JP5599051B2

JP5599051B2 - ３次元像測定装置及び３次元像測定方法

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Publication number: JP5599051B2
Application number: JP2010184024A
Authority: JP
Inventors: 肇友景; 晴樹末吉
Original assignee: Fukuoka Industry Science and Technology Foundation; Fukuoka University
Current assignee: Fukuoka Industry Science and Technology Foundation; Fukuoka University
Priority date: 2010-08-19
Filing date: 2010-08-19
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2030-08-19
Also published as: JP2012043651A

Description

この発明は、レーザビーム（レーザ光）及び荷電粒子ビーム（電子ビーム（電子線）、イオンビーム（イオン線）等）に起因して試料に誘起される電流を測定し、測定した電流値に基づいて測定対象の試料（以下、単に「試料」と称す）の３次元像を形成し、試料に対して３次元で高分解能かつ電気的評価を可能にする３次元像測定装置及び３次元像測定方法に関する。

近年、半導体デバイス及び複数の半導体デバイスを実装した集積回路（特に、ＳｉＰ（System In Package）やＳｏＣ（System-on-a-chip））に対する不良解析や欠陥解析を非破壊で行なうことが求められている。

特に、素子（電子部品）や配線が微細化しており、フリップチップボンディング等においてチップを裏返して他の基板上の端子等に接続されている場合には、不良箇所を特定することが困難であるという問題点がある。

また、Ｘ線や超音波を用いる測定法では、測定精度が低く、電子ビームを用いる方法では、加速電圧を上げた場合に、試料の深さ（Ｚ）方向の情報と共に横（ＸＹ）方向の解像度が落ちる等の問題点がある。

これに対し、従来の試料検査方法は、試料上の所定範囲を走査領域として荷電粒子ビームで走査すると同時に、当該走査領域をレーザビームにより走査し、試料に接触させた導電性プローブを介して両ビームの走査時における試料からの信号を検知し、これによる検知信号に基づいてコンピュータは検査画像を形成する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−９６０１１号公報

従来の試料検査方法は、電子ビームとレーザビームとを２次元走査して試料に流れる電流値等の検知信号及び走査信号に基づく検査画像や、被検出電子の検出に応じた検出信号及び走査信号に基づく走査像を検査画像に重ね合わせて合成画像を形成するものである。すなわち、従来の試料検査方法は、検査画像が２次元の電流画像であり、３次元の電流画像による試料の検査方法については検討されていなかった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、半導体デバイスや３次元に実装した集積回路（デバイスシステム）の欠陥箇所や不良箇所を、３次元の電流像を用いて特定することができる３次元像測定装置及び３次元像測定方法を提供するものである。

この発明に係る３次元像測定装置においては、測定対象の試料を載置するステージと、荷電粒子ビームを放出する発生源と、レーザビームを出射するレーザ光源と、レーザビームを偏向して試料に対して走査する走査ミラーと、走査ミラーを駆動させる走査信号を当該走査ミラーに出力する走査回路と、走査されるレーザビームを試料に集光する対物レンズと、ステージ又は対物レンズの少なくとも一方を光軸に沿って移動させ、光軸方向における試料及び対物レンズ間の相対距離を変化させる光軸方向移動機構と、光軸方向移動機構を駆動させる制御信号を当該光軸方向移動機構に出力する光軸方向移動制御回路と、試料上の任意の位置に接触され、当該試料に照射された荷電粒子ビーム及びレーザビームに起因して当該試料に誘起される電流を出力する導電性プローブと、走査回路からの走査信号である前記レーザビームの走査時における当該レーザビームの各焦点位置の情報及び当該各焦点位置に対応する導電性プローブからの電流値に基づいて試料の２次元の電流像を構築し、光軸方向移動機構による各相対距離における各２次元電流像を重ね合わせた合成像である３次元の電流像を構築する演算部と、を備えるものである。

開示の３次元像測定装置は、半導体デバイスやデバイスシステムの欠陥箇所や不良箇所を、３次元の電流像を用いて特定することができるという効果を奏する。

第１の実施形態に係る３次元像測定装置の概略構成を示す概念図である。（ａ）はレーザビームが照射された試料の温度が局所的に上昇することを説明するための説明図であり、（ｂ）は試料上の任意の位置に電子ビームをスポット照射してレーザビームのみを走査する場合を説明するための説明図であり、（ｃ）は電子ビーム及びレーザビームを光軸に平行な同軸上で走査する場合を説明するための説明図である。（ａ）は図１に示す演算部により構築した２次元電流像の一例を示す説明図であり、（ｂ）は図１に示す光軸方向移動機構による各相対距離における各２次元電流像を重ね合わせた状態を示す説明図であり、（ｃ）は図１に示す演算部により構築した各２次元電流像を重ね合わせた３次元電流像の一例を示す説明図である。図１に示す３次元像測定装置の処理動作を示すフローチャートである。図１に示す３次元像測定装置の他の処理動作を示すフローチャートである。図１に示す３次元像測定装置のさらに他の処理動作を示すフローチャートである。図１に示す電子顕微鏡部の替わりにイオン顕微鏡部を用いる場合の発生源を説明するための説明図である。（ａ）は図１に示す記憶部に格納された３次元ＣＡＤデータに対応する３次元モデルの一例を示す説明図であり、（ｂ）は図３（ｃ）に示す３次元電流像と図８（ａ）に示す３次元モデルとを合成した一例を示す説明図である。

（本発明の第１の実施形態）
３次元像測定装置１００は、大別すると、走査型電子顕微鏡に相当する電子顕微鏡部１０と、走査型共焦点レーザ顕微鏡に相当するレーザ顕微鏡部２０と、電流測定装置に相当する電流測定部３０と、コンピュータ４０とからなる。

