CN104568862A - 阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集装置，包括测试台、探针、探针固定装置及物镜，测试台用于放置测试样品，探针固定在探针固定装置上，用于与测试样品的电极接触，进行电子束诱导感生电流信号的采集，物镜用于聚焦电子束，装置还包括阴极荧光探头，阴极荧光探头设置于探针与物镜之间，用于进行阴极荧光信号的采集，测试样品位于阴极荧光探头的焦点。本发明的优点在于阴极荧光探头位于探针与物镜之间，测试样品位于阴极荧光探头的焦点位置，使得探针的探针本体到测试样品的表面的垂直距离小于阴极荧光探头的焦点到所述阴极荧光探头的距离，实现在测试样品的同一微区阴极荧光信号与电子束诱导感生电流信号的同时采集。

Description

阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体器件测试领域，尤其涉及一种阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集装置及方法。

背景技术

阴极荧光光谱仪和电子束诱导感生电流装置是安装在扫描电子显微镜上的两个附件。阴极荧光光谱仪由于采用了束斑尺寸仅为几个纳米的电子束激发源，因此可以对材料和器件中的纳米结构进行光谱采集和成像，对于揭示微纳尺度的局域光学性质起到了巨大的推动作用。目前的阴极荧光光谱仪还是依靠从国外进口，国内没有厂家生产。为了进一步拓展阴极荧光光谱仪的空间分辨能力和光谱分辨率，大多数的阴极荧光光谱仪均安装在场发射电镜上，因为束斑尺寸小，可达1纳米，同时发展了低温冷台，可以在接近液氦温度（6k）下开展光谱采集和成像，对于深入研究纳米材料和器件中的激子发光、缺陷发光起到了重要的推动作用。电子束诱导感生电流装置（EBIC）目前也只有国外厂家提供商业化的产品，随着LED，solar cells等半导体器件的发展， EBIC装置在PN结结区位置、宽度测定、缺陷表征和失效分析方面发挥了重要的作用。

目前的EBIC测试样品台采用螺丝固定探针并需要在外界环境中手动调节螺丝来控制探针移动，从而使得探针与样品电极接触。这存在两个缺点：一、固定探针的螺丝高于样品台表面几个mm，导致探针高出样品表面几个mm，一般探针高出样品台表面3mm，而由于CL探头的焦点位于CL探头下方1mm左右处，所以CL探头进行光信号采集时，最好距离样品表面1mm左右，使得样品处于CL探头的焦点处，这样能够提高荧光收集效率。但是，由于探针高出样品表面几个mm，这就导致CL探头就不能移动至样品正上方，导致不能进行CL/EBIC的原位采集。二、由于需要在外界环境中手动调节螺丝来控制探针的移动，因此，在电镜一次抽真空和放空循环中只能进行一个样品的检测，若需要进行下一个样品的检测，则需要将电镜放空，手动调节探针的位置，这显然不能满足研发机构进行大量失效分析的需求且会造成资源的浪费。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集装置及方法，该装置能够实现阴极荧光信号与电子束诱导感生电流信号的原位采集。

为了解决上述问题，本发明提供了一种阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集装置，包括测试台、探针、探针固定装置及物镜，所述测试台用于放置测试样品，所述探针固定在所述探针固定装置上，用于与测试样品的电极接触，进行电子束诱导感生电流信号的采集，所述物镜用于聚焦电子束，所述装置还包括阴极荧光探头，所述阴极荧光探头设置于探针与物镜之间，用于进行阴极荧光信号的采集，所述测试样品位于阴极荧光探头的焦点。

进一步，所述阴极荧光探头焦点到阴极荧光探头的距离为1~1.5mm。

进一步，所述探针固定装置包括X方向平移器、Y方向平移器及Z方向平移器，所述X方向平移器、Y方向平移器及Z方向平移器与外部控制器相连，用于使所述探针在X、Y、Z方向移动并与所述测试样品的电极接触。优点在于，在真空环境中就可以控制探针的移动，不必放空后再进行探针的移动。

进一步，所述X方向平移器、Y方向平移器及Z方向平移器均为压电平移器。

进一步，所述测试台上设置有至少两个放置测试样品的位置，以完成多个测试样品的测试。优点在于，可以在一次抽真空和放空的过程中进行多个测试样品的测试，避免了资源的浪费。

