WO2022244235A1

WO2022244235A1 - 試料検査装置

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Publication number: WO2022244235A1
Application number: PCT/JP2021/019365
Authority: WO
Inventors: 智子嶋守; 安彦奈良; 潤一布施; 晃影山
Original assignee: 株式会社日立ハイテク
Priority date: 2021-05-21
Filing date: 2021-05-21
Publication date: 2022-11-24
Also published as: TWI801243B; JPWO2022244235A1; TW202246789A; KR20230171984A; CN117280224A

Abstract

容量性の不良や電気的な裕度の低い潜在的な不良箇所の特定が可能な試料検査装置を提供する。試料検査装置は、試料１９に荷電粒子線を照射する荷電粒子光学系と、試料に接触される第１のプローブ２１ａと、第１のプローブがその入力端子に接続される増幅器２３と、増幅器の出力信号が入力される位相検波部４０とを有し、第１のプローブには交流電圧が印加され、位相検波部は増幅器の出力信号を、交流電圧と同期し、同じ周波数をもつ参照信号で位相検波する。

Description

試料検査装置

　本発明は、回路が形成された半導体その他の試料に対し、少なくとも１本のプローブを接触させつつ、試料に荷電粒子線を照射して、プローブの接触により特定される回路における不良の解析を行う試料検査装置に関する。

　半導体表面に回路が形成された半導体試料の不良解析においては、不良箇所の特定が重要である。その一方で、昨今におけるデバイスの微細化に伴い、不良箇所の特定が難しくなっている。その結果、不良解析に膨大な時間が必要になっている。現在では、ＯＢＩＲＣＨ（Optical Beam Induced Resistance Change）やＥＢ（Electron Beam）テスタその他の解析装置が、この種の不良解析に用いられている。

　その中でも、配線の不良解析に関する分野では、電子線に代表される荷電粒子線を半導体試料に照射するとともに、試料にプローブ（探針）を接触させて、配線により吸収される電流や半導体試料から放出された二次的な信号（二次電子や反射電子など）を解析して画像化する技術が注目されている。配線により吸収された電流（吸収電流）に基づいて得られる信号（吸収電流信号）の分布像は、電子線吸収電流像（ＥＢＡＣ（Electron Beam Absorbed Current）像）と呼ばれる。

　特許文献１は、電子線の走査時に２本の探針から出力される吸収電流を、電子線の走査に連動させて吸収電流像を出力する試料検査装置を用いて、２つの探針が電気的に接続された試料の配線区間のうち不良箇所に電子線が照射された際に起こる抵抗値の変化を、正常箇所と不良箇所の抵抗値の比率の変化として検出することにより、不良箇所を特定する技術が開示されている。

　特許文献２には、回路が形成された試料に少なくとも１本の探針を接触させ、探針を介して、探針の接触により特定される回路に電力を供給しながら、荷電粒子線により試料を走査し、荷電粒子線により局所的に加熱された不良の抵抗値変化を、探針を介して測定することで、不良箇所を特定しやすくする技術が開示されている。

特開２０１２－０３３６０４号公報国際公開第２０１７／０３８２９３号

　従来のＥＢＡＣ像では、どのような材料でショートしているのか、また不良部の抵抗値の大きさといった試料状態によっては、不良箇所と正常箇所との区別がつきにくい場合があった。発明者らは、特に抵抗値の変化としてほとんど現れないような不良部に着目した。このような不良のＥＢＡＣ信号はバイアス電流のノイズ成分に埋もれてしまい、不良箇所を検知することが困難なものである。

　図２を用いてＥＢＡＣ像を形成する原理について説明する。図２は導電体２０ａ、２０ｂが表面に形成された半導体試料に対して電子線３を照射している様子を示している。差動増幅器２３のプラス入力端子とマイナス入力端子にはそれぞれ、プローブ２１ａ、２１ｂが接続され、プローブ２１ａは導電体２０ａに、プローブ２１ｂは導電体２０ｂに接触している。

　試料の表面を走査中の電子線３が導電体２０ａに照射されると、電子線３からの電荷がプローブ２１ａを伝わり差動増幅器２３のプラス端子に入力される。ここで、ある抵抗値をもった不良部２２が導電体２０ａと導電体２０ｂとに接していると、不良部２２を介して導電体２０ｂに電荷が流れ、プローブ２１ｂを伝わり差動増幅器２３のマイナス入力端子に入力される。これにより、導電体２０ｂの電位は、導電体２０ａの電位から不良部２２による電圧降下分だけ低下した値になる。

