JP6298601B2 - 荷電粒子線装置 - 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数の計数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）や走査イオン顕微鏡（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が試料に照射された際に試料から発生する信号荷電粒子を検出する。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。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）でサンプリングしてデジタル信号に変換して集計し、後段の回路によって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と同じかそれより短い。これは、サンプリングがないのに存在してしまうような意味のない画素が存在しないようにするためである。

一般に、荷電粒子線の照射による試料の帯電や、試料ダメージを低減するため、試料に照射する荷電粒子線の量（プローブ電流量）を小さく、かつ走査時間を短くすることが好適な場合が多いが、そうすると必然的に１回視野領域を走査したときに得られる１フレーム画像のＳＮは低くなる。高いＳＮの画像を取得するには、同じ視野を複数回走査して得た複数のフレーム画像を積算した積算フレーム画像を作る。

一方、特許文献１にはフォトカウント型光検出器が開示されている。特許文献１には、フォトンカウント型光検出器の検出信号をＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換された検出信号が、予め設定したしきい値以上の場合に後段の光子数算出回路に検出信号を送り、しきい値以下の場合には、出力０を後段に送るしきい値処理をおこなう信号処理法が開示されている。光子数算出回路では、光量測定が終了するまで取得した検出信号波形の面積から、フォトンカウント型光検出器に入射した光子数あるいは光量を求める。これにより、検出対象となる光子数を正確にカウントできるとしている。

特開２０１２-３７２６７号公報（対応米国特許公開公報ＵＳ２０１３／０１１４０７３）

上述のように荷電粒子線装置では、フレーム積算を行うことによって、ＳＮの高い画像を形成することができるが、そもそもの１フレーム画像自体のＳＮを高くすることが積算フレーム画像のＳＮを高くする上で重要である。一方で、１フレーム画像のＳＮにはプローブとなる荷電粒子線の電流量と信号電子の発生率と走査速度で決まる上限がある。理想的なＳＮの１フレーム画像を作るには、１画素の輝度が、その画素領域を荷電粒子線が走査している間に検出される信号電子の数そのものであればよく、このとき、１フレーム画像のＳＮは、プローブとなる荷電粒子発生の統計的なゆらぎと、信号電子発生の統計的なゆらぎのみから決まる理想値となる。画像処理などによって意図的に画像のノイズを消す手法や、検出器のサチレーションを利用して信号電子が来ていない時間に検出信号を発生させる手法により画像のＳＮを向上させることも可能だが、荷電粒子線装置の検出器が信号電子を検出することを目的としたものであると考えたときの真の理想的なＳＮは前述のように決まる。

従って、検出される信号電子の数を高精度に計数することができれば、高ＳＮのフレーム像が作成できるが、これを行おうとする場合、特許文献１に開示されているような計数法を適用することも考えられる。ただし、特許文献１では、検出信号波形の面積が計数対象の光子の数に比例していることが前提である。

一方、信号電子が発生させる蛍光体の発光強度にはばらつきがあるため、検出信号波形の面積は信号電子の数に依存しないランダムな値となり、特許文献１に開示の手法では適正な信号電子の計数が困難である。

以下、画素ごとの信号電子の数を正確に計数することを目的とする荷電粒子線装置について説明する。

上記目的を達成するための一態様として、以下に荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームの試料への照射によって得られる荷電粒子を検出する検出器と、前記試料に対する前記荷電粒子ビームの照射を遮断するブランカを備えた荷電粒子線装置であって、前記検出器の出力に基づいて、サンプリング時間単位の荷電粒子の検出の有無を決定する処理部を備え、当該処理部は、前記ブランカによって前記試料に対する荷電粒子ビームの照射が遮断されているときの前記検出器の出力に基づいて、前記荷電粒子の検出の有無を決定するための参照情報を算出し、当該参照情報に基づいて、前記試料に荷電粒子ビームが照射されているときの荷電粒子の検出の有無を決定し、計数して画素毎に計数した数に対応した輝度を出力する荷電粒子線装置を提案する。

