知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(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】2024-04-02
(45)【発行日】2024-04-10
(54)【発明の名称】走査型電子顕微鏡
(51)【国際特許分類】
H01J 37/22 20060101AFI20240403BHJP
H01J 37/244 20060101ALI20240403BHJP
【ＦＩ】
H01J37/22 502H
H01J37/244
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2023111232
(22)【出願日】2023-07-06
(62)【分割の表示】P 2021093595の分割
【原出願日】2021-06-03
(65)【公開番号】P2023123828
(43)【公開日】2023-09-05
【審査請求日】2023-07-07
(73)【特許権者】
【識別番号】000004271
【氏名又は名称】日本電子株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001210
【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】大塚 岳志
【審査官】後藤 大思
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１０－１９２５３８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平２－０６１９５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－１１２９２７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｊ ３７／００－３７／３６
Ｇ０１Ｂ １５／００－１５／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
電子線を試料上で走査しながら前記試料に前記電子線を照射する電子線照射装置と、前記電子線が通る光軸を回転軸として互いに回転対称の位置に配置された３つ以上の検出面を有する検出器であって、前記電子線が照射された前記試料から放出された反射電子を検出する検出器と、
前記３つ以上の検出面の中の少なくとも２つの検出面によって検出された反射電子の信号量に基づいて、画像を生成する信号処理装置と、
を含み、
前記信号処理装置は、前記検出器が有する少なくとも２つの検出面によって検出された反射電子の信号量の差に基づいて、画像を生成し、前記信号量の差に基づいて、前記試料の表面の高さを算出し、
更に、前記信号処理装置は、前記試料の表面にて前記電子線が照射された走査位置毎に前記試料の表面の高さを算出し、各走査位置の前記信号量の差に基づいて前記試料の表面の各平坦部分を抽出し、平坦部分のラベリング処理を実行することで、平坦部分毎に弁別し、同一の平坦部分に含まれる複数の走査位置の高さの平均値を変えずに前記同一の平坦部分に含まれる各走査位置の高さが等しくなるように、前記同一の平坦部分に含まれる各走査位置の高さを補正する、
ことを特徴とする走査型電子顕微鏡。
【請求項2】
請求項１に記載の走査型電子顕微鏡において、前記信号処理装置は、各平坦部分の補正後の高さを用いて、平坦部分と他の平坦部分との間の高さを補正する、
ことを特徴とする走査型電子顕微鏡。
【請求項3】
請求項１又は請求項２に記載の走査型電子顕微鏡において、前記信号処理装置は、更に、高さに応じた色を用いて前記画像を着色する、
ことを特徴とする走査型電子顕微鏡。
【請求項4】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の走査型電子顕微鏡において、前記信号処理装置は、更に、前記画像から、前記試料の表面に形成されている段差の形状から結晶の欠陥を抽出し、その抽出結果をディスプレイに表示させる、
ことを特徴とする走査型電子顕微鏡。
【請求項5】
請求項４に記載の走査型電子顕微鏡において、前記欠陥の位置を示す情報が、他の分析装置又は加工装置に用いられる、
ことを特徴とする走査型電子顕微鏡。
【請求項6】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の走査型電子顕微鏡において、前記試料に対する反射電子の放出角度が定められ、
前記電子線のエネルギー、前記試料に印加されるバイアス電圧、及び、前記試料と前記検出器との間の距離に基づいて、前記検出器によって検出可能な反射電子の放出角度の範囲が定められる、
ことを特徴とする走査型電子顕微鏡。
【請求項7】
請求項６に記載の走査型電子顕微鏡において、前記信号処理装置は、前記放出角度の範囲を示す情報をディスプレイに表示させる、
ことを特徴とする走査型電子顕微鏡。
【請求項8】
請求項６又は請求項７に記載の走査型電子顕微鏡において、前記電子線のエネルギー、前記試料に印加されるバイアス電圧、及び、前記試料と前記検出器との間の距離の中から２つのパラメータがユーザーによって指定され、前記２つのパラメータに基づいて、前記放出角度の範囲内の角度で放出される反射電子を検出するための残りのパラメータが算出される、
ことを特徴とする走査型電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、走査型電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【0002】
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）においては、電子線が試料に照射され、試料に入射した電子は、試料を構成する原子との相互作用によって散乱し、二次電子を励起しながら拡散する。そして、試料の表面に到達した一部の電子が、試料の外部に放出される。このときの散乱や放出の過程で、電子は試料の組成や形状の影響を受けるため、放出される電子の量は、試料の組成や形状によって変わる。そのため、電子線を試料上で走査しながら放出される電子を検出し、電子線の走査位置と信号量とに基づいて画像を生成することで、試料表面の形状や組成を画像として観察することができる。
【0003】
電子は、試料内での散乱によっては入射位置から離れた位置からも放出される。そのため、検出された電子から得られる情報は、電子線の入射位置の組成や形状だけでなく、電子が放出した位置の組成や形状の情報も含み得る。そのため、走査型電子顕微鏡の分解能は、電子線を限りなく点に絞っても、散乱の広さより小さくなることはない。一般的な走査型電子顕微鏡では、入射電子の散乱領域が原子サイズよりも大きいため、原子分解能の画像を得ることは難しい。
【0004】
通常、なるべく多くの信号を集めて検出することで、ＳＥＭ像のＳＮは改善する。そのため、多くの信号を取得することができる位置に検出器を配置したり、検出器の周辺の電磁場を制御して電子を検出器に集めて検出したりする方法が採用されることがある。
【0005】
なお、特許文献１には、反射電子に基づいて三次元形状を表す画像を生成することが記載されている。また、特許文献２には、反射電子に基づいて、試料表面の凹凸形状を検出することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２０１２－２３８４００号公報
【文献】実開昭５１－９６４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ところで、試料で散乱した電子は、広いエネルギー・角度範囲をもって試料から放出される。放出された電子のエネルギーや角度によって、試料の特性を反映した強度が得られる。そのため、電子のエネルギーや角度を選択して電子を検出することで、試料の特徴が強調された画像が得られる。しかし、ＳＮの改善を優先して検出器を設計すると、その検出器によって得られる情報には、試料の様々な情報が混在することになる。そのため、ユーザーが必要とする情報が見え難くなることがある。
【0008】
そのような情報として、例えば、試料の表面の形状に関する情報が挙げられる。例えば、半導体ウエハの表面は、基本的には、平坦部分と段差のみによって構成されている。この構造は、ステップとテラスとの組み合わせの構造である（以降、ステップ＆テラス構造と称す）。段差の部分がステップであり、平坦部分がテラスである。この構造に関する情報が、得られ難くなることがある。一般的に、半導体ウエハの性能は、結晶の欠陥密度が低いほど良いとされる。結晶中に欠陥が存在すると、半導体ウエハ表面のステップ＆テラス構造に歪みの影響が現れる。そのため、表面のステップ＆テラス構造に基づいて、半導体ウエハの性能を評価することができる。
【0009】
しかしながら、試料の様々な情報が混在したＳＥＭ像から、原子数層分の厚さや形状を検出することは難しく、ステップ＆テラス構造を評価することは難しい。
【0010】
本発明の目的は、試料の極表面の情報を持つ電子を検出し、原子数層分の形状に関する情報を取得することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の１つの態様は、電子線を試料上で走査しながら前記試料に前記電子線を照射する電子線照射装置と、前記電子線が通る光軸を回転軸として互いに回転対称の位置に配置された２つの検出面を有する検出器であって、前記電子線が照射された前記試料から放出された反射電子を検出する検出器と、前記試料を回転させる制御装置と、前記試料を回転させながら前記電子線を前記試料に照射することで前記検出器によって検出された反射電子の信号量に基づいて、画像を生成する信号処理装置と、を含むことを特徴とする走査型電子顕微鏡である。
【0012】
本発明の１つの態様は、電子線を試料上で走査しながら前記試料に前記電子線を照射する電子線照射装置と、前記電子線が通る光軸を回転軸として互いに回転対称の位置に配置された３つ以上の検出面を有する検出器であって、前記電子線が照射された前記試料から放出された反射電子を検出する検出器と、前記３つ以上の検出面の中の少なくとも２つの検出面によって検出された反射電子の信号量に基づいて、画像を生成する信号処理装置と、を含むことを特徴とする走査型電子顕微鏡である。
【0013】
前記信号処理装置は、前記検出器が有する少なくとも２つの検出面によって検出された反射電子の信号量の差に基づいて、画像を生成してもよい。
【0014】
前記信号処理装置は、前記信号量の差に基づいて、前記試料の表面の高さを算出してもよい。
【0015】
前記信号処理装置は、前記信号処理装置は、前記試料の表面にて前記電子線が照射された走査位置毎に前記試料の表面の高さを算出し、各走査位置の前記信号差に基づいて前記試料の表面の各平坦部分を抽出し、平坦部分のラベリング処理を実行することで、平坦部分毎に弁別し、同一の平坦部分に含まれる複数の走査位置の高さの平均値を変えずに前記同一の平坦部分に含まれる各走査位置の高さが等しくなるように、前記同一の平坦部分に含まれる各走査位置の高さを補正してもよい。
【0016】
前記信号処理装置は、各平坦部分の補正後の高さを用いて、平坦部分と他の平坦部分との間の高さを補正してもよい。
【0017】
前記信号処理装置は、更に、高さに応じた色を用いて前記画像を着色してもよい。
【0018】
前記信号処理装置は、更に、前記画像から、前記試料の表面に形成されている段差の形状から結晶の欠陥を抽出し、その抽出結果をディスプレイに表示させてもよい。
【0019】
前記欠陥の位置を示す情報が、他の分析装置又は加工装置に用いられてもよい。
【0020】
前記試料に対する反射電子の放出角度が定められ、前記電子線のエネルギー、前記試料に印加されるバイアス電圧、及び、前記試料と前記検出器との間の距離に基づいて、前記検出器によって検出可能な反射電子の放出角度の範囲が定められてもよい。
【0021】
前記制御装置は、前記放出角度の範囲を示す情報をディスプレイに表示させてもよい。
【0022】
前記電子線のエネルギー、前記試料に印加されるバイアス電圧、及び、前記試料と前記検出器との間の距離の中から２つのパラメータがユーザーによって指定され、前記２つのパラメータに基づいて、前記放出角度の範囲内の角度で放出される反射電子を検出するための残りのパラメータが算出されてもよい。
【0023】
本発明の１つの態様は、走査型電子顕微鏡を用いた画像生成方法において、試料を回転させながら、電子線を前記試料に照射し、前記電子線の光軸を回転軸として互いに回転対称の位置に配置された２つの検出面を有する検出器によって、前記電子線が照射された前記試料から放出された反射電子を検出し、前記検出器によって検出された反射電子の信号量に基づいて、画像を生成する、ことを特徴とする走査型電子顕微鏡を用いた画像生成方法である。
【発明の効果】
【0024】
本発明によれば、試料の極表面の情報を持つ電子を検出し、原子数層分の形状に関する情報を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】一般的な走査型電子顕微鏡の構成を示す図である。
【図2】検出器と試料を示す断面図である。
【図3】放出角度と散乱深さとの関係を示す図である。
【図4】検出器と試料を示す断面図である。
【図5】検出器と試料を示す断面図である。
【図6】検出器と試料を示す断面図である。
【図7】検出器と試料を示す断面図である。
【図8】平行平板電極を示す図である。
【図9】反射電子の軌道を示す図である。
【図10】検出器と試料を示す断面図である。
【図11】検出器と試料を示す断面図である。
【図12】試料の一部を示す断面図である。
【図13】試料の一部を示す断面図である。
【図14】従来技術に係る検出器と試料の一部を示す斜視図である。
【図15】第１実施形態に係る検出器を示す平面図である。
【図16】第１実施形態に係る検出器と試料の一部を示す斜視図である。
【図17】試料の一部を示す断面図である。
【図18】ＳＥＭ像を示す図である。
【図19】ＳＥＭ像を示す図である。
【図20】第１実施形態に係る検出器と試料の一部を示す斜視図である。
【図21】ＳＥＭ像を示す図である。
