JP2006173038A - 荷電粒子線装置、試料像表示方法及びイメージシフト感度計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加速電圧、WD、ラスターローテーションなどの、任意の観察・分析条件下において、高精度な画像ドリフト補正を行う。
【解決手段】ドリフト検出用の基準画像を取得するときに、イメージシフト量の異なる画像も同時に取得して、イメージシフト感度を随時計測する。この基準画像とイメージシフト感度を自動的に登録し、ドリフト補正時にこれら登録条件に従って、ドリフト量検出とイメージシフト制御（ドリフト補正）を行う。
【選択図】 図３

Description

本発明は荷電粒子線装置に関し、特に観察の弊害の原因や、分析の誤りの原因となる画像ドリフトを、高精度で補正することのできる荷電粒子線装置及び試料像表示方法に関する。

荷電粒子線装置では、試料の観察像を表示する画面内において、時間経過とともに観察像がゆっくり移動する画像ドリフト（画像の視野逃げ、又は画像の視野ずれ）が発生してしまうことがある。この画像ドリフトは、荷電粒子線装置における様々な要因によって生じる。例えば、試料が搭載されている試料ステージが、周辺の温度変化によって熱膨張を起こし、試料の位置が装置の光学軸からずれることにより、画像ドリフトが発生することがある。また、試料上に絶縁物がある場合、試料に入射する電子が絶縁物上で帯電することで、入射電子に影響を与え、入射電子の試料上での走査・透過領域が変化することにより、画像ドリフトが発生する場合がある。

一方、荷電粒子線装置は、試料の拡大像観察という目的のほかに、試料の分析を行う目的でも利用される。分析方法については、例えば、荷電粒子線の一つである電子ビームが試料に照射されたとき、試料より発生する特性X線のエネルギーを、専用の検出器で捕えて解析することにより、試料上の元素構成を知ることができる、エネルギー分散形X線分析法（EDX）や、同じく電子ビームが試料に照射されたとき、試料より発生する光を分光することによって波長などを解析し、試料の化学的な結合状態や結晶欠陥や不純物などの状況を知ることができる、カソードルミネッセンス法（CL）などがある。

これらの分析方法においては、試料上の観察領域を一点一点分析しながらビームを移動させていくことで、この観察領域における個々の点の分析結果を蓄積することができる。EDX法やCL法においては、これらの分析結果を視覚的に分かりやすく出力するために、試料上の個々の点に対する分析結果を画像信号として二次元的に出力する、マッピング法が用いられる。このとき、分析を行うために検出される信号量が小さい場合、マッピング像の取得に数時間以上を要することがある。このマッピング像取得時に、画像ドリフトが発生すると、分析を行う試料上の位置がずれてしまう。さらにこのずれが大きい場合は、当初目標としていた試料位置とは違う試料位置の分析を実施してしまうことになる。このような場合、分析結果に誤りがあることになるため、再び目標となる試料位置に分析位置を合わせ、はじめから分析をやり直す必要があった。

このような誤りを防止するため、オペレータは分析中に画像ドリフトが発生しないように、室温など装置周辺の環境に気を配りながら時間をかけて試料ステージを安定にしたり、試料の前処理に多くの時間を費やしたりする必要があった。また、画像ドリフトが発生しても、それが分析結果に影響を与えない程度の低い観察倍率でのみマッピング法を実施するよう強いられていた。

分析結果に誤りが生じないように、画像ドリフトが発生したときにそれを補正する技術として、従来いくつかの方法があった。例えば、マッピング像を取得するための分析装置側のシステムにおいて、定期的にドリフト量検出用の像を取得し、このドリフトを補正するように分析領域を修正する方法があった。また、特開2003-7247号公報に示されているように、走査電子顕微鏡内のシステムにおいて、定期的にドリフト量検出用の観察像を取得し、この像から画像処理によって求められたドリフト量を、試料上での電子ビームの移動量として換算し、電子ビームの走査位置をシフトさせる機能（イメージシフト機能）を用いることにより、本画像ドリフトを自動で補正する方法がある。

特開2003-7247号公報

荷電粒子線装置においては、試料の観察目的や分析目的によって、装置に設定する動作条件を変化させる。従って、試料ステージの熱膨張や、試料の帯電などに起因する画像ドリフトの補正においては、種々の観察条件や分析条件より選択されて設定される、任意の条件（例えば加速電圧、試料と対物レンズとの距離（作動距離;Working Distance ; WD））や、視野回転機能（ラスターローテーション機能）が実施された状態で、常に高精度の補正を実施する必要がある。

