KR102126316B1

KR102126316B1 - 전자빔 장치 및 시료 검사 방법

Info

Publication number: KR102126316B1
Application number: KR1020180164694A
Authority: KR
Inventors: 야스나리 소다; 모모요 엔야마; 메구미 기무라; 고이치 하마다
Original assignee: 가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2020-06-24
Anticipated expiration: 2038-12-19
Also published as: TW201939026A; US20190287757A1; KR20190108476A; US10629405B2; JP2019160606A; TWI676023B; JP6858722B2

Abstract

[과제] 깊은 홈이나 깊은 구멍의 저부(底部)를 대전류 조건에서 고정밀도로 관찰하는데 적합한 전자빔 장치를 제공한다.
[해결 수단] 전자원(100)으로부터의 전자빔(116)을 제1 개구(153)에 조사(照射)하는 조사 광학계와, 제1 개구의 개구상을 시료 위에 투영 결상하는 축소 투영 광학계를 갖는 전자 광학계와, 전자 광학계에 의해 전자빔이 시료에 조사됨으로써 방출되는 이차 전자(117)를 검출하는 검출기(121, 122)와, 전자 광학계의 주사 편향기(106, 108)에 의해, 전자빔을 이차원으로 주사하면서 시료에 조사하여 얻어진 검출기의 검출 신호로부터 이차원 화상을 생성하는 화상 처리부(148)를 갖고, 화상 처리부는, 검출 신호로부터의 이차원 화상 정보로부터 제1 개구의 이상(理想) 개구상의 전자빔 강도 분포 정보를 디콘볼루션하여 재구성 화상을 생성한다.

Description

전자빔 장치 및 시료 검사 방법{ELECTRON BEAM APPARATUS AND SAMPLE INSPECTION METHOD}

본 발명은 전자빔을 이용하여 관찰, 검사, 계측을 행하는 전자빔 장치 및 전자빔 장치를 이용한 시료 검사 방법에 관한 것이다.

전자빔을 이용한 시료의 관찰, 검사, 계측 등에 이용되는 주사 전자 현미경(SEM: Scanning Electron Microscope) 등의 전자빔 장치는, 전자원으로부터 방출된 전자를 가속하고, 정전 렌즈나 전자기 렌즈에 의해 시료 표면 위에 수속(收束)시켜 조사(照射)한다. 이것을 일차 전자라고 하고 있다. 일차 전자의 입사(入射)에 의해 시료로부터는 이차 전자(저에너지의 전자를 이차 전자, 고에너지의 전자를 반사 전자로 나누어 부를 경우도 있음)가 방출된다. 전자빔을 편향하여 시료 위를 주사하면서, 이들 이차 전자를 검출함으로써, 시료 위의 미세 패턴이나 조성 분포의 주사 화상을 얻을 수 있다. 또한, 시료에 흡수되는 전자를 검출함으로써, 흡수 전류상을 형성하는 것도 가능하다.

주사 전자 현미경에 있어서, 깊은 홈이나 깊은 구멍의 저부(底部)의 관찰 혹은 고정밀도의 패턴 치수 계측을 행하기 위해서는, 전자빔의 전류량을 증대시킴으로써 신호량을 크게 할 필요가 있다. 게다가 전자빔의 개구각을 작게 하지 않으면, 디포커스에 의한 빔 블러(blur)가 커져, 깊은 홈이나 깊은 구멍의 저부를 상부로부터 분리하여 관찰하는 것이 곤란해진다. 전류량을 유지하면서 개구각을 작게 하면 전자원상이 커져 분해능이 저하하게 된다.

이 때문에, 화상 처리에 의해 취득된 화상의 분해능을 향상시키는 방법이 알려져 있다. 특허문헌 1이나 특허문헌 2에는 일차 빔의 크기나 프로파일을 추정하고, 그것을 바탕으로 푸리에 변환을 이용하여 화상 처리하는 방법이 개시되어 있다.

일본국 특개평4-341741호 공보 일본국 특개2017-27829호 공보

특허문헌 1 및 특허문헌 2에 있어서는, 화상 처리에 이용하는 일차 빔의 강도 분포를 정확하게 구하는 방법이 명확히 되어 있지 않다. 종래의 주사 전자 현미경은 전자원의 상(像)을 시료 위에 형성하기 때문에, 일차 빔의 강도 분포는, 전자원상, 광학수차(光學收差), 빔 진동 등에 의해 결정되어진다. 또한 취득 화상에는 시료 내에서의 전자선 산란의 영향도 나타난다. 이들 요인 중, 깊은 홈이나 깊은 구멍을 관찰할 경우에는 신호 전자의 검출 효율이 낮기 때문에 대전류가 필요해지므로, 전자원상이 일차 빔의 강도 분포의 지배적 요인 중 하나가 된다. 여기에서, 전자원상을 정확하게 파악하는 것은 극히 곤란하며, 이 때문에, 정밀도 좋게 화상 처리를 행하여 화상의 분해능을 향상시킬 수 없다. 또한, 전자원상의 크기를 제어할 수 없는 것은 전자빔 장치간의 빔 특성차(기차(機差))의 원인도 된다.

