KR20160079010A - 하전입자선 장치, 시료 화상 취득 방법, 및 프로그램 기록 매체 - Google Patents

하전입자선 장치, 시료 화상 취득 방법, 및 프로그램 기록 매체 Download PDF

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KR20160079010A
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Abstract

본 발명의 하전입자선 장치는, 1차 하전입자선이 시료에 도달할 때까지 산란됨으로써 1차 하전입자선의 스폿 형상에 생기는 영향을, 검출기의 신호로부터 제거하는 데이터 처리부를 구비한다. 예를 들면 비진공 분위기에 있는 시료(6)를 전자현미경으로 관찰할 경우에, 1차 하전입자선이 격막(10)에 의해, 또는 비진공 공간(12)에 존재하는 가스에 의해 산란됨으로써 상기 1차 하전입자선의 스폿 형상에 생기는 영향을, 검출기에서 취득된 신호로부터 제거한다. 이에 따라 간편하게 양질의 화상을 얻을 수 있다.

Description

하전입자선 장치, 시료 화상 취득 방법, 및 프로그램 기록 매체{CHARGED-PARTICLE-BEAM DEVICE, SPECIMEN-IMAGE ACQUISITION METHOD, AND PROGRAM RECORDING MEDIUM}
본 발명은, 시료를 대기압하, 원하는 가스압하 또는 가스종하에서 관찰 가능한 하전입자선 장치에 관한 것이다.
물체의 미소(微小)한 영역을 관찰하기 위해, 주사형 전자현미경(SEM)이나 투과형 전자현미경(TEM) 등이 이용된다. 일반적으로, 이들의 장치로는 시료를 배치하기 위한 케이싱을 진공 배기하고, 시료 분위기를 진공 상태로 해서 시료를 촬상한다. 그러나, 생물화학 시료나 액체 시료 등은 진공에 의해 데미지(damage)를 받거나, 또는 상태가 바뀌어 버린다. 한편, 이러한 시료를 전자현미경으로 관찰하고자 하는 니즈(needs)는 크기 때문에, 관찰 대상 시료를 대기압하나 원하는 가스압하 또는 가스종하에서 관찰 가능한 SEM 장치가 강하게 요망되고 있다.
그래서, 최근, 전자 광학계와 시료 사이에 전자선이 투과 가능한 격막이나 미소 구멍을 설치하여 전자선이 날아오는 진공 상태와 시료 분위기하를 구획함으로써, 대기압하나 원하는 가스압하 또는 가스종하에 시료가 배치 가능한 SEM 장치가 개시되어 있다. 본 공지문헌에서는, 격막 바로 아래에 배치된 시료 스테이지를 사용해서 격막과 시료가 비접촉한 상태에서, 시료 위치 변경과 대기압하에서의 SEM 관찰을 실시하는 것이 가능한 장치가 개시되어 있다.
일본국 특개2012-221766호 공보
관찰 대상 시료 분위기를 대기압하, 원하는 가스압하 또는 가스종하로 할 경우, 도입된 격막이나 대기 가스나 도입 가스에 의해 전자빔이 산란을 받아서 현미경 화상이 명료하지 않게 된다고 하는 문제가 있었다. 예를 들면, 격막과 시료가 비접촉한 상태에서 대기압하에 놓인 시료에 하전입자선을 조사하는 장치에서는, 격막과 시료와의 거리가 길면 대기중의 가스 분자에 의해 하전입자선이 산란을 받은 불명료한 현미경상(像)이 되어버린다. 따라서, 격막과 시료를 근접시켜서 대기의 가스 분자에 의해 산란되는 양을 줄이는 것이 중요하게 된다.
그러나, 시료와 격막을 지나치게 근접시키면, 시료와 격막이 접촉함으로써 격막을 파손해버릴 우려가 있다.
또한, 특허문헌 1에서는 경원소 가스를 도입함으로써, 격막과 시료 사이의 가스 분자에 의한 산란을 저감하는 방법 및 장치에 대해 제안되어 있다. 경원소 가스를 도입함으로써, 격막과 시료가 유지된 상태에서 양질의 화상을 취득하는 것이 가능해진다. 그러나, 유저는 가스봄베를 상시 설치하여 화상 관찰시에 매회 가스를 방출할 필요가 있어서, 관찰에 즈음하여 수고가 발생한다. 또한 경원소 가스를 했다고 해도, 전자빔이 산란되는 것에는 변함이 없다. 그 결과, 비진공 분위기에 있는 시료를 전자현미경으로 관찰할 경우에는 매우 화질이 악화되는 것이 상식으로 생각되고 있으며, 그 때문에 이러한 장치를 유효하게 이용할 수 있는 경우가 한정되어 있었다.
이상 정리하면, 종래의 방법에서는 가스 분자나 격막에 의해 전자빔이 산란되는 영향에 의해, 간편하게 양질의 화상을 얻는 것이 어렵다고 하는 과제가 있었다.
본 발명은, 이러한 문제를 감안하여 이루어진 것으로서, 관찰 대상 시료의 근방의 분위기가 대기하 등의 원하는 비진공 상태일 때에, 가스나 격막에 의해 전자빔이 산란되는 것에 의한 영향이 저감된 화상을 간편하게 취득하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 내부가 진공 배기되는 하전입자 광학 경통과, 시료를 비진공 공간에 재치(載置)하는 시료 스테이지와, 상기 하전입자 광학 경통으로부터 출사된 1차 하전입자선이 상기 시료에 조사됨으로써 얻어지는 2차적 하전입자를 검출하는 검출기와, 상기 1차 하전입자선이 상기 시료에 도달할 때까지 산란됨으로써 상기 1차 하전입자선의 스폿 형상에 생기는 영향을 상기 검출기의 신호로부터 제거하는 데이터 처리부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 관찰 대상 시료의 근방의 분위기가 대기하 등의 원하는 비진공 상태일 때에, 특수한 가스를 사용하지 않고 양질의 화상을 취득하는 것이 가능해진다.
상기한 것 이외의 과제, 구성 및 효과는, 이하의 실시형태의 설명에 의해 명백해진다.
도 1은 하전입자선의 대기압 중의 평균 자유 공정.
도 2는 하전입자 현미경에 의해 취득된 화상.
도 3은 원리 설명도.
도 4는 원리 설명도.
도 5는 하전입자 현미경에 의해 취득된 화상 및 당해 화상에 화상처리한 후의 화상.
도 6은 실시예 1의 하전입자 현미경의 구성도.
도 7은 실시예 1에 있어서의 격막-시료 근방 설명도.
도 8은 실시예 1에 있어서의 격막-시료 근방 설명도.
도 9는 실시예 1에 있어서의 조작 화면.
도 10은 실시예 1에 있어서의 실시 플로우 설명도.
도 11은 실시예 1에 있어서의 데이터 송수신 설명도.
도 12는 원리 설명도.
도 13은 실시예 1에 있어서의 조작 화면.
도 14는 실시예 1에 있어서의 조작 화면.
도 15는 실시예 2의 하전입자 현미경의 구성도.
도 16은 실시예 3의 하전입자 현미경의 구성도.
도 17은 실시예 4의 하전입자 현미경의 구성도.
도 18은 원리 설명도.
도 19는 실시예 5의 하전입자 현미경의 구성도.
도 20은 실시예 5의 하전입자 현미경의 구성도.
도 21은 원리 설명도.
도 22는 실시예 6의 하전입자 현미경의 구성도.
도 23은 실시예 7에 있어서의 조작 화면.
이하, 도면을 이용하여 각 실시형태에 대해 설명한다.
이하에서는, 하전입자선 장치의 일례로서, 하전입자 현미경에 대해 설명한다. 단, 이것은 본 발명의 단순한 일례이며, 본 발명은 이하 설명하는 실시형태에 한정되는 것이 아니다. 본 발명은, 주사전자현미경, 주사이온현미경, 주사 투과 전자현미경, 이들과 시료가공 장치와의 복합 장치, 또는 이들을 응용한 해석·검사 장치에도 적용가능하다.
또한, 본 명세서에 있어서 「대기압」이란 대기 분위기 또는 소정의 가스 분위기로서, 대기압 또는 약간의 부압 상태의 압력 환경을 의미한다. 구체적으로는 약 105Pa(대기압)로부터∼103Pa 정도이다.
<원리 설명>
대기압하에서 관찰 가능한 하전입자선 장치에서는 시료와 격막은 근접하고 있어야 한다. 우리가 계산한 결과, 하전입자선의 가속 전압과 1기압 중의 하전입자선의 평균 자유 공정과의 관계는 도 1과 같았다. 평균 자유 행정이란 산란으로 방해되는 것 없이 진행할 수 있는 거리의 평균치를 말한다. 예를 들면, 가속 전압 100kV의 경우에는 200㎛ 정도가 평균 자유 공정이 된다. 또, 후술하는 바와 같이 산란되는 것 없이 평균 자유 공정 이상으로 날아와서, 현미경 화상의 분해능에 기여하는 무산란 하전입자선이 존재한다. 그 때문에, 실제로 대기중의 시료를 하전입자선현미경 관찰하는 경우에는, 격막과 시료와의 거리가 도 1에서 나타낸 평균 자유 공정보다 몇 배로부터 5 배 정도로 하는 것이 가능한 것이 실험적으로 알고 있다. 즉, 하전입자선의 가속 전압이 1kV로부터 100kV 정도의 범위인 경우에는, 시료와 격막과의 거리는 1000㎛ 정도 이하이어야 하는 것으로 된다.
도 2에 대기중에 놓인 관찰 시료를 주사형 전자현미경으로 관찰한 실험 결과를 나타낸다. 가속 전압은 15kV이며, 격막과 시료와의 거리는 약 70㎛이다. "9"라고 하는 문자는 금속으로 구성되고, 그 외는 Si으로 구성된 시료이다. 도면 중 A부와 B부는 같은 재료로 구성되어 있지만 화상의 밝기가 다르다. B부는 A부보다 밝게 관찰된다. 또한, 문자 "9"의 주변이 흐릿해 있는 것 같이 보인다. 한편, 문자 "9"의 에지(edge)는 확실히 식별하는 것이 가능하다.
일반적으로 전자현미경에서는, 임의의 한 점에 빔 조사를 하고 있을 경우에는 조사하고 있는 영역 이외로부터의 신호는 검출되지 않는다. 이것을 전제로 하여 빔 조사 점을 시료 상에서 스캔하여, 빔 형상의 크기보다 충분히 큰 시야의 화상을 취득하는 것이 일반적이다. 즉, 취득되는 화상 중의 1 점의 휘도치는, 시료 상의 당해 1 점에 대응하는 장소에 빔이 조사되고 있을 때의 2차적 하전입자의 검출량에 대응하고 있다. 따라서, 도 2의 시료를 종래의 고진공의 시료실을 갖는 전자현미경으로 관찰할 경우에는 문자 "9"의 부분은 밝고 그 이외의 부분은 어두워져, A부와 B부의 밝기는 거의 변하지 않을 것이다. 그러나, 도 2의 SEM 상(像)의 경우에는, B부는 A부보다 밝게 관찰되고 있다. 도 2와 같은 화상은 일반적인 전자현미경에서는 취득되지 않는다. B부에 전자선을 조사하고 있는 상태에서 B부 이외로부터의 신호가 검출되고 있게 된다. B부의 영역에 전자선을 조사하고 있을 때에, B부 이외로부터의 신호가 검출된다는 것은, 실제로는 B부 이외의 영역에도 전자선의 일부가 조사되고 있는 것으로 추측된다. 즉 실제로 시료에 조사되고 있는 빔 형상의 크기가 시야의 크기에 대하여 가깝다는 것이다. 이 현상에 관해서 이하 고찰한다.
도 3을 이용하여 대기압에서 관찰되는 하전입자선 장치의 일반적인 구성요소에 대해 설명한다. 도 3의 (a)는 하전입자 현미경의 구성을 나타내는 개념도이다. 하전입자원(8)을 구비한 하전입자 광학 경통(2)에 전자장을 발생하는 것이 가능한 콘덴서 렌즈나 대물렌즈 등의 하전입자광학부품이 구비되어 있다. 하전입자원(8)으로부터 격막(10)의 도면 중 윗면까지의 공간(11)은 진공이다. 또한, 격막(10)의 도면 중 아랫면으로부터 시료(6)까지의 공간(12)은 대기 또는 원하는 가스 분위기에 의한 비진공 공간이다. 또, 이하에서는 비진공 공간의 거리란, 특필(特筆)하지 않는 한, 당해 비진공 공간을 하전입자선이 통과하는 경로의 길이이며, 하전입자선 방향의 길이를 나타낸다. 통상 격막(10)에 대하여 수직으로 하전입자선이 조사되므로, 격막과 시료와의 거리가 비진공 공간의 거리가 된다. 이 구성을 간이화해서 기술하면 도 3의 (b)와 같이 된다. 하전입자가 방출되는 면을 물체면(8a)이라고 하면, 렌즈(301), 렌즈(302), 렌즈(303)는 하전입자선을 집속하는 것이 가능한 집속 렌즈(301a, 302a, 303a)에 대응한다. 한편, 격막(10)부와 비진공 분위기의 공간(12)은, 각각 하전입자선을 산란시키는 산란 렌즈(10a)와 산란 렌즈(12a)로 기술할 수 있다.
여기에서, 하전입자 현미경의 광학 경통의 길이(하전입자원으로부터 대물렌즈의 초점 위치)는 가속 전압에 따르지만 일반적으로 10mm 내지 1000mm 정도이다. 하전입자선 빔을 집속시킬 필요상, 일반적으로 가속 전압이 커지면 광학 경통의 길이도 길어진다. 즉, 광학 경통의 길이를 h1, 격막과 시료와의 거리를 h2라고 하면, 이하의 관계가 성립된다.
h1/h2≥1000···(식 1)
따라서, 도 3의 (b)에서 도시한 것보다, 실제로는 격막과 시료와의 거리 h2는 h1에 비해서 매우 작다. 즉, 이 구성은, 집속 렌즈(303a)와 시료면(6a) 사이에 매우 얇은 두 개의 산란 렌즈가 근접해서 도입되어 있는 점에서, 매우 특징적이다.
격막을 통과한 하전입자에는, 격막에서 산란된 하전입자와 산란되지 않은 하전입자가 포함된다. 격막에서의 하전입자선의 산란량은 격막(10)의 재료종 m, 밀도 ρ, 두께 t에 의존한다. 격막을 통과한 하전입자는 비진공 분위기의 공간(12)에 입사된다. 비진공 분위기의 공간(12)에 입사된 하전입자는 분위기 가스에 의해 산란된다. 여기에서도 한번도 산란되지 않고 진행할 수 있는 하전입자가 존재한다. 비진공 분위기의 공간에서의 하전입자선의 산란량은, 격막(10)으로부터 시료(6)까지의 거리 z(도 3에서는 h2), 비진공 분위기의 가스종 a, 가스 압력 P(또는 밀도)에 의존한다. 또한, 격막 및 비진공 분위기에 있어서의 산란량은 하전입자선의 조사 에너지 E(가속 전압이라고도 함)에도 의존한다. 예를 들면 도 1에서 나타낸 바와 같이, 가속 전압이 높을수록 평균 자유 공정이 크며, 즉 산란되기 어려워진다고 할 수 있다. 이상을 정리하면, 격막과 비진공 분위기의 공간을 나타내는 두 개의 산란 렌즈를 하나의 산란 렌즈 함수(또는, 열화 함수) A로 표현하면, 산란 렌즈 함수는 이하로 기술된다.
