NL8602177A

NL8602177A - Electronen detectie met energie discriminatie.

Info

Publication number: NL8602177A
Application number: NL8602177A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1986-08-27
Filing date: 1986-08-27
Publication date: 1988-03-16
Also published as: US4882486A; EP0259907A1; JPH0828196B2; JPS6369135A; DE3767252D1; EP0259907B1

Description

PHN 11.849 1 \ N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Electronen detectie met energie discriminatie.

De uitvinding heeft betrekking op een apparaat voor detectie van electronen afkomstig van een oppervlak van een te onderzoeken object dat is geplaatst in een meetruimte waarin een de te detecteren electronen paralleliserend magneetveld opwekbaar is.

5 Een dergelijk apparaat is bekend uit het artikel “Magnetic field extraction of secundary electrons for accurate integrated circuit voltage measurement*, gepubliceerd in Journal Vac.

Sci en Techn. B4, Nr. 1, jan-febr. 1986, p 217-220 door S.C.J. Garth en W.C. Nixon; verder het Garth artikel te noemen.

10 Een aldaar beschreven apparaat voor het testen van chips omvat een scanning electronen microscoop met een retarding field energie analysator tussen een objectieflens en de te onderzoeken chip en een magnetische single-pole lens (snorkellens) waardoor de metingen verstorende locale overspraak effecten van het chip oppervlak worden 15 gereduceerd en uit het chip oppervlak tredende electronen worden geparalleliseerd.

Nadelen van het bekende apparaat zijn, dat de snorkellens alleen effectief kan zijn voor axiaal verlopende bundels, terwijl voor off-axis bundels deze lens nagenoeg of geheel wordt uitgezet, waardoor 20 ofwel het field of view sterk wordt beperkt of de off-axis metingen onnauwkeurig worden. Doordat na een selecterend retarding field wordt gemeten is een minder scherpe flank van het energie spectrum van de electronen relevant hetgeen de meetnauwkeurigheid dan wel de meetsnelheid beperkt. Verder laat de bekende meetmethode geen 25 normalisatie op de totaalstroom toe waardoor schommelingen in de primaire electronenbundel, de secundaire emissie coëfficiënt en dergelijke de meetnauwkeurigheid nadelig kunnen beïnvloeden.

Van een dergelijke inrichting wordt verlangd, dat bij een primaire energie van ongeveer 1 KeV en een primaire stroom van _0 30 ongeveer 10 1 een electronenspot van ongeveer 0,1 pm op het te onderzoeken object realiseerbaar is. Hierbij is een field of view van

O

ten minste 1 mar een energie scheidend vermogen van ten hoogste 10 meV

8602177 *

P

PHN 11.849 2 een geringe spoor overspraak en ook bij een niet te sterk electrostatisch veld op de chip een beperkte spotverplaatsing bij spanningsaftasting gewenst.

De uitvinding beoogt de genoemde bezwaren te ondervangen 5 en optimaal aan de gestelde verlangens te voldoen. Daartoe heeft een inrichting van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding tot kenmerk, dat het apparaat is uitgerust met een meervoudig energie gevoelig detectie systeem en met een electronen optiek voor opwekking van een gecombineerd electrostatisch en magnetisch lensveld met een 10 ruimtelijk dispersieve werking op de te detecteren electronen tussen het uittree oppervlak en het detectie systeem.

Net een apparaat volgens de uitvinding kan het gehele spectrum van de uit het object tredende electronen worden gemeten waardoor direct op de totaalstroom kan worden genormeerd, voor het 15 meten van energie verschuivingen kan de meest geschikte, steile flank van de verdeling worden gekozen en kan de signaal-ruis verhouding van het meetsignaal aanzienlijk verbeterd worden.

