WO2019239497A1 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

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WO2019239497A1
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particle beam
image
detector
charged
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一雄 大津賀
悠太 今井
恒典 野間口
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株式会社日立ハイテクノロジーズ
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    • H01J2237/244—Detection characterized by the detecting means
    • H01J2237/24495—Signal processing, e.g. mixing of two or more signals

Definitions

  • This disclosure relates to a charged particle beam apparatus.
  • SEM scanning electron microscope
  • SE and BSE have different sample information.
  • SE has a lot of unevenness information and potential information on the sample surface.
  • BSE includes a wealth of sample composition information and crystal information.
  • SEM observation it is important that signal electrons be discriminated and detected in accordance with the information desired to be acquired.
  • Patent Document 1 there are two analog detectors that integrate and detect the intensity of SE incident on the scintillator (total energy of SE) in units of pixels, and a pulse count detector that counts the number of BSEs in units of pixels.
  • BSE which is one of the signal electrons emitted from the sample is an electron which is scattered backward in the process in which incident electrons as a primary electron beam are scattered in the sample and emitted again from the sample surface.
  • the scattering probability is sensitive to the composition of the sample, and the larger the atomic number of the substance constituting the sample, the more BSE is released. Further, since it has higher energy than SE, it is emitted from a place deeper than SE.
  • Patent Document 2 describes a wave height discrimination detector that enables band-pass detection of BSE energy.
  • the pulse height discriminating detector detects a pulse peak value proportional to the energy of each BSE incident on the detector and forms a histogram to obtain the energy spectrum of the BSE.
  • An arbitrary energy band is set for the acquired energy spectrum, and the sum of the frequency values in the set energy band is made to correspond to the luminance value to obtain a bandpass image.
  • BSE bandpass image (brightness value is proportional to the number of signal electrons in a specified energy band) and BSE intensity image (brightness value is proportional to the product of the number of signal electrons and energy) are acquired simultaneously. If it is possible, it is effective for the analysis of the sample. For example, a method of determining a region of interest (ROI) from an intensity image of BSE and acquiring a bandpass image of the ROI can be considered.
  • ROI region of interest
  • a wave height discrimination detector capable of acquiring a band pass image of BSE detects the energy of each BSE. Since the pulse height discrimination detector has information on the number of detected BSEs and the energy of each BSE, it is also possible to output an intensity image. However, it is difficult to acquire an intensity image with a high S (signal) / N (noise) ratio with a wave height discrimination detector.
  • the current value of BSE that can be detected by a single pulse height discrimination detector is approximately 10 pA or less.
  • a BSE current value of 100 pA or more is desirable.
  • a charged particle beam apparatus capable of acquiring a high S / N ratio image based on the intensity of charged particles from a sample and a high energy resolution image based on the peak value is desired.
  • a charged particle beam apparatus includes a charged particle source that generates a charged particle beam that irradiates a sample, and a charged particle detection unit that detects charged particles generated when the charged particle beam is irradiated to the sample.
  • An intensity data generation unit that generates intensity data of the charged particles detected by the charged particle detection unit, and a peak value data generation unit that generates peak value data of the charged particles detected by the charged particle detection unit
  • an output unit that outputs a first image of the sample based on the intensity data and a second image of the sample based on the peak value data.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a scanning electron microscope (SEM) in Example 1.
  • FIG. 3 is a display example of an image display unit in Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a display example of an image display unit in Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a display example of an image display unit in Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a display example of an image display unit in Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a display example of an image display unit in Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a scanning electron microscope (SEM) in Example 2.
  • FIG. 6 is a schematic view of a scintillator of an electron detection unit in Embodiment 2.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a split detector of an electron detection unit in Embodiment 2.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a scanning electron microscope (SEM) in Example 1.
  • FIG. 3 is a display example of an image display unit in Embodiment 1.
  • FIG. 3 is
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a split detector of an electron detection unit in Embodiment 2.
  • FIG. 6 is a schematic view of a scanning electron microscope (SEM) in Example 3.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a pixel-type electron detector in Embodiment 3.
  • FIG. It is an example of the division
  • FIG. It is an example of the division
  • FIG. It is an example of the division
  • FIG. It is an example of the division
  • the present disclosure relates to a charged particle beam apparatus, and more particularly to detection of secondary charged particles in a charged particle beam apparatus.
  • the charged particle device includes a charged particle source that generates a charged particle beam, a detection unit that detects the intensity of the charged particle generated when the charged particle beam is irradiated, and a charged particle beam generated when the charged particle beam is irradiated. And a detector for detecting a peak value. By including the intensity detector and the peak value detector, it is possible to achieve both acquisition of an intensity image with a high S / N ratio and an energy spectrum image with a high energy resolution.
  • SEM scanning electron microscope
  • Example 1 according to the present invention will be described with reference to the drawings.
  • the SEM 1 includes an electron gun 101 that is an electron source (charged particle source), a condenser lens 103, a diaphragm 104, a deflector 105, an objective lens 106, an intensity image detector 150, a wave height discrimination detector 151, an image processing unit 115, and an image.
  • a display unit 116 is included.
  • the image processing unit 115 performs image processing, numerical calculation, and SEM control.
  • the image display unit 116 outputs (displays) an image, and further receives an input from a user on a graphical user interface (GUI).
  • GUI graphical user interface
  • An electron beam 102 accelerated to a desired acceleration voltage is extracted from the electron gun 101.
  • the current value and convergence angle of the electron beam 102 applied to the sample 107 can be set by changing the excitation amount of the condenser lens 103 and the hole diameter of the aperture 104.
  • the electron beam 102 is deflected by the deflector 105, narrowed down by the objective lens 106, and then scanned on the surface of the sample 107.
  • the SEM 1 detects backscattered electrons (BSE) 108 that are signal electrons emitted by the interaction between the electron beam 102 and the sample 107, and acquires an image of the sample by synchronizing with the scanning timing.
  • BSE backscattered electrons
  • the luminance value of the image depends on the magnitude of the detection signal.
  • the SEM 1 includes two types of detectors BSE108, specifically, an intensity image detector 150 and a wave height discrimination detector 151.
  • an intensity image detector 150 and a wave height discrimination detector 151 By including the intensity image detector 150 and the pulse height discrimination detector 151, it is possible to acquire an intensity image with a high S / N ratio and a spectrum image with a high energy resolution.
  • the intensity image detector 150 includes an intensity image electron detection unit 109, an intensity image amplification unit 110, and an intensity image imaging unit 111.
  • the intensity image imaging unit 111 is an example of an intensity data generation unit.
  • the intensity image electron detector 109 is, for example, in the shape of a coaxial cylinder and is disposed directly below the objective lens. With this arrangement, a large amount of BSE 108 generated from the sample can be detected.
  • the intensity image electron detection unit 109 outputs a current signal having a magnitude proportional to the total energy of the BSE 108 incident per unit time.
  • a semiconductor detector such as a Si-PIN photodiode or a Si-APD photodiode, or a combination of a YAG scintillator and a photomultiplier tube is used.
  • the current signal output from the intensity image electron detection unit 109 is input to the intensity image amplification unit 110.
  • the intensity image amplification unit 110 includes a transimpedance amplifier and a voltage amplification circuit.
  • the intensity image amplification unit 110 converts the current signal output from the intensity image electron detection unit 109 into a current / voltage using a transimpedance amplifier, and further amplifies the current signal to a level that can be easily handled by a subsequent circuit.
  • the intensity image imaging unit 111 performs AD conversion on the signal output from the intensity image amplification unit 110 and stores the signal in an image memory.
  • the wave height discrimination detector 151 includes a wave height discrimination electron detection unit 112, a wave height discrimination amplification unit 113, and a wave height discrimination imaging unit 114.
  • the crest discrimination imaging unit 114 is an example of a crest value data generation unit.
