(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次荷電粒子線を試料に照射する荷電粒子源と、
前記試料から発生した信号荷電粒子のうち第１のエネルギーを有する第１の信号電子を検出する第１の検出器と、
前記試料から発生した信号荷電粒子のうち第２のエネルギーを有する第２の信号電子を検出する第２の検出器と、
前記第１の信号電子と前記第２の信号電子の検出信号から基準画像を生成する基準画像生成部と、
前記基準画像に含まれる測定対象となるエッジに隣接する少なくとも２つのエリアを選択可能なエリア選択部と、
前記第１の信号電子の信号強度と前記第２の信号電子の信号強度の合成比を変化させ、各合成比に対応する検出画像を生成する第１の演算部と、
各合成比について生成された検出画像について、前記基準画像で選択された少なくとも２つのエリアに対応する信号強度の比を算出する第２の演算部と、
前記信号強度の比の変化に基づいて、前記検出画像の取得に使用する混合比を決定する第３の演算部と
を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記第３の演算部は、前記２つのエリアに対応する２つの信号強度のいずれもが所定の閾値より大きい範囲において、前記信号強度の比の最大値を与える合成比を、前記検出画像の取得時に使用する混合比に決定する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記２つのエリアのうちの一つは、オペレータにより表示画面上で指定されたエッジを指定するエリアである
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記第１の検出器と前記第２の検出器で検出される信号荷電粒子をエネルギーの大きさに応じて分離するエネルギーフィルタを有する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項４に記載の荷電粒子線装置において、
前記エネルギーフィルタに印加するフィルタ電圧を変化させ、各フィルタ電圧に対応する検出画像を生成する第４の演算部と、
各フィルタ電圧について生成された検出画像の所定の２つのエリアに対応する信号強度の比を算出する第５の演算部と、
前記信号強度の比の変化に基づいて、前記検出画像の取得に使用するフィルタ電圧を決定する第６の演算部と
を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項６】
請求項５に記載の荷電粒子線装置において、
前記第６の演算部は、前記２つのエリアに対応する２つの信号強度のいずれもが所定の閾値より大きい範囲において、前記信号強度の比の最大値を与えるフィルタ電圧を、前記検出画像の取得時に使用するフィルタ電圧に決定する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項７】
請求項５に記載の荷電粒子線装置において、
前記２つのエリアは、オペレータにより表示画面上で指定されたエリアである
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項８】
請求項４に記載の荷電粒子線装置において、
前記第１の検出器は、前記信号荷電粒子のうち前記エネルギーフィルタを通過した信号荷電粒子により発生される二次電子を検出し、
前記第２の検出器は、前記信号荷電粒子のうち前記エネルギーフィルタに衝突して発生する二次電子を検出する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項９】
請求項４に記載の荷電粒子線装置において、
前記第１の検出器は、前記信号荷電粒子のうち前記エネルギーフィルタを通過しない信号荷電粒子を検出し、
前記第２の検出器は、前記信号荷電粒子のうち前記エネルギーフィルタを通過した信号荷電粒子を検出する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１０】
一次荷電粒子線を試料に照射する荷電粒子源と、
信号荷電粒子をエネルギーの大きさに応じて分離するエネルギーフィルタと、
前記エネルギーフィルタを通過した信号荷電粒子を検出する検出器と、
前記検出器の検出信号から基準画像を生成する基準画像生成部と、
前記基準画像に含まれる測定対象となるエッジに隣接する少なくとも２つのエリアを選択可能なエリア選択部と、
前記エネルギーフィルタに印加するフィルタ電圧を変化させ、各フィルタ電圧に対応する検出画像を生成する第１の演算部と、
各フィルタ電圧について生成された検出画像について、前記基準画像で選択された少なくとも２つのエリアに対応する信号強度の比を算出する第２の演算部と、
前記信号強度の比の変化に基づいて、前記検出画像の取得に使用するフィルタ電圧を決定する第３の演算部と