電子顕微鏡部１０は、試料２００を載置するステージ１１と、荷電粒子ビームとして電子ビーム１を放出する電子銃１２と、後述する第１の対物レンズ１５に到達する電子の数（プローブ電流）と細い電子ビーム１（電子プローブ）の太さとを調整する集束レンズ１
３と、電子ビーム１を偏向して試料２００に対して走査する走査コイル１４と、電子ビーム１を試料２００に集光する対物レンズ（以下、第１の対物レンズ１５と称す）と、を備える。また、電子顕微鏡部１０は、試料２００から放出された二次電子を検出し、当該検出した二次電子の光の強度を示す電気信号を出力する電子検出器１６と、電子検出器１６からの電気信号を増幅する増幅器（以下、第１の増幅器１７ａと称す）と、第１の増幅器１７ａからのアナログ信号をデジタル信号に変換してコンピュータ４０に出力するＡ／Ｄ変換回路（以下、第１のＡ／Ｄ変換回路１７ｂと称す）と、を備える。

また、電子顕微鏡部１０は、電子銃１２、集束レンズ１３、走査コイル１４及び第１の対物レンズ１５を内設する本体上部を構成する鏡筒１８ａと、試料２００、ステージ１１及び電子検出器１６、並びに、後述する導電性プローブ３１及びマニピュレータ３２を内設する本体下部を構成する試料室１８ｂと、を備える。なお、鏡筒１８ａ及び試料室１８ｂ内部は真空である。

試料室１８ｂの底面において、試料２００の裏面に対向する部分には図示しない開口部が形成されており、当該開口部は試料室１８ｂの外面に配置された石英ガラス板１９により塞がれている。また、ステージ１１において、試料２００の裏面に対応する部分には、試料２００の外形よりも小さく形成された開口部１１ａが配設されている。

また、試料室１８ｂの下方にはレーザ顕微鏡部２０が配設され、レーザ顕微鏡部２０からのレーザビーム２が石英ガラス板１９、試料室１８ｂの図示しない開口部及びステージ１１の開口部１１ａを介して試料２００に照射される。なお、電子顕微鏡部１０の光学系の光軸とレーザ顕微鏡部２０の光学系の光軸とは、一致している。

レーザ顕微鏡部２０は、レーザビーム２を出射するレーザ光源２１と、レーザ光源２１から出射されたレーザビーム２を透過させると共に、試料２００から反射したレーザビーム２を所望の方向に反射するビームスプリッタ２２ａと、後述する第２の対物レンズ２５の瞳２５ａと共役な位置に配置され、レーザビーム２を偏向して試料２００に対して走査する走査ミラー２３と、走査ミラー２３を駆動させる走査信号を当該走査ミラー２３に出力する走査回路２４と、を備える。

なお、本実施形態に係るレーザビーム２は、試料２００が半導体（例えば、シリコン）ウェハから分割したダイを含む半導体デバイスであれば、半導体に透明な赤外線レーザを用いることになる。

また、走査回路２４は、必要に応じて、走査コイル１４を駆動させる走査信号を当該走査コイル１４に出力して、電子ビーム１及びレーザビーム２を光軸に平行な同軸上で走査する。また、走査回路２４は、レーザ顕微鏡部２０に配設させず、電子顕微鏡部１０に配設させてもよい。

また、レーザ顕微鏡部２０は、第２の対物レンズ２５の瞳面をリレー（伝送）する瞳投影レンズ２２ｂと、試料２００から反射して１／４波長板２２ｄを通過したレーザビーム２を結像させる結像レンズ（以下、第１の結像レンズ２２ｃと称す）と、第１の結像レンズ２２ｃを通過した直線偏光のレーザビーム２の偏光方向を１／４波長分だけ変換して円偏光に変換すると共に、試料２００から反射した円偏光のレーザビーム２を直線偏光に変換する１／４波長板２２ｄと、を備える。

また、レーザ顕微鏡部２０は、走査されるレーザビーム２を試料２００に集光する対物レンズ（以下、第２の対物レンズ２５と称す）と、第２の対物レンズ２５を光軸に沿って移動させ、光軸方向における試料２００及び第２の対物レンズ２５間の相対距離を変化さ
せる光軸方向移動機構２６と、光軸方向移動機構２６を駆動させる制御信号を当該光軸方向移動機構２６に出力する光軸方向移動制御回路２７と、を備える。この光軸方向移動機構２６としては、例えば、複数の第２の対物レンズ２５を保持し、複数の第２の対物レンズ２５のうち一つを選択的に光軸上に配置し得るレボルバが挙げられる。

なお、本実施形態に係る３次元像測定装置１００は、レーザ顕微鏡部２０に光軸方向移動機構２６を備えているが、光軸方向における試料２００及び第２の対物レンズ２５間の相対距離を変化させることができるのであれば、ステージ１１を光軸に沿って移動させる図示しない光軸方向移動機構を電子顕微鏡部１０に配設させてもよい。この場合には、光軸方向移動機構２６及び光軸方向移動制御回路２７をレーザ顕微鏡部２０に配設させず、ステージ１１を光軸に沿って移動させる光軸方向移動機構を駆動させる制御信号を当該光軸方向移動機構に出力する図示しない光軸方向移動制御回路を電子顕微鏡部１０に配設させてもよい。

また、レーザ顕微鏡部２０は、ビームスプリッタ２２ａで反射されたレーザビーム２を結像させる結像レンズ（以下、第２の結像レンズ２２ｅと称す）と、第２の対物レンズ２５の焦点位置に対して共役な位置に配置されたピンホール２８ａと、試料２００で反射されてピンホール２８ａを通過したレーザビーム２を受光し、当該受光したレーザビーム２の光の強度を示す電気信号を出力する光検出器２８と、光検出器２８からの電気信号を増幅する増幅器（以下、第２の増幅器２９ａと称す）と、第２の増幅器２９ａからのアナログ信号をデジタル信号に変換してコンピュータ４０に出力するＡ／Ｄ変換回路（以下、第２のＡ／Ｄ変換回路２９ｂと称す）と、を備える。

