(57)【要約】【課題】専用の装置を付加することなく少ない変更で簡単に三次元形状計測を行うことができる走査電子顕微鏡を提供する。【解決手段】三次元形状計測を行うときは、制御部１５内の反射電子の検出信号選択信号発生器は、信号切替部７およびフレームメモリ９を選択信号により制御し、電子線２の試料４上の走査フレームに同期して、信号切替部７で半導体素子６ａ〜６ｄからの検出信号を順次切替え、フレームメモリ９内の半導体素子６ａ〜６ｄに対応する記録アドレスに、半導体素子６ａ〜６ｄからの検出信号が順次記録されるように動作する。これら４回の電子線走査により、三次元形状計測用の画像データをフレームメモリ９に記録し、三次元形状計測用の演算処理部１３で処理し、表示部１４にその結果を表示することができる。制御部１５の反射電子の検出信号選択信号発生器は、フレーム走査単位に更新されるカウンターなどを含んで構成されており、極めて簡単な回路やソフトウェアで実現可能である。【選択図】図２
2008282761.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料上を２次元的に電子線走査し、試料表面から発生した反射電子を検出する複数に分割された反射電子検出器を有する走査電子顕微鏡において、
分割された反射電子検出器の検出信号を１走査単位毎に切り替える信号切替部と、
分割数分の記憶領域を有するメモリと、
１走査単位分の信号検出処理毎に、前記検出信号と前記メモリの記憶領域の切替を行い、分割数分の走査単位の画像データを取得し、前記反射電子検出器の位置と前記検出信号の強度とに基づく三次元形状計測の演算処理を行う制御部と
を有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項２】
前記１走査単位を、フレーム単位又はライン単位とすることを特徴とする請求項１に記載の走査電子顕微鏡。
【請求項３】
試料への電子線の照射をカットするビームブランキング部と、
ブライトネスを調整するブライトネス調整部と、
前記ビームブランキング部を動作させて電子線の試料への照射をカットした状態における画像データがオフセットゼロを含む既知の値となるように前記ブライトネス調整部を設定する手段を設けたこと特徴とする請求項１又は２に記載の走査電子顕微鏡。
【請求項４】
試料への電子線の照射をカットするビームブランキング部と、
ブライトネスを調整するブライトネス調整部と、
前記ビームブランキング部を動作させて既知のブライトネス設定での画像データを記録する記録部と、該既知のブライトネス設定値と前記記録部に記録された前記画像データにある係数を乗じた値との差分を求め、該差分と前記既知のブライトネス設定値とを加算して前記ブライトネス調整部に設定し、三次元形状計測用の画像データを取得する間、前記ブライトネス調整部の設定を保持する手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の走査電子顕微鏡。
【請求項５】
試料への電子線の照射をカットするビームブランキング部を有し、該ビームブランキング部を動作させて電子線の試料への照射をカットした状態における画像データを記録する記録部と、電子線走査により得られた分割数分の１走査単位分の画像データから電子線照射をカットした状態における画像データを減算した値を用いて三次元形状計測の演算処理を行う演算部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の走査電子顕微鏡。
【請求項６】
画像データ変換用のＡ／Ｄ変換器と、コントラストを調整するコントラスト調整部と、を有し、
既知のコントラスト設定での画像データの最大値を記録する記録部と、前記画像データの最大値と前記Ａ／Ｄ変換器のフルスケール値の比に任意に設定された係数を乗じ、前記既知のコントラスト設定値に乗じて前記コントラスト調整部に設定し、三次元形状計測用の画像データを取得する間、前記コントラスト調整部の設定を保持する手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の走査電子顕微鏡。
【請求項７】
試料上を２次元的に電子線走査し、試料表面から発生した信号を検出する検出器を有する走査電子顕微鏡において、
