CN108292579B - 带电粒子束装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种带电粒子束装置，其具有：照射***，其对试样供给会聚的带电粒子束，并通过所述带电粒子束扫描所述试样；成像光学***，其对来自所述试样的能量进行成像；检测***，其通过雪崩光电二极管阵列检测由所述成像光学***形成的图像；以及控制部，其根据所述能量的照射范围的移动来变更构成所述雪崩光电二极管阵列的像素中的在盖革模式下工作的像素。
Description
技术领域
本发明涉及带电粒子束装置。
背景技术
作为检测来自试样的能量的装置的一个例子，举例带电粒子束装置。带电粒子束装置对试样供给带电粒子束(例如电子束)，并检测作为其结果而产生的能量。作为检测对象的能量例如是透射电子、2次电子以及反射电子的至少1种。这种技术被记载在例如专利文献1中。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2008-226616号公报
发明内容
发明要解决的课题
专利文献1所记载的装置使用荧光材料(例如闪烁体)将来自试样的能量转换为光，并通过拍摄介质(例如照相机)来检测该光。但是，由于闪烁体是荧光体，因此在发光之后也会持续发光一定时间。也就是说，响应性还有待提高。另外，荧光体由于来自试样的能量而劣化，因此对光的转换效率降低，需要随时测量劣化的状态并进行校正。
用于解决课题的手段
为了解决上述问题，本发明采用例如权利要求中所述的结构。本说明书包含多个解决上述问题的手段，举其中的一个例子，是“带电粒子束装置，其具有：照射***，其对试样供给会聚的带电粒子束，并通过所述带电粒子束扫描所述试样；成像光学***，其对来自所述试样的能量进行成像；检测***，其通过雪崩光电二极管阵列来检测通过所述成像光学***形成的图像；控制部，其根据所述能量的照射范围的移动来变更构成所述雪崩光电二极管阵列的像素中的在盖革模式下工作的像素”。
发明效果
根据本发明，能够提供响应性优于以往并且不需要校正由于荧光体劣化而产生的图像变化的带电粒子束装置。通过以下的实施方式的说明，前述以外的问题、结构以及效果会变得更清楚。
附图说明
图1表示实施例1所涉及的能量检测装置的整体结构。
图2表示雪崩光电二极管阵列的结构。
图3是说明实施例1中的STEM图像的生成动作的流程图。
图4说明使用了STEM图像的关注区域的再获取动作。
图5是说明实施例2中的STEM图像的生成动作的流程图。
图6是说明实施例3中的STEM图像的生成动作的流程图。
图7说明实施例4中的读出像素尺寸的变更例。
图8说明实施例4中的读出像素尺寸的变更例。
图9说明实施例4中的读出像素尺寸的变更例。
具体实施方式
以下，根据附图说明本发明的实施方式。此外，本发明的实施方式并不限定于后述的实施例，在其技术思想的范围中可以进行各种各样的变形。
(1)实施例1
(1-1)扫描透射电子显微镜的结构
图1表示作为能量检测装置的一个例子的扫描透射电子显微镜(以下，称为“STEM”。)的整体结构。扫描透射电子显微镜100具有电子枪2、照射透镜4、扫描线圈5、物镜6、试样台7、放大透镜***8以及拍摄装置9，它们被设置在显微镜主体1内。拍摄装置9至少包含后述的雪崩光电二极管阵列。在这里，照射透镜4、扫描线圈5、物镜6构成照射***，放大透镜***8构成成像光学***。另外，拍摄装置9构成检测***。
扫描透射电子显微镜100还具有控制电子枪2的电子枪控制装置10、控制照射透镜4的照射透镜控制装置11、控制扫描线圈5的扫描线圈控制装置12、控制物镜6的物镜控制装置13、控制放大透镜***8的放大透镜控制装置14、控制试样台7的试样台控制装置15、计算机16以及监视器19。计算机16具有控制装置17以及图像处理控制装置18。控制装置17控制电子枪控制装置10、照射透镜控制装置11、扫描线圈控制装置12、物镜控制装置13、放大透镜控制装置14以及试样台控制装置15。另外，控制装置17还控制拍摄装置9(雪崩光电二极管阵列)的动作。
