TWI778554B - 帶電粒子束裝置 - Google Patents

Abstract

[課題]提供可生成視野內的畫質均勻的圖像的帶電粒子束裝置。 [解決手段]一種帶電粒子束裝置，其為具備將帶電粒子束照射於樣品之射束源、具有用於從前述樣品放出的二次帶電粒子的角度辨別的開口之光圈、比前述光圈設於前述樣品之側並檢測前述二次帶電粒子的一部分之第一檢測器、比前述光圈設於前述射束源之側並檢測通過前述開口的二次帶電粒子之第二檢測器、和根據從前述第一檢測器輸出的第一訊號或從前述第二檢測器輸出的第二訊號生成圖像之圖像生成部者，其進一步具備根據對於為具有平坦的表面之樣品的校正樣品之前述第一訊號或前述第二訊號按視野內的位置算出合成比率的合成比率算出部，前述圖像生成部將對於觀察樣品之前述第一訊號與前述第二訊號使用前述合成比率進行合成從而生成合成圖像。

Description

帶電粒子束裝置

本發明涉及帶電粒子束裝置，尤其涉及生成視野內的畫質均勻的合成圖像的技術。

帶電粒子束裝置為檢測將電子束等的帶電粒子束對樣品照射因而從樣品放出的二次電子等的二次帶電粒子並生成觀察樣品的微細的構造用的圖像的裝置，用於半導體的製造程序等。在伴隨微細化而多層化的半導體，從下層放出的二次電子受側壁阻礙而變得難以被檢測，故有時生成下層的形狀不清楚的圖像。

於專利文獻1已揭露因應放出的方向而選擇性檢測二次電子從而進行角度辨別並生成下層的形狀清楚的圖像。尤其，使用照射於樣品的電子束通過的開口對二次電子進行角度辨別時，朝向開口以沿著電子束的方式以兩個偏向器使二次電子偏向，從而使設於開口之上下的各檢測器的檢測效率提升。另外，對根據以上下的檢測器檢測出的結果而生成的兩個圖像的亮度進行乘除算，從其中一個圖像將另一個圖像進行減算，從而生成在期望的觀察位置之亮度的動態範圍擴大的合成圖像。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]特許第5948084號公報

[發明所欲解決之問題]

然而，在專利文獻1，用於合成圖像的生成之合成比率未依存於視野內的位置而為一定。設在用於角度辨別的開口之上下的各檢測器的檢測效率在視野內因位置而異，故在將經角度辨別的兩個圖像使用不論位置而為一定的合成比率而生成的合成圖像方面，有時視野內的畫質會變不均勻。

因此，本發明目的在於提供可生成視野內的畫質均勻的合成圖像的帶電粒子束裝置。 [解決問題之技術手段]

為了達成上述目的，本發明為一種帶電粒子束裝置，其為具備將帶電粒子束照射於樣品之射束源、具有用於從前述樣品放出的二次帶電粒子的角度辨別的開口之光圈、比前述光圈設於前述樣品之側並檢測前述二次帶電粒子的一部分之第一檢測器、比前述光圈設於前述射束源之側並檢測通過前述開口的二次帶電粒子之第二檢測器、和根據從前述第一檢測器輸出的第一訊號或從前述第二檢測器輸出的第二訊號生成圖像之圖像生成部者，其進一步具備根據對於為具有平坦的表面之樣品的校正樣品之前述第一訊號或前述第二訊號按視野內的位置算出合成比率的合成比率算出部，前述圖像生成部將對於觀察樣品之前述第一訊號與前述第二訊號使用前述合成比率進行合成從而生成合成圖像。 [對照先前技術之功效]

依本發明時，可提供可生成視野內的畫質均勻的圖像的帶電粒子束裝置。

以下，參照圖式，就本發明的帶電粒子束裝置的實施例進行說明。帶電粒子束裝置為透過檢測從被照射帶電粒子束的樣品放出的二次帶電粒子從而觀察樣品的裝置。在以下，作為帶電粒子束裝置的一例，就生成以電子束掃描樣品從而觀察樣品用的圖像的掃描電子顯微鏡(SEM；Scanning Electron Microscope)進行說明。 [實施例1]