画像データ変換用のＡ／Ｄ変換器と、コントラスト調整部と、既知のコントラスト設定での画像データの最大値を記録する記録部と、を有し、
前記画像データの最大値とＡ／Ｄ変換器のフルスケール値との比に任意に設定された係数を乗じ、前記既知のコントラスト設定値に乗じて前記コントラスト調整部に設定する手段を有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項８】
試料上を２次元的に電子線走査し、試料表面から発生した信号を検出する検出器を有する走査電子顕微鏡において、
画像データ変換用のＡ／Ｄ変換器と、コントラスト調整部と、画像データのヒストグラムを取得するヒストグラム取得部と、を有し、
既知のコントラスト設定での画像データのヒストグラムを取得し、画像データの総度数に任意に設定された比率を乗じた度数に対応する画像データ値と、任意に設定された画像データ値と、の比を求め、該比を前記既知のコントラスト設定値に乗じて前記コントラスト調整部に設定する手段を有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査電子顕微鏡およびそれを用いた三次元形状測定装置に関し、特に複数に分割された反射電子検出器を備えた三次元形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査電子顕微鏡による三次元形状計測は、従来からいくつかの手法により行われている。三次元形状計測の手法としては、試料の傾斜又は入射電子線の傾斜により取得したステレオペア画像の特徴点移動を利用する方法、試料に対し均等に配置した複数の検出器の検出信号差を利用する方法などがある。後者の代表例としては、試料に対向し環状に配置した反射電子検出器を放射状に等分割し、それぞれに設けられた検出素子からの指向性を有した検出信号の差分を用いて試料の表面形状を測定する三次元形状測定装置がある（特許文献１および特許文献２の図１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特許第１６４６０２７号公報
【特許文献２】特開２００２−３１５２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１は試料表面の三次元形状の計測機能を備えた一般的な走査電子顕微鏡の構成例を示す図である。図１に示す走査電子顕微鏡においては、電子銃１より発生した電子線２は集束レンズ３により収束され、試料４に照射される。この電子線２は、偏向コイル５により試料４上を走査され、試料４から発生する反射電子は、反射電子検出器６によって検出される。反射電子検出器６による検出信号は信号切替部７により反射電子検出器６の分割された各検出素子６ａから６ｄまでからの信号に対して加算・減算などの演算処理が施され、Ａ／Ｄ変換器８によりデジタルの画像データに変換されてフレームメモリ９に記録される。フレームメモリ９に記録された画像データはリアルタイムに表示装置１０へ出力され、２次元の観察画像として表示される。反射電子検出器６は電子線２を中心軸としドーナツ状の有効検出面を有する形状の半導体素子で構成され、さらに、この半導体素子は６ａ〜６ｄまでにより示されるように、放射状に４分割され、それぞれの検出信号を導き出すことが可能となっている。
【０００５】
試料からの反射電子は、試料４表面の凹凸により電子線２の試料４への入射角に対し鏡面反射方向を主とした分布で発生し、反射電子検出器６の各素子で検出される。通常の観察では、これら６ａから６ｄまでの素子による検出信号は加算されるが、対向する素子の検出信号を減算することで、試料表面の凹凸情報を強調した画像を観察することも可能であり、このような素子間の演算機能を備え、観察モードの切替えを行うことができる装置が普及している。
【０００６】
次に、三次元形状計測手法について示す。試料から反射された反射電子は、放出方向ごとに６ａ〜６ｄまでのそれぞれの半導体素子により検出される。反射電子の分布は、試料表面の凹凸情報を有するので、それぞれの半導体素子による検出信号は増幅されそれぞれの半導体素子毎に用意された４つのＡ／Ｄ変換器１１によりデジタル画像データに変換され、フレームメモリ１２に記録される。そして、演算処理部１３により下記の式１の演算を行い２次元的な積分を行うことにより、試料表面の高さ分布を求めることができる。
