CN107078011B - 带电粒子束装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够以对试样的较少的带电粒子照射量获得高SN比的带电粒子束装置。带电粒子束装置具备带电粒子检测装置，所述带电粒子检测装置在一个一次电子入射到试样时的放出电子的检测(一个事件)中，检测出模拟脉冲波形信号(110)，将所述模拟脉冲波形信号(110)变换为数字信号(111)，使用与一个电子相当的单位波峰对所述数字信号(111)进行波峰区别(112)，并作为多值计数值而输出。

Description

带电粒子束装置
技术领域
本发明涉及带电粒子束装置和用于处理带电粒子的检测信息的信息处理装置。
背景技术
在扫描电子显微镜(以下简称为SEM(Scanning Electron Microscope))、离子显微镜等带电粒子束装置中，对将电子束、离子束等带电粒子束照射到试样时从试样放出的电子进行检测。
特别地，在细微表面形状的观察、局部的组成分析等试样解析中使用将电子束在试样上扫描来进行拍摄的扫描电子显微镜。在SEM中，利用电子透镜，对通过施加到电子源的电压而被加速的电子束(以下，设为一次电子)进行会聚并向试样照射。会聚后的电子束通过偏转器而在试样上进行扫描。然后，利用检测器来检测因电子束照射而从试样放出的放出电子(二次电子、反射电子)。此外，以一定的周期对通过检测器检测出的放出电子的检测信号进行采样。与扫描信号同步地实施前述放出电子的信号的采样，得到与二维图像的像素对应的提取信号。
提取信号的强度被变换为图像的亮度。来自试样的放出电子量相对于照射电子量的比即放出率(也称为收获量(yield))，因试样表面的形状的不同而不同，因此，提取信号中存在差别，获得反映了形状的对比度。此外，放出率还依赖于试样的组成、表面电位。因此，在SEM像中除了形状以外还体现各种对比度。
与SEM像的空间分辨率相当的识别界限dmin，与一次电子束的束径(直径)dp存在如下关系。
[式1]
dmin＝k·dp (1)
这里，通过下式来给出。
[式2]
这里，CNR(对比噪声比，Contrast-to-Noise Ratio)是对比度-噪声的比，经验上需要为3～5。Np是每一个像素的一次电子的照射(剂量)的量，α是从试样到达检测器的放出电子的信号检测效率，σp是测量对象的放出率，σs是基底的放出率。
因此，如果相对于所给出的一次电子束的束径，剂量的量、以及测定对象与基底的放出率的差较大，则意味着k变小，识别界限变高。因此，在SEM中，以高精度来测量放出电子量是重要的。
近年来，包含有机材料、生物体材料等软质材料的试样、半导体器件等成为SEM的观察对象的事例不断增多。在半导体器件中包含电性上高电阻或绝缘性材料，通过电子束照射会导致试样带电，因此，观察中的图像漂移、形状对比度消失这样的图像障碍会成为问题。此外，对于有机材料，除了带电之外，通过电子束照射会导致试样中产生损坏，试样的形状变化成为课题。因此，加速电压1kV以下的低加速SEM被实用化。此外，在大多物质中，当电子束的照射能量达到200eV至400eV的条件下，放出率变为最大值，因此，如果能够降低一次电子束的像差并缩小束径，则空间分辨率也提高。但是，当在高倍率观察下观察区域变小时，像素尺寸缩小以及对每一个像素照射的电子量增加，因而，在低加速SEM中也存在因电子束照射导致的带电和损坏的影响显著化的课题。因此，一次电子束的低能量化、以及降低每一个像素的电子照射量的观察是必要的，放出电子的高精度检测更加重要。
在SEM中，为了检测放出电子，使用了将闪烁器与光电倍增管组合而得的检测器。当放出电子与闪烁器碰撞时产生光子，该光子通过光波导被引导至光电倍增管，并作为信号电流而被取出。通过放大器将信号电流变换为信号电压。当放出电子电流变小时，来自该光电倍增管的输出成为离散脉冲，因此，通过计数处理来提高S/N比(信噪比，signal-to-noise ratio)和稳定性。专利文献1中公开了基于电子计数法的SEM图像取得方法。然而，在电子计数法中，在检测器的响应时间内进入多个电子的情况下，有时会判定为一个。即，在放出电子电流的数变大的情况下，有时在计数法中会产生漏计数。因此，专利文献2中公开了在检测器的响应时间内进入电子时通过模拟法来进行检测。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平3-20947号公报
专利文献2：日本特开2011-175811号公报
发明内容
发明要解决的课题
在根据放出信号量而分流为电子计数法和模拟法的方法中，电子计数法与模拟法的各自的信号强度计算方法是不同的，此外，在模拟法中包含来自闪烁器的光子数偏差、光电倍增管的暗电流噪声。因此，在图像中混杂了基准不同的提取信号，因此将电子计数法和模拟法的信号强度连续地变换为像素亮度信号、以及放出电子量与像素亮度信号的对应变得复杂。