본 발명은 깊은 홈이나 깊은 구멍의 저부를 대전류 조건에서 고정밀도로 관찰하는데 적합한 전자빔 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시형태인 전자빔 장치는, 전자원으로부터의 전자빔을 제1 개구에 조사하는 조사 광학계와, 제1 개구의 개구상을 시료 위에 투영 결상하는 축소 투영 광학계를 갖는 전자 광학계와, 전자 광학계에 의해 전자빔이 시료에 조사됨으로써 방출되는 이차 전자를 검출하는 검출기와, 전자 광학계의 주사 편향기에 의해, 전자빔을 이차원으로 주사하면서 시료에 조사하여 얻어진 검출기의 검출 신호로부터 이차원 화상을 생성하는 화상 처리부를 갖고, 화상 처리부는, 검출 신호로부터의 이차원 화상 정보로부터 제1 개구의 이상(理想) 개구상의 전자빔 강도 분포 정보를 디콘볼루션하여 재구성 화상을 생성한다.

그 밖의 과제와 신규의 특징은, 본 명세서의 기술 및 첨부 도면으로부터 분명해질 것이다.

대전류 조건에서도 화상 처리에 의해 고분해능 화상의 취득이 가능하며, 특히 깊은 구멍이나 깊은 홈의 관찰에 효과적이다.

도 1은 주사 전자 현미경의 전체 개략도.
도 2는 주사 전자 현미경의 전자 궤도를 설명하는 도면.
도 3은 도 2의 개구 기준 궤도의 상세를 나타내는 도면.
도 4a는 시료 근방의 전자 궤도를 나타내는 도면.
도 4b는 시료 위에 형성되는 개구상(221)을 나타내는 도면.
도 5a는 개구상의 전자빔 강도 분포.
도 5b는 이상 개구상의 전자빔 강도 분포.
도 5c는 에지 사이즈상의 전자빔 강도 분포.
도 6은 개구상에 의한 정보 전달의 게인을 나타내는 도면.
도 7은 서로 다른 사이즈인 2개의 개구상에 의한 정보 전달의 게인을 나타내는 도면.
도 8은 화상 처리 파라미터(P)마다의 복원 화상의 정보 전달의 게인을 나타내는 도면.
도 9는 표시 장치에 표시되는 GUI의 예를 나타내는 도면.
도 10은 고속 검사를 위한 플로우 차트.
도 11은 고속 검사를 위한 다른 플로우 차트.
도 12는 개구상 사이즈를 계측하는 플로우 차트.
도 13은 복수의 전자빔 장치간의 기차를 저감하는 플로우 차트.

도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 여기에서는 주사 전자 현미경을 예로 설명하지만, 주사 전자 현미경 이외의 전자빔 장치에도 적용 가능하다.

도 1은, 본 발명의 실시형태에 따른 주사 전자 현미경을 나타내는 전체 개략도이다. 전자총(101)에 의해 전자원(100)으로부터 방출된 전자빔(일차 전자(116))은, 제1 콘덴서 렌즈(103), 제2 콘덴서 렌즈(105) 및 개구 조사 렌즈(150)의 3단의 렌즈를 통과하여, 제1 개구판(154)에 조사된다. 제1 개구판(154)에는 제1 개구(153)가 마련되어 있다. 또한, 제1 개구(153)는, 개구판 스테이지(155)를 제어하는 개구 위치 제어부(163)에 의해 전자빔에 대한 개구의 위치를 조정 가능하게 되어 있다. 제1 개구(153)를 투과한 전자빔은, 제1 축소 렌즈(151), 제2 축소 렌즈(152) 및 대물 렌즈(113)의 3단의 렌즈를 통과하여, 스테이지(115)에 유지된 시료(114) 위에 조사된다. 상세는 후술하지만, 이상의 전자 광학계에 의해, 시료(114) 위에 제1 개구(153)의 상(개구상)이 투영 결상된다. 제1 개구(153)는 원형 개구로 하는 것이 바람직하다. 원형 개구는 등방적이기 때문에 화상 처리를 행하기 쉽기 때문이다.

또한, 이 구성예에서는, 대물 렌즈 윗 자로(磁路)(110)에는 부스터 전압 제어부(141)로부터 양전압이, 시료(114)에는 시료 전압 제어부(144)로부터 음전압이 인가됨으로써, 정전 렌즈가 형성되어 있기 때문에, 대물 렌즈(113)는 자장 전장 중첩 렌즈로 되어 있다. 또한, 대물 렌즈(113)의 자로 개구는 시료(114)측을 향해 있으며, 세미-인-렌즈(semi-in-lens)형이라고 하는 렌즈 구조로 되어 있다. 대물 렌즈 제어부(142)는, 대물 렌즈 코일(112)에 흐르는 여자(勵磁) 전류를 제어한다. 또한, 제1 축소 렌즈(151)와 제2 축소 렌즈(152) 사이에 제2 개구판(954)을 마련해도 된다. 제2 개구판(954)에는 제2 개구(953)가 마련되어 있다. 제2 개구(953)의 목적은 전자빔의 파(波)로서의 간섭 효과를 제어하는 것에 있으며, 이에 따라 회절수차(回折收差)나 디포커스시의 빔 블러의 제어가 가능해진다. 제2 개구(953)의 크기는, 개구 위치에서의 전자빔의 반값 폭보다 큰 것이 바람직하고, 추가로 전자빔의 대부분을 투과시킴으로써 다른 전자빔 특성에 끼치는 영향을 무시할 수 있다.

