JP4610182B2

JP4610182B2 - 走査型電子顕微鏡

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Publication number: JP4610182B2
Application number: JP2003407984A
Authority: JP
Inventors: 真志藤田; 洋揮川田; 悟岩間
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2003-12-05
Filing date: 2003-12-05
Publication date: 2011-01-12
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Description

本発明は、走査型顕微鏡を用いて微細パターンを観察し、その寸法を計測する走査型電子顕微鏡に関し、特に電子線を照射することによって形状が変形する試料を測定の対象として観察や測定を行う走査型顕微鏡に関する。

半導体素子や薄膜磁気ヘッドなど、表面の微細加工により製作される機能素子製品の製造・検査工程では、加工されたパターン幅の測定や外観検査に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）が広く用いられている。走査型電子顕微鏡は、電子源から放出され、磁場あるいは電場と電子線の相互作用を利用した収束レンズおよび対物レンズにより細かく絞られた電子線を、偏向器を用いて試料上で一次元あるいは二次元的に走査し、電子線照射によって試料から発生する二次信号（二次電子や反射電子、電磁波）を、光電効果等を利用した検出器により検出し、その検出信号を電子線の走査と同期した輝度信号等の可視化可能な信号に変換・処理することで試料像を形成する装置である。走査型電子顕微鏡では、観察・測長する試料表面の形状と高い精度で対応した試料像を得られるように努力が払われており、こうして得た試料像から、試料表面の任意の２点間距離を演算する。この演算は一般に「測長」と呼ばれ、かかる演算機能を持つ走査電子顕微鏡は「測長ＳＥＭ」と呼ばれている。このような走査型電子顕微鏡では、当然のことながら観察する試料表面に数百エレクトロンボルトの到達エネルギーをもつ電子線を照射することになる。

一方、近年、半導体の表面の微細加工は一層の微細化が進み、フォトリソグラフィーの感光材料として、フッ化アルゴン（ＡｒＦ）エキシマレーザ光に反応するフォトレジスト（以下「ＡｒＦレジスト」と呼ぶ）が使われ始めている。ＡｒＦレーザ光は波長が１９３ｎｍと短いため、より微細な回路パターンの露光に適しているとされる。しかし、最近の検討の結果、ＡｒＦレジストは電子線照射に対して大変脆弱で、形成されたパターンを走査型電子顕微鏡で観察あるいは測長すると、収束電子線の走査により基材のアクリル樹脂等が縮合反応を起こし、体積が減少（以下「スリミング」と呼ぶ）して、回路パターンの形状が変化することが知られるようになってきた。

このＡｒＦレジストのスリミングを減少させるためには、試料上への電子線の照射密度を下げることが有効であると言われている。しかしながら、電子線の照射密度を下げると、試料から得られる二次電子の量が減少するために画像が暗くなる現象が生じる。そのため、スリミングを抑え、視認性のよい画像を得る方法が必要とされている。

視認性のよい画像を得るためには、試料像に最適な明るさとコントラストを定義する必要がある。従来技術として、検出器、増幅器の条件設定を変えることによって試料像の明るさとコントラストを調整している。また、特開平７−２４０１６６号公報には、濃淡レベル変換関数を用いたコントラスト調整方法が記載されている。

特開平７−２４０１６６号公報

上記従来技術では、ＡｒＦレジスト微細加工パターンにおいて、フレーム積算数１６、プローブ電流量２４ｐＡの条件で２回の測長を行う場合、１回目と２回目の測長の間に１．３ｎｍのスリミング量が発生し、ＡｒＦレジスト微細加工パターンの測長において十分なスリミング低減がなされていなかった。そして、スリミング低減の方法として、試料像を作成するのに必要となる電子線の走査回数（以下「フレーム積算数」と呼ぶ）とプローブ電流量の関係を考慮した画像制御方法について考慮されておらず、十分なスリミング低減を行い、視認性のよい試料像を得られないことが問題となっていた。

