JP2009140893A - 電子線装置、電子線形状測定方法及び画像処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】試料に照射される電子線（電子線プローブ）の形状を高精度に測定可能な電子線装置及び電子線形状測定方法を提供する。また、ＳＴＥＭ像から偽像を適切に除去する画像処理方法を提供する。
【解決手段】走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）の試料位置に第１の電子線検出器２１を挿入し、この第１の電子線検出器２１を上下方向に移動して、最大電流となる位置を探索する。その位置を、ＳＴＥＭ像観察時の試料挿入位置とする。次に、結像レンズ２２ａ〜２２ｃの結像面に第２の電子線検出器２５を挿入し、最大電流が得られるように結像レンズ２２ａ〜２２ｃのレンズ条件を調整する。その後、ＣＣＤカメラ２６により電子線形状を撮影する。制御部１０は、この電子線形状を用いてＳＴＥＭ像をコンボリューション処理し、ＳＴＥＭ像から偽像を除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料に照射される電子線の形状を測定可能な電子線装置、その電子線装置における電子線形状測定方法、及び走査透過電子顕微鏡像（ＳＴＥＭ像）から偽像を除去する画像処理方法に関する。

走査透過型電子顕微鏡（Scanning Transmission Electron Microscopy：ＳＴＥＭ）を用いた高分解能像観察法の一つであるＨＡＡＤＦ（High Angle Annular Dark Field：高角度散乱暗視野）−ＳＴＥＭ法は、原子の配列を高分解能画像で観察できるため、微小領域の結晶構造の解析に極めて有用である。ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ法では、細く絞った電子線プローブを試料表面に沿って走査し、大きな角度で散乱した透過電子をリング状の検出器により検出して観察像（ＳＴＥＭ像）を得ている。

しかしながら、ＳＴＥＭ像観察では、電磁レンズの球面収差や、電磁レンズ条件及びフォーカス条件等による電子線プローブ形状の変化に起因して、観察像に偽像が現れることが判明している。なお、偽像とは、実際には原子が存在しない位置にあたかも原子があるかのように現れる像である。

偽像は、ＳＴＥＭ像をデコンボリューション処理（画像処理の一種）することにより除去できることが知られている。しかし、デコンボリューション処理により偽像を除去するためには、電子線プローブの形状を正確に知ることが必要である。ＳＴＥＭ像観察における焦点位置は通常の透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：ＴＥＭ）とは異なり、またＳＴＥＭ像観察では回折像の強度を実像として画像化しているため、電子線プローブの形状を直接観察することはできない。そのため、従来は、ＳＴＥＭ像観察時の条件に基づいて電子線プローブ形状をシミュレーション計算している。

本願発明者らによる先の出願（特許文献１）には、電子線プローブ形状のシミュレーション方法、及び電子線プローブ形状のシミュレーション結果を用いてＳＴＥＭ像をデコンボリューション処理し、偽像（虚像）を除去する方法が記載されている。
特開２００３−２４９１８６号公報

上述したように、従来はシミュレーション計算によりＳＴＥＭの電子線プローブ形状を求めている。しかし、本願発明者らの実験・研究から、実際の電子線プローブ形状とシミュレーションにより算出した電子線プローブ形状とが異なることに起因して、デコンボリューションによる画像処理が適切に行われず、正確な原子像を得られないことがあることが判明した。つまり、実際のＳＴＥＭの電子線プローブ形状は、何らかの外乱の影響等により、シミュレーション計算により得られた電子線プローブ形状と異なるものになると考えられる。

