DE102022104535B4

DE102022104535B4 - Vielstrahl-Teilchenmikroskop zur Reduktion von Teilchenstrahl-induzierten Spuren auf einer Probe

Info

Publication number: DE102022104535B4
Application number: DE102022104535.8A
Authority: DE
Inventors: Gero Storeck; David Disterheft; Holger Kierey
Original assignee: Carl Zeiss Multisem GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Multisem GmbH
Priority date: 2022-02-25
Filing date: 2022-02-25
Publication date: 2024-03-21
Anticipated expiration: 2042-02-26
Also published as: DE102022104535A1; WO2023160874A1; TW202343511A

Abstract

Vielstrahl-Teilchenmikroskop (1) zur Reduktion von Teilchenstrahl-induzierten Spuren auf einer Probe (7), das die folgenden Merkmale aufweist:einen Multistrahl-Generator (305), welcher konfiguriert ist, um ein erstes Feld (319) einer Vielzahl von geladenen ersten Teilchenstrahlen (3) zu erzeugen;eine erste Teilchenoptik mit einem ersten teilchenoptischen Strahlengang (13), die konfiguriert ist, um die erzeugten Einzel-Teilchenstrahlen (3) auf eine Probenoberfläche (25) in der Objektebene (101) abzubilden, so dass die ersten Teilchenstrahlen (3) an Auftrefforten (5) auf die Probenoberfläche (25) treffen, die ein zweites Feld bilden (103);ein Detektionssystem (200) mit einer Vielzahl von Detektionsbereichen (215), die ein drittes Feld (217) bilden;eine zweite Teilchenoptik mit einem zweiten teilchenoptischen Strahlengang (11), die konfiguriert ist, um zweite Einzel-Teilchenstrahlen (9), die von den Auftrefforten (5) im zweiten Feld (103) ausgehen, auf das dritte Feld (217) der Detektionsbereiche (215) des Detektionssystems (200) abzubilden;eine magnetische und/oder elektrostatische Objektivlinse (102), durch die sowohl die ersten (3) als auch die zweiten Einzel-Teilchenstrahlen (9) hindurchtreten;eine Strahlweiche (400), die in dem ersten teilchenoptischen Strahlengang (13) zwischen dem Multistrahl-Generator (305) und der Objektivlinse (102) angeordnet ist, und die im zweiten teilchenoptischen Strahlengang (11) zwischen der Objektivlinse (102) und dem Detektionssystem (200) angeordnet ist;einen Probentisch (153) zum Halten und/ oder Positionieren einer Probe (7) während einer Probeninspektion; undeine Steuerung (10), die konfiguriert ist, das Vielstrahl-Teilchenmikroskop (1) zu steuern,wobei die Objektivlinse (102) und der Probentisch (153) in einer Vakuumkammer (150) angeordnet sind, die geerdet ist;wobei an die Objektivlinse (102) mittels eines Objektivlinsenkabels (151), das zumindest abschnittsweise innerhalb der Vakuumkammer (150) geführt ist, eine Hochspannung anlegbar oder angelegt ist;wobei an den Probentisch (153) mittels eines Probentischkabels (152), das zumindest abschnittsweise innerhalb der Vakuumkammer (150) geführt ist, eine Hochspannung anlegbar oder angelegt ist;wobei das Objektivlinsenkabel (151) in dem in der Vakuumkammer (150) geführten Abschnitt zumindest teilweise eine Abschirmung (160) aufweist, wobei die Abschirmung (160) des Objektivlinsenkabels (151) elektrisch leitend und frei von organischem Material ist, sodass elektrostatische Entladungen zwischen dem Objektivlinsenkabel (151) und der Vakuumkammer (150) reduziert werden und/ oder wobei das Probentischkabel (152) in dem in der Vakuumkammer (150) geführten Abschnitt zumindest teilweise eine Abschirmung (160) aufweist, wobei die Abschirmung (160) des Probentischkabels (152) elektrisch leitend und frei von organischem Material ist, sodass elektrostatische Entladungen zwischen dem Probentischkabel (152) und der Vakuumkammer (150) reduziert werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Vielstrahl-Teilchenmikroskop zur Reduktion von Teilchenstrahl-induzierten Spuren auf einer Probe.
Stand der Technik
Mit der kontinuierlichen Entwicklung immer kleinerer und komplexerer Mikrostrukturen wie Halbleiterbauelementen besteht ein Bedarf an der Weiterentwicklung und Optimierung von planaren Herstellungstechniken und von Inspektionssystemen zur Herstellung und Inspektion kleiner Abmessungen der Mikrostrukturen. Die Entwicklung und Herstellung der Halbleiterbauelemente erfordert beispielsweise eine Überprüfung des Designs von Testwafern, und die planaren Herstellungstechniken benötigen eine Prozessoptimierung für eine zuverlässige Herstellung mit hohem Durchsatz. Darüber hinaus wird neuerdings eine Analyse von Halbleiterwafern für das Reverse Engineering und eine kundenspezifische, individuelle Konfiguration von Halbleiterbauelementen gefordert. Es besteht deshalb ein Bedarf an Inspektionsmitteln, die mit hohem Durchsatz zur Untersuchung der Mikrostrukturen auf Wafern mit hoher Genauigkeit eingesetzt werden können.
Typische Siliziumwafer, die bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen verwendet werden, haben Durchmesser von bis zu 300 mm. Jeder Wafer ist in 30 bis 60 sich wiederholende Bereiche („Dies“) mit einer Größe von bis zu 800 mm² unterteilt. Eine Halbleitervorrichtung umfasst mehrere Halbleiterstrukturen, die durch planare Integrationstechniken in Schichten auf einer Oberfläche des Wafers hergestellt sind. Aufgrund der Herstellungsprozesse weisen Halbleiterwafer typischerweise eine ebene Oberfläche auf. Die Strukturgröße der integrierten Halbleiterstrukturen erstreckt sich dabei von wenigen µm bis zu den kritischen Abmessungen (engl. „critical dimensions“, CD) von 5 nm, wobei in naher Zukunft die Strukturgrößen sogar noch kleiner werden; man rechnet zukünftig mit Strukturgrößen oder kritische Abmessungen (CD) unter 3 nm, beispielsweise 2 nm, oder sogar unter 1 nm. Bei den oben genannten kleinen Strukturgrößen müssen Defekte in der Größe der kritischen Abmessungen in kurzer Zeit auf einer sehr großen Fläche identifiziert werden. Für mehrere Anwendungen ist die Spezifikationsanforderung für die Genauigkeit einer von einem Inspektionsgerät bereitgestellten Messung sogar noch höher, beispielsweise um den Faktor zwei oder eine Größenordnung. Beispielsweise muss eine Breite eines Halbleitermerkmals mit einer Genauigkeit unter 1 nm, beispielsweise 0,3 nm oder sogar weniger, gemessen werden, und eine relative Position von Halbleiterstrukturen muss mit einer Überlagerungsgenauigkeit von unter 1 nm, beispielsweise 0,3 nm oder sogar weniger, bestimmt werden.
Eine neuere Entwicklung auf dem Gebiet der geladenen Teilchensysteme (engl. „charged particle microscopes“, CPM) ist das MSEM, ein Mehrstrahl-Rasterelektronenmikroskop. Ein Mehrstrahl-Rasterelektronenmikroskop ist beispielsweise in US 7 244 949 B2 und in US 2019/0355544 A1 offenbart. In einem Mehrstrahl-Elektronenmikroskop oder MSEM wird eine Probe mit einer Vielzahl von Einzel-Elektronenstrahlen, die in einem Feld oder Raster angeordnet sind, gleichzeitig bestrahlt. Es können beispielsweise 4 bis 10000 Einzel-Elektronenstrahlen als Primärstrahlung vorgesehen sein, wobei jeder Einzel-Elektronenstrahl durch einen Abstand von 1 bis 200 Mikrometern von einem benachbarten Einzel-Elektronenstrahl getrennt ist. Zum Beispiel hat ein MSEM ungefähr 100 getrennte Einzel-Elektronenstrahlen (engl. „beamiets“), die beispielsweise in einem hexagonalen Raster angeordnet sind, wobei die Einzel-Elektronenstrahlen durch einen Abstand von ungefähr 10 µm getrennt sind. Die Vielzahl von geladenen Einzel-Teilchenstrahlen (Primärstrahlen) wird durch eine gemeinsame Objektivlinse auf eine Oberfläche einer zu untersuchenden Probe fokussiert. Die Probe kann zum Beispiel ein Halbleiterwafer sein, der an einem Waferhalter befestigt ist, der auf einem beweglichen Tisch montiert ist. Während der Beleuchtung der Waferoberfläche mit den geladenen primären Einzel-Teilchenstrahlen gehen Wechselwirkungsprodukte, z.B. Sekundärelektronen oder Rückstreuelektronen, von der Oberfläche des Wafers aus. Ihre Startpunkte entsprechen den Orten auf der Probe, auf die die Vielzahl von primären Einzel-Teilchenstrahlen jeweils fokussiert ist. Die Menge und Energie der Wechselwirkungsprodukte hängt von der Materialzusammensetzung und der Topographie der Waferoberfläche ab. Die Wechselwirkungsprodukte bilden mehrere sekundäre Einzel-Teilchenstrahlen (Sekundärstrahlen), die von der gemeinsamen Objektivlinse gesammelt und durch ein Projektionsabbildungssystem des Mehrstrahlinspektionssystems auf einen Detektor treffen, der in einer Detektionsebene angeordnet ist. Der Detektor umfasst mehrere Detektionsbereiche, von denen jeder mehrere Detektionspixel umfasst, und der Detektor erfasst eine Intensitätsverteilung für jeden der sekundären Einzel-Teilchenstrahlen. Dabei wird ein Bildfeld von beispielsweise 100 µm × 100 µm erhalten.
