JP7453273B2 - 荷電粒子線装置および荷電粒子線装置の制御方法 - Google Patents

荷電粒子線装置および荷電粒子線装置の制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、荷電粒子線装置および荷電粒子線装置の制御方法に関する。
電子線を集束させて電子プローブを形成し、電子プローブで試料を走査して走査像を取得する装置として、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）や走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）などの荷電粒子線装置が知られている。
例えば、特許文献１には、収束させた電子線で電子プローブを形成し、当該電子プローブで試料を走査し、電子プローブの走査と同期して試料を透過した透過電子あるいは試料で散乱された散乱電子を検出することで走査透過電子顕微鏡像（ＳＴＥＭ像）を得ることができる走査透過電子顕微鏡が開示されている。特許文献１では、電子プローブの走査を走査コイルで行っている。走査コイルは、磁界を発生させて電子線を偏向させる。
特開２０２０－１２３５３３号公報
電子線の走査は、電子線で水平方向に走査線を引き、電子線を振り戻して次の走査線を引くことで行われる。ここで、走査コイルは過渡応答によってリンギングが発生し、非線形応答するため、電子線を振り戻して次の走査線を引くまでの間に、待ち時間を設ける必要がある。この待ち時間を振り戻し時間（flyback time）という。走査透過電子顕微鏡では、振り戻し時間を走査コイルが非線形応答する時間より長く設定し、走査コイルが線形応答するまで待ってＳＴＥＭ像の取得を行う。これにより、ＳＴＥＭ像の歪みやぼけを低減できる。
このように、磁界で荷電粒子線を偏向させる荷電粒子線装置では、荷電粒子線を振り戻すごとに、振り戻し時間を設けなければならない。
本発明に係る荷電粒子線装置の一態様は、
荷電粒子線で試料を走査し、走査像を取得する荷電粒子線装置であって、
磁界を発生させて荷電粒子線を偏向する磁界偏向器と、
電界を発生させて荷電粒子線を偏向する静電偏向器と、
前記磁界偏向器および前記静電偏向器を制御する制御部と、
を含み、
前記制御部は、
前記磁界偏向器に荷電粒子線を第１方向に偏向させて第１走査線を引き、
前記磁界偏向器に荷電粒子線を前記第１方向と直交する第２方向に偏向させ、
前記静電偏向器に荷電粒子線を前記第１方向とは反対方向の第３方向に偏向させ、
前記磁界偏向器に荷電粒子線を前記第１方向に偏向させて第２走査線を引く。
このような荷電粒子線装置では、磁界偏向器で第１走査線を引いた後、静電偏向器で荷電粒子線を振り戻して、磁界偏向器で第２走査線を引くため、磁界偏向器で荷電粒子線を振り戻す場合と比べて、振り戻し時間を短くできる。したがって、このような荷電粒子線装置では、短時間で試料を走査できる。
本発明に係る荷電粒子線装置の制御方法の一態様は、
磁界を発生させて荷電粒子線を偏向する磁界偏向器と、電界を発生させて荷電粒子線を偏向する静電偏向器と、を含み、荷電粒子線で試料を走査し、走査像を取得する荷電粒子線装置の制御方法であって、
前記磁界偏向器に荷電粒子線を第１方向に偏向させて第１走査線を引き、
前記磁界偏向器に荷電粒子線を前記第１方向と直交する第２方向に偏向させ、
前記静電偏向器に荷電粒子線を前記第１方向とは反対方向の第３方向に偏向させ、
前記磁界偏向器に荷電粒子線を前記第１方向に偏向させて第２走査線を引く。
このような荷電粒子線装置の制御方法では、磁界偏向器で第１走査線を引いた後、静電偏向器で荷電粒子線を振り戻して、磁界偏向器で第２走査線を引くため、磁界偏向器で荷電粒子線を振り戻す場合と比べて、振り戻し時間を短くできる。したがって、このような荷電粒子線装置の制御方法では、短時間で試料を走査できる。
本発明の一実施形態に係る電子顕微鏡の構成を示す図。 磁界偏向器の動作を説明するための図。 水平スキャン信号、垂直スキャン信号、および水平シフト信号の一例を示す図。 電子顕微鏡の動作を模式的に示す図。 電子顕微鏡の動作を模式的に示す図。 電子顕微鏡の動作を模式的に示す図。 電子顕微鏡の動作を模式的に示す図。 電子顕微鏡の動作を模式的に示す図。 電子顕微鏡の動作を模式的に示す図。 電子顕微鏡の動作を模式的に示す図。 電子顕微鏡の動作を模式的に示す図。 水平スキャン信号、垂直スキャン信号、および水平シフト信号の一例を示す図。 水平スキャン信号、垂直スキャン信号、および水平シフト信号の一例を示す図。 電子顕微鏡の動作を模式的に示す図。 水平スキャン信号、垂直スキャン信号、および水平シフト信号の変形例を示す図。 電子顕微鏡の動作を模式的に示す図。