電流測定部３０は、試料２００上の任意の位置に接触され、当該試料２００に照射された電子ビーム１及びレーザビーム２に起因して当該試料２００に誘起される電流（以下、単に「誘起電流」と称す）を出力する導電性プローブ３１と、複数の導電性プローブ３１が配設され、導電性プローブ３１を遠隔操作するマニピュレータ３２と、導電性プローブ３１からの電気信号を増幅する増幅器（以下、第３の増幅器３３ａと称す）と、第３の増幅器３３ａからのアナログ信号をデジタル信号に変換してコンピュータ４０に出力するＡ／Ｄ変換回路（以下、第３のＡ／Ｄ変換回路３３ｂと称す）と、を備える。なお、試料２００は、レーザビーム２が照射されると、図２（ａ）に示すように、照射された部分の温度が局所的に上昇する。すなわち、試料２００に欠陥や接合等の不具合があると、不具合点での温度上昇による電気抵抗の変化が他の部分と異なるため、一定のバイアス下で、レーザビーム２を走査し、誘起電流を測定してマッピングすることで、不具合の評価が可能となる。

コンピュータ４０は、３次元像測定装置１００の使用者（以下、測定者と称す）が試料２００に対する測定範囲（試料２００の高さ）ｚや光軸方向の移動量Δｚの設定値等を入力するためのキーボードやマウス等の入力部４１と、入力部４１からの入力信号に基づいて走査回路２４、光軸方向移動制御回路２７及び演算部４３に制御信号を出力する制御部４２と、を備える。また、コンピュータ４０は、走査回路２４からの走査信号及び導電性プローブ３１からの誘起電流の電流値に基づいて試料２００の２次元の電流像を構築し、光軸方向移動機構２６による各相対距離における各２次元電流像を重ね合わせた合成像である３次元の電流像を構築する演算部４３と、演算部４３による演算結果を記憶する記憶部４４と、演算部４３によって構築された合成像を表示する表示部４５と、を備える。

なお、レーザ顕微鏡部２０は、レーザビーム２を焦点位置（一点）に照射することができるのであるが、光の強度が焦点位置と比較して微弱ながら、焦点位置の周囲にもレーザビーム２が分布し、焦点位置の周囲に照射されたレーザビーム２に起因して試料２００に誘起電流が流れることもある。

このため、演算部４３は、３次元電流像を構築するにあたり、導電性プローブ３１からの誘起電流の電流値のうち、光軸に平行な同軸上における、光軸方向移動機構２６による各相対距離（隣り合う相対距離）で出力された電流値の差分を算出し、当該算出した差分値（各焦点位置に対応する差分値）及び走査回路２４からの走査信号（各焦点位置の情報）に基づいて、試料２００の２次元電流像を構築することが好ましい。

また、演算部４３は、必要に応じて、走査回路２４からの走査信号及び光検出器２８からの電気信号値に基づいて試料２００の２次元の光学像を構築し、光軸方向移動機構２６による各相対距離における各２次元光学像を重ね合わせた合成像である３次元の光学像を構築すると共に、当該３次元光学像を３次元電流像に重ね合わせた合成像を構築する。

また、演算部４３は、必要に応じて、走査回路２４からの走査信号及び電子検出器１６からの電気信号値に基づいて試料２００のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）像を構築すると共に、当該ＳＥＭ像を３次元電流像に重ね合わせた合成像を構築する。

つぎに、３次元像測定装置１００を用いた試料２００の測定方法について、図３及び図４を用いて説明する。

なお、以下の説明においては、図２（ｂ）に示すように、試料２００上の任意の位置に電子ビーム１をスポット照射し、レーザビーム２のみを走査する場合について説明するが、図２（ｃ）に示すように、電子ビーム１及びレーザビーム２を光軸に平行な同軸３上で走査してもよい。

まず、測定者は、電子顕微鏡部１０の試料室１８ｂ内のステージ１１上に試料２００を載置させ、試料２００上の任意の位置に導電性プローブ３１を接触させる。
そして、測定者は、コンピュータ４０の入力部４１を用いて、試料２００の光軸（Ｚ）方向の測定範囲ｚを入力して設定し（ステップＳ１）、レーザ顕微鏡部２０の光軸方向移動機構２６による光軸（Ｚ）方向の１回の移動量Δｚを入力して設定する（ステップＳ２）。

コンピュータ４０の演算部４３は、入力部４１からの測定範囲ｚ及び移動量Δｚの設定値が制御部４２を介して入力されると、測定範囲ｚから移動量Δｚを除算して光軸方向への移動回数ｎ（＞＝ｚ／Δｚ、ｎは自然数）を算出する（ステップＳ３）。

レーザ顕微鏡部２０の光軸方向移動制御回路２７は、コンピュータ４０の制御部４２からの制御信号に基づき、光軸方向移動機構２６を駆動させる制御信号を当該光軸方向移動機構２６に出力し、光軸方向移動機構２６により、第２の対物レンズ２５（レーザビーム２の焦点）を光軸（Ｚ）方向の測定開始位置ｚ₀に移動させる（ステップＳ４）。

そして、電子顕微鏡部１０は、電子銃１２から試料２００に向けて電子ビーム１を放出し、集束レンズ１３及び第１の対物レンズ１５により試料２００上に電子ビーム１を集束して、電子ビーム１をスポット照射する（ステップＳ５）。

