JP7465246B2 - 荷電粒子線装置及び画像生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線装置及び画像生成方法に関する。

ＳＴＥＭモードでは、ＡＤＦ（暗視野法）によりＺコントラストが得られ、像解釈が直感的であるために、ＴＥＭモードに比べて構造把握が容易である。また、位置情報も得られるため、ＥＤＳ等の分析と組み合わせることで、ＴＥＭモードのような平均的な情報ではなく、ピクセルごとにデータを抽出することができるため、一般的には最近では専らＳＴＥＭモードが使用されてきた。

特開２０１３－０５８３６３号公報

しかし、通常のスキャン（走査）方法では、細く絞った電子線を左から右側に走査するため、１ピクセル（画像上の１ピクセルに対応する試料上の領域）に当たる電子線量は電流密度が高く、ＴＥＭモードよりもＳＴＥＭモードの方が一般的に電子線ダメージは大きい。それにより、試料の観察や分析が困難になることがある。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、荷電粒子線の照射によって試料が受けるダメージを低減することが可能な荷電粒子線装置及び画像生成方法を提供することができる。

（１）本発明に係る荷電粒子線装置は、試料上で荷電粒子線を走査し、荷電粒子線の走査に基づき試料から生じる信号を検出する検出器からの検出信号に基づいて画像を生成する荷電粒子線装置であって、荷電粒子線のブランキングを行うブランカーと、荷電粒子線の走査中に前記ブランキングを制御して、荷電粒子線を照射する領域に対応する画素と荷電粒子線を照射しない領域に対応する画素とから構成される画像を複数取得する画像取得部と、取得された複数の画像を積算して積算画像を生成する積算画像生成部とを含む。

また、本発明に係る画像生成方法は、試料上で荷電粒子線を走査し、荷電粒子線の走査に基づき試料から生じる信号を検出する検出器からの検出信号に基づいて画像を生成する画像生成であって、荷電粒子線の走査中にブランカーによる荷電粒子線のブランキングを制御して、荷電粒子線を照射する領域に対応する画素と荷電粒子線を照射しない領域に対応する画素とから構成される画像を複数取得する画像取得工程と、取得された複数の画像を積算して積算画像を生成する積算画像生成工程とを含む。

本発明によれば、荷電粒子線の走査中にブランキングを制御して、荷電粒子線を照射する領域（照射領域）に対応する画素と荷電粒子線を照射しない領域（非照射領域）に対応する画素とから構成される画像を取得するようにすることで、非照射領域が照射領域で発生した熱やチャージ（帯電）の逃げ道となり熱やチャージの拡散が起きるため、荷電粒子線の照射によって試料が受けるダメージを低減することができる。

（２）本発明に係る荷電粒子線装置では、前記画像取得部は、前記ブランキングを画素
毎に制御してもよい。

また、本発明に係る画像生成方法では、前記画像取得工程において、前記ブランキングを画素毎に制御してもよい。

（３）本発明に係る荷電粒子線装置では、前記画像取得部は、前記ブランキングを画素毎にランダムに制御してもよい。

また、本発明に係る画像生成方法では、前記画像取得工程において、前記ブランキングを画素毎にランダムに制御してもよい。

（４）本発明に係る荷電粒子線装置では、前記画像取得部は、荷電粒子線を照射する領域に対応する画像上の領域が互いに異なり、且つ荷電粒子線を照射しない領域に対応する画像上の領域が互いに異なる複数の画像を取得してもよい。

また、本発明に係る画像生成方法では、前記画像取得工程において、荷電粒子線を照射する領域に対応する画像上の領域が互いに異なり、且つ荷電粒子線を照射しない領域に対応する画像上の領域が互いに異なる複数の画像を取得してもよい。

