JP2013037001A - 深さ分解像を供する荷電粒子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】荷電粒子顕微鏡が、様々なビームエネルギーでの一連の測定を必要とすることなく、試料からの深さ分解像を取得するために用いることのできる方法を提供する。
【解決手段】荷電粒子顕微鏡を用いた試料の検査方法は、試料ホルダ上に試料を載置する手順；粒子光学鏡筒を用いて試料の表面上に特別な放射線ビームを案内することで、試料から放出される放射線を生じさせる相互作用を生じさせる手順；検出装置を用いて放出される放射線の少なくとも一部を検出する手順、試料の表面に対して垂直な軸に対する放出される放射線の放出角θ_nの関数として検出装置の出力O_nを記録することによって、複数のθ_nについて測定データの組M=｛（O_n,θ_n）｝をまとめる手順、コンピュータ処理装置を用いて測定データの組Mのデコンボリューションを自動的に行って、結果の組R=｛（V_k,L_k）｝に分解する手順を有する。
【選択図】図５Ａ

Description

本発明は、荷電粒子顕微鏡を用いた試料の検査方法に関する。当該方法は：
− 試料ホルダ上に前記試料を載置する手順；
− 粒子光学鏡筒を用いて前記試料の表面S上に特別な放射線ビームを案内することで、前記試料から放出される放射線を生じさせる相互作用を生じさせる手順；
− 検出装置を用いて前記放出される放射線の少なくとも一部を検出する手順；
を有する。

本発明はまた、当該方法が実行可能な荷電粒子顕微鏡にも関する。

本願明細書を通じて、以下の語句は、一貫して以下に説明するように解されるものとする。
− 「荷電粒子」という語句は、電子又はイオン（一般的にはGaイオン又はHeイオンのような正イオン）を指称する。
− 「顕微鏡」とは、小さすぎて裸眼では満足行くように詳細を観察できない対象物、構造、又は成分の拡大像を生成するのに用いられる装置を指称する。結像機能を有することに加えて、当該装置は加工機能をも有して良い。たとえば当該装置は、試料から材料を除去すること（「ミリング」又は「アブレーション」）によって、又は、試料に材料を追加すること（「堆積」）によって、前記撮像機能及び加工機能は、同種の荷電粒子によって供されて良いし、又は、各異なる種類の荷電粒子によって供されても良い。たとえば集束イオンビーム(FIB)顕微鏡は、加工目的で（集束）イオンビームを利用し、かつ、撮像目的で電子ビームを利用する（所謂「デュアルビーム」顕微鏡又は「FIB-SEM」）。あるいは当該装置は、比較的高エネルギーのイオンビームによって加工を実行し、かつ、比較的低エネルギーのイオンビームによって撮像を実行しても良い。この解釈に基づくと、電子顕微鏡、FIB装置、EBID（電子ビーム誘起堆積）及びIBID（イオンビーム誘起堆積）装置等は本発明の技術的範囲に含まれるものと解される。
− 「粒子光学鏡筒」とは、荷電粒子ビームを操作することで、前記荷電粒子ビームを集束若しくは偏向させ、かつ/又は、内部に生じた収差を緩和するのに利用可能な静電レンズ及び/又は磁気レンズの一団を指称する。
− 「検出器」とは、試料から放出される（1種類以上の）放射線を登録するのに用いられる任意の検出機構を含むように広く解されなければならない。係る検出器は単体であって良い。あるいは係る検出器は、複数の検出器を有する複合体−たとえば試料台について検出器が空間分布を有するようなもの、又は画素化された検出器−であっても良い。

以降では、電子顕微鏡を例にとって本発明を説明する。しかしそのような単純化は、簡明を期すために行われるのであり、本発明を限定するものと解されてはならない。

電子顕微鏡は、微細な対象物を撮像するための周知技術である。電子顕微鏡の基本となる種類のものは、たとえば透過型電子顕微鏡(TEM)、走査型電子顕微鏡(SEM)、及び走査型透過電子顕微鏡(STEM)のような多数の周知装置に進化して、さらに様々な下位概念の装置−たとえば所謂「デュアルビーム」装置（たとえばFIB-SEM）−に進化してきた。そのような下位概念の装置とはたとえば、「デュアルビーム」装置は、さらに「加工用」イオンビームを利用することで、イオンビームミリング又はイオンビーム誘起堆積のような支援活動を可能にする。従来の電子顕微鏡においては、撮像ビームは、所与の撮像期間中の長期間に「オン」状態となる。しかし撮像が、相対的に短時間の電子の「閃光(flash)」又は「噴出(burst)」に基づいて行われる電子顕微鏡も利用可能である。そのような方法は、たとえば動いている試料又は放射線感受性を有する試料の撮像を行う際に有利になると考えられる。

粒子放射線ビーム（たとえば電子ビーム又はイオンビーム）が試料に衝突するとき、その粒子放射線ビームは一般的に試料と相互作用することで、様々な種類の放射線を試料から放出する。そのようにして放出された放射線はたとえば、2次電子(SE)、後方散乱電子(BE)、可視/赤外/紫外光（蛍光及びカソードルミネッセンス）、及びX線を含んで良い。これらの種類の検出器については、電子は、たとえばシンチレータと一緒になった光電子増倍管(PMT)を用いることによって、相対的に容易かつ安価に検出される（用いられたPMTは、ダイノードを排気されたガラス管の設計に基づいて良いし、又は、固体の半導体検出器素子（たとえば所謂多画素光子計数装置の場合であれば、SSPM（固体光電子増倍管）とも呼ばれる）に基づいても良いことに留意して欲しい）。可視/赤外/紫外光の検出は比較的単純で、かつ、繰り返しになるが、たとえば（シンチレータを備えない）PMT又はフォトダイオードを用いることによって実行されて良い。他方、X線検出器は概して、相対的に高価で動作が遅くなりがちで、相対的にその視野は限られている。しかしX線検出器は従来、たとえば所謂EDX（エネルギー分散X線）検出器の場合であれば、試料の組成/元素分析において非常に多用されている。

「技術分野」で述べた方法は、特許文献1から既知である。特許文献1では、試料は、ある範囲の様々なビームエネルギーでSEMの電子ビームによって探索され、かつ、試料から放出されるBS電子の強度が測定される。続いてそのようにして得られたデータは、ある範囲のブラインド信号源分離法からの2次及び高次の統計を用いることによって自動的に処理されることで、試料内部の様々な層の深さ（zレベル）からの信号はデコンボリューションされる。このようにして、前記様々な層の深さの組に対応する試料の像の組の計算することが可能となる。