　不良部２２の抵抗値が低い場合は、不良部２２を介した電流が流れることによって不良部２２をショート不良として認識できる。一方、不良部２２の抵抗値が高い場合、例えば差動増幅器２３の入力インピーダンス２７ａ、２７ｂより大きい場合、不良部２２を介した電流が流れにくくなる。したがって不良部２２がない状態との区別がつきにくくなる。

　図３に、図２の試料について得られる像を示す。第１段目の像１０１は、ＳＥＭ像の模式図である。二次電子は試料などの端部から多く生成されるため、導電体２０やプローブ２１の輪郭が強調された像が得られる。このため、不良部２２が試料の内部に埋まっている場合、内部に埋まっていなくとも周囲と高さの差がないような場合、非常に微細なものであるような場合などには、不良部２２はＳＥＭ像にほとんど現出しない場合がある。

　第２段～第４段目の像１０２～１０４はＥＢＡＣ像の模式図である。ＥＢＡＣ像１０２は、不良が存在しない場合の像である。導電体２０ａと導電体２０ｂの間に導通がないため、電子線３が導電体２０ａ上に照射されることによって、導電体２０ａと導電体２０ｂの間には電位差が生じる。このため、ＥＢＡＣ像１０２では、導電体２０ａと導電体２０ｂとの間に明確なコントラストが生じている。

　ＥＢＡＣ像１０３は、不良部２２がショート不良（低抵抗不良）であった場合の像である。不良部２２がＳＥＭ像に現出しないようなものであっても、電子線３からの電荷は不良部２２を通って導電体２０ｂに流れる。このため、ＥＢＡＣ像１０３には、不良部２２の存在箇所にグラデーションを持ったコントラストが生じる。これにより、ＳＥＭ像では特定することができなかった不良部２２を特定することができる。なお、このグラデーションの具合は、導電体２０ａ、２０ｂや不良部２２の長さや、不良部２２の抵抗値などによって異なる。

　ＥＢＡＣ像１０４は、ＥＢＡＣ像として不良位置の特定が難しい一例であり、例えば、不良部２２が高抵抗不良であった場合の像である。不良部２２の抵抗が高い場合は、導電体２０ａと導電体２０ｂの間にほとんど導通がない。すなわち、不良部２２を介した電流がほとんど流れない。このため、不良部２２が存在するにもかかわらず、ＥＢＡＣ像１０４には不良がない場合のＥＢＡＣ像１０２とほぼ同様のコントラストが生じる。さらに、不良部２２の抵抗値によっては、不良箇所における輝度もその周囲の輝度とほとんど同程度となる。こうなると、ＥＢＡＣ像から不良の位置を特定することは困難になる。

　本発明では、従来のＥＢＡＣ像では特定が困難であった、抵抗値変化が低い容量結合に起因する不良箇所の検出や、電気的には正常であるが、空間的に近接しており、電気的に裕度が低い箇所を潜在不良箇所として検出することを目的とする。

　また、ＥＢＡＣ信号という微弱な信号を増幅して画像化することから、ＥＢＡＣ像にあらわれる装置からの電気的なノイズを低減することも目的とする。

　本発明の一実施形態である試料検査装置は、試料に荷電粒子線を照射する荷電粒子光学系と、試料に接触される第１のプローブと、第１のプローブがその入力端子に接続される増幅器と、増幅器の出力信号が入力される位相検波部とを有し、第１のプローブには交流電圧が印加され、位相検波部は増幅器の出力信号を、交流電圧と同期し、同じ周波数をもつ参照信号で位相検波する。

　これまで検知が困難であった容量性の不良や電気的な裕度の低い潜在的な不良箇所の特定が可能な試料検査装置を提供する。

　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。

実施例１の試料検査装置の基本構成の概略図である。ＥＢＡＣ像を形成する原理を説明するための図である。図２の試料について得られるＳＥＭ像及びＥＢＡＣ像の模式図である。第２の検出系による不良検出原理を説明するための図である。位相検波部の概略構成を説明するための図である。演算器における極座標変換を説明するための図である。第２の検出系（第１の変形例）の概略構成図である。第２の検出系（第２の変形例）の概略構成図である。トランジスタの動特性を検出するプローブ接触の様子を示す図である。第２の検出系（第３の変形例）の概略構成図である。実施例２の試料検査装置の基本構成の概略図である。実施例３の試料検査装置の基本構成の概略図である。

