JP2014075365A - 荷電粒子線装置、試料画像取得方法、およびプログラム記録媒体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明の荷電粒子線装置は、一次荷電粒子線が試料に到達するまでに散乱されることによって一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を、検出器の信号から除去するデータ処理部を備える。例えば、一次荷電粒子線が隔膜によって、または非真空空間に存在するガスによって散乱されることで前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を、検出器で取得された信号から除去する。
【選択図】 図1
Description
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
大気圧下で観察可能な荷電粒子線装置では試料と隔膜は近接していなければならない。我々が計算した結果、荷電粒子線の加速電圧と1気圧中の荷電粒子線の平均自由工程との関係は図1のとおりであった。平均自由行程とは散乱で妨害されること無く進むことのできる距離の平均値のことを言う。たとえば、加速電圧100kVの場合は200μm程度が平均自由工程となる。なお、後述するように散乱されることなく平均自由工程以上に飛来し、顕微鏡画像の分解能に寄与する無散乱荷電粒子線が存在する。そのため、実際に大気中の試料を荷電粒子線顕微鏡観察する場合は、隔膜と試料との距離が図1で示した平均自由工程よりも数倍から5倍程度にすることが可能であることが実験的にわかっている。つまり、荷電粒子線の加速電圧が1kVから100kV程度の範囲の場合は、試料と隔膜との距離は1000μm程度以下でなければならないということになる。
したがって、図3(b)で図示したよりも、実際には隔膜と試料との距離h2はh1に比べて非常に小さい。つまり、この構成は、集束レンズ303aと試料面6aとの間に非常に薄い二つの散乱レンズが近接して導入されている点で、非常に特徴的である。
また、隔膜及び非真空雰囲気の空間を経由した前の荷電粒子ビーム形状をFとし、隔膜及び非真空雰囲気の空間を経由した後の荷電粒子ビーム形状をGとした場合、以下の式で記述される。
なお、前述の通り散乱レンズ関数を経由しても隔膜や非真空雰囲気によって一度も散乱されずに飛来する荷電粒子線も存在する。その様子を説明するために、図4(a)を用いて、隔膜10aと非真空雰囲気の空間12aでの荷電粒子線の散乱について説明する。ビーム305は隔膜10aに入射する直前のビームの形状を表している。その後、隔膜10aを透過すると、隔膜中および非真空雰囲気中で多くの荷電粒子が散乱される。一方で、一度も散乱されないで進むことができる荷電粒子も存在する。以下、隔膜および非真空雰囲気のガスによって散乱されないで進行することができた荷電粒子を「無散乱荷電粒子」と呼び、一回以上散乱された荷電粒子を「散乱荷電粒子」と呼ぶ。このようにビームが散乱された結果、試料6に到達したときのビーム形状は306のようになる。この図では横方向がビーム形状を示す距離(すなわち試料面上の空間的な距離)であり、縦方向は荷電粒子数を表している。ビーム306は無散乱荷電粒子で構成されるビーム307と、散乱荷電粒子で構成されたビーム308からなる。
入射された荷電粒子線のビーム径d0と無散乱荷電粒子のビーム径d1とがほぼ等しいので、取得される顕微鏡画像の分解能は無散乱荷電粒子のビーム径d1によって決定される。つまり、ビーム307さえ残っていれば、別の表現をすれば無散乱荷電粒子の数が十分残っているのであれば、分解能は維持されるといえる。なお、上記d0、d1、d2で表されるビーム径は、ビーム径の定義が同じであれば、具体的にはビーム直径、半径、または半値幅などで規定されてもよい。以下、特筆のない限り、ビーム形状またはスポット形状とはビームの径の大きさを表すパラメータのことを指す。
以上の考察に基づけば、図2で取得された電子顕微鏡画像を図4で説明した散乱荷電粒子によって説明することが可能である。つまり、図2のB部に電子線を照射している時に、散乱電子によるビーム308が文字“9”の部分にも照射されてしまったと考えることができる。これに対してA部は文字“9”から離れているので、A部に電子線を照射しているときにビーム308が文字“9”の部分に照射されず、B部よりも暗く観察される。一方で、無散乱電子によるビーム307によって分解能は維持されるため、文字“9”のエッジははっきりと観察されると考察できる。
以下で説明する画像復元とは取得画像に何らかの演算処理を行うことで分解能や画質の劣化を復元する処理のことである。また、以下で説明する画像復元とは取得後の画像に対して演算処理を行い復元する場合のみではなく、検出器から出力される信号に対して演算処理を行い処理後の信号によって画像を生成する場合も含むものとする。