A=A (m, ρ, t, a, P, z, E) ···(식 2)
또한, 격막 및 비진공 분위기의 공간을 경유하기 전의 하전입자 빔 형상을 F라고 하고, 격막 및 비진공 분위기의 공간을 경유한 후의 하전입자 빔 형상을 G라고 했을 경우, 이하의 식으로 기술된다.
G=A (m, ρ, t, a, P, z, E)×F ···(식 3)
또, 전술한 바와 같이 산란 렌즈 함수를 경유해도 격막이나 비진공 분위기에 의해 한 번도 산란되지 않고 날아오는 하전입자선도 존재한다. 그 모습을 설명하기 위해, 도 4의 (a)를 이용하여, 격막(10a)과 비진공 분위기의 공간(12a)에서의 하전입자선의 산란에 대해 설명한다. 빔(305)은 격막(10a)에 입사되기 직전의 빔의 형상을 나타내고 있다. 그 후에, 격막(10a)를 투과하면, 격막 중 및 비진공 분위기 중에서 많은 하전입자가 산란된다. 한편, 한 번도 산란되지 않고 진행할 수 있는 하전입자도 존재한다. 이하, 격막 및 비진공 분위기의 가스에 의해 산란되지 않고 진행할 수 있었던 하전입자를 「무산란 하전입자」라고 부르고, 일회 이상 산란된 하전입자를 「산란 하전입자」라고 부른다. 이와 같이 빔이 산란된 결과, 시료(6)에 도달했을 때의 빔 형상은 306과 같이 된다. 이 도면에서는 가로 방향이 빔 형상을 나타내는 거리(즉 시료면 상의 공간적인 거리)이며, 세로 방향은 하전입자 수를 나타내고 있다. 빔(306)은 무산란 하전입자로 구성되는 빔(307)과, 산란 하전입자로 구성된 빔(308)으로 이루어진다.
도 4의 (b)에서 빔 형상만 확대해서 나타낸다. 무산란 하전입자 수를 N0, 산란 하전입자 수를 N1이라고 나타내면, 무산란 하전입자 수 N0은 빔 형상 내부의 307a의 부분(면적)에 상당하고, 산란 하전입자 수 N1은 빔 형상 내부의 308a의 부분(면적)에 상당하다. 즉, 시료(6)가 대기하에 배치된 하전입자 현미경 장치에 있어서, 광학 렌즈에서 집속된 빔(305)은 시료에 도달하기 직전에는 빔(306)으로 표현되는 형상이 된다. 입사된 하전입자선의 빔 지름을 d0, 무산란 하전입자의 빔 지름을 d1, 산란 하전입자의 빔 지름을 d2라고 하면, 이들의 관계는 이하와 같이 된다.
d2>d0∼d1···(식 4)
입사된 하전입자선의 빔 지름 d0와 무산란 하전입자의 빔 지름 d1이 거의 같으므로, 취득되는 현미경 화상의 분해능은 무산란 하전입자의 빔 지름 d1에 의해 결정된다. 즉, 빔(307)만 남아있으면, 달리 표현을 하면 무산란 하전입자의 수가 충분히 남아있는 것이라면, 분해능은 유지된다고 할 수 있다. 또, 상기 d0, d1, d2로 표현되는 빔 지름은, 빔 지름의 정의가 같으면, 구체적으로는 빔 직경, 반경, 또는 반값폭 등으로 규정되어도 된다. 이하, 특필이 없는 한, 빔 형상 또는 스폿 형상이란 빔의 지름의 크기를 나타내는 파라미터를 가리킨다.
다음으로 d1과 d2의 크기에 대하여 의논한다. 하전입자선의 빔 지름(d1)은 일반적으로는 최대로 1nm∼100nm 정도이다. 또한, 격막의 재료나 두께, 가스에 의한 산란에서는 거리 등의 파라미터에 의존하지만, 전형적으로는 산란 하전입자선의 빔 지름(d2)은 10nm∼10,000nm 정도가 된다. 격막과 시료와의 거리 Z가 크면 클수록 산란량은 늘어나기 때문에, d2는 10,000nm보다 더 커질 경우가 있다. 이상으로부터 하전입자선의 산란이 문제가 되는 케이스에서는 이하의 식이 성립된다고 할 수 있다.
d2/d1≥10···(식 5)
이상의 고찰에 근거하면, 도 2에서 취득된 전자현미경 화상을 도 4에서 설명한 산란 하전입자에 의해 설명하는 것이 가능하다. 즉, 도 2의 B부에 전자선을 조사하고 있을 때에, 산란 전자에 의한 빔(308)이 문자 "9"의 부분에도 조사되어버렸다고 생각할 수 있다. 이에 대하여 A부는 문자 "9"로부터 떨어져 있으므로, A부에 전자선을 조사하고 있을 때에 빔(308)이 문자 "9"의 부분에 조사되지 않으며, B부보다 어둡게 관찰된다. 한편, 무산란 전자에 의한 빔(307)에 의해 분해능은 유지되기 때문에, 문자 "9"의 에지는 뚜렷하게 관찰되는 것으로 고찰할 수 있다.
이 현상은 (식 5)로 나타내는 바와 같이 산란 하전입자선의 빔 지름이 무산란 하전입자선의 빔 지름에 비해서 매우 커지는 것에 기인하고 있다. 그 결과, 산란 하전입자선이 시료 상의 광범위로 조사되어버린다. 이와 같이 광범위하게 하전입자의 산란의 영향이 발생하는 것은 비진공 환경하에 있는 시료에 하전입자선을 조사할 때의 특징적 현상이며, 종래의 진공 시료실을 가지는 전자현미경에서는 발생하지 않는 현상이다.
이상의 현상과 고찰로부터, 하전입자 광학 경통(2)과 시료(6) 사이에 배치된 매우 얇은 산란 렌즈에서 나타나는 격막이나 비진공 분위기는 1차 하전입자선의 스폿 형상 변화를 야기하지만, 무산란 하전입자선(307)이 남아있는 것이라면, 화상 분해능은 유지되는 것을 우리는 발견했다. 또한 (식 1)에서 나타나 있는 바와 같이, 빔의 산란을 야기하는 원인은 공간적으로 매우 응축되어 있기 때문에, 이 공간에서 발생한 빔 형상 변화를 이론적으로 계산할 수 있다. 즉, (식 2)에서 나타낸 산란 렌즈 함수 A를 계산이나 시뮬레이션 등으로부터 구하고, 산란 후의 빔 형상 G를 계산하는 것이 매우 간단하다. 이 점은, 후술하는 화상 복원의 관점으로부터도 매우 중요한 구성이라고 할 수 있다.
<화상 복원>
이하에서 설명하는 화상 복원이란 취득 화상에 어떠한 연산 처리를 행하는 것으로 분해능이나 화질의 열화를 복원하는 처리이다. 또한, 이하에서 설명하는 화상 복원이란 취득 후의 화상에 대하여 연산 처리를 행하여 복원할 경우뿐만 아니라, 검출기로부터 출력되는 신호에 대하여 연산 처리를 행하여 처리 후의 신호에 의해 화상을 생성할 경우도 포함하는 것으로 한다.
진공하의 시료를 관찰하기 위한 전자현미경에 있어서, 실험적으로 파악된 빔 형상을 이용하여 화상 복원하는 방법은 종래 알려져있다. 예를 들면, 노이즈나 분해능 열화 등이 없는 이상(理想) 화상 F에 분해능의 열화 등의 열화 함수 A에 의한 콘볼루션과 노이즈 n을 중첩했을 때에, 취득 화상 G의 모델은 이하로 나타내진다.
G=A·F+n ···(식 6)
이 관계로부터, 취득 화상 G와 열화 함수 A로부터 이상 화상 F를 추정한다. 이것을 화상 복원이라고 부른다. 이 대응 관계는 (식 3)과 동등하다. 즉, 빔 형상의 열화를 나타내는 열화 함수 A를 구하고 이 형상을 디콘볼루션 처리함으로써 화상 복원이 실시 가능하다. 그러나, 지금까지 대기 분위기하, 원하는 가스압하 또는 가스종하에서 산란된 빔 형상으로부터 이상 화상 F를 추정하는 것은 그동안 실시되지 않았다. 그것은, 산란되는 영역의 제어를 할 수 없었기 때문인 것으로 생각된다. 한편, 전술한 바와 같이, 대기압하에서 관찰 가능한 전자현미경의 경우에는, 화질 열화 요인을 매우 얇은 산란 렌즈로 간주할 수 있으며, 빔 형상의 열화 정도를 결정하는 요인이 격막으로부터 시료까지의 국소적인 공간에 응축되어 있다. 이 결과, 빔 형상을 결정하는 산란 렌즈 함수를 결정하는 파라미터는 격막과 비진공 분위기의 공간에 기인하는 파라미터만이며, 또한 이들은 제어 가능하기 때문에, 화상 복원에 필요한 열화 함수 A를 구하는 것이 매우 간단해진다. 이것이 본 발명에 있어서 중요한 점 중의 하나다.
산란 렌즈 함수 A(열화 함수 A)의 파라미터 중, 장치에 사용되는 격막은 기지(旣知)이므로, 격막(10)의 재료종 M, 밀도 ρ, 두께 t는 기지이다. 즉, 격막에 의해 산란되는 산란량은 미리 계산가능하다. 또한, 후술하는 바와 같이 하전입자선의 가속 전압, 비진공 분위기의 가스종, 압력, 및 비진공 분위기 공간의 거리는, 장치의 유저가 지정함으로써 알 수 있다. 즉, 이들의 관찰 조건으로부터, 무산란 하전입자 수 N0과 산란 하전입자 수 N1의 비율 및 무산란 하전입자의 빔 지름 d1, 산란 하전입자의 빔 지름 d2의 값이나 빔 형상 등을 미리 구해 두는 것이 가능하다는 것이다. 그 결과, 무산란 하전입자에 의한 빔(307a)만을 남기고, 산란 하전입자에 의한 빔(308a)의 영향을 화상 신호로부터 제거하는 것이 가능하다. 이에 따라, 후술하는 바와 같이, 지금까지 실시되지 않았던 대기 분위기하, 또는 원하는 가스압 또는 가스종의 분위기하에서 산란된 빔 형상으로부터 이상 화상 F를 추정하고, 화상 복원하는 것이 가능하게 됐다. 또, 여기에서 「제거」란 완전히 제거할 경우뿐만 아니라, 산란 하전입자에 의한 영향을 일부 제거하고, 빔 열화에 의한 화상에의 영향을 저감할 경우도 포함하는 것으로 한다.
화상 복원 처리의 대상으로 하는 빔 형상은 도 4의 (a)에 나타나 있는 바와 같은 형상(306)이다. 따라서 (식 6)에 있어서의 산란 렌즈 함수 A의 모델로서, 예를 들면 도 4의 (b)와 같이 폭 d1로 구성된 제 1 파형(307a)과, 폭 d2로 구성된 제 2 파형(308b)의 합을 이용하면 된다. 제 1 파형(307a)은 무산란 하전입자선의 스폿 형상을 나타내며, 제 2 파형(308b)은 산란 하전입자선의 스폿 형상을 나타내고 있다. 산란된 하전입자선은 다시 산란을 받는 경우도 있기 때문에, 단순하게 두 개의 파형분포의 합으로는 기술할 수 없을 경우가 있다. 그 경우는, 입사한 전자수 N이 일정하게 되는 것 같은 조건을 유지하고, d1, d2, d3···dn 등의 복수의 파형의 합으로서 빔 형상을 작성해도 된다. 또, 전술의 파형은 예를 들면 가우스 분포 등이지만, 어떠한 파형의 합으로 나타내도 상관없다. 산란 렌즈 함수 A의 모델이 결정되면, (식 2)에서 전술한 m, ρ, t, a, P, z, E의 파라미터에 의해 산란 렌즈 함수 A를 확정할 수 있다. 이 확정한 산란 렌즈 함수 A를 이용하여 취득 화상 G에 대하여 디콘볼루션 처리함으로써 이상 화상 F를 복원할 수 있다.
본 발명의 중요한 점 중의 하나는, 무산란 하전입자와 산란 하전입자의 두 개(또는 두 개 이상)의 파형으로 분리해서 생각하고, 화상 복원을 위한 연산 처리를 할 때에, 그들 무산란 하전입자와 산란 하전입자의 각각을 나타내는 파형을 더하는 것으로 시료에 도달할 때의 열화한 빔 형상(즉 산란 렌즈 함수의 모델)을 만들 수 있는 것을 찾아낸 점이다. 도 5에서, 전술한 화상 복원 처리 전후의 화상을 비교한다. 도 5의 (a)가 화상 복원 전이고, 도 5의 (b)가 화상 복원 후이다. 도 5는, (식 5)를 만족시키는 관찰 조건의 경우에, 무산란 하전입자선과 산란 하전입자선의 합을 산란 렌즈 함수 A의 모델로 하여, 전술한 바와 같이 디콘볼루션 처리함으로써 도 2에서 나타낸 취득 화상을 복원한 결과이다. 화상 복원한 것에 의하여, 산란 전자에 의한 문자 "9" 주변의 밝기의 번짐이 대폭 저감할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 문자 "9"의 에지도 확실히 관찰할 수 있다.
이 화상 복원에 있어서, 산란 렌즈 함수의 파라미터를 파악해서 화상 복원 처리를 하는 것이 중요하게 된다. 그래서, 이하에서는 전술한 산란 렌즈 함수의 파라미터에 의거하여 화상 복원하는 하전입자선 장치 및 화상처리방법에 대해서 기술한다. 또, 후술하는 바와 같이, 하전입자선의 가속 전압, 비진공 분위기의 가스종, 압력, 및 비진공 분위기 공간의 거리에 따른 무산란 하전입자 수 N0과 산란 하전입자 수 N1의 비율, 및 무산란 하전입자의 빔 지름 d1, 산란 하전입자의 빔 지름 d2의 값을 유저 자신이 입력하고 있어도 된다. 또한, 미리 산란에 의한 영향을 계산해 시료에 도달할 때에 어떤 빔(306)의 형상이 될지를 컴퓨터 내의 기억부에 보존해 두고, 검출기에서 취득한 신호에 대하여 기억부에 기억되어 있는 데이터를 이용하여 디콘볼루션 처리를 행함으로써 자동적으로 화상 복원해도 된다.