本発明は、ＡｒＦレジストのように電子線照射に脆弱でスリミングを生じる試料の観察、測長を行う際に、スリミングの影響を低減して視認性のよい試料像を得ることのできる走査型電子顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明者の実験によれば、ＡｒＦレジストのスリミングには、フレーム積算数が大きく関係しており、プローブ電流量と加速電圧はスリミングに及ぼす影響が少ないことがわかった。従来は、スリミングには電子線照射密度が影響しているといわれていたが、この実験結果からＡｒＦレジストは他のレジストとは異なる性質を持つと言える。その実験結果を図２に示す。

図２は、ある一定のパターンを有するＡｒＦレジストの測長を行い、フレーム積算数、プローブ電流量、電圧をそれぞれ変化させた時の測長回数とスリミングの関係を示したものである。図２（Ａ）は、加速電圧５００Ｖ、プローブ電流量（一次電子線の電流量）２４ｐＡの条件において、フレーム積算数を変化させた時のスリミングと測長回数の関係を表す。フレーム積算数の減少に伴い、スリミングが減少しているのがわかる。フレーム積算数を２分の１に減らしていくと、各フレーム積算数において２〜２．３ｎｍのスリミングが低減できることがわかった。図２（Ｂ）は、フレーム積算数８、加速電圧５００Ｖの条件においてプローブ電流量を変化させた時のスリミングと測長回数の関係を表す。プローブ電流量を変化させたが、測長再現性(３σ)を考慮すると、プローブ電流量の変化による影響は少ないと言える。図２（Ｃ）は、フレーム積算数８、電流２４ｐＡの条件において加速電圧を変化させた時のスリミングと測長回数の関係を表す。加速電圧の変化においても測長再現性を考慮すると、プローブ電流量の場合と同様に、加速電圧の変化がスリミングに与える影響は少ないと言える。

これらの結果から、スリミングの低減にはフレーム積算数の減少が最も効果的であることが分かった。前述のように、従来は、スリミングを低減させるには、電子線照射密度を低下させること、つまり、この場合ではフレーム積算数を減少させること、そして、プローブ電流量を減少させることが有効であると言われていた。しかしながら、ＡｒＦレジストにおいては、フレーム積算数はスリミングに影響を及ぼすが、プローブ電流量は影響がないという結果となった。この結果は、従来の常識とは異なるものである。

しかし、スリミングを低減させるためにフレーム積算数を減少させると、試料像を構成する走査回数が少ないため、２次電子の検出量低下によって、コントラストの低下、Ｓ／Ｎ比の低下によるノイズ発生という問題が生じる。そこで本発明では、スリミングに対して影響が少ないプローブ電流量を大きくして、試料から発せられる二次電子量を多く検出することにより、フレーム積算数を低減しても、従来方法で得た試料像と同等の画質を得られるようにする（以下「低フレームスキャン方式」と呼ぶ）。

従来技術では、得られた試料像のヒストグラムを作成し、ヒストグラムの平均値を試料像の明るさとして定義し、増幅器のダイナミックレンジの拡大によって明るさの制御を行っていた。そして、ヒストグラムの標準偏差は試料像のコントラストとして定義され、検出器の検出条件によってコントラストの制御を行っていた。この従来の制御方法では、低フレームスキャン方式を行った場合、プローブ電流量が大きく変化することによってヒストグラムが大きくずれるので、ヒストグラムの制御をするために何度も走査を行い、ヒストグラムを再作成する必要がある。フレーム積算数を減らすことによってスリミングを低減しても、ヒストグラムを作成するために何度も電子線を走査していては、結果としてスリミング量が増加してしまう。ゆえに、ヒストグラムの作成回数を極力減らして試料像に応じた最適な明るさとコントラストの算出を行うことによって、余分な電子線走査を減らす方法が必要となる。

そこで本発明では、電子線走査によって得られた試料像の各ピクセルの輝度を例えば２５６階調に分類し、各階調ごとにピクセル数を示した輝度ヒストグラムを作成する。そして、この輝度ヒストグラムをもとに、適切なコントラストと画像の明るさを得ることができるプローブ電流量とフレーム積算数とを算出し、それを装置に設定して測定用の試料像を形成する。

