WO2015186202A1 - 走査型電子顕微鏡装置 - Google Patents

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Inventor
中村　洋平
俊 大島
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株式会社日立製作所
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    • H01J37/26—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes
    • H01J37/28—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes with scanning beams

Definitions

  • the present invention relates to a scanning electron microscope apparatus.
  • a scanning electron microscope is used for observing the microstructure of the surface and cross section of a sample.
  • SEM scanning electron microscope
  • a primary electron beam generated by an electron gun is irradiated to an observation point of a sample by an electron lens, and electrons generated by the interaction with the primary electron beam are observed by a detector provided in the apparatus.
  • SE secondary electrons
  • BSE backscattered electrons
  • SE reflects the unevenness information of the sample
  • BSE reflects the composition information of the sample.
  • BSE is widely distributed from several tens of eV to several tens of keV, and information on the distribution represents sample information.
  • Patent Document 1 a method for measuring a signal energy distribution by changing a threshold value of signal electron energy detected by a detector for each scanning of an electron beam is disclosed. There was a problem of increasing.
  • the pulse waveform sampled by the analog-digital converter (hereinafter referred to as AD converter) is interpolated by the pulse waveform interpolator provided in the latter stage of the detector. It has a recording device that records the pulse wave height from the interpolated pulse waveform, and determines whether or not the pulses overlap each other based on the peak interval between the detected pulse and another pulse, and sends it to the control device Send the judgment result.
  • the control device changes the current irradiation amount, electron measurement yield, etc. from the result of the judgment device, and controls the electron optical system so that the electrons arrive at the detector at a speed at which the individual wave height can be discriminated by the detector. .
  • the present invention it is possible to obtain accurate spectral information of reflected electron energy by a detector without adding an additional complicated structure to the electron optical system.
  • a plurality of pulse waveforms overlap with each other, it becomes possible to adaptively control the problem that the peak value of a single pulse cannot be obtained, thereby improving the measurement speed.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating Example 1;
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a situation in which signal pulse intervals are short and pulses overlap in the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a mechanism for adjusting a primary irradiation current amount in the first embodiment.
  • 2 is a flowchart of a method for adjusting a primary irradiation current amount in the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a second embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating signals generated in a detector circuit in the second embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a sampling interpolator in the second embodiment. The figure explaining the FIR filter in a sampling interpolator in Example 2.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a situation in which signal pulse intervals are short and pulses overlap in the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a mechanism for adjusting a primary irradiation current amount in the first embodiment.
  • 2 is a flow
  • FIG. 6 is a diagram illustrating Example 3; 9 is a flowchart of a method for adjusting the sample table angle in the third embodiment.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a scanning electron microscope according to Example 1.
  • an electron beam is generated by the electron gun 101, the generated electron beam is converged by the focusing lens 102, the irradiation current amount is adjusted by the electron beam irradiation amount adjusting device 103, and the observation sample 105 is observed by the objective lens 104.
  • a certain area is irradiated.
  • the irradiated electron beam moves the irradiation position on the sample by the deflection coil 116.
  • the signal electrons 106 are emitted from the sample 105 by the interaction with the irradiated primary electron beam.
  • the signal electrons 106 are collected by the electron collection mechanism 107 to the electron detector 108.
  • the signal electrons 106 may be any electrons such as secondary electrons, reflected electrons, and Auger electrons.
  • the electron gun 101, the focusing lens 102, the electron beam irradiation amount adjusting mechanism 103, the objective lens 104, and the electron collecting mechanism 105 are integrated into an electron optical system.
  • a control device control device 109 is connected to the above-described electron optical system, and the control device 109 controls the applied voltage of the electron gun 101, adjustment of observation magnification, adjustment of electron irradiation amount, and adjustment of electron collection amount. Is possible.
  • Each adjustment parameter is stored in the electron optical system control parameter recording device 110.
  • the electron detector When the signal electrons 106 collide with the electron detector 107, the electron detector generates a voltage pulse signal according to the energy of the signal electrons 106. At this time, the pulse width and relaxation time of the voltage pulse signal are determined by the response speed of the detection element inside the electron detector 108, the bandwidth of the amplifier circuit, and the like.
  • the generated voltage pulse is quantized by the AD converter 111 and converted into a digital signal.
  • the sampling rate of the time-series data of the quantized pulse signal is determined by the performance of the AD converter 111.
  • the pulse signal converted into a digital signal is transferred to the pulse peak detector 112.
  • the pulse peak detector 112 obtains a local maximum point from the data string.
  • Determination of local maxima Although there are several, for example, a differential operation performed with respect to the set threshold value V T more data, such as determining the point when the differential value becomes the threshold value V T 'following set separately
  • the peak of the pulse can be obtained by the method.
  • the output of the pulse peak detector 112 and the control device 109 are connected to the data recording unit 113, and the pulse peak value obtained by the pulse peak detector 112 is the irradiation position information of the primary electron beam sent from the control device 109.
  • the number of times the same peak value as the pulse peak value observed at the primary electron beam irradiation position is counted is recorded.
