JP2011233523A - Sem画像化法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】SEMを用いた試料の調査方法に関し、複数(N)回の測定で探針電子ビームを試料の表面に照射する手順であって、各測定はビームパラメータ(P)の値を有し、該ビームパラメータの値は、ある範囲の値から選ばれ、かつ測定毎に異なる、各測定間に前記試料によって放出される誘導放射線を検出し、該誘導放射線と測定量(M)とを関連づけ、記録することで、複数のデータ対(Pi,Mi)(1≦i≦N)からなるデータの組をまとめることを可能にする手順、を有する。統計的ブラインド信号源分離法を用いて、データの組(D)を自動的に処理し、複数の画像化対(Qk,Lk)からなる結果として得られた組(R)に分解することを特徴とし、Qkの値を有する画像化量(Q)は、表面Sを基準とした離散的な深さレベルLkに関連づけられる。
【選択図】図3
Description
− 複数(N)回の測定で探針電子ビームを試料の表面に照射する手順であって、各測定はビームパラメータ(P)の値を有し、該ビームパラメータの値は、ある範囲の値から選ばれ、かつ測定後毎に異なる、手順、
− 各測定間に前記試料によって放出される誘導放射線を検出し、該誘導放射線と測定量(M)とを関連づけ、各測定での前記測定量の値を記録することで、複数のデータ対(Pi,Mi)(1≦i≦N)からなるデータの組をまとめることを可能にする手順、を有する。
− 後方散乱(BS)電子に係る信号は概して、検出可能な範囲内において生成された深さのすべてからの十分な情報を与える。
− 複数の種類の試料−染色された生体試料及び高分子を含む−におけるBS電子の数学的点広がり関数(PSF)は概して(高い)線形性を示す。
− 前記試料中の検出可能なBS電子のPSFはまた、(強く)横方向に閉じこめられて数十ナノメートル(50nmを超えた)深さを貫通することを示した。この事実は、3D体積画像化にとって非常に有用であることを照明している。なぜならこの事実は、試料内部の探索にBS電子が用いられた場合には、横方向の分解能の損失が相対的に低くなることを意味するからである。
− ある範囲の用途で直面する複雑な試料では、各異なる層が、各異なる構造及び広範囲にわたる局所密度と形状のばらつきを含んでいると仮定すると、試料内の様々な深さに位置する層(レベル)からの信号は、統計的な意味において高い独立性を示す傾向にある。
これらを実現することで最終的に、本願発明者らは、SEMを用いた、一般的なクラスの試料の断層(体積)画像化の一般化された自動化方法の開発が可能になる。より詳細には、上述の知見を利用することで、本願発明者らは、ある範囲のブラインド信号源分離(BSS)法からの2次以上の統計を利用して、一般的な試料内部の様々な(レベル)深さからの信号のもつれをほぐす(disentangle)(デコンボリューション/空間的分解)ことができることを発見した。特に主成分分析(PCA)法は本願発明において非常に巧く行くことを発見した。
手順1 到達エネルギーを増大させながらN枚のBS画像を取得する。
手順2 得られた一連の画像を横方向に位置合わせ及び/又は縮尺調整をする。
手順3 試料表面から数えてk番目の離散的な層(レベル)に関する画像を計算(抽出)する(k=1…N)。
− 前記一連の画像中の最初のk枚の画像にPCA分解を適用する。
− (深い層から生じる)低い重みを有する独立成分を大きくする。これはたとえば、前記低い重みを有する独立成分に、該成分のPCA(たとえばKarrhunen-Loeve)固有値の逆数に等しい又は比例する重み付け因子を乗じることにより実行されて良い。
− 再重み付けされた独立成分及びバックグラウンド(母体)材料によって深さ像を再構成する。
手順4 2D及び3Dノイズ除去並びに復元法を用いて、得られた一連の画像を後処理する。必要であれば、(横方向/xyでのデコンボリューションによる)所謂「層のぼけ除去(layer de-blurring)」もこの段階で行われて良い。
