JP2016085966A - 荷電粒子顕微鏡における複合走査経路 - Google Patents

荷電粒子顕微鏡における複合走査経路 Download PDF

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Abstract

【課題】ラスタ走査/蛇行状走査における走査方向反転に伴う影響(オーバーシュートと帰線の時間が必要なことによるスループットの低下、及び急速な変化に対応できる偏向器は高価になること)を回避できる走査型荷電粒子顕微鏡を提供する。
【解決手段】試料S上の走査経路Pを描くように、荷電粒子ビームと試料の間で相対運動が実行される。開始点PSから終了点PFまで、仮想上のグリッドGによってアレイ状に区切られた複数の箱(ブロック、セル、ユニット)Bの各々の中心を通るように走査される。この走査は長ストローク走査手段と短ストローク走査手段を用いて実行される。
【選択図】図2A

Description

本発明は走査型荷電粒子顕微鏡に関する。当該走査型荷電粒子顕微鏡は、
− 試料を保持する試料ホルダ、
− 荷電粒子ビームを生成するビーム源、
− 前記試料へ照射するように前記ビームを案内する照射体、
− 前記照射に応じて前記試料から放出される放射線束を検出する検出器、
− 前記ビームに前記試料上で走査経路を描かせるように前記ビームと前記試料の相対走査運動を生じさせる走査手段、
− 当該顕微鏡中で少なくとも1つの自動化された処理を実行するように起動可能なプログラム可能な制御装置、
を有する。
本発明は当該荷電粒子顕微鏡の様々な使用方法にも関する。
荷電粒子顕微鏡−具体的には電子顕微鏡−は、微小な対象物を撮像する周知で重要性を増している方法である。歴史的には、電子顕微鏡の基本的性質は、多数の周知の装置−たとえば透過電子顕微鏡(TEM)、走査電子顕微鏡(SEM)、及び走査透過電子顕微鏡(STEM)−及び様々な派生型装置−たとえば支援活動(たとえばイオンビームミリング又はイオンビーム誘起堆積(IBID))を可能にするように「加工用」集束イオンビーム(FIB)をさらに用いることのできる所謂「デュアルビーム」装置(たとえばFIB−SEM)−へ発展してきた。
より詳細には以下の通りである。
− SEMでは、試料への走査電子ビームの照射が、2次電子、後方散乱電子、X線、及びフォトルミネッセンス(赤外、可視、及び/又は紫外の光子)として、試料からの「補助」放射線の放出を引き起こす。続いてこの放出放射線束の1つ以上の成分が、画像蓄積目的及び/又は(たとえばEDX(エネルギー分散X線分光)の場合には)分光解析で検出及び利用される。
− TEMでは、試料への照射に用いられる電子ビームは、試料(この目的のため、一般的にはSEM用試料の場合よりも薄くなる)へ侵入するのに十分高いエネルギーとなるように選ばれる。よって試料から放出される透過電子束は、画像の生成に用いられて良い。係るTEMが走査モード(よってSTEMとなる)で動作する場合、問題となる画像は、照射電子ビームの走査運動中に蓄積される。
ここで述べた話題の一部に関するさらなる情報はたとえば、以下のWikipediaのリンクから収集することができる。
http://en.wikipedia.org/wiki/Electron_microscope
http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_electron_microscope
http://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_electron_microscopy
http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_transmission_electron_microscopy
照射ビームとして電子ビームを用いる代わりとして、荷電粒子顕微鏡観察もまた、他の種類の荷電粒子を用いて実行されて良い。この点では、「荷電粒子」という語句は、たとえば電子、正イオン(たとえばGaイオン又はHeイオン)、負イオン、陽子、及び陽電子を含むものとして広義に解釈されなければならない。イオン系顕微鏡に関しては、さらなる情報は、たとえば以下のリンクと非特許文献1から収集することができる。
http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_Helium_Ion_Microscope
撮像に加えて、荷電粒子顕微鏡はまた、他の機能−たとえば分光の実行、ディフラクトグラムの検査、(局在化した)表面改質(たとえばミリング、エッチング、堆積)等の実行−をも有して良いことに留意して欲しい。
すべての場合において、荷電粒子顕微鏡(CPM)は少なくとも以下の構成要素を有する。
− 放射線源(たとえばショットキー電子源若しくはイオン銃)
− 照射体。線源からの「生の」放射線ビームを操作し、かつ、その放射線に対してある作用−集束、収差の緩和、(アパーチャによる)トリミング、フィルタリング等−を実行するように機能する。照射体は一般的に、1つ以上の(荷電粒子)レンズを有し、かつ、他の種類の(粒子)光学部品をも有して良い。望ましい場合には、照射体には、調査中の試料にわたる走査運動を出力ビームに実行させることのできる偏向器システムが供されて良い。
− 上に調査中の試料が保持及び位置設定(たとえば傾斜、回転)され得る試料ホルダ。望ましい場合には、このホルダは、試料に対するビームの所望の走査運動を実現するように動かされて良い。一般的には、係る試料ホルダは、たとえば機械ステージのような位置設定システムに接続される。
− (被照射試料から放出される放射線を検出する)検出器。前記検出器は、単体であって良いし又は事実上複合体/分配されても良く、かつ、検出される放射線に依存して多くの異なる形態をとって良い。例には、光電子増倍管(固体光電子増倍管SSPMを含む)、フォトダイオード、CMOS検出器、CCD検出器、光電池等が含まれる。これらはたとえば、シンチレータ膜と併用されて良い。
