WO2014010430A1 - 電子顕微鏡および電子顕微鏡による画像形成方法 - Google Patents

電子顕微鏡および電子顕微鏡による画像形成方法 Download PDF

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sampling
detection signal
electron beam
electron
electron microscope
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津野　夏規
秀之 数見
木村　嘉伸
源 川野
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株式会社日立ハイテクノロジーズ
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    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/22—Optical, image processing or photographic arrangements associated with the tube
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/244—Detection characterized by the detecting means

Definitions

  • the present invention relates to a microscope technique for observing a sample form using an electron beam, and more particularly to detection control of emitted electrons and a signal processing technique.
  • an electron microscope using an electron beam as a microscope capable of magnifying and observing a sample.
  • a scanning electron microscope (hereinafter abbreviated as SEM) that scans and images an electron beam on a sample is used for sample analysis such as observation of a fine surface shape and local composition analysis.
  • SEM scanning electron microscope
  • an electron beam accelerated by a voltage applied to an electron source (hereinafter referred to as primary electrons) is focused by an electron lens and irradiated onto a sample.
  • the focused electron beam is scanned on the sample by a deflector.
  • electrons emitted from the sample due to electron beam irradiation are detected by a detector. Furthermore, the detection signal of the emitted electrons detected by the detector is sampled at a constant period. The emission electron signal is sampled in synchronization with the scanning signal, and an extraction signal corresponding to the pixel of the two-dimensional image is obtained. The intensity of the extracted signal is converted into the brightness of the image. Since the emission rate of emitted electrons from the sample differs depending on the shape of the sample surface, a difference occurs in the extraction signal, and a contrast reflecting the shape is obtained.
  • Patent Document 1 discloses a method of acquiring a high-resolution SEM image by controlling the number of times the detection signal of the emitted electrons is sampled according to the scanning speed and the size of the observation region. It is disclosed.
  • the number of electrons irradiated to the sample depends on the observation field of view, the scanning speed of the electron beam, the irradiation current, and the integrated number of signals. For example, when the number of integrated signals is increased or the scanning speed is decreased to observe with high image quality, 100 or more electrons are irradiated in the same pixel.
  • the detection signal of emitted electrons obtained by 100 or more irradiations is usually sampled about 10 times. With an electron irradiation amount of 100 or more, the number of irradiated electrons is larger than the number of samplings, and an image having a high SN ratio (Signal to noise ratio) corresponding to the integrated number is obtained.
  • the number of electrons irradiated in the same pixel is reduced from 1 to several tens, the number of samplings is equal to the number of irradiated electrons, The number is smaller. Therefore, the detection signal is missed or a signal when electrons are not irradiated is extracted, so that the SN ratio is lowered and the image quality is deteriorated. Further, when the number of electrons irradiated in the same pixel is small, even if the integration number is increased, unnecessary signals that are not irradiated with electrons are integrated, and the image quality is not improved.
  • the present invention provides an electron microscope and an image forming method for an electron microscope that obtain a high-quality SEM image with a small amount of electron irradiation.
  • an electron microscope emits an electron beam to a sample, a control unit for controlling the electron beam irradiation, and emits the sample from the sample at the electron beam irradiation position. Based on the first detection unit for detecting the emitted electrons and the average number of irradiated electrons per unit time of the electron beam, the detection signal of the emitted electrons detected by the first detection unit is sampled.
  • a sampling unit a processing unit that calculates an average value or an integrated value of a plurality of detection signals sampled by the sampling unit; and an image forming unit that forms an image based on the average value or the integrated value of the plurality of detection signals; .
  • the detection signal can be sampled efficiently, it is possible to suppress the detection of the emitted electron detection signal and the integration of unnecessary signals even with a small amount of electron irradiation, and to obtain a high-quality SEM image. Can be provided.
  • An image forming method for an electron microscope includes a step of irradiating a sample with an electron beam, a step of controlling irradiation of the electron beam, and a step of detecting emitted electrons emitted from the sample at the irradiation position of the electron beam. Sampling the emission electron detection signal based on the average number of electrons irradiated per unit time of the electron beam, calculating an average value or an integrated value of the plurality of sampled detection signals; Forming an image based on an average value or an integrated value of the plurality of detection signals.
  • the present invention can be applied to both an electron microscope that continuously irradiates the sample with the electron beam and an electron microscope that irradiates the sample with the electron beam intermittently.
  • the period and timing for sampling the detection signal of the emitted electrons are determined by either a time chart of the detection signal of the emitted electrons or a time chart of detecting the electron beam irradiated on the sample. be able to.
  • the electron microscope of the present invention includes a sampling condition analysis unit for analyzing the sampling condition of the emission electron detection signal and the emission electron detection signal based on the sampling condition.
  • a sampling control unit for sampling This makes it possible to analytically obtain the period based on the average number of irradiated electrons per unit time of the electron beam from the time chart of the emission electron detection signal.
  • the electron microscope of the present invention includes a second detection unit for detecting the electron beam and the detection signal detected by the second detection unit.
  • the average number of electrons irradiated per unit time of the electron beam can be determined by the electron beam irradiation current.
  • the sampling period of the detection signal of the emitted electrons is 1 GHz to 10 MHz. It is better to set within the range.
  • an electron microscope capable of imaging with high image quality can be provided even under observation conditions with a small electron irradiation amount.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of an image forming condition setting operation GUI according to a third embodiment. It is a block diagram which shows an example of the electron microscope of 4th Example. It is explanatory drawing which shows an example of the setting flow of the sampling conditions of 4th Example.
  • FIG. 1 shows a configuration diagram of an electron microscope according to a first embodiment of the present invention.
  • a scanning electron microscope is used as an example, but an electron microscope using an intermittent electron beam may be used.
  • the scanning electron microscope includes an electron optical system, a stage mechanism system, an SEM control system, a signal processing system, and an SEM operation system.
  • the electron optical system includes an electron gun 1, a deflector 2, an objective lens 3, and a detector 4.
  • the stage mechanism system includes a sample holder 6 on which the sample 5 is installed, and a stage 7 that can be tilt-controlled and moved in the XYZ axial directions.
  • the SEM control system includes an electron gun control unit 8, a deflection scanning signal control unit 9, an objective lens coil control unit 10, and a stage control unit 11.
  • the signal processing system also includes a detection signal extraction unit 12, an extraction control unit 13, an extraction signal processing unit 14, and an image forming unit 15.
  • the sampling unit that samples the emitted electrons detected by the detector 4 includes a detection signal extraction unit 12 and an extraction control unit 13, and the extraction control unit 13 uses the sampling conditions for the detection signal of the emitted electrons.
  • the operation system includes an image display unit 16 and an operation interface 17.
  • the electron beam from the electron gun 1 is focused by the objective lens 3 and irradiated on the sample 5 on the sample holder 6.
  • the electron beam scans the sample 5 by the deflector 2.
  • the emitted electrons from the sample 5 due to the electron beam irradiation are detected by the detector 4.
  • the detection signal extraction unit 12 extracts a detection signal from the analog detection signal obtained by the detector 4 at a certain sampling period.
  • the sampling period for extracting the detection signal is controlled by the extraction control unit 13.
  • the extracted signal processing unit 14 integrates the signals extracted by the detection signal extracting unit 12.
  • the extracted signal processing unit 14 may calculate an average value of the signals extracted by the detection signal extracting unit 12.
  • the image forming unit 15 forms an image based on the integrated value or average value of the extracted signals, and the image display unit 16 displays the SEM image.
  • the electron irradiation amount is controlled by the irradiation current Ip.
  • the electron gun control unit 8 controls the emission current emitted from the electron gun 1 by controlling the irradiation current Ip. That is, the electron gun control unit 8 controls the irradiation current Ip, whereby the average number of irradiated electrons per unit time is controlled.
  • FIG. 2A and 2B are conceptual diagrams of a method for processing a detection signal of emitted electrons according to the present embodiment.
  • FIG. 2A shows a time chart 18 in which time is plotted on the horizontal axis and sampling trigger signal is plotted on the vertical axis.
  • FIG. 2B shows a time chart 20 with the horizontal axis representing time and the vertical axis representing extracted signals.