此外，在电子计数法中，判断一个电子的有无。然而，在低加速条件下放出率变得大于1，因此，即使一次电子电流微小，有时也会通过一个一次电子而放出多个二次电子数，其发生时间差为1皮(pico)秒以下。另一方面，检测器的响应速度在闪烁器的残光时间(若干纳秒左右)中被限速。因此，放出的多个二次电子被判定为一个，其结果，信号量被测定得较低。在电子计数法中，根据每单位时间(例如像素时间)的频率来计算放出信号，因此，存在在低加速条件下图像的动态范围下降的课题。
因此，本发明提供一种能够以较少的电子照射量获得高SN比的带电粒子束装置和信息处理装置。
用于解决课题的手段
本申请的发明人发现，能够针对向试样照射带电粒子束而由试样引起的带电粒子(例如电子)的检测信息进行多值电子计数处理。该详情将在实施例中进行说明，通过波峰区别来进行多值电子计数处理，由此，与现有的电子计数法相比，能够测量更高精度的信号量。
例如，为了解决上述课题，采用请求专利保护的范围中记载的结构。本申请包含多个用于解决上述课题的手段，列举其一例为，提供一种带电粒子束装置，其具备：载物台，其设置试样；带电粒子束光学系统，其向所述试样照射带电粒子束；以及带电粒子检测装置，其检测从所述试样二次地产生的带电粒子，其中，所述带电粒子检测装置具备：光电变换部，其将来自所述试样的所述带电粒子变换为光子，并将所述光子变换为模拟电信号；模拟-数字变换部，其将所述模拟电信号变换为数字信号；以及运算部，其对所述数字信号进行计数处理。所述运算部使用与当一个带电粒子照射到所述试样时产生的一个事件相关的单位峰值，对所述数字信号中的每单位时间的信号进行多值化，并作为多值计数值而输出。
此外，根据另一例，提供一种信息处理装置，其具备：输入部，其将检测向试样照射带电粒子束而由所述试样引起的带电粒子时的检测信息作为电流值或电压值而输入；以及判定部，其进行第一判定，该第一判定是根据通过电流值或电压值而决定的任意的第一阈值和第二阈值，将所述检测信息划分为第一状态、第二状态以及第三状态。
发明效果
根据本发明，能够以较少的电子照射量获得高SN比。
本发明相关的其他特征，根据本说明书的描述以及附图而变得明确。此外，上述之外的其他课题、结构以及效果，通过以下实施例的说明而变得明确。
附图说明
图1是表示第一实施例的带电粒子检测装置的一例的结构图。
图2是表示第一实施例的多值电子计数方法的图。
图3是表示第一实施例的电子计数器中的处理后的信息和运算处理部的处理后的信息的图。
图4是表示GUI的一例的图。
图5是测量结果的一例，是表示平坦部和边缘部的图。
图6是测量结果的一例，是表示平坦部的信号的图。
图7是测量结果的一例，是表示边缘部的信号的图。
图8是表示第二实施例的带电粒子束装置的一例的结构图。
图9是表示测量结果显示部中的GUI的一例的图。
图10是表示测量结果显示部中的GUI的一例的图。
图11是表示第四实施例的带电粒子束装置的一例的结构图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施例。附图示出了遵循本发明的原理的具体实施例，然而这些是用于本发明的理解的内容，不应该用于对本发明进行限定性解释。此外，各图中，针对共同的结构赋予相同的参照符号。
以下说明的实施例涉及检测带电粒子的带电粒子检测装置、以及使用带电粒子束来观察试样的带电粒子束装置的技术，特别地，涉及这些装置中的放出电子的检测方法以及信号处理技术。
[第一实施例]
图1是第一实施例的带电粒子检测装置的概要结构图。带电粒子检测装置是对当向试样照射一次带电粒子时从试样二次地产生的带电粒子进行检测的装置。带电粒子检测装置具备：闪烁器101、光波导102、光电倍增管103、模拟放大器104、模拟-数字变换器(AD变换器)105、波峰区别部106、电子计数器107以及运算处理部108。
闪烁器101将带电粒子(例如电子)变换为光子。此外，光波导102将光子从闪烁器101向光电倍增管103引导。光电倍增管103在内部使光子倍增而变换为电信号，并作为输出电流而向模拟放大器104输出。模拟放大器(电流-电压变换放大器)104是将光电倍增管103的电流信号变换为电压信号的放大部。以下，有时将闪烁器101、光波导102、光电倍增管103以及模拟放大器104的结构要素汇总地称为光电变换部。模拟-数字变换器105将来自模拟放大器104的模拟信号变换为数字信号。
波峰区别部106针对从模拟-数字变换器105输出的数字信号，输出用于区别的值(以下，记述为单位峰值)。电子计数器107使用从波峰区别部106输出的单位峰值，来输出数字信号中的每单位时间的单位峰值的频率(以下，记述为多值计数值)。运算处理部108对从电子计数器107输出的上述多值计数值执行预定的运算处理。以下，有时将波峰区别部106、电子计数器107以及运算处理部108的结构要素汇总地称为运算部。
在本实施例中，以向试样照射电流5pA的一次电子束并测量从试样放出的电流为例来说明。一次电子的试样入射能量可以是任意的，但优选地，是全部放出电子(二次电子和反射电子的和)的放出率成为最大的200eV至400eV。
