(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を載置する試料ステージと、
該試料に対して電子線を照射する電子光学系と、
前記領域から出射する第１の信号を検出して前記領域の第１の画像を形成する画像形成部と、
順次形成される第１の画像を画像積算する演算部と、
前記領域から出射する第２の信号を検出して前記領域の第２の画像を形成する画像形成手段と、
第１の時刻における第２の画像と第２の時刻における第２の画像を各々記録する記録部と、
第１の時刻における第２の画像と第２の時刻における第２の画像間の位相差画像を計算し、当該位相差画像に現れるピーク信号の前記位相差画像全体の信号強度に対する強度の割合で定まる一致度と、前記第２の画像間の位置ずれ量とを計算し、前記一致度と所定の基準値とを比較して前記電子光学系の調整を行うかどうか判断する計算機と、
該計算機の判断結果に従って、前記電子光学系を調整する電子光学系制御手段とを備え、
前記計算機は、前記第１の画像と第２の画像の一致度が一定の基準値よりも連続して低下した場合には、前記画像積算を中止することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記位置ずれを補正するために前記試料ステージを制御する試料ステージ制御部を有し、  前記計算機は、前記位置ずれ補正を実行するか否かを、前記一致度から判断することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の前記荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子線は所定時間間隔毎に入射されることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項１または２記載の前記荷電粒子線装置において、
前記記録部に登録された画像を一定回数計測毎に、または一定時間間隔毎に更新する登録画像更新手段を設けていることを特徴とする荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
荷電粒子線を用いて試料構造を分析する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
荷電粒子線、たとえば加速した電子線を試料に入射すると、電子線と試料の間で種々の相互作用が生じ、２次的な電子ならびに電磁波が発生する。試料が薄い場合、大部分の電子は何も起さないで通りぬける(透過電子)が、一部の電子は散乱される(散乱電子)。散乱には電子がエネルギーを失わない弾性散乱と、エネルギーを失う非弾性散乱とがある。また、電子と試料の相互作用によって、入射電子の衝突により試料からはじき出される電子(２次電子)、後方に散乱される電子(反射電子)、特性X線、オージェ電子などが挙げられる。このような電子あるいは電磁波の波長およびエネルギーは試料物体に特有のものであり、これらを検出・分析すれば試料の原子配列、組成、電子状態などに関する情報を得ることが出きる。細く絞った電子線を試料上で走査し、これらの信号を検出し、入射電子線の走査と検出信号を同期させることによって、各種の２次元像を得ることが出きる。
これらの2次元像の形成、および表示に関し、先行技術を調査した結果、関連しそうな技術として、以下が抽出された。まず、2次元像形成に関し、特開平10-172492記載の画像積算によるS/N向上技術、および特開平7-272665記載のドリフト補正技術が抽出された。特開平10-172492では試料より出射する数種の信号のうち、信号量の少ない第1の信号で第1画像を形成する際、信号量の多い第2の信号で形成された第2の画像を用い、相互相関法にて試料ドリフトを検出・補正しながら、第1の画像を画像積算すると記載されている。特開平7-272665記載では、試料ドリフトを、画像間の各ピクセル毎の強度差から試料ドリフト量を検出し、該ドリフト量を偏向コイルや試料ステージで補正し、ドリフト補正が正しく行われたかを判断した後、観察用モニターに表示すると記載されている。
また２次元像の表示に関し、特開2001-83087が抽出された。試料上に電子線を走査し、電子線照射によって試料から放出された２次電子を検出して2次電子像を形成し、同時に波長分散素子と検出器アレイを用いてカソードルミネッセンスを検出して複数波長におけるカソードルミネッセンス像を形成し、両者を重ね合せて表示すると記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特開平10-172492に記載されている技術では、相互相関法によってドリフト量を計測し、補正すると記載されているが、画像劣化等の理由によってドリフト量が計測できなかった場合の対策に関しては何ら記載されていない。長時間の画像積算においては、コンタミ付着等の画像劣化によってドリフト量が計測できなくなる場合がある。画像積算中にドリフト補正が動作しない状態で画像積算を続けると、それまで蓄積されたデータにノイズを加算することになり、ドリフト補正が正常に動作していたときに蓄積されたデータまで失うことになる。特開平7-272665に記載されているドリフト補正では、ドリフト補正が正しく行われたかを判断する工程が記載されているが、具体的な方法は何ら記載されていない。また正しく補正された場合、観察用モニターに表示すると記載されているだけで、正しく補正されなかった場合の対策に関しては、何ら記載されていない。
【０００４】
