JPS6331721B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、物体表面の粗さを検出して測定する
表面形状測定装置、特に、走査型電子顕微鏡を用
いて物体表面に触れることなく極めて高精度の表
面粗さを検出し表示し得るようにした走査型電子
顕微鏡による表面形状測定装置に関するものであ
る。

従来のこの種表面形状、粗さの検出測定装置と
しては、触針式のものと光学式のものとがあり、
前者は、極めて微細な触針を機械的に移動させて
表面粗さを検出するので、検出の精度は高いが速
度が遅く、さらに、物体表面に傷をつける等の欠
点があり、また、後者は、非接触で表面粗さを検
出することができ、検出速度をあげることもでき
るが、触針式のものと同等の検出精度が得られな
いという欠点があつた。特に、後者の光学式のも
のについては、近年、その長所を生かして電子計
算機と結合させ、表面粗さの高速度測定や２次元
測定を可能とするようになつて来ているが、光の
波長に基づく光学系の性能から測定精度に本質的
な限界があるので、近年盛んになつて来た高精度
機械加工による製品の表面粗さの評価に使用する
には適切とは言い難い、という問題があつた。

上述した触針式すなわち機械式、および、光学
式の表面形状測定装置に替わるものとしては、電
子式のもの、すなわち、電子顕微鏡を用いたもの
が考えられる。しかしながら、電子顕微鏡は、物
体表面の微細な構造を観察するという意味におい
ては、電子ビームの電磁波的な性質を利用してい
るのであるから、そのままで表面粗さの高精度検
出を容易に行ない得るもののように考えられる
が、従来の電子顕微鏡においては、一般に、いわ
ゆる顕微鏡として物体の立体的な微細構造を高精
度かつ高感度で観察し得るようにするために電子
ビーム照射の衝撃により物体の表面層から放出さ
れる２次電子を捕捉して表面の構造に対応した電
気信号を形成しているので、かかる２次電子信号
は、物体表面の構造を表面粗さに対応させて定性
的に観察し得るに止まり、前述した光学式表面形
状測定装置に相当する光切断法等において物体表
面の断面曲線を描くのと同様にして物体表面の断
面形状を忠実に表示するというものではなかつ
た。したがつて、従来の電子顕微鏡を用いて物体
表面の断面形状を検出するには、表面粗さという
観点から外れて、上述した２次電子信号により表
示した物体表面構造の映像自体を基にして物体表
面の立体画像を構成し、その立体画像から表面の
断面形状を読取るための極めて複雑な信号処理を
行なう必要があり、かかる信号処理を行なうため
に複雑な構成の電子機器システムを使用する必要
があるがために、上述した高精度機械加工による
製品の表面粗さの評価などに実用するには適さな
かつた。

本発明者は、前述したように本質的な欠点をそ
れぞれ有する触針式および光学式のものに替わ
り、それらの欠点を除去した電子式のものとし
て、電子顕微鏡を用いた表面形状測定装置の実用
化につき種々検討した。その結果、走査型電子顕
微鏡の動作条件を従来とは格段に異ならせ、従来
は物体表面層の立体構造を高精度かつ高感度で観
察するために電子ビームの衝撃により物体表面層
から放出する２次電子を捕捉し増幅して画像信号
を形成していたのに対し、例えば、電子の捕捉増
幅の閾値レベルを格段に異ならせて、主として物
体表面からの反射電子を捕捉増幅して画像信号を
形成すれば、図面につき後述するように、物体表
面の断面形状に対して一義的な関係を有する信号
波形が得られ、かかる信号波形を有する反射電子
信号に極めて簡単な演算処理を施せば容易に表面
粗さを検出し得ることを見出し、走査型電子顕微
鏡の動作に関する全く新たなかかる知見に基づい
て本発明をなしたものである。

本発明の目的は、上述した従来の問題を解決し
てその欠点を除去し、従来は電子顕微鏡の２次電
子信号に複雑な演算処理を施してしかも表面粗さ
に関しては定性的乃至平均的な検出結果しか得ら
れなかつたのに対し、主として反射電子信号に極
めて簡単な演算処理を施すだけで物体表面の断面
形状による表面粗さを直接に検出し得る走査型電
子顕微鏡による表面形状測定装置を提供すること
にある。

本発明の他の目的は、走査型電子顕微鏡による
表面粗さの検出を実用化して、光学式のものに比
し拡大倍率の変更増大が容易であり、拡大した視
野に対応した物体表面の微細な断面形状を検出し
得る走査型電子顕微鏡による表面形状測定装置を
提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、高精度機械加工の
製品について光学式のものでは困難であつた表面
粗さの測定を非接触、高精度、高速度で行ない、
これを断面波形として指示または記録し得るよう
にし、特に半導体素子表面の断面形状の観察、測
定に応用して好適な走査型電子顕微鏡による表面
形状測定装置を提供することにある。

本発明は、走査型電子顕微鏡における試料表面
からの反射電子による画像信号に比較的簡単な演
算処理を施して、１本の走査線に対応した試料表
面の断面形状を表わす信号波形を形成し、水平走
査線毎のかかる信号波形を垂直走査方向に積み重
ねて物体表面の３次元形状を立体斜視画像のごと
く表示し得るようにしたものであり、電子ビーム
を用いて表面粗さを示す物体表面の断面形状を表
示する点、および、電子顕微鏡の動作条件を切換
えて得られる通常の顕微鏡画像と対応させて表面
粗さを観察し得る点において、従来にない全く新
規な表面形状測定装置を提供するものであり、さ
らに、上述のようにして得た物体表面断面形状の
検出結果のデータを電子計算機に供給して適切な
演算処理を施し、物体表面の３次元形状について
多種多様の解析を行ない得るようにしたものであ
る。

