(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に対して走査方向の軸に沿って相対移動しながら前記試料の表面に電磁波または荷電粒子を照射し、前記電磁波または荷電粒子の照射に伴って前記試料で反射した電磁波または前記試料から発生した荷電粒子の信号強度を検出し、この検出出力を基に前記電磁波または荷電粒子の照射位置における試料表面の傾斜角を算出し、この算出値から前記試料の断面形状候補を推定し、前記試料の断面形状候補に対する電磁波または荷電粒子の入射角を前記試料に対する電磁波または荷電粒子の入射角とは異なる角度に変えたと仮定して前記試料の断面形状候補で反射した電磁波または前記試料から発生した荷電粒子の信号強度を推定し、前記信号強度の推定結果と前記試料に対する電磁波または荷電粒子の入射角を前記仮定したときの角度に変更したときに得られた信号強度の検出出力とを照合し、この照合結果を基に前記試料の断面形状を推定する形状測定方法。
【請求項２】
試料に対して走査方向の軸および前記軸と直交する奥行き方向の軸に沿って相対移動しながら前記試料の表面に電磁波または荷電粒子を照射し、前記電磁波または荷電粒子の照射に伴って前記試料で反射した電磁波または前記試料から発生した荷電粒子の信号強度を検出し、この検出出力を基に前記電磁波または荷電粒子の照射位置における試料表面の傾斜角を算出し、この算出値から前記試料の断面形状候補を推定し、前記試料の断面形状候補に対する電磁波または荷電粒子の入射角を前記試料に対する電磁波または荷電粒子の入射角とは異なる角度に変えたと仮定して前記試料の断面形状候補で反射した電磁波または前記試料から発生した荷電粒子の信号強度を推定し、前記信号強度の推定結果と前記試料に対する電磁波または荷電粒子の入射角を前記仮定したときの角度に変更したときに得られた信号強度の検出出力とを照合し、この照合結果を基に前記試料の断面形状を推定するとともに、この推定結果を前記試料に対する電磁波または荷電粒子が前記奥行き方向の軸に沿って照射される毎に順次蓄積し、この蓄積結果を基に前記試料の三次元形状を推定する形状測定方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の形状測定方法において、前記断面形状候補を推定するに際して、前記信号強度の検出出力と前記試料の断面形状に関する複数種類のパラメータの中から選択された複数のパラメータを用いて前記電磁波または荷電粒子の照射位置における試料表面の傾斜角を算出することを特徴とする形状測定方法。
【請求項４】
請求項３に記載の形状測定方法において、前記試料の断面形状を推定するに際しては、前記信号強度の推定結果と前記信号強度の検出出力との差を小さくするためのパラメータを選択することを特徴とする形状測定方法。
【請求項５】
請求項３に記載の形状測定方法において、前記試料の断面形状を推定するに際しては、前記信号強度の推定結果と前記信号強度の検出出力との差が最小値を示すまでパラメータを選択することを特徴とする形状測定方法。
【請求項６】
請求項３、４または５のうちいずれか１項に記載の形状測定方法において、前記断面形状候補の推定結果と前記断面形状の推定結果および前記複数のパラメータをデータベースとして保存することを特徴とする形状測定方法。
【請求項７】
請求項１、２、３、４、５または６のうちいずれか１項に記載の形状測定方法において、前記試料に対する電磁波または荷電粒子の入射角を変更するに際しては、前記電磁波または荷電粒子の照射方向を一定として、前記試料の取り付け角度を変更するか、あるいは前記試料の取り付け角度を一定として、前記試料に対する前記電磁波または荷電粒子の照射方向を変更することを特徴とする形状測定方法。
【請求項８】