この関係から、取得画像Gと劣化関数Aから理想画像Fを推定する。これを画像復元と呼ぶ。この対応関係は(式3)と同等である。つまり、ビーム形状の劣化を表す劣化関数Aを求めてこの形状をデコンボリューション処理することによって画像復元が実施可能である。しかし、これまで大気雰囲気下、所望のガス圧下またはガス種下で散乱されたビーム形状から理想画像Fを推定することはこれまで実施されてこなかった。それは、散乱される領域の制御ができなかったためと考えられる。一方で、前述のとおり、大気圧下で観察可能な電子顕微鏡の場合は、画質劣化要因を非常に薄い散乱レンズとみなすことができ、ビーム形状の劣化度合いを決定する要因が隔膜から試料までの局所的な空間に凝縮されている。この結果、ビーム形状を決定する散乱レンズ関数を決定するパラメータは隔膜と非真空雰囲気の空間に起因するパラメータだけであり、またこれらは制御可能であるため、画像復元に必要な劣化関数Aを求めることが非常に簡単になる。このことが本発明において重要な点の一つである。
本実施例では、基本的な実施形態について説明する。図6には、本実施例の荷電粒子顕微鏡の全体構成図を示す。
前述の通り、荷電粒子線の平均自由工程の観点から隔膜と試料間との距離Zは短いことが望ましい。具体的には1000μm以下であるとよい。また、隔膜10と試料6とが接触しないためには次式に従う必要がある。
以上の関係式により、距離制御部材を用いると試料と隔膜との距離がZであることを保証できる。
図9に、操作画面の一例を示す。ここでは、操作画面を通して入力されたパラメータを用いて画像復元する例を説明する。
図5では画像全体を処理した結果について図示した。しかし、図10のように試料6に大きな凹凸が存在する場合などは、隔膜10と試料6の間の距離が均一ではなく、隔膜と試料表面との距離は試料上の位置に依存する。例えば、6aの位置では隔膜と試料表面との距離がZ1であるのに対して、6bの位置では隔膜と試料表面との距離がZ2である。試料上の位置によって隔膜と試料表面との距離が異なると、散乱レンズ関数のパラメータが異なる。そのため、入射ビーム形状305を入射すると試料表面に到達する荷電粒子線のビーム形状306は図10の下図に示したようになる。つまり、無散乱荷電粒子と散乱荷電粒子によるビームの形状やこれらの数が異なるために、試料表面に到達するときのビーム形状が異なる。そのため、試料6a部と試料6b部とが混在した画像すべての領域に対して一つの散乱レンズパラメータで一括して画像復元処理することは最適とはいえない。
以下で、図13を用いて画像取得を行う手順について説明する。最初に、ステップ500で加速電圧Eを設定する。次に、ステップ501で画像を撮像する。次に、ステップ502にて所望の画像を保存する。保存された画像の中から画像復元処理を実施する画像を選択する。または所望の画像を呼び出してもよい(ステップ511)。次に、ステップ512で、その画像を取得した際の加速電圧Eや倍率(または画素サイズ)の設定を行う。次のステップ503で画像復元をする画像内の領域を設定する。画像全部に画像復元処理をする場合は、このステップはなくてもよい。次に、ステップ504にて、隔膜−試料間距離Zを設定する。前述の通り、このステップ504で設定するパラメータは隔膜−試料間距離Zではなく何らかに置きかえられたパラメータであってもかまわない。ステップ505では、設定されたパラメータを用いて散乱荷電粒子線に関するパラメータが決定される。散乱荷電粒子線に関するパラメータとは、無散乱荷電粒子線のビーム径d1、散乱荷電粒子線のビーム径d2、無散乱荷電粒子比率N0/(N0+N1)等である。前述のように、散乱荷電粒子に関するパラメータを手動で入力したい場合はこのステップで入力する。
また、隔膜に入射する前の荷電粒子ビーム形状をFとし、隔膜を透過した後の荷電粒子ビーム形状をGとした場合、以下と記述される。
隔膜10に入射されるビーム形状をビーム305とすると、試料6に到達したビーム形状はビーム306のようになる。隔膜と試料との間の非真空雰囲気による散乱レンズ(図3の12a)がないために、実施例1から実施例5までの装置と比べると散乱荷電粒子に起因するビームが少ない。つまり、散乱荷電粒子ビーム径d2は小さい。しかしながら、隔膜10による散乱は図3の場合と同様に発生する。この結果、図3の場合と同様に、無散乱荷電粒子線によるビーム307と、散乱荷電粒子線によるビーム308が混在したビームとなる。したがって、前述した画像復元法が有用である。
また、低真空空間を経由する前の荷電粒子ビーム形状をFとし、低真空空間を経由した後の荷電粒子ビーム形状をGとした場合、以下と記述される。
低真空空間に入射されるビーム形状をビーム305とすると、試料6に到達したビーム形状はビーム306のようになる。隔膜による散乱レンズ12aがないために、散乱量は実施例1から実施例5までの装置と比べると散乱荷電粒子によるビームが少ない。つまり、散乱荷電粒子ビーム径d2は小さい。しかしながら、無散乱荷電粒子線によるビーム307と、散乱荷電粒子線によるビーム308を持ったビームとなるので、前述で説明した画像復元法が有用である。
100:ガス供給管、101:ガス制御用バルブ、102:連結部、103:ガスボンベまたは真空ポンプ、104:圧力調整弁、107:支持板、108,109:操作つまみ、121:第2筐体、122,130:蓋部材、123,124,125,126,128,129:真空封止部材、131:本体部、132:合わせ部、154:信号増幅器、155:隔膜保持部材、155:土台、