しかし、前段の方法の主な課題は、所望の深さ分解能を有する像を構築するため、時間を要しかつ複雑な操作である、様々なビームエネルギーでの一連の測定を実行しなければならないことである。しかも、複数の測定期間を実行する必要があるため、それに対応して顕著に増大した放射線量に試料を曝露させることになる。この結果、試料（特にデリケートな生物試料及び鉱物試料）は（深刻な）損傷を受けることになる。

欧州特許出願第2383768A1号明細書 欧州特許出願第11177091号明細書 欧州特許出願第2346095A2号明細書

H. Lanteri, M. Roche, C. Aime, "Penalizedmaximum likelihood image restoration with positivity constraints:multiplicative algorithms, Inverse Problems," vol. 18, pp. 1397-1419, 2002 L. Shepp, Y. Vardi, "Maximum-Likelihoodreconstruction for emission tomography," IEEE Transactions on MedicalImaging, MI-5, pp. 16-22, 1982 Richardson,William Hadley. "Bayesian-Based Iterative Method of Image Restoration", JOSA 62 (1), pp 55-59, 1972 William H. Press, Saul A. Teukolsky , William T. Vetterling , Brian P. Flannery,Numerical Recipes in C: The Art of Scientific Computing, Second Edition(1992)

本発明の目的は、上記の問題を解決することである。より詳細には、本発明の目的は、荷電粒子顕微鏡が、様々なビームエネルギーでの一連の測定を必要とすることなく、試料からの深さ分解像を取得するために用いることのできる方法を供することである。具体的には、本発明の目的は、本発明に係る方法をSEMにおける用途に適合させることである。

上記及び他の目的は、「背景技術」で述べた方法であって以下の特徴を有する方法によって実現される。当該以下の特徴とは：
− 試料の表面Sに対して垂直な軸に対する前記放出される放射線の放出角θ_nの関数として前記検出装置の出力O_nを記録することによって、複数のθ_nについて測定データの組M=｛（O_n,θ_n）｝をまとめる手順；
− コンピュータ処理装置を用いて前記測定データの組Mのデコンボリューションを自動的に行って、結果の組R=｛（V_k,L_k）｝に分解する手順；
である。ここで空間変数Vは、前記表面Sを基準とした離散的深さレベルL_kでの値V_kを表し、nとkは整数で、空間変数Vは、前記試料内での位置の関数としての前記試料の物理的特性を表す。

本願発明及び本願で用いられる語句については、以下のことに留意して欲しい。
− 放出角θ_nとは、放出された放射線の荷電粒子又は光子の経路と、Sの付近で測定されたSに対して垂直な前記軸(N)とのなす角である。Nに対して垂直な方向から見て、かつSに沿った点を参照するとき、係る放出角θ_nはρを中心とする円Cを画定する。（たとえば図4に図示されたような検出装置を用いることによって）Cと交差するすべての放出された放射線又はその一部を検出するように係る放出角θ_nが選ばれてよい。本発明に係る方法はいずれにも機能する。
− 空間変数Vは3次元変数であり、その成分V_kの各々は特定のレベルL_kでの2次元変数である。空間変数Vは、たとえばコントラスト、強度、密度変化、原子量、汚染濃度、電子/X線収量等の量を表して良い。これらのすべては、試料（の材料）の物理的特性によって直接的又は間接的に決定される。これらのすべてに基づいて、たとえば像、マップ、又はスペクトルのようなものを構築することが可能である。
当業者はこれらの点について理解することができる。

以降では、BS電子検出の特別な場合を例にとって本発明が説明される。しかしこのような単純化は簡明を期すため/例示目的であって、限定と解されてはならない。実際、他の種類の放出された放射線−たとえばX線又は「光」放射線（つまり赤外、可視、又は紫外放射線）−も、本発明の用途に適する。本発明の方法は2次電子にさえも拡張されてよい。ただし2次電子の本質的な生成深さが（概して）相対的に低いため、2次電子に拡張された際の本発明の方法の有用性は限られてしまう。それでも、2次電子は、BS電子と問題となっている材料との間での相互作用の結果生じる高次の「ノックオン」効果として、材料中のより深い位置で発生しうるため、興味深いことに生成される2次電子の深さ分解が可能になることに留意して欲しい。

本発明に至る実験においては、本願発明者らは、試料から放出されるBS電子が、その試料内部の様々な深さ(L)から放出されることが分かった。よってそのようなBS電子の検出に基づく像生成又は分光は、これらの様々な深さからのデータの不可避なコンボリューションを引き起こす。しかし本願発明者等はまた、そのようなBS電子の放出角（θ）と放出される深さ(L)との間には実質的に単調な線形関数の依存性が存在することも分かっていた。この関数で表される依存性によると、相対的に放出角の小さな（つまり試料表面Sに対する法線に相対的に近い）BS電子は、より深い層からの放出によって表される傾向にある一方で、相対的に放出角の大きな（つまり試料表面Sに対して相対的に平行に近い）BS電子は、より上方の層からの放出によって表される傾向にある。従って、検出器が、放出角θ_nに沿って伝播するBS電子を収集する場合、その検出器の出力は、試料内部の様々な深さレベル（z座標軸）での発生源からの重み付けされた寄与の合計として表されうる。

ここで、因子ⁿW_iは重みで、項f_iは深さL_iの関数を表す。同様に、検出器が、様々な放出角θ_mに沿って伝播するBS電子を収集する場合、その検出器の出力O_mは、類似するが異なる総和として表されうる。

ここで、重み^mW_iは一般的に重みⁿW_iとは異なる。その理由は、上述したような角度依存性があるためである。本願発明者等は、このコンボリューションの問題を検討して、数学的枠組みを開発した。その数学的枠組みでは、出力は（自動的に）デコンボリューションされることで、様々な放出角で蓄積された生の測定データを、試料表面下の様々な離散的深さ層の関数としての試料に関する情報（たとえばコントラストマップ）を有する空間分解された結果のデータに変換することが可能となる。従ってこの手法は、「角度からの深さ」への変換を実効的に行う。

