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公開番号2025100494
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-03
出願番号2024224879
出願日2024-12-20
発明の名称撮像及びエネルギー分散型X線分光法のための可変荷電粒子ビームパラメータを使用する組成マッピング
出願人エフイーアイカンパニ,FEI COMPANY
代理人弁理士法人ITOH
主分類G01N 23/2206 20180101AFI20250626BHJP(測定;試験)
要約【課題】標本内の組成の差異をマッピングする方法を提供する。
【解決手段】方法は、電子ビームパラメータの第1のセットを使用して、標本の表面の電子後方散乱画像を取得することと、電子後方散乱画像から、エネルギー分散型X線分光法(EDS)によって分析する、標本上の領域の複数の位置又は複数の点を特定することと、電子ビームパラメータの第1のセットとは異なる電子ビームパラメータの第2のセットを使用して、特定された位置又は点の各々からEDSスペクトルを取得することと、複数のEDSスペクトルから、標本にわたる組成の差異のマップを生成することと、を含む。
【選択図】図4
特許請求の範囲【請求項１】
標本内の組成の差異をマッピングする方法であって、
電子ビームパラメータの第１のセットを使用して、前記標本の表面の電子後方散乱画像を取得することと、
前記電子後方散乱画像から、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）によって分析する、前記標本上の領域の複数の位置又は複数の点を特定することと、
前記電子ビームパラメータの第１のセットとは異なる電子ビームパラメータの第２のセットを使用して、前記特定された位置又は点の各々からＥＤＳスペクトルを取得することと、
複数のＥＤＳスペクトルから、前記標本にわたる組成の差異のマップを生成することと、を含む、方法。
続きを表示（約 2,300 文字）【請求項２】
前記電子ビームパラメータの第１のセットは、前記電子後方散乱画像の鮮鋭度及び空間分解能を最適化するように選択され、
前記電子ビームパラメータの第２のセットは、所望の組成分解能を実現するように選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記複数の位置又は領域を特定することは、デジタル画像分析によって粒子境界又は結晶粒界のいずれか一方を自動的に特定することを含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記電子ビームパラメータの第１のセットは、２ｋｅＶ以下の電子ビーム加速電圧の使用を含み、
前記電子ビームパラメータの第２のセットは、２０～３０ｋｅＶの範囲内の電子ビーム加速電圧の使用を含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項５】
電子源及び電子光学カラムと、
サンプルの標本を支持するための真空チャンバ内のサンプルステージと、
前記標本への電子ビームの衝突時に前記標本から後方散乱される電子を検出する第１の検出器と、
前記標本への前記電子ビームの衝突時に前記標本から放出されるＸ線を検出する第２の検出器と、
実行可能命令を含む１つ以上のコンピュータプロセッサであって、前記実行可能命令は、前記１つ以上のコンピュータプロセッサによって実行されると、前記１つ以上のコンピュータプロセッサを、
電子ビームパラメータの第１のセットを使用して、前記第１の検出器に、前記標本の表面の電子後方散乱画像を取得させることと、
前記第２の検出器に、前記電子後方散乱画像から特定された前記標本の表面上の複数の位置又は点のそれぞれからエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）スペクトルを取得させることであって、複数のＥＤＳスペクトルを取得することは、前記電子ビームパラメータの第１のセットとは異なる電子ビームパラメータの第２のセットを使用する、ことと、
前記複数のＥＤＳスペクトルから前記標本にわたる組成の差異のマップを生成することと、を行うように作動させる、１つ以上のコンピュータプロセッサと、を備える、電子顕微鏡システム。
【請求項６】
前記実行可能命令は、前記１つ以上のコンピュータプロセッサによって実行されると、前記１つ以上のコンピュータプロセッサを、
前記電子源及び前記電子光学カラムに、前記電子ビームパラメータの第１のセットを、前記電子後方散乱画像の鮮鋭度及び空間分解能を最適化する値に設定させることと、
前記電子源及び前記電子光学カラムに、前記電子ビームパラメータの第２のセットを、所望の組成分解能を実現する値に設定させることと、を行うように更に作動させる、請求項５に記載の電子顕微鏡システム。