  • the charged particle detection unit (or electron detection unit) of the SEM 1 includes a wave height discrimination electron detection unit 112 and an intensity image electron detection unit 109.
  • the detailed configuration of the wave height discrimination detector 151 is different from that of the intensity image detector 150.
  • the pulse height discrimination electron detector 112 outputs a pulse current signal having a magnitude proportional to the energy of each incident BSE 108.
  • a semiconductor detector such as a Si-PIN photodiode with low shot noise is used.
  • the solid angle of the electron sensitive surface (also referred to simply as the sensitive surface) of the pulse height discriminating electron detector 112 viewed from the sample 107 is smaller than the solid angle of the sensitive surface of the intensity image electron detector 109 viewed from the sample 107. This is because the wave height discriminating electron detection unit 112 has a limit on the amount of current of the BSE 108.
  • the pulse height discriminating electron detecting unit 112 By making the solid angle of the sensitive surface of the pulse height discriminating electron detector 112 viewed from the sample smaller than the solid angle of the sensitive surface of the intensity image electron detecting unit 109 viewed from the sample, the pulse height discriminating electron detecting unit 112 is obtained.
  • the amount of BSE incident on the electron beam can be made smaller than the amount of BSE incident on the intensity image electron detector 109.
  • the solid angle viewed from the sample 107 depends on the area of the sensitive surface and the distance from the sample 107 to the sensitive surface.
  • the wave height discrimination electron detection unit 112 is installed at a position farther from the sample 107 than the intensity image electron detection unit 109. Furthermore, the sensitive surface of the wave height discriminating electron detector 112 is smaller than the sensitive surface of the intensity image electron detector 109.
  • the noise generated in the wave height discrimination amplification unit 113 depends on the parasitic capacitance of the wave height discrimination electron detection unit 112, and the noise becomes smaller as the parasitic capacitance is smaller.
  • the parasitic capacitance is roughly proportional to the area of the sensitive surface. Therefore, by making the size of the sensitive surface of the wave height discrimination detector 151 smaller than that of the intensity image detector 150, noise generated in the wave height discrimination amplifier 113 can be reduced.
  • SDD silicon drift detector
  • the current amount of the BSE is, for example, by increasing the distance between the sample 107 and the SDD, or performing the intensity measurement and the peak value measurement in different periods, and the current of the electron beam 102 for peak value measurement. It can be limited by reducing the value.
  • the pulse current signal output from the wave height discrimination electron detection unit 112 is input to the wave height discrimination amplification unit 113.
  • the pulse height discriminating unit 113 includes a transimpedance amplifier and a voltage amplifying circuit.
  • the band of the transimpedance amplifier and the voltage amplification circuit of the wave height discrimination detector 151 is wider than that of the intensity image amplification unit 110 so as to ensure a pulse waveform.
  • the wave height discriminating amplifier 113 converts the pulse current signal output from the wave height discriminating electron detector 112 into a current and voltage by using a transimpedance amplifier, and further amplifies the voltage to a level that can be handled easily by a subsequent circuit. .
  • the wave height discrimination imaging unit 114 performs AD conversion on the pulse signal output from the wave height discrimination amplification unit 113.
  • the wave height discrimination imaging unit 114 detects the wave height value, forms a histogram for each pixel of the image, and stores the histogram as an energy spectrum in the histogram memory.
  • the image processing unit 115 acquires data from the image memory of the intensity image imaging unit 111 and the histogram memory of the wave height discrimination imaging unit 114, generates specific image data, and displays it on the image display unit 116.
  • the image processing unit 115 can be configured by a processor that executes a program. These programs can be executed by the same or different processors. Some or all of these functions can be implemented by a specific integrated circuit.
  • the intensity image imaging unit 111 and the wave height discrimination imaging unit 114 can be configured by processors such as an AD converter, a histogram memory, and an FPGA, for example.
  • FIG. 2 shows an example of a display image by the image display unit 116 (an example of the output unit).
  • the image processing unit 115 adjusts the brightness and contrast of the intensity image data stored in the image memory of the intensity image imaging unit 111 and displays the intensity image 117 on the image display unit 116.
  • the pulse height discrimination imaging unit 114 stores the energy spectrum of each image pixel.
  • the user designates the pixel point 120 for extracting the energy spectrum on the displayed temporary bandpass image 119 via the GUI of the image display unit 116.
  • the image processing unit 115 displays a provisional bandpass image and accepts a pixel point 120 user designation.
  • the provisional bandpass image is, for example, an allpass image.
  • the all-pass image is an image indicating the total number of frequencies of the entire energy in each image pixel, that is, the total number of electrons in each image pixel.
  • the image processing unit 115 acquires the energy spectrum of each pixel acquired from the wave height discrimination imaging unit 114, and calculates the total number of frequencies in the entire energy range in each pixel.
  • the image processing unit 115 displays the energy spectrum 121 of the pixel point 120 designated by the user in the image display unit 116.
  • the user designates a specific energy band 122 from the energy spectrum 121 of the pixel point 120 via the GUI of the image display unit 116.
  • the image processing unit 115 receives the designation of the energy band 122 by the user, integrates the frequencies in the designated energy band, and displays a bandpass image 119. The user can further reset the energy band 122 by moving the energy extraction pixel point 120 while viewing the displayed bandpass image 119.
  • FIGS. 3 to 6 show examples of images displayed by the image display unit 116, respectively.
  • the energy resolution of the pulse height discrimination detector 151 is insufficient, and a desired spectral peak cannot be observed. In such a case, it is possible to improve energy resolution using digital signal processing.
  • the energy resolution is improved by obtaining an inverse matrix of the response function matrix of the wave height discrimination detector 151 in advance and multiplying it by the measured energy spectrum.
  • the direct method has the advantage that the calculation processing time is decisive and short, but the energy resolution improvement rate is low.
  • the iterative method uses a response function matrix but does not obtain an inverse matrix.
  • the energy resolution is improved by iterative calculation using the Jacobian method and Gauss-Seidel method.
  • the iterative method is nondeterministic and long in computation time, but has a higher energy resolution improvement rate than the direct method.
  • buttons 123 and 124 so that the user can select one of the two types of algorithms. For example, button 123 invokes the direct method and button 124 invokes the iterative method.
  • the image processing unit 115 applies the direct method to the data acquired by the wave height discrimination detector 151 and displays the energy spectrum 126 after application.
  • the energy spectrum 125 before application can be displayed at the same time, and the user can compare the spectrum before and after application of the algorithm.
  • the energy spectrum 125 before application is represented by a broken line
  • the energy spectrum 126 after application is represented by a solid line.
  • the image processing unit 115 displays the position 127 to the user as shown in FIG.
  • Spectral peaks can be identified by spectral differentiation. Based on the display, the user can determine whether or not the energy resolution should be improved by taking a longer calculation processing time.
  • the image processing unit 115 applies the iterative method to the data acquired by the wave height discrimination detector 151 and displays the energy spectrum 128 after application.
  • the energy spectrum 128 is an energy spectrum in which the energy resolution is further improved as compared with the energy spectrum 126 obtained by the direct method.
  • the energy spectrum 125 before application is represented by a broken line
  • the energy spectrum 128 after application is represented by a solid line.
  • the user can specify one or a plurality of energy bands in the energy spectrum 126 or 128 after improving the energy resolution, and can acquire the bandpass images thereof.
  • FIG. 6 shows bandpass images 119A and 119B of the energy bands 122A and 122B specified in the energy spectra 128A and 128B, respectively.
  • the image display unit 116 shows the energy spectrum 128A at the pixel point 120A, and the energy band 122A is designated by the user.
  • the band pass image 119A is a band pass image of the energy band 122A.
  • the band pass image 119 ⁇ / b> A and the intensity image 117 are displayed by being overlapped with different colors.
