JP6618380B2 - 自動化されたｓ／ｔｅｍ取得および測定のための既知の形状の薄片を使用したパターン・マッチング - Google Patents

Description

本発明は、電子顕微鏡によって分析するための試料の作製および試料を取り扱う方法に関する。

集積回路の製造などの半導体製造は通常、フォトリソグラフィの使用を伴う。回路を形成する半導体基板、普通はシリコン・ウェーハを、放射で露光すると溶解性が変化するフォトレジストなどの材料で覆う。放射源と半導体基板の間に配置されたマスク、レチクルなどのリソグラフィ・ツールが、基板のどのエリアを放射で露光するのかを制御する陰を作る。露光後、露光したエリアまたは露光しなかったエリアからフォトレジストを除去して、後続のエッチング・プロセスまたは拡散プロセスの間ウェーハの部分を保護するパターン形成されたフォトレジストの層をウェーハ上に残す。

このフォトリソグラフィ・プロセスは、それぞれのウェーハ上に、しばしば「チップ」と呼ばれる多数の集積回路デバイスまたはエレクトロメカニカル・デバイスを形成することを可能にする。次いで、そのウェーハを切断して、単一の集積回路デバイスまたは単一のエレクトロメカニカル・デバイスをそれぞれが含む個々のダイを得る。最後に、これらのダイを追加の操作にかけ、パッケージングして、個々の集積回路チップまたはエレクトロメカニカル・デバイスとする。

この製造プロセス中に、露光および集束は変動するため、リソグラフィ・プロセスによって現像されたパターンを絶えず監視または測定して、パターンの寸法が許容範囲内にあるかどうかを判定する必要がある。パターン・サイズが小さくなるにつれて、特に、そのリソグラフィ・プロセスが使用可能な分解能の限界に最小の特徴部分（ｆｅａｔｕｒｅ）のサイズが近づくにつれて、しばしばプロセス制御と呼ばれるこのような監視の重要性は相当に増す。デバイス密度を常により高いものにしていくためには、特徴部分のサイズを絶えず小さくしていく必要がある。このような特徴部分のサイズには、相互接続金属被覆線の幅および間隔、コンタクト・ホールおよびバイアの間隔および直径、ならびにさまざまな特徴部分のコーナ、エッジなどの表面形状が含まれる。ウェーハ上の特徴部分は３次元構造物であり、完全な特徴評価（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ）は、線またはトレンチの上面における幅などの表面寸法だけではなく、特徴部分の完全な３次元プロファイルをも記述しなければならない。製造プロセスを微調整し、所望のデバイス形状を保証するために、プロセス・エンジニアは、このような表面の特徴部分の限界寸法（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）（ＣＤ）を正確に測定することができなければならない。

ＣＤの測定は通常、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）などの機器を使用して実施される。走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）では、１次電子ビームを微細なスポットに集束させ、このスポットが、観察しようとする表面を走査する。この１次ビームが表面に衝突すると、その表面から２次電子が放出される。その２次電子を検出し、画像を形成する。このとき、画像のそれぞれの点の輝度は、その表面の対応するスポットにビームが衝突したときに検出された２次電子の数によって決定される。しかしながら、特徴部分が小さくなり続けると、ある時点で、測定しようとする特徴部分があまりに小さすぎて、通常のＳＥＭが提供する分解能では分解できなくなる。

透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）では、数ナノメートル程度の極めて小さな特徴部分を見ることができる。材料の表面だけを画像化するＳＥＭとは対照的に、ＴＥＭは、試料の内部構造を分析する更なる機能を可能にする。ＴＥＭでは、幅の広いビームが試料に衝突し、試料を透過した電子を集束させて試料の画像を形成する。１次ビーム中の電子の多くが試料を透過し、反対側から出てくることを可能にするため、試料は十分に薄くなければならない。試料の厚さは通常１００ｎｍ未満である。

透過型走査電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）では、１次電子ビームを微細なスポットに集束させ、そのスポットが試料表面を走査する。基板を透過した電子を、試料の向こう側に置かれた電子検出器によって集める。画像上のそれぞれの点の強度は、その表面の対応する点に１次ビームが衝突したときに集められた電子の数に対応する。

半導体の形状が縮小し続けると、製造業者はますます透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）に依存して、プロセスを監視し、欠陥を分析し、界面層の形態を調べるようになる。本明細書で使用される用語「ＴＥＭ」は、ＴＥＭまたはＳＴＥＭを指し、ＴＥＭ用の試料を作製すると言うときには、この作製が、ＳＴＥＭで観察するための試料の作製をも含むことを理解すべきである。透過電子顕微鏡（ＴＥＭまたはＳＴＥＭ）で観察するためには試料が非常に薄くなければならないため、試料の作製は、繊細で時間のかかる作業である。ＳＥＭおよびＳ／ＴＥＭは、半導体製造だけに限定されず、極めて小さな特徴部分を観察することが必要な多種多様な用途で使用される。例えば、生命科学では、ミクロトーム上で作製された試料の関心領域から画像が取得される。

バルク試料材料から切り出された薄いＴＥＭ試料は「薄片（ｌａｍｅｌｌａｅ。単数形はｌａｍｅｌｌａ）」として知られている。薄片の厚さは通常１００ｎｍ未満であるが、用途によってはこれよりもかなり薄くしなければならない。３０ｎｍ以下である先進の半導体製造プロセスでは、小規模構造物間の重なりを防ぐために、薄片の厚さを２０ｎｍ未満にする必要がある。現在のところ、３０ｎｍよりも薄くすることは困難であり、堅牢でない。試料の厚さに変動があると、その結果として、薄片に、曲り、オーバーミリング（ｏｖｅｒｍｉｌｌｉｎｇ）または他の致命的欠陥が生じる。このような薄い試料に関して、薄片の作製は、最も小さく最も決定的に重要な構造物の構造特徴評価および構造分析の質のかなりの部分を決定する、ＴＥＭ分析の決定的に重要なステップである。