そのような方法を用いることによって、計算したスライス(層/レベル)の相対的な厚さは、一連のBS画像の取得中に適用されるビームエネルギーの増分を適切に選択することによって調節されて良い。この結果、特に関連するPSFが良好な線形性を有するときには、多くの用途において深さ分解能を非常に高くすることができる。
(i) 誘導放射線は後方散乱(BS)電子を有する。しかし原則としては、他の種類の誘導放射線(たとえば2次電子又はX線)を利用しても良い。たとえばX線に対するBS電子の利点は、X線は比較的低入射ビームエネルギーでは生成されないが、BS電子は生成されることである。
(ii) ビームパラメータ(P)はビームエネルギー(到達エネルギー)である。しかし原則としては、変化させるビームパラメータとしてビーム収束角(入射角)又はビーム焦点深さ(進行深さ)が代わりに選ばれても良い。
(iii) 測定量(M)は(BS電子に関する)検出器電流である。
しかし(たとえば誘導放射線としてX線を検出するときには)測定量として強度が用いられても良い。
(iv) 画像化量(Q)は強度である。しかし、たとえば電流、エネルギー広がり、又は角度分布のような他の画像化量が選ばれても良い。通常、Q及びMは同一の量が選ばれる。しかしQとMで異なる量が選ばれても良い。
− TEM装置は一般的に、SEM装置よりもはるかに高価である。
− TEMによる方法は、はるかに大きな入射エネルギー(典型的には200-300keVのオーダー)を利用するので、試料の損傷を生じさせる恐れがある。対照的に、本発明による方法は、はるかに低い入射ビームエネルギー(たとえば1-5keVのオーダー)で満足に機能する。
− TEM断層像は非常に薄い試料(一般的には1μm未満の厚さ)でしか用いることができない。本発明は試料を介した電子の透過に依拠しないので、試料厚さの制限に悩まされない。
− たとえば本発明で用いられているようなSEMに基づく方法は、その(横方向での)走査特性のため、TEMに基づく方法よりも長い横方向の到達距離を有する。
− TEMの断層像は、まさにその性質故、本発明に係る種類のコンボリューションされた深さデータを生成しないので、そのようなコンボリューションされた深さデータ上深さ分解を行う統計的処理方法を必要としない。
− 試料の曝露表面Sが、本発明による計算スライシング法を用いて調査される。
− 続いて物理スライシング法は、表面Sから材料を「すくい取る」ことで、Sより下の深さDで新たに曝露される表面S’を生成するのに用いられる。
− 続いてこの新たに曝露された表面S’は、本発明による計算スライシング法を用いて調査される。
− 必要であれば、このハイブリッド法の複数回繰り返される。そのハイブリッド法の反復法は、計算スライシングと物理スライシングを交互に適用して、より深く深く試料をz方向へ進行する手順を有する。
101: 取得パラメータが決定される。ここで、N(測定回数)、P(異なる測定の間で変化するビームパラメータ)、ΔP(異なる測定の間でのPの大きさの増分)、検出されるべき誘導放射線、及びM(前記誘導放射線の測定されるべき測定量)について選ぶ。たとえば、N=7、P=到達エネルギー、ΔP=100eV、誘導放射線=BS電子、M=BS電流が選ばれて良い。
103: 手順101で選ばれたパラメータに基づいて、複数のBS画像からなる組が取得される。これらの画像は、調査中の試料の深さ情報についてのコンボリューションされたデータを表す。
105: 生のデータ組からN枚のBS画像を取得する。
107: 前記データ組の要素は、互いに横方向に位置合わせ及び/又は縮尺調整されることで、位置合わせされたデータ組が生成される。
109: 前記位置合わせされたデータ組は、本発明による統計的デコンボリューション操作のための入力設定としての役割を果たす。