− 放射線ビームと試料の相対走査運動を生じさせることで、試料(の与えられた表面)上の所定の(2次元)走査経路をビームに描かせる走査手段。続いて画像は、走査経路上のサンプリング地点あたりの検出器出力に基づいて構築される。よって前記試料(表面)の(2次元)マップが構築される。上述したように、係る走査手段はたとえば、ビーム(走査)偏向又はホルダ(走査)運動に基づいて良い。
− 顕微鏡の操作の制御及び/又は制御命令(たとえばソフトウエア内に格納され、一般的にはユーザーインターフェースからの入力及びセンサからの信号によって補充/修正される)の実行を行うプログラム可能な制御装置(コンピュータプロセッサ)
以降では、本発明は例として、電子顕微鏡の具体的文脈において説明されて良い。しかし係る単純化は単に簡明を期すためだけであり、限定と解されてはならない。
「技術分野」で述べた顕微鏡の例はたとえばSEMである。他の例はSTEMである。係る装置では、相対的に狭い荷電粒子ビーム(ときとして「プローブ」と呼ばれる)が試料の与えられた表面にわたって走査され、かつ、使用された検出器は、(表面上の座標位置の関数としての検出器出力に基づいて)前記表面の画素毎の画像を構築する。この目的のため、たとえば以下のような所謂「ラスタ」走査経路を用いるのが便利である。
− n番目の走査線は、(所謂)直交座標系の+X方向に平行に左から右へ走査される。
− このn番目の走査線の終点で、高速帰線/フライバックが−X方向に生成される。その後小さな増分ステップがY方向において生成される。
− その後(n+1)番目の走査線が+X方向に平行に左から右へ走査される。
− 等を順次繰り返す。
しかしこの方法は欠点を有する。その理由はとりわけ高速帰線/フライバックは必然的に、あるオーバーシュートとそれに付随する設定/再同期時間(その間ビームは一般的に遮断される)を生じさせてしまうことで、スループットの低下をもたらすからである。
この問題を回避しようとする試みでは、(一方向)ラスタスキャンの(双方向)「蛇行状の(serpentine)」変化型を試みることができる。
− n番目の走査線が+Xに平行に左から右へ走査される。
− n番目の走査線の終点では、Y方向において小さな増分ステップが生成される。
− その後(n+1)番目の走査線が−Xに平行に右から左へ走査される。
− 等を順次繰り返す。
しかし係る蛇行状スキャンの問題は、各走査線での終点で、走査方向を完全に反対にする必要があることである。走査線は相対的に長い(つまり、X方向において被走査表面の全幅を網羅する程度に相対的に大きな振幅を有する)ので、走査線は、相対的に速い走査速度を実現する機会を与える。方向の反転がそのような速い走査速度で起こる場合、相対的に大きな「反発効果」が起こる。これはたとえば以下のようなことを引き起こす恐れがある。
− 走査運動が(電流を流すコイルを用いた)磁気ビーム偏向に基づく場合、相対的に大きくて速い平衡位置からの変位(excursion)は、使用された(複数の)偏向器を介する電流方向を変化させる必要がある。そのような電圧変化は実効的に、インピーダンス効果(電圧変化の速度に比例する)又は電源電圧限界によって不可能と考えられる。これを除去するため、たとえばより厚いコイルワイヤ又は超伝導コイルの使用によってインピーダンスを減少させようとするかもしれない。しかしそのような解決法は(逆に)やっかいでかつ高価なものとなりがちである。
− (容量板を用いた)静電ビーム偏向の場合、相対的に大きくて速い電流変化が、使用された(複数の)偏向器上で電圧を変化させるのに必要となる。繰り返しになるが、インピーダンス効果又は電源電流制限は実効的に、現実の状況に置けるそのような変化を不可能にする。
− 走査運動が(機械的アクチュエータを用いた)試料ホルダの変位に依拠する場合、相対的に大きな反応力/反射的動作が、変位方向を反転させるのに必要となる。処理されない場合、これらは顕微鏡内において寄生振動となる。これを防止するため、相対的に複雑な反応力マイグレーション機構(たとえば反応バランス質量体、補償的な機構の作動(compensatory frame actuation)等)を考慮する必要がある。
これらの「反発」効果及びこれらを緩和するために必要な対抗手段が相対的に魅力のない結果として、基本的には、方向を変化させる前には、線走査を徐々にゼロ速度へ減速しなければならなくなる。その結果この場合での線走査は一般的に以下を有する。
− 長さL1で速度がゼロからvになる加速又は助走部分である事前走査
− 長さL2で速度がvの一定速度部分である中間走査
− 長さL3(これはL1に等しくて良いし、あるいは等しくなくても良い)で速度がvからゼロになる減速又は減衰部分である後走査
このシナリオは相対的に複雑かつ非効率的である。それに加えて、係る対抗手段は、所謂「ジッパー効果」を解決しない。「ジッパー効果」とは、双方向走査に係る本質的なビーム位置の遅延/データラグの問題によって引き起こされる(わずかな)線間の位置合わせのずれである。
前段落で述べた装置が現在のところ許容可能な結果を生成しているが、本願発明者等は、そのような従来設計を実質的に改善するように精力的に取り組んできた。この努力の結果が本願の主題である。
欧州特許出願第14172871.7号明細書
W.H. Escovitz, T.R. Fox and R. Levi-Setti, Scanning TransmissionIon Microscope with a Field Ion Source, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 72(5),pp 1826-1828 (1975).
