DE69924240T2

DE69924240T2 - Ladungsträgerteilchenstrahlvorrichtung

Info

Publication number: DE69924240T2
Application number: DE69924240T
Authority: DE
Inventors: Dr. Hans-Peter Feuerbaum; Dr. Dieter Winkler; Dr. Dror Kella
Original assignee: ICT Integrated Circuit Testing Gesellschaft fuer Halbleiterprueftechnik mbH
Current assignee: ICT Integrated Circuit Testing Gesellschaft fuer Halbleiterprueftechnik mbH
Priority date: 1999-06-23
Filing date: 1999-06-23
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2019-06-24
Also published as: KR100443761B1; JP2003503820A; US6730907B1; WO2001001439A1; EP1063677A1; JP3806647B2; DE69924240D1; KR20020026468A; EP1063677B1

Description

Feld der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für geladene Teilchen. Im besonderen bezieht sich diese Erfindung auf eine Vorrichtung und eine Methode zur Untersuchung von Proben mit einem Strahl geladener Teilchen.
Hintergrund der Erfindung
Strahlen von negativ oder positiv geladenen Teilchen können zur Untersuchung von Proben verwendet werden. Verglichen mit optischem Licht, ist das Auflösungsvermögen eines Strahles geladener Teilchen einige Grössenordnungen höher und erlaubt die Untersuchung viel feinerer Details. Demgemäß werden Strahlen geladener Teilchen, insbesondere Elektronenstrahlen, in vielfältiger Weise in Biologie, Medizin, Materialwissenschaft und Lithographie verwendet. Beispiele schließen die Diagnose von menschlichen, tierischen und pfanzlichen Krankheiten, Darstellung von subzelluraren Komponenten und Strukturen, wie die DNS, Bestimmung der Struktur von zusammengesetzten Materialien, Dünnfilmen und Keramiken oder die Inspektion von Masken und Wafern in der Halbleitertechnologie ein.
Die zwei grundsätzlichen Typen von Vorrichtungen für geladene Teilchen zur Untersuchung von Proben, die heute in weitverbreitetem Gebrauch sind, sind das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) und das Rasterelektronenmikroskop (REM). Zusätzlich zum normalen Gebrauch der beiden Mikroskope sind sowohl das TEM als auch das REM verändert worden, um Instrumente zu erhalten, die für die Ausführung bestimmten Funktionen angepasst sind.
Zum Beispiel erzeugt das Rastertransmissionselektronenmikroskop (RTEM) ebenso wie das TEM ein übertragenes Abbild, aber es verwendet einen abtastenden Strahl wie das REM.
In herkömmlichen Vorrichtungen für geladene Teilchen, wie zum Beispiel einem Rastereelektronenmikroskop (REM), muss der Entwickler immer einen Kompromiss machen zwischen der Anordnung der Objektivlinse zur Fokussierung des Teilchenstrahls auf die Probe und der Anordnung des Detektors, da sowohl die Objektivlinse als auch den Detektor in möglichst geringem Abstand zur Probe angeordnet sein müssen, um die besten Ergebnisse zu erzielen. Dadurch jedoch, daß der Detektor nicht unter ein bestimmtes Maß verkleinert werden kann, bleibt gerade in der Nähe der Probe nicht genug Platz für den Detektor, ohne die Fo kussierungseigenschaften der Objektivlinse negativ zu beeinflussen.
Außerdem sind Elektronenmikroskope trotz des verbreiteten Gebrauchs, große und ziemlich komplizierte Instrumente, die in vielen Universitäten und in industrieller Umgebung zentralisiert wurden. Techniker für Elektronenmikroskope haben eine bestimmte Ausbildung, um die alltäglichen Operationen des Laboratoriums auszuführen. Jedoch führt die Wartung des Instruments und besonders die Anpassung des Instruments an bestimmte Messerfordernisse, z. B. beim Gebrauch von verschiedenen Spektrometern und Detektoren, oft zu teuren Ausfallzeiten der Instrumente, die eine große Zahl von Nutzern betreffen.
Diese Probleme sind teilweise in dem Stand der Technik behandelt, z.B. in USP 5.422.486, das einen Teilchenspiegel innerhalb eines Elektronenmikroskops offenlegt. Es besteht jedoch ein Bedürfnis nach zusätzlicher Verbesserung.
Zusammenfassung der Erfindung
In Anbetracht der vorangehenden Ausführungen ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Teilchenspiegel und eine Vorrichtung für geladene Teilchen bereitzustellen, wobei beide die Untersuchungsqualität beträchtlich erhöhen. Ein weiteres Ziel ist es, eine Methode zur Untersuchung einer Probe mit erhöhter Untersuchungsqualität zu schaffen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung für geladene Teilchen, wie im unabhängigen Anspruch 1 beschrieben, bereitgestellt. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Teilchenspiegel zum Gebrauch in einer Vorrichtung für geladene Teilchen, wie im unabhängigen Anspruch 14 beschrieben, bereitgestellt. Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Methode zur Untersuchung von Proben durch einen Strahl geladener Teilchen, wie im unabhängigen Anspruch 19 beschrieben, bereitgestellt. Weitere Vorteile, Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung sind aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen ersichtlich.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung für geladene Teilchen bereitgestellt, die folgendes umfasst: eine Teilchenquelle zum Bereitstellen eines geladenen Teilchenstrahls; eine Objektivlinse, um den Teilchenstrahl auf eine Probe zu fokus sieren, wobei besagte Objektivlinse eine optische Achse hat; einen Teilchenspiegel, der sich auf der optischen Achse der Objektivlinse befindet, wobei dieser Teilchenspiegel folgendes umfaßt, eine Vorderseite und eine Rückseite, einen Driftbereich, der von der Rückseite bis zur Vorderseite reicht, um den Strahl geladener Teilchen von der Rückseite zur Vorderseite durchzulassen, wobei dieser Driftbereich sich außerhalb der optischen Achse befindet, und einen Ablenkbereich, der sich auf der Vorderseite befindet, um geladene Teilchen abzulenken, die von der Probe in Richtung auf einen Detektor einfallen.
