JPH01211849A - 走査型電子顕微鏡画像からの３次元形状の再構成法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、走査型電子顕微鏡を用いた微細加工面、精密
加工面の３次元形状の計測方法および装置に関するもの
である。

［従来の技術］ 金属、プラスチックなどの加工表面の微細形状寸法を測
定するために、走査型電子顕微鏡（以下。

ＳＥＭということがある）が用いられることがある。同
顕微鏡は平面的な形状寸法の計測には好適に使用されて
いるが、立体的な形状の寸法測定はそのままでは困難で
あり、種々工夫が試みられている。

第５図は昭和６０年度精機学会秋季大会学術講演会論文
集講演Ｎα２１２「走査電子顕微鏡による表面形状測定
」として提案された測定装置のブロック図であって、ｌ
は電子銃、２は走査コイル、３は第１の２次電子検出器
、４は第２の２次電子検出器、５は試料、６は加算／減
算回路、７はＡ／Ｄ変換器、８はマイクロコンピュータ
、９はプロフィル表示器、１０は画像表示器、１１は増
帽器、１２は走査発生器である。

この第５図の測定装置は、ＳＥＭに、電子銃１からの電
子ビームで照射された試料５の表面で反射した２次電子
を検出する、２個の２次電子検出器３，４を設置し、各
々の信号の和及び差が加算／減算回路６で演算され、画
像表示器１０に送られる。和信号による像は通常のＳＥ
Ｍ画像と同等であり、差信号による像は試料５の凹凸に
特に敏感な像になる。２個の２次電子検出器３，４の出
力はＡ／Ｄ変換器７を介してマイコン８にも取込まれビ
ーム照射点での試料５のＸ方向の勾配θがｔａｎθ＝Ｋ
・（Ａ”−Ｂ”）／（Ａｎ＋Ｂｎ）”で求められる。こ
こに、Ａ、Ｂは２個の２次電子検出器３，４の出力、Ａ
ｎ、Ｂｎは本測定前に予備測定しておいた凹凸がなく水
平な基準試料面における２個の２次電子検出器３，４の
出力である。

次に勾配θをビーム走査方向（Ｘ方向）に積分すること
によって、試料５の断面形状が得られ、プロフィル表示
器９に表示される。

［解決しようとする課題］ しかしながら、この従来の検出装置にはいくつかの問題
点がある。

（１）２個の２次電子検出器３．４を結ぶ方向の勾配し
か測定できず、３次元形状の再構成ができない。

（２）角や頂点等微分不能な箇所が含まれると積分操作
ができず全面測定不能となる。

（３）ステップ（段差）が存在すると、その高さは測定
不能である。

表面欠陥や結晶等のＷＡ祭においては（２）、（３）項
は致命的である。

（４）第２の２次電子検出器４を真空容器内に必要とす
るので、既存のＳＥＭを用いて実施できない（大規模な
改造または専用のＳＥＭの設置が必要）。

本発明は上記の問題点を解決しようとするもので、既存
のＳＥＭを改造することなく、視野全面あるいは特定の
領域について３次元的な形状情報を得ることのできるＳ
ＥＭ画像からの３次元形状の再構成法および装置を提供
することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明の走査型電子顕微鏡画像からの３次元形状の再構
成法は、試料面を異なる２つの角度から走査型電子顕微
鏡により撮像し、それぞれの角度について得られた各画
像から濃淡の変化のある２つの特徴点をそれぞれ求めた
後に、各画像ごとに求められた２つの特徴点の対応関係
を求めて、対応する特徴点どうしの位置関係と上記具な
る２つの角度とに基づいて前記特徴点についての３次元
座標を演算すること、あるいは、 本発明の走査型電子顕微鏡画像からの３次元形状の再構
成装置は、一方の走査型電子顕微鏡画像に対して高さを
測定したい点の付近の点を教示するポインティングデバ
イスと、前記教示された点の周辺の第１の画像領域内の
濃淡変化に基づく特徴画像および特徴点を求める第１の
フィルタと、前記教示された点の対応点が存在すると予
想される他方の前記走査型電子顕微鏡画像内の範囲を包
含する第２の画像領域を設定する設定器と、前記設定さ
れた第２の画像領域内の濃淡変化に基づく特徴画像を求
める第２のフィルタと、前記２つの特徴画像から前記特
徴点に対する対応点を求める相関器と、前記特徴点と対
応点の間の位置ずれ量と前記異なる２つの角度とから前
記高さを測定したい点の高さを求める演算器とが設けら
れたことを特徴としている。