进一步，在所述测试台上设置一加热模块，所述测试样品设置于所述加热模块上，所述加热模块用于加热所述待测试样品并控制加热温度。优点在于，在测试样品进行高温老化实验中，可以进行阴极荧光/电子束诱导感生电流的原位表征。

进一步，在所述测试台与所述加热模块之间设置有一隔热模块，所述隔热模块用于防止加热模块产生的热量传递到测试台上。优点在于，防止加热模块产生的高温对测试装置产生影响。

一种阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集的方法，包括如下步骤：

（1）移动探针，使探针与测试样品的电极接触；

（2）移动阴极荧光探头，使所述阴极荧光探头位于探针与物镜之间，所述测试样品位于阴极荧光探头的焦点；

（3）提供电子束，使所述电子束照射测试样品表面；所述探针进行电子束诱导感生电流信号的采集，所述阴极荧光探头进行阴极荧光信号的采集。

进一步，所述测试台上放置有至少两个测试样品，所述方法进一步包括如下步骤：步骤（3）测试结束后，将阴极荧光探头从探针与物镜之间移开，移动探针，重复步骤（1）~步骤（3）。

进一步，在步骤（3）之前，启动加热模块对测试样品进行加热并控制加热温度，以实现在加热状态下对测试样品的测试。

本发明的优点在于，阴极荧光探头位于采集电子束诱导感生电流信号的探针与物镜之间，测试样品位于阴极荧光探头的焦点位置，使得探针的探针本体到测试样品的表面的垂直距离小于阴极荧光探头的焦点到所述阴极荧光探头的距离，从而实现在测试样品的同一微区阴极荧光信号与电子束诱导感生电流信号的同时采集。

附图说明

附图1所示是本发明阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集装置的结构示意图；

附图2所示是本发明阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集装置的侧视图；

附图3所示是本发明阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集方法的步骤示意图。

附图标记

10、阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集装置

11、测试台           12、探针 

13、探针固定装置     14、测试样品

15、阴极荧光探头     16、加热模块

17、隔热模块         18、X方向平移器

19、Y方向平移器     20、Z方向平移器

21、电子束           22、探针本体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集装置及方法的具体实施方式做详细说明。

参见附图1及附图2，一种阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集装置10包括测试台11、探针12、探针固定装置13、物镜（附图中未标示）及阴极荧光探头15。本发明阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集装置10配合扫描电子显微镜使用，所述测试台11、探针12、探针固定装置13及物镜位于扫描电子显微镜的样品室（附图中未标示）中，所述扫描电子显微镜的样品室为真空环境。

所述测试台11用于放置测试样品14。进一步，所述测试台11上设置有至少两个放置测试样品14的位置，以完成多个测试样品14的测试。在本具体实施方式中，所述测试台11上设置5个放置测试样品14的位置，可以完成5个测试样品14的测试。在测试台11上设置多个放置测试样品14的位置的优点在于，在扫描电子显微镜放空时可以放置多个测试样品14到测试台11上。在扫描电子显微镜抽真空后，可连续测量多个测试样品14，而不需要一个测试样品14测试结束后放空扫描电子显微镜的样品室，放置下一个测试样品14，再抽真空进行测量，从而可以满足进行大量分析的需求。

进一步，在本具体实施方式中，在所述测试台11上设置一加热模块16，所述测试样品14设置于所述加热模块16上，所述加热模块16用于加热所述待测试样品14并控制加热温度。所述加热模块16可以与外界的温度控制器（附图中未标示）相连，用于控制加热温度。在测试台11上设置加热模块16的优点在于，在测试样品14进行高温老化实验中，可以进行阴极荧光/电子束诱导感生电流的原位表征。进一步，在本具体实施方式中，在所述测试台11与所述加热模块16之间设置有一隔热模块17，所述隔热模块17用于防止加热模块16产生的热量传递到测试台11上，从而防止加热模块16产生的高温对本发明装置甚至扫描电子显微镜产生影响。

