JP2016085917A - 荷電粒子線装置及び情報処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、少ない電子照射量で高いＳＮ比を得ることが可能な荷電粒子線装置及び荷電粒子検出装置を提供する。
【解決手段】荷電粒子線装置は、試料を設置するステージと、荷電粒子線を前記試料に照射する荷電粒子線光学系と、前記試料から二次的に発生した荷電粒子を検出する荷電粒子検出装置と、を備える。前記荷電粒子検出装置は、前記試料からの前記荷電粒子を光子に変換し、前記光子をアナログの電気信号に変換する光電変換部と、前記アナログの電気信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換部と、前記デジタル信号を計数処理する演算部と、を備える。前記演算部が、１つの荷電粒子が前記試料に照射されたときに生じる１イベントに関する単位波高値を用いて、前記デジタル信号における単位時間当たりの信号を多値化し、多値計数値として出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、荷電粒子線装置、及び、荷電粒子の検出情報を処理するための情報処理装置に関する。

走査電子顕微鏡（以下、SEM（Scanning Electron Microscope）と略す）やイオン顕微鏡などの荷電粒子線装置では、電子線やイオン線などの荷電粒子線を試料上に照射した際に試料から放出される電子を検出する。

特に試料上で電子線を走査して撮像する走査電子顕微鏡は、微細な表面形状の観察や局所的な組成分析などの試料解析に利用されている。SEMでは、電子源に印加された電圧によって加速された電子線（以下、一次電子とする）を電子レンズで集束し、試料に照射する。集束した電子線は、偏向器により試料上を走査する。そして、電子線照射による試料からの放出電子（二次電子、反射電子）を検出器で検出する。さらに、検出器で検出した放出電子の検出信号は、一定の周期でサンプリングされる。前記放出電子の信号のサンプリングは、走査信号に同期して実施され、2次元画像の画素に対応した抽出信号が得られる。

抽出信号の強度は、画像の明るさに変換される。照射電子量に対する試料からの放出電子量の比である放出率（イールドともいう）は、試料表面の形状により異なるため、抽出信号に差が生じ、形状を反映したコントラストが得られる。また、放出率は、試料の組成や表面電位にも依存する。よって、SEM像には、形状以外にも様々なコントラストが現れる。

SEM像の空間分解能に相当する識別限界d_minは、一次電子線のビーム径（直径）d_pと以下の関係がある。

ここで、

で与えられる。

ここで、CNR(Contrast-to-Noise Ratio)は、コントラスト−ノイズ比であり、経験的に３〜５が必要である。N_pは、一画素当たりの一次電子の照射（ドーズ）量であり、αは、試料から検出器までの放出電子の信号検出効率であり、σ_pは、計測対象の放出率であり、σ_sは、下地の放出率である。

よって、与えられた一次電子線のビーム径に対して、ドーズ量と、測定対象と下地との放出率差が大きければ、kは小さくなり、識別限界が高くなることを意味している。ゆえに、SEMでは、放出電子量を高精度で計測することが重要である。

近年、有機材料や生体材料などのソフトマテリアルを含む試料や半導体デバイスなどがSEMの観察対象となる事例が増えている。半導体デバイスでは、電気的に高抵抗や絶縁性材料を含んでおり、電子線照射によって試料が帯電するため、観察中の画像ドリフトや形状コントラストの消失といった像障害が問題となる。また、有機材料では、帯電に加え、電子線照射によって試料にダメージが生じ、試料の形状変化が課題となる。そのため、加速電圧１kV以下の低加速SEMが実用化されている。さらに、多くの物質において、電子線の照射エネルギーが200 eVから400 eVあたりでは、放出率が最大値となるため、一次電子線の収差を低減し、ビーム径を小さくできれば、空間分解能も向上する。しかしながら、高倍率観察において観察領域が狭くなると、画素サイズの縮小及び１画素当たりに照射する電子量が増加するため、低加速SEMにおいても電子線照射による帯電やダメージの影響が顕在化する課題もある。よって、一次電子線の低エネルギー化且つ、一画素当たり電子照射量を低減させた観察が必要となり、放出電子の高精度検出がますます重要となる。

SEMでは、放出電子を検出するためにシンチレータと光電子増倍管を組み合わせた検出器が用いられる。放出電子がシンチレータに衝突すると光子が発生し、その光子がライトガイドによって光電子増倍管に導かれ信号電流として取り出される。信号電流は増幅器によって信号電圧に変換される。放出電子電流が少なくなると、その光電子増倍管からの出力は、離散パルスとなるため、計数処理により、S/N比（signal-to-noise ratio）や安定性が向上する。電子計数法によるSEM画像取得方法が、特許文献１に開示されている。一方、検出器の応答時間内に複数の電子が入った場合、電子計数法では、１個と判定してしまう場合がある。即ち、放出電子電流の数が多くなった場合、計数法では数え落としが生ずる場合がある。このため、特許文献２では、検出器の応答時間内に電子が入った場合は、アナログ法による検出を行うことが開示されている。

特開平３−２０９４７号公報 特開２０１１−１７５８１１号公報

放出信号量に応じて、電子計数法とアナログ法に分流する方法では、電子計数法とアナログ法のそれぞれの信号強度算出の方法が異なり、さらに、アナログ法ではシンチレータからの光子数ばらつきや光電子増倍管の暗電流ノイズが含まれることになる。よって、画像内で基準の異なった抽出信号が混在するため、電子計数法とアナログ法の信号強度とを連続的に画素明度信号に変換すること、及び放出電子量と画素明度信号の対応が複雑になる。

また、電子計数法は、電子１個の有無を判定する。しかしながら、低加速条件では放出率が１より大きくなるため、一次電子電流が微小であっても、１個の一次電子によって複数の二次電子数が放出される場合があり、その発生時間差は１ピコ秒以下である。一方、検出器の応答速度はシンチレータの残光時間（数ナノ秒程度）で律速される。このため、複数個の放出された２次電子は、１個と判定してしまい、その結果、信号量を低く計測してしまう。電子計数法では、放出信号は単位時間（例えばピクセル時間）当たりの頻度から算出するため、低加速条件では画像のダイナミックレンジが低下する課題がある。

