JP6267529B2 - 荷電粒子線装置及び画像生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、試料に対する荷電粒子ビームの照射によって得られる荷電粒子を検出する荷電粒子線装置に係り、特に、試料から放出される荷電粒子のエネルギーに対応した強度の電気信号に基づいて画像信号を生成する荷電粒子線装置に関する。

プローブとなる荷電粒子線を試料面上で走査して、その領域の画像を得る荷電粒子線装置には、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、走査イオン顕微鏡（ＳＩＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｉｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、収束イオンビーム（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）加工装置などがある。一般的な荷電粒子線装置では、プローブとなる荷電粒子線を試料に照射し、観察領域である視野内で走査させながら、試料から発生する電子を検出する。検出対象が電子である場合、一般的には信号電子を検出器に衝突させて電気信号に変換し、この電気信号をアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器によって所定の時間（サンプリング時間）で計測してデジタル信号に変換し、集計した結果を荷電粒子線の走査位置に対応した画素にプロットすることで走査領域に対応した画像を作る。なお、サンプリング時間間隔は、１画素を荷電粒子線が走査する時間間隔以下である。これは、サンプリングがないのに存在してしまう意味のない画素が存在しないようにするためである。

このような荷電粒子線装置として、走査電子顕微鏡を用い、試料の極表面観察や、内部構造観察する場合がある。試料における極表面の形状に関する情報及び試料内部の形状に関する情報の双方を取得するものとして、特許文献１に記載されるものが知られている。

特許文献１では、遮蔽電解によるエネルギーフィルタを搭載した遮蔽電解型エネルギー選択式の検出器、信号電子がエネルギーによって異なる軌道をとることを利用した軌道選択型エネルギー選択式の検出器を用いて、信号電子をエネルギーバンドパス検出し、そのエネルギーに対応した色を割り当て、検出される強度に対応した明るさで画像を表示する手法について開示されている。軌道選択型のエネルギーフィルタによれば、１回の画像撮像により、配置する検出器の数に応じてエネルギーバンドパス検出を行うことができ、オフラインで画像処理を行うことで、低エネルギー損失反射電子（ＢＳＥ:Ｂａｃｋ Ｓｃａｔｔｅｒｅｄ Ｅｌｅｃｒｏｎ）のみの情報を反映した極表面のみのＳＥＭ像を出力することや、検出した全エネルギー帯のＢＳＥの情報を反映した極表面及び試料内部のＳＥＭ画像を出力することが可能となる。

特開２００５-４９９５号公報

しかしながら、特許文献１では、一度に広いエネルギーバンドのＢＳＥを取得するマルチチャンネル方式であるため、選択するエネルギーバンド毎に信号処理回路を設ける必要があり、装置の大型化、更には、複数の信号処理回路に対する校正あるいはチューニングが必要となる。

本発明は、装置の大型化を回避しつつ、深さ方向に構造を持つ試料の観察において、所望の深さの試料形状を反映したＳＥＭ像を、１回の画像取得で生成することが可能な荷電粒子線装置を提供する。

上記課題を解決するため、本発明は、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを試料へ照射し走査する照射光学系と、前記荷電粒子ビームの照射により試料から発生する荷電粒子を検出し所定のサンプリング周期で電気信号に変換する検出器を有する検出光学系と、前記検出器からの電気信号に基づき画像を生成する画像処理部を備え、前記画像処理部は、画素単位で前記検出光学系の出力値に応じた波高の計測信号を生成し、フィルタ処理によって当該計測信号を波高値が異なる複数の画像データに弁別し、当該波高値が異なる画像データに対しデコンボリューション処理を行い、デコンボリューション処理後の画像データを合成することによって、画像を生成するよう荷電粒子線装置を構成することを特徴とする。

本発明によれば、装置の大型化を回避しつつ、深さ方向に構造を持つ試料の観察において、所望の深さの試料形状を反映したＳＥＭ像を、１回の画像取得で生成することが可能な荷電粒子線装置を提供することが可能となる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第一の実施例に係る荷電粒子装置の全体構成図である。 図１に示す信号電子検出系の機能ブロック図である。 図２に示すＡ／Ｄ変換器からの出力電圧波形と波高計測部による計測波高との関係の説明図である。 図１に示す荷電粒子線装置により得られるＳＥＭ像である。 深さ方向に構造を有する試料の上面及び断面図である。 プローブ電子を２０ｋｅＶとし、図５に示す試料から取得される信号波高とＢＳＥ発生率との関係図である。 深さ方向に構造を有する試料の断面図である。 図７に示す試料から取得されるＢＳＥのエネルギーとＢＳＥ発生率との関係図である。 試料の断面構造と対応するＳＥＭ像との関係を示す図である。 プローブ電子を１０ｋｅＶとし、図５に示す試料から取得される信号波高とＢＳＥ発生率との関係図である。 試料の断面構造と対応するＳＥＭ像の関係を示す図である。 深さ方向に均一な構造を有する試料の上面及び断面図である。 図１２に示す試料へのプローブ電子の照射位置とＢＳＥの発生の関係及び対応するＳＥＭ像を表す図である。 複数のＳＥＭ像の合成の説明図である。 図２に示す波高計測部による波高計測処理の説明図である。 本発明の第二の実施例に係る荷電粒子線装置の全体構成図である。 図１６に示す信号電子検出系の機能ブロック図である。 本発明の第三の実施例に係る荷電粒子線装置の全体構成図である。 本発明の第四の実施例に係る荷電粒子線装置の全体構成図である。 本発明の第五の実施例に係る検出器の構成図である。 本発明の第六の実施例に係る荷電粒子線装置の全体構成図である。