　以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。

　図１は、本実施例に係る試料検査装置の基本的構成の概略図である。この試料検査装置は、荷電粒子線である電子線３を、試料１９に照射するためのＳＥＭカラム１、試料１９を載置するための試料ステージ１０、試料１９上の銅やアルミを主成分とする導電体２０ａ、２０ｂに接触させ、導電体２０ａ、２０ｂから電位を取り出すためのプローブ２１ａ、２１ｂなどを備える。ここではプローブを２本備えるものとしたが、たとえば導電体２０ｂが接地されているような場合は、プローブ２１ａの１本とすることができる。さらに、３本以上のプローブを備えてもよい。

　ＳＥＭカラム１は、電子線３を試料に照射する電子光学系を内蔵する。電子源２から放出された電子線３は、電子光学系を構成する第１集束レンズ５、第２集束レンズ６、偏向コイル７、電気的視野移動コイル８、対物レンズ９などを経由し、試料１９上に集束され、試料１９の任意の位置を走査する。電子線３の走査は、システム制御部１４から電子線制御部１２のうちの偏向コイル駆動部１２ａに走査信号を出力し、偏向コイル駆動部１２ａが走査信号に応じて偏向コイル７による電子線３の偏向量を変化させることによって行う。

　試料検査装置は、ＳＥＭ像を形成する第１の検出系とＥＢＡＣ像を形成する第２の検出系を備えている。第１の検出系は、電子線３が試料１９やプローブ２１ａ、２１ｂなどに照射されることで、試料１９またはプローブ２１ａ、２１ｂなどの最表面から放出される二次粒子を検出する検出器４を備える。第２の検出系は、詳細については後述するが、プローブ２１ａ、２１ｂ、差動増幅器２３、位相検波部４０、周波数発生器４１などを備える。

　制御部１１は、電子光学系を構成する各光学要素を制御する電子線制御部１２、第１の検出系または第２の検出系からの検出信号からＳＥＭ像またはＥＢＡＣ像を形成する画像処理部１３、試料検査装置全体を制御するシステム制御部１４を備える。

　また、試料検査装置はコンピュータ１８を備えている。コンピュータ１８は、入力装置であるキーボード１５、ポインティング装置であるマウス１６、画像表示器１７と接続されている。ユーザは、コンピュータ１８から試料検査装置に対する指示を与えるとともに、画像処理部１３の形成した画像を画像表示器１７に表示させることができる。

　以下では、本実施例の試料検査装置によるＥＢＡＣ像の取得を中心に説明する。

　画像処理部１３は、Ａ／Ｄコンバータ２４、画素積算部２５、フレーム積算部２６などを備える。第２の検出系は周波数発生器４１を備え、プローブ２１ａ、２１ｂ間に交流電圧を印加した状態で、プローブ２１ａ、２１ｂ間の電圧を検出する。差動増幅器２３から出力される検出信号は交流信号となるため、位相検波部４０では差動増幅器２３から出力される交流信号を直流信号に変換する。位相検波部４０から出力される直流信号はＡ／Ｄコンバータ２４によりデジタルデータに変換され、画素積算部２５にてシステム制御部１４から走査信号に同期して入力される電子線３の照射位置を示す制御信号に基づき、一画素当たりの階調値に換算する。フレーム積算部２６では、取得する画像のＳＮ比を高めるため、試料１９上の同じ領域を複数回走査し、各走査から得られるフレーム画像を積算して画像データを形成する。形成された画像データはコンピュータ１８に送信される。コンピュータ１８は、受信した画像データをＥＢＡＣ像として、画像表示器１７に表示する。