（５）本発明に係る荷電粒子線装置及び画像生成方法では、前記ブランカーは、静電シャッターであってもよい。

（６）本発明に係る荷電粒子線装置では、前記画像取得部は、前記画像を取得する際の荷電粒子線のドーズ量を、取得する前記画像の数に比例して大きくしてもよい。

また、本発明に係る画像生成方法では、前記画像取得工程において、前記画像を取得する際の荷電粒子線のドーズ量を、取得する前記画像の数に比例して大きくしてもよい。

本実施形態に係る荷電粒子線装置の構成の一例を示す図。 第１の実施形態で取得される画像の例を示す図。 第１の実施形態で取得された複数の画像の積算の例を示す図。 本実施形態の手法と従来の手法とでＸ線カウント数を規格化して比較した結果を示す図。 第２の実施形態で取得された複数の画像の積算の例を示す図。 処理部の処理の流れを示すフローチャート。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．構成
図１は、本実施形態に係る荷電粒子線装置（電子顕微鏡）の構成の一例を示す図である。ここでは、荷電粒子線装置が、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）の構成を有する場合について説明するが、本発明に係る荷電粒子線装置は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の構成を有していてもよいし、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）の構成を有していてもよい。また、ここでは、電子顕微鏡が分析装置としてエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ、ＥＤＸ）を備える場合について説明するが、分析装置として電子エネルギー損失分光分析装置（ＥＥＬＳ）を備えていてもよいし、分析装置を備えていなくてもよい。なお本実施形態
の電子顕微鏡は図１の構成要素（各部）の一部を省略した構成としてもよい。

図１に示すように、電子顕微鏡１は、電子顕微鏡本体１０と、処理部１００と、操作部１１０と、表示部１２０と、記憶部１３０とを含む。

電子顕微鏡本体１０は、電子線源１１と、ブランカー１２と、集束レンズ１３と、走査偏向器１４と、対物レンズ１５と、試料ステージ１６と、中間レンズ１７と、投影レンズ１８と、透過電子検出器１９と、ＥＤＳ検出器２０と、ブランカー制御装置３０と、偏向器制御装置３１と、多重波高分析器３２とを含む。

電子線源１１は、電子線ＥＢ（荷電粒子線の一例）を発生させる。電子線源１１は、陰極から放出された電子を陽極で加速し電子線ＥＢを放出する。電子線源１１としては、例えば、電子銃を用いることができる。

ブランカー１２は、電子線源１１の後段（電子線ＥＢの下流側）に配置されている。ブランカー１２は、電子線ＥＢのブランキングを行う。ブランカー１２としては、静電シャッター（静電偏向器）を用いる。静電シャッターは、ＳＴＥＭのようなμｓ或いはｎｓオーダーでの走査に対応し、高速でオン／オフの切り替えができる。ブランカー１２は、ブランカー制御装置３０によって制御される。ブランカー制御装置３０は、処理部１００で生成された制御信号に基づいてブランカー１２を制御する。

集束レンズ１３（コンデンサーレンズ）は、ブランカー１２の後段に配置されている。集束レンズ１３は、電子線源１１で発生した電子線ＥＢを集束して試料Ｓに照射するためのレンズである。集束レンズ１３は、複数のレンズを含んで構成されていてもよい。

走査偏向器１４は、集束レンズ１３の後段に配置されている。走査偏向器１４は、電子線ＥＢを偏向させて、集束レンズ１３および対物レンズ１５で集束された電子線ＥＢ（電子プローブ）で試料Ｓ上を走査する。走査偏向器１４は、電子線ＥＢを偏向させる偏向コイルを有している。走査偏向器１４は、偏向器制御装置３１によって制御される。偏向器制御装置３１は、処理部１００で生成された走査信号に基づいて走査偏向器１４を制御する。

対物レンズ１５は、走査偏向器１４（走査コイル）の後段に配置されている。対物レンズ１５は、電子線ＥＢを集束して試料Ｓに照射するためのレンズである。

試料ステージ１６は、試料Ｓを保持する。試料ステージ１６は、試料ホルダー（図示省略）を介して試料Ｓを保持する。試料ステージ１６は、試料ホルダーを移動及び静止させることにより、試料Ｓの位置決めを行うことができる。試料ステージ１６は、ステージ制御装置（図示省略）によって制御され、試料Ｓを水平方向（電子線ＥＢの進行方向に対して直交する方向）や鉛直方向（電子線ＥＢの進行方向に沿う方向）に移動させることができる。

