电子束装置

技术领域

本发明涉及使用电子束来观察试样的电子束装置，特别地，涉及通过利用向试样的光照射来控制对比度的图像从而观察、检查、测量试样的技术。

背景技术

作为能够进行试样的扩大观察的显微镜，存在使用了电子束的电子显微镜，被用于纳米等级的微细的形状观察、组成解析。特别地，扫描型电子显微镜(以下，省略为SEM(Scanning Electron Microscope))具有不限制于试样尺寸而能够解析从毫米级的低倍率到纳米级的高倍率的特征，从材料的形状、组成解析，广泛利用于半导体设备的微细图案的测量检查等。

电子设备、环境材料的性能指标中，存在电气特性、光化学反应、热传导性等，但决定本性能的物性是电子物性。这些电子设备、环境材料的高性能化中，纳米、微米尺度的构造带来的电子物性的解析以及电子状态的瞬态解析变得重要。电子物性中包含能量带构造、载流子密度、接合状态等。此外，电子状态的瞬态变化中包含基于载流子激励的能量带构造的变化、载流子寿命、载流子移动等。

代表性的电子物性的分析法存在光电子分光法。本手法是利用了电子与光的相互作用的分析法，能够高灵敏度并且定量地分析内置电位、能量带构造等的电子状态。进一步地，提出了基于利用了脉冲激光的泵浦探针分光法的电子状态的时间分解解析法。但是，这些分光法是使用了光的分析手法，因此纳米区域中的解析极其困难。

另一方面，SEM通过电子透镜而将通过向电子源施加的电压而加速的电子束(也称为1次电子)聚焦为几纳米以下，因此具有较高的空间分辨率。并且，通过检测器来检测通过在试样上聚焦的电子束而从试样释放的释放电子(二次电子、反射电子)，基于该检测信号来形成图像。二次电子、反射电子的释放量不仅取决于试样的形状、组成，而且取决于反映了电子状态的表面电位、内置电位。取决于该表面电位、内置电位的图像的对比度分别被称为电位对比度和掺杂对比度。

专利文献1中，公开了对晶片上的缺陷的位置、种类进行检查的检查装置，提出了在电子束照射中照射紫外光、激光，在晶片内的接合部产生电子空穴对，从而检查电子设备的缺陷的手法。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-151483号公报

发明内容

-发明要解决的课题-

通过向试样的光照射，在试样根据光子数而激励载流子，电子状态变化。如后面所述，发明人发现，根据被激励的载流子的密度，来自试样的二次电子的释放量变化。在通过光而使电子状态变化的情况下，根据光的波长、照射强度、照射时间，电子状态变化。因此，当然控制光的照射条件，发现为了精度良好地检测根据规定的光的照射条件而产生的电子状态的变化，需要控制到对从试样释放的释放电子进行检测的检测采样。

-解决课题的手段-

作为本发明的一实施方式的电子束装置具有：电子光学系统，向试样照射电子束，对从试样释放的释放电子进行检测；光脉冲照射系统，向试样照射光脉冲；同步处理部，在电子光学系统中，与电子束的偏转信号同步地，进行释放电子的检测采样；图像信号处理部，根据基于电子光学系统所检测的释放电子而输出的检测信号来形成图像；和装置控制部，设定电子光学系统的控制条件，若将电子束扫描相当于图像的一个像素的试样的区域所需的时间设为单位像素时间，则装置控制部将进行释放电子的检测采样的采样频率设定为比每个单位像素时间的光脉冲的照射数除以单位像素时间得到的值大。

此外，作为本发明的一实施方式的电子束装置具有：电子光学系统，向试样照射电子束，对从试样释放的释放电子进行检测；光脉冲照射系统，向试样照射光脉冲；同步控制部，在电子光学系统中，与电子束的偏转信号同步地，进行光脉冲的照射以及释放电子的检测采样；图像信号处理部，根据基于电子光学系统所检测的释放电子而输出的检测信号来形成图像；和装置控制部，设定电子光学系统以及光脉冲照射系统的控制条件，装置控制部将进行释放电子的检测采样的采样频率与光脉冲的照射频率设定为相等，并且设定多个光脉冲的照射定时与释放电子的检测采样定时的间隔时间，图像信号处理部根据检测信号来形成多个图像，检测信号是基于将光脉冲向试样照射并按照由装置控制部设定的多个间隔时间的每一个而电子光学系统检测到的释放电子而输出的信号。

