(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-11-27
(45)【発行日】2023-12-05
(54)【発明の名称】荷電粒子線装置及びそれを用いる試料観察方法
(51)【国際特許分類】
H01J 37/20 20060101AFI20231128BHJP
H01J 37/28 20060101ALI20231128BHJP
H01J 37/22 20060101ALI20231128BHJP
G01N 23/2251 20180101ALI20231128BHJP
G01N 23/2204 20180101ALI20231128BHJP
【ＦＩ】
H01J37/20 A
H01J37/20 D
H01J37/28 B
H01J37/22 502H
G01N23/2251
G01N23/2204
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2020162904
(22)【出願日】2020-09-29
(65)【公開番号】P2022055463
(43)【公開日】2022-04-08
【審査請求日】2023-01-19
(73)【特許権者】
【識別番号】000005108
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110000350
【氏名又は名称】ポレール弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】田中 駿也
(72)【発明者】
【氏名】大森 健史
【審査官】藤本 加代子
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１９／０７３５９２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１７／１７９１３８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１３／１８３５７３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１３－１９６９７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－０６８１３８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－１８３３６９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０４３２６６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｊ ３７／００－３７／３６
Ｇ０１Ｎ ２３／２２５１
Ｇ０１Ｎ ２３／２２０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
荷電粒子線を試料に照射することによって前記試料の観察像を取得する荷電粒子線装置であって、交差する二つの傾斜軸のそれぞれを中心として傾斜するとともに前記試料を保持する試料台と、
前記試料台の傾斜角度を変えながら取得される観察像のそれぞれから、前記試料の上面と割断面との境界を検出し、前記荷電粒子線の走査方向に対する前記境界の傾きを求める境界検出部と、
傾斜角度毎の観察像から前記上面を検出し、観察像から前記上面が消失するときの前記試料台の傾斜角度である上面消失角度を算出する上面検出部と、
傾斜角度毎の前記境界の傾きと前記上面消失角度に基づいて、前記傾斜角度がゼロのときの前記割断面の向きである初期試料向きを算出する計算処理部を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項2】
請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、前記上面検出部は、傾斜角度毎の観察像に対して前記境界で分けられる二つの領域を設定し、一方の領域の輝度平均値を用いて前記上面消失角度を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項3】
請求項２に記載の荷電粒子線装置であって、前記上面検出部は、前記傾斜角度に対する前記輝度平均値の変化をシグモイド曲線でフィッティングすることによって前記上面消失角度を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項4】
請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、前記境界検出部は、少なくとも五つの異なる傾斜角度に対して、前記境界の傾きを算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項5】
請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、前記荷電粒子線の照射方向と走査方向とに係る角度を示す観察窓を、前記荷電粒子線の照射方向に係る角度である座標軸を有する極座標に表示する入力表示部をさらに備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項6】
荷電粒子線を試料に照射することによって前記試料の観察像を取得する荷電粒子線装置を用いる試料観察方法であって、交差する二つの傾斜軸のそれぞれを中心として傾斜するとともに前記試料を保持する試料台の傾斜角度を変えながら取得される観察像のそれぞれから、前記試料の上面と割断面との境界を検出し、前記境界の前記荷電粒子線の走査方向に対する傾きを求める境界検出ステップと、
傾斜角度毎の観察像から前記上面を検出し、観察像から前記上面が消失するときの前記試料台の傾斜角度である上面消失角度を算出する上面検出ステップと、
