JP7436691B2 - 荷電粒子線装置および試料観察方法 - Google Patents
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Description
本開示は、ポンプ光またはポンプ荷電粒子を試料に照射し、その後所定のタイミングでプローブ荷電粒子の照射に基づいて試料から発生する二次荷電粒子を検出するポンプ－プローブ荷電粒子線装置およびそれを用いた試料観察方法に関する。
電子顕微鏡やイオン顕微鏡等の荷電粒子線装置は、微細な構造を持つ様々な試料の観察に用いられている。例えば、半導体デバイスの製造工程におけるプロセス管理を目的として、荷電粒子線装置の一つである走査電子顕微鏡が、試料である半導体ウェーハ上に形成された半導体デバイスパターンの寸法計測や欠陥検査等の測定に応用されている。
近年、半導体デバイスの三次元化と使用材料の多様化が進展し、電気特性や材料特性の検査・計測に対するニーズが高まっている。このような新しいニーズに対して、試料にパルス光を照射し、その後にパルス電子線を照射して画像を取得するポンプ－プローブ電子顕微鏡が有効であることが特許文献１および特許文献２に記載されている。
具体的には、特許文献１では、半導体中の欠陥準位に相当するエネルギーのパルスレーザーを照射することで、試料中の積層欠陥を観察する方法が開示されている。また、特許文献２では、半導体デバイス製造の露光プロセスにて使用されるレジスト材料を対象に、レジスト材料に照射するパルスレーザーの時間間隔を調整することで、帯電状態を制御して高コントラストで画像を取得する方法が開示されている。
特許文献１や特許文献２に記載のポンプ－プローブ機能を有する走査電子顕微鏡では、１回の電子線走査ですべてのピクセル位置に対して検出信号を取得することができない。この課題について図１Ａ，Ｂを用いて説明する。走査電子顕微鏡では一次電子を試料上で走査し、一次電子の走査によって発生する二次電子を検出することで走査像を形成する。
図１Ａは、通常の（ポンプ－プローブ機能を使用しない）走査電子顕微鏡における、一次電子を走査するための偏向信号１０、一次電子の照射タイミング１１、検出サンプリングのタイミング１２、ピクセル座標１３のタイムチャートである。一次電子が連続的に照射され、全てのピクセル座標において検出サンプリングが実施されるため、一次電子を１回走査すれば全ピクセル座標において二次電子の信号を検出することができる。
図１Ｂは、ポンプ－プローブ走査電子顕微鏡における偏向信号２０、ポンプ光の照射タイミング２１、プローブ電子の照射タイミング２２、検出サンプリングのタイミング２３、ピクセル座標２４のタイムチャートである。ポンプ－プローブ走査電子顕微鏡では試料の帯電状態、電子状態、温度などの状態を変化させるためのポンプ光を時間間隔ＴPumpで照射し、走査像を形成するためのプローブ電子をポンプ光に対して遅延時間ＴDelayだけ
遅らせて照射し、プローブ電子の照射タイミングに合わせて検出サンプリングを行う。なお、厳密には、試料で発生した二次電子が検出器に到達するまでの遅延時間もあるため、プローブ電子の照射タイミングと検出サンプリングのタイミングとの間には遅延時間を持たせるが、ここでは省略している。
遅らせて照射し、プローブ電子の照射タイミングに合わせて検出サンプリングを行う。なお、厳密には、試料で発生した二次電子が検出器に到達するまでの遅延時間もあるため、プローブ電子の照射タイミングと検出サンプリングのタイミングとの間には遅延時間を持たせるが、ここでは省略している。
このため、ポンプ－プローブ走査電子顕微鏡では一次電子を１回走査するだけでは全ピクセル座標において二次電子の信号を検出できず、全ピクセル座標で二次電子の信号を検出するためにはポンプ光およびプローブ電子のピクセル座標をずらして複数回（この例では少なくとも８回）の一次電子走査を実施する必要がある。
このように、ポンプ－プローブ走査電子顕微鏡では通常の走査電子顕微鏡と比べて撮像時間が長くなるという特徴がある。このため、ポンプ－プローブ走査電子顕微鏡を半導体デバイスパターンの寸法計測や欠陥検査に利用する場合はスループットの低下という課題を引き起こす。
本発明の一実施の態様である荷電粒子線装置は、偏向器を含み、パルス化された荷電粒子線を偏向器により試料上を走査させる荷電粒子光学系と、試料にパルス光を照射する光源と、荷電粒子線の試料への照射によって生じる二次荷電粒子を検出する検出器と、検出器からの信号から走査像を形成する画像形成部と、荷電粒子線をラインに沿った第１の方向に偏向させる偏向信号、パルス光を試料に照射する第１のタイミング、荷電粒子線を試料に照射する第２のタイミング及び検出器が二次荷電粒子を検出する第３のタイミングが同期するよう光源、荷電粒子光学系及び検出器を制御する制御部とを有し、