そこで、本発明は、少ない電子照射量で高いSN比を得ることが可能な荷電粒子線装置及び情報処理装置を提供する。

本願発明者らは、荷電粒子線を試料に照射して試料に起因する荷電粒子（例えば電子）の検出情報に関して多値電子計数処理を行えることを見いだした。その詳細は実施例において説明するが、波高弁別によって多値電子計数処理を行うことにより、従来電子計数法より精度の高い信号量を計測できる。

例えば、上記課題を解決するために、特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例をあげるならば、試料を設置するステージと、荷電粒子線を前記試料に照射する荷電粒子線光学系と、前記試料から二次的に発生した荷電粒子を検出する荷電粒子検出装置と、を備える荷電粒子線装置が提供され、前記荷電粒子検出装置は、前記試料からの前記荷電粒子を光子に変換し、前記光子をアナログの電気信号に変換する光電変換部と、前記アナログの電気信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換部と、前記デジタル信号を計数処理する演算部と、を備える。前記演算部が、１つの荷電粒子が前記試料に照射されたときに生じる１イベントに関する単位波高値を用いて、前記デジタル信号における単位時間当たりの信号を多値化し、多値計数値として出力する。

また、他の例によれば、荷電粒子線を試料に照射して前記試料に起因する荷電粒子を検出したときの検出情報を、電流値または電圧値として入力する入力部と、電流値または電圧値で定められた任意の第１および第２の閾値に基づき、前記検出情報を、第１の状態、第２の状態、及び第３の状態に分ける第１の判定をする判定部と、を備える情報処理装置が提供される。

本発明によれば、少ない電子照射量で高いＳＮ比を得ることができる。
本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

第１実施例に係る荷電粒子検出装置の一例を示す構成図である。 第１実施例に係る多値電子計数方法を示す図である。 第１実施例に係る電子計数器での処理後の情報と演算処理部による処理後の情報を示す図である。 GUIの一例を示す図である。 計測結果の一例であり、平坦部とエッジ部を示す図である。 計測結果の一例であり、平坦部の信号を示す図である。 計測結果の一例であり、エッジ部の信号を示す図である。 第２実施例に係わる荷電粒子線装置の一例を示す構成図である。 計測結果表示部でのGUIの一例を示す図である。 計測結果表示部でのGUIの一例を示す図である。 第４実施例に係る荷電粒子線装置の一例を示す構成図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。なお、添付図面は本発明の原理に則った具体的な実施例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。

以下で説明する実施例は、荷電粒子を検出する荷電粒子検出装置、及び、荷電粒子線を用いて試料を観察する荷電粒子線装置の技術に関し、特に、これらの装置における放出電子の検出法及び信号処理技術に関する。

[第１実施例]
図１は、第１実施例における荷電粒子検出装置の概略構成図である。荷電粒子検出装置は、試料に一次荷電粒子を照射したときに試料から二次的に発生した荷電粒子を検出する装置である。荷電粒子検出装置は、シンチレータ１０１と、ライトガイド１０２と、光電子増倍管１０３と、アナログ増幅器１０４と、アナログ−デジタル変換器（ADコンバータ）１０５と、波高弁別部１０６と、電子計数器１０７と、演算処理部１０８とを備える。

シンチレータ１０１は、荷電粒子（例えば、電子）を光子に変換するものである。また、ライトガイド１０２は、シンチレータ１０１から光電子増倍管１０３へ光子を導くものである。光電子増倍管１０３は、光子を内部で増倍して電気信号に変換し、出力電流としてアナログ増幅器１０４へ出力する。アナログ増幅器（電流−電圧変換増幅器）１０４は、光電子増倍管１０３の電流信号を電圧信号に変換する増幅部である。以下では、シンチレータ１０１、ライトガイド１０２、光電子増倍管１０３、及びアナログ増幅器１０４の構成要素をまとめて光電変換部と称する場合もある。アナログ−デジタル変換器１０５は、アナログ増幅器１０４からのアナログ信号をデジタル信号に変換するものである。

波高弁別部１０６は、アナログ−デジタル変換器１０５から出力されたデジタル信号に関して、弁別のための値（以下、単位波高値と記述する）を出力する。電子計数器１０７は、波高弁別部１０６から出力された単位波高値を用いて、デジタル信号における単位時間当たりの単位波高値の頻度（以下、多値計数値と記述する）を出力する。演算処理部１０８は、電子計数器１０７から出力された上記多値計数値について所定の演算処理を実行する。以下では、波高弁別部１０６、電子計数器１０７、及び演算処理部１０８の構成要素をまとめて演算部と称する場合がある。

本実施例では、電流5 pAの一次電子線を試料に照射し、試料からの放出される電流の計測を例に説明する。一次電子の試料入射エネルギーは、任意でもよいが、好適には、全放出電子（二次電子と反射電子の和）の放出率が最大となる200 eVから400 eVである。

また、ここでは、１個の一次電子が試料に入射したときの放出電子の検出を１イベントと呼ぶ。すなわち、１イベントでは、（１）反射電子のみが検出、（２）二次電子のみが検出、（３）反射電子と二次電子が検出、（４）二次電子も反射電子も検出されない、の４通りの過程があり得る。

電子は、フェルミ粒子であるため、バンチングしていないと仮定する。電子源からの電子の放出は、ポアソン過程であり、電子間隔は一定でない。１イベントの間隔をΔt_iとする。平均電子間隔をτとすると、以下の式で表される。

