DE19952169A1 - Magnetische Linse - Google Patents

Abstract

Eine magnetische Linse fokussiert einen durch ein Instrument erzeugten geladenen Teilchenstrahl zum Ableiten der Eigenschaften einer Probe (5) auf einen sehr kleinen Fleck. Es wird ein magnetisches Flußmuster erzeugt, das eine verbesserte hohe Auflösung schafft. Die Linse enthält einen Polschuh (40) mit einem Innenjoch (42), mit einem Außenjoch (44) und mit einer Wicklung (46). An dem Außenjoch (44) ist ein Linsenaußenpol (50) befestigt, der eine erste Oberfläche mit einer darin definierten ersten Öffnung (57) enthält, die in der Weise positioniert ist, daß der Strahl hindurchläuft. An dem Innenjoch (42) ist ein Linseninnenpol (60) befestigt, der eine zweite Oberfläche mit einer darin definierten zweiten Öffnung (67) enthält, die auf die erste Öffnung (57) ausgerichtet ist, jedoch einen kleineren Innendurchmesser besitzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Linse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind verschiedene Instrumente bekannt, die sich zum Ableiten der Eigenschaften einer Probe auf die Wechselwirkung geladener Teilchen von der Probe stützen. Beispiele solcher Instrumente sind ein Elektronenmikroskop und ein fokussiertes Ionenstrahlmikroskop. In einer Maschine zum Ausführen der Elektronenstrahllithographie wird ebenfalls ein fokussierter Strahl geladener Teilchen verwendet.

Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich beispielhaft auf ein Rasterelektronenmikroskop ("SEM"), sie sind jedoch ohne weiteres auch auf andere Instrumente und Maschinen, die einen fokussierten Strahl geladener Teilchen erfordern, wie etwa auf die obenerwähnten Instrumente und Maschinen, anwendbar und übertragbar.

Ein SEM arbeitet in der Weise, daß es einen primären Abtastelektronen­ strahl erzeugt, der auf eine Probe, von der eine Oberfläche abgebildet werden soll, auftrifft. Im Ergebnis werden von der Probenoberfläche zurückgestreute Elektronen und Sekundärelektronen emittiert und durch einen in der Nähe der Oberfläche der Probe angeordneten Detektor gesammelt. Der Detektor erzeugt aus der Elektronenemission, die von der Probenoberfläche während ihrer Bestrah­ lung durch den Elektronenstrahl aufgefangen wird, ein Signal. Das Signal von dem Detektor wird dazu verwendet, ein Bild der Oberfläche auf einem Videobildschirm anzuzeigen.

Eine typische Anordnung der Hauptkomponenten eines SEM ist schema­ tisch in Fig. 6 gezeigt. Die Elektronenquelle 2 erzeugt einen Elektronenstrahl 3, der durch die aufeinander ausgerichteten Öffnungen an den gegenüberliegenden Enden des Rohrs 4 auf die Probe 5 gerichtet ist. Der Detektor 6 sammelt die von der Probe 5 emittierten Elektronen. Der Strahl 3 läuft durch die Öffnung 8 in den Detektor 6. Der Strahl 3 wird durch die Stigmator-Spulen 7, durch die Ausrichtspu­ len 9, durch die Abtastspulen 11a und 11b und durch die Linse 13 gesteuert. Kurz gesagt: die Stigmator-Spulen 7 werden zur Korrektur der Form des Strahls verwendet; die Ausrichtspulen 9 werden zum Ausrichten des Strahls durch das Rohr 4 verwendet; die Abtastspulen 11a und 11b lenken den Elektronenstrahl 3 in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung in zwei Richtungen, wie etwa entlang einer x-Richtung bzw. einer y-Richtung, ab. SEMs können alle diese Komponenten mehrfach enthalten.

Der elektromagnetische Linse 13 ist vorgesehen, um den Strahl 3 zum Ermöglichen einer hochauflösenden Abbildung auf einen sehr kleinen Fleck zu fokussieren. Ein Typ der Linse 13 ist eine Immersionslinse. US 5 493 116 offen­ bart eine Immersionslinse, die schematisch in den Fig. 6 und 7 hiervon gezeigt ist. Sie enthält einen ringförmigen, kanalförmigen magnetischen Polschuh 14 mit einen Linseninnenpol 15, einem Linsenaußenpol 17 und einer Wicklung 19 im Kanal.

