JP2014082027A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 一次荷電粒子線は高加速電圧で照射されると、試料内部へ広範囲に拡散するため、より広い範囲から信号を発生させる。また高プローブ電流条件での一次荷電粒子線照射では、ビーム径の肥大化が伴うため、通常観察条件による観察像と比べて分解能の低い像になる。ＥＤＸ法による試料の元素分析では、高加速電圧・高プローブ電流といった高エネルギー条件で一次荷電粒子線を照射することが多いため、組成分布を表す元素マッピング像では、パターン境界が不鮮明となり、通常観察条件による観察像と比べて分解能の低い像になる。
【解決手段】 荷電粒子線装置において、試料のパターン境界をまたいで一次荷電粒子線を走査する際に、一次荷電粒子線の試料上におけるスポット形状の長軸方向がパターン境界の方向に一致するように、パターン境界上でのスポット形状を調整するビームスポット形状設定部を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、走査電子顕微鏡を一例とした荷電粒子線装置に関わるものである。

走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope，ＳＥＭ）（以下、ＳＥＭと記す。）は、試料に照射した一次荷電粒子線により発生する二次電子や反射電子等を検出し、試料情報を得る観察装置である。

ＳＥＭによる観察を実施することで、試料表面の凹凸情報や組成情報等を反映した画像を得ることができる。

上記手法を用いて観察を実施する際、一次荷電粒子線の加速電圧及び電流量等の観察条件を調整し画像を取得する。

また、エネルギー分散型Ｘ線分光（Energy Dispersive X-ray Spectrometry，ＥＤＸ）（以下、ＥＤＸと記す。）法とは、試料に照射した一次荷電粒子線により発生する特性Ｘ線を検出し、特性Ｘ線のエネルギーや強度から試料の組成や濃度を測定する方法である。
ＥＤＸ装置を用いることで、試料の組成を示すスペクトルや、組成の分布を表す元素マッピング像を得ることができる。

上記手法を用いて測定試料の元素分析を行う際、試料中の元素由来である特性Ｘ線を発生及び検出させるためには、目的元素の特性Ｘ線のエネルギーよりも大きなエネルギー（２〜３倍程度）の荷電粒子線を照射する必要がある。また、そのときのプローブ電流は、観察条件と比べて、１０倍以上の電流量を要する。

また、ＥＤＸ装置付き荷電粒子線装置を用いてＥＤＸ分析を行う場合は、まず荷電粒子線装置により反射電子像を取得し、その後ＥＤＸ分析を行う。

特許文献１には、集積回路等に対し、理想集積回路を基に決定した最適ビーム形状を、スティグマメータを用いて作成することにより、正確な集積回路構造を二次電子信号から得ることを特徴とした電子ビーム装置が開示されている。

特開昭６１−４５５５１号公報

荷電粒子線装置において、一次荷電粒子線は、高加速電圧で照射されると、試料内部へ広範囲に拡散するため、より広範囲から発生した信号が検出される。さらには、高プローブ電流条件での一次荷電粒子線照射では、ビーム径の肥大化が伴うため、通常観察条件による観察像と比べて分解能の低い像になる。

ＥＤＸ法による試料の元素分析では、高加速電圧・高プローブ電流といった高エネルギー条件で一次荷電粒子線を照射することが多い。よって、上記の通り、高エネルギー条件で一次荷電粒子線を照射すると、ＥＤＸ法により得られる組成分布を表す元素マッピング像では、試料の異なる組成同士の境界が不鮮明となり、荷電粒子線装置での観察像と比べて分解能の低い組成分布像になる。
そこで、本発明では、かかる課題に鑑みて、ＳＥＭを一例とした荷電粒子線装置において、高エネルギー条件下の一次荷電粒子線照射時の分析及び観察分解能を向上させる手法、及び上記手法を実現できる荷電粒子線装置を実現することを目的とする。

上記課題を解決するために、試料のパターン境界をまたいで一次荷電粒子線を走査する際に、一次荷電粒子線の試料上におけるスポット形状の長軸方向がパターン境界の方向に一致するように、パターン境界上でのスポット形状を調整するビームスポット形状設定部を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ＳＥＭを一例とした荷電粒子線装置において、高エネルギー条件下での一次荷電粒子線照射時の分析・観察分解能を向上させることができる。