　図４を用いて、第２の検出系による不良検出の原理について説明する。図２で説明した従来のＥＢＡＣ像の形成原理では不良部２２の抵抗成分に着目したものであったのに対し、本実施例の不良検出原理では、不良部２２が抵抗成分と容量成分とを含んでいることに着目する。導電体２０ａと導電体２０ｂとは、本来電気的に絶縁されている。しかしながら、導電体２０ａと導電体２０ｂを含んで構成される集積回路が高速に回路動作することによって、導電体２０ａと導電体２０ｂに印加される電圧は周波数成分を含むことになる。このため、導電体２０ａと導電体２０ｂとの間の絶縁性能が不十分である場合、不良部２２にかかる電圧の周波数成分が、不良部２２の容量成分を通過することでショート不良が生じる。第２の検出系は、抵抗値の変化が少なく、不良として従来検出困難であった、不良部２２の容量成分に起因する不良個所、あるいは現時点では不良とまでは至らないが、将来不良になりえる電気的裕度の低い潜在不良個所を検出することができる。

　周波数発生器４１は２つのプローブ２１ａと２１ｂに接続され、プローブ２１ａを介して導電体２０ａに、プローブ２１ｂを介して導電体２０ｂに交流電圧を印加する。電子線３が不良部２２に照射されると、その影響（例えば、温度上昇）により不良部２２の誘電率が変化する。その変化をプローブ間の交流電圧の変化として差動増幅器２３により検知する。周波数発生器４１が発生させる電圧の大きさや周波数はシステム制御部１４から設定され、不良を検出するために適切な値を選択することができる。

　図５に、位相検波部４０の構成を示す。差動増幅器２３の出力は、周波数発生器４１が発生させた周波数成分を持っているため、そのまま、信号として画像化すると周波数成分を持った画像に変換されてしまう。このため、位相検波部４０は、差動増幅器２３の出力ＳＩＧを周波数発生器４１が出力した周波数をもつ参照信号ＲＥＦで検波することにより、直流成分を抽出する。ここでは周波数発生器４１の発生させる交流電圧をそのまま参照信号ＲＥＦとして使用しているが、位相検波部４０は、別途周波数発生器を備え、周波数発生器４１の発生させる交流電圧と同期させて参照信号ＲＥＦを生成するようにしてもよい。

　位相検波部４０は、位相検波器４２、位相シフト器４３、フィルター４４、演算器４５を備える。差動増幅器２３の出力信号ＳＩＧは、印加した周波数ｆ_ｒを基準として位相検波器４２により検波され、直流信号に変換される。位相検波部４０は、２系統の位相検波器４２を備える。一方の位相検波器４２ａには、位相シフト器４３により参照信号ＲＥＦの位相を９０°ずらした参照信号を入力し、他方の位相検波器４３ｂには参照信号ＲＥＦをそのまま入力することにより、位相検波器４２ａ、４２ｂは、互いに直交する参照信号ＳＩＮ、ＣＯＳにより位相検波を行う。位相検波器４２により差動増幅器２３の出力信号近傍のノイズ成分も直流成分近傍に変換されるため、フィルター４４（通常はローパスフィルター）により雑音や検波で生じたリプルを除去する。演算器４５は位相検波器４２ａからの直流信号Ｙ、位相検波器４２ｂからの直流信号Ｘを極座標変換し、振幅信号Ｒと位相信号θとを出力する。

　図６を用いて演算器４５における極座標変換について説明する。差動増幅器２３の出力はベクトル１１０で表される。Ｒcosθの大きさは位相検波器４２ｂの出力信号Ｘ、Ｒsinθの大きさは位相検波器４２ａの出力信号Ｙとして検出されている。したがって、振幅信号Ｒと位相信号θは、（数１）により演算できる。

　図５の位相検波部４０が実行する位相検波処理は、２位相ロックインアンプの処理と同じである。したがって、位相検波部４０としてロックインアンプを実装してもよい。振幅信号Ｒを画像処理部１３に入力することにより、振幅信号Ｒに基づくＥＢＡＣ像（以下、振幅像という）が、位相信号θを画像処理部１３に入力することにより、位相信号θに基づくＥＢＡＣ像（以下、位相像という）を得ることができる。

　以下に、第２の検出系の変形例について説明する。

　図７は、試料に印加する交流電圧の位相を変更できる構成例である（第１の変形例）。位相シフト器４９を使用して、プローブ２１ａを介して導電体２０ａに印加する交流電圧とプローブ２１ｂを介して導電体２０ｂに印加する交流電圧との位相を変化させる。ここでは、位相シフト器４９をプローブ２１ｂ側に設けているが、プローブ２１ａ側に設けてもよい。システム制御部１４は、位相シフト器４９による遅延量を制御することにより、（１）同位相（０°）の交流電圧を印加する、（２）逆位相（１８０°）の交流電圧を印加する、さらに位相シフト器４９からの出力を遮断することにより、（３）片側のプローブ（この場合はプローブ２１ａのみ）に交流電圧を印加するよう、切り替えることができる。