上記構成によれば、信号電子検出器の出力がランダムな場合においても画素ごとに信号電子の数を計数でき、理想的なＳＮに近い画像を取得できる荷電粒子線装置を提供できる。

荷電粒子線装置の概要を示す図である。 荷電粒子線装置の信号電子検出系を示すブロック図である。 荷電粒子線装置のＡ／Ｄ変換機の出力のグラフである。 信号電子のカウント処理部を示すフローチャート図である。 信号電子判定アルゴリズムを説明する図である。 観察対象となる試料の上面図である。 荷電粒子線装置を用いて、反射電子を信号電子として試料を観察した１フレームの画像である。 荷電粒子線装置を用いてで、反射電子を信号電子として試料を観察した１フレームの画像のヒストグラムである。 荷電粒子線装置の概要を示す図である。 荷電粒子線装置の概要を示す図である。 信号判定処理の最適化機能を説明するためのＳＥＭ画像である。 信号電子判定アルゴリズムを説明する図である。

以下の説明は、観察対象となる試料にプローブとなる荷電粒子線を照射し、試料から発生した電子を検出することで試料表面の情報を取得する荷電粒子線装置のうち、特に、試料から発生して検出される電子の数が、試料に照射する荷電粒子線の数に比べて少ない部位の信号のＳＮを向上させるのに好適な荷電粒子線装置及びその観察画像の生成方法に関する。

理想的なＳＮの１フレーム像を作るためには、検出される信号電子の数を高精度で計数することが考えられる。そのためにはサンプリング時間に検出される信号電子の数が最大で１つである必要があることが望ましい。これは、蛍光体の発光強度のばらつきによって、２つ同時に検出される（ダブルカウント）現象と、１つだけ検出される（シングルカウント）現象を現実的には区別できないためである。

発明者らの検討によって、荷電粒子線装置において、上述のような観察を行うには、（１）サンプリング時間あたりに試料に照射される荷電粒子線の数を平均で１程度ないし１以下にした状態で、（２）１つあたりの荷電粒子線に対して試料から発生する信号電子の数が平均で１以下とすべきであることを見出した。上記条件（１）を満たすには、プローブ電流量と走査時間を制御することで比較的容易に実現できるが、上記条件（２）を満たすには、観察対象に制約が掛かる。条件（２）を満たす条件には例えば以下のものがある。

条件Ａとして、荷電粒子線１つに対して２つ以上発生することがない反射電子を信号電子とすることが挙げられる。条件Ｂとして、荷電粒子線１つに対して２つ以上発生するが、立体障害や帯電による遮蔽などによって２つ以上同時に検出されることがないと思われる溝底や深穴起源の二次電子を信号電子とすることが挙げられる。

条件（２）を満たせない条件は、荷電粒子線１つに対して２つ以上発生する確率が高い、比較的なだらかな試料から発生する二次電子を信号電子とする（条件Ｃ）。

以下の説明は、条件Ａ、条件Ｂのもと、信号電子計数による高いＳＮの画像を得る荷電粒子線装置に関するものである。

ところで、荷電粒子線装置の検出器に用いられる蛍光体は、発光強度のばらつきによる電気信号の出力強度のばらつきをそのままＡ／Ｄ変換して画像を形成しているため、信号電子を計数しているとは言えない。さらに、光増幅器の暗電流や回路系のフロアノイズの影響で、実際には信号電子が発生しなかった画素、すなわち出力が０であるべき画素についてもある一定強度の出力があり、これがさらに画像のＳＮを劣化させている。

そこで、以下に説明する実施例では、走査線間に荷電粒子線が試料に当たらないようにする荷電粒子線ブランカと、検出対象の信号電子を光に変換する変換器と、その光量に応じたアナログ信号を増幅した電気信号を出力する増幅手段と、所定のサンプリング時間で電気信号をアナログデジタル変換して出力するアナログデジタル変換器とを備え、１走査線毎に、荷電粒子線ブランカによって荷電粒子線が試料に当たっていない間には、アナログデジタル変換器の出力を一定時間蓄積し、その出力を統計処理した値を記憶し、荷電粒子線が試料に当たっている間はアナログデジタル変換器の出力と前記統計処理した値を使ってサンプリング時間毎に最大一つの信号電子が検出されたか否かを判定し、荷電粒子線の走査領域に対応した画像を出力する際には、その画素ごとに検出された信号電子の数をマッピングして出力する荷電粒子線装置について説明する。