In een verdere voorkeursuitvoering omvat de electronen-optiek middelen voor het ter plaatse van het dispersieve magneetveld 20 opwekken van een magnetisch dwarsveld dat locaal evenredig is met de axiale sterkte verandering van het dispersieve magneetveld. Hierdoor kan de magnetisch optische as van het lensveld ten opzichte van een mechanische as daarvan worden verschoven. In het bijzonder is hiervoor een variabel lensas systeem toegepast bijvoorbeeld zoals beschreven in 25 het artikel “Advanced deflection concept for large area, high resolution e-beam lithography", gepubliceerd in Journ. Vac. Sci. Technol. 19(4) nov.-dec. 1981. door H.C. Pfeiffer en G.0. Langner aldaar, speciaal voor toepassing in een electronen bundel schrijfmachine voor het realiseren van een groot veld met loodrechte landing zonder object verplaatsing.

30 In dergelijke lenssystemen kan een sterke reductie van bijvoorbeeld chromatische fouten worden gerealiseerd waardoor de electronen meting over een relatief groot veld optimaal kan zijn.

In een voorkeursuitvoering is een de electronen vertragend electrostatisch veld aangelegd dat enkel voor electronen 35 boven een bepaalde energie transparant is. Hierdoor kan een energie traject aan de hoge energie zijde van het spectrum, overigens toch weer energie afhankelijk worden gemeten. De begrenzing kan daarbij zo 860 2 1 7 7_ Ύ % ΡΗΝ 11.849 3 worden gekozen, dat specifiek electronen die volgens een bepaald proces uit het oppervlak worden vrijgemaakt of daaraan reflecteren worden gemeten. Voor toepassing van de uitvinding in een electronen microscoop kan het gunstig zijn de electronen optiek zodanig in te richten, dat het 5 magnetisch gedeelte daarvan ook geschikt is om als objectieflens voor de electronenmicroscoop te fungeren. Hierdoor kan een compact en efficient apparaat worden ontworpen.

In een verdere voorkeursuitvoering omvat het detectie systeem ten minste twee simultaan werkende kanalen waarvan een eerste is 10 opgesteld voor het meten van electronen met een energie boven een bepaalde waarde en een tweede voor het meten van electronen met een energie beneden die waarde. Hierdoor kan zonder dat een gecompliceerd detectie systeem nodig is het gehele spectrum worden gemeten met de reeds genoemde voordelen daarvan. Het gehele spectrum kan ook worden 15 gemeten met een lineair detector array met veel kanalen waardoor een directe meting van het spectrum als geheel wordt verkregen. De detectie wordt hierdoor evenwel meer gevoelig voor electronen optische en geometrische aberraties in het apparaat en de signaalverwerking wordt relatief ingewikkeld en tijdrovend. Bedacht moet hierbij worden dat 20 voor vele toepassingen het detectie systeem zich in het dispergerende magneetveld bevindt. Voor meting van bijvoorbeeld uit een object vrij te maken Auger electronen kan een plaatsgevoelige detector array een geschikte oplossing zijn. Voor Auger spectrometrie kan ook gebruik gemaakt worden van een zodanig electrostatisch veld tussen het uittree 25 oppervlak en het detectie systeem dat een van de detectie kanalen slechts bereikbaar is voor electronen met een door het Auger proces van uittreden uit het oppervlak opgelegde energie niveau. Met een tweede detectiekanaal kunnen dan bijvoorbeeld de electronen met een energie groter dan die energie worden gemeten.

30 In het navolgende zullen aan de hand van de tekening enkele voorkeursuitvoeringen volgens de uitvinding nader worden beschreven. In de tekening toont :

Fig. 1 zeer schetsmatig een apparaat volgens de uitvinding, 35 Fig. 2 een uitvoeringsvorm van een lensoptiek daarvoor,

Fig. 3 een voorbeeld van een energie spectrum van te detecteren electronen, 8602177 PHN 11.849 4

Fig. 4-a en 4-b twee voorbeelden van energie analyserende systemen voor bijvoorbeeld Auger electronen, en

Fig. 5 een ook als objectieflens bruikbaar lenssysteem.