  • the image display unit 116 further shows an energy spectrum 128B at the pixel point 120B, and the energy band 122B is designated by the user.
  • the band pass image 119B is a band pass image of the energy band 122B.
  • the band pass image 119B and the intensity image 117 are displayed in a different color so as to overlap each other.
  • the different composition information of the sample and the structure in the depth direction can be easily recognized.
  • FIG. 7 shows a schematic diagram of the SEM 1 in the second embodiment.
  • the same elements as those shown in FIG. 1 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
  • One of the differences of the configuration of the SEM 1 of the present embodiment from the configuration of the first embodiment is the configuration of the BSE detection unit (charged particle detection unit) of the SEM 1.
  • the BSE detection unit of the SEM 1 includes an intensity image electron detection unit 109 and a pulse height discrimination electron detection unit 112. As shown in FIG. 1, the intensity image electron detection unit 109 and the wave height discrimination electron detection unit 112 are separate devices, and are arranged at different distances from the sample 107.
  • the BSE detection unit (charged particle detection unit) of the SEM 1 is a combination of the scintillator 130 and the split electron detector 131 and is installed in the lens barrel in a coaxial cylindrical shape.
  • FIG. 8 shows a schematic diagram of the scintillator 130.
  • FIGS. 9A and 9B are schematic views of the split electron detector 131.
  • a Si-PIN photodiode or SiPM is used for the electron detector 131.
  • the BSE 108 enters the scintillator 130, an amount of photons proportional to the energy of the BSE 108 is generated.
  • the post-stage electron detector 131 detects this photon. It is preferable to install the scintillator 130 and the electron detector 131 close to each other so as not to miss photons as much as possible. When the distance between the scintillator 130 and the electron detector 131 cannot be reduced, a light guide is disposed between them to reduce the amount of lost photons.
  • the split-type electron detector 131 (sensitive surface) shown in FIG. 9A is divided into 12 equal parts along the circumference. Three portions 133A, 133B, and 133C are for intensity images. The remaining one portion 132 is for wave height discrimination. In this way, a large sensitive area is assigned for the intensity image, and a small sensitive area is assigned for the wave height discrimination. As a result, the amount of BSE current incident on the electron detector 133 increases for intensity images and decreases for wave height discrimination. In addition, since the area of the sensing surface for wave height discrimination is small, the parasitic capacitance of the electron detector is small.
  • the split-type electron detector 131 (sensitive surface) shown in FIG. 9B is divided into 12 equal parts along the circumference. Eight portions 133A to 133H are for intensity images. The remaining four portions 132A to 132D are for wave height discrimination. In this way, a large sensitive area is assigned for the intensity image, and a small sensitive area is assigned for the wave height discrimination. As a result, the amount of BSE current incident on the electron detector 131 increases for intensity images and decreases for wave height discrimination. In addition, since the area of the sensing surface for wave height discrimination is small, the parasitic capacitance of the electron detector is small.
  • the wave height discriminating portions 132A to 132D are line symmetric with respect to any two perpendicular axes in the plane.
  • the intensity image portions 133A to 133H are line symmetric with respect to any two perpendicular axes in the plane. For this reason, the sample direction dependence of BSE108 to be acquired can be eliminated, and the illumination effect can be suppressed.
  • the BSE intensity image with a high S / N ratio and the high energy resolution can be obtained. It is possible to obtain both bandpass images.
  • FIG. 10 shows a schematic diagram of the SEM 1 in the third embodiment.
  • the same elements as those shown in FIG. 1 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
  • One of the differences of the configuration of the SEM 1 of the present embodiment from the configuration of the first embodiment is the configuration of the BSE detection unit (charged particle detection unit) of the SEM 1.
  • FIG. 11 shows a pixel-type electron detector 140 that is a BSE detector according to the third embodiment.
  • the pixel-type electron detector 140 includes a pixel-type electron detector 141, a switch 144, an intensity image preamplifier 142, and a wave height discrimination preamplifier 143.
  • a Si-PIN photodiode, SiPM, or the like is used for the pixel-type electron detector 141.
  • the pixel-type electron detector 140 has a hole through which the electron beam 102 can pass.
  • the pixel-type electron detector 140 is arranged directly below the objective lens so that a large amount of BSE 108 generated from the sample can be detected.
  • connection state of the switch 144 By controlling the connection state of the switch 144, the connection relationship between each pixel of the pixel-type electron detector 141, the intensity image preamplifier 142, and the wave height discrimination preamplifier 143 can be determined.
  • the image processing unit 115 controls the connection state of the switch 144. In FIG. 11, the connection between the switch 144 and the pixel-type electron detector 141 is schematically shown.
  • the intensity image preamplifier 142 and the wave height discrimination preamplifier 143 are composed of transimpedance amplifiers that convert a current signal output from the pixel-type electron detector 141 into a current voltage.
  • the transimpedance amplifier is included in the intensity image amplification unit 110 and the wave height discrimination amplification unit 113. These are installed at positions away from the electron detector for intensity image 109 and the electron detector for wave height discrimination 112, and are connected to them by a cable.
  • a transimpedance amplifier is arranged at a position closer to the electron detection unit.
  • the parasitic capacitance and the parasitic inductance of the wiring between the electron detection unit and the transimpedance amplifier are reduced, and as a result, noise can be reduced and signal oscillation can be suppressed.
  • the pixel-type electron detection unit 141, the switch 144, and the preamplifiers 142 and 143 are integrally mounted on a semiconductor integrated circuit (an integrated circuit on the same semiconductor substrate).
  • the pixel-type electron detection unit 141 and the switch 144 may be integrally mounted on a semiconductor integrated circuit, and the silicon integrated circuit may be connected to the preamplifiers 142 and 143 that are other semiconductor elements on the printed circuit board by printed wiring. .
  • FIG. 12, FIG. 13 and FIG. 14 show plan views of examples of the pixel-type electron detection unit 141 of the different switch connection examples in the third embodiment. 12, 13 and 14 show the sensitive surface of the pixel type electron detector 141.
  • FIG. The pixel-type electron detection unit 141 is composed of a plurality of pixels indicated by squares.
  • the pixel-type electron detector 141 and the pixel are in the positive direction.
  • a hole for allowing the electron beam 102 to pass through is formed in the center of the pixel-type electron detector 141.
  • the sensitive surface of the electron detector for intensity image 145 is composed of white pixels, and the sensitive surface of the electron detector for wave height discrimination 146 is composed of hatched pixels.
  • the sensitive area of the intensity image electron detection unit 145 is larger than the sensitive area of the pulse height discrimination electron detection unit 146.
  • the amount of BSE current for the intensity image incident on the pixel-type electron detector 141 increases, and the amount of BSE current for pulse height discrimination decreases.
  • the sensitive area of the wave height discrimination electron detection unit 146 is small, the parasitic capacitance of the wave height discrimination electron detection unit 146 can be reduced.
  • the wave height discrimination electron detection unit 146 and the intensity image electron detection unit 145 are axisymmetric with respect to one axis extending in the left-right direction in the figure, but are asymmetric with respect to the axis extending in the vertical direction. . For this reason, the sample direction dependency of the acquired BSE 108 exists.
  • the wave height discriminating electron detection unit 146 includes a plurality of portions having the same shape separated in the circumferential direction.
  • the wave height discrimination electron detection unit 146 and the intensity image electron detection unit 145 are line symmetric with respect to the two orthogonal axes.
  • the BSE intensity image and the high S / N ratio can be obtained. It is possible to simultaneously obtain an energy resolution band pass image.
  • Examples 1, 2, and 3 unlike the sensitive surface of the intensity image electron detecting unit and the sensitive surface of the wave height discriminating electron detecting unit, these sensitive surfaces are arranged at different positions, and their positions and shapes are fixed. ing.