此外，这里将一个一次电子入射到试样时的放出电子的检测称为一个事件(event)。即，在一个事件中可以存在如下4种过程：(1)仅检测出反射电子；(2)仅检测出二次电子；(3)检测出反射电子和二次电子；以及(4)即不检测出二次电子也不检测出反射电子。
电子是费米颗粒，因此假设为未聚束。从电子源放出电子是泊松过程，电子间隔不是恒定的。将一个事件的间隔设为Δti。将平均电子间隔设为τ，则通过下式来表示。
[式3]
这里，e＝1.6×10-19库伦。因此，在照射电流5pA下，成为：
[式4]
设放出电流的电子间隔的偏差与照射电流的电子间隔的偏差为相同程度，以τ的1/10间隔来测量该电子间隔的偏差。在本实施例中使用的闪烁器101的响应速度为3ns以下。此外，光电倍增管103的启动时间为0.6ns，电子飞越时间为3ns，电子飞越时间波动为0.2ns。模拟放大器(电流-电压变换放大器)104的频带为313MHz以上即可，使用了350MHz(增益为60dB)。
图2是表示本实施例的多值电子计数方法的图，表示了模拟脉冲波形信号、数字变换后的数字信号、以及表示基于波峰区别的计数处理的数字信号。通过上述闪烁器101、光波导102、光电倍增管103、模拟放大器104的结构，如图2的110所示，能够检测放出电流的电流-电压放大的输出(即，通过模拟放大器104的处理后的信号)来作为孤立的一个事件的模拟脉冲波形信号。
接着，模拟-数字变换器105将来自模拟放大器104的模拟脉冲波形信号变换为数字信号。由此，除去了来自闪烁器101的光子数的偏差、光电倍增管103的暗电流噪声。图2的111表示模拟-数字变换器105的变换处理后的数字信号，如上述，111中的a～g是32ns间隔。这里，在模拟-数字变换器105中，分辨率为6比特、变换速率为700Msps(sps：样本每秒)即可，在本实施例中，使用1Gsps。
根据上述，在本实施例的结构中，若设电子束(带电粒子束)的电流为Ip，设元电荷为e，则希望模拟放大器104的频带f1为10×Ip/e以上，模拟-数字变换器105的采样频率f2为2×f1以上。
接着，波峰区别部106针对从模拟-数字变换器105输出的一个事件的数字信号，输出用于区别的值(单位峰值)。这里，从发明人的波峰测量看出，波峰是离散的，其单位高度相当于一个电子。在本实施例中，单位波峰是0.15V，如后述那样将放出电子数的上限设为15个。由此，分辨率6比特的量子化误差△V为2.25(＝0.15×15)/64＝0.035V，对于区别单位波峰是充分的。图2的112是针对从模拟-数字变换器105输出的数字信号以单位峰值的宽度(0.15V的宽度)描绘虚线而得的图。此外，以单位波峰的值为0.15V为例进行了说明，然而单位波峰的值并不限于该值，根据模拟放大器104的性能等来适当设定即可。
波峰区别部106输出与一个事件相关的单位峰值，电子计数器107使用从波峰区别部106输出的单位峰值，针对数字信号中每单位时间的信号来计算上述单位峰值的频率，并作为多值计数值而输出。例如，以图2的112的例子来说明，电子计数器107针对a输出频率“0”，针对b输出频率“1”，针对c输出频率“2”等，由此来执行多值计数处理。
图3表示电子计数器107的计数处理后的信息、和运算处理部108的运算处理后的信息。图3的113是电子计数器107的计数处理后的多值计数值的信息。图3的113的a～g对应于图2的112的a～g。针对每个虚线计算频率，则图2的112的数字信号的各脉冲成为图3的113的多值计数值。
通过由FPGA(现场可编辑门阵列，Field Programmable Gate Array)构成的运算处理部(运算处理电路)108，来处理从电子计数器107输出的多值计数值的数据。后文描述详细情况，然而，例如运算处理部108使用预定的阈值来区别113的多值计数值的数据。图3的114和115是使用阈值进行区别而得的结果。114是仅提取113中的值为2以上的值的多值计数值的数据。另一方面，115是仅提取113中的值为0或1的值的多值计数值的数据。
此外，运算处理部108还可以针对从电子计数器107输出的多值计数值的数据来执行其他的运算处理。例如，电子计数器107针对从电子计数器107输出的多值计数值的数据，执行累计处理、或者平均、方差(或标准偏差)等统计处理，并将该结果作为检测信号而输出。
图4表示计数测量的GUI(图形用户界面，Graphical User Interface)的一例。在操作界面17中显示的GUI20具备测量条件输入部21、以及测量结果显示部26。
测量条件输入部21具备加速电压设定部22、一次电子的电流设定部23、试样架施加电压设定部24以及测量时间设定部25。用户能够在测量条件输入部21中输入测量条件的各种设定参数。
测量结果显示部26具备放出电子的时序测量数据显示部27、第一统计处理结果显示部28以及第二统计处理结果显示部29。例如，在时序测量数据显示部27中，以横轴为时间，可以显示(1)模拟信号、(2)实施AD变换而得的数字信号、(3)从电子计数器107输出的多值计数值的数据等。在图4的例中，在时序测量数据显示部27中，以横轴为时间，显示了从电子计数器107输出的多值计数值的数据。
