DE102022208597A1

DE102022208597A1 - Vorrichtung zum Abbilden und Bearbeiten einer Probe mit einem fokussierten Teilchenstrahl

Info

Publication number: DE102022208597A1
Application number: DE102022208597.3A
Authority: DE
Inventors: Daniel Schwarz; David Lämmle; Michael Schnell; Thomas Beck; Florian Neuberger
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2022-08-18
Filing date: 2022-08-18
Publication date: 2024-02-29
Also published as: KR20240025466A; TW202410109A; CN117594404A; JP2024028220A; US20240062989A1

Abstract

Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Abbilden und Bearbeiten einer Probe mit einem fokussierten Teilchenstrahl und weist auf: (a) zumindest eine Teilchenquelle, die eingerichtet ist, einen Teilchenstrahl in einer Ultrahochvakuumumgebung zu erzeugen; (b) zumindest eine Probenkammer zum Aufnehmen der Probe, die eingerichtet ist zum Abbilden der Probe in einer Hochvakuumumgebung und zum Bearbeiten der Probe in einer Feinvakuumumgebung; (c) zumindest eine Säule, die in einer Hochvakuumumgebung angeordnet ist, und die zumindest eine teilchenoptische Komponente aufweist, die eingerichtet ist, aus dem Teilchenstrahl einen fokussierten Teilchenstrahl zu formen und auf die Probe zu richten; (d) zumindest eine Detektionseinheit, die innerhalb der zumindest einen Säule angeordnet ist, und die eingerichtet ist, von der Probe ausgehende Teilchen zu detektieren; (e) zumindest ein Gasleitungssystem, das am Ausgang des fokussierten Teilchenstrahls aus der Säule endet, und das eingerichtet ist, zumindest ein Prozessgas lokal auf der Probe mit einem Druck bereitzustellen, so dass der fokussierte Teilchenstrahl eine Teilchenstrahl-induzierte lokale chemische Reaktion zum Bearbeiten der Probe induzieren kann; und (f) zumindest eine Druckeinstelleinheit, durch die der Teilchenstrahl und die von der Probe ausgehenden Teilchen hindurchtreten, und die eingerichtet ist, einen Druckanstieg, der durch das Bearbeiten der Probe an der zumindest einen Detektionseinheit hervorgerufen wird, auf einen Faktor 10 oder weniger, bevorzugt auf einen Faktor 5 oder weniger, mehr bevorzugt auf einen Faktor 3 oder weniger, und am meisten bevorzugt auf einen Faktor 2 oder weniger zu begrenzen, ohne einen Zugang der von der Probe ausgehenden Teilchen zu der zumindest einen Detektionseinheit zu behindern.

Description

1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abbilden und Bearbeiten einer Probe mit einem fokussierten Teilchenstrahl, insbesondere mit einem Elektronenstrahl.
2. Stand der Technik
Die Fortschritte der Nanotechnologie ermöglichen das Herstellen von Bauelementen mit immer kleiner werdenden Strukturelementen. Zum Darstellen und zum Bearbeiten der Chipstrukturen mikroskopischer oder nanoskopischer Bauelemente werden Werkzeuge benötigt, die diese Chipstrukturen abbilden und modifizieren können.
Mikroskope sind mächtige Werkzeuge zum Abbilden von Nanostrukturen. Bei Mikroskopen tritt typischerweise ein Teilchenstrahl in Wechselwirkung mit einer zu analysierenden und/oder zu bearbeitenden Probe. Mikroskope, die massebehaftete Teilchen, beispielsweise Elektronen, zum Abtasten einer Probe einsetzen, haben aufgrund der kleinen de-Broglie-Wellenlänge der Teilchen ihres Teilchenstrahls ein großes beugungsbegrenztes Auflösungsvermögen beim Abbilden einer Nanostruktur durch Rastern des Teilchenstrahls über die Probe. Derzeit können Elektronenstrahlen beispielsweise auf Durchmesser im einstelligen Nanometerbereich fokussiert werden.
Rasterelektronenmikroskope arbeiten typischerweise im Vakuum, d.h. unter Hochvakuum-(HV-) Bedingungen, damit deren Elektronenstrahl auf dem Weg von der Elektronenquelle bis zum Auftreffen auf eine Probe nicht durch Wechselwirkung mit Molekülen gestreut und damit der Strahl aufgefächert wird. Das Erzeugen von Elektronen für einen Elektronenstrahl, etwa durch Feldemission an einer Schottky-Kathode erfolgt in einer Ultrahochvakuum- (UHV-) Umgebung.
Rasterelektronenmikroskope (SEM) oder Ionenstrahl-(FIB-) Mikroskope oder allgemein Teilchenstrahlmikroskope können so modifiziert werden, dass diese neben dem Abbilden von Proben auch zu deren lokaler Bearbeitung eingesetzt werden können. Hierfür wird ein Prozessgas oder ein Präkursor-Gas auf die Probe aufgebracht und dieses wird mit Hilfe des fokussierten Teilchenstrahls aktiviert, sodass dieses eine lokale Ätz- oder Depositionsreaktion ausführt. Damit der fokussierte Teilchenstrahl eine lokale chemische Reaktion initiieren und aufrechterhalten kann, ist eine Mindestmenge oder eine lokale Mindestkonzentration an Präkursor-Gaspartikeln auf der Probenoberfläche notwendig. Typischerweise erhöht sich - abhängig vom verwendeten Prozessgas - die Reaktionsgeschwindigkeit mit Zunahme der lokalen Gaskonzentration am Reaktionsort, so dass eine möglichst große lokale Konzentration an Prozessgas wünschenswert ist.
Das Einbringen eines Prozessgases in ein SEM oder ein FIB-Mikroskop konterkariert jedoch dessen HV-Umgebung. Einige der dadurch auftretenden Schwierigkeiten sind nachfolgend kurz angerissen.
Ein Teil des Prozessgases und/oder dessen Reaktionsprodukte können in das optische oder teilchenoptische System, das im Folgenden auch Teilchenstrahlsäule oder kurz Säule genannt wird, eindringen und dort temporäre oder bleibende Schäden an verschiedenen Komponenten verursachen, beispielsweise der Teilchenstrahlquelle und/oder dem bzw. den Teilchendetektoren. Ein SEM weist eine Teilchenstrahlsäule in Form einer Elektronenstrahlsäule bzw. abgekürzt Säule auf.
Der fokussierte Teilchenstrahl wird an den Partikeln des Prozessgases und/oder dessen Reaktionsprodukten gestreut. Dadurch wird der Teilchenstrahl aufgefächert („beam skirt“) und die laterale Ortsauflösung der lokalen chemischen Reaktion wird verringert. Zudem erschwert die resultierende Strahlaufweitung die Steuerung der lokalen chemischen Reaktion.
Zudem können Gasentladungen an Stellen, an denen große elektrische Feldstärken vorhanden sind, etwa in einem elektrooptischen Objektiv in der Nähe der Probe, das Objektiv und/oder dessen Spannungsversorgung beschädigen.
Das Prozessgas bzw. das Präkursor-Gas kann gefährliche Gase beinhalten. Unter dem Blickwinkel der Sicherheit betrachtet, ist das durch einen großen Gasfluss hervorgerufene häufige Wechseln der Gasbehälter eines SEM- bzw. eines FIB-Systems nicht erwünscht.
Um diese widerstreitenden Anforderungen zu befriedigen, wurden verschiedene Lösungsansätze entwickelt. So beschreibt die US 2005 / 0 199 086 A1 ein speziell geformtes Gasleitungssystem, das es ermöglicht, ein Prozessgas symmetrisch um einen geladenen Teilchenstrahl herum auf eine zu bearbeitende Probe zu richten. Die US 6 872 956 B2 beschreibt eine kaskadenartige Pumpenordnung mit einer Vorpumpe, zwei Turbomolekularpumpen und einer Ionen-Getter-Pumpe. Die Patentschrift US 9 070 533 B2 erläutert, das Einsetzen einer Prozessglocke mit einer Gaszuleitung, die auf die Probe aufgesetzt wird, in die Vakuumkammer eines SEMs, um die Menge des aufzuwendenden Prozessgases zu minimieren.
Die Patentschrift US 8 921 811 B2 beschreibt eine Prozesszelle mit einer eigenen Probenhalterung einem Gaseinlass und einem Gasauslass sowie einer Öffnung für einen geladenen Teilchenstrahl. Die Prozesszelle reduziert die für eine Probenbearbeitung notwendige Gasmenge. Abgesehen von dem zusätzlichen Aufwand einer Prozesszelle ist deren Einsatz auf kleine Proben beschränkt.
In einer weiteren Ausführungsform zur Begrenzung des Druckanstiegs, der durch das Prozessgas und/oder dessen Reaktionsprodukte in der Säule verursacht wird, weist die Säule der Vorrichtung eine oder mehrere Öffnungen zur HV-Umgebung des Mikroskops auf. Um die empfindlichen Teile, wie etwa optische oder teilchenoptische Komponenten, Blenden, Ionen-Getter-Pumpen, die für ein kontinuierliches Aufrechterhalten des Hochvakuums essenziell wichtig sind, und insbesondere die zur Feldemission verwendete Schottky-Kathode zusätzlich zu schützen, wird im Stand der Technik ein Druckstufenrohr verwendet, das die Säule des Mikroskops druckmäßig in zwei Teile aufteilt. Das Druckstufenrohr ist ein langes (beispielsweise 15 mm) dünnes (Durchmesser beispielsweise 1 mm) Rohr, das den Durchtritt des kollimierten Teilchenstrahls ermöglicht. Das Druckstufenrohr verringert den Strömungsleitwert der Partikel des Präkursor-Gases und/oder von dessen Reaktionsprodukten im Druckbereich molekularen Flusses deutlich (beispielsweise für Stickstoff auf 0,01 1/s). Der Anteil des Prozessgases, der das Druckstufenrohr passieren kann liegt im Bereich von 0,1%. Dieser Restanteil wird durch eine Ionen-Getter-Pumpe, die vor die Schottky-Kathode geschaltet ist, aus dem System entfernt.
Dieser Lösungsansatz weist jedoch noch immer einige Nachteile auf. Damit das Druckstufenrohr den unteren Teil der Säule druckmäßig gut von dem darüber liegenden Teil der Vorrichtung entkoppelt, sollte dieses möglichst lang sein und einen geringen Durchmesser aufweisen. Diese Anforderungen führen jedoch dazu, dass durch Adsorption von Partikeln des Prozessgases und/oder dessen Reaktionsprodukten bzw. durch Anlagerung von anderen Verunreinigungen aus der Säule, die Strahlqualität des das Druckstufenrohr passierenden Teilchenstrahls beeinträchtigt wird. Beispielsweise können diese ein Stigma und/oder eine Drift des Teilchenstrahls verursachen. Diese Effekte können die Prozessstabilität des Mikroskops deutlich herabsetzen.
Aufgrund des geringen Durchmessers des Druckstufenrohres müssen der bzw. die Detektoren, die zum Abbilden der Probe eingesetzt werden, unterhalb des Druckstufenrohres angebracht werden. Die von der Probe ausgehenden Teilchen, die zur Detektion verwendet werden, weisen einen deutlich größeren Raumwinkel auf als der primäre auf die Probe gerichtete fokussierte Teilchenstrahl. Die Beschränkung der Anordnung des bzw. der Detektoren innerhalb des Mikroskops schränkt die einsetzbaren Detektortypen ein, müssen diese doch hohen Konzentrationen korrosiver Gase standhalten können. Des Weiteren gibt es ein Platzproblem unter dem Objektiv des Mikroskops; dessen Auflösung kann maximiert werden, indem der Abstand zwischen dem Objektiv und der Probe minimiert wird.