すなわち、本発明の走査電子顕微鏡は、電子線源と、電子線源より放出された一次電子線を試料表面上に収束するレンズ系と、収束された一次電子線を試料表面上で二次元的に走査する走査部と、電子線照射により試料から発生する二次信号を検出する検出器と、検出器の検出信号を増幅する増幅器と、増幅器で増幅された信号に基づいて試料像を形成する描画部と、制御演算部とを備え、制御演算部は、試料像の輝度ヒストグラムを作成し、輝度ヒストグラムから求められる画像の明るさが全階調幅の略中央に来るように一次電子線の電流値を制御し、画像の明るさに対応したコントラストが得られるように増幅器の増幅条件を制御する。

制御演算部は、典型的には、輝度ヒストグラムを関数化した曲線の低階調値側領域及び高階調値側領域で２次微分が極値を取る階調値を算出し、当該２つの階調値が所定の階調範囲内に含まれるように増幅器の増幅条件を制御する。

制御演算部は、輝度ヒストグラムを関数化した曲線が低階調値端領域にピークを有するとき、当該ピーク領域をその曲線の低階調値側に接し階調軸と交わる接線によって置き換えた仮想的なヒストグラムから求められる画像の明るさが全階調幅の略中央に来るように一次電子線の電流値を制御する。この時、制御演算部は、その接線が階調軸と交わる階調値とヒストグラム曲線の高階調値側領域で２次微分が極値を取る階調値とが所定の階調範囲内に含まれるように増幅器の増幅条件を制御する。

制御演算部は、輝度ヒストグラムを関数化した曲線が高階調値端領域にピークを有するとき、当該ピーク領域をその曲線の高階調値側に接し階調軸と交わる接線によって置き換えた仮想的なヒストグラムから求められる画像の明るさが全階調幅の略中央に来るように一次電子線の電流値を制御する。この時、制御演算部は、その接線が階調軸と交わる階調値とヒストグラム曲線の低階調値側領域で２次微分が極値を取る階調値とが所定の階調範囲内に含まれるように増幅器の増幅条件を制御する。

試料像のヒストグラムを作成し、対象物と背景の境界付近の階調値を基準にして算出したプローブ電流量から最小フレーム積算数を求めることができる。このプローブ電流量と最小フレーム積算数の条件で観察を行うことによって、試料のスリミングを抑えながら視認性の良い画像を表示することができる。また、最小フレーム積算数による低フレームスキャン方式と本発明のヒストグラム制御方法によって、スループットの向上が可能となる。

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に、本発明による走査型顕微鏡の概略図を示す。陰極１０１と第一陽極１０２の間には、制御演算部１１９で制御される高電圧制御電源１０４により電圧が印加され、所定のエミッション電流が陰極１０１から引き出される。陰極１０１と第二陽極１０３の間には制御演算部１１９で制御される高電圧制御電源１０４により加速電圧が印加されるため、陰極１０１から放出された一次電子線１１０は加速されて後段のレンズ系に進行する。一次電子線１１０は、収束レンズ制御電源１０６で制御された収束レンズ１０５で収束され、絞り板１０７で一次電子線１１０の不要な領域が除去される。その後、対物レンズ制御電源１１２で制御された対物レンズ１１１により試料１１３に微小スポットとして収束され、偏向コイル１０８で試料上を二次元的に走査される。偏向コイル１０８の走査信号は、観察倍率に応じて偏向コイル制御電源１０９により制御される。また、試料１１３は二次元的に移動可能で、試料ステージ１１４に固定されている。試料ステージ１１４はステージ制御部１１５により移動される。一次電子線１１０の照射によって試料１１３から発生した二次電子１１６は二次電子検出器１１７により検出され、増幅器１１８によって増幅される。描画部１２０は検出された二次信号を可視信号に変換して別の平面上に適宜配列するように制御を行うことで、試料表示部１２１に試料の表面形状に適応した画像を試料像として表示する。入力部１２２はオペレーターと制御演算部１１９のインターフェイスを行うもので、オペレーターはこの入力部１２２を介して上記の各ユニットの制御や測定点の指定や寸法測定の指令を行う。