以下では、荷電粒子線装置として走査電子顕微鏡を例に、観察対象となる試料にプローブ電子を照射し試料上を走査することにより、試料から発生する信号電子（ＢＳＥ）を検出することで試料表面の情報を取得するものであって、特に、試料表面から所望の深さの試料形状（内部形状）を反映した単数または複数のＳＥＭ像を、１回の画像取得で生成するものについて説明する。

本発明の実施形態において前提条件として、信号検知の最小時間単位であるサンプリング時間毎に検出器の出力電気信号から信号電子の検出を判定する必要がある。このため、１サンプリング時間に検出され得るＢＳＥの数が最大で１つであることが望ましい。１サンプリング時間に２つのＢＳＥが検出器に入射したとしても、電気信号の立ち上がりは１つであり、その場合、取得される電気信号の波高は２つのＢＳＥのエネルギーの和に依存する値となり、正しくそれぞれのエネルギーを弁別して計測できない。１サンプリング時間に検出されるＢＳＥの数を１つ以下にするには、Ａ／Ｄ変換器で決まるサンプリング時間間隔から、適切にプローブ電子線の電流量とプローブ電子線の走査速度を設定すれば良い。
１画素あたりの走査時間は、観察者が設定するプローブ電子線の走査速度と、画像の総画素数によって決定されるが、場合によっては１画素分の走査の時間間隔に、数回（例えば２回）しかサンプリング時間が訪れない可能性がある。このようなとき、以下に説明する手法では、原理的に検出できる最大の信号電子の数が１画素毎のサンプリング回数と等しくなるため（例では最大２個）、１画素あたりの最大輝度が小さく（最大輝度２）、１回の走査で得られる１フレーム画像には高いＳＮ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）は期待できない。このような場合、１回の画像取得を行う間に、視野領域内を複数回走査し、走査回数に応じたフレームの画像を積算して、ＳＮの高い画像を得る。
本実施形態では、出力電気信号が検出されたＢＳＥのエネルギーに依存した波高を持つ検出器が必要となるが、そのような検出器の例としては、信号電子を蛍光体に衝突させて光に変換し、その光信号を光電子増倍管に代表される光増幅器によって増幅して電気信号に変換するシンチレータと光増幅器を組み合わせた検出器や、信号電子をシリコンやゲルマニウムなどの半導体からなる検出器に衝突させ、半導体内で電子−正孔対を作りこれを電極に集めることで電気信号に変換する半導体検出器、信号電子の入射によって半導体個体で発生した電子を内部に印加した電位勾配によって雪崩的に増幅し、これを電極に集めることで電気信号に変換するアヴァランシェ検出器などがある。なお、検出器としては上記のものに限られず、検出される出力電気信号が、ＢＳＥのエネルギーに依存していれば、他のどのような検出器であっても構わない。
また、荷電粒子線装置は、走査電子顕微鏡に限らず、走査イオン顕微鏡または収束イオンビーム加工装置であっても良い。
以下、図面を用いて実施例について説明する。

図１は、本発明の第一の実施例に係る荷電粒子線装置の全体構成図である。図１において、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略構成を示している。本実施例におけるＳＥＭは、図示しない真空制御系によって内部が真空にたもたれたカラム２０１を備え、カラム２０１の内部には、電子線源２０２、試料保持具２０３、試料保持具２０３によって保持された試料２０４、電子線源２０２から発生した図示しないプローブ電子線を、試料２０４上に所望の径で収束させるための電子線光学系２０５、プローブ電子線を試料２０４上で所望の視野の領域で走査する電子線偏向器２０６、試料から発生する信号電子２０７を光信号に変換するアニュラー型の蛍光体２０９を備えている。ここで、電子光学系２０５には、図示しない引出電極、引出電極により電子線源２０２からのプローブ電子線を所望のエネルギーに加速する加速電極、プローブ電子線を試料２０４表面上に所望のプローブ径にて照射可能とする対物レンズ等が配されている。アニュラー型蛍光体２０９は、プローブ電子を通過させるための中心穴（アパーチャー）を備えており、中心穴を介して試料２０４へプローブ電子が照射されることにより試料２０４から発生するＢＳＥ等の信号電子２０７がアニュラー型蛍光体２０９に衝突することで光信号が発生する。光信号はライトガイド２１０によって信号処理系２１１に伝達され、信号処理系２１１では、光信号を電気信号に変換し、Ａ／Ｄ変換し、電気信号の出力強度によって波高計測処理を行い、画像用信号に変換する。アニュラー型蛍光体２０９、ライトガイド２１０及び信号処理系２１１により信号電子検出系２１２が構成される。
図２は、図１に示す信号電子検出系２１２の機能ブロック図である。試料２０４から発生した信号電子２０７はアニュラー型蛍光体２０９に衝突し光信号２２０を発生させる。光電子増倍器２２１は、この光信号２２０を電気信号に変換し増幅し、信号検出回路２２２に出力する。信号検出回路２２２は、アンプ２２３、アナログデジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）２２４、波高計測部２２５、画像形成部２２６を備えている。アンプ２２３は、光電子増倍器２２１からの電気信号出力を増幅し、Ａ／Ｄ変換器２２４に出力する。Ａ／Ｄ変換器２２４は、アンプ２２３の電気信号出力を所定のクロックでサンプリングしてデジタル電圧信号にし、波高計測部２２５に出力する。波高計測部２２５では、デジタル電圧信号から、各サンプリング時間において、信号電子２０７が検出されたか否かを判定し、検出判定があった場合には、デジタル電圧信号の波高を計測し、後段の画像形成部２２６に判定結果と波高を出力する。画像形成部２２６では、波高に応じたフィルタ処理を行い、単数または複数の１フレーム画像情報を後段の画像処理部２２７に出力する。画像処理部２２７では、あらかじめ指定した回数の走査回数分、画像データを集計し、平均化処理、諧調処理などの画像処理を行い、最終的なデジタル画像を出力する。

