KR101653080B1 - 주사 전자 현미경 - Google Patents

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KR101653080B1
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가부시키가이샤 히다치 하이테크놀로지즈
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Abstract

본 발명은, 주사 전자 현미경에 있어서, 축외에 각도 제한용의 개구를 형성하지 않고, 시료로부터 방출되는 전자의 각도 변별을 행할 수 있도록 한 것이다. 전자 빔(1)의 조사 위치를 편향하는 편향기(25, 26)와, 상기 편향기를 제어하는 제어 장치(41)를 구비한 주사 전자 현미경에 있어서, 상기 전자 빔의 시료(23)에의 조사에 의해 얻어지는 전자를 검출하는 검출기(28(a))와, 상기 검출기와 상기 편향기 사이에 배치되며, 상기 전자 빔의 통과 개구를 갖는 개구 형성 부재(31)와, 상기 시료로부터 방출된 전자를 편향하는 2차 신호 편향기(33(a), 33(b))를 구비하고, 상기 편향기(25, 26)의 편향 제어에 따라서, 상기 시료로부터 방출되는 전자를 상기 전자 빔의 통과 개구를 향하여 편향하도록 상기 2차 신호 편향기를 제어하도록 하였다.

Description

주사 전자 현미경{SCANNING ELECTRON MICROSCOPE}
본 발명은, 시료에 전자 빔을 조사함으로써 얻어지는 전자를 검출하는 주사 전자 현미경에 관한 것이며, 특히 시료로부터 방출되는 전자의 궤도를 편향하는 편향기를 구비한 주사 전자 현미경에 관한 것이다.
최근, 반도체 디바이스 등, 주사 전자 현미경의 측정, 혹은 검사 대상의 미세화가 진행되고 있다. 미세화에 수반하여, 시료 표면 방향(X-Y 방향) 패턴의 크기에 대하여, 상대적으로 패턴의 깊이 방향(Z 방향)의 치수가 증대되어, 패턴의 어스펙트비(Z 방향의 치수/X 혹은 Y 방향의 치수)의 증대가 현저해졌다. 이와 같은 패턴의 저부로부터 방출되는 전자 중에는, 패턴의 측벽에 충돌하게 되는 것이 있다.
한편, 미세한 패턴을 측정하고자 하는 요구와 함께, 측정이나 검사에 요하는 시간의 단축화가 요구되고 있다. 최근의 반도체 디바이스의 측정, 검사 개소는 증대 경향이 있어, 고스루풋을 실현하기 위해서는, 측정점(전자 빔의 시야)의 이동을 고속으로 행할 필요가 있다. 특허문헌 1에는 이미지 시프트 편향기를 사용한 시야 이동의 고속화 기술이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 1에서는 전자 빔의 축외로서, 검출기보다 전자원측에 배치된 변환 전극, 혹은 검출기에 전자를 유도하기 위해서, 이미지 시프트에 수반하여 발생하는 전계 또는 자계에 따라서, 2차 전자의 편향각을 제어하는 것이 설명되어 있다.
일본 특허 출원 공개 제2012-3902호 공보
특허문헌 1에 개시된 주사 전자 현미경에 의하면, 이미지 시프트의 편향 방향에 상관없이, 소정의 방향으로 안정적으로 전자를 유도할 수 있지만, 전자 빔의 광축(빔이 편향 작용을 받지 않을 때에 전자 빔이 통과하는 통과 궤도) 외로 전자를 편향하여 검출하고 있기 때문에, 1차 전자 빔이 통과하는 통과 궤도를 확보하면서, 각도 제한용의 개구를 형성할 필요가 있다.
이하, 축외에 각도 제한용의 개구를 형성하지 않고, 시료로부터 방출되는 전자의 각도 변별을 행하는 것을 목적으로 하는 주사 전자 현미경에 대하여 설명한다.
상기 목적을 달성하는 일 양태로서, 전자원과, 상기 전자원으로부터 방출되는 전자 빔의 조사 위치를 편향하는 편향기와, 상기 편향기를 제어하는 제어 장치를 구비한 주사 전자 현미경에 있어서, 상기 전자 빔의 시료에의 조사에 의해 얻어지는 전자를 검출하는 검출기와, 상기 검출기와 상기 편향기 사이에 배치되며, 상기 전자 빔의 통과 개구를 갖는 개구 형성 부재와, 상기 시료로부터 방출된 전자를 편향하는 2차 신호 편향기를 구비하고, 상기 제어 장치는, 상기 편향기의 편향 제어에 따라서, 상기 시료로부터 방출되는 전자를 상기 전자 빔의 통과 개구를 향하여 편향하도록 상기 2차 신호 편향기를 제어하는 주사 전자 현미경을 제안한다.
상기 구성에 의하면, 축외에 각도 제한용의 개구를 형성하지 않고, 시료로부터 방출되는 전자의 각도 변별이 가능하게 된다.
도 1은 주사 전자 현미경의 개요를 도시하는 도면.
도 2는 2차 신호 편향기에 의한 2차 신호의 편향 궤도의 일례를 도시하는 도면.
도 3은 2차 신호 편향기에 의한 2차 신호의 편향 궤도의 일례를 도시하는 도면.
도 4는 2차 전자 제한판을 투영한 화상의 일례를 도시하는 도면.
도 5는 2개의 검출기를 사용하여 합성 화상을 형성하는 공정을 나타내는 플로우차트.
도 6은 편향기에 의한 에너지 필터에 진입하는 전자의 편향 궤도의 일례를 도시하는 도면.
도 7은 2단 검출기의 출력에 기초하는 합성 화상의 일례를 도시하는 도면.
