JP5455694B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、高速な荷電粒子線走査を行った場合に、増幅器の周波数帯域制限によって発生する検出信号の劣化を補正する荷電粒子線装置に関するものである。

試料上に荷電粒子線を水平および垂直方向に２次元的に走査することで、荷電粒子線が照射された試料上の領域から発生する二次信号を検出し、電気回路にて増幅，積算した後、荷電粒子線の走査座標を２次元画像の座標に対応させて、二次信号量を画像データの濃度値に置き換えることで試料表面構造を二次元画像として観察する荷電粒子線装置において、荷電粒子線の走査速度は、試料の材質と観察目的，二次信号検出器の特性などに応じて決定する。

走査速度が速い場合は、検出信号の積算時間が少なくＳＮ比が悪くなるが、観察物の時間的変化に対する応答が良く、また、試料上の１点に荷電粒子線を留めて照射する時間が短くなるため、荷電粒子線による試料破壊や試料汚染，帯電などの影響は少なく済む。

一方で走査速度が遅い場合は、試料表面上の１点からの検出信号の積算時間が増え、ＳＮ比の良い画像を得ることができるが、荷電粒子線による試料破壊や試料汚染，帯電などの影響が増す。

そのため一般的には試料上の観察視野を探す場合には走査速度を速くし、観察位置を決めて高画質で観察，記録する場合は走査速度を遅くする。

また、荷電粒子線の照射により試料破壊や試料汚染，帯電しやすい材質の試料の場合は、荷電粒子線の走査速度を速くすることで前記の影響を緩和させることもあるが、荷電粒子線の走査速度を速くする以外にも、荷電粒子線の加速電圧を低い電圧に設定する、荷電粒子線のプローブ径を細く絞り、試料上に照射される荷電粒子線の電流量を少なくする手法もある。

前記のほかに荷電粒子線の走査速度を決定する要因に検出器の特性があり、これは検出器の二次信号検出から電気信号へ変換するまでの応答の速さと、前記検出信号の増幅回路の応答の速さに起因し、増幅回路はゲインを高くするにつれ、応答速度が遅くなる。

検出器の応答速度、ならびに増幅回路の応答速度が遅い場合、高速に荷電粒子線を走査しても、検出信号は検出器ならびに増幅回路を介する課程で帯域が制限される。

このような検出器経路に細かい試料構造上を走査した周波数特性の高い検出信号が入力されるとインパルス応答となり、インパルス応答が収束する時間ｔの期間の検出信号と重畳した形の出力信号となる。

前述の出力信号の画像は、荷電粒子線の走査方向に像が流れ、ぶれたような像となるため試料構造が判別できず、したがって応答速度の遅い検出器において高ゲインで観察する場合は、速い走査速度では観察が不可能である。

検出器の選定は、検出する二次信号の種類や、試料室内雰囲気，検出感度等の条件によって決定するため、観察条件によっては前述のような応答速度の遅い検出器を用いて、荷電粒子線の走査速度を遅くして観察を行うことがあるが、この場合は、視野探しや試料ダメージ低減のために走査速度を速くすることができないという問題点があった。

荷電粒子線の走査および該走査により発生する二次信号にもとづく画像の劣化を、複数回の走査で得られる画像から補正する従来技術として、再公表特許ＷＯ２００３／０４４８２１号公報があるが、ＷＯ２００３／０４４８２１号公報では時間経過にしたがい、荷電粒子線の安定度の変化，試料の変形，試料台の移動などの要因により、観察画像がドリフトすることを補正する技術に関わるものであり、複数回の走査により取得した画像から位置ずれ量を算出し、続く走査の画像の位置を補正する、あるいは前記技術を使用し、高速走査を行った場合の位置ずれ補正後に複数走査の画像を積算することで画像のＳＮ比を向上させる技術であるが、本発明において課題としている高速走査した画像の劣化は、検出器の特性により出力信号の波形が変形しており、信号量の低下やノイズの混入によるものではないため、積算などのＳＮ比改善処理では解決できない。

