角度が大きくなると、傾斜角度の変化に対して検出信号の信号量の変化が小さくなる。そのため、試料表面の傾斜角度が大きい箇所では誤差が大きくなり、図８に示すように、基板１０３の高さが粒子１０４の左右で異なったり、粒子１０４の形状が歪んだりしてしまう。

このような問題に対して、傾斜マップＭ２から試料表面の形状を求める際に、図６で求
めた試料表面の高さで補正することによって、より正確に試料表面の形状を求めることができる。

図９は、焦点距離Ｚ_Ａ、焦点距離Ｚ_Ｂ、および傾斜マップＭ２から試料表面の形状を求めた結果の一例を示す図である。

位置Ｐ１および位置Ｐ７における焦点距離Ｚ_Ａおよび位置Ｐ４における焦点距離Ｚ_Ｂが求められているとする。このとき、位置Ｐ１および位置Ｐ７の値を焦点距離Ｚ_Ａとし、位置Ｐ４の値を焦点距離Ｚ_Ｂとして、位置Ｐ１、位置Ｐ７、および位置Ｐ４を積分の計算の始点として、積分を行う。これにより、図９に示すように、より正確に試料表面の形状を求めることができる。

２．２． 画像処理部の処理
２．２．１． 画像処理部の処理の流れ
図１０は、画像処理部９０の処理の一例を示すフローチャートである。

画像処理部９０は、図１０に示すように、複数の検出領域５２，５４，５６，５８から出力される複数の検出信号に基づいて試料表面の傾斜角度を求める処理Ｓ１０と、ＳＥＭ像に基づいて試料表面の高さを求める処理Ｓ２０と、試料表面の傾斜角度および試料表面の高さに基づいて試料表面の形状を再構築する処理Ｓ３０と、を行う。なお、図１０に示す例では、試料表面の傾斜角度を求める処理Ｓ１０の後に、試料表面の高さを求める処理Ｓ２０を行っているが、処理Ｓ２０の後に、処理Ｓ１０を行ってもよい。以下、各処理について詳細に説明する。

２．２．２． 試料表面の傾斜角度を求める処理Ｓ１０
画像処理部９０は、複数の検出領域５２，５４，５６，５８から出力される複数の検出信号に基づいて試料表面の傾斜角度を求める。上述したように、走査電子顕微鏡１００では、電子線で試料表面１０２を走査しながら、各照射位置において分割型検出器５０を用いて反射電子を検出して、第１～第４検出信号を得ることができる。画像処理部９０は、照射位置ごとに、第１～第４検出信号の信号量の差に基づいて試料表面の傾斜角度を計算する。これにより、傾斜マップＭ２を得ることができる。

２．２．３． 試料表面の高さを求める処理
画像処理部９０は、異なる焦点位置で撮影された複数のＳＥＭ像に基づいて、試料表面の高さを計算する。

試料表面の高さは、互いに異なる焦点位置で撮影された複数のＳＥＭ像から求める。そのため、まず、視野中の任意の領域で像が鮮明に見えるように焦点位置を合わせる。このとき、焦点合わせは、既知のオートフォーカス技術を用いてもよいし、ユーザーが手動でフォーカスを合わせてもよい。視野中の任意の領域で焦点があったら、すなわち、視野中の任意の領域で像が鮮明に見えたら、ＳＥＭ像を撮影する。そして、このときの電子線の照射条件から焦点距離を計算する。画像処理部９０は、ＳＥＭ像および焦点距離を記憶部８４に記憶する。

次に、画像処理部９０は、焦点位置を変えて、同様にＳＥＭ像を撮影し焦点距離を求めて、ＳＥＭ像および焦点距離を記憶部８４に記憶する。焦点位置の変更は、例えば、対物レンズ２４の励磁電流を変化させることで行う。焦点位置の変更は、対物レンズ２４の励磁電流をあらかじめ設定された量だけ変化させることで行ってもよいし、先に撮影でフォーカスを合わせた領域とは異なる領域でフォーカスを合わせることで行ってもよい。