Das Auftreffen von Teilchen mit geringer kinetischer Energie auf die Probe ist bevorzugt, um die durch den Teilchenbeschuss induzierten Schäden an der Probe zu minimieren und die laterale Ausdehnung der lokalen chemischen Reaktion zu begrenzen. Gerade bei niedrigen Auftreffenergien der Teilchen des Teilchenstrahls auf die Probe ist es jedoch wünschenswert, alle von der Probe ausgehenden Teilchen zu detektieren, insbesondere die Teilchen, die unter einem kleinen Polarwinkel bezogen auf die Strahlrichtung des primären Teilchenstrahls von der Probe ausgehen. Hierfür ist es jedoch notwendig, die im Wesentlichen antiparallel zum Teilchenstrahl laufenden Teilchen räumlich von diesem zu trennen. Das lange enge oben beschriebene Druckstufenrohr verhindert den Durchtritt eines erheblichen Teils der von der Probe ausgehenden Teilchen. Das Verkürzen und/oder Aufweiten des Druckstufenrohres führen jedoch zu einem Druckanstieg im Bereich oberhalb des geänderten Druckstufenrohres, in dem beispielsweise Ionen-Getter-Pumpen nicht mehr arbeiten können.
In dem Bereich der Säule unterhalb des Druckstufenrohres herrschen schlechte HV-Bedingungen. Dies bedeutet, der Teilchenstrahl ist während eines beträchtlichen Teils seines Pfades zur Probe der Wechselwirkung mit Gaspartikeln ausgesetzt. Die dadurch verursachte Streuung der Teilchen des Teilchenstrahls resultiert in einer Aufweitung von dessen Fokusdurchmesser.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher das Problem zu Grunde, eine Vorrichtung anzugeben, die es ermöglicht, das Abbilden und Bearbeiten einer Probe mit einem fokussierten Teilchenstrahl zu verbessern.
3. Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird dieses Problem zumindest teilweise durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 der vorliegenden Anmeldung gelöst. Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
In einer Ausführungsform weist eine Vorrichtung zum Abbilden und Bearbeiten einer Probe mit einem fokussierten Teilchenstrahl auf: (a) zumindest eine Teilchenquelle, die eingerichtet ist, einen Teilchenstrahl in einer Ultrahochvakuumumgebung zu erzeugen; (b) zumindest eine Probenkammer zum Aufnehmen der Probe, die eingerichtet ist zum Abbilden der Probe in einer Hochvakuumumgebung und zum Bearbeiten der Probe in einer Feinvakuumumgebung; (c) zumindest eine Säule, die in einer Hochvakuumumgebung angeordnet ist, und die zumindest eine teilchenoptische Komponente aufweist, die eingerichtet ist, aus dem Teilchenstrahl einen fokussierten Teilchenstrahl zu formen und auf die Probe zu richten; (d) zumindest eine Detektionseinheit, die innerhalb der zumindest einen Säule angeordnet ist, und die eingerichtet ist, von der Probe ausgehende Teilchen zu detektieren; (e) zumindest ein Gasleitungssystem, das am Ausgang des fokussierten Teilchenstrahls aus der Säule endet, und das eingerichtet ist, zumindest ein Prozessgas lokal auf der Probe mit einem Druck bereitzustellen, so dass der fokussierte Teilchenstrahl eine Teilchenstrahl-induzierte lokale chemische Reaktion zum Bearbeiten der Probe induzieren kann; und (f) zumindest eine Druckeinstelleinheit durch die der Teilchenstrahl und die von der Probe ausgehenden Teilchen hindurchtreten, und die eingerichtet ist, einen Druckanstieg, der durch das Bearbeiten der Probe an der zumindest einen Detektionseinheit hervorgerufen wird, auf einen Faktor 10 oder weniger, bevorzugt auf einen Faktor 5 oder weniger, mehr bevorzugt auf einen Faktor 3 oder weniger, und am meisten bevorzugt auf einen Faktor 2 oder weniger zu begrenzen, ohne einen Zugang der von der Probe ausgehenden Teilchen zu der zumindest einen Detektionseinheit zu behindern.
Durch den durchgehenden Einsatz der Detektionseinheit in einer (mindestens) Hochvakuum-(HV-) Umgebung ist diese kaum mehr dem Einwirken von korrosiven Gasen ausgesetzt, die beim Bearbeiten der Probe entstehen können. Durch diese entfallene Randbedingung wird die Bandbreite, der zum Abbilden der Probe einsetzbarer Detektoren, verbreitert. Ferner wird eine Kontamination der Detektionseinheit etwa durch Adsorption von Gaspartikeln auf deren Detektoroberfläche wirksam verhindert. Zudem werden durch eine gleichbleibende HV-Bedingung die empfindlichen optischen oder teilchenoptischen Komponenten der Säule vor einer möglichen Verschmutzung oder gar Beschädigung geschützt.
Gleichzeitig ermöglicht eine erfindungsgemäße Druckeinstelleinheit im Wesentlichen allen von der Probe ausgehenden Teilchen einen uneingeschränkten Zugang zur Detektionseinheit. Dies erlaubt ein realitätsnahes Abbilden der Probe. Überdies wird die Strahlqualität eines fokussierten Teilchenstrahls beim Durchtritt durch die Druckeinstelleinheit nicht beeinträchtigt. Eine Verringerung der Prozessstabilität kann dadurch vermieden werden. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt somit das Bearbeiten einer Probe mit einer hohen lokalen Prozessgas-Konzentration und verhindert gleichzeitig eine Verschmutzung oder gar Beschädigung der empfindlichen teilchenoptischen Komponenten und ermöglicht dadurch ein Abbilden der Probe mit hoher Qualität.
Ein Feinvakuum (FV) umfasst einen Druckbereich von 1 mbar oder 100 Pa bis 10^-3 mbar bzw. 0,1 Pa. Der HV-Bereich schließt sich an den Bereich des FV an und umfasst den Druckbereich von 10^-3 mbar bis 10^-8 mbar. Noch niedrigere Drucke treten im Ultrahochvakuum (UHV) auf, nämlich 10^-8 mbar bis 10^-11 mbar. Von Atmosphärendruck oder vom Normaldruck und Standardbedingungen (1013,25 mbar, 298 K) ausgehend, erreicht die mittlere freie Weglänge der Gasteilchen im Bereich des FV Zahlenwerte, die die Abmessungen typischer Vakuumgefäße überschreiten, und eine ursprünglich viskose Gasströmung geht über eine Knudsen-Strömung in den Bereich molekularer Gasströmung über. Im Bereich molekularer Strömung wechselwirken die Gaspartikel nicht länger untereinander, sondern nur noch mit den Wänden des Vakuumgefäßes. In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung herrschen - mit Ausnahme des Ortes, an dem die Probe bearbeitet wird, - überall Druckbedingungen, unter denen sich eine molekulare Strömung von Gaspartikeln ausbildet.
Die Teilchen eines Teilchenstrahls können ruhemassefreie Teilchen (m_o=o kg), etwa Photonen, sein oder Teilchen umfassen, die eine Ruhemasse aufweisen (m_o > o kg), wie etwa Elektronen, Ionen, Atome oder Moleküle. Derzeit sind Elektronenstrahlen bevorzugt. Durch ihre geringe Ruhemasse weisen Elektronen zum einen eine kleine de-Broglie-Wellenlänge auf, was die Fokussierung auf einen kleinen Fleckdurchmesser erlaubt, und zum anderen verursacht das Bestrahlen einer Probe mit Elektronen - anders als etwa der Beschuss mit Ionen - keine oder nur sehr geringe Beschädigungen der Probe. Der Begriff teilchenoptische Komponente umfasst eine Komponente, die Teilchen ohne Ruhemasse, etwa Photonen, und/oder Teilchen mit einer Ruhemasse, etwa Elektronen, zu einem fokussierten Teilchenstrahl formen kann.
Von der Probe ausgehende Teilchen können Photonen, Elektronen und/oder Ionen sein. Vorzugsweise umfassen die von der Probe ausgehenden Teilchen Sekundär- (SE-) Elektronen und/oder von der Probe rückgestreute (BE-) Elektronen. Zusätzlich können bei Bedarf von der Probe emittierte Photonen zum Analysieren der Probe eingesetzt werden.
Die auf die Probe auftreffende Teilchenart kann die gleiche sein, die die Detektionseinheit detektiert. Es ist aber auch möglich, dass eine erste Teilchenart auf die Probe auftrifft und eine zweite Teilchenart von der Detektionseinheit detektiert wird, wobei die erste und die zweite Teilchenart verschiedene Teilchenarten bezeichnen. Beispielsweise kann die erste Teilchenart Photonen und/oder Ionen umfassen und die zweite Teilchenart kann Elektronen umfassen.
Die zumindest eine Säule kann im Bereich der zumindest einen Detektionseinheit ohne Ausführen eines Bearbeitungsprozesses einen Druck < 10^-5 mbar, bevorzugt < 3·10^-6 mbar, mehr bevorzugt < 10^-6 mbar, und am meisten bevorzugt < 3·10^-7 mbar aufweisen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es einer Detektionseinheit durchgehend in einer HV-Umgebung zu arbeiten. Dadurch wird das Spektrum der Detektoren, die in der Detektionseinheit eingesetzt werden können, verbreitert.
Im Bereich der zumindest einen Teilchenquelle der zumindest einen Säule kann ein Druckanstieg durch das Bearbeiten der Probe < 10^-8 mbar, bevorzugt < 5·10^-9) mbar, mehr bevorzugt < 10^-9 mbar, und am meisten bevorzugt < 10^-10 mbar bleiben.
Die zumindest eine Säule kann einen Vakuumpumpenanschluss aufweisen und/oder kann zumindest einen druckmäßigen Umgehungsanschluss zur Probenkammer aufweisen.
Eine Probenkammer weist wenigstens einen Anschluss für eine Vakuumpumpe auf. Ohne Einlass eines Prozessgases reduziert die Vakuumpumpe den Druck in der Probenkammer auf einen Druck im HV-Bereich, typischerweise von etwa 10^-5 mbar bis 10^-7 mbar. Durch das Einlassen des Prozessgases und das Initiieren einer lokalen chemischen Reaktion, durch die Reaktionsprodukte des Prozessgases und der Probe erzeugt werden, steigt der Druck in der Probenkammer lokal an. Ein Teil des nicht reagierten Prozessgases und der erzeugten Reaktionsprodukte wird über den Vakuumpumpenanschluss der Probenkammer aus dieser entfernt.
Der zumindest eine Vakuumpumpenanschluss und/oder der zumindest eine druckmäßige Umgehungsanschluss zur Probenkammer kann im unteren Teil der zumindest einen Säule angeordnet sein.
