KR20200055660A - 하전 입자 현미경에서의 공초점 이미징 기술 - Google Patents

하전 입자 현미경에서의 공초점 이미징 기술 Download PDF

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Abstract

하전 입자 현미경 공초점 이미징을 위한 방법 및 시스템이 개시된다. 예시적인 방법은 검체의 일 부분의 복수의 프로브 이미지들을 획득하되 복수의 프로브 이미지들의 각각의 프로브 이미지가 검체 내의 상이한 초점 깊이에서 획득되는 단계, 복수의 프로브 이미지들의 각 프로브 이미지에 가상 애퍼처를 적용하여 각각의 복수의 공초점 이미지들을 형성하는 단계, 및 복수의 공초점 이미지들에 기초하여 검체의 3차원 복원을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

하전 입자 현미경에서의 공초점 이미징 기술{CONFOCAL IMAGING TECHNIQUE IN A CHARGED PARTICLE MICROSCOPE}
본 발명은 검체의 공초점 이미지들을 획득하고 처리하기 위한 주사 투과 하전 입자 현미경(Scanning Transmission Charged Particle Microscope)을 사용하는 방법에 관한 것으로서, 공초점 이미지들은 이미지 내의 상이한 초점 깊이에서 획득되고 검체의 3차원 복원을 유도한다. 공초점 이미지들은 이미징 이후에 이미지 데이터에 가상 애퍼처(aperture)를 적용함으로써 생성된다.
하전 입자 현미경 검사는 특히 전자 현미경 검사의 형태에서, 미세한 물체들을 이미징하기 위한, 잘 알려져 있고 점점 더 중요해지는 기술이다. 역사적으로, 전자 현미경의 기본 종류는 투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscope, TEM), 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM), 및 주사 투과 전자 현미경(Scanning Transmission Electron Microscope, STEM)과 같은 다수의 잘 알려진 장치 종류로 진화해왔으며, 또한 "머시닝" 집속 이온 빔(Focused Ion Beam)을 부가적으로 이용하여, 예를 들어, 이온-빔 밀링, 이온-빔 유도 증착(Ion-Beam-Induced Deposition, IBID) 및/또는 이온-빔 유도 에칭(Ion-Beam-Induced Etching, IBIE)과 같은 지원 활동을 가능하게 하는 소위 "이중-빔" 장치(예를 들어, FIB-SEM)와 같은 다양한 하위-분류로 진화해왔다. 보다 구체적으로,
- SEM에서, 주사 전자 빔(scanning electron beam)에 의한 검체의 복사선은 상기 검체로부터의 "보조" 복사선의 발산(emanation)을, 예를 들어 2차 전자, 후방 산란된 전자, X-레이 및 음극발광(적외선의, 가시광선의 그리고/또는 자외선의 광자)의 형태로 촉진하며, 이러한 발산하는 복사선의 하나 이상의 성분들은 그 후 이미지 축적 용도로 검출 및 사용된다.
- TEM에서, 검체를 조사하는 데에 사용되는 전자 빔은 검체를 투과하기 위한 충분한 고에너지로 선택되며(이를 위해, SEM 검체의 경우에서보다 일반적으로 더 얇을 것임), 그 후 검체로부터 나오는 투과된 전자들은 이들을 검출기 상으로 지향시키는 이미징 시스템에 들어간다. 이러한 TEM이 주사 모드로 동작하는 경우(그러므로 STEM으로 되는 경우), 문제의 검출기 출력은 조사하는 전자 빔의 주사 동작 동안 축적될 것이다.
- SEM은 또한, 예를 들어, 비교적 박막인 검체들 및 비교적 높은 입사 빔 에너지를 사용할 때, "투과 모드"에서 사용될 수 있다. 이러한 툴은 종종 "TSEM"(투과 SEM)으로 불리며, 이는 전형적으로 검체와 검체-후(post) 검출기 사이에 배치되는 비교적 기초적인 이미징 시스템(예를 들어, 단일 렌즈 및 디플렉터(deflector))을 가질 것이다.
전자를 조사 빔으로 사용하는 것의 대안으로서, 다른 종류의 하전 입자를 사용하여 하전 입자 현미경 검사가 또한 수행될 수 있다. 이러한 측면에서, "하전 입자(charged particle)"라는 문구는, 예를 들어, 전자, 양 이온(예를 들어, Ga 또는 He 이온), 음 이온(예를 들어, 산소), 양성자(proton) 및 양전자(positron)을 포함하는 것으로 넓게 해석되어야 한다.
이미징 및 (국소) 표면 개질(예를 들어, 밀링, 에칭, 증착 등) 수행에 더하여, CPM은 또한 예를 들어, 회절도 검사, 분광법 수행, 이온 채널링/이온 후방산란 분광(Rutherford Backscattering Spectrometry) 연구 등 다른 기능을 가질 수 있다.
모든 경우에, 주사 투과 하전 입자 현미경(STCPM)은 적어도 다음의 구성요소들을 포함할 것이다.
- 하전 입자 소스, 예를 들어,
ㆍ 전자의 경우, 냉 전계 방출 전자총(Cold Field Emission Gun, CFEG), 쇼트키(Schottky) 전자 소스("핫 FEG"), 열이온 소스 등;
ㆍ 이온의 경우, 액체 금속 이온 소스(Liquid Metal Ion Source, LMIS), 나노-애퍼처 이온 소스(Nano-Aperture Ion Source, NAIS) 또는 RF-발생 이온 플라즈마 소스.
- 소스로부터의 "원시" 복사 빔을 조작하고, 그에 기초하여 포커싱(focusing), 수차 완화(aberration), 절단(cropping)(다이어프램을 사용), 필터링 등과 같은 특정 동작들을 수행하는 역할을 하는 (입자-광학 컬럼을 조명하는) 조명기. 이는 일반적으로 하나 이상의 (하전 입자) 렌즈를 포함할 것이고, 다른 유형의 (입자-)광학 요소도 포함할 수 있다. 원하는 경우, 조명기는 조사되는 검체를 가로질러 스캐닝 모션을 수행하기 위해 그의 출구 빔(exit beam)을 유발하도록 발동될 수 있는 디플렉터 시스템(빔 스캐닝 어셈블리)으로 제공될 수 있다.
