DE69018838T2

DE69018838T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächenanalyse.

Info

Publication number: DE69018838T2
Application number: DE69018838T
Authority: DE
Inventors: Ken Ninomiya; Keizo Suzuki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-01-06
Filing date: 1990-01-02
Publication date: 1995-08-24
Anticipated expiration: 2010-01-03
Also published as: JPH02181639A; US5055679A; JP2842879B2; EP0377446A2; EP0377446A3; DE69018838D1; EP0377446B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine neuartige Oberflächenanalysetechnik und spezieller betrifft sie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Analysieren eines kleinen Bereichs einer Probenoberfläche mit hoher Auflösung.
Auf dem Gebiet der Oberflächenanalyse hat sich die Größe analysierter Bereiche in den letzten Jahren aus dem folgenden Grund stark verringert. Genauer gesagt, wird bei einem Prozeß zum Herstellen moderner Halbleiter-Bauteile jedes das Halbleiter-Bauteil aufbauende Element hinsichtlich der Abmessungen klein, die Dicke des verwendeten Films wird verringert und häufig wird Verbundmaterial verwendet. Demgemäß ist es erwünscht, die Materialeigenschaft, die Struktur und die elektrische Charakteristik eines sehr kleinen Oberflächenbereichs zu kennen. Ferner kann aus der bei einem Halbleiter-Bauteil verwendeten Mustergröße und der Größe von Korngrenzen im verwendeten Material geschlossen werden, daß der zu analysierende Oberflächenbereich einen Durchmesser von 1 um oder weniger hat. Demgemäß ist die Querauflösung, die bei einer Oberflächenanalysetechnik erforderlich ist (d.h. die Linearabmessung eines analysierbaren minimalen Oberflächenbereichs) 1 um oder weniger.
Bei herkömmlichen Oberflächenanalysetechniken wurden die folgenden Verfahren zum Erhöhen der Querauflösung verwendet.
Eines der Verfahren ist es, einen Meßstrahl auf eine Präzisionsbearbeitungsmaschine, die zum Entwickeln des optischen Systems erforderlich ist, zu richten, und es ist sehr schwierig, das optische System zu realisieren. Tatsächlich wurde bisher keinen Ionenstrahlfleck und kein Röntgenstrahlfleck mit jeweils einem Durchmesser von 1 um oder weniger realisiert, obwohl ein Elektronenstrahl einen solchen Strahlfleck ausbilden kann.
Die zweite Schwierigkeit betrifft das Verfahren vom Feldbegrenzungstyp. Mit diesem Verfahren ist es unmöglich, die Querauflösung bei der Oberflächenanalyse stark zu verbessern. Der Grund hierfür wird nachfolgend erläutert. Es sei ein Fall angenommen, bei dem von einer Probenoberfläche emittierte Elektronen zur Oberflächenanalyse beobachtet werden. Wenn die Probenoberfläche mit einem Meßstrahl bestrahlt wird, werden von der Probenoberfläche in allen Richtungen Elektronen mit einer Vielzahl kinetischer Energien emittiert. Variationen im Abstrahlwinkel und der kinetischen Energie der Elektronen führen in einem Linsensystem zum Erfassen der Elektronen zu Aberration. Um die Auflösung der Oberflächenanalyse zu erhöhen, ist es erforderlich, die Aberration so klein wie möglich zu machen. Die vorstehend genannte Aberration ist jedoch bei der Emission von Elektronen unvermeidlich und es ist unmöglich, die Aberration zu beseitigen.
Wie vorstehend angegeben, tritt bei herkömmlichen Verfahren zum Verbessern der Auflösung bei Oberflächenanalyse die Schwierigkeit auf, daß es technisch schwierig ist, einen Meßstrahl auf einen sehr kleinen Bereich zu fokussieren, und diese Verfahren sind im wesentlichen nicht wünschenswert.
Eine Oberflächenanalysetechnik mit den Merkmalen in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 9 ist aus "Impact-collision ion-scattering-spectrometry study of Ni layers deposited on Si(111) at room temperature", PHYSICAL REVIEW B. CONDENSED MATTER, Vol. 36, No. 17 (1987), S. 9150 - 9152 von T. L. Porter et al bekannt. Ferner offenbart US-A-4,635,197 ein Verfahren zum Messen der eindimensionalen Verteilung von Material in axialer Richtung einer zylindrischen Probe. Aus "X-ray photoacoustics", PROCEEDINGS OF THE IEEE 1986 ULTRASONICS SYMPOSIUM, WILLIAMSBURG, VIRGINA, 17. - 19. November 1986, Vol. 1, 1986, S. 495 - 500 ist ein photoakustisches Spektroskopieverfahren zur Oberfächenanalyse bekannt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFTNDUNG

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Analysieren eines kleinen Bereichs einer Oberfläche mit hoher Querauflösung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und die Vorrichtung gemäß Anspruch 9 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen offenbart.
Um die vorstehend genannte Aufgabe zu lösen, werden, gemäß der Erfindung, sowohl das Intensitätsprofil eines Meßstrahls als auch die Signalverteilung, die durch Abrastern einer Probenoberfläche mit dem Meßstrahl erhalten wird, gemessen und es wird eine mathematische Transformation hinsichtlich des Intensitätsprofils und der Signalverteilung ausgeführt, um das Analyseergebnis für die Probenoberfläche zu erhalten. Wenn eine Oberflächenanalyse auf die vorstehend genannte Weise ausgeführt wird, wird die Querauflösung bei der Oberflächenanalyse stark verbessert. Bei einem herkömmlichen Verfahren zum Analysieren einer Probenoberfläche durch Bestrahlen derselben mit einem fokussierten Meßstrahl, wird die Querauflösung bei der Oberflächenanalyse durch den Durchmesser des fokussierten Meßstrahls bestimmt. Gemäß der Erfindung kann eine Querauflösung erzielt werden, die viel höher als die durch den Strahldurchmesser bestimmte Querauflösung ist.
Bei der Erfindung kann der Meßstrahl ein Lichtstrahl oder ein Teilchenstrahl sein. Zu Lichtstrahlen gehören nicht nur gewöhnliche Lichtstrahlen (z.B. ultraviolette Lichtstrahlen, sichtbare Lichtstrahlen und Infrarotlichtstrahlen) und Laserstrahlen, sondern auch elektromagnetische Strahlen (z.B. Röntgenstrahlen, Synchrotronstrahlungs-Lichtstrahlung). Zu Teilchenstrahlen gehören Strahlen geladener Teilchen (z.B. Elektronenstrahlen, Ionenstrahlen) und Neutralteilchenstrahlen.
Nun wird die bei der Erfindung verwendete mathematische Transformation (z.B. eine integrierende Transformation) erläutert.
Die Verteilung eines Elements A in einer Probenoberfläche sei mit nA(x, y) bezeichnet. Die Verteilung des Elements A in Dickenrichtung wird der Eintachheit halber bei der folgenden Erläuterung nicht berücksichtigt. Jedoch gilt die folgende Erläuterung im wesentlichen für einen Fall, bei dem das Element A in Dickenrichtung ungleichmäßig verteilt ist. Die Querauflösung bei der Oberflächenanalyse hängt davon ab, wie genau die Verteilung nA(x, y) bestimmt wird. Ferner sei das Intensitätsprofil eines Meßstrahls an der Probenoberfläche durch f(η, ) ausgedrückt. Wenn der Meßstrahl so auf die Probenoberfläche trifft, daß die Mittelachse des Meßstrahls an einer Position (x&sub0;, y&sub0;) auf der Probenoberfläche liegt, und ein durch das Element A hervorgerufenes Signal von einem Detektor gemessen wird, kann die folgende Gleichung erhalten werden:
S(x&sub0;,y&sub0;) = K F nA(x&sub0;+η y&sub0;+ )f(η, )dηd (1)
wobei K eine von der Integration unabhängige Konstante ist, F die Gesamtintensität des einfallenden Strahls kennzeichnet, Ω der Integrationsbereich ist (d.h. der vom Meßstrahl bestrahlte Oberflächenbereich) und f(η, ) eine durch die Gleichung f(η, ) dηd = 1 definierte Funktion ist.
Wie vorstehend angegeben, ist die Funktion f(η, ) in der Gleichung (1) innerhalb des Bereichs Ω definiert. Nun sei die Funktion f(η, ) außerhalb des Bereichs Ω auf die folgende Weise definiert:
Wenn für die Gleichung (1) unter Verwendung der Gleichung (2) eine Fouriertransformation ausgeführt wird, kann die folgende Gleichung erhalten werden:
S(X,Y) = K F 2πNA(X,Y) (X,Y) (3)
mit
Aus den Gleichungen (3) und (4) kann die Verteilung nA(x, y) wie folgt erhalten werden:
Wie es aus Gleichung (1) ersichtlich ist, ist die Funktion S(X, Y) die fouriertransformierte des Meßsignais, wie es jedem Punkt auf der Probenoberfläche entspricht. Indessen wird eine Funktion (X, Y) durch Ausführen einer Fouriertransformation für das Intensitätsprofil f(η, ) des Meßstrahls erhalten. Wie es aus Gleichung (6) ersichtlich ist, kann die Verteilung nA(x, y) aus den Größen S(X, Y) und (X, Y) berechnet werden, die aus den gemessenen Größen S(x&sub0;, y&sub0;) und f(η, ) berechnet wurden.
Das Positionsintervall, für das der Wert nA(x, y) bestimmt wird (d.h. die Querauflösung bei der Oberflächenanalyse) entspricht nahezu dem Positionsintervall, mit dein der Wert jeder der Funktionen S(X, Y) und (X, Y) bestimmt wird (d.h. das Positionsintervall, mit dem der Wert sowohl des Signals S(x&sub0;, y&sub0;) als auch des Intensitätsprofils f(η, ) bestimmt wird). Das Signal S(x&sub0;, y&sub0;) und das Intensitätsprofil f(η, ) können mit einem Intervall gemessen werden, das viel kleiner als der Durchmesser des Meßstrahls ist. Demgemäß kann selbst dann, wenn ein Meßstrahl mit großem Durchmesser verwendet wird, die Querauflösung bei der Oberflächenanalyse erhöht werden. Ferner ist die Querauflösung bei der Oberflächenanalyse noch weiter verbessert, wenn ein Meßstrahl mit kleinem Durchmesser (d.h. ein fokussierter Meßstrahl) verwendet wird. Wie es aus der vorstehenden Erläuterung ersichtlich ist, unterscheidet sich die erfindungsgemäße Oberflächenanalyse vollständig von einer herkömmlichen Oberflächenanalyse, bei der die Querauflösung durch den Durchmesser des Meßstrahls bestimmt wird. Demgemäß ist die Erfindung auf alle Oberflächenanalyseverfahren anwendbar, die einen Meßstrahl verwenden.
Ferner ist die Erfindung selbst dann wirkungsvoll, wenn sich der Wert der Funktion f(η, ) in komplizierter Weise abhängig von den Variablen η und ändert. Nun sei ein Fall angenommen, bei dem die Funktion f(η, ) mehrere Maximalwerte aufweist, wenn z.B. der Wert von η verändert wird, während der Wert von konstant gehalten wird. In diesem Fall wird beim herkömmlichen Oberflächenanalyseverfahren die Querauflösung durch den Durchmesser des gesamten Meßstrahls bestimmt (z.B. durch die volle Breite bei der Hälfte des Maximalwerts des Intensitätsprofils f(η, )). Indessen ist die Querauflösung bei der Erfindung z.B. durch die volle Breite bei der Hälfte des Maximums eines Peaks bestimmt, der einem der Maximalwerte entspricht. Demgemäß kann die Erfindung selbst im vorstehend genannten Fall eine höhere Auflösung erzielen als sie der Auflösung bei einem herkömmlichen Verfahren entspricht.
Vorstehend wurde beispielhaft ein Fall erläutert, bei dem als Integraltransformation Fouriertransformation verwendet wird. Selbstverständlich kann eine andere Integraltransformation außer Fouriertransformation verwendet werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Fig. 1 bis 8 sind Blockdiagramme, die Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Analysieren einer Oberfläche zeigen.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzelnen beschrieben.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 1