試料に対して走査方向の軸に沿って相対移動しながら前記試料の表面に電磁波または荷電粒子を照射する照射手段と、前記照射手段の照射に伴って前記試料で反射した電磁波または前記試料から発生した荷電粒子の信号強度を検出する信号強度検出手段と、前記信号強度検出手段の検出出力を基に前記電磁波または荷電粒子の照射位置における試料表面の傾斜角を算出し、この算出値から前記試料の断面形状候補を推定する断面形状候補推定手段と、前記試料の断面形状候補に対する電磁波または荷電粒子の入射角を前記試料に対する電磁波または荷電粒子の入射角とは異なる角度に変えたと仮定して前記試料の断面形状候補で反射した電磁波または前記試料から発生した荷電粒子の信号強度を推定する信号強度推定手段と、前記信号強度推定手段の推定結果と前記試料に対する電磁波または荷電粒子の入射角を前記仮定したときの角度に変更したときに得られた前記信号強度検出手段の検出出力とを照合して前記試料の断面形状を推定する断面形状推定手段とを備えてなる形状測定装置。
【請求項９】
試料に対して走査方向の軸および前記軸と直交する奥行き方向の軸に沿って相対移動しながら前記試料の表面に電磁波または荷電粒子を照射する照射手段と、前記照射手段の照射に伴って前記試料で反射した電磁波または前記試料から発生した荷電粒子の信号強度を検出する信号強度検出手段と、前記信号強度検出手段の検出出力を基に前記電磁波または荷電粒子の照射位置における試料表面の傾斜角を算出し、この算出値から前記試料の断面形状候補を推定する断面形状候補推定手段と、前記試料の断面形状候補に対する電磁波または荷電粒子の入射角を前記試料に対する電磁波または荷電粒子の入射角とは異なる角度に変えたと仮定して前記試料の断面形状候補で反射した電磁波または前記試料から発生した荷電粒子の信号強度を推定する信号強度推定手段と、前記信号強度推定手段の推定結果と前記試料に対する電磁波または荷電粒子の入射角を前記仮定したときの角度に変更したときに得られた前記信号強度検出手段の検出出力とを照合して前記試料の断面形状を推定する断面形状推定手段とを備え、前記断面形状推定手段は、前記照射手段が前記走査方向の軸に沿って相対移動したときに得られた推定結果を前記照射手段が前記奥行き方向の軸に沿って相対移動する毎に順次蓄積し、この蓄積結果を基に前記試料の三次元形状を推定してなる形状測定装置。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の形状測定装置において、前記断面形状候補推定手段は、前記信号強度検出手段の検出出力と前記試料の断面形状に関する複数種類のパラメータの中から選択された複数のパラメータを用いて前記電磁波または荷電粒子の照射位置における試料表面の傾斜角を算出してなることを特徴とする形状測定装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の形状測定装置において、前記断面形状推定手段は、前記信号強度推定手段の推定結果と前記信号強度検出手段の検出出力との差を小さくするためのパラメータの選択を前記断面形状候補推定手段に対して指令してなることを特徴とする形状測定装置。
【請求項１２】
請求項１０に記載の形状測定装置において、前記断面形状推定手段は、前記信号強度推定手段の推定結果と前記信号強度検出手段の検出出力との差が最小値を示すまでパラメータの選択を前記断面形状候補推定手段に対して指令してなることを特徴とする形状測定装置。
【請求項１３】
請求項１０、１１または１２のうちいずれか１項に記載の形状測定装置において、前記断面形状候補推定手段の推定結果と前記断面形状推定手段の推定結果および前記複数のパラメータをデータベースとして保存するデータ保存手段を備えてなることを特徴とする形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、形状測定方法およびその装置に係り、特に、試料に電磁波（光線）または荷電粒子を照射して試料から発生する信号を用いて試料の断面形状または三次元形状を非破壊、非接触で計測するに好適な形状測定方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェハに配線パターンを形成するに際しては、半導体ウェハ上にレジストと呼ばれる塗布材を塗布し、レジストの上に配線パターンのマスクを重ねてその上から可視光線あるいは紫外線を照射し、可視光線あるいは紫外線でレジストを感光することによって配線パターンを形成する方法が採用されている。このようにして得られた配線パターンは照射する可視光線あるいは紫外線の強度や絞りによってパターンのスロープ部分の傾斜角や形状が変化するため、高精度の配線パターンを形成するには、パターンの三次元形状を測定して検査する必要がある。この検査のためには、ウエハを切断し、断面形状を測定することで断面形状を正確に測定することはできるが、この方法では手間とコストがかかることになる。