本発明の目的は、上述の改善された荷電粒子顕微鏡を供することである。特に本発明の目的は、当該顕微鏡が、従来技術から既知であるラスタスキャン/蛇行状走査の代替となる走査計画を用いることである。しかも本発明の目的は、改善された顕微鏡の設計を影響−たとえばオーバーシュート、設定/再同期、及び上述の「反発効果」−を受けにくいものにすることである。
上記及び他の目的は、上の「技術分野」で述べた荷電粒子顕微鏡によって実現される。当該荷電粒子顕微鏡は、以下の特徴を有する。
− 前記走査手段は、

・ 相対的に大きな振幅及び相対的に低い周波数の走査運動を実行する長ストローク走査手段、
・ 相対的に小さな振幅及び相対的に高い周波数の走査運動を実行する短ストローク走査手段、を有する。
− 前記制御装置は、相対的に小さな振幅の運動を含む走査経路を描くように起動し得る。前記相対的に小さな振幅の運動は、前記短ストローク走査手段を用いて実行されて良く、前記長ストローク走査手段の助けを借りることによって実現される結果として生じる相対的に大きな振幅のマイグレーションと一緒になる。
この文脈においては以下のことに留意して欲しい。
− 相補的な用語である「相対的に小さい」と「相対的に大きい」は、外部の絶対参照値と比較することを必要とせず、互いに相対的であると解されなければならない。同じことは以下の相補的な用語にも当てはまる。
・「相対的に低い」と「相対的に高い」
・「長ストローク」と「短ストローク」
当業者はそのような相互に比較する用語を容易に理解する。
− 「マイグレーション」という用語は、走査ビーム位置の特定の時間的「スナップショット」ではなく、全体としての完了した走査経路(の外部寸法)を表すものと解されなければならない。従ってビームは(たとえば)(略)同一の位置(原点)で開始及び終了して良いが、(前記の小さな振幅の運動のサイズを参照するときに)その位置から相対的に遠い(複数の)領域への介入マイグレーションが起こった後である。
本発明の要点は以下のように説明することができる。従来のラスタスキャン/蛇行状走査は、試料表面上の画素位置が長くて広く、かつ直線上で本質的に連続な掃引を用いることによってアクセスされる点で、「単一ストローク」法を含むものとみなされ得る。対照的に、本発明は以下の点で「二重ストローク」を必要とするとみなされ得る。
− 前記短ストローク走査手段は、重心(あるいはその代わりに原点/参照地点)に対して相対的に速くて短い範囲の変位を生成する。
− 前記長ストローク走査手段は本質的に、前記試料表面にわたって相対的に遅くて長い範囲のマイグレーションで前記重心を移動させる。
そのようなシナリオは「背負い(piggyback)」法と表され得る。その理由は短ストロークの平衡位置からの変位の重心は、長ストロークマイグレーション上に「背負われている」からである。それは「分離処理」法ともみなされ得る。なぜなら様々な(比較できない)処理−特に高速運動と振幅の大きな運動−はそれぞれ、専用の特別な/最適化された走査手段によって実行されるからである。
従って以下が成り立つ。
− 高速で高精度の運動が、振幅を犠牲にして短ストローク走査手段によって実行される。
− このような振幅の不足は、はるかに大きなリーチを供する長ストローク走査手段を利用することによって補償される。これらは原則として、速度と精度を犠牲にしてこれを行う。なぜならこれらの要件は短ストローク走査手段によって解決されるからである。
そのような処理の「分岐」によって、短ストローク走査手段と長ストローク走査手段の各々は、構造と性能に関して個別的に実施/最適化することを可能にする。本発明の他の利点は以下を含む。
− 走査機能が長ストローク成分/短ストローク成分に分離されるので、走査パラメータは、長ストローク走査手段/短ストローク走査手段に具体的に関連するパラメータに分離され得る。これにより、より顕著な/微細な走査制御/設定が可能となる。
− 複合/分岐した長ストローク走査/短ストローク走査は、(直交座標の)X偏向とY偏向(又はたとえば極座標のr偏向とθ偏向)について、帯域の要件がより均等に分配されたものになる傾向にある。
− 前記短ストローク走査手段に係る偏向の非線形性/不完全性は結果として固有に、より多一気的な操作経路の変位とはならずに(反復的な)小規模/局所的な歪みとなる。前者は、取得/サンプリング分解能を適切に低下させることによって、相対的に容易に補償され得る。
本発明の特別な実施例では、以下が成り立つ。
− 前記長ストローク走査手段と前記短ストローク走査手段の各々は、静電場偏向子、磁場偏向子、及びそれらの結合を含む群から選ばれる。
− 前記走査経路は、相対的に小さな振幅の第1場の偏向を、相対的に大きな振幅の第2場の偏向に重ね合わせ、かつ、前記ビームにこれらの重ね合わせられた偏向を施すことによって実現される。
たとえば係る実施例の具体例では、以下が成り立つ。
− 前記短ストローク走査手段は、相対的に小さな偏向に対して速くて正確となる傾向を有する静電偏向子(キャパシタ板)を有して良い。
− 長ストローク走査手段は、相対的に大きな/遅い偏向により役立つ磁気偏向子(コイル)を有して良い。
これらの偏向子は、(次から次へと)直列に配置されて良いし、あるいは、入れ子/重複配置(一の偏向子が他の偏向子内部に位置する)で配置されても良い。その結果各々は、通過する荷電粒子ビームに影響を及ぼすことができる。その結果前記ビームは、前記走査手段の各々によって個別に引き起こされる偏向の重なり(総和/合成運動)を受けることになる。直列配置の場合、静電偏向子(E)と磁気偏向子(M)は、(実質的に)同一の枢動点を有することが好ましい。これはたとえば、M−E−M配置又はE−M−E配置を用いることによって実現され得る(Mの機能とEの機能はそれぞれ分離している)。たとえばMの内部にEが位置するような入れ子構造の配置の場合では、外側のM偏向子のコイルによる過剰な渦電流の生成を回避するように、好適には内側のE偏向子の金属板は、あまりに低い抵抗値を有しないように選ばなければならない。当業者はそのような検討事項を十分に把握/採用することができる。当然のこととして、上述の具体例は限定ではなく、代わりに(異なる種類又は同一の種類の)偏向子を他の役割に割り当てる選択をしても良い。たとえば前記短ストローク走査手段は相対的に小さな(高速応答)偏向子コイルを有して良く、かつ、前記長ストローク走査手段は相対的に大きな(低速応答)偏向子コイルを有して良い。
