(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起線を試料に照射する励起線照射部と、該励起線の照射によって試料から放出された特性Ｘ線や所定の粒子による第１信号を検出する検出部と、を含み、前記励起線の照射位置を試料面上の所定範囲で移動するように試料と励起線との相対位置関係を２次元走査することにより前記所定範囲に対応する試料の表面画像を取得する表面分析装置において、
a)１枚の表面画像の取得の前及び途中に、前記励起線の照射に応じて試料から得られる所定の粒子による前記第１信号に比べて強い第２信号を検出し、該第２信号に基づいて前記所定範囲に対応する補正用画像をそれぞれ作成する補正用画像取得手段と、
b)前記補正用画像取得手段により異なる時点で得られた複数の補正用画像に対し、それら画像全体に分布するように設定された複数の同一位置の小領域に含まれる画像パターンを比較して、該小領域毎にそれぞれずれの量及び方向を算出するずれ情報算出手段と、
c)前記複数の小領域毎に得られたずれの量及び方向に基づいて、補正用画像全体のずれの量及び方向を近似的に表す連続関数である近似式を求める近似式決定手段と、
d)前記１枚の表面画像の取得のための２次元走査に際し、前記近似式により得られる各画素毎の位置ずれを補正するように試料の移動及び／又は励起線の偏向を微調整しながら走査を実行する制御手段と、
を備えることを特徴とする表面分析装置。
【請求項２】
前記ずれ情報算出手段は、補正用画像全体をｎ個（ｎは２以上の整数）の小領域に分割し、該ｎ個の小領域の中で画像全体に分布するｍ個（２≦ｍ≦ｎの整数）の小領域について画像パターンの比較を行ってそれぞれずれの量及び方向を求めることを特徴とする請求項１に記載の表面分析装置。
【請求項３】
前記ずれ情報算出手段は、補正用画像全体を互いに直交する２軸方向にそれぞれ２以上に分割して４個以上の小領域を設け、その全ての小領域についてそれぞれずれの量及び方向を求めることを特徴とする請求項２に記載の表面分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の表面分析を行う表面分析装置に関し、さらに詳しくは、試料表面に電子線、陽子線、イオン線、高速原子線、α線、Ｘ線などの励起線を照射し、それによって試料から放出される特性Ｘ線やオージェ電子などを検出し、さらに励起線の照射位置を試料表面上で移動させることで試料の２次元範囲の表面画像を得る表面分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子線等の粒子線やＸ線などの電磁波を励起線として試料に照射し、そこから放出される種々の粒子やＸ線を検出して画像化する表面分析装置として様々な種類の装置が実用化されている。例えば電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：電子線プローブ微小部分析装置などともいう）では、微小径に集束させた電子線を励起線として試料に照射する。電子線の照射位置からは試料に含まれる元素に特有のエネルギーを有する特性Ｘ線が発生するため、この特性Ｘ線を検出してそのエネルギー及び強度を分析することにより、試料上の微小領域に含まれる元素の同定や定量を行うことができる。そして、試料上の所定の２次元範囲内で電子線の照射位置を走査して同様の分析を繰り返すことにより、該範囲内のそれぞれ異なる微小領域に含まれる元素やその含有量を調べることができ、それに基づいて試料上の所定範囲の元素の分布状態を示す元素マッピング像などを作成することができる。
【０００３】
一般に、励起線照射に対応して試料から放出される特性Ｘ線やオージェ電子は、同様に試料から放出される二次電子や反射電子などに比べてかなり信号強度が弱い。そのため、実用的なＳ／Ｎ比の表面画像を得るためには或る程度の時間に亘って検出信号を積算する必要があり、１枚の精細な表面画像の取得に比較的長い時間を要する。そのため、画像取得中の試料の熱膨張や周囲の電磁的な条件の変動等により、本来同一範囲の画像信号を得ている筈のものが時間経過とともに徐々に位置ずれを生じるという現象（以下、本明細書ではこの現象をドリフトという）が起こり易い。