すなわち、本発明表面形状測定装置は、物体の
表面を走査型電子顕微鏡の電子ビームにより走査
して得られる後方散乱電子によつて形成される画
像信号から前記物体表面の断面形状を表わす波形
信号を取出して表示または記録する表面形状測定
装置において、前記後方散乱電子のうち２次電子
を排除して反射電子を検出し得るように検出感度
を設定した単一の検出手段と、当該検出手段によ
り選択的に検出した前記反射電子によつて形成さ
れる画像信号を積分する積分手段とを備え、当該
積分手段の積分出力信号を前記断面形状を表わす
波形信号としたことを特徴とするものである。

以下に図面を参照して実施例につき本発明を詳
細に説明する。

まず、本発明の表面形状測定装置の概略構成を
第１図に示し、本発明の基本概念について説明す
る。図示の概略構成においては、電子顕微鏡の真
空試料室Ａ内に備えた電子銃１から射出して電界
２により集束偏向した走査用電子ビーム３によつ
て試料台４上に設置した試料５を照射し、Ｘ方向
の線走査をＹ方向に順次に位置をずらして繰返し
行ない、試料５の表面を面走査する。かかる走査
電子ビーム３の照射により試料５から得られる電
子を光電変換増幅素子からなるコレクタ６により
捕捉して順次の線走査からなる面走査に応じた信
号波形を有する試料５の表面の画像信号を形成す
るが、コレクタ６による光電変換増幅器の閾値レ
ベルを適切に設定すれば、走査電子ビーム３の照
射に応じて試料５の表面から得られる電子のう
ち、主として反射電子を捕捉するようにすること
ができる。しかして、反射電子は試料５の表面を
照射した電子ビーム３中の電子が単純に反射した
ものであるから、試料５から得られる電子の量に
比例するコレクタ６の出力電圧は、反射電子につ
いては、第２図ａに示すように、試料５の表面の
電子ビーム３に対する傾き角の大きさにほぼ比例
する。したがつて、第１図に模式的に示すよう
に、例えば、試料５の表面がＸ方向において三角
形の連続からなる場合には、三角形の谷における
表面の傾き角の負から正への急変に応じコレクタ
出力電圧が急増し、以後その高出力電圧レベルを
一定に保持したまま三角形の頂点に達すると、表
面傾き角の正から負への急変に応じてコレクタ出
力電圧が急減し、以後その低出力電圧レベルを一
定に保持したまま再び三角形の谷に達する。した
がつて、試料５の三角形状表面に対して得られる
コレクタ６の出力電圧波形は、試料５の表面の、
電子ビーム３を含む面内における断面形状である
三角形を積分した形態の方形波形となる。従来、
電子顕微鏡に慣用の試料表面層の観察時には、前
述したとおり、試料表面層の立体構造を高精度、
高感度で観察し得るようにするために試料表面層
内から放出される２次電子をコレクタ６により捕
捉し得るようにしてコレクタ６における光電変換
増幅の閾値レベルを設定していた。しかしなが
ら、２次電子によるコレクタ６の出力電圧は、第
２図ｂに示すように、試料５の表面の電子ビーム
３に対する傾き角の大きさに対しほぼ２次曲線を
描いて急増する。したがつて、試料５の表面から
の２次電子によるコレクタ６の出力電圧波形は、
試料表面の断面形状に対して複雑な関係を有する
複雑な波形となるがために、２次電子によるコレ
クタ出力電圧波形によつては、一見して試料表面
の断面形状を推定することは極めて困難であり、
極めて複雑な演算処理を経なければ試料表面の断
面形状の検出は行ない得ないことになる。

本発明は、電子ビーム照射による試料表面から
の反射電子と２次電子とによるコレクタ出力電圧
波形に関する上述した知見に基づき、反射電子に
よるコレクタ出力電圧波形を積分しさえすれば試
料表面の断面形状を容易かつ正確に把握し得ると
いう新たな着想に基づいてなしたものである。し
たがつて、本発明表面形状測定装置においては、
基本的には、走査電子ビームの照射による物体表
面からの反射電子を捕捉したコレクタの出力電圧
波形を単に積分することにより、走査電子ビーム
を含む面内における物体表面の断面形状を検出す
るのであるが、その検出した断面形状相当の積分
出力波形を単に表示装置に表示することにより物
体表面の形状が表示できる利点がある。本発明の
利点はこれのみに留らず、走査型電子顕微鏡の電
子ビーム走査に巧みに対応させて、物体表面の粗
さを一見して把握し得るように表示するととも
に、さらに、物体表面の立体的観察ないし立体的
表示または記録が可能となる顕著な利点がある。

