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KR102640025B1 - 하전 입자선 장치 - Google Patents

하전 입자선 장치 Download PDF

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KR102640025B1
KR102640025B1 KR1020217034096A KR20217034096A KR102640025B1 KR 102640025 B1 KR102640025 B1 KR 102640025B1 KR 1020217034096 A KR1020217034096 A KR 1020217034096A KR 20217034096 A KR20217034096 A KR 20217034096A KR 102640025 B1 KR102640025 B1 KR 102640025B1
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intensity
charged particle
particle beam
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미나미 소우지
나츠키 츠노
히로야 오타
다이스케 비젠
하지메 가와노
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주식회사 히타치하이테크
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Publication date
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Abstract

본 발명은, 광의 흡수 특성이 광파장에 의존하는 시료에 있어서도, 높은 콘트라스트를 갖는 관찰상을 얻을 수 있는, 하전 입자선 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 따른 하전 입자선 장치는, 시료에 대해서 광을 조사함과 함께 상기 시료의 관찰상을 생성하고, 상기 광의 단위 시간당의 조사 강도를 변화시킴에 의해, 각각 다른 콘트라스트를 갖는 복수의 상기 관찰상을 생성한다(도 4 참조).

Description

하전 입자선 장치
본 발명은, 하전 입자선을 시료에 조사하는 하전 입자선 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 공정에서는, 수율 향상을 목적으로 해서, 주사 전자현미경(SEM : Scanning Electron Microscope)에 의한 인라인 검사 계측이 중요한 검사 항목으로 되어 있다. 특히, 수 kV 이하의 가속 전압을 갖는 전자선을 이용한 저가속 SEM(LV SEM : Low Voltage SEM)은, 전자선의 침입 깊이가 얕고, 표면 정보가 풍부한 화상이 얻어지므로, 리소그래피 공정에 있어서의 레지스트 패턴이나 전(前)공정에 있어서의 게이트 패턴 등 2차원 형상의 검사 계측에 있어서 극히 유용하다. 그러나, 리소그래피 공정에 있어서 이용되는 레지스트나 반사 방지막 등의 유기 재료는 서로 조성이 비슷하거나, 혹은 트랜지스터를 구성하는 규소계의 반도체 재료는 서로 조성이 비슷하기 때문에, 재료로부터의 2차 전자 방출의 차가 얻어지기 어렵다. 이와 같은 재료에 의해서 구성된 시료는 SEM의 상(像) 콘트라스트가 낮아져 버리기 때문에, 반도체 디바이스의 초미세 패턴이나 결함의 시인성이 저하한다. SEM의 시인성 향상법으로서, 가속 전압이나 조사 전류 등의 관찰 조건의 조정법이나 시료로부터 방출되는 전자의 에너지 변별 기술이 알려져 있지만, 조건에 따라서는 분해능이나 촬상 속도가 과제로 된다.
특허문헌 1에는, SEM의 관찰 영역에 광을 조사함에 의해 SEM의 상 콘트라스트를 제어하는 기술이 개시되어 있다. 광조사에 의해서 여기(勵起) 캐리어가 발생하기 때문에, 반도체나 절연체의 도전율이 변화한다. 재료의 도전율의 차는 SEM의 화상의 전위 콘트라스트에 반영된다. 광조사에 의한 SEM의 전위 콘트라스트 제어에 의해서 반도체 디바이스 등의 도통 불량 개소를 검출할 수 있다.
하기 특허문헌 2에는, 조사하는 광의 파장에 의존하는 광의 흡수 특성의 차에 착목하여, 복수의 층으로 구성된 시료에 대하여, 광의 파장을 선택하는 SEM의 상 콘트라스트 제어법이 개시되어 있다.
일본국 특개2003-151483호 공보 일본국 특원2010-536656호 공보
특허문헌 1과 특허문헌 2는, 모두, 광의 파장에 의존한 재료 간의 흡수 특성의 차에 따라서 SEM의 상 콘트라스트를 제어한다. 이들은, 흡수 특성의 파장 의존성에 큰 차가 있는 재료 간에서는, 상 콘트라스트를 강조할 수 있다. 그러나, 예를 들면 도펀트종이나 농도가 서로 다른 규소 재료 간이나, 조성이 비슷한 유기 재료 간 등과 같이, 동종의 재료 간에 있어서는, 흡수 특성의 파장 의존성이 비슷한 것이 많다. 이들 재료로 구성된 시료에 있어서는, 충분한 흡수 특성의 차를 얻는 것이 곤란한 경우가 있다.
본 발명은, 상기와 같은 과제를 감안해서 이루어진 것이며, 광의 흡수 특성이 광파장에 의존하는 시료에 있어서도, 높은 콘트라스트를 갖는 관찰상을 얻을 수 있는, 하전 입자선 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 하전 입자선 장치는, 시료에 대해서 광을 조사함과 함께 상기 시료의 관찰상을 생성하고, 상기 광의 단위 시간당의 조사 강도를 변화시킴에 의해, 각각 다른 콘트라스트를 갖는 복수의 상기 관찰상을 생성한다.
본 발명에 따른 하전 입자선 장치에 의하면, 광의 흡수 특성에 따라서 단위 시간당의 광조사 강도를 조정함에 의해, 시료로부터 방출되는 2차 전자량을 제어할 수 있다. 이에 의해, 광파장에 대한 광흡수 특성이 비슷한 동종의 재료 간이어도, 관찰상의 콘트라스트를 강조할 수 있다.
도 1은 실시형태 1에 따른 하전 입자선 장치(1)의 구성도.
도 2는 흡수 특성 측정부(13)의 구성예.
도 3은 하전 입자선 장치(1)가 시료(8)의 관찰상을 취득하는 수순을 설명하는 플로차트.
도 4는 단위 시간당의 광조사 강도 Ir과 광흡수 강도 Ia의 관계를 예시하는 그래프.
도 5는 단위 시간당의 광조사 강도 Ir과 2차 전자의 방출량 사이의 관계를 나타내는 그래프.
도 6은 화상 표시부(25)가 표시하는 GUI(61)의 예.
도 7은 시료(8)의 단면도의 예.
도 8은 3개의 단위 시간당의 광조사 강도 조건에서 취득한 관찰상의 예.
도 9는 실시형태 2에 따른 하전 입자선 장치(1)의 구성도.
도 10은 하전 입자선 장치(1)가 시료(8)의 관찰상을 취득하는 수순을 설명하는 플로차트.
도 11은 실시형태 2에 있어서의 펄스 레이저(10)와 광강도 조정부(11)의 구성도.
도 12는 S1001에 의해서 측정한 광흡수 특성과 단위 시간당의 광조사 강도 사이의 관계의 일례.
도 13은 시료(8)의 단면도의 예.
도 14는 실시형태 2에 있어서의 단위 시간당의 광조사 강도에 대한 2차 전자 검출 신호의 보정량 ΔC의 관계를 나타내는 그래프.
도 15는 3개의 단위 시간당의 광의 조사 강도 조건에서 취득한 관찰상의 예.
도 16은 전자선 조사 타이밍/펄스 레이저 조사 타이밍/2차 전자 검출 타이밍 각각을 나타내는 타임차트.
도 17은 실시형태 3에 있어서 화상 표시부(25)가 표시하는 GUI(61)의 예.
도 18은 시료(8)의 단면도의 예.
도 19는 각 조사 조건의 전자선에 의해서 취득한 관찰상의 예.
도 20은 흡수 특성 측정부(13)의 구성예.
도 21은 흡수 특성 측정부(13)의 구성예.
도 22는 3개의 단위 시간당의 광조사 강도 조건에서 취득한 관찰상의 예.
도 23은 실시형태 5에 따른 하전 입자선 장치(1)의 구성도.
도 24는 각 광조사 강도에 따라서 광펄스를 조사했을 때의 2차 전자의 에너지 분포를 나타내는 그래프.
도 25는 2개의 단위 시간당의 광조사 강도 조건과 에너지 필터(231)에 의해서 취득한 관찰상의 예.
도 26은 실시형태 6에 따른 하전 입자선 장치(1)의 구성도.
도 27은 시료(8)의 단면도의 예.
도 28은 2개의 광조사 강도 조건에서 취득한 관찰상의 예.
<본 발명의 기본 원리에 대하여 >
이하에서는 우선 본 발명의 기본 원리에 대하여 설명하고, 다음으로 본 발명의 구체적인 실시형태에 대하여 설명한다. 본 발명은, 관찰하는 시료에 대해서 광을 조사함에 의해, 시료 내부에서 캐리어를 여기시킨다. 이때 시료는 여기 상태로 된다. 여기 상태 하에 있어서의 2차 전자의 방출량은, 광의 흡수량에 따라서 증가한다. 한편, 광조사에 의해서 시료로부터 광전자가 방출될 경우, 시료는 전자가 결핍한 공핍 상태로 된다. 공핍 상태 하에 있어서의 2차 전자의 방출량은, 광의 흡수량에 따라서 감쇠한다.