  • three portions 133A, 133B, and 133C are always used for intensity images, and one portion 132 is always used for wave height discrimination.
  • the portions 133A, 133B, and 133C are arranged at positions different from the portion 132, and their shapes are constant.
  • the wave height discrimination electron detection unit 146 and the intensity image electron detection unit 145 are arranged at different positions, and their positions and shapes are fixed. . As described above, by arranging the intensity image electron detection unit and the wave height discrimination electron detection unit at different positions, the intensity image electron and the wave height discrimination electron can be measured at the same time.
  • this embodiment uses the same sensitive surface for both the intensity image and the wave height discrimination electronics. That is, one physical electron detection unit is shared for intensity images and wave height discrimination. Specifically, in the present embodiment, the electron detection unit is used for intensity images in the first period, and the electron detection unit is used for pulse height discrimination in a second period different from the first period. The electron detection unit is an intensity image electron detection unit in the first period, and a pulse height discrimination electron detection unit in the second period. As a result, the number of parts of the electron detection unit can be reduced, and the area of the strength sensing surface can be increased.
  • the electron detector (charged particle detector) of the SEM 1 is a combination of the scintillator 130 and the split electron detector 131 as in the second embodiment.
  • the electron detection unit is connected to the intensity image amplification unit and the wave height discrimination amplification unit via a switch.
  • the image processing unit 115 operates a switch to connect the electron detection unit to one of the intensity image amplification unit and the wave height discrimination amplification unit.
  • the image processing unit 115 connects the intensity image amplifying unit to all or a part of the split-type electron detector 131.
  • the image processing unit 115 connects a part of the electron detector 131 to the wave height discrimination amplification unit.
  • the image processing unit 115 connects all parts of the electron detector 131 to the pulse height discriminating unit in the second period, and makes the amount of current of the electron beam 102 smaller than that in the first period. Also good. This control can also be applied to an undivided electron detector.
  • the electron detector (charged particle detector) of the SEM 1 may be a pixel type electron detector as in the third embodiment.
  • the image processing unit 115 connects the intensity image amplification unit to all the pixels.
  • the image processing unit 115 connects some pixels to the wave height discrimination amplification unit.
  • the image processing unit 115 may connect all the pixels to the wave height discriminating unit in the second period and make the amount of current of the electron beam 102 smaller than that in the first period.
  • this invention is not limited to the above-mentioned Example, 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 a certain embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of a certain embodiment.
  • each of the above-described configurations, functions, processing units, and the like may be realized by hardware by designing a part or all of them with, for example, an integrated circuit.
  • Each of the above-described configurations, functions, and the like may be realized by software by interpreting and executing a program that realizes each function by the processor.
  • Information such as programs, tables, and files that realize each function can be stored in a memory, a hard disk, a recording device such as an SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as an IC card or an SD card.
