KR101411119B1 - 하전 입자 빔 현미경 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 하전 입자 빔 현미경은, 검출 입자(118)의 계측 처리법의 선택 수단(153, 155)을 구비하고, 상기 수단은 시료(114)로부터 방출되는 2차 전자(115)수가 많은 주사 영역과, 2차 전자수가 적은 주사 영역에서, 상이한 계측 처리법을 선택하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 하전 입자 빔 현미경을 이용한 시료 검사에 있어서, 방출되는 2차 전자수가 적은 구멍 바닥이나 홈 바닥의 대비를 강조한 상, 및 음영 대비를 강조한 상을 단시간에 취득할 수 있게 되었다.
Description
본 발명은, 하전 입자 빔에 의해 반도체 장치나 액정 등의 미세한 회로 패턴을 관찰ㆍ검사하는 하전 입자 빔 현미경에 관한 것이다.
첫 번째로, 반도체 디바이스의 미세화ㆍ집적화에 수반하여, 리소그래피 공정의 관리에서는, 웨이퍼 상에 형성된 수십㎚ 사이즈의 미세 패턴을 고정밀도이면서 고속으로 계측하는 요구가 점점 높아지고 있어, 길이 측정 주사 전자 현미경(Critical Dimension Scanning electron Microscope, 이하 CD-SEM)은 반도체 정밀도에 있어서 불가결한 계측 장치다. 최근에는 표준적인 라인&스페이스(L&S) 패턴의 선 폭 계측에다가, 2차원 패턴의 계측 필요도 높아지고 있다. 2차원 패턴의 계측은, 반도체 마스크 패턴 기술용으로서 디팩트ㆍ스탠다드한 포맷인 GDSⅡ 등의 포맷의 LSI 레이아웃ㆍ데이터와 SEM 화상을 비교함으로써 실현한다. 리소그래피 공정의 관리에서는, 방대한 LSI 레이아웃ㆍ데이터 중 2차원 패턴 계측이 필요한 관찰점은 수만점/칩에 미치는 경우도 있어, 이동/화상 취득/측정의 시간 : Move Acquire Measure(이하 MAM)의 단축 필요도 높아지고 있다. 상기 필요에 답할 수 있는 Design For Manufacturing Scanning electron Microscope(이하, DFM-SEM)가 필요하다.
일본 특허 출원 공개 제2006-196281호 공보(특허 문헌 1)에는, 주사 전자 현미경에서 빔 전류를 전환함으로써 S/N과 화상 촬상 시간 단축을 양립시키기 위해, 복수의 빔 전류의 설정으로 검출기의 게인 조정값 또는 검출 알고리즘을 유지해 두고 고속으로 빔 전류를 전환하는 방법이 개시되어 있다.
일본 특허 출원 공개 평3-229179호 공보(특허 문헌 2)에는, 2차 전자 신호의 펄스를 복수점의 샘플링값의 합을 취함으로써, 신호의 S/N을 개선하는 방법이 개시되어 있다.
일본 특허 출원 공개 제2006-105977호 공보(특허 문헌 3)에는, 방사선원으로부터 입사하는 검출기의 동작 파라미터를 입사 방사선을 기초로 하여 결정하는 검출기 조정 회로를 포함하는 이미징ㆍ시스템이 개시되어 있다.
두 번째로, 반도체 디바이스는 웨이퍼 상에 포토마스크로 형성된 패턴을 리소그래피 처리 및 에칭 처리에 의해 전사하는 공정을 반복함으로써 제조된다. 이러한 제조 프로세스에 있어서, 수율의 조기 상승 및 제조 프로세스의 안정 가동을 실현하기 위해서는, 인라인 웨이퍼 검사에 의해 발견한 결함을 신속하게 해석하고, 대책에 활용하는 것이 필수적이다. 검사 결과를 신속하게 불량 대책에 결부시키기 위해서는, 다수의 검출 결함을 고속으로 리뷰하고, 발생 원인별로 분류하는 기술을 필요로 한다.
그러나 제조 프로세스의 미세화에 수반하여, 반도체의 제조 수율에 영향을 미치는 결함 사이즈도 미세화하고 있다. 종래의 광학식 리뷰 장치에서는, 분해능의 부족으로 인해 미소한 결함의 리뷰와 분류가 곤란해지고 있다. 이로 인해, 고분해능으로 리뷰가 가능한 SEM(Scanning Electron Microscope)식의 리뷰 장치가 이용되고 있다. 이 장치에서는, 미소 이물질이나 스크래치 등의 요철을 검출하기 위해, 옆에서 빛이 닿았을 때에 생기는 음영과 등가인 SEM상에 의한 음영상의 취득이 중요해지고 있다.
이러한 음영상을 취득하기 위한 일반적 원리를, 도 1을 이용하여 설명한다. 예를 들어 막 속의 이물질에 의해 생긴 시료 표면의 요철부(1)를 전자 빔(2)으로 주사하면, 시료 상의 각 조사점에서 2차 입자(2차 전자)(3)를 방출한다. 여기서, 발생하는 2차 입자(3)의 에너지는 분포를 가지고 있으며, 비교적 에너지가 낮은 성분(저속 성분)이 2차 전자(SE)라 불리고, 비교적 에너지가 높은 성분(고속 성분)이 후방 산란 전자(BSE)라 불리고 있다. 도 1의 부호 6의 화살표로 나타낸 바와 같이, 발생 부위에 있어서의 2차 입자는 다양한 방향의 앙각 성분을 갖는다. 여기서, 발생 부위에 있어서의 2차 입자의 앙각이란, 조사된 1차 전자선 광축이 법선이 되는 평면에 대하여 2차 입자의 각 앙각 성분이 이루는 각도를 의미한다. 발생 부위에 있어서의 2차 입자가 있는 앙각 성분(6)에 착안하면, 우측으로 방출되는 2차 입자는 검출기(4)에 도달하지만, 좌측으로 방출되는 2차 입자는 검출기에 도달하지 않는다. 그로 인해, 2차 입자의 발생 부위에서의 시료 표면의 요철부의 경사 각도(5)에 의해 검출기(4)에서의 2차 전자 검출량이 다르다. 그 결과, 검출기에서 얻을 수 있는 음영상(7)에는, 시료 표면의 요철에 따른 음영 대비가 나타난다.
일본 특허 출원 공개 평8-273569호 공보(특허 문헌 4)에는, 전자 중첩형 대물 렌즈를 이용한 2차 하전 입자의 검출 광학계에 있어서, 2차 입자의 저속 성분(SE)과 고속 성분(BSE)을 분리 검출함으로써, 시료의 측정 정밀도를 향상시킨 하전 입자 빔 칼럼에 관한 기술이 개시되어 있다. 해당 공보에 개시된 기술에서는, 2차 입자의 저속 성분과 고속 성분의 궤도가 다른 것을 이용하여, 전자원과 대물 렌즈 사이에 설치한 링 형상 검출기로, 내측 링 형상대로 BSE를, 외측 링 형상대로 SE를 검출함으로써 분리 검출을 행하고 있다. 외측 링 형상대는 부채꼴로 4분할하고 있어, 방출 위치에 있어서의 2차 전자의 방위각의 선별을 행할 수 있으므로, 음영상의 취득이 가능하게 되어 있다.
한편, 국제 공개 제WO00/19482호 팜플렛(특허 문헌 5)에는, 2차 입자의 저각 성분과 고각 성분을 분리 검출하기 위한 구성이 개시되어 있다. 해당 공보에 개시된 구성에서는, 대물 렌즈 상방에 저각 성분 검출용의 2차 입자 검출기를 설치하고, 해당 저각 성분용 검출기와 대물 렌즈 사이에, 발생한 2차 입자의 저각 성분을 충돌시키기 위한 반사판을 배치하고, 또한 저각 성분 입자의 충돌에 의해 발생한 부차 입자를 E×B 편향기에 의해 저각 성분 검출용 2차 입자 검출기로 유도하고, 이에 의해, 반사 전자의 저각 성분과 2차 전자를 검출하고 있다. 반사 전자의 고각 성분에 대해서는, E×B 편향기의 상단(전자원측)에 다른 고각 성분 검출용의 2차 입자 검출기와 제2 E×B 편향기를 설치하고, 고각 성분만을 고각 성분용 검출기로 검출한다.
또한, 일본 특허 출원 공개 제2006-228999호 공보(특허 문헌 6)에는, 전자원과 대물 렌즈 사이에 링 형상 검출기를 설치하고, 발생하는 2차 전자의 앙각의 저각 성분과 고각 성분, 또한 방위각 성분을 선별해서 검출하는 전자 현미경이 개시되어 있다.