すなわち、第１図に示した本発明装置の概略構
成においては、試料５の表面から反射電子による
コレクタ６の出力電圧信号を陰極線管コントロー
ラ７を介して陰極線管表示装置９に表示するとと
もに、コレクタ出力電圧信号をアナログ演算処理
装置Ｂ中の処理回路８に導き、少なくとも積分の
演算処理を施して信号波形を試料表面の断面形状
に復元し、要すれば、さらに、高域周波数成分の
除去等により雑音を除去し、面走査電子ビーム強
度の不均一等による低域波形の歪みの平均化によ
る除去等の信号波形処理を施して資料表面断面形
状を一層忠実に復元した演算処理出力信号を陰極
線管コントローラ７に供給して垂直偏向波形に加
算し、コレクタ６の出力電圧信号の印加により陰
極線管表示画面に表示した試料表面観察画像に重
畳して、資料表面の所望の位置に対応する走査線
に関して断面形状波形を陰極線管の表示画面に表
示するようにする。しかして、実用上は、コレク
タ出力電圧信号の上述したようなアナログ演算処
理よりも、そのコレクタ出力電圧信号をデイジタ
ル化してデイジタル演算処理を施す方が好適であ
り、第１図示の概略構成においては、デイジタル
演算処理装置Ｃによりかかるデイジタル演算処理
を行なう。すなわち、陰極線管コントローラ７か
らのコレクタ出力画像信号をＡ―Ｄ変換器１１お
よび同期信号発生器１２に供給し、同期信号発生
器１２によりコレクタ出力画像信号中から抽出し
た同期信号に基づいて発生させたクロツクパルス
によりＡ―Ｄ変換器１１を駆動して形成したデイ
ジタル画像信号を同期信号発生器１２からのクロ
ツクパルスとともにインターフエース１３に供給
し、クロツク情報を含んだデイジタル画像信号を
形成してデイジタル演算処理回路１４に供給し、
アナログ演算処理装置Ｂ中の処理回路８について
上述したと同等のデイジタル演算処理を入力デイ
ジタル画像信号に施す。かかるデイジタル演算処
理出力波形信号をインターフエース１５を介して
取出し、Ｄ―Ａ変換器１６によりアナログ波形信
号に復元してアナログ演算処理装置Ｂにつき上述
したと同様にして陰極線管表示装置９に表示する
とともに、インターフエース１５を介して取出し
た信号をデイジタルXYプロツタ１０に供給し
て、陰極線管表示装置９に表示したと同様に試料
表面の断面形状を表わすアナログ信号波形を特定
の１走査線分または１フレーム分の各走査線毎に
連続して記録する。

なお、かかる演算処理による試料表面の断面形
状信号波形の表示は、基本的には、Ｘ方向の１走
査線に対して行なわれるが、かかる波形表示を順
次の走査線についてＹ方向に繰返し行えば、陰極
線管の表示画面には、電子顕微鏡の従来どおりの
２次電子画像信号によると同様であつて、しか
も、試料表面の形状を忠実に表わした３次元的、
すなわち、立体的な表面画像の表示が、電子顕微
鏡により従来観察していた平面的な写真に陰影を
施した形態の表面画像に替わつて表示される。

本発明装置における陰極線管表示画面に、第１
図に模式的に示すような三角形状が連続した比較
的単純かつ斉一な表面形状を有する試料について
上述した態様で表面画像に重畳する断面形状波形
を第３図ａに示し、かかる表面画像信号波形をＸ
―Ｙプロツタによりプロツトしたものを第３図ｂ
に示し、さらに、その表面画像に重畳表示した断
面形状信号波形をＸ―Ｙプロツタによりプロツト
したものを第３図ｃに示す。それら第３図ａ〜
ｃ、特にｂおよびｃの信号波形を第１図示の試料
表面形状と対比すれば、本発明により得た第３図
ｃの断面形状信号波形がほぼ忠実に試料表面形状
を復元しており、また、第３図ｂの表面画像信号
波形が、巨視的な傾向として試料表面の三角形状
に対して方形波状となつており、したがつて、前
述したように、試料表面形状を微分した形態の波
形となつていることが明瞭に判る。

しかして、電子顕微鏡は観察画像の倍率を光学
顕微鏡に比して格段に容易かつ多様に変更し得る
のがその特長の一つであり、第３図ａに示したも
のが倍率350であるのに対し、倍率を3500にして
斜めの傷の部分を含めた中央部のみを拡大表示し
たときの陰極線管表示画像に重畳する断面形状波
形を第４図ａに示し、その表示画像における表面
画像信号波形をＸ―Ｙプロツタによりプロツトし
たものを第４図ｂに示し、さらに、その表面画像
信号波形を積分して得た断面形状信号波形をＸ―
Ｙプロツタによりプロツトしたものを第４図ｃに
示す。しかして、第４図ｃに示した断面形状信号
波形は、試料表面の三角形状を拡大してよく表わ
しているが、反射電子像形成および演算処理の過
程で生ずる直流分の歪みにより原断面形状にはな
い傾斜が著しく現われている。したがつて、本発
明装置の好適な構成例においては、後述するよう
に、直流分補正を施して平均化し、この直流分歪
みによる不所望の傾斜を修正して除去した状態で
信号波形表示の利得を増大させ得るようにし、表
示画像を縦方向にも十分に拡大して、第４図ｄに
示した。第４図ｄは試料表面における斜面の途中
に存在して細部の表面粗さを示した細かい条目を
も忠実かつ精密に表示しており、第４図ｂに示し
た方形波状表面画像信号波形における平坦部の微
細なレベル変動によく対応させることができる。

本発明表面形状測定装置における表面形状の上
述した表示の態様は、第１図に示した連続三価形
状の試料表面について得られる第５図ａに模式的
に示すような連続方形波状の表面画像に、その表
面画像信号波形を表示した１本の走査線について
の断面形状信号波形を第５図ｂに模式的に示すよ
うに重畳して表示するものであり、その１本の走
査線の表面画像における位置、すなをち、表面画
像において断面形状を表示した部分を明示するた
めに、本発明装置における表示の一形態として、
第５図ｃに示すように、該当する走査線位置の両
端部にマーカを表示するようにすることもでき
る。また、陰極線管表示画面の垂直方向における
順次の各走査線について、第５図ｂに示したと同
様の断面形状信号波形を形成し、それらの断面形
状信号波形を例えばデイジタル演算処理回路１４
内にすべて一旦記憶した後に、Ｘ―Ｙプロツタ１
０により、第５図ｄに模式的に示すように、垂直
方向に順次に位置をずらしてプロツトすれば、試
料５の表面形状に忠実に対応した３次元画像を斜
視的に表示することができる。第１図に示したよ
うな連続三角形状の試料表面に対するかかる三次
元画像の例を第６図に示す。