전자빔이 시료(114)에 조사됨으로써 방출되는 이차 전자(117)(저속 전자를 이차 전자, 고속 전자를 반사 전자로 분류할 경우도 있음)는 축소 투영 광학계(주사 전자 현미경의 전자 광학계를 제1 개구판(154)의 상하로 구분하여, 제1 개구판(154)으로부터 시료(114)측의 전자 광학계를 축소 투영 광학계라고 하고, 전자원(100)부터 제1 개구판(154)까지의 전자 광학계를 조사 광학계라고 함)의 중간에 있는 제1 검출기(121) 혹은 대물 렌즈(113)의 저면(底面)에 있는 제2 검출기(122)에 의해 검출된다. 제1 검출기(121)는 제1 검출계 제어부(136)에 의해, 제2 검출기(122)는 제2 검출계 제어부(138)에 의해 제어된다. 시료(114) 위의 일차 전자(116)는, 제1 주사 편향기(106)와 제2 주사 편향기(108)에 의해 이차원으로 주사되어, 결과적으로 시료(114)의 이차원 화상 정보를 얻을 수 있다. 이차원 주사는 일반적으로 횡방향의 라인 주사를 종방향으로 개시 위치를 이동하면서 행해진다. 이 이차원 화상 정보의 중심 위치는, 제1 주사 편향기 제어부(137)에 의해 제어되는 제1 주사 편향기(106)와 제2 주사 편향기 제어부(139)에 의해 제어되는 제2 주사 편향기(108)에 의해 규정된다. 이 예에서는 제1 주사 편향기(106) 및 제2 주사 편향기(108)는 정전 편향기로 한다.

또한, 전자총(101)은 전자총 제어부(131)에 의해, 제1 콘덴서 렌즈(103)는 제1 콘덴서 렌즈 제어부(133)에 의해, 제2 콘덴서 렌즈(105)는 제2 콘덴서 렌즈 제어부(135)에 의해, 개구 조사 렌즈(150)는 개구 조사 렌즈 제어부(160)에 의해, 제1 축소 렌즈(151)는 제1 축소 렌즈 제어부(161)에 의해, 제2 축소 렌즈(152)는 제2 축소 렌즈 제어부(162)에 의해, 각각 제어된다. 또한, 전자총(101)의 후단에는 일차 전자(116)의 빔축을 제어하기 위한 제1 얼라이너(102)가 배치되고, 제1 얼라이너 제어부(132)에 의해 제어된다. 이들 전자 광학계의 각 요소 또는 검출기에 대한 제어부는, 장치 전체를 제어하는 장치 제어부(146)에 의해, 기록 장치(145)에 기억된 제어 데이터 등에 의거하여 통일적으로 제어된다. 제1 검출기(121) 또는 제2 검출기(122)에 의해 검출된 검출 신호는, 기록 장치(145)에 기억된다. 화상 처리부(148)는 검출 신호로부터 이차원 화상을 생성하고, 생성된 이차원 화상은 기록 장치(145)에 기억되거나, 표시 장치(147)에 표시된다. 또한, 이상(異常) 판정부(149)는 검출 신호로부터의 이차원 화상 정보로부터 결함 후보를 추출한다.

도 2에 도 1의 주사 전자 현미경의 전자 광학계에 있어서의 전자의 기준 궤도를 나타낸다. 기준 궤도로서, 전자원 중심(100a)을 물점(物点)으로 하는 전자원 기준 궤도(201)(일점 쇄선)와 개구 중심(154a)을 물점으로 하는 개구 기준 궤도(202)(실선)를 나타내고 있다. 전자원 기준 궤도(201)에서는, 전자원 중심(100a)을 물점으로 하는 전자빔이, 2개의 콘덴서 렌즈(103, 105)에 의해 전자원 제2 중간상(211)을 형성하고, 개구 조사 렌즈(150)에 의해 평행빔으로서 개구판(154)을 조사한다. 개구(153)를 투과한 평행빔은, 2개의 축소 렌즈(151, 152)에 의해 전자원상(213)을 형성한다. 이때, 전자원상(213)은 대물 렌즈(113)의 후방 초점면에 전자원상(213)을 형성하도록 제어된다.

한편, 개구 기준 궤도(202)에서는, 개구 중심(154a)을 물점으로 하는 전자빔이, 2개의 축소 렌즈(151, 152)와 대물 렌즈(113)에 의해 시료(114) 위에 축소된 개구(153)의 개구상(221)을 형성한다. 도 3에 개구 기준 궤도(202)의 상세를 나타낸다. 도 3은, 개구판(154)의 개구(153)를 시료 위에 개구상(221)으로서 투영 결상하는 전자 궤도의 개구의 우단과 좌단으로부터의 3방향의 전자 궤도(각각, 개구 우단 궤도(251)(파선) 및 개구 좌단 궤도(252)(점선)라고 함)를 나타내고 있다. 전자 궤도가 제1 축소 렌즈(151)와 제2 축소 렌즈(152)에 의해 개구 중간상(220)을 형성한 후에, 렌즈 조건에 따른 배율로 시료(114) 위에 개구상(221)으로서 투영 결상되는 형태가 나타나 있다.

도 4a에 시료(114) 근방에서의 전자 궤도를 나타낸다. 도면에서는 개구판(154)의 개구(153)의 양단을 물점으로 한 전자 궤도를 갖는 일차 전자(401)를 나타내고 있고, 도 3에 나타낸 전자 궤도에 의해, 개구각(402)의 각도를 갖고 시료(114) 위에 초점을 맺고 있다. 좌우의 초점 위치 사이에 개구상(221)이 형성되어진다. 또한, 개구각(402)의 중심을 통과하는 궤도와 시료면이 이루는 각도가 입사각(403)이며, 본 실시예에서는 좌우 모두 대략 90도이다. 이 상태를 텔레센트릭이라고 하고, 깊은 홈이나 깊은 구멍의 관찰에서는 중요한 전자빔 특성이다. 도 2에 있어서 설명한 바와 같이, 대물 렌즈(113)의 후방 초점면에 전자원상(213)을 형성하고 있는 것은 이 상태를 실현하기 위함이다. 즉, 대물 렌즈(113)의 후방 초점면은 대물 렌즈(113)에 대하여 시료측으로부터 광축 방향을 따라 평행빔을 입사했을 경우에, 초점을 맺는 위치이다. 도 3에 나타나는 바와 같이, 개구 우단 궤도(251) 중 광축 방향을 따라 직진하는 궤도(251a) 및 개구 좌단 궤도(252) 중 광축 방향을 따라 직진하는 궤도(252a)는, 2개의 축소 렌즈(151, 152)에 의해 전자원상(213)의 위치에서 점(405)에 입사된다. 점(405)은 대물 렌즈(113)의 후방 초점면 위의 점이기 때문에, 점(405)으로부터 대물 렌즈(113)에 입사된 전자빔은, 시료면에 대하여 수직으로 입사하는 전자 궤도를 갖게 된다.