Da die lokale chemische Reaktion in unmittelbarer Nähe des Strahlaustritts des fokussierten Teilchenstrahls aus der Säule stattfindet, kann ein Teil des Prozessgases und der generierten Reaktionsprodukte in die Säule der Vorrichtung eindringen. Die zum Teil reaktiven bzw. sehr reaktiven Teilchen des Prozessgases sowie die teilweise korrosiv wirkenden Reaktionsprodukte müssen schnellstmöglich aus der Säule entfernt werden, um eine Kontamination oder sogar eine Beschädigung der in der Säule angeordneten, empfindlichen teilchenoptischen Komponenten zu vermeiden. Hierfür weist die Säule zumindest einen Anschluss für eine Vakuumpumpe auf. Dieser Vakuumpumpenanschluss wird möglichst nah am Ausgang des Teilchenstrahls aus der Säule positioniert, um ein Vordringen des Prozessgases und/oder von dessen Reaktionsprodukten in die oberen Teile der Säule zu verhindern. Anstelle einer eigenen Vakuumpumpe kann der Vakuumpumpenanschluss der Säule mit einem druckmäßigen Umgehungsanschluss (englisch: bypass) der Probenkammer verbunden werden und durch die Vakuumpumpe der Probenkammer gepumpt werden.
Wenn im Folgenden von dem unteren Teil der Säule die Rede ist, ist der Teil der Säule gemeint, an der der fokussierte Teilchenstrahl die Säule verlässt. Der obere Teil der Säule bezeichnet den Teil, an dem die Teilchen der Teilchenstrahlquelle in die Säule eintreten. Die Strahlrichtung des Teilchenstrahls verläuft in dieser Konvention von oben nach unten durch die Säule der Vorrichtung.
Die Vorrichtung kann ferner zumindest eine Turbomolekularpumpe aufweisen, die die zumindest eine Probenkammer pumpt. An den Vakuumpumpenanschluss der Probenkammer kann ebenfalls eine Turbomolekularpumpe angeschlossen werden. Eine Turbomolekularpumpe benötigt im Einlassbereich Drucke, bei denen bereits eine molekulare Strömung der Gaspartikel vorliegt. Dieser Vakuumpumpentyp kann Drucke des UHV-Bereichs erzeugen.
Die Probe kann eine fotolithographische Maske umfassen.
Derzeit weisen fotolithographische Masken typischerweise laterale Abmessungen von 152 mm × 152 mm auf. Zum Bearbeiten einer Fotomaske muss die Probenkammer einer erfindungsgemäßen Vorrichtung groß genug sein, eine Maske aufnehmen zu können. Darüber hinaus weist die Probenhalterung der Probenkammer Verschiebeelemente auf, die eine Fotomaske über ihren aktiven Bereich, typischerweise 142 mm × 142 mm - hinweg verschieben können.
Das Bearbeiten von Fotomasken oder allgemeiner von Proben kann ein lokales Entfernen von Material umfassen. In diesem Fall umfasst das Prozessgas zumindest ein Ätzgas, beispielsweise Xenondifluorid (XeF₂) oder Nitrosylchlorid (NOCl). Das Bearbeiten einer Probe kann auch das lokale Abscheiden von Material auf der Probe umfassen. Hierfür umfasst das Prozessgas zumindest ein Präkursor-Gas. Das Präkursor-Gas kann ein Metallcarbonyl, etwa Dikobaltoktocarbonyl (Co₂(CO)₈) oder TEOS (Tetraethylorthosilikat, C₈H₂₀O₄Si) umfassen. Zudem kann das Prozessgas ein additives Gas umfassen, das ein Ätzen der Probe und/oder ein Abscheiden von Material auf die Probe unterstützt. Ein additives Gas kann beispielsweise Sauerstoff (O₂) oder Ammoniak (NH₃) umfassen.
Das zumindest eine Gasleitungssystem kann eingerichtet sein, das zumindest eine Prozessgas lokal auf der Probe mit einem Druck im Bereich von 1 mbar bis 0,001 mbar, bevorzugt 0,6 mbar bis 0,003 mbar, mehr bevorzugt 0,3 mbar bis 0,006 mbar, und am meisten bevorzugt von 0,1 mbar bis 0,01 mbar bereitzustellen.
Der minimale lokale Druck des Prozessgases, der benötigt wird, damit der fokussierte Teilchenstrahl eine lokale chemische Reaktion auslösen kann, hängt von der spezifischen Reaktion ab. Unterhalb einer reaktionsspezifischen minimalen Gaskonzentration kommt die lokale chemische Reaktion zum Erliegen. Ein möglichst hoher lokaler Druck des Prozessgases beschleunigt hingegen die chemische Reaktion und ist deshalb aus Gründen der Prozessökonomie vorteilhaft. Ein hoher lokaler Druck des Prozessgases und damit korrelierend von dessen Reaktionsprodukten führt jedoch zu einem temporären Einbruch der HV-Bedingung in der Säule und den damit einhergehenden oben angesprochenen nachteiligen Effekten der Verschmutzung bzw. Degradation der empfindlichen optischen bzw. teilchenoptischen Komponenten der Säule.
Die zumindest eine Teilchenquelle kann eingerichtet sein, einen Teilchenstrahl mit einer Stromstärke von 0,1 pA bis 10 nA, bevorzugt 0,3 pA bis 3 nA, mehr bevorzugt 1 pA bis 1 nA, und am meisten bevorzugt 3 pA bis 0,3 nA zu erzeugen.
Die zumindest eine teilchenoptische Komponente kann eingerichtet sein, den Teilchenstrahl auf einen Fleckdurchmesser < 5 nm, bevorzugt < 2 nm, mehr bevorzugt < 1 nm, und am meisten bevorzugt < 0,8 nm zu fokussieren.
Der Fleckdurchmesser ist definiert als R50, d.h. der Radius innerhalb dessen 50% der Strahlintensität liegen. Der Radius der minimalen Fläche, in der ein fokussierter Teilchenstrahl durch Auslösen einer Teilchenstrahl-induzierten chemischen Reaktion eine Probe bearbeiten kann, ist ungefähr einen Faktor drei bis vier größer.
Die zumindest eine Detektionseinheit kann einen Szintillationszähler, insbesondere einen Everhart-Thornley-Detektor, und/oder einen Halbleiterdetektor, insbesondere einen direkten Elektronendetektor (direct electron detector) umfassen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner zumindest ein Element aus der Gruppe umfassen: ein magnetisches Prisma, eine magnetische Schikane und ein Wien-Filter, wobei das zumindest eine Element in der zumindest einen Säule angeordnet ist, und eingerichtet ist, die von der Probe ausgehenden Teilchen auf die zumindest eine Detektionseinheit zu lenken.
Der Einsatz eines magnetischen Prismas, um die von der Probe ausgehenden Teilchen auf die Detektionseinheit zu lenken, ermöglicht insbesondere die Detektion der Teilchen, deren Bahn im Wesentlichen antiparallel zur Richtung des Teilchenstrahls verläuft. Diesen Ausschnitt der von der Probe ausgehenden Teilchen kann beispielsweide ein in-lens-Detektor nicht erfassen, da dieser eine Öffnung für den Durchtritt des auf die Probe gerichteten Teilchenstrahls aufweist. Um die laterale Auflösung eines Teilchenstrahls, insbesondere eines Elektronenstrahls, zu steigern, wird die Landeenergie der Teilchen, d.h. die kinetische Energie, mit der diese auf die Probenoberfläche auftreten, so weit wie möglich verringert. Der Raumwinkel, indem die Teilchen von der Probe austreten, wird dadurch verringert. Dies bedeutet jedoch auch, dass der Anteil der Teilchen, die die Probe antiparallel zum fokussierten Teilchenstrahl verlassen, zunimmt. Indem die Detektionseinheit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung diese Teilchen detektieren kann, steigert diese die Abbildungsqualität der von der Probe aufgenommen Bilder.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner zumindest eine Elektrode aufweisen, die am Ausgang der zumindest einen Säule angeordnet ist, und die eingerichtet ist, den fokussierten Teilchenstrahl über die Probe zu rastern. Die zumindest eine Elektrode kann eine Oktupol-Elektrode umfassen.
Zudem kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung ein Ladungskompensationsgitter aufweisen, das am Ausgang der zumindest einen Säule unterhalb des Gasleitungssystems angeordnet ist.
Überdies kann die Säule einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Strahlführungsrohr (englisch; liner tube) beinhalten, das in deren unterem Teil im Bereich des Teilchenstrahlaustritts eingesetzt ist, und die eingerichtet ist, eine Verunreinigung der optischen Komponenten durch das Prozessgas und dessen Reaktionsprodukten zu verhindern bzw. zu verringern. Das Strahlungsrohr wird typischerweise in Form einer Metallröhre, etwa eine Aluminiumröhre, ausgeführt und kann einen Durchmesser von einigen Millimetern aufweisen, beispielsweise 4 mm bis 5 mm. An die Metallröhre kann ein elektrostatisches Potential angelegt werden, das in Kombination mit dem Ladungskompensationsgitter ein elektrisches Feld erzeugt, das die kinetische Energie, mit der die Teilchen des fokussierten Teilchenstrahls auf die Probe auftreffen, verringert. Durch das Anlegen einer Spannung an die Metallröhre können die Teilchen des fokussierten Teilchenstrahls auf eine kinetische Energie im Bereich von 100 eV bis 1200 eV, bevorzugt 130 eV bis 1000 eV, mehr bevorzugt 160 eV bis 800 eV, und am meisten bevorzugt 200 eV bis 600 eV abgebremst werden.
Einerseits wird durch ein Verringern der Landeenergie der Teilchen des fokussierten Teilchenstrahls die Fläche verkleinert, in der die Teilchen eine lokale chemische Reaktion hervorrufen. Andererseits erhöht das Verringern der kinetischen Energie in dem Bereich, in dem durch das Einlassen des Prozessgases ein großer Druck bzw. eine große Teilchendichte erzeugt wird, die Wahrscheinlichkeit für das Streuen der Teilchen des fokussierten Teilchenstrahls an den Molekülen des Prozessgases bzw. an dessen Reaktionsprodukten. Dadurch wird die (laterale) Kontrolle der lokalen chemischen Reaktion verschlechtert.
Aufgrund ihres großen Durchmessers wirkt das Strahlführungsrohr nur in geringem Umfang als Druckstufe; typischerweise kann dieses den Druck um etwa einen Faktor verringern.
Die zumindest eine Druckeinstelleinheit kann zumindest ein Element aus der Gruppe umfassen: eine differenziell gepumpte Druckstufe, die in der zumindest einen Säule angeordnet ist, und zumindest eine Blende, die oberhalb des zumindest einen Gasleitungssystems am Ausgang des fokussierten Teilchenstrahls aus der zumindest einen Säule angeordnet ist.
Beide Ausführungen der Druckeinstelleinheit ermöglichen, dass an der Position der Detektionseinheit in der Säule keine signifikanten Einbrüche der HV-Bedingungen auftreten, d.h. die Detektionseinheit und die weiteren optischen Komponenten im darüber liegenden Teil der Säule sind weitestgehend vor korrosiven Gaspartikeln geschützt. Gleichzeitig werden im Wesentlichen keine von der Probe ausgehenden Teilchen auf Ihrem Weg zur Detektionseinheit behindert, wodurch die Abbildungsqualität der Probe durch den fokussierten Teilchenstrahl gesteigert wird.
Der Ausdruck „im Wesentlichen“ bedeutet hier, dass einzelne Teilchen an einem Ladungskompensationsgitter um einen großen Winkel weg von der Strahlachse des Teilchenstrahls gestreut werden, so dass diese nicht in die Öffnung der Säule eintreten können. Ferner kann durch Anlegen eines negativen elektrostatischen Potentials (beispielsweise 20 V bis 200 V) an das Ladungskompensationsgitter verhindert werden, dass geladene Teilchen mit einer kinetischen Energie, die nicht ausreicht, um diese Potentialbarriere zu überwinden, die Probe verlassen können.