도 8은 2차 신호의 분산 궤도 중심과 각도 제한용 개구가 일치하고 있을 때와 그렇지 않을 때의 차이를 설명하는 도면.
최근, 반도체 디바이스의 미세화가 수10㎚ 이하로 진행되고 있으며, 종래의 플래너형의 구조에 한하지 않고 Fin- FET로 대표되는 3차원 구조의 형상을 갖는 디바이스의 양산이 시작되려고 하고 있다. 또한, 트렌치나 홀 등의 입체 패턴에서의 심화도 현저하여, Flash 메모리 등에 있어서의 게이트의 어스펙트비는 10 이상, 콘택트 홀의 어스펙트비는 30 이상으로 진행되고 있다. 인라인에서 패턴의 길이 측정이나 결함을 검사하기 위해서 사용되는 CD-SEM(Critical Dimension Scanning Electron Microscope)이나 DR-SEM(Detect Review Scanning Electron Microscope)에 있어서도, 요구 사양은 해마다 엄격해지고 있다. 이들 전자 현미경 응용 장치에서는, 1차 전자를 시료 상에서 주사하여 시료 표면화로부터 방출되는 2차 전자를 검출함으로써 화상을 형성하고 있다. 디바이스의 미세화가 더 진행되면, 시료 내부에서의 1차 전자의 확산에 의해 엣지 콘트라스트가 저하되기 때문에, SEM 관찰은 더욱 엄격해질 것이 예상된다.
특히 패턴의 저부에 있어서는, 방출되는 2차 전자가 시료 측벽에 재충돌하여 소실되기 때문에 바닥의 형상이 더 잘 보이지 않는다. 따라서, 시료 표면에 정대전(正帶電)을 부착, 혹은 전자를 상방으로 유도하기 위한 전계를 발생하는 전극의 설치를 행하는 것이 생각된다. 그러나, 시료 표면이 도체인 경우 혹은 패턴 바닥이 절연체인 경우에는, 2차 전자를 인상하기 위해서 충분한 정대전을 만드는 것이 어렵고, 전위 콘트라스트에 의한 패턴 바닥의 강조가 어렵다. 그와 같은 경우, 장치에 2차 전자를 에너지, 혹은 각도로 변별하는 기능을 갖게 하여, 패턴의 바닥으로부터 방출된 2차 전자만을 선택적으로 검출하여 강조하는 방법이 유효하다. 에너지 필터를 사용하면, 재료의 전위 포텐셜의 차를 이용하여 특정한 패턴 콘트라스트를 강조하는 것이 가능하다. 이 방법은 Low-k재나 메탈 게이트 등 상이한 복수의 재료가 사용되고 있는 경우에 유효하다.
또한 다른 수단으로서, 2차 전자를 앙각 혹은 방위각에 의해 변별함으로써, 특정한 패턴 콘트라스트를 강조할 수 있다. 앙각 방향으로 변별하면, 시료 표면에 수직 방향으로 방출된 2차 전자를 선택적으로 검출함으로써, 패턴 바닥이나 측면의 정보를 얻는 것이 가능해진다.
에너지 필터는 일반적으로, 복수의 도전성 메쉬나 전극 등을 사용하여 구성된다. 그 에너지 분해능은, 형성되는 전계의 평탄성이나 전계 강도, 혹은 2차 전자의 진입 각도, 궤도 분산 등에 의해 정해진다. 화상 취득 시 에너지 분해능에 변동이 있으면, 에너지를 커트하는 전위가 변화되기 때문에 화상 콘트라스트나 밝기에 변동이 발생한다.
한편, 각도 변별에서는 일반적으로 2차 전자 궤도를 제한하기 위한 차폐물이 놓이고, 예를 들면 차폐물에 뚫린 구멍 등을 통과한 2차 전자만을 선택적으로 검출한다. 이때, 예를 들면 시료 수직 방향의 2차 전자를 선택적으로 검출하려고 하였을 때, 해당하는 2차 전자의 궤도가 차폐물에 부딪치게 되면 각도 변별의 효과를 낼 수 없게 된다.
또한, 이미지 시프트 편향기 등에 의해 전자 빔을 편향하면, 전자 빔뿐만 아니라, 2차 전자나 후방 산란 전자의 궤도도 구부러지게 되어, 적정한 각도 변별을 행하는 것이 곤란해지는 경우가 있다.
따라서, 본 실시예에서는 각도 변별용의 개구와 전자 빔의 통과 개구를 겸용함과 함께, 그 개구에 시료로부터 방출된 전자의 방향을 정하도록 편향하는 편향기와, 그 개구를 통과한 전자, 혹은 그 전자에 의해 발생되는 전자를 검출하는 검출기를 설치함으로써, 정확한 각도 변별과, 각도 변별을 위한 차폐물 이외의 차폐물에의 전자의 충돌을 최대한 억제하는 주사 전자 현미경에 대하여 설명한다. 전자선 통로나 전자 광학계를 구성하는 부재 등에 충돌할 가능성이 가장 적은 통로는, 전자 빔의 통과 궤도이다. 따라서, 이미지 시프트 편향기 등의 편향에 상관없이, 시료로부터 방출되는 전자를 전자 빔의 통과 개구를 따라서 통과시키도록 편향함으로써, 고정밀도로 각도 변별을 행하면서, 다른 부재에의 충돌을 최대한 억제하는 것이 가능하게 된다.
또한, 각도 변별용의 개구가 형성된 개구 형성 부재를, 전자 검출기, 혹은 충돌 전자의 변환 전극으로 하면, 전자 빔에 대하여, 축 대칭으로 설치되는 검출기의 검출면, 혹은 변환 전극면으로 가장 많은 전자를 유도할 수 있기 때문에, 검출 효율의 극대화를 실현할 수 있다.