Fig. 1 zeigt das erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Analysieren einer Oberfläche. Gemäß Fig. 1 trifft ein Meßstrahl (oder Meßteilchen), der von einer Strahlquelle 1 emittiert wird, auf die Oberfläche einer auf einem Probentisch 3 liegenden Probe 2. Die Strahlquelle 1 ist entweder eine Quelle für geladene Teilchen, eine Quelle für Neutralteilchen oder eine Lichtquelle zum Erzeugen von Strahlung wie Röntgenstrahlung, Synchrotronstrahlung oder Laserstrahlung. Die Elektronen, Ionen, Neutralteilchen oder das Licht, wie sie jeweils von der mit dem Meßstrahl bestrahlten Oberfläche der Probe 2 emittiert werden, werden durch einen Detektor 5 aufgenommen. Der Detektor 5 ist entweder ein Detektor, der eine Energieanalyse ausführen kann (z.B. ein Analysator für statische Energie, ein energiedispersiver Analysator oder ein wellenlängendispersiver Röntgendetektor), ein Detektor, der Massenanalyse ausführen kann (z.B. ein Massenspektrometer) oder ein Detektor, der lediglich Elektronen, Ionen, Neutralteilchen oder Licht erfassen kann. Anders gesagt, können als Detektor 5 Detektoren verschiedener Arten und Detektoren mit verschiedenem Funktionsvermögen verwendet werden. Der Detektor 5 wird durch eine Steuerung 7 gesteuert.
Indessen ist ein Detektor 4 zum Messen des Intensitätsprofils des Meßstrahls im hinteren Bereich der Probe 2 angeordnet. Das Intensitätsprofils des Meßstrahls ist eine zweidimensionale Verteilung, wie durch die Gleichung (2) angegeben. Demgemäß ist es bevorzugt, für den Detektor 4 einen zweidimensionalen Detektor zu verwenden. Wenn kein zweidimensionaler Detektor verwendet wird, wird ein Detektor 4 mit einer Messerschneide (in Fig. 2 dargestellt), einem feinen Loch oder Schlitz verwendet. Wie der Detektor 5, erfaßt auch der Detektor 4 Elektronen, Ionen, Neutralteilchen oder Licht. Wenn das Intensitätsprofil des Meßstrahls gemessen wird, werden die Probe 2 und der Probentisch 3 verstellt, damit sie den Meßstrahl nicht behindern, und der Detektor 4 wird in eine Position angehoben, die der gemessenen Probenoberfläche entspricht, falls erforderlich.
Der Probentisch 3 kann eine dreidimensionale Feinverstellung ausführen, und die Feinverstellung wird mit Hilfe eines piezoelektrischen Bauelements ausgeführt. Die Feinverstellung des Probentischs 3 wird durch eine Positionssteuerung 6 gesteuert.
Nachfolgend wird ein Signal/Daten-Verarbeitungssystem erläutert. Ein beobachtetes oder aufgenommenes Signal vom Detektor 5 wird in ein Verarbeitungssystem 8 für Hochgeschwindigkeitsberechnungen eingegeben, das aus einem mit einem großen Speicher und einer Anzeigeeinrichtung versehenen Hochgeschwindigkeitsprozessor besteht. Ferner wird ein Signal von der Positionssteuerung 6 zum Kennzeichnen der Meßstrahlposition auf der vom Meßstrahl bestrahlten Probenoberfläche in das Berechnungsverarbeitungssystem 8 eingegeben. So kann die Funktion S(X, Y) der Gleichung (3) aus diesen Signalen bestimmt werden. Indessen wird das Ausgangssignal des Detektors 4 über eine Steuerung 10 für den Detektor 4 an das Berechnungsverarbeitungssystem 8 übertragen. Für die folgende Verarbeitung sei angenommen, daß der Detektor 4 ein zweidimensionaler Detektor ist (andernfalls wird die Verarbeitung beim AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 2 ausgeführt). Das Ausgangssignal der Steuerung 10 entspricht der Funktion f(x, y) der Gleichung (5). Das Berechnungsverarbeitungssystem 8 berechnet die Funktion F(X, Y) mit hoher Geschwindigkeit unter Verwendung der Gleichung (5) aus der Funktion f(x, y). Die Messung des Intensitätsprofils f(x, y) und die Berechnung der Funktion (X, Y) werden vor der Messung und Berechnung zum Erhalten der Funktion S(X, Y) ausgeführt.
Das Berechnungsverarbeitungssystem 8 berechnet die Verteilung nA(x, y) aus den Funktionen S(X, Y) und (X, Y) unter Verwendung der Gleichung (6). Das so erhaltene Ergebnis wird auf einem Anzeigeschirm der im Berechnungsverarbeitungssystem 8 enthaltenen Anzeigeeinrichtung dargestellt. Ferner kann das vorstehende Ergebnis auf einem Anzeigeschirm einer getrennten Ausgabe/Anzeige-Vorrichtung 9 dargestellt werden. So kann das Ergebnis der Oberflächenanalyse in Form z.B. eines Bilds angezeigt werden.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Verteilung einer auf einer Probenfläche zu erfassenden Substanz aus dem Intensitätsprofil eines Meßstrahls und der Verteilung des entlang der Probenoberfläche aufgenommenen Signals durch mathematische Transformation bestimmt werden. Demgemäß kann Oberflächenanalyse selbst dann, wenn der Meßstrahl großen Durchmesser aufweist, mit hoher Auflösung ausgeführt werden.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 2

