(57)【要約】【課題】試料の立体形状を広範囲に把握することができるようにする。【解決手段】焦点深度拡大機能を用いて得られた、視野角が異なり、かつ画像全体で焦点の合っている複数枚の画像から、画像全領域の高さ（深さ方向距離）を算出することで、画素単位で高さ情報のマップ（Ｚマップ）を作り、立体像を鳥瞰図として表示する。また、表面構造を反映する画像信号から得られるＺマップに組成情報を反映する画像信号から得られたＺマップを別な色で重ねて表示することで、特異的な組成の物質の試料内での空間分布を明瞭に把握することを可能にする。【選択図】  図５
2004214060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に第１の入射角度で電子線を照射し、試料から放出された二次信号を検出して試料の走査電子顕微鏡像を取得するステップと、
焦点位置を変えて前記ステップを反復し、前記第１の入射角度における複数の走査電子顕微鏡像を取得するステップと、
試料に第１の入射角度とは異なる第２の入射角度で電子線を照射し、試料から放出された二次信号を検出して試料の走査電子顕微鏡像を取得するステップと、
焦点位置を変えて前記ステップを反復し、前記第２の入射角度における複数の走査電子顕微鏡像を取得するステップと、
前記第１の入射角度で取得した複数の走査電子顕微鏡像からそれぞれ最も焦点の合った画像領域を抽出し、画像全体に焦点の合った第１の全焦点画像を生成するステップと、
前記第２の入射角度で取得した複数の走査電子顕微鏡像からそれぞれ最も焦点の合った画像領域を抽出し、画像全体に焦点の合った第２の全焦点画像を生成するステップと、
前記第１の全焦点画像と第２の全焦点画像からステレオ像を観察するステップとを含むことを特徴とする走査電子顕微鏡を用いた試料観察方法。
【請求項２】
試料に第１の入射角度で電子線を照射し、試料から放出された二次信号を検出して試料の走査電子顕微鏡像を取得するステップと、
焦点位置を変えて前記ステップを反復し、前記第１の入射角度における複数の走査電子顕微鏡像を取得するステップと、
試料に第１の入射角度とは異なる第２の入射角度で電子線を照射し、試料から放出された二次信号を検出して試料の走査電子顕微鏡像を取得するステップと、
焦点位置を変えて前記ステップを反復し、前記第２の入射角度における複数の走査電子顕微鏡像を取得するステップと、
前記第１の入射角度で取得した複数の走査電子顕微鏡像からそれぞれ最も焦点の合った画像領域を抽出し、画像全体に焦点の合った第１の全焦点画像を生成するステップと、
前記第２の入射角度で取得した複数の走査電子顕微鏡像からそれぞれ最も焦点の合った画像領域を抽出し、画像全体に焦点の合った第２の全焦点画像を生成するステップと、
前記第１の全焦点画像と第２の全焦点画像で対応する２つの画素間の移動量を求めるステップと、
対応する２つの画素間の移動量と前記第１の入射角と第２の入射角の角度差をもとに画素単位の高さ情報を求めるステップと、
前記画素単位の高さ情報をもとに高さマップを作成するステップとを有することを特徴とする試料観察方法。
【請求項３】
請求項２記載の試料観察方法において、前記高さマップから３次元鳥瞰図を作成するステップを有することを特徴とする試料観察方法。
【請求項４】
試料に第１の入射角度で電子線を照射し、試料から放出された第１と第２の二次信号を検出して前記第１の二次信号に基づく試料の走査電子顕微鏡像と前記第２の二次信号に基づく試料の走査電子顕微鏡像を取得するステップと、
焦点位置を変えて前記ステップを反復し、前記第１の入射角度における、前記第１の二次信号に基づく複数の走査電子顕微鏡像と前記第２の二次信号に基づく複数の走査電子顕微鏡像を取得するステップと、
試料に第１の入射角度とは異なる第２の入射角度で電子線を照射し、試料から放出された前記第１と第２の二次信号を検出して前記第１の二次信号に基づく試料の走査電子顕微鏡像と前記第２の二次信号に基づく試料の走査電子顕微鏡像を取得するステップと、
焦点位置を変えて前記ステップを反復し、前記第２の入射角度における、前記第１の二次信号に基づく複数の走査電子顕微鏡像と前記第２の二次信号に基づく複数の走査電子顕微鏡像を取得するステップと、
前記第１の入射角度で取得した前記第１の二次信号に基づく複数の走査電子顕微鏡像からそれぞれ最も焦点の合った画像領域を抽出し、画像全体に焦点の合った第１の全焦点画像を生成するステップと、
前記第１の入射角度で取得した前記第２の二次信号に基づく複数の走査電子顕微鏡像からそれぞれ最も焦点の合った画像領域を抽出し、画像全体に焦点の合った第２の全焦点画像を生成するステップと、
前記第２の入射角度で取得した前記第１の二次信号に基づく複数の走査電子顕微鏡像からそれぞれ最も焦点の合った画像領域を抽出し、画像全体に焦点の合った第３の全焦点画像を生成するステップと、
前記第２の入射角度で取得した前記第２の二次信号に基づく複数の走査電子顕微鏡像からそれぞれ最も焦点の合った画像領域を抽出し、画像全体に焦点の合った第４の全焦点画像を生成するステップとを含むことを特徴とする走査電子顕微鏡を用いた試料観察方法。
【請求項５】
請求項４記載の試料観察方法において、前記第１の全焦点画像と第３の全焦点画像を第１の色で表示し、前記第２の全焦点画像と第４の全焦点画像を第２の色で表示し、ステレオ像を観察するステップを有することを特徴とする試料観察方法。
【請求項６】
請求項４記載の試料観察方法において、
前記第１の全焦点画像と第３の全焦点画像で対応する２つの画素間の移動量を求めるステップと、
