JP2008151518A - 試料測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試料の大きさに影響されない低転送倍率の試料測定装置を提供することである。
【解決手段】エネルギ線ＥＢを試料Ｗに照射することにより生じる光ＣＬを測定する試料測定装置１であって、試料Ｗを収容する試料収容部２と、前記試料収容部２内の試料Ｗにエネルギ線ＥＢを照射するエネルギ線照射部３と、前記エネルギ線ＥＢが照射された試料Ｗから生じる光ＣＬを集光する集光ミラー４１と、前記集光ミラー４１により集光された光ＣＬを受光して、前記試料収容部２外に伝送する光ファイバ４２と、を備え、前記光ファイバ４２が、前記試料収容部２内において、前記集光ミラー４１に近い支持部４２ａと、前記集光ミラー４１から遠い支持部４２ｂとで支持されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、エネルギ線を試料に照射することにより生じる光を測定する試料測定装置に関するものである。

この種の試料測定装置には、エネルギ線である電子線を試料（サンプル）に照射することにより試料から生じる蛍光（カソードルミネッセンス）を用いて、試料の微小領域における物性評価や半導体素子の解析を行うカソードルミネッセンス測定装置がある。

そして、このものは、特許文献１に示すように、試料から生じる蛍光を集光ミラーにより集光し、その集光した光を試料収容部の側壁に固定した光ファイバに導く構造となっている。

しかしながら、試料が大きくなればなるほど、測定時の試料の移動範囲も大きくなり、その移動範囲以上に試料収容部を大きくしなくてはならない。その結果、試料収容部の側壁に設けられた光ファイバと集光ミラーとの距離が長くなってしまい、作動距離（ＷＤ）を可及的に小さくしなければならないという制約の下では、転送倍率が低下してしまうという問題がある。

また、光ファイバを試料収容部内に延出させるように側壁に固定して、転送倍率を向上させることも考えられるが、光ファイバを試料収容部の側壁に固定する際に、その光入射端面（受光面）を、集光ミラーの焦点に調節する必要があり、組み立て及びメンテナンス等が極めて難しいという問題がある。
特開２００５−５０５６号

そこで本発明は、試料の大きさに影響されない低転送倍率の試料測定装置を提供することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る試料測定装置は、エネルギ線を試料に照射することにより生じる光を測定する試料測定装置であって、試料を収容する試料収容部と、前記試料収容部内の試料にエネルギ線を照射するエネルギ線照射部と、前記エネルギ線が照射された試料から生じる光を集光する集光ミラーと、前記集光ミラーにより集光された光を受光して伝送する光伝達部材と、を備え、前記光伝達部材が、前記試料収容部内において、前記光伝達部材に沿って、前記集光ミラーに近い部分と、前記集光ミラーから遠い部分とで支持されていることを特徴とする。ここで、「試料収容部」とは、試料が収容される空間と、その空間を囲む壁を含む概念である。

このようなものであれば、試料収容部内において光伝達部材を２箇所で支えているので、光伝達部材の固定位置が試料収容部の壁部により制限されることが無く、試料の大きさに関係なく、光伝達部材と集光ミラーとの距離を小さくすることができ、低転送倍率を実現することができるようになる。また、光伝達部材を２箇所で支えることにより、光学設計の自由度が増し、光伝達部材と集光ミラーとの最適な配置を簡単に実現することができるようになる。

ここで、「転送倍率」＝（光伝達部材の受光面の径）／（試料上測定できる発光領域の径）≒（集光ミラーから光伝達部材の受光面までの距離）／（集光ミラーから試料表面までの距離）である。つまり、受光面の径が予め決められたものでは、試料上の測定領域はできるだけ大きい方が良いので、理想的な転送倍率は、１／∞、すなわちゼロとなる。集光ミラーと試料表面との距離を長くすると、電子顕微鏡の解像度が悪くなってしまう。そこで、電子顕微鏡の解像度を保ったまま、転送倍率を小さくするためには、集光ミラーと光伝達部材の受光面との距離を小さくすることを要する。

上記効果を一層顕著にするためには、前記集光ミラーに近い部分が、前記試料収容部における壁部に設けた保持駆動機構により支持されており、前記集光ミラーから遠い部分が、前記壁部に固定支持されていることが望ましい。これならば、光伝達部材、エネルギ線照射部及び集光ミラーをユニット化することや、装置の小型化といった効果も得ることができる。

