KR20190024685A - 하전 입자선 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일차 전자의 편향에 의한 입사각의 변화를 간편하게 조정할 수 있는 하전 입자선 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 하전 입자선 장치는, 하전 입자원(101)과, 하전 입자원(101)으로부터의 하전 입자선을 수속(收束)시켜 시료에 조사하는 콘덴서 렌즈(114)와 대물 렌즈(107)와, 하전 입자선을 편향시키는 복수의 이미지 시프트 편향기(103, 105)를 갖고, 하전 입자선의 광축을 대물 렌즈의 대물 렌즈 중심을 지나 시료의 소정의 위치에 입사하는 제1 광축으로 설정하는 제1 제어 파라미터와, 제1 광축으로부터 제1 광축과는 상이한 소정의 입사각을 갖는 제2 광축으로 설정하도록 제1 제어 파라미터를 변환하는 제2 제어 파라미터를 이용하여 하전 입자선의 편향을 제어한다.

Description

하전 입자선 장치{CHARGED PARTICLE BEAM APPARATUS}
본 발명은 시료의 미세 패턴의 치수를 계측하는 하전 입자선 장치에 관한 것으로, 특히 일차 하전 입자선의 경사를 제어하기 위한 기구 및 제어 방법을 탑재한 하전 입자선 장치에 관한 것이다.
하전 입자선 장치의 하나인 주사 전자 현미경(SEM: Scanning Electron Microscope)은, 전자원으로부터 방출된 일차 전자를 가속하고, 정전 또는 전자기 렌즈에 의해 수속(收束)시켜 시료 표면 위에 조사한다. 일차 전자의 조사에 의해 시료로부터는 이차 전자(저에너지 전자를 「참된」 이차 전자, 고에너지의 전자를 반사 전자로 구분하여 부르는 경우가 있음)가 방출된다. 이차 전자의 발생량은, 시료 패턴의 엣지 부분에서 커지기 때문에, 일차 전자를 전자기적인 편향에 의해 시료 표면 위에서 주사시켜, 각 조사점으로부터 방출되는 이차 전자를 검출하면, 시료의 형상이나 조성 분포를 반영한 전자 현미경 화상(SEM 화상)이 얻어진다. 또한, 시료에 흡수되는 전자를 검출함으로써, 흡수 전류상을 형성하는 것도 가능하다. 이러한 SEM은, 일차 전자를 작게 수속시킴으로써 미세한 패턴을 관찰할 수 있기 때문에, 반도체 제조 프로세스에 있어서의 미세 회로 패턴의 치수 계측에 이용되고 있다.
SEM에 있어서는, 통상, 편향을 행하지 않은 경우의 일차 전자의 시료에 대한 입사각은 거의 수직이다. 한편, 편향시킨 경우에는, 일차 전자의 궤도가 바뀌어 입사각이 변화한다. 입사각이 상이하면, 동일한 시료 패턴의 화상을 취득해도 패턴이 보이는 방법이 변화하고, 측장값(測長値)도 변화한다.
최근, 반도체 회로 패턴의 치수 계측에서는 3차원 구조의 저부(底部) 치수 계측의 니즈가 확대되고 있다. 특히, 어스펙트비가 50 가까운 깊은 홈이나 깊은 구멍의 저부의 관찰 혹은 치수 계측이 요구되고 있다. 또한, 깊은 홈이나 깊은 구멍의 상면의 중심과 저면(底面)의 중심 위치의 어긋남을 계측하는 니즈도 있다. 이러한 고어스펙트 형상의 계측에 있어서는 일차 전자의 입사각이 측장값에 큰 영향을 준다. 이 때문에, 깊은 홈이나 깊은 구멍으로 대표되는 3차원 구조의 고정밀도 계측을 실현하기 위해서는, 일차 전자를 편향시킨 경우에도 일차 전자를 시료에 대하여 수직으로 입사할 필요가 있다.
이 문제에 대하여, 편향 영역 내에서 입사각을 동등하게 하는 방법이 특허문헌 1에, 또한, 보정항을 이용하여 입사각을 제어하는 방법이 특허문헌 2에 개시되어 있다.
일본국 특개2007-187538호 공보 일본국 특개2012-234754호 공보
특허문헌 1에서는, 입사각 계측용의 특수한 피라미드 패턴을 이용하여 입사각을 계측하고, 광학 조건마다 입사 각도 변화를 억제하기 위한 편향기의 제어 테이블을 작성함으로써, 편향에 수반하는 입사 각도 변화를 억제하고 있다. 광학 조건마다 조정값을 가져야 하는 것에 더하여, 광학 조건마다 피라미드 패턴을 이용하여 입사각을 계측하기 위해 요하는 작업 시간도 크다. 특허문헌 2에서는, 초점 위치를 바꾸어, 동일한 마크의 화상을 복수 취득하고, 마크의 위치 어긋남량과 보정 계수에 의거하여, 일차 전자를 시료에 수직으로 입사시킨다. 보정 계수는 광학 조건마다 보정 테이블로서 유지되어 있다. 이 때문에, 편향기의 제어 테이블 외에 광학 조건마다의 보정 테이블을 작성할 필요가 있어, 제어가 복잡해진다.
하전 입자 빔의 광축은 장치 내외의 환경에 의해 변화되는 것이며, 입사 각도의 조정은 정기적으로 행할 필요가 있다. 이 때문에, 일차 전자의 편향에 의한 입사각의 변화를 간편하게 조정할 수 있는 것이 요망된다.
일 실시형태로서의 하전 입자선 장치는, 하전 입자선을 생성하는 하전 입자원과, 시료를 재치(載置)하는 시료대와, 하전 입자선을 수속시켜 시료에 조사하는 콘덴서 렌즈와 대물 렌즈와, 하전 입자선을 편향시키는 복수의 이미지 시프트 편향기와, 제어부와, 기억부를 갖고, 기억부는, 하전 입자선의 광축을 대물 렌즈의 대물 렌즈 중심을 지나 시료의 소정의 위치에 입사하는 제1 광축으로 설정하는 제1 제어 파라미터와, 제1 광축으로부터 제1 광축과는 상이한 소정의 입사각을 갖는 제2 광축으로 설정하도록 제1 제어 파라미터를 변환하는 제2 제어 파라미터를 저장하고, 제어부는, 제1 제어 파라미터 및 제2 제어 파라미터를 이용하여, 복수의 이미지 시프트 편향기에 의한 하전 입자선의 편향을 제어한다.
