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Abbildendes Spektrometer für die Elektronenstrahl-
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Meßtechnik und Elektronenstrahl-Meßgerät Die Erfindung betrifft ein
elektrostatisches Gegenfeld-Spektrometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Für die quantitative Potentialmessung an Meßpunkten auf einer Probenoberfläche,
z.B. an Leitbahnen und Knoten von integrierten mikroelektronischen Bauelementen,
mit Hilfe eines Elektronenstrahl-Meßgerätes ist ein Sekundärelektronen-Spektrometer
erforderlich.
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In einem Elektronenstrahl-Meßgerät werden die zu vermessenden Meßpunkte
auf einer Probenoberfläche, z.B.
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Leitbahnen oder Knoten von integrierten mikroelektronischen Bauelementen,
mit Primärelektronen von etwa 2,5 kV (bzw. 20 kV bei bedeckten Leitbahnen von integrierten
mikroelektronischen Bauelementen) bestrahlt, wobei unter anderem Sekundärelektronen
ausgelöst werden. Hat die zu vermessende Leitbahn des Potential #L, so wird das
Spektrum (genauer die Energieverteilungsfunktion) der Sekundärelektronen um -e eL
in Richtung positiver kinetischer Energie verschoben (mit e ist die positive Elementarladung
bezeichnet.). In einem Sekundärelektronen-Spektrometer kann man diese Verschiebung
des Spektrums der Sekundärelektronen und damit das Potential # #L der zu vermessenden
Leitbahn ermitteln.
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Aus der Veröffentlichung von H.P. Feuerbaum, SEM/1979/ I, SEM Inc.,
AMF O'Hare IL 60 666, 285-296, ist ein Gegenfeld-Spektrometer mit einem ebenen Gegenfeld-Gitter
bekannt. Dieses Gegenfeld-Spektrometer besitzt keine elektronenoptischen Abbildungseigenschaften.
Die ausgelosten
Sekundärelektronen haben eine Raumwinkelverteilung,
die das bekannte Gegenfeld-Spektrometer nicht transmittieren kann, was einen Meßfehler
von 5-10% bedingt.
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Dieser Meßfehler ist hauptsächlich dadurch bedingt, daß ein schräg
gegen das ebene Gegenfeld-Gitter anlaufendes Elektron dieses Gegenfeld-Gitter unter
Umständen nicht mehr passieren kann, wenn ein senkrecht zu diesem Gegenfeld-Gitter
startendes Elektron gleicher Energie dieses Gegenfeld-Gitter gerade noch-passiert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrostatisches
Gegenfeld-Spektrometer der eingangs genannten Art anzugeben, weiches die Raumwinkelverteilung
der Sekundärelektronen berücksichtigt und elektronenoptische Abbildungseigenschaften
aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein elektrostatisches Gegenfeld-Spektrometer
der eingangs genannten Art gelöst, welches die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1 aufweist.
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Bei einem erfindungsgemäßen elektrostatischen Gegenfeld-Spektrometer
gehen nach der Passage des Gegenfeldes keine Sekundärelektronen an den Wänden des
Gegenfeld-Spektrometers mehr verloren. Ein erfindungsgemäßes elektrostatisches Gegenfeld-Spektrometer
bildet im Sekundärelektronen-Strahlengang die Probe stigmatisch auf den Detektor
ab, wobei die unter verschiedenen Winkeln auf der Probenoberfläche beginnenden Sekundärelektronen-Bahnen
senkrecht zum Gegenfeld-Netz (Meßnetz) verlaufen, so daß sich insgesamt eine hohe
Transmission der Sekundärelektronen ergibt.
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Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen,
der Beschreibung und der Zeichnung dar-
gestellt.
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Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes elektrostatisches Gegenfeld-Spektrometer.
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Figur 2 zeigt die Wirkung des Absaugfeldes auf Sekundärelektronen-Bahnen
verschiedener Anfangsneigung.
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Figur 3 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Achse eines erfindungsgemäßen
elektrostatischen Spiegelanalysators CMA nach Figur 1.
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Figur 4 zeigt ein abgewickeltes Innenrohr eines erfindungsgemäßen
elektrostatischen Spiegelanalysators CMA gemäß Figur 1.
