JP2009252422A

JP2009252422A - 荷電粒子線装置および荷電粒子線を用いた試料観察手法

Info

Publication number: JP2009252422A
Application number: JP2008096697A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Ikuyori; 義久生頼; Toshiya Watanabe; 俊哉渡邉; Mine Araki; 美音荒木
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2008-04-03
Filing date: 2008-04-03
Publication date: 2009-10-29
Anticipated expiration: 2028-04-03
Also published as: JP5285944B2

Abstract

【課題】
荷電粒子線装置において、試料内を散乱して透過した暗視野信号粒子によって形成される暗視野信号像から回折コントラストおよびＺコントラストを識別し、各コントラストの取捨選択や回折コントラスト部に色をつけ回折コントラスト部を明示できるような像を取得する。
【解決手段】
上記課題を解決するために、複数に分割された暗視野検出器と、当該検出器に画像を記憶するメモリーを備え、分割された検出器から得られる複数枚の画像から特定方向に検出される回折コントラストと一様な方向に散乱されるＺコントラストを認識し、各コントラストの取捨選択や回折コントラスト部に色をつけ回折コントラスト部を明示できるような画像処理装置を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は荷電粒子線装置に関わり、特に試料内で散乱して透過した粒子（暗視野信号粒子）において回折コントラストとＺコントラストを分離することのできる荷電粒子線装置に関する。

走査電子顕微鏡に代表される荷電粒子線装置では、細く集束された荷電粒子線を試料上で走査して試料から所望の情報（例えば試料像）を得る。このような荷電粒子線装置の多くは、半導体デバイスの評価や不良解析に用いられている。

半導体デバイスや不良解析では、試料内で散乱し透過した粒子を検出して得られる暗視野信号像を用いている。暗視野信号像では、試料の原子番号の違いに起因するコントラストが観察できる。

暗視野信号検出の従来技術として、特許文献１には、上下に可動する機構を備えた暗視野信号検出器を用い、特定の回折角における暗視野像を取得する手法が開示されている。また複数に分割された暗視野検出器おいて、各検出要素から得られる信号を選択したり、加減算したりする機構が開示されている。

特開２００４−２１４０６５号公報

半導体デバイスは年々微細化が進み、多層構造化したデバイスの不良解析をするために、デバイスを薄膜化して評価する手法が重要になっている。薄膜化された試料においては、暗視野信号像によって試料の原子番号の違いに起因するコントラスト（Ｚコントラスト）を明瞭に観察できるため、暗視野信号像がデバイスの不良解析に有効である。

材料分野においても、機能性を持たせるために微細粒子状に担持させた超微粒子（例えば触媒）の分散状態把握にＺコントラストを強く反映する暗視野信号像が有効である。

ここで、暗視野信号粒子は回折現象（ブラッグ反射）によって散乱される粒子（回折信号粒子）と原子核の静電ポテンシャルによって散乱される粒子（Ｚ信号粒子）に分けられる。

回折信号粒子とＺ信号粒子とでは、一般的に図２（ｃ）に示すようにＺ信号粒子の散乱角度θの方が回折信号粒子の散乱角度Φよりも大きい。ただし、反射条件によってはθ≒Φとなる強い回折散乱が生じることもある。また、図２（ａ）（ｂ）に示すように、回折信号粒子１０４は一方向にのみ散乱され、Ｚ信号粒子１０３は一様な方向に散乱される。

特許文献１には、回折コントラスト信号及びＺコントラスト信号の検出において、回折コントラストが複数存在し、それぞれが異なる検出要素で検出される場合において、回折コントラストを除外した適正なＺコントラスト像の取得や暗視野信号像内の回折コントラストの明示法、回折コントラストかＺコントラストかを自動的に識別する手法については開示されていない。

本願は、回折コントラストとＺコントラストを適切に分けて識別することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、試料内で散乱した暗視野信号粒子を検出するための複数に分割された暗視野信号検出器と、前記検出要素それぞれに画像を記憶するためのメモリーを備え、前記検出要素から得られた複数枚の像を画像処理装置によりＺコントラストと回折コントラストを識別し、各コントラストの取捨選択や回折コントラストに色をつけるような画像処理を行う。

本発明によれば、暗視野信号粒子観察において、分割された暗視野信号検出器の各検出要素から得られる像の画像処理により、適切なＺコントラスト像や回折コントラストの識別が可能となる。