【０００３】
そこで、従来、電子顕微鏡画像を用いて、非破壊、非接触でパターンの断面形状を測定する手法が提案されている。例えば、特公平５−５４６０５号公報に記載されているように、Ｓｈａｐｅ  ｆｒｏｍ  Ｓｈａｄｉｎｇ法（例えば、池内：「反射率地図に基づき、二次元濃淡画像より三次元形状を再構成する２手法」、電子通信学会論文誌，ＶＯＬ．Ｊ−６５−Ｄ，Ｎｏ．７，ｐｐ．８４２−８４９（１９８２年７月））とステレオマッチング法を併用して断面形状を測定するようにしたものがある。上記公報には、電子顕微鏡の二次電子検出器で検出した信号波形の特徴点を検出し、特徴点のステレオマッチングにより断面の高さの絶対値を測定し、特徴点間の形状をＳｈａｐｅ  ｆｒｏｍ  Ｓｈａｄｉｎｇ法によって求めることが開示されている。
【０００４】
また、スペクトラＣＤ（  例えば、Ｊｈｏｎ  Ａｌｌｇａｉｒ，ｅｔ  ａｌ．：Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ  Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｄｉｍｅｎｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｇａｔｅ  ＣＤ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ａｎｄ  Ｓｔｅｐｐｅｒ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ，：ＳＰＩＥ’ｓ  ２６ｔｈ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  ｏｎ  Ｍｉｃｒｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ，Ｆｅｂ．２００１．）は、紫外線照射によるレジストパターンの損傷を防ぐために、試料に可視光線を照射し、試料からの反射光スペクトルと予めデータベースとして用意された様々な三次元形状に対応する反射光スペクトルとの照合を行うことによって三次元形状を推定している。
【０００５】
なお、この種の技術に関連するものとしては、例えば、特開平７−２７５４９号公報、特許２，７１６，９９７号、特開平５−２９０７８６号公報、特公平７−１２２５７４号公報、特許２，６５０，２８１号公報に記載されているものが挙げられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記ステレオマッチング法を用いる手法は、入力信号のＳＮ比が悪い場合、特徴点の対応でずれが生じ、三次元形状の計測に大きな誤差が生じる。また、上記スペクトラＣＤでは、データベースの構築のために計測データを必要とし、測定できるパターンがラインの繰返し構造（格子パターン）に限定される。また出力が立体画像表示ではなく、数値データ（配線の幅と高さ、傾斜角）であるため、三次元形状を表示するには十分ではない。
【０００７】
また、従来技術においては、単一の二次電子検出器を用いて任意のパターンの三次元形状を測定することについては十分配慮されていない。
【０００８】
本発明の課題は、特徴点のマッチングを用いることなく、試料の断面形状または三次元形状を正確に測定することができる形状測定方法およびその装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、Ｓｈａｐｅ  ｆｒｏｍ  ｓｈａｄｉｎｇ法を用いて、試料の断面形状候補または三次元形状候補を複数個推定し、これら形状候補の中から実際の測定結果とつじつまが合うものを選択し、選択したものを試料の断面形状または試料の三次元形状に関する測定結果とするものである。
【００１０】