使用圖1就本實施例的掃描電子顯微鏡的整體構成進行說明。使圖1中的鉛直方向為Z方向、水平方向為X方向及Y方向。掃描電子顯微鏡具備以電子束掃描樣品的電子束光學系統、在真空中保持樣品的工作台機構系統、透過電子束的掃描檢測從樣品放出的二次電子的檢測系統、和處理從各部分輸出的資料同時控制各部分的控制系統。

電子束光學系統具有電子束源101、接物鏡103、偏向器104、遮蔽器120。電子束源101為將透過既定的加速電壓被加速的一次電子束102照射於樣品105的射束源。接物鏡103為將一次電子束102在樣品105的表面予以收束的透鏡。偏向器104為予以產生為了掃描樣品105的表面而使一次電子束102偏向的磁場、電場的線圈、電極。另外，連結電子束源101和接物鏡103之中心的直線稱為光軸121，不因偏向器104被偏向的一次電子束102沿著光軸121往樣品105照射。遮蔽器120以機械方式將光軸121開閉或以電或磁的方式使一次電子束102偏向，從而控制往樣品105的一次電子束102的照射。

工作台機構系統具有可動台106。可動台106保持樣品105，同時使樣品105移動於X方向及Y方向。對保持於可動台106的樣品105，可施加比接地電壓低的負電壓，一次電子束102因被施加的負電壓而受到減速作用。

檢測系統具有二次電子光圈109、第一檢測器111、第二檢測器112。二次電子光圈109例如為具有圓形的開口109a的金屬板，從樣品105放出的二次電子108的一部分通過開口109a。通過開口109a的二次電子108由於從樣品105放出的方向與光軸121形成的角度相對小，故透過是否通過開口109a從而對二次電子108進行角度辨別。亦即，開口109a用於從樣品105放出的二次電子108的角度辨別。另外，可作成為使開口109a的位置一致於光軸121使得一次電子束102可通過開口109a，亦可與一次電子束102通過的孔不同地設置二次電子108的角度辨別用的開口109a。在以下，就二次電子光圈109的開口109a的位置一致於光軸121的情況進行說明。

第一檢測器111設於比二次電子光圈109靠樣品105之側，為檢測二次電子108衝撞於二次電子光圈109因而產生的三次電子110的檢測器。亦即第一檢測器111透過檢測三次電子110從而間接地檢測未通過二次電子光圈109的開口109a的二次電子108。

第二檢測器112設於比二次電子光圈109靠電子束源101之側，為檢測通過開口109a的二次電子108的檢測器。第一檢測器111、第二檢測器112方面，可使用以閃爍質、光導、光電倍增管構成的E-T檢測器、半導體檢測器，亦可使用其他構成的檢測器。例如，亦能以圓環形狀的半導體檢測器、MCP(Micro-Channel Plate)構成二次電子光圈109，從而使二次電子光圈109作用為第一檢測器111。

控制系統具有減速控制部107、第一檢測器控制部113、第二檢測器控制部114、圖像生成部115、輸出入部116、記憶部117、合成比率算出部118、SEM控制部119。減速控制部107為控制施加於可動台106之上的樣品105的負電壓的電路。第一檢測器控制部113及第二檢測器控制部114分別控制第一檢測器111及第二檢測器112，為調整增益、偏移的電路。

圖像生成部115為根據從第一檢測器111輸出的第一訊號或從第二檢測器112輸出的第二訊號而生成圖像的運算器，例如為MPU(Micro Processing Unit)、GPU (Graphics Processing Unit)等。

輸出入部116為被輸入為觀察樣品105用的條件之觀察條件或顯示透過圖像生成部115生成的圖像的裝置，例如為鍵盤、滑鼠、觸控面板、液晶顯示器等。

記憶部117為記憶各種資料、程式的裝置，為例如HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)等。於記憶部117記憶透過SEM控制部119等執行的程式、從輸出入部116輸入的觀察條件、透過圖像生成部115生成的圖像等。

合成比率算出部118為算出圖像生成部115在合成第一訊號與第二訊號而生成合成圖像時使用的合成比率的運算器，例如為MPU等。算出合成比率的處理的流程方面使用圖3後述之。

