TWI808554B - 使用陰極發光測量判別半導體材料中的位錯類型和密度的裝置與方法 - Google Patents
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Abstract
陰極發光顯微鏡及方法，用於識別和分類半導體樣品中的位錯。從樣品同時獲得至少兩個CL偏振影像。將各影像的數值相加以獲得總密度影像。取得影像的正規化差值，以獲得偏振度（DOP）影像。比較總密度影像和DOP影像，以區分樣品內的邊緣位錯和螺旋位錯。其後還可計算邊緣位錯的密度和螺旋位錯的密度。
Description
本申請案主張2020年12月4日提出的美國專利臨時申請號63/121,752和2021年11月29日提出的美國專利申請號17/537,422的優先權，其公開內容整體引用作為參考。
本發明是關於陰極發光掃描顯微鏡，並且更具體而言，是關於應用於陰極發光顯掃描顯微鏡的硬體和方法，該硬體和方法用以發現和分類半導體材料中的不同缺陷類型。
申請人先前已在例如PCT/EP2020/063093中公開了一種新型陰極發光掃描顯微鏡，其公開內容通過引用整體併入本文。該顯微鏡的操作是基於以下觀察：當掃描電子顯微鏡（SEM）的光束掃描樣品時，電子與樣品相互作用，產生各種可檢測的信號，其中包含有關樣品表面形貌、結構和成分的資訊。SEM產生的信號類型包括二次電子（SE）、背散射電子（BSE）、特徵或軔致輻射X射線、光、吸收/感應電流（EBAC/EBIC）和透射電子（TEM）。樣品在電子轟擊時發出的光（定義為能量範圍約為0.1到10 eV的光子）稱為陰極發光（CL）。陰極發光測量可以在掃描電子顯微鏡中進行。其方法是在樣品表面以電子顯微鏡的高度聚焦電子束探頭掃描，並記錄陰極發光信號密度，作為電子束在樣品上位置的函數。可以產生陰極發光圖（在本文中也稱為影像），所提供的光譜資訊比通過光學顯微鏡獲得的寬視場光光學影像具有更高的解析度。本專利說明書的作者已經假設讀者對於上述技術內容相當熟悉。對於CL顯微鏡的其他公開內容，讀者還可參考：美國專利第3,845,305號，美國專利第2013/0335817和2019/0103248號，以及法國專利第2,173,436號。
以下對本發明的簡述，目的在於對本發明之數種面向和技術特徵作出基本的說明。發明的簡述並非對本發明的詳細表述，因此其目的不在特別列舉本發明的關鍵性或重要元件，也不是用來界定本發明的範圍。其唯一目的是以簡明的方式呈現本發明的數種概念，作為以下詳細說明的前言。
本發明的一個目的是希望根據半導體樣品內的位錯的類型，例如螺旋位錯、邊緣位錯或混合型位錯，對位錯進行識別和分類。在CL影像中位錯通常顯示成對比斑點，其對比度通常比周圍的無位錯材料更暗。但有時則比周圍材料更亮，尤其是在材料是合金的情況下，例如InGaN合金（例如參見F. Massabuau等人，“Optical and structural properties of dislocations in InGaN”（InGaN中位錯的光學和結構特性），J. Appl. Phys. 125, 165701（2019））。為簡化說明，以下對由位錯引起的斑點將稱為「暗斑」，但本發明的實施例不限於暗斑，而是適用在任何在CL中可見，表明位錯存在的特徵，也稱為對比斑點。根據本發明的面向，通過觀察樣品內在缺陷位置處的應變，將觀察到的缺陷分類為邊緣位錯和螺旋位錯。實際上，邊緣位錯周圍的應變主要具有等靜壓分量，而螺旋位錯僅具有剪切分量。通過偏振CL發射，並使用垂直和水平偏振光束形成的影像之間的正規化差值，產生偏振度（DOP）影像，以觀察該應變。該正規化差值可以通過計算兩個偏光影像之間的差值與兩個偏光影像之和的比值來獲得。
根據本發明的一個面向，CL顯微鏡配備有偏振分束器立方體和至少兩個光檢測器。該配置能夠捕獲樣本掃描區域的兩個偏振互補影像，該兩個影像在空間和時間上都固有地配準，從而不需要再對影像進行對準，同時也可以避免在捕獲該兩個影像時，因為時間偏移或延遲而產生偽影。
在本發明的實施例中，提供陰極發光顯微鏡，用於同時產生半導體樣品的掃描區域的兩個偏振互補影像，其中兩個影像在空間和時間上固有地配準。該顯微鏡包括：電子束柱，具有電子供應源；磁透鏡，用於聚焦從電子供應源發射的電子，以形成電子束；以及掃描儀，以將電子束在樣品上掃描；光學物鏡，用以收集樣品響應電子束的掃描發出的CL光，並形成光束；成像裝置，包括聚焦透鏡、將光束分成第一偏振光束和第二偏振光束的偏振分束器、接收第一偏振光束的第一光檢測器和接收第二偏振光束的第二光檢測器；以及控制器，用以使用從第一光檢測器接收的第一信號和從第二光檢測器接收的第二信號形成兩個偏振互補影像。
