JP2015106565A - 電子検出が改善された荷電粒子顕微鏡 - Google Patents
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Abstract
Description
− 荷電粒子の照射ビームを生成する荷電粒子源;
− 照射される試料を保持する試料ホルダ;
− 前記試料上に前記ビームを導く粒子光学鏡筒;
− 前記照射に応じて前記試料から放出される出力電子束を検出する検出器;
を有する。
− 「荷電粒子」という語は、電子又はイオンを指称する(一般的には、たとえばガリウムイオン又はヘリウムイオンのような正のイオンだが、負イオンも可能である。問題のイオンは電荷を有する原子又は分子であって良い)。この語はまたたとえば陽子をも指称して良い。
− 電子は、たとえばシンチレータを備える光電子増倍管(PMT)を用いることによって、検出され得る。用いられるPMTは、ダイノードを備える排気されたガラス管に基づいても良いし、又はその代わりに、所謂多画素光子計数器の場合では半導体に基づく固体検出素子を用いても良い(所謂多画素光子計数器(MPPC(登録商標))/SSPM(固体光電子増倍管)の場合)ことに留意して欲しい。たとえばフォトダイオードセル、電荷結合素子(CCD)、又は相補的金属酸化物半導体(CMOS)検出器が−場合によってはシンチレータによって補助されて−用いられても良い。
− 可視/赤外/紫外光は、たとえばPMT(シンチレーションを備えていない)又はフォトダイオードを用いて検出され得る。
− X線検出器は検出が難しくなりがちである。この目的のための検出器は一般的には相対的に高価でかつ動作が遅く、典型的にはその視野は限られている。しかしX線検出器は従来、試料の組成/元素分析−たとえばEDS(エネルギー分散X線分光)−の実行において非常によく用いられている。
− 電子生成処理は本質的に統計的であり、一般的には、(入力ビームを用いた所与のシミュレーションでは)試料上の所与の地点から放出される電子の数及び/又はエネルギーにおける時間的ばらつきが存在する。
− CPMにおける従来の電子検出は、所与の時間窓(その後リフレッシュ/リセットが行われる)中に累積する電子エネルギーの記録を含む。本願では、典型的な検出器はたとえば、記録された累積エネルギーが、高エネルギー電子の低い電子束に起因するのか、低エネルギー電子の高い電子束に起因するのか、又は、両者が混ざりあったシナリオなのかを識別することができない。
− 検出器を用いて前記束の少なくとも一部を捕獲することで、前記試料の少なくとも一部の画素化された画像Ijの組{Ij}を生成する段階であって、前記組{Ij}の濃度はM>1である、段階;
− 各画像Ij中の各画素piについて、累積信号強度Sijを決定することで、係る信号強度の組{Sij}を生成する段階;
− 前記組{Sij}を用いて、画素位置iあたりの平均信号強度S及び画素位置iあたりのSにおける分散σ2 sを計算する段階;
− 位置の関数としての検出された電子のエネルギー変化を表す第1マップ及び位置の関数としての検出された電子の数の変化を表す第2マップからなる群から選ばれる前記試料の一部の少なくとも一のマップに前記S並びにσ2 sを用いる段階;
を有する。
− 画素化された検出器が問題となっている前記画像を生成するのに用いられる場合、画像Ijが(実像又は虚像の)構成要素である複数の部分領域にさらに分割され得る場合、画像Ijは「画素化」されているとみなされる。前記部分領域は、検出画素に対応しても良いし、又は、対応しなくても良い。
− 前記第1マップ及び前記第2マップの各々/いずれかは、Sの値とσ2 sの値の両方を用いて生成される。
− Sの大きさは次式で表すことのできる関数的挙動を示す。
− N0は、前記入力ビーム中の荷電粒子(たとえば電子)の平均数を表し、かつ、ポアソン過程に従った変化を示す。
− ηは、前記の使用された検出器での信号を検出する確率を表し、かつ、二項過程に従った変化を示す。
− Eは、単一の入力粒子が衝突した結果生じる前記の検出された電子の平均エネルギーを表し、かつ、未知のランダム過程に従って変化する。
− Sにおける分散σ2 sは、次式で表すことのできる関数的挙動を示す。
− 式(1a)と(2)とを組み合わせることによって、次式が得られる。
N=g(S,σ2 s) (4)
ここでfとgは関数である。たとえばfとgは以下のような関数である。
E〜σ2 s/S (3a)
N〜S2/σ2 s (3b)
これらの値は画素毎に計算されるので、これらの値のプロットはそれぞれ以下を描画する。
− 基本的には前記試料(の撮像部分)(たとえば様々な汚染物/ドーパント、一の材料から他の材料への一般的な遷移等を含む領域)にわたる組成変化のみしか明らかにしない前記試料の第1マップ(Eマップ)
− とりわけ前記試料(の撮像部分)(たとえば端部、隆起部と中空部、溝、縁部、粒状部、クラック等)にわたる構造変化を明らかにする前記試料の第2マップ(Nマップ)