所述探针12固定在所述探针固定装置13上。在本具体实施方式中，阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集装置10包括两个探针12。所述每个探针12包括一探针本体22及针尖（附图中未标示），所述探针12的探针本体22与电子束诱导感生电流测量系统的测量电极（附图中未标示）相连，所述探针12的针尖与测试样品14的电极（附图中未标示）接触，形成电流回路，进行电子束诱导感生电流信号的采集。

所述探针固定装置13包括X方向平移器18、Y方向平移器19及Z方向平移器20，所述X方向平移器18、Y方向平移器19及Z方向平移器20与外部控制器（附图中未标示）相连，用于使所述探针12在X、Y、Z方向移动并与所述测试样品14的电极接触。当电子束21照射到样品表面时，扫描电子显微镜能够检测到测试样品14的电极及探针12的电极的位置，根据扫描电子显微镜的检测，外部控制器控制X方向平移器18、Y方向平移器19及Z方向平移器20的运动，使得探针12能够准确移动到测试样品14的电极的位置并与所述电极接触。在本具体实施方式中，所述X方向平移器18、Y方向平移器19及Z方向平移器20均为压电平移器，其移动精度高。由于本发明阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集装置10配合扫描电子显微镜使用，所以扫描电子显微镜的测试装置也对所述测试样品14进行信号采集。所述物镜为扫描电子显微镜自带的物镜，在本发明中，所述物镜用于聚焦电子束21。

所述阴极荧光探头15设置于探针12与物镜之间，用于进行阴极荧光信号的采集，所述阴极荧光探头15为抛物镜，所述测试样品14位于阴极荧光探头15的焦点。在所述阴极荧光探头上有一通孔（附图中未标示），经过物镜聚焦的电子束21穿过所述通孔照射到测试样品14的表面。电子束21照射到测试样品14的表面引发的荧光向阴极荧光探头15发射，经过阴极荧光探头15的反射，荧光平行射出，阴极应荧光装置（附图中未标示）对该光信号进行采集分析。由于所述测试样品14位于阴极荧光探头15的焦点，使得测试样品14发出的荧光从阴极荧光探头15的焦点经过，能够提高荧光收集效率。

在本发明阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集装置中，所述阴极荧光探头15位于探针12与物镜之间，这使得所述探针12的探针本体22到测试样品14的表面的垂直距离小于阴极荧光探头15的焦点到所述阴极荧光探头15的距离，以便于进行阴极荧光与电子束诱导感生电流的原位测量。在本发明中，可以通过改变探针12的针尖的弯折角度或者探针12的针尖的长度来改变探针12的探针本体22到测试样品14的表面的垂直距离。阴极荧光探头15不同，则阴极荧光探头15的焦点到所述阴极荧光探头的距离也不同，一般阴极荧光探头15的焦点到所述阴极荧光探头的距离为1~1.5mm，在本具体实施方式中，所述阴极荧光探头15的焦点到所述阴极荧光探头的距离为1mm，则所述探针12的探针本体22到测试样品14的表面的垂直距离小于1mm。

本发明还提供一种采用上述阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集装置进行阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集的方法，参见附图3，所述方法包括如下步骤：步骤S30，移动探针，使探针与测试样品的电极接触；步骤S31，移动阴极荧光探头，使所述阴极荧光探头位于探针与物镜之间，所述测试样品位于阴极荧光探头的焦点；步骤S32，提供电子束，使所述电子束照射测试样品表面；所述探针进行电子束诱导感生电流信号的采集，所述阴极荧光探头进行阴极荧光信号的采集；步骤S33，将阴极荧光探头从探针与物镜之间移开，移动探针，使探针与下一个测试样品的电极接触；重复步骤S30~S33。

步骤S30，移动探针12，使探针12与测试样品14的电极接触。所述探针12的移动通过探针固定装置13的X方向平移器18、Y方向平移器19及Z方向平移器20实现。通过探针固定装置13控制探针12的探针本体22到测试样品14的表面的垂直距离小于阴极荧光探头15的焦点到所述阴极荧光探头15的距离，以便于进行阴极荧光与电子束诱导感生电流的原位测量。此步骤是在真空环境中进行的。

在步骤S30之前，还包括如下步骤：

步骤S301，将多个测试样品14按照测试顺序依次放置在测试台11上并固定，所述测试样品14具有电极的一面朝上。

步骤S302，通过探针固定装置13将探针12固定，并通过探针固定装置13初步调节探针12的位置，使得探针12位于测试样品14的上方，并使探针12的针尖在测试样品14的电极附近。