Die verbesserte Vorrichtung für geladene Teilchen hat den Vorteil, daß der Gebrauch eines Teilchenspiegels zu zusätzlicher Freiheit in der Ausführungsform der Vorrichtung für geladene Teilchen führt. Ein Teilchenspiegel kann, im Gegensatz zu einem Teilchendetektor, in einer Vorrichtung leichter angeordnet werden, ohne die Fokussierungs- oder Projektionseigenschaften der Objektivlinse negativ zu beeinflussen. Dadurch, dass man den Driftbereich hat, kann der Teilchenspiegel leichter in die Vorrichtung integriert werden, ohne den Strahl geladener Teilchen negativ zu beeinflussen. Dadurch, daß dieser Driftbereich außerhalb der Objektivlinse liegt, kann der Bereich, in dem die Achse den Spiegel durchschneidet, als Ablenkbereich genutzt werden, was die Qualität der Untersuchung beträchtlich erhöht, da die Teilchen, die sich entlang der Achse bewegen, einen wichtigen Teil der Information über die Probe enthalten.
Da es außerdem nun keine Begrenzung für die Größe des Detektors gibt, können alle Arten von Detektoren und Spektrometern verwendet werden, um die Probe zu analysieren. Zusätzlich kann ein Detektortyp leicht durch einen anderen Detektortyp ersetzt werden, um das Gerät an besondere Messerfordernisse anzupassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Teilchenspiegel einen auf der Vorderseite befindlichen Ablenkbereich auf, um alle Teilchen in einem gegebenen Geschwindigkeitsbereich (Energiebereich) und in einem gegebenen Winkelbereich abzulenken, so dass der Winkel β_o, zwischen der ausgehenden Bahn des Teilchens und der Achse senkrecht zur Spielgelvorderseite gleich dem Winkel β_i, zwischen der ankommenden Bahn des Teilchens und der Achse senkrecht zur Vorderseite des Spiegels an dem Punkt, wo das Teilchen den Spiegel trifft ist. Dadurch, dass die Energie- und die Winkelaufteilung der Teilchen, die von der Probe kommen, durch den Spiegel bewirkt werden, ist der Detektor in der Lage grundlegend die gleichen Informationen aufzunehmen, wie wenn er direkt nahe an der Probe angeordnet wäre.
Der Driftbereich des Teilchenspiegels, der von der Rückseite zur Vorderseite reicht, ist außerhalb der geometrischen Mitte des Spiegels angeordnet. Der Teilchenspiegel ist vorzugsweise in solch einer Weise angeordnet, dass der überwiegende Teil der Teilchen, die von der Probe kommen, zum Detektor hin abgelenkt wird. Dies bringt mit sich, dass die geometrische Mitte des Spiegels vorzugsweise dort angeordnet ist, wo die Teilchen, die von der Probe kommen, konzentriert sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, weist die Vorrichtung für geladene Teilchen außerdem eine Ablenkungseinheit auf, um den geladenen Teilchenstrahl hauptsächlich entlang der optischen Achse der Objektivlinse zu lenken, wobei diese Ablenkungseinheit zwischen dem Teilchenspiegel und der Objektivlinse angeordnet ist. In dieser Anordnung können grundsätzlich alle Teilchen, die von der Probe kommen und sich entlang der optischen Achse bewegen, zum Detektor hin abgelenkt werden. Offensichtlich beeinflusst die Ablenkungseinheit sowohl den geladenen Teilchenstrahl, der sich zur Probe bewegt, als auch den geladenen Teilchenstrahl, der von der Probe kommt. Jedoch sind diese zwei Teilchenarten in verschiedener Weise betroffen, was zu einer Trennung der zwei Arten von Teilchen führt. Dabei ist es ohne Belang, ob die Ablenkungseinheit magnetisch oder elektrostatisch ist.
Insbesondere trennt eine magnetische Ablenkungseinheit den Strahl geladener Teilchen, der sich auf die Probe zubewegt, und die geladenen Teilchen, die von der Probe kommen, in komplementäre Teile. Gemäß dem Lorentz'schen Gesetz, erfahren von der Probe kommende Teilchen, welche in umgekehrter Richtung zum Strahl geladener Teilchen fliegen, eine entgegengesetzte Kraft. Mit anderen Worten, sie werden in einen Bereich gelenkt, der komplementär ist zum Bereich des primären Teilchenstrahls ist.
In dem Fall, dass die Ablenkungseinheit elektrostatisch ist, werden die geladenen Teilchen, die von der Probe kommen, in den Bereich des primären Teilchenstrahls gelenkt. Jedoch ist der Umlenkungswinkel der geladenen Teilchen, die von der Probe kommen, größer, da der Umlenkungswinkel umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit ist. Dadurch ergibt sich eine gerichtete Trennung der sekundären Teilchen von den primären Teilchen. Da eine magnetische Ablenkungseinheit den sich zur Probe bewegenden Teilchenstrahl und die von der Probe kommenden geladenen Teilchen in entgegengesetzte Richtungen ablenkt, wird es vorgezogen eine magnetische Ablenkungseinheit zu verwenden.
Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung für geladene Teilchen desweiteren eine dreistufige Ablenkungseinheit, um den Strahl geladener Teilchen von der optischen Achse weg und auf die optische Achse wieder zurück zu lenken. Durch die Verwendung einer dreistufigen Ablenkungseinheit, können die Teilchenquelle und jedes andere Element, zum Formen des Strahls geladenener Teilchen entlang der Achse der Objektivlinse angeordnet werden, was zu einem kompakten Aufbau der kompletten Vorrichtung führt. Die dreistufige Ablenkungseinheit kann aus Elementen wie Magnetspulen, die nur für diesen Zweck benutzt werden, bestehen. Jedoch kann die dreistufige Ablenkungseinheit auch aus Elementen bestehen, die zum Beispiel zusätzlich eingesetzt werden, um den geladenen Teilchenstrahl quer über die Probe (Abtasteinheit) zu bewegen.
Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist der Teilchenspiegel in Bezug zur optischen Achse in einem Winkel α zwischen ungefähr 20 und ungefähr 70 Grad, vorzugsweise zwischen ungefähr 40 und ungefähr 50 Grad, und auf am meisten bevorzugte Weise ungefähr 45 Grad geneigt. Durch diese Ausrichtung des Teilchenspiegels werden die Teilchen, die von der Probe kommen, mühelos an den Rand der Vorrichtung gelenkt, wo alle Arten von Detektoren angeordnet werden können, ohne den Rest der Vorrichtung zu beeinflussen. Durch den Einsatz einer 45 Grad Ausrichtung des Teilchenspiegels kann sichergestellt werden, dass die Zeitdifferenz zweier unterschiedlicher Teilchen, die sich auf den Detektor zubewegen, minimal bleibt, solange sie die gleiche Anfangsgeschwindigkeit aufweisen.
Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform umfasst der Teilchenspiegel eine leitende Oberfläche oder ein leitendes Ablenkungsgitter, die auf einem vorbestimmten Potenzial gehalten werden, das ausreicht, um alle Teilchen, die weniger als eine vorbestimmte Energie haben, abzulenken. Es kann dabei die Oberfläche einer Metallplatte als leitende Oberfläche verwendet werden. Außerdem kann keramisches Material, z. B. Al₂O₃, das eine leitende Beschichtung hat, zu diesem Zweck verwendet werden. In dieser Anordnung wirkt der Teilchenspiegel wie ein Tiefpassfilter und, indem das Potenzial der leitenden Oberfläche oder des leitenden Ablenkungsgitters verändert wird, der Spiegel kann für spektroskopische Zwecke verwendet werden. Außerdem ist es vorzuziehen, dass der Teilchenspiegel mindestens ein leitendes Abschirmgitter zum Abschirmen des Potenzials der Oberfläche oder des leitenden Ablenkungsgitters vom Rest der Vorrichtung und/oder einen Teilchenabsorber aufweist, der Teilchen absorbiert, die mehr als die vorbestimmte Energie tragen. Falls eine Metallplatte oder eine keramische Platte mit leitender Beschichtung verwendet wird, kann diese als Teilchenabsorber eingesetzt werden.
Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist ein zweiter Detektor hinter dem leitenden Ablenkungsgitter angeordnet, um Teilchen zu erfassen, die mehr als die vorbestimmte Energie haben.
Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung für geladene Teilchen weiterhin einen Hochpassfilter, der vor dem Detektor angeordnet ist, um nur Teilchen mit einer Energie oberhalb eines vorbestimmten Energiebetrages den Eintritt in den Detektor zu ermöglichen. Die Kombination eines Tiefpassfilters und eines Hochpassfilters erlaubt es, ein jegliches Energieband für die Erfassung auszuwählen und dadurch Materialkontrast oder andere Merkmale der Probe zu verbessern. Dabei wird vorgezogen, dass der Hochpassfilter ein leitendes Filtergitter aufweist, das auf einem vorbestimmten Potenzial gehalten wird, das ausreicht, um alle Teilchen herauszufiltern, die weniger als eine vorbestimmte Energie besitzen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der genannte Driftbereich außerhalb der optischen Achse der Objektivlinse angeordnet, sodass alle von der Probe kommenden geladenen Teilchen innerhalb eines Winkels γ ≤ 5 Grad, vorzugsweise ≤ 10 Grad, gemessen von der optischen Achse der Objektivlinse, den Ablenkbereich des Spiegels treffen. Dies hat den Vorteil, dass besonders bei Proben mit ausgeprägter Topografie, die meisten der von der Probe kommenden geladenen Teilchen erfasst werden können.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Teilchenspiegel in einer Vorrichtung für geladene Teilchen bereitgestellt, der folgendes umfasst: eine Vorderseite und eine Rückseite, einen auf der Vorderseite befindlichen Ablenkbereich, um alle Teilchen in einem gegebenen Geschwindigkeits- und einem gegebenen Winkelbereich abzulenken, einen von der Rückseite bis zur Vorderseite reichenden Driftbereich, um Teilchen von der Rückseite zur Vorderseite des Spiegels passieren zu lassen, wobei der Driftbereich dabei außerhalb der geometrischen Mitte des Spiegels liegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Teilchenspiegel weiterhin eine lei tende Oberfläche oder ein leitendes Ablenkungsgitter, auf einem vorbestimmten Potenzial gehalten, das ausreicht, um alle Teilchen, die weniger als eine vorbestimmte Energie haben, abzulenken. Außerdem wird es vorgezogen, dass der Teilchenspiegel mindestens ein leitendes Abschirmgitter, zum Abschirmen von Potenzial der Oberfläche oder des leitenden Ablenkungsgitters vom Rest der Vorrichtung und/oder einen Teilchenabsorber aufweist, der Teilchen absorbiert, die mehr als die vorbestimmte Energie besitzen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Einige der oben angegebenen und weitere detailliertere Aspekte der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung dargestellt, und teilweise in Bezug auf die Abbildungen erläutert.
1 ist ein schematischer, senkrechter Schnitt der Vorrichtung für geladene Teilchen gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine vergrößerte Ansicht des Teilchenspiegels, wie er in 1 verwendet wird.
3 ist eine schematischer, senkrechter Schnitt einer Vorrichtung für geladene Teilchen, gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine vergrößerte Ansicht des Teilchenspiegels, wie er in 3 verwendet wird.
5 ist ein schematischer, senkrechter Schnitt einer Vorrichtung für geladene Teilchen, gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Eine erste Ausführungsform gemäß der Erfindung wird schematisch in 1 gezeigt. Ein geladener Teilchenstrahl 4, normale weise ein Elektronenstrahl, kommt von der Quelle geladener Teilchen 2, z.B. einer Wolfram-Haarnadel-Kanone (tungsten-hairpin gun), einer Lanthan-Hexaborid-Kanone, einer Feldemissionskanone oder einem thermionischen Schottky-Emitter. Mindestens eine Anode 3, die die geladenen Teilchen anzieht und beschleunigt, wird unter der Teilchenquelle 2 angeordnet. Um die geladenen Teilchen zu beschleunigen, wird die Quelle geladener Teilchen 2 auf negativem Potenzial gehalten, zum Beispiel – 0,5 kV, wohingegen Anode 3 auf positivem Potenzial gehalten wird, zum Beispiel + 10 kV.