を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の荷電粒子線装置において、
前記第３の演算部は、前記２つのエリアに対応する２つの信号強度のいずれもが所定の閾値より大きい範囲において、前記信号強度の比の最大値を与えるフィルタ電圧を、前記検出画像の取得時に使用するフィルタ電圧に決定する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１２】
請求項１０に記載の荷電粒子線装置において、
前記２つのエリアは、オペレータにより表示画面上で指定されたエリアである
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１３】
一次荷電粒子線を試料に照射する荷電粒子源と、前記試料から発生した信号荷電粒子のうち第１のエネルギーを有する第１の信号電子を検出する第１の検出器と、前記試料から発生した信号荷電粒子のうち第２のエネルギーを有する第２の信号電子を検出する第２の検出器とを有する荷電粒子線装置におけるパターン測定方法において、
前記第１の信号電子と前記第２の信号電子の検出信号から基準画像を生成する第１の処理と、
前記基準画像に含まれる測定対象となるエッジに隣接する少なくとも２つのエリアを選択する第２の処理と、
前記第１の信号電子の信号強度と前記第２の信号電子の信号強度の合成比を変化させ、各合成比に対応する検出画像を生成する第３の処理と、
各合成比について生成された検出画像について、前記基準画像で選択された少なくとも２つのエリアに対応する信号強度の比を算出する第４の処理と、
前記信号強度の比の変化に基づいて、前記検出画像の取得に使用する混合比を決定する第５の処理と、
決定された混合比を用いて取得された検出画像に基づいてパターンを測定する第６の処理と
を有することを特徴とするパターン測定方法。
【請求項１４】
一次荷電粒子線を試料に照射する荷電粒子源と、信号荷電粒子をエネルギーの大きさに応じて分離するエネルギーフィルタと、前記エネルギーフィルタを通過した信号荷電粒子を検出する検出器とを有する荷電粒子線装置におけるパターン測定方法において、
前記検出器の検出信号から基準画像を生成する第１の処理と、
前記基準画像に含まれる測定対象となるエッジに隣接する少なくとも２つのエリアを選択する第２の処理と、
前記エネルギーフィルタに印加するフィルタ電圧を変化させ、各フィルタ電圧に対応する検出画像を生成する第３の処理と、
各フィルタ電圧について生成された検出画像について、前記基準画像で選択された少なくとも２つのエリアに対応する信号強度の比を算出する第４の処理と、
前記信号強度の比の変化に基づいて、前記検出画像の取得に使用するフィルタ電圧を決定する第５の処理と、
決定されたフィルタ電圧を用いて取得された検出画像に基づいてパターンを測定する第６の処理と
を有することを特徴とするパターン測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子線の照射により試料から発生する信号電子を検出して画像を生成する荷電粒子線装置及びその画像に基づいて試料表面のパターンを測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの高集積化に伴い、最表面にあるパターンだけでなく、上層パターンと下層パターンの位置合わせ管理（形状管理）や中層部を貫通するホール開口部の寸法管理が重要となっている。これら多層化されたデバイス（３次元デバイス）の形状管理や寸法管理には、一般に、走査型電子顕微鏡（以下「ＳＥＭ」という。）が用いられている。
【０００３】
特許文献１は、検出する信号電子を、そのエネルギーにより選別することができるエネルギーフィルタのＳＥＭへの搭載を開示する。この種のＳＥＭは、エネルギーフィルタの閾値電圧を調整することにより、デバイスの表面電位の違いに応じたコントラスト像を得ることができる。
特許文献２は、後方散乱電子用の検出器と二次電子用の検出器を実装するＳＥＭを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０６９６２４号
【特許文献２】特開平８−２７３５６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、エネルギーフィルタの閾値電圧を、観察デバイスに応じて自動的に設定可能な方法は知られていない。このため、自動化と高速化が要求される半導体デバイスの形状管理・寸法管理装置には、エネルギーフィルタを実装することが困難である。
【０００６】
また、後方散乱電子像のコントラストは低い。このため、後方散乱電子像だけに基づいてパターンを測定することは困難である。従って、形状管理や寸法管理に際し、後方散乱電子像を二次電子像に合成することは合理的な判断である。
【０００７】