【請求項７】
前記実行可能命令は、前記１つ以上のコンピュータプロセッサによって実行されると、前記１つ以上のコンピュータプロセッサを、
前記電子後方散乱画像のデジタル画像分析によって、前記標本内の粒子境界又は結晶粒界のいずれか一方を特定するように更に作動させる、請求項５又は６に記載の電子顕微鏡システム。
【請求項８】
前記実行可能命令は、前記１つ以上のコンピュータプロセッサによって実行されると、前記１つ以上のコンピュータプロセッサを、
前記電子ビームパラメータの第１のセットの電子ビーム加速電圧を、２ｋｅＶ以下の値に設定することと、
前記電子ビームパラメータの第２のセットの電子ビーム加速電圧を、２０～３０ｋｅＶの範囲内の値に設定することと、を行うように作動させる、請求項５又は６に記載の電子顕微鏡システム。
【請求項９】
内部に定義された実行可能命令を有する、１つ以上のコンピュータ可読記憶媒体であって、前記実行可能命令は、１つ以上のコンピュータプロセッサによって実行されると、前記１つ以上のコンピュータプロセッサを、
電子ビームパラメータの第１のセットを使用して、電子顕微鏡システムの第１の検出器に、標本の表面の電子後方散乱画像を取得させることと、
前記電子後方散乱画像から、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を使用して前記電子顕微鏡システムによって後に分析する、前記標本上の領域の複数の位置又は複数の点を特定することと、
前記電子ビームパラメータの第１のセットとは異なる電子ビームパラメータの第２のセットを使用して、前記電子顕微鏡システムの第２の検出器に、前記特定された位置又は点の各々からＥＤＳスペクトルを取得させることと、
複数のＥＤＳスペクトルから、前記標本にわたる組成の差異のマップを生成することと、を行うように作動させる、１つ以上のコンピュータ可読記憶媒体。
【請求項１０】
前記実行可能命令は、前記１つ以上のコンピュータプロセッサによって実行されると、前記１つ以上のコンピュータプロセッサを、
電子顕微鏡の電子源及び電子光学カラムに、前記電子ビームパラメータの第１のセットを、前記電子後方散乱画像の鮮鋭度及び空間分解能を最適化する値に設定させることと、
前記電子源及び前記電子光学カラムに、前記電子ビームパラメータの第２のセットを、各特定された位置又は点からの、最小量の時間で所望の組成分解能を実現するのに必要な、十分なＥＤＳ信号強度を達成する値に設定させることと、を行うように更に作動させる、請求項９に記載の１つ以上のコンピュータ可読記憶媒体。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本出願は、荷電粒子ビーム顕微鏡及び荷電粒子ビーム顕微鏡法に関する。特に、本出願は、入射荷電粒子ビームの可変ビームパラメータを使用した、標本の撮像及び組成マッピングのシステム及び方法に関する。
続きを表示（約 4,900 文字）【０００２】
（参照による組み込み）
本明細書で言及される全ての特許、特許出願公開、及び他の刊行物は、本明細書に完全に記載されているのと同様に、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。
【背景技術】
【０００３】
多くの生物化学的及び化学的分析技術では、１つ以上のサンプル内の様々な構造、分子及び／又は元素の面積分布又は体積分布に関する空間分解データの取得が必要となる。そのようなデータを収集するために、化学分析装置は、撮像デバイスと密接に組み合わせられ得る。例えば、医学では、組織サンプル内での特別な着色タグ又は蛍光タグの分布を使用して、特定のタンパク質、罹患組織、遺伝子発現領域、細胞構造などを特定することができる。そのような分布の研究では、光学顕微鏡又は電子顕微鏡とのインターフェースをとる、カメラなどの光学検出器を使用することがある。半導体産業では、電子顕微鏡を使用して、ウェハ内又はデバイス担持層内の不純物又は構造的不均一性の分布を収集することがある。鉱業では、電子顕微鏡下でサンプルを調べる際に岩石標本の表面から放出される特性Ｘ線を検出することによって、鉱物の分布、又は各種鉱物内の元素の分布を調べることがある。場合によっては、標本は、互いに付着していない砂又はシルトの多数の分離した粒子から構成される微粒子サンプルであることもある。一般に、分析される標本は、任意の材料の任意の平坦な表面であり得る。例えば、いくつかの他の例では、標本は、半導体デバイスの層又は岩石サンプルの研磨された平面を含み得る。多くの場合、分離した粒子又は岩石サンプルのいずれかが、エポキシなどの封入剤に埋め込まれ得る。
【０００４】
