JPS626112A - 表面形状測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、走査型電子顕微鏡を用い試料からの反射電子
を検出して微細な表面形状を測定する表面形状測定方法
に関するものである。

（従来技術） 切削面、研削面、半導体集積回路等のような微細な表面
形状を有する製品の製品評価においては、微細な平面形
状を正確に測定することが重要な課題となっている。

従来、微細な表面形状を測定する方法として、被測定物
の表面を微小な針で機械的にトレースして表面形状を測
定する触針式測定装置を用いる方法や、光学的に表面形
状を測定する方法がある。

しかし、触針式の測定方法では、検出針の形状等によっ
て影響を受は易く、また測定による触針の痕跡が残って
しまう不都合が生じていた。また、光学的方法では、使
用する光ビームの波長によって分解能が制約を受け、高
い検出精度が得られない欠点があった。

これらの欠点を解消する方法として、電子顕微鏡を用い
て微細な表面形状を測定する方法がある。

この電子顕微鏡を用いて表面形状を測定する方法として
、本願人は特開昭５６−１５０３０３号公報において電
子ビームの走査によって試料から発生する反射電子を検
出し、この反射電子によって形成される画像信号を電子
ビームの走査方向に亘って積分して試料の表面形状を求
める表面形状測定方法を提案している。この従来の測定
方法は、反射電子画像を構成する信号が試料の表面形状
の傾斜に比例することに基き、反射電子によって形成さ
れる画像信号を電子ビームの走査方向に亘って積分する
ことにより試料表面粗さを直′接検出しており、特に半
導体集積回路のような微細な表面形状を高精度に測定で
きる利点がある。

（発明が解決しようとする問題点） 上述した従来の電子顕微鏡を用いる表面形状測定方法は
、試料からの反射電子画像信号を電子ビームの走査方向
に亘って積分して表面形状を求める構成としているため
、試料の表面形状を構成する各傾斜面が電子ビームの走
査方向以外の傾斜成分を含んでいる場合、すなわち傾斜
面が走査方向のみの傾斜面と平行になっていない場合に
は試料の表面形状を正確に検出できなくなる欠点があっ
た。従って、測定すべき試料の表面形状が電子ビームの
走査方向のみの傾斜成分を有している場合には正確に表
面形状を測定できるが、ヴイッカーズ硬さ試験の圧痕を
はじめとして任意の方向に傾斜している面から成る一般
的な試料の表面形状の測定においては正確に形状測定で
きなくなる不都合が生じていた。

従って、本発明の目的は上述した欠点を解消し、任意の
方向に傾斜している面から成る表面形状についても正確
に形状測定できる電子顕微鏡を用いる表面形状測定方法
を提供するものである。

（問題点を解決するための手段） 走査型電子顕微鏡を用いて測定すべき試料に向けて電子
線を投射し、試料からの反射電子を少なくとも４個の検
出器で検出し、これら検出器からの検出出力と、予め標
準試料を用いて求めた反射電子検出出力と法線との関係
とに基いて試料表面の法線を求め、この法線情報に基い
て試料の立体形状を求めることを特徴とする表面形状測
定方法。

（作用） 本発明では、走査型電子顕微鏡の試料台に球面状の標準
試料を載置し、球面状の標準試料面を電子ビームで電子
顕微鏡がその機能とする方向に走査する。そして、標準
試料からの反射電子を４個以上の検出器で検出して標準
試料の各部位における法線方向と各検出器からの反射電
子検出出力との関係を求めメモリに記憶する。次に、測
定すべき試料を同様に電子ビームで走査し、試料からの
反射電子を同様に検出する。そして、検出器からの検出
出力を予め標準試料から求めた法線方向と反射電子検出
出力との関係と比較し、試料表面の各点の法線方向を求
める。次に、試料の各点における法線方向に基いて試料
の表面形状を求め、ＣＲＴ、プロッタ等の表示装置に表
示する。このように構成することにより、任意の傾斜面
から構成される試料の表面形状を正確に求めることがで
きる。

（実施例） 第１図は本発明の走査型電子顕微鏡を用いる表面形状測
定方法を実施するための装置の一実施例の構成を示すも
のであり、第１図Ａは走査型電子顕微鏡本体の構成を一
部を断面として示す線図的斜視図、同図Ｂは試料台近傍
の構成を示す斜視図である。電子銃ｌから放射した電子
ビームを、集束レンズ２により集束してから走査用偏向
コイル３により水平及びこれと直交する垂直方向に偏向
し、対物レンズ４を経て試料台５上に載置した試料６上
に入射させる。試料台５上には測定すべき試料６に近接
して標準法線情報を得るための均一な組成の材料から成
る標準小球７を配置する。試料６及び標準小球７を配置
するに際し、試料６及び標準小球７が電子ビームの視野
内に位置するように調整つまみ８及び９により試料台５
をＸ及びＹ方向に移動して調整する。従って、形状測定
すべき試料６及び標準小球７は、電子ビームによって所
定のピッチで走査され、ビーム走査により試料６及び標
準小球７から二次電子及び反射電子が放出されることに
なる。前述したように本発明では試料からの反射電子を
検出して試料表面の法線情報を求めるものであり、試料
６及び標準小球７からの反射電子を検出するために電子
ビームの光軸を中心にして４個の検出器１０．１１．１
２及び１３を配置する。これら４個の検出器１０．１１
．１２及び１３は、各検知面が試料６と対抗すると共に
、電子ビームの光軸を中心にして９０°の角度をなすよ
うにそれぞれ配置する。尚、４個の検出器１０〜１３の
配置は、電子ビームの走査方向と一致させる必要はなく
、走査方向に対して任意の角度とすることができる。