本願発明者が開発した数学的枠組みは、以下のように説明することができる。
(i) 荷電粒子ビームが試料に衝突するとき、その衝突は、所謂点拡がり関数(PSF)によって表される、試料内部の隠れた相互作用の領域を生成する。このPSFは、使用された検出器によって検知される信号生成体積の形状を表す。
(ii) （線形の）試料中での像Iの生成は、PSF Kと、試料の物理的特性を、その試料体積中での位置の関数として表す空間変数V（たとえば汚染濃度）との3次元(3D)コンボリューション、I〜K*Vとして表されうる。
(iii) 上述したことによると、様々な放出角（θ）に沿った検出することで、使用された検出器と、様々な3DのPSFの式とが突き合わせられる。様々な放出角θ_nで得られた一連の属低n=[1,…,N]のうちの成分像I_nについては、その成分像の生成は、I_n〜K_n*Vによって表すことができる。ここでK_nはPSFのカーネルである。I_nは、上述したようにO_nに対応する、すなわち比例して良いことに留意して欲しい。本願の記載をより一般的な形式にするように、単純O_nの代わりにI_nが用いられても良い。
(iv) 本発明のデコンボリューションプロセスは、未知の空間変数Vと共に様々なカーネルK_nを計算により復元するする手順で構成される。これは、推定された未知の変数と観測された像のシーケンスとの間のダイバージェンス（距離）を最小化することによって行われて良い。つまり、min(I_n||K_n*V)が得られる。
(v) 試料とPSFカーネルのいずれに関する知識も推定されない場合、3Dブラインドデコンボリューションタスクが得られる。他方、変数K_n（以降の(vi)参照のこと）についての制約が適用されうる場合、空間変数Vさえ最適化すればよい。その結果、以下の同時最適化タスクが得られる。
min D(I₁||K₁*V)
…
min D(I_N||K_N*V)
これはVについて解くことができる。
(vi) (v)で述べた単純化を可能にするように値K_nへ適用することが可能な制約にはたとえば、以下のうちの1つ以上が含まれうる。
(a) 少なくとも1組の値K_nのコンピュータシミュレーション
(b) 少なくとも1組の値K_nの実験による決定
(c) 少なくとも1組の値K_nの推定を可能にする根拠となる限られた数のモデルパラメータによるパラメータ化された関数としてのPSF Kのモデル化
(d) 論理的な解空間による制約。ここで理論的にはありうるが物理的には意味がないと判断される値K_nは無視される。
(e) 外挿及び/又は内挿を第1組の値K_nに適用することによる第2組の値K_nの推定
(vii) (v)で述べた最小のダイバージェンスはたとえば、最小二乗法、Csiszar-MorimotoのFダイバージェンス、Bregmanダイバージェンス、α-βダイバージェンス、Bhattacharyya距離、Cramer-Raoの下限、及び様々な派生型、混合型、並びに、これらの結合型であってよい。

(vi)で述べた制約については、以下の補足的な説明が与えられ得る。
− (a)では、数学的手法は、材料中での荷電粒子及び光子の挙動をエミュレートするのに用いられる。それにより、PSFの式の計算及び代表的な値K_nの予測が可能となる。シミュレーション結果の精度及び範囲はとりわけ、問題となるタスクのために費やされる計算/コンピュータの資源に依存する。この目的に適した数学的シミュレーション手法の例は、モンテカルロ法、有限要素法等である。
− (b)では、所与の材料中での荷電粒子及び光子の実際の挙動の観察が利用される。そのような観察はたとえば、他の試料上で実行された実際の可視化期間の結果であって良いし、又は、均一の材料からなる試料上で実行された特定の実験結果等であっても良い。たとえば上に様々なパターニングされた金属層及び誘電体層が堆積されたシリコンウエハの一部を有する半導体試料を可視化するのに本発明が用いられるとき、以下の1つ以上からK_nの値の一群を得ることができる。
− 同様の半導体試料上で実行される他の可視化期間
− 未処理のシリコンウエハ上で実行される特定の「校正試験」
− シリコンウエハ上の様々な試験用コーティングを用いて実行される調査実験
− その他
− (c)では、PSFがどのような数式を有するのかを直感的に推定し、その後、この数式を基礎として、限られた数の相対的にわかりやすいモデルパラメータを用いることによって、パラメータ化されたモデルを構築することが試みられる。同様の手法が、たとえば気候変化のモデル又は雲の挙動のモデルを構築するのに用いられる。定義により、そのようなモデルの結果は単純化であるが、調査しようとしている系の大まかな基本的構成を良好に把握することを可能にする。
− (d)では、理論的にあり得るが、物理的な現実を考慮するとあり得ないと判断される結果を「取り除く」ことによって、取りうる解の空間のサイズを直感的に限定することが試みられる。たとえば、PSFが正の値だけを得るように制約を課すこと、又は、PSFを微分可能（滑らか）な関数に制限すること、又は、統計的な依存性について制限を課すこと等が行われても良い。
− (e)では、第1組のK_nの値{K_n}₁を得た後、第2組のK_nの値{K_n}₂が、外挿及び/又は内挿に基づいて、第1組のK_nの値{K_n}₁から得られる。たとえば{K_n}₁の要素が、滑らかな単調曲線に属していることが観察される場合、内挿を用いることによって第2組の中間の要素の位置が推定されて良いし、かつ/あるいは、外挿を用いることによって第2組の境界要素の位置が推定されても良い。

