JP6998469B2 - 電子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子線を用いて試料を観察する電子線装置にかかわり、特に試料への光照射によりコントラストを制御した画像により試料を観察、検査、計測する技術に関する。

試料の拡大観察可能な顕微鏡として電子線を用いた電子顕微鏡があり、ナノレベルの微細な形状観察や組成解析に利用されている。特に、走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）と略する）は、試料サイズに制限されずにミリオーダの低倍率からナノオーダの高倍率まで解析できる特徴を有しており、材料の形状、組成解析から、半導体デバイスの微細パターンの計測検査などに広く利用されている。

電子デバイスや環境材料の性能指標には、電気特性、光化学反応、熱伝導性などがあるが、本性能を決定づけている物性が電子物性である。これら電子デバイスや環境材料の高性能化において、ナノ、マイクロスケールの構造がもたらす電子物性の解析および電子状態の過渡解析が重要となる。電子物性にはエネルギバンド構造、キャリア密度、接合状態等を含む。また電子状態の過渡変化には、キャリア励起によるエネルギバンド構造の変化やキャリア寿命、キャリア移動等を含む。

代表的な電子物性の分析法に光電子分光法がある。本手法は、電子と光との相互作用を利用した分析法であり、内蔵電位やエネルギバンド構造などの電子状態を高感度かつ定量的に分析することができる。さらにパルスレーザを利用したポンププローブ分光法による電子状態の時間分解解析法が提案されている。しかしながら、これら分光法は、光を用いた分析手法であるため、ナノ領域での解析はきわめて困難である。

一方、ＳＥＭは、電子源に印加された電圧によって加速された電子線（１次電子ともいう）を電子レンズで数ナノメートル以下に集束するため、高い空間分解能を有する。そして、試料上に集束した電子線によって試料から放出される放出電子（２次電子や反射電子）を検出器で検出し、その検出信号に基づき画像を形成する。２次電子や反射電子の放出量は、試料の形状や組成だけでなく、電子状態を反映した表面電位や内蔵電位に依存する。この表面電位や内蔵電位に依存した画像のコントラストは、それぞれ電位コントラストとドーパントコントラストとよばれている。

特許文献１には、ウエハ上の欠陥の位置や種類を検査する検査装置が開示され、電子線照射中に紫外光やレーザ光を照射して、ウエハ内の接合部で電子正孔対を発生させることにより、電子デバイスの欠陥を検査する手法が提案されている。

特開２００３－１５１４８３号公報

試料への光照射によって、試料には光子数に応じてキャリアが励起され、電子状態が変化する。後述するように、発明者らは、励起されたキャリアの密度に応じて、試料からの２次電子の放出量が変化することを見出した。光によって電子状態を変化させる場合、光の波長や、照射強度、照射時間に応じて電子状態が変化してしまう。このため、光の照射条件を制御することはもちろん、所定の光の照射条件によって生じた電子状態の変化を精度よく検出するために、試料から放出される放出電子を検出する検出サンプリングまで制御する必要があることを見出した。

本発明の一実施の形態である電子線装置は、電子線を試料に照射し、試料より放出された放出電子を検出する電子光学系と、試料に光パルスを照射する光パルス照射系と、電子光学系において、電子線の偏向信号と同期して、放出電子の検出サンプリングを行わせる同期処理部と、電子光学系が検出した放出電子に基づき出力される検出信号より画像を形成する画像信号処理部と、電子光学系の制御条件を設定する装置制御部とを有し、装置制御部は、画像の１画素に相当する試料の領域を電子線が走査されるのに要する時間を単位画素時間とすると、放出電子の検出サンプリングを行うサンプリング周波数を、単位画素時間あたりの光パルスの照射数を単位画素時間により割った値よりも大きくなるように設定する。

また、本発明の一実施の形態である電子線装置は、電子線を試料に照射し、試料より放出された放出電子を検出する電子光学系と、試料に光パルスを照射する光パルス照射系と、電子光学系において、電子線の偏向信号と同期して、光パルスの照射及び放出電子の検出サンプリングを行わせる同期制御部と、電子光学系が検出した放出電子に基づき出力される検出信号より画像を形成する画像信号処理部と、電子光学系及び光パルス照射系の制御条件を設定する装置制御部とを有し、装置制御部は、放出電子の検出サンプリングを行うサンプリング周波数と光パルスの照射周波数とを等しく設定するとともに、光パルスの照射タイミングと放出電子の検出サンプリングタイミングとの間隔時間を複数設定し、画像信号処理部は、光パルスを試料に照射して、装置制御部により設定された複数の間隔時間ごとに電子光学系が検出した放出電子に基づき出力される検出信号より複数の画像を形成する。

光照射によって変化した電子状態を電子線で高感度かつ定量的に検出することができる。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

電子線装置の構成例である。 電子線装置の筐体の変形例である。 光パルスの強度及び波長の調整方法を説明する図である。 実施例１の制御タイムチャートの一例である。 実施例１における光パルス照射条件ごとのＳＥＭ画像（模式図）を示す図である。 実施例２の制御タイムチャートの一例である。 差画像を取得するフローチャートの一例である。 実施例２のＧＵＩの一例である。 電子線装置の構成例である。 実施例３の制御タイムチャートの一例である。 実施例３のＧＵＩの一例である。 実施例３の時間分解観察法による過渡変化画像（ＳＥＭ画像（模式図））を示す図である。 実施例４のＧＵＩの一例である。 ＳｉＣ基板の時定数測定結果である。 実施例５による観察結果の一例を示す図である。