傾斜角度毎の前記境界の傾きと前記上面消失角度に基づいて、前記傾斜角度がゼロのときの前記割断面の向きである初期試料向きを算出する計算処理ステップを備えることを特徴とする試料観察方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、荷電粒子線を試料に照射することによって試料の観察像を形成する荷電粒子線装置及び荷電粒子線装置を用いて試料を観察する試料観察方法に関する。
【背景技術】
【0002】
荷電粒子線装置は、電子線等の荷電粒子線を試料に照射することによって、試料の微細な構造を観察するための観察像を形成する装置であり、半導体の製造工程等に用いられる。半導体の製造工程では、デバイス性能に大きく寄与するパターン形状の幅を高精度に測定するために、パターン形状の長手方向と直交する面を観察面とする画像が形成されることが望ましい。照射される荷電粒子線に対して適切な観察面を配置するには、試料が載せられる試料台の傾斜角度が調整される。
【0003】
特許文献１には、荷電粒子線の照射方向に対し垂直に観察面を効率よく正確に配置するために、試料が載せられた試料台の傾斜角度を変えながら観察面の画像を取得し、観察面の面積がより大きい画像を取得した傾斜角度に試料台を傾斜させることが開示される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１３－１９６９７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら特許文献１では、観察面が荷電粒子線装置の視野よりも大きい場合に対する配慮がなされていない。すなわち観察面が視野よりも大きければ、試料台の傾斜角度を変えながら取得される画像では観察面の面積を比較できず、試料台の傾斜角度が決められない。
【0006】
そこで本発明は、観察面が視野よりも大きい場合であっても試料台の傾斜角度を適切に設定可能な荷電粒子線装置及びそれを用いる試料観察方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するために本発明は、荷電粒子線を試料に照射することによって前記試料の観察像を取得する荷電粒子線装置であって、交差する二つの傾斜軸のそれぞれを中心として傾斜するとともに前記試料を保持する試料台と、前記試料台の傾斜角度を変えながら取得される観察像のそれぞれから、前記試料の上面と割断面との境界を検出し、前記境界の前記荷電粒子線の走査方向に対する傾きを求める境界検出部と、傾斜角度毎の観察像から前記上面を検出し、観察像から前記上面が消失するときの前記試料台の傾斜角度である上面消失角度を算出する上面検出部と、傾斜角度毎の前記境界の傾きと前記上面消失角度に基づいて、前記傾斜角度がゼロのときの前記割断面の向きである初期試料向きを算出する計算処理部を備えることを特徴とする。
【0008】
また本発明は、荷電粒子線を試料に照射することによって前記試料の観察像を取得する荷電粒子線装置を用いる試料観察方法であって、交差する二つの傾斜軸のそれぞれを中心として傾斜するとともに前記試料を保持する試料台の傾斜角度を変えながら取得される観察像のそれぞれから、前記試料の上面と割断面との境界を検出し、前記境界の前記荷電粒子線の走査方向に対する傾きを求める境界検出ステップと、傾斜角度毎の観察像から前記上面を検出し、観察像から前記上面が消失するときの前記試料台の傾斜角度である上面消失角度を算出する上面検出ステップと、傾斜角度毎の前記境界の傾きと前記上面消失角度に基づいて、前記傾斜角度がゼロのときの前記割断面の向きである初期試料向きを算出する計算処理ステップを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、観察面が視野よりも大きい場合であっても試料台の傾斜角度を適切に設定可能な荷電粒子線装置及びそれを用いる試料観察方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明に係わる荷電粒子線装置の構成図である。
【図2A】本発明に係わる試料について説明する図である。
【図2B】本発明に係わる試料台について説明する図である。
【図3】本発明に係わる操作画面について説明する図である。
【図4】本発明に係わる処理の流れの一例を示す図である。
【図5】初期試料向きを算出する処理の流れの一例を示す図である。
【図6】境界の検出と傾きの算出に関する処理の流れの一例を示す図である。
【図7A】試料の上面が消失していない観察像を示す図である。
【図7B】試料の上面が消失した観察像を示す図である。
【図8】上面消失角度の算出について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面を参照して、本発明の荷電粒子線装置の実施例について説明する。荷電粒子線装置は、荷電粒子線を試料に照射することによって、試料を観察するための観察像を形成する装置である。以下では、荷電粒子線装置の一例として、電子線で試料を走査することにより試料の観察像を形成する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ；Scanning Electron Microscope）について説明する。
【0012】
図１を用いて走査電子顕微鏡の構成について説明する。走査電子顕微鏡は、電子銃１０１、集束レンズ１０２、絞り１０３、偏向コイル１０４、対物レンズ１０５、試料台１０７、二次電子検出器１０８、画像形成部１１１、検出部１１２、計算処理部１１５、制御部１１６、入力表示部１１７を備える。以下、各部について説明する。
【0013】
