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WO2020234987A1 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

荷電粒子線装置 Download PDF

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Publication number
WO2020234987A1
WO2020234987A1 PCT/JP2019/020065 JP2019020065W WO2020234987A1 WO 2020234987 A1 WO2020234987 A1 WO 2020234987A1 JP 2019020065 W JP2019020065 W JP 2019020065W WO 2020234987 A1 WO2020234987 A1 WO 2020234987A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
sample
intensity
particle beam
charged particle
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/020065
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
美南 庄子
津野　夏規
太田　洋也
大輔 備前
源 川野
Original Assignee
株式会社日立ハイテク
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社日立ハイテク filed Critical 株式会社日立ハイテク
Priority to JP2021519929A priority Critical patent/JP7108788B2/ja
Priority to PCT/JP2019/020065 priority patent/WO2020234987A1/ja
Priority to KR1020217034096A priority patent/KR102640025B1/ko
Priority to DE112019007206.4T priority patent/DE112019007206T5/de
Priority to US17/610,908 priority patent/US20220216032A1/en
Priority to TW109112246A priority patent/TWI748404B/zh
Publication of WO2020234987A1 publication Critical patent/WO2020234987A1/ja
Priority to US18/771,126 priority patent/US20240363306A1/en

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    • H01L22/10—Measuring as part of the manufacturing process
    • H01L22/12—Measuring as part of the manufacturing process for structural parameters, e.g. thickness, line width, refractive index, temperature, warp, bond strength, defects, optical inspection, electrical measurement of structural dimensions, metallurgic measurement of diffusions

Definitions

  • the present invention relates to a charged particle beam device that irradiates a sample with a charged particle beam.
  • a low-acceleration SEM (LV SEM: Low Voltage SEM) using an electron beam having an acceleration voltage of several kV or less has a shallow penetration depth of the electron beam and can obtain an image rich in surface information. It is extremely useful in the inspection and measurement of two-dimensional shapes such as the resist pattern in the above and the gate pattern in the previous process.
  • organic materials such as resists and antireflection films used in the lithography process have similar compositions to each other, or silicon-based semiconductor materials constituting transistors have similar compositions to each other, so that there is a difference in secondary electron emission from the materials. Hard to obtain.
  • the image contrast of the SEM of a sample made of such a material is low, the visibility of ultrafine patterns and defects of the semiconductor device is lowered.
  • a method for improving the visibility of an SEM a method for adjusting observation conditions such as an accelerating voltage and an irradiation current and a technique for discriminating energy of electrons emitted from a sample are known, but resolution and imaging speed become problems depending on the conditions.
  • Patent Document 1 discloses a technique for controlling the image contrast of an SEM by irradiating the observation region of the SEM with light. Since excitation carriers are generated by light irradiation, the conductivity of semiconductors and insulators changes. The difference in conductivity of the materials is reflected in the potential contrast of the SEM image. By controlling the potential contrast of the SEM by irradiating light, it is possible to detect a poor continuity portion of a semiconductor device or the like.
  • Patent Document 2 discloses an SEM image contrast control method for selecting a light wavelength for a sample composed of a plurality of layers, paying attention to a difference in light absorption characteristics depending on the wavelength of the irradiated light. Has been done.
  • the image contrast of the SEM is controlled according to the difference in absorption characteristics between the materials depending on the wavelength of light. These can enhance the image contrast between materials having a large difference in wavelength dependence of absorption characteristics.
  • materials having similar absorption characteristics that have similar wavelength dependence such as between silicon materials having different dopant types and concentrations, or between organic materials having similar compositions. In a sample composed of these materials, it may be difficult to obtain a sufficient difference in absorption characteristics.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and provides a charged particle beam apparatus capable of obtaining an observation image having high contrast even in a sample whose light absorption characteristics depend on the light wavelength.
  • the purpose is to do.
  • the charged particle beam apparatus irradiates a sample with light, generates an observation image of the sample, and changes the irradiation intensity of the light per unit time, thereby having a plurality of different contrasts.
  • the observation image is generated.
  • the amount of secondary electrons emitted from the sample can be controlled by adjusting the light irradiation intensity per unit time according to the light absorption characteristics.
  • the contrast of the observed image can be emphasized even between materials of the same type having similar light absorption characteristics with respect to the light wavelength.
  • FIG. This is a configuration example of the absorption characteristic measuring unit 13. It is a flowchart explaining the procedure which the charged particle beam apparatus 1 acquires the observation image of a sample 8. Is a graph illustrating the relationship between a light irradiation intensity I r and the light absorption intensity I a per unit time. It is a graph showing the relationship between the light irradiation intensity I r and the secondary electron emission amount per unit time. This is an example of the GUI 61 displayed by the image display unit 25. This is an example of a cross-sectional view of Sample 8. This is an example of an observation image acquired under the conditions of light irradiation intensity per unit time.
  • FIG. It is a block diagram of the charged particle beam apparatus 1 which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a flowchart explaining the procedure which the charged particle beam apparatus 1 acquires the observation image of a sample 8.
  • This is an example of a cross-sectional view of Sample 8.
  • It is a graph which shows the relationship of the correction amount ⁇ C of the secondary electron detection signal with respect to the light irradiation intensity per unit time in Embodiment 2.
  • FIG. This is an example of an observation image acquired under the conditions of light irradiation intensity per unit time.
  • This is an example of the GUI 61 displayed by the image display unit 25 in the third embodiment.
  • This is an example of a cross-sectional view of Sample 8.
  • This is an example of an observation image acquired by an electron beam under each irradiation condition.
  • This is a configuration example of the absorption characteristic measuring unit 13.
  • It is a block diagram of the charged particle beam apparatus 1 which concerns on Embodiment 5.
  • Equation 1 The amount of increase / decrease ⁇ S of secondary electrons due to light irradiation is expressed by Equation 1.
  • A is the amount of light absorbed, and z is the distance to the light intrusion direction.
  • Equation 2 The penetration direction dependence dA / dz of the amount of light absorbed is expressed by Equation 2.
  • ⁇ 1 to ⁇ 3 are the absorption coefficients of the material, ⁇ 1 is a linear absorption term, and ⁇ 2 and ⁇ 3 are second-order and third-order nonlinear absorption terms. Here, the terms up to the third order are described, but higher-order terms are also confirmed.
  • I r is the radiation intensity of the light per unit time to the sample.
  • the parameters that control the irradiation intensity of light per unit time include the average output of the pulse laser, the energy per pulse, the peak intensity per pulse, the pulse width of the pulse laser, and the number of light pulses emitted per unit time. Examples include the frequency of the light pulse, the area of the light spot, the light wavelength, and the polarization.
  • the linear absorption term due to single photon absorption is dominant, and if the wavelength of light is in the absorption band of the material, the sample absorbs light and becomes excited. In the excited state, the emission efficiency of secondary electrons becomes high.
  • the irradiation intensity of light is high, the non-linear absorption term due to multiphoton absorption becomes dominant, and even if the wavelength of light is not in the absorption band of the material, it absorbs light and becomes a depleted state that emits photoelectrons from the excited state. .. In the depleted state, the emission efficiency of secondary electrons is suppressed.
  • the amount of secondary electrons emitted can be controlled by controlling the absorption characteristics between monophoton absorption and multiphoton absorption according to the light irradiation intensity.
  • the optical property parameters for confirming non-linear absorption include absorption coefficient, reflection coefficient, polarization modulation, wavelength modulation, photoelectron emission, and the like.
  • the present invention uses the above principle to adjust the irradiation intensity per unit time of light even between materials having close absorption characteristics with respect to the light wavelength, thereby emphasizing the contrast of patterns and defects. It is an object of the present invention to provide a charged particle beam apparatus capable of obtaining an observation image having high properties.
  • ⁇ Embodiment 1> a charged particle beam device that irradiates the observation region with a pulsed laser in which the light irradiation intensity per unit time is controlled according to the light absorption characteristics of the sample to emphasize the observation image contrast will be described.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a charged particle beam device 1 according to the first embodiment.
  • the charged particle beam device 1 is configured as a scanning electron microscope that acquires an observation image of the sample 8 by irradiating the sample 8 with an electron beam (primary charged particles).
  • the charged particle beam device 1 is composed of an electron optics system, a stage mechanism system, an optical pulse irradiation system, a light absorption characteristic measurement system, a control system, an image processing system, and an operation system.
  • the storage device 27 will be described later.
  • the electron optics system is composed of an electron gun 2, a deflector 3, an electron lens 4, and an electron detector 5.
  • the stage mechanism system is composed of an XYZ stage 6 and a sample holder 7.
  • the inside of the housing 9 is controlled to a high vacuum, and an electro-optical system and a stage mechanism system are installed.
  • the light pulse irradiation system is composed of a pulse laser 10 and a light intensity adjusting unit 11.
  • the sample 8 is irradiated with light through the light pulse introduction unit 12 provided in the housing 9.
  • the absorption characteristic measuring unit 13 detects the light pulse reflected from the sample 8.
  • the control system includes an electron gun control unit 14, a deflection signal control unit 15, an electronic lens control unit 16, a detector control unit 17, a stage position control unit 18, a pulse laser control unit 19, a light intensity adjustment control unit 20, and an absorption characteristic measurement. It is composed of a control unit 21, a control transmission unit 22, and a detection signal acquisition unit 26.
  • the control messenger unit 22 writes and controls control values to each control unit based on the input information input from the operation interface 23.
  • the image processing system is composed of an image forming unit 24 and an image display unit 25.
  • the electron beam accelerated by the electron gun 2 is focused by the electron lens 4 and irradiated to the sample 8.
  • the deflector 3 controls the irradiation position of the electron beam on the sample 8.
  • the electron detector 5 detects emitted electrons (secondary charged particles) emitted from the sample 8 by irradiating the sample 8 with an electron beam.
  • the operation interface 23 is a functional unit for the user to specify and input an acceleration voltage, an irradiation current, a deflection condition, a detection sampling condition, an electronic lens condition, and the like.
  • the light pulse emitted from the pulse laser 10 is applied to a position on the sample 8 to which the electron beam is irradiated.
  • the light intensity adjusting unit 11 is a device that controls the irradiation intensity of the light pulse laser per unit time.
  • the electron detector 5 detects secondary electrons emitted from the sample 8. Secondary electrons include both emitted electrons from a low-energy sample and high-energy backscattered electrons.
  • the image forming unit 24 forms an SEM image (observation image) of the sample 8 using the detection signal detected by the electron detector 5, and the image display unit 25 displays the image.
  • FIG. 2 is a configuration example of the absorption characteristic measuring unit 13.
  • the pulsed laser whose irradiation intensity is adjusted by the light intensity adjusting unit 11 is split by the beam splitter 30 before being irradiated to the sample 8.
  • the irradiation light detector 31 detects a signal according to the light intensity of irradiating the sample 8. At this time, the light intensity is calibrated according to the split ratio of the beam splitter 30.
  • the pulsed laser irradiated to the sample 8 is reflected by the sample 8, and the reflected photodetector 32 installed opposite to the sample 8 detects a signal according to the light intensity.
  • the subtractor 33 obtains a difference signal of the signals detected by the irradiation light detector 31 and the reflected light detector 32, respectively.
  • the signal detector 34 digitizes the light absorption intensity based on the difference signal.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a procedure in which the charged particle beam device 1 acquires an observation image of the sample 8. Each step of FIG. 3 will be described below.
  • the stage mechanism system moves the sample 8 to the observation position (S301).
  • the control messenger unit 22 sets the acceleration voltage, irradiation current, magnification, and scanning time as basic electron beam observation conditions according to the designated input from the operation interface 23 (S302).
  • the pulse laser control unit 19 sets the wavelength of the pulse laser (S303). It is desirable to set the laser wavelength based on the wavelength band in which the sample 8 absorbs light.