- 조사되는 검체가 유지되고 위치(예를 들어, 변위되고, 기울여지고, 회전)될 수 있는, 일반적으로 포지셔닝 시스템 및/또는 스테이지에 연결되는, 검체 홀더. 원하는 경우, 이 홀더는 빔에 대해 검체의 스캐닝 모션을 실시하기 위하여 상기 스테이지(검체 스캐닝 어셈블리)에 의해 이동될 수 있다. 극저온을 이용한(cryogenic) 검체를 위치시키려 할 경우, 검체 홀더에는 적절한 냉각 장치가 제공될 수 있다.
- 검체(평면)를 관통하여 투과되는 하전 입자들을 본질적으로 획득하고 이들을 검출기 상에 지향(포커싱)시키는, (입자-광학 컬럼을 이미징하는) 이미징 시스템. 상기 언급된 조명기에서와 같이, 이미징 시스템은 또한 수차 완화, 절단, 필터링 등과 같은 다른 기능을 수행할 수 있으며, 일반적으로 하나 이상의 하전 입자 렌즈 및/또는 다른 유형의 입자 광학 구성요소를 포함할 것이다.
- 단일하거나 또는 사실상 조합/분산된 복합체일 수 있으며, 검출하고자 하는 것에 따라 많은 상이한 형태를 취할 수 있는 검출기. 예를 들어, 이는 하나 이상의 포토다이오드, CMOS 검출기, CCD 검출기, 광전지 셀 등을 포함할 수 있다.
CPM이 구현할 수 있는 부가적인 이미징 기술은 STEM 공초점 이미징(confocal imaging)이며, 이는 주사 공초점 전자 현미경 검사(Scanning Confocal Electron Microscopy, SCEM)로도 지칭된다. 이 기술의 기본 원리는 예를 들어 이미징 빔의 입자-광학 축에 근접하여 초점 평면의 상대적으로 한정(confine)된 영역만을 이용하여 이미징을 수행하는 것이다. 이러한 방식으로 초점 한정은 초점 평면의 상대적으로 편평한(낮은-수차의) 근축 부분으로부터의 정보만을 이용하여 이미지가 구성되게 하고, 따라서 검체 상에서/안에서 훨씬 더 정의된 초점/축 위치를 갖고, 이에 따라 더 높은 해상도의 이미지를 제공한다. 이는, 이어서, 소위 "입자-광학 절단(sectioning)"이 수행되도록 하고, 이에 의해 검체 내의 일련의 상이한 초점 깊이에서 포착된 평면/2차원의 이미지들의 이미지 스택에 기초하여 부피/3차원의 이미지가 복원될 수 있다. 통상적으로, 그러한 초점 한정은 좁은 물리적 애퍼처(다이어프램/공간 필터)를 이용하여, STEM의 이미징 시스템을 떠나는 플럭스의 상대적으로 작은 (중심) 부분만을 이용된 (이미징) 검출기에 충돌하게 함으로써 달성되는데, 이 메커니즘은 플럭스 스로틀링(throttling)으로도 지칭될 수 있다.
본 개시의 일 목적은 통상적인 기술보다 더 많은 기능을 가질 수 있는, STCPM에서의 공초점 이미징을 수행하는 대안적인 방법을 제공하는 것이다. 개시된 기술은 본원에서 참조되는 바와 같이, 가상 애퍼처를 이미지 데이터에 구현/적용하여 공초점 이미지를 형성한다. 이는 상기 플럭스에 스로틀링 애퍼처를 적극적으로 적용하는 것과 대조적이다.
일반적으로, 개시된 기술들은 (픽셀화된) 검출기로 하여금 수용할 수 있는 전체(또는 "공칭") 플럭스를 정합(register)하게 하고, 이어서 이 전체 플럭스를 소급적으로 "편집"하게 하므로, 전체 플럭스의 비교적 작은(그리고 쉽게 조정 가능한) 부분만이 실제로 이미지 조립, 예를 들어, 포착된 검출기 데이터에 대한 가상 애퍼처의 적용에 사용된다. 이 사후적 방법은, 검출기가 애초에 플럭스의 작은 영역에만 노출되도록 선험적으로 플럭스를 스로틀링하는 통상적인 접근법과 근본적으로 대조된다. 본원에 개시된 기술들은 다음과 같은 다수의 별개 장점들을 가지며, 몇몇을 나열하자면 다음과 같다.
- 통상적인 방법에서 사용되는 스로틀링 애퍼처가 제거된다. 이는 입자-광학 컬럼 설계를 단순화하고, 또한 애퍼처가 빔 에칭으로 인한 열화(및 정기적인 대체의 필요성)를 겪지 않게 한다.
- 사후의 소급적 편집을 위해, "원시" 검출기 데이터의 전체 세트가 포착(및 선택적으로 저장)된다. 이것은 (검체에 대한 누적 복사 손상을 수반하는) 상이한 스로틀링 애퍼처를 갖는 다수의 검체 이미징 세션을 반복할 필요 없이, 단일 데이터 세트 - 예를 들어, 이미지 조립에 사용될 한정된 부분의 위치, 크기 및/또는 형상에 관한 데이터 세트(즉, 상이한 이미지들을 평가하기 위해 가상 애퍼처의 크기 및 위치가 변경될 수 있음) - 에 대해 상이한 유형의 편집이 소급적으로 적용되게 한다.
- 포착된/저장된 검출기 데이터의 원시 특성은 또한, 공초점 이미징(confocal imaging)에 반대하여(또는 이에 부가하여), 주어진 데이터 세트가 "정기적인" 이미징을 위해 사용되게 한다.
전술한 "편집"은 검출기 데이터에 가상 애퍼처를 적용함으로써, 예를 들어, 검출 표면 상의 주어진 위치, 형상(예컨대, 원형, 타원형, 정사각형 등)의 특정 "영역(zone)" 및 크기에 대응하는 검출기 데이터만을 선택하는 알고리즘(소프트웨어/펌웨어)을 사용함으로써 수행된다.
