DE2635356C2 - Rasterelektronenmikroskop zur Messung von Abständen zwischen Objektstrukturen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Rasterelektronenmikroskop zur Messung von Abständen zwischen Objektstrukturen, vorzugsweise auf Objekten der Mikroelektronik, z. B. auf strukturierten Halbleiterscheiben und Fotoschablonen.

Bekannt sind bereits hochauflösende und hochvergrößernde Rasterelektronenmikroskope zur Darstellung von Objekteinzelheiten auf Bildschirmen und zur Fotografie der Schirmbilder bei Ausnutzung verschiedener vom Objekt ausgehender Bildsignale. Bei diesen Rasterelektronenmikroskopen sind die durch physikalische Bedingungen gegebenen Möglichkeiten bezüglich Auflösungsvermögen, Signalgewinnung, -verarbeitung und -darstellung nahezu vollständig ausgeschöpft Sie

werden vor allem tür qualitative Untersuchungen eingesetzt

Ein Nachteil dieser Rasterelektronenrnikroskope besteht darin, daß quantitative Untersuchungen, insbesondere Messungen von Abständen zwischen Objektstruktüren nur auf indirektem Weg durch Auswertung der Fotografie der Schinnbilder durchgeführt werden können, falls die Vergrößerung geeicht ist

Die bekannten Rasterelektronenmikrpskope können nur zu Messungen von Abständen bis ca. 50 μπι mit hoher Genauigkeit verwendet werden, d. h. nur zu Messungen von Abständen zwischen Strukturkanten, die vollständig auf dem Bildschirm dargestellt werden können. Es ist nur möglich, Objekte mit sehr kleinen Abmessungen mit hoher Genauigkeit zu untersuchen. Bisher wurde die in der Regel von Hanu ausgeführte Objektverschiebung nicht zur Messung großer Abstände zwischen Objektstrukturen ausgenutzt Hier sei darauf hingewiesen, daß es bei einem Rasterelektronenmikroskop zur Messung der Höhe von Objektstrukturen bekannt ist, die Objektverschiebung mittels Motoren durchzuführen (US-PS 38 46 849).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rasterelektronenmikroskop zur Messung von Abständen zwischen Objektstruhturen zu schaffen, mit dem an Objekten mit großen Abmessungen Abstände zwischen Objektstrukturen bis zu einem Dezimeter mit hoher Genauigkeit gemessen werden können.

bie Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Elektronenstrahlmeßsystem vorgesehen ist, das zusätzlich zu bekannten rastermikroskopischen Mitteln eine Elektronenstrahlpositioniereinrichtung zum Positionieren des Elektronenstrahls auf dem Objekt und eine Einrichtung zum Projizieren eines geeichten objektbezogenen Maßstabsystem auf die Leuchtschicht der Bildröhre enthält, und daß das Elektronenstrahlmeßsystem mit einem System zur Messung der Objektverschiebung kombiniert ist. Mit dem erfindungsgemäßen Rasterelektronenmikroskop können in gleicher Weise wie bei den bekannten Rasterelektronenmikroskopen qualitative Untersuchungen von Objekten durchgeführt werden.

Als System zur Messung der Objektverschiebung in zwei zueinander senkrechten Richtungen wird vorteil-

haft ein Laserwegmeßsystem eingesetzt

Weiterhin ist es zweckmäßig, daß die Einrichtung zur Objektverschiebung aus einem jr-y-Präzisionskoordinatentisch, Präzisionsspindeln, Schrittmotoren sowie aus einer Steuereinrichtung für Handsteuerung und/oder Programmsteuerung bei automatischer Objektpositionierung besteht und so ausgebildet ist daß sie eine Objektverschiebung bis zu einem Dezimeter in x- und y-Richtung gestattet Damit können Messungen von Abständen bis zu einem Dezimeter mit einer Genauigkeit von mindestens einem Zehntel Mikrometer durchgeführt werden und es können bestimmte, vorher ausgewählte Positionen von Objekten mit großen Abmessungen mit hoher Genauigkeit eingestellt werden.

Der Meßwert für den Abstand A = D+d zwischen zwei Objektstrukturen wird im allgemeinen Fall aus zwei Anteilen zusammengesetzt, der Objektverschiebung D, die mit dem Laserwegmeßsystem ermittelt wird, und der mit dem Elektronenstrahlmeßsystem bestimmten Größe d.