  • Step S304 The control messenger unit 22 measures the light absorption characteristics of the sample 8 while changing the irradiation intensity of the light per unit time.
  • the light irradiation intensity is controlled by the light intensity adjusting unit 11.
  • the light absorption measurement is performed by the absorption characteristic measuring unit 13.
  • the control messenger unit 22 stores in the storage device 27 data describing the correspondence between the light irradiation intensity and the light absorption characteristic based on the measurement result. An example of the correspondence relationship in this step will be described with reference to FIG. 4 described later.
  • the control messenger unit 22 sets the threshold value of the light irradiation intensity per unit time based on the result of step S304.
  • the threshold value here can be determined, for example, based on which of the linear absorption term ( ⁇ 1 ) and the non-linear absorption term ( ⁇ 2 and later) of the light absorption characteristics of Equation 2 is dominant. A specific example of the criteria for determining the threshold value will be described later with reference to FIG.
  • Fig. 3 Steps S304 to S305: Supplement 1
  • the analysis result in S304 is stored in the storage device 27 and used, but the correspondence relationship between the light irradiation intensity and the light absorption characteristic under various conditions is analyzed in advance and the result is analyzed. It can also be stored in the storage device 27 as a database. As a result, it is not necessary to carry out steps S304 to S305 every time an observation image is acquired.
  • the storage device 27 can be configured by an appropriate device that stores measurement results and correspondences. For example, if the measurement results and correspondences are stored as a database and used, the storage device 27 can be configured by the non-volatile storage device. If the measurement results and the correspondences are acquired each time this flowchart is executed, the storage device 27 can be configured by a memory device or the like that temporarily stores these. These may be combined.
  • the control messenger unit 22 sets one or more light irradiation intensities as observation conditions according to the results of S304 to S305 (S306).
  • the observation condition referred to here does not have to be the threshold value itself set in S305, and may be an appropriate value before or after the threshold value as described later.
  • the control messenger unit 22 adjusts the irradiation intensity by the light intensity adjusting unit 11 so that the light irradiation intensity is set as the observation condition (S307).
  • the control messenger unit 22 irradiates the sample 8 with an optical pulse and an electron beam whose irradiation intensity is adjusted per unit time, and the image forming unit 24 acquires an observation image (S308).
  • Figure 4 is a graph illustrating the relationship between a light irradiation intensity I r and the light absorption intensity I a per unit time.
  • S304 the relationship as illustrated in FIG. 4 is measured.
  • the relationship between the light absorption characteristic and the light irradiation intensity per unit time when the sample 8 is composed of silicon (Si) and silicon nitride (SiN) is illustrated.
  • the absorption characteristics 41 of silicon when the light irradiation intensity I r per unit time is about 150MW / cm 2 / ⁇ s, it can be seen that the light absorption intensity I a is changed from the linear characteristic to the nonlinear characteristics.
  • the absorption characteristics 42 of silicon nitride maintains a linear characteristic to the light irradiation intensity I r of about 300MW / cm 2 / ⁇ s.
  • the control messenger unit 22 sets the irradiation intensity at which the absorption characteristic 41 (Si) changes from linear to non-linear as the threshold value Irth (Si), and sets the irradiation intensity at which the absorption characteristic 42 (SiN) changes from linear to non-linear as the threshold value. It can be Threshold (SiN) . The significance of these threshold values will be described with reference to FIG.
  • Figure 5 is a graph showing the relationship between the light irradiation intensity I r and the secondary electron emission amount per unit time.
  • I r 2 electron emission amount 51 of silicon is increased and decreased gradually when I r reaches about 150MW / cm 2 / ⁇ s or more.
  • the secondary electron emission amount 52 of silicon nitride increases to about 300 MW / cm 2 / ⁇ s.
  • this phenomenon of increasing / decreasing the amount of secondary electron emission is referred to as a secondary electron modulation effect.
  • the irradiation intensity at which the amount of secondary electron emission begins to decrease corresponds to the threshold value I th (Si) and the threshold value I th (SiN) , respectively.
  • the three observation conditions for comparing the contrast are the condition a (0 MW / cm 2 / ⁇ s), the condition b (70 MW / cm 2 / ⁇ s), and the condition c (350 MW / cm 2 / ⁇ s), respectively. I set three. Examples of observation images using these will be described later.
  • FIG. 6 is an example of a GUI (Graphical User Interface) 61 displayed by the image display unit 25.
  • the accelerating voltage 62, the irradiation current 63, the magnification 64, and the scanning speed 65 which are the basic observation conditions, can be set.
  • the image display unit 66 displays an observation image.
  • the irradiation condition setting unit 67 obtains (a) a wavelength setting unit 68 for setting the wavelength of the optical pulse, (b) an absorption characteristic analysis unit 69 for acquiring (or calling from a database) the absorption characteristics of the sample, and (c) an absorption characteristic.
  • Absorption characteristic display unit 70 to be displayed, (d) Based on the light irradiation intensity condition per unit time determined on the absorption characteristic display unit 70, the average output 71 of the optical pulse, the pulse width 72, the frequency 73 of the optical pulse, and the light. It has an irradiation intensity setting unit for setting a pulse irradiation diameter 74. In FIG. 6, two wavelengths can be selected as the optical pulse wavelength. Further, three conditions can be set as the light irradiation intensity condition per unit time. Parameters other than these may be set on the GUI 61.
  • FIG. 7 is an example of a cross-sectional view of the sample 8.
  • an example composed of silicon 75 and silicon nitride 76 is shown as described with reference to FIG.
  • a thin film of silicon nitride 76 is patterned in a line on the silicon 75.
  • the electron beam observation conditions are an acceleration voltage of 0.5 kV, an irradiation current of 100 pA, an observation magnification of 100 K times, and a scanning speed of TV scanning speed.
  • the wavelength of the optical pulse is 355 nm.
  • the light average output is 0 mW, 44 mW, and 220 mW for each irradiation intensity, respectively.
  • FIG. 8 is an example of an observation image acquired under three light irradiation intensity conditions per unit time.
  • Each of the conditions a to c is as described in FIG.
  • the silicon 75 and the silicon nitride 76 show the same image brightness, and the visibility of the pattern is low.
  • the observation image acquired under the condition b high image brightness is obtained for both silicon 75 and silicon nitride 76, and the visibility of the pattern is also high.
  • the image brightness of the silicon 75 is low, and the image brightness of the silicon nitride 76 is high. It can be seen that the observation image acquired under the condition c can obtain the highest contrast.
  • the charged particle beam device 1 according to the first embodiment is also a retarding system in which a voltage is applied to the XYZ stage 6, the material holder 7, and the sample 8 to reduce the electron energy applied to the sample. The same effect can be obtained even if it is carried out.
  • the charged particle beam device 1 adjusts the irradiation intensity of the light actually irradiated per unit time according to the light absorption characteristic depending on the light irradiation intensity per unit time, so that the sample 8
  • the amount of secondary electrons emitted from can be controlled. Therefore, even if the same type of material has similar absorption characteristics with respect to the light wavelength, the observed image contrast can be emphasized, so that the visibility of defects and patterns of the sample 8 is improved.
  • FIG. 9 is a configuration diagram of the charged particle beam device 1 according to the second embodiment.
  • the charged particle beam device 1 according to the second embodiment includes a photoelectron detector 91, a photovoltaic current measuring device 92, a circuit breaker 93, and a signal corrector 94 in addition to the configuration described in the first embodiment.
  • the photoelectron detector 91 detects photoelectrons from the sample 8 by light pulse irradiation.
  • the photovoltaic current measuring device 92 measures the current flowing through the sample 8 by irradiating the sample 8 with light.
  • the circuit breaker 93 has a function of blocking an electron beam.
  • the signal corrector 94 corrects the brightness of the secondary electron detection signal or the observed image based on the photoelectron detection signal detected by the photoelectron detector 91. Since other configurations are the same as those in the first embodiment, the differences will be mainly described below.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating a procedure in which the charged particle beam device 1 acquires an observation image of the sample 8.
  • S1002 is added between S307 and S308 in addition to the one described in FIG. 3, and S304 is replaced with S1001.
  • Other steps are the same as in FIG.
  • the control messenger unit 22 measures the light absorption characteristics of the sample 8 while changing the irradiation intensity of the light per unit time.
  • the light absorption characteristic can be measured based on the amount of photoelectron emission detected by the photoelectron detector 91 or the photovoltaic current measured by the photovoltaic current measuring device 92.
  • the relationship between the amount of photoelectron emission and the amount of light absorption, or the relationship between the photovoltaic current and the amount of light absorption may be measured in advance and the measurement result may be stored in the storage device 27.
  • the signal corrector 94 corrects the detection signal of secondary electrons based on the light absorption characteristics measured in S1001. That is, the secondary electron detection signal when the sample 8 is irradiated with light and the electron beam is not irradiated is subtracted from the secondary electron detection signal when the sample 8 is irradiated with the electron beam and light. By doing so, the influence of light irradiation on the secondary electron detection signal is removed.
  • the secondary electron detection signal when the sample 8 is irradiated with light and not irradiated with an electron beam can be acquired from the detection result in S1001.
  • FIG. 11 is a configuration diagram of the pulse laser 10 and the light intensity adjusting unit 11 in the second embodiment.
  • the laser oscillator (or laser amplifier) 111 emits an optical pulse.
  • the wavelength converter 112 is composed of a nonlinear optical element or the like, and controls the wavelength of an optical pulse.
  • the pulse picker 113 is composed of an electro-optical effect element and a magneto-optical effect element, and controls the frequency of an optical pulse.
  • the pulse dispersion controller 114 is composed of a pair of prisms or the like, and controls the pulse width of the optical pulse.
  • the polarization controller 115 is configured by using a birefringent element or the like, and controls the polarization plane of the light pulse.
  • the average output controller 116 is composed of an ND (Neutral Density) filter or the like whose density can be changed, and adjusts the average output of light pulses. Further, the light pulse introduction unit 12 can be configured by a zoom lens or the like, whereby the irradiation diameter of the light pulse can be controlled.
  • ND Neutral Density
  • FIG. 12 is an example of the relationship between the light absorption characteristics measured by S1001 and the light irradiation intensity per unit time.
  • the absorption characteristics of P-type silicon and N-type silicon having different types of impurities were analyzed.
  • the measurement was carried out by detecting photoelectrons using a photoelectron detector 91.
  • the electron beam was cut off by the circuit breaker 93.
  • the wavelength of the optical pulse is 405 nm. At this wavelength, it does not have photoenergy (eV) that reaches the vacuum level of silicon, so it does not emit photoelectrons when the light pulse is linearly absorbed.
  • photoelectrons are emitted through multiphoton absorption, which is a non-linear process.
  • Figure 12 shows the relationship between the emission intensity S ph of the light irradiation intensity I r and photoelectrons per unit time in P-type silicon and N-type silicon.
  • the P-type silicon 121 emits photoelectrons with a light irradiation intensity of 4 MW / cm 2 / ⁇ s per unit time as a threshold value
  • the N-type silicon 122 emits photoelectrons with a threshold value of 12 MW / cm 2 / ⁇ s.
  • FIG. 12 shows an example of photoelectrons detected by using the photoelectron detector 91. However, when the photovoltaic current measuring device 92 is used, the photoelectron current emitted from the sample 8 can be measured. The same threshold value as above can be extracted.
  • FIG. 13 is an example of a cross-sectional view of sample 8.
  • N-type silicon 132 is bonded and formed on the surface of the P-type silicon 131, and a hole pattern of the silicon oxide film 133 is further formed on the N-type silicon 132.
  • the defect 134 is a portion where the N-type silicon 132 and the hole pattern of the silicon oxide film 133 are out of alignment.
  • the SEM observation conditions were an acceleration voltage of 1.0 kV, an irradiation current of 500 pA, an observation magnification of 200 K times, and a scanning speed of twice the TV scanning speed.