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。

ＥＤＸ装置付きＳＥＭの構成図の例である。 図１の制御系の機能ブロック図の例である。 実施例１のＥＤＸ分析におけるパターン境界での分解能向上方法を示したフローチャートの例である。 実施例１の反射電子像から輝度によるラインプロファイルを作成する例である。 実施例１のラインプロファイルの立ち上がり開始位置及び終了位置の認識方法の例である。 実施例１のラインプロファイルを基に構築したＸ・Ｙ平面上三次元プロファイルの例である。 実施例１のＸ・Ｙ平面上三次元プロファイルを基に試料のパターン境界を決定する例である。 実施例１のビームスポット形状変更前後のビームスポット形状の例である。 実施例１のビームスポット形状の変更にあたりビームスポット形状を決める構造因子の例である。 実施例１のパターン境界ごとのビームスポット形状決定法の例である。 実施例１のビームスポット形状を変更する範囲の決定とビームスポット形状変更過程の例である。 実施例２のＥＤＸ分析におけるパターン境界での分解能向上方法を示したフローチャートの例である。 実施例３のビームスポット形状変更可動絞りの構成図の例である。 実施例４の高エネルギー観察条件下におけるＳＥＭ像分解能向上法を示したフローチャートの例である。

以下では、荷電粒子線装置の一例として、ＳＥＭについて説明する。ただし、これは本発明の単なる一例であって、本発明は以下説明する実施の形態に限定されるものではない。本発明において荷電粒子線装置とは荷電粒子線を用いて試料の画像を撮像する装置を広く含むものとする。例えば走査イオン顕微鏡や走査透過電子顕微鏡、これらと試料加工装置との複合装置にも適用可能である。また、走査型電子顕微鏡を用いた検査装置、レビュー装置、パターン計測装置にも適用可能である。

また、荷電粒子線装置における元素分析方法はＥＤＸ法の他に、波長分散Ｘ線分光法等が挙げられる。本発明では一例としてエネルギー分散型Ｘ線分光法に着目するが、波長分散Ｘ線分光法等にも適用が可能であり、本明細書において元素分析とは広く一般に、一次荷電粒子線が照射された箇所に含まれる元素を分析することを指す。

また、以下において「パターン」とは、ＳＥＭ画像上で隣接する部分の輝度が異なる境界の形状、または元素マッピング像上で隣接する部分での組成が異なる境界を表し、試料上に予め作りこまれた形状のみでなく、欠陥など、ユーザーが意図しない形状も含むものとする。

本発明は、荷電粒子線により取得した試料画像を用いてパターン境界を認識し、この境界をまたいで荷電粒子線を走査して元素分析を行う際に、パターン境界方向に応じてビームスポット形状を変化させる荷電粒子線装置に関する。より具体的には、荷電粒子線の試料上におけるビームスポット形状の長軸方向がパターン境界の方向に一致するように、ビームスポット形状を調整する。

以下、図面を用いて本発明の各実施例について説明する。

本実施例では、一例として、ＥＤＸ装置付きＳＥＭを挙げ、その装置全体の構成を記す。

図１は、本実施例におけるＥＤＸ装置付きＳＥＭの全体構成図の例である。

電子線源１０１は、電子線を発生させ、レンズにより電子線を収束・走査可能な光学系機構を含むものとする。電子線源１０１の下部には、ビームスポット形状変更可動絞り１０２とビームスポット形状変更機能付き対物レンズコイル１０３が設けられ、ビームスポット形状の変更及びＥＤＸ分析時のビームスポット形状変更プロファイルの実行を行うことができる。

試料１０４は試料台１０５上に導電性のテープまたはペースト等で固定され、真空排気系１０６により真空状態を保持している真空チャンバー１０７内の試料ステージ１０８上に設置される。この作業は真空状態を維持したまま行うことが可能である。

試料ステージ１０８は、モーター駆動または手動による操作により、機械的に水平位置を動かすことができる。さらに、傾斜、回転、垂直方向に試料を動かすことが可能である。

真空チャンバー１０７にはＥＤＸ用Ｘ線検出器１０９、反射電子信号検出器１１０が設置されている。

電子線源１０１内光学系及びビームスポット形状変更機能付き対物レンズコイル１０３によって収束された一次電子線１１１が、試料１０４上に照射されることにより、二次電子信号、反射電子信号１１２、特性Ｘ線１１３等の信号が発生する。反射電子信号１１２は、真空チャンバー１０７内に設置されている反射電子信号検出器１１０により検出され、制御系１１４により画像化、解析される。この解析結果を基に、制御系１１４は、ＥＤＸ分析時に使用するビームスポット形状変更プロファイルの作成や実行を制御・操作することができる。

特性Ｘ線１１３は、ＥＤＸ用Ｘ線検出器１０９により検出される。検出された信号は制御系１１４によって増幅・分析され、分析結果はパーソナルコンピュータ１１５によって表示される。

装置付属のパーソナルコンピュータ１１５は、本実施例に示す作業・装置動作を制御するための必要な情報を設定・入力するユーザーインターフェースである。本実施例の装置動作全てにおける各種設定情報の入力画面が画面上に表示される。