制御部は、第１のタイミングの時間間隔における荷電粒子線の第１の方向への偏向量が走査像におけるｎピクセル座標に相当するとき、１回の第１の方向への走査によって荷電粒子線が照射される位置が異なるピクセル座標となるよう、偏向信号に対する第１のタイミング、前記第２のタイミング及び前記第３のタイミングを同じ時間だけシフトさせて同じラインをｍ回（ｍ＜ｎ）走査し、
画像形成部は、ｍ回の走査によって得られたｍ枚の走査像を積算した積算走査像から、信号が欠損したピクセル座標の画素値を復元する。
制御部は、第１のタイミングの時間間隔における荷電粒子線の第１の方向への偏向量が走査像におけるｎピクセル座標に相当するとき、１回の第１の方向への走査によって荷電粒子線が照射される位置が異なるピクセル座標となるよう、偏向信号に対する第１のタイミング、前記第２のタイミング及び前記第３のタイミングを同じ時間だけシフトさせて同じラインをｍ回（ｍ＜ｎ）走査し、
画像形成部は、ｍ回の走査によって得られたｍ枚の走査像を積算した積算走査像から、信号が欠損したピクセル座標の画素値を復元する。
ポンプ－プローブ機能を有する荷電粒子線装置の撮像時間を短縮できる。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
以下、本発明の実施例について説明する。なお、本実施例で示す図面は本発明の原理に則った具体的な実施例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。以下の実施例では荷電粒子として電子を用いる走査電子顕微鏡を例に説明するが、荷電粒子として各種イオンを用いる場合でも同等の効果を得ることができる。
実施例１の走査電子顕微鏡の構成を図２に示す。
走査電子顕微鏡は、試料に電子線を照射する電子線光学系と、電子線の照射に起因して試料から放出される二次電子を検出する検出系と、真空チャンバー内に配置されたステージ機構系と、走査電子顕微鏡の構成要素を制御し、各種情報を処理する制御系と、得られた走査像に対して画像復元等の処理を行う画像処理系と、を備える。
具体的には、電子源１０１で生成された一次電子１０２は偏向器１０４で偏向および対物レンズ１０３で集束された後、可動ステージ１０６上に搭載された試料１０５に照射される。対物レンズ１０３の動作は対物レンズ制御部１１３、偏向器１０４の動作は偏向器制御部１１４、および可動ステージ１０６の動作はステージ制御部１０７でそれぞれ制御される。なお、試料１０５には可動ステージ１０６を介して負極性の電圧が印加されていてもよい。
走査電子顕微鏡にポンプ－プローブ機能を付加するためには、一次電子１０２をパルス化する必要がある。これはブランキング電極１０８と絞り１０９により実現される。ブランキング電極１０８に電圧が印加されると一次電子１０２は偏向されて絞り１０９に衝突する。一方、ブランキング電極１０８に電圧が印加されなければ一次電子１０２は絞り１０９を通過して試料１０５に照射される。したがって、ブランキング電極１０８に印加する電圧を制御することにより一次電子１０２をパルス化できる。ブランキング電極１０８の動作はブランキング制御部１１０で制御される。なお、この例ではブランキング電極１０８により一次電子１０２をパルス化しているが、１次電子１０２をパルス化する方法はこれに限定されない。例えば、電子源１０１をフォトカソードとし、パルスレーザーを電子源１０１に照射してもよいし、電子源１０１から一次電子１０２を取り出すための電圧（図示せず）をパルス化してもよい。
ブランキング電極１０８と絞り１０９によってパルス化された一次電子１０２の試料１０５への照射に起因して発生するパルス化された二次電子１１１は、検出器１１２で検出される。図２の構成では検出器１１２は偏向器１０４よりも電子源１０１側に配置しているが、二次電子１１１を検出できるのであれば、偏向器１０４と対物レンズ１０３の間や、対物レンズ１０３と試料１０５の間に配置されていてもよい。検出器１１２の構成としてはシンチレータ・ライトガイド・光電子増倍管で構成されるＥ－Ｔ検出器や半導体検出器が挙げられるが、電子を検出できる構成であればどのような検出器を用いてもよい。また、検出器１１２は複数の位置に搭載されていてもよい。検出器１１２から走査像を形成するための信号を取得するタイミングは検出サンプリング制御部１１５で制御される。
画像形成部１１６では、偏向器制御部１１４で決定される一次電子１０２のピクセル座標に対して、検出サンプリング制御部１１５で取得された信号を割り当て、走査像を形成する。生成された走査像は画像表示部１１７に表示されるとともに、記録部１１８に記録される。
