KR102220128B1 - 하전 입자선 시스템 - Google Patents

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슌스케 미즈타니
šœ스케 미즈타니
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Abstract

하전 입자원으로부터 방출된 하전 입자선을 시료에 조사(照射)해서 발생하는 전자를 검출하는 검출부를 포함하는 하전 입자선 장치와, 상기 검출부의 검출 신호가 배선을 통해 입력되는 신호 검출부를 갖는 하전 입자선 시스템이다. 상기 신호 검출부는, 상기 검출부의 검출 신호를, 상승 신호와 하강 신호로 분리하는 분리부와, 적어도 상기 하강 신호의 링잉(ringing)을 제거하는 하강 신호 처리부와, 상기 분리부에 의해 분리된 상승 신호와, 상기 하강 신호 처리부에 의해 상기 링잉이 제거된 하강 신호를 합성한 합성 신호를 생성하여 출력하는 합성부를 갖는다.

Description

하전 입자선 시스템
본 발명은 하전 입자선 시스템에 관한 것이다.
주사 전자 현미경은, 통상, 반도체 디바이스의 평가 및 계측 장치로서 이용되고 있다. 주사 전자 현미경을 이용한 계측에 있어서, 시료에 일차 전자선을 조사(照射)하면, 전자와 시료의 상호작용에 의해 다양한 에너지를 가진 신호 전자가 다양한 방향으로 출사(出射)한다. 신호 전자는 출사 에너지와 출사 각도에 따라 시료에 관해서 다른 정보를 가지고 있으며, 신호 전자를 구별하여 검출함으로써 다양한 계측이 가능해진다.
일반적으로, 50eV 이하의 에너지로 출사하는 신호 전자를 이차 전자, 그보다도 크고, 일차 전자선의 에너지에 가까운 에너지로 출사하는 신호 전자를 반사(反射) 전자라고 하고, 신호 전자는 구별된다.
일반적으로, 시료에 일차 전자선을 조사함으로써 시료로부터 튀어나온 전자를 이차 전자라고 한다. 또한, 시료에 일차 전자선을 조사해서 시료로부터 반사되어온 전자를 반사 전자라고 한다. 이차 전자와 반사 전자는, 신호 전자로서는 구별하여 취급된다. 그래서, 이차 전자뿐만 아니라 반사 전자를 포착해서 얻은 정보를 화상화함으로써, 주사 전자 현미경의 성능을 향상시키는 것이 가능하다.
또한, 구분의 방법으로서, 50eV 이하의 에너지로 출사하는 신호 전자를 이차 전자, 그보다도 크고, 일차 전자선의 에너지에 가까운 에너지로 출사하는 신호 전자를 반사 전자라고 하여, 신호 전자를 구별하는 경우도 있다.
특허문헌 1에는, 반사 전자를 검출하기 위해 검출기로서 반도체 소자를 이용하고, 이 검출기의 검출 신호를 외부의 제어 시스템에 입력해서 디스플레이 시스템에 전자 화상을 작성하는 기술이 개시되어 있다.
일본국 특표2013-541799호 공보
이차 전자에 비해 반사 전자의 수는 적으므로, 화상화에 충분한 반사 전자를 보충하기 위해서는, 가능한 한 시료의 근방에서 보충하는 것이 중요하다. 시료의 근방에 배치 가능한 검출기로서는, 광／전기 변환 소자 등의 반도체 소자를 이용하는 것이 바람직하다.
그러나, 광／전기 변환 소자를 반사 전자의 검출기로서 이용할 경우, 광／전기 변환 소자로부터의 검출 신호의 신호 처리 회로는, 주사 전자 현미경의 진공 칼럼 내의 오염을 방지하기 위해, 진공 칼럼의 외부의 대기중에 배치된다. 이 때문에, 광／전기 변환 소자와 신호 처리 회로 사이를 긴 거리의 배선으로 접속할 필요가 있다.
