KR20030043685A - 주사 전자 현미경과 그 유사 장치에서 빈 필터에 의해발생되는 광행차의 감소 - Google Patents

Abstract

입자 검출 목적을 위해 빈 필터가 사용되는 주사 전자 현미경 또는 그 유사 장치에서 전자 빔의 해상도를 개선시키기 위하여, 전자 빔은, 빈 필터 내에 바람직하게는 빈 필터에 대해 중심에 위치되는 교차점을 가진 포락선을 형성하도록 제어된다.

Description

주사 전자 현미경과 그 유사 장치에서 빈 필터에 의해 발생되는 광행차의 감소{Reduction of aberrations produced by Wien filter in a scanning electron microscope and the like}

본 발명은 주사 전자 현미경 또는 그 유사 장치에 의해 상을 이루는 샘플에 부딪히는 전자 빔의 해상도를 개선시키기 위한 것으로, 특히, 빔 기둥내에서 빈 필터(WIEN FILTER)를 사용함으로써 발생하는 광행차를 최소화하기 위한 것이다.

샘플(또는, 통상, 타겟으로 명명함)의 특성을 알아내기 위해 샘플로부터 방출되는 하전 입자를 검출하는 방법을 사용하는 다양한 기구들이 공지되어 있다. 이러한 기구들의 예로서 주사 전자 현미경과 포커스드(focused) 이온 빔 현미경이 있다.

본 발명의 설명을 쉽게 하기 위해, 주사 전자 현미경("SEM")에 관하여 설명할 것이다. 그러나, 본 발명은 주사 전자 현미경에만 한정되는 것은 아니며 관련 기술분야의 당업자들에 의해 하전 입자의 집광된 빔을 필요로 하는 다른 기구들 및 기계들에도 적용될 수 있음은 자명하다.

주사전자 현미경은 상을 이루는 샘플의 표면에 부딪히는 1차 또는 입사 주사 전자 빔을 발생시킴으로써 동작한다. 결과적으로, 후방산란된 2차 전자는 그 샘플 표면으로부터 방출되어 샘플의 표면 부근에 위치된 검출기에 의해 모아진다. 검출기는 샘플 표면이 전자 빔에 노출될 때 샘플 표면으로부터 모아진 전자의 방출에 따라 신호를 발생시킨다. 검출기로부터의 신호는 통상적인 방법으로 처리되어 이후에 비디오 스크린 상에 디스플레이될 표면의 상을 생성한다.

광원과 샘플 사이의 입사 빔의 경로 상에서, 입사 빔의 형태를 교정하고, 예를 들면, 정렬시키고, 집광시키며, 주사하기 위해 사용되는 여러 전자기 소자 및 정전 소자에 의해 입사 빔은 편향된다. 주사전자 현미경의 주요 구성요소의 통상적인 배치가 도 1에 개략적으로 도시된다. 광원(1)는 축(4)에 대해 펼쳐진 포락선(3 ;envelope)으로 도시되어 있는 전자 빔(2)을 발생시키며, 샘플(5)을 향해 위치된다. 빔(2)은 건 콘덴서 렌즈(7; gun condenser lens), 빔 얼라이너(9; beam ali gner), 구경(11) 및 대물 렌즈(13)에 의해 제어된다. 빈 필터(15)는 타겟(5)으로부터 방출된 하전 입자를 검출기(17)로 편향시키도록 구경(11)과 대물 렌즈(13) 사이에 위치될 수 있으며, 검출기(17)는 구경(11)과 빈 필터(15) 사이에 위치될 수 있다. 이러한 구성요소들의 기능은 잘 알려져 있다. 주사전자 현미경은, 빔을 제어하고, 본 발명의 설명을 지나치게 길고 복잡하게 하지 않기 위해 본 명세서에서 설명하지 않은 다른 필수 기능들을 수행하는 많은 다른 잘 알려진 구성요소들을 포함한다. 주사 전자 현미경이 본 명세서에서 설명된 구성요소들 중 하나 이상을 포함할 수 있다는 것은 자명하다. 또한, 이러한 여러 구성요소들의 위치들은, 정확성보다 예시적인 목적으로 제공되는 도 1 에 도시된 것과 같을 필요는 없다.