以上から、本発明の目的は、試料に照射される電子線（電子線プローブ）の形状を高精度に測定可能な電子線装置及び電子線形状測定方法を提供することである。また、本発明の目的は、ＳＴＥＭ像から偽像を適切に除去する画像処理方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、試料に照射される電子線の形状を測定可能な電子線装置であって、電子線を出力する電子線源と、前記電子線源から出力された電子線の焦点を試料位置に合せる対物レンズと、前記電子線源と前記対物レンズとの間に配置され、前記電子線を試料表面に沿って走査可能な走査コイルと、前記試料位置を通過した電子線を結像面に結像する結像レンズと、電子線形状測定時に前記試料位置に配置される第１の電子線検出器と、前記電子線形状測定時に前記結像面の位置に配置される第２の電子線検出器と、前記電子線形状測定時に前記結像面又はその近傍に配置されて電子線形状を撮影する撮像部と、前記電子線源、前記対物レンズ、前記走査コイル及び前記結像レンズを制御するとともに、前記第１の電子線検出器、前記第２の電子線検出器及び前記撮像部から出力される信号を入力する制御部とを有する電子線装置が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、電子線源から出力された電子線の焦点を試料位置に合わせる対物レンズと、試料を透過した電子線を結像面に結像させる結像レンズとを有する電子線装置の電子線形状測定方法において、前記対物レンズの焦点位置に第１の電子線検出器を配置し、該第１の電子線検出器を移動させて電流密度が最大となる位置を探索する工程と、前記第１の電子線検出器を電子線の通過域から退避させ、前記結像レンズの結像面に第２の電子線検出器を配置し、該第２の電子線検出器で検出される電子線の電流密度が最大となるように前記結像レンズのレンズ条件を調整する工程と、前記第２の電子線検出器を電子線の通過域から退避させ、前記結像レンズの結像面における電子線形状を測定する工程とを有する電子線形状測定方法が提供される。

本発明においては、試料位置の後方に配置された結像レンズのレンズ条件を調整し、試料面における電子線形状を結像レンズの結像面に投影する。これにより、試料面における電子線形状を高精度に測定することができる。また、本発明によれば、電子線形状を高精度に測定することができるので、ＳＴＥＭ像のデコンボリューション処理に適用することにより、ＳＴＥＭ像から偽像を高精度に排除することができる。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る電子線装置の構成を示す模式図である。本実施形態では、本発明を走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）に適用した例を示している。

本実施形態に係る走査透過型電子顕微鏡は、図１に示すように、制御部１０と、電子銃（電子線源）１１と、収束レンズ１２ａ，１２ｂと、収束レンズ絞り１３と、偏向コイル１４と、走査コイル１５と、球面収差・非点収差補正部１６と、二次電子検出器１７と、対物レンズ１８ａ，１８ｂと、試料２０が搭載される試料搭載部１９と、上部電子線検出器（第１の電子線検出器）２１と、結像レンズ（投影レンズともいう）２２ａ，２２ｂ，２２ｃと、シャッター２３と、蛍光板２４と、下部電子線検出器（第２の電子線検出器）２５と、ＣＣＤ（charge-coupled device）カメラ（撮像部）２６と、ＳＴＥＭ検出器（電子顕微鏡像取得部）２７とにより構成される。

電子銃１１は、制御部１０からの信号に応じた加速電圧で電子を加速し、電子線として出力する。電子銃１１の下方には、複数段（図１では２段）の収束レンズ１２ａ，１２ｂが配置されている。これらの収束レンズ１２ａ，１２ｂは、制御部１０からの信号に応じて、電子銃１１から放出された電子線を所望の大きさに収束する。

収束レンズ１２ａ，１２ｂの下方には収束レンズ絞り１３が配置されている。収束レンズ１２ａ，１２ｂにより収束された電子線は不要な広がり部分をもつため、この収束レンズ絞り１３により不要な広がり部分をカットする。

収束レンズ絞り１３の下方には、偏向コイル１４及び走査コイル１５が配置されている。偏向コイル１４は例えば相互に直交する方向に配置された２組のコイルにより構成されており、制御部１０からの信号に応じて収束レンズ１２ａ，１２ｂにより収束された電子線の軸合わせを行う。

走査コイル１５は、制御部１０からの信号に応じて、試料搭載部１９に搭載された試料２０の表面を電子線プローブが走査するように電子線を屈折する。

走査コイル１５の下方には、球面収差・非点収差補正部１６、二次電子検出器１７、対物レンズ１８ａ，１８ｂ、試料搭載部１９及び上部電子線検出器２１が配置されている。

試料２０は試料搭載部１９に搭載され、上下方向に離隔する対物レンズ１８ａ，１８ｂのほぼ中間の位置（中心位置）に配置される。対物レンズ１８ａ，１８ｂは、制御部１０からの信号に応じて、試料２０の表面又はその近傍で焦点が合うように電子線を屈折する。球面収差・非点収差補正部１６は、制御部１０からの信号に応じて、対物レンズ１８ａ，１８ｂの球面収差及び非点収差を補正する。二次電子検出器１７は、電子線の照射により試料２０から放出された二次電子を検出する。なお、球面収差・非点収差補正部１６及び二次電子検出器１７は必要に応じて配設すればよく、本発明において必須の構成要素ではない。