광조사에 의한 2차 전자의 증감량 ΔS는, 식 1로 표시된다. A는 광의 흡수량이고, z는 광의 침입 방향에 대한 거리이다.
[식 1]
Figure 112021120623012-pct00001
광의 흡수량의 침입 방향 의존성 dA/dz는, 식 2로 표시된다. α1∼α3은 재료의 흡수 계수이고, α1은 선형 흡수항이고, α2와 α3은 2차와 3차의 비선형 흡수항이다. 여기에서는 3차까지의 항을 기재하고 있지만, 그 이상의 고차의 항도 확인되어 있다. Ir은 시료에의 단위 시간당의 광의 조사 강도이다. 단위 시간당의 광의 조사 강도를 제어하는 파라미터로서는, 펄스 레이저의 평균 출력, 1펄스당의 에너지, 1펄스당의 피크 강도, 펄스 레이저의 펄스폭, 단위 시간당 조사하는 광펄스 수, 광펄스의 주파수, 광스폿의 면적, 광파장, 편광 등을 들 수 있다.
[식 2]
Figure 112021120623012-pct00002
광의 조사 강도가 낮을 경우, 일광자 흡수에 의한 선형 흡수항이 지배적이고, 광의 파장이 재료의 흡수대에 있으면, 시료는 광을 흡수해서 여기 상태로 된다. 여기 상태에 있어서는 2차 전자의 방출 효율이 높아진다. 광의 조사 강도가 높을 경우, 다광자 흡수에 의한 비선형 흡수항이 지배적으로 되고, 광의 파장이 재료의 흡수대에 없어도 시료는 광을 흡수하고, 여기 상태로부터, 나아가 광전자를 방출하는 공핍 상태로 된다. 공핍 상태에 있어서는 2차 전자의 방출 효율이 억제된다. 즉, 광의 조사 강도에 따라서 흡수 특성을 일광자 흡수와 다광자 흡수 사이에서 제어함에 의해서, 2차 전자의 방출량을 제어할 수 있다. 비선형 흡수를 확인하는 광물성 파라미터로서는, 흡수 계수, 반사 계수, 편광 변조, 파장 변조, 광전자 방출 등을 들 수 있다.
본 발명은, 이상의 원리를 이용해서, 광파장에 대한 흡수 특성이 근접해 있는 재료 간에 있어서도, 광의 단위 시간당의 조사 강도를 조정함에 의해, 패턴이나 결함의 콘트라스트를 강조한 시인성이 높은 관찰상을 얻을 수 있는 하전 입자선 장치를 제공하는 것이다.
<실시형태 1>
본 발명의 실시형태 1에서는, 시료가 갖는 광흡수 특성에 따라서 단위 시간당의 광조사 강도를 제어한 펄스 레이저를 관찰 영역에 조사하여, 관찰상 콘트라스트를 강조하는 하전 입자선 장치에 대하여 기술한다.
도 1은, 본 실시형태 1에 따른 하전 입자선 장치(1)의 구성도이다. 하전 입자선 장치(1)는, 시료(8)에 대해서 전자선(1차 하전 입자)을 조사함에 의해 시료(8)의 관찰상을 취득하는 주사형 전자현미경으로서 구성되어 있다. 하전 입자선 장치(1)는, 전자 광학계, 스테이지 기구계, 광펄스 조사계, 광흡수 특성 측정계, 제어계, 화상 처리계, 조작계에 의해 구성되어 있다. 기억 장치(27)에 대해서는 후술한다.
전자 광학계는, 전자총(2), 편향기(3), 전자 렌즈(4), 전자 검출기(5)에 의해 구성되어 있다. 스테이지 기구계는, XYZ 스테이지(6), 시료 홀더(7)에 의해 구성되어 있다. 케이싱(9)의 내부는, 고진공으로 제어되며, 전자 광학계와 스테이지 기구계가 설치되어 있다. 광펄스 조사계는, 펄스 레이저(10), 광강도 조정부(11)에 의해 구성되어 있다. 케이싱(9)에 마련한 광펄스 도입부(12)를 통해, 시료(8)에 대해서 광이 조사된다. 흡수 특성 측정부(13)는, 시료(8)로부터 반사되는 광펄스를 검출한다.
제어계는, 전자총 제어부(14), 편향 신호 제어부(15), 전자 렌즈 제어부(16), 검출기 제어부(17), 스테이지 위치 제어부(18), 펄스 레이저 제어부(19), 광강도 조정 제어부(20), 흡수 특성 측정 제어부(21), 제어 전령부(22), 검출 신호 취득부(26)에 의해 구성되어 있다. 제어 전령부(22)는, 조작 인터페이스(23)로부터 입력된 입력 정보에 의거하여, 각 제어부에 제어값을 기입하여 제어한다. 화상 처리계는, 화상 형성부(24)와 화상 표시부(25)에 의해 구성되어 있다.
전자총(2)으로부터 가속된 전자선은, 전자 렌즈(4)에 의해서 집속되고, 시료(8)에 조사된다. 편향기(3)는, 시료(8) 상에 대한 전자선의 조사 위치를 제어한다. 전자 검출기(5)는, 전자선을 시료(8)에 대해서 조사함에 의해 시료(8)로부터 방출되는 방출 전자(2차 하전 입자)를 검출한다. 조작 인터페이스(23)는, 가속 전압, 조사 전류, 편향 조건, 검출 샘플링 조건, 전자 렌즈 조건 등을 유저가 지정 입력하기 위한 기능부이다.
펄스 레이저(10)로부터 조사된 광펄스는, 전자선이 조사되는 시료(8) 상의 위치에 조사된다. 광강도 조정부(11)는, 광펄스 레이저의 단위 시간당의 조사 강도를 제어하는 디바이스이다. 전자 검출기(5)는, 시료(8)로부터 방출되는 2차 전자를 검출한다. 2차 전자는, 에너지가 낮은 시료로부터의 방출 전자와 에너지가 높은 후방 산란 전자의 양쪽을 포함한다. 화상 형성부(24)는, 전자 검출기(5)가 검출한 검출 신호를 이용해서 시료(8)의 SEM 화상(관찰상)을 형성하고, 화상 표시부(25)는 그 화상을 표시한다.
도 2는, 흡수 특성 측정부(13)의 구성예이다. 광강도 조정부(11)에 의해서 조사 강도를 조정한 펄스 레이저는, 시료(8)에 대해서 조사되기 전에 빔 스플리터(30)에 의해서 분할된다. 조사광 검출기(31)는, 시료(8)에 조사하는 광강도에 따른 신호를 검출한다. 이때, 빔 스플리터(30)의 분할 비율에 따라서 광강도를 교정한다. 시료(8)에 조사된 펄스 레이저는 시료(8)에 있어서 반사되고, 대향 설치한 반사광 검출기(32)는 광강도에 따른 신호를 검출한다. 감산기(33)는, 조사광 검출기(31)와 반사광 검출기(32)가 각각 검출한 신호의 차분 신호를 구한다. 신호 검출기(34)는, 그 차분 신호에 의거하여 광의 흡수 강도를 디지털화한다.
도 3은, 하전 입자선 장치(1)가 시료(8)의 관찰상을 취득하는 수순을 설명하는 플로차트이다. 이하 도 3의 각 스텝에 대하여 설명한다.
(도 3 : 스텝 S301∼S303)
스테이지 기구계는, 시료(8)를 관찰 위치로 이동시킨다(S301). 제어 전령부(22)는, 조작 인터페이스(23)로부터의 지정 입력에 따라서, 기본적인 전자선의 관찰 조건으로서 가속 전압, 조사 전류, 배율, 주사 시간을 설정한다(S302). 펄스 레이저 제어부(19)는 펄스 레이저의 파장을 설정한다(S303). 레이저 파장은, 시료(8)가 광을 흡수하는 파장대에 의거하여 설정하는 것이 바람직하다.
(도 3 : 스텝 S304)
제어 전령부(22)는, 광의 단위 시간당의 조사 강도를 변화시키면서, 시료(8)에 의한 광의 흡수 특성을 측정한다. 광조사 강도는 광강도 조정부(11)에 의해서 제어한다. 광흡수 측정은 흡수 특성 측정부(13)에 의해서 측정한다. 제어 전령부(22)는, 측정 결과에 의거하여, 광조사 강도와 광흡수 특성 사이의 대응 관계를 기술한 데이터를 기억 장치(27)에 저장한다. 본 스텝에 있어서의 대응 관계의 예에 대해서는 후술의 도 4에서 설명한다.