なお、前述したように本発明表面形状測定装置
における電子顕微鏡のコレクタ出力電圧信号をデ
イジタル的に演算処理することは、検出データの
デイジタル演算処理回路１４内への取り込みや演
算処理に時間を要する。しかし、その反面、観察
すべき試料表面の傾斜と反射電子に混入して検出
される２次電子によるコレクタ出力電圧信号波形
の非線形歪みを考慮して適切な補正を施し、ある
いは、試料表面層の物質の相違に基づく電子ビー
ムの反射率の相違、したがつてコレクタ出力電圧
の相違を考慮して適切な補正を施したうえでコレ
クタ出力電圧信号波形に対する所要の積分を行な
うのが容易であり、また、上述した３次元画像に
ついて種々の解析を行なうのが容易となるなど、
デイジタル演算処理には、アナログ演算処理によ
つて得られない格別の利点がある。

一方、電子顕微鏡のコレクタ出力電圧信号をア
ナログ的に演算処理することは、デイジタル演算
処理によつて可能となる多種多様の情報処理や解
析の面では劣るが、電子顕微鏡によつて得られる
通常の顕微鏡画像に対応して、しかも、試料表面
形状をより忠実に表わす３次元画像を即時に表示
し得る利点がある。

なお、第１図に示した本発明表面形状測定装置
の概略構成においては、真空試料室Ａ内に設置し
た試料台４を、例えばデイジタル演算処理回路１
４からの制御信号に応じて駆動されるステツプモ
ータ等により、Ｘ方向やＹ方向に水平移動させ、
あるいは、水平回転軸ψもしくは垂直回転軸ψの
周りに回転させ得るように構成する。したがつ
て、例えば平板状試料については、水平方向に移
動させることにより、走査電子ビーム３により照
射する部分の表面画像信号波形および断面形状信
号波形を試料の全面に亘つて連続表示し得るよう
にする。また、回転形状試料については、その回
転円筒面の母線に沿つて特定の走査線を設定し、
その特定の走査線位置を含む垂直面内に回転軸を
設定して試料を回転させることにより、回転形状
試料の回転円筒面の母線方向における表面粗さす
なわち断面形状の検出を、その回転円筒面の円周
方向に沿つた一定間隔毎に繰返し行なつて、平板
状試料におけると同様に回転形状試料表面の３次
元画像表示を行ない得るようにする。さらに、試
料表面の断面形状信号波形を重畳表示する試料表
面画像を、所望により、前述した反射電子による
表面画像に替えて、従来どおりの２次電子による
表面画像となるように、例えば、コレクタ６にお
ける光電変換増幅の閾値レベルを適切に切換えて
第５図ｂに示したと同様の態様の重畳表示を行な
うようにする。

上述したような概略構成による本発明表面形状
測定装置の詳細な構成の例を、従来試みられたこ
の種装置の詳細な構成と対比して以下に詳述す
る。

まず、従来、走査型電子顕微鏡を用いて表面粗
さの検出を行なうように試みられたこの種装置の
詳細構成を第７図に示す。図示の構成において
は、電子顕微鏡２１の電子銃２２に加速電源２３
からの超高電圧を印加して高速度で射出させた電
子ビームを集束コイル２４，２５にレンズ電源２
６からの集束電流を供給してターゲツト３０の位
置で焦点を結ばせるとともに、Ｘ方向偏向コイル
２７およびＹ方向偏向コイル２８に走査用電源２
９からの偏向電圧をそれぞれ供給してターゲツト
３０の面上におけるＸ―Ｙ方向の面走査を行なわ
せる。その面走査によりターゲツト３０から放出
される電子を光電変換増幅素子、例えば、ホトマ
ルチプライヤよりなるコレクタ３１により捕捉し
て光電変換増幅を施し、その出力電圧信号を、信
号増幅器３２を介し、陰極線管３３の電子ビーム
強度制御電極３４に印加する。それとともに、さ
らにその出力電圧信号をスイツチ３５を介して加
算器３６にも供給し、走査用電源２９から陰極線
管３３の水平偏向コイル３７および垂直偏向コイ
ル３８にそれぞれ供給する偏向電圧のうち、垂直
偏向電圧に加算する。したがつて、例えば第１図
に示したような連続三角形状の表面形状を有する
ターゲツト面を電子ビームにより走査した場合に
は、陰極線管３３の表示面上には、第５図ａに示
したのと同様に、ターゲツト３０の表面画像に所
望の走査線に対応する表面画像信号波形が重畳し
て表示される。しかしながら、前述したように、
従来は、ターゲツト３０から放出された２次電子
を捕捉していたのであるから、第２図ｂに示した
ようなコレクタ出力電圧特性に基づく非線形歪み
が生じ、ターゲツト表面の忠実な断面形状は、前
述したように複雑な演算処理過程を経なければ、
到底得られなかつた。