Een in fig. 1 geschetst apparaat bevat, goeddeels 5 overeenkomstig een aftast electronen microscoop, een electronen bron 1, bijvoorbeeld met een LaB6 of een halfgeleider electronen emitter 2, een anode 3, een bundel richt systeem 4, een condensor lens 5, een bundel aftast systeem 6 en een eindlens systeem 7 met poolschoenen 8. Al deze elementen zijn met een te onderzoeken object 9 opgenomen in een huis 10 10 met een vacuumwand 11. In het huis bevinden zich verder een objectruimte 12 waarin een hier niet verder weergegeven, van buitenaf instelbaar object verplaatsingsmechanisme kan zijn opgenomen. Voor detectie van, door bestraling met een, hier langs een hoofdas 13 verlopende electronenbundel 14, uit het object oppervlak tredende 15 electronen zijn hier in een meetruimte 15 een eerste detector 16 en een tweede detector 17 opgesteld. De aftastspoelen, de electronenbron, het objectbewegingsmechanisme en de detectoren zijn hier aangesloten op een centrale besturingsinrichting 18 waarop voor beeld- of spectrumweergave een televisiemonitor 19 is aangesloten maar waarop 20 bijvoorbeeld ook een digitaal signaalverwerkingssysteem, een hard copy unit en een schrijver kan zijn aangesloten. De detectoren kunnen ook direct op een signaalverwerkingssysteem zijn aangesloten, waaraan dan weer elk van de genoemde elementen kan zijn aangesloten.

In fig. 2 is een voorbeeld van een eindlenssysteem, hier 25 in het bijzonder voor een chip inspectie apparaat, schetsmatig weergegeven. Een lensspoel 20, goeddeels omsloten door een juk 21 dat nabij de hoofdas 13 van het electronen optiek systeem eindigt in een poolschoen 22 vormen een single pole piece lens 23 die eventueel met een ferromagnetische plaat 24 kan zijn afgesloten. Nabij de poolschoen 30 22 is hier, gerangschikt om de optische as 13 een spoel 24 ter verplaatsing van de optische as opgenomen en kan een spoelenstelsel 25 voor dynamische focussering en een niet weergegeven stigmator zijn opgenomen. Eveneens om de optische as gerangschikt is een extra spoel 26 opgenomen voor het opwekken van een magnetisch detectie veld in de 35 meetruimte 15. Met behulp van een electronen optisch systeem 28 waarvan de spoel 26 deel uit maakt kan in combinatie met het dispersief veld in de meetruimte een energie scheidend afremveld 29 worden opgewekt, 8602177 » PHN 11.849 5 waardoor electronen uit een van het object afkomende electronen bundel 30r energie afhankelijk worden opgedeeld in een waaier 31 van electronenbanen. Snellere electronen 32 daaruit worden ingevangen door de detector 16 en langzamere electronen 33 door de detector 17. De 5 detectoren zijn tegen storende electronen afgeschermd met afschermkappen 36 en 37. Opgemerkt wordt reeds hier, dat nu de gehele retourbundel 30 wordt gemeten en niet slechts een gedeelte boven een bepaald energie niveau zoals in gebruikelijke apparaten en dat de detector efficiency substantieel 100% is. Het voordeel daarvan kan worden geïllustreerd 10 aan de hand van een in fig. 3 gegeven spectrum waarin langs de verticale as het aantal te detecteren electronen of de electronenstroom en langs de horizontale as de electronen energie bijvoorbeeld in eV staan uitgezet. Uit de figuur is af te lezen dat weer een verschuiving van het energie spectrum over een afstand 6 , bijvoorbeeld veroorzaakt door 15 een potentiaal excursie over een te meten chip oppervlak in bestaande apparatuur wordt gemeten door detectie van een relatief gering aantal electronen onder de verplaatsing £ langs de energie as van de kromme 40 met een statistische ruisbijdrage van alle electronen onder de kromme 40 met hogere energie, de signaal ruis verhouding in het detectie 20 signaal relatief slechts is. De signaal-ruis verhouding is in een apparaat volgens de uitvinding beduidend gunstiger omdat bij detectie van een in principe ongeveer gelijk aantal electronen onder £' slechts de statistische ruis van het geringe aantal electronen met een hogere energie onder de kromme 40 bedraagt. Doordat substantieel alle 25 electronen uit de retourbundel worden gemeten kan gemakkelijk voor variatie in de totaalstroom worden gecorrigeerd.