Die zumindest eine differenziell gepumpte Druckstufe kann in Strahlrichtung des Teilchenstrahls im Bereich einer rückseitigen Fokusebene einer Objektivlinse der zumindest einen Säule angeordnet sein.
Das Anordnen der differentiell gepumpten Druckstufe an dieser Strahlposition ist günstig, da das Objektiv oder die Objektivlinse der Vorrichtung an dieser Stelle eine Strahltaille der Stahleinhüllenden der von der Probe ausgehenden Teilchen erzeugt. Die differentiell gepumpte Druckstufe verringert den Teil des Prozessgases und dessen Reaktionsprodukte, die in den darüber liegenden Teil der Säule eintreten können, um etwa zwei Größenordnungen. Ohne die differenziell gepumpte Druckstufe können ein bis zwei Prozent, der von unten in die Säule eindringenden Gaspartikel in den oberen Teil der Säule gelangen. Die differenziell gepumpte Druckstufe verringert diesen Anteil auf etwa 0,02%.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner eine Turbomolekularpumpe zum Pumpen einer Kammer der zumindest einen differenziell gepumpten Druckstufe aufweisen.
Ferner kann die Säule einen Vakuumpumpenschluss aufweisen, der im oberen Teil der Säule angeordnet ist. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine Ionen-Getter-Pumpe zum Pumpen des Vakuumpumpenanschlusses des oberen Teils der Säule aufweisen.
Ohne die differentiell gepumpte Druckstufe, würde der Druck an dieser Stelle der Säule für eine Ionen-Getter-Pumpe zu groß sein. Diese würde heiß laufen und ausfallen. Der Einsatz einer Turbomolekularpumpe anstelle einer Ionen-Getter-Pumpe zum Pumpen des oberen Teils der Säule kann den geforderten Druckpegel < 10^-6 mbar im oberen Teil der Säule aufgrund des komplexen Säulenaufbaus sowie aufgrund von Problemen mit der Schwingungsentkopplung der Turbomolekularpumpe nicht sicherstellen.
Die Kammer der zumindest einen differenziell gepumpten Druckstufe kann einen druckmäßigen Umgehungsanschluss zur Probenkammer zum Pumpen des Einlassbereichs der Kammer der zumindest einen differenziell gepumpten Druckstufe aufweisen.
Diese Konfiguration ermöglicht das Einsparen einer Vakuumpumpe und vereinfacht dadurch die Konzeption einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die zumindest eine differenziell gepumpte Druckstufe kann in Strahlrichtung des Teilchenstrahls vor dem Vakuumpumpenanschluss der Säule angeordnet sein.
Diese Anordnung stellt sicher, dass der Großteil des in die Säule eindringenden Prozessgases und seiner Reaktionsprodukte bereits durch den Vakuumpumpenanschluss der Säule aus dieser entfernt wird.
Der Einlassbereich der zumindest einen differenziell gepumpten Druckstufe kann ein Druckstufenrohr mit einem Druckmesser von 1 mm bis 3 mm, bevorzugt 1,3 mm bis 2,7 mm, mehr bevorzugt 1,6 mm bis 2,4 mm, und am meisten bevorzugt von 1,9 mm bis 2,1 mm und mit einer Länge im Bereich von 5 mm bis 25 mm, bevorzugt 7 mm bis 183 mm, mehr bevorzugt 8 mm bis 14 mm, und am meisten bevorzugt von 9 mm bis 11 mm aufweisen.
Durch diese Dimensionierung weist das Druckstufenrohr im Einlassbereich der zumindest einen differenziell gepumpten Druckstufe einen molekularen Strömungsleitwert von 0,10 l/s auf.
Der Auslassbereich der zumindest einen differenziell gepumpten Druckstufe kann ein Druckstufenrohr mit einem Druckmesser von 2 mm bis 4 mm, bevorzugt 2,3 mm bis 3,7 mm, mehr bevorzugt 2,6 mm bis 3,4 mm, und am meisten bevorzugt von 2,9 mm bis 3,1 mm und mit einer Länge im Bereich von 20 mm bis 36 mm, bevorzugt 23 mm bis 33 mm, mehr bevorzugt 26 mm bis 30 mm, und am meisten bevorzugt von 27 mm bis 29 mm aufweisen.
Als Folge dieser Dimensionierung weist das Druckstufenrohr im Auslassbereich der zumindest einen differenziell gepumpten Druckstufe einen molekularen Strömungsleitwert von 0,12 l/s auf. Dieser Zahlenwert sowie weitere in dieser Anmeldung angegebene Strömungsleitwerte beziehen sich auf das Gas Stickstoff. Werden andere Gase zum Untersuchen der druckmäßigen Verhältnisse in der Vorrichtung eingesetzt, ändern sich die molekularen Strömungsleitwerte proportional zur Massenzahl des eingesetzten Gases im Verhältnis zur Massenzahl von Stickstoff.
Eine Kammer der zumindest einen differenziell gepumpten Druckstufe kann eine Höhe im Bereich von 5 mm bis 30 mm, bevorzugt 6 mm bis 20 mm, mehr bevorzugt 7 mm bis 15 mm, und am meisten bevorzugt 8 mm bis 12 mm aufweisen. Ferner kann die Kammer der zumindest einen differenziell gepumpten Druckstufe eine Breite von 10 mm bis 30 mm, bevorzugt 13 mm bis 27 mm, mehr bevorzugt 16 mm bis 24 mm, und am meisten bevorzugt 19 mm bis 21 mm aufweisen. Zudem kann die Kammer eine Länge von 50 mm bis 200 mm, bevorzugt 70 mm bis 150 mm, mehr bevorzugt 90 mm bis 120 mm, und am meisten bevorzugt 95 mm bis 110 mm aufweisen.
Eine große Höhe der Kammer der differenziell gepumpten Druckstufe vergrößert deren molekularen Strömungsleitwert in Richtung der Pumpe und führt somit unmittelbar zu einem größeren Pumpenquerschnitt. Der obere Teil der Säule wird dadurch druckmäßig gut von deren unterem Teil entkoppelt. Andererseits verlängert eine große Kammerhöhe den Weg der von der Probe ausgehenden Teilchen zur Detektionseinheit, und die damit einhergehende Strahlaufweitung.
Die Kammer der differentiell gepumpten Druckstufe kann einen molekularen Strömungsleitwert aufweisen, der einen Faktor 10, bevorzugt einen Faktor 15, mehr bevorzugt einen Faktor 18, und am meisten bevorzugt einen Faktor 20 größer ist als der molekulare Strömungsleitwert des Auslassteils der differenziell gepumpten Druckstufe.
Zudem kann die Kammer der zumindest einen differenziell gepumpten Druckstufe das Potential der Metallröhre aufweisen, die am Strahlausgang in die Säule eingesetzt ist.
Die zumindest eine Blende kann eine einstellbare Blendenöffnung aufweisen.
Durch das Anbringen einer Blende unmittelbar oberhalb des Bereichs des Gaseinlasses kann das Volumen, das mit Prozessgas zum Ausführen der lokalen chemischen Reaktion befüllt werden muss, deutlich verkleinert werden. Die benötigte Menge an Prozessgas wird dadurch minimiert. Dies hat den Vorteil, dass der bzw. die Gasbehälter einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nur selten gewechselt werden müssen. Zudem verringert das reduzierte mit Prozessgas zu befüllende Volumen die Zeitspanne für den notwendigen Druckaufbau und Druckabbau am Reaktionsort. Überdies reduziert eine unmittelbar oberhalb des Gasleitungssystems angebrachte Blende den Teil des Prozessgases und dessen Reaktionsprodukte, der in die Säule der Vorrichtung eindringen kann, und aus dieser abgepumpt werden muss.
Darüber hinaus kann durch das Einstellen der Blendenöffnung sichergestellt werden, dass zum einen im Wesentlichen alle aus der Probe austretenden Teilchen durch die Blende hindurchtreten können und gleichzeitig kann der Anteil des Prozessgases und dessen Reaktionsprodukte, der in die Säule eintreten kann, minimiert werden. Überdies ermöglicht das Einstellen der Öffnung der Blende, das Anpassen von deren Öffnungsweite an den Abstand zwischen der Blende und einer Probenoberfläche. Schließlich reduziert eine Blende am Ausgang der Säule die Länge des Pfades, den der fokussierte Teilchenstrahl mit hoher Gaskonzentration durchqueren muss. Die Wahrscheinlichkeit, dass dessen Teilchen an den Gaspartikeln gestreut werden, ist somit gering, und eine Vergrößerung des Fokusflecks auf der Probenoberfläche unterbleibt.
Die zumindest eine Blende kann zumindest einen Piezo-Aktuator umfassen, der eingerichtet ist, die Blendenöffnung einzustellen.
Die Öffnung der Blende kann eine beliebige Form aufweisen. Bevorzugt sind einfache geometrische Formen, etwa Rechtecke oder Quadrate, deren Öffnungen durch einfache Piezo-Aktuator-Anordnungen geändert werden können.
Der zumindest eine Piezo-Aktuator kann die Fläche der Blendenöffnung um einen Faktor 1,1, bevorzugt einen Faktor 1,2, mehr bevorzugt um einen Faktor 1,5, und am meisten bevorzugt um einen Faktor 2,0 ändern.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner eine Spannungsversorgung aufweisen, die eingerichtet ist zum Anlegen eines elektrostatischen Potentials an die zumindest eine Blende.
Durch Anlegen eines elektrostatischen Potentials an die Blende kann eine Verzerrung des elektrischen Feldes zwischen dem Strahlführungsrohr (liner tube) und einem Ladungskompensationsgitter beseitigt bzw. zumindest verringert werden. Die Spannungsversorgung kann ein elektrostatisches Potential im Bereich von 20 V bis 1000 V, bevorzugt von 50 V bis 600 V, mehr bevorzugt von 100 V bis 400 V, und am meisten bevorzugt von 150 V bis 300 V an die zumindest eine Blende anlegen.
Die Blendenöffnung der Blende kann größer, bevorzugt einen Faktor 1,5 größer, mehr bevorzugt einen Faktor 1,8 größer, und am meisten bevorzugt einen Faktor 2,0 größer als ein Abstand der Blendenöffnung von einer Probenoberfläche sein.
Die Blendenöffnung kann einen Bereich von 100 µm bis 3000 µm, bevorzugt 130 µm bis 2000 µm, mehr bevorzugt 160 µm bis 1000 µm, und am meisten bevorzugt 200 µm bis 600 µm umfassen.
Bei einem Faktor 2 des Quotienten aus Blendendurchmesser und Abstand von der Probenoberfläche kann der Anteil des in die Säule eintretenden Prozessgases für kleine Abstände zwischen Blende und Probenoberfläche um einen Faktor 10 verkleinert werden. Dadurch kann zuverlässig verhindert werden, dass eine Ionen-Getter-Pumpe, die den oberen Teil der Säule pumpt, überlastet wird.
Ein Abstand zwischen der Blendenöffnung und der Probenoberfläche kann einen Bereich von 80 µm bis 1000 µm, bevorzugt 100 µm bis 800 µm, mehr bevorzugt 150 µm bis 700 µm, und am meisten bevorzugt 200 µm bis 600 µm umfassen.
Ein Ladungskompensationsgitter kann eine Gitteröffnung von 10 µm bis 50 µm, bevorzugt 15 µm bis 45 µm, mehr bevorzugt 20 µm bis 40 µm, und am meisten bevorzugt von 25 µm bis 35 µm aufweisen.
Das Ladungskompensationsgitter kann einen Abstand zur Probenoberfläche aufweisen, der halb so groß ist wie eine Gitteröffnung des Ladungskompensationsgitters.