【０００７】
演算処理部１３では、さらに、この高さ分布情報をもとに、試料の断面プロファイルの作成、鳥瞰図の表示や粗さパラメータの計測、さらには三次元モデルの表示が可能であり、これらが三次元形状計測結果表示部１４に表示される。ここで、半導体素子６ａ〜６ｄまでの検出信号は、高さ分布の演算のために、それぞれ独立して記録する必要がある。そのために、分割数分の反射電子検出器６の信号増幅器やＡ／Ｄ変換機１１、さらには、それらにより検出された複数の検出データを並列記録するためのフレームメモリ１２が必要となっていた。
【０００８】
このように、従来の三次元形状測定装置においては、分割された複数の反射電子検出器からの検出信号は相当する数の信号増幅器により増幅され、Ａ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換されて三次元形状計測の演算処理が施されるようになっている。しかしながら、一般的な走査電子顕微鏡の反射電子検出器の構成について考えると、通常の試料表面の２次元的な構造観察においては、分割数分の反射電子信号を別個に取り込む必要はなく、組成や凹凸などの観察モードに応じて複数の検出信号の総和または差分信号が得られるように信号増幅器を構成し、単一の検出信号として画像表示部に入力されるように構成されているため、三次元測定を実施する場合には、分割数分の反射電子検出器の信号増幅器やＡ／Ｄ変換器、さらには、それらにより検出された複数の検出データを並列的に記録するための画像メモリが必要であるため、装置が大型化し、コストアップとなっていた。
【０００９】
また、三次元形状計測を行うためには、複数の検出信号の差分を用いた演算が行われるが、計測精度を良くするためには、検出信号のＡ／Ｄ変換器による量子化数の有効桁数を増やす必要があり、高価なＡ／Ｄ変換器を複数設けなければならないという問題があった。
【００１０】
本発明は、分割された複数の反射電子検出器を利用した走査電子顕微鏡構造の簡単化を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る三次元形状計測装置は、試料表面から発生した反射電子を検出する複数に分割された例えば環状の反射電子検出器を有する走査電子顕微鏡において、分割された反射電子検出器の検出信号を切り替える手段と、分割数分のフレームメモリと、１フレームの信号検出毎にこの検出信号と記録するフレームメモリとの切替を行う手段を設けることを特徴とする。これにより、分割数分のフレームの画像データを取得し、演算処理することで三次元形状計測を行うことができる。
【００１２】
また、上述の走査電子顕微鏡において、分割された反射電子検出器の検出信号を切り替える手段と、分割数分のフレームメモリと、１ラインの信号検出毎にこの検出信号と記録するフレームメモリとの切替を行う手段を設けることを特徴とする。分割数分のフレームの画像データを取得し、演算処理することにより、三次元形状計測を行うことができる。
【００１３】
上述の三次元形状計測の演算においては、検出データは反射電子信号の絶対量を示す必要がある。図３は、反射電子像とそのヒストグラムの一例を示す図である。図３（ａ）の通常の像の観察時には、試料の表面構造が見やすくなるように、コントラストとブライトネスとを適宜調整しディスプレイに表示している。しかしながら、画像データは反射電子信号の絶対値を表すものではなく、ブライトネス調整によるオフセット量を含むことになる。このオフセット量は、ブライトネス調整により変化する。ここで、三次元形状計測においては、上記特許文献２の［数３］に示される次式を高さ変化量ΔＺの基本計算式として演算しているため、このオフセット量が高さ計測における誤差要因となる。ここでＡ、Ｂは、試料上ｘ方向の微小区間Ｐ１からＰ２を走査することで、検出器の対向する検出素子により検出される信号量である。
【００１４】
【数１】
2008282761.tif 000003
【００１５】
従来の専用装置では、このようなオフセットが生じないように、反射電子の検出信号のブライトネス調整機構を設けていなかった。
【００１６】
本発明による装置では、通常の像観察におけるブライトネス調整機構を有した上記走査電子顕微鏡において、１次電子線の試料への照射をカットするビームブランキングのための手段を有し、試料への電子線照射を低減した状態で反射電子検出器による画像データがゼロになるようにブライトネスを設定し、三次元形状計測用のデータ取得が完了するまでその設定を保持する手段を有する。