Voor aftasting van het object kan in principe gebruik worden gemaakt van bekende aftastmethoden maar daarbij treden de nadelen op, dat electronen die buiten de optische as worden vrijgemaakt 30 door het divergerende lensveld nog verder van de optische as worden afgebogen en worden verstoord door het aftastveld waardoor, vooral energie afhankelijke metingen worden verstoord en off-axis electronen slechts moeizaam kunnen worden gefocusseerd waardoor ook weer fouten in de meetsignalen optreden. Een verbetering hierin kan worden verkregen 35 door gebruik te maken van de op zich bekende Moving Objective Lens (M0L-lens) of de Variable Axis Immersion Lens (VAIL-lens). Een dergelijke lens, bijvoorbeeld de VAIL-lens vormt een afbuigveld in een ruimte waar 8602177 PHN 11.849 6 t het objectieflensveld nog een relatief sterke gradient toont. Aldus wordt electronen optisch de as van het lenssysteem verschoven. Een parallel met de verplaatste as invallende bundel wordt dus steeds op de nu meelopende as gefocusseerd. Als het opgewekte dwarsveld van de VAIL-5 lens gelijk is aan het dwarsveld van de lens ter plaatse wordt een fluxlijn gevormd die steeds exact langs de verplaatste as verloopt. Ter plaatse uit het oppervlak tredende electronen lopen dan langs deze locale fluxlijn van het oppervlak af geheel overeenkomstig de axiale electronen. Indien bij deze opstelling problemen worden ondervonden, 10 bijvoorbeeld door beeldfouten of achromatische afbuigfouten, kan de primaire bundel ook reeds eerder tot samenvallen met de verplaatste optische as worden gebracht. Hiervoor kan een bundelafbuigmechanisme in het electronen optische systeem tussen de bron en de eindlens worden gebruikt. Zo nodig kan een dergelijk afbuigsysteem worden aangevuld met 15 dynamische focusseer elementen en stigmatoren.

Hoewel de te meten electronen nu optimaal gericht de meetruimte binnenkomen kan de verplaatsing daarvan ten opzichte van de echte optische as toch nog nadelige invloed op energie afhankelijke metingen hebben. Een oplossing hiervoor kan worden gevonden door het 20 afbuigveld in feite te sterk te maken maar de primaire bundel ter compensatie daarvan scheef te laten invallen. De retourbundel wordt dan naar de echte optische as toe gericht en genoemde afwijkingen in de metingen zijn ondervangen. Voor het scheef inschieten van de primaire bundel kan gebruik worden gemaakt van een dubbel uitgevoerd 25 aftastssysteem waardoor een soort beam alignment kan worden gerealiseerd. Voor het terugbuigen van de retourbundel kan ook gebruik gemaakt worden van een extra spoelsysteem. Voor deze afbuiging moet de primaire bundel dan weer voor-gecompenseerd worden.

Voor het meten van een electronenstroom uit de 30 retourbundel 30 van selectief electronen binnen een gegeven energie traject, bijvoorbeeld een energie tussen EQ - ΔΕ en EQ kan in een apparaat volgens de uitvinding in de detectie zijde van de meetruimte 15 een vertragend electrostatisch veld worden opgewekt. Hierdoor kan door de eerste detector 16 een signaal worden geregistreerd van enkel 35 electronen in dat energie traject.