図３は、図２に示すＡ／Ｄ変換器からの出力電圧波形と波高計測部による計測波高との関係の説明図である。画像形成部２２６の処理を説明する図である。図３の上段は、サンプリング時間に対してＡ／Ｄ変換器２２４で出力されたデジタル電圧信号の出力電圧をプロットしたグラフ２３１である。Ｔ０は、１フレームの１ライン分の画像化に寄与する最初のサンプリング時間である。ベースライン２３２は、プローブ電子が試料に照射されていないときの出力電圧の平均値である。ここでは、プローブ電子が試料２０４上で１画素分の距離を走査する時間に、８回サンプリングを行うと仮定する。すなわち、最終的に得られる画像の画素０は、プローブ電子がＴ０〜Ｔ７の時間に走査する試料２０４上の位置に対応し、画素１は、プローブ電子がＴ８〜Ｔ１５の時間に走査する試料上の位置に対応し、画素２は、プローブ電子がＴ１６〜Ｔ２２の時間に走査する試料２０４上の位置に対応する。今、Ｔ１〜Ｔ２４のサンプリング時間で、波高計測部２２５にて、Ｔ５、Ｔ１０、Ｔ１２、Ｔ１５に信号電子が検出されたという判定が下されたとする。なお、本実施例では検出判定のアルゴリズムを規定するものではなく、いかなるアルゴリズムであっても良い。波高計測部２２５では、後述の波高計測アルゴリズムによって、Ｔ５の検出判定に対しては、ベースラインからサンプリング時間Ｔ７における出力電圧までの波高Ｈ（Ｔ５）を、Ｔ１０の検出判定に対しては、サンプリング時間Ｔ９における出力電圧からサンプリング時間Ｔ１０における出力電圧までの波高Ｈ（Ｔ１０）を波高値として計測する。また、Ｔ１２の検出判定に対しては、サンプリング時間Ｔ１１における出力電圧からサンプリング時間Ｔ１２における出力電圧までの波高Ｈ（Ｔ１２）を、Ｔ１５の検出判定に対しては、サンプリング時間Ｔ１４における出力電圧からサンプリング時間Ｔ１６における出力電圧までの波高Ｈ（Ｔ１５）を波高値として計測し、後段の画像形成部２２６に検出判定が出されたサンプリング時間と計測された波高値を出力する。画像形成部２２６は、計測された波高に応じてあらかじめ設定された手法によってフィルタ処理をかける。なお、波高値の計測については、図１５を用いて後述する。

以下では、図３の下段の計測波高のグラフ２３３を用いて画像形成部２２６のフィルタ処理の一例を説明する。画像形成部２２６では、高波高領域２３４、中波高領域２３５、低波高領域２３６の３つの領域で弁別して処理する。高波高領域２３４で弁別される波高値は画素０において１つ、中波高領域２３５で弁別される波高値は、画素２において１つ、低波高領域２３６で弁別される波高値は画素１において２つである。画像形成部２２６は、高波高領域１フレーム画像用データ、中波高領域1フレーム画像用データ、低波高領域１フレーム画像用データを用意し、波高に応じて各画像の対応する画素の輝度に１を加算する。このようにして、視野を走査し終わった際には、図４の上段に示すような高波高領域１フレーム画像２３７、中波高領域１フレーム画像２３８、低波高領域１フレーム画像２３９の３つの画像が得られる。ここでは、プローブ電子の走査方向が図面紙面の左から右方向であるとしている。１ライン分の距離を走査し終えると、紙面での上下方向に一定量移動し、その場所で左から右方向に走査を行う。全視野分を走査し終わった状態で、１フレーム分の走査が終了する。なお、本実施例におけるＳＥＭの走査方向は、上記のようなラスタスキャン方式に限定されるものではなく、出力画像の画素に対応する視野全領域を走査する限りはいかなる走査方向であっても構わない。
視野を１度走査し終わる毎に、画像形成部２２６は３つの画像を画像処理部２２７に受け渡す。画像処理部２２７では、３つの画像それぞれについて、あらかじめ指定した回数の走査回数分（フレーム数分）、画像データを集計し、平均化処理、諧調処理などの画像処理を行い、最終的なデジタル画像を出力する。図４の下段にフレーム積算後の模式化した、高波高領域画像２４０、中波高領域画像２４１、低波高領域画像２４２を示す。