なお、図１は全体構成図の概略を示した一例であり、ＥＤＸ用Ｘ線検出器１０９や反射電子信号検出器１１０以外に、二次電子検出器等他の検出系を取り付けることも可能である。このように、荷電粒子光学系の構成は一部が上記と異なっていてもよく、これに限られない。また、本実施例では対物レンズコイルがビームスポット形状変更機構を持つが、ビームスポット形状変更コイルを電子線源１０１内の光学系に取り付けても良い。

また上記の荷電粒子線装置には、このほかにも各部分の動作を制御する制御部や、検出器から出力される信号に基づいて画像を生成する画像生成部が含まれていることもある（図示省略）。制御部や画像生成部は、専用の回路基板によってハードウェアとして構成されていてもよいし、コンピュータ１１６で実行されるソフトウェアによって構成されてもよい。ハードウェアにより構成する場合には、処理を実行する複数の演算器を配線基板上、または半導体チップまたはパッケージ内に集積することにより実現できる。ソフトウェアにより構成する場合には、コンピュータに高速な汎用ＣＰＵを搭載して、所望の演算処理を実行するプログラムを実行することで実現できる。このプログラムが記録された記録媒体により、既存の装置をアップグレードすることも可能である。また、これらの装置や回路、コンピュータ間は有線又は無線のネットワークで接続され、適宜データが送受信される。

図２は、図１のＳＥＭ全体構成図における制御系１１４の機能ブロック図の一例である。信号検出や画像生成を含んだＳＥＭ装置全体を制御するＳＥＭ装置制御部２０１、生成された画像を処理する画像処理部２０２、画像処理によって解析されたデータを基にパターン境界を認識するパターン境界認識部２０３、認識されたパターン境界に基づいて最適ビームスポット形状を設定するビームスポット形状設定部２０４、元素分析手段を含んだＥＤＸ装置を制御するＥＤＸ装置制御部２０５によって構成されている。

図３は、ＥＤＸ装置付きＳＥＭにおける分解能向上のための元素分析方法のフローチャートの一例である。

まず、ＳＥＭに試料を挿入する（ステップ３０１）。次に、ＥＤＸ分析を行う視野の反射電子像をＳＥＭにて取得する（ステップ３０２）。

試料表面を観察する場合、二次電子像を取得することが多い。二次電子像は、試料表面上の形態観察には非常に有用であるが、組成情報との相関が低い。

本実施例では、ＳＥＭによって得られた像を基にしたパターン境界の認識、及びビームスポット形状の決定を行うことで、ＥＤＸ分析分解能の向上を実現する。よって、ＳＥＭで得られた像のパターン境界は、試料の組成情報を反映している必要があり、本実施例に二次電子像は最適とはいえない。

そこで本実施例では、二次電子像ではなく反射電子像を使用する。反射電子像は、試料の組成情報を反映した電子像である。反射電子像における輝度の差（明るさの変化）は、試料上の原子番号差を表している。よって、反射電子像の輝度に基づいてパターン境界を認識し、ビームスポット形状を決定することで、ＥＤＸ分析分解能を向上することが可能である。以上より、本実施例では、ＳＥＭによって得る像として、パターン境界と強い相関を持つ反射電子像を使用する。

取得する反射電子像の観察条件は、ＥＤＸ分析条件である必要はなく、むしろ精度良くパターン境界を識別するためには最適な反射電子像の観察条件が望ましい。画像解像度に影響する取り込み画素は、縦４８０画素、横６４０画素、あるいは縦９６０画素、横１２８０画素等で行われることが多いが、必要に応じて任意に設定して良い。また画像取り込み時間については、４０秒または８０秒が一般的だが、必要に応じて任意に設定して良い。

次に、得られた反射電子像に対し、画像処理部２０２が、輝度によるラインプロファイルを作成する（ステップ３０３）。図４に、本実施例におけるラインプロファイルの作成例を示す。反射電子像４０１から得られるパターン境界４０２は、ある程度の幅を持っているとする。得られた反射電子像４０１の縦がＹ軸方向、横がＸ軸方向とすると、ラインプロファイル４０３は縦軸が輝度、横軸がＸ軸で作成する。ラインプロファイルの横軸はＹ軸でも構わないが、本実施例では一例としてＸ軸方向を基準とする。

図５に、ラインプロファイルの立ち上がり開始位置、終了位置の認識について示す。本実施例では、パターン境界の認識において、ラインプロファイルの立ち上がり開始位置及び立ち上がり終了位置を指標にすることとする。

また、ビームスポット形状変更を実施する走査範囲は、パターン境界の幅によって変化する。よって、本実施例では一例として、パターン境界の幅を、ラインプロファイルの立ち上がり開始位置および終了位置を指標として認識することとする。また、パターン境界が幅を持たない場合、つまり反射電子像から作成したラインプロファイルが直線状であり尚且つ全く垂直に立ち上がる場合は、パターン境界の幅を認識する必要はない。この場合にも、パターン境界認識処理過程は、パターン境界が幅を持つ場合と同様に行うことが可能である。

