JP2018190705A - 荷電粒子源の放出雑音補正 - Google Patents

Abstract

【課題】小さなエミッタンス面積を有する荷電粒子源はガスの吸着により放出電流が激しく変化しフリッカ雑音が発生する。比較的小さいプローブ電流における信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比を改善する方法と荷電粒子装置を提供する。【解決手段】電子源４と試料ホルダとの間に、穴１４を備えたビーム電流センサ１２を配置する。センサは電子正孔対を形成する感知層１６を備えた半導体センサで、良好なＳ／Ｎ比での検出が可能である。検出中の電流変動の影響を抑制するため検出信号を補償器へ入力する。【選択図】図２

Description

本発明は、荷電粒子顕微鏡を動作させる方法であって、
− 試料ホルダ上に試料を置くステップと、
− ビーム電流変動を生じやすい荷電粒子ビームを生成するための源を使用するステップと、
− 前記源と前記試料ホルダとの間に位置するビーム電流センサを使用して、ビームの一部を遮断し、ビームの遮断された部分の電流に比例した遮断信号を生成するステップであり、ビーム電流センサが、関連プローブ電流を有するビーム・プローブを通過させるように配置された穴を備える、ステップと、
− 試料上で前記プローブを走査し、それによって試料に試料電流を、試料上のそれぞれの走査位置に関連づけられたドウェル時間で照射するステップと、
− 検出器を使用して、前記プローブによる照射に反応して試料から発出した放射を検出し、関連検出器信号を生成するステップと、
− 前記遮断信号を補償器への入力として使用して、前記検出器信号中の前記電流変動の影響を抑制するステップと
を含む方法に関する。

本発明はさらに、その中でこの方法を実施することができる荷電粒子顕微鏡に関する。

荷電粒子顕微鏡法は、顕微鏡レベルの微小な物体を特に電子顕微鏡法の形態で画像化する、ますます重要となる公知の技法である。過去、基本的な電子顕微鏡属は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）などのいくつかの公知の装置種へと進化し、さらに、例えばイオン・ビーム・ミリングまたはイオン・ビーム誘起付着（ＩＢＩＤ）などの支援的作業を可能にする、「加工」集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）を追加的に使用するいわゆる「デュアル・ビーム」ツール（例えばＦＩＢ−ＳＥＭ）などのさまざまな亜種へと進化した。以下により詳細に説明する。

− ＳＥＭでは、走査電子ビームによる試料への照射が、試料からの例えば２次電子、後方散乱電子、Ｘ線および陰極ルミネセンス（赤外、可視および／または紫外光子）の形態の「補助」放射の発出を促進する。次いで、この発出した放射の１つまたは複数の成分が検出され、画像蓄積目的に使用される。

− ＴＥＭでは、試料を透過するのに十分な高いエネルギーを有する電子ビームが選択されて、試料に照射する目的に使用される（そのため、試料は一般に、ＳＥＭ試料の場合よりも薄い）。次いで、試料から発出した透過電子を使用して、画像を生成することができる。このようなＴＥＭを走査モードで動作させる（したがってそのＴＥＭはＳＴＥＭとなる）と、照射電子ビームの走査動作中に当該画像が蓄積される。

本明細書で説明する主題のうちのいくつかの主題に関するより多くの情報は、例えば以下のＷｉｋｉｐｅｄｉａリンクから収集することができる。

en.wikipedia.org/wiki/Electron#microscope
en.wikipedia.org/wiki/Scanning#electron#microscope
en.wikipedia.org/wiki/Transmission#electron#microscopy
en.wikipedia.org/wiki/Scanning#transmission#electron#microscopy
電子を照射ビームとして使用する代わりに、他の荷電粒子種を使用して荷電粒子顕微鏡法を実行することもできる。この点に関して、語句「荷電粒子」は、例えば電子、陽イオン（例えばＧａまたはＨｅイオン）、陰イオン、陽子および陽電子を含むものと広く解釈されるべきである。非電子ベースの荷電粒子顕微鏡法に関しては、例えば以下の参照文献などの文献から、いくらかの追加情報を収集することができる。

en.wikipedia.org/wiki/Focused#ion#beam
en.wikipedia.org/wiki/Scanning#Helium#Ion#Microscope
Ｗ．Ｈ．Ｅｓｃｏｖｉｔｚ，Ｔ．Ｒ．ＦｏｘおよびＲ．Ｌｅｖｉ−Ｓｅｔｔｉ、Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｉｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｗｉｔｈ ａ Ｆｉｅｌｄ Ｉｏｎ Ｓｏｕｒｃｅ、Ｐｒｏｃ．Ｎａｔ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ ７２（５）、１８２６〜１８２８ページ（１９７５）
www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22472444
画像化および（局限された）表面改変（例えばミリング、エッチング、付着など）の実行だけでなく、分光法の実行、ディフラクトグラムの調査などの他の機能を荷電粒子顕微鏡が有することもあることに留意すべきである。

全ての場合に、荷電粒子顕微鏡（ＣＰＭ）は、少なくとも以下の構成要素を備える。

− ショットキー電子源、イオン源などの粒子源。

− 照明器。照明器は、源からの「未処理の」放射ビームを操作する役目を果たし、その後に、集束、収差軽減、（絞りを用いた）クロッピング、フィルタリングなどのある種の操作を実行する役目を果たす。照明器は一般に、１つまたは複数の（荷電粒子）レンズを備え、他のタイプの（粒子−）光学構成要素を備えることもある。所望ならば、照明器から出たビームに調査中の試料の走査動作を実行させる目的に使用することができる偏向システムを照明器に提供することができる。

− 試料ホルダ。試料ホルダの上で、調査対象の試料を保持し、位置決めする（例えば傾けたり回転させたりする）ことができる。所望ならば、試料に対するビームの走査動作を実施するために、このホルダを移動させることができる。このような試料ホルダは一般に、位置決めシステムに接続される。極低温の試料を保持するように設計されているとき、試料ホルダは、前記試料を、例えば適当に接続された寒剤槽を使用して極低温に維持する手段を備える。