본 실시예에서는, 특정한 표준 시료를 필요로 하지 않고, 이미지 시프트에 연동하여 2차 전자 궤도의 제어를 조정하는 것을 가능하게 하는 주사 전자 현미경에 대하여 설명한다. 또한 도 1에 도시한 장치 구성에 의해 에너지 필터에의 2차 전자의 진입 각도를 고정할 수 있게 되기 때문에, 에너지 분해능을 일정하게 유지한 상태에서 신호 변별하는 것이 가능하게 된다.
본 실시예에서는 주로, 2차 전자 제한판 및 에너지 필터를 사용하여 2차 전자를 선택적으로 검출할 때, 안정적으로 신호 변별하기 위해서 2차 전자 얼라이너를 사용하여 2차 전자 궤도를 제어하는 예에 대하여 설명한다. 처음에, 구성 및 원리를 나타낸다. 도 1은 주사 전자 현미경의 개략 구성도이다. 전계 방출 음극(11)과 인출 전극(13) 사이에 인출 전압(12)을 인가함으로써, 1차 전자 빔(1)을 인출한다. 1차 전자 빔(1)은 콘덴서 렌즈(14)에 의해 수속 작용을 받고, 상부 주사 편향기(21), 하부 주사 편향기(22)에 의해 주사 편향을 받는다. 상부 주사 편향기(21), 하부 주사 편향기(22)의 편향 강도는, 대물 렌즈(17)의 렌즈 중심을 지지점으로 하여 시료(23) 상을 이차원 주사하도록 조정되어 있다. 마찬가지로, 주사 위치를 변화시키기 위한 상부 이미지 시프트 편향기(25), 하부 이미지 시프트 편향기(26)에 의한 편향 작용을 받는다. 편향을 받은 1차 전자 빔(1)은, 대물 렌즈(17)의 통로에 설치된 가속 원통(18)에 의해 더욱 가속을 받는다.
후단 가속된 1차 전자 빔(1)은, 대물 렌즈(17)의 렌즈 작용에 의해 좁혀져 홀더(24)에 유지된 시료(23)에 도달한다. 1차 전자의 조사에 의해, 시료(23)의 표면으로부터 2차 전자가 방출된다. 2차 전자는 광축에 평행 방향의 고각의 2차 전자(2(a)), 시료 표면에 평행 방향의 저각 성분의 2차 전자(2(b))(고각의 2차 전자에 대하여 상대적으로 전자 빔 광축을 중심으로 하여 넓은 범위로 방출되는 전자)로 분류할 수 있다. 2차 전자는, 광축을 1차 전자와는 역방향으로 진행하여, 2차 전자 제한판(31)에 도달한다. 고각의 2차 전자(2(a))는 2차 전자 제한판(31)의 구멍을 통과하고, 에너지 필터(34)를 통과한 후에 반사판(27)에 충돌하여 3차 전자로 변환되고, 상부 검출기(28(a))에 의해 검출된다.
이 2차 전자 제한판(31)은 후술하는 바와 같이, 전자 빔의 통과 개구를 가짐과 함께, 전자 빔 광축 방향으로, 상부 검출기(28(a))와 이미지 시프트 편향기 사이에 배치된다. 전자 빔의 통과 개구는, 시료로부터 방출되는 전자 중, 고각도 성분을 선택적으로 통과시키도록 형성되어 있다.
저각측의 2차 전자(2(b))는 2차 전자 제한판(31)(변환 전극)에 충돌하여 3차 전자로 변환되고, 하부 검출기(28(b))에 의해 검출된다. 연산기(40)를 사용하여 검출 신호를 처리하고, 각각의 검출기에 의해 검출된 신호를 영상화한다. 화상 S/N을 벌기 위해서, 얻어진 신호를 가산하여 영상화해도 된다. 하부 검출기(28(b))는, 후술하는 2차 전자 얼라이너와 상부 검출기(28(a)) 사이에 배치된다.
또한, 연산기(40)는 제어 장치(41)에 접속되어 있고, 그 제어 장치(41)의 지시에 기초하여, 소정의 연산을 실행한다. 또한, 제어 장치(41)는 대물 렌즈 제어 전원(42), 스테이지 제어 전원(43) 및 가속 전압 제어 전원(44)에도 접속되어 있고, 미리 레시피로서 기억된 광학 조건이나 제어 조건에 기초하여, 각 전자 현미경의 구성 요소를 제어한다.
각도 변별하기 위해서는 고각의 2차 전자(2(a))를 2차 전자 제한판(31)의 구멍에 통과시킬 필요가 있지만, 2차 전자의 궤도는 이미지 시프트의 사용이나 대물 렌즈(17) 통과의 영향에 의해 광축으로부터 이축(離軸)하는 경우가 있다. 반대로, 조립 정밀도나 광축 조정 정밀도의 결과, 혹은 구멍 직경의 선택을 목적으로 하여 의도적으로 2차 전자 제한판(31)의 구멍이 광축으로부터 이축한 위치에 탑재되는 경우도 있다. 고각의 2차 전자(2(a))를 항상 2차 전자 제한판(31)의 구멍에 통과시키기 위해서, 2차 전자 얼라이너(2차 신호 편향기)를 사용한다. 2차 전자 얼라이너 Ⅱ(L)(33(a)), 2차 전자 얼라이너 Ⅱ(U)(33(b))를 사용하여, 2차 전자 궤도를 편향 제어한다. 2차 전자 얼라이너는 1차 전자의 궤도에 영향을 미치지 않도록, 전극과 자장 코일로 구성되는 빈 필터를 사용한다.