上述したような従来装置の欠点を除去した本発
明表面形状測定装置の詳細構成の例を第８図に示
す。図示の構成は、走査型電子顕微鏡を用いて構
成した表面形状測定装置一般に必須の基本的な構
成および作用に関しては、第７図に示した従来装
置と同様である。したがつて、第８図に示す本発
明装置においては、第７図に示した従来装置にお
けると同一の構成要素には同一の記号を付して示
し、その作用については説明を省略すること、第
１０図につき後述する他の構成例においても同様
である。また、第８図および第１０図に示す詳細
構成は、第１図に示した概略構成とは必ずしも明
確に対応しないが、構成および作用効果に関する
技術思想に関して全く同一であること以下に記述
するとおりである。

しかして、第８図に示す本発明表面形状測定装
置の構成例においては、第７図につき上述したと
同様にして、走査型電子顕微鏡２１の走査電子ビ
ームにより照射して得られるターゲツト３０から
の電子ビームを、フオトマルチプライヤあるいは
シンチレーシヨンカウンタよりなるコレクタ３１
により捕捉して光電変換増幅し、その出力電圧信
号を信号増幅器３２によりさらに適切に増幅した
うえで、陰極線管３３の電子ビーム強度制御電極
３４に供給してターゲツト３０の表面画像を表示
するようにする。それとともに、その出力電圧信
号をスイツチ３５を介して加算器３６に導き、陰
極線管３３の垂直偏向電圧に重畳して、その出力
電圧信号に関連した信号波形を、スイツチ３５の
閉成により任意に選択した走査線について陰極線
管３３の表示面上のターゲツト表面画像に重畳し
て表示すること、第７図につき上述したのと同様
である。しかしながら、本発明装置においては、
信号増幅器３２の出力電圧信号を低域・高域阻止
フイルタ４１に供給して、低域の歪み成分および
高域のノイズ成分を除去したうえで、さらに積分
器４２に供給し、第１図示の概略構成につき詳述
したとおりに表面画像信号波形に積分処理を施し
てターゲツト表面の断面形状を表わす波形の積分
出力電圧信号を形成し、直流分補正回路４３から
の直流電圧を重畳して画面上の表示位置を補正し
得るようにしたものを加算器３６に供給してい
る。しかして、本発明装置においては、前述した
ようにコレクタ３１における光電変換増幅器の閾
値レベルを適切に選定してターゲツト３０からの
反射電子を主として捕捉し得るようにしているの
で、コレクタ出力電圧信号としてはターゲツト表
面の断面形状を微分した波形のものが得られ、積
分器４２の積分出力電圧信号としては、ターゲツ
ト表面の断面形状をほぼ忠実に復元した波形のも
のが得られること、前述したとおりである。な
お、ターゲツト３０として表面粗さを検出すべき
試料と適切な既知の表面粗さを有する標準試験片
とを同一条件のもとに置換するなどして較正すれ
ば、試料の表面粗さを数値的に検出することがで
きる。

かかる構成の本発明表面形状測定装置の動作を
試料の例として、第１図に示したように三角形状
の畝を平行配置した表面形状を有する標準粗さ試
験片を用いた場合について、以下にさらに詳細に
説明する。

第８図に示す本発明表面形状測定装置の構成に
おいて、信号増幅器３２では通常の走査型電子顕
微鏡におけるとほぼ同様に動作する。したがつ
て、その信号増幅器３２の増幅出力電圧信号を制
御電極３４に供給した陰極線管３３の表示面上の
試料表面の画像を写真撮影した後に、所望の線走
査期間にスイツチ３５を閉成して積分処理を施し
た増幅出力信号を垂直偏向電圧に重畳して二重露
光を行なえば、第５図ａに模式的に示したよう
に、反射電子画像に、所望の走査線位置における
表面断面形状である方形波形が重畳して記録され
る。

上述した構成による本発明装置の各部信号波形
をそれぞれ示す第９図ａ〜ｆにおいて、第９図ａ
およびｂは、走査型電子顕微鏡２１および陰極線
管３３に共通のそれぞれ水平および垂直の偏向信
号波形であり、スイツチ３５を閉成する所望の水
平偏向期間すなわち線走査期間における信号増幅
器３２、低域・高域阻止フイルタ４１、積分器４
２の各出力電圧信号波形を第９図ｃ〜ｅにそれぞ
れ示し、直流分補正回路４３を用いない場合にお
ける積分器４２の出力電圧信号波形を第９図ｆに
示す。

しかして、信号増幅器３２の増幅出力電圧信号
波形には、第９図ｃに示したように、電子顕微鏡
２１の電子ビーム集束偏向系に固有の特性とし
て、その面走査と同期して面走査した陰極線管３
３の表示画像の中央部が周縁部より明るくなるこ
とに対応して線走査期間の信号波形の中央部を押
し上げる長波長成分や、ターゲツト３０からの微
少量の電子を大幅に増幅することによる極度の短
波長成分からなる波形歪みやノイズが多分に重畳
している。しかしながら、かかる波形歪みやノイ
ズは、その増幅出力電圧信号を低域・高域阻止フ
イルタ４１に通すことにより、第９図ｄに示した
ように十分に除去することができる。また、積分
器４２の出力電圧信号波形は、第９図ｄとｅとを
対比すれば明らかなように、フイルタ４１の濾波
出力電圧信号波形を積分したものであり、試料表
面の断面形状をほぼ忠実に表わしたものとなる。
かかる各信号波形の相互関係は、第２図ａにつき
前述した反射電子像における試料表面の傾き角と
コレクタ出力電圧との間の相関特性によるもので
あること勿論である。