도 2a, 도 2b는 반도체 디바이스의 회로 패턴 형성에 있어서 빈번하게 Si 웨이퍼 상에 형성하는 구멍이나 홈을 주사 전자 현미경(Scanning electron Microscopy, 이하 SEM)으로 관찰하는 방법의 일례이며, 도 2a는 구멍인 경우, 도 2b는 홈인 경우를 나타낸다. 최근, 구멍이나 홈의 사이즈는 미세한 경우에는 약 10㎚가 되는 경우도 있듯이, 회로 패턴의 미세화는 진행된다. 그로 인해, 시료 표면의 간편한 관찰을 위한 전자 빔의 프로브 지름은 해마다 축소되어 약 1㎚(패턴 사이즈의 1/10 정도)까지 달하고, 원자 분해능을 갖는 주사형 프로브 현미경(Scanning Probe Microscopy, 이하 SPM)에 버금가는 고해상도의 관찰상 취득 수단으로 되어 있다. 관찰하는 회로 패턴은 절연막ㆍ반도체막ㆍ도체막에 형성한 구멍이나 홈이며, 가공 형상의 종횡비가 높으면, 구멍 바닥이나 홈 바닥으로부터 방출되는 2차 전자수가 그 밖의 주사 영역에 비해 현저히 낮아진다. 전자 빔(11)을 주사해서 얻은 구멍 바닥 관찰상(13)은, 구멍의 윤곽선(12)에 화이트 밴드와 구멍 바닥에 어두운 원형 영역에 의해 이루어진다. 한편, 홈 바닥 관찰상(15)은 홈의 윤곽선(14)에 화이트 밴드와 홈 바닥에 어두운 띠 형상 영역에 의해 이루어진다.
특허 문헌 1에서 3에 기재된 종래 기술에서는, 모두 구멍 바닥이나 홈 바닥으로부터 방출되는 2차 전자수가 그 밖의 주사 영역에 비해 현저하게 낮아지면 촬상 시간이 현저하게 길어져, 관찰상의 대비가 저하되어 버리는 문제를 회피할 수 없다.
본 발명의 제1 목적은, 반도체 장치나 자기 디스크 등, 다양한 시료 검사에 있어서, 구멍 바닥과 홈 바닥의 대비를 강조한 상을, 단시간에 취득 가능한 하전 입자 빔 현미경을 제공하는 것이다.
또한, 전자선 조사에 의해 발생하는 2차 입자는, 발생 부위에 있어서의 앙각(저각 성분과 고각 성분)과 에너지(저속 성분과 고속 성분)에 의해, 크게 나누어 4가지(저각 성분 또한 저속 성분, 저각 성분 또한 고속 성분, 고각 성분 또한 저속 성분, 고각 성분 또한 고속 성분)로 구별할 수 있다. 2차 입자 중, 고속 성분에는 2차 입자의 발생 부위의 형상에 관한 정보가 많이 포함되고, 한편 저속 성분에는 1차 빔의 침입 깊이에 상당하는 범위의 시료 내부의 정보(예를 들어, 시료의 재질, 조성 등)가 많이 포함되어 있다. 따라서, 1차 빔 조사에 의해 발생하는 2차 입자를, 저속 성분, 고속 성분으로 변별 검출하여 화상을 형성할 수 있으면, 시료의 관찰상 유리하다. 고속 성분에 의해 형성되는 화상은, 음영상이라 불리는 경우도 있다.
그러나 신호 변별에 의해 2차 입자의 검출 신호는 감쇠되어 버려 관찰상의 대비가 저하되어 버린다. 특허 문헌 4에서 6에 기재된 종래 기술에서는, 모두 2차 입자를 저각 성분과 고각 성분으로 나누어 분리 검출할 수 있는 구성으로 되어 있지만, 2차 입자에 포함되는 고속 성분 중, 발생 부위에 있어서의 앙각의 고각 성분을 저속 성분과 잘 분리할 수 없다. 그 결과, 고속 성분의 고앙각 성분이 음영상으로부터 결락되어 버려, 음영상의 대비 강도가 원래 얻어져야 할 값보다도 약해져, 요철의 정도가 작은(얕은) 형상이 음영상에는 나타나지 않는다고 하는 문제를 야기한다.
또한, 약한 대비의 음영상밖에 얻을 수 없으므로, 화상의 S/N비를 얻기 위해서 화상 데이터를 몇 번이나 적산해야만 해, 시료 검사 또는 계측에 필요한 화질의 화상을, 단시간에 취득할 수 없다. 1차 빔의 전류값을 크게 하면 S/N이 큰 화상 신호를 얻을 수 있지만, 전류값을 늘리면 빔 지름이 증가하여, 얻어지는 화상의 분해능이 열화한다.
따라서, 본 발명의 제2 목적은, 반도체 장치나 자기 디스크 등, 다양한 시료 검사에 있어서, 음영 대비가 강조된 상을, 단시간에 취득 가능한 하전 입자 빔 현미경을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시 형태로서, 하전 입자원과, 시료를 싣는 스테이지와, 상기 하전 입자원에서 발생한 하전 입자의 빔을 상기 스테이지 상의 시료에 조사하는 하전 입자 광학계와, 상기 빔에 기인하는 상기 시료로부터의 검출 입자를 검출하는 검출기와, 이들을 제어하는 제어 수단을 갖는 하전 입자 빔 현미경으로서, 상기 빔에 기인하는 상기 검출 입자를 검출하는 빔 체재 적산 방법을 판정하는 빔 체재 적산 선택기와, 상기 빔 체재 적산 선택기의 판정을 따라 적산을 행하는 빔 체재 적산기와, 프레임 적산 방법을 판정하는 프레임 적산의 선택기와, 상기 프레임 적산의 선택기의 판정에 따라 적산하는 프레임 적산기를 더 갖는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 현미경으로 한다.
빔 체재 적산 방법을 판정하는 빔 체재 적산 선택기 및 프레임 적산 방법을 판정하는 프레임 적산의 선택기를 가짐으로써, 반도체 장치나 자기 디스크 등, 다양한 시료 검사에 있어서, 구멍 바닥과 홈 바닥의 대비를 강조한 상을, 단시간에 취득 가능한 하전 입자 빔 현미경, 또한 음영 대비가 강조된 상을, 단시간에 취득 가능한 하전 입자 빔 현미경을 제공할 수 있다.
도 1은 전자 빔을 이용해서 관찰 시료 표면의 음영상을 취득하기 위한 일반적 원리를 설명하기 위한 개략도이며, 상단은 시료 단면 형상을, 하단은 음영상을 나타낸 도면이다.
도 2a는 주사 전자 현미경을 이용해서 구멍 패턴을 관찰하는 방법을 설명하기 위한 개략도이며, 상단은 시료 표면의 사시도, 하단은 SEM 화상의 모식도이다.
도 2b는 주사 전자 현미경을 이용해서 홈 패턴을 관찰하는 방법을 설명하기 위한 개략도이며, 상단은 시료 표면의 사시도, 하단은 SEM 화상을 나타낸 도면이다.
도 3은 제1 실시예에 관한 하전 입자 빔 현미경(주사 전자 현미경)의 전체 구성을 나타내는 모식도다.
도 4는 도 3에 도시한 주사 전자 현미경을 이용해서 관찰 화상을 취득할 때의 흐름도의 일례를 나타내는 모식도다.
도 5는 도 3에 도시한 주사 전자 현미경을 이용해서 관찰 화상을 취득할 때의 흐름도의 다른 예를 나타내는 모식도다.
도 6은 도 3에 도시한 주사 전자 현미경을 이용해서 관찰 화상을 취득할 때의 흐름도의 다른 예를 나타내는 모식도다.
도 7은 도 3에 도시한 주사 전자 현미경을 이용해서 관찰 화상을 취득하기 위한 관찰 조건 설정과 실행의 순서를 나타내는 흐름도다.
도 8은 도 3에 도시한 주사 전자 현미경을 이용해서 관찰 화상을 취득할 때의 화질 향상 처리 시의 설정 화면의 일례를 나타낸 도면이다.
도 9는 주사선 내에 조사되는 단위 길이당의 전자수로부터 구한 선 전하 밀도의 주사 속도 의존성을 나타내는 도면이다.
도 10은 도 7에 나타낸 화질 향상 처리의 설정에 있어서, 빔 체재 적산 방식이나 프레임 적산 방식을 자동 선택하는 흐름도다.