【００１７】
ブライトネスの設定手段は、まず既知のブライトネス値Ｂｄを設定し、試料への電子線照射が無い状態での画像データＤｄを取得し、該画像データとブライトネス設定値との関係から次式により画像データがゼロとなるブライトネスの設定値Ｂｓを求める。ここで、Ｋｂは画像データを１だけ変化させるために必要なブライトネスの設定値差（ブライトネス感度）である。
【００１８】
【数２】
2008282761.tif 000004
【００１９】
通常の画像観察で扱う画像データは、白黒画像の場合にはディスプレイの制約などで８ビット（２５６階調）である。２５６階調だけあれば、人間の視覚特性における画像の濃淡の表現としては十分であるが、三次元形状計測では前述のようにブライトネスを固定としているために、試料の構造を表す細かい濃淡差を、コントラストを強調して観察しようとすると、画像全体が明るくなって画像データが白く飽和してしまう。
【００２０】
従来の専用装置では、画像データが飽和しないようにコントラストを押さえ目にし、かつ、画像データの量子化分解能を増して計測精度を確保するために、画像データを１２ビット（４０９６階調）や１６ビット（６５５３６階調）で扱えるようにＡ／Ｄ変換器や画像メモリを構成していた。
【００２１】
本発明による装置では、三次元形状計測における画像データの量子化誤差を極力少なくするために、画像データが飽和せずに適度に分散するようにコントラスト設定を行う。これによりＡ／Ｄ変換器のビット数を少なくできる。コントラストの設定手段は、既知のコントラスト設定で画像データを取得し、１フレーム内の画像データの最大値を求め、この最大値とフルスケール値の比をコントラスト設定値に乗じることで最適なコントラスト設定値を求める。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、試料表面から発生した反射電子を検出する複数に分割された反射電子検出器を有する走査電子顕微鏡において、専用の装置を付加することなく容易に三次元形状測定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の第１の実施の形態によ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２は、本実施の形態による走査電子顕微鏡の一構成例を示す図である。電子源１から反射電子検出器６の信号検出までの構成は、上記図１と同じ構成である。また、通常の観察における表示部１０までの動作も図１の場合と同様である。三次元形状計測を行うときは、制御部１５内の反射電子の検出信号選択信号発生器は、信号切替部７およびフレームメモリ９を選択信号により制御し、電子線２の試料４上の走査フレームに同期して、信号切替部７で半導体素子６ａ〜６ｄからの検出信号を順次切替え、フレームメモリ９内の半導体素子６ａ〜６ｄに対応する記録アドレスに、半導体素子６ａ〜６ｄからの検出信号が順次記録されるように動作する。
【００２４】
つまり、第１フレーム走査時には、信号切替部７およびフレームメモリ９の記録アドレスは、半導体素子６ａの検出信号が選択されるように設定されており、第２フレーム走査時には信号切替部７およびフレームメモリ９の記録アドレスは半導体素子６ｂの検出信号が選択されるように設定され、第３フレーム走査時には信号切替部７およびフレームメモリ９の記録アドレスは半導体素子６ｃの検出信号が選択されるように設定され、第４フレーム走査時には信号切替部７およびフレームメモリ９の記録アドレスは半導体素子６ｄの検出信号が選択されるように設定されている。
【００２５】
これら４回の電子線走査により、三次元形状計測用の画像データをフレームメモリ９に記録し、三次元形状計測用の演算処理部１３で処理し、表示部１４にその結果を表示することができる。制御部１５の反射電子の検出信号選択信号発生器は、フレーム走査単位に更新されるカウンターなどを含んで構成されており、極めて簡単な回路やソフトウェアで実現可能である。例えば、本実施の形態によれば、図１の構成とは異なり、反射電子検出器６の分割数分のＡ／Ｄ変換機１１やフレームメモリ１２を三次元形状計測専用に設ける必要はなく、システムの小型化や低コスト化が実現できるという利点がある。
