JP5826942B2 - 走査電子顕微鏡及びこれを用いた１次電子の電流量測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、走査電子顕微鏡及びこれを用いた１次電子の電流量測定方法に関し、より詳細には、１次電子及び２次電子に電磁界を印加するフィルタと第１検出器を鏡筒内部に一体に形成することによって、別途の検出装置を外部に設置しないため装置が小型化され、２次電子を検出しながら連続的に１次電子の電流量を容易に測定することができ、検査作業の効率性が確保された走査電子顕微鏡及びこれを用いた１次電子の電流量測定方法に関する。

半導体装置製造工程など極めて微細で精密な測定と加工が必要な工程において使用される走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）は、ソースで発生した電子を試片に誘導して衝突させ、その結果、発生する様々な現象を検出器で測定し、試片の状態を把握する装備であって、１０^−３Ｐａ以上の真空中に置かれた試片の表面を１ないし１００ｎｍ程度の微細な電子線でｘ−ｙの二次元方向に走査し、試片の表面で発生する２次電子の信号を検出して陰極線管の画面上に拡大画像を表示したり記録し、試片の形態、微細構造などを分析する装置である。

図１は、走査電子顕微鏡の概略的な構成を示す図である。走査電子顕微鏡においては、陰極１で発生した１次電子を電磁気レンズをなす電極２を介して加速させて集約させ、電子ビームの形態で試片に誘導して放出される２次電子を検出器３を介して試片の一定領域を分析する。

走査電子顕微鏡の電子ビームが試片側に走査されて形成される電子の流れは、当然電流をなすものであり、これを走査電流という。

しかし、一般的に走査電流は、走査電子顕微鏡の設備を一定にセッティングして運営しても設備の特性上、ある程度の時間に経過に伴う変移があり、これにより作業者が新たにセッティングして使用する必要があり、走査電流が変化しても感知しにくく、変化した状態で装備を運営することによって、誤った測定値を有するようになる問題点がある。

前述したように、従来走査電子顕微鏡は、１次電子の電流量と試片から放出される２次電子の信号に差が発生するようになり、これにより、試片が帯電されることによって獲得される試片の画像イメージまたはデータなどに歪みが発生する問題があった。

これにより、入射エネルギーである１次電子の電流量を測定するために、従来は図１（ａ）で示すように、試片分析前の鏡筒下部の試片位置に別途の検出器４を設置し、入射される１次電子の電流量を測定したり、図１（ｂ）に示すように、試片のそばに別途の検出器４を設置して入射される１次電子を屈折させて検出器４に入射させ、１次電子の電流量を測定した。

前記のように、試片の一定領域を分析中に、１次電子の電流量を測定するためにはスキャニングを中止して１次電子の電流量を測定した。

したがって、分析時ごとに検出器４を別に設置しなければならず、分析中には１次電子の電流量を測定することが困難な欠点があって作業効率が悪くなり、鏡筒外部に検出器４が設置されて装置の全体サイズが大きくなる欠点がある。

したがって、本発明の目的は、このような従来の問題点を解決するためのものであって、１次電子及び２次電子に電磁界（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）を印加するフィルタと第１検出器を鏡筒内部に一体に形成することにより、２次電子を検出しながら連続的に１次電子の電流量を容易に測定することができて、検査作業の効率性が確保され、装置が小型化された走査電子顕微鏡及びこれを用いた１次電子の電流量測定方法を提供することにある。

前記目的は、本発明により、走査電子顕微鏡において、内部に収容空間が形成された鏡筒と、前記鏡筒内部に設置され、前記鏡筒外部の試片に向かって荷電された１次電子を発生させるソースと、前記鏡筒内部で前記ソースの下部に設置され、前記１次電子及び前記１次電子が前記試片に衝突した後、放出される２次電子の移動経路を変えるフィルタと、前記フィルタと前記試片との間の前記鏡筒内部に設置され、前記フィルタで発生する電磁界により移動経路が変更された前記１次電子による電流量を検出する第１検出器と、前記ソースと前記フィルタとの間の前記鏡筒内部に設置され、前記フィルタによって移動経路が変更された前記２次電子を検出する第２検出器と、前記１次電子及び前記２次電子の移動経路を選択的に変更するように前記フィルタを制御するフィルタ制御部と、を含むことを特徴とする走査電子顕微鏡によって達成される。