(도 3 : 스텝 S305)
제어 전령부(22)는, 스텝 S304의 결과에 의거하여, 단위 시간당의 광조사 강도의 문턱값을 설정한다. 여기에서 말하는 문턱값은, 예를 들면 식 2의 광흡수 특성 중 선형 흡수항(α1)과 비선형 흡수항(α2 이후) 중 어느 것이 지배적인가에 의거하여 정할 수 있다. 문턱값을 결정하는 기준의 구체예에 대해서는, 후술의 도 4에서 설명한다.
(도 3 : 스텝 S304∼S305 : 보충 1)
본 플로차트에 있어서는, S304에 있어서의 해석 결과를 기억 장치(27)에 저장하고 이것을 이용하는 것으로 했지만, 미리 다양한 조건에 있어서의 광조사 강도와 광흡수 특성 사이의 대응 관계를 해석하고 그 결과를 데이터베이스로서 기억 장치(27)에 저장해둘 수도 있다. 이에 의해, 관찰상을 취득할 때마다 스텝 S304∼S305를 실시할 필요는 없어진다.
(도 3 : 스텝 S304∼S305 : 보충 2)
기억 장치(27)는, 측정 결과나 대응 관계를 기억하는 적당한 장치에 의해서 구성할 수 있다. 예를 들면 측정 결과나 대응 관계를 데이터베이스로서 유지해두고 이것을 이용하는 것이면, 불휘발성 기억 장치에 의해서 기억 장치(27)를 구성할 수 있다. 본 플로차트를 실시할 때마다 측정 결과와 대응 관계를 취득하는 것이면, 이들을 일시적으로 기억하는 메모리 디바이스 등에 의해서 기억 장치(27)를 구성할 수 있다. 이들을 조합해도 된다.
(도 3 : 스텝 S306∼S308)
제어 전령부(22)는, S304∼S305의 결과에 따라서, 하나 이상의 광조사 강도를 관찰 조건으로서 설정한다(S306). 여기에서 말하는 관찰 조건은, S305에 있어서 설정한 문턱값 그대로일 필요는 없으며, 후술하는 바와 같이 문턱값 전후의 적당한 값이어도 된다. 제어 전령부(22)는, 관찰 조건으로서 설정한 광조사 강도로 되도록, 광강도 조정부(11)에 의해서 조사 강도를 조정한다(S307). 제어 전령부(22)는, 단위 시간당의 조사 강도를 조정한 광펄스와 전자선을 시료(8)에 조사하고, 화상 형성부(24)에 의해서 관찰상을 취득한다(S308).
도 4는, 단위 시간당의 광조사 강도 Ir과 광흡수 강도 Ia의 관계를 예시하는 그래프이다. S304에 있어서는, 도 4에 예시하는 바와 같은 관계를 측정한다. 여기에서는 시료(8)가 실리콘(Si)과 질화실리콘(SiN)에 의해서 구성되어 있는 경우에 있어서의, 광흡수 특성과 단위 시간당의 광조사 강도 사이의 관계를 예시했다. 실리콘의 흡수 특성(41)에 있어서는, 단위 시간당의 광조사 강도 Ir이 약 150MW/㎠/㎲일 때, 광흡수 강도 Ia가 선형 특성으로부터 비선형 특성으로 변화되어 있는 것을 알 수 있다. 질화실리콘의 흡수 특성(42)에 있어서는, 광조사 강도 Ir이 약 300MW/㎠/㎲로 될 때까지 선형 특성을 유지하고 있다.
제어 전령부(22)는, S305에 있어서, 흡수 특성(41)(Si)이 선형으로부터 비선형으로 변화하는 조사 강도를 문턱값 Irth(Si)로 하고, 흡수 특성(42)(SiN)이 선형으로부터 비선형으로 변화하는 조사 강도를 문턱값 Irth(SiN)으로 할 수 있다. 이들 문턱값의 의의에 대해서는 도 5를 이용해서 설명한다.
도 5는, 단위 시간당의 광조사 강도 Ir과 2차 전자의 방출량 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. Ir의 증가에 수반하여, 실리콘의 2차 전자 방출량(51)은 증가하고, Ir이 약 150MW/㎠/㎲ 이상에 달하면 점차 감소한다. 질화실리콘의 2차 전자 방출량(52)은, 약 300MW/㎠/㎲까지 증가한다. 본 명세서에 있어서, 이 2차 전자 방출량의 증감 현상을 2차 전자의 변조 효과로 부르는 것으로 한다. 본 발명자 등은, 흡수 특성이 선형으로부터 비선형으로 변화함에 의해서 이 변조 효과가 발생하는 것을 발견했다. 따라서 도 5에 있어서 2차 전자 방출량이 감소하기 시작하는 조사 강도는, 문턱값 Irth(Si)와 문턱값 Irth(SiN)에 각각 대응하고 있다.
재료마다 관찰상의 콘트라스트를 강조하기 위해서는, 2차 전자 방출량이 재료마다 크게 다르도록 하는 관찰 조건을 설정하는 것이 바람직하다. 이것은 도 5에 있어서는 2차 전자 방출량(51과 52) 사이의 차분이 큰 것에 상당한다. 이와 같은 콘트라스트가 높은 관찰 조건은, 2차 전자 방출량이 감소하기 시작하는 문턱값을 경계로 해서, 그 전후의 조사 강도에 있어서 발생한다고 생각할 수 있다. 그래서 도 5에 있어서는, 콘트라스트를 비교하는 3개의 관찰 조건으로서, 각각 조건 a(0MW/㎠/㎲), 조건 b(70MW/㎠/㎲), 조건 c(350MW/㎠/㎲)의 3개를 설정했다. 이들을 이용한 관찰상의 예에 대해서는 후술한다.
도 6은, 화상 표시부(25)가 표시하는 GUI(Graphical User Interface)(61)의 예이다. GUI(61) 상에서는, 기본적인 관찰 조건인 가속 전압(62), 조사 전류(63), 배율(64), 주사 속도(65)를 설정할 수 있다. 화상 표시부(66)는 관찰상을 표시한다. 조사 조건 설정부(67)는, (a) 광펄스의 파장을 설정하는 파장 설정부(68), (b) 시료의 흡수 특성을 취득(혹은 데이터베이스로부터 호출)하는 흡수 특성 해석부(69), (c) 흡수 특성을 표시하는 흡수 특성 표시부(70), (d) 흡수 특성 표시부(70) 상에서 결정한 단위 시간당의 광의 조사 강도 조건에 의거하여, 광펄스의 평균 출력(71), 펄스폭(72), 광펄스의 주파수(73), 광펄스의 조사경(74)을 설정하는 조사 강도 설정부를 갖는다. 도 6에 있어서는, 광펄스 파장으로서 2개의 파장을 선택할 수 있다. 또한, 단위 시간당의 광의 조사 강도 조건으로서, 3개의 조건을 설정할 수 있다. GUI(61) 상에서 이들 이외의 파라미터를 설정할 수 있도록 해도 된다.
도 7은, 시료(8)의 단면도의 예이다. 여기에서는 도 4에서 설명한 바와 같이 실리콘(75)과 질화실리콘(76)에 의해서 구성되어 있는 예를 나타냈다. 실리콘(75) 상에 박막의 질화실리콘(76)이 라인 형상으로 패터닝되어 있다. 전자선의 관찰 조건은, 가속 전압 0.5kV, 조사 전류 100pA, 관찰 배율 100K배, 주사 속도는 TV 주사 속도이다. 광펄스의 파장은 355㎚이다. 단위 시간당의 광의 조사 강도는, 도 5에서 설명한 바와 같이, 0MW/㎠/㎲, 70MW/㎠/㎲, 350MW/㎠/㎲의 3개로 했다. 광평균 출력은, 조사 강도마다 각각, 0mW, 44mW, 220mW이다.
도 8은, 3개의 단위 시간당의 광조사 강도 조건에서 취득한 관찰상의 예이다. 각 조건 a∼c는 도 5에서 설명한 것이다. 조건 a에서 취득한 관찰상에 있어서, 실리콘(75)과 질화실리콘(76)은 동등한 화상 명도를 나타내고 있으며, 패턴의 시인성이 낮다. 조건 b에서 취득한 관찰상에 있어서, 실리콘(75)과 질화실리콘(76) 모두 높은 화상 명도가 얻어지며, 패턴의 시인성도 높아져 있다. 조건 c에서 취득한 관찰상에 있어서, 실리콘(75)의 화상 명도가 낮아지며, 질화실리콘(76)의 화상 명도는 높다. 조건 c에서 취득한 관찰상이 가장 높은 콘트라스트가 얻어지는 것을 알 수 있다.
또한, 본 실시형태 1에 따른 하전 입자선 장치(1)는, XYZ 스테이지(6), 시료 홀더(7), 시료(8)에 대해서 전압을 인가해서, 시료에 조사되는 전자 에너지를 저에너지화시키는 리타딩계에서 실시해도 마찬가지의 효과가 얻어진다.