도 4b는 개구판(154)의 개구(153)가 원형 개구일 경우에, 시료(114) 위에 형성되는 개구상(221)을 나타낸다. 도 5a∼c를 이용하여, 본 실시예의 개구상(221)으로부터 얻어지는 전자빔 강도 분포에 대해서 설명한다. 도 5a는 개구상(221)의 전자빔 강도 분포(빔 프로파일)이다. 여기에서, 개구상(221)의 전자빔 강도 분포는, 개구상(221)의 중심(410)(도 4b를 참조)에서의 일차원 분포로 대표시키고 있다. 이하, 도 5b, c도 같다. 개구상(221)의 전자빔 강도 분포는, 도 5b에 나타내는 이상적인 개구상의 전자빔 강도 분포와 비교하면 개구상의 에지 부분에서 전자빔 강도가 저하되고 있으며, 개구상 전체의 폭을 「개구상 사이즈」, 에지 부분의 폭을 「에지 사이즈」라고 한다. 예를 들면, 개구상 사이즈는 상대 강도가 0.5인 전자빔 강도 분포의 넓이로서, 에지 사이즈는 상대 강도가 0.1∼0.9인 전자빔 강도 분포의 넓이로서 정의할 수 있다.

여기에서, 이상적인 개구상은 개구판(154)의 개구(153)의 개구 형상에 투영 배율을 곱한 것이 된다. 개구의 투영 배율은, 축소 투영 광학계의 3개의 렌즈에 의해 정해진다. 한편, 에지 사이즈는, 전자 광학계의 광학수차나 빔 진동으로 결정된다. 이 때문에, 에지 사이즈상의 강도 분포를 정확하게 구하는 것은 곤란하지만, 도 5c가 에지 사이즈의 원인이 되는 광학수차나 빔 진동에 의한 에지 사이즈상의 강도 분포인 것으로 하면, 도 5a에 나타내는 개구상의 전자빔 강도 분포는, 도 5b에 나타내는 이상 개구상의 전자빔 강도 분포와 도 5c에 나타내는 에지 사이즈상의 전자빔 강도 분포의 2개의 분포의 컨볼루션으로서 형성되는 관계에 있다.

이하에, 주사 전자 현미경(도 1 참조)에 의해, 개구상의 전자빔을 이용하여 취득한 SEM 화상을, 개구상의 전자빔 강도 분포를 바탕으로 고분해능화하는 방법 에 대해서 설명한다. 화상 처리는, 화상 처리부(148)(도 1 참조)에 의해 행해진다. 본 방법에서는, SEM 화상의 분해능을 에지 사이즈의 분해능(이후, 에지 분해능이라고 함) 가까이까지 향상시킬 수 있다.

우선, 전자빔 강도 분포 정보를 이용하여 SEM 화상을 고분해능화하는 원리를 설명한다. SEM 화상(검출기의 검출 신호로부터의 이차원 화상 정보)은 시료 정보와 전자빔 강도 분포 정보의 컨볼루션으로서 표현되므로, 푸리에 변환의 성질을 사용하면 시료 정보와 전자빔 강도 분포 정보의 적산(積算)으로서 나타낼 수 있다(수식 1).

여기에서, I는 SEM 화상, S는 전자빔 강도 분포 정보를 포함하지 않는 시료 정보, BP는 전자빔 강도 분포 정보이며, FT는 푸리에 변환, FT^- ¹는 푸리에 역변환을 나타내고 있다. 따라서, 전자빔 강도 분포 정보를 포함하지 않는 시료 정보로서 재구성한 재구성 화상은, (수식 1)의 양변으로부터 전자빔 강도 분포 정보를 디콘볼루션함으로써 얻을 수 있다. 구체적으로는, SEM 화상(I)과 전자빔 강도 분포 정보(BP)를 푸리에 변환한 것을 제산(除算)하여 역(逆)푸리에 변환함으로써 행할 수 있다(수식 2).

이 디콘볼루션에 의해, 주사 전자 현미경에 의해 취득된 SEM 화상을 고분해능화할 수 있음이 알려져 있다. 그러나, 과제에도 기술한 바와 같이, 종래와 같이 전자원상에서 화상을 취득할 경우, 전자원상의 전자빔의 전자빔 강도 분포 정보를 정확하게 얻는 것은 극히 곤란했다.

도 6의 파형(601)은 개구상의 전자빔으로 화상을 취득할 때의 정보 전달의 게인(Optical Transfer Function)이다. 파형(601)은, 도 5a에 나타낸 개구상의 전자빔 강도 분포를 푸리에 변환(수식 3)함으로써 구할 수 있다.

