JP5228463B2 - Electron beam apparatus, electron beam shape measuring method and image processing method - Google Patents
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本発明は、試料に照射される電子線の形状を測定可能な電子線装置、その電子線装置における電子線形状測定方法、及び走査透過電子顕微鏡像(STEM像)から偽像を除去する画像処理方法に関する。 The present invention relates to an electron beam apparatus capable of measuring the shape of an electron beam irradiated on a sample, an electron beam shape measuring method in the electron beam apparatus, and image processing for removing a false image from a scanning transmission electron microscope image (STEM image) Regarding the method.
走査透過型電子顕微鏡(Scanning Transmission Electron Microscopy:STEM)を用いた高分解能像観察法の一つであるHAADF(High Angle Annular Dark Field:高角度散乱暗視野)−STEM法は、原子の配列を高分解能画像で観察できるため、微小領域の結晶構造の解析に極めて有用である。HAADF−STEM法では、細く絞った電子線プローブを試料表面に沿って走査し、大きな角度で散乱した透過電子をリング状の検出器により検出して観察像(STEM像)を得ている。 HAADF (High Angle Annular Dark Field) -STEM, which is one of the high-resolution image observation methods using a scanning transmission electron microscope (STEM), increases the atomic arrangement. Since it can be observed with a resolution image, it is extremely useful for analyzing the crystal structure of a minute region. In the HAADF-STEM method, a finely focused electron beam probe is scanned along a sample surface, and transmitted electrons scattered at a large angle are detected by a ring-shaped detector to obtain an observation image (STEM image).
しかしながら、STEM像観察では、電磁レンズの球面収差や、電磁レンズ条件及びフォーカス条件等による電子線プローブ形状の変化に起因して、観察像に偽像が現れることが判明している。なお、偽像とは、実際には原子が存在しない位置にあたかも原子があるかのように現れる像である。 However, in STEM image observation, it has been found that a false image appears in the observed image due to the spherical aberration of the electromagnetic lens and the change in the shape of the electron beam probe due to the electromagnetic lens condition and the focus condition. A false image is an image that appears as if there are atoms at positions where no atoms actually exist.
偽像は、STEM像をデコンボリューション処理(画像処理の一種)することにより除去できることが知られている。しかし、デコンボリューション処理により偽像を除去するためには、電子線プローブの形状を正確に知ることが必要である。STEM像観察における焦点位置は通常の透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)とは異なり、またSTEM像観察では回折像の強度を実像として画像化しているため、電子線プローブの形状を直接観察することはできない。そのため、従来は、STEM像観察時の条件に基づいて電子線プローブ形状をシミュレーション計算している。 It is known that a false image can be removed by performing a deconvolution process (a kind of image processing) on a STEM image. However, in order to remove the false image by the deconvolution process, it is necessary to accurately know the shape of the electron beam probe. The focus position in STEM image observation is different from that of a normal transmission electron microscope (TEM), and in STEM image observation, the intensity of the diffraction image is visualized as a real image, so the shape of the electron probe is directly observed. I can't do it. Therefore, conventionally, the electron beam probe shape is calculated by simulation based on conditions at the time of STEM image observation.
本願発明者らによる先の出願(特許文献1)には、電子線プローブ形状のシミュレーション方法、及び電子線プローブ形状のシミュレーション結果を用いてSTEM像をデコンボリューション処理し、偽像(虚像)を除去する方法が記載されている。
上述したように、従来はシミュレーション計算によりSTEMの電子線プローブ形状を求めている。しかし、本願発明者らの実験・研究から、実際の電子線プローブ形状とシミュレーションにより算出した電子線プローブ形状とが異なることに起因して、デコンボリューションによる画像処理が適切に行われず、正確な原子像を得られないことがあることが判明した。つまり、実際のSTEMの電子線プローブ形状は、何らかの外乱の影響等により、シミュレーション計算により得られた電子線プローブ形状と異なるものになると考えられる。 As described above, the STEM electron beam probe shape is conventionally obtained by simulation calculation. However, from experiments and research conducted by the inventors of the present application, the actual electron beam probe shape and the electron probe shape calculated by the simulation are different, so that image processing by deconvolution is not performed properly, and accurate atom It turned out that the image could not be obtained. In other words, the actual electron beam probe shape of the STEM is considered to be different from the electron beam probe shape obtained by the simulation calculation due to the influence of some disturbance.
以上から、本発明の目的は、試料に照射される電子線(電子線プローブ)の形状を高精度に測定可能な電子線装置及び電子線形状測定方法を提供することである。また、本発明の目的は、STEM像から偽像を適切に除去する画像処理方法を提供することである。 From the above, an object of the present invention is to provide an electron beam apparatus and an electron beam shape measuring method capable of measuring the shape of an electron beam (electron beam probe) irradiated on a sample with high accuracy. Another object of the present invention is to provide an image processing method for appropriately removing a false image from a STEM image.