Das Mehrstrahl-Elektronenmikroskop des Standes der Technik umfasst eine Folge von elektrostatischen und magnetischen Elementen. Zumindest einige der elektrostatischen und magnetischen Elemente sind einstellbar, um die Fokusposition und die Stigmation der Vielzahl von geladenen Einzel-Teilchenstrahlen anzupassen. Das Mehrstrahl-System mit geladenen Teilchen des Standes der Technik umfasst zudem mindestens eine Überkreuzungsebene der primären oder der sekundären geladenen Einzel-Teilchenstrahlen. Des Weiteren umfasst das System des Standes der Technik Detektionssysteme, um die Einstellung zu erleichtern. Das Mehrstrahl-Teilchenmikroskop bzw. Vielstrahl-Teilchenmikroskop des Standes der Technik umfasst mindestens einen Strahlablenker (engl. „deflection scanner“) zum kollektiven Abtasten eines Bereiches der Probenoberfläche mittels der Vielzahl von primären Einzel-Teilchenstrahlen, um ein Bildfeld der Probenoberfläche zu erhalten. Weitere Einzelheiten über ein Mehrstrahl-Elektronenmikroskops und über ein Verfahren zum Betreiben desselben sind in der internationalen Patentanmeldung WO 2021 / 239 380 A1 beschrieben, deren Offenbarung vollständig durch in Bezugnahme in diese Patentanmeldung mit aufgenommen wird.
Um mit einem Mehrstrahl-Rasterelektronenmikroskop oder allgemeiner mit einem Vielstrahl-Teilchenmikroskop eine Präzisionsinspektion einer Probe bzw. Probenoberfläche durchführen zu können, ist es notwendig, mit sehr sauberen Proben in einer sehr sauberen Umgebung unter Hochvakuum zu arbeiten. Kontaminationen oder Restgase im Vakuum, die sich auf einer Probenoberfläche anlagern können, können zu drastischen Kontrastveränderungen bei der Bildgenerierung mit dem Vielstrahl-Teilchenmikroskop führen, die eine genaue Analyse erschweren oder sogar unmöglich machen können. Eine Adsorption von Teilchen auf der Probenoberfläche kann dabei spontan oder durch den Teilchenstrahl induziert stattfinden. Eine Teilchenstrahl-induzierte Kontamination wird dabei normalerweise durch ein Aufwachsen von Kohlenstoff auf der Probenoberfläche hervorgerufen. Eine bekannte und erfolgreiche Maßnahme zur Verhinderung dieser Kontamination ist die Verwendung von Materialien in der Vakuumkammer, die nicht oder kaum Kohlenstoff ausgasen.
Dennoch haben Experimente durch die Anmelderin gezeigt, dass diese Maßnahmen auch unter Hochvakuum nicht ausreichen, um die Teilchenstrahl-induzierten Spuren auf einer Probenoberfläche hinreichend zu reduzieren - jedenfalls dann nicht, wenn gleichzeitig die geforderte Genauigkeit bei Inspektionsaufgaben mittels Vielstrahl-Teilchenmikroskopen immer weiter ansteigt.
US 2020 / 0 373 116 A1 offenbart ein Vielstrahl-Elektronenmikroskop, mit dem zusätzlich zu Sekundärelektronen auch Rückstreuelektronen detektiert werden können. Dazu ist zwischen der Probe und dem unteren Polschuh der Objektivlinse eine spezielle Membran vorgesehen.
US 2020 / 0 243 296 A1 offenbart ein Vielstrahl-Teilchenmikroskop mit einer Objektivlinse, die drei Polschuhe umfasst. Dabei ist zwischen den Polschuhen eine elektrische Isolierung vorgesehen. Zusätzlich wird eine Abschirmelektrode offenbart, um eine Aufladung der Probe zu verringern.
US 2007 / 0 194 230 A1 bezieht sich auf die Untersuchung einer magnetischen Probe mittels SPLEEM.
Beschreibung der Erfindung
Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, existierenden Vielstrahl-Teilchenmikroskope weiter zu verbessern. Es ist insbesondere eine Aufgabe, ein Vielstrahl-Teilchenmikroskop bereitzustellen, mit dem es gelingt, Teilchenstrahl-induzierte Spuren auf einer Probe weiter zu reduzieren.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruches. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
Der Erfindung liegen Versuche der Anmelderin zum Auftreten der beschriebenen Teilchenstrahl-induzierten Kontaminationen bzw. Teilchenstrahl-induzierten Spuren auf der Probenoberfläche zugrunde. Dabei hat sich überraschend herausgestellt, dass es eine weitere Quelle für Kontaminationen gibt, die bisher bei Vielstrahl-Teilchenmikroskopen so nicht bekannt war: Die Kontaminationen treten nämlich dann auf, wenn mit einem Vielstrahl-Teilchenmikroskop gearbeitet wird, bei dem unter Vakuum an der Objektivlinse und/ oder am Probentisch eine sehr hohe oder (im Falle von negativ geladenen Teilchen wie Elektronen) eine sehr niedrige Spannung anliegt. Immer dann, wenn innerhalb der Vakuumkammer mit der zu untersuchenden Probe hohe elektrische Felder auftreten, kommt es gemäß den Ergebnissen der Anmelderin vermehrt zu Kontaminationen. Eine Erklärung hierfür sind innere Entladungen oder Koronaentladungen innerhalb der Vakuumkammer, die in der Nähe von Kabeln auftreten. Betroffen sind hierbei insbesondere das Objektivlinsenkabel und das Probentischkabel, an denen bezogen auf die geerdete Vakuumkammer dem Betrage nach sehr hohe Spannungen anliegen. Kommt es in der Vakuumkammer zu einer Entladung, werden in der Vakuumkammer noch vorhandene Atome oder Moleküle bzw. allgemein Restgase ionisiert und beschleunigt. Diese Ionen schlagen dann beispielsweise auf die geerdete Wand der Vakuumkammer oder auf den Kabeln auf und schlagen dort Material heraus (Sputtereffekt), zum Beispiel aus dem Material der Isolatoren, die die Kabel typischerweise umgeben. Insgesamt ist wegen der inneren Entladung oder Koronaentladung infolge von Sputtereffekten also mehr störendes Restmaterial bzw. Restgas in der Vakuumkammer vorhanden als ohne eine entsprechende Entladung.
Diese Erkenntnisse macht sich die Erfindung zunutze. Im Zuge der Erfindung wird das Auftreten von inneren Entladungen oder Koronaentladungen in der Vakuumkammer, die die Probe beinhaltet, verringert oder ganz verhindert.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung bezieht sich diese deshalb auf Vielstrahl-Teilchenmikroskop zur Reduktion von Teilchenstrahl-induzierten Spuren auf einer Probe, das die folgenden Merkmale aufweist:

einen Multistrahl-Generator, welcher konfiguriert ist, um ein erstes Feld einer Vielzahl von geladenen ersten Teilchenstrahlen zu erzeugen;
eine erste Teilchenoptik mit einem ersten teilchenoptischen Strahlengang, die konfiguriert ist, um die erzeugten Einzel-Teilchenstrahlen auf eine Probenoberfläche in der Objektebene abzubilden, so dass die ersten Teilchenstrahlen an Auftrefforten auf die Probenoberfläche treffen, die ein zweites Feld bilden;
ein Detektionssystem mit einer Vielzahl von Detektionsbereichen, die ein drittes Feld bilden; eine zweite Teilchenoptik mit einem zweiten teilchenoptischen Strahlengang, die konfiguriert ist, um zweite Einzel-Teilchenstrahlen, die von den Auftrefforten im zweiten Feld ausgehen, auf das dritte Feld der Detektionsbereiche des Detektionssystems abzubilden;
eine magnetische und/oder elektrostatische Objektivlinse, durch die sowohl die ersten als auch die zweiten Einzel-Teilchenstrahlen hindurchtreten;
eine Strahlweiche, die in dem ersten teilchenoptischen Strahlengang zwischen dem Multistrahl-Generator und der Objektivlinse angeordnet ist, und die im zweiten teilchenoptischen Strahlengang zwischen der Objektivlinse und dem Detektionssystem angeordnet ist;
einen Probentisch zum Halten und/ oder Positionieren einer Probe während einer Probeninspektion; und
eine Steuerung, die konfiguriert ist, das Vielstrahl-Teilchenmikroskop zu steuern,
wobei die Objektivlinse und der Probentisch in einer Vakuumkammer angeordnet sind, die geerdet ist;
wobei an die Objektivlinse mittels eines Objektivlinsenkabels, das zumindest abschnittsweise innerhalb der Vakuumkammer geführt ist, eine Hochspannung anlegbar oder angelegt ist; wobei an den Probentisch mittels eines Probentischkabels, das zumindest abschnittsweise innerhalb der Vakuumkammer geführt ist, eine Hochspannung anlegbar oder angelegt ist;
wobei das Objektivlinsenkabel in dem in der Vakuumkammer geführten Abschnitt zumindest teilweise eine Abschirmung aufweist, wobei die Abschirmung des Objektivlinsenkabels elektrisch leitend und frei von organischem Material ist, sodass elektrostatische Entladungen zwischen dem Objektivlinsenkabel und der Vakuumkammer reduziert werden und/ oder wobei das Probentischkabel in dem in der Vakuumkammer geführten Abschnitt zumindest teilweise eine Abschirmung aufweist, wobei die Abschirmung des Probentischkabels elektrisch leitend und frei von organischem Material, sodass elektrostatische Entladungen zwischen dem Probentischkabel und der Vakuumkammer reduziert werden.