  • control lines and information lines indicate what is considered necessary for the explanation, and not all control lines and information lines on the product are necessarily shown. In practice, it may be considered that almost all the components are connected to each other.

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Abstract

荷電粒子線装置は、試料に照射する荷電粒子線を生成する荷電粒子源と、前記試料に前記荷電粒子線を照射したときに発生する荷電粒子を検出する荷電粒子検出部と、前記荷電粒子検出部で検出された荷電粒子の強度のデータを生成する強度データ生成部と、前記荷電粒子検出部で検出された荷電粒子の波高値のデータを生成する波高値データ生成部と、前記強度のデータに基づいた前記試料の第１画像と前記波高値のデータに基づいた前記試料の第２画像とを出力する出力部と、を含む。

Description

荷電粒子線装置
　本開示は、荷電粒子線装置に関する。
　近年、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、幅広い分野で対象試料の表面や断面の観察に用いられている。ＳＥＭでは、一次電子ビームと試料の相互作用で発生した、０から５０ｅＶの比較的低いエネルギの二次電子（ＳＥ）と、５０ｅＶから一次電子ビームのエネルギまで幅広い分布を持った後方散乱電子（ＢＳＥ）を検出して画像化している。
　ＳＥとＢＳＥは試料の異なる情報を有する。例えば、ＳＥは試料表面の凸凹情報や電位情報を多く有する。一方、ＢＳＥは、試料の組成情報や結晶情報を豊かに含む。試料の取得したい情報に合わせて、信号電子を上手く弁別検出してやることがＳＥＭ観察においては重要である。例えば、特許文献１では、シンチレータに入射するＳＥの強度（ＳＥのエネルギの総和）をピクセル単位で積算して検出するアナログ検出器と、ＢＳＥの個数をピクセル単位で数え上げるパルスカウント検出器の二つを設置し、両検出器の取得信号を上手く活用することで、試料のパターンエッジの強調に成功している。
　試料から放出される信号電子の１つであるＢＳＥは、一次電子ビームである入射電子が試料中で散乱していく過程で後方に散乱し、試料表面から再び放出された電子である。散乱確率は試料の組成に敏感で、試料を構成する物質の原子番号が大きいほど、ＢＳＥは多く放出される。また、ＳＥに比べて高いエネルギを持っているので、ＳＥより深い場所からも放出される。
　統計的には、試料の奥から散乱されてきた電子の方が、入射時から多くのエネルギを失っている。これを利用した例として、エネルギロスの少ない成分（ＬｏｗＬｏｓｓ－ＢＳＥ）のみをハイパス検出して、試料表面の情報を強調する観察手法は広く実施されている。
　これに対し、ＢＳＥの任意のエネルギ帯をバンドパス検出できれば、試料の深さ方向の構造や組成分布が観察できるようになることが期待されている。例えば、特許文献２では、ＢＳＥエネルギのバンドパス検出を可能にする波高弁別検出器について記載がされている。波高弁別検出器は、検出器に入射してくる個々のＢＳＥのエネルギに比例したパルス波高値を検出し、それをヒストグラム化することで、ＢＳＥのエネルギスペクトルを取得する。取得したエネルギスペクトルに対し、任意のエネルギ帯を設定し、設定したエネルギ帯内の頻度値の和を輝度値に対応させ、バンドパス像を求める。
特開２０１６－１７０８９６号公報 特開２０１３－３３６７１号公報
　ＢＳＥのバンドパス像（輝度値はある指定したエネルギ帯域の信号電子の個数に比例）と、ＢＳＥの強度像（輝度値は信号電子の個数とエネルギの積に比例）とを、同時に取得することができれば、試料の分析にとって有効である。例えば、ＢＳＥの強度像から興味のある領域（ＲＯＩ）を決定して、そのＲＯＩのバンドパス像を取得する、というような使い方が考えられる。
　ＢＳＥのバンドパス像を取得できる波高弁別検出器は、個々のＢＳＥのエネルギを検出する。波高弁別検出器は、検出したＢＳＥの個数と、個々のＢＳＥのエネルギの情報を有しているため、強度像を出力することも可能である。しかしながら、波高弁別検出器で、高Ｓ（シグナル）／Ｎ（ノイズ）比な強度像を取得することは困難である。
　理由は、波高弁別検出器の増幅回路応答速度の制限や、エネルギ分解能向上のために、単位時間あたりに検出できるパルス波高数（ＢＳＥの個数）に上限が存在するためである。単一の波高弁別検出器が検出できるＢＳＥの電流値はおよそ１０ｐＡ以下である。一方、強度像で高Ｓ／Ｎ比を得るためには、１００ｐＡ以上のＢＳＥの電流値が望ましい。
　したがって、試料からの荷電粒子の強度に基づく高Ｓ／Ｎ比な画像と波高値に基づく高エネルギ分解能な画像とを取得できる荷電粒子線装置が望まれる。
　本開示の一態様の荷電粒子線装置は、試料に照射する荷電粒子線を生成する荷電粒子源と、前記試料に前記荷電粒子線を照射したときに発生する荷電粒子を検出する荷電粒子検出部と、前記荷電粒子検出部で検出された荷電粒子の強度のデータを生成する強度データ生成部と、前記荷電粒子検出部で検出された荷電粒子の波高値のデータを生成する波高値データ生成部と、前記強度のデータに基づいた前記試料の第１画像と前記波高値のデータに基づいた前記試料の第２画像とを出力する出力部と、を含む。
　本開示の一態様によれば、試料からの荷電粒子の強度に基づく高Ｓ／Ｎ比な画像と波高値に基づく高エネルギ分解能な画像とを取得できる。
実施例１における走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略図である。 実施例１における画像表示部の表示例である。 実施例１における画像表示部の表示例である。 実施例１における画像表示部の表示例である。 実施例１における画像表示部の表示例である。 実施例１における画像表示部の表示例である。 実施例２における走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略図である。 実施例２における電子検出部のシンチレータの概略図である。 実施例２における電子検出部の分割型検出器の概略図である。 実施例２における電子検出部の分割型検出器の概略図である。 実施例３における走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略図である。 実施例３におけるピクセル型電子検出器の概略図である。 実施例３におけるピクセル型電子検出器の分割方法例である。 実施例３におけるピクセル型電子検出器の分割方法例である。 実施例３におけるピクセル型電子検出器の分割方法例である。
　以下、添付図面を参照して実施形態を説明する。実施形態は本開示を実現するための一例に過ぎず、本開示の技術的範囲を限定するものではないことに注意すべきである。各図において共通の構成については同一の参照符号が付されている。
　本開示は荷電粒子線装置に関し、特に、荷電粒子線装置の二次荷電粒子の検出に関する。荷電粒子装置は、荷電粒子線を発生させる荷電粒子源と、荷電粒子線を照射したときに発生する荷電粒子の強度を検出する検出部と、荷電粒子線を照射したときに発生する荷電粒子の波高値を検出する検出部とを含む。強度検出部と波高値検出部とを含むことで、高Ｓ／Ｎ比な強度像と高エネルギ分解能なエネルギスペクトル像の取得を両立できる。
　以下においては、荷電粒子線走査装置の例として、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）が説明される。本開示の特徴はＳＥＭと異なる種類の荷電粒子線走査装置に適用することができる。
　以下、本発明にかかる実施例１について、図を用いて説明する。図１に、実施例１におけるＳＥＭ１の概略図を示す。ＳＥＭ１は、電子源（荷電粒子源）である電子銃１０１、コンデンサレンズ１０３、絞り１０４、偏向器１０５、対物レンズ１０６、強度像検出器１５０、波高弁別検出器１５１、画像処理部１１５、及び画像表示部１１６を含む。画像処理部１１５は、画像の処理、数値計算やＳＥＭの制御を行う。画像表示部１１６は、画像を出力（表示）し、さらに、グラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）上でユーザからの入力を受け取る。
　ＳＥＭ１の動作概要について説明する。所望の加速電圧に加速された電子線１０２が、電子銃１０１から引き出される。試料１０７に照射する電子線１０２の電流値と収束角は、コンデンサレンズ１０３の励磁量や絞り１０４の穴径を変更することで設定できる。電子線１０２は、偏向器１０５で偏向され、対物レンズ１０６で細く絞られた後、試料１０７の表面を走査する。
　ＳＥＭ１は、電子線１０２と試料１０７の相互作用により放出された信号電子である後方散乱電子（ＢＳＥ）１０８を検出し、走査タイミングに同期させることで試料の画像を取得する。画像の輝度値は、検出信号の大きさに依存する。