【図22】第１実施形態に係る走査型電子顕微鏡の構成を示す図である。
【図23】信号処理装置によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。
【図24】信号差のマップの一例を示す図である。
【図25】高さのマップの一例を示す図である。
【図26】試料の表面の三次元形状を示す図である。
【図27】平坦部分の抽出結果を示す図である。
【図28】ラベリング処理の結果を示す図である。
【図29】高さのマップの一例を示す図である。
【図30】ｙ＝０の行について補正された高さの一例を示す図である。
【図31】補正された高さのマップの一例を示す図である。
【図32】補正された高さのマップの一例を示す図である。
【図33】高さを補正するための係数を示す図である。
【図34】高さを補正するための係数を示す図である。
【図35】補正された高さのマップの一例を示す図である。
【図36】補正された三次元形状を示す図である。
【図37】第２実施形態に係る検出器を示す平面図である。
【図38】第２実施形態に係る検出器と試料の一部を示す斜視図である。
【図39】第２実施形態に係る検出器と試料の一部を示す斜視図である。
【図40】第２実施形態に係る検出器と試料の一部を示す斜視図である。
【図41】ＳＥＭ像を示す図である。
【図42】ＳＥＭ像を示す図である。
【図43】欠陥密度を色で表現する画像を示す図である。
【図44】目印を示す図である。
【図45】ＳＥＭ像を示す図である。
【図46】ＳＥＭ像を示す図である。
【図47】ＳＩＭ像を示す図である。
【図48】ＣＬ法を実現する装置と走査型電子顕微鏡とが組み合わされた装置である。
【図49】ＣＬ法を実現する装置と走査型電子顕微鏡とが組み合わされた装置である。
【発明を実施するための形態】
【0026】
＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る走査型電子顕微鏡を説明する前に、図１を参照して、一般的な走査型電子顕微鏡について説明する。図１には、一般的な走査型電子顕微鏡１００が示されている。走査型電子顕微鏡１００は、試料に電子線を照射し、その試料から放出した反射電子を検出することで画像を生成する装置である。
第１実施形態に係る走査型電子顕微鏡を説明する前に、図１を参照して、一般的な走査型電子顕微鏡について説明する。図１には、一般的な走査型電子顕微鏡１００が示されている。走査型電子顕微鏡１００は、試料に電子線を照射し、その試料から放出した反射電子を検出することで画像を生成する装置である。
【0027】
走査型電子顕微鏡１００は、電子線を発生させる電子銃１２と、レンズ群（集束レンズ１４、偏向レンズ１６及び対物レンズ１８）と、コイル群（偏向コイルや走査コイル）と、試料２２から放出した反射電子を検出する検出器２０と、を含む。電子銃１２、集束レンズ１４、偏向レンズ１６、対物レンズ１８、検出器２０、及び、試料２２の順で、これらが配置されている。電子銃１２、レンズ群、コイル群及び検出器２０として、公知の構成が用いられる。
【0028】
試料２２は、試料室内に配置される。試料室内にステージが設置されており、試料２２は、そのステージ上に配置される。ステージは、例えば、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸の三次元方向（平面方向と高さ方向）に移動可能なステージであってもよいし、二次元方向（平面方向）に移動可能なステージであってもよい。
【0029】
図１に示されていないが、走査型電子顕微鏡１００は、試料室内に設置される試料２２を交換するための交換室、及び、試料室の内部等を減圧するための真空排気系等を含む。
【0030】
電子銃１２から発生した電子線は、試料２２に照射される。電子線は、レンズ群（集束レンズ１４、偏向レンズ１６及び対物レンズ１８）によって試料２２の表面上に集束され、走査コイルによって試料２２上で走査される。電子線の照射によって試料２２から反射電子や二次電子が放出される。
【0031】
検出器２０は、試料２２の上方（つまり電子銃１２側）に配置されており、試料２２から放出された反射電子を検出する。例えば、検出器２０は半導体検出器である。試料２２から放出された反射電子は、検出器２０に照射されて検出器２０によって検出される。その検出によって電気信号が生成され、その電気信号が増幅されて、反射電子の像が生成される。例えば、電気信号が画像処理装置に入力され、画像処理装置は、その電気信号に基づいて画像を生成する。その画像は、例えば、ディスプレイに表示される。
【0032】
図２を参照して、反射電子の放出角度について説明する。図２は、検出器２０と試料２２を示す断面図である。検出器２０は、例えば円環状の形状を有する。つまり、検出器２０の中央に、円形の貫通孔２０ａが形成されている。
【0033】
放出角度θは、試料２２の表面を基準として定義される。試料２２の表面に平行な角度に近い角度を低角度と称し、電子線が通る光軸に近い角度を高角度と称することとする。
【0034】
原子数層分のステップ形状を検出するためには、試料２２の表面の極浅い領域で散乱した電子を検出する必要がある。例えば、試料２２の表面に対して低角度で放出した電子群においては、試料２２の表面に近い位置（つまり浅い位置）で散乱した電子の割合が多い。
【0035】
図３には、反射電子の放出角度と電子の散乱の深さとの関係が示されている。図３において、横軸は、反射電子の放出角度を示しており、縦軸は、試料２２に入射した電子の散乱の深さを示している。試料２２は窒化ガリウム（ＧａＮ）であり、一次電子の加速電圧は３ｋＶである。縦軸の値は、放出角度毎の散乱の深さの平均値である。その平均値は、モンテカルロシミュレーションのCASINO（v2.4.8.1）を用いて算出された値である。
【0036】
図３に示すように、放出角度が低角度の反射電子ほど、散乱の深さは浅いことが分かる。したがって、低角度の反射電子によって画像を生成することで、試料２２の表面の僅かな形状の変化を確認することができる。しかし、通常、高角度の反射電子の発生量は多いが、低角度の反射電子の発生量は少ない。そのため、一般的な測定条件の下で試料２２を観察しても、低角度の反射電子に関する情報は、高角度の反射電子に関する情報によって埋もれてしまう。その結果、試料２２の表面の僅かな形状の変化を観察することが難しくなる。
【0037】
これに対処するために、検出器２０と試料２２との間の距離を短くする方法を採用することが考えられる。試料２２から放出した反射電子が直進すると仮定すると、検出器２０と試料２２との間の距離を短くすることで、検出することが可能な反射電子の角度が、低角度側にシフトする。例えば、試料２２を検出器２０に近づけることで、検出器２０と試料２２との間の距離を短くする。検出器２０を試料２２に近づけることで、検出器２０と試料２２との間の距離を短くしてもよい。
【0038】
また、減速法を採用することが考えられる。走査型電子顕微鏡においては、マイナス数ｋＶの比較的高い電圧（試料バイアス電圧）を試料２２に印加し、試料２２と対物レンズ１８との間に電場を生じさせることがある。この電場は、一次電子に対して減速場として作用する。これによって色収差が改善し、また、入射電子のエネルギーが低下するため、試料２２内で電子が散乱する範囲が限定的となり、ＳＥＭ像の分解能が改善する。
【0039】
減速法によって生成される電場は、試料２２から放出された反射電子に対しては加速場として作用する。そのため、試料２２から放出された反射電子は、対物レンズ１８に向けて加速され、その結果、反射電子の進行方向は高角度側に偏向する。その結果、通常は、試料２２と検出器２０との間を通り抜けてしまうような低角度の反射電子が、検出器２０に入射する。また、加速場によって、反射電子の運動エネルギーも増大する。
【0040】
図４を参照して、試料バイアス電圧の印加の有無に応じた反射電子の軌道について説明する。図４は、検出器２０と試料２２を示す断面図である。試料バイアス電圧が試料２２に印加されていない場合、図４（ａ）に示すように、試料２２から放出された低角度の反射電子２４は、検出器２０と試料２２との間を通り抜けてしまい、検出器２０によって検出されない。一方、試料バイアス電圧が試料２２に印加されている場合、図４（ｂ）に示すように、試料２２から放出された反射電子２６は、高角度側に偏向し、その結果、検出器２０に入射する。
【0041】
検出器２０として一般的に用いられる半導体検出器では、半導体検出器に入射した電子によってキャリアが発生し、それがＰ型半導体とＮ型半導体に移動することで、電気信号として取り出すことができる。このときに発生するキャリアの量は、半導体検出器に入射する電子の運動エネルギーが高いほど多く発生し、電気信号が大きくなる。そのため、電子を効率的に検出することができ、ＳＮが改善する。つまり、減速法は、放出角度が低角度の反射電子を効率的に取得することができる手法であるといえる。
【0042】
しかし、試料バイアス電圧を試料２２に印加すれば、必ずしも低角度の反射電子を効率的に取得できるとは限らない。
【0043】
例えば、電子線の加速電圧と試料バイアス電圧との差を小さくすることで、電子を試料２２の手前で大きく減速させて、試料２２に入射する電子のエネルギーを１ｋｅＶ以下に低下させることができる。しかし、入射電子のエネルギーが低下すると、反射電子のエネルギーも低下する。反射電子の放出エネルギーに対して試料バイアス電圧が大きいと、反射電子の軌道は高角度側に大きく偏向することになる。通常、検出器２０には、一次電子線が通る貫通孔２０ａが形成されている。高角度側に大きく偏向した反射電子は、その貫通孔２０ａを通り抜けてしまい、検出器２０に入射しない。
【0044】
図５には、反射電子の軌道のシミュレーション結果が示されている。図５は、検出器２０と試料２２を示す断面図である。
以下に、シミュレーションの条件を示す。
貫通孔２０ａの径：４ｍｍ
試料バイアス電圧：－２ｋＶ
検出器２０と試料２２との間の距離：３ｍｍ
電子線の加速電圧：２．１ｋＶ
上記の条件の下では、試料２２に入射する時点での電子のエネルギーは、１００ｅＶになるので、試料２２から放出される反射電子の最大エネルギーは１００ｅＶになる。
以下に、シミュレーションの条件を示す。
貫通孔２０ａの径：４ｍｍ
試料バイアス電圧：－２ｋＶ
検出器２０と試料２２との間の距離：３ｍｍ
電子線の加速電圧：２．１ｋＶ
上記の条件の下では、試料２２に入射する時点での電子のエネルギーは、１００ｅＶになるので、試料２２から放出される反射電子の最大エネルギーは１００ｅＶになる。
【0045】
試料２２の表面から、０°～９０°の角度範囲で１００ｅＶの反射電子が放出されていると仮定し、それらの反射電子が電場内でどのような軌道を通るのかをシミュレートした。
【0046】
その結果、図５に示すように、ほとんどの反射電子が貫通孔２０ａを通り抜けてしまい、検出器２０には電子が入射していないことが分かる。
【0047】
このように、単に試料バイアス電圧を試料２２に印加したからといって、低角度の反射電子を検出することができるとは限らない。低角度の反射電子を効率的に検出するために、試料バイアス電圧、検出器２０の形状、検出器２０と試料２２との間の距離、及び、一次電子の加速電圧について、最適な観測条件がある。
【0048】
（最適な観察条件）
以下、低角度の反射電子を効率的に検出するための最適な観察条件について説明する。
以下、低角度の反射電子を効率的に検出するための最適な観察条件について説明する。
【0049】
例えば、試料バイアス電圧を試料２２に印加せず、かつ、検出器２０付近に強磁場が発生していない場合、反射電子は放出時の角度のまま直進する。検出器２０が検出できる反射電子の角度範囲は、検出器２０の形状と、検出器２０と試料２２との間の距離と、に基づいて算出することができる。
【0050】
しかし、試料バイアス電圧を試料２２に印加すると、検出器２０と試料２２との間に電場が発生し、それによって、反射電子は偏向されてしまうため、どの角度の反射電子が検出されているのかが分かり難くなる。そのため、観察条件が低角度の反射電子を効率的に検出する条件であるのか否かを判断することが難しくなる。
【0051】
【0052】
電場によって反射電子が偏向され、図６に示すように、放出角度が０°の反射電子２８が、検出器２０の検出面（試料２２に対向する面）の真ん中辺りに入射しているとする。０°よりも低い角度の反射電子は存在しないため、検出器２０の検出面において、真ん中辺りの部分（放出角度が０°の反射電子２８が入射する部分）よりも外側の部分には反射電子は入射せず、その部分は、信号の取得に使われていないことになる。
【0053】
これに対して、図７に示すように、放出角度が０°の反射電子３０が検出器２０の検出面の最外周の位置に入射するように観察条件を設定することで、検出器２０の検出面の全部を使って反射電子を検出することができる。その結果、低角度の反射電子を効率的に検出することができる。このような結果が得られるように、試料バイアス電圧、検出器２０の形状、検出器２０と試料２２との間の距離、及び、一次電子の加速電圧のそれぞれの条件を設定する必要がある。その条件は、例えば、シミュレーション等によって計算される。
【0054】
電磁場中の荷電粒子の軌道をシミュレーションによって計算することができるため、観察条件を変えてシミュレーションを実行することで、低角度の反射電子を効率的に検出することができる最適な観察条件を計算することができる。しかし、観察条件毎にシミュレーションを実行するのは手間である。また、走査型電子顕微鏡の各部品の形状が分かっていないと、シミュレーションを実行することができないため、ユーザーが各部品の形状を把握して計算することは難しい。
【0055】
そこで、実施形態では、最適な観察条件を簡単に求めるための式を求めた。具体的には、検出器２０の検出面と試料２２の表面を平行平板電極であると仮定し、検出器２０の検出面と試料２２の表面との間に電圧が印加されたときに平行平板電極間にある電子が受ける力の量に基づいて、電子の偏向量を求めた。実際の走査型電子顕微鏡では検出器２０の検出面と試料２２の表面は、無限に広がる平行平板でないため、その式で得られた結果には誤差が含まれる。しかし、その結果は、求められた観察条件が最適な観察条件（つまり、低角度の反射電子を効率良く取得することができる条件）であるか否かを判断するための材料として用いることができる。