ＴＥＭ試料を作製するいくつかの技法が知られている。これらの技法には、へき開加工（ｃｌｅａｖｉｎｇ）、化学研磨、機械研磨、もしくはブロード・ビーム低エネルギー・イオン・ミリング（ｂｒｏａｄ ｂｅａｍ ｌｏｗ ｅｎｅｒｇｙ ｉｏｎ ｍｉｌｌｉｎｇ）、または以上のうちの１つまたは複数の組合せなどが含まれる。これらの技法の欠点は、これらの技法が、特定の部位だけを処理する（ｓｉｔｅ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ）のではなく、しばしば、出発材料を次第に小さな材料片に切断していく必要があり、それによって原試料の多くの部分を破壊することである。

他の技法は一般に「リフトアウト（ｌｉｆｔ−ｏｕｔ）」技法と呼ばれ、この技法は、集束イオン・ビームを使用して、基板の周囲の部分を破壊または損傷することなく基板またはバルク試料から試料を切り出す。このような技法は、集積回路の製造で使用されるプロセスの結果の分析および物理科学または生物科学の一般的な材料の分析に有用である。これらの技法を使用して、任意の向きの試料（例えば断面または平面視）を分析することができる。いくつかの技法は、直接にＴＥＭで使用するのに十分な薄さを有する試料を抜き取り、他の技法は、観察する前にさらに薄くする必要がある「塊（ｃｈｕｎｋ）」の試料または大きな試料を抜き取る。さらに、ＴＥＭ以外の他の分析ツールによって、これらの「リフトアウト」試料を直接に分析することもできる。集束イオン・ビーム（「ＦＩＢ」）システムの真空室内で基板から試料を抜き取る技法は普通、「原位置（ｉｎ−ｓｉｔｕ）」技法と呼ばれ、（ウェーハ全体を別のツールに移してから試料を取り出すときのように）真空室外で試料を取り出す技法は「外位置（ｅｘ−ｓｉｔｕ）」技法と呼ばれる。

抜き取る前に十分に薄くされた試料はしばしば、電子透過性の薄いフィルムで覆われた金属グリッド（ｇｒｉｄ）へ移送され、その上に載せられて観察される。図１は、先行技術のＴＥＭグリッド１０上に載せられた試料を示す。典型的なＴＥＭグリッド１０は銅、ニッケルまたは金製である。寸法はさまざまだが、ある典型的なグリッドは例えば３．０５ｍｍの直径を有し、サイズ９０×９０μｍ^２のセル１４および幅３５μｍのバー１７からなる中央部分１２を有する。入射電子ビーム中の電子はセル１４を通り抜けることができるが、バー１７によって遮断される。中央部分１２の周囲には縁部分１６がある。縁部分の幅は０．２２５ｍｍである。向き識別マーク１８を除き、縁部分１６にセルまたは穴はない。ＴＥＭグリッド１０の底面には薄い炭素フィルム１９が張り付けられている。分析するＴＥＭ試料は、セル１４内の炭素フィルム１９の上に配置または載置される。

一般的に使用されている１つの外位置試料作製技法では、図２に示すように、試料表面２１の関心領域の上に、タングステンなどの材料からなる保護層２２を、電子ビーム付着またはイオン・ビーム付着を使用して付着させる。次に、図３〜４に示すように、大きなビーム電流を使用し、それに対応した大きなビーム・サイズを有する集束イオン・ビームを使用して、関心領域の前側部分および後ろ側部分から大量の材料をミリングによって除去する。ミリングされた２つの長方形トレンチ２４と２５の間に残された材料は、関心領域を含む垂直な薄い試料切片２０を形成する。このミリングで使用されるＦＩＢ（図示せず）の角度は一般に試料表面２１から９０°である。これにより、ＦＩＢは、垂直方向下方へミリングすることができる。関心領域の後面にミリングされるトレンチ２５は前面トレンチ２４よりも小さい。後面トレンチをより小さくするのは主に時間を節約するためだが、より小さなトレンチはさらに、完成した試料が、ミリングされたより大きなトレンチの中に水平に倒れ込むことを防ぐ。試料がトレンチの中に水平に倒れると、顕微操作中に試料を取り出すことが困難になることがある。最終的に抜き取られると、試料切片２０は、ＴＥＭ／ＳＴＥＭグリッド上に水平に置かれ、ＴＥＭ垂直観察面２３を露出する。

図５に示すように、試料が所望の厚さに達した後、ステージを傾け、試料切片２０の外辺部に沿ってある角度でＵ字形の切れ目２６を入れ、試料の上面の両側のタブ（ｔａｂ）２８によって吊り下がった試料を残す。切り抜かれた試料切片２０は、長方形のＴＥＭ垂直観察面２３を有する。小さなタブ２８は、試料を完全にＦＩＢ研磨した後にミリングによって除去する材料の量を最小化することを可能にし、この薄い試料上に再付着生成物が蓄積する可能性を低下させる。次いで、ビーム・サイズを次第に細くしながら試料切片をさらに薄くする。最後に、タブ２８を切断して、薄くなった薄片２７を完全に切り離す。薄片２７が切り取られ、水平に置かれたとき、薄片２７の形状は一般に長方形である。最後の材料タブが切り離された後、薄片２７が移動したり、またはトレンチ内にわずかに倒れ込んだりしていることが、観察されることがある。