200:光軸、
301:レンズ1、302:レンズ2、303:レンズ3、
305:入射ビーム形状、306:試料到達ビーム形状、307:無散乱荷電粒子ビーム形状、308:散乱荷電粒子ビーム形状、
400:距離制御部材、401:試料台、402:めねじ、407:真空封じ部材、408:距離制御部材、
500:ステップ、
700:操作画面、701:条件設定部、702:画像表示部、703:画像復元後画像表示部、704:画像調整部、705:閾値設定部、706:照射エネルギーE設定部、707:照射開始ボタン、708:照射停止ボタン、709:画像保存ボタン、710:画像読み出しボタン、711:隔膜-試料間距離設定部、713:画像復元開始ボタン、715:焦点調整部、716:明るさ調整部、717:コントラスト調整部、720:無散乱荷電粒子径設定部、721:散乱荷電粒子径設定部、722:無散乱荷電粒子比率設定部、723:画像復元開始ボタン、724:自動コントラスト調整ボタン、725:手入力部、726:自動入力選択ボタン、727:手動入力選択ボタン、728:自動ノイズ調整ボタン、729:画像復元領域設定部、730:設定部、731:設定部、732:倍率設定部、733:複数パラメータ設定部、734:真空度設定部
Claims (20)
- 内部が真空排気される荷電粒子光学鏡筒と、
試料を非真空空間に載置する試料ステージと、
前記荷電粒子光学鏡筒から出射された一次荷電粒子線が前記試料に照射されることにより得られる二次的荷電粒子を検出する検出器と、
前記一次荷電粒子線が前記試料に到達するまでに散乱されることによって前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を、前記検出器の信号から除去するデータ処理部と、を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項1に記載の荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子光学鏡筒の内部と連通し真空状態に維持される空間と、前記試料が配置される非真空空間の差圧を維持可能であり、かつ前記一次荷電粒子線を透過または通過させる隔膜を備え、
前記データ処理部は、前記一次荷電粒子線が前記隔膜を通過するときに散乱されることによって前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を、前記検出器の信号から除去することを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項2に記載の荷電粒子線装置において、
前記データ処理部は、前記隔膜の材料種、密度、および厚さに応じて、前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を求めることを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項1に記載の荷電粒子線装置において、
前記データ処理部は、前記一次荷電粒子線が前記非真空空間に存在するガスによって散乱されることで前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を、前記検出器の信号から除去することを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項4に記載の荷電粒子線装置において、
前記データ処理部は、前記ガスの種類、前記非真空空間を前記一次荷電粒子線が通過する距離、および前記ガスの圧力に応じて前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を求めることを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項1に記載の荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子光学鏡筒の長さh1と前記非真空空間のうち前記一次荷電粒子線が通過する距離h2との比がh1/h2≧1000であり、h2が1mm以下であることを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項1に記載の荷電粒子線装置において、
前記データ処理部は、前記一次荷電粒子線のうち前記試料に到達するまでに散乱されなかった無散乱荷電粒子線のスポット形状と前記一次荷電粒子線のうち前記試料に到達するまでに散乱された散乱荷電粒子線のスポット形状を用いて、前記試料に到達するときの前記一次荷電粒子線のスポット形状のモデルを生成することを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項7に記載の荷電粒子線装置において、
前記無散乱荷電粒子線のスポット形状の幅(d1)が1nm以上100nm以下であり、
前記散乱荷電粒子線のスポット形状の幅(d2)が10nm以上10000nm以下であり、
