KR20120019606A - 디더신호생성모듈을 이용한 ｓｅｍ 이미지노이즈 제거장치 및 방법 - Google Patents

디더신호생성모듈을 이용한 ｓｅｍ 이미지노이즈 제거장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기존의 주사 전자 현미경(SEM:Scanning Electron Microscope)이 촬영 후, 출력되는 SEM 이미지가 AD컨버터를 통해 아날로그신호에서 디지털신호로 변환되는 과정에서 불특정한 잡음으로 인해 에러가 발생되어 SEM 이미지가 선명하지 않게 표출되기 때문에 SEM 이미지 판독이 어려운 문제점을 개선하고자, 이차전자 검출기 (SED; secondary electron detector)(10), AD 컨버터부(20), SEM 이미지 제어부(30)에 포토멀티플리어(PMT : photomultiplier)신호발생부(40), 디더신호생성모듈(50)이 포함되어 구성됨으로서, 디더 신호를 통해 ADC의 인코더 전달함수의 차동 비선형성으로 인한 왜곡과 양자화 왜곡을 줄임으로써 스퓨리어스 프리 동적 범위를 향상시킬 수 있고, 이로 인해 ADC과정에서 발생하는 백색 잡음을 최소화시킬 수 있는 디더신호생성모듈을 이용한 SEM 이미지노이즈 제거장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

디더신호생성모듈을 이용한 ＳＥＭ 이미지노이즈 제거장치 및 방법{THE APPARATUS AND METHOD OF USING A DITHER ABOUT HOW TO IMPROVE THE IMAGE OF SEM}
본 발명은 금속, 세라믹, 반도체, 고분자 합성체 등의 재료분야, 의학 등의 생체시료 조직 관찰에 주로 사용되는 주사 전자 현미경(SEM:Scanning Electron Microscope) 이미지 노이즈 제거를 위한 디더신호생성모듈을 이용한 SEM의 이미지노이즈 제거장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 장치를 제조하는 데 요구되는 분석, 예컨대, 시료의 표면을 분석하는 데 주사 전자 현미경(SEM:Scanning Electron Microscope)이 이용되고 있다.
예를 들어, 시료 표면에 형성된 패턴의 CD(Critical Dimension) 등을 측정하기 위해서, 시료 표면의 SEM 화상을 얻어 이러한 SEM 화상에 나타난 패턴의 CD를 측정하는 방법이 이용되고 있다.
SEM 장치는 전차총에 고전압을 인가하여 전자빔을 방출하고, 그 전자빔은 여러 개의 렌즈를 통과하면서 접속되어 매우 작은 프로브가 된다.
이때 프로브는 대물렌즈 내의 편향코일에 의하여 시편 표면의 일정 면 부위에 주사된다.
전자빔이 가지는 고유의 자기장과 편향코일이 가지는 자기장이 서로 평행하여 미는 힘과 당기는 힘을 유도하게 되어 전자빔이 서로의 자기장에 의해서 어느 정도의 일정범위로 편향되어 주사영역을 보여주게 된다.
여기서, 주사영역의 범위는 전류나 전압에 의해 결정되는데, 전류 전압의 세기가 클수록 자기장, 전기장에 미치는 범위가 넓어져 넓은 영역을 주사하게 된다.
전자빔이 시편 표면을 조사하면, 시편 표면에서는 높낮이 정보를 갖는 미세한 전자 신호를 내보내게 되고, 이 신호를 검출기로 검출하고 증폭하여 모니터 상에 동기로 주사하면 표면의 높낮이를 나타내는 SEM 이미지가 만들어지게 된다.
종래 기술로, 국내공개특허공보 제10-2002-0032283호에서는 챔버, 상기 챔버 내에 도입되고 1자 전자 빔을 발생시켜 상기 챔버 내에 장착되는 시료의 표면을 가로질러 상기 빔을 스캔하는 전자빔부, 상기 챔버 내에 도입되고 상기 시료로부터 방출되는 2차 전자들을 검출하여 상기 2차 전자들이 방출되는 시표의 표면을 대표하는 신호를 발생하는 2차 전자 검출부, 및 상기 2차 전자 검출부에 연결되어 상기 신호를 화상으로 변화시키는 처리부를 포함하는 화상 촬영부; 및 상기 화상 촬영부에 연결되고 전기적 전하를 발생시켜 상기 시료의 표면에 제공하는 작용을 하는 전하 발생부를 포함하는 주사 전자 현미경 화상을 얻는 방법 및 이에 이용되는 주사 전자 현미경 장치가 제시된 바 있으나,
이는 SEM 촬영 후, 출력되는 SEM 이미지가 AD컨버터를 통해 아날로그신호에서 디지털신호로 변환되는 과정에서 불특정한 잡음으로 인해 에러가 발생되어 SEM 이미지가 선명하지 않게 표출되기 때문에 SEM 이미지 판독이 어려운 문제점이 있었다.
