特許 7490693 荷電粒子線装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-17

(45)【発行日】2024-05-27

(54)【発明の名称】荷電粒子線装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/244 20060101AFI20240520BHJP

   H01J 37/22 20060101ALI20240520BHJP

   H01J 37/28 20060101ALI20240520BHJP

【ＦＩ】

H01J37/244

H01J37/22 502G

H01J37/28 B

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2022028236

(22)【出願日】2022-02-25

(65)【公開番号】P2023124465

(43)【公開日】2023-09-06

【審査請求日】2023-06-12

(73)【特許権者】

【識別番号】000004271

【氏名又は名称】日本電子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大塚 岳志

(72)【発明者】

【氏名】望月 貞彦

【審査官】後藤 慎平

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２０／１００２０５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－１６３９８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－０９７０７４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ３７／００－３７／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料に対して荷電粒子線を照射する照射設備と、
前記荷電粒子線の照射に起因して前記試料から放出された注目粒子を検出する検出器であって、前記試料の加熱に起因して被加熱物から放出された輻射エネルギーの検出により生じた輻射成分を含む検出信号を出力する検出器と、
前記検出信号の処理により、前記輻射成分を特定する手段と、
前記検出信号から前記輻射成分を除去する除去部と、
前記輻射成分が除去された検出信号に基づいて、前記試料を表す画像を生成する生成部と、
を含み、
前記輻射成分を特定する手段は、前記検出信号から前記輻射成分を抽出するフィルタを含む、
ことを特徴とする荷電粒子線装置。

【請求項2】

請求項１記載の荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子線は電子線であり、
前記注目粒子は前記試料から放出された反射電子又は二次電子であり、
前記輻射エネルギーの検出は光の検出である、
ことを特徴とする荷電粒子線装置。

【請求項3】

請求項１記載の荷電粒子線装置において、
前記試料の加熱を制御する加熱制御部を含み、
前記加熱制御部は、前記試料の温度が徐々に上昇するように又は徐々に下降するように前記試料の加熱を制御し、
前記試料の温度の上昇過程又は下降過程において、前記試料に対して荷電粒子線が照射され、前記輻射成分が除去された検出信号に基づいて、前記試料を表す画像が生成される、
ことを特徴とする荷電粒子線装置。

【請求項4】

請求項１記載の荷電粒子線装置において、
前記試料に対して設定された観測領域に対して前記荷電粒子線が二次元走査され、
前記検出信号は、前記荷電粒子線の二次元走査により得られた一次元信号であり、
前記フィルタは一次元フィルタであり、
前記検出信号に対して前記フィルタが一次元走査される、
ことを特徴とする荷電粒子線装置。

【請求項5】

請求項１記載の荷電粒子線装置において、
前記フィルタは平滑化作用を発揮するフィルタである、
ことを特徴とする荷電粒子線装置。

【請求項6】

請求項１記載の荷電粒子線装置において、
前記検出器は、前記注目粒子及び前記輻射エネルギーに対して感度を有する複数の検出領域を備え、
前記複数の検出領域から複数の検出信号が並列的に出力され、
当該荷電粒子線装置は、
前記複数の検出信号に対してゲイン調整及びオフセット調整を個別的に適用し、調整後の複数の検出信号を並列的に出力する複数の調整器と、
前記調整後の複数の検出信号を加算し、加算後の検出信号を出力する加算器と、
を含み、
前記加算後の検出信号が前記フィルタに入力される、
ことを特徴とする荷電粒子線装置。

【請求項7】

請求項１記載の荷電粒子線装置において、
前記検出器は、前記注目粒子及び前記輻射エネルギーに対して感度を有する複数の検出領域を備え、
前記複数の検出領域から複数の検出信号が並列的に出力され、
前記輻射成分を特定する手段は、
前記複数の検出信号から複数の輻射成分候補を抽出する手段と、
前記複数の輻射成分候補に基づいて前記輻射成分を特定する手段と、
を含む、
ことを特徴とする荷電粒子線装置。

【請求項8】

請求項７記載の荷電粒子線装置において、
前記除去部は、前記複数の検出信号から前記輻射成分を除去し、
前記生成部は、前記輻射成分が除去された複数の検出信号に基づいて、前記試料を表す画像を生成する、
ことを特徴とする荷電粒子線装置。

【請求項9】

試料に対して荷電粒子線を照射する照射設備と、
前記荷電粒子線の照射に起因して前記試料から放出された注目粒子を検出する検出器であって、前記試料の加熱に起因して被加熱物から放出された輻射エネルギーの検出により生じた輻射成分を含む検出信号を出力する検出器と、
前記輻射エネルギーの選択的検出により、前記輻射成分を特定する手段と、
前記検出信号から前記輻射成分を除去する除去部と、
前記輻射成分が除去された検出信号に基づいて、前記試料を表す画像を生成する生成部と、
を含み、
前記検出器は主検出器であり、
前記検出信号は主検出信号であり、
前記輻射成分を特定する手段は、前記注目粒子を検出することなく前記輻射エネルギーを選択的に検出する副検出器を含み、
前記副検出器から出力される副検出信号に基づいて前記輻射成分が特定される、
ことを特徴とする荷電粒子線装置。

