DE3636506A1 - Spiralabtastverfahren - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Strahlabtastverfahren gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1, insbesondere ein Ionenstrahl
abtastverfahren.
Zur Untersuchung von Atom- oder Molekülkonzentrationen in Festkör
perproben, wie Halbleitermaterialien, integrierten Schaltungen
etc. werden Proben mit einem Primärteilchenstrahl über ein
Feld gegebener Größe abgetastet. Beim Auftreffen der Primärteil
chen auf die Probe werden aus dieser Sekundärteilchen (Atome,
Moleküle) ausgelöst. Die Sekundärteilchen werden beim Herausschla
gen aus der Probe zu einem bestimmten Bruchteil ionisiert,
die Ionen können in einem auf geladene Teilchen ansprechenden,
selektiven Detektor, z. B. in einem massenselektiven, aus einem
Quadrupolmassenfilter, und einem Photomultiplyer mit Zähler
bestehenden Detektor detektiert und analysiert werden, womit
es möglich ist, entsprechende Atom- oder Molekülkonzentrationen
in der Probe zu bestimmen.
Bei einem aus dem Aufsatz "Time-of-Flight Effects in Quadrupol-Based
Scanning Ion Microprobes", K. Wittmaack, SCANNING Vol. 3, 2
(1980) bekannten Ionenstrahlabtastverfahren wird ein Ionenstrahl,
ähnlich wie der Elektronenstrahl in einer Fernsehbildröhre,
zeilenweise über das abtastende Feld der Probe geführt. Die
Sekundäratome oder -moleküle werden, zum Teil als Sekundärionen,
jeweils an der Stelle freigesetzt, an der der Primärionenstrahl
auf die Probe auftrifft. Zwischen dem Auftreffen des Primärionen
strahls auf ein, hier im weiteren als "Pixel" bezeichnetes,
Flächenelement der Probe und der Detektion der Sekundärteilchen
im Detektor vergeht eine gewisse Zeitspanne, die als "Offset-Zeit"
Δ τ bezeichnet werden soll. Die Offset-Zeit ist von Masse,
Energie und Ladung der Sekundärionen abhängig und unterliegt
außerdem naturgemäß einer statistischen Verteilung, so daß
die Offset-Zeit Δ τ mit einem mittleren Zeitfehler Δ t behaftet
ist. Das bedeutet, daß die Sicherheit mit der im Detektor detektier
te Sekundärionen einem bestimmten Pixel zugeordnet werden können
umso geringer ist je größer die Abtastgeschwindigkeit ist.
Um eine hohe Ortsauflösung zu erreichen, wird der Primärionenstrahl
daher mit einer vergleichsweise niedrigen Abtastgeschwindigkeit
über das Feld der Probe geführt.
Das bekannte Sekundärionenmassenspektroskopieverfahren oder
kurz Ionenstrahlabtastverfahren ist ein äußerst vielseitiges
Verfahren. Einerseits ist es möglich, Atom- oder Molekülkonzentra
tionen in Abhängigkeit vom Ort des Auftreffens des Primärionen
strahls zu registrieren und damit deren räumliche Verteilung
- sowohl lateral zur Richtung des Primärionenstrahls, wie auch,
durch Abtragen der obersten Atom- bzw. Moleküllagen auch über
eine bestimmte Tiefe der Probe - zu untersuchen. Andererseits
ist es möglich, durch Registrierung der Sekundärionen in Abhängig
keit von der Sekundärionenmasse durch Durchstimmen des Quadrupolmas
senfilters ein Massenspektrum der Atom- oder Molekülkonzentration
zu erhalten.
Die weitaus häufigste Anwendung des Ionenstrahlabtastverfahrens
besteht heute darin, durch Verwendung hoher Primärionenstrahl
stromdichten die Materialabtragungsrate so weit zu erhöhen,
daß sich im abgetasteten Feld ein "Krater" bildet, aus dem
bei jedem Abtastvorgang eine weitere Materialschicht abgetragen
wird. Auf diese Weise ist es möglich, ein Tiefenprofil von
Atom- oder Molekülkonzentrationen in der Probe zu gewinnen.