該成像裝置還可包括插入在偏振分束器上游的濾光器。此外，顯微鏡還可以包括：半反射鏡，位於偏振分束器上游，其中該聚焦透鏡可以位於半反射鏡的上游或下游；第二偏振分束器，定向為接收由該半反射鏡反射的光，並形成與第一偏振光束成45度偏振旋轉角的第三偏振光束，以及與第二偏振光束成45度偏振旋轉角的第四偏振光束；第三光檢測器，用以接收該第三偏振光束；以及第四光檢測器，用以接收該第四偏振光束。該顯微鏡還可以包括外殼，該外殼將偏振分束器、第一光檢測器和第二光檢測器以固定的相對取向固定；以及旋轉機構，用以沿與光束對準的軸線旋轉該外殼。本發明的實施例的優點在於，可以同時採集兩個偏振陰極發光發射，兩者固有地結合了影像的空間和時間對準。本發明的實施例還能夠區分邊緣位錯和螺旋位錯。
根據本發明的一個面向，本發明提供一種儲存在儲存設備中的電腦程式，當由電腦執行時，使電腦執行包括以下步驟的方法：接收對應於偏振陰極發射光束的第一電信號，以及對應於與第一電信號具有90度偏振旋轉角度的偏振陰極發射光束的第二電信號；將第一電信號和第二電信號相加，以產生樣本掃描區域的密度影像；取得第一電信號和第二電信號的正規化差值，以產生該區域的偏振度（DOP）影像；判斷呈現在該密度影像中的每個對比斑點的中心點坐標；對於每個坐標，檢查DOP影像中的相應區域，以辨認該區域中符合預定形狀或密度標準的應力圖形，之後從多數可用的程式中選擇程式，將該應力圖形歸類為邊緣位錯或螺旋位錯。上述過程可以僅使用一個簡單的密度閥值，因為在某些材料中，螺旋位錯根本不會出現在DOP影像中、或在局部方差計算（local variance calculation）、圖形比對方法、機器學習或任何其他受AI啟發的圖形識別方法中。
根據本發明進一步的面向，本發明公開一種操作陰極發光顯微鏡以檢測半導體樣品內的缺陷的方法。該方法包括：用電子束掃描樣品的區域；收集掃描過程中從該區域發出的陰極發射光，並以該陰極發射光形成光束；使該光束通過偏振分束器，得到兩束偏振旋轉角度為90度的偏振光；利用兩個光檢測器同時產生對應於兩道偏振光束的兩個電信號；將兩個電信號相加，形成該區域的密度影像；取兩個電信號的正規化差異值，以形成該區域的偏振度（DOP）影像；對於密度影像中出現的每個對比斑點，檢查該DOP影像中的相應區域，並且在該DOP影像中的區域內出現適當應變場的指示時，將相應的對比斑點歸類為邊緣位錯。
該取正規化差值的步驟可以包括計算第一和第二電信號之間的差值，與第一和第二電信號的和的比率的步驟。該檢查DOP影像的步驟可以包括計算區域內DOP影像的代表值，及將代表值與預設閥值進行比較的步驟。
以下將參照附圖詳細說明本發明的實施例。相同功能與結構元件出現在不同的圖示中，均會使用相同的元件符號。
接著參照附圖說明本發明陰極發光掃描電子顯微鏡及其操作方法的實施例。不同的實施例或其組合可以提供在不同的應用中或實現不同的優點。根據所要實現的結果，可以將本說明書所公開的不同技術特徵全部或部分利用，也可以單獨使用或與其他技術特徵結合使用，從而在需求與限制之間，求得平衡的優點。因此，參考不同的實施例可能會突顯特定的優點，但本發明並不限於所公開的實施例。也就是說，本說明書公開的技術特徵並不限於應用在所描述的實施例，而是可以與其他技術特徵「組合和配合」，並結合在其他實施例中，不須另外說明。
圖1是橫截面視圖，顯示CL顯微鏡的下半部。該CL顯微鏡在上面引用的PCT/EP2020/063093中有更充分的描述。如圖1所示，顯微鏡通常包括容納在真空外殼10內的電子柱41和處於大氣環境中的成像裝置42。圖1所示的集成顯微鏡可以產生電子束影像、光束影像、陰極發光（CL）影像和CL光譜影像。成像的CL發射可以與奈米級樣品材料的結構和質量相關。CL資料可以顯示使用其他成像模式無法看到的材料應力、雜質、晶體和次表面缺陷。重要的是，CL成像是一種無損檢測樣品的方法。
電子柱包括發射電子的電子供應源1，例如熱離子源或場發射源。發射的電子被各種粒子光學元件，例如電磁透鏡5’、電磁物鏡5和光圈盤（有時稱為光闌）6形成電子束9。應注意的是，任何光圈盤6只要施加電位，都可以成為靜電透鏡。在已知的方式中，是提供線圈11以產生磁場，在圖1中是在電磁物鏡5的光軸z的水平處，基本上為水平的磁場。大部分磁場可以位於一個輸出或出口光圈13的高度，但也可以位在透鏡和樣品之間的區域之外。
提供磁場的目的是要產生集中電子束9，該電子束可以集中到樣品7的表面上。在圖1的示例中，由電子供應源1產生的電子束9從圖的上方向下行進。電子束的跨度可以使用聚光器裝置（例如透鏡5’）進行修改，以使光束可以發散、準直或集中。聚光器可以放置在電子供應源下方。電子束通常具有幾毫米範圍內的寬度，例如在2和3毫米之間。
