JP5174498B2 - 荷電粒子ビーム装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子ビーム装置に関し、特に検出目標物の最小寸法に対してビーム径と画素サイズを最適化する方法とその機能を搭載した走査電子顕微鏡及びその類似装置に関するものである。

一般に走査電子顕微鏡に代表される荷電粒子ビーム装置は、１次粒子線を二次元方向に走査して走査画像を得る。近年のデジタル画像取得方法においては、１次粒子線の各照射箇所における２次粒子検出信号量を、比例する明度としてデジタル化して記憶装置に蓄積し、照射箇所の情報とともに再構成して二次元の走査画像として表示する。画像を構成する最小単位である画素の大きさは所望の走査領域と走査画像を構成する画素数で決まる。

像観察に十分な解像度を得るために設定した画素サイズに対して、最深の焦点深度と最良の分解能が得られるような１次ビームの集束半角を決定する、従来の方法は、試料内の観察対象物の形状や組成分布の走査画像を、観察対象物が試料面と垂直な方向にも立体的な構造をもつ場合でも、再現性よく得ることができる。

特開２００６−２９４３０１号公報

試料内の検出したい目標物の最小寸法が決まっているとき、目標物の存在と観察試料上での位置を読み取れる走査画像を撮像し、且つ、試料全体の走査画像をできるだけ短時間に取得する、という目的において、従来の方法を適用しようとすると、画素サイズを決める指標がない。十分な解像度が得られるように目標物の寸法よりも十分に小さい画素サイズを選ぶと、試料全体の走査画像をできるだけ短時間に少ない数の画像信号で取得するという目的を満たさない、という問題点がある。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、試料上に検出したい目標物があって走査画像で目標物の存在の有無を判定するとき、検出したい目標物の最小寸法を決定すると、最短の時間で画像信号で試料全体の走査画像取得するために最適なビームサイズと画素サイズを算出し自動的に設定・表示する機能を備える荷電粒子ビーム装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。

すなわち、荷電粒子ビームを試料に照射して発生する二次信号から画像信号を生成し、表示装置へ画像として表示する荷電粒子ビーム装置において、前記荷電粒子ビームの前記試料上における径と前記画像信号の画素サイズを、所望の目標物の最小寸法に基づいて決定する演算部を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、試料上に検出したい目標物があって走査画像で目標物の存在の有無を判定するとき、検出したい目標物の最小寸法を決定すると、最短の時間で画像信号で試料全体の走査画像取得するために最適なビームサイズと画素サイズを算出し自動的に設定・表示する機能を備える荷電粒子ビーム装置を提供することができる。

本発明の実施形態例とする走査電子顕微鏡（以下ＳＥＭと呼ぶ）の概略を説明する。

図２は、ＳＥＭの構成例を示す図である。電子銃２０３から引き出した１次ビーム２０１は加速されて後段のレンズ系に進行する。

１次ビーム２０１は、第１集束レンズ制御電源２２１で制御する第１集束レンズ２０４で集束し、アパーチャ制御装置２２２で制御するアパーチャ２０５を通過した後、第２集束レンズ制御電源２２３で制御する第２集束レンズ２０６、及び対物レンズ制御電源２２６で制御された対物レンズ２０９により集束して、試料台２１２に保持した試料２１１に照射する。試料台２１２はステージ制御部２２８によって動作を制御する。なお、対物レンズ２０９は、インレンズ方式，アウトレンズ方式，シュノーケル方式など種々の形態をとってよい。

走査コイル２０７は、走査コイル制御電源２２４によって、試料面内の観察領域と集束レンズの光学横倍率で決まる走査領域に１次ビームを偏向するように制御し、あらかじめ指定した走査順序で１次ビーム２０１を試料上に二次元の方向に走査する。なお、１次ビームの走査は、コイル電流制御による電磁偏向方式，電極板印加電圧制御による静電偏向方式など種々の形態をとってよい。１次ビームの照射により試料２１１から発生した電子２０２などの二次粒子信号は、対物レンズ２０９の上部に進行した後、二次信号分離用の直交電磁界発生装置２０８により、それぞれエネルギーの違いにより分離されて２次信号検出器２１３の方向に進行する。これらの二次粒子信号は、その後、２次信号検出器２１３で検出される。本実施例では、試料２１１から発生した電子２０２は、全て２次信号検出器２１３で検出できるとする。