Bei den geladenen Teilchen kann es sich z.B. um Elektronen, Positronen, Myonen oder Ionen oder andere geladene Partikel handeln. Bevorzugt handelt es sich um Elektronen, die z.B. mithilfe einer thermischen Feldemissionsquelle (TFE) erzeugt werden. Aber auch andere Teilchenquellen können Verwendung finden.
Die Einzel-Teilchenstrahlen sind bevorzugt in einer Rasteranordnung angeordnet, das heißt eine Anordnung der Einzel-Teilchenstrahlen relativ zueinander ist bevorzugt fix bzw. kann gewählt werden. Bevorzugt handelt es sich dabei um eine regelmäßige Rasteranordnung, diese kann beispielsweise eine quadratische, rechteckige oder hexagonale Anordnung der Einzel-Teilchenstrahlen relativ zueinander, insbesondere gleichmäßig beabstandet, vorsehen. Es ist vorteilhaft, wenn die Zahl der Einzel-Teilchenstrahlen 3 n (n - 1) + 1 beträgt, wobei n eine beliebige natürliche Zahl ist.
Bei dem Vielstrahl-Teilchenmikroskop kann es sich um ein System handeln, das mit einer einzelnen Säule arbeitet, es ist aber auch möglich, dass das Vielstrahl-Teilchenmikroskop mittels eines Multi-Säulen-Systems realisiert ist. Bevorzugt umfasst das Vielstrahl-Teilchenmikroskop nur eine Objektivlinse (die wiederum mehrteilig sein kann), die von sämtlichen Einzel-Teilchenstrahlen durchsetzt wird. Es ist aber auch möglich, dass eine Vielzahl von Objektivlinsen vorgesehen ist bzw. dass ein Objektivlinsen-Array vorgesehen ist, wobei durch jede Objektivlinse (die wiederum mehrteilig sein kann) des Objektivlinsen-Arrays nur ein erster Einzel-Teilchenstrahl oder nur eine Untergruppe aller Einzel-Teilchenstrahlen hindurchtritt. Entsprechend ist es möglich, dass nur ein Objektivlinsenkabel vorgesehen ist, um eine Hochspannung an die Objektivlinse anzulegen. Es ist aber auch möglich, dass mehrere Objektivlinsenkabel vorgesehen sind, um eine Hochspannung an einer oder an mehreren Objektivlinsen anzulegen. Je weniger Objektivlinsenkabel benötigt werden, desto besser ist dies zur Reduktion der unerwünschten Teilchenstrahl-induzierten Spuren auf der Probe. Bevorzugt ist deshalb nur ein Objektivlinsenkabel vorgesehen.
Der Probentisch dient zum Halten und/ oder Positionieren einer Probe während der Inspektion. Durch das Anlegen einer Hochspannung an dem Probentisch liegt auch eine darauf anordbare oder angeordnete Probe auf demselben Potential. Dazu wird bevorzugt nur ein einziges Probentischkabel verwendet, es ist aber auch möglich, mehrere Probentischkabel vorzusehen.
Im Folgenden wird stets von einem Objektivlinsenkabel und von einem Probentischkabel im Singular gesprochen; es ist aber natürlich auch möglich, dass jeweils mehrere Kabel mit den nachstehend beschriebenen Eigenschaften vorgesehen sind.
Das Objektivlinsenkabel und das Probentischkabel sind zumindest abschnittsweise in der Vakuumkammer geführt. In diesen Abschnitten könnte daher bei Vorhandensein entsprechend hoher elektrischer Felder die oben beschriebene innere Entladung oder Koronaentladung auftreten. Entsprechend ist in den Abschnitten zumindest teilweise eine Abschirmung vorgesehen, die die Entladung verhindert. Zumindest teilweise bedeutet dabei zweierlei: Erstens muss die Abschirmung nicht entlang des gesamten Abschnittes, der innerhalb der Vakuumkammer verläuft, vorgesehen sein (sie kann es aber) und zweitens muss die Abschirmung des Kabels nicht an jeder Stelle des Kabels seine Oberfläche direkt oder indirekt 100% vollständig umschließen oder ummanteln oder bedecken (sie kann es aber).
Die Abschirmung selbst ist dabei eine an sich bekannte Abschirmung, die auf verschiedene Arten realisiert sein kann. Die Art der Realisierung kann beim Objektivlinsenkabel und beim Probentischkabel identisch sein, sie kann aber auch verschieden sein. Wichtig ist grundsätzlich die elektrische Leitfähigkeit der Abschirmung und der hinreichend gute Einschluss des elektrischen Feldes nach dem Prinzip des Faraday'schen Käfigs mittels der Abschirmung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt eine Länge der Abschirmung des Objektivlinsenkabels mindestens 20 cm beträgt und / oder beträgt eine Länge der Abschirmung des Probentischkabels mindestens 40 cm. Über mindestens diese Länge ist die Abschirmung also jeweils durchgehend wirksam; das gilt auch für die Fälle, in denen die Abschirmung nicht zu 100% das Kabel bedeckend vorgesehen ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das in der Vakuumkammer erzeugbare oder erzeugte Vakuum 10^-7 mbar oder besser ist (und der Druck somit geringer). Bevorzugt beträgt der Gesamtdruck in der Vakuumkammer ≤ 10^-8 mbar, höchst bevorzugt etwa 10^-9 mbar. Diese Werte beziehen sich auf eine Situation, in der an der Objektivlinse und am Probentisch Hochspannung anliegt. Auch bei den oben genannten bereits an sich sehr niedrigen Gesamtdrücken ist der Effekt der Abschirmung von Objektivlinsenkabel und Probentischkabel sehr groß. Das ist bemerkenswert. Drücke bestimmter Elemente (genauer: Partialdrücke) in der Vakuumkammer können durch die Kabelabschirmung am Objektivlinsenkabel und Probentischkabel etwa um den Faktor 10 reduziert werden.