ここで、e = 1.6×10^-19 クーロンである。よって、照射電流5 pAでは、

となる。

放出電流の電子間隔のばらつきは、照射電流の電子間隔ばらつきと同程度であるとし、その電子間隔のばらつきをτの1/10間隔で計測する。本実施例で用いたシンチレータ１０１の応答速度は、3 ns以下である。また、光電子増倍管１０３の立ち上がり時間は、0.6 ns、電子走行時間は、3 ns, 電子走行時間ゆらぎは、0.2 nsである。アナログ増幅器（電流−電圧変換増幅器）１０４の帯域は、313 MHz以上あればよく、350 MHz（ゲインは、60 dB）を用いた。

図２は、本実施例の多値電子計数方法を示す図であり、アナログパルス波形信号、デジタル変換後のデジタル信号、及び、波高弁別による計数処理を示すデジタル信号を示す。上記シンチレータ１０１、ライトガイド１０２、光電子増倍管１０３、アナログ増幅器１０４の構成によれば、放出電流の電流−電圧アンプの出力（すなわち、アナログ増幅器１０４での処理後の信号）は、図２の１１０に示すように、１イベントが孤立したアナログパルス波形信号として計測できる。

次に、アナログ−デジタル変換器１０５は、アナログ増幅器１０４からのアナログパルス波形信号をデジタル信号に変換する。これにより、シンチレータ１０１からの光子数のばらつきや光電子増倍管１０３の暗電流ノイズが除去される。図２の１１１は、アナログ−デジタル変換器１０５による変換処理後のデジタル信号を示し、１１１でのａ〜ｇは、上述の通り、32ns間隔である。ここで、アナログ−デジタル変換器１０５は、分解能6ビット、変換レート700 Msps(sps: samples per second)であればよく、本実施例では、1 Gspsを用いた。

以上から、本実施例の構成では、電子線（荷電粒子線）の電流をI_p、素電荷をeとすると、アナログ増幅器１０４の周波数帯域f₁は、10×I_p/e以上であり、アナログ−デジタル変換器１０５のサンプリング周波数f₂は、2×f₁以上であることが望ましい。

次に、波高弁別部１０６は、アナログ−デジタル変換器１０５から出力された１イベントのデジタル信号に関して、弁別のための値（単位波高値）を出力する。ここで、発明者らの波高計測から、波高は離散的であり、その単位高さは、電子一個に相当することを見いだした。本実施例では、単位波高は、0.15Vであり、後述のように放出電子数の上限を15個とする。よって、分解能６ビットの量子化誤差ΔVは、2.25(=0.15×15)/64=0.035Vであり、単位波高を弁別するのに十分である。図２の１１２は、アナログ−デジタル変換器１０５から出力されたデジタル信号に関して、単位波高値の幅（0.15Vの幅）で点線を描画した図である。なお、単位波高の値は0.15Vである例として説明したが、単位波高の値はこの値に限定されず、アナログ増幅器１０４の性能などによって適宜設定されればよい。

波高弁別部１０６は、１イベントに関する単位波高値を出力し、電子計数器１０７は、波高弁別部１０６から出力された単位波高値を用いて、デジタル信号における単位時間当たりの信号について上記単位波高値の頻度を計算し、多値計数値として出力する。例えば、図２の１１２の例で説明すると、電子計数器１０７は、ａについて頻度「０」を出力し、ｂについては頻度「１」を出力し、ｃについては頻度「２」を出力するなどによって、多値計数処理を実行する。

図３は、電子計数器１０７による計数処理後の情報と、演算処理部１０８による演算処理後の情報を示す。図３の１１３は、電子計数器１０７による計数処理後の多値計数値の情報である。図３の１１３のａ〜ｇは、図２の１１２のａ〜ｇに対応する。図２の１１２のデジタル信号の各パルスを点線ごとに頻度を計算すると、図３の１１３の多値計数値となる。

電子計数器１０７から出力された多値計数値のデータは、FPGA（Field Programmable Gate Array）によって構成された演算処理部（演算処理回路）１０８によって処理される。詳細は後述するが、例えば、演算処理部１０８は、所定の閾値を用いて、１１３の多値計数値のデータを弁別する。図３の１１４及び１１５は、閾値を用いて弁別した結果である。１１４は、１１３での値が２以上のものだけを抽出した多値計数値のデータである。一方、１１５は、１１３での値が０又は１のものだけを抽出した多値計数値のデータである。

なお、演算処理部１０８は、電子計数器１０７から出力された多値計数値のデータに対して、他の演算処理を実行してもよい。例えば、電子計数器１０７は、電子計数器１０７から出力された多値計数値のデータに関して積算処理、又は、平均、分散（あるいは標準偏差）等の統計処理を実行し、その結果を検出信号として出力してもよい。

図４は、計数計測のGUI(Graphical User Interface)の一例を示す。操作インターフェース１７に表示されるGUI２０は、計測条件入力部２１と、計測結果表示部２６とを備える。

計測条件入力部２１は、加速電圧設定部２２と、一次電子の電流設定部２３と、試料ホルダ印加電圧設定部２４と、計測時間設定部２５とを備える。ユーザは、計測条件入力部２１において計測条件の各種設定パラメータを入力することができる。

計測結果表示部２６は、放出電子の時系列計測データ表示部２７と、第１の統計処理結果表示部２８と、第２の統計処理結果表示部２９とを備える。例えば、時系列計測データ表示部２７では、横軸を時間として、（１）アナログ信号、（２）AD変換を施したデジタル信号、（３）電子計数器１０７から出力された多値計数値のデータなどが表示されてもよい。図４の例では、時系列計測データ表示部２７には、横軸を時間として、電子計数器１０７から出力された多値計数値のデータが表示されている。

第１の統計処理結果表示部２８には、放出電子の頻度のヒストグラムが表示される。また、第２の統計処理結果表示部２９には、平均や分散などの各種データが表示される。このように、電子計数器１０７から出力された多値計数値のデータと統計処理の結果とを並べて表示してもよい。