이 경우, 광／전기 변환 소자는 출력 임피던스가 출력 전류에 의해 변화하므로, 광／전기 변환 소자의 출력 임피던스와, 신호 처리 회로의 입력 임피던스 사이의 임피던스 정합이 곤란해진다.
이 때문에, 배선으로 이어진 광／전기 변환 소자와 신호 처리 회로 사이에서 반사가 발생하고, 광／전기 변환 소자로부터의 검출 신호가 광／전기 변환 소자와 신호 처리 회로 사이에서 반사를 반복한다. 이 결과, 광／전기 변환 소자로부터의 검출 신호에 반사 신호가 중첩되어 검출 파형의 하강에 링잉(ringing)(톱 형상의 노이즈)이 발생한다. 이러한 링잉이 발생하면 검사 화상에 노이즈가 생겨, 검사 화상을 정확하게 계측하여 관찰하는 것이 곤란해진다.
특허문헌 1에는, 검출 파형의 하강에 링잉이 발생하고, 이 링잉을 원인으로 검사 화상을 정확하게 계측하여 관찰하는 것이 곤란해진다는 과제, 및 그 해결 수단에 대해서는 언급되어 있지 않다.
본 발명의 목적은, 하전 입자선 시스템에 있어서 검사 화상을 정확하게 계측하여 관찰하는 것에 있다.
본 발명의 일 태양의 하전 입자선 시스템은, 하전 입자원으로부터 방출된 하전 입자선을 시료에 조사해서 발생하는 전자를 검출하는 검출부를 포함하는 하전 입자선 장치와, 상기 검출부의 검출 신호가 배선을 통해 입력되는 신호 검출부를 갖고, 상기 신호 검출부는, 상기 검출부의 검출 신호를, 상승 신호와 하강 신호로 분리하는 분리부와, 적어도 상기 하강 신호의 링잉을 제거하는 하강 신호 처리부와, 상기 분리부에 의해 분리된 상승 신호와 상기 하강 신호 처리부에 의해 상기 링잉이 제거된 하강 신호를 합성한 합성 신호를 생성하여 출력하는 합성부를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 하전 입자선 시스템에 있어서 검사 화상을 정확하게 계측하여 관찰할 수 있다.
도 1은 실시예 1의 하전 입자선 시스템의 구성을 나타내는 도면.
도 2는 신호 파형의 일례를 나타내는 도면.
도 3은 실시예 2의 하전 입자선 시스템의 구성을 나타내는 도면.
도 4a는 실시예 3의 하전 입자선 시스템의 구성을 나타내는 도면.
도 4b는 신호 검출부의 출력 신호의 파형(a), 가산 연산시의 신호 검출부의 출력 신호의 파형(b), 감산 연산시의 신호 검출부의 출력 신호의 파형(c)을 나타내는 도면.
도 5의 (a)는 종래 방식의 검출 신호의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이며, (b)는 실시예의 검출 신호의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면.
이하, 도면을 이용하여 실시예에 대해서 설명한다.
[실시예 1]
도 1 및 도 2를 참조하여, 실시예 1의 하전 입자선 시스템에 대해서 설명한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 진공 환경인 전자 현미경 칼럼(하전 입자선 장치)(112)의 내부에, 전자총(하전 입자원)(101)이 배치되어 있으며, 전자총(101)으로부터 방출된 일차 전자선(102)은, 일차 전자선 광축을 따라 비행한다. 일차 전자선(102)은 편향기(105)에서 궤도가 조정되고, 대물 렌즈(107)에 의해 일차 전자선은 시료(109) 상에 수속(收束)된다.
시료(109)에는 부전압이 인가되어 있으며, 일차 전자(102)는 전자총(101)에서 발생했을 때의 에너지보다도 작은 에너지로 시료에 충돌한다. 일차 전자(102)의 충돌에 의해 시료로부터 발생한 반사 전자(108)와 이차 전자(103)는 각각의 출사 에너지 및 출사 각도에 따라 전자 현미경 칼럼(112) 내를 비행한다.