-发明效果-

能够通过电子束来高灵敏度并且定量地检测根据光照射而变化的电子状态。

其他的课题和新的特征根据本说明书的记载以及附图而清楚。

附图说明

图1是电子束装置的结构例。

图2是电子束装置的壳体的变形例。

图3是对光脉冲的强度以及波长的调整方法进行说明的图。

图4是实施例1的控制时间图的一个例子。

图5是表示实施例1中的每个光脉冲照射条件的SEM图像(示意图)的图。

图6是实施例2的控制时间图的一个例子。

图7是获取差图像的流程图的一个例子。

图8是实施例2的GUI的一个例子。

图9是电子束装置的结构例。

图10是实施例3的控制时间图的一个例子。

图11是实施例3的GUI的一个例子。

图12是表示基于实施例3的时间分解观察法的瞬态变化图像(SEM图像(示意图)的图。

图13是实施例4的GUI的一个例子。

图14是SiC基板的时间常数测定结果。

图15是表示基于实施例5的观察结果的一个例子的图。

具体实施方式

以下，使用附图，对本发明的实施方式进行说明。

如上所述，通过向试样的光照射，在试样根据光子数而激励载流子，电子状态变化。发明人发现，根据被激励的载流子的密度，来自试样的二次电子的释放量变化。

每一个光子的能量E

[式1]

E

这里，h是普朗克常数(6.63×10

[式2]

E

这里，W

[式3]

另一方面，电子束被照射的每单位像素时间被激励的载流子密度D

[式4]

这里，α(λ)是载流子的生成效率，ti是光脉冲照射间的间隔时间，τ是载流子寿命，N

进一步地，若考虑与二次电子的相互作用，则每单位像素被释放的二次电子的释放量SE

[式5]

这里，β(E)是与二次电子的相互作用系数，是取决于电子束的加速电压E

这样，通过脉冲激光的照射而被激励的载流子密度D

[式6]

这里，N

进一步地，表示为(式4)的载流子密度D

实施例1

在本实施例中，对通过对被断续照射的光脉冲的照射进行控制，来控制从基于电子束照射的试样发出的二次电子的释放量，能够获取高对比度的图像的电子束装置进行说明。

图1中表示实施例1的电子束装置的结构例。电子束装置1作为其主要结构，具有电子光学系统、工作台机构系统、电子束控制系统、光脉冲照射系统、图像处理系统、输入输出系统。电子光学系统包含电子枪2、偏转器3、电子透镜4、检测器5。工作台机构系统包含XYZ工作台6、载置试样8的试样保持架7。电子束控制系统包含电子枪控制部9、偏转器控制部10、检测控制部11、电子透镜控制部12。光脉冲照射系统包含脉冲光源13、光脉冲控制部14、光脉冲照射调整部15、光脉冲照射设定部21。主控台16具有图像形成系统和输入输出系统。图像形成系统包含：具备与控制偏转器3的偏转信号同步的检测采样功能的同步处理部17、图像信号处理部18。图像信号处理部18根据检测器5检测释放电子从而输出的检测信号来形成SEM图像。输入输出系统包含：设定控制条件等的装置控制部19、图像显示部20。

从电子枪2释放的电子束30被电子透镜4集束，向试样8照射。试样上的照射位置被偏转器3控制。从试样释放的释放电子通过检测器5而被检测。通过装置控制部19，设定电子光学系统的控制条件，具体地说，设定加速电压、照射电流、偏转条件、检测采样条件、电子透镜条件等。

光脉冲从脉冲光源13被照射。作为脉冲光源13，使用以脉冲宽度1μsec以下、照射时钟1kHz以上而被驱动、输出波长从紫外线到近红外的区域处能够输出单波长或多波长的激光。脉冲光源13通过光脉冲控制部14以及光脉冲照射调整部15而被控制，其控制内容通过光脉冲照射设定部21而被设定。具体地说，光脉冲控制部14对光脉冲照射时间宽度、光脉冲照射间隔时间进行控制。另外，作为光脉冲照射间隔时间，也可以控制光脉冲照射频率、或者每单位时间的光脉冲照射数。光脉冲照射调整部15对照射的光脉冲的强度以及波长进行调整。

