KR100523229B1 - 전자빔장치 - Google Patents

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KR100523229B1
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도도코로히데오
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가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
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Abstract

시료(10)상에 조사될 전자빔(4)은 주사코일(9)에 의하여 2차원적으로 주사되고, 주사에 의하여 시료(10)으로부터 생성된 2차전자는 2차전자검출기(13)에 의하여 검출된다. 임의의 방향으로 임의의 양만큼의 이미지시프트용 시야를 시프트도록 1차전자빔을 전기적으로 편향시키기 위하여 이미지시프트용 편향코일(15)이 사용된다. 이미지시프트에 의하여, 시료상에 조사될 1차전자빔(4)이 에너지분산되어 분해능을 저하시킨다. 하지만, 분산제어용 E × B 필드 생성기(30)는 1차 전자빔에 반대방향으로 동일한 크기를 갖는 상기 에너지분산을 준다. 따라서 이미지시프트에 의하여 1차전자빔에 생성되는 에너지분산은 자동적으로 보정된다.

Description

전자빔장치 {ELECTRON BEAM APPARATUS}
본 발명은 전자빔장치, 특히 반도체 디바이스에서 마이크로패턴의 평가 또는 일반적인 시료(sample)의 범용적 관찰을 수행하는 주사전자현미경과 같은 전자빔장치에 관한 것이다.
시료에 1차전자빔을 주사하여 시료의 주사이미지를 얻는 주사전자현미경과 같은 전자빔장치는 반도체 디바이스에서 마이크로패턴의 검사 또는 측정과 같은 패턴 평가의 목적으로 사용된다. 이러한 종류의 장치는 고정밀도로 평가지점으로 관찰시야를 시프트시키기 위하여 1차전자빔을 전기적으로 편향시켜, 전자빔 조사영역(관찰시야)을 수 ㎛ 내지 10㎛의 범위내에서 전기적으로 시프팅하는 이미지시프트기능을 포함한다.
한편 일반적인 시료의 범용적 관찰에 사용되는 주사전자현미경에 있어서, 관찰시야는 주로 시료 스테이지를 기계적으로 시프팅하여 시프트된다. 하지만, 관찰배율이 높을때에는 스테이지의 기계적 시프팅이 어려워지기 때문에, 관찰중심으로 관찰시야를 시프트시키기 위하여 이미지시프트가 사용된다. 이 경우에, 관찰시야는 넓은 범위에서 더 빠르게 시프트될 수 있으므로, 이미지시프트에 의한 관찰시야의 시프팅량이 커짐에 따라, 장치의 조작성이 향상된다.
또한 반도체 또는 첨단재료의 측정에 있어서는, 일반적으로 시료가 대전되는 것을 막기 위하여 수 ㎸보다 낮은 저가속전압이 사용되며, 나노미터 급(order)의 관찰을 수행할 필요성이 증가하고 있다. 따라서, 대물렌즈의 수차를 감소시켜 저가속전압하의 분해능을 향상시키기 위하여, 대물렌즈의 집속거리를 단축시키거나 또는 시료에 음전압을 인가(지연방법(retarding method))하여 이러한 목적으로 주사전자현미경을 사용한다.
시료에 음전압을 인가하는 지연방법에 있어서, 시료로부터 발생된 2차전자는 시료에 인가된 전압에 의하여 가속되어, 대물렌즈의 상부로 진행한다. 따라서, 일본 특허등록번호 제 2821153호의 명세서에 기술된 바와 같이, 대물렌즈의 상부에서 서로 직각으로 교차하는 전기장 및 자기장(E × B필드)을 생성하여, 시료로부터 발생된 2차전자의 궤도를 전자원으로부터 진행하는 1차전자의 궤도로부터 분리되도록 편향시킴으로써, 고효율의 2차전자검출기에 의하여 2차전자를 검출한다. 또한, 일본 특허등록번호 제 2821153호의 명세서에서는 E × B필드에 의하여 생성된 색수차를 제거하기 위하여, 2차전자를 편향시키는 E × B필드보다 전자원에 더 근접한 위치에서 전자원측에 또 다른 E × B필드를 제공하고, 2차전자를 편향시키는 E × B(E-크로스-B)필드의 색수차를 전자원측에 제공된 E × B필드에 의하여 생성된 색수차로 상쇄시키는 방법이 개시되어 있다. 하지만 일본 특허등록번호 제 2821153호의 명세서에 개시된 기술에서는, 보정될 에너지분산은 2차전자의 (단일 방향만의) 편향방향으로 생성된 에너지분산뿐이다.
상술된 바와 같이, 1차전자빔을 전기적으로 편향시켜 임의의 양만큼 임의의 방향으로 관찰시야를 시프팅하는 이미지시프트기능은 고분해능 및 고배율을 가지는 주사이미지를 얻는 전자빔장치에 꼭 필요한 기능이다. 하지만, 이미지시프트가 수행될 때, 1차전자빔은 시프트방향의 이미지시프트량에 대응하여 에너지가 분산되어, 분해능저하를 유발한다. 분해능저하는 장치의 분해능이 향상됨에 따라 무시할 수 없는 문제가 된다.