SEM控制部119為控制各部分同時處理或發送在各部分生成的資料的運算器，例如為CPU(Central Processing Unit)、MPU等。

使用圖2，就透過圖像生成部115生成的圖像的一例進行說明。於圖2，分別顯示第一檢測器111與第二檢測器112檢測從表面平坦的樣品105放出的二次電子108從而生成的圖像。相對於從視野之中心附近放出的二次電子108通過二次電子光圈109的開口109a而在第二檢測器112被檢測出，衝撞於二次電子光圈109而在第一檢測器111被檢測出的二次電子108隨著朝向視野的邊緣增加。其結果，在第一檢測器111的圖像，視野之中心附近暗，隨著朝向邊緣變亮，在第二檢測器112的圖像，視野之中心附近亮，隨著朝向邊緣變暗。另外，將示於圖2的兩個圖像單純加算時，由於為表面平坦的樣品105，故生成亮度均勻的圖像。

在本實施例，為了生成被多層化的樣品105的下層的形狀清楚同時視野內的畫質均勻的合成圖像，按視野內的位置算出使用於透過角度辨別生成的兩個圖像的合成的合成比率。於視野內的每個位置的合成比率的算出，使用表示一亮度分布的函數，該亮度分布為對於為具有平坦的表面的樣品105之校正樣品之圖像的亮度的分布。

使用圖3，就算出使用於合成比率的算出的函數的處理的流程的一例，按步驟進行說明。

(S301) 為具有平坦的表面的樣品105之校正樣品被保持於可動台106而被搬入至掃描電子顯微鏡。另外，校正樣品不僅具有平坦的表面，優選上為均質的材質。例如矽的裸晶圓被用作為校正樣品。

(S302) 第一檢測器控制部113或第二檢測器控制部114調整第一檢測器111或第二檢測器112的增益與偏移。增益與偏移被調整為透過圖像生成部115生成的圖像的亮度不飽和於上限及下限。

(S303) 根據在一次電子束102的照射因遮蔽器120而被停止的狀態下的來自第一檢測器111或第二檢測器112的輸出，圖像生成部115生成雜訊圖像Img_0。雜訊圖像Img_0為表示第一檢測器111或第二檢測器112的電氣雜訊的成分之圖像。生成的雜訊圖像Img_0記憶於記憶部117。

(S304) SEM控制部119設定N=1同時打開遮蔽器120，開始往校正樣品的一次電子束102的照射。另外N為圖像的個數。

(S305) 可動台106使校正樣品移動為平坦的表面被配置於視野內。另外，透過S305～S308的循環重複複數次本步驟的情況下，優選上與前次配置於視野內的位置不同的位置被配置於視野內。

(S306) 根據來自第一檢測器111或第二檢測器112的輸出，圖像生成部115生成校正樣品的圖像Img_N。生成的圖像Img_N為如例示於圖2的圖像，生成第一檢測器111的圖像與第二檢測器112的圖像中至少一者。另外，透過S305～S308的循環重複複數次本步驟的情況下，生成與前次生成的圖像相同的種類的圖像。亦即，前次生成第一檢測器111的圖像的情況下本次亦生成第一檢測器111的圖像，前次生成第一檢測器111的圖像與第二檢測器112的圖像的兩個圖像的情況下本次亦生成兩個圖像。生成的圖像Img_N記憶於記憶部117。

(S307) SEM控制部119判定N的值是否到達預先設定的閾值Nth。N的值未到達閾值Nth時處理進往S308，到達時處理進往S309。

(S308) SEM控制部119對N的值加算1而更新，使處理返往S305。

(S309) 圖像生成部115，從記憶部讀出圖像Img_1～圖像Img_Nth，生成圖像Img_1～圖像Img_Nth的平均圖像Img_ave。生成的平均圖像Img_ave記憶於記憶部117。在平均圖像Img_ave，一次電子束102的變動成分、校正樣品的平坦度的變異性等被抑制。

(S310) 圖像生成部115生成在S303生成的雜訊圖像Img_0與在S309生成的平均圖像Img_ave的差分圖像Img_sub。生成的差分圖像Img_sub記憶於記憶部117。

(S311) 合成比率算出部118將在S310生成的差分圖像Img_sub的亮度分布透過指定的函數進行擬合，亦即進行近似而獲得近似函數。指定的函數f(x,y)方面，例如使用如示於下式的高斯函數。