개시된 기술들의 다른 이점은 스캐닝 어셈블리에 의해 사용되는 스캐닝 전략/메커니즘에 관한 것이며, 이는 원칙적으로 다음 중 하나 또는 둘 다를 포함할 수 있다.
- 입자-광학 축에 대한 검체 이동; 및
- 빔 편향.
이들 중 첫번째(검체 이동)는 이 대신에 빔 편향에 의존하는 경향이 있는 통상적인 SEM/STEM에서는 대개 적용되지 않는데, 이것은 특히 검체를 변위시키는 데에 필요한 스테이지 운동과 통상적으로 관련된 드리프트(drift) 효과/히스테리시스(hysteresis) 때문이다. 그러나, 빔 편향은 통상적인 SEM/STEM에서보다 물리적 애퍼처를 구현하는 전통적인 SCEM에서 더 어려운 경향이 있는데, 이는 전술된 플럭스 스로틀링 애퍼처(대개, 검출기의 검출 표면보다 훨씬 작은 (핀홀 같은) 개구를 갖는 애퍼처)의 존재가, 이용된 빔 편향 시스템에 대해 더 큰 위치설정 허용 오차를 요구하기 때문이다. 보다 구체적으로,
- 빔 스캔이 검체 위에서 구현되는 경우, 검출기 상에 일정한 빔 위치를 유지하기 위해, 빔 디-스캔(de-scan)은 일반적으로 검체 뒤에서 수행될 것이고;
- 검체 뒤의 빔이, 먼저 (상대적으로 좁은) 스로틀링 애퍼처를 통과해야 하는 것과 달리 (상대적으로 큰) 검출 표면 상에 도달해야만 하는 경우, 이러한 디-스캔은 다소 덜 정확할 수 있음이 명백하다.
이러한 이유로, 본원에 개시된 기술들은 스로틀링 애퍼처에 대한 필요성을 제거하기 때문에, 개시된 STCPM에서의 빔 스캐닝은 기본적으로 통상적인 SEM/STEM에서보다 더 어렵지 않다.
본 발명의 일 실시예에서,
- 예를 들어 검체 내의 상이한 초점 깊이에서의 이미지와 같은, 일련의 축 위치들을 생성하도록, 상기 광축에 평행한 상기 빔 및 검체의 단계적 상대 변위를 생성하는 데에 포커싱 어셈블리가 사용되고;
- 상기 일련의 축 위치들에서의 각각의 축 위치에 대해 공초점 이미지가 획득되며; 그리고
- 상이한 초점 깊이에서 각각 얻어진 일련의 공초점 이미지들은 검체의 적어도 일부의 3D 복원을 형성하도록 조합된다.
이러한 절차는 전술된 "입자-광학 절단"이 수행되게 하고, 상기 일련의 축 위치들에서 획득된 2D 이미지 스택으로부터 검체의 (일부의) 3D이미지가 복원되게 한다. 본원에 개시된 기술들의 하나의 이점은, 원하는 경우, 상이한 (튜닝 가능한) 가상 애퍼처가 상기 이미지 스택의 상이한 멤버들에 대해 소급적으로 선택되거나 적용될 수 있다는 것인데, 예를 들어, 통상의 기술자는 가상 애퍼처를 검체에 대한 투과 깊이의 함수로서 점차 좁아지도록 선택할 수 있다.
특정 실시예에서,
- 상기 포커싱 어셈블리는 검체 내에서 상기 빔의 초점면의 단계적 변위를 생성하도록 상기 조명기를 조정하고;
- 상기 이미지 평면에서 플럭스 초점을 유지하도록 상기 이미징 시스템이 동시에 조정된다.
전술된 측면 스캐닝 모션과 유사하게, 축방향 빔/검체 상대적 위치 조정은, 원칙적으로, 다음 중 적어도 하나를 이용하여 검체 내의 초점면의 위치를 변경하도록 수행될 수 있다.
- 입자-광학 축을 따른 검체 이동; 및
- 초점면 조정.
다시 한번, 이들 중 첫 번째(검체 이동)는 상대적으로 덜 선호되는 옵션인 경향이 있는데, 이는 특히, 검체를 변위시키는 데에 필요한 스테이지 이동과 일반적으로 연관되는 전술한 드리프트 효과/히스테리시스 때문이다. 두번째 옵션(초점면 조정)은 전술한 스로틀링 애퍼처의 부재에 의해 다시 한번 용이하게 된다. 이는, 수차가 없는 이미징 시스템의 완벽하게 정렬된 축 상의 가로지름을 제외하고는, 초점면 위치를 조정하는 것이 (작은) 양의 측면 이미지 시프트를 유발할 것이기 때문이다. 이러한 시프트는, 검체 뒤의 빔이, 먼저 (상대적으로 좁은) 스로틀링 애퍼처를 통과해야 하는 것보다 (상대적으로 큰) 검출 표면 상에 도달해야만 하는 경우에 큰 문제가 되지 않는다.
비록 많은 경우에, 본원에 개시된 가상 애퍼처는 검출기 데이터의 한정된 중앙 부분(즉, 입자-광학 축 상에 실질적으로 중심을 둔 부분)을 선택하는 데에 사용될 것이지만, 반드시 그럴 필요는 없으며, 원하는 경우 통상의 기술자는 이와 달리, 편심-위치된 한정된 부분을 선택할 수 있다. 한정된 부분의 크기는 또한 순전히 선택의 문제인데, (반드시 이럴 필요는 없는) 예로써, 통상의 기술자는 한정된 영역의 면적을, 검출기에 입사되는 "공칭" 플럭스 스폿/블롭의 면적의 10% 미만인 영역으로 선택할 수 있지만, 다른 면적 분의 영역도 가능하다. 대개, 한정된 부분은 실질적으로 원형이지만, 이것은 또한 임의적이며, 원하는 경우, 통상의 기술자는 그 대신 다른 형상(예를 들어, 타원형 또는 다각형)을 선택할 수 있다. 사용되는 검출기에 관해서는, 임의의 픽셀화된 검출기(예컨대 CCD 또는 CMOS 검출기)가 원칙적으로 적절하고, 본질적으로, 통상의 기술자는, 별개의 검출기 요소의 클러스터/스웜(swarm)을 포함하여, 개별적으로 판독될 수 있는 별개의 섹터들을 포함하는 서브-분할된 검출 표면을 갖는 임의의 검출기를 사용할 수 있다. 그러한 검출기에서, 스칼라 합계 값을 얻기 위해 통상의 기술자는 적용된 가상 애퍼처 내의 픽셀(또는 섹터) 값들을 편의상 합할 수 있으며, 그러나, 예를 들어, 한정된 부분 내의 n개(단, n은 선택가능한 수)의 가장 밝은 픽셀들을 (자동으로) 선택(및 합산)하는 것과 같은 다른 가능한 전략들도 있다. 한정된 부분의 선택 및 그 안의 데이터의 처리는 예를 들어, 전용 이미지 인식 소프트웨어를 사용하여, 또는 자체-기록된 알고리즘을 사용하여 수행될 수 있다. 선택에 따라, 이미지 처리는 검출기로부터 흐르는 데이터 스트림 상에서 실시간으로/즉시 수행될 수 있거나, 검출기 데이터가 저장된 후 나중에 처리될 수 있거나, 또는 이들의 조합으로 처리될 수 있다.