Eine Eigenschaft einer SEM-Linse ist ihre elektronenoptische Reichweite ("E. O."). Die E. O. bezieht sich auf den Abstand zwischen der Oberflächenebene der Probe 5 und einer Ebene, die einem Gebiet einer maximalen Flußdichte der Linse entspricht. Das Gebiet der maximalen Flußdichte für die Linse 13 liegt in der Ebene 22. Die E. O. ist in der Weise beschrieben, daß sie um etwa -1 mm leicht negativ ist, so daß die Ebene der Probe 5 über der Ebene 22 liegt. Da die Elektro­ nen, die wie etwa die Elektronen mit einer anfänglichen Flugbahn längs des Wegs 20 in einem signifikanten Winkel gegenüber der Normalen reflektiert werden und den Detektor über die reflektierte Flugbahn 21 erreichen (siehe Fig. 7), durch diese leicht negative E. O. in den Detektor (oder in die Detektoren) gewobbelt werden, soll diese Konfiguration die vorteilhafte Eigenschaft besitzen, die Samm­ lungswirksamkeit der zurückgestreuten Elektronen mit einer geringen Ausbeute beträchtlich zu erhöhen.

Ein Nachteil dieses Zugangs des Standes der Technik besteht jedoch darin, daß das Magnetfeld, wie in Fig. 7 gezeigt ist, mit der Probe und mit allem, was in dem SEM unterhalb der Probe liegt, wechselwirkt, falls diese, wie etwa die (nicht gezeigte) zum Verschieben der Probe an ihre gewünschte Abtastposition bezüglich des Elektronenstrahls verwendete x-y-Bühne, magnetische Eigenschaf ten besitzen. Diese Wechselwirkung bewirkt eine Störung des Felds. Tatsächlich verläuft das Feld nicht so, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, was die mit dem Instrument erreichbare Auflösung verschlechtert. Außerdem dient der Fluß unter der Probe keinem nützlichen Zweck, während zu seiner Erzeugung Leistung verbraucht wird. Die zum Erzeugen dieses Flusses verwendete Leistung erzeugt Wärme, die hierauf von der Spulenwicklung 19 abgeleitet werden muß. Außerdem können die Aberrationen beim Erzeugen des kleinen Flecks dadurch minimiert werden, daß ein magnetisches Flußmuster mit einer Konzentration des Magnetfelds in der Nähe der Probe erzeugt wird. Da dieser Zugang des Standes der Technik kein solches Feld erzeugt, sind höhere Aberrationskoeffizienten zu erwarten.

Eine Lochlinse ist ein weiterer Typ einer im Stand der Technik bekannten magnetischen Linse zum Fokussieren eines geladenen Teilchenstrahls. Im Gegensatz zu der Immersionslinse liegt der Großteil des durch eine Lochlinse erzeugten Magnetfelds über der Probe (d. h., sie besitzt eine positive E. O.). Ein Nachteil dieser Linse besteht darin, daß sie eine hohe Brennweite besitzt, was die Erzielung einer hohen Auflösung beeinträchtigt. Außerdem können axiale und paraxiale Elektronen nicht durch dieses Feld geleitet werden, wobei der Detektor somit unter der Linse positioniert werden muß. Dies erhöht die Brennweite weiter und verstärkt die Schwierigkeit beim Erhalten einer hohen Auflösung. Außerdem kann ein in dieser Position liegender Detektor nur Elektronen sammeln, die wesentlich von der Achse entfernt sind, wobei die anderen Elektronen verlorenge­ hen.

Aufgabe ist der Erfindung ist es, eine magnetische Linse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die eine verbesserte Fokussierung eines Strahls geladener Teilchen und eine verbesserte hochauflösende Abbildung erzeugt.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Die magnetische Linse für ein Instrument, das einen geladenen Teilchen­ strahl auf eine Probe richtet, umfaßt einen Polschuh mit einem Innenjoch, mit einem Außenjoch und mit einer Wicklung. An dem Außenjoch ist ein Linsenau­ ßenpol befestigt, der eine erste Oberfläche mit einer darin definierten ersten Öffnung enthält, die so positioniert ist, daß der Strahl hindurchläuft. An dem Innenjoch ist ein Innenpol befestigt, der eine zweite Oberfläche mit einer darin definierten zweiten Öffnung enthält, die auf die erste Öffnung ausgerichtet ist, jedoch einen kleineren Innendurchmesser besitzt.