図１はＳＥＭを示す概念図である。本実施例（第一の実施形態）にて説明する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１０１を備え、カラム１０１の内部には、電子線源１０２と、試料保持具１０３と、前記試料保持具１０３によって保持された試料１０４と、前記電子線源１０２から発生した図示しない電子線を、前記試料１０４上に所望の径で収束させるための電子線光学系１０５と、電子線を前記試料１０４上で所望の視野の領域で走査する電子線偏向器１０６と、試料から発生する信号電子１０７を変換信号電子１０８に変換する変換電極１０９と、前記変換信号電子１０８を光信号に変換する蛍光体１１０を備える。変換電極１０９の変換信号電子放出効率ηが１以上である場合、信号電子１つに対し、変換電極１０９から発生する変換信号電子１０８が２つ以上発生する場合がありうるが、これは、初段の検出器のゲインがηであることと同義であり、検出対象の試料から発生する信号電子１０７は依然１つであるため、ダブルカウントとはならない。なお、信号電子放出効率ηは一般的に知られる二次電子放出効率と同義であり、変換電極の材料に依存する。一般的な金属材料では、ηは１程度である。

なお、以降では、信号電子１０７が反射電子であるか、二次電子であるかに関しては、特殊な場合を除き、明言していないが、どちらかを選択して検出するような選択機能を持っていても構わない。

カラム１０１内部もしくは外部もしくは内部から外部にまたがっては、前記光信号を電気信号に変換し、Ａ／Ｄ変換して計数した信号電子の数に基づく画像用信号に変換する信号処理系１１１を備える。以降では、蛍光体１１０、信号処理系１１１を信号電子検出系１１２と呼称する。

１フレームのＳＥＭ画像を得るには、所望の視野の領域で電子線を走査させながら、サンプリング時間毎に信号電子を計数して１画素分の総和をとり、画面内の走査位置に対応した画素にその値をマッピングしてゆく。一般的には、荷電粒子線の走査方向をＸ方向とすると、あるＹ座標においてＸ方向に連続した走査を行い、それが終わった後、視野内の別のＹ座標においてＸ方向の走査を行い、これを所定のＹ座標分行うことで最終的に全視野の走査を完了して１フレームの画像を得る。

本実施例によるＳＥＭでは、ある走査ラインの走査が終わった後、次のＹ座標における走査を始める前に電子線が一定時間試料に当たらなくなるようにするための電子線ブランカ１１３を備える。電子線ブランカ１１３は、１ライン走査完了後の一定時間、電子線の進行方向に対して垂直な電圧を印加する。電子線源１０２、電子線光学系１０５、電子線偏向器、信号処理系１１１、電子線ブランカ１１３は図示しない制御部１１４によって制御される。電子線ブランカ１１３は２以上の電極からなる偏向電極、或いは磁界型偏向器と、電子線開口を備えた円板状の遮蔽部材からなり、例えば１ライン走査後、次の走査ラインの走査を行う前に、試料に対し不要なビーム照射を行うことのないよう、１ライン走査と１ライン走査の間、ビームが遮蔽部材に照射されるように、ビームを偏向する。また、反射電子を選択的に検出する場合には、試料と検出器との間にエネルギーフィルタを配置して、反射電子より相対的にエネルギーの低い二次電子の検出器への到達を抑制しつつ、反射電子を選択的に検出することが考えられる。

なお、図１では、信号電子を変換信号電子に変換する手法が一つの変換電極による一段の変換であるとして説明したが、これは、複数の変換電極を用いた多段の変換であっても構わない。かかる構成によれば、蛍光体から遠い変換電極に当たる信号電子を多段の変換電極によって蛍光体の近傍にまで導くことができる。以降では、煩雑な記述を避けるため、変換信号電子も信号電子と記述することにする。なお、当然信号電子の軌道上に蛍光体が位置付けられた検出器を採用するようにしても良い。

図６、７にＳＥＭで取得した１フレーム画像の例を示す。図６は、観察対象となる試料４０１の観察視野の上面図である。試料４０１は、図面縦方向に帯状になった材料Ａ４０２と材料Ｂ４０３が画面横方向に並んだ試料であり、表面は凹凸が無く平面状になっている。図７は、試料４０１から放出された反射電子（或いは後方散乱電子（ＢＳＥ：Ｂａｃｋ Ｓｃａｔｔｅｒｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ））を信号電子として試料を撮像した画像例４０４である。画素数は１６ピクセル×１６ピクセルで、１画素あたりのサンプリング回数は１０回である。電子線のプローブ電流と走査時間は、サンプリング時間あたりに照射される数が１以下になるように管理されている。電子線１つに対して発生し、検出される信号電子の数は、材料Ａ４０２では平均で０．３、材料Ｂ４０３では平均で０．９であると仮定する。輝度諧調の深さは８ｂiｔである。