− （照射を受けた試料から発出した放射を検出する）検出器。検出器は、本来は一体型検出器または複合型／分散型検出器であり得、検出する放射に応じて多くの異なる形態をとることができる。検出器の例には、フォトダイオード、ＣＭＯＳ検出器、ＣＣＤ検出器、光電池、Ｘ線検出器（例えばシリコン・ドリフト検出器およびＳｉ（Ｌｉ）検出器）などがある。一般に、ＣＰＭは、異なるいくつかのタイプの検出器を備えることができ、それらの中から状況に応じて検出器を選択することができる。

特にデュアル・ビーム顕微鏡の場合には、異なる２種類の荷電粒子種を生成するために、（少なくとも）２つの源／照明器（粒子−光学カラム）がある。普通は、試料を画像化するために、（垂直に配置された）電子カラムが使用され、（同時に）試料を改変（加工／処理）および／または画像化するために、（斜めに配置された）イオン・カラムが使用される。これによって、試料ホルダを多自由度で位置決めして、試料の表面を、使用する電子／イオン・ビームに対して適切に「提示する」ことができる。

（例えば（Ｓ）ＴＥＭなどの）透過型顕微鏡の場合、具体的にはＣＰＭは以下のものを備える。

− 画像化システム（画像化粒子−光学カラム）。画像化システムは、試料（平面）を透過した荷電粒子を本質的に受け取り、それらの荷電粒子を、検出／画像化装置、（ＥＥＬＳ装置などの）分光装置などの分析装置上に導く（集束させる）。上で参照した照明器と同様に、画像化システムも、収差軽減、クロッピング、フィルタリングなど、その他の機能を実行することがあり、一般に、１つもしくは複数の荷電粒子レンズおよび／または他のタイプの粒子−光学構成要素を備える。

既に上で指摘したとおり、用語「プローブ」はしばしば、試料の位置にある（細い）ビームを指すために使用される（これは、ビームによって試料が「プロービング」されるためである）。

以下では、例として、時に、本発明は電子顕微鏡法の特定の文脈で実施形態が記載される。しかしながら、このような単純化は単に明確化／例示が目的であり、これを、本発明を限定するものと解釈すべきではない。

ＳＥＭ、ＳＴＥＭなどの荷電粒子顕微鏡は高輝度源を使用することが好ましい。電子の場合、そのような１つの源は冷陰極電界放出源（冷陰極電界放出銃またはＣＦＥＧとも呼ばれる）である。このような源は、源サイズが非常に小さく、したがって輝度が非常に高い。この源は室温（または室温に近い温度）で動作させるため、最小限の熱エネルギー幅が導入される。イオンを生成する同様の源は例えば液体金属イオン源である。

ＣＦＥＧなど小さなエミッタンス面積を有する源の問題は、直径がわずか原子数個分である面積から荷電粒子が放出されることである。これらの放出原子の一部にガスが吸着した場合には、それによってこのような源の放出が激しく変化し、その結果、いわゆるフリッカ雑音が生じる。したがって、このような源は従来、超高真空（例えば１０^−１０ミリバール以上の真空）で動作させる。しかしながら、電流変動は依然として、これらの源のよく知られた問題である。このような源はさらに、放出される荷電粒子の数の統計的変動に起因するポアソン雑音を示すことに留意されたい。

米国特許第３，７８３，２８１号明細書は、電流変動の影響に対抗する方法を記載している。この特許は、電流変動を有する電子ビームを生成するＣＦＥＧを備えるＳＥＭを記載している。このビームを絞りに通すことによりこのビームからプローブを形成し、このプローブが試料上で走査され、それによって試料から２次放射を発出させる。前記２次放射に比例した画像信号を画像検出器が生成し、この信号を使用してディスプレイ上に画像を生成する。試料から発出したこの信号はプローブ電流に比例しているため、プローブ電流の変動は、画像信号の強度変動、したがって画像の強度変動を引き起こす。プローブ電流の変動に起因する画像の変動を低減させるため、遮断絞りに衝突したビーム電流の遮断された部分に比例した基準信号が生成される。ビームの前述の遮断された部分は、遮断絞りの遮断された部分から２次電子（ＳＥ）および後方散乱電子（ＢＳＥ）を生成する。これらのＳＥおよびＢＳＥを、エバーハート−ソーンリー検出器（ＥＴ検出器）を使用して検出し、その結果として前記遮断信号を生成する。最初に、画像信号を、第１の対数増幅器によって処理して第１の対数信号を生成し、遮断信号を、第２の対数増幅器によって処理して第２の対数信号を生成し、これらの２つの対数信号の減算を実施し、次いで、減算後の信号を逆対数増幅器によって処理する。その結果生じる信号は、画像信号に遮断信号を乗じた積に比例し、それによってビーム電流変動の影響を低減させる。遮断絞りは、直径２００μｍのビームによる照射を受け、１００μｍの中心穴を有し、その結果、この記載された実施形態は、プローブ電流の約３倍の遮断電流を有する。

ＥＴ検出器を使用したシステムに対する雑音モデルが、Ｆ．Ｔｉｍｉｓｃｈｌ他の論文「Ａ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｉｇｎａｌ−ｎｏｉｓｅ ｉｎ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」、Ｓｃａｎｎｉｎｇ、３３巻、１〜８（２０１１）に記載されている。このＴｉｍｉｓｃｈｌの論文は、プローブ中の雑音、ＳＥへの転換によって加えられた雑音、光子への転換によって加えられた雑音、光電子への転換によって加えられた雑音、およびＥＴ検出器内のＰＭＴ（光電子増倍管）のダイノードでの電子増倍によって加えられた雑音の５段階雑音モデルを使用して、ＥＴ検出器を使用したシステムの雑音を論じている。源については、Ｔｉｍｉｓｃｈｌ論文はポアソン寄与を仮定している。既に述べたとおり、例えばポアソン雑音とフリッカ雑音の両方を示すＣＦＥＧの場合、このような単純化は適切でない。