　（１）同位相の交流信号を印加する場合には、周波数発生器４１で発生し、プローブ２１ａ、２１ｂを介して印加される同相のノイズが差動増幅器２３でキャンセルすることができるため、不良部２２の変化を高感度で検知できる利点がある。検出感度を上げることにより、不良部２２が図７に示されるように導電体２０ａと導電体２０ｂとの間にはなかった場合にも不良部２２を検出する可能性を高めることができる。

　通常、不良の生じている位置を推定し、プローブ２１ａ、２１ｂは推定した不良部２２を挟むように接触位置が決定される。この推定に誤りがあり、例えば不良部２２は導電体２０ａに接続しているが、導電体２０ｂには接触していなかったとする。この場合、電子線３が不良部２２に照射されることによる変化は、プローブ２１ａには表れるが、プローブ２１ｂには表れない。このため、差動増幅器２３に入力されるプローブ間の交流電圧の変化はプローブが正しく不良部を挟むように接触されている場合に比べて小さいものになる。しかしながら、高感度化により、このような場合でもあっても不良として検知できる可能性を高めることができる。

　（２）逆位相の交流信号を印加する場合は、同位相の交流信号を印加する場合に比べて、不良部２２に対して最大で２倍の電圧を印加できるため、電子線３が照射されたときの変化が起きやすくなる可能性が高い。印加電圧が高くなるほど、不良が起こりやすい症状が生じている場合に有効である。

　（３）不良部２２の片側のみに交流電圧を印加し、他方は無印加とした場合の変化を検出したい場合には、片側のプローブのみに交流電圧を印加する。不良部２２がグランド電極（ＧＮＤ）にリークしているような場合には、不良部２２の片側のみに交流電圧を印加する検出方法が有効である。

　このように不良部２２に対して、印加する交流電圧の位相を切り替えて可能とすることにより、不良部の性質にあわせて、不良を最も検知し易い状態を設定することが可能になる。

　図８は、周波数発生器５０を用いて、印加する交流電圧の波形を矩形波とする構成例である（第２の変形例）。ここでは図７の回路構成に対して周波数発生器を変更した例を示しているが、図５の回路構成に対しても適用可能である。特に適用回路を限定する言及のない場合、あるいは原理的に矛盾が生じない限り、実施例、変形例同士は組み合わせ、置換可能なものである。以下の実施例、変形例においても同様である。

　プローブ２１に印加する交流電圧の波形を矩形波に変えることで不良部２２に印加される周波数に高調波成分が多く含まれるようになる。正弦波の交流電圧の周波数を高くするよりも、高調波成分を多く含む矩形波を印加することにより、矩形波の基本周波数をそれほど高くすることなく、不良部２２の存在を顕著化することができる。

　本変形例は、トランジスタの動特性をＥＢＡＣ像として可視化することができる。この場合、図９に模式的に示すようにトランジスタのゲートＧ、ドレインＤに対して、プローブ２１ａ、２１ｂを接触させ、矩形波の交流電圧を印加する。交流電圧の基本周波数を高くするにつれて、動特性が不良のトランジスタは、ゲート電圧の変化に追随してドレイン電流を流すことができなくなる。プローブ２１ａ、２１ｂによりトランジスタのチャネル電流に起因する電圧変化を捉えることにより、トランジスタの動特性をＥＢＡＣ像におけるコントラストとして可視化することができる。例えば、集積回路が並列接続されるトランジスタを含んでいる場合、並列接続されたトランジスタのゲート電極にプローブ２１ａを、ドレイン電極にプローブ２１ｂを接触させることにより、トランジスタの動特性のばらつきをＥＢＡＣ像から判断できる。

　図１０は、差動増幅器２３を使用しない場合の構成例である（第３の変形例）。第１の変形例に関して説明したように、不良部の両端に交流電圧を印加しなくとも、不良部の片側に交流電圧を印加するだけでも容量起因によるショート不良が発生する場合である。例えば、電圧印加しない端部が電気的にオープンになっている場合や、グランド電位（ＧＮＤ）に固定されている場合は、不良部の片側だけへの交流電圧印加により不良部２２を検出可能である。この場合の増幅器５１は、電圧変換型の増幅器であっても電流増幅型の増幅器であってもよい。必要に応じて、図１０に示すように、増幅器５１に接続されない側のプローブ２１ｂをグランド電位（ＧＮＤ）として、プローブ２１ａとは反対側の端部に接触させることでノイズを低減することも可能である。