以下では、上記の弁別画像の持つ意味を説明する。図５は深さ方向に構造を有する試料の上面及び断面図である。図４の下段の画像は、図５の上段に示す試料３０３の視野３０４をプローブ電子のエネルギー２０ ｋｅＶで観察したときの画像である。試料３０３は、組成がシリコンの構造物３０１と組成がモリブテンの構造物３０２から成っている。図５の下段は、上面図におけるＡ−Ａ’断面図である。

ここで、図７及び図８を用いて試料の内部形状の深さ方向の位置と、ＢＳＥのエネルギー及びＢＳＥの発生率の関係について説明する。図７は深さ方向に構造を有する試料の断面図であり、組成がモリブデンの構造物３０２は試料表面から深さ方向６００ｎｍに向かい傾斜するテーパ形状を有している。図７において試料の極表面の位置Ｄ、６００ｎｍの底の位置Ａ、ＤからＡに向かう傾斜面上の深さの異なる位置Ｂ、Ｃに２０ｋｅＶのプローブ電子を照射した場合を想定する。ＢＳＥの発生量は、プローブ電子がシリコンの構造物３０１を通過する際に失われるエネルギーに依存する減衰率１、モリブデン構造物３０２のＢＳＥ発生率、モリブデン構造物３０２で反射された後にシリコンの構造物３０１を通過し試料表面に到達するまでの間に失われるエネルギーに依存する減衰率２に応じて定まる。そして、上記減衰率１及び減衰率２は、モリブデンの構造物３０２と試料表面との距離、すなわち深さが大きいほど大きくなる。従って、図８に示されるように、試料表面からの距離が大きいほどＢＳＥの発生率は小さくなり、試料の極表面の位置Ｄから深さが大となる位置Ａに向うに従ってＢＳＥの発生率は小さくなっている。

図６に、プローブ電子を２０ｋｅＶとし、図５に示す試料の位置Ａ〜Ｄ点にプローブ電子線を照射したときのＢＳＥの発生率と、検出されたＢＳＥ信号の波高の関係を示している。アニュラー型蛍光体２０９の発光にばらつきがなく、かつ、信号の波高が厳密にＢＳＥのエネルギーに比例すると仮定すれば、波高とＢＳＥの発生量の関係は、図８で示したグラフと同様の形状になる。波高弁別に用いた領域である高波高領域２３４、中波高領域２３５、低波高領域２３６は図８のグラフに示した領域にそれぞれ対応している。このとき、得られる画像は、図４の下段で示した高波高領域画像２４０、中波高領域画像２４１、低波高領域画像２４２のようになる。注目すべきは、各画像がそれぞれ異なる深さ方向の情報を持っている点である。各画像に含まれる深さ情報の相違を図６と図９を用いて説明する。高波高領域画像２４０は、図６に示されるように、高波高領域２３４においてＤ位置とそれ以外の位置との間に大きなコントラストがつくが、Ａ〜Ｃの位置間ではコントラストがほとんどつかない。このため、図９の左側に示すように、極表面の情報を反映したＳＥＭ像となる。中波高領域画像２４１は、図６に示さるように、中波高領域２３５においてＡ〜Ｄ全ての位置でコントラストがつく。このため、図９中央に示すように、モリブテン構造物３０２の深さに依存した明るさのグラデーションを持つＳＥＭ像となる。低波高領域画像２４２は、図６に示されるように、低波高領域２３６において、位置Ｂ〜Ｄの位置間ではコントラストがほとんどつかないが、位置Ｂと位置Ａの間にコントラストがつく。このため、ＳＥＭ像は、図９の右側に示すように、深さ３０５での断面図のような画像になる。
ここで、より浅い領域を観察する場合は、プローブ電子のエネルギーを下げればよい。図１０に、プローブ電子を１０ｋｅＶとし、図５に示す試料から取得される信号波高とＢＳＥ発生率との関係を示す。すなわち、プローブ電子のエネルギーが１０ｋｅＶのときのＡ〜Ｄ点にプローブ電子線を照射したときのＢＳＥの発生率と、検出されたＢＳＥ信号の波高の関係のグラフを示している。このとき、高波高領域２５３を使って得られるＳＥＭ像は、高波高領域画像２４０とほぼ変わらない画像となるが、中波高領域２５４を使って得られるＳＥＭ像は、位置ＡとＢ間でコントラストがつかず、位置Ｂ、Ｃ、Ｄ間でコントラストがつき、図１１に示される中波高領域画像２５１となる。低波高領域２５５で得られる低波高領域画像２５２では、位置ＡとＢでコントラストがつかず、位置ＣとＤでもコントラストがつかない。一方、Ｃ（Ｄ）とＢ（Ａ）間ではコントラストがつくため、低波高領域画像２５２は、深さ３０６での断面像のような画像になる。
以上のとおり、装置の持つ分解能性能を維持しつつ、１回の画像取得で極表面の情報を反映したＳＥＭ像と、深さ方向の構造がグラデーションとして反映されたＳＥＭ像と、任意の深さでの断面図のようなＳＥＭ像の３種を得ることが可能になる。
上記では、信号の波高が厳密にＢＳＥのエネルギーに比例すると仮定したが、実際は比例しない場合がある。このような場合、ＢＳＥのエネルギーと波高の関係を予め調査し、その情報をもとに画像処理部２２７で明るさがＢＳＥのエネルギーに比例するように諧調補正をかけてもよい。また、ＢＳＥのエネルギーと深さの関係をシミュレーションなどから求め、その情報をもとに画像処理部２２７で明るさが深さに比例するように諧調補正をかけてもよい。
上記では波高を互いに重複しない３つの領域で弁別して３つの画像を出力する場合について説明したが、弁別する領域は３つ以上であっても良いし、互いに領域が重複しても良い。また、次に示すように、得られた複数の画像を処理して１つの画像に合成しても良い。