外位置プロセスでは、薄片２７を含むウェーハをＦＩＢを含む真空室から取り出し、マイクロマニピュレータを備えた光学顕微鏡下に置く。マイクロマニピュレータに取り付けられたプローブを薄片の上に配置し、プローブを注意深く下ろして薄片と接触させる。静電力によって薄片２７をプローブ先端２８（図６に示されている）に引き付ける。あるいは、薄片を固定するために、マイクロマニピュレータが、プローブ先端の内部に真空を生み出すことができる中空の中心を有することもできる。次いで、通常、図７に示すように、薄片２７が付着した先端２８をＴＥＭグリッド１０へ移動させ、グリッド上のバー１７間の１つのセル１４の中に薄片２７が置かれるまで先端２８を下ろす。図８は、伝統的な炭素グリッド上の薄片２７の写真である。図８に示すように、炭素フィルム１９上に薄片２７をうまく移送することができた場合であっても、薄片２７の向きを決定するのは困難である。薄片の形状は概して長方形であるため、薄片２７を真空室から炭素グリッド１３へ移動させるプロセス中に薄片２７が１８０°回転したかどうか、または薄片２７が裏返しになったかどうかを判定することは難しい。図９は、炭素グリッド１３を示す。通常、炭素グリッド１３は５×５μｍの穴８１を含む。穴８１は、一定の縮尺では描かれていない。図１０は、炭素フィルム１９上の薄片２７の配置を示す実際の写真であり、適当な大きさの穴８１の上に関心領域８２が直接に置かれている。

外位置法は、労働集約的で時間のかかる真空室内での操作を必要としないが、外位置法の信頼性は低く、オペレータが多くの経験を積んでいる必要がある。経験を積んだオペレータであっても成功率は約９０％でしかない。薄片部位の位置を突き止める操作も時間がかかり、困難であることがあり、また、試料またはプローブ先端の損傷を防ぐために、抜取りプローブを所定の位置まで非常に注意深く移動させなければならない。薄片を完全に切り離した後、薄片が予測不可能な態様で動くことがある。薄片がトレンチの中に倒れ込むことがあり、または静電力によって薄片が実際に上方へ押し出され、トレンチの外に出ることもある。この動きが、薄片の位置を突き止め、および／または抜取りプローブで薄片を拾い上げるのを困難にすることがある。プローブと試料の間の静電引力もやや予測不可能である。プローブ先端に薄片がとどまっていないことがある。プローブ先端にとどまらずに、薄片が、プローブの異なる部分へ跳び移ることがある。移動させている間に薄片が落下することもある。薄片をＴＥＭグリッドへうまく移送できた場合でも、薄片を、プローブ先端ではなくグリッドの支持フィルムに接着することが難しいことがある。薄片はしばしばプローブ先端にまといつき、実質上ぬぐい落とすようにフィルム上へ移さなければならない。その結果、薄片をＴＥＭグリッドへ移送するときに薄片の正確な配置または向きを制御することは困難である。薄片は通常、画像化することが意図された関心領域を有する。薄片２７がバー１７の近くにある場合、炭素グリッドの上に関心領域が適正に配置されているかどうか、および関心領域が炭素フィルムの穴と適正に整列しているかどうかを判定することはしばしば難しい。

外位置で釣り上げる（ｐｌｕｃｋｉｎｇ）経験を積んだユーザは、標準ガラス棒マイクロマニピュレータを使用して、光学画像化システムに基づいて薄片２７を移動させ、薄片２７の向きを定めることができるが、釣り上げおよび配置プロセス中の薄片２７上の予期しない挙動は、向きの信頼度を排除する。このプロセス中の予期しない挙動はその時間内の約２５％で起こる。さらに、試料を非常に特定的な関心領域に設定できる機能は、不確実性を大きくする。ＴＥＭ操作では伝統的に、人が、ＲＯＩの位置を視覚的に突き止め、そのＲＯＩまでステージを動かし、次いで所望の視野に合わせて倍率を高める必要がある。次いでステージを移動させ、所望の間隔で画像を取得する。

現在、オペレータは、薄片窓内の関心のデバイスまたは領域の特定のパターン・マッチを使用するレシピ・エディタ（Ｒｅｃｉｐｅ Ｅｄｉｔｏｒ）でプログラムを書く。これには、デバイス上でパターン・マッチを使用するデバイス構造／形状についての事前の知識、およびそれぞれの試料タイプに対応するための複数のレシピ（ｒｅｃｉｐｅ）またはレシピ中の複数のブランチ（ｂｒａｎｃｈ）が必要である。オペレータは次いで、その試料タイプに一致する特定のレシピをロードしなければならない。しかしながら、多くの顧客が、検査しなければならない多くの異なるタイプのデバイスを有する。特定のデバイス向けでない汎用レシピは、試料タイプにレシピを一致させる際にオペレータが介入する必要性を除去するであろう。生命科学では、高度に訓練されたオペレータが、ミクロトーム上で作製された試料の関心領域の位置を手動で突き止め、その関心領域の画像を手動で取得しなければならない。

求められているのは、関心領域の位置を突き止める改良された方法であって、複数のレシピが複数の試料タイプを取り扱う必要性を除去し、取得プロセスにおいて必要な人間の介入を減らし、大きな領域の自動化された画像取得を可能にし、訓練されたオペレータが時間をかける必要性を低下させる方法である。さらに、関心領域の位置を突き止める改良された方法であって、ＲＯＩの形状を予め規定する必要性および自動化のための特定のプログラムをオペレータに選択させる必要性を除去する方法も求められている。

本発明の目的は、試料薄片上の関心領域の画像をより迅速に取得する方法および装置であって、画像化する領域の位置を突き止めるのに画像取得技法を必要としない方法および装置を提供することにある。