［作用］ ＳＥＭで撮像する試料を電子ビームに対して傾ける（電
子ビームと直交から傾ける）と、−殻内な場合に比し撮
像画像に歪みが生ずる。この歪み量は傾ける角度による
と共に、試料面に高低の差があればそれにも比例する。

本発明においては、ＳＥＭ撮像時に、試料面を電子ビー
ムに対して両方向に傾けて撮影し、それらの画像から、
濃淡の変化する特徴点複数個を抽出して、両画面に共通
対応する特徴点を見出して、それを試料の同一点の映像
と解釈し、両画面上の座標の差から試料面上の高低を演
算するものである。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を図面により詳細に説明する。

第１図（ａ）、（ｂ）は、一実施例の走査型電子顕微鏡
画像からの３次元再構成装置の撮像装置の模式的な側面
図であって、１３は電子銃、１４は電子銃１３から発生
した電子ビーム、１５は電子ビーム１４を偏向走査する
偏向コイル、１６は表面微細形状寸法を計測される試料
、１７は試料１６を傾斜して保持する傾斜治具、１８は
電子ビーム１４を照射された試料１６から発生する反射
電子または２次電子を検出する検出器である。なお、こ
れらの装置１３〜１８は傾斜治具１７を除きＳＥＭに一
般的に設置されているものである。

第２図は同実施例としての走査電子顕微鏡画像からの３
次元形状再構成装置の画像処理装置の制御ブロック図で
あって、１９は前記ＳＥＭ（１３〜１８）、２０は画像
を走査しデジタル信号に変換出力するイメージスキャナ
、２１は画像処理を担当するパーソナルコンピュータで
あり、イメージスキャナ２０よりの画像信号を取り込み
メモリ上に配列すると共にカラー画像デイスプレィ３１
の画面左右に表示する画像入力インタフェース２２、カ
ラー画像デイスプレィ３１の画面左画像内にマウス２９
により教示される左特徴画像および特徴点抽出領域Ｗｌ
を設定する第１の定数メモリ２３、第１の定数メモリに
準じて右画像内に特徴画像抽出領域Ｗｒを設定する第２
の定数メモリ２４、Ｗｌ内の濃淡変化に基づいて左特徴
画像および特徴点を求める第１のフィルタ２５、Ｗｒ内
での濃淡変化に基づいて右特徴画像を求める第２のフィ
ルタ２６、左右の特徴画像から特徴点に対する対応点を
求める相関器２７．対応する点間の位置ずれから基準面
よりの高さを求める演算器２８とよりなっている。

２９は位置量の入力用のポインティングデバイスとして
のマウス、３０は表示用のデジタル画像データを保持す
る画像メモリ、３１はカラー画像デイスプレィである。

第３図は実施例装置の測定動作を示すフローチャートで
あって。

ステップ３２では、ＳＥＭ十θ像を撮像してそれを左画
像とする。

ステップ３３では、ＳＥＭ−１）像を撮像してそれを右
画像とする。

ステップ３４では、左画像入力を行い、カラー画像デイ
スプレィ３１の画面左側に表示する。

ステップ３５では、右画像入力を行い、カラー画像デイ
スプレィ３１の画面右側に表示する。

ステップ３６では、操作者が左特徴画像抽出領域Ｗｌを
左画像内で指定、入力する。

ステップ３７では、Ｗｌ内で左画像の左特徴画像および
特徴点の抽出が行われる。

ステップ３８では、前記教示された点の対応点が存在す
ると予想される右画像内の範囲を包含する右特徴画像抽
出領域Ｗｒが設定される。

ステップ３９では、Ｗｒ内で右画像の特徴画像が抽出さ
れる。

ステップ４０では、抽出された左右特徴画像の相関によ
り特徴点に対する対応点の検出が行われ、対応点が表示
される。

ステップ４１では、操作者が前記対応状態を評価して、
必要があれば手動入力により対応点位置量を修正する。

ステップ４２では、３次元位置量とくに高さ量を算出す
る。

ステップ４３では、３次元座標量を決定してカラー画像
デイスプレィ３１に出力表示する。

ここで、ステレオ画像よりの高さの演算法について説明
する。本システムでは特徴ベース両眼立体視の方法によ
り高さ方向の距離を測定している。

ＳＥＭの場合には、第４図に示すように、試料に対して
左右の異なる方向±θからビームを入射し、正射影光学
系により試料の左画像と右画像とを得る。実際は、ビー
ムの入射方向を変えるのではなく、試料を±θ傾ける。