  • the condition a of the light irradiation intensity per unit time was 0.0 MW / cm 2 / ⁇ s.
  • Condition b was 4 MW / cm 2 / ⁇ s.
  • the condition c was 12 MW / cm 2 / ⁇ s.
  • Condition b further had an optical pulse frequency of 100 MHz, an average output of 16 mW, a pulse width of 1000 femtoseconds, and an irradiation diameter of 50 ⁇ m.
  • the condition c was further set to an optical pulse frequency of 50 MHz, an average output of 54 mW, a pulse width of 800 femtoseconds, and an irradiation diameter of 60 ⁇ m.
  • FIG. 14 is a graph showing the relationship between the correction amount ⁇ C of the secondary electron detection signal and the light irradiation intensity per unit time in the second embodiment.
  • Correction amount ⁇ C in addition to the relationship between the emission intensity S ph of the light irradiation intensity I r and photoelectrons per unit time as shown in FIG. 12 was determined by the area ratio of the P-type silicon 131 and the N-type silicon 132 in the sample 8 .. In the second embodiment, this ratio is set to 50%.
  • FIG. 15 is an example of an observation image acquired under three light irradiation intensity conditions per unit time.
  • the P-type silicon 131 and the N-type silicon 132 show the same image brightness, the visibility of the pattern is low, and the defective portion cannot be visually recognized.
  • the observation image acquired under the condition b the visibility of the P-type silicon 131 and the N-type silicon 132 is improved, but it is insufficient for defect detection.
  • the image brightness of the P-type silicon 131 is low, and the pattern contrast is the highest.
  • the defect 156 can be sufficiently visually recognized if the observation image is obtained under the condition c.
  • the charged particle beam device 1 detects secondary electrons by removing the influence of photoelectrons emitted from the sample 8 by irradiating the sample 8 with light from the secondary electron detection signal. Correct the signal. As a result, the contrast of the observed image of the sample 8 can be formed more accurately, so that the visibility of defects and patterns can be improved.
  • FIG. 16 is a time chart showing each of electron beam irradiation timing, pulse laser irradiation timing, and secondary electron detection timing.
  • the control messenger unit 22 controls the electron beam irradiation period 161 and the interval period 162 by controlling the circuit breaker 93.
  • the optical pulse 163 of the pulse laser is controlled at a constant frequency regardless of the irradiation period 161 and the interval period 162.
  • the light pulse 163 may be irradiated in synchronization with the irradiation period 161 or may be irradiated in synchronization with the interval period 162.
  • the timing 164 for detecting the secondary electrons is synchronized with the irradiation period 161.
  • the timing 164 for detecting the secondary electrons needs to be synchronized with the irradiation period 161 in consideration of the traveling time of the secondary electrons and the delay time based on the circuit delay of the electron detector 5.
  • FIG. 17 is an example of the GUI 61 displayed by the image display unit 25 in the third embodiment.
  • an irradiation period setting unit 171 and an interval period setting unit 172 are added.
  • FIG. 18 is an example of a cross-sectional view of sample 8.
  • N-type silicon 182 is joined and formed on the surface of the P-type silicon 181. Further, a silicon oxide film 183 is arranged on the silicon oxide film 183, and a hole pattern is formed on the silicon oxide film 183.
  • Polysilicon contact plug 184 is formed in the hole pattern.
  • Defect 185 is a high concentration of N-type silicon injected.
  • the defect 186 is a thin residual film between the contact plug 184 and the N-type silicon 182.
  • Defect 187 has a thicker residual film than Defect 186.
  • the observation conditions were an acceleration voltage of 0.3 kV, an irradiation current of 50 pA, an observation magnification of 50 K times, and a scanning speed of TV scanning speed.
  • the irradiation time was 200 ns and the interval time was 3.2 ⁇ s when the electron beam was irradiated intermittently.
  • the relationship between the light absorption characteristics of the sample 8 and the light irradiation intensity per unit time was acquired by using the photovoltaic current measuring device 92.
  • conditions a to c were set as the light irradiation intensity per unit time based on the absorption characteristics.
  • Condition a is 0.0 MW / cm 2 / ⁇ s.
  • Condition b is 16 MW / cm 2 / ⁇ s.
  • Condition c is 30 MW / cm 2 / ⁇ s.
  • Each condition corresponding to this was set in the irradiation condition setting unit 67.
  • FIG. 19 is an example of an observation image acquired by an electron beam under each irradiation condition.
  • the contact plug 192 can be identified, but the defect cannot be identified.
  • the depletion layer of the junction is made conductive by the linear absorption of the light pulse, so that the normal contact plug 194 becomes bright.
  • defects having a high concentration of N-type silicon with weak linear absorption defects 185 in FIG. 18
  • defects having a residual film defects 186 and 187 in FIG.
  • the difference image 200 is formed by the difference between the two observation images (condition b: 5 ⁇ s) (condition c: 5 ⁇ s) in the middle of FIG. From the difference image 200, a bonding defect on the bottom of the contact plug can be extracted.
  • the difference image 201 is formed by the difference between the two observation images (condition c: 5 ⁇ s) (condition c: 200 ns) in the lower part of FIG. From the difference image 201, residual film defects having different film thicknesses on the bottom of the contact plug can be extracted.
  • the charged particle beam device 1 switches between a period in which the sample 8 is irradiated with an electron beam and a period in which the sample 8 is not irradiated, so that the sample 8 is intermittently irradiated with the electron beam while observing an image. To generate. As a result, it is possible to obtain an observation image having a contrast different from that obtained while continuously irradiating the sample 8 with an electron beam. By utilizing this, it is possible to discriminate and detect electrical defects having different electrical characteristics.
  • FIG. 20 is a configuration example of the absorption characteristic measuring unit 13.
  • the light pulse reflected by the sample 8 is elliptically polarized by the wave plate 211, and is divided into S-polarized light and P-polarized light by the birefringent element 212.
  • the photodetector 213 detects the light intensity of S-polarized light
  • the photodetector 214 detects the light intensity of P-polarized light.
  • the subtractor 215 calculates the difference between the light intensity of S-polarized light and the light intensity of P-polarized light.
  • the signal detector 216 converts the calculation result into data as the intensity of elliptically polarized light. Digital processing may be used instead of the analog circuit to obtain the difference signal.
  • FIG. 21 is a configuration example of the absorption characteristic measuring unit 13.
  • the harmonic optical pulse generated in the sample 8 is spectrally decomposed by the diffraction grating 217.
  • the light intensity for each spectrum is detected by the light intensity sensor 218 having a plurality of detection elements created by the silicon process on the line.
  • the light intensity of each wavelength obtained by the light intensity sensor 218 is digitized by the signal detector 219.
  • the light pulse to be irradiated is circularly polarized light, and the wavelength is 700 nm.
  • the threshold value of the light irradiation intensity per unit time, which changes from linear to non-linear, is the irradiation intensity changing to elliptical polarization or the irradiation intensity generated by the second harmonic, 350 nm.
  • the flowchart of FIG. 3 and the GUI of FIG. 6 are used.
  • a sample formed of an organic-inorganic hybrid material in which a dielectric is mixed with an organic substance was used.
  • Conditions a to c were set as the light irradiation intensity per unit time depending on the change in the polarization plane from the sample 8 due to the light pulse irradiation or the threshold value of the light irradiation intensity per unit time in which the second harmonic generation is generated.
  • Condition a is 0.0 MW / cm 2 / ⁇ s.
  • Condition b is 4 MW / cm 2 / ⁇ s.
  • Condition c is 10 MW / cm 2 / ⁇ s.
  • Condition b further had an optical pulse frequency of 100 MHz, an average output of 14 mW, a pulse width of 220 femtoseconds, and an irradiation diameter of 100 ⁇ m.
  • the condition c was further set to an optical pulse frequency of 100 MHz, an average output of 35 mW, a pulse width of 220 femtoseconds, and an irradiation diameter of 100 ⁇ m.
  • FIG. 22 is an example of an observation image acquired under three light irradiation intensity conditions per unit time.
  • the organic substance 222 and the dielectric 223, which are the bases of the hybrid material show the same image brightness, and the visibility of the dielectric domain is low.
  • the observation image acquired under condition b since the dielectric is excited by linear absorption, secondary electron emission from the dielectric 225 increases, and the dielectric domain can be clearly seen.
  • the observation image of condition c non-linear absorption occurs in each of the dielectrics having different complex permittivity, so that the emission of secondary electrons is reduced.
  • the dielectrics 227 having different complex dielectric constants can be inspected on a gray scale according to the difference in the complex dielectric constant.
  • the domains of the sample 8 having different dielectric constants can be discriminated and detected.
  • the fourth embodiment two configuration examples for detecting the polarization plane and the wavelength are shown as the absorption characteristic measurement unit 13, but it is not necessary to detect both of these two characteristics, and the polarization plane may be detected.
  • the wavelength may be detected.
  • FIG. 23 is a configuration diagram of the charged particle beam device 1 according to the fifth embodiment.
  • a configuration example including an energy filter 231 for discriminating the energy of secondary electrons and an energy filter control unit 232 for controlling the voltage applied to the energy filter 231 is shown.
  • the user specifies a voltage to be applied to the energy filter 231 via the operation interface 23, and the energy filter control unit 232 controls the voltage according to the designation.
  • an energy spectroscope such as a spectrum meter using a Vienna filter may be used.
  • the sample 8 shown in FIG. 7 was used.
  • the observation conditions are an accelerating voltage of 0.5 kV, an irradiation current of 100 pA, an observation magnification of 100 K times, and a scanning speed of TV scanning speed.
  • the optical pulse wavelength is 355 nm.
  • the conditions a and b were set as the light irradiation intensity based on the relationship between the absorption characteristics and the light irradiation intensity per unit time as in the first embodiment.
  • the condition a was 0 MW / cm 2 / ⁇ s
  • the condition b was 350 MW / cm 2 / ⁇ s.
  • the average output was adjusted based on the set light irradiation intensity conditions per unit time.
  • the average output is 0 mW and 220 mW, respectively.
  • FIG. 24 is a graph showing the energy distribution of secondary electrons when a light pulse is irradiated according to each light irradiation intensity.
  • a light pulse of 0 MW / cm 2 / ⁇ s that is, no light is irradiated
  • silicon 241 and silicon nitride 242 there is almost no difference between silicon 241 and silicon nitride 242.
  • an optical pulse of 350 MW / cm 2 / ⁇ s the silicon nitride is in a linearly absorbed state, and the efficiency of secondary electron emission is high. It can be seen that the energy distribution of the secondary electrons of silicon nitride 243 in this state has a high peak intensity and the peak is shifted to the low energy side.
  • Silicon irradiated with an optical pulse of 350 MW / cm 2 / ⁇ s is in a non-linear absorption state, and secondary electron emission is suppressed. It can be seen that the energy distribution of the secondary electrons of silicon 244 in this state has a low peak intensity and the peak is shifted to the high energy side. From FIG. 24, it can be seen that in addition to the difference in secondary electron emission efficiency, the difference in secondary electron yield can be expanded by the energy filter 231.
  • the filter voltage VEF is set to 4V.
  • FIG. 25 is an example of the light irradiation intensity conditions per unit time and the observation image acquired by the energy filter 231.
  • the silicon 252 and the silicon nitride 253 show the same image brightness, and the visibility of the pattern is low.
  • the difference in image brightness between the silicon 252 and the silicon nitride 253 is widened, and the visibility of the pattern is improved.
  • the image contrast between the silicon 252 and the silicon nitride 253 was improved by the energy discrimination, and the visibility of the pattern was further improved. You can see that.