このようにして、画像処理部９０は、ＳＥＭ像の撮影、焦点距離の計算、および焦点位置の変更を繰り返すことで、ＳＥＭ像および焦点距離のデータを複数取得する。

画像処理部９０は、このようにして取得された、異なる焦点位置で撮影された複数のＳＥＭ像および各ＳＥＭ像を撮影したときの焦点距離からＺマップを作成する。

Ｚマップは、試料表面１０２の高さのマップである。Ｚマップでは、試料表面１０２の位置（座標）と、試料表面１０２の高さが対応付けられている。試料表面１０２の高さは、例えば、焦点距離に基づく値であり、焦点距離の値を試料表面１０２の高さとして用いてもよい。Ｚマップは、試料表面の全部の領域の高さを示しておらず、試料表面の一部の領域の高さを示している。

ここで、試料の最も低い位置から試料の最も高い位置まで焦点位置を変化させてＳＥＭ像を取得すれば、視野中の全領域の焦点距離を求めることができる。しかしながら、高さが大きい試料では、多数のＳＥＭ像を撮影する必要があるため、時間がかかってしまう。また、組成が均一で平坦な領域では、合焦点しているか否かの判断が難しい。そのため、視野中に組成が均一で平坦な領域があると、焦点距離を求めることができない。よって、視野中のすべての領域で試料表面の高さを求めることは困難である。そのため、Ｚマップでは、試料表面の全部の領域の高さを示しておらず、試料表面の一部の領域の高さを示している。以下、Ｚマップの作成方法について具体的に説明する。

図１１は、異なる焦点位置で撮影された３つのＳＥＭ像を示している。ＳＥＭ像Ｓ１は、焦点距離Ｚ＝９．９５で撮影されたＳＥＭ像であり、ＳＥＭ像Ｓ２は焦点距離Ｚ＝１０で撮影されたＳＥＭ像であり、ＳＥＭ像Ｓ３は焦点距離Ｚ＝１０．０５で撮影されたＳＥＭ像である。

図１２は、合焦点位置を求める手法を説明するための図である。

図１２に示すように、ＳＥＭ像を複数の小領域に分割し、各小領域内で焦点があった像（合焦点像）が得られているか否かを判断する。各小領域の大きさは、任意に設定可能である。各小領域内で合焦点像が得られているか否かは、例えば、小領域内の輝度のヒストグラムから判断できる。

図１３および図１４は、小領域のヒストグラムの一例を示す図である。図１３には、合焦点像が得られた小領域のヒストグラムを示し、図１４には、合焦点像が得られていない小領域のヒストグラムを示している。

図１３に示すように、小領域内に合焦点像が得られている場合には、ヒストグラムにピークが現れる。これに対して、図１４に示すように、小領域内に合焦点像が得られていない場合には、ヒストグラムには明瞭なピークが現れない。このように、小領域内の輝度のヒストグラムを取得し、当該ヒストグラムにピークがあるか否かで、小領域内に合焦点像が得られているか否かを判断できる。

なお、小領域内に合焦点像が得られているか否かの判断の手法はこれに限定されない。例えば、小領域ごとにフーリエ変換を行って周波数成分に分解することによって、合焦点像が得られているか否かを判断してもよい。

図１２に示すＳＥＭ像Ｓ１の小領域Ａ１では、図１３に示すヒストグラムのように、ヒストグラムにピークが現れた。そのため、小領域Ａ１において合焦点像が得られたと判断できる。これにより、小領域Ａ１は、焦点距離Ｚ＝９．９５で焦点があったと判断できる
。

図１５は、ＺマップＭ４の一例を示す図である。

ＳＥＭ像Ｓ１、ＳＥＭ像Ｓ２、およびＳＥＭ像Ｓ３の各々について、小領域の分割、小領域内に合焦点像が得られているか否かの判定、および焦点距離の計算を繰り返すことで、図１５に示すＺマップＭ４を作成できる。ＺマップＭ４では、合焦点像が得られたと判断された小領域に、焦点距離Ｚの情報が対応づけられている。ＺマップＭ４では、すべてのＳＥＭ像において合焦点像が得られていないと判断された小領域には、焦点距離の情報がない。