以下に本発明の具体的構成、及び具体的効果について図を用いて説明する。

図１は走査電子顕微鏡における本発明の模式図である。図１の走査電子顕微鏡では、電圧が印加された引き出し電極３の電界により電界放出型電子銃２から放出された一次電子線１は、電極４によって加速され、集束レンズ５によって集束され、対物絞り６と集束レンズ７と対物レンズ１１によって細く絞られる。また、絞られた電子線は、偏向コイル８により試料上を二次元的に走査される。

電子の持つエネルギーに対し試料が十分に薄い場合、電子は試料９を透過する。試料を透過する電子は、試料内で非散乱もしくは非弾性散乱した明視野信号電子１５と弾性散乱した暗視野信号電子１３に分けられる。

明視野信号電子は明視野絞り１６により散乱角が制限され、絞りを透過した明視野信号電子のみが明視野検出器１７で検出される。一方、暗視野信号電子は試料内で散乱されるため、ある角度を持って試料を透過し、対物レンズ下方に配置された４分割暗視野信号検出器１４によって検出される。

検出器は、図４に示すような複数に分割された暗視野検出器であり、各検出要素３０１から得られる信号を選択したり、加減算したりする信号加算回路３０２がある。

また、図示していないが、この４分割暗視野検出器の４つの検出要素にはそれぞれ画像を記憶するためのメモリーが備えられている。

また、図３（ａ）（ｂ）に示す上下に可動する機構を備えた暗視野信号検出器２０５を用い、特定の回折角における暗視野像を取得できるようにしてもよい。

図５は４分割検出器４０１を用いた回折コントラストの識別法である。上述したように、回折信号粒子はある特定の方向に、Ｚコントラスト信号は一様な方向に散乱される特徴があるため、図５の各検出要素から得られる暗視野信号像４０３，４０４，４０５，４０６の比較を行うことで、単一の分割要素像にのみ観察されるコントラスト４０７を回折コントラストとして識別することができる。

分割要素像とは、４分割検出器の各検出面に入射した電子に基づいて検出面ごとに画像にした像をいう。

しかし、各分割検出器の異なる検出面にそれぞれ異なった回折信号粒子が入射した場合には、各検出要素像を比較しただけでは、正確なＺコントラスト像を得ることができない。検出要素像を２枚ずつ比較しても、各検出要素像の回折コントラストが重なった場合は、Ｚコントラスト像を正確に抽出できないからである。

そこで、回折信号粒子は４分割検出器の検出要素のどれか一つで検出され、Ｚ信号粒子はすべての検出要素で検出されるという各信号粒子の散乱の特徴を利用する。画像処理装置１８では、この特徴を用いて、各検出要素から得られる画像からＺコントラスト信号か回折コントラスト信号かの識別を行い、各コントラストの取捨選択や色付け等を行う。

その結果、例えば図６に示すように、各分割要素Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに回折コントラストが存在している場合でも、単一検出要素からのみ得られるコントラストを除外するような画像処理を行えば、暗視野信号像５０１から回折コントラストを除外した適正なＺコントラスト像５０２を得ることが可能となる。

図７は回折コントラストを除外するための画像処理法のフローチャートである。

（ステップ１）４分割検出器の各検出要素から得られた像について、それぞれ同じ座標の画素のコントラスト値を取得する。

（ステップ２）閾値Ｔを設定する。閾値を小さくしすぎると分割要素の一部から得られるＺコントラストを除外する可能性があるため、適切なＺコントラスト値を得ることができなくなる。たとえば、比較の対象がいずれもＺコントラストであるにも関らず、閾値が小さすぎたために、一方のＺコントラストを除外してしまう可能性がある。

逆に、大きくしすぎると回折コントラストを除外することができなくなるため、適切なＺコントラスト像を得ることができなくなる。そのため、閾値はＺコントラストを除外せず、回折コントラストのみを除外する範囲で設定する。

例えば、各分割要素の回折コントラストを表す部分のコントラストのうちの最小値と、各分割要素のＺコントラストを表すもののうちの最大値との差よりも小さい値であれば、回折コントラストを除外できる。また、各分割要素のＺコントラストを表すもののうちの最大値と最小値との差よりも大きければＺコントラストを除外することがない。閾値Ｔはこの間の値をとればよいことになる。

（ステップ３）各要素から得られたコントラスト値を比較し、最大値Ｃ_MAXおよび最小値Ｃ_MINを取得する。

（ステップ４）最大値と最小値の差Ｃ_MAX−Ｃ_MINが閾値Ｔより大きい場合はステップ５へ移る。最大値と最小値の差Ｃ_MAX−Ｃ_MINが閾値Ｔ以下である場合はステップ７へ移る。