電子源１０１、ブランキング電極１０８、絞り１０９、検出器１１２、偏向器１０４、対物レンズ１０３、試料１０５、および可動ステージ１０６は筐体１１９に収められており、筐体１１９の内部は真空ポンプ（図示せず）にて真空状態に保持されている。
試料１０５の状態を変化させるためにパルスレーザー１２０が筐体１１９の外側に設置されており、パルスレーザー１２０から放出されたパルス光１２１は筐体１１９に取り付けられたポート１２２を通過して試料１０５に照射される。ここで、パルス光１２１の波長は、典型的には紫外光から可視光領域だが、パルス化されていればマイクロ波、テラヘルツ波、Ｘ線、γ線を用いてもよい。パルスレーザー１２０で生成されるパルス光１２１の照射タイミングはパルスレーザー制御部１２３で制御される。
ステージ制御部１０７、ブランキング制御部１１０、対物レンズ制御部１１３、偏向器制御部１１４、検出サンプリング制御部１１５、画像形成部１１６、画像表示部１１７、記録部１１８、パルスレーザー制御部１２３、および後述する画像処理部１２４の動作はワークステーション（制御部）１２５により制御される。
図２に示したポンプ－プローブ走査電子顕微鏡において画像復元を実施する方法について説明する。図１Ｂに示したようにポンプ－プローブ走査電子顕微鏡では、１回の走査だけでは全ピクセル座標の信号検出を行えない。例えば、パルス光１２１及び一次電子１０２を４ピクセル毎に照射する場合であれば、偏向信号に対するパルス光１２１及び一次電子１０２の照射タイミングを１ピクセルずつシフトさせながら４回走査する必要がある。このとき、各走査で得られる走査像（模式図）と最終的に得られる走査像（模式図）との関係を図３に示す。走査像３１～３４にあらわれている黒い縦のラインは信号が記録されていないことを示しており、それぞれの走査像３１～３４は飛び飛びの画素にしか信号がないことが確認できる。従来のポンプ－プローブ走査電子顕微鏡では４回の走査で得た第１～第４の走査像３１～３４を積算することで、全ピクセル座標に信号が記録された走査像（積算走査像）３５を得ていた。なお、ポンプ－プローブ走査電子顕微鏡において偏向信号に対するパルス光１２１及び一次電子１０２の照射タイミングをシフトさせて複数回の走査を行う場合、１ラインごとに繰り返し走査を行ってもよいし、１フレームごとに繰り返し走査を行ってよい。以下の実施例、変形例において同様である。
これに対して、本実施例では、走査回数を減らし、ポンプ－プローブ走査電子顕微鏡のスループットを向上させるため、一部の画素のみに信号が記録されている画像から信号が記録されていない画素の信号を予測し、画像復元を行う。具体的なフローを図４に示す。試料挿入後、パルス光１２１の時間間隔ＴPumpを設定（Ｓ４０２）し、パルス光１２１に対する一次電子１０２の遅延時間ＴDelayを設定する（Ｓ４０３）。次に、サンプリング
画素の間引き率Ｐを設定する（Ｓ４０４）。例えば、時間間隔ＴPumpが４ピクセル相当に設定されると、全画素で信号を得る（間引き率Ｐ＝０）ためには、４回の電子線走査が必要になる。一方、間引き率Ｐ＝２５％と設定されていれば、図３の例では、走査像３１～３４のうちいずれか３つの走査像を得るため、３回の電子線走査が実施されることになる。
画素の間引き率Ｐを設定する（Ｓ４０４）。例えば、時間間隔ＴPumpが４ピクセル相当に設定されると、全画素で信号を得る（間引き率Ｐ＝０）ためには、４回の電子線走査が必要になる。一方、間引き率Ｐ＝２５％と設定されていれば、図３の例では、走査像３１～３４のうちいずれか３つの走査像を得るため、３回の電子線走査が実施されることになる。
ステップＳ４０２～Ｓ４０４で設定する条件を含む各種観察条件は、画像表示部１１７に表示されるＧＵＩを通して設定することができる。図５に条件設定画面の例を示す。条件設定画面４０は走査像表示部４１、観察条件設定部４２を含む。観察条件設定部４２は、ステップＳ４０２～Ｓ４０４において設定される観察条件設定部４３を含む。走査像表示部４１にはポンプ－プローブ走査電子顕微鏡で取得した通常（ポンプ－プローブ機能を使用しない）の走査像、あるいはポンプ－プローブ走査像を表示することができる。これにより、観察視野の探索や画像復元条件を含む観察条件の調整を走査像表示部４１の画像を確認しながら行うことができる。
次に、設定した観察条件で走査像を取得する（Ｓ４０５）。そして、画像処理部１２４で取得した走査像を積算した積算走査像から信号が記録されていない画素の信号を復元し（Ｓ４０６）、復元後の画像（復元走査像）を画像表示部１１７に表示する（Ｓ４０７）。