本発明の一観点によれば、試料に照射される電子線の形状を測定可能な電子線装置であって、電子線を出力する電子線源と、前記電子線源から出力された電子線の焦点を試料位置に合せる対物レンズと、前記電子線源と前記対物レンズとの間に配置され、前記電子線を前記試料位置に配置される試料の表面に沿って走査可能な走査コイルと、前記試料位置を通過した電子線を結像面に結像する結像レンズと、電子線形状測定時に前記試料位置に配置される第1の電子線検出器と、前記電子線形状測定時に前記結像面の位置に配置される第2の電子線検出器と、前記電子線形状測定時に前記結像面又はその近傍に配置されて電子線形状を撮影する撮像部と、前記電子線源、前記対物レンズ、前記走査コイル及び前記結像レンズを制御するとともに、前記第1の電子線検出器、前記第2の電子線検出器及び前記撮像部から出力される信号を入力する制御部と、前記試料を透過した電子を検出して電子顕微鏡像を取得する電子顕微鏡像取得部を有し、前記制御部は、電子線形状を測定する電子線形状測定モードと、前記電子顕微鏡像を取得する電子顕微鏡像取得モードとを備え、前記電子線形状測定モードでは前記試料位置における電子線形状を前記撮像部に投影するように前記結像レンズを制御し、前記電子顕微鏡像取得モードでは前記第1の電子線検出器、前記第2の電子線検出器及び前記撮像部を電子線の通過域から退避させ、前記試料による回折像を前記電子顕微鏡像取得部に投影するように前記結像レンズを制御する電子線装置が提供される。 According to one aspect of the present invention, there is provided an electron beam apparatus capable of measuring the shape of an electron beam irradiated on a sample, an electron beam source that outputs an electron beam, and an electron beam output from the electron beam source. An objective lens that focuses on a sample position, a scanning coil that is disposed between the electron beam source and the objective lens and that can scan the electron beam along the surface of the sample disposed at the sample position ; An imaging lens for imaging an electron beam that has passed through the sample position on an imaging surface, a first electron beam detector disposed at the sample position during electron beam shape measurement, and the image formation during the electron beam shape measurement A second electron beam detector disposed at a position of the surface, an imaging unit that is disposed at or near the imaging surface and images the electron beam shape at the time of measuring the electron beam shape, the electron beam source, the objective Controlling the lens, the scanning coil and the imaging lens. The first electron beam detector, to obtain an electron microscope image the second electron beam detector, and a control unit for inputting a signal output from the imaging unit, to detect electrons transmitted through the sample An electron microscope image acquisition unit, and the control unit includes an electron beam shape measurement mode for measuring an electron beam shape, and an electron microscope image acquisition mode for acquiring the electron microscope image. In the electron beam shape measurement mode, The imaging lens is controlled to project the electron beam shape at the sample position onto the imaging unit, and in the electron microscope image acquisition mode, the first electron beam detector, the second electron beam detector, and the An electron beam apparatus is provided that controls the imaging lens so that the imaging unit is retracted from the electron beam passage region and a diffraction image of the sample is projected onto the electron microscope image acquisition unit .
また、本発明の他の観点によれば、電子線源から出力された電子線の焦点を試料位置に合わせる対物レンズと、試料を透過した電子線を結像面に結像させる結像レンズとを有する電子線装置の電子線形状測定方法において、前記対物レンズの焦点位置に第1の電子線検出器を配置し、該第1の電子線検出器を移動させて電流密度が最大となる位置を探索する工程と、前記第1の電子線検出器を電子線の通過域から退避させ、前記結像レンズの結像面に第2の電子線検出器を配置し、該第2の電子線検出器で検出される電子線の電流密度が最大となるように前記結像レンズのレンズ条件を調整する工程と、前記第2の電子線検出器を電子線の通過域から退避させ、前記結像レンズの結像面における電子線形状を測定する工程とを有する電子線形状測定方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, an objective lens that focuses the electron beam output from the electron beam source on the sample position, and an imaging lens that forms an image of the electron beam that has passed through the sample on the imaging surface; In the electron beam shape measuring method of the electron beam apparatus, the first electron beam detector is disposed at the focal position of the objective lens, and the first electron beam detector is moved so that the current density is maximized. The first electron beam detector is retracted from the electron beam passage area, the second electron beam detector is disposed on the imaging surface of the imaging lens, and the second electron beam Adjusting the lens condition of the imaging lens so that the current density of the electron beam detected by the detector is maximized, and retracting the second electron beam detector from the electron beam passage area to Measuring electron beam shape on an image plane of an image lens Measurement method is provided.
本発明においては、試料位置の後方に配置された結像レンズのレンズ条件を調整し、試料面における電子線形状を結像レンズの結像面に投影する。これにより、試料面における電子線形状を高精度に測定することができる。また、本発明によれば、電子線形状を高精度に測定することができるので、STEM像のデコンボリューション処理に適用することにより、STEM像から偽像を高精度に排除することができる。 In the present invention, the lens condition of the imaging lens disposed behind the sample position is adjusted, and the electron beam shape on the sample surface is projected onto the imaging surface of the imaging lens. Thereby, the electron beam shape in the sample surface can be measured with high accuracy. Further, according to the present invention, since the shape of the electron beam can be measured with high accuracy, the false image can be excluded from the STEM image with high accuracy by applying to the deconvolution processing of the STEM image.