국내공개특허공보 제10-2002-0032283호
상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 디더 신호를 통해 ADC의 인코더 전달함수의 차동 비선형성으로 인한 왜곡과 양자화 왜곡을 줄임으로써 스퓨리어스 프리 동적 범위를 향상시킬 수 있고, 이로 인해 ADC과정에서 발생하는 백색 잡음을 최소화시킬 수 있는 디더신호생성모듈을 이용한 SEM 이미지노이즈 제거장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 디더신호생성모듈을 이용한 SEM 이미지노이즈 제거장치는
SEM의 시료 표면으로부터 방사되는 2차 전자(secondary electron) 신호를 검출하는 이차전자 검출기 (SED; secondary electron detector)(10)와,
2차 전자신호 검출부로부터 출력된 2차 전자(secondary electron) 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜 SEM 이미지 제어부로 전송시키는 AD 컨버터부(20)와,
AD 컨버터로부터 출력된 2차 전자(secondary electron) 디지털 신호를 시료 표면의 SEM 이미지로 변환시키고, SEM 이미지의 해상도와 SEM 이미지획득 시간에 따른 스캔 파형의 주파수를 설정하여 PC 모니터상에 출력시키는 SEM 이미지 제어부(30)로 구성된 SEM 이미지노이즈 제거장치에 있어서,
상기 SEM 이미지노이즈 제거장치는 AD 컨버터부(20) 입력단 일측에 연결되어 시료 표면으로부터 방사되는 2차 전자(secondary electron) 신호를 증폭시킨 PMT_OUT 신호를 입력시키는 포토멀티플리어(PMT : photomultiplier)신호발생부(40)와,
AD 컨버터부(20) 입력단 타측에 연결되어 PMT_OUT 신호 내의 불특정한 잡음(quantization distortion)을 안정시켜 주는 디더(Dither) 신호를 입력시키는 디더신호생성모듈(50)이 포함되어 구성됨으로서 달성된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 디더 신호를 통해 ADC의 인코더 전달함수의 차동 비선형성으로 인한 왜곡과 양자화 왜곡을 줄임으로써 스퓨리어스 프리 동적 범위를 향상시킬 수 있고, 이로 인해 ADC과정에서 발생하는 백색 잡음을 최소화시킬 수 있어, 기존에 비해 90%이상의 SEM 이미지를 향상시킬 수 있는 좋은 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 디더신호생성모듈을 이용한 SEM 이미지노이즈 제거장치의 구성요소를 도시한 블럭도,
본 발명에서는 필라멘트에서 방출된 전자 빔을 자기장을 이용한 렌즈들로 집속을 하게 된다.
집속된 전자 빔을 이용하여 시료에 주사를 하게 되며 시료에서 나오는 이차전자를 SED 를 이용하여 포집을 하며 PMT와 AD 컨버터에 의하여 영상을 획득하게 된다.
영상을 획득하는 과정에서 여러 노이즈들이 실리게 된다.
노이즈의 원인으로는 크게 코일에 의해 발생하는 노이즈, ADC과정에서 발생하는 노이즈, 고압에 의한 노이즈, 진동에 의한 노이즈로 구분 할 수가 있다.
이 노이즈들 중 코일에 의한 노이즈와 ADC과정에서 발생하는 노이즈를 최소화 하는 방안으로 디더를 이용하여 영상의 질을 개선하였다.
일예로, 포집된 이차전자를 PMT를 거쳐 증폭을 한 후에 ADC를 하게 되는데 이 과정에서 왜곡이 발생하게 되며 백색 잡음으로 나타나게 된다.
백색잡음을 최소화 시키기 방법으로는 디지털 필터, 영상 처리, 고속 ADC제품으로 교체 등의 방법이 있다.
하지만 위의 방법은 SEM 장비의 가격이 올라가는 문제와 시료의 영상을 확인 하는 시간이 증가하는 문제점을 발생시킨다.