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
１． 電子顕微鏡
１．１． 電子顕微鏡の構成
まず、本発明の一実施形態に係る電子顕微鏡について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る電子顕微鏡１００の構成を示す図である。
電子顕微鏡１００は、電子線で試料Ｓを走査し、走査透過電子顕微鏡像（ＳＴＥＭ像）
を取得する走査透過電子顕微鏡である。電子顕微鏡１００は、図１に示すように、電子線源１０と、照射レンズ２０と、磁界偏向器３０と、静電偏向器４０と、試料ステージ５０と、対物レンズ６０と、中間レンズ６２と、投影レンズ６４と、検出器７０と、制御部８０と、像取得部９０と、を含む。
電子線源１０は、電子線を放出する。電子線源１０は、例えば、陰極から放出された電子を陽極で加速し電子線を放出する電子銃である。
照射レンズ２０は、電子線源１０から放出された電子線を収束して電子プローブを形成する。なお、対物レンズ６０が試料Ｓの前方につくる磁界は、照射レンズ２０とともに電子プローブを形成するためのレンズとして機能する。
磁界偏向器３０は、磁場を発生させて電子線を偏向させる。磁界偏向器３０は、電子線を二次元的に偏向させる。磁界偏向器３０は、Ｘ軸に沿って電子線を偏向させる２つのコイルと、Ｙ軸に沿って電子線を偏向させる２つのコイルと、を含む。なお、Ｘ軸およびＹ軸は、光軸に直交する軸であり、互いに直交する軸である。磁界偏向器３０は、例えば、二段偏向系であり、一段目の偏向器で電子線を偏向し、二段目の偏向器で偏向した電子線を振り戻す。
静電偏向器４０は、静電場を発生させて電子線を偏向させる。静電偏向器４０は、例えば、電子線を一次元的に偏向させる。静電偏向器４０は、Ｘ軸に沿って電子線を偏向させる、対向する２つの静電偏向板を含む。
電子顕微鏡１００では、磁界偏向器３０および静電偏向器４０で電子線を偏向させることによって、電子線（電子プローブ）で試料Ｓを走査できる。
試料ステージ５０は、試料ホルダー５２に保持された試料Ｓを支持する。試料ステージ５０によって、試料Ｓを位置決めできる。
対物レンズ６０、中間レンズ６２、および投影レンズ６４は、結像レンズ系を構成し、試料Ｓを透過した電子線を検出器７０に導く。
検出器７０は、例えば、試料Ｓで高角度に非弾性散乱された電子を円環状の検出器で検出する暗視野ＳＴＥＭ検出器であってもよいし、試料Ｓを透過して入射電子線と同じ方向に出射する透過電子を検出する明視野ＳＴＥＭ検出器であってもよい。また、電子顕微鏡１００は、暗視野ＳＴＥＭ検出器と明視野ＳＴＥＭ検出器の両方を備えていてもよい。
なお、図示はしないが、電子顕微鏡１００は、試料Ｓに電子線が照射されることによって試料Ｓから放出される特性Ｘ線を検出するＸ線検出器を備えていてもよい。
制御部８０は、磁界偏向器３０および静電偏向器４０を制御する。制御部８０は、走査信号を生成し、走査信号を磁界偏向器３０および静電偏向器４０に供給することによって、磁界偏向器３０および静電偏向器４０を制御する。より具体的には、走査信号は、水平スキャン信号と、垂直スキャン信号と、水平シフト信号と、を含む。制御部８０は、水平スキャン信号および垂直スキャン信号を磁界偏向器３０に供給することによって、磁界偏向器３０を制御する。また、制御部８０は、後述する水平シフト信号を静電偏向器４０に供給することによって静電偏向器４０を制御する。
制御部８０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）などのプロセッサと、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read On
ly Memory）などの記憶装置と、を含む。制御部８０では、プロセッサで記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより、各種計算処理、各種制御処理を行う。なお、制御部８０の少なくとも一部を、ＡＳＩＣ（ゲートアレイ等）などの専用回路により実現してもよい。