도 1은 본 발명에 따른 전자빔장치의 일 실시예를 보여주는 블록도,
도 2는 도 1의 분산제어 E × B필드 발생기의 구성도,
도 3은 도 1의 이미지 표시장치에서 화면의 일례를 도시한 도면,
도 4는 분산제어 E × B필드의 자동조정흐름을 보여주는 흐름도,
도 5는 분산제어 E × B필드와 이미지시프트량간의 관계를 보여주는 그래프,
도 6은 분산제어 E × B필드 발생기내의 보정계수 및 제어계수를 결정하는 과정을 보여주는 흐름도,
도 7은 1차전자빔의 전기적 편향으로 인한 궤도분산의 설명도,
도 8은 에너지분산을 받기 전후의 1차전자빔의 단면형상을 도시한 도면,
도 9는 집속렌즈에 의한 1차전자빔의 궤도-편향 생성원리의 설명도,
도 10은 일반적인 E × B필드 발생기의 구성도이다.
본 발명의 목적은 분해능을 저하시키지 않으면서 임의의 방향으로 이미지시프트를 수행하기에 적절한 전자빔장치를 제공하는 것이다.
이러한 관점에서, 본 발명은 전자빔을 방출하는 전자원; 전자빔을 집속하는 집속렌즈; 및 집속된 전자빔을 주사하여 시료의 주사이미지를 생성하는 수단을 포함하는 전자빔장치에 있어서, 전자빔의 축선을 교차하는 평면상에서 임의의 방향으로 전자빔을 에너지-분산시키고, 에너지분산을 생성할 수 있는 에너지분산 제어수단을 더욱 포함하는 전자빔장치를 특징으로 한다.
또 다른 관점에서, 본 발명은 전자빔을 방출하는 전자원; 전자빔을 집속하는 집속렌즈; 및 집속된 전자빔을 주사하여 시료의 주사이미지를 생성하는 수단을 포함하는 전자빔장치에 있어서, 전자빔의 축선에 직각으로 서로 교차하는 전기장 및 자기장을 발생시키는 수단; 전기장 및 자기장에 의한 전자빔의 편향방향의 시프트가 180˚로 설정되고 전기장 전자빔의 편향각 비 대 자기장 전자빔의 편향각 비가 1:2가 되도록 전기장 및 자기장의 세기를 제어하는 수단을 더욱 포함하는 전자빔장치를 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 기타 목적 및 특징을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
전자원으로부터 방출된 전자빔은 전자원의 특성으로 인한 에너지의 편차가 생긴다. 예를 들어, 고휘도(high bright) 전자빔을 얻을 수 있는 쇼트키형(Schottky type)의 전자원에서 방출된 전자빔은 0.4eV 내지 0.6eV의 에너지폭을 갖는다. 이러한 에너지 편차를 갖는 전자빔이 전기적으로 편향되는 경우, 편향량이 빔의 에너지에 달려 있으므로 시료에 도달하는 전자빔은 에너지의 편차에 대응하여 에너지가 분산된다. 에너지분산은 전자빔의 번짐(blur)을 일으키므로, 분해능이 저하된다. 본 발명의 구체적인 실시예를 기술하기 전에, 분해능 저하원리를 먼저 기술한다.
도 7을 참조하여, 1차전자빔(4)은 편향코일(15)에 의하여 생성된 자기장에 의하여 편향되어, 대물렌즈(7)의 중심을 통과하여 시료(10)상에 조사된다. 편향코일(15)에 의하여 편향된 1차전자빔의 시료(10)상의 편향량을 rd라 하면, 편향량(rd)은 아래와 같이 표현될 수 있다.
여기서, kd는 편향코일(15)의 형상 및 권선수에 의하여 결정되는 편향감도계수이고, Id는 편향코일(15)의 전류이며, Vacc는 편향코일(15)을 통과하는 전자의 가속전압이다.
가속전압(Vacc)의 1차전자가 편향코일(15)에 의하여 rd의 편향작용을 받으면, 전자빔의 에너지의 변화가 가속전압의 변화와 등가이기 때문에 시료(10)상의 전자빔은 1차전자빔(4)의 에너지편차(에너지분산) ΔV에 의하여 아래와 같은 수학식으로 표현된 궤도분산을 받는다. 즉,
궤도분산은 전자빔의 번짐을 초래하므로, 분해능이 저하된다. 예를 들어, 가속전압(Vacc)이 1㎸이고, 이미지시프트량(rd)은 10㎛이고, 전자빔의 에너지폭(ΔV)은 0.4eV이라면, 수학식(2)에 의하여 계산된 궤도분산(빔의 번짐)은 2nm가 된다. 즉, 10㎛의 이미지시프트가 수행되면, 2nm의 궤도분산(빔의 번짐)이 이미지시프트에 대응하는 방향으로 생긴다. 이것은 예를 들어, 10㎛의 분해능을 얻을 수 있는 장치에서, 빔의 형상은 10㎛의 이미지시프트에 의하여 도면에 도시된 바와 같이, 도 8a에서 8b로 변화되어, 분해능이 궤도분산 방향으로 4nm 저하되는 것을 의미한다.
통상적으로, 1차전자빔을 집속하는 데 자기장형 대물렌즈가 사용되지만, 집속력을 더욱 증가시키기 위하여 흔히 대물렌즈와 시료 사이에 1차전자빔을 감속하기 위한 전기장이 생성된다. 본 방법은 지연방법으로 알려져 있다. 이러한 전자광학시스템에서, 이미지를 시프트하기 위하여 1차전자빔을 대물렌즈에 경사지도록 입사하도록 편향시키면, 궤도분산은 대물렌즈와 시료사이의 감속전기장에 의하여 심화된다. 대물렌즈와 시료 사이의 감속 전기장에 의한 궤도분산의 정도는 이미지시프트의 양 및 감속 전기장의 세기에 달려있다.