以下、図面を用いて、本発明の実施の形態を説明する。

上述の通り、試料への光照射によって、試料には光子数に応じてキャリアが励起され、電子状態が変化する。発明者らは、励起されたキャリアの密度に応じて、試料からの２次電子の放出量が変化することを見出した。

１光子あたりのエネルギＥ_ph［Ｊ］は（数１）で表される。

ここで、ｈはプランク定数（6.63×10^-34[Js]）であり、ｃは光速度（3.00×10⁸[m/s]）、λは光の波長である。キャリアの励起光にパルスレーザを使用する場合、１光パルスあたりのエネルギ量Ｅ_pulseは（数２）で与えられる。

ここで、Ｗ_aveはパルスレーザの平均出力、ｆ_pulseはパルスレーザの照射周波数である。よって、１光パルスあたりの光子の数Ｎ^pulse _phは（数３）で与えられる。

一方、電子線が照射される単位画素時間あたりに励起されるキャリア密度Ｄ^pixel _carrierは（数４）で表される。

ここで、α(λ)はキャリアの生成効率、ｔ_iは光パルス照射間の間隔時間、τはキャリア寿命、Ｎ_shotは単位画素時間あたりに照射される光パルス照射数、Ｓはパルスレーザの照射面積である。キャリア生成効率α(λ)は材料によって異なる値をとる。

さらに、２次電子との相互作用を考慮すると、単位画素あたりに放出される２次電子の放出量ＳＥ^pixel _elecは（数５）で表される。

ここで、β(Ｅ)は２次電子との相互作用係数で、電子線の加速電圧Ｅ_PEに依存する値である。σは２次電子放出率、Ｉ_pは電子線の照射電流、ｔ_pixelは単位画素時間である。単位画素時間ｔ_pixelは、ＳＥＭ画像の１画素に相当する試料の領域を電子線が走査されるのに要する時間として定義される。

このように、パルスレーザの照射により励起されるキャリア密度Ｄ^pixel _carrierは材料によって異なり、また、電子線の照射により放出される２次電子の放出量ＳＥ^pixel _elecはキャリア密度Ｄ^pixel _carrierに依存して変化する。したがって、材料に応じた光照射による電子状態の変化の違いを、電子線で高感度かつ定量的に検出することで、材料の違いを画像のコントラストとして可視化することができる。このためには、単位時間あたりに電子線と相互作用する光子数および光励起下における２次電子の放出量の変化を捉える検出サンプリングの制御が重要となる。光励起下における２次電子の放出量の変化を捉える好適な検出サンプリング周波数ｆ^pixel _sampは、（数６）で与えられる。

ここで、Ｎ_shotは単位画素時間ｔ_pixel当たりの光パルス照射数である。

さらに、（数４）として示したキャリア密度Ｄ^pixel _carrierにはキャリア寿命τが含まれており、光パルス照射間の間隔時間ｔ_iを制御変数とした２次電子の放出量ＳＥ^pixel _elec(ｔ_i)を解析することで、電子状態の過渡特性を解析することができる。

本実施例では、断続的に照射される光パルスの照射を制御することにより、電子線照射による試料からの２次電子の放出量を制御し、高コントラストな画像取得を可能とする電子線装置について説明する。

実施例１の電子線装置の構成例を図１に示す。電子線装置１は、その主要な構成として、電子光学系と、ステージ機構系と、電子線制御系と、光パルス照射系と、画像処理系と、入出力系とを有する。電子光学系は、電子銃２と、偏向器３と、電子レンズ４と、検出器５とを含む。ステージ機構系はＸＹＺステージ６と、試料８が載置される試料ホルダ７とを含む。電子線制御系は電子銃制御部９と、偏向器制御部１０と、検出制御部１１と、電子レンズ制御部１２とを含む。光パルス照射系は、パルス光源１３と、光パルス制御部１４と、光パルス照射調整部１５と、光パルス照射設定部２１とを含む。メインコンソール１６は画像形成系と入出力系とを有する。画像形成系は、偏向器３を制御する偏向信号と同期した検出サンプリング機能を備えた同期処理部１７と、画像信号処理部１８とを含む。画像信号処理部１８は、検出器５が放出電子を検出することにより出力される検出信号よりＳＥＭ画像を形成する。入出力系は、制御条件等を設定する装置制御部１９と、画像表示部２０とを含む。

電子銃２より放出された電子線３０は、電子レンズ４により集束され、試料８に照射される。試料上の照射位置は、偏向器３により制御される。試料より放出される放出電子は検出器５で検出される。装置制御部１９にて、電子光学系の制御条件、具体的には、加速電圧、照射電流、偏向条件、検出サンプリング条件、電子レンズ条件等を設定する。