여기에서, f(x)는 전자빔 강도 분포(도 5a의 파형), g(w)는 정보 전달 게인, w는 각도 주파수(또한, 도 6에서는 각도 주파수를 상대값으로 한 상대 주파수로 나타내고 있음)이다.

파형(601)에 나타나는 바와 같이, 각도 주파수(상대 주파수)가 높아짐에 따라 게인이 저하되어 점(602)(「제로점 주파수」라고 함)에 있어서 한번 제로가 된다. 이것은 고주파의 정보일수록 얻는 것이 곤란한 것을 나타내고 있다. 그러나, 제로점 주파수(602)를 초과하여 더 고주파 영역이 되면 게인의 절대값이 증가한다. 이것은 개구상을 이용했을 경우의 특징이며, 고분해능의 화상을 얻을 수 있는 포텐셜을 갖는 것을 나타내고 있다. 즉, 제로점 주파수를 초과하여 더 고주파 영역까지 정보를 얻을 수 있다.

구체적으로는, (수식 2)의 전자빔 강도 분포 정보(BP)로서, 이상 개구상의 전자빔 강도 분포(도 5b의 파형)를 적용한다. 앞서 기술한 바와 같이, 개구상의 전자빔 강도 분포는, 이상 개구상의 전자빔 강도 분포와 에지 사이즈상의 전자빔 강도 분포와의 컨볼루션으로서 형성되기 때문에, 개구상의 게인은, 이상 개구상의 게인과 에지 사이즈상의 게인을 곱한 것이 된다. 또한, 이상 개구상의 게인은 개구 형상과 투영 배율로부터 계산에 의해 얻어진다. 이에 따라, 개구상에 의해 얻은 SEM 화상으로부터 이상 개구상의 전자빔 강도 분포 정보를 디콘볼루션함으로써, 에지 사이즈상 상당의 전자빔으로 화상 취득한 화상을 복원할 수 있음을 의미하고 있다. 도 6에 에지 사이즈에 상당하는 빔으로 화상 취득했을 경우의 게인(파형(603))을 아울러 나타내고 있다. 이와 같이, 개구상의 전자빔에 의한 정보 전달의 게인보다 전체 주파수 대역에서 정보 전달 게인이 향상하고 있음을 이해할 수 있다.

이상 개구상의 게인은, 개구(153)의 개구 형상과 투영 배율의 곱으로 추정되는 이상 개구상의 직사각형 프로파일(도 5b의 파형)을 푸리에 변환함으로써 정확하게 구해지기 때문에, 개구상 사이즈에는 관계없이, 본 방법의 화상 처리에 의해 같은 분해능(에지 분해능 상당)의 화상을 얻을 수 있다. 즉, 대전류화에 수반하여 개구상이 커져도, 소전류에 가까운 분해능의 화상을 복원하는 것이 가능한 것을 나타내고 있다. 따라서, 본 방법은 개구상 사이즈가 에지 사이즈보다 큰 쪽이 효과를 발휘한다. 통상의 전자 광학계의 능력을 고려하면 5㎚ 이상의 사이즈가 유력하다고 생각된다. 이에 더해서, 촬상시의 화소 사이즈도 실질적인 분해능 열화(劣化) 요인이기 때문에, 개구상 사이즈가 화소 사이즈보다 큰 것이 바람직하다.

또한, 에지 분해능 이상의 고분해능을 화상 처리에 의해 얻기 위해서는, 에지 사이즈상의 게인을 정확하게 알 필요가 있다. 에지 사이즈상을 규정하는 빔 진동 등은 정확하게 파악하는 것이 곤란한 것이기 때문에, 본 방법의 화상 처리에 의해 얻어지는 분해능도 에지 분해능 상당에 머무른다. 그러나, 본 방법에 의해 개구상 사이즈에 기인하는 분해능 열화를 구제할 수 있어, 분해능 열화의 주요인이 빔 사이즈가 되는 대전류 조건(예를 들면, 깊은 홈이나 깊은 구멍의 저부 관찰 등에 있어서의 광학 조건)에 있어서, 특히 본 방법을 적용하는 것의 이점은 크다.

또한, 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 방법에서는 정보 전달이 불가능한 주파수(「제로점 주파수」)가 생긴다. 게인이 0이 되는 주파수에서의 정보 복원을 행하고자 해도 계산이 발산해 버리기 때문이다. 이에 대처하는 하나의 수단은, 제로점 주파수의 주변의 주파수의 데이터를 이용하여 제로점 주파수의 정보를 추정하는 방법이다. 간편한 방법의 예로서는, 취득 화상의 푸리에 변환으로 해당 주파수 근방에서의 분포를 함수 피팅하는 방법을 들 수 있다.

이 외에도, 복수의 화상을 취득하여 화상 처리를 행해도 된다. 도 7에 개구각을 동등하게 한 서로 다른 사이즈의 개구상의 게인을 나타냈다. 서로 다른 투영 배율 또는 서로 다른 개구 형상의 적어도 어느 한쪽을 이용함으로써, 서로 다른 사이즈의 개구상의 화상 취득이 가능해진다. 이 경우, 도 7에 나타내는 바와 같이, 개구상에 의해 제로점 주파수가 서로 달라, 같은 주파수여도 게인의 값이 보다 큰 개구상의 이차원 화상 정보를 이용함으로써, 보다 정확한 화상 처리가 가능해진다. 에지 분해능의 주요인인 광학수차는 개구각에 의존하기 때문에, 개구각을 동등하게 하도록 광학 조건을 설정함으로써, 개구상의 사이즈가 서로 달라도, 분해능의 복원 목표가 되는 에지 분해능은 동등하게 할 수 있다.