また、レーザ顕微鏡部２０は、レーザ光源２１からレーザビーム２を出射し、光学系（ビームスプリッタ２２ａ、走査ミラー２３、瞳投影レンズ２２ｂ、第１の結像レンズ２２ｃ、１／４波長板２２ｄ、瞳２５ａ、第２の対物レンズ２５）、電子顕微鏡部１０の石英ガラス板１９、試料室１８ｂの図示しない開口部及びステージ１１の開口部１１ａを介して、試料２００にレーザビーム２を照射する。この場合に、レーザ顕微鏡部２０の走査回路２４は、コンピュータ４０の制御部４２からの制御信号に基づき、走査ミラー２３を駆
動させる走査信号を当該走査ミラー２３に出力し、走査ミラー２３により、試料２００に対してレーザビーム２を走査する（ステップＳ５）。

電流測定部３０は、電子ビーム１のスポット照射及びレーザビーム２の走査時における試料２００に流れる誘起電流を導電性プローブ３１により取得する。そして、電流測定部３０は、取得した誘起電流を第３の増幅器３３ａにより増幅し、第３のＡ／Ｄ変換回路３３ｂによりアナログ信号をデジタル信号に変換して、コンピュータ４０の演算部４３に出力する（ステップＳ５）。この場合に、レーザ顕微鏡部２０の走査回路２４は、コンピュータ４０の演算部４３に走査信号（各焦点位置の情報）を出力する。

コンピュータ４０の演算部４３は、レーザ顕微鏡部２０の走査回路２４からの走査信号（各焦点位置の情報）及び電流測定部３０の導電性プローブ３１からの誘起電流の電流値（各焦点位置に対応する電流値）に基づいて、試料２００の２次元電流像を構築する（ステップＳ６、図３（ａ））。また、コンピュータ４０の演算部４３は、構築した２次元電流像を記憶部４４に記憶させる。

なお、コンピュータ４０の演算部４３は、導電性プローブ３１からの誘起電流の電流値のうち、光軸に平行な同軸上における、光軸方向移動機構２６による各相対距離（隣り合う相対距離）で出力された電流値の差分を算出し、当該算出した差分値（各焦点位置に対応する差分値）及び走査回路２４からの走査信号（各焦点位置の情報）に基づいて、試料２００の２次元電流像を構築することが好ましい。

この場合に、コンピュータ４０の演算部４３は、各相対距離（隣り合う相対距離）で出力された電流値を取得するまで、２次元電流像を構築せず、走査信号（各焦点位置の情報）及び電流値（各焦点位置に対応する電流値）を記憶部４４に記憶させ、後述するステップＳ７に進むことになる。そして、後述するステップＳ７、ステップＳ８及びステップＳ５の処理を経て、コンピュータ４０の演算部４３は、各相対距離（隣り合う相対距離）で出力された電流値を取得することになると、記憶部４４に記憶された走査信号（各焦点位置の情報）及び電流値（各焦点位置に対応する電流値）を読み出す。そして、コンピュータ４０の演算部４３は、各相対距離（隣り合う相対距離）で出力された電流値の差分を算出し、当該算出した差分値（各焦点位置に対応する差分値）及び走査回路２４からの走査信号（各焦点位置の情報）に基づいて、試料２００の２次元電流像を構築する（ステップＳ６、図３（ａ））。

そして、コンピュータ４０の演算部４３は、レーザ顕微鏡部２０の光軸方向移動機構２６による光軸（Ｚ）方向の移動回数がｎ回に到達したか否かを判断する（ステップＳ７）。

ステップＳ７において、移動回数がｎ回に到達していないと判断した場合に、コンピュータ４０の演算部４３は、制御部４２に制御信号を出力する。

レーザ顕微鏡部２０の光軸方向移動制御回路２７は、コンピュータ４０の制御部４２からの制御信号に基づき、光軸方向移動機構２６を駆動させる制御信号を当該光軸方向移動機構２６に出力する。そして、レーザ顕微鏡部２０の光軸方向移動機構２６は、第２の対物レンズ２５（レーザビーム２の焦点）を光軸（Ｚ）方向の現在の測定位置ｚ_k（ｚ₀（測定開始位置）＜＝ｚ_k＜ｚ_n（測定終了位置））から移動量Δｚだけ移動させ（ステップＳ８）、ステップＳ５に戻る。

また、ステップＳ７において、移動回数がｎ回に到達していると判断した場合に、コンピュータ４０の演算部４３は、ステップＳ６により構築した、レーザ顕微鏡部２０の光軸
方向移動機構２６による各相対距離における各２次元電流像を、記憶部４４から読み出し、３次元空間に配置して重ね合わせ（図３（ｂ））、合成像である３次元電流像を構築する（ステップＳ９、図３（ｃ））。
そして、コンピュータ４０の演算部４３は、構築した合成像を表示部４５に出力して表示することで（ステップＳ１０）、試料２００の測定を終了する。

以上のように、本実施形態に係る３次元像測定装置１００は、２次元電流像では得られない試料２００の詳細な情報を３次元電流像で取得することができ、試料２００の欠陥箇所や不良箇所を３次元で特定することができ、従来にない３次元の不良解析を可能にするという作用効果を奏する。

なお、前述したように、３次元像測定装置１００を用いた試料２００の測定方法では、３次元電流像の合成像を構築する場合について説明したが、３次元電流像と３次元光学像とを重ね合わせた合成像を構築する場合には、図５に示す他の測定方法を行なうことになる。以下、図５に示す他の測定方法において、図４と同じ符号（ステップ）は、同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。

また、以下の説明においては、図２（ｂ）に示すように、試料２００上の任意の位置に電子ビーム１をスポット照射し、レーザビーム２のみを走査する場合について説明するが、図２（ｃ）に示すように、電子ビーム１及びレーザビーム２を光軸に平行な同軸３上で走査してもよい。