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の実施形態に係る電子線装置の構成を示す模式図である。本実施形態では、本発明を走査透過型電子顕微鏡(STEM)に適用した例を示している。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an electron beam apparatus according to an embodiment of the present invention. In the present embodiment, an example in which the present invention is applied to a scanning transmission electron microscope (STEM) is shown.
本実施形態に係る走査透過型電子顕微鏡は、図1に示すように、制御部10と、電子銃(電子線源)11と、収束レンズ12a,12bと、収束レンズ絞り13と、偏向コイル14と、走査コイル15と、球面収差・非点収差補正部16と、二次電子検出器17と、対物レンズ18a,18bと、試料20が搭載される試料搭載部19と、上部電子線検出器(第1の電子線検出器)21と、結像レンズ(投影レンズともいう)22a,22b,22cと、シャッター23と、蛍光板24と、下部電子線検出器(第2の電子線検出器)25と、CCD(charge-coupled device)カメラ(撮像部)26と、STEM検出器(電子顕微鏡像取得部)27とにより構成される。
As shown in FIG. 1, the scanning transmission electron microscope according to this embodiment includes a
電子銃11は、制御部10からの信号に応じた加速電圧で電子を加速し、電子線として出力する。電子銃11の下方には、複数段(図1では2段)の収束レンズ12a,12bが配置されている。これらの収束レンズ12a,12bは、制御部10からの信号に応じて、電子銃11から放出された電子線を所望の大きさに収束する。
The
収束レンズ12a,12bの下方には収束レンズ絞り13が配置されている。収束レンズ12a,12bにより収束された電子線は不要な広がり部分をもつため、この収束レンズ絞り13により不要な広がり部分をカットする。
A
収束レンズ絞り13の下方には、偏向コイル14及び走査コイル15が配置されている。偏向コイル14は例えば相互に直交する方向に配置された2組のコイルにより構成されており、制御部10からの信号に応じて収束レンズ12a,12bにより収束された電子線の軸合わせを行う。
A
走査コイル15は、制御部10からの信号に応じて、試料搭載部19に搭載された試料20の表面を電子線プローブが走査するように電子線を屈折する。
The
走査コイル15の下方には、球面収差・非点収差補正部16、二次電子検出器17、対物レンズ18a,18b、試料搭載部19及び上部電子線検出器21が配置されている。
Below the
試料20は試料搭載部19に搭載され、上下方向に離隔する対物レンズ18a,18bのほぼ中間の位置(中心位置)に配置される。対物レンズ18a,18bは、制御部10からの信号に応じて、試料20の表面又はその近傍で焦点が合うように電子線を屈折する。球面収差・非点収差補正部16は、制御部10からの信号に応じて、対物レンズ18a,18bの球面収差及び非点収差を補正する。二次電子検出器17は、電子線の照射により試料20から放出された二次電子を検出する。なお、球面収差・非点収差補正部16及び二次電子検出器17は必要に応じて配設すればよく、本発明において必須の構成要素ではない。
The
試料搭載部19は、横方向に移動可能に配設されている。後述するように、STEM像観察時には試料搭載部19に搭載された試料20が電子線の通過域に配置され、電子線プローブ形状測定時には試料搭載部19は横方向に移動し、替わりに上部電子線検出器21が電子線の通過域に配置される。上部電子線検出器21としては、例えばファラデーゲージ等を使用することができる。
The
試料搭載部19及び対物レンズ18a,18bの下方には、複数段(図1では3段)の結像レンズ22a,22b,22cが配置されている。本実施形態においては、結像レンズ22a,22b,22cに2つのモードが設定されている。一つはSTEM像観察時に用いられる回折像モード(電子顕微鏡像取得モード)であり、他の一つは電子線プローブ形状測定時に用いられる実像モード(電子線形状測定モード)である。回折像モードから実像モードへの変更、及び実像モードから回折像モードへの変更は、結像レンズ22a,22b,22cのレンズ条件を切り替えること、すなわち結像レンズ22a,22b,22cに供給する電流を変化させることにより行われる。
A plurality of stages (three stages in FIG. 1) of
本実施形態では、結像レンズ22a,22b,22cが、実像で1万〜4万倍、回折像で2cm〜100cmの範囲で可変する機能を有するものとする。回折像モード及び実像モードについては後述する。
In the present embodiment, it is assumed that the
結像レンズ22a,22b,22cの下方には、シャッター23、蛍光板24、下部電子線検出器25、CCDカメラ26及びSTEM検出器27等が配置されている。シャッター23は、CCDカメラ26により電子線プローブの形状を撮影する際に、電子線量が飽和しないようにするために設けている。シャッター23はSTEM像観察時には側方に退避しており、電子線プローブ形状測定時に電子線の通過域に配置される。この場合、ビームブランク方式のシャッターを使用することも考えられるが、ビームブランク方式のシャッターでは撮影した電子線プローブの形状ににじみが現れる。このため、シャッター23としては、ビームブランク方式のシャッターではなく、メカニカル方式のシャッターを使用することが好ましい。
Below the
蛍光板24は電子により蛍光を発生するものであり、電子線の確認に用いられる。この蛍光板24は横方向に移動可能に配設されている。後述するように、結像レンズ22a,22b,22cのフォーカスを調整するときには、蛍光板24に替えて下部電子線検出器25が電子線の通過域に配置される。なお、下部電子線検出器25としては、上部電子線検出器21と同様に、ファラデーゲージ等を使用することができる。
The
蛍光板24の下には電子線プローブ形状を撮影するCCDカメラ26が配置される。このCCDカメラ26は、STEM像観察時には電子線の通過域から外れるように側方に移動する。CCDカメラ26に替えて、イメージングプレート又は感光フィルム等を使用して電子線プローブ形状を取得するようにしてもよい。
Under the
STEM検出器27はSTEM像観察時に使用される。このSTEM検出器27はリング状の形状を有し、試料20により大きな角度で散乱された透過電子を検出する。制御部10は、STEM検出器27から出力された信号を信号処理してSTEM像を作成する。そして、STEM像に対しデコンボリューション処理を実行して、偽像を除去する。