　実施例２の試料検査装置を図１１に示す。パルス発生器５８によりパルス化した電子線３を試料に照射し、パルス発生器５８からの周波数信号により差動増幅器２３からの出力信号を同期検波するものである。電子線３をＯＮ／ＯＦＦするため、パルス発生器５８から発する周波数信号は矩形波である。このように、電子線３をＯＮ／ＯＦＦしながらＳＥＭ像を取得する電子顕微鏡はパルスＳＥＭとして知られている。

　実施例２では、このようなパルスＳＥＭを使用してＥＢＡＣ像を取得することにより、パルス電子線と同じ周波数特性をもつ容量性の不良を検出する。電子光学系は電子線３のブランキング機構を備えており、パルス発生器５８からのＯＮ／ＯＦＦ波形により、電子線制御部１２は電子線３をブランキングし、電子線３をパルス化して試料に照射する。同じ周波数信号（ＯＮ／ＯＦＦ波形）を不良部２２に対して、プローブ２１ａ、２１ｂにより印加し、差動増幅器２３の出力信号を同じ周波数信号で検波することにより、ＥＢＡＣ画像を取得する。パルス発生器５８が発生する周波数信号の位相をずらしながら、複数のＥＢＡＣ像を取得し、重畳することで、容量性の不良をＳ／Ｎよく取得することができる。例えば、パルス発生器５８が発生する周波数信号のデューティ比が３３％であれば、位相をずらしながら３回画像を取得することで、電子線３を連続ビームとして照射したときと同等のＳ／Ｎ比の像が得られる。

　ここではパルス発生器５８が発生させる周波数信号をそのままプローブに印加する交流電圧や位相検波部に入力する参照信号として使用しているが、第２の検出系は、別途周波数発生器を備え、パルス発生器５８の発生させる周波数信号と同期し、同じ周波数をもつ交流電圧や参照信号ＲＥＦを生成するようにしてもよい。

　実施例１と同様、振幅信号Ｒを画像処理部１３に入力することにより、振幅信号Ｒに基づくＥＢＡＣ像（以下、振幅像という）が、位相信号θを画像処理部１３に入力することにより、位相信号θに基づくＥＢＡＣ像（以下、位相像という）を得ることができる。

　図１１では、実施例１の第１の変形例と同様に、位相シフト器４９により、プローブ２１ａを介して導電体２０ａに印加する交流電圧とプローブ２１ｂを介して導電体２０ｂに印加する交流電圧との位相を変化させる構成を示しているが、位相シフト器４９を除いた構成も可能である。実施例１の第３の変形例のように不良部２２に接触させるプローブは片側のみとし、差動増幅器２３に代えて電圧変換型の増幅器や、電流増幅型の増幅器を用いることも可能である。

　実施例３では、以上の実施例、変形例と異なりプローブ２１に対して交流電圧の印加は行わない。差動増幅器２３からは直流信号を出力するのは従来のＥＢＡＣ像と同じであるが、位相検波処理を行うことにより、より鮮明なＥＢＡＣ像を得ることを目的とする。

　ＥＢＡＣ像の取得において、電子線３のスキャン速度は、画質、及び不良の検出性能に大きな影響を与える。また、ＥＢＡＣ像の画像分解能はその画素数に依存する。したがって、ＥＢＡＣ像１画素あたりの電子線照射時間の逆数であるサンプリングレートが、ＥＢＡＣ像による不良の検出具合に大きな影響を与える。そのため、事前にサンプリングレートを変更しながら、複数回ＥＢＡＣ像を取得して、不良が顕著に見えるサンプリングレートを探索することが一般的である。

　吸収電流は微弱な電流であるため、差動増幅器２３による増幅率も大きく、このため、同時に試料検査装置で発生する様々なノイズも一緒に増幅されてしまうため、差動増幅器２３からの出力信号はノイズに埋もれた状態にある。位相検波により単一周波数の信号を抽出できるので、吸収電流に起因する微小信号を、位相検波に用いる周波数を適切に選択して抽出することにより、より鮮明なＥＢＡＣ像を得ることができる。