从电子枪2发射出的电子束3通过照射透镜4进行会聚，并通过由x方向以及y方向的偏转线圈构成的扫描线圈5进行偏转。在2个方向上偏转的电子束3通过物镜6聚焦在保持在试样台7上的试样101上，并在试样面上进行扫描。在透射过试样101的电子束3的像被放大透镜***8放大之后，在拍摄装置9的拍摄面上成像。拍摄装置9拍摄该图像。在本说明书中也将由拍摄装置9进行的拍摄称为“检测”。通过拍摄装置9拍摄出的扫描透射像(STEM像)被送到计算机16。图像处理控制装置18在监视器19上显示从拍摄装置9输出的扫描透射像。
电子枪控制装置10、照射透镜控制装置11、扫描线圈控制装置12、物镜控制装置13、放大透镜控制装置14、试样台控制装置15以及计算机16也能够分别构成为模块。这些控制装置包含收发信号的输入输出接口、保存控制算法的存储器、执行算法的处理器。
(1-2)雪崩光电二极管阵列的结构
图2表示雪崩光电二极管阵列201(以下，称为“APDA201”。)的结构。APDA201是矩阵状配置多个雪崩光电二极管202(以下，称为“APD202”。)的阵列元件。图2所示的APDA201具有将APD202配置为m列×n行的结构。各个APD202相当于APDA201的像素。在本实施例中，将i列×j行的位置的像素用像素(i，j)表示。因此，像素(1、1)是1列×1行的位置的像素的意思。
APD202是光电二极管(以下，称为“PD”。)的一种，是通过反向电压的施加使光电流倍增的高速并且高灵敏度的PD。APD202是对能量(例如构成光的光子的数量)进行计数来测量能量的器件。如果将施加给APD202的反向电压设为击穿电压以上，则内部电场上升且倍增率会变得非常高。倍增率例如是105～106倍。
在这种提高了倍增率的状态下使APD202工作的模式被称为“盖革模式”。在盖革模式的APD202中，由高电场来加速通过能量(例如光子、带电粒子)的入射而在PN结产生的电子-空穴对。此时，电子在P层内加速，一边提高运动能量一边向N层以充分高于N层的带隙能量的运动能量冲入N层。N层的电子由于该冲入而弹出，弹出的电子进一步连锁地生成更多的电子。这是倍增作用的原理。
如果预定单位的能量(例如1个光子(Photon)、带电粒子)入射至盖革模式的APD202，则通过前述的倍增作用会产生非常大的脉冲信号，因此能够对光子进行计数。光是光子的集合，因此在微弱的光中，光子是分散的。但是，即使光是微弱的，APD202通过前述的倍增作用也能够高灵敏度地测量光。
APD202输出对应于单位时间检测出的光子、带电粒子的数量的大小的电流作为脉冲信号。因此，在阵列上排列有APDA201的拍摄装置9能够以比通过PD阵列构成拍摄装置9时更高的灵敏度来检测微弱的光。此外，在APD202中还准备了雪崩模式，其输出具有与入射光量成比例的(线性的)强度的脉冲信号。在本实施例中，只使用盖革模式。
APDA201是被称为硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier：Si‐PM)的器件的一种，是独立工作的盖革模式的APD202的集合体。构成APDA201的像素的各APD202如果如上所述检测能量，则输出非常大强度的脉冲信号。除此之外，本实施例中的APDA201从输出线203输出所有像素的脉冲信号的总和。因此，即使是微弱的能量(例如光、电子)，APDA201也能够高灵敏度地进行检测。
在本实施例的APDA201中，APD202的驱动控制线204以及205被形成为m列×n行的矩阵状，以便能够仅使一部分APD202在盖革模式下工作。驱动控制线204以及205连接到其交点位置的APD202，并以像素单位来控制动作。列驱动控制线204与行驱动控制线205分别连接到未图示的驱动电路，能够仅对位于通过驱动脉冲控制成激活的1条或者多条驱动控制线204与同样通过驱动脉冲控制成激活的1条或者多条驱动控制线205的交点的1个或者多个APD202施加反向电压，并仅使它们在盖革模式下工作。这种情况下，也从输出线203输出来自在盖革模式下工作的APD202的脉冲信号的总和。