特開2001-83087に記載されている画像表示法の様に異なる種類の画像を単純に重ね合せると、一方の像強度が強い領域では他方の像が観察し難くなる。また、濃淡表示では、像強度が最大となる位置や最小となる位置、強度変化が急峻な位置等の把握が難しい等、観察者が理解し難い表示になる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明では、ドリフト量解析に特開2000-331637記載のフーリエ変換像の位相差像解析に基づく位置ずれ解析法を用い、ドリフト補正が正しく計測されているか否かを、フーリエ変換像の位相差像解析に基づく位置ずれ解析法で計算される画像間の重なりの度合い、つまり一致の度合いを示す一致度から判断し、位置ずれ量が正しく計測されていない場合は、ドリフト補正や画像積算を行わない機能を設けることにした。
【０００６】
また、各種の２次元像を重ね合せて表示する際、一方の２次元像に適当な画像処理をくわえて線画表示にした後、他方の２次元像を重ね合せることによって、データの解釈が用意にできるようにした。たとえば、強度分布を等濃度線表示としたり、試料形状をエッジ検出された線画で表示する。片方もしくは両方を線画で表示することによって、重ね合せ表示による見難さを軽減する。また、観察者が得たい情報は信号強度では無く、信号強度から解析される試料構造であることが多いので、解析された試料構造像を重ね合せ表示に用いる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図2に本実施例で用いるScanning Transmission Electron Microscope (以下STEM)- Energy Dispersive X-ray Spectroscope (以下EDX)の基本構成図を示す。電子銃11及び1次電子線加速電圧や引き出し電圧を制御する制御回路11'、１次電子線26の収束条件を調整する照射レンズ12及びその電流値を制御する制御回路12'、対物絞り13及び対物絞りの穴位置を制御する制御回路13'、試料24に入射する１次電子線26の入射角度を調整する軸ずれ補正用偏向器14及びその電圧値を制御する制御回路14'、試料24に入射する１次電子線26のビーム形状を調整するスティグメータ15及びその電流値を制御する制御回路15'、試料24に入射する１次電子線26の照射領域を調整するイメージシフト用偏向器16及びその電圧値もしくは電流値を制御する制御回路16'、試料24に入射する１次電子線26をラスター走査する走査用偏向器17およびその電圧値もしくは電流値を制御する制御回路17'、１次電子線26の試料24に対する焦点位置の調整を行う対物レンズ18およびその電流値を制御する制御回路18'、Ｘ線検出器19およびその制御回路19'、試料ステージ20およびその位置を制御する制御回路20'、電子検出器21およびそのゲインやオフセットを制御する制御回路21'、EDX制御ソフトを搭載した計算機22、STEM制御ソフトを搭載した計算機23、画像処理ソフトを搭載した計算機25から構成される。各制御回路は各計算機によってコマンド制御される。なお、計算機22、23、25の機能を一台の計算機で行うことも可能である。
【０００８】
まず、図2の装置を用いてSTEM像を得る工程を説明する。電子銃11から1次電子線を引出し電圧V1で引出し、加速電圧V0を印加する。鏡体の光軸とほぼ平行な方向をZ方向、光軸とほぼ直交する面をXY平面とする。薄膜化した試料24を試料ステージ20に載せ、Z方向より1次電子線26を入射する。照射レンズ12を用いて1次電子線26をnmオーダーまで収束させ、走査用偏向器17を用いて試料24上で走査させる。1次電子線26を薄膜化した試料24に入射すると、大部分の電子は試料24を透過する。この透過電子線27を電子線検出器21で検出し、走査用偏向器17の電子線走査信号と同期させてSTEM像を形成する。このSTEM像を用いて電子光学系の調整を行う。試料ステージ20のXY移動機構にて試料24を移動させ、光学系調整用の視野を選択する。電子線検出器21のゲインとオフセットを調整し、試料24の構造が観察し易い様に像コントラストを調整する。次ぎに、試料ステージ20のＺ位置調整、または対物レンズ18の制御値調整にて焦点を補正する。焦点を変化させながら、STEM像がもっともシャープに観察できる様に手動で補正する。もしくは特開2000-331637記載の自動焦点補正法、journal of electron microscopy 50 (3):163-176 (2001)記載の焦点解析法で解析・補正する。次ぎに、軸ずれを補正する。対物レンズ19にて焦点を変化させたときの像移動を検出し、像移動が最小になる様に対物絞り13の穴の位置、もしくは軸ずれ補正用偏向器14の制御値を調整し、1次電子線26の対物レンズ19の光軸からのずれ量を補正する。この補正は特開平10-92354記載の方法で自動化可能である。次ぎに、スティグメータ15を用いてビーム形状が真円に近づく様に非点を補正する。この補正も、journal of electron microscopy 50 (3):163-176 (2001)記載の非点解析法にて自動化で自動化できる。上記コントラスト補正、焦点補正、軸ずれ補正、非点補正を必要に応じて繰返し、最後に試料ステージ20を用いて撮影用の視野を選択し、対物レンズ18による焦点微調整と、電子線検出器21のゲインとオフセットによる像コントラスト微調整を行う。
【０００９】