111: 繰り返される一連のデータ処理手順が行われる。[2,…,N]の範囲における各整数値kについて、PCA分解が、複数のデータ対(Pi,Mi)(i=1,…,k)の部分集合に適用される。
113: 前記の分解された部分集合に対して少なくとも相関を有するこの分解の独立成分が特定される。
115: 特定された前記の少なくとも相関を有する成分が、表面Sの下のレベルLkに関連付けられる。
このようにして、表面(S)から試料へ進行する離散的レベルLkのスペクトルを有する組R=((Q1,L1),…,(QN,LN))が生成される。
− 図2Aは、検出されたデータのデコンボリューションを行わない場合において、試料中のミトコンドリアの一連のBS像を図示している。
− 図2Bは、同一のミトコンドリアのデコンボリューションされた深さ分解された像を表す、本発明による方法を適用した後の対応する一連の像を図示している。図2Bは図2Aでは(明確に)視認できない3D構造を表している。
Q=AI (1)
ここで、I=(I1,I2,…,IN)Tはビームパラメータを変化させることによって得られる像の組で、Q=(Q1,Q2,…,QN)Tは、統計的に非相関であって、様々な深さ層(レベル)からの情報を表す源となる像の組で、かつ、A=(a1,a2,…,aN)Tは、元の像を所謂主成分へ変換する正方行列である。
ΣI=E{ITI}=EDET (4)
ここで、EはΣIの固有ベクトルからなる直交行列で、D=diag(d1,…,dN)は固有値からなる対角行列である。
Q=ETI (5)
固有値は各異なる成分の分散に直接関連づけられる。
di=(var(Qi))2 (6)
ノイズが重要となる場合では、重み(固有値)の小さい成分はノイズに支配されると考えられる。そのような状況では、本願発明に係る方法は、K個の最も重要な成分に限定されて良い。像データの大きさを減少させる選択は、累積のエネルギーと該累積のエネルギーの全エネルギーに対する比に基づいて良い。
Q=ED-1/2ETI (8)
当業者は、深い層の線形重み付けについての他の選択もまた利用可能であることを理解する。
L=(ATA)-1ATQ (14)
Lいついて導関数を計算して、その導関数をゼロとすると、第2の更新された規則が得られる。
A=QLT(LLT)-1 (15)
どの反復においても、行列は規則(14)と(15)に従って計算され、かつ適切な非負値の制約([.]で表される。以降参照)がたとえば、次式が得られるように、負の値をゼロに切り上げることにより、又は非特許文献2で説明された能動的設定方法を用いることにより課される。
L=[(ATA)-1ATQ)]+ (16)
A=[QLT(LLT)-1)]+ (17)
画像化ノイズがガウス分布よりも顕著に異なる場合、他の発散尺度D(Q||AL)−たとえばKullback-Leibler発散又は他のI発散尺度−が、最小自乗法の代わりに用いられて良い。
L2 (離散的)レベル
L3 (離散的)レベル
L4 (離散的)レベル
L5 (離散的)レベル
L6 (離散的)レベル
E1 エネルギー
E2 エネルギー
E3 エネルギー
Claims (14)
- 走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた試料の調査方法であって、当該方法は:
複数(N)回の測定で探針電子ビームを試料の表面に照射する手順であって、各測定はビームパラメータ(P)の値を有し、該ビームパラメータの値は、ある範囲の値から選ばれ、かつ測定後毎に異なる、手順;
各測定間に前記試料によって放出される誘導放射線を検出し、該誘導放射線と測定量(M)とを関連づけ、各測定での前記測定量の値を記録することで、複数のデータ対(Pi,Mi)(1≦i≦N)からなるデータの組をまとめることを可能にする手順;
を有し、
統計的ブラインド信号源分離法を用いて、データの組(D)を自動的に処理し、かつ該データの組(D)を、複数の画像化対(Qk,Lk)からなる結果として得られた組(R)に分解することを特徴とし、Qkの値を有する画像化量(Q)は、表面Sを基準とした離散的な深さレベルLkに関連づけられる、