物鏡5具有沿其光軸的中空內部，以便電子束9可以通過。中空部分（通道或間隙）需足夠寬，使得從樣品7發射或反射的光也可以毫無阻礙通過。由於電磁物鏡5的輸出光圈13較好可以保持盡可能小，以維持良好的電子光學性能，因此較好將系統建置成使工作距離保持較短。
圖中顯示在電磁物鏡5內提供反射物鏡，用於對樣品7的表面進行成像。在本實施例中，是使用施瓦茲希爾德（Schwarzschild）反射物鏡。Schwarzschild物鏡是一個雙鏡反射物鏡，兩反射鏡相對於光軸z旋轉對稱（基本上與電子束的路徑重合），且是消球差和無限遠校正物鏡。電磁物鏡5和反射物鏡可以具有相同的焦平面。電磁物鏡5內的反射物鏡包括第一反射鏡M1，也稱為主反射鏡，在本實施例中為球面且凹面，以及第二反射鏡M2，也稱為次反射鏡，在本實施例中為球面且凸面。第一反射鏡M1的直徑大於第二反射鏡M2的直徑。第一反射鏡M1位於第二反射鏡M2上方，並配置成用來反射由於電子束9撞擊樣品7的表面而來自樣品的光，並將光導向放置在第一反射鏡M1與樣品之間的第二反射鏡M2。第二反射鏡M2佈置成沿電磁物鏡的光軸（即，向上）重定向光，並且第三反射鏡M3（在本實施例中是平面鏡）則是佈置成將光束重定向到輸出。在本實施例中，第三反射鏡M3對電子束9的軸線成45°角，用於將光重定向到真空外殼10之外。所有三個反射鏡M1、M2和M3都具有沿電子束路徑的光圈或開口，使電子束不受阻礙。
在光成像裝置42中，反射鏡M3所反射的光由透鏡22聚集到單色成像器43上。在本實施例中提供兩個成像器，即CCD照相機45和檢測器46，例如InGaAs或PMT檢測器。如果反射鏡24是半反射鏡，則兩個成像器可以同時操作。反之，該反射鏡24也可以是翻轉鏡，從而一次只能操作一個成像器。通過上述佈置，檢測器46可用於檢測特定波長的光密度，而CCD照相機可用於同時檢測多個波長的光密度。
CL顯微鏡常常用來檢查半導體以發現缺陷。然而，在許多情況下，缺陷的數量很大並且包括各種不同類型的缺陷。為了提升材料檢查的品質，必須能夠識別並能對CL影像中出現的不同類型的缺陷進行分類，因為某些類型的缺陷可能對設備造成災難性的影響，而其他類型的缺陷則可能不會影響設備性能。因此，確定缺陷類型對於確定待檢測樣品的品質至關重要。
發明人也發現，樣品中的流體靜壓會使CL發射能譜產生偏移，而非流體靜力應變則可能會導致能譜的加寬，但不會導致能譜中峰值的偏移。發明人已經使用光致發光研究上述現象。即以光束（例如，雷射束）在樣品上掃描，收集從樣品發出的光進行分析。此外還使用偏振度（DOP）技術，在光收集路徑中插入偏振器，並旋轉偏振器，以在水平和垂直偏振下拍攝CL影像。以此方式測量樣品內的應變。然後以公式DOP = (I
┴− I
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‖) 計算，得到DOP的值。由於樣品內的應變會影響發射光的偏振，因此DOP影像就可以顯示樣品內的應變的位置。
在幾種半導體材料中，例如氮化鎵（GaN）、碳化矽（SiC）、砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP），位錯是一種對裝置性能有重大影響的線性缺陷。反之，一些其他類型的缺陷則可能不會損害裝置的性能。例如，螺旋位錯和邊緣位錯的主要區別之一是螺旋位錯具有平行於位錯線的伯格斯矢量（Burgers vector），表示它對周圍材料只會施加剪切，因此唯一的應力變化是垂直於材料的表面。而邊緣位錯具有垂直於其軸的Burgers矢量，表示它會在其核心的周圍創建一個應變場。該應變場垂直於位錯線，並平行於材料表面。
樣品內的位錯最常成為複合位點（recombination site），因此是半導體樣品內的非輻射點。因此，每個缺陷在CL密度影像中都顯示成暗點，但在某些情況下則會顯示為亮點。反之，如發明人在各種實驗中所發現，DOP影像會顯示灰度變化（通常在位錯核心的一側較暗，在另一側較亮）。在DOP影像中只有在樣品中引起應變的位錯位置處，才可以發現邊緣位錯，即圖3A和3B的實例中顯示的邊緣位錯。因此，發明人已經發現，CL DOP影像可用於顯示邊緣位錯的位置，而與產生不同應變場的其他型態位錯（例如，螺旋位錯）產生明顯的區別。在其他型態的位錯，DOP並不會顯示，或只會以能夠與邊緣位錯明顯區別的方式顯示。在圖3A和3B的示例中，單純的螺旋位錯在DOP影像中根本不會顯現。
因此，根據本發明的一個面向，本發明提供一種用於判斷邊緣位錯密度的方法。該方法包括：以電子束掃描半導體樣品的區域，收集從樣品發射的CL光，並將所收集的光形成光束，使光束通過偏光片，並將光束導向檢測器，以產生該區域的水平偏振影像和該區域的垂直偏振影像，得到水平偏振影像和垂直偏振影像的正規化差值，據而形成偏振度（DOP）影像，及判斷DOP影像中出現的相應特徵的密度，以計算邊緣位錯密度。該正規化差值可以計算兩個偏振影像之間的差值與兩個偏光影像之和的比值而得到。