  • the recording format may be any format that can extract the peak value and the number of detections at a certain irradiation position, so that the correspondence between the irradiation position and time can be understood, and the correspondence between the detected peak value and time can be understood. It may be a form like
  • the present embodiment is characterized in that the pulse peak detector 112 is connected to the pulse interval determiner 114, and further the pulse interval determiner is connected to the parameter setting device 115 connected to the electron optical system control parameter storage device 110. It is said.
  • the pulse peak detector 112 is connected to the pulse interval determiner 114, and further the pulse interval determiner is connected to the parameter setting device 115 connected to the electron optical system control parameter storage device 110. It is said.
  • specific contents and effects of control in this embodiment will be described.
  • FIG. 9 shows a state in which pulses overlap each other as the arrival period of electrons arriving at the detector exceeds the response speed of the detector. In this situation, since the pulse B is generated before the pulse A is settled and the residual component of the pulse A is added, an accurate peak value of the pulse B cannot be obtained.
  • the pulse interval determiner 114 calculates from the time when the previous pulse was observed to the time when the new pulse was observed.
  • the calculation result of the pulse interval determiner 114 is connected to the parameter setting device 115, and the parameter setting device 115 has a function of updating the parameter of the parameter storage device 110 based on the calculation result of the pulse interval determiner 114.
  • the parameter setting device 115 is characterized by setting parameters of the parameter storage device so that pulses generated by signal electrons do not overlap at each primary electron beam irradiation point when scanning the primary electron beam.
  • a method for reducing the amount of signal electrons generated from a sample there is a method for reducing the amount of irradiation current.
  • FIG. 3 shows an example of the control method by the control device 109 described above.
  • a blanking slit 301 and a blanking electrode 302 are provided inside the electron microscope housing as an electron irradiation amount adjusting device, and the voltage applied to the blanking electrode 302 is adjusted to deflect the primary electron beam. It can be controlled.
  • the primary electron dose passing through the blanking slit 301 is controlled by the voltage applied to the blanking electrode 302.
  • a control device 303, a DA converter 304, and an amplifier circuit 305 in the control device are connected to the blanking electrode 302, and a voltage applied to the blanking electrode is applied to the blanking electrode by the blanking electrode control device.
  • a method for each pixel and a method for each frame scan can be considered.
  • FIG. 4 shows an example of a flowchart in the case of controlling the primary radiation dose for each pixel.
  • provisional setting of irradiation current is first performed (step 401), and parameters of each electron optical system are set based on the provisional setting. (Step 402)
  • scanning of the primary electron beam by the scanning electron microscope is started (Step 403), and the peak interval of the pulse observed for each pixel is measured and recorded (Step 404).
  • the scanning is completed, it is determined whether or not the peak interval is smaller than a threshold value preset in the apparatus (step 405).
  • the threshold value is calculated from the detector bandwidth and set in advance, but the user of the apparatus may set it freely. If it is determined that there is a pixel whose peak interval is smaller than the threshold value, the variation value ⁇ I [A] in which the irradiation current amount I [A] in the pixel is set is reduced (step 406). This is calculated for all the pixels, and the parameters of the electron optical system for each pixel are set again (step 402). This is repeated until all peak intervals are larger than the threshold value.
  • step 407 scanning of the primary electron beam is started again (step 407), the pulse peak value and the number of times for each pixel are measured (step 408), and when the scanning of one frame is completed, the frame integration number N accumulated in advance is reached. (Step 409), and if it is less than the set frame integration number, step 407 to step 409 are repeated.
  • the energy spectrum for each pixel is calculated from the pulse peak value and the number of times obtained for each pixel in each scan, and stored in the recording device (step 410).
  • the conventional detector used an integral type detection, it was allowed to overlap individual pulses.
  • FIG. 5 shows an embodiment of a scanning electron microscope according to the first example.
  • the structure of the present embodiment is characterized by having a pulse waveform complementer 512 that complements the sampling points of the A / D converter in addition to the structure of the first embodiment.
  • FIG. 6 shows a conceptual diagram of the pulse signal before being quantized by the AD converter and the pulse signal after being quantized.
  • the pulse signal 601 before quantization is a continuous analog value, and a point indicated by a black circle indicates a point sampled by the AD converter.
  • the peak value of the pulse is obtained as a voltage value at a point represented by a white circle 602.
  • the peak value of the pulse corresponds to the energy information of the electrons incident on the detector. By obtaining this peak value, it is possible to determine what energy is generated from the primary electron irradiation point of the sample. I can know.
  • the quantized pulse signal data sequence is also discretized in the time direction, the peak value 603 obtained from the sampled data sequence is different from the peak value 601 of the analog pulse signal. A voltage ⁇ V is generated.
  • the waveform information lost at the time of sampling is complemented by the pulse waveform interpolator 512 placed after the analog-digital converter 511.
  • FIG. 7 shows an example of the pulse waveform interpolator 512.
  • the pulse waveform interpolator 512 includes a plurality of FIR (finite impulse response) filters 701 and a multiplexer 702 that synthesizes data interpolated by the FIR filters 701.
  • FIR finite impulse response
  • FIG. 8 shows an example of the FIR filter 701.
  • the data string input to the FIR filter 701 is branched and input to a plurality of delay units 801.
  • the delay unit 801 may include one having zero delay.
  • the output of the delay unit 801 is input to the window function multiplier 802, and the output of the window function multiplier 802 is input to the tap coefficient multiplier.