直線状ラインプロファイル５０１では、立ち上がり開始位置のＸ座標（ｘ１）と終了位置のＸ座標（ｘ２）が明確であるため、容易に認識することができる。曲線状ラインプロファイル５０２では、明確な立ち上がり開始位置及び終了位置は無いため、輝度が上昇し始める手前の位置を立ち上がり開始位置のＸ座標（ｘ１）とし、輝度の上昇が無くなった位置を立ち上がり終了位置のＸ座標（ｘ２）とする。

次に、画像処理部２０２は、このラインプロファイルから、Ｘ・Ｙ平面上三次元プロファイルを構築する（ステップ３０４）。

図６に、構築されたＸ・Ｙ平面上三次元プロファイルの一例を示す。Ｘ軸方向ラインプロファイル６０１をＹ軸方向に重ね合わせていく（６０２）ことで、Ｘ・Ｙ平面上三次元プロファイル６０３が作成される。これにより、Ｘ軸方向のみのラインプロファイル６０１だけでは示すことができなかったＹ軸の情報を得ることができ、ラインプロファイルの立ち上がり開始・終了位置座標をＸ座標及びＹ座標６０４で表すことが可能になる。

次に、パターン境界認識部２０３は、画像処理部２０２によって作成されたＸ・Ｙ平面上三次元プロファイルから、試料パターン境界の認識を行う（ステップ３０５）。

図７に、試料のパターン境界認識方法の一例を示す。作成したＸ・Ｙ平面上三次元プロファイル７０１において、立ち上がり開始位置座標プロットから作成したラインは底面のライン７０２であり、立ち上がり終了位置座標プロットから作成したラインは上面のライン７０３が示している。ラインプロファイルの立ち上がり開始位置及び終了位置座標によって作成したラインを、縦Ｙ軸、横Ｘ軸の二次元のＸ・Ｙ平面上に示す（７０４）。このＸ・Ｙ座標上二次元プロット７０４より、パターン境界及びその傾きを認識する。

本実施例におけるビームスポット形状変更では、一画素ごとのパターン境界に合わせる。よって、Ｘ・Ｙ座標上プロット７０４よりパターン境界を含む一画素分の領域７０５を抽出する。パターン境界上の一画素分の抽出は、パターン境界認識部２０３によって自動でパターン境界の認識から抽出まで実行するが、ユーザーがパーソナルコンピュータ１１５を通してパターン境界上の一画素を選択することも可能である。ビームスポット形状設定部２０４は、抽出された一画素分のパターン境界７０６を基に、最適な一次電子線ビームスポット形状（以下、ビームスポット形状と記す）を決定する（ステップ３０６）。

図８に、ビームスポット形状変更前後のビームスポット形状の一例を示す。本実施例により実現される装置により、通常ＳＥＭで用いるビームスポット形状である真円に近いビームスポット形状８０１から、楕円型ビームスポット形状８０２に変化させることができる。

図９に、ビームスポット形状変更における構造決定因子の一例を示す。本実施例では、ビームスポット形状変更に当たり、楕円型に変更させたビームスポット形状の傾き９０１、及びその楕円の長径９０２及び短径９０３の変更を実現する。楕円型ビームスポット形状の傾きに関しては、長軸を基準にしても短軸を基準にしても構わない。

図１０に、ビームスポット形状の決定法についての一例を示す。パターン境界認識部２０３は、EDX分析範囲における試料全体のパターン境界における一画素あたりのパターン境界１００１を読み込み、パターン境界１００１の方向１００２や傾き１００３を認識し決定する。決定されたパターン境界１００１の方向１００２や傾き１００３を基に、ビームスポット形状設定部２０４は、パターン境界に合ったビームスポット形状１００４を決定する。パターン境界は、ラインプロファイルの立ち上がり開始位置・終了位置座標によって定められており、図７で説明したように座標から作成した近似直線がパターン境界である。従って、パターン境界の傾きは近似直線の傾きである。よって、得られたパターン境界の方向に長径９０２を合わせ、ビームスポット形状およびその傾き９０１を変更する。また、ビームスポット形状の短径９０３を基準に、パターン境界と垂直に交わるよう調整しても構わない。

以上のビームスポット形状変更を実施することにより、形状変更した楕円型ビームスポットの短径とパターン境界が垂直に交わる関係になる。よってパターン境界の垂直方向に対してビームスポット径が小さくなるため、パターン境界のＥＤＸ分析分解能を向上させることができる。ビームスポット形状・方向の変更方法は、実施例３にて述べる。