現在のＳＴＥＭおよびＳＥＭは、通常約１０〜１００ｐＡ（時に１〜１０００ｐＡ）の範囲のビーム電流、および通常１ピクセル当たり約１０マイクロ秒（時に０．１〜１０００マイクロ秒）のドウェル時間を使用している。このことは例えば、１ピクセルあたり６２４電子という電子数、したがって２５電子のポアソン雑音を意味する（信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比＝２．４ｘ＝約８ｄＢ）。ＥＴ検出器鎖のポアソン雑音が等しくなるためには、遮断電流に２次電子放出係数を乗じた積が、プローブ電流に等しくならなければならない。当業者に知られているとおり、１０ｋｅＶ以上の１次エネルギーを有する電子を使用したときの研磨された金属プレートのＳＥ放出率δは０．１から０．５の間である。後方散乱電子の放出率はこれよりもいっそう低い。したがって、プローブ電流のショット雑音が限定されており、遮断された電流が、前述の特許米国第３，７８３，２８１号明細書に記載された装置によって測定される装置では、遮断された電流の使用が、プローブ電流の少なくとも２から５倍大きくなければならない。別の欠点は、ＥＴ検出器に関連したコストが比較的に高いこと（および嵩張ること）である。逆対数増幅器および対数増幅器を使用したシステムのさらに別の問題は、それらの増幅器が、まさしくそれらの性質によって、余分の雑音を追加する傾向を有することである。

遮断電流を測定することによって放出雑音を補正する別の方法が、米国特許第４，９９０，７７８号明細書に記載されている。この文献では、金属プレートを使用して電流を遮断すること、および、遮断された電流を、電流−電圧変換器を使用して測定することが提案されている。次いで、遮断電圧を検出器に対する入力信号として使用し、そのようにしてプローブ電流変動の影響に対抗する。しかしながら、この方法の問題は、電流−電圧変換器によって熱雑音が導入されることである。さらに、遮断プレートを出た２次電子は、２次電子の電流が測定された電流から減算されたときに雑音として現れ、統計的成分を追加し、測定された電流を低下させ、したがって信号を低下させる。

したがって、上述の先行技術の方法に共通する問題は、Ｓ／Ｎ比の問題が生じ、小さなビーム電流を使用したときにはうまく機能しないことである。

米国特許第３，７８３，２８１号明細書 米国特許第４，９９０，７７８号明細書 米国特許第８，６５３，４５７号明細書 米国特許第８，７３５，８４９号明細書

en.wikipedia.org/wiki/Electron#microscope en.wikipedia.org/wiki/Scanning#electron#microscope en.wikipedia.org/wiki/Transmission#electron#microscopy en.wikipedia.org/wiki/Scanning#transmission#electron#microscopy en.wikipedia.org/wiki/Focused#ion#beam en.wikipedia.org/wiki/Scanning#Helium#Ion#Microscope Ｗ．Ｈ．Ｅｓｃｏｖｉｔｚ，Ｔ．Ｒ．ＦｏｘおよびＲ．Ｌｅｖｉ−Ｓｅｔｔｉ、Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｉｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｗｉｔｈ ａ Ｆｉｅｌｄ Ｉｏｎ Ｓｏｕｒｃｅ、Ｐｒｏｃ．Ｎａｔ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ ７２（５）、１８２６〜１８２８ページ（１９７５） www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22472444 Ｆ．Ｔｉｍｉｓｃｈｌ他、「Ａ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｉｇｎａｌ−ｎｏｉｓｅ ｉｎ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」、Ｓｃａｎｎｉｎｇ、３３巻、１〜８（２０１１）

本発明の目的は、これらの課題に対処することにある。より詳細には、本発明の目的は、変動を補正する方法／装置であって、より満足のいく信号対雑音比を達成する方法／装置、特に、比較的に小さいプローブ電流、例えば１０〜１００ｐＡ（ピコアンペア）の範囲のプローブ電流においてより満足のいく信号対雑音比を達成する方法／装置を提供することにある。

これらの目的およびその他の目的は、冒頭の段落に記載された方法であって、ビーム電流センサが、源の方へ配向された感知層を備える半導体デバイスとして構成されており、
・ビームの遮断された前記部分のそれぞれの荷電粒子が前記感知層の中で電子／正孔対を生成し、
・生成された電子が、半導体デバイスの陽極に引っ張られ、
・生成された正孔が、半導体デバイスの陰極に引っ張られ、それによって前記遮断信号を生成する
方法で達成される。

本発明に至る広範囲の実験および分析の間に、本発明の発明者は、電子／正孔対ベースのセンサを使用すれば、上述の米国特許第３，７８３，２８１号明細書および米国特許第４，９９０，７７８号明細書に記載された方法などの方法において制限的に働く雑音の影響を、実質的に軽減／排除することができるという結論を得た。前記先行技術の方法における特定の問題は、２次電子放出係数δの雑音寄与である。対照的に、本発明では、たとえ本発明のビーム電流センサの感知層で（意図しない）ＳＥ／ＢＳＥ生成が起こる場合であっても、良好なＳ／Ｎ比を与えるのに十分に多数の電子／正孔対がやはり生成される。全体として、電子／正孔生成を利用する検出器では、あいまいでない検出の確率がより高くなり／いわゆる検出器パイルアップの問題がより少なくなる（下記参照）。

半導体センサに、輪郭のはっきりした小さな（通常、直径数百ミクロン程度の）穴を正確に提供することは、些細なことではないことに留意すべきである。これは、とりわけ、いわゆる「エッジ効果」が大きくなる傾向があるためである。穴の縁は、穴を形成するのに使用する（エッチング）プロセスのアーチファクトとして、ダングリングボンドを持つＳｉ（または他の半導体）原子を有する傾向を有し、これらの原子は、寄生電荷生成／再結合中心として機能する傾向がある。センサのＰＮ接合はこの縁に近いため、空乏領域がこの穴の縁まで延びることがあり、したがって潜在的に（非常に）高い漏れ電流につながることがある。この影響を軽減するため、穴の側壁を、例えば高濃度にドープされたｐ型領域（いわゆる「ピンニング層」）で不動態化することができる。（例えばホウ素を含む）この層を狭い空洞／穴の側壁に注入によって形成することは難しい作業だが、本発明の発明者らは、（感知層の平面に対する）垂線から例えば約５〜１０°の角度でイオン注入を実行することによってこの課題を克服した。