그 밖의 과제와 신규의 특징은, 본 명세서의 기술 및 첨부 도면으로부터 분명해질 것이다.
일차 전자의 편향에 의한 입사각의 변화를 간편하게 조정할 수 있는 하전 입자선 장치를 제공한다.
도 1은 실시예 1에 따른 주사 전자 현미경의 전체 구성도.
도 2a는 이미지 시프트 편향에 의한 일차 전자의 궤도(대물 렌즈 중심축)를 나타내는 도면.
도 2b는 이미지 시프트 편향에 의한 일차 전자의 궤도(수직 입사축)를 나타내는 도면.
도 3은 대물 렌즈 중심축과 수직 입사축의 이미지 시프트 편향기의 제어량의 차이를 나타내는 도면.
도 4는 대표값을 이용한 이미지 시프트 편향기의 제어에 의해 얻어지는 입사각을 설명하는 도면.
도 5는 대표값을 이용하여 수직 입사축으로 설정하는 조정 시퀀스를 나타내는 도면.
도 6은 실시예 2에 따른 주사 전자 현미경의 전체 구성도.
도 7a는 강도비의 차분의 대물 여자(勵磁) 의존성을 설명하는 도면.
도 7b는 편향 방향의 상대 회전각의 차분의 대물 여자 의존성을 설명하는 도면.
도 8은 보정 함수를 이용하여 수직 입사축으로 설정하는 조정 시퀀스를 나타내는 도면.
도 9는 시야 이동이 없는 초점 보정을 실현하는 조정 시퀀스를 나타내는 도면.
도 10은 주사 전자 현미경의 광학계의 구성을 나타내는 도면.
도 11은 대물 렌즈의 구성을 나타내는 도면.
이하에, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해서, 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 이하에서는 하전 입자선으로서 전자를 이용했을 경우에 대해서 설명하지만, 하전 입자선을 이온으로서도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
[실시예 1]
도 1은, 실시예 1에 따른 주사 전자 현미경의 전체 구성도이다. 전자원(101)으로부터 취출된 일차 전자(102)는 콘덴서 렌즈(114)에 의해 수속되고, 상단 이미지 시프트 편향기(103), 상단 편향기(104), 하단 이미지 시프트 편향기(105), 하단 편향기(106)에 의해 편향된 후, 대물 렌즈 코일(120)과 대물 렌즈 자로(磁路)(121)로 구성되는 대물 렌즈(107)에 의해 축소되고, 시료(108)에 조사된다. 일차 전자(102)의 시료(108)에의 조사에 기인하여 발생하는 이차 전자(109)는 검출기(110)에 의해 검출된다. 시료(108)는 시료대(111) 위에 유지되어 있고, 시료대(111)는 전자 광학계의 중심축에 대하여 수평 방향 및 수직 방향으로 이동이 가능하다. 또한, 전자원(101), 콘덴서 렌즈(114), 상단 이미지 시프트 편향기(103), 상단 편향기(104), 하단 이미지 시프트 편향기(105), 하단 편향기(106), 검출기(110), 대물 렌즈(107), 시료대(111)의 동작은 제어부(112)에 의해 제어된다. 기억부(113)는 이들의 주사 전자 현미경의 각 구성 요소를 제어하기 위한 파라미터를 유지하고 있고, 제어부(112)는 기억부(113)에 유지되어 있는 파라미터를 판독하여 제어를 행한다.
시료(108) 위의 관찰 영역에 대하여, 일차 전자(102)를 2차원으로 주사시킴으로써 화상을 취득한다. 이러한 2차원의 주사는 상단 편향기(104) 및 하단 편향기(106)에 의해 행한다. 한편, ±10㎛ 정도의 시야의 이동은 상단 이미지 시프트 편향기(103) 및 하단 이미지 시프트 편향기(105)에서 행한다. 시야의 이동은 시료대(111)의 이동으로도 행할 수 있지만, 기계적인 동작이기 때문에 고속으로 이동하는 것은 어렵고, 이동 정밀도도 낮다. 상단 이미지 시프트 편향기(103) 및 하단 이미지 시프트 편향기(105)에 의한 이미지 시프트는, 광범위한 이동은 할 수 없지만, ±10㎛ 정도이면 시료대(111)보다 고속이며 또한 고정밀도로 시야를 이동할 수 있다.
도 2a에 통상의 이미지 시프트 편향에 의한 일차 전자의 궤도(202)(이하, 「대물 렌즈 중심축」이라고 함)를 나타낸다. 상단 이미지 시프트 편향기(103) 및 하단 이미지 시프트 편향기(105)에 의해 편향된 일차 전자는 대물 렌즈 중심(201)을 통과하여 시료(108)의 시야 중심(206)에 입사한다. 시야 중심(206)은 전자 광학계의 중심축(205)과 시료(108)의 교점과는 상이한 위치에 있다. 여기에서, 「대물 렌즈 중심」이란, 대물 렌즈(107)의 주면(主面)과 전자 광학계의 중심축(205)과의 교점을 말한다. 일차 전자는, 중심축(205)에 대하여 각도를 갖고 대물 렌즈 중심(201)에 입사되기 때문에, 이미지 시프트 편향기에 의한 편향량에 따라 시료(108)에의 입사각이 변화한다. 이 때문에, 어스펙트비가 높은 깊은 구멍이나 깊은 홈에 대한 관찰이나 계측 등에 있어서는, 이 입사각의 변화를 무시할 수 없다.