In fig. 4-a is een systeem geschetst waarbij electronen binnen een instelbaar energie traject door een samengestelde detector 8602177 * Λ FHN 11.849 7 50 worden ingevangen en electronen met een energie hoger dan dat traject door de detector 16. Doordat het veld 29 ruimtelijk dispergerend op de energie van de electronen uit de retourbundel inwerkt is de plaatsgevoelige detector 50 hier een energie discriminerende detector.

5 In de figuur zijn de dispergerende velden aangegeven met een magnetisch veld Bf, een transversaal electrostatisch veld Et en is het vertragende electrostatische veld aangegeven met Ej dat dus parallel met het magneetveld Bfc is gericht. Afgezien van de spiralisering van de electronen om de fluxlijnen zijn de electronenbanen in de 10 waaierbundel 31 nu parabolen die in de detectoringangen eindigen.

Indien ruimte of constructie van het apparaat beperkingen tot gevolg heeft die het detecteren van bijvoorbeeld de selectief gerichte electronen nadelig beïnvloedt kan hiervoor althans gedeeltelijk worden gecompenseerd door de richting van het magnetische veld Bf daaraan aan 15 te passen.

Een verdere uitvoeringsvorm voor het meten van bijvoorbeeld Auger electronen afkomstig uit het object is aangegeven in fig. 4-b met weer de velden Et . Bt en Ep de eerste detector 16 en de tweede detector 17. De retourbundel passeert hier eerst een 20 electrostatisch lenssysteem 55 waardoor enkel electronen met een energie tussen Eq - ΔΕ en EQ de tweede detector 17 kunnen bereiken. Met de detector 16 kunnen electronen met een energie groter dan EQ worden geregistreerd. Voordelen van deze oplossing boven die in fig. 4-c gegeven is, dat een eenvoudiger signaal wordt verkregen en dat de 25 relatief gecompliceerde samengestelde detector 50 komt te vervallen.

Het lenssysteem 55 omvat een in feite uni-potentiaal lens met twee electroden 56 en 58 op een eerste potentiaal en een tussen electrode 57 op een daarvan afwijkende hier lagere potentiaal, of kan zijn uitgevoerd als standaard retarding field analysator met grids.

30 In fig. 5 is een voorbeeld geschetst van een lenssysteem volgens de uitvinding dat tevens als objectieflens kan fungeren. Dit lenssysteem bevat weer de spoel 20 met het juk 8, de poolschoen 22, en de extra spoel 26. In de tekening zijn verder de invallende electronenbundel 14, het object 9 en de ferromagnetische afsluitplaat 35 24 aangegeven. In de lens is met een kromme 60 de magnetische veldsterkte aangegeven waartoe een horizontale as 62 met magnetische veldsterkte waarden in Gauss is gegeven. Met deze lens kunnen al de 8602177 ΡΗΝ 11.849 8 voordelen zoals aangegeven in het Garth artikel worden gerealiseerd.

Als voornaamste voordelen van een dergelijke lens noemen we hier de sterke reductie door locale veldexcursie op het object, de kleine brandpuntsafstand met de daardoor realiseerbare grote stroomdichtheid op 5 het object oppervlak en de parallelliserende werking op de electronen in de retourbundel.

Ten aanzien van het magneetveld in het lenssysteem kan een optimalisering worden bereikt door een gunstig compromis tussen enerzijds een sterk veld ter plaatse van de detector als voorwaarde voor 10 een adiabatische electronen beweging, reductie van de invloed van storingsvelden en van de focusverplaatsing op de energie bepaling aldaar en anderzijds een niet te hoge magnetische veldsterkte omdat daardoor de openingshoek voor detectie wordt gereduceerd en omdat fBdz beperkt moet blijven ten behoeve van de primaire bundel. Een verhouding van 1 15 op 10 tussen magnetische veldsterkte bij binnenkomst van de te detecteren electronen en de magnetische veldsterkte bij de detectoringang lijkt een gunstig compromis hetgeen met een poolschoendiameter van 15 mm en een brandpuntafstand van 7 mm resulteert in magnetische veldsterkte waarden van 25 Gauss en 250 Gauss als 20 aangegeven. Door het divergerende magneetveld door te laten grijpen tot aan het object oppervlak kan een nog gunstiger verhouding worden gerealiseerd.