試料搭載部１９は、横方向に移動可能に配設されている。後述するように、ＳＴＥＭ像観察時には試料搭載部１９に搭載された試料２０が電子線の通過域に配置され、電子線プローブ形状測定時には試料搭載部１９は横方向に移動し、替わりに上部電子線検出器２１が電子線の通過域に配置される。上部電子線検出器２１としては、例えばファラデーゲージ等を使用することができる。

試料搭載部１９及び対物レンズ１８ａ，１８ｂの下方には、複数段（図１では３段）の結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃが配置されている。本実施形態においては、結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃに２つのモードが設定されている。一つはＳＴＥＭ像観察時に用いられる回折像モード（電子顕微鏡像取得モード）であり、他の一つは電子線プローブ形状測定時に用いられる実像モード（電子線形状測定モード）である。回折像モードから実像モードへの変更、及び実像モードから回折像モードへの変更は、結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃのレンズ条件を切り替えること、すなわち結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃに供給する電流を変化させることにより行われる。

本実施形態では、結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃが、実像で１万〜４万倍、回折像で２ｃｍ〜１００ｃｍの範囲で可変する機能を有するものとする。回折像モード及び実像モードについては後述する。

結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃの下方には、シャッター２３、蛍光板２４、下部電子線検出器２５、ＣＣＤカメラ２６及びＳＴＥＭ検出器２７等が配置されている。シャッター２３は、ＣＣＤカメラ２６により電子線プローブの形状を撮影する際に、電子線量が飽和しないようにするために設けている。シャッター２３はＳＴＥＭ像観察時には側方に退避しており、電子線プローブ形状測定時に電子線の通過域に配置される。この場合、ビームブランク方式のシャッターを使用することも考えられるが、ビームブランク方式のシャッターでは撮影した電子線プローブの形状ににじみが現れる。このため、シャッター２３としては、ビームブランク方式のシャッターではなく、メカニカル方式のシャッターを使用することが好ましい。

蛍光板２４は電子により蛍光を発生するものであり、電子線の確認に用いられる。この蛍光板２４は横方向に移動可能に配設されている。後述するように、結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃのフォーカスを調整するときには、蛍光板２４に替えて下部電子線検出器２５が電子線の通過域に配置される。なお、下部電子線検出器２５としては、上部電子線検出器２１と同様に、ファラデーゲージ等を使用することができる。

蛍光板２４の下には電子線プローブ形状を撮影するＣＣＤカメラ２６が配置される。このＣＣＤカメラ２６は、ＳＴＥＭ像観察時には電子線の通過域から外れるように側方に移動する。ＣＣＤカメラ２６に替えて、イメージングプレート又は感光フィルム等を使用して電子線プローブ形状を取得するようにしてもよい。

ＳＴＥＭ検出器２７はＳＴＥＭ像観察時に使用される。このＳＴＥＭ検出器２７はリング状の形状を有し、試料２０により大きな角度で散乱された透過電子を検出する。制御部１０は、ＳＴＥＭ検出器２７から出力された信号を信号処理してＳＴＥＭ像を作成する。そして、ＳＴＥＭ像に対しデコンボリューション処理を実行して、偽像を除去する。

以下、本発明の実施形態に係る電子線形状測定方法を説明する前に、本発明の理解を容易にするための予備的事項について説明する。

図２は、試料としてＳｉ（０１１）結晶を用いてＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ高分解能像を取得し、デコンボリューション処理を行った結果を示す図である。ここで、図２（ａ）は、横軸に位置をとり、縦軸に強度をとって、デコンボリューション前の電子線プローブの強度分布と、デコンボリューション後の電子線プローブの強度分布とを示している。また、図２（ｂ）はデコンボリューション前及びデコンボリューション後のシミュレーション像を示しており、図２（ｃ）はデコンボリューション前及びデコンボリューション後のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像を示している。

デコンボリューション処理は、図２（ａ）に示すように、電子顕微鏡像に重畳されている有限の電子線プローブ形状の影響を除去し、電子線プローブ形状をデルタ関数として計算するものである。図２（ｂ），（ｃ）から、デコンボリューション前には原子間の原子が存在しない部分に偽像（明度が低い輝点）が現れているが、デコンボリューション処理により偽像が除去されていることがわかる。