ここで、従来技術である、マッピング像を取得するための分析装置側のシステムにおいて、定期的にドリフト量検出用の像を取得し、このドリフトを補正するように分析領域を修正するという方法においては、マッピング像を取得する装置のシステムが、上記ドリフト補正機能を有する必要があり、分析装置のシステムが肥大化し、またコストもかかるという欠点があった。

一方、走査電子顕微鏡内のシステムで定期的にドリフト量検出用の観察像を取得して、この像より求められたドリフト量から、イメージシフト機能を用いて画像ドリフトを補正する方法においては、イメージシフト機能の制御パラメータ（制御電流）に対する試料上での電子ビームの移動量（イメージシフト量）、つまり、イメージシフトの感度を、あらかじめ精密に測定して、走査電子顕微鏡システムに登録しておく必要があった。また、このイメージシフトの感度はWDによって変化するので、登録されたイメージシフト感度を利用するためには、この感度を測定したときのWDに設定する必要があり、WDは固定して使用しなければならないという欠点があった。また、ラスターローテーション機能による視野回転によって、イメージシフトの移動方向が変化することから、ラスターローテーションの動作量を変更することもできないという更なる欠点もあった。

本発明の目的は、このような従来技術による欠点をなくし、加速電圧、WD、ラスターローテーションなどの、任意の観察・分析条件下において、高精度な画像ドリフト補正を行うことのできる荷電粒子線装置を提供することである。

上記した課題を解決するために、本発明では、イメージシフトを用いたドリフト補正において、ドリフト検出用の基準画像を取得するときに、イメージシフト量の異なる画像も同時に取得する手段を設けることにより、イメージシフト感度と画面内での動作方向を随時計測できるようにした。そして、この基準画像とイメージシフト感度が、荷電粒子線装置システムに自動的に登録される手段を設け、ドリフト補正時に、これら登録条件に従ってドリフト量検出とイメージシフト制御（ドリフト補正）を行う手段を設けた。

本発明によれば、観察の弊害の原因や、分析の誤りの原因となる画像ドリフトを、加速電圧、WD、ラスターローテーションなど、任意の観察・分析条件で、高精度に補正することができる。

任意の観察・分析条件（加速電圧、WDなど）やラスターローテーションに対して、イメージシフトを用いて画像ドリフトの補正を高精度に行うためには、イメージシフトの感度を高精度に計測する必要がある。ここでは、画像処理を用いたイメージシフト感度の高精度計測法について説明する。

通常、荷電粒子線装置においては、二次元（X,Y）方向にイメージシフトを実施するために、イメージシフトコイル（Xc, Yc）を用いる。ここで、ラスターローテーション動作を考慮したとき、イメージシフトを実施するためのイメージシフトコイル電流の制御DAC（X_IS, Y_IS）に対する、荷電粒子線装置上でのイメージシフトW_ISを複素数表示を用いて表すと、次式(1)の関係となる。

ここで、式(1)内のK（複素数）は、観察画像のラスターローテーションの影響を含むイメージシフトの感度係数であり、観察・分析条件やラスターローテーション動作などに依存する。イメージシフトコイルのビーム偏向方向(X,Y)と走査方向(X,Y)とが対応すれば、Kは実数となる。また、式(1)内のεは、イメージシフトのXコイル(Xc)とYコイル(Yc)の感度比、及び直交ずれを表す複素パラメータである。この直交ずれや感度の非対称性が無い、理想的なイメージシフトコイルでは、ε＝１であるが、一般にはεは複素数となる。ここでは、Kとεをそれぞれ式(2)(3)で表す。

これらの感度係数(K)とコイル係数(ε)を計測するために、XコイルとYコイルの電流DAC設定値を、それぞれS（LSB）だけ変化させて、このときの荷電粒子線装置の視差（W）を、画像処理で計測する。表１にイメージシフト(X,Y)の動作量と視差の関係を示す。なお、視差をもつ2枚の画像から、この視差Wを計測するための画像処理技術は、相関法を用いる方法などがあり、既知の技術である。

これより、イメージシフトの感度係数とコイル係数（イメージシフト感度パラメータ）は、次式で計算される。

式(4)(5)の係数から、任意の視野シフトW（＝W_x＋jW_y）を実現するイメージシフト動作量（イメージシフトコイル電流の制御DAC（X_IS, Y_IS））は、次のように計算される。