前記第１の全焦点画像と第３の全焦点画像の対応する２つの画素間の移動量と前記第１の入射角と第２の入射角の角度差をもとに前記第１の二次信号に基づく試料の画素単位の高さ情報を求めるステップと、
前記第１の二次信号に基づく試料の画素単位の高さ情報をもとに第１の高さマップを作成するステップと、
前記第２の全焦点画像と第４の全焦点画像で対応する２つの画素間の移動量を求めるステップと、
前記第２の全焦点画像と第４の全焦点画像の対応する２つの画素間の移動量と前記第１の入射角と第２の入射角の角度差をもとに前記第２の二次信号に基づく試料の画素単位の高さ情報を求めるステップと、
前記第２の二次信号に基づく試料の画素単位の高さ情報をもとに第２の高さマップを作成するステップとを有することを特徴とする試料観察方法。
【請求項７】
請求項６記載の試料観察方法において、
前記第１の高さマップから第１の表示色で第１の３次元鳥瞰図を作成するステップと、
前記第２の高さマップから前記第１の表示色と異なる第２の表示色で第２の３次元鳥瞰図を作成するステップと、
前記第１の３次元鳥瞰図と第２の３次元鳥瞰図を重ねて表示するステップとを有することを特徴とする試料観察方法。
【請求項８】
請求項６記載の試料観察方法において、
前記第１の高さマップと前記第２の高さマップの対応する画素毎に高さの差を求めるステップを有することを特徴とする試料観察方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項記載の試料観察方法において、前記第１の入射角度及び／又は第２の入射角度の設定を、電子線を走査電子顕微鏡の対物レンズの軸外を通過させるとき生じる偏向作用を用いて行うことを特徴とする試料観察方法。
【請求項１０】
電子線源と、
前記電子線源から発生した１次電子線を収束して試料上で走査する、対物レンズを含む電子光学系と、
試料に照射される１次電子線の入射角度を制御する入射角度制御手段と、
１次電子線の照射によって試料から放出された二次信号を検出する検出器と、
１次電子線の収束位置の異なる複数の試料像からそれぞれ最も焦点の合った画像領域を抽出し画像全体に焦点の合った全焦点画像を生成する全焦点画像処理手段と、
前記入射角制御手段によって設定された２つの異なる入射角度においてそれぞれ取得した１次電子線の収束位置の異なる複数の試料像から前記全焦点画像処理手段によって生成した前記２つの異なる入射角度における２つの全焦点画像を元に、試料の高さに関する情報を画素単位で求める演算手段とを含むことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１１】
請求項１０記載の走査電子顕微鏡において、前記入射角度制御手段は、１次電子線を前記対物レンズの物点で偏向して前記対物レンズの軸外に入射させる偏向手段を有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１２】
請求項１０又は１１記載の走査電子顕微鏡において、画像を表示する画像表示手段と、前記演算手段によって求めた試料の高さに関する情報から３次元鳥瞰図を作成する手段とを備え、作成した３次元鳥瞰図を前記画像表示手段に表示することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１３】
請求項１０又は１１記載の走査電子顕微鏡において、前記検出器として第１の二次信号を検出する第１の検出器と、前記第１の二次信号とは異なる第２の二次信号を検出する第２の検出器とを備え、前記演算手段により、第１の二次信号に基づく試料の高さ情報と第２の二次信号に基づく試料の高さ情報を求めることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１４】
請求項１３記載の走査電子顕微鏡において、前記第１の検出器は二次電子検出器であり、前記第２の検出器は反射電子検出器であることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１５】
請求項１３又は１４記載の走査電子顕微鏡において、画像を表示する画像表示手段と、前記演算手段によって求めた試料の高さに関する情報から３次元鳥瞰図を作成する手段とを備え、前記第１の二次信号に基づく試料の高さ情報から作成した第１の３次元鳥瞰図と前記第２の二次信号に基づく試料の高さ情報から作成した第２の３次元鳥瞰図を前記画像表示手段に表示することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１６】
請求項１５記載の走査電子顕微鏡において、前記第１の３次元鳥瞰図と第２の３次元鳥瞰図を異なる表示色で表示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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は走査電子顕微鏡を用いた試料観察方法に関し、特に、電子光学系の焦点深度範囲を超えた寸法領域で高さ方向の計測、及び立体像観察を行うのに好適な試料観察方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステレオ観察法は、同一視野について視野角の異なる複数枚の画像を組み合わせることにより画像を立体視したり、計測を行うことができる手法である。ステレオ観察法では対応点の視差のずれを使い立体形状を把握するが、焦点の合っていない領域間では視差のずれを良好に認識できないため立体形状を把握できないという制約がある。ステレオ視は試料（又はビーム）傾斜角度を変えて測定した複数枚の画像を種々の手法を用いて左右の目で別々の画像を観察することにより実現する。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−７５２６３号公報