Das Laserwegmeßsystem wird vorteilhaft in den Rückkopplungszweig der Objektiischsteuerang eingeschaltet und dadurch eine automatische ObjelCyositionierung mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern ermöglicht

Das automatische Positioniersystem für die Objektverschiebung sorgt dafür, daß die Größe D der Objektverschiebung dem auszumessenden Abstand A sehr nahe kommt so daß die Größe d maximal nur einige Mikrometer beträgt

Die Bauteile des x-y-Präzisionskoordinatentisches können vorteilhafterweise zur Vermeidung von Rückwirkungen auf den Primärelektronenstrahl bei der Tischverschiebung aus einer unmagnetischen Berylliumlegierung hergestellt werden, so daß bei Tischverschiebungen der Primärelektronenstrahl um weniger als ein Hundertstel Mikrometer relativ zur elektronenoptischen Säule verschoben wird.

Günstig ist es, die Meßprismen des Laserwegmeßsystems für die x- und y-Richtung als lange Dachkantprismen auszubilden und direkt auf dem Objekttisch anzuordnen.

In die Steuereinrichtung des Objekttisches ist zweckmäßig ein Steuerrechner einbezogen, der für den Vergleich des Sollwertes der Objektverschiebung mit dem mittels des Laserwegmeßsystems bestimmten Istwert der Objektverschiebung vorgesehen ist

Die Objektverschiebung mit automatischer Objektpositionierung kann durch Hand- oder durch Lochbindeingabe von Koordinaten in den peripheren Teil der Steuereinrichtung des Objükttisches vorgegeben und ausgelöst werden. Bei Lochbandeingabe ist eine Programmsteuerung der Objektverschiebung und des Meßablaufs möglich.

Vorteilhaft ist eine Einrichtung zur vorzeichenrichtigen und richtungsabhängigen automatischen Addition der Meßwerte, die mit dem Elektronenstrahlmeßsystem und dem Laserwegmeßsystem ermittelt werden, und eine Anzeigeneinheit zur Darstellung des resultierenden Wertes für den Abstand der Objektstrukturen.

Die Objektverschiebungseinrichtung kann vorteilhaft eine Einrichtung zur Messung der Objekttemperatur mit der Genauigkeit von einem Zehntel Grad enthalten. Hierdurch kann die Wärmeausdehnung der Objekte berücksichtigt und der Meßwert für den Abstand zwischen Objektstrukturen auf eine bestimmte Temperatur bezogen werden.

Weiterhin ist 'Zur Reduzierung von Relativbewegungen zwischen Meß- und Referenzprismen des Laserwegmeßsystems eine Einrichtung zur Stabilisierung der Temperatur der Objektkammer vorteilhaft

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt in

F i g. 1 den Aufbau des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Rasterelektronenmikroskops,
F i g. 2 das mit dem Rasterelektronenmikroskop ausführbare Verfahren zur Messung von Abständen zwischen Objektstrukturen.

In einer evakuierten elektronenoptischen Säule 1 der F i g. 1 sind ein Elektronenstrahler 2, zwei elektromagnetische Verkleinerungslinsen 3 und 4, ein elektromagnetischer Stigmator 5 und eine Aperturblende 6 zur Erzeugung eines feinfokussierten Primärelektronenstrahles 7 angeordnet Dieser Elektronenstrahl dient mit Hilfe zweier Ablenksysteme Sx und 8;/ in der elektronenoptischen Säule 1 zum Abrastern der Oberfläche des Objektes 9 in A-- und ^-Richtung. Die dabei vom Objekt 9 ausgehenden Sekundär- und reflektu'ten Elektronen sowie die vorn Objekt 9 absorbierten tiektrenen werden mit Auffänger- und Verstärkereinrichtungen 10; 11 und 12 gesammelt und zur Erzeugung von Bildsignalen 13 benutzt Ein Rastergenerator 14, der über eine Schaltung 15 mit den Ablenksystemen Sx und Sy und über Schalter 16 mit Ablenksystemen i7x und 17y der Bildröhren 18; 19 und 20 verbunden ist, steuert die Ablenksysteme Sx und Sy sowie 17* und 17^. Mit der Schaltung 15 ist durch Veränderung der Ablenkströme der Ablenksysteme Sx und 8yaie Vergrößerung einzustellen.