The
以下、本発明の実施形態に係る電子線形状測定方法を説明する前に、本発明の理解を容易にするための予備的事項について説明する。 Hereinafter, before describing the electron beam shape measuring method according to the embodiment of the present invention, preliminary matters for facilitating understanding of the present invention will be described.
図2は、試料としてSi(011)結晶を用いてHAADF−STEM高分解能像を取得し、デコンボリューション処理を行った結果を示す図である。ここで、図2(a)は、横軸に位置をとり、縦軸に強度をとって、デコンボリューション前の電子線プローブの強度分布と、デコンボリューション後の電子線プローブの強度分布とを示している。また、図2(b)はデコンボリューション前及びデコンボリューション後のシミュレーション像を示しており、図2(c)はデコンボリューション前及びデコンボリューション後のHAADF−STEM像を示している。 FIG. 2 is a diagram showing a result of obtaining a HAADF-STEM high-resolution image using a Si (011) crystal as a sample and performing a deconvolution process. Here, FIG. 2A shows the intensity distribution of the electron beam probe before deconvolution and the intensity distribution of the electron beam probe after deconvolution, with the position on the horizontal axis and the intensity on the vertical axis. ing. FIG. 2B shows a simulation image before and after deconvolution, and FIG. 2C shows a HAADF-STEM image before and after deconvolution.
デコンボリューション処理は、図2(a)に示すように、電子顕微鏡像に重畳されている有限の電子線プローブ形状の影響を除去し、電子線プローブ形状をデルタ関数として計算するものである。図2(b),(c)から、デコンボリューション前には原子間の原子が存在しない部分に偽像(明度が低い輝点)が現れているが、デコンボリューション処理により偽像が除去されていることがわかる。 In the deconvolution process, as shown in FIG. 2A, the influence of the finite electron beam probe shape superimposed on the electron microscope image is removed, and the electron beam probe shape is calculated as a delta function. 2B and 2C, a false image (a bright spot with low brightness) appears in a portion where no interatomic atoms exist before deconvolution, but the false image is removed by the deconvolution process. I understand that.
次に、結像レンズの動作モードについて説明する。本発明においては、結像レンズ22a,22b,22cの動作モードを変化させて電子プローブの形状を測定する。図3はTEM(透過型電子顕微鏡)の結像系を示す模式図、図4はSTEM(走査透過型電子顕微鏡)の結像系を示す模式図である。なお、図3において、31a,31bは対物レンズ(図1,図4の対物レンズ18a,18bに対応)を示し、32a,32b,32cは結像レンズ(図1,図4の結像レンズ22a,22b,22cに対応)を示し、33は試料(図1,図4の試料20に対応)を示している。また、図3、図4において、34は結像面を示している。
Next, the operation mode of the imaging lens will be described. In the present invention, the shape of the electron probe is measured by changing the operation mode of the
図3に示すように、TEMでは、試料面、すなわち対物レンズ31a,31bの中心位置における像を結像レンズ32a,32b,32cで拡大して画像を取得する。これに対し、STEMでは、図4に示すように、極めて細く収束した電子線を試料20に照射し、試料20の一点一点での回折強度を画像化することにより画像を取得する。STEMの結像レンズ22a,22b,22cは、結像面に回折像を投影する。
As shown in FIG. 3, in the TEM, an image is acquired by enlarging an image at the sample surface, that is, the center position of the
すなわち、STEMの結像系では、実像を投影するのではないため、直接的に電子線形状を評価することができない。また、図3,図4に示すように、TEMの試料位置とSTEMの試料位置とは必ずしも同じではなく、ほとんどの場合異なることが判明している。本実施形態に係る電子線装置(STEM)において、図4に示すように、結像レンズ22a,22b,22cが結像面34に回折像を投影するようにレンズ条件を設定する動作モードを、回折像モードと呼んでいる。
In other words, since the STEM imaging system does not project a real image, the electron beam shape cannot be directly evaluated. Further, as shown in FIGS. 3 and 4, it has been found that the TEM sample position and the STEM sample position are not necessarily the same, and are almost always different. In the electron beam apparatus (STEM) according to the present embodiment, as shown in FIG. 4, an operation mode for setting lens conditions so that the