在第一统计处理结果显示部28中显示放出电子的频率的直方图。此外，在第二统计处理结果显示部29中显示平均或方差等各种数据。这样，能够将从电子计数器107输出的多值计数值的数据与统计处理的结果并排显示。
使用图5、图6和图7来说明测量结果的事例。图5是对构图出圆柱状的孔(穴)的试样进行测量而得的结果。在该例中，对孔的边缘部130和平坦部120照射一次电子而测量放出电子。
图6是向图5的平坦部120照射一次电子来测量放出电子而得的结果。121是以横轴为时间而检测出的模拟信号(即通过模拟放大器104的处理后的模拟信号)。122是将121的模拟信号变换为数字信号，执行现有的二值计数处理而得的结果。123是将121的模拟信号变换为数字信号，执行本实施例的多值计数处理而得的结果。
如图6所示，现有的二值计数处理的结果122的累计值是207，本实施例的多值计数处理的结果123的累计值是290。因此，与现有的二值计数处理相比，在多值计数处理中，信号量高出了约40％。
图7是向图5的边缘部130照射一次电子来测量放出电子而得的结果。131是以横轴为时间而检测出的模拟信号(即通过模拟放大器104处理后的模拟信号)。132是将131的模拟信号变换为数字信号，执行现有的二值计数处理而得的结果。133是将131的模拟信号变换为数字信号，执行本实施例的多值计数处理而得的结果。此外，与二值计数处理相比较，图7的边缘部的多值计数处理，信号量高出了约60％。
在多值计数处理的结果123、133中，事件的最大值为大约4个至5个。将图6的平坦部的多值计数处理的结果123与图7的边缘部的多值计数处理的结果133相比较，在图7的边缘部，在一个事件中发生2个以上的放出电子的频率变大。
此外，关于现有的二值计数处理，平坦部的累计值为“207”，与此相对，边缘部的累计值为“460”。另一方面，关于本实施例的多值计数处理，平坦部的累计值为“290”，与此相对，边缘部的累计值为“748”。因此，通过执行多值计数处理，边缘部相对于平坦部的对比度(contrast)提高了约18％。
作为参考，与平坦的情况相比，二次电子放出的倾斜效果的实验值最大为5倍以下，如果假设平坦的情况下的放出率最大为3，则预见输出电压的上限值为0.15×15＝2.25V。通过确定上限值，能够除去缈子(μ子)等宇宙射线等入射到检测器时的噪声。
此外，电子计数器107还可以执行多值计数处理和现有的二值计数处理这两种处理。该情况下，电子计数器107可以输出多值计数处理结果(图6的123、图7的133)和二值计数处理结果(图6的122、图7的132)。运算处理部108将多值计数处理结果(例如累计值)与二值计数处理结果(例如累计值)进行比较，在偏离大的情况下(累计值的差超过了预定阈值的情况下)，通知给操作接口17。
以上，根据本实施例，即使在一个事件中存在多个带电粒子的情况下也能够进行高精度的计数。其结果，与现有方法相比，提高了信号量和对比度。
此外，根据本实施例，能够高精度地检测放出电子，并能够抑制信号的遗漏、检测出不需要信号，并能够控制检测的采样以及检测水平。
此外，根据本实施例，在带电粒子束的测量方法中，能够降低在微小的检测信号中成为问题的噪声的影响，进行更高精度的信号检测。
在本实施例中记载了带电粒子检测装置的例子，然而并不限于该方式。也可以作为如下的信息处理装置而实施，该信息处理装置用于处理对向试样照射带电粒子束而由试样引起的带电粒子进行检测而得的检测信息。该信息处理装置具备：输入对向试样照射带电粒子束而由试样引起的带电粒子进行检测时的检测信息的输入部。这里的检测信息可以是对检测对象带电粒子进行检测时得到的电流值或电压值。
该信息处理装置具备进行如下第一判定的判定部，在该第一判定中，根据通过电流值或电压值而确定的任意的第一和第二阈值，将所述检测信息区别为第一状态、第二状态以及第三状态。该判定部执行与波峰区别部106、电子计数器107以及运算处理部108对应的处理。第一阈值和第二阈值是能够将检测信息区别为上述3个状态的阈值即可。作为一例，第二阈值是大于第一阈值的值。
作为基于第一阈值和第二阈值的判定结果的一例，第一状态是未检测出带电粒子的状态，第二状态是检测出一个带电粒子的状态，第三状态是检测出两个或两个以上的带电粒子的状态。在该情况下，第一阈值是相当于一个带电粒子的量的值，第二阈值是相当于两个或两个以上带电粒子的量的任意值。
判定部还可以进行如下第二判定，在该第二判定中，根据第一阈值将检测信息区别为第一状态和第二状态。信息处理装置还可以具有GUI，该GUI显示基于第一判定的试样的测量图像和基于第二判定的试样的测量图像。因此，判定部可以通过多个阈值来执行多个判定处理，并将通过该多个判定处理而得的多个状态的试样的每个测量图像显示在GUI上。
此外，可以根据检测对象带电粒子的种类(二次电子、反射电子、散射电子等)来决定第一阈值和第二阈值。这适合于因带电粒子的种类不同导致放出的带电粒子的能量不同的情况。此外，可以根据试样的种类来决定第一阈值和第二阈值。作为一例，在试样为晶片(wafer)的情况下，可以根据晶片的材料等来决定第一阈值和第二阈值。