２．２．４． 試料表面の形状の再構築
画像処理部９０は、処理Ｓ１０で得られた試料表面の傾斜角度および処理Ｓ２０で得られた試料表面の高さに基づいて、試料表面の形状を再構築する。

図１６は、ＺマップＭ４と傾斜マップＭ２を示す表である。図１６では、便宜上、ＺマップＭ４および傾斜マップＭ２を一次元のデータとして表している。図１６に示す表において、座標は、ＳＥＭ像の座標を表している。

図１６に示すＺマップＭ４では、座標Ｘ＝４で焦点距離Ｚ＝１０、座標Ｘ＝１０で焦点距離Ｚ＝９．５が得られている。ＺマップＭ４では、焦点距離Ｚが得られた座標のみ、その値が入力されており、焦点距離Ｚが得られていない座標には値が入力されていない。なお、焦点距離Ｚが得られていない座標に、焦点距離Ｚが得られていないことを示す値（例えば、「－１」）などが入力されていてもよい。

図１６に示す傾斜マップＭ２には、便宜上、試料表面の傾斜角度から求められた、右隣の座標で示す領域との高低差が入力されている。

図１７～図１９は、ＺマップＭ４および傾斜マップＭ２から試料表面の形状を再構築する手法を説明するための表である。

まず、図１７に示すように、焦点距離が得られている座標Ｘ＝４および座標Ｘ＝１０において、表面形状の値Ｒ（すなわち、試料表面の高さを表す値）として、ＺマップＭ４の焦点距離を採用する。ＺマップＭ４で得られた値は、傾斜マップＭ２の値に比べて、信頼性が高いためである。

次に、図１８に示すように、座標Ｘ＝４の隣の座標である座標Ｘ＝３および座標Ｘ＝５において、座標Ｘ＝４における表面形状の値Ｒおよび傾斜マップＭ２の傾斜角度の値に基づいて、表面形状の値Ｒを求める。具体的には、座標Ｘ＝３では、座標Ｘ＝４における表面形状の値Ｒ＝１０から、座標Ｘ＝３の傾斜マップＭ２の値を引いて、表面形状の値Ｒ＝９．９とする。同様に、座標Ｘ＝５では、座標Ｘ＝４における表面形状の値Ｒ＝１０に、座標Ｘ＝５の傾斜マップＭ２の値を足して、表面形状の値Ｒ＝１０．１とする。

座標Ｘ＝１０の隣の座標である座標Ｘ＝９および座標Ｘ＝１１についても、同様に、表面形状の値Ｒを求める。

上記の処理を繰り返して、ＳＥＭ像の全部の座標（画素）について表面形状の値を求めることで、図１９に示すように、試料表面の形状を再構築できる。

なお、ここでは、ＺマップＭ４および傾斜マップＭ２が一次元のデータである場合につ
いて説明したが、ＺマップＭ４および傾斜マップＭ２が二次元のデータである場合も同様の手法で、表面形状を再構築できる。

以上の処理により、画像処理部９０は、試料１０１の試料表面の形状を再構築できる。

画像処理部９０は、処理Ｓ３０の後、試料１０１の試料表面の形状を再構築した画像を、表示部８２に表示する。

３． 効果
走査電子顕微鏡１００では、画像処理部９０は、複数の検出信号に基づいて試料表面の傾斜角度を求める処理と、ＳＥＭ像に基づいて試料表面の高さを求める処理と、試料表面の傾斜角度および試料表面の高さに基づいて試料表面の形状を再構築する処理と、を行う。そのため、走査電子顕微鏡１００では、例えば、試料表面の傾斜角度のみから試料表面の形状を再構築する場合と比べて、より正確に試料表面の構造を再構築できる。