（ステップ５）各検出要素から得られたコントラスト値のうち、最大値Ｃ_MAXを除外しステップ６へ移る。

（ステップ６）各検出要素から得られたコントラスト値において、除外されていないコントラスト値が二つ以上あるか判断する。二つ以上ある場合は、再度ステップ３へ移る。一つしかない場合は、閾値が小さすぎる可能性があるためステップ２へ戻り閾値を設定し直すか、強制的にステップ７へ移るかを選択する。

回折信号電子が入射する検出要素は他の検出要素に比べて電子が多く入射するため、最大値と最小値に差がある場合は最大値をもつ検出器に回折信号が入射していることになる。そのため最大値を除外することは回折コントラストを除外することを意味する。また、最大値，最小値に差がなくなるまで繰り返し比較を行うことで、回折電子が検出要素の間に入射した場合におこる、二つ以上の検出要素から回折信号が検出される場合に対応可能となる。

（ステップ７）除外されなかったコントラスト値の平均値を算出し、除外したコントラスト値を平均値に置き換える。

（ステップ８）４つのコントラスト値を加算したものを選択座標のコントラスト値として再構成画素を取得する。画像の全画素もしくは選択した所定の範囲の画素についてステップ１〜ステップ８を行うことで、暗視野信号像から回折コントラストを除外した適正なＺコントラスト像を取得することが可能となる。

図８は所望の検出要素に入射する回折コントラストのみを除外する画像処理法のフローチャートである。

（ステップ１）回折コントラストを除外したい検出要素を一つまたは複数を選択する。

（ステップ２）４分割検出器の各検出要素から得られた像について、それぞれ同じ座標の画素のコントラスト値を取得する。

（ステップ３）閾値Ｔを設定する。閾値を小さくしすぎると分割要素の一部から得られるＺコントラストを除外する可能性があるため、適切なＺコントラスト値の値を得ることができなくなる。逆に、大きくしすぎると回折コントラストを除外することができなくなるため、適正なＺコントラスト像を得ることができなくなる。そのため、閾値はＺコントラストを除外せず、回折コントラストのみを除外する範囲で設定する。

閾値の決定方法は、図７を用いた実施例と同じようにすればよい。

（ステップ４）各要素から得られたコントラスト値を比較し、最大値Ｃ_MAXおよび最小値Ｃ_MINを取得する。

（ステップ５）最大値と最小値の差Ｃ_MAX−Ｃ_MINが閾値Ｔより大きく、且つ最大値Ｃ_MAXを検出した検出要素がステップ１で選択した検出要素の場合、ステップ６へ移る。Ｃ_MAX−Ｃ_MINが閾値Ｔより大きく、且つ最大値Ｃ_MAXを検出した検出要素がステップ１で選択した検出要素でない場合は、ステップ８へ移る。Ｃ_MAX−Ｃ_MINが閾値Ｔ以下である場合は何も処理を行わずにステップ９へ移る。

（ステップ６）各検出要素から得られたコントラスト値のうち、最大値Ｃ_MAXを除外しステップ７へ移る。

（ステップ７）各検出要素から得られたコントラスト値において、除外されていないコントラスト値が二つ以上あるか判断する。二つ以上ある場合は、ステップ４へ移る。一つしかない場合は、閾値が小さすぎる可能性があるためステップ３へ戻り閾値を設定し直すか、強制的にステップ９へ移るかを選択する。

（ステップ８）各検出要素から得られたコントラスト値のうち、最大値Ｃ_MAX以外のコントラスト値をＣ_MAXに置き換えてステップ１０へ移る。

（ステップ９）除外されなかったコントラスト値の平均値を算出し、除外したコントラスト値を平均値に置き換える。

（ステップ１０）４つのコントラスト値を加算したものを選択座標のコントラスト値として再構成画素を取得する。

画像の全画素もしくは選択した所定の範囲の画素についてステップ１〜ステップ１０を行うことで、暗視野信号像から所望の検出要素に入射する回折コントラストのみを除外した像を取得することが可能となる。

図９は回折コントラストに色をつけるための画像処理法のフローチャートである。

（ステップ１）回折コントラスト部に付ける色を選択する。

（ステップ３）閾値Ｔを設定する。閾値を小さくしすぎるとＺコントラスト部であっても回折コントラスト部として判断し、逆に大きくしすぎると回折コントラスト部であってもＺコントラスト部として判断するため、閾値はＺコントラスト値と回折コントラスト値の差が明確になる範囲で設定する。