以上の方法により、イメージシフトの感度を高精度に計測することができるため、任意の観察・分析条件に対して、イメージシフトを用いて画像ドリフトの補正を高精度に行うことができる。上記の例では、イメージシフトコイルの感度係数(K)とコイル係数(ε)を計測するために基準画像とともに、XコイルとYコイルの電流DAC設定値をそれぞれS（LSB）だけ変化させた2枚の画像を取得した。しかし、XコイルとYコイルの電流DAC設定値を変化させた画像を3枚以上取得して、基準画像とそれらの画像との視差から計算されるイメージシフトの感度係数(K)とコイル係数(ε)の平均値を、イメージシフトの感度として用いるようにしてもよい。

以下、図面を参照し、本発明の実施例について詳細に説明する。ここでは、本発明を走査電子顕微鏡に適用した例について説明する。ただし、本発明は走査電子顕微鏡だけでなく、集束イオンビーム装置（FIB）、走査透過電子顕微鏡（STEM）、透過電子顕微鏡など、イメージシフト機能を有する全ての荷電粒子線装置に適用可能である。

図１は、電界放出形電子銃を搭載した本発明による走査電子顕微鏡の概略図である。ただし、本発明は搭載された電子銃によって効果が限定されるものではない。陰極1と第一陽極2に印加される電圧V1によって陰極1から放出された一次電子ビーム3は、第二陰極4に印加される電圧Vaccに加速されて、後段の電磁レンズ系に進行する。ここで、この加速電圧Vacc及びV1は、高電圧制御回路22で制御されている。一次電子ビーム3は第一収束レンズ制御回路23で制御された第一収束レンズ5で収束され、対物レンズ絞り6でビームの照射角を制限され、第二収束レンズ制御回路24で制御される第二収束レンズ7で再び収束され、対物レンズ制御回路27によって制御される対物レンズ12によって試料13に細く絞られ、さらに走査制御回路と、倍率制御回路と、視野回転制御回路によって構成される偏向制御ユニット25によって制御される二段偏向コイル8及び10で試料13上を二次元的に走査される。また、一次電子ビーム3の走査位置は、イメージシフト制御回路26によって制御された二段のイメージシフトコイル9及び11によってシフトすることができる。ここで、試料13は試料微動制御回路29によって制御される試料微動装置14上にある。

試料13の一次電子ビーム照射点から発生する信号のうち、比較的浅い角度で放出されるエネルギーの高い反射電子信号15は、検出器18に検出されて増幅器19で増幅される。またエネルギーの低い二次電子信号16は、対物レンズ12の磁場によって巻き上げられて、対物レンズ上部に配置された直交電磁界（EXB）装置17によって一次電子ビームに軸ずれを起こすことなく検出器20に検出され、増幅器21で増幅される。増幅器19及び21は信号制御回路28によって制御されており、これを含めた各種制御回路22〜29は、装置全体を制御するコンピュータ30によって制御される。増幅された二次電子及び反射電子の信号は、表示装置31の画面に試料の拡大像として表示される。

コンピュータ30には、他に表示装置31上に表示された観察画像を画像情報として取得するための画像取得手段32と、これら観察画像に対して種々の画像処理を行う画像処理手段33と、この画像処理の結果から、前記の方法によってイメージシフトの感度パラメータを計算したり、その他種々の計算をしたりするための計算手段34と、観察画像や計算結果を保存するための内部メモリ35と、観察条件などを入力するための入力手段36が接続されている。また、本走査電子顕微鏡には、試料13の元素分析を実施するための分析装置として、試料13の一次電子ビーム照射点から発生するX線37を用いて分析を行うエネルギー分散形X線分析装置（EDX）の検出器38と、EDX制御装置39と、マッピング像などの分析結果を表示するための表示装置40と、EDX用のコンピュータ41が接続されている。このEDX用のコンピュータと、走査電子顕微鏡に接続されたコンピュータ30は通信回線で接続されており、両者の間で制御命令の授受が行われる。EDX用のコンピュータ41は、走査電子顕微鏡を制御するコンピュータ30に対して、イメージシフト感度パラメータの計算やドリフト補正処理の指令を送信することができる。
なお、本発明は、接続されている分析装置によって、効果が限定されるものではない。

次に、マッピング像の取得が行われるときに像ドリフトが発生した場合の、実際のドリフト補正について、本実施例でのドリフト補正の流れを示した図３のフローチャートに従って説明する。なお、図２はそれぞれ試料像の状態を示したものであり、適宜これを用いて説明する。

オペレータが入力手段36によって、試料の観察や分析を実施するための条件を決定することにより、走査電子顕微鏡の電子光学条件（加速電圧、WDなど）やラスターローテーション角度が決定される（S１１）。これらの条件はコンピュータ30を通して設定される。その後、マッピングを開始する前に、以下の処理を行う。