具体的には、本発明は、試料に対して走査方向の軸に沿って相対移動しながら前記試料の表面に電磁波または荷電粒子を照射し、前記電磁波または荷電粒子の照射に伴って前記試料で反射した電磁波または前記試料から発生した荷電粒子の信号強度を検出し、この検出出力を基に前記電磁波または荷電粒子の照射位置における試料表面の傾斜角を算出し、この算出値から前記試料の断面形状候補を推定し、前記試料の断面形状候補に対する電磁波または荷電粒子の入射角を前記試料に対する電磁波または荷電粒子の入射角とは異なる角度に変えたと仮定して前記試料の断面形状候補で反射した電磁波または前記試料から発生した荷電粒子の信号強度を推定し、前記信号強度の推定結果と前記試料に対する電磁波または荷電粒子の入射角を前記仮定したときの角度に変更したときに得られた信号強度の検出出力とを照合し、この照合結果を基に前記試料の断面形状を推定する形状測定方法を作用したものである。
【００１１】
前記形状測定方法を採用するに際しては、試料に電磁波または荷電粒子を照射するときに、試料に対して走査方向の軸（Ｘ軸）および前記軸と直交する奥行き方向の軸（Ｙ軸）に沿って相対移動しながら試料の表面に電磁波または荷電粒子を照射し、さらに照合結果を基に試料の断面形状（高さ方向の形状）を推定するときに、この推定結果を試料に対する電磁波または荷電粒子が前記奥行き方向の軸に沿って照射されるごとに順次蓄積し、この推定結果を基に試料の三次元形状を推定する方法を採用することもできる。
【００１２】
前記形状測定方法を採用するに際しては、以下の要素を付加することができる。
【００１３】
（１）前記断面形状候補を推定するに際して、前記信号強度の検出出力と前記試料の断面形状に関する複数種類のパラメータの中から選択された複数のパラメータを用いて前記電磁波または荷電粒子の照射位置における試料表面の傾斜角を算出する。
【００１４】
（２）前記試料の断面形状を推定するに際しては、前記信号強度の推定結果と前記信号強度の検出出力との差を小さくするためのパラメータを選択する。
【００１５】
（３）前記試料の断面形状を推定するに際しては、前記信号強度の推定結果と前記信号強度の検出出力との差が最小値を示すまでパラメータを選択する。
【００１６】
（４）前記断面形状候補の推定結果と前記断面形状の推定結果および前記複数のパラメータをデータベースとして保存する。
【００１７】
（５）前記試料に対する電磁波または荷電粒子の入射角を変更するに際しては、前記電磁波または荷電粒子の照射方向を一定として、前記試料の取り付け角度を変更するか、あるいは前記試料の取り付け角度を一定として、前記試料に対する前記電磁波または荷電粒子の照射方向を変更する。
【００１８】
前記した手段によれば、実際に、試料に電磁波または荷電粒子を照射して得られた信号強度から試料表面の傾斜角を算出し、この算出値から試料の断面形状候補を、例えば、複数個推定し、この推定によって得られた試料の断面形状候補に対して、実際に試料に電磁波または荷電粒子を照射したときの入射角とは異なる角度で電磁波または荷電粒子を照射したと仮定し、試料の断面形状候補から得られる信号強度を推定し、この信号強度の推定結果と、前記試料に対する入射角を前記仮定したときの角度に変更したときに、試料から得られる実際の信号強度とを照合し、この照合結果から、例えば、照合結果が最小値を示すような試料の断面形状を最もらしい試料の断面形状として選択するようにしているため、特徴点のマッチングを行うことなく、試料の断面形状を試料の高さ（Ｚ軸方向の長さ）の絶対値で求めることができる。さらに試料に対して、奥行き方向の軸（Ｙ軸）に沿って電磁波または荷電粒子を照射したときに得られる試料の断面形状を蓄積することで、試料の三次元形状を求めることができる。
【００１９】
また、本発明は、試料に対して走査方向の軸に沿って相対移動しながら前記試料の表面に電磁波または荷電粒子を照射する照射手段と、前記照射手段の照射に伴って前記試料で反射した電磁波または前記試料から発生した荷電粒子の信号強度を検出する信号強度検出手段と、前記信号強度検出手段の検出出力を基に前記電磁波または荷電粒子の照射位置における試料表面の傾斜角を算出し、この算出値から前記試料の断面形状候補を推定する断面形状候補推定手段と、前記試料の断面形状候補に対する電磁波または荷電粒子の入射角を前記試料に対する電磁波または荷電粒子の入射角とは異なる角度に変えたと仮定して前記試料の断面形状候補で反射した電磁波または前記試料から発生した荷電粒子の信号強度を推定する信号強度推定手段と、前記信号強度推定手段の推定結果と前記試料に対する電磁波または荷電粒子の入射角を前記仮定したときの角度に変更したときに得られた前記信号強度検出手段の検出出力とを照合して前記試料の断面形状を推定する断面形状推定手段とを備えてなる形状測定装置を構成したものである。