Beim Ausführungsbeispiel von Fig. 1 liegt zwischen der Strahlquelle 1 und der Probe 2 kein optisches System zum Fokussieren des Meßstrahls. Wenn ein Meßstrahl kleiner Größe verwendet wird, kann Oberflächenanalyse mit hoher Zuverlässigkeit und hoher Auflösung ausgeführt werden. Um Oberflächenanalyse mit hoher Auflösung mit hoher Zuverlässigkeit zu realisieren, wird der von der Strahlquelle 1 emittierte Meßstrahl (oder die Meßteilchen) auf die Probenoberfläche emittiert und die vorstehend genannte mathematische Transformation wird ausgeführt. Fig. 2 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Analysieren einer Oberfläche gemäß der Erfindung, wobei das Ausführungsbeispiel einen fokussierten Meßstrahl verwendet.
Gemäß Fig 2 wird der von der Strahlquelle 1 emittierte Meßstrahl (oder die Meßteilchen) durch ein Linsensystem 16 auf die Oberfläche der Probe 2 fokussiert. Das Linsensystem 16 ist entweder ein elektrisches Linsensystem oder ein optisches Linsensystem mit einem Reflexionsspiegelsystem. Das Linsensystem 16 wird abhängig von der Art des Meßstrahls (oder der Meßteilchen) ausgewählt. Wenn z.B. keine Teilchenbeschleunigung zum Fokussieren des Meßstrahls erforderlich ist, wie dann, wenn der Meßstrahl ein Lichtstrahl ist, kann das Beschleunigungssystem 41 weggelassen werden.
Das Intensitätsprofil des Meßstrahls wird unter Verwendung einer Messerschneide 12 und eines Detektors 11 gemessen. Es wird darauf hingewiesen, daß beim ersten Ausführungsbeispiel das Intensitätsprofil nur durch den aus einem zweidimensionalen Detektor bestehenden Detektor 4 gemessen wird. Die Messerschneide 12 kann durch einen Schlitz oder durch ein feines Loch ersetzt werden.
Die Messerschneide 12 ist an einem Feinverstellmechanismus 13 befestigt, der von einer Steuerung 14 gesteuert wird. Ein von der Steuerung 14 geliefertes Signal zum Anzeigen der Position der Messerschneide 12 wird zusammen mit dem Ausgangssignal des Detektors 11 an einen Prozessor 15 geliefert. Der Prozessor 15 bestimmt aus diesen Signalen das Intensitätsprofil f(x, y), und das so erhaltene Intensitätsprofil wird in das Hochgeschwindigkeitsberechnung-Verarbeitungssystem 8 eingegeben. Andere Teile als die vorstehend angegebenen sind dieselben wie die in Fig. 1 dargestellten.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Probenoberfläche mit einem Meßstrahl sehr kleiner Größe bestrahlt. Demgemäß hat die Oberflächenanalyse gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel noch höhere Zuverlässigkeit und Auflösung als die Oberflächenanalyse gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 3