본 발명은 이제 예시적인 실시예 및 첨부된 개략적인 도면에 기초하여 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명이 구현되는 STEM의 일 실시예의 종방향 정면 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 반도체 장치의 일부의 이미징에 적용되는 것과 같은, 본 발명의 특정 측면을 도시한다.
도 3은 도 2a의 대상체에 대한 SCEM 및 STEM 비교 이미지를 도시한다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 예시적인 방법 흐름도이다.
도면들에서, 관련 있는 경우, 해당 부분들은 해당 참조 기호들을 사용하여 표시된다.
본 발명의 실시예들은 검체를 이미징한 후에 검출기 데이터에 적용된 가상 애퍼처를 사용하는 검체의 공초점 이미지들을 획득하는 것에 관한 것이며, 또한 획득된 이미지들에 기초하여 3D 복원들을 형성하는 것에 관한 것이다. 그러나, 본원에 기술된 방법은 일반적으로 광범위한 상이한 AI 강화 계측에 적용 가능하며 제한적인 것으로 간주되어서는 안됨을 이해해야 한다.
본 출원 및 청구 범위에서 사용된 바와 같이, 단수 형태 "한(a)", "하나의(an)" 및 "상기(the)"는 문맥상 명백하게 달리 지시되지 않는 한 복수 형태를 포함한다. 또한, "포함하는(includes)"이라는 용어는 "포함하는(comprises)"을 의미한다. 또한, "연결된"이라는 용어는 연결된 항목들 사이에 중간 요소의 존재를 배제하지 않는다. 또한, 다음의 설명 및 청구 범위에서, "포함하는(including)" 및 "포함하는(comprising)"이라는 용어는 개방형 방식으로 사용되므로, "...을 포함하지만 이에 제한되지 않는"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다. "집적 회로"라는 용어는 마이크로 칩의 표면에 패턴화된 일련의 전자 부품 및 이들의 상호 접속 (집합 명사적으로 내부 전기 회로 요소)을 지칭한다. 용어 "반도체 장치"는 일반적으로 집적 회로(IC)를 지칭하며, 이는 반도체 웨이퍼와 일체형이거나, 웨이퍼와 분리되거나, 회로 기판에서 사용하기 위해 패키징될 수 있다. 용어 "FIB" 또는 "집속 이온 빔(focused ion beam)"은 이온 광학 및 성형 이온 빔에 의해 집속된 빔을 포함하여 임의의 시준된 이온 빔을 지칭하기 위해 본원에서 사용된다.
본원에 기술된 시스템, 장치 및 방법은 어떤 방식으로든 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 대신에, 본 개시 내용은, 단독적인 및 서로의 다양한 조합 및 하위 조합의, 다양한 개시된 실시예의 모든 신규한 그리고 자명하지 않은 특징들 및 양태들에 관한 것이다. 개시된 시스템, 방법, 및 장치는 임의의 특정 양태 또는 특징 또는 이들의 조합으로 제한되지 않고, 또한 개시된 시스템, 방법, 및 장치는 임의의 하나 이상의 특정 이점이 존재하거나 문제들이 해결될 것을 요구하지도 않는다. 임의의 작동 이론은 설명을 용이하게 하기 위한 것이지만, 개시된 시스템, 방법 및 장치는 그러한 작동 이론으로 제한되지 않는다.
개시된 방법 중 일부의 동작이 제시의 편의를 위해 특정, 순차적인 순서로 기술되지만, 후술할 특정 언어에 의해 특정 순서가 요구되지 않는 한, 이러한 방식의 기술은 재배열을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 순차적으로 기술된 동작들은 경우에 따라 재배열되거나 동시에 실시될 수도 있다. 또한, 간략화를 위해, 첨부된 도면들은 개시된 시스템, 방법, 및 장치가 다른 시스템, 방법, 장치와 함께 사용될 수 있는 다양한 방식을 도시하지 않을 수도 있다. 또한, 설명에서, 개시된 방법을 기술하기 위해서 "생성한다(produce)" 및 "제공한다(provide)"와 같은 용어들을 종종 사용한다. 이러한 용어들은 실시되는 실제 동작들의 상위 수준 추상적 개념이다. 이러한 용어들에 상응하는 실제 동작들은 특정 구현예에 따라 달라질 수 있고 통상의 기술자는 이를 쉽게 인식할 수 있을 것이다.
도 1(실제 크기에 비례하지 않음)은 본 발명이 구현되는 STCPM(M)의 일 실시예를 매우 개략적으로 도시한 것이며, 특히, 도면은 STEM을 도시하지만, 본 발명의 맥락에서는, 이와 달리 예를 들어, TSEM 또는 이온 현미경일 수 있다. 도면에서, 진공 인클로저(2) 내에서, 쇼트키 FEG와 같은 전자 소스(4)는, 전자-광학 축(B')을 따라 전파되며 (예를 들어, (국소적으로) 박막화/평탄화될 수 있는) 검체(S)의 선택된 부분 상으로 전자를 지향/포커싱하는 역할을 하는 전자-광학 조명기(6)를 지나는, 전자 빔(B)을 생성한다. 또한, 특히 빔(B)의 스캐닝 동작을 수행하는 데 사용될 수 있는 편향기(10)가 도시되어 있다.