次に、試料像の輝度ヒストグラムに基づく電子顕微鏡の制御方法について説明する。図３（Ａ）は、試料像の輝度ヒストグラムの例を示す図である。横軸は階調、縦軸はピクセル数である。この輝度ヒストグラムを微分すると図３（Ｂ）に示す１次微分グラフ３０２、図３（Ｃ）に示す２次微分グラフ３０３のようになる。２次微分グラフ３０３が極大となる階調値ａ，ｂは、ヒストグラム３０１における試料像と背景の境界近辺（以下、「境界点」と呼ぶ）を表すと考えられる。本例では、階調値は０〜２５５の２５６階調としているので、ヒストグラムの制御では、両端の境界点を階調値２５５以内に収める制御が必要である。

図４は、試料像表示部によって作成された試料像の輝度ヒストグラムの例を示す図である。輝度ヒストグラムの両端の曲線部分には、図４（Ａ）に示すように２つの境界点ａ，ｂが存在する。ａは背景の最も暗い部分との境界、ｂは試料の最も明るい部分（試料のエッジ部分）との境界を表している。図４（Ａ）に図示した境界点ａ，ｂは、図３で説明した輝度ヒストグラムの２次微分グラフ３０３が極大となる階調値ａ，ｂと同じである。

ヒストグラムの制御では、両端の境界点ａ，ｂの存在を考慮すればよいので、ヒストグラム４０１の両端の領域において２次微分を行い、境界点ａ，ｂを求める。この２ヶ所の境界点がヒストグラム上に存在し、ヒストグラムの幅が２５６階調に収まっていれば、視認性のよい画像と考えられる。従って、試料画像の明るさをヒストグラムの平均値で調整し、コントラストは最両端に存在する２つの境界点が２５６階調に収まるように、主に二次電子検出器１１７の増幅器１１８のダイナミックレンジで調整する。

図４（Ａ）のように、境界点がヒストグラムの両端に存在する場合、この画像の明るさ（ヒストグラム平均値）Ｂは、ヒストグラムを積分したときの面積をＳ、全ピクセル数をＮとすれば、式（１）のようになる。
Ｂ＝Ｓ/Ｎ …（１）

この明るさＢが階調幅２５６のほぼ中央の階調値Ｘ、例えば階調値１３０の位置に来るようにプローブ電流量を制御する。制御を行う前のプローブ電流をＩ_０、明るさＢが階調値Ｘとなるプローブ電流をＩ_ｐすると、一般的に明るさはプローブ電流に比例するので次式（２）が成り立ち、プローブ電流量Ｉ_ｐは式（３）のようになる。
Ｓ/Ｎ：Ｉ_０＝Ｘ：Ｉ_ｐ …（２）
Ｉ_ｐ＝Ｘ・Ｉ_０・Ｎ/Ｓ …（３）

次に、このプローブ電流量に基づいて、走査可能なフレーム積算数の最小枚数を算出する。プローブ電流Ｉ_ｐと必要なフレーム積算数ＦにはＩ_ｐ×Ｆ＝Ａ（定数）の関係があるため、この式に従いフレーム積算数の算出を行う。定数Ａは試料によって異なる。コントラストの制御は、２次微分で得られた境界点の階調値ａ，ｂの階調幅（ｂ−ａ）が２５６階調の中に入るように増幅器１１８のダイナミックレンジを調節することによって行う。

試料像が暗すぎる場合、ヒストグラムは図４（Ｂ）のように左側（低階調値側）に移動し、階調値０を含む低階調値端領域においてピクセル数が多くなり低階調値端にピークが生じる。逆に試料像が明るすぎる場合は、図４（Ｃ）のようにヒストグラムが右側（高階調値側）に移動し、階調値２５５を含む高階調値端領域においてピクセル数が多くなり高階調値端にピークが生じる。図４（Ｂ）の場合には輝度ヒストグラムに低階調値側の境界点ａが存在せず、図４（Ｃ）の場合には輝度ヒストグラムに高階調値側の境界点ｂが存在しない。このように試料像の明るさが偏り、一方の境界点が存在しない場合のヒストグラム制御方法を以下に示す。