以下では、得られた複数の画像を処理して１つの画像に合成する手法が有効な一例を示す。図１２は、深さ方向に均一な構造を有する試料の上面及び断面図である。組成がシリコンの構造物４０１と組成がモリブテンの構造物４０２から成る試料４０３である。図１２の上段が上面（観察面）図であり、下段がＡ−Ａ’断面図である。試料４０３は、深さ方向に形状が依存しない均一な構造をしている。プローブ電子のエネルギーが２０ｋｅＶにおいて、前述と同様の波高弁別を行い、３つの画像を取得することを考える。図１３は、このとき得られる画像と、その画像を説明するためのＢＳＥの挙動を示す図である。右に示した低波高領域画像４１５は、低いエネルギーのＢＳＥを選択して画像化したものと同義である。このようなＢＳＥは、試料内部でのエネルギー損失が大きく、試料内での移動距離も長いものが多い。この場合、比較的モリブテン材料４０２から遠いＧ点に照射されたプローブ電子であってもモリブテン構造物４０２に当たる確率が高くなるため、ＢＳＥとして発生する場合がある。その結果、低波高領域画像４１５は、本来のモリブテン構造物４０２の幅より太ったグラデーションを持つ画像となる。同様に、中心に示した中波高領域画像４１４、高波高領域画像４１３は、選択するエネルギー帯に応じて太ったグラデーションを持つ画像となる。

このような場合、図１４に示すように、波高領域画像毎に、それぞれのグラデーション幅に応じたパラメータのデコンボリューション処理（逆畳み込み処理）をかけた上で全画像を積算することで、実際の試料形状に近いグラデーション領域が少ないマルチデコンボリューション画像４１６を得ることができる。波高領域画像毎に決定されるデコンボリューションのパラメータは、得られた画像４１３、４１４、４１５を解析して求めても良いが、その場合、本来なら試料の組成とプローブ電子のエネルギーで一意に決まるべきであるパラメータが、プローブ電子の電流量や積算フレーム回数などに依存する画像のＳＮに左右されてしまう。より効果的な方法は、試料の組成が分かっている場合に、モンテカルロシミュレーションなどによって試料内でのＢＳＥの挙動を予測して最適パラメータを決定する手法である。このようなシミュレータは、ＳＥＭの制御用のコンピュータに内蔵されていても良く、あらかじめ試料形状を入力しておき、プローブ電子の加速電圧と、弁別する波高領域を設定した段階で、自動的にデコンボリューションパラメータとして、例えばプローブ電子のガウシアンを計算し、デコンボリューション処理を行ったマルチデコンボリューション画像４１６を出力するようにしても良い。
得られた複数の画像を処理して１つの画像に合成する手法は、上記で示したマルチデコンボリューション処理に限定されるものではなく、例えば１つもしくは複数の波高領域画像を強調して全波高領域画像を合成することで、特定の深さ情報を強調する手法などの合成処理や、１つもしくは複数の波高領域画像を微分処理して全波高領域画像を合成することで、特定の深さ情報の明るさの変化を強調する手法などの合成処理であっても構わない。

次に、波高計測部２２５による波高計測処理について説明する。図１５は、図２に示す波高計測部２２５による波高計測処理の説明図である。ここでは、１フレーム分の画像データを形成する場合の波高計測処理について、３画素分を例に説明する。サンプリング時間Ｔ毎に得られる出力電圧Ｖ（Ｔ）に対し、出力電圧Ｖ（Ｔ）がベースライン２３２（Ｖｂａｓｅ）を超えた時点から計測を開始し、(１)出力電圧の前回値と現在値の変化から出力電圧の最大値Ｖｍａｘ、最小値Ｖｍｉｎを設定し格納、（２）出力電圧の現在値が格納されたＶｍａｘを超えた場合、そのサンプリング時間Ｔでの出力電圧Ｖ（Ｔ）に更新、または、Ｖｍｉｎを下回った場合、そのサンプリン時間Ｔでの出力電圧Ｖ（Ｔ）に更新、（３）Ｖｍａｘ及びＶｍｉｎの双方が非更新状態から、いずれか一方のみが更新されてから、その後非更新状態に切り替わったとき、他方の値をリセットする。これらの条件を満たすよう処理を実行する。