本発明の有利な実施形態は以下の機能を有する。

− 源とビーム電流センサとの間に、ビーム画定絞りを備えるビーム・フットプリント調整要素が設けられている。

− 前記要素は、ビーム電流センサに入射するビームの直径を画定するように構成される。

このような実施形態の重要な基礎は、ビームの遮断された部分の電流とプローブ電流との間には一般に１対１の相関はないとする本発明の発明者らによる洞察である。驚いたことに、遮断されたビームの外側領域の電流とプローブ電流との間の相関は比較的に低い／不安定であること、さらに、これらの外側領域は最も大きなフリッカ雑音を生じやすいことを本発明の発明者らは発見した。これにより、本発明の発明者らは、ビームの遮断された部分の直径を切り詰め、それによってビームの遮断された部分の最も内側の領域に選択的に集中した場合に、相関を最もよくすること（および雑音の影響を大幅に低減すること）が達成できるという結論に達した。これは、比較的に小さなビーム・フットプリントだけを本発明のビーム電流センサ上へと通過させるビーム画定絞りを（またはそのような絞りを複数）使用することによって達成することができる。透過ビームを所望のとおりに「狭窄する」ようその励起を調整することができる上流の（１つまたは複数の）粒子−光学レンズを使用することによって、この効果を高めることができる。

上の段落に記載した効果の可能性のある説明は、フリッカ雑音は、ビーム中の荷電粒子の角度分布の確率的変動に関連しており、比較的に大きな角度（ビーム電流センサの外側領域）での変動は、比較的に小さな角度（ビーム電流センサの内側領域）での変動に比べて頻度が小さく／より不安定であるということである。このことを知っていなければ、直観的に、遮断されたビームをできるだけ多く記録したいと考えるであろう。これは、一般に、信号が多いほど、Ｓ／Ｎ比はよくなると考えられるためである。しかしながら、このことを知れば、遮断されたビームの外側領域を記録することは、予想に反してより大きな雑音を導入することになり、実際には逆効果であることが分かる。上で説明した技法などの先行技術の技法の問題は、遮断されたビームの直径をこのように切り詰めると、満足のいくＳ／Ｎ性能を与えるのに十分な信号（電流）が集められないことである。一方、本発明に基づく半導体ベースの電流センサは、検出機構が基本的に異なるため、このような小さなビーム直径／電流に対しても依然として満足のいくＳ／Ｎ比を与えることができる。指針とする目的の例を示すと、本発明は、遮断された電流がプローブ電流の２倍未満のときでも十分に機能し、一方、先行技術では、このような電流比が不十分な性能をもたらす。

この遮断信号を使用して、補償器が、源フリッカの影響を抑制する方式に関しては、さまざまな選択肢があり、それらは大きく、「実時間」カテゴリおよび「遡及」カテゴリに下位分類することができる。前者の（実時間）カテゴリでは、例えば、遮断信号を使用して、
（ｉ）走査ドウェル時間の調節、
（ｉｉ）検出器の応答の調整、
（ｉｉｉ）源のデューティサイクル調節
（のうちの１つまたは複数）を実行することを区別することができる。

これらの手法は、さらに以下のように説明することができる。

（ｉ）所与の走査ピクセルに送達される全放射「線量」は、電流（強度）とドウェル時間の積（を積分したもの）である。（フリッカ雑音のために）電流が増大または低下した場合には、ドウェル時間を逆に短くまたは長くして、積を本質的に一定に維持することができる。実際には、例えば、ピクセルｐ_ｎの走査中に測定された遮断電流を使用して、後続のピクセルｐ_ｎ＋１に対するドウェル時間を予め決定する／調整することができる。

（ｉｉ）やや似た方式では、（フリッカ雑音のために）電流が増大または低下した場合に、検出器の応答（例えば利得）を逆に小さくまたは大きくして、これらの２つの量の積が本質的に一定のままとなるようにすることもできる。この場合も、例えば、ピクセルｐ_ｎの走査中に測定された遮断電流を使用して、後続のピクセルｐ_ｎ＋１に対する検出器応答を予め決定する／調整することができる。

（ｉｉｉ）「リアクティブ」な戦略（ｉ）および（ｉｉ）の代わりに、源自体においてフリッカ挙動に対処する、より「プロアクティブ」な戦略を考えることもできる。例えば、以前のピクセルｐ_ｎの走査中に記録された遮断電流の増大／低下に反応して後続のピクセルｐ_ｎ＋１に対する源引出し電圧を低下／増大させることによってフリッカ挙動に対処する。

これらの戦略は全て、遮断電流の変動の測定に関連した反応時間を最小化するために、例えば高速処理回路および高速バス（例えば光ファイバ・リンク）の使用から利益を得ている。一方、遡及的（事後の）補正手法を採用する場合には、これと同じように高速処理／バスが必要なわけではない。このシナリオでは、データが、未処理データの形態で蓄積および記憶され、後にゆっくりと処理／再加工されるためである。この遡及的補正カテゴリでは、有利な手法が例えば以下の手法である。

− 検出器信号が、ピクセル単位で未処理画像へと組み立てられ、
− 遮断信号が、ピクセル単位でフリッカ・マップへと組み立てられ、
− 補償器が、前記フリッカ・マップを使用して、前記未処理画像のピクセル単位の補正を実行する。

このようなシナリオでは、フリッカ・マップが、（ディジタル）未処理画像のそれぞれのピクセルを操作／補正する目的に使用されるピクセル単位の（ディジタル）「フィルタ」の働きを効果的にすることができる。

本発明の別の実施形態では、
− ビーム電流センサが、キャリヤ上に配された複数のビーム電流センサのうちの１つのビーム電流センサであり、
− アクチュエータ機構を使用して、前記複数のビーム電流センサのうちの選択可能な１つのビーム電流センサを前記ビームの経路上に移動させる。

キャリヤ上のさまざまなセンサは、
− 互いに全く同じセンサとし、前記複数のビーム電流センサのうちその時点で配置されているビーム電流センサが（例えばエッチング効果のために）その寿命の終わりに達した場合に代替／予備センサを配置することを可能にすることができ、および／または、
− 例えばプローブが通過する穴の直径に関して互いに異なるセンサとすることができる。