【００２６】
尚、上記図２に関する説明においては、フレーム走査単で信号の切替えを行う例について説明したが、フレーム走査単位ではなくライン単位で信号の切替えを行うことも可能である。その場合、制御部１５内の反射電子の検出信号選択信号発生器は、電子線２の試料４上の走査ラインに同期して、信号切替部７およびフレームメモリ９の記録アドレスを半導体素子６ａ〜６ｄが、順次、選択され記録されるように動作する。つまり第１ライン走査時には、信号切替部７およびフレームメモリ９の記録アドレスは、半導体素子６ａの検出信号が選択されるように設定され、第２ライン走査時には信号切替部７およびフレームメモリ９の記録アドレスは半導体素子６ｂの検出信号が選択されるように設定され、第３ライン走査時には信号切替部７およびフレームメモリ９の記録アドレスは半導体素子６ｃの検出信号が選択されるように設定され、第４ライン走査時には信号切替部７およびフレームメモリ９の記録アドレスは半導体素子６ｄの検出信号が選択されるように設定され、第５ライン走査時には、再び半導体素子６ａに戻るように制御される。最終ラインの記録が終わった時点で、三次元形状計測用の画像データの取得が完了する。ライン単位での切替は、前述のフレーム単位での切替えに対し、試料ドリフトによる半導体素子６ａから６ｄまでの検出画像データ間の位置ずれの影響が低減できるという利点がある。高倍率観察時には電子線２と試料４の相対位置が各種要因によりシフトしたり試料の変形が問題となる。フレーム単位の切替では１フレームの該検出画像データを記録してから次のフレームの同一点を記録するまでに１フレームの走査時間が経過するため、その間のシフト量や試料変形による位置ずれが生じる可能性がある。これに対しライン単位の切替では同一点記録の間隔が１ラインの走査時間であり、たとえば５００本走査であればその時間はフレーム単位に比べ１／５００になり、前記位置ずれも同様に１／５００に低減できる。
【００２７】
次に、本発明の第２の実施の形態による走査型電子顕微鏡装置について、図４、図５および図３を参照しながら、一般的な装置との対比を交えて説明する。
【００２８】
図４は、一般的な反射電子検出器のビデオ信号処理部の構成例を示す図であり、環状で中心から放射状に延びる線により４分割された反射電子検出器６と、信号切替部７およびＡ／Ｄ変換器８は第１の実施の形態による装置と同義である。尚、上述の図１および図２では、信号切替部７とＡ／Ｄ変換器８との間の詳細な構成に関しては図示せず省略していたものであり、実際には図４に示すような構成を有している。すなわち、図４に示すように、信号切替部７の出力信号は、Ｄ／Ａ変換器１８から出力されるブライトネス信号と加算器１６において加算され、Ｄ／Ａ変換器１９から出力されるコントラスト信号と乗算器１７において乗算されてＡ／Ｄ変換器８に対して出力され、ここでデジタルデータに変換される。図示しない操作部からの指示によりブライトネス調整用Ｄ／Ａ変換器１８およびコントラスト調整用Ｄ／Ａ変換器１９の設定値を変えることで、画像のブライトネスおよびコントラストの調整を行うことができる。通常の画像観察では、これらの調整は表示装置１０に表示されるライブ画像を見ながら、画像の明暗が適度になるように観察者の判断で行われている。
【００２９】
図３（ａ）は、反射電子画像（上図）およびそのヒストグラムの一例であり、試料はＳＵＳの表面のビッカース圧痕であり、画像の下方向に対面する検出素子のみ選択した場合の画像である。試料の組成は均一であるため、圧痕以外の平坦部の信号がヒストグラムで高くなっている部分である。このヒストグラムから、ＳＵＳ表面の細かいくぼみや圧痕部に適度に明暗が付くようにブライトネスとコントラストとが調整されている。
【００３０】
図３（ｂ）は電子線照射が無いとき、つまり検出信号ゼロの時の画像データがデータ０になるようにブライトネスを設定し、コントラストを適度に調整した例を示す図である。図３（ａ）と図３（ｂ）のヒストグラムを比較すると、図３（ａ）は図３（ｂ）に対しコントラストを上げて（ヒストグラムを広くして）、特徴部が白く飽和しないようにブライトネスを下げて（ヒストグラムを左にシフトしてオフセットをもたせて）いることがわかる。
【００３１】