図5に、本実施形態に係る電子線装置(STEM)の実像モードにおける結像レンズ22a,22b,22cのレンズ条件を示す。この図5に示すように、実像モードでは、STEM像取得時の試料面における電子線プローブ形状を結像面で直接観察できるように、結像レンズ22a,22b,22cのレンズ条件を設定する。
FIG. 5 shows lens conditions of the
また、回折像モードでは走査コイル15により電子線プローブを走査するが、実像モードでは走査コイル15は励磁した状態のまま、走査中心位置に固定する。結像レンズ22a,22b,22cの拡大倍率は、例えば1.5万倍〜4万倍とする。なお、電子線プローブ形状の測定にはスケールを校正する必要があるが、金やSi等のように格子間隔が既知の単結晶を用いてスケールを校正する。
In the diffraction image mode, the
ところで、本実施形態では、上述したように、STEMの結像レンズ22a,22b,22cを実像モードにして電子線プローブの形状を測定する。この場合、結像レンズ22a,22b,22cの動作モード以外の条件が変化してしまうと、STEM像取得時と電子線プローブ形状測定時との条件が異なり、デコンボリューション処理しても偽像を除去することができなくなってしまう。従って、電子線プローブ形状測定時とSTEM像取得時の結像レンズ動作モード以外の条件を一致させることが重要である。
In the present embodiment, as described above, the shape of the electron beam probe is measured by setting the
図6(a)は、STEM像観察時の条件に基づいてシミュレーション計算して得た電子線プローブ形状(強度分布)を示す図である。また、図6(b)は、実験により直接測定した電子線プローブ形状(強度分布)を示す図である。図6(a),(b)では、フォーカスずれ量が−30nmから−80nmまでのときの電子線プローブ形状を求めている。なお、STEM像観察時の条件は、加速電圧が200kV、照射角が12mrad、球面収差係数が1mmとしている。 FIG. 6A is a diagram showing an electron beam probe shape (intensity distribution) obtained by simulation calculation based on conditions at the time of STEM image observation. FIG. 6B is a diagram showing an electron beam probe shape (intensity distribution) directly measured by an experiment. In FIGS. 6A and 6B, the electron beam probe shape when the focus shift amount is from −30 nm to −80 nm is obtained. Note that the STEM image observation conditions are an acceleration voltage of 200 kV, an irradiation angle of 12 mrad, and a spherical aberration coefficient of 1 mm.
電子線プローブ形状及び強度は、電磁レンズの球面収差の影響によるフォーカスずれ量により変化する。図6(a),(b)に示すように、シミュレーション計算により求めた電子線プローブ形状(図6(a))と実際に測定して得た電子線プローブ形状(図6(b))とは大きく異なる。電子線プローブの電流量はフォーカスずれ量に依存し、強度全体を積分した場合はフォーカスずれ量が−65nmのときに電流量が最大値となり、プローブ中心の半値幅(実効的に有効なプローブ領域)で積分した場合はフォーカスずれ量が−50nm(シェルツァーフォーカス)のときに電流量が最大値となる。図7に、フォーカス値(フォーカスずれ量)と電子線強度の積分値(全体及び半値幅)との関係をまとめて示す。なお、ビーム強度の積分値のフォーカス依存性は、計算結果と実測結果とで同様の傾向となる。 The shape and strength of the electron beam probe vary depending on the amount of defocus due to the influence of spherical aberration of the electromagnetic lens. As shown in FIGS. 6A and 6B, the shape of the electron beam probe obtained by simulation calculation (FIG. 6A) and the shape of the electron beam probe obtained by actual measurement (FIG. 6B) Are very different. The amount of current of the electron beam probe depends on the amount of focus deviation. When the entire intensity is integrated, the amount of current becomes maximum when the amount of focus deviation is −65 nm, and the half-value width at the center of the probe (effectively effective probe region) ), The current amount becomes the maximum value when the focus shift amount is −50 nm (Shelzer focus). FIG. 7 collectively shows the relationship between the focus value (focus shift amount) and the integrated value of electron beam intensity (overall and half width). The focus dependency of the integrated value of the beam intensity has the same tendency between the calculation result and the actual measurement result.