アクチュエータ機構は、例えばステッパ・モータ、圧電アクチュエータなどの助けを借りて、平行移動および／または回転動作することができる。このような状況では、キャリヤ上のさまざまなセンサ（の中心）の座標を参照用テーブルに記憶しておき、必要なときに、アクチュエータ機構が、所与のセンサをビーム経路上に迅速に位置決めすることを可能にすることができる。

本発明の有利な実施形態では、ビーム電流センサの半導体デバイスが原位置増幅器を備える。このような構成はさらに、半導体デバイスと外位置増幅器との間の（雑音アンテナとして機能しうる）（比較的に長い）伝送線を排除することにより、雑音を低減させるのに役立つ。それに加えて、原位置増幅器は、遮断信号のより高速な処理に寄与し、したがって、例えば上で論じた「実時間」補償方法の文脈において有利である。

本発明の特定の実施形態では、ビーム電流センサの感知層がセグメント化またはピクセル化されている（すなわち、複数の個々の検出下位領域に細分されている）。このような構成は、以下のような関連するいくつかの利点を有する。

− ビームの遮断された部分から、角度に関して分解された情報、例えば遮断された外側領域の電流対遮断された内側領域の電流の情報を抽出することができる。このような情報は、遮断されたビームのどの部分が、遮断されなかったプローブとの間で最もよい相関を与えるのかを判断／調整する際に有用である（上記の議論を参照されたい）。このことは、例えば入れ子状に配置された一組の環状域にピクセル化またはセグメント化する場合に特に当てはまる。

− 上記の点の延長として、セグメント化／ピクセル化は、遮断されたビームの外側領域から来る信号を無視し、したがって遮断された内側領域に集中する選択肢を可能にする。したがって、セグメント化／ピクセル化は、上述のビーム・フットプリント調整要素と同様の効果を達成し、上述のビーム・フットプリント調整要素の補足手段および／または代替手段として機能する。

− いわゆる検出パイルアップの機会が減る。１つの検出下位区分が入来荷電粒子を記録したばかりで、まだリセットされていない場合でも、後続の入来荷電粒子を検出する準備ができた他の多数の検出下位区分が依然としてある。したがって「データ脱落」の機会が減る。これは、例えば、近い間隔で粒子が並んだ短い入来粒子列を、単一の事象として誤って記録することなく分解することができるためである。このデータ・パイルアップ現象は、例えば（本発明の譲受人に譲渡された）米国特許第８，６５３，４５７号明細書により詳細に記載されている。

− この「データ脱落」の危険性の低減に関連して、予想されるＳ／Ｎ比が改良される。

上の段落で述べたようなピクセル化されたビーム電流センサの有利な例は、アバランシェ・フォトダイオードのピクセル化されたアレイである固体光電子増倍管（ＳＳＰＭ）であり、これは時に、マルチ・ピクセル・フォトン・カウンタ（ＭＰＰＣ（登録商標））とも呼ばれる。例えば（本発明の譲受人に譲渡された）米国特許第８，７３５，８４９号明細書を参照されたい。本発明のビーム・センサとして使用するのに／本発明のビーム・センサの中で使用するのに適した他のタイプのセンサには例えば、フォトダイオード（通常のフォトダイオードおよび／またはアバランシェ・フォトダイオード）、ＣＣＤ（電荷結合デバイス）、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）検出器およびＳＴＥＭカメラなどがある。所望ならば、選択した検出器の中で、（ホウ素（ドープ）層などの）放射線硬化シールドを使用することができる。当業者は、所与の検出装置の詳細に最も適したセンサ・タイプを選択することができる。

本発明のビーム電流センサが、ビーム制限絞り（ＢＬＡ）の役割も同時に果たすと理想的である。ＢＬＡは、その上に入射したプローブのフットプリント／取込み角を画定するために通常は試料の上流に存在する絞りプレートである。しかしながら、所望ならば、例えば（例えば使用に関連したエッチング効果に起因する）ビーム電流センサの穴に関する品質上の潜在的な懸念を軽減するために、または単純に、試料レベルでのビームの独立した調整を可能にするために、本発明のビーム電流センサと試料の間に（切替え可能な）別個の／異なる／専用のＢＬＡを配することもできる。

上で既に述べたとおり、使用する源がＣＦＥＧであるときに本発明は特に有利である。しかしながら、ＣＦＥＧは、本発明とともに使用することができる唯一の源タイプではない。他の源タイプには例えば、電子衝突イオン化源［その具体的な形態はナノ・アパーチャ・イオン源（ＮＡＩＳ）である］、液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）［既述］、電界イオン化源などがある。イオンは電子よりもはるかに重いため、イオン・ビームは、本発明のビーム電流センサの穴の縁をより攻撃的にエッチングすると予想することができる。しかしながら、例えばセンサが寿命の終わりに達したときに摩損したそのセンサを交換することを容易に可能にする上述の交換機構（アクチュエータによって動くキャリヤ上の多数のセンサ）を考慮すれば、このことは必ずしも問題とはならない。

本発明は、ＳＥＭ、ＳＴＥＭ、ＦＩＢ−ＳＥＭおよび他のさまざまなタイプのＣＰＭに適用することができることを当業者は理解するであろう。

次に、例示的な実施形態および添付図面に基づいて本発明をより詳細に説明する。

本発明が実装されるＣＰＭの一実施形態の縦断面図である。 図１の部分拡大図である。

これらの図では、適切な場合に、対応する部分が対応する参照符号を使用して示されている。一般に、これらの図は一定の比率では描かれていないことに留意すべきである。
実施形態１
図１は、本発明が実装される荷電粒子顕微鏡Ｍの一実施形態の非常に概略的な図である。より詳細には、図１は、透過型顕微鏡Ｍの一実施形態を示す。このケースでは、透過型顕微鏡ＭがＴＥＭ／ＳＴＥＭである（しかしながら、本発明の文脈では、透過型顕微鏡Ｍを、例えばＳＥＭまたはイオン・ベースの顕微鏡とすることもできる）。この図では、真空エンクロージャ２内で、ＣＦＥＧ電子源４が電子ビームＢを生成し、電子ビームＢは、電子−光学軸Ｂ’に沿って伝搬し、電子−光学照明器６を横切る。電子−光学照明器６は、（例えば（局所的に）薄化／平坦化されていることがある）試料Ｓの選ばれた一部分上に電子を導く／集束させる役目を果たす。この照明器６は（走査）偏向器８を備え、一般に、さまざまな静電／磁気レンズ、（非点収差補正装置などの）補正器などをさらに備える。照明器６は通常、コンデンサ・システムをさらに備えることもできる（照明器６は時に、その全体が「コンデンサ・システム」と呼ばれる）。ビームＢは、試料ＳにプローブＰ（後により詳細に論じる）として入射する。