【請求項10】

請求項９記載の荷電粒子線装置において、
前記副検出器は、前記輻射エネルギーを透過させ且つ前記注目粒子を遮断する入射膜を有する、
ことを特徴とする荷電粒子線装置。

【請求項11】

請求項９記載の荷電粒子線装置において、
前記主検出器として機能する複数の主検出領域が設けられ、
前記除去部は、前記複数の主検出領域から出力された複数の主検出信号から前記輻射成分を除去し、
前記生成部は、前記輻射成分が除去された複数の主検出信号に基づいて前記試料を表す画像を形成する、
ことを特徴とする荷電粒子線装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は荷電粒子線装置に関し、特に、加熱される試料を観測する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

荷電粒子線装置は、試料に対して荷電粒子線を照射することにより試料の観察を行う装置である。荷電粒子線装置として、走査電子顕微鏡、走査イオン顕微鏡、等が知られている。荷電粒子線装置を用いた試料の観察においては、必要に応じて、試料が加熱される。すなわち、試料の加熱を行いながら試料が観察され、あるいは、加熱状態にある試料が観察される。例えば、結晶粒の歪みが変化していく様子や結晶が成長していく様子を観察したい場合に試料が加熱される。加熱温度は、例えば、数百℃以上又は千℃以上である。

【0003】

走査電子顕微鏡においては、試料から放出される電子（反射電子、二次電子）が検出器（反射電子検出器、二次電子検出器）により検出される。試料を加熱する場合、試料や試料ホルダつまり被加熱物から、無視し得ない輻射エネルギー（輻射熱）が放出される。輻射エネルギーの放出は具体的には電磁波としての光（赤外線、可視光等）の放出である。試料の温度が上がれば上がるほど、試料から放出される輻射エネルギーの量が増大する。

【0004】

通常、電子を検出する検出器は光に対しても感応する。よって、試料を加熱しながら試料を観察する場合、検出器から出力される検出信号には、電子の検出により生じた注目成分（電子成分）の他、輻射エネルギーの検出により生じた輻射成分が含まれる。

【0005】

検出信号中の輻射成分が検出信号においてオフセットを生じさせる。特に、高温状態にある試料の場合、輻射成分が大きなオフセットを生じさせる。しかも、その場合、試料から放出される輻射エネルギーの量が不規則に変化するので、そのオフセットは不安定なものとなる。検出信号に含まれる輻射成分は、試料画像の品質を低下させるものであり、場合によっては、試料画像の生成に際しての大きな阻害要因となる。

【0006】

特許文献１には、試料からの光を遮るフィルタを備えた荷電粒子線装置が開示されている。特許文献２には、試料からの光を遮る遮光板を備えた走査電子顕微鏡が開示されている。特許文献１、２のいずれにも、検出信号中に含まれる輻射成分を除去する技術は開示されていない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】国際公開２０２０／１００２０５号公報

【文献】特開平９－１３４６９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

既に説明したように、加熱状態にある試料を観察する場合、被加熱物（試料、試料ホルダ等）から検出器へ輻射エネルギーが到達する。検出された輻射エネルギーが輻射成分を生じさせる。無視し得ない輻射成分を含む検出信号に基づいて試料画像を形成すると、試料画像の品質が低下し、場合によっては、試料画像を生成できなくなる。加熱状態にある試料について鮮明な試料画像を生成できる技術の実現が要望されている。

【0009】

本発明の目的は、加熱される試料の観察に当たって試料画像の品質を高めることにある。あるいは、本発明の目的は、検出信号に含まれる輻射成分を除去することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明に係る荷電粒子線装置は、試料に対して荷電粒子線を照射する照射設備と、前記荷電粒子線の照射に起因して前記試料から放出された注目粒子を検出する検出器であって、前記試料の加熱に起因して被加熱物から放出された輻射エネルギーの検出により生じた輻射成分を含む検出信号を出力する検出器と、前記検出信号の処理により又は前記輻射エネルギーの選択的検出により、前記輻射成分を特定する手段と、前記検出信号から前記輻射成分を除去する除去部と、前記輻射成分が除去された検出信号に基づいて、前記試料を表す画像を生成す生成部と、を含むことを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、加熱される試料の観察に当たって試料の画像の品質を高められる。あるいは、本発明によれば、検出信号に含まれる輻射成分を除去できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１実施形態に係る走査電子顕微鏡の構成例を示す図である。