次ぎに、EDX像を得る工程を説明する。1次電子線26の入射によって、試料24から組成に応じた波長のX線が出射される。このX線をX線検出器19にて検出し、所定の組成、つまり所定の波長のX線強度を走査用偏向器17の電子線走査信号と同期させてEDX像を形成する。100nmオーダーまで薄膜化した試料24にnmオーダーまで集束した1次電子線26を照射するためX線発生量が少なく、充分なS/NのEDX像を得るためには数時間にわたり、X線信号を蓄積する必要がある。しかし、STEM用試料ステージ20は3nm/min程度の速度で熱ドリフトする場合が多いため、nmオーダーの空間分解能を維持するためには15分程度しか信号を蓄積できなかった。信号蓄積時間を延長するためにはnmオーダーのドリフト補正を数時間実行するシステムが必要である。このようなドリフト補正装置を開発することによって、STEMの高分解能性と分析の高感度性が両立し、１nmの分解能で0.1 atom ％以下の極微量ドーパント領域の２次元分布を初めて可視化できる。本技術は、ゲート長０.１μｍ世代の半導体デバイスをはじめとする各種電子デバイスの設計、不良解析に適用することが可能である。
【００１０】
EDX信号を蓄積するには、多枚数のEDX像を画像積算する方式と、各画素におけるEDX信号取込み時間を増加させる方式がある。各画素における取込み時間を増加させる方式では、ドリフト補正用のSTEM像を取込むために、EDX信号の蓄積を中断させなければならないが、画像積算の場合はEDX像形成と同時にドリフト補正用のSTEM像も形成できるので、EDX信号の蓄積を中断する必要は無い。そこで本発明では、画像積算によってEDX信号を蓄積する、図3の方式を採用した。画像積算に用いるEDX像撮影と同時に、試料ドリフト補正に用いるSTEM像を形成する。試料を薄膜化しているため、入射した電子線はその大部分が試料を通過する。したがって、STEM像は充分な信号量を持つので、画像処理によるドリフト解析が可能である。また、画像間の位置ずれ解析法としては、特開2000-106121記載の相互相関法、特開2000-331637記載のフーリエ変換像の位相成分を利用した位置ずれ解析法等が挙げられる。本実施例では、位置ずれ解析精度や特開2000-331637記載の一致度を用いた誤動作防止機能を考慮し、フーリエ変換像の位相成分を利用した位置ずれ解析法を採用した。なお、多枚数のEDX像を画像積算する際、１画面分のメモリを用い、該メモリに新しく入力されるEDXデータをためていく方式と、多枚数のEDX像を記録した後、EDX像強度を加算する方式があるが、本発明ではメモリ使用効率を考え、１画面分のメモリにEDXデータをため込んでいく方式を採用している。
【００１１】
ここで、フーリエ変換の位相成分を利用した位置ずれ解析法を、図4を用いての説明する。位置ずれD=(Dx, Dy)のある2枚の画像S1、S2を仮定し、S1(n, m)=S2(n+Dx, m+Dy)と記述する。S1(n, m), S2(n, m)の2次元離散的フーリエ変換をS1'(k, l), S2'(k, l)とする。フーリエ変換にはF{S(n+Dx, m+Dy)}=F{S(n, m)}exp(iDx・k+iDy・l)の公式があるので、S1'(k, l)=S2'(k, l)exp(iDx・k+iDy・l)と変形できる。つまりS1(n,m)とS2(n,m)の位置ずれはそれらのフーリエ変換像であるS1'(k,l)とS2'(k,l)の位相差exp(iDx・k+iDy・l)=Ｐ'(k, l)で表現される。Ｐ'(k, l)は周期が(Dx, Dy)の波でもあるので、位相差画像P'(k, l)を逆フーリエ変換した解析画像P(n, m)には(Dx, Dy)の位置にδ的なピークが発生する。なお振幅の情報を全て除去するのではなく、S1'(k, l)・S2'(k, l)*=|S1'||S2'| exp(iDx・k+iDy・l)の振幅成分にlogもしくは√の処理を施して振幅成分を抑制した画像を計算し、該画像に逆フーリエ変換を施しても、位置ずれベクトルの位置(Dx, Dy)にδ的なピークが発生するので、該画像で位置ずれ解析を行っても良い。位相差画像P'(k, l)をフーリエ変換しても(-Dx, -Dy)にδ的なピークが発生するので、位相差画像P'(k, l)のフーリエ変換像で位置ずれ解析を実行しても良い。解析画像P(n, m)にはδ的なピークのみが存在すると仮定できるので、重心位置計算によってδ的なピークの位置を小数点以下の精度で正しく求められる。またδ的なピーク以外は雑音と見なすことが出来るので、解析画像P(n, m)全体の強度に対するδ的なピークの強度の割合を画像間の一致度とする。
【００１２】
ドリフト補正は図1に示すフローにて行う。ドリフト補正前に、STEM倍率、画素数、補正時間間隔等のパラメータを設定する。例えば、STEM倍率500,000において、位置ずれ解析用画像の画素数は128×128画素とする。電子線の試料内での広がりを考慮すると、EDX像の分解能は1nm程度である。本位置ずれ解析法の解析精度はサブピクセルであるので、STEM倍率500,000、128×128画素では0.1画素は0.15nmに相当し、位置ずれ解析精度としてはこの画素数で十分といえる。また、EDX像の画素数は256×256画素とした。1画素のサイズは0.75nmであり、EDX像の分解能を考慮すると充分な画素数と言える。補正時間間隔は、256×256画素のEDX像を取込む際の1画面の走査時間が約２秒であることを考慮し、その倍の4秒とした。2画面走査毎に計測を行う理由は、電子線検出器21のゲインとオフセットを変化させて像コントラストの調整を行ったりする時間を確保するためである。ゲイン・オフセットの設定が途中で変化してしまった1枚目の画像は位置ずれ解析に用いることができないので、ゲイン・オフセット設定後の２枚目の画像を計測用画像として位置ずれ解析に用いる。なお、入射電子線26の走査と計測用画像の取込みのタイミングが調整できれば、つまり、コントラスト調整の時間を確保した後、入射電子線26を走査して画像を形成するという制御が行えれば、一画面毎に計測用画像を取込むことは可能である。また、画像形成中にゲイン・オフセットを変化させた画像は計測用画像に用いないというアルゴリズムも可能である。以上のパラメータ設定を行った後、画像処理用計算機25にSTEM像を登録画像として記録する。画像処理用計算機25に計測開始のコマンドを送ると、画像処理用計算機25では計測画面の取込み、登録画像と計測画像の位置ずれ解析、解析結果の出力が行われる。出力される位置ずれは画素数であるので、STEM制御用計算機23にてSTEM倍率等を用いてXY方向のドリフト距離に変換し、それを相殺するために必要なイメージシフト偏向器16の制御値を計算する。イメージシフト偏向器16の変化単位はEDX像の分解能が約1nmであることを考慮し、0.5nm/digitと設定した。STEM用計算機よりイメージシフト偏向器16にコマンドを送り、ドリフトを補正する。以後、計測と補正を繰返す。