【００２０】
前記形状測定装置を構成するに際しては、照射手段としては、試料に対して走査方向の軸（Ｘ軸）および前記軸と直交する奥行き方向の軸（Ｙ軸）に沿って相対移動しながら前記試料の表面に電磁波または荷電粒子を照射する機能を有するものを用いることができ、前記断面形状推定手段としては、前記照射手段が前記走査方向の軸に沿って相対移動したときに得られた推定結果を、前記照射手段が前記奥行き方向の軸に沿って相対移動するごとに順次蓄積し、この蓄積結果を基に前記試料の三次元形状を推定する機能を有するもので構成することができる。
【００２１】
前記各形状測定装置を構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。
【００２２】
（１）前記断面形状候補推定手段は、前記信号強度検出手段の検出出力と前記試料の断面形状に関する複数種類のパラメータの中から選択された複数のパラメータを用いて前記電磁波または荷電粒子の照射位置における試料表面の傾斜角を算出してなる。
【００２３】
（２）前記断面形状推定手段は、前記信号強度推定手段の推定結果と前記信号強度検出手段の検出出力との差を小さくするためのパラメータの選択を前記断面形状候補推定手段に対して指令してなる。
【００２４】
（３）前記断面形状推定手段は、前記信号強度推定手段の推定結果と前記信号強度検出手段の検出出力との差が最小値を示すまでパラメータの選択を前記断面形状候補推定手段に対して指令してなる。
【００２５】
（４）前記断面形状候補推定手段の推定結果と前記断面形状推定手段の推定結果および前記複数のパラメータをデータベースとして保存するデータ保存手段を備えてなる。
【００２６】
前記した手段によれば、実際に、試料に電磁波または荷電粒子を照射して得られた信号強度から試料表面の傾斜角を算出し、この算出値から試料の断面形状候補を、例えば、複数個推定し、この推定によって得られた試料の断面形状候補に対して、実際に試料に電磁波または荷電粒子を照射したときの入射角とは異なる角度で電磁波または荷電粒子を照射したと仮定し、試料の断面形状候補から得られる信号強度を推定し、この信号強度の推定結果と、前記試料に対する入射角を前記仮定したときの角度に変更したときに、試料から得られる実際の信号強度とを照合し、この照合結果から、例えば、照合結果が最小値を示すような試料の断面形状を最もらしい試料の断面形状として選択するようにしているため、特徴点のマッチングを行うことなく、単一の信号強度検出手段を用いて、試料の断面形状を試料の高さ（Ｚ軸方向の長さ）の絶対値で求めることができる。さらに試料に対して、奥行き方向の軸（Ｙ軸）に沿って電磁波または荷電粒子を照射したときに得られる試料の断面形状を蓄積することで、試料の三次元形状を求めることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す三次元形状測定装置の全体構成を示すブロック構成図である。図１において、三次元形状測定装置は、電子銃１、試料台２、電子検出器３、表示器（ＣＲＴ）４、信号入力部５、画像処理部６を備えて構成されており、試料台２上には試料７が固定されている。
【００２８】
試料台２は、傾斜可能に構成されており、本実施形態においては、試料台２はそのチルト角がφ＝０、φ＝φ０のいずれかに選択できるように構成されている。すなわち、試料台２に固定された試料７の取付角度は、試料台２の傾斜角であるチルト角φ＝０とφ＝φ０のいずれかに選択できるようになっている。
【００２９】