光パルスは、パルス光源１３より照射される。パルス光源１３として、パルス幅１μsec以下、照射クロック１ｋＨｚ以上で駆動され、出力波長が紫外線から近赤外までの領域で単波長もしくは多波長が出力可能なレーザを使用する。パルス光源１３は、光パルス制御部１４及び光パルス照射調整部１５にて制御され、その制御内容は、光パルス照射設定部２１で設定される。具体的には、光パルス制御部１４は、光パルス照射時間幅、光パルス照射間隔時間を制御する。なお、光パルス照射間隔時間として、光パルス照射周波数、あるいは単位時間当たりの光パルス照射数を制御してもよい。光パルス照射調整部１５は、照射する光パルスの強度及び波長を調整する。

パルス光源１３より出力された光は、筐体２３に設置されたポート２２を介して、筐体２３の真空空間中に載置された試料８に照射される。本図には示していないが、電子線と同一位置に照射可能するための光路の調整ミラーを筐体２３の外側（大気圧空間）に設置してもよい。また、図２に示すようにパルス光源１３を筐体２３に直接設置する構成としてもよい。一般に、ポート２２は石英ガラスにより形成される。このため、石英ガラスに吸収される波長領域については光照射が困難になる。パルス光源１３を筐体２３に直接設置することにより、照射する光の波長の制約を解消することができる。

図３を用いて、光パルス制御部１４及び光パルス照射調整部１５により、パルス光源１３が照射する光パルスの強度及び波長を調整する方法を説明する。パルス光源１３は光源部１３ａと光路切換え部１３ｂとを有する。光源部１３ａはそれぞれ波長の異なる光パルスを発光する光源３４、光源３５及び光源３６を有し、光パルス制御部１４により所望の波長の光源が選択される。光路切換え部１３ｂは、調整ミラー３１により光源３４、光源３５及び光源３６からの光パルスの光路３７、光路３８及び光路３９を形成しており、光パルス照射調整部１５によりいずれかの光路が選択される。具体的には、本例では、光路３８と光路３９の一部に設置角度変更可能なフリッパミラー３２を用いることにより、自光源からの光パルスについては所定の設置角度で反射させて自光路を形成する一方、他光源からの光パルスについては設置角度を変更し、その光路の障害にならないようにする。また、光路３７、光路３８及び光路３９は一部の光路を共有しており、共有する光路部分上に光量可変フィルタ３３が設置されている。光パルス照射調整部１５は光量可変フィルタ３３により照射する光パルスの強度調整を行う。なお、図３の構成は一例であり、多波長で発振可能なレーザを用いて光学フィルタにより選択してもよい。また、光パルスの強度調整も、光路中に集光レンズを設置し、これにより光パルスの強度密度を可変としてもよい。

図４に、偏向信号（偏向器制御部１０の出力）、光パルス（パルス光源１３の出力）、検出サンプリング制御（同期処理部１７による検出制御部１１の制御）のタイムチャートを示す。なお、これらの動作開始点の制御信号は、図４には表記していないが、システムクロックに同期して制御される。指定したパルス幅ｔ_pulseで、単位画素時間ｔ_pixelあたりＮ_shot回の光パルスが照射される。このとき、光パルスの照射周波数はｆ_pulseである。光パルスの照射周波数がｆ_pulseである場合の光パルス照射間隔時間はｔ_iであり、どちらを制御しても構わない。上述のように、光パルスによる放出電子の信号増加は（数５）で与えられ、（数６）のように過渡変化に応じた検出サンプリング制御を行う必要がある。図４のタイムチャートでは、この検出サンプリング制御を検出サンプリング周波数ｆ^pixel _samp、もしくは単位画素時間ｔ_pixelあたりの検出サンプリング点数Ｎ_sampで制御する。検出サンプリング周波数ｆ^pixel _sampを、光パルスの照射周波数ｆ_pulseより十分に高い周波数で制御することで、光パルスによる放出電子の放出量変化を検出することができる。設定したｆ^pixel _sampで検出された検出信号は、１画素毎に平均化され、画像信号処理部１８に送信される。

図５に実施例１の電子線装置により、光パルス照射条件（光パルス照射間隔時間ｔ_i）を変えて、放出電子の放出量の変化を検出したＳＥＭ画像（模式図）を示す。試料は反射防止膜４１の上にレジスト４２が塗布され、ラインパターンを形成したものである。電子線条件は、加速電圧0.5ｋＶ、照射電流10ｐＡ、走査速度ＴＶレートで共通であり、光パルス照射条件は、（ａ）光パルス照射なし、（ｂ）光パルス照射間隔時間ｔ_i＝100ｎｓ、（ｃ）光パルス照射間隔時間ｔ_i＝1000ｎｓの３通りとした。なお、検出サンプリング周波数ｆ^pixel _sampも10ＧＨｚで共通である。ここで、使用した光パルスの波長は375ｎｍであり、レジスト４２では光パルスは吸収されず、反射防止膜４１では吸収される。これにより、ＳＥＭ画像は、レジスト部４２ａ、レジスト部４２ｂ及びレジスト部４２ｃについてはいずれの場合もあまり変わりはないが、反射防止膜部４１ｂ及び反射防止膜部４１ｃは光パルスを照射したことにより、反射防止膜部４１ａよりも明るくなり、より高いコントラストが得られている。また、照射条件（ｂ）と照射条件（ｃ）とを比較すれば、光パルス照射間隔時間ｔ_iの短い照射条件（ｂ）の方が、検出信号の平均値が高くなることにより、より高いコントラストをもつ像が得られている。

