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JP7643753B2 - Identifying dislocation types and densities in semiconductor materials using cathodoluminescence measurements - Google Patents
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JP7643753B2 - Identifying dislocation types and densities in semiconductor materials using cathodoluminescence measurements - Google Patents

Identifying dislocation types and densities in semiconductor materials using cathodoluminescence measurements Download PDF

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Description

(関連出願)
本出願は、2020年12月4日に出願された米国仮出願第63/121,752号および2021年11月29日に出願された米国仮出願第17/537,422号からの優先権の利益を主張し、これらの開示は全体的に参照により本明細書に援用される。
(Related Applications)
This application claims the benefit of priority from U.S. Provisional Application No. 63/121,752, filed December 4, 2020, and U.S. Provisional Application No. 17/537,422, filed November 29, 2021, the disclosures of which are incorporated by reference in their entireties herein.

(技術分野)
本開示は、走査型カソードルミネッセンス顕微鏡に関し、より具体的には、半導体材料における異なる欠陥タイプの発見および分類を可能にする走査型カソードルミネッセンス顕微鏡のためのハードウェアおよび方法に関する。
(Technical field)
The present disclosure relates to scanning cathodoluminescence microscopy, and more particularly to hardware and methods for scanning cathodoluminescence microscopy that enable the discovery and classification of different defect types in semiconductor materials.

出願人は、例えばPCT/EP2020/063093において、新しい走査型カソードルミネッセンス顕微鏡を以前に開示しており、その開示は全体的に参照により本明細書に援用される。この顕微鏡は、走査型電子顕微鏡(SEM)のビームがサンプルを走査すると、電子が、サンプルと相互作用して、サンプルの表面トポグラフィー、構造および組成に関する情報を含み検出可能な種々の信号を生み出すという観察に基づいて稼動する。SEMによって生み出される信号のタイプは、二次電子(SE)、後方散乱電子(BSE)、特性または制動輻射(Bremsstrahlung)X線、光、吸収/誘起電流(EBAC/EBIC)および透過電子(TEM)を含む。電子衝撃の際に試片によって放出される光(約0.1から10eVまでの範囲にわたるエネルギーを有する光子として定義される)は、カソードルミネッセンス(CL)と呼ばれる。カソードルミネッセンス測定は、走査型電子顕微鏡において、電子顕微鏡の高集束電子ビームプローブを試片の表面上で走査することと、カソードルミネッセンス信号強度を試片上の電子ビームの位置の関数として記録することと、により実行され得る。カソードルミネッセンスマップ(本明細書において画像とも呼ばれる)が生成され、これは、光顕微鏡によって得られる広視野光光学像よりも高解像度の分光学的な情報を提供する。本開示の目的のために、読者が上記引用された開示について精通していることが推定される。CL顕微鏡の他の開示については、読者は、米国特許第3,845,305号,米国公開公報第2013/0335817号および第2019/0103248号、ならびにフランス特許第2173436号を参照されたい。 The applicant has previously disclosed a novel scanning cathodoluminescence microscope, for example in PCT/EP2020/063093, the disclosure of which is incorporated herein by reference in its entirety. This microscope operates on the observation that as the beam of a scanning electron microscope (SEM) scans a sample, electrons interact with the sample to produce various detectable signals that contain information about the sample's surface topography, structure and composition. The types of signals produced by SEM include secondary electrons (SE), backscattered electrons (BSE), characteristic or Bremsstrahlung X-rays, light, absorbed/induced current (EBAC/EBIC) and transmitted electrons (TEM). The light emitted by the specimen upon electron bombardment (defined as photons having energies ranging from about 0.1 to 10 eV) is called cathodoluminescence (CL). Cathodoluminescence measurements can be performed in a scanning electron microscope by scanning a highly focused electron beam probe of the electron microscope over the surface of the specimen and recording the cathodoluminescence signal intensity as a function of the position of the electron beam on the specimen. A cathodoluminescence map (also referred to herein as an image) is generated, which provides higher resolution spectroscopic information than the wide-field light optical images obtained by light microscopes. For the purposes of this disclosure, it is presumed that the reader is familiar with the above-cited disclosures. For other disclosures of CL microscopes, the reader is referred to U.S. Pat. No. 3,845,305, U.S. Patent Publication Nos. 2013/0335817 and 2019/0103248, and French Patent No. 2173436.

以下の開示の概要は、本発明のいくつかの態様および特徴の基本的な理解を提供するために含まれている。この概要は、本発明の広範な概要ではなく、またそのようなものとして、本発明の鍵となるもしくはクリティカルな要素を特に特定すること、または本発明の範囲を画定することを意図したものではない。その唯一の目的は、下記提示されるより詳細な説明の前触れとして、本発明のいくつかの概念を簡略化した形で提示することである。 The following summary of the disclosure is included to provide a basic understanding of some aspects and features of the invention. This summary is not an extensive overview of the invention, and as such it is not intended to particularly identify key or critical elements of the invention or to delineate the scope of the invention. Its sole purpose is to present some concepts of the invention in a simplified form as a prelude to the more detailed description that is presented below.

本開示の目的は、転位のタイプ、例えば、らせん、刃状または混合、に従って、半導体サンプル内の転位の特定および分類を可能にすることである。転位は、通常、CL画像においてコントラストのあるスポットとして現れ、このコントラストは、通常、転位がない周囲の材料よりも暗いが、時に、とりわけ合金、例えばInGaN合金の場合には周囲の材料よりも明るい(例として、F. Massabuau et al, ‘Opticalおよびstructural properties of dislocations in InGaN’, J. Appl. Phys. 125, 165701 (2019)を参照)。便宜上、転位によって誘起されるスポットを以後“ダークスポット”と呼ぶが、本実施形態は暗いスポットに限定されず、むしろCLにおいて視認可能であって転位の存在を示す特徴であり、コントラストスポットとも呼ぶ。開示される態様に従って、欠陥の位置でサンプル内のひずみを観察することにより、観察される欠陥は、刃状転位およびらせん転位に分類される。実際に、刃状転位の周りのひずみは、主に等方圧の成分を有し、せん断成分のみを有するらせん転位とは対照的である。ひずみは、CLエミッションを偏光させることと、垂直および水平偏光ビームで形成される画像間の正規化された差分を用いて偏光度(DOP)画像を生成することと、により観察される。2つの偏光画像の合計に対する、2つの偏光画像間の差分の比を計算することにより、正規化された差分を得ることができる。 The objective of the present disclosure is to enable the identification and classification of dislocations in semiconductor samples according to the type of dislocation, e.g., screw, edge or mixed. Dislocations usually appear in CL images as spots of contrast that are usually darker than the surrounding material without dislocations, but sometimes brighter than the surrounding material, especially in the case of alloys, e.g., InGaN alloys (see, for example, F. Massabau et al, 'Optical and structural properties of dislocations in InGaN', J. Appl. Phys. 125, 165701 (2019)). For convenience, the spots induced by dislocations are referred to hereafter as "dark spots", but the present embodiment is not limited to dark spots, but rather features visible in CL that indicate the presence of dislocations, also referred to as contrast spots. According to the disclosed aspects, by observing the strain in the sample at the location of the defect, the observed defect is classified as an edge dislocation and a screw dislocation. Indeed, the strain around an edge dislocation has a predominantly isotropic component, as opposed to a screw dislocation, which has only a shear component. The strain is observed by polarizing the CL emission and generating a degree of polarization (DOP) image using the normalized difference between the images formed with the vertically and horizontally polarized beams. The normalized difference can be obtained by calculating the ratio of the difference between the two polarized images to the sum of the two polarized images.

開示される態様に従って、CL顕微鏡は、偏光ビームスプリッタキューブと、少なくとも2つの光検出器と、を備える。この配置は、サンプルの走査領域の2つの偏光補完画像をキャプチャすることを可能にし、これらの2つの画像は、空間的にも時間的にも本質的に合わされ、それ故に、画像のアラインメントを実行する必要を回避し、これらの2つの画像の取得における時間的なシフトまたは遅延によってもたらされるアーチファクトを排除する。 In accordance with the disclosed aspects, the CL microscope comprises a polarizing beam splitter cube and at least two photodetectors. This arrangement allows for the capture of two polarized complementary images of a scanned area of a sample, which are essentially aligned in space and time, thus avoiding the need to perform image alignment and eliminating artifacts introduced by a time shift or delay in the acquisition of the two images.

開示される実施形態において、カソードルミネッセンス顕微鏡は、半導体サンプルの走査領域の2つの偏光補完画像を同時に生成するために提供され、2つの画像は、空間的にも時間的にも本質的に合わされ、顕微鏡は、電子源、電子源から放出される電子を集束しそれによって電子ビームを形成するための磁気レンズ、およびサンプル上で電子ビームを走査するスキャナを有する電子ビームカラムと、電子ビームの走査に反応してサンプルから放出されるCL光を集め、光ビームを形成する光対物レンズと、集束レンズ、光ビームを第1偏光ビームおよび第2偏光ビームに分割する偏光ビームスプリッタ、第1偏光ビームを受ける第1光検出器、および第2偏光ビームを受ける第2光検出器を備えるイメージング部と、第1光検出器から受ける第1信号と第2光検出器から受ける第2信号とから2つの偏光補完画像を形成するコントローラと、を備える。 In a disclosed embodiment, a cathodoluminescence microscope is provided for simultaneously generating two polarization-complementary images of a scanned area of a semiconductor sample, the two images being essentially aligned in space and time, the microscope comprising an electron beam column having an electron source, a magnetic lens for focusing electrons emitted from the electron source and thereby forming an electron beam, and a scanner for scanning the electron beam over the sample, an optical objective lens for collecting CL light emitted from the sample in response to the scanning of the electron beam and forming a light beam, an imaging unit comprising a focusing lens, a polarizing beam splitter for splitting the light beam into a first polarized beam and a second polarized beam, a first photodetector for receiving the first polarized beam, and a second photodetector for receiving the second polarized beam, and a controller for forming the two polarization-complementary images from a first signal received from the first photodetector and a second signal received from the second photodetector.