此外，發明人已經通過實驗發現，可以經由將CL密度影像和DOP影像作比較，而得到進一步關於缺陷的資訊。這種比較可以用來判斷因缺陷類型區分的缺陷密度。也就是說，經由計算密度影像中暗點的密度，可以得到整體的缺陷密度；經由計算上述暗點中，在DOP影像中具有相應特徵的暗點的密度，可以得到邊緣位錯的密度。此外，取整體位錯密度和邊緣位錯密度的差值，就可以得到螺旋位錯的缺陷密度。換句話說，密度影像和DOP影像之間的特徵差異，就可以提供螺旋位錯的分布圖，並可用於判斷螺旋位錯的密度。
據此，本發明提供一種判斷邊緣位錯密度和螺旋位錯密度的方法。該方法包括：用電子束掃描半導體樣品的區域，收集從樣品發出的CL光，並將收集到的光形成非偏振光束，將至少部分非偏振光束引導至檢測器，以產生該區域的密度影像，通過判斷密度影像中出現的暗點的密度計算整體缺陷密度，使至少部分非偏振光束通過偏振器，以產生偏振光束，將該偏振光束導向檢測器，以產生該區域的水平偏振影像和該區域的垂直偏振影像，得到該水平偏振影像和該垂直偏振影像的正規化差值，以形成偏振度（DOP）影像，以判斷密度影像中的暗點中，同時出現在DOP影像中的暗點的密度的方式，計算邊緣位錯密度，及以從整體缺陷密度中減去邊緣位錯密度的方式，計算螺旋位錯密度。
根據本發明進一步的面向，本發明提供一種用於產生螺旋位錯分布圖的方法。該方法包括：以電子束掃描半導體樣品的區域，收集從樣品發射的CL光並將所收集的光形成非偏振光束，將至少部分非偏振光束引導至檢測器，以產生該區域的密度影像，使至少一部分非偏振光束通過偏振器，以產生偏振光束，引導該偏振光束到檢測器，以產生該區域的水平偏振影像和該區域的垂直偏振影像，得到該水平偏振影像和該垂直偏振影像的正規化差值，以形成偏振度（DOP）影像，識別所有在密度影像和DOP影像中的相應坐標，因對比度而出現的點，以得到邊緣位錯的分布圖。另一種替代性方法是，通過僅將該區域的水平偏振影像和該區域的垂直偏振影像相加，以產生該密度影像。
上述分析過程中有一個重要的癥結，就是水平和垂直偏振影像能否正確對準，包括空間上和時間上的對準兩者。空間上的對準，對於能夠根據影像內像素的密度高低區分出缺陷的位置，至為重要。此外，影像之間的時間差應最小化，或最好消除，才能避免一些潛在的問題，如載物台漂移和樣品充電對發射光密度的影響。因此，本發明已經將圖1所示的顯微鏡的成像裝置42做過修改，如於下文詳述。
圖2是根據本發明實施例用以取得CL DOP影像，並能使該水平偏振影像與垂直偏振影像具有不變的對準性的裝置簡化示意圖。圖2所示的實施例是要用來同時產生樣本掃描區域的兩個偏振互補影像，其中兩個影像在空間和時間上固有地對準。圖2中與圖1中相同的元件具有相同的元件符號。樣品7是以掃描電子束e照射。CL發射以反射鏡M1-M3收集，並導向成像裝置42。在光束通過聚焦透鏡22後，被偏振分束器（PBS）立方體51分成水平偏振光束和垂直偏振光束。在圖示的實施例中，PBS是設計成將非偏振光束以50/50的比例分成反射的S偏振光束和透射的P偏振光束。光檢測器46a和46b分別是點檢測器，諸如為光電倍增管（PMT）、光電二極管等，並用來檢測S偏振光束和P偏振光束中的一者。兩個檢測器的信號都傳送到控制器52（在一種實施例中，信號是輸入到控制器內的掃描卡）。經由上述方式，可使控制器同時記錄每個像素的P偏振信號和S偏振信號，並且可使兩種偏振信號在時間上和空間上能夠固有地對準。之後就可以使用本發明所述的方法操作控制器52，以處理所得到的檢測信號。特別是可以操作該控制器，以將來自兩個檢測器46a和46b的信號相加，產生指示整體CL密度影像的和影像。也可以操作該控制器，以獲取兩個信號的正規化差，而產生DOP影像。
圖3A顯示將來自兩個檢測器46a和46b的信號相加而獲得的CL密度影像。圖3B顯示從來自兩個檢測器的信號取得其正規化差值而得到的DOP影像。在圖3A中的每個暗點對應到一個非發光位置，因此就表明有缺陷存在。然而，從圖3A的密度影像中，並無法區分影像中缺陷的類型。圖3B的DOP影像則顯示每個應變位置的灰度變化，因此可以表明產生應變的缺陷所在位置。但是應注意的是，圖3A中圈出的兩個缺陷在圖3B的DOP影像中並沒有相應的灰度擾動或變化。因此，這兩個點很可能對應於螺旋位錯。
為了區分螺旋位錯和邊緣位錯，可以採用以下方法。該方法步驟如圖4所示，但圖4顯示的過程並非各步驟的既定順序。在步驟400中，檢查密度影像以識別所有暗點（位錯），並計算每個暗點的中心點坐標。在步驟405中，將坐標轉換為DOP影像中的坐標，並且在步驟410中確定DOP影像中每個中心點周圍的區域。該區域標識出可能與已標識的中心處所存在的位錯相關的區域。該區域的大小可以根據經驗設定。如果該區域設的越小，在缺陷緊密聚集的實例中，會有較強的區別力，但也越有可能錯過表示缺陷的像素。反之，該區域設的越大，所涵蓋的像素就越可能會納入相鄰的多數缺陷。