図8は、電子線プローブのフォーカス位置と電子線量との関係を示す模式図である。この図8に示すように、フォーカスが最適状態のときに電流密度は最大となり、アンダーフォーカスのとき及びオーバーフォーカスのときにはいずれも電流密度は小さくなる。フォーカス値に対する電流量の関係は、図7に示したように、電子線プローブ全体で積分したときにはフォーカス値が−65nmのときに最大となり、半値幅で積分したときにはフォーカス値が−50nmのときに最大となる。すなわちフォーカス値が−65nmのときに電流量は最大値をとるが、最高分解能であるシェルツァーフォーカスを定義したほうがよいので、本実施形態では半値幅で積分したときに電流量が最大となる位置を最適フォーカス位置とする。 FIG. 8 is a schematic diagram showing the relationship between the focus position of the electron beam probe and the electron dose. As shown in FIG. 8, the current density is maximized when the focus is in the optimum state, and the current density is small in both underfocus and overfocus. As shown in FIG. 7, the relationship between the focus value and the amount of current is maximum when the focus value is −65 nm when integrated over the entire electron beam probe, and when the focus value is −50 nm when integrated over the half-value width. Maximum. That is, the current amount takes the maximum value when the focus value is −65 nm, but it is better to define the Scherzer focus that is the highest resolution. Therefore, in this embodiment, the position where the current amount becomes the maximum when the half-value width is integrated. Is the optimum focus position.
図9は、本実施形態における電子線プローブ形状の測定方法の概念を示す模式図である。まず、予め設定された条件で対物レンズ18a,18bを駆動し、試料位置におけるフォーカスを調整する。すなわち、上部電子線検出器21を試料位置に挿入し、上部電子線検出器21で検出される電流量(半値幅で積分したときの電流量)が最大になるようにフォーカスを合わせる。このとき、通常のTEM観察では対物レンズのレンズ条件を微調整してフォーカスを合せるが、対物レンズのレンズ条件を変化させると電子線入射条件が変わってしまい、デコンボリューション処理しても偽像を除去することができなくなる。そのため、電子線入射条件を変えずに、上部電子線検出器21の高さ方向の位置を調整して半値幅で積分したときに電流量が最大となる位置を探索し、フォーカス位置とする。STEM像観察時には、このフォーカス位置が試料挿入位置となる。フォーカス位置が決定した後、上部電子線検出器21を側方に退避させる。
FIG. 9 is a schematic diagram showing the concept of the electron beam probe shape measuring method in the present embodiment. First, the
次に、実像モードにおける結像レンズ22a,22b,22cのフォーカス位置を調整する。すなわち、結像面の位置に下部電子線検出器25を挿入し、対物レンズ18a,18bのレンズ条件を変化させることなく、下部電子線検出器25で検出される電流量(半値幅で積分したときの電流量)が最大となるように結像レンズ22a,22b,22cのレンズ条件を変化させる。下部電子線検出器25で検出される電流量が最大となる結像レンズ22a,22b,22cのレンズ条件(実像モードにおけるレンズ条件)が決定したら、下部電子線検出器25を側方に退避させる。
Next, the focus positions of the
このようにして対物レンズ18a,18b及び結像レンズ22a,22b,22cのフォーカスの調整が完了した後、CCDカメラ26(又は、イメージングプレート若しくはフィルム等)を用いて電子線形状の撮影を行う。このとき、前述したようにメカニカル方式のシャッター23を用いて、電子線量が飽和しないようにする。図10(a)に実際に撮影した電子線プローブの形状を示し、図10(b)にその電子線形状の二次元強度プロファイル(図10(a)中に破線の矢印で示す位置における二次元強度プロファイル)を測定した結果を示す。
After the focus adjustment of the
なお、図10(b)では二次元強度プロファイルの測定例を示しているが、三次元強度プロファイルを測定してもよい。図11に、三次元強度プロファイルの例を示す。図11では、加速電圧を200kV、電子線入射角を12mradとし、フォーカスずれ量が−30nmのとき(図11(a))、−50nmのとき(図11(b))、及び−70nmのとき(図11(c))の電子線強度の三次元強度プロファイルを示している。 Although FIG. 10B shows an example of measuring a two-dimensional intensity profile, a three-dimensional intensity profile may be measured. FIG. 11 shows an example of a three-dimensional intensity profile. In FIG. 11, when the acceleration voltage is 200 kV, the electron beam incident angle is 12 mrad, and the amount of focus deviation is −30 nm (FIG. 11A), −50 nm (FIG. 11B), and −70 nm. The three-dimensional intensity profile of the electron beam intensity of (FIG.11 (c)) is shown.
次に、図12に示すフローチャートを参照して、本発明の実施形態に係る画像処理方法を説明する。図12において、ステップS11〜S20は電子線プローブの形状を測定する工程であり、前述の電子線プローブ形状の測定方法と重複する。また、ステップS21〜S26はSTEM像を取得し、デコンボリューション処理して偽像を除去する工程である。以下の説明では、図1の電子線装置の構成図も参照する。 Next, an image processing method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the flowchart shown in FIG. In FIG. 12, steps S11 to S20 are steps for measuring the shape of the electron beam probe, and overlap with the method for measuring the shape of the electron beam probe described above. Steps S21 to S26 are steps for obtaining a STEM image and removing the false image by deconvolution processing. In the following description, the configuration diagram of the electron beam apparatus of FIG. 1 is also referred to.