(vii)で述べたダイバージェンスに関して、ダイバージェンスの種類の具体的な選択は、とりわけ問題となっている計算において推定されるノイズの統計的特性に依存すると考えられる。たとえば、ガウス型の特別な場合では、次式で表されるように、最小二乗距離（平均二乗距離とも呼ばれる）を最小化するように選ばれて良い。
min||I_n - K_n*V||²
他方、他のノイズモデルについては、上述した他のダイバージェンス量のうちの1つが用いられて良い。これらの広いダイバージェンスの分類については、以下のように明記することができる。
− Csiszar-MorimotoのFダイバージェンス（及びその派生量）は、情報ダイバージェンス、Kullback-Leiblerダイバージェンス、全変動、調和平均、χ二乗値、及び、他複数のエントロピーに基づく指標を含む。
− Bregmanダイバージェンス（及びその派生量）は、とりわけMahalonobis距離を含む。
− α−βダイバージェンス（及びその派生量）は、たとえば一般化されたKullback-Leibler、三角弁別（Triangle Discrimination）、及び算術幾何量のような量を含む。
− Bhattacharyya距離は、2つの離散的又は連続的な確率距離の相似性を測定する。
選ばれたダイバージェンスの実際の最小化（つまり最適化）は、様々な手法を用いることによって実行されて良い。前記様々な手法とはたとえば、勾配降下法、確率論的方法、期待値最大最尤法(EMML)、最大先験法である。導関数を利用する反復法−とりわけ勾配降下法、共役勾配法、ニュートン法、擬ニュートン法、Levenberg-Marquardt法、及び内点法−は、最も広く用いられている。そのような方法の収束はたとえば、線探索法及び信頼領域法を用いることによって保証されうる。勾配に基づく反復法に対する代替手法として、最適化されるべき関数にほとんど制約を課さない最適化発見法が用いられても良い。係る最適化発見法は、ほとんど確率論的方法に依拠することによって解決法を探索する。例には、焼きなまし法、発展的アルゴリズム、タブサーチ、及び、粒子群最適化が含まれる。他の有名な発見法はたとえば、Nelder-Meadシンプレックスアルゴリズム及びHill Climbingアルゴリズムを含む。

本発明によると、測定データの組Mが蓄積されうる様々な方法が存在する。本発明の特定の実施例では、
− 使用された検出装置は、試料ホルダの周りでそれぞれ異なる角度位置に分布する複数の検出器{D_n}を有する。
− 測定データの組Mは、その成分データ対（O_n,θ_n）を同時に取得することによってまとめられる。このとき各独立する検出器D_nは、角度θ_nで放出される放射線を捕獲し、その出力値O_nを得る。
そのようなシナリオでは、検出装置の設計と実装は、複数の検出モジュールが供され、かつ、各検出モジュールは、特定の放出角θ_nに沿って進行する放出された放射線を検出することが可能となるように行われる。このようにして、測定データの組Mのデータ対（O_n,θ_n）は同時に蓄積される。そのような装置の例には以下が含まれる。
− 試料に対向する複数の区分−たとえば四分円又は環−に分割された基本的に「プレート状」の検出器（たとえば図4を参照のこと）、
− 試料の周りで実質的に3Dマトリックス状に配置されたスタンドアローン型小型検出器−たとえばSSPM−の「雲の様な」構成
必要であれば、試料から放出された放射線は、その試料内部のある部分を進行して、ある検出器D_nへ向かうように「操作」されてよい。そのような操作はたとえば、偏向コイル（電子の場合）又はミラー（電磁放射線の場合）を用いることによって実現されて良い。たとえば図4に図示された検出器−中央に開口部を有する−の場合では、ある（軸平行の）電子を、開口部から遠ざけて、検出器の区分に衝突するように進行させるように1つ以上の偏向コイルが用いられて良い。あるいはその代わりに、同様の効果を実現するように、検出装置に対して試料ホルダが傾けられても良い。図5を参照のこと。

前述した知見に基づくと、本発明の代替（又は補助的）実施例は以下のような特徴を有する。
− 検出装置は、単一の検出器及び偏向装置を有する。前記偏向装置は、1組の偏向状態A={A_n}を採用するように調節可能である。各偏向状態A_nは、放出される放射線が前記単一の検出器へ与えられるように角度θ_nを選択する役割を果たす。
− 測定データの組Mは、その成分データ対（O_n,θ_n）を同時に取得することによってまとめられる。このとき各偏向状態A_nは、前記単一の検出器が、その検出器に対応するデータ対角度（O_n,θ_n）を捕獲することを可能にする。
そのような偏向装置はたとえば、
− 試料から放出される放射線の方向を局所的に変化させる手段（たとえば上述したコイル又はミラー）、
− 単一の検出器に対して試料ホルダを傾ける手段、
− 試料に対して単一の検出を（角度が変化するように）動かす手段、
のうちの1つ以上を有して良い。

従って本願で説明した方法は、試料の「コンピュータによるスライシング」を行うものとして説明されうる。当該方法は、非常に良好なz方向の分解能を供する点で有利だが、試料のz方向への侵入深さの程度については制限されてしまう。必要な場合には、係るコンピュータによるスライシングは、実現可能なz侵入深さを最適化するハイブリッド方法を供するように、「物理的なスライシング」と併用されて良い。係る物理的なスライシングは、試料から（少なくとも1層の）材料を物理的に除去する手順を有し、かつ、たとえば機械的手法（ミクロトーム/ダイアモンドナイフの使用）及び/又は放射線による/アブレーションによる手法（レーザービーム若しくは非集束イオンビームの使用、又は集束イオンビームの走査による試料のミリング）及び/又はエッチング手法（たとえばビーム誘起エッチング、化学エッチング、又は反応性エッチング）を用いて実行されて良い。そのような物理的スライシングの場合では、使用された層の除去手法は破壊的である必要はなく、その代わりに、除去された層を保存して、後で（再）画像化することを可能にする（機械的）手法が存在する。

そのようなハイブリッドコンピュータ/物理的スライシング法の特別な実施例では、上述のコンピュータによるスライシングと物理的スライシングは交互に用いられる。具体的には、以下のように用いられる。
− 試料の露出した表面Sが、本発明によるコンピュータによるスライシングを用いて調査される。
− 続いて物理的スライシングが、表面Sから材料を「すくい取る」のに用いられる。それによりSの下方の深さdで新たに露出した表面S’が生成される。
− 続いてこの新たに露出した表面S’が、本発明によるコンピュータによるスライシングを用いて調査される。

必要な場合には、コンピュータによるスライシングと物理的スライシングを交互に適用する手順と、それにより試料中へz方向により深く進入する手順を有するこのハイブリッド法が複数回反復実行されて良い。

ある範囲の各異なる試料の傾斜角を用いることによって、深さ情報が試料から収集される透過電子顕微鏡(TEM)に基づく既知の断層撮像法と本発明とを混同しないように留意して欲しい。とりわけ、両者の間には以下に列挙するような差異がある。
− TEM装置は概してSEM装置よりもはるかに高価である。
− TEM装置は、はるかに高い入力ビームエネルギー（典型的には200〜300keVのオーダー）を用いる。そのため試料が損傷する恐れがある。対照的に、本発明による方法は、はるかに低い入力ビームエネルギー（たとえば1〜5keVのオーダー）で満足行くように動作する。
− TEM断層撮像は、非常に薄い試料（一般的には厚さ1μm未満）でしか利用できない。本発明は電子が試料を透過することに依拠しないので、本発明は、試料の厚さの制約に悩まされない。
− 本発明のSEMに基づく応用は、TEMに基づく手法よりも、はるかに大きな横方向の到達距離を有する。その理由は、SEMの（横方向での）走査特性が、TEMの（横方向での）走査特性よりも優れているためである。
− TEMの断層撮像は、まさにその特性により、本発明に係る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データでの深さ分解を実行するような統計的処理手法を必要としない。