Das Elektronenstrahlmeßsystem enthält eine Elektronenstrahipositioniereinrichtung 21 mit weiteren elektromagnetischen Ablenksystemen 2ix und 21yzur Elektronenstrahlpositionierung in x- und y-Richtung mit kalibrierten Schritten von 0,05 μπι innerhalb eines Ablenkbereiches von ± 10 μπι. Die Elektronenstrahlpositionierung erfolgt manuell unter Beobachtung der Objektstrukturen auf dem Bildschirm. Die Größe der AWenkung als ganzzahliges Vielfaches der Schrittweite von 0,05 μΐη kann automatisch und vorzeichenrichtig auf eine Ar.zeigeeinheit 22 übertragen werden, die auch das Meßergebnis des Laserwegmeßsystems anzeigt.
Weiterhin enthält das Elektronenstrahlmeßrystem eine Projektionseinrichtung 23 zum Projizieren eines geeichten, objektbezogenen Maßstabsnetzes auf die Leuchtschicht der Bildröhre 20, das in F i g. 2 dargestellt und anhand der Darstellung näher erläutert wird, zur parallaxenfreien Ablesung der Lage der Objektstrukturen auf dem Bilschirm. Das Maßstabsnetz ist so ausgebildet, daß der exakte Wert der Vergrößerung und die Verzeichnung an den biidrändern berücksichtigt sind.

Eine Objektkammer 24 enthält einen Präzisionskoordinatent'seh 25 mit einem Objektverschiebebereich von einem Dezimeter in x- und y-Richtung. Präzisionsspindeln 26, die am Prijzisionskoordinatentisch 25 angebracht sind, und Schrittmotoren 27 ermöglichen die ferngesteuerte Objektverschiebung. Die Schrittmotoren 27 sind mit einem Steuerrechner 28 verbunden, dessen peripherer Teil 2j zur Dateneingabe dient.

Über den Steuerrechner 28 erfolgen die gesamte Tischsteuerung und der Vergleich des eingegebenen Sollwertes der Objektverschiebung mit derr- mittels eines in den Rückkopplungszweig der Tischsteuerung eingeschalteten Laserwegmeßsystems 30 gemessenen Istwert.

Das Laserwegmeßsystern ist mit einem He-Ne-Laser ausgerüstet und als inkrementales Meßsystem mit ei-

nem Inkrement/i/16 = 0,04 pm ausgebildet.

Zwei Meßprismen 31 des Laserwegmeßsystems 30 für die χ- und y-Richtung befinden sich direkt auf dem Objekttisch 25. Weiterhin sind zwei Referenzprismen 32 für die jr-Richtung in der Objektkammer 24 so angeordnet, daß möglichst geringe Relativbewegungen zwischen Meß- und Referenzprisma infolge Temperaturänderung der Objektkammer auftreten. Zusätzlich sorgt eine Einrichtung 33 zur Stabilisierung der Temperatur der Objektkammer dafür, daß die Relativbewegung zwischen Meß- und Referenzprismen möglichst gering bleibt.

Mit einer Temperaturmeßeinrichtung 34 wird die bei der Abstandsmessung vorliegende Temperatur des Objektes 9 mit der Genauigkeit von einem Zehntel Grad angezeigt.

Die Abstandsmessung zwischen Objektstrukturen kann wahlweise anhand des rasterelektronenmikroskopischen Bildes der Strukturen auf dem Bildschirm und/ oder anhand von Signal-Profil-Kurven der Strukturen, die bei Linienrasterung in x- oder ^-Richtung entstehen und mittels Signalverstärkern 35 und Wahlschaltern 16 auf dem Bildschirm dargestellt werden können, ausgeführt werden.

Anhand Fig. 2 soll die Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Rasterelektronenmikroskops näher erläutert werden.

Eine Strukturkante 36 des Objektes 9 wird durch Eingabe einer Koordinate in den peripheren Teil 29 des Steuerrechners 28 und durch anschließende Verschiebung des Objekttisches 25 bei einer bestimmten Vergrößerung möglichst in die Mitte des Bildschirmes der Bildröhre 20 gebracht. Infolge der Ungenauigkeit der Eingabekoordinate relativ zu einem Objektnullpunkt und des Tischpositionierfehlers liegt die Strukturkante 36 nicht genau in der Bildschirmmitte, sondern um den Abstand d 1 verschoben. Der Abstand d I wird mit Hilfe eines aufprojizierten Maßstabsnetzes 37 bestimmt, das im praktischen Fall bei einer Vergrößerung von 10 000 ein Kreuzgitter mit einer 1-mm-Teilung ist. Zusätzlich wird der Zählerstand D 1 der Anzeigeeinheit 22 des Laserwegmeßsystems abgelesen.

Eine Strukturkante 38 des Objektes 9 wird durch Eingabe' einer Koordinate und durch anschließende Verschiebung des Objekttisches bei sonst unveränderten Einstellparametern des Rasterelektronenmikroskops auf dem Bildschirm 20 dargestellt. Die Strukturkante 38 liegt danach im allgemeinen Fall um den Abstand d2, der mit Hilfe des aufprojizierten Maßstabes 37 bestimmt wird, gegen die Bildschirmmitte versetzt so

Zusätzlich wird der Zählerstand D 2 abgelesen, und der Meßwert für den Abstand zwischen den Strukturkanten 36 und 38 wird zu

D2-Di+d2-di

bzw. zu

D+d

bzw. zu

berechnet.