여기에서, 시료(109)에 일차 전자선(102)을 조사함으로써 시료(109)의 전자가 튀어나온 전자가 이차 전자이며, 시료(109)에 일차 전자선(102)을 조사해서 시료(109)로부터 반사되어온 전자가 반사 전자이다.
신틸레이터(136)에 반사 전자(108)가 충돌하면, 반사 전자(108)는 광으로 변환되고, 광／전기 변환 소자(106a, 106b)에 의해 광이 검출 전류로 변환된다. 광／전기 변환 소자(106a, 106b)로서는, 예를 들면, 포토다이오드나 반도체 광검출기(Si-PM: silicon photomultiplier) 등의 반도체 소자, 포토멀(photomultiplier)이 이용된다. 검출 전류는 진공 내 배선(110), 하메틱(111) 및 대기중 배선(113)을 통해서 신호 검출부(114)에 전송된다.
신호 검출부(114)에서는, 광／전기 변환 소자(106a, 106b)의 검출 신호는, 프리앰프(115)를 통해 수신 신호(116)로 변환되어 분리부(117)에 입력된다. 분리부(117)에서는, 수신 신호(116)의 상승 에지 검출과 피크 검출을 행하고, 에지 검출과 피크 검출에 의해 얻어진 상승 신호(118)가 합성부(124)에 입력된다.
또한, 분리부(117)는, 에지 검출과 피크 검출에 의해 얻어진 하강 신호(119)를 출력한다. 하강 신호(119)는, 하강 신호 처리부(120)에 입력된다. 하강 신호 처리부(120)에서는, 링잉 제거부(121)에서 하강 신호(119)의 링잉을 제거하고, 펄스폭 단축부(120)에서 하강 신호(119)의 펄스폭을 단축하여 하강 시간의 고속화를 행한다.
링잉 제거부(121)는, 광／전기 변환 소자(106a, 106b)의 검출 신호가 광／전기 변환 소자(106a, 106b)와 신호 검출부(114) 사이에서 대기중 배선(113)을 통해 반사됨으로써 생긴 반사 신호가, 검출 신호에 중첩되어 하강 신호에 발생한 링잉을 제거한다.
하강 신호 처리부(120)에서 링잉이 제거되어, 하강이 빠른 하강 신호(123)로서 출력되어 합성부(124)에 입력된다. 합성부(124)에서는, 상승 신호(118)와 하강 신호(123)를 합성하고, 검출 신호(125)로서 출력한다.
여기에서 각 신호의 모식도를 도 2에 나타낸다. (a)의 수신 신호(116)는, 상승은 고속이지만 하강이 느리고, 하강에 광／전기 변환 소자(106a, 106b)와 프리앰프(115)간의 반사에 의해 발생하는 링잉이 중첩되어 있다. (b)의 상승 신호(118)는 고속의 상승부를 분리한 신호이며, (c)의 하강 신호(119)는 하강 시간이 길고, 링잉이 중첩한 신호이다. (d)의 하강 신호(123)는 링잉이 제거되고, 하강도 고속으로 되어 있다. (b)의 상승 신호(118)와 (d)의 하강 신호(123)를 합성한 (e)의 검출 신호(125)는, 수신 신호(116)의 하강의 링잉이 제거됨과 함께 하강이 고속으로 된 신호이다.
링잉 제거부(121)는, 예를 들면, 하이패스 필터 또는 적분기에 의해 구성된다. 또한, 펄스폭 단축부(122)는, 예를 들면, 로우패스 필터 또는 미분기에 의해 구성된다.
검출 신호(125)는 ADC 변환기(133)에서 디지털 신호로 변환되고, 신호 처리／화상 생성 블록에 의해 화상 정보(128)로 변환되어 계측 관찰 검사 화상(132)으로서 컴퓨터(131)에 표시된다. 또한, 컴퓨터(131)의 유저 인터페이스(132)에서 설정한 항목은, 제어 신호(129)로서 제어부(126)에 들어간다. 그리고, 제어부(126)로부터 제어 신호(130)로서 신호 검출부(114)에 들어가 각종 파라미터의 설정이 행해진다.