また、積分器４２に直流分補正回路４３からの
直流分補正用電圧を供給しない場合には、コレク
タ出力電圧信号の直流分歪みにより、第９図ｆに
示したように、信号波形が不当に傾斜することが
ある。したがつて、特に、第４図ｃに示したよう
に、表面画像信号波形の時間軸を拡大して表面形
状における斜めの部分のみを観察するような場合
には、直流分補正電圧を加算して信号波形の直流
分歪みによる不所望の傾きを補正することによ
り、正味の試料表面断面形状信号波形のみを十分
に増幅し拡大して、第４図ｄに示したように、試
料表面断面の微細な形状を詳細に検出し表示す
る。

また、加算器３６により陰極線管３３の垂直偏
向信号波形に上述した試料表面断面信号波形を加
算して上述したような二重露光を行なえば、第３
図ａあるいは第４図ａに示したような表示画像が
得られ、試料表面の反射電子像と断面形状とを同
時に対比して観察することができる。なお第３図
ａあるいは第４図ａに示した表示画像は、反射電
子像に単一の走査線に対応して試料表面断面形状
信号波形のみを重畳して表示したものであるが、
面走査における各走査線にそれぞれ対応する断面
形状信号波形をすべて描かせれば、試料表面の立
体的形状を平面上に倒して並べた形態の第６図に
示したような３次元相当の立体的な表面画像を試
料表面の形状に忠実に表示し得ること前述したと
おりである。

しかして、第３図ａあるいは第４図ａに示した
ように単一の走査線に対応する断面形状信号波形
を反射電子像に重畳して表示する場合には、その
走査線に対応する反射電子像の輝度を上げるなど
によつても、断面形状信号波形を重畳表示してい
る反射電子像上の該当個所を明示することができ
るが、その該当個所の走査線の位置を示すマーカ
を、第５図ｃに示したように、その走査線の両端
部に表示するようにした場合における本発明表面
形状測定装置の構成例を第１０図に示し、その各
部信号波形を第１１図ａ〜ｍにそれぞれ示す。

しかして、第１０図に示した構成例における反
射電子像および断面形状信号波形の重畳表示の態
様は第８図に示したものと全く同一であるので、
以下には、上述したように断面形状信号波形の重
畳表示を行なつた走査線の位置を示すマーカ表示
に関する部分の構成および作用についてのみ以下
に説明する。

第１０図に示す本発明装置の構成例において
は、走査用電源２９から得られるＸ方向偏向電圧
波形をシユミツトトリガ回路５１に供給して各走
査線に順次に対応した第１１図ｄに示すような方
形波列信号を形成し、その方形波列信号を微分整
形回路５２に供給して微分して第５図ｅに示すよ
うな正負の微分パルス列信号を形成し、さらに、
その微分パルス列信号の極性を反転したうえで整
流し、第５図ｄに示したシユミツト・トリガ回路
５１の出力方形波列信号における各方形波の立下
りの位置に対応した第１１図ｆに示すような正極
性パルス列信号を取出す。その正極性パルス列信
号をダウンカウンタをもつて構成したレジスタ５
３に導き、走査線番号指定回路５４により各フレ
ーム期間毎に繰返し指定した所望の断面形状信号
波形表示位置相当の走査線信号を表わす数値から
各フレーム期間毎に正極性パルス列中のパルス数
を順次に引き算し、その引き算の結果が零となつ
た時点、すなわち、各フレームの始端から順次に
計数して上述の指定番号の走査線の位置に達した
時点において、出力信号を供給してゲート５６を
Ｘ方向偏向のほぼ１周期期間開路させる。

なお、走査線番号指定回路５４は、例えば押し
ぼたんの操作により断面形状信号波形を重畳表示
すべき走査線が１フレームの画面において何番目
の走査線であるかを指定するものであり、Ｘ方向
偏向電圧信号に同期した指定番号相当の個数のパ
ルスを発生させるものである。

しかして、ゲート５６には、時間設定回路５５
により設定した前述の走査線両端部のマーカ表示
位置の間で高レベルとなる形状の方形波信号が常
時供給されており、レジスタ５３の出力信号によ
り制御された指定番号の線走査期間だけ、その方
形波信号が、第１１図ｇに示すように、ゲート５
６のゲート出力信号として、スイツチ３５および
スイツチ５７を閉成する。したがつて、かかるス
イツチ３５の閉成により、上述した指定番号の走
査線における両端部のマーカ位置の間の期間だけ
試料表面の断面形状信号波形の重畳表示が行なわ
れ、また、スイツチ５７が閉成されると、同様に
指定番号の走査線における両端部のマーカ位置の
間の期間だけ、第１１図ａに示すＸ方向偏向用の
鋸歯状波形電圧が走査用電源２９からシユミツ
ト・トリガ回路５８に供給されるので、シユミツ
ト・トリガ回路５８には、第１１図ｈに示すよう
な単発の鋸歯状波形電圧が印加される。しかし
て、第１０図には単一のシユミツト・トリガ回路
５８と単一の微分整形回路５９とのみしか示して
いないが、実際には、指定走査線の始端用および
終端用のマーカ発生回路として２個ずつのシユミ
ツト・トリガ回路５８および５８′と微分整形回
路５９および５９′とのそれぞれの縦続接続が並
列に接続されているものとする。したがつて、始
端マーカ発生用としては、第１１図ｉに示すシユ
ミツト・トリガ回路５８からの方形波信号を微分
整形回路５９に導き、微分整形回路５２につき前
述したのと全く同様にして、第１１図ｊに示すよ
うに、入力方形波信号の立上りに対応したマーカ
パルス信号が形成され、また、終端マーカ発生用
としては、上述と全く同様にして、シユミツト・
トリガ回路５８′および微分整形回路５９′によ
り、第１１図ｋに示す方形波信号の立上りに対応
した第１１図ｌに示すようなマーカパルス信号が
形成される。かかる指定番号走査線の始端マーカ
および終端マーカを加算器６０に導き、信号増幅
器３２からの反射電子像信号に加算して陰極線管
３３の電子ビーム強度制御電極３４に供給すれ
ば、第５図ｃに模式的に示したように該当する走
査線位置をマーカにより明示した断面形状信号波
形重畳の反射電子像表示が行なわれる。