図５、図６、及び、図７を用いて計測結果の事例を説明する。図５は、円柱状のホール（穴）がパターニングされた試料を計測した結果である。この例では、ホールのエッジ部１３０と平坦部１２０に一次電子を照射して放出電子を計測した。

図６は、図５の平坦部１２０に一次電子を照射して放出電子を計測した結果である。１２１は、横軸を時間として、検出されたアナログ信号（すなわち、アナログ増幅器１０４での処理後のアナログ信号）である。１２２は、１２１のアナログ信号をデジタル信号に変換して、従来の２値計数処理を実行した結果である。１２３は、１２１のアナログ信号をデジタル信号に変換して、本実施例の多値計数処理を実行した結果である。

図６に示すように、従来の２値計数処理の結果１２２の積算値は２０７であり、本実施例の多値計数処理の結果１２３の積算値は２９０である。よって、多値計数処理は、従来の２値計数処理に比べて、信号量が約４０％高くなっている。

図７は、図５のエッジ部１３０に一次電子を照射して放出電子を計測した結果である。１３１は、横軸を時間として、検出されたアナログ信号（すなわち、アナログ増幅器１０４での処理後のアナログ信号）である。１３２は、１３１のアナログ信号をデジタル信号に変換して、従来の２値計数処理を実行した結果である。１３３は、１３１のアナログ信号をデジタル信号に変換して、本実施例の多値計数処理を実行した結果である。また、図７のエッジ部での多値計数処理は、２値計数処理に比べて、信号量が約６０％高い。

多値計数処理の結果１２３、１３３において、イベントの最大値は、４個から５個程度である。図６の平坦部での多値計数処理の結果１２３と図７のエッジ部での多値計数処理の結果１３３を比べると、図７のエッジ部では１イベントで２個以上の放出電子の頻度が多くなっている。

また、従来の２値計数処理に関して、平坦部の積算値は「２０７」であるのに対して、エッジ部の積算値は「４６０」である。一方、本実施例の多値計数処理に関しては、平坦部の積算値は「２９０」であるのに対して、エッジ部の積算値は「７４８」となる。したがって、エッジ部の平坦部に対するコントラストは、多値計数処理を実行することによって約１８％向上する。

参考までに二次電子放出の傾斜効果の実験値は最大で平坦の場合に比べて５倍以下であり、平坦の場合の放出率を最大でも３と仮定すれば、出力電圧の上限値は、0.15×15=2.25 Vと見積もれる。また、上限値を定めることにより、検出器にミューオンなどの宇宙線などが入射したときのノイズを除去することができる。

なお、電子計数器１０７は、多値計数処理と従来の２値計数処理の両方の処理を実行してもよい。この場合、電子計数器１０７は、多値計数処理結果（図６の１２３や図７の１３３）と、２値計数処理結果（図６の１２２や図７の１３２）とを出力してもよい。演算処理部１０８は、多値計数処理結果（例えば、積算値）と２値計数処理結果（例えば、積算値）を比較し、乖離が大きい場合（積算値の差が所定の閾値を超えた場合）、操作インターフェース１７に通知するようにしてもよい。

以上、本実施例によれば、１イベントで複数の荷電粒子が存在しうる場合においても高精度の計数が可能となる。その結果、従来法に対して、信号量及びコントラストともに向上する。

また、本実施例によれば、放出電子を高精度で検出し、信号の取りこぼしや不要な信号検出を抑えることができ、検出のサンプリング及び検出レベルを制御が可能となる。

また、本実施例によれば、荷電粒子線の計測方法において、微小な検出信号において問題となるノイズの影響を低減しつつ、より高精度な信号検出が可能となる。

本実施例では、荷電粒子検出装置の例として記載したが、この形態に限定されない。荷電粒子線を試料に照射して試料に起因する荷電粒子を検出した検出情報を処理するための情報処理装置として実施されてもよい。当該情報処理装置は、荷電粒子線を試料に照射して試料に起因する荷電粒子を検出したときの検出情報を入力する入力部を備える。ここでの検出情報は、検出対象の荷電粒子を検出したとき得られる電流値または電圧値であればよい。

当該情報処理装置は、電流値または電圧値で定められた任意の第１および第２の閾値に基づき、前記検出情報を、第１の状態、第２の状態、及び第３の状態に分ける第１の判定をする判定部を備える。この判定部は、波高弁別部１０６、電子計数器１０７、及び演算処理部１０８に対応する処理を実行する。第１の閾値及び第２の閾値は、検出情報を上記の３つの状態に弁別できる閾値であればよい。一例として、第２の閾値は、第１の閾値より大きい値である。

第１の閾値及び第２の閾値による判定の結果の一例として、第１の状態は、荷電粒子を検出しない状態であり、第２の状態は、荷電粒子を１つ検出した状態であり、第３の状態は、荷電粒子を２つ、または２つ以上検出した状態である。この場合、第１の閾値は、荷電粒子１個分に相当する値であり、第２の閾値は、荷電粒子２個分、または２個以上に相当する任意の値である。

判定部は、第１の閾値に基づき、検出情報を第１の状態と第２の状態とに分ける第２の判定をしてもよい。情報処理装置は、第１の判定に基づく試料の計測画像と、第２の判定に基づく試料の計測画像とを表示するＧＵＩを有してもよい。したがって、判定部は、複数の閾値によって複数の判定処理を実行し、それら複数の判定処理によって得られた複数の状態の試料の計測画像の各々をＧＵＩ上に表示してもよい。

なお、第１の閾値及び第２の閾値は、検出対象の荷電粒子の種類（二次電子、反射電子、散乱電子など）に応じて、定められてよい。これは、荷電粒子の種類により、放出される荷電粒子のエネルギーが異なる場合に好適である。また、第１の閾値及び第２の閾値は、試料の種類に応じて、定められてよい。一例として、試料がウエハの場合、ウエハの材料などに応じて第１の閾値及び第２の閾値を定めてもよい。