이상과 같이, 시료로부터 방출되는 전자의 궤도를, 전자 빔 광축을 따르도록 (동축으로) 편향함으로써, 하부 검출기(28(b))의 검출 효율을 향상시킬 수 있다. 도 8은 그 원리를 설명하는 도면이다. 도 8은 시료(23)측으로부터 본 2차 전자 제한판(31)이며, 전자 빔의 통과 개구(81)(고각측 전자의 통과구)가 형성되어 있다. 도 8의 (a)는 시료로부터 방출된 전자의 분산 범위(82)의 중심이, 전자 빔의 통과 개구(81)와 일치한 상태를 도시하고 있고, 도 8의 (b)는 시료로부터 방출된 전자의 분산 범위(82)의 중심이, 전자 빔의 통과 개구(81)로부터 이격한 상태를 도시하고 있다. 도 8과 같이 시료로부터 방출된 전자가 확산을 갖는 경우, 도 8의 (a)의 케이스에서는, 전자 빔의 통과 개구(81)를 제외하고, 모든 전자가 2차 전자 제한판(31)에 충돌하고 있는 것에 반해, 도 8의 (b)의 케이스에서는, 전자의 분산 범위(82)의 일부가 2차 전자 제한판(31)에 충돌하고 있지 않다.
이와 같이 어느 정도의 각도 범위를 갖는 방출 전자를 효율적으로 검출하기 위해서는, 도 8의 (a)와 같은 상태로 하는 것이 바람직하고, 시료로부터 방출되는 전자의 궤도를 전자 빔 광축을 따라서 편향함으로써, 하부 검출기(28(b))의 검출 효율을 높게 할 수 있다. 본 실시예 장치에 의하면, 2차 전자의 궤도를 변화시키는 경우라도, 검출 효율의 저하를 억제하는 것이 가능하게 된다.
에너지 필터(34)는, 예를 들면 복수의 메쉬 형상 전극을 포함하고, 시료로부터 방출되는 전자를 돌려보내는 전계를 발생하는 것이다. 이 전계 강도를 변화시킴으로써, 원하는 에너지의 전자를 선택적으로 검출기측으로 유도하기 위해서 설치되어 있다. 에너지 필터(34)는 2차 전자 제한판(31)보다 전자원(11)측에 설치된다.
또한, 에너지 필터(34)에서는 1차 전자의 통과 경로를 확보하기 위한 구멍이나 파이프가 설치되는 것이 일반적이며, 고각의 2차 전자(2(a))가 구멍이나 파이프에 침입하는 것을 방지할 필요가 있다. 따라서 마찬가지로, 2차 전자 얼라이너 Ⅰ(32)를 설치하여 에너지 필터(34)에 진입하는 2차 전자의 각도를 편향 제어한다. 2차 전자 조리개(31)를 통과한 고각의 2차 전자(2(a))의 각도는 2차 전자 얼라이너 Ⅱ(L)(33(a)), 2차 전자 얼라이너 Ⅱ(U)(33(b))에 의해 제어되고 있기 때문에, 2차 전자 얼라이너 Ⅰ(32)에 의해 에너지 필터(35)에 대한 진입 각도를 일정하게 유지할 수 있다. 그 결과, 에너지 필터의 에너지 분해능을 일정하게 하는 효과도 얻을 수 있다. 도 1의 구성예에서는 각도 변별과 에너지 변별을 양립하고 있지만, 에너지 변별만을 행하기 위해서 2차 전자 제한판(31)을 제거한 구성으로 해도 된다.
2차 전자 얼라이너 Ⅱ(33(a), 33(b))의 제어 방법의 개념을 도 2에 도시한다. 이미지 시프트(25, 26)를 사용하여 시료 표면의 이축한 위치 Ls에 1차 전자를 조사한다. 그곳으로부터 방출된 고각의 2차 전자(2(a))는 광축을 역방향으로 진행한다. 대물 렌즈(17), 이미지 시프트(25, 26)를 통과할 때에 편향 작용을 받아, 2차 전자 얼라이너 Ⅱ(L)(33(b))에 이축량 LL, 각도 θSE로 진입한다. 2차 전자 얼라이너 Ⅱ(L)(33(b))를 사용하여, 2차 전자 얼라이너 Ⅱ(U)(33(a))의 중심을 통과하도록 2차 전자(2(a))를 각도 θL로 편향한다. 다음에 2차 전자 얼라이너 Ⅱ(U)(33(a))를 사용하여, 광축에 평행해지도록 각도 θU로 편향하면, 2차 전자 제한판(31)의 중심을 광축에 평행하게 통과할 수 있게 된다. 이 제어를 만족시키기 위한 조건으로서, 기하 계산에 의해 이하의 수학식 1, 2가 유도된다. 여기서, ZSEALU는 2차 전자 얼라이너 Ⅱ(U)(33(a))의 높이, ZSEALL은 2차 전자 얼라이너 Ⅱ(L)(33(b))의 높이를 나타낸다.
Figure 112014072420475-pct00001
Figure 112014072420475-pct00002
우선, 이미지 시프트 사용에 의한 2차 전자 궤도의 변화를 2차 전자 얼라이너로 보정하는 것을 상정한다. 2차 전자 얼라이너 Ⅱ(L)(33(b))에의 진입 각도 θSE는 다음 수학식과 같이 구해진다.