図８は、図７のＳＥＭ画像の輝度ヒストグラム４０５である。この例では、輝度の数は１０個あるが、本実施例におけるＳＥＭの１フレーム画像のヒストグラムでは、この個数は１０を超えることはない。その理由は１画素を作るのに１０回のサンプリングを行っており、各サンプリング時間で計数される電子数は最大でも１であるためである。

多フレームの積算画像を得るには、フレーム毎に画素ごとの輝度を加算してゆくことで得られる。

また、本実施例においては走査電子顕微鏡を例に採って説明するが、以下に説明する実施例は、ＳＥＭに限定されるものではなく、行いたい観察手法、加工観察手法によっては例えば、ＳＩＭやＦＩＢであっても構わない。その場合、図１の説明の電子線はイオン線に置き換えられ、電子線源１０２はイオン線源に置き換えられ、電子線光学系１０５、電子線偏向器１０６、電子線ブランカ１１３はそれぞれイオン線光学系、イオン線偏向器、イオン線ブランカに置き換えられる。

図２は信号電子検出系１１２を示すブロック図である。試料１０４から発生した信号電子１０８は蛍光体１１０に当たって光信号２０１を発生させる。光電子増倍器２０２は、この光信号を電気信号として増幅し、信号検出回路２０３に出力する。信号検出回路２０３は、アンプ２０４、アナログデジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）２０５、カウント処理部２０６、画像形成部２０７を備えている。アンプ２０４は、光電子増倍器２０２からの電気信号出力を増幅し、Ａ／Ｄ変換機２０５に出力する。Ａ／Ｄ変換器２０５はアンプ２０４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、カウント処理部２０６に出力する。

カウント処理部２０６では、デジタル電圧信号から、サンプリング時間に対してその都度、信号電子１０８が検出されたか否かを判定し、後段の画像形成部２０７に判定結果を出力する。画像形成部２０７では、検出判定が下されたサンプリング時間に対しては１を、されなかったサンプリング時間に対しては０を、そのサンプリング時間が対応する位置の画素輝度にその値を加算してゆく。上記の処理を指定した視野、指定した画素数、指定した積算フレーム数に対して行ってゆき、最終的に所望の積算フレーム分の１枚の画像データを得て、画像処理部２０８に出力する。画像処理部２０８では、画像データに対し、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。

カウント処理部２０６で行う処理を、図３、４、５を用いて説明する。図３は荷電粒子線装置における任意の２ラインを走査する間の時間に対してＡ／Ｄ変換機で出力されたデジタル電圧信号をプロットしたグラフである。プローブ電子線の走査方向をＸ方向とすると、所定のＹ座標における第０の走査時間３０１が終わった後、電子線が試料に照射されない第一のブランキング時間３０２が後続し、次いで第一の走査時間３０３、次いで第二のブランキング時間３０４、第二の走査時間３０５が後続する。ブランキング時間中に検出される信号ピークには、回路系のフロアノイズ３０６と光電子増倍器２０２の暗電流ピーク３０７がある。走査時間に入ると、信号電子ピーク３０８が発生し始めるが、ブランキング時間中とほぼ同じ頻度でフロアノイズ３０６と光電子増倍器２０２の暗電流ピーク３０７も発生している。

カウント処理部２０６は、１ラインの走査毎にブランキング時間中においては、フロアノイズ３０６のデジタル電圧信号から、画素単位の荷電粒子検出の有無を決定するための参照情報であるしきい値と、しきい立ち上がり強度を決定し、それに直続する走査時間においては、直前に決まったしきい値としきい立ち上がり幅からデジタル信号電圧を信号電子判定アルゴリズム３１５に従って検査し、走査時間中のサンプリング時間毎にその都度、信号電子が検出されたか否かを判定し、画像形成部２０７に出力する。

