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저전압 전자주사현미경의 정밀도 향상에 관한 연구
A study on low voltage scanning electron microscopy for improvement of measurement accuracy

DC Field Value Language
dc.contributor.advisor박희재-
dc.contributor.author안재형-
dc.date.accessioned2017-07-13T06:20:27Z-
dc.date.available2018-08-01-
dc.date.issued2015-08-
dc.identifier.other000000056864-
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/10371/118465-
dc.description학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 기계항공공학부, 2015. 8. 박희재.-
dc.description.abstractThis study aims to suggest image quality improvement in CD(Critical Dimension) measurement of memory semiconductor using electron microscopy with nanometer electron beams. If a distance of lines is getting narrow and going under dozens of nm, it's impossible to measure even though using high magnification in measuring a CD of memory semiconductor. In this case, the only solution for measurement of memory surface CD is using a SEM(scanning electron microscopy) equipment which has a low voltage, electron beam. This study contains optimization of SEM column, correction method of defocus and astigmatism and Image deconvolution method.
We suggest automatic detection and correction method of defocus and astigmatism in critical dimension measurement using electron microscopy with nanometer electron beams. To achieve this, the Fourier transform image is utilized for focus and astigmatism correction in critical dimension measurement using of electron microscopy. A novel algorithm is presented that analyzes this Fourier transform applied-image with adaptive image binarization and control electron beam and lens for simultaneous detection and correction to correct focus and astigmatism in real-time.
The images acquired in SEM are degraded by electron beam. In order to remove such degradations, this study conducted a study on the acquisition of original images using image restoration techniques. In general, most of focus blur are explained by the isotropic distribution. However, SEM can have an anisotropic distribution depending on the shape of electron beam and accordingly, the point spread function of anisotropic distribution was assume and based on this, images were restored. Using these three methods, the limit of resolution of the images acquired could be increased and the repeatability of CD could also be improved.
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dc.description.abstract본 논문은 메모리 반도체의 Critical Dimension(CD)의 측정 결과를 향상시키고자 전자주사현미경에서 획득되는 영상을 향상시키기 위한 연구를 수행하였다. 메모리 반도체의 경우 일반 광학계로 측정할 수 배율의 한계에 의해 일찍이 전자나 이온을 이용한 광학계를 통하여 보다 높은 배율의 영상을 이용하여 CD를 측정하고 있다. 이 중 저전압의 전자주사현미경 (SEM)은 시료표면에 손상을 최소화 할 수 있는 방법으로 메모리 표면의 CD를 측정할 수 있는 유일한 방법이 되었다. 본 논문에서는 SEM에서 보다 정밀한 CD측정을 위하여 비점수차 및 focus를 보정하는 알고리즘을 제안하였으며, 더 나아가 획득되는 영상을 이용하여 원영상을 복원하는 연구를 진행하였다.
먼저 SEM에서 발생하는 영상의 분해능을 높이기 위해서는 시료에 도달하는 전자빔의 크기를 감소시켜야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 defocus와 비점수차 발생량을 파악하고 자동으로 보정하는 알고리즘을 제안하였다. 푸리에 변환을 통하여 영상에 발생한 defocus와 비점수차 발생량을 계산하고 이를 실시간으로 보정하도록 하였다.
또한 전자빔의 형상에 의해 발생하는 영상의 열화현상을 제거하기 위해 비등방성의 열화함수를 가정하고 디컨벌루션 과정을 수행하여 영상을 복원, 원영상을 획득하는 연구를 진행하였다. 이를 통해 영상의 분해능을 높이고, CD를 측정하여 반복도를 향상하였다.
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dc.description.tableofcontents목 차

국문 초록 .................................................................................................. ii
목 차 ........................................................................................................ iii
그림 목차 ................................................................................................. vi
표 목차 .................................................................................................... ix

제 1장. 서론 ..............................................................................................................1
1.1. 연구 배경..............................................................................................................1
1.2. 연구 방향..............................................................................................................3
1.3. 연구 내용..............................................................................................................5

제 2장. 배경이론........................................................................................................7
2.1. SEM Column의 구조............................................................................................7
2.1.1. 전자총..............................................................................................................8
2.1.2. 전자기렌즈....................................................................................................11
2.2. SEM을 이용한 영상 획득................................................................................14
2.3. 영상 저하의 원리..........................................................................................16