Bei sehr vielen zu untersuchenden Proben, z. B. bei Halbleitermate
rialien, die durch Diffusion oder Ionenimplantation dotiert
sind, variiert die Konzentration des zu untersuchenden Elements
in einer dünnen Oberflächenschicht um viele Größenordnungen.
Beim Registrieren der Sekundärionen ist es daher wichtig, die
Meßergebnisse der in einer bestimmten Tiefe abgetragenen Sekundär
ionen geringer Konzentration nicht durch die am Rand des Kraters
in geringerer Tiefe abgetragenen Sekundärionen hoher Konzentration
zu überdecken und damit unbrauchbar zu machen.
Damit derartige "Kraterrandeffekte" ausgeschlossen werden können,
wird im Inneren des Kraters, der die Fläche des gesamten vom
Primärionenstrahl abgetasteten Feld annimmt, allgemein in der
Kratermitte ein "Fenster" gesetzt, dessen Rand weit genug vom
Kraterrand entfernt ist, um den Einfluß der Kraterrandeffekte
weitestgehend auszuschließen, wobei nur diejenigen Sekundärionen
registriert werden, die während der Zeitspanne detektiert worden
sind, die derjenigen entspricht, während der sich der Primärionen
strahl innerhalb des Fenster befunden hat.
Beim zeilenweisen Abtasten passiert der Primärionenstrahl in
jeder das Fenster erfassenden Zeile zweimal den Rand des Fensters,
nämlich einmal zum Zeitpunkt t 1 beim Eintritt in das Fenster
und ein zweites Mal zu einem Zeitpunkt t 3 beim Austritt aus
dem Fenster. Dabei ist die Offset-Zeit Δ τ, die von Masse,
Energie und Ladung der Sekundärionen abhängt und in der Praxis
nur mit erheblichem Aufwand gemessen werden kann, zu berücksich
tigen, denn zum Zeitpunkt t 1 beim Eintritt in das Fenster werden
am Detektor erst die Sekundärionen detektiert, die an einer
Stelle, die dem Zeitpunkt t 1-Δ τ entspricht, aus der Probe
gelöst worden sind. Entsprechendes gilt auch für den Zeitpunkt
t 3 des Austritts aus dem Fenster. Da die Offset-Zeit Δ τ mit
dem Zeitfehler Δ t behaftet ist, können die Zeitpunkte t 1 und
t 3 nur mit einer Genauigkeit Δ t bestimmt werden. Die Ränder
am Anfang und am Ende des Fensters bezogen auf die Bewegungsrichtung
des Primärionenstrahls werden also umso mehr "verschmiert",
je größer der Zeitfehler Δ t ist gegenüber der Verweilzeit
des Primärionenstrahls auf einem Pixel. Um die Lage und Form
des Fensters in der Kratermitte beizubehalten, ist daher beim
zeilenweisen Abtasten eine relativ niedrige Abtastgeschwindig
keit erforderlich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Strahlabtastver
fahren, insbesondere ein Ionenstrahlabtastverfahren anzugeben,
bei dem bei beträchtlich erhöhter Abtastgeschwindigkeit Lage
und Form des Fensters nicht verändert werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Strahlabtastverfahren mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprü
chen 2 bis 10 gezeichnet.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Sekundärmassenspektro
meters, wie es für die Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeignet ist;
Fig. 2a in Draufsicht eine schematische Darstellung eines zeilenwei
se durch einen Primärionenstrahl abgetasteten Probenfeldes;
Fig. 2b ein Fenster vorgegebener Größe aus dem zeilenweise
abgetasteten Probefeld der Fig. 2a;
Fig. 3a in Draufsicht eine schematische Darstellung eines spiralför
mig abgetasteten Probefeldes; und
Fig. 3b mehrere Fenster vorgegebener Größe aus dem spiralförmig
abgetasteten Probefeld der Fig. 3a.