도 11은 도 7에 나타낸 화질 향상 처리의 설정에 있어서, 빔 체재 시간이나 프레임 적산 횟수를 자동 도출하는 흐름도다.
도 2a는 주사 전자 현미경을 이용해서 구멍 패턴을 관찰하는 방법을 설명하기 위한 개략도이며, 상단은 시료 표면의 사시도, 하단은 SEM 화상의 모식도이다.
도 2b는 주사 전자 현미경을 이용해서 홈 패턴을 관찰하는 방법을 설명하기 위한 개략도이며, 상단은 시료 표면의 사시도, 하단은 SEM 화상을 나타낸 도면이다.
도 3은 제1 실시예에 관한 하전 입자 빔 현미경(주사 전자 현미경)의 전체 구성을 나타내는 모식도다.
도 4는 도 3에 도시한 주사 전자 현미경을 이용해서 관찰 화상을 취득할 때의 흐름도의 일례를 나타내는 모식도다.
도 5는 도 3에 도시한 주사 전자 현미경을 이용해서 관찰 화상을 취득할 때의 흐름도의 다른 예를 나타내는 모식도다.
도 6은 도 3에 도시한 주사 전자 현미경을 이용해서 관찰 화상을 취득할 때의 흐름도의 다른 예를 나타내는 모식도다.
도 7은 도 3에 도시한 주사 전자 현미경을 이용해서 관찰 화상을 취득하기 위한 관찰 조건 설정과 실행의 순서를 나타내는 흐름도다.
도 8은 도 3에 도시한 주사 전자 현미경을 이용해서 관찰 화상을 취득할 때의 화질 향상 처리 시의 설정 화면의 일례를 나타낸 도면이다.
도 9는 주사선 내에 조사되는 단위 길이당의 전자수로부터 구한 선 전하 밀도의 주사 속도 의존성을 나타내는 도면이다.
도 10은 도 7에 나타낸 화질 향상 처리의 설정에 있어서, 빔 체재 적산 방식이나 프레임 적산 방식을 자동 선택하는 흐름도다.
도 11은 도 7에 나타낸 화질 향상 처리의 설정에 있어서, 빔 체재 시간이나 프레임 적산 횟수를 자동 도출하는 흐름도다.
2차 전자수(2차 입자수)가 적은 주사 영역에서는, 검출 신호는 각각이 이산된 펄스 형상의 파형으로 된다. 2차 전자수가 적어지면 검출기의 시간 분해능(펄스 폭) 내에, 2개 이상의 전자가 대부분 존재하지 않는 상태가 된다. 이것을 단일 2차 전자 영역이라 하고, 전자 계수법은 이 영역에서 유효하다는 것을 알 수 있었다. 전자 계수법에서 중요하게 되는 양자 효율은, 1개의 전자가 검출기에 입사했을 때의 전자의 발생 확률이다. 단일 2차 전자 영역에서는, 1 전자당의 방출 전자수는 1 또는 0밖에 없으므로, 단위 시간당의 방출 전자수를 셀 수 있게 된다. 이 영역을 전자 계수 영역이라 부르고, 이 신호 검출 방법을 신호 강도로 계측하는 아날로그 방식에 대하여 전자 계수 방식이라 부른다.
즉, 시료에서의 2차 전자 발생 과정과 검출기에서의 신호 증폭 과정은, 포아슨 분포로 나타내는 통계적 확립에 의해 신호가 생성되므로, 신호에 중첩된 교류 성분의 잡음이 생긴다. 전자 계수법은 아날로그법에 비해 검출기의 잡음 지수분만큼 S/N이 향상된다. 전자 계수 방식으로 2차 전자수가 적은 주사 영역에서 신호를 검출함으로써, 관찰상의 S/N이 향상된다.
한편, 2차 전자수가 적을 때에 관찰상의 S/N을 향상하는 유효한 수단으로서 전자 계수법에 의한 신호 검출 이외에 화상 취득 시간을 길게 하는 방법이 있다. 화상 취득 시간의 단축은, 취득 화상의 화소(pixel)수 삭감 또는, 빔 전류 증대에 의해 가능하지만, 2차원 패턴 계측은 취득 화상의 화소수를 늘려서 고정밀 관찰을 하면 정밀도를 향상시킬 수 있으므로, MAM 단축은 화소수 삭감이 아닌 빔 전류 증대가 유효하다는 것을 알 수 있었다. 이때, 빔 조사에 의한 시료 대전에 의해 2차원 패턴의 윤곽선을 검출할 수 없게 되는 경우가 있으므로, 시료 대전을 억제하기 위해서 화소당의 빔 체재 시간(이하 Dwell time)을 단축함으로써 전하 주입량을 삭감하는 것이 유효하다는 것을 알 수 있었다. Dwell time을 짧게 해서 시료에 대한 주입 전하수가 적어지면, 검출할 수 있는 2차 전자수가 감소하므로 화상의 대비가 부족하게되어 버리므로, 주사 주기(이하 loop time)마다 프레임 적산을 반복함으로써 2차 전자의 검출 개수를 보충해 화상의 대비를 향상한다. 구멍 바닥이나 홈 바닥 등에서 Dwell time당의 방출 전자수가 적은 주사 영역에서는, 검출 신호는 각각이 이산된 펄스 형상의 파형으로 되는 단일 2차 전자 영역으로 된다. 이때, Dwell time 사이에 검출된 전자수를 세는 전자 계수 방식으로 신호 검출을 한다. 한편, 단일 2차 전자 영역으로 되지 않는 주사 영역은 아날로그 방식으로 신호 검출을 한다. 또한, 구멍 바닥이나 홈 바닥 등에서 Dwell time에 프레임 적산을 곱한 총 화소 체재 시간당의 방출 전자수가 적은 경우에는, Dwell time에서 검출된 전자수를 프레임 적산에서는 서로 더하게 한다. 한편, 총 화소 체재 시간에서는 단일 2차 전자 영역이 되지 않을 경우에는, 아날로그 방식으로 프레임 적산을 행한다.
반도체 디바이스의 미세화ㆍ집적화에 수반하여, 리소그래피 공정의 관리에서는, 웨이퍼 상에 형성된 수십㎚ 사이즈의 미세 패턴을 고정밀도 또한 고속으로 계측하는 요구와, 리소그래피 공정의 관리에서는, 방대한 LSI 레이아웃ㆍ데이터 중 2차원 패턴 계측이 필요한 관찰점은 수만점/칩에 미치는 경우도 있고, MAM의 단축 필요와, 회로 패턴의 홈이나 구멍의 종횡비가 커도 화상 처리를 하여 홈이나 구멍의 바닥 형상을 가시화하고자 하는 필요에 답하는 DFM-SEM을 제공할 수 있다.
본 발명의 하전 입자 빔 현미경은, 표준적인 라인&스페이스(L&S) 패턴의 선 폭 계측 외에, 2차원 패턴의 계측 필요도 높아지고 있다. 2차원 패턴의 계측은, GDSⅡ 등의 포맷의 LSI 레이아웃ㆍ데이터와 SEM 화상을 비교함으로써 실현한다. 리소그래피 공정의 관리에서는, 방대한 LSI 레이아웃ㆍ데이터 중 2차원 패턴 계측이 필요한 관찰점은 수만점/칩에 미치는 경우도 대응할 수 있다. 가공 형상의 종횡비가 높으면, 구멍 바닥이나 홈 바닥으로부터 방출되는 2차 전자수가 그 밖의 주사 영역에 비해 현저하게 낮아진다. 2차 전자수가 적은 주사 영역에서는, 검출 신호는 각각이 이산된 펄스 형상의 파형으로 된다. 2차 전자수가 적어지면 검출기의 시간 분해능(펄스 폭) 내에, 2개 이상의 전자가 대부분 존재하지 않는 상태로 되는 경우도 대응할 수 있다.
간단하게 하기 위해, 이하의 실시예에서는 주로 주사 전자 현미경을 이용한 장치에 대한 적용예에 대해서 설명하지만, 각 실시예의 빔 주사와 신호 적산의 방식을 동적으로 선택하는 방법은, 전자 빔뿐만 아니라 이온 빔 장치도 포함시킨 하전 입자선 장치 일반에 대하여 적용 가능하다. 또한, 이하의 실시예에서는 반도체 웨이퍼를 시료로 하는 장치에 대해서 설명을 행하지만, 각종 하전 입자선 장치에서 사용하는 시료로서는, 반도체 웨이퍼 외에, 반도체 기판, 패턴이 형성된 웨이퍼의 조각, 웨이퍼로부터 잘라낸 칩, 하드디스크, 액정 패널 등, 각종 시료를 검사ㆍ계측 대상으로 할 수 있다.