代替実施例では、以下が適用される。
− 前記長ストローク走査手段と前記短ストローク走査手段のうちの一は、静電場偏向子、磁場偏向子、及びこれらの結合を有する群から選ばれる。
− 前記長ストローク走査手段と前記短ストローク走査手段のうちの他は、前記試料ホルダを動かす機械的アクチュエータを有する。
− 前記走査経路は、ビーム偏向と試料ホルダの運動の組み合わせによって実現される。
この実施例では、長ストローク走査手段と短ストローク走査手段の役割は、一方ではビーム偏向で他方では試料ホルダの運動に分離/指定される。たとえば係る実施例の具体例では、以下が成り立つ。
− 前記短ストローク走査手段は、相対的に小さな偏向に対して高速で正確になる傾向を有する静電偏向子(キャパシタ板)を有して良い。
− 前記長ストローク走査手段は、相対的に大きな/遅い偏向により役に立つステージアクチュエータ(たとえば線形モータ、ステッパモータ、空気圧アクチュエータ、静水圧アクチュエータ等)を有して良い。
係る実施例では、前記機械的アクチュエータは、前記試料の様々な(長ストロークで分離された)領域を、前記(短ストローク)ビーム偏向子の到達範囲内にし得ることを保証する。当然のこととして、上述の具体例は限定ではなく、代わりに(たとえば)以下のように反対の役割を割り当てるように選ぶことも可能である、
− 前記短ストローク走査手段は相対的に小さな(高速応答)アクチュエータ−たとえばボイスコイルモータ又は圧電アクチュエータ−を有する。
− 前記長ストローク走査手段は相対的に大きな(低速応答)偏向子コイルを有する。
当業者は、前の2つの段落で述べた実施例が非限定的で、かつ、たとえば前記長ストローク走査手段と前記短ストローク走査手段の両方が、(同一種類又は異なる種類の)機械的アクチュエータを有するようにすることも可能である。当業者は、たとえば原則として、(たとえば圧電ステージを用いることによって)前記ビームが通過するビーム画定絞りを変位させることによって前記ビームを変位させても良いことも理解する。
従来のラスタスキャン/蛇行状走査において追随される走査経路は相対的に単純に前後反復する追跡である一方で、本発明による走査経路ははるかにより「新奇」と言え得る。この点では、本発明の特別な実施例では、前記走査経路は(実質的に)(数学上)空間が充填された曲線−具体的には蛇行状曲線、ヒルベルト曲線、ムーア曲線、Z次の曲線、H次の曲線、ペアノ曲線、AR曲線、βΩ曲線、及びこれらの結合−として実行される。そのような(数学的に生成された)曲線は、多くの構成要素である小さな振幅のステップの合力として(最終的には)相対的に大きな振幅の変位を実現する。たとえばヒルベルト曲線とムーア曲線もまた、潜在的に無限の分解能曲線で面を充填することができるという有利な特性を有する。従って取得(サンプリング)走査経路用に適切な(平均)箱/セルフィルタを選択することによって、他の走査経路パラメータとは独立に取得分解能を選択することができる。ムーア曲線(及び他の所謂「閉曲線」)の他の利点は、開始点と終了点が(実質的に)隣接することである。従って走査経路の終点では、本発明の長ストローク走査手段の正味の偏向は、走査経路の開始点と本質的に同一であり得る。このことは、後続のフレームを走査するように終了点から開始点へ戻るのに必要な「リセット工程」がゼロ又は相対的に小さいことを意味する。
ここで述べた具体的な曲線の種類(の一部)についてのさらなる情報については、下記リンクを参照のこと。
http://en.wikipedia.org/wiki/Space-filling_curve
http://en.wikipedia.org/wiki/Hilbert_curve
http://en.wikipedia.org/wiki/Moore_curve
http://en.wikipedia.org/wiki/Z-order_curve
http://en.wikipedia.org/wiki/Peano_curve
http://arxiv.org/pdf/1002.1843.pdf
http://user42.tuxfamily.org/math-planepath/
本発明の特別な実施例では、前記走査経路は疎な走査経路である。疎な走査は、試料を充填する走査経路に沿ってすべての可能な画素(箱/セル)位置にアクセスする代わりに、前記位置の相対的に疎な組のみをアクセスする方法である。前記走査法(「圧縮センシング」とも呼ばれる)は、全走査よりも必然的(はるかに)速く、かつ、必要な前記試料の放射線曝露がはるかに少なくなる点で有利である。本発明は、サンプリング点の所与の疎な組を効率的にアクセスするように最適な走査経路を計算/追随することを可能にし、かつ、(必要な場合には)前記走査経路を最適化するように前記組のある構成要素の位置を調節/微調整して良い。CPM撮像における(種々の)疎な走査法についてのさらなる情報はたとえば、特許文献1から得ることができる。
本発明の他の実施例では、以下が利用される。
− 前記長ストローク走査手段の相対的に低いサンプリング周波数に適合する相対的に長い固有応答時間を有する第1検出器
− 前記短ストローク走査手段の相対的に高いサンプリング周波数に適合する相対的に短い固有応答時間を有する第2検出器