【特許文献２】
特開２００２−１８４３３６号公報
【非特許文献１】
Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ，  Ｖｏｌ．１８，  Ｎｏ．６，  Ｎｏｖ／Ｄｅｃ  ２０００，  Ｍｉｔｓｕｇｕ  Ｓａｔｏ  ａｎｄ  Ｆｕｍｉｏ  Ｍｉｚｕｎｏ，  ”Ｄｅｐｔｈ  ｏｆ  ｆｉｅｌｄ  ａｔ  ｈｉｇｈ  ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｓ”
【非特許文献２】
小柏剛、佐藤貢、高根淳、ＳＣＡＮ  ＴＥＣＨ  ２００２予稿集「ＳＥＭにおける自動軸調整機能・自動焦点深度拡大機能」ｐ２−５（２００２）
【非特許文献３】
馬場則男（工学院大学）、ＳＣＡＮ  ＴＥＣＨ  ２０００予稿集「ステレオ法による３次元自動測定」
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のステレオ観察法の制約について図１５及び図１６を用いて説明する。図１５は、走査電子顕微鏡像をステレオ視する場合の像形成について、試料断面方向から模式的に示した説明図である。図１６は、図１５の条件でステレオ視した場合の走査電子顕微鏡による画像を示したものであり、図１６（ａ）は試料あるいは入射電子を＋θ傾斜したときの走査電子顕微鏡による画像、図１６（ｂ）は試料あるいは入射電子を−θ傾斜したときの走査電子顕微鏡による画像である。
【０００５】
試料１５３に対し＋θ傾斜方向から入射電子１５１を照射すると、走査電子顕微鏡のモニタ画面上に図１６（ａ）のような画像１６１が得られる。この時の画像１６１上で、図１５に示した焦点のあっている領域１５５に対応する領域は領域１６３である。また、試料１５３に対し−θ傾斜方向から入射電子１５２を照射すると、走査電子顕微鏡のモニタ画面上に画像１６２が得られる。この時の画像１６２上で、図１５に示した焦点のあっている領域１５４に対応するのは領域１６３である。これら２枚の画像１６１，１６２を合成しステレオ表示すると、合焦点領域１６３のみステレオ視（立体視）され、それ以外の焦点のあっていない部分はステレオ視（立体視）できない。このようにステレオ視できる領域は走査電子顕微鏡の焦点深度に依存する。
走査電子顕微鏡の焦点深度は次式（１）で表すことができる（非特許文献１）。ただし、ｆｄｍｉｎは焦点深度、Ｖａｃｃは加速電圧、Ｒｍｉｎは分解能である。
【０００６】
【数１】
2004214060.tif 000003
【０００７】
この式からわかるように、走査電子顕微鏡の焦点深度は高分解能化にともない浅くなる。焦点深度が浅いと焦点の合っている領域も狭い。従って、ステレオ視を試みても一部分しか立体形状が把握できない。最近の高分解能走査電子顕微鏡を用いたステレオ観察法ではステレオ視できる領域が狭い、すなわち画像内の一部領域のみでしか正確な高さ情報が得られないという問題があり、画像全領域の立体形状及び高さ分布を把握可能な３次元像観察法が切望されていた。
本発明は、このような要請に応え、試料の立体形状を広範囲に把握することができる試料観察方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、焦点深度拡大機能を用いて得られた、視野角が異なり、かつ画像全体で焦点の合っている複数枚の画像から、画像全領域の高さ（深さ方向距離）を算出することで、画素単位で高さ情報のマップ（Ｚマップ）を作り、立体像を鳥瞰図として表示する。また、表面構造を反映する画像信号から得られるＺマップに組成情報を反映する画像信号から得られたＺマップを別な色で重ねて表示することで、特異的な組成の物質の試料内での空間分布を明瞭に把握することを可能にする。
【０００９】
すなわち、本発明の走査電子顕微鏡を用いた試料観察方法は、試料に第１の入射角度で電子線を照射し、試料から放出された二次信号（二次電子、反射電子、特性Ｘ線など）を検出して試料の走査電子顕微鏡像を取得するステップと、焦点位置を変えて前記ステップを反復し、第１の入射角度における複数の走査電子顕微鏡像を取得するステップと、試料に第１の入射角度とは異なる第２の入射角度で電子線を照射し、試料から放出された二次信号を検出して試料の走査電子顕微鏡像を取得するステップと、焦点位置を変えて前記ステップを反復し、第２の入射角度における複数の走査電子顕微鏡像を取得するステップと、第１の入射角度で取得した複数の走査電子顕微鏡像からそれぞれ最も焦点の合った画像領域を抽出し、画像全体に焦点の合った第１の全焦点画像を生成するステップと、第２の入射角度で取得した複数の走査電子顕微鏡像からそれぞれ最も焦点の合った画像領域を抽出し、画像全体に焦点の合った第２の全焦点画像を生成するステップと、第１の全焦点画像と第２の全焦点画像からステレオ像を観察するステップとを含むことを特徴とする。
【００１０】