この処理について具体的に説明する。図１５は、図３の上段に示したグラフ２３１に、Ｔ０より前のサンプリング時間（Ｔ−３〜Ｔ−１）での出力電圧の挙動を追記したグラフ５０１である。一般的に、プローブ電子の走査は、画像化用のデータを取得するより前に始まっており、本アルゴリズムではその時間の出力電圧値を利用する。サンプリング時間Ｔ−２でＶ（Ｔ−２）がベースライン２３２の電圧値Ｖｂａｓｅを超えたことが検出されると、画像形成部２２６は、検出判定時間を記憶するため、Ｔｈｉｔ＝Ｔの値を図示しない記憶装置に記憶する。このサプリング時間（Ｔ−２）から波高計測に用いる最大値Ｖｍａｘの更新を開始し、Ｖｍａｘ＝Ｖ（Ｔ）の処理をする。以降のサンプリング時間では毎回、Ｖｍａｘ＜Ｖ（Ｔ） であれば、Ｖｍａｘ＝Ｖ（Ｔ）の処理をする（最大値Ｖｍａｘの更新）。図１５では、初回のＶｍａｘ＝Ｖ（Ｔ−２）、次のサプリング時間Ｔ−１での出力電圧Ｖ（Ｔ−１）は、前回値のＶ（Ｔ−２）を超えるため、ＶｍａｘをＶ（Ｔ−２）に更新する。次のサンプリング時間Ｔ０では、検出される出力電圧Ｖ（Ｔ０）は、Ｖ（Ｔ０）＜Ｖ（Ｔ−１）の関係にあり、Ｖｍａｘ≧Ｖ（Ｔ）となる。出力電圧の最大値が得られた時間を記憶するためＴｍａｘ＝Ｔ−１の値を記憶してＶｍａｘの更新はせず（Ｖ（Ｔ−１））に終了する。この時間から波高計測に用いる最小値Ｖｍｉｎの更新を始め、Ｖｍｉｎ＝Ｖ（Ｔ）の処理を行う。以降のサンプリング時間では、毎回 Ｖｍｉｎ＞Ｖ（Ｔ）であればＶｍｉｎ＝Ｖ（Ｔ）の処理、すなち、Ｖｍｉｎの更新処理行う。Ｖｍｉｎが更新された際、Ｖｍｉｎとベースライン２３２の電圧値Ｖｂａｓｅとを比較し、Ｖｍｉｎ＜Ｖｂａｓｅであれば、Ｖｍｉｎ＝Ｖｂａｓｅの処理をする（図１５では、最初にこれが起こるのはサプリング時間Ｔ１）。サンプリング時間Ｔ２からＴ４では、Ｖ（Ｔ）≧Ｖｍｉｎ、Ｖｍａｘ≧Ｖ（Ｔ）であるため、Ｖｍａｘはサンプリング時間Ｔ−１で格納されたＶ（Ｔ−１）、Ｖｍｉｎはサンプリング時間Ｔ１で格納されたＶｂａｓｅのまま更新されない。Ｖｍａｘ及びＶｍｉｎ共に非更新状態となる。

サンプリング時間Ｔ５で、出力電圧Ｖ（Ｔ５）＞Ｖｍａｘ(Ｖ（Ｔ−１）)となり、格納されているＶｍａｘをＶ（Ｔ−１）からＶ（Ｔ５）に更新する。以降、サンプリング時間Ｔ７までＶ（Ｔ）＞Ｖｍａｘの状態が連続することにより、格納されるＶｍａｘはＶ（Ｔ６）、Ｖ（Ｔ７）と逐次更新される。

サンプリング時間Ｔ８では、Ｖｍａｘ＝Ｖ（Ｔ７）＞Ｖ（Ｔ８）となり、Ｖｍａｘの更新が停止する。この更新停止により、これまでＶｍｉｎとして格納されたＶｂａｓｅの値をリセットし、Ｖ（Ｔ８）を新たなＶｍｉｎとして格納する（上記条件（３）に該当）。サンプリング時間Ｔ９の時点で、ＶｍｉｎがＶ（Ｔ９）に更新され、サンプリング時間Ｔ１０の時点で、Ｖ（Ｔ１０）＞Ｖｍｉｎ＝Ｖ（Ｔ９）となり、Ｖｍｉｎの更新が停止する。このＶｍｉｎの更新停止により、Ｖｍａｘとして格納さていたＶ（Ｔ７）をリセットし、Ｖ（Ｔ１０）を新たにＶｍａｘとして格納する（上記条件（３）に該当）。このように、Ｖｍａｘの更新開始後Ｖｍａｘの更新停止により、Ｖｍｉｎの更新が開始され、Ｖｍｉｎの更新開始後Ｖｍｉｎの更新停止により、それまで格納されていたＶｍａｘをリセットし、Ｖｍａｘの更新が開始される。これにより各画素における波高値を計測することが可能となる。