図４はカウント処理部２０６による処理工程を示すフローチャート図である。制御部１１４が、ブランキング時間を開始させる（ステップＳ３０１）と、カウント処理部２０６は、しきい値としきい立ち上がり強度決定用のデータ取得Ａを開始（ステップＳ３０２）し、その後は、サンプリング時間がくる（ステップＳ３０３ Ｙｅｓ）度に、しきい値としきい立ち上がり強度決定用のデジタル電圧データとして、Ａ／Ｄ変換器２０５の出力を記憶する（ステップ３０４）。次に、あらかじめ設定されたサンプリング数Ａぶんの時間が経過したか判定（ステップＳ３０５）し、経過していない場合、ステップＳ３０３に戻ってデータ記憶を続行する。経過していた場合、取得した全データを統計処理することでしきい値３０９としきい立ち上がり強度３１０を算出し、その値を記憶する（ステップＳ３０６）。しきい値の決め方の一例としては、サンプリング数Ａ分の取得した全デジタル電圧データの平均値と標準偏差の一次の線形結合値を用いる。後述の実施例では、しきい値３０９を平均値と標準偏差の３倍値の和で決定し、しきい立ち上がり強度３１０を標準偏差の３倍値で決定している。なお、統計処理するデータに信号電子ピーク３０８が混入しないように、ステップＳ３０６は走査時間の開始より先に終了するようにしなければならない。制御部１１４が走査時間を開始させる（ステップＳ３０７）と、カウント処理部２０６は信号電子判定用データ取得Ｂを開始（ステップＳ３０８）し、その後のサンプリング時間がくる（ステップＳ３０９ Ｙｅｓ）度にしきい値３０９としきい立ち上がり強度３１０を参照とし、信号電子判定アルゴリズム３１５によって、そのサンプリング時間に信号電子が検出されたか否かを判定し（ステップＳ３１０）、判定結果を画像形成部２０７に出力する。次に、あらかじめ設定されたサンプリング数Ｂぶんの時間（画像化する１ラインの走査時間）が経過したか判定（ステップＳ３１１）し、経過していない場合、ステップＳ３０９に戻って次のサンプリング時間を待って信号電子判定を続行する。経過していた場合、１ライン分の処理を終了し、次のブランキング時間の開始（ステップＳ３０９）まで処理を止める。

以降では、信号電子判定アルゴリズム３１５の一例を説明する。本アルゴリズムでは、あるサンプリング時間Ｔ（Ｎ）におけるデジタル電圧信号の出力電圧 ＝Ｖ（Ｔ（Ｎ））と一つ前のサンプリング時間Ｔ（Ｎ−１）における出力電圧 Ｖ（Ｔ（Ｎ−１））とを比較し、次の条件１、条件２、条件３が同時に満たされる場合、サンプリング時刻Ｔ（Ｎ）において信号電子が検出された（Ｈｉｔ）という検出判定を画像形成部２０７に出力する。

条件１：出力電圧 ＝Ｖ（Ｔ（Ｎ））がしきい値３０９より大きい場合。

条件２：Ｖ（Ｔ（Ｎ−１）＜ Ｖ（Ｔ（Ｎ））かつ、出力電圧差 ＝Ｖ（Ｔ（Ｎ））−Ｖ（Ｔ（Ｎ−１））がしきい立ち上がり強度３１０より大きい場合。

条件３：出力判定スイッチ（後述）がＯｎである場合
あるサンプリング時間Ｔ（Ｍ）で信号電子が検出された（Ｈｉｔ）という判定出力をすると、Ｔ（Ｏ）＞Ｔ（Ｍ）のサンプリング時間では、次の条件４が満たされない限り、出力判定スイッチはＯｆｆとなり、条件４が満たされたＴ（Ｏ）以降は全てＯｎとなる。

条件４：Ｖ（Ｏ）＜Ｖ（Ｏ−１）
図５は本アルゴリズムを説明する図である。図５の最上段は、図３の特に電子線が試料に照射されている走査時間中のあるサンプリング時間（Ｔ（１）〜Ｔ（２４））に対してＡ／Ｄ変換機２０５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３１１である。ここでは、Ｔ（５）、Ｔ（１０）、Ｔ（１５）に信号電子が検出された場合を仮定する。Ｔ（１）から考えると、Ｔ（４）で条件１、条件３が満たされる。ただし、条件２は満たされない。Ｔ（５）では、出力電圧差のグラフ３１３に示すとおり条件１と条件２と条件３が同時に満たされるため、検出判定３１４はＨｉｔを出力する。Ｔ（６）では、条件４が満たされないため、出力判定スイッチ３１２はＯｆｆとなっており、条件１、条件２が同時に満たされるが、条件３が満たされないので、Ｈｉｔは出力されない。これ以降、Ｔ（８）で初めて条件４が満たされ、スイッチはＯｎに戻る。同様にして、Ｔ（５）、Ｔ（１０）、Ｔ（１５）において、条件１と条件２と条件３が同時に満たされることなり、信号電子が検出されたという検出判定３１４を出力する。