図４（Ｂ）に示したヒストグラム４０２は、試料像の明るさが不足しているために境界点ａが存在しない場合である。この場合には、ヒストグラム関数を算出し、低階調値側の領域においてヒストグラムの曲線に接線４０３を引き、この接線４０３と階調軸との交点ａ′を求める。境界点ａは、階調値ａ′から階調値１の範囲に存在するので、ａ′を仮想的な境界点と考え、その階調値をａ′（＜０）とする。この低輝度側に接線４０３が接続された仮想的なヒストグラムの明るさＢ＝Ｓ/Ｎが階調値Ｘとなるプローブ電流量を算出し、そのプローブ電流量に制御する。制御前後のプローブ電流をそれぞれＩ_０，Ｉ_ｐとおくと、上式（２）が成り立つので、制御後のプローブ電流値は上式（３）となる。

最小フレーム積算数Ｆは、図４（Ａ）の場合と同様に、関係式Ｉ_ｐ×Ｆ＝Ａ（定数）に基づいて算出する。そして、ヒストグラムの階調幅（ｂ−ａ′）が２５６階調に含まれるように増幅器１１８のダイナミックレンジを調節し、コントラストの制御を行う。この制御によって、ヒストグラム４０２は、４０４のように移動し、移動後のヒストグラム４０４には、２つの境界点が含まれるため、試料像は視認性のよい画像となる。

図４（Ｃ）に示したヒストグラム４０５は、試料像の明るさが大きいために境界点ｂが存在しない場合である。この場合には、高階調値側の領域においてヒストグラムの曲線に接線４０６を引き、この接線４０６と階調軸との交点ｂ′を求める。境界点ｂは階調値２５４から階調値ｂ′の範囲に存在するので、ｂ′を仮想的な境界点と考える。あとは図４（Ｂ）の場合と同様の方法で、高輝度側に接線４０６が接続された仮想的なヒストグラムの明るさＢ＝Ｓ/Ｎが階調値Ｘとなるプローブ電流量を上式（３）によって算出し、プローブ電流量の制御を行う。そして、このヒストグラムの階調幅（ｂ′−ａ）が２５６階調に含まれるように増幅器１１８のダイナミックレンジを調節し、コントラストの制御を行う。この制御によって、ヒストグラム４０５は、４０７のように移動し、移動後のヒストグラム４０７には、２つの境界点が含まれるため、試料像は視認性のよい画像となる。

図４（Ｂ）、図４（Ｃ）のような低輝度側あるいは高輝度側に偏ったヒストグラムが得られた場合、プローブ電流量の制御とダイナミックレンジの調節を行った後に、取得した画像からヒストグラムを再作成して所望の形状になっているかどうかを確認する。確認は、作成されたヒストグラムにおける境界点の有無と明るさから判断する。所望の形状でなかった場合、ヒストグラムの再作成を行う。

以上、輝度ヒストグラムが１つのピークを有する場合について説明したが、輝度ヒストグラムが２つ以上のピークを有する場合も同様の方法でヒストグラム制御を行うことができる。図５を用いて、輝度ヒストグラムが２つのピークを有する場合について説明する。

図５（Ａ）は、２つのピークｐ１，ｐ２を有する輝度ヒストグラム５０１の例を示す図である。このような輝度ヒストグラムは、例えば試料像を高倍率にしたために試料領域（高輝度領域）のピクセル数が増加した場合に得られ、背景領域と試料領域のそれぞれのピークｐ１，ｐ２に対応する２つの輝度ヒストグラムを重ね合わせたものと考えることができる。そしてピークｐ１に対応する輝度ヒストグラムの境界点ａ，ｂ、及びピークｐ２に対応する輝度ヒストグラムの境界点ｃ，ｄを想定することができる。境界点ａ，ｂは、輝度ヒストグラム５０１を２つの輝度ヒストグラムに分解したとき、ピークｐ１に対応する輝度ヒストグラムの２次微分グラフが極大を示す階調値であり、境界点ｃ，ｄはピークｐ２に対応する輝度ヒストグラムの２次微分グラフが極大を示す階調値である。観察を行う上で、輝度ヒストグラムの両端に存在する境界点の階調範囲が重要であるから、ピークｐ１の背景領域では階調幅ａｂの範囲が重要であり、ピークｐ２の試料領域では、階調幅ｃｄの範囲が重要となる。以上のことから、２つのピークｐ１,ｐ２を有する輝度ヒストグラムの場合、観察に必要となる階調幅は両端の境界点ａ，ｄの範囲と言える。