以上で決定した形状を基に、ビームスポット形状設定部２０４は、ビームスポット形状の変更プロファイルを構築する（ステップ３０７）。

ビームスポット形状の変更プロファイルは、一画素毎のパターン境界に対して最適なビームスポット形状に変更するプロファイルである。本実施例では、パターン境界はある程度の幅を持つため、ラインプロファイルの立ち上がり開始位置から終了位置まで、決定したビームスポット形状を用いてスキャンするよう、スキャン範囲を認識する必要がある。

図１１に、ラインプロファイル立ち上がり開始・終了位置のラインの傾きが異なる場合の、Ｘ・Ｙ平面上に示したラインプロファイル立ち上がり開始位置・終了位置を重ねてプロットしたＸ・Ｙ平面上座標プロット１１０１を示す。本実施例では、ＥＤＸ分析時はＸ軸方向にスキャンするとする。パターン境界を認識することで決定した最適ビームスポット形状を用いてスキャンする範囲は、ラインプロファイル立ち上がり開始位置１１０２と立ち上がり終了位置１１０３に挟まれた領域である。この領域はＸ座標、Ｙ座標を用いて表すことができる。よって、パターン境界に従って決定したビームスポット形状でスキャンする範囲は、Ｘ軸方向の一画素分のライン１１０４における座標（ｘ₁，ｙ）から（ｘ₂，ｙ）までの範囲と認識できる。

このｘ₁からｘ₂までの範囲について、一画素分ライン上におけるラインプロファイル立ち上がり開始・終了位置ラインに対応したビームスポット形状変化の様子１１０５を示す。ビームスポット形状を、立ち上がり開始位置ライン１１０６より決定したビームスポット形状１１０７から、立ち上がり終了位置ライン１１０８より決定したビームスポット形状１１０９に連続的に変化させスキャンを行う。

このように作成したプロファイルにより、試料に一次電子線１１１が照射される時に自動でビームスポット形状を変化させることができる。

最後に、ビームスポット形状設定部２０４は、ビームスポット形状変更プロファイルを基に作成したビームスポット形状変更プログラムを作成し、実行することにより、ＥＤＸ装置制御部２０５がＥＤＸ分析を開始する（ステップ３０８）。前述した通り、ＥＤＸ分析はパターン境界認識に用いた画像を取得した条件とは異なる条件で行われる。すなわち、パターン境界認識に用いる反射電子画像の取得時と、それによって定められたビームスポット形状でのＥＤＸ分析時では、ビーム電流量およびビームスポット形状が異なる。このプログラムを実行すると、一次電子線１１１の照射、ビームスポット形状の変更、ＥＤＸ分析が自動で行われるものとする。

本実施例における全ての作業は、全て制御系１１４により自動で制御される。また、本実施例における全ての作業は、ユーザーによって作業・調整を行うことが可能である。

また、本実施例では一例として、１ラインに１つのパターン境界が含まれている場合について述べているが、１ラインに複数のパターン境界が含まれている場合でも同様に、パターン境界の認識やビームスポット形状の変化、それによるＥＤＸ分解能向上が可能である。

本実施例では、ＳＥＭで取得した反射電子像をＥＤＸ分析の元素マッピング像の画素数に再構築する処理について記す。なお、元素マッピング像とは試料に含まれる元素の分布を二次元に表す像のことを指すものとする。以下では、実施例１と同様の部分については説明を省略する。

一般的に、ＥＤＸ分析は通常のＳＥＭ像の画素数よりも低い画素数で取り込むことが多い。観察条件とＥＤＸ分析条件におけるビーム径が異なる他、ＥＤＸ分析における測定時間は、ＳＥＭ画像の取込み時間と比べて画素数の依存が顕著であるためである。組成分布が確認できる程度の画素数、例えば、縦２００画素、横２５６画素あるいは縦４００画素、横５１２画素程度で実施されることが多い。

実施例１では、一画素毎にビームスポット形状を決定している。従って、ＳＥＭで取得した反射電子像から作成したビームスポット形状変更プロファイル３０７を基にＥＤＸ分析を行う場合は、ＳＥＭで取得した反射電子像の画素数でビームの照射を実施する。ＳＥＭ像と同一画素数でもＥＤＸ分析は可能であるが、前述した通り、観察及び分析条件におけるビーム径の違いや分析時間の問題がある場合には、低画素数で測定することになる。

従って、反射電子像の画素数よりもＥＤＸ分析時の元素分析マッピング像の画素数が少ない場合、画像処理部２０２は反射電子像の画素数を元素分析マッピング像と同じ画素数に再構築する処理を行う。これにより、高画素数のＳＥＭ画像を基に作成されたよりパターン境界に合ったビームスポット形状変更プロファイル３０７を用いて、ＳＥＭ画像よりも低画素数のＥＤＸマッピング像を得ることができる。

本実施例では一例として、ＥＤＸ分析時の一般的画素数である縦１９２画素、横２５６画素に再構築を行うとする。ただし、観察・分析結果によっては画素数を必要に応じて変化させることができる。