실시예 1에서는, 검출 파형의 상승과 하강을 분리 처리한다. 하강 신호는 링잉 처리한 후에 고속화를 도모하고, 상승 신호와 합성한다. 이에 따라, 링잉이 없는 검출 파형을 얻을 수 있다.
실시예에서는, 신틸레이터(136)에 반사 전자(108)가 충돌할 경우에 대해서 설명했지만, 신틸레이터(136)에 이차 전자(103)가 충돌하여 광으로 변환될 경우에도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
[실시예 2]
도 3을 참조하여, 실시예 2의 하전 입자선 시스템에 대해서 설명한다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 대기중 배선(113)을 통해서 신호 검출부(114)에 전송되는 검출 신호를 프리앰프(115)의 후단에서 ADC(133)에 의해 디지털 신호로 변환하고 디지털 신호 처리에 의해, 도 1의 실시예 1의 신호 처리를 행한다. 각부(各部)의 파형은, 도 2에 나타낸 파형을 ADC(133)에서 샘플링 및 양자화한 디지털 신호이다. 그 밖의 구성에 대해서는, 실시예 1의 하전 입자선 시스템과 마찬가지이므로, 그 설명은 생략한다.
실시예 2는, 분리부(117), 링잉 제거부(121), 펄스폭 단축부(122) 및 합성부(124)의 처리를 디지털 신호 처리에 의해 실현할 수 있다. 이 때문에, 예를 들면, 도 4a에 나타내는 바와 같이, 신호 검출부(114)가 복수개 있을 경우에, 복수의 신호 검출부(114)간의 성능 불균일이나 온도 등의 환경 변화의 영향을 받지 않는 안정된 신호 처리가 가능해진다. 또한, LSI화에 의한 소형 집적화가 가능해진다.
[실시예 3]
도 4를 참조하여, 실시예 3의 하전 입자선 시스템에 대해서 설명한다.
도 4는 전자 현미경 칼럼(112) 내에 복수의 광／전기 변환 소자(106) 등의 반도체 광변환 소자를 배치했을 경우의 실시예이다. 이 경우에는, 대기중 배선(113)을 통과한 검출 신호는 신호 검출부(114a∼114d)와 같이 광／전기 변환 소자(106)의 수에 상당한 신호 검출부(114)를 구비하고, 신호 검출부(114a∼114d)의 출력 신호(150a∼150d)를 연산부(134)에서 가감 연산한다. 이 가감 연산의 결과를 검출 신호(125)로서 출력한다. 그리고, 검출 신호(125)는, ADC(133)에 입력된다.
가감 연산시의 검출부 출력 신호와 검출 신호(125)의 파형예를 도 4b의 (a), (b), (c)에 나타낸다. (b)에 나타내는 바와 같이, 가산 연산시는 검출부 출력 신호의 진폭이 커진다. 또한, (c)에 나타내는 바와 같이, 감산 연산시는 검출부 출력 신호의 진폭이 작아진다. 유저는, 컴퓨터(131)에 표시되는 계측 관찰 검사 화상(132)을 보면서, 최적의 화상이 되도록 유저 인터페이스(132)를 조작한다. 이에 따라, 컴퓨터(131)로부터의 제어 신호(129)가 제어부(126)에 들어간다. 그리고, 제어부(126)로부터의 제어 신호(130)에 의해 연산부(134)를 제어한다. 이와 같이 하여, 가산 연산과 감산 연산을 전환하는 것이 가능해진다.
또한, 전자 현미경 칼럼(112) 내에 배치된 복수의 광／전기 변환 소자(106a, 106b)는, 이득이나 지연 시간에 불균일이 있음과 함께, 온도 등의 주변 환경에 의해 이득이나 지연 시간이 변동한다. 이 불균일을 보정하기 위해, 유저 인터페이스(132)로부터의 제어 신호(129)를 제어부(126)에 넣는다. 그리고, 제어부(126)로부터의 제어 신호(130)를 신호 검출부(114a∼114d)에 넣어, 이득이나 지연 시간 등의 파라미터 설정을 행한다. 그 밖의 구성에 대해서는, 실시예 1의 하전 입자선 시스템과 마찬가지이므로, 그 설명은 생략한다.