Auf die Anode 3 folgt eine Kondensorlinse 5, die die geladenen Teilchen auf einen dünnen Strahl konzentriert und den Strahl entlang der optischen Achse 6 führt, welche zugleich die Achse der Objektivlinse 10 darstellt. Die erste Stufe 12A der dreistufigen Ablenkungseinheit 12 lenkt den Strahl geladener Teilchen 4 weg von der optischen Achse 6. Der Strahl geladener Teilchen 4 betritt die zweite Stufe 12B der dreistufigen Ablenkungseinheit, die den Strahl geladener Teilchen 4 zur optischen Achse 6 umlenkt. Auf seinem Weg zurück zur optischen Achse 6 passiert der Strahl 4 den Teilchenspiegel 14, der sich auf der optischen Achse 6 befindet. Der Strahl geladener Teilchen 4 passiert den Teilchenspiegel 14 durch einen Driftbereich 26 (Driftrohr), der innerhalb des Teilchenspiegels 14 angeordnet ist. Der Driftbereich 26 reicht von der Rückseite 28 des Spiegels bis zur Vorderseite 27 des Spiegels (siehe 2). Dadurch, dass der Driftbereich 26 im Teilchenspiegel 14 angeordnet ist, passiert der Strahl geladener Teilchen 4 den Teilchenspiegel 14 in grundsätzlich ungestörter Weise. Demgemäß gibt es keinen Bedarf nach zusätzlichen Maßnahmen zur Korrektur des Strahles geladenener Teilchen.
Der Strahl geladener Teilchen 4 betritt dann die dritte Stufe 12C der dreistufigen Ablenkungseinheit 12, die den Strahl geladenener Teilchen 4 hauptsächlich in die Richtung der optischen Achse 6 umlenkt. Die Ablenkungseinheit 12 kann elektrostische oder magnetische Ablenkstufen 12A–12C beinhalten.
Der dritten Stufe 12C der dreistufigen Ablenkungseinheit 12 folgt die Objektivlinse 10 zum Fokussieren des Teilchenstrahls 4 auf eine Probe 8. Um die geladenen Teilchen abzubremsen, ist die Probe 8 geerdet, sodass die geladenen Teilchen, normalerweise Elektronen, in diesem Beispiel die Probe 8 mit einer Energie von 0,5 keV treffen.
Beim Aufschlagen der geladenen Teilchen auf die Oberfläche der Probe 8 treten diese in eine Reihe von komplexen Wechselwirkungen mit den Atomkernen und den Elektronen der Atome der Probe.
Die Wechselwirkungen zwischen den einfallenden geladenen Teilchen und den Atomen der Probe können elastisch oder unelastisch sein. Die Wechselwirkungen erzeugen verschiedene sekundäre Produkte, sowohl Elektronen verschiedener Energie, Röntgenstrahlen, Licht und Wärme, ebenso wie geladene Teilchen, die zurückgeworfen werden. Viele dieser sekundären Produkte und/oder zurückgestreuten geladenen Teilchen werden verwendet, um das Abbild der Probe zu erzeugen und um zusätzliche Daten von der Probe zu sammeln.
Ein sekundäres Produkt von großer Wichtigkeit für die Untersuchung oder die Erzeugung des Abbilds von Proben sind sekundäre Elektronen, die der Probe in verschiedenen Winkeln mit relativ niedriger Energie (3 – 50 eV) entweichen. Durch das hohe positive Potenzial innerhalb der Objektivlinse 10 (in diesem Beispiel + 10 kV) werden die sekundären Elektronen in die Objektivlinse 10 gezogen und zum Teilchenspiegel 14 hin beschleunigt. Die sekundären Elektronen passieren die dritte Stufe 12C der dreistufigen Ablenkungseinheit 12 und bewegen sich auf den Teilchenspiegel 14 zu. Beim Passieren der dritten Stufe 12C der dreistufigen Ablenkungseinheit 12 werden auch die sekundären Elektronen abgelenkt. Im Beispiel, wie in 1 gezeigt, ist die dritte Stufe 12C der dreistufigen Ablenkungseinheit 12 eine magnetische Ablenkungseinheit. Daher werden die sekundären Elektronen in die entgegengesetzte Richtung bezüglich des primären Elektronenstrahls 4 abgelenkt. Demgemäß werden der primäre Elektronenstrahl und der sekundäre Elektronenstrahl getrennt, ohne den primären Elektronenstrahl 4 negativ zu beeinflussen.
Die sekundären Elektronen treffen den Ablenkbereich 25 des Teilchenspiegels 14 und werden in Richtung auf den Detektor 16 abgelenkt. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 1 gezeigt, weist der Teilchenspiegel 14 eine leitende Oberfläche 21 auf, die in Bezug auf die optische Achse 6 in einem Winkel α von ungefähr 45 Grad geneigt ist. Außerdem wird die leitende Oberfläche 21 auf einem vorbestimmten Potenzial gehalten, das ausreicht, um alle Teilchen, die weniger als eine vorbestimmte Energie haben, abzulenken. In diesem Beispiel wird die leitende Oberfläche 21 auf einem Potenzial von etwas unter + 5 kV gehalten, um alle sekundären Elektronen, die von der Probe 8 in Richtung auf den Detektor 16 kommen, abzulenken. Dabei werden die sekundären Elektronen in einer Weise abgelenkt, sodass der Winkel β_o, zwischen der ausgehenden Bahn des Teilchens und der Achse senkrecht zur Vorderseite des Spiegels, gleich ist dem Winkel β_i, zwischen der ankommenden Bahn des Teilchens und der Achse senkrecht zur Vorderseite des Spiegels (siehe 2).