次に、結像レンズの動作モードについて説明する。本発明においては、結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃの動作モードを変化させて電子プローブの形状を測定する。図３はＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）の結像系を示す模式図、図４はＳＴＥＭ（走査透過型電子顕微鏡）の結像系を示す模式図である。なお、図３において、３１ａ，３１ｂは対物レンズ（図１，図４の対物レンズ１８ａ，１８ｂに対応）を示し、３２ａ，３２ｂ，３２ｃは結像レンズ（図１，図４の結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃに対応）を示し、３３は試料（図１，図４の試料２０に対応）を示している。また、図３、図４において、３４は結像面を示している。

図３に示すように、ＴＥＭでは、試料面、すなわち対物レンズ３１ａ，３１ｂの中心位置における像を結像レンズ３２ａ，３２ｂ，３２ｃで拡大して画像を取得する。これに対し、ＳＴＥＭでは、図４に示すように、極めて細く収束した電子線を試料２０に照射し、試料２０の一点一点での回折強度を画像化することにより画像を取得する。ＳＴＥＭの結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、結像面に回折像を投影する。

すなわち、ＳＴＥＭの結像系では、実像を投影するのではないため、直接的に電子線形状を評価することができない。また、図３，図４に示すように、ＴＥＭの試料位置とＳＴＥＭの試料位置とは必ずしも同じではなく、ほとんどの場合異なることが判明している。本実施形態に係る電子線装置（ＳＴＥＭ）において、図４に示すように、結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃが結像面３４に回折像を投影するようにレンズ条件を設定する動作モードを、回折像モードと呼んでいる。

図５に、本実施形態に係る電子線装置（ＳＴＥＭ）の実像モードにおける結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃのレンズ条件を示す。この図５に示すように、実像モードでは、ＳＴＥＭ像取得時の試料面における電子線プローブ形状を結像面で直接観察できるように、結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃのレンズ条件を設定する。

また、回折像モードでは走査コイル１５により電子線プローブを走査するが、実像モードでは走査コイル１５は励磁した状態のまま、走査中心位置に固定する。結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃの拡大倍率は、例えば１．５万倍〜４万倍とする。なお、電子線プローブ形状の測定にはスケールを校正する必要があるが、金やＳｉ等のように格子間隔が既知の単結晶を用いてスケールを校正する。

ところで、本実施形態では、上述したように、ＳＴＥＭの結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃを実像モードにして電子線プローブの形状を測定する。この場合、結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃの動作モード以外の条件が変化してしまうと、ＳＴＥＭ像取得時と電子線プローブ形状測定時との条件が異なり、デコンボリューション処理しても偽像を除去することができなくなってしまう。従って、電子線プローブ形状測定時とＳＴＥＭ像取得時の結像レンズ動作モード以外の条件を一致させることが重要である。

図６（ａ）は、ＳＴＥＭ像観察時の条件に基づいてシミュレーション計算して得た電子線プローブ形状（強度分布）を示す図である。また、図６（ｂ）は、実験により直接測定した電子線プローブ形状（強度分布）を示す図である。図６（ａ），（ｂ）では、フォーカスずれ量が−３０ｎｍから−８０ｎｍまでのときの電子線プローブ形状を求めている。なお、ＳＴＥＭ像観察時の条件は、加速電圧が２００ｋＶ、照射角が１２ｍｒａｄ、球面収差係数が１ｍｍとしている。

電子線プローブ形状及び強度は、電磁レンズの球面収差の影響によるフォーカスずれ量により変化する。図６（ａ），（ｂ）に示すように、シミュレーション計算により求めた電子線プローブ形状（図６（ａ））と実際に測定して得た電子線プローブ形状（図６（ｂ））とは大きく異なる。電子線プローブの電流量はフォーカスずれ量に依存し、強度全体を積分した場合はフォーカスずれ量が−６５ｎｍのときに電流量が最大値となり、プローブ中心の半値幅（実効的に有効なプローブ領域）で積分した場合はフォーカスずれ量が−５０ｎｍ（シェルツァーフォーカス）のときに電流量が最大値となる。図７に、フォーカス値（フォーカスずれ量）と電子線強度の積分値（全体及び半値幅）との関係をまとめて示す。なお、ビーム強度の積分値のフォーカス依存性は、計算結果と実測結果とで同様の傾向となる。

