JPH0643885B2 - 荷電粒子マイクロプロ−ブ装置 - Google Patents

荷電粒子マイクロプロ−ブ装置

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JPH0643885B2
JPH0643885B2 JP59104533A JP10453384A JPH0643885B2 JP H0643885 B2 JPH0643885 B2 JP H0643885B2 JP 59104533 A JP59104533 A JP 59104533A JP 10453384 A JP10453384 A JP 10453384A JP H0643885 B2 JPH0643885 B2 JP H0643885B2
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JP
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signal
sample
charged particle
scanning
sample surface
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正秀 奥村
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/26—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes
    • H01J37/28—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes with scanning beams

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Length-Measuring Devices Using Wave Or Particle Radiation (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は電子又はイオン等のビーム走査によつて試料の
走査像を表示する荷電粒子マイクロプローブ装置に係
り、特に、試料表面の凹凸形状に対する情報を映像信号
から抽出するに好適な荷電粒子マイクロプローブ装置に
関するものである。
〔発明の背景〕
近年、走査形電子顕微鏡の高解像度を利用して走査像又
はその映像信号から微小寸法を測定する装置が実用化さ
れ始めている。
映像信号の明暗コントラストは、試料表面の構成物質・
傾斜角などに依つて2次電子、反射電子等の発生効率の
差異で生ずる。寸法測定には、映像の明部、暗部と被測
定物の凹凸形状を関連づけることが必要となる。映像信
号と凹凸形状の具体的な一例を第1図に示す。測定対象
は、第1図(a)の如き断面構造を有する基板の薄膜層S
上に線状図形Lを形成した、所謂ライン&スペース図形
からなる、2種類の半導体試料である。第1図(b)は、
線状図形L/薄膜層Sの材質がそれぞれ光レジスト/S
iO2であり、同図(c)はSi3N4/SiO2である
ライン&スペース試料の走査像である。本例から、試料
のライン幅(又はスペース幅)の寸法測定において、走
査後の明部或いは暗部のどちらがL部(又はS部)に対
応するかの認識が必要となることが分かる。測定対象が
微細化するほど高倍率での測定となり、特に自動測定に
際しては走査像観察など人為的判断が省かれるため三次
元的な凹凸形状の識別が重要となる。
従来、反射電子の発生効率と試料傾斜角度の比例関係を
利用して、反射電子信号を積分して断面形状を求める方
法(特開昭56-150303号)が提案されている。この方法
は同一物質からなり、且つ上記比例関係のある角度範囲
の試料に関するものである。第1図の如き異種物質が混
在する試料では、物質毎に比例定数が異なるため積分定
数の切換えが必要である。かかる切換えに際して物質境
界の認識が困難であること、試料物質が未知の場合に積
分定数を設定できない等、実用上の問題があつた。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、これらの問題点を実用的に解決して、
試料走査像を形成する二次元映像信号から試料表面の凹
凸形状に関する三次元情報を抽出し得る新規な荷電粒子
マイクロプローブ装置を提供することにある。
〔発明の概要〕
上記目的を達成するために、本発明では、試料表面の正
確な形状情報を得るため、光学軸に対称配置された少く
とも一組の検出器を用いて映像信号を差分検出する。上
記検出系で差分検出した映像信号を設定可能な正、負の
基準レベルと比較して、正、負の矩形波信号に変換す
る。該矩形波信号の符号及び矩形幅から、それぞれ形状
情報としての傾斜方向及び勾配を抽出して試料表面の凹
凸形状を決定する。この原理的な説明から分かるよう
に、信号強度と試料傾斜角度との比例関係を利用しない
ので、映像信号として一般的に高分解能走査像に必要と
される2次電子信号を使用できる。また、従来法におけ
る試料物質が種々混在する問題や、上記比例関係と関連