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Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes elektrostatisches Gegenfeld-Spektrometer.
Das erfindungsgemäße elektrostatische Gegenfeld-Spektrometer nach Figur 1 bildet
im Sekundärelektronen-Strahlengang des Sekundärelekronenbündels SE die Probe PR
stigmatisch auf den Detektor DT ab, wobei die unter verschiedenen Winkeln auf der
Probenoberfläche beginnenden Sekundärelektronen-Bahnen senkrecht zum Gegenfeld-Netz
(Meßnetz) MN verlaufen, so daß sich insgesamt eine hohe Transmission ergibt.
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Meßpunkte im nichtaktivierten Zustand auf der Probe PR befinden sich
auf dem Potential # = O. Ein mit einem bezeichnetes Potential ist grundsätzlich
als anodenbezogenes Potential angegeben. Die Kathode hat daher das Potential # =
-UB, wobei UB das kathodenbezogene Beschleunigungspotential der Primärelektronen
darstellt.
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Die Sekundärelektronen werden zunächst mit Hilfe eines Saugnetzes
SN von der Probe PR abgesaugt. Als Potential = = U5 des Saugnetzes SN kann beispielsweise
US = 500 V
gewählt werden. Nach dem Absaugen der Sekundärelektronen
durch das Saugnetz SN werden diese Sekundärelektronen anschließend mit einem elektrostatischen
Spiegelanalysator CMA (cylindrical mirror analyzer) aus dem Strahlengang der Primärelektronen
"yherausgeholt". In diesem elektrostatischen Spiegelanalysator CMA wird nur ein
einziges Ringzonen-Segment von den Sekundärelektronen durchflogen, während bei bekannten
elektrostatischen Spiegelanalysatoren (z.B. J.S. Risley, Rev. Sci. Instr.
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43 (1972) 95) die gesamte Ringzone des Spiegelanalysators von den
Sekundärelektronen durchflògen wird. Ein erfindungsgemäßer Spiegelanalysator CMA
erfordert daher nicht den Aufbau des gesamten bekannten drehsymmetrischen Spiegelanalysators,
sondern nur einen einzigen Sektor des Zylinderkondensators eines bekannten Spiegelanalysators.
Dabei genügt in diesem einzelnen Sektor eines bekannten Spiegelanalysators, wie
er für einen erfindungsgemäßen, modifizierten Spiegelanalysator CMA Verwendung findet,
eine näherungsweise Erhaltung des drehsymmetrischen Feldes. Die Probe PR ist erfindungsgemäß
so angeordnet, daß die virtuelle Sekundärelektronen-Quelle, die sich aufgrund des
Absaugfeldes infolge des Saugnetzes SN für kleine Aperturen ergibt, auf der Achse
des Spiegelanalysators CMA liegt.
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Das hinter dem Spiegelanalysator CMA auf der Achse AC des Spiegelanalysators
CMA entstehende Bild wird mit einer verzögernden Zweirohr-Kollimatorlinse ZK (z.B.
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U1 = 10 V) ins Unendliche abgebildet, so daß die Sekundärelektronen
senkrecht zum Gegenfeld-Netz MN (UG - 0...-10 V) auffallen. Dies ermöglicht es erfindungsgemäß,
den beim Stand der Technik beschriebenen Meßfehler zu vermeiden.
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Hinter dem Gegenfeld-Netz MN werden die durchgelassenen Sekundärelektronen
durch ein in der Strahlregion homogenes Feld zwischen dem Gegenfeld-Netz MN und
einem Vorbe-
schleunigungsnetz VN soweit vorbeschleunigt, daß sie
mit einer folgenden, relativ schwachen Zweirohr-Beschleunigungslinse ZB im bildseitigen
feldfreien Raum fokussiert werden. Das letzte Rohr der Zweirohr-Beschleunigungslinse
ZB ist mit einer Endplatte abgeschlossen, in deren Mitte ein Loch für den Detektor
DT vorhanden ist. Der Detektor DT kann ein Durchsicht-Szintillator, ein Fotomultipleier
usw. sein. Bei der Zweirohr-Beschleunigungslinse ZB werden als Spannungen beispielsweise
U3 = 10 U2 = 8 kV gewäblt.