本発明表面形状測定装置につき以上に詳述した
ところを要約すればつぎのとおりである。

(1) 走査型電子顕微鏡において電子ビームの走査
に対応して得られる主として反射電子による試
料の表面画像信号について、積分、雑音除去、
平均化等の演算処理を施すことにより試料の表
面粗さを表わす断面形状信号を容易かつ正確に
形成する。

(2) 上述の演算処理の結果を陰極線管表示装置に
表示するに際しては、該当走査線の輝度をあ
げ、あるいはマーカを付して顕微鏡画像上にお
ける該当走査線位置を明示する。

(3) 走査型電子顕微鏡における電子ビームの面走
査における順次の走査線毎に表面断面形状信号
波形を表示し、試料表面形状の３次元画像表示
を行なう。

(4) 上述した試料表面画像信号に対する演算処理
をアナログ的もしくはデイジタル的に行なう。

(5) 表面粗さ検出用試料と表面粗さが既知の標準
試験片とに対する上述した演算処理表示の比較
により表面粗さの絶対較正を行なう。

(6) 走査型電子顕微鏡の真空試料室内に設けた支
持台を、デジタル演算処理過程と連動させてス
テツプモータ等により移動もしくは回転させる
ことにより、上述した試料表面の断面形状信号
波形の表示を試料表面全域に亘り連続的に行な
う。