　本実施例の特徴の一つとして、ＳＥＭ１は、は、ＢＳＥ１０８の２種類の検出器を含み、具体的には、強度像検出器１５０と波高弁別検出器１５１とを含む。強度像検出器１５０と波高弁別検出器１５１とを含むことで、高いＳ／Ｎ比の強度像と高エネルギ分解能のスペクトル像とを取得することができる。
　強度像検出器１５０は、強度像用電子検出部１０９、強度像用増幅部１１０、及び強度像用画像化部１１１を含む。強度像用画像化部１１１は、強度データ生成部の例である。強度像用電子検出部１０９は、例えば、同軸円筒型の形状で対物レンズの直下に配置される。このように配置すると、試料から発生するＢＳＥ１０８を多く検出することができる。
　強度像用電子検出部１０９は、単位時間あたりに入射するＢＳＥ１０８のエネルギの総和に比例した大きさの電流信号を出力する。強度像用電子検出部１０９としては、Ｓｉ－ＰＩＮフォトダイオードやＳｉ－ＡＰＤフォトダイオードなどの半導体検出器や、ＹＡＧシンチレータと光電子増倍管を組み合わせたものなどが用いられる。
　強度像用電子検出部１０９から出力された電流信号は、強度像用増幅部１１０に入力される。強度像用増幅部１１０は、トランスインピーダンスアンプと電圧増幅回路を含む。強度像用増幅部１１０は、強度像用電子検出部１０９から出力された電流信号を、トランスインピーダンスアンプを用いて電流電圧変換し、さらに後段の回路で扱いやすいレベルまで電圧増幅回路で増幅する。強度像用画像化部１１１は、強度像用増幅部１１０から出力された信号をＡＤ変換し、画像メモリに格納する。
　波高弁別検出器１５１は、波高弁別用電子検出部１１２、波高弁別用増幅部１１３、及び波高弁別用画像化部１１４を含む。波高弁別用画像化部１１４は、波高値データ生成部の例である。また、ＳＥＭ１の荷電粒子検出部（又は電子検出部）は、波高弁別用電子検出部１１２及び強度像用電子検出部１０９で構成されている。
　波高弁別検出器１５１の細部の構成は、強度像検出器１５０と異なる。波高弁別用電子検出部１１２は、入射する個々のＢＳＥ１０８のエネルギに比例した大きさのパルス電流信号を出力する。波高弁別用電子検出部１１２としては、ショットノイズが小さいＳｉ－ＰＩＮフォトダイオードなどの半導体検出器が用いられる。
　試料１０７から見た波高弁別用電子検出部１１２の電子感受面（単に感受面とも呼ぶ）の立体角は、試料１０７から見た強度像用電子検出部１０９の感受面の立体角よりも小さい。これは、波高弁別用電子検出部１１２は、ＢＳＥ１０８の電流量に制限を有するからである。
　高Ｓ／Ｎ比な強度像を取得するためには、大電流なＢＳＥの入射が望ましい。一方、波高弁別検出器１５１においては、個々のＢＳＥのパルス電流信号を分離して取得する必要がある。また、波高弁別用増幅部１１３の応答速度に制限がある。そのため、入射するＢＳＥの電流量を強度像検出器より少なくすることが重要である。
　試料から見た波高弁別用電子検出部１１２の感受面の立体角を、試料から見た強度像用電子検出部１０９の感受面の立体角よりも小さくすることで、波高弁別用電子検出部１１２へのＢＳＥ入射量を、強度像用電子検出部１０９のＢＳＥ入射量よりも少なくすることができる。
　試料１０７から見た立体角は、感受面の面積及び試料１０７から感受面までの距離に依存する。本実施例において、波高弁別用電子検出部１１２は、強度像用電子検出部１０９より、試料１０７から離れた位置に設置されている。さらに、波高弁別用電子検出部１１２の感受面は、強度像用電子検出部１０９の感受面よりも小さい。
　また、波高弁別検出器１５１のエネルギ分解能を向上するためには、波高弁別用増幅部１１３で発生するノイズを抑制する必要がある。波高弁別用増幅部１１３で発生するノイズは、波高弁別用電子検出部１１２の寄生容量の大きさに依存し、寄生容量が小さいほうがノイズは小さくなる。寄生容量は、感受面の面積に概ね比例する。したがって、波高弁別検出器１５１の感受面の大きさを、強度像検出器１５０よりも小さくすることで、波高弁別用増幅部１１３で発生するノイズを低減できる。
　電子検出部として、感受面の大きさが大きくても寄生容量を小さくできるシリコンドリフトディテクタ（ＳＤＤ）のような半導体検出器も存在する。波高弁別検出器１５１のエネルギ分解能向上のため、ＳＤＤを利用することも考えられる。ＳＤＤの感受面が大きい場合、ＢＳＥの電流量は、例えば、試料１０７とＳＤＤとの距離を長くする、又は、強度測定と波高値測定を異なる期間に行い、波高値測定の電子線１０２の電流値を低減することで制限できる。
　波高弁別用電子検出部１１２から出力されたパルス電流信号は、波高弁別用増幅部１１３に入力される。波高弁別用増幅部１１３はトランスインピーダンスアンプと電圧増幅回路を含む。波高弁別検出器１５１のトランスインピーダンスアンプや電圧増幅回路の帯域は、パルス波形を確保できるように、強度像用増幅部１１０よりも広い。
　波高弁別用増幅部１１３は、波高弁別用電子検出部１１２から出力されたパルス電流信号を、トランスインピーダンスアンプを用いて電流電圧変換し、さらに後段の回路で扱いやすいレベルまで電圧増幅回路で増幅する。波高弁別用画像化部１１４は、波高弁別用増幅部１１３から出力されたパルス信号をＡＤ変換する。波高弁別用画像化部１１４は、波高値を検出し、画像のピクセル毎にヒストグラム化して、エネルギスペクトルとしてヒストグラムメモリに格納する。
　画像処理部１１５は、強度像用画像化部１１１の画像メモリ及び波高弁別用画像化部１１４のヒストグラムメモリからデータを取得して、特定の画像データを生成し、画像表示部１１６で表示する。
　画像処理部１１５は、それぞれ、プログラムを実行するプロセッサで構成することができる。これらのプログラムは、同一又は異なるプロセッサで実行することができる。これらの機能の一部又は全部は、特定の集積回路で構成することができる。また、強度像用画像化部１１１及び波高弁別用画像化部１１４は、例えば、ＡＤ変換器、ヒストグラムメモリ、及びＦＰＧＡ等のプロセッサで構成できる。
　図２は、画像表示部１１６（出力部の例）による表示画像の例を示す。画像処理部１１５は、強度像用画像化部１１１の画像メモリに保存された強度像データのブライトネスやコントラストを調整し、強度像１１７を画像表示部１１６で表示する。
　以下において、強度像１１７上でユーザが指定したＲＯＩ１１８のバンドパス像を表示する例を説明する。波高弁別用画像化部１１４は、各画像ピクセルのエネルギスペクトルを保存している。
　ユーザは、画像表示部１１６のＧＵＩを介して、表示されている仮のバンドパス像１１９上で、エネルギスペクトルを抽出するピクセルポイント１２０を指定する。画像処理部１１５は、仮のバンドパス像を表示し、ピクセルポイント１２０ユーザ指定を受け付ける。仮のバンドパス像は、例えば、オールパス像である。
　オールパス像は、画像ピクセルそれぞれでのエネルギ全域の頻度の総数、つまり、画像ピクセルそれぞれの総電子数を示す画像である。画像処理部１１５は、波高弁別用画像化部１１４から取得した各ピクセルのエネルギスペクトルを取得し、各ピクセルにおいてエネルギ全域の頻度の総数を計算する。
　画像処理部１１５は、画像表示部１１６において、ユーザに指定されたピクセルポイント１２０のエネルギスペクトル１２１を表示する。ユーザは、画像表示部１１６のＧＵＩを介して、ピクセルポイント１２０のエネルギスペクトル１２１から、特定のエネルギ帯１２２を指定する。
　画像処理部１１５は、ユーザによるエネルギ帯１２２の指定を受け付け、指定されたエネルギ帯内の頻度を積算し、バンドパス像１１９を表示する。ユーザは、表示されたバンドパス像１１９を見ながら、さらに、エネルギ抽出ピクセルポイント１２０を移動してエネルギ帯１２２を再設定することも可能である。
　以下において、図３～６を参照して、波高弁別検出器１５１が取得したエネルギスペクトルのエネルギ分解能をデジタル信号処理により向上する手法について説明する。図３～６は、それぞれ、画像表示部１１６が表示する画像例を示す。波高弁別検出器１５１のエネルギ分解能が不十分で、所望のスペクトルピークが観測できない場合がある。そのような場合、デジタル信号処理を用いて、エネルギ分解能を向上することが可能である。
　デジタル信号処理のアルゴリズムとしては、直接法や反復法が存在する。直接法は、波高弁別検出器１５１の応答関数行列の逆行列を予め求めておいて、測定したエネルギスペクトルに掛けることで、エネルギ分解能を向上する。直接法は、計算処理時間が決定的で短い利点を持つが、エネルギ分解能向上率が低い。
　一方、反復法は、応答関数行列を利用するが逆行列は求めない。ヤコビ法やガウス＝ザイデル法を用いて、反復計算により、エネルギ分解能を向上する。反復法は、計算時間が非決定的で長いが、直接法よりも高いエネルギ分解能向上率を有する。
　画像処理部１１５は、図３に示すように、ユーザに対して、上記２種類のアルゴリズムの一方を選択できるように、ボタン１２３及び１２４を表示する。例えば、ボタン１２３は、直接法を呼び出し、ボタン１２４は反復法を呼び出す。
　図４に示すように、ユーザがボタン１２３を押すと、画像処理部１１５は、波高弁別検出器１５１が取得したデータに直接法を適用し、適用後のエネルギスペクトル１２６を表示する。この際、適用前のエネルギスペクトル１２５と同時に表示することも可能であり、ユーザはアルゴリズム適用前後のスペクトルが比較できる。図４の画像例においては、適用前のエネルギスペクトル１２５は破線で表わされ、適用後のエネルギスペクトル１２６は実線で表わされている。