【０００４】
いま１枚の特性Ｘ線による表面画像の取得中に、図４（ａ）に矢印で示すように円形状や矩形状の画像パターンが移動するドリフトが起こったものとする。このようにシフトしてゆく画像信号を積算すると、それにより得られた画像は図４（ｂ）に示すように画像パターンに歪みが発生したり空間分解能が低下したりする要因となる。こうしたドリフトの影響を軽減するために、例えば従来、特許文献１に記載のように走査像を経時的に演算処理してずれ量を求め、このずれ量を補正するように電子線の照射軸の調整を行う方法が知られている。しかしながら、特性Ｘ線のように弱い信号強度に基づく走査像ではずれ量を求めることは難しい。そこで、信号強度が比較的高いために短時間で取得できる二次電子等によるＳＥＭ画像を利用してずれ量を算出して補正を行うことが考えられる（特許文献２など参照）。
【０００５】
即ち、特性Ｘ線による表面画像（特性Ｘ線画像）の撮影前又は撮影中に、一定時間間隔で二次電子などによるＳＥＭ画像を撮影して補正用画像とし、この補正用画像を利用して撮影中の電子線照射位置のずれの量及び方向を求める。そして、その求まったずれの量及び方向を打ち消すように試料を保持する試料ステージの移動位置又は偏向レンズによる電子線の偏向を修正しながら、特性Ｘ線等による画像信号の収集を実行して得られた信号を各画素毎に積算してゆき、最終的に高いＳ／Ｎ比の特性Ｘ線画像を形成する。
【０００６】
しかしながら、こうした従来の補正方法では、ドリフトが一方向であればかなり正確な補正が可能であるものの、実際に生じるドリフトは必ずしも単純ではなく、画像の拡大／縮小、回転、或いは歪み成分を含むようなドリフトがしばしば起こる。こうしたドリフトに対しては上記従来の補正方法では十分な補正が行えず、補正できない残差が画像上に現れるという問題がある。
【０００７】
【特許文献１】特開昭６３−１９０２３６号公報
【特許文献２】特開平０５−２９０７８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、１枚の表面画像（例えば特性Ｘ線画像）の取得中のドリフトに起因する様々な態様の画像ずれについて補正を可能とすることで、正確で空間分解能の高い表面画像を得ることができる表面分析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために成された本発明は、励起線を試料に照射する励起線照射部と、該励起線の照射によって試料から放出された特性Ｘ線や所定の粒子による第１信号を検出する検出部と、を含み、前記励起線の照射位置を試料面上の所定範囲で移動するように試料と励起線との相対位置関係を２次元走査することにより前記所定範囲に対応する試料の表面画像を取得する表面分析装置において、
a)１枚の表面画像の取得の前及び途中に、前記励起線の照射に応じて試料から得られる所定の粒子による前記第１信号に比べて強い第２信号を検出し、該第２信号に基づいて前記所定範囲に対応する補正用画像をそれぞれ作成する補正用画像取得手段と、
b)前記補正用画像取得手段により異なる時点で得られた複数の補正用画像に対し、それら画像全体に分布するように設定された複数の同一位置の小領域に含まれる画像パターンを比較して、該小領域毎にそれぞれずれの量及び方向を算出するずれ情報算出手段と、
c)前記複数の小領域毎に得られたずれの量及び方向に基づいて、補正用画像全体のずれの量及び方向を近似的に表す連続関数である近似式を求める近似式決定手段と、
d)前記１枚の表面画像の取得のための２次元走査に際し、前記近似式により得られる各画素毎の位置ずれを補正するように試料の移動及び／又は励起線の偏向を微調整しながら走査を実行する制御手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１０】