電子銃１０１は、所定の加速電圧によって加速された電子線１０９を試料１０６に照射する線源である。集束レンズ１０２及び対物レンズ１０５は、電子線１０９を集束させるレンズである。絞り１０３は、電子線１０９の一部が通過する開口を有する板であり、電子線１０９の開き角を調整する。偏向コイル１０４は、電子線１０９を偏向させる磁界や電界を発生するコイルや電極であり、偏向される電子線１０９によって試料１０６の表面が走査される。
【0014】
試料台１０７は試料１０６を保持するとともに、水平方向に試料１０６を移動させたり、水平面に対して試料１０６を傾斜させたりする。
【0015】
図２Ａを用いて試料１０６について説明する。図２Ａには、半導体の製造工程に用いられる試料１０６の斜視図が示される。試料１０６は、半導体パターン１５０が形成される上面１１８と、割断面１１９、側面１２１を有する。半導体パターン１５０を測長する場合には、測長精度を向上させるために、半導体パターン１５０の長手方向と直交する断面である理想断面１２０にて観察像を形成することが望ましい。しかし、手動で割断された割断面１１９は上面１１８や側面１２１と直交しない場合が多い。なお側面１２１は上面１１８と直交する。
【0016】
図２Ｂを用いて試料１０６を保持する試料台１０７について説明する。試料台１０７は、互いに直交する第一傾斜軸１２３と第二傾斜軸１２４を有し、第一傾斜軸１２３と第二傾斜軸１２４のそれぞれを中心として傾斜する。第一傾斜軸１２３と第二傾斜軸１２４は、電子線１０９の照射方向と略直交することが望ましい。試料台１０７の傾斜状態は、第一傾斜軸１２３と第二傾斜軸１２４との傾斜順序と傾斜角度とが指定されることにより再現される。また第一傾斜軸１２３と第二傾斜軸１２４は顕になっている必要はなく、例えば三点で支持される試料台１０７の各支持点の高さを調整することによって試料台１０７を傾斜させても良い。なお試料１０６は、割断面１１９や理想断面１２０が電子銃１０１の側を向くように試料台１０７に保持され、上面１１８と割断面１１９との境界１２２の近傍が観察される。
【0017】
図１の説明に戻る。二次電子検出器１０８は、シンチレータ・ライトガイド・光電子増倍管で構成されるＥ-Ｔ検出器や半導体検出器等であり、電子線１０９が照射される試料１０６から放出される二次電子１１０を検出する。二次電子検出器１０８から出力される検出信号は画像形成部１１１へ送信される。なお二次電子検出器１０８とともに、反射電子を検出する反射電子検出器や透過電子を検出する透過電子検出器が備えられても良い。
【0018】
画像形成部１１１は二次電子検出器１０８から送信される検出信号に基づいて試料１０６の観察像を形成する演算器であり、例えば、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等である。画像形成部１１１によって形成された観察像は、入力表示部１１７に送信されて表示されたり、検出部１１２や計算処理部１１５に送信されて様々な処理が施されたりする。
【0019】
検出部１１２は、観察像から試料１０６の特徴部を検出する演算器であり、例えばＭＰＵやＧＰＵである。検出部１１２は、観察像から境界１２２を検出する境界検出部１１３と、観察像から上面１１８を検出する上面検出部１１４を含む。
【0020】
境界検出部１１３は、観察像から境界１２２を検出するとともに、電子線１０９の走査方向に対する境界１２２の傾きを算出する。なお、境界１２２の傾きは、試料台１０７の傾斜角度を変えながら取得される観察像のそれぞれにおいて算出される。
【0021】
上面検出部１１４は、観察像から上面１１８を検出するとともに、観察像から上面１１８が消失するときの試料台１０７の傾斜角度である上面消失角度を算出する。
【0022】
計算処理部１１５は、境界１２２の傾きと上面消失角度に基づいて、試料台１０７が水平状態にあるとき、つまり試料台１０７の傾斜角度がゼロのときの試料１０６の割断面１１９の向きである初期試料向きを算出する演算器である。また計算処理部１１５は、初期試料向きを用いて、操作者によって指定される観察向きとなる試料台１０７の傾斜角度を算出しても良い。
【0023】
制御部１１６は、各部を制御するとともに、各部で形成されるデータを処理したり送信したりする演算器であり、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ等である。制御部１１６は、各部で生成されるデータを記憶する記憶部に接続されても良い。記憶部は、各種データやプログラムが記憶される装置であり、例えばＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）等である。
【0024】
入力表示部１１７は、試料１０６を観察するための条件である観察条件が入力されたり、画像形成部１１１によって形成される観察像が表示されたりする装置であり、例えばキーボードやマウス、タッチパネル、液晶ディスプレイ等である。入力表示部１１７には、操作者が操作する画面である操作画面が表示される。
【0025】
図３を用いて、ＧＵＩ（Graphical User Interface）としての操作画面の一例について説明する。図３に例示される操作画面は、初期試料向き算出ボタン１２５、第一観察向き指定部１２６、第二観察向き指定部１２７、走査方向指定部１２８、傾斜角調整ボタン１２９、観察向き表示部１３０を有する。
【0026】
初期試料向き算出ボタン１２５は、計算処理部１１５に初期試料向きを算出させるボタンである。第一観察向き指定部１２６、第二観察向き指定部１２７、走査方向指定部１２８は、操作者が観察したい方向を入力するためのボックスである。第一観察向き指定部１２６と第二観察向き指定部１２７には電子線１０９の照射方向に係る角度が、走査方向指定部１２８には電子線１０９の走査方向に係る角度がそれぞれ入力される。傾斜角調整ボタン１２９は、指定された観察向きとなるように試料台１０７の傾斜角度を制御部１１６に調整させるボタンである。