在步驟415中設定閥值。不過，該閥值可以隨時設定。閥值可以用於多次檢查多個樣本。閥值是根據在步驟420中執行的分析設定，因此通常可以透過計算DOP影像中每個區域的代表值而產生。該步驟的執行方式可能有多種。例如，在本發明一個實施例中，計算每個定義區域內的信號局部變化量（即，灰度值），作為該代表值。但在本發明另一個實施例中，則是使用擬合方程（fitting equation）對應於區域內的灰度值，並將方程擬合設定為該代表值。曲線擬合的實例可參見：Zwirn, G. & Beeri, Ronen & Gilon, Dan & Akselrod, S., Adaptive Attenuation Correction in Contrast Echo。Computers in Cardiology 32. 1-4。10.1109/CIC.2005.1588017 (2005)。根據本發明另一種實施例，則是使用例如主成分分析法（principal component analysis）或類似的基於AI的樣型辨識方法，將樣本與預先儲存的資料庫進行比較。
在步驟425，將每個缺陷的分析結果與閥值比較，以判斷該缺陷是螺懸位錯還是邊緣位錯。例如，在步驟425中，如果該變化量低於設定的閥值，則判斷該缺陷為螺旋位錯，因為在這種情形下該區域內沒有足夠的灰度變化足以在DOP影像中顯示任何缺陷。與此類似，如果方程擬合的強度低於設定的閥值，則判斷該缺陷應為螺旋位錯。如果在與預先儲存的資料庫進行比較時，發現目標區域與資料庫的對應程度超過閥值，則判斷該缺陷為螺旋位錯。當然，在上述各種分析方法中，如果與閥值比較的結果無法判斷為螺旋位錯，則該缺陷即可判斷為邊緣位錯或混合位錯。在本發明另一個實施例中，可以定義多個閥值，用來識別多種類型的位錯，可能的型態從單純的邊緣型到混合型，到單純的螺旋型。此外，上述各種分析方法中，還可以通過與計算所得的「背景」灰度值比較，以實現進一步的細化。例如，該背景灰度值可以用來強化區域內的差異分析。如果與背景值的差異值不夠大，則該部分可能只是螺旋位錯或影像的雜訊，而不是邊緣位錯。
為了說明便利起見，以跨越圖3A和3B的雙箭頭，一頭指示圖3A中的暗點，另一個在圖3B中的箭頭指向圖3B中的相應位置，亦即，關於相應坐標鄰近的區域。圖3B中的區域似乎有一個暗區和一個亮區。因此，與圖3B中橢圓指示的區域相比，該區域內的灰度變化相對較高。這樣的差異度已經高於設定的閥值，就可以判斷該缺陷應該歸類為邊緣位錯。相反，以橢圓表示的區域的差異度低於閥值，圖3A中相應的暗點就應該歸類為螺旋位錯。
因此，本發明提供一種用於識別和歸類半導體樣品中的缺陷的方法。該方法包括：以電子束照射樣品的區域；收集從該區域發出的光，以產生光束；使該光束通過偏光片，以產生第一偏振光束和第二偏振光束；將第一偏振光束導向第一檢測器並將第二偏振光束導向第二檢測器；將第一檢測器和第二檢測器的輸出信號相加，以產生密度影像；取得第一和第二檢測器的輸出信號的正規化差值，以產生偏振影像；產生坐標列表，其中的每個坐標標識出現在該密度影像中的每個暗點的中心；對於每個坐標，在該偏振影像中定義缺陷區域；為每個缺陷區域計算一個代表值；將每個缺陷區域的代表值與預設閥值比較，根據代表值低於或高於該預設閥值的結果，判斷該缺陷區域為邊緣位錯或螺旋位錯。
現請回到圖2。可選用波長濾波器50（即，光學濾波器，例如帶通或單色濾波器），插入該光束的路徑中，以提高信噪比。具體而言，在產生本發明實施例的DOP影像時，重要的發射頻段是帶邊緣發射頻段。因此，可以使用該波長濾波器50排除其他發射，例如來自缺陷帶的發射。
迄今為止所描述的實施例在樣本正確對準時運行良好，使得位錯的伯格斯矢量產生的極化可與PBS立方體的取向對準。為了確保還可以檢測到其他未正確對準的位錯，可以採用旋轉樣品（例如，旋轉45度角）再進行第二次獨立測量的方式。然而，如上所述，對於CL測量，即使是很小的空間漂移，例如兩次測量之間發生一個像素的偏移，也可能會使整個測量的結果無效。此外，旋轉本身就意味著影像不是在相同時間產生。這種現象也可能影響測量。圖5和6即顯示避免上述問題的實施例。