Zusätzlich oder alternativ ist der Betrag einer an die Objektivlinse und/ oder an den Probentisch anlegbaren oder angelegten Spannung mindestens 15kV, insbesondere mindestens 20kV oder insbesondere mindestens 30kV. Bei diesen Hochspannungen bzw. Spannungsdifferenzen bzgl. der Vakuumkammer (Erdpotential) kommt es selbst im Hochvakuum zu den beschriebenen Entladungen. Die Objektivlinse befindet sich im Allgemeinen sehr dicht vor der Probe bzw. dem Probentisch, so dass an der Objektivlinse und der Probe bevorzugt fast dasselbe Potential anliegt, beispielsweise jeweils etwa ±20kV, ±22kV, ±25kV, ±28kV, ±30kV oder ±32kV.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Objektivlinsenkabel und/ oder das Probentischkabel eine Isolierung um eine Ader des jeweiligen Kabels auf. Dabei ist das Kabel bevorzugt einadrig, es kann aber auch mehradrig sein. Dabei ist die Abschirmung in Bezug auf die Isolierung jeweils außen angeordnet. Typischerweise weisen Objektivlinsenkabel und Probentischkabel bereits gemäß dem Stand der Technik eine Isolierung auf, deren Material nur eine geringe Ausgasung aufweist. An dieser Stelle ist deshalb anzumerken, dass ein theoretisches Weglassen der Isolierung zwar das Problem des Ausgasens lösen würde, aber nicht das der Erfindung zugrunde liegende Problem der inneren Entladung oder Koronaentladung im Restgas und das damit verbundene Entstehen und Beschleunigen von Ionen des Restgases, was wiederum zu vermehrtem Auslösen oder Herausschlagen von Teilchen oder Partikeln im Bereich der Kabel oder der Wände der Vakuumkammer führt. In Kombination mit der erfindungsgemäßen Abschirmung können deshalb die bereits bekannten Isolierungen auch beibehalten werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Isolierung einen Kunststoff, auf, der hydrophob ist, eine geringe Ausgasung aufweist und/ oder der elastisch ist. Die Elastizität ermöglicht die Biegsamkeit des Kabels samt seiner Isolierung. Die Ausgasungsraten für Kunststoffe werden häufig als TML (engl. „Total Mass Loss“) oder CVCM (engl. „Collected Volatile Condensable Material“) angegeben. Der Gesamtmassenverlust ist der Prozentsatz der Masse, die verloren geht, nachdem die Probe 24 Stunden lang unter Vakuum auf 125 °C erhitzt wurde. Der CVCM ist der Anteil der Masse, der bei 25°C auf einer nahe gelegenen Testoberfläche kondensiert. Mit TML und CVCM lassen sich verschiedene Materialien hinsichtlich ihrer Eignung für den Einsatz im Vakuum vergleichen. Zur Vorhersage des tatsächlichen Drucks, der in einem System erreicht werden würde, oder zur Berechnung des Saugvermögens, das zum Erreichen eines gewünschten Drucks erforderlich ist, kann eine Ausgasungsrate angegeben werden, ausgedrückt als (Volumen multipliziert mit Druck) pro Flächeneinheit pro Zeiteinheit. Ein geringe Ausgasung im Sinne dieser Patentanmeldung liegt dann vor, wenn zumindest eine der folgenden Relationen erfüllt ist: TML ≤ 1%, CVMC ≤ 0,02, Ausgasungsrate ≤10^-7 Torr*Liter/cm²*s).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kunststoff aus mindestens einer der folgenden Gruppen von Kunststoffen ausgewählt: Polyimide, Polyethylene, Polypropylene, Polytetrafluorethylene, fluorierte Ethylenpropylene, Perfluoralkoxyalkane.
Erfindungsgemäß ist die Abschirmung des Objektivlinsenkabels und/ oder des Probentischkabels elektrisch leitend und frei von organischem Material und insbesondere auch frei von fluororganischem Material. Als Abschirmung sind somit wegen ihrer Leitfähigkeit grundsätzlich Metalle und/ oder Halbmetalle sowie Legierungen daraus geeignet. Bevorzugt verwendete Metalle sind Kupfer, Aluminium und/oder Silber, aber auch andere Metalle können verwendet werden. Ein Verzicht auf organisches und insbesondere auf fluororganisches Material ist vorteilhaft, da Kohlenstoff besonders effektiv und somit störend auf einer Probenoberfläche adsorbiert werden kann bzw. sich dort Teilchenstrahl-induziert ablagert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Abschirmung eine Geflechtschirmung auf. Beispielsweise wird der Schirm aus blanken oder verzinnten Kupferdrähten geflochten, wobei die verzinnte Ausführung wesentlich bessere Eigenschaften gegen Korrosion hat. Die Vorteile einer Geflechtschirmung sind eine sehr gute Dämpfung und gute mechanische Eigenschaften. Hochflexible Leitungen können mit ca. 70% linearer und 90% optischer Bedeckung mit speziellem Flechtwinkel gefertigt werden, welche Zugkräfte auf die Schirmdrähte vermeidet. Aber auch andere Ausführungsvarianten sind möglich.
Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, dass die Abschirmung eine Drallschirmung aufweist. Eine Bedeckung des Innenleiters bewegt sich in der Regel zwischen 95% und 100%. Beispielsweise wird ein Schirm aus blanken oder verzinnten Kupferdrähten über den/ die Innenleiter gelegt bzw. herumgewunden, wobei die verzinnte Ausführung wesentlich bessere Eigenschaften gegen Korrosion hat. Vorteilhaft bei einer Drallschirmung ist die einfache, schnelle und günstige Herstellung. Alternativ zu Kupfer können auch andere Metalle verwendet werden, beispielsweise Aluminium oder Silber.
Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, dass die Abschirmung eine Folie, insbesondere eine Aluminiumfolie, aufweist. Es ist möglich, dass eine Folie mit Aluminium beschichtet ist. Bevorzugt ist eine Folie 100% bedeckend, sie kann aber auch Aussparungen oder Löcher aufweisen, ohne dass ihre Funktion nennenswert beeinträchtigt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Abschirmung durch Bedampfen (beispielsweise Elektronenstrahlverdampfen, Widerstandsverdampfen oder allgemein physikalische Gasphasenabscheidung (PVD)) auf das Kabel und insbesondere auf die Isolierung des Kabels aufgebracht. Bevorzugt ist eine Bedeckung vollständig bzw. 100%. Für eine Dicke Sd der durch Bedampfen erzeugten Schicht gilt bevorzugt 10nm ≤ Sd ≤ 200nm, zum Beispiel 10 nn, 20nm, 30nm, 50nm, 80nm, 100nm, 150nm oder 200nm. Eine gute Haftung der aufgebrachten Stoffe auf dem Kabel bzw. dem Isolator ist dabei wichtig und natürlich von der jeweils verwendeten Materialkombination abhängig, wie dies dem zuständigen Fachmann geläufig ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die aufgedampfte Abschirmung mindestens ein Metall aus der nachfolgend aufgelisteten Gruppe von Metallen auf: Platin, Palladium, Kupfer, Titan, Aluminium, Gold, Silber, Chrom, Tantal, Wolfram, Molybdän.
Zusätzlich oder alternativ weist die aufgedampfte Abschirmung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform mindestens ein Halbmetall aus der nachfolgend aufgelisteten Gruppe von Halbmetallen auf: Si, Si/Ge, GaAs, AlAs, InAs, GaP, InP, InSb, GaSb, GaN, AIN, InN, ZnSe, ZnS, CdTe.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können ganz oder teilweise miteinander kombiniert werden, sofern sich dadurch keine technischen Widersprüche ergeben.
Natürlich ist es auch möglich, ein oder mehrere weitere Kabel analog zu den Abschirmungen des Objektivlinsenkabels und des Probentischkabels zu schirmen.
Die Erfindung wird noch besser verstanden werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Dabei zeigen:

1: zeigt ein Mehrstrahl-Teilchenmikroskop in schematischer Darstellung (MSEM);
2: zeigt einen schematischen Schnitt durch ein Vielstrahl-Teilchenmikroskop;
3: illustriert eine Messung von Partialdrücken von Restgasen im Hochvakuum;
4: zeigt schematisch eine Vakuumkammer eines Vielstrahl-Teilchenmikroskops mit Objektivlinsenkabel und Probentischkabel; und
5: illustriert schematisch a) den Effekt der Koronaentladung in der Vakuumkammer und b) die Verhinderung der Koronaentladung in der Vakuumkammer mittels Abschirmung.

1 ist eine schematische Darstellung eines Teilchenstrahlsystems 1 in Form eines Mehrstrahl-Teilchenmikroskops 1, welches eine Vielzahl von Teilchenstrahlen einsetzt. Das Teilchenstrahlsystem 1 erzeugt eine Vielzahl von Teilchenstrahlen, welche auf ein zu untersuchendes Objekt treffen, um dort Wechselwirkungsprodukte, bspw. Sekundärelektronen, zu generieren, welche von dem Objekt ausgehen und nachfolgend detektiert werden. Das Teilchenstrahlsystem 1 ist vom Rasterelektronenmikroskop-Typ („scanning electron microscope“, SEM), welches mehrere primäre Teilchenstrahlen 3 einsetzt, die an mehreren Orten 5 auf eine Oberfläche des Objekts 7 auftreffen und dort mehrere räumlich voneinander getrennte Elektronenstrahlflecken oder Spots erzeugen. Das zu untersuchende Objekt 7 kann von einer beliebigen Art sein, bspw. ein Halbleiterwafer oder eine biologische Probe, und eine Anordnung miniaturisierter Elemente oder dergleichen umfassen. Die Oberfläche des Objekts 7 ist in einer ersten Ebene 101 (Objektebene) einer Objektivlinse 102 eines Objektivlinsensystems 100 angeordnet.
Der vergrößerte Ausschnitt I1 der 1 zeigt eine Draufsicht auf die Objektebene 101 mit einem regelmäßigen rechtwinkligen Feld 103 von Auftrefforten 5, welche in der ersten Ebene 101 gebildet werden. In 1 beträgt die Zahl der Auftrefforte 25, welche ein 5 × 5-Feld 103 bilden. Die Zahl 25 an Auftrefforten ist eine aus Gründen der vereinfachten Darstellung gewählte Zahl. In der Praxis kann die Zahl an Strahlen, und damit die Zahl der Auftrefforte, wesentlich größer gewählt werden, wie bspw. 20 × 30, 100 × 100 und dergleichen.