【００１３】
次ぎに、ドリフト補正中の画像劣化について述べる。試料ドリフトはXY方向のみならず、Z方向にも発生する。そのため徐々に焦点がずれてしまい、画像がボケてくる。また、電子源からの電子線出力強度も時間と共に変化するため、STEM像の像コントラストが変化してしまい、試料構造の観察が困難となる場合もある。さらに、電子線照射によるコンタミ付着によって、像がボケてしまう場合もある。長時間のドリフト補正においては、上記原因による画像劣化によって位置ずれ解析不能となる場合があるので、その対策が必要である。
【００１４】
本システムで採用した位置ずれ解析法では、画像間のフーリエ変換の位相差画像を逆フーリエ変換した解析画像に発生するδ的なピークのピーク強度が解析画像全体に占める割合を一致度とし、その一致度から計測結果の信頼性や解析精度を判断できる。2枚の画像が同じ場合は一致度100％で解析精度は0.1画素以下、画像間で一致する成分が少なくなると一致度は徐々に低下し、一致度が30%以下になると解析精度は約0.2画素、一致度が10％以下になると解析精度は約0.5画素と、一致度0％に近づくにつれて解析精度は劣化していく。また、一致度は位置ずれ解析結果の信頼性を示すのもであり、画面全体が一定強度等、位置ずれ量が解析できない画像で位置ずれ解析を行った場合、一致度0%となる。
図1には、この一致度を利用した画像劣化対策を示してある。一致度が第1の基準値、たとえば0％になった場合は位置ずれ解析結果の信頼性は非常に低いと判断し、誤動作による視野外れを防止するために、イメージシフト偏向コイル16を変化させないようにプログラミングしてある。また、一致度の低下を防ぐ対策として、登録画像更新機能を設けてある。ボケた画像とシャープな画像で位置ずれ解析を行うより、ボケた画像同士で位置ずれ解析を行った方が一致度が高く、つまり解析精度が高くなる。そこで、一定回数計測毎に、もしくは一定時間間隔毎に登録画像を更新する機能を設けた。つぎに、画像劣化を低減させる対策を示す。まず、一致度が第2の基準値、たとえば30％以下になった場合、画像が劣化してきたと判断し、焦点補正やコントラストを自動で、もしくは手動で補正する機能を設ける。焦点自動補正は、例えば特開平2000-331637記載の自動焦点補正装置で行う。正焦点において入射角度変化による位置ずれ量を測定して記録し、位置ずれ量が測定された値になる様に焦点を補正する。コントラスト自動補正は、像全体、もしくは一部の強度分布の平均値と分散を計算し、それらが指定された値になる様に電子線検出器のアンプのゲインとオフセットを自動的に調整する。なお、画像強度の平均値や分散と画像間の一致度は、異なる評価基準であるので、上記コントラスト補正によって一致度が必ず増加するとは限らない。コントラスト補正前後の一致度を記録し、コントラスト補正によって一致度が低下した場合はゲインとオフセットの設定をコントラスト補正前に戻す様にしておいた方が良い。上記自動補正は、一致度が第2の基準値以下になったときの他に、一定時間間隔毎に、もしくは一定回数計測毎に行うように設定しても良い。なお、電界放出型電子源ではフラッシング後、電圧V1で引出される電子線出力は時間と共に減少していく。電子線出力低下のため、電子検出器のゲインとオフセットの調整だけではコントラストを補正できない場合、電子線の引出し電圧V1を増加させて電子線出力を増加させる。引出し電圧を増加させ過ぎると、電子源が放電する危険性があるので、再びフラッシングを行う必要がある。これらフラッシングや引出し電圧変化を行うと電子源11の仮想電源位置が変化する。そのため、照射系レンズ12の設定や、対物レンズ18の設定を変える必要がある。たとえば、引出し電圧の増加によって仮想電子源の位置が変化するので、引出し電圧の変化量と仮想電子源位置の変化量を予め測定し、仮想電子源の位置変化を相殺する様に照射系レンズの結像位置を調整する。この補正によって、試料に対する対物レンズの焦点位置は引出し電圧変化前後で、ほぼ同等となるが、高分解能観察で必要とされる焦点補正精度に達しない場合もある。この場合、journal of electron microscopy 50 (3):163-176 (2001)記載の技術を用いて非点・焦点を解析・補正する。また、引出し電圧変化によって軸ずれが発生する場合もあるので、上記非点・焦点解析を精度良く実行するためには、軸ずれを補正しておく必要がある。この軸ずれ補正は、特開平10-92354記載の自動軸ずれ補正装置にて行う。