不过，本实施例的APDA201能够将任意个数的APD202设定为盖革模式，因此如果仅使1个APD202在盖革模式下工作，能够从输出线203仅取出1个APD202的输出。在本实施例的情况下，仅使透射过试样101的电子(透射电子)所聚焦的任意像素位置的APD202在盖革模式下工作，并将其他APD202设为休眠状态。例如根据由试样101上的电子束3的照射位置的移动导致的透射电子对拍摄面的入射位置的变化，来变更在盖革模式下工作的像素位置与控制为休眠状态的像素位置。如果重构(矩阵化)从拍摄装置9输出的信号，则能够获得STEM图像。
此外，当长时间没有从APD202读出脉冲信号时，存在由热噪声的影响导致错误检测的风险。因此，通过驱动控制线204以及205定期复位APD202。在APD202处于休眠状态的期间执行复位。
通过控制线的选择，可以对全部像素或任意像素实施复位，该时间等于1个像素的读出时间，并有助于缩短拍摄序列整体的时间。
(1-3)STEM图像的生成动作
使用图3来说明本实施例中的STEM图像的生成动作。通过计算机16(控制装置17、图像处理控制装置18)来控制该生成动作。如果开始STEM图像的生成，则也开始从电子枪2输出的电子束3的扫描(步骤S301)。在本实施例的情况下，通过电子束3的扫描而产生的光(能量)从图2所示的APDA201的第1行左端的像素开始按顺序入射至右端的像素，以下同样，从第2行左端的像素开始入射至右端的像素、…、从第n行左端的像素开始入射至右端的像素。
计算机16在该定时将全部像素控制为激活状态(步骤S302)。即复位全部像素。不过，可以与电子束3的扫描同时或者在扫描开始之前不久执行该复位操作。接下来，计算机16仅对像素(1、1)施加反向电压，仅使该像素在盖革模式下工作(步骤S303)。也就是说，其他m＊n-1个像素为休眠状态。这种情况下，从输出线203输出与入射至像素(1、1)中的光对应的脉冲信号。
接下来，计算机16判定是否从输出线203输出了与最终像素(即像素(m,n))相对应的脉冲信号(步骤S304)。在得到否定结果的期间，计算机16移至步骤S305。在步骤S305中，计算机16使电子束3的照射位置移动，并且仅对同一行的相邻的像素施加反向电压，并得到该脉冲信号。当施加反向电压的像素是最终列(即第m列)时，计算机16将反向电压的施加对象变更为下一行的起始像素。计算机16针对全部的像素按顺序执行以上的动作。
不久，如果在步骤S304中得到肯定结果，则计算机16移至步骤S306，并生成以m列×n行给出的1张图像(图像1)。接下来，计算机16判定是否获取到S张图像(步骤S307)，在得到否定结果的期间，返回至步骤S302，并重复上述一系列动作。通过重复S次该循环处理，获取S张图像(图像1～图像S)。如果在步骤S307中得到肯定结果，则计算机16将S张图像的相同像素位置的脉冲信号彼此相加(步骤S308)。计算机16将所生成的图像作为相加图像显示在监视器19的画面上(步骤S309)。此外，相加图像存储在计算机16内未图示的存储区域(例如存储器、硬盘装置等)中。
(1-4)使用了STEM图像的关注区域的重新获取
使用图4来说明使用了STEM图像的关注区域的重新获取动作。图4的(A)是通过图3的步骤获取到的倍率M1的STEM图像401。作业者一边在监视器19的画面上确认STEM图像401，一边指定想要重新获取的部分区域(在图中使用虚线表示)。此时，作业者还指定重新获取时所使用的倍率。将在这里的倍率设为M2(＞M1)。计算机16如果通过用户界面接受这些指定，则控制电子枪控制装置10以便通过电子束仅扫描相对应的区域部分，并且控制物镜控制装置13、放大透镜控制装置14等以便得到所指定的倍率。另外，计算机16控制拍摄装置9、图像处理控制装置18，以便仅对于所指定的范围相对应的APD202施加反向电压。