しかし、特許文献２は、後方散乱電子像と二次電子像の合成に最適な比率を決定する手法を開示しない。このため、自動化と高速化が要求される半導体デバイスの形状管理・寸法管理装置への後方散乱電子像と二次電子像の合成機能の搭載は困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、以上の課題を解決するため、一次荷電粒子線を試料に照射する荷電粒子源と、試料から発生した信号荷電粒子のうち第１のエネルギーを有する第１の信号電子を検出する第１の検出器と、試料から発生した信号荷電粒子のうち第２のエネルギーを有する第２の信号電子を検出する第２の検出器と、第１の信号電子の信号強度と第２の信号電子の信号強度の合成比を変化させ、各合成比に対応する検出画像を生成する第１の演算部と、各合成比について生成された検出画像の所定の２つのエリアに対応する信号強度の比を算出する第２の演算部と、信号強度の比の変化に基づいて、検出画像の取得に使用する混合比を決定する第３の演算部とを有する荷電粒子線装置を提案する。
【０００９】
また、本発明は、以上の課題を解決するため、一次荷電粒子線を試料に照射する荷電粒子源と、信号荷電粒子をエネルギーの大きさに応じて分離するエネルギーフィルタと、エネルギーフィルタを通過した信号荷電粒子を検出する検出器と、エネルギーフィルタに印加するフィルタ電圧を変化させ、各フィルタ電圧に対応する検出画像を生成する第１の演算部と、各フィルタ電圧について生成された検出画像の所定の２つのエリアに対応する信号強度の比を算出する第２の演算部と、信号強度の比の変化に基づいて、検出画像の取得に使用するフィルタ電圧を決定する第３の演算部とを有する荷電粒子線装置を提案する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、３次元デバイスの形状管理及び寸法管理の自動化に必要な取得条件の設定を自動化できる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】走査電子顕微鏡の第１の構成例を示す図。
【図２】エネルギーフィルタの構成例を示す図。
【図３】信号電子のエネルギー分布を示す図。
【図４】実施例１で観察対象とするパターンの構造例を示す図。
【図５】検出系の設定条件を決定するフローチャート。
【図６】条件設定画面（初期画面）を示す図。
【図７】条件設定画面（基準画像の観察画面）を示す図。
【図８】条件設定画面（エリア選択画面）を示す図。
【図９】条件設定画面（フィルタ設定画面）を示す図。
【図１０−１】信号電子のエネルギー分布と信号強度の関係を示す図。
【図１０−２】階調比がパターン１で変化する場合に最適なフィルタ電圧の決定方法を説明する図。
【図１０−３】階調比がパターン２で変化する場合に最適なフィルタ電圧の決定方法を説明する図。
【図１０−４】階調比がパターン１で変化する場合に最適な合成比の決定方法を説明する図。
【図１０−５】階調比がパターン２で変化する場合に最適な合成比の決定方法を説明する図。
【図１１】条件設定画面（ＢＳＥ画像の観察画面）を示す図。
【図１２】条件設定画面（エッジ選択画面）を示す図。
【図１３】条件設定画面（エッジ強調画面）を示す図。
【図１４】実施例２で観察対象とするパターンの構造例を示す図。
【図１５】条件設定実行時の画像例を示す図。
【図１６】実施例３で観察対象とするパターンの構造例を示す図。
【図１７】走査電子顕微鏡の第２の構成例を示す図。
【図１８】走査電子顕微鏡の第３の構成例を示す図。
【図１９】走査電子顕微鏡の第４の構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。本発明は、後述する形態例に限定されるものでなく、その技術思想の範囲において、種々の変形が可能である。以下の説明では、荷電粒子線装置の一例として走査電子顕微鏡を例に説明するが、本発明は集束イオンビーム（FIB: Focused Ion Beam）顕微鏡にも適用することができる。
【００１３】
＜形態例１＞
（全体構成）
図１に、走査電子顕微鏡の第１の形態例を示す。ここでは、半導体ウェハ上に形成された回路パターンやレジストパターンの観察、寸法計測、形状計測、検査、欠陥レビューに用いられる電子線検査装置について説明する。
【００１４】
電子顕微鏡鏡筒１には、電子放出源１０１が取り付けられる。電子放出源１０１は、電子源制御部２０１により制御され、一次電子線１０２を放出する。一次電子線１０２は、電子放出源１０１に接続された電子源加速電圧２０２により加速される。この後、一次電子線１０２は、一つ以上の集束レンズ１０３と電流制限絞り１０４により、その直径が最適化される。集束レンズ１０３は、レンズ制御部２０３ａにより制御される。その後、一次電子線１０２は、対物レンズ１０５により試料１０６の表面に焦点を結ぶ。対物レンズ１０５は、レンズ制御部２０３ｂにより制御される。