<실시형태 1 : 정리>
본 실시형태 1에 따른 하전 입자선 장치(1)는, 단위 시간당의 광조사 강도에 의거하는 광흡수 특성에 따라서, 실제로 조사하는 광의 단위 시간당의 조사 강도를 조정함에 의해, 시료(8)로부터 방출되는 2차 전자량을 제어할 수 있다. 따라서 광파장에 대한 흡수 특성이 비슷한 동종의 재료여도, 관찰상 콘트라스트를 강조할 수 있기 때문에, 시료(8)가 갖는 결함이나 패턴의 시인성이 향상된다.
<실시형태 2>
시료(8)에 대해서 광을 조사하면, 시료(8)로부터 광전자가 방출되는 경우가 있다. 이 광전자는 2차 전자에 대한 노이즈로서 작용한다. 그래서 본 발명의 실시형태 2에서는, 2차 전자의 검출 결과에 대해서 광전자가 주는 영향을 제거하는 구성예에 대하여 설명한다.
도 9는, 본 실시형태 2에 따른 하전 입자선 장치(1)의 구성도이다. 본 실시형태 2에 따른 하전 입자선 장치(1)는, 실시형태 1에서 설명한 구성에 더하여, 광전자 검출기(91), 광기전류 측정기(92), 차단기(93), 신호 보정기(94)를 구비한다. 광전자 검출기(91)는, 광펄스 조사에 의한 시료(8)로부터의 광전자를 검출한다. 광기전류 측정기(92)는, 시료(8)에 대해서 광을 조사함에 의해 시료(8)에 흐르는 전류를 측정한다. 차단기(93)는, 전자선을 차단하는 기능을 갖는다. 신호 보정기(94)는, 광전자 검출기(91)가 검출한 광전자의 검출 신호에 의거하여, 2차 전자의 검출 신호 혹은 관찰상의 명도를 보정한다. 그 밖의 구성은 실시형태 1과 마찬가지이기 때문에, 이하에서는 주로 차이점에 대하여 설명한다.
도 10은, 하전 입자선 장치(1)가 시료(8)의 관찰상을 취득하는 수순을 설명하는 플로차트이다. 도 10의 플로차트는, 도 3에서 설명한 것에 더해서 S307과 S308 사이에 S1002가 추가되어 있고, S304가 S1001로 치환되어 있다. 그 밖의 스텝은 도 3과 마찬가지이다.
(도 10 : 스텝 S1001)
제어 전령부(22)는, 광의 단위 시간당의 조사 강도를 변화시키면서, 시료(8)에 의한 광의 흡수 특성을 측정한다. 광흡수 특성은, 광전자 검출기(91)가 검출하는 광전자 방출량, 또는 광기전류 측정기(92)가 측정하는 광기전류에 의거하여 측정할 수 있다. 광전자 방출량과 광흡수량의 관계, 또는 광기전류와 광흡수량의 관계는, 예를 들면 미리 측정해서 그 측정 결과를 기억 장치(27)에 저장해두면 된다.
(도 10 : 스텝 S1002)
신호 보정기(94)는, S1001에 있어서 측정한 광흡수 특성에 의거하여, 2차 전자의 검출 신호를 보정한다. 즉, 시료(8)에 대해서 전자선과 광을 조사하고 있을 때에 있어서의 2차 전자 검출 신호로부터, 시료(8)에 대해서 광을 조사하고 전자선을 조사하고 있지 않을 때에 있어서의 2차 전자 검출 신호를 감산함에 의해, 광조사가 2차 전자 검출 신호에 대해서 주는 영향을 제거한다. 시료(8)에 대해서 광을 조사하고 전자선을 조사하고 있지 않을 때에 있어서의 2차 전자 검출 신호는, S1001에 있어서의 검출 결과에 의해서 취득할 수 있다.
도 11은, 본 실시형태 2에 있어서의 펄스 레이저(10)와 광강도 조정부(11)의 구성도이다. 레이저 발진기(혹은 레이저 증폭기)(111)는, 광펄스를 방출한다. 파장 변환기(112)는, 비선형 광학 소자 등에 의해서 구성되어 있으며, 광펄스의 파장을 제어한다. 펄스 피커(113)는, 전기 광학 효과 소자나 자기 광학 효과 소자에 의해서 구성되어 있으며, 광펄스의 주파수를 제어한다. 펄스 분산 제어기(114)는, 프리즘쌍 등에 의해서 구성되어 있으며, 광펄스의 펄스폭을 제어한다. 편광 제어기(115)는, 복굴절 소자 등을 이용해서 구성되어 있으며, 광펄스의 편광면을 제어한다. 평균 출력 제어기(116)는, 농도가 가변할 수 있는 ND(Neutral Density) 필터 등에 의해서 구성되어 있으며, 광펄스의 평균 출력을 조정한다. 또한, 광펄스 도입부(12)는 줌렌즈 등에 의해서 구성할 수 있으며, 이에 의해 광펄스의 조사경을 제어할 수 있다.
도 12는, S1001에 의해서 측정한 광흡수 특성과 단위 시간당의 광조사 강도 사이의 관계의 일례이다. 여기에서는 불순물의 종류가 서로 다른 P형 실리콘과 N형 실리콘에 있어서의 흡수 특성을 해석했다. 측정은 광전자 검출기(91)를 이용해서 광전자를 검출함에 의해 실시했다. 이때 차단기(93)에 의해서 전자선은 차단하는 것으로 했다. 광펄스의 파장은 405㎚이다. 이 파장에 있어서는, 실리콘의 진공 준위에 달하는 광에너지(eV)를 갖지 않기 때문에, 광펄스가 선형 흡수되는 상태에서는 광전자를 방출하지 않는다. 단위 시간당의 광조사 강도의 증가에 수반하여, 비선형 과정인 다광자 흡수를 거쳐, 광전자를 방출한다.
도 12는, P형 실리콘과 N형 실리콘에 있어서의 단위 시간당의 광조사 강도 Ir과 광전자의 방출 강도 Sph의 관계를 나타내고 있다. P형 실리콘(121)은, 단위 시간당의 광조사 강도 4MW/㎠/㎲를 문턱값으로 해서 광전자를 방출하는데 대하여, N형 실리콘(122)은 12MW/㎠/㎲를 문턱값으로 해서 광전자를 방출한다. 도 12에서는, 광전자 검출기(91)를 이용해서 검출한 광전자의 예를 나타냈지만, 광기전류 측정기(92)를 이용했을 경우, 시료(8)로부터 방출되는 광기전류를 측정할 수 있기 때문에, 도 12와 마찬가지의 문턱값을 추출할 수 있다.
도 13은, 시료(8)의 단면도의 예이다. P형 실리콘(131)의 면 상에 N형 실리콘(132)이 접합 형성되어 있고, 그 위에는 실리콘 산화막(133)의 홀 패턴이 더 형성되어 있다. 결함(134)은, N형 실리콘(132)과 실리콘 산화막(133)의 홀 패턴 사이의 얼라이먼트가 어긋나 있는 개소이다.
본 실시형태 2에서는, 실시형태 1과 마찬가지의 GUI를 사용했다. SEM 관찰 조건으로서는, 가속 전압 1.0kV, 조사 전류 500pA, 관찰 배율 200K배, 주사 속도는 TV 주사 속도의 2배로 했다. 단위 시간당의 광조사 강도의 조건 a는, 0.0MW/㎠/㎲로 했다. 조건 b는, 4MW/㎠/㎲로 했다. 조건 c는, 12MW/㎠/㎲로 했다. 조건 b는 또한, 광펄스 주파수 100MHz, 평균 출력 16mW, 펄스폭 1000펨토초, 조사경 50㎛로 했다. 조건 c는 또한, 광펄스 주파수 50MHz, 평균 출력 54mW, 펄스폭 800펨토초, 조사경 60㎛로 했다.
도 14는, 본 실시형태 2에 있어서의 단위 시간당의 광조사 강도에 대한 2차 전자 검출 신호의 보정량 ΔC의 관계를 나타내는 그래프이다. 보정량 ΔC는, 도 12에 나타낸 단위 시간당의 광조사 강도 Ir과 광전자의 방출 강도 Sph의 관계에 더해서, 시료(8)에 있어서의 P형 실리콘(131)과 N형 실리콘(132)의 면적 비율에 의해 결정했다. 본 실시형태 2에 있어서는 이 비율을 50%로 했다.
도 15는, 3개의 단위 시간당의 광의 조사 강도 조건에서 취득한 관찰상의 예이다. 조건 a에서 취득한 관찰상에 있어서, P형 실리콘(131)과 N형 실리콘(132)은 동등한 화상 명도를 나타내고 있으며, 패턴의 시인성이 낮아, 결함부도 시인할 수 없다. 조건 b에서 취득한 관찰상에 있어서는, P형 실리콘(131)과 N형 실리콘(132)의 시인성은 향상되지만, 결함 검출에는 불충분하다. 조건 c에서 취득한 관찰상에 있어서는, P형 실리콘(131)의 화상 명도가 낮아지며, 가장 높은 패턴 콘트라스트이다. 조건 c에서 취득한 관찰상이면 충분히 결함(156)을 시인할 수 있다.