전술한 산란 렌즈 함수에 근거하는 화상 복원 방법은, 산란 렌즈로 간주할 수 있는 물체가 국소적으로 응축해서 배치된 하전입자 광학계를 갖는 장치에 대하여 매우 유효하다. 이러한 장치의 구체적 실시형태를 이하의 실시예에서 나타내겠지만, 본 발명의 적용은 이하의 실시예에 한정되는 것이 아니다.
실시예 1
<기본 장치 구성 설명>
본 실시예에서는, 기본적인 실시형태에 대해 설명한다. 도 6에는, 본 실시예의 하전입자 현미경의 전체 구성도를 나타낸다.
도 6에 나타나 있는 하전입자 현미경은, 주로, 하전입자 광학 경통(2), 하전입자 광학 경통(2)과 접속되어 이것을 지지하는 케이싱(진공실)(7), 대기 분위기하에 배치되는 시료 스테이지(5), 및 이들을 제어하는 제어계로 구성된다. 하전입자 현미경의 사용 시에는 하전입자 광학 경통(2)과 케이싱(7)의 내부는 진공펌프(4)에 의해 진공 배기된다. 진공펌프(4)의 기동·정지 동작도 제어계에 의해 제어된다. 도면 중, 진공펌프(4)는 하나만 나타나 있지만, 두 개 이상 있어도 된다. 하전입자 광학 경통(2) 및 케이싱(7)은 도면에 나타나 있지 않은 기둥이나 받침에 의해 유지되어 있는 것으로 한다.
하전입자 광학 경통(2)은, 하전입자선을 발생하는 하전입자원(8), 발생한 하전입자선을 집속해서 경통 하부로 유도하고, 1차 하전입자선으로서 시료(6)를 주사하는 광학 렌즈(1) 등의 요소에 의해 구성된다. 하전입자 광학 경통(2)은 케이싱(7) 내부로 돌출하도록 설치되어 있으며, 진공 밀봉 부재(123)를 사이에 두고 케이싱(7)에 고정되어 있다. 하전입자 광학 경통(2)의 단부에는, 상기 1차 하전입자선의 조사에 의해 얻어지는 2차적 하전입자(2차 전자 또는 반사 전자)를 검출하는 검출기(3)가 배치된다. 검출기(3)는 하전입자 광학 경통(2)의 외부에 있어도 내부에 있어도 된다. 하전입자 광학 경통에는, 이것 이외에 다른 렌즈나 전극, 검출기를 포함해도 되고, 일부가 상기와 다르게 되어 있어도 되며, 하전입자 광학 경통에 포함되는 하전입자 광학계의 구성은 이것에 한정되지 않는다.
본 실시예의 하전입자 현미경은, 제어계로서, 장치 사용자가 사용하는 컴퓨터(35), 컴퓨터(35)와 접속되어 송수신되는 명령에 따라서 진공 배기계나 하전입자 광학계 등의 제어를 행하는 제어부(36)를 구비한다. 컴퓨터(35)는, 장치의 조작 화면(GUI)이 표시되는 모니터(33)와, 키보드나 마우스 등의 조작 화면에의 입력 수단을 구비한다. 제어부(36) 및 컴퓨터(35)는, 각각 통신선에 의해 접속된다.
제어부(36)는 진공펌프(4), 하전입자원(8)이나 광학 렌즈(1) 등을 제어하기 위한 제어 신호를 송수신하는 부위이며, 또한 검출기(3)의 출력 신호를 디지털 화상 신호로 변환하여 컴퓨터(35)를 경유해서 화면(33)에 표시한다. 제어부(36)에 의해 생성된 화상은 컴퓨터(35)의 모니터(33)에 표시된다. 도면에서는 검출기(3)로부터의 출력 신호를 전치 증폭기 등의 증폭기(154)를 경유해서 제어부(36)에 접속하고 있다. 만일, 증폭기가 불필요하면 없어도 된다.
제어부(36)로는 아날로그 회로나 디지털 회로 등이 혼재하고 있어도 되고, 두 개 이상의 제어부로 구성되어 있어도 된다. 하전입자 현미경에는, 이외에도 각 부분의 동작을 제어하는 제어부가 포함되어 있어도 된다. 제어부(36)는, 전용의 회로기판에 의해 하드웨어로서 구성되어 있어도 되고, 컴퓨터(35)로 실행되는 소프트웨어로 구성되어도 된다. 하드웨어에 의해 구성할 경우에는, 처리를 실행하는 복수의 연산기를 배선 기판 상, 또는 반도체칩 또는 패키지 내에 집적함으로써 실현할 수 있다. 소프트웨어에 의해 구성할 경우에는, 컴퓨터에 고속의 범용 CPU를 탑재하고, 원하는 연산 처리를 실행하는 프로그램을 실행함으로써 실현할 수 있다. 또, 도 6에 나타낸 제어계의 구성은 일례에 지나지 않으며, 제어 유닛이나 밸브, 진공펌프 또는 통신용의 배선 등의 변형예는, 본 실시예에서 의도하는 기능을 만족시키는 한, 본 실시예의 SEM 또는 하전입자선 장치의 범주에 속한다.
케이싱(7)에는, 일단이 진공펌프(4)에 접속된 진공배관(16)이 접속되어, 내부를 진공 상태로 유지할 수 있다. 동시에, 케이싱 내부를 대기 개방하기 위한 리크 밸브(14)를 구비하여, 메인터넌스 시 등에, 케이싱(7)의 내부를 대기 개방할 수 있다. 리크 밸브(14)는, 없어도 되고, 두 개 이상 있어도 된다. 또한, 케이싱(7)에 있어서의 리크 밸브(14)의 배치 장소는, 도 6에 나타나 있는 장소에 한정되지 않으며, 케이싱(7) 상의 다른 위치에 배치되어 있어도 된다.
케이싱 밑면에는 상기 하전입자 광학 경통(2)의 바로 아래가 되는 위치에 격막(10)을 구비한다. 이 격막(10)은, 하전입자 광학 경통(2)의 하단으로부터 방출되는 1차 하전입자선을 투과 또는 통과시키는 것이 가능하며, 1차 하전입자선은, 격막(10)을 지나 최종적으로 시료대(52)에 탑재된 시료(6)에 도달한다. 격막(10)에 의해 구성되는 폐공간(즉, 하전입자 광학 경통(2) 및 케이싱(7)의 내부)은 진공 배기 가능하다. 시료는 비진공 공간에 배치되므로, 격막(10)은 진공 공간과 비진공 공간의 차압을 유지 가능한 것일 필요가 있다. 본 실시예에서는, 격막(10)에 의해 진공 배기되는 공간의 기밀 상태가 유지되므로, 하전입자 광학 경통(2)을 진공 상태로 유지할 수 있으며 또한 시료(6)를 대기압으로 유지해서 관찰할 수 있다. 또한, 하전입자선이 조사되고 있는 상태에서도 시료가 설치된 공간이 대기 분위기이거나 또는 대기 분위기의 공간과 연통하여 있기 때문에, 관찰 중, 시료(6)를 자유롭게 교환할 수 있다.
격막(10)은 받침(9) 상에 성막 또는 증착되어 있다. 격막(10)은 카본재, 유기재, 금속재, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 카바이드, 산화 실리콘 등이다. 받침(9)은 예를 들면 실리콘이나 금속 부재와 같은 부재이다. 격막(10)부는 복수 배치된 다창(多窓)이여도 된다. 1차 하전입자선을 투과 또는 통과시키는 것이 가능한 격막의 두께는 수nm∼수㎛ 정도이다. 격막은 대기압과 진공을 분리하기 위한 차압하에서 파손되지 않을 필요가 있다. 그 때문에, 격막(10)의 면적은 수십㎛로부터 크더라도 수mm 정도의 크기이다. 격막(10)의 형상은 정방형이 아닌, 장방형 등과 같은 형상이여도 된다. 형상에 관해서는 어떤 형상이여도 상관없다. 격막(10)을 제작하는 받침이 실리콘이며, 실리콘 상에 격막 재료를 성막하고 나서 습식 에칭으로 가공하는 것이라면, 도면과 같이 격막 상부와 하부에서 면적이 다르다. 즉, 받침(9)의 도면 중 상측 개구 면적은 격막 면적보다 커진다.
격막(10)을 지지하는 받침(9)은 격막 유지 부재(155) 상에 구비되어 있다. 도면에는 나타내지 않았지만, 받침(9)과 격막 유지 부재(155)는 진공 씰이 가능한 O 링이나 패킹이나 접착제나 양면 테이프 등에 의해 접착되어 있는 것으로 한다. 격막 유지 부재(155)는, 케이싱(7)의 밑면 측에 진공 밀봉 부재(124)를 사이에 두고 탈착 가능하게 고정된다. 격막(10)은, 하전입자선이 투과하는 요청 상, 두께 수nm∼수㎛ 정도 이하로 매우 얇기 때문에, 시간 경과 열화 또는 관찰 준비의 때에 파손될 가능성이 있다. 또한, 격막(10) 및 그것을 지지하는 받침(9)은 작으므로, 직접 핸들링(handling)하는 것이 매우 곤란하다. 그 때문에, 본 실시예와 같이, 격막(10) 및 받침(9)을 격막 유지 부재(155)와 일체화하고, 받침(9)을 직접이 아니라 격막 유지 부재(155)를 통해 핸들링할 수 있도록 함으로써, 격막(10) 및 받침(9)의 취급(특히 교환)이 매우 용이하게 된다. 즉, 격막(10)이 파손됐을 경우에는, 격막 유지 부재(155)마다 교환하면 된다. 가령 격막(10)을 직접 교환하지 않으면 안되는 경우에도, 격막 유지 부재(155)를 장치 외부로 꺼내서, 격막(10)과 일체화된 받침(9)마다 장치 외부에서 교환할 수 있다.
또한, 도면에는 나타내지 않았지만, 시료(6)의 바로 아래 또는 근방에 시료가 관찰 가능한 광학현미경을 배치해도 된다. 이 경우에는, 격막(10)이 시료 상측에 있고, 광학현미경은 시료 하측으로부터 관찰하게 된다. 그 때문에, 이 경우에는, 시료대(52)는 광학현미경의 광에 대하여 투명할 필요가 있다. 투명한 부재로서는, 투명 글래스, 투명 플라스틱, 투명한 결정체 등이다. 보다 일반적인 시료대로서 슬라이드 글래스(또는 프레파라트)나 디시(dish)(또는 샤알레) 등의 투명 시료대 등이 있다.
또한, 온도 히터나 시료 속에 전계를 발생가능한 전압 인가부 등을 구비해도 된다. 이 경우, 시료가 가열 또는 냉각해 가는 모습이나, 시료에 전계가 인가되고 있는 모습을 관찰하는 것이 가능해진다.
또한, 격막은 2개 이상 배치해도 된다. 예를 들면, 하전입자 광학 경통(2)의 내부에 격막이 있어도 된다. 또는, 진공과 대기를 분리하는 제 1 격막의 하측에, 제 2 격막을 구비하여 제 2 격막과 시료 스테이지 사이에 시료가 내포되어 있어도 된다.
또한, 다른 실시형태로서, 시료를 환경 셀에 넣고 통상의 고진공 하전입자 현미경의 시료 스테이지에 배치해서 관찰해도 된다. 환경 셀이란, 시료 전체를 밀폐 상태로 내포해서 진공장치 내부에 도입함으로써, 진공 챔버 내에서 시료 근방의 분위기를 국소적으로 유지하는 용기이다. 환경 셀 내부에 시료 높이 조정 기구가 구비되어 있어도 된다. 환경 셀에 마련되어진 진공과 국소 분위기를 분리하기 위한 격막과 시료 사이의 산란을 제거할 경우에도 전술한 화상 복원 처리가 유효하다. 본 발명에서는 격막의 수나 종류를 불문하고, 본 실시예에서 의도하는 기능을 만족시키는 한, 본 실시예의 SEM 또는 하전입자선 장치의 범주에 속한다.
또한, 도면에는 나타내지 않았지만, 시료(6)의 바로 아래에, 시료(6)를 투과한 하전입자선을 검출하는 것이 가능한 검출기를 배치해도 된다. 이 검출기는 수keV로부터 수십keV의 에너지로 날아 오는 하전입자선을 검지 및 증폭할 수 있는 검출 소자이다. 예를 들면, 실리콘 등의 반도체 재료로 만들어진 반도체 검출기나, 글래스 면 또는 내부에서 하전입자신호를 광으로 변환하는 것이 가능한 신틸레이터나 루미네선스 발광재, YAG(Yttrium·Aluminum·Garnet) 소자 등을 사용할 수 있다. 검출기로부터의 전기신호 또는 광신호는, 배선, 광전달 경로, 또는 광검출기 등을 경유해서 상위 제어부(36)나 하위 제어부(37)에 의해 구성되는 제어계로 송신된다. 이러한 시료를 직접 또는 간접으로 탑재한 검출기로부터는 투과 하전입자신호를 검출할 수 있다. 따라서, 시료(6)가 탑재된 검출기 채로, 격막(10)에 접근시킴으로써 대기 중에서의 시료(6)의 투과 하전입자선 화상을 취득하는 것이 가능하다. 이 경우도 본 실시예에 있어서의 화상 복원법이 유효하게 된다.
케이싱(7)에 구비된 격막(10)의 하부에는 대기 분위기하에 배치된 시료 스테이지(5)를 구비한다. 이것에 의해 시료를 대기 분위기(비진공 공간)에 재치한다. 시료 스테이지(5)에는 적어도 시료(6)를 격막(10)에 접근시키는 것이 가능한 높이 조정 기능을 가지는 Z축 구동기구를 구비한다. 당연히, 시료 면내 방향으로 움직이는 XY 구동기구를 구비해도 된다. 또, 도면에는 나타내지 않았지만, 시료(6)와 격막(10) 사이의 거리를 조정하는 기구로서, 시료(6)를 움직이는 Z축 구동기구의 대신에 또는 이것에 더하여, 격막(10) 및 격막 유지 부재(155)를 시료 방향(도면 중 상하 방향)으로 구동하는 구동기구를 구비해도 된다. 또는, 하전입자 광학 경통(2)이나 진공 케이싱(7)을 수직 방향으로 움직일 수 있는 구동기구를 구비하여, 하전입자 광학 경통(2)이나 진공 케이싱(7) 전체를 시료측으로 움직여도 상관없다. 격막, 시료, 또는 하전입자 광학 경통을 가동함으로써 격막과 시료와의 거리를 가변으로 하는 이들의 기구를 거리 조정 기구로 총칭한다.