また、前記走査電子顕微鏡は、前記試片の走査領域を行に対して順次にスキャンするラスター走査方式であることが好ましい。

また、前記フィルタ制御部は、前記試片の走査領域のうち一つの行に対して１次電子が走査される間は、前記２次電子が前記第２検出器に流入するように前記フィルタを制御し、前記試片の次の行に１次電子を走査するために１次電子の入射位置を移動する間には、前記１次電子が前記第１検出器に流入するように前記フィルタを制御することが好ましい。

また、前記第１検出器及び前記第２検出器から検出された信号を分析する検査部と、前記検査部から伝達された結果値に応じて、ソースから走査される前記１次電子の電流量を制御するソース制御部をさらに含むことが好ましい。

前記目的は、本発明により、第１項ないし第４項の走査電子顕微鏡を用いた１次電子の電流量測定方法において、試片の検査領域のうち一つの行に対して荷電された前記１次電子を走査すると同時に、前記２次電子が第２検出器に誘導されるように前記フィルタを制御する段階と、前記１次電子の走査位置を次の行に移動すると同時に、前記１次電子が前記第１検出器に誘導されるように前記フィルタを制御する段階と、を含むことを特徴とする走査電子顕微鏡の１次電子の電流量測定方法によって達成される。

また、前記１次検出器と前記２次検出器から測定された結果値を比較分析し、前記ソースの前記１次電子発生量を調節する検査段階をさらに含むことが好ましい。

本発明によると、２次電子を検出しながら連続的に１次電子の電流量を容易に測定することができて検査作業の効率性が確保され、鏡筒内部に一体型に設置されて装置が小型化された走査電子顕微鏡及びこれを用いた１次電子の電流量測定方法が提供される。

従来の走査電子顕微鏡の概略的な構成を示す図である。 本発明の走査電子顕微鏡の概略的な構成と本発明による使用方法を説明するための図である。 本発明の走査電子顕微鏡の概略的な構成と本発明による使用方法を説明するための図である。 本発明の走査電子顕微鏡のファラデーカップの他の形態を示す図である。 本発明の走査電子顕微鏡の走査方式を説明するための図である。 本発明の走査電子顕微鏡を用いた１次電子の電流量測定方法のフローチャートである。

説明に先立ち、同一の構成を有する構成要素については、同一の符号を使用して代表的に一実施形態で説明し、その他の実施形態では一実施形態と異なる構成について説明することにする。

以下、添付の図面を参照して本発明の一実施形態に係る走査電子顕微鏡について詳細に説明する。

図２は、本発明の走査電子顕微鏡の概略的な構成と本発明に係る使用方法を説明するための図であり、図３は、本発明の走査電子顕微鏡の概略的な構成と本発明に係る使用方法を説明するための図であり、図４は、本発明の走査電子顕微鏡のファラデーカップの他の形態を示す図であり、図５は、本発明の走査電子顕微鏡の走査方式を説明するための図である。

図１及び図２を参照すると、本発明に係る走査電子顕微鏡は内部に収容空間が形成された円筒状の鏡筒１０と、１次電子を発生して供給するソース２０と、試片が設置されるスキャン部３０と、１次電子及び２次電子の移動経路を変更するフィルタ４０と、フィルタ４０を制御するフィルタ制御部５０と、１次電子の電流量及び２次電子信号を検出する検出部６０と、検出部６０の信号を分析する検査部７０と、ソース２０の１次電子発生量を調節するソース制御部８０と、２次電子を介してイメージ化するディスプレイ部９０を含む。

ソース２０は、陰極を加熱して発生する１次電子を後述するスキャン部３０に走査する部材として、鏡筒１０の上端部に設置され、発生した１次電子を加速して集約させ、試片に誘導する電極２１と正孔が形成された正孔板２２をさらに含む。

スキャン部３０は、ソース２０と対向されるように鏡筒１０の下方に設けられ、上面には試片が置かれる。ソース２０から走査される１次電子はスキャン部３０の上面に設けられる試片に入射されて、試片では２次電子を含む様々な信号を放出する。この時、放出される２次電池はソース２０側に放出される。

フィルタ４０は、１次電子と２次電子が通過する経路上に位置することにより、２次電子の経路を変更させる部材として、鏡筒１０内部の正孔板２２の下方に設置され、電場発生部と磁場発生部を含み、本実施形態では一般的なウィーンフィルタ（Ｗｉｅｎ ｆｉｌｔｅｒ）が使用される。