  • ⁇ Embodiment 5 Summary> According to the charged particle beam apparatus 1 according to the fifth embodiment, in addition to adjusting the light irradiation intensity per unit time described in the first to fourth embodiments, observation is performed by using energy discrimination of secondary electrons. The contrast of the image can be emphasized.
  • FIG. 26 is a block diagram of the charged particle beam device 1 according to the sixth embodiment of the present invention.
  • a configuration example for identifying the characteristics of the sample 8 by using the secondary electron detection signal or the observation image itself will be described instead of using the absorption characteristic measurement unit 13 and the absorption characteristic measurement control unit 21. ..
  • the configuration shown in FIG. 26 is the same as the configuration described in the first embodiment except that the absorption characteristic measurement unit 13 and the absorption characteristic measurement control unit 21 are not provided.
  • condition a and the condition b are set as the light irradiation intensity condition per unit time.
  • Condition a is 10.0 MW / cm 2 / ⁇ s.
  • Condition b is 100 MW / cm 2 / ⁇ s.
  • the condition a was further set to an optical pulse average output of 400 mW.
  • Condition b was further set to an optical pulse average output of 4000 mW.
  • FIG. 27 is an example of a cross-sectional view of sample 8.
  • N-type silicon 272 having a low concentration and N-type silicon 273 having a high concentration are formed on the surface of the P-type silicon 271.
  • a low-concentration N-type silicon well 274 is further formed on the surface of the P-type silicon 271.
  • low-concentration P-type silicon 275 and high-concentration P-type silicon 276 are formed on the surface of the N-type silicon well 274.
  • FIG. 28 is an example of an observation image acquired under two light irradiation intensity conditions.
  • the N-type silicon 282 and the P-type silicon 283 can be clearly distinguished.
  • the type of impurities and the energy band of the material can be known.
  • the difference in density can be identified from the difference in image brightness between the low density N-type silicon 285 and the high density N-type silicon 286.
  • the low-density P-type silicon 287 and the high-density P-type silicon 288 can be identified from the difference in image brightness.
  • the concentration of impurities and the electronic state of the material can be known.
  • the charged particle beam apparatus 1 According to the charged particle beam apparatus 1 according to the sixth embodiment, it is possible to discriminate and visualize the different types of features of the sample 8 from the observation images acquired under the light irradiation intensity conditions per unit time.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications.
  • the above-described embodiment has been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to the one including all the described configurations.
  • it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.
  • one or more wavelengths can be selected by using a tunable laser whose wavelength can be selected by parametric oscillation.
  • a single wavelength pulse laser may be used, or a wavelength conversion unit that generates harmonics of light may be used. Since an image with uniform image contrast can be obtained in the irradiation region of the light pulse, it is desirable that the irradiation region of the light pulse is wider than the deflection region of the electron beam controlled by the deflector 3, but the present invention has the light pulse. It is not limited to the difference between the irradiation region and the deflection region.
  • the optical pulse and the electron beam may be irradiated at the same time in time, or may be irradiated at different timings in time.
  • an ND filter capable of varying the density for controlling the average output of the laser can be used.
  • an optical attenuator can be used as an optical system for controlling the average output.
  • the following can also be used as the light intensity adjusting unit 11: (a) The frequency of the pulse and the number of pulse irradiations are controlled by using an electro-optical effect element or a pulse picker using a magnetic-optical effect element, etc. b) The pulse width is controlled by using a pulse dispersion control optical system composed of a pair of prisms, and (c) the irradiation region of an optical pulse is controlled by using a condenser lens.
  • an optical branching element, a pulse stocker, an optical wavelength conversion element, a polarization control element, and the like can also be used. These can also be used in combination.
  • the absorption intensity is obtained from the difference signal between the irradiation light and the reflected light as the light absorption characteristic, but the light intensity of the reflected light may be used.
  • the difference may be obtained by digital processing instead of the analog circuit.
  • the photoelectron detector 91 can be shared with the electron detector 5.
  • the photoelectron detector 91 and the photovoltaic current measuring device 92 are used in combination as means for measuring the photoelectrons from the sample 8, but only one of them may be used.
  • the absorption characteristic measuring unit 13 a reflected light detector from the sample 8, a polarizing surface detector of the reflected light from the sample 8, a wavelength detector of the reflected light from the sample 8, and the like can also be used.
  • the circuit breaker 93 can be configured by an electron beam blocking means composed of a parallel electrode and a diaphragm.
  • the deflector 3 may block the electron beam, or a shield such as a valve on the optical axis of the electron beam may be operated.
  • control messenger unit 22 can be configured by using hardware such as a circuit device that implements the function, or by executing software that implements the function by an arithmetic unit. You can also.