시료상으로 1차전자빔을 집속하기 위하여, 대물렌즈를 포함하는 복수의 집속렌즈가 일반적으로 사용된다. 이러한 전자광학시스템에서, 1차전자빔이 집속렌즈의 중심축으로부터 벗어난 궤도를 따라 통과하면, 도 9에 도시된 바와 같이 본래의 집속작용에 부가하여 편향작용이 나타난다. 이 편향작용에 의하여, 이미지시프트의 경우와 유사하게 1차전자빔의 에너지편차 ΔV로 인한 궤도분산이 생긴다.
종래의 전자빔장치에서는 1㎸의 가속전압을 사용하여 대략 2nm 또는 그 이하의 분해능을 얻을 수 없기 때문에, 대물렌즈의 축선으로부터의 오프셋 또는 이미지시프트에 의하여 야기된 에너지분산을 인식할 수 없었다. 다만, 일본 특허등록번호 제 2821153호의 명세서에서는 가속된 2차전자의 궤도를 편향시키도록 제공되는 E × B필드에 생성된 강한 에너지분산작용만이 분해능을 저하시키는 요인으로 인식되는 에너지분산작용의 보정방법이 개시되어 있을 뿐이다. 더욱이, 일본 특허등록번호 제 2821153호의 명세서에 개시된 보정방법은 2차전자를 편향시키는 E × B필드에 의한 단일 방향으로의 분산만을 보정할 뿐, 임의의 방향에 2차원적으로 생성된 상술된 에너지분산의 보정은 전혀 고려되지 않는다. 이는 대물렌즈의 축선으로부터의 오프셋 및 이미지시프트에 의하여 야기된 에너지분산의 영향이 인식될 수 없던 것에 유래한다.
1차전자빔의 에너지분산은 반대방향의 에너지분산을 생성시켜 보정될 수 있다. 하지만, 상술된 바와 같이 분산작용이 임의의 방향에서 2차원적으로 발생하는 경우에는, 상기 에너지분산을 보정하는 에너지분산이 임의의 방향으로 생성될 필요가 있다.
1차전자빔에서 에너지분산을 생성하기 위하여, 전기적 편향작용이 1차전자빔에 주어져야 한다. 이 때, 편향작용이 자기장 및 전기장에 의하여 서로 반대방향으로 생성되면, 평균에너지의 1차전자에 대하여 궤도를 편향시키지 않고 빔에너지의 편차에 의하여 야기된 에너지분산만을 1차전자빔내에 생성시킬 수 있다. 이렇게 하기 위하여, 1차전자빔에 편향작용을 주는 전기장 및 자기장이 서로 직각으로 교차하도록 생성되어야 한다. 이 원리는 Wein 필터 또는 E × B(E 크로스 B)로 알려져 있다.
통상적으로, E × B는 1차전자빔의 에너지의 균일성을 향상시키거나(에너지 필터) 크게 다른 에너지를 갖는 전자 또는 서로 반대방향으로 진행하는 전자를 분리시키는데 사용된다. 이러한 목적으로, 도 10에 도시된 한 쌍의 전극 및 한 쌍의 자기장발생기로 구성된 E × B가 특정방향으로만 편향작용을 생성하기에 충분하기 때문에 일반적으로 사용된다. 그 밖에도, 일본국 특개평 제 6-132002호에 개시된 바와 같이, 한 쌍의 전극 및 2쌍의 코일이 전기장과 자기장사이의 직교성을 향상시키도록 배치된다.
한편, 이미지시프트와 같은 편향에 의하여 야기된 1차 전극의 에너지분산은 이미지시프트의 이동방향에 대응하는 모든 방향으로 생성될 것이다. 그러므로, 이미지시프트의 동작에 대응하는 전기장 및 자기장의 방향 및 크기를 제어하는 것이 필요하다. 따라서 도 2에 도시된 바와 같이, 분산제어용 E × B필드를 생성하는 수단은 서로 직교하여 배치된 2쌍의 전기장 발생기 및 2쌍의 자기장 발생기로 구성되어 있다.
이하, 도 2를 참조하여, 직각으로 전자빔의 축선을 가로지르는 (교차하는) 평면상의 1차전자빔에 임의의 방향 및 임의의 크기의 에너지분산을 생성하는 방법을 기술한다.
도 2를 참조로, 전기장 발생기 및 자기장 발생기는 1차전자빔에 대한 편향지점이 단일 평면상에 위치되도록 배치된다. 전기장 발생기는 서로 직각으로 교차하는 전기장을 생성하는 제1쌍의 E × B제어전극(36a, 36b) 및 제2쌍의 E × B제어전극(37a, 37b)으로 구성되고, 제1쌍의 전극 및 제2쌍의 전극은 개별적으로 서로 대향하여 배치된다. 자기장 발생기는 서로 직각으로 교차하는 자기장을 생성하는 제1쌍의 E × B제어편향코일(38a, 38b) 및 제2쌍의 E × B제어편향코일(39a, 39b)로 구성되고, 제1쌍의 코일 및 제2쌍의 코일은 개별적으로 서로 대향하여 배치된다. 제1쌍의 전극에 의하여 생성된 전기장은 제1쌍의 코일에 의하여 생성된 자기장과 직각으로 교차하고, 제2쌍의 전극에 의하여 생성된 전기장은 제2쌍의 코일에 의하여 생성된 자기장과 직각으로 교차한다.