[第２実施例]
本実施例では、荷電粒子検出装置を荷電粒子線装置に適用した例を説明する。荷電粒子線装置は、一次荷電粒子線（例えば、電子）を試料表面で走査して、試料から二次的に発生した荷電粒子を検出することによって、試料の観察画像の取得、分析、加工などを行うものである。荷電粒子線装置の代表的な例として、走査電子顕微鏡（SEM）がある。以下では、一例として、走査電子顕微鏡（SEM）に適用した例として説明するが、他の荷電粒子線装置（走査透過電子顕微鏡、ヘリウムイオン顕微鏡など）でも適用することができる。すなわち、本発明は、荷電粒子線装置全般に適用可能である。

以下では、走査電子顕微鏡（SEM）における放出電子の計測方法及び画像取得方法について述べる。図８は、本実施例に係わる走査電子顕微鏡の構成例である。走査電子顕微鏡は、電子光学系と、ステージ機構系と、SEM制御系と、SEM操作系とを備える。

電子光学系は、電子銃１と、偏向器２と、対物レンズ３と、図１で示した荷電粒子検出装置（１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８）とを備える。なお、走査電子顕微鏡の電子光学系は、これ以外に他のレンズや電極、検出器を含んでもよいし、一部が上記と異なっていてもよく、電子線光学系の構成はこれに限られない。

ステージ機構系は、試料５を設置する試料ホルダ６と、傾斜制御可能で且つXYZ軸方向に移動可能なステージ７を備える。

SEM制御系は、電子銃１の加速電圧を制御する加速電圧制御部８と、一次電子の電流を制御する電流制御部９と、偏向器２を制御する偏向走査信号制御部１０と、対物レンズ３を制御する対物レンズコイル制御部１１と、ステージ７にリタ−ディング電圧を印加可能なステージ制御部１２とを備える。

SEM操作系は、計測結果表示部１８と、操作インターフェース１７とを備える。計測結果表示部１８は、荷電粒子検出装置（１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８）での計測により生成された画像を表示するディスプレイなどである。操作インターフェース１７は、各種制御部（８、９、１０、１１、１２）、演算処理部１０８、及び、計測結果表示部１８を操作するインターフェースであり、操作インターフェース１７を用いて、観察条件を設定することができる。

本実施例では、放出電子電流を高精度で計測するため、操作インターフェース１７により時間の基準となる複数のトリガ信号を発生させ、電子線の偏向制御と検出制御系を同期させることで、CNRの高いSEM画像を取得する。

本実施例において、SEMの一次電子線の走査クロックについては、一次電子が１画素に滞在する時間（画素時間）が100 nsとなるように、偏向走査信号制御部１０がX方向の偏光走査を制御する。一次電子の照射エネルギーは、特に限定されないが、好適には放出率が最大値を有する200 eVから400 eVであり、ここでは、300 eVとする。

一次電子の電流は、第１実施例と同様に5 pAとする。シンチレータ１０１の光子量は、入射電子数とエネルギーに依存する。ここで、シンチレータ１０１には、10 kVの電圧が印加されているため（図示していない）、放出電子エネルギーは、二次電子（エネルギー < 50 eV）の場合、10kV＋二次電子のエネルギー（10 kV + 0.05 kV）となる。また、反射電子の場合、放出電子エネルギーは、10 kV ＋入射電子のエネルギー（10 kV + 0.3 kV）となる。したがって、シンチレータ１０１からの光子量は、10%から20%程度の差しか得られない。すなわち、シンチレータ１０１が発生する光子量は、主に電子数を反映する。

第１実施例で述べたように、１イベントの平均間隔は、32 nsであり、一画素時間内で３から４イベント発生する。荷電粒子検出装置は、偏向走査信号に同期させ、３イベント単位で計数を行う。

ところで、本実施例に係わる課題は、放出電子の高精度の計測であり、第１実施例では、シンチレータ１０１の光子量ばらつきや光電子増倍管の暗電流ノイズをデジタル処理により除去する方法を述べた。しかしながら、一次電子がポアソン分布を有するが故のゆらぎに起因したショットノイズを低減するためには、一定の信号積算が必要である。ショットノイズによるばらつきは、試料からの信号量の平方根に依存するため、必要な積算数は試料の放出率に依存する。

本実施例では、二次電子放出率が高くなる照射エネルギー条件を用いることと、以下の第３実施例で述べる計数演算処理又はフレーム積算により、ショットノイズを低減する。

[第３実施例]
本実施例では、第１実施例の荷電粒子検出装置及び第２実施例の荷電粒子線装置に関して、放出電子の計数及び演算方法、並びに画像取得方法を説明する。

ここでは、第１実施例、第２実施例と同様に、一次電子の電流は、5 pAとし、画素時間を100 nsとする。また、k番目のフレーム画像の画素座標（l, m）のイベントiの計数値をN^k _l,m,i、画素信号値をZ^k _{l, m}、SEM画像の画素信号をZ_{l, m}とする。

（信号演算処理の第一の例）
放出電子の計数の後、画像信号に変換する信号演算処理の第一の例は、最も単純な方法であり、各画素内のイベントにおける計数値の積算値を出力する方法である。演算処理部１０８が、試料像の各画素における多値計数値の積算値を画素信号として出力する。すなわち、SEM画像の画素信号をZ_{l, m}を以下とする。

フレーム積算数（ｋの最大値）は、必要なCNRと試料の放出率に依存する。この方法で画像を形成した場合、アナログ法に類似したCNRが50%以上高い画像が得られる。

（信号演算処理の第二の例）
信号演算処理方法の第二の例は、各画素内のイベントにおける計数値Nに閾値をもうけて弁別する方法である。演算処理部１０８が、多値計数値Nが所定の閾値よりも小さい第１の組と、多値計数値Nが所定の閾値以上である第２の組とに弁別し、第１の組の積算値と第２の組の積算値のそれぞれを画素信号として出力する。例えば、N=０かN=1のA組と、Nが２以上のB組とに分ける方法がある。図３の１１４、１１５は閾値を用いて多値計数値のデータを２つの組に弁別した結果を示す。ここで、図３の１１５がA組に相当し、図３の１１４がB組に相当する。