ここで、Ｓ４０６で実施する画像復元は、記録部１１８に保存されている辞書を用いて実施することができる。スパースモデリングにより画素データが一部欠落した画像データから欠落のない画像データを復元できることが知られている。あらかじめ取得したポンプ－プローブ走査像を用いて学習したスパースモデリングに使用する基底画像（基底画像の集合を辞書という）を記録部１１８に保存しておくことで、一部の画素が間引かれたポンプ－プローブ走査像からポンプ－プローブ走査像の全ての画素の信号を推定することが可能である。あるいは、記録部１１８に保存されている機械学習の処理アルゴリズムを用いて画像復元を実施してもよい。この場合の具体的な学習の方法については後述する。いずれの手法を用いても、従来のポンプ－プローブ走査電子顕微鏡と比較して、サンプリング画素の間引き率Ｐに応じ、走査像の画像取得時間を削減することができる。
図６に画像復元のための機械学習のフローを示す。本実施例での機械学習は教師有り学習であり、教師データとして全画素の信号が記録されている走査像を必要とする。そこで、パルス光１２１の時間間隔ＴPump（Ｓ６０２）および一次電子１０２の遅延時間ＴDela
y（Ｓ６０３）を設定した後、可動ステージ１０６により試料１０５を撮像位置に移動し
（Ｓ６０４）、走査像を取得する（Ｓ６０５）。ステップＳ６０５で取得される走査像は間引き率Ｐ＝０％で複数回の走査を行い、走査像を積算して得られる、全画素に信号が記録された積算走査像である。所定回数、撮像位置の移動と走査像取得とを繰り返し、学習に十分な数の走査像を取得する（Ｓ６０６）。取得された走査像は記録部１１８に記録される。その後、サンプリング画素の間引き率Ｐを設定し（Ｓ６０７）、設定した間引き率Ｐに従い、ステップＳ６０５で取得した走査像から間引き走査像を生成する（Ｓ６０８）。そして、ステップＳ６０８で生成した間引き走査像からステップＳ６０５で取得した走査像が再現できるように機械学習を実施する（Ｓ６０９）。ここで、学習のアルゴリズムの一例としては、Deep Neural Network、Convolutional Neural Networks、Generative adversarial networks等が使用できる。他にも間引きした走査像から全画素の信号が記録
された走査像を推定できるアルゴリズムであれば適用できる。機械学習により得られる学習済みモデルは記録部１１８に保存され（Ｓ６１０）、フローは終了する。記録部１１８に保存された学習済みモデルを用いて信号欠損部の信号を復元する（Ｓ４０６）。なお、間引き率Ｐ＝０％の積算走査像から所定の間引き率Ｐの走査像を疑似的に作成するのではなく、実際に間引き率Ｐを変えながら取得した積算走査像を学習に用いてもよい。
（Ｓ６０４）、走査像を取得する（Ｓ６０５）。ステップＳ６０５で取得される走査像は間引き率Ｐ＝０％で複数回の走査を行い、走査像を積算して得られる、全画素に信号が記録された積算走査像である。所定回数、撮像位置の移動と走査像取得とを繰り返し、学習に十分な数の走査像を取得する（Ｓ６０６）。取得された走査像は記録部１１８に記録される。その後、サンプリング画素の間引き率Ｐを設定し（Ｓ６０７）、設定した間引き率Ｐに従い、ステップＳ６０５で取得した走査像から間引き走査像を生成する（Ｓ６０８）。そして、ステップＳ６０８で生成した間引き走査像からステップＳ６０５で取得した走査像が再現できるように機械学習を実施する（Ｓ６０９）。ここで、学習のアルゴリズムの一例としては、Deep Neural Network、Convolutional Neural Networks、Generative adversarial networks等が使用できる。他にも間引きした走査像から全画素の信号が記録
された走査像を推定できるアルゴリズムであれば適用できる。機械学習により得られる学習済みモデルは記録部１１８に保存され（Ｓ６１０）、フローは終了する。記録部１１８に保存された学習済みモデルを用いて信号欠損部の信号を復元する（Ｓ４０６）。なお、間引き率Ｐ＝０％の積算走査像から所定の間引き率Ｐの走査像を疑似的に作成するのではなく、実際に間引き率Ｐを変えながら取得した積算走査像を学習に用いてもよい。
ここで、ポンプ－プローブ走査電子顕微鏡では、パルス光１２１の時間間隔ＴPumpおよび一次電子１０２の遅延時間ＴDelayを変えることで取得される走査像のコントラストが
変化する。また、サンプリング画素の間引き率Ｐを増やすと画像取得時間が短縮化される代わりに復元画像に実際には存在しない像であるアーティファクトが混在する確率が増す。
変化する。また、サンプリング画素の間引き率Ｐを増やすと画像取得時間が短縮化される代わりに復元画像に実際には存在しない像であるアーティファクトが混在する確率が増す。