In diesem Beispiel besteht der Teilchenspiegel aus Al₂O₃, mit einer leitenden Beschichtung auf seiner Vorder- und Rückseite, wobei die leitende Beschichtung auf der Vorderseite isoliert ist von der leitenden Beschichtung auf der Rückseite. Außerdem weist der Teilchenspiegel 14 ein im Spiegel angeordnetes Metallrohr auf, das dem Driftbereich 26 Gestalt gibt. Das Metallrohr ist mit der Rückseite des Spiegels verbunden und wird auf dem gleichen Potenzial gehalten wie die Rückseite des Spiegels. Sorgfalt muss am Außenbereich des Spiegels und zwischen dem Driftbereich 26 und dem Ablenkbereich 25 aufgewendet werden, um jedwede Kurzschlüsse zwischen der Vorder- und der Rückseite des Spiegels zu vermeiden.
Der Detektor 16 kann aus einer Vielzahl von Detektoren gewählt werden. In dem vorliegenden Beispiel ist der Detektor ein Szintillationszähler, der mit einem Fotoverstärker (photo multiplier) mittels eines Lichtleiters verbunden ist. Der Output des Detektors 16 wird dann zum Beispiel verwendet, um ein Abbild der Oberfläche einer Probe anzuzeigen oder aufzuzeichnen.
Auch rückwärts gestreute Teilchen, normalerweise Elektronen (backscattered electrons), sind für die Erzeugung des Abbilds von Proben wichtig. Rückwärts gestreute Elektronen besitzen hohe Energie, im Durchschnitt 60 bis 80 Prozent der Anfangsenergie des Elektronenstrahles (in diesem Beispiel 0,5 keV). Durch das hohe positive Potenzial innerhalb der Objektivlinse 10 (in diesem Beispiel + 10 kV) werden die rückwärts gestreuten Elektronen auch in die Objektivlinse 10 gezogen und zum Teilchenspiegel 14 hin beschleunigt. Die rückwärts gestreuten Elektronen passieren die dritte Stufe 12C der dreistufigen Ablenkungseinheit 12 und bewegen sich auf den Teilchenspiegel 14 zu. Beim Passieren der dritten Stufe 12C der dreistufigen Ablenkeinheit 12 werden auch die rückwärts gestreuten Elektronen abgelenkt. Wie oben erläutert ist die dritte Stufe 12C der dreistufigen Ablenkungseinheit 12 eine magnetische Ablenkungseinheit. Daher werden die rückwärts gestreuten Elektronen auch in die in Bezug auf den primären Elektronenstrahl 4 entgegengesetzte Richtung abgelenkt. Demgemäß werden der primäre Elektronenstrahl 4 und die rückwärts gestreuten Elektronen getrennt, ohne den primären Elektronenstrahl 4 negativ zu beeinflussen.
Folglich treffen die rückwärts gestreuten Elektronen auch den Ablenkbereich 25 des Teilchenspiegeles 14. Durch ihre relativ hohe Energie, verglichen mit den sekundären Elektronen, reicht jedoch das Potenzial der leitenden Oberfläche 21 nicht aus, die rückwärts gestreuten Elektronen abzulenken. Demgemäß passieren die rückwärts gestreuten Elektronen die leitende Oberfläche 21 und erreichen das keramische Material Al₂O₃, das als Teilchenabsorber wirkt.
Um die sekundären Elektronen von den rückwärts gestreuten Elektronen zu trennen, wird im allgemeinen Fall das Potenzial der leitenden Oberfläche 21 etwas unter BE sin²α gehalten, wobei BE das Potenzial im Innern der Objektvlinse 10 ist, und der Winkel α der Winkel zwischen der optischen Achse und einer Achse senkrecht zur Vorderseite des Teilchenspiegels 14 ist. Durch das Abtasten der Probe mit dem geladenen Teilchenstrahl und durch das Anzeigen/Aufzeichnen des Outputs des Detektors 16 wird ein Abbild der Probenoberfläche erzeugt.
Eine zweite Ausführungsform, gemäß der Erfindung wird in 3 schematisch gezeigt. Komponenten, die die gleichen wie in 1 sind, haben die gleichen Bezeichnungen und werden nicht weiter beschrieben. Die in 3 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform, die in 1 gezeigt wird, indem ein zusätzliches leitendes Abschirmgitter 22 vor der leitenden Oberfläche 21 bereitgestellt wird, um das Potenzial der leitenden Oberfläche 21 vom Rest der Vorrichtung abzuschirmen. Außerdem weist die Ausführungsform gemäß der Erfindung, wie in 3 gezeigt, einen vor dem Detektor 16 angeordneten Hochpassfilter 30 auf, der nur Teilchen, deren Energiebetrag über einer vorbestimmten Schwelle liegt, den Eintritt in den Detektor erlaubt. Der Hochpassfilter 30 umfasst ein leitendes Filtergitter 31 und ein weiteres vor dem Filtergitter 31 angeordnetes Abschirmgitter 32. Die Kombination des Tiefpassfilters 14 (der Teilchenspiegel) und des Hochpassfilters 30 erlaubt es, jedes Energieband (Energiebereich) für die Erfassung auszuwählen, und dadurch den Materialkontrast oder andere Merkmale der Probe zu verbessern.
4 ist eine vergrößerte Ansicht des Teilchenspiegels 14, wie er in 3 verwendet wird. Der Teilchenspiegel 14, wie in 3 gezeigt, weist eine Vorderseite 27, eine Rückseite 28, einen auf der Vorderseite angeordneten Ablenkbereich 25, um alle Teilchen in einem gegebenen Geschwindigkeitsbereich (Energiebereich) und in einem gegebenen Winkelbereich abzulenken, und einen Driftbereich 26 auf, der von der Rückseite 28 bis zu Vorderseite 27 reicht, um Teilchen von der Rückseite zur Vorderseite der Spiegels passieren zu lassen.