위의 문제점을 발생시키지 않으면서 백색 잡음을 최소화 하기 위하여 디더를 사용한다. PMT와 ADC 사이의 아날로그 입력 회로에 의도적으로 디더 신호를 인가한다.
디더 신호로 인하여 ADC의 인코더 전달함수의 차동 비선형성으로 인한 왜곡과 양자화 왜곡을 줄임으로써 스퓨리어스 프리 동적 범위가 향상 되며 ADC과정에서 발생하는 백색 잡음을 최소화시킬 수가 있다.
또한, 본 발명에서는 잡음 디더 신호의 진폭을 사용하고 있는 AD 컨버터의 최소 분해능의 2/3인 20mV로 인가한다.
그에 따라 노이즈의 양이 -22.4776dBm 에서 -24.5848dBm으로 줄어들었다.
결과적으로 영상에서 시료의 에찌가 이전보다 선명해지고 백색 잡음이 최소화 되어 이미지 개선이 되는 특성을 가진다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 디더신호생성모듈을 이용한 SEM 이미지노이즈 제거장치의 구성요소를 도시한 블럭도에 관한 것으로, 이는 이차전자 검출기 (SED; secondary electron detector)(10), AD 컨버터부(20), SEM 이미지 제어부(30)에 포토멀티플리어(PMT : photomultiplier)신호발생부(40), 디더신호생성모듈(50)로 구성된다.
먼저, 본 발명에 따른 이차전자 검출기 (SED; secondary electron detector)(10)에 관해 설명한다.
상기 이차전자 검출기 (SED; secondary electron detector)(10)는 SEM의 시료 표면으로부터 방사되는 2차 전자(secondary electron) 신호를 검출하는 것으로,
이는 이차전자가 형광물질이 도포된 쉰틸레이터(scintillator)에 충돌하면 이차전자가 형광물질을 자극하여 빛을 방출하고, 이 빛은 루사이트(lucite)나 쿼트즈(quartz)로 구성된 라이트가이드(light guide)를 따라서 이동한 뒤 PMT(photomultiplier)의 끝에 위치한 포토캐소드(photocathode)에 충돌하게 된다.
상기 포토캐소드(Photocathode)는 빛이 충돌하면 전자를 방출하는 물질로 코팅(coating)이 되어 있으므로, 여기에서 나온 광전자들(photoelectrons)이 전자들의 개수를 비례적으로 증가시키는 포토멀티플리어(photomultiplier)에 들어간다.
이때, 포토멀티플리어(Photomultiplier)에 의해서 발생된 약한 전압은 SEM의 1차 증폭기(preamplifier)와 2차증폭기(amplifier)에서 증폭되는 과정을 거친다.
그리고, 이때 획득된 전기신호(아날로그 신호)는 디지털로 변환된 후 영상처리 과정을 거치게 된다.
가속된 전자빔은 시료 표면에서 1~5 ㎛ 깊이까지 침투하여 상호작용을 유발하며, 그 중 이차전자는 표면 부위에서 많이 방출되므로 표면의 형상을 잘 반영해준다.
이차전자는 결국 광전자라는 매개체를 거치게 되므로 방출량이 많을 경우 밝게, 그렇지 않을 경우 어둡게 나타나므로 모니터 화면에 명암의 이미지를 보여주게 된다.
이로 인해, 소스(필라멘트)에 걸어주는 가속전압을 높이면 전자빔이 침투하는 깊이가 증가하므로 contrast가 감소하지만 시편의 모든 형상(topology)으로부터 이차전자들이 방출될 확률을 증가시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 AD 컨버터부(20)에 관해 설명한다.
상기 AD 컨버터부(20)는 2차 전자신호 검출부로부터 출력된 2차 전자(secondary electron) 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜 SEM 이미지 제어부로 전송시키는 것으로, 이는 입력단자 일측에 포토멀티플리어(PMT : photomultiplier)신호발생부(40)로부터 생성된 PMT_OUT 신호가 입력되고, 입력단자 타측에 디더신호생성모듈(50)로부터 생성된 디더(Dither) 신호가 입력된다.
다음으로, 본 발명에 따른 SEM 이미지 제어부(30)에 관해 설명한다.
상기 SEM 이미지 제어부(30)는 AD 컨버터로부터 출력된 2차 전자(secondary electron) 디지털 신호를 시료 표면의 SEM 이미지로 변환시키고, SEM 이미지의 해상도와 SEM 이미지획득 시간에 따른 스캔 파형의 주파수를 설정하여 PC 모니터상에 출력시키는 역할을 한다.