圖5的實施例利用圖2的CL顯微鏡，但還配置其他的光學元件。具體而言，將非偏振分束器53（在此為具有50%透射率和50%反射率的半反射鏡）插入到光束路徑中，位於第一PBS立方體51的上游。這樣可使光束的一半穿過非偏振分束器。穿過偏振分束器53的光束以與圖2的實施例所描述的方法處理。另一半的光束反射向第二PBS立方體51'。該第二PBS立方體51'相對於第一PBS立方體51旋轉45°。該旋轉在圖5中還以放大圖標示，顯示檢測器46c接收相的光束對於由第一檢測器46a接收的光束旋轉45°偏振角。事實上，第二PBS立方體51’圍繞光束路徑以45°旋轉，如彎曲箭頭所示，所以檢測器46c移入或移出頁面平面。與此類似，由檢測器46d接收的光束的偏振角，則是相對於由檢測器46b接收的光束的偏振旋轉45°偏振角。
利用圖5的配置，使控制器52接收到4個信號，再以下述方式使用這些信號。控制器52可以將每組由相同PBS立方體所對應的兩個檢測器的信號相加，例如，將檢測器46a和46b的信號相加或將檢測器46c和46d的信號相加，來產生密度影像。此外，控制器52還可以將所有四個檢測器的信號相加，以產生密度影像。然後控制器可以產生兩個DOP影像：一個由來自檢測器46a和46b的信號的正規化差值形成，一個由來自檢測器46c和46d的信號的正規化差值形成。最後對兩個DOP影像中的每一個重複例如圖4所顯示的處理。
順便提及，在圖5的實施例中是使用兩個聚焦透鏡22和22’，分別與每個PBS立方體對應。這種佈置可以提供設計靈活性，尤其是放置PBS立方體和檢測器的位置。此外，這種設計還可縮短每個半光束路徑的焦距，從而實現寬視野影像。然而，一種替代的方式是使用單一聚焦透鏡，插入到非偏振分束器53的上游，如虛線雙頭箭頭所示。使用這種配置時，所有檢測器的光束路徑必須具有相同的長度。
圖6圖示另一個實施例。該實施例使用6六個檢測器，以在3個不同的偏振旋轉角度下產生DOP影像。在該實施例中，兩個非偏振分束器53和53’插入光束路徑中，從而產生3條不同的光路。在該實施例中，第一非偏振分束器53的透射性可以高於反射率，例如55%-70%透射，而屬於透射鏡，而不是嚴格的半反射鏡。在此所稱的透射鏡就包括可以透射任何光量的反射鏡，而半反射鏡則是恰好透射一半光的透射鏡的特例。反之，第二非偏振分束器53’可以是50/50半反射鏡。如圖6所示，第二和第三PBS立方體51’和51”相對於第一PBS立方體51的方向旋轉30度和60度角。與圖5的實施例相同，可以將來自相同PBS立方體的一對檢測器的信號相加，以形成該密度影像，也可以將來自所有檢測器的信號相加，來形成該密度影像。此外，控制器可以取得每對檢測器的信號的正規化差值，以產生3個DOP影像。亦即，以來自檢測器46a和46b的信號形成一個DOP、以來自檢測器46c和46d的信號形成一個DOP影像，及以來自檢測器46e和46f的信號形成一個DOP影像。對於3個DOP影像中的每一個，都可以重複執行例如圖4中所示的處理過程。
如前所述，本發明的處理方法的準確性依賴於影像在空間和時間上能有完美的對準。此外，通過精確校準每兩個成對的光檢測器可以提高精度。亦即，給定的光密度應該可以使每對光檢測器產生相同的電信號輸出。要校準這個特性可以通過電子方式，對來自同一對檢測器的信號進行正規化。此外，圖7顯示一種能夠準確校準同對檢測器的實施例。圖7的實施例的特徵是適用在圖2使用兩對檢測器的系統，但是圖7的特徵可適用於本發明的任何實施例中，不管該系統使用幾對檢測器。
在圖7的實施例中提供外殼54。外殼中配置聚焦透鏡22、PBS立方體51和一對檢測器46a和46b，使上述元件之間形成固定的空間關係。旋轉機構57將外殼54圍繞與光束路徑重合的旋轉軸旋轉，如彎曲箭頭所示。由於光學元件以固定的空間取向固定在外殼內，因此該空間取向在旋轉過程中不會改變。在此情形下，只要旋轉外殼並檢查來自檢測器輸出信號，就可以準確校準每對檢測器。
由上述可知，本發明公開的實施例提供一種陰極發光（CL）電子顯微鏡，包括：真空外殼；電子供應源，位於真空外殼內頂部位置；電磁物鏡，位於真空外殼內的底部位置，電磁物鏡，包括外殼，該外殼具有設置在其頂表面的入口光圈和設置在其底部的出口光圈；電磁線圈，徑向定位在外殼內；光物鏡，位於外殼內並包括具有第一軸向孔徑的凹面鏡和具有第二軸向孔徑的凸面鏡；電子束偏轉器，位於外殼內並且包括第一組偏轉器和第二組偏轉器，兩組偏轉器配合以在樣本上掃描電子束；偏轉鏡，用以接收由光物鏡收集的光，並將該光偏轉至真空外殼的外部；位於真空外殼外部的成像裝置，包括聚焦透鏡、將光束分成第一偏振光束和第二偏振光束的偏振分束器、接收第一偏振光束的第一光檢測器和接收第二偏振光束的第二光檢測器；及控制器，使用第一光檢測器接收的第一信號和第二光檢測器接收的第二信號形成兩個偏振互補影像。