한편, 검출기로부터 취득되는 SEM 화상의 SN이 낮을 경우, 본 방법의 화상 처리에 의해 분해능을 향상시키면, 노이즈의 영향도 증폭하여, 처리된 화상에 오히려 악영향을 미치게 할 경우가 있다. 이 때문에, 화상 처리부(148)에서는 분해능 향상의 정도를 규정하는 화상 처리 파라미터(P)를 지정하고, 화상 처리 파라미터(P)에 따라 SEM 화상의 고분해능화를 행하도록 하는 것이 바람직하다.

여기에서, α＝(에지 사이즈상의 게인)／(개구상의 게인)으로 하고, 화상 처리에 의한 분해능 향상 지수(G)가, 예를 들면 (αP+(1-P))가 되도록 화상 처리를 행한다. P＝1일 때 G＝α가 되어 SEM 화상을 에지 분해능으로 향상시키고, P＝0일 때 G＝1이 되어 복원 없음이 된다. 0＜P＜1에서 중간적인 분해능 향상이 행해진다. 도 8에 화상 처리 파라미터(P)마다의 복원 화상의 정보 전달의 게인을 나타낸다. 이와 같이, 화상 처리 파라미터(P)를 지정하여 고분해능화함으로써, SN이 낮은 화상에 대해서도 본 방법을 적용한 고분해능화가 가능해진다. 또한, 분해능 향상 지수(G)는 예시한 것에 한정되지 않는다. P＝1일 때 G＝α, P＝0일 때 G＝1, 0＜P＜1에서 G＝α∼1이 되는 함수이면 된다.

도 9에 표시 장치(147)에 표시되는 GUI(Graphical User Interface)의 예를 나타낸다. 화상 처리에 의해 화상의 분해능을 크게 변화시키기 때문에, 화면(900)에 화상 처리전 화상(901)과 화상 처리후 화상(902)을 표시한다. 이에 따라, 처리 전후의 화상을 비교하는 것이 가능해져, 취득한 화상을 종합적으로 판단하는 것이 가능해진다. 또한, 본 방법에 본질적인 파라미터는 파라미터 표시부(903)에 표시된다. 표시되는 파라미터에는, 배율, 개구상 사이즈, 반 개구각(개구각(도 4a 참조)의 1／2), 화상 처리 파라미터(P)를 포함한다. 개구상 사이즈의 단위는 「㎚」, 반 개구각의 단위는 「mrad」이다. 오퍼레이터는, 파라미터 표시부(903)에 있어서 이들의 값을 설정함으로써, 광학 파라미터의 조정이나 결정 혹은 화상 처리의 최적화를 용이하게 행하는 것이 가능해진다.

다음으로, 본 실시형태의 전자빔 장치를 이용한 시료의 검사 방법에 대해서 설명한다. 도 10에 고속 검사를 위한 플로우 차트를 나타낸다. 깊은 구멍, 깊은 홈 등의 삼차원 형상에 대해서 검사를 행할 경우, 소개구각에서 대전류의 광학 조건을 설정하기 때문에, 개구상 사이즈가 커지고, 본 방법에 의한 화상 처리에 의해 얻어진 SEM 화상의 고해상화가 가능하다. 그러나, 결함 검사를 목적으로 할 경우에는, 반드시 모든 개소(箇所)에서 화상 처리를 행할 필요는 없다. 제1 촬상 개소로 이동하고(스텝 1001), 촬상하고(스텝 1002), 촬상된 SEM 화상(검출 신호로부터의 이차원 화상 정보)에 대하여 이상 판정부(149)에서 이상 판정을 행한다. 촬상된 SEM 화상으로부터 결함 후보 있음이라고 판정되었을 경우에는, 화상 처리부(148)에서 화상 처리에 의해 고분해의 결함 해석 화상을 형성한다(스텝 1004). 결함 후보 없음이라고 판정되었을 경우에는, 다음 촬상 개소로 이동한다(스텝 1005).

도 11은 고속 검사를 위한 다른 플로우 차트이다. 본 예에서는, 촬상된 SEM 화상으로부터 결함 후보 있음이라고 판정되었을 경우에는, 결함 후보 있음이라고 판정된 영역에 대하여 전자빔의 전체 조사량을 늘린 촬상을 추가로 실시하여, 스텝 1002보다 SN을 향상시킨 SEM 화상을 얻는다(스텝 1010). 화상 처리부(148)에서, SN을 향상시킨 SEM 화상에 대해서 화상 처리에 의해 고분해의 결함 해석 화상을 형성한다(스텝 1011). 이에 따라 화상 처리시의 노이즈의 영향을 경감하여 결함 해석을 행할 수 있다.

또한, 앞서 개구상 사이즈를 제1 개구판(154)의 제1 개구(153)의 개구 형상과 투영 배율에 의거하여, 연산에 의해 구하는 것을 설명했다. 그러나, 전자빔 장치의 정확한 투영 배율이 미지(未知)일 경우도 있다. 이 경우에는, 개구상 사이즈를 실기(實機)로부터 구할 수 있다. 도 12에 개구상 사이즈를 계측하는 플로우 차트를 나타낸다. 이 예에서는, 계측용 마크로서 실리콘에 메워넣은 텅스텐 라인 패턴을 이용한다. 우선, 이 계측용 마크의 위치로 이동한다(스텝 1201). 다음으로 텅스텐 매립 라인을 촬상하고(스텝 1202), 일차원의 전자빔 강도 분포를 취득한다(스텝 1203). 개구상의 강도 분포는 반원 형상이 된다. 개구(153)가 원형인 것에 의거하여, 이 전자빔 강도 분포를 바탕으로 개구상의 직경을 산출한다(스텝 1204). 개구(153)의 형상이 기지(旣知)이기 때문에, 장치의 투영 배율이 미지여도 개구상 사이즈를 정밀도 좋게 추정하는 것이 가능해져, 화상 처리를 정밀도 좋게 행하는 것이 가능해진다. 또한, 매립 라인 구조를 이용한 것은 이차 전자방출의 에지 효과에 의한 전자빔 강도 분포의 변형을 피하기 위함이다.