像取得部９０は、検出器７０からの検出信号（電子線の強度信号）を、走査信号に同期させて画像化して、ＳＴＥＭ像を生成する。ここで、ＳＴＥＭ像は、検出信号と、走査信号とを同期させて得られた、試料位置に対応した信号量（電子線の強度）の分布を示す画像である。像取得部９０は、例えば、ＣＰＵやＤＳＰなどのプロセッサと、ＲＡＭやＲＯＭなどの記憶装置と、を含む。像取得部９０では、プロセッサで記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより、各種計算処理、各種制御処理を行う。なお、像取得部９０の少なくとも一部を、ＡＳＩＣ（ゲートアレイ等）などの専用回路により実現してもよい。
電子顕微鏡１００では、電子線源１０から放出された電子線は、照射レンズ２０によって集束され電子プローブを形成する。電子プローブは、磁界偏向器３０および静電偏向器４０によって二次元的に偏向される。これにより、電子プローブで試料Ｓを走査できる。試料Ｓを透過した電子線は、結像レンズ系によって検出器７０に導かれ、検出器７０で検出される。像取得部９０は、検出器７０からの検出信号を、走査信号に同期させて画像化し、ＳＴＥＭ像を生成する。なお、像取得部９０は、Ｘ線検出器からの信号を、走査信号に同期させて画像化し、元素マップを生成してもよい。このように電子顕微鏡１００では、走査像として、ＳＴＥＭ像や元素マップを取得できる。
１．２． 磁界偏向器および静電偏向器
電子顕微鏡１００では、磁界偏向器３０および静電偏向器４０で電子線を二次元的に偏向させることによって、電子プローブで試料Ｓを走査する。
ここで、磁界偏向器３０は、比較的低い電圧で駆動することができるため、取り扱いが容易である。しかしながら、磁界偏向器３０では、後述するように、過渡応答による非線形応答時間が長い。すなわち、磁界偏向器３０は、静定に要する時間（静定時間）が長い。
これに対して、静電偏向器４０は、静定に要する時間が極めて短い。静電偏向器４０は、磁界偏向器３０に比べて、非線形応答時間が極めて短く、高速に電子線を偏向できる。静電偏向器４０は、例えば、ナノ秒オーダーで電子線を偏向できる。
図２は、磁界偏向器３０の動作を説明するための図である。図２では、水平スキャン信号を破線で示し、磁界偏向器３０の応答を実線で示している。また、図２には、水平スキャン信号で磁界偏向器３０を動作させたときの、電子線の照射位置２を図示している。
磁界偏向器３０では、電子線を振り戻した後、過渡応答によってリンギングが発生し、非線形応答する。そのため、図２に示すように、電子線で水平方向に走査線を引いた後、電子線を振り戻す時には、磁界偏向器３０に加えた水平スキャン信号と、磁界偏向器３０の応答が一致しない。磁界偏向器３０に加えた水平スキャン信号と、磁界偏向器３０の応答が一致しない場合、走査像が歪んだり走査像がぼけたりしてしまう。
したがって、磁界偏向器３０が非線形応答する間は、像の取得を行わず、線形応答するまで待ってから像の取得を行う。図２に示す例では、磁界偏向器３０が線形応答するまでの待ち時間を振り戻し時間ＰＦとし、振り戻し時間ＰＦ経過後の走査線描画期間ＰＩにおいて試料上に走査線が引かれ、像の取得が行われる。
２． 走査信号
次に、走査信号について説明する。走査信号は、水平スキャン信号、垂直スキャン信号、および水平シフト信号を含む。図３は、水平スキャン信号ＳＸ、垂直スキャン信号ＳＹ、および水平シフト信号ＳＳの一例を示す図である。
ここでは、試料Ｓの観察領域Ｓ２において、水平方向（Ｘ方向）に４ピクセル、垂直方向（Ｙ方向）に４ピクセルのＳＴＥＭ像を取得する場合について説明する。
水平スキャン信号ＳＸは、電子線を水平方向（Ｘ方向）に移動させるために磁界偏向器３０に供給される信号である。垂直スキャン信号ＳＹは、電子線を垂直方向（Ｙ方向）に移動させるために磁界偏向器３０に供給される信号である。水平シフト信号ＳＳは、電子線を水平方向（Ｘ方向）に移動させるために静電偏向器４０に供給される信号である。水平スキャン信号ＳＸ、垂直スキャン信号ＳＹ、および水平シフト信号ＳＳは、同期している。
水平スキャン信号ＳＸは、のこぎり波状の信号である。水平スキャン信号ＳＸは、時刻ｔ０から時刻ｔ３０までの間に、電流Ｉｘ０から電流Ｉｘ２までステップ状に上昇する。水平スキャン信号ＳＸにおいて１つのステップは、１つの照射位置、すなわち、ＳＴＥＭ像の１つのピクセルに対応する。時刻ｔ０において、垂直スキャン信号ＳＹの電流値は電流Ｉｙ１であり、水平シフト信号ＳＳの電圧値は電圧Ｖ０である。