도 1 에 도시된 빔의 포락선(3)은 일반적인 포락선이다. 교차점(19)은 건 콘덴서 렌즈(7)에 의해 제어된다.("교차"라는 용어는 여기서 포락선(3)이 최소 직경으로 줄어드는 지점으로서 대다수의 전자들이 축(4)과 교차하는 지점을 나타내기 위해 사용됨) 교차점(19)의 수직 위치는 샘플(5)을 향한 하향 방향의 임의의 지점으로 설정될 수 있다. 그러나, 통상, 이는 도 1 에 도시된 바와 같이 일반적으로 나타난다. 강력한 대물 렌즈(13)에 의해 빔 포락선이 샘플(5)에 초점이 모일 때까지 빔 포락선은 교차점(19)으로부터 펼쳐진다는 것은 자명하다.

미국 특허 제 4,658,136 호에 개시된 바와 같이, 편향 때문에 검출기로 향하는 축상(on-axis) 및 축부근(near-on-axis) 2차 전자를 검출하는 것이 어려운 주사 전자 현미경에서 빈 필터가 효과적으로 사용될 수 있다는 것은 알려져 있다. 간단히 말하면, 빈 필터는 전기장 형성을 위한 전극과 자기장 형성을 위한 자극을 사용한다. 이들 전기장과 자기장은 입사 빔이 편향되지 않도록 입사 빔내의 전자에 반대 방향의 동일한 힘을 가한다. 그러나, 이동 방향이 반대이기 때문에, 2차 전자는 전기장력과 동일한 방향의 자기장력에 의해 영향을 받으며, 그에 따라 2차 전자는 편향된다. 그러나, 실제로, 빈 필터는 뮤락(Murack) 등에 의한 제이. 박. 사이언스 테크놀로지. 비(J.Vac.Sci. Technol. B.)의 17권 No.7에 공지되어 있는 바와 같이 "1차 빔에 발생되는 광행차로 인한 해상도 저하(degrade the resolution due to the aberrations which are caused to the primary beam)" 때문에 주사전자 현미경에서 상기 목적을 위해 광범위하게 사용되지 않았다.

도 1 은 방출된 입자들을 검출기(17)로 편향시키기 위해 빔 기둥내의 적당한 상대적 위치에 위치된 빈 필터를 도시한다. 입자들이 도 1에 도시된 바와 같은 형태의 포락선(3)을 이루어 빈 필터(15)를 통과할 때, 입사 빔 해상도는 2가지 요인에 의해 반대의 영향을 받는다. 첫번째로, 전기장과 자기장은 축(4)으로부터 균일하게 분포하지 않는다. 결과적으로, 포락선(3)내의 축외측(off-axis) 전자들은 더 큰 스폿 크기를 형성하며 발생하는 광행차의 영향을 받으며, 따라서 해상도가 낮아진다. 두번째로, 도시된 형태의 빔 포락선(3)을 이루는 비교적 실질적인 각으로 빈 필터(15)를 통과하는 전자들은 전기장의 방향이 아니라 자기장에 의한 편향을 발생시키는 횡측 속도 성분을 가지므로, 그것에 의해 취소될 수 없으며, 또한 불리하게도 이는 스폿 크기를 증가시키고 해상도를 감소시키는 작용을 한다. 대물 렌즈(13)가 상당히 강하더라도, 도 1 에 도시된 종래의 시스템에서는 빈 필터(15)에 의해 발생되는 광행차를 보상할 수 없다.