試料Ｓは、試料ホルダＨ上に保持される。位置決め装置／ステージＡによって、試料ホルダＨを多自由度で位置決めすることができる。位置決め装置／ステージＡは、ホルダＨが（取外し可能に）固定されたクレードルＡ’を移動させる。例えば、試料ホルダＨは、（とりわけ）ＸＹ平面内で移動させることができるフィンガを備えることができる（図示されたデカルト座標系を参照されたい。通常、Ｚ軸に対して平行な運動およびＸ軸／Ｙ軸を軸にした傾斜も可能である）。このような運動は、軸Ｂ’に沿って（Ｚ方向に）進む電子プローブＰにより試料Ｓの異なる部分に照射し／試料Ｓの異なる部分を画像化し／試料Ｓの異なる部分を検査すること（および／またはプローブ走査の代わりに走査動作を実行すること）を可能にする。所望ならば、試料ホルダＨ（およびその上の試料Ｓ）を例えば極低温に維持するために、任意選択の冷却装置（図示せず）を、試料ホルダＨと密に熱接触させることができる。

（例えば）２次電子、後方散乱電子、Ｘ線および光学放射（陰極ルミネセンス）を含むさまざまなタイプの「誘導」放射を試料Ｓから発出させるような形で、電子プローブＰは試料Ｓと相互作用する。所望ならば、分析装置２２の助けを借りて、これらのタイプのうちの１つまたは複数のタイプの放射を検出することができる。分析装置２２は例えば、結合シンチレータ／光電子増倍管またはＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）モジュールとすることができる。このような場合には、ＳＥＭの場合と基本的に同じ原理を使用して画像を構築することができる。しかしながら、これの代わりにまたはこれに加えて、試料Ｓを横切り（通り抜け）、試料Ｓから現れ（発出し）、軸Ｂ’に沿って（実質的に）伝搬し続ける（しかしながら一般にある程度の偏向／散乱はある）電子を調べることもできる。このような透過電子束は、画像化システム（結合対物／投影レンズ）２４に入る。画像化システム２４は一般に、さまざまな静電／磁気レンズ、偏向器、（非点収差補正装置などの）補正器などを備える。通常の（非走査）ＴＥＭモードでは、この画像化システム２４が、透過電子束を蛍光スクリーン２６上に集束させることができる。所望ならば、（矢印２６’によって概略的に示されているように）蛍光スクリーン２６を後退させて／引っ込めて、蛍光スクリーン２６を軸Ｂ’から外すことができる。画像化システム２４によって、スクリーン２６上に、試料Ｓ（の部分）の画像（またはディフラクトグラム）が形成され、エンクロージャ２の壁の適当な部分に位置するビューイング・ポート２８を通してこれを見ることができる。スクリーン２６を後退させる機構は例えば実際は機械式および／または電気式とすることができる。この機構はこの図には示されていない。

スクリーン２６上の画像を見ることの代替として、その代わりに、画像化システム２４から発出する電子束の焦点深度が一般に非常に大きい（例えば１メートル程度）ことを利用することができる。その結果として、スクリーン２６の下流で、以下のような他のさまざまなタイプの分析装置を使用することができる。

− ＴＥＭカメラ３０。カメラ３０のところで、電子束は、静止画像（またはディフラクトグラム）を形成することができる。この画像を、コントローラ／プロセッサ１０によって処理し、例えばフラット・パネル・ディスプレイなどの表示装置（図示せず）上に表示することができる。必要ないときには、（矢印３０’によって概略的に示されているように）カメラ３０を後退させて／引っ込めて、カメラ３０を軸Ｂ’から外すことができる。

− ＳＴＥＭカメラ３２。試料Ｓ上のプローブＰの（Ｘ，Ｙ）走査位置の関数としてカメラ３２からの出力を記録することができ、Ｘ、Ｙの関数としてのカメラ３２からの出力の「マップ」である画像を構築することができる。カメラ３０の中に特徴的に存在するピクセルのマトリックスとは対照的に、カメラ３２は、例えば直径２０ｍｍの単一のピクセルを備えることができる。さらに、カメラ３２は一般に、カメラ３０の収集速度（例えば毎秒１０^２画像）よりもはるかに高い収集速度（例えば毎秒１０^６点）を有する。この場合も、必要ないときには、（矢印３２’によって概略的に示されているように）カメラ３２を後退させて／引っ込めて、カメラ３２を軸Ｂ’から外すことができる（しかしながら、例えばドーナツ形の環状暗視野カメラ３２の場合には、このような後退は必要ないであろう。カメラが使用されていないとき、このようなカメラでは、中心の穴が束を通過させる）。

− カメラ３０または３２を使用して画像化する代わりに、分光装置３４を使用することもできる。分光装置３４は例えばＥＥＬＳモジュールとすることができる（ＥＥＬＳ＝電子エネルギー損失分光法）。

装置３０、３２および３４の順序／位置は厳密なものではなく、多くの可能なバリエーションが考えられることに留意すべきである。例えば、画像化システム２４に分光装置３４を組み込むこともできる。

