KR20140048279A - 하전 입자선 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 하전 입자선 장치는, 2차 하전 입자(112) 신호를 검출하는 제1 검출 조건과, 반사 하전 입자(111) 신호를 검출하는 제2 검출 조건 사이에서, 하전 입자선의 주사 편향량을 보정하도록 편향기를 제어하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 검출하는 하전 입자종을 변경했을 때에 발생하는 배율 변동이나 측장 오차를 보정할 수 있다. 그로 인해, 저단차 시료나 대전 시료의 관찰, 측정 등에 있어서, 반사 하전 입자 신호에 기초하는 화상을 형성할 때에도, 배율 변동이나 측장 오차에 의하지 않고 정확한 화상을 취득하는 것이 가능해졌다.

Description

하전 입자선 장치{CHARGED PARTICLE BEAM DEVICE}
본 발명은 하전 입자선 장치에 관한 것으로, 특히 반사 전자상을 이용하여 고정밀도로 시료를 관찰하고, 측정하는 데 적합한 장치, 방법 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
전자선을 이용하여 시료의 관찰, 측정을 행하는 장치의 하나로 주사형 전자 현미경(SEM:Scanning Electron Microscope)이 있다. SEM에서는 전자선을 시료 상에 조사하여, 시료로부터 방출되는 전자를 신호로서 검출함으로써, 시료의 표면 형상을 반영한 2차원 화상을 취득한다.
시료에 전자선이 도달하여, 시료 표면의 원자를 여기하여 방출되는 에너지가 낮은 신호 전자를 2차 전자라고 한다. 반도체의 회로 패턴과 같이 요철을 가진 시료의 에지 부분에 전자선이 조사되면, 에지 효과에 의해 발생하는 2차 전자량이 증대하여, 요철에 의존하는 콘트라스트를 가진 상이 형성된다.
한편, 전자선이 시료 중에서 산란되는 과정에 있어서 시료 표면으로부터 재방출되는 전자를 반사 전자라고 한다. 반사 전자는 에너지가 높은 신호 전자로, 시료의 요철에 의하지 않고, 시료 조성에 의존하는 콘트라스트를 가진 상이 형성된다.
최근, 반도체나 자기 헤드 등의 프로세스의 복잡화에 수반되어, 관찰 시료면에 요철을 갖지 않는 저단차 시료의 계측이 요구되고 있다. 이와 같은 경우, 검출되는 2차 전자 신호량이 저하되므로, 2차 전자 대신 반사 전자를 검출하여, 이들 신호나 상을 합성하여 에지나 콘트라스트 정보를 강화함으로써, 상질 및 측장 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 절연 재료를 포함하는 시료와 같이, SEM 관찰에 있어서의 전자선의 조사에 의해 표면에 수 내지 수십 [V]의 대전이 발생하여 2차 전자가 장벽이 되는 경우라도 반사 전자는 검출 가능하므로, 상기의 방법은 유효하다.
특허문헌 1에는, 반사 전자를 검출·증폭하여 반사 전자상을 형성할 때에, 시료 상에 조사하는 전자선 빔의 주사 조건을, 배율 변경 전과 변경 후에 있어서 대략 동일하게 하여, 배율 변경에 의하지 않고 적절한 반사 전자상을 형성하는 기술이 개시되어 있다. 특허문헌 2에는, 2차 전자상을 선택 표시하여 배율 등을 조정한 후, 2차 전자상 및 선택 표시되어 있지 않은 반사 전자상의 브라이트니스와 콘트라스트를 연동하여 변화시키도록 조정한 후에, 반사 전자상의 표시로 절환하여 관찰하는 것이 설명되어 있다. 특허문헌 3에는, 반사 전자 신호 또는 2차 전자 신호와, X선 신호를 검출·처리하여, 콘트라스트나 시그널/노이즈(S/N)비가 높은 통합 신호를 얻기 위해서, 각각의 배율, 바이어스 및 가중치 비율을 제어하여 가산 제산 처리하는 취지가 개시되어 있다.
일본 특허 출원 공개 제2007-42513호 공보 일본 특허 출원 공개 제2000-36276호 공보 일본 특허 출원 공개 제2005-142259호 공보
SEM에 있어서의 시료의 관찰, 측정에서는, 신뢰성이 높은 화상 및 측장 결과를 유지하기 위해 장치의 배율이나 치수 등의 측장값을 교정하는 것이 바람직하다. 특히, 반도체 웨이퍼 상에 형성된 회로 패턴의 형상이나 선폭의 치수를 계측하는 측장 SEM(CD-SEM:Critical Dimension SEM)에서는, 시료 상의 수백㎛×수백㎛라고 하는 미소 범위에 있어서의 수백, 수천이라고 하는 다수의 패턴을 측정하는 경우가 상정되고, 이들의 고정밀도한 교정이 요구된다.
일반적으로, 배율 및 측장값의 교정 관리는, 기지의 치수를 갖는 실리콘재를 포함하는 표준 시료(μ 스케일)를 이용하여 일정 조건 하에서 화상을 취득하여, 치수를 측정함으로써 행해진다. 구체적으로는, 측장값으로부터 배율 보정 계수를 구하고, 주사 편향량을 보정하여 측장값이 정확한 값으로 되도록 장치를 조정한다. 또한, 표준 시료 자신의 치수 측장은, 시료 상의 요철 격자 패턴에 의한 회절 격자에 레이저 등을 조사하는 광회절을 이용한 교정 장치에 의해 관리된다.
이와 같이 표준 시료를 이용한 교정을 행하는 경우, 상술한 바와 같이, 요철을 갖는 시료의 에지에 민감한 2차 전자에서는 충분한 신호량이 검출되므로, 고화질, 고정밀도의 측장으로 장치를 조정할 수 있다. 한편, 시료의 요철에 의존하지 않는 반사 전자에서는, 동일한 실리콘재로 구성되는 현상(現狀)의 표준 시료에서는 2차 전자와 동등한 상질을 얻는 것은 곤란해, 장치의 조정을 고정밀도로 행할 수 없다.