Wie bereits angegeben, ist es bei der Erfindung erforderlich, die Verteilung eines erfaßten Signals entlang einer Probenoberfläche zu messen. Anders gesagt, ist es erforderlich, die Probenoberfläche mit dem Meßstrahl abzutasten. Beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel wird dieser Abtastvorgang durch die Feinverstellung des Probentischs 3 ausgeführt. Jedoch kann die Probenoberfläche mit dem Meßstrahl auf andere Weise als beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel abgetastet werden. Fig. 3 zeigt das dritte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Analysieren einer Oberfläche, bei dem die Oberfläche auf eine Weise, die von der in den Fig. 1 und 2 dargestellten verschieden ist, mit einem Meßstrahl abgetastet wird.
Gemäß Fig. 3 wird der Strahl (oder die Teilchen) von einer Quelle 17 für geladene Teilchen durch ein Linsensystem 18 fokussiert, er durchläuft ein Ablenksystem 19 und trifft dann auf die Oberfläche der Probe 2. Das Ablenksystem 15 wird durch eine Steuerung 20 so gesteuert, daß die Oberfläche der Probe 2 mit dem Meßstrahl abgetastet wird.
Ein Signal, das den Abtastvorgang des Meßstrahls anzeigt (d.h., das Positionssignal für den Meßstrahl) wird von der Steuerung 20 an das Hochgeschwindigkeitsberechnung-Verarbeitungssystem 8 geliefert. Ferner wird das Beobachtungssignal vom Detektor 5 über die Steuerung 7 in das Berechnungsverarbeitungssystem 8 eingegeben. Das Berechnungsverarbeitungssystem 8 ermittelt die Funktion S(X, Y) aus dem Positionssignal und dem Beobachtungssignal. Andere Teile als die vorstehend angegebenen sind dieselben wie beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 4

Fig. 4 zeigt das vierte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Analysieren einer Oberfläche, bei dem ein anderer Meßstrahl als ein Strahl geladener Teilchen abgelenkt wird, um einen Abtastvorgang auszuführen. Gemäß Fig. 4 wird der von einer Strahlquelle 21 emittierte Meßstrahl (oder die Meßteilchen) durch ein optisches System 22 fokussiert, er durchläuft ein optisches Ablenksystem 23 und trifft dann auf die Oberfläche der Probe 2. Das optische Ablenksystem 23 wird durch einen Treibermechanismus 24 gesteuert, der durch eine Steuerung 25 gesteuert wird. Wenn ein Lichtstrahl als Meßstrahl verwendet wird, kann ein Reflexionsspiegel als optisches Ablenksystem 23 wirken. Unter Verwendung eines solchen Ablenksystems kann die Oberfläche der Probe 2 mit dem Meßstrahl abgerastert werden.
Ein Signal, das den Abtastvorgang des Meßstrahls anzeigt (d.h. das Positionssignals des Meßstrahls), wird von der Steuerung 25 an das Hochgeschwindigkeitsberechnung-Verarbeitungssystem geliefert. Ferner wird das Beobachtungssignal vom Detektor 5 über die Steuerung 7 in das Berechnungsverarbeitungssystem 8 eingegeben. Das Berechnungsverarbeitungssystem 8 bestimmt die Funktion S(X, Y) aus dem Positionssignal und dem Beobachtungssignal. Andere Teile als die vorstehend angegebenen sind dieselben wie beim ersten bis dritten Ausführungsbeispiel.
Beim dritten und vierten Ausführungsbeispiel liegen das Ablenksystem 19 und das Ablenksystem 23 an der Rückseite des Linsensystems 18 bzw. des optischen Systems 22. Alternativ können die Systeme 19 und 23 an der Vorderseite der Systeme 18 bzw. 22 liegen.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 5