本方法は、基板の電子回折または基板の画像の高速フーリエ変換を使用してその下の基板の結晶方位から薄片窓の向きを決定することができるため、複数のレシピが複数の試料タイプを取り扱う必要性を排除する。あるいは、薄片窓の向きの決定では、薄片または薄片窓のより低倍率の画像からエッジ検出（ｅｄｇｅ ｆｉｎｄｅｒ）を使用することができる。

以上では、以下の本発明の詳細な説明をより十分に理解できるように、本発明の特徴および技術上の利点をかなりおおまかに概説した。以下では、本発明の追加の特徴および追加の利点を説明する。開示される着想および特定の実施形態を、本発明の同じ目的を達成するために他の構造体を変更しまたは設計するベースとして容易に利用することができることを当業者は理解すべきである。さらに、このような等価の構造体は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲を逸脱しないことを当業者は理解すべきである。

次に、本発明および本発明の利点のより完全な理解のため、添付図面に関して書かれた以下の説明を参照する。

典型的なＴＥＭグリッドを示す図である。 外位置試料作製技法の先行技術の諸ステップを示す図である。 外位置試料作製技法の先行技術の諸ステップを示す図である。 外位置試料作製技法の先行技術の諸ステップを示す図である。 外位置試料作製技法の先行技術の諸ステップを示す図である。 プローブおよび静電引力を使用した先行技術に基づく薄片の移送を示す図である。 プローブおよび静電引力を使用した先行技術に基づく薄片の移送を示す図である。 炭素フィルム上に薄片を含む炭素グリッドの拡大写真である。 ５×５μｍの穴を有する炭素グリッドを示す図である（一定の縮尺では描かれていない）。 炭素グリッドの上に置かれた薄片の写真であり、穴の上に関心領域が置かれている。 薄片窓上の関心領域内の特徴部分を、画像化する特徴部分についての知識を必要とせずに、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）上で自動的に画像化する、本発明の好ましい一実施形態に基づく方法を示す流れ図である。 関心領域の向きを決定する例示的な実施形態を示す流れ図である。 倍率３２０×のＴＥＭ薄片の画像を示す図である。 倍率６６０×のＴＥＭ薄片の画像を示す図である。 倍率１１５０×のＴＥＭ薄片の画像を示す図である。 倍率２５５０×のＴＥＭ薄片の画像を示す図である。 図１５に示された薄片の画像の拡大図である。 関心領域１０６の底部まで線１０８から薄片内へ延びる、線１０８に対して垂直な２本の線１１２ａおよび１１２ｂを示す図である。 関心領域の下境界線を示す図である。 図１９のＦＦＴパターンを生成するために使用される図１８Ａの関心領域の拡大画像である。 図１８Ｂに示された領域の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を示す図である。 ＦＦＴから計算された向きを使用して画像を回転させた後のＳＴＥＭモードでの画像を示す図である。 所望の視野（ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ：ＦＯＶ）における関心領域上の特徴部分をＳＴＥＭモードで示す図である。 所望の視野（ＦＯＶ）における関心領域上の特徴部分をＴＥＭモードで示す図である。 合成して単一の画像とすることができる重なり合った３つの別個の画像を示す図である。 図２３の重なり合った３つの画像の合成画像を示す図である。

本発明の好ましい実施形態は、試料から薄片を製作し、その薄片を外位置プロセスで使用する改良された方法を提供する。本発明の好ましい一実施形態は、ＴＥＭワークフローの一部として生成された薄片上でのパターン認識を使用して、薄片窓内の関心の特徴部分上に垂直にセンタリングされた領域の位置を突き止めることに関する。本発明の好ましい一実施形態は、捕捉用のセンタリングを行うためにＲＯＩ内でのパターン認識を必要とすることなく、関心領域（ＲＯＩ）に沿って画像を生成することに関する。全てのセンタリングおよび位置合せは、薄片の既知の所定の形状のパターン認識のみによって提供されるが、ＲＯＩが含む窓内でのパターン認識は必要ない。このことは、画像間の重なりの有無に関わらず、薄片窓の部分領域または領域全体の取得を可能にする。加えて、上方および／または下方への垂直シフトを必要に応じて含む中心線に沿った画像取得を可能にする画像合成機能が存在する。本発明の好ましい一実施形態は、薄片窓内のデバイスまたは特徴部分から独立した、真の自動化された画像取得装置（ｐｉｃｔｕｒｅ ｔａｋｅｒ）を実現する。本発明の好ましい一実施形態は、機械的移動を使用しては不可能な、制御された繰返し可能な方式で水平なＲＯＩに沿って進めるために、ステージまたはピエゾ（ｐｉｅｚｏ）ステージ移動の代わりにビーム・シフティングを使用することに依拠している。薄片窓内の関心領域に関する特定の情報を必要とせずに、汎用レシピを使用して画像を自動的に集めることができる。このことは、自動化プロセス中に異なる形態／構造の試料のＳ／ＴＥＭ画像を取得するときの人間の介入に対する必要性を除去する。１つのレシピを人間の介入なしで使用して、ＦＩＢによって薄くされた薄片窓の全部または一部にわたるＴＥＭ画像を、任意の取得モード（すなわちＴＥＭ、ＨＡＡＤＦ、ＢＦおよびＤＦ）で取得することができる。このことは、複数のレシピが複数の試料タイプを取り扱う必要性を除去し、取得プロセスにおいて必要な人間の介入を減らし、大きな領域の自動化された画像取得を可能にし、訓練されたオペレータが時間をかける必要性を低下させる。これは、病院の（営利目的の）病理学センターで特に有益である。