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Zwangaläufig wird in einem erfindungsgemäßen Spiegelanalysator CMA
auch das Primärelektronenbündel abgelenkt.
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Verfolgt man die Primärelektronen rückwärts von der Probe PR aus,
so erhält man den Versatz # und den Ablenkwinkel # der Bündel-Achse PE der Primärelektronenstrahlen,
unter dem die Primärelektronen den erfindungsgemäßen Spiegelanalysator CMA "verlassen".
Mit einem zweietagigen Ablenksystem A1, A2 wird das Primärelektronenstrahlbündel
wieder auf die optische Achse OA des Sondenobjektivs SO zurückgelenkt. Durch diese
Ablenkung an den Ablenkelementen Al, A2 und die Ablenkung im erfindungsgemäßen Spiegelanalysator
CMA besitzt die Primärelektronenstrahl-Sonde zwei- und dreizähligen axialen Astigmatismus
und axiales Koma. Beide Astigmatismen können durch einen Stigmator ST mit zwei-
und dreizähligem Stigmatorfeld korrigiert werden. Der Realteil des Koma (isotropes
Koma) kann durch die Lage der Aperturblende AB korrigiert werden. Der Imaginärteil
des Koma (anisotropes Koma) kann dadurch korrigiert werden, daß das Ablenkelement
A2 teilweise oder ganz in das magnetische Feld des Sondenobjektivs SO geschoben
ist, wobei gleichzeitig das Ablenkelement Al gegen das Ablenkelement A2 verdreht
ist.
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Figur 2 zeigt die Wirkung das Absaugfeldes infolge des
Saugnetzes
SN auf Sekundärelektronen-Bahnen verschiedener Anfangsneigung. Die Probe PR ist
so angeordnet, daß die virtuelle Sekundärelektronen-Quelle QS, die sich aufgrund
des Absaugfeldes infolge des Saugnetzes SN für kleine Aperturen γO O ergibt,
auf der Achse AC des erfindungsgemäßen Spiegelanalysators CMA liegt. Für die Brechung
der Sekundärelektronen-Strahlen im homogenen Absaugfeld gilt folgende Gleichung:
wobei γO und γ1 die in Figur 2 gezeichneten Winkel, US die Absaugspannung
und eUO die Austrittsenergie der Sekundärelektronen aus der Probenoberfläche sind.
Wenn mit lS die Länge der Absaugstrecke bezeichnet ist, so scheinen die Sekundärelektronenstrahlen
aus der Entfernung 1S + 1R (gemessen vom Saugnetz SN) zu kommen:
Für UO«Us, was bei einer erfindungsgemäßen Anordnung der Fall ist, und in paraxialer
Näherung (αO«1) erhält man als Konvergenzverhältnis
Man erhält beispielsweise für lS = 1 mm, UO = 10 V, US = 500 V ein Konvergenzverhältnis
von α/α = 0,14 und 1R = 0,72 mm.
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Ein erfindungsgemäßer Spiegelanalysator CMA besteht aus zwei koaxialen
Kreisrohr-Elektroden, nämlich einem Innenrohr IR und einem Außenrohr AR. Damit die
Potentialflächen auch noch an den Enden der Rohre IR, AR Zylinderflächen bleiben,
sind potentialbelegte nguard rings" oder Isolatoren IS mit einer kleinen Leitfähigkeit
infolge einer Widerstandsschicht WS zwischen den Elektroden IR, AR eingesetzt. Werden
die Ein- und Austrittsöffnungen für die Sekundärelektronen beim erfindungsgemäßen
Spiegelanalysator CMA mit. Gittern versehen, so daß kein Randfeld entsteht und wird
außerdem das äußere Rohr AR auf das Potential Null gelegt, so erhält man eine Fokussierung
zweiter Ordnung für einen Eintrittswinkel #= 42, 307° und R2/R1 = 3,7054, wobei
0 der Winkel zwischen der Achse AC des Spiegelanalysators CMA und der Achse des
Sekundärelektronenbündels SE ist und wobei R1 der Radius des Innenrohres IR und
R2 der Radius des Außenrohres AR sind. Werden die Ein- und Austrittsöffnungen des
Spiegelanalysators CMA nicht mit Gittern versehen, so beulen die Potentialflächen
durch diese Öffnungen nach außen aus und bewirken eine Defokussierung des Sekundärelektronenstrahlenbündels
SE, was jedoch bei der Dimensionierung einer erfindungsgemäßen Anordnung berücksichtigt
werden kann. Man erhält für das Innenrohr IR einen Radius R1 = 5 mm und für das
Außenrohr AR einen Radius R2 = 18,5 mm.