２次信号検出器２１３の信号は、信号増幅器２１４，アナログ−デジタル変換器（以下ＡＤ変換器と呼ぶ）２１５，制御プロセッサ２２９を経て、走査画像信号としてコンピュータの記憶メモリ２４０に格納される。ＡＤ変換器２１５は、例えば２次信号検出器２１３の応答時間を最小とする繰り返し時間のサンプリングレートで、２次信号検出器の出力を比例したデジタル値に変換する。例えば８bitの分解能であれば、２５６階調のデジタル値となる。記憶装置２４０に記憶された画像情報は、操作・計算・表示装置２４１に随時表示する。

デジタル画像は、像解像度の最小単位である画素の二次元の集合体で構成され、画像に含まれる画素の総数を画素数と呼ぶ。本実施例で取り扱う走査画像は試料内の所望の観察領域を拡大した画像であり、画素は正方形形状であって一辺の長さを画素サイズＬ_Pとする。画像は横方向（以下Ｘ方向と呼ぶ）と縦方向（以下Ｙ方向と呼ぶ）に同数で通常は偶数の画素Ｎｐ_axisで構成され、画像を構成する画素数はＮｐ_axis ²である。試料上での正方形の観察領域の一辺の長さをＦＯＶとする。このとき、
Ｌ_P×Ｎｐ_axis＝ＦＯＶ
という関係が成り立つ。なお、画素は正方形以外の形状でもよく、画像は画素が規則的に並んでいればよく、画像の視野は正方形以外の形状でもよい。

１次ビームはＸ方向に左端から右端まで走査したあと、次のＹの画素位置へ移動し、再びＸ方向に左端から右端まで走査（以下１スキャンと呼ぶ）する。Ｙの順序は任意で最終的に１画素の位置（即ち１行目）からＮｐ_axis画素の位置（即ちＮｐ_axis行目）までを網羅していればよい。例えばインターレースの場合、Ｙの１行目から１行とばしに奇数行をスキャンし、Ｎｐ_axis−１行目までスキャンした後に２行目に戻り、１行とばしに偶数行をＮｐ_axis行目までをスキャンする。奇数行のスキャン，偶数行のスキャンをそれぞれフィールドと呼び、インターレースの場合、１画像は２フィールドで構成される。走査の周波数は、商用電源周波数と同期させる。例えば５０Ｈｚの地域であれば、１フィールドのスキャンに要する時間は２０msecである。このとき、ＡＤ変換器のサンプリング周波数をＦ_ADとすると、Ｘ方向の１スキャンで記憶装置に蓄積されるＡＤ変換データ数はＦ_AD／（２５×Ｎｐ_axis）個となる。したがって、１画素の明度データは、Ｆ_AD／（２５×Ｎｐ_axis ²）個のＡＤ変換データに基いて算出する。本実施例ではＦ_AD／（２５×Ｎｐ_axis ²）個のＡＤ変換データを８bit分解能で再度定義し、その画素の明度データと取り扱う。

図２で示した電子光学系を通過した１次ビームは試料面に垂直に照射される。試料面に照射された１次ビームを、以下ビームスポットと呼ぶ。単位時間あたりの試料表面内での照射電子数分布は、本実施例のような点照射ビームの場合、回転対称形状で、１次ビームの径方向に、中心ほど電子数は多く、端へいくほど減少し、その照射分布形状は電子光学パラメータに依存する。本実施例では、ビームスポットは回転対称の円形で直径をビーム径Ｄ_BEAMと呼び、電子エネルギー及び電流値は一定、照射分布形状は径方向の位置によらず一定とした。