Die Vorrichtung kann ferner ein Computersystem umfassen, das zumindest ein nichtflüchtiges Speichermedium aufweist. Das Computersystem kann eingerichtet sein, die Vorrichtung während des Abbildens der Probe und/oder während des Bearbeitens der Probe zu steuern.
Ein Computerprogramm kann Anweisungen umfassen, die ein Computersystem veranlassen, eine Probe abzubilden und/oder eine Probe zu bearbeiten. Insbesondere kann das Computersystem Anweisungen umfassen, die einen Arbeitsabstand der Säule von einer Probe einstellen und/oder die ein Einstellen der Öffnung der Blende steuern.
4. Beschreibung der Zeichnungen
In der folgenden detaillierten Beschreibung werden derzeit bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei

1 einen schematischen Schnitt durch eine Vorrichtung zum Abbilden mit einem Elektronenstrahl und zum Bearbeiten einer Probe mit dem Elektronenstrahl und zumindest einem Prozessgas nach dem Stand der Technik präsentiert;
2 einen vergrößerten Ausschnitt eines Teils der Säule der Vorrichtung der 1 wiedergibt;
3 einen schematischen Schnitt durch eine Vorrichtung präsentiert, bei der ein Detektor oder eine Detektionseinheit im oberen Teil der Säule hinter einer Druckstufe, d.h. stromaufwärts, angeordnet ist;
4 die Vorrichtung der 3 nach Einbau einer differenziell gepumpten Druckstufe veranschaulicht;
5 eine Simulation einer Strahleinhüllenden der von einer Probe austretenden Elektronen entlang der Säule der Vorrichtung der 4 präsentiert, die von einem Elektronenstrahl generiert wird, der mit geringer kinetischer Energie auf die Probenoberfläche auftrifft;
6 im oberen Teilbild schematisch die molekulare Gasströmung über die Druckstufe der Vorrichtung der 3 veranschaulicht und im unteren Teilbild schematisch die molekularen Gasströmungen in die differenziell gepumpte Druckstufe der Vorrichtung der 4 hinein und aus dieser heraus illustriert;
7 im oberen Teilbild den unteren Teil der Säule der 3 reproduziert und im unteren Teilbild die Strahlauffächerung der Elektronen eines fokussierten Teilchenstrahls als Folge der Streuung an den Partikeln eines in die Probenkammer eingelassenen Prozessgases wiedergibt; und
8 im oberen Teilbereich den Einbau einer Blende in den Ausgang der Säule der Vorrichtung der 2 zeigt und im unteren Teilbild die dadurch bewirkte Verringerung der Strahlauffächerung des primären fokussierten Teilchenstrahls veranschaulicht.

5. Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden derzeit bevorzugte Ausführungsformen erfindungsgemäßer Vorrichtungen erläutert. Zwei Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung werden detailliert an dem Beispiel eines Rasterelektronenmikroskops (SEM) erläutert. Erfindungsgemäße Vorrichtungen sind jedoch nicht auf den Einsatz eines massebehafteten Teilchenstrahls in Form eines Elektronenstrahls begrenzt. Vielmehr können diese für beliebige Teilchenstrahlen, die Teilchen in Form von Bosonen oder Fermionen verwenden, eingesetzt werden. Ferner wird der Einsatz erfindungsgemäßer Vorrichtungen am Beispiel des Abbildens und Bearbeitens einer fotolithographischen Maske erläutert. Dies stellt jedoch keine Einschränkung dar. Vielmehr können erfindungsgemäße Vorrichtungen zum Abbilden und zum Bearbeiten einer beliebigen Probe eingesetzt werden. Beispielsweise können die in dieser Anmeldung beschriebenen Vorrichtungen zum Abbilden und Modifizieren von Chipstrukturen oder Halbleiterstrukturen auf Wafern, von MEMS (micro electromechaical systems) und/oder PICs (photonic integrated circuits) mittels eines Teilchenstrahls bzw. eines Teilchenstrahl-induzierten Bearbeitungsprozesses eingesetzt werden.
Die 1 stellt einen schematischen Schnitt durch eine Vorrichtung 100 zum Abbilden und Bearbeiten einer Probe 190 mit einem fokussierten Elektronenstrahl als Beispiel eines fokussierten Teilchenstrahls dar. Die Teilchenquelle 110 oder Elektronenquelle 110 weist einen Schottky-Feld-Emitter 105 auf, aus dem in einem starken elektrischen Feld in einer Ultrahochvakuum-(UHV-) Umgebung (1·10^-10 mbar ≤ p ≤·3·10^-9) mbar) Elektronen freigesetzt werden. Die Elektronenquelle 110 weist einen Vakuumanschluss 115 auf, an den typischerweise eine Ionen-Getter-Pumpe (in der 1 nicht dargestellt) angeschlossen werden kann. Der Elektronenstrahl durchläuft die Blende 120 und tritt in den oberen Teil 125 der Säule 130 der Vorrichtung 100 ein.
In der 1 wie in allen nachfolgenden Figuren ist die Teilchenquelle 110 oben am oberen Ende des oberen Teils 125 an die Säule 130 angeflanscht. Der Teilchenstrahl tritt am oberen Ende in die Säule 130 ein und verlässt diese an deren unterem Ausgang 187. Die Strahlrichtung des Teilchenstrahls verläuft in dieser Konvention von oben nach unten. Stromaufwärts bedeutet eine Richtung entgegen der Strahlrichtung, d.h. nach oben, und stromabwärts bezeichnet die Strahlrichtung des Teilchenstrahls, d.h. nach unten.
Der obere Teil 125 und der untere Teil 135 der Säule 130 enthalten in dem Beispiel der 1 die elektronenoptischen Komponenten zum Fokussieren und Richten des Elektronenstrahls auf die Probe 190. Der obere 125 und der untere Teil 135 der Säule 130 sind durch ein Druckstufenrohr 140 voneinander getrennt. Das Druckstufenrohr 140 ist so ausgelegt, dass der Elektronenstrahl durch dieses hindurchtreten kann, der obere Teil 125 der Säule 130 jedoch weitgehend von einer Druckvariation im unteren Teil 135 der Säule 130 abgeschirmt wird. Hierfür ist ein langes dünnen Druckstufenrohr 140 günstig. An der Innenwand eines langen dünnen Druckstufenrohrs 140 können Gaspartikel adsorbiert werden. Dadurch kann der das Druckstufenrohr 140 passierende Elektronenstrahl in seiner Strahlqualität degradiert werden. Dies kann negative Auswirkungen auf das Abbildungsverhalten des Elektronenstrahls der Vorrichtung 100 hervorrufen. Zudem kann durch das gestörte Strahlprofil des fokussierten Elektronenstrahls die Qualität eines Bearbeitungsprozesses in negativer Weise beeinflusst werden.
Im oberen Teil 125 der Säule 130 wird typischerweise mit Hilfe einer Ionen-Getter-Pumpe, die an dem Vakuumanschluss 145 angeschlossen ist, und die in der 1 nicht dargestellt ist, der Druck auf einen Wert von ungefähr 1·10^-7 mbar (typischerweise 5·10^-8 mbar bis·5·10^-7 mbar) reduziert.
Die Öffnung des Druckstufenrohres 140 ist jedoch nicht groß genug, damit der Großteil der aus der Probe 190 austretenden Elektronen 192 dieses passieren kann. Die Vorrichtung 100 der 1 weist deshalb zwei sogenannte in-lens-Detektoren 150, 160 auf, die im unteren Teil 135 der Säule 130 angeordnet sind. In der Säule 130 unterhalb des Druckstufenrohres 140 herrschen jedoch variierende Druckverhältnisse. Diese werden durch das Einlassen eines Prozessgases durch das Gasleitungssystem 180 in die Prozesskammer 170 verursacht. Ohne das Einlassen eines Prozessgases durch das Gasleitungssystem 180 liegt das Druckniveau im unteren Teil 135 der Säule 130 im Bereich von 10^-5 mbar bis 10^-6 mbar, d.h. weist stabile HV-Bedingungen auf.
Beim Ausführen eines Bearbeitungsprozesses, bei dem der fokussierte Elektronenstrahl auf der Oberfläche 197 einer Probe 190 eine lokale chemische Reaktion initiiert, steigt der Druckpegel im unteren Teil 135 der Säule 130 auf 10^-2 mbar bis 10^-4 mbar an. Die Detektoren 150 und 160 sind somit einer beträchtlichen Gaskonzentration ausgesetzt. Die Gase im unteren Teil 135 der Säule 130 umfassen zu einem erheblichen Umfang nicht reagiertes Prozessgas und Reaktionsprodukte des Prozessgases. Diese typischerweise reaktiven Gase weisen ein großes korrosives Potential auf, das die Detektoren 150, 160 sowie die weiteren im unteren Teil 135 der Säule 130 untergebrachten elektrooptischen Komponenten verschmutzen bzw. schädigen kann, etwa das Objektiv 175.
Der untere Teil 135 der Säule 130 weist einen Vakuumpumpenanschluss 155 auf. Über diesen kann der untere Teil 135 der Säule 130, beispielsweise mit Hilfe einer Turbomolekularpumpe (in der 1a nicht gezeigt), evakuiert werden. Alternativ kann, wie in der 1 schematisch dargestellt, der Vakuumpumpenanschluss 155 einen druckmäßigen Umgehungsanschluss zur Probenkammer 170 bilden. Die gestrichelte horizontale Linie 172 veranschaulicht das obere Ende der Probenkammer 170. Die Probenkammer 170 ihrerseits weist einen Vakuumpumpenanschluss 165 auf, über den diese gepumpt werden kann. Hierfür kann z.B. ebenfalls eine Turbomolekularpumpe (in der 1 nicht wiedergegeben) eingesetzt werden.
Der untere Teil 135 der Säule 130 der Vorrichtung 100 weist neben den Detektoren 150 und 160 zumindest ein elektrooptisches Objektiv 175 oder eine Objektivlinse 175 auf, das den Elektronenstrahl auf die Probe 190 fokussiert. Der Teil der Säule 130, in dem die Objektivlinse 175 angeordnet ist, ist in dem Diagramm 200 der 2 nochmals vergrößert wiedergegeben. Am Ausgang des fokussierten Elektronenstrahls 250 - als Beispiel eines fokussierten Teilchenstrahls 250 - aus der Säule 130 weist diese eine Oktupol-Elektrode 185 auf, mit deren Hilfe der fokussierte Elektronenstrahl 250 über die Probe 190 gerastert bzw. gescannt werden kann. In der Oktupol-Elektrode 185 endet zudem das Gasleitungssystem 180. Das Gasleitungssystem 180 stellt das Prozessgas im Bereich des Auftreffpunktes 260 des fokussierten Elektronenstrahls 250 auf die Probe 190 bereit.
Durch Öffnen des Gasleitungssystems 180 kann der Druck im Bereich des Ausführens einer lokalen chemischen Reaktion auf 10^-1 mbar bis 10^-3 mbar, d.h. in den Bereich des FV, ansteigen. Die schematische Darstellung der 2 veranschaulicht, dass der überwiegende Teil der nicht reagierten Partikel des Prozessgases ebenso wie der lokal erzeugten Reaktionsprodukte in die Säule 130 der Vorrichtung 100 eindringen kann.