第２図は試料表面の法線と検出器との関係を示す模式図
である。本例では、試料台上に配置した半球状の標準小
球２０を中心にして、標準小球２０と対向して等間隔で
４個の検出器１０．１１．１２及び１３を配置した例を
示す。試料からの反射電子は、試料表面が平面の場合に
は電子ビームの光軸に対して対称の位置に配置した検出
器にはほぼ等量の反射電子がそれぞれ人射し、試料表面
に凹凸がある場合には各検出器にほぼ相補的な量の反射
電子が入射する特性がある。従って、試料からの反射電
子を３次元的に検出すれば、試料表面の３次元的法線方
向と対応する反射電子出力相を得ることができる。すな
わち、球の表面はあらゆる法線情報を具えているから、
第２図Ａに示すように半球状の標準小球２０に向けて電
子ビームを投射し、電子ビームにより標準小球表面を走
査線方向に走査すると共に垂直方向に繰り返し、標準小
球２０からの反射電子を４個の検出器１０〜１３によっ
て検出すれば、４個の検出器１０〜１３の検出出力によ
ってあらゆる法線情報をも面に対して反射電子による陰
影の情報データとして得ることができる。すなわち、試
料表面の法線情報の３次元的な値を、４個の検出器によ
る反射電子の出力によって表示することができることに
なる。従って、第２図已に示すように標準小球２０から
の反射電子の検出出力と法線との関係を予め求めて基準
とし、次に測定すべき試料の全表面に亘って電子ビーム
で走査し、試料からの反射電子の検出出力を予め求めた
基準の検出出力と法線との関係とに基き比較すれば、測
定すべき試料の全表面の法線情報を求めることができる
。

第３図は本発明による形状測定方法を実施するための制
御回路の一例の構成を示すブロック図である。試料６か
らの反射電子を検出する４個の検出器１０．１１．１２
及び１３からの検出信号を増幅器３０．３１゜３２及び
３３でそれぞれ増幅し、Ａ／Ｄ変換器３４．３５゜３６
及び３７でデジタル信号に変換して中央処理装置３８に
供給する。この中央処理装置３８にはメモリ３９及び表
示装置４０を接続する。電子ビームを駆動するための水
平駆動信号及び垂直駆動信号を発生する走査用電源４１
を設け、倍率変換器４２を介して水平駆動信号及び垂直
駆動信号を偏向コイル３に供給する。水平駆動信号及び
垂直駆動信号はクロック発生回路４３、中央処理装置３
８及び表示装置４０にも供給する。クロック発生回路４
３は水平走査期間内におけるサンプリング用のクロック
信号を生成する回路であり、中央処理装置ではこのサン
プリング用のクロック信号に基いて４個の検出器１１〜
１３から送られてくる反射電子検出出力を順次取り込み
、４個の値から成る反射電子検出信号とする。

従って、中央処理装置では水平駆動信号、垂直駆動信号
及びサンプリング用のクロック信号に基いて走査中の試
料の位置を特定し、各位置毎の反射電子検出信号を形成
することになる。

試料６についてビーム走査を行なう前に、調整つまみ８
及び９を調整して均一組成の材料でできた標準小球７を
試料台の中心に位置させて標準小球７についてビーム走
査を行なう。標準小球７の表面はあらゆる方向の法線を
具えてふり、標準小球７の水平及び垂直走査方向の２次
元で定まる位置毎に表面の法線値を計算によって求める
ことができるから、ビーム走査位置に基いて計算によっ
て求めた法線値と４個の検出器１０〜１３からの検出出
力から成る反射電子検出信号とを対応させ、基準となる
法線値と反射電子検出信号との関係を求めメモリ３９に
記憶する。

次に、調整つまみ８及び９を調整して測定すべき試料６
を試料台の中心に位置させ、試料６についてビーム走査
を行なう、、４個の検出器１０〜１３からの検出出力が
中央処理装置３８に順次取、り込まれ、試料６上の各位
置毎の反射電子検出信号が形成される。次に、この反射
電子検出信号を、メモリ３９に記憶した基準の反射電子
検出信号と比較し、一番近い反射電子検出信号の法線値
を求める。そして、この操作を繰り返すことによって試
料６の全表面に亘る法線値を求め、求めた法線値から試
料の表面形状を求めて表示装置４０に表示する。