E × B제어전압 Vx, Vy에 관하여, 상이한 극성(Vx, -Vx), (Vy, -Vy)을 갖는 전압이 개별 쌍의 전극(36a, 36b), (37a, 37b)에 각각 인가된다. 한편, 제어전압(Vx, Vy)은 전압합성회로(35)에도 공급되어, 다음의 수학식으로 표현되는 전압-전류 변환이 수행된 후, 전류 Ix, Iy로서 개별 쌍의 E × B제어코일(38a, 38b, 39a, 39b)에 공급된다.
여기서, 상기 값 Kxx, Kxy, Kyx 및 Kyy는 전압 Vx, Vy에 의하여 생성되는 전기장 및 수학식(3)과 수학식(4)에 의하여 제어된 자기장에 의하여 1차전자빔의 편향작용이 서로 상쇄되도록 각각 설정된다. 이 설정은 예를 들어, 시료상의 1차전자빔의 움직임(주사된 이미지의 움직임)을 모니터하기 위하여 제어전압 Vx을 변조 또는 ON/OFF작동시켜 상기 동작을 멈추도록 Kxx 및 Kxy의 조건을 조정하여 수행될 수 있다. 아니면, E × B제어전압 Vx를 미리 설정된 상이한 조건(예를 들어, 0V 및 5V)으로 설정하고, 각 조건으로부터 얻어진 이미지를 캡쳐하는 수단을 제공하여 이미지 처리를 통하여 캡쳐된 이미지간의 변위를 검출한 다음, 실험이나 시뮬레이션 등에 의하여 예측된 계산을 통하여 Kxx 및 Kxy의 최적조건이 변위로부터 자동으로 결정될 수 있다. 전압 Vy에 관하여, 값 Kyx 및 Kyy은 유사한 조정으로 설정될 수 있다. 일단 이들 값이 조정되면, E × B필드에 의한 1차전자빔의 편향작용을 항상 상쇄시키는 조건은 가속전압 Vacc가 변화하더라도 수학식(3)과 수학식(4)에서의 가속전압 연동제어(Vacc-1/2)에 의하여 유지될 수 있다. 그러므로, E × B제어전압 Vx 및 Vy을 제어함으로써, 1차전자빔에 어떠한 편향작용도 주지 않고 제어전압에 대응하는 에너지분산이 1차전자빔에 생성될 수 있다.
상술된 바와 같이, 도 2의 E × B필드발생기에 의하여 1차전자빔에 대한 편향작용을 상쇄시키는 조건(Wien 조건)이 만족되는 동시에, 에너지분산이 임의의 방향으로 생성될 수 있다. 그러므로, 이미지시프트의 방향 및 크기로 시료상에 집속된 1차전자빔에 의하여 받는 에너지분산의 방향 및 크기를 미리 파악함으로써, 이미지시프트와 연동된 E × B의 제어가 수행될 수 있다.
분해능을 향상시키기 위하여, 1차전자빔을 감속시키는 전기장이 대물렌즈와 시료 사이에 생성되는 경우에, 1차전자빔에 생성된 에너지분산의 크기도 감속전기장에 따라 좌우된다. 따라서, 제어는 이미지시프트 뿐만 아니라 감속전기장의 세기와도 연동되어(예를 들어, 시료에 인가된 음전압과 연동되어) 수행된다. 이 제어는 감속자기장의 세기와 에너지분산의 보정량과의 관계를 세기와 계산 또는 실험을 통하여 미리 조사한 후, 상기 관계를 제어프로그램에 설치하여 수행될 수 있다.
또한, 집속렌즈의 축선을 벗어나 통과하는 1차전자빔에 의하여 야기되는 에너지분산과 같은 이미지시프트 이외에 요인에 의하여 야기되는 에너지분산에 관해서는, 이미지시프트 이외의 요인에 의하여 야기되는 에너지분산을 상쇄하는 에너지분산을 생성하도록 E × B 제어전압을 줄 수 있다. 하지만, 집속렌즈의 축선의 오프셋에 의하여 야기된 에너지분산성분은 축선조정의 정확성에 달려있기 때문에, 수동으로 에너지분산을 조정(보정)할 수 있는 수단이 제공된다.
또한, E × B를 구성하는 전기장 및 자기장의 세기에 대하여 1차전자빔에 의해서 받는 에너지분산은 가속전압뿐만 아니라 렌즈의 집속거리를 위시한 전자광학시스템의 작동조건에 따라 변화된다. 또한, 저가속전압의 분해능을 향상시키기 위하여 1차전자를 가속하는 가속전극이 대물렌즈부에 배치되는 전자광학시스템의 구조에서는, 가속전극에 인가된 전압에 따라서 생성되는 에너지분산의 크기 및 방향이 변화한다. 그러므로, E × B의 제어전압과 전자광학시스템의 동작 파라미터 또는 대물렌즈의 가속전극의 인가전압과의 관계를 실험 또는 시뮬레이션을 통하여 미리 숙지함으로써 E × B 의 제어전압을 전자광학시스템의 동작 파라미터에 연동되도록 광학시스템의 임의의 작동조건 또는 임의의 이미지시프트에 대한 1차전자빔의 에너지분산(분해능의 저하)을 피할 수 있다.
1차전자빔의 에너지분산이 주로 이미지시프트에 의하여 야기되는 경우에는, 에너지분산을 생성하지 않은 빔편향수단이 채택될 수 있다. 이러한 형식의 수단으로서, 임의의 방향으로 전기장 또는 자기장을 생성하면서 서로 직교하도록 유지시키는 수단(E × B 필드 생성수단)을 채택함으로써 전기장에 의한 편향각에 대한 1차전자빔의 자기장에 의한 편향각의 비율을 2배로 유지하는 방법이 발견되었다. 이 방법에 따르면, 다음의 이유로부터 임의의 빔편향에 대한 에너지분산이 전혀 생성되지 않았다.