In Fig. 1 ist schematisch der Aufbau eines in einen (nicht
dargestellten) Vakuumrezipienten aufgebauten Sekundärionenmassen
spektrometers dargestellt. Der in einer Plasmaionenquelle (1)
erzeugte Primärionenstrahl durchläuft zunächst eine aus einer
Immersionslinse (2) und einem Wien′schen Geschwindigkeitsfilter
mit Strahljustierung (3) bestehende Strahlformungseinrichtung.
Im weiteren Verlauf des Strahlengangs befinden sich, wie aus
Fig. 1 ersichtlich, ein Sichtkeil (4) und eine variable Objektblende
(5). Der Sichtkeil (4) kann bei Bedarf zur Justierung des Strahlen
gangs in diesen geschwenkt werden. Die variable Objektblende
(5) dient dazu, den Durchmesser des Primärionenstrahls einzustel
len. Nach dem Durchlaufen einer Druckstufe (6) wird der Primär
ionenstrahl in eine Einrichtung (7) zum Unterdrücken von Neutral
teilchen geringfügig (in diesem Fall um 2°) aus seiner ursprüng
lichen Richtung abgelenkt, wodurch neutrale Teilchen aus dem
weiteren Verlauf des Primärionenstrahls ausgeblendet werden.
Nach dem Durchlaufen einer Ionenlinse (8) zur Feinfokussierung
tritt der Primärionenstrahl in eine Ablenkeinrichtung (9) ein.
In der Ablenkeinrichtung (9) wird der Primärionenstrahl durch
zwei senkrecht zueinander wirksame elektrische Felder aus seiner
ursprünglichen Richtung abgelenkt und in einem vorgegebenen
Raster über die Probe (10) geführt. Ein Teil der beim Auftreffen
des Primärionenstrahls auf die Probe (10) aus dieser herausgeschla
genen Sekundärionen treten nach dem Passieren einer (nicht
dargestellten) Sekundärionenoptik in ein Quadrupolmassenfilter
(11) ein. Das Quadrupolmassenfilter (11) ist einstellbar selektiv
nur für Sekundärionen mit einem bestimmten Ladungs/Masse-Verhältnis
durchlässig. Die vom Quadrupolmassenfilter (11) durchgelassenen
Sekundärionen werden in einem Ionendetektor (12) z. B. einem
Channeltron detektiert.
Vor der Erläuterung der Eigenschaften des erfindungsgemäßen
Spiralabtastverfahrens soll zunächst das bisherige Verfahren
mit zeilenweiser Abtastung betrachtet werden:
Fig. 2a zeigt schematisiert ein von einem Primärionenstrahl
abgetastetes Probenfeld, wobei der Primärionenstrahl, ähnlich
wie der Elektronenstrahl in einer Kathodenstrahlröhre, zeilenweise
über das Probenfeld geführt wird. Als Beispiel sei angenommen,
daß das Probenfeld mit einer Auflösung von 256 Zeilen abgetastet
wird, und jede Zeile 256 Bildelemente oder "Pixel" enthält.
Es wird z.B. zum Unterdrücken von Kraterrandeffekten bei der
Aufnahme eines Tiefenprofils von Atom- oder Molekülkonzentrationen
in der Probe ein "50%-Fenster", d.h. ein Fenster mit einer
Seitenlänge von 50% des abgetasteten Feldes, gesetzt, mit dement
sprechend 128 Zeilen zu je 128 Pixeln gesetzt. Geht man, z.B.