中間レンズ１７は、対物レンズ１５の後段に配置されている。投影レンズ１８は、中間レンズ１７の後段に配置されている。中間レンズ１７及び投影レンズ１８は、試料Ｓを透過した電子線ＥＢを透過電子検出器１９に導く。例えば、中間レンズ１７及び投影レンズ１８は、対物レンズ１５の像面もしくは後焦点面（回折図形が形成される面）を投影して透過電子検出器１９上に結像する。

透過電子検出器１９は、投影レンズ１８の後段に配置されている。透過電子検出器１９は、試料Ｓを透過した電子を検出する。

ＥＤＳ検出器２０は、電子線ＥＢが照射されることにより試料Ｓから発生した特性Ｘ線を検出する。ＥＤＳ検出器２０としては、例えば、シリコンドリフト検出器（ＳＤＤ）、Ｓｉ（Ｌｉ）検出器等を用いることができる。ＥＤＳ検出器２０の出力信号（出力パルス）は、多重波高分析器３２に送られる。

多重波高分析器３２（マルチチャンネルアナライザー）は、複数のチャンネルを持った波高分析器である。多重波高分析器３２は、ＥＤＳ検出器２０の出力信号（出力パルス）をＸ線のエネルギー毎に計数しＥＤＳスペクトル情報を生成する。多重波高分析器３２は、ＥＤＳスペクトル情報を処理部１００に出力する。

操作部１１０は、ユーザが操作情報を入力するためのものであり、入力された操作情報を処理部１００に出力する。操作部１１０の機能は、キーボード、マウス、ボタン、タッチパネルなどのハードウェアにより実現することができる。

表示部１２０は、処理部１００によって生成された画像を表示するものであり、その機能は、ＬＣＤ、ＣＲＴ、操作部１１０としても機能するタッチパネルなどにより実現できる。

記憶部１３０は、処理部１００の各部としてコンピュータを機能させるためのプログラムや各種データを記憶するとともに、処理部１００のワーク領域として機能し、その機能はハードディスク、ＲＡＭなどにより実現できる。

処理部１００は、ブランカー制御装置３０や偏向器制御装置３１、ステージ制御装置等を制御する処理や、電子顕微鏡画像（走査透過電子顕微鏡像）や元素マッピング画像を取得する処理等を行う。処理部１００の機能は、各種プロセッサ（ＣＰＵ、ＤＳＰ等）などのハードウェアや、プログラムにより実現できる。処理部１００は、画像取得部１０２、積算画像生成部１０４を含む。

画像取得部１０２は、透過電子検出器１９から出力された検出信号を、走査信号に同期させて画像化することにより、電子顕微鏡画像を取得する。また、画像取得部１０２は、多重波高分析器３２から出力されたＥＤＳスペクトル情報と走査信号に基づいて、電子線ＥＢの走査領域に対応する各ピクセル（画素）のスペクトル（ＥＤＳスペクトル）を求め、画素毎のスペクトルに基づいて、特定エネルギー範囲（ＲＯＩ）の積算強度をマッピングした元素マッピング画像を取得する。

特に本実施形態の画像取得部１０２は、電子線ＥＢの走査中にブランカー１２によるブランキングを画素毎に制御して、電子線ＥＢを照射する領域（以下、照射領域と呼ぶ）に対応する画素と電子線ＥＢを照射しない領域（以下、非照射領域と呼ぶ）に対応する画素とから構成される画像（非照射領域に対応する画素のある不完全な電子顕微鏡画像又は元素マッピング画像）を複数取得し、積算画像生成部１０４は、画像取得部１０２で取得された複数の画像を積算して積算画像（１枚の電子顕微鏡画像或いは元素マッピング画像）を取得する。画像取得部１０２が取得する複数の画像は、照射領域に対応する画像上の領域が互いに少なくとも一部異なり、且つ非照射領域に対応する画像上の領域が互いに少なくとも一部異なる複数の画像である。また、画像取得部１０２は、電子線源１１を制御して、画像を取得する際の電子線ＥＢのドーズ量を、取得する画像の数に比例して大きくするようにしてもよい。