[第二实施例]
在本实施例中，说明将带电粒子检测装置应用于带电粒子束装置的例子。带电粒子束装置通过对在试样表面扫描一次带电粒子束(例如，电子)而从试样二次地发生的带电粒子进行检测，来进行试样的观察图像的取得、分析、加工等。作为带电粒子束装置的代表性例子，有扫描电子显微镜(SEM)。以下，作为一例说明了应用于扫描电子显微镜(SEM)的例子，然而在其他的带电粒子束装置(扫描透射电子显微镜、氦离子显微镜等)中也可以应用。即，本发明能够普遍地应用于带电粒子束装置。
以下，描述扫描电子显微镜(SEM)中的放出电子的测量方法和图像取得方法。图8是本实施例的扫描电子显微镜的结构例。扫描电子显微镜具备电子光学系统、载物台机构系统、SEM控制系统以及SEM操作系统。
电子光学系统具备电子枪1、偏转器2、物镜3以及图1中示出的带电粒子检测装置(101、102、103、104、105、106、107、108)。此外，扫描电子显微镜的电子光学系统除此之外还可以包含其他的透镜、电极、检测器，其一部分可以与上述的不同，电子束光学系统的结构并不限于此。
载物台机构系统具备设置试样5的试样架6、能够倾斜控制并能够在XYZ轴方向上移动的载物台7。
SEM控制系统具备控制电子枪1的加速电压的加速电压控制部8、控制一次电子的电流的电流控制部9、控制偏转器2的偏转扫描信号控制部10、控制物镜3的物镜线圈控制部11、以及能够对载物台7施加延迟电压(retardingvoltage)的载物台控制部12。
SEM操作系统具备测量结果显示部18以及操作接口17。测量结果显示部18是显示通过带电粒子检测装置(101、102、103、104、105、106、107、108)中的测量而生成的图像的显示器等。操作接口17是操作各种控制部(8、9、10、11、12)、运算处理部108以及测量结果显示部18的接口，能够使用操作接口17来设定观察条件。
在本实施例中，为了高精度地测量放出电子电流，通过操作接口17而发生成为时间基准的多个触发信号，并使电子束的偏转控制与检测控制系统同步，由此来取得CNR高的SEM图像。
在本实施例中，针对SEM的一次电子束的扫描时钟，偏转扫描信号控制部10控制X方向的偏转扫描，以使得一次电子在一个像素中停留的时间(像素时间)成为100ns。一次电子的照射能量不受特别的限制，然而优选的是放出率具有最大值的200eV至400eV，这里是300eV。
与第一实施例同样地，将一次电子的电流设为5pA。闪烁器101的光子量依赖于入射电子数和能量。这里，由于闪烁器101被施加有10kV的电压(未图示)，因此，放出电子能量在二次电子(能量＜50eV)的情况下，成为10kV+二次电子的能量(10kV+0.05kV)。此外，在反射电子的情况下，放出电子能量成为10kV+入射电子的能量(10kV+0.3kV)。因此，来自闪烁器101的光子量，仅得到10％至20％程度的差。即，闪烁器101发出的光子量主要反映电子数。
如第一实施例所描述的那样，一个事件的平均间隔是32ns，在一个像素时间内发生3至4个事件。带电粒子检测装置与偏转扫描信号同步，以3个事件为单位来进行计数。
本实施例所涉及的课题是放出电子的高精度的测量，在第一实施例中描述了通过数字处理除去闪烁器101的光子量偏差、光电倍增管的暗电流噪声的方法。但是，为了降低以一次电子具有泊松分布为原因的波动所引起的散粒噪声，需要一定的信号累计。因散粒噪声而导致的偏差依赖于来自试样的信号量的平方根，因此，所需要的累计数依赖于试样的放出率。
在本实施例中，使用二次电子放出率变高的照射能量条件，并且通过以下的第三实施例中描述的计数运算处理或者帧运算，来降低散粒噪声。
[第三实施例]
本实施例中，针对第一实施例的带电粒子检测装置和第二实施例的带电粒子束装置，说明放出电子的计数和运算方法、以及图像取得方法。
这里，与第一实施例和第二实施例同样地，设一次电子的电流为5pA，设像素时间为100ns。此外，将第k个帧图像的像素坐标(l，m)的事件i的计数值设为设像素信号值为并设SEM图像的像素信号为Zl,m。
(信号运算处理的第一例)
在放出电子的计数后，变换为图像信号的信号运算处理的第一例是最简单的方法，是输出在各像素内的事件中的计数值的累计值的方法。运算处理部108将试样图像的各像素中的多值计数值的累计值作为像素信号而输出。即，将SEM图像的像素信号Zl,m设为如下。
[式5]
帧累计数(k的最大值)依赖于所需要的CNR和试样的放出率。在通过该方法而形成了图像的情况下，得到与模拟法类似的CNR提高50％以上的图像。
(信号运算处理的第二例)
信号运算处理方法的第二例是针对各像素内的事件中的计数值N设定阈值来进行区别的方法。运算处理部108区别为多值计数值N小于预定阈值的第一组、以及多值计数值N为预定阈值以上的第二组，并将第一组的累计值与第二组的累计值的每一个作为像素信号而输出。例如，存在区别为N＝0或N＝1的A组、和N为2以上的B组的方法。图3的114、115表示使用阈值将多值计数值的数据区别为2个组而得的结果。这里，图3的115相当于A组，图3的114相当于B组。
