JP2011175811A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力波高値の変動を抑え、高いＳＮ比を備える荷電粒子線装置を提供することを課題とする。
【解決手段】荷電粒子線装置において、出力信号が当該検出器へ一つの荷電粒子が入射される状態における出力信号であるか、当該検出器へ複数の荷電粒子が入射される状態における出力信号であるかを判定する判定部と、前記出力信号が当該検出器へ一つの荷電粒子が入射される状態における出力信号であると判断された場合には、パルスカウント法による信号処理により画像形成を行い、前記出力信号が当該検出器へ複数の荷電粒子が入射される状態における出力信号であると判断された場合には、アナログ法による信号処理により画像形成を行う演算部を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【選択図】 図５

Description

本発明は荷電粒子線装置に係り、特に試料に照射した際に発生する二次荷電粒子を計測する荷電粒子計測装置に関するものである。

走査電子顕微鏡に代表される荷電粒子計測装置では、試料に電子ビームを照射した際に発生する二次電子を検出するために、シンチレータと光電子増倍管を組み合わせて使われている。シンチレータから発せられる光が光電子増倍管に入射すると光電面から光電子が放出され、その電子はカスケードで増幅される。

ここで、入射する光の強さを変えて光電子増倍管の出力を観測すると、光が強い領域では出力のパルス間隔が狭いため、おのおの重なり合ったアナログ波形となる。しかし光が弱くなるとおのおのが離散したパルス状の出力波形となる。

特開２０００−２７５１０２号公報

アナログ波形と離散状のパルス波形では好適な波形の読み取り方式が異なる。

アナログ波形は出力波形に対し、周期的に出力値を読み取り、それぞれの波高値をデータとする手法が好適とされる（以後、アナログ法と呼ぶ）。また、特許文献１のように、離散したパルス波形においては、波高弁別を行い、ある電圧値以上のパルスを計数する手法が好適とされている（以後、パルスカウント法と呼ぶ）。

パルスカウント法はアナログ法に比べ、いくつかの利点がある。ひとつは光電子増倍管の増倍率の統計的変動や印加電圧に対する変動の影響を受けにくいこと、また波高弁別により信号成分を保ちつつ、効果的にノイズを除去できるためＳＮ比の向上が期待できることが挙げられる。

一方でアナログ法に比べ欠点も存在する。それは検出器に入る入力信号が検出器の応答時間内に複数個存在する場合（以後マルチシグナルと呼ぶ）、波形が重なり、パルスカウントの評価が難しくなる点である。それに対し以後、単一の信号のときをシングルシグナル、２つの信号のときをダブルシグナルと呼ぶ。

走査電子顕微鏡における二次電子検出器などは、入力信号を大きなダイナミックレンジで変化させて使われている。状況により異なるが多くの場合、マルチシグナルであるため、アナログ法を採用して信号処理を行っている。しかし観察試料に対するダメージや試料帯電、また高速スキャン等の観点から微小電流でのアプリケーションが重要となっており、シングルシグナルの状況を無視することはできない。

当然のことながら、シングルシグナルにおける観察をアナログ法において行う場合、前述のように光電子増倍管による増倍率変動やノイズの観点で問題が顕在化している。これに対して現在、有効な対策は取れていない。

そこで本発明では、上記問題点を解決し、出力波高値の変動を抑え、高いＳＮ比を備える荷電粒子線装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、荷電粒子源と、荷電粒子源から放出された一次荷電粒子線を試料上に集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、前記試料の一次荷電粒子線照射位置から発生する二次荷電粒子を検出し、前記検出器に入射した二次荷電粒子の量に応じて出力信号を放出する検出器を備えた荷電粒子線装置において、
前記出力信号が当該検出器へ一つの荷電粒子が入射される状態における出力信号であるか、当該検出器へ複数の荷電粒子が入射される状態における出力信号であるかを判定する判定部と、
前記出力信号が当該検出器へ一つの荷電粒子が入射される状態における出力信号であると判断された場合には、パルスカウント法による信号処理により画像形成を行い、前記出力信号が当該検出器へ複数の荷電粒子が入射される状態における出力信号であると判断された場合には、アナログ法による信号処理により画像形成を行う演算部を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。

微小な信号収量において問題となる信号増倍率の変動や暗電流ノイズによる影響を抑えることが可能となる。

走査電子顕微鏡の概略構成図。 走査電子顕微鏡に用いられる検出器の概略構成図。 出力信号の波高とカウント数の関係図。 出力信号の波高と時間の関係図。 実施例におけるフローチャート。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。なお、荷電粒子線装置として走査電子顕微鏡を例にとって説明するが、他の荷電粒子線装置でも適用することができる。