<제1 실시예>
제1 실시예에서는, 주사 전자 현미경에 대한 적용예에 대해서 설명한다.
본 실시예의 주사 전자 현미경은, 진공 케이싱 내에 형성된 전자 광학계, 그 주위에 배치된 전자 광학계 제어 장치, 제어 전원에 포함되는 개개의 제어 유닛을 제어하고, 장치 전체를 통괄 제어하는 호스트 컴퓨터, 제어 장치에 접속된 조작탁(터미널), 취득 화상을 표시하는 모니터를 구비하는 표시 수단 등에 의해 구성된다. 전자 광학계 제어 장치는 전자 광학계의 각 구성 요소에 전류, 전압을 공급하기 위한 전원 유닛이나, 각 구성 요소에 대하여 제어 신호를 전송하기 위한 신호 제어선 등에 의해 구성된다.
도 3은, 본 실시예에 관한 하전 입자 빔 현미경인 주사 전자 현미경의 전체 구성을 나타내는 모식도다.
본 실시예의 주사 전자 현미경은, 진공 케이싱(101)의 내부에 설치된 전자 광학계(102), 그 주위에 배치된 전자 광학계 제어 장치(103), 제어 전원에 포함되는 개개의 제어 유닛을 제어하고, 장치 전체를 통괄 제어하는 호스트 컴퓨터(104), 제어 장치에 접속된 조작탁(105), 취득 화상을 표시하는 모니터를 구비하는 표시 수단(106) 등에 의해 구성된다. 전자 광학계 제어 장치(103)는 전자 광학계(102)의 각 구성 요소에 전류, 전압을 공급하기 위한 전원 유닛이나, 각 구성 요소에 대하여 제어 신호를 전송하기 위한 신호 제어선 등에 의해 구성된다.
전자 광학계(102)는 전자 빔(1차 하전 입자 빔)(110)을 생성하는 전자원(111), 1차 전자 빔을 편향하는 편향기(112), 전자 빔을 집속하는 전자 중첩형 대물 렌즈(113), 스테이지 상에 유지된 시료(114)로부터 방출되는 2차 전자(2차 입자)(115)를 집속 발산하는 부스터 자로(磁路) 부재(116), 2차 전자가 충돌하기 위한 반사 부재(117), 해당 충돌에 의해 재방출되는 부차 입자(3차 입자)(118)를 검출하는 중앙 검출기(119) 등에 의해 구성된다. 반사 부재(117)는 1차 빔의 통과 개구가 형성된 원반 형상의 금속 부재에 의해 구성되어, 그 저면이 2차 입자 반사면을 형성하고 있다. 또한, 부호 135는 부스터 자로 전원, 부호 148은 중앙 검출기 전원을 나타낸다.
전자원(111)으로부터 방출된 전자 빔(110)은 인출 전극(130)과 가속 전극(131) 사이에 형성되는 전위차에 의해 가속되어, 전자 중첩형 대물 렌즈(113)에 도달한다. 대물 렌즈(113)는 입사한 1차 전자 빔을 시료(114) 상에 코일(132)에 의해 자장을 여기해서 집속시킨다. 제어 자로 부재(132')에는, 요크 부재(133)의 전위에 대한 전위가 마이너스로 되는 전위가 공급되고 있으며, 이 전위는 제어 자로 전원(134)에 의해 공급된다. 또한, 스테이지(140)에는 스테이지 전원(141)에 의해, 부스터 자로 부재(116)와의 전위차가 마이너스로 되는 전위가 인가된다. 이로 인해, 부스터 자로 부재(116)를 통과한 전자 빔(110)은, 급격하게 감속되어 시료 표면에 도달한다. 여기서, 1차 빔의 랜딩 에너지는 전자원(111)과 스테이지(140)의 전위차만으로 결정되므로, 전자원(111)과 스테이지(140)로의 인가 전위를 소정의 값으로 제어하면, 부스터 자로 부재(116)나 가속 전극(131)으로의 인가 전위가 어떠하든지 랜딩 에너지를 원하는 값으로 제어 가능하다. 단, 대물 렌즈(113)는 어떠한 방식이라도 좋고, 예를 들어 자장 렌즈나 정전 렌즈라도 좋다.
중앙 검출기(119)에 의해 검출한 신호 파형의 휘도(Brightness)와 대비(Contrast)를 제어하는 휘도ㆍ대비 제어 회로(151), 신호 파형을 시분할로 양자화하는 아날로그ㆍ디지털 변환기(152), 빔 체재 적산 방법을 판정하는 빔 체재 적산 선택기(153), 상기 판정에 따라 디지털 신호를 적산하는 빔 체재 적산기(154), 프레임 적산 방법을 판정하는 프레임 적산 선택기(155), 상기 판정에 따라 디지털 신호를 적산하는 프레임 적산기(156), 필요에 따라서 2차원 화상 처리에 의해 관찰상을 보기 쉽게 하는 화질 향상 처리부(157), 관찰상의 표시부(158), 관찰상의 보존부(159)에 의해 구성된다. 빔 체재 적산기(154)와 프레임 적산기(156)의 신호 적산 방법을 신호 파형에 맞추어 적절하게 전환함으로써, 효율적으로 신호 검출할 수 있게 된다. 단, 중앙 검출기(119) 이외에 복수의 검출기를 설치해도 된다. 특히 좌우에 별도로 검출기를 설치하여 2차 전자의 고속 성분을 검출하면 음영 검출을 할 수 있다. 전자선 조사에 의해 발생하는 2차 전자는, 발생 부위에 있어서의 앙각(저각 성분과 고각 성분)과 에너지(저속 성분과 고속 성분)에 의해, 크게 나누어서 4가지(저각 성분 또한 저속 성분, 저각 성분 또한 고속 성분, 고각 성분 또한 저속 성분, 고각 성분 또한 고속 성분)로 구별할 수 있다. 2차 전자 중, 고속 성분에는 2차 전자의 발생 부위의 형상에 관한 정보가 많이 포함되고, 한편, 저속 성분에는 1차 빔의 침입 깊이에 상당하는 범위의 시료 내부의 정보(예를 들어, 시료의 재질, 조성 등)가 많이 포함되어 있다. 따라서, 1차 빔 조사에 의해 발생하는 2차 전자를, 저속 성분, 고속 성분으로 변별 검출하여 화상을 형성할 수 있으면, 시료의 관찰상 유리하다. 고속 성분에 의해 형성되는 화상은 음영상이라 불린다.
2차 전자수가 적을 때에 관찰상의 S/N을 향상하는 유효한 수단으로서 전자 계수법에 의한 신호 검출 이외에 화상 취득 시간을 길게 하는 방법이 있다. 화상 취득 시간의 단축은, 취득 화상의 화소수 삭감 또는 빔 전류 증대에 의해 가능하지만, 2차원 패턴 계측은 취득 화상의 화소수를 늘려서 고정밀 관찰을 하면 정밀도를 향상시킬 수 있으므로, MAM 단축은 화소수 삭감이 아닌 빔 전류 증대가 유효하다. 또한, 빔 조사에 의한 시료 대전에 의해 2차원 패턴의 윤곽선을 검출할 수 없게 되는 경우가 있으므로, 시료 대전을 억제하기 위해서 화소당의 빔 체재 시간(이하 dwell time)을 단축함으로써 전하 주입량을 삭감하는 것이 유효하다. Dwell time을 짧게 해서 주입 전하수가 적어지면, 검출할 수 있는 2차 전자수가 감소하므로 화상의 대비가 부족해져 버리므로, 주사 주기(이하 loop time)마다 프레임 적산을 반복함으로써 2차 전자의 검출 개수를 보충해 화상의 대비를 향상한다.
도 4는 관찰상 취득의 흐름도를 나타내는 모식도다.