　図１２に、不良ごとに適正なサンプリングレートを探索し、さらにサンプリングレートに基づき、位相検波のために周波数発生器４１が発生させる周波数を自動で設定可能な試料検査装置を示している。

　ユーザがＥＢＡＣ画像を取得する条件を決定すると、コンピュータ１８はその取得条件に基づきサンプリングレートを計算する。システム制御部１４は、電子線制御部１２に走査信号を出力し、計算されたサンプリングレートで電子線３をスキャンさせる。また、システム制御部１４は、計算されたサンプリングレートに基づき定められた位相検波に用いる周波数をもつ参照信号ＲＥＦの生成を周波数発生器４１に指示し、位相検波部４０は周波数発生器４１からの参照信号ＲＥＦを受けて差動増幅器２３の出力を検波する。

　システム制御部１４は、位相検波に用いる周波数はサンプリングレート以上の値となるように設定する。これは以下の理由による。位相検波に用いる周波数をサンプリングレート以下とする場合には、サンプリングレートよりも低周波数のノイズが画素値にそのまま反映されることになる。サンプリングレートよりも高い周波数で位相検波することにより、１画素あたりに複数回の周期変動をもつ信号が検波されることにより、画素ごとにノイズが平均化される。

　他の実施例と同様、振幅信号Ｒを画像処理部１３に入力することにより、振幅信号Ｒに基づくＥＢＡＣ像（以下、振幅像という）が、位相信号θを画像処理部１３に入力することにより、位相信号θに基づくＥＢＡＣ像（以下、位相像という）を得ることができる。

　位相検波することで、検出される信号は空間的周波数が狭い帯域に限定される。このため、通常、ＥＢＡＣ像における輝点（信号が大きい、または小さい箇所）が現れた場合、その周囲にも明るい部分が表れるところ、本実施例では位相検波に用いる周波数以外の周波数帯の信号は抑制されることにより、ＥＢＡＣ像に示される不良箇所のサイズを縮小化させることが可能である。すなわち、不良部の絞りだし、つまり極小化ができるようになる。

　図１２の例では、差動増幅器２３として、２つの入力端子の間に電圧源５５から所定の電圧が印加されている電圧印加タイプの差動増幅器が使用している。これに限らず、電圧源５５の設けられていない差動増幅器を使用してもよく、さらには使用するプローブが１つである場合には、差動増幅器に代えて、図１０に示したような電圧変換型の増幅器や、電流増幅型の増幅器を使用してもよい。

１…ＳＥＭカラム、２…電子源、３…電子線、４…検出器、５…第１集束レンズ、６…第２集束レンズ、７…偏向コイル、８…電気的視野移動コイル、９…対物レンズ、１０…試料ステージ、１１…制御部、１２…電子線制御部、１２ａ…偏向コイル駆動部、１３…画像処理部、１４…システム制御部、１５…キーボード、１６…マウス、１７…画像表示器、１８…コンピュータ、１９…試料、２０ａ，２０ｂ：導電体、２１ａ，２１ｂ…プローブ、２２…不良部、２３…差動増幅器、２４…Ａ／Ｄコンバータ、２５…画素積算部、２６…フレーム積算部、２７ａ，２７ｂ…入力インピーダンス、４０…位相検波部、４１…周波数発生器、４２…位相検波器、４３…位相シフト器、４４…フィルター、４５…演算器、４９…位相シフト器、５０…周波数発生器、５１…増幅器、５５…電圧源、５８…パルス発生器、１０１…ＳＥＭ像、１０２，１０３，１０４…ＥＢＡＣ像、１１０…ベクトル。