도 2b에 수직 입사 이미지 시프트 편향에 의한 일차 전자의 궤도(203)(이하, 「수직 입사축」이라고 함)를 나타낸다. 수직 입사축(203)에서는 시료(108) 표면에 대하여 수직으로 입사하기 때문에, 어스펙트비가 높은 깊은 구멍이나 깊은 홈에 대한 관찰이나 계측 등에 적합하다. 수직 입사축(203)은, 대물 렌즈 중심(201)의 외측을 통과시킴으로써, 상단 이미지 시프트 편향기(103), 하단 이미지 시프트 편향기(105), 대물 렌즈(107)의 편향 작용에 의해, 수직 입사를 실현한다. 또한, 대물 렌즈(107)는 자장 렌즈이며 일차 전자(102)에 회전 작용을 미치기 때문에, 편향 강도뿐만 아니라, 상단 이미지 시프트 편향기(103)와 하단 이미지 시프트 편향기(105)에 있어서의 편향 방향도 적절한 값으로 변경할 필요가 있다.
발명자들은 도 2b에 나타내는 수직 입사 이미지 시프트 편향을 실현하는 제어 방법에 대해서 예의 검토한 결과, 시료(108)에 대하여 감속법이 적용되고 있지 않은, 예를 들면 음극성의 리타딩 전압이 실질적으로 인가되지 않는다는 조건하에 있어서, 대물 렌즈 중심축(202)(도 2a)으로부터 수직 입사축(203)(도 2b)으로 이행하기 위해 가하는 이미지 시프트 편향기의 제어량이, 가속 전압으로 대표되는 광학 조건의 변경에 대하여 근소한 차이밖에 생기지 않음을 발견했다. 이것은, 수직 입사 이미지 시프트 편향을, 대폭 간소화된 제어에 의해 실현할 수 있음을 의미한다.
감속법을 적용할 경우, 예를 들면 리타딩법에서는 시료(108)에 대하여 음극성의 리타딩 전압을 인가함으로써, 일차 전자를 대물 렌즈(107) 부근에서 감속시킨다. 이 경우, 대물 렌즈(107)는 대물 렌즈 코일(120)과 대물 렌즈 자로(121)에 의해 형성되는 자계와 리타딩 전압에 의해 형성되는 정전계가 중첩된 전자계 중첩 렌즈로서 작용한다. 이 때문에, 주요한 광학 조건 중 하나인 가속 전압이 바뀌면, 정전계의 크기도 바뀌고, 그 결과, 대물 렌즈(107)의 렌즈 주면의 위치가 이동한다. 이 때문에, 감속법이 적용되는 전자 광학계에서는 본 실시예에 의한 이미지 시프트 편향기의 제어를 적용하는 것은 원칙적으로 할 수 없다.
도 3에, 동일한 시야 중심(206)에 대하여 각각 상이한 가속 전압에 의해, 대물 렌즈 중심축(202)과 수직 입사축(203)으로 설정하고, 그때의 이미지 시프트 편향기의 제어량의 차분을 표(301)로서 나타낸다. 본 실시예의 주사 전자 현미경에서는, 상단 이미지 시프트 편향기(103)와 하단 이미지 시프트 편향기(105) 사이의 강도비 및 편향 방향의 상대 회전각에 의해, 대물 렌즈(107)에 입사하는 일차 전자의 편향량을 제어할 수 있다. 표(301)는, 대물 렌즈 중심축(202)으로 설정하는 이미지 시프트 편향기의 제어량과 수직 입사축(203)으로 설정하는 이미지 시프트 편향기의 제어량의 차분을, 상단 이미지 시프트 편향기(103)와 하단 이미지 시프트 편향기(105) 사이의 강도비와 편향 방향의 상대 회전각의, 2개의 파라미터에 대한 차분으로서 표시하고 있다.
표(301)에서는, 상단 이미지 시프트 편향기(103)와 하단 이미지 시프트 편향기(105)간의 강도비와 편향 방향의 상대 회전각에 대해서, 대물 렌즈 중심축과 수직 입사축의 차분은, 가속 전압을 바꾸어도 거의 변화하지 않음을 알 수 있다. 이는, 일단, 대물 렌즈 중심축으로 설정하도록 이미지 시프트 편향기를 제어하면, 이후, 가속 전압이 어떻든지, 도 3에 나타낸 차분의 대표값에 의거하여 이미지 시프트 편향기를 제어함으로써, 대물 렌즈 중심축으로부터 수직 입사축으로 이행시킬 수 있는 가능성을 나타내는 것이다.
도 4에 차분의 대표값을 이용하여 이미지 시프트 편향기를 제어했을 경우의 입사각을 계산한 결과를 표(401)로서 나타낸다. 도 3과 도 4는 동일한 조건에서의 이미지 시프트 편향기의 제어량을 나타내고 있고, 칼럼(402)은 대물 렌즈 중심축(202)으로 설정하는 이미지 시프트 편향기의 제어량, 칼럼(403)은 대물 렌즈 중심축(202)으로 설정하는 이미지 시프트 편향기의 제어량과 수직 입사축(203)으로 설정하는 이미지 시프트 편향기의 제어량의 차분(도 3)의 대표값, 칼럼(404)은 차분의 대표값(칼럼(404))에 의거하여 이미지 시프트 편향기를 제어했을 때의 일차 전자의 궤도의 입사각을 나타내고 있다. 또한, 대표값으로서는 단순 평균을 이용하고 있다.
칼럼(404)에 나타나는 바와 같이 차분의 대표값에 의한 제어에 의해 얻어지는 입사각은 0.01° 이하로 되어 있다. 어스펙트비가 50인 고어스펙트 형상이어도 화각(angle of view)은 0.57°이므로, 차분의 대표값을 이용한 제어에 의해 얻어지는 입사각은 계측 대상으로 하는 고어스펙트 형상의 화각에 대하여 충분히 작은 값으로 되어 있다. 이상의 지견에 의거하여, 본 실시예에 있어서는, 미리 대물 렌즈 중심축으로 설정하는 이미지 시프트 편향기의 제어량과 수직 입사축으로 설정하는 이미지 시프트 편향기의 제어량의 차분을 복수의 광학 조건에 있어서 구하고, 그 대표값을 기억해 둔다. 관찰, 계측시에는, 소정의 광학 조건에 있어서 우선, 대물 렌즈 중심축을 부여하는 이미지 시프트 편향기의 제어량을 구하고, 이에 차분의 대표값에 의거하는 제어를 가함으로써, 수직 입사축을 실현한다.