In der dargestellten Ausführungsform ist das Feld 103 von Auftrefforten 5 ein im Wesentlichen regelmäßiges rechtwinkliges Feld mit einem konstanten Abstand P1 zwischen benachbarten Auftrefforten. Beispielhafte Werte des Abstands P1 sind 1 Mikrometer, 10 Mikrometer und 40 Mikrometer. Es ist jedoch auch möglich, dass das Feld 103 andere Symmetrien aufweist, wie bspw. eine hexagonale Symmetrie.
Ein Durchmesser der in der ersten Ebene 101 geformten Strahlflecken kann klein sein. Beispielhafte Werte dieses Durchmessers betragen 1 Nanometer, 5 Nanometer, 10 Nanometer, 100 Nanometer und 200 Nanometer. Das Fokussieren der Partikelstrahlen 3 zur Formung der Strahlflecken 5 erfolgt durch das Objektivlinsensystem 100.
Die auf das Objekt treffenden Primärteilchen generieren Wechselwirkungsprodukte bspw. Sekundärelektronen, Rückstreuelektronen oder Primärteilchen, die aus anderweitigen Gründen eine Bewegungsumkehr erfahren haben, welche von der Oberfläche des Objekts 7 oder von der ersten Ebene 101 ausgehen. Die von der Oberfläche des Objekts 7 ausgehenden Wechselwirkungsprodukte werden durch die Objektivlinse 102 zu sekundären Teilchenstrahlen 9 geformt. Das Teilchenstrahlsystem 1 stellt einen Teilchenstrahlengang 11 bereit, um die Vielzahl sekundärer Teilchenstrahlen 9 einem Detektorsystem 200 zuzuführen. Das Detektorsystem 200 umfasst eine Teilchenoptik mit einer Projektionslinse 205, um die sekundären Teilchenstrahlen 9 auf einen Teilchen-Multi-Detektor 209 zu richten.
Der Ausschnitt I2 in 1 zeigt eine Draufsicht auf die Ebene 211, in welcher einzelne Detektionsbereiche des Teilchen-Multi-Detektors 209 liegen, auf welche die sekundären Teilchenstrahlen 9 an Orten 213 auftreffen. Die Auftrefforte 213 liegen in einem Feld 217 mit einem regelmäßigen Abstand P2 zueinander. Beispielhafte Werte des Abstands P2 sind 10 Mikrometer, 100 Mikrometer und 200 Mikrometer.
Die primären Teilchenstrahlen 3 werden in einer Strahlerzeugungsvorrichtung 300 erzeugt, welche wenigstens eine Teilchenquelle 301 (z.B. eine Elektronenquelle), wenigstens eine Kollimationslinse 303, eine Multiaperturanordnung 305 und eine Feldlinse 307 umfasst. Die Teilchenquelle 301 erzeugt einen divergierenden Teilchenstrahl 309, welcher durch die Kollimationslinse 303 kollimiert oder zumindest weitgehend kollimiert wird, um einen Strahl 311 zu formen, welcher die Multiaperturanordnung 305 beleuchtet.
Der Ausschnitt I3 in 1 zeigt eine Draufsicht auf die Multiaperturanordnung 305. Die Multiaperturanordnung 305 umfasst eine Multiaperturplatte 313 welche eine Mehrzahl von darin ausgebildeten Öffnungen bzw. Aperturen 315 aufweist. Mittelpunkte 317 der Öffnungen 315 sind in einem Feld 319 angeordnet, welches auf das Feld 103 abgebildet wird, welches durch die Strahlflecken 5 in der Objektebene 101 gebildet wird. Ein Abstand P3 der Mittelpunkte 317 der Aperturen 315 voneinander kann beispielhafte Werte von 5 Mikrometer, 100 Mikrometer und 200 Mikrometer aufweisen. Die Durchmesser D der Aperturen 315 sind kleiner als der Abstand P3 der Mittelpunkte der Aperturen. Beispielhafte Werte der Durchmesser D sind 0,2 × P3, 0,4 × P3 und 0,8 × P3.
Teilchen des beleuchtenden Teilchenstrahles 311 durchsetzen die Aperturen 315 und bilden Teilchenstrahlen 3. Teilchen des beleuchtenden Strahles 311, welche auf die Platte 313 treffen, werden durch diese abgefangen und tragen nicht zur Bildung der Teilchenstrahlen 3 bei.
Die Multiaperturanordnung 305 fokussiert aufgrund eines angelegten elektrostatischen Felds jeden der Teilchenstrahlen 3 derart, dass in einer Ebene 325 Strahlfoki 323 gebildet werden. Alternativ können die Strahlfoki 323 virtuell sein. Ein Durchmesser der Strahlfoki 323 kann bspw. 10 Nanometer, 100 Nanometer und 1 Mikrometer betragen.
Die Feldlinse 307 und die Objektivlinse 102 stellen eine erste abbildende Teilchenoptik bereit, um die Ebene 325, in der die Strahlfoki 323 gebildet werden, auf die erste Ebene 101 abzubilden, so dass dort ein Feld 103 von Auftrefforten 5 bzw. Strahlflecken entsteht. Soweit in der ersten Ebene eine Oberfläche des Objekts 7 angeordnet ist, werden die Strahlflecken entsprechend auf der Objektoberfläche gebildet.
Die Objektivlinse 102 und die Projektionslinsenanordnung 205 stellen eine zweite abbildende Teilchenoptik bereit, um die erste Ebene 101 auf die Detektionsebene 211 abzubilden. Die Objektivlinse 102 ist somit eine Linse, welche sowohl Teil der ersten als auch der zweiten Teilchenoptik ist, während die Feldlinse 307 nur der ersten Teilchenoptik und die Projektionslinse 205 nur der zweiten Teilchenoptik angehören.
Eine Strahlweiche 400 ist in dem Strahlengang der ersten Teilchenoptik zwischen der Multiaperturanordnung 305 und dem Objektivlinsensystem 100 angeordnet. Die Strahlweiche 400 ist auch Teil der zweiten Optik im Strahlengang zwischen dem Objektivlinsensystem 100 und dem Detektorsystem 200.
Weitergehende Informationen zu solchen Vielstrahl-Teilchenstrahlsystemen und darin eingesetzten Komponenten, wie etwa Teilchenquellen, Multiaperturplatte und Linsen, kann aus den internationalen Patentanmeldungen WO 2005/ 024881 A2 , WO 2007/028595 A2 , WO 2007/028596 A1 , WO 2011/124352 A1 und WO 2007/060017 A2 und den deutschen Patentanmeldungen DE 10 2013 016 113 A1 und DE 10 2013 014 976 A1 erhalten werden, deren Offenbarung vollumfänglich durch in Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
Das Vielzahl-Teilchenstrahlsystem 1 weist weiterhin ein Computersystem 10 auf, das sowohl zur Steuerung der einzelnen teilchenoptischen Komponenten des Vielzahl-Teilchenstrahlsystems ausgebildet ist, als auch zur Auswertung und Analyse der mit dem Multi-Detektor 209 gewonnenen Signale. Das Computersystem 10 kann aus mehreren Einzelcomputern oder Komponenten aufgebaut sein. Das Vielstrahl-Teilchenstrahlsystem in Form eines Vielstrahl-Teilchenmikroskops 1 kann die erfindungsgemäße Kabelabschirmung an Objektivlinsenkabel und Probentischkabel aufweisen.
2 zeigt schematisch ein Vielzahl-Teilchenstrahlsystem wie beispielsweise das in 1 dargestellte Vielstrahl-Teilchenmikroskop in einer Schnittansicht. Dabei wird in 2 vor allem beispielhaft der teilchenoptische Strahlengang unter Vakuum illustriert. Das Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 gemäß dem in 2 gezeigten Beispiel weist wiederum zunächst eine Teilchenquelle 301 auf. Im gezeigten Beispiel sendet diese Teilchenquelle 301 einen Einzel-Teilchenstrahl mit geladenen Teilchen, z.B. Elektronen, aus. Die Teilchenquelle 301 kann dabei mit Hochspannung betrieben werden, beispielsweise mit einer Spannung von mindestens ±20kV oder ± 30kV. Teilchenstrahlen bzw. ein teilchenoptischer Strahlengang sind in 2 schematisch durch die gestrichelte Linie mit dem Bezugszeichen 3 dargestellt. Der Einzel-Teilchenstrahl 3 durchläuft zunächst ein Kondensor-Linsensystem 303 und trifft anschließend auf eine Multiaperturanordnung 305. Diese Multiaperturanordnung 305 dient ggf. mit weiteren teilchenoptischen Komponenten als Multistrahl-Generator. Er liegt bevorzugt etwa auf Erdpotential. Die von der Multiaperturanordnung 305 ausgehenden ersten Teilchenstrahlen durchlaufen sodann eine Feldlinse oder ein Feldlinsensystem 307 und treten dann in eine Strahlweiche 400 ein. Nach dem Durchsetzen der Strahlweiche 400 durchsetzen die ersten Teilchenstrahlen einen Scanablenker 500 und sodann eine teilchenoptische Objektivlinse 102, bevor die ersten Teilchenstrahlen 3 auf ein Objekt 7 auftreffen. Durch dieses Auftreffen werden aus dem Objekt 7 Sekundärpartikel, z.B. Sekundärelektronen, herausgelöst. Diese Sekundärpartikel bilden zweite Teilchenstrahlen, denen ein zweiter teilchenoptischer Strahlengang 9 zugeordnet ist. Die zweiten Teilchenstrahlen durchsetzen nach dem Austreten aus dem Objekt 7 zunächst die teilchenoptische Objektivlinse 102 und anschließend die Scanablenker 500, bevor sie in die Strahlweiche 400 eintreten. Anschließend treten die zweiten Teilchenstrahlen 9 aus der Strahlweiche 400 aus, durchsetzen ein Projektionslinsensystem 205, durchsetzen ein elektrostatisches Element 260 und treffen dann auf eine teilchenoptische Detektoreinheit 209 auf.