如上所述，在构成拍摄装置9的APDA201中以m列×n行的矩阵状形成驱动控制线204以及205。因此，计算机16仅驱动控制相当于所指定的范围的驱动控制线204以及205。此外，计算机16所执行的控制动作的内容与图3所示的处理动作相同，除了步骤S303～S305的像素范围不同。其结果，如图4的(B)所示，可以获取倍率M2的放大STEM图像402。通过仅驱动APDA201的一部分像素就能够获取放大STEM图像402，因此只要STEM图像401与放大STEM图像402的分辨率(SN比)相同(只要循环次数相同)，则与STEM图像401相比，直到输出放大STEM图像402为止的拍摄时间较短即可。
另外，如果放大STEM图像402与STEM图像401的拍摄时间相同，则能够相应地增加重叠次数(能够增加循环次数)，因此能够进一步提高放大STEM图像402的分辨率(SN比)。顺便提及，当所谓的照相机(CCD传感器、CMOS传感器)用于拍摄装置9时，由于即使只需要部分图像也需要读出构成一张图像的全部像素，因此分辨率(SN比)与拍摄时间成相反关系，无法实现如本实施例那样的拍摄时间的缩短、SN比的提高。
(1-5)实施例的效果
如以上说明所述，如果使用本实施例中的扫描透射电子显微镜100，则与以往相比能够提高响应性。另外，在想要以不同的拍摄条件(例如不同的倍率)拍摄获取到的STEM图像401的一部分时，通过仅驱动相当于在监视器19的画面上指定出的范围的APD202，能够短时间地获取更高SN比的放大STEM图像402。
(2)实施例2
在实施例1中，作为STEM图像的生成动作，针对预先复位全部像素的热噪声的方法进行了说明，但是在这里说明其他方法。除了STEM图像的生成方法以外，与实施例1相同。
图5表示本实施例中的STEM图像的生成动作。该生成动作也通过计算机16(控制装置17、图像处理控制装置18)的控制来执行。如果开始STEM图像的生成，则也开始从电子枪2输出的电子束3的扫描(步骤S501)。在本实施例的情况下，计算机16复位像素(1、1)，并排出热噪声(步骤S502)。可以与带电粒子束的扫描同时或者在扫描的开始之前不久执行复位操作。
接下来，计算机16仅对像素(1、1)施加反向电压并且复位图中右边相邻的像素(2、1)(步骤S503)。此时，仅像素(1、1)在盖革模式下工作，其他m＊n-1个像素处于休眠状态。因此，从输出线203输出与入射至像素(1、1)的光对应脉冲信号。
接着，计算机16判定是否从输出线203输出了与最终像素(即像素(m,n))对应的脉冲信号(步骤S504)。在得到否定结果的期间，计算机16移至步骤S505。在步骤S505中，计算机16使带电粒子束的位置移动，并且仅对同一行的右边相邻的像素(例如像素(2,1))施加反向电压，并得到其脉冲信号。另外，与反向电压的施加并行地，复位进一步右边相邻的像素(例如像素(3,1))。当施加反向电压的像素、复位的像素是最终列(即第m列)时，计算机16将施加反向电压的像素、复位的像素的位置变更为下一行的起始像素。计算机16针对全部的像素按顺序执行以上的动作。
不久，如果在步骤S504中得到肯定结果，则计算机16移至步骤S506，并生成以m列×n行给出的第1张图像(图像1)。接下来，计算机16判定是否获取到S张图像(步骤S507)，在得到否定结果的期间，返回至步骤S502，并重复上述一系列动作。通过重复S次该循环处理，获取S张图像。如果在步骤S507中得到肯定结果，则计算机16将S张图像的相同像素位置的脉冲信号彼此相加(步骤S508)。计算机16将所生成的图像作为相加图像，显示在监视器19的画面上(步骤S509)。此外，相加图像存储在计算机16内未图示的存储区域(例如存储器、硬盘装置等)中。
如果使用该方法，则能够在使各像素在盖革模式下工作之前不久进行复位，因此针对APDA201上的任何像素都能够统一成热噪声的影响最少的状态。
(3)实施例3
在这里还说明STEM图像的其他的生成动作。除了STEM图像的生成方法以外，与实施例1相同。