ＴＥＭ操作では伝統的に、人が、ＲＯＩの位置を視覚的に突き止め、そのＲＯＩまでステージを動かし、次いで所望の視野に合わせて倍率を高める必要がある。次いでステージを移動させ、所望の間隔で画像を取得する。本発明の実施形態によれば、所定の形状を有する均質な薄片は、パターン・マッチングを介したＲＯＩへの位置合せの始点を提供する。窓の中心の垂直および水平座標が決定された後、このプログラムは、中心の左右の画像を連続して取得する方法として、物理的なステージ移動の代わりにビーム・シフティングを使用することができる。このことは、ＲＯＩの形状を予め規定する必要性および自動化のための特定のプログラムをオペレータに選択させる必要性を効果的に除去する。

図１１は、薄片窓上の関心領域内の画像化する特徴部分を、その特徴部分についての知識を必要とせずに、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）上で自動的に画像化する、本発明の好ましい一実施形態に基づく方法を示す流れ図である。この方法はステップ１１０２から始まる。ステップ１１０２で、既知の形状を有する薄片をＴＥＭ内のＴＥＭグリッド上に置く。この薄片は、既知の形状を有する薄片を製作する自動化された方法によって形成されたものであることが好ましい。

次に、薄片窓の位置を突き止めるため、そのＴＥＭグリッドに向かって電子ビームを導いて、さまざまな倍率の画像を形成する。ステップ１１０４で、ＴＥＭグリッドに向かって電子ビームを導いて、薄片窓を含む画像を形成する。ステップ１１０６で、それらの画像内の薄片窓の外辺部を決定する。薄片窓の位置が突き止められなかった場合には、顕微鏡の倍率を高め（ステップ１１０８）、ステップ１１０６に戻る。薄片窓の位置が突き止められた場合には、ステップ１１１０に進む。この経過が図１２〜１５に示されている。図１２は、倍率３２０×のＴＥＭ薄片の画像を示す。図１３は、倍率６６０×のＴＥＭ薄片の画像を示す。図１４は、倍率１１５０×のＴＥＭ薄片の画像を示す。図１５は、倍率２５５０×のＴＥＭ薄片の画像を示す。

ステップ１１１０で、関心領域の向きを識別する。関心領域の向きは、個々の画像の特徴部分の画像認識の使用を必要とすることなく最初の画像位置から進めるために使用する移動方向を規定する。関心領域の向きを決定するステップ１１１０の例示的なプロセスが図１１Ｂに示されている。ステップ１１７０で、画像を処理して、薄片窓の頂部に対応する線を決定する。図１６は、図１５に示された薄片１０２の画像の拡大図である。薄片１０２は薄片窓１０４を有する。薄片窓１０４は、より小さな厚さに薄くされた薄片１０２の一部である。薄片窓１０４は薄片１０２上にミリングされており、そこで関心領域１０６内の特徴部分（図示せず）の位置を突き止めて、関心領域１０６内の特徴部分をＴＥＭで画像化することができるようにする。薄片１０２および薄片窓１０４は、パターン認識論理によって容易に認識される所定の既知の形状を有するようにミリングされている。パターン認識論理は画像を処理し、薄片窓１０４の頂部に対応する線１０８の位置を突き止める。薄片窓１０４の頂部の位置は、薄片の形状を問わず高い信頼性で見つけられる。線１０８は、水平線または０度の線であることが予め分かっている。すなわち、線１０８は、その薄片がミリングされた試料の頂面に対して平行であり、および／または関心領域１０６の層に対して平行であることが分かっている。図１６に示された例では、薄片窓１０４の左縁に対応する線１１０が線１０８に対して４５度の角度に向けられていることも予め分かっている。この角度が分かっているのは、薄片１０２をミリングするときには薄片窓１０４に対して所定の形状が規定されているためである。例えば、ＴＥＭ試料作製時に、薄片窓１０４は、線１０８に対して実質的に平行な試料表面の上に４５度の角度で導かれた集束イオン・ビームによってミリングされうる。同様に、薄片窓１０４の右縁に対応する線１１１が線１０８に対して４５度の角度に向けられていることも予め分かっている。４５度というこの具体的な値は本発明の一部分ではなく、例示だけを目的とした値である。

ステップ１１３２で、薄片窓の頂部に対応する線に対して垂直な２本の線を計算する。この２本の線は、窓の縁に隣接し、窓の頂部から延びて、関心領域の側部境界を画定する。図１７は、関心領域１０６の底部まで線１０８から薄片内へ延びる、線１０８に対して垂直な２本の線１１２ａおよび１１２ｂを示す。線１１２ａおよび１１２ｂは関心領域の側部境界を画定する。線１１２ａは、線１０８に対して垂直であり、薄片窓１０４の左境界１１２ａのところで関心領域１０６と交差する。線１１２ｂは、線１０８に対して垂直であり、薄片窓１０４の右境界１１２ｂのところで関心領域１０６と交差する。

ステップ１１３４で、関心領域の下境界線を決定する。薄片窓の頂部と、薄片窓の側部と、この下境界とを境界とする領域を識別する。関心領域の下境界線は、画像コントラストの変化を使用して決定することができる。あるいは、薄片窓の頂部の下方の所定の距離のところに下境界を置くことによって、関心領域の下境界線を決定することもできる。図１８Ａは下境界線１１４を示す。薄片窓の頂部、側部および底部が合わさって薄片窓の外辺部を画定する。