Die Teilchenstrahlen 3, 9 bewegen sich durch ein Strahlrohr 460, das evakuiert ist. In einigen Bereichen erweitert sich das Strahlrohr 460 zu größeren Kammern oder ist durch die Kammern unterbrochen. Dazu zählen beispielweise die Kammer 350 im Bereich der Teilchenquelle 301, die Kammer 355 im Bereich der Multiaperturanordnung 305 von teilchenoptischen Komponenten wie beispielsweise dem Multistrahl-Generator bzw. der Multiaperturanordnung 305, die Kammer 250 im Bereich des Detektionssystems 209 sowie die Vakuumkammer 150 im Bereich der Objektivlinse 102 und des Probentisches 153 mit einer Probe 7. Im Inneren des Strahlrohres 460 innerhalb der Strahlweiche 400 herrscht dabei ein Hochvakuum bevorzugt mit einem Druck kleiner als 10^-5 mbar, insbesondere kleiner als 10^-7 mbar und/ oder 10^-9 mbar. In den schon angesprochenen Kammern 350, 355 und 250 herrscht ein Vakuum bevorzugt jeweils mit Drücken kleiner als 10^-5 mbar, insbesondere kleiner als 10^-7 mbar und/ oder 10^-9 mbar. In der Vakuumkammer 150, die die Objektivlinse 102 und den Probentisch 153 mit der Probe 7 umfasst, herrscht bevorzugt ein Vakuum mit Gesamtdrücken kleiner als 10^-7 mbar, insbesondere kleiner als 10^-8 mbar und/ oder 10^-9 mbar.
Die Objektivlinse 102 weist einen oberen Polschuh 108 und einen unteren Polschuh 109 auf. Zwischen den beiden Polschuhen 108 und 109 befindet sich eine Wicklung 110 zur Erzeugung eines Magnetfeldes. Der obere Polschuh 108 und der untere Polschuh 109 können dabei elektrisch voneinander isoliert sein. Die teilchenoptische Objektivlinse 102 ist im gezeigten Beispiel eine magnetische Linse, sie kann aber auch eine elektrostatische Linse oder eine kombinierte magnetische/elektrostatische Linse sein. Die Objektivlinse wird dabei im gezeigten Beispiel mit Hochspannung betrieben, d.h. mit einer Spannung, die dem Betrage nach mindestens 20kV beträgt, insbesondere mindestens 30kV. Sie kann beispielsweise etwa ±20kV, ±22kV, ±25kV, ±28kV, ±30kV oder ±32kV betragen. Die Objektivlinse 102 und der Probentisch 153 bzw. die Probe 7 liegen sehr nah beieinander, weshalb es sich auch bei der am Probentisch 153 bzw. an der Probe 7 anliegenden Spannung um eine Hochspannung derselben Größenordnung wie an der Objektivlinse 102 handelt. Zum Anlegen der Spannung wird jeweils ein Objektivlinsenkabel 151 bzw. ein Probentischkabel 152 verwendet (in 2 jeweils aus Gründen der Einfachheit nicht dargestellt).
Das dargestellte Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 unterscheidet sich bereits durch die verwendete Hochspannung von vielen anderen Teilchenmikroskopen des Standes der Technik, bei denen eine Probe 7 auf Erdpotential liegt. Dass dieser Unterschied hinsichtlich Teilchenstrahl-induzierten oder Elektronenstrahl-induzierten Spuren auf der Probe 7 trotz Hochvakuum im Bereich der Probe 7 wichtig ist, hat sich allerdings erst bei detaillierten Untersuchungen der Anmelderin gezeigt:
3 illustriert Messungen von Partialdrücken von Restgasen im Hochvakuum. Konkret hat die Anmelderin den Partialdruck verschiedener Elemente bzw. verschiedener Restgase in der Vakuumkammer 150 untersucht. Zur Ermittlung der Partialdrücke wurde ein Massenspektrometer verwendet. In der in 3 gezeigten Darstellung sind zwei Kurven aufgetragen, in der einen Kurve, die durch unausgefüllte Punkte illustriert wird, ist der Partialdruck von Substanzen mit den atomaren Massen 101 bis 200 aufgetragen, die Kurve mit den ausgefüllten Kreisen illustriert den Partialdruck von Substanzen mit den atomaren Massen 45 bis 100. Dabei sind die jeweiligen Partialdrücke über der Zeit aufgetragen.
Begonnen wurde die Messung der Partialdrücke jeweils feldfrei, d.h. sowohl die Vakuumkammer 150 als auch die Objektivlinse 102 und der Probentisch 153 waren während des Zeitintervalls T1 geerdet bzw. es lag dort keine Spannung an (Es erfolgte während dieses Zeitintervalls T1 mit dem Vielstrahl-Teilchenmikroskop also keine Bildgebung - andernfalls hätte an der Objektivlinse 102 und am Probentisch 153 eine Spannung bzw. Hochspannung angelegen oder anliegen müssen. Auch während der Zeitintervalle T2 und T3 erfolgte keine Bildgebung.) Die jeweiligen Partialdrücke waren im Zeitintervall T1 etwa konstant und betrugen etwa 2 × 10^-10 mbar bzw. etwa 8 × 10^-10 mbar. Nach einer Stunde wurde sowohl an dem Objektivlinsenkabel 151 als auch an dem Probentischkabel 152 eine Hochspannung angelegt, im dargestellten Beispiel etwa -30kV. Beobachtet wurde direkt nach dem Anlegen der Hochspannung ein sprunghafter Anstieg der jeweiligen Partialdrücke jeweils um ca. eine Größenordnung. Während des Zeitintervalls T2 mit angelegter Hochspannung blieben die Partialdrücke dann wiederum jeweils annähernd konstant. Im Zeitintervall T3 wurde die Hochspannung dann wieder abgeschaltet bzw. die beiden Kabel 151, 152 auf Erde gelegt. Daraufhin erholten sich die Partialdrücke wieder bzw. sanken langsam ab. Die Erholung erfolgte nicht abrupt, sondern graduell. Hieraus kann zum einen geschlossen werden, dass das Auftreten von Restgas spannungsinduziert bzw. auf Koronaentladungen zwischen den Kabeln 151, 152 einerseits und der geerdeten Wand 159 der Vakuumkammer 150 andererseits zurückzuführen ist. Eine Störung des Massenspektrometers aufgrund der durch die Kabel geführten Hochspannung kann ausgeschlossen werden, da das Absinken des Partialdruckes nach Ausschalten der Hochspannung graduell und nicht abrupt erfolgt ist. Das bei Anliegen der Hochspannung während des Zeitintervalls T2 gemessene Restgas kommt dabei durch den oben beschriebenen Sputtereffekt zustande. Kommt es in der Vakuumkammer 150 zu einer Entladung, wird in der Vakuumkammer 150 noch vorhandenes Restgas ionisiert und die Ionen werden entsprechend ihrer Ladung beschleunigt. Sie schlagen dann beispielsweise auf die geerdete Wand 159 der Vakuumkammer 150 auf oder sie treffen auf die Kabel 151, 152, wo sie Material insbesondere aus einem die Kabel 151, 152 umgebenden Isolator 158 herausschlagen, das sich dann frei in der Vakuumkammer 150 bewegt und dort zum Restgas beiträgt.