从脉冲光源13输出的光经由设置于壳体23的端口22，向载置于壳体23的真空空间中的试样8照射。本图中虽未图示，但也可以将用于能够向与电子束相同位置照射的光路的调整镜设置于壳体23的外侧(大气压空间)。此外，如图2所示，也可以设为将脉冲光源13直接设置于壳体23的结构。一般地，端口22包含石英玻璃。因此，针对被石英玻璃吸收的波长区域难以进行光照射。通过将脉冲光源13直接设置于壳体23，能够消除照射的光的波长的制约。

使用图3，说明通过光脉冲控制部14以及光脉冲照射调整部15来调整脉冲光源13照射的光脉冲的强度以及波长的方法。脉冲光源13具有光源部13a和光路切换部13b。光源部13a具有发出波长分别不同的光脉冲的光源34、光源35以及光源36，通过光脉冲控制部14来选择所希望的波长的光源。光路切换部13b通过调整镜31来形成来自光源34、光源35以及光源36的光脉冲的光路37、光路38以及光路39，通过光脉冲照射调整部15来选择任一光路。具体地说，在本例中，通过对光路38和光路39的一部分使用设置角度可变更的翻转镜32，针对来自自光源的光脉冲使其以规定的设置角度反射并形成自光路，另一方面针对来自他光源的光脉冲变更设置角度，使得不成为该光路的障碍。此外，光路37、光路38以及光路39共享一部分的光路，在共享的光路部分上设置光量可变滤光器33。光脉冲照射调整部15进行由光量可变滤光器33照射的光脉冲的强度调整。另外，图3的结构是一个例子，也可以使用多波长且可振荡的激光，通过光学滤光器来进行选择。此外，光脉冲的强度调整也可以在光路中设置聚光透镜，由此使光脉冲的强度密度可变。

图4中表示偏转信号(偏转器控制部10的输出)、光脉冲(脉冲光源13的输出)、检测采样控制(基于同步处理部17的检测控制部11的控制)的时间图。另外，这些动作开始点的控制信号在图4中未表示，但可与系统时钟同步控制。以指定的脉冲宽度t

图5中表示通过实施例1的电子束装置，改变光脉冲照射条件(光脉冲照射间隔时间t

这样，作为光脉冲的波长，选择与材料相应的规定的波长，控制光脉冲照射间隔时间、检测采样频率，从而通过光脉冲照射来使释放电子的释放量材料选择地变化，能够提高SEM对比度。

实施例2

在本实施例中，说明根据以2个以上的不同的光脉冲照射间隔时间t

图6中表示偏转信号(偏转器控制部10的输出)、光脉冲(脉冲光源13的输出)、检测采样控制(基于同步处理部17的检测控制部11的控制)的时间图。另外，这些动作开始点的控制信号在图6中未表示，但可与系统时钟同步控制。若通过光脉冲照射设定部21而设定的不同的光脉冲照射条件(图6中的光照射条件A和B)下的检测结束，则在图像信号处理部18，计算不同光脉冲照射条件下的释放电子的检测信号的差分，通过二维显示来形成差分图像。或者也可以按照不同的光脉冲照射条件的每个来形成SEM图像，在SEM图像间进行差分处理。

图7中表示差图像的获取流程。首先，通过工作台机构系统，向试样的观察场所移动(S1)。设定基本的观察条件即电子束的加速电压、照射电流、扫描时间(S2)。接下来，设定对试样照射的光脉冲照射条件(具体地说，光脉冲的照射频率f

图8中表示显示于图像显示部20的GUI的例子。在图1的电子束装置中，通过设为能够从装置控制部19设定光脉冲照射设定部21的控制内容，从而从SEM图像获取条件设定部206，除了基本的观察条件即电子束的加速电压、照射电流、扫描速度，还能够设定光脉冲的照射波长、光脉冲的照射强度、检测采样周期等。其中，在光脉冲照射条件设定部207中，能够设定多个光脉冲的照射频率f