２．本実施形態の手法
次に本実施形態の手法について図面を用いて説明する。

２－１．第１の実施形態
第１の実施形態では、画像取得部１０２は、試料Ｓ上の照射領域に対応する画像上の領域と試料Ｓ上の非照射領域に対応する画像上の領域とが、横方向（主走査方向）に交互に並び、縦方向（副走査方向）のストライプを形成する画像を取得する。図２に、第１の実施形態で取得される画像（不完全な電子顕微鏡画像及び元素マッピング画像）の例を示す。図２に示す各画像において、非照射領域に対応する領域（画素群）は、縦方向に延びる輝度が０（黒色）の矩形領域である。

具体的には、走査信号に対してＴＴＬ信号（或いは、ピクセルクロック）を同期させ、１水平走査線内の複数の画素に対して照射領域と非照射領域を設定する。例えば、電子線ＥＢの画素滞在時間（１画素当たりの電子線ＥＢの滞在時間、Ｄｗｅｌｌ ｔｉｍｅ）を１０μｓ、ブランキングのオン／オフのタイミングを２０μｓ、デューティ比を１／２にすると、１画素毎に照射する、照射しないという設定（１画素毎にブランキングのオン／オフを切り替える設定）になり、照射領域に対応する１画素幅の領域と非照射領域に対応する１画素幅の領域とが横方向に交互に並ぶ画像が取得される。また、電子線ＥＢの画素滞在時間を１０μｓ、ブランキングのオン／オフのタイミングを４０μｓ、デューティ比を１／２にすると、２画素毎にブランキングのオン／オフを切り替える設定になり、照射領域に対応する２画素幅の領域と非照射領域に対応する２画素幅の領域とが横方向に交互に並ぶ画像が取得される。なお、図２に示す各画像は、複数の画素毎にブランキングのオン／オフを切り替える設定で走査して取得した画像である。また、電子線ＥＢの画素滞在時間を１０μｓ、ブランキングのオン／オフのタイミングを３０μｓ、デューティ比を１／３にすると、横方向に隣接する３画素のうち１画素に照射し、残りの２画素に照射しないという設定になり、照射領域に対応する１画素幅の領域と非照射領域に対応する２画素幅の領域とが横方向に交互に並ぶ画像が取得される。このように１又は複数の画素毎にブランキングのオン／オフを切り替えて走査すると、照射領域では電子線ＥＢによる熱やチャージが発生するが、横方向に隣接する領域には電子線ＥＢが照射されないため、熱やチャージの逃げ道がある（熱やチャージの拡散が起きる）ことにより、電子線ＥＢの照射によって試料Ｓが受けるダメージを低減することができる。

このような画像を、照射領域を変えて複数取得する。すなわち、照射領域に対応する画像上の領域が互いに重複せず且つ非照射領域に対応する画像上の領域が互いに異なる複数の画像を取得する。そして、取得した複数の画像を積算して積算画像（１枚の電子顕微鏡画像又は元素マッピング画像）を生成する。図３に示す例では、複数の画素毎にブランキングのオン／オフを切り替える設定で走査して取得した画像Ａと、画像Ａと照射領域及び非照射領域が異なる（照射領域と非照射領域を入れ替えた）設定で同じ時間走査して取得した画像Ｂとを積算して、積算画像（１枚の元素マッピング画像）を生成している。