本発明の試料観察方法は、また、第１の全焦点画像を生成するステップ、第２の全焦点画像を生成するステップに続いて、第１の全焦点画像と第２の全焦点画像で対応する２つの画素間の移動量を求めるステップと、対応する２つの画素間の移動量と第１の入射角と第２の入射角の角度差をもとに画素単位の高さ情報を求めるステップと、画素単位の高さ情報をもとに高さマップを作成するステップとを有することを特徴とする。高さマップが得られたら、それから３次元鳥瞰図を作成することができる。
【００１１】
本発明の走査電子顕微鏡を用いた試料観察方法は、また、試料に第１の入射角度で電子線を照射し、試料から放出された第１と第２の二次信号を検出して第１の二次信号に基づく試料の走査電子顕微鏡像と第２の二次信号に基づく試料の走査電子顕微鏡像を取得するステップと、焦点位置を変えて前記ステップを反復し、第１の入射角度における、第１の二次信号に基づく複数の走査電子顕微鏡像と第２の二次信号に基づく複数の走査電子顕微鏡像を取得するステップと、試料に第１の入射角度とは異なる第２の入射角度で電子線を照射し、試料から放出された第１と第２の二次信号を検出して第１の二次信号に基づく試料の走査電子顕微鏡像と第２の二次信号に基づく試料の走査電子顕微鏡像を取得するステップと、焦点位置を変えて前記ステップを反復し、第２の入射角度における、第１の二次信号に基づく複数の走査電子顕微鏡像と第２の二次信号に基づく複数の走査電子顕微鏡像を取得するステップと、第１の入射角度で取得した第１の二次信号に基づく複数の走査電子顕微鏡像からそれぞれ最も焦点の合った画像領域を抽出し、画像全体に焦点の合った第１の全焦点画像を生成するステップと、第１の入射角度で取得した第２の二次信号に基づく複数の走査電子顕微鏡像からそれぞれ最も焦点の合った画像領域を抽出し、画像全体に焦点の合った第２の全焦点画像を生成するステップと、第２の入射角度で取得した第１の二次信号に基づく複数の走査電子顕微鏡像からそれぞれ最も焦点の合った画像領域を抽出し、画像全体に焦点の合った第３の全焦点画像を生成するステップと、第２の入射角度で取得した第２の二次信号に基づく複数の走査電子顕微鏡像からそれぞれ最も焦点の合った画像領域を抽出し、画像全体に焦点の合った第４の全焦点画像を生成するステップとを含むことを特徴とする。
【００１２】
得られた第１から第４の全焦点画像は、第１の全焦点画像と第３の全焦点画像を第１の色で表示し、第２の全焦点画像と第４の全焦点画像を第２の色で表示し、ステレオ像を観察するようにしてもよい。
【００１３】
また、更に、第１の全焦点画像と第３の全焦点画像で対応する２つの画素間の移動量を求めるステップと、第１の全焦点画像と第３の全焦点画像の対応する２つの画素間の移動量と第１の入射角と第２の入射角の角度差をもとに第１の二次信号に基づく試料の画素単位の高さ情報を求めるステップと、第１の二次信号に基づく試料の画素単位の高さ情報をもとに第１の高さマップを作成するステップと、第２の全焦点画像と第４の全焦点画像で対応する２つの画素間の移動量を求めるステップと、第２の全焦点画像と第４の全焦点画像の対応する２つの画素間の移動量と第１の入射角と第２の入射角の角度差をもとに第２の二次信号に基づく試料の画素単位の高さ情報を求めるステップと、第２の二次信号に基づく試料の画素単位の高さ情報をもとに第２の高さマップを作成するステップとを有するのが好ましい。
【００１４】
更に、第１の高さマップから第１の表示色で第１の３次元鳥瞰図を作成するステップと、第２の高さマップから第１の表示色と異なる第２の表示色で第２の３次元鳥瞰図を作成するステップと、第１の３次元鳥瞰図と第２の３次元鳥瞰図を重ねて表示するステップとを有することが好ましい。
更に、第１の高さマップと第２の高さマップの対応する画素毎に高さの差を求めるステップを有してもよい。
【００１５】
試料に照射される電子線の入射角度を変えるには、試料ステージを傾斜させて照射電子線に対する試料の傾斜角度を変えてもよいし、試料を傾斜させることなく、電子線を走査電子顕微鏡の対物レンズの軸外を通過させるとき生じる偏向作用を利用して、試料に入射する照射電子線の角度を変えてもよい。対物レンズの偏向作用により、電子線と試料との相対的な角度を傾斜すると、試料ステージを傾斜する場合に生じる視野ずれの問題が軽減される。
【００１６】
本発明による走査電子顕微鏡は、電子線源と、電子線源から発生した１次電子線を収束して試料上で走査する、対物レンズを含む電子光学系と、試料に照射される１次電子線の入射角度を制御する入射角度制御手段と、１次電子線の照射によって試料から放出された二次信号を検出する検出器と、１次電子線の収束位置の異なる複数の試料像からそれぞれ最も焦点の合った画像領域を抽出し画像全体に焦点の合った全焦点画像を生成する全焦点画像処理手段と、入射角制御手段によって設定された２つの異なる入射角度においてそれぞれ取得した１次電子線の収束位置の異なる複数の試料像から全焦点画像処理手段によって生成した２つの異なる入射角度における２つの全焦点画像を元に、試料の高さに関する情報を画素単位で求める演算手段とを含むことを特徴とする。
入射角度制御手段は、１次電子線を対物レンズの物点で偏向して対物レンズの軸外に入射させる偏向手段を有するものとすることができる。
【００１７】
上記走査電子顕微鏡は、画像を表示する画像表示手段と、演算手段によって求めた試料の高さに関する情報から３次元鳥瞰図を作成する手段とを備え、作成した３次元鳥瞰図を画像表示手段に表示することができる。
【００１８】
また、検出器として第１の二次信号を検出する第１の検出器と、第１の二次信号とは異なる第２の二次信号を検出する第２の検出器とを備え、演算手段により、第１の二次信号に基づく試料の高さ情報と第２の二次信号に基づく試料の高さ情報を求めるようにしてもよい。この時、第１の検出器は例えば二次電子検出器、第２の検出器は例えば反射電子検出器とすることができる。