또한, 2차 전자 신호로부터 광전자의 영향을 제거하는 방법으로서, 전자 렌즈 제어부(16)에 포함되는 에너지 필터에 인가하는 전압을 제어함으로써, 전자 검출기(5)에서 검출되는 2차 전자 신호로부터 광전자가 주는 영향을 제거해도 된다.
<실시형태 2 : 정리>
본 실시형태 2에 따른 하전 입자선 장치(1)는, 시료(8)에 대해서 광을 조사함에 의해 시료(8)로부터 방출되는 광전자의 영향을, 2차 전자 검출 신호로부터 제거함에 의해, 2차 전자 검출 신호를 보정한다. 이에 의해, 시료(8)의 관찰상 콘트라스트를 보다 정확하게 형성할 수 있으므로, 결함이나 패턴의 시인성을 향상시킬 수 있다.
<실시형태 3>
본 발명의 실시형태 3에서는, 시료(8)에 대해서 전자선을 단속적으로 조사하는 예에 대하여 설명한다. 전자선을 조사하고 있을 때와 조사하고 있지 않을 때 각각의 관찰상을 비교함에 의해, 시료(8)의 시인성을 향상시킬 수 있다. 하전 입자선 장치(1)의 구성은 실시형태 2와 마찬가지이다. 차단기(93)가 전자선을 차단함에 의해, 전자선의 조사 기간과 비조사 기간(간격 기간)을 제어할 수 있다.
도 16은, 전자선 조사 타이밍/펄스 레이저 조사 타이밍/2차 전자 검출 타이밍 각각을 나타내는 타임차트이다. 제어 전령부(22)는, 차단기(93)를 제어함에 의해, 전자선의 조사 기간(161)과 간격 기간(162)을 제어한다. 본 실시형태 3에서는, 펄스 레이저의 광펄스(163)는, 조사 기간(161)과 간격 기간(162)에 관계없이 일정한 주파수로 제어하는 것으로 했다. 광펄스(163)는 조사 기간(161)에 동기해서 조사해도 상관없고, 간격 기간(162)에 동기해서 조사해도 상관없다. 2차 전자를 검출하는 타이밍(164)은, 조사 기간(161)에 동기시킨다. 2차 전자를 검출하는 타이밍(164)은, 2차 전자의 주행 시간이나 전자 검출기(5)의 회로 지연을 근거로 한 지연 시간을 고려해서, 조사 기간(161)에 동기할 필요가 있다.
도 17은, 본 실시형태 3에 있어서 화상 표시부(25)가 표시하는 GUI(61)의 예이다. 본 실시형태 3에 있어서는, 실시형태 1에서 설명한 GUI(61)에 더해서, 조사 기간 설정부(171)와 간격 기간 설정부(172)가 추가되어 있다.
도 18은, 시료(8)의 단면도의 예이다. P형 실리콘(181)의 면 상에 N형 실리콘(182)이 접합 형성되어 있다. 그 위에는 실리콘 산화막(183)이 배치되고, 실리콘 산화막(183)에는 홀 패턴이 더 형성되어 있다. 홀 패턴에는, 폴리실리콘의 콘택트 플러그(184)가 형성되어 있다. 결함(185)은, N형 실리콘이 고농도로 주입된 것이다. 결함(186)은, 콘택트 플러그(184)와 N형 실리콘(182) 사이에 얇은 잔막이 있는 것이다. 결함(187)은 결함(186)보다 두꺼운 잔막을 갖는다.
본 실시형태 3에 있어서는, 관찰 조건으로서, 가속 전압 0.3kV, 조사 전류 50pA, 관찰 배율 50K배, 주사 속도는 TV 주사 속도로 했다. 단속적으로 전자선을 조사하는 경우의 조사 시간 200ns, 간격 시간 3.2㎲로 했다. 본 실시형태 3에서는, 광기전류 측정기(92)를 이용해서, 시료(8)의 광흡수 특성과 단위 시간당의 광조사 강도의 관계를 취득했다. 도 17의 흡수 특성 표시부(70)에 나타내는 바와 같이, 흡수 특성에 의거하여, 단위 시간당의 광조사 강도로서 조건 a∼조건 c를 설정했다. 조건 a는, 0.0MW/㎠/㎲이다. 조건 b는, 16MW/㎠/㎲이다. 조건 c는, 30MW/㎠/㎲이다. 조사 조건 설정부(67)에 있어서 이것에 대응하는 각 조건을 세팅했다.
도 19는, 각 조사 조건의 전자선에 의해서 취득한 관찰상의 예이다. 조건 a 또한 전자선을 5㎲ 이상 연속 조사함에 의해 취득한 관찰상에 있어서는, 콘택트 플러그(192)를 식별할 수 있지만, 결함은 식별할 수 없다. 조건 b 또한 전자선을 5㎲ 이상 연속 조사함에 의해 취득한 관찰상에 있어서는, 광펄스의 선형 흡수에 의해서 접합의 공핍층이 도전화되므로, 정상적인 콘택트 플러그(194)가 밝아진다. 그러나, 선형 흡수가 약한 고농도의 N형 실리콘을 갖는 결함(도 18의 결함(185))이나, 잔막을 갖는 결함(도 18의 결함(186과 187))은, 전자선 조사에 의해서 대전되기 때문에, 콘택트 플러그의 명도는 낮은 채이다. 조건 c 또한 전자선을 5㎲ 이상 연속 조사함에 의해 취득한 관찰상에 있어서는, 비선형 흡수에 의해서 고농도의 N형 실리콘을 갖는 접합의 공핍층도 도전화되므로, 결함(196)이 밝아진다. 조건 c 또한 전자선의 조사 시간 200ns와 간격 시간 3.2㎲의 단속 조사에 의해서 취득한 관찰상에 있어서는, 콘택트 플러그와 N형 실리콘 사이에 얇은 잔막이 있는 결함(198)과, 결함(198)보다 두꺼운 잔막을 갖는 결함(199)을 그레이 스케일의 콘트라스트로서 인식할 수 있다. 이 조건에 있어서는, 정전 용량이 높은 결함(198)의 편이, 정전 용량이 낮은 결함(199)보다 밝아진다.
차화상(200)은, 도 19의 중단(中段) 2개의 관찰상(조건 b : 5㎲)(조건 c : 5㎲)의 차분에 의해서 형성한 것이다. 차화상(200)으로부터, 콘택트 플러그 저부에 갖는 접합의 결함을 추출할 수 있다. 차화상(201)은, 도 19의 하단 2개의 관찰상(조건 c : 5㎲)(조건 c : 200ns)의 차분에 의해서 형성한 것이다. 차화상(201)으로부터, 콘택트 플러그 저부에 갖는 막두께가 서로 다른 잔막 결함을 추출할 수 있다.
<실시형태 3 : 정리>
본 실시형태 3에 따른 하전 입자선 장치(1)는, 시료(8)에 대해서 전자선을 조사하는 기간과 조사하지 않는 기간을 전환함에 의해, 시료(8)에 대해서 단속적으로 전자선을 조사하면서, 관찰상을 생성한다. 이에 의해, 시료(8)에 대해서 연속적으로 전자선을 조사하면서 취득한 관찰상과는 다른 콘트라스트를 갖는 관찰상을 얻을 수 있다. 이것을 이용해서, 전기 특성이 서로 다른 전기적인 결함을 변별해서 검출할 수 있다.
<실시형태 4>
도 20은, 흡수 특성 측정부(13)의 구성예이다. 여기에서는 광의 편광면을 검출하는 구성을 나타냈다. 시료(8)에서 반사한 광펄스는, 파장판(211)에 의해서 타원 편광으로 되고, 복굴절 소자(212)에 의해서 S 편광과 P 편광으로 나누어진다. 광 검출기(213)는 S 편광의 광강도를 검출하고, 광 검출기(214)는 P 편광의 광강도를 검출한다. 감산기(215)는, S 편광의 광강도와 P 편광의 광강도의 차분을 연산한다. 신호 검출기(216)는 그 연산 결과를 타원 편광의 강도로서 데이터화한다. 차분 신호를 구하기 위하여, 아날로그 회로 대신에 디지털 처리를 이용해도 된다.