このように、光パルスの波長として材料に応じた所定の波長を選択し、光パルス照射間隔時間、検出サンプリング周波数を制御することにより、光パルス照射によって材料選択的に放出電子の放出量を変化させ、ＳＥＭコントラストを向上させることができる。

本実施例では、２つ以上の異なる光パルス照射間隔時間ｔ_iで検出した放出電子による検出信号の差分値から差信号もしくは差画像を形成し、差信号もしくは差画像より試料の特徴量を抽出することで高感度な欠陥検出を可能とする電子線装置について説明する。実施例２の電子線装置も図１と同様である。

図６に、偏向信号（偏向器制御部１０の出力）、光パルス（パルス光源１３の出力）、検出サンプリング制御（同期処理部１７による検出制御部１１の制御）のタイムチャートを示す。なお、これらの動作開始点の制御信号は、図６には表記していないが、システムクロックに同期して制御される。光パルス照射設定部２１で設定した異なる光パルス照射条件（図６における光照射条件ＡとＢ）での検出が終了すると、画像信号処理部１８において、異なる光パルス照射条件での放出電子の検出信号の差分を算出し、２次元表示することで差分画像を形成する。 あるいは、異なる光パルス照射条件ごとにＳＥＭ画像を形成し、ＳＥＭ画像間で差分処理をしてもよい。

図７に差画像の取得フローを示す。まず、ステージ機構系により、試料の観察場所に移動する（Ｓ１）。基本的な観察条件である電子線の加速電圧と、照射電流と、走査時間とを設定する（Ｓ２）。次に、試料に対して照射する光パルス照射条件（具体的には、光パルスの照射周波数ｆ_pulse）ＡとＢとを設定する（Ｓ３）。もちろん２つ以上の照射条件を設定することは妨げない。次に、光パルスの調整条件（具体的には、光パルスの波長及び強度）を設定する（Ｓ４）。次に、検出サンプリング周波数ｆ^pixel _sampを設定する（Ｓ５）。このとき、設定される検出サンプリング周波数ｆ^pixel _sampは、いずれの光パルス照射条件に対しても（数６）として示した条件を満たしている必要がある。続いて、光パルス照射条件Ａ，Ｂで設定した光パルスの照射周波数ｆ_pulseで光パルスを照射しながら、試料の観察を実施し、検出信号を取得する（Ｓ６）。光パルス照射条件Ａでの検出信号と光パルス照射条件Ｂでの検出信号との差信号を算出し（Ｓ７）、算出された検出信号の差分値に基づき画像を形成し、画像表示部２０に表示する（Ｓ８）。

図８に画像表示部２０に表示されるＧＵＩの例を示す。図１の電子線装置において、装置制御部１９から、光パルス照射設定部２１の制御内容を設定可能とすることにより、ＳＥＭ画像取得条件設定部２０６から、基本的な観察条件である電子線の加速電圧と、照射電流と、走査速度とに加え、光パルスの照射波長、光パルスの照射強度、検出サンプリング周期等が設定可能となっている。このうち、光パルス照射条件設定部２０７では、複数の光パルスの照射周波数ｆ_pulse（２０４，２０５）が設定可能とされている。ＳＥＭ画像取得条件設定部２０６で設定されたＳＥＭ画像を、複数の光パルスの照射周波ｆ_pulseの条件ごとに表示部２０１Ａ及び表示部２０１Ｂに表示するとともに、差画像を差画像表示部２０２に表示する。また、現観察条件でのＳＥＭ像が観察状態表示部２０３に表示される。

この例では、観察状態表示部２０３に電子線装置１で観察中のＳｉＣの結晶欠陥部のＳＥＭ画像（模式図）が示されている。例えば、電子線の加速電圧1.0ｋＶ、照射電流300ｐＡ、単位画素当たりの走査時間300ｎｓ、光パルスの波長375ｎｍ、光パルスの照射強度1000μＷとする。光照射条件Ａの光パルスの照射周波数ｆ_pulseは10ＭＨｚであり、光照射条件Ｂの光パルスの照射周波数ｆ_pulseは1ＭＨｚである。検出サンプリング周波数は100ＭＨｚとした。観察状態表示部２０３にて所望の視野を設定し、スタートボタン２０８を押下して画像の取得を実行する。

観察状態表示部２０３に示されるように、試料には結晶欠陥部４０１と正常部４０２とがある。この例での結晶欠陥は積層欠陥であり、三角形状の領域をもつ。光照射条件Ａの場合、結晶欠陥部４０１と正常部４０２との界面４０３の放出電子量が増加し、明るくなったのに対して、光パルスの照射周波数の低い光照射条件Ｂの場合、光照射条件Ａで取得した放出電子像と比較して、結晶欠陥界面４０３のコントラストが低下した。このため、光照射条件Ａと光照射条件Ｂで得られた差画像では界面４０３が抽出されている。積層欠陥の界面のような光キャリアをトラップする領域は電子デバイス応用において欠陥となりうる箇所である。このように、本実施例により、２つ以上の異なる光パルスの照射条件で取得した放出電子の差画像から、高感度な欠陥の特徴量抽出の検出が可能となる。適用例として差画像により結晶欠陥界面を抽出する例を示したが、実施例１に示したような材料の違いを抽出することも可能である。