電子顕微鏡部１０は、電子銃１２から試料２００に向けて電子ビーム１を放出し、集束レンズ１３及び第１の対物レンズ１５により試料２００上に電子ビーム１を集束して、電子ビーム１をスポット照射する（ステップＳ５ａ）。

また、レーザ顕微鏡部２０は、レーザ光源２１からレーザビーム２を出射し、光学系（ビームスプリッタ２２ａ、走査ミラー２３、瞳投影レンズ２２ｂ、第１の結像レンズ２２ｃ、１／４波長板２２ｄ、瞳２５ａ、第２の対物レンズ２５）、電子顕微鏡部１０の石英ガラス板１９、試料室１８ｂの図示しない開口部及びステージ１１の開口部１１ａを介して、試料２００にレーザビーム２を照射する。この場合に、レーザ顕微鏡部２０の走査回路２４は、コンピュータ４０の制御部４２からの制御信号に基づき、走査ミラー２３を駆動させる走査信号を当該走査ミラー２３に出力し、走査ミラー２３により、試料２００に対してレーザビーム２を走査する（ステップＳ５ａ）。

レーザビーム２が照射された試料２００から発生する反射光は、電子顕微鏡部１０のステージ１１の開口部１１ａ、試料室１８ｂの図示しない開口部、石英ガラス板１９、レーザ顕微鏡部２０の光学系（第２の対物レンズ２５、瞳２５ａ、１／４波長板２２ｄ、第１の結像レンズ２２ｃ、瞳投影レンズ２２ｂ、走査ミラー２３、ビームスプリッタ２２ａ、第２の結像レンズ２２ｅ）及びピンホール２８ａを介して、光検出器２８に入射する。すなわち、レーザ顕微鏡部２０は、レーザビーム２の走査時における試料２００からの反射光を光検出器２８で受光し、光検出器２８は、受光した反射光の光の信号を電気信号に変換する。そして、レーザ顕微鏡部２０は、変換した電気信号を第２の増幅器２９ａにより増幅し、第２のＡ／Ｄ変換回路２９ｂによりアナログ信号をデジタル信号に変換して、コンピュータ４０の演算部４３に出力する（ステップＳ５ａ）。この場合に、レーザ顕微鏡部２０の走査回路２４は、コンピュータ４０の演算部４３に走査信号（各焦点位置の情報）を出力する。

また、電流測定部３０は、電子ビーム１のスポット照射及びレーザビーム２の走査時における試料２００に流れる誘起電流を導電性プローブ３１により取得する。そして、電流
測定部３０は、取得した誘起電流を第３の増幅器３３ａにより増幅し、第３のＡ／Ｄ変換回路３３ｂによりアナログ信号をデジタル信号に変換して、コンピュータ４０の演算部４３に出力する（ステップＳ５ａ）。

コンピュータ４０の演算部４３は、レーザ顕微鏡部２０の走査回路２４からの走査信号（各焦点位置の情報）及び電流測定部３０の導電性プローブ３１からの誘起電流の電流値（各焦点位置に対応する電流値）に基づいて、試料２００の２次元電流像を構築する（ステップＳ６ａ、図３（ａ））。また、コンピュータ４０の演算部４３は、レーザ顕微鏡部２０の走査回路２４からの走査信号（各焦点位置の情報）及びレーザ顕微鏡部２０の光検出器２８からの電気信号値（各焦点位置に対応する電気信号値）に基づいて、試料２００の２次元光学像を構築する（ステップＳ６ａ）。また、コンピュータ４０の演算部４３は、構築した２次元電流像及び２次元光学像を記憶部４４に記憶させる。

この場合に、コンピュータ４０の演算部４３は、各相対距離（隣り合う相対距離）で出力された電流値を取得するまで、２次元電流像を構築せず、走査信号（各焦点位置の情報）及び電流値（各焦点位置に対応する電流値）を記憶部４４に記憶させ、ステップＳ７に進むことになる。そして、ステップＳ７、ステップＳ８及びステップＳ５ａの処理を経て、コンピュータ４０の演算部４３は、各相対距離（隣り合う相対距離）で出力された電流値を取得することになると、記憶部４４に記憶された走査信号（各焦点位置の情報）及び電流値（各焦点位置に対応する電流値）を読み出す。そして、コンピュータ４０の演算部４３は、各相対距離（隣り合う相対距離）で出力された電流値の差分を算出し、当該算出した差分値（各焦点位置に対応する差分値）及び走査回路２４からの走査信号（各焦点位置の情報）に基づいて、試料２００の２次元電流像を構築する（ステップＳ６ａ、図３（ａ））。

ステップＳ７において、移動回数がｎ回に到達していると判断した場合に、コンピュータ４０の演算部４３は、ステップＳ６ａにより構築した、レーザ顕微鏡部２０の光軸方向移動機構２６による各相対距離における各２次元電流像を、記憶部４４から読み出し、３次元空間に配置して重ね合わせ（図３（ｂ））、３次元電流像を構築する（ステップＳ９ａ、図３（ｃ））。また、コンピュータ４０の演算部４３は、ステップＳ６ａにより構築した、レーザ顕微鏡部２０の光軸方向移動機構２６による各相対距離における各２次元光学像を、記憶部４４から読み出し、３次元空間に配置して重ね合わせ（図３（ｂ））、３次元光学像を構築する（ステップＳ９ａ）。
そして、コンピュータ４０の演算部４３は、ステップＳ９ａにより構築した、３次元電流像と３次元光学像とを重ね合わせて合成像を構築する（ステップＳ９ｂ）。