なお、試料と電子源の間に設置された電子レンズや偏向コイルを調整する場合、電子レンズや偏向コイルの設定を変化させた時の画像変化から、焦点ずれ量や軸ずれ量および非点を解析する。試料に入射する電子線の位置や角度等が変化するので、これらの補正を行っている間はEDXの画像積算を中断し、補正終了後、EDXの画像積算を再開した方が良い。透過電子線は充分な信号強度を持つので、EDX像は形成せず、STEM像のみを形成する場合の方が、EDX像とSTEM像を同時に形成する場合より速い１次電子線走査速度で、画像処理に用いることのできるSTEM像を形成することが可能である。そこで、試料と電子源の間に設置された電子レンズや偏向コイルの焦点ずれ量や軸ずれ量および非点を解析する際には、STEM像形成用に最適化し走査速度で１次電子線を走査し、形成した調整用画像を用いた方が効率的である。
なお、ドリフト補正フローには記載されていないが、コンタミ付着による像ボケを低減させるために、プラズマクリーナーを用いて、試料24を鏡体に挿入する前に試料ホルダーおよび試料24に付着したコンタミを除去したり、鏡体内に設けた窒素トラップによって試料24近傍の真空度を向上させてコンタミ付着を低減させたりという対策をした方が良い。また、上記対策を行っても位置ずれ解析不能となった場合や、イメージシフト用偏向器の可動範囲を超えたためドリフトに追従できなくなる場合もある。この場合、EDX像の画像積算を続けると、すでに蓄積されたデータにノイズを加算することになるので、画像積算を中断した方が良い。EDX像積算中断の判断において、一致度が第1の基準値以下となった後、直に第1の基準値以上の戻る場合もあるので、連続して一致度が第1の基準値以下つまり位置ずれ解析不能となった場合、EDX像の積算を中止する様に設定しておいた方が良い。
なお、焦点自動補正装置、コントラスト自動補正装置、STEM制御用計算機23からEDX制御用計算機をコントロールする機能等が無い場合は、図5に示すフローでドリフト補正を行っても良い。
上記ドリフト自動補正は図12に示す画面を用いて行う。表示画面は操作者の熟練度やニーズ、試料の難易度等に応じて、カスタマイズすることができる。図12(a)は詳細表示用の画面である。startボタン51をクリックするとドリフト自動補正が開始する。装置調整等のためにドリフト補正を一時停止させたい場合はpauseボタン52をクリックする。ドリフト補正を再開させる場合は再びpauseボタンをクリックする。ドリフト補正を終了させる場合はstopボタン53をクリックする。画像表示領域54には最新のSTEM像が表示される。表示されるSTEM像で、画像の劣化状態を評価する。STEM像上に位置ずれ解析結果の位置にマーク61を表示することによって、STEM像で位置ずれ解析が正しく実行されているかを確認することができる。つまり、マーク61が試料の移動に追従していれば、位置ずれ解析は正しく実行されていると判断できる。また、ドリフト補正の動作状態を監視するために、イメージシフトの変化量から求めた試料ドリフト量55、位置ずれ量から求めたドリフト補正精度56、および位置ずれ解析で計算された一致度57の最新の解析結果58と履歴が表示される。履歴を保存するか否かはチェックボックス59で選択できる。試料ドリフト量の表示単位は、実空間距離つまりnmとイメージシフト制御値つまりdigitで選択でき、ドリフト補正精度の表示単位も実空間距離つまりnmと画素数つまりpixelで選択でき、補正時間の表示単位も補正回数と補正時間で選択できる。
試料ドリフトが非常に大きい場合は、イメージシフトのストロークを超えてしまう可能性があるので、EDX画像積算を一旦停止し、試料ステージのXY微動機構を用いて試料をドリフト補正開始時の位置に向かって移動させながら本ドリフト補正装置を動作させると、イメージシフトの制御値が0近傍に引戻される。イメージシフトの制御値を0近傍に引戻した後、EDX像の積算を再開する。また、位置ずれ量はドリフト補正精度を示すので、位置ずれ量からEDX像の空間分解能を評価することができる。従来、EDX像の空間分解能は、試料構造内が可視化できたか否かでしか評価できなかった。つまり、試料構造内に1nm厚さの薄膜等が存在し、それが可視化で来ていれば1nmの空間分解能をも持つと判断していた。逆に、空間分解能を示す構造が試料内になければ、空間分解能を評価することが出来なかったと言える。これに対し、ドリフト補正精度によるEDX像の空間分解能の評価は試料構造に依存しないので、任意の試料で空間分解能を評価できるようになる。また一致度は、図1で示したフローでも示した様に、各種判断フローで判断基準として用いるパラメータであるので、一致度の明示および記録は重要といえる。一致度が低下し始めるまでの時間を把握しておくことにより、コンタミ低減対策の効果の評価や、画像積算時間の上限の予測を行うことができる。STEM像強度のブライトネス/コントラスト60は、STEM像全体、もしくは一部の強度分布の平均値と分散を用いて評価する。STEM像や一致度を観察しながら平均値と分散の値を選択し、ドリフト補正を無人で長時間稼働させる場合の自動コントラスト調整に用いる。以上のドリフト補正状態の
図12(a)に示す詳細画面は、パラメータの最適化や調査状態のチェックには適しているが、汎用画面としては表示項目を適時省略した方が良い。通常のドリフト自動補正動作時には、たとえば図12(b)の様に、STEM像やドリフト補正の履歴は表示しない、現在の補正結果状況のみを表示する画面で十分といえる。
【００１５】
最後に、得られたEDX像とSTEM像の表示法について述べる。STEM-EDXでは同じ領域から出射する信号を用いてSTEM像や各元素のEDX像を形成するので、画像間の位置ずれがないので、複数の画像の重ね合せ表示が有効である。重ね合せ表示を用いることによって、界面や結晶欠陥と微量元素析出の関係を明示することができる等の利点を持つ、有効な表示法である。しかし、両者を単純に重ね合せる従来表示には、以下の様な問題があった。例えば、EDX像とSTEM像を単純に重ね合せると、一方の像強度が強い領域では、他方の像が観察し難くなる。また、濃淡表示では、像強度が最大となる位置や最小となる位置、EDX強度の変化が急峻な位置の把握が難しい。また、観察者が得たい情報はEDX強度では無く、EDX強度から解析される試料構造であることが多いので、STEM像やEDX像から解析された試料構造を表示した方が良い。以上の様に、片方もしくは両方に画像処理を施し、観察者が得たい情報を抽出した後、重ね合せた方が、観察者が理解し易い表示になる。