ＷＯ２００３／０４４８２１号公報

検出器の特性として応答速度が遅く、検出信号を増幅回路により高ゲインで増幅することで観察を行う荷電粒子線装置において、検出器およびその増幅回路の帯域幅の上限を超える速さで荷電粒子線を走査した場合に、出力信号および前記出力信号を二次元画像とした場合に劣化する点を解決しようとするものである。

本発明は検出器およびその増幅回路の帯域幅の範囲内の荷電粒子線の走査速度で記録した検出信号と、前記帯域幅の上限を超える荷電粒子線の走査速度で記録した検出信号を記録し、前記２つの検出信号をフーリエ変換した結果を除算することで劣化関数を算出する信号処理部を設け、前記劣化関数の逆関数をフーリエ逆変換し、インパルス応答が収束する時間ｔに相当する信号の振幅を１次元フィルタに置き換え、該１次元フィルタを検出器およびその増幅回路の帯域幅の上限を超える荷電粒子線の走査速度で記録した検出信号または該検出信号にもとづく二次元画像に施すフィルタリング機能を設け、入力信号のスループットを落とさずに前記検出信号または該検出信号にもとづく二次元画像を補正することを特徴とする。

前記の劣化関数の算出および補正１次元フィルタを作成する信号処理部は、検出器およびその増幅回路の帯域幅の範囲内の荷電粒子線の走査速度で記録した検出信号にもとづいた静止画像と、前記帯域幅の上限を超える荷電粒子線の走査速度で記録した検出信号にもとづいた静止画像を用いて、前記の劣化関数の算出および補正１次元フィルタの作成を画像処理によって行う画像処理装置としても良い。

荷電粒子線の走査速度および検出器の増幅回路のゲインがそれぞれ多段階で固定値である場合、該走査速度と該増幅回路のゲインの組合せに応じて、予め前記の補正１次元フィルタを求めておき、走査速度の選択時あるいは検出器の選択および増幅ゲインの選択時に、選択した該走査速度と該増幅回路のゲインの組合せに応じた補正１次元フィルタが検出信号または該検出信号にもとづく二次元画像に適用されるようにする。

また、前記の荷電粒子線装置で、異なる種類の検出器を複数持つ装置においては、前記の走査速度および増幅回路のゲインの組合せに対する補正１次元フィルタの設定に加え、検出器の種類の選択によっても補正１次元フィルタを決定しておき、検出器の種類の選択および走査速度の設定および増幅回路のゲインの設定に応じて適切な重み係数を持つ補正１次元フィルタの設定を行う。

観察時に該補正１次元フィルタを随時作成する場合は、観察中の試料構造に適当な細かい試料表面構造がない場合、たとえば観察視野全面が平坦な試料である場合は、劣化の程度が観察できず劣化関数が求めることができないため、観察試料を支持する試料台に適当な細かい構造を設け、該構造が観察視野範囲となるよう観察位置および観察倍率を変更し、補正１次元フィルタを作成した後に観察中の試料構造位置および倍率に戻るものである。

作成した補正１次元フィルタは、該補正１次元フィルタを複数記憶できる記憶回路を設け、過去に作成した補正１次元フィルタを該記憶回路から呼び出し、再度該補正１次元フィルタを適用できるようにしたものである。

また、前述の記憶回路に記憶された複数の補正１次元フィルタから、任意のものを複数選択し、該選択した複数の補正１次元フィルタの平均を新たな補正１次元フィルタとすることを特徴としたものである。

本発明では、検出器の特性として応答速度が遅く、検出信号を増幅回路により高ゲインで増幅することで観察を行う荷電粒子線装置において、補正１次元フィルタを用いて高速に補正処理を行うことができるため、荷電粒子線の走査速度を速くしても劣化の少ない画像を観察することができ、該検出器においても観察視野探しや、試料ダメージ低減のための高速スキャンを行うことができるという効果が得られる。

また、荷電粒子線の走査速度を速くして得られた信号は、試料上の単位面積あたりに照射される荷電粒子線の照射時間が短いために、発生する二次信号量が少なく、また積算時間が短いため、通常はＳＮ比が悪いが、本手法を適用する検出器ではランダムに発生している高周波ノイズについては、検出器およびその増幅回路の帯域制限がローパスフィルタの役割を果たすことにより該ランダムに発生した高周波ノイズは低減され、本手法による補正１次元フィルタを適用した画像は、荷電粒子線の走査速度を速くして得た画像であっても、ＳＮ比が向上した画像となるという副次的な効果も得られる。