따라서, 반사 전자상을 취득하는 경우에 있어서도, 배율 등의 조정 시에는 2차 전자상을 이용하여, 관찰, 측정 시에는 광학 조건을 변경하여 반사 전자의 신호 검출로 절환하는 것이 필요해진다.
2차 전자, 반사 전자의 양 신호 전자를 검출하는 기구를 갖는 SEM에서는, 검출하는 신호 전자의 종류를 절환하기 위해, 광학 조건을 변경함으로써 배율 변동이 생기는 경우가 있다. 이와 같은 경우, 실제 상의 배율과는 다른 값이 얻어 질 수 있으므로, 치수 등의 측장값에 영향을 미친다. 따라서, 2차 전자와 반사 전자 사이에서 광학 조건을 절환할 때에는, 배율 변동 및 이에 의해 생기는 측장값 오차를 고려한 적절한 교정을 행하는 것이 필요하다.
그러나, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 기재된 방법에서는, 반사 전자의 신호 검출에 있어서의 배율이나 측장값의 변화에 대해서는 고려되어 있지 않다. 또한 특허문헌 3에 기재된 방법에서는, 통합 신호를 취득하기 위해 각각의 신호의 배율 등을 조정할 수는 있지만, 다른 신호를 검출할 때의 광학 조건의 변화에 의해 발생하는 배율 변동이나 측장값 오차에 대해, 및 이들을 보정하는 구체적 수법에 대해서는 개시가 없다. 따라서, 어떤 수법을 이용해도 본 발명에 있어서의 과제를 직접적으로 해결할 수는 없다.
본 발명의 목적은, 2차 전자와 반사 전자 사이에서 신호 검출을 절환함으로써 발생하는 배율 변동 및 측장값 오차의 보정을 고정밀도로 행하는 것을 목적으로 하는 하전 입자선 장치, 방법 및 컴퓨터 프로그램을 제안하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 형태로서, 2차 전자 신호, 반사 전자 신호를 검출하는 각각의 전자 광학 조건에 있어서의 배율 또는 측장값을 미리 취득한 데이터로부터, 양 신호의 상대적인 보정 계수를 구하고, 그 보정 계수 및 2차 전자 신호상을 이용한 장치 교정 결과에 기초하여, 검출하는 신호를 반사 전자로 절환할 때의 주사 편향량을 보정하는 방법 및 그 보정을 실현하기 위한 장치 및 컴퓨터 프로그램을 제안한다.
상기 일 형태에 따르면, 2차 전자와 반사 전자 사이에서 신호 검출을 절환해도, 배율 변동, 측장값 오차에 의하지 않고 정확한 시료의 관찰 및 측정을 행할 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면에 관한 이하의 본 발명의 실시예의 기재로부터 명백해질 것이다.
도 1은 주사형 전자 현미경(SEM)의 개략 구성도.
도 2a는 반도체 웨이퍼 및 자기 헤드의 단면 개략도.
도 2b는 반도체 웨이퍼 및 자기 헤드의 단면 개략도.
도 2c는 반도체 웨이퍼 및 자기 헤드의 단면 개략도.
도 3a는 전자선 주사에 의한 SEM의 배율 제어의 원리에 관한 개략 설명도.
도 3b는 전자선 주사에 의한 SEM의 배율 제어의 원리에 관한 개략 설명도.
도 3c는 전자선 주사에 의한 SEM의 배율 제어의 원리에 관한 개략 설명도.
도 4a는 2차 전자 신호 검출 광학 조건에 있어서의 시료 상의 전자선 주사, 신호 파형 및 라인 프로파일을 도시하는 도면.
도 4b는 2차 전자 신호 검출 광학 조건에 있어서의 시료 상의 전자선 주사, 신호 파형 및 라인 프로파일을 도시하는 도면.
도 4c는 2차 전자 신호 검출 광학 조건에 있어서의 시료 상의 전자선 주사, 신호 파형 및 라인 프로파일을 도시하는 도면.
도 5a는 반사 전자 신호 검출 광학 조건에 있어서의 시료 상의 전자선 주사, 신호 파형 및 라인 프로파일을 도시하는 도면.
도 5b는 반사 전자 신호 검출 광학 조건에 있어서의 시료 상의 전자선 주사, 신호 파형 및 라인 프로파일을 도시하는 도면.
도 6a는 다양한 재질 및 표면 형상을 갖는 시료의 단면 개략도.
도 6b는 다양한 재질 및 표면 형상을 갖는 시료의 단면 개략도.
도 6c는 다양한 재질 및 표면 형상을 갖는 시료의 단면 개략도.
도 6d는 다양한 재질 및 표면 형상을 갖는 시료의 단면 개략도.
도 7은 2차 전자로부터 반사 전자로 검출 신호를 절환할 때의 주사 편향량을 보정하는 구체적인 흐름도.
도 8은 에너지 필터의 기본 구성도.
도 9는 SEM을 포함하는 반도체 측정, 검사 시스템의 개략 구성도.
도 10a는 2차 전자 신호 검출, 반사 전자 신호 검출에 있어서의 배율, 측장 치수치를 나타내는 그래프 및 보정 테이블의 일례를 도시하는 도면.
도 10b는 2차 전자 신호 검출, 반사 전자 신호 검출에 있어서의 배율, 측장 치수값을 나타내는 그래프 및 보정 테이블의 일례를 도시하는 도면.
이하에, 도면에 기초하여 시료의 표면 요철 형상과 검출되는 전자 신호의 관계에 대해 설명한다. 도 2a는 시료에 단차가 있는 패턴이 형성되는 경우, 도 2b 및 도 2c는 시료에 저단차의 패턴이 형성, 혹은 거의 단차가 없는 박막이 코팅된 경우에 있어서의 각각의 시료의 단면도를 도시한다. 또한, 이하에 설명하는 물질은 일례이고, 이것에 한정되는 것은 아니다.