실시예 3에 따르면, 전자 현미경 칼럼(112) 내에 복수의 광／전기 변환 소자(106)의 불균일을 조정할 수 있다. 또한, 연산부(134)에서의 연산을 유저 인터페이스(132)에 의해 조정함으로써 고화질을 얻을 수 있다.
도 5에, 하강 신호 처리부(120)를 갖지 않는 종래 방식의 시뮬레이션 결과(a)와, 하강 신호 처리부(120)를 갖는 실시예의 시뮬레이션 결과(b)를 나타낸다.
(a)의 종래 방식에서는, 검출 신호(125)의 피크 진폭이 저하하여 하강의 링잉이 잔류하고 있음을 알 수 있다. 이에 대하여, (b)의 실시예에서는, 검출 신호(125)가 고속으로 하강함과 함께, 하강의 링잉이 제거되어 있음을 알 수 있다.
112: 전자 현미경 칼럼 101: 전자총
102: 일차 전자 105: 편향기
106: 광／전기 변환 소자 107: 대물 렌즈
108: 반사 전자 109: 시료
110: 진공 내 배선 113: 대기중 배선
114: 신호 검출부 127: 신호 처리／화상 생성 블록
131: 컴퓨터 126: 제어부
117: 분리부 120: 하강 신호 처리부
124: 합성부

Claims (9)

  1. 하전 입자원으로부터 방출된 하전 입자선을 시료에 조사(照射)해서 발생하는 전자를 검출하는 검출부를 포함하는 하전 입자선 장치와, 상기 검출부의 검출 신호가 배선을 통해 입력되는 신호 검출부를 갖는 하전 입자선 시스템으로서,
    상기 신호 검출부는,
    상기 검출부의 검출 신호를, 상승 신호와 하강 신호로 분리하는 분리부와,
    적어도 상기 하강 신호의 링잉(ringing)을 제거하는 하강 신호 처리부와,
    상기 분리부에 의해 분리된 상승 신호와, 상기 하강 신호 처리부에 의해 상기 링잉이 제거된 하강 신호를 합성한 합성 신호를 생성하여 출력하는 합성부를 갖는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하강 신호 처리부는,
    상기 하강 신호의 상기 링잉을 제거하는 링잉 제거부와,
    상기 하강 신호의 펄스폭을 단축하는 펄스폭 단축부를 갖는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분리부는,
    상기 검출 신호의 상승의 에지와 피크를 검출하여, 상기 검출 신호를 상기 상승 신호와 상기 하강 신호로 분리하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 링잉 제거부는,
    상기 검출 신호가 상기 검출부와 상기 신호 검출부 사이에서 상기 배선을 통해 반사(反射)됨으로써 생긴 반사 신호가, 상기 검출 신호에 중첩되어 상기 하강 신호에 발생한 상기 링잉을 제거하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 링잉 제거부는, 하이패스 필터 또는 적분기에 의해 구성되고,
    상기 펄스폭 단축부는, 로우패스 필터 또는 미분기에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 신호 검출부는, 상기 검출부의 검출 신호를 디지털 신호로 변환하고, 변환한 상기 디지털 신호를 상기 분리부에 출력하는 A／D 변환부를 갖는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하전 입자선 장치는, 복수의 상기 검출부를 갖고,
    상기 복수의 검출부의 검출 신호는, 복수의 상기 신호 검출부에 각각 입력되고, 상기 복수의 신호 검출부의 출력 신호를 가산 연산 또는 감산 연산한 신호를 출력하는 연산부를 갖는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하전 입자선 장치의 상기 검출부는, 진공중에 배치되고,
    상기 신호 검출부는, 대기중에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하전 입자선 장치의 상기 검출부는, 상기 하전 입자선을 상기 시료에 조사해서 발생하는 전자로서, 상기 시료로부터 반사된 반사 전자를 검출하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 시스템.
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