上記のアルゴリズムにおいて、例えば、しきい値３０９として、ブランキング時間の集計データの平均値と、標準偏差の３倍の和を用いる。これによって、フロアノイズ成分の約９９．７％を除去できる。しきい立ち上がり強度３１０としては、大きく設定しすぎると小さな信号電子ピークを見落とす可能性が高く、小さく設定しすぎるとフロアノイズ成分を謝って計数しやすくなってしまう。このため、事前、もしくは自動で最適なしきい立ち上がり強度を決定する。この値は、事前に設定する光電子増倍器２０２の設定ゲインによって変化するが、おおむねブランキング時間の集計データの標準偏差の３倍を用いると最適であることが実験的に分かっている。

なお、条件４は、負の値である第三のしきい値であるしきい立下り強度３１６を用いて次の条件４´のようであっても構わない。

条件４´：Ｖ（Ｏ）−Ｖ（Ｏ−１）＜しきい立下り強度３１６
図１２は条件４´を用いた場合のアルゴリズムを説明する図である。図５の場合と同様に、Ｔ（５）、Ｔ（１０）、Ｔ（１５）に信号電子が検出された場合を仮定する。図５の場合とは、Ｔ（７）、Ｔ（８）の出力電圧の挙動が異なっている。この挙動は、Ｔ（５）で立ち上がり始めた出力電圧が、立ち上がりの途中であるにも関わらず、フロアノイズなどの影響によりＴ（７）で立ち下がってしまっている状態を示している。先述の条件４を採用していた場合、Ｖ（Ｔ（７））＜Ｖ（Ｔ（６））であるため、Ｔ（７）で出力判定スイッチ３１２がＯｎになってしまい、Ｔ（８）でＶ（Ｔ（８））−Ｖ（Ｔ（７））がしきい立ち上がり強度３１０より大きいため、Ｔ（８）でＨｉｔの検出判定をしてしまう。一方、条件４´を用いる場合、Ｖ（Ｔ（７））―Ｖ（Ｔ（６））＞しきい立下り強度３１６であるため、Ｔ（７）で出力判定スイッチ３１２はＯｆｆのままである。その結果、Ｔ（８）での誤検出を避けることが出来る。

しきい立下り強度３１６は大きすぎると信号の立下りをただしく検知できずに、次の立ち上がりを見落とす可能性が高まる。一方、小さくしすぎるとフロアノイズによる偽の信号の立下りを誤って検知してしまうことにより、検出されていないのに誤ってＨｉｔ判定を下してしまうリスクが増える。最適なしきい立下り強度３１６は事前に設定する光電子増倍器２０２の設定ゲインによって変化するが、おおむねブランキング時間の集計データの標準偏差の−０．５から−１倍を用いると最適であることが実験的に分かっている。

上記の実施例では、条件１を無視しても構わない。この場合、条件２と条件３が満たされた場合に、Ｈｉｔ判定を行う。これは、出力電圧信号のベースラインにあたるブランキング時間の集計データの平均値がライン毎に変動しない場合に有効であり、判定処理を少なくできる分、処理の高速化が可能になる。

なお、上記のアルゴリズムでは、出力判定スイッチにより、連続する２回のサンプリング時間で検出判定を出すことが無いため、１フレーム画像のヒストグラムに見られる輝度の数は、１画素あたりのサンプリング回数の１／２以下になる。

上記の信号電子判定アルゴリズムは、ブランキング時間に集計したデータの統計量を用いておれば、上記のものに限定されるものではなく、例えば、条件１だけ満たされた場合に検出判定を出力するアルゴリズムであっても良い。この場合、比較的従来のアナログ検出手法に近い画像が得られることが分かっており、サンプリング時間あたりに検出される信号電子の頻度が高い条件で有効であることが分かっている。この場合、１フレーム画像のヒストグラムに見られる輝度の数は、１画素あたりのサンプリング回数以下になる。