대물 렌즈에서 집속된 전자 빔(110)을 시료(114)에 조사에 의해 방출되는 2차 입자(115) 기인의 부차 입자(118)를 중앙 검출기(119)에서 수집해서 검출 신호 증폭(171)의 스텝에서 아날로그 신호를 형성하고, 휘도ㆍ대비 제어(172)의 스텝에서 휘도ㆍ대비 제어 회로(151)에 의해 신호 파형을 정돈한다. 스텝(173)에서 상기 신호 파형을 아날로그ㆍ디지털 변환기(152)에 의해 아날로그ㆍ디지털 변환한다. 또, 디지털 변환했을 때의 데이터의 일례를 막대 그래프로 나타낸다. 본 실시예에서는 취득 화상을 구성하는 화소에 상당하는 1 화소당 5회의 아날로그ㆍ디지털 변환(173)으로부터의 검출 신호의 계조 데이터를 취득했다. 다음에, 디지털 신호 파형과 전자 광학계 제어 장치(103)의 설정 등을 참고로 해서 스텝(174)에서 빔 체재 적산 선택기(153)에 의해 빔 체재 적산의 선택을 행하고, 스텝(175)에서 빔 체재 적산기(154)에 의해 빔 체재 적산을 행한다. 또, 빔 체재 적산을 행했을 때의 데이터의 일례를 우측의 막대 그래프에 나타낸다. 여기에서는, 화소마다 취득된 아날로그 검출 신호를 적산 후, 평균한 값을 막대 그래프로 나타내고 있다. 또한, 빔 체재 적산 결과를 기초로 하여, 스텝(176)에서 프레임 적산 선택기에서 프레임 적산의 선택을 행하고, 스텝(177)에서 프레임 적산기에서 프레임 적산을 행한다. 프레임 적산의 아날로그 데이터의 일례를 우측의 막대 그래프에 나타낸다. 좌측의 막대 그래프에서는 화상을 구성하는 화소에 번호를 할당한 각 화소 번호에 있어서 빔 체재 적산 아날로그값을 프레임 적산 번호마다 취득해서 적산 후, 평균한 값을 프레임 적산 아날로그값으로 하고, 우측의 막대 그래프는 프레임 적산 아날로그값과 화소 번호와의 관계를 나타낸다. 필요에 따라서 스텝(178)에서 화질 향상 처리부(157)에 있어서 화질 향상 처리를 행한 후, 스텝(179)에서 관찰상 표시부나 관찰상 보존부에서 관찰상의 표시와 보존을 실시한다. 깊은 홈의 시료를 관찰할 때는, 홈 바닥 관찰상(모식도)(180)은 홈의 윤곽선(181)에 화이트 밴드와 홈 바닥에 어두운 띠 형상 영역에 의해 이루어진다.
도 5는 아날로그ㆍ디지털 변환(173)의 스텝에서, 복수 데이터를 빔 체재 적산해서 1 화소의 계조값으로 하는 경우의 주사 영역마다 적산 방법을 쉽게 전환하는 방법의 일례다. 빔 체재 적산의 선택(174)의 스텝에서 빔 체재 적산 방법을 간편하게 판정하는 방법으로서는, 빔 체재 적산값에 대하여 임계값을 마련하여, 적산 방법을 아날로그법으로부터 전자 계수법으로 전환하는 방법이 유효하다. 이 전환을 행함으로써, 스텝(175)의 빔 체재 적산에 있어서, 2차 전자수가 많은 화소 번호 1에서는 검출 신호의 아날로그 평균값의 데이터가 취득되고, 2차 전자수가 적은 화소 번호 2, 화소 번호 3에서는 빔 체재 적산 카운트 수의 데이터가 취득된다(우측의 막대 그래프 참조). 이에 의해, S/N이 향상된다.
상기 수단 외에 빔 체재 적산의 선택(174)의 스텝에 연동해서 화소마다 프레임 적산의 선택(176)의 스텝을 행한다. 스텝(177)에서, 2차 전자수가 많은 화소 1에서는 프레임 적산 아날로그값의 데이터가 취득되고, 2차 전자수가 적은 화소 2나 화소 3에서는 프레임 적산 카운트 수의 데이터가 취득된다(우측의 막대 그래프 참조). 이에 의해, S/N이 향상된다. 보다 고정밀도인 판정 방법으로서는, 화질 향상 처리(178)의 스텝에서 단일 2차 전자 영역을 판정하고, 대상의 주사 영역의 빔 체재 적산 방법을 전환하여, 스텝(173)에서 아날로그ㆍ디지털 변환하고, 메모리[관찰상의 보존부(159)]에 저장한 데이터를 스텝(175)에서의 빔 체재 적산과 스텝(177)에서의 프레임 적산과 스텝(178)에서의 화질 향상 처리를 재계산해서 화상을 재구성하는 방법도 있다. 상기 방법에 의해, 주사 영역마다 적산 방법을 유효하게 전환할 수 있다. 상술한 바와 같이 전자 계수 방식으로 2차 전자수가 적은 주사 영역에서 신호를 검출함으로써, 관찰상의 S/N이 향상할 수 있게 된다. 상기 임계값을 복수 마련해서 전자 계수법으로 전환하는 방법도 유효하다. 상기 임계값을 적절하게 설정해서 아날로그법과 전자 계수법의 중간적인 신호 파형의 교류 성분을 강조하는 교류법(예를 들어, 검출 신호 강도의 밴드패스나 비선형 증폭 등)으로 할 수도 있다.
스텝(174)의 빔 체재 적산의 선택에서의 판정을 기초로 하여, 적산 방법을 아날로그법으로부터 전자 계수법으로 전환하는 방법으로서, 검출 신호 증폭(171)의 스텝과 휘도ㆍ대비 제어(172)의 스텝과 아날로그ㆍ디지털 변환(173)의 스텝을 전자 계수법용으로 병렬로 준비하는 방법도 있다. 전자 계수법용으로 신호 파형을 정돈할 수 있으므로, 2차 전자수가 적은 주사 영역에서 신호를 검출함으로써, 보다 관찰상의 S/N이 향상할 수 있게 된다. 또, 깊은 홈의 시료를 관찰할 때는 홈 바닥 관찰상(모식도)(182)은 홈의 윤곽선(183)에 화이트 밴드와 2차 전자수가 적은 주사 영역이며 전자 계수법에 의해 신호 파형을 정돈한 홈 바닥에 어두운 띠 형상 영역에 의해 이루어진다.
도 6은, 시료의 홈 바닥이나 구멍 바닥 등으로부터 방출되는 2차 전자가 적어 dwell time 사이에 1개의 전자밖에 검출할 수 없는 단일 2차 전자 영역으로 되는 경우의 검출 방법의 일례다. 여기에서는, 스텝(173)에서 아날로그ㆍ디지털 변환된 단일 데이터를 빔 체재 적산해서 1 화소의 계조값으로 하는 경우의 주사 영역마다 적산 방법을 쉽게 전환하는 방법을 이용한다. 빔 체재 적산의 선택(174)의 스텝에서 빔 체재 적산 방법을 간편하게 판정하는 방법은, 빔 체재 적산(175)의 스텝에서 아날로그법을 이용했을 때에 출력되는 빔 체재 적산값에 대하여 임계값을 마련하여, 적산 방법을 아날로그법으로부터 전자 계수법으로 전환하는 방법이 유효하다. 이 전환을 행함으로써, 스텝(175)의 빔 체재 적산에 있어서, 관찰상을 구성하는 화소 중 2차 전자수가 많은 화소 번호 1 내지 화소 번호 5에서는 검출 신호의 계조값의 데이터가 취득되고, 2차 전자수가 적은 화소 번호 6 내지 화소 번호 15에서는 빔 체재 적산 카운트 수의 데이터가 취득된다(우측의 막대 그래프 참조). 이에 의해, S/N이 향상된다.
또한, 검출 신호 증폭(171)의 스텝과 휘도ㆍ대비 제어(172)의 스텝과 아날로그ㆍ디지털 변환(173)의 스텝에서 형성하는 디지털 파형의 노이즈 특성에 맞추어 단일 2차 전자 영역에서의 카운팅하는 파고 폭을 선택하는 것도 유효하다. 상기 수단 외에 빔 체재 적산의 선택(174)의 스텝에 연동해서 화소마다 프레임 적산의 선택(176)의 스텝을 행한다. 스텝(177)에서, 2차 전자수가 많은 화소 번호 1 내지 화소 번호 5에서는 프레임 적산 아날로그값의 데이터가 취득되고, 2차 전자수가 적은 화소 번호 6 내지 화소 번호 15에서는 프레임 적산 카운트 수의 데이터가 취득된다(우측의 막대 그래프 참조). 이에 의해, S/N이 향상된다. 보다 고정밀도인 판정 방법으로서는, 화질 향상 처리(178)의 스텝에서 단일 2차 전자 영역을 판정하고, 대상의 주사 영역의 빔 체재 적산 방법을 전환하여, 스텝(173)에서 아날로그ㆍ디지털 변환하고, 메모리[관찰상의 보존부(159)]에 저장한 데이터를 스텝(175)에서의 빔 체재 적산과 스텝(177)의 프레임 적산과 스텝(178)에서의 화질 향상 처리를 재계산해서 화상을 재구성하는 방법도 있다. 상기 방법에 의해, 주사 영역마다 적산 방법을 유효하게 전환할 수 있다. 상술한 바와 같이 전자 계수 방식으로 2차 전자수가 적은 주사 영역에서 신호를 검출함으로써, 관찰상의 S/N이 향상될 수 있게 된다.