図１２に、画素数の再構築処理過程を含めた、ＥＤＸ分析におけるパターン境界での分解能向上方法のフローチャートの一例を示す。図１２のステップ１２０１からステップ１２０３に関しては、図３のステップ３０１からステップ３０３と同様であるため省略する。

画素数の再構築（ステップ１２０５）は、縦と横の画素、つまりＹ軸・Ｘ軸両方の画素数を再構築する必要があるため、Ｙ軸の情報も含んでいるＸ・Ｙ平面上三次元プロファイルを構築（ステップ１２０４）後に実施する。他の過程は実施例１で述べた図３と同様であり、画素数再構築（ステップ１２０５）後に再構築された画素数の画像でパターン境界の認識（ステップ１２０６）を行い、ビームスポット形状の決定（ステップ１２０７）し、ビームスポット形状変更プロファイルの構築（ステップ１２０８）後、プログラムを実行しＥＤＸ分析を開始する（ステップ１２０９）。

本実施例では、反射電子像の画素数よりもＥＤＸ分析時の元素分析マッピング像の画素数が少ない場合、同じ画素数に再構成する処理について述べたが、ＥＤＸ分析と同条件で取得したＳＥＭ画像を基にビームスポット形状変更プロファイルを構築しても構わない。これにより、画素数再構築処理過程の必要がなくなるため、制御系による処理時間をより少なくすることができる可能性がある。

本実施例では、ビームスポット形状の変更方法を示す。以下では、実施例１、２と同様の部分については説明を省略する。

実施例１で述べたように、図１で示すビームスポット形状変更可動絞り１０２またはビームスポット形状変更機能付き対物レンズコイル１０３によってビームスポット形状変更は行われる。

図１３に、ビームスポット形状変更可動絞り１０２の構成の一例を示す。ＳＥＭ等の光学系によく使用される絞りと同様に、ビームスポット形状変更可動絞り本体１３０１は金属性の板等に穴を開けて作製する。一例としてスリット１３０２を示したが、スリット１３０２の他にもビームスポット形状を楕円状に形成できる穴なら良い。ビームスポット形状変更可動絞り本体１３０１には、当該ビームスポット形状変更可動絞り本体１３０１を可動とする可動機構が接続されている。このビームスポット形状変更可動絞り１３０１により、電子線源１０１から発せられた一次電子線１１１のビームスポット形状は、真円に近い状態１３０３から楕円状１３０４に変更される。ビーム形状を変更させない場合は、ビームスポット形状変更可動絞り１３０１をビーム経路より抜くことができる。

また、スリット１３０２は１種類だけでなく、数種類用意しても良い。一例として、４種のスリット１３０６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）を持つビームスポット形状変更可動絞り本体１３０５を示す。これにより、真円に近い電子ビームスポット１３０７を、様々な方向を向いた楕円状の電子ビームスポット１３０８（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に変更することができる。

また、ビームスポット形状変更機能付き対物レンズコイル１０３によりビームスポット形状を変更する際は、制御系１１４のビームスポット形状設定部２０４によって自動でコイルに流す電流や発生する磁界、ビームへの影響等を操作される。また、パーソナルコンピュータ１１５を通し、ユーザーがコイルに流す電流や発生させる磁界、ビームへの影響等を調整することによりビームスポット形状を変更することも可能である。

ビームスポット形状変更機能付き対物レンズコイル１０３は、制御系１１４のビームスポット形状設定部２０４により、ビームスポット形状を数種類の楕円型に変更可能であると更に良い。

以上より、認識したパターン境界に合わせたビームスポット形状の変更が可能である。

上記変更方法を用いて、ビームスポット形状を１種類のみに変更する場合と、多種類に変更する場合とがある。

ビームスポット形状変更可動絞り１０２またはビームスポット形状変更機能付き対物レンズコイル１０３により変更された１種類のみのビームスポット形状を用いる場合は、そのビームスポット形状がビームスキャン位置のパターン境界方向に合うよう、装置本体の試料ステージ１０８が回転する。また、ＳＥＭ装置本体の電子線源１０１、またはビームスポット形状変更機能付き対物レンズコイル１０３内に含まれるスキャン走査コイルによって、偏向量に一定のオフセットを加えスキャンローテーション行う、すなわち走査方向を全体的に回転させることにより、ビームスポット形状の長軸方向をパターン境界方向に合わせることも可能である。

ビームスポット形状変更可動絞り１０２またはビームスポット形状変更機能付き対物レンズコイル１０３により多種類に変更されたビームスポット形状を用いる場合は、ビームスポット形状変更可動絞り１０２またはビームスポット形状変更機能付き対物レンズコイル１０３により、ビームスキャン位置のパターン境界方向に合わせた任意のビームスポット形状が作られる。この時、試料ステージ１０８やスキャンローテーションは変更させなくても良い。