전기장 E 및 자기장 B에 의한 에너지 Vacc의 전자의 편향각 θE 및 θB는 각각 아래와 같이 표현될 수 있다.
여기서, 에너지 편차 ΔV에 의한 전자빔의 편향각의 변동(분산)을 각각 θE 및 θB으로 하면, 아래와 같은 수학식을 얻을 수 있다. 즉,
전기장 및 자기장에 의한 편향량이 서로 같을 경우, 전기장에 의하여 생성된 에너지분산의 크기는 자기장에 의하여 생성된 것의 2배이다. 그러므로, 자기장에 의한 편향각이 전기장에 의한 편향각의 2배가 되고, 전기장 및 자기장에 의한 1차전자빔의 편향방향이 서로 반대가 되도록 E × B 필드의 전기장 및 자기장의 세기가 설정된다면, 전기장 및 자기장에 의한 에너지분산은 서로 상쇄된다. 즉, 전기장에 의한 1차전자빔의 편향량(시료상의 값)을 rd로 하고, 전기장에 의한 편향의 방향과 반대방향인, 자기장에 의한 1차전자빔의 편향량을 2rd로 하면, 빔편향과 관련된 에너지분산이 전혀 생성되지 않기 때문에 분해능의 저하가 일어나지 않는다. 이 때, 1차전자빔의 총편향량은 (자기장 및 전기장에 의하여 야기된 편향방향이 서로 반대이기 때문에) 자기장과 전기장간의 편향량의 차이 rd가 되고, 따라서 에너지분산을 생성하지 않은 편향수단이 실현될 수 있다. 통상적인 장치의 이미지시프트 기능에 있어서, 상기 대물렌즈위에 배치된 빔편향수단을 사용하여 1차전자빔이 편향되는 경우, 편향에 의하여 생성된 대물렌즈의 수차가 최소화될 수 있도록 광축선을 따라 2개의 편향수단을 2단으로 배치되어 동작된다. 이들 2단 빔편향수단을 전기장 및 자기장의 편향량이 2배가 되도록 각각 제어된, 상기 E × B 필드로 대체함으로써 에너지분산으로 인한 분해능의 저하를 생성하지 않는 이미지시프트기능이 실현될 수 있다.
또한 전기장 및 자기장의 편향량이 2배가 될 수 있도록 제어된 E × B 필드는 색수차를 생성하지 않은 편향기로서 이미지시프트를 위하여 사용될 뿐 아니라 1차전자빔을 정렬시키는 편향기용으로도 사용될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다. 도 1을 참조로, 음극(1)과 제1양극(2)간에 마이크로프로세서(CPU)(40)로 제어되는 고전압제어전원(20)에 의하여 전압이 인가되어, 음극(1)으로부터의 소정 방출전류에서 1차전자빔(4)을 추출한다. CPU(40)로 제어되는 고전압제어전원(20)에 의하여 음극(1)과 제2양극(3)간에 가속전압이 인가되기 때문에 음극(1)에서 방출된 1차전자빔(4)이 가속되어 후단 렌즈시스템으로 진행한다. 1차전자빔(4)은 렌즈제어전원(21)에 의하여 제어되는 집속렌즈(5)에 의하여 집속되고 어퍼처판(8)으로 1차전자빔의 불필요한 영역을 제거한 후, 렌즈제어전원(22)으로 제어되는 집속렌즈(6) 및 대물렌즈제어전원(23)으로 제어되는 대물렌즈(7)에 의하여 마이크로-스팟(micro-spot)으로서 1차전자빔이 시료(10)상에 집속된다. 대물렌즈(7)는 집속렌즈의 일종이며, 일반적으로 각각의 집속렌즈(6) 및 대물렌즈(7)는 집속렌즈작용이 여자전류(exciting current)를 통전시킴에 의하여 생성되는 자기장형이다.
1차전자빔(4)은 주사코일(9)에 의하여 시료(10)상에 2-차원적으로 주사된다. 1차전자빔을 조사하여 시료로부터 발생된 2차전자와 같은 2차신호(시료신호)(12)는 대물렌즈(7)의 상부로 진행한 후 2차신호를 분리하는 직교 전자기장 발생기(11)에 의하여 1차전자빔(4)의 궤도로부터 분리되고 제2신호검출기(13)를 향하여 편향된다. 편향된 2차신호(12)는 2차신호검출기(13)에 검출된다. 2차신호검출기(13)의 신호는 신호증폭기(14)를 통하여 이미지신호로서 이미지메모리(25)에 저장된다. 이미지메모리(25)에 저장된 이미지정보는 이미지표시기(26)에 수시로 표시된다. 주사코일(9)로의 신호는 관찰배율비에 대응하여 주사코일제어전원(24)에 의하여 제어된다. 이미지시프트용 편향코일(15)이 주사코일(9)의 위치에 배치되어, 필요한 시야의 시프트량에 대응하여 이미지시프트제어전원(27)에 의하여 제어된다.
음전압 VR(지연전압)이 시료(10)에 인가되어 시료의 직전의 위치에서 1차 전자를 감속시킨다. 또한, 대물렌즈(7)의 부분에 1차전자를 일시적으로 가속하는 부스터(booster) 전극(16)이 배치되어 전극에 양전압이 인가된다. 지연전압 및 부스터전압은 제어 CPU(40)에 의하여 제어되어 저가속전압조건하에서 분해능을 향상시킨다.