【００１５】
試料１０６には、負電圧（リターディング電圧）２０４が印加される。負電圧（リターディング電圧）２０４の印加により、試料１０６と対物レンズ１０５の間には減速電界が発生する。減速電界により、一次電子線１０２は試料直前で減速され、試料１０６の表面に到達する。なお、照射電圧は、電子源加速電圧−リターディング電圧で与えられる。
【００１６】
一次電子線１０２は偏向器１０７により偏向され、試料１０６の表面を走査する。その際、一次電子線１０２の走査位置からは信号電子１０８が発生される。ここで、偏向器１０７は、偏向制御部２０５により制御される。
【００１７】
本形態例の場合、信号電子１０８は、運動エネルギーが５０ｅＶよりも小さい真の二次電子（TSE: True secondary electron）１０８ａと、５０ｅＶよりも高い運動エネルギーを持つ後方散乱電子（Backscattered electron，ＢＳＥ）１０８ｂを含む意味で使用する。
【００１８】
試料１０６から発生した信号電子１０８は、リターディング電圧２０４により加速され、エネルギーフィルタ１０９に入射する。エネルギーフィルタ１０９を通過した信号電子１０８は変換電極１２０に衝突し、第２の二次電子１３０を発生する。第２の二次電子１３０は、検出器１１０ａで検出される。エネルギーフィルタ１０９で撥ね返された二次電子１３１は、検出器１１０ｂで検出される。なお、検出器１１０ａと１１０ｂには正の電圧が印加されており、当該電圧により発生した電界により二次電子１３０及び１３１が吸引される。
【００１９】
検出器１１０ａ及び１１０ｂの検出信号は、増幅器２０６ａ及び２０６ｂにおいて増幅され、合成演算部２０７に入力される。合成演算部２０７において合成演算された後の画像は、表示部２０８に表示される。
【００２０】
制御部２０１、２０３ａ、２０３ｂ及び２０５は、中央制御部２０９により統合的に制御される。制御値や調整値は記憶装置２１０に保存される。
【００２１】
図２に、エネルギーフィルタ１０９の基本構造を示す。エネルギーフィルタ１０９は、２枚のシールドメッシュ１０９ａと、１枚のフィルタメッシュ１０９ｂから構成される。これら３枚のメッシュには、一次電子線１０２を通過させるための開口１１１が設けられている。
【００２２】
フィルタメッシュ１０９ｂには、フィルタ電圧を印加するためのフィルタ電源２１１が接続されている。フィルタ電源２１１は、他の制御部同様、中央制御部２０９により制御される。図２においては、フィルタメッシュ１０９ｂを１枚としているが、複数枚であっても良い。なお、複数枚のフィルタメッシュ１０９ｂは、独立にフィルタ電源２１１に接続される構造でも良い。
【００２３】
（信号電子のエネルギー分布）
図３に、信号電子のエネルギー分布を模式的に示す。ここで、横軸は信号電子のエネルギーであり、縦軸は発生頻度である。前述したように、信号電子には、射出方向とエネルギーが異なる２種類の電子が含まれている。真の二次電子１０８ａと後方散乱電子１０８ｂである。
【００２４】
図３において、真の二次電子１０８ａのエネルギー分布は、数ｅＶから１０ｅＶの辺りにピークを持つ。一方、後方散乱電子１０８ｂのエネルギー分布は、試料１０６の平均原子番号に強く依存する。例えば平均原子番号（Ｚ１）が大きい試料１０６の場合、一次電子線１０２の入射エネルギーとほぼ等しいエネルギーにピークを持つ弾性散乱的な分布を持つ。一方、平均原子番号（Ｚ２）が小さい試料１０６の場合、一次電子線１０２の入射エネルギーの半分程度のエネルギーにピークを持つ。図３においては、エネルギーが小さい方の後方散乱電子１０８ｂの波形を破線で示している。
【００２５】
図３に示すように、観察（測定）時に実際に発生する信号電子のエネルギー分布は、試料１０６を構成する材料により変化する。このため、２つの検出器１１０ａ及び１１０ｂから出力される２つの検出信号の合成比率を事前に決定することはできない。
【００２６】
以下の実施例では、これら２つの検出信号の合成比率を自動的に調整し、３次元デバイスの形状管理及び寸法管理を自動化する合成演算部２０７や中央制御部２０９の処理機能について説明する。
【００２７】
（実施例１）
図４に、測定対象として想定する３次元デバイスの表面パターンの一例を示す。上段の図は３次元デバイスの平面図であり、下段の図は３次元デバイスの断面図である。この３次元デバイスは、最下層に金属３０１が埋め込まれており、その上層に配線パターン３０２が複数列平行に形成されている。なお、配線パターン同士のギャップ部分には、下層の金属３０１と導通させるための開口３０３が下地層に形成されている。
【００２８】
この３次元デバイスの開口３０３の寸法を測定する場合、合成画像内におけるギャップ底部と下層の金属部分の区別をはっきりさせる必要がある。
【００２９】