구체적인 제어 방법을 설명한다. 대물 렌즈 중심축(202)으로 설정하는 이미지 시프트 편향기의 제어량은 제1 제어 파라미터(A, B, C, D)를 이용하여 (수식 1)과 같이 나타낼 수 있다.
[수식 1]
Figure pat00001
(수식 1)에 있어서, ISM1X, ISM1Y는 상단 이미지 시프트 편향기(103)에 인가하는 전류의 LSB(Least Significant Bit)값이며, ISM2X, ISM2Y는 하단 이미지 시프트 편향기(105)에 인가하는 전류의 LSB값이다. LSB값에 의해 각각의 이미지 시프트 편향기의 전류량이 제어된다. 여기에서, (수식 1)의 제1 제어 파라미터는, 대물 렌즈 중심축(202)으로 설정하는 상단 이미지 시프트 편향기(103)와 하단 이미지 시프트 편향기(105)간의 강도비(α0)와 편향 방향의 상대 회전각(θ0)을 이용하여 (수식 2)와 같이 나타낼 수 있다.
[수식 2]
Figure pat00002
구체적으로는, 강도비(α0)와 편향 방향의 상대 회전각(θ0)은, 소정의 광학 조건에 있어서의 도 4의 칼럼(402)의 값이 된다. 이 대물 렌즈 중심축(202)에 대하여, 차분(대표값)에 의거하는 제어를 행하여 수직 입사축(203)으로 설정한다. 수직 입사축(203)으로 설정하는 이미지 시프트 편향기의 제어량은 제2 제어 파라미터(a, b, c, d)를 이용하여 (수식 3)과 같이 나타낼 수 있다.
[수식 3]
Figure pat00003
여기에서, (수식 3)의 제2 제어 파라미터는, 대물 렌즈 중심축의 경우와 수직 입사축의 경우 사이에 있어서의, 상단 이미지 시프트 편향기(103)와 하단 이미지 시프트 편향기(105) 사이의 강도비의 차분의 대표값(Δα)과 편향 방향의 상대 회전각의 차분의 대표값(Δθ)을 이용하여 (수식 4)와 같이 나타낼 수 있다.
[수식 4]
Figure pat00004
구체적으로는, 강도비의 차분의 대표값(Δα)과 편향 방향의 상대 회전각의 차분의 대표값(Δθ)은, 도 4의 칼럼(403)의 값이 된다. 따라서, 주사 전자 현미경의 기억부(113)에 저장하는 제2 제어 파라미터로서는, 상단 이미지 시프트 편향기(103)와 하단 이미지 시프트 편향기(105) 사이의 강도비의 차분의 대표값(Δα)과 편향 방향의 상대 회전각의 차분의 대표값(Δθ)으로 해도 되고, 혹은 (a, b, c, d)의 값으로 해도 된다. 이 경우,
a＝(1+Δα)cosΔθ
b＝-(1+Δα)sinΔθ
c＝(1+Δα)sinΔθ
d＝(1+Δα)cosΔθ
가 된다.
또한, (수식 3)은 상단 이미지 시프트 편향기(103)에 인가하는 전류의 LSB값(ISM1X 및 ISM1Y)을 기준으로 해서, 하단 이미지 시프트 편향기(105)에 인가하는 전류의 LSB값(ISM2X 및 ISM2Y)을 조정함으로써 수직 입사축으로 설정하는 제어를 나타내고 있다. 이에 대하여 하단 이미지 시프트 편향기(105)에 인가하는 전류의 LSB값(ISM2X 및 ISM2Y)을 기준으로 해서, 상단 이미지 시프트 편향기(103)에 인가하는 전류의 LSB값(ISM1X 및 ISM1Y)을 조정하는 것도 마찬가지로 가능하다.
대물 렌즈 중심축으로 설정하는 제1 제어 파라미터는 전자 광학계의 광학 조건에 의존한다. 그러나, 대물 렌즈 중심축의 경우, 시료 패턴의 제약이 적고, 예를 들면, 대물 렌즈(107)의 여자 강도의 와블링과 같은 일반적인 축 조정 방법으로 조정할 수 있다. 제2 제어 파라미터는 광학 조건에 관계없이 고정으로 함으로써, 단시간에서의 측정이 가능해진다.
다음으로, 대표값을 이용한 수직 입사축으로 설정하기 위한 조정 시퀀스에 대해서 도 5를 이용하여 설명한다. 본 조정 시퀀스는 예비 시퀀스와 본 시퀀스의 2단계로 구성된다. 예비 시퀀스는 주로 장치 출하 전이나 고객처에서의 장치 설치시에 실시되고, 본 시퀀스는 장치 납입 후에 오퍼레이터가 장치를 사용할 때에 실시된다.
우선, 예비 시퀀스에 대해서 설명한다. 스텝 502에서는 복수의 광학 조건, 예를 들면 복수의 가속 전압, 모드에 있어서, 대물 렌즈 중심축으로 설정하는 상단 이미지 시프트 편향기(103)와 하단 이미지 시프트 편향기(105) 사이의 강도비와 편향 방향의 상대 회전각을 구한다. 다음으로, 스텝 503에서는, 스텝 502와 동일한 광학 조건에 있어서 수직 입사축으로 설정하는 상단 이미지 시프트 편향기(103)와 하단 이미지 시프트 편향기(105) 사이의 강도비와 편향 방향의 상대 회전각을 구한다. 스텝 504에서는 스텝 502 및 스텝 503에서 얻어지는 상단 이미지 시프트 편향기(103)와 하단 이미지 시프트 편향기(105) 사이의 강도비와 편향 방향의 상대 회전각의 차분을 각각의 광학 조건에 대하여 계산한다. 스텝 505에서는 스텝 504에서 얻어지는 차분값으로부터 대표값을 계산한다. 여기에서, 대표값의 계산 방법으로서는, 예를 들면 평균값이나 중앙값을 이용해도 되고, 다른 통계 처리에 의해 얻어지는 값을 이용해도 된다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 제어에 의해 실현되는 수직 입사축의 입사각은 충분히 작은 값으로 되어 있기 때문에, 대표값의 계산 방법의 차이에 의한 입사각의 차이는 무시할 수 있는 레벨로 억제된다. 마지막으로, 스텝 506에서는 스텝 505에서 얻어진 대표값을 제2 제어 파라미터로서 기억부(113)에 저장한다.