【図2】走査領域及び検出信号を示す図である。

【図3】信号処理部の構成例を示す図である。

【図4】輻射成分除去部の構成例を示す図である。

【図5】フィルタの作用を説明するための図である。

【図6】非加熱下において得られる検出信号の一例を示す図である。

【図7】加熱下において得られる検出信号の一例を示す図である。

【図8】フィルタにより抽出された輻射成分の一例を示す図である。

【図9】輻射成分除去後の検出信号の一例を示す図である。

【図10】輻射成分を含む検出信号に基づいて生成された画像の一例を示す図である。

【図11】輻射成分除去後の検出信号に基づいて生成された画像の一例を示す図である。

【図12】輻射成分除去後の検出信号に対する処理の一例を示す図である。

【図13】第１実施形態の第１変形例を示す図である。

【図14】第１実施形態の第２変形例を示す図である。

【図15】第２実施形態に係る走査電子顕微鏡の構成例を示す図である。

【図16】第２実施形態の第１変形例を示す図である。

【図17】第２実施形態の第２変形例を示す図である。

【図18】第２実施形態の第３変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。

【0014】

（１）実施形態の概要
実施形態に係る荷電粒子線装置は、照射設備、検出器、輻射成分を特定する手段（特定部）、除去部、及び、生成部を有する。照射設備は、試料に対して荷電粒子線を照射するものである。検出器は、荷電粒子線の照射に起因して試料から放出された注目粒子を検出する検出器である。検出器は、試料の加熱に起因して被加熱物から放出された輻射エネルギーの検出により生じた輻射成分を含む検出信号を出力する。輻射成分を特定する手段は、検出信号の処理により又は輻射エネルギーの選択的検出により、輻射成分を特定する。除去部は、検出信号から輻射成分を除去する。生成部は、輻射成分が除去された検出信号に基づいて、試料を表す画像を生成する。

【0015】

上記構成によれば、輻射成分が除去された検出信号に基づいて画像を形成できるので、輻射成分による画質低下を防止又は軽減できる。輻射成分の特定方法として、検出信号の処理により輻射成分を抽出する方法、及び、被加熱体からの輻射エネルギーを選択的に検出する方法、が挙げられる。

【0016】

実施形態において、荷電粒子線は電子線である。それ以外の荷電粒子線としてイオンビームが挙げられる。実施形態において、注目粒子は、試料から放出された反射電子又は二次電子である。他の注目粒子としてイオンが挙げられる。輻射エネルギーの検出は光の検出である。ここで、光は、赤外光、可視光、紫外光を含み得る。輻射エネルギーの検出として熱電子の検出が実施されてもよい。加熱用の試料ホルダを利用した場合、試料及び試料ホルダそれら全体が被加熱物となる。試料のみ又は試料中の局所部位のみが加熱されてもよい。その場合、試料又はその局所部位が被加熱物となる。

【0017】

実施形態において、輻射成分を特定する手段は、検出信号から輻射成分を抽出するフィルタを含む。一般に、検出成分は、試料形状の変化に応じて短い周期で変化し、一方、注目成分は、試料温度の変化に応じて長い周期で変化する。そのような性質の違いを利用して輻射成分を抽出することが可能である。なお、検出信号から注目成分を直接的に抽出するフィルタを利用する変形例が考えられる。

【0018】

実施形態においては、試料に対して設定された観測領域に対して荷電粒子線が二次元走査される。検出信号は、荷電粒子線の二次元走査により得られた一次元信号である。フィルタは一次元フィルタである。検出信号に対してフィルタが一次元走査される。フィルタは、平滑化作用を発揮するフィルタである。温度の変化は時間軸上において生じる一次元の変化であるから、一次元信号としての検出信号に対して一次元フィルタを適用することが可能であり且つ妥当である。

【0019】

実施形態において、検出器は、注目粒子及び輻射エネルギーに対して感度を有する複数の検出領域を備える。複数の検出領域から複数の検出信号が並列的に出力される。荷電粒子線装置は、更に、複数の調整器、及び、加算器を有する。複数の調整器は、複数の検出信号に対してゲイン調整及びオフセット調整を個別的に適用し、調整後の複数の検出信号を並列的に出力する。加算器は、調整後の複数の検出信号を加算し、加算後の検出信号を出力する。加算後の検出信号がフィルタに入力される。この構成によれば、検出信号の飽和が生じ難くなる。

【0020】

実施形態において、検出器は、注目粒子及び輻射エネルギーに対して感度を有する複数の検出領域を備える。複数の検出領域から複数の検出信号が並列的に出力される。輻射成分を特定する手段は、複数の検出信号から複数の輻射成分候補を抽出する手段と、複数の輻射成分候補に基づいて輻射成分を特定する手段と、を含む。

【0021】

複数の検出領域に到達する輻射エネルギーはほぼ同じであるが、各検出領域に到達する注目粒子の個数は荷電粒子線の照射点での試料形状に依存する。つまり、複数の検出領域から出力された複数の検出信号において、共通の成分が輻射成分であり、相違する成分が注目成分である、とみなせる。そのような関係に基づいて、複数の輻射成分候補の中から輻射成分が特定される。例えば、複数の輻射成分候補の中で最も小さな強度を有する輻射成分候補が輻射成分として特定され得る。他の方法で輻射成分が特定されてもよい。

【0022】

実施形態において、除去部は、複数の検出信号から輻射成分を除去する。生成部は、輻射成分が除去された複数の検出信号に基づいて、試料を表す画像を生成する。輻射成分が除去された複数の検出信号に基づいて、試料の三次元画像が生成されてもよい。

【0023】

実施形態において、検出器は主検出器である。検出信号は主検出信号である。輻射成分を特定する手段は、注目粒子を検出することなく輻射エネルギーを選択的に検出する副検出器を含む。副検出器から出力される副検出信号に基づいて輻射成分が特定される。この構成によれば、輻射成分を選択的に検出できるので、輻射成分を高精度に特定し得る。