上述したように、傾斜マップＭ２では、試料表面の傾斜角度が大きくなると、誤差が大きくなる。走査電子顕微鏡１００では、この誤差を試料表面の高さで補正できる。そのため、より正確に試料表面の形状を再構築できる。さらに、走査電子顕微鏡１００では、試料表面の高さの情報を用いることによって、試料表面の高低差を正確に求めることができる。

走査電子顕微鏡１００では、画像処理部９０は、試料表面の高さを求める処理において、ＳＥＭ像に基づいて、試料１０１の第１領域の試料表面の高さを求め、試料表面の形状を再構築する処理において、第１領域の試料表面の高さおよび試料表面の傾斜角度に基づいて、第１領域と隣り合う第２領域の試料表面の高さを求める。そのため、走査電子顕微鏡１００では、すべての領域の試料表面の高さを求めなくても、正確に試料表面の形状を再構築できる。

走査電子顕微鏡１００では、画像処理部９０は、試料表面の高さを求める処理において、ＳＥＭ像を複数の小領域に分割し、複数の小領域の各々において焦点があった像である合焦点像が得られた否かを判定し、電子線の照射条件に基づいてＳＥＭ像を撮影したときの焦点距離を計算し、計算された焦点距離に基づいて合焦点像が得られた小領域における試料表面の高さを求める。このように、走査電子顕微鏡１００では、ＳＥＭ像から試料表面の高さを求めることができる。

走査電子顕微鏡１００では、画像処理部９０は、第１走査像を取得する処理と、第１走査像とは異なる電子線の焦点位置で撮影された第２走査像を取得する処理と、を行い、試料表面の高さを求める処理において、第１走査像および第２走査像に基づいて試料表面の高さを計算する。そのため、走査電子顕微鏡１００では、試料表面の高さを正確に求めることができる。

走査電子顕微鏡１００では、第１走査像および第２走査像は二次電子像である。ここで、二次電子像を検出する二次電子検出器４０は、例えば、シンチレーターと、光電子増倍管と、を含む検出器である。このような検出器は、例えば、半導体検出器と比べて、応答が速く短時間で像を取得できる。そのため、異なる焦点位置で撮影されたＳＥＭ像を複数取得する場合でも、測定時間を短くできる。

走査電子顕微鏡１００における画像処理方法は、複数の検出信号に基づいて試料表面の傾斜角度を求める工程と、ＳＥＭ像に基づいて試料表面の高さを求める工程と、試料表面の傾斜角度および試料表面の高さに基づいて試料表面の形状を再構築する工程と、を含む
。そのため、例えば、試料表面の傾斜角度から試料表面の形状を再構築する場合と比べて、より正確に試料表面の形状を再構築できる。

４． 変形例
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

４．１． 第１変形例
上述した実施形態では、各小領域内で合焦点像が得られているか否かは、小領域内の輝度のヒストグラムから判断したが、合焦点像が得られているか否かを判断する手法はこれに限定されない。

例えば、焦点位置を等間隔で変化させて取得した複数のＳＥＭ像において、ＳＥＭ像の座標（Ｘ，Ｙ）と、その座標における焦点距離Ｚが対応付けられているデータであるＸＹＺデータを取得する。次に、このＸＹＺデータからＸ－Ｚ画像を生成する。

図２０は、Ｘ－Ｚ画像を示す図である。図２０に示すＸ－Ｚ画像において、横方向はＸデータを表し、縦方向はＺデータを表している。

図２０に示すように、Ｘ－Ｚ画像では、合焦点位置を頂点とした円錐形を上下につなげた形状が確認できる。これは、電子線の焦点付近の形状と試料形状が重畳されたものである。そのため、この電子線の焦点付近の形状と取得したＸＹＺデータを逆畳み込み計算することによって、焦点位置を求めることができる。

この手法では、焦点距離を求めることができる領域は、ＳＥＭ像でコントラストがつく構造がある領域のみである。

図２１は、逆畳み込み計算で求められたＺマップＭ４を示す図である。

図２１に示すように、逆畳み込み計算で焦点位置を求めることが可能な領域は、ヒストグラムから求めた場合と同様に、ＳＥＭ像の一部の領域である。

４．２． 第２変形例
上述した実施形態では、図１７～図１９に示すように、ＺマップＭ４で焦点距離Ｚが得られた座標を始点として、傾斜マップＭ２を用いて表面形状の値を求めた。