주사코일과 집속렌즈(6)사이에는 시료(10)상의 집속된 전자빔에 대하여 임의의 에너지분산을 줄 수 있는 분산제어 E × B 필드발생기(30)가 배치되어, 제어전원(31)에 의하여 제어된다. 분산제어 E × B 필드발생기(30) 및 제어전원(31)은 도 2에 도시된 구조를 가지며, 제어전압 Vx, Vy와 코일전류 Ix, Iy는 수학식(3) 및 수학식(4)를 만족하도록 제어 CPU(40)에 의하여 제어된다.
제어 CPU(40)에 작동패널상의 손잡이(knob)(32)가 접속되어 분산제어 E × B의 조정시에 손잡이(32)를 조정함으로써, 수학식(3) 및 수학식(4)의 계수값(Kxx, Kxy, Kyx, Kyy)이 제어 CPU(40)로 입력될 수 있다. 분산제어 E × B의 조정시, 분산제어 E × B의 제어전압(Vx, Vy)이 하나씩 변조될 수 있도록 제어 CPU(40)에서 제어전원(31)으로 신호가 주어진다. 따라서, 조작자(조정자)는 제어전압(Vx, Vy)의 변조와 관련된 이미지의 움직임을 제거하도록 손잡이(32)를 조정하여 분산제어 E × B의 최적계수값(Kxx, Kxy, Kyx, Kyy)을 설정할 수 있다. 분산제어 E × B의 계수의 조정은 손잡이(32)를 사용하는 대신에 마우스 포인터를 사용하는 모니터 CRT상에 표시되는 커서 또는 스크롤바를 제어함으로써 수행될 수 있다.
도 3은 분산제어 E × B의 계수를 조정하기 위한 모니터 CRT상의 화면(조정화면)의 예를 도시한다. 분산제어 E × B의 계수가 조정되는 경우 도 3의 화면이 표시된 후, 이하의 절차에 따라 계수가 설정된다.
(1) 마우스를 사용하여 조정도면내의 Wobbler X 버튼을 클릭한다. 그 때, 제어전압 Vx이 주기적으로 변하도록 제어 CPU(40)가 제어전원(31)을 제어한다.
(2) 분산보정 E × B의 계수값 Kxx 및 Kxy가 부적합한 경우에는 제어전압 Vx의 변화에 대응하여 주사된 이미지의 시야가 이동되기 때문에, 조정화면내의 슬라이드 바 XX, YY를 시야의 변동이 실질적으로 제거되도록 조정한다. 슬라이드 바의 오른편에 표시된 수치는 설정된 계수를 표시하고 수치가 표시창내로 직접 입력될 수 있다.
(3) 마우스를 사용하여 조정화면내의 Wobbler Y 버튼을 클릭한다. 이러한 작동으로, 제어전압 Vy는 주기적으로 변화한다.
(4) 조정화면내의 슬라이드 바 YX 및 YY를 주사된 이미지의 이동이 멈추도록 조정된다.
(5) 조정된 계수(Kxx, Kxy, Kyx, Kyy)는 조정화면상의 Save 버튼을 클릭함으로써 제어 CPU의 메모리에 저장된다.
(6) 조정이 완료된 후, 마우스를 사용하여 Exit 버튼을 클릭함으로써 조정화면을 닫는다.
제어전압(Vx, Vy)의 변조에 의하여 야기된 이미지의 이동을 검출하는 이미지 처리기능이 제공되는 경우, 이미지의 이동을 제거하도록 계수(Kxx, Kxy, Kyx, Kyy)를 자동적으로 설정하는 것이 가능하다.
도 4는 이미지처리에 의하여 상술한 조정동작을 자동적으로 수행하는 처리 흐름도이다. 제어전압 Vx에 관하여 계수 Kxx 및 Kxy를 결정하는 경우, Vx가 0V 및 +5V인 경우에 이미지가 캡쳐된다(S1, S2). 캡쳐된 두 이미지가 한픽셀씩 상대적으로 X- 및 Y-방향으로 시프트되면서 캡쳐된 두 이미지간의 상관관계가 계산된다(S3). 상관성이 최대가 되는 양 이미지간의 시프팅량이 검색된다(S3). 양 이미지간의 시야가 일치하여 서로 중첩되는 경우 양 이미지간의 상관성이 최대가 된다. 이미지간의 상관성이 최대가 되는 경우, 이미지의 시프트량으로부터 제어전압 Vx의 변동(5V)에 대한 시야의 변위(크기 및 방향)가 정확하게 계산된다. 이와 유사하게, 계수 Kxx 및 Kxy의 상이한 값에 대하여 이미지를 캡쳐함으로써, 각 계수에 의한 이미지의 변위량이 정량적으로, 자동적으로 계산될 수 있다(S6, S7). 상기 결과로부터, 제어전압 Vx에 의한 이미지의 변위를 상쇄하도록 계수 Kxx 및 Kxy가 계산되고 설정된다(S8). 제어전압 Vy에 관하여 계수 Kxx, Kxy의 설정도 유사하게 실행된다.