또한, 시료의 검사를 행하는 복수대의 전자빔 장치의 기차를 저감하는 방법 에 대해서 설명한다. 개개의 장치 각각의 전체 구성은 도 1에 나타내는 것과 동등하며, 그 어느 것을 이용하여 시료를 검사한다. 개구 형상의 정보는 기록 장치(145)에 저장되어 있고, 제1 축소 렌즈 제어부(161), 제2 축소 렌즈 제어부(162), 대물 렌즈 제어부(142)를 제어한 각 전자 렌즈의 여자 파라미터로부터 구해지는 축소 투영 광학계의 투영 배율과 개구 형상 데이터를 이용하여, 장치 제어부(146)에 있어서 개구상 사이즈를 산출한다. 또한, 개구는 원형 개구이며, 개구상 사이즈는 원형 개구상의 직경으로 대표시키는 것으로 한다.

기차 저감의 플로우 차트를 도 13에 나타낸다. 우선, 제1 장치의 개구상 사이즈를 구하고(스텝 1301), 다음으로 제2 장치의 개구상 사이즈를 구한다(스텝 1302). 양자의 사이즈를 비교하여(스텝 1303), 서로 다를 경우에는, 제1 개구상 사이즈를 기준으로 해서, 제2 개구상 사이즈를 제2 장치의 투영 배율을 제어함으로써 조정한다(스텝 1304). 이에 따라 제1 장치의 개구상 사이즈와 제2 장치의 개구상 사이즈의 차이에 기인하는 기차를 저감하여 검사를 실행할 수 있다(스텝 1305). 스텝 1305에 있어서, 도 10, 도 11에서 설명한 고속 검사를 위한 플로우를 적용해도 된다. 대상이 되는 장치가 더 존재할 경우에는, 본 방법을 제3, 제4 장치로 확장하여 적용함으로써, 복수의 장치의 기차를 관리하는 것이 가능하다. 또한, 투영 배율을 조정할 때에는, 개구상의 개구각이 변화하지 않도록 제1 및 제2 콘덴서 렌즈의 조정을 행한다.

종래의 전자원상을 이용한 장치에서는, 전자원상 사이즈의 정확한 추정이 곤란하고, 대전류에서는 배율이 크기 때문에 외란 등에 의한 빔 진동이 현저하다는 바와 같은 디메리트가 있다. 빔 진동은 장치 전체에 관계되는 것이므로 제어가 어렵고, 기차 저감이 큰 장해이다. 이 때문에, 개구상을 이용하는 본 방법은 기차 저감의 관점에서도 유효하다고 생각된다.

또한, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들면, 상기한 실시예는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위해 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것이 아니다. 또한, 어떤 예의 구성의 일부를 다른 예의 구성으로 치환하는 것이 가능하며, 또한, 어떤 예의 구성에 다른 예의 구성을 더하는 것도 가능하다. 또한, 각 예의 구성의 일부에 대해서, 다른 구성의 추가·삭제·치환을 하는 것이 가능하다. 또한, 본 발명은 깊은 홈이나 깊은 구멍의 검사에 한정되지 않고, 대전류에서 촬상을 행할 때에 널리 유효하다.

101: 전자총 102: 제1 얼라이너
103: 제1 콘덴서 렌즈 105: 제2 콘덴서 렌즈
106: 제1 주사 편향기 108: 제2 주사 편향기
113: 대물 렌즈 114: 시료
115: 스테이지 116: 일차 전자
117: 이차 전자 121: 제1 검출기
122: 제2 검출기 131: 전자총 제어부
132: 제1 얼라이너 제어부 133: 제1 콘덴서 렌즈 제어부
135: 제2 콘덴서 렌즈 제어부 136: 제1 검출계 제어부
137: 제1 주사 편향기 제어부 138: 제2 검출계 제어부
139: 제2 주사 편향기 제어부 141: 부스터 전압 제어부
142: 대물 렌즈 제어부 144: 시료 전압 제어부
145: 기록 장치 146: 장치 제어부
147: 표시 장치 148: 화상 처리부
149: 이상 판정부 150: 개구 조사 렌즈
151: 제1 축소 렌즈 152: 제2 축소 렌즈
153: 제1 개구 154: 제1 개구판
155: 개구판 스테이지 160: 개구 조사 렌즈 제어부
161: 제1 축소 렌즈 제어부 162: 제2 축소 렌즈 제어부
163: 개구 위치 제어부 201: 전자원 기준 궤도
202: 개구 기준 궤도 210: 전자원 제1 중간상
211: 전자원 제2 중간상 212: 전자원 제3 중간상
213: 전자원상 220: 개구 중간상
221: 개구상 251: 개구 우단 궤도
252: 개구 좌단 궤도 402: 개구각
403: 입사각 953: 제2 개구
954: 제2 개구판