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Die in Figur 1 eingezeichnete Höhe H ist H#R2/sin #@ 28 mm, was ein
Maß für die Höhe des erfindungsgemäßen Gegenfeld-Spektrometers ist.
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Figur 3 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Achse des erfindungsgemäßen
Spiegelanalysators CMA. Bei bekannten Spiegelanalysatoren wird die gesamte Ringzone
von = 360° genutzt, während bei einer erfindungsgemäßen Anordnung nur ein Segment
eines bekannten Spiegelanalysators von Sekundärelektronen durchflogen wird. Daher
wird
bei einer erfindungsgemäßen Anordnung auch nicht der gesamte
zylindersymmetrische bekannte Spiegelanalysator benötigt, sondern z.B. etwa nur-wie
in Figur 3 gezeigteine Hälfte eines bekannten Spiegelanalysators, wobei potentialbelegte
Drahtelektroden DE in Achsenrichtung vorgesehen werden können, damit die Potentiallinien
in der Sekundärelektronenstrahlregion in besserer Näherung Kreise sind. Diese Drahtelektroden
DE sind Jedoch in einer Minimal ausführung der Erfindung nicht unbedingt notwendig.
Es besteht auch die Möglichkeit, für eine Ringzonensegment-Fokussierung der Sekundärelektronen
den gesamten Spiegelanalysator CMA zu bauen, wobei die ein- und ausfallenden Strahlen
der Sekundärelektronen im zusätzlich zu der in Figur 3 gezeigten Anordnung vorhandenen
Teil des Spiegelanalysators CMA durch strahlumschließende Rohre abgeschirmt werden.
Figur 3 zeigt also ein halbiertes Innenrohr IR, ein halbiertes Außenrohr AR, einen
Teil des Sekundärelektronenstrahlbündels SE, Drahtelektroden zur Randfeldbegrenzung
DE und ein erstes Rohr ZK1 der Zweirohr-Kollimatorlinse ZK.
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Figur 4 zeigt ein abgewickeltes Innenrohr IR eines erfindungsgemäßen
Spiegelanalysators CMA. Das Innenrohr IR weist eine Eintrittsöffnung EO der Sekundärelektronen
auf, welche gleichzeitig als Austrittsöffnung des Primärelektronenstrahls dient.
Weiter besitzt das Innenrohr IR eine Austrittsöffnung AO der Sekundärelektronen.
Eintrittsöffnung EO und Austrittsöffnung AO der Sekundärelektronen können jeweils
mit einem Netz NR zur Randfeldbegrenzung versehen sein. Dieses Netz NR ist jedoch
nicht unbedingt notwendig.
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Zwangsläufig wird im Spiegelanalysator CMA auch das sondenformende
Primärelektronen-Bündel abgelenkt. Für den Ablenkwinkel # und den Versatz # der
Bündel-Achse PE der Primärelektronenstrahlen erhält man:
@ = =
3,2° = 5,6 . 10-2 rad, #= 1,6 mm für UB = 2,5 kV; = 0,43° = 7,4. 10-3 rad, @ = 0,2
mm für UB = 20 kV.
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Dabei wurden die weiter oben angegebenen Gleichungen mit einem Durchmesser
des Innenrohres IR von R1 = 5 mm zugrundegelegt. Mit einem zweistufigen Ablenksystem
A1, A2 vor dem Sondenobjektiv SO wird der Primärelektronenstrahl so abgelenkt, daß
er mit dem Winkel # in den Spiegelanalysator CMA eintritt und senkrecht zur Probe
PR landet.