よって2つが仕方なく混合されている状態を我慢しなければならないのではなく、同一の虚像から2つの異なる種類の情報を分離することができる。前記第1マップ(Eマップ)を得ることは特に興味深い。なぜなら前記第1マップ(Eマップ)は、X線分光(EDS)に頼ることなく、基礎的な組成情報を与えるからである。
ここで、σEとσNは標準偏差で、γ=E2/(E2+σE 2)で、N=Nηである。
−前述したように、N0は画像あたりの照射量で、ηは検出器の収量を乗じたBS電子の収量で、かつ、Mは前記組{Ij}の濃度である。
−κは問題となっている測定信号の所謂分布の尖度で、κ~1/N(たとえば炭素ではκ≒22/N、金ではκ≒2/N)である。
(i) 一の方法では、前記組{Ij}は、n番目の画像In全体が、(n+1)番目の画像In+1全体を取り込む前に取り込まれる処理を反復することによって生成され得る。この場合、前記組{Ij}は基本的に各独立するM枚の集められる前の画像Ijのスタックである。かかる方法はたとえば、後述する検出方法(a)又は(b)を用いて実現されてよい。
(ii) 他の方法では、前記組{Ij}は、n番目の画素位置にて、M枚の異なる検出器試料が、(n+1)番目の画素位置へ進む前に収集される処理を反復することによって生成される。この場合、前記組{Ij}は基本的に、2次元の床面積−Mの床が横に並べられている小さな高層ビルのような−上に画素スタックを並べることによって集められる。所与の画像Inは、問題となっている個々の高層ビルのn番目の床で構成される累積的な床面積である。そのためこの場合では、個々の画像Ijは、集められる前ではなく集められた後とみなすことができる。このシナリオでは、「分解されていない」組{Ij}から個々の画像を明示的に「分解する」(集める)のに実際に問題があるのか否かは特に重要ではない。主目的は、(分解されたのか否かによらず)前記組{Ij}を介してデータ組{Sij}とそれに関連するSとσ2 sの値を発生させることである。係る方法はたとえば、後述する検出方法(a)を用いて実現されてよい。
(iii) 必要な場合には、方法(i)と(ii)の様々なハイブリッド/混合も考えられ得る。
(a) 走査に基づく検出
−前記検出器はたとえば単一セグメント検出器である。
−画像は、前記試料に対して入力荷電粒子ビームを走査させることによって生成される。
(b) 「完全領域」検出。ここでは、完全試料(又はその相対的に大きな面積)が、入力荷電粒子の相対的に広いビームを用いて照射され、かつ、画素化された検出器(たとえばCCD又はCMOSアレイ)が、前記試料上の被照射領域全体から放出される電子を捕獲するのに用いられることで、2次元画像が即座に生成される。かかる処理はたとえばTEMにおいて一般的に採用されている方法である。
(c) 必要な場合には、処理(a)と(b)の様々なハイブリッド/混合も考えられ得る。
− 検出器100は区分化された電子検出器である。係る検出器はたとえば、試料410から放出される出力(2次)電子束の角度依存性を調査するのに用いられて良い。
− 検出器420は、試料410から放出される出力BS電子束(の少なくとも一部)を検出するのに用いられるホウ素がドーピングされた固体検出器である。
検出器100,420からの信号は、処理装置424によって処理され、かつ、表示装置426上に表示される。当該処理は、たとえば結合、積分、減算、偽着色、輪郭改善、及び当業者に既知の他の処理のような操作を含んで良い。それに加えて、たとえば粒子解析で用いられるような自動化された認識処理は、当該処理に含まれて良い。本願の具体的文脈では、制御装置424−及び/又は別個の専用処理ユニット(図示されていない)−は、以下の行為を実行するのに用いられて良い。
− 検出器420を用いて試料410の少なくとも一部の画素化されたBS電子画像Ijの組{Ij}を生成する段階であって、前記組{Ij}の濃度はM>1である、段階。上述したようにこれは、たとえば以下のように実行されて良い。
・ 画素毎の原理に基づく。BS電子束のM個の試料が、ビーム404を試料410上の次の位置へ移動させる前に、試料410上の所与の位置で順次測定される。あるいは、
・ 画像毎の原理に基づく。試料410(の一部)の全体走査がビーム404によって行われ、その結果、全体画像Ijが生成される。この処理は順次合計M回実行される。
− 各画像Ij中の各画素piについて、累積信号強度Sijを決定することで、係る信号強度の組{Sij}を生成する。
− 前記組{Sij}を用いて以下の値を計算する。
・ 画素位置iあたりの平均信号強度S
・ 位置iあたりの分散σ2 s
− (たとえば上述した式(3a)と(4)への入力としての)これらのS及びσ2 sの値を用いて、試料410の一部の以下のマップの一方又は両方を生成する。
・ 試料410上の位置の関数としての検出されたBS電子のエネルギー(E)の変化を表す第1マップ
・ 試料410上の位置の関数としての検出されたBS電子の数(N)の変化を表す第2マップ
このようにして本発明によって生成されるEマップとNマップの例はそれぞれ以下の図2Bと図2Cで表される。