以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。

（第１の実施形態）
本実施例では、画素サイズ、及びビーム径を、目標物の最小寸法に対する相対的な数値とする。目標物と画素は、Ｘ方向の中心位置は一致している。次に、１次ビームが画素をＸ方向に走査し目標物を横切るときに得る信号量を、横切るＹ方向の位置の関数として求める。そして、Ｙが取り得る自由度、即ち画素サイズの幅で変化したときの信号量のうち、装置性能で決まる信号検出閾値を超える信号量となる割合を、ビーム径及び画素サイズをパラメータとして求める。良好な割合となる最適ビーム径及び画素サイズを算出する。以下にその手順を説明する。

まず、検出したい目標物の最小寸法を決定する。ビームスポットと目標物と画素の幾何学的相対位置を示すのが図３である。ＡＤ変換器のサンプリングレートと画素サイズの関係から、ｘはＬ_P／（Ｆ_AD／（２５×Ｎｐ_axis ²））おきのとびとびの値を取る。目標物の中心座標（０，０）とすると、ｙは−Ｌ_P／２から＋Ｌ_P／２の範囲で任意の値をとる。図３の（ａ）では、ビームスポットの中心座標（ｘ，ｙ）でｙ＝０のとき、図３の（ｂ）は、ビームスポットの中心座標（ｘ，ｙ）のｙは０以外で−Ｌ_P／２＜ｙ＜＋Ｌ_P／２のときを示す。また、ｙをＹ方向の中心として画素は配置される。

ビームスポットと目標物との重なり面積内の電子数は画素サイズＬ_P，ビーム径Ｄ_BEAMに比例していてＮｅ_OBJ（Ｌ_P，Ｄ_BEAM，ｘ，ｙ）、ビームスポットと下地との重なり面積内の電子数も画素サイズＬ_P，ビーム径Ｄ_BEAMに比例していてＮｅ_BASE（Ｌ_P，Ｄ_BEAM，ｘ，ｙ）（但し、Ｎｅ_OBJとＮｅ_BASEは、ビームスポットの面積内の電子数をＮｅ_OBJ＋Ｎｅ_BASE＝Ｎｅ_BEAMとしてＮｅ_BEAMで規格化している）、目標物に電子が１個入射したときに観測される信号量をδ_OBJ、下地に電子が１個入射したときに観測される信号量をδ_BASEとすると、得られる信号量Ｓ_SIGNAL（δ_OBJ，δ_BASE，ＬＰ，Ｄ_BEAM，ｘ，ｙ）は
Ｓ_SIGNAL（δ_OBJ，δ_BASE，Ｌ_P，Ｄ_BEAM，ｘ，ｙ）
＝Ｎｅ_OBJ（Ｌ_P，Ｄ_BEAM，ｘ，ｙ）×δ_OBJ＋Ｎｅ_BASE（Ｌ_P，Ｄ_BEAM，ｘ，ｙ）
×δ_BASE
なお、ビームスポット内の電子数密度が一定でなく場所ごとに異なっているときも同様に、Ｎｅ_OBJとＮｅ_BASEのそれぞれの領域に含まれる電子の数を求めて、それぞれをＮｅ_OBJ（ｘ，ｙ），Ｎｅ_BASE（ｘ，ｙ）としてもよい。またビームスポット形状は円形以外に任意の形状でもよく、目標物形状も円形以外に任意の形状でもよい。

なお、観察試料の下地と目標物が異なる物性である必要はなく、例えば目標物は下地との段差として存在していてもよい。１次ビームを照射して試料から電子が発生するさいのエッジ効果により、下地と目標物で電子放出率が異なるので、それぞれをδ_BASEとδ_OBJとしてよい。

１画素内のＡＤ変換データはＦ_AD／（２５×Ｎｐ_axis ²）個あるので、１画素の明度データＳＵＭ_SIGNAL（δ_OBJ，δ_BASE，Ｌ_P，Ｄ_BEAM，ｙ）は

となる。

走査画像の構造上、ｙはＬ_Pおきのとびとびの値を取るが、目標物は試料面内の任意の位置にあるので、ビームスポット及び画素のＹ方向の中心位置は−Ｌ_P／２＜ｙ＜＋Ｌ_P／２の範囲で任意で偶然的である。Ｙ位置によって目標物とビームスポットとの相対位置も変化するので、１画素の明度データＳＵＭ_SIGNAL（δ_OBJ，δ_BASE，Ｌ_P，Ｄ_BEAM，ｙ）も変化する。言い換えれば、目標物上の画素の明度は、ビーム径と画素サイズに依存関係にあり、Ｙ位置の任意性によりばらつきを持つ。