結局、２つのピークを有する輝度ヒストグラムにおいても、ヒストグラムの制御では、ヒストグラムの両端領域における境界点ａ，ｄの存在だけを考慮すればよいので、ヒストグラム５０１の両端の領域において２次微分を行い、境界点ａ，ｄを求める。そして、この２ヶ所の境界点がヒストグラム上に存在し、ヒストグラムの幅が２５６階調に収まるように、図４で説明したのと同じ方法でヒストグラムの制御を行う。

図５（Ａ）のように、境界点がヒストグラムの両端に存在する場合、この画像の明るさ（ヒストグラム平均値）Ｂは、ヒストグラムを積分したときの面積をＳ、全ピクセル数をＮとすれば、上式（１）のようになる。この明るさＢが階調幅２５６のほぼ中央の階調値Ｘ、例えば階調値１３０の位置に来るようにプローブ電流量を制御する。制御を行う前のプローブ電流をＩ_０、明るさＢが階調値Ｘとなるプローブ電流をＩ_ｐすると、一般的に明るさはプローブ電流に比例するので上式（２）が成り立ち、プローブ電流量Ｉ_ｐは上式（３）のようになる。プローブ電流量に基づいたフレーム積算数Ｆの算出も、上記と同様に関係式Ｉ_ｐ×Ｆ＝Ａ（定数）を用いて行う。定数Ａは試料によって異なる。コントラストの制御は、２次微分で得られた境界点の階調値ａ，ｄの階調幅（ｄ−ａ）が２５６階調の中に入るように増幅器１１８のダイナミックレンジを調節することによって行う。

試料像が暗すぎる場合、ヒストグラムは図５（Ｂ）のように左側（低階調値側）に移動し、低階調値端領域におけるピクセル数が多くなり、低階調値端にピークが生じる。逆に試料像が明るすぎる場合は、図５（Ｃ）のようにヒストグラムが右側（高階調値側）に移動し、高階調値端領域においてピクセル数が多くなりピークが生じる。図５（Ｂ）の場合には輝度ヒストグラムに低階調値側の境界点ａが存在せず、図５（Ｃ）の場合には輝度ヒストグラムに高階調値側の境界点ｄが存在しない。このように試料像の明るさが偏り、一方の境界点が存在しない場合のヒストグラム制御方法も、ピークが１つの輝度ヒストグラムの場合と同様である。

すなわち、図５（Ｂ）に示したヒストグラム５０２の場合には、ヒストグラム関数を算出し、低階調値側の領域においてヒストグラムの曲線に接線５０３を引き、この接線５０３と階調軸との交点ａ′を求める。ａ′を仮想的な境界点と考え、その階調値をａ′（＜０）とする。この低輝度側に接線５０３が接続された仮想的なヒストグラムの明るさＢ＝Ｓ/Ｎが階調値Ｘとなるプローブ電流量を算出し、そのプローブ電流量に制御する。制御前後のプローブ電流をそれぞれＩ_０，Ｉ_ｐとおくと、上式（２）が成り立つので、制御後のプローブ電流値は上式（３）となる。

最小フレーム積算数Ｆは、関係式Ｉ_ｐ×Ｆ＝Ａ（定数）に基づいて算出する。そして、ヒストグラムの階調幅（ｄ−ａ′）が２５６階調に含まれるように増幅器１１８のダイナミックレンジを調節し、コントラストの制御を行う。この制御によって、ヒストグラム５０２は、５０４のように移動し、移動後のヒストグラム５０４には、２つの境界点が含まれるため、試料像は視認性のよい画像となる。

図５（Ｃ）に示したヒストグラム５０５は、試料像の明るさが大きいために境界点ｄが存在しない場合である。この場合には、高階調値側の領域においてヒストグラムの曲線に接線５０６を引き、この接線５０６と階調軸との交点ｄ′を求める。ｄ′を仮想的な境界点と考える。あとは図５（Ｂ）の場合と同様の方法で、高輝度側に接線５０６が接続された仮想的なヒストグラムの明るさＢ＝Ｓ/Ｎが階調値Ｘとなるプローブ電流量を上式（３）によって算出し、プローブ電流量の制御を行う。そして、このヒストグラムの階調幅（ｄ′−ａ）が２５６階調に含まれるように増幅器１１８のダイナミックレンジを調節し、コントラストの制御を行う。この制御によって、ヒストグラム５０５は、５０７のように移動し、移動後のヒストグラム５０７には、２つの境界点が含まれるため、試料像は視認性のよい画像となる。