  • the period of the sampling trigger signal is determined by the equation (1) based on the average number of irradiated electrons per unit time.
  • f I p / e (1)
  • f the sampling period 19 shown in FIG. 2A
  • e an elementary charge.
  • the detection signal is extracted at the sampling period 19 as shown in the time chart 18 of FIG. 2A. Further, as shown in the extracted signal time chart 20 of FIG. 2B, the extracted signals included in the integration section 21 are integrated to improve the image quality.
  • the integration section 21 is determined by the integration number of signals set as observation conditions.
  • FIG. 3 shows a sampling condition setting flow in this embodiment.
  • step S101 the sampling period is set in the electron microscope (that is, the extraction control unit 13).
  • the sampling period f is obtained by equation (1).
  • Ip 5.3 pA
  • f is 33 MHz.
  • the sampling period f is preferably equal to or less than the band of the signal detection system for emitted electrons.
  • step S102 the scanning speed of the electron beam is set according to the observation conditions and sampling conditions.
  • the scanning speed V of the electron beam is obtained by the following equation (2).
  • V S p / t p (2)
  • S p is the pixel size
  • the t p is the acquisition time per pixel.
  • Pixel size S p can be calculated by dividing the observation field by the number of pixels. 1 acquisition time t p per pixel can be calculated from the following equation (3).
  • the sampling condition setting is completed (S103). Thereafter, the detection signal extraction unit 12 extracts the detection signal at the sampling period f under the control of the extraction control unit 13. Thereafter, the extracted signal processing unit 14 integrates the signals extracted by the detection signal extracting unit 12, and the image forming unit 15 forms an image based on the integrated value of the extracted signals.
  • the signal of the emitted electrons can be efficiently sampled based on the average number of irradiated electrons per unit time, a high-quality SEM image can be acquired even with a small amount of electron irradiation. it can.
  • the sampling period of the emission electron detection signal is in the range of 1 GHz to 10 MHz. It is preferable to set within.
  • FIG. 5 shows a conceptual diagram of the method for processing the detection signal of the emitted electrons according to the present embodiment.
  • the top diagram of FIG. 5 shows a time chart 18 in which time is plotted on the horizontal axis and sampling trigger signal is plotted on the vertical axis. Further, the remaining three diagrams in FIG. 5 show time charts 23, 24, and 25 in which time is plotted on the horizontal axis and extracted signals are plotted on the vertical axis.
  • the sampling period 19 is set based on the following equation (4).
  • f n ⁇ Ip / e (4)
  • n is a sampling coefficient and is an integer.
  • n 3 was used.
  • the detection signal of emitted electrons is sampled at a frequency higher than the average number of irradiation of electrons.
  • the detection signal extracted at the sampling period 19 is extracted again at the period of the expression (1) from the time chart of the extracted signal.
  • three different time charts 23, 24, and 25 that are offset by the sampling timing 22 are obtained depending on the sampling coefficient.
  • solid line portions indicate timings for extracting signals.
  • the sampling timing 22 in this embodiment is defined by the delay time from the pulsed detection signal. The timing at which this delay time is minimized is the optimum sampling timing.
  • the frequency at which the extracted signal is equal to or greater than the threshold 26 in the time charts 23, 24, and 25 is analyzed.
  • the threshold value 26 be equal to or higher than the noise generated when the electron beam is cut off and equal to or lower than the signal voltage when one electron is detected.
  • the signal voltage when one electron is detected is obtained from the detection voltage pitch of the extracted signal of the quantized detection signal.
  • the timing at which the frequency exceeding the threshold value 26 is the highest is the timing at which the delay time from the pulsed detection signal is minimized. .
  • the timing of the extracted signal of the detection signal in the time chart 24 has the highest frequency that exceeds the threshold 26, and thus is the optimum sampling timing.
  • the timing adjustment amount depends on the sampling coefficient n, the adjustment accuracy improves as n increases. According to this embodiment, the sampling timing can be corrected.
  • FIG. 6 shows a flow of setting the image forming conditions of this embodiment. Similar to the first embodiment, before obtaining an image, the observation conditions (acceleration voltage V a , observation field of view M, irradiation current Ip, integration number Na) are set in step S110. Next, in step S111, an analysis condition for the sampling condition (sampling coefficient n, detection signal extraction value threshold value Vth) is set.
  • the threshold value Vth corresponds to the threshold value 26 in FIG.
  • step S112 based on the set irradiation current Ip and sampling coefficient n, the sampling period f is set in the electron microscope (that is, the extraction control unit 13) based on the equation (4).
  • step S113 the electron beam irradiation position corresponding to the pixel is moved. In this embodiment, the irradiation position of the electron beam is controlled by scanning.
  • fe Ip / e.
  • step S115 the extraction control unit 13 analyzes the timing with the highest frequency at which the extracted signal is equal to or higher than the threshold value Vth in the manner described with reference to FIG. 5, and determines the optimal timing.
  • step 116 the detection signal extraction unit 12 extracts only the extraction signals at the optimal timing, and the extraction signal processing unit 14 integrates these extraction signals.
  • step S113 the process returns to step S113 again and moves to the electron beam irradiation position corresponding to the pixel.
  • Steps S114 to S116 are executed, and the determination of the optimum timing and the integration of the detection signals are repeatedly executed.
  • step S117 the image forming unit 15 forms an image based on signals accumulated for each pixel.
  • FIG. 7 shows a configuration diagram of an electron microscope in the present embodiment.
  • the beam blanker 27 is, for example, a deflector that deflects an electron beam
  • the aperture mechanism 28 has a path (hole or the like) for allowing the electron beam to pass therethrough. Therefore, by controlling the beam blanker 27 by the beam blanking control unit 29, the electron beam from the electron gun 1 can be passed through the path of the aperture mechanism 28 or not. Thereby, as shown in FIG. 7, the irradiation of an intermittent electron beam is attained.
  • Electron beam intermittent conditions can be controlled by a beam bunking voltage signal applied to the beam blanker 27.
  • the beam blanking control unit 29 controls the beam blanking voltage signal in synchronization with a clock signal that is a reference signal for managing time.
  • FIG. 8 is a flow for analyzing the sampling period and timing.
  • step S120 the electron microscope is switched to a sampling condition analysis mode.
  • an operation GUI for setting the sampling period and timing is activated, and the operation GUI is displayed on the image display unit 16. Details of this operation GUI will be described later.
  • observation conditions acceleration voltage V a , observation visual field M, irradiation current Ip, integration number Na
  • sampling condition analysis condition sampling coefficient n, detection signal extraction value threshold value Vth
  • step S123 an analysis sampling period f is set from the set irradiation current Ip and sampling coefficient n based on the equation (4).
  • the analysis sampling period f is set in the extraction control unit 13, for example.
  • step S124 an analysis position for irradiating an electron beam is set in order to analyze the sampling condition.
  • the analysis position may be in the observation region or outside the observation region. Irradiate a fixed analysis position with an intermittent electron beam.
  • step S125 the detection signal extraction unit 12 extracts a detection signal of emitted electrons at the analysis sampling period f under the control of the extraction control unit 13.
  • step S126 the sampling timing is analyzed by analyzing the frequency of the extraction signal threshold (Vth) or more from a plurality of time charts of the extraction signal having different timings. .
  • Vth the timing with the highest frequency that is equal to or higher than the threshold value (Vth) of the extracted signal is selected.
  • the sampling timing in this embodiment is based on the rise of the beam blanking voltage signal. Sampling timing was defined as a delay time from the rising edge of the beam blanking voltage signal to the first detected extraction signal during intermittent irradiation.
  • sampling after the delay time may be performed at the sampling period f of the equation (1). . That is, in this embodiment, it is not necessary to analyze the sampling timing for each pixel. Therefore, in step S127, the sampling timing obtained as described above is set in the extraction control unit 13, and the sampling cycle f of the expression (1) is set in the extraction control unit 13 as a sampling cycle used for observation. To do.
  • step S128 under these sampling conditions (sampling period f and timing), the electron microscope is switched to the observation mode and a sampling trigger signal is generated.
  • This sampling trigger signal can be used until the irradiation current of the electron beam is changed.