4 zeigt schematisch eine Vakuumkammer 150 eines Vielstrahl-Teilchenmikroskopes 1 mit Objektivlinsenkabel 151 und Probentischkabel 152. Der Probentisch 153 dient zum Halten und / oder Positionieren einer Probe 7 während einer Probeninspektion. Die Struktur des Probentisches 153 ist insgesamt nur schematisch dargestellt, im gezeigten Beispiel handelt es sich um einen in z-Richtung bzw. in der Höhe verstellbaren Probentisch 153. An dessen Probentischoberfläche 154 ist das Kabel 152 angeschlossen, an dem eine Hochspannung anlegbar ist bzw. angelegt ist. Die Objektivlinse 102 befindet sich knapp oberhalb der Probentischoberfläche 154 und ist in 4 nur sehr schematisch dargestellt. An der Objektivlinse 102 liegt das Objektivlinsenkabel 151 an. Im gezeigten Beispiel sind beide Kabel 151, 152 isoliert bzw. von einem Isolator 158 umgeben. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Polyimid handeln, das eine geringe Ausgasung aufweist und wegen der benötigten Biegsamkeit der Kabel 151, 152 elastisch ist. Aber auch andere Materialien sind möglich. Im gezeigten Beispiel sind beide Kabel 151, 152 über die gesamte Länge, über die die beiden Kabel 151, 152 innerhalb der Vakuumkammer 150 verlaufen, geschirmt. In die Kammer 150 hineingeführt werden sie jeweils durch vakuumtaugliche und hochspannungstaugliche Stecker 155 bzw. 156. Die Länge des Objektivlinsenkabels bzw. des geschirmten Abschnittes des Objektivlinsenkabels 151 innerhalb der Vakuumkammer 150 beträgt im gezeigten Beispiel mindestens 20cm. Die Länge der Abschirmung des Probentischkabels 152 beträgt im gezeigten Beispiel mindestens 40cm. Die konkrete Länge der jeweiligen Kabel 151, 152 hängt natürlich auch vom Design der Vakuumkammer 150 ab.
Im gezeigten Beispiel ist das in der Vakuumkammer 150 erzeugbare bzw. erzeugte Vakuum 10^-7 mbar oder besser, wobei sich diese Angabe auf den Gesamtdruck des Restgases bezieht. Der Betrag einer an die Objektivlinse 102 und / oder einer an den Probentisch 153 bzw. dessen Oberfläche 154 anlegbaren oder angelegten Spannung beträgt mindestens 20kV, insbesondere mindestens 30kV. Im gezeigten Beispiel beträgt sie etwa -30kV, da im illustrierten Beispiel Elektronen als geladene Teilchenstrahlen verwendet werden.
5 illustriert schematisch a) den Effekt der Koronaentladung in der Vakuumkammer 150 und b) die Verhinderung der Koronaentladung in der Vakuumkammer 150 mittels Abschirmung gemäß der Erfindung.
Die Koronaentladung gemäß 5a) kommt dabei folgendermaßen zustande: Das Kabel 151, 152 umfasst eine leitende Ader 157 und einen darum angeordneten Isolator 158. Dabei handelt es sich bevorzugt um eine Isolierung aus Kunststoff, der hydrophob ist, eine geringe Ausgasung aufweist und/ oder der elastisch ist. Der Kunststoff kann dabei aus mindestens einer der folgenden Gruppen von Kunststoffen ausgewählt sein: Polyimide, Polyethylene, Polypropylene, Polytetrafluorethylene, fluorierte Ethylenpropylene, Perfluoralkoxyalkane. Aber auch andere Kunststoffe können eingesetzt werden.
Das Kabel 151, 152 verläuft nun zumindest teilweise in Nähe der Wand 159 der Vakuumkammer 150, die geerdet ist. Zwischen der Ader 157 des Kabels 151, 152 und der Wand 159 entstehen starke elektrische Felder, deren Feldlinien in 5a) durch die Linien bzw. Pfeile 161 angedeutet sind. Aufgrund der großen elektrischen Feldstärke zwischen der Ader 157 und der Wand 159 kommt es nun zu einer Koronaentladung, bei der das in der Vakuumkammer 150 vorhandene Restgas ionisiert wird. Schematisch sind in 5a) deshalb positiv geladene und negativ geladene Ionen dargestellt. Die negativ geladenen Ionen bewegen sich im gezeigten Beispiel mit großer Geschwindigkeit auf die Wand 159 zu und schlagen beim Auftreffen auf der Wand 159 Teilchen aus der Wand 159 heraus. Dies ist durch den Pfeil 163 angeordnet. Die herausgeschlagenen Teilchen bilden ein zusätzliches Restgas, das in der Vakuumkammer 150 nachgewiesen bzw. gemessen werden kann. Umgekehrt bewegen sich im gezeigten Beispiel (Potential der Ader 157 auf beispielsweise -30kV) die positiv geladenen Ionen mit großer Geschwindigkeit auf den Isolator 158 zu und schlagen beim Auftreffen auf diesem Material aus dem Isolator 158 heraus, was durch den Pfeil 162 angedeutet ist. Auch diese Teilchen bilden nun zusätzliches Restgas in der Vakuumkammer 150.
5b) zeigt nun die Situation bei Vorhandensein einer erfindungsgemäßen Abschirmung 160: Durch die Abschirmung 160 wird das elektrische Feld der leitenden Ader 157 des Kabels 151, 152 innerhalb der Abschirmung eingeschlossen. Es existiert zwischen der Abschirmung 160, die auf Erdpotential liegt, und der Wand 159 der Vakuumkammer 150 keinerlei Potentialdifferenz mehr. Auf diese Weise wird eine Koronaentladung vermieden und es kommt nicht zur zusätzlichen Restgasbildung in der Vakuumkammer 150. Somit lässt sich auch eine Teilchenstrahl-induzierte bzw. Elektronenstrahl-induzierte Spurbildung auf einer Probenoberfläche verringern.
Die Abschirmung 160 des Objektivlinsenkabels 151 und / oder des Probentischkabels 152 ist elektrisch leitend und frei von organischem Material und insbesondere auch frei von fluororganischem Material. Die Abschirmung selbst kann dabei auf unterschiedliche Weise realisiert werden, sie kann bei dem Objektivlinsenkabel 151 und dem Probentischkabel 152 identisch oder verschieden realisiert sein. Gemäß einem Beispiel weist die Abschirmung 160 eine Geflechtschirmung auf. Dabei kann der Schirm aus blanken oder verzinnten Kupferdrähten geflochten sein, wobei die verzinnte Ausführung wesentlich bessere Eigenschaften gegen Korrosion hat. Eine Geflechtschirmung verfügt über eine sehr gute Dämpfung und gute mechanische Eigenschaften. Hochflexible Leitungen können mit ca. 70% linearer und 90% optischer Bedeckung mit speziellem Flechtwinkel gefertigt werden, welche Zugkräfte auf die Schirmdrähte der Abschirmung 160 vermeidet. Aber auch andere Ausführungsvarianten sind möglich.
Es ist zusätzlich oder alternativ auch möglich, dass die Abschirmung 160 eine Drallschirmung aufweist. Eine Bedeckung des Innenleiters bzw. des Kabels mit Ader 157 und bevorzugt dem Isolator 158 bewegt sich in der Regel zwischen 95% und 100%. Bei der beschriebenen Drallschirmung wird ein Schirm aus blanken oder verzinnten Kupferdrähten oder Drähten aus einem anderen Material, beispielsweise Aluminium oder Silber, über das Kabel gelegt bzw. herumgewunden.
Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, dass die Abschirmung 160 eine Folie, insbesondere eine Aluminiumfolie, aufweist. Es ist auch möglich, dass eine Folie mit Aluminium beschichtet ist. Bevorzugt ist eine Folie dann 100% bedeckend, sie kann aber auch Aussparungen und / oder Löcher aufweisen, ohne dass ihre Funktion nennenswert beeinträchtigt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Abschirmung 160 durch Verdampfen auf das Objektivlinsenkabel 151 und / oder das Probentischkabel 152 und insbesondere auf die jeweiligen Isolierungen der Kabel 151, 152 aufgebracht. Dazu kann beispielsweise Elektronenstrahlverdampfen oder Widerstandsverdampfen eingesetzt werden, allgemein ist aber auch eine physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) möglich. Bevorzugt ist eine Bedeckung durch Verdampfen vollständig bzw. beträgt 100%. Eine typische Schichtdicke Sd durch Bedampfen beträgt 10nm ≤ Sd ≤ 200nm, beispielsweise 10 nn, 20nm, 30nm, 50nm, 80nm, 100nm, 150nm oder 200nm. Eine gute Haftung der aufgebrachten Materialien durch Bedampfen auf dem Kabel 151, 152 bzw. auf einem Isolator 158 als äußerster Schicht des Kabels 151, 152 ist dabei wichtig und natürlich von der jeweils verwendeten Materialkombination abhängig, wie dies dem zuständigen Fachmann geläufig ist. Beispielhaft kann die aufgedampfte Abschirmung 160 mindestens ein Metall aus der nachfolgend aufgelisteten Gruppe von Metallen aufweisen: Platin, Palladium, Kupfer, Titan, Aluminium, Gold, Silber, Chrom, Tantal, Wolfram, Molybdän. Zusätzlich oder alternativ kann die aufgedampfte Abschirmung 160 mindestens ein Halbmetall aus der nachfolgend aufgelisteten Gruppe von Halbmetallen aufweisen: Si, Si/Ge, GaAs, AlAs, InAs, GaP, InP, InSb, GaSb, GaN, AIN, InN, ZnSe, ZnS, CdTe.