なお、上記では、Ａ／Ｄ変換機で出力されたデジタル電圧信号Ｖ（Ｔ（Ｎ））に対して信号電子判定処理をしているが、これは、出力されたデジタル電圧信号になんらかのスムージング処理やピーク強調処理をかけた変換信号Ｖ‘（Ｔ（Ｎ））に対して信号電子判定処理を施しても良い。

図９に第二の実施形態を示す。実施例１と異なるのは、変換電極が存在せず、信号電子１０７をアニュラー型の蛍光体５０１に直接当てていることである。蛍光体５０１で発生した光信号は、ライトガイド５０２によって信号処理系１１１に伝達され、信号処理系１１１では、前記光信号を電気信号に変換し、Ａ／Ｄ変換して計数した信号電子の数に基づく画像用信号に変換する。ここで示した以外の装置構成は第一の実施例と同様である。第一の実施例では、変換電極１０９を介することで変換信号電子１０８を検出していたが、変換電極の変換信号電子放出効率ηが１程度であるとき、変換信号電子１０８が発生しない場合が無視できない確率で起こりうる。この変換信号電子１０８が発生するかしないかの統計的なゆらぎはＳＮの劣化を招いていた。一方、ここで示す第二の実施例では、信号電子１０９を直接検出できるため、この統計ゆらぎによる１フレーム画像のＳＮの劣化を回避することが可能になる。

第三の実施形態は、第一の実施形態もしくは第二の実施形態に信号判定処理の最適化機能を追加している。図１０は、第一の実施形態を基にして第三の実施形態を示す図である。第三の実施形態では、試料保持具１０３上に信号判定処理最適化用試料６０１を備える。信号判定処理最適化用試料６０１は、例えば図６で示したものと同様の試料である。図７により、信号判定処理の最適化機能を説明する。ユーザーの判断、もしくは、制御部１１４が判断する特定のタイミングで信号判定処理の最適化機能が開始されると、制御部１１４は、試料保持具１０３を移動させ、信号判定処理最適化用試料６０１の観察を始め、図１１で示されるような１フレーム画像のＳＥＭ画像７０１を取得する。（便宜上、ＳＥＭ画像７０１にはノイズを完全に除去したものを示す。）次に、ユーザーの指定もしくは自動で明るい領域７０２と暗い領域７０３を選択する。この場合、両方の領域とも領域内の試料の材料や形状が同じ領域であることが好ましい。ここで示した例では、明るい領域７０２は全て同じ材料で、暗い領域７０３は全て別の同じ材料である。次に、明るい領域７０３の全輝度値の平均ＡｖｅＢと全輝度の標準偏差ＳｔｄＢ、暗い領域の全輝度値の平均ＡｖｅＤと全輝度の標準偏差ＳｔｄＢを計算し、次式７０５で示されるＣＮＲ（Ｃｏｎｔｒａｓｔ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）を計算する。
ＣＮＲ ＝ （ＡｖｅＢ−ＡｖｅＤ）／（ＳｔｄＢ²＋ＳｔｄＤ²） 式７０５
信号判定処理の最適化に使うパラメータを変化させながら１フレーム画像を取得し、ＣＮＲが最小になる値を最適条件として保存する。ここでいう、パラメータとは、例えば、ブランキング時間中に集計したデータの統計量からしきい値３０９としきい立ち上がり強度３１０を算出する際の計算式に使う係数や、光電子増倍器２０２の設定ゲインである。

特に、光電子増倍器２０２のゲイン設定は重要である。その理由を、図３を用いて説明する。光電子増倍器２０２のゲインの設定値が小さすぎると、信号電子ピーク３０８が、フロアノイズ３０６に埋もれてしまい、検出できなくなる。一方、設定値が大きすぎると光電子増倍器の出力が不要なサチレーションを起こしたり、暗電流ピーク３０７の頻度が増加したりする場合がある。光電子増倍器具２０２のゲインを最適化するためには、十分低いゲインから、じょじょにゲインを上げながら１フレーム画像を取得し、ＣＮＲを比較すれば良い。このとき、最適なゲインに到達する前には、ＡｖｅＢ−ＡｖｅＤが上昇するため、ＣＮＲは上がり続け、最適なゲイン到達は、ゲインを上げてゆくと、光電子増倍器の出力がサチレーションを起こすため、信号の立下りが起こらなくなり、いつまでも出力判定スイッチをＯｆｆにできなくなってしまい、適切に信号を計数できなくなった結果、ＡｖｅＢ−ＡｖｅＤが小さくなって、ＣＮＲは減少してゆく。