時刻ｔ２０において、垂直スキャン信号ＳＹの電流値は、電流Ｉｙ１から電流Ｉｙ２となる。また、時刻ｔ２０において水平シフト信号ＳＳの電圧値は、電圧Ｖ０から電圧Ｖ１となる。
時刻ｔ３０において、水平スキャン信号ＳＸの電流値は、電流Ｉｘ２から電流Ｉｘ０となる。また、時刻ｔ３０において、垂直スキャン信号ＳＹの電流値は、電流Ｉｙ２から電流Ｉｙ３となる。また、時刻ｔ３０において、水平シフト信号ＳＳの電圧値は、電圧Ｖ１から電圧Ｖ０となる。
水平スキャン信号ＳＸは、時刻ｔ３０から時刻ｔ６０までの間に、電流Ｉｘ０から電流Ｉｘ２までステップ状に上昇する。
時刻ｔ５０において、垂直スキャン信号ＳＹの電流値は、電流Ｉｙ３から電流Ｉｙ４となる。また、時刻ｔ５０において水平シフト信号ＳＳの電圧値は、電圧Ｖ０から電圧Ｖ１となる。
時刻ｔ６０において、水平スキャン信号ＳＸの電流値は、電流Ｉｘ２から電流Ｉｘ０となる。また、時刻ｔ６０において、垂直スキャン信号ＳＹの電流値は、電流Ｉｙ４から電流Ｉｙ０となる。また、時刻ｔ６０において、水平シフト信号ＳＳの電圧値は、電圧Ｖ１から電圧Ｖ０となる。
像取得部９０は、時刻ｔ１０から時刻ｔ２０までの第１走査線描画期間ＰＩ－１、時刻ｔ２０から時刻ｔ３０までの第２走査線描画期間ＰＩ－２、時刻ｔ４０から時刻ｔ５０までの第３走査線描画期間ＰＩ－３、および時刻ｔ５０から時刻ｔ６０までの第４走査線描画期間ＰＩ－４において、像の取得を行う。すなわち、像取得部９０は、時刻ｔ０から時刻ｔ１０までの振り戻し時間ＰＦ、および時刻ｔ３０から時刻ｔ４０までの振り戻し時間ＰＦにおいて、像の取得を行わない。図示の例では、水平スキャン信号ＳＸの１周期に、走査線描画期間が２回設けられており、１周期に２つの走査線を引く。
振り戻し時間ＰＦは、走査線を引いた後、電子線を振り戻して次の走査線を引くまでの待ち時間である。振り戻し時間ＰＦは、磁界偏向器３０が過渡応答によって非線形応答する時間よりも長く設定される。
３． 電子顕微鏡の動作
図４～図１１は、図３に示す水平スキャン信号ＳＸおよび垂直スキャン信号ＳＹが磁界偏向器３０に供給され、図３に示す水平シフト信号ＳＳが静電偏向器４０に供給されたときの電子顕微鏡１００の動作を模式的に示す図である。
図４に示すように、時刻ｔ０において、電子線は試料Ｓ上で観察領域Ｓ２の外の走査開始位置Ｏ１に位置する。時刻ｔ０から時刻ｔ１０までの振り戻し時間ＰＦでは、水平スキャン信号ＳＸの電流値は、ステップ状に上昇する。そのため、時刻ｔ０から時刻ｔ１０までの振り戻し時間ＰＦでは、磁界偏向器３０によって電子線が偏向され、電子線が試料Ｓ上で観察領域Ｓ２の外を＋Ｘ方向に移動する。この振り戻し時間ＰＦでは、像の取得が行われない。
時刻ｔ０から振り戻し時間ＰＦ経過後の時刻ｔ１０において、像の取得が開始される。
時刻ｔ１０から時刻ｔ２０までの第１走査線描画期間ＰＩ－１において、水平スキャン信号ＳＸは、ステップ状に上昇する。そのため、図５に示すように、磁界偏向器３０によって電子線が偏向され、電子線が試料Ｓ上で＋Ｘ方向に移動し、第１走査線Ｌ１が引かれる。第１走査線Ｌ１が引かれている間、像が取得される。すなわち、第１走査線Ｌ１上の各照射位置２において試料Ｓを透過した電子線が検出器７０で検出され、像取得部９０は、走査信号に同期して各照射位置２における信号強度の情報を取得する。
時刻ｔ２０において、垂直スキャン信号ＳＹの電流値は、電流Ｉｙ１から電流Ｉｙ２となる。これにより、図６に示すように、磁界偏向器３０によって電子線が偏向され、電子線が試料Ｓ上で１ピクセル分だけ＋Ｙ方向に移動する。また、時刻ｔ２０において、水平シフト信号ＳＳの電圧値は、電圧Ｖ０から電圧Ｖ１となる。これにより、静電偏向器４０で電子線が偏向され、電子線が試料Ｓ上で第１走査線Ｌ１の長さだけ振り戻される。
仮に、時刻ｔ２０において、水平シフト信号ＳＳの電圧値が変化しない場合、図７に示すように、第２走査線Ｌ２は、観察領域Ｓ２の外に引かれることになる。時刻ｔ２０において、静電偏向器４０で電子線が振り戻されることによって、図６に示すように、電子線が試料Ｓ上で－Ｘ方向に第１走査線Ｌ１の長さだけ移動する。この結果、電子線が第１走査線Ｌ１の終点から第２走査線Ｌ２の始点に移動する。第２走査線Ｌ２の始点のＸ座標は、第１走査線Ｌ１の始点のＸ座標と一致する。第２走査線Ｌ２の長さは、第１走査線Ｌ１の長さと等しい。
時刻ｔ２０において、静電偏向器４０で電子線を振り戻すことによって、第１走査線Ｌ１を引いた後、第２走査線Ｌ２を引く前に、振り戻し時間ＰＦを設けなくてもよい。