ここで、ＺマップＭ４において複数の座標で焦点距離Ｚが求められている場合、焦点距離Ｚが求められた各座標を始点として表面形状の値を求めていくと、始点ごとに表面形状の値が異なる場合がある。

図２２は、ＺマップＭ４および傾斜マップＭ２から試料の表面形状を再構築する手法の一例を説明するための表である。

図２２に示すように、座標Ｘ＝４を始点として表面形状の値を求めた表面形状Ａと、座標Ｘ＝１０を始点として表面形状の値を求めた表面形状Ｂでは、同じ座標であっても表面形状の値が異なっている。

ここで、上述したように、傾斜マップＭ２では、試料表面の傾斜角度が大きいほど値の信頼性が低い。このことを利用して、図２２に示す表から表面形状を求める。

具体的には、まず、図２２に示すように、座標Ｘ＝４を始点として表面形状の値を求めて表面形状Ａを算出し、座標Ｘ＝１０を始点として表面形状の値を求めて表面形状Ｂを算出する。次に、表面形状Ａの信頼性、および表面形状Ｂの信頼性を評価する。

信頼性の評価は、傾斜角度の大きさに応じて誤差の大きさを設定し、表面形状を求める際の積分過程で蓄積される誤差（以下、「累積誤差」ともいう）の大きさを計算することで行う。上述したように傾斜角度が大きくなるほど誤差が大きくなることから、傾斜角度に対する誤差の大きさは、傾斜マップＭ２の値の絶対値とする。

図２２に示す例では、座標Ｘ＝４では、ＺマップＭ４の値がそのまま表面形状の値として用いられるため、累積誤差は「０」となる。座標Ｘ＝３では、傾斜マップＭ２の値の絶対値を、座標Ｘ＝４の累積誤差に足して、累積誤差は「０．１」となる。また、座標Ｘ＝２では、傾斜マップＭ２の値の絶対値を座標Ｘ＝３の累積誤差に足して累積誤差は「０．３」となる。これを繰り返して、各座標の累積誤差を求める。

同様に、座標Ｘ＝１０を始点として求めた表面形状Ｂについても、各座標の累積誤差を求める。

ここで、各座標において、累積誤差が小さいほど、実際の表面形状を反映しているといえる。そのため、座標ごとに累積誤差を比較し、累積誤差の小さい方の表面形状の値を、最終的な表面形状の値とする。図２２に示す例では、座標１～８は表面形状Ａの値を採用し、座標９～１２は表面形状Ｂの値を採用している。

なお、試料表面の形状を再構築する手法は、上記の例に限定されない。上記では、表面形状の値として累積誤差の小さい方の値を採用したが、例えば、加重平均を用いて信頼性に応じて重みをつけて、表面形状Ａの値と表面形状Ｂの値の平均値を、表面形状の値として採用してもよい。また、傾斜マップＭ２だけでなくＺマップＭ４に関しても信頼性を評価し、ＺマップＭ４の値と傾斜マップＭ２の値のどちらを採用するかを決定してもよい。

４．３． 第３変形例
上述した実施形態では、本発明に係る荷電粒子線装置が走査電子顕微鏡である場合について説明したが、本発明に係る荷電粒子線装置は、走査電子顕微鏡に限定されない。本発明に係る荷電粒子線装置は、例えば、試料にイオンビームを照射して、試料から放出される電子を検出して走査像を取得する集束イオンビーム装置であってもよい。