【0024】

実施形態において、副検出器は、輻射エネルギーを透過させ且つ注目粒子を遮断する入射膜を有する。この構成によれば、簡便に輻射成分を特定することが可能である。

【0025】

実施形態においては、主検出器として機能する複数の主検出領域が設けられる。除去部は、複数の主検出領域から出力された複数の主検出信号から輻射成分を除去する。生成部は、輻射成分が除去された複数の主検出信号に基づいて試料を表す画像を形成する。その画像の概念には三次元画像が含まれる。複数の主検出領域及び複数の副検出領域を有する分割型検出器が用いられてもよい。

【0026】

（２）実施形態の詳細
図１には、第１実施形態に係る荷電粒子線装置の構成例が示されている。図示された荷電粒子線装置は、走査電子顕微鏡である。走査透過電子顕微鏡、イオンビーム装置等に対して以下に説明する構成が適用されてもよい。

【0027】

図１において、走査電子顕微鏡は、観察部１０及び情報処理部１２を有している。観察部１０は、試料室１４を有する。試料室１４内には試料ステージ１６が設けられており、試料ステージ１６に対して試料ホルダ１８が装着されている。試料ホルダ１８により試料２０が保持されている。

【0028】

試料２０は、例えば、鉄等の材料であり、あるいは、半導体デバイス等の製品である。試料ホルダ１８は、試料２０を加熱する機能を備えている。試料２０の全体又は一部に電流を流すことにより、試料２０の全体又は一部が加熱されてもよい。

【0029】

観察部１０は鏡筒を有する。鏡筒内には、電子銃２２、集束レンズ２４、走査コイル２６、対物レンズ３０等が設けられている。それらの要素により電子線３４が生成され、生成された電子線３４が試料２０に照射される。試料２０上に設定される観測領域に対して電子線３４が二次元走査される。電子線３４の二次元走査については後に図２を用いて詳述する。鏡筒の下側に上記試料室１４が設けられている。

【0030】

試料２０の加熱により、試料２０の温度が上昇する。例えば、室温から千℃以上まで、試料２０の温度が変化する。実施形態においては、観察部１０を用いて、温度上昇過程にある試料２０が連続的又は間欠的に観察される。一定の温度に維持された試料２０が観察されてもよい。高温状態にある試料の温度が徐々に引き下げられ、その過程において試料２０が連続的又は間欠的に観察されてもよい。

【0031】

図１においては、観察部１０は反射電子検出器３６を有する。反射電子検出器３６は、半導体型検出器であり、それは、図示の構成例において、試料２０の上方であって対物レンズ３０の直下に設けられている。反射電子検出器３６と共に、又はそれに代えて、二次電子検出器が設けられてもよい。

【0032】

試料２０への電子線の照射により、試料から反射電子３８が放出される。反射電子３８が反射電子検出器３６で検出される。一方、試料２０の加熱により試料２０（正確にはそれを含む被加熱物）から輻射エネルギー、具体的には光（赤外線、可視光等）４０が放出される。その光４０が反射電子検出器３６に到達すると、その光４０も検出されてしまう。

【0033】

反射電子検出器３６から出力される検出信号には、反射電子３８の検出に起因して生じた注目成分（電子成分）、及び、光４０の検出に起因して生じた輻射成分、が含まれる。輻射成分は、試料２０の温度変化に伴って大きく変動する。輻射成分により検出信号のオフセットが生じる。加熱過程において輻射エネルギーの量が段階的に増加すると、オフセットレベルが段階的に増加する。通常、オフセットレベルの変化は、不連続に生じ又は不規則に生じる。オフセットレベルの変化は、注目成分の変化に比べて、非常に大きい。そこで、第１実施形態においては、以下に詳しく説明するように、検出信号から輻射成分を除去する構成が採用されている。なお、検出信号には、注目成分及び輻射成分の他にノイズ成分が含まれるが、ノイズ成分は公知の各種の手法により除去又は抑圧することが可能である。

【0034】

次に、情報処理部１２について説明する。情報処理部１２は、例えば、電子回路及びコンピュータにより構成される。以下に説明する、信号処理部４２及びサンプリング部４４は電子回路により構成される。以下に説明する、輻射成分除去部４６、画像生成部４８、制御部５２等はコンピュータにより構成される。

【0035】

信号処理部４２は、適正なコントラスト又は所望のコントラストを実現するために、検出信号４１に対して、ゲイン調整及びオフセット調整を適用するものである。オフセット調整は、検出信号のベースラインのシフトに相当する。制御部５２の制御の下、検出信号４１において飽和が生じず、検出信号４１の振幅が所望のダイナミックレンジ（例えば後述するサンプリング部１４８の入力ダイナミックレンジ）に適合するように、ゲイン調整及びオフセット調整が実行される。信号処理部４２の構成例については後に図３を用いて説明する。

【0036】

信号処理部４２から出力された検出信号がサンプリング部４４に入力されている。サンプリング部４４において検出信号がサンプリングされ、つまりアナログ検出信号がデジタル検出信号に変換される。サンプリング部４４は、Ａ／Ｄ変換器を有する。飽和を生じさせず且つ必要な分解能が得られるように、Ａ／Ｄ変換器の量子化ビット数が定められる。サンプリング部４４から出力された検出信号（デジタル検出信号）が輻射成分除去部４６に入力されている。