在B组的事件中，主要是二次电子放出过程。在A组中，主要是反射电子放出过程。在试样的边缘部，二次电子过程增加，因此，在使用N＝2以上的组的信号的图像中，获得强调了试样的轮廓线的图像。此外，可以针对B组设置N＞2的阈值。该情况下，可以得到更分明的轮廓线提取像。
此外，在使用N＝0或N＝1的A组的信号的图像中，获得强调了试样的组成差的图像。在公知的方法中，为了进行基于电子光学系统的放出电子的能量区别，并获得二次电子像和放射电子像，需要进行2次图像取得。本实施例具有如下特征，即，未严格地区别为反射电子成分和二次电子成分，但能够通过一次的图像取得来取得相当于二次电子像的图像(模拟的二次电子像)和相当于反射电子像的图像(模拟的反射电子像)。
通过本方法区别出的各组的信号，通过式(5)进行累计并被图像化。可以将各图像个别地输出，也可以在一个图像中区分颜色地输出。
此外，本例中说明了使用阈值N＝2区别为2个组的例子，然而并不限于此。例如，还可以根据单位峰值和阈值N＝2，将多值计数值N区别为第一状态、第二状态和第三状态。作为一例，第一状态是N＝0的状态(未检测出电子的状态)，第二状态是N＝1的状态(检测出一个电子的状态)，第三状态是N为2以上的状态(检测出两个以上的电子的状态)。此外，还可以使用两个以上的阈值将多值计数值N区别为多个状态。
图9是在测量结果显示部18中的GUI的一例，表示在使用阈值对从电子计数器107输出的多值计数值的数据进行区别时的图像取得结果。在该例中，运算处理部108使用预定的阈值，将阈值以上的多值计数值的累计值作为像素信号而输出。GUI30具备SEM观察条件设定部31、信号阈值设定部32、SEM图像显示部33以及阈值图像显示部34。
SEM观察条件设定部31能够设定加速电压等各种观察条件。信号阈值设定部32能够设定阈值的下限和上限。SEM图像显示部33中显示通常的SEM图像(执行二值计数处理而得的结果的图像)。阈值图像显示部34中显示：以由信号阈值设定部32设定的范围(这里，阈值范围为3～15)从多值计数值的数据中提取信号而得到的图像。通过该结构，能够并排地显示通常的SEM图像和阈值处理后的图像。此外，阈值图像显示部34还可以构成为，例如能够切换地显示上述A组和B组的图像。
在图9的例中，作为第一判定处理，运算部执行多值计数处理，并将多值计数值N区别为第一状态(0≤N＜3)、第二状态(3≤N≤15)和第三状态(15＜N)。此外，作为第二判定处理，运算部还执行用于取得通常的SEM图像的处理(即，区别未检测出电子的状态和检测出电子的状态的二值计数处理)。在图9的例中，运算部将通常的SEM图像(测量图像)、以及第二状态(3≤N≤15)的SEM图像(测量图像)显示到GUI上。在画面上能够适当变更阈值的下限和上限。因此，可以适当变更在GUI上显示的图像。
此外，不受限于图9的例子，运算部还可以对使用多个阈值区别出的第一状态、第二状态和第三状态的全部或任意的多个状态进行选择，并将多个图像显示到GUI上。换言之，运算部可以执行基于多个阈值的多个判定处理，从通过该多个判定处理而区别出的多个状态中选择任意的状态并显示到GUI上。
(信号运算处理的第三例)
在信号运算方法的第三例中，运算处理部108针对各像素的多值计数值执行预定的统计处理，并输出统计处理的结果。例如，输出的直方图，根据各像素中的事件的值(多值计数值)来计算平均值、方差。如已经描述的那样，图4是输出了直方图、平均值、方差的例子。考虑到直方图、平均、方差等根据观察对象试样的不同而发生变化，可以在信号处理中使用这些统计处理的结果。
如前所述，一次电子以及反射电子成为泊松分布，然而二次电子成为泊松分布或正态分布。在想要不对试样照射不必要的电子束而取得图像的情况下，为了补充因信号量不足而导致的CNR降低而制作统计模型，能够根据各像素的推定计数值来生成图像。统计模型是为了进行在观察区域外照射充足的电子束的测量而预先制作的，被存储在未图示的存储装置中。例如，在这里的统计模型的制作中可以使用上述的直方图信息。运算处理部108使用预先制作的统计模型来计算各像素的推定计数值，并将该推定计数值作为像素信号而输出。由此，能够根据推定计数值来生成图像。
(信号运算处理的第四例)
信号运算方法的第四例是使用相邻的像素的事件的一部分计数值来进行运算处理的方法。运算处理部108针对试样图像的各像素，将包含相邻图像的一部分的累计值作为像素信号而输出。该方法，在观察倍率增大，像素尺寸小于一次电子的试样内宽的情况下(例如，在20万倍的观察下，像素尺寸为约0.6nm)是特别有效的。在x方向的相邻像素的情况下，通过以下式子表示。
[式6]
式(6)的意义为，在坐标(l，m)像素，使用((l-1)，m)像素的第三个事件的值与第((l+1)，m)个像素的第一个事件的计数值，作为5事件，来实施上述第一例或第二例的信号处理。
如果通常的SEM图像的CNR是充分的(3～5)，则将帧累计数设为60％。由此，能够降低一次电子束照射量。此外，如果通常的SEM图像的CNR小于3，则不增加帧数(不增加一次电子束的照射量)，CNR提高。