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Durch die Primärelektronenstrahlablenkung im Spiegelanalysator CMA
und im zweistufigen Strahlablenksystem A1, A2 vor dem Sondenobjektiv SO wird die
Primärelektronen-Sonde verzerrt, hauptsächlich durch den zweizähligen axialen Astigmatismus
und weiter durch dreizähligen axialen Astigmatismus und axiales Koma. Da die Ablenkungen
des Primärelektronenstrahles statisch sind, können beide Astigmatismen einfach durch
einen Stigmator ST mit zwei-und dreizähligem Stigmatorfeld korrigiert werden. Das
Koma setzt sich zusammen aus einem Teil, der direkt von den Ablenkfeldern der Ablenkelemente
Al, A2 verursacht wird und einem Teil, der verursacht wird von der schiefen Durchstrahlung
der Rundlinse im Sondenobjektiv SO, für die der Primärelektronenstrahl von einem
außeraxialen Punkt zu kommen scheint. Wäre das Sondenobjektiv SO elektrostatisch,
so wäre der Ablenkschnitt unverwunden und das Koma rein isotrop. Meistens ist das
Sondenobjektiv SO aber magnetisch, und Ablenkschnitt vor der Linse des Sondenobjektivs
SO und nach der Linse des Sondenobjektivs SO sind gegeneinander verdreht, weshalb
das Koma zusätzlich einen anisotropen Anteil besitzt. Der isotrope Anteil des Koma
(Realteil des Koma) hängt von der Blendenlage der Aperturblende AB ab und kann durch
Verschieben der Aperturblende AB korrigiert werden. Wird mit zKA die Lage der Aperturblende
AB, für welche das isotrope Koma der Rundlinse im Sondenobjetiv SO Null ist, bezeichnet,
so
muß die Aperturblende AB verschoben werden, damit das gesamte
isotrope Koma, verursacht von allen Ablenkungen und der Rundlinse im Sondenobjektiv
SO, verschwindet.
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Falls der verbleibende Imaginärteil des Koma (anisotropes Koma) noch
stört, kann das Ablenkelement A2 teilweise oder ganz in das magnetische Rundlinsenfeld
des Sondenobjektivs SO geschoben und gleichzeitig gegen das Ablenkelement Al verdreht
werden, wodurch das anisotrope Koma korrigiert wird.
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Um mit dem Primärelektronenstrahl über die Probe PR rastern zu können,
müssen die Eintrittsöffnung des Primärelektronenstrahls in den Spiegelanalysator
CMA und die Austrittsöffnung EO des Primärelektronenstrahls (gleichzeitig Eintrittsöffnung
des Sekundärelektronenstrahls) genügend groß sein. Um große Randfelder zu vermeiden,
können Gitter NR in den Öffnungen EO, AO des-Innenrohrs IR vorgesehen werden. Ablenkelement
A1 und/oder Ablenkelement A2 können zusätzlich für die dynamische Primärelektronenstrahlrasterung
eingesetzt werden.
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Die in Figur 1 gezeigten Zweirohr-Linsen ZK, ZB können direkt mit
den Tabellen von E. Harting et al, Electrostatic Lenses, Elsevier Sci. Publ. Co.
(1976) dimensioniert werden. @1 und @2 in Figur 1 sind keine Brennweiten, sondern
die Abstände der Brennpunkte der Zweirohr-Linsen ZK, ZB von der jeweiligen Linsenmitte.
Die einzelnen Linsendaten sind: Beispiel für die Zweirohr-Kollimatorlinse ZK : Rohrdurchmesser
D1 = 20 mm, Spaltbreite G1 = 2 mm, Potential des 1. Rohres ZK1: US = 500 V, Potential
des 2. Rohres U1 = 10 Brennpunktlage @1 = 5 mm.
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Beispiel für die Zweirohr-Beschleunigungslinse ZB: Rohrdurchmesser
D2 = 40 mm, Spaltbreite G2 = 20 mm, Potential des 1. Rohres U2 = 800 V, Potential
des 2. Rohres U = 8 kV, Brennpunktslage # = 52, 4 mm.
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Der Spiegelanalysator CMA von Figur 1 weist noch Abschirmbleche AH
auf. Die optische Achse der Rohrlinsen ist mit OR bezeichnet. Das Meßnetz MN ist
über einen Isolator IS an den Zweirohr-Beschleunigungslinsen ZK, ZB befestigt.
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10 Patentansprüche 4 Figuren
L e e r s e i t e