フィルタ４０により、１次電子及び２次電子が通過する電場及び磁場の方向を変化させることによって移動経路を変化させることができる。

図２及び図３を参照すると、フィルタ４０は、電場と磁場の力が平衡を成して、１次電子経路に変化がないが、２次電子が上側に移動する場合には電場と磁場が同じ方向に作用して２次電子の移動経路に変化が発生するようになり、また、電場と磁場を利用して、試片に入射される１次電子の移動経路を直接的に変更することができる。

一方、フィルタ制御部５０は、フィルタ４０の電場と磁場を制御して、１次電子及び２次電子の移動経路を制御する装置である。

図３及び図４を参照すると、検出部６０は、１次電子による電流値を測定する第１検出器６１と、２次電子を測定する第２検出器６２を含んで構成されて一般的なファラデーカップが使用され、その形状はカップ状または中心に穴が形成された円板状であり、これに限定されるものではない。

第１検出器６１は、前記鏡筒１０の内部において、前記フィルタ４０の下方に設けられ、フィルタ４０の電場と磁場によって移動経路が変更された１次電子が流入されて第１電子の電流量を測定する装置である。

第２検出器６２は、前記鏡筒１０の内部において、前記正孔板２２とフィルタ４０との間に配置され、試片に入射された１次電子が衝突した後生成される２次電子を検出する装置である。

前述したように、１次電子及び２次電子を検出する第１検出器６１及び第２検出器６２が鏡筒内部に一体型に設置され、装置の全体サイズが小型化される利点がある。

検査部７０は、第１検出器６１から測定された１次電子の電流量と第２検出器６２から測定された２次電子の電流量またはユーザーが任意に定めた１次電子の電流量値の範囲と比較して、ソース２０の１次電子発生量を調節する装置である。

ソース制御部８０は、検査部７０から伝達された結果値に応じて、ソース２０から発生される１次電子走査量を制御する装置である。

ディスプレイ部９０は、試片から発生する２次電子を第２検出器６２で検出して、試片をイメージ化する装置である。

一方、ディスプレイ部９０は、前述した検査部７０でのみ、２次電子のイメージを表示するだけでなく、走査電子顕微鏡の試片分析をしながら同時に表示される。

したがって、前述した検査部７０の代わりにユーザーが走査電子顕微鏡を操作して、ディスプレイ部９０にイメージされる画像を調節することができる。

一方、本実施形態に係る走査電子顕微鏡は、ディフレクター（図示せず）または移送部（図示せず）をさらに含んで、試片の測定しようとする領域に１次電子の入射位置を変更することができるように構成されることが好ましい。

また、本実施形態に係る走査電子顕微鏡は、試片に対してラスター方式でスキャンをして、図５に示すように、一番目の行に対して開始点（Ａ）からｘ方向に終点（Ｂ）までスキャンをした後、再び開始点（Ａ）に戻って、次の列に移動するためにｙ方向に移動をする。その後、再度前記の過程を繰り返して、試片の一定領域をスキャンするようになる。

しかし、スキャン方式は、前記の例に限定されるものではなく、様々な方式でスキャンすることができる。

ここからは、前述した走査電子顕微鏡の作動について説明する。

図５を参照すると、試片の分析しようとする領域の一番目の列の開始位置でソース２０から１次電子を下方に試片に走査しながら、試片の一番目の行に対して開始点（Ａ）からｘ方向に移動をすると、スキャン部３０上に置かれる試片は、１次電子と衝突して２次電子を放出する。２次電子は、１次電子移動経路の反対方向、すなわち、ソース２０方向に移動してフィルタ４０を通過する。

この時、フィルタ制御部５０は、図２に示すようにフィルタ４０の電磁界を制御して２次電子の移動経路を望む方向に制御することができ、２次電子の移動経路を第２検出器６２側に変更する。

２次電子が変更された移動経路により、第２検出器６２に入射されると、第２検出器６２が２次電子による様々な信号が検出され、第２検出器６２と連結されたディスプレイ部９０は第２検出器６２から入力される信号によって、試片の形状をイメージ化する。