しかしながら、図３（ｂ）に示す三次元形状計測では、上記式（１）からわかるように、検出信号ゼロがデータ０である必要があり、ブライトネス調整によるヒストグラムのシフト量（オフセット量）は高さ変化量の計算における誤差要因となる。本実施の形態におけるこのオフセット量の自動設定のための構成例であって図４に示す構成例に対応する構成を図５に示す。また、図６は、ブライトネス調整の処理の流れを示すフローチャート図である。以下にオフセット量の自動設定の手順を次に示す。
【００３２】
処理を開始すると（Ｓｔａｒｔ）、まず、図２の構成において、電子線２が試料４に照射されないように、電子銃１のフィラメント加熱をオフにしたり光軸調整をコイルなどにより極端にずらすなどによりビームブランキングをかけ、反射電子の信号量をゼロにする（ステップＳ６０１）。図５に示すように、反射電子の信号量をゼロにした状態におけるブライトネスの基準設定値Ｂｄを基準設定値記録部２０に設定し（ステップＳ６０２）、そのときのＡ／Ｄ変換器８の出力データＤｄをブライトネスフィードバック演算部２１に記憶させておく（ステップＳ６０３）。尚、ブライトネスフィードバック演算部２１の初期値はゼロに設定しておく。
【００３３】
次いで、反射電子の信号量をゼロから解除して通常の測定状態にする。ブライトネスフィードバック演算部２１では、記録されたＡ／Ｄ変換器８の出力データＤｄと、ブライトネス設定と出力データの比Ｋｂと、を乗じて出力し（Ｄｄ×Ｋｂ）（ステップＳ６０４）、ブライトネス設定値減算器２２により基準設定値記録部２０のブライトネスの基準設定値ＢｄからＤｄ×Ｋｂが減算された結果として得られたＢｓがブライトネス調整用Ｄ／Ａ変換器１８に設定する（ステップＳ６０５）。信号切替部７の出力信号が、Ｄ／Ａ変換器１８から出力されるブライトネス信号Ｂｓと加算器１６において加算される。
【００３４】
これにより、ヒストグラムにおけるオフセット量を図３（ｂ）に示すようにゼロにすることができる。この状態で、三次元形状計測用データの取得を実行する（ステップＳ６０６）。これら基準設定値記録部２０、ブライトネスフィードバック演算部２１、減算器２２、は、ハードウェアで構成することも可能であるが、ソフトウェア処理で代替することも可能である。本実施の形態によれば、三次元形状計測での誤差要因となる、ブライトネス調整によるオフセット量を自動的にゼロにすることができるため、三次元形状計測の操作性を向上させることができるとともにオフセット量による計測誤差を低減することができる。
【００３５】
尚、画像データが“０”になるようにブライトネス調整を行う手段を前述したが、検出信号ゼロのときの画像データを三次元形状計測用に取得した画像データから減算することでも同様の結果を得ることができ、その場合は、図５における減算器２２を省略することが出来る。この場合は、前記の手段でビームブランキング状態でのＡ／Ｄ変換器８の出力データＤｄを記録しておき、反射電子の信号量をゼロから解除して通常の測定状態にして三次元形状計測用データの取得を実行し、図２の構成におけるフレームメモリ９へ該計測用データを記録する。図２の構成における演算処理部１３で三次元計測用演算を実行する時点で、取得した計測用データから該無信号時のデータＤｄを減算することで、ブライトネス設定によるオフセット量を加味した三次元形状計測が可能となる。この場合の計算式を次式に示す。
【００３６】
【数３】
2008282761.tif 000005
【００３７】
次に、本発明の第３の実施の形態による走査型電子顕微鏡装置について図７を参照しながら説明を行う。図７はコントラスト設定を自動化する反射電子検出器のビデオ信号処理部の機能を示す図である。前述のような三次元形状計測のためのブライトネス設定では、画像データが飽和するため、表示画像のコントラストを十分に大きく設定することができない。コントラスト設定値が小さいと画像データの量子化誤差は大きくなり、三次元形状計測の計測精度が悪くなる。このため専用の装置では、Ａ／Ｄ変換器８のビット数を１２ビットや１６ビットのように増やす必要があった。本実施の形態では、量子化誤差が最小となるように、検出した画像データの最大値がＡ／Ｄ変換器８のフルスケールに一致するようにコントラストを自動調整する。
【００３８】