コントローラ（コンピュータ・プロセッサ）１０は、示されたさまざまな構成要素に、制御線（バス）１０’を介して接続されていることに留意されたい。このコントローラ１０は、動作を同期させること、設定点を提供すること、信号を処理すること、計算を実行すること、表示装置（図示せず）上にメッセージ／情報を表示することなど、さまざまな機能を提供することができる。言うまでもなく、（概略的に示された）コントローラ１０は、必要に応じて、（部分的に）エンクロージャ２の内側にあってもまたは外側にあってもよく、一体構造をとってもまたは複合構造をとってもよい。

エンクロージャ２の内部を厳密に真空に保つ必要はないことを当業者は理解するであろう。例えば、いわゆる「環境制御型ＴＥＭ／ＳＴＥＭ」では、意図的に所与のガスの背景雰囲気がエンクロージャ２内に導入される／エンクロージャ２内で維持される。実際には、可能な場合には、エンクロージャ２が実質上、軸Ｂ’のすぐ近くにあり、使用する電子ビーム／プローブがその中を通る（例えば直径１ｃｍ程度の）小さな管の形態をとるが、源４、試料ホルダＨ、スクリーン２６、カメラ３０、カメラ３２、分光装置３４などの構造体を収容するために外に広がるように、エンクロージャ２の容積を限定することが有利なことがあることも当業者は理解するであろう。

本発明の特定の文脈では、顕微鏡Ｍが、前記源４と前記試料ホルダＨとの間に位置するビーム電流センサ１２であって、ビームＢの部分Ｂ２を遮断し、この遮断されたビーム部分Ｂ２の電流に比例した遮断信号Ｉ_ｉを生成するビーム電流センサ１２を備える（図２参照）。ビーム電流センサ１２は、関連プローブ電流を有する上述のビーム・プローブＰを通過させるように（およびビーム・プローブＰを画定するように）配置された穴（絞り／開口）１４を備える。このビーム電流センサ１２は、源４の方へ向けられた（すなわち入来ビームの方へ配向された）感知層１６を備える半導体デバイスであって、
− ビームＢの遮断された前記部分Ｂ２のそれぞれの荷電粒子が前記感知層１６の中で電子／正孔対を生成し、
− 生成された電子が、半導体デバイスの陽極（図示せず）に引っ張られ、
− 生成された正孔が、半導体デバイスの陰極（図示せず）に引っ張られ、それによって前記遮断信号Ｉ_ｉを生成する
ような態様の半導体デバイスとして構成されている。次いで、この遮断信号Ｉ_ｉを、プロセッサ１０（または別の補償器）への入力として使用することができる。プロセッサ１０（または別の補償器）は、この遮断信号Ｉ_ｉを使用して、ビームＢ中の電流変動（フリッカ）の影響を抑制する。より詳細には、検出装置２２、３０、３２、３４のうちの１つまたは複数の検出装置からの出力（最終的には画像／ディフラクトグラム／スペクトル）を補正する。これは、例えば上に記載の「実時間」補正技法および／または「遡及的」補正技法を使用して行われることができる。

図１にはさらに、ビーム・フットプリント調整要素１８も示されている。ビーム・フットプリント調整要素１８は、源Ｓとビーム電流センサ１２の間に置かれており、ビーム画定絞り１８’（図２参照）を備える。この要素１８は、ビーム電流センサ１２に入射するビームＢの直径を画定するように構成されている。任意選択で／代替として、ビームＢに調整可能な狭窄を適用することによって同様の（直径調整）効果を達成することができるレンズ２０が存在する。

次に図２を参照する。この図は、図１の主題の上部の拡大図を示しているが、混乱を避けるためにレンズ２０は省略されている。この図には、フットプリント調整要素１８によって、源４からの幅の広い初期ビームＢの最も外側の（環状）領域Ｂ２がどのように遮られ／ブロックされ、最も内側の部分だけが絞り１８’を通過するのかが示されている。この「切り落とされた」ビームは次いでビーム電流センサ１２に入射し、ビーム電流センサ１２でさらに切り詰められてプローブＰとなる。センサ１２（上の感知表面１６）によって外側領域Ｂ２が遮られる。ここで具現化されたとおり、感知表面１６は、穴１４を取り巻く環状カラーの形態をとるが、必ずしもこのような形態をとる必要はなく、表面１６は、
− 穴１４を取り巻く環のセグメントの集合体、
− 直径を挟んで穴１４の両側にある一対（または数対）の検出スポット
− 穴１４の一方の側の単一の検出スポット
など、他の形態をとることもできる。上で説明したとおり、外側部分Ｂ１を除去することによってビームＢの「切落とし」を実施すると、最終的に、遮断されたビーム部分Ｂ２の電流とプローブＰの電流との間の相関がよくなる。このような「切落とし」は、例えば感知表面１６の外径を切り詰めることによっても達成することができる。

指針とするための非限定的な例を以下に示す。

− ビーム電流センサ１２は、例えば約５００〜６００μｍの範囲の厚さを有するＳｉ基板を含むことができる。

− 感知層１６は、例えば物理蒸着技法および／または化学蒸着技法を使用して基板１２上に（繰返し）付着させた約２０〜８０μｍの厚さを有することができる。感知層１６の外径は例えば約５００μｍとすることができる。

− 穴１４は、例えば約５０〜１５０μｍの範囲の直径を有することができる。

２ 真空エンクロージャ
４ 電子源
６ 照明器
８ 偏向器
１０ コントローラ／プロセッサ
１２ ビーム電流センサ
１４ 穴（絞り／開口）
１８ ビーム・フットプリント調整要素
２０ レンズ
２２ 分析装置
２４ 画像化システム

Claims (16)