【0027】
観察向き表示部１３０は、観察向きを表す極座標であり、横軸は第一観察向き指定部１２６に係る成分、縦軸は第二観察向き指定部１２７に係る成分であり、座標中心は電子線１０９の照射方向が観察面に直交することに対応する。観察向き表示部１３０には、観察向きと走査方向を示す観察窓１３１が重畳される。観察窓１３１は長方形であり、観察窓１３１の中心の座標が電子線１０９の照射方向に係る角度を示し、観察窓１３１の長辺と平行な方向が電子線１０９の走査方向を示す。観察向き表示部１３０が表示されることにより、観察向きが明確になる。
【0028】
図４を用いて、走査電子顕微鏡によって実行される処理の流れの一例についてステップ毎に説明する。
【0029】
（Ｓ４０１）
計算処理部１１５は、初期試料向きを算出する。
計算処理部１１５は、初期試料向きを算出する。
【0030】
図５を用いて、Ｓ４０１の処理の流れの一例について説明する。
【0031】
（Ｓ５０１）
計算処理部１１５は、Ｓ５０１からＳ５０６までの処理を指定回数繰り返す。指定回数は、予め記憶部に記憶された回数が読み出されても良いし、入力表示部１１７を介して操作者によって入力されても良い。なお、後述されるように指定回数は五回以上であることが望ましい。
計算処理部１１５は、Ｓ５０１からＳ５０６までの処理を指定回数繰り返す。指定回数は、予め記憶部に記憶された回数が読み出されても良いし、入力表示部１１７を介して操作者によって入力されても良い。なお、後述されるように指定回数は五回以上であることが望ましい。
【0032】
（Ｓ５０２）
制御部１１６は、試料台１０７の傾斜角度を設定する。設定される傾斜角度は繰り返し処理の度に記憶部から読み出されても良いし、記憶部に記憶されるパラメータに基づいて繰り返し処理の度に算出されても良い。例えば、初回の傾斜角度はゼロに設定され、二回目以降の傾斜角度は記憶部に記憶される傾斜角度のステップ量が前回の傾斜角度に順次加算されて設定されても良い。なお、試料台１０７は第一傾斜軸１２３と第二傾斜軸１２４を有するので、それぞれに関する傾斜角度が設定される。すなわち、第一傾斜軸１２３に関する傾斜角度をＴ、第二傾斜軸１２４に関する傾斜角度をＡとするとき、（Ｔ、Ａ）の組み合わせが設定される。
制御部１１６は、試料台１０７の傾斜角度を設定する。設定される傾斜角度は繰り返し処理の度に記憶部から読み出されても良いし、記憶部に記憶されるパラメータに基づいて繰り返し処理の度に算出されても良い。例えば、初回の傾斜角度はゼロに設定され、二回目以降の傾斜角度は記憶部に記憶される傾斜角度のステップ量が前回の傾斜角度に順次加算されて設定されても良い。なお、試料台１０７は第一傾斜軸１２３と第二傾斜軸１２４を有するので、それぞれに関する傾斜角度が設定される。すなわち、第一傾斜軸１２３に関する傾斜角度をＴ、第二傾斜軸１２４に関する傾斜角度をＡとするとき、（Ｔ、Ａ）の組み合わせが設定される。
【0033】
（Ｓ５０３）
検出部１１２は、Ｓ５０２で設定された傾斜角度のときの観察像を取得する。取得される観察像は、二次電子検出器１０８から送信される検出信号に基づいて、画像形成部１１１によって形成された画像である。
検出部１１２は、Ｓ５０２で設定された傾斜角度のときの観察像を取得する。取得される観察像は、二次電子検出器１０８から送信される検出信号に基づいて、画像形成部１１１によって形成された画像である。
【0034】
（Ｓ５０４）
境界検出部１１３は、Ｓ５０３で取得された観察像から境界１２２を検出するとともに、電子線１０９の走査方向に対する境界１２２の傾きを算出する。
境界検出部１１３は、Ｓ５０３で取得された観察像から境界１２２を検出するとともに、電子線１０９の走査方向に対する境界１２２の傾きを算出する。
【0035】
図６を用いて、Ｓ５０４の処理の流れの一例について説明する。
【0036】
（Ｓ６０１）
境界検出部１１３は、Ｓ５０３で取得された観察像に対してエッジ強調処理を施し、エッジ強調画像を生成する。エッジ強調処理には、ＳｏｂｅｌフィルタやＰｒｅｗｉｔｔフィルタ等が用いられる。なおフィルタの種類やフィルタサイズは観察倍率や観察像のピクセル数に応じて選択されることが好ましく、例えば３×３の縦方向のＰｒｅｗｉｔｔフィルタが選択される。
境界検出部１１３は、Ｓ５０３で取得された観察像に対してエッジ強調処理を施し、エッジ強調画像を生成する。エッジ強調処理には、ＳｏｂｅｌフィルタやＰｒｅｗｉｔｔフィルタ等が用いられる。なおフィルタの種類やフィルタサイズは観察倍率や観察像のピクセル数に応じて選択されることが好ましく、例えば３×３の縦方向のＰｒｅｗｉｔｔフィルタが選択される。
【0037】
（Ｓ６０２）
境界検出部１１３は、Ｓ６０１で生成されたエッジ強調画像に対して二値化処理を施し、二値化画像を生成する。二値化処理に用いられる閾値は、モード法等によって設定されても良いし、記憶部に予め記憶された値が読み出されても良い。
境界検出部１１３は、Ｓ６０１で生成されたエッジ強調画像に対して二値化処理を施し、二値化画像を生成する。二値化処理に用いられる閾値は、モード法等によって設定されても良いし、記憶部に予め記憶された値が読み出されても良い。
【0038】
（Ｓ６０３）
境界検出部１１３は、Ｓ６０２で生成された二値化画像から境界１２２を検出する。例えば、二値化画像に対してＨｏｕｇｈ変換が行われ、投票数が最多の直線が境界１２２として検出される。
境界検出部１１３は、Ｓ６０２で生成された二値化画像から境界１２２を検出する。例えば、二値化画像に対してＨｏｕｇｈ変換が行われ、投票数が最多の直線が境界１２２として検出される。
【0039】
（Ｓ６０４）