Um die Abbildungsqualität des Elektronenstrahls insbesondere bei niedrigen Landeenergien der Elektronen sicherzustellen, befinden sich die Komponenten in der Säule 130 entlang des Strahlenganges des Elektronenstrahls auf einem elektrischen Potential, das dem der Elektronen in der Säule 130 bis zu deren Ausgang 187 entspricht. Um diese Forderung auch im engen Ausgang 187 des Elektronenstrahls aus der Säule 130 zu gewährleisten, wird in den Ausgang 187 der Säule 130 typischerweise ein austauschbares Metallrohr 220 eingesetzt. Dieses wird im englischen Sprachbereich als liner tube 220 und im deutschen Sprachgebrauch als Strahlführungsrohr 220 bezeichnet. In der Regel wird das Strahlführungsrohr 220 aus einem nichtmagnetischen und korrosionsbeständigen Material gefertigt und weist einen Durchmesser von 4 mm bis 5 mm auf. Das Strahlführungsrohr 220 limitiert den Durchmesser des Säulenausgangs 187 in definierter Weise und weist dadurch die positive Nebenwirkung auf einer Verschmutzung der elektrooptischen allgemein teilchenoptischen Komponenten, die im unteren Teil 135 der Säule 130 untergebracht sind, entgegenzuwirken.
Die Säule 130 der beispielhaften Vorrichtung 100 der 1 und 2 weist ein Ladungskompensationsgitter 195 auf, dem die Aufgabe zufällt, die Effekte einer elektrostatischen Aufladung der Probe 190 zu minimieren. Um dieser Anforderung gerecht zu werden, wird der Abstand des Ladungskompensationsgitters 195 von der Probenoberfläche 197 sehr klein gewählt. Typische Zahlenwerte des Abstands sind < 70 µm. Eine Probe 190 in Form eines elektrischen Isolators, etwa einer fotolithographischen Maske 190, kann sich als Folge einer Bestrahlung mit einem fokussierten Elektronenstrahl 250 aufladen. Eine fotolithographische Maske weist häufig ein elektrisch isolierendes Quarz-Substrat auf.
Die Vorrichtung 300 der 3 zeigt schematisch eine Säule 330, in der eine Detektionseinheit 350 oder ein Detektor 350 auf einem niedrigeren Drucklevel arbeiten kann, verglichen mit den Detektoren 150, 160 der 1. Der Detektor 350 kann ein Szintillationsdetektor 350 sein, wie etwa ein Everhart-Thornley-Detektor 350, und/oder einen Halbleiterdetektor umfassen, insbesondere einen direkten Elektronendetektor (direct electron detector). In der 3 sowie in den nachfolgenden Figuren ist die Probenkammer 170 der 1 aus Einfachheitsgründen nicht dargestellt.
Die Säule 330 weist am Übergang von deren unteren Teil 335 zu deren oberen Teil 325 eine Druckstufe 370 mit einem Druckstufenrohr 380 auf. Um die Detektionseinheit 350 vor einer Belastung durch reaktive Gase zu schützen, ist diese - anders als die Detektoren 150 und 160 der Vorrichtung 100 der 1 - stromaufwärts in den oberen Teil 325 der Säule 330 eingebaut. Die Öffnung des Druckstufenrohres 380 der Druckstufe 370 ist so dimensioniert, dass im Wesentlichen alle von der Probe 190 ausgehenden Elektronen 390 den Detektor 350 erreichen können. Der molekulare Strömungsleitwert der Druckstufe 370 liegt im Bereich von 0,12l/s. (l/s steht für Liter pro Sekunde) und ist damit etwa dreizehnmal größer als der molekulare Strömungsleitwert des Druckstufenrohres 140 der Säule 130 der Vorrichtung 100.
Durch die gestrichelte Linie ist in der 3 die Strahleinhüllende 395 des von der Probe 190 ausgehenden Elektronenstrahls 390, bzw. der von der Probe generierten Elektronverteilung 395 veranschaulicht. In der in der 3 beispielhaft dargestellten Vorrichtung 300 weist das Druckstufenrohr 380 einen Durchmesser von 3 mm und eine Länge von 28 mm auf. Die Druckstufe 380 behindert weder den von der Elektronenquelle 110 ausgehenden primären, auf die Probe 190 fokussierte Elektronenstrahl 250 noch die von diesem generierte Elektronenverteilung 395 auf ihrem Weg zu der Detektionseinheit 350.
Die Druckstufe 370 lässt jedoch während eines Bearbeitungsprozesses der Probe 190 Einbrüche der HV-Umgebung im darüber liegenden Teil 325 der Säule 330 auf Druckpegel > io-⁵ mbar zu, die eine an den Vakuumpumpenanschluss 345 angeschlossene Ionen-Getter-Pumpe (in der 3 nicht gezeigt) nicht verarbeiten kann. Der Vakuumpumpenanschluss 345 dient der Evakuierung des oberen Teils 325 der Säule 330 und entspricht dem Vakuumpumpenschluss 145 der Vorrichtung 100 der 1.
Wird anstelle einer Ionen-Getter-Pumpe an den Vakuumanschluss 345 eine Vakuumpumpe angeschlossen, die mit diesen Druckpegeln umgehen kann, etwa eine Turbomolekularpumpe, wird im oberen Teil 325 der Säule 330 nicht der geforderte Restgas-Druckpegel < 10^-7 mbar erreicht. Dieser wird jedoch zum einen benötigt, um die elektrooptischen bzw. teilchenoptischen Komponenten in dem oberen Teil 325 der Säule 330 verlässlich zu schützen und zum anderen, um das Druckniveau im oberen Teil 325 der Säule 330 an das UHV-Niveau der Elektronenquelle 110 anzupassen. Der Detektor 350 „sieht“ während des Abbildens der Probe 190 ein deutlich niedrigeres Druckniveau als die Detektoren 150 und 160, dieses bricht jedoch während eines Bearbeitungsprozesses auf ein nicht hinnehmbares Niveau ein. Mehr als 2% des reaktiven Prozessgases bzw. seiner Reaktionsprodukte können die Druckstufe 370 überwinden und in den oberen Teil 325 der Säule 330 vordringen.
Die Vorrichtung 400 der 4 entspricht der Vorrichtung 300 der 3, in die jedoch zusätzlich eine differenziell gepumpte Druckstufe 450 eingebaut ist. Diese wird stromabwärts unterhalb der Druckstufe 370 der Vorrichtung 300 in die Säule 330 eingebaut. Dies bedeutet, der Auslassbereich 370 der differenziell gepumpten Druckstufe 450 entspricht der Druckstufe 370 der Vorrichtung 300 der 3. Das Druckstufenrohr 380 der differenziell gepumpten Druckstufe 450 ist das Druckstufenrohr 380 der Druckstufe 370 der 3.
Die differenziell gepumpte Druckstufe 450 weist einen Einlassbereich 470 auf, der von einem Druckstufenrohr 480 gebildet wird. Die Öffnung des Druckstufenrohres 480 kann etwas kleiner dimensioniert werden als die des Druckstufenrohres 380, da die Strahleinhüllende 395 der von der Probe austretenden Elektronen 390 sich entgegen der Strahlrichtung des primären fokussierten Teilchenstrahls 250 aufweitet. Dies wird nachfolgend anhand der 5 im Detail erläutert. Die in der 4 beispielhaft dargestellte differenzielle Druckstufe 450 weist ein Druckstufenrohr 480 mit einem Öffnungsdurchmesser von 2 mm und einer Länge von 10 mm auf. Damit weist das Druckstufenrohr 480 einen molekularen Strömungsleitwert von etwa 0,1 l/s auf.
An die Kammer 410 der differenziell gepumpten Druckstufe 450 werden zwei widerstreitende Anforderungen gestellt. Zum einen soll diese einen möglichst großen molekularen Strömungsleitwert haben, um den Einlassteil 470 druckmäßig möglichst gut vom Auslassteil 370 der differenziell gepumpten Druckstufe 450 zu entkoppeln, damit ein möglichst großer Anteil, der über den Einlassteil 470 in die Kammer 410 einströmenden Gaspartikel die Kammer 410 über deren Vakuumpumpenanschluss 465 verlässt. Hierfür sollte die Höhe der Kammer 410 möglichst groß sein. Diese Anforderung verlängert jedoch den Weg der von der Probe 190 austretenden Elektronen 390 zum Detektor 350 und verbreitet deshalb deren Strahleinhüllende 395. Als guten Kompromiss haben Simulationen eine Kammerhöhe im Bereich von 10 mm ergeben. Zudem weist die Kammer 410 eine Breite von 20 mm und eine Länge von 100 mm auf.
Der Vakuumpumpenanschluss 465 der differenziell gepumpten Druckstufe 450 kann beispielsweise mit einer Turbomolekularpumpe gepumpt werden. Wenn an den Vakuumanschluss 465 beispielsweise eine Turbomolekularpumpe mit einem Pumpvermögen von 10 l/s angeschlossen wird, liegt der Anteil des Prozessgases und dessen Reaktionsprodukten, der über die differenziell gepumpte Druckstufe 450 hinweg in den oberen Teil 425 der Säule 430 vordringen kann, im Bereich von 0,02%. Dieser verbleibende Anteil kann problemlos über den Vakuumpumpenanschluss 345 des oberen Teils 425 der Säule entfernt werden. Dies bedeutet, im oberen Teil 425 der Säule 430 ist der Druckpegel so niedrig, dass der Vakuumpumpenanschluss 345 gefahrlos beispielsweise von einer Ionen-Getter-Pumpe gepumpt werden kann.
Die Säule 430 der Vorrichtung 400 erfüllt nach dem Einbau der differenziell gepumpten Druckstufe 450 die beiden gegensätzlichen Forderungen. Die empfindlichen elektrooptischen Komponenten der Säule 430 und insbesondere die Detektionseinheit 350 sind zuverlässig vor Vakuumeinbrüchen und damit vor Kontamination geschützt. Die die Probe 190 verlassenden Elektronen 390 werden auf ihrem Weg zur Detektionseinheit 350 nicht behindert.
Das Diagramm 500 der 5 präsentiert eine Simulation der Variation des Durchmessers der Strahleinhüllenden 395 der von der Probe 190 ausgehenden Elektronen 390 (x-Achse) über dem Abstand von der Probenoberfläche (y-Achse). Die von der Probe 190 ausgehenden Elektronen 390 erzeugt ein primärer fokussierter Elektronenstrahl 250, dessen Elektronen auf der Probenoberfläche 197 eine geringe kinetische Energie von etwa 200 eV aufweisen. Die Strahleinhüllende 395 weist etwa 65 mm über der Probenoberfläche 197 eine Strahltaille 550 mit einem Durchmesser von etwa 1 mm auf. Diese wird durch die abbildende Wirkung des elektrooptischen Objektivs 175 hervorgerufen. Die Taille 550 der Strahleinhüllenden 395 markiert die rückseitige Brennebene des Objektivs 175.
Innerhalb eines Abstandes von etwa 25 mm bis 105 mm ist der Durchmesser der Strahleinhüllenden 395 kleiner als 2 mm, veranschaulicht durch die gestrichelte Gerade 510. Das Druckstufenrohr 480 der differenziell gepumpten Druckstufe 450 ermöglicht in diesem Abstand von der Probenoberfläche 197 einen uneingeschränkten Eintritt der von der Probe 190 ausgehenden Elektronen 390 in die differenziell gepumpte Druckstufe 450. Bis zu einem Abstand von etwa 140 mm von der Probenoberfläche 197 ist der Durchmesser der Strahleinhüllenden 395 kleiner als 3 mm. In der 5 ist dies durch die gestrichelte Gerade 520 symbolisiert. Dies bedeutet, die von der Probe 190 ausgehenden Elektronen 390 können das Druckstufenrohr 380 der differenziell gepumpten Druckstufe 450 ungehindert passieren, falls dessen Abstand zur Probenoberfläche 197 kleiner 140 mm ist. Auf Basis von Simulationen der Bahnen der von der Probe 190 ausgehenden Elektronen 390 kann die Auslegung der differenziell gepumpten Druckstufe 450 optimiert und deren bestmögliche Platzierung in der Säule 430 der Vorrichtung 400 ermittelt werden.