1. 荷電粒子顕微鏡を動作させる方法であって、
   試料ホルダ上に試料を備えることと、
   ビーム電流変動を生じやすい荷電粒子ビームを生成するための源を使用することと、
   前記ビームの一部分を遮断し、前記ビームの遮断された前記一部分の電流に比例した遮断信号を生成するために、前記源と前記試料ホルダとの間に位置するビーム電流センサを使用することであり、前記ビーム電流センサが、関連付けられたプローブ電流を有するビーム・プローブを通過させるように配置された穴を備えることと、
   前記試料上で前記プローブを走査することであり、それによって前記試料に試料電流を、前記試料上のそれぞれの走査位置に関連づけられたドウェル時間で照射することと、
   検出器を使用して、前記プローブによる照射に反応して前記試料から発出した放射を検出すること、および関連付けられた検出器信号を生成することと、
   前記検出器信号中の前記電流変動の影響を抑制するために、前記遮断信号を補償器への入力として使用することと
   を含み、
   前記ビーム電流センサが、前記源の方へ配向された感知層を備える半導体デバイスとして構成されており、
   前記ビームの遮断された前記一部分のそれぞれの荷電粒子が前記感知層の中で電子／正孔対を生成し、
   生成された電子が、前記半導体デバイスの陽極に引っ張られ、
   生成された正孔が、前記半導体デバイスの陰極に引っ張られ、それによって前記遮断信号を生成する、
   方法。
2. 前記源と前記ビーム電流センサとの間に、ビーム画定絞りを備えるビーム・フットプリント調整要素を備え、
   前記要素が、前記ビーム電流センサに入射する前記ビームの直径を画定するように構成される、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記直径を画定することが、前記絞りの上流に配置された粒子−光学レンズの励起を調整することを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記補償器が、前記遮断信号を使用して、以下の動作：
   前記ドウェル時間を調節すること、
   前記検出器の応答を調整すること、および
   前記源のデューティサイクル調節を実行すること
   のうちの少なくとも１つの動作を実行する、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記検出器信号が、ピクセル単位で未処理画像へと組み立てられ、
   前記遮断信号が、ピクセル単位でフリッカ・マップへと組み立てられ、
   前記補償器が、前記フリッカ・マップを使用して、前記未処理画像のピクセル単位の補正を実行する、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記ビーム電流センサが、キャリヤ上に配された複数のビーム電流センサのうちの１つのビーム電流センサであり、
   アクチュエータ機構を使用して、前記複数のビーム電流センサのうちの選択可能な１つのビーム電流センサを前記ビームの経路上に移動させる、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 荷電粒子顕微鏡であって、
   ビーム電流変動を生じやすい荷電粒子ビームを生成する源と、
   試料を保持する試料ホルダと、
   前記源と前記試料ホルダとの間に位置するビーム電流センサであり、前記ビーム電流センサが、前記ビームの一部分を遮断し、前記ビームの遮断された前記一部分の電流に比例した遮断信号を生成するように構成されており、前記ビーム電流センサが、関連プローブ電流を有するビーム・プローブを通過させるように配置された穴を備えるビーム電流センサと、
   前記プローブが前記試料に試料電流を照射し、前記プローブが、前記試料上のそれぞれの走査位置に関連づけられたドウェル時間を有するような態様で、前記試料上で前記プローブを走査するように構成された照明器と、
   前記プローブによる照射に反応して前記試料から発出した放射を検出し、関連付けられた検出器信号を生成する検出器と、
   前記顕微鏡の所与の動作を自動的に制御するプログラム可能なコントローラと
   を備え、
   前記ビーム電流センサが、前記源の方へ配向された感知層を備える半導体デバイスを備え、
   前記ビームの遮断された前記部分のそれぞれの荷電粒子が前記感知層の中で電子／正孔対を生成し、
   生成された電子が、前記半導体デバイスの陽極に引っ張られ、
   生成された正孔が、前記半導体デバイスの陰極に引っ張られ、それによって前記遮断信号を生成する
   ような態様で構成されており、
   前記コントローラが、前記遮断信号を使用して、前記検出器信号中の前記電流変動の影響を抑制するように構成されている
   荷電粒子顕微鏡。
8. 前記半導体デバイスが原位置増幅器を備える、請求項７に記載の顕微鏡。
9. 前記ビーム電流センサの前記感知層がセグメント化またはピクセル化されている、請求項７または８に記載の顕微鏡。
10. 前記ビーム電流センサが、固体光電子増倍管、フォトダイオード、アバランシェ・フォトダイオード、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ検出器およびＳＴＥＭカメラからなるグループから選択された、請求項７から９のいずれか一項に記載の顕微鏡。
11. 前記ビーム電流センサと前記試料との間に配置されたビーム制限絞りをさらに備え、前記ビーム制限絞りが、前記試料に入射する前記ビームの直径を画定するように構成された、請求項７から１０のいずれか一項に記載の顕微鏡。
12. 前記源が、冷陰極電界放出銃（ＣＦＥＧ）、電子衝突イオン源、ナノ・アパーチャ・イオン源（ＮＡＩＳ）、液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）および電界イオン化源からなるグループから選択された、請求項７から１１のいずれか一項に記載の顕微鏡。
13. 前記源と前記ビーム電流センサとの間に位置決めされたビーム・フットプリント調整要素をさらに備え、前記ビーム・フットプリント調整要素がビーム画定絞りを備え、前記ビーム・フットプリント調整要素が、前記ビーム電流センサに入射する前記ビームの直径を画定するように構成された、請求項７から１２のいずれか一項に記載の荷電粒子顕微鏡。
14. 前記照明器が、前記絞りの上流に配置された粒子−光学レンズを含み、前記プログラム可能なコントローラが、前記粒子−光学レンズの励起を調整して、前記ビーム電流センサに入射する前記ビームの前記直径を画定するようにさらにプログラムされた、請求項１３に記載の荷電粒子顕微鏡。
15. 前記検出器が、前記検出器信号をピクセル単位で未処理画像へと組み立てるように構成されており、
    前記ビーム電流センサが、前記遮断信号をピクセル単位でフリッカ・マップへと組み立てるように構成されており、
    前記プログラム可能なコントローラが、前記フリッカ・マップを使用して、前記未処理画像のピクセル単位の補正を実行するようにプログラムされている、
    請求項７から１４のいずれか一項に記載の荷電粒子顕微鏡。
16. 前記ビーム電流センサが、キャリヤ上に配置された複数のビーム電流センサのうちの１つのビーム電流センサであり、
    前記荷電粒子顕微鏡が、前記複数のビーム電流センサのうちの選択可能な１つのビーム電流センサを前記ビームの経路上に移動させるアクチュエータ機構をさらに備える、
    請求項７から１５のいずれか一項に記載の荷電粒子顕微鏡。

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