도 5는 이미지시프트가 X-방향으로 수행되는 경우, 분산제어 E X B의 제어전압과 이미지시프트량의 관계를 표현하는 그래프이다. 이미지시프트가 0인 경우 이미지시프트 이외의 요인에 의하여 야기되는 궤도분산이 상쇄되도록 분산제어 E × B의 제어전압(Vx, Vy)의 오프셋값이 설정된다. 상기 오프셋값은 대물렌즈 이외의 집속렌즈의 축의 오프셋에 의하여 야기된 궤도분산 및 2차전자를 편향시키는 E × B필드에 생성된 궤도분산의 보정을 포함한다. 이미지시프트의 방향(예를 들어, 도 3의 예시에서는 X방향)이 궤도분산의 방향과 일치하지 않기 때문에, 또는 이미지시프트코일(X, Y)의 방향이 분산(Ayx, Ayy)을 제어하는 전기장(X, Y)과 항상 일치하지는 않기 때문에, 이미지시프트의 X-방향에 대하여 분산을 제어하는 양 전압 Vx 및 Vy가 서로 연동되어 제어된다. 또한, 제어전압 Vx 및 Vy와 이미지시프트간의 관계는 시료와 대물렌즈의 가속전압 및 세기(도 1에서, 대물렌즈부의 부스터 전극(16)의 지연전압 VR 및 전압 VB)과 연동되는 소정 조건하에서 제어된다.
도 5에서는, 제로-이미지시프트의 조건하에서 제어전압 Vx 및 Vy의 값이 집속렌즈(6)에 의한 1차전자빔의 집속초점의 변화와 연동되어 제어된다.
E × B 필드발생기(30)에서 제어파라미터 Vx 및 Vy를 아래와 같이 제어함으로써 이미지시프트 또는 다른 요인에 의하여 생성되는 에너지분산의 보정이 수행된다.
여기서, Xi 및 Yi는 이미지시프트의 제어량(시료상의 전자빔의 편향량)을 나타낸다. 도 6의 절차를 통하여 가속전압 및 감속전기장과 같은 각각의 상이한 광학조건을 위한 제어계수 Axx, Vxo, Ayx, Vyo가 미리 계산되어 외부기억장치(41)에 저장된다.
가속전압, 감속전기장 등과 같은 장치의 광학조건이 설정됨에 따라, CPU(40)은 외부기억장치(41)로부터 대응하는 제어계수(Axx, Ayx,Vxo, Vyo)를 판독하여 수학식(9) 및 수학식(10)의 관계를 만족하도록 이미지시프트의 제어와 연동되어 제어를 수행한다.
도 6은 보정계수 및 제어계수를 결정하는 절차를 도시한다. 분산보정수단(분산제어 E × B 필드발생기(30))의 조정수단(손잡이(32))을 사용하여 수학식(3) 및 수학식(4)의 보정계수 Kxx, Kxy, Kyx, Kyy가 결정되고(S1), 이미지시프트제어량 Xi 및 Yi 모두가 0으로 설정되는 조건하에서 전자빔의 궤도분산이 보정된 다음, 분산을 완전히 보정할 수 있는 분산보정수단의 제어파라미터 Vx 및 Vy가 제어계수 Vxo, Vyo로 각각 정의된다(S2). 또한, 소정값으로 이미지시프트량 Xi을 설정하여, 전자빔의 궤도분산을 완전히 보정할 수 있는 분산보정수단의 제어파라미터 Vx 및 Vy가 조정되며, 분산보정수단의 제어계수 Axx 및 Axy가 상기 조건으로부터 결정된다(S3). 또한, 소정값으로 이미지시프트량(Yi)을 설정함으로써, 전자빔의 궤도분산을 완전히 보정할 수 있는 분산보정수단의 제어파라미터 Vx 및 Vy가 조정되며, 분산보정수단의 제어계수 Ayx 및 Ayy가 상기 조건으로부터 결정된다(S4). 상술한 과정을 통하여 결정된 보정계수 및 제어계수는 외부기억장치(41)에 저장된다.
상술된 본 발명의 실시예에 따라 이미지시프트 또는 다른 요인에 의하여 생성된 1차전자빔의 에너지 분산에 의하여 야기된 궤도분산을 상쇄시킬 수 있다. 그러므로 특히, 저가속전압하에 고분해능을 얻을 수 있는 전자빔장치에서, 분해능이 저하되는 것을 방지하여, 임의의 방향으로 이미지시프트를 수행할 수 있다.
본 발명의 본질을 벗어나지 않으면서 많은 변경 및 변형이 이루어질 수 있음이 자명하기 때문에, 본 발명이 상술한 실시예로만 국한되지 않음을 이해해야 할 것이다.