8602177

Claims

1. Apparaat voor detectie van electronen afkomstig van een oppervlak van een te onderzoeken object dat is geplaatst in een meetruimte waarin een de te detecteren electronen paralleliserend magneetveld opwekbaar is met het kenmerk, dat het apparaat is uitgerust 5 met een energie gevoelig detectie systeem en met een electronen optisch systeem voor opwekking van een gecombineerd electrostatisch en magnetisch veld in de meetruimte met een ruimtelijk dispersieve werking voor selectieve detectie van electronen binnen een instelbaar energie traject binnen het energie traject van de van het oppervlak van het te 10 onderzoeken object afkomstige retour electronen bundel.

2. Apparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat in het electronen optisch systeem een magnetisch dwarsveld opwekkend magnetische lens is opgenomen waarvan een lensveld tot aan het oppervlak van het te onderzoeken object reikt en dat verder samenvalt met althans 15 een groot gedeelte van het magnetische dispergerende veld.

3. Apparaat volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het magneetveld in de meetruimte ter plaatse van het object oppervlak beduidend sterker is dan verder van dat oppervlak verwijderd waar het electrostatische veld relatief sterk is.

4. Apparaat volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat het magneetveld althans mede wordt opgewekt door een enkelpolige magneetlens die is opgesteld tussen het object en detectoren voor de te detecteren electronen.

5. Apparaat volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de 25 eenpolige magneetlens althans samen met verdere aldaar aanwezige detectie velden als electronenmicroscoop objectieflens kan fungeren.

6. Apparaat volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat een eerste detector is opgenomen voor detectie van electronen met een energie groter dan een instelbare waarde en een 30 tweede detector voor electronen met een lagere energie.

7. Apparaat volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat het detectie systeem is ingericht voor het detecteren van substantieel alle electronen uit de retour electronen bundel.

8. Apparaat volgens een der conclusies 1 tot 4, met 35 het kenmerk, dat, ter plaatse van het electrostatische dispergerende veld een parallel met het dispergerende magneetveld aldaar gericht afremveld electrostatisch veld aanlegbaar is dat slechts transparant is 8602177 ti t ft PHN 11.849 10 voor electronen met een energie groter dan E0 - ΔΕ.

9. Apparaat volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat het detectie systeem is ingericht voor selectieve detectie van electronen binnen een energie traject tussen EQ - ΔΕ en EQ.

10. Apparaat volgens een der conclusies 1 tot 4, met het kenmerk, dat voor detectie van althans een gedeelte van de gedispergeerde retour electronen bundel een lineaire plaatsgevoelige detector is opgenomen.

11. Apparaat volgens een der conclusies 1 tot 5, met het 10 kenmerk, dat het magnetische dispergerende veld vanaf het oppervlak van het te onderzoeken object eerst langzaam tot een tussenwaarde afneemt en daarna snel tot nul afneemt waardoor de hoek van de electronen met de richting van de optische as bij het doorlopen van de meetruimte wordt gereduceerd.

12. Apparaat volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat het magneetveld tevens als lensveld voor een electronenmicroscoop objectieflensveld kan fungeren.

13. Apparaat volgens een der conclusies 1, 2, 11 of 12, met het kenmerk, dat dit is uitgerust als transmissie electronen microscoop 20 met een bundel aftast mechanisme, specifiek ingericht voor detectie van Auger electronen uit de electronen retourbundel. 8602177