  • the sampling conditions analyzed in this embodiment can be applied to image formation of a scanning electron microscope or an electron microscope using intermittent electron beams.
  • FIG. 9 shows an operation GUI displayed on the image display unit 16.
  • the operation GUI includes an observation condition input window 30, an analysis condition input window 31, an analysis time chart window 32, and a sampling analysis result window 33.
  • the analysis conditions of the observation condition and the sampling condition can be input to the observation condition input window 30 and the analysis condition input window 31 of the sampling condition.
  • the acceleration voltage V a the observation field M
  • the irradiation current Ip the integration number Na
  • the analysis condition input window 31 a sampling coefficient n and a detection signal threshold value Vth are set.
  • the analysis time chart window 32 a time chart 32a having time on the horizontal axis and a blanking voltage signal on the vertical axis, a time chart 32b having time on the horizontal axis and an extraction signal on the vertical axis are displayed.
  • the sampling timing 32c can be analyzed based on the time difference between the rising edge of the beam blanking voltage signal and the extraction signal detected first in the intermittent irradiation.
  • the sampling analysis result window 33 displays sampling conditions. In this example, the frequency exceeding the threshold value Vth is displayed for each timing (2.5 ns, 5 ns, 7.5 ns). The user can set the timing with the highest frequency of exceeding the threshold as the optimum timing.
  • the user can set an optimum timing while confirming the frequency at which the threshold value is exceeded for each timing. For example, when two or more timings with close frequency values exceeding the threshold value are displayed, re-analysis can be performed to select a more optimal timing. In this case, the user can perform reanalysis by resetting the threshold value Vth of the analysis condition input window 31 and pressing the “reanalyze” button.
  • the timing with the sampling period can be adjusted with high accuracy, and a high-quality SEM image can be obtained even with a small electron irradiation amount.
  • FIG. 10 shows a configuration example of an electron microscope in the present embodiment.
  • FIG. 10 is a configuration in which a primary electron detector 34 as a second detection unit and a primary electron detection signal processing unit 35 are added to the configuration of FIG. 1 shown in the first embodiment. It has become.
  • the primary electron detection signal processing unit 35 is electrically connected to the extraction control unit 13.
  • an electron beam is directly irradiated to the primary electron detector 34, and a time chart of electron irradiation is acquired.
  • the primary electron detection signal processing unit 35 analyzes the average number of irradiated electrons per unit time from the time chart of the detection signal of the primary electrons detected by the primary electron detector 34. Then, the primary electron detection signal processing unit 35 determines the sampling period f from the average number of electron irradiations per unit time, and generates a sampling trigger signal.
  • the sampling trigger signal is directly input from the primary electron detection signal processing unit 35 to the extraction control unit 13.
  • the detection signal extraction unit 12 extracts a detection signal based on the sampling trigger signal input to the extraction control unit 13.
  • the primary electron detector 34 directly measures the period and timing of primary electron irradiation, and the period and timing can be directly used for detection signal extraction. Thereby, the sampling period and timing can be controlled with high accuracy.
  • FIG. 11 shows a sampling condition setting flow of the fourth embodiment.
  • the electron microscope is switched to an analysis mode for sampling conditions.
  • the irradiation position of the electron beam is moved to the primary electron detector 34, which is the primary electron analysis position.
  • the primary electron detection signal processing unit 35 acquires a time chart of the primary electron detection signal.
  • step S133 the primary electron detection signal processing unit 35 analyzes the average number of irradiations of primary electrons per unit time from the primary electron detection signal time chart, and analyzes the primary electrons. A sampling period f based on the average number of electron irradiations per unit time is determined.
  • step S134 the primary electron detection signal processing unit 35 generates a sampling trigger signal with the detection signal of the primary electrons as a trigger at the sampling period f.
  • the sampling trigger signal is input from the primary electron detection signal processing unit 35 to the extraction control unit 13.
  • the extraction control unit 13 changes the electron microscope to the observation mode while holding the sampling trigger signal. Thereby, the detection signal extraction part 12 can extract a detection signal at the timing which the extraction control part 13 hold
  • primary electrons can be directly detected to set the sampling period, and a high-quality SEM image can be acquired even with a small electron irradiation amount.
  • the period of the sampling trigger signal is determined by the expression (1) based on the average number of irradiated electrons per unit time.
  • the detection signal is extracted at the sampling period f of the equation (1), and the extraction signal included in the integration section 21 is integrated.
  • the sampling period is set based on the equation (4). That is, the sampling period is set to an integer multiple of the period based on the average number of electron irradiations per unit time of the electron beam. Then, the timing at which the detection signal exceeds the predetermined threshold value 26 with the highest frequency is selected as the sampling timing from a plurality of different time charts 23, 24, and 25 offset by the timing 22. Then, the detection signal of the emitted electrons is sampled at the selected timing and at a cycle based on the average number of irradiated electrons per unit time of the electron beam (that is, the sampling cycle f in the equation (1)).
  • sampling can be performed at finer time intervals using the sampling coefficient n in the equation (4), and an optimum timing can be selected from the sampling. Therefore, the timing with the sampling period can be adjusted with high accuracy, and a high-quality SEM image can be acquired with a small amount of electron irradiation.
  • the coefficient n large, it is possible to further improve the timing adjustment accuracy with respect to the sampling period.
  • the sampling period and timing can be analyzed in advance. Specifically, in the third embodiment, the sampling timing of the detection signal is determined based on the time difference between the rising edge of the beam blanking voltage signal and the extracted signal detected first from the rising edge. Then, the detection signal is sampled at the determined timing and at a period based on the average number of irradiated electrons per unit time of the electron beam (that is, the sampling period f in the equation (1)).
  • the timing with the sampling period can be adjusted with high accuracy, and a high-quality SEM image can be obtained even with a small amount of electron irradiation. . Furthermore, this timing and sampling period can be used until the irradiation current of the electron beam is changed.
  • an electron beam is directly applied to the primary electron detector 34, and a time chart of electron irradiation is acquired.
  • the primary electron detection signal processing unit 35 analyzes the average number of electron irradiations per unit time from the time chart of the detection signal of the primary electrons detected by the primary electron detector 34, and A sampling period f based on the average number of electron irradiations per unit time is determined.
  • the primary electron detection signal processing unit 35 generates a sampling trigger signal with the detection signal of the primary electrons as a trigger at the sampling period f.
  • the sampling period can be set by directly detecting the primary electrons. Thereby, a high-quality SEM image can be acquired even with a small electron irradiation amount.
  • each control unit, each processing unit, and the like in the embodiment of the above-described electron microscope may be realized by hardware by designing a part or all of them with an integrated circuit, for example.
  • the present invention can also be realized by a program code of software that realizes the functions of each control unit and each processing unit.
  • a storage medium in which the program code is recorded is provided to an information processing apparatus such as a computer, and the computer (or CPU or MPU) reads the program code stored in the storage medium.
  • the program code itself read from the storage medium realizes the functions of the above-described embodiments, and the program code itself and the storage medium storing it constitute the present invention.
  • this invention is not limited to the Example mentioned above, Various modifications are included.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment may be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment may be added to the configuration of one embodiment.
  • the timing with the highest frequency at which the extracted signal is equal to or higher than the threshold value Vth is set as the optimal timing, but the present invention is not limited to this configuration.
  • the optimum timing may be set by other methods such as obtaining and comparing the average values of the extracted signals at each of a plurality of timings.
  • the timing with the highest frequency exceeding the threshold can be set as the optimum timing.
  • the apparatus may automatically set the timing at which the frequency of exceeding the threshold is the highest.
  • control lines and information lines in the drawings indicate what is considered necessary for the explanation, and not all control lines and information lines on the product are necessarily shown. All the components may be connected to each other.