【0056】
図８には、検出器２０と試料２２に相当する平行平板電極が示されている。なお、図８においては、検出器２０に相当する平行平板電極の符号として検出器２０の符号（２０）を用いており、試料２２に相当する平行平板電極の符号として試料２２の符号（２２）を用いている。
【0057】
試料２２に印加される電圧をＶｂと定義し、検出器２０と試料２２との間の距離をｇと定義する。また、座標系（ｒ，ｚ）を定義する。その座標系の中心（ｒ＝０，ｚ＝０）は、試料２２の中心である。ｒは径成分であり、ｚは高さ成分である。検出器２０は、試料２２の位置を基準として、ｚ＝ｇの位置に配置されている。
【0058】
試料２２から放出した反射電子の最大運動エネルギーをＶａと定義し、反射電子の放出角度をθと定義する。θは、試料２２からの角度である。
【0059】
試料２２から放出した反射電子の軌道の座標（ｒ，θ）は、以下の式（１）によって表現される。
【数1】
【0060】
反射電子が試料２２から放出したときのエネルギーＶａは、通常は、試料２２に入射する直前の一次電子のエネルギー（ランディングエネルギーと呼ばれる）と同じ値となる。
【0061】
図９に、上記の式（１）によって得られた軌道が示されている。図９において、横軸はｒ（ｍｍ）であり、縦軸はｚ（ｍｍ）である。図９には、放出角度が０°～４５°の範囲において、５°毎の軌道が示されている。例えば、ｚ＝２ｍｍの場合、ｒ＝４ｍｍ程度の外半径を有する検出器２０（貫通孔２０ａの半径が１．５ｍｍ程度）を用いることで、放出角度が４５°以下の反射電子を検出することができる。換言すると、ｒ＝４ｍｍ程度の外半径を有する検出器２０を用いる場合、ｚ＝２ｍｍ程度の位置に検出器２０を配置することで、放出角度が４５°以下の反射電子を検出することができる。なお、反射電子のエネルギーは２ｋｅＶであり、試料バイアス電圧は－２ｋＶである。
【0062】
式（１）において、最終的に電子が検出器２０に到達したときの座標はｚ＝ｇとなる。この値を式（１）に代入し、０≦ｇ、０≦Ｖａ、Ｖｂ≦０、０≦θ≦９０の条件に従って、式（１）を、ｒを求める式（２）に変換する。
【数2】
【0063】
式（２）によって、試料２２に印加される電圧がＶｂであり、検出器２０と試料２２との間の距離がｇである場合に、運動エネルギーがＶａであり放射角度がθである反射電子が、検出器２０の検出面に到達したときの座標ｒを計算することができる。ｒが、検出面の範囲内であれば、その角度を有する反射電子は検出器２０によって検出することができると判断することができる。
【0064】
（低角度の反射電子の効率的な検出）
式（２）を用いて、低角度の反射電子を効率的に検出することができる観察条件を求める。
式（２）を用いて、低角度の反射電子を効率的に検出することができる観察条件を求める。
【0065】
図７に示すように、θ＝０°の反射電子が検出器２０の検出面の最外周の位置に入射する観察条件が、低角度の反射電子を効率的に検出することができる観察条件である。θ＝０を式（２）に代入すると、以下に示す式（３）が得られる。
【数3】
【0066】
一次電子の入射エネルギーＶａ、試料バイアス電圧Ｖｂ、及び、検出器２０と試料２２との間の距離ｇの中の２つのパラメータを設定することで、残りのパラメータを算出することができる。以下に示す式（４）、式（５）及び式（６）は、各パラメータを算出するための式である。式（４）は、入射エネルギーＶａを算出するための式である。式（５）は、試料バイアス電圧Ｖｂを算出するための式である。式（６）は、距離ｇを算出するための式である。
【数4】
【数5】
【数6】
【0067】
例えば、直径が１０ｍｍの検出面を有する検出器２０によって低角度の反射電子を検出する場合において、ｒ＝０．００５ｍ、Ｖａ＝２０００、及び、Ｖｂ＝－２０００の条件下で観察したい場合、これらの値を式（６）に代入することで、距離ｇを約２．５ｍｍに設定すれば良いことが分かる。このようにして、低角度の反射電子を効率的に検出するための観察条件を算出することができる。
【0068】
例えば、ユーザーが、算出されたパラメータを観察条件として設定してもよいし、ユーザーがＶａ、Ｖｂ及びｇの中から２つのパラメータを選択し、残りのパラメータは、ユーザーによって選択された２つのパラメータに従って式（４）～（６）から算出されて、走査型電子顕微鏡に自動的に設定されてもよい。例えば、後述する制御装置５１によって、残りのパラメータが算出されてもよい。
【0069】
例えば、ユーザーが、Ｖａを２０００に設定し、対物レンズ１８の作動距離を３ｍｍに設定したとする。検出器２０の検出面の位置が、対物レンズ１８から０．５ｍｍ離れた位置である場合、ｇ＝２．５ｍｍとなる。この値を用いて式（５）からＶｂを算出し、試料バイアス電圧をその算出されたＶｂに自動的に設定することで、低角度の反射電子を効率的に検出することができる観察条件が設定される。
【0070】
なお、上述した方法は、低角度の反射電子の検出に限定されるものではなく、上述した方法が適用される放出角度の範囲は、限定されるものではない。また、上述した方法が、放出角度が厳密に何度以下の電子に適用されなければならないといった制限はない。
【0071】
（高角度側での調整）
試料によっては、検出の対象を低角度の反射電子に限定せずに、信号量の多い高角度の反射電子も検出の対象にした方が、ＳＥＭ像の観察に有利な場合がある。そのような場合、例えば、放出角度が４５°以下の反射電子を観察することが可能な観察条件が指定されてもよい。上述した式（２）を用いて、放出角度θで放出した反射電子が検出器２０の貫通孔２０ａの縁（つまり、検出面の内周の縁）に入射するためのパラメータｒを算出することで、放出角度がθ以下の反射電子を検出器２０によって検出することができる。図１０には、放出角度θで放出した反射電子３２が、検出面の内周の縁に入射する様子が示されている。
試料によっては、検出の対象を低角度の反射電子に限定せずに、信号量の多い高角度の反射電子も検出の対象にした方が、ＳＥＭ像の観察に有利な場合がある。そのような場合、例えば、放出角度が４５°以下の反射電子を観察することが可能な観察条件が指定されてもよい。上述した式（２）を用いて、放出角度θで放出した反射電子が検出器２０の貫通孔２０ａの縁（つまり、検出面の内周の縁）に入射するためのパラメータｒを算出することで、放出角度がθ以下の反射電子を検出器２０によって検出することができる。図１０には、放出角度θで放出した反射電子３２が、検出面の内周の縁に入射する様子が示されている。
【0072】
例えば、θ＝４５°を式（２）に代入すると、以下に示す式（７）が得られる。
【数7】
【0073】
検出面の内半径（つまり、貫通孔２０ａの半径）ｒ＝０．００１５ｍとし、観察条件である一次電子の入射エネルギーＶａ＝２０００とし、試料バイアス電圧Ｖｂ＝－２０００とした場合、検出器２０と試料２２との間の距離ｇは、以下の式（８）で表される。
その結果、ｇ＝０．００２０４９ｍが得られる。
【数8】
【0074】
これにより、検出器２０と試料２２との間の距離ｇを約２ｍｍにすれば、放出角度が４５°以下の反射電子を検出することができる。
【0075】
例えば、ユーザーが、加速電圧Ｖａ、試料バイアス電圧Ｖｂ、及び、検出器２０と試料２２との間の距離ｇの中の２つのパラメータと、ユーザーが検出したい反射電子の角度範囲（例えば、何度以上又は何度以下等）とを指定した場合、その指定された条件の下で反射電子を検出することができる他のパラメータが、自動的に設定されてもよい。
【0076】
図１１を参照して、この点について詳しく説明する。図１１は、検出器２０と試料２２を示す断面図である。検出器２０の外周の半径はｒ１（外半径）であり、内周の半径（つまり、貫通孔２０ａの半径）はｒ２（内半径）である。反射電子３４ａ，３４ｂは、試料２２から放出された電子である。反射電子３４ａは、検出器２０の内周側に入射する電子である。反射電子３４ｂは、検出器２０の外周側に入射する電子である。
【0077】
放出角度がユーザーによってθ以上の角度に指定された場合、式（２）においてｒ＝ｒ１とし、ユーザーが指定した観察条件が式（２）に代入されることで、ユーザーが指定していない残りのパラメータが算出される。例えば、ユーザーが、試料バイアス電圧Ｖｂと、検出器２０と試料２２との間の距離ｇとを指定した場合、加速電圧Ｖａが、式（２）から求められる。これにより、ユーザーが検出したい角度範囲の反射電子を検出することができる。
【0078】
（検出角度範囲の表示）
観察条件に基づいて、検出器２０が検出することが可能な反射電子の角度範囲が計算され、その角度範囲が、ディスプレイに表示されてもよい。これにより、どのような角度範囲の反射電子が検出されているのかを、ユーザーに提示することができる。ユーザーは、その表示されている角度範囲を参照して、最適な観察条件に従って反射電子が検出されているか否かを判断することができる。
観察条件に基づいて、検出器２０が検出することが可能な反射電子の角度範囲が計算され、その角度範囲が、ディスプレイに表示されてもよい。これにより、どのような角度範囲の反射電子が検出されているのかを、ユーザーに提示することができる。ユーザーは、その表示されている角度範囲を参照して、最適な観察条件に従って反射電子が検出されているか否かを判断することができる。
【0079】
観察条件から、一次電子の入射エネルギーＶａと試料バイアス電圧Ｖｂが定まる。検出器２０の取付位置と対物レンズ１８の作動距離（ＷＤ）から、検出器２０と試料２２との間の距離ｇが定まる。上記の式（２）から、ｒが検出器２０の外半径ｒ１のときの角度θ１と、ｒが検出器２０の内半径ｒ２のときの角度θ２とが求められる。例えば、θの値を０°～９０°の範囲で０．１°ずつ変えながら式（２）に代入し、ｒの値が外半径ｒ１に最も近づくθを求めることで、おおよそのθ１を求めることができる。同様にして、ｒの値が内半径ｒ２に最も近づくθを求めることで、おおよそのθ２を求めることができる。このようにしてθ１，θ２が求められると、例えば、「検出角度範囲θ１°～θ２°」を示す情報が、ディスプレイに表示される。例えば、後述する制御装置５１が、検出角度範囲を示す情報をディスプレイに表示させる。
【0080】
（分割された検出器）
低角度の反射電子から試料２２の表面形状を反映した情報が得られ易いが、観察条件によっては、そのような情報が得られ難くなってしまう。以下、図１２から図１４を参照して、その理由について説明する。図１２及び図１３は、試料２２の一部を示す断面図である。図１４は、検出器２０と試料２２の一部を示す斜視図である。
低角度の反射電子から試料２２の表面形状を反映した情報が得られ易いが、観察条件によっては、そのような情報が得られ難くなってしまう。以下、図１２から図１４を参照して、その理由について説明する。図１２及び図１３は、試料２２の一部を示す断面図である。図１４は、検出器２０と試料２２の一部を示す斜視図である。
【0081】
図１２から図１４に示すように、試料２２の表面には段差２２ａ（例えば、表面において壁を形成している部分）が形成されている。例えば、試料２２の表面は、一方の方向に向かって徐々に高くなる階段状の形状を有し、これによって、試料２２の表面に段差２２ａが形成されている。
【0082】
試料２２の表面に段差２２ａが形成されている場合、低角度の反射電子の放出方向によって、検出器２０によって検出される反射電子の量が変わる。
【0083】
例えば、図１２に示すように、階段状の部分が高くなる方向に放出された反射電子３６は、段差２２ａに遮られる場合がある。その遮られた反射電子３６は、検出器２０によって検出されないため、その段差２２ａ付近の信号量が減る。
【0084】
一方、図１３に示すように、階段状の部分が低くなる方向に放出された反射電子３８は、段差２２ａに遮られずに、検出器２０によって検出される。また、段差部分から放出される電子も加わる。そのため、図１２に示されている状況と比べると、信号量は増える。
【0085】
このように、試料２２の表面形状を反映した信号は方向性を有している。そのため、図１４に示されている円環状の検出器２０によって反射電子を検出すると、試料２２の表面の凹凸形状を表す情報が相殺され、その凹凸形状を鮮明に表す画像が得られない。
【0086】
これに対処するために、第１実施形態では、図１５に示されている検出器４０が用いられる。図１５は、第１実施形態に係る検出器４０を示す平面図である。検出器４０は、中央に貫通孔４２が形成された円環状の形状を有する検出器である。また、検出器４０は、分割線４４を軸として軸対称となるように２分割されており、検出器４０ａと検出器４０ｂとによって構成される。検出器４０ａの検出面と検出器４０ｂの検出面は、同じ形状及び大きさを有する。なお、検出器４０ａ，４０ｂは、物理的に分離していてもよいし、物理的に分離していなくてもよい。
【0087】
検出器４０ａ，４０ｂは、電子線が通る光軸（つまり、貫通孔４２の中心）を回転軸として、互いに１８０°の回転対称の位置に配置されている。つまり、検出器４０ａの検出面と検出器４０ｂの検出面は、電子線の光軸を回転軸として、互いに１８０°の回転対称の位置に配置されている。検出器４０は、互いに１８０°の回転対称の位置に配置された２つの検出面（つまり、検出器４０ａの検出面と検出器４０ｂの検出面）によって反射電子を検出する。
【0088】
以下、検出器４０ａによって検出された反射電子に対応する信号量を信号量ＩＡと称し、検出器４０ｂによって検出された反射電子に対応する信号量を信号量ＩＢと称することとする。
【0089】
【0090】
検出器４０を検出器４０ａと検出器４０ｂとに分割する分割線４４が延びる方向を、Ｘ方向と定義する。試料２２の表面において階段状の部分が高くなっていく方向（つまり、段差２２ａの昇り方向）を、Ｙ方向と定義する。なお、階段状の部分が低くなっていく方向を、Ｙ方向と定義してもよい。
【0091】
例えば、図１６に示すように、Ｘ方向とＹ方向とが直交するように、つまり、検出器４０の分割線４４が延びる方向と段差２２ａの昇り降りの方向とが直交するように、検出器４０と試料２２との間の向きの関係が定められて、反射電子が検出器４０ａ，４０ｂによって検出される。
【0092】
【0093】