本発明の一実施態様として、ずれ情報算出手段は、補正用画像をｎ個（ｎは２以上の整数）の小領域に分割し、該ｎ個の小領域の中のｍ個（２≦ｍ≦ｎの整数）の小領域について画像パターンの比較を行ってそれぞれずれの量及び方向を求める構成とすることができる。
【００１１】
ここでｎ、ｍの値は適宜に決めることができるが、小領域の範囲が小さ過ぎると画像のパターンの比較が行いにくくその比較精度も低くなる。したがって、一般的に分割数ｎは、補正用画像面内の互いに直交する２軸方向に２×２乃至３×３に分割した、つまりは４〜９程度の値が適当である。また、ｍの値が小さいと近似式決定手段により決定される近似式の近似度が悪くなり、補正用画像全体のずれの量及び方向が近似式に反映されにくくなる。したがって、一般的には分割数ｎが４である場合にはｍも４、ｎが９である場合にはｍは最低４、好ましくは９とするのがよい。
【００１２】
また本発明に係る表面分析装置において、励起線とは電子線のほか、例えば陽子線、イオン線、高速原子線、α線、Ｘ線などを用いることができる。また、「試料から放出された特性Ｘ線や所定の粒子による第１信号」とは、例えば特性Ｘ線のほか、オージェ電子などによる信号のことをいう。一方、「試料から得られる所定の粒子による前記第１信号に比べて強い第２信号」とは例えば二次電子や反射電子などによる信号のことをいう。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る表面分析装置では、或る時間だけ隔てて得られた２枚の補正用画像について画像全体のパターンの比較を行うのではなく、ずれ情報算出手段は、その補正用画像中に設定された複数の小領域に含まれる画像パターンの比較を実行し、各小領域毎にずれ情報（ずれの量及び方向）を算出する。もし、ドリフトによるずれが画像全体で一様に一方向である場合には各小領域毎のずれ情報は全く同一となる筈であるが、上述のように拡大／縮小、回転、台形歪みなどを伴うドリフトの場合には各小領域毎にずれ情報が相違する。そこで、近似式決定手段は、複数の小領域毎に得られたずれ情報に基づいて補正用画像全体のずれの量及び方向を近似的に表し得るような近似式を決定する。具体的には例えば、２次元面内での一次関数や二次以上の高次関数などの連続関数を想定し、各小領域のずれ情報をその連続関数に適用して最小二乗法などにより係数を決定することで近似式を確定するようにすることができる。
【００１４】
近似式が決まれば、それ以降の２次元走査において、表面画像を構成する全ての画素がこの近似式に則った位置ずれを持つものと考えることができる。そこで、制御手段は、表面画像を得るために２次元走査を行う際に、上述のようにして得られた近似式自体又は該近似式から求まる各画素毎のずれ情報を用いて、例えば試料を保持する試料ステージの移動や励起線の照射軸を曲げるための偏向レンズの駆動を微妙に調整することにより、各画素の位置ずれを補正する。
【００１５】
特性Ｘ線等の相対的に弱い信号を利用して表面画像を形成する場合、１枚の表面画像を得るために或る程度長い時間に亘る積算処理が必要となるが、これに比べれば補正用画像は短時間で得ることができる。したがって、特性Ｘ線等を利用した表面画像を形成する途中で少なくとも１回上記のように近似式を取得して、それを利用してそれ以降の２次元走査の際に位置ずれ補正を実行することで、画像の拡大／縮小、回転、台形歪みなどを含むドリフトの影響を軽減することができる。それにより、積算処理の結果得られる特性Ｘ線画像などの表面画像の歪みや空間分解能の低下を抑制することができる。もちろん、１枚の表面画像の取得の途中で例えば所定時間間隔で補正用画像を取得して、その度に上記のような位置ずれの補正処理を行うことで、ドリフトの影響をより一層軽減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係る表面分析装置の一実施例である電子線マイクロアナライザについて、図面を参照して説明する。図１は本実施例による電子線マイクロアナライザの要部の構成図である。
【００１７】