次に、上述した方法によって得た法線情報から面を決定
する方法について説明する。

第４図Ａは隣合う９箇の法線情報（矢印１〜９）から、
これを満足する局面の定数を決定する方法によって局面
も決定した概念図である。これに隣合う面については、
周辺の一辺の３点例えば１〜３とこれにつながる６点４
〜９を用いて一辺に接続する面がきめられ、４辺に対応
して４個の面が決められる。この過程をくり返して全面
に及ぼして表面の形状をきめることもできるが、実際に
は測定された法線情報にノイズ分が含まれるために、第
４図すに示される過程を経て平均化の操作を入れ、面を
決定する方法をとっている。

すなわち、第４図Ｂでは、面■を中心にしてその周辺に
４つの面を１、■、■、■を構成しているが、これら４
個の面Ｉ／ＩＶはそれぞれ第４図へに示す方法と同様な
過程により、９個の法線情報を用いて構成されている。

Ｌ　ＩＩの面についてこれらは同じ順番で付番されてお
り、したがって面■の３．４．５．と面■の７，８．１
は同じ法線情報を有している。中心に位置する面■につ
いても同じ順序の付番をすれば、Ｉ−９をＶ−１、■−
４、ＩＦ−８とＶ−２、Ｉ−５とｌｌ−７とＶ−９等々
は、同じ法線情報を有している。このように面１、面■
、面■、面■、及び面■は部分的に同じ法線情報を用い
て面を構成しているが、でき上った面について、同一の
点について求められた各面の変位は一致せず僅かの差を
生じる。いま法線情報Ｖ−９、すなわち、Ｉ−５、ｌｌ
−７、■−１、Ｉ’Ｖ−３については５つの面が重なっ
て求められる。

また、法線情報Ｉ−９、■−１をもって代表される点で
は二つの面、Ｉ−４、Ｉ［−８、Ｖ−２をもって代表さ
れる点では３つの面が重なっている。

これら重なっている点において各法線情報の平均が最小
になるように面■を基準にして他の面を上下方向に調整
して決定するように構成すれば、各面Ｉ、　ＩＩ、■、
■の法線情報だけに基いて決定する方法に比べるよりも
精度のよい面の構成とすることができる。隣合う測定結
果についても同様に、１、■、■、■の面に相当する領
域を一つの単位として面を構成する。単位とする面相互
についても、微小な変位の差が生じるが、この差を最小
にするように一方を基準として他を上下に移動調整し、
相互の関係を最もよくきめることが可能である。これを
全面にくり返して、法線情報をもとにした面形状を求め
ることができる。第５図はこのようにしてヴイッカーズ
圧痕の形状を求めた結果を示し、第５図Ａは各点にふけ
る法線情報を示し、同図Ｂは第５図への法線情報から求
めた立体表示図である。第５図に示すようにヴイフカー
ズ圧痕が正確に求められたとおり、更に圧痕周辺の面の
盛り上がり等も正確に再現されている。

本発明は上述した実施例だけに限定されるものではなく
幾多の変形や変更が可能である。例えば、上述した実施
例では基準法線情報を作成するために試料に近接して標
準小球を配置する構成としたが、予め標準小球について
ビーム走査を行ない、法線と反射電子検出信号との関係
を求めてメモリ装置に記憶しておき、次に試料台に試料
だけを載置して反射電子検出信号を求め、予め記憶しで
ある基準の反射電子検出信号と法線との関係から試料表
面の法線を求めるように構成してもよい。

また、上述した実施例では４個の検出器を用いて４方向
から反射電子を検出する構成としたが、４個に限定され
るものではなく、４個以上の検出器であればよい。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、標準小球を用いて
反射電子検出信号と法線との関係を求めてメモリに記憶
し、測定すべき試料をビーム走査して得られる反射電子
検出信号を上記基準の反射電子検出信号と比較して法線
を求める構成としているから、試料の各点について正確
な法線を得ることができ、従って試料表面が任意の方向
に傾斜している場合であっても試料の表面形状を正確に
求めることができる。

また、本発明では試料表面の法線方向を評価する構成と
しているため、従来方法では困難とされていた平坦な面
の創成も容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による形状測定方法を実施するための走
査型電子顕微鏡の一例の構成を示す線図的斜視図、 第２図は試料表面と法線との関係を示す模式図、第３図
は本発明による形状測定方法を実施するための制御回路
の一例の構成を示すブロック図、第４図は法線情報から
面を決定する方法を説明するための線図、 第５図Ａは本発明により求めたヴイッカーズ圧痕の法線
情報を示す線図、第５図Ｂは立体表示図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、走査型電子顕微鏡を用いて測定すべき試料に向けて
   電子線を投射し、試料からの反射電子を少なくとも４個
   の検出器で検出し、これら検出器からの検出出力と、予
   め標準試料を用いて求めた反射電子検出出力と法線との
   関係とに基いて試料表面の法線を求め、この法線情報に
   基いて試料の立体形状を求めることを特徴とする表面形
   状測定方法。