前記走査経路が描かれている間、前記第1検出器と前記第2検出器は、前記放射線束を検出するように共に配置されて良い。前述したように、荷電粒子ビームとの相互作用に応じて前記試料から放出される放射線束は一般的に、多くの異なる放射線種−たとえば後方散乱電子、2次電子、カソードルミネッセンス、及びX線−を含む。これらの異なる放射線種は一般的に、異なる種類の検出器を用いて検出される。前記異なる種類の検出器は一般的に、(とりわけクエンチング、不感時間、リフレッシュ挙動等によって決定される)各異なる応答時間を有する。しかもこれらの異なる放射線種を発生させる物理的機構もまた各異なる固有時定数を有する。たとえばカソードルミネッセンスは、たとえば後方散乱電子放出に対するある本質的な遅延(励起及び脱励起時間)によって生成される。従来、走査速度(サンプリング/取得速度)は、信号のスミアを回避するように、使用されている最も遅い検出器/発生機構に適合するように調節されなければならない。しかし本発明は走査挙動を相補的な高周波成分と低周波成分に分離するので、(共に)これらの異なる周波数成分に追随するように、実質的に異なる応答時間/固有時定数を有する別個の検出器/発生機構を用いることが可能となる。より具体的には、相対的に速い検出器/発生機構(たとえばフォトダイオード/後方散乱電子放出)は(相対的に高い画素速度を有する)相対的に速い短ストローク走査運動に適合されて良く、かつ、相対的に遅い検出器/発生機構(たとえば固体ドリフト検出器/カソードルミネッセンス)は(相対的に低い画素速度を有する)相対的に遅い長ストローク走査運動に(同時に)適合されて良い。このようにして、たとえば(相対的に速い)後方散乱電子画像と(相対的に遅い)カソードルミネッセンス画像を効率的に同時にまとめることが可能になる。とはいえフレーム毎に、遅い検出器/発生機構からの画像が、速い検出器/発生機構からの画像よりも少ない画素とまとめられる。
前段落で論じた実施例に関して、前記第1検出器と前記第2検出器の各対応する応答時間(検出速度の逆数)T1とT2が以下の関係を満たす場合、(たとえば空間充填曲線−たとえばムーア曲線−を描く/走査するときに)特に有利となり得る。
T1/T2〜4
ここでnは負ではない整数である。よって換言すると、比T1/T2は、数列1、4、16、64等から選ばれる値を有することが好ましい。そのようにして(満足行く初期の同期を仮定する)、前記の相対的に遅い第1検出器から見える「スーパー画素」は、前記の相対的に速い第2検出器から見える画素よりも2n×2n倍大きな正方形である。これは、ムーア曲線(又は他の空間充填曲線)が表面にわたってマイグレーションを起こす方法に効率的/本質的に適合する。
本発明においては、CPMのプログラム可能な制御装置はたとえば、以下のような処理を実行できる。
− たとえば所望の分解能/サンプリング組の所望の疎の程度、走査されるべき前記試料の具体的領域等のパラメータを、ユーザーインターフェース−たとえばキーボード又はタッチスクリーン−からの入力として受容する。
− 前記分解能/疎の程度で前記試料の領域上で描かれる走査経路を計算/決定する。前記走査経路はたとえば、既知の種類の数学的空間充填曲線を追随して良いし、あるいは、より事例に固有な種類の経路であって良い。
− 前記走査経路を相補的な長ストロークの寄与と短ストロークの寄与にデコンボリューション/分離し、かつ、付随する長ストローク走査手段と短ストローク走査手段に割り当てられる運動を決定する。
− (組み合わせられた状態の)前記長ストローク走査手段と前記短ストローク走査手段に所望の走査経路を描かせるように、前記長ストローク走査手段と前記短ストローク走査手段の一連の設定点を生成する。
本発明による走査型荷電粒子顕微鏡の実施例の断面図を表している。 2A−2Gは、本発明の実施例を用いて描かれた走査経路の様々な態様を示し、かつ、特に如何にして走査経路が長ストローク走査手段と短ストローク走査手段の組み合わせを用いて実現されるのかを表している。 本発明による走査モードで利用可能な透過型荷電粒子顕微鏡の実施例の断面図を表している。
ここで本発明について、典型的な実施例と添付の概略図に基づいてより詳細に説明する。
図中、関連する場合には、対応する部分は対応する参照符号を用いて示される。
図1は、本発明によるCPMの実施例の概略図である。より具体的には図1は走査型顕微鏡Mの実施例−この場合SEM−を示している(とはいえ本発明においては、走査型顕微鏡Mはたとえばイオン系顕微鏡であっても有効となりえる)。顕微鏡Mは粒子光学鏡筒/照射体1を有する。粒子光学鏡筒/照射体1は粒子光学軸3’に沿って伝播する荷電粒子ビーム3(この場合では電子ビーム)を生成する。粒子光学鏡筒1は、真空チャンバ5上に設けられる。真空チャンバ5は、試料Sを保持/位置設定する試料ホルダ7と関連する台/アクチュエータ7’を含む。真空チャンバ5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17の助けによって、試料ホルダ7又は少なくとも試料Sは、望ましい場合には、接地電位に対してある電位にバイアス印加(浮遊)され得る。
粒子光学鏡筒1は、電子源9(たとえばショットキー銃)、電子ビーム3を試料Sへ集束させるレンズ11と13、及び、(ビーム3のビーム操作/走査を実行する)偏向ユニット15を有する。当該装置Mはさらに制御装置/コンピュータ処理装置25を有する。制御装置/コンピュータ処理装置25は、とりわけ偏向ユニット15、レンズ11、13、及び検出器19、21を制御し、かつ、検出器19、21から収集される情報を表示装置27上に表示する。
検出器19,21は、入力ビーム3の照射に応じて試料Sから放出される様々な種類の出力放射線を検査するのに用いられ得る様々な検出器の種類から選ばれる。ここで図示された装置では、以下の検出器が選択された。
− 検出器19は、試料Sから放出される2次電子の出力束(の少なくとも一部)を検出するのに用いられるEverhardt Thornley型検出器である。
− 検出器21は、(ビーム3の通過を可能にする)中央開口23の周りに設けられる複数(たとえば4つ)の独立した検出部を含む区分化された検出器である。係る検出はたとえば、試料Sから放出される出力(2次又は後方散乱)電子束の角度依存性を調査するのに用いられて良い。
図示されているように、検出器19と21のいずれも電子を検査するのに用いられる。しかしこれは純粋に設計/実装上の選択であり、必要な場合には、電子に加えて又は電子の代わりに試料Sから放出される他の種類の放射線(たとえばX線、カソードルミネッセンス)束を検出するように選ばれて良い。
試料Sにわたってビーム3を走査させることによって、出力放射線−たとえばX線、赤外/可視/紫外光、2次電子、及び後方散乱(BS)電子の束を含む−が、試料Sから放出される。係る出力放射線は(走査運動に起因して)位置に敏感なので、検出器19、21から得られる情報もまた位置依存性を有する。この事実によって、検出器19の出力は、(たとえば)試料S(の一部)の2次電子画像の生成に用いることが可能となる。前記2次電子画像は基本的に、試料S上の走査経路位置の関数とする検出器19の出力のマップである。