본 발명의 목적은 방출된 입자들을 쉽게 검출하기 위해 빈 필터가 사용되는 경우 상을 이루는 샘플에 부딪히는 전자빔의 해상도를 개선시키는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 빈 필터를 사용하는 주사전자 현미경 또는 그 유사 장치에 개선된 해상도를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 주사전자 현미경 또는 그 유사 장치에서 빈 필터에 의해 발생되는 광행차를 최소화하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 사용되는 기구의 검출 특성을 개선시키기 위해 입자 빔 포락선내에 교차점을 위치시키는 것이다.

상기 목적들 및 이후에 나타날 다른 목적들을 성취하기 위한 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 첨부된 청구항에서 규정되고 본 명세서에서 설명되는, 빈 필터를 포함하는 빔 편향 시스템의 구성에 관한 것이다.

도 1은 빈 필터를 사용하는 종래 기술의 통상적인 주사 전자 현미경 시스템을 개략적으로 도시한다.

도 2는 본 발명에 따라 개선된 빈 필터를 포함하는 주사 전자 현미경 시스템을 개략적으로 도시한다.

본 발명의 일 양상에 따르면, 상기 및 다른 목적들은 하전 입자의 집광된 빔을 사용하는 장치에 의해 성취된다. 하전 입자의 빔이 생성되어 타겟으로 향한다. 이 빔은 적어도 하나의 교차점을 가진 소정 형상의 포락선을 형성하도록 제어된다. 이 빔이 통과하여 지나가도록 빈 필터와 같은 필터 장치가 제공된다. 이 빔은 필터 장치 내에 교차점을 위치시키도록 제어된다.

본 발명의 또다른 양상은, 타겟과 입자 소오스를 포함하며, 하전 입자 빔을 소오스로부터 타겟까지 이동시켜 빔 포락선을 형성하는, 하전 입자의 집광된 빔을 사용하는 장치에 관한 것이다. 빔이 통과하여 지나가는 빈 필터가 제공되고, 빔이 통과하여 지나가는 대물 렌즈가 빈 필터와 타겟 사이에 위치된다. 빔이 통과하여 지나가는 적어도 하나의 편향기는 입자 소오스와 빈 필터 사이에 위치하며, 이는 빈 필터내에서 빔 교차점을 포락선 내에 발생시키는 데에 효과적이다.

본 발명의 또다른 양상은, 하전 입자의 집광된 빔을 사용하여 타겟의 상을 형성하는 방법에 관한 것이다. 하전 입자의 빔이 발생되어 타겟으로 향한다. 빔이 통과하여 지나가도록 필터가 제공된다. 이 빔은 적어도 하나의 교차점을 가진 소정 형상의 포락선을 형성하도록 제어되고, 교차점은 필터내에 위치된다.

상기 설명된 타입의 시스템에서 빈 필터에 의해 발생되는 해상도 문제는, 방출된 빔이 광원(1)로부터 샘플(5)을 향해 지나갈 때 방출된 빔의 포락선이 빈 필터 내에, 바람직하게는 빈 필터 내의 중심에 교차점을 갖도록 함으로써 현저하게 개선될 수 있다는 것을 설명했다. 이 때, 빈 필터에 의해 발생되는 광행차는 약해지므로 대물 렌즈(13)의 강도로서 이 광행차를 실질적으로 보상할 수 있다. 부가적인 빔-포커싱 수단을 추가하고 이 수단에 적당한 전압을 가함으로써, 크게 개선된 시스템 해상도가 얻어진다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 중간 렌즈(21)가 도 1의 시스템에 추가된다. 중간 렌즈(21)는 바람직하게는 정전기 렌즈이고 이러한 중간 렌즈의 장(field)이 검출기(17) 영역내에 장과는 쉽게 절연되기 때문에 검출기(17)가 렌즈(21) 가까이에 있더라도, 방출된 전자의 분산이 방지된다. 그러나, 이러한 자기 렌즈와 검출기 (17) 사이에 더 넓은 분리영역이 필요하더라도, 더 높은 해상도가 요구될 때 자기 렌즈가 렌즈(21)로 사용될 수 있다.