davon aus, daß zum Abtasten des gesamten Probenfeldes eine
Sekunde aufgewendet wird, dann bedeutet dies, daß sich der
Primärionenstrahl für 1/256 s in jeder Zeile und damit für
eine Dauer von 1/512 s, d.h. rund 2 ms innerhalb des Fensters
befindet und beim Abtasten 128mal in das Fenster eintritt und
128mal aus dem Fenster austritt. Der zeitliche Abstand des
Auftreffens des Primärionenstrahls auf den Kraterrand bis zum
Eintritt des Primärionenstrahls in das Fenster beträgt dabei
1/1024 Sekunden, d.h. rund 1 Millisekunde. Wie bereits oben
im Zusammenhang mit den Kraterrandeffekten erwähnt, ist es
wichtig, daß die beim Auftreffen des Primärionenstrahls innerhalb
des Fensters in einer jeweiligen Tiefe der Probe abgelösten
Sekundärionen getrennt registriert werden von den Ionen, die
beim Auftreffen des Primärionenstrahls auf den Kraterrand aus
einer geringeren Tiefe abgelöst worden sind.
In Fig. 3a ist schematisch ein Probenfeld mit spiralförmig
hier speziell auf einer quadratischen Bahn, geführtem Primärionen
strahl dargestellt.Der Primärionenstrahl in einer Ecke (in
Fig. 3a die linke obere Ecke) beginnend in einer ununterbrochenen
Bahn bis zum Zentrum des Probenfeldes und von dort wieder nach
außen zurückgeführt, wobei die Verweildauer pro Flächenelement
der Probe, d.h. pro Pixel für alle Pixel gleich ist. In Fig.
3b sind mehrere Fenster mit unterschiedlichem prozentualen
Anteil am gesamten Probenfeld dargestellt. Entsprechend dem
Beispiel der Fig. 2b soll angenommen werden, daß zur Registrierung
ein 50%-Fenster gewählt wird. Geht man davon aus, daß die Zyklus
zeit T diejenige Zeitspanne umfaßt, die der Primärionenstrahl
braucht, um von seinem Ausgangspunkt, (linke obere Ecke der
Fig. 3a) ins Zentrum des Probenfeldes und zurück zu laufen,
so bedeutet dies, daß sich der Primärionenstrahl bei einem
vollständigen Abtastzyklus, der zu einem Zeitpunkt t 0 beginnt,
bis zu einem Zeitpunkt t 1=3T/8 im Probenfeld außerhalb des
Fensters befindet. Nach dem Eintritt in das Fenster zum Zeitpunkt
t 1 läuft der Primärionenstrahl zum Zentrum bis er es zum Zeitpunkt
t 2=T/2 erreicht. Zum Zeitpunkt t 2 kehrt der Primärionenstrahl
um und läuft in einer spiralförmigen Bahn zurück, wobei er
das Fenster zu einem Zeitpunkt t 3=5T/8 verläßt und zu einem
Zeitpunkt t 4=T zu seinem Ausgangspunkt zurückgekehrt ist.
Dies bedeutet also, daß sich der Primärionenstrahl für eine
Zeitdauer t 3-t 1=T/4 innerhalb des Fensters des Probenfeldes
befindet, ohne den Rand des Fensters zu passieren. Geht man
entsprechend dem oben, im Zusammenhang mit Fig. 2b beschriebenen
Beispiel davon aus, daß es zum Verhindern von Fehler verursachenden
Kraterrandeffekten nötig ist, zwischen dem Auftreffen des
Primärionenstrahls auf den Kraterrand und dem Eintreten des
Primärionenstrahls in das Fenster eine Zeitspanne von 1 Milli
sekunde einzuhalten, so ergibt sich damit eine minimale Zyklus
zeit von T = 8/3 Millisekunden, wobei das Probenfeld zweimal
abgetastet wird, oder für ein einmaliges Abtasten des Probenfeldes
eine Zeit von 4/3 = 1,33 Millisekunden. Das bedeutet, daß die
Abtastgeschwindigkeit bei gleichbleibender Lage und Schärfe
der Fensterberandung um den Faktor 750 erhöht werden kann.