多くの場合、顕微鏡分析のために調製されるサンプルは、そのサンプルを撮像するために使用される顕微鏡の視野よりもはるかに大きい。したがって、データ取得のための重要な第１のステップは、調査するサンプルの全体構造を正確に理解することであり、これには、サンプル座標に対して、対象の各種領域又は構造を見つけて位置特定すること、並びに将来の研究及びデータ取得後の視覚化のためにそれらの座標を記録することが含まれる。この第１のステップだけでなく、後続のデータ収集及びデータ分析ステップも容易にするために、ＴｈｅｒｍｏＦｉｓｈｅｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社（Ｗａｌｔｈａｍ、Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ、ＵＳＡ）から、ＴｈｅｒｍｏＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ（商標）Ｍａｐｓ（商標）ソフトウェアとして知られるソフトウェア製品が入手可能である。データ収集の際、Ｍａｐｓ（商標）ソフトウェアにより、サンプルの完全な全体像を作成するために、一連のタイル画像の取得を自動化することができる。また、Ｍａｐｓ（商標）ソフトウェアは、得られた画像を自動的につなぎ合わせて単一の全体画像を形成することもできる。取得後は、個々の画像及びタイルセットを互いに重ね合わせ、編集可能な多層構造に構成することもできる。個々のレイヤについて、選択的な非表示、表示、透過的重ね合わせ、他の画像又はレイヤとの位置合わせが可能である。ユーザは、自由にズーム及びパンニングして、取得データを調査し、アノテーションを付すことができる。タイルセットによって包含される領域は、サンプルステージの移動範囲と同じ大きさとなり得る。このソフトウェアを使用して、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、集束イオンビーム顕微鏡などの任意のタイプの顕微鏡からのデータを取得及び分析することができる。最後に、このソフトウェアは、異なる検出器又はシステムから得られた単一の標本の画像、例えば、後方散乱電子並びに二次電子放出撮像又はＸ線の誘導放射の両方から得られた標本の画像を組み合わせ、比較することもできる。
【０００５】
エネルギー分散型Ｘ線分光法（Energy-dispersive
X-ray spectroscopy、ＥＤＳ、ＥＤＸ、ＥＤＸＳ、又はＸＥＤＳ）は、電子顕微鏡内のサンプルの元素マッピングに特に有用な分析技術である。このような分析では、走査型電子顕微鏡（scanning electron microscope、ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（transmission
electron microscope、ＴＥＭ）、又は走査透過型電子顕微鏡（scanning
transmission electron microscope、ＳＴＥＭ）の電子顕微鏡鏡筒によって、電子ビームをサンプルに当てつつ、標本からの特性Ｘ線の放出を検出する。電子ビームによる励起下では、サンプル内の複数の元素の各々によって、対応する特性Ｘ線放出スペクトルが放出される。そのような各元素からのＸ線スペクトル信号は、（例えば、上述のタイル化及び／又は層化画像等の画像のセットとしての）標本上の位置に応じて、互いに分離され、記録されてもよい。
【０００６】
Ｍａｐｓ（商標）ソフトウェアの１つの有用な機能は、データ収集の先行する第１のインスタンスの結果分析に基づいて、標本の表面にわたるデータ収集の第２のインスタンスを自動的に実行できることである。この機能は、そのようなマッピングの際に、画像データ収集の第１のエピソードの後に画像データの分析を行い得るということ、そして、その分析に基づいて、組成データ収集の後続のエピソードを計画及び実行し得るという点で、組成マッピングに有用である。この介在する分析は、粒子境界及び／又は結晶粒界（grain boundary）の自動特定によって、画像（複数の取得画像の位置合わせから構築された全体画像であってもよい）を、個々の粒子及び／又は結晶粒（grain）へと自動的に区分化することを含み得る。画像の区分化の後、このソフトウェアは、標本ステージ及び／又は走査可能な入射ビームを制御して、各特定された標本粒子又は結晶粒内の選択した点を調べることができる。一例として、最初の撮像を、電子顕微鏡内のサンプルから放出される後方散乱電子を第１の検出器によって検出することによって行ってもよく、続いて、組成データ収集を、同じ顕微鏡内の第２の検出器を使用したエネルギー分散型Ｘ線分光法によって行ってもよい。
【０００７】