본 실시예에서는, 하전입자선원(8)으로부터의 하전입자선이 시료에 도달할 때의 에너지 E를 설정 및 제어한다. 제어부(36)와 하전입자 광학 경통(2) 사이에는 조사 에너지 제어부(59)가 설치되어 있다. 조사 에너지 제어부(59)는, 예를 들면 하전입자선원(8)에 공급하는 전압을 가변함으로써 하전입자선의 시료에의 조사 에너지 E를 변경하는 것이 가능한 고압전원이다. 조사 에너지 제어부(59)는 제어부(36)의 내부에 있어도 된다. 또한, 다른 예로서, 조사 에너지 제어부(59)는, 하전입자선원으로부터의 하전입자선의 가속 전압을 변경하는 전극이여도 된다. 또한, 1차 하전입자선을 가속 또는 감속시키는 것이 가능한 광학 렌즈에의 전압을 가변제어하는 전원이여도 된다. 또 다른 예로서는, 시료 스테이지에 전압을 인가할 수 있는 전원이여도 된다. 이러한 제어계는 제어부(36) 내에 있어도 되고, 제어부(36)와 광학 렌즈(1) 사이에 있어도 된다. 또한, 상기한 하전입자선의 조사 에너지 제어부의 구체적인 예는 적당히 조합하여 사용해도 된다.
컴퓨터(35)는 데이터 송수신부(60), 데이터 메모리부(61), 외부 인터페이스(62), 데이터 처리부(63)를 포함하여 구성된다. 데이터 송수신부(60)는, 검출 신호의 수신 등 각종 데이터를 송수신한다. 데이터 메모리부(61)는, 화상 신호를 저장하는 것이 가능하다. 외부 인터페이스(62)는, 모니터(33)나 키보드나 마우스 등의 유저 인터페이스(34)와 접속된다. 데이터 처리부(63)는, 검출 신호를 화상 신호로 변환하여 출력한다. 또한 본 실시예에서는 데이터 처리부(63)는 전술한 바와 같이 1차 하전입자선이 시료에 도달할 때까지 산란됨으로써 스폿 형상에 생기는 영향을 제거하는 처리, 즉 화상 복원 처리를 실시한다. 본 실시예에서는, 1차 하전입자선은 격막 및 격막과 시료 사이의 대기에 의해 산란된다. 화상 복원을 위한 산란 렌즈 함수의 파라미터는 유저 인터페이스(34)에 의해 입력할 수 있다. 데이터 처리부(63)는, 이들 산란 렌즈 함수의 파라미터를 이용하여 무산란 하전입자와 산란 하전입자에 의해 구성되는 빔 형상을 구한다. 전술한 바와 같이, 격막에 의한 산란량은 격막과 재료종, 밀도, 두께에 의해 구할 수 있고, 격막과 시료 사이의 대기에 의한 산란량은 격막과 시료와의 거리, 대기의 가스종, 압력에 의해 구할 수 있다. 이렇게 구해진 산란량에 의거하여 1차 하전입자선의 스폿 형상에 생기는 영향을 구할 수 있다. 그 후에, 취득된 화상 또는 현재 취득하고 있는 화상 신호에 대하여, 전술한 바와 같이 화상 복원 처리를 실시하고, 산란에 의해 스폿 형상에 생기는 영향을 제거한다. 그 결과, 산란 하전입자의 영향이 저감된 현미경 화상을 모니터(33)에 표시하는 것이 가능해진다. 또, 산란 렌즈 함수 파라미터가 기지인 경우여서 입력할 필요가 없는 경우에는, 미리 보존된 화상 취득 조건과 산란 렌즈 함수 파라미터의 대응 관계를 이용하여 빔 형상을 구하면 된다. 구체적으로는, 화상 취득 조건과 산란 렌즈 함수 파라미터의 대응 표를 데이터 메모리부(61)에 보관해 두고, 화상 취득 조건을 자동으로 읽어들인 후에, 이 대응 표를 이용하여 화상 취득 조건에 대응한 산란 렌즈 함수 파라미터를 자동으로 읽어들이는 것에 의해 산란 렌즈 함수를 확정하고, 이것을 이용하여 화상 복원한다.
도 6에서 나타낸 장치 구성에 있어서, 매회 동일 종류의 격막을 이용하면 격막(10)의 재료종 M, 밀도 ρ, 두께 t는 변동하는 경우 없이 일정하다. 또한, 비진공 공간(대기 공간)의 가스 종 A, 압력 P도 대기압하에서 사용하고 있는 한은 거의 일정하다. 즉, 도 6 중 산란 렌즈 함수 파라미터를 변동시키는 요인은 본 실시예에서는 격막(10)과 시료(6)와의 거리 Z만이 된다. 그래서, 이하에서는 격막과 시료와의 거리를 구하는 방법에 대해 복수 기재한다.
도 7의 (a)에서는 격막 및 시료의 주변부에 관해서만 도시하고 있다. 본 실시예에서는, 시료(6)와 격막(10) 사이에 거리 제어 부재(400)가 구비된다. 거리 제어 부재는 시료대로부터 돌기하도록 설치되며, 도 7의 (a)에서 나타나 있는 바와 같이, 거리 제어 부재(400)의 선단이 항상 시료(6)보다도 격막측으로 배치되어 있다. 그리고, 도 7의 (b)에서 나타나 있는 바와 같이, 시료대(401)의 위치를 격막(10) 방향으로 접근시킨 상태에서, 거리 제어 부재(400)가 격막 유지 부재(155)에 접촉한다. 이에 따라, 격막(10)과 시료(6)와의 거리를 임의의 일정값으로 하는 것이 가능해진다. 한편, 시료(6)의 높이 B는 시료에 따라 바뀌는 경우가 있다. 그 때문에, 시료 B의 높이에 따라 거리 제어 부재(400)의 높이 A를 조정할 수 있는 조정 기구를 갖는 것이 바람직하다. 예를 들면, 거리 제어 부재(400)는 숫나사이며, 시료대(401) 측을 암나사(402)로 함으로써, 거리 제어 부재(400)의 나사부를 돌리는 것으로 거리 제어 부재(400)의 높이 A를 변경하는 것이 가능해진다. 또, 조정 기구는, 거리 제어 부재(400)에 있어서의 시료와 격막이 접촉하는 위치를 하전입자 광학 경통의 광축 방향으로 이동 가능하게 하는 것이면 된다.
시료대(401)로부터 시료 표면까지의 거리(시료의 두께)를 B라고 하고, 격막 유지 부재(155)와 격막(10)과의 거리를 C라고 할 경우, 거리 제어 부재(400)를 격막 유지 부재(155)에 접촉시켰을 경우의 격막과 시료 간의 거리 Z는 다음 식으로 된다.
Z= (A-B)-C ···(식 7)
전술한 바와 같이, 하전입자선의 평균 자유 공정의 관점으로부터 격막과 시료 간의 거리 Z는 짧은 것이 바람직하다. 구체적으로는 1000㎛ 이하이면 된다. 또한, 격막(10)과 시료(6)가 접촉하지 않기 위해서는 다음 식을 따를 필요가 있다.
A-B>C ···(식 8)
이상의 관계식에 의해, 거리 제어 부재를 이용하면 시료와 격막과의 거리가 Z인 것을 보증할 수 있다.
다음으로, 도 8을 이용하여, 거리 제어 부재(408)를 배치한 다른 형태를 설명한다. 이 경우에는, 격막(10)을 유지하고 있는 받침(9) 상에 거리 제어 부재(408)가 구비되어 있다. 거리 제어 부재(408)는 미리 받침(9) 상에 성막되어 있는 박막이여도 되고, 나중에 부착된 스페이서 등이여도 된다. 예를 들면, 두께가 기지인 거리 제어 부재(408)에 시료(6)를 접촉시키면 격막과의 거리 Z를 파악하는 것이 가능해진다. 또는 접촉한 후에, 다시 시료와 거리 제어 부재(408)를 임의의 기지의 거리만큼 떨어지게 함으로써, 시료(6)와 격막(10)과의 거리를 제어하는 것이 가능하다.
또한, 도면에는 나타내지 않았지만 도 6의 장치의 도면 중 가로 방향으로부터 카메라 등에 의해 거리를 파악해도 된다. 또는, 레이저 등에 의해 격막과 시료 사이의 거리를 계측해도 된다. 또한, 데이터 송수신부(400)로부터 도면에 나타나 있지 않은 구동 제어부에 대하여 신호를 보내고, 시료 스테이지 등을 전기적으로 구동시킴으로써 시료와 격막과의 거리를 제어해도 된다. 또, 도면에는 나타내지 않았지만, 시료(6)가 재치된 시료 스테이지(5)가 움직임으로써 시료(6)와 격막(10)을 접근시키는 대신에, 격막(10) 및 격막 유지 부재(155)를 도면 중 상하 방향으로 구동하는 구동기구에 의해 시료(6)와 격막(10)을 접근시켜도 된다. 또는, 시료(6)의 높이를 본 하전입자선 장치 이외의 장소에서 계측함으로써, 시료 높이를 이미 알고 있으면, 전술에서 설명한 방법을 사용하지 않아도, 시료 스테이지(5)의 높이로부터 격막(10)과 시료(6)와의 거리를 파악하는 것이 가능해진다.
<조작 화면>
도 9에, 조작 화면의 일례를 나타낸다. 여기에서는, 조작 화면을 통해서 입력된 파라미터를 이용하여 화상 복원하는 예를 설명한다.
조작 화면(700)은, 관찰 조건을 설정하는 조건 설정부(701), 취득한 원(原) 화상을 표시하는 화상 표시부(702), 화상 복원 후의 화상을 표시하는 화상 표시부(703), 화상 조정부(704), 화상 복원 파라미터 설정부(705) 등을 구비한다. 조건 설정부(701)는 조사 에너지 E 설정부(706), 조사 개시 버튼(707), 조사 정지 버튼(708), 화상 보존 버튼(709), 화상 판독 버튼(710) 등을 구비한다. 화상 표시부(702)에는 화상 복원 전의 화상이 표시되고, 화상 표시부(703)에는 복원된 화상이 표시된다. 화상 조정부(704)에는 초점 조정부(715), 밝기 조정부(716), 콘트라스트 조정부(717) 등을 구비한다.
화상 복원 파라미터 설정부(705)는, 1차 하전입자선의 산란에 기여하는 물질에 관련되는 파라미터를 입력하는 입력란이다. 구체적으로는 격막-시료간 거리 설정부(711), 화상 취득한 때의 가속 전압을 입력하는 가속 전압 입력부(723), 배율 설정부(732), 화상 복원 개시 버튼(713), 화상 복원한 화상의 밝기나 콘트라스트를 조정하는 버튼을 구비한다. 여기에서는, 격막에 관한 정보가 기지이며 또한 격막과 시료 사이의 공간은 대기인 것으로 하면, 격막-시료간 거리 Z와 가속 전압 E와 배율을 설정함으로써, 도 4에서 나타낸 바와 같은 산란 하전입자 빔 형상이 계산 가능하다. 당연히 격막-시료간 거리 Z뿐만 아니라, 1차 하전입자선의 산란에 기여하는 물질에 관련되는 파라미터로서 전술한 다른 파라미터를 입력 가능하게 해도 된다. 또, 배율을 설정하는 것은, 화상을 구축하고 있는 하나의 화소의 크기(화소 사이즈)가 몇인지를 결정하기 위해서이다. 배율 대신에 화소 사이즈를 입력할 수 있게 하여도 된다.
이들의 값으로부터 무산란 하전입자선의 빔 지름 d1, 산란 하전입자선의 빔 지름 d2, 무산란 하전입자 비율 N0/(N0+N1)이 결정된다. 이들은 전술한 바와 같이 미리 계산식이나 계산 테이블을 준비해 두고, 컴퓨터 내에 보존되어 있는 기지의 파라미터를 병행해서 사용하는 것으로 자동 계산된다. 이 결과를 이용하여 취득한 화상에 대하여 디콘볼루션 처리함으로써, 빔의 산란의 영향을 제거할 수 있다. 단, 격막-시료간 거리가 입력자의 상정과 다른 경우 등은 화상 복원 결과가 부적절한 경우가 있다. 그 경우에는 자동 계산된 값을 사용하는 것이 아니고, 유저가 무산란 하전입자선의 빔 지름 d1, 산란 하전입자선의 빔 지름 d2, 무산란 하전입자 비율 N0/(N0+N1)을 수동으로 입력해도 된다. 이들의 값을 자동 계산할지 유저가 입력할지를 설정하는 것을 선택할 수 있는 버튼(726, 727)을 구비해도 된다. 한편, 이 작업이 번잡한 경우에는 파라미터를 설정하는 부위(725)는 비표시이여도 된다. 이렇게 유저가 화상 복원 처리에 사용하는 파라미터를 입력할 수 있는 것에 의하여, 유저가 보다 현실에 가까운 빔 형상을 탐색할 수 있다. 또는, 유저가 파라미터를 조정한 결과, 가장 이상 화상에 가까운 화상이 되었을 때에 사용한 빔 형상이 실제의 빔 형상에 가깝다고 하는 지견을 얻는 것이 가능해진다.
또, 화상을 호출했을 때에, 화상을 취득했을 때의 화상 취득 정보가 기술된 파일을 읽어들이면, 가속 전압과 배율을 입력하는 수고를 생략하는 것이 가능해진다.
또한, 이들의 파라미터를 정리하여 어떠한 파라미터로 치환해서 입력시켜도 된다. 예를 들면, 디콘볼루션 처리의 강약을 나타내는 것 같은 파라미터이다. 보다 구체적으로는, 화상 복원 처리의 강도 레벨을 1로부터 10까지 나누고, 레벨 1이 d2/d1=10에 대응하고, 레벨 10이 d2/d1=1000에 대응하도록 하면 된다. 이 경우에는 파라미터를 수치 입력하는 대신에, 슬라이더(slider) 바 등의 입력 수단을 표시시켜도 된다. 이렇게 하면 유저가 화상 복원 처리 레벨로 화상 복원을 실시하고, 결과에 만족하지 않으면 다른 레벨로 다시 화상 복원을 실시하면 되며, 유저가 선택해야 할 파라미터는 화상 복원 처리의 레벨만이 되므로, 매우 간편한 조작이 된다.
<특정 영역 화상 복원>
도 5에서는 화상 전체를 처리한 결과에 대하여 도시하였다. 그러나, 도 10과 같이 시료(6)에 큰 요철이 존재할 경우 등은, 격막(10)과 시료(6) 사이의 거리가 균일이 아니며, 격막과 시료 표면과의 거리는 시료 상의 위치에 의존한다. 예를 들면, 6a의 위치에서는 격막과 시료 표면과의 거리가 Z1인 것에 대해서, 6b의 위치에서는 격막과 시료 표면과의 거리가 Z2이다. 시료 상의 위치에 따라 격막과 시료 표면과의 거리가 다르면, 산란 렌즈 함수의 파라미터가 다르다. 그 때문에, 입사 빔 형상(305)을 입사하면 시료 표면에 도달하는 하전입자선의 빔 형상(306)은 도 10의 아래 도면에 나타낸 바와 같이 된다. 즉, 무산란 하전입자와 산란 하전입자에 의한 빔의 형상이나 이들의 수가 다르기 때문에, 시료 표면에 도달할 때의 빔 형상이 다르다. 그 때문에, 시료(6a)부와 시료(6b)부가 혼재된 화상 전부의 영역에 대하여 하나의 산란 렌즈 파라미터로 일괄해서 화상 복원처리 하는 것이 최적이라고는 말할 수 없다.