Außerdem umfasst der Teilchenspiegel eine leitende Oberfläche 21, die auf einem vorbestimmten Potenzial gehalten wird, das ausreicht, um alle Teilchen, deren Energiebetrag unter einer vorbestimmten Schwelle liegt, abzulenken. Das Potenzial der Oberfläche 21 wird durch ein leitendes Abgeschirmgitter 22 abgeschirmt, das sich vor der Oberfläche 21 befindet.
Dabei wird der Abstand zwischen der leitenden Oberfläche 21 und dem Abschirmgitter 22 vorzugsweise größer als die zehnfache Maschenweite des Gitters 22 gewählt. Das Abschirmgitter 22 wird vorzugsweise auf dem gleichen Potenzial gehalten wie die Elemente, die an den Teilchenspiegel 14 in der Vorrichtung für geladene Teilchen angrenzen. Durch den Gebrauch eines Abschirmtgitters 22 kann das Potenzial der leitenden Oberfläche 21, das sich normalerweise beträchtlich vom Potenzial der an den Teilchenspiegel 14 angrenzenden Elemente unterscheidet, von diesen Elementen abgehalten werden. Demgemäß können negative Nebeneffekte, die auf das Potenzial der leitenden Oberfläche 21 zurückzuführen sind, vermieden werden.
Wenn ein geladenes Teilchen wie ein sekundäres Elektron, das weniger als eine bestimmte Energie hat, den Ablenkbereich 25 des Teilchenspiegels 14 trifft, wird es in einer Weise abgelenkt, dass der Winkel β_o, zwischen der ausgehenden Bahn 9B des Teilchens und der Achse senkrecht zur Spiegelvorderseite gleich dem Winkel β_i, zwischen der ankommenden Bahn 9A des Teilchens und der Achse senkrecht zur Spiegelvorderseite ist.
Da der Teilchenspiegel 14 aus keramischem Material hergestellt ist, wirkt das Keramikmaterial als Teilchenabsorber 23, der zwischen der Rückseite 28 des Spiegels und der leitenden Oberfläche 21 angeordnet ist, um Teilchen zu absorbieren, die mehr als eine bestimmte Energie haben und die deshalb fähig sind durch die Oberfläche 21 zu dringen.
Wie aus 4 ersehen werden kann, ist der Driftbereich nicht in der geometrischen Mitte des Spiegels angeordnet, was mit der Referenznummer 40 angezeigt wird. Der Spiegel, der in 4 gezeigt wird, hat die Form einer runden Scheibe mit einem Mittelpunkt. Demgemäß ist die geometrische Mitte der Mittelpunkt der Scheibe. Dadurch, dass der Driftbereich außerhalb der geometrischen Mitte des Spiegels angeordnet ist, kann die geometrische Mitte des Spiegels als Ablenkbereich verwendet werden, was die Qualität der Untersuchung beträchtlich erhöht.
Eine dritte Ausführungsform gemäß der Erfindung wird schematisch in 5 gezeigt. Ein geladener Teilchenstrahl 4, normalerweise ein Elektronenstrahl, kommt von einer Quelle geladener Teilchen 2 z.B. einer Wolfram-Haarnadel-Kanone (tungsten-hairpin gun), einer Lanthan-Hexaborid-Kanone, einer Feldemissionskanone oder einem Thermischen Schottky-Emitter. Mindestens eine Anode 3, die die geladenen Teilchen anzieht und beschleunigt, wird unter der Teilchenquelle 2 angeordnet. Um die geladenen Teilchen zu beschleunigen, wird die Quelle geladener Teilchen 2 auf negativem Potenzial gehalten, zum Beispiel – 0,5 kV, wohingegen die Anode 3 auf positivem Potenzial gehalten wird, zum Beispiel + 10 kV.
Auf Anode 3 folgt eine Kondensorlinse 5, die die geladenen Teilchen auf einen dünnen Strahl konzentriert und den Strahl entlang der optischen Achse 6' führt, die nicht die Achse 6 der Objektivlinse 10 ist. Der Strahl geladenener Teilchen 4 betritt dann die erste Stufe 12B einer zweistufigen Ablenkungseinheit, die den Strahl geladener Teilchen 4 auf die optische Achse 6 der Objektivlinse richtet. Auf seinem Weg zur optischen Achse 6 passiert der Strahl 4 den Spiegel 14, der auf der optischen Achse 6 der Objektivlinse angeordnet ist. Der Strahl geladenener Teilchen 4 passiert den Teilchenspiegel 14 durch einen Driftbereich 26 (Driftrohr), der sich im Teilchenspiegel 14 befindet. Dadurch, dass sich der Driftbereich 26 im Teilchenspiegel 14 befindet, passiert der Strahl geladenener Teilchen 4 den Teilchenspiegel 14 in grundsätzlich ungestörter Weise. Daher gibt es kein Bedürfnis nach zusätzlichen Maßnahmen, um den geladenen Teilchenstrahl zu korrigieren. Der Strahl geladenener Teilchen 4 betritt nun die zweite Stufe 12C, der zweistufigen Ablenkungseinheit 12, welche den Strahl geladenener Teilchen 4 in Richtung der optischen Achse 6 umgelenkt.
Auf die Ablenkungseinheit 12C folgt die Objektivlinse 10, um den Teilchenstrahl 4 auf eine Probe 8 zu fokussieren. Um die geladenen Teilchen abzubremsen, ist die Probe 8 geerdet, sodass die geladenen Teilchen, normalerweise Elektronen, die Probe 8 in diesem Beispiel mit einer Energie von 0,5 keV treffen.
Durch das hohe positive Potenzial innerhalb der Objektivlinse 10 (in diesem Beispiel + 10 kV), werden die sekundären Elektronen, die der Probe 8 entweichen, in die Objektivlinse 10 gezogen und zum Teilchenspiegel 14 hin beschleunigt. Die sekundären Elektronen 44 passieren die Ablenkungseinheit 12C und bewegen sich auf den Teilchenspiegel 14 zu. Beim Passieren der Ablenkungseinheit 12C werden auch die sekundären Elektronen abgelenkt. In diesem Beispiel, gezeigt in 5, ist die Ablenkungseinheit 12C eine magnetische Ablenkungseinheit. Daher werden die sekundären Elektronen in entgegengesetzter Richtung, bezüglich des primären Elektronenstrahles 4 abgelenkt. Demgemäß, werden der primäre Elektronenstrahl und die sekundären Elektronen getrennt, ohne den primären Elektronenstrahl 4 negativ zu beeinflussen.