여기서, LSE는 2차 전자(2(a))가 이미지 시프트에 의해 편향되는 양을, 2차 전자 제한판(31)에서의 광축으로부터의 거리로 정의한 것이다. LSE는 후술하는 2차 전자 도달 위치 검지 방법, 혹은 전자 궤도 시뮬레이션 등을 사용하여 구할 수 있다. ZSEAP는 2차 전자 제한판의 높이이고, ZSE는 2차 전자의 가상 사출 높이(=LSE/tan(θSE))이며, 실험값으로부터의 추정이나 전자 궤도 시뮬레이션 등에 의해 구할 수 있다. 수학식 1로부터, 2차 전자 얼라이너 Ⅱ(L)(33(b))에서 필요한 θL은 다음 수학식과 같이 구해진다.
Figure 112014072420475-pct00004
수학식 2, 수학식 4로부터, 2차 전자 얼라이너 Ⅱ(U)(33(a))에서 필요한 θU는 다음 수학식과 같이 구해진다.
Figure 112014072420475-pct00005
또한, 도 2에서는 단면도를 사용하여 설명하고 있지만, 실제로는 대물 렌즈(17)에 있어서의 자장에 의한 회전을 고려하여 방위각 방향에 대해서도 제어할 필요가 있다. 그때는, 이미지 시프트, 각 2차 전자 얼라이너에 있어서의 방위각 성분에 대하여, 자장에 의한 회전 각도를 미리 구해 두고, 행렬 연산하여 제어한다. 자장에 의한 회전 각도는, 후술하는 2차 전자 도달 위치 검지 방법, 혹은 전자 궤도 시뮬레이션 등을 사용하여 구할 수 있다.
다음에, 2차 전자 제한판(31)에 있어서 광축 외의 구멍으로 편향 제어하는 방법에 대하여 도 3에 도시한다. 이미지 시프트 미사용 시의 2차 전자(2(a))에 대하여, θL과 θU가 동일 각도로 반대 방향으로 되도록 제어하면, 궤도는 광축과 평행을 유지한 채로 위치만을 어긋나게 할 수 있다. 이 원리에서는 2차 전자의 궤도를 평행 이동할 뿐이므로, 이미지 시프트 연동과 독립적으로 제어하는 것이 가능하다. 2차 전자 제한판 상에서의 필요 이동량을 LSHIFT라 하면, 수학식 4, 수학식 5에 평행 이동의 항을 추가할 수 있다.
Figure 112014072420475-pct00006
Figure 112014072420475-pct00007
상기 수학식에 따라서 θL과 θU를 제어하기 위해서는, 2차 전자에 대한 이미지 시프트나 2차 전자 얼라이너의 편향 감도, 방위각에 있어서의 회전 방향을 알 필요가 있다. 본 실시예에서는, 편향기를 사용하여 1차 전자를 시료 상에서 주사하였을 때에, 2차 전자도 동시에 2차 전자 제한판(31) 상에서 주사되는 것을 이용한다. 1차 전자를 편향기(21, 22)에 의해 편향하여 시료 상에 조사하면, 방출된 2차 전자(2(a))는 대물 렌즈를 통과한 후에 편향기를 역방향으로 진행하여, 2차 전자 제한판(31) 상에 도달한다. 여기서 2차 전자(2(a))는 통상, 방출되는 에너지와 각도에 변동을 갖고 있지만, 대물 렌즈(17)와 가속관(18)의 조건에 따라서는 자장 렌즈, 정전 렌즈의 포커스 작용에 의해 2차 전자 제한판(31)에 수속한다. 이 경우, 하부 검출기(28(b))에 의해 검출한 신호를 영상화하면, 2차 전자 제한판의 형상을 반영하여 도 4의 (a)에 도시한 바와 같이 2차 전자 제한판(31)의 구멍이 어두운 화상을 얻을 수 있다. 한편, 상부 검출기(28(a))에 의해 검출하면, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이 2차 전자 제한판(31)의 구멍이 밝은 화상이 얻어진다.
화면 내에 있어서의 구멍 위치는, 2차 전자 제한판(31) 상에서의 주사 범위를 반영하고 있기 때문에, 이미지 시프트나 2차 전자 얼라이너를 사용하면 변화한다. 따라서, 반대로 구멍 위치의 변화량으로부터, 이미지 시프트나 2차 전자 얼라이너의 편향 감도, 방위각 방향의 각도를 구할 수 있다. 일정한 광학 조건으로부터 벗어나면, 2차 전자(2(a))가 2차 전자 제한판(31)에서 수속하지 않게 되기 때문에, 구멍의 윤곽이 희미하게 보여 외관 구멍 위치의 확인이 곤란해진다. 그 경우는 전자 궤도 시뮬레이션에 의해 2차 전자의 궤도를 추적하면 된다. 2차 전자가 수속하는 조건에서 실험과 비교하여, 2차 전자 얼라이너의 감도와 방위각 방향의 어긋남에 관하여 시뮬레이션 결과를 보정하면, 다양한 광학 조건에 있어서도 고정밀도로 2차 전자 궤도를 제어할 수 있다. 또한, 공간 분해능을 갖는 검출기를 2차 전자 제한판(31)으로서 설치하고, 2차 전자 도달 위치를 직접 검출해도 된다. 또한, 구멍의 콘트라스트는 2차 전자 제한판(31)의 구멍을 통과하는지 여부에 따라서 발생하기 때문에, 상부 검출기(28(a))와 하부 검출기(28(b))에 의해 검출한 신호를 가산하면, 구멍의 그림자의 투영을 없앨 수 있다.
제1 실시예로서, 2차 전자 얼라이너를 이미지 시프트에 연동 동작시켜, 신호 변별하는 방법에 대하여 나타낸다. 도 5는 2개의 검출기를 사용하여 합성 화상을 형성하는 공정을 나타내는 플로우차트이다. 먼저, 홀더(24)를 이동하여 원하는 관찰 위치에 시료(23)를 유지한다(스텝 501). 이 위치에 있어서 원하는 패턴에 1차 전자를 조사하기 위해서, 이미지 시프트를 수um의 범위에서 사용한다(스텝 502).