Bei automatischer Verknüpfung der Meßwerte des Laserwegmeßsystems für die Objektverschiebung D mit der Größe der Elektronenstrahlpositionierung d werden die Strukturkanten 36 und 38 mittels der Elektronenstrahlpositioniereinrichtung nacheinander zur Deckung mit tier Nullmarke 39 in der Bildschirmmitte gebracht. Der Meßwert für den Abstand A = D+ d wird automatisch gebildet und auf der Anzeigeeinheit 22 dargestellt.

Zur Bestimmung von Abständen zwischen Objektstrukturen, die vollständig auf dem Bildschirm dargestellt werden können, dient allein das mit hoher Genauigkeit arbeitende Elektronenstrahlmeßsystem.

55

60

berechnet

Zweckmäßig wird die Größe d 1 durch Verschiebung der Strukturkante 36 mit der Elektronenstrahlpositioniereinrichtung in die Bildschirmmitte und die Größe D1 durch Nullung des Zählerinhaltes der Anzeigeeinheit 22 des Laserwegmeßsystems zu Null gemacht wodurch das Verfahren vereinfacht wird. Der Meßwert für den Abstand wird dann zu

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Rasterelektronenmikroskop zur Messung von Abständen zwischen Objektstrukturen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektronenstrahlmeßsystem vorgesehen ist das zusätzlich zu bekannten rastermikroskopischen Mitteln eine Elektronenstrahlpositioniereinrichtung zum Positionieren des Elektronenstrahls auf dem Objekt (21,2Ix, 2IyJ und eine Einrichtung (23) zum Projizieren eines geeichten objektbezogenen Maßstabsystems auf die Leuchtschicht der Bildröhre (20) enthält, und daß das Elektronenstrahlmeßsystem mit einem System (30) zur Messung der Objektverschiebung kombiniert ist

2. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das System zur Messung der Objektverschiebung in zwei senkrecht zueinanderstehenden Richtungen ein Laserwegmeßsystem (30) ist

3. Raste^tektronenmikroskop nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet daß die Einrichtung zur Objektverschiebung aus einem -v-y-Präzisionskoordinatentisch (25), Präzisionsspindeln (26), Schrittmotoren (27) sowie aus einer Steuereinrichtung für Handsteuerung und/oder Programmsteuerung (28) bei automatischer Gbjektpositionierung besteht und so ausgebildet ist daß sie eine Objektverschiebung bis zu einem Dezimeter in x- und y-Richtung gestattet

4. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1 bis 3, dadurc'ii gekennzeichnet daß das Laserwegmeßsystem (30) in den Rückkop.-Iungszweig der Objekttischsteuerung eingeschaltet und dadurch eine automatische Objektpositionien ig mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern möglich ist

5. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile des jr-y-Präzisionskoordinatentisches (25) zur Vermeidung von Rückwirkungen auf den Primärelektronenstrahl bei der Tischverschiebung aus einer unmagnetischen Berylliumlegierung hergestellt sind.

6. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßprismen des Laserwegmeßsystems (30) für die x- und y-Richtung als lange Dachkantprismen (31) ausgebildet und direkt auf dem Objekttisch (25) angeordnet sind.

7. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß ein Steuerrecbner (28) in die Steuereinrichtung des Objekttisches einbezogen und für den Vergleich des Sollwertes der Objektverschiebung mit dem mittels des Laserwegmeßsystems (30) bestimmten Istwert der Objektverschiebung vorgesehen ist.

8. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektverschiebungseinrichtung eine Einrichtung (34) zur Messung der Objekttemperatur mit der Genauigkeit von einem Zehntel Grad enthält.

9. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reduzierung von Relativbewegungen zwischen Meß- und Referenzprismen (31, 32) des Laserwegmeßsystems (30) eine Einrichtung (33) zur Stabilisierung der Temperatur der Objektkammer (24) vorgesehen ist.

10. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur vorzeichenrichtigen und richtungsabhängigen automatischen Addition der Meßwerte, die mit dem Elektronenstrahlmeßsystem und dem Laserwegmeßsystem (30) ermittelt werden, vorgesehen ist und daß eine Anzeigeeinheit (22) zur Darstellung des resultierenden Wertes für den Abstand (A) der Objektstnikturen dient