  • the window function and the tap coefficient may be combined as one coefficient and implemented by one multiplier. All outputs of the tap coefficient multiplier 803 are added by an adder 804 and calculated as an output of the FIR filter X.
  • the following describes how to obtain the tap coefficient multiplied by the tap multiplier 803 of the FIR filter 701.
  • the purpose is to obtain data as close to the original pulse peak value as possible by complementing sampling points from the data string obtained by AD conversion with respect to the peak point 602 of the pulse in FIG.
  • FIG. 9 is an enlarged view of the vicinity of the peak point 602 in FIG.
  • the pulse signal before quantization is a solid line 901
  • the peak value of the pulse is a point 902 represented by a white circle.
  • Points indicated by black circles indicate points sampled by the AD converter.
  • a frequency (Nyquist rate) that is half of fs is defined as f M [Hz].
  • ⁇ M 2 ⁇ f M.
  • N sampling points before and after t m m * T [seconds] (m ⁇ N) * T ⁇ It can be seen that the interpolation point can be obtained from the value of (m + N) * T.
  • the tap constant of the FIR filter 301 for obtaining the kth interpolation point 903 from Equation 5 is obtained.
  • the input data is x ((m + N) T)
  • the tap constant ⁇ (n D ) multiplied by the output of the delay device 801 is obtained by the following equation (Equation 6).
  • sampling point interpolation method described above assumes that the analog signal before sampling is limited to 1/2 or less of the sampling frequency, and it is necessary to manage the band by an analog electronic circuit in the detector.
  • FIG. 10 shows an example of the electronic detector 508.
  • a semiconductor detector 601 is attached to the tip of the electron detector 508, and a bias voltage is applied thereto.
  • the semiconductor detector may be a photodiode, an avalanche photodiode, a silicon drift detector (SDD), or the like.
  • the semiconductor detector 1001 When the signal electrons 1002 collide with the semiconductor detector 1001, the semiconductor detector 1001 generates a current according to the energy of the signal electrons.
  • the semiconductor detector 1001 is connected to a current-voltage conversion amplifier 1003, and the current flowing from the semiconductor detector 1001 is converted into a voltage signal.
  • the voltage signal is amplified by the subsequent amplifier 1004, and the frequency band of the amplified voltage signal is limited by the band pass filter 1005.
  • the output of the band pass filter 1005 is further amplified or buffered by an amplifier 1006.
  • the amplifier 1006 is not necessarily installed, and a subsequent AD converter may be directly connected to the bandpass filter 1005.
  • FIG. 11 shows an example of the current-voltage conversion amplifier 1003. This embodiment does not limit the embodiment of the current-voltage conversion amplifier.
  • the current output from the semiconductor detector is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 1101.
  • a bias voltage is applied to the positive input terminal of the operational amplifier 1101, and the output of the operational amplifier 1101 is fed back to the inverting input terminal of the operational amplifier via the resistance element 1102.
  • the gain of the current-voltage conversion amplifier 1003 can be determined by the value of the feedback resistor 1102.
  • the input of the operational amplifier 1101 has a capacitance between terminals of the semiconductor detector, and the input terminal of the operational amplifier 1101 and the wiring to the input terminal have a parasitic capacitance. These capacitors work to reduce the feedback rate of the operational amplifier and cause instability of the operational amplifier.
  • the phase compensation capacitor 1103 in parallel with the resistance element 1102, there is a case where the pole generated by the parasitic capacitance or the like can be canceled and the stability of the operational amplifier can be increased.
  • the phase compensation capacitor 1103 is not necessarily added.
  • FIG. 12 shows an embodiment of a scanning electron microscope according to the third embodiment.
  • the structure of this embodiment is characterized in that a movable table 1215 capable of adjusting the angle of the sample is connected to the control device 1209 in addition to the structure of the first embodiment, and the movable table is adjusted when the electron collection efficiency is low.
  • the purpose is to increase the electron collection efficiency and shorten the measurement time.
  • FIG. 13 is an example of a flowchart showing a control method of the movable table.
  • the initial angle, angle variation width, and angle variation step of the movable table 1215 are set (step 1301), and then normal primary electron beam scanning is performed (step 1302).
  • the peak interval of the detection pulse is recorded for each scanning pixel (step 1303).
  • the scanning of the primary electron beam is completed, it is determined whether all angle variation steps within the angle variation range set in step 1301 have been completed (step 1304). As a result of the determination, if all the angle changing steps are not completed, the movable table angle is changed by the changing step (step 1305), and the primary electron beam scanning is started again (step 1302).
  • step 1304 it is determined in step 1304 that all the fluctuation steps have been completed.
  • the movable base 1215 is changed to the optimum angle width to the optimum angle fluctuation width (step 1306).
  • the optimum angle width may be an angle at which the pulse peak interval observed in the scanning pixel is the narrowest, or an angle at which the pulse peak interval observed in the specific pixel is the narrowest.
  • the peak interval recording for each pixel recorded in step 1303 is used. After step 1301 to step 1306, normal primary electron beam scanning is started and data is acquired.