信号判定処理最適化試料６０１は、図１１に示したように、一方向に対して周期的な形状をしていることが好ましい。それは、ラインプロファイルから自動で明るい領域７０２と暗い領域７０３を判定するのが容易であるためである。

信号電子が二次電子であって、深溝や深穴の底を高いＳＮで観察したい場合にも本例は有効である。このような試料では、試料表面から発生する二次電子に関しては１つの電子線に対して２つ以上の信号電子が検出される場合が多いが、興味のある溝底や穴底からは、２つ以上発生したとしても検出されるものは最大で１つである可能性が高い。また、このような観察をする場合、表面から発生する二次電子が多すぎるため、興味のある底部に対して表面が明るすぎる場合があるが、本例では、表面から発生する二次電子も１サンプリング時間あたりに最大１つであると計数するため、この問題に対しても有効である。

なお、二次電子を信号電子とする場合の信号判定処理最適化試料には、周期的で高アスペクト比のラインアンドスペース試料を用いる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に容易に理解されよう。

１０１…カラム、１０２…電子線源、１０３…試料保持具、１０４…試料、１０５…電子線光学系、１０６…電子線偏向器、１０７…信号電子、１０８…変換信号電子、１０９…変換電極、１１０…蛍光体、１１１…信号処理系、１１２…信号電子検出系、１１３…電子線ブランカ、１１４…制御部、２０１…光信号、２０２…光電子増倍器、２０３…信号検出回路、２０４…アンプ、２０５…アナログデジタル変換器、２０６…カウント処理部、２０７…画像形成部、２０８…画像処理部、３０１…第０の走査時間、３０２…第一のブランキング時間、３０３…第一の走査時間、３０４…第二のブランキング時間、３０５…第二の走査時間、３０６…フロアノイズ、３０７…暗電流ピーク、３０８…信号電子ピーク、３０９…しきい値、３１０…しきい立ち上がり強度、３１１…出力電圧のグラフ、３１２…出力判定スイッチの状態、３１３…出力電圧差のグラフ、３１４…検出判定結果、３１５…信号電子判定アルゴリズム、３１６…しきい立下り強度、４０１…試料、４０２…材料Ａ、４０３…材料Ｂ、４０４…ＳＥＭ画像、４０５…ＳＥＭ画像の輝度ヒストグラム、５０１…蛍光体、５０２…ライトガイド、６０１…信号判定処理最適化用試料、７０１…ＳＥＭ画像、７０２…ＳＥＭ画像の明るい領域、７０３…ＳＥＭ画像の暗い領域

Claims (5)

1. 荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームの試料への照射によって得られる荷電粒子をサンプリング時間毎に検出する検出器と、前記試料に対する前記荷電粒子ビームの照射を遮断するブランカを備えた荷電粒子線装置において、
   前記検出器の出力に基づいて、画素単位の荷電粒子の検出の有無を決定する処理部を備え、当該処理部は、前記ブランカによって前記試料に対する荷電粒子ビームの照射が遮断されているときの前記検出器の出力の統計処理に基づいて、前記荷電粒子の検出の有無を前記複数のサンプリング時間毎に決定するための一つもしくは複数のしきい値を算出し、当該しきい値に基づいて、前記試料に荷電粒子ビームが照射されているときの荷電粒子の検出の有無を判定することを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１において、
   前記処理部にて荷電粒子の検出が有りと判定されたときの前記処理部の出力に基づいて画像を形成する画像形成部を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項２において、
   前記画像形成部は、前記処理部の出力を積算して画像形成を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項１において、
   前記処理部は、前記試料上を荷電粒子ビームが走査している間のあるサンプリング時間Ｔ（Ｎ）とそれより前のサンプリング時間Ｔ（Ｎ−１）の出力との差である（Ｖ（Ｔ（Ｎ））−Ｖ（Ｔ（Ｎ−１）））と前記しきい値との大小の比較を行って検出があったかの判定を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項４において、
   前記処理部は、前記試料上を荷電粒子ビームが走査している間のあるサンプリング時間Ｔ（Ｎ）の出力が、それより前のサンプリング時間Ｔ（Ｎ−１）の出力より小さくなるまで、前記サンプリング時間で検出があったと判定される条件が起こっても検出があったと判定させないことを特徴とする荷電粒子線装置。