도 21은, 흡수 특성 측정부(13)의 구성예이다. 여기에서는 비선형 흡수에 의해서 발생하는 고조파를 검출하는 구성을 나타냈다. 시료(8)에서 발생한 고조파의 광펄스는, 회절 격자(217)로 스펙트럼 분해된다. 스펙트럼마다의 광강도가, 실리콘 프로세스에서 작성된 복수의 검출 소자를 라인 상에 갖는 광강도 센서(218)에서 검출된다. 광강도 센서(218)에서 얻어지는 각 파장의 광강도는, 신호 검출기(219)에서 데이터화된다. 본 실시형태 4에서는, 조사하는 광펄스는 원 편광으로 하고, 파장은 700㎚로 했다. 선형으로부터 비선형으로 변화하는 단위 시간당의 광조사 강도의 문턱값은, 타원 편광으로 변화하는 조사 강도, 혹은, 제2 고조파인 350㎚가 발생하는 조사 강도로 했다.
본 실시형태 4에서는, 도 3의 플로차트와 도 6의 GUI를 사용했다. 본 실시형태 4에 있어서의 시료로서, 유기물에 유전체가 혼합된 유기 무기 하이브리드 재료에 의해 형성된 것을 사용했다. 광펄스 조사에 의한 시료(8)로부터의 편광면의 변화, 혹은, 제2 고조파가 발생하는 단위 시간당의 광조사 강도의 문턱값에 의해서, 단위 시간당의 광조사 강도로서 조건 a∼조건 c를 설정했다. 조건 a는, 0.0MW/㎠/㎲이다. 조건 b는, 4MW/㎠/㎲이다. 조건 c는, 10MW/㎠/㎲이다. 조건 b는 또한, 광펄스 주파수 100MHz, 평균 출력 14mW, 펄스폭 220펨토초, 조사경 100㎛로 했다. 조건 c는 또한, 광펄스 주파수 100MHz, 평균 출력 35mW, 펄스폭 220펨토초, 조사경 100㎛로 했다.
도 22는, 3개의 단위 시간당의 광조사 강도 조건에서 취득한 관찰상의 예이다. 조건 a에서 취득한 관찰상에 있어서는, 하이브리드 재료의 베이스로 되는 유기물(222)과 유전체(223)는 동등한 화상 명도를 나타내고 있으며, 유전체 도메인의 시인성이 낮다. 조건 b에서 취득한 관찰상에 있어서는, 선형 흡수에 의해서 유전체가 여기 상태로 되기 때문에, 유전체(225)로부터의 2차 전자 방출이 증가하며, 유전체 도메인을 명료하게 시인할 수 있다. 조건 c의 관찰상에 있어서는, 복소 유전율이 서로 다른 유전체 각각에 있어서 비선형의 흡수가 발생하기 때문에, 2차 전자의 방출이 감소한다. 조건 c에서 취득한 관찰상에 있어서는, 복소 유전율이 서로 다른 유전체(227)를, 복소 유전율의 차에 따른 그레이 스케일로 감찰할 수 있다.
본 실시형태 4에 따른 하전 입자선 장치(1)에 의하면, 시료(8)가 갖는 각각 유전율이 서로 다른 도메인을 변별해서 검출할 수 있다. 본 실시형태 4에 있어서, 흡수 특성 측정부(13)로서 편광면과 파장을 검출하는 2개의 구성예를 나타냈지만, 이들 2개의 특성을 함께 검출할 필요는 없으며, 편광면을 검출해도 상관없고, 파장을 검출해도 상관없다.
<실시형태 5>
본 발명의 실시형태 5에서는, 실시형태 1∼4에서 설명한 구성에 더해서, 2차 전자의 에너지 변별에 의해서 관찰상의 콘트라스트를 강조하는 구성예에 대하여 기술한다. 그 외 구성은 실시형태 1∼4와 마찬가지이다.
도 23은, 본 실시형태 5에 따른 하전 입자선 장치(1)의 구성도이다. 여기에서는 실시형태 1에서 설명한 구성에 더하여, 2차 전자의 에너지를 변별하는 에너지 필터(231)와, 에너지 필터(231)에 인가하는 전압을 제어하는 에너지 필터 제어부(232)를 구비한 구성예를 나타냈다. 유저는 조작 인터페이스(23)를 통해서 에너지 필터(231)에 대해서 인가하는 전압을 지정하고, 에너지 필터 제어부(232)는 그 지정에 따라서 전압을 제어한다. 에너지 필터(231) 대신에, 빈 필터(Wien filter)를 이용한 스펙트로미터 등의 에너지 분광기를 이용해도 된다.
본 실시형태 5에 있어서는, 도 7에 나타내는 시료(8)를 사용했다. 관찰 조건으로서는, 가속 전압 0.5kV, 조사 전류 100pA, 관찰 배율 100K배, 주사 속도는 TV 주사 속도이다. 광펄스 파장은 355㎚이다. 단위 시간당의 광조사 강도는, 실시형태 1과 마찬가지로 흡수 특성과 단위 시간당의 광조사 강도의 관계에 의거하여, 광조사 강도로서 조건 a와 조건 b를 설정했다. 조건 a는 0MW/㎠/㎲로 하고, 조건 b는 350MW/㎠/㎲로 했다. 또한, 설정한 2개의 단위 시간당의 광조사 강도 조건에 의거하여 평균 출력을 조정했다. 평균 출력은 각각, 0mW와 220mW이다.
도 24는, 각 광조사 강도에 따라서 광펄스를 조사했을 때의 2차 전자의 에너지 분포를 나타내는 그래프이다. 0MW/㎠/㎲의 광펄스(즉 광을 조사하지 않음)에 있어서는, 실리콘(241)과 질화실리콘(242)에서 거의 차가 없다. 350MW/㎠/㎲의 광펄스를 조사했을 경우, 질화실리콘은 선형 흡수된 상태이며, 2차 전자 방출의 효율이 높다. 이 상태에 있어서의 질화실리콘(243)의 2차 전자의 에너지 분포는 피크 강도가 높고, 낮은 에너지측에 피크가 시프트되어 있는 것을 알 수 있다. 350MW/㎠/㎲의 광펄스를 조사한 실리콘은, 비선형 흡수의 상태이며, 2차 전자 방출이 억제된다. 이 상태에 있어서의 실리콘(244)의 2차 전자의 에너지 분포는 피크 강도가 낮고, 또한 높은 에너지측에 피크가 시프트되어 있는 것을 알 수 있다. 도 24로부터, 2차 전자의 방출 효율의 차에 더하여, 에너지 필터(231)에 의해서 2차 전자의 수량의 차를 확대할 수 있는 것을 알 수 있다. 본 실시형태 5에 있어서는 필터 전압 VEF를 4V로 했다.
도 25는, 2개의 단위 시간당의 광조사 강도 조건과 에너지 필터(231)에 의해서 취득한 관찰상의 예이다. 조건 a에서 취득한 관찰상에 있어서는, 실리콘(252)과 질화실리콘(253)이 동등한 화상 명도를 나타내고 있으며, 패턴의 시인성이 낮다. 조건 b에서 취득한 관찰상에 있어서는, 실리콘(252)과 질화실리콘(253) 사이에서 화상 명도의 차가 확대되며, 패턴의 시인성이 높아진다. 조건 b에 더해서 에너지 필터(231)(필터 전압은 4V)를 이용한 관찰상에 있어서는, 에너지 변별에 의해서 실리콘(252)과 질화실리콘(253) 사이의 상 콘트라스트가 향상되며, 패턴의 시인성이 더 향상된 것을 알 수 있다.
<실시형태 5 : 정리>
본 실시형태 5에 따른 하전 입자선 장치(1)에 의하면, 실시형태 1∼4에서 설명한 단위 시간당의 광조사 강도를 조정하는 것에 더해서, 2차 전자의 에너지 변별을 이용함에 의해, 관찰상의 콘트라스트를 강조할 수 있다.
<실시형태 6>
도 26은, 본 발명의 실시형태 6에 따른 하전 입자선 장치(1)의 구성도이다. 본 실시형태 6에 있어서는, 흡수 특성 측정부(13)와 흡수 특성 측정 제어부(21)를 이용하는 것 대신에, 2차 전자 검출 신호 또는 관찰상 그 자체를 이용해서 시료(8)의 특징을 식별하는 구성예에 대하여 설명한다. 도 26에 나타내는 구성은, 흡수 특성 측정부(13)와 흡수 특성 측정 제어부(21)를 구비하고 있지 않은 것을 제외하고, 실시형태 1에서 설명한 구성과 마찬가지이다.
본 실시형태 6에 있어서는, 단위 시간당의 광조사 강도 조건으로서 조건 a와 조건 b를 설정한다. 조건 a는, 10.0MW/㎠/㎲이다. 조건 b는, 100MW/㎠/㎲이다. 조건 a는 또한, 광펄스 평균 출력 400mW로 했다. 조건 b는 또한, 광펄스 평균 출력 4000mW로 했다.
도 27은, 시료(8)의 단면도의 예이다. P형 실리콘(271)의 표면 상에, 농도가 낮은 N형 실리콘(272)과, 농도가 높은 N형 실리콘(273)이 형성되어 있다. P형 실리콘(271)의 표면 상에는, 농도가 낮은 N형 실리콘 웰(274)이 더 형성되어 있다. N형 실리콘 웰(274)의 표면 상에는, 농도가 낮은 P형 실리콘(275)과 농도가 높은 P형 실리콘(276)이 형성되어 있다.