도 2a 및 도 2b의 기판(201)은 합성 석영 유리 등의 자외선 영역의 투과율이 높은 재질로 구성되고, 이 위에 형성되는 회로 패턴(202, 203)은 크롬(Cr)이나 몰리브덴·규소산화물(MoSiO) 등의 자외선 투과율이 낮은 재질로 구성된다. 또한, 시료의 작성 공정에 따라서는 Mo·SiO 위에 Cr을 형성하는 경우도 있다.
최근, 반도체 웨이퍼나 플랫 패널 등의 전사에 이용되는 포토마스크에서는, 패턴의 미세화에 수반하여, 설계 데이터에 충실한 레지스트 패턴의 형성이 곤란하게 되어 있다. 이 문제에 대해, 도 2a에 도시한 바와 같은 단차를 갖는 패턴이 아니라, 포토마스크 상의 크롬(Cr)막(204)의 박막화에 의해 도 2b에 도시한 바와 같은 저단차 시료를 작성하여, 마스크면 내의 패턴의 균일화를 향상시키는 시도가 이루어져 있다. 그러나, 이와 같이 저단차화된 시료에서는 에지 효과를 얻을 수 없어, 검출되는 2차 신호량이 저하되므로, SEM에 의한 정확한 관찰 및 측장을 실행할 수 없다.
또한, 하드 디스크의 자기 헤드 시료는, 예를 들어 도 2c에 도시한 바와 같이 Al2O3-TiC(AlTiC)로 구성되는 세라믹 기판(205) 상에, 회로 패턴인 Al2O3(206)이나 퍼말로이(Fe-Ni) 합금(207)의 패턴이 형성되고, 또한 표면의 보호막으로서 약 수나노미터의 다이아몬드 라이크 카본(Diamond-like Carbon)(208) 등이 코팅되는 평탄한 표면 구조를 갖는다. 따라서 상술한 경우와 마찬가지로 시료의 관찰, 측장에 있어서의 정밀도의 신뢰성이 저하된다.
이 외에, 표면이 대전된 시료에 있어서도 2차 전자상(傷)의 질이 악화되어, 정확한 시료의 관찰을 할 수 없는 경우가 있다. 이것은, 포토마스크 상의 기판(201)은 유리 등의 절연 재료이므로, 측정에 있어서 서서히 챠지 업(정(正) 대전)이 진행되어 전위의 장벽이 발생하여, 시료 표면으로부터 2차 전자가 탈출할 수 없어 검출되지 않는 것에 기인한다.
상기의 도 2b, 도 2c와 같이 2차 전자상을 얻는 것이 곤란한 시료이며, 2차 전자 대신에 반사 전자 신호를 검출하는 것이 요구되는 경우에 있어서, 이하에 나타내는 실시 형태가 적용된다.
이하에, 2차 전자상에 의해 미리 표준 시료를 이용한 정확한 배율 교정 및 측장값 교정을 행하여, 시뮬레이션이나 실측으로부터 얻어지는 다양한 광학 조건에 있어서의 2차 전자 신호 또는 반사 전자 신호의 배율, 측장값의 참조 데이터로부터, 양 신호의 상대적인 보정 계수를 구하고, 그 보정 계수에 기초하여 주사 편향량을 보정하여, 반사 전자상에 있어서의 정확한 배율 및 측장값 조정을 행하는 것에 대해 설명한다.
또한, 이하에 나타내는 실시 형태에서는 SEM, 또는 SEM에 탑재된 제어 장치,또는 SEM에 통신 회선 등을 경유해서 접속되는 제어 장치를 예로 들어 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 컴퓨터 프로그램에 의해, 범용의 연산 장치를 이용하여 처리를 행할 수도 있다. 또한, 다른 하전 입자선 장치에 의해 시료의 관찰, 측정을 행하는 경우에도 적용 가능하다.
또한, 본 실시 형태는 이하에 나타내는 시료에의 적용으로 한정되는 것은 아니고, 그 밖의 저단차 시료나 평탄 시료, 대전 시료, 또한 종횡비가 높아 깊은 구멍 바닥으로부터의 2차 전자 검출이 곤란한 시료 등, 2차 전자와 반사 전자 사이에서 신호 검출을 절환하여, 2차 전자 신호 대신에 반사 전자 신호를 검출하거나, 혹은 양 신호의 혼재비를 조정하여 검출하는 것이 적용되는 다양한 시료에 있어서도 유효하다.
실시예 1
도 1은 주사형 전자 현미경(SEM)의 개략 구성도이다. 전자총(101)으로부터 발생한 전자선(102)은, 가속 전극(103)에 의해 가속되어, 콘덴서 렌즈(104)에 의해 수속, 편향기(105)에 의해 편향된 후, 시료(107)측에 인가된 부의 전압(리딩 전압)에 의해 감속되고, 또한 대물 렌즈(106)에 의해 최종적으로 직경 수㎚(나노미터)의 전자선에 수속되어, 관찰 대상인 시료(107)의 표면에 입사된다.
입사된 1차 전자의 일부는 후방 반사하여 반사 전자(111)(후방 산란 전자)로 되고, 또한 일부는 시료 내를 산란하면서 2차 전자(112)를 생성한다. 여기서, 리딩 전압이라 함은, 시료(107) 상의 회로 패턴을 손상시키는 일 없이 전자선(102)을 수속시키기 위해, 시료(107)[시료 홀더(108) 또는 시료 스테이지(109)]측에 인가되는 부의 전압이고, 이에 의해 전자선(102)의 조사 에너지가 제어된다.