図１は本発明の一例である走査電子顕微鏡の概略構成図である。また図２は走査型電子顕微鏡に一般に用いられる検出器の概略構成図である。

ディスプレイ２４には、形成画像を表示するための表示手段や、当該表示手段に表示されるＧＵＩに対して、装置の操作に必要な情報を入力する情報入力手段等を備えている。なお、電子光学系の各構成要素、例えば一次電子ビームの加速電圧、試料へ照射されるプローブ電流などは、自動もしくは、ユーザーがディスプレイ２４上で所望の値を入力し、調整される。

走査電子顕微鏡に備える電子源１０は、一般に０.５ｋＶ〜３０ｋＶに加速される。複数段のレンズ（第一コンデンサレンズ１１，第二コンデンサレンズ１２）は、観察に適した条件に制御されているものとし、一次電子ビームを収束する作用を持つ。偏向器１３は試料１７上の一次電子ビームの照射位置を所望の観察視野範囲に従って走査させる。また偏向器１３は走査速度を可変することができるものとする。一次電子ビームの照射に伴って試料１７からは二次電子１８や反射電子２５が放出される。

また、試料１７から発生した信号は、約＋１０ｋＶに印加された電極２６の電界により加速され、シンチレータ１９に入射される。入射の際、電子のエネルギーと発光効率、また入射電子量に応じて光子２７を放出する。光子２７は等方的に放出され、ライトガイド２０側面部での全反射により伝播し、光電子増倍管２１に入射される。光電子増倍管２１の光電面に入射する光子２７は二次電子１８や反射電子２５ひとつあたり、数十個のオーダーである。光電面に入射した光子２７は光電面の材料に由来する量子効率に従い、光電効果を発生させ、光電子増倍管２１の増倍過程を経て１０⁴〜１０⁷程度に増倍される。この増倍率は光電子増倍管２１への印加電圧による変動、増倍過程での統計変動、また個体差の影響も含んでいる。増倍された信号はアンプ２２を経て出力波形処理装置２３で出力波高値が解析され、一次電子ビームの走査と同期させて、ディスプレイ２４で画像形成される。

以下、出力波形処理装置２３の処理について詳細に説明する。出力波形処理装置２３はシンチレータ１９に入射した二次電子１８または反射電子２５の量をモニターする機能を有する。具体的には、信号処理の応答時間内（一般にはシンチレータの発光時間が支配している）に複数の二次電子１８または反射電子２５がシンチレータ１９に入射しない条件（シングルシグナル）、または入射する条件（マルチシグナル、特に２つ場合をダブルシグナル）に分別する機能を有する。シングルシグナルまたはマルチシグナル判定後、好適な信号処理を行うために、図３に相当する情報を測定により求める。

図３は次の状況における出力信号の波高とカウント数の関係を示している。まず信号処理の応答時間内に二次電子１８または反射電子２５が１つまたは２つのみシンチレータ１９に入射するように試料へ照射されるプローブ電流などを調整する。シンチレータ１９内で発光した光子２７はライトガイド２０により光電子増倍管２１へ伝播され、少なくとも２つ以上の光電子が生成される。そのような状況が定常的に維持されているとし、十分な時間においてデータを積算させる。その結果、図３のような出力波高ヒストグラムを得る。

波高値が小さな分布から順に、暗電流，シングルシグナル，ダブルシグナルを意味している。走査電子顕微鏡では一般にシングルシグナルやダブルシグナルは、数十〜百個オーダーの光子２７が光電子増倍管２１に入射する現象であるため、分布の形状はガウス分布を仮定できる。そのため、暗電流との分離も容易である。この測定によりそれぞれの分布における期待値と分散値が求まる。この分布を得た後、暗電流のピークとシングルシグナルピークの間にＬＬＤ（Lower Level Discrimination Level），シングルシグナルピークとダブルシグナルピークの間にＵＬＤ（Upper Level Discrimination Level）を設定する。ＬＬＤは暗電流の除去のために導入され、ＵＬＤは信号収量の判定のために導入したものである。

以下に、上記の方法で設定されたＬＬＤおよびＵＬＤを用いて、信号収量の判定手段の一例を述べる。図４の上図はアンプ２２を経た出力信号の概略図であり、ＵＬＤ，ＬＬＤとの相関を示している。出力波形処理装置２３はその出力波形に対し高周波サンプリング回路を通し、周期的に波高値を記録する機能を有する。出力波高値は次のような操作を経て記録される。各測定点の波高値をそれぞれａ₁，ａ₂，・・・・ａ_i-1，ａ_i，ａ_i+1・・・・とし、添え字は時間軸に沿って付けている。また以下では波高値ａ_iをａ_i（α_i，β_i，γ_i，δ_i）とし、α，β，γ，δに対し定義付けを行う。α，βはそれぞれ０または１の数値であり、ＵＬＤを超えた測定点に対してはα＝１、超えない場合はα＝０とし、また前の測定点から連続して超えた場合もしくはα＝０の場合はβ＝０，α＝１かつ連続して超えなかった場合はβ＝１とする。γ，δに対しても同様に０または１の数値であり、ＬＬＤを超えた測定点に対してはγ＝１、超えない場合はγ＝０とし、また前の測定点から連続して超えた場合もしくはγ＝０の場合はδ＝０，γ＝１かつ連続して超えなかった場合はδ＝１とする。ある時間内において、βを数えることはＵＬＤを超える事象の数を数えることを意味し、δを数えることはＬＬＤを超える事象の数を数えることを意味する。βおよびδについて時間軸に沿って表現したものがそれぞれ図４の中央部，下部のグラフである。