그래서, 6a 근방과 6b 근방의 화상을 각각의 파라미터를 이용하여 화상 복원한다. 이 처리를 행하기 위한 조작 화면을 도 11에 나타낸다. 화면(700)에는, 화상을 판독하는 버튼(710), 읽어들인 화상을 표시하는 화상 표시부(702)와, 복원 후의 화상을 표시하는 화상 표시부(703)를 갖는다. 화상 복원 파라미터 설정부(705) 등 특기하지 않은 부분에 대해서는 도 9에서 설명한 바와 같다. 화면(700)에는 화상 복원 영역을 설정하는 영역 설정부(729)를 구비한다. 영역 설정부(729)에서는, 사각이나 동그라미나 삼각 등의 도형을 선택할 수 있으며, 화상 표시부(702) 상에 원하는 도형으로 나타내지는 범위를 입력하는 것이 가능하다. 표시된 도형의 내부에 포함되는 화상에 대하여 지정된 파라미터로 화상 복원된다. 즉, 화면(700)에서는 한 장의 화상 중 화상 복원의 처리를 행하는 영역을 유저가 지정 가능하게 되어 있다. 사각이나 동그라미 등의 기지의 모양뿐만 아니라 유저가 프리 핸드(free-hand)로 자유롭게 영역을 그릴 수 있는 것 같은 영역 설정을 가능하게 해도 된다.
또한, 하나의 화상에 대하여 복수 개소에 동일 파라미터에 의한 화상 복원의 대상이 되는 영역을 설정 가능하게 해도 된다. 예를 들면, 도면 중의 영역(730), 영역(731) 등이다. 이러한 상태에서 화상 복원 개시 버튼(723)을 누르면, 화상 복원이 개시되어, 화상 표시부(703)에 복원 후의 화상이 표시된다. 이 상태에서는, 같은 파라미터에 의해 화상 복원을 2군데 실시한 모습으로 되어 있다. 다음으로, 다른 영역에 대하여 다른 파라미터에 의해 화상 복원을 실시하고 싶은 경우에는, 예를 들면, 복원 화상 호출 버튼(729)을 누르면, 화상 표시부(702)에 복원된 화상이 호출되며, 그 후 마찬가지의 순서를 되풀이함으로써, 다른 파라미터에 의해 화상 복원을 더 실시하여 그 결과를 덮어쓰기 하는 것이 가능해진다.
또한, 다른 예로서, 도 12와 같이 화상 복원 파라미터 설정부(705)에, 영역마다 파라미터를 각각 설정가능한 입력란(733)(복수 파라미터 설정부)을 마련해도 된다. 복수 파라미터 설정부에는, 입력된 수치 파라미터에 대응하는 영역 선택이 가능한 것을 명시하는 버튼을 가져도 된다. 선택 버튼(도면 중 영역 A의 버튼 등)을 누른 상태 그대로 파라미터를 설정하고, 영역 설정부(729)에서 도형을 선택하고, 화상 표시부(702) 상에서 영역(730)(도면 중 A부)을 지정한다. 다음으로, 복수 파라미터 설정부에서 다른 파라미터의 버튼(도면 중 영역 B버튼)을 선택하고 마찬가지로 다른 영역(731)(도면 중 B부)을 선택한다. 이렇게 하면, 한 장의 화상에 포함되는 영역(730)과 영역(731)에 대하여 서로 다른 파라미터를 이용하여 일괄해서 화상 복원하는 것이 가능해지므로, 보존된 화상을 다시 읽어들이는 작업은 불필요하게 된다.
<순서 설명>
이하에서, 도 13을 이용하여 화상 취득을 행하는 순서에 대해 설명한다. 먼저, 스텝 500에서 가속 전압 E를 설정한다. 다음으로, 스텝 501에서 화상을 촬상한다. 다음으로, 스텝 502에서 원하는 화상을 보존한다. 보존된 화상 중에서 화상 복원 처리를 실시할 화상을 선택한다. 또는 원하는 화상을 호출해도 된다(스텝 511). 다음으로, 스텝 512에서, 그 화상을 취득했을 때의 가속 전압 E나 배율(또는 화소 사이즈)의 설정을 행한다. 다음 스텝 503에서 화상 복원을 할 화상 내의 영역을 설정한다. 화상 전부에 화상 복원 처리를 할 경우에는, 이 스텝은 없어도 된다. 다음으로, 스텝 504에서, 격막-시료간 거리 Z를 설정한다. 전술한 바와 같이, 이 스텝 504에서 설정하는 파라미터는 격막-시료간 거리 Z가 아니라 어떤 것으로 치환된 파라미터이여도 상관없다. 스텝 505에서는, 설정된 파라미터를 이용하여 산란 하전입자선에 관한 파라미터가 결정된다. 산란 하전입자선에 관한 파라미터란, 무산란 하전입자선의 빔 지름 d1, 산란 하전입자선의 빔 지름 d2, 무산란 하전입자 비율 N0/(N0+N1) 등이다. 전술한 바와 같이, 산란 하전입자에 관한 파라미터를 수동으로 입력하고 싶을 경우에는 이 스텝에서 입력한다.
또한, 도 12에서 나타나 있는 바와 같이, 화상 복원 영역을 복수 설정하고 싶은 경우에는 스텝 503으로 돌아가서, 다른 화상 복원 영역을 결정한다. 설정된 파라미터가 만족스러운 값이면, 화상 복원을 개시한다. 다음으로, 복원된 화상을 확인하여(스텝 507), 결과가 불만족스러우면 파라미터를 재설정한다. 문제 없으면 복원된 화상을 보존하고(스텝 510), 화상 복원 처리를 종료시킨다.
또한, 도 9의 설명에서 전술한 바와 같이, 스텝 504에서 505까지의 처리에서 파라미터를 입력하는 것은 매우 번잡하기 때문에, 디콘볼루션 처리의 강약을 나타내는 것 같은 파라미터 등으로 치환하여 계산시켜도 된다.
또한, 현미경이 화상을 보존했을 때에 가속 전압이나 배율 등의 정보가 화상 파일 그 자체에 내장되어 있을 경우나, 다른 파일에서 보존되어 있을 경우 등은, 스텝 511에서 화상 파일을 호출할 때에, 그들 파일을 동시에 읽어들임으로써, 스텝 512을 불필요로 할 수도 있다.
또, 본 실시예의 화상 복원 처리는 하전입자 현미경 장치와는 독립한 컴퓨터상에서 실시하는 것도 가능하다. 도 14에 그 상태를 설명한다. 컴퓨터(35)가 하전입자 현미경 장치에 병설되어 있으며, 이것과는 독립하여 컴퓨터(35')가 마련되어져 있다. 컴퓨터(35)와 컴퓨터(35')는 통신 배선이나 기록 매체 등을 경유해서 데이터의 송수신이 가능하다. 산란 하전입자선을 포함한 상태에서 취득된 하전입자 현미경 화상을, 컴퓨터(35)를 경유하여, 컴퓨터(35')에 송신한다. 컴퓨터(35')에서는 도 11 또는 도 12와 같은 조작 화면에 의해, 상기한 바와 같이 화상 복원에 사용할 파라미터나 화상 복원 대상으로 하는 영역의 설정이 가능하다. 그 후에, 도 13의 스텝 511과 같이, 컴퓨터(35')가 수신한 화상 데이터를 호출하여, 화상 복원을 실시한다. 또, 별도로 배치된 컴퓨터(35')로 화상 복원을 실시할 경우에는, 도 9의 조작 화면과 같이 하전입자선의 조사 조건이나 초점 조정 등의 설정부는 불필요하다. 도 14의 실시형태에 의하면, 하전입자 현미경을 컨트롤하는 컴퓨터(35)를 사용하지 않고 다른 컴퓨터에서 화상 복원 작업을 실시하는 것이 가능하기 때문에, 화상 취득과 화상 복원을 효율적으로 실시할 수 있다. 또, 도 14의 실시형태의 경우에는 컴퓨터(35')에 전용의 소프트웨어를 인스톨하는 것으로 본 실시예의 화상 복원 처리가 가능해진다. 이 전용의 소프트웨어는 적어도 도 11 또는 도 12에 나타나 있는 바와 같은 파라미터의 설정이 가능한 조작 화면을 표시하는 기능과, 이 파라미터를 이용하여 산란 렌즈 함수를 결정해 화상 복원 처리를 하는 기능을 갖는다. 이 전용의 소프트웨어는 비일시적 및 유체의 컴퓨터 판독가능 기록매체에 기억된다.
본 실시예 또는 다른 실시예에서 기술한 바와 같이 대기압하에서 시료를 관찰하는 하전입자선 장치는 하전입자선 장치의 사용에 익숙하지 않은 초보자가 사용할 가능성도 있어, 최적의 화상을 취득 가능한 위치에 시료를 배치하는 것은 반드시 용이하다고 할 수 없지만, 본 실시예에서 설명한 방법에 의하면, 시료와 격막과의 거리가 떨어져 있어도 화상 복원을 실시함으로써 양호한 화상을 취득하는 것이 가능하게 된다. 이 결과, 격막이나 시료를 파손하지 않고, 사용 편리성이 비약적으로 향상되는 효과를 나타낼 수 있다.
이상, 본 실시예에서는 시료와 격막과의 거리에 따른 화상 복원을 행하는 장치 및 방법에 대해 기술하였지만, 각 제어 구성, 배선 경로 및 조작 화면에 관해서는 상기 이외의 장소에 배치되어도 되며, 본 실시예에서 의도하는 기능을 만족시키는 한, 본 실시예의 SEM 또는 하전입자선 장치의 범주에 속한다.
실시예 2
이하에서는, 일반적인 하전입자선 장치를 간편하게 대기하에서 시료 관찰할 수 있는 장치 구성에 관해서 설명한다. 도 15에는, 본 실시예의 하전입자 현미경의 전체 구성도를 나타낸다. 실시예 1과 마찬가지로, 본 실시예의 하전입자 현미경도, 하전입자 광학 경통(2), 당해 하전입자 광학 경통을 장치 설치면에 대하여 지지하는 케이싱(진공실)(7), 시료 스테이지(5) 등으로 구성된다. 이들의 각 요소의 동작·기능 또는 각 요소에 부가되는 부가 요소는, 실시예 1과 거의 마찬가지이므로, 상세한 설명은 생략한다.
본 구성에서는, 케이싱(7)(이하, 제 1 케이싱)에 삽입해서 사용되는 제 2 케이싱(어태치먼트)(121)을 구비한다. 제 2 케이싱(121)은, 직방체 형상의 본체부(131)와 맞춤부(132)로 구성된다. 후술하는 바와 같이 본체부(131)의 직방체 형상의 측면 중 적어도 일 측면은 개방면(15)으로 되어 있다. 본체부(131)의 직방체 형상의 측면 중 격막 유지 부재(155)가 설치되는 면 이외의 면은, 제 2 케이싱(121)의 벽으로 구성되어 있어도 되고, 제 2 케이싱(121) 자체에는 벽이 없고 제 1 케이싱(7)에 조립된 상태에서 제 1 케이싱(7)의 측벽으로 구성되어도 된다. 제 2 케이싱(121)은 제 1 케이싱(7)의 측면 또는 내벽면 또는 하전입자 광학 경통에 고정된다. 본체부(131)는, 관찰 대상인 시료(6)를 격납하는 기능을 가지며, 상기의 개구부를 통해서 제 1 케이싱(7) 내부에 삽입된다. 맞춤부(132)는, 제 1 케이싱(7)의 개구부가 마련되어진 측면측의 외벽면과의 맞춤면을 구성하며, 진공 밀봉 부재(126)를 사이에 두고서 상기 측면측의 외벽면에 고정된다. 이에 따라, 제 2 케이싱(121) 전체가 제 1 케이싱(7)에 결합된다. 상기의 개구부는, 하전입자 현미경의 진공 시료실에 본래 갖추어져 있는 시료의 반입·반출용의 개구를 이용하여 제조하는 것이 가장 간편하다. 즉, 본래 개방되어 있는 구멍의 크기에 맞춰서 제 2 케이싱(121)을 제조하고, 구멍의 주위에 진공 밀봉 부재(126)를 장착하면, 장치의 개조가 필요 최소한으로 완료된다. 또한, 제 2 케이싱(121)은 제 1 케이싱(7)에서 분리도 가능하다.
제 2 케이싱(121)의 측면은 대기 공간과 적어도 시료의 출납이 가능한 크기의 면으로 연통된 개방면(15)이며, 제 2 케이싱(121)의 내부(도면의 점선보다 우측; 이후, 제 2 공간이라고 함)에 격납되는 시료(6)는, 관찰 중, 대기압 상태에 놓인다. 또, 도 15는 광축과 평행 방향의 장치 단면도이기 때문에 개방면(15)은 일 면만이 도시되어 있지만 도 15의 지면(紙面) 안쪽 방향 및 앞쪽 방향의 제 1 케이싱의 측면에 의해 진공 밀봉되어 있으면, 제 2 케이싱(121)의 개방면(15)은 일 면에 한정되지 않는다. 제 2 케이싱(121)이 제 1 케이싱(7)에 조립된 상태에서 적어도 개방면이 일 면 이상 있으면 된다. 한편, 제 1 케이싱(7)에는 진공펌프(4)가 접속되어 있으며, 제 1 케이싱(7)의 내벽면과 제 2 케이싱의 외벽면 및 격막(10)으로 구성되는 폐공간(이하, 제 1 공간이라 함)을 진공 배기 가능하다. 제 2 공간의 압력을 제 1 공간의 압력보다 크게 유지하도록 격막이 배치됨으로써, 본 실시예에서는, 제 2 공간을 압력적으로 격리할 수 있다. 즉, 격막(10)에 의해 제 1 공간(11)이 고진공으로 유지되는 한편, 제 2 공간(12)은 대기압 또는 대기압과 거의 동등한 압력의 가스 분위기로 유지되므로, 장치의 동작중, 하전입자 광학 경통(2)이나 검출기(3)를 진공 상태로 유지할 수 있으며, 또한 시료(6)를 대기압으로 유지할 수 있다. 또한, 제 2 케이싱(121)이 개방면을 가지므로, 관찰중, 시료(6)를 자유롭게 교환할 수 있다. 즉, 제 1 공간(11)이 진공 상태인 채로, 시료(6)를 대기 중에서 움직이거나 장치 외로 출납하는 것이 가능해진다.
제 2 케이싱(121)의 윗면측에는, 제 2 케이싱(121) 전체가 제 1 케이싱(7)에 결합되었을 경우에 상기 하전입자 광학 경통(2)의 바로 아래로 되는 위치에 격막(10)을 구비한다. 이 격막(10)은, 하전입자 광학 경통(2)의 하단으로부터 방출되는 1차 하전입자선을 투과 또는 통과시키는 것이 가능하며, 1차 하전입자선은, 격막(10)을 지나 최종적으로 시료(6)에 도달한다.