图10是在测量结果显示部18中的GUI的一例，表示在执行了与相邻像素的累计处理时的图像取得结果。GUI40具备SEM观察条件输入部41、像素累计条件输入部42、SEM图像显示部43以及像素累计处理图像显示部44。
SEM观察条件输入部41能够设定加速电压等各种观察条件。像素累计条件输入部42能够设定与上下左右的最接近像素的累计条件。图10的像素累计条件输入部42中的设定条件意味着，使用以成为对象的像素为中心的上下左右的最接近像素的每一个的任意一个事件的信号、以及成为对象的像素的3个事件的信号，来执行7个事件的量的累计处理，由此，设为所述成为对象的像素中的累计值。SEM图像显示部43中显示通常的SEM图像(未进行与相邻像素的累计处理的图像)。像素累计处理图像显示部44中显示在通过像素累计条件输入部42设定的条件下累计而得的SEM图像。
根据本实施例，在带电粒子检测装置或带电粒子束装置中的测量方法中，能够降低在微小检测信号中成为问题的噪声的影响，进行更高精度的信号检测。此外，能够提供一种抑制检测器的电压变动，具备高的SN比的带电粒子检测装置或带电粒子束装置。
[第四实施例]
当使用适当的二次电子放出率高的低照射能量时，在绝缘体或高电阻试样的观察中，试样带正电，有时会发生图像障碍。因此，在本实施例中说明为了除去试样带电的影响，将第一实施例的带电粒子检测装置应用于如下扫描电子显微镜的例子，该扫描电子显微镜是照射的定时以及检测的定时与能够切断一次电子束的控制系统同步的扫描电子显微镜。
图11是表示第四实施例的带电粒子束装置的一例的结构图。此外，在图11中，对于与图8相同的结构要素赋予相同的符号，并省略重复说明。
在本实施例的电子光学系统中，相对于图8的结构，追加了阻断器13以及阻断器光圈13a。此外，相对于图8的结构，在SEM控制系统中追加了对阻断器13进行控制的阻断器控制部14。
在本实施例中，为了高精度地测量放出电子电流，通过操作接口17而发生成为时间基准的多个触发信号，通过阻断器控制部14使电子束脉冲化，并且使照射脉冲电子束15的偏转控制系统与放出脉冲电子16的检测控制系统同步。通过对来自操作接口17的触发信号的生成进行编程，能够对任意像素照射电子束来形成图像。
例如，能够取得随机照射电子束而得的图像，或者取得在X、Y方向上以一定间隔剔除后的图像数据并取得在下一帧以后间隔剔除后的像素数据。在这些方法中，与通常的TV扫描法相比，难以受到试样带电的影响，因此能够取得没有因带电而导致的图像障碍的SEM图像。
在本实施例中，以SEM的一次电子束的扫描时钟为恒定的方式来设定偏转扫描信号控制部10，将一次电子停留在一个像素中的时间(像素时间)设为100ns。一次电子的照射能量不受特别的限制，但优选是放出率具有最大值的200eV至400eV，这里，设为300eV。与第一实施例同样地，将一次电子的电流设为5pA。
这里，由于对闪烁器101施加有10kV的电压，因此，放出电子的大部分能量，在二次电子(能量＜50eV)的情况下，成为10kV+二次电子的能量(10kV+0.05kV)。此外，在反射电子的情况下，放出电子能量成为10kV+入射电子的能量(10kV+0.3kV)。因此，脉冲波峰输出，仅得到10％至20％程度的差。
如第一实施例所描述的，一个事件的平均间隔是32ns，每一个像素为3至4个事件。带电粒子检测装置与偏转扫描信号同步，以每3个事件为单位来进行计数。通过第三实施例中说明的各种信号运算处理，获得一个像素的输出信号。通过基于上述照射脉冲电子束15的多帧的取得，来进行图像形成。
在绝缘体或高电阻试样的观察中，试样带正电，有时会发生图像障碍。根据本实施例，构成为通过阻断器13和阻断器光圈13a切断电子束来向试样照射脉冲电子，并且构成为照射脉冲电子束15的偏转控制系统与放出脉冲电子16的检测控制系统同步。由此，能够除去试样带电的影响。
本发明并不限于上述实施例，包含各种变形例。上述实施例是为了使本发明易于理解而进行的详细说明，并不必限定为具备所说明的全部结构。此外，可以将某实施例的结构的一部分替换为其他实施例的结构。此外，也可以在某一实施例的结构中追加其他实施例的结构。此外，也可以针对各实施例的结构的一部分进行其他结构的追加、删除、置换。
上述的计数处理和信号运算处理能够通过用于实现这些功能的软件的程序代码来实现。该情况下，向系统或装置提供记录有程序代码的存储介质，由该系统或装置的计算机(或者CPU、MPU)读出在存储介质中存储的程序代码。该情况下，由从存储介质中读出的程序代码本身实现前述的实施例的功能，由此，本发明由该程序代码本身以及存储其的存储介质而构成。作为用于供给这样的程序代码的存储介质，例如可以使用软盘、CD-ROM、DVD-ROM、硬盘、光盘、光磁盘、CD-R、磁带、非易失性存储卡、ROM等。
这里描述的处理和技术，本质上不与任何特定装置相关联，通过组件的任何相应的组合均能够进行实施。此外，能够使用通用目的的多种类型的设备。为了执行这里描述的方法的步骤，有时构筑专用的装置是有利的。也就是说，上述的计数处理和信号运算处理的一部分或者全部，可以通过例如使用集成电路等电子部件的硬件来实现。