【００１９】
更に、画像を表示する画像表示手段と、演算手段によって求めた試料の高さに関する情報から３次元鳥瞰図を作成する手段とを備え、第１の二次信号に基づく試料の高さ情報から作成した第１の３次元鳥瞰図と第２の二次信号に基づく試料の高さ情報から作成した第２の３次元鳥瞰図を画像表示手段に表示することもできる。第１の３次元鳥瞰図と第２の３次元鳥瞰図は異なる表示色で表示するのが好ましい。
【００２０】
従来、走査電子顕微鏡の焦点深度によりステレオ視できる領域が制約されていたが、本発明によるとステレオ視できる領域が広がり、広範囲の立体形状が把握できるようになる。また、焦点深度の不足により、焦点の合っていない領域から高さ（深さ方向距離）を算出することは困難であったが、本発明の方法を用いることにより画像全領域から高さ（深さ方向距離）が算出できるようになり、立体像を鳥瞰図として表示できるようになる。更に、異なる二次信号を色分け表示して２つの３次元鳥瞰図を重ねて表示することで、異なる信号で表示される物体間の高さ方向の差を計測できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明による走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の一例の概略構成図である。陰極１と第１陽極２の間には、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）４０で制御される高圧制御電源２０により電圧が印加され、所定のエミッション電流で１次電子線４が陰極１から引き出される。陰極１と第２陽極３の間には、ＣＰＵ４０で制御される高圧制御電源２０により加速電圧が印加されるため、陰極１から放出された１次電子線４は加速されて後段のレンズ系に進行する。１次電子線４は、レンズ制御電源２１で制御された収束レンズ５（ビーム収束手段）で収束され、絞り板８で１次電子線の不要な領域が除去された後、第２収束レンズ制御電源２２で制御された収束レンズ６（ビーム収束手段）、及び、対物レンズ制御電源２３で制御された対物レンズ７により、試料ステージ１５に保持された試料１０に微小スポットとして収束される。対物レンズ７は、インレンズ方式、アウトレンズ方式、又は、シュノーケル方式（セミインレンズ方式）など種々の形態をとることができる。また、試料に負の電圧を印加して一次電子線を減速させるリターディング方式も可能である。さらに、各々のレンズは、複数の電極で構成される静電型レンズで構成してもよい。
【００２２】
１次電子線４は、走査コイル９で試料１０上を２次元的に走査される。１次電子線の照射で、試料１０から発生した２次電子等の２次信号（試料信号）１２ａ，１２ｂは、対物レンズ７の上部に進行した後、２次信号分離用の直交電磁界発生装置１１により、それぞれエネルギーの違いにより分離されて２次信号検出器１３ａ及び１３ｂの方向に進行する。これらの２次信号１２ａ，１２ｂは、その後、２次信号検出器１３ａ及び１３ｂで検出される。２次信号検出器１３ａ，１３ｂの信号は、それぞれ信号増幅器１４ａ，１４ｂを経て、像信号として表示用画像メモリ２５に記憶される。表示用画像メモリ２５に記憶された画像情報は、像表示装置２６に随時表示される。
【００２３】
走査コイル９の信号は、観察倍率に応じて走査コイル制御電源２４により制御される。走査コイル９と同じ位置に２段の偏向コイル４１が配置されており、ビーム傾斜する場合には、傾斜制御電源３１によって対物レンズの物点が偏向支点となるように、対物レンズに入射する一次電子線４の位置を二次元的に制御できる。集束レンズ６の付近に非点補正コイル４３が配置されており、ビーム傾斜条件に連動して非点補正電源３３で制御される。集束レンズ６と絞り板８の間に２段の偏向コイル４２が配置されており、集束レンズ６の物点が偏向の支点となるように、収差制御電源３４によって集束レンズ６に入射する一次電子線４の位置を二次元的に制御できる。入力装置４５からは、画像の取り込み条件（走査速度、加速電圧など）やビーム傾斜条件（傾斜方向や傾斜角度）の指定、及び画像の出力や保存などを指定することができる。
【００２４】
焦点の異なる複数の画像は、ＣＰＵ４０でフォーカス制御条件が計算され、連続して取り込まれ、画像メモリ３２に記憶される（画像構築手段）。画像メモリ３２に記憶された画像データは、ＳＥＭから外部に取出すことができる。また、画像メモリ３２の画像は、ＣＰＵ４０で画像処理されて、焦点深度を拡大した画像として合成され、画像メモリ２５に記憶されて像表示装置２６に表示される。合成（焦点深度拡大）画像は、画像メモリ３２にも記憶することができ、ＳＥＭから外部に合成（焦点深度拡大）画像データを取出すことができる。なお、画像処理は、ＣＰＵ４０に記憶されたプログラムで実施することも可能であるが、専用のハードウェアで高速に行うこともできる。さらに、専用のハードウェアでは画像処理が高速に行えることから、焦点の異なる連続画像を取り込みながら、並行して逐次画像処理を行い、焦点深度の深い画像を合成することもできる。
【００２５】
また、画像メモリ３２は複数枚の合成（焦点深度拡大）画像を記憶することができ、試料又はビーム傾斜条件から、ＣＰＵ４０に記憶されたプログラムでＺマップ、鳥瞰図、異種信号色別表示（いずれも後述）を作成することができ、必要に応じて画像メモリ２５に記憶し画像表示装置２６に表示したり、専用のハードウェアで遂次Ｚマップ、鳥瞰図、異種信号色別表示を作成する画像処理を実施することも可能である。