Mittels der vorliegenden Erfindung ist es möglich geworden, Teilchenstrahl-induzierte Spuren auf einer Probe 7 weiter zu reduzieren und damit noch bessere Aufnahmen mittels eines Vielstrahl-Teilchenmikroskopes 1 zu ermöglichen.
Bezugszeichenliste

1: Vielstrahl-Teilchenmikroskop
3: primäre Teilchenstrahlen (Einzel-Teilchenstrahlen)
5: Strahlflecken, Auftrefforte
7: Objekt
9: sekundäre Teilchenstrahlen (Einzel-Teilchenstrahlen)
10: Computersystem, Steuerung
11: sekundärer Teilchenstrahlengang
13: primärer Teilchenstrahlengang
25: Probenoberfläche, Waferoberfläche
100: Objektivlinsensystem
101: Objektebene
102: Objektivlinse
103: Feld
108: oberer Polschuh
109: unterer Polschuh
150: Vakuumkammer
151: Objektivlinsenkabel
152: Probentischkabel
153: Probentisch, Stage
154: Probentischoberfläche, Stageoberfläche
155: Hochvakuumdurchführung
156: Hochvakuumdurchführung
157: Ader des Kabels
158: Isolator
159: Vakuumkammerwand
160: Abschirmung
161: Feldlinien
162: Pfeil zur Illustration des Sputtereffekts
163: Pfeil zur Illustration des Sputtereffekts
200: Detektorsystem
205: Projektionslinse
209: Teilchen-Multi-Detektor,
211: Detektionsebene
213: Auftrefforte
215: Detektionsbereich
217: Feld
250: Vakuumkammer
300: Strahlerzeugungsvorrichtung
301: Teilchenquelle
303: Kollimationslinsensystem
305: Multiaperturanordnung, Multistrahl-Generator
306: Mikrooptik
307: Feldlinse
309: divergierender Teilchenstrahl
311: beleuchtender Teilchenstrahl
313: Multiaperturplatte
315: Öffnungen der Multiaperturplatte
317: Mittelpunkte der Öffnungen
319: Feld
323: Strahlfoki
325: Zwischenbildebene
350: Vakuumkammer
355: Vakuumkammer
400: Strahlweiche
410: Magnetsektor
420: Magnetsektor
460: Strahlrohranordnung
500: Scanablenker

Claims

Vielstrahl-Teilchenmikroskop (1) zur Reduktion von Teilchenstrahl-induzierten Spuren auf einer Probe (7), das die folgenden Merkmale aufweist: einen Multistrahl-Generator (305), welcher konfiguriert ist, um ein erstes Feld (319) einer Vielzahl von geladenen ersten Teilchenstrahlen (3) zu erzeugen; eine erste Teilchenoptik mit einem ersten teilchenoptischen Strahlengang (13), die konfiguriert ist, um die erzeugten Einzel-Teilchenstrahlen (3) auf eine Probenoberfläche (25) in der Objektebene (101) abzubilden, so dass die ersten Teilchenstrahlen (3) an Auftrefforten (5) auf die Probenoberfläche (25) treffen, die ein zweites Feld bilden (103); ein Detektionssystem (200) mit einer Vielzahl von Detektionsbereichen (215), die ein drittes Feld (217) bilden; eine zweite Teilchenoptik mit einem zweiten teilchenoptischen Strahlengang (11), die konfiguriert ist, um zweite Einzel-Teilchenstrahlen (9), die von den Auftrefforten (5) im zweiten Feld (103) ausgehen, auf das dritte Feld (217) der Detektionsbereiche (215) des Detektionssystems (200) abzubilden; eine magnetische und/oder elektrostatische Objektivlinse (102), durch die sowohl die ersten (3) als auch die zweiten Einzel-Teilchenstrahlen (9) hindurchtreten; eine Strahlweiche (400), die in dem ersten teilchenoptischen Strahlengang (13) zwischen dem Multistrahl-Generator (305) und der Objektivlinse (102) angeordnet ist, und die im zweiten teilchenoptischen Strahlengang (11) zwischen der Objektivlinse (102) und dem Detektionssystem (200) angeordnet ist; einen Probentisch (153) zum Halten und/ oder Positionieren einer Probe (7) während einer Probeninspektion; und eine Steuerung (10), die konfiguriert ist, das Vielstrahl-Teilchenmikroskop (1) zu steuern, wobei die Objektivlinse (102) und der Probentisch (153) in einer Vakuumkammer (150) angeordnet sind, die geerdet ist; wobei an die Objektivlinse (102) mittels eines Objektivlinsenkabels (151), das zumindest abschnittsweise innerhalb der Vakuumkammer (150) geführt ist, eine Hochspannung anlegbar oder angelegt ist; wobei an den Probentisch (153) mittels eines Probentischkabels (152), das zumindest abschnittsweise innerhalb der Vakuumkammer (150) geführt ist, eine Hochspannung anlegbar oder angelegt ist; wobei das Objektivlinsenkabel (151) in dem in der Vakuumkammer (150) geführten Abschnitt zumindest teilweise eine Abschirmung (160) aufweist, wobei die Abschirmung (160) des Objektivlinsenkabels (151) elektrisch leitend und frei von organischem Material ist, sodass elektrostatische Entladungen zwischen dem Objektivlinsenkabel (151) und der Vakuumkammer (150) reduziert werden und/ oder wobei das Probentischkabel (152) in dem in der Vakuumkammer (150) geführten Abschnitt zumindest teilweise eine Abschirmung (160) aufweist, wobei die Abschirmung (160) des Probentischkabels (152) elektrisch leitend und frei von organischem Material ist, sodass elektrostatische Entladungen zwischen dem Probentischkabel (152) und der Vakuumkammer (150) reduziert werden.
Vielstrahl-Teilchenmikroskop (1) gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei das Objektivlinsenkabel (151) im gesamten in der Vakuumkammer (150) geführten Abschnitt eine Abschirmung (160) aufweist und/ oder wobei das Probentischkabel (152) im gesamten in der Vakuumkammer (150) geführten Abschnitt eine Abschirmung (160) aufweist.
Vielstrahl-Teilchenmikroskop (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Länge der Abschirmung (160) des Objektivlinsenkabels (151) mindestens 20 cm beträgt und / oder wobei eine Länge der Abschirmung (160) des Probentischkabels (152) mindestens 40 cm beträgt.
Vielstrahl-Teilchenmikroskop (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das in der Vakuumkammer (150) erzeugbare oder erzeugte Vakuum 10^-7 mbar oder besser ist, und/ oder wobei der Betrag einer an die Objektivlinse (102) und/ oder an den Probentisch (153) anlegbaren oder angelegten Spannung mindestens 15kV, insbesondere mindestens 20kV oder mindestens 30kV, beträgt.
Vielstrahl-Teilchenmikroskop (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Objektivlinsenkabel (151) und/ oder das Probentischkabel (152) eine Isolierung (158) um eine Ader des Kabels (157) aufweist und wobei die Abschirmung (160) in Bezug auf die Isolierung (158) außen angeordnet ist.
Vielstrahl-Teilchenmikroskop (1) gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei die Isolierung (158) einen Kunststoff aufweist, der eine geringe Ausgasung aufweist, hydrophob und/ oder der elastisch ist.
Vielstrahl-Teilchenmikroskop (1) gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei der Kunststoff aus mindestens einer der folgenden Gruppen von Kunststoffen ausgewählt ist: Polyimide, Polyethylene, Polypropylene, Polytetrafluorethylene, fluorierte Ethylenpropylene, Perfluoralkoxyalkane.
Vielstrahl-Teilchenmikroskop (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abschirmung (160) des Objektivlinsenkabels (151) und/ oder des Probentischkabels (152) frei von fluororganischem Material ist.
Vielstrahl-Teilchenmikroskop (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abschirmung (160) eine Geflechtschirmung aufweist.
Vielstrahl-Teilchenmikroskop (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abschirmung (160) eine Drallschirmung aufweist.
Vielstrahl-Teilchenmikroskop (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abschirmung (160) eine Folie, insbesondere eine Aluminiumfolie, aufweist.
Vielstrahl-Teilchenmikroskop (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche und insbesondere gemäß Anspruch 5, wobei die Abschirmung (160) durch Bedampfen auf das Kabel und insbesondere auf die Isolierung (158) aufgebracht ist.
Vielstrahl-Teilchenmikroskop (1) gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei die aufgedampfte Abschirmung (160) mindestens ein Metall aus der nachfolgend aufgelisteten Gruppe von Metallen aufweist: Platin, Palladium, Kupfer, Titan, Aluminium, Gold, Silber, Chrom. Tantal, Wolfram, Molybdän.
Vielstrahl-Teilchenmikroskop (1) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 13, wobei die aufgedampfte Abschirmung (160) mindestens ein Halbmetall aus der nachfolgend aufgelisteten Gruppe von Halbmetallen aufweist: Si, Si/Ge, GaAs, AlAs, InAs, GaP, InP, InSb, GaSb, GaN, AIN, InN, ZnSe, ZnS, CdTe.