빔 체재 적산의 선택기(174)에서의 판정을 기초로 하여, 적산 방법을 아날로그법으로부터 전자 계수법으로 전환하는 방법으로서, 검출 신호 증폭(171)의 스텝과 휘도ㆍ대비 제어(172)의 스텝과 아날로그ㆍ디지털 변환(173)의 스텝을 전자 계수법용으로 병렬로 준비하는 방법도 있다. 전자 계수법용으로 신호 파형을 정돈할 수 있으므로, 2차 전자수가 적은 주사 영역에서 신호를 검출함으로써, 보다 관찰상의 S/N을 향상할 수 있게 된다. 또, 깊은 홈의 시료를 관찰할 때는, 홈 바닥 관찰상(모식도)(182)은 홈의 윤곽선(183)에 화이트 밴드와 홈 바닥에 어두운 띠형상 영역에 의해 이루어진다.
도 7은 시료의 홈 바닥이나 구멍 바닥 등으로부터 방출되는 2차 전자의 양에 따라서 관찰 화상을 취득하기 위한 설정과 실행의 순서다. 시료 관찰의 사전 준비(200)의 스텝은 시료실에 시료를 로드하고, 스테이지의 이동이나 빔의 편향에 의해 시료 관찰 위치에서 빔을 주사할 수 있는 상태로 하는 것을 포함한다. 상기 흐름은 동작 흐름의 등록이나 동작 내용의 판단에 의해 자동적으로 진행시켜도 메뉴얼로 행해도 좋다. 빔 전류ㆍ관찰 화소수ㆍ프레임 적산의 설정(201)의 스텝은 빔 가속과 초점 심도 등의 빔 설정이나 Dwell Time이나 Loop Time 등의 주사 방법 등을 포함한다. 상기 흐름은 동작 흐름의 등록이나 동작 내용의 판단에 의해 자동으로 진행시켜도 메뉴얼로 행해도 좋다. 화질 향상 처리의 설정(202)의 스텝은 샤프니스나 구멍ㆍ홈 바닥의 강조를 하는 화상 처리나, 검출 방식의 전환에 의한 구멍ㆍ홈 바닥의 강조 검출 등을 포함한다. 휘도 대비 조정(203)의 스텝은 화질 향상 처리의 설정(202)에 맞추어 자동으로 조정을 진행시켜도 메뉴얼로 설정해도 좋다. 관찰상 취득(204)의 스텝에서는, 시료 관찰의 사전 준비(200) 스텝의 시료의 상태에서, 빔 전류ㆍ관찰 화소수ㆍ프레임 적산의 설정(201) 스텝의 설정 조건으로 휘도 대비 조정(203)의 스텝을 행해 적절한 상태에서 관찰상을 취득한다. 이 관찰상 취득(204)의 스텝은, 도 4 내지 도 6의 스텝(171) 내지 스텝(177)을 포함한다. 화질 향상 처리의 판단(205)의 스텝은 화질 향상 처리의 설정(202)의 스텝을 따라 시료의 홈 바닥이나 구멍 바닥 등의 대비를 적절하게 강조해서 화상 처리에 의해 유효성을 자동으로 판단해도, 관찰상을 보아 메뉴얼로 판단해도 좋다. 관찰 조건의 판단(206) 스텝은 빔 설정이나 주사 방법이 적절한지를 판단하고, 화상 S/N이나 화상 대비의 불균일 등의 화상 처리의 평가값으로 자동으로 판단하여도, 관찰상을 보아 메뉴얼로 판단하여도 좋다. 관찰 종료의 판단(207) 스텝은 원하는 관찰상을 취득할 수 있었는지를 판단하고, 화상 비교 등에 의해 패턴 검출을 행함으로써 자동으로 판단하여도, 관찰상을 보아 메뉴얼로 판단하여도 좋다. 관찰 종료(208)의 스텝은 시료 관찰의 사전 준비(200) 스텝으로부터 관찰 종료의 판단(207) 스텝까지의 흐름의 완료를 확인하고, 다음 관찰점이나 측정점으로 이동하는 외부의 자동 제어 흐름이나, 메뉴얼의 제어 흐름으로 이동한다.
도 8은 도 7에 도시한 설정과 실행 순서의 화질 향상 처리의 설정(202) 스텝에서의 표시 수단(106)에 표시되는 설정 화면이다. 샤프니스나 구멍ㆍ홈 바닥의 강조 등의 화상 처리를 선택하는 항목과 구멍ㆍ홈 바닥의 강조 검출이나 전자 계수법 검출이나 아날로그법 검출 등의 신호 검출 방법에 관한 선택 항목과, 화상 처리와 신호 검출을 자동으로 설정하는 선택 항목 등이 포함된다.
도 9는 주사선 내에 조사되는 단위 길이당의 전자수로부터 구한 선 전하 밀도의 주사 속도 의존성이다. 편향 폭은 1.2㎛, 주사선당의 주사 시간은 TV에서 114㎲, 2배속에서 57㎲, 4배속에서 28㎲다. 레지스트 상의 회로 패턴의 윤곽선을 SEM상의 화이트 밴드로부터 추출할 때에, 대전에 의해 검출할 수 없는 장소가 발생한다.
윤곽선을 회로의 설계 패턴과 비교하는 윤곽선 추출과 윤곽선으로부터 결함을 검출하는 위험점 관리의 선 전하 밀도의 한계값을 나타낸다. 주사선당의 주사 시간이 28㎲로 되는 4배속은 TV에 비해 4배의 빔 전류로 해도 선 전하 밀도는 증대하지 않는다. 4배의 빔 전류를 이용하면, 화상의 취득 시간은 총 화소수가 같아, 화소당의 주입 전자수가 동일한 조건에서는 1/4로 단축된다. 1/4의 취득 시간에도 화상의 S/N은 화소당의 주입 전자수가 동일하므로 열화하지 않는다.
도 10은 도 7에 도시한 설정과 실행 순서의 빔 전류ㆍ관찰 화소수ㆍ프레임 적산의 설정(201)을 입력으로 하여, 화질 향상 처리의 설정(202)을 자동으로 도출하는 흐름을 나타낸다. 관찰 배율과 화소수와 빔 전류와 주사선 전하 밀도를 입력 하면, 빔 체재 시간(Td)이 자동으로 도출된다. 설정한 빔 전류(Ip)와 시료로부터 2차 전자가 방출되는 비율인 일드(Y)의 곱을 전기소량(e)으로 나누어 구한 2차 전자수를 바탕으로 빔 체재 적산 방식과 프레임 적산 방식을 선택한다. 샘플링 시간당, 또한 빔 체재 시간당의 2차 전자수가 1개 미만인 CASE 1에서는 전자 계수법, 2차 전자수가 1개 정도인 CASE 2에서는 교류법 혹은 전자 계수법, 2차 전자수가 1개를 초과하는 CASE 3에서는 아날로그법을 이용한다. 상기 CASE 분류에 의해, 설정한 빔 전류가 샘플링 시간(Ts)에서 주입되는 전자수에 의존하여 빔 체재 적산 방식을 자동으로 선택하거나, 다시 Td에서 주입되는 전자수에 의존하여 프레임 적산 방식을 자동으로 선택할 수 있다.
도 11은 도 7에 도시한 설정과 실행 순서의 빔 전류ㆍ관찰 화소수ㆍ프레임 적산의 설정(201)을 입력으로 하여, 화질 향상 처리의 설정(202)을 자동으로 도출하는 흐름을 나타낸다. 본 실시예에서는, 관찰 배율과 화소수(PIX)와 빔 전류(Ip)와 주사선 전하 밀도(λ)와 관찰상의 SNR을 입력하면, 빔 체재 시간(Td)과 프레임 적산 횟수를 자동으로 도출할 수 있다. 즉, 설정한 빔 전류(Ip)가 샘플링 시간(Ts)에서 주입되는 전자수가 관찰 배율에 의해 결정되는 편향 폭(FOV)과 화소수(PIX)로부터 구한 화소 사이즈와 주사선 전하 밀도(λ)의 곱보다 작은 경우에는(CASE 1), Td를 주사선 전하 밀도와 화소수의 곱에 편향 폭(FOV)과 빔 전류를 나눈 값에 비례시킨다. 한편, 설정한 빔 전류(Ip)가 샘플링 시간(Ts)에서 주입되는 전자수가 주사선 전하 밀도보다 큰 경우에는(CASE 2), Td=Ts로서 설정 가능한 빔 체재 시간에서 최단이 되는 값을 설정한다.