생성된 반사 전자(111), 2차 전자(112)는 반사판(113)과 충돌하여 새로운 전자를 발생하고, 그 새로운 전자는 검출기(114)에서 검출된다. 검출기(114)에는 광전자 증배관이 내장되어 있고, 전자의 검출량에 따라서 전압을 발생시키므로, 이것을 신호 처리 장치(115)에서 처리한 후, 화상 표시부(116)에서 화상으로서 표시한다. 신호 처리 장치(115)는, 시료로부터 방출되는 2차 전자 등에 기초하여, 종축을 신호량, 횡축을 전자선의 주사 위치로 하는 프로파일 파형을 형성한다. 그리고, 그 프로파일 파형의 피크 사이의 거리를 구함으로써, 패턴 치수를 측정하도록 동작한다.
다음에, 2차 전자(112), 반사 전자(111)에 대해 신호 검출을 행할 때의 광학 조건에 대해 설명한다. 2차 전자는 약 50eV 미만의 저에너지 신호 전자이고, 반사 전자는 약 50eV 이상의 고에너지 신호 전자이므로, SEM을 구성하는 각각의 전극에 주어지는 전압 그 밖의 광학 파라미터를 제어함으로써 이들의 신호 검출을 선택 및 양자의 절환이 가능하다. 상기한 조건은, 주로 (1) 전자 광학계 또는/및 (2) 전자 검출계에 있어서 설정된다.
(1)에서는, 예를 들어 대면 전극(119)이나 대물 렌즈(106) 상방에 배치된 부스터 전극(110)에 대해, 시료(107)측이 갖는 전압보다도 큰 부의 전압(부스터 전압)을 인가함으로써, 에너지가 낮은 2차 전자(112)를 시료(107)측으로 되돌리고, 고에너지의 반사 전자(111)만을 선택적으로 검출하는 것도 가능하다. 이 경우, 변환 전극(117)에 정의 전압을 인가하고, 대물 렌즈(106)보다도 전자총(101)측으로 이동된 반사 전자(111)를 더욱 끌어 올려 검출기(114)로 도입한다[반사 전자(118) 참조]. 또한, 부의 전압을 인가하는 전극은 본 실시 형태에 있어서의 예로는 한정되지 않는다.
상기한 방법에 의해 반사 전자(111)를 검출하는 경우, 시료(107)로부터 얕은 각도에서 발생한 로우 앵글 성분과, 높은 각도에서 발생된 하이 앵글 성분의 어느 것도 검출할 수 있기 때문에, 전체의 수량이 높아진다.
(2)에서는, 시료(107)측으로부터 발생하는 전자를, 에너지의 크기에 따라서 분리하는 에너지 필터를 이용한 방법이 적용된다. 도 8에 에너지 필터의 기본 구조를 도시한다. 에너지 필터는, 2매의 실드 메쉬(801a)와 필터 메쉬(801b)로 구성된다. 또한, 이들 메쉬에는 전자선(102)을 통과시키기 위한 개구(802)가 형성되어 있다. 필터 메쉬(801b)는 1매여도, 복수매여도 되고, 필터 전압을 인가하기 위한 전원(803)이 접속된다. 에너지의 크기에 따라서 분리된 반사 전자(111), 2차 전자(112)는 반사 전자 검출기(804a), 2차 전자 검출기(804b)에서 각각 검출된다.
상기한 방법에서는, 대략 광축 방향을 향해 시료(107)로부터 높은 각도에서 반사되는 하이 앵글 성분의 반사 전자(111)만을 고정밀도로 검출할 수 있다. 상기 (1), (2)의 방법을 목적이나 용도에 따라서 적절하게 조합하는 것도 가능하다.
또한, 본 실시 형태는 상기 (1), (2)로 한정되는 것은 아니고, 이 이외에도, SEM을 구성하는 그 밖의 전극이나 코일에 인가 또는 공급하는 전압, 전류 등의 광학 파라미터를 제어하여 반사 전자(111), 2차 전자(112)의 신호 검출 광학 조건을 설정하는 것이 가능하다.
또한, SEM을 구성하는 각각의 전극이나 코일은, 도 9에서 후술하는 제어 장치에 의해, 전압, 또는 전류가 인가 혹은 공급된다. 제어 장치는 연산 장치를 구비하게 되고, 그 연산 장치는 레시피라 불리는 SEM의 동작 프로그램에 기초하여, 장치를 제어한다.
도 9는 SEM을 포함하는 반도체 측정, 검사 시스템의 개요 구성도이다. 본 시스템에는, SEM 본체(901), A/D 변환기(903), 제어 장치(904)가 포함되어 있다. 제어 장치(904)에는, 평가 조건 설정부(908), 측정 조건 설정부(909), 화상 형성부(910), 데이터 취득부(911), 보정 데이터 연산부(912), 편향기 제어부(913)가 포함되어 있다.
SEM 본체(901)는 반도체 웨이퍼 등의 시료에 전자선을 조사하여, 시료로부터 방출된 전자를 검출기(902)에서 포착하고, A/D 변환기(903)에 의해 디지털 신호로 변환한다. 디지털 신호는 제어 장치(904)에 입력되어서 메모리(906)에 저장되고, 각종 기능을 갖는 연산 장치(905)에 내장되는 CPU 등의 화상 처리 하드웨어에 의해, 목적에 따른 화상 처리가 행해진다. 또한, 연산 장치(905)는, 검출 신호에 기초하여, 라인 프로파일을 작성하여, 프로파일의 피크 사이의 치수를 측정하는 기능도 구비하고 있다.
또한, 제어 장치(904)는, 입력 수단을 구비한 입력 장치(907)와 접속되고, 그 입력 장치(907)에 설치된 표시 장치, 또는 외부 디스플레이(도시하지 않음)에는, 조작자에 대해 화상이나 측정 결과를 표시하는 GUI(Graphical User Interface) 등의 기능을 갖는다.