【0037】

輻射成分除去部４６は、検出信号中の輻射成分を抽出するフィルタを有する。フィルタとして平滑化作用をもったフィルタ、例えばエッジ保存型の平滑化フィルタを利用し得る。輻射成分除去部４６は、検出信号から、抽出された輻射成分を除去する。これにより輻射成分が除去された検出信号が得られる。その検出信号においては注目成分が支配的である。輻射成分除去部４６の構成例については後に図４を用いて詳述する。

【0038】

画像生成部４８は、輻射成分除去後の検出信号に基づいて、試料を表す画像（ＳＥＭ画像としての反射電子画像）を生成するものである。輻射成分の除去を経ているので、輻射成分に起因する画質低下は防止又は軽減される。電子線の二次元走査に従って、検出信号を構成する振幅値列が二次元マッピングされる。これにより画像が生成される。

【0039】

表示器５０は、例えば液晶表示器により構成される。表示器５０には、画像生成部４８により生成された画像が表示される。試料２０の加熱過程において電子線３４の二次元走査が繰り返される。これにより画像列が生成され、画像列が表示器５０に表示される。画像列を構成する各画像が解析されてもよい。

【0040】

制御部５２は、例えば、プログラムを実行するプロセッサ（例えばＣＰＵ）により構成される。制御部５２は、図１に示される各構成を制御するものである。実施形態に係る制御部５２は、観察制御部５４及び加熱制御部５６として機能する。観察制御部５４により、鏡筒内の各構成の動作が制御される。加熱制御部５６により、試料２０の加熱が制御される。例えば、試料２０の温度変化が規定の温度変化となるように、加熱制御部５６が試料２０の加熱を制御する。なお、単一のプロセッサを、制御部５２、輻射成分除去部４６及び画像生成部４８として機能させてもよいし、複数のプロセッサを、制御部５２、輻射成分除去部４６及び画像生成部４８として機能させてもよい。

【0041】

反射電子検出器３６に代えて二次電子検出器が設けられてもよい。その場合においても、二次電子検出器から出力された検出信号に含まれる輻射成分が抽出された上で、検出信号から輻射成分が除去される。輻射成分除去後の検出信号に基づいて二次電子画像が生成される。反射電子検出器及び二次電子検出器の両方が設けられてもよい。それら以外の検出器が設けられてもよい。

【0042】

図２を用いて、走査領域及び検出信号について説明する。図２の上段には、試料２０の上面が示されている。ｘ方向は主走査方向であり、ｙ方向は副走査方向である。試料２０上には、ユーザーにより又は自動的に関心領域５８が設定されている。関心領域５８は画像化領域に相当する。関心領域５８を包含するように走査領域６０が定められる。走査領域６０内において電子線が二次元走査される。

【0043】

符号６２は、ｘ方向への１回の走査を示している。ｙ方向の各位置においてｘ方向への走査が実施される。場合によっては、いわゆる飛び越し走査が実施される。関心領域５８よりも大きな走査領域６０を定めているのは、安定走査領域を画像化するためであり、すなわち、走査コイルの応答性（磁場切換の遅れ）に起因する歪が画像化の対象から外れるようにするためである。

【0044】

図２の下段に示す検出信号６４は、ｘ方向に沿った複数の走査に対応する複数の信号区間により構成される。例えば、走査６２Ａの実行により信号区間６６Ａが取得され、それに続く走査６２Ｂの実行により信号区間６６Ｂが取得される。検出信号６４において２つの信号区間６６Ａ，６６Ｂは時間的に連なっている。電子線は二次元走査されるが、二次元走査により得られる検出信号は、試料温度の変化を示す一次元の信号と同じく、時間軸上の一次元信号である。

【0045】

図３には、図１に示した信号処理部４２の構成例が示されている。信号処理部４２は、第１ゲイン調整器（第１増幅器）６８、オフセット調整器７０、及び、第２ゲイン調整器（第２増幅器）により構成される。検出信号に輻射成分が含まれ得ること及び検出信号において飽和の発生を回避すべきことを考慮して、第１ゲイン調整器６８において低増幅率で検出信号を増幅した上で、検出信号に対してオフセット調整が適用される。例えば、輻射成分のレベルが増大した場合、それに応じて、検出信号のオフセットが引き下げられる。オフセット調整後に第２ゲイン調整器７２において検出信号が増幅される。これにより必要なコントラストを確保できる。

【0046】

第１ゲイン調整器６８の動作、オフセット調整器７０の動作、及び、第２ゲイン調整器７２の動作は、制御部によって制御される。その場合、検出信号を参照しながら各調整器６８，７０，７２の動作がフィードバック制御されてもよい。３つ以上の増幅器を用いて検出信号が増幅されてもよい。

【0047】

輻射成分のレベルは不安定であり、特に試料の温度が増すほど、不安定度合いが増大する。例えば、輻射成分のレベルの増大による飽和発生を回避するために、第１ゲイン調整器６８のゲイン及び第２ゲイン調整器７２のゲインを低めに設定しておいてもよい。いずれにしても、オフセット調整だけで輻射成分の影響を除去することは困難であり、検出信号から輻射成分を除去する処理が必要となる。