이미지 시프트의 사용량에 기초하여, 고각의 2차 전자(2(a))를 2차 전자 제한판(31)으로 유도하기 위한 2차 전자 얼라이너 Ⅱ(U)(33(a)), 2차 전자 얼라이너 Ⅱ(L)(33(b))의 제어량을 산출한다(스텝 503). 이 제어량(편향 전류, 혹은 전압 등의 동작 조건)과 이미지 시프트량(편향 전류, 혹은 전압 등의 동작 조건)을 관련지어, 도시하지 않은 메모리에 기억해 두면, 후에 그 조건을 재현할 수 있다.
이때 2차 전자 제한판(31)의 구멍이 광축 상에 있어 1차 전자 통과 구멍과 공통으로 되어 있어도 되고, 광축 외에 형성되어 있어도 된다. 광축 외에 2차 전자 제한판(31)을 배치한 경우, 혹은 축 어긋남 등에 의해 2차 전자 제한판(31)이 광축으로부터 이격된 위치에 있는 경우, 2차 전자 제한판(31) 구멍의 화상에의 투영 위치가 화면 중심으로부터 이격된 위치에 나타난다. 이들 어긋남에 대하여, 미리 2차 전자 도달 위치를 제어식에 기초하여 조정해 둔다(스텝 504).
에너지 필터를 사용하는 경우는, 에너지 필터의 효율 높은 진입 각도로 되도록 2차 전자 얼라이너 Ⅰ(32)을 제어할 수 있도록 해 둔다. 2차 전자 얼라이너는 모두, 미리 전장과 자장의 빈 조건이 조정되어, 편향 감도가 구해져 있는 것으로 한다. 편향기에 주사 신호를 입력하여 스캔을 개시하고, 상부 검출기(28(a)) 및 하부 검출기(28(b))에 의해 검출한 신호를 기억 장치(45)에 보존한다(스텝 505).
이때, 시료 대전에 의해 2차 전자 궤도가 편향될 가능성을 생각할 필요가 있다. 1차 전자를 절연성 시료에 조사하면, 입사된 1차 전자와 방출된 2차 전자의 수가 상이하였을 때, 시료가 정 또는 부로 대전되는 것이 알려져 있다. 시료가 대전되면, 대전이 만드는 전계에 의해 2차 전자가 편향되기 때문에, 고각 성분의 2차 전자(2(a))가 2차 전자 제한판(31)의 구멍으로부터 벗어난 위치에 도달하여, 각도 변별 기능이 저하된다.
이 경우, 2차 전자 제한판(31) 구멍의 투영 위치의 변화로부터, 미리 조정한 구멍의 위치 어긋남과는 별도로, 2차 전자 궤도를 다시 제어할 필요가 있다. 화상으로부터 2차 전자 제한판(31) 구멍의 투영 위치를 특정하고, 화면 중심으로부터의 거리, 각도를 산출한다(스텝 506). 2차 전자 얼라이너에 대한 구멍 위치의 변화 감도는 미리 조정 시에 알고 있으므로, 구멍 위치를 화면 중심으로 이동하기 위해서 필요한 2차 전자 얼라이너 Ⅱ(U)(33(a)), 2차 전자 얼라이너 Ⅱ(L)(33(b))의 제어량을 재계산하여, 출력한다(스텝 507).
다음에, 미리 오퍼레이터에 의해 화상을 합성할지 여부의 설정이 이루어져 있는 것으로 한다. 화상 S/N을 벌거나, 혹은 2차 전자 제한판(31)의 구멍 투영 저감을 목적으로 하여 화상 합성하는 경우는, 상부 검출기(28(a))와 하부 검출기(28(b))의 신호를 임의의 연산식에 기초하여 승제ㆍ가감산한 후에 영상화한다(스텝 508, 509). 화상 합성하지 않는 경우에는, 각각의 검출기에 의해 검출한 2매의 화상을 동시에 취득할 수 있다. 상부 검출기(28(a))에서는 고각 성분의 신호 혹은 에너지 필터된 고각 성분의 신호, 하부 검출기(28(b))에서는 저각 성분의 신호가 검출된다. 예를 들면, 고각 성분에 많이 포함되는 패턴 저부의 정보를 상부 검출기(28(a))에 의해 검출하고, 저각 성분에 많이 포함되는 패턴 상부의 정보를 하부 검출기(28(b))에 의해 검출하고, 패턴 저부와 상부를 동시에 나누어 관찰하는 등의 사용 방법이 가능해진다.
제2 실시예로서, 2차 전자 얼라이너와 에너지 필터를 사용한 조합에 대하여 나타낸다. 에너지 필터의 에너지 분해능 관계는, 전계의 변동이나 전자의 입사 각도의 변동에 의존한다. 전자의 입사 각도의 변화는, 에너지 필터의 임계값 에너지를 변화시키기 때문에 화상 콘트라스트의 변동의 요인으로 된다. 2차 전자 얼라이너 Ⅱ(U)(33(a)), 2차 전자 얼라이너 Ⅱ(L)(33(b))를 사용하면, 2차 전자 제한판의 중심을 광축에 평행하게 2차 전자(2(a))를 통과시킬 수 있다. 이 상태에서 2차 전자 얼라이너 Ⅰ(32)에 항상 일정값을 입력해 두면, 이미지 시프트의 사용에 상관없이 에너지 필터에 입사하는 2차 전자의 각도를 일정하게 유지할 수 있기 때문에, 콘트라스트를 안정되게 하여 화상 취득할 수 있다. 또한, 도 6에 도시한 바와 같이 2차 전자 얼라이너 Ⅰ(32)을 2단으로의 빈 필터로 구성하면, 2차 전자(2(a))를 에너지 필터(35) 입사 시에 광축에 평행하게 할 수 있기 때문에, 필터를 메쉬ㆍ전극 등으로 구성한 경우 등에는 이상적인 에너지 분해능을 기대할 수 있다.