なお、１又は複数の画素毎にブランキングのオン／オフを切り替える設定で２枚の画像を取得する手法では、従来の手法（非照射領域を設定しない手法）と比べると２倍の時間が必要となる。そのため、従来の手法と同様のスループットを得るためには２倍のドーズ量（電流量）が必要となる。また、例えば横方向に隣接する３画素のうち１画素に照射し、残りの２画素に照射しないという設定では、３枚の画像を取得する必要があり、従来の手法と同様のスループットを得るためには３倍のドーズ量が必要となる。すなわち、従来の手法と同様のスループットを得るためには、電子線ＥＢのドーズ量を、取得（積算）する画像の数に比例して大きくする必要がある。

１又は複数の画素毎にブランキングのオン／オフを切り替える設定で走査する手法（本実施形態の手法）と、従来の手法とで、Ｘ線カウント数（ＥＤＳ検出器２０の出力の計数値）を規格化して比較した。試料Ｓとしては、チタン酸ストロンチウムを用いた。また、
本実施形態の手法では、電子線ＥＢのドーズ量を従来の手法の約１．９倍とした。図４に、比較結果を示す。図中左側のグラフは、本実施形態の手法でのフレーム毎のＸ線カウント数であり、右側のグラフは、従来の手法でのフレーム毎のＸ線カウント数である。左側のグラフでは、フレーム数を重ねてもＸ線カウントはほぼ変わっていないため、試料Ｓへのダメージは入っていないと考えられる。一方、右側のグラフでは、フレーム数を重ねるごとにＸ線カウント数が減少しており、試料Ｓへのダメージが入っていると考えられる。このように、本実施形態の手法では、従来手法と同様のスループットを得るためにドーズ量を大きくしても、試料Ｓへのダメージを低減できることが確認された。

２－２．第２の実施形態
第２の実施形態では、画像取得部１０２は、照射領域に対応する画素と非照射領域に対応する画素がランダム（疑似的なランダム）に並ぶ画像を複数取得する。具体的には、電子線ＥＢの走査中にブランキングのオン／オフを画素毎にランダムに制御する（走査領域内の複数の画素に対して照射領域と非照射領域をランダムに設定する）。そして、取得した複数の画像を積算して積算画像を生成する。図５に示す例では、走査中にブランキングを画素毎にランダムに制御して取得した３枚の画像Ａ、Ｂ、Ｃを積算して積算画像を生成している。図５に示す画像Ａ、Ｂ、Ｃにおいて、グレーで塗り潰された矩形領域が非照射領域に対応する画素を示し、その他の矩形領域が照射領域に対応する画素を示している。図５の例では、３画素に１画素の割合でランダムに照射するように且つ画像間で照射領域に対応する画素が互いに重複しないようにブランキングを画素毎に制御して３枚の画像を取得しているが、画像間での照射領域に対応する画素の重複を許容しつつブランキングを画素毎にランダムに制御してもよい。また、照射する割合は、１／ｎ（ｎは２以上の整数）であってもよいし、その他の割合であってもよい。また、画像上において照射領域に対応する画素が隣接（連続）しないようにブランキングを制御してもよい。

第１の実施形態の手法では、照射領域で発生した熱やチャージが逃げる領域が横方向に隣接する領域のみであるが、第２の実施形態の手法では、照射領域の上下方向や斜め方向にも熱やチャージが逃げる領域ができる場合があるため、試料Ｓへのダメージ低減を更に図れる可能性がある。

また、ブランキングを画素毎にランダムに制御して複数の画像を取得する（例えば、ｎ画素に１画素の割合でランダムに照射するように制御してｎ枚の画像を取得する）手法では、従来の手法と同様のスループットを得るために、取得する画像の数に比例して電子線ＥＢのドーズ量を大きくする必要があるが、第１の実施形態の手法と同様に、ドーズ量を大きくしても、試料Ｓへのダメージを低減できると考えられる。