【0048】

図４には、輻射成分除去部４６の構成例が示されている。輻射成分除去部４６は、フィルタ７４、及び、減算器７６を有する。フィルタ７４は、検出信号に含まれる輻射成分を抽出するものである。フィルタ７４は、平滑化作用又は低域通過作用をもった一次元フィルタである。具体的には、そのフィルタ７４として、ローパスフィルタ、移動平均フィルタ、エッジ保存型平滑化フィルタ、等を利用し得る。エッジ保存型平滑化フィルタとして、バイラテラルフィルタ、ノンローカルミーンフィルタ等が挙げられる。

【0049】

フィルタ７４により抽出された輻射成分が減算器７６に送られている。減算器７６は、検出信号から輻射成分を減算することにより、輻射成分が除去された検出信号を生成するものである。上記のような一連の処理が時間軸上に並ぶデータごとに実施される。移動平均処理に当たっては重み付け平均値が演算されてもよい。

【0050】

上記フィルタとして、移動平均フィルタを用いる場合、図５に示すように、時系列順で並ぶ複数のデータが順番に注目データＳ１（ｔ）とされる。注目データＳ１（ｔ）を中心として一次元のウインドウ７８が設定される。ウインドウ７８内のデータＳ１（ｔ＋３）～データＳ１（ｔ－３）が参照され、それらから求められる平均値Ｆｄ（ｔ）が新たな注目データＳ１（ｔ）の値とされる。具体的には、以下の（１）式に示す計算が実行される。なお、図示の例ではｗ＝３である。

【数1】

【0051】

上記フィルタとしてバイラテラルフィルタを用いる場合、例えば以下の（２）式に示す計算が実行される。

【数2】

【0052】

ここで、ｗはウインドウの大きさを規定するパラメータであり、σ１及びσ２はそれぞれフィルタの作用を調整するパラメータである。

【0053】

図６～図９を用いて信号処理の具体例を説明する。図６には、加熱前の検出信号８２が示されている。横軸は時間軸である。縦軸は振幅軸である。試料に対して電子線の二次元走査が繰り返し実行され、その過程において取得された信号が検出信号８２である。検出信号８２には、試料形状を反映した細かい多数の波形が含まれる。検出信号８２において輻射成分の影響は無視し得る程度に小さい。

【0054】

図７には、加熱過程で取得された検出信号８４が示されている。検出信号８４には輻射成分が含まれており、具体的には顕著なオフセットが生じている。オフセットには概ね平坦な部分８８も含まれるが、突発的に変化する部分８６や不安定な部分９０も含まれる。検出信号８４において太く見える部分が試料形状を反映した注目成分に相当する。それは、上記のように、細かい多数の変化により構成されるものである。なお、図７に示す縦軸のスケールは、図６に示した縦軸のスケールとは異なっている。

【0055】

試料の加熱に伴って試料内部構造が突如変化した場合に、上記部分８６が生じるものと推認される。試料内部構造が連続的に変化しあるいは不規則に変化した場合に上記部分９０が生じるものと推認される。いずれにしても輻射成分は試料の画像化に当たっての大きな妨害要因である。

【0056】

図８には、フィルタにより抽出された輻射成分９２が示されている。輻射成分９２は、図７に示した検出信号の基本形又はベースラインに相当する。なお、輻射成分９２にはパルス状の部分９４が含まれる。

【0057】

図９には、輻射成分除去後の検出信号９６が含まれている。輻射成分によるオフセットはほぼ消失しており、検出信号それ全体が一定の振幅レンジ内に収まっている。検出信号９６の実体は、試料形状を反映した多数の波形９８である。図９に示す縦軸のスケールと図７，８に示した縦軸のスケールを対比すれば明らかなように、検出信号９６のコントラストがかなり増大されている。

【0058】

なお、検出信号９６には、幾つかのピーク１００が含まれる。それらは、図８に示したパルス状の部分の残差である。各ピーク１００は、１画素程度のノイズに相当し、画像それ全体から見て目立つものではない。もっとも、後述するように、各ピークに対して抑圧処理を適用してもよい。

【0059】

図１０には、輻射成分を有する検出信号に基づいて生成された画像１０２が示されている。画像１０２内には幾つかの横筋が生じており、また画像１０２それ全体が不鮮明である。

【0060】

一方、図１１には、輻射成分除去後の検出信号に基づいて生成された画像１０４が示されている。画像１０４は十分なコントラストを有しており、その鮮明度は良好である。

【0061】

図１２に示すように、輻射成分除去後の検出信号１０６に対してクリッピング処理を適用してもよい。クリッピング処理は、例えば、第１閾値１０８Ａよりも上側の部分をカットし、且つ、第２閾値１０８Ｂよりも下側の部分をカットする処理である。符号１１０Ａ及び符号１１０Ｂが示すように、ユーザーにより又は自動的に第１閾値１０８Ａ及び第２閾値１０８が可変されてもよい。クリッピング処理に代えて他の処理（他のフィルタ処理を含む）を検出信号に対して適用してもよい。

【0062】

図１３には、第１実施形態の第１変形例が示されている。反射電子を検出する検出器１１２はいわゆる分割型検出器である。検出器１１２は、図示の構成例において、領域ａから領域ｆまでの６個の領域を有する。個々の領域ａ～ｆが、独立した検出素子として機能する。検出器１１２から６個の検出信号が並列的に出力される。