B組のイベントでは、主に二次電子放出過程である。A組では、主に反射電子放出過程である。試料のエッジ部では、二次電子過程が増加するため、N＝２以上の組の信号を用いた画像では、試料の輪郭線が強調された画像が得られる。なお、B組にN＞２の閾値を設けてもよい。この場合、より先鋭な輪郭線抽出像が得られる。

また、N=０又はN=１のA組の信号を用いた画像では、試料の組成差が強調された画像が得られる。公知の方法では、電子光学系による放出電子のエネルギー弁別を行い、二次電子像と反射電子像を得るために、２回の画像取得が必要である。本実施例では、厳密に反射電子成分と二次電子成分を弁別していないが、１回の画像取得によって、二次電子像に相当する画像（擬似的な二次電子像）と反射電子像に相当する画像（擬似的な反射電子像）とを取得できるという特徴を有する。

本方法で弁別した各組の信号は、（５）式により積算し、画像化される。各画像は個別に出力することも、一つの画像で色分けをして出力することもできる。

なお、本例では閾値N＝２を用いて２つの組に弁別した例を説明したが、これに限定されない。例えば、単位波高値及び閾値N＝２に基づき、多値計数値Nを、第１の状態、第２の状態、及び第３の状態に分けてもよい。一例として、第１の状態は、N=０の状態（電子を検出しない状態）であり、第２の状態は、N=1の状態（１つの電子を検出した状態）であり、第３の状態は、Nが２以上の状態（２つ以上の電子を検出した状態）である。さらに、２つ以上の閾値を用いて、多値計数値Nを複数の状態に分けてもよい。

図９は、計測結果表示部１８でのGUIの一例であり、電子計数器１０７から出力された多値計数値のデータを閾値を用いて弁別した場合の画像取得結果を示す。この例では、演算処理部１０８が、所定の閾値を用いて、閾値以上の多値計数値の積算値を画素信号として出力する。GUI３０は、SEM観察条件設定部３１と、信号閾値設定部３２と、SEM画像表示部３３と、閾値画像表示部３４とを備える。

SEM観察条件設定部３１では、加速電圧などの各種観察条件を設定することができる。信号閾値設定部３２では、閾値の下限と上限を設定できる。SEM画像表示部３３には、通常のSEM画像（２値計数処理を実行した結果の画像）が表示される。閾値画像表示部３４には、多値計数値のデータから信号閾値設定部３２で設定された範囲（ここでは、閾値の範囲は３〜１５である）で信号を抽出することにより得られた画像が表示される。この構成によれば、通常のSEM画像と、閾値処理後の画像とを並べて表示することができる。なお、閾値画像表示部３４は、例えば、上述したA組とB組の画像を切り替えて表示できるように構成されてもよい。

図９の例では、演算部が、第１の判定処理として、多値計数処理を実行し、多値計数値Nを、第１の状態（0≦N<3）、第２の状態（3≦N≦15）、及び第３の状態（15<N）に分ける。また、演算部は、第２の判定処理として、通常のSEM画像を取得するための処理（すなわち、電子を検出しない状態と検出した状態を弁別した２値計数処理）も実行する。図９の例では、演算部が、通常のSEM画像（計測画像）と、第２の状態（3≦N≦15）のSEM画像（計測画像）をGUI上に表示する。閾値の下限及び上限は、画面上で適宜変更することができる。したがって、GUI上で表示する画像を適宜変更してもよい。

また、図９の例に限定されず、演算部が、複数の閾値を用いて弁別された第１の状態、第２の状態、及び第３の状態の全て又は任意の複数の状態を選択し、複数の画像がGUI上に表示されてもよい。言い換えれば、演算部が、複数の閾値に基づく複数の判定処理を実行し、それら複数の判定処理によって分けられた複数の状態から任意の状態を選択して、GUI上に表示してもよい。

（信号演算処理の第三の例）
信号演算方法の第三の例は、演算処理部１０８が、各画素の多値計数値に関して所定の統計処理を実行し、統計処理の結果を出力する。例えば、N^k _l,m,iのヒストグラムを出力し、各画素におけるイベントの値（多値計数値）から平均値、分散を算出する。すでに述べたように、図４は、ヒストグラム、平均値、分散を出力した例である。観察対象の試料に応じて、ヒストグラム、平均、分散などが変化することが考えられ、これらの統計処理の結果を信号処理に利用することができる。

前述のとおり、一次電子及び反射電子は、ポアソン分布になるが、二次電子は、ポアソン分布もしくは正規分布になる。試料に必要以上に電子線を照射せずに画像を取得したい場合、信号量不足によるCNR低下を補うために統計モデル作成し、各画素の推定計数値から画像を生成することができる。統計モデルは、観察領域外で十分な電子線を照射した計測を行うことによりあらかじめ作成されており、図示しない記憶装置に格納されている。例えば、上述したヒストグラムの情報は、ここでの統計モデルを作成するのに用いてもよい。演算処理部１０８は、あらかじめ作成された統計モデルを用いて各画素の推定計数値を算出し、その推定計数値を画素信号として出力する。これにより、推定計数値から画像を生成することができる。

（信号演算処理の第四の例）
信号演算処理方法の第四の例は、隣接する画素のイベントの一部の計数値を用いて、演算処理する方法である。演算処理部１０８が、試料像の各画素に関して隣接画素の一部を含めた積算値を画素信号として出力する。この方法は、観察倍率が大きくなり、一次電子の試料内広がりよりも画素サイズが小さくなった場合（例えば、20万倍の観察では、画素サイズは、約0.6 nm）に特に有効である。ｘ方向での隣接画素の場合、以下の式で表せる。