このため、ユーザーが最適なコントラストと画像取得時間になる観察条件を探索できるようにすることが望ましい。そこで、本実施例のポンプ－プローブ走査電子顕微鏡では、パルス光１２１の時間間隔ＴPump、一次電子１０２の遅延時間ＴDelayおよびサンプリン
グ画素の間引き率Ｐについて複数の条件で画像復元した走査像を画像表示部１１７に表示する。図７に最適化条件設定画面の例を示す。最適化条件設定画面５０は例えば、図５に示した条件設定画面４０に最適化ボタンを設け、最適化ボタンを押下することにより、呼び出せるようにしてもよい。この場合、条件設定画面４０の観察条件設定部４３に設定されたパルス光１２１の時間間隔ＴPump、一次電子１０２の遅延時間ＴDelayを基準として
複数の条件を設定することが望ましい。ユーザーが直接複数の条件を設定してもよい。
グ画素の間引き率Ｐについて複数の条件で画像復元した走査像を画像表示部１１７に表示する。図７に最適化条件設定画面の例を示す。最適化条件設定画面５０は例えば、図５に示した条件設定画面４０に最適化ボタンを設け、最適化ボタンを押下することにより、呼び出せるようにしてもよい。この場合、条件設定画面４０の観察条件設定部４３に設定されたパルス光１２１の時間間隔ＴPump、一次電子１０２の遅延時間ＴDelayを基準として
複数の条件を設定することが望ましい。ユーザーが直接複数の条件を設定してもよい。
一般的には、パルス光１２１の時間間隔ＴPumpおよび一次電子１０２の遅延時間ＴDela
yを変化させると走査像のコントラストが変化し、間引き率Ｐを増やすとアーティファク
トが増加する傾向にある。そこで、図７の例では、パルス光１２１の時間間隔ＴPumpと一次電子１０２の遅延時間ＴDelayの組み合わせを３種類、間引き率Ｐを３種類設定し、そ
の組み合わせで計９つのポンプ－プローブ画像を取得して、最適化条件設定画面５０に表示している。各列はパルス光１２１の時間間隔ＴPumpと一次電子１０２の遅延時間ＴDela yの同じ組み合わせであり、それぞれ上から間引き率Ｐを０、２５、５０％としたもので
ある。なお、模式図としてはポンプ－プローブ画像は、丸がパターンを、丸と背景との色の差がコントラストを、丸の形状のくずれがアーティファクトを表現している。
トが増加する傾向にある。そこで、図７の例では、パルス光１２１の時間間隔ＴPumpと一次電子１０２の遅延時間ＴDelayの組み合わせを３種類、間引き率Ｐを３種類設定し、そ
の組み合わせで計９つのポンプ－プローブ画像を取得して、最適化条件設定画面５０に表示している。各列はパルス光１２１の時間間隔ＴPumpと一次電子１０２の遅延時間ＴDela yの同じ組み合わせであり、それぞれ上から間引き率Ｐを０、２５、５０％としたもので
ある。なお、模式図としてはポンプ－プローブ画像は、丸がパターンを、丸と背景との色の差がコントラストを、丸の形状のくずれがアーティファクトを表現している。
ユーザーは最適化条件設定画面５０に表示された走査像の中から、コントラストとアーティファクトの関係を勘案して所望の走査像を選択する。選択された走査像のパルス光１２１の時間間隔ＴPump、一次電子１０２の遅延時間ＴDelayおよびサンプリング画素の間
引き率Ｐが走査像を取得するための条件として設定される。
引き率Ｐが走査像を取得するための条件として設定される。
なお、この例ではポンプ－プローブ画像を取得する条件の数を９としたが、これに制限されない。また、最初に間引き率Ｐを０％に固定して、パルス光１２１の時間間隔ＴPumpと一次電子１０２の遅延時間ＴDelayの条件を変えて、コントラストの良好な走査像を得
る条件を探索し、その後、両条件を固定して間引き率Ｐのみを変えて、最終的に３つの条件を設定してもよい。これにより、良好なポンプ－プローブ画像を得る条件を効率的に探索することができる。
る条件を探索し、その後、両条件を固定して間引き率Ｐのみを変えて、最終的に３つの条件を設定してもよい。これにより、良好なポンプ－プローブ画像を得る条件を効率的に探索することができる。
さらに、ポンプ－プローブ走査電子顕微鏡において画像復元を行う際、アーティファクトを低減する方法について説明する。一般に疎なサンプリング画像から元画像を復元する処理ではサンプリングはランダムである方がアーティファクトは現れにくい。しかしながら、ポンプ－プローブ走査電子顕微鏡では、複数のパルス光１２１の時間間隔ＴPumpおよび一次電子１０２の遅延時間ＴDelayを一定として走査像を取得しなければならないため
、サンプリング間隔が等間隔となり、復元画像にアーティファクトが生じやすい傾向がある。
、サンプリング間隔が等間隔となり、復元画像にアーティファクトが生じやすい傾向がある。