본 실시예에서 나타낸 하전 입자 빔 현미경을 이용해서 반도체 장치나 자기 디스크 등, 다양한 시료 검사를 행한 바, 구멍 바닥과 홈 바닥의 대비를 강조한 상을 얻을 수 있었다.
이상, 실시예에 따르면, 1 화소의 샘플링 시간당의 검출 전자수에 따라서 계측 처리법을 선택함으로써 반도체 장치나 자기 디스크 등, 다양한 시료 검사에 있어서, 구멍 바닥과 홈 바닥의 대비를 강조한 상을, 단시간에 취득 가능한 하전 입자 빔 현미경을 제공할 수 있다. 또한, 음영 대비가 강조된 상을, 단시간에 취득 가능한 하전 입자 빔 현미경을 제공할 수 있다.
이상, 본 출원 발명을 상세하게 설명했지만, 이하에 주된 발명의 형태를 열거한다.
(1) 하전 입자원과, 시료를 싣는 스테이지와, 상기 하전 입자원에서 발생한 하전 입자의 빔을 상기 스테이지 상의 시료에 조사하는 하전 입자 광학계와, 상기 빔에 기인하는 상기 시료로부터의 검출 입자를 검출하는 검출기와, 이들을 제어하는 제어 수단을 갖는 하전 입자 빔 현미경으로서,
상기 빔에 기인하는 상기 검출 입자를 검출하는 빔 체재 적산 방법을 판정하는 빔 체재 적산 선택기와, 상기 빔 체재 적산 선택기의 판정에 따라 적산을 행하는 빔 체재 적산기와, 프레임 적산 방법을 판정하는 프레임 적산의 선택기와, 상기 프레임 적산의 선택기의 판정에 따라 적산하는 프레임 적산기를 더 갖고,
상기 빔에 기인하는 상기 검출 입자의 샘플링 중에 상기 검출기에서 검출할 수 있는 상기 검출 입자의 수가 1개 미만일 때는 빔 체재 시간 내의 1 화소의 명도 계조 산출 과정에서, 명도 계조가 설정 범위 내로 되는 횟수를 세어 조정한 값을 출력하는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 현미경.
(2) 상기 (1)에 기재된 하전 입자 빔 현미경으로서,
1 화소의 명도 계조를 계측하는 빔 체재 시간 중에 검출할 수 있는 상기 검출 입자수가 1개 미만일 때는 상기 프레임 적산기를 이용한 프레임 적산 시의 명도 계조 산출 과정으로서, 명도 계조가 설정 범위 내로 되는 횟수를 세어 조정한 값을 출력하는 것을 특징으로 한 하전 입자 빔 현미경.
(3) 상기 (1)에 기재된 하전 입자 빔 현미경으로서,
1 샘플링 중에 검출할 수 있는 상기 검출 입자수가 약 1개일 때에는 빔 체재 시간 내의 1 화소의 명도 계조 산출 과정에 있어서, 설정 범위 내에서의 명도 계조의 빈도 분포의 피크값을 출력하는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 현미경.
(4) 상기 (1)에 기재된 하전 입자 빔 현미경으로서,
1 화소의 명도 계조를 계측하는 빔 체재 시간 중에 검출할 수 있는 상기 검출 입자수가 1개일 때에는 상기 프레임 적산기를 이용한 프레임 적산 시의 명도 계조 산출 과정에 있어서, 설정 범위 내에서의 명도 계조의 빈도 분포의 피크값을 출력하는 것을 특징으로 한 하전 입자 빔 현미경.
(5) 상기 (1)에 기재된 하전 입자 빔 현미경으로서,
1 화소의 명도 계조를 계측하는 빔 체재 시간 중에 검출할 수 있는 상기 검출 입자수가 1개를 초과할 때에는 상기 프레임 적산기를 이용한 프레임 적산 시의 명도 계조 산출 과정에 있어서, 명도 계조의 평균값을 출력하는 것을 특징으로 한 하전 입자 빔 현미경.
(6) 상기 (1)에 기재된 하전 입자 빔 현미경으로서,
1 화소의 명도 계조를 계측하는 빔 체재 시간 중에 검출할 수 있는 전자수가 1개를 초과할 때에는 상기 프레임 적산기를 이용한 프레임 적산 시의 명도 계조 산출 과정에 있어서, 명도 계조의 평균값을 출력하는 것을 특징으로 한 하전 입자 빔 현미경.
(7) 상기 (1)에 기재된 하전 입자 빔 현미경으로서,
상기 검출기의 게인과 오프셋을 적절하게 조정하고, 프레임 적산 시의 빔 체재 시간마다의 명도 계조의 변동이 임계값을 초과한 경우에, 상기 프레임 적산기를 이용한 프레임 적산 시의 명도 계조 산출 과정에 있어서, 명도 계조의 평균값으로부터 설정 범위 내에서의 명도 계조의 빈도 분포의 피크값 또는 명도 계조가 설정 범위 내로 되는 횟수를 세어 조정한 값을 출력하도록 변경하는 것을 특징으로 한 하전 입자 빔 현미경.
(8) 하전 입자원과, 시료를 싣는 스테이지와, 상기 하전 입자원에서 발생한 하전 입자의 빔을 상기 스테이지 상의 시료에 조사하는 하전 입자 광학계와, 상기 빔에 기인하는 상기 시료로부터의 검출 입자를 검출하는 검출기와, 표시 수단과, 이들을 제어하는 제어 수단을 갖는 하전 입자 빔 현미경으로서,
상기 표시 수단은 화질 향상 처리 설정의 화면이 표시되는 것인 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 현미경.
(9) 상기 (8)에 기재된 하전 입자 빔 현미경으로서,
상기 표시 수단은 화소마다의 검출 신호의 아날로그 평균값 혹은 검출 신호의 계조값과, 화소마다의 빔 체재 적산 카운트 수를 표시하는 것인 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 현미경.
(10) 상기 (9)에 기재된 하전 입자 빔 현미경으로서,
상기 검출기에서 검출되는 검출 입자의 수는, 상기 빔 체재 적산 카운트 수로 표시되는 화소보다도 검출 신호의 아날로그 평균값 혹은 검출 신호의 계조값으로 표시되는 화소 쪽이 많은 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 현미경.