  • Electron beam dose adjustment device 104 ... Objective lens 105: Observation sample 106 ... Signal electron 107 ... Electron collection mechanism 108 ... Electron detector 109 ... Control device 110 ... Electronic optical system control parameter recording apparatus 111 ... AD converter 112 ... Waveform interpolator 112 ... Pulse peak detector 113 ... Data recording unit 114 ... Pulse interval determiner 115 ... Parameter setting device 116 ... Deflection coil 301 ... Blanking slit 302 ... Blanking electrode 303 ... Control device 304 ... DA converter 305: Amplifier circuit 501: Electron gun 502 ... Focusing lens 503 ... Electron beam dose adjustment device 504 ...

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Abstract

従来のＳＥＭでは、検出器において信号電子によって発生するパルス電流を分離して検出する機構が存在しないため、検出した電子個別のエネルギー情報と検出した電子数の情報を区別することが出来なかった。解決手段は次の通りである。検出器（１０８）において検出した信号電子（１０６）のパルス電流波形から、パルス信号の発生頻度を計算し、試料（１０５）への電子線照射量を制御することによって、発生するパルス電流を分離する。

Description

走査型電子顕微鏡装置
　本発明は、走査型電子顕微鏡装置に関する。
　走査型電子顕微鏡装置（ＳＥＭ）は試料の表面や断面の微細構造を観察するために用いられている。ＳＥＭでは、電子銃によって発生した一次電子線を電子レンズによって試料の観測点に照射し、一次電子線との相互作用によって発生した電子を装置に備え付けられた検出器によって観測する。この際、数ｅＶの低いエネルギーを持つ二次電子（ＳＥ）やそれ以上のエネルギーを持つ後方散乱電子（ＢＳＥ）が観測される。
　一般的にＳＥは試料の凹凸情報を反映しており、ＢＳＥは試料の組成情報を反映している。エネルギー分布の範囲が狭いＳＥに比べ、ＢＳＥは数１０ｅＶ～数１０ｋｅＶまで広く分布しており、その分布の情報は試料の情報を表している。
　一方で、ある範囲のエネルギーをもつＢＳＥを選択的に検出する事は難しく、エネルギーによって軌道が変わる性質を利用し、ある範囲のエネルギーを持つ電子のみを検出する方式などがあるが、どれも大掛かりな装置を必要としていた。また、特許文献１のように電子線の走査ごとに検出器で検出する信号電子エネルギーのしきい値を変化させることにより、信号エネルギーの分布を計測する方法が公開されているが、スキャン時間が増大してしまうという問題があった。
特開２００５－４９９５号公報
　前述のような従来のＳＥＭでは、検出器において信号電子によって発生するパルス電流を分離して検出する機構が存在しないため、検出した電子個別のエネルギー情報と検出した電子数の情報を区別することが出来ない。
　本発明では、検出器に到来する電子を個別パルスとして検出することのできる機構を提供することで、反射電子エネルギーの正確なスペクトル情報を得ることを可能にする。
　前述の目的を達成するため、本発明では検出器後段に備えたパルス波形補間器により、アナログデジタル変換器（以下ＡＤ変換器）によってサンプリングされたパルス波形を補間する。補間されたパルス波形からパルス波高を記録する記録装置を有し、また、検出されたあるパルスと別のパルスのピーク間隔から、パルス同士が重なっているかどうかを判定機構により判定し、制御装置へ判定結果を送信する。制御装置は判定器の結果から電流照射量、電子測定収率などを変更し、検出器にて電子個々の波高が弁別可能な速度で検出器へ電子が到来するように電子光学系を制御する。
　本発明により、電子光学系に追加で複雑な構造を加えることなく、検出器により反射電子エネルギーの正確なスペクトル情報を得ることが可能になる。また、複数のパルス波形が互いに重なることで、単一パルスの波高値を得られなくなる問題を適応的に制御することが可能になるため、計測速度の向上をもたらす。
実施例１を説明する図。 実施例１における、信号パルス間隔が短く、パルスが重なる状況を説明する図。 実施例１における、一次照射電流量を調整する機構を説明する図。 実施例１における、一次照射電流量を調整する方式のフローチャート。 実施例２を説明する図。 実施例２における、検出器回路に発生する信号を説明する図。 実施例２における、サンプリング補間器を説明する図。 実施例２における、サンプリング補間器内のＦＩＲフィルタを説明する図 実施例２における、サンプリング点の補間方式を説明する図 実施例２における、電子検出器の具体例を説明する図 実施例２における、電流電圧変換回路の具体例を説明する図 実施例３を説明する図。 実施例３における、試料台角度を調整する方式のフローチャート。