図５（Ｂ）、図５（Ｃ）のような低輝度側あるいは高輝度側に偏ったヒストグラムが得られた場合、プローブ電流量の制御とダイナミックレンジの調節を行った後に、取得した画像からヒストグラムを再作成して所望の形状になっているかどうかを確認する。確認は、作成されたヒストグラムにおける境界点の有無と明るさから判断する。所望の形状でなかった場合、ヒストグラムの再作成を行う。

図６は、以上に述べたヒストグラム制御による画像取得と、その画像を用いた測定（測長）の手順を示すフローチャートである。最初、試料像を観察する（Ｓ１１）。次に、その試料像から輝度ヒストグラムを作成する（Ｓ１２）。輝度ヒストグラムから２次微分グラフを作成し（Ｓ１３）、低輝度側と高輝度側に背景と試料の境界点が存在するか否かを判定する（Ｓ１４）。いずれかの境界点が存在しない場合には、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）あるいは図５（Ｂ）、図５（Ｃ）にて説明したように、仮想的な境界点を算出する（Ｓ１５）。その後、画像の明るさがほぼ階調の中央値となるようなプローブ電流量を算出するとともに、そのプローブ電流値に対応するフレーム積算数を算出する（Ｓ１６）。算出されたプローブ電流量、フレーム積算数はモニター画面上に表示されるようにしてもよい。次に、適切なコントラストを実現するように増幅器１１８のダイナミックレンジを調節する（Ｓ１７）。最後に、ステップ１６で算出したプローブ電流量、積算フレーム数で試料画像を形成し、測長を行う（Ｓ１８）。

図７は、試料像表示部１２１の表示画面例を示す図である。この例によると、ユーザは表示画面上で、プローブ電流量７０１、積算フレーム数７０２、及び再作成されたヒストグラム７０３を確認することができる。ヒストグラム７０３には境界点と明るさが表示され、ヒストグラムの確認をすることができる。測長のための試料像はウィンドウ７０４に表示される。

上記のヒストグラム調整方法により、階調値０〜２５５の階調範囲に背景と試料の境界点が存在するヒストグラムを得ることができる。そして、境界点に基づき試料像に最適な明るさを与えるプローブ電流量と、そのプローブ電流量に応じた最小フレーム積算数の算出が可能となり、視認性のよい試料像を制御することができる。

本発明の低フレームスキャン方式により、フレーム数を従来の１６枚から４枚に変更し、プローブ電流量を８ｐＡから２５ｐＡに変更して１０回の測長を行った結果、スリミング量は６．７ｎｍから３．０ｎｍに減少することができた。２回の測長を行った場合では、１．３ｎｍから０．３ｎｍのスリミングに低減することが可能になった。その測長再現精度（３σ）は０．７ｎｍであり、許容範囲を満たす。

本発明の低フレーム測長機能を備えた電子顕微鏡の概略図。（Ａ）はフレーム積算数を変化させた時の測長回数とスリミングの関係を示す図、（Ｂ）はプローブ電流量を変化させた時の測長回数とスリミングの関係を示す図、（Ｃ）は加速電圧を変化させた時の測長回数とスリミングの関係を示す図。試料像の輝度ヒストグラムと、その１次微分グラフ及び２次微分グラフの例を示す図。ヒストグラム制御方法の一例を示す概要図。ヒストグラム制御方法の他の例を示す概要図。ヒストグラム制御による画像取得と、その画像を用いた測長の手順を示すフローチャート。試料像表示部の表示画面例を示す図。