前記d1と前記d2との関係がd2/d1≧10を満たすことを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項1に記載の荷電粒子線装置において、
前記検出器からの信号に基づいて形成される一枚の画像のうち、画像復元の処理対象とする領域をユーザが指定可能な操作画面を表示するディスプレイを有することを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項1に記載の荷電粒子線装置において、
前記検出器からの信号に基づいて形成される一枚の画像のうち、第1のパラメータセットを用いて画像復元の処理がされる第1の領域と前記第1のパラメータセットとは異なる第2のパラメータを用いて画像復元の処理がされる第2の領域をユーザが指定可能な操作画面を表示するディスプレイを有することを特徴とする荷電粒子線装置。 - 内部が真空排気される荷電粒子光学鏡筒から一次荷電粒子線を出射し、
前記一次荷電粒子線を非真空空間に載置された試料に照射し、
前記試料に前記一次荷電粒子線を照射することにより得られる二次的荷電粒子を検出し、
前記一次荷電粒子線が前記試料に到達するまでに散乱されることによって前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を、前記検出器の信号から除去することを特徴とする試料画像取得方法。 - 請求項11に記載の試料画像取得方法において、
前記荷電粒子光学鏡筒から出射された前記一次荷電粒子線は、前記荷電粒子光学鏡筒の内部と連通し真空状態に維持される空間と、前記試料が配置される非真空空間の差圧を維持可能である隔膜を透過または通過し、
前記一次荷電粒子線が前記隔膜を通過するときに散乱されることによって前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を、前記検出器の信号から除去することを特徴とする試料画像取得方法。 - 請求項12に記載の試料画像取得方法において、
前記隔膜の材料種、密度、および厚さに応じて、前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を求めることを特徴とする試料画像取得方法。 - 請求項11に記載の試料画像取得方法において、
前記一次荷電粒子線が前記非真空空間に存在するガスによって散乱されることで前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を、前記検出器の信号から除去することを特徴とする試料画像取得方法。 - 請求項14に記載の試料画像取得方法において、
前記ガスの種類、前記非真空空間を前記一次荷電粒子線が通過する距離、および前記ガスの圧力に応じて前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を求めることを特徴とする試料画像取得方法。 - 請求項11に記載の試料画像取得方法において、
前記一次荷電粒子線のうち前記試料に到達するまでに散乱されなかった無散乱荷電粒子線のスポット形状と前記一次荷電粒子線のうち前記試料に到達するまでに散乱された散乱荷電粒子線のスポット形状を用いて、前記試料に到達するときの前記一次荷電粒子線のスポット形状のモデルを生成し、当該モデルを用いて前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を求めることを特徴とする試料画像取得方法。 - 請求項16に記載の試料画像取得方法において、
前記無散乱荷電粒子線のスポット形状の幅(d1)が1nm以上100nm以下であり、
前記散乱荷電粒子線のスポット形状の幅(d2)が10nm以上10000nm以下であり、
前記d1と前記d2との関係がd2/d1≧10を満たすことを特徴とする試料画像取得方法。 - 請求項11に記載の試料画像取得方法において、
前記検出器からの信号に基づいて形成される一枚の画像のうち、ユーザにより指定された一部の領域に対して、画像復元の処理を行うことを特徴とする試料画像取得方法。 - 請求項11に記載の試料画像取得方法において、
前記検出器からの信号に基づいて形成される一枚の画像のうち、第1のパラメータセットを用いて画像復元の処理がされる第1の領域と前記第1のパラメータセットとは異なる第2のパラメータを用いて画像復元の処理がされる第2の領域をユーザが指定可能であることを特徴とする試料画像取得方法。 - 内部が真空排気される荷電粒子光学鏡筒と、
試料を非真空空間に載置する試料ステージと、
前記荷電粒子光学鏡筒から出射された一次荷電粒子線が前記試料に照射されることにより得られる二次的荷電粒子を検出する検出器と、を有する荷電粒子線装置に接続されたコンピュータで実行されるプログラムが記録されるプログラム記録媒体であって、
前記プログラムは、前記一次荷電粒子線が前記試料に到達するまでに散乱されることによって前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を、前記検出器の信号から除去する処理を行うことを特徴とするプログラム記録媒体。
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