図１５に示されるように、決定された各サンプリング時間に対応するＶｍａｘとＶｍｉｎの値をそれぞれ▲と■で示す。Ｔｈｉｔに対応する波高Ｈ（Ｔｈｉｔ）は、Ｔｈｉｔ以降で最も近いＴｍａｘにおけるＶｍａｘとＶｍｉｎの差の絶対値Ｈ（Ｔｈｉｔ）＝｜Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎ｜で決定する。サンプリング時間Ｔ７での波高Ｈ（Ｔ５）＝｜Ｖ（Ｔ７）−Ｖｂａｓｅ｜、サンプリング時間Ｔ１０での波高Ｈ（Ｔ１０）＝｜Ｖ（Ｔ１０）−Ｖ（Ｔ９）｜、同様に、波高Ｈ（Ｔ１２）及びＨ（Ｔ１５）が得られる。波高計測部２２５は、波高値とその波高値が計測されたサンプリング時間を、画像形成部２２６へ出力する。

なお、本実施例では、各サンプリング時間における出力電圧を、前回値と比較すると共に、格納されるＶｍａｘ、Ｖｍｉｎと比較することとしたが、これに限られない。例えば、Ｔｍａｘの決定の際に、Ｖｍａｘ≧Ｖ（Ｔ）の判定をすることに代えて、しきい値として正の定数であるＣを用いて、Ｖｍａｘ−Ｖ（Ｔ）≧Ｃを用いても良い。なお、しきい値Ｃの設定は、観察領域の画像形成処理を実行する前に、サンプリングを行いノイズの影響度を確認し設定すれば良い。このようにすることで、実際は信号が立ち上がっている途中にも関わらず、取得される信号すなわち出力電圧Ｖ（Ｔ）にノイズが付加された場合であっても判定精度を維持できる。

また、本実施例では、図１５に示すように、画素０から画素２までの３画素分の出力電圧Ｖ（Ｔ）を取得し、Ｔｈｉｔを決定した後、各画素における波高値を計測するようにしたが、これに限られず、Ｔｈｉｔを決定することなく、Ｖｍａｘ及びＶｍｉｎのいずれか一方のみが更新された時点で、波高値を計測しても良い。例えば、図１５において、サンプリング時間Ｔ８での出力電圧Ｖ（Ｔ８）を取得するタイミングで、サンプリング時間Ｔ７での波高値を計測しても良い。

以上のとおり、本実施例によれば、装置の大型化を回避しつつ、深さ方向に構造を持つ試料の観察において、所望の深さの試料形状を反映したＳＥＭ像を、１回の画像取得で生成することが可能となる。

図１６は、本発明の第二の実施例に係る荷電粒子線装置の全体構成図である。図１と同一の構成要素には同一の符号を付している。実施例１と異なる点は、検出器が蛍光体ではなく、アニュラー型の半導体検出器６０１を用いている点である。図１７に、本実施例の信号処理系６０２の機能ブロック図を示す。図１７に示されるように、本実施例では図２に示した実施例１の信号処理系２１２を構成する蛍光体２０９に代えて半導体検出器６０１、また、光電子増倍器２２１に代えてプリアンプ６０４を設けている。波高計測処理などのその他の構成については実施例１と同様である。

本実施例によれば、実施例１と同様に装置の大型化を回避しつつ、深さ方向に構造を持つ試料の観察において、所望の深さの試料形状を反映したＳＥＭ像を、１回の画像取得で生成することが可能となる。

また、本実施例では、実施例１の蛍光体と光電子増倍器との組み合わせからなる検出器と比較して、エネルギー分解能が高い半導体検出器６０１を用いているため、より詳細に波高弁別を行うことが可能になる。

図１８は、本発明の第三の実施例に係る荷電粒子線装置の全体構成図である。図１６と同一の構成要素には同一の符号を付している。実施例２における半導体検出器６０１に代えてアニュラー型のアヴァランシェ検出器６０５を用いている点が実施例２と異なる。波高計測処理などのその他の構成については、実施例１と同様である。

本実施例によれば、実施例１と同様に装置の大型化を回避しつつ、深さ方向に構造を持つ試料の観察において、所望の深さの試料形状を反映したＳＥＭ像を、１回の画像取得で生成することが可能となる。

また、アヴァランシェ検出器６０５は、比較的高いエネルギー分解能を持ち、半導体検出器６０１よりゲインが高いという特徴がある。このため、実施例２に比較し、詳細な波高弁別を高い検出精度で行うことが可能になる。

図１９は、本発明の第四の実施例に係る荷電粒子線装置の全体構成図である。図１、図１６及び図１８と同一の構成要素に同一の符号を付している。実施例１〜３とは、アニュラー型の検出器６１０が電子光学系２０５の内部ではなく、電子光学系２０５と試料２０４の間に配置されている点が異なっている。アニュラー型の検出器６１０は、実施例１〜３のいずれの検出器を用いても良く、信号処理系６１１は、選択した検出器に対応した構成となる。波高計測処理などのその他の構成については実施例１と同様である。