多種類のビームスポット形状変更をビームスポット形状変更可動絞り１０２のみで行う場合、ビームスポット形状変更可動絞り１０２がパターン境界方向に合わせた多種類のビームスポット形状を作製するため、多種類のビームスポット形状にする複数の穴を有するビームスポット形状変更可動絞りを用いる。

また、多種類のビームスポット形状変更をビームスポット形状変更機能付き対物レンズコイル１０３のみで行う場合、パターン境界方向が変化する度にコイルに流す電流や発生する磁界、ビームへの影響等を制御系１１４のビームスポット形状設定部２０４によって操作される必要がある。

また、ビームスポット形状変更の際は、ビームスポット形状変更可動絞り１０２及びビームスポット形状変更機能付き対物レンズコイル１０３を同時に使用することも可能である。

また、別の一例として、ビームスポット形状変更機能付き対物レンズコイル１０３の簡便な実現例としては、一次荷電粒子線を真円形に補正する第一の非点補正器と、第一の非点補正器で補正された一次荷電粒子線のビームスポット形状を上述のようにパターン境界に基づいて決定される楕円形に補正する第二の非点補正器を搭載することが挙げられる。第一の非点補正器及び第二の非点補正器は上述の荷電粒子光学系の、どの位置に設けられていてもよく、他の光学要素によって配置位置は適宜変更されうる。

本実施例では、高エネルギーでの一次荷電粒子線照射時のＳＥＭ像分解能向上方法について記す。

実施例１では、ＥＤＸ分析における分析分解能向上方法について記した。しかし、実施例１に記した画像の認識やビームスポット形状変更等による分解能向上方法は、ＥＤＸ分析による元素マッピング像に対してだけではなく、ＳＥＭ画像に対して実施することも可能である。

一般的にＳＥＭ観察では、ユーザーが加速電圧やプローブ電流などの観察条件を操作し、画像を取得する。その際、観察試料やその状態毎に異なる最適観察条件で画像を取得することが多い。しかし、高エネルギー条件下で取得したＳＥＭ像は、最適条件下で取得したＳＥＭ像よりも分解能が低くなる。特に、高プローブ電流条件下でのＳＥＭ観察では、ビーム径の肥大化により高分解能ＳＥＭ像取得が困難である。よって本実施例では、実施例１で記したＥＤＸ分析分解能向上方法を用い、高エネルギー条件下でのＳＥＭ観察像分解能向上方法の一例を記す。以下では、実施例１と同様の部分については説明を省略する。

本実施例では一例として、ビームスポット形状を決定する基の画像は、最適観察条件下（第一の電流量）で得られたＳＥＭ像を用いる（ステップ１４０２）。

ＳＥＭ観察においては、試料表面を観察する場合、二次電子像または反射電子像によって観察することができる。本実施例では、最適観察条件下で取得したＳＥＭ像を基に、試料表面の凹凸によって発生するエッジ境界やパターン境界を認識（ステップ１４０５）し、ビームスポット形状の決定を行う（ステップ１４０６）。ビームスポット形状の決定については実施例１−３で述べたとおりである。次に、高エネルギー観察条件下（第一の電流量より大きい第二の電流量）でこのパターン境界を含むＳＥＭ画像を取得する。これによって、高エネルギー観察条件下でのＳＥＭ像分解能の向上を実現する。よって、本実施例では、目的とするＳＥＭ像によって、ビームスポット形状を決定する基の画像として二次電子像または反射電子像を用いる。

本実施例では高エネルギー条件下でのＳＥＭ観察像についての分解能向上方法を記したが、最適条件ＳＥＭ像に対して適用し、さらなる分解能向上を図ることも可能である。また、適用するＳＥＭ像は、二次電子像や反射電子像に限らず、電子信号制御によって得られる二次電子像と反射電子像の混合像、走査透過電子顕微鏡によって取得される明視野走査透過電子像や暗視野走査透過電子像等といった、荷電粒子線装置で取得することができる全ての像に適用可能である。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０２ ビームスポット形状変更可動絞り
１０３ ビームスポット形状変更機能付き対物レンズコイル
１０８ 試料ステージ
１０９ ＥＤＸ用Ｘ線検出器
１１０ 反射電子信号検出器
１１１ 一次電子線
１１２ 反射電子信号
１１３ 特性Ｘ線
１１４ 制御系
１１５ パーソナルコンピュータ
４０１ 反射電子像
４０２ パターン境界
４０３ ラインプロファイル
６０３ Ｘ・Ｙ平面上三次元プロファイル
７０４ Ｘ・Ｙ座標上二次元プロット
７０６ 一画素分のパターン境界
８０１ 真円状ビームスポット形状例
８０２ 楕円状ビームスポット形状例
９０１ 傾き
９０２ 長径
９０３ 短径
１００１ パターン境界
１００２ 方向
１００３ 角度
１００４ ビームスポット形状
１１０１ Ｘ・Ｙ平面上座標プロット図
１１０２ ラインプロファイル立ち上がり開始位置
１１０３ ラインプロファイル立ち上がり終了位置
１１０４ 一画素分のライン
１１０５ 一画素分ライン上におけるラインプロファイル立ち上がり開始・終了位置ラインに対応したビームスポット形状の変化の様子
１１０６ 一画素分のラインプロファイル立ち上がり開始位置ライン
１１０７ ビームスポット形状
１１０８ 一画素分のラインプロファイル立ち上がり終了位置ライン
１１０９ ビームスポット形状
１３０１ ビームスポット形状変更可動絞り本体図
１３０２ スリット
１３０３ 変更前のビームスポット形状（真円状）
１３０４ 変更後のビームスポット形状（楕円状）