図８に、アーティファクトの発生を抑制するための、一次電子を走査するための偏向信号６０、ポンプ光の照射タイミング６１、プローブ電子の照射タイミング６２、検出サンプリングのタイミング６３、ピクセル座標６４のタイムチャートを示す。図８は、一次電子１０２を横方向に走査する例であるが、縦方向に走査する場合でも同様の効果を得ることができる。１ライン走査中はパルス光１２１の時間間隔ＴPump、一次電子１０２の遅延時間ＴDelayは固定であり、検出サンプリングも等間隔である。２ライン目の走査におい
て、パルス光１２１の時間間隔ＴPumpおよび一次電子１０２の遅延時間ＴDelayは１ライ
ン目と同じであるが、パルス光１２１の照射開始タイミングを１ライン目とは異なるタイミングとし、３ライン目以降も同様とする。このように、複数のラインで、パルス光１２１の時間間隔ＴPumpおよび一次電子１０２の遅延時間ＴDelay、及びｍ回の走査ごとの偏
向信号６０に対するパルス光１２１の照射タイミングのシフト量変更パターンは同じとする一方、複数のラインごとに偏向信号６０に対するパルス光１２１の照射タイミングの初期シフト量を異ならせることにより、パルス光１２１の時間間隔ＴPumpと一次電子１０２の遅延時間ＴDelayを固定しつつ、一次電子１０２の走査方向とは直交する方向にランダ
ム性を高めたサンプリングが可能となる。
て、パルス光１２１の時間間隔ＴPumpおよび一次電子１０２の遅延時間ＴDelayは１ライ
ン目と同じであるが、パルス光１２１の照射開始タイミングを１ライン目とは異なるタイミングとし、３ライン目以降も同様とする。このように、複数のラインで、パルス光１２１の時間間隔ＴPumpおよび一次電子１０２の遅延時間ＴDelay、及びｍ回の走査ごとの偏
向信号６０に対するパルス光１２１の照射タイミングのシフト量変更パターンは同じとする一方、複数のラインごとに偏向信号６０に対するパルス光１２１の照射タイミングの初期シフト量を異ならせることにより、パルス光１２１の時間間隔ＴPumpと一次電子１０２の遅延時間ＴDelayを固定しつつ、一次電子１０２の走査方向とは直交する方向にランダ
ム性を高めたサンプリングが可能となる。
各ラインにおけるパルス光１２１の照射開始タイミングは、ワークステーション（制御部）１２５が各ラインの走査開始時に乱数を生成して決定してもよいし、予め記録部１１８に記録された照射開始タイミングを読み出しても照射開始タイミングを制御してもよい。また、アーティファクトの発生はパターンの形状によって影響を受けるため、観察対象の走査像や設計パターンを入力し、記録部１１８にあらかじめ所定のパターンに対応する照射開始タイミングの対応テーブルを記憶しておき、入力された走査像や設計パターンから対応テーブルを照合して照射開始タイミングを決定してもよい。あるいは、パターンと好ましい照射開始タイミングとを学習させた学習済みモデルを作成し、学習済みモデルを用いて照射開始タイミングを求めてもよい。
実施例１ではポンプ源としてパルスレーザーを用いる例を説明した。しかしながら、ポンプ源として電子線などの荷電粒子源を用いた場合でも有効であり、実施例２としてポンプ源として荷電粒子源を用いる構成について説明する。
実施例２の走査電子顕微鏡の構成を図９に示す。実施例１と同じ構成については同じ符号を付し、繰り返しの説明は省略する。図９の構成は、図２の構成からポンプ光の照射のためのパルスレーザー１２０、ポート１２２およびパルスレーザー制御部１２３を取り除き、パルス電子源９０１を筐体１１９に取り付け、パルス電子源９０１が発生させるパルス電子９０２を試料１０５に照射するものである。パルス電子源９０１はパルス電子源制御部９０３によって制御される。また、パルス電子源９０１に代えて、イオン等の他のパルス化された荷電粒子線を照射する荷電粒子線源を搭載してもよい。
ポンプ源として電子線を用いる場合の検出サンプリングの方法について図１０を用いて説明する。図１０は、実施例２のポンプ－プローブ走査電子顕微鏡における偏向信号７０、ポンプ電子の照射タイミング７１、プローブ電子の照射タイミング７２、検出サンプリングのタイミング７３、ピクセル座標７４のタイムチャートである。ポンプ源として電子を用いる場合、ポンプ電子とプローブ電子の照射の両方で試料１０５より二次電子１１１が発生するが、検出サンプリングのタイミングをプローブ電子の照射タイミングに合わせることで、プローブ電子によって発生した二次電子１１１を検出し走査像を形成する。