제3 실시예로서, 2차 전자 얼라이너를 복수개 배치함으로써 2차 전자 얼라이너 자체의 발생하는 수차(收差)를 상쇄하여, 1차 전자의 시료 상에서의 확산을 억제하는 방법에 대하여 나타낸다. 이상적인 빈 필터에서는, 1차 전자의 궤도에 영향을 미치지 않고 2차 전자만을 편향하는 것이 가능하다. 그러나, 일반적으로 빈 필터의 발생하는 전장과 자장은 광축을 따라서 반드시 일치하는 것은 아니다. 1차 전자는 전자원으로부터 방출될 때에 에너지 분산을 가져, 빈 필터 통과 시에 궤도 분산이 발생하기 때문에, 시료 상에서 빔 확산이 발생한다. 이것을 회피하는 수단으로서, 한 쌍의 동등한 빈 필터를 상하로 배치하고, 반대 방향으로 편향하는 방법이 알려져 있다.
2차 전자 얼라이너 Ⅱ(U)(33(a)), 2차 전자 얼라이너 Ⅱ(L)(33(b))는 상쇄하는 방향에서 사용하기 때문에, 발생하는 수차는 작다. 2차 전자 얼라이너 Ⅰ(32)의 수차를 상쇄하기 위해서, 2차 전자의 제어와 관계가 없는 반사판(27)의 상방에 2차 전자 얼라이너를 또 하나 설치한다. 추가한 2차 전자 얼라이너는 2차 전자의 궤도에 상관없이, 항상 2차 전자 얼라이너 Ⅰ(32)과 반대 방향으로 동일 각도 편향하도록 제어되는 것이 좋다. 한 쌍의 2차 전자 얼라이너에서 사용하는 양이 상이한 경우, 예를 들면 2차 전자 얼라이너 Ⅱ(U)(33(a)), 2차 전자 얼라이너 Ⅱ(L)(33(b)) 사용 시에 남는 수차가 신경쓰이는 경우에는, 그것을 상쇄하도록 2차 전자 얼라이너 제어에 중첩해도 된다.
제4 실시예로서, 상하 2단으로 검출한 화상의 합성 방법에 대하여 나타낸다. 도 7의 상부에 도시한 도면은, 관찰 대상으로 되는 디바이스 구조의 일례의 단면을 도시한 것이다. 패턴(101)은 상부에 있는 라인 형상의 패턴이며, 그 아래에 테이퍼된 홀 패턴을 갖는 막(102)이 있고, 그 하층에 막(103)이 있다. 이 디바이스 구조를 톱으로부터 상부 검출기(28(a))에 의해 관찰하면, 도 7의 (a)에 도시한 바와 같이 하층(103)의 콘트라스트가 밝은 화상이 얻어진다. 이것은 2차 전자 제한판(31)을 사용하여 고각 성분의 2차 전자(2(a))를 선택적으로 검출한 결과이며, 바닥 부분(103)은 고각 방향으로 방출되는 2차 전자를 많이 포함하기 때문이다. 한편, 하부 검출기(28(b))에 의해 검출하면, 도 7의 (b)에 도시한 바와 같이 반대로 톱 부분(101)의 콘트라스트가 강조된다. 이것은 라인부로부터 방출된 2차 전자가 저각 성분을 많이 포함하기 때문이다. 여기서 중간층(102)의 테이퍼와 하층(103)의 경계의 윤곽을 관찰하고자 하는 경우, 라인(101)의 콘트라스트는 필요없는 불필요한 정보이다. 여기에서 도 7의 (a)와 도 7의 (b)에 있어서의 라인부(101)의 밝기가 동일해지도록 화상 밝기를 승제산하고, 그 상태에서 도 7의 (a)로부터 도 7의 (b)를 감산한다. 즉, 화상의 특정 부위의 콘트라스트를 상쇄하도록 하여 합성 화상을 형성한다. 그렇게 하면, 도 7의 (c)에 도시한 바와 같이 라인부(101)의 콘트라스트를 소거한 화상을 얻을 수 있다. 이 화상에서는 라인부(101)의 콘트라스트가 없기 때문에, 원하는 관찰 위치인 중간층(102)과 하층(103)의 경계부에 있어서의 밝기의 다이내믹 레인지를 확대할 수 있어, 정밀도가 좋은 관찰이 가능해진다. 화상 취득 중에 합성 화상의 밝기를 조정할 수 있도록 해 두면, 다이내믹 레인지를 최적화하여 합성 화상을 취득할 수 있다.
또한, 상술한 실시예에서는 변환 전극을 사용하여, 시료로부터 방출된 전자를 3차 전자로 변환한 후에 검출하는 예를 설명하였지만, 변환 전극 대신에, MCP(Multi Channel Plate) 검출기와 같은 시료로부터 방출된 전자를 직접 검출하는 검출기이어도 된다. 이 경우, 하단에 배치되는 검출기는, 저각 성분을 차단하는 차단 부재로 된다.
상기 실시예에 의하면, 2차 전자의 궤도를 제어하여 2차 전자 제한판을 사용하였을 때의 검출 효율을 일정하게 유지하여, 이미지 시프트를 사용해도 항상 동등한 화상을 얻는 것이 가능해진다. 또한, 2차 전자 제한판의 상단에 배치된 에너지 필터에 대하여 2차 전자가 일정한 각도로 진입할 수 있게 되기 때문에, 에너지 분해능을 일정하게 유지하여 화상을 안정적으로 취득할 수 있게 된다.