步骤S303，对扫描电子显微镜的样品室实施抽真空，使得本发明装置处于真空的环境中。

步骤S31，移动阴极荧光探头15，使所述阴极荧光探头15位于探针12与物镜之间，所述测试样品14位于阴极荧光探头15的焦点。

步骤S32，提供电子束21，所述电子束21照射测试样品表面；通过物镜聚焦的电子束21通过阴极荧光探头15上的通孔照射到测试样品14的表面，所述探针进行电子束诱导感生电流信号的采集，所述阴极荧光探头进行阴极荧光信号的采集。同时，所述扫描电子显微镜也可以进行测试样品14的表面形貌信号的采集。

在步骤S32之前还包括一步骤S311，启动加热模块16，对测试样品14进行加热并控制加热温度，以实现在加热状态下对测试样品14的测试。所述加热模块16具有一设定温度，带温度达到设定温度后，加热模块16保温一定时间，使温度恒定。根据测试样品14性质的不同，加热温度也不同，一般所述加热温度小于200℃。在温度稳定后可进行步骤S32。

 步骤S33，步骤S32测试结束后，将阴极荧光探头15从探针12与物镜之间移开，移动探针12，重复步骤S30~步骤32，进行下一个测试样品14的测试。将阴极荧光探头15完全退出后，根据扫描电子显微镜采集的测试样品的形貌，将探针12从已测样品的电极表面移开，并和下一个测试样品14的电极形成良好接触。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。  

Claims (10)

1.一种阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集装置，包括测试台、探针、探针固定装置及物镜，所述测试台用于放置测试样品，所述探针固定在所述探针固定装置上，用于与测试样品的电极接触，进行电子束诱导感生电流信号的采集，所述物镜用于聚焦电子束，其特征在于，所述装置还包括阴极荧光探头，所述阴极荧光探头设置于探针与物镜之间，用于进行阴极荧光信号的采集，所述测试样品位于阴极荧光探头的焦点。

2.根据权利要求1所述的阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集装置，其特征在于，所述阴极荧光探头焦点到阴极荧光探头的距离为1~1.5mm。

3.根据权利要求1所述的阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集装置，其特征在于，所述探针固定装置包括X方向平移器、Y方向平移器及Z方向平移器，所述X方向平移器、Y方向平移器及Z方向平移器与外部控制器相连，用于使所述探针在X、Y、Z方向移动并与所述测试样品的电极接触。

4.根据权利要求3所述的阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集装置，其特征在于，所述X方向平移器、Y方向平移器及Z方向平移器均为压电平移器。

5.根据权利要求1所述的阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集装置，其特征在于，所述测试台上设置有至少两个放置测试样品的位置，以完成多个测试样品的测试。

6.根据权利要求1所述的阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集装置，其特征在于，在所述测试台上设置一加热模块，所述测试样品设置于所述加热模块上，所述加热模块用于加热所述待测试样品并控制加热温度。

7.根据权利要求6所述的阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集装置，其特征在于，在所述测试台与所述加热模块之间设置有一隔热模块，所述隔热模块用于防止加热模块产生的热量传递到测试台上。

8.一种阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集的方法，其特征在于，包括如下步骤： （1）移动探针，使探针与测试样品的电极接触； （2）移动阴极荧光探头，使所述阴极荧光探头位于探针与物镜之间，所述测试样品位于阴极荧光探头的焦点； （3）提供电子束，使所述电子束照射测试样品表面；所述探针进行电子束诱导感生电流信号的采集，所述阴极荧光探头进行阴极荧光信号的采集。

9.根据权利要求8所述的阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集的方法，其特征在于，所述测试台上放置有至少两个测试样品，所述方法进一步包括如下步骤： 步骤（3）测试结束后，将阴极荧光探头从探针与物镜之间移开，移动探针，重复步骤（1）~步骤（3）。

10.根据权利要求8所述的阴极荧光与电子束诱导感生电流原位采集的方法，其特征在于，进一步包括如下步骤： 在步骤（3）之前，启动加热模块对测试样品进行加热并控制加热温度，以实现在加热状态下对测试样品的测试。