試料台２上に固定された試料７に対しては、電子銃１から荷電粒子として電子ビームが照射されるようになっている。この場合、電子銃１から試料７に対しては、試料７に対して走査方向の軸（Ｘ軸）に沿って相対移動しながら電子ビームが照射されるとともに、走査方向の軸と直交する奥行き方向の軸（Ｙ軸）に沿って相対移動しながら電子ビームが照射されるようになっている。試料７に対して電子ビームが照射されると、この電子ビームは一次電子として試料７に入射され、入射された一次電子の一部が二次電子として試料７から発生し、この二次電子が電子検出器３によって検出されるようになっている。すなわち、照射手段としての電子銃１から試料７に対して電子ビームが照射されると、試料７から二次電子が発生し、この二次電子の信号強度が電子検出器３で検出されるようになっており、電子検出器３は、試料７から発生した二次電子の信号強度を検出する信号強度検出手段として構成されている。電子検出器３の検出出力は、表示器４と信号入力部５に入力されるようになっている。信号入力部５は、例えば、ＡＤ変換器などで構成されており、電子検出器３で検出された信号強度に関する信号がデジタル信号として画像処理部６に出力されるようになっている。そして画像処理部６の処理結果は断面形状測定結果として、表示器４の画面上に表示されるようになっている。
【００３０】
画像処理部６は、電子検出器３の検出出力を基に電子ビームの入射位置における試料表面の傾斜角（入射ビームと反射ビームとの成す角）を算出し、この算出値から試料７の断面形状（高さ方向（Ｚ軸方向）の断面形状）を推定する断面形状推定候補推定手段と、試料７の断面形状候補に対して、電子ビームの入射角（チルト角φ＝０のときの入射角）をチルト角φ＝φ０に変えて電子ビームを照射したと仮定したときに、試料７の断面形状候補から発生した電子ビームの信号強度を推定する信号強度推定手段と、この信号強度推定手段の推定結果と、試料７に対する電子ビームの入射角を変更したとき、すなわちチルト角をφ＝０からφ＝φ０に変換したときに、電子検出器３によって実際に検出された信号強度とを照合して試料の断面形状を推定する断面形状推定手段としての機能を備えて構成されている。さらに、この断面形状推定手段は、電子銃１が試料７に対して走査方向の軸に沿って相対移動したときに得られた推定結果を、電子銃１が奥行き方向の軸（Ｙ軸）に沿って相対移動するごとに順次蓄積し、この蓄積結果を基に試料７の三次元形状を推定する機能を備えて構成されている。
【００３１】
具体的には、画像処理部６は、図２に示すように、試料７に対して電子銃１から電子ビームが照射されている過程で、電子検出器３の検出による信号強度による信号を順次取り込み（ステップ２０１）、試料台２のチルト角φ＝０のときの信号強度をメモリに格納するとともに（ステップ２０２）、試料台２のチルト角がφ＝φ０に変更されたときの信号強度をそれぞれメモリに格納する（ステップ２０３）。
【００３２】
チルト角φ＝０のときに得られた信号強度を基に、Ｓｈａｐｅ  ｆｒｏｍ  ｓｈａｄｉｎｇ法にしたがって試料７の断面形状を計算する（ステップ２０５）。この場合、三次元形状パラメータとして、例えば、試料７の材質に依存するパラメータｎ、試料７の断面の高さに関するパラメータｋを取り込み（ステップ２０４）、以下に示す（１）式にしたがって二次電子の信号強度Ｉｓを算出する。
【００３３】
この場合、本実施形態では、Ｓｈａｐｅ  ｆｒｏｍ  ｓｈａｄｉｎｇ法によれば、試料７から反射した二次電子が試料断面の傾斜角（θ）に依存する性質があることを利用している。
【００３４】
すなわち、図３に示すように、試料７の表面に電子ビームが一次電子として照射されると、試料７からは二次電子が発生し、この二次電子は試料７内部で指数関数的に減少しながら試料表面に到達し、それから外部に放出されるようになっている。よって、例えば、「走査電子顕微鏡」、日本電子顕微鏡学会関東支部編、共立出版）に記載されているように、最短脱出距離ｚｃｏｓθが短い程二次電子の放出量が多くなり、この関係は、次の（１）式で表される。なお、Ｉｐは試料７に入射する一次電子の信号強度、Ｉｓは試料内部の深さｚで励起して試料表面に到達した二次電子の信号強度、θは入射電子ビームと反射電子ビームとの成す角である。
【００３５】
【数１】
0003893539.tif 000002
（１）式において、Ｉ０は試料７の平坦部における二次電子の信号強度であり、ｘはある座標軸（走査方向の軸であるｘ軸）上における原点（回転中心）からの距離である。（１）式から、傾斜角θが大きくなる程Ｉｓ（ｘ）が大きくなることが分かる。
【００３６】
電子銃１から試料７に対して電子ビームが順次走査されている過程で二次電子の信号強度が電子検出器３で検出されると、走査方向の位置における信号強度として、図４（ａ）に示すような信号波形が得られる。