イメージング部は、偏光ビームスプリッタの上流に挿入された光学フィルタをさらに備えてもよい。また、顕微鏡は、偏光ビームスプリッタの上流に配置されたハーフミラーをさらに備えてもよく、ここで集束レンズはハーフミラーの上流または下流に配置されてもよく;ハーフミラーによって反射される光を受けるように、第1偏光ビームに対して45度の偏光回転角度で配向された第3偏光ビームと第2偏光ビームに対して45度の偏光回転角度で配向された第4偏光ビームとを形成するように、配向された第2偏光ビームスプリッタと、;第3偏光ビームを受ける第3光検出器と、;第4偏光ビームを受ける第4光検出器と、を備えてもよい。顕微鏡は、偏光ビームスプリッタ、第1光検出器および第2光検出器を互いに一定の向きで付けるハウジングと、;光ビームに合う軸周りにハウジングを回転する回転機構と、をまた含んでもよい。開示される実施形態は、2つの偏光カソードルミネッセンスのエミッションの同時取得が画像の空間的および時間的なアラインメントを本質的に取り入れるため、有利である。実施形態は、また、刃状とらせん転位とを識別することを可能にする。 The imaging section may further include an optical filter inserted upstream of the polarizing beam splitter. The microscope may also include a half mirror arranged upstream of the polarizing beam splitter, where the focusing lens may be arranged upstream or downstream of the half mirror; a second polarizing beam splitter oriented to receive light reflected by the half mirror to form a third polarized beam oriented at a polarization rotation angle of 45 degrees relative to the first polarized beam and a fourth polarized beam oriented at a polarization rotation angle of 45 degrees relative to the second polarized beam; a third photodetector receiving the third polarized beam; and a fourth photodetector receiving the fourth polarized beam. The microscope may also include a housing that orients the polarizing beam splitter, the first photodetector, and the second photodetector relative to one another; and a rotation mechanism that rotates the housing around an axis aligned with the light beam. The disclosed embodiment is advantageous because the simultaneous acquisition of two polarized cathodoluminescence emissions inherently incorporates spatial and temporal alignment of the images. The embodiment also makes it possible to distinguish between edge and screw dislocations.

開示される態様に従って、ストレージデバイスに記憶されたコンピュータプログラムは、コンピュータによって実行されると、当該コンピュータに以下のステップを実行させるように提供される。当該ステップは、偏光カソードルミネッセンスビームに対応する第1電気信号と、偏光カソードルミネッセンスビームに対応し、第1電気信号に対して90度の偏光回転を有する第2電気信号と、を受けるステップと、サンプルの走査領域の強度画像を生成するために第1および第2電気信号を足し合わせるステップと、領域の偏光度(DOP)画像を生成するために第1および第2電気信号の正規化された差分を取得するステップと、強度画像に現れる各コントラストスポットの中心点の座標を決定するステップと、各座標において、対応するゾーンにおける応力パターンが適切な形状または強度基準を満たすかどうかを判定するためにDOP画像において当該ゾーンを検査するステップと、そして、複数の利用可能な手順から選択された手順を介して、当該応力パターンを刃状転位またはらせん転位として分類するステップと、を備える。前述の手順は、材料によってはらせん転位がDOP画像に全くもって現れないことから単純な強度しきい値であってもよく、局所分散計算、パターンマッチング手法、機械学習、または他のAIに着想を得たパターン認識手法であってもよい。 According to the disclosed aspect, a computer program stored in a storage device is provided that, when executed by a computer, causes the computer to perform the following steps: receiving a first electrical signal corresponding to a polarized cathodoluminescence beam and a second electrical signal corresponding to the polarized cathodoluminescence beam and having a polarization rotation of 90 degrees relative to the first electrical signal; summing the first and second electrical signals to generate an intensity image of a scanned area of the sample; taking a normalized difference of the first and second electrical signals to generate a degree of polarization (DOP) image of the area; determining coordinates of a center point of each contrast spot appearing in the intensity image; at each coordinate, inspecting the zone in the DOP image to determine whether the stress pattern in the corresponding zone meets a suitable shape or intensity criterion; and classifying the stress pattern as an edge or screw dislocation via a procedure selected from a plurality of available procedures. The aforementioned procedure could be a simple intensity threshold since in some materials screw dislocations do not appear at all in DOP images, or it could be a local variance calculation, a pattern matching technique, machine learning, or other AI-inspired pattern recognition technique.

さらなる態様に従って、半導体サンプル内の欠陥を検出するためのカソードルミネッセンス顕微鏡を稼動する方法が開示され、当該方法は、電子ビームでサンプルの領域を走査するステップと、走査する間、領域から放出されるカソードルミネッセンス光を集め、カソードルミネッセンス光から光ビームを形成するステップと、互いに90度の偏光回転を有する2つの偏光ビームを得るために光ビームを偏光子ビームスプリッタに通過させるステップと、2つの偏光ビームに対応する2つの電気信号を同時に生成するために2つの光検出器を用いるステップと、領域の強度画像を形成するために2つの信号を足し合わせるステップと、領域の偏光度(DOP)画像を形成するために2つの信号の正規化された差分を取得するステップと、強度画像に現れる各コントラストスポットにおいて、DOP画像において対応するゾーンを検査するステップと、DOP画像における当該ゾーン内に適切なひずみ場のしるしが現れるときに、対応するコントラストスポットを刃状転位として分類するステップと、を備える。 According to a further aspect, a method of operating a cathodoluminescence microscope for detecting defects in a semiconductor sample is disclosed, the method comprising the steps of scanning an area of the sample with an electron beam, collecting cathodoluminescence light emitted from the area during scanning and forming a light beam from the cathodoluminescence light, passing the light beam through a polarizer beam splitter to obtain two polarized beams having a polarization rotation of 90 degrees from each other, using two photodetectors to simultaneously generate two electrical signals corresponding to the two polarized beams, adding the two signals together to form an intensity image of the area, taking a normalized difference of the two signals to form a degree of polarization (DOP) image of the area, and for each contrast spot appearing in the intensity image, inspecting a corresponding zone in the DOP image, and classifying the corresponding contrast spot as an edge dislocation when indicia of an appropriate strain field appear in that zone in the DOP image.

正規化された差分を取得するステップは、第1および第2電気信号の合計に対する、第1および第2電気信号間の差分の比を計算するステップを備えてもよい。DOP画像を検査するステップは、ゾーン内でDOP画像の代表値を計算するステップと、プリセットしきい値に対して代表値を比較するステップと、を備えてもよい。 The step of obtaining the normalized difference may include calculating a ratio of the difference between the first and second electrical signals to a sum of the first and second electrical signals. The step of inspecting the DOP image may include calculating a representative value of the DOP image within the zone and comparing the representative value against a preset threshold.

添付図面は、明細書に取り入れられ、当該明細書の一部を構成するものであり、本発明の実施形態を例示し、説明とともに、本発明の原理を解説し、示すのに役立つものである。図面は、例示的な実施形態の主な特徴を図式的に示すことを意図するものである。図面は、実際の実施形態のすべての特徴を描写することを意図するものでも、描写された要素の相対的な寸法を示すことを意図するものでもなく、縮尺通りに描かれていない。 The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain and illustrate the principles of the invention. The drawings are intended to show major features of exemplary embodiments diagrammatically. The drawings are not intended to depict every feature of an actual embodiment, nor are they intended to show relative dimensions of the depicted elements, and are not drawn to scale.

本発明の他の特徴および利点は、添付図面を参照した以下の非限定的な例示的実施形態の説明から明らかになる。
図1は、本明細書に開示される実施形態を実現するためのカソードルミネッセンス走査型電子顕微鏡の下部の概略断面図である。 図2は、一実施形態に従うカソードルミネッセンス顕微鏡の画像取得部の簡略化された概略図である。 図3Aは、サンプル内の潜在的な欠陥を示す強度画像の図であり、図3Bは、図3Aに図示される領域に対応するDOP画像の図である。 図4は、一実施形態に従って欠陥を分類するための工程を示すフローチャートである。 図5は、他の実施形態に従うカソードルミネッセンス顕微鏡の画像取得部の簡略化された概略図である。 図6は、さらに他の実施形態に従うカソードルミネッセンス顕微鏡の画像取得部の概略図である。 図7は、さらなる実施形態に従うカソードルミネッセンス顕微鏡の画像取得部の概略図である。
Other characteristics and advantages of the invention will become apparent from the following description of non-limiting exemplary embodiments with reference to the attached drawings, in which:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the lower portion of a cathodoluminescence scanning electron microscope for implementing embodiments disclosed herein. FIG. 2 is a simplified schematic diagram of an image acquisition section of a cathodoluminescence microscope according to one embodiment. FIG. 3A is an intensity image showing potential defects in a sample, and FIG. 3B is a DOP image corresponding to the area shown in FIG. 3A. FIG. 4 is a flow chart illustrating steps for classifying defects according to one embodiment. FIG. 5 is a simplified schematic diagram of an image acquisition section of a cathodoluminescence microscope according to another embodiment. FIG. 6 is a schematic diagram of an image acquisition section of a cathodoluminescence microscope according to yet another embodiment. FIG. 7 is a schematic diagram of an image acquisition section of a cathodoluminescence microscope according to a further embodiment.

本発明のいくつかの実施形態は、添付図面を参照して下記に詳細に説明される。異なる図面に現れる同一の機能的および構造的要素には、同じ参照番号が付与されることがある。 Some embodiments of the present invention are described in detail below with reference to the accompanying drawings. Identical functional and structural elements appearing in different drawings may be given the same reference numerals.

次に、本発明のカソードルミネッセンス走査型電子顕微鏡および稼動方法の実施形態が、図面を参照して説明される。異なる実施形態またはこれらの組み合わせは、異なるアプリケーションのために、または異なる利益を達成するのに用いられてもよい。達成しようとする結果に応じて、本明細書に開示される異なる特徴は、部分的にまたは最大限に、単独でまたは他の特徴と組み合わせて、要件および制約と利点とのバランスを取りながら、利用されてもよい。したがって、特定の特徴、要素または利益は、異なる実施形態を参照して強調されるが、開示される実施形態に限定されない。すなわち、本明細書に開示される特徴、要素および利益は、これらが説明される実施形態に限定されないが、例え本明細書に明示的に説明されていなくとも、他の特徴と組み合わされて(“mixed and matched”)もよいし、他の実施形態に取り入れられてもよい。 Next, embodiments of the cathodoluminescence scanning electron microscope and the operating method of the present invention will be described with reference to the drawings. Different embodiments or combinations thereof may be used for different applications or to achieve different benefits. Depending on the results to be achieved, different features disclosed herein may be utilized partially or to the fullest extent, alone or in combination with other features, balancing requirements and constraints and advantages. Thus, certain features, elements or advantages are emphasized with reference to different embodiments, but are not limited to the disclosed embodiments. That is, the features, elements and advantages disclosed herein are not limited to the embodiments in which they are described, but may be combined with other features ("mixed and matched") or incorporated into other embodiments, even if not explicitly described herein.