以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、走査型電子顕微鏡における試料表面の顕微画
像と対照して走査線の位置を確認して表面粗さを
表わす断面形状信号波形を忠実に表示することが
でき、さらに、顕微画像の全域にわたつて順次の
走査線毎にかかる断面形状信号波形を連続して表
示することにより、試料表面形状の忠実な３次元
表示を、簡単な構成による簡単な演算処理によつ
て容易に行なうことができる。したがつて、走査
型電子顕微鏡による物体表面形状測定の機能を飛
躍的に向上させて従来に比し格段に増大させ得る
ばかりではなく、切削、研磨、超精密加工等によ
る加工面の特性評価を容易に行ない、しかも、質
的に向上させることができ、機械加工技術の進展
に寄与するところが極めて大である。それととも
に、第１２図ａに表面画像信号波形を示し、同図
ｂおよびｃにその表面画像信号波形および断面形
状信号波形をそれぞれ拡大して示すように、いわ
ゆるIC、LSI等の半導体素子の表面構造の精密な
検査にも適用することができ、さらに、潤滑面、
腐食面等各種表面の形状観察を必要とするあらゆ
る工学的問題のみならず、医学、生物学等の分野
に対する応用も考えられ、したがつて、本発明に
よつて得られる効果は極めて広範囲の技術分野に
及ぼし得るものとみられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明表面形状測定装置の概略構成を
示すブロツク線図、第２図ａおよびｂは走査型電
子顕微鏡における試料金属表面の傾きとコレクタ
出力電圧との関係を反射電子および２次電子につ
いてそれぞれ示す特性曲線図、第３図ａおよび
ｂ，ｃは本発明装置により表示した表面金属表面
画像および画像信号波形の例をそれぞれ示すオシ
ロ波形図、第４図ａおよびｂ，ｃ，ｄは第３図ａ
〜ｃの一部をそれぞれ拡大して示すオシロ波形
図、第５図ａ〜ｄは本発明装置による表面画像表
示の態様の例をそれぞれ模式的に示す線図、第６
図は第５図ｄに示した態様により表示した試料金
属表面画像の例を示す電子顕微鏡写真、第７図は
従来の走査型電子顕微鏡による表面形状測定装置
の構成を示すブロツク線図、第８図は本発明の走
査型電子顕微鏡による表面形状測定装置の詳細構
成の例を示すブロツク線図、第９図ａ〜ｆは同じ
くその各部信号波形をそれぞれ示す波形図、第１
０図は同じくその詳細構成の他の例を示すブロツ
ク線図、第１１図ａ〜ｍは同じくその各部信号波
形をそれぞれ示す波形図、第１２図ａおよびｂ，
ｃは本発明装置により表示した表面金属表面画像
および画像信号波形の他の例をそれぞれ示す電子
顕微鏡写真図および波形図である。 Ａ……走査型電子顕微鏡部、Ｂ……アナログ演
算処理部、Ｃ……デイジタル演算処理部、１……
電子銃、２……電界、３……電子ビーム、４……
試料台、５……試料、６……コレクタ、７……陰
極線管コントローラ、８……アナログ信号発生回
路、９……陰極線管、１０……Ｘ―Ｙプロツタ、
１１……Ａ―Ｄ変換器、１２……同期信号発生
器、１３，１５……インターフエース、１４……
演算処理回路、１６……Ｄ―Ａ変換器、２１……
走査型電子顕微鏡、２２……電子銃、、２３……
加速電源、２４，２５……集束コイル、２６……
レンズ電源、２７，２８……偏向コイル、２９…
…走査用電源、３０……ターゲツト、３１……コ
レクタ、３２……信号増幅器、３３……陰極線
管、３４……制御電極、３５……スイツチ、３６
……加算器、３７，３８……偏向コイル、４１…
…低域・高域阻止フイルタ、４２……積分器、４
３……直流分補正回路、５１，５８，５８′……
シユミツト・トリガ回路、５２，５９，５９′…
…微分整形回路、５３……レジスタ、５４……走
査線番号指定回路、５５……時間設定回路、５６
……ゲート、５７……スイツチ、６０……加算
器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 物体の表面を走査型電子顕微鏡の電子ビーム
   により走査して得られる後方散乱電子によつて形
   成される画像信号から前記物体表面の断面形状を
   表わす波形信号を取出して表示または記録する表
   面形状測定装置において、前記後方散乱電子のう
   ち２次電子を排除して反射電子を検出し得るよう
   に検出感度を設定した単一の検出手段と、当該検
   出手段により選択的に検出した前記反射電子によ
   つて形成される画像信号を積分する積分手段とを
   備え、当該積分手段の積分出力信号を前記断面形
   状を表わす波形信号としたことを特徴とする走査
   型電子顕微鏡による表面形状測定装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の測定装置におい
   て、前記電子ビームにより順次に線走査して面走
   査を行なうことにより前記表面の３次元形状を表
   わす前記波形信号を形成するようにしたことを特
   徴とする走査型電子顕微鏡による表面形状測定装
   置。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の測定装置におい
   て、所望の走査線に対する前記電子ビームの強度
   を増大させて当該走査線の位置における前記波形
   信号を明示するようにしたことを特徴とする走査
   型電子顕微鏡による表面形状測定装置。 ４ 特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか
   に記載の測定装置において、前記画像信号をアナ
   ログ信号の形態で処理することにより前記波形信
   号を形成するようにしたことを特徴とする走査型
   電子顕微鏡による表面形状測定装置。 ５ 特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか
   に記載の測定装置において、前記画像信号をデイ
   ジタル信号の形態で処理することにより前記波形
   信号を形成するようにしたことを特徴とする走査
   型電子顕微鏡による表面形状測定装置。 ６ 特許請求の範囲第１項乃至第５項のいずれか
   に記載の測定装置において、前記物体の表面を前
   記電子ビームにより走査して形成した第１の前記
   波形信号を、標準の表面粗さを有する試験片の表
   面を前記電子ビームにより走査して形成した第２
   の前記波形信号により較正するようにしたことを
   特徴とする走査型電子顕微鏡による表面形状測定
   装置。 ７ 特許請求の範囲第１項乃至第６項のいずれか
   に記載の測定装置において、前記物体を装着した
   支持装置を前記電子ビームの走査に応じ所望の方
   向に順次に移動させることにより前記電子ビーム
   により走査して前記波形信号を形成する前記物体
   の表面の範囲を前記所望の方向に沿つて拡張する
   ようにしたことを特徴とする走査型電子顕微鏡に
   よる表面形状測定装置。 ８ 電子ビームの物体表面の走査により発生する
   反射電子を捕捉して物体表面の凹凸形状に対応し
   た画像信号を発生させる反射電子コレクタを備え
   た走査型電子顕微鏡部Ａと、前記反射電子コレク
   タよりの画像信号を増幅、濾波、積分して物体断
   面を高精度に解析したアナログ信号として陰極線
   管上に前記画像信号と重畳しまたは別個に表示す
   るアナログ演算処理装置Ｂとよりなり、電子顕微
   鏡の画像信号の特定の一走査線または１フレーム
   分の走査線を積分波形として陰極線管上に前記画
   像信号と重畳しまたは別個に表示するようにした
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の走
   査型電子顕微鏡による表示形状測定装置。 ９ 電子ビームの物体表面の走査により発生する
   反射電子を捕捉して物体表面の凹凸形状に対応し
   た画像信号を発生させる反射電子コレクタを備え
   た走査型電子顕微鏡部Ａと、前記反射電子コレク
   タよりの画像信号を増幅、濾波、積分して物体断
   面を高精度に解析したアナログ信号として陰極線
   管上に前記画像信号と重畳しまたは別個に表示す
   るアナログ演算処理装置Ｂと、前記反射電子コレ
   クタよりの画像信号またはその画像信号を積分し
   たアナログ信号を入力し、前記画像信号または前
   記アナログ信号をデジタル信号に変換し、デジタ
   ル演算処理により物体表面の断面波形成分をとり
   出して前記陰極線管上に前記画像信号と重畳しま
   たは別個に表示しまたはＸ―Ｙプロツタ上に連続
   的に記録するデジタル演算処理部Ｃとよりなる特
   許請求の範囲第１項記載の走査型電子顕微鏡によ
   る表面形状測定装置。 １０ 電子ビームの物体表面の走査により発生す
   る反射電子を捕捉して物体表面の凹凸形状に対応
   した画像信号を発生させる反射電子コレクタを備
   えた走査型電子顕微鏡部Ａと、前記反射電子コレ
   クタよりの画像信号をデジタル信号に変換し、デ
   ジタル演算処理により物体表面の断面波形成分を
   とり出して陰極線管上に前記画像信号と重畳しま
   たは別個に表示するとともにこの断面波形を連続
   的に記録するデジタル演算処理部Ｃとよりなる特
   許請求の範囲第１項記載の走査型電子顕微鏡によ
   る表面形状測定装置。