（ステップ５）最大値と最小値の差Ｃ_MAX−Ｃ_MINが閾値Ｔより大きい場合はステップ６へ移る。最大値と最小値の差Ｃ_MAX−Ｃ_MINが閾値Ｔ以下である場合はステップ７へ移る。

（ステップ６）選択した座標の画素の色をステップ１で設定した色に変更し再構成画素を取得する。

（ステップ７）それ以外の画素について、４つのコントラスト値を加算したものを選択座標のコントラスト値として再構成画素を取得する。

画像の全画素もしくは選択した所定の範囲の画素についてステップ１〜ステップ７を行うことで、暗視野信号像において回折コントラスト部を所望の色をつけて表示でき、回折コントラスト部とＺコントラスト部の明確化が可能となる。

図１０は回折コントラストについて分割要素別に色をつけるための画像処理のフローチャートである。

（ステップ１）各分割要素に所望の色を割り振る。

（ステップ６）Ｃ_MAXを検出した検出要素を求め、選択座標の画素の色をステップ１で設定した色に変更し、再構成画素の色とする。

画像の全画素もしくは選択した所定の範囲の画素についてステップ１〜ステップ７を行うことで、各回折コントラストがどの方向に散乱された電子によるものかを明示することが可能となる。

図１１はＺコントラストを除外し、回折コントラスト部のみを所望の色で表示するための画像処理法の実施例である。

（ステップ５）最大値と最小値の差Ｃ_MAX−Ｃ_MINが閾値Ｔ以下である場合はステップ６へ移る。最大値と最小値の差Ｃ_MAX−Ｃ_MINが閾値Ｔより大きい場合はステップ７へ移る。

（ステップ６）各検出要素から得られたコントラスト値を０にしステップ７へ移る。

（ステップ７）Ｃ_MAXを検出した検出要素を求め、選択座標の画素の色をステップ１で設定した色に変更し、再構成画素の色として出力する。

画像の全画素もしくは選択した所定の範囲の画素についてステップ１〜ステップ７を行うことで、Ｚコントラストを除外した回折コントラストのみの像を取得することが可能となる。

図１２に本実施例の操作フローを示す。

（ステップ１）４分割検出器を用いて暗視野像を取得する。

（ステップ２）適切なＺコントラスト像や回折コントラストのみの像など、取得したい像を選択する。

（ステップ３）画像の全体もしくは情報を得たい所定の範囲を選択する。

（ステップ４）図７〜図１１に示すような画像処理法を実施し、ステップ２で選択した所望の像を取得する。操作フローからも分かるように、本発明では、暗視野信号像において、所望の範囲でＺコントラスト像等を自動的に取得することが可能である。また、分割要素から得られる像の比較は、画像処理装置にて行うため、分割要素が多くなった場合でも対応することが可能である。

尚、本実施例では走査電子顕微鏡および４分割検出器を用いたが、それに限られる事は無く、本発明は荷電粒子線装置全般および２分割以上の検出器に適応可能である。また、画像処理法についても、分割要素から得られる像を用いて回折コントラストおよびＺコントラストを判別し、除外もしくは色をつけることのできるような画像処理法であれば、ソフトウェア処理およびハードウェア処理に関わらず本発明に適応可能である。

また、上記実施例において、本装置には、検出要素を指定したり、回折コントラストの色を決定する入力装置や、画像を表示する表示装置が設けられている。

走査電子顕微鏡を例とした本発明の構成図。回折信号電子およびＺ信号電子の散乱模式図。上下可動暗視野信号検出器による散乱粒子選択の模式図。検出要素の信号を選択および加減算できる４分割検出器の模式図。４分割検出器による回折コントラストおよびＺコントラストの分離法の模式図。実施例におけるＺコントラスト像取得法の模式図。回折コントラストを除去する画像処理法のフローチャート。選択した検出要素から検出される回折コントラストのみを除去する画像処理法のフローチャート。回折コントラストに色付けする画像処理法のフローチャート。回折コントラストを分割要素別に色付けする画像処理法のフローチャート。回折コントラストのみを表示する画像処理法のフローチャート。本実施例における操作手順のフローチャート。