Die sekundären Elektronen 44 treffen den Ablenkbereich 25 des Teilchenspiegels 14 und wer den in Richtung auf den Detektor 16 abgelenkt. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie in 5 gezeigt, weist der Teilchenspiegel 14 ein leitendes Ablenkungsgitter 41 auf, das in einem Winkel α von ungefähr 45 Grad bezüglich der optischen Achse 6 geneigt ist. Außerdem wird das leitende Abschirmgitter 41 auf einem vorbestimmten Potenzial gehalten, das ausreicht, um alle Teilchen, die weniger als eine vorbestimmte Energie haben, abzulenken. In diesem Beispiel wird das Ablenkungsgitter 41 auf einem Potenzial von etwas unter +5 kV gehalten, um alle sekundären Elektronen, die von der Probe 8 zum Detektor 16 kommen, abzulenken. Dabei werden die sekundären Elektronen in einer Weise abgelenkt, dass der Winkel β_o, zwischen der ausgehenden Bahn des Teilchens und der Achse senkrecht zur Vorderseite des Spiegels gleich dem Winkel β_i, zwischen der ankommenden Bahn des Teilchens und der Achse senkrecht zur Vorderseite des Spiegels ist.
Durch das hohe positive Potenzial innerhalb der Objektivlinse 10 (in diesem Beispiel + 10 kV) werden auch die zurückgestreuten Elektronen 45 in die Objektivlinse 10 gezogen und werden zum Teilchenspiegel 14 hin beschleunigt. Demgemäß treffen auch die zurückgestreuten Elektronen 45 den Ablenkbereich 25 des Teilchenspiegels 14. Durch ihre relativ hohe Energie jedoch, verglichen mit den sekundären Elektronen 44, reicht das Potenzial des leitenden Ablenkungsgitters 41 nicht aus, um die zurückgeworfenen Elektronen 45 abzulenken. Demgemäß treten die zurückgeworfenen Elektronen durch das leitende Ablenkungsgitter 41 und erreichen den zweiten Detektor 24, der hinter dem leitenden Ablenkungsgitter 41 angeordnet ist. Der zweite Detektor 24 kann ebenfalls aus einer Vielzahl von Detektortypen gewählt werden. Im vorliegenden Beispiel ist der zweite Detektor 24 ebenfalls ein Szintillationszähler, der durch einen Lichtleiter mit einem Fotomultiplier verbunden ist. Falls die mit den zurückgeworfenen Teilchen verbundene Information nicht gebraucht wird, kann der zweite Detektor 24 auch durch einen Teilchenabsorber ersetzt werden, der die zurückgeworfenen Teilchen 45 absorbiert. Der Teilchenabsorber kann zum Beispiel aus dielektrischem Material bestehen.
Wie aus der 5 ersehen werden kann, ist der Driftbereich 26 des Spiegels 14 außerhalb der optischen Achse 6 der Objektivlinse 10 angeordnet, sodass alle geladenen Teilchen, die von der Probe 8 innerhalb eines Winkels γ ≤ 10 Grad, gemessen von der optischen Achse der Objektivlinse, kommen, den Ablenkbereich 25 des Spiegels 14 treffen. Besonders bei Proben mit ausgeprägter Topografie hat dies den Vorteil, dass die meisten Elektronen, die von der Probe kommen, erfasst werden können.
Durch das Abtasten der Probe mit dem geladenen Teilchenstrahl und durch das Anzeigen/Aufzeichnen des Outputs des Detektors 16 und/oder beim Anzeigen/Aufzeichnen des Outputs des zweiten Detektors 24 wird ein Abbild der Oberfläche der Probe erzeugt.

Claims

Eine Vorrichtung für geladene Teilchen (1) umfassend: eine Teilchenquelle (2) zum Bereitstellen eines Strahles geladener Teilchen (4); eine Objektivlinse (10) zum Fokussieren des Teilchenstrahles auf eine Probe (8), wobei die Objektivlinse (10) eine optische Achse (6) hat; einen auf der optischen Achse (6) der Objektivlinse (10) angeordneten Teilchenspiegel (14), wobei der Teilchenspiegel (14) eine Vorderseite (27), eine Rückseite (28), einen Driftbereich (26), der sich von der Rückseite (28) bis zur Vorderseite (27) erstreckt, um den Strahl geladener Teilchen (4) von der Rückseite (28) zur Vorderseite (27) passieren zu lassen, und einen auf der Vorderseite (27) angeordneten Ablenkbereich (25) zum Ablenken geladener Teilchen, die von der Probe (8) in Richtung Detektor (16) kommen, hat, dadurch gekennzeichnet, dass der Driftbereich (26) abseits der optischen Achse (6) angeordnet ist.
Die Vorrichtung für geladene Teilchen (1) gemäß Anspruch 1, wobei der Teilchenspiegel (14) einen auf der Vorderseite (27) angeordneten Ablenkbereich (25) zum Ablenken aller Teilchen innerhalb eines gegebenen Geschwindigkeitsbereiches und innerhalb eines gegebenen Winkelbereiches umfasst, so dass der Winkel β_o zwischen der ausgehenden Bahn des Teilchens und der zur Vorderseite des Spiegels senkrecht stehenden Achse an der Stelle, wo das Teilchen auf den Spiegel trifft, dem Winkel β_i zwischen der ankommenden Bahn des Teilchens und der zur Vorderseite des Spiegels senkrecht stehenden Achse des Spiegels gleicht.
Die Vorrichtung für geladene Teilchen (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Driftbereich (26), der von der Rückseite (28) zur Vorderseite (27) reicht, abseits der geometrischen Mitte (40) des Spiegels angeordnet ist.