[數式1]

於此，(x,y)的原點為視野之中心，亦即為光軸121的位置，例如對於第一檢測器111的圖像成為如例示於圖4的座標系。另外，x、y的單位為長度，為例如μm、nm。此外a、b、c、d、e、f為高斯函數的係數，透過使用了最小平方法等的擬合被算出。透過擬合被算出的係數a、b、c、d、e、f的值記憶於記憶部117。

為了透過以上說明的處理的流程特定指定的函數，例如含於數式1的係數a、b、c、d、e、f被根據對於校正樣品之第一檢測器111或第二檢測器112的圖像的亮度分布而算出。透過此等係數而特定的指定的函數用於為將兩圖像合成的比率之合成比率的算出，該兩個圖像為對於為作為觀察對象的樣品105之觀察樣品而生成的經角度辨別的兩個圖像，亦即為對於觀察樣品之第一檢測器111的圖像與第二檢測器112的圖像。

使用圖5，就生成觀察樣品的合成圖像之處理的流程的一例，按步驟進行說明。

(S501) 為作為觀察對象的樣品105之觀察樣品被保持於可動台106，被搬入至掃描電子顯微鏡。

(S502) SEM控制部119取得對於觀察樣品之觀察條件。觀察條件例如為圖像的倍率、像素數，經由輸出入部116透過操作者被輸入或依觀察樣品的種類從記憶部117讀出預先設定的條件。

(S503) 合成比率算出部118從記憶部117讀出在圖3的S311的擬合結果，例如係數a、b、c、d、e、f。

(S504) 合成比率算出部118使用在S503讀出的擬合結果，作成合成比率在視野內的各位置被圖像化的合成比率圖。指定的函數為數式1時，第一檢測器111的合成比率圖g(Nx,Ny)及第二檢測器112的合成比率圖h(Nx,Ny)透過例如下式表示。

[數式2]

[數式3]

於此，(Nx,Ny)為以視野之中心為原點之座標系中的各像素的位置，P為每一像素的長度，例如5nm／像素，g(Nx,Ny)及h(Nx,Ny)的單位為%。於圖6，示出第一檢測器111的合成比率圖g(Nx,Ny)的一例。

(S505) 圖像生成部115，使用在S504作成的合成比率圖，合成對於觀察樣品之第一檢測器111的圖像與第二檢測器112的圖像從而生成合成圖像。於合成圖像的生成，使用例如下式。

[數式4]

於此，Img1(Nx,Ny)為第一檢測器111的圖像，Img2(Nx,Ny)為第二檢測器112的圖像，Img12(Nx,Ny)為合成圖像。

(S506) SEM控制部119使在S505生成的合成圖像顯示於輸出入部116或記憶於記憶部117。

透過以上說明的處理的流程從而合成對於觀察樣品之第一檢測器111的圖像與第二檢測器112的圖像，亦即合成經角度辨別的兩個圖像，故生成被多層化的樣品105的下層的形狀清楚的合成圖像。此外，用於合成圖像的生成的合成比率根據對於具有平坦的表面的校正樣品之第一檢測器111的圖像或第二檢測器112的圖像被算出，故生成視野內的畫質均勻的合成圖像。 [實施例2]

在實施例1，說明有關根據將對於具有平坦的表面的校正樣品之第一檢測器111的圖像或第二檢測器112的圖像的亮度分布以指定的函數進行近似而得的近似函數算出合成比率。在本實施例，就具有調整從第一檢測器111的圖像或第二檢測器112的圖像的亮度分布獲得的近似函數的機差的功能之掃描電子顯微鏡進行說明。

使用圖7，就本實施例的掃描電子顯微鏡的構成的一例進行說明。另外，對與實施例1相同的構成給予相同的符號而省略說明。本實施例的掃描電子顯微鏡除實施例1的構成以外具備軌道控制透鏡701與透鏡強度控制部702。

軌道控制透鏡701設於樣品105與偏向器104之間，為予以產生控制二次電子108的軌道用的磁場、電場的線圈、電極。透鏡強度控制部702為控制透過軌道控制透鏡701予以產生的磁場、電場的強度的電路。控制二次電子108的軌道用的磁場、電場的強度被透過透鏡強度控制部702進行控制，使得通過二次電子光圈109的開口109a的二次電子108的分布發生變化。亦即，透過軌道控制透鏡701與透鏡強度控制部702，使得第一檢測器111的圖像或第二檢測器112的圖像的亮度分布受到控制，致使從亮度分布獲得的近似函數被調整。