図１７（ａ）に示すように、階段状の部分が下る方向に放出される反射電子３８は、段差２２ａによって遮られない。この方向に放出される反射電子３８は、検出器４０ａによって検出されるので、信号量ＩＡは増大する。
【0094】
一方、図１７（ｂ）に示すように、階段状の部分が上る方向に放出される反射電子３６は、段差２２ａによって遮られる。この方向に放出される反射電子３６は、検出器４０ｂによって検出されるので、信号量ＩＢは減少する。
【0095】
このように、段差２２ａ付近においては、信号量ＩＡと信号量ＩＢとの差が大きくなる。一方で、段差２２ａ以外の部分（つまり、平坦な部分）では、反射電子が遮られることがないため、信号量ＩＡと信号量ＩＢとの差は小さくなる。
【0096】
上記のような現象があるため、信号量ＩＡと信号量ＩＢとの差分を用いることで、段差２２ａを強調した画像が生成される。
【0097】
（段差の強調表示）
上述したように、信号量ＩＡと信号量ＩＢとの差分によって段差２２ａを強調した画像が得られるが、この方法では、検出器４０の分割線４４が延びる方向と階段状の部分が高くなる方向との関係によって、段差２２ａが明るく表示されたり、暗く表示されたりする。その場合、どの部分が段差２２ａであるのかをユーザーが判断するのが難しくなる。そのため、段差２２ａが明るく表示するための処理が必要となる。例えば、以下の式（９）に示すように、信号量ＩＡと信号量ＩＢとの差の絶対値ＩＳを算出し、その絶対値ＩＳを用いて像を作成することが考えられる。
上述したように、信号量ＩＡと信号量ＩＢとの差分によって段差２２ａを強調した画像が得られるが、この方法では、検出器４０の分割線４４が延びる方向と階段状の部分が高くなる方向との関係によって、段差２２ａが明るく表示されたり、暗く表示されたりする。その場合、どの部分が段差２２ａであるのかをユーザーが判断するのが難しくなる。そのため、段差２２ａが明るく表示するための処理が必要となる。例えば、以下の式（９）に示すように、信号量ＩＡと信号量ＩＢとの差の絶対値ＩＳを算出し、その絶対値ＩＳを用いて像を作成することが考えられる。
【数9】
【0098】
なお、式（９）中のｘ、ｙは、試料２２の表面上の位置を示している。
【0099】
段差２２ａ付近では、信号量ＩＡと信号量ＩＢとの間で差が大きくなり、その差の絶対値ＩＳを求めることで、段差２２ａを明るく表示することができる。逆に、段差２２ａ付近を暗く表示したい場合には、その絶対値をマイナスにした信号を画像として用いてもよい。
【0100】
図１８に示されているＳＥＭ像は、Ｘ方向とＹ方向とを直交させた状態で得られた絶対値ＩＳに基づいて生成された画像である。検出器４０の分割線４４が延びる方向と階段状の部分が高くなる方向とが直交しているため、段差２２ａが明るく表示されている。
【0101】
また、得られたＳＥＭ像に対してフィルター処理が適用されてもよい。図１９には、図１８に示されているＳＥＭ像に対してガウシアンフィルターを適用することで得られた画像が示されている。図１９に示すように、フィルターを提供することで、段差２２ａがより強調されて表示されている。
【0102】
また、検出器４０に対して試料２２が傾いている場合、つまり、検出器４０の検出面と試料２２の表面とが平行に配置されていない場合、上記の式（９）を用いて、段差２２ａが強調して表示されないことがある。その場合、例えば、信号量ＩＡの平均値ＩＡｍｅａｎと信号量ＩＢの平均値ＩＢｍｅａｎを算出し、（ＩＡ（ｘ，ｙ）－ＩＡｍｅａｎ）と（ＩＢ（ｘ，ｙ）－ＩＢｍｅａｎ）との差の絶対値に基づいて画像を生成すると、傾きに起因する信号差が補正されて、段差２２ａが見え易くなる。
【0103】
Ｘ方向とＹ方向との関係、つまり、検出器４０の分割線４４が延びる方向と階段状の部分が高くなる方向との関係によっては、段差２２ａが見え難くなることがある。例えば、図２０に示すように、検出器４０の分割線４４が延びる方向（Ｘ方向）と、階段状の部分が高くなる方向（Ｙ方向）とが一致している場合、信号量ＩＡと信号量ＩＢとの差はほとんどなくなるため、つまり、絶対値ＩＳは小さくなるため、図２１に示されているＳＥＭ像のように、段差２２ａは見えなくなる。
【0104】
そのため、絶対値ＩＳに基づいて生成される画像を観察しながら、試料２２が設置されているステージを回転させて、段差２２ａが強調して表示される向きに試料２２の向きを合わせることが考えられる。試料２２を入れ替える度にユーザーが手作業で向きを調整するのは手間がかかるため、この調整を自動的に行うことが考えられる。以下、この調整を自動的に行う処理について説明する。
【0105】
（試料用ステージの回転）
例えば、試料２２用のステージを回転させながらＳＥＭ像を取得し、段差２２ａが見えているか否かを自動的に判定する必要がある。図１８に示されているＳＥＭ像（段差２２ａが強調して表示される画像）と、図２１に示されているＳＥＭ像（段差２２ａが強調して表示されていない画像）のそれぞれの標準偏差（ＳＥＭ像の画素値の標準偏差）を計算すると、図１８に示されているＳＥＭ像の方が、標準偏差は大きくなる。そのため、ステージを回転させながらＳＥＭ像を取得して標準偏差を計算し、その標準偏差を評価することで、検出器４０の分割線４４が延びる方向と階段状の形状が高くなる方向との関係が、段差２２ａを強調して表示するための最適な条件を満たしているのか否かを判断することができる。
例えば、試料２２用のステージを回転させながらＳＥＭ像を取得し、段差２２ａが見えているか否かを自動的に判定する必要がある。図１８に示されているＳＥＭ像（段差２２ａが強調して表示される画像）と、図２１に示されているＳＥＭ像（段差２２ａが強調して表示されていない画像）のそれぞれの標準偏差（ＳＥＭ像の画素値の標準偏差）を計算すると、図１８に示されているＳＥＭ像の方が、標準偏差は大きくなる。そのため、ステージを回転させながらＳＥＭ像を取得して標準偏差を計算し、その標準偏差を評価することで、検出器４０の分割線４４が延びる方向と階段状の形状が高くなる方向との関係が、段差２２ａを強調して表示するための最適な条件を満たしているのか否かを判断することができる。
【0106】
具体的には、ステージを回転させても試料２２の表面を観察することができるように、ウエハ等の試料２２がステージに設置される。試料２２の表面に電子線をフォーカスさせ、ステージを所定角度毎に例えば０°～９０°の範囲で回転させ、角度毎に信号量ＩＡ，ＩＢから絶対値ＩＳを算出し、絶対値ＩＳに基づいて画像を生成する。これにより、各角度における画像が得られる。角度毎に、得られた画像の標準偏差を計算する。標準偏差が最大となる角度にステージの角度を合わせることで、段差２２ａが強調された画像が得られる。なお、試料２２が回転させられずに、又は、試料２２が回転させられると共に、検出器４０が回転させられてもよい。つまり、試料２２及び検出器４０の中の少なくとも１つが回転させられることで、Ｘ方向とＹ方向との間の相対的な回転角度の関係が変更されてもよい。
【0107】
（表面構造の三次元再構築）
式（９）によって定義される絶対値ＩＳを用いることで、段差２２ａが強調された画像が得られるが、試料２２の表面において階段状の部分が高くなっていく方向（Ｙ方向）を特定することができない。つまり、段差２２ａを挟んだ平坦な部分について、どちらの平坦な部分の方が他の一方の平坦な部分よりも高い位置に配置されているのかを、特定することができない。
式（９）によって定義される絶対値ＩＳを用いることで、段差２２ａが強調された画像が得られるが、試料２２の表面において階段状の部分が高くなっていく方向（Ｙ方向）を特定することができない。つまり、段差２２ａを挟んだ平坦な部分について、どちらの平坦な部分の方が他の一方の平坦な部分よりも高い位置に配置されているのかを、特定することができない。
【0108】
階段状の部分が高くなっていく方向を特定するために、第１実施形態に係る走査型電子顕微鏡１０は、検出器４０による検出によって得られた信号から、試料２２の表面の三次元の形状を再構築し、段差２２ａを含む階段状の形状を取得する。
【0109】
そのために、以下に示す式（１０）を定義する。
【数10】
【0110】
式（１０）に示すように、信号量ＩＡと信号量ＩＢとの差が、全体の信号量（ＩＡ＋ＩＢ）で規格化される。式（１０）で表される値ＩＳが０である場合、試料２２において電子線が入射する位置の付近に、凹凸形状の部分がなく、平坦な面が形成されていることが分かる。値ＩＳが０ではない場合、電子線が入射する位置の付近に、何らかの凹凸形状の部分が存在し、その部分が階段状の形状を有する場合、電子線の入射位置と段差２２ａとの間の距離や、段差２２ａの高さによって、値ＩＳは変わる。また、値ＩＳが正の値か負の値かによって、階段状の部分が高くなる方向を特定することができる。つまり、表面の高さの変化量に対応する値を取得することができる。この値ＩＳを積分すると、試料２２の表面形状に相当する値が得られる。
【0111】
以下、具体的に表面形状を取得する装置の構成及び方向について説明する。
【0112】
図２２には、第１実施形態に係る走査型電子顕微鏡１０の構成が示されている。走査型電子顕微鏡１０は、試料２２に電子線を照射し、その試料２２から放出した反射電子を検出することで画像を生成する装置である。
【0113】
走査型電子顕微鏡１０は、図１に示されている走査型電子顕微鏡１００と同様に、電子線を発生させる電子銃１２と、レンズ群（集束レンズ１４、偏向レンズ１６及び対物レンズ１８）と、コイル群（偏向コイルや走査コイル）と、を含む。なお、電子銃１２、レンズ群及びコイル群が、電子線を試料２２上で走査しながら当該試料に電子線を照射する電子線照射装置の一例に相当する。また、走査型電子顕微鏡１０は、走査型電子顕微鏡１００の検出器２０の代わりに、図１５に示されている検出器４０を含む。電子銃１２、集束レンズ１４、偏向レンズ１６、対物レンズ１８、検出器４０、及び、試料２２の順で、これらが配置されている。走査型電子顕微鏡１０は、試料２２に数ｋＶ程度のマイナス電圧を印加することができる。なお、走査型電子顕微鏡１０は、試料２２にて発生した二次電子を検出する二次電子検出器を含んでもよい。
【0114】
試料２２は、試料室内に配置される。試料室内にステージが設置されており、試料２２は、そのステージ上に配置される。ステージは、例えば、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸の三次元方向（平面方向と高さ方向）に移動可能なステージであってもよいし、二次元方向（平面方向）に移動可能なステージであってもよい。また、ステージは、回転可能なステージである。ステージは、試料２２を保持した状態で試料２２を傾斜させることが可能な構成を有してもよい。
【0115】
図２２に示されていないが、走査型電子顕微鏡１０は、試料室内に設置される試料２２を交換するための交換室、及び、試料室の内部等を減圧するための真空排気系等を含む。
【0116】
また、走査型電子顕微鏡１０は、信号取得器４６、信号処理装置４８、ディスプレイ５０及び制御装置５１を含む。
【0117】
電子銃１２から発生した電子線は、試料２２に照射される。電子線は、レンズ群（集束レンズ１４、偏向レンズ１６及び対物レンズ１８）によって試料２２の表面上に集束され、走査コイルによって試料２２上で走査される。電子線の照射によって試料２２から反射電子や二次電子が放出される。
【0118】
検出器４０は、試料２２の上方（つまり電子銃１２側）に配置されており、試料２２から放出された反射電子を検出する。例えば、検出器４０は半導体検出器である。試料２２から放出された反射電子は、検出器４０に照射されて検出器４０によって検出される。より詳しく説明すると、反射電子の放出角度に応じて、反射電子は、検出器４０ａ又は検出器４０ｂのいずれかの検出器によって検出される。その検出によって電気信号が生成され、電気信号は、信号取得器４６によって、電子線の走査位置と信号量のデータとして取得される。信号取得器４６によって取得されたデータは、信号処理装置４８に出力される。
【0119】
信号処理装置４８は、信号取得器４６から送られてきたデータに基づいて画像を生成する。その画像は、ディスプレイ５０に表示される。例えば、信号処理装置４８は、試料２２の表面の形状を算出し、その算出によって得られた結果をディスプレイ５０に表示させる。
【0120】
また、信号処理装置４８は、画像の標準偏差の計算、及び、式（１０）に従った計算を実行する。信号処理装置４８は、式（９）に従った計算を実行してもよい。
【0121】
制御装置５１は、走査型電子顕微鏡１０の各部を制御する。例えば、制御装置５１は、試料２２が設置されるステージの回転を制御する。例えば、ステージを回転させるためのモータ等の構成が走査型電子顕微鏡１０に設置されており、制御装置５１は、そのモータの回転を制御することで、ステージの回転を制御する。これにより、制御装置５１は、試料２２の回転を制御する。例えば、走査型電子顕微鏡１０は、試料２２を回転させながら試料２２に電子線を照射してＳＥＭ像を取得する。また、制御装置５１は、式（１）～（８）のそれぞれに従った計算を実行し、上述した「検出角度範囲θ１～θ２」をディスプレイ５０に表示させる。
【0122】
信号取得器４６、信号処理装置４８及び制御装置５１は、例えば、ハードウェアとソフトウェアとの協働により実現される。具体的には、これらの装置は、１又は複数のＣＰＵ等のプロセッサを備えている。当該１又は複数のプロセッサが、図示しない記憶装置に記憶されているプログラムを読み出して実行することで、これらの装置の機能が実現される。例えば、これらの装置は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）によって構成されてもよい。別の例として、これらの装置の各部は、プロセッサや電子回路やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウェア資源により実現されてもよい。その実現においてメモリ等のデバイスが利用されてもよい。更に別の例として、これらの装置の各部は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等によって実現されてもよい。
【0123】