Das obere Teilbild 600 der 6 illustriert die molekulare Strömung der Gaspartikel innerhalb der Säule 330 der 3 von deren unteren Teil 335 in deren oberen Teil 325 über die Druckstufe 370. Im Folgenden werden einige grundlegende Gleichungen zur Abschätzung molekularer Ströme bzw. molekularer Strömungen über die Druckstufe 370 hinweg und in die differenziell gepumpte Druckstufe 450 hin bzw. aus dieser heraus angegeben. Der molekulare Strömungsleitwert für Stickstoff, angegeben in l/s (Liter pro Sekunde), in einer Röhre mit einer Länge L [cm] und einem Durchmesser d [cm] ist unter der Bedingung einer molekularen Strömung durch die Gleichung gegeben: C = 12,1·d³/L (vgl. beispielsweise: Handbuch Vakuumtechnik, ISBN 978-3-658-13386-5).
Die molekulare Strömung Q (mit der Einheit mbar·l/s) wird durch eine Druckdifferenz oder einen Druckgradienten Δp angetrieben. Die Proportionalitätskonstante ist der oben eingeführte molekulare Strömungsleitwert C: Q = C · Δp. Diese Gleichung ist äquivalent zur elektrischen Grundgleichung: I = (1/R) ·U.
Der molekulare Strömungsleitwert für das Druckstufenrohr 380 der Druckstufe 370 wurde oben zu C380 = 0,12 l/s angegeben. Eine Druckdifferenz von 10^-3 mbar zwischen dem unteren Teil 335 und dem oberen Teil 325 der Säule 330 resultiert in einem molekularen Strom bzw. einer molekularen Strömung von Q₃₈₀ = 0,12 l/s · 10^-3 mbar = 1,2·10^-4 mbar·l/s.
Das untere Teilbild 650 der 6 veranschaulicht die molekularen Ströme bzw. die molekularen Strömungen in der differenziell gepumpten Druckstufe 450. Über das Druckstufenrohr 480 der differenziell gepumpten Druckstufe 450 strömt ein molekularer Gasstrom Q_48o in die Kammer 410 der differenziell gepumpten Druckstufe 450. Dort verzweigt er sich in die molekularen Ströme bzw. molekularen Strömungen Q₄₆₅ und Q₃₈₀, die die Kammer 410 über den Vakuumanschluss 465 und das Druckstufenrohr 380 verlassen. Der molekulare Strom 465 oder die molekulare Strömung 465 ist proportional zum Saugvermögen S (in l/s) einer Vakuumpumpe bei einem Druck p in der Kammer 410 der differenziell gepumpten Druckstufe 450: Q₄₆₅ = S ·p₄₁₀.
Der molekulare Strömungsleitwert des Druckstufenrohres 480 der differenziell gepumpten Druckstufe 450 wurde oben mit C₄₈₀ = 0,1 l/s angegeben. Bei einer Druckdifferenz von 10^-3 mbar zwischen dem unteren Teil 435 der Säule 430 und der Kammer 410 ergibt sich eine molekulare Strömung Q₄₈₀ vom unteren Teil 435 der Säule 430 in die Kammer 410 der differenziell gepumpten Druckstufe 450: Q₄₈₀ = 0,1 l/s · 10^-3 mbar = 10^-4 mbar·l/s. Bei einem Saugvermögen von S = 10 l/s der an den Vakuumanschuss 465 der differenziell gepumpten Druckstufe 450 angeschlossenen Vakuumpumpe stellt sich in deren Kammer 410 näherungsweise ein Druck ein: p₄₁₀ = Q₄₈₀/S =10^-4 mbar·l/s / (10 1/s) = 10^-5 mbar.
Wie oben angegeben, weist das Druckstufenrohr 380 am Ausgang der differenziell gepumpten Druckstufe 450 einen molekularen Strömungsleitwert von C₃₈₀ = 0,12 l/s auf. Eine Druckdifferenz von 10^-5 mbar treibt eine molekulare Strömung Q₄₈₀ = 0,12 l/s · 10^-5 mbar = 1,2·10^-6 mbar·l/s. Dies bedeutet, die differenziell gepumpte Druckstufe 450 verringert die molekulare Strömung in den oberen Teil 425 der Säule 430 um zwei Größenordnungen Q₃₈₀/Q₄₈₀ = 1,2·10^-4 mbar·l/s / (1,2·10^-6 mbar·l/s) = 100. Nur etwa ein Prozent der in die Kammer 410 der differenziell gepumpten Druckstufe 450 einströmenden Gaspartikel verlassen diese über den Auslassbereich 370.
Das elektrische Analogon zur differenziell gepumpten Druckstufe 450 ist ein Spannungsteiler. Indem der Lastwiderstand R_L (entsprechend 1/C₄₆₅) klein gegenüber dem Widerstand R₂ (entsprechend 1/C₄₈₀) gemacht wird, fließt der Strom (die molekulare Gasströmung) zum großen Teil über den Lastwiederstand R_L und nicht länger über den Widerstand R₂.
Das obere Teilbild 700 der 7 reproduziert nochmals den unteren Teil 335 der Säule 330 der Vorrichtung 300 der 3. Der Ausschnitt des gepunkteten Kreises 750 ist im unteren Teilbild 755 der 7 nochmals vergrößert wiedergegeben. Wie bereits im Kontext der 3 erläutert, führt das Bereitstellen eines Prozessgases 770 durch das Gasleitungssystem 180 auf der Probenoberfläche 197 zu einem starken Druckanstieg im Ausgangsbereich des fokussierten Teilchenstrahls 250 bzw. Elektronenstrahls 250 aus der Säule 330. Die lokal stark erhöhte Konzentration von Gaspartikeln resultiert in einer Streuung der Elektronen des fokussierten Elektronenstrahls 250 an den Gaspartikeln des Prozessgases 770 und bewirkt dadurch eine unerwünschte Strahlauffächerung, die im Teilbild 755 durch den Kegel 760 veranschaulicht ist. Abhängig vom eingestellten Gasdruck und der kinetischen Energie des fokussierten Teilchenstrahls 250 können bis zu 50% der Elektronen einmal oder mehrmals in dem Ausgangsbereich 750 gestreut werden. Durch die Streuung werden die lateralen Abmessungen einer von dem fokussierten Elektronenstrahl 250 an dem Prozessgas 770 initiierten lokalen chemischen Reaktion in kaum vorhersehbarer Weise vergrößert. Die Grenze, bei der die Konzentration des Prozessgases und die Konzentration der Elektronen nicht mehr zum Aufrechterhalten einer lokalen chemischen Reaktion ausreichen, hängt von einer Reihe von Parametern ab. Der lokale an der Probe 190 ausgeführte Bearbeitungsprozess ist unter diesen Bedingungen nur schwer kontrollierbar.
Die in die Säule 335 eindringende molekulare Gasströmung ist proportional zum Prozessgasstrom 780 des Gasleitungssystems 180. Für die Säule 330 der in der 3 dargestellten Vorrichtung 300 können näherungsweise 1,5% der Partikel des Prozessgases 770 bzw. der Reaktionsprodukte des Prozessgases 770 in den unteren Teil 335 der Säule 330 eindringen.
Das Teilbild 755 zeigt ferner das Ladungskompensationsgitter 195 der 1. Dieses befindet sich im Betrieb der Vorrichtung 300 typischerweise einige zehn Mikrometer oberhalb der Probenoberfläche 197. Das Ladungskompensationsgitter 195 kann geerdet sein, um die Auswirkungen der Aufladung der Probenoberfläche 197 durch den fokussierten Elektronenstrahl 250 zu minimieren. Ferner dient das Potential des Ladungskompensationsgitters 195 in Kombination mit dem Potential des Strahlführungsrohres 220, die das Potential des elektrooptischen Objektives 175 aufweist, zum Erzeugen eines elektrischen Feldes (in der 7 nicht dargestellt), in dem der fokussierte Elektronenstrahl 250 auf eine vorgegebene Landeenergie abgebremst wird.
Ferner kann an das Ladungskompensationsgitter 195 eine Spannung U2 im Bereich von -20 V bis -200 V angelegt werden. Das dadurch zwischen dem Ladungskompensationsgitter 195 und der Probenoberfläche erzeugte elektrische Feld stellt für die aus der Probe 190 austretenden Elektronen eine Energiebarriere oder ein Energiefilter dar. Nur Elektronen mit einer kinetischen Energie, die höher als die Energiebarriere ist, können die Probe 190 verlassen und in die Säule 330 eintreten.
Das obere Teilbild 805 der 8 präsentiert den unteren Teil 335 der Säule 300 der 3. In den Ausgang der Säule 330 ist im Bereich der Oktupol-Elektrode 185 zusätzlich eine Blende 810 eingesetzt. Der Bereich 850 am Ausgang der Säule 830 ist im unteren Teilbild 855 nochmals vergrößert dargestellt.
Die Blende 810 ist oberhalb des Endes des Gasleitungssystems 180 in die Elektrode 185 eingesetzt. Die Blende 810 und die Probe 190 bilden eine Art Druckkammer ohne seitliche Wände. Die zweiseitige Begrenzung des Volumens des Prozessgases 870 optimiert die benötigte Menge des Prozessgases 870. Zum Auftreffen des fokussierten Elektronenstrahls 250 auf die Probenoberfläche 197 und um den von der Probe 190 austretenden Elektronen 390 den Eintritt in den unteren Teil 835 der Säule 830 zu ermöglichen, weist die Blende 810 eine Öffnung 820 mit einem Durchmesser 825 auf. Die Öffnung 820 der Blende 810 bestimmt den größten Winkel, unter dem die aus der Probe 190 austretenden Elektronen 390 die Probe 190 verlassen können.
Der Öffnungsdurchmesser 825 der Blende 810 kann z.B. einen Bereich von 200 µm bis 2000 µm umfassen.
Der Blendendurchmesser 825 oder der Öffnungsdurchmesser 825 kann mit Hilfe eines oder mehrerer Piezo-Aktuatoren, die in der 8 nicht gezeigt sind, variiert werden. Abhängig vom Abstand 840 zwischen der Probenoberfläche 197 und der Blende 810 kann der Durchmesser 825 der Blende 810 gerade so groß gewählt werden, dass das Eintreten der von der Probe 190 austretenden Elektronen 390 in die Säule 830 nicht behindert wird. Dadurch wird gleichzeitig sichergestellt, dass der Anteil der Prozessgasströmung und der molekularen Strömung der Reaktionsprodukte, die in unerwünschter Weise ebenfalls in die Säule 830 eindringen, minimiert werden. Falls der Abstand 840 halb so groß wie der Öffnungsdurchmesser 825 gewählt wird, weist die Blende 810 einen Öffnungswinkel für die Elektronen 390 von 90° auf.