なお、ポンプ電子とプローブ電子の試料１０５に対する照射エネルギーは同じでもよいし異なっていてもよい。ポンプ電子の照射エネルギーを変える方法としては、パルス電子源９０１の加速電圧を電子源１０１とは異なる値に設定する、あるいは試料１０５に印加する電圧（リターディング電圧）をポンプ電子とプローブ電子の照射時で変更することによって実現できる。ただし、ピクセル座標ごとに大きくプローブ電流量がかわらないよう、観察視野に対してポンプ電子のスポット径は十分な大きさとすることが望ましい。
なお、電子源１０１をポンプ電子源として兼用することも可能である。この場合の走査電子顕微鏡の構成は図２の構成からパルスレーザー１２０、ポート１２２およびパルスレーザー制御部１２３を取り除いたものとなる。プローブ電子の場合と同様に、ブランキング電極１０８と絞り１０９により一次電子１０２をパルス化することでポンプ電子もパルス化される。ポンプ電子については、プローブ電子よりもデフォーカスするようにしてもよい。ただ、ポンプ電子の照射位置とプローブ電子の照射位置との距離が数ピクセル相当であれば、観察するパターンにも依存するが、一次電子１０２の照射条件を変化させなくともポンプ電子の影響をプローブ電子の照射位置において観察することは一般的に可能である。
以上、本発明について実施例、変形例を挙げて説明した。上記した実施例、変形例は発明の要旨を変更しない範囲で種々変形が可能であり、また、これらを組み合わせて使用することも可能である。
１０，２０，６０，７０：偏向信号、１１：一次電子の照射タイミング、１２，２３，６３，７３：検出サンプリングのタイミング、１３，２４，６４，７４：ピクセル座標、２１，６１：ポンプ光の照射タイミング、２２，６２，７２：プローブ電子の照射タイミング、３１～３５：走査像、４０：条件設定画面、４１：走査像表示部、４２，４３：観察条件設定部、５０：最適化条件設定画面、７１：ポンプ電子の照射タイミング、１０１：電子源、１０２：一次電子、１０３：対物レンズ、１０４：偏向器、１０５：試料、１０６：可動ステージ、１０７：ステージ制御部、１０８：ブランキング電極、１０９：絞り、１１０：ブランキング制御部、１１１：二次電子、１１２：検出器、１１３：対物レンズ制御部、１１４：偏向器制御部、１１５：検出サンプリング制御部、１１６：画像形成部、１１７：画像表示部、１１８：記録部、１１９：筐体、１２０：パルスレーザー、１２１：パルス光、１２２：ポート、１２３：パルスレーザー制御部、１２４：画像処理部、１２５：ワークステーション（制御部）、９０１：パルス電子源、９０２：パルス電子、９０３：パルス電子源制御部。
Claims (15)
- 偏向器を含み、パルス化された荷電粒子線を前記偏向器により試料上を走査させる荷電粒子光学系と、
前記試料にパルス光を照射する光源と、
前記荷電粒子線の前記試料への照射によって生じる二次荷電粒子を検出する検出器と、
前記検出器からの信号から走査像を形成する画像形成部と、
前記荷電粒子線をラインに沿った第１の方向に偏向させる偏向信号、前記パルス光を前記試料に照射する第１のタイミング、前記荷電粒子線を前記試料に照射する第２のタイミング及び前記検出器が前記二次荷電粒子を検出する第３のタイミングが同期するよう前記光源、前記荷電粒子光学系及び前記検出器を制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記第１のタイミングの時間間隔における前記荷電粒子線の前記第１の方向への偏向量が前記走査像におけるｎピクセル座標に相当するとき、１回の前記第１の方向への走査によって前記荷電粒子線が照射される位置が異なるピクセル座標となるよう、前記偏向信号に対する前記第１のタイミング、前記第２のタイミング及び前記第３のタイミングを同じ時間だけシフトさせて同じラインをｍ回（ｍ＜ｎ）走査し、
前記画像形成部は、前記ｍ回の走査によって得られたｍ枚の走査像を積算した積算走査像から、信号が欠損したピクセル座標の画素値を復元する荷電粒子線装置。
- 請求項１において、
画像表示部を備え、
前記制御部は前記画像表示部に、信号が欠損したピクセル座標の画素値が復元された復元走査像を表示する荷電粒子線装置。 - 請求項２において、
前記制御部は、前記第１のタイミングの時間間隔、前記第１のタイミングから前記第２のタイミングの遅延時間及び間引き率の設定を受け、前記間引き率に応じて前記ｍの値を設定する荷電粒子線装置。 - 請求項３において、
前記制御部は、前記第１のタイミングの時間間隔及び前記第１のタイミングから前記第２のタイミングの遅延時間の設定にあたり、前記第１のタイミングの時間間隔及び前記第１のタイミングから前記第２のタイミングの遅延時間を異ならせた複数の条件で、それぞれ間引き率０％による走査によって得られたｎ枚の走査像を積算した複数の積算走査像を前記画像表示部に表示する荷電粒子線装置。 - 請求項４において、