図1は、上記引用されたPCT/EP2020/063093においてより詳しく説明されるCL顕微鏡の下部を断面図で示す。図1に示されるように、顕微鏡は、一般に、真空エンクロージャ10内に収容された電子カラム41と、大気環境下にあるイメージング部42と、を含む。図1に示される統合型の顕微鏡は、電子ビーム画像、光ビーム画像、カソードルミネッセンス(CL)画像およびCL分光画像を生成することができる。画像化されたCLエミッションは、ナノスケールでサンプルの材料の構造および質に相関付けられ得る。CLデータは、他のイメージングモードを用いて視認不可能である、材料応力、不純物、結晶構造および表面下の欠陥を明らかにすることができる。重要なことには、CLイメージングは、サンプルの非破壊的な検査方法である。 Figure 1 shows in cross-section the lower part of a CL microscope, which is described in more detail in the above-cited PCT/EP2020/063093. As shown in Figure 1, the microscope generally includes an electron column 41 housed in a vacuum enclosure 10 and an imaging portion 42 in an air environment. The integrated microscope shown in Figure 1 can generate electron beam images, light beam images, cathodoluminescence (CL) images, and CL spectroscopy images. The imaged CL emissions can be correlated to the structure and quality of the sample's material at the nanoscale. The CL data can reveal material stresses, impurities, crystal structure, and subsurface defects that are not visible using other imaging modes. Importantly, CL imaging is a non-destructive method of inspection of samples.

電子カラムは、電子を放出する、熱電子または電界放出源などの電子源1を含む。放出される電子は、電磁レンズ5’、電磁対物レンズ5およびアパーチャディスク(ストップと呼ばれることがある)6などの種々の粒子光学要素によって電子ビーム9にされる。ここで、アパーチャディスク6のいずれもが、電位の印加によって静電レンズとして機能してもよい。周知の方法で、コイル11は、磁場を発生させるために提供され、磁場は、この図において、電磁対物レンズ5の光軸zのレベルで実質的に水平な磁場である。磁場のほとんどは、アウトプットまたは出口アパーチャ13のレベルで位置していてもよく、または、代わりにレンズと試片との間の領域の外であってもよい。 The electron column includes an electron source 1, such as a thermionic or field emission source, which emits electrons. The emitted electrons are brought into an electron beam 9 by various particle-optical elements such as an electromagnetic lens 5', an electromagnetic objective lens 5 and an aperture disk (sometimes called a stop) 6, any of which may function as an electrostatic lens by application of an electric potential. In a known manner, a coil 11 is provided to generate a magnetic field, which in this figure is a substantially horizontal magnetic field at the level of the optical axis z of the electromagnetic objective lens 5. Most of the magnetic field may be located at the level of the output or exit aperture 13, or alternatively outside the region between the lens and the specimen.

磁場の目的は、サンプル7の表面に集束され得る収束電子ビーム9を発生させることである。この例では、電子エミッタ1によって発生する電子ビーム9は、図の上部から下方に伝播する。電子ビームスパンは、レンズ5’などのコンデンサの配置によって変更されてもよく、それにより発散し、平行化され、または収束することができる。コンデンサは、電子エミッタの下に配置されてもよい。電子ビームは、通常、数ミリメートル、例えば2~3mm間の範囲の幅を有する。 The purpose of the magnetic field is to generate a converging electron beam 9 that can be focused on the surface of the sample 7. In this example, the electron beam 9 generated by the electron emitter 1 propagates downwards from the top of the figure. The electron beam span may be altered by the placement of a condenser, such as a lens 5', so that it can be diverged, collimated or focused. The condenser may be placed below the electron emitter. The electron beam typically has a width in the range of a few millimeters, for example between 2-3 mm.

レンズ5は、光軸に沿って中空の内部を有し、それにより電子ビーム9が通過することができる。中空部(通路またはギャップ)は、サンプル7から放出されまたは反射される光も特段の障害なしに通過することができる程度に幅広である。良好な電子光学性能を保つために電磁対物レンズ5のアウトプットアパーチャ13をできる限り小さくすることが好ましいことから、作動距離(working distance)が小さくなるようにシステムを構築することが好ましい。 The lens 5 has a hollow interior along the optical axis, allowing the electron beam 9 to pass through. The hollow (passageway or gap) is wide enough that light emitted or reflected from the sample 7 can also pass through without significant obstruction. Since it is preferable to make the output aperture 13 of the electromagnetic objective lens 5 as small as possible to maintain good electron-optical performance, it is preferable to build the system so that the working distance is small.

図で見られるように、反射対物レンズは、サンプル7の表面を画像化するために電磁対物レンズ5内に提供される。この例では、シュバルツシルト(Schwarzschild)反射対物レンズが用いられる。シュバルツシルト(Schwarzschild)対物レンズは、2枚ミラーの反射対物レンズであり、光軸z(電子ビームの経路と本質的に一致する)周りに回転対称であり、無収差(aplanatic)および無限遠補正(infinity-corrected)である。電磁対物レンズ5および反射対物レンズは、同じ焦点面を有してもよい。電磁対物レンズ5内の反射対物レンズは、この例では球状および凹状であり主要ミラーとも呼ばれる第1ミラーM1と、この例では球状および凸状であり副次的ミラーとも呼ばれる第2ミラーM2と、を備える。第1ミラーM1の直径は、第2ミラーM2の直径よりも大きい。第1ミラーM1は、第2ミラーM2の上に配置され、電子ビーム9がサンプル7の表面に当たった結果としてサンプルから来る光を反射するように、かつ、サンプルと第1ミラーM1との間に配置される第2ミラーM2に光を向けるように、配置される。第2ミラーM2は、光を電磁対物レンズの光軸に沿って(すなわち、上方に)向け直すように配置され、この例では平面状である第3ミラーM3は、光ビームをアウトプットに向け直すように配置される。この例では、第3ミラーM3は、電子ビーム9の軸に対して45°の角度を有し、光を真空エンクロージャ10の外に向け直すのに用いられる。ミラーM1、M2およびM3は、すべて、電子ビームが遮られないように、電子ビームの経路に沿ってアパーチャまたは開口部を有する。 As can be seen in the figure, a reflective objective is provided in the electromagnetic objective 5 to image the surface of the sample 7. In this example, a Schwarzschild reflective objective is used. The Schwarzschild objective is a two-mirror reflective objective, rotationally symmetric about the optical axis z (essentially coinciding with the path of the electron beam), aplanatic and infinity-corrected. The electromagnetic objective 5 and the reflective objective may have the same focal plane. The reflective objective in the electromagnetic objective 5 comprises a first mirror M1, also called the primary mirror, in this example spherical and concave, and a second mirror M2, also called the secondary mirror, in this example spherical and convex. The diameter of the first mirror M1 is larger than the diameter of the second mirror M2. The first mirror M1 is positioned above the second mirror M2 and is arranged to reflect light coming from the sample 7 as a result of the electron beam 9 hitting the surface of the sample 7 and to direct the light to the second mirror M2, which is arranged between the sample and the first mirror M1. The second mirror M2 is arranged to redirect the light along the optical axis of the electromagnetic objective lens (i.e. upwards), and the third mirror M3, which is planar in this example, is arranged to redirect the light beam to the output. In this example, the third mirror M3 has an angle of 45° to the axis of the electron beam 9 and is used to redirect the light out of the vacuum enclosure 10. Mirrors M1, M2 and M3 all have apertures or openings along the path of the electron beam so that the electron beam is not blocked.

光イメージング部42において、ミラーM3によって反射される光は、レンズ22によってイメージングモノクロメータ43に集束される。この例では、CCDカメラ45と、InGaAsまたはPMT検出器などの検出器46と、の2つのイメージャが提供される。ミラー24がハーフミラーである場合、両方のイメージャが同時に稼動されてもよい。一方で、ミラー24はフリップミラーでもよく、一度に1つのイメージャを稼動することが可能になる。この配置では、検出器46は、特定の波長の光強度を検出するのに用いられてもよく、CCDカメラは、複数の波長における光強度を同時に検出するのに用いられてもよい。 In the optical imaging section 42, the light reflected by the mirror M3 is focused by the lens 22 into the imaging monochromator 43. In this example, two imagers are provided: a CCD camera 45 and a detector 46, such as an InGaAs or PMT detector. If the mirror 24 is a half mirror, both imagers may be operated simultaneously. Alternatively, the mirror 24 may be a flip mirror, allowing one imager to be operated at a time. In this arrangement, the detector 46 may be used to detect the light intensity at a specific wavelength, and the CCD camera may be used to detect the light intensity at multiple wavelengths simultaneously.

CL顕微鏡は、欠陥を検出するために半導体を検査するのに用いられてきたものである。しかし、多くの場合において、欠陥の数は、大きく、種々の異なる欠陥タイプを含む。あるタイプの欠陥は装置の性能に影響しない一方で、あるタイプの欠陥は装置に致命的な影響を与えかねないことから、材料の検査を補助するためには、CL画像に現れる異なる欠陥タイプを特定でき、可能な限り分類できることが有益である。したがって、欠陥タイプを決定することは、検査されるサンプルの質を決定する上で極めて重要である。 CL microscopes have been used to inspect semiconductors to detect defects. However, in many cases the number of defects is large and includes a variety of different defect types. To aid in the inspection of materials, it is useful to be able to identify and possibly classify the different defect types that appear in CL images, since some types of defects do not affect the performance of the equipment, while others can be fatal. Determining the defect type is therefore crucial in determining the quality of the sample being inspected.

また、非静水的なひずみがスペクトルの広がりを引き起こしかねないながらもエネルギースペクトルのピークにおけるシフトを引き起こさない一方で、サンプルにおける静水圧がCLエミッションのエネルギースペクトルにおいてシフトを生み出すことが観察される。これらの現象は、光ビーム(例えば、レーザービーム)がサンプル上で走査され、サンプルから放出される光が集められ分析されるフォトルミネッセンスを用いて研究されている。また、偏光度(DOP)技法は、集光経路に偏光子を挿入し、水平および垂直の偏光においてCL画像を取得するために偏光子を回転することにより、サンプル内のひずみを測定するのに用いられている。そしてDOPは、DOP=(I-III)/(I+III)によって得られる。サンプル内のひずみが、放出される光の偏光に影響することから、DOP画像は、サンプル内のひずみの位置を特定する。 It is also observed that hydrostatic pressure in a sample produces a shift in the energy spectrum of the CL emission, while non-hydrostatic strains can cause spectral broadening but not a shift in the peak of the energy spectrum. These phenomena have been studied using photoluminescence, where a light beam (e.g., a laser beam) is scanned over the sample and the light emitted from the sample is collected and analyzed. The degree of polarization (DOP) technique has also been used to measure strain in a sample by inserting a polarizer in the light collection path and rotating the polarizer to obtain CL images in horizontal and vertical polarizations. The DOP is then given by DOP = (I -I II )/(I +I II ). Since strain in a sample affects the polarization of the emitted light, the DOP images identify the location of strain in the sample.