本發明的實施例提供一種用於識別半導體樣品中的缺陷的方法。該方法包括如下步驟：使用電子束掃描樣品的區域；收集來自樣品的陰極發射光發射，以產生光束；使該光束通過偏振分束器（PBS），產生垂直偏振光束和水平偏振光束；使用第一光檢測器產生對應於垂直偏振光束的第一電信號，以及使用第二光檢測器產生對應於水平偏振光束的第二電信號；將第一和第二電信號相加，以產生該區域的密度影像；取第一和第二電信號的正規化差值，以產生偏振度（DOP）影像；將密度影像與DOP影像進行比較，以識別區域內的缺陷。在該方法中，可以經由計算第一電信號和第二電信號之間的差值，與第一電信號和第二電信號的和的比值，來獲得正規化差值。
此外，本發明也提供一種操作陰極發光顯微鏡的方法。該方法包括如下步驟：將電子供應源通電，以產生電子束；將電磁物鏡通電，產生磁場，以將該電子束聚集到電磁物鏡的焦平面上；啟動掃描儀，以在半導體樣品的區域上掃描電子束；收集來自樣品的陰極發射光，以形成光束；使該光束通過偏振分束器（PBS），產生垂直偏振光束和水平偏振光束；使用第一光檢測器產生對應於垂直偏振光束的第一電信號，以及使用第二光檢測器產生對應於水平偏振光束的第二電信號；將第一和第二電信號相加，以產生該區域的密度影像；取第一和第二電信號的正規化差值，以產生偏振度（DOP）影像；判斷出現在該密度影像中的每個暗點的中心點坐標；對於每個坐標，檢查DOP影像中的相應區域，以判斷該區域內是否出現應力指示；並且對於每個應力指示，將相應的暗點歸類為邊緣位錯。
本發明的方法可以使用控制器52實現。該控制器52可以為執行體現該方法的電腦程式的專用電腦或通用電腦，例如PC。本發明的方法還可以實現為儲存在儲存設備中的電腦程式，當由電腦執行時，該電腦程式使電腦執行實現該方法的步驟。例如，該步驟可以包括：接收對應於垂直偏振CL光束的第一電信號和對應於水平偏振CL光束的第二電信號；將第一和第二電信號相加，以產生樣本掃描區域的密度影像；取第一和第二電信號的正規化差值，以產生偏振度（DOP）影像；判斷出現在該密度影像中的每個對比斑點的中心點坐標；對於每個坐標，檢查DOP影像中的相應區域，以確定該區域內是否出現應力指示；以及在有應力指示時，將相應的對比斑點歸類為邊緣位錯。
雖然本發明已經以附圖和前述說明詳細說明和描述，但是對實施例的說明和描述都是說明性或示例性，而非限制性。本發明的範圍不限於所公開的實施例。本領域技術人員在實施本發明時，可以根據附圖、公開內容和所附請求項的研究，充分理解並實現其他實施例和變形。
在請求項中所稱的「包括」表示並不排除其他要素或步驟。所稱的「一個」並不排除多個。不同的技術特徵記載在不同的從屬請求項中，並不表示這些特徵不能組合使用，得到有利的結果。請求項中的任何元件符號不得解釋為用於限制本發明的範圍。
1:電子供應源
5:電磁物鏡
5’:電磁透鏡
6:光圈盤
7:樣品
9:電子束
10:真空外殼
11:線圈
13:出口光圈
22:聚焦透鏡
22’:聚焦透鏡
24:反射鏡
41:電子柱
42:成像裝置
43:單色成像器
45:CCD照相機
46:檢測器
46a、46b、46c、46d、46e、46f:檢測器
50:波長濾波器
51:偏振分束器（PBS）立方體
51’:第二PBS立方體
51”:第三PBS立方體
52:控制器
53:非偏振分束器
53’:非偏振分束器
54:外殼
57:旋轉機構
M1:第一反射鏡
M2:第二反射鏡
M3:第三反射鏡
所附的圖式納入本專利說明書中，並成為其一部份，是用來例示本發明的實施例，並與本案的說明內容共同用來說明及展示本發明的原理。圖式的目的旨在以圖型方式例示本發明實施例的主要特徵。圖式並不是用來顯示實際上的範例的全部特徵，也不是用來表示其中各個元件之相對尺寸，或其比例。
本發明的其他技術特徵和面向可由以下詳細說明，並參考所附圖式更形清楚。
圖1是實施本發明實施例的陰極發光掃描電子顯微鏡的下半部的示意性截面圖；
圖2是根據本發明實施例的陰極發光顯微鏡的成像裝置的簡化示意圖；
圖3A是密度影像，顯示樣品中的潛在缺陷，而圖3B是對應於圖3A中成像區域的DOP影像；
圖4顯示根據本發明實施例，用於分類缺陷的方法流程圖；
圖5是根據本發明另一個實施例的陰極發光顯微鏡的成像裝置簡化示意圖；
圖6是根據本發明又一實施例的陰極發光顯微鏡的成像裝置的示意圖；且
圖7是根據本發明再一實施例的陰極發光顯微鏡的成像裝置的示意圖。
Claims (20)
- 一種陰極發光顯微鏡，用於同時產生半導體樣品的掃描區域的兩個偏振互補影像，其中該兩個偏振互補影像在空間和時間上固有地配準；該顯微鏡包括：電子束柱，配置在真空外殼內並具有：電子供應源；磁透鏡，用於聚焦從電子供應源發射的電子，以形成電子束；以及掃描儀，以將該電子束在樣品上掃描；光學物鏡，用以收集樣品響應該電子束的掃描發出的陰極發光(CL光)，並形成光束；成像裝置，處於大氣環境中並包括：聚焦透鏡、偏振分束器，用以將光束分成第一偏振光束和第二偏振光束、接收第一偏振光束的第一光檢測器和接收第二偏振光束的第二光檢測器；以及控制器，用以使用從第一光檢測器接收的第一信號和從第二光檢測器接收的第二信號形成該兩個偏振互補影像，並用於記錄陰極發光信號密度，作為電子束在樣品上位置的函數，以產生陰極發光密度影像，其方法包括將從第一光檢測器接收的第一信號和從第二光檢測器接收的第二信號相加，及獲取該兩個信號的正規化差，而產生偏振度(DOP)影像。