Eine derartige magnetische Linse führt nicht nur zu einer verbesserten Fokussierung und Bildauflösung, sondern kann auch den Aberrationskoeffizienten herabsetzen und mit geringem Leistungsaufwand arbeiten, wobei eine starke Wechselwirkung mit einer Probe und mit deren Umgebung vermieden wird. Emittierte Elektronen können einen Detektor wirksam erreichen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschrei­ bung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbil­ dungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer Linse längs der Linie III-III von Fig. 2.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht längs der Linie IV-IV von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Linse aus Fig. 1.

Fig. 4 zeigt einen Teil der Linse nach Fig. 1 mit einer Darstellung des von ihr erzeugten magnetischen Flußmusters.

Fig. 5 ist eine zu Fig. 3 ähnliche Ansicht, die eine Darstellung der Äquipo­ tentiallinien für das magnetische Flußmuster aus Fig. 4 enthält.

Fig. 6 ist ein schematischer Querschnitt eines bekannten SEMs.

Fig. 7 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Linse nach Fig. 6 mit einer Darstellung des von ihr erzeugten magnetischen Flußmusters.

Die in Fig. 1 dargestellte magnetische Linse 30 besitzt einen ringförmigen, kanalförmigen magnetischen Polschuh 40. Der Polschuh 40 besitzt ein Innenjoch 42, ein Außenjoch 44 und eine Wicklung 46 in dem Kanal. Das Innenjoch und das Außenjoch 42 bzw. 44 sind mit Polen 50 und 60 versehen, die zur Probe 5 vorstehen und der Erzeugung eines magnetischen Flußmusters dienen, das den Strahl 3 bei seinem Auftreffen auf die Probe auf einen sehr kleinen Fleck fokus­ siert. Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, ist insbesondere am unteren Ende 51 des Außenjochs 44 der linsenaußenseitige Pol 50 befestigt. Der Pol 50 besitzt einen zylindrischen Außenteil 55 und einen im wesentlichen flachen, horizontalen Innenteil 56, der in einer zur Probe 5 im wesentlichen parallelen Ebene liegt. Am Innenumfang von Außenteil 55 befindet sich ein Flansch 59. Der Flansch 59 erleichtert das Ausrichten des Außenteils 55 während des Zusammenbaus. Außerdem dient er zum Abstützen einer Dichtung 70. Wie bekannt, dichten O- Ringe 71 in der Dichtung 70 das Innere der Linse zum Erhalten eines Unterdrucks ab, ohne daß der von der Wicklung 46 eingenommene Raum vom Unterdruck erfaßt sein müßte. Bohrungen 52 sind im Außenteil 55 vorgesehen, um den Pol 50 mittels (nicht gezeigter) Schrauben an dem Joch 44 anzubringen. Im Innenteil 56 ist durch eine Kante 58 eine mittig liegende kreisförmige Öffnung 57 definiert. Die Kante 58 ist in einer unten ausführlich beschriebenen Weise verjüngt. Der Pol 50 kann aus irgendeinem Material, dessen magnetische Eigenschaften zum Übertragen des für den Betrieb der Linse erforderlichen Flusses ausreichen, hergestellt werden.