符号の説明

１０１…陰極、１０２…第一陽極、１０３…第二陽極、１０４…高電圧制御電源、１０５…収束レンズ、１０６…収束レンズ制御電源、１０７…絞り板、１０８…偏向コイル、１０９…偏向コイル制御電源、１１０…二次電子、１１１…対物レンズ、１１２…対物レンズ制御電源、１１３…試料、１１４…試料ステージ、１１５…ステージ制御部、１１６…二次電子、１１７…二次電子検出器、１１８…二次電子信号増幅器、１１９…制御演算部、１２０…描画部、１２１…試料像表示部、１２２…入力部

Claims

電子線源と、前記電子線源より放出された一次電子線を試料表面上に収束するレンズ系と、前記収束された一次電子線を試料表面上で二次元的に走査する走査部と、電子線照射により試料から発生する二次信号を検出する検出器と、前記検出器の検出信号を増幅する増幅器と、前記増幅器で増幅された信号に基づいて試料像を形成する描画部と、制御演算部とを備え、
前記制御演算部は、
試料像の輝度ヒストグラムを作成し、
前記輝度ヒストグラムから求められるヒストグラム平均値が全階調幅の略中央に来るように前記一次電子線の電流値を制御し、
当該ヒストグラム平均値が全階調幅の略中央に来るように求められた電流値と、所定の定数から、（電流値）×（フレーム積算数）＝（定数）という演算式に基づいて、前記一次電子のフレーム積算数を算出し、
前記ヒストグラム平均値が全階調幅の略中央に来るように調整された輝度ヒストグラムの階調幅がコントラストの階調幅に収まるように前記増幅器の増幅条件を制御する
ことを特徴とする走査型電子顕微鏡。
請求項１記載の走査型電子顕微鏡において、
前記制御演算部は、前記輝度ヒストグラムを関数化した曲線の２次微分によって現れる任意数の極値のうち最低階調値と最高階調値を算出し、当該２つの階調値が所定の階調範囲内に含まれるように前記増幅器の増幅条件を制御することを特徴とする走査型電子顕微鏡。
請求項１記載の走査型電子顕微鏡において、
前記輝度ヒストグラムが低階調値限界点を超えることによって出現するピーク領域を低階調値端ピーク領域と定義した場合、
前記制御演算部は、前記輝度ヒストグラムを関数化した曲線が低階調値端ピーク領域を有するとき、当該ピーク領域を、高階調側から見て前記低階調値端ピーク領域出現直前の階調値における前記曲線上に接点を有し階調軸と交わる接線によって置き換えた仮想的なヒストグラムから求められるヒストグラム平均値が全階調幅の略中央に来るように前記一次電子線の電流値を制御することを特徴とする走査型電子顕微鏡。
請求項３記載の走査型電子顕微鏡において、
前記制御演算部は、前記接線が階調軸と交わる階調値と前記曲線の２次微分によって現れる任意数の極値のうち最高階調値とが所定の階調範囲内に含まれるように前記増幅器の増幅条件を制御することを特徴とする走査型電子顕微鏡。
請求項１記載の走査型電子顕微鏡において、
前記輝度ヒストグラムが高階調値限界点を超えることによって出現するピーク領域を高階調値端ピーク領域と定義した場合、
前記制御演算部は、前記輝度ヒストグラムを関数化した曲線が高階調値端ピーク領域を有するとき、当該ピーク領域を、低階調側から見て前記高階調値端ピーク領域出現直前の階調値における前記曲線上に接点を有し階調軸と交わる接線によって置き換えた仮想的なヒストグラムから求められるヒストグラム平均値が全階調幅の略中央に来るように前記一次電子線の電流値を制御することを特徴とする走査型電子顕微鏡。
請求項５記載の走査型電子顕微鏡において、
前記制御演算部は、前記接線が階調軸と交わる階調値と前記曲線の２次微分によって現れる任意数の極値のうち最低階調値とが所定の階調範囲内に含まれるように前記増幅器の増幅条件を制御することを特徴とする走査型電子顕微鏡。
請求項１〜６のいずれか１項記載の走査型電子顕微鏡において、
前記制御演算部は、前記一次電子線の電流値に基づいてフレーム積算数を算出することを特徴とする走査型電子顕微鏡。
請求項７記載の走査型電子顕微鏡において、
表示部を備え、前記試料像の輝度ヒストグラムと、前記一次電子線の電流量と、前記フレーム積算数を表示することを特徴とする走査型電子顕微鏡。