Claims

　試料に荷電粒子線を照射する荷電粒子光学系と、
　前記試料に接触される第１のプローブと、
　前記第１のプローブがその入力端子に接続される増幅器と、
　前記増幅器の出力信号が入力される位相検波部とを有し、
　前記第１のプローブには交流電圧が印加され、前記位相検波部は前記増幅器の出力信号を、前記交流電圧と同期し、同じ周波数をもつ参照信号で位相検波する試料検査装置。
　請求項１において、
　システム制御部と、
　前記試料に前記荷電粒子線が照射されることにより放出される二次粒子を検出する検出器を含む第１の検出系と、
　前記荷電粒子光学系を制御する荷電粒子線制御部と、
　前記第１の検出系、または前記第１のプローブ、前記増幅器及び前記位相検波部を含む第２の検出系からの出力信号が入力され、画像を形成する画像処理部とをさらに有し、
　前記システム制御部は、前記荷電粒子線制御部に前記荷電粒子線を前記試料上で走査させる走査信号を出力し、
　前記画像処理部は、前記システム制御部から前記走査信号に同期して入力される制御信号に基づき、前記第１の検出系または前記第２の検出系からの検出信号から１画素当たりの階調値を算出して前記画像を形成する試料検査装置。
　請求項２において、
　前記位相検波部は、前記増幅器の出力信号を極座標変換して振幅信号及び位相信号を出力し、
　前記第２の検出系は、前記振幅信号または前記位相信号を前記画像処理部に出力する試料検査装置。
　請求項３において、
　前記位相検波部は、
　前記増幅器の出力信号と前記参照信号が入力される第１の位相検波器と、
　前記増幅器の出力信号と前記参照信号を９０°位相シフトさせた信号が入力される第２の位相検波器と、
　前記第１の位相検波器から出力される第１の直流信号と前記第２の位相検波器から出力される第２の直流信号から、前記振幅信号と前記位相信号とを演算する演算部とを備える試料検査装置。
　請求項２において、
　前記第２の検出系は、前記交流電圧を発生させる周波数発生器を備え、
　前記システム制御部は、前記周波数発生器が発生させる前記交流電圧の電圧及び周波数を設定する試料検査装置。
　請求項５において、
　前記第２の検出系は、前記試料に接触され、前記交流電圧が印加される第２のプローブをさらに備え、
　前記増幅器は差動増幅器であり、
　前記第１のプローブ及び前記第２のプローブは、前記差動増幅器の入力端子のそれぞれに接続される試料検査装置。
　請求項６において、
　前記第２のプローブは、位相シフト器を介して前記周波数発生器に接続され、
　前記システム制御部は、前記第２のプローブに印加される前記交流電圧の位相が前記第１のプローブに印加される前記交流電圧の位相と同位相あるいは逆位相となるように、または前記第２のプローブに印加される前記交流電圧を遮断するよう、前記位相シフト器を制御する試料検査装置。
　請求項５において、
　前記周波数発生器は、矩形波である前記交流電圧を発生させる試料検査装置。
　請求項２において、
　矩形波である周波数信号を発生させるパルス発生器を備え、
　前記荷電粒子線制御部は、前記周波数信号に基づき、前記荷電粒子線をパルス化して前記試料に照射するよう前記荷電粒子光学系を制御し、
　前記第１のプローブには、前記周波数信号と同期し、同じ周波数をもつ前記交流電圧が印加され、前記位相検波部は前記増幅器の出力信号を前記周波数信号と同期し、同じ周波数をもつ前記参照信号で位相検波する試料検査装置。
　試料に荷電粒子線を照射する荷電粒子光学系と、
　前記試料に接触される第１のプローブと、
　前記第１のプローブがその入力端子に接続される増幅器と、
　参照信号を発生させる周波数発生器と、
　前記増幅器の出力信号を、前記周波数発生器が発生させる前記参照信号で位相検波する位相検波部と、
　システム制御部と、
　前記荷電粒子光学系を制御する荷電粒子線制御部と、
　前記位相検波部からの出力信号が入力され、画像を形成する画像処理部とを有し、
　前記システム制御部は、前記荷電粒子線制御部に前記荷電粒子線を前記試料上で走査させる走査信号を出力し、
　前記画像処理部は、前記システム制御部から前記走査信号に同期して入力される制御信号に基づき、前記位相検波部からの検出信号から１画素当たりの階調値を算出して前記画像を形成し、
　前記システム制御部は、前記周波数発生器が発生させる前記参照信号の周波数を、前記画像の１画素あたりの電子線照射時間の逆数であるサンプリングレート以上の値に設定する試料検査装置。
　請求項１０において、
　前記試料に接触される第２のプローブをさらに有し、
　前記増幅器は差動増幅器であり、
　前記第１のプローブ及び前記第２のプローブは、前記差動増幅器の入力端子のそれぞれに接続される試料検査装置。
　請求項１１において、
　前記差動増幅器の入力端子間に所定の直流電圧が印加される試料検査装置。