まず、ステップS11において、測定条件を設定する。例えば、電子線の加速電圧を200kV、照射角を12mradとする。また、拡大倍率を1.5万倍〜4万倍に設定する。 First, in step S11, measurement conditions are set. For example, the acceleration voltage of the electron beam is 200 kV and the irradiation angle is 12 mrad. Further, the enlargement magnification is set to 15,000 to 40,000 times.
次に、ステップS12において、電子線の光軸を調整するとともに、電子線の入射条件を固定する。すなわち、走査コイル15は励磁された状態のまま、走査中心位置に固定する。また、対物レンズ18a,18bのレンズ条件を固定する。電子線の入射条件(実験条件)は、制御部10内に記憶される。
Next, in step S12, the optical axis of the electron beam is adjusted and the incident condition of the electron beam is fixed. That is, the
次に、ステップS13において、試料位置に上部電子線検出器21を挿入する。そして、ステップS14,S15において、上部電子線検出器21の位置を上下方向に移動して、最大電流が得られる位置を探索する。最大電流が得られる位置が決定したら、ステップS15からステップS16に移行し、その最大電流が得られる位置をSTEM像観察時の試料挿入位置とする。
Next, in step S13, the upper
次に、ステップS17に移行し、結像レンズ22a,22b,22cの結像面の位置に下部電子線検出器25を挿入する。そして、ステップS18,S19において、下部電子線検出器25で検出される電流値が最大となるように、結像レンズ22a,22b,22cのレンズ条件を調整する。
Next, the process proceeds to step S17, and the lower
このようにして結像レンズ22a,22b,22cの調整が完了したら、ステップS19からステップS20に移行する。ステップS20では、CCDカメラ26により電子線プローブ形状を撮影し、この画像データを制御部10に入力する。制御部10は、この画像データを画像処理して電子線プローブ形状を測定する(図10、図11参照)。
When the adjustment of the
このようにして電子線プローブ形状の測定が完了した後、上部電子線検出器21、シャッター23、下部電子線検出器25及びCCDカメラ26を電子線の通過域から退避させる。
After the electron beam probe shape measurement is thus completed, the upper
次に、ステップS21に移行する。ステップS21では、試料20を試料搭載部19に搭載し、ステップS16で決定した試料挿入位置に挿入する。その後、ステップS22において、制御部10は結像レンズ22a,22b,22cを回折像モードに切り替えるとともに、電子銃11、収束レンズ12a,12b、偏向コイル14、走査レンズ15及び対物レンズ18a,18b等を制御し、STEM検出器27によりSTEM像の画像データを取得する。STEM検出器27により取得されたSTEM像のデータは、制御部10に入力される。
Next, the process proceeds to step S21. In step S21, the
次に、ステップS23において、制御部10は、デコンボリューション計算を行う。このとき、制御部10は、ステップS20で測定した電子線プローブ形状の測定結果と電子線の入射条件とを読み出し、デコンボリューション計算時のパラメータとして使用する。
Next, in step S23, the
次に、デコンボリューション処理が終了した後、ステップS24において解析像(デコンボリューション処理後のSTEM像)を検証し、ステップS25において偽像の有無を判定する。偽像がある場合、電子線の入射条件(例えば、フォーカス値)が実際と異なることが考えられる。この場合、ステップS23に戻り、電子線の入射条件を若干変化させて、再度デコンボリューション計算を行う。ステップ25で偽像がないと判定した場合は、ステップS26に移行する。このようにして、偽像を除去したSTEM像が得られる。
Next, after the deconvolution process is completed, the analysis image (STEM image after the deconvolution process) is verified in step S24, and the presence or absence of a false image is determined in step S25. If there is a false image, the electron beam incident condition (for example, focus value) may be different from the actual condition. In this case, the process returns to step S23, and the deconvolution calculation is performed again by slightly changing the electron beam incident condition. If it is determined in
本実施形態では、結像レンズ22a,22b,22cのレンズ条件を調整して電子線プローブの形状を実測し、その結果を用いてSTEM検出器27により取得したSTEM像をデコンボリューション処理し、STEM像から偽像を除去する。これにより、偽像を適切に除去することができて、正確な原子像を得ることができる。
In the present embodiment, the lens conditions of the
なお、上述の実施形態では本発明をSTEMに応用した例について説明したが、本発明はその他に、電子線により試料を加工する電子線加工装置の電子線プローブ形状の測定等に応用することもできる。 In the above-described embodiment, the example in which the present invention is applied to the STEM has been described. However, the present invention can also be applied to measurement of an electron beam probe shape of an electron beam processing apparatus that processes a sample with an electron beam. it can.