Der Abstand 830 der Blende 810 von der Probenoberfläche 197 ist typischerweise kleiner oder gleich etwa einem Millimeter. Bevorzugte Abstände 840 liegen derzeit im Bereich 100 µm bis 300 µm. Durch Anheben oder Absenken der Probe 190 mit Hilfe einer Probenhalterung (in der 8 nicht gezeigt) auf einen Zahlenwert innerhalb eines Arbeitsabstands der Vorrichtung 800 kann der Abstand 840 zwischen Blende 810 und der Probenoberfläche 197 eingestellt werden.
Bei einem Öffnungsdurchmesser 825 von 2 mm und einem Abstand 840 von 1 mm dringen etwa 1,5% des Prozessgases 870 bzw. von dessen Reaktionsprodukten in den unteren Teil 835 der Säule 830 ein. Bei einer Blendenöffnung 825 von 400 µm und einem Abstand von 200 µµm sinkt dieser Anteil um eine Größenordnung auf 0,15 %. Bei einer weiteren Halbierung dieser beiden Größen verringert sich der in die Säule 830 eindringende Gasanteil auf etwa 0,05%.
Zudem verkürzt die Blende 810 wirksam die Wegstrecke hohen Gasdruckes, die die Elektronen des fokussierten Elektronenstrahls 250 bis zur Probenoberfläche 197 durchlaufen, auf Distanzen < 1 mm. Unter diesen Bedingungen erfährt der fokussierte Elektronenstrahl 250 nur eine sehr geringe Strahlauffächerung 860.
Ferner kann an die Blende 810 ein elektrostatisches Potential angelegt werden, das in der 8 durch U1 veranschaulicht ist. Dadurch kann eine Verzerrung des elektrischen Feldes zwischen dem Strahlführungsrohr 220 und dem Ladungskompensationsgitter 195 durch die Blende 810 weitgehend vermieden werden.
Die Blende 810 verhindert bei entsprechender Dimensionierung ihres Abstandes 840 zur Probenoberfläche 197 und ihrer Öffnungsweite 825 wirksam eine Variation des Druckniveaus im oberen Teil 825 der Säule 830 aufgrund eines Bearbeitungsprozesses der Probe 190. Damit schützt die Blende 810 in Kombination mit der Druckstufe 370 der Säule 830 die empfindlichen elektrooptischen Komponenten im oberen Teil 825 der Säule 830 wirksam von dem Einfluss reaktiver Partikel des Prozessgases 870 und dessen Reaktionsprodukten, beispielsweise den Detektor 350. Indem die Blende 810 den Anteil des Prozessgases 870 und dessen Reaktionsprodukten minimiert, verhindert diese ebenfalls eine Verschmutzung und/oder eine Beschädigung der im unteren Teil 835 der Säule 830 angeordneten Komponenten, etwa des Objektivs 175.
Selbstredend ist es auch möglich, die Blende 810 der Vorrichtung 800 mit der differenziell gepumpten Druckstufe 450 der Vorrichtung 400 zu kombinieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2005/0199086 A1 [0011]
US 6872956 B2 [0011]
US 9070533 B2 [0011]
US 8921811 B2 [0012]

Claims

Vorrichtung (400, 800) zum Abbilden und Bearbeiten einer Probe (190) mit einem fokussierten Teilchenstrahl (250), aufweisend: a. zumindest eine Teilchenquelle (110), die eingerichtet ist, einen Teilchenstrahl in einer Ultrahochvakuumumgebung zu erzeugen; b. zumindest eine Probenkammer (170) zum Aufnehmen der Probe (190), die eingerichtet ist zum Abbilden der Probe (190) in einer Hochvakuumumgebung und zum Bearbeiten der Probe (190) in einer Feinvakuumumgebung; c. zumindest eine Säule (430, 830), die in einer Hochvakuumumgebung angeordnet ist, und die zumindest eine teilchenoptische Komponente (175) aufweist, die eingerichtet ist, aus dem Teilchenstrahl einen fokussierten Teilchenstrahl (250) zu formen und auf die Probe (190) zu richten; d. zumindest eine Detektionseinheit (350), die innerhalb der zumindest einen Säule (430, 830) angeordnet ist, und die eingerichtet ist, von der Probe (190) ausgehende Teilchen (390) zu detektieren; e. zumindest ein Gasleitungssystem (180), das am Ausgang des fokussierten Teilchenstrahls (250) aus der Säule (430, 830) endet, und das eingerichtet ist, zumindest ein Prozessgas (870) lokal auf der Probe (190) mit einem Druck bereitzustellen, so dass der fokussierte Teilchenstrahl (190) eine Teilchenstrahl-induzierte lokale chemische Reaktion zum Bearbeiten der Probe (190) induzieren kann; und f. zumindest eine Druckeinstelleinheit (450, 810), durch die der Teilchenstrahl und die von der Probe (190) ausgehenden Teilchen (390) hindurchtreten, und die eingerichtet ist, einen Druckanstieg, der durch das Bearbeiten der Probe (250) an der zumindest einen Detektionseinheit (350) hervorgerufen wird, auf einen Faktor 10 oder weniger, bevorzugt auf einen Faktor 5 oder weniger, mehr bevorzugt auf einen Faktor 3 oder weniger, und am meisten bevorzugt auf einen Faktor 2 oder weniger zu begrenzen, ohne einen Zugang der von der Probe (190) ausgehenden Teilchen (390) zu der zumindest einen Detektionseinheit (350) zu behindern.
Vorrichtung (400, 800) nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Säule (430, 830) im Bereich der zumindest einen Detektionseinheit (350) einen Druck < 10^-5 mbar, bevorzugt < 3·10^-6 mbar, mehr bevorzugt < 10^-6 mbar, und am meisten bevorzugt < 3·10^-7 mbar aufweist.
Vorrichtung (400, 800) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zumindest eine Säule (430, 830) einen Vakuumpumpenanschluss (155) aufweist und/oder zumindest einen druckmäßigen Umgehungsanschluss (155) zur Probenkammer (170) aufweist.
Vorrichtung (400, 800) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Probe (190) eine fotolithographische Maske umfasst.
Vorrichtung (400, 800) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Gasleitungssystem (180) eingerichtet ist, das zumindest eine Prozessgas (870) lokal auf der Probe (190) mit einem Druck im Bereich von 1 mbar bis 0,001 mbar, bevorzugt 0,6 mbar bis 0,003 mbar, mehr bevorzugt 0,3 mbar bis 0,006 mbar, und am meisten bevorzugt von 0,1 mbar bis 0,01 mbar bereitzustellen.
Vorrichtung (400, 800) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Detektionseinheit (350) einen Szintillationszähler, insbesondere einen Everhart-Thornley-Detektor, und/oder einen Halbleiterdetektor, insbesondere einen direkten Elektronendetektor, umfasst.
Vorrichtung (400, 800) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend zumindest ein Element aus der Gruppe: ein magnetisches Prisma (310), eine magnetische Schikane und ein Wien-Filter, wobei das zumindest eine Element in der zumindest einen Säule (430, 830) angeordnet ist, und eingerichtet ist, die von der Probe (190) ausgehenden Teilchen (390) auf die zumindest eine Detektionseinheit (350) zu lenken.
Vorrichtung (400, 800) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Druckeinstelleinheit (450, 810) zumindest ein Element aus der Gruppe umfasst: eine differenziell gepumpte Druckstufe (450), die in der zumindest einen Säule (430, 830) angeordnet ist, und zumindest eine Blende (810), die oberhalb des zumindest einen Gasleitungssystems (180) am Ausgang des fokussierten Teilchenstrahls (250) aus der zumindest einen Säule (430, 830) angeordnet ist.
Vorrichtung (400, 800) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zumindest eine differenziell gepumpte Druckstufe (450) in Strahlrichtung des Teilchenstrahls (250) im Bereich einer rückseitigen Fokusebene einer Objektivlinse (175) der zumindest einen Säule (430, 830) angeordnet ist.
Vorrichtung (400, 800) nach Anspruch 8 oder 9, ferner aufweisend eine Turbomolekularpumpe zum Pumpen eines Vakuumanschlusses (465) einer Kammer (410) der zumindest einen differenziell gepumpten Druckstufe (450).
Vorrichtung (400, 800) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Kammer (410) der zumindest einen differenziell gepumpten Druckstufe (450) einen druckmäßigen Umgehungsanschluss (465) zur Probenkammer (170) zum Pumpen der Kammer (410) der zumindest einen differenziell gepumpten Druckstufe (450) aufweist.
Vorrichtung (400, 800) nach einem der Ansprüche 8-11, wobei die zumindest eine differenziell gepumpte Druckstufe (450) in Strahlrichtung des Teilchenstrahls vor dem Vakuumpumpenanschluss (355) der Säule (430, 830) angeordnet ist.
Vorrichtung (400, 800) nach einem der Ansprüche 8-12, wobei der Einlassbereich (470) der zumindest einen differenziell gepumpten Druckstufe (450) ein Druckstufenrohr (480) mit einem Druckmesser von 1 mm bis 3 mm, bevorzugt 1,3 mm bis 2,7 mm, mehr bevorzugt 1,6 mm bis 2,4 mm, und am meisten bevorzugt von 1,9 mm bis 2,1 mm und mit einer Länge im Bereich von 5 mm bis 25 mm, bevorzugt 7 mm bis 18 mm, mehr bevorzugt 8 mm bis 14 mm, und am meisten bevorzugt von 9 mm bis 11 mm aufweist.
Vorrichtung (400, 800) nach einem der Ansprüche 8-13, wobei der Auslassbereich (370) der zumindest einen differenziell gepumpten Druckstufe (450) ein Druckstufenrohr (380) mit einem Druckmesser von 2 mm bis 4 mm, bevorzugt 2,3 mm bis 3,7 mm, mehr bevorzugt 2,6 mm bis 3,4 mm, und am meisten bevorzugt von 2,9 mm bis 3,1 mm und mit einer Länge im Bereich von 20 mm bis 36 mm, bevorzugt 23 mm bis 33 mm, mehr bevorzugt 26 mm bis 30 mm, und am meisten bevorzugt von 27 mm bis 29 mm aufweist.
Vorrichtung (400, 800) nach Anspruch 8, wobei die zumindest eine Blende (810) eine einstellbare Blendenöffnung (820) aufweist.
Vorrichtung (400, 800) nach Anspruch 8 oder 15, wobei die zumindest eine Blende (810) zumindest einen Piezo-Aktuator umfasst, der eingerichtet ist, die Blendenöffnung (820) einzustellen.
Vorrichtung (400, 800) nach einem der Ansprüche 8, 15 oder 16, ferner aufweisend eine Spannungsversorgung, die eingerichtet ist zum Anlegen eines elektrostatischen Potentials an die zumindest eine Blende (810).
Vorrichtung (400, 800) nach einem der Ansprüche 8 oder 15-17, wobei die Blendenöffnung (820) der Blende (810) größer, bevorzugt einen Faktor 1,5 größer, mehr bevorzugt einen Faktor 1,8 größer, und am meisten bevorzugt einen Faktor 2,0 größer als ein Abstand (830) der Blendenöffnung (820) von einer Probenoberfläche (197) ist.
Vorrichtung (400, 800) nach einem der Ansprüche 15-18, wobei die Blendenöffnung (820) einen Bereich von 100 µm bis 3000 µm, bevorzugt 130 µm bis 2000 µm, mehr bevorzugt 160 µm bis 1000 µm, und am meisten bevorzugt 200 µm bis 600 µm umfasst.
Vorrichtung (400, 800) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein Ladungskompensationsgitter (195) einen Abstand zur Probenoberfläche (197) aufweist, der halb so groß ist wie eine Gitteröffnung des Ladungskompensationsgitters (195).