검체(S)는 포지셔닝 장치/스테이지(A)에 의해 다중 자유도로 위치될 수 있는 검체 홀더(H) 상에 유지되며, 이는 홀더(H)가 (착탈식으로) 부착되는 크래들(A')을 이동시키고, 예를 들어, 검체 홀더(H)는 (특히) XY 평면으로 이동될 수 있는 핑거를 포함할 수 있다(도시된 직각 좌표계 참조. 대개, Z에 평행한 모션 및 X/Y에 대한 경사가 또한 가능할 것임). 그러한 이동은 검체(S)의 상이한 부분들이 (Z 방향으로) 축(B')을 따라 이동하는 전자 빔(B)에 의해 조사/이미지화/검사되는 것을 허용하고/하거나 스캐닝 모션이 빔 스캐닝에 대한 대안으로서 수행되는 것을 허용한다. 원하는 경우, 선택적인 냉각 장치(도시되지 않음)가 예를 들어 극저온에서 검체 홀더(H)를(그리고 그 위의 검체(S)를) 유지하도록 검체 홀더(H)와 가까이 접촉될 수 있다.
선택적으로, 조명기(6)에는 분광기(8)가 존재한다. 소스(4)는 다양한 방향으로 광선(전자 경로)을 복사하고, 이러한 광선은 그러한 분광기(8) 내의 분산기/입자 프리즘 안을 통과하는데, 여기서 분산이 발생하고, 즉, 주어진 공칭 경로/광선을 따라서 통과하는 입자의 정확한 에너지에 따라 결정되는 미세한 굴절이 발생하여, 다양한 광선에서 스펙트럼 스프레드가 발생된다. 그 후, 분광기 슬릿은 이 스펙트럼 스프레드의 상대적으로 좁은 서브-섹션을 선택하는 데에 사용될 수 있고, 따라서 선택된 에너지 범위만을 통과시킨다.
전자 빔(B)은 (예를 들어) 2차 전자, 후방 산란 전자, X-선 및 광학 복사선(음극발광)을 포함한 다양한 유형의 "유도된(stimulated)" 복사선이 검체(S)로부터 복사되도록 하는 방식으로 검체(S)와 상호작용할 것이다. 원하는 경우, 이들 복사선 유형들 중 하나 이상은 센서(22)의 도움으로 검출될 수 있으며, 이는 예를 들어, 결합된 신틸레이터/광전자증배기 또는 EDX(Energy-Dispersive X-Ray Spectroscopy) 모듈일 수 있고, 그러한 경우, 이미지는 기본적으로 SEM에서와 동일한 원리를 사용하여 구성될 수 있을 것이다. 그러나, 대안적으로 또는 보충적으로, 통상의 기술자는 검체(S)를 가로지르고(통과하고), 그것으로부터 방출/복사되며 축(B')을 따라 (실질적으로, 일반적으로 다소의 편향/산란을 가지지만) 계속 전파하는 전자들을 연구할 수 있다. 그러한 투과된 전자 플럭스(flux)는 이미징 시스템(투사 렌즈)(24)에 진입하며, 이는 일반적으로 다양한 정전/자기 렌즈, 편향기, 보정기(예컨대 조정기(stigmator)) 등을 포함할 것이다. 통상 (비-스캐닝) TEM 모드에서, 이러한 이미징 시스템(24)은 투과된 전자 플럭스를 형광 스크린(26) 상으로 집속할 수 있으며, 이는 원하는 경우, 그것을 축(B')에서 벗어나도록 하기 위해 (화살표(26')에 의해 개략적으로 표시된 바와 같이) 후퇴/인출될 수 있다. 검체(S)의 (일부의) 이미지 또는 회절도는 이미징 시스템(24)에 의해 스크린(26) 상에 형성될 것이며, 이는 인클로저(2)의 벽의 적당한 부분에 위치한 뷰잉 포트(28)를 통해 보여질 수 있다. 스크린(26)을 위한 후퇴 메커니즘은 예를 들어, 본질적으로 기계적 및/또는 전기적일 수 있고, 여기에 도시되지 않는다.
스크린(26) 상에서 이미지/회절도를 관찰하는 것에 대한 대안으로서, 통상의 기술자는 대신에, 이미징 시스템(24)을 떠나는 전자 플럭스의 필드 깊이가 일반적으로 매우 크다는 사실(예를 들어, 대략 1미터)을 이용할 수 있다. 결과적으로, 다음과 같은 다양한 유형의 검출기가 스크린(26)의 하류에서 사용될 수 있다.
- TEM 카메라(30). TEM 카메라(30)에서, 전자 플럭스(B")는, 컨트롤러/프로세서(20)에 의해 처리될 수 있고, 예를 들어 평면 패널 디스플레이와 같은 디스플레이 장치(도시되지 않음) 상에 표시될 수 있는, 정적 이미지 또는 회절도를 형성할 수 있다. 필요하지 않은 경우, TEM 카메라(30)는 그것을 축(B')에서 벗어나도록 하기 위해 (화살표(30')에 의해 개략적으로 표시된 바와 같이) 후퇴/인출될 수 있다.
- STEM 카메라(32). STEM 카메라(32)로부터의 출력은 검체(S) 상의 빔(B)의 (X,Y) 스캐닝 위치의 함수로서 기록될 수 있고, X,Y 함수로서 STEM 카메라(32)로부터의 출력의 "맵(map)"인 이미지가 구성될 수 있다. STEM 카메라(32)는 TEM 카메라(30)에 특징적으로 존재하는 픽셀들의 매트릭스와는 대조적으로, 예를 들어, 20 mm의 직경을 갖는 단일 픽셀을 포함할 수 있다. 더욱이, STEM 카메라(32)는 일반적으로 TEM 카메라(30)(예를 들어, 초당 102 이미지들)보다 훨씬 더 높은 획득 속도(acquisition rate)(예를 들어, 초당 106 지점들)를 가질 것이다. 다시 한번, 필요하지 않은 경우, STEM 카메라(32)는 그것을 축(B')에서 벗어나도록 하기 위해 (화살표(32')에 의해 개략적으로 표시된 바와 같이) 후퇴/인출될 수 있다(그러한 후퇴는 예를 들어, 도넛-형상의 환형 암시야(dark field) STEM 카메라(32)의 경우에는 필요하지 않지만, 그러한 카메라에서, 중앙 홀은 카메라가 사용되지 않을 때 플럭스 통과를 허용할 것이다).