前記制御部は、設定された前記第１のタイミングの時間間隔及び前記第１のタイミングから前記第２のタイミングの遅延時間の条件で、それぞれ間引き率を変えた走査によって得られるｍ枚の走査像を積算した積算走査像から復元された複数の復元走査像を前記画像表示部に表示する荷電粒子線装置。 - 請求項１において、
前記制御部は、前記第１の方向への走査開始位置を前記第１の方向と直交する第２の方向に移動させて複数のラインを走査し、
前記制御部は、前記複数のラインごとに、前記偏向信号に対する前記第１のタイミングの初期シフト量を異ならせる荷電粒子線装置。 - 請求項６において、
前記偏向信号に対する前記第１のタイミングの初期シフト量は、前記複数のラインごとにランダムもしくはあらかじめ設定された値になるように設定される荷電粒子線装置。
- 請求項１において、
基底画像を記録した辞書を保存する記録部を有し、
前記画像形成部は、前記辞書を用い、前記ｍ枚の走査像を積算した積算走査像から、スパースモデリングにより信号が欠損したピクセル座標の画素値を復元する荷電粒子線装置。 - 請求項１において、
学習済みモデルを保存する記録部を有し、
前記画像形成部は、前記学習済みモデルを用い、前記ｍ枚の走査像を積算した積算走査像から、信号が欠損したピクセル座標の画素値を復元する荷電粒子線装置。 - 請求項１において、
前記光源に代えて、前記第１のタイミングでパルス化された荷電粒子線を前記試料に照射する荷電粒子源を有する荷電粒子線装置。 - 請求項１０において、
前記荷電粒子源を前記荷電粒子光学系の荷電粒子源と共有する荷電粒子線装置。 - 偏向器を含み、パルス化された荷電粒子線を前記偏向器により試料上を走査させる荷電粒子光学系と、前記試料にパルス光を照射する光源と、前記荷電粒子線の前記試料への照射によって生じる二次荷電粒子を検出する検出器と、前記検出器からの信号から走査像を形成する画像形成部と、前記荷電粒子線をラインに沿った第１の方向に偏向させる偏向信号、前記パルス光を前記試料に照射する第１のタイミング、前記荷電粒子線を前記試料に照射する第２のタイミング及び前記検出器が前記二次荷電粒子を検出する第３のタイミングが同期するよう前記光源、前記荷電粒子光学系及び前記検出器を制御する制御部と、画像表示部とを備えた荷電粒子線装置による試料観察方法であって、
前記制御部は、前記第１のタイミングの時間間隔における前記荷電粒子線の前記第１の方向への偏向量が前記走査像におけるｎピクセル座標に相当するとき、１回の前記第１の方向への走査によって前記荷電粒子線が照射される位置が異なるピクセル座標となるよう、前記偏向信号に対する前記第１のタイミング、前記第２のタイミング及び前記第３のタイミングを同じ時間だけシフトさせて同じラインをｍ回（ｍ＜ｎ）走査し、
前記画像形成部は、前記ｍ回の走査によって得られたｍ枚の走査像を積算した積算走査像から、信号が欠損したピクセル座標の画素値を復元し、
前記制御部は、前記画像表示部に、信号が欠損したピクセル座標の画素値が復元された復元走査像を表示する試料観察方法。
- 請求項１２において、
前記制御部は、前記画像表示部に表示された条件設定画面より前記第１のタイミングの時間間隔、前記第１のタイミングから前記第２のタイミングの遅延時間及び間引き率の設定を受け、前記間引き率に応じて前記ｍの値を設定する試料観察方法。 - 請求項１３において、
前記制御部は、前記第１のタイミングの時間間隔及び前記第１のタイミングから前記第２のタイミングの遅延時間の設定にあたり、前記第１のタイミングの時間間隔及び前記第１のタイミングから前記第２のタイミングの遅延時間を異ならせた複数の条件で、それぞれ間引き率０％による走査によって得られたｎ枚の走査像を積算した複数の積算走査像を前記画像表示部に表示する試料観察方法。 - 請求項１２において、
前記制御部は、前記第１の方向への走査開始位置を前記第１の方向と直交する第２の方向に移動させて複数のラインを走査し、
前記制御部は、前記複数のラインごとに、前記偏向信号に対する前記第１のタイミングの初期シフト量を、前記複数のラインごとにランダム、もしくは前記複数のラインごとに異なるようにあらかじめ設定された値とする試料観察方法。
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| PCT/JP2020/035486 WO2022059171A1 (ja) | 2020-09-18 | 2020-09-18 | 荷電粒子線装置および試料観察方法 |
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Citations (2)
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