本実施例では、光パルスの照射と放出電子の検出サンプリングとを同期し、光パルス照射タイミングと検出サンプリングタイミングとの間隔時間ｔ_i(det)を制御する時間分解観察法について説明する。

時間分解観察法を実行する電子線装置を図９に示す。なお、図１と同等の機能を有する構成及び機能ブロックについては、同じ符号を付して、重複する説明については省略するものとする。実施例３の電子線装置においては、光パルス照射系の制御もメインコンソール１６にて可能とし、光パルス照射設定部２１は装置制御部１９によりその制御内容が設定可能とされている。電子線装置１’は、電子線の偏向信号と放出電子の検出サンプリングの同期に加え、光パルスの照射を同期制御する同期制御部６１を有している。同期制御部６１は、光パルスの照射タイミングと放出電子の検出サンプリングタイミングを同期させるとともに、光パルス照射タイミングと検出サンプリングタイミングとの間隔時間ｔ_i(det)を制御できる。同期制御部６１は、偏向器制御部１０と、検出制御部１１と、光パルス制御部１４とにタイミング信号を送信する。

図１０に、偏向信号（偏向器制御部１０の出力）、光パルス（パルス光源１３の出力）、検出サンプリング制御（同期制御部６１による検出制御部１１の制御）のタイムチャートを示す。間隔時間ｔ_i(det)が0ｎｓの場合、光パルスの発振と同じタイミングで検出サンプリングのトリガがかかる。この例では、単位画素時間ｔ_pixelあたりの検出サンプリング点数は１点となっているが、複数回サンプリングしてもよい。本実施例では、光パルス照射周波数ｆ_pulseが設定可能であり、これに応じて検出サンプリング周波数ｆ^pixel _sampが（ｆ^pixel _samp＝ｆ_pulse）設定される構成となっている。間隔時間ｔ_i(det)は、検出サンプリング周期よりも短くなるように設定する。これにより、光パルス照射から、設定した間隔時間ｔ_i(det)後に検出サンプリングされ、検出信号が得られる。

これら検出信号は偏向信号に基づく位置情報を用いて画像化され、間隔時間ｔ_i(det)ごとのＳＥＭ像を形成する。異なる間隔時間ｔ_i(det)でのＳＥＭ画像を取得することにより、一連の過渡変化画像を得ることができる。なお、同期制御部６１は、上述のようにＳＥＭ画像ごとに異なる間隔時間ｔ_i(det)を設定して１回の光パルス照射に対して１回のサンプリングを実施して一連の過渡変化画像を得てもよく、あるいは同期制御部６１は、１回の光パルス照射に対して間隔時間ｔ_i(det)の異なるサンプリングを複数回実施することにより、一連の過渡変化画像を同時に作成してもよい。

図１１に画像表示部２０に表示されるＧＵＩの例を示す。ＳＥＭ画像取得条件設定部２０６には、基本的な観察条件である電子線の加速電圧と、照射電流と、走査速度とに加え、光パルスの照射条件として、光パルス照射間隔時間ｔ_iと光パルス照射強度が設定可能となっている。また、検出サンプリングの制御条件として、間隔時間ｔ_i(det)の設定単位時間が設定可能となっている。図１１の例では、間隔時間ｔ_i(det)を10ｎｓ単位で設定することが可能である。なお、検出サンプリング周波数ｆ^pixel _sampは、光パルス照射周波数ｆ_pulseと同一とされるため、検出サンプリング周波数または検出サンプリング周期に関する設定画面は設けられていない。

また、過渡解析条件設定部３０２には、時間分解の開始時間３０３と終了時間３０４と時間ステップ３０５とが設定可能となっている。開始時間３０３及び終了時間３０４は光パルスの発振タイミングを基準とし、時間ステップ３０５はＳＥＭ画像取得条件設定部２０６で設定される間隔時間ｔ_i(det)の設定単位時間の整数倍の値が設定可能である。

過渡解析条件設定部３０２への設定値に基づき、間隔時間ｔ_i(det)が開始時間３０３から終了時間３０４まで時間ステップ３０５で制御され（すなわち、図１１の例では、間隔時間ｔ_i(det)＝0，10，20，・・・190，200ｎｓｅｃ）、間隔時間ｔ_i(det)ごとのＳＥＭ像が取得される。取得したＳＥＭ像は一連の過渡変化画像としてまとめられ、ツールバー形式の表示部３０６で過渡変化を確認できる。表示部３０６に表示されるＳＥＭ画像の間隔時間ｔ_i(det)は、ツールバーのスライダを動かすことにより変更できる。なお、表示するＳＥＭ画像の間隔時間ｔ_i(det)を指定する指定部はツールバーの形態には限られない。

観察状態表示部２０３に電子線装置１’で観察中の画像（模式図）が表示され、観察状態表示部２０３にて所望の視野を設定し、スタートボタン２０８を押下して画像の取得を実行する。