− たとえば撮像用に電子ビーム404を用いて、かつ、試料410の加工(場合によっては撮像)にイオンビームを用いるデュアルビームの使用
− たとえば(所謂環境制御型SEMで用いられている)数mbarの圧力を維持し、かつ、気体−たとえば−エッチング用気体又は前駆体気体−を収容する試料410での制御された環境の利用
等である。
− 入力電子ビーム404の到達エネルギー:5keV
− 入力電子ビーム404のビーム電流:170pA
− 滞在時間τ=6μs(=BS電子画像の単一画素をまとめるのに必要な時間)
− M(測定された画像の組{Ij}の濃度)=300。つまり300の異なるBS電子測定試料が画素位置毎に記録された。すなわち300の完全BS電子画像Ijが順次取得された。
− 図2Bは、図2Aの対象物を示している。しかし図は、本発明を用いて第1型マップ(Eマップ)を描画し、かつ、組成情報を明らかにしている。図示されたマップのコントラスト対雑音比(CNR)は約3.56である。
− 図2Cは、図2Aの対象物を示している。しかし図は、本発明を用いて第2型マップ(Nマップ)を描画し、かつ、(主として)幾何学構造情報を明らかにしている。
図2B,2Cと図2Aとを比較すると、たとえば以下のことがわかる。
− 図2Cで視認可能な楕円形の「凹み」21が図2Bには存在しない。
− 図2Cにおいて実質的にしわになっている/破れている液滴23が、図2Bでは実質的に何の特徴も示していない。
そのような差異は、図2BのEマップが、幾何学構造情報ではなく組成情報を描画することと整合する。
23 液滴
400 荷電粒子顕微鏡
402 粒子光学鏡筒
404 荷電粒子ビーム
406 真空チャンバ
408 試料ホルダ
410 試料
412 電子源
414 複合レンズ系
416 複合レンズ系
418 偏向ユニット
420 検出器
422 電源
424 制御装置
426 表示装置
Claims (9)
- 荷電粒子顕微鏡内において、試料への入力荷電粒子ビームの照射に応じて生成されて前記試料から放出される出力電子束を調査する方法であって:
− 検出器を用いて前記束の少なくとも一部を捕獲することで、前記試料の少なくとも一部の画素化された画像Ijの組{Ij}を生成する段階であって、前記組{Ij}の濃度はM>1である、段階;
− 各画像Ij中の各画素piについて、累積信号強度Sijを決定することで、係る信号強度の組{Sij}を生成する段階;
− 前記組{Sij}を用いて、画素位置iあたりの平均信号強度S及び画素位置iあたりのSにおける分散σ2 sを計算する段階;
− 位置の関数としての検出された電子のエネルギー変化を表す第1マップ及び位置の関数としての検出された電子の数の変化を表す第2マップからなる群から選ばれる前記試料の一部の少なくとも一のマップに前記S並びにσ2 sを用いる段階;
を有する方法。 - 前記組{Ij}が、n番目の画像In全体が、(n+1)番目の画像In+1全体を取り込む前に取り込まれる処理を反復することによって生成される、請求項1に記載の方法。
- 前記組{Ij}が、n番目の画素位置にて、M枚の異なる検出器試料が、(n+1)番目の画素位置へ進む前に収集される処理を反復することによって生成される、請求項1に記載の方法。
- 前記出力電子束がBS電子を含む、請求項1乃至3のうちいずれか一項に記載の方法。
- 前記検出器が固体検出器である、請求項1乃至4のうちいずれか一項に記載の方法。
- 前記固体検出器が少なくとも1つのホウ素がドーピングされた検出セルを含む、請求項5に記載の方法。
- 前記第1マップが、画素位置iあたりのE~σ2 s/Sの関数依存性によって生成される、請求項1乃至4のうちいずれか一項に記載の方法。
- 前記第2マップが、画素位置iあたりのN~S2/σ2 sの関数依存性によって生成される、請求項1乃至7のうちいずれか一項に記載の方法。
- − 荷電粒子の照射ビームを生成する荷電粒子源;
− 照射される試料を保持する試料ホルダ;
− 前記試料上に前記ビームを導く粒子光学鏡筒;
− 前記照射に応じて前記試料から放出される出力電子束を検出する検出器;
を有する荷電粒子顕微鏡であって、
− 検出器を用いて前記束の少なくとも一部を捕獲することで、前記試料の少なくとも一部の画素化された画像Ijの組{Ij}を生成する段階であって、前記組{Ij}の濃度はM>1である、処理;
− 各画像Ij中の各画素piについて、累積信号強度Sijを決定することで、係る信号強度の組{Sij}を生成する処理;
− 前記組{Sij}を用いて、画素位置iあたりの平均信号強度S及び画素位置iあたりのSにおける分散σ2 sを計算する処理;
− 位置の関数としての検出された電子のエネルギー変化を表す第1マップ及び位置の関数としての検出された電子の数の変化を表す第2マップからなる群から選ばれる前記試料の一部の少なくとも一のマップに前記S並びにσ2 sを用いる処理;
を実行する制御装置をさらに有することを特徴とする、荷電粒子顕微鏡。
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