信号処理装置４８は、図２３に示されているフローチャートに従って、処理を実行する。まず、信号処理装置４８は、信号取得器４６からデータを取得し（Ｓ０１）、後述する式（１１）に従って信号差を算出する（Ｓ０２）。次に、信号処理装置４８は、テラスを抽出し（Ｓ０３）、ラベリングを行い（Ｓ０４）、ラベル毎に平均値を算出する（Ｓ０５）。テラスは、試料２２の表面において段差２２ａ以外の部分（つまり、平坦な部分）のことである。ラベリング及び平均値の算出の詳細については後述する。また、信号処理装置４８は、高さラインプロファイルを取得し（Ｓ０６）、各ラインにおいてラベル毎に平均化を行う（Ｓ０７）。高さラインプロファイル及び平均化の詳細については後述する。次に、信号処理装置４８は、高さラインプロファイルを補正し（Ｓ０８）、三次元形状を表す画像を表示する（Ｓ０９）。
【0124】
以下、信号処理装置４８によって実行される各処理について詳しく説明する。
【0125】
まず、走査型電子顕微鏡１０に試料２２が設置され、観察条件が、試料２２の表面に形成されている段差２２ａを観察することができる条件に設定される。つまり、Ｘ方向とＹ方向とが直交し、図１８に示されているＳＥＭ像（段差２２ａが鮮明に表示される画像）が得られるように、観察条件が設定される。具体的には、上記の（試料用ステージの回転）の欄で説明したように、走査型電子顕微鏡１０は、試料２２の表面に電子線を照射し、制御装置５１は、試料用ステージを所定角度毎に０°～９０°の範囲で回転させる。これにより、所定角度毎に信号量ＩＡ，ＩＢ及び値ＩＳが得られる。値ＩＳに基づいて画像が生成され、その画像の標準偏差が計算され、その標準偏差が最大となる角度にステージの角度が合わせられる。これにより、段差２２ａが強調された画像が得られる。
【0126】
次に、走査型電子顕微鏡１０は、電子線を走査しながら試料２２からの反射電子を検出して信号を取得する。信号取得器４６は、電子線の各走査位置（ｘ，ｙ）の信号量ＩＡ（ｘ，ｙ），ＩＢ（ｘ，ｙ）を取得する。つまり、信号取得器４６は、試料２２において電子線が照射された各位置（ｘ，ｙ）の信号量ＩＡ（ｘ，ｙ），ＩＢ（ｘ，ｙ）を取得する。
【0127】
信号処理装置４８は、以下の式（１１）に従って、信号量ＩＡ，ＩＢに基づいて信号差ＩＳ（ｘ，ｙ）を算出する。
【数11】
【0128】
図２４には、この信号差ＩＳ（ｘ，ｙ）のマップの一例が示されている。図２４には、各走査位置（ｘ，ｙ）におけるＩＳ（ｘ，ｙ）の具体的な値が示されている。図２４中の（ｘ，ｙ）は、試料２２上の走査位置（ｘ，ｙ）に対応する。
【0129】
（高さ算出）
次に、信号処理装置４８は、信号差ＩＳ（ｘ，ｙ）に基づいて、試料２２の表面の各走査位置（ｘ，ｙ）の高さを算出する。なお、各走査位置（ｘ，ｙ）の高さは、予め定められた基準高さからの高さである。
次に、信号処理装置４８は、信号差ＩＳ（ｘ，ｙ）に基づいて、試料２２の表面の各走査位置（ｘ，ｙ）の高さを算出する。なお、各走査位置（ｘ，ｙ）の高さは、予め定められた基準高さからの高さである。
【0130】
例えば、信号処理装置４８は、ｙ＝０，１，・・・の各行について、以下の式（１２）に従って、ｘ方向にＩＳを積分することで、各ｙにおける高さを算出する。
【数12】
【0131】
係数ｋは、高さを補正するための係数であり、観察条件によって変わる。以下、係数ｋについて説明する。
【0132】
例えば、既に別の高さ計測方法（例えば、Scanning Probe Microscope、SPM）によって表面の高さが計測されている試料について、ｋ＝１として式（１２）に従って高さを算出する。この算出された高さは、別の高さ計測方法によって得られた高さと異なる。そこで、式（１２）によって算出された高さが、別の高さ計測方法によって計測された高さと等しくなるように、係数ｋを求める。そして、同じ観察条件の下で、高さが未知の試料を測定し、その求められた係数ｋを用いて、式（１２）に従って高さを算出する。これにより、高さが未知の試料の高さを算出することができる。
【0133】
また、半導体ウエハの表面のステップ＆テラス構造は、半導体ウエハを構成する結晶に起因する構造である。そのため、結晶に歪みが無ければ、段差の高さは、結晶格子を反映した高さとなる。この特徴を利用し、視野内に原子１層分の段差が存在することが分かっている場合には、最小の段差の高さが、原子１層分の高さになるように係数ｋを決定する。これにより、正しい高さが算出される。
【0134】
図２５には、ｋ＝０．２として、式（１２）に従って、図２４に示されている信号差ＩＳ（ｘ，ｙ）の値に基づいて算出された高さの値が示されている。図２５中の（ｘ，ｙ）は、試料２２上の走査位置（ｘ，ｙ）に対応する。
【0135】
（高さ補正）
上記の高さＺ（ｘ，ｙ）には、誤差が含まれる。図２６を参照して、この誤差について説明する。図２６は、試料２２の表面の三次元形状を示す図である。濃淡によって、高さが表現されている。この高さは、式（１２）によって算出された高さである。この試料２２の表面は、ｘ方向に関して、左側から右側にかけて階段状の形状を有し、ｙ方向に関して、高さは同じである。しかし、ｙ方向に凹凸が形成されており、実際の階段状の形状が正確に表現されていない。以下では、誤差を含む高さを補正することで、実際の階段状の形状を算出する方法について説明する。
上記の高さＺ（ｘ，ｙ）には、誤差が含まれる。図２６を参照して、この誤差について説明する。図２６は、試料２２の表面の三次元形状を示す図である。濃淡によって、高さが表現されている。この高さは、式（１２）によって算出された高さである。この試料２２の表面は、ｘ方向に関して、左側から右側にかけて階段状の形状を有し、ｙ方向に関して、高さは同じである。しかし、ｙ方向に凹凸が形成されており、実際の階段状の形状が正確に表現されていない。以下では、誤差を含む高さを補正することで、実際の階段状の形状を算出する方法について説明する。
【0136】
半導体ウエハ上のステップ＆テラス構造においてテラス（平坦）部分は、原子レベルで平坦である。信号処理装置４８は、この特徴を利用することで、平坦部分を抽出し、その平坦部分の高さを揃える。このようにして、高さが補正される。以下、高さ補正について詳しく説明する。
【0137】
（平坦部分の抽出）
信号処理装置４８は、各走査位置の信号差ＩＳ（ｘ，ｙ）の大きさに基づいて、試料２２の表面が平坦であるのか否かを判断する。信号差ＩＳ（ｘ，ｙ）が０であれば、検出器４０ａ，４０ｂに均等に反射電子が入射しているため、その信号差ＩＳ（ｘ，ｙ）が得られる走査位置は、平坦部分であるといえる。実際には信号にノイズが含まれることがあるので、信号処理装置４８は、閾値を設定し、信号差ＩＳ（ｘ，ｙ）の絶対値が当該閾値以下である場合、その信号差ＩＳ（ｘ，ｙ）が得られる走査位置は平坦部分であると判断する。
信号処理装置４８は、各走査位置の信号差ＩＳ（ｘ，ｙ）の大きさに基づいて、試料２２の表面が平坦であるのか否かを判断する。信号差ＩＳ（ｘ，ｙ）が０であれば、検出器４０ａ，４０ｂに均等に反射電子が入射しているため、その信号差ＩＳ（ｘ，ｙ）が得られる走査位置は、平坦部分であるといえる。実際には信号にノイズが含まれることがあるので、信号処理装置４８は、閾値を設定し、信号差ＩＳ（ｘ，ｙ）の絶対値が当該閾値以下である場合、その信号差ＩＳ（ｘ，ｙ）が得られる走査位置は平坦部分であると判断する。
【0138】
例えば、信号処理装置４８は、図２４に示されている各信号差ＩＳ（ｘ，ｙ）を対象として、信号差ＩＳ（ｘ，ｙ）の絶対値が閾値（０．２）以下になる走査位置（ｘ，ｙ）を平坦部分として抽出する。図２７には、その抽出結果が示されている。値「１」が割り当てられている領域が、平坦部分であると判断された領域である。値「０」が割り当てられている領域は、信号差ＩＳ（ｘ，ｙ）の絶対値が閾値を超える領域である。
【0139】
平坦部分として抽出された領域において、値が「１」であり、他の部分と繋がって値「１」が連続している部分は、基本的に同じ高さを有するはずである。ところが、走査位置（ｘ＝０，ｙ＝２）や、走査位置（ｘ＝９，ｙ＝４）は、値が「１」である他の部分と繋がっておらず、独立している。これらの走査位置については、高さを揃える他の部分が存在しない。そこで、信号処理装置４８は、独立した走査位置をフィルタリングによって除去する。除去された走査位置には値「０」が割り当てられる。
【0140】
（ラベリング処理）
次に、信号処理装置４８は、値「１」の部分が連続する領域を１つのグループとして定めて、ラベリング処理を実行する。つまり、信号処理装置４８は、値「１」の部分が連続する領域を１つのグループとして定め、各グループに異なるラベルを割り当てる。このラベリング処理として、公知のラベリング処理を用いることができる。
次に、信号処理装置４８は、値「１」の部分が連続する領域を１つのグループとして定めて、ラベリング処理を実行する。つまり、信号処理装置４８は、値「１」の部分が連続する領域を１つのグループとして定め、各グループに異なるラベルを割り当てる。このラベリング処理として、公知のラベリング処理を用いることができる。
【0141】
例えば、信号処理装置４８は、図２７に示されている抽出結果に対してフィルタリングを実行し、フィルタリングが行われた抽出結果に対してラベリング処理を実行する。図２８には、ラベリング処理の結果が示されている。図２８に示す例では、あるグループにラベル「１」が割り当てられており、他のグループにラベル「２」が割り当てられている。このように、平坦部分が連続する領域毎にグループ化が行われ、各グループにラベルが割り当てられる。なお、信号差ＩＳ（ｘ，ｙ）の絶対値が閾値を超える領域（図２７中の値が「０」の領域）には、ラベル「０」が割り当てられている。以下では、ラベル「１」が割り当てられたグループを「グループ１」と称し、ラベル「２」が割り当てられたグループを「グループ２」と称することとする。
【0142】
（高さ補正処理）
以下、グループ毎に高さを揃える処理について説明する。
以下、グループ毎に高さを揃える処理について説明する。
【0143】
図２９には、図２５と同様に、各走査位置（ｘ，ｙ）の高さが示されている。信号処理装置４８は、グループ毎に高さの平均値を算出する。具体的には、信号処理装置４８は、ラベル「１」が割り当てられたグループ１に属する各走査位置（ｘ，ｙ）の高さを抽出し、グループ１の高さの平均値を算出する。同様に、信号処理装置４８は、ラベル「２」が割り当てられたグループ２に属する各走査位置（ｘ，ｙ）の高さを抽出し、グループ２の高さの平均値を算出する。
【0144】
グループ１の高さの平均値Ｚｍ１は、約１４．８６である。グループ２の高さの平均値Ｚｍ２は、約２９．２２である。
【0145】
信号処理装置４８は、高さの平均値を用いて、ｙ＝０，１，・・・の各行を対象として、高さを補正する。
【0146】
まず、信号処理装置４８は、ｙ＝０の行を対象として、グループ１に属する走査位置（ｘ，ｙ）群を抽出し、その抽出された走査位置（ｘ，ｙ）群に含まれる各走査位置（ｘ，ｙ）の高さに基づいて、その走査位置（ｘ，ｙ）群の高さの平均値Ｚｍ１ｙ０を算出する。
【0147】
次に、信号処理装置４８は、ｙ＝０の行の平均値Ｚｍ１ｙ０がグループ１全体の高さの平均値Ｚｍ１と同じ値になるように、グループ１中のｙ＝０の行に属する各走査位置（ｘ，ｙ）の高さを補正する。具体的には、信号処理装置４８は、以下の式（１３）に従って、グループ１中のｙ＝０の行に属する各走査位置（ｘ，ｙ）の高さを補正する。Ｚ´（ｘ）は、補正後の高さである。
【数13】
【0148】
信号処理装置４８は、グループ２についても、ｙ＝０の行を対象として同様の処理を実行する。つまり、信号処理装置４８は、グループ２中のｙ＝０の行の高さの平均値がグループ２全体の高さの平均値Ｚｍ２と同じ値になるように、グループ２中のｙ＝０の行に属する各走査位置（ｘ，ｙ）の高さを補正する。
【0149】
【0150】
信号処理装置４８は、ｙ＝１，２，・・・の各行についても、ｙ＝０の行に対する処理と同様の処理を実行する。これにより、グループ１，２のそれぞれにおいて、走査位置（ｘ，ｙ）の高さが補正される。図３１には、補正された高さが示されている。ｙ＝０，１，２，・・・の各行を対象として、グループ１，２のそれぞれの高さが補正されている。つまり、信号処理装置４８は、グループ１に含まれるｙ＝１の行の平均値Ｚｍ１ｙ１がグループ１全体の高さの平均値Ｚｍ１と同じ値になるように、グループ１中のｙ＝１の行に属する各走査位置（ｘ，ｙ）の高さを補正する。ｙ＝２以降の各行についても同様の処理が行われる。グループ２についても同様の処理が行わる。
【0151】
図３１に示すように、同じ平坦部分として抽出された同じグループに属する各走査位置（ｘ，ｙ）の高さが、互いに近い値となっている。つまり、グループ１に属する各走査位置（ｘ，ｙ）の高さは、互いに近い値となっており、グループ２に属する各走査位置（ｘ，ｙ）の高さは、互いに近い値となっている。
【0152】
高さの補正処理によって、平坦部分の高さは揃えられた。以下では、平坦部分以外の部分（主に段差の部分）の高さを補正する処理について説明する。
【0153】
まず、信号処理装置４８は、ｙ＝０の行について、平坦部分として抽出された領域の端に相当する走査位置（ｘ，ｙ）と、平坦部分ではなく画像の端部に相当する走査位置（ｘ，ｙ）とを抽出する。ここでは、ｘ＝０，３，７，１２のそれぞれの走査位置（ｘ，ｙ）が抽出される。なお、図３２には、各行について抽出された走査位置（ｘ，ｙ）が、破線の円で囲まれている。
【0154】
次に、信号処理装置４８は、抽出した走査位置（ｘ，ｙ）群を対象として、平坦部分以外の部分が間に入るように走査位置（ｘ，ｙ）のペアを生成する。ｙ＝０の行については、走査位置（０，０）と走査位置（３，０）とがペアを構成し、走査位置（７，０）と走査位置（１２，０）とがペアを構成する。ここで、ペアを構成する２つの走査位置（ｘ，ｙ）について、左側の走査位置（ｘ，ｙ）の座標ｘを座標ｘ１と称し、右側の走査位置（ｘ，ｙ）の座標ｘを座標ｘ２と称する。信号処理装置４８は、これらの座標の補正前の高さと補正後の高さとに基づいて、平坦部分以外の部分の高さを補正する。
【0155】