検出器19、21からの信号は、制御ライン(バス)25’に沿って伝達され、制御装置25によって処理され、かつ、表示装置27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、自動化された認識処理(たとえば粒子解析で用いられるような)は、当該処理に含まれて良い。
係る設定の精緻型及び代替型の多くは当業者に知られていることに留意して欲しい。係る設定の精緻型及び代替型は以下を含むが、これらに限定されない。
− デュアルビーム−たとえば撮像用の電子ビーム3と試料Sの加工(場合によっては撮像)様のイオンビーム−の使用
− 試料Sでの−たとえば(所謂環境制御型SEMで用いられているような)数mbarの圧力を維持するか、又は、気体−エッチング気体又は前駆体気体−を収容することによる−制御された環境の使用
等。図1に図示された走査型顕微鏡はSEMだが、図1に図示された走査型顕微鏡は、本発明においては、たとえばSTEMも有効なものとしてあり得る(以降の実施例2参照)。
本発明は、ビーム3を試料Sに対して走査させる方法に関する。試料Sは、ビーム3の与えられた表面を示すようにホルダ7上に保持される。前述したように、ビーム3とホルダ7の相対走査運動は原則として、具体的には以下のような2つの異なる方法(の組み合わせ)によって実現され得る。
− 走査偏向器15を用いてホルダ7に対してビーム3を動かす
− 台/アクチュエータ7’を用いてビーム3に対してホルダ7を動かす
これらの機構のうちのどちらが用いられたのかに係わらず、本発明は、長ストローク運動と短ストローク運動の複合運動を用いて試料Sに対するビーム3の走査運動を実現する点で、従来技術とは異なる。この基本的な考え方は次の実施例でより詳細に説明される。係る複合運動は、(たとえば)制御装置25を用いて長ストローク走査手段と短ストローク走査手段の相補的制御命令を生成することによって、長ストローク運動と短ストローク運動の複合運動を用いる。長ストローク走査手段と短ストローク走査手段はたとえば以下のように実施されて良い。
− 長ストローク走査手段:たとえば線形モータを有し得る台7’。あるいはその代わりに、たとえば偏向ユニット15内において長ストローク磁気偏向コイルが利用されても良い。
− 短ストローク走査手段:たとえば静電偏向板を有し得る偏向ユニット15
制御装置25はたとえば、最終的な走査経路として利用することを望ましい特定の空間充填曲線上のサンプリング点の座標位置に基づいて、これらの長ストローク及び短ストローク走査手段に対する周期的設定点を計算及び発して良い。
図2A−2Gは、本発明の実施例を用いて描かれた走査経路の様々な態様を示し、かつ、特に如何にして走査経路が長ストローク走査手段と短ストローク走査手段の組み合わせを用いて実現されるのかを表している。より詳細には、これらの様々な図の内容は以下のように説明することができる。
図2Aは、試料Sの与えられた表面(の一部)の上面図を表している。上には(仮想上の)グリッドGが重ね合わせられている。(仮想上の)グリッドGは、前記表面を(仮想上の)複数の箱(ブロック、セル、ユニット)Bの(直交する)アレイに分離する。これらの箱Bの各々は、走査荷電粒子ビーム(ここでは図示されていない。たとえば図1の3を参照のこと)によってアクセス/サンプリングされることが意図である。このため、前記試料S上の走査経路Pを描くように、前記ビームと前記試料Sとの間で相対運動が実行される。ここで表されているように、走査経路Pはムーア曲線である。開始点PSと終了点PFは互いに近接している。複数の箱Bの各々(の中心)は、走査経路P上に位置する(つまり走査経路Pによってアクセスされる)ことに留意して欲しい。本発明によると、前記走査経路Pは、ここで詳述するように長ストローク走査手段と短ストローク走査手段の複合効果を用いて描かれて良い。
図2Bは基本的に、図2Aの対象物を示しているが、試料Sのより大きな領域をずしするためにズームアウトされている。図2Bに示された走査経路を実現するため、相補的な図2Cと図2Dはそれぞれ、協働する長ストローク走査手段(図2C)と短ストローク走査手段(図2D)によって実行される運動を示している。より具体的には以下の通りである。
− 2Dで開始して、短ストローク走査手段が相対的に限られた運動到達距離/振幅を有することは明らかである。ここで図示されているように、短ストローク走査手段は、図2Bの幅/高さのわずか約15%の範囲しか有していない。しかしこのことは障害ではない。なぜなら本発明によると、長ストローク走査手段は、図2Bの境界の範囲内のどこにでも短ストローク走査手段の運動範囲を位置設定するように起動し得るからである。
− この文脈では、図2Cは、前記長ストローク走査手段によって追随される領域を示している。図示された領域は、図2Bの走査経路よりもはるかに大きな固有セルサイズ/周期を有することに留意して欲しい。従って長ストローク走査手段は、相対的に「低周波数の」(LF)運動を実行するものとみなされて良い。このLF運動に重ね合わせられて、短ストローク走査手段は、相対的に「高周波数の」(HF)平衡位置からの変位を生じさせる。これらは、図2Dの5×バージョン(5倍にズームインされた)図2Eにおいてより明確に視認できる。
この相補的な処理の分岐は図2Fと図2Gにも表されている。図2Fと図2Gは、図2Bの走査経路に係る(走査手段への)命令(設定点)信号を表している。より詳細には以下の通りである。
− 図2Fは、図2Bの走査経路に係る合計された/累積の/正味の命令信号を示している。前記命令信号はLF「キャリア」波形に重ね合わせられたHF平衡位置からの変位を含むことに留意して欲しい。
− 図2Gでは、これらのHF及びLF成分は、より明確に表されるように分離された。図2Gの上側の(LF)信号は図2Cの長ストローク領域に相当する一方で、図2Gの下側の(HF)信号は図2D/2Eの短ストローク領域に相当する。
図2Fと図2Gの信号はたとえば、磁気偏向コイル、静電偏向板、又は機械ステージアクチュエータへの駆動電圧/電流を表して良い。