前述したように、試片の分析領域の一番目の列のスキャンが終わると、１次電子の走査位置は再び一番目の列の開始位置に戻った後、ｙ方向に移動して二番目の列の開始点（Ａ）から終点（Ｂ）に移動する。

これと同時に、フィルタ制御部５０は、図３に示すようにフィルタ４０を制御し、ソース２０から発生される１次電子の経路を第１検出器６１側に変更する。

したがって、第１検出器６１に入射された１次電子により、１次電子の電流量を検出することができるようになる。続いて、検査部７０は、測定された１次電子の電流量と測定された２次電子の電流量またはユーザーが任意に定めた１次電子の電流量値の範囲と比較して、ソース２０から放出される１次電子の電流量を制御する。

前述した方法を繰り返すことにより、試片の分析しようとする領域を順次に移動しながらスキャンして、２次電子によるイメージをディスプレイ部９０が表示する。

したがって、鏡筒１０の内部に一体型に設置された第１検出器６１及び第２検出器６２により、別途の検出装置が必要ないため装置の全体サイズが小型化され、１次電子の入射位置を次の行に移動させるために、ｙ軸に移動する間、１次電流の電流量を測定するようになるのでスキャニングを中止する必要がないため作業の効率性が増大する。

ここからは、前述した走査電子顕微鏡を用いた１次電子の電流量測定方法について説明する。

図５は、本発明の走査電子顕微鏡の走査方式を説明するための図であり、図６は、本発明の走査電子顕微鏡を用いた１次電子の電流量測定方法のフローチャートである。

図６を参照すると、本発明に係る１次電子の電流量測定方法は、２次電子検出段階（Ｓ１０）と、１次電子検出段階（Ｓ２０）と、検査段階（Ｓ３０）と、１次電子走査量制御段階（Ｓ３１）と、ディスプレイ段階（Ｓ４０）を含んで構成される。

２次電子検出段階（Ｓ１０）は、ソース２０から発生される１次電子を試片に走査して、１次電子が試片に衝突しながら発生する２次電子を検出する段階であって、ｘ方向移動段階（Ｓ１１）と、フィルタ制御段階（Ｓ１２）と、検出段階（Ｓ１３）を含んで構成される。

図５を参照すると、ｘ方向移動段階（Ｓ１１）は、分析しようとする試片の一定領域の一番目の行の開始点（Ａ）を基準に終点（Ｂ）までディフレクター（図示せず）または移送部（図示せず）によって、試片に入射される１次電子の入射位置を移動させ、１次電子を試片に入射して２次電子を発生させる段階である。

フィルタ制御段階（Ｓ１２）は、ｘ方向移動段階（Ｓ１１）と同時に遂行される段階であって、２次電子が第２検出器６２に入射されるように、フィルタ制御部５０がフィルタ４０の電磁界を制御する段階である。

検出段階（Ｓ１３）は、試片に入射される１次電子によって発生された２次電子がフィルタ４０により発生された電磁界によって、第２検出器６２に入射されて２次電子の信号を測定する段階である。

１次電子検出段階（Ｓ２０）は、ソース２０から発生された１次電子の電流量を第１検出器６１が測定する段階であって、ｙ方向移動段階（Ｓ２１）と、フィルタ制御段階（Ｓ２２）と、検出段階（Ｓ２３）を含んで構成される。

ｙ方向移動段階（Ｓ２１）は、試片の次の熱を分析するために終点（Ｂ）まで移動した１次電子の入射位置を変更する段階であって、終点（Ｂ）で再び開始点（Ａ）まで移動した後、行の移動方向であるｙ方向に移動して試片に入射される１次電子の入射位置を移動させる段階である。

フィルタ制御段階（Ｓ２２）は、ｙ方向移動段階（Ｓ２１）と同時に遂行される段階であって、フィルタ制御部５０がフィルタ４０の電磁界を制御して、１次電子が第１検出器６１に入射されるようにする段階である。

検出段階（Ｓ２３）は、試片に入射される１次電子がフィルタ４０により発生された電磁界により、第１検出器６１に入射されて１次電子の電流量を測定する段階である。

前述したように、２次電子検出段階（Ｓ１０）は、開始点（Ａ）から終点（Ｂ）に１次電子の入射位置が移動している間に遂行され、１次電子検出段階（Ｓ２０）は、終点（Ｂ）から次の行の開始点（Ａ）に１次電子の入射位置が移動している間に遂行される。したがって、前述した二つの段階は、連続的に遂行されるため１次電子を検出するために検査作業の効率が増大する。