도 28은, 2개의 광조사 강도 조건에서 취득한 관찰상의 예이다. 조건 a에서 취득한 관찰상에 있어서는, N형 실리콘(282)과 P형 실리콘(283)을 명료하게 식별할 수 있다. 조건 a에서 취득한 관찰상으로부터 불순물의 종류나 재료의 에너지 밴드를 알 수 있다. 조건 b에서 취득한 관찰상에 있어서는, 농도가 낮은 N형 실리콘(285)과 농도가 높은 N형 실리콘(286)의 화상 명도의 차로부터, 농도의 차이를 식별할 수 있다. 농도가 낮은 P형 실리콘(287)과 농도가 높은 P형 실리콘(288)도 마찬가지로 화상 명도의 차로부터 식별할 수 있다. 조건 b에서 취득한 관찰상으로부터 불순물의 농도나 재료의 전자 상태를 알 수 있다.
본 실시형태 6에 따른 하전 입자선 장치(1)에 의하면, 각각 다른 단위 시간당의 광조사 강도 조건에서 취득한 관찰상으로부터, 시료(8)가 갖는 서로 다른 종류의 특징을 변별해서 가시화할 수 있다.
<본 발명의 변형예에 대하여>
본 발명은, 전술한 실시형태로 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들면, 상기한 실시형태는 본 발명을 알기 쉽게 설명하기 위하여 상세히 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것으로 한정되는 것은 아니다. 또한, 어느 실시형태의 구성의 일부를 다른 실시형태의 구성으로 치환하는 것이 가능하고, 또한, 어느 실시형태의 구성에 다른 실시형태의 구성을 추가하는 것도 가능하다. 또한, 각 실시형태의 구성의 일부에 대하여, 다른 구성의 추가·삭제·치환을 하는 것이 가능하다.
이상의 실시형태에 있어서, 펄스 레이저(10)로서는, 파라메트릭 발진에 의해서 파장을 선택 가능한 파장 가변 레이저를 이용함에 의해, 1 이상의 파장을 선택할 수 있다. 단일 파장의 펄스 레이저를 이용해도 상관없고, 광의 고조파를 발생시키는 파장 변환 유닛을 이용해도 상관없다. 광펄스의 조사 영역에 있어서는, 균일한 상 콘트라스트의 화상이 얻어지므로, 편향기(3)로 제어된 전자선의 편향 영역보다도 광펄스의 조사 영역이 넓은 것이 바람직하지만, 본 발명은 광펄스의 조사 영역과 편향 영역의 차로 제한되는 것은 아니다. 광펄스와 전자선은, 시간적으로 동시에 조사해도 되고, 시간적으로 서로 다른 타이밍에 조사해도 상관없다.
이상의 실시형태에 있어서, 광강도 조정부(11)로서는, 레이저의 평균 출력을 제어하는 농도를 가변할 수 있는 ND 필터를 이용할 수 있다. 그 외, 평균 출력을 제어하는 광학계로서 광어테뉴에이터를 이용할 수도 있다. 광강도 조정부(11)로서, 이하의 것을 이용할 수도 있다: (a) 전기 광학 효과 소자나 자기 광학 효과 소자를 이용한 펄스 피커 등을 이용해서 펄스의 주파수나 펄스의 조사수를 제어하고, (b) 프리즘쌍으로 구성되는 펄스 분산 제어 광학계 등을 이용해서 펄스폭을 제어하고, (c) 집광 렌즈를 이용해서 광펄스의 조사 영역을 제어한다. 그 외, 광분기 소자, 펄스 스택커, 광파장 변환 소자, 편광 제어 소자 등을 이용할 수도 있다. 이들을 조합해서 이용할 수도 있다.
도 2에 있어서, 광의 흡수 특성으로서 조사광과 반사광의 차분 신호로부터 흡수 강도를 구하는 것을 설명했지만, 반사광의 광강도를 이용해도 상관없다. 차분 신호를 구하기 위하여 아날로그 회로 대신에 디지털 처리에 의해서 차분을 구해도 된다.
실시형태 2에 있어서, 광전자 검출기(91)는, 전자 검출기(5)와 공통으로 할 수 있다. 실시형태 2에 있어서는, 시료(8)로부터의 광전자를 측정하는 수단으로서 광전자 검출기(91)과 광기전류 측정기(92)를 병용하고 있지만, 어느 한쪽만 이용해도 된다. 흡수 특성 측정부(13)로서는 그 외, 시료(8)로부터의 반사광의 반사광 검출기, 시료(8)로부터의 반사광의 편광면 검출기, 시료(8)로부터의 반사광의 파장 검출기 등을 이용할 수도 있다.
차단기(93)로서는, 평행 전극과 조리개로 구성된 전자선의 차단 수단에 의해서 구성할 수 있다. 그 외, 편향기(3)에 있어서 전자선을 차단해도 되고, 전자선의 광학축 상에 있는 밸브 등의 차폐물을 가동시켜도 된다.
이상의 실시형태에 있어서, 제어 전령부(22)는, 그 기능을 실장한 회로 디바이스 등의 하드웨어를 이용해서 구성할 수도 있고, 그 기능을 실장한 소프트웨어를 연산 장치가 실행함에 의해 구성할 수도 있다. 제어 전령부(22)가 제어하는 각 기능부(전자총 제어부(14), 편향 신호 제어부(15), 전자 렌즈 제어부(16), 검출기 제어부(17), 스테이지 위치 제어부(18), 펄스 레이저 제어부(19), 광강도 조정 제어부(20), 흡수 특성 측정 제어부(21) 등)에 대해서도 마찬가지이다. 화상 형성부(24)도 마찬가지이다.
이상의 실시형태에 있어서는, 시료(8)의 관찰상을 취득하는 구성예로서, 하전 입자선 장치(1)가 주사 전자현미경으로서 구성되어 있는 예를 설명했지만, 본 발명은 그 이외의 하전 입자선 장치에 있어서도 이용할 수 있다. 즉, 시료(8)에 대해서 광을 조사함에 의해 2차 하전 입자의 방출 효율을 조정하는 그 밖의 하전 입자선 장치에 대해서, 본 발명을 적용할 수 있다.