図８は、電子線プローブのフォーカス位置と電子線量との関係を示す模式図である。この図８に示すように、フォーカスが最適状態のときに電流密度は最大となり、アンダーフォーカスのとき及びオーバーフォーカスのときにはいずれも電流密度は小さくなる。フォーカス値に対する電流量の関係は、図７に示したように、電子線プローブ全体で積分したときにはフォーカス値が−６５ｎｍのときに最大となり、半値幅で積分したときにはフォーカス値が−５０ｎｍのときに最大となる。すなわちフォーカス値が−６５ｎｍのときに電流量は最大値をとるが、最高分解能であるシェルツァーフォーカスを定義したほうがよいので、本実施形態では半値幅で積分したときに電流量が最大となる位置を最適フォーカス位置とする。

図９は、本実施形態における電子線プローブ形状の測定方法の概念を示す模式図である。まず、予め設定された条件で対物レンズ１８ａ，１８ｂを駆動し、試料位置におけるフォーカスを調整する。すなわち、上部電子線検出器２１を試料位置に挿入し、上部電子線検出器２１で検出される電流量（半値幅で積分したときの電流量）が最大になるようにフォーカスを合わせる。このとき、通常のＴＥＭ観察では対物レンズのレンズ条件を微調整してフォーカスを合せるが、対物レンズのレンズ条件を変化させると電子線入射条件が変わってしまい、デコンボリューション処理しても偽像を除去することができなくなる。そのため、電子線入射条件を変えずに、上部電子線検出器２１の高さ方向の位置を調整して半値幅で積分したときに電流量が最大となる位置を探索し、フォーカス位置とする。ＳＴＥＭ像観察時には、このフォーカス位置が試料挿入位置となる。フォーカス位置が決定した後、上部電子線検出器２１を側方に退避させる。

次に、実像モードにおける結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃのフォーカス位置を調整する。すなわち、結像面の位置に下部電子線検出器２５を挿入し、対物レンズ１８ａ，１８ｂのレンズ条件を変化させることなく、下部電子線検出器２５で検出される電流量（半値幅で積分したときの電流量）が最大となるように結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃのレンズ条件を変化させる。下部電子線検出器２５で検出される電流量が最大となる結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃのレンズ条件（実像モードにおけるレンズ条件）が決定したら、下部電子線検出器２５を側方に退避させる。

このようにして対物レンズ１８ａ，１８ｂ及び結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃのフォーカスの調整が完了した後、ＣＣＤカメラ２６（又は、イメージングプレート若しくはフィルム等）を用いて電子線形状の撮影を行う。このとき、前述したようにメカニカル方式のシャッター２３を用いて、電子線量が飽和しないようにする。図１０（ａ）に実際に撮影した電子線プローブの形状を示し、図１０（ｂ）にその電子線形状の二次元強度プロファイル（図１０（ａ）中に破線の矢印で示す位置における二次元強度プロファイル）を測定した結果を示す。

なお、図１０（ｂ）では二次元強度プロファイルの測定例を示しているが、三次元強度プロファイルを測定してもよい。図１１に、三次元強度プロファイルの例を示す。図１１では、加速電圧を２００ｋＶ、電子線入射角を１２ｍｒａｄとし、フォーカスずれ量が−３０ｎｍのとき（図１１（ａ））、−５０ｎｍのとき（図１１（ｂ））、及び−７０ｎｍのとき（図１１（ｃ））の電子線強度の三次元強度プロファイルを示している。

次に、図１２に示すフローチャートを参照して、本発明の実施形態に係る画像処理方法を説明する。図１２において、ステップＳ１１〜Ｓ２０は電子線プローブの形状を測定する工程であり、前述の電子線プローブ形状の測定方法と重複する。また、ステップＳ２１〜Ｓ２６はＳＴＥＭ像を取得し、デコンボリューション処理して偽像を除去する工程である。以下の説明では、図１の電子線装置の構成図も参照する。

まず、ステップＳ１１において、測定条件を設定する。例えば、電子線の加速電圧を２００ｋＶ、照射角を１２ｍｒａｄとする。また、拡大倍率を１．５万倍〜４万倍に設定する。

次に、ステップＳ１２において、電子線の光軸を調整するとともに、電子線の入射条件を固定する。すなわち、走査コイル１５は励磁された状態のまま、走査中心位置に固定する。また、対物レンズ１８ａ，１８ｂのレンズ条件を固定する。電子線の入射条件（実験条件）は、制御部１０内に記憶される。