第４図中の点Ｏは基準面上の基準点を、点Ａは試料上の
点を１点Ｂは点Ａから基準面におろした垂線の脚を示し
、それぞれ左画像上では点０１．点Ａｌ、点Ｂ１に、右
画像上では点Ｏｒ、点Ａ　ｒ　、点Ｂｒに対応している
。両画像ともｍ倍拡大されている。

点Ａの基準面からの高さＢを導出する。第４図から以下
の式が得られる。

＋ＢｒＡｒ　　　　・・・・・・（３）（２）式と（３
）から ０１Ａｌ−ＯｒＡｒ＝２ｍ−ＢＡ−ｓｉｎθ−（４）と
なり、変形して次の式が得られる。

Ｂ　Ａ　＝　（ＯＬＡＩ　−０ｒＡｒ）／　（２ｍ−５
ｉｎθ）・・・・・・（５） ここで、○ｌＡｌ−０ｒＡｒは、視差（ディスパリティ
）であり、左右画像間の特徴点の対応付けにより求めら
れる。

本実施例の装置の構成はこのようになっており、次のよ
うに動作する。

まず、ステップ３２で示すように、ＳＥＭ１９で撮像す
る試料１６の微小長方形領域の長辺（または短辺）の方
向に試料１６を十〇だけ傾けたときの画像写真を得る。

第１図（ａ）に示すように試料１６を傾斜治具１７の上
に置くことによって、十〇傾けることができる。

３次元再構成の精度の点からは、θは大きい方が好まし
い。しかし、通常検出器１８はビームの入射方向に対し
数１０°傾いており、あまりθを大きくすると一〇像撮
像時の感度が低下してしまう。従って、後段での対応付
は処理が難しくなる。

以上よりθとしては５〜２０″程度が望ましい。

この傾き十〇のときの画像が、左画像である。

次にステップ３３で示すように、ＳＥＭ１９で撮像する
試料１６の微小長方形領域の長辺（または短辺）の方向
に試料１６を一〇だけ傾けたときの画像を得る。第１図
（ｂ）に示すように試料１６を傾斜治具１７の上に置く
ことによって、−〇傾けることができる。この傾き一〇
のときの画像が、右画像である。

このようにして撮影されたＳＥＭ　　１９の写真画像は
、操作者の手動動作によりイメージスキャナ２０にセッ
トされ、ステップ３４において左画像が、ステップ３５
において右画像が、イメージスキャナ２０からパーソナ
ルコンピュータ２１へ入力される。左右各々の写真は２
５６　Ｘ　２４０　Ｘ　８ｂｉｔの大きさの画像データ
となる。以後の画像処理は、すべてパーソナルコンピュ
ータ２１上のソフトウェアで行われる。処理経過や結果
の画像は、パーソナルコンピュータ２１から画像メモリ
３０を経由してカラー画像デイスプレィ３１に表示され
る。

左画像に対して操作者が領域Ｗｌを指定しくステップ３
６）、領域Ｗｌ内でラプラシアン・ガウシアンフィルタ
をかけてゼロクロス魚群からなる左特・徴画像を抽出し
、さらに領域の中心に最も近いゼロクロス点を特徴点と
して抽出する（ステップ３７）。

次に右画像上で、特徴点の高さは基準面より上で試料１
６の水平方向の広がりよりも小さいという仮定に基づい
て、領域Ｗｒが設定され（ステップ３８）、領域Ｗｒ内
でラプラシアン・ガウシアンフィルタをかけてゼロクロ
ス魚群からなる右特徴画像を抽出しくステップ３９）、
左右特徴画像のパターンマツチングにより特徴点に対す
る対応点を検出し、対応候補として画面に表示する（ス
テップ４０）。操作者は、特徴点と対応点とが正しく対
応しているかどうかを判断し、もし正しく対応していな
ければ右画像に対して操作者が新たな対応点を指定する
（ステップ４１）。特徴点と対応点から（５）式を用い
て高さが算出され（ステップ４２）、３次元座標が決定
され出力される（ステップ４３）。

このようにして、本実施例の方法により、ＳＥＭ本体に
改造を加えることなく試料の高さを計測することができ
、金属等の表面欠陥や結晶形の立体的な測定ができる。

また１本発明は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）のみなら
ず透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）　、走査型レーザ顕微鏡
に対しても、同様に適用して好適に３次元座標を求める
ことができる。