した角度範囲の制約を解決できる。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の実施例を用いて詳細に説明する。
第2図は、本発明を走査形電子顕微鏡を例として示した
構成ブロック図である。鏡筒部1では、電子銃、電子レ
ンズ系(図示しない)で細く集束された電子ビーム2は
偏向器3により、試料4上を二次元又は一次元走査され
る。試料より発生する2次電子、反射電子等の映像信号
は、光学軸に関して走査方向に対称配置された1組の信
号検出器5a,5bで検出される。図面では省略した
が、直交方向に別の1組の検出器が存在する。該映像信
号は信号増幅器6a,6bで所定のレベルに各各増幅さ
れ、加算増幅器7を介して表示装置8の輝度変調信号と
なる。電子ビーム2は偏向信号発生器10により偏向増
幅器9で走査される。同時に、偏向信号発生器10から
表示装置8にも該ビーム走査と同期した偏向信号が供給
されており、試料走査像が表示される。以上が走査形電
子顕微鏡の基本構成である。本発明による凹凸形状の検
知方法は、前記信号検出器6a,6bの映像信号出力を
差動増幅器12を通して差分信号としたのち、信号処理
部13で試料断面に対応した形状信号に変換するもので
ある。信号処理部13は、上記差分信号を基準レベルと
比較して正、負極性の矩形波信号を得る信号規格回路1
4と、該矩形波信号の極性及び信号幅から傾斜方向及び
勾配を各々各抽出する傾斜抽出回路15と、該情報に基
づいて凹凸形状を再生する形状再生回路16とからな
る。また、制御部11により該信号処理部13は映像信
号から傾斜情報を抽出する書込み状態と、該傾斜情報か
ら凹凸形状を再生して表示装置8等に表示する読出し状
態とを交互に繰返す。以上が本発明の原理と全体構成で
ある。
第3図は信号処理部13の具体的な回路構成の一例であ
り、第4図に示す各信号波形によりその動作を詳述す
る。試料は第4図(a)図示の断面形状を有し、異種物質
AとBから構成された微細図形を例にとる。試料からの
信号発生量は物質差(Aの方が大きい)と、電子ビーム
の試料入射角即ち微細図形の傾斜角とで変化する。第4
図(b),(c)は信号増幅器6a,6bによる映像信号であ
り、前述の発生量の差異と同時に発生方向による検出効
率の差が生じている。検出効率は微細図形端部が検出器
に対面する側では大きく、背面する側では小さくなる。
差動増幅器12による差分信号を第4図(d)の実線波形
で示す。試料構成物質の相異は差動増幅で除去されて、
誤差分信号は試料傾斜角と検出効率の差だけを含む。即
ち、差分信号のゼロレベルは物質に無関係に微細図形の
水平部分に対応する。
まず、信号処理部13の書込み動作を述べる。上述の差
分信号波形は、クロックパルス発振器21のパルス(第
4図(e))を計数するカウンター22の出力でアドレス
指定される波形メモリー20に書込まれていく。同時に
該波形メモリー20の出力は、レベル設定器24で調整
される正、負の比較レベルe1,e2(第4図(d)参
照)をもつウインドコンパレータ23に入る。差分信号
がこの比較レベルを超える部分に対して、該コンパレー
タ23は各々+1又は−1の値をもつ第4図(f)に示す
ような規格化された矩形波信号をゲート回路25に供給
する。第4図(a)と(f)を対応すれば、該矩形波信号の極
性は検出器に対する凹凸の傾斜方向を、矩形幅がその傾
斜部分の勾配を与えることがわかる。つぎに、矩形幅の
検出方法を説明する。ゲート回路25は第4図(f)の矩
形信号が出ている間だけ開状態とな、クロツクパルス発
振器21のパルスを通過させる。通過パルスは、前記ウ
インドコンパレータ23の矩形波信号の極性で正、負計
数状態が制御されるアツプダウンカウンタ26により計
数される。該カウンタ26の計数結果は、矩形波信号の
パルス後縁を計数するカウンタ28でアドレス指定され
るメモリー27に符号と共に書込まれる(第4図(g)及
び(h))。その後、同パルス後縁でアツプダウンカウン
タ26はリセツトされる。この動作は電子ビーム2の線
走査に対応して逐次進行し、メモリー20及び27に各
々、差分信号波形と勾配情報が蓄積される。本実施例で
はメモリー20に差分信号を書込んだが、ウインドコン
パレータ23と順序を逆にして規格化された矩形波信号
を書込む構成としてもよい。
次に、信号処理部13の読出し状態即ち凹凸形状の再生
方法を説明する。書込み時と同様の手順で波形メモリー
20の差分信号は規格化された矩形波信号となり、矩形
部分でゲート回路25が開いてクロツクパルスがカウン
タ26で計数される。ただ、読出し状態では制御部11
により該カウンタ26は正計数を実行するように指定さ
れる。カウンタ26の計数値は掛算器30に供給され
て、カウンタ28でアドレス指定されるメモリー27の
勾配情報を割算器29で除した値と、乗算される。該掛
算器30の出力は保持回路31の出力(本説明では任意
の値でよいが、後述の鳥瞰図表示では指定された初期
値)と加算器32で加算される。この動作はゲート回路
25が開状態でカウンタ26の計数値が連続的に増加す
る間、同じ勾配データで実行される。ゲート回路26が
閉じて計数を終了した時点で、掛算器30の出力は保持