検出条件の設定時に、中央制御部２０９が、処理プログラムに従って実行する処理手順を図５に示す。この際、表示部２０８に表示される設定画面の一例を図６に示す。検出条件の設定は、測定パターンの初期画像（すなわち、基準画像）を取得することから開始される。初期画像を取得する際、中央制御部２０９は、フィルタ電圧を０Ｖ、検出信号の合成比率を１：１に設定する。
【００３０】
基準画像の取得時（ステップ４０１）、表示部２０８には、図７に示す画面が表示される。基準画像の取得は、オペレータが、設定画面上の「基準画像」ボタン５０１をクリック操作することで開始される。取得動作の終了後、表示部２０８の画像表示部５０７には、新たに取得された基準画像（平面画像）が表示される。
【００３１】
基準画像が取得されると、次は、エリアの入力受付処理に移行する（ステップ４０２）。ここでは、測定対象とするパターンエッジを画像内に表示させるために、オペレータによるエリアの選択を受け付けるための画面が表示される。
【００３２】
図８に、当該処理に対応する画面例を示す。この画面において、オペレータは、初期画像内で隣接する２つの領域を選択する。オペレータが設定画面内の「エリア選択」ボタン５０２を押すと、画像表示部５０７の横の領域に、エリア選択ボタン５０８が表示される。また、画像表示部５０７の基準画像の上には、エリアボックス５０９ａ及び５０９ｂが重畳的に表示される。この二つのエリアボックスを、以下の説明では、それぞれ「エリアボックスＡ」及び「エリアボックスＢ」と呼ぶ。
【００３３】
エリア選択ボタン５０８は、基準画像上に設定するエリアボックスの種類の選択に使用される。各エリアボックスの表示に使用する形状は、テンプレート５１０の中から選択される。オペレータは、エリアボックスの種類と形状を選択し、画像上の適切な位置に各エリアボックスを配置する。もっとも、エリアボックスの配置後にテンプレートを選択し、エリアボックスの形状を変更しても良い。エリアボックスのサイズは、予め設定されたボックス面積の最小値と最大値の間で任意に変更できるようにすれば良い。
【００３４】
エリアの選択が終了すると、中央制御部２０９は、フィルタ電圧の設定画面を表示部２０８に表示する（ステップ４０３）。図９に、フィルタ電圧の設定画面を示す。オペレータが設定画面の「フィルタ設定」ボタン５０３を押すと、中央制御部２０９は、フィルタ電圧の最適値を決定する処理を開始する。なお、後述する検出信号の合成比率に必要な画像が得られている場合には、このフィルタ電圧の設定処理をスキップすることができる。
【００３５】
フィルタ電圧の自動設定処理においては、検出器１１０ａで検出された検出信号だけを使用する。ここで、中央制御部２０９は、フィルタ電圧を初期値から所定量ずつステップ的に変化させ、その都度、試料１０６の画像を取得する。画像内のエリアボックスＡ及びＢで囲まれた領域の階調値をそれぞれＳＡ及びＳＢとすると、中央制御部２０９は、フィルタ電圧が変更され、画像が取得されるたびに、階調比ＳＡ／ＳＢを計算する。中央制御部２０９は、ここでの階調比を評価値とし、次の手順でフィルタ電圧の最適化を行う。
【００３６】
以下、図１０−１〜図１０−３を用い、フィルタ電圧の最適値を設定する方法を説明する。図１０−１に、信号電子のエネルギーと信号強度の関係を示す。横軸は信号電子のエネルギーであり、縦軸は信号強度である。なお、３次元デバイスの下層の金属部分（エリアボックスＡで選択した場所）は重金属で構成され、その周辺部（エリアボックスＢで選択した場所）は軽元素で構成されることが多い。
【００３７】
その場合、エネルギーが低い二次電子の検出信号の部分では、両者の強度差は僅かである（図中[Ｉ]の領域）。一方、エネルギーが入射エネルギーＥ０に近い後方散乱電子の検出信号の部分では、エリアボックスＢの部分よりもエリアボックスＡの部分から多く検出される（図中[II]の領域）。
【００３８】
前述したように、中央制御部２０９は、エネルギーフィルタ１０９を作動させ、有限のフィルタ電圧（図中ΔＶｆ）を設定する。すると、ΔＶｆより低いエネルギーの信号は、エネルギーフィルタ１０９で撥ね返され、ΔＶｆよりも高エネルギーの信号のみが検出される。
【００３９】
従って、ΔＶｆを十分大きくすると、図１０−１の[Ｉ]部からは検出信号を検出しないようにできる。このとき、階調比ＳＡ／ＳＢは増大する。一方、ΔＶｆをあまり大きくしすぎると、エリアボックスＡからの信号もエリアボックスＢからの信号も信号絶対強度が小さくなり、信号検出時のノイズと区別できなくなってしまう。
【００４０】
ノイズの振幅に相当する画像上の階調をＮとし、その５倍をノイズ閾値とすると、エリアボックスＡの階調値＞５Ｎ、エリアボックスＢの階調値＞５Ｎを保ちつつ階調比ＳＡ／ＳＢを最大化するようにΔＶｆを決めることが出来る。このとき、ノイズ閾値をノイズ振幅Ｎの５倍以上と規定したが、この定数は変化しても良い。
【００４１】