図１２に本実施例の時間分解観察法により解析した酸化チタン結晶の過渡変化のＳＥＭ画像（模式図）を示す。電子線の加速電圧0.3ｋＶ、照射電流50ｐＡ、走査速度200ｎｓ、光パルスの照射間隔時間ｔ_i200ｎｓ、光パルスの照射波長450ｎｍ、光パルスの照射強度500μＷである。間隔時間ｔ_i(det)の設定単位時間は10ｎｓで、時間分解の開始時間0ｎｓ、終了時間200ｎｓ、時間ステップ10ｎｓとした。図１２には間隔時間ｔ_i(det)＝0，10，100，200ｎｓでのＳＥＭ画像を示しており、試料Ａは結晶粒が数100ｎｍサイズであり、試料Ｂは結晶粒が数10ｎｍサイズである。光パルスを照射することにより、試料Ａ，Ｂとも結晶粒が明るくなり、結晶粒領域でキャリアが生成される（３０７ａ，３０８ａ）。間隔時間ｔ_i(det)が200ｎｓの場合、試料Ａの結晶粒の明るさ３０７ｄは、間隔時間ｔ_i(det)が0ｎｓや100ｎｓの場合と比較してほとんど変化していないのに対し、試料Ｂの結晶粒３０８ｄは暗くなっている。つまり、本結果は、試料Ａと試料Ｂとは同じキャリアの生成能を示す一方、キャリアの寿命は結晶粒のサイズが小さい程、短くなっていることを示し、結晶粒が数100ｎｍのいわゆるメソスケール構造が電子状態の制御に寄与していることがわかる。例えば、高効率光触媒デバイス材料では、材料の電子状態のキャリア寿命を長くすることが求められている。このような材料の探索には、ナノ、マイクロスケールの構造解析と励起キャリア過渡解析が有効である。

本実施例により、光パルス照射タイミングと検出サンプリングタイミングとの間隔時間ｔ_i(det)を制御し、間隔時間ｔ_i(det)を変化させたＳＥＭ画像によって、電子状態や励起キャリアの過渡変化画像を取得できる。

本実施例では、光パルス照射間隔時間ｔ_i（光パルス照射周波数ｆ_pulseの逆数）を変化させて検出信号を取得し、各照射間隔時間ｔ_iで得られた検出信号をプロットすることで、試料の時定数を算出する電子線装置について説明する。本実施例の電子線装置の構成は実施例１または実施例２と同じであり、偏向信号、光パルス、検出サンプリング制御のタイムチャートも図６と同様である。

図１３に画像表示部２０に表示されるＧＵＩの例を示す。ＳＥＭ画像取得条件設定部２０６には、基本的な観察条件である電子線の加速電圧と、照射電流と、走査速度とに加え、光パルスの照射波長と、光パルスの照射強度とが設定可能である。また、検出サンプリングの制御条件として、検出サンプリング周期が設定可能となっている。

本実施例では、時定数計測向けに試料の過渡過程を自動計測する。具体的には、光パルス照射による電子状態の過渡過程を解析するため、光パルス照射による放出電子の放出量の光パルス照射間隔時間ｔ_i依存性を取得する。そのため、光パルス照射間隔時間ｔ_iの設定を行う。過渡過程の検出時間範囲を最短時間５０１と最長時間５０２とで設定する。本設定値に基づき、光パルス照射間隔時間ｔ_iを最短時間５０１から最長時間５０２まで変化させる。また、この間の時間間隔ステップ５０３が設定できる。本設定値に基づき、光パルス照射間隔時間ｔ_iが最短時間５０１と最長時間５０２までを時間間隔ステップ５０３で制御され（すなわち、図１３の例では、光パルス照射間隔時間ｔ_i＝0，100，200，・・・1900，2000ｎｓｅｃ）、同期制御部６１で生成されたタイミングで、偏向信号制御と、光パルス照射と、検出サンプリング制御とが行われる。各光パルス照射間隔時間ｔ_iで取得した検出信号量は、時定数グラフ表示部５０４にプロットされる。具体的には、光パルス照射間隔時間ｔ_iごとに取得した信号からＳＥＭ画像を取得し、ＳＥＭ画像明度の変化から、検出信号量をプロットする。あるいは、試料上の一点または複数点を指定し、指定点での検出信号量を得ることもできる。なお、この光パルス照射による放出電子の放出量の光パルス照射間隔時間ｔ_i依存性を取得するフローには、図７のフローチャートのステップＳ１～Ｓ６の検出信号取得フローチャートを適用する（ただし、光パルス照射条件Ａ，Ｂとあるのを各光パルス照射間隔時間ｔ_iで読み替える）。

各光パルス照射間隔時間ｔ_iで検出した放出電子の信号量が、最大検出信号量から68％低下したときの光パルス照射間隔時間ｔ_iが試料の時定数となるので、装置制御部１９は、時定数グラフより試料の時定数を求め、時定数表示部５０５に表示される。また、時定数計測は、自動測定ボタン２０９を押下することにより開始され、現観察条件でのＳＥＭ像が観察状態表示部２０３に表示される。