符号の説明

１，１０１，２０１一次電子線
２電界放出型電子銃
３引き出し電極
４電極
５，７集束レンズ
６対物レンズ絞り
８偏向コイル
９，１０２，２０２試料
１０二次電子検出器（反射電子検出器）
１１対物レンズ
１２ａ対物レンズ上磁極
１２ｂ対物レンズ下磁極
１３暗視野信号電子（弾性散乱電子）
１４，２０５暗視野信号検出器
１５明視野信号電子（非散乱電子＋非弾性散乱電子）
１６明視野絞り
１７明視野検出器
１８画像処理装置
１９像観察用ディスプレイ
１０３Ｚ信号粒子
１０４回折信号粒子
１０５Ｚ信号粒子の散乱角
１０６回折信号粒子の散乱角
２０３Ｚ信号粒子の軌道
２０４回折信号粒子の軌道
３０１４分割検出器の検出要素
３０２信号加算回路
４０１４分割検出器
４０２４分割検出器から得られる暗視野信号像
４０３検出要素Ａから得られる暗視野信号像
４０４検出要素Ｂから得られる暗視野信号像
４０５検出要素Ｃから得られる暗視野信号像
４０６検出要素Ｄから得られる暗視野信号像
４０７回折コントラスト
５０１暗視野信号像（各検出要素から得られる暗視野信号を足した暗視野信号像）
５０２暗視野信号像から単一の検出要素でのみ検出されるコントラストを除外した像。（Ｚコントラスト像）

Claims

荷電粒子線源と、
前記荷電粒子源から発生する一次荷電粒子線を試料上で収束する対物レンズと、
前記一次荷電粒子線を試料上で走査する偏向器と、
前記一次荷電粒子線により、試料内で散乱された透過電子を検出する検出器であって分割された検出面を有する検出器と、
前記検出器で検出された信号に基づいて画像を形成する装置と、
当該検出器の各検出面毎に信号画像を記憶するメモリーを備えた荷電粒子線装置であって、
各検出面から得られる複数枚の画像の同一画素の画素値を比較し、
その画素値の最大値と最小値の差と所定の閾値との大小関係に基づいて、
前記透過電子の回折コントラストとＺコントラストを弁別した画像を作成する画像処理装置を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１において、
前記閾値は、前記各検出面からの画像の回折コントラストを表す部分のコントラストのうちの最小値と、各分割要素のＺコントラストを表すもののうちの最大値との差よりも小さい値であって、
各分割要素のＺコントラストを表すコントラスト値の最大値と最小値との差よりも大きい値であることを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１または２において、
各画素の最大値と最小値の差が所定の閾値より大きいとき、前記最大値を除去することにより、回折コントラストを除外することを特徴とする画像処理装置を備えた荷電粒子線装置。
請求項３において、
各画素の最大値と最小値の差が所定の閾値より大きいとき、且つ、前記最大値を与える画素が、所定の検出面の画像の画素であったときに、前記最大値を除去することにより、回折コントラストを除外することを特徴とする画像処理装置を備えた荷電粒子線装置。
請求項１または２において、
各画素の最大値と最小値の差が所定の閾値より大きいとき、前記最大値を与える画素に色を付すことにより、回折コントラストを分別することを特徴とする画像処理装置を備えた荷電粒子線装置。
請求項５において、
前記色は、各検出面ごとの画像の画素の最大値ごとに異なることを特徴とする荷電粒子線装置。
試料に荷電粒子線を照射して透過した透過電子を、分割された検出面を有する検出器によって検出し、
各検出面ごとに検出された信号に基づいて、検出面ごとに複数枚の画像を形成し、
前記複数枚の画像の同一画素の画素値を比較し、
その画素値の最大値と最小値の差と所定の閾値との大小関係に基づいて、
前記透過電子の回折コントラストとＺコントラストを弁別した画像を作成することを特徴とする画像形成方法。
請求項７において、
前記閾値は、前記各検出面からの画像の回折コントラストを表す部分のコントラストのうちの最小値と、各分割要素のＺコントラストを表すもののうちの最大値との差よりも小さい値であって、
各分割要素のＺコントラストを表すコントラスト値の最大値と最小値との差よりも大きい値であることを特徴とする画像形成方法。
請求項７または８において、
各画素の最大値と最小値の差が所定の閾値より大きいとき、前記最大値を除去することにより、回折コントラストを除外することを特徴とする画像形成方法。
請求項９において、
各画素の最大値と最小値の差が所定の閾値より大きいとき、且つ、前記最大値を与える画素が、所定の検出面の画像の画素であったときに、前記最大値を除去することにより、回折コントラストを除外することを特徴とする画像形成方法。
請求項７または８において、
各画素の最大値と最小値の差が所定の閾値より大きいとき、前記最大値を与える画素に色を付すことにより、回折コントラストを分別することを特徴とする特徴とする画像形成方法。
請求項５において、
前記色は、各検出面ごとの画像の画素の最大値ごとに異なることを特徴とする画像形成方法。