ΔＶｆを最適化する方法を、図１０−２及び図１０−３を用いて説明する。図１０−２は、ΔＶｆを大きくするほど、階調比ＳＡ／ＳＢも大きくなる場合の例を示している。この場合、ΔＶｆを大きくしすぎると、ＳＢがノイズ閾値より小さくなる。従って、階調比ＳＡ／ＳＢがこのように変化する場合、中央制御部２０９は、ＳＢがノイズ閾値に等しくなるΔＶｆをフィルタ電圧の最適値に設定する。
【００４２】
図１０−３は、階調比ＳＡ／ＳＢがΔＶｆに対して極大値を持つ場合の例である。ＳＡ及びＳＢが共にノイズ閾値を下回らないΔＶｆの範囲において、ＳＡ／ＳＢは極大となる。そこで、中央制御部２０９は、ＳＡ／ＳＢが極大となる時のΔＶｆをフィルタ電圧の最適値に設定する。
【００４３】
以上の手順は、評価値（階調比ＳＡ／ＳＢ）を数値化して大小関係を判定するだけであり、自動化することは容易である。中央制御部２０９は、このようにして求めたフィルタ電圧を最適値に設定する。
【００４４】
フィルタ電圧の設定が終了すると、中央制御部２０９は、後方散乱電子の検出画像（ＢＳＥ画像）の取得画像を表示する（ステップ４０４）。図１１に、ＢＳＥ画像の設定画面を示す。オペレータが「ＢＳＥ画像」ボタン５０４を押すと、中央制御部２０９は、ＢＳＥ画像の取得処理を実行する。
【００４５】
この場合、中央制御部２０９は、検出器１１０ａで検出された検出信号だけを使用する。中央制御部２０９は、ステップ４０３で最適化されたフィルタ電圧を用いて画像を取得する。中央制御部２０９は、最適化されたフィルタ電圧に基づいて新たな画像が取得されると、画像表示部５０７に取得画像を表示する。
【００４６】
ＢＳＥ画像が取得されると、中央制御部２０９は、ＢＳＥ画像内のうち観察しようとするエッジの領域をオペレータに設定入力させるための処理を実行する（ステップ４０５）。図１２に、エッジ選択画面を示す。オペレータが設定画面の「エッジ選択」ボタン５０５を押すと、画像表示部５０７の横の領域に、エッジ選択ボタン５１１が表示される。また、画像表示部５０７のＢＳＥ画像の上には、エリアボックス５０９ｃが表示される。このエッジを指定するエリアボックスを、以下の説明では、「エリアボックスＣ」と呼ぶ。エリアボックスの形状は、オペレータが、テンプレート５１０から選択する。また、オペレータは、ＢＳＥ画像上の適切な位置にエリアボックスＣを配置する。エリアボックスＣのサイズは任意に変更できると良い。
【００４７】
エリアボックスＣの設定が終了すると、中央制御部２０９は、２つの検出信号の混合比を自動設定するための設定画面を表示部２０８に表示する（ステップ４０６）。図１３に、混合比の設定画面を示す。オペレータが設定画面の「エッジ強調」ボタン５０６を押すと、中央制御部２０９は、２つの検出器１１０ａ及び１１０ｂの混合比を自動的に決定する処理を開始する。
【００４８】
処理を開始した中央制御部２０９は、検出器１１０ａの検出信号と検出器１１０ｂの検出信号の混合比をステップ的に変化させ、その都度、設定された混合比に基づいて２つの検出信号を合成した画像を取得する。
【００４９】
ここで、画像内のエリアボックスＣの階調をＳＣとする。この場合、中央制御部２０９は、階調比ＳＣ／ＳＡを計算する。この階調比を評価値とし、中央制御部２０９は、以下の手順により最適な混合比を決定する。もっとも、エリアボックスＣと階調値を比較する領域をエリアボックスＢとし、評価値として階調比ＳＣ／ＳＢを算出しても良い。
【００５０】
以下、図１０−４及び図１０−５を用い、混合比の最適値を設定する方法を説明する。図１０−４は、混合比を大きくするほど階調比ＳＣ／ＳＡも大きくなる場合の例である。混合比を大きくしすぎると、ＳＡがノイズ閾値より小さくなる。そこで、階調比ＳＣ／ＳＡの変化がこのように変化する場合、中央制御部２０９は、ＳＡがノイズ閾値に等しくなる混合比を最適値に決定する。
【００５１】
これに対し、図１０−５は、階調比ＳＣ／ＳＡが混合比に対して極大値を持つ場合の例である。ＳＣ及びＳＡが共にノイズ閾値を下回らない混合比の範囲において、ＳＣ／ＳＡが極大となる。そこで、中央制御部２０９は、ＳＣ／ＳＡが極大となる時の混合比を最適値に設定する。
【００５２】
（まとめ）
以上の手順により、中央制御部２０９は、フィルタ電圧と検出信号の混合比を自動的に最適化し、階調比が最も良好となる条件で画像を取得する。これにより、真の二次電子と後方散乱電子に最適な混合比を、測定対象とする試料１０６に応じて自動的に設定することができる。これにより、画像内で２番目に暗く、最も暗い領域との階調差が小さい開口３０３の観察が可能になる。これにより、３次元デバイスの構造が未知の場合でも、開口３０３の寸法を最適な条件で測定することができる。
【００５３】
なお、前述の実施例においては、基準画像を取得する際のフィルタ電圧を０Ｖ、検出信号の合成比率を１：１に設定したが、それらの値はオペレータが任意に設定しても良い。
【００５４】