건 콘덴서 렌즈(7); 와 중간 렌즈(21)에 전압이 가해지고, 구경(11)이 렌즈(7)와 렌즈(21) 사이에 위치되면, 빔 포락선(3A)은 도 1 에 도시된 형태와는 다른 형태(일반적으로, 편향기에 의해 편향된 것으로 언급됨), 즉, 구경(11) 부근에 교차점(19A)이 위치되고 빈 필터(15)의 수직 경계내에 부가적인 교차점(19B)이 위치되는 형태를 취하게 된다. 교차점(19B)은 바람직하게는 축(4) 상에 위치되며 입사 빔이 빈 필터(15)를 통해 횡단되는 통로의 상단과 하단 사이의 중도에 반드시 위치된다. 대안적으로, 교차점(19B)은 빈 필터의 하부 절반부내에서 축(4) 상에 위치되며, 중도 지점에 가능한 가깝게 위치되어야 한다.

빈 필터(15) 내에 교차점(19B)을 생성시키기 위해 렌즈(21)를 사용하는 것은 전자 빔 포락선을 축(4)에 가깝게 유지하는 것의 효과를 모두 포함하고, 그 자체로 광행차를 최소화한다는 것이 밝혀졌다.

빈 필터(15)의 중간에 교차점(19B)을 위치시키는 본 발명의 시스템에는 또다른 현저한 이점이 있다. 빈 필터는 반드시 한 세트의 편향기이기 때문에, 축 으로 유입하는 빔의 편향이 필터의 중심에서 발생하게 된다. 이상적인 경우, 빈 필터(15)내의 교차점(19B)은 최종 상(image)의 실제 대상물, 즉, 1차 빔에 의해 형성된 샘플상의 스폿(SPOT)이다. 결과적으로, 빈 필터는 샘플상의 최종 상의 위치를 이동시키지 않고, 대물 렌즈를 통과하는 빔의 경로를 최적화하고, 강도를 최대화하며, 광행차를 최소화하도록 조정될 수 있다.

빈 필터내에 교차점(19B)을 생성하면 빈 필터 하부에 다소의 빔 분산이 발생한다는 것은 알려져 있다. 그러나, 빔 기둥 내의 가장 강력한 렌즈인 대물 렌즈(13)는 빔을 재집광시키고 요구되는 해상도를 제공할 수 있을 정도로 강하다.

도 1 및 2 에 도시된 소자들은 도식적으로 나타내기 위한 것 만은 아니지만 비율에 따라 도시된 것이 아니며, 주사전자 현미경의 모든 소자들을 도시한 것은아니지만 본 발명에 실제로 관련된 소자들만을 도시한 것으로, 주사전자 현미경 관련 기술의 당업자들이 개시된 소자들의 렌즈, 편향 및 구경 기능들을 발생시키기 위한 특정한 구조적 배열과 전기적 수단들을 결정하고 설계할 수 있다는 것은 자명할 것이다. 사실상, 상기 제공된 본 발명의 설명에는 도시된 빈 필터에 부가적으로 단지 3개의 편향기 또는 렌즈들(7,9 및 13)만을 언급하였지만, 도면들에 도시된 것보다 적거나 많은 개수의 편향기 또는 도면에 도시된 것과 다른 위치에 위치한 편향기에 의해 적당한 빔 편향이 얻어질 수도 있다. 빈 필터(15)내의 교차점(19B)의 위치가 시스템 해상도를 바람직하게 개선시키며, 관련 기술분야의 당업자들은 이 교차점을 생성하고 위치시키는 다양한 방법들을 알고 있다.

본 발명의 단지 하나의 실시예만이 상기에 설명되었지만, 관련 기술분야의 당업자들에 의해 그의 변경이 쉽게 행해질 수 있음은 자명하다. 그러한 모든 변경들은 하기의 청구항에 규정된 본 발명의 범위내에 있어야 한다.

전술한 바와 같은 구성에 의해 본 발명은 방출된 입자들을 쉽게 검출하기 위해 빈 필터가 사용될 때 상을 이루는 샘플에 부딪히는 전자빔의 해상도가 개선되는 효과가 있다.