此外，在上述实施例中，考虑说明上的需要而示出了控制线和信息线，但在产品上并不必限于示出全部的控制线和信息线。全部的结构可以相互连接。
符号说明
1：电子枪；
2：偏转器；
3：物镜；
5：试样；
6：试样架；
7：载物台；
8：加速电压控制部；
9：一次电子的电流控制部；
10：偏转扫描信号控制部；
11：物镜线圈控制部；
12：载物台控制部；
13：阻断器；
13a：阻断器光圈；
14：阻断器控制部；
15：照射脉冲电子束；
16：放出脉冲电子；
17：操作接口；
18：测量结果显示部；
20：GUI；
21：测量条件输入部；
22：加速电压设定部；
23：一次电子的电流设定部；
24：试样架施加电压设定部；
25：测量时间设定部；
26：测量结果显示部；
27：时序测量数据显示部；
28：第一统计处理结果显示部(放出电子数的直方图)；
29：第二统计处理结果显示部(平均值和方差)；
30：GUI；
31：SEM观察条件设定部；
32：信号阈值设定部；
33：SEM图像显示部；
34：阈值图像显示部；
40：GUI；
41：SEM观察条件输入部；
42：像素累计条件输入部；
43：SEM图像显示部；
44：像素累计处理图像显示部；
101：闪烁器；
102：光波导；
103：光电倍增管；
104：模拟放大器；
105：模拟-数字变换器；
106：波峰区别部；
107：电子计数器；
108：运算处理部；
110：模拟脉冲信号；
111：数字信号；
112：波峰测量结果；
113：计数结果；
114：信号处理结果；
115：信号处理结果；
120：平坦部；
121：平坦部的模拟信号；
122：平坦部的二值计数结果；
123：平坦部的多值计数结果；
130：边缘部；
131：边缘部的模拟信号；
132：边缘部的二值计数结果；
133：边缘部的多值计数结果。

Claims (10)

1.一种带电粒子束装置，其特征在于，
具备：
载物台，其设置试样；
带电粒子束光学系统，其向所述试样照射带电粒子束；以及
带电粒子检测装置，其检测从所述试样二次地产生的带电粒子，
所述带电粒子检测装置具备：
光电变换部，其将来自所述试样的所述带电粒子变换为光子，并将所述光子变换为模拟电信号；
模拟-数字变换部，其将所述模拟电信号变换为数字信号；以及
运算部，其对所述数字信号进行计数处理，
所述运算部使用与当一个带电粒子照射到所述试样时产生的一个事件相关的单位峰值，对所述数字信号中的每单位时间的信号进行多值化，并作为多值计数值而输出，所述多值表示三值以上。
2.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，
所述运算部输出试样图像的各像素中的所述多值计数值的累计值，作为像素信号。
3.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，
所述运算部区别为所述多值计数值小于预定的阈值的第一组、以及所述多值计数值为所述预定的阈值以上的第二组，并输出所述第一组的累计值与所述第二组的累计值的每一个，作为像素信号。
4.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，
所述运算部对所述多值计数值执行预定的统计处理，并输出所述统计处理的结果。
5.根据权利要求4所述的带电粒子束装置，其特征在于，
所述统计处理的结果是所述多值计数值的直方图、平均以及方差中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，
所述运算部使用预先制作的统计模型，输出试样图像的各像素中的推定计数值，作为像素信号。
7.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，
所述运算部关于试样图像的各像素输出包含相邻像素的一部分的累计值，作为像素信号。
8.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，
当将所述带电粒子束的电流设为Ip、将元电荷设为e时，所述光电变换部中的模拟放大的频带f1为10×Ip/e以上，所述模拟-数字变换部的采样频率f2为2×f1以上。
9.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，
所述带电粒子束光学系统切断所述带电粒子束来将脉冲带电粒子照射到所述试样，
所述带电粒子束光学系统中的所述脉冲带电粒子的偏转控制与所述带电粒子检测装置中的来自所述试样的放出脉冲带电粒子的检测控制同步。
10.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，
所述带电粒子束装置是扫描电子显微镜。
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