  • Each functional unit controlled by the control messenger unit 22 (electron gun control unit 14, deflection signal control unit 15, electronic lens control unit 16, detector control unit 17. stage position control unit 18, pulse laser control unit 19, light intensity adjustment The same applies to the control unit 20, the absorption characteristic measurement control unit 21, etc.). The same applies to the image forming unit 24.
  • the present invention describes the other charged particle beam devices. Can also be used. That is, the present invention can be applied to other charged particle beam devices that adjust the emission efficiency of secondary charged particles by irradiating the sample 8 with light.

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Abstract

本発明は、光の吸収特性が光波長に依存する試料においても、高いコントラストを有する観察像を得ることができる、荷電粒子線装置を提供することを目的とする。本発明に係る荷電粒子線装置は、試料に対して光を照射するとともに前記試料の観察像を生成し、前記光の単位時間当たりの照射強度を変化させることにより、それぞれ異なるコントラストを有する複数の前記観察像を生成する（図４参照）。

Description

荷電粒子線装置
　本発明は、荷電粒子線を試料に照射する荷電粒子線装置に関する。
　半導体デバイスの製造工程では、歩留まり向上を目的として、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によるインライン検査計測が重要な検査項目となっている。特に、数ｋＶ以下の加速電圧を有する電子線を用いた低加速ＳＥＭ（ＬＶ　ＳＥＭ：Ｌｏｗ　Ｖｏｌｔａｇｅ　ＳＥＭ）は、電子線の侵入深さが浅く、表面情報に富む画像が得られることから、リソグラフィ工程におけるレジストパターンや前工程におけるゲートパターンなど２次元形状の検査計測において極めて有用である。しかしながら、リソグラフィ工程において利用されるレジストや反射防止膜等の有機材料は互いに組成が近く、あるいはトランジスタを構成する珪素系の半導体材料は互いに組成が近いので、材料からの２次電子放出の差が得られにくい。このような材料によって構成された試料はＳＥＭの像コントラストが低くなってしまうので、半導体デバイスの超微細パターンや欠陥の視認性が低下する。ＳＥＭの視認性向上法として、加速電圧や照射電流などの観察条件の調整法や試料から放出される電子のエネルギ弁別技術が知られているが、条件によっては分解能や撮像速度が課題となる。
　特許文献１には、ＳＥＭの観察領域に光を照射することによりＳＥＭの像コントラストを制御する技術が開示されている。光照射によって励起キャリアが発生するので、半導体や絶縁体の導電率が変化する。材料の導電率の差はＳＥＭの画像の電位コントラストに反映される。光照射によるＳＥＭの電位コントラスト制御によって半導体デバイス等の導通不良箇所を検出できる。
　下記特許文献２には、照射する光の波長に依存する光の吸収特性の差に着目し、複数の層で構成された試料に対し、光の波長を選択するＳＥＭの像コントラスト制御法が開示されている。
特開２００３－１５１４８３号公報 特願２０１０－５３６６５６号公報
　特許文献１と特許文献２は、いずれも、光の波長に依存した材料間の吸収特性の差に応じてＳＥＭの像コントラストを制御する。これらは、吸収特性の波長依存性に大きな差がある材料間では、像コントラストを強調できる。しかしながら、例えばドーパント種や濃度が異なる珪素材料間や、組成が近い有機材料間などのように、同種な材料間においては、吸収特性の波長依存性が近いものが多い。これら材料で構成された試料においては、十分な吸収特性の差を得ることが困難な場合がある。
　本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、光の吸収特性が光波長に依存する試料においても、高いコントラストを有する観察像を得ることができる、荷電粒子線装置を提供することを目的とする。
　本発明に係る荷電粒子線装置は、試料に対して光を照射するとともに前記試料の観察像を生成し、前記光の単位時間当たりの照射強度を変化させることにより、それぞれ異なるコントラストを有する複数の前記観察像を生成する。
　本発明に係る荷電粒子線装置によれば、光の吸収特性に応じて単位時間当たりの光照射強度を調整することにより、試料から放出される２次電子量を制御することができる。これにより、光波長に対する光吸収特性が近い同種の材料間であっても、観察像のコントラストを強調することができる。
実施形態１に係る荷電粒子線装置１の構成図である。 吸収特性測定部１３の構成例である。 荷電粒子線装置１が試料８の観察像を取得する手順を説明するフローチャートである。 単位時間当たりの光照射強度Ｉｒと光吸収強度Ｉａの関係を例示するグラフである。 単位時間当たりの光照射強度Ｉｒと２次電子の放出量との間の関係を示すグラフである。 画像表示部２５が表示するＧＵＩ６１の例である。 試料８の断面図の例である。 ３つの単位時間当たりの光照射強度条件で取得した観察像の例である。 実施形態２に係る荷電粒子線装置１の構成図である。 荷電粒子線装置１が試料８の観察像を取得する手順を説明するフローチャートである。 実施形態２におけるパルスレーザ１０と光強度調整部１１の構成図である。 Ｓ１００１によって測定した光吸収特性と単位時間当たりの光照射強度との間の関係の１例である。 試料８の断面図の例である。 実施形態２における単位時間当たりの光照射強度に対する２次電子検出信号の補正量ΔＣの関係を示すグラフである。 ３つの単位時間当たりの光の照射強度条件で取得した観察像の例である。 電子線照射タイミング／パルスレーザ照射タイミング／２次電子検出タイミングそれぞれを示すタイムチャートである。 実施形態３において画像表示部２５が表示するＧＵＩ６１の例である。 試料８の断面図の例である。 各照射条件の電子線によって取得した観察像の例である。 吸収特性測定部１３の構成例である。 吸収特性測定部１３の構成例である。 ３つの単位時間当たりの光照射強度条件で取得した観察像の例である。 実施形態５に係る荷電粒子線装置１の構成図である。 各光照射強度によって光パルスを照射した際の２次電子のエネルギ分布を示すグラフである。 ２つの単位時間当たりの光照射強度条件とエネルギフィルタ２３１によって取得した観察像の例である。 実施形態６に係る荷電粒子線装置１の構成図である。 試料８の断面図の例である。 ２つの光照射強度条件で取得した観察像の例である。
＜本発明の基本原理について＞
　以下ではまず本発明の基本原理について説明し、次に本発明の具体的な実施形態について説明する。本発明は、観察する試料に対して光を照射することにより、試料内部でキャリアを励起させる。このとき試料は励起状態となる。励起状態下における２次電子の放出量は、光の吸収量に応じて増加する。一方、光照射によって試料から光電子が放出される場合、試料は電子が欠乏した空乏状態となる。空乏状態下における２次電子の放出量は、光の吸収量に応じて減衰する。
　光照射による２次電子の増減量ΔＳは、式１で表される。Ａは光の吸収量であり、ｚは光の侵入方向に対する距離である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　光の吸収量の侵入方向依存性ｄＡ／ｄｚは、式２で表される。α１～α３は材料の吸収係数であり、α１は線形吸収項であり、α２とα３は２次と３次の非線形吸収項である。ここでは３次までの項を記載しているが、それ以上の高次の項も確認されている。Ｉｒは試料への単位時間当たりの光の照射強度である。単位時間当たりの光の照射強度を制御するパラメータとしては、パルスレーザの平均出力、１パルス当たりのエネルギ、１パルスあたりのピーク強度、パルスレーザのパルス幅、単位時間あたりに照射する光パルス数、光パルスの周波数、光スポットの面積、光波長、偏光、などが挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　光の照射強度が低い場合、一光子吸収による線形吸収項が支配的であり、光の波長が材料の吸収帯にあれば、試料は光を吸収して励起状態となる。励起状態においては２次電子の放出効率が高くなる。光の照射強度が高い場合、多光子吸収による非線形吸収項が支配的となり、光の波長が材料の吸収帯になくとも光を吸収し、励起状態から、さらには光電子を放出する空乏状態となる。空乏状態においては２次電子の放出効率が抑制される。つまり、光の照射強度に応じて吸収特性を一光子吸収と多光子吸収との間で制御することによって、２次電子の放出量を制御することができる。非線形吸収を確認する光物性パラメータとしては、吸収係数、反射係数、偏光変調、波長変調、光電子放出、などが挙げられる。
　本発明は、以上の原理を利用して、光波長に対する吸収特性が近接している材料間においても、光の単位時間当たりの照射強度を調整することにより、パターンや欠陥のコントラストを強調した視認性の高い観察像を得ることができる荷電粒子線装置を提供するものである。
＜実施の形態１＞
　本発明の実施形態１では、試料が有する光吸収特性に応じて単位時間当たりの光照射強度を制御したパルスレーザを観察領域に照射し、観察像コントラストを強調する荷電粒子線装置について述べる。
　図１は、本実施形態１に係る荷電粒子線装置１の構成図である。荷電粒子線装置１は、試料８に対して電子線（１次荷電粒子）を照射することにより試料８の観察像を取得する走査型電子顕微鏡として構成されている。荷電粒子線装置１は、電子光学系、ステージ機構系、光パルス照射系、光吸収特性測定系、制御系、画像処理系、操作系により構成されている。記憶装置２７については後述する。
　電子光学系は、電子銃２、偏向器３、電子レンズ４、電子検出器５により構成されている。ステージ機構系は、ＸＹＺステージ６、試料ホルダ７により構成されている。筐体９の内部は、高真空に制御され、電子光学系とステージ機構系が設置されている。光パルス照射系は、パルスレーザ１０、光強度調整部１１により構成されている。筐体９に設けた光パルス導入部１２を介して、試料８に対して光が照射される。吸収特性測定部１３は、試料８から反射される光パルスを検出する。
　制御系は、電子銃制御部１４、偏向信号制御部１５、電子レンズ制御部１６、検出器制御部１７、ステージ位置制御部１８、パルスレーザ制御部１９、光強度調整制御部２０、吸収特性測定制御部２１、制御伝令部２２、検出信号取得部２６により構成されている。制御伝令部２２は、操作インターフェース２３から入力された入力情報に基づき、各制御部へ制御値を書き込み制御する。画像処理系は、画像形成部２４と画像表示部２５により構成されている。
　電子銃２より加速された電子線は、電子レンズ４によって集束され、試料８に照射される。偏向器３は、試料８上に対する電子線の照射位置を制御する。電子検出器５は、電子線を試料８に対して照射することにより試料８から放出される放出電子（２次荷電粒子）を検出する。操作インターフェース２３は、加速電圧、照射電流、偏向条件、検出サンプリング条件、電子レンズ条件などをユーザが指定入力するための機能部である。
　パルスレーザ１０より照射された光パルスは、電子線が照射される試料８上の位置に照射される。光強度調整部１１は、光パルスレーザの単位時間当たりの照射強度を制御するデバイスである。電子検出器５は、試料８から放出される２次電子を検出する。２次電子は、エネルギの低い試料からの放出電子とエネルギの高い後方散乱電子の両方を含む。画像形成部２４は、電子検出器５が検出した検出信号を用いて試料８のＳＥＭ画像（観察像）を形成し、画像表示部２５はその画像を表示する。
　図２は、吸収特性測定部１３の構成例である。光強度調整部１１によって照射強度を調整したパルスレーザは、試料８に対して照射される前にビームスプリッタ３０によって分割される。照射光検出器３１は、試料８に照射する光強度に応じた信号を検出する。このとき、ビームスプリッタ３０の分割割合に応じて光強度を校正する。試料８に照射されたパルスレーザは試料８において反射し、対向設置した反射光検出器３２は光強度に応じた信号を検出する。減算器３３は、照射光検出器３１と反射光検出器３２がそれぞれ検出した信号の差分信号を求める。信号検出器３４は、その差分信号に基づき光の吸収強度をデジタル化する。
　図３は、荷電粒子線装置１が試料８の観察像を取得する手順を説明するフローチャートである。以下図３の各ステップについて説明する。
（図３：ステップＳ３０１～Ｓ３０３）