이는 스캔파형 주파수 설정부(31), 스캔파형 곡선화 설정부(32)로 구성된다.
상기 스캔파형 주파수 설정부(31)는 SEM 이미지의 해상도와 SEM 이미지 획득 시간을 통해 스캔파형의 주파수를 설정하는 역할을 한다.
즉, SEM 이미지의 해상도와 아날로그 입력 신호의 디지털 변환을 위한 샘플링 시간을 고려하여 X방향 스캔파형의 주파수가 결정된다. Y방향의 스캔 주파수는 초당 SEM 이미지의 갱신 시간과 같다고 설정한다.
상기 스캔파형 곡선화 설정부(32)는 스캔 신호에서 왜곡이 가장 심한 부분인 하강 후 파형의 상승이 시작되는 지점에서 왜곡을 최소화하기 위해 극점 구간을 곡선화시키는 것으로, 이는 B-Spline 곡선생성알고리즘이 구성된다.
상기 B-Spline 곡선생성알고리즘은 첫 번째 조정점(control point)과 마지막 조정점을 통과하는 성질을 이용해 다음의 수학식 1과 같이 -t0부터 tn +k까지 (n+k+1)개의 나트 값(knot value : ti)을 설정한다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
여기서, ti는 나트값(knot value)이고, k는 B-Spline's 차수를 나타낸 것이다.
다음으로, 본 발명에 따른 포토멀티플리어(PMT : photomultiplier)신호발생부(40)에 관해 설명한다.
상기 포토멀티플리어(PMT : photomultiplier)신호발생부(40)는 AD 컨버터부(20) 입력단 일측에 연결되어 시료 표면으로부터 방사되는 2차 전자(secondary electron) 신호를 증폭시킨 PMT_OUT 신호를 입력시키는 역할을 한다.
다음으로, 본 발명에 따른 디더신호생성모듈(50)에 관해 설명한다.
상기 디더신호생성모듈(50)는 AD 컨버터부(20) 입력단 타측에 연결되어 AD 과정에서 발생하는 불특정한 잡음(quantization distortion)을 안정시켜 주는 디더(Dither) 신호를 입력시키는 역할을 한다.
이는 도 에서 도시한 바와 같이, 센싱저항 R1과 캐패시터 C101, C102를 통해 설정된 기준전압이 OP앰프의 (+)입력단자에 가하고, 전류검출저항 R5에서 검출된 전압을 JFET Q1과 캐패시터 C103을 통해 OP앰프의 (-)입력단자에 가하여 얻은 비교설정치 출력값을 디더(Dither) 신호로 생성시키도록 구성된다.
이하, 본 발명에 따른 디더신호생성모듈을 이용한 구체적인 SEM 이미지노이즈 제거방법에 관해 설명한다.
먼저, 전자빔을 방출시킨다.
이어서, 자기장을 이용한 렌즈에 의해 시료 표면을 주사시킨다.
이어서, SED를 통해 2차 전자를 포집한다.
이어서, 포토멀티플리어(PMT : photomultiplier)신호발생부(40)에서 시료 표면으로부터 방사되는 2차 전자(secondary electron) 신호를 증폭시킨 PMT_OUT 신호를 AD 컨버터부(20) 입력단 일측에 입력시킨다.
이어서, 디더신호생성모듈(50)에서 AD 컨버팅 과정에 생성되는 불특정한 잡음(quantization distortion)을 안정시켜 주는 디더(Dither) 신호를 AD 컨버터부(20) 입력단 타측에 입력시킨다.
이어서, AD 컨버터부(20)에서 2차 전자신호 검출부로부터 출력된 2차 전자(secondary electron) 아날로그 신호를 디더(Dither) 신호를 통해 불특정한 잡음(quantization distortion)을 제거한 상태에서 디지털 신호로 변환시켜 SEM 이미지 제어부로 전송시킨다.
끝으로, SEM 이미지 제어부(30)에서 AD 컨버터로부터 출력된 2차 전자(secondary electron) 디지털 신호를 시료 표면의 SEM 이미지로 변환시키고, SEM 이미지의 해상도와 SEM 이미지획득 시간에 따른 스캔 파형의 주파수를 설정하여 PC 모니터상에 출력시킨다.