時刻ｔ２０から時刻ｔ３０までの第２走査線描画期間ＰＩ－２において、水平スキャン信号ＳＸは、ステップ状に上昇する。そのため、図６に示すように、磁界偏向器３０によって電子線が偏向され、電子線が試料Ｓ上で＋Ｘ方向に移動し、第２走査線Ｌ２が引かれる。第２走査線Ｌ２が引かれている間、像が取得される。
時刻ｔ３０において、水平スキャン信号ＳＸの電流値は、電流Ｉｘ２から電流Ｉｘ０と
なる。このとき、水平シフト信号ＳＳの電圧値は、電圧Ｖ１から電圧Ｖ０となる。これにより、磁界偏向器３０および静電偏向器４０で電子線が偏向され、振り戻し時間ＰＦにおける電子線の移動量と第２走査線Ｌ２の長さの和だけ、電子線が振り戻される（－Ｘ方向に移動する）。
また、時刻ｔ３０において、垂直スキャン信号ＳＹの電流値は、電流Ｉｙ２から電流Ｉｙ３となる。これにより、磁界偏向器３０によって電子線が偏向され、電子線が試料Ｓ上で１ピクセル分だけ＋Ｙ方向に移動する。
この結果、図８に示すように、時刻ｔ３０において、電子線は、第２走査線Ｌ２の終点から観察領域Ｓ２の外の走査開始位置Ｏ２に移動する。走査開始位置Ｏ２のＸ座標は、走査開始位置Ｏ１のＸ座標と一致し、走査開始位置Ｏ２のＹ座標は、第３走査線Ｌ３のＹ座標と一致する。第３走査線Ｌ３の長さは、第２走査線Ｌ２の長さと等しい。
時刻ｔ３０において、電子線は試料Ｓ上で観察領域Ｓ２の外の走査開始位置Ｏ２に位置する。時刻ｔ３０から時刻ｔ４０までの振り戻し時間ＰＦでは、水平スキャン信号ＳＸの電流値は、ステップ状に上昇する。そのため、図９に示すように、時刻ｔ３０から時刻ｔ４０までの振り戻し時間ＰＦでは、磁界偏向器３０によって電子線が偏向され、電子線が試料Ｓ上で観察領域Ｓ２の外を＋Ｘ方向に移動する。この振り戻し時間ＰＦでは、像の取得が行われない。
時刻ｔ３０から振り戻し時間ＰＦ経過後の時刻ｔ４０において、像の取得が再開される。
時刻ｔ４０から時刻ｔ５０までの第３走査線描画期間ＰＩ－３において、水平スキャン信号ＳＸは、ステップ状に上昇する。そのため、図１０に示すように、磁界偏向器３０によって電子線が偏向され、電子線が試料Ｓ上で＋Ｘ方向に移動し、第３走査線Ｌ３が引かれる。第３走査線Ｌ３が引かれている間、像が取得される。
時刻ｔ５０において、垂直スキャン信号ＳＹの電流値は、電流Ｉｙ３から電流Ｉｙ４となる。これにより、図１１に示すように、磁界偏向器３０によって電子線が偏向され、電子線が試料Ｓ上で１ピクセル分だけ＋Ｙ方向に移動する。また、時刻ｔ５０において、水平シフト信号ＳＳの電圧値は、電圧Ｖ０から電圧Ｖ１となる。これにより、静電偏向器４０で電子線が偏向され、電子線が試料Ｓ上で第３走査線Ｌ３の長さだけ振り戻される。
図１１に示すように、電子線が試料Ｓ上で－Ｘ方向に第３走査線Ｌ３の長さだけ移動することによって、電子線が第３走査線Ｌ３の終点から第４走査線Ｌ４の始点に移動する。第４走査線Ｌ４の始点のＸ座標は、第３走査線Ｌ３の始点のＸ座標と一致する。第４走査線Ｌ４の長さは、第３走査線Ｌ３の長さと等しい。
時刻ｔ５０において、静電偏向器４０で電子線を振り戻すことによって、第３走査線Ｌ３を引いた後、第４走査線Ｌ４を引く前に、振り戻し時間ＰＦを設けなくてもよい。
時刻ｔ５０から時刻ｔ６０までの第４走査線描画期間ＰＩ－４において、水平スキャン信号ＳＸは、ステップ状に上昇する。そのため、図１１に示すように、磁界偏向器３０によって電子線が偏向され、電子線が試料Ｓ上で＋Ｘ方向に移動し、第４走査線Ｌ４が引かれる。第４走査線Ｌ４が引かれている間、像が取得される。
以上の工程により、１フレーム分の撮影が行われる。電子顕微鏡１００では、上記の工
程を繰り返すことによって、複数フレーム分の画像を積算し、ＳＴＥＭ像（積算画像）を得ることができる。
上記では、４ピクセル×４ピクセルのＳＴＥＭ像を取得する場合について説明したが、ＳＴＥＭ像のピクセル数は特に限定されない。上記の実施形態とＳＴＥＭ像のピクセル数が異なる場合であっても、上記の実施形態と同様の手法で、ＳＴＥＭ像を取得できる。
４． 効果
電子顕微鏡１００は、磁界を発生させて電子線を偏向する磁界偏向器３０と、電界を発生させて電子線を偏向する静電偏向器４０と、磁界偏向器３０および静電偏向器４０を制御する制御部８０と、を含む。制御部８０は、磁界偏向器３０に電子線を＋Ｘ方向に偏向させて第１走査線Ｌ１を引き、磁界偏向器３０に電子線を＋Ｘ方向と直交する＋Ｙ方向に偏向させ、静電偏向器４０に電子線を＋Ｘ方向とは反対方向の－Ｘ方向に偏向させ、磁界偏向器３０に電子線を＋Ｘ方向に偏向させて第２走査線Ｌ２を引く。