10…制御部、
11…電子銃、
12a,12b…収束レンズ、
13…収束レンズ絞り、
14…偏向コイル、
15…走査コイル、
16…球面収差・非点収差補正部、
17…二次電子検出器、
18a,18b,31a,31b…対物レンズ、
19…試料搭載部、
20,33…試料、
21…上部電子線検出器、
22a,22b,22c,32a,32b,32c…結像レンズ、
23…シャッター、
24…蛍光板、
25…下部電子線検出器、
26…CCDカメラ、
27…STEM検出器、
34…結像面。
10 ... control unit,
11 ... electron gun,
12a, 12b ... convergent lens,
13 ... Convergent lens aperture,
14: deflection coil,
15 ... scanning coil,
16: Spherical aberration / astigmatism correction unit,
17 ... Secondary electron detector,
18a, 18b, 31a, 31b ... objective lens,
19 ... Sample mounting part,
20, 33 ... sample,
21 ... Upper electron beam detector,
22a, 22b, 22c, 32a, 32b, 32c ... imaging lens,
23 ... Shutter,
24 ... fluorescent screen,
25. Lower electron beam detector,
26 ... CCD camera,
27 ... STEM detector,
34: Imaging plane.
Claims (5)
電子線を出力する電子線源と、
前記電子線源から出力された電子線の焦点を試料位置に合せる対物レンズと、
前記電子線源と前記対物レンズとの間に配置され、前記電子線を前記試料位置に配置される試料の表面に沿って走査可能な走査コイルと、
前記試料位置を通過した電子線を結像面に結像する結像レンズと、
電子線形状測定時に前記試料位置に配置される第1の電子線検出器と、
前記電子線形状測定時に前記結像面の位置に配置される第2の電子線検出器と、
前記電子線形状測定時に前記結像面又はその近傍に配置されて電子線形状を撮影する撮像部と、
前記電子線源、前記対物レンズ、前記走査コイル及び前記結像レンズを制御するとともに、前記第1の電子線検出器、前記第2の電子線検出器及び前記撮像部から出力される信号を入力する制御部と、
前記試料を透過した電子を検出して電子顕微鏡像を取得する電子顕微鏡像取得部を有し、
前記制御部は、電子線形状を測定する電子線形状測定モードと、前記電子顕微鏡像を取得する電子顕微鏡像取得モードとを備え、前記電子線形状測定モードでは前記試料位置における電子線形状を前記撮像部に投影するように前記結像レンズを制御し、前記電子顕微鏡像取得モードでは前記第1の電子線検出器、前記第2の電子線検出器及び前記撮像部を電子線の通過域から退避させ、前記試料による回折像を前記電子顕微鏡像取得部に投影するように前記結像レンズを制御することを特徴とする電子線装置。 An electron beam apparatus capable of measuring the shape of an electron beam irradiated on a sample,
An electron beam source that outputs an electron beam;
An objective lens that focuses the electron beam output from the electron beam source on the sample position;
A scanning coil disposed between the electron beam source and the objective lens and capable of scanning the electron beam along the surface of the sample disposed at the sample position ;
An imaging lens for imaging an electron beam that has passed through the sample position on an imaging plane;
A first electron beam detector disposed at the sample position during electron beam shape measurement;
A second electron beam detector disposed at the position of the imaging plane during the electron beam shape measurement;
An imaging unit that is arranged at or near the imaging plane during the electron beam shape measurement and images the electron beam shape;
Controls the electron beam source, the objective lens, the scanning coil, and the imaging lens, and inputs signals output from the first electron beam detector, the second electron beam detector, and the imaging unit. A control unit ,
An electron microscope image acquisition unit that detects electrons transmitted through the sample and acquires an electron microscope image;
The control unit includes an electron beam shape measurement mode for measuring an electron beam shape, and an electron microscope image acquisition mode for acquiring the electron microscope image. In the electron beam shape measurement mode, the electron beam shape at the sample position is determined by the electron beam shape measurement mode. The imaging lens is controlled to project onto the imaging unit, and in the electron microscope image acquisition mode, the first electron beam detector, the second electron beam detector, and the imaging unit are moved from the electron beam passband. An electron beam apparatus characterized by controlling the imaging lens so as to retract and project a diffraction image of the sample onto the electron microscope image acquisition unit .
前記対物レンズの焦点位置に第1の電子線検出器を配置し、該第1の電子線検出器を移動させて電流密度が最大となる位置を探索する工程と、
前記第1の電子線検出器を電子線の通過域から退避させ、前記結像レンズの結像面に第2の電子線検出器を配置し、該第2の電子線検出器で検出される電子線の電流密度が最大となるように前記結像レンズのレンズ条件を調整する工程と、
前記第2の電子線検出器を電子線の通過域から退避させ、前記結像レンズの結像面における電子線形状を測定する工程と
を有することを特徴とする電子線形状測定方法。 In an electron beam shape measuring method of an electron beam apparatus, comprising: an objective lens that focuses an electron beam output from an electron beam source on a sample position; and an imaging lens that forms an electron beam that has passed through the sample on an imaging surface ,
Disposing a first electron beam detector at a focal position of the objective lens and moving the first electron beam detector to search for a position where the current density is maximized;
The first electron beam detector is retracted from the electron beam passage area, a second electron beam detector is disposed on the imaging surface of the imaging lens, and is detected by the second electron beam detector. Adjusting the lens conditions of the imaging lens so that the current density of the electron beam is maximized;
And a step of retracting the second electron beam detector from an electron beam passage area and measuring an electron beam shape on an imaging surface of the imaging lens.
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