10 : 이차전자 검출기 20 : AD 컨버터부
30 : SEM 이미지 제어부 31 : 스캔파형 주파수 설정부
32 : 스캔파형 곡선화 설정부 40 : 포토멀티플리어
50 : 디더신호생성모듈

Claims (4)

  1. SEM의 시료 표면으로부터 방사되는 2차 전자(secondary electron) 신호를 검출하는 이차전자 검출기 (SED; secondary electron detector)(10)와, 2차 전자신호 검출부로부터 출력된 2차 전자(secondary electron) 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜 SEM 이미지 제어부로 전송시키는 AD 컨버터부(20)와, AD 컨버터로부터 출력된 2차 전자(secondary electron) 디지털 신호를 시료 표면의 SEM 이미지로 변환시키고, SEM 이미지의 해상도와 SEM 이미지획득 시간에 따른 스캔 파형의 주파수를 설정하여 PC 모니터상에 출력시키는 SEM 이미지 제어부(30)로 구성된 SEM 이미지노이즈 제거장치에 있어서,
    상기 SEM 이미지노이즈 제거장치는 AD 컨버터부(20) 입력단 일측에 연결되어 시료 표면으로부터 방사되는 2차 전자(secondary electron) 신호를 증폭시킨 PMT_OUT 신호를 입력시키는 포토멀티플리어(PMT : photomultiplier)신호발생부(40)와,
    AD 컨버터부(20) 입력단 타측에 연결되어 AD 컨버팅 과정에 생성되는 불특정한 잡음(quantization distortion)을 안정시켜 주는 디더(Dither) 신호를 입력시키는 디더신호생성모듈(50)이 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 디더신호생성모듈을 이용한 SEM 이미지노이즈 제거장치.
  2. 제1항에 있어서, AD 컨버터부(20)는
    입력단자 일측에 포토멀티플리어(PMT : photomultiplier)신호발생부(40)로부터 생성된 PMT_OUT 신호가 입력되고, 입력단자 타측에 디더신호생성모듈(50)로부터 생성된 디더(Dither) 신호가 입력되어 구성되는 것을 특징으로 하는 디더신호생성모듈을 이용한 SEM 이미지노이즈 제거장치.
  3. 제1항에 있어서, 디더신호생성모듈은
    센싱저항 R1과 캐패시터 C101, C102를 통해 설정된 기준전압이 OP앰프의 (+)입력단자에 가하고, 전류검출저항 R5에서 검출된 전압을 JFET Q1과 캐패시터 C103을 통해 OP앰프의 (-)입력단자에 가하여 얻은 비교설정치 출력값을 디더(Dither) 신호로 생성시키는 것을 특징으로 하는 디더신호생성모듈을 이용한 SEM 이미지노이즈 제거장치.
  4. 전자빔을 방출시키는 단계(S100)와,
    자기장을 이용한 렌즈에 의해 시료 표면을 주사시키는 단계(S200)와,
    SED를 통해 2차 전자를 포집하는 단계(S300)와,
    포토멀티플리어(PMT : photomultiplier)신호발생부(40)에서 시료 표면으로부터 방사되는 2차 전자(secondary electron) 신호를 증폭시킨 PMT_OUT 신호를 AD 컨버터부(20) 입력단 일측에 입력시키는 단계(S400)와,
    디더신호생성모듈(50)에서 AD 컨버팅 과정에 생성되는 불특정한 잡음(quantization distortion)을 안정시켜 주는 디더(Dither) 신호를 AD 컨버터부(20) 입력단 타측에 입력시키는 단계(S500)와,
    AD 컨버터부(20)에서 2차 전자신호 검출부로부터 출력된 2차 전자(secondary electron) 아날로그 신호를 디더(Dither) 신호를 통해 불특정한 잡음(quantization distortion)을 제거한 상태에서 디지털 신호로 변환시켜 SEM 이미지 제어부로 전송시키는 단계(S600)와,
    SEM 이미지 제어부(30)에서 AD 컨버터로부터 출력된 2차 전자(secondary electron) 디지털 신호를 시료 표면의 SEM 이미지로 변환시키고, SEM 이미지의 해상도와 SEM 이미지획득 시간에 따른 스캔 파형의 주파수를 설정하여 PC 모니터상에 출력시키는 단계(S700)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 디더신호생성모듈을 이용한 SEM 이미지노이즈 제거방법.
KR1020100082896A 2010-08-26 2010-08-26 디더신호생성모듈을 이용한 ｓｅｍ 이미지노이즈 제거장치 및 방법 KR101336607B1 (ko)

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