以上のように、本実施形態に係る３次元像測定装置１００は、２次元電流像では得られない試料２００の詳細な情報を３次元電流像及び３次元光学像で取得することができ、試料２００の欠陥箇所や不良箇所を３次元で特定することができ、従来にない３次元の不良解析を可能にするという作用効果を奏する。特に、本実施形態に係る３次元像測定装置１００は、３次元電流像と３次元光学像とを重ね合わせて合成像を構築して表示することにより、３次元電流像のみによる合成像と比較して、試料２００のさらに詳細な情報を取得することができるという作用効果を奏する。

なお、前述したように、３次元像測定装置１００を用いた試料２００の測定方法では、３次元電流像及び３次元光学像の合成像を構築する場合について説明したが、３次元電流像と３次元光学像とＳＥＭ像を重ね合わせた合成像を構築する場合には、図６に示すさらに他の測定方法を行なうことになる。以下、図６に示すさらに他の測定方法において、図４及び図５と同じ符号（ステップ）は、同一又は相当部分を示し、その説明を省略する。

電子顕微鏡部１０は、電子銃１２から試料２００に向けて電子ビーム１を放出し、集束レンズ１３及び第１の対物レンズ１５により試料２００上に電子ビーム１を集束して、電子ビーム１を照射する。この場合に、レーザ顕微鏡部２０の走査回路２４は、コンピュータ４０の制御部４２からの制御信号に基づき、電子顕微鏡部１０の走査コイル１４を駆動させる走査信号を当該走査コイル１４に出力し、走査コイル１４により電子ビーム１を偏向し、試料２００に対して電子ビーム１を走査する（ステップＳ５ｂ）。

電子ビーム１が照射された試料２００から放出する二次電子は、電子検出器１６により検出される。すなわち、電子顕微鏡部１０は、電子ビーム１の走査時における試料２００からの二次電子を電子検出器１６の蛍光物質に衝突させて発光させ、その光を再び電子に変換して電気信号にする。そして、レーザ顕微鏡部２０は、変換した電気信号を第１の増幅器１７ａにより増幅し、第１のＡ／Ｄ変換回路１７ｂによりアナログ信号をデジタル信号に変換して、コンピュータ４０の演算部４３に出力する（ステップＳ５ｂ）。この場合に、レーザ顕微鏡部２０の走査回路２４は、コンピュータ４０の演算部４３に走査信号（各焦点位置の情報）を出力する。

また、レーザ顕微鏡部２０は、レーザ光源２１からレーザビーム２を出射し、光学系（ビームスプリッタ２２ａ、走査ミラー２３、瞳投影レンズ２２ｂ、第１の結像レンズ２２ｃ、１／４波長板２２ｄ、瞳２５ａ、第２の対物レンズ２５）、電子顕微鏡部１０の石英ガラス板１９、試料室１８ｂの図示しない開口部及びステージ１１の開口部１１ａを介して、試料２００にレーザビーム２を照射する。この場合に、レーザ顕微鏡部２０の走査回路２４は、コンピュータ４０の制御部４２からの制御信号に基づき、走査ミラー２３を駆動させる走査信号を当該走査ミラー２３に出力し、走査ミラー２３により、試料２００に対してレーザビーム２を走査する（ステップＳ５ｂ）。

レーザビーム２が照射された試料２００から発生する反射光は、電子顕微鏡部１０のステージ１１の開口部１１ａ、試料室１８ｂの図示しない開口部、石英ガラス板１９、レーザ顕微鏡部２０の光学系（第２の対物レンズ２５、瞳２５ａ、１／４波長板２２ｄ、第１の結像レンズ２２ｃ、瞳投影レンズ２２ｂ、走査ミラー２３、ビームスプリッタ２２ａ、第２の結像レンズ２２ｅ）及びピンホール２８ａを介して、光検出器２８に入射する。すなわち、レーザ顕微鏡部２０は、レーザビーム２の走査時における試料２００からの反射光を光検出器２８で受光し、光検出器２８は、受光した反射光の光の信号を電気信号に変換する。そして、レーザ顕微鏡部２０は、変換した電気信号を第２の増幅器２９ａにより増幅し、第２のＡ／Ｄ変換回路２９ｂによりアナログ信号をデジタル信号に変換して、コンピュータ４０の演算部４３に出力する（ステップＳ５ｂ）。

また、電流測定部３０は、電子ビーム１のスポット照射及びレーザビーム２の走査時における試料２００に流れる誘起電流を導電性プローブ３１により取得する。そして、電流測定部３０は、取得した誘起電流を第３の増幅器３３ａにより増幅し、第３のＡ／Ｄ変換回路３３ｂによりアナログ信号をデジタル信号に変換して、コンピュータ４０の演算部４３に出力する（ステップＳ５ｂ）。

コンピュータ４０の演算部４３は、レーザ顕微鏡部２０の走査回路２４からの走査信号（各焦点位置の情報）及び電流測定部３０の導電性プローブ３１からの誘起電流の電流値
（各焦点位置に対応する電流値）に基づいて、試料２００の２次元電流像を構築する（ステップＳ６ｂ、図３（ａ））。また、コンピュータ４０の演算部４３は、レーザ顕微鏡部２０の走査回路２４からの走査信号（各焦点位置の情報）及びレーザ顕微鏡部２０の光検出器２８からの電気信号値（各焦点位置に対応する電気信号値）に基づいて、試料２００の２次元光学像を構築する（ステップＳ６ｂ）。また、コンピュータ４０の演算部４３は、レーザ顕微鏡部２０の走査回路２４からの走査信号（各焦点位置の情報）及び電子顕微鏡部１０の電子検出器１６からの電気信号値（各焦点位置に対応する電気信号値）に基づいて試料２００のＳＥＭ像を構築する（ステップＳ６ｂ）。また、コンピュータ４０の演算部４３は、構築した２次元電流像、２次元光学像及びＳＥＭ像を記憶部４４に記憶させる。