このように構成した本発明によれば、試料の大きさに影響されない低転送倍率の試料測定装置を提供することできる。

以下に、本発明の試料測定装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図１は、本実施形態に係る試料測定装置１の模式的構成図であり、図２は、試料測定装置１の集光ミラー４１及び光ファイバ４２を主として示す拡大断面模式図である。なお、以下において、Ｘ方向とは、図１等において左右方向であり、Ｙ方向とは、図１等において紙面に垂直な方向であり、Ｚ方向とは、図１等において上下方向である。

＜装置構成＞
本実施形態に係る試料測定装置１は、エネルギ線である電子線ＥＢを半導体ウエハ等の試料Ｗに照射することにより試料Ｗから生じるカソードルミネッセンスＣＬを用いて、試料Ｗの微小領域における物性評価や半導体素子の解析を行うもの、いわゆるカソードルミネッセンス測定装置である。

具体的に、このものは、図１に示すように、試料Ｗを収容する試料収容部２と、その試料収容部２内に収容された試料Ｗにエネルギ線である電子線ＥＢを照射するエネルギ線照射部たる電子線照射装置３と、電子線ＥＢの照射によって試料Ｗから発生するカソードルミネッセンスＣＬを分光し、検出する光検出部たる検出装置４と、その検出装置４からの出力信号を受信し、前記試料Ｗを評価等（例えば応力測定）するために所定の演算処理を行う情報処理装置５と、を備えている。

以下、各部２〜５について説明する。

試料収容部２は、電子線ＥＢが照射される測定対象の試料Ｗ（サンプル）を収容するものであり、試料Ｗが載置される試料台２０１と、当該試料台２０１をＸＹＺ方向に駆動する駆動機構（図示しない）とを備えている。そして、試料収容部２は、試料のＸＹ方向への移動を制限する側壁部２２と、その側壁部２２の一方の開口を閉塞して、試料Ｗの測定対象面と対向する上壁部２１と、前記側壁部２２の他方の開口を閉塞して、試料Ｗの裏面（測定対象面とは反対面）と対向する底壁部２３と、それら壁２１〜２３に囲まれた空間から形成されている。

電子線照射装置３は、例えば熱電界放出型の電子銃３１と、電子銃３１から射出された電子線ＥＢを試料Ｗの所定部位に収束させるレンズ機構及び電子線ＥＢを走査させるための走査機構等からなる電子線制御機構３２と、電子銃３１及び電子線制御機構３２を内部に有する鏡筒３３と、を備えている。鏡筒３３の下端部には、前記試料収容部２の上壁部２１が連続して設けられている。

検出装置４は、集光ミラー４１、光ファイバ４２、分光部４３及びセンシング部４４を備えたものである。

集光ミラー４１は、鏡筒３３及び試料Ｗの間に設けられ、試料Ｗから発生するカソードルミネッセンスＣＬを最小限の損失で集め光ファイバ４２に導くものであり、鏡筒３３で収束された電子線ＥＢを通過させ、その電子線ＥＢを試料Ｗに照射するためのエネルギ線通路と、その通路の軸線上に焦点Ｆが設定されたミラー面とを有するものである。そして、本実施形態の集光ミラー４１は、鏡筒３３に固定されて鏡筒３３と一体をなす構成としている。ミラー面は、放物面鏡又は楕円面鏡などが考えられるが本実施形態では楕円面鏡を用いている。

光ファイバ４２は、その先端部分が、測定対象面と対向する壁の測定対象面に最も近い点を通る測定対象面に平行な平面（本実施形態では、上壁部２１の下面）を横切るように、試料収容部２内に導入されて、受光面である先端面が集光ミラー４１の焦点に配置されるとともに、後端部分が分光部４３に接続されている。そして、集光ミラー４１により集光されたカソードルミネッセンスＣＬを分光部４３に転送するものである。本実施形態では、光ファイバ４２は、試料収容部２内において、収容管であるベローズ管４２１内に収容され、ベローズ管４２１とともに光伝達部材を構成している。そして、ベローズ管４２１の先端部に設けられた透光窓を介して、カソードルミネッセンスＣＬを受光する。

分光部４３は、前記集光ミラー４１で集光されたカソードルミネッセンスＣＬを単色光に分離するもので、例えばモノクロメータを利用して構成している。センシング部４４は、光検出部であり、前記分光部４３で波長毎に複数に分光された各単色光の強度をそれぞれ測定し、各単色光の強度に応じた値の電流値（又は電圧値）を有する出力信号を出力するものである。

情報処理装置５は、構造としては、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェイス、ＡＤ変換器、入力手段等からなる汎用又は専用のコンピュータである。そして、前記メモリの所定領域に格納してあるプログラムに基づいてＣＰＵやその周辺機器が作動することにより、この情報処理装置５が、前記検出装置４からの出力信号を受信し、走査した各測定ポイントでの応力等を算出する。