1 : 하전 입자선 장치 2 : 전자총
3 : 편향기 4 : 전자 렌즈
5 : 전자 검출기 6 : XYZ 스테이지
7 : 시료 홀더 8 : 시료
9 : 케이싱 10 : 펄스 레이저
11 : 광강도 조정부 12 : 광펄스 도입부
13 : 흡수 특성 측정부 14 : 전자총 제어부
15 : 편향 신호 제어부 16 : 전자 렌즈 제어부
17 : 검출기 제어부 18 : 스테이지 위치 제어부
19 : 펄스 레이저 제어부 20 : 광강도 조정 제어부
21 : 흡수 특성 측정 제어부 22 : 제어 전령부
23 : 조작 인터페이스 24 : 화상 형성부
25 : 화상 표시부 30 : 빔 스플리터
31 : 조사광 검출기 32 : 반사광 검출기
33 : 감산기 34 : 신호 검출기
51 : 실리콘 52 : 질화실리콘
61 : GUI 66 : 화상 표시부
67 : 조사 조건 설정부 68 : 파장 설정부
69 : 흡수 특성 해석부 70 : 흡수 특성 표시부
75 : 실리콘 76 : 질화실리콘
91 : 광전자 검출기 92 : 광기전류 측정기
93 : 차단기 94 : 신호 보정기
111 : 레이저 발진기(혹은 레이저 증폭기)
112 : 파장 변환기 113 : 펄스 피커
114 : 펄스 분산 제어기 115 : 편광 제어기
116 : 평균 출력 제어기 121 : P형 실리콘
122 : N형 실리콘 131 : P형 실리콘
132 : N형 실리콘 133 : 실리콘 산화막
134 : 결함 152 : P형 실리콘
153 : N형 실리콘 156 : 결함
161 : 조사 기간 162 : 간격 기간
163 : 광펄스 171 : 조사 기간 설정부
172 : 간격 기간 설정부 181 : P형 실리콘
182 : N형 실리콘 183 : 실리콘 산화막
184 : 콘택트 플러그 185 : 결함
186 : 결함 187 : 결함
192 : 콘택트 플러그 194 : 콘택트 플러그
196 : 결함 198 : 결함
199 : 결함 200 : 차화상
201 : 차화상 211 : 파장판
212 : 복굴절 소자 213 : 광 검출기
214 : 광 검출기 215 : 감산기
216 : 신호 검출기 217 : 회절 격자
218 : 광강도 센서 219 : 신호 검출기
222 : 유기물 223 : 유전체
225 : 유전체 227 : 유전체
231 : 에너지 필터 232 : 에너지 필터 제어부
252 : 실리콘 253 : 질화실리콘
271 : P형 실리콘 272 : N형 실리콘
273 : N형 실리콘 274 : N형 실리콘 웰
275 : P형 실리콘 276 : P형 실리콘
282 : N형 실리콘 283 : P형 실리콘
285 : N형 실리콘 286 : N형 실리콘
287 : P형 실리콘 288 : P형 실리콘

Claims (13)

  1. 시료에 대해서 하전 입자선을 조사하는 하전 입자선 장치로서,
    상기 시료에 대해서 1차 하전 입자를 조사하는 하전 입자원,
    상기 시료에 대해서 조사하는 광을 출사하는 광원,
    상기 1차 하전 입자를 상기 시료에 대해서 조사함에 의해 상기 시료로부터 발생하는 2차 하전 입자를 검출하는 검출기,
    상기 검출기가 검출한 상기 2차 하전 입자를 이용해서 상기 시료의 관찰상을 생성하는 화상 처리부,
    상기 광의 단위 시간당의 조사 강도를 조정하는 광강도 제어부
    를 구비하고,
    상기 광강도 제어부는, 상기 광의 단위 시간당의 조사 강도를 변화시킴에 의해, 각각 다른 콘트라스트를 갖는 복수의 상기 관찰상을 상기 화상 처리부에 생성시키고,
    상기 시료는, 상기 광의 단위 시간당의 조사 강도에 따라서, 상기 2차 하전 입자의 방출량이 변화하는 특성을 갖고 있고,
    상기 광강도 제어부는, 상기 광의 단위 시간당의 조사 강도를 제1 강도로 제어함에 의해, 상기 시료가 상기 제1 강도에 대응하는 제1 방출량의 상기 2차 하전 입자를 방출하도록 한 후에, 상기 관찰상을 상기 화상 처리부에 생성시키고,
    상기 광강도 제어부는, 상기 광의 단위 시간당의 조사 강도를 상기 제1 강도와는 다른 제2 강도로 제어함에 의해, 상기 시료가 상기 제2 강도에 대응하는 제2 방출량의 상기 2차 하전 입자를 방출하도록 한 후에, 상기 관찰상을 상기 화상 처리부에 생성시키고,
    상기 하전 입자선 장치는, 상기 시료가 상기 광을 흡수하는 흡수량을 측정하는 흡수 특성 측정부를 더 구비하고,
    상기 하전 입자선 장치는, 상기 흡수 특성 측정부가 측정한 상기 흡수량과, 상기 광의 단위 시간당의 조사 강도 사이의 대응 관계를 기술한 대응 관계 데이터를 저장하는 기억부를 더 구비하고,
    상기 광강도 제어부는, 상기 대응 관계 데이터가 기술하고 있는 상기 대응 관계에 따라서, 상기 제1 강도와 상기 제2 강도를 결정하는
    것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  2. 시료에 대해서 하전 입자선을 조사하는 하전 입자선 장치로서,
    상기 시료에 대해서 1차 하전 입자를 조사하는 하전 입자원,
    상기 시료에 대해서 조사하는 광을 출사하는 광원,
    상기 1차 하전 입자를 상기 시료에 대해서 조사함에 의해 상기 시료로부터 발생하는 2차 하전 입자를 검출하는 검출기,
    상기 검출기가 검출한 상기 2차 하전 입자를 이용해서 상기 시료의 관찰상을 생성하는 화상 처리부,
    상기 광의 단위 시간당의 조사 강도를 조정하는 광강도 제어부
    를 구비하고,
    상기 광강도 제어부는, 상기 광의 단위 시간당의 조사 강도를 변화시킴에 의해, 각각 다른 콘트라스트를 갖는 복수의 상기 관찰상을 상기 화상 처리부에 생성시키고,
    상기 광강도 제어부는, 상기 시료에 대해서 상기 1차 하전 입자를 조사하는 조사 기간과, 상기 시료에 대해서 상기 1차 하전 입자를 조사하지 않는 간격 기간을 전환할 수 있도록 구성되어 있고,
    상기 화상 처리부는, 상기 시료에 대해서 상기 1차 하전 입자를 연속적으로 조사하고 있는 동안에 있어서 상기 시료의 제1 관찰상을 생성함과 함께, 상기 조사 기간과 상기 간격 기간을 전환하면서 상기 1차 하전 입자를 단속적으로 조사하고 있는 동안에 있어서 상기 시료의 제2 관찰상을 생성함에 의해, 각각 다른 콘트라스트를 갖는 복수의 상기 관찰상을 생성하는
    것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광강도 제어부는, 상기 광의 단위 시간당의 조사 강도를 상기 제1 강도와 상기 제2 강도 사이의 제3 강도로 제어함에 의해, 상기 시료가 상기 제3 강도에 대응하는 제3 방출량의 상기 2차 하전 입자를 방출하도록 한 후에, 상기 관찰상을 상기 화상 처리부에 생성시키고,
    상기 제3 방출량은 상기 제1 방출량보다도 크고, 상기 제2 방출량은 상기 제1 방출량보다도 작은
    것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 시료가 상기 광을 흡수하는 흡수량은, 상기 광의 단위 시간당의 조사 강도의 1승에 비례하는 제1 성분과, 상기 광의 단위 시간당의 조사 강도의 2승 이상의 누승에 비례하는 제2 성분을 갖고 있고,
    상기 제2 성분은, 상기 광의 단위 시간당의 조사 강도가 상기 제3 강도 이상일 때, 상기 제1 성분 이상으로 되고, 상기 광의 단위 시간당의 조사 강도가 상기 제3 강도 미만일 때, 상기 제1 성분 미만으로 되고,
    상기 광강도 제어부는, 상기 광의 단위 시간당의 조사 강도를 상기 제2 강도로 함에 의해, 상기 흡수량 중 상기 제2 성분이 상기 제1 성분보다도 커지도록 하고,
    상기 광강도 제어부는, 상기 광의 단위 시간당의 조사 강도를 상기 제1 강도로 함에 의해, 상기 흡수량 중 상기 제1 성분이 상기 제2 성분보다도 커지도록 하는
    것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 시료가 상기 광을 흡수하는 흡수량은, 상기 광의 단위 시간당의 조사 강도의 1승에 비례하는 제1 성분과, 상기 광의 단위 시간당의 조사 강도의 2승 이상의 누승에 비례하는 제2 성분을 갖고 있고,
    상기 광강도 제어부는, 상기 흡수량 중 상기 제2 성분이 상기 제1 성분보다도 커지도록 상기 광의 단위 시간당의 조사 강도를 제어함에 의해, 상기 제1 성분이 상기 제2 성분보다도 클 때와 비교해서, 상기 방출량이 작아지도록 하는
    것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하전 입자선 장치는, 상기 흡수 특성 측정부가 측정한 상기 흡수량에 따라서, 상기 검출기가 검출한 상기 2차 하전 입자의 신호량을 보정하는, 신호량 보정부를 더 구비하는
    것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 신호량 보정부는, 상기 시료에 대해서 상기 광과 상기 1차 하전 입자를 조사하고 있을 때 상기 검출기가 검출하는 상기 2차 하전 입자의 제1 신호량으로부터, 상기 시료에 대해서 상기 광을 조사하고 상기 1차 하전 입자를 조사하고 있지 않을 때 상기 검출기가 검출하는 상기 2차 하전 입자의 제2 신호량을 감산함에 의해, 상기 검출기에 의한 검출 결과를 보정하는
    것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  9. 삭제
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하전 입자선 장치는, 상기 2차 하전 입자가 갖는 에너지에 따라서, 상기 검출기에 대해서 입사하는 상기 2차 하전 입자를 변별하는, 에너지 필터를 더 구비하는
    것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광강도 제어부는, 상기 광의 평균 출력, 상기 광의 피크 강도, 상기 광의 펄스폭, 상기 광의 펄스의 조사 주기, 상기 시료의 표면 상에 있어서의 상기 광의 조사 면적, 상기 광의 파장, 상기 광의 편광 중 어느 하나 이상의 파라미터를 제어하는
    것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광강도 제어부는, 광어테뉴에이터, 광분기 소자, 펄스 스택커, 펄스 피커, 광파장 변환 소자, 편광 제어 소자, 집광 렌즈 중 어느 하나 이상에 의해서 구성되어 있는
    것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 흡수 특성 측정부는, 상기 시료로부터의 반사광의 반사광 검출기, 상기 시료로부터의 반사광의 편광면 검출기, 상기 시료로부터의 반사광의 파장 검출기, 상기 시료로부터 방출된 광전자의 광전자 검출기, 상기 시료에 있어서 발생하는 광기전력의 광기전력 검출기 중 어느 하나 이상에 의해서 구성되어 있는
    것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
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