DE3636506A1

DE3636506A1 - Spiralabtastverfahren

Info

Publication number: DE3636506A1
Application number: DE19863636506
Authority: DE
Inventors: Christian Scholze
Original assignee: Atomika Technische Physik GmbH
Current assignee: Perkin Elmer Surface Sciences GmbH
Priority date: 1986-10-27
Filing date: 1986-10-27
Publication date: 1988-04-28
Also published as: US4833323A; JPS63121738A; GB8724204D0; GB2198284A; GB2198284B; FR2605739A1

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

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.