Am unteren Ende 51a des Innenjochs 42 ist der linseninnenseitige Pol 60 befestigt, der am oberen Außenumfang eines im wesentlichen flachen, horizonta­ len Außenteils 62, das in einer zur Probe 5 im wesentlichen parallelen Ebene liegt, einen Flansch 61 besitzt. Der Flansch 61 erleichtert das Ausrichten des Außenteils 62 während des Zusammenbaus. Außerdem dient er zum Abstützen einer Dichtung 70. Durch das Außenteil 62 erstrecken sich Bohrungen 63, um den Pol 60 mittels (nicht gezeigter) Schrauben an dem Joch 42 zu befestigen. Außerdem besitzt das horizontale Außenteil 62 Bohrungen 65, die einen (nicht gezeigten) Detektor in seiner richtigen Lage befestigen. Das Innenteil 66 des bei dem Innendurchmesser 64 des Außenteils 62 beginnenden Pols 60 verläuft in einem Winkel zur Probe 5 nach unten und besitzt eine durch die Kante 68 definierte mittige kreisrunde Öffnung 67. Die Öffnung 67 ist kleiner als die Öffnung 57 und konzentrisch zu dieser. Das abgewinkelte Innenteil 66 verjüngt sich nach unten zur Kante 68 hin. Das Innenteil 66 ist in einer unten ausführlich beschriebenen Weise verjüngt. Wie unten weiter erläutert wird, liegt die Kante 68 in einer Ebene über dem Innenteil 56 des Pols 50. Umfangsspalte 74 sind vorgesehen, damit die Luft während des Abpumpens beim Erzeugen eines Unterdrucks austreten kann. Außerdem ist in Spalten 74 die Verdrahtung für den Detektor untergebracht. Obgleich eine gewisse Abweichung von der vollkommenen Symmetrie zulässig ist, sollten die Spalte zum Vermeiden von Aberrationen symmetrisch angebracht werden.

Fig. 3 zeigt weitere Einzelheiten in bezug auf die Pole 50 und 60. Der Innendurchmesser 64 des Pols 60 ist in der Weise gewählt, daß alle über einen weiten Winkel gegenüber der Normalen (d. h. gegenüber der axialen Richtung) emittierten Elektronen den Detektor erreichen können. Auf der Grundlage dieser Betrachtung werden der Innendurchmesser der Öffnung 67 und der Winkel für den Kegel des Innenteils 66 des Pols 60 in der Weise gewählt, daß die emittierten Elektronen den Detektor erreichen können. Eine weitere Möglichkeit zur Beschreibung dieser physikalische Anordnung lautet, daß die gedankliche Fortsetzung der Innenfläche des Innenteils 66 längs der Linie 66a die Fläche der durch den Strahl abgebildeten Probe 5 erreicht.

Sobald diese Dimensionen und Konfigurationen für den Pol 60 hergestellt sind, wird der Pol 50 durch eine geeignete Positionierung und durch ein geeignetes Absenken bezüglich des Pols 60 zum Erzeugen eines Magnetfelds konfiguriert. Genauer kann sich der Pol 50 nicht so nah bei dem Pol 60 befinden, daß er das Magnetfeld auslöscht. Es muß ein bestimmter Spalt vorgesehen werden. Da das Innenteil 66 unter einem Winkel nach unten zur Probe 5 hin verläuft, bilden die Verjüngung der oberen Oberfläche der Kante 57 und die Verjüngung der unteren Oberfläche des Innenteils 66 zwischen den Polen 50 und 60 einen gleichförmigen Spalt mit einem ausgewählten Abstand. Da die Gleichförmigkeit des Spalts wenig Wirkung auf das Flußmuster, das den Strahl beeinflußt, besitzt, braucht der Spalt jedoch nicht gleichförmig zu sein. Außerdem erreicht die Verlängerung der verjüngten Oberfläche der Kante 58 mit den gedachten Linien, wie in Fig. 3 gezeigt ist, etwa den gleichen Fleck auf der Probe wie die gedachte Verlängerung 66a.

Der Durchmesser der Öffnung 67 muß kleiner als der Durchmesser der Öffnung 57 sein, so daß das Flußmuster zur Probe 5 hin nach unten austritt. Die Öffnung 67 des Pols 60 liegt in einer Ebene über der Öffnung 57 des Pols 50. Dies führt zur Erhöhung des durch die Linse erzeugten Gebiets der maximalen Flußdichte. Der Durchmesser der Öffnung 67 beeinflußt die durch die Linse erzeugte Brennweite und das durch die Linse erzeugte Feldprofil. Somit erzeugt ein größerer Durchmesser eine größere Brennweite und umgekehrt. Außerdem vergrößert das Vergrößern dieses Durchmessers bei festgehaltenem Durchmes­ ser der Öffnung 57 das Gebiet der maximalen Flußdichte.