窒化ガリウム(GaN)、炭化ケイ素(SiC)、ヒ化ガリウム(GaAs)、リン化インジウム(InP)などのいくつかの半導体材料において、転位は、装置の性能に大きな影響を与える線状の欠陥である。一方で、他の欠陥タイプは、装置の性能に弊害をもたらさない場合もある。例えば、らせんおよび刃状転位間の主な差異の1つは、らせんタイプは転位線に平行なバーガース(Burgers)ベクトルを有し、つまり、周囲の材料に純粋なせん断を与え、それにより応力の変化のみが材料の表面に対して垂直である一方で、刃状タイプは、その軸に対して垂直なバーガースベクトルを有し、つまり、そのコアの周りに、転位線に対して垂直であり材料の表面に平行であるひずみ場を形成する。 In some semiconductor materials, such as gallium nitride (GaN), silicon carbide (SiC), gallium arsenide (GaAs), and indium phosphide (InP), dislocations are linear defects that have a significant impact on device performance, while other defect types may not be detrimental to device performance. For example, one of the main differences between screw and edge dislocations is that the screw type has a Burgers vector parallel to the dislocation line, i.e., it imparts pure shear to the surrounding material, so that the only change in stress is perpendicular to the surface of the material, while the edge type has a Burgers vector perpendicular to its axis, i.e., it creates a strain field around its core that is perpendicular to the dislocation line and parallel to the surface of the material.

サンプル内の転位は、多くの場合、再結合サイトとして機能し、したがって、半導体サンプル内の非放射点として機能する。その結果として、各欠陥は、輝点として現れる場合を除き、CL強度画像においてダークスポットとして現れる。一方で、本発明者らによって種々の実験において確認されたように、DOP画像は、DOP画像に見られる、サンプルにおけるひずみを誘起する転位の位置においてのみグレーレベルの変化(通常は転位コアの片側において暗く、もう片側において明るい)を示し、すなわち、図3Aおよび図3Bに示される例における刃状転位である。それ故に、本発明者らは、DOPが感度を持たないか、または刃状転位と明確に識別し得る程度の感度を持つ、異なるひずみ場を発生させる他の転位(例えば、らせん転位)と分けて、刃状転位をマップするのにCL DOP画像が用いられ得ることを発見した。図3Aおよび図3Bの例では、純粋ならせん転位はDOP画像においてまったく視認不可能である。 Dislocations in a sample often act as recombination sites and therefore as non-radiative points in a semiconductor sample. As a result, each defect appears as a dark spot in the CL intensity image, except when it appears as a bright spot. On the other hand, as confirmed by the inventors in various experiments, the DOP image shows a change in gray level (usually dark on one side of the dislocation core and bright on the other side) only at the location of the dislocation that induces the strain in the sample, which is seen in the DOP image, i.e., the edge dislocation in the example shown in Figures 3A and 3B. Therefore, the inventors have discovered that the CL DOP image can be used to map edge dislocations separately from other dislocations (e.g., screw dislocations) that generate different strain fields to which the DOP has no sensitivity or that are clearly distinguishable from edge dislocations. In the example of Figures 3A and 3B, the pure screw dislocation is not visible at all in the DOP image.

それ故に、開示される態様に従って、刃状転位の密度を決定する方法は、電子ビームで半導体サンプルの領域を走査するステップと、サンプルから放出されるCL光を集め、集められた光から光ビームを形成するステップと、光ビームを偏光子に通過させ、光ビームを検出器に向け、領域の水平偏光画像および領域の垂直偏光画像を生成するステップと、水平偏光画像および垂直偏光画像の正規化された差分を得て、それによって偏光度(DOP)画像を形成するステップと、DOP画像に現れる、対応する特徴の密度を決定することにより刃状転位の密度を計算するステップと、を備えて提供される。正規化された差分は、2つの偏光画像の合計に対する、2つの偏光画像間の差分の比を計算することにより得られてもよい。 Therefore, in accordance with a disclosed aspect, a method for determining the density of edge dislocations is provided, comprising the steps of scanning an area of a semiconductor sample with an electron beam, collecting CL light emitted from the sample and forming a light beam from the collected light, passing the light beam through a polarizer and directing the light beam to a detector to generate a horizontally polarized image of the area and a vertically polarized image of the area, obtaining a normalized difference of the horizontally polarized image and the vertically polarized image, thereby forming a degree of polarization (DOP) image, and calculating the density of edge dislocations by determining the density of corresponding features appearing in the DOP image. The normalized difference may be obtained by calculating the ratio of the difference between the two polarized images to the sum of the two polarized images.

さらには、本発明者らは、実験から、CL強度画像およびDOP画像の比較によって、欠陥についてのさらなる情報が得られることを見だした。このような比較は、欠陥タイプによって判別される欠陥密度を決定することを可能にする。すなわち、強度画像におけるダークスポットの密度を計算することにより全体の欠陥密度が得られ、DOP画像において対応する特徴を有するこれらの同じダークスポットの密度を計算することにより刃状転位の密度を得ることができ、全体のおよび刃状転位の密度間の差分を取得することによりらせん転位の欠陥密度を得ることができる。言い換えると、強度画像およびDOP画像間の特徴における差異は、らせん転位の密度を決定するのに用いられ得るらせん転位のマップを提供する。 Furthermore, the inventors have found from their experiments that a comparison of the CL intensity image and the DOP image provides further information about the defects. Such a comparison allows for the determination of defect densities differentiated by defect type. That is, the total defect density can be obtained by calculating the density of dark spots in the intensity image, the density of edge dislocations can be obtained by calculating the density of these same dark spots with corresponding features in the DOP image, and the defect density of screw dislocations can be obtained by taking the difference between the total and edge dislocation densities. In other words, the differences in features between the intensity image and the DOP image provide a map of screw dislocations that can be used to determine the density of screw dislocations.

それ故に、刃状転位の密度およびらせん転位の密度を決定する方法は、電子ビームで半導体サンプルの領域を走査するステップと、サンプルから放出されるCL光を集め、集められた光から非偏光ビームを形成するステップと、少なくとも非偏光ビームの一部を検出器に向け、領域の強度画像を生成するステップと、強度画像に現れるダークスポットの密度を決定することにより全体の欠陥密度を計算するステップと、偏光ビームを発生させるために少なくとも非偏光ビームの一部を偏光子に通過させ、偏光ビームを検出器に向け、領域の水平偏光画像および領域の垂直偏光画像を生成するステップと、水平偏光画像および垂直偏光画像の正規化された差分を得て、それによって偏光度(DOP)画像を形成するステップと、DOP画像にも現れる、強度画像におけるダークスポットの密度を決定することにより刃状転位の密度を計算するステップと、全体の欠陥密度から刃状転位の密度を差し引くことによりらせん転位の密度を計算するステップと、を備えて提供される。 Therefore, a method for determining the density of edge dislocations and the density of screw dislocations is provided, comprising the steps of scanning an area of a semiconductor sample with an electron beam, collecting CL light emitted from the sample and forming an unpolarized beam from the collected light, directing at least a portion of the unpolarized beam to a detector and generating an intensity image of the area, calculating the overall defect density by determining the density of dark spots appearing in the intensity image, passing at least a portion of the unpolarized beam through a polarizer to generate a polarized beam and directing the polarized beam to a detector and generating a horizontally polarized image of the area and a vertically polarized image of the area, obtaining a normalized difference of the horizontally polarized image and the vertically polarized image, thereby forming a degree of polarization (DOP) image, calculating the density of edge dislocations by determining the density of dark spots in the intensity image, which also appear in the DOP image, and calculating the density of screw dislocations by subtracting the density of edge dislocations from the overall defect density.

さらなる態様に従って、らせん転位マップを生成する方法は、電子ビームで半導体サンプルの領域を走査するステップと、サンプルから放出されるCL光を集め、集められた光から非偏光ビームを形成するステップと、少なくとも非偏光ビームの一部を検出器に向け、領域の強度画像を生成するステップと、偏光ビームを発生させるために少なくとも非偏光ビームの一部を偏光子に通過させ、偏光ビームを検出器に向け、領域の水平偏光画像および領域の垂直偏光画像を生成するステップと、水平偏光画像および垂直偏光画像の正規化された差分を得て、それによって偏光度(DOP)画像を形成するステップと、強度画像およびDOP画像において対応する座標にコントラストとして現れるすべてのスポットを特定し、それによって刃状転位のマッピングを得るステップと、を備えて提供される。あるいは、強度画像は、領域の水平偏光画像および領域の垂直偏光画像を単に合計することにより生成される。 According to a further aspect, a method for generating a screw dislocation map is provided comprising the steps of scanning an area of a semiconductor sample with an electron beam, collecting CL light emitted from the sample and forming an unpolarized beam from the collected light, directing at least a portion of the unpolarized beam to a detector and generating an intensity image of the area, passing at least a portion of the unpolarized beam through a polarizer to generate a polarized beam and directing the polarized beam to a detector and generating a horizontally polarized image of the area and a vertically polarized image of the area, obtaining a normalized difference of the horizontally polarized image and the vertically polarized image, thereby forming a degree of polarization (DOP) image, and identifying all spots that appear as contrast at corresponding coordinates in the intensity image and the DOP image, thereby obtaining a mapping of edge dislocations. Alternatively, the intensity image is generated by simply summing the horizontally polarized image of the area and the vertically polarized image of the area.

上記説明される分析の重要な部分は、空間および時間の両方における水平および垂直偏光画像の正確なアラインメントである。空間におけるアラインメントは、画像内のピクセルの強度レベルに従って欠陥を識別することを可能にするために重要である。また、ステージのドリフト、および帯電するサンプルによる放出光の強度への影響などの潜在的な問題を回避するために、画像間の時間の差分は、最小限にされるべきであり、または好ましくは排除されるべきである。したがって、図1に示される顕微鏡の画像取得部42は、下記詳述されるように変更される。 A key part of the analysis described above is the accurate alignment of the horizontal and vertical polarized images in both space and time. Alignment in space is important to be able to identify defects according to the intensity levels of the pixels in the images. Also, the time difference between the images should be minimized, or preferably eliminated, to avoid potential problems such as stage drift and the effect of a charging sample on the intensity of the emitted light. Therefore, the image acquisition section 42 of the microscope shown in Figure 1 is modified as detailed below.