　　図1に実施例１にかかる走査型電子顕微鏡の実施形態を示す。本実施例においては電子銃１０１により電子線が発生し、発生した電子線は集束レンズ１０２により収束し、電子線照射量調整装置１０３によって照射電流量が調整され、対物レンズ１０４によって観測試料１０５のある領域に照射される。照射される電子線は偏向コイル１１６によって試料上の照射位置を移動する。
　　照射された一次電子線との相互作用によって試料１０５からは信号電子１０６が放出される。信号電子１０６は電子収集機構１０７によって電子検出器１０８へ収集される。ここで信号電子１０６は二次電子、反射電子、オージェ電子等のいずれの電子であっても良い。このとき、電子銃１０１，集束レンズ１０２、電子線照射量調整機構１０３、対物レンズ１０４、電子収集機構１０５をまとめて電子光学系とする。
　　前述の電子光学系には制御装置制御装置１０９が接続されており、電子銃１０１の印加電圧、観測倍率の調整、電子照射量の調整、電子収集量の調整は制御装置１０９によって制御することが可能である。各調整用パラメータは電子光学系制御パラメータ記録装置１１０に格納されている。
　　信号電子１０６が電子検出器１０７へ衝突すると、電子検出器では信号電子１０６のエネルギーに応じて電圧パルス信号を発生する。このとき電圧パルス信号のパルス幅、緩和時間は電子検出器１０８の内部における検出素子の応答速度、アンプ回路の帯域などによって決定される。
　　発生した電圧パルスはＡＤ変換器１１１によって量子化され、デジタル信号へと変換される。ここで、量子化されたパルス信号の時系列データのサンプリングレートはＡＤ変換器１１１の性能によって決定される。
　　デジタル信号に変換されたパルス信号はパルスピーク検出器１１２へ転送される。パルスピーク検出器１１２ではデータ列の中から局所的に最大となる点を求める。
　　局所最大点の求め方は複数あるが、例えば、ある設定した閾値ＶＴ以上のデータに対して微分演算を施し、微分値が別に設定した閾値ＶＴ’以下になる場合の点を求めるなどの方法により、パルスのピークを求めることが可能である。
　パルスピーク検出器１１２の出力と制御装置１０９はデータ記録ユニット１１３に接続されており、パルスピーク検出器１１２によって求められたパルスピーク値は制御装置１０９から送られてくる一次電子線の照射位置情報から、一次電子線照射位置において観測されたパルスピーク値と同じピーク値が何回カウントされたかを記録する。ここで、記録の形式はある照射位置におけるピーク値と検出回数が抽出可能な形式であればよく、照射位置と時間の対応が分かり、かつ、検出されたピーク値と時間の対応が分かるようなどのような形式でもよい。
　　本実施例はパルスピーク検出器１１２がパルス間隔判定器１１４へ接続され、さらにパルス間隔判定器が電子光学系制御パラメータ記憶装置１１０へ接続されているパラメータ設定装置１１５に接続されていることを特徴としている。以下では、本実施例における具体的な制御の内容と効果について述べる。
　　　図９は検出器の応答速度に対して、検出器へ到来する電子の到来周期が上回ることによってパルス同士が重なってしまっている様子を示している。この状況では、パルスＡが整定する前にパルスＢが発生し、パルスＡの残留成分が加算されてしまっているため、パルスＢの正確なピーク値が求められない。
　一方で、試料への一次電子線の入射角などによっては、検出器へ収集される電子数が少なくなり、エネルギースペクトル情報を取得する際に、十分なＳ／Ｎ比が得られなくなる場合も生じる。
　　そこで、本実施例においては、パルス間隔判定器１１４は前回パルスが観測された時刻から新たにパルスが観測された時刻までを計算する。パルス間隔判定器１１４の計算結果は、パラメータ設定装置１１５と接続され、パラメータ設定装置１１５は、パルス間隔判定器１１４の計算結果に基づいてパラメータ記憶装置１１０のパラメータを更新する機能をもつ。
　　パラメータ設定装置１１５は一次電子線を走査する際に、各一次電子線照射点において、信号電子によって発生するパルスが重ならないようにパラメータ記憶装置のパラメータを設定することを特徴としている。試料から発生する信号電子量を減らす方法の一例として、照射電流量を減らす方法がある。
　　図３に前述の制御装置１０９による制御方式の一例を示す。電子顕微鏡筐体内部には電子照射量調整装置として、ブランキングスリット３０１、ブランキング電極３０２が備えられており、ブランキング電極３０２に印加される電圧を調整することで、一次電子線の偏向を制御することが出来るようになっている。
　　これにより、ブランキングスリット３０１を通過する一次電子線量をブランキング電極３０２に印加する電圧で制御する。ブランキング電極３０２には制御装置内部の制御装置３０３および、ＤＡ変換器３０４、アンプ回路３０５が接続され、ブランキング電極に印加される電圧をブランキング電極制御装置によってブランキング電極に印加される電圧が調整できるようになっている。一次線照射量の制御に関しては、ピクセル毎に行う方式、フレームスキャン毎に行う方式が考えられる。図４にピクセル毎に一次線照射量を制御する場合の、フローチャートの一例を示す。