  • Electron gun 2 Deflector 3 Objective lens 4 Detector 5 Sample 6 Sample holder 7 Stage 8 Electron gun control part 9 Deflection scanning signal control part 10 Objective lens coil control part 11 Stage control part 12 Detection signal extraction part 13 Extraction control part 14 Extraction signal processing unit 15 Image forming unit 16 Image display unit 17 Operation interface 27 Beam blanker 28 Aperture mechanism 29 Beam blanking control unit 34 Primary electron detector 35 Primary electron detection signal processing unit

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  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

　本発明の走査電子顕微鏡は、第１の検出部（４）において検出された放出電子の検出信号をサンプリングするサンプリング部（１２，１３）と、サンプリング部によってサンプリングされた複数の検出信号の平均値または積算値を算出する処理部（１４）と、複数の検出信号の平均値または積算値に基づいて画像を形成する画像形成部（１５）とを備え、試料に対する単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づき、サンプリングトリガ信号の周期（１９）を決定する。　これにより、放出電子の検出信号の取りこぼしや不要な信号の積算を抑制した効率の良い検出が可能になり、電子照射量が少ない場合でも高画質な走査電子顕微鏡像を取得することができる。

Description

電子顕微鏡および電子顕微鏡による画像形成方法
　本発明は、電子線を用いた試料形態を観察する顕微鏡技術に関し、特に放出電子の検出制御および信号処理技術に関する。
　試料の拡大観察可能な顕微鏡として電子線を用いた電子顕微鏡がある。特に、試料上で電子線を走査して撮像する走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと略す）は、微細な表面形状の観察や局所的な組成分析などの試料解析に利用されている。ＳＥＭでは、電子源に印加された電圧によって加速された電子線（以下、１次電子とする）を電子レンズで集束し、試料に照射する。集束した電子線は、偏向器により試料上を走査する。そして、電子線照射による試料からの放出電子（オージェ電子、２次電子、反射電子、もしくは２次電子と反射電子）を検出器で検出する。さらに、検出器で検出した放出電子の検出信号は、一定の周期でサンプリングされる。前記放出電子の信号のサンプリングは、走査信号に同期して実施され、２次元画像の画素に対応した抽出信号が得られる。抽出信号の強度は、画像の明るさに変換される。試料からの放出電子の放出率は、試料表面の形状により異なるため、抽出信号に差が生じ、形状を反映したコントラストが得られる。
　ＳＥＭでは、微細な表面形状の観察が最も一般的なアプリケーションである。近年、有機材料や生体材料などのソフトマテリアルを含む試料がＳＥＭの観察対象となる事例が増えている。対象がソフトマテリアルを含む場合、電子線照射によって試料が帯電し、観察中の画像ドリフトや形状コントラストの喪失といった像障害が問題となる。さらには、電子線照射によって試料にダメージが生じるため、シュリンクといった試料の形状変化も問題となる。そのため、数百Ｖの電子線を用いる低加速ＳＥＭが実用化されている。低加速ＳＥＭにおいても、電子線の走査速度を遅くした高画質観察やナノ分解能での高倍観察では、電子照射量が増加し、電子線照射による帯電やダメージの影響が顕在化する。そのため、電子線の低加速化に加え、少ない電子照射量での観察が求められる。
　通常、ＳＥＭでは、同一箇所を複数回走査し、各走査で得られる抽出信号の積算により、画質を向上させる。また、抽出信号の積算以外の方法として、特許文献１には、走査速度や観察領域のサイズに応じて放出電子の検出信号をサンプリングする回数を制御し、高解像ＳＥＭ像を取得する方法が開示されている。
特開２００６－１３９９６５号公報
　試料に対して照射される電子の個数は、観察視野、電子線の走査速度、照射電流、信号の積算数に依存する。例えば、信号の積算数を増やしたり、走査速度を遅くして、高画質で観察した場合、同一画素内で電子は１００個以上照射される。１００個以上の照射で得られる放出電子の検出信号を、通常、１０回程度サンプリングする。１００個以上の電子照射量では、サンプリングの回数より照射した電子の数の方が多く、積算数に応じた高いＳＮ比（Ｓｉｇｎａｌ　ｔｏ　ｎｏｉｓｅ　ｒａｔｉｏ）を有する画像が得られる。
　しかしながら、電子線による帯電やダメージが顕著な試料を観察するため、同一画素内に照射する電子を１から数十個と少なくした場合、サンプリングの回数と照射した電子の数が同等もしくは、電子の数の方が小さくなる。そのため、検出信号を取りこぼしたり、電子が照射されていないときの信号を抽出してしまうため、ＳＮ比が低下し、画質が悪化する。また、この同一画素内に照射する電子の数が少ない場合、積算数を増やしても、電子が照射されていない不要な信号を積算することになり、画質が向上しない。
　本発明は、上記課題を解決するために、少ない電子照射量で高画質なＳＥＭ像を得る電子顕微鏡および電子顕微鏡の画像形成方法を提供する。
　上記課題を解決するには、放出電子の検出信号の取りこぼしや不要な信号検出を抑えた、検出のサンプリングを制御することが重要となる。上記課題を解決するために、本発明の電子顕微鏡は、電子線を試料に照射する照射部と、前記電子線の照射を制御する制御部と、前記電子線の照射位置において前記試料から放出する放出電子を検出する第１の検出部と、前記電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づいて、前記第１の検出部において検出された前記放出電子の検出信号をサンプリングするサンプリング部と、前記サンプリング部によってサンプリングされた複数の検出信号の平均値または積算値を算出する処理部と、前記複数の検出信号の平均値または積算値に基づいて画像を形成する画像形成部と、を備える。本発明の電子顕微鏡によれば、効率的に検出信号をサンプリングできるため、少ない電子照射量であっても、放出電子の検出信号の取りこぼしや不要な信号の積算を抑制でき、高画質なＳＥＭ像が提供できる。
　また、本発明によれば、電子顕微鏡の画像形成方法が提供される。本発明の電子顕微鏡の画像形成方法は、電子線を試料に照射するステップと、前記電子線の照射を制御するステップと、前記電子線の照射位置において前記試料から放出する放出電子を検出するステップと、前記電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づいて前記放出電子の検出信号をサンプリングするステップと、サンプリングされた複数の検出信号の平均値または積算値を算出するステップと、前記複数の検出信号の平均値または積算値に基づいて画像を形成するステップと、を含む。
　なお、本発明は、前記電子線を連続的に試料に照射する電子顕微鏡、および前記電子線を断続的に試料に照射する電子顕微鏡のいずれの装置にも適用することができる。
　また、本発明では、前記放出電子の検出信号をサンプリングする周期とタイミングを、前記放出電子の検出信号のタイムチャート、もしくは前記試料に照射する電子線を検出したタイムチャートのうちいずれかにより決定することができる。放出電子の検出信号のタイムチャートを用いる構成の場合、本発明の電子顕微鏡は、放出電子の検出信号のサンプリング条件を解析するサンプリング条件解析部と、前記サンプリング条件に基づいて放出電子の検出信号をサンプリングするサンプリング制御部とを備える。これにより、電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づく周期を、放出電子の検出信号のタイムチャートから解析的に得ることが可能となる。
　また、電子線を検出したタイムチャートを用いる構成の場合、本発明の電子顕微鏡は、電子線を検出する第２の検出部と、前記第２の検出部によって検出された検出信号に基づいて前記サンプリング部にサンプリングトリガ信号を入力する信号処理部とを備える。これにより、電子線の検出信号をトリガとして、電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づく周期で、放出電子のサンプリングのための信号を生成し、放出電子の検出信号をサンプリングすることができる。