　ステージ機構系は、試料８を観察位置に移動させる（Ｓ３０１）。制御伝令部２２は、操作インターフェース２３からの指定入力にしたがって、基本的な電子線の観察条件として加速電圧、照射電流、倍率、走査時間を設定する（Ｓ３０２）。パルスレーザ制御部１９はパルスレーザの波長を設定する（Ｓ３０３）。レーザ波長は、試料８が光を吸収する波長帯に基づき設定することが望ましい。
（図３：ステップＳ３０４）
　制御伝令部２２は、光の単位時間当たりの照射強度を変化させながら、試料８による光の吸収特性を測定する。光照射強度は光強度調整部１１によって制御する。光吸収測定は吸収特性測定部１３によって測定する。制御伝令部２２は、測定結果に基づき、光照射強度と光吸収特性との間の対応関係を記述したデータを記憶装置２７に格納する。本ステップにおける対応関係の例については後述の図４で説明する。
（図３：ステップＳ３０５）
　制御伝令部２２は、ステップＳ３０４の結果に基づき、単位時間当たりの光照射強度の閾値を設定する。ここでいう閾値は、例えば式２の光吸収特性のうち線形吸収項（α１）と非線形吸収項（α２以降）いずれが支配的であるかに基づき定めることができる。閾値を決定する基準の具体例については、後述の図４で説明する。
（図３：ステップＳ３０４～Ｓ３０５：補足その１）
　本フローチャートにおいては、Ｓ３０４における解析結果を記憶装置２７に格納してこれを用いることとしたが、あらかじめ多様な条件における光照射強度と光吸収特性との間の対応関係を解析してその結果をデータベースとして記憶装置２７に格納しておくこともできる。これにより、観察像を取得するごとにステップＳ３０４～Ｓ３０５を実施する必要はなくなる。
（図３：ステップＳ３０４～Ｓ３０５：補足その２）
　記憶装置２７は、測定結果や対応関係を記憶する適当な装置によって構成することができる。例えば測定結果や対応関係をデータベースとして保持しておきこれを利用するのであれば、不揮発性記憶装置によって記憶装置２７を構成することができる。本フローチャートを実施するごとに測定結果と対応関係を取得するのであれば、これらを一時的に記憶するメモリデバイスなどによって記憶装置２７を構成することができる。これらを組み合わせてもよい。
（図３：ステップＳ３０６～Ｓ３０８）
　制御伝令部２２は、Ｓ３０４～Ｓ３０５の結果にしたがって、１つ以上の光照射強度を観察条件として設定する（Ｓ３０６）。ここでいう観察条件は、Ｓ３０５において設定した閾値そのものである必要はなく、後述するように閾値前後の適当な値でもよい。制御伝令部２２は、観察条件として設定した光照射強度となるように、光強度調整部１１によって照射強度を調整する（Ｓ３０７）。制御伝令部２２は、単位時間当たりの照射強度を調整した光パルスと電子線を試料８に照射し、画像形成部２４によって観察像を取得する（Ｓ３０８）。
　図４は、単位時間当たりの光照射強度Ｉｒと光吸収強度Ｉａの関係を例示するグラフである。Ｓ３０４においては、図４に例示するような関係を測定する。ここでは試料８がシリコン（Ｓｉ）と窒化シリコン（ＳｉＮ）によって構成されている場合における、光吸収特性と単位時間当たりの光照射強度との間の関係を例示した。シリコンの吸収特性４１においては、単位時間当たりの光照射強度Ｉｒが約１５０ＭＷ／ｃｍ２／μｓのとき、光吸収強度Ｉａが線形特性から非線形特性に変化していることがわかる。窒化シリコンの吸収特性４２においては、光照射強度Ｉｒが約３００ＭＷ／ｃｍ２／μｓになるまで線形特性を維持している。
　制御伝令部２２は、Ｓ３０５において、吸収特性４１（Ｓｉ）が線形から非線形に変化する照射強度を閾値Ｉｒｔｈ（Ｓｉ）とし、吸収特性４２（ＳｉＮ）が線形から非線形に変化する照射強度を閾値Ｉｒｔｈ（ＳｉＮ）とすることができる。これらの閾値の意義については図５を用いて説明する。
　図５は、単位時間当たりの光照射強度Ｉｒと２次電子の放出量との間の関係を示すグラフである。Ｉｒの増加に伴い、シリコンの２次電子放出量５１は増加し、Ｉｒが約１５０ＭＷ／ｃｍ２／μs以上に達すると次第に減少する。窒化シリコンの２次電子放出量５２は、約３００ＭＷ／ｃｍ２／μｓまで増加する。本明細書において、この２次電子放出量の増減現象を２次電子の変調効果と呼ぶことにする。本発明者等は、吸収特性が線形から非線形に変化することによってこの変調効果が生じることを発見した。したがって図５において２次電子放出量が減少し始める照射強度は、閾値Ｉｒｔｈ（Ｓｉ）と閾値Ｉｒｔｈ（ＳｉＮ）にそれぞれ対応している。
　材料ごとに観察像のコントラストを強調するためには、２次電子放出量が材料ごとに大きく異なるような観察条件を設定することが望ましい。これは図５においては２次電子放出量５１と５２との間の差分が大きいことに相当する。このようなコントラストが高い観察条件は、２次電子放出量が減少し始める閾値を境界として、その前後の照射強度において生じると考えられる。そこで図５においては、コントラストを比較する３つの観察条件として、それぞれ条件ａ（０ＭＷ／ｃｍ２／μｓ）、条件ｂ（７０ＭＷ／ｃｍ２／μｓ）、条件ｃ（３５０ＭＷ／ｃｍ２／μｓ）の３つを設定した。これらを用いた観察像の例については後述する。
　図６は、画像表示部２５が表示するＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ　Ｕｓｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）６１の例である。ＧＵＩ６１上では、基本的な観察条件である加速電圧６２、照射電流６３、倍率６４、走査速度６５が設定できる。画像表示部６６は観察像を表示する。照射条件設定部６７は、（ａ）光パルスの波長を設定する波長設定部６８、（ｂ）試料の吸収特性を取得（あるいはデータベースより呼び出す）する吸収特性解析部６９、（ｃ）吸収特性を表示する吸収特性表示部７０、（ｄ）吸収特性表示部７０上で決定した単位時間当たりの光の照射強度条件に基づき、光パルスの平均出力７１、パルス幅７２、光パルスの周波数７３、光パルスの照射径７４、を設定する照射強度設定部、を有する。図６においては、光パルス波長として２つの波長が選択できる。さらに、単位時間当たりの光の照射強度条件として、３つの条件が設定できる。ＧＵＩ６１上でこれら以外のパラメータを設定できるようにしてもよい。
　図７は、試料８の断面図の例である。ここでは図４で説明したようにシリコン７５と窒化シリコン７６によって構成されている例を示した。シリコン７５上に薄膜の窒化シリコン７６がライン状にパターニングされている。電子線の観察条件は、加速電圧０．５ｋＶ、照射電流１００ｐＡ、観察倍率１００Ｋ倍、走査速度はＴＶ走査速度である。光パルスの波長は３５５ｎｍである。単位時間当たりの光の照射強度は、図５で説明したように、０ＭＷ／ｃｍ２／μｓ、７０ＭＷ／ｃｍ２／μｓ、３５０ＭＷ／ｃｍ２／μｓの３つとした。光平均出力は、照射強度ごとにそれぞれ、０ｍＷ、４４ｍＷ、２２０ｍＷである。
　図８は、３つの単位時間当たりの光照射強度条件で取得した観察像の例である。各条件ａ～ｃは図５で説明したものである。条件ａで取得した観察像において、シリコン７５と窒化シリコン７６は同等の画像明度を示しており、パターンの視認性が低い。条件ｂで取得した観察像において、シリコン７５と窒化シリコン７６ともに高い画像明度が得られ、パターンの視認性も高くなっている。条件ｃで取得した観察像において、シリコン７５の画像明度が低くなり、窒化シリコン７６の画像明度は高い。条件ｃで取得した観察像が最も高いコントラストを得られることがわかる。
　また、本実施形態１に係る荷電粒子線装置１は、ＸＹＺステージ６、資料ホルダ７、試料８に対して電圧を印加して、試料に照射される電子エネルギを低エネルギ化させるリターリング系でも実施しても同様の効果が得られる。
＜実施の形態１：まとめ＞
　本実施形態１に係る荷電粒子線装置１は、単位時間当たりの光照射強度に依拠する光吸収特性に応じて、実際に照射する光の単位時間当たりの照射強度を調整することにより、試料８から放出される２次電子量を制御することができる。したがって光波長に対する吸収特性が近い同種の材料であっても、観察像コントラストを強調することができるので、試料８が有する欠陥やパターンの視認性が向上する。
＜実施の形態２＞
　試料８に対して光を照射すると、試料８から光電子が放出される場合がある。この光電子は２次電子に対するノイズとして作用する。そこで本発明の実施形態２では、２次電子の検出結果に対して光電子が与える影響を除去する構成例について説明する。
　図９は、本実施形態２に係る荷電粒子線装置１の構成図である。本実施形態２に係る荷電粒子線装置１は、実施形態１で説明した構成に加え、光電子検出器９１、光起電流測定器９２、遮断器９３、信号補正器９４を備える。光電子検出器９１は、光パルス照射による試料８からの光電子を検出する。光起電流測定器９２は、試料８に対して光を照射することにより試料８に流れる電流を測定する。遮断器９３は、電子線を遮断する機能を有する。信号補正器９４は、光電子検出器９１が検出した光電子の検出信号に基づき、２次電子の検出信号もしくは観察像の明度を補正する。その他の構成は実施形態１と同様であるので、以下では主に差異点について説明する。
　図１０は、荷電粒子線装置１が試料８の観察像を取得する手順を説明するフローチャートである。図１０のフローチャートは、図３で説明したものに加えてＳ３０７とＳ３０８の間にＳ１００２が追加されており、Ｓ３０４がＳ１００１に置き換えられている。その他のステップは図３と同様である。
（図１０：ステップＳ１００１）
　制御伝令部２２は、光の単位時間当たりの照射強度を変化させながら、試料８による光の吸収特性を測定する。光吸収特性は、光電子検出器９１が検出する光電子放出量、または光起電流測定器９２が測定する光起電流に基づき測定することができる。光電子放出量と光吸収量の関係、または光起電流と光吸収量の関係は、例えばあらかじめ測定してその測定結果を記憶装置２７に格納しておけばよい。
（図１０：ステップＳ１００２）
　信号補正器９４は、Ｓ１００１において測定した光吸収特性に基づき、２次電子の検出信号を補正する。すなわち、試料８に対して電子線と光を照射しているときにおける２次電子検出信号から、試料８に対して光を照射し電子線を照射していないときにおける２次電子検出信号を減算することにより、光照射が２次電子検出信号に対して与える影響を除去する。試料８に対して光を照射し電子線を照射していないときにおける２次電子検出信号は、Ｓ１００１における検出結果によって取得することができる。
　図１１は、本実施形態２におけるパルスレーザ１０と光強度調整部１１の構成図である。レーザ発振器（あるいはレーザ増幅器）１１１は、光パルスを放出する。波長変換器１１２は、非線形光学素子などによって構成されており、光パルスの波長を制御する。パルスピッカー１１３は、電気光学効果素子や磁気光学効果素子によって構成されており、光パルスの周波数を制御する。パルス分散制御器１１４は、プリズム対などによって構成されており、光パルスのパルス幅を制御する。偏光制御器１１５は、複屈折素子などを用いて構成されており、光パルスの偏光面を制御する。平均出力制御器１１６は、濃度が可変できるＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ　Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタなどによって構成されており、光パルスの平均出力を調整する。さらに、光パルス導入部１２はズームレンズなどによって構成することができ、これにより光パルスの照射径を制御できる。
　図１２は、Ｓ１００１によって測定した光吸収特性と単位時間当たりの光照射強度との間の関係の１例である。ここでは不純物の種類が異なるＰ型シリコンとＮ型シリコンにおける吸収特性を解析した。測定は光電子検出器９１を用いて光電子を検出することにより実施した。このとき遮断器９３によって電子線は遮断することとした。光パルスの波長は４０５ｎｍである。この波長においては、シリコンの真空準位に達する光エネルギ（ｅＶ）を有しないので、光パルスが線形吸収される状態では光電子を放出しない。単位時間当たりの光照射強度の増加に伴い、非線形過程である多光子吸収を経て、光電子を放出する。
　図１２は、Ｐ型シリコンとＮ型シリコンにおける単位時間当たりの光照射強度Ｉｒと光電子の放出強度Ｓｐｈの関係を示している。Ｐ型シリコン１２１は、単位時間当たりの光照射強度４ＭＷ／ｃｍ２／μｓを閾値として光電子を放出するのに対し、Ｎ型シリコン１２２は１２ＭＷ／ｃｍ２／μｓを閾値として光電子を放出する。図１２では、光電子検出器９１を用いて検出した光電子の例を示したが、光起電流測定器９２を用いた場合、試料８から放出される光電子電流を測定することができるので、図１２と同様の閾値を抽出することができる。
　図１３は、試料８の断面図の例である。Ｐ型シリコン１３１の面上にＮ型シリコン１３２が接合形成されており、さらにその上にはシリコン酸化膜１３３のホールパターンが形成されている。欠陥１３４は、Ｎ型シリコン１３２とシリコン酸化膜１３３のホールパターンとの間のアライメントがずれている箇所である。
　本実施形態２では、実施形態１と同様のＧＵＩを用いた。ＳＥＭ観察条件としては、加速電圧１．０ｋＶ、照射電流５００ｐＡ、観察倍率２００Ｋ倍、走査速度はＴＶ走査速度の２倍とした。単位時間当たりの光照射強度の条件ａは、０．０ＭＷ／ｃｍ２／μｓとした。条件ｂは、４ＭＷ／ｃｍ２／μｓとした。条件ｃは、１２ＭＷ／ｃｍ２／μｓとした。条件ｂはさらに、光パルス周波数１００ＭＨｚ、平均出力１６ｍＷ、パルス幅１０００フェムト秒、照射径５０μｍとした。条件ｃはさらに、光パルス周波数５０ＭＨｚ、平均出力５４ｍＷ、パルス幅８００フェムト秒、照射径６０μｍとした。
　図１４は、本実施形態２における単位時間当たりの光照射強度に対する２次電子検出信号の補正量ΔＣの関係を示すグラフである。補正量ΔＣは、図１２に示した単位時間当たりの光照射強度Ｉｒと光電子の放出強度Ｓｐｈの関係に加えて、試料８におけるＰ型シリコン１３１とＮ型シリコン１３２の面積割合により決定した。本実施形態２においてはこの割合を５０％とした。