　　本実施例では、はじめに照射電流の仮設定を行い（ステップ４０１）、それに基づいて各電子光学系のパラメータを設定する。（ステップ４０２）次に走査電子顕微鏡による一次電子線の走査を開始し（ステップ４０３）、ピクセル毎に観測されるパルスのピーク間隔を測定、記録する（ステップ４０４）。走査が終了するとピーク間隔が装置にあらかじめ設定されている閾値よりも小さくなっているかどうかを判定する（ステップ４０５）。
　　ここで、閾値は検出器の帯域より計算してあらかじめ設定されたものを用いるが、装置の使用者が自由に設定してもよい。この判定により、ピーク間隔が閾値よりも小さいピクセルがあった場合、そのピクセルにおける照射電流量Ｉ［Ａ］を設定した変動値ΔＩ［Ａ］減らす（ステップ４０６）。これを全てのピクセルに対して計算し、再度各ピクセルに対する電子光学系のパラメータを設定する（ステップ４０２）。これを全てのピーク間隔が閾値に対して大きくなるまで繰り返す。
　　次に再度一次電子線の走査を開始し（ステップ４０７）、ピクセル毎のパルス波高値、回数を計測する（ステップ４０８）、１フレームのスキャンが終了したら、あらかじめ積算したフレーム積算数Ｎに到達しているか確認し（ステップ４０９）、設定したフレーム積算数より少ない場合はステップ４０７からステップ４０９を繰り返す。フレーム積算数に到達したら、各スキャンにおいて取得したピクセル毎のパルス波高値、回数からピクセル毎のエネルギースペクトルを計算し、記録装置へ保存する（ステップ４１０）。
　従来の検出器では積分型の検出であったため、個別のパルスの重なりを許容していたが、本実施例の構造により、パルスが重なっていることを判定し、電子光学系へフィードバック制御を行うことが可能になるため、パルスの重なりを防ぎ、個別電子のエネルギー情報と到来電子数の情報を区別した観測が可能になる。
　　図５に実施例１にかかる走査型電子顕微鏡の実施形態を示す。
　　本実施例の構造は実施例１の構造に加えてＡ／Ｄ変換器のサンプリング点を補完するパルス波形補完器５１２を有することを特徴とする。
　　図６はＡＤ変換器によって量子化される前のパルス信号と量子化された後のパルス信号の概念図を示したものである。図６に示されるように量子化前のパルス信号６０１は連続的なアナログ値であり、黒丸で表記されている点はＡＤ変換器によってサンプリングされた点を示す。パルスのピーク値は白丸６０２で表される点の電圧値として求められる。
　　ここで、パルスのピーク値は検出器に入射した電子のエネルギー情報に対応しており、このピーク値を求めることで、どのようなエネルギーをもつ電子が試料の一次電子照射点から発生したかを知ることができる。
　　一方で、量子化された後のパルス信号データ列は時間方向にも離散化されているため、サンプリングされたデータ列から求められたピーク値６０３はアナログ値のパルス信号のピーク値６０１とは差分電圧ΔＶが生じる。
　　そこで、本実施例においてはアナログデジタル変換器５１１の後段に置かれたパルス波形補間器５１２によってサンプリング時に失われた波形情報を補完する。
　図７はパルス波形補間器５１２の実施例である。パルス波形補間器５１２は複数のＦＩＲ（有限インパルス応答）フィルタ７０１および、ＦＩＲフィルタ７０１によって補間されたデータを合成するマルチプレクサ７０２によって構成されている。
　　図８にＦＩＲフィルタ７０１の実施例を示す。ＦＩＲフィルタ７０１に入力されたデータ列は分岐して複数の遅延器８０１に入力される。ここで遅延器８０１は遅延がゼロのものを含んでもよい。
　　遅延器８０１の出力はそれぞれ窓関数乗算器８０２へ入力され、窓関数乗算器８０２の出力はタップ係数乗算器へ入力される。ここで、窓関数とタップ係数は一つの係数としてまとめて一つの乗算器によって実装されてもよい。タップ係数乗算器８０３の出力は加算器８０４によって全て加算され、ＦＩＲフィルタＸの出力として計算される。
　　以下では、ＦＩＲフィルタ７０１のタップ乗算器８０３で乗算されるタップ係数の求め方に関して記述する。ここでは図６におけるパルスのピーク点６０２に対して、ＡＤ変換によって得られているデータ列からサンプリング点を補完することによって、なるべく本来のパルスピーク値に近いデータを取得することが目的である。
　　図９は図６のピーク点６０２の近傍を拡大したものである。量子化前のパルス信号が実線９０１、パルスのピーク値は白丸で表される点９０２である。黒丸で表記されている点はＡＤ変換器によってサンプリングされた点を示している。
　　ＡＤ変換器のサンプリングレートをｆｓ[Ｈｚ]とすると、サンプリング周期Ｔ[秒]はＴ＝１／ｆｓである。ここで、ｆｓの半分の周波数（ナイキストレート）をｆＭ［Ｈｚ］とする。パルス波形９０１のある時刻ｔ[秒]の値を関数ｘ（ｔ）としたときに、ｘ（ｔ）の周波数成分の最大値がｆＭ以下に制限されている場合、標本化定理により、以下の（数1）が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　　ここで、ωＭ＝２πｆＭである。
　　図５において、ピーク点９０２の直前にサンプリングされた点の時刻をｔｍ＝ｍ＊Ｔ[秒]とすると、次のサンプリング点は、ｔｍ＋１＝（ｍ＋１）＊Ｔ[秒]である
（ｍはｍ≧０の整数）。