또한, 제어 장치(904)에 있어서의 제어나 처리의 일부 또는 전부를, CPU나 화상의 축적이 가능한 메모리를 탑재한 전자 계산기 등에 할당하여 처리·제어할 수도 있다. 또한, 제어 장치(904)는, 측정 등에 필요로 되는 전자 디바이스의 좌표, 위치 결정에 이용하는 패턴 매칭용의 템플릿, 촬상 조건 등을 포함하는 촬상 레시피를 메모리로부터 판독하거나, 혹은 상기 레시피를 수동, 혹은 전자 디바이스의 설계 데이터를 활용하여 작성하는 촬상 레시피 작성 장치와 네트워크 등을 통해 접속할 수도 있다.
도 3에 기초하여, SEM에 있어서의 배율의 기본적인 개념을 설명한다. 도 3a는 시료 상에 있어서의 전자선 주사의 단면 개략도이다. 전자선(301)이 시료(302)를 주사할 때의 주사 폭, 즉 전자선(301)의 시료면 상에 있어서의 편향 폭을 L로 하고, 도 3b에 도시하는 신호 처리에 의한 형성 화상(303)의 표시 폭을 W로 하면, 배율(M)은
Figure pct00001
로 정의된다. 예를 들어 시료(302) 상의 편향 폭을 1㎛, 화상의 표시 폭을 100㎜로 할 때, 배율은 10만배로 된다. 도 3c에, SEM의 전자 광학계에 있어서의 렌즈, 편향기, 주사 코일 등의 위치 관계를 나타낸다. 전자선(301)은 대물 조리개 구멍(304)을 통과 후, 콘덴서 렌즈(305)에 수속되어, 시료(302) 상에서 주사된다. 이 때, 대물 렌즈(307) 상에 설치된 편향기(306)에 일정한 전장 또는 자장을 가함으로써, 전자선을 시료면 상에서 일정 폭으로 주사 편향하도록 조정한다. 시료면의 편향 폭 L, 배율 M과 1차 전자선의 가속 전압 Va, 편향기에 가하는 편향 전류량 Idef의 상관 관계는 하기와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pct00002
Va:1차 전자선의 가속 전압
Kelc:배율에 관한 편향기의 전기 특성 보정 계수(예: 회로 특성 계수, A/D 변환 제어 계수 등)
Kopt:배율에 관한 전자 광학계 특성 보정 계수
여기서, Kopt는 전자 광학계에 영향을 미치는 가속 전압 Va, 또한 수학식 2에는 나타내지 않지만, 그 밖의 시료 상에 조사되는 전자선의 에너지에 작용하는 광학적 파라미터의 함수이다.
시료의 정확한 치수 측장값을 얻기 위해서는, 일정한 배율 M에 있어서의 SEM의 편향 폭 L을 교정할 필요가 있다. 이러한 교정은 편향기에 대한 주사 편향량을 제어하는 Idef의 출력 보정에 의해 행할 수 있다.
측장값의 교정 관리는 상술한 바와 같이 표준 시료를 이용한다. 표준 시료 상에 일정한 배율 등으로 전자선을 주사하여, 취득한 SEM 화상의 라인/스페이스 패턴의 치수도 동일한 값이 되도록 주사 편향량을 보정한다.
여기서, 저단차 시료, 대전 시료 등의 관찰을 행하기 위해, 2차 전자와 반사 전자 사이에서 검출하는 신호를 전환할 경우, 전위의 제어에 의해 광학 조건을 변경하면, 광로 상의 1차 전자의 편향에 작용하여, Kopt가 크게 변화된다.
따라서 본 실시 형태에서는, 2차 전자 신호 및 반사 전자 신호의 검출 조건에 있어서의 상대적인 보정 계수 Kopt ( BSE / SE )를, 미리 취득한 참조 데이터를 이용하여 구함으로써, 검출 신호를 절환할 때의 배율 변동, 측장값 오차를 예측하여 주사 편향량을 보정한다.
도 7을 이용하여, 2차 전자로부터 반사 전자로 검출 신호를 절환할 때의 주사 편향량을 보정하는 구체적인 흐름에 대해 설명한다. 우선, 2차 전자 신호를 이용하여 표준 시료에 의한 장치의 측장값 교정을 행한다(S701). 다음에, 참조 데이터가 되는 2차 전자, 반사 전자 각각의 신호를 검출하는 광학 조건에 있어서의 배율, 측장값의 시뮬레이션 또는 실측 데이터를 취득한다(S702). 그 취득한 데이터로부터 상술한 Kopt( BSE / SE )를 산출한다(S703). 또한, 취득하는 데이터는 본 실시 형태에서 나타낸 것으로 한정되지 않고, 편향 폭 L의 값 등, Kopt ( BSE / SE )를 구할 수 있는 배율 등에 관한 그 밖의 값으로도 할 수 있다. 여기서, 수학식 2에서 Kelc는 검출 신호를 절환해도 변화되지 않으므로, Kopt ( BSE / SE )는 계산에 의해 구하는 것이 가능하다. 구한 Kopt( BSE / SE )를 기록하여, 보정 테이블을 작성한다(S704). S702-S704는 본 흐름를 따라 실행하는 것 이외에도, 미리 실행하여, 구한 Kopt ( BSE / SE )를 기록해 둘 수도 있다. 다음에, 보정 테이블로부터 판독한 Kopt ( BSE / SE ) 및 S701에 있어서 교정된 Idef( SE )의 값에 기초하여, 반사 전자 신호 검출에 있어서의 Idef ( BSE )를 도출 및 출력한다(S705, S706). 이상의 방법에 의해, 반사 전자 신호상의 취득에 있어서도 2차 전자의 교정 결과를 반영한 정확한 배율, 또는 측장값을 얻을 수 있다. 또한, 도 9 있어서, 상술한 참조 데이터 및 Kopt ( BSE / SE )를 제어 장치(904)의 메모리(906)에 기록할 수도 있고, 보정 테이블의 판독을 연산 장치(905)의 데이터 취득부(911), Idef(BSE)의 도출을 보정 데이터 연산부(912), 그리고 도출한 Idef ( BSE )에 기초한 주사 편향량의 보정을 편향기 제어부(913)에 의해 각각 행할 수 있다.