図１１Ａに戻る。ステップ１１１６で、関心領域１２０の向きを決定する。関心領域１２０の向きは移動方向を規定する。移動方向は、関心領域の位置を決定する線の回転として定義される。図１８Ｂは、図１８Ａの基板の領域１２０の拡大図１５０を示し、１００ｎｍのスケールバー１５２が付けられている。図１９は、図１８Ｂの画像の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）１８０である。（散乱していない）中心スポット１８２が、６つの１次スポット（ｆｉｒｓｔ−ｏｒｄｅｒ ｓｐｏｔｓ）１８４によって取り囲まれている。図１８Ｂには、図１８Ａの領域１２０が画像化されており、領域１２０は、薄片の下の結晶シリコン基板に対応する。ウェーハ表面に対するシリコンの角方位（ａｎｇｕｌａｒ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）、したがって薄片に対するシリコンの角方位は予め決められており、したがって、シリコンのこの回転方位を決定することによって、薄片の回転方位も知ることができる。６つのスポット１８４のうちの１つのスポットと画像中の垂直線との間の角度１８６は、図１６〜１８Ａの薄片の回転角（逆時計回りに数度）に対応する。あるいは、薄片窓上の位置１２０に電子ビームを導き、薄片窓を透過した電子の電子回折パターンを観察することによって関心領域の向きを決定することもできる。画像のＦＦＴは実質上、電子回折パターンがそのように見えるであろうものに対応する。関心領域の向きを決定する他の方法は、薄片窓または薄片縁の画像上でエッジ検出を使用する方法である。エッジ検出は、画像内のコントラストの変化の位置を突き止める画像処理アルゴリズムである。

ステップ１１１８で、図１９から決定された角度を使用してＴＥＭグリッドを物理的に回転させて、関心領域をＴＥＭ軸と整列させる。ＴＥＭグリッドは、試料ステージを回転させることによって、または試料ステージ上のＴＥＭグリッドを回転させることによって物理的に回転させることができる。代わりに、またはステップ１１１８に加えて、ステップ１１２０を実行する。ステップ１１２０では、ＴＥＭグリッドを物理的に動かすのではなく、ディジタル信号処理および決定された向きを使用して画像を回転させて、関心領域をＴＥＭ軸と整列させる。好ましい一実施形態では、関心領域の中心に電子ビームを導いた後に、システムをＳＴＥＭモードに切り換える。回転は、いずれも領域１２０から得たＦＦＴから計算された向きまたは電子回折パターンを使用してディジタル式に画像に適用される。図２０は、領域１２０からのＦＦＴまたは電子回折パターンから計算された向きを使用して回転させた後のＳＴＥＭモードでの画像を示す。

ステップ１１２２で、関心領域の一部分の第１の画像を得て、関心領域の一部分を識別する。この第１の画像はＳＴＥＭモードを使用して得ることが好ましい。図２１は、所望の視野（ＦＯＶ）における関心領域上の特徴部分を示す。図２２に示されているように、このシステムは、所望の視野における関心領域の画像をＳＴＥＭモードで得た後に再びＴＥＭモードに切り換えられることが好ましい。

ステップ１１２４で、第１の画像の１つの位置から移動方向に沿って進めて関心領域の一部分の複数の画像を得ることによって、複数の画像を得る。これらの複数の画像は、関心領域内の検査対象の個々の特徴部分の画像認識を使用することなしに得られる。これらの複数の画像はＴＥＭモードで得ることが好ましい。個々の画像の重なり合った部分を既知の画像処理技術に従って除去することによって、これらの複数の画像を関心領域の合成画像にすることができる。図２３は、合成して単一の画像とすることができる重なり合った３つの別個の画像を示す。図２４は、図２３の重なり合った３つの画像の合成画像を示す。

関心領域の向きを決定し、その向きを補償することによって、ＴＥＭは、関心領域の列に沿っていずれの方向へも進むことができ、それでもなお視野内に特徴部分を有することができる。要するに、本発明の実施形態では、薄片の形状が予め決められているため、薄片の向きを問わずに、関心領域内のデバイスの列の位置を突き止めることができる。本発明の実施形態は、システムが、関心の特徴部分を大写しにしても関心の特徴部分を見失わないこと、および、「羅針盤なしに航海する（ｓａｉｌ ｗｉｔｈｏｕｔ ａ ｃｏｍｐａｓｓ）」こと、すなわちデバイスの列に沿ってある方向に進み、それでもなお視野内にデバイスを有することを可能にする。関心の特徴部分を大写しにしても関心の特徴部分を見失わないこと、および「羅針盤なしに航海する」ことができることにより、オペレータに求める時間が短くなり、薄片のひとまとまり（ｂａｔｃｈ）を分析する自動化の方法が可能になる。

本発明のいくつかの実施形態によれば、薄片窓上の関心領域内の特徴部分を、画像化する特徴部分についての知識を必要とせずに、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）内で自動的に画像化する方法は、既知の形状を有する薄片をＴＥＭ内のＴＥＭグリッド上に置くことと、薄片窓を含む画像を形成するためにＴＥＭグリッドに向かって電子ビームを導くことと、画像内の薄片窓の外辺部を決定することと、関心領域の向きを決定することであって、関心領域の向きが移動方向を規定することと、関心領域の一部分を識別するために関心領域の一部分の第１の画像を得ることと、関心領域の一部分の複数の画像を得るために第１の画像の１つの位置から移動方向に沿って進めて、複数の画像を得ることであって、これらの複数の画像が、関心領域内の検査対象の個々の特徴部分の画像認識を使用することなしに得られることとを含む。

いくつかの実施形態では、薄片窓の外辺部を決定することが、画像を処理して、薄片窓の頂部に対応する線を決定することと、薄片窓の頂部に対応するこの線に対して垂直な２本の線を計算することであって、これらの２本の線が、窓の縁に隣接し、窓の頂部から延びて、関心領域の側部境界を画定することと、関心領域の下境界線を決定することとを含む。

いくつかの実施形態では、この方法が、複数の画像の合成画像を形成することをさらに含む。いくつかの実施形態では、薄片の向きを決定することが、薄片に電子ビームを導くことと、窓を透過した電子のパターンを観察することとをさらに含む。いくつかの実施形態では、薄片に電子ビームを導くことが、薄片窓の下方の基板に向かって電子ビームを導くことを含む。いくつかの実施形態では、窓を透過した電子のパターンを観察することが、基板の高分解能画像に対してフーリエ変換を実行することを含む。