【0063】

信号処理部４２Ａは、増幅器列１１４、オフセット調整器列１１６、及び、加算器１１８を有する。増幅器列１１４は６個の増幅器１１４Ａにより構成され、オフセット調整器列１１６は６個のオフセット調整器１１６Ａにより構成される。各検出信号は、増幅器１４Ａにおいて増幅される。その後、各検出信号に対してオフセット調整器１１６Ａにおいてオフセット調整が適用される。そのような調整を経た６個の検出信号が加算器１１８において加算される。加算後の検出信号がサンプリング部４４へ出力される。サンプリング部４４以降の構成は、図１においてサンプリング部４４以降の構成と同じである。

【0064】

図１３に示す構成を採用した場合、検出信号の飽和が生じ難いという利点を得られる。すなわち、個々の領域ａ～ｆの面積が小さいので、個々の領域が受ける輻射エネルギーの量も小さくなる。これにより、加算前の段階において、輻射成分に起因する飽和が生じ難くなる。

【0065】

図１４には、第１実施形態の第２変形例が示されている。分割型検出器１２０は、図示の構成例では、４つの領域ａ～ｄを有している。各領域ａ～ｄが検出素子として機能する。分割型検出器１２０から４つの検出信号が並列的に出力されている。

【0066】

信号処理部４２Ｂは、増幅器列１２２、オフセット調整器列１２４、フィルタ列１２６、差分器列１２８、及び、輻射成分判定器１３２を有する。増幅器列１２２は４個の増幅器１２２Ａにより構成され、オフセット調整器列１２４は４個のオフセット調整器１２４Ａにより構成され、フィルタ列１２６は４個のフィルタ１２６Ａにより構成され、差分器列１２８は４個の差分器１２８Ａにより構成される。

【0067】

各フィルタ１２６Ａは輻射成分（第２変形例では輻射成分候補）を抽出するフィルタである。４つのフィルタ１２６Ａの作用により、４つの検出信号の中から４つの輻射成分候補が並列的に抽出される。輻射成分判定器１３２は、４つの輻射成分候補の中で、最小振幅値を有する輻射成分候補を輻射成分として判定する。

【0068】

被加熱物からの輻射エネルギーはその周囲にほぼ均等に放出され、４つの域ａ～ｄが受ける輻射エネルギーの量はほぼ同一であるとみなせる。４つの検出信号には、それらに共通の輻射成分が含まれるとみなせる。一方、電子線照射点における試料形状に依存して、各領域ａ～ｄが受ける反射電子の量は区々である。共通の輻射成分を超える部分が注目成分に相当すると考えられる。それらのことから、４つの輻射成分候補の中で最小のレベルを有する輻射成分候補が輻射成分であると判定されている。個々の時刻でレベルが比較される。レベル比較に先立って、各輻射成分候補に対して平滑化等の処理が適用されてもよい。

【0069】

各差分器１２８Ａにおいては、各検出信号から輻射成分が減算される。これにより輻射成分が除去された４つの検出信号が生成される。差分器列１２８は輻射成分除去部に相当する。

【0070】

サンプリング部１３０は４つのサンプリング回路１３０Ａにより構成される。各サンプリング回路１３０Ａにより各検出信号がサンプリングされる。これにより、サンプリング後の４つの検出信号が生成される。それらの検出信号に基づいて、三次元画像生成部１３６が、試料を表す三次元画像を生成する。

【0071】

その場合には、公知のPhotometric Stereo（ＰＳ）法を用い得る。その方法は、複数の検出領域で電子の放出角度が異なることを利用し、試料表面を立体的に表現した画像を生成するものである。他の方法により試料の三次元画像が構築されてもよい。その場合においても上記の輻射成分除去技術を適用し得る。

【0072】

図１５には、第２実施形態に係る走査電子顕微鏡の構成例が示されている。なお、図１５において、図１に示した構成と同様の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。

【0073】

試料室内には、光検出器１４０が設けられている。光検出器１４０の受光面は電子遮断膜１４２によって覆われている。電子遮断膜１４２は、光を透過させ、電子を遮断する選択的透過膜であり、それは、例えば、ガラス、透明な樹脂により構成される。電子遮断膜１４２の表面に対しては帯電防止処理（導電処理）が施される。

【0074】

反射電子検出器３６では、反射電子が検出され、また輻射エネルギーつまり光が検出される。一方、光検出器１４０では、輻射エネルギーつまり光のみが検出される。反射電子検出器３６から出力された第１検出信号には、注目成分及び輻射成分が含まれる。光検出器１４０から出力された第２検出信号には、基本的に、輻射成分だけが含まれる。第２検出信号は輻射成分信号とみなせる。

【0075】

信号処理回路１４３は、第１検出信号に対してゲイン調整及びオフセット調整を行う回路である。信号処理回路１４４は、第２検出信号に対してゲイン調整及びオフセット調整を行う回路である。第１検出信号に含まれる輻射成分及び第２検出信号に含まれる輻射信号が等しくなるように、各検出信号が調整される。

【0076】

減算回路１４６は、第１検出信号から第２検出信号を減算する回路であり、これにより輻射成分除去後の検出信号が得られる。減算回路１４６は輻射成分除去部として機能するものである。減算回路１４６は差分器とも言い得る。輻射成分除去後の検出信号がサンプリング部１４８を介して画像生成部４８に送られている。