本発明を実施するための機能を備えた装置構成を示した説明図である。 本発明の劣化関数および補正１次元フィルタを作成するフローチャートを示した説明図である。 図２のフローチャートの過程の画像を示した図である。 本発明の劣化関数の逆関数を補正１次元フィルタに置き換える手法を示した図である。

図１および図２を用いて本発明の実施形態の一例を説明する。

図１は本発明を実施するための機能を備えた荷電粒子線装置の形態の一例である。

電子銃１から発生した荷電粒子線2は収束レンズ３により収束され、対物レンズ４は試料５の表面上で該荷電粒子線２が最小径となるように収束する。偏向コイル６は偏向制御回路７から供給される偏向電流が時経過により変化し、磁界強度を変化させることで水平および垂直方向の二次元的に荷電粒子線２を走査する。荷電粒子線２の走査速度は偏向制御回路７から供給する偏向電流の変化周期を変える事で多段階に速度を変更することができ、操作者は制御入力装置８により任意の走査速度をＣＰＵ９に入力し、ＣＰＵ９は偏向制御回路７に入力された走査速度設定を設定し、走査速度を変更する。試料５を支持する試料台１０は手動またはモータ駆動により試料５の座標を移動させることができ、試料５の表面上に照射される荷電粒子線２の照射範囲を移動し、観察視野を移動することができる。試料５に荷電粒子線２が照射された領域からは二次信号１１が発生し、検出器１２により二次信号１１を検出し、電気信号に変換して検出信号とする。検出信号は増幅器１３により充分な振幅の信号に増幅するが、検出信号が微少である場合は、増幅率が異なるより高い増幅率の増幅器を複数備えるか、任意の増幅率に可変できる増幅器を備えるようにする。

図１では例えば増幅器１３よりも増幅率の高い増幅器１４および増幅器１５の３つの増幅器を備え、切替機１６により増幅率を切替える装置の例を示しているが、増幅器の数については、必要な増幅率に応じて決定すればよい。操作者は制御入力装置８により増幅率をＣＰＵ９に入力し、ＣＰＵ９は入力された増幅率の増幅器が接続されるように切替機１６を切替える。増幅器にて増幅された検出信号はアナログデジタル変換機１７にて検出信号強度がグレースケール画像の濃度値に対応するようにデジタル信号に変換し、フレームメモリ１８に前記荷電粒子線２の水平および垂直方向の走査座標に応じて２次元画像データの水平および垂直方向の座標にデジタル化された検出信号を配置し、画像表示装置１９に出力することで、荷電粒子線２が照射された試料表面構造をグレースケールの二次元画像として観察することができる。スイッチ２０は閉じられた状態で、前記フレームメモリ１８と画像表示装置１９が接続された状態となる。ここまでは通常の荷電粒子線装置の構成である。

本発明では前述の装置構成に加え、検出器およびその増幅回路の帯域幅を超える速度で荷電粒子線２を走査した場合の画像の劣化関数および補正１次元フィルタを算出する画像処理装置２１を備える。画像処理装置２１はフレームメモリ１８に接続され、フレームメモリ１８には検出器およびその増幅回路の帯域幅の範囲内となる遅い走査速度で記録した画像と、検出器およびその増幅回路の帯域幅を超える速い走査速度で記録した画像を記憶する。前記遅い走査速度の画像と速い走査速度の画像は、同じ視野となるようにし、増幅率の異なる複数の増幅器を備えている場合は、同じ増幅率の増幅器を使用して記録する。

画像処理装置２１は前記の２つの画像データから補正１次元フィルタを作成する。画像処理装置２１にて作成された補正１次元フィルタはフィルタリング装置２２に設定される。

以後の観察において、操作者が制御入力装置８において前述の補正１次元フィルタを作成した条件である速い走査速度と同じ走査速度を選択し、同じ検出器および同じ増幅率の増幅器を選択した場合は、フレームメモリ１８に蓄積された画像データは、水平方向の１ラインごとにフィルタリング装置２２により補正１次元フィルタが施され、フレームメモリ２３に補正後の水平方向の画像データを記録してゆき、１フレームの画像を形成する。スイッチ２０を開放し、スイッチ２４を閉じて画像表示装置１９にフレームメモリ２３のデータを表示することで、高速走査による画像劣化を低減した画像を観察することができる。