図2は、水平および垂直偏光画像の本質的なアラインメントを伴うCL DOP画像を得るための装置の一実施形態を示す簡略化された概略図である。すなわち、図2に示される実施形態は、サンプルの走査領域の2つの偏光補完画像を同時に生成し、これらの2つの画像は、空間的にも時間的にも本質的に合わされる。図2において図1におけるものと同じ要素は、同じ参照文字を有する。サンプル7は、電子ビームeを走査することにより照射される。CLエミッションは、ミラーM1-M3によって集められ、イメージング部42に向けられる。ビームは、集束レンズ22を通過する後、偏光ビームスプリッタ(PBS)キューブ51によって水平偏光ビームおよび垂直偏光ビームに分割される。示される実施形態において、PBSは、非偏光ビームを、反射されるS-偏光と、透過されるP-偏光ビームと、に50/50比で分割するように設計される。光検出器46aおよび46bのそれぞれは、光電子増倍管(PMT)、フォトダイオードなどの点検出器であり、S-偏光およびP-偏光ビームのうち1つを検出する。各検出器からの信号は、コントローラ52に送られる(一例において、信号は、コントローラ内のスキャンカードにインプットされる)。このようにして、各ピクセルにおけるPおよびS-偏光信号は、コントローラによって同時に記録され、それにより時間および空間において本質的に合わされる。コントローラ52は、本明細書に開示される方法のいずれに従って、信号を処理するように稼動してもよい。特に、コントローラは、全体のCL強度画像を示す合計画像を生成するために検出器46aおよび46bの両方からの信号を足し合わせるように稼動可能であり、コントローラは、2つの信号の正規化された差分を得て、それによってDOP画像を生成するように稼動可能である。 Figure 2 is a simplified schematic diagram showing one embodiment of an apparatus for obtaining CL DOP images with intrinsic alignment of horizontally and vertically polarized images. That is, the embodiment shown in Figure 2 simultaneously generates two polarized complementary images of a scanned area of a sample, and these two images are intrinsically aligned both spatially and temporally. Elements in Figure 2 that are the same as in Figure 1 have the same reference letters. The sample 7 is illuminated by scanning an electron beam e. The CL emission is collected by mirrors M1-M3 and directed to the imaging section 42. After passing through the focusing lens 22, the beam is split into horizontally and vertically polarized beams by a polarizing beam splitter (PBS) cube 51. In the embodiment shown, the PBS is designed to split the unpolarized beam in a 50/50 ratio into a reflected S-polarized beam and a transmitted P-polarized beam. Each of the photodetectors 46a and 46b is a point detector, such as a photomultiplier tube (PMT), photodiode, or the like, that detects one of the S-polarized and P-polarized beams. The signal from each detector is sent to the controller 52 (in one example, the signal is input to a scan card in the controller). In this way, the P- and S-polarized signals at each pixel are recorded simultaneously by the controller, thereby essentially aligned in time and space. The controller 52 may be operative to process the signals according to any of the methods disclosed herein. In particular, the controller is operative to add together the signals from both detectors 46a and 46b to generate a sum image indicative of the overall CL intensity image, and the controller is operative to take a normalized difference of the two signals, thereby generating the DOP image.

図3Aは、2つの検出器46aおよび46bからの信号を合計することにより得られるCL強度画像である。図3Bは、2つの検出器からの信号の正規化された差分を取得することにより得られるDOP画像である。図3Aにおいて、各ダークスポットは、非発光部位に対応し、それ故に欠陥を示す。しかし、図3Aの強度画像からは、画像内の異なる欠陥タイプを区別することができない。図3BのDOP画像は、各ひずみの位置におけるグレースケールの変化を示し、それ故にひずみを発生させる欠陥部位を示す。しかし、ここで、図3Aにおいて丸で囲まれる2つの欠陥は、図3BのDOP画像において、対応するグレースケールの乱れまたは変化を有しない。したがって、これらの2つのスポットは、らせん転位に対応する可能性が極めて高い。 Figure 3A is a CL intensity image obtained by summing the signals from the two detectors 46a and 46b. Figure 3B is a DOP image obtained by taking the normalized difference of the signals from the two detectors. In Figure 3A, each dark spot corresponds to a non-emitting site and therefore indicates a defect. However, from the intensity image of Figure 3A, it is not possible to distinguish the different defect types in the image. The DOP image of Figure 3B shows a grayscale change at the location of each distortion and therefore indicates the defect site that generates the distortion. However, here, the two defects circled in Figure 3A have no corresponding grayscale disturbance or change in the DOP image of Figure 3B. Therefore, these two spots very likely correspond to screw dislocations.

らせん転位を刃状転位から識別するためには、工程の非順序ステップを示す図4を参照して詳述される以下の工程が採用されてもよい。ステップ400において、すべてのダークスポット(転位)を特定し、各スポットの中心の座標を計算するために、強度画像が検査される。ステップ405において、座標がDOP画像における座標に置き換えられ、ステップ410において、DOP画像における各中心の周辺のゾーンが決定される。ゾーンは、特定された中心点における転位を決定するために関連すると考えられる領域を特定する。ゾーンが小さいほど密集した欠陥間でさらに判別力が生じるが、欠陥に対応するピクセルを見逃す可能性が高くなることから、ゾーンのサイズは、経験によって決定され得る。一方で、ゾーンが大きいほど、隣接する欠陥に属するピクセルを含む可能性が高くなる。 To distinguish screw dislocations from edge dislocations, the following process may be employed, detailed with reference to FIG. 4, which shows the non-sequential steps of the process: In step 400, the intensity image is inspected to identify all dark spots (dislocations) and calculate the coordinates of the center of each spot. In step 405, the coordinates are replaced with those in the DOP image, and in step 410, a zone around each center in the DOP image is determined. The zone identifies an area that is considered relevant for determining a dislocation at the identified center point. The size of the zone may be determined empirically, since a smaller zone provides more discrimination between closely spaced defects, but increases the likelihood of missing a pixel corresponding to a defect. On the other hand, a larger zone is more likely to include pixels belonging to neighboring defects.

ステップ415において、しきい値が設定される。しかし、しきい値は、いつでも設定されてもよく、複数のサンプルの複数の検査のために用いられてもよい。しきい値は、ステップ420において実行される分析に依存し、当該ステップは、一般に、DOP画像における各ゾーンの代表値を計算するステップとして参照される。これは、種々の手法で行われてもよい。例えば、一実施形態では、各規定されたゾーン内の信号の局所分散(すなわち、グレーレベル)が代表値として計算される。他の実施形態に従って、フィッティング方程式がゾーン内のグレーレベルに適用され、当てはめられた方程式は、代表値として設定される。曲線あてはめの例は、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)に見つけることができる。さらに他の例に従って、比較は、記憶されたデータベースに対して、例えば、主成分分析、または類似のAIベースのパターン認識アルゴリズムを用いて行われる。 In step 415, a threshold is set. However, the threshold may be set at any time and may be used for multiple tests of multiple samples. The threshold depends on the analysis performed in step 420, which is generally referred to as calculating a representative value for each zone in the DOP image. This may be done in various ways. For example, in one embodiment, the local variance (i.e., gray level) of the signal within each defined zone is calculated as the representative value. According to another embodiment, a fitting equation is applied to the gray levels within the zone and the fitted equation is set as the representative value. An example of curve fitting is given in 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). According to yet another example, the comparison is performed against a stored database using, for example, principal component analysis, or a similar AI-based pattern recognition algorithm.

ステップ425において、欠陥がらせんまたは刃状転位かどうかを決定するために、各欠陥における分析の結果がしきい値に対して比較される。例えば、ステップ425において、分散が、設定されたしきい値よりも下である場合は、DOP画像における欠陥を示すのに十分なグレースケール分散がゾーン内にないことを意味することから、欠陥がらせん転位であると決定される。同様に、当てはめられた方程式が、設定されたしきい値よりも低い大きさ(amplitude)を有する場合、欠陥は、らせん転位として特定される。あらかじめ記憶されたデータベースに対する比較を用いるときに、ゾーンがしきい値を超えてデータベースに対応しない場合、欠陥は、らせん転位として特定される。もちろん、これらの分析のそれぞれにおいて、しきい値に対する比較がらせん転位の決定をもたらす結果にならない場合、欠陥は、刃状または混合転位として特定される。他の実施形態において、複数のしきい値が、純粋な刃状特性から、混合、純粋ならせんまでの複数の転位タイプを特定するために規定され得る。また、上記の分析のそれぞれにおいて、計算される“バックグラウンド”グレースケール値に対する比較によって、さらなる改良が達成されてもよい。例えば、バックグラウンドグレースケール値は、ゾーン内の分散の分析を強化することができる。分散がバックグラウンド値から十分に大きくない場合、それは、刃状転位というよりもむしろ、単にらせん転位または画像ノイズであることを表わす。 In step 425, the results of the analysis on each defect are compared against a threshold value to determine whether the defect is a screw or edge dislocation. For example, in step 425, if the variance is below a set threshold value, the defect is determined to be a screw dislocation since this means that there is not enough grayscale variance in the zone to indicate the defect in the DOP image. Similarly, if the fitted equation has a magnitude lower than a set threshold value, the defect is identified as a screw dislocation. When using a comparison against a pre-stored database, if the zone does not correspond to the database beyond the threshold value, the defect is identified as a screw dislocation. Of course, in each of these analyses, if the comparison against the threshold value does not result in a determination of a screw dislocation, the defect is identified as an edge or mixed dislocation. In other embodiments, multiple threshold values can be defined to identify multiple dislocation types, from pure edge characteristics, to mixed, to pure screw. Also, in each of the above analyses, further refinement may be achieved by comparison against a calculated "background" grayscale value. For example, the background grayscale value can enhance the analysis of variance within a zone. If the variance is not large enough from the background value, it may simply represent a screw dislocation or image noise rather than an edge dislocation.

図示すると、図3Aおよび図3Bにわたる両頭矢印は、図3Aにおいてダークスポットを指し、図3Bにおける矢頭は、図3Bにおいて対応する位置、すなわち、対応する座標の周りのゾーンを指す。図3Bにおけるゾーンは、暗い領域および明るい領域を有するように見える。その結果として、ゾーン内のグレーレベル分散は、図3Bにおいて楕円によって示される領域と比較して相対的に高くなる。このような分散は、しきい値を超え、それにより欠陥は、刃状転位として分類される。一方で、楕円によって示される領域における分散が分散を下回ることから、図3Aにおいて対応するダークスポットは、らせん転位として分類される。 Illustratively, the double-headed arrows in Fig. 3A and 3B point to the dark spots in Fig. 3A and the arrowheads in Fig. 3B point to the zones around the corresponding locations, i.e., corresponding coordinates, in Fig. 3B. The zones in Fig. 3B appear to have dark and light regions. As a result, the gray level variance within the zones is relatively high compared to the regions indicated by the ellipses in Fig. 3B. Such variance exceeds a threshold, and the defect is classified as an edge dislocation. On the other hand, the corresponding dark spots in Fig. 3A are classified as screw dislocations, since the variance in the regions indicated by the ellipses is below the variance.