【００２６】
試料の傾斜像を得るには試料ステージを傾斜させるのが一般的であるが、試料ステージを傾斜したときの高倍率での視野ずれを防止したり、より高速に傾斜像を得るには、試料ステージを機械的に傾斜させるよりも荷電粒子線を試料に対して傾斜させるほうが合理的である。図２の模式図を用いて、対物レンズの振り戻し作用を利用した荷電粒子線（ビーム）の試料上での傾斜について説明する。ビーム２０１を偏向コイル２０２により対物レンズ２０４の物点で偏向して対物レンズ２０４の軸外に入射させると、対物レンズ２０４の集束作用によりビームが試料２０７上で角度θだけ傾斜する。この場合、対物レンズから見た物点位置２０５が移動していないため、ビームを傾斜しても視野２０６が移動しない。この状態で視野角の異なる焦点深度拡大画像を得れば良い。
【００２７】
視野角が異なり、画面全体で焦点の合っている複数枚の画像を取得し、ステレオ視する時、画面全体で焦点の合っている画像を取得する手段として焦点深度拡大機能を用いる（特許文献１）。焦点深度拡大機能とは、焦点の異なる複数枚の画像を取得し、必要に応じて位置補正、輝度補正を行った後、各画像間の同一位置の画素情報を比較、焦点の合っている部分だけを抽出し、１枚の画像とする観察手法である。
【００２８】
高倍率、高分解能観察が目的の電界放出形走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）では、焦点深度の不足が避けられない。図３に高倍率におけるＦＥ−ＳＥＭの分解能と焦点深度の関係を示す。図３は、低加速電圧かつ高分解能になるほど、焦点深度が浅くなることを示している。ここで示した高倍率における焦点深度は、図４に示すように、フォーカス点付近の光軸Ｚに対する分解能の変化において、分解能が最高分解能Ｒｍｉｎの１．１倍以下を維持しているＺ方向の距離（範囲）として定義されたものである。
【００２９】
自動焦点深度拡大機能では、まず現在のＳＥＭ条件における焦点深度を計算し、焦点深度分のフォーカスを変化させて、ＳＥＭ像を取得する。このとき、各画像間のフォーカス変化幅を、ＳＥＭの焦点深度と一致させる。そして、これらフォーカス位置の異なる複数の画像から、試料上の同一部で画像を比較したとき、一番焦点が合っている部分（合焦点）がどの画像であるかを画像処理によって画素レベルで検出し、そのときの画像の画素を選択する。この処理をＳＥＭ像の視野全体に渡って行い、最後にこの方法で選択した画素を一枚の画像になるようにつなぎ合わせていくことで、画像全体に焦点の合ったＳＥＭ像（焦点深度拡大像）を構築する（非特許文献１，２参照）。
【００３０】
焦点深度拡大機能を用いたステレオ像について、図５及び図６を用いて説明する。図５は、走査電子顕微鏡像を焦点深度拡大機能を用いステレオ視する場合の像形成について、試料断面方向から模式的に示した説明図である。図６は、焦点深度拡大機能を用いステレオ視した場合の画像を示したものであり、図６（ａ）は試料あるいは入射電子を＋θ傾斜したときの走査電子顕微鏡による焦点深度拡大画像、図６（ｂ）は試料あるいは入射電子を−θ傾斜したときの走査電子顕微鏡による焦点深度拡大画像である。
【００３１】
＋θ傾斜した入射電子５１を試料５３に照射すると走査電子顕微鏡のモニタ画面上に図６（ａ）に示すような画像６１が得られる。焦点深度拡大機能により、焦点深度５４は焦点深度拡大機能を使わなかった場合の焦点深度５６より深くなっている。また、−θ傾斜した入射電子５２を試料５３に照射すると走査電子顕微鏡のモニタ画面上に図６（ｂ）のような画像６２が得られる。この時も焦点深度拡大機能により、焦点深度５５は焦点深度拡大機能を使わなかった場合の焦点深度５７より深くなっている。こうして、試料あるいは入射電子を＋θ傾斜したときの走査電子顕微鏡による焦点深度拡大画像６１、及び試料あるいは入射電子を−θ傾斜したときの走査電子顕微鏡による焦点深度拡大画像６２は、いずれもほぼ画像全面で焦点があった画像となる。これら２枚の画像６１，６２を合成しステレオ表示すると、画像全面に焦点の合ったステレオ像を表示することができ、より立体感のある画像が得られる。
【００３２】
図７は、画像取得、合成、計測の流れを示したフローチャートである。
まず、試料又はビーム入射方向を±θ度傾斜させ（Ｓ１１）、２方向から焦点深度拡大機能を用い画像を取得する（Ｓ１２）。次に、取得した画像の位置補正、輝度補正を自動で行う（Ｓ１３）。そして、補正した画像の焦点のあっている部分だけを抽出し合成する（Ｓ１４）。ここまでは焦点深度拡大機能を用い自動で行うことができる。次に、±θ度傾斜し、焦点深度拡大機能を用い取得した２枚の画像の位置補正（傾斜中心合わせ）を行い（Ｓ１５）、ステレオ表示する（Ｓ１６）。
【００３３】
ステレオ像観察時には、一般的には一枚目の画像を取得する前にＳＥＭ像観察領域の中心付近を傾斜中心に決める（又は傾斜中心にしたい試料構造を視野中心に移動する）ことが多い。一枚目の画像を取得した後、試料又は電子ビームを傾斜するが、このとき傾斜中心が一枚目の取得画像とずれないようにステージ駆動又はビームシフトにより視野を移動する。図１５，図１６，図５，図６においては、１５６，１６５，５８，６４が試料傾斜軸、１６６，６５が傾斜中心である。
【００３４】