本発明における多くの数学的手法は特許文献2（もっともここでは、多くの数学的手法は、（多少は関係するとはいえ）異なる問題において提示されている）で論じられている。

本発明による方法を実行する一般的な手順を表すフローチャートである。 本発明による方法を実行する一般的な手順を表すフローチャートである。 本発明の実施例によるコンピュータによるスライシングと物理的スライシングを交互に適用する手順を有するハイブリッド法を表している。 本発明による方法が実行可能な粒子光学顕微鏡（この場合ではSEM）の断面図を表している。 図3に図示された粒子光学顕微鏡の一部の上面図である。図中、様々な放出角で放出される電子を同時に捕獲するのに適し、かつ本発明における応用に適した区分化された電子検出器が図示されている。 検出器の構成の斜視図を表している。図中、どのようにして、試料から放出される放射線が、本発明の特別な実施例に従って操作（偏向）されるのかが表されている。

ここで本発明について、典型的実施例及び添付の概略図に基づいてより詳細に説明する。

図1Aと図1Bは、本発明による方法を実行する一般的な手順を表す相互に関連したフローチャートである。上の議論で導入された用語を参照すると、以下のことが分かる。
− 図1Aは、各反復での所与のPSFカーネルK_nのアルゴリズムを表している。所与のK_nについての複数の反復サイクルが順次適用される。
− 図1Aの反復法は、各PSFと空間変数Vに順次適用されて良い。任意のK_nとVの対について、各サイクルで1つ以上の反復を有して良い。ここで図示されたフローチャートにおいて示された手順をより詳細に説明する。その手順は図1Aから開始する。
− 201:この手順は、各反復IでのK_nの値（つまりK_n ^I）を表す。I=1の特別な場合では、先だって行われる初期化処理は、反復処理を「始動」するように実行される。
− 203:同様に、この手順は、反復IでのVの値（つまりV^I）を表す。繰り返しになるが、I=1の特別な場合では、先だって行われる「始動」初期化処理が実行される。
− 205:K_n ^I*V^Iのコンボリューションが、手順201と203の出力を用いて計算される。このとき、O_nを無次元化/スケーリングした値I_nが導入される。たとえばO_nがボルトで測定される場合、そのボルトでの数値は、無次元であり、かつ、たとえば電子ボルト(eV)での数値への変換を実行するように、基本電荷の値によってスケーリングされて良い。これは純粋に所与の状況での選択の問題であり、当業者はすぐに分かることである。I_nは以降、「像」と呼ばれる。手順205では、像I_nとコンボリューションK_n ^I*V^Iとの間でのダイバージェンスが決定される。つまりD(I_n||K_n ^I*V^I)が計算される。
− 207:ここで、手順205において計算されたダイバージェンスが最小であるか否か、つまり、収束したか否かが判断される。「収束した」場合、探索した値K_nとVが抽出される。「収束しなかった」場合、次の反復(I+1)を行うためにフローチャートの最初に戻る。

ここで図1Bに移ると、図1Bは、図1Aの一般化を表している。測定シーケンス[1,…,N]のうちのただ1つの要素nについての処理のみを示すのではなく、このシーケンスにおけるすべての要素が図示されている。
− 211,213,215:これらの手順の各々は、図1Aの累積的手順210,203,205にそれぞれ相当するが、ここでは、個々のケースn=1(211)、n=2(213)、及びn=N(215)について示されている。
− 217:この手順は図1Aの手順207に相当する。

どのようにして上述した最小ダイバージェンス問題が定式化されて解かれるのかについての特別な例については、次の実施例を参照して欲しい。

変数−カーネルのデコンボリューション作業を簡単に検討する一の直感的な方法は、所謂Bayesian統計を用いて定式化することである。

以降の説明を通して用いられる確率の数が最初に定められる。
− Pr(V|I_n)は、取得された入力値I_n（「像」の値I_nの概念を説明するための図1Aのフローチャートでの手順205の議論を参照のこと）が与えられた場合に、空間変数Vを抽出する確率である。
− Pr(V)は、再構築される構造についての知識を表す、Vに関する事前確率である。
− Pr(I_n)は、取得された像に関する確率である。しかし像I_nが実際に観察/測定された値である場合には、これは基本的に定数である。

Bayesの規則を用いることによって、以下が得られる。

Bayes法では、本発明の問題は、以下のような最大化作業として表すことができる。

(2)式では、再構築された変数Vを正にする必要がある。このことは、物理的に意味のある解を得るのに必要である。より一般的には、計算を単純化するのに所謂対数尤度関数が用いられる。

具体的には、本発明の画像化処理は、ポアソン過程によってよく表される。荷電粒子検出器とX線検出器の特性が与えられると、3DグリッドΩ内の各ボクセルxでは、独立したポアソン過程の実現により像が生成される。この結果次式が得られる。

ここで、”x”は1次元の直交座標xではなく、3次元位置の幾何学的表記であることに留意して欲しい。

体積Vを取得するため、基準が最小化される必要がある。

項Σ_x∈Ωlog(I_n(x)!)が、如何なる変数も含まないとすると、基準を以下のように再定義することができる。

この基準は、Kullback-Leiblerの一般化された情報ダイバージェンスIDIV(I_n||V)に関連付けられることを明記することは重要である。このことは、次式の情報ダイバージェンスの定義からわかる。

上式から次式が得られる。

(8)式の第2項は最小化に関する定数である。よってJ((V|I_n))の最小化は、IDIV(I_n||V)の最小化と同じことである。

ここで非特許文献1を参照すると、上述の(2)式の正の値をとるという制約が課された最小化問題は、次式の反復法を用いることによって解けることが示されている。

このアルゴリズムは、最尤推定−期待値最大アルゴリズムとしても知られている。最尤推定−期待値最大アルゴリズムについては、非特許文献2と3に記載されている。

(9)式の収束は、次式のように指数qを用いることによって加速することができる。

典型的には、q∈[1,1,5]で、かつ、加速に加えて、qは正則化因子としても機能しうる。本実施例の場合では、反復アルゴリズムは、各異なるPSFに係るすべてのカーネルK_nに順次用いられることが必要である。収束は、実験的に、又は、他の基準−たとえば変数の相対的な変化−に基づいて評価されて良い。