在本例中，在观察状态显示部203表示通过电子束装置1而观察中的SiC的结晶缺陷部的SEM图像(示意图)。例如，设为：电子束的加速电压1.0kV、照射电流300pA、每单位像素的扫描时间300ns、光脉冲的波长375nm、光脉冲的照射强度1000μW。光照射条件A的光脉冲的照射频率f

如观察状态显示部203所示，试样存在结晶缺陷部401和正常部402。在本例中的结晶缺陷为层叠缺陷，具有三角形状的区域。在光照射条件A的情况下，结晶缺陷部401与正常部402的界面403的释放电子量增加，不明亮，与此相对地，在光脉冲的照射频率低的光照射条件B的情况下，相较于光照射条件A下获取的释放电子像，结晶缺陷界面403的对比度降低。因此，在光照射条件A和光照射条件B下得到的差图像中，界面403被提取。层叠缺陷的界面那样的俘获光载流子的区域是在电子设备应用中成为缺陷的位置。这样，通过本实施例，能够从2个以上的不同的光脉冲的照射条件下获取的释放电子的差图像进行高灵敏度的缺陷的特征量提取的检测。作为应用例，表示了通过差图像来提取结晶缺陷界面的例子，但也能够提取实施例1所示的材料的不同。

实施例3

在本实施例中，说明将光脉冲的照射与释放电子的检测采样同步，对光脉冲照射定时与检测采样定时的间隔时间t

图9中表示执行时间分解观察法的电子束装置。另外，针对具有与图1同等的功能的结构以及功能块，赋予相同的符号并省略重复的说明。在实施例3的电子束装置中，也能够通过主控台16来进行光脉冲照射系统的控制，光脉冲照射设定部21能够通过装置控制部19来设定其控制内容。电子束装置1’具有除了电子束的偏转信号与释放电子的检测采样的同步，还对光脉冲的照射进行同步控制的同步控制部61。同步控制部61使光脉冲的照射定时与释放电子的检测采样定时同步，并且能够控制光脉冲照射定时与检测采样定时的间隔时间t

图10中表示偏转信号(偏转器控制部10的输出)、光脉冲(脉冲光源13的输出)、检测采样控制(基于同步控制部61的检测控制部11的控制)的时间图。在间隔时间t

这些检测信号使用基于偏转信号的位置信息而被图像化，形成每间隔时间t

图11中表示图像显示部20中显示的GUI的例子。SEM图像获取条件设定部206中，除了基本的观察条件即电子束的加速电压、照射电流、扫描速度，作为光脉冲的照射条件，能够设定光脉冲照射间隔时间t

此外，在瞬态解析条件设定部302中，能够设定时间分解的开始时间303、结束时间304和时间步长(Time step)305。开始时间303以及结束时间304以光脉冲的振荡定时为基准，时间步长305能够设定通过SEM图像获取条件设定部206而设定的间隔时间t

基于向瞬态解析条件设定部302的设定值，间隔时间t

在观察状态显示部203显示通过电子束装置1’而观察中的图像(示意图)，通过观察状态显示部203来设定所希望的视野，按下开始按钮208来执行图像的获取。

图12中表示通过本实施例的时间分解观察法而解析的氧化钛结晶的瞬态变化的SEM图像(示意图)。电子束的加速电压0.3kV，照射电流50pA，扫描速度200ns，光脉冲的照射间隔时间t

通过本实施例，对光脉冲照射定时与检测采样定时的间隔时间t

实施例4

在本实施例中，说明使光脉冲照射间隔时间t

图13中表示图像显示部20中显示的GUI的例子。SEM图像获取条件设定部206中，除了基本的观察条件即电子束的加速电压、照射电流、扫描速度，还能够设定光脉冲的照射波长、光脉冲的照射强度。此外，作为检测采样的控制条件，能够设定检测采样周期。

在本实施例中，面向时间常数测量而自动测量试样的瞬态过程。具体地说，对基于光脉冲照射的电子状态的瞬态过程进行解析，因此获取基于光脉冲照射的释放电子的释放量的光脉冲照射间隔时间t