次に、焦点深度拡大機能を用い取得した傾斜角の異なる２枚の画像全体のマッチングを行い、２枚の画像間の傾斜中心を検出し一致させる（Ｓ１７）。続いて、傾斜中心の一致した２枚の画像間で、１つの画素を中心とする局所的画像に対して部分的なマッチングを行い（Ｓ１８）、傾斜中心の一致した２枚の画像間でのその画素の移動量（ずれ量）を計測する（Ｓ１９）。その移動量（Δ＝Ａ−Ａ′）及び傾斜角（２θ）から、次式（２）により各画素ごとに高さ（ｈ）を算出する（Ｓ２０）。この計算を画像全領域にわたって全画素で行うことにより、画素単位で高さ情報のマップ（Ｚマップ）を作成することができる（Ｓ２２）。
ｔａｎθ＝Δ／ｈ    …（２）
【００３５】
１つの画素を中心とした小領域の２枚の画像間での移動量は、例えば画像相関を取ることによって求めることができる。画像相関処理は２つの局所的画像どうしがどの程度類似しているかをある評価で類似度として数値表現する手法であり最もよく似ている場合が「類似度＝１．０」である。
【００３６】
図８を用いて、２つの画像８１，８２間での画像相関の計算の仕方について説明する。まず、一方の画像８１に、移動量を求めたい画素を中心とする小さな枠８７を設定し、他方の画像８２に比較的大きな枠８８を設定する。画像８２に設定した枠８８の中どこかに画像８１の小枠８７と同じ部分があるはずである。そこで枠８８の中で小枠８７を克明に一画素ずつ移動させながら小枠と同じ枠を置いていき、その都度画像８１，８２間の小枠画像どうしで相関による類似度を計算し、類似度の数値を８９のようにマップとして記録する。枠８８内で類似度が最大になるところを同一点とする。コンピュータを用いて上記演算を実施すれば、画像８１中の小枠部８７の中心画素に対応する画像８２中の画素位置が自動的に決まる。この処理を測定領域で連続して行っていけば、２つの画像８１，８２の対応する画素の移動量（ずれ量）が自動的に求まり、それを上式（２）に当てはめることで、各画素の高さが計算される。
【００３７】
この高さの値において、必要に応じてノイズやマッチング誤差の評価を行う（Ｓ２１）。これらの段階を踏むことにより、画素単位の高さ情報のマップ（Ｚマップ）を作成することができる（Ｓ２２）。Ｚマップから任意の二点間の高さの差や任意の直線に沿った高さ分布などを表示することができる。このＺマップから立体像を鳥瞰図として表示することも可能である（Ｓ２３）。
【００３８】
図９は、Ｚマップの例を説明する模式図である。図中の各升目は画像上の画素位置に対応し、その升目に記入された数値ｈｉｊは、その画素における試料の高さを表す。
【００３９】
図１０に、Ｚマップをもとに作成された鳥瞰図の例を示している。図１０（ａ）は試料を＋θ度傾斜し焦点深度拡大機能を用いて取得した画像、図１０（ｂ）は試料を−θ度傾斜し焦点深度拡大機能を用いて取得した画像である。これら２枚の画像をステレオ表示し、画像全体の高さを画素単位で算出することで図９に示したようなＺマップを作成し、そのＺマップに従って高さ情報を３次元表示することにより図１０（ｃ）に示す鳥瞰図が得られる。図１０（ｃ）は、図１０（ａ）（ｂ）の画像をもとに作成した三次元マップを９０度回転し表示したものである。図１０（ｃ）中の点１０３は、図１０（ａ）（ｂ）の点１０１，１０２に相当する。
【００４０】
また、本発明によると、複数組の信号から各々計測した高さ方向の寸法を用いて、異なる信号で表示される物体間の高さ方向の差を計測することができる。この方法を、図１１のフローチャート及び図１３を用いて説明する。なお、説明を簡便にするために、ここでは検出される信号の一方を二次電子、他方を反射電子とするが、これら以外の信号（何組でも良い）をこの方法に用いることも可能である。
【００４１】
まず、試料又はビーム入射方向を±θ度傾斜させ（Ｓ３１）、２方向から焦点深度拡大機能を用い二次電子像を取得する（Ｓ３２）。このとき、同じように試料又はビーム入射方向を±θ度傾斜させ、２方向から焦点深度拡大機能を用い反射電子像を取得する。二次電子像と反射電子像の取得は同時に行っても良い。取得した画像の位置補正、輝度補正を自動で行い、補正した画像の焦点のあっている部分だけを抽出し合成する。ここまでは焦点深度拡大機能を用い自動で行うことができる。
【００４２】
次に、±θ度傾斜し、焦点深度拡大機能を用いて取得した２組の画像の位置補正（傾斜中心合わせ）を二次電子像、反射電子像各々で行い、ステレオ表示する（Ｓ３３）。次に、±θ度傾斜し焦点深度拡大機能を用いて取得した２枚の画像間の画素毎の移動量（ずれ量）を二次電子像、反射電子像各々で求める（Ｓ３４）。次に、求められた画素毎の移動量と傾斜角から、画素毎の高さを算出する（Ｓ３５）。こうして、図１２（ａ）に示す二次電子像のＺマップａｉｊと、図１２（ｂ）に示す反射電子像のＺマップｂｉｊが得られる。２つのＺマップの位置ズレ補正は、異種信号同時取り込みの場合は不要である。しかし異種信号像を別々に取り込み合成する場合には、画像相関を利用して２つのＺマップの位置合わせをしてもよいし、画像から手入力により指定してもよい。
【００４３】
また、二次電子像のＺマップと、反射電子像のＺマップの、対応する画素同士の高さを減算することにより、異なる信号で表示される物体間の高さ方向の差が計算され、図１２（ｃ）に示す高さ方向の差の情報を有するＺマップｃｉｊ（ｃｉｊ＝ａｉｊ−ｂｉｊ）が作成される（Ｓ３６）。二次電子像のＺマップと、反射電子像のＺマップをもとに高さの求まった二次電子像、反射電子像をそれぞれ色分けし重ねて表示する（Ｓ３７）。
【００４４】