다음으로, 본 시퀀스에 대해서 설명한다. 스텝 511에서는 오퍼레이터가 광학 조건을 설정한다. 스텝 512에서는 대물 렌즈 중심축에 있어서의 상단 이미지 시프트 편향기(103)와 하단 이미지 시프트 편향기(105)간의 강도비와 편향 방향의 상대 회전각, 즉 제1 제어 파라미터를 기억부(113)로부터 읽어들인다. 스텝 513에서는 대물 렌즈 중심축의 축 조정에 의해 제1 제어 파라미터를 갱신한다. 예를 들면, 와블러(Wobbler)에 의해 렌즈의 초점 거리를 주기적으로 변동시켰을 경우에 상(像)의 시프트가 생기지 않도록 광축을 조정했을 때의 조정값에 의해 제1 제어 파라미터를 갱신한다. 스텝 514에서는 예비 시퀀스에서 구한 제2 제어 파라미터를 기억부(113)로부터 읽어들인다. 스텝 515에서는 앞서 기술한 (수식 3)에 나타낸 바와 같이, 제2 제어 파라미터에 의해 제1 제어 파라미터를 변환하고, 상단 이미지 시프트 편향기(103) 및 하단 이미지 시프트 편향기(105)에 인가하는 전류량을 산출한다.
이상의 시퀀스에 의해 수직 입사축의 제어를 실현할 수 있다. 또한, 예비 시퀀스에서 조정에 이용하는 광학 조건(스텝 502, 503)은 장치가 가지는 모든 광학 조건, 즉 본 시퀀스에 있어서 오퍼레이터가 선택할 수 있는 모든 광학 조건일 필요는 없다. 예를 들면, 예비 시퀀스에서 대표값을 구하기 위해 실시하고 있지 않은 가속 전압을 본 시퀀스에서의 가속 전압으로 해도 수직 입사축이 얻어진다.
또한, 광학 조건으로서는 예시한 가속 전압뿐만 아니라, 모드(예를 들면, 분해능 우선 모드, 초점 심도 우선 모드)의 선택 등도 포함된다. 분해능 우선 모드, 초점 심도 우선 모드 등의 모드의 전환은, 구체적으로는 콘덴서 렌즈(114)의 여자량을 변화시켜, 일차 전자(102)의 물점(물면)의 위치를 변화시키는 것을 의미하지만, 모드의 선택에 관계없이, 본 실시예의 대표값 제어를 적용하여 수직 입사축으로 설정할 수 있다.
또한, 대표값 제어에 의해 실현되는 궤도는 수직 입사축으로 한정되는 것이 아니라, 입사각이 원하는 값이 되는 궤도를 형성하는 것도 가능하다. 이 경우의 상단 이미지 시프트 편향기(103)와 하단 이미지 시프트 편향기(105)의 제어량을 (수식 5)에 나타낸다.
[수식 5]
Figure pat00005
즉, 벡터항(e, f)으로 나타나는 오프셋 전류를 상단 이미지 시프트 편향기(103) 및 하단 이미지 시프트 편향기(105)에 가산한다. 이와 같이, 미리 계측해서 구한 오프셋의 벡터항(e, f)을 제2 제어 파라미터로서 부가함으로써 원하는 입사각을 가지는 궤도를 실현할 수 있다. 이에 따라, 예를 들면 에칭에 의한 가공에 있어서 깊은 구멍 및 홈의 측면이 비스듬해졌을 경우의 계측에 유연하게 대응할 수 있다.
본 실시예는, 가속 전압, 그 밖의 광학 조건을 바꿈으로써 대물 렌즈의 주면의 위치를 크게 변화시켜 버리는 전자 광학계, 예를 들면 감속법을 적용하는 전자 광학계 이외에 있어서 적용 가능하다. 반대로, 예를 들면 5㎸ 이상의 고가속 영역이며 또한, 시료(108)에 인가하는 음전압이 -100V 정도의 약(弱)리타딩 조건이면, 리타딩법을 적용하고 있다고 해도, 그 변화에 수반하는 주면의 움직임은 작아, 적용 가능하다고 생각된다. 또한, 본 실시예에서는 맨 처음에 대물 렌즈 중심축의 조정을 행하지만, 대물 렌즈 중심으로부터 궤도의 어긋남이 있었다고 해도 실용상 문제없는 정도의 어긋남이면 허용되는 것은 말할 필요도 없다. 또한, 편향기가 3단 이상의 구성이어도 되고, 제어 파라미터의 표현도 각종 변경 가능하다.
[실시예 2]
실시예 1에서는 대표값(고정값)을 이용하여 수직 입사축으로 설정하는 제어에 대해서 설명했다. 실시예 2로서, 보정 함수를 이용한 제어에 대해서 설명한다. 이 기능이 있음으로써 더 정밀도 좋게 제어할 수 있다. 도 6은, 실시예 2에 따른 주사 전자 현미경의 전체 구성도이며, 도 1의 구성에 대하여 보정 함수 계산부(601)가 추가된 구성으로 되어 있다.