게다가, 빈 필터를 사용하는 주사전자 현미경 또는 그 유사 장치는 해상도가 많이 개선되는 효과가 발생한다.

뿐만아니라, 발명은 주사전자 현미경 또는 그 유사 장치에서 빈 필터에 의해 발생되는 광행차를 최소화할 수 있다.

본 발명은 입자 빔 포락선내에 교차점을 위치되어 기구의 검출 특성이 보다 개선된 증진된 효과가 있다.

Claims (34)

1. 하전 입자의 집광된 빔을 사용하는 장치에 있어서,

   타겟을 향하여 하전 입자의 빔을 발생시키는 수단과;

   적어도 하나의 교차점을 가진 소정 형태의 포락선을 형성하기 위해 상기 빔을 제어하는 수단; 및

   상기 빔이 통과하여 지나가는 필터 수단 을 포함하여

   상기 빔을 제어하기 위한 상기 수단은 상기 교차점을 상기 필터 수단내에 위치시키는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 필터 수단은 빈 필터인 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 빔은 축을 가지며, 상기 제어 수단은 상기 교차점을 실질적으로 상기 빔 축 상에 위치시키는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 필터 수단은 상기 빔 축과 실질적으로 일렬로 된 축을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 빔은 축을 가지며, 상기 빔은 소정의 축방향 거리의 상부로 상기 필터 수단을 통과하여 지나가고, 상기 제어 수단은 상기 교차점을 상기 축방향 거리의 수직 하부 절반부내에 위치시키는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 필터 수단은 상기 빔 축과 실질적으로 일렬로 된 축을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제 2 항에 있어서, 상기 빔은 축을 가지며, 상기 빔은 소정의 축방향 거리의 상부로 상기 필터 수단을 통과하여 지나가고, 상기 제어 수단은 상기 축방향 거리의 중간 지점 부근에 상기 교차점을 위치시키는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 필터 수단은 상기 빔 축과 실질적으로 일렬로 된 축을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제 2 항에 있어서, 상기 빔은 축을 가지며, 상기 빔은 소정의 축방향 거리의 상부로 상기 필터 수단을 통과하여 지나가고, 상기 제어 수단은 상기 축 상과 상기 축방향 거리의 상기 중간 지점 부근에 실질적으로 상기 교차점을 위치시키는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 필터 수단은 상기 빔 축과 실질적으로 일렬로 된 축을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 빔 발생 수단과 상기 필터 수단 사이에 제 2 교차점을 갖도록 상기 빔 포락선을 제어하는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 빔은 축을 가지며, 상기 제 2 교차점은 실질적으로 상기 빔 축 상에 있는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 하전 입자의 집광된 빔을 사용하는 장치에 있어서,

    타겟과;

    상기 입자의 빔을 상기 타겟으로 향하게 하여 빔 포락선을 형성하는 입자 소오스와;

    상기 빔이 통과하여 지나가는 빈 필터와;

    상기 빔이 통과하여 지나가며, 상기 빈 필터와 상기 타겟 사이에 위치된 대물 렌즈와;