　図１５は、３つの単位時間当たりの光の照射強度条件で取得した観察像の例である。条件ａで取得した観察像において、Ｐ型シリコン１３１とＮ型シリコン１３２は同等の画像明度を示しており、パターンの視認性が低く、欠陥部も視認できない。条件ｂで取得した観察像においては、Ｐ型シリコン１３１とＮ型シリコン１３２の視認性は向上するが、欠陥検出には不十分である。条件ｃで取得した観察像においては、Ｐ型シリコン１３１の画像明度が低くなり、最も高いパターンコントラストである。条件ｃで取得した観察像であれば十分に欠陥１５６を視認できる。
　また、２次電子信号から光電子の影響を除去する方法として、電子レンズ制御部１６に含まれるエネルギフィルタに印加する電圧を制御することで、電子検出器５で検出される２次電子信号から光電子が与える影響を除去してもよい。
＜実施の形態２：まとめ＞
　本実施形態２に係る荷電粒子線装置１は、試料８に対して光を照射することにより試料８から放出される光電子の影響を、２次電子検出信号から除去することにより、２次電子検出信号を補正する。これにより、試料８の観察像コントラストをより正確に形成することができるので、欠陥やパターンの視認性を向上させることができる。
＜実施の形態３＞
　本発明の実施形態３では、試料８に対して電子線を断続的に照射する例について説明する。電子線を照射しているときと照射していないときそれぞれの観察像を比較することにより、試料８の視認性を向上させることができる。荷電粒子線装置１の構成は実施形態２と同様である。遮断器９３が電子線を遮断することにより、電子線の照射期間と非照射期間（間隔期間）を制御できる。
　図１６は、電子線照射タイミング／パルスレーザ照射タイミング／２次電子検出タイミングそれぞれを示すタイムチャートである。制御伝令部２２は、遮断器９３を制御することにより、電子線の照射期間１６１と間隔期間１６２を制御する。本実施形態３では、パルスレーザの光パルス１６３は、照射期間１６１と間隔期間１６２によらず一定の周波数で制御することとした。光パルス１６３は照射期間１６１に同期して照射しても構わないし、間隔期間１６２に同期して照射しても構わない。２次電子を検出するタイミング１６４は、照射期間１６１に同期させる。２次電子を検出するタイミング１６４は、２次電子の走行時間や電子検出器５の回路遅れを踏まえた遅れ時間を考慮して、照射期間１６１に同期する必要がある。
　図１７は、本実施形態３において画像表示部２５が表示するＧＵＩ６１の例である。本実施形態３においては、実施形態１で説明したＧＵＩ６１に加えて、照射期間設定部１７１と間隔期間設定部１７２が追加されている。
　図１８は、試料８の断面図の例である。Ｐ型シリコン１８１の面上にＮ型シリコン１８２が接合形成されている。さらにその上にはシリコン酸化膜１８３が配置され、シリコン酸化膜１８３にはホールパターンが形成されている。ホールパターンには、ポリシリコンのコンタクトプラグ１８４が形成されている。欠陥１８５は、Ｎ型シリコンが高濃度に注入されたものである。欠陥１８６は、コンタクトプラグ１８４とＮ型シリコン１８２との間に薄い残膜があるものである。欠陥１８７は欠陥１８６より厚い残膜を有する。
　本実施形態３においては、観察条件として、加速電圧０．３ｋＶ、照射電流５０ｐＡ、観察倍率５０Ｋ倍、走査速度はＴＶ走査速度とした。断続的に電子線を照射する場合の照射時間２００ｎｓ、間隔時間 ３．２μｓとした。本実施形態３では、光起電流測定器９２を用いて、試料８の光吸収特性と単位時間当たりの光照射強度との関係を取得した。図１７の吸収特性表示部７０に示すように、吸収特性に基づき、単位時間当たりの光照射強度として条件ａ～条件ｃを設定した。条件ａは、０．０ＭＷ／ｃｍ２／μｓである。条件ｂは、１６ＭＷ／ｃｍ２／μｓである。条件ｃは、３０ＭＷ／ｃｍ２／μｓである。照射条件設定部６７においてこれに対応する各条件をセットした。
　図１９は、各照射条件の電子線によって取得した観察像の例である。条件ａかつ電子線を５μｓ以上連続照射することにより取得した観察像においては、コンタクトプラグ１９２が識別できるものの、欠陥は識別できない。条件ｂかつ電子線を５μｓ以上連続照射することにより取得した観察像においては、光パルスの線形吸収によって接合の空乏層が導電化するので、正常なコンタクトプラグ１９４が明るくなる。しかしながら、線形吸収の弱い高濃度のＮ型シリコンをもつ欠陥（図１８の欠陥１８５）や、残膜を持つ欠陥（図１８の欠陥１８６と１８７）は、電子線照射によって帯電するので、コンタクトプラグの明度は低いままである。条件ｃかつ電子線を５μｓ以上連続照射することにより取得した観察像においては、非線形吸収によって高濃度のＮ型シリコンをもつ接合の空乏層も導電化されるので、欠陥１９６が明るくなる。条件ｃかつ電子線の照射時間２００ｎｓと間隔時間３．２μｓの断続照射によって取得した観察像においては、コンタクトプラグとＮ型シリコンとの間に薄い残膜がある欠陥１９８と、欠陥１９８より厚い残膜を有する欠陥１９９がグレースケールのコントラストとして認識できる。この条件においては、静電容量が高い欠陥１９８の方が、静電容量が低い欠陥１９９より明るくなる。
　差画像２００は、図１９の中段２つの観察像（条件ｂ：５μｓ）（条件ｃ：５μｓ）の差分によって形成したものである。差画像２００から、コンタクトプラグ底部に有する接合の欠陥を抽出することができる。差画像２０１は、図１９の下段２つの観察像（条件ｃ：５μｓ）（条件ｃ：２００ｎｓ）の差分によって形成したものである。差画像２０１から、コンタクトプラグ底部に有する膜厚の異なる残膜欠陥を抽出できる。
＜実施の形態３：まとめ＞
　本実施形態３に係る荷電粒子線装置１は、試料８に対して電子線を照射する期間と照射しない期間を切り替えることにより、試料８に対して断続的に電子線を照射しながら、観察像を生成する。これにより、試料８に対して連続的に電子線を照射しながら取得した観察像とは異なるコントラストを有する観察像を得ることができる。このことを利用して、電気特性の異なる電気的な欠陥を弁別して検出できる。
＜実施の形態４＞
　図２０は、吸収特性測定部１３の構成例である。ここでは光の偏光面を検出する構成を示した。試料８で反射した光パルスは、波長板２１１によって楕円偏光となり、複屈折素子２１２によってＳ偏光とＰ偏光に分けられる。光検出器２１３はＳ偏光の光強度を検出し、光検出器２１４はＰ偏光の光強度を検出する。減算器２１５は、Ｓ偏光の光強度とＰ偏光の光強度の差分を演算する。信号検出器２１６はその演算結果を楕円偏光の強度としてデータ化する。差分信号を求めるために、アナログ回路に代えてデジタル処理を用いてもよい。
　図２１は、吸収特性測定部１３の構成例である。ここでは非線形吸収によって発生する高調波を検出する構成を示した。試料８で発生した高調波の光パルスは、回折格子２１７でスペクトル分解される。スペクトルごとの光強度が、シリコンプロセスで作成された複数の検出素子をライン上に有する光強度センサ２１８で検出される。光強度センサ２１８で得られる各波長の光強度は、信号検出器２１９でデータ化される。本実施形態４では、照射する光パルスは円偏光とし、波長は７００ｎｍとした。線形から非線形に変化する単位時間当たりの光照射強度の閾値は、楕円偏光に変化する照射強度、あるいは、第２高調波である３５０ｎｍが発生する照射強度とした。
　本実施形態４では、図３のフローチャートと図６のＧＵＩを用いた。本実施形態４における試料として、有機物に誘電体が混合された有機無機ハイブリッド材料により形成されたものを用いた。光パルス照射による試料８からの偏光面の変化、あるいは、第２高調波の発生する単位時間当たりの光照射強度の閾値によって、単位時間当たりの光照射強度として条件ａ～条件ｃを設定した。条件ａは、０．０ＭＷ／ｃｍ２／μｓである。条件ｂは、４ＭＷ／ｃｍ２／μｓである。条件ｃは、１０ＭＷ／ｃｍ２／μｓである。条件ｂはさらに、光パルス周波数１００ＭＨｚ、平均出力１４ｍＷ、パルス幅２２０フェムト秒、照射径１００μｍとした。条件ｃはさらに、光パルス周波数１００ＭＨｚ、平均出力３５ｍＷ、パルス幅２２０フェムト秒、照射径１００μｍとした。
　図２２は、３つの単位時間当たりの光照射強度条件で取得した観察像の例である。条件ａで取得した観察像においては、ハイブリッド材料のベースとなる有機物２２２と誘電体２２３は同等の画像明度を示しており、誘電体ドメインの視認性が低い。条件ｂで取得した観察像においては、線形吸収によって誘電体が励起状態となるので、誘電体２２５からの２次電子放出が増加し、誘電体ドメインが明瞭に視認できる。条件ｃの観察像においては、複素誘電率が異なる誘電体それぞれにおいて非線形な吸収が生じるので、２次電子の放出が減少する。条件ｃで取得した観察像においては、複素誘電率の異なる誘電体２２７が、複素誘電率の差に応じたグレースケールで監察できる。
　本実施形態４に係る荷電粒子線装置１によれば、試料８が有するそれぞれ誘電率の異なるドメインを弁別して検出することができる。本実施形態４において、吸収特性測定部１３として偏光面と波長を検出する２つの構成例を示したが、これら２つの特性をともに検出する必要はなく、偏光面を検出しても構わないし、波長を検出しても構わない。
＜実施の形態５＞
　本発明の実施形態５では、実施形態１～４で説明した構成に加えて、２次電子のエネルギ弁別によって観察像のコントラストを強調する構成例について述べる。その他構成は実施形態１～４と同様である。
　図２３は、本実施形態５に係る荷電粒子線装置１の構成図である。ここでは実施形態１で説明した構成に加え、２次電子のエネルギを弁別するエネルギフィルタ２３１と、エネルギフィルタ２３１に印可する電圧を制御するエネルギフィルタ制御部２３２を備えた構成例を示した。ユーザは操作インターフェース２３を介してエネルギフィルタ２３１に対して印加する電圧を指定し、エネルギフィルタ制御部２３２はその指定にしたがって電圧を制御する。エネルギフィルタ２３１に代えて、ウイーンフィルタを利用したスペクトルメータなどのエネルギ分光器を用いてもよい。
　本実施形態５においては、図７に示す試料８を用いた。観察条件としては、加速電圧０．５ｋＶ、照射電流１００ｐＡ、観察倍率１００Ｋ倍、走査速度はＴＶ走査速度である。光パルス波長は３５５ｎｍである。単位時間当たりの光照射強度は、実施形態１と同様に吸収特性と単位時間当たりの光照射強度との関係に基づき、光照射強度として条件ａと条件ｂを設定した。条件ａは０ＭＷ／ｃｍ２／μｓとし、条件ｂは３５０ＭＷ／ｃｍ２／μｓとした。さらに、設定した２つの単位時間当たりの光照射強度条件に基づき平均出力を調整した。平均出力はそれぞれ、０ｍＷと２２０ｍＷである。
　図２４は、各光照射強度によって光パルスを照射した際の２次電子のエネルギ分布を示すグラフである。０ＭＷ／ｃｍ２／μｓの光パルス（すなわち光を照射しない）においては、シリコン２４１と窒化シリコン２４２でほとんど差がない。３５０ＭＷ／ｃｍ２／μｓの光パルスを照射した場合、窒化シリコンは線形吸収された状態であり、２次電子放出の効率が高い。この状態における窒化シリコン２４３の２次電子のエネルギ分布はピーク強度が高く、低いエネルギ側にピークがシフトしていることがわかる。３５０ＭＷ／ｃｍ２／μｓの光パルスを照射したシリコンは、非線形吸収の状態であり、２次電子放出が抑制される。この状態におけるシリコン２４４の２次電子のエネルギ分布はピーク強度が低く、また高いエネルギ側にピークがシフトしていることがわかる。図２４より、２次電子の放出効率の差に加え、エネルギフィルタ２３１によって２次電子の収量の差を拡大できることが分かる。本実施形態５においてはフィルタ電圧ＶＥＦを４Ｖとした。
　図２５は、２つの単位時間当たりの光照射強度条件とエネルギフィルタ２３１によって取得した観察像の例である。条件ａで取得した観察像においては、シリコン２５２と窒化シリコン２５３が同等の画像明度を示しており、パターンの視認性が低い。条件ｂで取得した観察像においては、シリコン２５２と窒化シリコン２５３との間で画像明度の差が拡大し、パターンの視認性が高くなる。条件ｂに加えてエネルギフィルタ２３１を（フィルタ電圧は４Ｖ）を用いた観察像においては、エネルギ弁別によってシリコン２５２と窒化シリコン２５３との間の像コントラストが向上し、パターンの視認性がさらに向上したことがわかる。
＜実施の形態５：まとめ＞
　本実施形態５に係る荷電粒子線装置１によれば、実施形態１～４で説明した単位時間当たりの光照射強度を調整することに加えて、２次電子のエネルギ弁別を用いることにより、観察像のコントラストを強調することができる。
＜実施の形態６＞
　図２６は、本発明の実施形態６に係る荷電粒子線装置１の構成図である。本実施形態６においては、吸収特性測定部１３と吸収特性測定制御部２１を用いることに代えて、２次電子検出信号または観察像そのものを用いて試料８の特徴を識別する構成例について説明する。図２６に示す構成は、吸収特性測定部１３と吸収特性測定制御部２１を備えていないことを除き、実施形態１で説明した構成と同様である。
　本実施形態６においては、単位時間当たりの光照射強度条件として条件ａと条件ｂを設定する。条件ａは、１０．０ＭＷ／ｃｍ２／μｓである。条件ｂは、１００ＭＷ／ｃｍ２／μｓである。条件ａはさらに、光パルス平均出力４００ｍＷとした。条件ｂはさらに、光パルス平均出力４０００ｍＷとした。
　図２７は、試料８の断面図の例である。Ｐ型シリコン２７１の表面上に、濃度の低いＮ型シリコン２７２と、濃度の高いＮ型シリコン２７３が形成されている。Ｐ型シリコン２７１の表面上にはさらに、濃度の低いＮ型シリコンウェル２７４が形成されている。Ｎ型シリコンウェル２７４の表面上には、濃度の低いＰ型シリコン２７５と濃度の高いＰ型シリコン２７６が形成されている。