残念ながら、電子顕微鏡ベースのＥＤＳ分析に関連する現在利用可能な組成マッピングアルゴリズムは、データ取得中の電子ビーム電圧の変更に対応していない。結果として、撮像のための後方散乱電子の検出と化学分析のための放出Ｘ線の検出との両方を包含するデータ収集セッション全体において、同じ電子ビーム設定（例えば、ビーム加速電圧によって制御されるビームエネルギー）を共有せざるを得ない。標本上の各サンプリング位置で十分なＸ線信号強度を得るためには、共通して高いビーム加速電圧を利用する必要がある。しかしながら、本発明者らは、そのような条件が、粒状サンプルからの後方散乱電子の撮像にとっては最適でない場合があることを見出した。この問題が発生するのは、高いビーム電圧を使用すると、サンプル内への電子の侵入が大きな「被写界深度」を生じさせる場合が多く、これにより、結果として得られる画像が、しばしば結晶粒界に「焦点の合っていない」不鮮明な画像となって現れるからである。この不鮮明さは、高いビーム電圧における、より大きな電子相互作用体積のアーチファクトであり、これにより表面の特徴が表面下の特徴によりぼやけてしまう。
【０００８】
図１は、標本の組成マップを生成するための公知のアルゴリズムワークフローのフロー図である。第１のステップであるステップ１０１において、標本の後方散乱電子（backscattered electron、ＢＳＥ）画像が取得される。画像は、単一の画像フレームのみを含んでもよく（すなわち、画像取得中に標本を保持するステージの移動を伴わない）、又は複数の画像フレームを位置合わせし、その後、重ね合わせ及び／又はマージすることによって生成される合成画像であってもよい。標本封入剤（例えば、エポキシ）に起因するバックグラウンド信号が存在する場合は、次のステップであるステップ１０３において、画像を構成する取得済の後方散乱電子信号から減算される。ステップ１０５において、バックグラウンド補正後の画像を自動的に分析して、標本の空間的に分離した粒子（もしあれば）を特定し、そのような粒子の境界及びステージ座標を決定する。ステップ１０７では、バックグラウンド補正後の画像を更に自動的に分析して、標本内の個々の結晶粒を特定し、サンプルベース及び／又は実験室ベースの基準座標系のいずれかを基準とした、そのような結晶粒の境界位置の座標を決定する。最後に、ステップ１０９において、複数の特定された結晶粒の各々内の１つ以上のサンプリング位置が選択され、電子ビームをそれぞれのサンプリング位置に当てた際に、各サンプリング位置から放出されるＸ線のエネルギースペクトルを測定することによって、各位置におけるＥＤＳ組成分析が得られる。
【０００９】
組成マップを生成するための公知のアルゴリズムワークフロー（図１）は電子ビーム調整に対応していないので、後方散乱電子画像の取得の際（ステップ１０１）と、ＥＤＳ組成分析の際（ステップ１０９）とで、同一の電子ビームパラメータ（例えば、ビーム電流及びビームエネルギー、後者はビーム加速電圧によって制御される）を使用する他ない。残念ながら、本発明者らは、許容可能な後方散乱電子画像を得るのに最適なビームパラメータは、Ｘ線スペクトルを得るのに最適ではないということ、またその逆も同様であるということを見出した。ビームパラメータを最初から、妥当なデータ取得時間内に許容可能なＸ線スペクトルを生成するように選択された値（例えば、ビーム電流５ｎＡ、及びビーム加速電圧２０～３０ｋｅＶ）に設定する場合、後方散乱電子画像における結晶粒界は、結晶粒の表面下への電子の侵入に起因して、不鮮明となる。撮像が不十分であれば、その後の組成分析のために最も代表的な位置を選択する際の不確実性につながる。実例として、「妥当な」Ｘ線スペクトル分析速度とは、直径３０ｍｍの円形サンプルからの、格子間隔１０μｍのデカルト格子内に間隔を空けて位置する各分析表面位置（すなわち、点）における、Ｘ線スペクトルの収集全体を、２時間以内に行うことに相当する。これは、毎秒約１１０スペクトル以上のスペクトル収集速度に相当する。このようなＸ線スペクトルのそれぞれが許容可能な信号対雑音特性を有するように、各Ｘ線スペクトルは、１ミリ秒当たり約１０００個のＸ線光子の検出に対応するものである必要がある。Ｘ線検出器の収集面積は収集速度に線形的に影響し、約１００ｍｍ
２
の収集面積を有する検出器が、このタスクのために好ましい。
【００１０】
図２は、Ｘ線分析に使用されるのと同じビーム電圧が同じサンプルのＢＳＥ撮像にも使用された場合に生じる問題の典型例を示す後方散乱電子像である。具体的には、粒子２０１及び２０２の縁部、並びに粒子２０２の結晶粒２０２ａと結晶粒２０２ｂとの間の結晶粒間境界が、十分に明確でない。一方、粒子及び結晶粒の縁部が明確になるように電子ビームを調整した場合、ノイズのないＸ線スペクトルを得るために余分な分析時間が必要になり、それによって全体的な分析効率が低下する。したがって、当技術分野では、精度及び効率の両方を維持する撮像及び組成マッピング技術が必要とされている。
【発明の概要】
（【００１１】以降は省略されています）

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