フィルタリング装置２２によるフィルタリングは、フレームメモリ１８から入力される荷電粒子線２の走査速度に応じて逐次リアルタイム処理を行う必要があるが、画像処理装置２１による劣化関数の算出および補正１次元フィルタの作成は荷電粒子線２の走査速度に応じた高速処理を行う必要はないため、ハードウェアにて画像処理装置を構成する代わりに、ＣＰＵ９を利用し、ソフトウェア画像処理により補正１次元フィルタを作成し、その結果をフィルタリング装置２２に設定することで、装置構成の簡易化を図っても良い。

操作者により荷電粒子線２の走査速度または増幅器の増幅率の切替えがＣＰＵ９を経由して設定された場合は、画像処理装置２１によりそれぞれの走査速度および増幅器の増幅率の組合せに関して補正１次元フィルタを作成しておき、ＣＰＵ９は制御入力装置８より設定された走査速度または増幅器の増幅率の組合せに応じた種類の補正１次元フィルタをフィルタリング装置２２に設定することで、走査速度または増幅器の増幅率に応じた適切な補正処理が施された画像を観察することができる。

応答速度が異なる検出器を複数持つ装置の場合は、検出器１２から増幅器１３，１４，１５、と同様の構成で異なる種類検出器およびその増幅器が切替機１６に接続され、切替機１６による切り替え経路が増える構成となり、それぞれの検出器，増幅器およびその増幅率，走査速度の選択に応じて補正１次元フィルタを作成しておき、選択された検出器，増幅器およびその増幅率，走査速度に応じてＣＰＵ９からフィルタリング装置２２に設定する１次元補正フィルタの種類を指示すれば良い。

観察中の試料５に適当な細かい構造がなく、劣化の度合いが観察画像から算出できない場合は、補正１次元フィルタ作成用の標準試料２５の表面上に荷電粒子線２が照射されるように試料台１０を移動する。補正１次元フィルタ作成用試料２５は例えば荷電粒子線２の走査方向に対して、垂直方向の線が並んだ構造を持つような試料が良く、実際に観察を行う試料５と同じ検出器，増幅器の増幅率，走査速度において、補正１次元フィルタの作成を実施し、フィルタリング装置２２に該作成した補正１次元フィルタを設定し、観察を行う試料５に荷電粒子線２が照射されるように再び試料台１０を移動することで、適当な細かい構造がない試料においても適切な補正１次元フィルタを施して補正された画像を観察することができる。

図２は画像処理装置２１にて行う劣化関数の算出および補正１次元フィルタの作成の手順を示すフローチャート図である。

まず劣化関数を算出するには、ステップＳ１０において、劣化のない画像として検出器およびその増幅器の帯域幅の範囲内の遅い走査速度で荷電粒子線を走査したときの画像ｆ（ｘ，ｙ）を取得する。該ｆ（ｘ，ｙ）の画像は例えば図３（ａ）のように格子構造を観察した場合、縦および横方向の格子の形状が明瞭に観察できる。

次にステップＳ２０において画像ｆ（ｘ，ｙ）と同じ視野で劣化が発生する速い走査速度で荷電粒子線を走査したときの画像ｇ（ｘ，ｙ）を得る。該ｇ（ｘ，ｙ）の画像図３（ｂ）は図３（ａ）と同一の視野を観察した画像であるが、水平Ｘ方向の荷電粒子線の操作方向に画像が流れており、縦の格子構造が観察できない。