Fig. 4 zeigt das durch die Linse 30 erzeugte magnetische Flußmuster, wobei sie weiter zeigt, wie dieses Flußmuster bezüglich der Probe 5 positioniert ist. Durch die Linse wird eine einem Gebiet der maximalen Flußdichte entspre­ chende Ebene 78 erzeugt. Die Ebene 78 sollte zwischen der Unterseite der Linse (z. B. der unteren Oberfläche des Teils 56) und der Probenoberfläche liegen. Dadurch, daß die Ebene der Probe 5 unter der Ebene 78 liegt, wird eine positive E. O. erzeugt. Wenn eine Wechselwirkung des von der Linse austretenden Magnetfelds mit der Probe 5 und/oder mit den Materialien unter der Probe 5 uner­ wünscht ist, kann die Ebene 78 angehoben werden. Jedoch kann die Ebene 78, wenn dies wie etwa zum Steuern des Wegs der von der Probe 5 emittierten Elek­ tronen wünschenswert ist, durch Einstellen der Größe und durch Positionieren der Linsenbauteile ebenfalls bis hin zu einer negativen E. O. abgesenkt werden.

Diese Konfiguration besitzt mehrere nützliche Eigenschaften. Das Magnetfeld erreicht die Probe 5, um den Strahl wirksam zu fokussieren, wobei sich aber nur ein unbedeutender Teil des Felds unter die Probe 5 erstreckt. Dies vermeidet die Wechselwirkung des Felds mit den Proben 5 und mit den Bauelementen unter der Probe 5, die das Feld stören und sich nachteilig auf die Auflösung auswirken könnte. Außerdem besitzt das magnetische Flußmuster eine Konzentration des Magnetfelds in der Nähe der Probe 5. Fig. 5 zeigt die Äquipotentiallinien 80 des Flusses, die ein vorteilhaftes, zu niedrigen Aberrations­ koeffizienten führendes Flußmuster darstellen. Ein solches Feld kann unter Verwendung einer geringeren Leistung erzeugt werden, was die Wärmeerzeugung wirksam reduziert.

Die Dimensionen wie etwa die Höhe und die Winkel können geändert werden. Außerdem ist eine Skalierung der Dimensionen möglich. Die Ebenen von 56, 62 müssen weder flach noch parallel zur Probe 5 sein. Außerdem können in Verbindung mit den beschriebenen Eigenschaften der magnetischen Linse bekannte elektrostatische Verfahren angewendet werden.

Claims (8)

1. Magnetische Linse für ein Instrument, das einen geladenen Teilchen­ strahl auf eine Probe (5) richtet, mit einem Linsenaußenpol (50), einem Linsenin­ nenpol (60) und einer Wicklung (46), dadurch gekennzeichnet, daß
ein Polschuh (40) mit einem Innenjoch (42) und einem Außenjoch (44), die die Wicklung (46) aufnehmen, vorgesehen ist, wobei
der Linsenaußenpol (50) an dem Außenjoch (44) befestigt ist und eine erste Oberfläche mit einer darin definierten ersten Öffnung (57) enthält, die in der Weise positioniert ist, daß der Strahl hindurchläuft;
der Linseninnenpol (60) an dem Innenjoch (42) befestigt ist und eine zweite Oberfläche mit einer darin definierten zweiten Öffnung (67) enthält, die auf die erste Öffnung (57) ausgerichtet ist, jedoch einen kleineren Innendurchmesser besitzt.

2. Magnetische Linse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rand (58), der die erste Öffnung (57) definiert, verjüngt ist.

3. Magnetische Linse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rand (68), der die zweite Öffnung (67) definiert, verjüngt ist.

4. Magnetische Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Öffnung (67) weiter von der Probe (5) entfernt ist als die erste Öffnung (57).

5. Magnetische Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der zweiten Oberfläche, die die zweite Öffnung (67) umgibt, konisch ist.

6. Magnetische Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der ersten Oberfläche, die die erste Öffnung (57) umgibt, eben ist.

7. Magnetische Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Kante (68), die die zweite Öffnung (67) definiert, wenigstens teilweise in die erste Öffnung (57) hinein erstreckt.

8. Magnetische Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kante (58), die die erste Öffnung (57) definiert, von einem Rand (68), der die zweite Öffnung (67) definiert, durch einen Spalt getrennt ist.