以各光脉冲照射间隔时间t

图14中表示针对使用本实施例而解析的SiC外延膜厚不同的SiC基板的时间常数测定结果。作为试样而使用外延膜厚不同的两种SiC基板，试样1的外延膜厚为60μm，试样2的外延膜厚为20μm。观察条件是电子束的加速电压0.8kV，照射电流15pA，扫描速度TVScan，光脉冲照射强度100μW，光脉冲波长300nm，检测采样周期10ns。此外，用于时间常数测量的光脉冲照射间隔时间t

通过本实施例，以各脉冲照射间隔时间t

实施例5

在本实施例中，说明对照射不同波长的光脉冲时释放的释放电子进行检测，获取各波长下的检测信号的差分，根据通过差分值而形成的差图像来实施试样的特征量提取的高灵敏度缺陷检测检查法。执行高灵敏度缺陷检测检查法的电子束装置的基本结构与实施例1、实施例2或者实施例4相同，偏转信号、光脉冲、检测采样控制的时间图也与图4同样。对通过光脉冲照射调整部15而照射的波长进行控制。此外，各波长下的检测信号被发送给图像信号处理部18，通过图像信号处理部18，计算各波长条件下的释放电子的检测信号差分，通过二维显示来形成差分图像。或者，也可以形成各波长条件下的SEM图像，在SEM图像间进行差分处理。另外，获取差图像的流程设为与图7的流程图相同(其中，光脉冲照射条件A、B是波长不同的光脉冲照射条件)。

使用图15，说明本实施例的高灵敏度缺陷检测检查法。观察条件是电子束的加速电压1.5kV，照射电流15pA，扫描速度TV Scan，光脉冲照射强度1000μW，光脉冲照射间隔时间160ns，检测采样周期5ns。通过光脉冲照射调整部15来设定光波长A和光波长B，检测各波长下的释放电子量，形成图像。图15中表示无光脉冲照射SEM图像、波长A的光脉冲照射的SEM图像、波长B的光脉冲照射SEM图像、以及波长A的光脉冲照射SEM图像与波长B的光脉冲照射SEM图像的差图像。观察场所是相同位置。通过照射波长A的光脉冲或者波长B的光脉冲从而焊盘部的释放信号增加，相比于无光脉冲照射SEM图像可得到较高的对比度。进一步地，对差图像进行解析的结果，第1焊盘506在波长A、B下为相同的明亮度且差图像变暗，第2焊盘507仅波长A的情况下变亮，可得到具有高对比度的差图像。这样，可知在相同试样中，基于光脉冲的照射的信号变化也存在波长依赖性。本实施例中使用的波长A的光脉冲是短波长的光脉冲，被氧化膜以外的材料吸收，与此相对地，波长B的光脉冲是透射多晶硅、有机膜的波长，被推断为根据材料中的吸收系数的不同而释放电子量变化。因此，通过适当选择光脉冲的照射波长，能够将基于试样表面或试样下层的材料信息、构造信息的释放电子的差可视化。

通过本实施例，能够获取反映了针对各波长的吸收系数的值的图像，此外，通过对半导体图案照射不同波长的光，能够选择性地提高SEM像的对比度。

以上，基于实施方式来具体说明本发明，但本发明并不限定于所述实施方式，在不脱离其主旨的范围中能够进行各种变更。例如，实施例1～2、4～5说明为通过图1所示的电子束装置来实施，但也能够通过图9所示的电子束装置来实施。

-符号说明-

1、1’：电子束装置，2：电子枪，3：偏转器，4：电子透镜，5：检测器，6：XYZ工作台，7：试样保持架，8：试样，9：电子枪控制部，10：偏转器控制部，11：检测控制部，12：电子透镜控制部，13：脉冲光源，14：光脉冲控制部，15：光脉冲照射调整部，16：主控台，17：同步处理部，18：图像信号处理部，19：装置控制部，20：图像显示部，21：光脉冲照射设定部，22：端口，23：壳体，30：电子束，31：调整镜，32：翻转镜，33：光量可变滤光器，34、35、36：光源，41：反射防止膜，42：抗蚀剂，61：同步控制部，201：显示部，202：差图像显示部，203：观察状态显示部，206：SEM图像获取条件设定部，302：瞬态解析条件设定部，504：时间常数图表显示部。