なおステップＳ１０とステップＳ２０は順不同であり、どちらを先に行っても良い。

次にステップＳ３０において画像ｆ（ｘ，ｙ）および画像ｇ（ｘ，ｙ）に窓関数を施し画像ｆ′（ｘ，ｙ）および画像ｇ′（ｘ，ｙ）とする。窓関数は次ステップにおいてフーリエ変換を施す過程で信号の起点と終点の急峻な変化に影響されたアーティファクトを抑えるための一般的な処理であるが、本処理においてはハニング窓を施し、起点と終点の信号を０まで抑えることで、最終的なフィルタ実施後の補正画像において、縦方向のアーティファクトを少なくすることができるが、ハニング窓以外の他の窓関数を用いても良い。なお二次元的な荷電粒子線の走査において、一般的にまず水平Ｘ方向に走査し、次に水平Ｙ方向に１ライン移動して次のラインの水平Ｘ方向の走査を行うため、高速走査を行う場合の劣化は、移動速度の速い水平Ｘ方向に発生する。そのため、本処理は水平Ｘ方向のライン単位における劣化を解析すれば良く、ステップＳ３０の窓関数処理は画像に対し二次元的に行う必要はなく、水平Ｘ方向のデータの起点と終点に対して施せば良い。図３（ｃ）および図３（ｄ）の画像は、図３（ａ）および図３（ｂ）の画像に窓関数を施した画像の例である。

次にステップＳ４０において画像ｆ′（ｘ，ｙ）の水平Ｘの１ラインｆ′（ｔ）ごとにフーリエ変換しＦ（ｓ）を得る。

次にステップＳ５０において画像ｇ′（ｘ，ｙ）の水平Ｘの１ラインｇ′（ｔ）ごとにフーリエ変換しＧ（ｓ）を得る。

次にステップＳ６０において劣化関数Ｈ（ｓ）の逆関数Ｈ^-1（ｓ）を下記の数式１により求める。

Ｈ^-1（ｓ）＝Ｆ（ｓ）／Ｇ（ｓ） （数式１）
ステップＳ６０により求めた劣化関数Ｈ（ｓ）の逆関数Ｈ^-1（ｓ）から補正１次元フィルタを作成する過程に入る。ステップＳ７０においてＨ^-1（ｓ）のフーリエ逆変換を行い、ｈ^-1（ｔ）を得る。該ｈ^-1（ｔ）は実画像空間上での劣化画像に対する修復関数となっており、ｈ^-1（ｔ）を劣化画像データｇ（ｔ）に乗じることで劣化を修復することができる。

ステップＳ８０ではｈ^-1（ｔ）の振幅が０に収束するまでの値を、補正１次元フィルタの重み係数として設定し、補正１次元フィルタを作成する。

図４は図２のステップＳ８０においてｈ^-1（ｔ）から補正１次元フィルタを作成する手順を示した図である。図４は例えば画像の７画素に相当する時間ｔの期間においてｈ^-1（ｔ）の振幅が０に収束した場合の例を示している。振幅０を基準とし、各画素に相当する時間ｔにおけるｈ^-1（ｔ）の振幅を各画素の総和が０となる比率で標本化し、補正１次元フィルタ各画素の重み係数を決定する。例えば１画素目に相当するｈ^-1（ｔ₁）の標本化後の振幅が１、２画素目に相当するｈ^-1（ｔ₂）の振幅が−２、３画素目に相当するｈ^-1（ｔ₃）の振幅が５、４画素目に相当するｈ^-1（ｔ₄）の振幅が−７、５画素目に相当するｈ^-1（ｔ₅）の振幅が３、６画素目に相当するｈ^-1（ｔ₆）の振幅が−１、７画素目に相当するｈ^-1（ｔ₇）の振幅が１であった場合、補正１次元フィルタは各画素の重み係数がそれぞれ１，−２，５，−７，３，−１，１となる７画素の１次元フィルタとなる。

図４の例では７画素に相当する時間ｔでｈ^-1（ｔ）の振幅が０に収束する例を示しているが、実際の補正１次元フィルタの画素数は劣化の度合いに応じて任意の大きさとなる。ｈ^-1（ｔ）の振幅が０に収束するまでの時間が長い場合は、該ｈ^-1（ｔ）の振幅の最大値，最小値に対して充分振幅が小さいといえる範囲を操作者が０と設定して補正１次元フィルタが適当な画素数となるようにしても良い。