しかして、本実施形態の試料測定装置１は、図２に示すように、前記光ファイバ４２が、試料収容部２内において、光ファイバ４２に沿って、集光ミラー４１に近い部分４２ａ（以下、「第１支持部４２ａ」という。）と、集光ミラー４１から遠い部分４２ｂ（以下「第２支持部４２ｂ」という。）との２箇所で支持されている。具体的に光ファイバ４２は、試料収容部２の上壁部２１及び試料収容部２内の空間において支持されている。

第１支持部４２ａは、光ファイバ４２の先端部分であり、試料収容部２内の空間に配置されるように、電子線照射装置３が配設される壁（本実施形態では、上壁部２１）に設けられた保持駆動機構６により支持されている。

第２支持部４２ｂは、光ファイバ４２において、試料収容部２の上壁部２１に設けられた挿入孔に嵌合している部分であり、上壁部２１に直接固定支持されている。より詳細には、上壁部２１に別体に設けられたファイバ固定部材２１１の取付孔２１１ａに光ファイバ４２を固定して、このファイバ固定部材２１１を上壁部２１に固定することにより、光ファイバの第２支持部４２ｂが上壁部２１に支持されることになる。なお、本実施形態では、光ファイバ４２は、ベローズ管４２１に収容されているので、ベローズ管４２１を取付孔２１１ａに溶接などにより気密に固定している。

保持駆動機構６は、真空中において保持駆動可能なものであり、前記光ファイバ４２の第１支持部４２ａを試料収容部２内において支持するとともに、ＸＹＺ方向に駆動させて、その受光面を集光ミラー４１の焦点に調節するものであり、把持部６１１を先端に有する駆動アーム６１と、その駆動アーム６１をＸＹＺ方向に駆動する駆動部６２とを備えている。

駆動アーム６１は、上壁部２１に形成された挿通孔に挿入されて、試料収容部２の空間内に延びるものである。その挿通孔の径は、駆動アーム６１のＸＹＺ方向への駆動を可能とするため、駆動アーム６１の断面径よりも大きく形成されている。駆動アーム６１の基端部には、上壁部２１の上面と気密を保ちながら、駆動アーム６１のＸＹＺ方向への移動を可能とする可動部材６１２が設けられている。可動部材６１２の下面と上壁部２１の上面との間にシール部材としてＯリングが設けられている。そして、可動部材６１２は、駆動アーム６１がＸＹ方向に移動するときは、駆動アーム６１とともに気密を保ちながらＸＹ方向に移動し、駆動アーム６１がＺ方向に移動するときには、Ｚ方向には移動せず、駆動アーム６１の側周面との間に設けられたＯリングにより気密を担保している。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る試料測定装置１によれば、光ファイバ４２を試料収容部２内で２点で支持しているので、試料Ｗの移動範囲と無関係であり、集光ミラー４１と光ファイバ４２先端面との位置を短く保つことができ、試料の大きさに関係なく、カソードルミネッセンス測定の低転送倍率を実現することができる。そして、転送倍率を小さくすることができることにより、光ファイバ４２の取り付け誤差による測定誤差を可及的に小さくすることができる。また、光学設計の自由度が増し、光ファイバ４２と集光ミラー４１との最適な光学配置を実現することができる。

光ファイバ４２の第１支持部を保持駆動機構６により調節することができるので、組み立て及びメンテナンス時の、光ファイバ４２の受光面の、集光ミラー４１の焦点への調節が極めて簡単になる。

第１支持部４２ａ、第２支持部４２ｂを試料収容部２内に配設するために、上壁部２１に設けた取付孔２１１ａと電子線照射装置３を試料収容部２内に配設するために上壁部２１に設けた取付部（本実施形態では、上壁部２１のうち、電子線照射装置３が取り付けられている部分）との相対的な位置が固定してあるので、試料収容部２の大きさが変化しても、同じ光学配置を用いることができる。

さらに、光ファイバ４２が、試料収容部２の上壁部２１から導入されるとともに、その上壁部２１に設けられた保持駆動機構６により支持されているので、試料収容部２の側壁部２２と上壁部２１とを分離して、その上壁部２１、電子線照射装置３及び集光ミラー４１をユニット化することができ、半導体ウエハ等の試料Ｗのサイズに関係無く、同一のユニットを用いることができるようになる。これにより、カソードルミネッセンス測定に最適な光学配置を、そのユニットのみにより担保することができ、あらゆる大きさの試料Ｗであっても高精度な測定が可能となる。さらに、上壁部２１を側壁部２２よりも厚くした試料収容部２があるが、このようなものに対して、側壁部２２から光ファイバ４２を導入しようとすれば、側壁部２２を補強部材により補強する必要があるが、本実施形態のように上壁部２１から導入することにより、必ずしも補強部材を必要としない。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。以下の説明において前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。