使用圖8，就本實施例的掃描電子顯微鏡的構成的他例進行說明。在圖8，與圖7的軌道控制透鏡701不同，軌道控制透鏡801設於偏向器104與第一檢測器111之間。另外，軌道控制透鏡801亦如同軌道控制透鏡701，為予以產生控制二次電子108的軌道用的磁場、電場的線圈、電極，透過透鏡強度控制部702使得磁場、電場的強度受到控制。亦即，透過軌道控制透鏡801與透鏡強度控制部702，使得從第一檢測器111的圖像或第二檢測器112的圖像的亮度分布獲得的近似函數被調整。

使用圖9，就本實施例中的算出用於合成比率的算出的函數之處理的流程的一例進行說明。另外，對與圖3相同的處理給予相同的步驟編號而省略說明。

(S301)～(S311) 同實施例1。

(S901) SEM控制部119判定在S311擬合的結果是否為基準範圍內。擬合結果非基準範圍內則處理進往S902，基準範圍內時處理的流程結束。是否為基準範圍內是透過例如下式進行判定。

[數式5]

於此，Δ為預先設定的閾值，f(x,y)為作為擬合結果而獲得的近似函數，f0(x,y)為預先設定的基準函數。基準函數可依所需而讀出預先記憶於記憶部117者，亦可經由輸出入部116透過操作者而設定。

(S902) 透鏡強度控制部702設定軌道控制透鏡701或軌道控制透鏡801產生的磁場、電場的強度，使處理返往S304。另外，在本步驟設定的磁場、電場的強度優選上設定為數式5的右邊的值變小。

透過以上說明的處理的流程，可調整從對於校正樣品之第一檢測器111的圖像或第二檢測器112的圖像的亮度分布獲得的近似函數的機差。 [實施例3]

在實施例1，就使用根據校正樣品的圖像的亮度分布而算出的合成比率以生成觀察樣品的合成圖像的情況進行說明。觀察樣品方面存在各種的種類，表面的帶電狀態依觀察樣品的種類、觀察條件而變化。樣品表面的帶電使二次電子108的軌道變化，故亦使經角度辨別的圖像的亮度分布變化。因此，在本實施例，就依樣品105的種類、觀察條件而變更合成比率的情況進行說明。

具體而言，按樣品105的種類、按觀察條件依圖3的處理的流程算出用於合成比率的算出的函數f(x,y)，記憶於記憶部117。按樣品105的種類、觀察條件算出並記憶於記憶部117的函數f(x,y)被依觀察樣品的種類、觀察條件而讀出，用於合成圖像的生成。

使用圖10，就涉及本實施例的GUI(Graphical User Interface)的一例進行說明。例示於圖10的GUI用於按樣品105的種類、觀察條件算出函數f(x,y)之時。另外，圖10的GUI具有樣品名顯示部1001、加速電壓顯示部1002、探測電流顯示部1003、倍率顯示部1004、掃描種類顯示部1005、幀數顯示部1006、合成比率顯示部1007、校正可否設定部1008。

於樣品名顯示部1001，顯示表示樣品的種類的樣品名。於加速電壓顯示部1002，顯示一次電子束102被加速的電壓。於探測電流顯示部1003，顯示一次電子束102的電流量。於倍率顯示部1004，顯示圖像的倍率。於掃描種類顯示部1005，顯示掃描種類。於幀數顯示部1006，顯示圖像的幀數。於合成比率顯示部1007，顯示合成比率的代表值如在視野之中心的合成比率。在校正可否設定部1008，設定是否對於顯示於圖10的GUI的樣品105的種類、觀察條件重新算出函數f(x,y)。亦即，對校正可否設定部1008的勾選框給予勾選時，依圖3的處理的流程重新算出函數f(x,y)，記憶於記憶部117。

如以上說明般依本實施例時，依樣品105的種類、觀察條件，算出用於合成比率的算出的函數f(x,y)，故使用因應於觀察樣品的帶電狀態的合成比率而生成合成圖像。其結果，即使為被多層化的樣品105的表面帶電的情況下，仍會生成下層的形狀清楚且視野內的畫質均勻的合成圖像。