Claims (11)

1. 荷電粒子源から発生した一次荷電粒子線を試料上に集束して走査する荷電粒子光学系と、
   前記試料に前記一次荷電粒子線が照射されることにより前記試料から発生する二次粒子を検出する検出器と、
   前記検出器からの信号を用いて前記試料の画像を生成する画像生成部と、
   前記試料に前記一次荷電粒子線が照射されることにより前記試料から発生する特性Ｘ線により前記一次荷電粒子線が照射された箇所に含まれる元素を分析する元素分析部と、
   前記試料の画像を用いて前記試料のパターン境界を認識するパターン境界認識部と、
   前記試料の元素を分析するために前記パターン境界をまたいで前記一次荷電粒子線を走査する際に、前記一次荷電粒子線の前記試料上におけるスポット形状の長軸方向が前記パターン境界の方向に一致するように、前記パターン境界上での前記スポット形状を調整するビームスポット形状設定部と、を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   第一の電流量または第一のビームスポット形状で前記一次荷電粒子線を走査して前記試料の画像を取得し、
   前記第一の電流量とは異なる第二の電流量または前記第一のビームスポット形状とは異なる第二のビームスポット形状で前記一次荷電粒子線を走査して前記試料の元素分析を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   前記元素分析部は前記試料に含まれる元素の前記試料における分布を分析するものであって、
   前記試料の画像の画素数と前記元素の分布を表わす元素マッピング像の画素数が異なる場合に、前記制御部は前記試料の画像の画素数と前記元素マッピング像の画素数を一致させる処理を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   前記画像処理部は、前記試料の画像の輝度または明るさの変化に基づいたラインプロファイルの立ち上がり開始および立ち上がり終了の位置に基づいて前記試料のパターン境界を認識することを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項４に記載の荷電粒子線装置において、
   前記制御部は、前記ラインプロファイルの立ち上がり開始および立ち上がり終了の位置との間の領域で、前記ビームスポット形状を連続的に変化させることを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   複数の種類の形状の絞り穴を有するスポット形状変更絞りと、
   前記ビームスポット形状変更絞りを可動とする機構とを有することを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   前記荷電粒子光学系は、前記一次荷電粒子線を真円形に補正する第一の非点補正器と、
   前記第一の非点補正器で補正された一次荷電粒子線のビームスポット形状を楕円形に補正する第二の非点補正器とを含むことを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   前記試料を載置する試料ステージを有し、
   前記ビームスポット形状の長軸方向が前記パターン境界の方向に一致するように、前記試料ステージを回転させることを特徴とする荷電粒子線装置。
9. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   前記荷電粒子光学系は前記一次荷電粒子線を偏向する偏向器を含み、
   前記ビームスポット形状の長軸方向が前記パターン境界の方向に一致するように、前記一次荷電粒子線の走査方向を回転させることを特徴とする荷電粒子線装置。
10. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
    前記画像処理部は反射電子像を用いて前記試料のパターン境界を認識することを特徴とする荷電粒子線装置。
11. 荷電粒子源から発生した一次荷電粒子線を試料上に集束して走査する荷電粒子光学系と、
    前記試料に前記一次荷電粒子線が照射されることにより前記試料から発生する二次粒子を検出する検出器と、
    前記検出器からの信号を用いて前記試料の画像を生成する画像生成部と、
    第一の電流量で前記一次荷電粒子線を照射することにより取得した前記試料の画像に基づいて前記試料のパターン境界を認識する画像処理部と、
    前記第一の電流量より大きい第二の電流量で前記一次荷電粒子線を照射して前記パターン境界を含む前記試料の画像を取得する際に、前記一次荷電粒子線の前記試料上におけるビームスポット形状の長軸方向が前記パターン境界の方向に一致するように、前記パターン境界上での前記ビームスポット形状を調整する制御部と、を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。