- 카메라(30 또는 32)를 사용한 이미징에 대한 대안으로서, 현재의 예에서 EELS 모듈인, 분광 장치(34)를 사용할 수도 있다.
아이템(30, 32 및 34)의 순서/위치는 엄격하지 않으며, 많은 가용한 변형이 적용될 수 있음을 유의해야 한다. 예를 들어, 분광 장치(34)는 또한 이미징 시스템(24)에 통합될 수 있다.
컨트롤러(컴퓨터 프로세서)(20)는 제어 라인들(버스들)(20')을 통해 다양하게 도시된 구성요소들에 연결된다는 점을 주목해야 한다. 이러한 컨트롤러(20)는 동작들을 동기화하고, 설정치들(setpoints)을 제공하고, 신호들을 처리하고, 계산들을 수행하고, 디스플레이 장치(미도시) 상에 메시지/정보를 표시하는 것과 같은 다양한 기능들을 제공할 수 있다. 물론, (개략적으로 도시된) 컨트롤러(20)는 인클로저(2)의 내부 또는 외부에 (부분적으로) 있을 수 있고, 원하는 대로, 단일 구조 또는 복합 구조를 가질 수 있다.
통상의 기술자는 인클로저(2)의 내부가 엄격한 진공 상태로 유지될 필요가 없다는 것을 이해할 것이며, 예를 들어, 소위 "환경 친화적인(environmental) TEM/STEM"에서, 주어진 가스의 배경 대기가 의도적으로 인클로저(2) 내에 도입/유지된다. 통상의 기술자는 또한 실제로, 가능하다면, 이용된 전자 빔이 통과하지만, 소스(4), 검체 홀더(H), 스크린(26), TEM 카메라(30), STEM 카메라(32), 분광 장치(34) 등과 같은 구조물을 수용하도록 확대되는, (예를 들어, 대략 1 cm 직경의) 작은 튜브 형태를 취하는, 축(B')을 본질적으로 둘러싸도록 인클로저(2)의 체적을 제한하는 것이 유리할 수 있음을 이해할 것이다.
본 개시의 맥락에서 중요한 것은 플럭스 스로틀링 애퍼처(33)이며, 이는 통상적인 SCEM에서는 이용되지만, 개시된 기술들에 의해서 제거된다. 통상적인 SCEM에서, 이러한 스로틀링 애퍼처(33)는 STEM 검출기(32)가 검체(S) 및 이미징 시스템(24)을 가로지르는 전자 플럭스의 한정된 (중앙) 부분만을 허용하도록 위치된다. 대조적으로, 개시된 기술들은 이러한 방식으로 선험적으로 플럭스를 "자르거나"/절단하지 않으며, 대신에 전체/공칭 플럭스가 픽셀화된 검출기(30)에 도달하도록 허용되고, 그 후, 프로브 빔을 중심으로 하는 원하는 수의 픽셀들로부터의 데이터가 이미지를 형성하는 데에 사용된다. 일부 실시예에서, 모든 검출기 데이터는 저장/판독되고, 후속적으로 그에 대해 가상의 (소프트웨어로 생성되는) 애퍼처를 사후적으로 적용하여 "편집"된다. 다른 실시예에서, 프로브 빔을 중심으로 하는 검출기의 일 영역으로부터의 검출기 데이터만이 판독되어 이미징 프로세스에서 사용된다.
도 2a 및 도 2b는 반도체 장치(S)의 일부를 이미징하는 것에 적용되는 것과 같은, 본 개시의 특정 측면들을 도시한다.
- 도 2a의 좌측 부분은 이 반도체 장치(S)의 TEM 이미지(201)를 도시하고, STEM 스캐닝이 수행되었던 직사각형 박스(207)를 나타낸다. 도 2a의 우측 부분은 박스 내의 주어진 스캔 지점에 정합된 픽셀화 검출기 데이터(203)를 도시하며, 이 데이터는 박스 내의 (2차원 및/또는 3차원) 스캔 위치의 함수로서 형상/크기/내부 구조가 변하는 "광 블롭(blob)(209)"을 포함한다. 전체 "블롭(209)"은 TEM 검출기(30) 또는 STEM 검출기(32)에 의해 정합됨을 주목해야 한다.
- 도 2b는 본 개시에 따른, 수집된 검출기 데이터에 대해 (소프트웨어에 의해) 사후 소급 적용되는 가상 애퍼처(211)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 가상 애퍼처(211)는, 도 2a의 우측에 도시된 블롭이 위치되는 검출기 상의 위치(예를 들어, 이 스캔 위치에 대한 입자 광학 축(B'))에 근접하도록/실질적으로 중심을 두도록 선택되는, 한정된 원형 영역이다. 일부 실시예에서, 이러한 공초점 이미지에 대한 단일 스칼라 값을 산출하기 위해 이 가상 애퍼처(211) 내의 픽셀 마다의 강도가 합산될 수 있다. 그 후, SCEM 이미지를 조립하는 데에, 스캔 위치(2D) 마다의 이러한 스칼라 값이 사용되었다. 검체(S) 내의 상이한 Z-위치들의 선택에서 이러한 절차를 반복함으로써, "깊이를 따라 절단된" 일련의 SCEM 이미지들이 획득되었다. 다른 실시예에서, 상기 스칼라 값을 형성하기 위해 가상 애퍼처 데이터 세트 내에서 n개의 가장 밝은 픽셀들과 같은 필요한 수의 픽셀들만이 합산될 수 있는데, 여기서 n은 가상 애퍼처 내의 픽셀들의 개수 이하인 임의의 수일 수 있다. 일부 예에서, n은 5이지만, 본 개시에서 그 수는 제한되지 않는다.