PSFのカーネルK_nの値を取得又は調節する必要がある場合、空間変数V及び変数K_nを交互に最小化する手法が用いられて良い。よって以下のようなアルゴリズムが得られる。

各サイクルでカーネルK_n又は空間変数Vについて、より多くの反復を行うよう選択することも可能である。そのような選択は、経験/実験に基づいて決定されて良い。たとえば、Vは、速く収束する傾向にあるので、各異なる値K_nを探索するのに、より多くの反復を費やすことができる。

PSF又はVに関する先験的知識が利用可能である場合、その先験的知識は、次式のように条件的確率Pr(.|.)と結合確率Pr(.,.)とを併用することによってBayseの定式化に組み込まれて良い。

よって最小化問題(2)は次式のように修正される。

また最小化されるべき対数尤度基準は次式のようになる。

第1項が、観察に適合することを保証するデータ項であるのに対し、第2項と第3項は、解空間を制限してノイズの効果を減少させるために、変数に関する知識と推定を用いる正則化項として知られている。基準J(V,K_n|I_n)は、最尤推定−期待値最大アルゴリズムを用いることによって最小化されて良い。最適化はまた、様々な他の凸面法及び非凸面法を用いて実行されて良い。そのような方法については非特許文献4を参照して欲しい。

完璧を期すため、本実施例で説明した手法は、所謂Richardson-Luceyアルゴリズム(RLA)のハイブリッド/変形とみなしうることに留意して欲しい。RLAは、様々な問題を解決するのに適用されうる既知の数学的手法である。たとえば、RLAは、元の（補正されていない）ハッブル空間望遠鏡からのちらつき画像をコンピュータにより改善する試みにおいて、NASAの科学者達によって用いられた。

図2は本発明の実施例を表している。図2で表される実施例では、コンピュータによるスライシングが、荷電粒子顕微鏡に基づく試料の3D体積イメージングのイメージング深さを増大させることを可能にするように、物理的スライシングと組み合わせられる。

図2A（左側）はコンピュータによるスライシング手順を表している。図2Aのコンピュータによるスライシング手順では、上述したように、試料は様々な放出角（θ₁、θ₂、θ₃）で観察され、かつ、3Dデコンボリューションアルゴリズムが適用される。これにより、試料の表面下の疑似像の侵入深さ（図2Aでは概略的にL₁、L₂、L₃のラベルが付されている）を増大させることが可能となる。

図2B（中央）では、続いて物理的スライシングが用いられる。物理的スライシングでは、機械的切断装置（たとえばダイアモンドナイフ）又は非機械的切断装置（たとえば集束/非集束イオンビーム又は集束電磁ビームを含む）が、試料から、ある深さの材料を「すくい取る」のに用いられる。それによって新たに露出した表面が生成される。

図2C（右側）では、前記新たに露出した表面上での後続のコンピュータによるスライシング操作が実行される。これにより、新たな侵入深さ（図2Cでは概略的にL₄、L₅、L₆のラベルが付されている）での試料の表面下の疑似像の生成が可能となる。

図3は荷電粒子顕微鏡400を表している。図3の実施例の荷電粒子顕微鏡400はSEMである。荷電粒子顕微鏡400は粒子光学鏡筒402を有する。粒子光学鏡筒402は荷電粒子ビーム404（この場合電子ビーム）を生成する。粒子光学鏡筒402は真空チャンバ406に載置されている。真空チャンバ406は、試料410を保持する試料ホルダ/台408を有する。真空チャンバ406は、真空ポンプ（図示されていない）を用いることによって排気される。電源422によって、試料ホルダ408又は少なくとも試料410は、接地電位に対してある電位にまでバイアス印加されて良い。

粒子光学鏡筒402は、電子源412、電子ビーム404を試料410上に集束させるレンズ414,416、及び偏向ユニット418を有する。検出器については、当該装置は以下の検出器を備えている。
− ビーム404による照射に応じて試料410から放出される第1種類の誘導放射線を検出する第1検出器420。この実施例では、検出器420は、X線を検出するX線検出器（たとえばEDS又はWDS検出器）である。
− ビーム404による照射に応じて試料410から放出される第1種類の誘導放射線を検出する第2検出器100。この実施例では、検出器100は、区分化された電子検出器である。

上述したように、当該装置は、これらの種類の検出器のいずれをも利用する。しかしこれは純粋な設計/実装上の選択である。もし望む場合には、これらの種類の検出器のいずれかのみを利用することも可能である。当該装置は、とりわけ偏向ユニット418、レンズ414、及び検出器420,100を制御して、検出器420,100から収集された情報を表示ユニット426上に表示するコンピュータ処理装置（制御装置）424をさらに有する。

ビーム404で試料410を走査することによって、たとえばX線、赤外/可視/紫外光、2次電子、及び後方散乱(BS)電子を含む誘導放射線が試料410から放出される。特別な設定では、X線が第1検出器420によって検出される一方で、2次電子/BS電子は第2検出器100によって検出される。放出された放射線は、（前記走査運動に起因する）位置感受性を有するので、検出器420,100から得られる情報もまた位置依存性を有する。

検出器420,100からの信号は、処理装置424によって処理され、かつ、表示ユニット426上に表示される。係る処理はたとえば、結合、一体化、差分、擬輪郭調整、端部改善、及び当業者に既知の他の処理のような動作を有して良い。それに加えて、自動認識処理−たとえば粒子解析に用いられるような−も係る処理に含まれて良い。

本発明においては、
− 第2検出器100が特別に用いられる。これについては実施例4で詳述する。
− 処理装置424又は専用の独立した処理ユニット（図示されていない）は、測定データの組Mに所定の数学的操作を行うことで、Mのデコンボリューションを行って、Mを空間的に分解して、結果の組Rにする。