도 3에 관해서, 광학 조건이 상이해도 수직 입사축을 생성하기 위해 필요한 보정량에는 거의 차이가 없는 것을 기술했지만, 완전히는 동일하지 않다. 소정의 광학 조건에 있어서, 대물 렌즈 중심축으로부터 수직 입사축으로 이행하기 위한 이미지 시프트 편향기의 제어량이 대물 렌즈의 여자 강도에 의해 어떻게 변화하는지를 도 7a, 도 7b에 나타낸다. 도 7a에는 상단 이미지 시프트 편향기(103)와 하단 이미지 시프트 편향기(105) 사이의 강도비의 차분에 대해서, 도 7b에는 상단 이미지 시프트 편향기(103)와 하단 이미지 시프트 편향기(105) 사이의 편향 방향의 상대 회전각의 차분에 대해서 나타내고 있다. 이들에 나타나는 바와 같이, 상단 이미지 시프트 편향기(103)와 하단 이미지 시프트 편향기(105) 사이의 강도비 및 편향 방향의 상대 회전각은, 여자 강도에 대하여 적절한 함수로 보정할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 이러한 여자 강도의 변화는, 관찰하는 시료의 높이에 따라 초점 위치를 변화시키거나, 콘덴서 렌즈(114)의 여자 강도를 제어하여 일차 전자(102)의 물점의 위치를 변화시킬 때에 생기는 것이다.
보정 함수를 이용하여 수직 입사축으로 설정하기 위한 조정 시퀀스에 대해서 도 8을 이용하여 설명한다. 도 5에 나타낸 조정 시퀀스와의 주요한 차이는 스텝 805 및 스텝 814이다. 예비 시퀀스에 있어서의 스텝 805에서는 스텝 804에서 얻어지는 차분값을 이용하여 보정 함수 계산부(601)에서 보정 함수를 도출한다. 보정 함수는 다항식이나 지수 함수 등의 함수이며, 장치 설계자가 지정한다. 보정 함수의 각 계수의 도출은, 예를 들면 최소 제곱법으로 구한다. 스텝 806에서는, 도출한 보정 함수를 제2 제어 파라미터로서 기억부(113)에 저장한다. 본 시퀀스의 스텝 814에서는 대물 렌즈(107)의 여자 강도와 보정 함수로부터 제2 제어 파라미터의 값을 산출한다.
도 8에 나타내는 예비 시퀀스도, 도 5의 경우와 마찬가지로 오퍼레이터가 선택할 수 있는 전(全)광학 조건으로 실시할 필요는 없다. 또한, 보정 함수를 이용하기 때문에, 대표값을 이용하는 실시예 1보다 더 수직에 가까운 입사각을 얻을 수 있다.
또한, 여기에서는 대물 렌즈(107)의 여자 강도를 변수로 하여 차분을 구하는 보정 함수를 이용하는 예에 대해서 설명했지만, 다른 파라미터를 변수로 할 수도 있다. 예를 들면, 일차 전자(102)의 물점 위치를 보정 함수의 변수로 해도 된다.
[실시예 3]
수직 입사축의 경우, 대물 렌즈(107)의 여자 강도를 바꾸면 시야 중심 위치가 움직인다. 이는, 수직 입사축(203)의 일차 전자는 대물 렌즈(107)의 대물 렌즈 중심(201)을 지나지 않기 때문이다. 한편, 대물 렌즈 중심축(202)에서는 일차 전자가 대물 렌즈(107)의 대물 렌즈 중심(201)을 지나기 때문에, 대물 렌즈(107)의 여자 강도를 바꾸어도 시야 중심 위치는 움직이지 않는다. 이러한 수직 입사축에서 일차 전자의 위치가 이동하는 현상은, 대물 렌즈(107)의 여자 강도를 바꾸는 동작을 수반할 때, 예를 들면 화상의 초점 조정을 실시할 때에 문제가 된다. 이 때문에, 본 실시예에서는 수직 입사축에 있어서의 초점 보정시에는, 대물 렌즈 중심축의 상태에서 초점 보정을 행하고, 시야 이동량을 상쇄하도록 일차 전자의 입사 위치를 조정한 후에, 수직 입사축이 되도록 편향기의 제어 파라미터를 변경한다. 편향기의 제어 파라미터를 바꾸는 것에 의한 빔 위치의 이동량은, 미리 계측해 둠으로써 피드백이 가능해진다.
시야 이동이 없는 초점 보정을 실현하기 위한 조정 시퀀스에 대해서 도 9를 이용하여 설명한다. 여기에서, 시야 이동량이란 대물 렌즈 중심축으로부터 수직 입사축으로 이행할 때에 생기는 시야 중심의 이동량인 것이다. 본 조정 시퀀스는 예비 시퀀스와 본 시퀀스의 2단계로 구성된다.
우선, 예비 시퀀스에 대해서 설명한다. 스텝 902에서는 복수의 광학 조건, 예를 들면 복수의 가속 전압에 있어서 수직 입사축의 조건에서, 대물 렌즈(107)의 여자 강도를 바꾸어 시야 이동량을 계측한다. 스텝 903에서는 여자 강도와 시야 이동량의 관계식(시야 이동량＝계수×여자 전류 변화량)을 도출한다. 또한, 시야 이동량은 이미지 시프트 편향기가 일차 전자(102)를 편향시키는 편향량(시야 중심 위치의 중심축(205)으로부터의 이축량)에도 의존한다. 제어 정밀도를 높이기 위해, 스텝 904에 있어서, 편향량에 따라 시야 이동량을 보정하는 보정 계수를 도출한다. 스텝 905에서는 스텝 903에서 얻어진 관계식 및 스텝 904에서 얻어진 보정 계수를 기억부(113)에 저장한다.