境界検出部１１３は、Ｓ６０３で検出された境界１２２が適切か否かを判定する。適切であれば処理の流れは終了となり、適切でなければＳ６０５とＳ６０６を介してＳ６０１に処理が戻される。境界１２２の判定には、例えばＨｏｕｇｈ変換の投票数が用いられ、投票数が観察像のピクセル数の半分以上であれば、検出された境界１２２が適切であると判定される。
境界検出部１１３は、Ｓ６０３で検出された境界１２２が適切か否かを判定する。適切であれば処理の流れは終了となり、適切でなければＳ６０５とＳ６０６を介してＳ６０１に処理が戻される。境界１２２の判定には、例えばＨｏｕｇｈ変換の投票数が用いられ、投票数が観察像のピクセル数の半分以上であれば、検出された境界１２２が適切であると判定される。
【0040】
（Ｓ６０５）
制御部１１６は、観察条件を調整する。観察条件の調整は、入力表示部１１７を介して操作者が入力するパラメータに基づいて行われても良いし、制御部１１６が自動的に行っても良い。
制御部１１６は、観察条件を調整する。観察条件の調整は、入力表示部１１７を介して操作者が入力するパラメータに基づいて行われても良いし、制御部１１６が自動的に行っても良い。
【0041】
（Ｓ６０６）
境界検出部１１３は、Ｓ６０５で調整された観察条件に基づいて形成された観察像を再取得する。
境界検出部１１３は、Ｓ６０５で調整された観察条件に基づいて形成された観察像を再取得する。
【0042】
【0043】
（Ｓ５０５）
上面検出部１１４は、Ｓ５０３で取得された観察像に対して、境界１２２で分けられる二領域を設定するとともに、設定された各領域の輝度平均値を算出する。
上面検出部１１４は、Ｓ５０３で取得された観察像に対して、境界１２２で分けられる二領域を設定するとともに、設定された各領域の輝度平均値を算出する。
【0044】
図７Ａを用いて、境界１２２で分けられる二領域の設定について説明する。図７Ａには、上面１１８と割断面１１９が含まれる観察像が示される。なお図７Ａの観察像には、試料台１０７の領域である試料台領域１５８と、境界検出部１１３によって検出された境界１２２も含まれる。図２Ｂに例示されるように試料台１０７に保持された試料１０６では、電子線１０９の照射方向に対して割断面１１９が略垂直であるのに対して上面１１８は略平行であるため、エッジ効果によって上面１１８は割断面１１９よりも高い輝度値になる。
【0045】
上面検出部１１４は図７Ａに例示される観察像に対して、境界１２２で分けられる二領域である非割断面領域１５９と割断面領域１６０を設定する。非割断面領域１５９は、境界１２２から上側に所定の距離、例えば１０ピクセル離れて設定される点線と境界１２２とで挟まれる領域であって、割断面１１９を含まない領域である。割断面領域１６０は、境界１２２から下側に所定の距離、例えば１０ピクセル離れて設定される点線と境界１２２とで挟まれる領域であって、割断面１１９を含む領域である。上面検出部１１４は、設定された二領域、すなわち非割断面領域１５９と割断面領域１６０の各領域の輝度平均値を算出する。
【0046】
（Ｓ５０６）
Ｓ５０１からＳ５０６までの処理が指定回数繰り返されることにより、境界検出部１１３は、試料台１０７の傾斜角度、すなわち（Ｔ、Ａ）の組み合わせ毎に取得される観察像のそれぞれから境界１２２を検出し、走査方向に対する境界１２２の傾きを算出する。
Ｓ５０１からＳ５０６までの処理が指定回数繰り返されることにより、境界検出部１１３は、試料台１０７の傾斜角度、すなわち（Ｔ、Ａ）の組み合わせ毎に取得される観察像のそれぞれから境界１２２を検出し、走査方向に対する境界１２２の傾きを算出する。
【0047】
また上面検出部１１４は、試料台１０７の傾斜角度毎の観察像に対して、境界１２２で分けられる二領域である非割断面領域１５９と割断面領域１６０の輝度平均値を算出する。すなわち非割断面領域１５９と割断面領域１６０の輝度平均値が試料台１０７の傾斜角度毎に算出される。
【0048】
（Ｓ５０７）
上面検出部１１４は、観察像から上面１１８が消失するときの試料台１０７の傾斜角度である上面消失角度を算出する。上面消失角度の算出には、Ｓ５０１からＳ５０６までの処理が繰り返される間に、Ｓ５０５にて算出された試料台１０７の傾斜角度毎の非割断面領域１５９と割断面領域１６０の輝度平均値が用いられる。
上面検出部１１４は、観察像から上面１１８が消失するときの試料台１０７の傾斜角度である上面消失角度を算出する。上面消失角度の算出には、Ｓ５０１からＳ５０６までの処理が繰り返される間に、Ｓ５０５にて算出された試料台１０７の傾斜角度毎の非割断面領域１５９と割断面領域１６０の輝度平均値が用いられる。
【0049】
図７Ａ、図７Ｂ、図８を用いて、上面消失角度の算出について説明する。図７Ａには上面１１８と割断面１１９、試料台領域１５８が含まれる観察像が、図７Ｂには上面１１８が含まれない観察像が示される。また図８には試料台１０７の傾斜角度に対する非割断面領域１５９と割断面領域１６０の輝度平均値のグラフ１６２が示される。
【0050】
割断面領域１６０の輝度値は傾斜角度に依らず略一定であるのに対し、非割断面領域１５９の輝度値は、傾斜角度の変化にともない観察像に含まれる上面１１８の面積が小さくなるにつれて低下し、上面１１８が含まれない観察像において最小値となる。そこで図８に例示されるグラフ１６２の非割断面領域１５９の輝度平均値を次式に示すシグモイド曲線でフィッティングすることによって上面消失角度を算出する。
【0051】
Ｅ＝ａ／（１＋ｅｘｐ（－ｂ（Ｔ－ｃ）））＋ｄ …（１）
ここで、Ｅは平均輝度値、Ｔは傾斜角度である。またａ、ｂ、ｃ、ｄはフィッティングパラメータであり、非線形の最小二乗法等を用いることにより求められる。
ここで、Ｅは平均輝度値、Ｔは傾斜角度である。またａ、ｂ、ｃ、ｄはフィッティングパラメータであり、非線形の最小二乗法等を用いることにより求められる。
【0052】
求められたフィッティングパラメータａ、ｂ、ｃ、ｄを用いることにより、上面消失角度θｃは、例えば次式によって算出される。