前述の実施例では、ステップ４０３でフィルタ電圧を決定する際、処理過程の画像を表示させなかったが、ステップ的にフィルタ電圧を変化させた時の各画像の一覧を表示させても良い。また、これらの一覧画像をオペレータが見て、任意に選択した画像の条件をフィルタ設定電圧としても良い。
【００５５】
前述の実施例では、ステップ４０６で２つの検出信号の合成比率を決定する際、処理過程の画像を表示させなかったが、ステップ的に検出信号の合成比率を変化させた時の各画像の一覧を表示させも良い。また、これらの一覧表をオペレータが見て、任意に選択した画像の条件を合成比率としても良い。
【００５６】
（実施例２）
図１４（ａ）〜（ｃ）に、測定対象として想定する３次元デバイスの表面パターンの他の一例について説明する。この３次元デバイスにおいては、横方向に延びるライン＆スペースパターン６０１（以下「下層ライン６０１」という。）と、縦方向に延びるライン＆スペース６０２（以下「上層ライン６０２」という。）を積層した格子状デバイスを想定する。
【００５７】
上層ライン６０２と下層ライン６０１が交差する領域を除いた隙間部分６０３の面積はデバイス特性を左右し、寸法管理が要求される。従って、隙間部分６０３の横幅を測定する必要があり、下層ライン６０１と隙間部分６０３のコントラストを強調しつつ、下層ライン６０１のエッジと上層ライン６０２のエッジをそれぞれ明確にする必要がある。
【００５８】
上層ライン６０１のライン間幅に比べてライン高さが高い場合、ライン間のスペースは深い溝状となり、下層ライン６０１の有無は判別困難になる。このデバイスにおいても、図５に示した方法によれば、設定パタメータを最適化することができる。図１５（ａ）〜（ｃ）に、ステップ４０１からステップ４０６まで実行した時の画像例を示す。図１５（ａ）と（ｃ）を比較して分かるように、図１５（ａ）では表示されていなかった横方向の筋模様１５０１が、混合比を調整した後の図１５（ｃ）では描画されている。
【００５９】
（実施例３）
測定対象として測定可能な３次元デバイスは、図４や図１４に示す３次元デバイスに限らない。図１６（ａ）〜（ｃ）に示すパターン構造を有する３次元デバイスの測定にも好適である。本図に示す３次元デバイスは、図１５（ｂ）に示すように、パターン７１１の並び方向に下地層７１０が分離されているような形状を想定する。このパターン構造は、図１５（ｂ）に示すように、一次電子線の照射方向から見て高さ位置が異なる３つの層で形成される。このため、検出信号には、３つの代表的な明るさが含まれる構造を想定する。
【００６０】
ただし、下地層７１０とその基体との段差は小さい。このため、その明るさの違いはわずかである。従って、ステップ４０１における基準画像の取得時には、最も暗い部位７０１の形状を強調する必要があり、かつ、最も暗い部位と隣り合う部位の境界の輪郭７０２を強調する必要がある場合には、前述した本発明の方法を適用することができる。
【００６１】
実際、ステップ４０３は、最も暗い部位７０１の形状を強調する工程であり、ステップ４０６は輪郭７０２を強調する工程に対応する。
【００６２】
＜形態例２＞
図１７に、他の形態例に係る走査電子顕微鏡の構成例を示す。図１７には、図１との対応部分に同一符号を付して示す。本形態例の場合、後方散乱電子（ＢＳＥ）１０８ｂのように、中心軸から広範囲に広がった信号電子１０８は、中心軸に対し大きな開口を有する環状の検出器８０１ａにおいて検出する。また、真の二次電子（ＴＳＥ）１０８ａのように、リターディング電圧２０４によって加速され、なおかつ中心軸から広範囲には広がらないような信号電子１０８は、中心に一次電子線１０２を通過させるための開口を有する円盤状の検出器８０１ｂにおいて検出する。
【００６３】
それぞれの検出器８０１ａ及び８０１ｂで検出された検出信号は、増幅器２０６ａ及び２０６ｂにおいて増幅され、それぞれの信号は、合成演算部２０７で画像演算された後、表示部２０８に表示される。
【００６４】
検出器８０１ａ及び８０１ｂは、それぞれ中心軸方向に高さを変えて配置される。検出器８０１ａの検出面の下には、同検出器と同等の形状を有する環状のフィルタメッシュ８０２が配置される。フィルタメッシュ８０２には、フィルタ電源２１１が接続されており、中央制御部２０９によりフィルタ電圧が制御される。
【００６５】
このように、エネルギーフィルタを通過した信号電子を検出する検出器と、エネルギーフィルタを通過も衝突もしない信号電子を検出する検出器を有する走査電子顕微鏡の場合にも、形態例１で説明した技術をそのまま応用することができる。
【００６６】
＜形態例３＞
図１８に、走査電子顕微鏡の他の形態例を説明する。本形態例に係る走査電子顕微鏡は、形態例１の場合と同様、試料１０６から発生した信号電子１０８をエネルギーレベル別に分離するエネルギーフィルタ１０９を使用する。
【００６７】