제 2 케이싱(121)의 내부에는 시료 스테이지(5)가 배치된다. 시료 스테이지(5) 상에는 시료(6)가 배치된다. 격막(10)과 시료(6)와의 접근에는 시료 스테이지(5)가 이용된다. 시료 스테이지는 수동으로 조작해도 되고, 시료 스테이지(5)에 전동 모터 등의 구동기구를 구비시켜서, 장치 외부로부터 전기통신에 의해 조작해도 된다.
이상과 같이, 격막을 구비한 어태치먼트부를 도입함으로써, 일반적인 진공하에서의 촬상을 행하는 하전입자선 장치를 이용하여 대기압 또는 가스 분위기에서 시료 관찰하는 것이 가능하다. 또한, 본 실시예의 어태치먼트는, 시료실의 측면으로부터 삽입하는 방식 때문에 대형화가 용이하다.
본 실시예의 장치 구성에 의해서도, 실시예 1에서 기술한 방법에 의해, 격막이나 시료를 파손하지 않고, 간단하게 또한 정확하게 시료 위치의 조정을 할 수 있는 효과를 나타낼 수 있다.
본 실시예에서 설명하는 장치 구성에 있어서도, 격막에서의 산란 및 격막과 시료 사이 대기 공간에서의 산란에 의해 빔 형상이 열화하기 때문에, 전술한 화상 복원이 유효하게 된다. 화상 복원에 사용하는 파라미터나 화상 복원 처리의 방법은 전술한 바와 같이므로 설명을 생략한다.
실시예 3
도 16에는, 본 실시예의 하전입자 현미경의 전체 구성도를 나타낸다. 실시예 2와 마찬가지로, 본 실시예의 하전입자 현미경도, 하전입자 광학 경통(2), 당해 하전입자 광학 경통을 장치 설치면에 대하여 지지하는 제 1 케이싱(진공실)(7), 제 1 케이싱(7)에 삽입해서 사용되는 제 2 케이싱(어태치먼트)(121), 제어계 등으로 구성된다. 이들의 각 요소의 동작·기능 또는 각 요소에 부가되는 부가 요소는, 실시예 1이나 2와 거의 마찬가지이므로, 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예의 하전입자 현미경의 경우, 제 2 케이싱(121)의 적어도 일 측면을 이루는 개방면을 덮개 부재(122)로 덮을 수 있게 되어 있으며, 여러 가지의 기능을 실현할 수 있다. 이하에서는 그것에 대해 설명한다.
본 실시예의 하전입자 현미경은, 시료 위치를 변경함으로써 관찰 시야를 이동하는 수단으로서의 시료 스테이지(5)가 덮개 부재(122)에 연결되어 있다. 시료 스테이지(5)에는, 면내 방향으로의 XY 구동기구 및 높이 방향으로의 Z축 구동기구를 구비하고 있다. 덮개 부재(122)에는 시료 스테이지(5)를 지지하는 밑판이 되는 지지판(107)이 장착되어 있으며, 시료 스테이지(5)는 지지판(107)에 고정되어 있다. 지지판(107)은, 덮개 부재(122)의 제 2 케이싱(121)에의 대향면을 향해서 제 2 케이싱(121)의 내부를 향해서 연장되도록 장착되어 있다. Z축 구동기구 및 XY 구동기구로부터는 각각 지축(支軸)이 연장되어 있으며, 각각 덮개 부재(122)가 가진 조작 손잡이(108) 및 조작 손잡이(109)와 연결되어 있다. 장치 유저는, 이들의 조작 손잡이(108, 109)를 조작함으로써, 시료(6)의 제 2 케이싱(121) 내에서의 위치를 조정한다.
본 실시예의 하전입자 현미경에 있어서는, 제 2 케이싱 내에 치환 가스를 공급하는 기능을 구비한다. 예를 들면 가스봄베 및 가스 공급관이다. 또는 이것 대신에, 제 1 공간(11)이나 장치 외부인 외기(外氣)와는 다른 기압상태를 형성가능한 기능을 구비해도 된다. 예를 들면 약간만 진공처리할 수 있는 펌프이다. 하전입자 광학 경통(2)의 하단으로부터 방출된 하전입자선은, 고진공으로 유지된 제 1 공간을 지나, 격막(10)을 통과하고, 또한 대기압 또는 (제 1 공간보다) 저진공도로 유지된 제 2 공간에 침입한다. 그 후, 시료(6)에 하전입자선이 조사된다. 대기 공간에서는 전자선은 기체 분자에 의해 산란되기 때문에, 평균 자유 행정은 짧아진다. 즉, 격막(10)과 시료(6)의 거리가 크다면, 1차 하전입자선, 또는 하전입자선 조사에 의해 발생하는 2차 전자, 반사 전자 또는 투과 전자 등이 시료 및 검출기(3)까지 오지 않게 된다. 한편, 하전입자선의 산란 확률은, 기체 분자의 질량수나 밀도에 비례한다. 따라서, 대기보다 질량수가 가벼운 가스 분자로 제 2 공간을 치환하거나, 약간만 진공처리하는 것을 행하면, 전자선의 산란 확률이 저하하여, 하전입자선이 시료에 도달할 수 있게 된다. 또한, 제 2 공간의 전체가 아니어도, 적어도 제 2 공간 중의 하전입자선의 통과 경로, 즉 격막(10)과 시료(6) 사이의 대기를 가스 치환 또는 진공처리 가능하면 된다.
이상의 이유로부터, 본 실시예의 하전입자 현미경에서는, 덮개 부재(122)에 가스 공급관(100)의 설치부(가스 도입부)를 마련하고 있다. 또, 여기에서는 가스 공급관이라고 칭하지만, 배기관으로서 이용함으로써 전술한 바와 같이 약간만 진공처리하는 것에도 쓸 수 있다. 가스 공급관(100)은 연결부(102)에 의해 가스봄베(103)와 연결되어 있으며, 이에 따라 제 2 공간(12) 내에 치환 가스가 도입된다. 가스 공급관(100)의 도중에는, 가스 제어용 밸브(101)가 배치되어 있으며, 관 내를 흐르는 치환 가스의 유량을 제어할 수 있다. 이를 위해, 가스 제어용 밸브(101)로부터 하위 제어부(37)로 신호선이 연장되어 있으며, 장치 유저는, 컴퓨터(35)의 모니터 상에 표시되는 조작 화면에서, 치환 가스의 유량을 제어할 수 있다. 또한, 가스 제어용 밸브(101)는 수동으로 조작해서 개폐해도 된다.
치환 가스의 종류로서는, 질소나 수증기 등, 대기보다 가벼운 가스이면 화상 S/N의 개선 효과를 볼 수 있지만, 질량이 보다 가벼운 헬륨 가스나 수소 가스쪽이, 화상 S/N의 개선 효과가 크다.
치환 가스는 경원소 가스이기 때문에, 제 2 공간(12)의 상부에 모이기 쉽고, 하측은 치환하기 어렵다. 그러므로, 덮개 부재(122)에서 가스 공급관(100)의 설치 위치보다 하측에 제 2 공간의 내외를 연통하는 개구를 마련한다. 예를 들면 도 16에서는 압력조정밸브(104)의 설치 위치에 개구를 마련한다. 이에 따라, 가스 도입부로부터 도입된 경원소 가스에 밀려서 대기 가스가 하측의 개구로부터 배출되기 때문에, 제 2 케이싱(121) 내를 효율적으로 가스로 치환할 수 있다. 또, 이 개구를 후술하는 러핑 배기 포트와 겸용해도 된다.
전술한 개구 대신에 압력조정밸브(104)를 마련해도 된다. 당해 압력조정밸브(104)는, 제 2 케이싱(121)의 내부 압력이 1기압 이상이 되면 자동적으로 밸브가 개방되는 기능을 갖는다. 이러한 기능을 가진 압력조정밸브를 구비함으로써, 경원소 가스의 도입시, 내부 압력이 1기압 이상이 되면 자동적으로 개방되어 질소나 산소 등의 대기 가스 성분을 장치 외부로 배출하고, 경원소 가스를 장치 내부에 충만시키는 것이 가능해진다. 또, 도시한 가스봄베 또는 진공펌프(103)는, 하전입자 현미경에 설치되는 경우도 있고, 장치 유저가 사후적으로 설치할 경우도 있다.
또한, 헬륨 가스나 수소 가스와 같은 경원소 가스이여도, 전자선 산란이 클 경우가 있다. 그 경우에는, 가스봄베(103)를 진공펌프로 바꾸면 된다. 그리고, 약간만 진공처리함으로써, 제 2 케이싱 내부를 극저진공 상태(즉 대기압에 가까운 압력의 분위기)로 하는 것이 가능해진다. 즉, 제 1 격막(10)과 시료(6) 사이의 공간을 진공으로 하는 것이 가능하다. 예를 들면, 제 2 케이싱(121) 또는 덮개 부재(122)에 진공 배기 포트를 설치하고, 제 2 케이싱(121) 내를 약간만 진공 배기한다. 그 후 치환 가스를 도입해도 된다. 이 경우의 진공 배기는, 제 2 케이싱(121) 내부에 잔류하는 대기 가스 성분을 일정량 이하로 줄이면 되므로 고진공 배기를 행할 필요는 없으며, 러핑 배기로 충분하다. 또, 이 때에 공간(12)의 압력을 감시하는 것이 가능한 압력계(80)를 가져도 된다.
또한, 도면에는 나타내지 않았지만, 봄베(103)부는 가스봄베와 진공펌프를 복합적으로 접속한, 복합 가스 제어 유닛 등이여도 된다. 도면에는 나타내지 않았지만 시료(6)를 가열하기 위한 가열 기구를 제 2 케이싱(121) 내부에 배치해도 된다.
또한, 2차 전자검출기나 반사 전자검출기에 더하여, X선 검출기나 광검출기를 설치하여, EDS 분석이나 형광선의 검출이 가능하도록 해도 된다. X선 검출기나 광검출기는, 제 1 공간(11) 또는 제 2 공간(12)의 어느 곳에 배치되어도 된다.
이와 같이 본 장치 구성에서는, 시료가 재치된 공간을 대기압(약 105Pa)으로부터 약 103Pa까지의 임의의 진공도로 제어할 수 있다. 종래의 소위 저진공 주사전자현미경에서는, 전자선 컬럼과 시료실이 연통하고 있으므로, 시료실의 진공도를 낮춰서 대기압에 가까운 압력으로 하면 전자선 컬럼 내의 압력도 연동하여 변화되어버려서, 대기압(약 105Pa) ∼ 약 103Pa의 압력으로 시료실을 제어하는 것은 곤란하였다. 본 실시예에 의하면, 제 2 공간과 제 1 공간을 박막에 의해 격리하고 있으므로, 제 2 케이싱(121) 및 덮개 부재(122)로 둘러싸여진 제 2 공간(12) 내의 분위기의 압력 및 가스종은 자유롭게 제어할 수 있다. 따라서, 지금까지 제어하는 것이 어려웠던 대기압(약 105Pa) ∼ 약 103Pa의 압력으로 시료실을 제어할 수 있다. 또한, 대기압(약 105Pa)에서의 관찰뿐만 아니라, 그 근방의 압력으로 연속적으로 변화시켜서 시료의 상태를 관찰하는 것이 가능해진다. 즉, 본 실시예에 의한 구성은 상기까지의 구성과 비교하여, 제 2 케이싱 내부의 제 2 공간(12)이 폐쇄되어 있다고 하는 특징을 가진다. 그 때문에, 예를 들면 격막(10)과 시료(6) 사이에 가스 도입하거나, 또는 진공 배기하는 것이 가능한 하전입자선 장치를 제공하는 것이 가능해진다.
본 실시예에서는, 시료 스테이지(5) 및 그 조작 손잡이(108, 109), 가스 공급관(100), 압력조정밸브(104)가 모두 덮개 부재(122)에 집약해서 장착되어 있다. 따라서 장치 유저는, 상기 조작 손잡이(108, 109)의 조작, 시료의 교환 작업, 또는 가스 공급관(100), 압력조정밸브(104)의 조작을 제 1 케이싱의 동일한 면에 대하여 행할 수 있다. 따라서, 상기 구성 물건이 시료실의 다른 면에 제 각각 장착되어 있는 구성의 하전입자 현미경에 비해서 조작성이 매우 향상되어 있다.
이상 설명한 구성에 더하여, 제 2 케이싱(121)과 덮개 부재(122)의 접촉 상태를 검지하는 접촉 모니터를 마련하고, 제 2 공간이 폐쇄되어 있거나 또는 개방되어 있는 것을 감시해도 된다.
이상, 본 실시예의 장치는, 실시예 1이나 2의 효과에 더하여, 대기압으로부터 원하는 치환 가스종 또는 원하는 압력하에서의 관찰이 가능하다. 또한, 제 1 공간과는 다른 압력의 분위기하에서의 시료 관찰이 가능하다. 또한, 격막을 제거하여 제 1 공간과 제 2 공간을 연통시킴으로써, 대기 또는 소정의 가스 분위기하에서의 관찰에 더하여 제 1 공간과 같은 진공 상태에서의 시료 관찰도 가능한 SEM이 실현된다. 본 실시예의 장치 구성에 의해서도, 실시예 1이나 2에 기술한 방법에 의해, 격막이나 시료를 파손하지 않고, 간단하게 또한 정확하게 시료 위치의 조정을 할 수 있는 효과를 나타낼 수 있다.
본 실시예에 있어서도, 1차 하전입자선은 격막 및 비진공 공간인 격막과 시료 간의 가스에 의해 산란된다. 이들의 산란에 의해 1차 하전입자선의 스폿 형상에 생기는 영향은, 전술한 방법과 마찬가지로 하면 제거할 수 있다. 파라미터나 연산 처리 방법은 전술한 바와 같다. 단, 본 실시예의 장치에 있어서, 시료와 격막 간에 가스를 도입하거나, 대기압보다 낮은 압력으로 한 경우에는, 도 4에서 나타낸 시료 도달 빔 형상은 변화된다. 이것은, 도 3의 공간(12)에 상당하는 산란 렌즈(12a)의 산란 렌즈 함수가 변화되기 때문이다.
즉, (식 2)에 있어서의 가스종 a 및 가스 압력 P가 변화된다. 시료와 격막 사이의 공간에 경원소 가스를 넣으면 보다 산란량이 적은 a를 설정할 필요가 있으며, 약간만 진공처리한 경우에는 보다 산란량이 적은 압력 P를 설정할 필요가 있다. 또한 가스를 도입하거나 가볍게 진공처리하거나 함으로써 시료와 격막과의 거리를 바꾸었을 경우에는 이것도 새롭게 변경 입력할 필요가 있다. 전술한 바와 같이, 경원소 가스를 도입하거나 대기압보다 낮은 압력으로 하면, 평균 자유 공정이 늘어나므로 산란 하전입자 빔 지름 d2는 작아지는 경향이 된다. 그 때문에, 본 실시예에 있어서의 장치의 조작 화면에서는, 도 9 등의 조작 화면에 공간(12)에 도입하는 가스종 a나, 압력계(80)에 의해 계측된 가스 압력 P를 입력하는 것이 가능한 설정부를 갖는 것으로 전술한 화상 복원이 실시 가능해진다.