제 3장. SEM Column시스템...................................................................................18
3.1. 개요......................................................................................................................18
3.2. 이론적인 e-beam의spot size 계산..................................................................19
3.2.1. simulation 방법.............................................................................................15
3.2.2. Aperture의 여부에 따른 시뮬레이션.......................................................26
3.3. SEM Column의 설계..........................................................................................29
3.3.1. Column의 Lens별 기여도 분석................................................................29
3.3.2. Lens설계........................................................................................................31
3.3.3. Aperture 크기 선정.......................................................................................38
3.4. Lens 제작 및 Test..............................................................................................40
3.4.1 Lens 설계 결과 비교.....................................................................................41
3.4.2 영상 측정 결과..............................................................................................42
3.5. 소결론..................................................................................................................43

제 4 장. 비점수차 보정........................................................................................44
4.1. 비점수차..............................................................................................................44
4.1.1. 비점수차의 발생원리..................................................................................44
4.1.2. stigmator..........................................................................................................46
4.2. 기존의 비점수차 보정방법..............................................................................49
4.2.1. Manual feedback을 통한 보정....................................................................49
4.2.2. profile의 gradient 변화를 이용한 비점수차 보정..................................51
4.2.3. 주파수영역에서의 영역 분할을 이용한 보정........................................53
4.3. 비점수차 보정알고리즘 개발..........................................................................55
4.3.1. e-beam의 형태와 SEM영상의 주파수 Domain에서의 관계...............55
4.3.2. 비점수차의 실험적 확인............................................................................61
4.3.3. Least area ellipse fit 알고리즘.......................................................................61
4.4. 비점수차 보정 알고리즘 실험........................................................................70
4.4.1. 비점수차가 발생하지 않은 경우..............................................................70
4.4.2. 비점수차가 발생한 경우............................................................................72
4.4.3. 다양한 pattern에서 비점수차 보정 결과................................................74
4.4.4. 비점수차 보정 알고리즘의 정확도 측정................................................76
4.4.5. 비점수차 보정 알고리즘을 사용한 반복도 측정..................................77
4.5. 소결론..................................................................................................................78

제 5장. 영상 복원................................................................................................79
5.1. 개요......................................................................................................................79
5.2. 기존의 연구........................................................................................................80
5.2.1. 영역 변환을 수행하지 않는 방법.............................................................80
5.2.2. 영역변환을 이용한 방법.............................................................................83
5.3. 제안한 열화함수의 추정 ................................................................................85
5.3.1. 이론적인 열화함수 추정.............................................................................85
5.3.2. 비등방성 열화함수의 추정.........................................................................88
5.4. 실험 및 결과......................................................................................................89
5.4.1 Richardson-Lucy deconvolution.......................................................................89
5.4.2. SEM영상의 복원결과...................................................................................93
5.4.3. 분해능 측정결과...........................................................................................97
5.4.4. hole의 반복도 측정결과..............................................................................99

제 6장. 결론............................................................................................................100

REFERENCE.............................................................................................................102
APPENDICES............................................................................................................106
A. 측정 알고리즘..................................................................................................106
A.1 Regression to baseline알고리즘....................................................................106
A.2 Least Square Method......................................................................................109
B. Optical constants 및 Lens 수차 계산.............................................................113
ABSTRACT...............................................................................................................115





그림 목차

전자광학계 모식도.....................................................................................7
전자총의 모식도.......................................................................................10
magnetic lens 모식도..................................................................................12
이차전자의 광전자 증배관(PMT)로의 획득 과정...............................14
PMT를 통과한 이차전자를 A/D 컨버팅하여 최종 영상을 얻는 과정..............................................................................................................15
SEM에서의 영상 저하.............................................................................16

FEM을 이용한 전기장 해석결과...........................................................20
FEM을 이용한 Object Lens의 자기장 해석결과...................................21
기본적인 e-beam의 궤적 및 회전각도..................................................22
Condenser Voltage에 따른 Spot size 변화 ..............................................27
30um aperture 적용 후 Condenser Voltage에 따른 Spot size 변화..............................................................................................................27
주요 Lens 배치 및 Section 별 분할......................................................30
Pole 형상의 설계변수...............................................................................32
1차 설계 안에 따른 민감도 해석 결과................................................34
2차 설계 안에 따른 민감도 해석 결과................................................36
Aperture 크기에 따른 Spot size 변화....................................................39
Object Lens 설계 형상 및 제작.............................................................40
실험과 해석간의 Magnetic flux density 비교......................................41
landing energy 별 획득된 SEM 영상....................................................42