　図２８は、２つの光照射強度条件で取得した観察像の例である。条件ａで取得した観察像においては、Ｎ型シリコン２８２とＰ型シリコン２８３が明瞭に識別できる。条件ａで取得した観察像から不純物の種類や材料のエネルギバンドがわかる。条件ｂで取得した観察像においては、濃度の低いＮ型シリコン２８５と濃度の高いＮ型シリコン２８６の画像明度の差から、濃度の違いが識別できる。濃度の低いＰ型シリコン２８７と濃度の高いＰ型シリコン２８８も同様に画像明度の差から識別できる。条件ｂで取得した観察像から不純物の濃度や材料の電子状態がわかる。
　本実施形態６に係る荷電粒子線装置１によれば、それぞれ異なる単位時間当たりの光照射強度条件で取得した観察像から、試料８が有する異なる種類の特徴を弁別して可視化することができる。
＜本発明の変形例について＞
　本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　以上の実施形態において、パルスレーザ１０としては、パラメトリック発振によって波長が選択可能な波長可変レーザを用いることにより、１以上の波長を選択できる。単一波長のパルスレーザを用いても構わないし、光の高調波を発生させる波長変換ユニットを用いても構わない。光パルスの照射領域においては、均一な像コントラストの画像が得られるので、偏向器３で制御された電子線の偏向領域よりも光パルスの照射領域が広いことが望ましいが、本発明は光パルスの照射領域と偏向領域との差に制限されるものではない。光パルスと電子線とは、時間的に同時に照射してもよいし、時間的に異なるタイミングで照射しても構わない。
　以上の実施形態において、光強度調整部１１としては、レーザの平均出力を制御する濃度が可変できるＮＤフィルタを用いることができる。その他、平均出力を制御する光学系として光アッテネータを用いることもできる。光強度調整部１１として、以下のものを用いることもできる：（ａ）電気光学効果素子や磁気光学効果素子を利用したパルスピッカーなどを用いてパルスの周波数やパルスの照射数を制御する、（ｂ）プリズム対で構成されるパルス分散制御光学系などを用いてパルス幅を制御する、（ｃ）集光レンズを用いて光パルスの照射領域を制御する。その他、光分岐素子、パルスストッカ、光波長変換素子、偏光制御素子、などを用いることもできる。これらを組み合わせて用いることもできる。
　図２において、光の吸収特性として照射光と反射光の差分信号から吸収強度を求めることを説明したが、反射光の光強度を用いても構わない。差分信号を求めるためにアナログ回路に代えてデジタル処理によって差分を求めてもよい。
　実施形態２において、光電子検出器９１は、電子検出器５と共通とすることができる。実施形態２においては、試料８からの光電子を測定する手段として光電子検出器９１と光起電流測定器９２を併用しているが、どちらか１つのみ用いてもよい。吸収特性測定部１３としてはその他、試料８からの反射光検出器、試料８からの反射光の偏光面検出器、試料８からの反射光の波長検出器、などを用いることもできる。
　遮断器９３としては、平行電極と絞りで構成された電子線の遮断手段によって構成することができる。その他、偏向器３において電子線を遮断してもよいし、電子線の光学軸上にあるバルブ等の遮蔽物を稼働させてもよい。
　以上の実施形態において、制御伝令部２２は、その機能を実装した回路デバイスなどのハードウェアを用いて構成することもできるし、その機能を実装したソフトウェアを演算装置が実行することにより構成することもできる。制御伝令部２２が制御する各機能部（電子銃制御部１４、偏向信号制御部１５、電子レンズ制御部１６、検出器制御部１７．ステージ位置制御部１８、パルスレーザ制御部１９、光強度調整制御部２０、吸収特性測定制御部２１など）についても同様である。画像形成部２４も同様である。
　以上の実施形態においては、試料８の観察像を取得する構成例として、荷電粒子線装置１が走査電子顕微鏡として構成されている例を説明したが、本発明はそれ以外の荷電粒子線装置においても用いることができる。すなわち、試料８に対して光を照射することにより２次荷電粒子の放出効率を調整するその他の荷電粒子線装置に対して、本発明を適用することができる。
１　荷電粒子線装置
２　電子銃
３　偏向器
４　電子レンズ
５　電子検出器
６　ＸＹＺステージ
７　試料ホルダ
８　試料
９　筐体
１０　パルスレーザ
１１　光強度調整部
１２　光パルス導入部
１３　吸収特性測定部
１４　電子銃制御部
１５　偏向信号制御部
１６　電子レンズ制御部
１７　検出器制御部
１８　ステージ位置制御部
１９　パルスレーザ制御部
２０　光強度調整制御部
２１　吸収特性測定制御部
２２　制御伝令部
２３　操作インターフェース
２４　画像形成部
２５　画像表示部
３０　ビームスプリッタ
３１　照射光検出器
３２　反射光検出器
３３　減算器
３４　信号検出器
５１　シリコン
５２　窒化シリコン
６１　ＧＵＩ
６６　画像表示部
６７　照射条件設定部
６８　波長設定部
６９　吸収特性解析部
７０　吸収特性表示部
７５　シリコン
７６　窒化シリコン
９１　光電子検出器
９２　光起電流測定器
９３　遮断器
９４　信号補正器
１１１　レーザ発振器（あるいはレーザ増幅器）
１１２　波長変換器
１１３　パルスピッカー
１１４　パルス分散制御器
１１５　偏光制御器
１１６　平均出力制御器
１２１　P型シリコン
１２２　N型シリコン
１３１　P型シリコン
１３２　N型シリコン
１３３　シリコン酸化膜
１３４　欠陥
１５２　P型シリコン
１５３　N型シリコン
１５６　欠陥
１６１　照射期間
１６２　間隔期間
１６３　光パルス
１７１　照射期間設定部
１７２　間隔期間設定部
１８１　P型シリコン
１８２　N型シリコン
１８３　シリコン酸化膜
１８４　コンタクトプラグ
１８５　欠陥
１８６　欠陥
１８７　欠陥
１９２　コンタクトプラグ
１９４　コンタクトプラグ
１９６　欠陥
１９８　欠陥
１９９　欠陥
２００　差画像
２０１　差画像
２１１　波長板
２１２　複屈折素子
２１３　光検出器
２１４　光検出器
２１５　減算器
２１６　信号検出器
２１７　回折格子
２１８　光強度センサ
２１９　信号検出器
２２２　有機物
２２３　誘電体
２２５　誘電体
２２７　誘電体
２３１　エネルギフィルタ
２３２　エネルギフィルタ制御部
２５２　シリコン
２５３　窒化シリコン
２７１　P型シリコン
２７２　N型シリコン
２７３　N型シリコン
２７４　N型シリコンウェル
２７５　P型シリコン
２７６　P型シリコン
２８２　N型シリコン
２８３　P型シリコン
２８５　N型シリコン
２８６　N型シリコン
２８７　P型シリコン
２８８　P型シリコン

Claims (13)

  1. 　試料に対して荷電粒子線を照射する荷電粒子線装置であって、
    　前記試料に対して１次荷電粒子を照射する荷電粒子源、
    　前記試料に対して照射する光を出射する光源、
    　前記１次荷電粒子を前記試料に対して照射することにより前記試料から生じる２次荷電粒子を検出する検出器、
    　前記検出器が検出した前記２次荷電粒子を用いて前記試料の観察像を生成する画像処理部、
    　前記光の単位時間当たりの照射強度を調整する光強度制御部、
    　を備え、
    　前記光強度制御部は、前記光の単位時間当たりの照射強度を変化させることにより、それぞれ異なるコントラストを有する複数の前記観察像を前記画像処理部に生成させる
    　ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 　前記試料は、前記光の単位時間当たりの照射強度に応じて、前記２次荷電粒子の放出量が変化する特性を有しており、
    　前記光強度制御部は、前記光の単位時間当たりの照射強度を第１強度に制御することにより、前記試料が前記第１強度に対応する第１放出量の前記２次荷電粒子を放出するようにした上で、前記観察像を前記画像処理部に生成させ、
    　前記光強度制御部は、前記光の単位時間当たりの照射強度を前記第１強度とは異なる第２強度に制御することにより、前記試料が前記第２強度に対応する第２放出量の前記２次荷電粒子を放出するようにした上で、前記観察像を前記画像処理部に生成させる
    　ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
  3. 　前記光強度制御部は、前記光の単位時間当たりの照射強度を前記第１強度と前記第２強度との間の第３強度に制御することにより、前記試料が前記第３強度に対応する第３放出量の前記２次荷電粒子を放出するようにした上で、前記観察像を前記画像処理部に生成させ、
    　前記第３放出量は前記第１放出量よりも大きく、前記第２放出量は前記第１放出量よりも小さい
    　ことを特徴とする請求項２記載の荷電粒子線装置。
  4. 　前記試料が前記光を吸収する吸収量は、前記光の単位時間当たりの照射強度の１乗に比例する第１成分と、前記光の単位時間当たりの照射強度の２乗以上のべき乗に比例する第２成分とを有しており、
    　前記第２成分は、前記光の単位時間当たりの照射強度が前記第３強度以上であるとき、前記第１成分以上となり、前記光の単位時間当たりの照射強度が前記第３強度未満であるとき、前記第１成分未満となり、
    　前記光強度制御部は、前記光の単位時間当たりの照射強度を前記第２強度にすることにより、前記吸収量のうち前記第２成分が前記第１成分よりも大きくなるようにし、
    　前記光強度制御部は、前記光の単位時間当たりの照射強度を前記第１強度にすることにより、前記吸収量のうち前記第１成分が前記第１成分よりも大きくなるようにする
    　ことを特徴とする請求項３記載の荷電粒子線装置。
  5. 　前記試料が前記光を吸収する吸収量は、前記光の単位時間当たりの照射強度の１乗に比例する第１成分と、前記光の単位時間当たりの照射強度の２乗以上のべき乗に比例する第２成分とを有しており、
    　前記光強度制御部は、前記吸収量のうち前記第２成分が前記第１成分よりも大きくなるように前記光の単位時間当たりの照射強度を制御することにより、前記第１成分が前記第２成分よりも大きいときと比較して、前記放出量が小さくなるようにする
    　ことを特徴とする請求項３記載の荷電粒子線装置。
  6. 　前記荷電粒子線装置はさらに、前記試料が前記光を吸収する吸収量を測定する吸収特性測定部を備え、
    　前記荷電粒子線装置はさらに、前記吸収特性測定部が測定した前記吸収量と、前記光の単位時間当たりの照射強度との間の対応関係を記述した対応関係データを格納する記憶部を備え、
    　前記光強度制御部は、前記対応関係データが記述している前記対応関係にしたがって、前記第１強度と前記第２強度を決定する
    　ことを特徴とする請求項２記載の荷電粒子線装置。
  7. 　前記荷電粒子線装置はさらに、前記吸収特性測定部が測定した前記吸収量にしたがって、前記検出器が検出した前記２次荷電粒子の信号量を補正する、信号量補正部を備える
    　ことを特徴とする請求項６記載の荷電粒子線装置。
  8. 　前記信号量補正部は、前記試料に対して前記光と前記１次荷電粒子を照射しているとき前記検出器が検出する前記２次荷電粒子の第１信号量から、前記試料に対して前記光を照射し前記１次荷電粒子を照射していないとき前記前記検出器が検出する前記２次荷電粒子の第２信号量を減算することにより、前記検出器による検出結果を補正する
    　ことを特徴とする請求項７記載の荷電粒子線装置。
  9. 　前記光強度制御部は、前記試料に対して前記１次荷電粒子を照射する照射期間と、前記試料に対して前記１次荷電粒子を照射しない間隔期間とを切り替えることができるように構成されており、
    　前記画像処理部は、前記試料に対して前記１次荷電粒子を連続的に照射している間において前記試料の第１観察像を生成するとともに、前記照射期間と前記間隔期間を切り替えながら前記１次荷電粒子を断続的に照射している間において前記試料の第２観察像を生成することにより、それぞれ異なるコントラストを有する複数の前記観察像を生成する
    　ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
  10. 　前記荷電粒子線装置はさらに、前記２次荷電粒子が有するエネルギに応じて、前記検出器に対して入射する前記２次荷電粒子を弁別する、エネルギフィルタを備える
    　ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
  11. 　前記光強度制御部は、前記光の平均出力、前記光のピーク強度、前記光のパルス幅、前記光のパルスの照射周期、前記試料の表面上における前記光の照射面積、前記光の波長、前記光の偏光、のうちいずれか１つ以上のパラメータを制御する
    　ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
  12. 　前記光強度制御部は、光アッテネータ、光分岐素子、パルスストッカ、パルスピッカー、光波長変換素子、偏光制御素子、集光レンズ、のうちいずれか１つ以上によって構成されている
    　ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
  13. 　前記吸収特性測定部は、前記試料からの反射光検出器、前記試料からの反射光の偏光面検出器、前記試料からの反射光の波長検出器、前記試料から放出された光電子検出器、前記試料において生じる光起電力検出器、のうちいずれか１つ以上によって構成されている
    　ことを特徴とする請求項６記載の荷電粒子線装置。
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