本実施例によれば、実施例１と同様に装置の大型化を回避しつつ、深さ方向に構造を持つ試料の観察において、所望の深さの試料形状を反映したＳＥＭ像を、１回の画像取得で生成することが可能となる。

また本実施例では、実施例１〜３と比較して広いアクセプタンスでＢＳＥを検出することができ、比較的少ない積算フレーム枚数で高いＳＮのＳＥＭ像を得ることができる。

図２０に、アニュラー型マルチチャンネル検出器６２０を示す。アニュラー型マルチチャンネル検出器６２０は、プローブ電子線が通過する中心穴６２１を備え、試料と対向する感受面が図に示したようにセグメント化されている。本実施例の信号処理系は、このセグメント化された数と同数を備える。検出器は実施例１〜３のいずれの検出器であっても構わない。また、検出器配置は、実施例１〜３と同様に電子光学系の内部にあってもよく、実施例４と同様に、電子光学系と試料の間に配置されていてもよい。

本実施例によれば、放出されるＢＳＥの仰角や方位角に依存した選択画像を得ることができ、試料の立体形状を考慮した波高弁別像を得ることができる。

図２１に本発明の第六の実施例に係る荷電粒子線装置の全体構成図を示す。図１と同一の構成要素には同一の符号を付している。本実施例では、電子光学系２０５の内部にＢＳＥを光軸外に偏向するウィーンフィルタ６３１を備える。検出器６３２は、軸外に配置されている。検出器６３２は上述の実施例１〜３のいずれの検出器であっても構わない。ただし、形状はアニュラー型ではなく、一般的には矩形をしている。

本実施例によれば、所望の深さの試料形状を反映したＳＥＭ像を、１回の画像取得で生成することが可能となる。

また、本実施例では、実施例１〜５のアニュラー型検出器でとり逃していた検出器の中心穴を通過する軌道をとるＢＳＥを検出することができ、その結果ＳＮを向上させることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

２０１…カラム、２０２…電子線源、２０３…試料保持具、２０４…試料、２０５…電子光学系、２０６…電子線偏向器、２０７…信号電子、２０９…アニュラー型蛍光体、２１０…ライトガイド、２１１…信号処理系、２１２…信号電子検出系、２２０…光信号、２２１…光電子増倍器、２２２…信号検出回路、２２３…アンプ、２２４…アナログデジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）、２２５…波高計測部、２２６…画像形成部、２２７…画像処理部、２３２…ベースライン、２３４、２５３…高波高領域、２３５、２５４…中波高領域、２３６、２５５…低波高領域、２３７…高波高領域１フレーム画像、２３８…中波高領域１フレーム画像、２３９…低波高領域１フレーム画像、２４０、４１３…高波高領域画像、２４１、２５１、４１４…中波高領域画像、２４２、２５２、４１５…低波高領域画像、３０１、４０１…組成がシリコンの構造物、３０２、４０２…組成がモリブテンの構造物、３０３、４０３…試料、３０４…視野、３０５、３０６…試料の深さ、４１６…マルチデコンボリューション画像、６０１…半導体検出器、６０２…信号処理系、６０５…アヴァランシェ検出器、６１０…検出器、６１１…信号処理系、６２０…マルチチャンネル検出器、６２１…中心穴、６３１…ウィーンフィルタ、６３２…検出器

Claims (5)

1. 荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを試料へ照射し走査する照射光学系と、
   前記荷電粒子ビームの照射により試料から発生する荷電粒子を検出し所定のサンプリング周期で電気信号に変換する検出器を有する検出光学系と、
   前記検出器からの電気信号に基づき画像を生成する画像処理部を備え、
   前記画像処理部は、画素単位で前記検出光学系の出力値に応じた波高の計測信号を生成し、フィルタ処理によって当該計測信号を波高値が異なる複数の画像データに弁別し、当該波高値が異なる画像データに対しデコンボリューション処理を行い、デコンボリューション処理後の画像データを合成することによって、画像を生成することを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   前記検出器は、アニュラー型の検出器であって、前記照射光学系の光軸上に配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   前記荷電粒子ビームの照射により試料から発生する荷電粒子を、前記照射光学系の光軸外に偏向する偏向器を備え、前記偏向器により偏向される前記荷電粒子の軌道上に前記検出器を配置することを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
   前記アニュラー型の検出器は、中央に前記荷電粒子ビームを通過可能とする開口を有し、前記試料に対向する感受面を複数のセグメントに分割されてなることを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 荷電粒子ビームを試料に照射し、試料から発生する荷電粒子を検出し画像生成する荷電粒子線装置の画像生成方法において、
   前記検出される荷電粒子を所定のサンプリング周期で電気信号に変換し、
   画素単位で前記電気信号に応じた波高の計測信号を生成し、
   フィルタ処理によって前記波高の計測値信号を波高値が異なる複数の画像データに弁別し、
   前記波高値が異なる画像データに対しデコンボリューション処理を行い、デコンボリューション処理後の画像データを合成することによって、画像を生成することを特徴とする荷電粒子線装置の画像生成方法。

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