（6）式の意味するところは、座標（l, m）画素では、(（l−１）, m)画素の３番目のイベント値と（(l＋１)、ｍ）番目の画素の１番目のイベントの計数値を用いて、５イベントとして、上述の第一の例又は第二の例の信号処理を施す。

通常のSEM画像のCNRが十分（３〜５）であれば、フレーム積算数を60%にする。これにより、一次電子線照射量を低減できる。また、通常のSEM画像のCNRが３より低ければ、フレーム数を増やさずに（一次電子線の照射量を増やさずに）CNRが向上する。

図１０は、計測結果表示部１８でのGUIの一例であり、隣接ピクセルとの積算処理を実行した場合の画像取得結果を示す。GUI４０は、SEM観察条件入力部４１と、画素積算条件入力部４２と、SEM画像表示部４３と、画素積算処理画像表示部４４とを備える。

SEM観察条件入力部４１では、加速電圧などの各種観察条件を設定することができる。画素積算条件入力部４２では、上下左右の最近接画素との積算条件を設定することができる。図１０の画素積算条件入力部４２での設定条件は、対象となる画素を中心として上下左右の最近接の画素のそれぞれの任意の１イベントの信号と、対象となる画素の３イベントの信号とを用いて、７イベント分の積算処理を実行することによって、前記対象となる画素での積算値とすることを意味する。SEM画像表示部４３には、通常のSEM画像（隣接画素との積算処理なしの画像）が表示される。画素積算処理画像表示部４４には、画素積算条件入力部４２で設定された条件で積算されたSEM画像が表示される。

本実施例によれば、荷電粒子検出装置または荷電粒子線装置での計測方法において、微小な検出信号において問題となるノイズの影響を低減しつつ、より高精度な信号検出が可能となる。また、検出器の電圧変動を抑え、高いSN比を備える荷電粒子検出装置または荷電粒子線装置を提供することができる。

[第４実施例]
好適な二次電子放出率の高い低照射エネルギーを用いると、絶縁体や高抵抗試料の観察では、試料が正に帯電し、像障害が発生することがある。そこで、本実施例では、試料帯電の影響を除去するために、一次電子線を遮断できる制御系と照射するタイミングと検出するタイミングを同期した走査電子顕微鏡に、第１実施例の荷電粒子検出装置を適用した例を説明する。

図１１は、第４実施例に係わる荷電粒子線装置の一例を示す構成図である。なお、図１１において、図８と同一の構成要素については同一の符号を付し、繰り返しの説明を省略する。

本実施例の電子光学系には、図８の構成に対して、ブランカ１３及びブランカ絞り１３ａが追加されている。また、SEM制御系には、図８の構成に対して、ブランカ１３を制御するブランカ制御部１４が追加されている。

本実施例では、放出電子電流を高精度で計測するため、操作インターフェース１７により時間の基準となる複数のトリガ信号を発生させ、ブランカ制御部１４によって電子線をパルス化するとともに、照射パルス電子線１５の偏向制御系と放出パルス電子１６の検出制御系を同期させる。操作インターフェース１７からのトリガ信号の生成をプログラミングすることにより、任意の画素に電子線を照射して、画像を形成することができる。

例えば、ランダムに電子線を照射した画像取得すること、または、X、Y方向に一定の間隔で間引いた画素データを取得し、次のフレーム以降で間引いた画素データを取得することができる。これらの方法では、通常のTV走査法に比べて、試料帯電の影響を受けにくくなるため、帯電による像障害のないSEM画像を取得できる。

本実施例では、SEMの一次電子線の走査クロックは一定となるように偏向走査信号制御部１０を設定し、一次電子が１画素に滞在する時間（画素時間）は、100 nsとした。一次電子の照射エネルギーは、特に限定されないが、好適には放出率が最大値を有する200 eVから400e Vであり、ここでは、300 eVとする。一次電子の電流は、第１実施例と同様に5 pAとする。

ここで、シンチレータ１０１には、10 kVの電圧が印加されているため、放出電子のほとんどのエネルギーは、二次電子（エネルギー < 50 eV）の場合、10kV＋二次電子のエネルギー（10 kV + 0.05 kV）となる。また、反射電子の場合、放出電子エネルギーは、10 kV ＋入射電子のエネルギー（10 kV + 0.3 kV）となる。したがって、パルス波高出力は、10%から20%程度の差しか得られない。

第１実施例で述べたように、１イベントの平均間隔は、32 nsであり、一画素あたり３から４イベントである。荷電粒子検出装置は、偏向走査信号に同期させ、３イベントごと単位で計数を行う。第３実施例で説明した各種の信号演算処理によって、１画素の出力信号が得られる。上記照射パルス電子線１５による複数フレームの取得によって画像形成を行う。

絶縁体や高抵抗試料の観察では、試料が正に帯電し、像障害が発生することがある。本実施例によれば、電子線をブランカ１３及びブランカ絞り１３ａによって遮断してパルス電子を試料に照射するように構成するとともに、照射パルス電子線１５の偏向制御系と放出パルス電子１６の検出制御系とが同期するように構成されている。これにより、試料帯電の影響を除去することができる。

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。上記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もできる。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できる。また、各実施例の構成の一部について、他の構成を追加・削除・置換することもできる。

上述した計数処理及び信号演算処理は、それらの機能を実現するソフトウェアのプログラムコードによっても実現できる。この場合、プログラムコードを記録した記憶媒体をシステム或は装置に提供し、そのシステム或は装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出す。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施例の機能を実現することになり、そのプログラムコード自体、及びそれを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。このようなプログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭなどが用いられる。