Eine weitere Eigenschaft des Spiralabtastverfahrens besteht
darin, daß es ohne großen Aufwand in Bezug auf die Registrierein
richtung möglich ist, die vom Probenfeld abgelösten Sekundärionen
für konzentrisch zueinander angeordnete Fenster unterschiedlicher
Größe getrennt zu registrieren, denn beim Hinlaufen des Primärionen
strahls vom Ausgangspunkt ins Zentrum und beim Rücklauf ist
für jedes der Fenster nur ein Eintritts- und ein Austrittszeitpunkt
zu berücksichtigen, wodurch auch in diesem Fall die hohe Schärfe
für die Fensterberandungen vollständig erhalten bleibt.
Vorstehend wurde ein Ausführungsbeispiel des Spiralabtastverfah
rens beschrieben, bei dem der Primärionenstrahl beim Abtasten
des Probenfeldes eine im wesentlichen quadratische Bahn beschreibt
und beim Abtasten zunächst von außen nach innen und dann wieder
von innen nach außen zurückgeführt wird. Das Spiralabtastverfahren
ist jedoch auch in anderer Art und Weise realisierbar, z. B.
daß der Primärionenstrahl eine im wesentlichen kreisförmige,
elliptische oder rechteckförmige Bahn beschreibt, und es besteht
auch die Möglichkeit, den Primärionenstrahl so zu steuern,
daß er beim Abtasten während des Hinlaufs von seinem Ausgangspunkt
ins Zentrum gesteuert wird und dann, ohne spiralförmig zurückzulau
fen, direkt an seinen Ausgangspunkt zurückspringt.
Claims (10)
1. Verfahren zum Abtasten einer Probe mit einem ablenkbaren
Primärteilchenstrahl, durch den aus der Probe Sekundärteilchen
freigesetzt werden, die in Abhängigkeit vom Ort ihrer Freisetzung
detektiert und registriert werden, dadurch gekennzeichnet,
daß der Teilchenstrahl beim Ablenken in einer spiralförmigen
Bahn über die Probe geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Teilchenstrahl beim Ablenken in der spiralförmigen Bahn von
außen nach innen und anschließend auf derselben oder einer
dazwischen liegenden Spiralbahn von innen nach außen über die
Probe geführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Primärteilchenstrahl in aufeinanderfolgenden Abschnitten
der spiralförmigen Bahn über einander konzentrisch umgebende
Bereiche der Probe geführt wird, wobei die freigesetzten Sekundär
teilchen nach Bereichen getrennt registriert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, daß es sich beim Primärteilchenstrahl um einen Ionenstrahl
handelt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich
net, daß es sich bei den Sekundärteilchen um Ionen handelt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet
durch die Verwendung zur Analyse der Tiefenverteilung von Atom-
oder Molekülkonzentrationen in der Probe.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet
durch die Verwendung zur Analyse eines Massen- oder Energiespektrums
der Sekundärteilchen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich
net, daß der Primärteilchenstrahl beim Umlauf längs der spiralför
migen Bahn im wesentlichen ein Rechteck beschreibt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich
net, daß der Primärteilchenstrahl beim Umlauf längs der spiralför
migen Bahn im wesentlichen ein Quadrat beschreibt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich
net, daß der Primärteilchenstrahl beim Umlauf längs der spiralför
migen Bahn im wesentlichen einen Kreis beschreibt.
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- 1986-10-27 DE DE19863636506 patent/DE3636506A1/de not_active Withdrawn
-
1987
- 1987-10-15 GB GB8724204A patent/GB2198284B/en not_active Expired - Fee Related
- 1987-10-19 FR FR8714364A patent/FR2605739A1/fr not_active Withdrawn
- 1987-10-26 US US07/113,674 patent/US4833323A/en not_active Expired - Lifetime
- 1987-10-27 JP JP62269497A patent/JPS63121738A/ja active Pending
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Also Published As
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---|---|
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JPS63121738A (ja) | 1988-05-25 |
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GB2198284A (en) | 1988-06-08 |
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