Fig. 5 zeigt das fünfte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Analysieren einer Oberfläche, bei dem eine Probenoberfläche auf andere Weise mit dem Meßstrahl abgetastet wird. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Position, an der der Meßstrahl erzeugt wird, verändert, um die Probenoberfläche mit dem Meßstrahl abzutasten. Wenn z.B. ein Lichtstrahl als Meßstrahl verwendet wird, kann Oberflächenanalyse mit dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgen.
Gemäß Fig. 5 durchläuft ein von einer Teilchenguelle 30 emittierte Strahl (oder Teilchen) ein Fokussiersystem 29, er wird durch ein Ablenksystem 28 abgelenkt und trifft dann auf ein Target 26. Meßteilchen, die vom Target 26 aufgrund der Beschießung desselben mit dem Teilchenstrahl emittiert werden, durchlaufen ein anderes Fokussiersystem 27 und treffen dann auf die Oberfläche der Probe 2. Die Oberfläche der Probe 2 kann mit dem Meßstrahl durch Ändern der Position abgetastet werden, an der die Meßteilchen erzeugt werden.
Die Position, an der die Meßteilchen erzeugt werden, wird durch eine Steuerung 31 gesteuert, die mit dem Ablenksystem 28 verbunden ist. Deingemäß kann die Position des Meßstrahls auf der Oberfläche der Probe 2 durch die Steuerung 31 gesteuert werden. Ein Signal, das der Position des Meßstrahls auf der Oberfläche der Probe 2 entspricht, wird von der Steuerung 31 an das Hochgeschwindigkeitsberechnung-Verarbeitungssystem 8 geliefert, das aus dem vorstehend genannten Signal und dem Ausgangssignal der Steuerung 7 die Funktion S(X, Y) bestimmt. Andere Teile als die vorstehend angegebenen sind dieselben wie beim ersten bis vierten Ausführungsbeispiel.
Das charakteristische Merkmal des dritten bis fünften Ausführungsbeispiels ist es, daß die Abtastgeschwindigkeit höher als dann ist, wenn der Probentisch 3 feinverstellt wird. D.h., daß die Funktion S(X, Y) im Vergleich zum Fall, bei dem der Probentisch 3 verstellt wird, schnell bestimmt werden kann.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 6

Beim ersten bis fünften Ausführungsbeispiel werden Elektronen, Ionen, Neutralteilchen oder Licht durch Bestrahlen der Oberfläche der Probe 2 mit dem Meßstrahl erzeugt und zur Oberflächenanalyse beobachtet. Das Verfahren gemäß der Erfindung zum Erzielen hoher Auflösung ist nicht auf eine Emission an der Oberfläche der Probe beschränkt, sondern es ist auch auf andere Fälle anwendbar. Fig. 6 zeigt das sechste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Analysieren einer Oberfläche, bei dem ein anderer Effekt als Oberflächenemission verwendet wird.
Gemäß Fig. 6 trifft ein von der Teilchenquelle 1 emittierter Meßstrahl (oder Meßteilchen) auf eine Probe 34. Dabei wechselwirken einige der im Meßstrahl enthaltenen Teilchen mit Atomen (oder Molekülen), die die Probe 34 aufbauen. Dadurch unterscheiden sich die Teilchenenergieverteilung und die Intensität des Meßstrahls, der durch die Probe 34 gelaufen ist, von der Teilchenenergieverteilung und der Intensität des auf die Probe fallenden Meßstrahls. Diese Änderung der Energieverteilung und der Intensität wird durch einen Detektor 36 erfaßt. Jede Vorrichtung, die die Teilchenenergieverteilung und die Intensität des Meßstrahls erfassen kann, kann als Detektor 36 verwendet werden.
Das Meßsignal vom Detektor 36 wird über eine Steuerung 37 für den Detektor 36 in das Hochgeschwindigkeitberechnungs- Verarbeitungssystem 8 eingegeben. Indessen wird, wie beim ersten Ausführungsbeispiel, ein Signal, das die Position des Meßstrahls anzeigt, von der Steuerung 6 zum Steuern der Feinverschiebung des Probentischs 35 an das Hochgeschwindigkeitsberechnung-Verarbeitungssystem 8 geliefert. Demgemäß kann die Funktion S(X, Y), d.h. die Verteilung des Meßsignals aus den obigen Signalen erhalten werden.
Wie beim ersten bis fünften Ausführungsbeispiel wird die mathematische Transformation durch das Hochgeschwindigkeitsberechnung-Verarbeitungssystem 8 ausgeführt. Demgemäß kann das vorliegende Ausführungsbeispiel Oberflächenanalyse mit hoher Auflösung vornehmen, wenn ein Transmissionsstrahl für die Oberflächenanalyse verwendet wird.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 7