또한, 정확하게 조정된 반사 전자상을 취득한 후, 2차 전자의 신호 검출로 절환할 경우에도, 상기한 보정 계수의 상대값을 이용하여 배율 등의 조정을 할 수 있다. 이로 인해, 표준 시료를 이용한 교정을 다시 행하지 않고 관찰이나 측장이 가능해진다.
도 10a는, 2차 전자 신호, 또는 반사 전자 신호를 검출하는 광학 조건에 있어서의 배율의 시뮬레이션 데이터 및 측장값의 실측 데이터를 나타내는 그래프이다. 이들 데이터의 근사 직선의 식에 기초하여 Kopt( BSE / SE )를 구할 수 있다. 또한, 도 10b는 그 배율, 측장값을 이용하여 구한 Kopt ( BSE / SE )와, 2차 전자 신호 검출에 있어서의 Idef ( SE ) 및 이들을 이용하여 구해지는 반사 전자 신호 검출에 있어서의 편향 전류 Idef ( BSE )의 값을 나타내는 보정 테이블이다. 보정 테이블에 있어서는, 이들 값의 일부, 혹은 전부를 기록할 수도 있고, 또한 조건이나 목적에 따라 다른 광학적인 파라미터 등을 추가할 수도 있다.
실시예 2
실시예 1에 있어서, 2차 전자와 반사 전자 사이에서 검출하는 신호를 절환할 때에, 적절한 Idef ( BSE )를 도출하여 편향 주사량을 보정하는 방법에 대해 설명하였다. 이하에, S702에 나타내는 2차 전자 신호 검출, 반사 전자 신호 검출에 있어서의 치수 측장값을 실측에 의해 구하는 방법에 대해 구체적으로 설명한다.
도 4a에, 시료의 요철 표면 상에 있어서의 전자선 주사 및 신호 처리 장치(115)를 이용하여 처리한 2차 전자 신호 파형을 도시한다. 전자선(401)이 시료(403) 상을 주사함으로써, 회로 패턴(402)으로부터 발생한 2차 전자 신호의 라인 프로파일(404)을 얻을 수 있다. 얻어진 신호로부터 에지 위치를 검출하여, 에지 위치 사이의 측장값을 산출한다. 이 때, S/N비를 개선하기 위해, 2차 전자 신호에 대해 파형 평활화나 미분 처리를 행한다. 이들의 파형 처리에 있어서, 에지 위치를 검출하여, 치수를 구하는 알고리즘은 다양하지만, 일반적으로는 임계값법, 직선 근사법 등이 이용된다. 도 4b는 임계값법, 도 4c는 직선 근사법을 각각 설명하는 설명도이다. 임계값법은, 라인 프로파일(404)에 대해 평활화 처리를 행하여, 평활화 후의 파형(405)의 양단부의 슬로프 부분이 소정의 임계값 T와 교차하는 교점(406, 407) 사이의 거리 W를 회로 패턴(402)의 치수로 하는 것이다. 임계값 T는 통상은 파형의 최대 높이에 대한 소정의 비율로서 정해진다. 직선 근사법에서는, 평활화된 파형에 대해, 또한 양단부의 슬로프 부분을 미분하고, 미분파형의 극점으로부터 평활화 파형의 최대 경사를 갖는 점을 정한다. 그 최대 경사를 갖는 점과의 접선을 긋고, 각 접선과 베이스 라인의 교점(408, 409) 사이의 거리 W를 회로 패턴(402)의 치수로 하는 것이다.
도 5a에, 평탄 또는 저단차 시료 표면에 있어서의 전자선 주사를 도시한다. 전자선(501)이 시료(503) 상을 주사하고, 다른 회로 패턴(502)으로부터 발생한 반사 전자 신호의 라인 프로파일(504)을 얻을 수 있다. 요철이 있는 패턴상의 2차 전자 신호 파형(405)에서는, 에지 효과에 의해 패턴 에지부에 예리한 피크가 얻어지지만, 반사 전자 신호 파형(505)에서는, 재료 콘트라스트만으로, 비교적 완만하게 변화되는 파형이 된다. 도 5b는 임계값법을 설명하는 도면이다. 이와 같은 경우에서는, 콘트라스트가 높은 재질의 부분을 라인, 콘트라스트가 낮은 재질의 부분을 스페이스로서 정의한다. 도 4b와 마찬가지로, 반사 전자 신호 파형(505)의 양단부가 임계값 T와 교차하는 교점(406, 407) 사이의 거리 W를 회로 패턴(502)의 치수로 한다.
2차 전자로부터 반사 전자로 검출하는 신호를 절환할 때의 라인 및 스페이스의 치수값을 구하는 수법을 이하에 설명한다.
도 6d에 도시한 바와 같은 이종 재질 패턴을 갖는 요철 시료(606)의 동일 사이즈의 패턴에 대해, 2차 전자상과 반사 전자상의 양쪽을 취득한다. 다음에, 마찬가지로 양 화상의 평활화 처리를 행하여, 2차 전자상의 양단부 슬로프 부분이 소정의 임계값 T( SE )와 교차하는 교점(406, 407) 사이의 거리 W( SE )를 회로 패턴(402)의 치수값으로 하여 산출하고, 반사 전자상 파형도 마찬가지로 일정 임계값 T( BSE )와 교차하는 교점(506, 507) 사이의 거리 W( BSE )로부터 치수값을 산출한다.