まず、コントラストの基準設定値を基準設定値記録部２３に設定する。その状態で１フレームの電子線走査を行い、得られる画像データの最大値を最大値記録部２４に記録し、コントラスト演算部２５でこの最大値とＡ／Ｄ変換器８のフルスケール値（たとえば８ビットのＡ／Ｄ変換器では２５５）との比を求める。コントラスト設定値乗算器２６で、このコントラストの基準設定値とこの比とを乗じてコントラスト調整用Ｄ／Ａ変換器１９に設定し、以降の画像データ取得を行うことにより、画像データの最大値がＡ／Ｄ変換器８のフルスケールに一致するようにすることができる。尚、コントラストの基準設定値は、コントラスト自動設定処理中の走査で画像データが飽和することが無い程度に十分に小さな値としておく。
【００３９】
尚、上記の基準設定値記録部２３、最大値記録部２４、コントラスト演算部２５、コントラスト乗算器２６の機能は、ソフトウェア処理で代替することも可能である。本実施の形態によれば、三次元形状計測でのコントラスト設定を自動化でき、さらに、常に最適なコントラストの画像データが得られるために量子化誤差は最小とすることができ、Ａ／Ｄ変換器８およびフレームメモリのビット数を必要最小限にできるため、システムの小型化やコストダウンが可能である。
【００４０】
以上においては、画像データの最大値をＡ／Ｄ変換器８のフルスケール値に一致させる例を説明したが、検出信号の時間変化などを考慮すれば、該フルスケール値の例えば９０％というように任意に設定された適切な値に画像データの最大値が一致するように自動調整することも可能である。そのためには、コントラスト演算部２５で該最大値とＡ／Ｄ変換器８のフルスケール値の９０％との比を求めればよい。本実施の形態によれば、検出信号が時間変化で多少増えた場合でも、画像データの最大値がＡ／Ｄ変換器８のフルスケールを超えて飽和することが防止できる。
【００４１】
以下、コントラスト設定のための自動化のさらに別な方法について説明する。その方法は、画像データの最大値ではなくヒストグラムを用いた方法である。電子線走査により得られた画像データのヒストグラムを求め、総度数に対する例えば８０％などの予め決められた比率となる度数を示す画像データの値と、予め決められた目的とする画像データ値との比を求め、該コントラストの基準設定値と該比とを乗じてコントラスト調整用Ｄ／Ａ変換器１９に設定する。
【００４２】
ここで、画像データが６４０×４８０画素の場合の具体的な例を以下に示す。総度数は３０７、２００であり、上述の８０％の例では、画像データ０、つまり黒を示すデータからの度数の合計が８０％の２４５，７６０となる画像データの値をヒストグラムから求め、予め決めておいた上述の８０％の度数が適すると予想される画像データ値との比を求める。このコントラストの基準設定値と比とを乗じることにより、コントラストの自動設定値を求める。この方式によれば、例えば、画像中のごく一部が白く光っているような場合に、その最大値に合わせてコントラストを設定すると、他の大多数の部分のコントラストが弱くなるという問題を回避することができる。例えば、ごみが付着した画像観察においても最適コントラストとなる自動調整が可能である。
【００４３】
尚、これらのコントラスト自動調整手段は、三次元形状測定および反射電子検出信号に限定されるものではなく、通常の画像観察における表示画像の明るさ調整においても有効である。
【００４４】
以上において、反射電子検出信号のコントラスト調整の最適設定方法について説明してきたが、次に、反射電子検出器６の分割された各素子６ａから６ｄまでの検出信号に着目して説明する。通常の反射電子画像観察では、前述のように６ａから６ｄの素子による検出信号は加算される。しかしながら、三次元形状計測では、６ａから６ｄの素子を一つずつ選択しながら分割数分の画像データを取得していくため、検出素子面積の違いにより各素子の検出量は、全素子を加算したときの検出量をこの分割数で除した値に近い値となる。試料４表面が平坦な場合には、各素子の検出量は、ほぼこの分割数で除した値になるが、反射電子は、試料４表面の凹凸により指向性を有するため、各素子の検出量は平坦部の値に対し該凹凸の分だけ増減する。
【００４５】
また、三次元形状計測では、各素子の検出量の差の比を求めるため、各素子の画像データを取得する間のコントラスト設定は一定でなければならない。さらに、各素子の画像データ全てにおいて、コントラスト過多による画像データの飽和がないようにコントラスト調整を行うことが望まれる。