方法。 - 連続する測定に関する測定パラメータ(P)の連続する値は、実質的に一定の増分(ΔP)だけ互いに異なり、かつ
前記結果として得られた組(R)の連続する離散的深さレベルは前記測定パラメータに対応して、実質的に一定の間隔の増分(ΔL)だけ互いに分離している、
請求項1に記載の方法。 - 前記ビームパラメータ(P)は、ビームエネルギー、ビーム収束角、及びビーム焦点深度からなる群から選ばれ、
前記誘導放射線は、2次電子、後方散乱電子、及びX線放射線からなる群から選ばれ、かつ
前記測定量(M)は、強度と電流からなる群から選ばれる、
請求項1又は2に記載の方法。 - 前記画像化量(Q)が、強度、電流、角度分布、及びエネルギー広がりからなる群から選ばれる、請求項1乃至3のいずれかに記載の方法。
- 前記統計的ブラインド信号源分離法が、主成分分析(PCA)及び独立成分分析(ICA)からなる群から選ばれる、請求項1乃至4のいずれかに記載の方法。
- 前記統計的ブラインド信号源分離法がPCAで、
前記ビームパラメータ(P)がビームエネルギーを有し、
後続の測定での前記パラメータの値は、前記後続の測定での前記パラメータの値よりも大きく、
前記誘導放射線は2次電子を有し、
前記測定量(M)は電流を有し、
前記画像化量(Q)は強度を有し、
位置合わせ変換が、前記データの組(D)の要素について実行されることで、前記データの組(D)の要素が横方向に位置合わせ及び/又は縮尺調節され、
反復される一連のデータ処理手順が実行され、[2,…,N]の範囲にある各整数kについて、該反復される一連のデータ処理手順では、
PCA分解が、前記データ対(Pi,Mi)(i=1,…,k)の部分集合に適用され、
前記部分集合に対して少なくとも相関を有する前記分解の独立成分が特定され、かつ前記表面Sの付近のレベルLkと関連づけられ、
前記表面(S)から前記試料へ進行する離散的レベルLkのスペクトルについて、前記結果として得られた組(R=(Q1,L1),…,(QN,LN))が生成される、
請求項5に記載の方法。 - 前記PCA分解の成分が、所与の成分について該所与の成分の固有値の逆数に等しい又は比例する重み因子を用いることによって相対的に重み付けされ、
前記結果として得られた組(R)は、前記試料の行列応答に相当する因子を前記組の成分に加えることによって増大される、
請求項6に記載の方法。 - 前記PCA分解が、Karhunen-Loeve変化操作である、請求項6又は7に記載の方法。
- 前記結果として得られた組(R)が、統計的ノイズ減少及び復元法を用いることによって後処理される、請求項1乃至8のいずれかに記載の方法。
- 前記結果として得られた組(R)が、前記試料の幾何学形状と材料組成のいずれに関する情報をも与える、請求項1乃至9のいずれかに記載の方法。
- 前記試料の表面(S)に照射する手順、前記試料によって放出される誘導放射線を検出することで前記データの組(D)を得る手順、及び、統計的ブラインド信号源分離法を用いて前記データの組(D)を処理する手順が、計算スライシング手順に含まれ、
前記計算スライシング手順が物理スライシング手順と組み合わせられ、
物理的材料除去法が、元の表面(S)から材料層を物理的に除去することで、新たに曝露される表面(S’)を生成するのに用いられる、
請求項1乃至10のいずれかに記載の方法。 - 前記物理的材料除去法が、ブレード装置による機械的なミリング、イオンビームによるイオンミリング、電磁エネルギービームによるアブレーション、及び上記の組み合わせからなる群から選ばれる、請求項11に記載の方法。
- 前記計算スライシング手順と前記物理スライシング手順が、複数の反復において交互に繰り返される、請求項11又は12に記載の方法。
- 請求項1乃至13のいずれかに記載の方法を実行するように備えられた装置。
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