도 3의 우측 부분은 검체(S) 내의 특정 Z-깊이에서 획득된, 이러한 SCEM 이미지(313)의 일 예를 도시한다. 이는, 측면 특징부들(40a 및 40b)만을 나타내는 도 3의 좌측에서의 대응하는 STEM 이미지(301)에서는 보이지 않는, 희미한 중간 특징부(40c)(검정 타원형 안)를 드러낸다. 분명히, 검체 내의 상이한 초점 깊이에서 이미지를 얻는 것은 단지 상부 표면 초점면에서의 이미징에 의해서는 보이지 않는 검체 내의 특징부에 대한 정보를 제공한다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 검체의 3차원 복원을 형성하는 방법이다. 방법(401)은, 도 1의 시스템(M)과 같은 하전 입자 현미경 상에서 구현될 수 있거나, 또는 하전 입자 현미경으로부터의 이미징 데이터를 수신하는 컴퓨팅 시스템 상에서 구현될 수 있으며, 이들이 조합되어 구현될 수 있다. 예를 들어, 방법(401)의 이미징 프로세스는 하전 입자 현미경에 의해 구현될 수 있는 반면, 이미지 처리 단계들은 하전 입자 현미경으로부터 이미지 데이터를 수신하도록 연결된 임의의 컴퓨팅 시스템에 의해 구현될 수 있다.
방법(401)은 프로세스 블록(403)에서 시작할 수 있고, 이는 검체의 일 부분의 복수의 프로브 이미지들을 획득하는 단계를 포함하는데, 복수의 프로브 이미지들의 각각의 프로브 이미지는 검체 내의 상이한 초점 깊이에서 획득된다. 또한, 도 2a의 전체 박스(207)와 같은 원하는 영역의 3D 복원이 획득될 수 있도록 상이한 초점 깊이에서 획득된 여러 개의 이미지 세트들이 있을 수 있다.
프로세스 블록(403) 이후, 복수의 프로브 이미지들의 각각의 프로브 이미지에 가상 애퍼처를 적용하여 복수의 공초점 이미지들을 형성하는 단계를 포함하는 프로세스 블록(405)이 후속될 수 있다. 일부 실시예에서, 가상 이미지의 적용은 검출기로부터 데이터가 판독되는 시각에 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 가상 애퍼처가 나중에 해당 데이터에 적용될 수 있도록 모든 검출기 데이터가 판독 및 저장될 수 있다. 예를 들어, 상기 각각의 복수의 공초점 이미지들을 형성하기 위해 원하는 크기 및 형상의 가상 애퍼처가 복수의 프로브 이미지들에 적용될 수 있다. 그 후 이들 이미지들이 검토될 수 있고, 원하는 경우, 복수의 프로브 이미지들은 상이한 형상 및/또는 크기의 가상 애퍼처로 재처리되어, 상기 상이한 가상 애퍼처 형상/크기에 기초하여 상이한 복수의 공초점 이미지들이 획득될 수 있다.
프로세스 블록(405) 이후, 복수의 공초점 이미지들에 기초하여 검체의 3D 복원을 형성하는 단계를 포함하는 프로세스 블록(407)이 후속될 수 있다. 3D 복원은 당업계에 공지된 임의의 기술에 의해 형성될 수 있고, 임의의 방향에서도 볼 수 있는 검체의 적어도 일부의 3D 복원이 만들어질 수 있다. 일반적으로, 3D 복원은 표면 이미지들로부터 보이지 않는 검체 내의 특징부를 검토할 수 있고, 이는 검체 특징부에 대한 부가적인 통찰을 제공할 수 있다.
일부 예에서, 값, 절차 또는 장치는 "최저", "최고", "최소" 등으로 지칭된다. 이러한 설명은 다수의 사용된 기능적 대안들 중에서 선택이 이루어질 수 있으며, 그러한 선택이 다른 선택에 대해 더 양호하거나, 더 적거나, 또는 다른 방식으로 바람직할 필요는 없음을 나타내도록 의도되는 것으로 이해될 것이다. 또한, 선택된 값은 수치 또는 다른 근사 수단에 의해 얻어질 수 있으며 이론적으로 정확한 값에 대한 근사치일 수 있다.

Claims (21)

  1. 검체의 일 부분의 복수의 프로브 이미지들을 획득하되, 상기 복수의 프로브 이미지들의 각 프로브 이미지가 상기 검체 내의 상이한 초점 깊이에서 획득되는 단계;
    상기 복수의 프로브 이미지들의 각 프로브 이미지에 가상 애퍼처를 적용하여 각각의 복수의 공초점 이미지들을 형성하는 단계; 및
    상기 복수의 공초점 이미지들에 기초하여 상기 검체의 3차원 복원을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 프로브 이미지들의 각 프로브 이미지에 가상 애퍼처를 적용하여 각각의 복수의 공초점 이미지들을 형성하는 단계는, 상기 복수의 프로브 이미지들 각각을 형성하는 복수의 픽셀들로부터 픽셀들의 서브세트를 선택하여 각각의 상기 복수의 공초점 이미지들을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 픽셀들의 서브세트는 상기 복수의 픽셀들 중 가장 밝은 복수의 픽셀들을 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 픽셀들의 서브세트는 각각의 상기 복수의 공초점 이미지들을 형성하도록 합해지는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 프로브 이미지들의 각 프로브 이미지에 가상 애퍼처를 적용하여 각각의 복수의 공초점 이미지들을 형성하는 단계는, 검출기 상에 충돌하는 전자 프로브 빔 위치에 대한 근접도에 기초하여 각각의 프로브 이미지로부터 복수의 픽셀들을 선택하는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 프로브 이미지들의 각 프로브 이미지에 가상 애퍼처를 적용하여 각각의 복수의 공초점 이미지들을 형성하는 단계는, 충돌하는 프로브 빔의 위치를 중심으로 하는 검출기의 일 영역으로부터 상기 검출기로부터의 픽셀 데이터를 판독하는 단계를 포함하고, 상기 영역은 상기 검출기의 모든 픽셀들보다 작은, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 프로브 이미지들의 각 프로브 이미지에 가상 애퍼처를 적용하여 각각의 복수의 공초점 이미지들을 형성하는 단계는, 검출기의 모든 픽셀 데이터를 판독하는 단계, 및 상기 판독 이후에 상기 모든 픽셀 데이터에 상기 가상 애퍼처를 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 검체의 일 부분의 복수의 프로브 이미지들을 획득하되, 상기 복수의 프로브 이미지들의 각 프로브 이미지가 상기 검체 내의 상이한 초점 깊이에서 획득되는 단계는, 상기 검체에 전자 빔을 조사하는 단계, 및 상기 검체의 일 표면에 대해 상기 초점 깊이를 변경하는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 검체의 일 표면에 대해 상기 초점 깊이를 변경하는 단계는 상기 전자 빔의 초점면에 대하여 상기 검체를 이동시키는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 검체의 일 표면에 대해 상기 초점 깊이를 변경하는 단계는 상기 검체의 상기 표면에 대하여 상기 초점면을 이동시키는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 전자 빔 프로브가 각각의 초점 깊이에서 상기 검체의 일 영역에 걸쳐서 래스터링(raster)되는, 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 복수의 프로브 이미지들의 각각은 각각의 초점 깊이에서 얻어진 상기 검체의 일 영역의 프로브 이미지들의 시퀀스를 포함하는, 방법.