ここで述べたプロセス及び技術は本質的に如何なる特定の装置に関連することはなく、コンポーネントの如何なる相応しい組み合わせによってでも実装できる。更に、汎用目的の多様なタイプのデバイスが使用可能である。ここで述べた方法のステップを実行するのに、専用の装置を構築するのが有益である場合もある。つまり、上述した計数処理及び信号演算処理の一部又は全部が、例えば集積回路等の電子部品を用いたハードウェアにより実現されてもよい。

さらに、上述の実施例において、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。全ての構成が相互に接続されていても良い。

１：電子銃
２：偏向器
３：対物レンズ
５：試料
６：試料ホルダ
７：ステージ
８：加速電圧制御部
９：一次電子の電流制御部
１０：偏向走査信号制御部
１１：対物レンズコイル制御部
１２：ステージ制御部
１３：ブランカ
１３a：ブランカ絞り
１４：ブランカ制御部
１５：照射パルス電子線
１６：放出パルス電子
１７：操作インターフェース
１８：計測結果表示部
２０：GUI
２１：計測条件入力部
２２：加速電圧設定部
２３：一次電子の電流設定部
２４：試料ホルダ印加電圧設定部
２５：計測時間設定部
２６：計測結果表示部
２７：時系列計測データ表示部
２８：第１の統計処理結果表示部（放出電子数のヒストグラム）
２９：第２の統計処理結果表示部（平均値及び分散）
３０：GUI
３１：SEM観察条件設定部
３２：信号閾値設定部
３３：SEM画像表示部
３４：閾値画像表示部
４０：GUI
４１：SEM観察条件入力部
４２：画素積算条件入力部
４３：SEM画像表示部
４４：画素積算処理画像表示部
１０１：シンチレータ
１０２：ライトガイド
１０３：光電子増倍管
１０４：アナログ増幅器
１０５：アナログ−デジタル変換器
１０６：波高弁別部
１０７：電子計数器
１０８：演算処理部
１１０：アナログパルス信号
１１１：デジタル信号
１１２：波高計測結果
１１３：計数結果
１１４：信号処理結果
１１５：信号処理結果
１２０：平坦部
１２１：平坦部のアナログ信号
１２２：平坦部の２値計数結果
１２３：平坦部の多値計数結果
１３０：エッジ部
１３１：エッジ部のアナログ信号
１３２：エッジ部の２値計数結果
１３３：エッジ部の多値計数結果

Claims (15)

1. 試料を設置するステージと、
   荷電粒子線を前記試料に照射する荷電粒子線光学系と、
   前記試料から二次的に発生した荷電粒子を検出する荷電粒子検出装置と、
   を備え、
   前記荷電粒子検出装置は、
   前記試料からの前記荷電粒子を光子に変換し、前記光子をアナログの電気信号に変換する光電変換部と、
   前記アナログの電気信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換部と、
   前記デジタル信号を計数処理する演算部と、
   を備え、
   前記演算部が、１つの荷電粒子が前記試料に照射されたときに生じる１イベントに関する単位波高値を用いて、前記デジタル信号における単位時間当たりの信号を多値化し、多値計数値として出力す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、
   前記演算部が、試料像の各画素における前記多値計数値の積算値を画素信号として出力する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、
   前記演算部が、前記多値計数値が所定の閾値よりも小さい第１の組と、前記多値計数値が前記所定の閾値以上である第２の組とに弁別し、前記第１の組の積算値と前記第２の組の積算値のそれぞれを画素信号として出力する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、
   前記演算部が、前記多値計数値に関して所定の統計処理を実行し、前記統計処理の結果を出力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、
   前記統計処理の結果が、前記多値計数値のヒストグラム、平均、及び分散の少なくとも１つであ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、
   前記演算部が、あらかじめ作成された統計モデルを用いて、試料像の各画素における推定計数値を画素信号として出力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、
   前記演算部が、試料像の各画素に関して隣接画素の一部を含めた積算値を画素信号として出力する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、
   前記荷電粒子線の電流をI_p、素電荷をeとすると、前記光電変換部におけるアナログ増幅の周波数帯域ｆ₁は、10×I_p/e以上であり、前記アナログ−デジタル変換部のサンプリング周波数f₂は、2×f₁以上であ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、
   前記荷電粒子線光学系が、前記荷電粒子線を遮断してパルス荷電粒子を前記試料に照射するように構成されており、
   前記荷電粒子線光学系での前記パルス荷電粒子の偏向制御と、前記荷電粒子検出装置での前記試料からの放出パルス荷電粒子の検出制御とが同期するように構成されてい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、
    前記荷電粒子線装置が走査電子顕微鏡であることを特徴とする荷電粒子線装置。
11. 荷電粒子線を試料に照射して前記試料に起因する荷電粒子を検出したときの検出情報を、電流値または電圧値として入力する入力部と、
    電流値または電圧値で定められた任意の第１および第２の閾値に基づき、前記検出情報を、第１の状態、第２の状態、及び第３の状態に分ける第１の判定をする判定部と、
    を備えることを特徴とする情報処理装置。
12. 請求項１１に記載の情報処理装置において、
    前記第１の状態は、前記荷電粒子を検出しない状態であり、
    前記第２の状態は、前記荷電粒子を１つ検出した状態であり、
    前記第３の状態は、前記荷電粒子を２つ、または２つ以上検出した状態であることを特徴とする情報処理装置。
13. 請求項１１に記載の情報処理装置において、
    前記荷電粒子は走査電子顕微鏡にて計測された電子であることを特徴とする情報処理装置。
14. 請求項１１に記載の情報処理装置において、
    前記試料の種類または前記荷電粒子の種類に応じて、前記第２の閾値を定めることを特徴とする情報処理装置。
15. 請求項１１に記載の情報処理装置において、
    前記判定部は、前記第１の閾値に基づき、前記検出情報を前記第１の状態と前記第２の状態とに分ける第２の判定をし、
    前記情報処理装置は、前記第１の判定に基づく前記試料の計測画像と、前記第２の判定に基づく前記試料の計測画像とを表示するＧＵＩを有することを特徴とする情報処理装置。

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