この装置において、電子銃１から放出された励起線としての電子線Ｅは、偏向コイル２を経て対物レンズ３によって集束されて試料ステージ４上に載置されている試料Ｓの上面に照射される。試料ステージ４はモータを含むステージ駆動部２０の駆動力により、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の三軸方向に移動可能となっており、Ｘ軸−Ｙ軸方向への移動により試料Ｓ上での電子線Ｅの照射位置が変更（走査）され、Ｚ軸方向への移動により照射径が変更される。試料Ｓに微小径の電子線Ｅが照射されたとき、その照射位置において試料Ｓに含まれる元素に特有の波長の特性Ｘ線が放出され、この特性Ｘ線はＸ線検出器６により検出される。
【００１８】
Ｘ線検出器６による検出信号はパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１０に機能的に含まれるデータ処理部１２に送られ、データ処理部１２ではその検出値に基づいた元素の同定処理や定量処理などが実行されるとともに、後述するように２次元走査により得られる結果に基づいて各元素のマッピング像などの試料画像（本発明における表面画像）が作成される。
【００１９】
一方、電子線Ｅの照射によって試料Ｓからは二次電子や反射電子も発生する。これら電子は電子検出器７により検出される。この電子検出器７の検出信号は画像信号処理部１６に送られ、画像信号処理部１６は後述するように２次元走査による試料Ｓの表面上のＳＥＭ像を作成する。このＳＥＭ像はＰＣ１０に送られて補正演算処理部１３に入力される。補正演算処理部１３はＳＥＭ像を構成するデータに基づいて所定の演算処理を実行することで位置ずれ補正に必要な情報を求める。
【００２０】
ＰＣ１０は、各部の動作を制御する中央制御部１１、データ処理部１２、補正演算処理部１３を機能的に含むほか、操作部１４、表示部１５などが接続されている。偏向コイル制御部１８はこの中央制御部１１の統括的な制御の下に、偏向コイル２へ供給する励磁電流を制御することで試料Ｓに照射される電子線Ｅを磁場によって２次元的に曲げ、それにより電子線Ｅの照射位置を走査し得る。また試料ステージ制御部１９は同じく中央制御部１１の統括的な制御の下に、ステージ駆動部２０の動作を制御し、試料Ｓ上で電子線Ｅの当たる位置を走査する。このように試料Ｓ上での電子線Ｅ照射位置の２次元的な走査は偏向コイル２の制御と試料ステージ４の駆動制御のいずれでも行うことができるが、前者は後者よりも走査速度は速いが走査可能範囲は狭い。したがって、通常、画像を取得したい目的範囲が或る程度広い場合には、基本的には試料ステージ４の駆動制御で２次元走査を行い、必要に応じて電子線Ｅの偏向を利用する。
【００２１】
次に、上記構成を有する本実施例の電子線マイクロアナライザにおいて試料Ｓ上の表面画像（特性Ｘ線画像）を取得する際の特徴的な動作について、図２、図３を参照して説明する。図２はこの画像取得動作のタイミング図、図３は画像取得動作の説明図である。
【００２２】
電子線Ｅの照射に対応して試料Ｓから放出される特性Ｘ線は強度が弱いため、試料Ｓ上の目的範囲の２次元走査を繰り返してその範囲内の各微小領域に対応して得られた特性Ｘ線検出信号を微小領域毎に積算することで目的範囲の表面画像を形成する。このため、１枚の特性Ｘ線画像（表面画像）を取得するのには或る程度の時間が掛かり、その間にドリフトによって画像ずれが生じる可能性が高い。
【００２３】
そこで、本実施例による電子線マイクロアナライザでは、図２（ａ）に示すように、１枚の特性Ｘ線画像の取得期間Ｗ１を複数に分割して（ｗ１、ｗ２、…）それぞれの間に休止期間を設け、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、その休止期間及び特性Ｘ線画像取得開始前に補正用画像としてのＳＥＭ画像の取得期間ｕ１、ｕ２、…及び補正演算処理期間を設けるようにする。電子線Ｅの照射に対応して試料Ｓから放出される二次電子や反射電子による信号強度は特性Ｘ線に比べて遙かに強いため、ＳＥＭ画像は短時間でＳ／Ｎ比が比較的高いものを得ることができる。