回路31にホールドされる(第4図(i))。同時にカウ
ンタ28の計数が+1されて、次の勾配情報が読出され
る。上記した一連の動作がクロックパルス発振器21に
より継続されると、加算器32の出力をデイジタル−ア
ナログ変換器33で変換した結果は第4図(j)に示すよ
うな試料表面の凹凸形状を再生した波形となる。該凹凸
形状波形を表示装置8の垂直偏向信号とすれば表面形状
が観察される。
以上の説明は試料上の任意の位置(例えばY方向位置が
一定)での線走査(例えばX方向走査)に対する凹凸形
状の表示である。以下に、試料表面を二次元走査する場
合の三次元的な凹凸形状の表示、所謂鳥瞰図表示につい
て簡単に述べる。X方向走査に対する初期値を得るた
め、X=0でY方向に線走査して前記手順でY方向の凹
凸形状を別のメモリー(実施例では図示しない)に記録
しておく。ついで、X方向の凹凸形状を再生する際に、
該Y方向のデータを保持回路31の初期値として使用す
れば、試料表面の三次元的凹凸構造が表示装置8に得ら
れる。
また、一実施例として走査形電子顕微鏡について述べた
が、一次ビームとしては電子線に限ることなく、本発明
の主旨を逸脱しない範囲で一般の電子又はイオン等のビ
ーム走査によつて試料の走査線を表示する荷電粒子マイ
クロプローブ装置に適用できることは云う迄もない。さ
らに、凹凸形状をアナログ量に変換することなく、加算
器出力をデイジタル量のままで制御部11に供給してプ
ロツタ表示することも可能である。
〔発明の効果〕
以上述べたように、本発明によれば、試料表面の二次元
映像信号から凹凸断面形状が得られる。また、試料表面
の鳥瞰図を与える新規な像表示法を実現できるので、走
査形電子顕微鏡及びその類似装置の応用範囲が拡大でき
る。更に、微小寸法計測を行なう場合、二次元走査像か
ら判断できない凹凸情報から被測定図形の形状確認に基
づく寸法計測が可能となる。特に寸法測定の自動化に際
しては、走査像観察という人為的判定が省かれるために
本発明による凹凸形状識別はより有効となる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)は異種物質からなる矩形断面形状を有するラ
イン&スペース図形を示す図、同図(b)および(c)はそれ
ぞれ同図(a)に示す試料の走査形電子顕微鏡による走査
像を示す電子顕微鏡写真、第2図は本発明の一実施例を
示すブロツク構成図、第3図は信号処理部の回路構成
図、第4図(a)〜(j)は本実施例の回路各部での信号波形
図である。 1…鏡筒部、3…偏向器、4…試料、5a,5b…信号
検出器、6a,6b…信号増幅器、7…加算増幅器、8
…表示装置、9…偏向増幅器、10…偏向信号発生器、
11…制御部、12…差動増幅器、13…信号処理部、
14…信号規格回路、15…傾斜抽出回路、16…形状
再生回路、20…波形メモリー、21…クロツクパルス
発振器、22,28…アドレスカウンタ、23…ウイン
ドコンパレータ、24…レベル設定器、25…ゲート回
路、26…アツプダウンカウンタ、27…メモリー、2
9…割算器、30…掛算器、31…保持回路、32…加
算器、33…D−A変換器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−42129(JP,A) 特開 昭58−67027(JP,A) 特公 昭40−17999(JP,B1)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】細く集束された1次荷電粒子ビームで試料
    表面を走査することによって試料表面から得られる2次
    的情報を映像信号として試料表面の走査像を表示する荷
    電粒子マイクロプローブ装置において、上記映像信号を
    検出するための映像信号検出手段として上記1次荷電粒
    子ビームの光学軸に対称に少なくとも1対の映像信号検
    出器を設け、上記1次荷電粒子ビームの走査に伴なって
    それぞれの検出器により検出される映像信号の差分を求
    める手段と、求められた差分映像信号の極性から上記光
    学軸に対する試料の傾斜方向を確認する手段とを付設し
    てなることを特徴とする荷電粒子マイクロプローブ装
    置。
  2. 【請求項2】上記の試料傾斜方向確認手段は、前記の差
    分映像信号を正又は負の基準レベルと比較して、基準レ
    ベルを越える区間はそれぞれ対応する極性を有する一定
    振幅であり、それ以外では零であるような矩形波信号に
    整形する手段と、該矩形波信号よりその矩形幅と極性と
    を抽出して記憶する手段と、この記憶されている矩形幅
    と極性とから試料の傾斜部分の幅と傾斜方向とを認識し
    て試料表面の凹凸形状情報を再生する手段と、この再生
    された試料表面の凹凸形状情報を表示する手段とを有し
    てなることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の荷
    電粒子マイクロプローブ装置。
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