このように電子顕微鏡１００では、磁界偏向器３０で第１走査線Ｌ１を引いた後、静電偏向器４０で電子線を振り戻して、磁界偏向器３０で第２走査線Ｌ２を引くため、磁界偏向器３０で電子線を振り戻す場合と比べて、振り戻し時間を短くできる。したがって、電子顕微鏡１００では、短時間で試料Ｓを走査できる。
例えば、複数フレーム分の画像を積算してＳＴＥＭ像を得る場合には、フレームレート（単位時間あたりのフレーム数）を高くすることが望ましい。フレームレートを高くすることによって、すなわち、電子線の走査速度を速くすることによって、ＳＴＥＭ像の１ピクセルあたりの電子線の滞在時間（dwell time）を短くでき、照射位置２に一度に照射される電子線の量を低減できるためである。照射位置２に一度に照射される電子線の量を低減することによって、電子線による試料の損傷を低減でき、良好なＳＴＥＭ像を得ることができる。
図１２は、静電偏向器４０を用いずに、磁界偏向器３０で電子線の走査を行う場合の水平スキャン信号ＳＸおよび垂直スキャン信号ＳＹの一例を示す図である。
図１２に示す例では、第１走査線Ｌ１を引いた後、磁界偏向器３０で電子線を振り戻して第２走査線Ｌ２を引く。そのため、第１走査線Ｌ１を引いた後、第２走査線Ｌ２を引く前に、振り戻し時間ＰＦを設けなければならない。
これに対して、電子顕微鏡１００では、磁界偏向器３０で第１走査線Ｌ１を引いた後、静電偏向器４０で電子線を振り戻して、磁界偏向器３０で第２走査線Ｌ２を引くため、振り戻し時間ＰＦを設けなくてもよい。例えば、図１２に示す例では、１フレームあたり４回の振り戻し時間ＰＦを設けなければならないところ、図３に示す電子顕微鏡１００では、１フレームあたり２回の振り戻し時間ＰＦを設ければよい。
なお、図１２に示す例では、１ピクセルあたりの電子線の滞在時間に水平方向のピクセル数を掛け、振り戻し時間ＰＦを加算することで、水平方向の走査時間が求められる。この水平方向の走査時間に垂直方向のピクセル数を掛けることで、１フレームにかかる時間（１回の走査にかかる時間）が求められる。電子線の速度によらず振り戻し時間ＰＦは一定であるため、フレームレートが高くなればなるほど、撮影時間（積算画像を取得する時間）に対する振り戻し時間ＰＦの割合が大きくなってしまう。
電子顕微鏡１００では、上記のように、１フレームあたりの振り戻し時間ＰＦを設ける
回数を低減できるため、フレームレートを高くしても、図１２に示す例と比べて、撮影時間に対する振り戻し時間ＰＦの割合の増加を低減できる。
電子顕微鏡１００では、制御部８０は、静電偏向器４０に、第１走査線Ｌ１の長さだけ電子線を－Ｘ方向に偏向させる。これにより、第２走査線Ｌ２の始点のＸ座標と第１走査線Ｌ１の始点のＸ座標を一致させることができる。
電子顕微鏡１００では、制御部８０は、第２走査線Ｌ２を引いた後、磁界偏向器３０に電子線を＋Ｘ方向と直交する＋Ｙ方向に偏向させ、磁界偏向器３０に電子線を－Ｘ方向に偏向させ、磁界偏向器３０に電子線を＋Ｘ方向に偏向させて第３走査線Ｌ３を引く。そのため、電子顕微鏡１００では、静電偏向器４０で電子線を大きく偏向させなくてもよい。したがって、電子顕微鏡１００では、静電偏向器４０に高電圧を印加しなくてもよい。
図１３は、水平スキャン信号ＳＸ、垂直スキャン信号ＳＹ、および水平シフト信号ＳＳの一例を示す図である。図１３には、第２走査線Ｌ２を引いた後、静電偏向器４０で電子線を－Ｘ方向に偏向させる場合の、水平スキャン信号ＳＸ、垂直スキャン信号ＳＹ、および水平シフト信号ＳＳを図示している。図１４は、図１３に示す水平スキャン信号ＳＸおよび垂直スキャン信号ＳＹが磁界偏向器３０に供給され、水平シフト信号ＳＳが静電偏向器４０に供給されたときの電子顕微鏡１００の動作を説明するための図である。
図１３に示すように、第２走査線Ｌ２を引いた後、静電偏向器４０で電子線を－Ｘ方向に偏向させる場合、時刻ｔ２０から第２走査線描画期間ＰＩ－２経過後の時刻ｔ２５において、水平シフト信号ＳＳの電圧値は、電圧Ｖ１から電圧Ｖ２となる。これにより、図１４に示すように、静電偏向器４０で電子線が偏向され、電子線が試料Ｓ上で第２走査線Ｌ２の長さだけ振り戻される。この結果、電子線を第２走査線Ｌ２の終点から第３走査線Ｌ３の始点に移動させることができ、時刻ｔ２５から時刻ｔ３０までの第３走査線描画期間ＰＩ－３において、第３走査線Ｌ３を引くことができる。
このように、図１３に示す例では、静電偏向器４０には、電圧Ｖ１よりも大きい電圧Ｖ２を印加しなければならない。したがって、図１３に示す例では、図３に示す例と比べて、静電偏向器４０に印加される電圧が大きくなってしまう。