この方法によると、立体像を二次電子による表面情報と反射電子（試料内部から信号放出される電子）による組成情報の両方で表示することができる。また、二次電子信号で見える表面からどれくらいの深さの位置に反射電子による組成情報が存在するかを定量的に計測できる。
【００４５】
ここで図１３を用いて、自動車の排気ガスの清浄化処理や燃料電池の電極などに利用されている白金触媒粒子（Ｐｔ／Ｃ）の観察に本方法を適用した例について説明する。図１３（ａ）は試料の二次電子モードの焦点深度拡大画像から作成した立体画像、図１３（ｂ）は試料の同じ位置の反射電子モードの焦点深度拡大画像から作成した立体画像、図１３（ｃ）は２つの立体画像を重ねて表示した像である。但し、紙の上に表示する関係上、図では平面画像として表示されている。
【００４６】
Ｐｔ／Ｃ触媒は、数１０ｎｍ以下の微粒子の複合体（又は海綿状構造）のカーボン上に数ｎｍ以下の白金の極微粒子が担持されている。二次電子モードではＣ粒子の表面形状を、反射電子モードでは粒径約１０ｎｍ以下のＰｔ粒子の分散状態が明瞭に観察されている。このように同一視野で取得した異なる信号の焦点深度拡大画像から作成した立体画像を重ね合わせることにより、Ｃ粒子の表面状態とＰｔ粒子の分散状態を迅速に評価することが可能となる。なお画像の重ね合わせは同一色で行っても良いし、それぞれの画像に特定の色を配色しても良い。合成する画像は二次電子像、反射電子像に限らず、また３枚以上の画像でも良い。例えばＸ線の分析（マッピング画像）などの焦点深度拡大画像を用いれば元素別３次元分布を評価することができるようになる。
【００４７】
本発明によると、本例の燃料電池触媒など原子番号差の大きい物質で構成される試料の場合、触媒担体（Ｃ）の最表面から触媒担体裏にあるＰｔ粒子までの距離がわかる。すなわち、図１４に略示するように、触媒担体のＸ方向の径は触媒担体最表面情報だけでわかるが、触媒担体裏のＰｔ粒子までの距離がわかることによって触媒担体のＹ方向の径も知ることができる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によると、ステレオ視できる領域が広がり、広範囲の立体形状が把握できるようになるとともに、画像全領域から高さ（深さ方向距離）が算出できるようになり、立体像を鳥瞰図として表示できるようになる。また、異なる二次信号に由来する複数の３次元鳥瞰図を色分けして重ねて表示することで、異なる信号で表示される物体間の高さ方向の差を容易に把握できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による走査電子顕微鏡の一例の概略構成図。
【図２】ビーム傾斜の説明図。
【図３】高倍率におけるＳＥＭの分解能と焦点深度の関係を示す図。
【図４】高倍率における焦点深度の定義を示す図。
【図５】焦点深度拡大機能を用いステレオ視した場合の像形成について試料断面方向から模式的に示した図。
【図６】焦点深度拡大機能を用いステレオ視した場合の画像を示す模式図。
【図７】画像取得、合成、計測の流れを示したフローチャート。
【図８】画像相関による自動対応点検索処理の模式図。
【図９】Ｚマップを説明する模式図。
【図１０】Ｚマップをもとに作成された鳥瞰図の例を示す図。
【図１１】異なる信号で表示される物体間の高さ方向の差を計測する手順を示すフローチャート。
【図１２】二次電子像のＺマップ、反射電子像のＺマップ及び高さ差の情報を有するＺマップを示す模式図。
【図１３】白金触媒粒子（Ｐｔ／Ｃ）の観察に本方法を適用した例を示す図。
【図１４】触媒担体のＹ方向の径を知ることができることを示す説明図。
【図１５】ステレオ視する場合の像形成について試料断面方向から模式的に示した図。
【図１６】図１５の条件でステレオ視した場合の画像を示す模式図。
【符号の説明】
１…陰極、２…第１陽極、３…第２陽極、４…１次電子線、５…第１収束レンズ、６…第２収束レンズ、７…対物レンズ、８…絞り板、９…走査コイル、１０…試料、１１…２次信号分離用直交電磁界（Ｅ×Ｂ）発生器、１２ａ…低エネルギーの２次信号、１２ｂ…高エネルギーの２次信号、１３ａ，１３ｂ…検出器、１４ａ，１４ｂ…増幅器、１５…試料ステージ、２０…高圧制御電源、２１…第１収束レンズ制御電源、２２…第２収束レンズ制御電源、２３…対物レンズ制御電源、２４…走査コイル制御電源、２５…表示用画像メモリ、２６…像表示装置、３１…傾斜制御電源、３２…画像メモリ、３３…非点補正電源、３４…収差制御電源、４０…制御ＣＰＵ、４１…偏向コイル、４２…２段の偏向コイル、４３…非点補正コイル、４５…入力装置、５１…入射電子線（＋θ度傾斜）、５２…入射電子線（−θ度傾斜）、５３…試料、５４…合焦点領域（焦点深度拡大）、５５…合焦点領域（焦点深度拡大）、５６…合焦点領域、５７…合焦点領域、５８…試料傾斜軸、６４…試料傾斜軸、６５…傾斜中心、１５１…入射電子線（＋θ度傾斜）、１５２…入射電子線（−θ度傾斜）、１５３…試料、１５４…合焦点領域、１５５…合焦点領域、１５６…試料傾斜軸、１６３…画面上合焦点画像、１６５…試料傾斜軸、１６６…傾斜中心
【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】
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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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