走査位置（０，０）と走査位置（３，０）とによって構成されるペアにおいては、走査位置（０，０）の補正前の高さ（つまり、座標ｘ１＝０における補正前の高さ）は、Ｚ（ｘ１）＝３であり、補正後の高さは、Ｚ´（ｘ１）＝３である。なお、走査位置（０，０）は平坦部分に含まれないため、補正後の高さは、補正前の高さと一致する。また、走査位置（３，０）の補正前の高さ（つまり、座標ｘ＝３における補正前の高さ）は、Ｚ（ｘ２）＝１１であり、補正後の高さは、Ｚ´（ｘ２）＝１５である。信号処理装置４８は、これらの値を用いて、以下に示す式（１４）及び式（１５）に従って、高さを補正するための式に用いられる係数ａ，ｂを算出する。
【数14】
【数15】
【0156】
信号処理装置４８は、係数ａ，ｂを用いて、以下の式（１６）に従って、高さを補正する。
【数16】
【0157】
この補正処理によって、試料２２の表面の凹凸形状が反映された状態で、ステップ（つまり、段差の部分）の傾斜量が補正される。
【0158】
図３３には、ｙ＝０，１，２，・・・の各行について、ｘ＝０からグループ１の端部（つまり、ｘ＝３）までの領域に対する係数ａ，ｂが示されている。図３４には、グループ１の端部（つまり、ｘ＝７）からグループ２の端部（つまり、ｘ＝１２）までの領域に対する係数ａ，ｂが示されている。
【0159】
信号処理装置４８は、ｙ＝０の行を対象として、０＜ｘ＜３の範囲に含まれる各走査位置（ｘ，ｙ）の高さを、ａ＝－１．２２、ｂ＝０を用いて、式（１６）に従って補正し、７＜ｘ＜１２の範囲に含まれる各走査位置（ｘ，ｙ）の高さを、ａ＝０．０２、ｂ＝－３．８０を用いて、式（１６）に従って補正する。信号処理装置４８は、ｙ＝１，２，・・・の各行についても同様の処理を実行する。これにより、平坦部分以外の部分の高さが補正される。図３５には、全走査位置（ｘ，ｙ）の補正後の高さが示されている。
【0160】
【0161】
高さが補正される前の三次元形状（図２６参照）と、高さが補正された後の三次元形状（図３６参照）とを比較すると、半導体ウエハである試料２２の表面のテラス部分が平坦に補正され、ステップ形状が分かり易くなっている。
【0162】
半導体ウエハである試料２２の表面の平坦部分と、検出器４０の検出面とが、厳密に平行になるように、試料２２と検出器４０とを設置することは難しい。そのため、平坦部分について、式（９）によって得られる値が０になるとは限らない。その場合、試料２２の表面の平坦部分について、式（９）によって得られる値が０になるように、信号処理装置４８は、信号量ＩＡ，ＩＢを補正する。
【0163】
例えば、ユーザーが平坦部分を指定し、信号処理装置４８は、その指定された走査位置（ｘ，ｙ）の値を用いて信号量ＩＡ，ＩＢを補正する。
【0164】
まず、信号処理装置４８は、式（９）に従って値ＩＳ（ｘ，ｙ）を算出し、この値ＩＳ（ｘ，ｙ）を用いて画像を生成し、その画像をディスプレイ５０に表示させる。ユーザーは、その画像を参照して、試料２２の表面のステップ形状を確認し、平坦部分に相当する走査位置（ｘｐ，ｙｐ）を指定する。
【0165】
信号処理装置４８は、その走査位置（ｘｐ，ｙｐ）の信号量ＩＡ（ｘｐ，ｙｐ），ＩＢ（ｘｐ，ｙｐ）を用いて、以下の式（１７）及び式（１８）に従って、信号量を補正する。
【数17】
【数18】
【0166】
信号処理装置４８は、補正後の信号量ＩＡ´と信号量ＩＢ´との差分である値ＩＳ´を算出する。これにより、平坦部分について信号差の小さい値が得られる。
【0167】
なお、ユーザーが複数の走査位置（ｘ，ｙ）を指定し、信号処理装置４８は、当該複数の走査位置（ｘ，ｙ）の信号量ＩＡの平均値と、当該複数の走査位置（ｘ，ｙ）の信号量ＩＢの平均値を算出してもよい。この場合、式（１７）及び式（１８）中の信号量ＩＡ（ｘｐ，ｙｐ），ＩＢ（ｘｐ，ｙｐ）として、その算出された平均値が用いられる。
【0168】
上述した第１実施形態によれば、試料２２を回転させながら電子線を試料２２に照射し、２分割された検出器４０（検出器４０ａ，４０ｂ）によって、試料２２から放出された反射電子を検出し、検出器４０ａによって検出された反射電子の信号量と検出器４０ｂによって検出された反射電子の信号量との差を算出し、その差を評価することで、ステップが強調された画像が得られる、試料２２の回転角度を特定することができる。試料２２の回転角度をその回転角度に設定して反射電子を検出することで、ステップが強調された画像が得られる。
【0169】
また、得られた信号量の差に基づいて、試料２２の表面の高さを算出し、ラベリング処理と平坦部分の抽出とを含む高さ補正処理を実行することで、試料２２の表面の高さを補正することができる（図３６参照）。
【0170】
また、電子線のエネルギー、試料２２に印加されるバイアス電圧、及び、試料２２と検出器４０との間の距離に基づいて、検出器４０によって検出可能な反射電子の放出角度の範囲が算出され、その範囲をユーザーに提示することができる。
【0171】
また、ユーザーが、電子線のエネルギー、試料２２に印加されるバイアス電圧、及び、試料２２と検出器４０との間の距離の中の２つのパラメータを選択すれば、その放出角度の範囲内の角度で試料２２から放出された反射電子を検出するための残りのパラメータが自動的に算出される。それ故、ユーザーが、全てのパラメータを手動で設定する必要がない。
【0172】
＜第２実施形態＞
以下、第２実施形態に係る走査型電子顕微鏡について説明する。第２実施形態では、２分割された検出器４０の代わりに、４分割された検出器５２が用いられる。
以下、第２実施形態に係る走査型電子顕微鏡について説明する。第２実施形態では、２分割された検出器４０の代わりに、４分割された検出器５２が用いられる。
【0173】
第１実施形態に係る検出器４０を用いる場合、検出器４０の分割線４４の方向（Ｘ方向）と、試料２２の表面において階段状の部分が高くなっていく方向（Ｙ方向）との間の関係を調整する必要があり、そのために、試料用のステージを回転させる必要がある。第２実施形態に係る検出器５２を用いることで、検出器５２の分割線の方向と試料２２の表面において階段状の部分が高くなっていく方向（Ｙ方向）との間の関係を調整せずに、つまり、試料用のステージを回転させずに、段差が強調された画像が生成される。
【0174】
【0175】
検出器５２は、中央に貫通孔５２ｅを有する円環状の検出器である。検出器５２の検出面は、互いに直交する分割線５２ｆ，５２ｇによって４つに分割されており、検出器５２は、検出面５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄを有する。分割線５２ｆによって、検出面５２ａ，５２ｂと検出面５２ｃ，５２ｄとが分割され、分割線５２ｇによって、検出面５２ａ，５２ｄと検出面５２ｃ，５２ｂとが分割されている。検出面５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄは、電子線の光軸（つまり、貫通孔５２ｅの中心）を回転軸として回転対称となるように配置されている。例えば、検出器５２の周方向に沿って、検出面５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄの順番で各検出面が配置されており、また、各検出器は、光軸を回転軸として９０°の回転対称の位置に配置されている。なお、各検出面は、物理的に他の検出面から分離していてもよいし、物理的に他の検出面から分離せずに配置されていてもよい。なお、図３７に示す例では、検出面５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄの形状及び大きさは同じである。
【0176】
以下では、検出面５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄのそれぞれによって検出された反射電子の信号量を、信号量Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄと称する。
【0177】
このような検出器５２を用いることで、検出器５２の分割線５２ｆ，５２ｇの方向と試料２２の表面において階段状の部分が高くなっていく方向（Ｙ方向）との間の関係を調整せずに、段差が強調された画像を生成することができる。また、第１実施形態と同様に、試料用のステージを回転させながら反射電子を検出することで、信号量の差が最大となる回転角度に設定してもよい。この場合、２分割の検出器４０と比べて、その回転の角度範囲が狭くなるので、短時間で回転角度を調整することができる。
【0178】
以下、図３８及び図３９を参照して、検出器５２の分割線の方向と試料２２の表面において階段状の部分が高くなっていく方向（Ｙ方向）との間の関係を調整せずに、段差が強調された画像が生成される理由について説明する。図３８及び図３９は、検出器５２と試料２２の一部を示す斜視図である。
【0179】
図３８に示すように、検出器５２の一方の分割線（図３８に示す例では分割線５２ｆ）が延在する方向と、試料２２の表面において階段状の部分が高くなっていく方向（Ｙ方向）とが直交している。換言すると、検出器５２の他方の分割線（図３８に示す例では分割線５２ｇ）と、Ｙ方向とが平行となっている。この場合、信号処理装置４８は、段差２２ａを間にして、検出器５２の検出面の群を、ステップの上段側に配置されている検出面のペアと、ステップの下段側に配置されている検出面のペアとに分け、各ペアの信号量の合計を算出し、上段側のペアの信号量の合計と下段側のペアの信号量の合計との信号差を算出する。そして、その信号差を表す画像が生成されてディスプレイ５０に表示される。
【0180】
図３８に示す例では、上段側に検出面５２ａ，５２ｂが配置されており、検出面５２ａ，５２ｂによって１つのペアが構成される。また、下段側に検出面５２ｃ，５２ｄが配置されており、検出面５２ｃ，５２ｄによって１つのペアが構成される。上段側のペアの信号量の合計は（Ｉａ＋Ｉｂ）であり、下段側のペアの信号量の合計は（Ｉｃ＋Ｉｄ）である。
【0181】
一方、図３９に示すように、検出器５２の分割線５２ｆ，５２ｇが、Ｙ方向と直交せず、また、Ｙ方向と平行にならない場合、信号処理装置４８は、貫通孔５２ｅの中心を回転軸として、互いに１８０°の回転対称の位置に配置されている２つの検出面の信号量を用いて、信号差を算出する。例えば、信号処理装置４８は、検出面５２ｂの信号量Ｉｂと検出面５２ｄの信号量Ｉｄとを用いて信号差を算出する。その信号差を表す画像が生成されてディスプレイ５０に表示される。
【0182】
このように、検出器５２の分割線に対して、階段状の部分が高くなる方向（Ｙ方向）がどのような方向であっても、信号差を算出して、試料２２の表面の三次元形状を算出することができる。
【0183】
図３８に示すように、検出器５２の分割線５２ｆ，５２ｇの一方が延在する方向とＹ方向とを直交させることで、図３９に示されている配置と比べて、反射電子を検出する検出面の面積が２倍になるため、信号のＳＮが向上する。つまり、図３８に示す配置では、信号量の合計（Ｉａ＋Ｉｂ）と信号量の合計（Ｉｃ＋Ｉｄ）を用いて信号差が算出され、図３９に示す配置では、信号量Ｉｂと信号量Ｉｄを用いて信号差が算出される。したがって、図３８に示す配置によれば、図３９に示す配置と比べて、２倍の信号量を用いて信号差を算出することができる。
【0184】
（段差の強調表示）
４分割された検出器５２を用いた場合であっても、段差２２ａを強調して表示することができる。例えば、信号量Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄの中の最大値をＳｍａｘと称し、それらの中の最小値をＳｍｉｎと称することとする。信号処理装置４８は、各走査位置（ｘ，ｙ）にてＳｍａｘとＳｍｉｎを算出し、これらの差Ｉｓ（ｘ，ｙ）を算出し、その差Ｉｓ（ｘ，ｙ）を表す画像を生成する。これにより、段差２２ａが鮮明に表された画像が得られる。
４分割された検出器５２を用いた場合であっても、段差２２ａを強調して表示することができる。例えば、信号量Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄの中の最大値をＳｍａｘと称し、それらの中の最小値をＳｍｉｎと称することとする。信号処理装置４８は、各走査位置（ｘ，ｙ）にてＳｍａｘとＳｍｉｎを算出し、これらの差Ｉｓ（ｘ，ｙ）を算出し、その差Ｉｓ（ｘ，ｙ）を表す画像を生成する。これにより、段差２２ａが鮮明に表された画像が得られる。
【0185】
以下に示す式（１９）はＳｍａｘの定義を示しており、式（２０）はＳｍｉｎの定義を示しており、式（２１）は、差Ｉｓ（ｘ，ｙ）の定義を示している。
【数19】
【数20】
【数21】
【0186】
式（２１）以外の式が用いられてもよい。例えば、信号処理装置４８は、以下の式（２２）及び式（２３）を用いて信号差を算出し、その信号差を表す画像を生成する。
【数22】
【数23】
【0187】
例えば、信号処理装置４８は、Ｓ１（ｘ，ｙ）及びＳ２（ｘ，ｙ）のうち値の大きい方を用いて画像を生成する。
【0188】
（三次元再構築）
信号処理装置４８は、例えば、信号量の合計（Ｉａ＋Ｉｂ）と信号量の合計（Ｉｃ＋Ｉｄ）との組み合わせ１、又は、信号量の合計（Ｉａ＋Ｉｄ）と信号量の合計（Ｉｂ＋Ｉｃ）との組み合わせ２を用いて、実施例１と同様の三次元形状を再構築することができる。
信号処理装置４８は、例えば、信号量の合計（Ｉａ＋Ｉｂ）と信号量の合計（Ｉｃ＋Ｉｄ）との組み合わせ１、又は、信号量の合計（Ｉａ＋Ｉｄ）と信号量の合計（Ｉｂ＋Ｉｃ）との組み合わせ２を用いて、実施例１と同様の三次元形状を再構築することができる。
【0189】
組み合わせ１を用いる場合、信号処理装置４８は、（Ｉａ＋Ｉｂ）を式（１１）中のＩＡとして用い、（Ｉｃ＋Ｉｄ）を式（１１）中のＩＢとして用いて、ＩＳを算出し、そのＩＳを表す画像を生成する。これにより、試料２２の表面の三次元形状を表す画像が得られる。
【0190】
組み合わせ２を用いる場合、信号処理装置４８は、（Ｉａ＋Ｉｄ）を式（１１）中のＩＡとして用い、（Ｉｂ＋Ｉｃ）を式（１１）中のＩＢとして用いて、ＩＳを算出し、そのＩＳを表す画像を生成する。これにより、試料２２の表面の三次元形状を表す画像が得られる。
【0191】
別の例として、信号処理装置４８は、貫通孔５２ｅの中心を回転軸として互いに１８０°の回転対称の位置に配置されている検出面のペアの信号量を用いて、ＩＳを算出してもよい。
【0192】