図１４に、本実施例を用いて解析したＳｉＣエピ膜厚の異なるＳｉＣ基板についての時定数測定結果を示す。試料としてエピ膜厚の異なる２種類のＳｉＣ基板を用い、試料１はエピ膜厚が60μｍ、試料２はエピ膜厚が20μｍである。観察条件は、電子線の加速電圧0.8ｋＶ、照射電流15ｐＡ、走査速度ＴＶ Ｓｃａｎ、光パルス照射強度100μＷ、光パルス波長300ｎｍ、検出サンプリング周期10ｎｓである。また、時定数計測のための光パルス照射間隔時間ｔ_iは最短時間0ｎｓ、最長時間2000ｎｓ、時間間隔ステップ100ｎｓとした。図１４に示すように、エピ膜厚が60μｍの試料１は時定数が1.0μｓなのに対して、エピ膜厚が20μｍの試料２では時定数が0.5μｓとなった。このように、エピ膜厚の違いにより時定数が変化することがわかった。

本実施例により、光パルス照射間隔時間ｔ_iの異なる複数の光パルス照射条件で取得した放出電子を、各パルス照射間隔時間ｔ_iでプロットすることにより、試料構造を反映した時定数計測が可能となる。

本実施例では、異なる波長の光パルスを照射した際に放出される放出電子を検出し、各波長での検出信号の差分を取得し、差分値で形成した差画像から試料の特徴量抽出を実施する高感度欠陥検出検査法について説明する。高感度欠陥検出検査法を実行する電子線装置の基本構成は実施例１、実施例２または実施例４と同じであり、偏向信号、光パルス、検出サンプリング制御のタイムチャートも図４と同様である。光パルス照射調整部１５で照射する波長を制御する。また、各波長での検出信号は、画像信号処理部１８に送信され、画像信号処理部１８にて、各波長条件での放出電子の検出信号差分を算出し、２次元表示することで差分画像を形成する。あるいは、各波長条件でのＳＥＭ画像を形成し、ＳＥＭ画像間で差分処理をしてもよい。なお、差画像を取得するフローは図７のフローチャートと同じとする（ただし、光パルス照射条件Ａ，Ｂとあるのが、波長の異なる光パルス照射条件となる）。

図１５を用いて、本実施例の高感度欠陥検出検査法を説明する。観察条件は、電子線の加速電圧1.5ｋＶ、照射電流15ｐＡ、走査速度ＴＶ Ｓｃａｎ、光パルス照射強度1000μＷ、光パルス照射間隔時間160ｎｓ、検出サンプリング周期5ｎｓである。光パルス照射調整部１５で光波長Ａと光波長Ｂを設定し、各波長での放出電子量を検出し、画像を形成した。図１５に、光パルス照射なしＳＥＭ画像、波長Ａの光パルス照射したＳＥＭ画像、波長Ｂの光パルス照射ＳＥＭ画像、及び波長Ａの光パルス照射ＳＥＭ画像と波長Ｂの光パルス照射ＳＥＭ画像との差画像を示す。観察場所は同一位置である。波長Ａの光パルスまたは波長Ｂの光パルスを照射することでパッド部の放出信号が増加し、光パルス照射なしＳＥＭ画像に比べて高いコントラストが得られている。さらに、差画像を解析した結果、第１パッド５０６は、波長Ａ，Ｂで同じ明るさとなって差画像が暗くなるのに対して、第２パッド５０７は、波長Ａの場合のみ明るくなり、高いコントラストをもつ差画像が得られた。このように、同一試料の中にも、光パルスの照射による信号変化に波長依存性があることが分かる。本実施例で使用した、波長Ａの光パルスは短波長の光パルスであり、酸化膜以外の材料により吸収されるのに対して、波長Ｂの光パルスはポリシリコンや有機膜を透過する波長であり、材料における吸収係数の違いによって放出電子量が変化したものと推定される。よって、光パルスの照射波長を適宜選択することにより、試料表面もしくは試料下層の材料情報や構造情報に基づく放出電子の差を可視化できる。

本実施例により、各波長に対する吸収係数の値を反映した画像が取得でき、また、半導体パターンに異なる波長の光を照射することで、選択的にＳＥＭ像のコントラストを向上させることができる。

以上、本発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能なものである。例えば、実施例１～２、４～５は図１に示した電子線装置で実施するように説明したが、図９に示した電子線装置で実施することも可能である。

１，１’：電子線装置、２：電子銃、３：偏向器、４：電子レンズ、５：検出器、６：ＸＹＺステージ、７：試料ホルダ、８：試料、９：電子銃制御部、１０：偏向器制御部、１１：検出制御部、１２：電子レンズ制御部、１３：パルス光源、１４：光パルス制御部、１５：光パルス照射調整部、１６：メインコンソール、１７：同期処理部、１８：画像信号処理部、１９：装置制御部、２０：画像表示部、２１：光パルス照射設定部、２２：ポート、２３：筐体、３０：電子線、３１：調整ミラー、３２：フリッパミラー、３３：光量可変フィルタ、３４，３５，３６：光源、４１：反射防止膜、４２：レジスト、６１：同期制御部、２０１：表示部、２０２：差画像表示部、２０３：観察状態表示部、２０６：ＳＥＭ画像取得条件設定部、３０２：過渡解析条件設定部、５０４：時定数グラフ表示部。

Claims (15)