다음으로, 본 시퀀스에 대해서 설명한다. 스텝 911에서는 오퍼레이터가 광학 조건을 설정한다. 스텝 912에서는 대물 렌즈 중심축으로 설정하고, 스텝 913에서는 초점 보정을 실행한다. 스텝 914에서는 초점 보정 후의 여자 강도를 산출한다. 스텝 915에서는 스텝 914에서 산출한 여자 강도를 예비 시퀀스에서 구한 관계식에 삽입하여 시야 이동량을 구한다. 스텝 916에서는, 대물 렌즈 중심축으로부터 수직 입사축으로 이행함으로써 생기는 시야 이동량을 상쇄하도록 시야 이동량을 보정한다. 이때, 시야 이동량은 편향 위치에도 의존하므로, 스텝 916에서 산출한 시야 이동량을 편향량에 따른 보정 계수에 의해 보정한다. 스텝 917에서는 수직 입사축으로 설정한다. 구체적으로는, 시야 이동량을 보정한 대물 렌즈 중심축으로 설정하는 제1 제어 파라미터에 대하여 제2 제어 파라미터를 적용한다. 이상의 시퀀스에 의해 시야 이동이 없는 초점 보정을 실현할 수 있다. 또한, 보정 계수를 이용하여 시야 이동량을 보정함으로써, 편향량에 따른 피드백이 행해진다.
이상의 실시예에서 이용되는 주사 전자 현미경의 전자 광학계의 구성은 도 1이나 도 6에 나타낸 구성예에는 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 1 및 도 6의 구성에서는, 시야의 이동에 이용하는 이미지 시프트 편향기(103, 105)와 촬상에 이용하는 편향기(104, 106) 양쪽이 대물 렌즈(107)보다 전자원(101)측에 설치되어 있었지만, 편향기의 위치는 이에 한정되지 않는다. 도 10에 나타내는 바와 같이 상단 편향기(104)와 하단 편향기(106)가 대물 렌즈(107)와 시료(108), 시료대(111) 사이에 설치되어 있어도 된다. 촬상에 이용하는 편향기(104, 106)가 대물 렌즈(107)보다 전자원(101)측에 설치되어 있는 구성에서는, 대물 렌즈(107)와 시료(108) 사이의 거리를 용이하게 짧게 할 수 있다는 이점이 있다. 한편, 촬상에 이용하는 편향기(104, 106)가 대물 렌즈(107)와 시료(108) 사이에 설치되어 있을 경우에는 시야를 넓게 취할 수 있다는 이점이 있다. 또한, 촬상에 이용하는 편향기는 2개일 필요는 없고, 1개여도 되고, 2개 이상 있어도 된다.
또한, 대물 렌즈의 구성도 이상의 구성에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 도 11에 나타내는 대물 렌즈는, 대물 렌즈 자로(1103)와 대물 렌즈 코일(1102)을 갖는 전자 렌즈와 전극(1101)에 의해 시료(1106) 위에 전자빔을 결상한다. 도 11의 대물 렌즈에서는, 전자 렌즈의 자로의 개구(開口)는 광축 방향을 향해 있고, 도 1에서의 세미 인 렌즈 방식과는 상이하게 아웃 렌즈 방식이 된다. 이러한 대물 렌즈에 있어서도 본 발명의 적용은 가능하다. 특히, 아웃 렌즈 방식의 대물 렌즈는, 시료의 높이 변동에 대하여 렌즈 주면의 이동을 실질적으로 무시할 수 있는 것에 있다. 이것은, 실시예 1∼3의 실시에 있어서, 시료의 높이 변화에 대한 로버스트성을 증대시키는 것에 기여한다. 또한, 도 11의 구성에서는, 2단의 편향기(상단 이미지 시프트 편향기(1104) 및 하단 이미지 시프트 편향기(1105))는 대물 렌즈의 자로 개구를 사이에 두고 시료(1106)의 반대측에 위치해 있다. 이 경우, 2개의 편향기(1104, 1105)에 실시예 1∼3의 제어를 적용함으로써, 수직 입사축으로 설정하는 편향이 가능하다.
101: 전자원 102: 일차 전자
103: 상단 이미지 시프트 편향기 104: 상단 편향기
105: 하단 이미지 시프트 편향기 106: 하단 편향기
107: 대물 렌즈 120: 대물 렌즈 코일
121: 대물 렌즈 자로 108: 시료
109: 이차 전자 110: 검출기
111: 시료대 112: 제어부
113: 기억부 114: 콘덴서 렌즈
201: 대물 렌즈 중심 601: 보정 함수 계산부
1101: 전극 1102: 대물 렌즈 코일
1103: 대물 렌즈 자로
1104: 상단 이미지 시프트 편향기
1105: 하단 이미지 시프트 편향기
1106: 시료

Claims (17)

  1. 하전 입자선을 생성하는 하전 입자원과,
    시료를 재치(載置)하는 시료대와,
    상기 하전 입자선을 수속(收束)시켜 상기 시료에 조사하는 콘덴서 렌즈와 대물 렌즈와,
    상기 하전 입자선을 편향시키는 복수의 이미지 시프트 편향기와,
    제어부와,
    기억부를 갖고,
    상기 기억부는, 상기 하전 입자선의 광축을 상기 대물 렌즈의 대물 렌즈 중심을 지나 상기 시료의 소정의 위치에 입사하는 제1 광축으로 설정하는 제1 제어 파라미터와, 상기 제1 광축으로부터 상기 제1 광축과는 상이한 소정의 입사각을 갖는 제2 광축으로 설정하도록 상기 제1 제어 파라미터를 변환하는 제2 제어 파라미터를 저장하고,
    상기 제어부는, 상기 제1 제어 파라미터 및 상기 제2 제어 파라미터를 이용하여, 상기 복수의 이미지 시프트 편향기에 의한 상기 하전 입자선의 편향을 제어하는 하전 입자선 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하전 입자원, 상기 콘덴서 렌즈, 상기 대물 렌즈 및 상기 복수의 이미지 시프트 편향기를 포함하여 하전 입자 광학계를 구성하고,
    상기 제1 제어 파라미터에 의해, 상기 하전 입자선의 광축이 상기 대물 렌즈의 주면(主面)과 상기 하전 입자 광학계의 중심축과의 교점을 지나도록 설정되는 하전 입자선 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 광축은, 상기 하전 입자선의 광축이 상기 하전 입자 광학계의 중심축에 평행하게 상기 시료에 입사하도록 설정되는 하전 입자선 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2 제어 파라미터는, 상기 하전 입자 광학계에 설정되는 광학 조건에 관계없이 고정값인 하전 입자선 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제2 제어 파라미터는, 상기 대물 렌즈의 여자(勵磁) 강도 또는 상기 하전 입자선의 물점 위치에 의거하는 보정 함수로부터 산출되는 하전 입자선 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하전 입자원, 상기 콘덴서 렌즈, 상기 대물 렌즈 및 상기 복수의 이미지 시프트 편향기를 포함하여 구성되는 하전 입자 광학계는 감속법을 적용하지 않은 하전 입자선 장치.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    화상을 취득하기 위해 상기 하전 입자선을 2차원으로 주사하기 위한 복수의 편향기를 갖고,
    상기 복수의 이미지 시프트 편향기는, 상기 대물 렌즈와 상기 하전 입자원 사이에 배치되고, 상기 복수의 편향기는, 상기 대물 렌즈와 상기 시료대 사이에 배치되는 하전 입자선 장치.