11 : 전계 방출 음극
12 : 인출 전극
13 : 인출 전압
14 : 콘덴서 렌즈
15 : 조리개
17 : 대물 렌즈
18 : 가속 원통
20 : 가이드
21 : 상부 주사 편향기
22 : 하부 주사 편향기
23 : 시료
24 : 홀더
25 : 상부 이미지 시프트
26 : 하부 이미지 시프트
27 : 반사판
28(a) : 상부 검출기
28(b) : 하부 검출기
31 : 2차 전자 제한판
32 : 2차 전자 얼라이너 I
33(a) : 2차 전자 얼라이너 Ⅱ(U)
33(b) : 2차 전자 얼라이너 Ⅱ(L)
34 : 에너지 필터

Claims (11)

  1. 전자원과, 상기 전자원으로부터 방출되는 전자 빔의 주사 위치를 편향하는 편향기와, 상기 편향기를 제어하는 제어 장치를 구비한 주사 전자 현미경에 있어서,
    상기 전자 빔의 시료에의 조사에 의해 얻어지는 전자를 검출하는 제1 검출기와, 상기 제1 검출기와 상기 편향기 사이에 배치되며, 상기 전자 빔의 통과 개구를 갖는 개구부 형성 부재와, 상기 시료로부터 방출된 전자를 편향하는 상측 편향기와 하측 편향기를 갖는 2차 신호 편향기를 구비하고, 상기 제어 장치는, 상기 편향기의 편향 조건에 따라서, 상기 시료로부터 방출되는 전자가, 상기 전자 빔의 광축을 향하여 방향을 정하도록, 상기 하측 편향기를 제어하고, 상기 하측 편향기에 의해 편향된 상기 시료로부터 방출된 전자를, 상기 전자 빔의 통과 개구를 향하여 편향하도록 상기 상측 편향기를 제어하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 개구부 형성 부재는, 전자의 충돌에 의해 전자를 발생하는 변환 전극이며, 상기 변환 전극에 의해 발생하는 전자를 검출하는 제2 검출기를 구비한 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 개구부 형성 부재는, 전자를 검출하는 제2 검출기인 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 편향기는, 상기 전자 빔의 주사 위치를 편향하는 이미지 시프트 편향기이며, 상기 제어 장치는 상기 전자 빔의 주사 위치에 따라서, 상기 2차 신호 편향기를 제어하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 편향기의 제어량과 상기 2차 신호 편향기의 동작 조건을 관련지어 기억하는 메모리를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 2차 신호 편향기는 빈 필터인 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
  7. 전자원과, 상기 전자원으로부터 방출되는 전자 빔의 주사 위치를 편향하는 편향기와, 상기 편향기를 제어하는 제어 장치를 구비한 주사 전자 현미경에 있어서,
    상기 전자 빔의 시료에의 조사에 의해 얻어지는 전자를 검출하는 제1 검출기와, 상기 제1 검출기와 상기 편향기 사이에 배치되며, 상기 전자 빔의 통과 개구를 갖는 개구부 형성 부재를 포함하고, 또는 상기 개구부 형성 부재로부터 방출된 전자를 검출하는 제2 검출기와, 상기 시료로부터 방출된 전자를 편향하는 2차 신호 편향기와, 상기 제1 검출기와 제2 검출기의 출력을, 특정 패턴의 콘트라스트가 동일해지도록 하는 처리를 행하고, 상기 특정 패턴의 콘트라스트를 소거하도록, 상기 제1 검출기와 제2 검출기의 출력을 합성하는 연산기를 구비하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
  8. 전자원과, 상기 전자원으로부터 방출되는 전자 빔의 주사 위치를 편향하는 편향기와, 상기 편향기를 제어하는 제어 장치를 구비한 주사 전자 현미경에 있어서,
    상기 전자 빔의 시료에의 조사에 의해 얻어지는 전자를 검출하는 제1 검출기와, 상기 제1 검출기와 상기 편향기 사이에 배치되며, 상기 전자 빔의 통과 개구를 갖는 개구부 형성 부재와, 상기 개구부 형성 부재보다 전자원측에 배치되는 에너지 필터와, 상기 시료로부터 방출된 전자를 편향하는 제1의 2차 신호 편향기와, 상기 에너지 필터에의 전자의 입사 각도를 조정하는 제2의 2차 신호 편향기를 구비하고, 상기 제어 장치는, 상기 편향기의 편향 조건에 따라서, 상기 시료로부터 방출되는 전자를 상기 전자 빔의 통과 개구를 향하여 편향하도록, 상기 제1의 2차 신호 편향기를 제어하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
  9. 전자원과, 상기 전자원으로부터 방출되는 전자 빔의 주사 위치를 편향하는 편향기와, 상기 편향기를 제어하는 제어 장치를 구비한 주사 전자 현미경에 있어서,
    상기 전자 빔의 시료에의 조사에 의해 얻어지는 전자를 검출하는 제1 검출기와, 상기 제1 검출기보다 상대적으로 상기 전자 빔 광축을 중심으로 하여 넓은 범위로 방출되는 전자, 혹은 상기 전자에 의해 발생되는 전자를 검출하는 제2 검출기와, 상기 제1 검출기와 제2 검출기의 출력을 합성하는 연산기를 구비하고, 상기 연산기는, 상기 제1 검출기와 제2 검출기의 출력에 기초하여 얻어지는 신호의 특정 부위의 콘트라스트를 상쇄하도록 상기 출력의 합성을 실시하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
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