前述のように補正１次元フィルタを作成するには、水平Ｘ方向１ラインのデータから作成できるが、例えば図１におけるフレームメモリ１８には、荷電粒子線２を水平および垂直に走査した２次元画像が格納されており、水平Ｘ方向のデータは垂直Ｙ方向の走査線本数だけ存在している。したがって、１枚の２次元画像からは垂直Ｙ方向の走査線本数だけ補正１次元フィルタを作成することができ、前記垂直Ｙ方向の走査線ごとの補正１次元フィルタの平均を求め、該補正１次元フィルタの平均をフィルタリング装置２２に設定する補正１次元フィルタとすれば、補正１次元フィルタを作成するために取得した遅い走査速度の画像ｆ（ｘ，ｙ）または速い走査速度の画像ｇ（ｘ，ｙ）のいずれかに、検出器および増幅器の帯域制限による劣化以外の要因のノイズが含まれていた場合においても、該ノイズの影響を低減したフィルタを作成することができる。あるいは垂直Ｙ方向の走査線本数ごとの各補正１次元フィルタの形状を比較し、明らかに形状の異なる補正１次元フィルタについては排除し、類似の形状の補正１次元フィルタのみの平均を求めることで、補正１次元フィルタの精度を向上することもできる。

１ 電子銃
２ 荷電粒子線
３ 収束レンズ
４ 対物レンズ
５ 試料
６ 偏向コイル
７ 偏向制御回路
８ 制御入力装置
９ ＣＰＵ
１０ 試料台
１１ 二次信号
１２ 検出器
１３ 増幅器１
１４ 増幅器２
１５ 増幅器３
１６ 切替機
１７ アナログデジタル変換機
１８ フレームメモリ１
１９ 画像表示装置
２０ スイッチ１
２１ 画像処理装置
２２ フィルタリング装置
２３ フレームメモリ２
２４ スイッチ２
２５ 補正１次元フィルタ作成用標準試料

Claims (8)

1. 荷電粒子線を試料に照射することで発生する二次信号を検出し、前記二次信号を電気信号に変換し、増幅回路にて信号振幅を増幅する電子顕微鏡であって、
   前記荷電粒子線の走査速度の異なる複数の二次信号を取得し、当該複数の二次信号間の劣化関数を算出し、その逆関数を補正フィルタとする信号処理する機能を備えたことを特徴とする電子顕微鏡。
2. 請求項１記載の電子顕微鏡において、
   前記電気信号に変換された二次信号の振幅を、グレースケール画像データの濃度値に変換することにより、画像データとして二次信号を観察する機能を有する電子顕微鏡であって、
   前記荷電粒子線の走査速度の異なる複数の二次信号の画像データを取得し、当該複数の画像データ間から劣化関数を算出し、その逆関数を補正フィルタとする画像処理する機能を備えたことを特徴とする電子顕微鏡。
3. 請求項１または請求項２記載の電子顕微鏡において、
   前記補正フィルタに使用される補正処理の重み付け係数を、前記荷電粒子線の走査速度に応じて変更する機能を備えたことを特徴とする電子顕微鏡。
4. 請求項１または請求項２記載の電子顕微鏡において、
   検出方式が異なる複数の二次信号検出器を有し、
   前記補正フィルタに使用される補正処理の重み付け係数を、前記二次信号の検出に使用される検出器に応じて変更する機能を備えたことを特徴とする電子顕微鏡。
5. 請求項１または請求項２記載の電子顕微鏡において、
   二次信号の増幅回路の増幅率を多段階に変化できる電子顕微鏡であって、
   前記補正フィルタに使用される補正処理の重み付け係数を、前記増幅率に応じて変更する機能を備えたことを特徴とする電子顕微鏡。
6. 請求項１または請求項２記載の電子顕微鏡において、
   前記補正フィルタで実行される補正処理の重み付け係数の決定を、任意のタイミングで実行できることを特徴とする電子顕微鏡。
7. 請求項１または請求項２記載の電子顕微鏡において、
   前記補正フィルタで実行される補正処理の重み係数を複数記憶する記憶手段を有し、
   前記記憶された重み係数から任意の重み係数を複数選択し、当該選択された複数の重み係数の平均値を補正処理の重み係数とすることを特徴とする電子顕微鏡。
8. 請求項１または請求項２記載の電子顕微鏡において、
   前記補正フィルタの作成に使用される標準試料を載置する試料台を備えた電子顕微鏡。

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