【0077】

第２実施形態においても、検出信号（第１検出信号）中の輻射成分を効果的に除去することが可能である。第２実施形態においては、輻射により生じた光が直接的に検出されているので、輻射成分の特定を高精度に行うことが可能である。必要に応じて、光検出器１４０を移動させる機構を設けてもよい。その機構は、光検出器１４０の使用時にそれを試料室内の所定位置に配置し、光検出器１４０の不使用時にそれを退避位置に退避させるものである。

【0078】

図１６には、第２実施形態の第１変形例が示されている。反射電子検出器１５０は分割型検出器であり、それは４つの領域ａ～ｄを有している。反射電子検出器１５０とは別に光検出器１５１が設けられている。その受光面には電子遮断膜が設けられている。

【0079】

信号処理部１５２は、増幅器列１５４、オフセット調整器列１５６、及び、差分器列１５８を有している。増幅器列１５４は、４つの増幅器１５４Ａ及び増幅器１５４Ｂにより構成され、オフセット調整器列１５６は、４つのオフセット調整器１５６Ａ及びオフセット調整器１５６Ｂにより構成される。差分器列１５８は、４つの差分器１５８Ａにより構成される。

【0080】

反射電子検出器１５０から並列的に出力された４つの第１検出信号が４つの増幅器１５４Ａにおいて増幅された上で、増幅後の４つの第１検出信号に対して４つのオフセット調整器１５６Ａがオフセット調整を適用する。

【0081】

一方、光検出器１５１から出力された第２検出信号が増幅器１５４Ｂで増幅され、増幅後の第２検出信号に対してオフセット調整器１５６Ｂにおいてオフセット調整が適用される。複数の差分器１５８Ａは、オフセット調整後の４つの第１検出信号から、オフセット調整後の第２検出信号を減算するものである。これにより、輻射成分除去後の４つの検出信号が得られる。それらの信号が三次元画像生成部１６２へ送られている。三次元画像生成部１６２は、上記のＰＳ法等に基づいて、試料の三次元画像を生成するものである。

【0082】

なお、４つの第１検出信号から第２検出信号が減算された後に、４つの検出信号に対してゲイン調整及びオフセット調整が適用されてもよい。

【0083】

図１７には、第２実施形態の第２変形例が示されている。図１５に示した構成において、反射電子検出器３６及び光検出器１４０に代えて、図１７に示す分割型検出器１６４を設けてもよい。分割型検出器１６４は、環状に並んだ複数の領域ａ～ｆを有する。各領域ａ～ｆはそれぞれ同一の面積を有する。領域ａ，ｃ，ｅが反射電子検出用の検出素子として機能し、領域ｂ，ｄ，ｆが光検出用の検出素子として機能する。領域ｂ，ｄ，ｆは電子を遮断し光を透過させる選択的透過膜で覆われている。領域ａ，ｃ，ｅから出力された３つの第１検出信号が個別的に処理された上で加算されてもよい。同様に、領域ｂ，ｄ，ｆから出力された３つの第２検出信号が個別的処理された上で加算されてもよい。各領域ａ～ｆが有する面積を同一とすることにより各検出信号のゲインを同一にすることが可能であり、輻射成分の減算が容易となる。

【0084】

図１８には、第２実施形態の第３変形例が示されている。図１６に示した構成において、反射電子検出器１５０及び光検出器１５１に代えて、図１８に示す分割型検出器１６６を設けてもよい。分割型検出器１６６は、環状に並んだ複数の第１領域ａ～ｈを有する。第１領域ａ，ｃ，ｅ，ｇは、それぞれ相対的に見て大きな面積を有し、それらは、それぞれ反射電子検出用の検出素子として機能する。第２領域ｂ，ｄ，ｆ，ｈは、それぞれ相対的に見て小さな面積を有し、それらは、それぞれ光検出用の検出素子として機能する。第２領域ｂ，ｄ，ｆ，ｈは電子遮断膜で覆われている。領域ｂ，ｄ，ｆから出力された３つの第２検出信号が個別的処理された上で加算されてもよい。加算後の第２検出信号が領域ｂ，ｄ，ｆ，ｈから出力された４つの第１検出信号から減算される。輻射成分除去後の４つの検出信号に基づいて三次元画像が生成される。なお、第３変形例を採用する場合、回転対称が実現されるように、複数の第１領域及び複数の第２領域が配置される。

【0085】

二次電子検出器を光検出器として機能させてもよい。その場合には、二次電子検出器の検出窓（電極）に対して負の高電位を与え、検出窓に対して電子（二次電子、反射電子）が到達しないようにしてもよい。検出窓を透過した光が光電子増倍管の作用により電流信号として検出される。その電流信号が輻射成分を表す信号となる。輻射成分の特定のために熱電子を検出することも考えられる。上記で説明した構成が走査透過電子顕微鏡や他の観察装置に適用されてもよい。

【符号の説明】

【0086】

１０ 観察部、１２ 情報処理部、２０ 試料、３６ 反射電子検出器、４２ 信号処理部、４４ サンプリング部、４６ 輻射成分除去部、４８ 画像生成部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】