다양한 크기의 패턴에서 마찬가지로 거리 W( SE )와 W( BSE )의 값을 산출하여, 2차 전자상과 반사 전자의 치수값의 상관 곡선을 도출한다. 곡선을 각각 1차 직선 내지 2차 곡선으로 다항식 근사하여, 계수를 산출한다. 1차 근사인 경우는, 횡축을 몇 개의 구간으로 나누고, 구간 내의 직선 근사식을 구하여, 얻어진 기울기의 평균값을 구하는 방법이 유효하다. 2차 근사인 경우에는, 얻어진 근사식의 포화점까지의 평균값(포화점까지의 적분값을 적분 구간으로 나눈 것)을 산출할 수 있다.
또한, 상기 양 파형의 치수값 W가 동일한 값이 되도록 임계값 T( BSE )를 조정하여, 다양한 크기의 패턴에서 근사 곡선을 작성할 수도 있다.
실시예 3
도 6a 내지 도 6d를 사용하여, 실시예 2에서 설명한 반사 전자 신호 검출에 있어서의 치수 측장값을 구하기 위해 보다 적합한 재료 설계에 대해 설명한다.
도 6a는, 시료 상에 있어서의 전자선 주사의 단면 개략도이고, 도 6b 내지 도 6d는, 다양한 형상, 재질을 포함하는 패턴을 갖는 시료의 단면도이다. 도 6a와 같이, 전자선(601)이 시료(603) 상을 주사함으로써, 회로 패턴(602)으로부터 발생한 2차 전자 신호의 라인 프로파일(도시하지 않음)을 얻을 수 있다. 도 6b와 같이, 동일 재질 패턴을 갖는 요철 시료(604)를 포함하는 현상의 표준 시료에서는, 1차 전자선(601)이 시료(603)를 주사할 때, 재료 콘트라스트에 민감한 반사 전자상에서는 2차 전자 신호와 동등한 상질(像質)을 얻을 수 없이, 고정밀도로 측장하는 것이 곤란해진다. 또한, 도 6c에 도시한 바와 같이, 이종 재질 부분을 갖는 평탄 시료(605)는, 재질 A와 재질 B로 구성되어 있고, 고화질의 반사 전자상을 얻을 수 있지만, 시료면의 요철을 갖지 않으므로, 상술한 광회절을 이용한 표준 시료 자신의 치수 측장을 행할 수 없다. 한편, 도 6d에 도시한 바와 같이, 이종 재질 패턴을 갖는 요철 시료는, 다른 재질 A와 재질 B의 요철 패턴이 형성되므로, 고화질의 반사 전자상을 얻을 수 있고, 또한 자신의 치수 측장도 행할 수 있다. 본 실시 형태에 있어서, 이와 같은 시료를 이용하여 2차 전자로부터 반사 전자로 검출하는 신호를 절환하는 경우, 광학계의 시뮬레이션이 아니라, 시료 상의 실측을 직접 행함으로써도, 정확한 보정 계수를 도출할 수 있다. 또한, 양 광학 조건에 있어서 각각 실측에 의해 구한 보정 계수를 이용하여 보정 테이블을 작성, 기록함으로써, 반사 전자 검출 광학계에 있어서의 교정 시에 그 데이터를 판독하여 사용할 수 있다. 또한, 상기 시료를 이용하여 표준 시료를 작성한 경우, 반사 전자 신호를 검출하는 광학 조건에 있어서도, 배율이나 측장 교정을 위한 장치 조정이 가능하게 된다.
이와 같이, 상기 시료에 따르면, 각각 단독으로 2차 전자 혹은 반사 전자를 검출하는 광학 조건에 있어서도, 또는 2차 전자와 반사 전자가 일정 비율로 혼재하여 검출되는 광학 조건에 있어서도, 동일한 수법으로 고정밀도의 교정을 행하는 것이 가능해, 양 신호 전자를 검출하는 기구를 갖는 SEM의 장치 조정에 있어서 매우 유효하다.
상기 기재는 실시예에 대해 이루어졌지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 정신과 첨부하는 특허청구범위의 범위 내에서 다양한 변경 및 수정을 할 수 있는 것은 당업자에게 있어서 명백하다.
101 : 전자총
102 : 1차 전자선
103 : 가속 전극
104 : 콘덴서 렌즈
105, 306 : 편향기
106, 307 : 대물 렌즈
107, 302, 403, 503, 603 : 시료
108 : 시료 홀더
109 : 시료 스테이지
110 : 부스터 전극
111 : 반사 전자
112 : 2차 전자
113 : 반사판
114, 902 : 검출기
115 : 신호 처리 장치
116 : 화상 표시부
117 : 변환 전극
201, 205 : 기판
202, 203, 206, 207, 402, 502, 602 : 회로 패턴
204 : 크롬(Cr)막
208 : 다이아몬드 라이크 카본
301, 401, 501, 601 : 전자선
303 : 형성 화상
304 : 대물 조리개 구멍
305 : 콘덴서 렌즈
404, 504 : 라인 프로파일
405 : 평활화 후의 2차 전자 신호 파형
406, 407 : 임계값법에 있어서의 파형 양단부의 슬로프 부분과 임계값 T의 교점
408, 409 : 직선 근사법에 있어서의 각 접선과 베이스 라인의 교점
505 : 반사 전자 신호 파형
506, 507 : 임계값법에 있어서의 파형 양단부와 임계값 T의 교점
604 : 동일 재질 패턴을 갖는 요철 시료
605 : 이종 재질 부분을 갖는 평탄 시료
606 : 이종 재질 패턴을 갖는 요철 시료
801a : 실드 메쉬
801b : 필터 메쉬
802 : 개구
803 : 전원
804a : 반사 전자 검출기
804b : 2차 전자 검출기
901 : SEM 본체
903 : A/D 변환기
904 : 제어 장치
905 : 연산 장치
906 : 메모리
907 : 입력 장치
908 : 평가 조건 설정부
909 : 측정 조건 설정부
910 : 화상 형성부
911 : 데이터 취득부
912 : 보정 데이터 연산부
913 : 편향기 제어부

Claims (12)

  1. 하전 입자선을 방출하는 하전 입자원과,
    상기 하전 입자선을 가속하는 가속 전극과,
    상기 하전 입자선을 주사 편향하는 편향기와,
    상기 하전 입자선을 수속하는 대물 렌즈와,
    시료를 탑재하는 시료 스테이지와,
    상기 시료로부터 발생한 하전 입자를 검출하는 하전 입자 검출기와,