　このときサンプリング点の補間によって、ｔｍからｔｍ＋１の間にある自然数ＮＩ個の時刻ｔｋ＝（ｍ＋ｋ／ＮＩ）＊Ｔ [秒]における波形Ｘの値を求めることを考える。ここで、ｋは１～（ＮＩ－１）の整数である。ｔ＝ｔｋを（数２）に代入すると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　　ここで、ｍ－ｎ＝ｎ’とすると数２は、数３のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　　ある整数Ｎに対して、ｎ’＞Ｎのとき、次の（数４）、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　が成り立つとすると、数式は、次の（数５）のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　　従って、ｔｍ＝ｍ＊Ｔ[秒]を含む前後Ｎ個ずつのサンプリング点（ｍ－Ｎ）＊Ｔ～
　（ｍ＋Ｎ）＊Ｔの値から補間点を求めることが可能であることが分かる。
　　以下では、数式５からｋ番目の補間点９０３を求めるＦＩＲフィルタ３０１のタップ定数を求める。入力データがｘ（（ｍ＋Ｎ）Ｔ）であったとき、遅延器３０１の遅延量を　ｎＤサンプル分とすれば、数５において、ｎ’＝ＮのときにｎＤ＝０となることから、遅延器８０１の出力に掛け合わされるタップ定数α（ｎＤ）は以下の式、（数６）で求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　　前述したサンプリング点の補間方式では、サンプリングされる前のアナログ信号がサンプリング周波数の１／２以下に制限されていることを前提としており、検出器においてアナログ電子回路によって帯域を管理する必要がある。
　　図１０に電子検出器５０８の一例を示す。電子検出器５０８の先端には半導体検出器６０１が取り付けられ、バイアス電圧が掛けられている。半導体検出器はフォトダイオードやアバランシェフォトダイオード、シリコンドリフト検出器（ＳＤＤ）などでも良い。
　　信号電子１００２が半導体検出器１００１に衝突すると信号電子のもつエネルギーに応じて、半導体検出器１００１は電流を発生する。半導体検出器１００１には電流電圧変換アンプ１００３が接続されており、半導体検出器１００１から流入した電流は電圧信号へ変換される。電圧信号は後段のアンプ１００４によって増幅され、増幅された電圧信号はバンドパスフィルタ１００５によって周波数帯域が制限される。
　　ここで、前述のように、サンプリング点の補間を行う場合は信号帯域をＡＤ変換器１１１のサンプリング周波数の半分以下に制限する必要がある。バンドパスフィルタ１００５の出力はさらにアンプ１００６で増幅もしくはバッファリングされる。アンプ１００６は必ずしも設置する必要はなく、後段のＡＤ変換器が直接バンドパスフィルタ１００５と接続されてもよい。
　　図１１は電流電圧変換アンプ１００３の一例を示すものである。本実施例は電流電圧変換アンプの実施形態を制限するものではない。半導体検出器から出力された電流はオペアンプ１１０１の反転入力端子へ接続されている。
　　また、オペアンプ１１０１の正入力端子にはバイアス電圧が掛けられており、オペアンプ１１０１の出力は抵抗素子１１０２を介してオペアンプの反転入力端子へ帰還されている。電流電圧変換アンプ１００３の利得は帰還抵抗１１０２の値によって決定することが出来る。
　　ここで、オペアンプ１１０１の入力には、半導体検出器の端子間容量、オペアンプ１１０１の入力端子、入力端子への配線には寄生容量が存在する。これらの容量はオペアンプの帰還率を下げる方向に働き、オペアンプの不安定性を招く。これに対し、抵抗素子１１０２と並列に位相補償容量１１０３を追加することで、寄生容量等によって発生する極を打ち消し、オペアンプの安定性を増すことができる場合もある。位相補償容量１１０３は必ずしも追加しなくても良い。
　図１２に実施例３にかかる走査型電子顕微鏡の実施形態を示す。
　本実施例の構造は実施例１の構造に加えて試料の角度を調整可能な可動台１２１５が制御装置１２０９と接続されていることを特徴とし、電子の収集効率が低い場合に可動台を調整することによって、電子の収集効率を高め、計測時間を短縮することを目的にするものである。
　図１３は可動台の制御方式を示すフローチャートの一例である。
　本実施例では、はじめに可動台１２１５の初期角度、角度変動幅、角度変動ステップの設定を行ってから（ステップ１３０１）、通常の一次電子線走査を行う（ステップ１３０２）。このとき実施例１と同様に走査ピクセル毎に検出パルスのピーク間隔を記録する（ステップ１３０３）。一次電子線の走査が終了したら、ステップ１３０１で設定した角度変動幅内の全ての角度変動ステップを終了したか判定する（ステップ１３０４）。判定の結果、全ての角度変動ステップを終了していない場合、変動ステップ分、可動台角度を変更し（ステップ１３０５）、再度一次電子線走査を開始する（ステップ１３０２）。ステップ１３０４において変動ステップを全て終了した判定がなされた場合。最適角度変動幅に可動台１２１５を最適角度幅に変更する（ステップ１３０６）。ここで最適角度幅とは走査ピクセル内で観測されたパルスピーク間隔が最も狭くなる角度でもよく、特定のピクセル内で観測されたパルスピーク間隔が最も狭くなる角度でもよい。最適角度幅を計算する際にはステップ１３０３で記録されたピクセル毎のピーク間隔記録を用いる。ステップ１３０１からステップ１３０６の終了後、通常の一次電子線走査を開始し、データを取得する。