係る設定の多くの改良型及び代替型が当業者に知られていることに留意して欲しい。そのような改良型及び代替型には、試料410から放出される（赤外/可視/紫外）光の検出、デュアルビーム（たとえば可視化用の電子ビーム404と加工用（又は場合によっては可視化用）のイオンビーム）の使用、制御された試料410の環境（たとえば所謂環境制御型SEMで用いられているような、又はエッチング気体若しくは前駆体気体のような気体を収容することによる数mbarの圧力の維持）の利用等が含まれるが、これらに限定されるわけではない。

図4は、本発明での使用に適した検出器100の態様の下から見た概略図を表している。この特別な場合では、図示された検出器100は、BS電子を測定するのに特に適し、かつ、所謂区分化された/四分円/同心円の構成で特に優れている。

図4に図示されているように、検出器100には、図面に垂直な軸102を中心とする貫通孔112が供されている。使用時には、この軸102は一般的に、検出器100が設置される荷電粒子顕微鏡の光軸と一致する。SEMで用いられるときには、そのような中心孔112は必要ない。対照的に、そのような孔が存在することで、検出器の領域が、調査中の試料から放出される電子に「気づかなくなる」だけである。しかしTEMでは通常、所定の閾値よりも大きな角度で偏向/散乱される電子を検出する必要があるが、小さな角度で散乱される電子が、貫通孔112を通過して、TEMの結像光学系により結像されることが可能となる必要がある。

検出器100は、入れ子構造を構成する環状の検出器領域104と106を有する。それに加えて、4つの検出器領域202-i(i=1…4)が、環状検出器領域106の周りで環状に配置され、かつ、4つの検出器領域204-i(i=1…4)が、4つの検出器領域202-i(i=1…4)の周りで同様に設けられている。検出器100は多数の接続パッド206-jをさらに有する。多数の接続パッド206-jは、各検出領域（j=0…Nで、Nは検出器100上の検出領域の合計数で、パッドのうちの1つは、検出器100の背面に形成される共通電極と接続する）からの信号の検出を可能にする。各接続パッド206-jは、導電性の配線208-jを介して対応する検出器の領域に接続する。

係る検出器100の構造的な詳細はたとえば、特許文献3から知ることができる。しかし本願においても検出器の構造について簡単に説明する。

検出器100は、n型基板（典型的な体積抵抗率が1〜10Ω・cmのn型ドーピングされたシリコン基板）上に設けられる。前記n型基板は、共通の背面電極を形成するように、その一面でメタライズされる。この基板の前面（図4に図示されている）では、エピタキシャルSi層である真性層（活性層）が、（たとえば40μmの厚さで）形成される。このエピタキシャル層の上部には、ホウ素層が堆積される。それにより、ホウ素化シリコンのp型拡散層が生成される。様々な放射線感受性の検出器領域104、106、202-i、204-iを納めることによって、p型ドーピング（ホウ素がドーピング）された境界が形成される。前記検出器領域は、介在する（たとえばドーパントとして燐を有する）n型ドーピングされた注入領域によって互いに絶縁される。前記n型ドーピングされた注入領域は、前記p型ドーピング領域と共に、前記検出器領域間でp-n-pバリアを形成する。前記エピタキシャル層の一部は二酸化シリコン層で被覆されている。前記二酸化シリコン層上には、前記検出器領域（最終的には図3の配線208-jと接続する）からの信号を送ることを目的としてアルミニウム配線が形成される。各検出器領域104、106、202-i、204-iからの信号は、前記共通の背面電極と、問題となっている検出器の特定のアルミニウム配線との間に誘起される電流/電圧を測定することによって登録されうる。

よって各検出器領域は、前記p⁺-拡散層、真性層、及びn型ドーピングされた基板によって形成される所謂「p-i-nダイオード」を構成する。真性層内の孔はp⁺-層にまで進行し、かつ、前記真性層中の電子はn型ドーピングされた基板へ進行する。よって前記真性層中に生成される電子/正孔対は電流を誘起する。そのような電子/正孔対はたとえば、（入射電子ビームからの）電子を試料に衝突させることによって、その試料中で発生する。それにより、生成された電子/正孔対の数は、電子が真性層へ入射した電子のエネルギーに比例して、電子/正孔対を生成するのに必要なエネルギーに反比例する。

動作中、電子ビームは、軸102に沿って、検出器の背面から貫通孔112を通って、検出器100の前面（放射性感受性を有する面）に設けられた試料へ案内される。試料では、（とりわけ）2次電子とBS電子が電子ビームの衝突によって解放される。2次電子は通常、50eV未満のエネルギーを有して試料から放出される電子と分類される一方で、BS電子は一般的に、50eVよりも大きなエネルギーを有して試料から放出される電子と分類される。好適には、検出器100は、前記試料又は検出器にバイアス印加することによって、前記試料に対してわずかに正の電位に維持される。このようにして、電子は検出器へ向かって加速される。一般的には、2次電子は、軸102に対して半径方向にはほとんどエネルギーを有してないので、軸102のかなり近くで検出される。他方、BS電子は、初動時からかなり大きな半径方向のエネルギーを有するので、軸102からさらに離れた検出器領域によって検出される。

上述したように、軸102から離れた検出器領域は、90°で4つに区分される。そのような各異なる区分において誘起される信号（及び各異なる環からの信号）を比較することによって、試料から放出される電子を実効的に角度分解することができる。

図5A、図5B、及び図5Cは、如何にして、本発明の特別な態様によって、試料から放出された放射線が操作（偏向）可能なのかを表す検出器設定の斜視図を表している。

図5A、図5B、及び図5Cの各々は、実質的に垂直に入射する荷電粒子ビームIBが衝突する円盤状の試料を概略的に表している。係る荷電粒子ビームIBの照射に応じて、試料は放出された放射線の錐体状の雲を生成する。この放出された放射線の錐体状の雲は、試料から、入射ビームの方向とは実質的に反対方向に放出される。また入れ子構造を構成する同心円状の環状領域A,B,C,Dが図示されている。この同心円状の環状領域A,B,C,Dは、入射ビームを実質的な中心にとり、かつその入射ビームに対して実質的に垂直である。これらの領域A,B,C,Dは、区分化された検出器の様々な領域−たとえば図4に図示されたようなもの−を表してよい。あるいは領域A,B,C,Dは、放出された放射線が試料から伝播する様々な放出角を分類する役割を果たしてもよい。