検査段階（Ｓ３０）は、検査部７０によって、測定された１次電子の電流量と２次電子の電流量またはユーザーが任意に定めた１次電子の電流量値の範囲と比較する段階であって、結果に応じて後述する１次電子走査量制御段階（Ｓ４０）またはディスプレイ段階（Ｓ５０）が遂行される。

一方、２次電子は、試片の種類、形状、１次電子の電流量などに従属的に変化するところ、１次電子の電流量を変化させながら２次電子信号検査を繰り返すと、同一の試片に対して２次電子効率が最適となる１次電子の電流量を求めることができる。

前述したように、１次電子走査量制御段階（Ｓ４０）は、検査段階（Ｓ３０）で検査された１次電子と２次電子の結果値の比較結果がユーザーが定めた結果値ではない場合、ソース２０の１次電子走査量を制御する段階であり、結果値がユーザーの望む結果値の場合には、ディスプレイ段階（Ｓ５０）が遂行される。

ディスプレイ段階（Ｓ５０）は、第２検出部６２で検出した２次電子のデータを基にして、ディスプレイ上に試片をイメージ化する段階である。

本発明の権利範囲は、前述した実施形態に限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲内で様々な形態の実施形態に具現することができる。特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく、当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば誰でも変形可能な多様な範囲まで本発明の請求範囲の記載の範囲内にあるものとみなす。

１次電子及び２次電子に電磁界を印加するフィルタと第１検出器を鏡筒内部に一体に形成することによって、別途の検出装置を外部に設置しないため装置が小型化され、２次電子を検出しながら連続的に１次電子の電流量を容易に測定することができ、検査作業の効率性が確保される。

Claims (6)

1. 走査電子顕微鏡において、
   内部に収容空間が形成された鏡筒と、
   前記鏡筒内部に設置され、前記鏡筒外部の試片に向かって荷電された１次電子を発生させるソースと、
   前記鏡筒内部で前記ソースの下部に設置され、前記１次電子及び前記１次電子が前記試片に衝突した後、放出される２次電子の移動経路を変えるフィルタと、
   前記フィルタと前記試片との間の前記鏡筒内部に設置され、前記フィルタで発生する電磁界（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）により移動経路が変更された前記１次電子による電流量を検出する第１検出器と、
   前記ソースと前記フィルタとの間の前記鏡筒内部に設置され、前記フィルタによって移動経路が変更された前記２次電子を検出する第２検出器と、
   前記１次電子及び前記２次電子の移動経路を選択的に変更するように前記フィルタを制御するフィルタ制御部と、
   を含むことを特徴とする走査電子顕微鏡。
2. 前記走査電子顕微鏡は、前記試片の走査領域を行に対して順次にスキャンするラスター走査方式であることを特徴とする請求項１に記載の走査電子顕微鏡。
3. 前記フィルタ制御部は、前記試片の走査領域のうち一つの行に対して１次電子が走査される間は、前記２次電子が前記第２検出器に流入するように前記フィルタを制御し、前記試片の次の行に１次電子を走査するために１次電子の入射位置を移動する間には、前記１次電子が前記第１検出器に流入するように前記フィルタを制御することを特徴とする請求項２に記載の走査電子顕微鏡。
4. 前記第１検出器及び前記第２検出器から検出された電流量を比較する検査部と、
   前記検査部から伝達された結果値に応じて、ソースから走査される前記１次電子の電流量を制御するソース制御部をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の走査電子顕微鏡。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の走査電子顕微鏡を用いた１次電子の電流量測定方法において、
   試片の検査領域のうち一つの行に対して荷電された前記１次電子を走査すると同時に、前記２次電子が第２検出器に誘導されるように前記フィルタを制御する段階と、
   前記１次電子の走査位置を次の行に移動すると同時に、前記１次電子が前記第１検出器に誘導されるように前記フィルタを制御する段階と、
   を含むことを特徴とする走査電子顕微鏡の１次電子電流量測定方法。
6. 前記第１検出器と前記第２検出器から測定された電流量を比較し、比較された結果値に応じて、前記ソースの前記１次電子発生量を調節する検査段階をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の走査電子顕微鏡の１次電子電流量測定方法。

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