先ず、図２（ａ）に示すように、表示装置31に分析を行うための目標物が視野に入った試料像が表示されたら、画像取得手段32によって、ドリフト検出用の基準画像を取得し、その基準画像を記憶手段35に記憶する（S１２）。

次に、イメージシフトの感度を計測するための画像を取得する。前記基準画像を取得したときのイメージシフトコイル電流の制御DAC値が（X_IS0,Y_IS0）であった場合、先ず（X_IS0+S, Y_IS0）の制御DAC値をイメージシフト制御回路26に設定する。これによって、一次電子ビーム3の試料13上での走査位置がシフトするため、図２（ｂ）に示すように、表示装置31に表示される試料画像がシフトする。この試料画像を画像取得手段32によって取得し、記憶手段35に記憶する。同様に、（X_IS0, Y_IS0+S）の制御DAC値をイメージシフト制御回路26に設定し、図２（ｃ）に示すように、表示装置31に表示されるシフトされた試料画像を画像取得手段32によって取得し、記憶手段35に記憶する（S１３）。

次に、上述の過程によって取得された、基準画像に対する各計測用画像の視差W1,W2を、画像処理手段33を用いて計測する。この視差W1,W2により、前記のイメージシフト感度パラメータの計算方法を持った計算手段34を用いて式(4)(5)によってパラメータを計算し、記憶手段35に記憶する（S１４）。

以上の処理をマッピング像取得の前行うことにより、オペレータが設定した、任意の電子光学系条件に対するイメージシフトの感度を、あらかじめ求めておくことができる。また、観察や分析を行うための条件を変更するために、電子光学系条件が再設定されたら、少なくとも1回は上記の処理を再度行う。

ここで、マッピング像の取得が開始され（S１５）、図２（ｄ）に示すように、ドリフトが発生したとする。所定の時間がきたら、表示装置31に表示されるドリフト後の試料画像を、画像取得手段32によって取得し、記憶手段35に記憶する（S１６）。この取得された画像と、前記基準画像との視差を、画像処理手段33を用いて計測する（S１７）。

この視差に等しい量のイメージシフトを実行するため、すでに求めてあるイメージシフトの感度パラメータにより、前記の視野シフトWを実現するイメージシフト動作量の計算方法を持った計算手段34を用いて、イメージシフトコイル電流の制御DAC値を式(6)(7)に従って計算する（S１８）。このDAC値をイメージシフト制御回路に設定することで、イメージシフトを自動で実施する（S１９）。

以上より、図２（ｅ）に示すように、試料像がドリフト発生前の画像と同じ状態に戻り、画像のドリフト補正を行うことができる（S２０）。なお、マッピング像取得処理が終了していない場合は、マッピング像取得開始後の、ドリフト発生前の処理状態まで戻り、上記ドリフト補正の流れを繰り返す（S２１）。

本実施例により、加速電圧、WD、ラスターローテーションなどの、任意の電子光学条件下においても、高精度の画像ドリフト補正を自動で行うことができる。また、本実施例はマッピング像取得の場合について説明したが、長時間の試料像観察を行う場合のみにおいても、同様の効果を得ることができる。

本発明による走査電子顕微鏡の概略図。 表示装置に表示された試料像の状態を示す図。 本発明によるドリフト補正の流れを示したフローチャート。

符号の説明

１：陰極、２：第一陽極、３：一次電子ビーム、４：第二陰極、５：第一収束レンズ、６：対物レンズ絞り、７： 第二収束レンズ、８：偏向コイル（上）、９：イメージシフトコイル（上）、１０：偏向コイル（下）、１１：イメージシフトコイル（下）、１２：対物レンズ、１３：試料、１４：試料微動装置、１５：反射電子、１６：二次電子、１７：直交電磁界（ＥＸＢ）装置、１８：検出器、１９：増幅器、２０：検出器、２１：増幅器、２２：高圧制御回路、２３：第一収束レンズ制御回路、２４：第二収束レンズ制御回路、２５：偏向制御ユニット、２６：イメージシフト制御回路、２７：対物レンズ制御回路、２８：信号制御回路、２９：試料微動制御回路、３０：コンピュータ、３１：表示装置（画面）、３２：画像取得手段、３３：画像処理手段、３４：計算手段、３５：記憶手段（内部メモリ）、３６：入力手段、３７：Ｘ線、３８：ＥＤＸ検出器、３９：ＥＤＸ制御装置、４０：ＥＤＸ結果表示装置

Claims (12)