１０１・・・電子銃 
１０２・・・集束レンズ 
１０３・・・電子線照射量調整装置 
１０４・・・対物レンズ 
１０５・・・観測試料 
１０６・・・信号電子 
１０７・・・電子収集機構 
１０８・・・電子検出器 
１０９・・・制御装置 
１１０・・・電子光学系制御パラメータ記録装置 
１１１・・・ＡＤ変換器 
１１２・・・波形補間器 
１１２・・・パルスピーク検出器 
１１３・・・データ記録ユニット
１１４・・・パルス間隔判定器
１１５・・・パラメータ設定装置
１１６・・・偏向コイル
３０１・・・ブランキングスリット 
３０２・・・ブランキング電極 
３０３・・・制御装置 
３０４・・・ＤＡ変換器 
３０５・・・アンプ回路
５０１・・・電子銃 
５０２・・・集束レンズ 
５０３・・・電子線照射量調整装置 
５０４・・・対物レンズ 
５０５・・・観測試料 
５０６・・・信号電子 
５０７・・・電子収集機構 
５０８・・・電子検出器 
５０９・・・制御装置 
５１０・・・電子光学系制御パラメータ記録装置 
５１１・・・ＡＤ変換器 
５１２・・・波形補間器 
５１３・・・パルスピーク検出器
５１４・・・データ記録ユニット 
６０１・・・アナログ信号波形 
６０２・・・信号波形ピーク 
６０３・・・サンプリング後の波形ピーク 
７０１・・・ＦＩＲフィルタ 
７０２・・・マルチプレクサ 
８０１・・・遅延器 
８０２・・・窓関数乗算器 
８０３・・・タップ係数乗算器 
８０４・・・加算器 
９０１・・・アナログ信号波形 
９０２・・・信号波形ピーク 
９０３・・・補間データ 
１００１・・・半導体検出器 
１００２・・・信号電子 
１００３・・・電流電圧変換アンプ 
１００４・・・アンプ 
１００５・・・バンドパスフィルタ 
１００６・・・アンプ 
１１０１・・・オペアンプ 
１１０２・・・抵抗素子 
１１０３・・・位相補償容量
１２０１・・・電子銃 
１２０２・・・集束レンズ 
１２０３・・・電子線照射量調整装置 
１２０４・・・対物レンズ 
１２０５・・・観測試料 
１２０６・・・信号電子 
１２０７・・・電子収集機構 
１２０８・・・電子検出器 
１２０９・・・制御装置 
１２１０・・・電子光学系制御パラメータ記録装置 
１２１１・・・ＡＤ変換器 
１２１２・・・パルスピーク検出器 
１２１３・・・データ記録ユニット
１２１４・・・パルス間隔判定器
１２１５・・・パラメータ設定装置
１２１６・・・可動台

Claims (9)

  1. 電子線を試料に照射する機構と、試料から放出された信号電子を検出する検出器を備えた走査型電子顕微鏡装置において、前記検出器に衝突した信号電子のエネルギーによって検出器に発生するパルス電流の強度を個別に観測する手段と、観測されたパルス電流の強度を記録する装置を備えることを特徴とする電子顕微鏡装置。
  2. 請求項1記載の走査型電子顕微鏡装置において、前記検出器に衝突した信号電子のエネルギーによって検出器に発生するパルス電流をアナログデジタル変換器によってサンプリングし、サンプリングされなかった時刻におけるパルス電流波形をサンプリングされた時刻における電流波形のサンプリングデータを用いて補間し、サンプリングデータと補間されたデータから信号電子のエネルギーを計算することを特徴とした電子顕微鏡装置。
  3. 請求項２記載の走査型電子顕微鏡装置において、データの補間にＦＩＲフィルタを用いることを特徴とした電子顕微鏡装置。
  4. 請求項１に記載の電子顕微鏡装置において、試料に照射する電子線の電流量を増減する機構と、前記信号電子によって検出器に発生したパルス電流の発生間隔を測定する機構を備え、測定されたパルス間隔が設定された値以下の場合に、前記試料に照射する電子線の電流量を減少し、パルス間隔が設定された値以上になるようにすることを特徴とする電子顕微鏡装置。
  5. 請求項４に記載の電子顕微鏡装置において、前記試料に照射する電子線の電流量を増減する機構に、ブランキング電極とブランキングスリットを含む電子顕微鏡装置。
  6. 請求項４に記載の電子顕微鏡装置において、前記試料に照射する電子線の電流量を増減する機構に、可動式の対物絞り穴を備える電子顕微鏡装置。
  7. 請求項４に記載の電子顕微鏡装置において、前記電子線を発生する電子銃を備え、前記試料に照射する電子線の電流量を増減する機構に、電子銃の印加電圧を調整する制御装置を含む電子顕微鏡装置。
  8. 請求項４に記載の電子顕微鏡装置において、前記試料における電子線の照射位置と前記電子線の照射位置において観測されたパルスの発生間隔を電子線の照射位置ごとに記録する装置を備え、パルスの発生頻度が設定された範囲内に収まるように照射位置ごとに電子線の照射量を増減することを特徴とする電子顕微鏡装置。
  9. 請求項１に記載の電子顕微鏡装置において、試料に照射する電子線の電流量を調整する機構と、前記信号電子によって検出器に発生したパルス電流の発生間隔を測定する機構と、前記試料を固定する可動式の試料ステージを備え、パルス電流の発生間隔の記録をもとに、パルス電流の発生間隔が小さくなるように試料ステージの角度を変更することを特徴とした電子顕微鏡装置。
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