  8. 하전 입자선을 생성하는 하전 입자원과,
    시료를 재치하는 시료대와,
    상기 하전 입자선을 수속시켜 상기 시료에 조사하는 콘덴서 렌즈와 대물 렌즈와,
    상기 하전 입자선을 편향시키는 복수의 이미지 시프트 편향기와,
    상기 하전 입자선의 광축을 상기 시료의 소정의 위치에 입사하는 제1 광축으로 설정하는 제1 제어 파라미터와, 상기 제1 광축으로부터 상기 제1 광축과는 상이한 소정의 입사각을 갖는 제2 광축으로 설정하도록 상기 제1 제어 파라미터를 변환하는 제2 제어 파라미터를 저장하는 기억부와,
    제어부를 갖고,
    상기 제어부는, 상기 제1 제어 파라미터에 의해 설정되는 상기 제1 광축에 대하여 축 조정을 행하여 상기 제1 제어 파라미터를 갱신하고, 갱신된 상기 제1 제어 파라미터를 상기 제2 제어 파라미터에 의해 변환한 제어 파라미터에 의해, 상기 복수의 이미지 시프트 편향기에 의한 상기 하전 입자선의 편향을 제어하는 하전 입자선 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하전 입자원, 상기 콘덴서 렌즈, 상기 대물 렌즈 및 상기 복수의 이미지 시프트 편향기를 포함하여 하전 입자 광학계를 구성하고,
    상기 제2 광축은, 상기 하전 입자선의 광축이 상기 하전 입자 광학계의 중심축에 평행하게 상기 시료에 입사하도록 설정되는 하전 입자선 장치.
  10. 제8항 또는 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하전 입자원, 상기 콘덴서 렌즈, 상기 대물 렌즈 및 상기 복수의 이미지 시프트 편향기를 포함하여 구성되는 하전 입자 광학계는 감속법을 적용하지 않은 하전 입자선 장치.
  11. 하전 입자선을 생성하는 하전 입자원과,
    시료를 재치하는 시료대와,
    상기 하전 입자선을 수속시켜 상기 시료에 조사하는 콘덴서 렌즈와 대물 렌즈와,
    상기 하전 입자선을 편향시키는 복수의 이미지 시프트 편향기와,
    상기 하전 입자선의 광축을 상기 대물 렌즈의 대물 렌즈 중심을 지나 상기 시료의 소정의 위치에 입사하는 제1 광축으로 설정하는 제1 제어 파라미터와, 상기 제1 광축으로부터 상기 제1 광축과는 상이한 소정의 입사각을 갖는 제2 광축으로 설정하도록 상기 제1 제어 파라미터를 변환하는 제2 제어 파라미터와, 상기 대물 렌즈의 여자 강도와 상기 제2 광축의 시야 이동량의 관계식을 저장하는 기억부와,
    제어부를 갖고,
    상기 제어부는, 상기 제1 제어 파라미터에 의해 설정되는 상기 제1 광축에 대하여 초점 보정을 행하고, 상기 초점 보정 후의 상기 대물 렌즈의 여자 강도를 산출하고, 산출한 상기 대물 렌즈의 여자 강도와 상기 관계식에 의거하여 상기 초점 보정에 수반하는 상기 제2 광축의 시야 이동량을 보정하여 상기 제1 광축으로부터 상기 제2 광축으로 설정하는 하전 입자선 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 시야 이동량을 보정한 상기 제1 광축으로 설정하는 상기 제1 제어 파라미터를, 상기 제2 제어 파라미터에 의해 변환한 제어 파라미터에 의해, 상기 복수의 이미지 시프트 편향기에 의한 상기 하전 입자선의 편향을 제어하는 하전 입자선 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 기억부는, 상기 복수의 이미지 시프트 편향기의 편향량에 대응한 상기 시야 이동량의 보정 계수를 저장하고,
    상기 시야 이동량을 상기 보정 계수에 의거하여 보정하는 하전 입자선 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 하전 입자원, 상기 콘덴서 렌즈, 상기 대물 렌즈 및 상기 복수의 이미지 시프트 편향기를 포함하여 하전 입자 광학계를 구성하고,
    상기 제1 제어 파라미터에 의해, 상기 하전 입자선의 광축이 상기 대물 렌즈의 주면과 상기 하전 입자 광학계의 중심축과의 교점을 지나도록 설정되는 하전 입자선 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 하전 입자원, 상기 콘덴서 렌즈, 상기 대물 렌즈 및 상기 복수의 이미지 시프트 편향기를 포함하여 하전 입자 광학계를 구성하고,
    상기 제2 광축은, 상기 하전 입자선의 광축이 상기 하전 입자 광학계의 중심축에 평행하게 상기 시료에 입사하도록 설정되는 하전 입자선 장치.
  16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하전 입자원, 상기 콘덴서 렌즈, 상기 대물 렌즈 및 상기 복수의 이미지 시프트 편향기를 포함하여 구성되는 하전 입자 광학계는 감속법을 적용하지 않은 하전 입자선 장치.
  17. 제1항, 제8항 또는 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 대물 렌즈의 자로(磁路)의 개구(開口)가 광축 방향을 향해 있는 하전 입자선 장치.
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