    상기 검출기보다도 시료측에 위치하며, 정, 또는 부의 전압이 인가되는 전극과,
    상기 편향기에 신호를 공급하는 제어 컴퓨터를 구비한 하전 입자선 장치로서,
    상기 제어 컴퓨터는,
    상기 전극에 인가하는 전압을 제어하고,
    2차 하전 입자를 검출하는 제1 검출 조건과,
    반사 하전 입자를 검출 조건하는 제2 검출 조건 사이에서,
    상기 하전 입자선의 주사 편향량을 보정하도록 상기 편향기에 신호를 공급하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 컴퓨터는,
    상기 전극에 정의 전압을 인가하는 상기 제1 검출 조건으로부터,
    상기 전극에 부의 전압을 인가하는 상기 제2 검출 조건으로 절환하도록 상기 전극에 인가하는 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 컴퓨터는,
    상기 하전 입자선을 주사 편향하는 보정 계수를 구하는 연산부와,
    그 연산부에 의해 구한 보정 계수를 기록하는 기록부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 보정 계수는,
    미리 취득한 참조 데이터에 기초하여 구해지는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 보정 계수는,
    미리 취득한, 상기 제1 검출 조건과 상기 제2 검출 조건에 있어서의, 배율에 관한 값의 상대 관계를 나타내는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 배율에 관한 값은,
    광학적인 시뮬레이션에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 보정 계수는,
    미리 취득한, 상기 제1 검출 조건과 상기 제2 검출 조건에 있어서의, 상기 시료의 치수값에 관한 상대 관계를 나타내는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  8. 하전 입자선을 방출하는 하전 입자원과,
    상기 하전 입자선을 가속하는 가속 전극과,
    상기 하전 입자선의 주사 편향량을 제어하는 편향기와,
    상기 하전 입자선을 수속하는 대물 렌즈를 구비한 전자 광학계와,
    상기 시료로부터 발생하는 하전 입자를 검출하는 전자 검출계와,
    상기 편향기에 신호를 공급하는 제어 컴퓨터를 구비한 하전 입자선 장치로서,
    상기 제어 컴퓨터는,
    상기 전자 광학계를 제어하고,
    상기 시료로부터 발생하는 2차 하전 입자를 검출하는 제1 광학 조건에 있어서 기지의 치수를 갖는 표준 시료를 이용한 주사 편향량을 조정하고,
    미리 취득한, 2차 하전 입자를 검출하는 소정의 광학 조건과, 반사 하전 입자를 검출하는 소정의 광학 조건에 있어서의 배율의 값으로부터,
    양 광학 조건에 있어서의 배율에 관한 상대적인 보정 계수를 구하고,
    그 표준 시료를 이용하여 주사 편향량을 조정했을 때에 상기 편향기에 공급하는 제1 신호와,
    상기 보정 계수에 기초하여,
    상기 제1 광학 조건으로부터,
    상기 시료로부터 발생하는 반사 전자를 검출하는 제2 광학 조건으로 변화시켰을 때에 상기 편향기에 공급하는 제2 신호를 도출하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어 컴퓨터는,
    상기 제1 신호와,
    상기 2차 전자를 검출하는 소정의 광학 조건에 있어서의 배율과,
    상기 반사 전자를 검출하는 소정의 광학 조건에 있어서의 배율을 기록하는 기록부와,
    상기 보정 계수를 구하는 연산부를 구비하고,
    상기 기록부는,
    그 연산부에 의해 구한 보정 계수를 기록하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 제2 신호를 도출하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  11. 시료에 하전 입자선을 조사하고,
    편향기에 신호를 공급하여 상기 하전 입자선을 주사 편향하는 하전 입자선의 주사 편향 방법으로서,
    상기 시료로부터 발생하는 2차 하전 입자를 검출하는 제1 광학 조건에 있어서 기지의 치수를 갖는 표준 시료를 이용하여 주사 편향량을 조정하는 제1 공정과,
    미리 취득한, 2차 하전 입자를 검출하는 소정의 광학 조건과, 반사 전자를 검출하는 소정의 광학 조건에 있어서의 배율의 값으로부터,
    양 광학 조건에 있어서의 배율에 관한 상대적인 보정 계수를 구하는 제2 공정과,
    그 표준 시료를 이용하여 주사 편향량을 조정했을 때에 상기 편향기에 공급하는 제1 신호와, 상기 보정 계수에 기초하여, 상기 시료로부터 발생하는 반사 전자를 검출하는 제2 광학 조건에 있어서 상기 편향기에 공급하는 제2 신호를 도출하는 제3 공정
    을 갖는 것을 특징으로 하는 하전 입자선의 주사 편향 방법.
  12. 네트워크 경유, 혹은 외부 접속형의 메모리 경유로, 주사형 전자 현미경이나, 계산기로부터의 화상 데이터나, 설계 데이터를 수신 가능한 계산기와,
    패턴 매칭, 패턴 측정을 행하기 위한 파라미터 등을 입력하는 입력 수단과,
    상기 주사 전자 현미경으로부터의 화상 데이터나, 패턴 매칭, 패턴 측정 결과를 표시하는 표시 수단을 구비하고, 제1항에 기재된 제어 컴퓨터의 기능을 소프트웨어 처리로 행하는 것을 특징으로 하는 프로그램.
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