次に、ステップＳ１３において、試料位置に上部電子線検出器２１を挿入する。そして、ステップＳ１４，Ｓ１５において、上部電子線検出器２１の位置を上下方向に移動して、最大電流が得られる位置を探索する。最大電流が得られる位置が決定したら、ステップＳ１５からステップＳ１６に移行し、その最大電流が得られる位置をＳＴＥＭ像観察時の試料挿入位置とする。

次に、ステップＳ１７に移行し、結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃの結像面の位置に下部電子線検出器２５を挿入する。そして、ステップＳ１８，Ｓ１９において、下部電子線検出器２５で検出される電流値が最大となるように、結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃのレンズ条件を調整する。

このようにして結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃの調整が完了したら、ステップＳ１９からステップＳ２０に移行する。ステップＳ２０では、ＣＣＤカメラ２６により電子線プローブ形状を撮影し、この画像データを制御部１０に入力する。制御部１０は、この画像データを画像処理して電子線プローブ形状を測定する（図１０、図１１参照）。

このようにして電子線プローブ形状の測定が完了した後、上部電子線検出器２１、シャッター２３、下部電子線検出器２５及びＣＣＤカメラ２６を電子線の通過域から退避させる。

次に、ステップＳ２１に移行する。ステップＳ２１では、試料２０を試料搭載部１９に搭載し、ステップＳ１６で決定した試料挿入位置に挿入する。その後、ステップＳ２２において、制御部１０は結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃを回折像モードに切り替えるとともに、電子銃１１、収束レンズ１２ａ，１２ｂ、偏向コイル１４、走査レンズ１５及び対物レンズ１８ａ，１８ｂ等を制御し、ＳＴＥＭ検出器２７によりＳＴＥＭ像の画像データを取得する。ＳＴＥＭ検出器２７により取得されたＳＴＥＭ像のデータは、制御部１０に入力される。

次に、ステップＳ２３において、制御部１０は、デコンボリューション計算を行う。このとき、制御部１０は、ステップＳ２０で測定した電子線プローブ形状の測定結果と電子線の入射条件とを読み出し、デコンボリューション計算時のパラメータとして使用する。

次に、デコンボリューション処理が終了した後、ステップＳ２４において解析像（デコンボリューション処理後のＳＴＥＭ像）を検証し、ステップＳ２５において偽像の有無を判定する。偽像がある場合、電子線の入射条件（例えば、フォーカス値）が実際と異なることが考えられる。この場合、ステップＳ２３に戻り、電子線の入射条件を若干変化させて、再度デコンボリューション計算を行う。ステップ２５で偽像がないと判定した場合は、ステップＳ２６に移行する。このようにして、偽像を除去したＳＴＥＭ像が得られる。

本実施形態では、結像レンズ２２ａ，２２ｂ，２２ｃのレンズ条件を調整して電子線プローブの形状を実測し、その結果を用いてＳＴＥＭ検出器２７により取得したＳＴＥＭ像をデコンボリューション処理し、ＳＴＥＭ像から偽像を除去する。これにより、偽像を適切に除去することができて、正確な原子像を得ることができる。

なお、上述の実施形態では本発明をＳＴＥＭに応用した例について説明したが、本発明はその他に、電子線により試料を加工する電子線加工装置の電子線プローブ形状の測定等に応用することもできる。