ただし、本形態例の場合、エネルギーフィルタ１０９を通過した二次電子のみを検出する検出器９０１だけを走査電子顕微鏡に搭載する。この場合、検出器９０１で検出した検出信号は増幅器２０６で増幅され、表示部２０８に表示される。
【００６８】
この形態例の場合、エネルギーフィルタ１０９は、図２に示す構成を有している。検出器９０１が、一次電子線１０２を通すための開口を有する円盤状に形成されている場合、材料コントラストの違いによる後方散乱電子（ＢＳＥ）像を取得するためのフィルタ電源２１１の最適値は、図５に示すステップ４０１からステップ４０３までを実行すれば容易に決定することができる。
【００６９】
＜形態例４＞
なお、射出角度とエネルギーレベルが異なる２種類の信号電子を２つの検出器で別々に検出可能であれば、図１との対応部分に同一符号を付して示す図１９に示すように、エネルギーフィルタを有しない走査電子顕微鏡であっても良い。この場合において、エネルギーフィルタの調整は不要である。この場合でも、図５に示すステップ４０４からステップ４０６までの処理の実行により、２つの検出信号の混合比を自動的に決定することができる。
【００７０】
＜形態例５＞
前述の形態例においては、いずれもリターディング電圧２０４を印加する構成について記載した。しかし、リターディング電圧２０４を印加しなくても良い。また、リターディング電圧２０４が印加されず、試料直上に正電圧を印加する電極を配置し、試料１０６から出力された信号電子１０８を加速的に引上げる構成でも良い。勿論、リターディング電圧２０４を印加し、信号電子１０８を引上げ、加速するよう正電圧を印加する電極が配置される構成であっても良い。
【００７１】
＜他の形態例＞
本発明は上述した形態例に限定されず、様々な変形例を含む。例えば、上述した形態例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある形態例の一部を他の形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある形態例の構成に他の形態例の構成を加えることも可能である。また、各形態例の構成の一部について、他の構成を追加、削除又は置換することも可能である。
【００７２】
また、上述した各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路その他のハードウェアとして実現しても良い。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することにより実現しても良い。すなわち、ソフトウェアとして実現しても良い。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリやハードディスク、SSD（Solid State Drive）等の記憶装置、ICカード、SDカード、DVD等の記憶媒体に格納することができる。
【００７３】
また、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示すものであり、製品上必要な全ての制御線や情報線を表すものでない。実際にはほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えて良い。
【符号の説明】
【００７４】
１…電子顕微鏡筒
１０１…電子放出源
１０２…一次電子線
１０３…集束レンズ
１０４…電流制限絞り
１０５…対物レンズ
１０６…試料
１０７…偏向器
１０８…信号電子
１０８ａ…真の二次電子
１０８ｂ…後方散乱電子
１０９…エネルギーフィルタ
１１０ａ…検出器
１１０ｂ…検出器
１２０…変換電極
１３０、１３１…二次電子
２０１…制御部
２０３ａ、２０３ｂ…制御部
２０５…制御部
２０４…リターディング電圧
２０６ａ、２０６ｂ…増幅器
２０７…合成演算部
２０８…表示部
【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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【図１０−１】
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【図１０−２】
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【図１０−３】
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【図１０−４】
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【図１０−５】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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