图6表示本实施例中的STEM图像的生成动作。该生成动作也通过计算机16的控制来执行。首先，如果开始STEM图像的生成，则也开始从电子枪2输出的电子束3的扫描(步骤S601)。在本实施例的情况下，计算机16对位于第1行的全部像素、即(1、1)～(m、1)的合计m个像素进行复位，并排出热噪声(步骤S602)。可以与电子束3的扫描同时或者在扫描开始之前不久执行该复位动作。
接下来，计算机16仅对像素(1、1)施加反向电压(步骤S603)。此时，仅像素(1、1)在盖革模式下工作，其他m＊n-1个的像素处于休眠状态。因此，从输出线203输出与入射至像素(1、1)的光对应的脉冲信号。
接着，计算机16判定是否从输出线203输出与最终像素(即像素(m,n))相对应的脉冲信号(步骤S604)。在得到否定结果的期间，计算机16移至步骤S605。在步骤S605中，计算机16使电子束3的位置移动，并且仅对同一行的右边相邻的像素(例如像素(2,1))施加反向电压，并获得其脉冲信号。当施加反向电压的像素是最终列(即第m列)时，计算机16利用电子束3的扫描位置从最终列移动至起始列的期间来复位下一行的全部像素。在该复位之后，对下一行的起始像素开始按顺序施加反向电压。计算机16针对全部的像素按顺序执行以上的动作。
不久，如果在步骤S604中得到肯定结果，则计算机16移至步骤S606，并生成以m列×n行给出的第1张图像(图像1)。接下来，计算机16判定是否获取到S张图像(步骤S607)，并在得到否定结果的期间，返回至步骤S602，重复上述一系列动作。通过重复S次该循环处理，获取S张图像。如果在步骤S607中得到肯定结果，则计算机16将S张图像的相同像素位置的脉冲信号彼此相加(步骤S608)。计算机16将所生成的图像作为相加图像，显示在监视器19的画面上(步骤S609)。此外，相加图像存储在计算机16内未图示的存储区域(例如存储器、硬盘装置等)中。
在该方法中，利用扫描线交错期间(带电粒子束的照射位置从某行的最终列移动至下一行的起始列的期间)，能够复位在盖革模式下工作之前的像素群。即使如此，也能够减小在构成APDA201的像素之间的热噪声的影响的差异。另外，能够降低用于复位操作的处理频率。此外，在本实施例中以行单位进行复位，但是当电子束3的扫描方向为列方向时，可以以列单位进行复位。
(4)实施例4
在前述实施例中，针对仅使1个像素(仅1个APD202)在盖革模式下工作的情况进行了说明。但是，APDA201能够同时使1个或者多个像素位置的APD202在盖革模式下工作。因此，在本实施例中，针对将多个像素指定为一次读出范围的方法进行说明。
图7说明将3列×2行的像素范围设为读出单位的方法。在这里，设从试样101发出的光(能量)所入射的范围也同样进行移动。例如如果通过左上角的像素坐标表示，则读出像素的范围按照像素(1,1)、像素(4,1)、像素(7,1)…来进行移动。从输出线203输出这6个像素的脉冲信号的相加值。通过采用这样的读出方法，能够实现拍摄的高速化。此外，能够自由决定读出像素的范围。例如如图8所示，也能够以列为单位(n个像素单位)指定读出像素。
在上述说明中，说明读出像素的范围的移动与从试样101产生的光(能量)所入射的范围的移动联动的情况，但是从试样101产生的光(能量)所入射的范围可以是APDA201的整个范围或者比读出范围更大的范围。另外，如上所述，可以不使读出范围在APDA201的整个范围中移动，而仅固定为一部分。也就是说，可以将读出像素的范围仅限定为需要STEM图像的区域。根据该方法，能够实现拍摄的高速化。
另外，在前述实施例中，针对在APDA201中仅设置一条输出线203的情况进行了说明，但是如图9所示，可以在APDA201中设置多条输出线203。例如输出线203可以是与列数相同的m条，理论上也可以与全体像素数(m×n个)相同。如果这样设置多条输出线203，则能够并行地执行来自读出像素的范围的读出。如果是图9的例子，则能够从4条输出线203并行地读出所对应的读出像素范围的输出。根据该方法，能够实现拍摄的高速化。当然，输出线可以以行为单位。
(5)其他实施例