ある時間積算した

はノイズ成分を除外した事象の数であり、シンチレータ１９に入射した電子の絶対数に相当し、明確な物理量として定義される。この信号処理の方法はパルスカウント法に相当するものである。つまりパルスカウント法を用いた画像は０または１の数値であるγ_iを画素ごとに積算した

をもとに明るさの階調を決めている。それに対して、出力波高値ａ_iを画素ごとに積算した

をもとに明るさの階調を決める信号処理の方法はアナログ法に相当する。

次に信号量の判定手段の一例を説明する。ここでは２つの数値を比較することで信号収量を判定することとする。

第１の数値は、ノイズ成分を除外した全事象中のシングルシグナルの割合に相当する

であり、信号収量の判定を行う度に出力波形処理装置２３において解析を行う。

第２の数値は、

である。Ｐ(ｚ)は図３に示す出力波高ヒストグラムであり、予め測定しておく。区間ＬＬＤ〜ＵＬＤまでの積分値

はノイズ成分を除外した全事象中のシングルシグナルの割合に相当する。

はしきい値の選定により若干の数値のばらつきはあるが、ほぼ１に近い数値である。

これらの数値

は互いに等価であるため、統計誤差範囲内で一致する。統計誤差範囲内で一致すれば、シングルシグナルと判定し、パルスカウント法による信号処理のもと画像形成を行う。また一致しないときはマルチシグナルと判定し、アナログ法による信号処理のもと画像形成を行う。これらは図５のフローチャートに沿って行われる。次の信号収量の判定を実施するまで、信号処理の方法は維持させる。また、信号収量の判定はシンチレータ１９に入射する信号量が変化するような操作をユーザーが行った際に自動的に行ってもよい。

また、これら一連の流れにおいてＵＬＤ，ＬＬＤは光電子増倍管２１への印加電圧により変化する。そのため、あらかじめ光電子増倍管２１への印加電圧と光電子増倍管の増倍率の関係を測定し、印加電圧の変動に連動させてＵＬＤ，ＬＬＤの設定を変えても良い。

１０ 電子源
１１ 第一コンデンサレンズ
１２ 第二コンデンサレンズ
１３ 偏向器
１４ 筐体
１５ 対物レンズ
１６ 試料室
１７ 試料
１８ 二次電子
１９ シンチレータ
２０ ライトガイド
２１ 光電子増倍管
２２ アンプ
２３ 出力波形処理装置
２４ ディスプレイ
２５ 反射電子
２６ 電極

Claims (4)

1. 荷電粒子源と、荷電粒子源から放出された一次荷電粒子線を試料上に集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、前記試料の一次荷電粒子線照射位置から発生する二次荷電粒子を検出し、前記検出器に入射した二次荷電粒子の量に応じて出力信号を放出する検出器を備えた荷電粒子線装置において、
   前記出力信号が当該検出器へ一つの荷電粒子が入射される状態における出力信号であるか、当該検出器へ複数の荷電粒子が入射される状態における出力信号であるかを判定する判定部と、
   前記出力信号が当該検出器へ一つの荷電粒子が入射される状態における出力信号であると判断された場合には、パルスカウント法による信号処理により画像形成を行い、前記出力信号が当該検出器へ複数の荷電粒子が入射される状態における出力信号であると判断された場合には、アナログ法による信号処理により画像形成を行う演算部を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１記載の荷電粒子線装置において、
   前記検出器の出力信号の増倍率を変動させる調整手段を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項１記載の荷電粒子線装置において、
   前記判定部は、前記検出器により光束が検出されない暗状態における出力信号のピークと、当該検出器へひとつ荷電粒子が入射される状態における出力信号のピークとの間に第１の閾値を設け、当該検出器へひとつ荷電粒子が入射される状態における出力信号のピークと、当該検出器へふたつ荷電粒子が入射される状態における出力信号のピークの間に第２の閾値を設け、第１と第２の閾値の間に出力信号のピークがある信号を、前記出力信号が当該検出器へ一つの荷電粒子が入射される状態であると判断することを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項３記載の荷電粒子線装置において、前記検出器の出力信号の増倍率を変動させる調整手段を備え、前記第１及び第２のしきい値は前記検出器の増倍率に連動して変化することを備えることを特徴とする荷電粒子線装置。

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