　直接法を適用することでスペクトルピークが分離できるようになった場合、図４に示すように、画像処理部１１５は、その位置１２７をユーザに表示する。スペクトルピークは、スペクトルの微分により特定することができる。ユーザはその表示を基に、さらに長時間の演算処理時間を掛けてエネルギ分解能を向上させるべきかどうかを、判断することが可能になる。
　図５に示すように、ユーザがボタン１２４を押下すると、画像処理部１１５は、波高弁別検出器１５１が取得したデータに反復法を適用し、適用後のエネルギスペクトル１２８を表示する。エネルギスペクトル１２８は、直接法によるエネルギスペクトル１２６よりもさらにエネルギ分解能が向上されたエネルギスペクトルである。図５の画像例においては、適用前のエネルギスペクトル１２５は破線で表わされ、適用後のエネルギスペクトル１２８は実線で表わされている。
　ユーザは、エネルギ分解能向上後のエネルギスペクトル１２６又は１２８において、１又は複数のエネルギ帯を指定し、それらのバンドパス像を取得できる。図６は、エネルギスペクトル１２８Ａ、１２８Ｂそれぞれにおいて指定されたエネルギ帯１２２Ａ、１２２Ｂのバンドパス像１１９Ａ、１１９Ｂを示す。
　より具体的には、画像表示部１１６は、ピクセルポイント１２０Ａにおけるエネルギスペクトル１２８Ａを示し、ユーザによりエネルギ帯１２２Ａが指定されている。バンドパス像１１９Ａは、このエネルギ帯１２２Ａのバンドパス像である。バンドパス像１１９Ａと強度像１１７とは、異なる色で重ねて表示されている。
　画像表示部１１６は、さらに、ピクセルポイント１２０Ｂにおけるエネルギスペクトル１２８Ｂを示し、ユーザによりエネルギ帯１２２Ｂが指定されている。バンドパス像１１９Ｂは、このエネルギ帯１２２Ｂのバンドパス像である。バンドパス像１１９Ｂと強度像１１７とは、異なる色で重ねて表示されている。
　異なるエネルギ帯１２２Ａ、１２２Ｂのバンドパス像それぞれを、異なる色の強度像１１７に重ねて表示することで、試料の異なる組成情報や、深さ方向の構造を分かりやすく認識できる。
　以上のように、ＢＳＥ強度像検出器とＢＳＥ波高弁別検出器を個別に設置することで、高Ｓ／Ｎ比なＢＳＥの強度像と高エネルギ分解能なバンドパス像の取得を両立できる。
　図７に、実施例２におけるＳＥＭ１の概略図を示す。実施例１の図１で示す構成と同一の要素には同一の符号を付与している。本実施例のＳＥＭ１の構成の実施例１の構成との相違点の一つは、ＳＥＭ１のＢＳＥ検出部（荷電粒子検出部）の構成である。
　実施例１において、ＳＥＭ１のＢＳＥ検出部は、強度像用電子検出部１０９と波高弁別用電子検出部１１２で構成されている。図１に示すように、強度像用電子検出部１０９と、波高弁別用電子検出部１１２とは、それぞれ個別のデバイスであり、試料１０７から異なる距離に配置されている。
　実施例２において、ＳＥＭ１のＢＳＥ検出部（荷電粒子検出部）は、シンチレータ１３０と分割型電子検出器１３１の組み合わせであり、同軸円筒型の形状で鏡筒内に設置される。図８にシンチレータ１３０の概略図を示す。さらに、図９Ａ及び９Ｂに分割型の電子検出器１３１の概略図を示す。電子検出器１３１には、Ｓｉ－ＰＩＮフォトダイオードや、ＳｉＰＭが用いられる。
　ＢＳＥ１０８がシンチレータ１３０に入射すると、ＢＳＥ１０８のエネルギに比例した量の光子が発生する。後段の電子検出器１３１は、この光子を検出する。光子をできるだけ取り逃がさないように、シンチレータ１３０と電子検出器１３１は近づけて設置するのが好ましい。シンチレータ１３０と電子検出器１３１の間隔を近づけられない場合は、これらの間にライトガイドを配置して、ロスする光子の量を低減する。
　図９Ａに示す分割型の電子検出器１３１（の感受面）は、周に沿って１２等分されている。３つの部分１３３Ａ、１３３Ｂ及び１３３Ｃが強度像用である。残りの１つの部分１３２が波高弁別用である。このように、強度像用に大感受面積を割り当て、波高弁別用に小感受面積に割り当てる。この結果、電子検出器１３３に入射するＢＳＥ電流量は、強度像用が多くなり、波高弁別用が少なくなる。また、波高弁別用感受面の面積は小さいため、電子検出部の寄生容量が小さくなる。
　図９Ｂに示す分割型の電子検出器１３１（の感受面）は、周に沿って１２等分されている。８つの部分１３３Ａ～１３３Ｈが強度像用である。残りの４つの部分１３２Ａ～１３２Ｄが波高弁別用である。このように、強度像用に大感受面積を割り当て、波高弁別用に小感受面積に割り当てる。この結果、電子検出器１３１に入射するＢＳＥ電流量は、強度像用が多くなり、波高弁別用が少なくなる。また、波高弁別用感受面の面積は小さいため、電子検出部の寄生容量が小さくなる。
　さらに、波高弁別用の部分１３２Ａ～１３２Ｄは、面内の垂直な任意の２軸について線対称である。同様に、強度像用の部分１３３Ａ～１３３Ｈは、面内の垂直な任意の２軸について線対称である。このため、取得するＢＳＥ１０８の試料方向依存性を排除し、照明効果を抑制できる。
　以上のように、分割型電子検出部の大面積部を強度像用に使用し、小面積側を波高弁別用に使用することで、高Ｓ／Ｎ比なＢＳＥの強度像と高エネルギ分解能なバンドパス像の取得を両立できる。
　図１０に、実施例３におけるＳＥＭ１の概略図を示す。実施例１の図１で示す構成と同一の要素には同一の符号を付与している。本実施例のＳＥＭ１の構成の実施例１の構成との相違点の一つは、ＳＥＭ１のＢＳＥ検出部（荷電粒子検出部）の構成である。
　図１１に、実施例３に係るＢＳＥ検出部であるピクセル型電子検出器１４０を示す。ピクセル型電子検出器１４０は、ピクセル型電子検出部１４１、スイッチ１４４、強度像用プリアンプ１４２、波高弁別用プリアンプ１４３を含む。ピクセル型電子検出部１４１には、Ｓｉ－ＰＩＮフォトダイオードやＳｉＰＭなどが用いられる。ピクセル型電子検出器１４０には、電子線１０２が通過できるような穴が形成されている。ピクセル型電子検出器１４０は、試料から発生するＢＳＥ１０８を多く検出することができるように、対物レンズ直下に配置される。
　スイッチ１４４の接続状態を制御することで、ピクセル型電子検出部１４１の各ピクセルと強度像用プリアンプ１４２、波高弁別用プリアンプ１４３の間の接続関係を決めることができる。画像処理部１１５は、スイッチ１４４の接続状態を制御する。なお、図１１において、スイッチ１４４とピクセル型電子検出部１４１との接続は模式的に示されている。
　強度像用プリアンプ１４２及び波高弁別用プリアンプ１４３は、ピクセル型電子検出部１４１から出力される電流信号を電流電圧変換するトランスインピーダンスアンプから構成される。実施例１、２では、トランスインピーダンスアンプは、強度像用増幅部１１０及び波高弁別用増幅部１１３に含まれている。これらは、強度像用電子検出部１０９及び波高弁別用電子検出部１１２から、離れた位置に設置され、これらとケーブルで接続される。
　一方、実施例３は、電子検出部により近い位置にトランスインピーダンスアンプを配置する。これにより、電子検出部とトランスインピーダンスアンプ間の配線の寄生容量や寄生インダクタンスを低減し、この結果、ノイズを低減し、信号の発振を抑制できる。
　一例において、ピクセル型電子検出部１４１、スイッチ１４４及びプリアンプ１４２、１４３は、一体的に半導体集積回路（同一半導体基板上の集積回路）に実装される。ピクセル型電子検出部１４１及びスイッチ１４４が一体的に半導体集積回路に実装され、当該シリコン集積回路が、プリント基板上で、他の半導体素子であるプリアンプ１４２、１４３とプリント配線により接続されてもよい。
　図１２、図１３及び図１４に、実施例３における、異なるスイッチ接続例のピクセル型電子検出部１４１の例の平面図を示す。図１２、図１３及び図１４は、ピクセル型電子検出部１４１の感受面を示す。ピクセル型電子検出部１４１は、四角形で示されている複数のピクセルで構成されている。
　平面視において、ピクセル型電子検出部１４１及びピクセルは正方向である。ピクセル型電子検出部１４１の中央に、電子線１０２が通過するための孔が形成されている。強度像用電子検出部１４５の感受面は白のピクセルで構成されており、波高弁別用電子検出部１４６の感受面はハッチングされたピクセルで構成されている。
　図１２、図１３及び図１４に示すいずれの例においても、強度像用電子検出部１４５の感受面積は、波高弁別用電子検出部１４６の感受面積よりも大きい。この結果、ピクセル型電子検出部１４１に入射する強度像用のＢＳＥ電流量が多くなり、波高弁別用のＢＳＥ電流量が少なくなる。また、波高弁別用電子検出部１４６の感受面積は小さいため、波高弁別用電子検出部１４６の寄生容量が小さくできる。
　図１２が示す例において、波高弁別用電子検出部１４６及び強度像用電子検出部１４５は、それぞれ、図の左右方向に延びる一軸について線対称であるが、上下方向の延びる軸については非対称である。このため、取得ＢＳＥ１０８の試料方向依存性が存在する。