　また、本発明では、前記電子線の単位時間あたりの平均的な電子の照射個数を電子線の照射電流により決定することができる。
　また、通常ＳＥＭで用いる単位時間あたりの平均的な電子の照射個数は、１０９個から１０６個／ｓの範囲であるため、前記放出電子の検出信号のサンプリングする周期を、１ＧＨｚから１０ＭＨｚの範囲内に設定するのがよい。
　本発明によれば、少ない電子照射量の観察条件下においても、高画質で画像化する電子顕微鏡が提供できる。
　本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
第１実施例による電子顕微鏡の一例を示す構成図である。 第１実施例の放出電子の検出信号を処理する方法の一例を示す説明図である。 第１実施例の放出電子の検出信号を処理する方法の一例を示す説明図である。 第１実施例のサンプリング条件の設定フローの一例を示す説明図である。 第１実施例の観察条件で取得した画像の一例である。 任意に設定した観察条件で取得した画像の一例である。 第２実施例の放出電子の検出信号を処理する方法の一例を示す説明図である。 第２実施例の画像形成条件の設定フローの一例を示す説明図である。 第２実施例の電子顕微鏡の一例を示す構成図である。 第３実施例の画像形成条件の設定フローの一例を示す説明図である。 第３実施例の画像形成条件の設定操作ＧＵＩの一例を示す図である。 第４実施例の電子顕微鏡の一例を示す構成図である。 第４実施例のサンプリング条件の設定フローの一例を示す説明図である。
　以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。なお、添付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。
＜第１実施例＞
　本実施例では、放出電子の検出信号のサンプリング周期を制御して画像を形成する装置および方法について述べる。図１は、本発明の第１実施例である電子顕微鏡の構成図を示す。なお、本実施例では、例として走査電子顕微鏡を用いているが、断続的な電子線を用いた電子顕微鏡であっても構わない。
　走査電子顕微鏡は、電子光学系と、ステージ機構系と、ＳＥＭ制御系と、信号処理系と、ＳＥＭ操作系とにより構成されている。電子光学系は、電子銃１と、偏向器２と、対物レンズ３と、検出器４とを備える。ステージ機構系は、試料５を設置する試料ホルダ６と、傾斜制御可能で且つＸＹＺ軸方向に移動可能なステージ７とを備える。
　ＳＥＭ制御系は、電子銃制御部８と、偏向走査信号制御部９と、対物レンズコイル制御部１０と、ステージ制御部１１とを備える。また、信号処理系は、検出信号抽出部１２と、抽出制御部１３と、抽出信号処理部１４と、画像形成部１５とを備える。本実施例では、検出器４で検出された放出電子をサンプリングするサンプリング部は、検出信号抽出部１２と抽出制御部１３とで構成され、抽出制御部１３が、放出電子の検出信号のサンプリング条件を解析するサンプリング条件解析部と、前記サンプリング条件に基づいて放出電子の検出信号をサンプリングするサンプリング制御部とを備える。さらに、操作系は、画像表示部１６と、操作インターフェース１７とを備える。
　走査電子顕微鏡では、電子銃１からの電子線を対物レンズ３で集束し、試料ホルダ６上の試料５に照射する。また、電子線は、偏向器２により試料５上を走査する。そして、電子線照射による試料５からの放出電子を検出器４で検出する。検出信号抽出部１２は、検出器４で得られるアナログの検出信号から、あるサンプリング周期で検出信号を抽出する。ここで、検出信号を抽出するためのサンプリング周期は、抽出制御部１３によって制御される。また、抽出信号処理部１４は、検出信号抽出部１２によって抽出された信号を積算する。なお、抽出信号処理部１４は、検出信号抽出部１２によって抽出された信号の平均値を計算してもよい。画像形成部１５は、抽出された信号の積算値または平均値に基づいて画像を形成し、画像表示部１６がＳＥＭ像を表示する。
　本実施例では、電子照射量を照射電流Ｉｐで制御する。電子銃制御部８が、照射電流Ｉｐを制御することによって、電子銃１から放出される放出電流を制御する。すなわち、電子銃制御部８が、照射電流Ｉｐを制御することによって、単位時間当たりの平均的な電子の照射個数が制御される。
　図２Ａおよび図２Ｂは、本実施例の放出電子の検出信号を処理する方法の概念図である。図２Ａは、横軸に時間、縦軸にサンプリングトリガ信号をとったタイムチャート１８を示す。また、図２Ｂは、横軸に時間、縦軸に抽出信号をとったタイムチャート２０を示す。
　本実施例において、サンプリングトリガ信号の周期は、単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づき（１）式で決定する。
　　　　ｆ＝Ｉｐ／ｅ　　　　　　　　　　　　　　　　（１）
　ここで、ｆは、図２Ａに示すサンプリング周期１９であり、ｅは、素電荷である。このように、電子銃１からの電子が照射電流Ｉｐによって制御されている構成では、電子線の照射電流Ｉｐを用いて、サンプリング周期を求めることができる。
　（１）式に基づいてサンプリング周期ｆが求められると、図２Ａのタイムチャート１８に示すように、サンプリング周期１９で検出信号を抽出する。さらに、図２Ｂの抽出信号のタイムチャート２０に示すように、積算区間２１に含まれる抽出信号を積算し、画質を向上させる。ここで、積算区間２１は、観察条件として設定される信号の積算数によって決定される。
　図３は、本実施例におけるサンプリング条件の設定フローを示す。ステップＳ１００において、予め、観察条件を設定する。これらの観察条件は、操作インターフェース１７を介して電子顕微鏡に設定される。なお、本実施例の観察条件は、加速電圧Ｖａ、観察視野Ｍ、照射電流Ｉｐ、積算数Ｎａとした。本実施例では、Ｖａ＝３００ｅＶ、Ｍ＝８０ｎｍ、Ｉｐ＝５．３ｐＡとし、積算数Ｎａ＝６０とした。
　次に、ステップＳ１０１において、サンプリング周期を電子顕微鏡（すなわち、抽出制御部１３）に設定する。サンプリング周期ｆは、（１）式によって求められる。Ｉｐ＝５．３ｐＡの場合、ｆは３３ＭＨｚである。ここで、サンプリング周期ｆは、放出電子の信号検出系の帯域以下であることが望ましい。
　また、本発明では、画素ごとに、指定した積算数で検出信号を積算処理する必要があり、電子線の走査速度は、サンプリング周期ｆと積算数Ｎａに依存する。したがって、ステップＳ１０２において、観察条件やサンプリング条件によって電子線の走査速度を設定する。電子線の走査速度Ｖは、以下の（２）式により求められる。
　　　　Ｖ＝Ｓｐ／ｔｐ　　　　　　　　　　　　　　　　（２）
　ここで、Ｓｐは画素サイズであり、ｔｐは１画素あたりの取得時間である。画素サイズＳｐは、観察視野を画素数で割ることで算出できる。１画素あたりの取得時間ｔｐは、以下の（３）式より算出できる。
　　　　ｔｐ＝１／（ｆ×Ｎａ）　　　　　　　　　　　　　　　　（３）
　ここで、ｆはサンプリング周期１９であり、Ｎａは前記積算数である。以上の処理によってサンプリング条件の設定が終了する（Ｓ１０３）。その後、検出信号抽出部１２は、抽出制御部１３からの制御によって、サンプリング周期ｆで検出信号を抽出する。その後、抽出信号処理部１４は、検出信号抽出部１２によって抽出された信号を積算し、画像形成部１５は、抽出された信号の積算値に基づいて画像を形成する。
　図４Ａは、図３のフローで設定した放出電子の検出信号のサンプリング周期１９（ｆ＝３３ＭＨｚ）で取得した画像である。また、図４Ｂは、任意に設定した放出電子の検出信号のサンプリング周期（ｆ＝３．３ＭＨｚ）での画像である。図４Ｂは、ノイズ成分が多く画質が悪いのに対し、図４Ａは、ノイズ成分が少なく、画質が向上している。
　このように、本実施例によれば、単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づいて放出電子の信号を効率よくサンプリングできるため、少ない電子照射量でも高画質ＳＥＭ像を取得することができる。
　なお、通常ＳＥＭで用いる単位時間あたりの平均的な電子の照射個数は、１０９個から１０６個／ｓの範囲であるため、放出電子の検出信号のサンプリングする周期を、１ＧＨｚから１０ＭＨｚの範囲内に設定するのが好ましい。
＜第２実施例＞
　本実施例では、放出電子の検出信号のサンプリング周期を制御して画像を形成する装置および方法について述べる。なお、本実施例における電子顕微鏡の構成は、第１実施例と同様の構成を使用するため、説明を省略する。図５は、本実施例の放出電子の検出信号を処理する方法の概念図を示す。図５の一番上の図は、横軸に時間、縦軸にサンプリングトリガ信号をとったタイムチャート１８を示す。また、図５における残りの３つの図は、横軸に時間、縦軸に抽出信号をとったタイムチャート２３、２４、２５を示す。
　本実施例では、サンプリング周期１９を、以下の（４）式に基づき設定する。
　　　　ｆ＝ｎ×Ｉｐ／ｅ　　　　　　　　　　　　　　　　（４）