【００１６】
ここで、図6を用い、STEM像とEDX像の重ね合せ表示を説明する。ここで、STEM濃淡画像47とEDX濃淡画像48を仮定する。STEM像47とEDX像48を図6（a)の様に単純に加算すると、像強度が強い領域等で各々の強度分布が観察し難くなる。そこで、EDX濃淡画像48をEDX等強度線画像50にした後、図6（b)の様にSTEM像と重ね合せる。等強度線表示にすることによって、EDX像強度の最大値や最小値の位置の把握だけでなく、極大値や極小値の位置、像強度変化の急峻性の把握も容易に行える。EDX像のS/Nが低い場合は、加算平均、メディアン等のフィルタを用いてスムージングしてから、等強度線を作成した方が良い。また、EDX像だけでなくSTEM像も画像処理しても良い。エッジ検出によってSTEM像47からデバイス形状や結晶欠陥を抽出し、STEM線画像49を作成とする。この場合もSTEM像のS/Nが低い場合はフィルタをかけてスムージングしてから、エッジ検出をした方が良い。これをEDX像48と図6（c)の様に重ね合せると、界面や試料欠陥とドーパント等の微量元素の析出との関係が把握し易い表示となる。また、STEM線画像49とEDX線画像50を図6（d)の様に重ね合せた表示も、界面とドーパント分布の位置関係や、結晶欠陥とドーパント分布の位置関係を把握し易い表示である。
【００１７】
画像を重ね合せて表示する際、信号の種類や信号強度に応じてカラー表示すると、試料構造の解釈がより容易になる。また、以下のレイヤー表示を使用した方がより見易い表示になる。STEM-EDXでは同時に複数の元素のEDX像を得る場合が多いので、線画表示を用いても、多数のEDX像をSTEM像に重ね合せると、試料構造の把握が困難になってくる。たとえば、図7に示す様に、画レイヤー表示ウィンドウ30とレイヤー設定ウィンドウ31を用い、レイヤー設定ウィンドウ31のビュー画像33で画像を確認しながら表示・非表示設定32を選択する。また、レイヤー表示ウィンドウ30を観察してSTEM像および各元素のEDX像の表示・非表示を切替えながら、STEM像と各種のEDX像を重ね合せて表示すると、試料構造の把握が容易に行える。
さらに、観察者が得たい情報は信号強度では無く、信号強度から解析される試料構造であることが多いので、解析された組成濃度分布像を重ね合せ表示する方が良い。EDX像強度分布から組成濃度分布を求める際は組成濃度既知の標準試料を用いる。EDX像強度は１次電子線の強度や加速電圧等の入射電子線条件や、試料厚さ等の試料条件に依存する。そのため各構成元素のX像強度の絶対値では無く、構成元素間の相対値で比較する必要がある。たとえば、X線信号強度比と組成濃度比の変換テーブルもしくは変換式を作成し、X線強度比から組成濃度比を求める。図10に示す様に、2次イオン質量分析装置(SIMS)とSTEM-EDXの分析結果を比較できる標準試料を用い、STEM-EDXの強度プロファイルとSIMSで得られた元素濃度分布を対応させる。シリコン(Si)にヒ素(As)をドープした試料を作成し、該試料の表面からのSiとAsの濃度分布を、2次イオン質量分析装置を用いて測定しておく。該試料の断面試料をFIBで作製する。STEM-EDXにてSiとAsのEDXマッピング像を撮影する。AsのX線強度分布をSiのX線強度で除算したAs/SiのX線強度プロファイルを作成し、同じ領域で測定されたAs濃度分布と対応させることにより、As/SiのX線強度からAs濃度を見積ることができるようになる。なお、X線強度比は１次電子線の加速電圧、試料の厚さによっても多少変化するので、実際に評価したい試料と標準試料のEDX像は、できるだけ同じ条件で撮影する必要がある。試料厚さは100〜200μmが適当である。また、コンタミ付着等の外乱要因もほぼ等しくなる様にするために、EDX像積算時間も調整した方が良い。たとえば、標準試料におけるEDX像積算時間もしくはSiのX線強度の絶対値を入力し、入力条件に達した段階でEDX像の画像積算を終了させる設定とする。
ここで、EDX像を用いたAs濃度定量化の1例を図11に示す。SiのEDX像強度でAsのEDX像強度を除算して規格化すると、SiO2やSiN等に分布したAsと、Siに分布したAsを同じ画面上で比較できなくなるので、Si基板のEDX強度の平均値でAsのEDX像全体を除算する。たとえば、図11(a)に示す領域62のSiのEDX強度の平均値でAsのEDX像強度を除算する。また、AsのEDX像は統計が少ないので、As像もしくはAs/Si強度の像を表示する際、図11(a)に示すスムージング処理を施した。これを等強度線表示させた結果を図11(b)に示す。各等強度線に対応する濃度は図10に示した方法で見積ることができる。また等濃度線表示には、示す3次元表示という方法もある。3次元表示ではAs/Si強度やAs濃度の値を明示し易く、また表示方向を変えることによって、2次元表示と同様の表示にしたり、注目する箇所を強調して表示できる、有効な表示法である。