５． 変形例
５．１． 第１変形例
図１５は、水平スキャン信号ＳＸ、垂直スキャン信号ＳＹ、および水平シフト信号ＳＳの変形例を示す図である。図１６は、図１５に示す水平スキャン信号ＳＸおよび垂直スキャン信号ＳＹが磁界偏向器３０に供給され、図１５に示す水平シフト信号ＳＳが静電偏向器４０に供給されたときの電子顕微鏡１００の動作を模式的に示す図である。
以下では、上述した実施形態と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
上述した実施形態では、時刻ｔ２０において静電偏向器４０で電子線を振り戻した後、第２走査線Ｌ２の描画を開始したが、時刻ｔ２０において静電偏向器４０で電子線を振り戻した後、静電偏向器４０が安定するまでの静定時間ＰＦ２経過後に、第２走査線Ｌ２の描画を開始してもよい。
時刻ｔ２０において、垂直スキャン信号ＳＹの電流値は、電流Ｉｙ１から電流Ｉｙ２となる。このとき、磁界偏向器３０は、過渡応答によって非線形応答する。また、時刻ｔ２０において、水平シフト信号ＳＳの電圧値は、電圧Ｖ０から電圧Ｖ１となる。このとき、
静電偏向器４０は、過渡応答によって非線形応答する。そのため、時刻ｔ２０から時刻ｔ２５までの期間を静定時間ＰＦ２とする。静定時間ＰＦ２では、像の取得が行われない。
ここでは、静定時間ＰＦ２を電子線が３ピクセル分の長さの走査線を引く時間としている。そのため、図１６に示すように、時刻ｔ２０において、制御部８０は、静電偏向器４０に、第１走査線Ｌ１の長さよりも大きく電子線を偏向させる。図１５および図１６に示す例では、制御部８０は、静電偏向器４０に、第１走査線Ｌ１の長さと３ピクセル分の走査線の長さの和だけ電子線を偏向させる。これにより、電子線が試料Ｓ上で第１走査線Ｌ１の長さと３ピクセル分の走査線の長さの和だけ－Ｘ方向に移動する。
なお、静定時間ＰＦ２は特に限定されず、静定時間ＰＦ２を４ピクセル分以上の長さの走査線を引く時間にしてもよいし、３ピクセル分未満の長さの走査線を引く時間にしてもよい。
静定時間ＰＦ２経過後の時刻ｔ２５において、第３走査線Ｌ３の描画が開始され、像の取得が開始される。
時刻ｔ５０において、垂直スキャン信号ＳＹの電流値は、電流Ｉｙ３から電流Ｉｙ４となる。また、時刻ｔ５０において、水平シフト信号ＳＳの電圧値は、電圧Ｖ０から電圧Ｖ１となる。時刻ｔ５０から時刻ｔ５５までの期間を、静電偏向器４０が線形応答するまでの静定時間ＰＦ２とする。静定時間ＰＦ２では、像の取得が行われない。
ここでは、静定時間ＰＦ２を電子線が３ピクセル分の長さの走査線を引く時間としている。そのため、図１６に示すように、時刻ｔ５０において、制御部８０は、静電偏向器４０に、第３走査線Ｌ３の長さよりも大きく電子線を偏向させる。図１５および図１６に示す例では、制御部８０は、静電偏向器４０に、第３走査線Ｌ３の長さと３ピクセル分の走査線の長さの和だけ電子線を偏向させる。これにより、電子線が試料Ｓ上で第３走査線Ｌ３の長さと３ピクセル分の走査線の長さの和だけ－Ｘ方向に移動する。
静定時間ＰＦ２経過後の時刻ｔ５５において、第４走査線Ｌ４の描画が開始され、像の取得が開始される。
第１変形例では、制御部８０は、時刻ｔ２０において、静電偏向器４０に、第１走査線Ｌ１の長さよりも大きく電子線を－Ｘ方向に偏向させる。これにより、電子線を振り戻した後、第２走査線Ｌ２を引くまでの間に、静定時間ＰＦ２を設けることができる。そのため、静電偏向器４０の過渡応答の影響を低減でき、歪みやぼけが低減されたＳＴＥＭ像を取得できる。
５．２． 第２変形例
上述した実施形態では、図３および図８に示すように、第１走査線Ｌ１を引いた後、静電偏向器４０で電子線を振り戻し、第２走査線Ｌ２を引いた後に、磁界偏向器３０で電子線を振り戻した。すなわち、水平スキャン信号ＳＸの１周期で、２本の走査線を引いたが、水平スキャン信号ＳＸの１周期で引く走査線の数Ｎは、２以上の整数であれば特に限定されない。
水平スキャン信号ＳＸの１周期で引く走査線の数がＮの場合、走査線を引いた後、静電偏向器４０で電子線を振り戻すことを繰り返して、Ｎ本目の第Ｎ走査線を引いた後、磁界偏向器３０を用いて電子線を振り戻して第Ｎ＋１走査線を引く。例えば、図１３および図１４に示す例では、水平スキャン信号ＳＸの１周期で３本の走査線を引く。走査線の数Ｎを増やすことで、１フレームあたりの振り戻し時間ＰＦの回数を低減できる。