３．処理
次に、処理部１００の処理の一例について図６のフローチャートを用いて説明する。まず、画像取得部１０２は、変数ｍに１をセットし（ステップＳ１０）、電子線ＥＢの走査中にブランカー１２によるブランキングを画素毎に制御して、照射領域に対応する画素と非照射領域に対応する画素とからなるｍ番目の画像を取得する（ステップＳ１１）。ここで、第１の実施形態の手法では、１水平走査線内において例えば１又は複数の画素毎にブランキングのオン／オフを切り替える設定で走査を行ってｍ番目の画像を取得する。このとき、１～ｍ－１番目の画像における照射領域に対応する領域とｍ番目の画像における照射領域に対応する領域が重複しないようにする。また、第２の実施形態の手法では、走査領域内においてブランキングのオン／オフを画素毎にランダムに制御して走査を行ってｍ番目の画像を取得する。次に、画像取得部１０２は、変数ｍがＭ（Ｍは取得する画像の総数、例えば、ｎ画素に１画素の割合で照射する場合、Ｍ＝ｎ）に達したか否かを判断し（ステップＳ１２）、変数ｍがＭに達していない場合（ステップＳ１２のＮ）には、変数ｍに１を加算して（ステップＳ１３）、ステップＳ１１に移行する。変数ｍがＭに達した場
合（ステップＳ１２のＹ）には、積算画像生成部１０４は、取得されたＭ個の画像を積算して積算画像を生成する（ステップＳ１４）。

なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１…電子顕微鏡（荷電粒子線装置）、１０…電子顕微鏡本体、１１…電子線源、１２…ブランカー、１３…集束レンズ、１４…走査偏向器、１５…対物レンズ、１６…試料ステージ、１７…中間レンズ、１８…投影レンズ、１９…透過電子検出器、２０…ＥＤＳ検出器、３０…ブランカー制御装置、３１…偏向器制御装置、３２…多重波高分析器、１００…処理部、１０２…画像取得部、１０４…積算画像生成部、１１０…操作部、１２０…表示部、１３０…記憶部、ＥＢ…電子線、Ｓ…試料

Claims (6)

1. 試料上で荷電粒子線を走査し、荷電粒子線の走査に基づき試料から生じる信号を検出する検出器からの検出信号に基づいて画像を生成する荷電粒子線装置であって、
   荷電粒子線のブランキングを行うブランカーと、
   荷電粒子線の走査中に前記ブランキングを制御して、荷電粒子線を照射する領域に対応する画素と荷電粒子線を照射しない領域に対応する画素とから構成される画像を複数取得する画像取得部と、
   取得された複数の画像を積算して積算画像を生成する積算画像生成部とを含み、
   前記画像取得部は、
   前記画像を取得する際の荷電粒子線のドーズ量を、取得する前記画像の数に比例して大きくする、荷電粒子線装置。
2. 請求項１において、
   前記画像取得部は、
   前記ブランキングを画素毎に制御する、荷電粒子線装置。
3. 請求項２において、
   前記画像取得部は、
   前記ブランキングを画素毎にランダムに制御する、荷電粒子線装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項において、
   前記画像取得部は、
   荷電粒子線を照射する領域に対応する画像上の領域が互いに異なり、且つ荷電粒子線を照射しない領域に対応する画像上の領域が互いに異なる複数の画像を取得する、荷電粒子線装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項において、
   前記ブランカーは、静電シャッターである、荷電粒子線装置。
6. 試料上で荷電粒子線を走査し、荷電粒子線の走査に基づき試料から生じる信号を検出する検出器からの検出信号に基づいて画像を生成する画像生成方法であって、
   荷電粒子線の走査中にブランカーによる荷電粒子線のブランキングを制御して、荷電粒子線を照射する領域に対応する画素と荷電粒子線を照射しない領域に対応する画素とから構成される画像を複数取得する画像取得工程と、
   取得された複数の画像を積算して積算画像を生成する積算画像生成工程とを含み、
   前記画像取得工程では、
   前記画像を取得する際の荷電粒子線のドーズ量を、取得する前記画像の数に比例して大きくする、画像生成方法。

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