Beim ersten bis sechsten Ausführungsbeispiel trifft der Meßstrahl rechtwinklig auf die Oberfläche der Probe 2. In einigen Fällen hängt jedoch die Winkelverteilung der von der Oberfläche der Probe 2 emittierten Teilchen vom Winkel ab, mit dem der Meßstrahl auf die Probenoberfläche trifft. In solchen Fällen ist es häufig vorteilhaft, daß der Meßstrahl streifend auf die Oberfläche der Probe 2 trifft. Ferner wird streifender Einfall verwendet, wenn ein an der Oberfläche der Probe 2 reflektierter oder gestreuter Meßstrahl bei Ionenstreuspektroskopie (ISS) oder Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) beobachtet wird. Fig. 7 zeigt das siebte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Analysieren einer Oberfläche, bei dem streifender Einfall verwendet wird.
Gemäß Fig. 7 läuft ein von der Strahlquelle 1 emittierter Meßstrahl (oder Meßteilchen) durch das Beschleunigungssystem 41 und das Fokussiersystem 16 und trifft dann auf die Oberfläche der Probe 7. Wie oben angegeben, wird beim vorliegenden Ausführungsbeispiel streifender Einfall verwendet. Der Einfallswinkel des Meßstrahls auf die Oberfläche der Probe 2 wird so eingestellt, daß die Erfassung der Teilchen durch den Detektor 5 optimiert ist. Wenn das Beschleunigungssystem 41 und das Fokussiersystem 16 nutzlos sind, können sie entfernt werden.
Die Intensitätsverteilung des Meßstrahls an der Oberfläche der Probe 2 wird unter Verwendung einer am Feinverstellungsmechanismus 13 und am Detektor 11 befestigten Apertur 40 gemessen. Die Apertur kann durch die beim zweiten Ausführungsbeispiel verwendete Messerschneide oder einen Schlitz ersetzt werden Der Detektor 11 wird so angeordnet, daß der Meßstrahl rechtwinklig auf ihn trifft. Andere Teile als die vorstehend genannten sind dieselben wie beim ersten bis sechsten Ausführungsbeispiel.

AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 8

Fig. 8 zeigt das achte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Analysieren einer Oberfläche, bei dem ein Strom oder eine Schallwelle, wie sie durch Bestrahlen der Oberfläche der Probe 2 mit dem Meßstrahl erzeugt wird, zur Oberflächenanalyse erfaßt wird. Wie beim siebten Ausführungsbeispiel können das Beschleunigungssystem 41 und das Fokussiersystem 16 entfernt werden, wenn sie nutzlos sind.
Gemäß Fig. 8 wird ein Strom oder eine Schallwelle, wie sie durch Bestrahlen der Oberfläche der Probe 2 mit dem Meßstrahl hervorgerufen wird, durch einen Sensor 43 erfaßt und das Ausgangssignal des Sensors 43 wird einer Steuerung 44 zugeführt. Indessen wird das der Position des Meßstrahls auf der Oberfläche der Probe 2 entsprechende Signal von der Positionssteuerung 6 zum Einstellen der Feinverschiebung des Probentischs 3 an das Hochgeschwindigkeitsberechnung-Verarbeitungssystem 8 geliefert, das die Funktion S(X, Y) aus dem Ausgangssignal der Positionssteuerung 6 und dem Ausgangssignal der Steuerung 44 bestiinmt. Andere Teile als die vorstehend angegebenen sind dieselben wie beim ersten bis siebten Ausführungsbeispiel.
Beim sechsten bis achten Ausführungsbeispiel wird der Abrasterbetrieb des Meßstrahls der Fig. 3 bis 5 nicht verwendet. Selbstverständlich kann bei diesen Ausführungsbeispiel der Abrasterbetrieb des Meßstrahls anstelle der Feinverstellung des Probentischs 3 oder 35 verwendet werden.
Ferner wurden bei den vorstehend genannten Ausführungsbeispielen einige wenige Verfahren zum Messen des Intensitätsprofils des Meßstrahls verwendet. Es wird darauf hingewiesen, daß ein Verfahren, wie es bei einem der Ausführungsbeispiele verwendbar ist, auch bei den anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden kann. D.h., daß jedes Verfahren, mit dem das Intensitätsprofil des Meßstrahls gemessen werden kann, bei allen Ausführungsbeispielen verwendet werden kann, wobei die Messung des Intensitätsprofils des Meßstrahls für die Ausführungsbeispiele wesentlich ist.
Wie es aus der vorstehenden Erläuterung ersichtlicht ist, werden gemäß der Erfindung das Intensitätsprofil eines Meßstrahls und die Signalverteilung, die durch Abrastern einer Probenoberfläche mit dem Meßstrahl erhalten wird, gemessen und es wird eine mathematische Transformation sowohl für das Intensitätsprofil als auch die Signalverteilung ausgeführt, um das Analyseergebnis für die Probenoberfläche zu erhalten. Wenn eine Oberflächenanalyse auf die vorstehend genannte Weise erfolgt, ist die Querauflösung der Oberflächenanalyse verbessert.
Demgemäß hat die erfindungsgemäße Oberflächenanalyse gegen - über herkömmlicher Oberflächenanalyse, bei der die Querauflösung durch den Durchmesser eines Meßstrahls bestimmt wird, hervorragende Auflösung und Genauigkeit.
1 Strahlquelle
3 Probentisch
4 Detektor
5 Detektor
6 Positionssteuerung
7 Steuerung
8 Berechnungsverarbeitungssystem
9 Ausgabe/Anzeige-Vorrichtung
10 Steuerung
11 Detektor
13 Feinverstellungsmechanismus
14 Steuerung
15 Prozessor
16 Linsensystem
17 Quelle für geladene Teilchen
18 Linsensystem
19 Ablenksystem
20 Steuerung
21 Strahlquelle
22 Optisches Fokussiersystem
23 Optisches Ablenksystem
24 Treibermechanismus
25 Steuerung
26 Target
27 Fokussiersystem
28 Ablenksystem
29 Fokussiersystem
30 Teilchenquelle
31 Steuerung
36 Detektor
37 Steuerung
41 Beschleunigungssystem
44 Steuerung