それ故に、半導体サンプルにおける欠陥を特定および判別する方法は、電子ビームでサンプルの領域を照らすステップと、領域から放出される光を集め、それによって光ビームを発生させるステップと、光ビームを偏光子に通過させ、それによって第1偏光ビームおよび第2偏光ビームを発生させるステップと、第1偏光ビームを第1検出器に向け、第2偏光ビームを第2検出器に向けるステップと、第1および第2検出器のアウトプット信号を足し合わせることにより強度画像を生成するステップと、第1および第2検出器のアウトプット信号の正規化された差分を得ることにより偏光画像を生成するステップと、強度画像に現れる各ダークスポットの中心を特定する座標のリストを生成するステップと、各座標において、偏光画像における欠陥ゾーンを規定するステップと、各欠陥ゾーンにおいて、代表値を計算するステップと、プリセットしきい値に対して各欠陥ゾーンの代表値を比較し、代表値がプリセットしきい値を下回るまたは超えるかに応じてゾーンを刃状転位またはらせん転位としてカテゴライズするステップと、を備えて提供される。 Therefore, a method for identifying and characterizing defects in a semiconductor sample is provided, comprising the steps of illuminating an area of the sample with an electron beam, collecting light emitted from the area, thereby generating a light beam, passing the light beam through a polarizer, thereby generating a first polarized beam and a second polarized beam, directing the first polarized beam to a first detector and the second polarized beam to a second detector, generating an intensity image by adding together the output signals of the first and second detectors, generating a polarized image by taking a normalized difference of the output signals of the first and second detectors, generating a list of coordinates identifying the center of each dark spot appearing in the intensity image, defining a defect zone in the polarized image at each coordinate, calculating a representative value for each defect zone, comparing the representative value of each defect zone against a preset threshold value and categorizing the zone as an edge or screw dislocation depending on whether the representative value is below or above the preset threshold value.

再び図2を参照して、信号対ノイズ比を改善するために、波長フィルタ50(すなわち、例えば、バンドパスまたは単色フィルタなどの光学フィルタ)がビームの経路に任意に挿入されてもよい。具体的には、本明細書に開示される実施形態のDOP画像を生成するのに対象となるエミッションは、バンド端発光である。したがって、他のエミッション、例えば、欠陥バンドからのエミッションを除くために、波長フィルタ50が用いられてもよい。 Referring again to FIG. 2, a wavelength filter 50 (i.e., an optical filter, such as, for example, a bandpass or monochromatic filter) may be optionally inserted in the path of the beam to improve the signal-to-noise ratio. In particular, the emissions of interest in generating the DOP images of the embodiments disclosed herein are band-edge emissions. Thus, a wavelength filter 50 may be used to filter out other emissions, for example, emissions from defect bands.

これまで開示された実施形態は、転位のバーガースベクトルがPBSキューブの向きに合う偏光を発生させるように、サンプルが正確に合わされるときに、良好に稼動する。それほど合っていない他の転位も検出されることを確実にするために、サンプルを例えば45°の角度だけ回転することにより2回目の独立した測定が行われ得る。しかし、上記の通り、CL測定において、測定間の1ピクセルのシフトなどの小さな空間的なドリフトでさえ、全体の測定の結果を無効にすることがある。また、回転を本質的に用いることは、画像が時間的に同時ではなくなることを意味し、これも測定に影響することがある。図5および図6は、これらの問題を回避する実施形態を示す。 The embodiments disclosed so far work well when the sample is precisely aligned to produce polarized light whose Burgers vector of the dislocation is aligned with the orientation of the PBS cube. To ensure that other dislocations that are less well aligned are also detected, a second independent measurement can be made by rotating the sample by an angle of, for example, 45°. However, as mentioned above, in CL measurements, even small spatial drifts, such as a shift of one pixel between measurements, can invalidate the results of the entire measurement. Also, the inherent use of rotation means that the images are no longer simultaneous in time, which can also affect the measurement. Figures 5 and 6 show embodiments that avoid these problems.

図5の実施形態は、追加の光学要素とともに図2のCL顕微鏡を利用する。具体的には、非偏光ビームスプリッタ53(ここでは、50%の透過および50%の反射を有するハーフミラー)が、光ビーム経路において第1PBSキューブ51の上流に挿入される。光ビームの半分は、非偏光ビームスプリッタ53を通過し、図2の実施形態に開示されるように処理される。残りの半分は、第1PBSキューブ51に対して45°回転された第2PBSキューブ51’に向けて反射される。この回転は、図5において吹き出しに示され、当該図5は、検出器45cが、第1検出器46aによって受けられるビームに対して45°偏光角回転されたビームを受けることを描写する。本質において、検出器46cが頁面内または外にシフトされるように、第2PBSキューブ51’は、曲線矢印によって例示されるようにビーム経路周りに45°回転される。同様に、検出器46dによって受けられるビームの偏光角は、検出器46bによって受けられるビームの偏光に対して45°偏光角回転される。 The embodiment of FIG. 5 utilizes the CL microscope of FIG. 2 with additional optical elements. Specifically, a non-polarizing beam splitter 53 (here a half mirror with 50% transmission and 50% reflection) is inserted in the light beam path upstream of the first PBS cube 51. Half of the light beam passes through the non-polarizing beam splitter 53 and is processed as disclosed in the embodiment of FIG. 2. The other half is reflected toward a second PBS cube 51' that is rotated 45° relative to the first PBS cube 51. This rotation is shown in the callout in FIG. 5, which depicts that detector 45c receives a beam that is rotated 45° polarization angle relative to the beam received by the first detector 46a. In essence, the second PBS cube 51' is rotated 45° about the beam path as illustrated by the curved arrow so that detector 46c is shifted in or out of the page plane. Similarly, the polarization angle of the beam received by detector 46d is rotated by 45° relative to the polarization of the beam received by detector 46b.

図5の配置において、4つの信号は、コントローラ52によって受けられ、コントローラ52は、これらの信号を以下のように用いてもよい。コントローラ52は、同じPBSキューブと対になるいずれの2つの検出器の信号を足し合わせることにより、例えば、検出器46aおよび46bの信号を足し合わせ、または検出器46cおよび46dの信号を足し合わせることにより、強度画像を生成してもよい。あるいは、コントローラ52は、4つすべての検出器の信号を足し合わせることにより強度画像を生成してもよい。そして、コントローラは、2つのDOP画像を生成してもよい:1つは、検出器46aおよび46bからの信号の正規化された差分で構成され、もう1つは、検出器46cおよび46dからの信号の正規化された差分で構成される。そして、例えば図4において概説されるような工程は、2つのDOP画像のそれぞれについて繰り返されてもよい。 In the arrangement of FIG. 5, the four signals are received by the controller 52, which may use these signals as follows: The controller 52 may generate an intensity image by adding together the signals of any two detectors that are paired with the same PBS cube, for example by adding together the signals of detectors 46a and 46b, or by adding together the signals of detectors 46c and 46d. Alternatively, the controller 52 may generate an intensity image by adding together the signals of all four detectors. The controller may then generate two DOP images: one composed of the normalized difference of the signals from detectors 46a and 46b, and the other composed of the normalized difference of the signals from detectors 46c and 46d. The process, for example as outlined in FIG. 4, may then be repeated for each of the two DOP images.

ところで、図5の実施形態においては、各PBSキューブと対になる2つの集束レンズ22および22’が利用される。このような配置は、とりわけPBSキューブおよび検出器の配置に関して設計自由度を提供する。また、これは、各ハーフビーム経路において焦点距離を短くすることができ、それ故に広視野の画像を可能にする。しかし、あるいは、破線両頭矢印に示されるように、非偏光ビームスプリッタ53の上流に挿入される単一の集束レンズが用いられてもよい。このような配置において、すべての検出器へのビーム経路は、同一の長さでなければならない。 Now, in the embodiment of FIG. 5, two focusing lenses 22 and 22' are utilized, one paired with each PBS cube. Such an arrangement offers design freedom, especially with regard to the placement of the PBS cubes and the detectors. It also allows for a short focal length in each half beam path, and therefore a wide field of view image. However, alternatively, a single focusing lens may be used, inserted upstream of the non-polarizing beam splitter 53, as shown by the dashed double-headed arrow. In such an arrangement, the beam paths to all detectors must be of the same length.

図6は、3つの異なる偏光回転においてDOP画像を生成するために6つの検出器が用いられる、さらなる実施形態を示す。この実施形態においては、2つの非偏光ビームスプリッタ53および53’が光ビーム経路に挿入され、それによって3つの異なる光経路を発生させる。この実施形態において、第1非偏光ビームスプリッタ53は、厳密なハーフミラーというよりもむしろ、反射性よりも透過性があり、例えば、55%-70%の透過性、すなわち、透過ミラーであってもよい。この点において、ハーフミラーは、光の半分を透過する、透過ミラーの特別な場合であることから、透過ミラーは、いかなる量の光を透過するミラーを参照するものであってもよい。一方で、第2非偏光ビームスプリッタ53’は、50/50ハーフミラーであってもよい。吹き出しに例示されるように、第2および第3PBSキューブ51’および51’’は、第1PBSキューブ51の向きに対して30°および60°回転される。図5の実施形態と同様に、いずれの検出器の対からの信号が、全体の強度画像を形成するために足し合わされてもよく、またはすべての検出器からの信号が、強度画像を形成するのに用いられてもよい。また、コントローラは、検出器の各対の信号の正規化された差異によって3つのDOP画像を生成してもよく、すなわち、1つのDOPは、検出器46aおよび46bからであり、もう1つのDOP画像は、検出器46cおよび46dからであり、さらにもう1つのDOP画像は、検出器46eおよび46fからである。例えば図4における工程の概要は、3つのDOP画像のそれぞれについて繰り返されてもよい。 Figure 6 shows a further embodiment in which six detectors are used to generate DOP images at three different polarization rotations. In this embodiment, two non-polarizing beam splitters 53 and 53' are inserted into the light beam path, thereby generating three different light paths. In this embodiment, the first non-polarizing beam splitter 53 may be more transmissive than reflective, e.g., 55%-70% transmissive, i.e., a transmission mirror, rather than a strict half mirror. In this respect, a transmission mirror may refer to a mirror that transmits any amount of light, since a half mirror is a special case of a transmission mirror that transmits half of the light. On the other hand, the second non-polarizing beam splitter 53' may be a 50/50 half mirror. As illustrated in the bubble, the second and third PBS cubes 51' and 51'' are rotated 30° and 60° with respect to the orientation of the first PBS cube 51. As with the embodiment of FIG. 5, the signals from any pair of detectors may be added together to form an overall intensity image, or signals from all detectors may be used to form an intensity image. The controller may also generate three DOP images with normalized differences in the signals of each pair of detectors, i.e., one DOP image from detectors 46a and 46b, another DOP image from detectors 46c and 46d, and yet another DOP image from detectors 46e and 46f. For example, the process outline in FIG. 4 may be repeated for each of the three DOP images.