図5Aは、基本的に対称的であって操作されていない「初期状態の」シナリオを表している。そのようなシナリオでは、たとえば、様々な放出角で放出される放射線を順次検出するように、小さな検出器に領域A,B,C,Dを順次移動させてよい。あるいはその代わりに、図示されたシナリオは、検出器−たとえば図4に図示されたもの−の面に放出された放射線が対称的に衝突したものと考えてもよい。それにより様々な放出角に沿った同時検出が実現される。「軸に対して平行に」放出された放射線の相対的に狭い錐体が図5において強調されている（影付き領域）。この放出された放射線の相対的に狭い錐体は、入射ビームのIBのすぐ近くに戻される。この放射線は、領域Aの内部に属し、かつ、検出が困難になると思われる。その理由は、この放射線の経路が、ビームIBを生成した荷電粒子レンズの光軸に非常に近くなるからである。しかし上述したように、放出される放射線は非常に小さな放出角で放出されるので、この「軸に対して平行に」放出された放射線は、試料内部の（相対的に）最も深い位置から放出され、その結果、一般的には、本発明が要求する深さ分解能の意味において価値ある情報を含む。従って、本質的に「軸に対して平行な」放射線を、その放射線がより容易に検出されうる領域へ入射するように偏向させる手法に頼ることができる。ここではそのような手法を2つ説明する。

図5Bでは、試料が、放出された放射線の錐体が領域A,B,C,Dに対して傾斜するように、右側に傾けられた。その結果、所与の放出角で放出された放射線は一般的に、図5Aの場合とは異なる領域を通過する。

図5Cでは、偏向場が印加されたことで、初期状態である放出された放射線の錐体状の分布が、煙状に変化する。繰り返しになるが、この操作の結果、所与の放出角で放出された放射線は繰り返しになるが、一般的には図5A又は図5Bの場合とは異なる領域を通過する。図5Cに図示されているように、そのような偏向は、試料の傾斜と共に生じる。しかし非傾斜試料の場合に偏向が行われても良い。当業者は、特別な状況で必要とされるような特定の種類の偏向及びその大きさを実現するのに用いられ得る様々な静電場/磁場の分布を知っている。非荷電粒子からなる放射線（つまり電磁放射線を含む）が放出される場合、当業者は、特定の種類/大きさの偏向を生成するのに用いられ得る様々なレンズ/ミラーの構成をも知っている。

Claims (9)

1. 荷電粒子顕微鏡を用いた試料の検査方法であって：
   試料ホルダ上に前記試料を載置する手順；
   粒子光学鏡筒を用いて前記試料の表面上に特別な放射線ビームを案内することで、前記試料から放出される放射線を生じさせる相互作用を生じさせる手順；
   検出装置を用いて前記放出される放射線の少なくとも一部を検出する手順；
   前記試料の表面に対して垂直な軸に対する前記放出される放射線の放出角θ_nの関数として前記検出装置の出力O_nを記録することによって、複数のθ_nについて測定データの組M=｛（O_n,θ_n）｝をまとめる手順；
   コンピュータ処理装置を用いて前記測定データの組Mのデコンボリューションを自動的に行って、結果の組R=｛（V_k,L_k）｝に空間分解する手順；
   を有し、
   空間変数Vは、前記表面を基準とした離散的深さレベルL_kでの値V_kを表し、
   nとkは整数で、
   空間変数Vは、前記試料内での位置の関数としての前記試料の物理的特性を表す、
   方法。
2. 前記検出装置が、前記試料ホルダの周りでそれぞれ異なる角度位置に分布する複数の検出器{D_n}を有し、
   前記測定データの組Mが、該組の成分データ対（O_n,θ_n）を同時に取得することによってまとめられ、
   各独立した検出器D_nは、該検出器D_nに対応する角度θ_nで放出される放射線を捕獲し、該放出される放射線の出力値O_nを取得する、
   請求項1に記載の方法。
3. 前記検出装置が単一の検出器及び偏向装置を有し、
   前記偏向装置は1組の偏向状態A={A_n}を採用するように調節可能で、
   各偏向状態A_nは、放出される放射線が前記単一の検出器へ与えられるように角度θ_nを選択する役割を果たし、
   測定データの組Mは、その成分データ対（O_n,θ_n）を同時に取得することによってまとめられ、このとき各偏向状態A_nは、前記単一の検出器が、該単一の検出器に対応するデータ対角度（O_n,θ_n）を捕獲することを可能にする、
   請求項1に記載の方法。
4. 前記偏向装置が、
   前記試料から放出される放射線の方向を局所的に変化させる手段、
   前記単一の検出器に対して前記試料ホルダを傾ける手段、及び、
   前記試料に対して前記単一の検出器を角度が変化するように動かす手段、
   からなる群から選択される、請求項3に記載の方法。
5. 前記放出された放射線が、後方散乱電子、X線、赤外光、可視光、紫外光からなる群から選択される、請求項1乃至4のいずれかに記載の方法。
6. 前記測定データの組Mのデコンボリューション及び空間分解が、ポアソンノイズ及びガウスノイズのうちの少なくとも1に従うと推定される検出モデルと前記測定データの組Mとの間での統計的なダイバージェンスを、前記モデルに制約を課しながら最小化することによって実行される、請求項1乃至5のいずれかに記載の方法。
7. 前記測定データの組Mが、
   放出角がθ_nで前記検出装置によって検知される、ある前記特定の放射線のビームの前記試料の内部での挙動を表すカーネルの値K_nを有する点拡がり関数を各nの値について定義する手順、
   K_nとVの3次元コンボリューションの値Q_n(=K_n*V)を有する可視化品質を各nの値について定義する手順、
   各nについて、O_nとQ_nとの間での最小ダイバージェンスminD(O_n||K_n*V)を計算により決定して、前記値K_nについて制約を適用しながらVについて解く手順、
   を有する方法で自動的に処理される、
   請求項6に記載の方法。
8. 測定データの組Mをまとめる手順、及び該測定データの組Mを対応する結果の組Rへ変換する手順が、コンピュータによるスライシング手順に含まれ、
   前記コンピュータによるスライシング手順が物理的スライシングと併用されることで、物理的な材料除去法が、前記試料の元の表面から材料の層を物理的に除去するのに用いられ、その結果前記試料の新たに露出した表面が生成される、
   請求項1乃至7のいずれかに記載の方法。
9. 請求項1乃至8のいずれかに記載の方法を実行するように構成された荷電粒子顕微鏡。