【００４６】
前述の実施の形態におけるコントラスト自動調整処理は、この点においても考慮する必要があり、これらを含めたソフトウェア処理とした場合の自動調整の処理の流れについてのフローチャート図を図８に示す。
【００４７】
図８に示すように、処理を開始し（ｓｔａｒｔ）、次いで、コントラスト調整用Ｄ／Ａ変換器１９に基準設定値を設定し（ステップＳ８０１）、反射電子検出器６の中の１素子を選択し（ステップＳ８０２）、１フレームの電子線走査を実行し、画像データの第１の最大値を記録する（Ｓ８０３）。ステップＳ８０２〜ステップＳ８０３までの処理を反射電子検出器６の素子の分割数分だけ繰り返し、記録された画像データの第１の最大値の中からさらにその最大値である第２の最大値を求めて記録し（Ｓ８０４）、この第２の最大値とＡ／Ｄ変換器８のフルスケール値との比を計算し（Ｓ８０５）、上記基準設定値とステップＳ８０５で求めた比とを乗じて、コントラスト調整用Ｄ／Ａ変換器１９に設定する（ステップＳ８０６）。これにより、全素子の画像データ取得における最適コントラスト設定が行われる。最適コントラストの設定が行われた状態で、反射電子検出器６の中の１素子を選択し（Ｓ８０７）、１フレーム（または１ライン）分の電子線走査を実行し、フレームメモリ９（図２）に画像データを記録し（Ｓ８０８）、これを素子数分だけ繰り返して、三次元形状計測のための試料表面の高さ分布を求める演算を行い、結果を表示する（Ｓ８０９）。これにより、コントラスト自動調整処理が終了する。
【００４８】
以上に説明したように、本実施の形態によれば、試料表面から発生した反射電子を検出する複数に分割された環状反射電子検出器を有する走査電子顕微鏡において、専用の装置を付加することなく容易に三次元形状測定を行うことができ、簡単な構成で三次元形状計測や立体モデル表示を行うことができるという利点がある。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、三次元形状計測が可能な 走査電子顕微鏡に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】三次元形状計測専用装置を付加した一般的な走査電子顕微鏡の構成図である。
【図２】本実施の形態による三次元形状計測専用装置を付加した走査電子顕微鏡の一構成例を示す図である。
【図３】反射電子像とそのヒストグラムの例を示す図であり、図３（ａ）は通常の像観測時のものであり、図３（ｂ）は三次元計測時のものである。
【図４】通常の像観察における一般的な反射電子検出器のビデオ信号処理部の構成例を示す図である。
【図５】ブライトネス設定を自動化した本実施の形態による反射電子検出器のビデオ信号処理部の構成例を示す図である。
【図６】ブライトネス調整の処理の流れを示すフローチャート図である。
【図７】コントラスト設定を自動化した本実施の形態による反射電子検出器のビデオ信号処理部の構成例を示す図である。
【図８】コントラスト調整の自動化の処理に流れを示すフローチャート図である。
【符号の説明】
【００５１】
１    電子銃
２    電子線
３    集束レンズ
４    試料
５    偏向コイル
６    反射電子検出器
７    反射電子検出信号切替部
８    Ａ／Ｄ変換器
９    フレームメモリ
１０    表示装置
１１    三次元形状計測用Ａ／Ｄ変換器
１２    三次元形状計測用フレームメモリ
１３    演算処理部
１４    三次元形状計測結果表示部
１５    制御部
１６    ブライトネス用加算器
１７    コントラスト用乗算器
１８    ブライトネス調整用Ｄ／Ａ変換器
１９    コントラスト調整用Ｄ／Ａ変換器
２０    ブライトネス基準設定値記録部
２１    ブライトネスフィードバック演算部
２２    ブライトネス設定値減算器
２３    コントラスト基準設定値記録部
２４    画像データ最大値記録部
２５    コントラスト演算部
２６    コントラスト設定値乗算器
【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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