Claims

1. Verfahren zur Untersuchung einer Oberfläche mit Hilfe eines Meßstrahls, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte

Messen des zweidimensionalen Intensitätsprofils eines Meßstrahls auf einer Probenoberfläche (2, 34);

Messen der zweidimensionalen Verteilung eines längs der Probenoberfläche durch Abtasten der Probenoberfläche mit dem Meßstrahl aufgenommenen Signals und

Ausführen einer mathematischen Transformation des zweidimensionalen Intensitätsprofils und der zweidimensionalen Verteilung des aufgenommenen Signals.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Meßstrahl ein Elektronenstrahl oder ein Ionenstrahl oder ein Neutralteilchenstrahl oder elektromagnetische Strahlung ist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Meßstrahl auf die Probenoberfläche fokusiert ist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 3, wobei das aufgenommene Signal durch Aufnehmen der Elektronen oder Ionen oder Neutralteilchen oder der elektromagnetischen Strahlung, wie sie durch Bestahlen der Probenoberfläche mit dem Meßstrahl erzeugt werden, erhalten wird.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das aufgenommene Signal durch Aufnehmen des Meßstrahls, der die Probe durchquert hat oder reflektiert oder an der Probenoberfläche gestreut worden ist, erhalten wird.

6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das aufgenommene Signal durch Aufnehmen eines Stroms, der durch Bestrahlen der Probenoberfläche mit dem Meßstrahl erzeugt wird, oder durch Aufnehmen einer Schallwelle, die durch Bestrahlen der Probenoberfläche mit dem Meßstrahl erzeugt wird, erhalten wird.

7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Probenoberfläche mit dem Meßstrahl durch Bewegen der Probe oder durch Ablenken des Meßstrahis oder durch Andern der Lage, wo der Meßstrahl erzeugt wird, abgetastet wird.

8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Meßstrahl so auf die Probenoberfläche gerichtet ist, daß streifender Einfall erreicht wird.

9. Vorrichtung zur Untersuchung einer Oberfläche mit einer Einrichtung (1, 17, 21, 26) zum Erzeugen eines Meßstrahls;

einer Einrichtung zum Bestrahlen einer Probenoberfläche (2, 34) mit dem Meßstrahl; und

einer Einrichtung (6; 19; 23, 24; 28, 29, 30) zum Abtasten der Probenoberflächen mit dem Probenstrahl;

dadurch gekennzeichnet, daß sie weiter

eine Einrichtung (4; 11, 12, 13, 14, 15; 11, 40, 13, 14, 15) zum Messen eines zweidimensionalen Intensitätsprofils des Meßstrahls auf der Probenoberfläche;

eine Einrichtung (5, 36, 43) zum Aufnehmen eines durch die Bestrahlung der Probenoberfläche mit dem Meßstrahl verursachten Signals und zum Messen der zweidimensionalen Verteilung des Signals längs der Probenoberfläche; und

eine Einrichtung (8) zum Ausführen einer mathematischen Transformation des gemessenen zweidimensionalen Intensitätsprofils und der gemessenen zweidimensionalen Verteilung, aufweist.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei der Meßstrahl ein Elektronenstrahl oder ein Ionenstrahl oder ein Neutralteilchenstrahl oder elektromagnetische Strahlung ist.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, die weiter eine Einrichtung (16, 41; 18, 22; 27) zum Fokusieren des Meßstrahls auf die Probenoberfläche aufweist.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 11, wobei die Signalaufnahmeeinrichtung (5) die Elektronen oder Ionen oder Neutralteilchen oder die elektromagnetische Strahlung, wie sie durch Bestrahlen der Probenoberfläche mit dem Meßstrahl erzeugt werden, aufnimmt.

13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bi 11, wobei die Signalaufnahmeeinrichtung (36) den Meßstrahl, der die Probe durchquert hat oder der reflektiert worden ist oder der von der Probenfläche gestreut worden ist, aufnimmt.

14. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Signalaufnahmeeinrichtung (43) einen Strom aufnimmt, der durch Bestrahlen der Probenoberfläche mit dem Meßstrahl erzeugt wird, oder eine Schallwelle aufnimmt, die durch Bestrahlen der Probenoberfläche mit dem Meßstrahl erzeugt wird.

15. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei die Probenoberfläche mit dem Probenstrahl durch Bewegen der Probe oder Ablenken des Probenstrahls oder Ändern einer Position, wo der Probenstrahl erzeugt wird, abgetastet wird.

16. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 15, die weiter eine Einrichtung zum Ändern eines Winkels, bei dem der Probenstrahl auf die Probenoberfläche einfällt, aufweist.