すでに示されたように、本明細書に開示される工程の精度は、画像の完璧な空間的および時間的アラインメントに依存する。さらに、対になる2つの光検出器のそれぞれの正確な較正によって、精度を改善することができる。すなわち、所定の光強度は、対になる光検出器のそれぞれから同一の電気信号のアウトプットをもたらす結果になる。このような較正は、対になる検出器からの信号を正規化することにより電子的に行われてもよい。さらに、図7は、対になる検出器の正確な較正を可能にする例を示す。図7の実施形態の特徴は、図2の2つの対になる検出器に関して示されるが、特徴は、開示されるいずれの実施形態におけるいずれの2つの対になる検出器に適用可能である。 As already indicated, the accuracy of the process disclosed herein depends on perfect spatial and temporal alignment of the images. Furthermore, accuracy can be improved by accurate calibration of each of the two paired photodetectors. That is, a given light intensity results in an identical electrical signal output from each of the paired photodetectors. Such calibration may be performed electronically by normalizing the signals from the paired detectors. Furthermore, FIG. 7 shows an example that allows for accurate calibration of the paired detectors. Although the features of the embodiment of FIG. 7 are shown with respect to the two paired detectors of FIG. 2, the features are applicable to any two paired detectors in any of the disclosed embodiments.

図7において、ハウジング54には、集束レンズ22と、PBSキューブ51と、対になる検出器46aおよび46bと、が付けられており、ハウジング54は、空間的なこれらの要素間の関係が一定になるように提供される。回転機構55は、曲線矢印によって例示されるように、光ビーム経路に一致する回転軸周りにハウジング54を回転する。光学要素がハウジング内に一定の空間的な向きで付けられることから、その空間的な向きは、回転の間変わらない。それ故に、ハウジングを回転し、検出器からのアウトプット信号を確認することにより、対になる検出器を正確に較正することができる。 In FIG. 7, the focusing lens 22, the PBS cube 51, and the paired detectors 46a and 46b are mounted in a housing 54, which is provided so that the spatial relationship between these elements is constant. A rotation mechanism 55 rotates the housing 54 about an axis of rotation that coincides with the optical beam path, as illustrated by the curved arrow. Because the optical elements are mounted in the housing with a fixed spatial orientation, their spatial orientation does not change during rotation. Therefore, the paired detectors can be accurately calibrated by rotating the housing and checking the output signals from the detectors.

上記から理解されるように、開示される実施形態は、真空エンクロージャと、真空エンクロージャ内の上部位置に配置された電子源と、その上部表面に入口アパーチャを有するとともにその下部に出口アパーチャを有するハウジングを含み、真空エンクロージャ内の下部位置に配置された電磁対物レンズと、ハウジング内に径方向に配置された電磁コイルと、ハウジング内に配置されており、第1軸方向アパーチャを有する凹面鏡と第2軸方向アパーチャを有する凸面鏡とを備える光対物レンズと、ハウジング内に配置されており、試片上で電子ビームを走査するのに協働する第1のデフレクタのセットおよび第2のデフレクタセットを備える電子ビームデフレクタと、光対物レンズによって集められる光を受け、光を真空エンクロージャの外に偏向するデフレクタミラーと、真空エンクロージャの外に配置されており、集束レンズ、光ビームを第1偏光ビームおよび第2偏光ビームに分割する偏光ビームスプリッタ、第1偏光ビームを受ける第1光検出器、および第2偏光ビームを受ける第2光検出器を備えるイメージング部と、第1光検出器から受ける第1信号と第2光検出器から受ける第2信号とから2つの偏光補完画像を形成するコントローラと、を備えるカソードルミネッセンス(CL)電子顕微鏡を提供する。 As will be appreciated from the above, the disclosed embodiment includes a vacuum enclosure, an electron source disposed at an upper position within the vacuum enclosure, a housing having an entrance aperture at an upper surface thereof and an exit aperture at a lower portion thereof, an electromagnetic objective lens disposed at a lower position within the vacuum enclosure, electromagnetic coils disposed radially within the housing, an optical objective lens disposed within the housing and including a concave mirror having a first axial aperture and a convex mirror having a second axial aperture, a first set of deflectors and a second set of deflectors disposed within the housing and cooperating to scan the electron beam over the specimen. A cathodoluminescence (CL) electron microscope is provided, which includes an electron beam deflector having two deflector sets, a deflector mirror that receives light collected by an optical objective lens and deflects the light outside the vacuum enclosure, an imaging unit that is disposed outside the vacuum enclosure and includes a focusing lens, a polarizing beam splitter that splits the light beam into a first polarized beam and a second polarized beam, a first photodetector that receives the first polarized beam, and a second photodetector that receives the second polarized beam, and a controller that forms two polarized complementary images from a first signal received from the first photodetector and a second signal received from the second photodetector.

開示される実施形態は、半導体サンプルにおいて欠陥を特定する方法であって、電子ビームでサンプルの領域を走査するステップと、サンプルからのカソードルミネッセンス光のエミッションを集め、それから光ビームを発生させるステップと、垂直偏光ビームおよび水平偏光ビームを発生させるために光ビームを偏光ビームスプリッタ(PBS)に通過させるステップと、垂直偏光ビームに対応する第1電気信号を生成するために第1光検出器を用い、水平偏光ビームに対応する第2電気信号を生成するために第2光検出器を用いるステップと、領域の強度画像を生成するために第1および第2電気信号を足し合わせるステップと、偏光度(DOP)画像を生成するために第1および第2電気信号の正規化された差分を取得するステップと、領域内の欠陥を特定するためにDOP画像に対して強度画像を比較するステップと、を備える方法を提供する。この方法において、正規化された差分は、第1および第2電気信号の合計に対する、第1および第2電気信号間の差分の比を計算することにより得られてもよい。 Disclosed embodiments provide a method of identifying defects in a semiconductor sample, comprising scanning an area of the sample with an electron beam, collecting cathodoluminescence light emissions from the sample and generating a light beam therefrom, passing the light beam through a polarizing beam splitter (PBS) to generate a vertically polarized beam and a horizontally polarized beam, using a first photodetector to generate a first electrical signal corresponding to the vertically polarized beam and using a second photodetector to generate a second electrical signal corresponding to the horizontally polarized beam, summing the first and second electrical signals to generate an intensity image of the area, taking a normalized difference of the first and second electrical signals to generate a degree of polarization (DOP) image, and comparing the intensity image to the DOP image to identify defects in the area. In this method, the normalized difference may be obtained by calculating a ratio of the difference between the first and second electrical signals to the sum of the first and second electrical signals.

また、カソードルミネッセンス顕微鏡を稼動する方法は、電子エミッタに通電し、それによって電子ビームを発生させるステップと、電磁対物レンズに通電し、それによって、電子ビームを電磁対物レンズの焦点面に集束するための磁場を発生させるステップと、半導体サンプルの領域上で電子ビームを走査するためにスキャナに通電するステップと、サンプルからカソードルミネッセンス光を集め、それから光ビームを形成するステップと、垂直偏光ビームおよび水平偏光ビームを発生させるために光ビームを偏光ビームスプリッタ(PBS)に通過させるステップと、垂直偏光ビームに対応する第1電気信号を生成するために第1光検出器を用い、水平偏光ビームに対応する第2電気信号を生成するために第2光検出器を用いるステップと、領域の強度画像を生成するために第1および第2電気信号を足し合わせるステップと、偏光度(DOP)画像を生成するために第1および第2電気信号の正規化された差分を取得するステップと、強度画像に現れる各ダークスポット中心点の座標を決定するステップと、ゾーン内に応力のしるしが現れるかどうかを決定するために、各座標において、DOP画像において対応するゾーンを検査するステップと、各応力のしるしにおいて、対応するダークスポットを刃状転位として分類するステップと、を備えて提供される。 Also, a method of operating a cathodoluminescence microscope includes energizing an electron emitter, thereby generating an electron beam; energizing an electromagnetic objective lens, thereby generating a magnetic field for focusing the electron beam at a focal plane of the electromagnetic objective lens; energizing a scanner to scan the electron beam over an area of a semiconductor sample; collecting cathodoluminescence light from the sample and forming a light beam therefrom; passing the light beam through a polarizing beam splitter (PBS) to generate a vertically polarized beam and a horizontally polarized beam; and filtering the first electrical signal corresponding to the vertically polarized beam. The method includes using a photodetector to generate a second electrical signal corresponding to the horizontally polarized beam, adding the first and second electrical signals together to generate an intensity image of the region, taking a normalized difference of the first and second electrical signals to generate a degree of polarization (DOP) image, determining the coordinates of each dark spot center point appearing in the intensity image, inspecting a corresponding zone in the DOP image at each coordinate to determine whether a signature of stress appears in the zone, and classifying the corresponding dark spot as an edge dislocation at each signature of stress.

本明細書に開示される方法は、コントローラ52によって実現されてもよく、コントローラ52は、特別な目的のコンピュータ、またはPCなどの一般的なコンピュータであって、当該方法を具現化するプログラムを実行するものであってもよい。開示される方法は、ストレージデバイスに記憶されたコンピュータプログラムとして実現されてもよく、コンピュータプログラムは、コンピュータによって実行されると、当該コンピュータに当該方法を実現するステップを実行させる。例えば、ステップは、垂直偏光CLビームに対応する第1電気信号と水平偏光CLビームに対応する第2電気信号とを受けるステップと、サンプルの走査領域の強度画像を生成するために第1および第2電気信号を足し合わせるステップと、偏光度(DOP)画像を生成するために第1および第2電気信号の正規化された差分を取得するステップと、強度画像に現れる各コントラストスポットの中心点の座標を決定するステップと、ゾーン内に応力のしるしが現れるかどうかを決定するために、各座標において、DOP画像において対応するゾーンを検査するステップと、各応力のしるしにおいて、対応するコントラストスポットを刃状転位として分類するステップと、を含んでもよい。 The methods disclosed herein may be implemented by a controller 52, which may be a special purpose computer or a general computer, such as a PC, that executes a program embodying the methods. The methods disclosed herein may be implemented as a computer program stored in a storage device that, when executed by a computer, causes the computer to execute steps implementing the methods. For example, the steps may include receiving a first electrical signal corresponding to a vertically polarized CL beam and a second electrical signal corresponding to a horizontally polarized CL beam, summing the first and second electrical signals to generate an intensity image of a scanned area of the sample, taking a normalized difference of the first and second electrical signals to generate a degree of polarization (DOP) image, determining the coordinates of the center point of each contrast spot appearing in the intensity image, examining the corresponding zone in the DOP image at each coordinate to determine whether a stress signature appears in the zone, and classifying the corresponding contrast spot at each stress signature as an edge dislocation.

本発明は、図面および前述の説明において詳細に示されおよび説明されたが、このような図示および説明は、理解を助けるものまたは例示的であって限定的なものではなく、本発明は、開示された実施形態に限定されない。他の実施形態および変形例が理解され、かつ、図面、開示および添付の特許請求の範囲の検討に基づいて、請求項に係る発明を実行するときに当業者によって達成され得る。 While the present invention has been shown and described in detail in the drawings and the foregoing description, such illustrations and descriptions are intended to be illustrative and not restrictive, and the present invention is not limited to the disclosed embodiments. Other embodiments and modifications can be understood and effected by those skilled in the art upon a study of the drawings, the disclosure and the appended claims when practicing the claimed invention.