一方、目標物がなく下地のみの場所に１次ビームを照射したときに得られる信号量Ｓ_BG（δ_BASE，ｘ，ｙ）は、ｙには依存せず、
Ｓ_BG（δ_BASE）＝Ｎｅ_BASE×δ_BASE
であり、１画素の明度データＳＵＭ_BG（δ_BASE）は
ＳＵＭ_BG（δ_BASE）＝（Ｎｅ_BASE×δ_BASE）×（Ｆ_AD／２５×Ｎｐ_axis ²）
従って、目標物の位置の画素と目標物の無い位置の画素の明度差Ｃ（δ_OBJ，δ_BASE，Ｌ_P，Ｄ_BEAM，ｙ）は、Ｎｅ_BEAMで規格化すると、
Ｃ（δ_OBJ，δ_BASE，Ｌ_P，Ｄ_BEAM，ｙ）
＝ＳＵＭ_SIGNAL（δ_OBJ，δ_BASE，Ｌ_P，Ｄ_BEAM，ｙ）−ＳＵＭ_BG（δ_BASE）
ＳＥＭ画像にはＳＥＭの装置状態で決まるノイズ成分があり、目標物を検出できるかどうか、即ち、明度差を認識できるかどうかは、明度差とノイズの大きさの関係に依存する。図４は、ｙが取り得る範囲で任意の値をとったときの、ＳＵＭ_SIGNAL（δ_OBJ，δ_BASE，Ｌ_P，Ｄ_BEAM，ｙ）のヒストグラムと、ＳＵＭ_BG（δ_BASE）、及び検出閾値Ｓ_THと、ＣＮＲの定義を示す。検出閾値Ｓ_THは、下地の明度ＳＵＭ_BGにＳＥＭの装置状態に起因するノイズがランダム成分を重畳しても、ランダムノイズ成分から区別し検出できるかどうかの閾値で、図４は正規分布のノイズが重畳している例である。ＳＵＭ_SIGNAL（δ_OBJ，δ_BASE，Ｌ_P，Ｄ_BEAM，ｙ）の取り得る値全体のうち、Ｓ_THを超える大きさを持つもの、即ち検出できるものの割合は、図４に示すＣＮＲと、Ｌ_P，Ｄ_BEAMで決まる。ＣＮＲはＳＥＭの装置状態で決まるので、ある寸法以上の目標物を１００％検出できるような画素サイズＬ_Pとビーム径Ｄ_BEAMを求めることができる。

（第２の実施形態）
次に、ある寸法以上の目標物を１００％検出できる画素サイズ・ビーム径決定方法を利用したＳＥＭの実施例について説明する。

下地の電子放出率１、目標物の電子放出率２である試料の走査画像を取得し、直径５０ｎｍ以上の目標物を１００％の割合で検出できるようにビーム径と画素サイズを決定する。

図５は、ビーム径を２５ｎｍ，３７.５ｎｍ，５０ｎｍ，６２.５ｎｍ，７５ｎｍ，８７.５ｎｍ，１００ｎｍ，１５０ｎｍとし、画素サイズを（ａ）２５ｎｍ，（ｂ）５０ｎｍ，（ｃ）７５ｎｍのとき、スキャンのＹ位置に対する明度差Ｃの値を示す。図５の横軸は、ｙ＝０から＋０.５Ｌ_Pとしているが、ｙ＝−０.５Ｌ_Pから０のときは、グラフのＹ軸で線対称に折り返した分布となるので省略した。Ｃの値は、ビームスポット内の電子数Ｎｅ_BEAMを１としたときの相対値である。ビームスポットが目標物中心を通過するｙ＝０のときはＣは大きく、離れるほど減少するが、ビーム径が大きいときはその効果が小さい。しかし、ビーム径が大きいときは、ビームスポット内の単位面積あたりの電子数が少ないので目標物上に照射される電子数も少なく、ビーム径が小さいときと比較して相対的にＣは小さい。さらに、画素サイズが大きいほどこれらの傾向も高い。