本发明并不限定于上述实施例，包含各种各样的变形例。例如，上述实施例是为了易于理解本发明而详细说明的内容，但是并不需要一定具备所说明的全部结构。另外，能够将某实施例的一部分替换为其他实施例的结构。另外，还能够在某实施例的结构中添加其他实施例的结构。另外，还能够在各实施例中添加其他的结构要素、删除各实施例的结构要素的一部分、或者将各实施例的结构要素替换为其他的结构要素。
另外，在前述实施例中，针对将发明应用于扫描透射电子显微镜的情况进行了说明，但是也能够应用于其他的带电粒子束装置(例如透射电子显微镜(TEM:TransmissionElectron Microscope)、扫描电子显微镜(SEM:Scanning Electron Microscope)。
另外，可以通过例如在集成电路中进行设计等，通过硬件来实现上述各结构、功能、处理部、处理手段等的一部分或者全部。另外，可以通过处理器解释实现各个功能的程序并执行(即通过软件)来实现上述各结构、功能等。实现各功能的程序、表格、文件等的信息能够存储在存储器、硬盘、SSD(Solid State Drive：固态硬盘)等存储装置、或者IC卡、SD卡、DVD等存储介质中。另外，控制线、信息线表示认为在说明时所需的线，并不表示产品中所需的全部控制线、信息线。实际上可以认为几乎全部的结构被相互连接。
符号说明
1…显微镜主体、
2…电子枪、
3…电子束、
4…照射透镜、
5…扫描线圈、
6…物镜、
7…试样台、
8…放大透镜***、
9…拍摄装置、
10…电子枪控制装置、
11…照射透镜控制装置、
12…扫描线圈控制装置、
13…物镜控制装置、
14…放大透镜控制装置、
15…试样台控制装置、
16…计算机、
17…控制装置、
18…图像处理控制装置、
19…监视器、
100…扫描透射电子显微镜、
101…试样、
201…雪崩光电二极管阵列、
202…雪崩光电二极管、
203…输出线、
204…驱动控制线、
205…驱动控制线、
401…STEM图像、
402…部分STEM图像。
Claims (8)
1.一种带电粒子束装置，其特征在于，具有：
照射***，其对试样供给会聚的带电粒子束，并通过所述带电粒子束扫描所述试样；
成像光学***，其对来自所述试样的能量进行成像；
检测***，其通过雪崩光电二极管阵列来检测通过所述成像光学***形成的图像；以及
控制部，其根据所述能量的照射范围的移动来变更构成所述雪崩光电二极管阵列的像素中的在盖革模式下工作的像素，
所述控制部在使所述像素在盖革模式下工作之前，对所述像素进行复位操作。
2.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，
所述雪崩光电二极管阵列包含被排列为矩阵状的多个像素，
所述带电粒子束装置还具有被形成为矩阵状，选择性地使所述多个像素中的预定的像素在盖革模式下工作的多条控制线。
3.根据权利要求2所述的带电粒子束装置，其特征在于，
所述能量是透射电子。
4.根据权利要求3所述的带电粒子束装置，其特征在于，
所述带电粒子束装置还具有将检测出的所述图像相加的处理部。
5.根据权利要求4所述的带电粒子束装置，其特征在于，
所述控制部在使所述像素在所述盖革模式下工作之前，以行单位或者列单位对所述像素进行复位操作。
6.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，
所述能量是透射电子。
7.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，
所述带电粒子束装置还具有将检测出的所述图像相加的处理部。
8.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，
所述雪崩光电二极管阵列包含被排列为矩阵状的多个像素，
所述控制部在使所述像素在盖革模式下工作之前，以行单位或者列单位对所述像素进行复位操作。
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