【００３７】
図４（ａ）に示すような二次電子の信号強度に関する信号波形が得られると、位置（走査方向の位置）ｘにおける試料断面の傾斜角θ（ｘ）は、（１）式から次式で表される。
【００３８】
【数２】
0003893539.tif 000003
ここで試料断面の高さが単調増加していると仮定すると、試料断面形状プロファイルｈ（ｘ）は次の（３）式で表される。
【００３９】
【数３】
0003893539.tif 000004
すなわち、（３）式に（２）式を代入すると、断面形状ｈ（ｘ）が求められる。この場合、傾斜角θが大きいところはｈ（ｘ）が大きいことを意味している。そして、図４（ａ）に示すような信号波形が得られたとすると、図４（ｂ）に示すような試料断面形状として、位置ｘに対する高さ方向（Ｚ軸方向の高さ）に沿った試料断面形状が求められることになる。この場合、パラメータｎ、ｋの値を変えることで、試料７の断面形状候補として複数個のものを求めることができる。
【００４０】
次に、（３）式を基に推定された試料の断面形状候補に対して、図５に示すように、チルト角をφ＝０からφ＝φ０に変更して電子ビームを照射したと仮定したときに、試料の断面形状候補から発生した電子ビームの信号強度を推定するためのシミュレーションを行う（ステップ２０６）。この場合、試料７は傾斜する前の位置ｘ１で見える試料７上の点は、試料７を傾斜した後は位置ｘ２で見えることになる。例えば、断面形状プロファイルｈ（ｘ）を三角形で表したとき、その三角形の頂点の位置は、試料７が傾斜する前には位置ｘ１に見えるが、試料７をチルト角φ＝φ０だけ傾斜したあとは、位置ｘ２に見えることになる。このことは、チルト角φ＝０で得られた信号強度をＩｓ１（ｘ）とし、チルト角をφ＝φ０として、試料７を実際に傾斜したあと検出された信号強度をＩｓ２（ｘ）とすると、Ｉｓ１（ｘ１）＋δＩ（ｘ１）＝Ｉｓ２（ｘ２）で表される。ただし、ｘ１、ｘ２は試料台２の回転中心０からの距離（走査方向の位置）、δＩ（ｘ１）は（３）式で得られた断面形状をチルト角φ＝φ０で傾斜したときに、（１）式の影響によって生じるＩｓ１（ｘ）の増減分であり、（１）式から次式で求められる。
【００４１】
【数４】
0003893539.tif 000005
また図５からｘ２は次式で表される。
【００４２】
【数５】
0003893539.tif 000006
したがって（５）式とＩｓ１（ｘ１）＋δＩ（ｘ１）＝Ｉｓ２（ｘ２）であることから、次式が成り立つ。
【００４３】
【数６】
0003893539.tif 000007
（６）式は、Ｉｓ１（ｘ）を用いて、試料７を傾斜したあとのＩｓ２（ｘ）をシミュレーションしていることに相当する。すなわち、（６）式においては、推定した試料の断面形状候補が正しいとするならば、試料台２を傾斜する前後における明るさは同じとしている。
【００４４】
次に、（６）式の左辺とを照合し、両者の差が最小になるか否かについての処理を行う（ステップ２０７、２０８）。
【００４５】
この場合、次の（７）式を用いて、走査範囲（走査方向の長さ）０〜ｌについて照合を行う。
【００４６】
【数７】
0003893539.tif 000008
ここで、試料台２を傾斜するときの誤差により、傾斜の前後でＩｓ１（ｘ）、Ｉｓ２（ｘ）の座標原点でずれが生ずることがある。そこで、そのずれを補正するパラメータΔｘを新たに、三次元形状のパラメータとして加える。
【００４７】
さらに、（７）式にしたがった照合を行うときに、（７）式にしたがって各走査位置における値Ｅを順次プロットし、Ｅの値が最小値を示すか否かの判定を行う。Ｅの値が最小値を示さないときには、パラメータｎ、ｋの値を変更し、ステップ２０５からステップ２０８までの処理を繰返して行う。さらにＥの値が最小値を示すまで同じ処理を繰返すとともに、１つの走査ラインについて最小値が得れたときには、走査ラインにおける試料の断面形状（二次元の形状）として、高さの絶対値（Ｚ軸方向の長さ）を求める。さらに１つの走査ラインに関する試料の断面形状が測定されたあとは、複数の走査ラインについて、すなわちＹ軸方向に沿って走査ラインを変更する毎に、Ｅの値を順次蓄積する。そして各走査ラインにおけるＥの蓄積結果（試料７の断面形状）を基に試料７の三次元形状を推定し、この推定結果を出力する（ステップ２１０）。