  12. 전자 빔으로 검체를 조사하도록 연결되는 조명기;
    상기 전자 빔으로부터 상기 검체를 투과하는 전자 플럭스를 포커싱하도록 연결되는 이미징 시스템;
    상기 포커싱된 전자 플럭스를 검출하도록 연결되는 검출기; 및
    적어도 상기 조명기, 이미징 시스템 및 검출기에 연결되는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 컨트롤러는, 실행될 때 상기 컨트롤러로 하여금,
    검체의 일 부분의 복수의 프로브 이미지들을 획득하되, 상기 복수의 프로브 이미지들의 각각의 프로브 이미지가 상기 검체 내의 상이한 초점 깊이에서 획득되게 하고;
    상기 복수의 프로브 이미지들의 각 프로브 이미지에 가상 애퍼처를 적용하여 각각의 복수의 공초점 이미지들을 형성하게 하며; 그리고
    상기 복수의 공초점 이미지들에 기초하여 상기 검체의 3차원 복원을 형성하게 하는, 코드를 포함하는, 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 컨트롤러로 하여금 상기 복수의 프로브 이미지들의 각 프로브 이미지에 가상 애퍼처를 적용하여 각각의 복수의 공초점 이미지들을 형성하게 하는 상기 코드는, 실행될 때 상기 컨트롤러로 하여금,
    상기 복수의 프로브 이미지들 각각을 형성하는 복수의 픽셀들로부터 픽셀들의 서브세트를 선택하여 각각의 상기 복수의 공초점 이미지들을 형성하게 하는 코드를 더 포함하고, 상기 픽셀들의 서브세트는 상기 복수의 픽셀들 중 가장 밝은 복수의 픽셀들을 포함하는, 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 컨트롤러로 하여금 각각의 복수의 공초점 이미지들을 형성하게 하는 상기 코드는, 실행될 때 상기 컨트롤러로 하여금, 상기 픽셀들의 서브세트를 합하여 각각의 상기 복수의 공초점 이미지들을 형성하게 하는 코드를 더 포함하는, 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러로 하여금 상기 복수의 프로브 이미지들의 각 프로브 이미지에 가상 애퍼처를 적용하여 각각의 복수의 공초점 이미지들을 형성하게 하는 상기 코드는, 실행될 때 상기 컨트롤러로 하여금,
    검출기 상에 충돌하는 전자 프로브 빔 위치에 대한 근접도에 기초하여 각 프로브 이미지로부터 복수의 픽셀들을 선택하게 하는 코드를 더 포함하는, 시스템.
  16. 제12항에 있어서, 상기 컨트롤러로 하여금 상기 복수의 프로브 이미지들의 각 프로브 이미지에 가상 애퍼처를 적용하여 각각의 복수의 공초점 이미지들을 형성하게 하는 상기 코드는, 실행될 때 상기 컨트롤러로 하여금,
    충돌하는 프로브 빔의 위치에 중심을 둔 상기 검출기의 일 영역으로부터 상기 검출기로부터의 픽셀 데이터를 판독하게 하는 코드를 더 포함하고, 상기 영역은 상기 검출기의 모든 픽셀들보다 작은, 시스템.
  17. 제12항에 있어서, 상기 컨트롤러로 하여금 상기 복수의 프로브 이미지들의 각 프로브 이미지에 가상 애퍼처를 적용하여 각각의 복수의 공초점 이미지들을 형성하게 하는 상기 코드는, 실행될 때 상기 컨트롤러로 하여금,
    검출기의 모든 픽셀 데이터를 판독하게 하고, 상기 판독 이후 상기 모든 픽셀 데이터에 상기 가상 애퍼처를 적용하게 하는 코드를 더 포함하는, 시스템.
  18. 제12항에 있어서, 상기 컨트롤러로 하여금, 상기 검체의 일 부분의 복수의 프로브 이미지들을 획득하되, 상기 복수의 프로브 이미지들의 각 프로브 이미지가 상기 검체 내의 상이한 초점 깊이에서 획득되게 하는 코드는, 실행될 때 상기 컨트롤러로 하여금 상기 검체를 전자 빔으로 조사하게 하고 상기 검체의 일 표면에 대해 상기 초점 깊이를 변경하게 하는 코드를 포함하는, 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 검체의 일 표면에 대해 상기 초점 깊이를 변경하는 것은 상기 전자 빔의 초점면에 대하여 상기 검체를 이동시키는 것을 포함하는, 시스템.
  20. 제18항에 있어서, 상기 검체의 일 표면에 대해 상기 초점 깊이를 변경하는 것은 상기 검체의 표면에 대하여 상기 초점면을 이동시키는 것을 포함하는, 시스템.
  21. 제12항에 있어서, 상기 복수의 프로브 이미지들의 각각은 각각의 초점 깊이에서 얻어진 상기 검체의 일 영역의 프로브 이미지들의 시퀀스를 포함하는, 시스템.
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