    상기 빔이 통과하여 지나가는 상기 빈 필터와 상기 입자 소오스 사이에 위치하며, 상기 빈 필터 내에서 빔 교차점을 상기 포락선내에 발생시키는 데에 효과적인 적어도 하나의 편향기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 편향기는 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 빔은 축을 가지며, 상기 편향기는 상기 교차점을 상기 빔 축 상에 실질적으로 위치시키는 것을 특징으로 하는 장치.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 빈 필터는 상기 빔 축과 실질적으로 일렬로 된 축을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
17. 제 14 항에 있어서, 상기 빔은 축을 가지며, 상기 빔은 소정의 축방향 거리의 상부로 상기 빈 필터를 통과하여 지나가고, 상기 편향기는 상기 축방향 거리의 수직 하부 절반부 내에 상기 교차점을 위치시키는 것을 특징으로 하는 장치.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 빈 필터는 상기 빔 축과 실질적으로 일렬로 된 축을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
19. 제 14 항에 있어서, 상기 빔은 축을 가지며, 상기 빔은 소정의 축방향 거리의 상부로 상기 빈 필터를 통과하여 지나가고, 상기 편향기는 상기 축방향 거리의 중간 지점 부근에 상기 교차점을 위치시키는 것을 특징으로 하는 장치.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 빈 필터는 상기 빔 축과 실질적으로 일렬로 된 축을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
21. 제 14 항에 있어서, 상기 빔은 축을 가지며, 상기 빔이 소정의 축방향 거리의 상부로 상기 빈 필터를 통과하여 지나가고, 상기 편향기는 상기 축 상과 상기 축방향 거리의 상기 중간 지점 부근에 실질적으로 상기 교차점을 위치시키는 것을 특징으로 하는 장치.
22. 제 21 항에 있어서, 상기 빈 필터는 상기 빔 축과 실질적으로 일렬로 된 축을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
23. 제 13 항에 있어서, 상기 편향기는 상기 입자 소오스와 상기 빈 필터 사이에 제 2 교차점을 갖도록 상기 빔 포락선을 제어하는 것을 특징으로 하는 장치.
24. 제 23 항에 있어서, 상기 빔은 축을 가지며, 상기 제 2 교차점은 실질적으로 상기 빔 축 상에 있는 것을 특징으로 하는 장치.
25. 제 13 항에 있어서, 상기 빔이 통과하여 지나가는 구경을 더 포함하며, 상기 포락선은 상기 구경 부근에 교차점을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
26. 하전 입자의 집광된 빔을 사용하는 타겟의 상을 형성하기 위한 방법에 있어서,

    빔 발생 수단을 이용하여 하전 입자의 빔을 발생시키는 단계와;

    상기 빔을 상기 타겟으로 향하게 하는 단계와;

    상기 빔이 통과하여 지나가는 필터를 제공하는 단계와;

    적어도 하나의 교차점을 가진 소정 형태의 포락선을 형성하도록 상기 빔을 제어하는 단계; 및

    상기 교차점을 상기 필터 내에 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
27. 제 26 항에 있어서, 상기 빔은 축을 가지며, 상기 필터는 상기 빔 축과 실질적으로 일렬로 된 축을 가진 빈 필터인 것을 특징으로 하는 방법.
28. 제 27 항에 있어서, 상기 교차점은 실질적으로 상기 빔 축 상에 위치되는 것을 특징으로 하는 방법.
29. 제 26 항에 있어서, 상기 빔은 소정의 축방향 거리의 상부로 상기 필터를 통과하여 지나가고, 상기 교차점은 상기 축방향 거리의 수직 하부 절반부 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 방법.
30. 제 26 항에 있어서, 상기 빔은 소정의 축방향 거리의 상부로 상기 필터를 통과하여 지나가며, 상기 교차점은 상기 축방향 거리의 중간 지점 부근에 위치되는것을 특징으로 하는 방법.
31. 제 26 항에 있어서, 상기 빔은 소정의 축방향 거리의 상부로 상기 필터를 통과하여 지나가며, 상기 교차점은 상기 축 상과 상기 축방향 거리의 상기 중간 지점 부근에 실질적으로 위치되는 것을 특징으로 하는 방법.
32. 제 25 항에 있어서, 상기 빔 포락선은 상기 빔 발생 수단과 상기 필터 사이에 제 2 교차점을 갖도록 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
33. 제 32 항에 있어서, 상기 빔은 축을 가지며, 상기 제 2 교차점은 실질적으로 상기 빔 축상에 위치되는 것을 특징으로 하는 방법.
34. 제 32 항에 있어서, 상기 빔이 통과하여 지나가는 구경을 제공하는 단계를 더 포함하며, 상기 제 2 교차점은 상기 구경 부근에 위치되는 것을 특징으로 하는 방법.