Claims (21)

  1. 전자빔을 방출하는 전자원; 상기 전자빔을 집속하는 집속렌즈; 상기 집속된 전자빔을 시료상에 주사하여 시료의 주사된 이미지를 생성하는 수단을 포함하며,
    상기 전자빔을 가속 또는 감속하기 위하여 전기장을 형성하는 전기장형성수단, 여자전류흐름에 의하여 집속조작을 수행하는 자기장형 렌즈 및 상기 시료에 주사하는 전자빔의 위치를 시프트하는 편향기기중 적어도 하나; 및
    상기 전자빔을 미리 정해진 방향으로 에너지분산을 시키고, 상기 전자빔의 축선을 교차하는 평면상의 임의의 방향에서 상기 미리 정해진 방향으로 에너지분산을 생성하는 에너지분산제어수단을 더욱 포함하는 전자빔장치에 있어서,
    상기 에너지분산제어수단은, 상기 전기장형성수단에 의하여 전기장을 형성하기 위한 전압, 상기 여자전류, 및 상기 편향기기에 의한 상기 전자빔의 편향량과 편향방향 중 적어도 하나에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에너지분산제어수단은 E × B 필드를 생성하는 수단을 포함하며, 상기 E × B 필드는 상기 전자빔의 축선상에서 서로 교차하는 전기장 및 자기장을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 E × B 필드는 상기 전자빔의 축선을 교차하는 상기 평면상에서 서로 직각으로 교차하는 방향으로 에너지분산을 생성하는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 E × B 필드는 상기 전자빔에 대하여 어떠한 편향작용도 생성하지 않는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 E × B 필드는 서로 교차하고 독립적으로 제어가능한 제1 및 제2전기장 성분 및 상기 제1 및 제2전기장성분을 교차하고 독립적으로 제어가능한 제1 및 제2자기장성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전기장형성수단은 상기 전자빔을 가속하는 가속전압을 생성하는 수단을 포함하며, 상기 에너지분산제어수단은 상기 전자빔의 상기 가속전압과 연동되어 제어되는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전기장형성수단은 상기 시료에 전압을 인가하는 수단을 포함하며, 상기 에너지분산제어수단은 상기 시료에 인가된 상기 전압과 연동되어 제어되는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  8. 제1항에 있어서,
    전기장형성수단은 상기 시료상에 조사될 상기 전자빔을 일시적으로 가속하기 위하여 양전위를 생성하는 일시가속수단을 포함하고, 상기 에너지분산제어수단은 상기 일시가속전위와 연동되어 제어되는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 에너지분산제어수단은 상기 여자전류와 연동되어 제어되는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 편향기기는 이미지시프트수단을 포함하며, 상기 에너지분산제어수단은 상기 이미지시프트수단에 의한 상기 시료상의 상기 전자빔의 변경방향 및 편향량과 연동되어 제어되는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 에너지분산제어수단의 제어는 작동패널상에 배치된 손잡이(knob)의 조작에 의하여 또는 스크린상에 표시된 포인터의 마우스조작에 의하여 수동적으로 행해지는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 에너지제어수단의 제어에 의하여 상기 전자빔이 편향작용을 받지 않도록 상기 에너지제어수단의 제어조건을 전기적으로 조정하는 조정수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 조정수단은 상기 에너지분산제어수단의 제어값을 시간적으로 변조하는 수단; 및 작동패널상에 배치된 손잡이 또는 상기 제어조건을 입력하는 마우스포인터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 에너지분산제어수단의 제어조건을 복수의 상이한 조건으로 미리 설정하며; 상기 제어조건에 대응하는 이미지를 캡쳐하고; 상기 에너지분산제어수단의 제어조건의 변경에 의하여 발생되는 이미지의 위치시프트를 검출하고; 상기 검출된 결과에 기초하여 상기 에너지분산제어수단의 제어조건을 설정하는 수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  15. 전자빔을 방출하는 전자원; 전자빔을 집속하는 집속렌즈; 및 집속된 전자빔을 주사하여 시료의 주사이미지를 생성하는 수단을 포함하는 전자빔장치에 있어서,
    상기 전자빔의 축선에서 서로 직각으로 교차하는 상기 전기장 및 자기장을 발생시키는 수단; 및 상기 전기장 및 자기장에 의한 상기 전자빔의 편향방향의 시프트가 180˚로 설정되고 상기 전기장 전자빔의 편향각 대 상기 자기장 전자빔의 편향각 비가 1:2가 되도록 상기 전기장 및 상기 자기장의 세기를 제어하는 수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  16. 제15항에 있어서,
    2세트의 상기 전기장 및 자기장 발생수단이 상기 전자빔의 광축선을 교차하는 평면상에 서로 직각으로 교차하는 방향으로 상기 전자빔을 개별적 및 독립적으로 편향시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 2세트의 상기 전기장 및 자기장 발생수단은 상기 전자빔에 대한 편향지점이 단일 평면상에 위치되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 2세트의 상기 전기장 및 자기장 발생수단은 상기 전자빔의 축선을 따라 서로 상이한 위치에 개별적으로 배치되며, 상기 전자빔장치는 상기 전자빔에 대한 편향각의 일정한 비율과 방향간의 소정의 관계를 유지하도록 상기 전자빔에 대한 개별적인 편향각을 제어하는 제어수단을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  19. 전자빔을 방출하는 전자원; 상기 전자빔을 집속하는 집속렌즈; 및 시료상에 상기 집속된 전자빔을 주사하여 시료의 주사이미지를 생성하는 수단을 포함하는 전자빔장치에 있어서,
    상기 전자빔의 축선을 교차하는 평면상에 임의의 방향으로 상기 전자빔을 편향시키기 위하여 전기장을 생성시키는 전기장발생기; 및
    상기 전자빔의 축선을 교차하는 평면상에 임의의 편향방향에 반대방향으로 상기 전자빔을 편향시키기 위하여 자기장을 생성시키는 자기장발생기를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 전기장발생기는 상기 전자빔에 대하여 축선 대칭으로 배치되고 서로 다른 극성을 가진 전압이 인가되는 2쌍의 편향전극을 포함하고, 상기 자기장발생기는 상기 전자빔에 대하여 축 대칭적으로 배치되는 2쌍의 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 전기장발생기는, 상기 전자빔의 에너지가 상기 전자빔의 축을 교차하는 평면에 분포된 상기 전자빔 분포방향의 반대방향으로 상기 전자빔이 분포될 수 있도록, 상기 전자빔장치에서 전기조작조건의 변경을 기초로하여 상기 전자빔을 편향시키는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
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