【0053】
θｃ＝ｃ－ｌｎ（α－１－１）／ｂ …（２）
ここでαは上面消失角度を求めるための閾値であり、ｄとＥとの差分のａに対する割合がα以下になるとき、すなわち（ｄ－Ｅ）／ａ≦αとなるとき、上面１１８が観察像から消失したとみなされる。αは例えば０．０１に設定される。
ここでαは上面消失角度を求めるための閾値であり、ｄとＥとの差分のａに対する割合がα以下になるとき、すなわち（ｄ－Ｅ）／ａ≦αとなるとき、上面１１８が観察像から消失したとみなされる。αは例えば０．０１に設定される。
【0054】
なお、二次電子検出器１０８の種類などによって、上面１１８と割断面１１９の輝度値の高低が入れ替わる場合は、（２）式の代わりに次式が用いられても良い。
【0055】
θｃ＝ｃ＋ｌｎ（α－１－１）／ｂ …（３）
（Ｓ５０８）
計算処理部１１５は、試料台１０７の傾斜角度と、傾斜角度毎に算出された境界１２２の走査方向に対する傾きと、上面消失角度に基づいて、試料台１０７の傾斜角度がゼロのときの割断面１１９の向きである初期試料向きを算出する。初期試料向きの算出について、初期試料向きに係る原理等とともに、以下で説明する。
（Ｓ５０８）
計算処理部１１５は、試料台１０７の傾斜角度と、傾斜角度毎に算出された境界１２２の走査方向に対する傾きと、上面消失角度に基づいて、試料台１０７の傾斜角度がゼロのときの割断面１１９の向きである初期試料向きを算出する。初期試料向きの算出について、初期試料向きに係る原理等とともに、以下で説明する。
【0056】
［試料向き］
試料１０６を直方体と仮定し、直方体の面の中から互いに直交する二面を選ぶと、各面の法線方向ベクトルを指定することにより、試料向きを一意に決定できる。しかし、多くの場合、割断面１１９は上面１１８に対して垂直でないので、ここでは上面１１８と側面１２１の法線方向ベクトルに注目する。
試料１０６を直方体と仮定し、直方体の面の中から互いに直交する二面を選ぶと、各面の法線方向ベクトルを指定することにより、試料向きを一意に決定できる。しかし、多くの場合、割断面１１９は上面１１８に対して垂直でないので、ここでは上面１１８と側面１２１の法線方向ベクトルに注目する。
【0057】
［平行投影］
ＳＥＭなどの荷電粒子線顕微鏡では高倍率にて試料を観察することが多く、ワーキングディスタンスに対して試料の走査範囲が小さいため、基本的に観察像は試料を平行投影したものとして良い。すなわち、平行な直線群は観察像において平行に投影される。
ＳＥＭなどの荷電粒子線顕微鏡では高倍率にて試料を観察することが多く、ワーキングディスタンスに対して試料の走査範囲が小さいため、基本的に観察像は試料を平行投影したものとして良い。すなわち、平行な直線群は観察像において平行に投影される。
【0058】
［方向ベクトルの回転］
三次元の直交座標系において、座標内の任意の位置に配置されるベクトルＶを、任意の回転軸、例えば原点を通過し方向ベクトルがｎである回転軸を中心にθ回転させる操作は、ロドリゲスの回転公式によれば回転行列Ｒｎ（θ）として表される。ベクトルＶの始点を表す位置ベクトルをＶ１、終点を表す位置ベクトルをＶ２とするとき、回転後の始点はＲｎ（θ）Ｖ１、終点はＲｎ（θ）Ｖ２になるので、ベクトルＶの回転後の方向ベクトルは、Ｒｎ（θ）Ｖ２－Ｒｎ（θ）Ｖ１＝Ｒｎ（θ）（Ｖ２－Ｖ１）となる。なお、Ｖ２－Ｖ１は回転前のベクトルＶの方向ベクトルであり、回転後の方向ベクトルはベクトルＶの位置に依らない。
三次元の直交座標系において、座標内の任意の位置に配置されるベクトルＶを、任意の回転軸、例えば原点を通過し方向ベクトルがｎである回転軸を中心にθ回転させる操作は、ロドリゲスの回転公式によれば回転行列Ｒｎ（θ）として表される。ベクトルＶの始点を表す位置ベクトルをＶ１、終点を表す位置ベクトルをＶ２とするとき、回転後の始点はＲｎ（θ）Ｖ１、終点はＲｎ（θ）Ｖ２になるので、ベクトルＶの回転後の方向ベクトルは、Ｒｎ（θ）Ｖ２－Ｒｎ（θ）Ｖ１＝Ｒｎ（θ）（Ｖ２－Ｖ１）となる。なお、Ｖ２－Ｖ１は回転前のベクトルＶの方向ベクトルであり、回転後の方向ベクトルはベクトルＶの位置に依らない。
【0059】
［観察方向および座標系］
試料向きが同じ状態であったとしても、電子線１０９の照射方向、走査方向によって観察向きが異なるため、試料の見え方も変化する。特に、境界１２２の傾きの値は観察向きの影響が大きい。そこで、基準となるワールド座標系と観察像におけるビュー座標系を、右手直交座標系により設定する。なお、ワールド座標系のｘ軸とｙ軸は、試料台１０７の第一傾斜軸１２３と第二傾斜軸１２４と平行になるように設定され、ｚ軸は第一傾斜軸１２３及び第二傾斜軸１２４に直交するように設定される。試料台１０７の傾斜軸が直交していない場合、一方の傾斜軸はｘ軸に、他方の傾斜軸はｘｙ平面と平行になるように設定される。また、ビュー座標系は、観察像の横向きがＸ軸 、縦向きがＹ軸として設定される。すなわち、走査方向がＸ軸、電子線１０９の照射方向がＺ軸となる。よって、観察方向はｘｙｚからＸＹＺに変換する回転行列として表現される。この回転行列ＲｘｙｚはＲｘ（θｘ）、Ｒｙ（θｙ）、Ｒｚ（θｚ）を掛け合わせることで表現される。ただし、掛け合わせる順序は統一される。
試料向きが同じ状態であったとしても、電子線１０９の照射方向、走査方向によって観察向きが異なるため、試料の見え方も変化する。特に、境界１２２の傾きの値は観察向きの影響が大きい。そこで、基準となるワールド座標系と観察像におけるビュー座標系を、右手直交座標系により設定する。なお、ワールド座標系のｘ軸とｙ軸は、試料台１０７の第一傾斜軸１２３と第二傾斜軸１２４と平行になるように設定され、ｚ軸は第一傾斜軸１２３及び第二傾斜軸１２４に直交するように設定される。試料台１０７の傾斜軸が直交していない場合、一方の傾斜軸はｘ軸に、他方の傾斜軸はｘｙ平面と平行になるように設定される。また、ビュー座標系は、観察像の横向きがＸ軸 、縦向きがＹ軸として設定される。すなわち、走査方向がＸ軸、電子線１０９の照射方向がＺ軸となる。よって、観察方向はｘｙｚからＸＹＺに変換する回転行列として表現される。この回転行列ＲｘｙｚはＲｘ（θｘ）、Ｒｙ（θｙ）、Ｒｚ（θｚ）を掛け合わせることで表現される。ただし、掛け合わせる順序は統一される。