以上、本発明の特徴を以下にまとめる。まず、試料のある領域に荷電粒子線を入射する照射手段と、前記領域から出射すると第1の信号を検出して前記領域の第1の画像を形成する画像形成部と、順次形成される第1の画像を画像積算する演算部と、前記領域から出射する第2の信号を検出して前記領域の第2の画像を形成する画像形成手段と、第１の時刻における第2の画像と第2の時刻における第2の画像を各々記録する記録部と、第1の時刻における第2の画像と第2の時刻における第2の画像の間の位置ずれ量と一致度を計算する演算部と、前記位置ずれ量が前記荷電粒子線に対する前記試料の移動量であるか否かを前記一致度から判断する判断部と、前記移動量を相殺する様に前期荷電粒子線に対する前記試料の位置を移動させる手段と、第1の画像の画像積算を実行するか否かを前記一致度から判断する判断部と、を持つことである。また、試料のある領域に荷電粒子線を入射する照射手段と、前記領域から出射する第1の信号を検出して前記領域の第1の画像を形成する画像形成手段と、前記領域から出射する第2の信号を検出して前記領域の第2の画像を形成する画像形成手段を有する荷電粒子線装置において、第１の時刻における第2の画像と、第2の時刻における第2の画像を記録する記録部と、第1の時刻における第2の画像と第2の時刻における第2の画像の間の位置ずれ量と一致度を計算する演算部と、前記位置ずれ量が前記荷電粒子線に対する前記試料の移動量であるか否かを前記一致度から判断する判断部と、前記移動量を相殺する様に前期荷電粒子線に対する前記試料の位置を移動させる手段を持つことである。また、画像表示に関しては、試料のある領域に荷電粒子線を入射する照射手段と、前記領域から出射する第1の信号を検出して前記領域の第1の濃淡画像を形成する画像形成手段と、前記領域から出射する第2の信号を検出して前記領域の第2の濃淡画像を形成する画像形成手段と、第1の濃淡画像および、もしくは第2の濃淡画像に画像処理を施して第1および、もしくは第2の線画を形成する演算手段と、前記第1、第2の濃淡画像と前記第1、第2の線画から選択された複数枚の画像を合成して表示する表示手段を持つこともあげられる。
前期荷電粒子線に対する前記試料の位置を移動させる手段は、前記試料に照射する荷電粒子線の位置を変化させる機能を持つ偏向器の場合も、前期荷電粒子線に対する前記試料の位置を移動させる手段は、前記荷電粒子線に対する前記試料の位置を変化させる試料ステージの場合もありうる。また、荷電粒子線は加速した電子線であり、第1の信号は前記試料から発生したX線であり、第2の信号は前記試料を透過した透過電子線である場合、荷電粒子線は加速した電子線であり、第1の信号は前記試料から発生したX線であり、第2の信号は前記試料から発生した2次電子線および反射電子線である場合、荷電粒子線は加速した電子線であり、第1の信号は前記試料によって非弾性散乱された電子線であり、第2の信号は前記試料を透過した電子線および、もしくは弾性散乱された電子線である場合もある。（実施例2）
本発明は荷電粒子線照射によって、同じ領域から発生した異種の信号を用い、信号量が少ない信号で画像を形成するために、信号量の多い信号で形成された像を用いて試料ドリフトを補正しながら、信号量の少ない信号で形成された画像のS/Nを画像積算によって向上させる際の画像形成法および表示法に関するものであり、実施例1で示したSTEM-EDXのみならず、図8に示すScanning Electron Microscope (以下SEM)-EDXや、図9に示すSTEM-Electron Energy-Loss Spectroscopy (以下ELLS)にも適用可能である。
SEM-EDXでは、1次電子線26を試料40上に走査し、１次電子線入射によって発生した２次電子線and/or反射電子線41を電子線検出器21で検出し、走査用偏向器17の電子線走査信号と同期させてSEM像を形成する。２次電子線and/or反射電子線41で画像を形成するので、試料40は薄膜化する必要は無い。このSEM像を用いてドリフト補正を行いながら、実施例1と同様の技術で形成されたEDX像の画像積算を実行する。試料ドリフト用画像の形成に用いる信号の種類が異なる以外は、実施例１と同様である。
STEM-EEELSでは、1次電子線26を薄膜化した試料24上に走査し、試料24を透過した電子27によってSTEM像を形成し、エネルギー分析型電子線検出器46で検出した非弾性散乱電子44の信号でEELS像を形成する。STEM像を用いて試料ドリフトを補正しながら、各波長の電子線で形成されたEELS像を積算してS/Nを向上させる。画像積算する画像がEELS像であること以外は、実施例1と同様である。
（実施例3）
図2に示すSTEM-EDXの使用法には、X線を検出して2次元のEDX像を形成する他に、指定された測定点のX線スペクトルを検出・記録する点分析モードがある。点分析モードでは、まず、1次電子線を試料24上で走査し、試料を透過した電子線27を電子線検出器21で検出し、走査用偏向器17の電子線走査信号と同期させてSTEM像を形成する。このSTEM像を用いて測定点と取込み時間を指定する。点分析モードでは、1次電子線の走査を停止し、測定点に1次電子線入射を固定する。測定点から出射するX線28をX線検出器19にて検出する。以上の工程を指定された測定点毎に繰返す。
点分析モードにおいても、微量な元素を測定するために各測定点における取込み時間を延長させたり、多数の測定点が指定された場合、試料ドリフトのために指定された測定点と実際に測定した測定点の位置がずれてしまい、必要なデータが得られなくなる。そのため、一定回数計測毎に、もしくは一定時間間隔毎に点分析を中断し、1次電子線26を試料24上で走査し、試料を透過した電子線27を電子線検出器21で検出し、走査用偏向器17の電子線走査信号と同期させてSTEM像を形成し、図1に示すフローで試料ドリフトを補正する必要がある。登録画像に用いる領域は、始めに測定点の指定のために撮影した画像でも良いし、測定点を含まない領域の画像でも良い。フーリエ変換の位相差成分を用いた位置ずれ解析においては、画像内に特徴的な構造が多く含まれている方が一致度が高い、つまり安定かつ高精度な位置ずれ解析が行える。登録画像に用いる領域は、画像間の一致度を参照し、より一致度の高い領域を選択した方が良い。EDX像の画像積算ではなくEDX点分析である点と、登録画像の選択が異なる以外は、実施例1記載の試料ドリフト補正と同じ手順でドリフトを補正する。