【００４８】
ここで、パラメータｎのみを変えたときの複数の断面形状候補の例を図６（ａ）に示す。また実際は、ｋ、Δｘの値も変えた断面形状候補も存在する。このため、これら断面形状候補の中から、ステップ２０５〜２０９の処理を繰返して最適パラメータを推定し、そのパラメータの値を順次変更して得られたときの断面形状を図６（ｂ）に示す。
【００４９】
またステップ２０５〜２０９の処理によってパラメータｎ、ｋ、Δｘの値に対する断面形状候補、信号波形の照合誤差、そして実際の断面形状（入手可能であれば）のデータベースを構築する。よってこのデータベースを解析することにより、ステップ２０５におけるＳｈａｐｅ  ｆｒｏｍ  ｓｈａｄｉｎｇを定義した（２）式、（３）式およびステップ２０４で設定したパラメータの妥当性を検討することができる。またこれらの式とパラメータが妥当であると判定できれば、構築したデータベースを参照することで、Ｓｈａｐｅ  ｆｒｏｍ  ｓｈａｄｉｎｇの計算を行わずに、ステップ２０３の入力信号に対する断面形状を直接決定できる。
【００５０】
本実施形態では、試料台２の傾きを変えることにより、試料７に愛する電子ビームの角度を変えたものについて述べたが、電子ビームの偏向あるいは試料７と試料７との間に傾き角が既知の試料を挿入することにより、電子ビームの照射角を変えることもできる。この場合には試料台２の傾きを変える機構がなくても良いことになる。
【００５１】
このように、本実施形態によれば、入力信号波形のシミュレーションを利用することで、ステレオ画像の特徴点のマッチングを必要とせずに、試料７に関する断面形状の高さの絶対値を求めることができる。またスペクトラＣＤと異なり、任意のパターンの断面形状を測定することができる。
【００５２】
また、前記実施形態においては、試料７に対して、荷電粒子として電子ビームを照射するものについて述べたが、荷電粒子として陽子を用いることもでき、荷電粒子の代わりに、可視光線、紫外線などの電磁波を用いることができる。この電磁波を用いたときには、試料７に対して電磁波を照射し、試料７で反射した電磁波の信号強度を検出することになる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、特徴点のマッチングを行うことなく、試料の断面形状を試料の高さの絶対値で求めることができる。さらに試料に対して、奥行き方向の軸に沿って電磁波または荷電粒子を照射したときに得られる試料のを断面形状を蓄積することで、試料の三次元形状を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す三次元形状測定装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】画像処理部の処理内容を説明するためのフローチャートである。
【図３】二次電子強度の傾斜角依存性を説明するための図である。
【図４】（ａ）は二次電子強度の信号波形を示す図、（ｂ）は走査位置に対する試料の断面形状を説明するための図である。
【図５】試料台の傾斜によって生じる立体視の原理を説明するための図である。
【図６】（ａ）はパラメータｎを変更したときの試料の断面形状を説明するための図、（ｂ）はパラメータｎ、ｋを変更したときの試料の断面形状の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
１  電子銃
２  試料台
３  電子検出器
４  表示器
５  信号入力部
６  画像処理部
７  試料
【図１】
0003893539.tif 000009
【図２】
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【図３】
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【図４】
0003893539.tif 000012
【図５】
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【図６】
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