信号量Ｉａと信号量Ｉｃとの組み合わせを用いる場合、信号処理装置４８は、信号量Ｉａを式（１１）中のＩＡとして用い、信号量Ｉｃを式（１１）中のＩＢとして用いて、ＩＳを算出し、そのＩＳを表す画像を生成する。これにより、試料２２の表面の三次元形状を表す画像が得られる。
【0193】
信号量Ｉｂと信号量Ｉｄとの組み合わせを用いる場合、信号処理装置４８は、信号量Ｉｂを式（１１）中のＩＡとして用い、信号量Ｉｄを式（１１）中のＩＢとして用いて、ＩＳを算出し、そのＩＳを表す画像を生成する。これにより、試料２２の表面の三次元形状を表す画像が得られる。
【0194】
第１実施形態では、検出器４０の分割線４４が延在する方向とＹ方向との向きの関係によっては、段差２２ａが鮮明に表示されない場合がある。これに対して、図３９を参照して説明したように、４分割された検出器５２を用いることで、検出器５２の分割線が延在する方向に対して階段状の部分が高くなる方向がどのような方向であっても、試料２２の表面の三次元形状を算出することができる。
【0195】
４つの信号量（信号量Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄ）を用いる場合、上述した方法以外の方法によって、信号差を表す画像を生成することができる。
【0196】
例えば、水平方向の信号差Ｉｓｈと垂直方向の信号差Ｉｓｖとを用いて、式（１１）は、以下の式（２４）及び式（２５）で表現される。
【数24】
【数25】
【0197】
また、水平方向の高さＺｈと、垂直方向の高さＺｖは、以下の式（２６）及び式（２７）を用いて計算される。
【数26】
【数27】
【0198】
算出された高さは誤差を含んでいる。高さ補正を行うことで、より正確な高さが得られる。第１実施形態と同様に、信号処理装置４８は、平坦部分を抽出し、その平坦部分の信号量を用いて高さを補正する。
【0199】
例えば、検出器５２の検出面と試料２２の表面とが平行に配置されている場合、平坦部分から得られる信号量Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄは、ほぼ等しい値となる。そのため、信号量Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄの中の最大値と最小値との差分が閾値以下である場合、信号処理装置４８は、その信号量が得られる走査位置は平坦部分であると判断する。
【0200】
検出器５２の検出面と試料２２の表面とが平行でない場合、例えば、ユーザーが平坦部分の走査位置を指定する。信号処理装置４８は、指定された走査位置の信号量Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄと、各走査位置のＩａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄとの差を算出し、そのすべての差が閾値以下である場合、指定された走査位置は平坦部分であると判断する。
【0201】
以上のようにして、平坦部分が抽出される。信号処理装置４８は、第１実施形態と同様にラベリング処理を実行する。また、信号処理装置４８は、ラベルが割り当てられたグループ毎に、高さＺｈ，Ｚｖのそれぞれを補正する。これにより、補正後の高さである高さＺｈ´，Ｚｖ´が得られる。信号処理装置４８は、以下に示す式（２８）に従って高さＺｈ´，Ｚｖ´の平均値を算出する。
【数28】
【0202】
その高さＺは、試料２２の表面の高さである。このようにして、表面の三次元形状が算出される。
【0203】
上述した処理は一例であり、他の三次元再構築処理が実行されてもよい。例えば、半導体ウエハのテラス部分は原子レベルで平坦である。他の三次元再構築処理が用いられる場合であっても、平坦部分を抽出することができれば、その抽出された部分が平坦になるように高さを補正することで、正確なステップ＆テラス構造が得られる。
【0204】
例えば、三次元構築処理に従来から用いられているＰｈｏｔｏｍｅｔｒｉｃ Ｓｔｅｒｅｏ（ＰＳ）法によってステップ形状を取得し、そのステップ形状から平坦部分を抽出し、高さを補正するといった方法が実行されてもよい。
【0205】
第２実施形態では、４分割された検出器５２が用いられるが、３分割された検出器が用いられてもよい。図４０には、３分割された検出器５４が示されている。図４０は、検出器５４と試料２２の一部を示す斜視図である。
【0206】
円環状の検出器５４の検出面は３つに分割されており、これにより、検出器５４は、検出面５４ａ，５４ｂ，５４ｃを有する。検出面５４ａ，５４ｂ，５４ｃは、検出器５４の中央に形成された貫通孔５４ｄの中心（つまり電子線の光軸）を回転軸として、互いに１２０°の回転対称の位置に配置されている。
【0207】
図４０に示す例では、検出面５４ａは、段差２２ａを間にして試料２２の表面の上段側に配置されており、検出面５４ｃは、その表面の下段側に配置されている。この場合、信号処理装置４８は、検出面５４ａの信号量と検出面５４ｃの信号量との差を算出し、その差を表す画像を生成する。これにより、段差２２ａが強調された画像が得られる。
【0208】
つまり、信号処理装置４８は、検出面５４ａ，５４ｂ，５４ｃの中から２つの検出面を選択し、当該２つの検出面の信号量の差を算出し、その差を表す画像を生成する。例えば、信号処理装置４８は、その差が最大となる２つの検出器を選択し、その差を表す画像を生成する。こうすることで、検出器５４の分割線が延在する方向と、試料２２の表面の階段状の形状が高くなる方向との関係に関わらず、段差２２ａが強調された画像が生成される。
【0209】
（段差の表示態様）
第１実施形態及び第２実施形態において、信号処理装置４８は、試料２２の表面の高さを色で表現し、ＳＥＭ像において高さ毎に色を変えてもよい。つまり、信号処理装置４８は、ＳＥＭ像において同じ高さの部分を同じ色で表現し、高さに応じて色を変える。別の例として、信号処理装置４８は、ＳＥＭ像ではなく、各走査位置（ｘ，ｙ）の高さを色で表現した二次元画像を生成してもよい。
第１実施形態及び第２実施形態において、信号処理装置４８は、試料２２の表面の高さを色で表現し、ＳＥＭ像において高さ毎に色を変えてもよい。つまり、信号処理装置４８は、ＳＥＭ像において同じ高さの部分を同じ色で表現し、高さに応じて色を変える。別の例として、信号処理装置４８は、ＳＥＭ像ではなく、各走査位置（ｘ，ｙ）の高さを色で表現した二次元画像を生成してもよい。
【0210】
別の例として、信号処理装置４８は、段差が強調された画像において、同一のテラス部分を同じ色で表現し、テラス部分毎に色を変えてもよい。例えば、低いテラス部分から高いテラス部分まで連続して色が変わるカラースケールが用いられ、信号処理装置４８は、そのカラースケールに従って、段差が強調された画像において、各テラス部分を着色する。信号処理装置４８は、段差が強調された画像からその段差の境界を抽出し、その境界を着色してもよい。
【0211】
第１実施形態によって生成された段差の境界線は、実際の境界線よりも太く表示される。これは、一次電子が試料２２で散乱して広がったことに起因する。信号処理装置４８は、ＳＥＭ像に表されている段差の境界線に対して垂直方向に信号量の分布を求め、信号量が最大となる走査位置を、実際の段差の位置として特定してもよい。また、信号処理装置４８は、その特定した位置を描画してもよい。これにより、実際の段差の位置が反映された画像が生成されて、ディスプレイ５０に表示される。
【0212】
信号処理装置４８は、電子の散乱領域から点広がり関数（ＰＳＦ）を推定し、段差が強調された画像に対して逆畳み込み積分を実行することで、実際の段差の位置を算出してもよい。
【0213】
また、信号処理装置４８は、半導体ウエハの三次元構造から、当該半導体ウエハの品質の指標となる表面粗さを算出してもよい。例えば、信号処理装置４８は、算術平均高さ等の粗さパラメータを算出し、そのパラメータをディスプレイ５０に表示させてもよい。
【0214】
信号処理装置４８は、段差の間隔に基づいて表面粗さを評価してもよい。例えば、信号処理装置４８は、段差を基準としてテラスの垂直方向の長さを算出し、各テラスの長さやばらつきや平均を算出し、これらの値をディスプレイ５０に表示させてもよい。
【0215】
＜第３実施形態＞
以下、第３実施形態について説明する。第３実施形態では、信号処理装置４８は、試料の表面の形状に基づいて、試料の表面の欠陥を抽出する。
以下、第３実施形態について説明する。第３実施形態では、信号処理装置４８は、試料の表面の形状に基づいて、試料の表面の欠陥を抽出する。
【0216】
上述したように、第１実施形態及び第２実施形態にて観察される段差は、結晶格子に相当する段差である。欠陥がない状態で結晶格子が並んでいる状態では、段差は途切れることがない。しかし、実際の試料を表す画像においては、段差を表す線が途切れていることがある。これは、らせん転位等の結晶格子の歪みに起因する。したがって、段差が途切れている箇所を特定することで、らせん転位が発生している位置を特定することができる。
【0217】
例えば、信号処理装置４８は、信号量の差に基づいて生成された画像に対して特徴を抽出する画像処理を適用することで、段差が途切れている部分を特定することができる。例えば、コーナー検出法を用いることができる。
【0218】
【0219】
画像５６は、段差が強調された画像である。画像５６中の白い領域がテラス（つまり平坦部分）を表しており、黒い領域がステップ（つまり段差）を表している。
【0220】
画像５８は、画像５６に対してガウシアンフィルター等を用いたノイズ除去処理を行い、二値化処理を行うことで生成された画像である。これらの処理によって、ステップとそれ以外の部分とが明確に分けて表示される。ノイズ除去処理と二値化処理は、例えば、信号処理装置４８によって実行される。
【0221】
画像５８に対して一般的なコーナー検出法を適用した場合、白い領域の角と黒い領域の角の両方が検出される。ここではステップ（つまり段差）の途切れを検出することを目的としているため、信号処理装置４８は、ステップのコーナー（つまり、黒い領域のコーナー）のみを抽出する。信号処理装置４８は、得られた二値化像である画像５８に対してコーナー抽出を適用することで、ステップに相当するコーナーを抽出する。これにより、ステップが途切れている部分が抽出され、らせん転位の位置が特定される。例えば、画像６０において符号６２が指し示す部分が、らせん転位の位置として特定される。
【0222】
（バーガースベクトルの表示）
上述した第１実施形態又は第２実施形態によって高さが補正された三次元形状（例えば図３６に示されている三次元形状）に基づいてステップの三次元構造を特定することができる。信号処理装置４８は、ステップの三次元構造に基づいて、らせん転位の巻き方向（右巻き又は左巻き）を特定してもよい。また、ステップの高さから転位の高さを特定することができる。信号処理装置４８は、ステップの高さから転位の高さを特定し、バーガースベクトルを算出してもよい。
上述した第１実施形態又は第２実施形態によって高さが補正された三次元形状（例えば図３６に示されている三次元形状）に基づいてステップの三次元構造を特定することができる。信号処理装置４８は、ステップの三次元構造に基づいて、らせん転位の巻き方向（右巻き又は左巻き）を特定してもよい。また、ステップの高さから転位の高さを特定することができる。信号処理装置４８は、ステップの高さから転位の高さを特定し、バーガースベクトルを算出してもよい。
【0223】
例えば、信号処理装置４８は、ステップが強調された画像（例えば画像５６）から欠陥を抽出し、転位のバーガースベクトルを算出し、その大きさと向きを画像（例えば画像５６）上で表現してもよい。例えば、信号処理装置４８は、右巻きのらせん転位を赤色で表現し、左巻きのらせん転位を青色で表現する。
【0224】
図４２は、着色された画像６４が示されている。符号６４ａは、左巻きのらせん転位を指し示しており、符号６４ａが指し示している部分は、青色で表現されている。符号６４ｂは、右巻きのらせん転位を指し示しており、符号６４ｂが指し示している部分は、赤色で表現されている。信号処理装置４８は、画像６４上において、符号６４ａが指し示す部分に青色のマーカーを重ねて表示し、符号６４ｂが指し示す部分に赤色のマーカーを重ねて表示してもよい。
【0225】
また、結晶の歪みはステップの形状に反映されるので、信号処理装置４８は、三次元形状から欠陥の種類を特定してもよい。信号処理装置４８は、ステップが強調された画像を解析することで、歪みの種類や量を評価してもよい。
【0226】
信号処理装置４８は、機械学習やディープラーニング等の手法を用いることで、欠陥の位置や種類や量を特定してもよい。例えば、ステップが強調された画像から予め人によって目視で欠陥が抽出され、その抽出結果がコンピューターによって学習され、欠陥を抽出するモデルが作成されてもよい。信号処理装置４８は、そのモデルを用いて、三次元形状から欠陥の位置や単位面積当たりの数を検出してもよい。信号量Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄがコンピューターによって学習されて、欠陥の位置を抽出するモデルが作成されてもよい。
【0227】
ところで、電子線の加速電圧を変えて、一次電子の入射エネルギーを高くすると、電子が試料に深く入射するため、表面の構造は見え難くなる。一方で、結晶欠陥が存在する部分で電子の散乱条件が変わるので、表面構造からは分からない欠陥の状態を観察することができる。しかし、通常のＳＥＭ像からでは、試料内部に存在する欠陥から得られる信号差が検出されない可能性がある。
【0228】
そこで、第３実施形態によって欠陥の位置を確認した上で加速電圧を変えて、欠陥の付近に電子線を照射し、時間をかけて信号を解析することで、深さ方向に対する欠陥の状態を検出することができる。例えば、欠陥に対して、ある方向で反射電子の信号が多くなり、他の方向で反射電子の信号が少なくなるという現象が生じる。信号処理装置４８は、この信号変化に基づいて、試料の深さ方向に対して欠陥が延びている方向や、歪みの種類を特定する。
【0229】
試料の深い位置での欠陥による信号変化は、通常のＳＥＭ像からでは検出され難いが、第３実施形態によれば、ステップの三次元形状から転位の位置を特定することができる。そのため、歪みによる信号変化が少なくても、転位位置での信号取得の時間を長くすることで、低ノイズで信号変化を検出することができる。その結果、歪みの詳細な解析が可能となる。