請求項において、「備える」という語は、他の要素またはステップを排除するものではなく、不定冠詞“a”または“an”は、複数であることを排除するものではない。相互に異なる従属請求項において異なる特徴が記載されているという単なる事実は、これらの特徴の組み合わせを有利に用いることができないことを示すものではない。請求項におけるいかなる参照記号は、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
In the claims, the word "comprising" does not exclude other elements or steps, and the indefinite articles "a" or "an" do not exclude a plurality. The mere fact that different features are recited in mutually different dependent claims does not indicate that a combination of these features cannot be used to advantage. Any reference signs in the claims should not be interpreted as limiting the scope of the invention.

Claims (15)

半導体サンプルの走査領域の2つの偏光補完画像であって空間的にも時間的にも本質的に合わされる当該2つの偏光補完画像を同時に生成するためのカソードルミネッセンス顕微鏡であって、
電子源、前記電子源から放出される電子を集束しそれによって電子ビームを形成するための磁気レンズ、および前記半導体サンプル上で前記電子ビームを走査するスキャナを有する電子ビームカラムと、
前記電子ビームの走査に反応して前記半導体サンプルから放出される光を集め、光ビームを形成する光対物レンズと、
集束レンズ、前記光ビームを第1偏光ビームおよび第2偏光ビームに分割する偏光ビームスプリッタ、前記第1偏光ビームを受ける第1光検出器、および前記第2偏光ビームを受ける第2光検出器を備えるイメージング部と、
前記第1光検出器から受ける第1信号と前記第2光検出器から受ける第2信号とから前記2つの偏光補完画像を形成するコントローラと、を備える、カソードルミネッセンス顕微鏡。
1. A cathodoluminescence microscope for simultaneously generating two polarized complementary images of a scanned area of a semiconductor sample, said images being essentially aligned both spatially and temporally, comprising:
an electron beam column having an electron source, a magnetic lens for focusing electrons emitted from the electron source thereby forming an electron beam, and a scanner for scanning the electron beam over the semiconductor sample ;
an optical objective lens that collects light emitted from the semiconductor sample in response to scanning of the electron beam and forms a light beam;
an imaging unit including a focusing lens, a polarizing beam splitter that splits the light beam into a first polarized beam and a second polarized beam, a first photodetector that receives the first polarized beam, and a second photodetector that receives the second polarized beam;
and a controller for forming the two polarization complementary images from a first signal received from the first photodetector and a second signal received from the second photodetector.
前記イメージング部は、前記偏光ビームスプリッタの上流に挿入された光学フィルタをさらに備える、請求項1に記載のカソードルミネッセンス顕微鏡。 The cathodoluminescence microscope of claim 1, wherein the imaging section further comprises an optical filter inserted upstream of the polarizing beam splitter. 前記偏光ビームスプリッタの上流に配置されたハーフミラーと、前記ハーフミラーによって反射される光を受けるように、前記第1偏光ビームに対して45度の偏光回転角度で配向された第3偏光ビームと前記第2偏光ビームに対して45度の偏光回転角度で配向された第4偏光ビームとを形成するように、配向された第2偏光ビームスプリッタと、前記第3偏光ビームを受ける第3光検出器と、前記第4偏光ビームを受ける第4光検出器と、をさらに備える、請求項1に記載のカソードルミネッセンス顕微鏡。 The cathodoluminescence microscope of claim 1 further comprising: a half mirror disposed upstream of the polarizing beam splitter; a second polarizing beam splitter oriented to receive light reflected by the half mirror and to form a third polarized beam oriented at a polarization rotation angle of 45 degrees relative to the first polarized beam and a fourth polarized beam oriented at a polarization rotation angle of 45 degrees relative to the second polarized beam; a third photodetector that receives the third polarized beam; and a fourth photodetector that receives the fourth polarized beam. 前記偏光ビームスプリッタの上流に配置された第1透過ミラーと、前記第1透過ミラーによって反射される光を受けるように、前記第1偏光ビームに対して30度の角度で配向された第3偏光ビームと前記第2偏光ビームに対して30度の角度で配向された第4偏光ビームとを形成するように、配向された第2偏光ビームスプリッタと、前記第3偏光ビームを受ける第3光検出器と、前記第4偏光ビームを受ける第4光検出器と、第2透過ミラーと、前記第2透過ミラーによって反射される光を受けるように、前記第1偏光ビームに対して60度の角度で配向された第5偏光ビームと前記第2偏光ビームに対して60度の角度で配向された第6偏光ビームとを形成するように、配向された第3偏光ビームスプリッタと、前記第5偏光ビームを受ける第5光検出器と、前記第6偏光ビームを受ける第6光検出器と、をさらに備える、請求項1に記載のカソードルミネッセンス顕微鏡。 The cathodoluminescence microscope according to claim 1, further comprising: a first transmission mirror disposed upstream of the polarizing beam splitter; a second polarizing beam splitter oriented to receive light reflected by the first transmission mirror and form a third polarized beam oriented at an angle of 30 degrees relative to the first polarized beam and a fourth polarized beam oriented at an angle of 30 degrees relative to the second polarized beam; a third photodetector receiving the third polarized beam; a fourth photodetector receiving the fourth polarized beam; a second transmission mirror; a third polarizing beam splitter oriented to receive light reflected by the second transmission mirror and form a fifth polarized beam oriented at an angle of 60 degrees relative to the first polarized beam and a sixth polarized beam oriented at an angle of 60 degrees relative to the second polarized beam; a fifth photodetector receiving the fifth polarized beam; and a sixth photodetector receiving the sixth polarized beam. 前記第1透過ミラーは、55%-70%透過ミラーを備える、請求項4に記載のカソードルミネッセンス顕微鏡。 The cathodoluminescence microscope of claim 4, wherein the first transmission mirror comprises a 55%-70% transmission mirror. 前記偏光ビームスプリッタ、前記第1光検出器および前記第2光検出器を互いに一定の向きで付けるハウジングと、前記光ビームに合う軸周りに前記ハウジングを回転する回転機構と、をさらに備える、請求項1に記載のカソードルミネッセンス顕微鏡。 The cathodoluminescence microscope of claim 1, further comprising a housing that orients the polarizing beam splitter, the first photodetector, and the second photodetector relative to one another, and a rotation mechanism that rotates the housing around an axis aligned with the light beam. 前記ハーフミラーと前記第2偏光ビームスプリッタとの間に配置された第2集束レンズをさらに備え、
前記集束レンズは、前記ハーフミラーと前記偏光ビームスプリッタとの間に配置されている、請求項3に記載のカソードルミネッセンス顕微鏡。
A second focusing lens is disposed between the half mirror and the second polarizing beam splitter,
4. The cathodoluminescence microscope according to claim 3, wherein the focusing lens is disposed between the half mirror and the polarizing beam splitter.
前記集束レンズは、前記ハーフミラーの上流に配置されている、請求項3に記載のカソードルミネッセンス顕微鏡。 The cathode luminescence microscope according to claim 3, wherein the focusing lens is disposed upstream of the half mirror. 半導体サンプルにおける欠陥を検出するためにカソードルミネッセンス顕微鏡を稼動する方法であって、
電子ビームで前記半導体サンプルの領域を走査するステップと、
走査する間、前記領域から放出されるカソードルミネッセンス光を集め、前記カソードルミネッセンス光から光ビームを形成するステップと、
互いに90度の偏光回転を有する2つの偏光ビームを得るために前記光ビームを偏光子ビームスプリッタに通過させるステップと、
前記2つの偏光ビームに対応する2つの電気信号を同時に生成するために2つの光検出器を用いるステップと、
前記領域の強度画像を形成するために前記2つの電気信号を足し合わせるステップと、
前記領域の偏光度(DOP)画像を形成するために前記2つの電気信号の正規化された差分を取得するステップと、
前記強度画像に現れる各コントラストスポットにおいて、前記DOP画像において対応するゾーンを検査するステップと、前記DOP画像における前記ゾーン内に応力のしるしが現れるときに前記対応するコントラストスポットを刃状転位として分類するステップと、を備える、方法。
1. A method of operating a cathodoluminescence microscope to detect defects in a semiconductor sample, comprising:
scanning an area of the semiconductor sample with an electron beam;
collecting cathodoluminescent light emitted from said region while scanning and forming a light beam from said cathodoluminescent light;
passing said light beam through a polarizer beam splitter to obtain two polarized beams having a polarization rotation of 90 degrees with respect to each other;
using two photodetectors to simultaneously generate two electrical signals corresponding to the two polarized beams;
summing the two electrical signals to form an intensity image of the region;
taking a normalized difference of the two electrical signals to form a degree of polarization (DOP) image of the area;
For each contrast spot appearing in the intensity image, inspecting a corresponding zone in the DOP image; and classifying the corresponding contrast spot as an edge dislocation when indicia of stress appear within the zone in the DOP image.
前記正規化された差分を取得するステップは、前記2つの電気信号の合計に対する、前記2つの電気信号の差分の比を計算するステップを備える、請求項に記載の方法。 The method of claim 9 , wherein obtaining the normalized difference comprises calculating a ratio of the difference of the two electrical signals to a sum of the two electrical signals . 前記検査するステップは、前記ゾーン内で前記DOP画像の代表値を計算するステップと、プリセットしきい値に対して前記代表値を比較するステップと、を備える、請求項10に記載の方法。 The method of claim 10 , wherein the step of inspecting comprises the steps of: calculating a representative value of the DOP image within the zone; and comparing the representative value against a preset threshold. 前記代表値を計算するステップは、前記ゾーン内で前記DOP画像の分散を計算するステップを備える、請求項11に記載の方法。 The method of claim 11 , wherein the step of calculating the representative value comprises the step of calculating the variance of the DOP image within the zone. 前記代表値を計算するステップは、前記ゾーン内でグレーレベル値にフィッティング方程式を適用するステップを備える、請求項11に記載の方法。 The method of claim 11 , wherein calculating the representative value comprises applying a fitting equation to grey level values within the zone. 前記代表値を計算するステップは、記憶された基準画像に対して前記DOP画像を比較するために主成分分析を用いるステップを備える、請求項11に記載の方法。 The method of claim 11 , wherein calculating the representative values comprises using principal component analysis to compare the DOP image against a stored reference image. 前記光ビームを前記偏光子ビームスプリッタに通過させるステップの前に、前記光ビームをフィルタリングするステップをさらに備える、請求項に記載の方法。 10. The method of claim 9 , further comprising filtering the light beam prior to passing the light beam through the polarizer beam splitter.
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