비점수차가 존재할 경우의 광경로와 Focus 영역의 모양변화........45
8pole stigmator의 제어방식.......................................................................46
Manual feedback 사용에 필요한 직교하는 격자 패턴.........................49
Manual 측정 방법을 이용한 비점수차 보정 방법..............................50
Edge추출을 이용한 e-beam profile 예측 방법......................................50
비점수차를 보정하기 위한 edge 추출 방향........................................52
FFT 영상의 구역 분할..............................................................................53
비점수차가 없는 경우 영상과 스펙트럼의 관계...............................58
비점수차가 발생한 경우 영상과 스펙트럼의 관계...........................60
Stigmation A/B와 Focus 상태에 따른 원영상 변화 및 스펙트 럼 영상의 변화................................................................................................62
비점수차 보정 알고리즘의 예시.........................................................65
방향 별 비점수차 정도 계산 모식도.................................................66
영상정보가 편중된 경우의 상황 예시...............................................67
focus 및 비점수차 보정 알고리즘 순서도..........................................69
비점수차가 없는 경우 알고리즘 실행 결과.....................................71
비점수차가 있는 경우 알고리즘 실행 결과.....................................73
의 focus및 비점수차 보정 알고리즘 실행 시 파라미터의 변화........................................................................................73
Gold on carbon 시편의 비점수차 보정 결과 1....................................74
반도체 Pattern의 비점수차 보정 결과2............................................75
반도체 Pattern의 비점수차 보정 결과3............................................75

영상의 윤곽프로파일 추정.....................................................................81
영상의 윤곽라인을 이용한 열화함수 추정.........................................82
주파수 영역에서 열화함수 추정...........................................................84
전자빔의 강도분포 계산 모식도...........................................................85
landing energy에 따른 e-beam의 강도 분포.........................................87
복원 전의 열화 영상...............................................................................93
등방성 열화함수를 이용한 의 영상복원 결과................94
비등방성 열화함수를 이용한 의 영상복원 결과…........95
복원 영상 별 edge profile 비교 ............................................................95
주파수영역을 이용한 resolution 측정 예...........................................97
circle CD반복도 측정결과......................................................................99

The relationship with the intensity profile and differential profile...........107
The relationship with the slope line and baseline.....................................108
Image of Line Measurement Function.......................................................109
Image of Circle Measurement Function.....................................................111















표 목차

Spot size 계산 인자 구분..............................................................................25
Section 별 수차 및 magnification 계산 결과............................................30
1차 최적 설계를 위한 수준별 설계변수.................................................34
L18(21×37)에 따른 최적 설계 결과.............................................................35
2차 최적 설계를 위한 수준별 설계변수.................................................36
L9(3×4)에 따른 최적 설계 결과.................................................................36
설계변수 변화 및 최종 spot size 결과......................................................37
전류량이 20pA일 때 Aperture 크기에 따른 시뮬레이션 결과............39
비점수차 보정 알고리즘 별 측정 정확도...............................................76
비점수차 보정 알고리즘 별 측정 반복도...............................................77
x축과 y축의 edge sharpness 비교..............................................................96
영상복원 방법에 따른 resolution 결과.....................................................98
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dc.formatapplication/pdf-
dc.format.extent5502370 bytes-
dc.format.mediumapplication/pdf-
dc.language.isoko-
dc.publisher서울대학교 대학원-
dc.subject전자주사현미경(SEM)-
dc.subject전자광학시스템-
dc.subjectfocus-
dc.subject비점수차 (astigmatism)-
dc.subject푸리에 변환(Fourier transform)-
dc.subject이미지 열화-
dc.subject영상 복원-
dc.subject.ddc621-
dc.title저전압 전자주사현미경의 정밀도 향상에 관한 연구-
dc.title.alternativeA study on low voltage scanning electron microscopy for improvement of measurement accuracy-
dc.typeThesis-
dc.contributor.AlternativeAuthorAhn Jae Hyung-
dc.description.degreeDoctor-
dc.citation.pagesviii, 116-
dc.contributor.affiliation공과대학 기계항공공학부-
dc.date.awarded2015-08-
Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Mechanical Aerospace Engineering (기계항공공학부)Theses (Ph.D. / Sc.D._기계항공공학부)
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