図3は、本発明による他のCPMの実施例の概略図である。より具体的には図3は、透過型顕微鏡Mの実施例を示す。透過型顕微鏡MはTEM/STEM(つまり走査機能を備えるTEM)である(とはいえ本発明においては、透過型顕微鏡Mは、たとえば有効なものとしてイオン系顕微鏡であっても良い)。図中、真空筐体2内部では、電子源4(たとえばショットキー銃)が、電子光学照射体6を通り抜ける電子ビーム8を生成する。電子光学照射体6は、(たとえば(局所的に)薄く/平坦化されて良い)試料Sの選ばれた領域に電子ビームを案内/集束する役割を果たす。この照射体6は、電子光学軸8’を有し、かつ、一般的には様々な静電/磁気レンズ、(複数の)(走査)偏向子、補正器(たとえばスティグメータ)等を有する。典型的には照射体6は収束系をも有して良い(6の全体が「収束系」と呼ばれることもある)。
試料Sは、設置装置(台)12によって多重自由度で位置設定可能な試料ホルダ10上に保持されている。たとえば試料ホルダ10は、(とりわけ)XY平面で移動可能な指部を有して良い(図示された直交座標系を参照のこと。Z軸に平行な運動とX/Yに関する傾斜も可能である)。係る移動は、軸8’に沿って(Z方向に)進行する電子ビームによる試料Sの様々な領域の照射/撮像/検査(及び/又はビーム走査の代わりに走査運動を実行すること)を可能にする。任意の冷却装置14は、試料ホルダ10と緊密に熱的接触をし、かつ、たとえば循環極低温冷媒を用いて所望の低温を実現及び維持することによって試料ホルダ10を極低温に維持することが可能である。
軸8’に沿って進行する集束電子ビーム8は、様々な種類の「誘導」放射線−(たとえば)2次電子、後方散乱電子、X線、及び光放射線(カソードルミネッセンス)を含む−が試料Sから放出されるように試料Sと相互作用する。望ましい場合には、これらの放射線の種類のうちの1種類以上が解析装置22によって検出されて良い。解析装置22はたとえば、結合されたシンチレータ/光電子増倍管又はEDX(エネルギー分散型X線分光)モジュールであって良い。そのような場合、画像は、SEMと基本的には同一の原理を用いて構築されて良い。しかし、代わりに又はそれに加えて、試料Pを通り抜け(通過し)、試料から放出(放射)され、かつ、(実質的には多少偏向/散乱するが)軸8’に沿って伝播し続ける電子が調査されて良い。係る透過電子は結像系(組み合わせられた対物/投影レンズ)24へ入射する。結像系24は一般的に、様々な静電/磁気レンズ、偏向子、補正器(たとえばスティグメータ)等を有する。通常の(非走査)TEMモードでは、この結像系24は、透過電子を蛍光スクリーン26へ集束させて良い。蛍光スクリーン26は、望ましい場合には、(矢印26’によって概略的に示されているように)軸8’から外れるように引き出され/引き込められてよい。試料S(の一部)の画像(又はディフラクトグラム)は結像系24によってスクリーン26上に生成される。これは、壁2の適切な部分に設けられたビューポート28を介して見ることができる。スクリーン26用の引き込み機構はたとえば、基本的には機械及び/又は電気によるものであって良い(ここでは図示されていない)。
スクリーン26上で画像を閲覧する代わりとして、結像系24から放出される電子束の焦点深度は一般的に非常に大きい(たとえば1mのオーダー)ということが利用されて良い。従って、たとえば以下に述べるような様々な他の種類の解析装置が、スクリーン26の下流で用いられて良い。
− TEMカメラ30。カメラ30では、電子束は、制御装置50によって処理され、かつ、たとえばフラットパネルディスプレイのような表示装置(図示されていない)上に表示可能な静的画像(ディフラクトグラム)を生成し得る。必要ないときには、カメラ30は、(矢印30’によって概略的に示されているように)軸8’から外れるように引き出され/引き込められてよい。
− STEM記録装置32。記録装置32からの出力は、試料S上のビーム8の走査位置(X,Y)の関数として記録され、かつ、X,Yの関数としての記録装置32からの出力の「マップ」である画像が構築されて良い。記録装置32は、カメラ30内に固有に存在する複数の画素からなるマトリックスとは対照的に、たとえば20mmの直径を有する単一画素を有して良い。しかも記録装置32は一般的に、カメラ30の取得速度(たとえば10点/秒)よりもはるかに高い取得速度(たとえば10点/秒)を有する。繰り返しになるが、必要ないときには、記録装置32は、(矢印32’によって概略的に示されているように)軸8’から外れるように引き出され/引き込められてよい(係る引き出しはドーナツ形状の環状暗視野記録装置32の場合には必要だが、たとえば係る装置では、その装置が使用されないときには中央孔がビームの通過を可能にする)。
− カメラ30又は記録装置32を用いた撮像の代わりに、分光装置34−たとえばEELS(EELS=電子エネルギー損失分光)モジュール−を起動させても良い。
30、32、及び34の順序/位置は厳密ではなく、多くの可能な変化型が考えられることに留意して欲しい。たとえば分光装置34は、結像系24に組み込まれても良い。
制御装置(コンピュータプロセッサ)50は、制御ライン(バス)50’を介して様々な図示された部品に接続されることに留意して欲しい。この制御装置50は、様々な機能−たとえば作用の同期、設定点の提供、信号処理、計算の実行、及び表示装置(図示されていない)上でのメッセージ/情報の表示−を供して良い。言うまでもないことだが、(概略的に図示された)制御装置50は、(部分的に)筐体2の内部又は外部に存在し、かつ、希望に応じて単一構造又は複合構造を有して良い。当業者は、筐体2の内部が厳密な真空状態に維持される必要がないことを理解する。たとえば所謂「環境制御型TEM/STEM」では、所与の気体のバックグラウンド環境圧力が、故意に筐体2の内部に導入/維持される。当業者はまた、原則的には、筐体2の容積を制限することが有利であることを理解する。それにより、可能な場合には、筐体2は基本的に軸8’を中に抱えた状態をとる。その結果筐体2は、使用された電子ビームが通過するような小さな管の形態となるが、荷電粒子ビーム源4、試料ホルダ10,スクリーン26,カメラ30、記録装置32、分光装置34等のような構造物を収容する程度には広がっている。