［発明の効果］ 本発明の走査型電子顕微鏡画像からの３次元形状の再構
成法は、試料面を異なる２つの角度から走査型電子顕微
鏡により撮像し、それぞれの角度について得られた各画
像から濃淡の変化のある２つの特徴点をそれぞれ求めた
後に、各画像ごとに求められた２つの特徴点の対応関係
を求めて、対応する特徴点どうしの位置関係と上記異な
る２つの角度とに基づいて前記特徴点についての３次元
座標を演算するので、あるいは、 本発明の走査型電子顕微鏡画像からの３次元形状の再構
成装置は、一方の走査型電子顕微鏡画像に対して高さを
測定したい点の付近の点を教示するポインティングデバ
イスと、前記教示された点の周辺の第１の画像領域内の
濃淡変化に基づく特徴画像および特徴点を求める第１の
フィルタと、前記教示された点の対応点が存在すると予
想される他方の前記走査型電子顕微鏡画像内の範囲を包
含する第２の画像領域を設定する設定器と、前記設定さ
れた第２の画像領域内の濃淡変化に基づく特徴画像を求
める第２のフィルタと、前記２つの特徴画像から前記特
徴点に対する対応点を求める相関器と、前記特徴点と対
応点の間の位置ずれ量と前記異なる２つの角度とから前
記高さを測定したい点の高さを求める演算器とが設けら
れたので、（１）試料面の３次元形状の測定が可能とな
り、特に試料面上の特徴点の基準面からの高さの絶対値
を測定するため角や頂点ステップがあっても問題はない
。

（２）既存のＳＥＭを用いて実施可能なためコストが少
なくてすむ。

（３）高精度な測定が可能である。特徴点の座標は画素
以下の精度で決めうるので高さの測定精度も高くできる
。

専断たな投資を必要とせずにＳＥＭによる微細表面形状
の３次元計測を広範囲、高精度で行なうことができ、大
きな経済効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は一実施例の走査型電子顕微鏡画
像からの３次元再構成装置の撮像装置の模式的な側面図
、第２図は同実施例としての走査電子顕微鏡画像からの
３次元形状再構成装置の画像処理装置の制御ブロック図
、第３図は同実施例装置の測定動作を示すフローチャー
ト、第４図は同実施例装置の高さ算出法を示すグラフ、
第５図は従来の表面形状測定装置のブロック図である。 １３・・・・・・電子銃、１４・・・・・・電子ビーム
、１５・・・・・・偏向コイル、１６・・・・・・試料
、１７・・・・・・傾斜治具、１８・・・・・・検出器
、１９・・・・・・ＳＥＭ、２０・・・・・・イメージ
スキャナ、２１・・・・・・パーソナルコンピュータ、
２２・・・・・・画像入力インタフェース、２３・・・
・・・第１の定数メモリ、２４・・・・・・第２の定数
メモリ、２Ｓ・・・・・・第１のフィルタ、２６・・・
・・・第２のフィルタ、２７・・・・・・相関器、２８
・・・・・・演算器、２９・・・・・・ポインティング
デバイスとしてのマウス、３０・・・・・・画像メモリ
、３１・・・・・・カラー画像デイスプレィ。 特許出願人　株式会社　神戸製鋼所 代理人　弁理士　　小　林　　傅 第２図 第３図 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料面を異なる２つの角度から走査型電子顕微鏡
   により撮像し、それぞれの角度について得られた各画像
   から濃淡の変化のある２つの特徴点をそれぞれ求めた後
   に、各画像ごとに求められた２つの特徴点の対応関係を
   求めて、対応する特徴点どうしの位置関係と上記異なる
   ２つの角度とに基づいて前記特徴点についての３次元座
   標を演算することを特徴とする走査型電子顕微鏡画像か
   らの３次元形状の再構成法。
2. （２）試料面を異なる２つの角度から撮影した２つの走
   査型電子顕微鏡画像より、前記試料面の３次元形状寸法
   を演算測定する走査型電子顕微鏡画像からの３次元形状
   の再構成装置において、 ［１］一方の前記走査型電子顕微鏡画像に対して高さを
   測定したい点の付近の点を教示するポインティングデバ
   イスと、 ［２］前記教示された点の周辺の第１の画像領域内の濃
   淡変化に基づく特徴画像および特徴点を求める第１のフ
   ィルタと、 ［３］前記教示された点の対応点が存在すると予想され
   る他方の前記走査型電子顕微鏡画像内の範囲を包含する
   第２の画像領域を設定する設定器と、 ［４］前記設定された第２の画像領域内の濃淡変化に基
   づく特徴画像を求める第２のフィルタと、 ［５］前記２つの特徴画像から前記特徴点に対する対応
   点を求める相関器と、 ［６］前記特徴点と対応点の間の位置ずれ量と前記異な
   る２つの角度とから前記高さを測定したい点の高さを求
   める演算器と が設けられたことを特徴とする走査型電子顕微鏡画像か
   らの３次元形状の再構成装置。