【００２４】
まず特性Ｘ線画像取得開始前のＳＥＭ画像取得期間ｕ１において、中央制御部１１の指示を受けた試料ステージ制御部１９の制御の下に、試料Ｓ上の目的範囲内で電子線Ｅの照射位置が２次元的に走査されるようにステージ駆動部２０が試料ステージ４を移動させる。この２次元走査の際に電子線Ｅの照射に応じて試料Ｓ上から出た二次電子及び反射電子は電子検出器７により検出され、画像信号処理部１６で目的範囲のＳＥＭ画像が作成される。ここでは最初に作成されるＳＥＭ画像をＵ１と呼ぶ。このＳＥＭ画像Ｕ１は補正演算処理部１３に入力されて、例えばフレームメモリに一旦格納される。
【００２５】
分割された１回目の特性Ｘ線画像取得期間ｗ１で試料Ｓ上の目的範囲内の２次元走査に対応する特性Ｘ線の検出が実行された後に１回目の休止期間に入ると、２回目のＳＥＭ画像取得期間ｕ２において上記と同様にして目的範囲のＳＥＭ画像が取得される。ここでは２回目に取得されるＳＥＭ画像をＵ２と呼ぶ。このＳＥＭ画像Ｕ２が補正演算処理部１３に入力されると、補正演算処理部１３では先にフレームメモリに保存されたＳＥＭ画像Ｕ１と合わせた２枚のＳＥＭ画像Ｕ１、Ｕ２を用いて次のような補正演算処理を実行する。
【００２６】
即ち、図３に示すように、２枚のＳＥＭ画像Ｕ１、Ｕ２について、画像全体Ｂを２×２分割することで４つの小領域Ｂａ、Ｂｂ、Ｂｃ、Ｂｄを設定する。次に、２枚のＳＥＭ画像Ｕ１、Ｕ２の小領域Ｂａ、Ｂｂ、Ｂｃ、Ｂｄに含まれる画像パターン同士をそれぞれ比較することで、両ＳＥＭ画像Ｕ１、Ｕ２の各小領域Ｂａ、Ｂｂ、Ｂｃ、Ｂｄ毎の位置ずれの量と方向とを求める。例えば、ＳＥＭ画像Ｕ１の小領域Ｂａに含まれる画像パターンとＳＥＭ画像Ｕ２の小領域Ｂａに含まれる画像パターンとを比較し、そのずれの量と方向とを求める。これを他の小領域Ｂｂ、Ｂｃ、Ｂｄについても同様に行う。
【００２７】
このように画像パターンのずれの量と方向とを算出するためには、従来からよく知られている、相互相関法や位相限定相関法などの手法を用いればよい。この手法は特に限定されるものではない。画像パターンのずれ量とずれの方向は２次元ベクトルとして表すことができ、各小領域毎Ｂａ、Ｂｂ、Ｂｃ、Ｂｄにそれぞれ画像ずれを表す２次元ベクトルＶａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄが求まることになる。もし、ＳＥＭ画像Ｕ１、Ｕ２の画像パターンが全く同一である場合には２次元ベクトルＶａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄは全て０になるが、ドリフトが生じていれば何らかの２次元ベクトルＶａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄが求まる。
【００２８】
次に、図３に示すように、上記画像ずれ（２次元ベクトルＶａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄ）を各小領域Ｂａ、Ｂｂ、Ｂｃ、Ｂｄの中心点Ｃａ、Ｃｂ、Ｃｃ、Ｃｄにおけるずれとみなし、これに基づいて画像Ｂ全体のずれを近似するような近似式を見い出す。即ち、２次元ベクトルＶａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄのデータに対して補間処理や平均化処理などを施すことで２次元面内での連続関数を定義するが、ここでは２次元面内での各画素の位置座標（ｘ、ｙ）に対する１次式である補間式を近似式とするものとする。
【数１】
0004692374.tif 000002
上記近似式に２次元ベクトルＶａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖｄの値を適用して、最小二乗法により係数ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆを求めて上記式を完成させる。
【００２９】