図１は、本発明の実施形態に係る電子線装置の構成を示す模式図である。 図２（ａ）はデコンボリューション前の電子線プローブの強度分布と、デコンボリューション後の電子線プローブの強度分布とを示す図、図２（ｂ）はデコンボリューション前及びデコンボリューション後のシミュレーション像を示す図、図２（ｃ）はデコンボリューション前及びデコンボリューション後のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像を示す図である。 図３は、ＴＥＭの結像系を示す模式図である。 図４は、ＳＴＥＭの結像系（回折像モード）を示す模式図である。 図５は、ＳＴＥＭの結像系（実像モード）を示す模式図である。 図６（ａ）はＳＴＥＭ像観察時の条件に基づいてシミュレーション計算して得た電子線プローブ形状（強度分布）を示す図、図６（ｂ）は実験により直接測定した電子線プローブ形状（強度分布）を示す図である。 図７は、フォーカス値と電子線強度の積分値（全体及び半値幅）との関係をまとめて示す図である。 図８は、電子線プローブのフォーカス位置と電子線量との関係を示す模式図である。 図９は、実施形態における電子線プローブ形状の測定方法の概念を示す模式図である。 図１０（ａ）は実際に撮影した電子線プローブの形状を示す図、図１０（ｂ）にその電子線形状の二次元強度プロファイルを測定した結果を示す図である。 図１１（ａ），（ｂ），（ｃ）は、電子線形状の三次元強度プロファイルを示す図である。 図１２は、本発明の実施形態に係る画像処理方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…制御部、
１１…電子銃、
１２ａ，１２ｂ…収束レンズ、
１３…収束レンズ絞り、
１４…偏向コイル、
１５…走査コイル、
１６…球面収差・非点収差補正部、
１７…二次電子検出器、
１８ａ，１８ｂ，３１ａ，３１ｂ…対物レンズ、
１９…試料搭載部、
２０，３３…試料、
２１…上部電子線検出器、
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ…結像レンズ、
２３…シャッター、
２４…蛍光板、
２５…下部電子線検出器、
２６…ＣＣＤカメラ、
２７…ＳＴＥＭ検出器、
３４…結像面。

Claims (6)

1. 試料に照射される電子線の形状を測定可能な電子線装置であって、
   電子線を出力する電子線源と、
   前記電子線源から出力された電子線の焦点を試料位置に合せる対物レンズと、
   前記電子線源と前記対物レンズとの間に配置され、前記電子線を試料表面に沿って走査可能な走査コイルと、
   前記試料位置を通過した電子線を結像面に結像する結像レンズと、
   電子線形状測定時に前記試料位置に配置される第１の電子線検出器と、
   前記電子線形状測定時に前記結像面の位置に配置される第２の電子線検出器と、
   前記電子線形状測定時に前記結像面又はその近傍に配置されて電子線形状を撮影する撮像部と、
   前記電子線源、前記対物レンズ、前記走査コイル及び前記結像レンズを制御するとともに、前記第１の電子線検出器、前記第２の電子線検出器及び前記撮像部から出力される信号を入力する制御部と
   を有することを特徴とする電子線装置。
2. 更に、前記試料を透過した電子を検出して電子顕微鏡像を取得する電子顕微鏡像取得部を有し、
   前記制御部は、電子線形状を測定する電子線形状測定モードと、前記電子顕微鏡像を取得する電子顕微鏡像取得モードとを備え、前記電子線形状測定モードでは前記試料面における電子線形状を前記撮像部に投影するように前記結像レンズを制御し、前記電子顕微鏡像取得モードでは前記第１の電子線検出器、前記第２の電子線検出器及び前記撮像部を電子線の通過域から退避させ、前記試料による回折像を前記電子顕微鏡像取得部に投影するように前記結像レンズを制御することを特徴とする請求項１に記載の電子線装置。
3. 前記制御部は、前記撮像部で撮影した電子線形状に応じて、前記電子顕微鏡像取得部で取得した電子顕微鏡像をデコンボリューション処理することを特徴とする請求項２に記載の電子線装置。
4. 前記制御部は、電子線形状測定時に、前記第１の電子線検出器を前記電子線の移動方向に沿って移動させ、前記第１の電子線検出器で検出される電流密度が最大となる位置を探索することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子線装置。
5. 電子線源から出力された電子線の焦点を試料位置に合わせる対物レンズと、試料を透過した電子線を結像面に結像させる結像レンズとを有する電子線装置の電子線形状測定方法において、
   前記対物レンズの焦点位置に第１の電子線検出器を配置し、該第１の電子線検出器を移動させて電流密度が最大となる位置を探索する工程と、
   前記第１の電子線検出器を電子線の通過域から退避させ、前記結像レンズの結像面に第２の電子線検出器を配置し、該第２の電子線検出器で検出される電子線の電流密度が最大となるように前記結像レンズのレンズ条件を調整する工程と、
   前記第２の電子線検出器を電子線の通過域から退避させ、前記結像レンズの結像面における電子線形状を測定する工程と
   を有することを特徴とする電子線形状測定方法。
6. 請求項５の電子線形状測定方法により測定した電子線形状を用いて電子顕微鏡像をデコンボリューション処理し、前記電子線顕微鏡像から偽像を除去することを特徴とする画像処理方法。

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