図５に対して、あるＳ_TH、即ちＣＮＲのとき、全体の数に対するＣがＳ_THを超える範囲の数の割合を算出し、ビーム径と画素サイズに対して等高線グラフで表示したのが図６である。数値が１のときは１００％の割合で検出することを意味する。検出閾値は（ａ）１.６７，（ｂ）１.４３，（ｃ）１.２５とした。検出閾値が低いとき、即ちＣＮＲが大きいときは、１００％の検出割合となるビーム径・画素サイズも大きいが、ＣＮＲが小さくなるにつれて１００％となるビーム径・画素サイズの領域は狭くなる。

次に、実際にＳ_THを測定してＣＮＲを決める。電子放出率１の下地素材の上に、電子放出率２の素材を広い領域に積層させた試験用試料を準備し、電子放出率２の物質よりも十分に小さい画素サイズ（例えば１／１０以下）を設定して走査画像を取得する。全画素の明度データをヒストグラムにすると、下地のランダムノイズ成分について図４と同様な分布が得られる。ノイズ成分がＳＵＭ_BASEを中心に正規分布しているとき、ＳＵＭ_BASE＋３σの値をＳ_THとし、図４の定義より、ＣＮＲ＝１.４３と決定する。

図６より、ＣＮＲ＝１.４３のとき、１００％の割合で５０ｎｍ以上の寸法の目標物を検出できるビーム径と画素サイズは、（ビーム径［ｎｍ］，画素サイズ［ｎｍ］）＝（２５.０〜７５.０，１２.５〜２５.０），（２５.０〜６２.５，３７.５）である。例えばスループットを優先する場合は、画素サイズが大きいほうが有利なので、ビーム径６２.５ｎｍ，画素サイズ３７.５ｎｍとする。焦点深度の深さを優先する場合は、ビーム径７５.０ｎｍ，画素サイズ２５.０ｎｍを選択するとよい。

次に、実際にこのパラメータを装置に設定する。ここではスループットを優先する、ビーム径６２.５ｎｍ、画素サイズ３７.５ｎｍを例にする。画素サイズ３７.５ｎｍで、Ｎｐ_axis＝５１２のとき、試料上での観察領域ＦＯＶは
３７.５ｎｍ×５１２＝１９.２μｍ
である。図２の電子光学系の対物レンズ２０９の横倍率Ｍのとき、走査コイル２０７では１９.２／Ｍμｍの偏向領域となるようにコイル電流を制御する。また、試料上でのビーム径が６２.５ｎｍとなるように、電子光学系を制御する。例えば、図２の第２集束レンズ２０６の励磁電流を変える、又はアパーチャ２０５の穴の大きさを変更して、１次ビームの集束半角を制御してビーム径を設定してもよいし、対物レンズ２０９の励磁電流を変える、又は加減速電極２１０の印加電圧を変えて、試料面付近での焦点位置を制御してビーム径を設定してもよい。

（第３の実施形態）
次に、ある寸法以上の目標物を１００％検出できるビーム径・画素サイズ決定方法を備えたＳＥＭの実施例について、図１のフローチャートに従って説明する。

まず、前記した方法に従って試験用試料の走査画像を取得し、ＣＮＲを求めておく。また、試料素材に対する電子放出率は物性値なので、あらかじめ調べておく。測定したＣＮＲと素材別の電子放出率を、図２の操作・計算・表示装置２４１から入力する。入力画面は図７の（ａ）ようになっている。入力値は図２の記憶装置２４０に格納される（Ｓ１００）。次に、試料の下地素材，検出したい目標物の素材，検出したい目標物の寸法最小値、をそれぞれ入力する（Ｓ１０２）。入力画面は図７の（ｂ）のようになっている。操作・計算・表示装置で前記の決定方法の計算を行い、画素サイズとビーム径をそれぞれ縦軸と横軸にとったときの検出割合を示す等高線グラフ、スループット優先か焦点深度優先かで最適なビーム径と画素サイズの組み合わせを自動的に抽出した推奨値とそのときの検出割合、をそれぞれ図２操作・計算・表示装置２４１に表示する（Ｓ１０３）。推奨値を使うか、任意入力を行うか選択する（Ｓ１０４）。任意入力を行う場合は、ビーム径と画素サイズをそれぞれ図２の操作・計算・表示装置２４１から入力する。入力値に対する検出割合を表示する（Ｓ１０５）。入力・表示画面は図７の（ｃ）のようになっている。次に選択したビーム径と画素サイズは図２の記憶装置２４０に送られ、前記の方法で設定したビーム径実現する電子光学条件と画素サイズを実現する走査コイル制御条件を選び出し、制御プロセッサに送る（Ｓ１０６）。そして走査画像取得を行う。