いくつかの実施形態では、窓を透過した電子のパターンを観察することが、回折パターンの向きを決定することを含む。いくつかの実施形態では、薄片に電子ビームを導くことが、画像を取得するために薄片に向かって電子ビームを導くことと、この画像を処理することによって薄片の向きを決定することとを含む。

いくつかの実施形態では、画像を処理することが、エッジ検出を使用することを含む。いくつかの実施形態では、画像を処理することが、パターン・マッチングを使用することを含む。いくつかの実施形態では、この方法が、決定された移動方向に従って複数の画像の向きを再設定することをさらに含む。いくつかの実施形態では、関心領域の下境界線を決定することが、エッジ検出を使用することを含む。いくつかの実施形態では、関心領域の下境界線を決定することが、薄片窓の頂部の下方の所定の距離のところに下境界を置くことを含む。

本発明のいくつかの実施形態によれば、薄片窓上の関心領域内の特徴部分を、画像化する特徴部分についての知識を必要とせずに、自動的に画像化するようにプログラムされた透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）は、電子源と、電子源からの電子を集束させてビームにする集束カラムと、電子または２次粒子を検出する検出器と、上に配置された試料を支持し移動させる試料ステージと、コンピュータ実行可能命令がプログラムされたコントローラとを備え、これらのコンピュータ実行可能命令は、コントローラによって実行されたときに、薄片窓を含む画像を形成するために、既知の形状を有する薄片を含むＴＥＭグリッドに向かって電子ビームを導くことと、画像内の薄片窓の外辺部を決定するために画像を処理することと、関心領域の向きを決定することであって、関心領域の向きは移動方向を規定し、関心領域の一部分を識別するために関心領域の一部分の第１の画像を得ることと、関心領域の一部分の複数の画像を得るために第１の画像の１つの位置から移動方向に沿って進めて、複数の画像を得ることであって、これらの複数の画像が、関心領域内の検査対象の個々の特徴部分の画像認識を使用することなしに得られることとを顕微鏡に実行させる。

いくつかの実施形態では、薄片窓の外辺部を決定するために画像を処理することが、画像を処理して、薄片窓の頂部に対応する線を決定することと、画像を処理して、薄片窓の頂部に対応するこの線に対して垂直な２本の線を計算することであって、これらの２本の線が、窓の縁に隣接し、窓の頂部から延びて、関心領域の側部境界を画定することと、画像を処理して、関心領域の下境界線を決定することとを含む。

いくつかの実施形態では、透過電子顕微鏡が、複数の画像の合成画像を形成する命令をさらに含む。いくつかの実施形態では、薄片の向きを決定する命令が、薄片に電子ビームを導く命令と、窓を透過した電子のパターンを観察する命令とをさらに含む。いくつかの実施形態では、薄片に電子ビームを導くことが、薄片窓の下方の基板に向かって電子ビームを導くことを含む。

いくつかの実施形態では、窓を透過した電子のパターンを観察することが、基板の高分解能画像に対してフーリエ変換を実行することを含む。いくつかの実施形態では、窓を透過した電子のパターンを観察することが、回折パターンの向きを決定することを含む。いくつかの実施形態では、薄片に電子ビームを導くことが、画像を取得するために、薄片に向かって電子ビームを導くことと、この画像を処理することによって薄片の向きを決定することとを含む。

本発明のいくつかの実施形態では、画像を処理することが、エッジ検出を使用することを含む。いくつかの実施形態では、画像を処理することが、パターン・マッチングを使用することを含む。いくつかの実施形態では、透過電子顕微鏡が、決定された移動方向に従って複数の画像の向きを再設定する命令をさらに含む。いくつかの実施形態では、関心領域の下境界線を決定する命令が、エッジ検出に対する命令をさらに含む。いくつかの実施形態では、関心領域の下境界線を決定する命令が、薄片窓の頂部の下方の所定の距離のところに下境界を置く命令をさらに含む。

本発明および本発明の利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書に、さまざまな変更、置換および改変を加えることができることを理解すべきである。さらに、本出願の範囲が、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法およびステップの特定の実施形態に限定されることは意図されていない。当業者なら本発明の開示から容易に理解するように、本明細書に記載された対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行し、または実質的に同じ結果を達成する既存のまたは今後開発されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを、本発明に従って利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内に、このようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを含むことが意図されている。

１０２ 薄片
１０４ 薄片窓
１０６ 関心領域
１０８ 薄片窓の頂部に対応する線
１１０ 薄片窓の左縁に対応する線
１１１ 薄片窓の右縁に対応する線
１１２ａ 線１０８に対して垂直な線
１１２ｂ 線１０８に対して垂直な線
１１４ 下境界線
１２０ 基板の領域

Claims (26)