【0230】
以下、抽出された欠陥の量をユーザーに提示する方法について説明する。
【0231】
例えば、信号処理装置４８は、ステップが強調された画像（例えば画像５６）上にて、欠陥の位置を点やマーカーによって示す。また、信号処理装置４８は、欠陥の種類に応じて、欠陥を表す色を変えてもよい。例えば、信号処理装置４８は、らせん転位を赤色で表現し、刃状転位を青色で表現し、ボイド欠陥を緑色で表現する。
【0232】
また、信号処理装置４８は、単位面積当たりの欠陥の数を算出し、その値をディスプレイ５０に表示させてもよい。
【0233】
また、信号処理装置４８は、ステップが強調された画像を複数の領域に分割し、領域毎に欠陥密度を算出してもよい。信号処理装置４８は、当該画像において、欠陥密度の高さに応じて領域の色を変えてもよい。例えば、信号処理装置４８は、当該画像において、欠陥密度の高い領域を赤色で表現し、欠陥密度の低い領域を青色で表現してもよい。信号処理装置４８は、より細かく欠陥密度の範囲を設定して、各領域に色を付けてもよい。
【0234】
図４３には、欠陥密度に応じた色が付された画像６６が示されている。画像６６は、信号差に基づいて生成された画像であってもよいし、ステップが強調された画像であってもよいし、電子線の走査位置（ｘ，ｙ）をマッピングすることで生成された画像であってもよい。
【0235】
符号６６ａが指し示す領域は、青色で表現されている。符号６６ｂが指し示す領域は、黄色で表現されている。符号６６ｃは、赤色で表現されている。例えば、符号６６ａが指し示す領域は、欠陥密度が第１閾値以上の領域である。符号６６ｂが指し示す領域は、欠陥密度が第１閾値未満、かつ、第２閾値以上（第２閾値は第１閾値より小さい値）の領域である。符号６６ｃが指し示す領域は、欠陥密度が第２閾値未満の領域である。
【0236】
例えば、画像６６は、ディスプレイ５０に表示される。ユーザーは、画像６６を参照することで、試料の各領域の欠陥密度を把握することができる。
【0237】
例えば、欠陥密度の高い領域には欠陥の影響を受け難い素子を形成し、欠陥密度の低い領域には欠陥の影響を受けやすい素子を形成する等といった処理を行うことができる。また、欠陥が発生し易い領域を検出し、その検出結果に基づいて、欠陥が発生した原因を解析したり、その検出結果を参考にして半導体ウエハの製造プロセスを見直したりしてもよい。
【0238】
＜第４実施形態＞
以下、第４実施形態について説明する。第４実施形態では、第３実施形態にて特定された欠陥の位置を示す情報が、他の分析装置に用いられる。
以下、第４実施形態について説明する。第４実施形態では、第３実施形態にて特定された欠陥の位置を示す情報が、他の分析装置に用いられる。
【0239】
例えば、欠陥の位置情報が、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）に送られる。集束イオンビーム装置は、その位置情報が示す欠陥を含む部分を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）用の試料として加工する。その加工後の試料が、透過型電子顕微鏡によって観察される。
【0240】
例えば、信号処理装置４８は、半導体ウエハ上にて目印となる基準点を定め、その基準点に対する欠陥の方向を示す情報、及び、その基準点から欠陥までの距離を示す情報等を、欠陥の位置情報に含めて出力する。なお、欠陥の方向や距離は、信号処理装置４８以外の装置によって特定されてもよい。その位置情報は、他の欠陥解析方法に用いられる。これにより、欠陥解析方法を実行した場合に、欠陥の位置を容易に特定して、欠陥を解析することができる。その結果、解析時間を短縮することができる。
【0241】
（欠陥の位置情報の出力）
以下、欠陥の位置情報について更に詳しく説明する。
以下、欠陥の位置情報について更に詳しく説明する。
【0242】
まず、試料である半導体ウエハの表面に目印となる基準点が配置される。半導体ウエハが特徴的な形状を有している場合において、その特徴箇所から欠陥の位置を特定することができる場合、その特徴箇所が基準点として定められてもよい。目印は、例えば、半導体ウエハの表面に形成された傷、顔料によって形成されたマーク、又は、表面に固定された粒子等である。目印はこれらに限られず、装置間で位置を共有できる目印であればよい。
【0243】
例えば、目印が１つの丸いマークである場合、装置間で目印の位置を共有することができるが、その目印の位置を基準とした方向が一意に定まらず、装置間で欠陥の位置を共有することができない。これに対処するために、例えばＬ字等の形状を有するマークを目印として用いることで、目印を基準とした方向が定まり、装置間で欠陥の位置を共有することができる。このような目印であっても、目印から離れた欠陥ほど、方向の誤差が大きくなる。そこで、互いに離れた複数の目印を設けることが好ましい。なお、通常は、目印を付ける段階では欠陥の詳細な位置が分からないため、任意の位置に目印を付してもよい。
【0244】
目印が付された試料２２が、走査型電子顕微鏡１０に設置され、その目印が付された位置を含む領域が走査型電子顕微鏡１０によって撮影される。これにより、目印の位置がＳＥＭ像によって確認される。
【0245】
次に、第１実施形態又は第２実施形態が適用されることで、高さが補正された三次元形状が算出され、第３実施形態が適用されることで、欠陥の位置が特定される。信号処理装置４８は、各欠陥の位置を特定し、目印から欠陥位置までの方向と長さを算出し、その方向を示す情報と長さを示す情報とを含む、欠陥の位置情報を出力する。
【0246】
欠陥の位置情報は、例えば、欠陥解析装置に出力されて欠陥解析装置によって共有される。欠陥解析装置は、欠陥の位置情報に基づいて、目印の位置を基準として各欠陥の位置を算出し、各欠陥を解析する。このように、走査型電子顕微鏡１０によって得られた情報が、他の装置によって共有されて、欠陥の解析等に用いられる。
【0247】
以下、第４実施形態の具体例について説明する。一例として、欠陥の位置が特定され、その欠陥を含む部分が集束イオンビーム装置によって加工されることで薄片が作製され、その薄片が透過型電子顕微鏡によって観察されるものとする。
【0248】
まず、試料２２の表面上の適当な位置に目印が付けられる。別の方法として、第３実施形態によって取得した三次元形状から欠陥の位置を特定し、その中から解析対象の欠陥を選び、その付近に目印が付されてもよい。図４４には、目印の一例が示されている。目印６８は、形状の異なる複数の目印部分によって構成される。各目印部分を基準とした方向が一意に定まるため、目印６８を用いることで、欠陥の位置の把握が容易となる。
【0249】
目印が付された試料２２は、走査型電子顕微鏡１０に設置され、走査型電子顕微鏡１０によって撮影される。例えば、ユーザーは、得られたＳＥＭ像を確認しながら、目印６８がＳＥＭ像に表されるように、試料２２の位置等を調整する。
【0250】
次に、第１実施形態又は第２実施形態を適用することで、試料２２の表面のステップ強調像や三次元形状が算出され、ステップの形状（つまり段差の形状）が算出される。図４５には、そのステップ形状を表す画像７０が示されている。例えば、画像７０は、ステップが強調された画像である。画像７０には、目印６８が表されている。
【0251】
信号処理装置４８は、得られたステップの形状から欠陥の位置を特定する。図４６には、欠陥が示されている。符号７２は、欠陥を指し示している。解析対象の欠陥が特定されている場合、その欠陥とその近くの目印部分とが視野に入るように、観察倍率を上げて撮像してもよい。また、この後のＦＩＢ加工時に欠陥位置が求められるように、目印部分を基準とした欠陥の方向と距離とが記録されてもよい。これにより、目印部分と欠陥との位置関係が取得される。
【0252】
次に、試料２２が集束イオンビーム装置に設置され、目印６８が観察される。ＳＥＭ像に表されている目印６８と欠陥（符号７２が指し示す部分）が、集束イオンビーム装置によって得られたＳＩＭ（Scanning Ion Microscope）像に重ねられる。これにより、欠陥の位置をＳＩＭ像上で把握することができる。図４７には、ＳＩＭ像７４の一例が示されている。ＳＩＭ像７４には、目印６８と欠陥（符号７２が指し示す部分）が表されている。
【0253】
走査型電子顕微鏡と集束イオンビーム装置とでは光学系が異なるので、歪曲収差等の像の歪みが異なっている。その場合、目印部分間の相対的な位置ずれに基づいて歪曲収差等の歪み量が計算され、その計算結果に基づいて歪みが補正されてもよい。
【0254】
また、目印部分を基準として欠陥の方向と距離が記録されている場合、目印部分の向きと大きさに基づいて欠陥の位置を判断してもよい。
【0255】
以上のようにして求められた各欠陥位置を含む部分を、透過型電子顕微鏡用の試料として加工する。これにより、透過型電子顕微鏡用の試料が作製される。
【0256】
半導体ウエハの欠陥は、その半導体ウエハによって製造されるデバイスの性能を左右する。そのため、半導体ウエハの欠陥の種類を特定し、欠陥が発生した理由を解析することは、より性能の良いデバイスを開発するために有効である。以下では、第３実施形態を適用することで欠陥の位置を特定し、集束イオンビーム装置によって試料を加工することで薄片を作製し、透過型電子顕微鏡によって欠陥を解析する手順について説明する。
【0257】
半導体ウエハの欠陥を詳細に解析するためには、試料の欠陥を含む部分を薄片化し、その薄片を透過型電子顕微鏡によって観察する必要がある。試料の薄片化には集束イオンビーム装置が用いられるが、集束イオンビーム装置によって生成されるＳＩＭ像では、ステップの形状や欠陥の位置を把握することが困難である。一方、第３実施形態を適用することで、欠陥の位置を把握することができる。
【0258】
（カソードルミネッセンス法（ＣＬ法）を用いた欠陥の分析）
分析装置や加工装置が、走査型電子顕微鏡１０に取り付けられてもよい。これにより、ＳＥＭ像を観察しながら試料を分析したり、ＳＥＭ像の観察後に試料を装置から取り出さずに試料を分析したりすることができる。つまり、走査型電子顕微鏡１０が有する座標系と同じ座標系の下で、分析や加工を行うことができ、目印を用いて座標系を合わせる必要がない。以下、ＣＬ法を例に挙げて具体的な構成について説明する。
分析装置や加工装置が、走査型電子顕微鏡１０に取り付けられてもよい。これにより、ＳＥＭ像を観察しながら試料を分析したり、ＳＥＭ像の観察後に試料を装置から取り出さずに試料を分析したりすることができる。つまり、走査型電子顕微鏡１０が有する座標系と同じ座標系の下で、分析や加工を行うことができ、目印を用いて座標系を合わせる必要がない。以下、ＣＬ法を例に挙げて具体的な構成について説明する。
【0259】
ＣＬ法は、走査型電子顕微鏡を用いて、電子線の照射による試料の発光を検出する方法である。例えば、解析の対象が半導体ウエハの欠陥である場合、転位の状態（例えば貫通転位）も分析することができる。ＣＬ法を実現する装置と走査型電子顕微鏡１０とを組み合わせることで、欠陥の位置の特定と欠陥の分析とを、１台の装置によって実現することができる。
【0260】
図４８には、ＣＬ法を実現する装置と走査型電子顕微鏡とが組み合わされた装置１０Ａが示されている。装置１０Ａには、第１実施形態に係る検出器４０が用いられている。検出器４０の代わりに、第２実施形態に係る検出器５２が用いられてもよい。
【0261】
装置１０Ａは、更に、ＣＬを取得するための集光ミラー７６と、ＣＬ法によって分析を行う分析器７８とを含む。矢印８０が示すように、集光ミラー７６と検出器４０は、切り替えて使用される。例えば、制御装置５１の制御の下、集光ミラー７６と検出器４０が切り替えられて、集光ミラー７６又は検出器４０のいずれか一方が、電子線の光軸上に配置される。
【0262】
試料２２の表面の欠陥の位置を特定する場合には、検出器４０が、電子線の光軸上に配置され、第３実施形態が適用されることで、ステップの形状が取得されて欠陥の位置が特定される。次に、集光ミラー７６が電子線の光軸上に配置され、欠陥に電子線が照射され、分析器７８によって、ＣＬ光が分析される。通常は電子線を試料２２上の全面で走査させながらＣＬ光を分析するが、この方法では欠陥付近だけを選択して電子線を照射してＣＬ光を分析することで、短時間で欠陥を解析することができる。
【0263】
図４９には、別の装置１０Ｂが示されている。装置１０Ｂにおいては、検出器４０と集光ミラー７６が、電子線の光軸上に配置されている。例えば、試料２２を囲むように検出器４０が配置され、その検出器４０よりも上方に集光ミラー７６が配置されている。図４９には示されていないが、装置１０Ｂは、分析器７８を含む。
【0264】
装置１０Ｂによれば、検出器４０と集光ミラー７６とを切り替えずに、ＳＥＭ像とＣＬ光とを取得することができる。これにより、ステップの形状を取得しながら、ＣＬ法によって転位の状態を分析することができる。
【0265】
なお、装置１０Ｂでは、試料２２にバイアス電圧を印加すると、電子が検出器４０に入射し難くなるため、バイアス電圧は試料２２に印加されない。その代わりに、低エネルギー電子の検出が可能な検出器が、検出器４０として用いられる。別の例として、検出器４０の両極にプラスの電圧を印加することで電子を加速させて検出器４０に入射させる機構が用いられてもよい。
【0266】
更に別の例として、電子線源とイオンビーム源の両方を有する集束イオンビーム装置に、検出器４０又は検出器５２が設置されて、欠陥位置の確認から欠陥を含む部分の薄片試料の作製までの工程が、１台の装置によって実現されてもよい。
【0267】
また、電子線の光学系を用いて目印と欠陥の位置を特定したときに、抽出された欠陥群の中の解析対象の欠陥を含む部分が、自動的に薄片化されてもよい。
【符号の説明】
【0268】
１０ 走査型電子顕微鏡、２２ 試料、４０，４０ａ，４０ｂ，５２，５４ 検出器、４８ 信号処理装置、５１ 制御装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】
【図40】
【図41】
【図42】
【図43】
【図44】
【図45】
【図46】
【図47】
【図48】
【図49】