Die Vorrichtung für geladene Teilchen (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche weiter umfassend eine Ablenkungseinheit (12C) zum Ausrichten des Strahles geladener Teilchen im Wesentlichen entlang der optischen Achse der Objektivlinse, wobei die Ablenkungseinheit (12C) zwischen dem Teilchenspiegel (14) und der Objektivlinse (10) angeordnet ist.
Die Vorrichtung für geladene Teilchen (1) gemäß Anspruch 4 umfassend eine dreistufige Ablenkungseinheit (12) zum Ablenken des Strahles geladener Teilchen (4) von der optischen Achse (6) weg und im Wesentlichen auf die optische Achse (6) der Objektivlinse (10) zurück.
Die Vorrichtung für geladene Teilchen (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Teilchenspiegel (14) in Bezug auf die optische Achse (6) um einen Winkel α zwischen ungefähr 20 und ungefähr 70 Grad, auf bevorzugte Weise zwischen ungefähr 40 und ungefähr 50 Grad, und auf am meisten bevorzugte Weise ungefähr 45 Grad gekippt ist.
Die Vorrichtung für geladene Teilchen (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Teilchenspiegel (14) eine leitende Oberfläche (21) oder ein leitendes ablenkendes Gitter (41) umfasst, das auf einem vorbestimmten Potential gehalten wird, das ausreichend ist, um alle Teilchen, die weniger als eine vorbestimmte Energie haben, abzulenken.
Die Vorrichtung für geladene Teilchen (1) gemäß Anspruch 7, wobei der Teilchenspiegel (14) mindestens ein leitendes Abschirmgitter (22) zum Abschirmen des Potentials der leitenden Oberfläche (21) oder des leitenden Ablenkungsgitters (41) vor der übrigen Vorrichtung umfasst.
Die Vorrichtung für geladene Teilchen (1) gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei der Teilchenspiegel (14) einen Teilchenabsorber (23) zum Absorbieren von Teilchen, die mehr als die vorherbestimmte Energie haben, umfasst.
Die Vorrichtung für geladene Teilchen (1) gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei ein zweiter Detektor (24) hinter dem leitenden ablenkenden Gitter (41) angeordnet ist, um Teilchen, die mehr als die vorherbestimmte Energie haben, zu detektieren.
Die Vorrichtung für geladene Teilchen (1) gemäß einem der vorausgehende Ansprüche, wobei ein Hochpassfilter (30) vor dem Detektor (16) angeordnet ist, der nur Teilchen den Eintritt in den Detektor (16) erlaubt, die eine Energie oberhalb einer vorherbestimmten Energie haben.
Die Vorrichtung für geladene Teilchen (1) gemäß Anspruch 11, wobei der Hochpassfilter (30) ein leitendes Filtergitter (31) enthält, das auf einem vorherbestimmten Potential gehalten wird, das ausreichend ist, um alle Teilchen, die weniger als eine vorherbestimmte Energie haben, herauszufiltern.
Die Vorrichtung für geladene Teilchen (1) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Driftbereich (26) abseits der optischen Achse (6) der Objektivlinse (10) so angeordnet ist, dass alle geladenen Teilchen, die von der optischen Achse (6) der Objektivlinse (10) aus gemessen innerhalb eines Winkels γ ≤ 5°, vorzugsweise ≤ 10°, von der Probe kommen, den Ablenkungsbereich (25) des Spiegels (14) treffen.
Einen Teilchenspiegel (14) zum Gebrauch in einer Vorrichtung für geladene Teilchen umfassend: eine Vorderseite (27) und eine Rückseite (28); einen auf der Vorderseite (27) angeordneten Ablenkungsbereich (25) zum Ablenken aller Teilchen innerhalb eines gegebenen Geschwindigkeitsbereiches und innerhalb eines gegebenen Winkelbereiches: einen Driftbereich (26), der sich von der Rückseite (28) zur Vorderseite (27) erstreckt, um Teilchen von der Rückseite (28) zur Frontseite (27) des Spiegels passieren zu lassen, dadurch gekennzeichnet, dass der Driftbereich (26) abseits der geometrischen Mitte (40) des Spiegels angeordnet ist.
Der Teilchenspiegel (14) gemäß Anspruch 14, wobei der Teilchenspiegel (14) weiter eine leitende Oberfläche (21) oder ein leitendes ablenkendes Gitter (41) umfasst, das auf einem vorherbestimmten Potential gehalten wird, das ausreicht, um alle Teilchen, die weniger als eine vorherbestimmte Energie haben, abzulenken.
Der Teilchenspiegel (14) gemäß Anspruch 15, wobei der Teilchenspiegel (14) weiterhin mindestens ein leitendes Abschirmgitter (22) zum Abschirmen des Potentials der leitenden Oberfläche (21) oder des leitenden Ablenkungsgitters (41) umfasst.
Der Teilchenspiegel (14) gemäß einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei der Teilchenspiegel (14) weiterhin einen Teilchenabsorber (23) zum Absorbieren von Teilchen, die mehr als die vorherbestimmte Energie haben, umfasst.
Der Teilchenspiegel (14) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei der Ablenkbereich (25) die Teilchen so ablenkt, dass der Winkel zwischen der ausgehenden Bahn des Teilchens und der zur Vorderseite des Spiegels senkrechten Achse an der Stelle, wo das Teilchen auf den Spiegel trifft, dem Winkel zwischen der ankommenden Bahn des Teilchens und der zur Vorderseite des Spiegels senkrechten Achse des Spiegels gleicht.
Ein Verfahren zur Untersuchung von Proben mit einem Strahl geladener Teilchen umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Strahles geladener Teilchen; passieren lassen des Strahles geladener Teilchen durch einen Driftbereich, der von der Rückseite zur Vorderseite eines Teilchenspiegels reicht; Fokussieren des Teilchenstrahles mit einer Objektivlinse auf eine Probe, wobei die Objektivlinse eine optische Achse hat; und Ablenken geladener Teilchen, die von der Probe kommen, mit einem Ablenkbereich des Teilchenspiegels in Richtung eines Detektors; wobei der Driftbereich abseits der optischen Achse angeordnet ist.