1 : 시료 표면의 요철부,
2 : 전자 빔,
3 : 2차 입자(2차 전자),
4 : 검출기,
5 : 시료 표면의 요철부의 경사 각도,
6 : 2차 입자가 방출되는 방향의 앙각 성분,
7 : 검출기로 얻어지는 음영상,
11 : 전자 빔,
12 : 구멍의 윤곽선,
13 : 구멍 바닥 관찰상의 모식도,
14 : 홈의 윤곽선,
15 : 홈 바닥 관찰상의 모식도,
101 : 진공 케이싱,
102 : 전자 광학계,
103 : 전자 광학계 제어 장치,
104 : 호스트 컴퓨터,
105 : 조작탁,
106 : 표시 수단,
110 : 전자 빔,
111 : 전자원,
112 : 편향기,
113 : 대물 렌즈,
114 : 시료,
115 : 2차 입자(2차 전자),
116 : 부스터 자로 부재,
117 : 반사 부재,
118 : 부차 입자(3차 입자),
119 : 중앙 검출기,
130 : 인출 전극,
131 : 가속 전극,
132 : 코일,
132' : 제어 자로 부재,
133 : 요크 부재,
134 : 제어 자로 전원,
135 : 부스터 자로 전원,
140 : 스테이지,
141 : 스테이지 전원,
148 : 중앙 검출기 전원,
151 : 휘도ㆍ대비 제어 회로,
152 : 아날로그ㆍ디지털 변환기,
153 : 빔 체재 적산 선택기,
154 : 빔 체재 적산기,
155 : 프레임 적산 선택기,
156 : 프레임 적산기,
157 : 화상 향상 처리부,
158 : 관찰상 표시부,
159 : 관찰상의 보존부,
171 : 검출 신호 증폭,
172 : 휘도ㆍ대비 제어,
173 : 아날로그ㆍ디지털 변환,
174 : 빔 체재 적산의 선택,
175 : 빔 체재 적산,
176 : 프레임 적산의 선택,
177 : 프레임 적산,
178 : 화질 향상 처리,
179 : 관찰상의 표시와 보존,
180 : 홈 바닥 관찰상의 모식도,
181 : 홈의 윤곽선,
182 : 홈 바닥 관찰상의 모식도,
183 : 홈의 윤곽선,
200 : 시료 관찰의 사전 준비,
201 : 빔 전류ㆍ관찰 화소수ㆍ프레임 적산의 설정,
202 : 화질 향상 처리의 설정,
203 : 휘도 대비 조정,
204 : 관찰 화상 취득,
205 : 화질 향상 처리의 판단,
206 : 관찰 조건의 판단,
207 : 관찰 종료의 판단,
208 : 관찰 종료
2 : 전자 빔,
3 : 2차 입자(2차 전자),
4 : 검출기,
5 : 시료 표면의 요철부의 경사 각도,
6 : 2차 입자가 방출되는 방향의 앙각 성분,
7 : 검출기로 얻어지는 음영상,
11 : 전자 빔,
12 : 구멍의 윤곽선,
13 : 구멍 바닥 관찰상의 모식도,
14 : 홈의 윤곽선,
15 : 홈 바닥 관찰상의 모식도,
101 : 진공 케이싱,
102 : 전자 광학계,
103 : 전자 광학계 제어 장치,
104 : 호스트 컴퓨터,
105 : 조작탁,
106 : 표시 수단,
110 : 전자 빔,
111 : 전자원,
112 : 편향기,
113 : 대물 렌즈,
114 : 시료,
115 : 2차 입자(2차 전자),
116 : 부스터 자로 부재,
117 : 반사 부재,
118 : 부차 입자(3차 입자),
119 : 중앙 검출기,
130 : 인출 전극,
131 : 가속 전극,
132 : 코일,
132' : 제어 자로 부재,
133 : 요크 부재,
134 : 제어 자로 전원,
135 : 부스터 자로 전원,
140 : 스테이지,
141 : 스테이지 전원,
148 : 중앙 검출기 전원,
151 : 휘도ㆍ대비 제어 회로,
152 : 아날로그ㆍ디지털 변환기,
153 : 빔 체재 적산 선택기,
154 : 빔 체재 적산기,
155 : 프레임 적산 선택기,
156 : 프레임 적산기,
157 : 화상 향상 처리부,
158 : 관찰상 표시부,
159 : 관찰상의 보존부,
171 : 검출 신호 증폭,
172 : 휘도ㆍ대비 제어,
173 : 아날로그ㆍ디지털 변환,
174 : 빔 체재 적산의 선택,
175 : 빔 체재 적산,
176 : 프레임 적산의 선택,
177 : 프레임 적산,
178 : 화질 향상 처리,
179 : 관찰상의 표시와 보존,
180 : 홈 바닥 관찰상의 모식도,
181 : 홈의 윤곽선,
182 : 홈 바닥 관찰상의 모식도,
183 : 홈의 윤곽선,
200 : 시료 관찰의 사전 준비,
201 : 빔 전류ㆍ관찰 화소수ㆍ프레임 적산의 설정,
202 : 화질 향상 처리의 설정,
203 : 휘도 대비 조정,
204 : 관찰 화상 취득,
205 : 화질 향상 처리의 판단,
206 : 관찰 조건의 판단,
207 : 관찰 종료의 판단,
208 : 관찰 종료
Claims (10)
- 하전 입자원과, 시료를 싣는 스테이지와, 상기 하전 입자원에서 발생한 하전 입자의 빔을 상기 스테이지 상의 시료에 조사하는 하전 입자 광학계와, 상기 빔에 기인하는 상기 시료로부터의 검출 입자를 검출하는 검출기와, 이들을 제어하는 제어 수단을 갖는 하전 입자 빔 현미경으로서,
상기 빔에 기인하는 상기 검출 입자를 검출하는 빔 체재(滯在) 적산 방법을 판정하는 빔 체재 적산 선택기와, 상기 빔 체재 적산 선택기의 판정에 따라 적산을 행하는 빔 체재 적산기와, 프레임 적산 방법을 판정하는 프레임 적산의 선택기와, 상기 프레임 적산의 선택기의 판정에 따라 적산하는 프레임 적산기를 더 갖고,
상기 빔에 기인하는 상기 검출 입자의 샘플링 중에 상기 검출기에서 검출할 수 있는 상기 검출 입자의 수가 1개 미만일 때는 빔 체재 시간 내의 1 화소의 명도 계조 산출 과정에 있어서, 명도 계조가 설정 범위 내로 되는 횟수를 세어 조정한 값을 출력하는 것을 특징으로 하는, 하전 입자 빔 현미경. - 제1항에 있어서, 1 화소의 명도 계조를 계측하는 빔 체재 시간 중에 검출할 수 있는 상기 검출 입자수가 1개 미만일 때는 상기 프레임 적산기를 이용한 프레임 적산 시의 명도 계조 산출 과정에 있어서, 명도 계조가 설정 범위 내로 되는 횟수를 세어 조정한 값을 출력하는 것을 특징으로 하는, 하전 입자 빔 현미경.
- 제1항에 있어서, 1 샘플링 중에 검출할 수 있는 상기 검출 입자수가 1개일 때에는 빔 체재 시간 내의 1 화소의 명도 계조 산출 과정에 있어서, 설정 범위 내에서의 명도 계조의 빈도 분포의 피크값을 출력하는 것을 특징으로 하는, 하전 입자 빔 현미경.
- 제1항에 있어서, 1 화소의 명도 계조를 계측하는 빔 체재 시간 중에 검출할 수 있는 상기 검출 입자수가 1개일 때에는 상기 프레임 적산기를 이용한 프레임 적산 시의 명도 계조 산출 과정에 있어서, 설정 범위 내에서의 명도 계조의 빈도 분포의 피크값을 출력하는 것을 특징으로 하는, 하전 입자 빔 현미경.
- 제1항에 있어서, 1 화소의 명도 계조를 계측하는 빔 체재 시간 중에 검출할 수 있는 상기 검출 입자수가 1개를 초과할 때에는 상기 프레임 적산기를 이용한 프레임 적산 시의 명도 계조 산출 과정에 있어서, 명도 계조의 평균값을 출력하는 것을 특징으로 하는, 하전 입자 빔 현미경.
- 제1항에 있어서, 1 화소의 명도 계조를 계측하는 빔 체재 시간 중에 검출할 수 있는 전자수가 1개를 초과할 때에는 상기 프레임 적산기를 이용한 프레임 적산 시의 명도 계조 산출 과정에 있어서, 명도 계조의 평균값을 출력하는 것을 특징으로 하는, 하전 입자 빔 현미경.
- 제1항에 있어서, 상기 검출기의 게인과 오프셋을 조정하고, 프레임 적산 시의 빔 체재 시간마다의 명도 계조의 변동이 임계값을 초과한 경우에, 상기 프레임 적산기를 이용한 프레임 적산 시의 명도 계조 산출 과정에 있어서, 명도 계조의 평균값으로부터, 설정 범위 내에서의 명도 계조의 빈도 분포의 피크값 또는 명도 계조가 설정 범위 내로 되는 횟수를 세어 조정한 값을 출력하도록 변경하는 것을 특징으로 하는, 하전 입자 빔 현미경.
- 하전 입자원과, 시료를 싣는 스테이지와, 상기 하전 입자원에서 발생한 하전 입자의 빔을 상기 스테이지 상의 시료에 조사하는 하전 입자 광학계와, 상기 빔에 기인하는 상기 시료로부터의 검출 입자를 검출하는 검출기와, 표시 수단과, 이들을 제어하는 제어 수단을 갖는 하전 입자 빔 현미경으로서,
상기 표시 수단은 화질 향상 처리 설정의 화면이 표시되는 것이고,
상기 표시 수단은 화소마다의 검출 신호의 아날로그 평균값 혹은 검출 신호의 계조값과, 화소마다의 빔 체재 적산 카운트 수를 표시하는 것인 것을 특징으로 하는, 하전 입자 빔 현미경. - 제8항에 있어서, 상기 검출기에서 검출되는 검출 입자의 수는, 상기 빔 체재 적산 카운트 수로 표시되는 화소보다도 검출 신호의 아날로그 평균값 혹은 검출 신호의 계조값으로 표시되는 화소 쪽이 많은 것을 특징으로 하는, 하전 입자 빔 현미경.
- 삭제
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