この場合に、コンピュータ４０の演算部４３は、各相対距離（隣り合う相対距離）で出力された電流値を取得するまで、２次元電流像を構築せず、走査信号（各焦点位置の情報）及び電流値（各焦点位置に対応する電流値）を記憶部４４に記憶させ、ステップＳ７に進むことになる。そして、ステップＳ７、ステップＳ８及びステップＳ５ｂの処理を経て、コンピュータ４０の演算部４３は、各相対距離（隣り合う相対距離）で出力された電流値を取得することになると、記憶部４４に記憶された走査信号（各焦点位置の情報）及び電流値（各焦点位置に対応する電流値）を読み出す。そして、コンピュータ４０の演算部４３は、各相対距離（隣り合う相対距離）で出力された電流値の差分を算出し、当該算出した差分値（各焦点位置に対応する差分値）及び走査回路２４からの走査信号（各焦点位置の情報）に基づいて、試料２００の２次元電流像を構築する（ステップＳ６ｂ、図３（ａ））。

コンピュータ４０の演算部４３は、ステップＳ９ａにより構築した３次元電流像及び３次元光学像とステップＳ６ｂにより構築したＳＥＭ像とを重ね合わせて合成像を構築する（ステップＳ９ｃ）。

以上のように、本実施形態に係る３次元像測定装置１００は、２次元電流像では得られない試料２００の詳細な情報を３次元電流像、３次元光学像及びＳＥＭ像で取得することができ、試料２００の欠陥箇所や不良箇所を３次元で特定することができ、従来にない３次元の不良解析を可能にするという作用効果を奏する。特に、本実施形態に係る３次元像測定装置１００は、３次元電流像と３次元光学像とＳＥＭ像とを重ね合わせて合成像を構築して表示することにより、３次元電流像及び３次元光学像による合成像と比較して、試料２００のさらに詳細な情報を取得することができるという作用効果を奏する。

なお、本実施形態に係る３次元像測定装置１００は、走査型電子顕微鏡に相当する電子顕微鏡部１０を備え、荷電粒子ビームとして電子ビーム１を用いる場合について説明したが、電子顕微鏡部１０の替わりに、走査イオン顕微鏡に相当するイオン顕微鏡部（不図示）を備え、荷電粒子ビームとしてイオンビーム４を用いてもよい。
この場合に、ビームの発生源（光源）は、電子顕微鏡部１０であれば、電子銃１２であるが、イオン顕微鏡部であれば、イオン銃（イオン源）５１である。

また、イオン顕微鏡部は、図７に示すように、鋭利な金属５２の先端に、例えば、液体金属ガリウムを供給し、抑制電極５３で電界を集中させつつ、金属５２の先端と引出電極
５４との間に電界をかけて、荷電粒子（ここでは、ガリウムイオン）を引き出し、加速電源５５による電圧で荷電粒子を加速させて試料２００に衝突させる。

また、イオン顕微鏡部は、試料２００の表面にイオンビーム４を照射し、試料２００の表面から二次電子を放出させると共に、試料２００を構成する原子を弾き出すスパッタリング現象が発生し、弾き出された原子は二次イオンとなって試料２００の表面から放出される。イオン顕微鏡部は、電子顕微鏡部１０と同様に、二次電子を電子検出器（電子検出器１６に相当）で検出し、二次元分布を求めることにより、試料２００の表面のＳＩＭ（Scanning Ion Microscope）像を得ることができる。また、イオン顕微鏡部は、二次イオンをイオン検出器（電子検出器１６の代替）で検出し、二次元分布を求めることにより、試料２００表面のＳＩＭ像を得ることができる。

また、本実施形態に係る３次元像測定装置１００を用いた試料２００の測定方法では、３次元電流像の合成像や、３次元電流像と３次元光学像との合成像や、３次元電流像と３次元光学像とＳＥＭ像（ＳＩＭ像）との合成像を表示部４５に表示する場合について説明したが、３次元ＣＡＤ（Computer Aided Design）で解析空間３００に作成した３次元モデル（例えば、図８（ａ）に示す配線３０１及びビア３０２）と、当該解析空間３００から得られた合成像（例えば、図３（ｃ）に示す３次元電流像）とを合成し（例えば、図８（ｂ））、表示部４５に表示してもよい。

この場合には、３次元モデルの３次元ＣＡＤデータを記憶部４４に格納しておき、３次元電流像、３次元光学像及び／又はＳＥＭ像（ＳＩＭ像）の合成像を構築した（ステップＳ９、ステップＳ９ｂ又はステップＳ９ｃ）後に、コンピュータ４０の演算部４３は、３次元ＣＡＤデータを記憶部４４から読み出す。そして、コンピュータ４０の演算部４３は、構築した合成像と読み出した３次元モデルとを合成して表示部４５に出力し、表示部４５が表示することで、試料２００の測定を終了する。

特に、３次元電流像、３次元光学像及び／又はＳＥＭ像（ＳＩＭ像）の合成像（例えば、図３（ｃ））による表示（３次元のコントラスト３０３）では、不良箇所と断言できない場合において、３次元モデルに対応付けて重畳させることにより（例えば、図８（ｂ））、３次元モデルから特定できる不良の生じ易い部分（例えば、配線３０１及びビア３０２間の接続個所）にコントラスト３０３があれば、当該コントラスト３０３を不良個所として特定することができる。