1. 荷電粒子線源と、
   前記荷電粒子線源から放出された一次荷電粒子線を試料上で収束するためのレンズ系と、
   前記一次荷電粒子線の照射によって試料から発生した信号を検出する検出手段と、
   前記検出手段の出力信号を用いて試料の拡大像を表示する像表示手段と、
   前記一次荷電粒子線の照射領域を移動させて前記拡大像の視野を移動するためのイメージシフト手段とを有する荷電粒子線装置において、
   前記イメージシフト手段によるイメージシフト量の異なる複数の画像を取得する画像取得手段と、
   前記画像取得手段によって取得した複数の画像を比較することによって前記イメージシフト手段の動作感度を計測するイメージシフト感度計測手段とを具備することを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、前記一次荷電粒子線を試料上で走査するための偏向器を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、前記画像取得手段は、基準画像と、前記基準画像に対して前記イメージシフト手段によるイメージシフト動作量が既知であって移動方向が異なる複数の画像を取得することを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項３に記載の荷電粒子線装置において、前記イメージシフト感度計測手段は、前記基準画像と前記イメージシフト動作量が既知で移動方向が異なる複数の画像間のずれに基づく演算から前記イメージシフト手段の動作感度を計測することを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項４に記載の荷電粒子線装置において、前記基準画像及び前記感度計測手段によって計測された前記イメージシフト手段の動作感度を記憶する記憶手段を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項５に記載の荷電粒子線装置において、ドリフト補正手段を有し、前記ドリフト補正手段は、前記記憶手段に記憶した基準画像と当該基準画像と同じイメージシフト動作条件で取得した現在の試料像との間のずれ量と、前記記憶手段に記憶された前記イメージシフト手段の動作感度とから、前記ずれ量を補正するのに必要な前記イメージシフト手段の動作量を計算し、前記動作量となるように前記イメージシフト手段を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 一次荷電粒子線の照射によって試料から得られた信号を用いて試料の拡大像を表示する試料像表示方法において、
   前記一次荷電粒子線の照射領域を移動させて前記拡大像の視野を移動するためのイメージシフト手段を制御して、基準画像と前記基準画像に対して前記イメージシフト手段によるイメージシフト動作量が既知でイメージシフト方向の異なる複数の画像を取得するステップと、
   前記基準画像と、前記基準画像に対する前記イメージシフト動作量が既知で方向が異なる複数の画像間のずれに基づいて前記イメージシフト手段の動作感度を計測するステップとを有することを特徴とする試料像表示方法。
8. 請求項７に記載の試料像表示方法において、前記基準画像と前記計測した前記イメージシフト手段の動作感度とを記憶するステップを有することを特徴とする試料像表示方法。
9. 請求項８に記載の試料像表示方法において、
   前記基準画像と同じイメージシフト動作条件で試料像を再取得するステップと、
   前記再取得した試料像と前記基準画像の画像間のずれを検出するステップと、
   前記検出した画像間のずれ量と記憶した前記イメージシフト手段の動作感度とから、当該検出した画像間のずれ量を補正するのに必要な前記イメージシフト手段の動作量を計算するステップと、
   計算された動作量となるように前記イメージシフト手段を制御するステップと
   を有することを特徴とする試料像表示方法。
10. 請求項９に記載の試料像表示方法において、通信回線を介して受信した他の機器からの指令に従って前記各ステップを実行することを特徴とする試料像表示方法。
11. 請求項８に記載の試料像表示方法において、前記一次荷電粒子線を試料に照射するための光学条件が変化したとき、前記各ステップを実行することを特徴とする試料像表示方法。
12. 荷電粒子線源から放出された一次荷電粒子線の試料上での照射領域を移動させて視野を移動するためのイメージシフト手段を有し、前記一次荷電粒子線の照射によって試料から発生した信号を用いて試料の拡大像を表示する荷電粒子線装置の前記イメージシフト手段の感度を計測する方法であって、
    前記イメージシフト手段の動作条件を基準となる第１の条件にして第１の試料像を取得するステップと、
    前記イメージシフト手段の動作条件を前記第１の条件と異なる第２の条件にして第２の試料像を取得するステップと、
    前記イメージシフト手段の動作条件を前記第１の条件及び第２の条件と異なる第３の条件にして第３の試料像を取得するステップと、
    前記第１の試料像と前記第２の試料像との間の第１のずれを検出するステップと、
    前記第１の試料像と前記第３の試料像との間の第２のずれを検出するステップと、
    前記第１のずれと第２のずれの情報を、前記イメージシフト手段の動作条件の変化とイメージシフト量の関係を表す方程式に当てはめることにより、前記イメージシフト手段の感度を計算するステップと
    を有することを特徴とするイメージシフト感度計測方法。

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