なお、上述した実施形態及び変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば各実施形態及び各変形例は、適宜組み合わせることが可能である。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成を含む。実質的に同一の構成とは、例えば、機能、方法、及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成である。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１０…電子源、２０…照射光学系、２２…収束レンズ、２４…対物レンズ、２６…走査偏向器、３０…試料ステージ、４０…二次電子検出器、５０…分割型検出器、５２…第１検出領域、５４…第２検出領域、５６…第３検出領域、５８…第４検出領域、６０…走査信
号発生器、６１…増幅器、６２…増幅器、６３…増幅器、６４…増幅器、６５…増幅器、６６…信号調整器、７０…信号取得部、７２…信号変換器、８０…操作部、８２…表示部、８４…記憶部、９０…画像処理部、１００…走査電子顕微鏡

Claims (6)

1. 荷電粒子線で試料上を走査し、前記試料から放出される荷電粒子を検出して走査像を取得する荷電粒子線装置であって、
   前記荷電粒子線を放出する荷電粒子線源と、
   前記荷電粒子線で前記試料を走査する照射光学系と、
   前記試料から放出された荷電粒子を検出する複数の検出部と、
   前記複数の検出部から出力される複数の検出信号に基づいて、試料表面の形状を再構築する画像処理部と、
   を含み、
   前記画像処理部は、
   前記複数の検出信号に基づいて、前記試料表面の傾斜角度を求める処理と、
   前記走査像に基づいて、前記試料表面の高さを求める処理と、
   前記試料表面の傾斜角度および前記試料表面の高さに基づいて、前記試料表面の形状を再構築する処理と、
   を行い、
   前記画像処理部は、
   前記試料表面の高さを求める処理において、
   前記走査像に基づいて、前記試料の第１領域の前記試料表面の高さを求め、
   前記試料表面の形状を再構築する処理において、
   前記第１領域の前記試料表面の高さおよび前記試料表面の傾斜角度に基づいて、前記第１領域と隣り合う第２領域の前記試料表面の高さを求める、荷電粒子線装置。
2. 請求項１において、
   前記画像処理部は、
   前記試料表面の高さを求める処理において、
   前記走査像を複数の小領域に分割し、
   前記複数の小領域の各々において、焦点があった像である合焦点像が得られた否かを判定し、
   前記荷電粒子線の照射条件に基づいて前記走査像を撮影したときの焦点距離を計算し、
   計算された前記焦点距離に基づいて前記合焦点像が得られた小領域における前記試料表面の高さを求める、荷電粒子線装置。
3. 請求項１または２において、
   前記画像処理部は、
   前記荷電粒子線で前記試料を走査して得られた、第１走査像を取得する処理と、
   前記荷電粒子線で前記試料を走査して得られた、前記第１走査像とは異なる前記荷電粒子線の焦点位置で撮影された第２走査像を取得する処理と、
   を行い、
   前記試料表面の高さを求める処理において、前記第１走査像および前記第２走査像に基づいて、前記試料表面の高さを求める、荷電粒子線装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
   前記試料から放出された二次電子を検出する二次電子検出器を含み、
   前記走査像は、二次電子像である、荷電粒子線装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
   前記複数の検出部は、光軸に関して対称に配置されている、荷電粒子線装置。
6. 荷電粒子線を放出する荷電粒子線源と、
   前記荷電粒子線で試料を走査する照射光学系と、
   前記試料から放出された荷電粒子を検出する複数の検出部と、
   を含む荷電粒子線装置における画像取得方法であって、
   前記複数の検出部から出力される複数の検出信号に基づいて、試料表面の傾斜角度を求める工程と、
   前記荷電粒子線で前記試料上を走査し、前記試料から放出される荷電粒子を検出して走査像を取得する工程と、
   前記走査像に基づいて、前記試料表面の高さを求める工程と、
   前記試料表面の傾斜角度および前記試料表面の高さに基づいて、前記試料表面の形状を再構築する工程と、
   を含み、
   前記試料表面の高さを求める工程において、
   前記走査像に基づいて、前記試料の第１領域の前記試料表面の高さを求め、
   前記試料表面の形状を再構築する工程において、
   前記第１領域の前記試料表面の高さおよび前記試料表面の傾斜角度に基づいて、前記第１領域と隣り合う第２領域の前記試料表面の高さを求める、画像取得方法。

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