（実施例4）
本発明は荷電粒子線照射によって、同じ領域から発生した異種の信号を用い、信号量が少ない信号で画像を形成するために、信号量の多い信号で形成された像を用いて試料ドリフトを補正しながら、信号量の少ない信号で形成された画像のS/Nを画像積算によって向上させる際の画像形成法および表示法に関するものである。実施例1では、画像間の位置ずれ解析法としてはフーリエ変換像の位相成分を利用した位置ずれ解析法を採用したが、画像間の位置ずれ解析法には特開2000-106121記載の規格化相互相関法等、他に幾つかの方法がある。フーリエ変換像の位相成分を利用した位置ずれ解析法は、位置ずれ解析精度向上による補正精度向上や、一致度を用いた誤動作防止機能付加などの長所を持つが、画像の種類によっては、フーリエ変換像の位相成分を利用した位置ずれ解析法では解析不能となるが、規格化相互相関法では解析可能となる場合がある。たとえば、像がボケていて、且コントラストが高い画像は、フーリエ変換像の位相成分を利用した位置ずれ解析法で解析不能となるが、規格化相互相関法では解析可能となる場合がある。この様な画像を用いて試料ドリフト自動補正を行う際は、規格化相互相関法で位置ずれを解析した方が良い。格化相互相関法で位置ずれ解析を行うと、画像間の一致度を判断基準とした誤動作防止フローの使用は困難となるが、本発明の画像表示法は適用可能である。したがって、位置ずれ解析に規格化相互相関法を用いた場合、画像間の一致度を用いた誤動作防止フローを用いないという点以外は、実施例1と同様の装置および方法で、STEM-EDX像の形成、および表示が行える。
【００１８】
【発明の効果】
本発明では、ドリフト量が正しく検出されているか否かの判断することができるので、該判断結果を元に、ドリフトを補正するか否かの判断や、画像積算を行うか否かの判断ができる。これによって、無人で長時間の画像積算を行う場合、ドリフト補正の動作不良によって積算したデータを失うことが無くなり、測定・解析の効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】EDX像積算中のSTEM像を用いた試料ドリフト補正工程を示すフローチャート。
【図２】STEM-EDXの基本構成図。
【図３】STEM-EDX用ドリフト補正装置を示す説明図。
【図４】位置ずれ解析の計算過程を示す説明図。
【図５】EDX像積算中のSTEM像を用いた試料ドリフト補正工程を示すフローチャート。
【図６】STEM像とEDX像の表示方法を示す説明図であり、各々、STEM濃淡画像とEDX 濃淡画像の重ね合せ表示像(a)、STEM濃淡画像とEDX 線画像 の 重ね合せ表示像(b)、STEM線画像とEDX 濃淡画像の 重ね合せ表示像(c)、STEM線画像とEDX 線画像 の 重ね合せ表示像(d)である。
【図７】STEM像とEDX像のレイヤー表示画面を示す説明図。
【図８】SEM-EDXの基本構成図。
【図９】STEM-EELSの基本構成図。
【図１０】STEM-EDX像強度とSIMS測定結果を用いた定量化の方法を示す説明図。
【図１１】微量元素分布の解析および表示法を示す説明図であり、(a)は2次元濃度像のフィルタ処理を、(b)は2次元等濃度線表示を、(c)は3次元等濃度線表示を示す。
【図１２】試料ドリフト補正装置の操作画面であり、(a)は詳細表示用、(b)は汎用表示用の画面である。
【符号の説明】
11…電子銃、11'…電子銃制御回路、12…照射レンズ、12'…照射レンズ制御回路、13…対物絞り、13'…対物絞り制御回路、14…軸ずれ補正用偏向器、14'…軸ずれ補正用偏向器制御回路、15…スティグメータ、15'…スティグメータ制御回路、16…イメージシフト用偏向器、16'…イメージシフト用偏向器制御回路、17…走査用偏向器、17'…走査用偏向器制御回路、18…対物レンズ、18'…対物レンズ制御回路、19…Ｘ線検出器、19'…Ｘ線検出器制御回路、20…試料ステージ、20'…試料ステージ制御回路、21…電子検出器、21'…電子検出器制御回路、22…EDX制御ソフトを搭載した計算機、23…STEM制御ソフトを搭載した計算機、24…薄膜化した試料、25…画像処理ソフトを搭載した計算機、26…1次電子線、27…透過電子線、28…X線、30…レイヤー表示ウィンドウ、31…レイヤー設定ウィンドウ、32…表示・非表示設定、33…ビュー画像、34…画像の名称、40…試料、41…2次電子もしくは反射電子、42…E×B偏向器、43…SEM制御ソフトを搭載した計算機、44…非弾性散乱電子線、45…エネルギー分析型電子線検出器、46…STEM-EELS制御ソフトを搭載した計算機、47…STEM濃淡画像、48…EDX 濃淡画像、49…STEM線画像、50…EDX線画像、51…startボタン、52…pauseボタン、53…stopボタン、54…画像表示領域、55…試料ドリフト量表示領域、56…ドリフト補正精度表示領域、57…一致度表示領域、58…最近の解析結果表示領域、59…データ保存選択用チェックボックス、60…ブライトネス/コントラスト表示領域、61…位置ずれ解析結果を示すマーク、62…EDX像強度規格化用領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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