以上，就本發明的複數個實施例進行說明。另外，本發明不限定於此等實施例，亦可包含各種的變形例。此外上述的實施例是為了以易於理解的方式說明本發明而詳細說明者，未必限定於具備說明的全部的構成。可將一實施例的構成的一部分置換為其他實施例的構成，另外亦可對一實施例的構成追加其他實施例的構成。此外，就各實施例的構成的一部分，可進行其他構成的追加、刪除、置換。

101:電子束源 102:一次電子束 103:接物鏡 104:偏向器 105:樣品 106:可動台 107:減速控制部 108:二次電子 109:二次電子光圈 109a:開口 110:三次電子 111:第一檢測器 112:第二檢測器 113:第一檢測器控制部 114:第二檢測器控制部 115:圖像生成部 116:輸出入部 117:記憶部 118:合成比率算出部 119:SEM控制部 120:遮蔽器 121:光軸 701:軌道控制透鏡 702:透鏡強度控制部 801:軌道控制透鏡 1001:樣品名顯示部 1002:加速電壓顯示部 1003:探測電流顯示部 1004:倍率顯示部 1005:掃描種類顯示部 1006:幀數顯示部 1007:合成比率顯示部 1008:校正可否設定部

[圖1]為涉及實施例1的掃描電子顯微鏡的一例的示意圖。 [圖2]為就根據第一檢測器及第二檢測器的輸出而生成的圖像的一例進行繪示的圖。 [圖3]為就涉及實施例1之算出合成比率的處理的流程進行繪示的圖。 [圖4]為就相對於圖像之座標系進行說明的圖。 [圖5]為就涉及實施例1之合成圖像的生成處理的流程進行繪示的圖。 [圖6]為就合成比率的圖的一例進行繪示的圖。 [圖7]為涉及實施例2的掃描電子顯微鏡的一例的示意圖。 [圖8]為涉及實施例2的掃描電子顯微鏡的他例的示意圖。 [圖9]為就涉及實施例2之算出合成比率的處理的流程進行繪示的圖。 [圖10]為就涉及實施例3的GUI進行說明的圖。

Claims (6)

1. 一種帶電粒子束裝置，其為具備將帶電粒子束照射於樣品之射束源、具有用於從前述樣品放出的二次帶電粒子的角度辨別的開口之光圈、比前述光圈設於前述樣品之側並檢測前述二次帶電粒子的一部分之第一檢測器、比前述光圈設於前述射束源之側並檢測通過前述開口的二次帶電粒子之第二檢測器、和根據從前述第一檢測器輸出的第一訊號或從前述第二檢測器輸出的第二訊號生成圖像之圖像生成部者，前述帶電粒子束裝置進一步具備根據對於為具有平坦的表面之樣品的校正樣品之前述第一訊號或前述第二訊號按視野內的位置算出合成比率的合成比率算出部，前述圖像生成部將對於觀察樣品之前述第一訊號與前述第二訊號使用前述合成比率進行合成從而生成合成圖像。
2. 如請求項1的帶電粒子束裝置，其中，前述合成比率算出部使用將對於前述校正樣品之前述第一訊號或前述第二訊號的分布以高斯函數進行近似而得的近似函數以算出前述合成比率。
3. 如請求項2的帶電粒子束裝置，其中，前述合成比率算出部按前述校正樣品的種類或觀察條件算出前述近似函數。
4. 如請求項3的帶電粒子束裝置，其進一步具備顯示用於對於前述校正樣品之觀察條件的設定的畫面 的輸出入部，前述畫面具有就是否按前述校正樣品的種類或觀察條件算出前述近似函數進行設定的校正可否設定部。
5. 如請求項2的帶電粒子束裝置，其進一步具備：在前述樣品與前述第一檢測器之間控制前述二次帶電粒子的軌道用的軌道控制透鏡、和以預先設定的基準函數與前述近似函數的差異成為閾值以下的方式控制前述軌道控制透鏡的透鏡強度的透鏡強度控制部。
6. 如請求項5的帶電粒子束裝置，其進一步具備用於前述基準函數的設定的輸出入部。

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