1. 薄片窓上の関心領域内の特徴部分を、画像化する前記特徴部分についての知識を必要とせずに、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）内で自動的に画像化する方法であって、
   既知の形状を有する薄片をＴＥＭ内のＴＥＭグリッド上に置くことと、
   前記薄片窓を含む画像を形成するために前記ＴＥＭグリッドに向かって電子ビームを導くことと、
   前記画像内の前記薄片窓の外辺部を決定することと、
   前記関心領域の向きを決定することであって、前記関心領域の前記向きが移動方向を規定することと、
   前記関心領域の一部分を識別するために、前記関心領域の一部分の第１の画像を得ることと、
   前記関心領域の一部分の複数の画像を得るために、前記第１の画像の１つの位置から前記移動方向に沿って進めて、複数の画像を得ることであって、前記複数の画像が、前記関心領域内の検査対象の個々の前記特徴部分の画像認識を使用することなしに得られることと
   を含む方法。
2. 前記薄片窓の前記外辺部を決定することが、
   前記薄片窓の頂部に対応する線を決定するために、前記画像を処理することと、
   前記薄片窓の頂部に対応する前記線に対して垂直な２本の線を計算することであって、前記２本の線が、前記窓の縁に隣接し、前記窓の前記頂部から延びて、前記関心領域の側部境界を画定することと、
   前記関心領域の下境界線を決定することと
   を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記複数の画像の合成画像を形成することをさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記薄片の向きを決定することが、前記薄片に前記電子ビームを導くことと、前記窓を透過した電子のパターンを観察することとをさらに含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記薄片に前記電子ビームを導くことが、前記薄片窓の下方の基板に向かって前記電子ビームを導くことを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記窓を透過した電子のパターンを観察することが、前記基板の高分解能画像に対してフーリエ変換を実行することを含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記窓を透過した電子のパターンを観察することが、回折パターンの向きを決定することを含む、請求項５または６に記載の方法。
8. 前記薄片に前記電子ビームを導くことが、画像を取得するために、前記薄片に向かって前記電子ビームを導くことと、前記画像を処理することによって前記薄片の向きを決定することとを含む、請求項４に記載の方法。
9. 前記画像を処理することが、エッジ検出を使用することを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記画像を処理することが、パターン・マッチングを使用することを含む、請求項８または９に記載の方法。
11. 決定された前記移動方向に従って前記複数の画像の向きを再設定することをさらに含む、請求項４から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 関心領域の下境界線を決定することが、エッジ検出を使用することを含む、請求項２から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 関心領域の下境界線を決定することが、前記薄片窓の頂部の下方の所定の距離のところに下境界を置くことを含む、請求項２から１１のいずれか一項に記載の方法。
14. 薄片窓上の関心領域内の特徴部分を、画像化する前記特徴部分についての知識を必要とせずに、自動的に画像化するようにプログラムされた透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）であって、
    電子源と、
    前記電子源からの電子を集束させてビームにする集束カラムと、
    電子または２次粒子を検出する検出器と、
    上に配置された試料を支持し移動させる試料ステージと、
    コンピュータ実行可能命令がプログラムされたコントローラと
    を備え、前記コンピュータ実行可能命令が、前記コントローラによって実行されたときに、
    前記薄片窓を含む画像を形成するために、既知の形状を有する薄片を含むＴＥＭグリッドに向かって前記電子ビームを導くことと、
    前記画像内の前記薄片窓の外辺部を決定するために、前記画像を処理することと、
    前記関心領域の向きを決定することであって、前記関心領域の前記向きが移動方向を規定することと、
    前記関心領域の一部分を識別するために、前記関心領域の一部分の第１の画像を得ることと、
    前記関心領域の部分の複数の画像を得るために、前記第１の画像の１つの位置から前記移動方向に沿って進めて、複数の画像を得ることであって、前記複数の画像が、前記関心領域内の検査対象の個々の前記特徴部分の画像認識を使用することなしに得られることと
    を前記顕微鏡に実行させる透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）。
15. 前記薄片窓の前記外辺部を決定するために、前記画像を処理することが、
    前記画像を処理して、前記薄片窓の頂部に対応する線を決定することと、
    前記画像を処理して、前記薄片窓の頂部に対応する前記線に対して垂直な２本の線を計算することであって、前記２本の線が、前記窓の縁に隣接し、前記窓の前記頂部から延びて、前記関心領域の側部境界を画定することと、
    前記画像を処理して、前記関心領域の下境界線を決定することと
    を含む、請求項１４に記載の透過電子顕微鏡。
16. 前記複数の画像の合成画像を形成する命令をさらに含む、請求項１４または１５に記載の透過電子顕微鏡。
17. 前記薄片の向きを決定する前記命令が、前記薄片に前記電子ビームを導く命令と、前記窓を透過した電子のパターンを観察する命令とをさらに含む、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の透過電子顕微鏡。
18. 前記薄片に前記電子ビームを導くことが、前記薄片窓の下方の基板に向かって前記電子ビームを導くことを含む、請求項１７に記載の透過電子顕微鏡。
19. 前記窓を透過した前記電子のパターンを観察することが、前記基板の高分解能画像に対してフーリエ変換を実行することを含む、請求項１８に記載の透過電子顕微鏡。
20. 前記窓を透過した前記電子のパターンを観察することが、回折パターンの向きを決定することを含む、請求項１８または１９に記載の透過電子顕微鏡。
21. 前記薄片に前記電子ビームを導くことが、画像を取得するために、前記薄片に向かって前記電子ビームを導くことと、前記画像を処理することによって前記薄片の向きを決定することとを含む、請求項１７に記載の透過電子顕微鏡。
22. 前記画像を処理することが、エッジ検出を使用することを含む、請求項２１に記載の透過電子顕微鏡。
23. 前記画像を処理することが、パターン・マッチングを使用することを含む、請求項２１または２２に記載の透過電子顕微鏡。
24. 決定された前記移動方向に従って前記複数の画像の向きを再設定する命令をさらに含む、請求項１５から２３のいずれか一項に記載の透過電子顕微鏡。
25. 関心領域の下境界線を決定する前記命令が、エッジ検出に対する命令をさらに含む、請求項１５から２４のいずれか一項に記載の透過電子顕微鏡。
26. 関心領域の下境界線を決定する前記命令が、前記薄片窓の頂部の下方の所定の距離のところに下境界を置く命令をさらに含む、請求項１５から２４のいずれか一項に記載の透過電子顕微鏡。

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