制御部８０は、第Ｎ走査線を引いた後、磁界偏向器３０に電子線を＋Ｙ方向に偏向させ、磁界偏向器３０に電子線を－Ｘ方向に偏向させ、磁界偏向器３０に電子線を＋Ｘ方向に偏向させて第Ｎ＋１走査線を引く。したがって、電子顕微鏡１００では、静電偏向器４０で電子線を大きく偏向させなくてもよいため、静電偏向器４０に高電圧を印加しなくてもよい。
５．３． 第３変形例
上述した実施形態では、本発明に係る荷電粒子線装置が、電子線で試料Ｓを走査し、ＳＴＥＭ像を取得する走査透過電子顕微鏡である場合について説明したが、本発明に係る荷電粒子線装置は、電子線以外のイオンビーム等の荷電粒子線で試料を走査し、走査像を取得する装置であってもよい。例えば、本発明に係る荷電粒子線装置は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）や、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）、電子ビーム描画装置、オージェマイクロプローブ装置（Ａｕｇｅｒ）、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）などであってもよい。
なお、上述した実施形態及び変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば各実施形態及び各変形例は、適宜組み合わせることが可能である。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成を含む。実質的に同一の構成とは、例えば、機能、方法、及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成である。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
２…照射位置、１０…電子線源、２０…照射レンズ、３０…磁界偏向器、４０…静電偏向器、５０…試料ステージ、５２…試料ホルダー、６０…対物レンズ、６２…中間レンズ、６４…投影レンズ、７０…検出器、８０…制御部、９０…像取得部、１００…電子顕微鏡

Claims (5)

  1. 荷電粒子線で試料を走査し、走査像を取得する荷電粒子線装置であって、
    磁界を発生させて荷電粒子線を偏向する磁界偏向器と、
    電界を発生させて荷電粒子線を偏向する静電偏向器と、
    前記磁界偏向器および前記静電偏向器を制御する制御部と、
    を含み、
    前記制御部は、
    前記磁界偏向器に荷電粒子線を第１方向に偏向させて第１走査線を引き、
    前記磁界偏向器に荷電粒子線を前記第１方向と直交する第２方向に偏向させ、
    前記静電偏向器に荷電粒子線を前記第１方向とは反対方向の第３方向に偏向させ、
    前記磁界偏向器に荷電粒子線を前記第１方向に偏向させて第２走査線を引く、荷電粒子線装置。
  2. 請求項１において、
    前記制御部は、前記静電偏向器に、前記第１走査線の長さだけ荷電粒子線を前記第３方向に偏向させる、荷電粒子線装置。
  3. 請求項１において、
    前記制御部は、前記静電偏向器に、前記第１走査線の長さよりも大きく荷電粒子線を前記第３方向に偏向させる、荷電粒子線装置。
  4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
    前記制御部は、
    第Ｎ（Ｎは２以上の整数）走査線を引いた後、前記磁界偏向器に荷電粒子線を前記第２方向に偏向させ、
    前記磁界偏向器に荷電粒子線を前記第３方向に偏向させ、
    前記磁界偏向器に荷電粒子線を前記第１方向に偏向させて第Ｎ＋１走査線を引く、荷電粒子線装置。
  5. 磁界を発生させて荷電粒子線を偏向する磁界偏向器と、電界を発生させて荷電粒子線を偏向する静電偏向器と、を含み、荷電粒子線で試料を走査し、走査像を取得する荷電粒子線装置の制御方法であって、
    前記磁界偏向器に荷電粒子線を第１方向に偏向させて第１走査線を引き、
    前記磁界偏向器に荷電粒子線を前記第１方向と直交する第２方向に偏向させ、
    前記静電偏向器に荷電粒子線を前記第１方向とは反対方向の第３方向に偏向させ、
    前記磁界偏向器に荷電粒子線を前記第１方向に偏向させて第２走査線を引く、荷電粒子線装置の制御方法。
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