　ここで、ｎはサンプリング係数であり、整数である。本実施例ではｎ＝３を用いた。放出電子の検出信号は、電子の平均的な照射数より高い頻度でサンプリングされる。ここでは、図５のタイムチャート１８には、係数ｎ＝３を用いて得られたサンプリング周期１９が示されている。
　本実施例では、サンプリング周期１９でサンプリングした検出信号の抽出信号のタイムチャートから、（１）式の周期で再度抽出する。この際、サンプリング係数に依存して、サンプリングのタイミング２２ずつオフセットした３つの異なるタイムチャート２３、２４、２５が得られる。タイムチャート２３、２４、２５において、実線の部分が信号を抽出するタイミングを示している。本実施例におけるサンプリングのタイミング２２は、パルス状の検出信号からの遅れ時間で定義している。この遅れ時間が最少となるタイミングが、最適なサンプリングのタイミングである。
　本実施例では、最適なサンプリングのタイミングを判定するため、タイムチャート２３、２４、２５において抽出信号が閾値２６以上となる頻度を解析する。ここで、閾値２６は、電子線を遮断したときに生じるノイズ以上で、かつ、電子１個を検出したときの信号電圧以下であることが望ましい。ここで、電子１個を検出したときの信号電圧は、量子化された検出信号の抽出信号の検出電圧ピッチにより求まる。この例では、タイミングの異なる検出信号の抽出信号のタイムチャート２３、２４、２５のうち、閾値２６を超える頻度が最も高いタイミングが、パルス状の検出信号からの遅れ時間が最少となるタイミングとする。
　図５の例では、検出信号の抽出信号のタイムチャート２４のタイミングが、閾値２６を超える頻度が最も高いため、最適なサンプリングのタイミングである。ここで、タイミングの調整量はサンプリング係数ｎに依存するため、ｎが大きいほど調整精度が向上する。本実施例によれば、サンプリングのタイミングを補正することが可能となる。
　図６は、本実施例の画像形成条件の設定フローを示す。第１実施例と同様に、画像取得前に、ステップＳ１１０において、観察条件（加速電圧Ｖａ、観察視野Ｍ、照射電流Ｉｐ、積算数Ｎａ）を設定する。次に、ステップＳ１１１において、サンプリング条件の解析条件（サンプリング係数ｎ、検出信号の抽出値の閾値Ｖｔｈ）を設定する。ここで、閾値Ｖｔｈは、図５の閾値２６に対応するものである。これらの条件は、例えば、操作インターフェース１７を介して抽出制御部１３に設定される。
　次に、ステップＳ１１２において、設定した照射電流Ｉｐとサンプリング係数ｎから（４）式に基づいて、サンプリング周期ｆを電子顕微鏡に（すなわち、抽出制御部１３）に設定する。次に、ステップＳ１１３において、画素に対応した電子線の照射位置に移動する。本実施例において、電子線の照射位置は走査によって制御する。
　次に、ステップＳ１１４において、検出信号抽出部１２は、抽出制御部１３からの制御によって、サンプリング周期ｆ（＝ｎ×ｆｅ）でサンプリングする。ここで、ｆｅ＝Ｉｐ／ｅである。さらに、ステップＳ１１５において、抽出制御部１３は、図５で説明したやり方で、抽出信号が閾値Ｖｔｈ以上となる頻度が最も高いタイミングを解析し、最適なタイミングを判定する。次に、ステップ１１６において、検出信号抽出部１２は、最適なタイミングでの抽出信号のみを抽出し、抽出信号処理部１４は、それら抽出信号を積算する。
　その後、再度、ステップＳ１１３に戻り、画素に対応した電子線の照射位置に移動する。そして、ステップＳ１１４～１１６を実行して、最適なタイミングの判定と、検出信号の積算とを繰り返し実行する。最終的に、ステップＳ１１７において、画像形成部１５は、画素ごとに積算した信号により、画像を形成する。
　このように、本実施例によれば、サンプリング周期とのタイミングを高精度に調整することができ、少ない電子照射量でも高画質ＳＥＭ像を取得することができる。
＜第３実施例＞
　本実施例では、予めサンプリングの周期とタイミングを解析する方法とサンプリングの周期とタイミングを解析する機能を備えた装置について述べる。図７は、本実施例における電子顕微鏡の構成図を示す。
　図７の構成は、第１実施例で示した図１の構成に対して、ビームブランカ２７と、絞り機構２８と、ビームブランキング制御部２９とが追加された構成となっている。ビームブランカ２７は、例えば、電子線を偏向させる偏向器などであり、絞り機構２８は、電子線を通過させるための経路（孔など）を有するものである。したがって、ビームブランキング制御部２９でビームブランカ２７を制御することにより、電子銃１からの電子線を絞り機構２８の経路を通過させたり、通過させなかったりすることが可能となる。これにより、図７に示すように断続的な電子線の照射が可能となる。
　電子線の断続条件（照射時間、照射回数、照射間の間隔時間）は、ビームブランカ２７に印加するビームブンキング電圧信号で制御できる。本実施例では、ビームブランキング制御部２９が、時間を管理する基準信号であるクロック信号と同期して、ビームブランキング電圧信号を制御する。
　本実施例の特徴は、断続的な電子線の照射を用いたサンプリングの周期とタイミングを解析できる点にある。以下に、サンプリングの周期とタイミングを解析する方法について説明する。図８は、サンプリングの周期とタイミングを解析するフローである。
　まず、ステップＳ１２０において、電子顕微鏡をサンプリング条件の解析モードに切り替える。このとき、サンプリングの周期とタイミングを設定する操作ＧＵＩが起動し、操作ＧＵＩが画像表示部１６に表示される。この操作ＧＵＩの詳細については後述する。
　次に、ステップＳ１２１において、操作ＧＵＩ上において、観察条件（加速電圧Ｖａ、観察視野Ｍ、照射電流Ｉｐ、積算数Ｎａ）を入力する。さらに、ステップＳ１２２において、サンプリング条件の解析条件（サンプリング係数ｎ、検出信号の抽出値の閾値Ｖｔｈ）を入力する。
　次に、ステップＳ１２３において、（４）式に基づいて、設定した照射電流Ｉｐとサンプリング係数ｎから解析用サンプリング周期ｆを設定する。この解析用サンプリング周期ｆは、例えば、抽出制御部１３に設定される。次に、ステップＳ１２４において、サンプリング条件を解析するために、電子線を照射する解析位置を設定する。解析位置は、観察領域であっても、観察領域外であっても構わない。固定した解析位置に断続的な電子線を照射する。
　次に、ステップＳ１２５において、検出信号抽出部１２は、抽出制御部１３からの制御によって、解析用サンプリング周期ｆで放出電子の検出信号を抽出する。次に、ステップＳ１２６において、第２実施例と同様に、タイミングの異なる抽出信号の複数のタイムチャートから、抽出信号の閾値（Ｖｔｈ）以上となる頻度の解析することによって、サンプリングのタイミングを解析する。ここで、まず、上述の第２実施例と同様に、抽出信号の閾値（Ｖｔｈ）以上となる頻度が最も高いタイミングを選択する。ここで、本実施例におけるサンプリングのタイミングは、ビームブランキング電圧信号の立ち上がり時を基準とする。サンプリングのタイミングは、断続的な照射の間において、ビームブランキング電圧信号の立ち上がり時から最初に検出される抽出信号までの遅れ時間で定義した。
　本実施例では、ビームブランキング電圧信号の立ち上がり時から最初に検出される抽出信号までの遅れ時間が解析された後、その遅れ時間後からは（１）式のサンプリング周期ｆでサンプリングすればよい。すなわち、本実施例では、画素ごとにサンプリングのタイミングを解析する必要がない。したがって、ステップＳ１２７においては、上述のように得られたサンプリングのタイミングを抽出制御部１３に設定し、さらに、観察に用いるサンプリングの周期として（１）式のサンプリング周期ｆを抽出制御部１３に設定する。
　そして、ステップＳ１２８において、これらのサンプリング条件（サンプリング周期ｆとタイミング）で、電子顕微鏡を観察モードに切り替えて、サンプリングトリガ信号を発生させる。なお、このサンプリングトリガ信号は、電子線の照射電流を変更するまで使用できる。また、本実施例で解析したサンプリング条件は、走査電子顕微鏡もしくは断続的な電子線による電子顕微鏡の画像形成に適用できる。
　次に、サンプリングの周期とタイミングを設定する操作ＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃ　Ｕｓｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）について説明する。図９は、画像表示部１６に表示される操作ＧＵＩを示す。操作ＧＵＩは、観察条件入力ウィンドウ３０と、解析条件入力ウィンドウ３１と、解析タイムチャートウィンドウ３２と、サンプリング解析結果ウィンドウ３３とを備える。
　観察条件とサンプリング条件の解析条件は、観察条件入力ウィンドウ３０およびサンプリング条件の解析条件入力ウィンドウ３１に入力することができる。例えば、観察条件入力ウィンドウ３０では、加速電圧Ｖａ、観察視野Ｍ、照射電流Ｉｐ、積算数Ｎａを設定する。また、解析条件入力ウィンドウ３１では、サンプリング係数ｎ、検出信号の抽出値の閾値Ｖｔｈを設定する。