１電子ビーム
２レーザビーム
３同軸
４イオンビーム
１０電子顕微鏡部
１１ステージ
１１ａ開口部
１２電子銃
１３集束レンズ
１４走査コイル
１５第１の対物レンズ
１６電子検出器
１７ａ第１の増幅器
１７ｂ第１のＡ／Ｄ変換回路
１８ａ鏡筒
１８ｂ試料室
１９石英ガラス板
２０レーザ顕微鏡部
２１レーザ光源
２２ａビームスプリッタ
２２ｂ瞳投影レンズ
２２ｃ第１の結像レンズ
２２ｄ１／４波長板
２２ｅ第２の結像レンズ
２３走査ミラー
２４走査回路
２５第２の対物レンズ
２５ａ瞳
２６光軸方向移動機構
２７光軸方向移動制御回路
２８光検出器
２８ａピンホール
２９ａ第２の増幅器
２９ｂ第２のＡ／Ｄ変換回路
３０電流測定部
３１導電性プローブ
３２マニピュレータ
３３ａ第３の増幅器
３３ｂ第３のＡ／Ｄ変換回路
４０コンピュータ
４１入力部
４２制御部
４３演算部
４４記憶部
４５表示部
５１イオン銃
５２金属
５３抑制電極
５４引出電極
５５加速電源
１００３次元像測定装置
２００試料
３００解析空間
３０１配線
３０２ビア
３０３コントラスト

Claims

測定対象の試料を載置するステージと、
荷電粒子ビームを放出する発生源と、
レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザビームを偏向して前記試料に対して走査する走査ミラーと、
前記走査ミラーを駆動させる走査信号を当該走査ミラーに出力する走査回路と、
前記走査されるレーザビームを前記試料に集光する対物レンズと、
前記ステージ又は対物レンズの少なくとも一方を光軸に沿って移動させ、光軸方向における前記試料及び対物レンズ間の相対距離を変化させる光軸方向移動機構と、
前記光軸方向移動機構を駆動させる制御信号を当該光軸方向移動機構に出力する光軸方向移動制御回路と、
前記試料上の任意の位置に接触され、当該試料に照射された前記荷電粒子ビーム及びレーザビームに起因して当該試料に誘起される電流を出力する導電性プローブと、
前記走査回路からの走査信号である前記レーザビームの走査時における当該レーザビームの各焦点位置の情報及び当該各焦点位置に対応する前記導電性プローブからの電流値に基づいて前記試料の２次元の電流像を構築し、前記光軸方向移動機構による各相対距離における各２次元電流像を重ね合わせた合成像である３次元の電流像を構築する演算部と、
を備えることを特徴とする３次元像測定装置。
前記請求項１に記載の３次元像測定装置において、
前記演算部が、前記導電性プローブからの電流値のうち光軸に平行な同軸上における前記各相対距離で出力された電流値の差分を算出し、当該算出した差分値及び前記走査回路からの走査信号に基づいて前記試料の２次元の電流像を構築することを特徴とする３次元像測定装置。
前記請求項１又は２に記載の３次元像測定装置において、
前記対物レンズの焦点位置に対して共役な位置に配置されたピンホールと、
前記試料で反射されて前記ピンホールを通過したレーザビームを受光し、当該受光したレーザビームの光の強度を示す電気信号を出力する光検出器と、
を備え、
前記演算部が、前記走査回路からの走査信号及び前記光検出器からの電気信号値に基づいて前記試料の２次元の光学像を構築し、前記光軸方向移動機構による各相対距離における各２次元光学像を重ね合わせた合成像である３次元の光学像を構築すると共に、当該３次元光学像を前記３次元電流像に重ね合わせた合成像を構築することを特徴とする３次元像測定装置。
前記請求項１乃至３のいずれかに記載の３次元像測定装置において、
前記荷電粒子ビームが電子ビームであり、
前記電子ビームを偏向して前記試料に対して走査する走査コイルと、
前記試料から放出された二次電子を検出し、当該検出した二次電子の光の強度を示す電気信号を出力する電子検出器と、
を備え、
前記走査回路が、前記走査コイルを駆動させる走査信号を当該走査コイルに出力して、前記電子ビーム及びレーザビームを光軸に平行な同軸上で走査し、
前記演算部が、前記走査回路からの走査信号及び前記電子検出器からの電気信号値に基づいて前記試料のＳＥＭ像を構築すると共に、当該ＳＥＭ像を前記３次元電流像に重ね合わせた合成像を構築することを特徴とする３次元像測定装置。
試料に対して荷電粒子ビームをスポット照射する第１のステップと、
前記試料に対してレーザビームを走査する第２のステップと、
前記レーザビームの走査時における前記試料に流れる誘起電流を取得する第３のステップと、
前記レーザビームの走査時における当該レーザビームの各焦点位置の情報及び当該各焦点位置に対応する前記誘起電流の電流値に基づいて、前記試料の２次元電流像を構築する第４のステップと、
前記レーザビームの焦点を光軸方向に移動する第５のステップと、
前記第５のステップにより前記レーザビームの焦点を光軸方向に移動したうえで、前記第４のステップにより構築した、前記試料及び対物レンズ間の各相対距離における各２次元電流像を、３次元空間に配置して重ね合わせ、合成像である３次元電流像を構築する第６のステップと、
を含むことを特徴とする３次元像測定方法。
試料に対して荷電粒子ビーム及びレーザビームを光軸に平行な同軸上で走査する第１のステップと、
前記レーザビームの走査時における前記試料に流れる誘起電流を取得する第２のステップと、
前記レーザビームの走査時における当該レーザビームの各焦点位置の情報及び当該各焦点位置に対応する前記誘起電流の電流値に基づいて、前記試料の２次元電流像を構築する第３のステップと、
前記レーザビームの焦点を光軸方向に移動する第４のステップと、
前記第４のステップにより前記レーザビームの焦点を光軸方向に移動したうえで、前記第３のステップにより構築した、前記試料及び対物レンズ間の各相対距離における各２次元電流像を、３次元空間に配置して重ね合わせ、合成像である３次元電流像を構築する第５のステップと、
を含むことを特徴とする３次元像測定方法。