　図１３及び図１４に示す例において、波高弁別用電子検出部１４６は、周方向に分離された同一形状の複数の部分で構成されている。また、波高弁別用電子検出部１４６及び強度像用電子検出部１４５は、それぞれ、直交する二軸それぞれについて線対称である。これにより、図１２の例で生じる取得ＢＳＥ１０８の試料方向依存性を排除し、照明効果を抑制することができる。
　以上のように、ピクセル分割型電子検出部の大面積部をＢＳＥ強度像用に使用し、小面積側をＢＳＥ波高弁別用に使用することで、高Ｓ／Ｎ比なＢＳＥの強度像と高エネルギ分解能なバンドパス像の取得を両立できる。
　実施例１、２及び３において、強度像用電子検出部の感受面と波高弁別用電子検出部の感受面とは異なり、それら感受面は異なる位置に配置され、それらの位置及び形状は固定されている。例えば、実施例２の図９Ａに分割型の電子検出器１３１において、３つの部分１３３Ａ、１３３Ｂ及び１３３Ｃが常に強度像用として使用され、１つの部分１３２が常に波高弁別用として使用される。部分１３３Ａ、１３３Ｂ及び１３３Ｃは、部分１３２と異なる位置に配置されており、これらの形状は一定である。
　または、実施例３の図１２、１３及び１４に示す例において、波高弁別用電子検出部１４６及び強度像用電子検出部１４５は、異なる位置に配置され、それらの位置及び形状は固定されている。このように、強度像用電子検出部と波高弁別用電子検出部とを異なる位置に配置することで、強度像用電子と波高弁別用電子とを全く同時に測定することができる。
　これらと異なり、本実施例は、同一の感受面を、強度像用と波高弁別用電子の双方に使用する。つまり、一つの物理的な電子検出部が、強度像用と波高弁別用に共用される。具体的には、本実施例は、第１の期間において、電子検出部を強度像用に使用し、第１の期間と異なる第２の期間において当該電子検出部を波高弁別用に使用する。当該電子検出部は、第１の期間において強度像用電子検出部であり、第２の期間において波高弁別用電子検出部である。これにより、電子検出部の部品数を低減することができ、又、強度用感受面の面積を広くすることができる。
　例えば、ＳＥＭ１の電子検出部（荷電粒子検出部）は、実施例２のように、シンチレータ１３０と分割型電子検出器１３１の組み合わせである。電子検出部は、スイッチを介して強度像用増幅部及び波高弁別用増幅部に接続されている。画像処理部１１５は、スイッチを操作して、電子検出部を強度像用増幅部及び波高弁別用増幅部の一方に接続する。
　例えば、第１の期間において、画像処理部１１５は、強度像用増幅部を分割型の電子検出器１３１の全ての部分又は一部に接続する。第２の期間において、画像処理部１１５は、電子検出器１３１の部分の一部を波高弁別用増幅部に接続する。他の例において、画像処理部１１５は、第２の期間において、電子検出器１３１の全ての部分を波高弁別用増幅部に接続し、電子線１０２の電流量を第１の期間より小さくしてもよい。この制御は、分割されていない電子検出器にも適用できる。
　他の例として、ＳＥＭ１の電子検出部（荷電粒子検出部）は、実施例３のように、ピクセル型電子検出器であってもよい。第１の期間において、画像処理部１１５は、強度像用増幅部を全てのピクセルに接続する。第２の期間において、画像処理部１１５は、一部のピクセルを波高弁別用増幅部に接続する。画像処理部１１５は、第２の期間において、全てのピクセルを波高弁別用増幅部に接続し、電子線１０２の電流量を第１の期間より小さくしてもよい。
　以上のように、波高弁別用ＢＳＥ電流を小さくし、強度像用ＢＳＥ電流を大きくすることで、高Ｓ／Ｎ比なＢＳＥの強度像と高エネルギ分解能なバンドパス像の取得を両立できる。
　なお、本発明は上記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、上記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、必ずしも説明したすべ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可能であり、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。
　また、上記の各構成・機能・処理部等は、それらの一部又は全部を、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、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード等の記録媒体に置くことができる。
　また、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、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆どすべての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

Claims (13)

  1. 　試料に照射する荷電粒子線を生成する荷電粒子源と、
    　前記試料に前記荷電粒子線を照射したときに発生する荷電粒子を検出する荷電粒子検出部と、
    　前記荷電粒子検出部で検出された荷電粒子の強度のデータを生成する強度データ生成部と、
    　前記荷電粒子検出部で検出された荷電粒子の波高値のデータを生成する波高値データ生成部と、
    　前記強度のデータに基づいた前記試料の第１画像と前記波高値のデータに基づいた前記試料の第２画像とを出力する出力部と、を含む荷電粒子線装置。
  2. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
    　前記荷電粒子検出部において、前記強度のデータを生成するための荷電粒子の感受面の前記試料から見た立体角は、前記波高値のデータを生成するための荷電粒子の感受面の前記試料から見た立体角よりも大きい、荷電粒子線装置。
  3. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
    　前記荷電粒子検出部において、前記強度のデータを生成するための荷電粒子の感受面積は、前記波高値のデータを生成するための荷電粒子の感受面積よりも大きい、荷電粒子線装置。
  4. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
    　前記荷電粒子検出部の感受面の少なくとも一部は、第１の期間において前記強度のデータを生成するための荷電粒子の検出のために使用され、前記第１の期間と異なる第２の期間において前記波高値のデータを生成するための荷電粒子の検出のために使用される、荷電粒子線装置。
  5. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
    　前記荷電粒子検出部は、
    　前記強度のデータを生成するための荷電粒子を検出する第１荷電粒子検出部と、
    　前記第１荷電粒子検出部と異なる位置に配置された、前記波高値のデータを生成するための荷電粒子を検出する第２荷電粒子検出部と、を含む、荷電粒子線装置。
  6. 　請求項５に記載の荷電粒子線装置であって、
    　前記荷電粒子検出部は、複数のピクセルを含み、
    　前記複数のピクセルの第１の部分は、前記強度のデータを生成するための荷電粒子を検出するために使用され、
    　前記複数のピクセルの第２の部分は前記波高値のデータを生成するための荷電粒子の検出のために使用され、
    　前記第１の部分のピクセル数は、前記第２の部分のピクセル数よりも多い、荷電粒子線装置。
  7. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
    　前記荷電粒子検出部と前記荷電粒子検出部の電流信号を増幅するプリアンプとは、シリコン集積回路内に収容されている、荷電粒子線装置。
  8. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
    　前記第２画像は、前記荷電粒子のエネルギスペクトルの一部のエネルギ帯を利用したバンドパス画像である、荷電粒子線装置。
  9. 　請求項８に記載の荷電粒子線装置であって、
    　前記出力部は、前記第１画像と前記第２画像とを重ねて表示する、荷電粒子線装置。
  10. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
    　前記波高値のデータのエネルギ分解能を向上するようにデジタル信号処理を実行する、荷電粒子線装置。
  11. 　請求項１０に記載の荷電粒子線装置であって、
    　ユーザ指定に応じて前記デジタル信号処理のアルゴリズムを切り替える、荷電粒子線装置。
  12. 　請求項１０に記載の荷電粒子線装置であって、
    　前記出力部は、前記デジタル信号処理のアルゴリズムの適用により分離されたピークを含むエネルギスペクトルを表示する、荷電粒子線装置。
  13. 　請求項１０に記載の荷電粒子線装置であって、
    　前記出力部は、前記デジタル信号処理を実行した後のエネルギスペクトルと、前記デジタル信号処理の実行前のエネルギスペクトルを同時に表示する、荷電粒子線装置。
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