　解析タイムチャートウィンドウ３２には、横軸に時間、縦軸にブランキング電圧信号をとったタイムチャート３２ａと、横軸に時間、縦軸に抽出信号をとったタイムチャート３２ｂが表示される。図９に示すように、ビームブランキング電圧信号の立ち上がりと、断続的な照射の中で最初に検出される抽出信号との間の時間差により、サンプリングのタイミング３２ｃを解析することができる。また、サンプリング解析結果ウィンドウ３３には、サンプリング条件が表示される。この例では、タイミングごとに（２．５ｎｓ、５ｎｓ、７．５ｎｓ）、閾値Ｖｔｈを超えた頻度が表示されている。ユーザは、この中で閾値を越えた頻度が最も多いタイミングを最適なタイミングとして設定することができる。この構成によれば、ユーザが、各タイミングについて閾値を越えた頻度を確認しながら、最適なタイミングを設定することができる。例えば、閾値を超えた頻度の値が近い２つ以上のタイミングが表示された場合、再解析を行って、より最適なタイミングを選択できる。この場合、ユーザは、解析条件入力ウィンドウ３１の閾値Ｖｔｈを設定し直して、「再解析」ボタンを押すことによって、再解析を行うことができる。
　このように、本実施例によれば、サンプリング周期とのタイミングを高精度に調整することができ、少ない電子照射量でも高画質ＳＥＭ像が取得することができる。
＜第４実施例＞
　本実施例では、放出電子の検出信号のサンプリング周期を制御して画像を形成する方法と装置について述べる。図１０は、本実施例における電子顕微鏡の構成例を示す。
　図１０の構成は、第１実施例で示した図１の構成に対して、第二の検出部である１次電子検出器３４と、１次電子検出信号処理部３５とが追加された構成となっている。そして、１次電子検出信号処理部３５が、抽出制御部１３に電気的に接続されている。
　本実施例では、電子線を１次電子検出器３４に直接照射し、電子の照射のタイムチャートを取得する。１次電子検出信号処理部３５は、１次電子検出器３４によって検出された１次電子の検出信号のタイムチャートから、単位時間当たりの平均的な電子の照射数を解析する。そして、１次電子検出信号処理部３５は、単位時間当たりの平均的な電子の照射数からサンプリング周期ｆを決定し、サンプリングトリガ信号を発生させる。このサンプリングトリガ信号は、１次電子検出信号処理部３５から抽出制御部１３に直接入力される。検出信号抽出部１２は、抽出制御部１３に対して入力されたサンプリングトリガ信号に基づいて、検出信号を抽出する。
　第１実施例乃至第３実施例においては、（１）式によって、解析的にサンプリング周期を設定する方法について説明した。これに対して、本実施例によれば、１次電子検出器３４で１次電子の照射の周期とタイミングを直接計測し、その周期とタイミングをそのまま検出信号の抽出に利用できる。これにより、サンプリング周期とタイミングを高精度に制御できる。
　図１１は、第４実施例のサンプリング条件の設定フローを示す。まず、ステップＳ１３０において、電子顕微鏡をサンプリング条件の解析モードに切り替える。次に、ステップＳ１３１において、電子線の照射位置を、１次電子の解析位置である１次電子検出器３４に移動する。次に、ステップＳ１３２において、１次電子検出信号処理部３５が、１次電子の検出信号のタイムチャートを取得する。
　さらに、ステップＳ１３３において、１次電子検出信号処理部３５は、１次電子の検出信号のタイムチャートから、１次電子の単位時間当たりの平均的な電子の照射数を解析し、１次電子の単位時間当たりの平均的な電子の照射数に基づくサンプリング周期ｆを決定する。次に、ステップＳ１３４において、１次電子検出信号処理部３５は、サンプリング周期ｆで、１次電子の検出信号をトリガにして、サンプリングトリガ信号を発生させる。なお、このサンプリングトリガ信号は、１次電子検出信号処理部３５から抽出制御部１３に入力される。そして、ステップＳ１３５において、抽出制御部１３がサンプリングトリガ信号を保持した状態で、電子顕微鏡を観察モードに変更する。これにより、検出信号抽出部１２は、抽出制御部１３が保持したタイミングで検出信号を抽出することができる。
　このように、本実施例によれば、１次電子を直接検出してサンプリング周期を設定でき、少ない電子照射量でも高画質ＳＥＭ像が取得することができる。
＜まとめ＞
　第１実施例によれば、サンプリングトリガ信号の周期は、単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づき（１）式で決定される。第１実施例によれば、（１）式のサンプリング周期ｆで検出信号を抽出し、積算区間２１に含まれる抽出信号を積算する。このように、第１実施例によれば、単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づいて放出電子の信号を効率よくサンプリングでき、放出電子の検出信号の取りこぼしや不要な信号の積算を抑制できる。これにより、少ない電子照射量であっても高画質なＳＥＭ像を取得することができる。
　第２実施例によれば、まず、サンプリング周期を（４）式に基づき設定する。すなわち、サンプリング周期を、電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づく周期の整数倍に設定する。そして、タイミング２２ずつオフセットした複数の異なるタイムチャート２３、２４、２５から、検出信号が最も高い頻度で所定の閾値２６を越えるタイミングを、サンプリングのタイミングとして選択する。そして、選択されたタイミングで、かつ電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づく周期（すなわち、（１）式のサンプリング周期ｆ）で、放出電子の検出信号をサンプリングする。
　第２実施例によれば、（４）式のサンプリング係数ｎによってより細かい時間間隔でサンプリングを行い、その中から最適なタイミングを選択することができる。したがって、サンプリング周期とのタイミングを高精度に調整することができ、少ない電子照射量でも高画質ＳＥＭ像を取得することができる。また、係数ｎを大きく設定することにより、サンプリング周期とのタイミングの調整精度をより向上させることもできる。
　第３実施例によれば、断続的な電子線を用いた電子顕微鏡において、予めサンプリングの周期とタイミングを解析することができる。詳細には、第３実施例では、ビームブランキング電圧信号の立ち上がり時と、立ち上がり時から最初に検出される抽出信号との間の時間差に基づいて、検出信号のサンプリングのタイミングを決定する。そして、決定されたタイミングで、かつ電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づく周期（すなわち、（１）式のサンプリング周期ｆ）で、検出信号をサンプリングする。
　第３実施例によれば、断続的な電子線を用いた電子顕微鏡において、サンプリング周期とのタイミングを高精度に調整することができ、少ない電子照射量でも高画質ＳＥＭ像が取得することができる。さらに、このタイミングおよびサンプリング周期は、電子線の照射電流を変更するまで使用することができる。
　第４実施例によれば、電子線を１次電子検出器３４に直接照射し、電子の照射のタイムチャートを取得する。１次電子検出信号処理部３５は、１次電子検出器３４によって検出された１次電子の検出信号のタイムチャートから、単位時間当たりの平均的な電子の照射数を解析し、１次電子の単位時間当たりの平均的な電子の照射数に基づくサンプリング周期ｆを決定する。そして、１次電子検出信号処理部３５は、サンプリング周期ｆで、１次電子の検出信号をトリガにして、サンプリングトリガ信号を発生させる。
　第４実施例によれば、放出電子の検出信号から解析的にサンプリング周期を得る必要がなく、１次電子を直接検出してサンプリング周期を設定できる。これにより、少ない電子照射量でも高画質ＳＥＭ像が取得することができる。
　また、上記の電子顕微鏡の実施例の各制御部および各処理部等は、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、本発明は、各制御部および各処理部の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードによっても実現できる。この場合、プログラムコードを記録した記憶媒体をコンピュータなどの情報処理装置に提供し、そのコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出す。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施例の機能を実現することになり、そのプログラムコード自体、およびそれを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。