なお、例えば近似式の元となる関数は１次関数でなく高次関数等、さらに複雑な関数を用いることもでき、それによって補正精度を向上させることが可能である。
【００３０】
上記近似式は補正用画像の平行移動によるずれのみならず、拡大／縮小、回転、台形歪みなどの成分を含むずれも反映させることが可能である。また、上記近似式は連続関数であるため、この式を用いることにより画像Ｂ内の任意の位置の画素のずれの量及び方向を近似的に求めることができる。そこで、次の特性Ｘ線画像取得期間ｗ２において特性Ｘ線の検出を再開して２次元走査を行う際に、上記近似式を利用して各画素のずれを補正するように試料ステージ４の移動及び電子線Ｅの曲がりを微調整するべく制御を行う。即ち、中央制御部１１は上記のように算出された近似式に基づいて各画素の補正量（つまり想定される位置ずれを打ち消せる移動量と方向）を算出し、各画素に対応する特性Ｘ線を得るように電子線Ｅの照射位置を決める際に各画素毎の補正量の分だけ試料ステージ４の駆動量又は偏向コイル２の制御量を調整する。これにより、特性Ｘ線画像取得期間ｗ２においてはＳＥＭ画像Ｕ２が取得される時点までに生じたドリフトの影響は軽減される。
【００３１】
分割された特性Ｘ線画像取得期間ｗ２を経て２回目の休止期間に入ると、上記と同様に新たにＳＥＭ画像取得期間ｕ３において新たなＳＥＭ画像Ｕ３が取得される。直前の特性Ｘ線画像取得期間ｗ２中にドリフトが生じていれば、ＳＥＭ画像Ｕ２とＵ３との間にも画像のずれがある。そこで、ＳＥＭ画像Ｕ１、Ｕ３を用いて上記と同様の補正処理を実行して新たな近似式を作成し、これに基づいて次の特性Ｘ線画像取得期間ｗ３における２次元走査時の補正を実行する。
【００３２】
このようにして１枚の特性Ｘ線画像を取得する期間Ｗ１の途中でそれまでに生じたドリフトの影響を軽減することにより、最終的に積算処理により得られる特性Ｘ線画像での歪みを少なくすることができ、また空間分解能も高くすることができる。
【００３３】
上述した本発明による補正方法による画像歪み低減効果の検証結果を図５に示す。図５（ａ）は平行移動による画像ずれのみを考慮した従来の補正方法を適用した場合の特性Ｘ線画像、図５（ｂ）は本発明による補正方法を適用した場合の特性Ｘ線画像である。いずれも、画像ずれの算出には位相限定相関数のピークを重心計算で算出する方法を用いた。図５（ａ）では画像の左下部分及び右上部分（一点鎖線で示した領域）などでドリフト量の非一様性に起因する補正残差が小さな円形状に現れている。これに対し、図５（ｂ）ではこうした補正残差は見られない。こうしたことから、本発明に係る補正方法は従来の補正方法に比較しても、ドリフトによる画像ずれの影響の低減に有効であることが分かる。
【００３４】
なお、上記実施例は本発明の一実施例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施例による電子線マイクロアナライザの要部の構成図。
【図２】本実施例の電子線マイクロアナライザにおける特性Ｘ線画像取得と画像ずれ補正処理動作のタイミング図。
【図３】本実施例の電子線マイクロアナライザにおける特性Ｘ線画像取得と画像ずれ補正処理動作の説明図。
【図４】ドリフトによる画像ずれの問題点を説明するための模式図。
【図５】平行移動による画像ずれのみを考慮した従来の補正方法を適用した場合の特性Ｘ線画像（ａ）及び本発明による補正方法を適用した場合の特性Ｘ線画像（ｂ）を示す図。
【符号の説明】
【００３６】
１…電子銃
２…偏向コイル
３…対物レンズ
４…試料ステージ
６…Ｘ線検出器
７…電子検出器
１０…ＰＣ
１１…中央制御部
１２…データ処理部
１３…補正演算処理部
１４…操作部
１５…表示部
１６…画像信号処理部
１８…偏向コイル制御部
１９…試料ステージ制御部
２０…ステージ駆動部
【図１】
0004692374.tif 000003
【図２】
0004692374.tif 000004
【図３】
0004692374.tif 000005
【図４】
0004692374.tif 000006
【図５】
0004692374.tif 000007