실시예 4
본 실시예에서는, 실시예 1의 변형예인 하전입자 광학 경통(2)이 격막(10)에 대하여 하측에 있는 구성에 관하여 설명한다. 도 17에, 본 실시예의 하전입자 현미경의 구성도를 나타낸다. 진공펌프나 제어계 등은 생략하여 도시한다. 또한, 진공실인 케이싱(7), 하전입자 광학 경통(2)은 장치 설치면에 대하여 기둥이나 지주 등에 의해 지지되어 있는 것으로 한다. 각 요소의 동작·기능 또는 각 요소에 부가되는 부가 요소는, 전술한 실시예와 거의 마찬가지이므로, 상세한 설명은 생략한다.
도 17의 (a)에 나타나 있는 바와 같이, 본 실시예의 장치에는, 시료(6)를 격막(10)에 접근시키는 시료 스테이지(5)가 구비되어 있다. 본 실시예의 장치 구성에서는 도면 중 시료(6) 하측의 시료면이 관찰되게 된다. 바꿔 말하면, 본 실시예의 장치 구성에서는, 장치 상방이 대기압공간으로서 개방되어 있다. 이 경우도 실시예 1, 2에서 설명한 방법에 의해 격막과 시료와의 거리를 조정할 수 있다.
도 17의 (b)와 같이, 시료(6)를 직접 격막(10) 측에 탑재해도 된다(도면 중 화살표). 이 경우에는 반드시 시료 스테이지(5)는 필요하지는 않다. 본 실시예에 실시예 1, 2에서 설명한 방법을 적용하여 격막과 시료(6)를 접근시키기 위해서는, 격막(10)과 시료(6) 사이에 두께가 규정되어 성막된 박막이나 착탈가능한 박재(箔材) 등의 접촉 방지 부재(56)를 이용한다. 이 경우에는 접촉 방지 부재(56)가 실시예 1, 2에서 기술한 거리 조정 기구에 해당한다. 접촉 방지 부재(56)를 둠으로써, 시료(6)를 안심하고 배치하는 것이 가능해진다. 예를 들면, 다양한 기지의 두께의 접촉 방지 부재(56)를 복수개 준비한다. 먼저, 두께가 t1인 접촉 방지 부재(56)를 받침(9) 상에 배치한다. 다음으로, 시료(6)를 탑재한다. 이에 따라, 격막(10)과 시료(6)를 접촉시켜서 파손시키지 않고 관찰을 실시하는 것이 가능해진다.
도 17의 (a) (b) 중의 어느 구성에 있어서도, 격막에서의 산란 및 격막과 시료 간 대기 공간에서의 산란에 의해 빔 형상이 열화하기 때문에, 전술한 화상 복원이 유효하게 된다. 화상 복원에 사용하는 파라미터나 화상 복원 처리의 방법은 전술한 바와 같으므로 설명을 생략한다.
실시예 5
상기까지의 실시예에서는, 격막(10)과 시료(6)가 비접촉한 상태에서 대기하에 배치된 하전입자 현미경 관찰하는 장치 및 방법에 대해 설명했다. 본 실시예에서는, 격막과 시료가 접촉한 상태에서 대기 분위기 중에 배치된 시료의 현미경 관찰하는 장치에서 화상 복원을 실행하는 방법에 대하여 기재한다.
도 18을 이용하여 대기압에서 관찰되는 하전입자선 장치의 일반적인 구성요소에 대해 설명한다. 도 3과 마찬가지인 점은 설명을 생략한다. 도 18에서는 격막(10)의 도면 중 아랫면측이 비진공 공간이며, 격막(10)의 도면 중 상측은 진공 공간이다. 시료는 격막(10)에 접촉해서 유지되어 있다. 이 구성을 간이화해서 기술하면 도 18의 (b)와 같이 된다. 격막(10)에 시료가 접촉하고 있으므로, 도 3에서 설명한 바와 같은 비진공 공간에 대응하는 산란 렌즈(12a)는 존재하지 않는다. 즉, 격막(10)에 의한 산란 렌즈(10a)만이 존재하고 있는 것으로 되고, 산란량은 격막(10)의 재료종 M, 밀도 ρ, 두께 t, 및 하전입자선의 조사 에너지 E에 의존한다. 격막만에 의한 산란 렌즈 함수(또는, 열화 함수) A로 놓으면, 산란 렌즈 함수는 이하로 기술된다.
A=A (m, ρ, t, E) ···(식 9)
또한, 격막에 입사하기 전의 하전입자 빔 형상을 F라고 하고, 격막을 투과한 후의 하전입자 빔 형상을 G라고 했을 경우, 이하로 기술된다.
G=A (m, ρ, t, E)×F ···(식 10)
격막(10)에 입사되는 빔 형상을 빔(305)이라고 하면, 시료(6)에 도달한 빔 형상은 빔(306)과 같이 된다. 격막과 시료 사이의 비진공 분위기에 의한 산란 렌즈(도 3의 12a)가 없기 때문에, 실시예 1로부터 실시예 5까지의 장치와 비교하면 산란 하전입자에 기인하는 빔이 적다. 즉, 산란 하전입자 빔 지름 d2는 작다. 그러나, 격막(10)에 의한 산란은 도 3의 경우와 마찬가지로 발생한다. 이 결과, 도 3의 경우와 마찬가지로, 무산란 하전입자선에 의한 빔(307)과, 산란 하전입자선에 의한 빔(308)이 혼재한 빔이 된다. 따라서, 전술한 화상 복원법이 유용하다.
도 19에 본 실시예에 있어서의 하전입자 장치를 나타낸다. 하전입자 광학 경통(2) 및 케이싱(7)은 도면에 나타나 있지 않은 기둥이나 받침에 의해 유지되어 있는 것으로 한다. 또한, 도 17에서 나타나 있는 바와 같이 하전입자 광학 경통이 격막(10)에 대하여 하측에 있는 구성으로 해도 된다. 본 구성에서는, 격막(10)에 시료(6)가 접촉하고 있는 점 이외의 구성은 실시예 1과 같다. 실시예 2나 3에서 설명한 도 15나 도 16과 같이 일반의 하전입자 현미경 장치에 어태치먼트를 붙인 구성으로 해도 된다. 격막에 직접 시료를 접촉시켜서 유지할 경우, 격막 유지 부재(155) 상에 시료(6)를 탑재한 후에, 격막 유지 부재(155)를 케이싱(7)에 접촉시켜서 공간(11)을 진공으로 하고, 하전입자선을 조사함으로써 화상을 취득한다. 그 후에, 취득한 화상에 대하여 전술한 화상 복원을 실시한다.
다음 예로서, 도 20에 격막과 시료를 접촉시켜서 관찰하는 다른 하전입자 현미경 장치에 대해 기재한다. 본 구성에서는 시료(6)를 비진공 분위기의 국소 공간에서 밀폐하여 내포하는 것이 가능한 용기(100)가 하전입자 장치의 시료 스테이지(5) 상에 배치되어 있다. 시료(6)는 격막(10)에 접촉되어 있다. 시료(6)는, 하전입자 현미경 장치 외부에서 용기(100)의 덮개(101)에 구비된 격막(10)에 직접 탑재된다. 덮개(101)와 용기(100)는 도면에 나타나 있지 않은 나사 등에 의해 고정되어 있다. 이것에 의해 용기(100)의 내부를 용기(100)의 외부의 공간과는 다른 국소 분위기 공간으로 유지하고 있다. 다음으로, 하전류 현미경 장치 내부에 용기(100)를 도입하고, 하전입자 현미경 관찰을 실시한다. 이 경우에는 하전입자원(8)으로부터 방출된 하전입자선은 몇 개의 광학 렌즈(1)를 경유한 뒤 진공 공간(11)을 통과하고, 격막(10)을 경유해서 시료(6)에 도달한다. 이 경우, 용기(100)의 외부는 진공으로 되어 있으므로, 도 19의 장치와 마찬가지로 하전입자선을 산란시키는 요인은 주로 격막(10)뿐이다.
이들 격막에 시료(6)를 접촉시킨 장치 구성의 경우에는, 격막(10)과 접촉한 시료 부위를 관찰하게 된다. 그 때문에, 하전입자선 산란은 격막(10)의 재료종이나 밀도나 두께에만 의존한다. 격막에 관한 파라미터는 기지이기 때문에, (식 10)을 계산할 때에 있어서 유저가 설정해야 할 파라미터가 없다. 따라서, 본 하전입자 현미경 장치로 취득되는 화상의 화상 복원을 실시하는 경우에는, 도 9의 조작 화면에서 설명한 바와 같은 격막-시료간 거리를 입력할 필요는 없다. 달리 표현을 하면 격막-시료간 거리는 0이라고도 할 수 있다. 이 결과, 빔 형상(306)이 어떻게 될지 미리 구해 두는 것이 가능해지므로, 컴퓨터(35)에 격막에 의한 산란량을 기억시켜 두고, 화상 취득 시에는 항상 같은 파라미터에서의 화상 복원 처리를 행해도 된다. 단, 관찰하고 싶은 시료부에서 반드시 격막에 접촉하고 있다고만은 할 수 없다. 그 경우에 산란량을 조정할 수 있도록 하기 위하여, 어떠한 산란량 조정부를 가져도 상관없다.
본 실시예에서 설명한 장치 구성의 경우에는, 격막과 시료 사이의 비진공 공간의 분위기에 의한 산란이 없기 때문에, 보다 명료한 화상을 취득하는 것이 가능해진다. 또한, 비진공 공간의 분위기에 기인하는 산란 렌즈 함수의 파라미터를 유저가 신경쓸 필요가 없기 때문에 보다 간편한 화상 복원이 가능해진다.
실시예 6
본 실시예에서는, 실시예 1 내지 5와는 달리, 격막이 배치되어 있지 않고, 시료가 저진공하 등으로 배치되는 예를 설명한다. 예를 들면, 저진공 영역에서 SEM 관찰이 실시 가능한 저진공 SEM 등이다. 또 이하에서 저진공이란 10-1Pa 내지 103Pa 정도의 것을 말한다. 이 경우에도, 하전입자선은, 시료에 도달할 때까지 저진공 환경하에 남아있는 가스에 의해 산란된다. 실시예 1 내지 5와 비교하면 산란되는 양은 적지만, 본 실시예의 경우도 또한 전술한 화상 복원이 유효하다.
도 21을 이용하여 본 하전입자선 장치의 일반적인 구성요소에 대해 설명한다. 도 3과 마찬가지인 점은 설명을 생략한다. 격막(10)의 도면 중 아랫면측의 공간(13)이 저진공 공간이다. 시료는 저진공하에 배치되어 있다. 일반적으로 하전입자선원(8)의 주변은 저진공인 것이 바람직하지 않기 때문에, 하전입자선원(8)의 분위기는 진공펌프(4)와 배관(16)에 의해 고진공(10-1Pa 이하)으로 유지된다. 케이싱(7) 내의 기체 가스가 하전입자원측으로 들어가는 것을 극력 피하기 위하여, 미소 구멍이 뚫린 애퍼처(82) 등을 가지고 있다. 애퍼처가 복수 설치되어, 다단계로 차압이 형성되어 있어도 된다. 이하에서, 저진공 공간이란 애퍼처(82)(애퍼처가 복수 있는 경우에는 가장 시료에 가까운 애퍼처)부터 시료(6)까지의 것을 말한다(도면 중 h3부).
이 저진공 공간(h3)의 거리(즉 애퍼처로부터 시료까지의 거리)는 대물렌즈로부터의 거리인 워킹 디스턴스(working distance)에 대하여 상대적으로 정해져 있다. 애퍼처(82)의 위치 및 대물렌즈(303)의 위치는 장치 고유이며, 대물렌즈(303)의 자장(磁場) 강도로부터 워킹 디스턴스를 파악하는 것은 가능하다. 즉, 시료의 위치에 관계 없이 시료에 초점이 맞는 위치를 구할 수 있다. 따라서, 저진공 공간(h3)의 거리는 워킹 디스턴스와 상대 비교함으로써 파악하는 것이 가능해진다.
이 구성을 간이화해서 기술하면 도 21의 (b)와 같이 된다. 전술한 실시예와 비교하면 격막(10)이 없으므로, 저진공 공간(13)에 대응하는 산란 렌즈(13a)가 하전입자선을 산란시키는 주요 원인이 된다. 산란량은 격막(10)으로부터 시료(6)까지의 거리 z(도 21의 (a)에서는 h3)와 저진공 공간의 가스종 a 및 가스 압력 P(또는 밀도), 하전입자선의 조사 에너지 E에 의존한다. 즉, 이 경우의 저진공 공간에 의한 산란 렌즈 함수(또는 열화 함수) A로 놓으면, 산란 렌즈 함수는 이하로 기술된다.
A=A (a, P, z, E) ···(식 11)
또한, 저진공 공간을 경유하기 전의 하전입자 빔 형상을 F라고 하고, 저진공 공간을 경유한 후의 하전입자 빔 형상을 G라고 했을 경우, 이하로 기술된다.
G=A (a, P, z, E)×F ···(식 12)
저진공 공간에 입사되는 빔 형상을 빔(305)이라고 하면, 시료(6)에 도달한 빔 형상은 빔(306)과 같이 된다. 격막에 의한 산란 렌즈(12a)가 없기 때문에, 산란량은 실시예 1로부터 실시예 5까지의 장치와 비교하면 산란 하전입자에 의한 빔이 적다. 즉, 산란 하전입자 빔 지름 d2는 작다. 그러나, 무산란 하전입자선에 의한 빔(307)과, 산란 하전입자선에 의한 빔(308)을 가진 빔이 되므로, 상기에서 설명한 화상 복원법이 유용하다.
도 22에, 본 실시예에 있어서의 하전입자 장치의 예를 나타낸다. 이 장치에서는 저진공 공간(13)에 시료가 배치된다. 케이싱(7) 내부의 가스가 하전입자원(8)으로 들어가지 않도록 하전입자 광학 경통(2) 내에 애퍼처(82)가 구비된다. 케이싱(7) 내를 저진공의 진공도로 하기 위해, 리크 밸브(81)와 압력계(80)가 구비된다. 리크 밸브(81)는 예를 들면 대기측과 연결되어 있으며, 리크 밸브의 개폐량에 의해 케이싱(7) 내에 대기 가스를 넣는 것이 가능하다. 또한, 압력계(80)에 의해 압력을 계측할 수 있다. 리크 밸브(81)와 압력계(80)는 제어부(36)와 전기적으로 접속되며, 진공도의 제어는 컴퓨터(35)에서 실시하는 것이 가능하다. 또한, 도면에는 나타내지 않았지만 배관(16) 경유로 가스가 하전입자원측에 혼입되지 않도록 복수의 진공펌프가 마련되어 있어도 된다. 이러한 장치에 있어서 상기와 같은 화상 복원이 가능한 데이터 처리부를 갖는다. 전술한 화상 복원의 처리에 의해, 저진공하에서 취득되는 화상의 화상 복원에 의해 화질의 개선이 가능해진다.