【0060】
［試料台の傾斜による方向ベクトルの回転行列］
ワールド座標系において、試料台１０７の傾斜により方向ベクトルを回転させる回転行列ＲＴＡ（Ｔ、Ａ）はロドリゲスの公式によって求められる。なおＴは試料台１０７の第一傾斜軸１２３の傾斜角度であり、Ａは第二傾斜軸１２４の傾斜角度である。回転行列の要素は試料台１０７の傾斜機構によって異なる。また傾斜順序によって試料台１０７の傾斜状態が異なる場合は、観察中の傾斜順序を統一させる。
ワールド座標系において、試料台１０７の傾斜により方向ベクトルを回転させる回転行列ＲＴＡ（Ｔ、Ａ）はロドリゲスの公式によって求められる。なおＴは試料台１０７の第一傾斜軸１２３の傾斜角度であり、Ａは第二傾斜軸１２４の傾斜角度である。回転行列の要素は試料台１０７の傾斜機構によって異なる。また傾斜順序によって試料台１０７の傾斜状態が異なる場合は、観察中の傾斜順序を統一させる。
【0061】
［法線方向ベクトルの回転］
上面１１８と側面１２１の法線方向ベクトルを試料台１０７の傾斜角度として表現するにあたり、（Ｔ、Ａ）＝（０、０）のときのワールド座標系での側面１２１の法線方向ベクトルをＮ１、上面１１８の法線方向ベクトルをＮ２とする。また二つの法線方向ベクトルＮ１、Ｎ２を初期試料向きとして定義する。
上面１１８と側面１２１の法線方向ベクトルを試料台１０７の傾斜角度として表現するにあたり、（Ｔ、Ａ）＝（０、０）のときのワールド座標系での側面１２１の法線方向ベクトルをＮ１、上面１１８の法線方向ベクトルをＮ２とする。また二つの法線方向ベクトルＮ１、Ｎ２を初期試料向きとして定義する。
【0062】
回転後の方向ベクトルは回転前のベクトルの位置に依らず回転行列の積のみで求められる。すなわち、試料台１０７の傾斜角度が（Ｔ、Ａ）であるとき、ビュー座標系における側面１２１の法線方向ベクトルはＮ１’＝ＲｘｙｚＲＴＡＮ１となり、上面１１８の法線方向ベクトルはＮ２’＝ＲｘｙｚＲＴＡＮ２となる。
【0063】
［初期試料向き算出方法］
初期試料向きの算出はＮ１、Ｎ２を求めることである。まず、Ｎ１の算出方法を説明する。Ｎ１を側面１２１の法線ベクトル、すなわち、割断面１１９と上面１１８との境界１２２に平行な単位ベクトルと仮定する。Ｎ１を求めるには、観察向きを同時に求める必要があるので、Ｎ１を表す二変数とともに観察向きを表す三変数を求めることになる。Ｎ１’は観察像に含まれる境界１２２と平行であるので、（Ｎ１’のＹ成分）／（Ｎ１’のＸ成分）が境界１２２の傾きになる。境界１２２の傾きには、Ｎ１の二変数と観察向きの三変数に係る情報が含まれる。そこで、Ｓ５０１からＳ５０６の処理が五回以上繰り返され、異なる五点以上の（Ｔ、Ａ）のそれぞれに対して、境界１２２の傾きが算出されれば、Ｎ１を表す二変数と観察向きを表す三変数との五変数が求められる。つまり、Ｓ５０１の指定回数は五回以上であることが望ましい。なお、五変数を解析解として求めることが困難な場合は、非線形の最小二乗法等を用いたフィッティングにより五変数が求められても良い。
初期試料向きの算出はＮ１、Ｎ２を求めることである。まず、Ｎ１の算出方法を説明する。Ｎ１を側面１２１の法線ベクトル、すなわち、割断面１１９と上面１１８との境界１２２に平行な単位ベクトルと仮定する。Ｎ１を求めるには、観察向きを同時に求める必要があるので、Ｎ１を表す二変数とともに観察向きを表す三変数を求めることになる。Ｎ１’は観察像に含まれる境界１２２と平行であるので、（Ｎ１’のＹ成分）／（Ｎ１’のＸ成分）が境界１２２の傾きになる。境界１２２の傾きには、Ｎ１の二変数と観察向きの三変数に係る情報が含まれる。そこで、Ｓ５０１からＳ５０６の処理が五回以上繰り返され、異なる五点以上の（Ｔ、Ａ）のそれぞれに対して、境界１２２の傾きが算出されれば、Ｎ１を表す二変数と観察向きを表す三変数との五変数が求められる。つまり、Ｓ５０１の指定回数は五回以上であることが望ましい。なお、五変数を解析解として求めることが困難な場合は、非線形の最小二乗法等を用いたフィッティングにより五変数が求められても良い。
【0064】
次に、Ｎ２の算出方法を説明する。Ｎ２は上面１１８の法線方向ベクトルであるので、上面消失角度に試料台１０７が設定されたときの観察像において、Ｎ２’のＺ成分が０になる。さらに、Ｎ１’とＮ２’が直交する束縛条件と、Ｎ１とともに求められる観察向きに係る三変数を用いることで、Ｎ２’は求められる。Ｎ２’を求める際は、残りの一変数を求める形になるため、ニュートン法等を用いて算出しても良い。以上により、初期試料向きが算出される。図５の説明に戻る。
【0065】
（Ｓ５０９）
計算処理部１１５は、Ｓ５０８で算出された初期試料向きに基づいて、理想断面１２０が電子線１０９の照射方向と直交するとき、すなわち試料１０６の法線ベクトルがＮ１＝（０、０、１）、Ｎ２＝（０、１、０）となるときの試料台１０７の傾斜角度を算出する。傾斜角度の算出には、Ｎ１’＝ＲｘｙｚＲＴＡＮ１とＮ２’＝ＲｘｙｚＲＴＡＮ２が用いられる。またニュートン法等が用いられても良い。試料台１０７は、算出された傾斜角度に設定される。
計算処理部１１５は、Ｓ５０８で算出された初期試料向きに基づいて、理想断面１２０が電子線１０９の照射方向と直交するとき、すなわち試料１０６の法線ベクトルがＮ１＝（０、０、１）、Ｎ２＝（０、１、０）となるときの試料台１０７の傾斜角度を算出する。傾斜角度の算出には、Ｎ１’＝ＲｘｙｚＲＴＡＮ１とＮ２’＝ＲｘｙｚＲＴＡＮ２が用いられる。またニュートン法等が用いられても良い。試料台１０７は、算出された傾斜角度に設定される。