　なお、本発明は上述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、上述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、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　第２実施例では、抽出信号が閾値Ｖｔｈ以上となる頻度が最も高いタイミングを、最適なタイミングとして設定しているが、この構成に限定されない。例えば、複数のタイミングのそれぞれにおいて抽出信号の平均値を求めて比較するなど、他の方法で、最適なタイミングを設定してもよい。
　図９に示すように、操作ＧＵＩ上において、閾値を越えた頻度が最も多いタイミングを最適なタイミングとして設定することができる。この構成に限定されず、例えば、装置が、閾値を越えた頻度が最も多いタイミングを自動的に設定してもよい。
　また、図面における制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。全ての構成が相互に接続されていてもよい。
１　電子銃
２　偏向器
３　対物レンズ
４　検出器
５　試料
６　試料ホルダ
７　ステージ
８　電子銃制御部
９　偏向走査信号制御部
１０　対物レンズコイル制御部
１１　ステージ制御部
１２　検出信号抽出部
１３　抽出制御部
１４　抽出信号処理部
１５　画像形成部
１６　画像表示部
１７　操作インターフェース
２７　ビームブランカ
２８　絞り機構
２９　ビームブランキング制御部
３４　１次電子検出器
３５　１次電子検出信号処理部

Claims (14)

  1. 　電子線を試料に照射する照射部と、
    　前記電子線の照射を制御する制御部と、
    　前記電子線の照射位置において前記試料から放出する放出電子を検出する第１の検出部と、
    　前記電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づいて、前記第１の検出部において検出された前記放出電子の検出信号をサンプリングするサンプリング部と、
    　前記サンプリング部によってサンプリングされた複数の検出信号の平均値または積算値を算出する処理部と、
    　前記複数の検出信号の平均値または積算値に基づいて画像を形成する画像形成部と、
    を備えることを特徴とする電子顕微鏡。
  2. 　請求項１に記載の電子顕微鏡において、
    　前記サンプリング部は、
    　前記放出電子の検出信号のサンプリング条件を解析するサンプリング条件解析部と、
    　前記サンプリング条件に基づいて前記検出信号をサンプリングするサンプリング制御部と、
    を備えることを特徴とする電子顕微鏡。
  3. 　請求項２に記載の電子顕微鏡において、
    　前記サンプリング条件解析部は、前記サンプリング条件としての前記検出信号のサンプリング周期を、前記電子線の照射電流によって決定することを特徴とする電子顕微鏡。
  4. 　請求項２に記載の電子顕微鏡において、
    　前記サンプリング条件解析部は、
    　前記検出信号のサンプリング周期を、前記電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づく周期の整数倍に設定し、
    　複数の異なるタイミングから、前記検出信号が最も高い頻度で所定の閾値を越えるタイミングを、前記検出信号のサンプリングのタイミングとして選択し、
    　前記サンプリング制御部は、前記選択されたタイミングで、かつ前記電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づく周期で、前記検出信号をサンプリングすることを特徴とする電子顕微鏡。
  5. 　請求項２に記載の電子顕微鏡において、
    　前記照射部は、断続的な電子線を前記試料に照射し、
    　前記サンプリング条件解析部は、前記断続的な電子線の照射を制御するための信号の立ち上がり時間と前記立ち上がり時間後に最初に所定の閾値を超える前記検出信号との間の時間差に基づいて、前記検出信号のサンプリングのタイミングを決定し、
    　前記サンプリング制御部は、前記決定されたタイミングで、かつ前記電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づく周期で、前記検出信号をサンプリングすることを特徴とする電子顕微鏡。
  6. 　請求項１に記載の電子顕微鏡において、
    　前記電子線を検出する第２の検出部と、
    　前記第２の検出部によって検出された検出信号に基づいて前記サンプリング部にサンプリングトリガ信号を入力する信号処理部と、
    を更に備え、
    　前記信号処理部は、前記電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射数に基づくサンプリング周期で、サンプリングトリガ信号を前記サンプリング部に入力することを特徴とする電子顕微鏡。
  7. 　請求項１に記載の電子顕微鏡において、
    　前記検出信号のサンプリング周期が、１ＧＨｚから１０ＭＨｚまでの範囲内であることを特徴とする電子顕微鏡。
  8. 　電子線を試料に照射するステップと、
    　前記電子線の照射を制御するステップと、
    　前記電子線の照射位置において前記試料から放出する放出電子を検出するステップと、
    　前記電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づいて前記放出電子の検出信号をサンプリングするステップと、
    　サンプリングされた複数の検出信号の平均値または積算値を算出するステップと、
    　前記複数の検出信号の平均値または積算値に基づいて画像を形成するステップと、
    を含むことを特徴とする電子顕微鏡の画像形成方法。
  9. 　請求項８に記載の電子顕微鏡の画像形成方法において、
    　前記サンプリングするステップは、
    　前記放出電子の検出信号のサンプリング条件を解析するステップと、
    　前記サンプリング条件に基づいて前記検出信号をサンプリングするステップと、
    を含むことを特徴とする電子顕微鏡の画像形成方法。
  10. 　請求項９に記載の電子顕微鏡の画像形成方法において、
    　前記解析するステップは、前記検出信号のサンプリング周期を前記電子線の照射電流によって決定することを特徴とする電子顕微鏡の画像形成方法。
  11. 　請求項９に記載の電子顕微鏡の画像形成方法において、
    　前記解析するステップは、
    　前記検出信号のサンプリング周期を、前記電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づく周期の整数倍に設定することと、
    　複数の異なるタイミングから、前記検出信号が最も高い頻度で所定の閾値を越えるタイミングを、前記検出信号のサンプリングのタイミングとして選択することと、
    を含み、
    　前記サンプリングするステップは、前記選択されたタイミングで、かつ前記電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づく周期で、前記検出信号をサンプリングすることを含むことを特徴とする電子顕微鏡の画像形成方法。
  12. 　請求項９に記載の電子顕微鏡の画像形成方法において、
    　前記照射するステップは、断続的な電子線を前記試料に照射し、
    　前記解析するステップは、前記断続的な電子線の照射を制御するための信号の立ち上がり時間と前記立ち上がり時間後に最初に所定の閾値を超える前記検出信号との間の時間差に基づいて、前記検出信号のサンプリングのタイミングを決定することを含み、
    　前記サンプリングするステップは、前記決定されたタイミングで、かつ前記電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づく周期で、前記検出信号をサンプリングすることを含むことを特徴とする電子顕微鏡の画像形成方法。
  13. 　請求項８に記載の電子顕微鏡の画像形成方法において、
    　前記電子線を検出するステップと、
    　前記検出された電子線の検出信号に基づいてサンプリングトリガ信号を発生させるステップと、
    を更に含み、
    　前記サンプリングトリガ信号を発生させるステップは、前記電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射数に基づくサンプリング周期で、サンプリングトリガ信号を発生させ、
    　前記サンプリングするステップは、前記サンプリングトリガ信号に基づいて前記放出電子の検出信号をサンプリングすることを特徴とする電子顕微鏡の画像形成方法。
  14. 　請求項８に記載の電子顕微鏡の画像形成方法において、
    　前記検出信号のサンプリング周期が、１ＧＨｚから１０ＭＨｚまでの範囲内であることを特徴とする電子顕微鏡の画像形成方法。
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