Claims

전자원으로부터의 전자빔을 제1 개구에 조사(照射)하는 조사 광학계와, 상기 제1 개구의 개구상(開口像)을 시료 위에 투영 결상하는 축소 투영 광학계를 갖는 전자 광학계와,
상기 전자 광학계에 의해 상기 전자빔이 상기 시료에 조사됨으로써 방출되는 이차 전자를 검출하는 검출기와,
상기 전자 광학계의 주사 편향기에 의해, 상기 전자빔을 이차원으로 주사하면서 상기 시료에 조사하여 얻어진 상기 검출기의 검출 신호로부터 이차원 화상을 생성하는 화상 처리부를 갖고,
상기 화상 처리부는, 상기 검출 신호로부터의 이차원 화상 정보로부터 상기 제1 개구의 이상(理想) 개구상의 전자빔 강도 분포 정보를 디콘볼루션(deconvolution)하여 재구성 화상을 생성하고,
상기 화상 처리부는, 상기 제1 개구의 제1 개구상을 상기 시료 위에 투영 결상하여 얻어지는 제1 이차원 화상 정보와, 상기 제1 개구상과는 사이즈가 다른 상기 제1 개구의 제2 개구상을 상기 시료 위에 투영 결상하여 얻어지는 제2 이차원 화상 정보를 이용하여, 상기 재구성 화상을 생성하는 전자빔 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 개구는 원형 개구인 전자빔 장치.
제1항에 있어서,
상기 화상 처리부는, 상기 이상 개구상의 전자빔 강도 분포 정보를, 상기 제1 개구의 개구 형상과 상기 축소 투영 광학계의 투영 배율의 곱으로서 산출하는 전자빔 장치.
제1항에 있어서,
상기 화상 처리부는, 정보 전달 게인이 0이 되는 제로점 주파수의 정보를 상기 제로점 주파수의 주변의 주파수의 데이터를 이용하여 추정하는 전자빔 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 전자 광학계는, 상기 제1 개구상을 상기 시료 위에 투영 결상했을 때의 상기 제1 개구의 개구 형상 또는 상기 축소 투영 광학계의 투영 배율 중 적어도 어느 한쪽을 다르게 함으로써, 상기 제2 개구상을 상기 시료 위에 투영 결상시키는 전자빔 장치.
제6항에 있어서,
상기 전자 광학계는, 상기 제1 개구상을 상기 시료 위에 투영 결상할 때의 개구각과 상기 제2 개구상을 상기 시료 위에 투영 결상할 때의 개구각이 동등해지도록 설정되는 전자빔 장치.
제1항에 있어서,
상기 화상 처리부는, 지정된 화상 처리 파라미터에 따른 정도로 고분해능화한 상기 재구성 화상을 생성하는 전자빔 장치.
제1항에 있어서,
상기 검출 신호로부터의 이차원 화상 정보로부터 결함 후보를 추출하는 이상(異常) 판정부를 갖고,
상기 화상 처리부는, 상기 이상 판정부가 결함 후보를 추출했을 때의 상기 검출 신호로부터의 이차원 화상 정보에 대해서 상기 재구성 화상을 생성하는 전자빔 장치.
제9항에 있어서,
상기 화상 처리부는, 상기 이상 판정부가 결함 후보를 추출했을 때의 영역에 대하여 전체 조사량을 늘려 촬상을 행하여 얻은 검출 신호로부터의 이차원 화상 정보에 대해서 상기 재구성 화상을 생성하는 전자빔 장치.
제1항에 있어서,
상기 축소 투영 광학계는 제2 개구를 갖고,
상기 제2 개구의 크기는 개구 위치에서의 상기 전자빔의 반값 폭보다 크게 되는 전자빔 장치.
제1 전자빔 장치 또는 제2 전자빔 장치 중 어느 하나의 전자빔 장치를 이용하여 시료를 검사하는 시료 검사 방법으로서,
상기 제1 및 제2 전자빔 장치의 각각은,
전자원으로부터의 전자빔을 개구에 조사하는 조사 광학계와, 상기 개구의 개구상을 상기 시료 위에 투영 결상하는 축소 투영 광학계를 갖는 전자 광학계와,
상기 전자 광학계에 의해 상기 전자빔이 상기 시료에 조사됨으로써 방출되는 이차 전자를 검출하는 검출기와,
상기 전자 광학계의 주사 편향기에 의해, 상기 전자빔을 이차원으로 주사하면서 상기 시료에 조사하여, 상기 검출기의 검출 신호로부터 이차원 화상을 생성하는 화상 처리부를 갖고,
상기 제1 전자빔 장치의 상기 개구의 개구 형상과 상기 축소 투영 광학계의 투영 배율에 의거하여, 상기 제1 전자빔 장치의 상기 개구상의 사이즈를 산출하고,
상기 제2 전자빔 장치의 상기 개구의 개구 형상과 상기 축소 투영 광학계의 투영 배율에 의거하여, 상기 제2 전자빔 장치의 상기 개구상의 사이즈를 산출하고,
상기 제1 전자빔 장치의 상기 개구상의 사이즈와 상기 제2 전자빔 장치의 상기 개구상의 사이즈가 서로 다를 경우에는, 상기 제2 전자빔 장치의 상기 개구상의 사이즈가 상기 제1 전자빔 장치의 상기 개구상의 사이즈와 동등해지도록, 상기 제2 전자빔 장치의 상기 축소 투영 광학계의 투영 배율을 조정하는 시료 검사 방법.
제12항에 있어서,
상기 제1 전자빔 장치 및 상기 제2 전자빔 장치의 상기 화상 처리부는, 상기 검출 신호로부터의 이차원 화상 정보로부터 상기 개구의 이상 개구상의 전자빔 강도 분포 정보를 디콘볼루션하여 재구성 화상을 생성하는 시료 검사 방법.