例えば、図３に示すように、上壁部２１に突設部２１２を設け、その外側壁２１２ａから光伝達部材を導入するようにしても良い。このようなものであれば、光伝達部材を壁に対して垂直に導入することができるので、導入しやすくなり、溶接などの封止も行いやすくすることができる。

例えば、前記実施形態では、光ファイバ４２の第１支持部４２ａが、保持駆動機構６により支持されているが、その他、図４に示すように、光ファイバ４２の第１支持部４２ａを集光ミラー４１又は鏡筒３３に直接固定するようにしても良い。具体的には、光ファイバ４２を収容しているベローズ管４２１の先端側周面に設けた固定部材７を集光ミラー４１又は鏡筒３３に固定する。

また、前記実施形態では、集光ミラー４１は、鏡筒３３に取り付けられ、一体をなすものであったが、これに限定されず、鏡筒３３と別体をなすものであり、試料収容部２内に固定されるものであっても良い。

さらに、前記実施形態では、光ファイバ４２の第２支持部４２ｂが、上壁部２１に固定支持されているが、その他、光ファイバ４２を側壁部２２から試料収容部２内に導入して、その側壁部２２に固定支持させるようにしても良い。この場合、試料Ｗの移動を妨げないよう、側壁部２２において、試料Ｗよりも上方に設けることが望ましい。

加えて、前記実施形態では、光ファイバを試料収容部２の上壁部及び保持駆動機構により２箇所で支持するものであったが、その他、３箇所以上で支持するようにしても良い。

さらに加えて、試料収容部２の側壁部２２と上壁部２１とを分離して、その上壁部２１、電子線照射装置３及び集光ミラー４１をユニット化しても良い。これにより、試料サイズよりも小さいユニットを用いてカソードルミネッセンス測定を行うことが可能となる。

その上、前記実施形態ではセンシング部４４をフォトマルチプライヤ（ＰＭＴ）を用いて構成しているが、測定する波長領域によって使用する機器を変えても構わない。例えば赤外（１μｍ〜）においては、Ｇｅ検出器、Ｐｂｓ検出器、赤外ＰＭＴ等を用いることが好ましい。また、光−電子変換効率、ダイナミックレンジ、Ｓ／Ｎに優れているといったことからＣＣＤを利用してもよい。ＣＣＤによればスペクトルの一括検出も可能である。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明の一実施形態に係る試料測定装置の模式構成図。 同実施形態における試料測定装置の拡大断面模式図。 その他の第１変形実施形態に係る試料測定装置の拡大断面模式図。 その他の第２変形実施形態に係る試料測定装置の拡大断面模式図。

符号の説明

１ ・・・試料測定装置
Ｗ ・・・試料
ＥＢ ・・・エネルギ線（電子線）
ＣＬ ・・・光（カソードルミネッセンス）
２ ・・・試料収容部
２１ ・・・上壁部
２２ ・・・側壁部
３ ・・・エネルギ線照射部（電子線照射装置）
３１ ・・・電子銃
３２ ・・・電子線制御機構
３３ ・・・鏡筒
４ ・・・検出装置
４１ ・・・集光ミラー
４２ ・・・光ファイバ
４２ａ・・・集光ミラーに近い部分（第１支持部）
４２ｂ・・・集光ミラーから遠い部分（第２支持部）
５ ・・・情報処理装置
６ ・・・保持駆動機構

Claims (2)

1. エネルギ線を試料に照射することにより生じる光を測定する試料測定装置であって、
   試料を収容する試料収容部と、
   前記試料収容部内の試料にエネルギ線を照射するエネルギ線照射部と、
   前記エネルギ線が照射された試料から生じる光を集光する集光ミラーと、
   前記集光ミラーにより集光された光を受光して伝送する光伝達部材と、を備え、
   前記光伝達部材が、前記試料収容部内において、前記集光ミラーに近い支持部と、前記集光ミラーから遠い支持部とで支持されている試料測定装置。
2. 前記集光ミラーに近い支持部が、前記試料収容部における壁部に設けた保持駆動機構により支持されており、
   前記集光ミラーから遠い支持部が、前記壁部に固定支持されている請求項１記載の試料測定装置。