- 如請求項1所述的陰極發光顯微鏡，其中，該成像裝置還包括插入在該偏振分束器上游的濾光器。
- 如請求項1所述的陰極發光顯微鏡，還包括：半反射鏡，位於該偏振分束器上游；第二偏振分束器，定向為接收由該半反射鏡反射的光，並形成與第一偏振光束成45度偏振旋轉角的第三偏振光束，以及與第二偏振光束 成45度偏振旋轉角的第四偏振光束；第三光檢測器，用以接收該第三偏振光束；以及第四光檢測器，用以接收該第四偏振光束。
- 如請求項1所述的陰極發光顯微鏡，還包括：第一透射鏡，位於該偏振分束器上游；第二偏振分束器，定向為接收由第一透射鏡反射的光，並形成與第一偏振光束成30度角的第三偏振光束，以及與第二偏振光束成30度角的第四偏振光束光束：第三光檢測器，用以接收該第三偏振光束；第四光檢測器，用以接收該第四偏振光束；以及，第二個透射鏡；第三偏振分束器，定向為接收由該第二透射鏡反射的光，並形成與第一偏振光束成60度角的第五偏振光束，以及與第二偏振光束成60度角的第六偏振光束；第五光檢測器，用以接收該第五偏振光束；第六光檢測器，用以接收該第六偏振光束。
- 如請求項4所述的陰極發光顯微鏡，其中，該第一透射鏡包括55%-70%透射率的反射鏡。
- 如請求項1所述的陰極發光顯微鏡，還包括：外殼，該外殼將偏振分束器、第一光檢測器和第二光檢測器以固定的相對取向固定；以及旋轉機構，用以沿與光束對準的軸線旋轉該外殼。
- 如請求項3所述的陰極發光顯微鏡，其中，該聚焦透鏡位於該半反鏡與該偏振分束器之間；且該顯微鏡還包括第二聚焦透鏡，位於該半反射鏡和該第二偏振分束器之間。
- 如請求項3所述的陰極發光顯微鏡，其中，該聚焦透鏡位於該半反射鏡的上游。
- 一種儲存在儲存設備中的電腦程式，當由電腦執行時，該電腦程式使電腦執行包括以下步驟的方法： 接收對應於偏振陰極發射光束的第一電信號，以及對應於與第一電信號具有90度偏振旋轉角度的偏振陰極發射光束的第二電信號；將第一電信號和第二電信號相加，以產生樣本掃描區域的密度影像；取得第一電信號和第二電信號的正規化差值，以產生該區域的偏振度(DOP)影像；判斷呈現在該密度影像中的每個對比斑點的中心點坐標；對於每個坐標，檢查該DOP影像中的相應區域，以判斷該區域中有無應力指示產生；以及對每一個應力指示，將相對應的對比斑點歸類為邊緣位錯。
- 如請求項9所述的電腦程式，其中，該取正規化差值的步驟包括計算第一和第二電信號之間的差值，與第一和第二電信號的和的比率的步驟。
- 如請求項10所述的電腦程式，其中，該檢查步驟包括：計算該區域內DOP影像的代表值的步驟，且該判斷步驟包括將該代表值與預設閥值進行比較的步驟。
- 如請求項11所述的電腦程式，其中該計算代表值的步驟包括計算該區域內DOP影像的差異值的步驟，且該判斷步驟包括將該差值與預設閥值進行比較的步驟。
- 如請求項11所述的電腦程式，其中該計算該代表值的步驟包括將擬合方程應用於該區域內的灰度值的步驟。
- 一種操作陰極發光顯微鏡以檢測半導體樣品中的缺陷的方法，包括：用電子束掃描樣品的區域； 收集掃描過程中從該區域發出的陰極發射光，並以該陰極發射光形成光束；使該光束通過偏振分束器，得到兩束偏振旋轉角度為90度的偏振光；利用兩個光檢測器同時產生對應於兩道偏振光束的兩個電信號；將兩個電信號相加，形成該區域的密度影像；取得該兩個電信號的正規化差值，以形成該區域的偏振度(DOP)影像；對該密度影像中出現的每個對比斑點，檢查該DOP影像中的相應區域，且在該DOP影像中的該區域內出現應力指示時，將相應的對比斑點歸類為邊緣位錯。
- 如請求項14所述的方法，其中該取正規化差值的步驟包括計算兩個電信號的差值與兩個電信號的和的比值的步驟。
- 如請求項15所述的方法，其中，該檢查步驟包括計算該區域內的DOP影像的代表值，以及將該代表值與預設閥值進行比較的步驟。
- 如請求項16所述的方法，其中該計算代表值的步驟包括計算該區域內的DOP影像的差值的步驟。
- 如請求項16所述的方法，其中該計算代表值的步驟包括將擬合方程應用於該區域內的灰度值的步驟。
- 如請求項16所述的方法，其中該計算代表值的步驟包括使用主成分分析方法，將該DOP影像與預先儲存的參考影像進行比較的步驟。
- 如請求項14所述的方法，還包括在光束通過偏振分束器之前過濾光束的步驟。
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