【0066】
（Ｓ５１０）
境界検出部１１３は、Ｓ５０９で設定された傾斜角度における観察像を取得し、取得された観察像から境界１２２を検出するとともに、走査方向に対する境界１２２の傾きを算出する。
境界検出部１１３は、Ｓ５０９で設定された傾斜角度における観察像を取得し、取得された観察像から境界１２２を検出するとともに、走査方向に対する境界１２２の傾きを算出する。
【0067】
（Ｓ５１１）
制御部１１６は、Ｓ５１０で算出された境界１２２の傾きが計算値と一致するか否かを判定する。一致すれば図５の処理の流れは終了となり、一致しなければＳ５０１へ処理が戻され、初期試料向きの算出をやり直す。一致するか否かは、Ｓ５１０で算出された傾きと計算値との差異の絶対値が予め定められた閾値以下であるか否かによって判定される。このような判定により、初期試料向きの算出精度を向上できる。
制御部１１６は、Ｓ５１０で算出された境界１２２の傾きが計算値と一致するか否かを判定する。一致すれば図５の処理の流れは終了となり、一致しなければＳ５０１へ処理が戻され、初期試料向きの算出をやり直す。一致するか否かは、Ｓ５１０で算出された傾きと計算値との差異の絶対値が予め定められた閾値以下であるか否かによって判定される。このような判定により、初期試料向きの算出精度を向上できる。
【0068】
【0069】
（Ｓ４０２）
制御部１１６は、Ｓ４０１で算出された初期試料向きに基づいて、操作画面を更新する。具体的には、試料台１０７が傾斜可能な角度範囲と初期試料向きとに基づいて、観察向き表示部１３０の極座標の表示範囲が更新される。
制御部１１６は、Ｓ４０１で算出された初期試料向きに基づいて、操作画面を更新する。具体的には、試料台１０７が傾斜可能な角度範囲と初期試料向きとに基づいて、観察向き表示部１３０の極座標の表示範囲が更新される。
【0070】
（Ｓ４０３）
制御部１１６は、Ｓ４０２で更新された操作画面を介して、観察向きを取得する。すなわち、操作者が操作画面の第一観察向き指定部１２６、第二観察向き指定部１２７、走査方向指定部１２８のそれぞれに入力する値が取得される。制御部１１６は、取得した観察向きに基づいて、観察窓１３１の極座標での位置と傾きを更新する。なお入力された値が極座標の表示範囲外である場合は、第一観察向き指定部１２６等にエラーが表示される。
制御部１１６は、Ｓ４０２で更新された操作画面を介して、観察向きを取得する。すなわち、操作者が操作画面の第一観察向き指定部１２６、第二観察向き指定部１２７、走査方向指定部１２８のそれぞれに入力する値が取得される。制御部１１６は、取得した観察向きに基づいて、観察窓１３１の極座標での位置と傾きを更新する。なお入力された値が極座標の表示範囲外である場合は、第一観察向き指定部１２６等にエラーが表示される。
【0071】
（Ｓ４０４）
制御部１１６は、傾斜角調整ボタン１２９の押下をトリガとして、Ｓ４０３で取得された観察向きに基づいて、試料台１０７の傾斜角度と走査方向を設定する。
制御部１１６は、傾斜角調整ボタン１２９の押下をトリガとして、Ｓ４０３で取得された観察向きに基づいて、試料台１０７の傾斜角度と走査方向を設定する。
【0072】
（Ｓ４０５）
制御部１１６は、Ｓ４０４で設定された傾斜角度と走査方向に基づいて、試料台１０７に保持される試料１０６に向かって電子線１０９を照射させることにより観察像を取得する。電子線１０９の照射に係る条件は、操作者が入力表示部１１７を用いて設定しても良いし、記憶部に予め記憶された条件が読み出されても良い。
制御部１１６は、Ｓ４０４で設定された傾斜角度と走査方向に基づいて、試料台１０７に保持される試料１０６に向かって電子線１０９を照射させることにより観察像を取得する。電子線１０９の照射に係る条件は、操作者が入力表示部１１７を用いて設定しても良いし、記憶部に予め記憶された条件が読み出されても良い。
【0073】
以上説明した処理の流れによって、試料台１０７の傾斜角度がゼロのときの割断面１１９の向きである初期試料向きが算出される。初期試料向きは、観察面の面積を用いることなく算出されるので、観察面は視野よりも大きくても良い。また算出された初期試料向きと、操作者が設定した観察向きとに基づいて設定された試料台１０７の傾斜角度において、観察像が取得される。すなわち観察面が視野よりも大きい場合であっても試料台の傾斜角度を適切に設定可能な荷電粒子線装置及びそれを用いる試料観察方法を提供できる。
【0074】
以上、本発明の実施例について説明した。本発明は上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせても良い。さらに、上記実施例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。
【符号の説明】
【0075】
１０１：電子銃、１０２：集束レンズ、１０３：絞り、１０４：偏向コイル、１０５：対物レンズ、１０６：試料、１０７：試料台、１０８：二次電子検出器、１０９：電子線、１１０：二次電子、１１１：画像形成部、１１２：検出部、１１３：境界検出部、１１４：上面検出部、１１５：計算処理部、１１６：制御部、１１７：入力表示部、１１８：上面、１１９：割断面、１２０：理想断面、１２１：側面、１２２：境界、１２３：第一傾斜軸、１２４：第二傾斜軸、１２５：初期試料向き算出ボタン、１２６：第一観察向き指定部、１２７：第二観察向き指定部、１２８：走査方向指定部、１２９：傾斜角調整ボタン、１３０：観察向き表示部、１３１：観察窓、１５０：半導体パターン、１５８：試料台領域、１５９：非割断面領域、１６０：割断面領域、１６２：グラフ
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8】