前述したように、本発明は、STEMモードにおいてビーム8を試料Sに対して走査させる方法に関する。試料Sは、ビーム8の与えられた表面を示すようにホルダ10上に保持される。繰り返しになるが、ビーム8とホルダ10の相対走査運動は原則として、具体的には以下のような2つの異なる方法(の組み合わせ)によって実現され得る。
− (複数の)走査偏向器16を用いてホルダ10に対してビーム8を動かす
− 台/アクチュエータ12を用いてビーム8に対してホルダ10を動かす
本発明は、たとえば制御装置50を用いて長ストローク走査手段と短ストローク走査手段の相補的制御命令を生成することによって、長ストローク運動と短ストローク運動の複合運動を用いる。長ストローク走査手段と短ストローク走査手段はたとえば以下のように実施されて良い。
− 長ストローク走査手段:たとえば電流を流すコイルを有し得る(複数の)走査偏向器16。
− 短ストローク走査手段:たとえばボイスコイルモータを有し得る台12。あるいはその代わりに、たとえば偏向器16内で短ストローク静電偏向板が用いられても良い。
M 荷電粒子顕微鏡
1 粒子光学鏡筒
3 荷電粒子ビーム
3’ 粒子光学軸
5 真空チャンバ
7 試料ホルダ
7’ 台/アクチュエータ
S 試料
9 電子源
11 レンズ
13 レンズ
15 偏向ユニット
17 電源
19 検出器
21 検出器
23 中央開口
25 制御装置/コンピュータ処理装置
25’ 制御ライン(バス)
27 表示装置
2 真空筐体
4 荷電粒子ビーム源
6 電子光学照射体
S 試料
8 電子ビーム
8’ 電子光学軸
10 試料ホルダ
12 設置装置(台)
14 冷却装置
22 解析装置
24 結像系
26 蛍光スクリーン
26’ 矢印
28 ビューポート
30 カメラ
30’ 矢印
32 記録装置
32’ 矢印
34 分光装置
50 制御装置
50’ 制御ライン(バス)

Claims (9)

  1. 走査型荷電粒子顕微鏡であって、
    試料を保持する試料ホルダ、
    荷電粒子ビームを生成するビーム源、
    前記試料へ照射するように前記ビームを案内する照射体、
    前記照射に応じて前記試料から放出される放射線束を検出する検出器、
    前記ビームに前記試料上で走査経路を描かせるように前記ビームと前記試料の相対走査運動を生じさせる走査手段、
    − 当該顕微鏡中で少なくとも1つの自動化された処理を実行するように起動可能なプログラム可能な制御装置、
    を有し、
    前記走査手段は、
    相対的に大きな振幅及び相対的に低い周波数の走査運動を実行する長ストローク走査手段、
    相対的に小さな振幅及び相対的に高い周波数の走査運動を実行する短ストローク走査手段、
    を有し、
    前記制御装置は、相対的に小さな振幅の運動を含む走査経路を描くように起動し得て、前記相対的に小さな振幅の運動は、前記短ストローク走査手段を用いて実行されて良く、前記長ストローク走査手段の助けを借りることによって実現される結果として生じる相対的に大きな振幅のマイグレーションと一緒になる、
    ことを特徴とする、顕微鏡。
  2. 前記長ストローク走査手段と前記短ストローク走査手段の各々は、静電場偏向子、磁場偏向子、及びそれらの結合を含む群から選ばれ、
    前記走査経路は、相対的に小さな振幅の第1場の偏向を、相対的に大きな振幅の第2場の偏向に重ね合わせ、かつ、前記ビームにこれらの重ね合わせられた偏向を施すことによって実現される、
    請求項1に記載の顕微鏡。
  3. 前記長ストローク走査手段と前記短ストローク走査手段のうちの一は、静電場偏向子、磁場偏向子、及びこれらの結合を有する群から選ばれ、
    前記長ストローク走査手段と前記短ストローク走査手段のうちの他は、前記試料ホルダを動かす機械的アクチュエータを有し、
    前記走査経路は、ビーム偏向と試料ホルダの運動の組み合わせによって実現される、
    請求項1に記載の顕微鏡。
  4. 前記制御装置が、実質的に数学的空間充填曲線である走査経路を描くように起動し得る、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の顕微鏡。
  5. 前記制御装置が、蛇行状曲線、ヒルベルト曲線、ムーア曲線、Z次の曲線、H次の曲線、ペアノ曲線、AR曲線、βΩ曲線、及びこれらの結合を有する群から選ばれる走査経路を描くように起動し得る、請求項4に記載の顕微鏡。
  6. 前記長ストローク走査手段の相対的に低いサンプリング周波数に適合する相対的に長い固有応答時間を有する第1検出器、
    前記短ストローク走査手段の相対的に高いサンプリング周波数に適合する相対的に短い固有応答時間を有する第2検出器、
    を有する請求項1乃至5のいずれか一項に記載の顕微鏡であって、
    前記走査経路が描かれている間、前記第1検出器と前記第2検出器は、前記放射線束を検出するように共に配置されて良い、顕微鏡。
  7. 前記第1検出器と前記第2検出器の各々は、前記束中において異なる放射線種を検出するように起動し得る、請求項6に記載の顕微鏡。
  8. 試料ホルダ上に試料を供する段階、
    前記試料へ照射するようにビーム源から照射体を介する荷電粒子ビームを案内する段階、
    前記照射に応じて前記試料から放出される放射線束を検出するために検出器を用いる段階、
    走査手段を用いることによって、前記ビームに前記試料上で走査経路を描かせるように前記ビームと前記試料の相対走査運動を生じさせる段階、
    相対的に大きな振幅及び相対的に低い周波数の走査運動を実行する長ストローク走査手段、
    相対的に小さな振幅及び相対的に高い周波数の走査運動を実行する短ストローク走査手段、
    を有する前記走査手段を実施する段階、
    相対的に小さな振幅の運動を含む前記走査経路を構成する段階であって、前記相対的に小さな振幅の運動は、前記短ストローク走査手段を用いて実行され、前記長ストローク走査手段の助けを借りることによって実現される結果として生じる相対的に大きな振幅のマイグレーションと一緒になる、段階、
    を有することを特徴とする、走査型荷電粒子顕微鏡の使用方法。
  9. 前記走査経路が疎な走査経路となるように選ばれる、請求項8に記載の方法。
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