도 23에, 조작 화면의 일례를 나타낸다. 도 9 등과 마찬가지인 점은 설명을 생략한다. 조작 화면(700)에는 케이싱(7) 내부의 진공도를 설정하여, 설정된 진공도로 하는 것이 가능한 진공도 설정부(733)를 구비한다. 또한, 화상 복원 파라미터 설정부(705)에는, 저진공 공간(h3)의 거리를 설정하는 입력란(734)을 구비한다. 입력란(734)에는 대신에 시료 높이 또는 대물렌즈와의 워킹 디스턴스가 입력되며, 이 값을 이용하여 저진공 공간(h3)의 거리가 구해져도 된다. 또한, 진공도를 설정하는 입력란(735)도 구비한다. 그 밖의 조건으로서는, 가속 전압과 배율이 설정된다. 이에 따라, 화상 복원 파라미터가 결정되고, 전술의 화상 복원이 가능해진다. 이와 같이 유저 파라미터가 입력한 파라미터에 의해 화상 복원 처리를 최적화할 수 있다.
또, 복원 대상의 화상을 호출해서 처리할 경우나 표시하고 있는 화상에 당해 화상 취득시의 조건을 나타내는 정보가 부가되어 있는 경우에는, 가속 전압이나 배율 등의 조건은 기지이기 때문에 유저가 입력할 필요가 없다. 또한, 화상 복원 처리를 행하는 것이 하전입자선 장치와는 별도로 설치된 컴퓨터이여도, 화상을 취득했을 때의 시료 위치나 워킹 디스턴스, 진공도, 가속 전압, 화상을 취득했을 때의 배율 등의 화상 취득 정보가 기술된 파일을 읽어들이는 등을 실시하면, 유저가 전술한 파라미터의 전부 또는 일부를 입력하는 수고를 생략하는 것이 가능해진다.
또, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니며, 여러 가지 변형예가 포함된다. 예를 들면, 상기한 실시예는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위해서 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것으로 한정되는 것이 아니다. 또한, 어느 실시예의 구성의 일부를 다른 실시예의 구성으로 치환하는 것이 가능하며, 또한 어느 실시예의 구성에 다른 실시예의 구성을 더하는 것도 가능하다. 또한, 각 실시예의 구성의 일부에 대하여, 다른 구성의 추가·삭제·치환을 하는 것이 가능하다. 또한, 상기의 각 구성, 기능, 처리부, 처리 수단 등은, 그들의 일부 또는 전부를, 예를 들면 집적회로로 설계하는 등에 의해 하드웨어로 실현해도 된다. 또한, 상기의 각 구성, 기능 등은, 프로세서가 각각의 기능을 실현하는 프로그램을 해석하고, 실행함으로써 소프트웨어로 실현해도 된다.
각 기능을 실현하는 프로그램, 테이블, 파일 등의 정보는, 메모리나, 하드디스크, SSD(Solid State Drive) 등의 기록장치, 또는, IC카드, SD카드, 광디스크 등의 기록 매체에 둘 수 있다.
또한, 제어선이나 정보선은 설명상 필요하다고 생각되는 것을 나타내고 있으며, 반드시 제품상 모든 제어선이나 정보선을 나타내고 있다고는 할 수 없다. 실제로는 거의 모든 구성이 서로 접속되어 있다고 생각해도 된다.
1: 광학 렌즈, 2: 하전입자 광학 경통, 3: 검출기, 4: 진공펌프, 5: 시료 스테이지, 6: 시료, 7: 케이싱, 8: 하전입자원, 9: 받침, 10: 격막, 11: 제 1 공간(또는 진공 공간), 12: 제 2 공간(또는 대기 공간), 13: 저진공 공간, 14: 리크 밸브, 16: 진공배관, 17: 스테이지 지지대, 18: 지주, 19: 덮개 부재용 지지 부재, 20: 밑판, 33: 모니터, 4: 키보드나 마우스 등의 유저 인터페이스, 35: 컴퓨터, 36:제어부, 43,44,45: 통신선, 52: 받침, 53: 광축, 60: 데이터 송수신부, 61: 데이터 메모리부, 62: 외부 인터페이스, 63: 데이터 처리부, 64: 스테이지 제어부, 80: 압력계, 81: 리크 밸브, 82: 애퍼처, 100: 가스 공급관, 101: 가스 제어용 밸브, 102: 연결부, 103: 가스봄베 또는 진공펌프, 104: 압력조정밸브, 107: 지지판, 108,109: 조작 손잡이, 121: 제 2 케이싱, 122,130: 덮개 부재, 123,124,125,126,128,129: 진공 밀봉 부재, 131: 본체부, 132: 맞춤부, 154: 신호증폭기, 155: 격막 유지 부재, 155: 받침, 200: 광축, 301: 렌즈1, 302: 렌즈2, 303: 렌즈3, 305: 입사 빔 형상, 306: 시료 도달 빔 형상, 307: 무산란 하전입자 빔 형상, 308: 산란 하전입자 빔 형상, 400: 거리 제어 부재, 401: 시료대, 402: 암나사, 407: 진공 밀봉 부재, 408: 거리 제어 부재, 500: 스텝, 700: 조작 화면, 701: 조건 설정부, 702: 화상 표시부, 703: 화상 복원 후 화상 표시부, 704: 화상 조정부, 705: 역치 설정부, 706: 조사 에너지 E 설정부, 707: 조사 개시 버튼, 708: 조사 정지 버튼, 709: 화상 보존 버튼, 710: 화상 판독 버튼, 711: 격막-시료간 거리 설정부, 713: 화상 복원 개시 버튼, 715: 초점 조정부, 716: 밝기 조정부, 717: 콘트라스트 조정부, 720: 무산란 하전입자 지름 설정부, 721: 산란 하전입자 지름 설정부, 722: 무산란 하전입자 비율 설정부, 723: 화상 복원 개시 버튼, 724: 자동 콘트라스트 조정 버튼, 725: 손입력부, 726: 자동입력 선택 버튼, 727: 수동입력 선택 버튼, 728: 자동 노이즈 조정 버튼, 729: 화상 복원 영역 설정부, 730: 설정부, 731: 설정부, 732: 배율 설정부, 733: 복수 파라미터 설정부, 734: 진공도 설정부

Claims (20)

  1. 내부가 진공 배기되는 하전입자 광학 경통과,
    시료를 비진공 공간에 재치(載置)하는 시료 스테이지와,
    상기 하전입자 광학 경통으로부터 출사된 1차 하전입자선이 상기 시료에 조사됨으로써 얻어지는 2차적 하전입자를 검출하는 검출기와,
    상기 1차 하전입자선이 상기 시료에 도달할 때까지 산란됨으로써 상기 1차 하전입자선의 스폿 형상에 생기는 영향을, 상기 검출기의 신호로부터 제거하는 데이터 처리부
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 하전입자선 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하전입자 광학 경통의 내부와 연통하여 진공 상태로 유지되는 공간과, 상기 시료가 배치되는 비진공 공간의 차압(差壓)을 유지 가능하며, 또한 상기 1차 하전입자선을 투과 또는 통과시키는 격막을 구비하고,
    상기 데이터 처리부는, 상기 1차 하전입자선이 상기 격막을 통과할 때에 산란됨으로써 상기 1차 하전입자선의 스폿 형상에 생기는 영향을, 상기 검출기의 신호로부터 제거하는 것을 특징으로 하는 하전입자선 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 데이터 처리부는, 상기 격막의 재료종(材料種), 밀도, 및 두께에 따라, 상기 1차 하전입자선의 스폿 형상에 생기는 영향을 구하는 것을 특징으로 하는 하전입자선 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 데이터 처리부는, 상기 1차 하전입자선이 상기 비진공 공간에 존재하는 가스에 의해 산란됨으로써 상기 1차 하전입자선의 스폿 형상에 생기는 영향을, 상기 검출기의 신호로부터 제거하는 것을 특징으로 하는 하전입자선 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 데이터 처리부는, 상기 가스의 종류, 상기 비진공 공간을 상기 1차 하전입자선이 통과하는 거리, 및 상기 가스의 압력에 따라 상기 1차 하전입자선의 스폿 형상에 생기는 영향을 구하는 것을 특징으로 하는 하전입자선 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 하전입자 광학 경통의 길이 h1과 상기 비진공 공간 중 상기 1차 하전입자선이 통과하는 거리 h2와의 비가 h1/h2≥1000이며, h2가 1mm 이하인 것을 특징으로 하는 하전입자선 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 데이터 처리부는, 상기 1차 하전입자선 중 상기 시료에 도달할 때까지 산란되지 않은 무산란 하전입자선의 스폿 형상과 상기 1차 하전입자선 중 상기 시료에 도달할 때까지 산란된 산란 하전입자선의 스폿 형상을 이용하여, 상기 시료에 도달할 때의 상기 1차 하전입자선의 스폿 형상의 모델을 생성하는 것을 특징으로 하는 하전입자선 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 무산란 하전입자선의 스폿 형상의 폭(d1)이 1nm 이상 100nm 이하이고,
    상기 산란 하전입자선의 스폿 형상의 폭(d2)이 10nm 이상 10000nm 이하이며,
    상기 d1과 상기 d2와의 관계가 d2/d1≥10을 만족시키는 것을 특징으로 하는 하전입자선 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출기로부터의 신호에 의거하여 형성되는 한 장의 화상 중, 화상 복원의 처리 대상으로 하는 영역을 유저가 지정 가능한 조작 화면을 표시하는 디스플레이를 갖는 것을 특징으로 하는 하전입자선 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출기로부터의 신호에 의거하여 형성되는 한 장의 화상 중, 제 1 파라미터 세트를 이용하여 화상 복원의 처리가 되는 제 1 영역과 상기 제 1 파라미터 세트와는 다른 제 2 파라미터를 이용하여 화상 복원의 처리가 되는 제 2 영역을 유저가 지정 가능한 조작 화면을 표시하는 디스플레이를 갖는 것을 특징으로 하는 하전입자선 장치.
  11. 내부가 진공 배기되는 하전입자 광학 경통으로부터 1차 하전입자선을 출사하고,
    상기 1차 하전입자선을 비진공 공간에 재치된 시료에 조사하고,
    상기 시료에 상기 1차 하전입자선을 조사함으로써 얻어지는 2차적 하전입자를 검출하고,
    상기 1차 하전입자선이 상기 시료에 도달할 때까지 산란됨으로써 상기 1차 하전입자선의 스폿 형상에 생기는 영향을, 상기 검출기의 신호로부터 제거하는 것을 특징으로 하는 시료 화상 취득 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 하전입자 광학 경통으로부터 출사된 상기 1차 하전입자선은, 상기 하전입자 광학 경통의 내부와 연통하여 진공 상태로 유지되는 공간과, 상기 시료가 배치되는 비진공 공간의 차압을 유지 가능한 격막을 투과 또는 통과하고,
    상기 1차 하전입자선이 상기 격막을 통과할 때에 산란됨으로써 상기 1차 하전입자선의 스폿 형상에 생기는 영향을, 상기 검출기의 신호로부터 제거하는 것을 특징으로 하는 시료 화상 취득 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 격막의 재료종, 밀도, 및 두께에 따라, 상기 1차 하전입자선의 스폿 형상에 생기는 영향을 구하는 것을 특징으로 하는 시료 화상 취득 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 1차 하전입자선이 상기 비진공 공간에 존재하는 가스에 의해 산란됨으로써 상기 1차 하전입자선의 스폿 형상에 생기는 영향을, 상기 검출기의 신호로부터 제거하는 것을 특징으로 하는 시료 화상 취득 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 가스의 종류, 상기 비진공 공간을 상기 1차 하전입자선이 통과하는 거리, 및 상기 가스의 압력에 따라 상기 1차 하전입자선의 스폿 형상에 생기는 영향을 구하는 것을 특징으로 하는 시료 화상 취득 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 1차 하전입자선 중 상기 시료에 도달할 때까지 산란되지 않은 무산란 하전입자선의 스폿 형상과 상기 1차 하전입자선 중 상기 시료에 도달할 때까지 산란된 산란 하전입자선의 스폿 형상을 이용하여, 상기 시료에 도달할 때의 상기 1차 하전입자선의 스폿 형상의 모델을 생성하고, 당해 모델을 이용하여 상기 1차 하전입자선의 스폿 형상에 생기는 영향을 구하는 것을 특징으로 하는 시료 화상 취득 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 무산란 하전입자선의 스폿 형상의 폭(d1)이 1nm 이상 100nm 이하이고,
    상기 산란 하전입자선의 스폿 형상의 폭(d2)이 10nm 이상 10000nm 이하이며,
    상기 d1과 상기 d2와의 관계가 d2/d1≥10을 만족시키는 것을 특징으로 하는 시료 화상 취득 방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 검출기로부터의 신호에 의거하여 형성되는 한 장의 화상 중, 유저에 의해 지정된 일부의 영역에 대하여, 화상 복원의 처리를 행하는 것을 특징으로 하는 시료 화상 취득 방법.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 검출기로부터의 신호에 의거하여 형성되는 한 장의 화상 중, 제 1 파라미터 세트를 이용하여 화상 복원의 처리가 되는 제 1 영역과 상기 제 1 파라미터 세트와는 다른 제 2 파라미터를 이용하여 화상 복원의 처리가 되는 제 2 영역을 유저가 지정 가능한 것을 특징으로 하는 시료 화상 취득 방법.
  20. 내부가 진공 배기되는 하전입자 광학 경통과,
    시료를 비진공 공간에 재치하는 시료 스테이지와,
    상기 하전입자 광학 경통으로부터 출사된 1차 하전입자선이 상기 시료에 조사됨으로써 얻어지는 2차적 하전입자를 검출하는 검출기를 갖는 하전입자선 장치에 접속된 컴퓨터에서 실행되는 프로그램이 기록되는 프로그램 기록 매체로서,
    상기 프로그램은, 상기 1차 하전입자선이 상기 시료에 도달할 때까지 산란됨으로써 상기 1차 하전입자선의 스폿 형상에 생기는 영향을, 상기 검출기의 신호로부터 제거하는 처리를 행하는 것을 특징으로 하는 프로그램 기록 매체.
KR1020167013661A 2014-01-27 2014-12-03 하전입자선 장치, 시료 화상 취득 방법, 및 프로그램 기록 매체 KR101810437B1 (ko)

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