本実施の形態における、ビーム径と画素サイズ決定方法を示すフローチャート図。 本実施の形態における走査電子顕微鏡の要部構成の一例を示す概念図。 第１の実施形態におけるビームスポットと目標物と画素の幾何学的相対関係を示す図。 第１の実施形態におけるＣＮＲの定義を示す図。 第２の実施形態におけるビーム径とスキャンのＹ位置と明度差の一例を示す図。 第２の実施形態におけるビーム径と画素サイズに対する検出割合の一例を示す図。 第３の実施形態における操作・計算・表示装置の一例を示す図。

符号の説明

２０１ １次ビーム
２０２ ２次粒子線
２０３ 電子銃
２０４ 第１集束レンズ
２０５ アパーチャ
２０６ 第２集束レンズ
２０７ 走査コイル
２０８ 直交電磁界発生装置
２０９ 対物レンズ
２１０ 加減速電極
２１１ 試料
２１２ 試料台
２１３ ２次信号検出器
２１４ 信号増幅器
２１５ アナログ−デジタル変換器
２２０ 電子銃制御電源
２２１ 第１集束レンズ制御電源
２２２ アパーチャ制御装置
２２３ 第２集束レンズ制御電源
２２４ 走査コイル制御電源
２２５ 直交電磁界発生装置制御電源
２２６ 対物レンズ制御電源
２２７ 加減速電極制御電源
２２８ ステージ制御部
２２９ 制御プロセッサ
２４０ 記憶装置
２４１ 操作・計算・表示装置

Claims (4)

1. 荷電粒子ビーム源から発生した荷電粒子ビームを集束するための集束レンズと、
   前記集束された荷電粒子ビームを試料上に微小スポットとして照射するように集束する対物レンズと、
   前記荷電粒子ビームを前記試料上で走査する走査偏向器と、
   前記荷電粒子ビームの照射によって前記試料から発生した信号粒子を検出する検出器と、
   前記検出器の検出信号をアナログ−デジタル変換するアナログ−デジタル変換器と、
   前記アナログ−デジタル変換器によってデジタル変換された信号を画像信号として記憶する記憶部と、
   前記記憶部に記憶した前記画像信号を画像として表示する表示部と、
   前記荷電粒子ビームの前記試料上における径と前記画像信号の画素サイズを決定する演算部とを備え、
   前記演算部は、目標物の存在する位置の画素と前記目標物の無い位置の画素との明度差と、前記画像信号が構成する１画素のうち前記荷電粒子ビームの走査方向に垂直な方向の照射位置と、の関係に対して、前記明度差が予め求められた閾値を超える範囲の割合を求め、当該割合に基づいて前記荷電粒子ビームの径と前記画素サイズを求めるものであって、
   前記明度差と前記照射位置との関係は、画素サイズ、ビーム径ごとに目標物の大きさに対応して予め求められたものであることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
2. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム装置において、
   前記表示部に前記目標物の最小寸法の値を入力するための領域が表示され、該値の入力により前記荷電粒子ビームの前記試料上における径と前記画像信号の画素サイズが決定されることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
3. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム装置において、
   前記表示部に前記目標物の最小寸法，ビーム径，画素サイズのうちの少なくともひとつの検出割合を示す等高線グラフを表示することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
4. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム装置において、
   前記閾値は電子放出率の異なる複数の素材が積層された試験用試料を用いて求められたものであることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。

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