1. 電子線を試料に照射し、試料より放出された放出電子を検出する電子光学系と、
   前記試料に光パルスを照射する光パルス照射系と、
   前記電子光学系において、前記電子線の偏向信号と同期して、前記放出電子の検出サンプリングを行わせる同期処理部と、
   前記電子光学系が検出した前記放出電子に基づき出力される検出信号より画像を形成する画像信号処理部と、
   前記電子光学系の制御条件を設定する装置制御部とを有し、
   前記装置制御部は、前記画像の１画素に相当する前記試料の領域を前記電子線が走査されるのに要する時間を単位画素時間とすると、前記放出電子の検出サンプリングを行うサンプリング周波数を、前記単位画素時間あたりの前記光パルスの照射数を前記単位画素時間により割った値よりも大きくなるように設定する電子線装置。
2. 請求項１において、
   前記装置制御部により設定されたサンプリング周波数で、前記電子光学系が検出した前記放出電子に基づき出力される前記検出信号を１画素ごとに平均化して、前記画像信号処理部において前記画像を形成する電子線装置。
3. 請求項１において、
   前記光パルス照射系の制御条件を設定する光パルス照射設定部を有し、
   前記光パルス照射系の制御条件として、前記光パルスの波長、強度、照射時間幅及び照射間隔時間を含む電子線装置。
4. 請求項３において、
   前記光パルス照射設定部は、第１の光照射条件と、前記第１の光照射条件と異なる第２の光照射条件とを設定し、
   前記画像信号処理部は、前記第１の光照射条件で前記光パルスを前記試料に照射して前記電子光学系が検出した前記放出電子に基づき出力される第１の検出信号と、前記第２の光照射条件で前記光パルスを前記試料に照射して前記電子光学系が検出した前記放出電子に基づき出力される第２の検出信号との差画像を形成する電子線装置。
5. 請求項４において、
   前記画像信号処理部は、前記第１の検出信号と前記第２の検出信号との差分値に基づき前記差画像を形成する、または前記第１の検出信号より形成された第１の画像と前記第２の検出信号より形成された第２の画像との差分処理を行って前記差画像を形成する電子線装置。
6. 請求項４において、
   前記装置制御部により設定された前記放出電子の検出サンプリングを行うサンプリング周波数は、前記第１の光照射条件及び前記第２の光照射条件のいずれをとっても、前記単位画素時間あたりの前記光パルスの照射数を前記単位画素時間により割った値よりも大きい電子線装置。
7. 請求項４において、
   画像表示部を有し、
   前記装置制御部は、前記画像表示部に前記差画像を表示する電子線装置。
8. 請求項４において、
   前記光パルス照射設定部は、前記第１の光照射条件と、前記第１の光照射条件と前記光パルスの照射間隔時間が異なる前記第２の光照射条件とを設定する電子線装置。
9. 請求項４において、
   前記光パルス照射設定部は、前記第１の光照射条件と、前記第１の光照射条件と前記光パルスの波長が異なる前記第２の光照射条件とを設定する電子線装置。
10. 請求項３において、
    前記光パルス照射設定部は、前記光パルスの照射間隔時間の異なる複数の光照射条件を設定し、
    前記装置制御部は、前記複数の光照射条件で前記光パルスを前記試料に照射して前記電子光学系が検出した前記放出電子に基づき出力される前記検出信号の信号量の変化に基づき、前記試料の時定数を求める電子線装置。
11. 請求項１０において、
    前記画像信号処理部は、前記複数の光照射条件ごとに前記光パルスを前記試料に照射して前記電子光学系が検出した前記放出電子に基づき出力される前記検出信号より複数の画像を形成し、
    前記装置制御部は、前記複数の画像の明度の変化から、前記検出信号の信号量の変化を求める電子線装置。
12. 電子線を試料に照射し、試料より放出された放出電子を検出する電子光学系と、
    前記試料に光パルスを照射する光パルス照射系と、
    前記電子光学系において、前記電子線の偏向信号と同期して、前記光パルスの照射及び前記放出電子の検出サンプリングを行わせる同期制御部と、
    前記電子光学系が検出した前記放出電子に基づき出力される検出信号より画像を形成する画像信号処理部と、
    前記電子光学系及び前記光パルス照射系の制御条件を設定する装置制御部とを有し、
    前記装置制御部は、前記放出電子の検出サンプリングを行うサンプリング周波数と前記光パルスの照射周波数とを等しく設定するとともに、前記光パルスの照射タイミングと前記放出電子の検出サンプリングタイミングとの間隔時間を複数設定し、
    前記画像信号処理部は、前記光パルスを前記試料に照射して、前記装置制御部により設定された複数の間隔時間ごとに前記電子光学系が検出した前記放出電子に基づき出力される前記検出信号より複数の画像を形成する電子線装置。
13. 請求項１２において、
    画像表示部とを有し、
    前記装置制御部は、前記画像表示部に前記複数の画像を表示する電子線装置。
14. 請求項１３において、
    前記画像表示部は、前記間隔時間を指定する指定部を表示し、前記複数の画像のうち、前記指定部により指定された間隔時間に応じた画像を表示する電子線装置。
15. 請求項１２において、
    前記同期制御部は、１回の前記光パルスの照射に対して前記間隔時間の異なる前記放出電子の検出サンプリングを複数回行う電子線装置。

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