DE19853822A1

DE19853822A1 - Elektronentomographisches Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung und Rekonstruktion von dreidimensionalen Strukturen in einem Festkörper

Info

Publication number: DE19853822A1
Application number: DE1998153822
Authority: DE
Inventors: Christian Mellen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-11-21
Filing date: 1998-11-21
Publication date: 2000-06-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektronentomographisches Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung und Rekonstruktion von dreidimensionalen Strukturen in einem Festkörper. Hierbei werden die Rückstreuelektronen am Rasterpunkt a¶x,y¶ detektiert und aufgrund der Definition eines Eigenschaftswertes xi und/oder eines Grauwertes phi in Abhängigkeit von der Menge der am Rasterpunkt a¶x,y¶ detektierten Rückstreuelektronen und Speicherung des Eigenschaftswertes xi in einer ebenen Eigenschaftsmatrix A¶x,y,xi¶ und/oder Abbildung des Grauwertes phi in einem Grauwertbild G¶x,y,phi¶ definiert und die erhaltenen Grauwertbilder hiermit verglichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronentomographisches Verfah ren zur zerstörungsfreien Überprüfung und Rekonstruktion von dreidimensionalen Strukturen in einem Festkörper.

In vielen Bereichen der Forschung und Technik ist eine in die Tiefe von Substraten gehende Aufklärung kleiner und kleinster Strukturen notwendig. Bekannt sind hierzu Mikroskope zur Un tersuchung von Oberflächenstrukturen. Die auflösbare Struk turgröße ist bei einem Lichtmikroskop jedoch durch die Wel lenlänge des sichtbaren Lichts begrenzt.

Zur Überprüfung von Strukturen, die kleiner als die Wellen länge des sichtbaren Lichtes sind, also kleiner als 380 nm, wird üblicherweise ein Rasterelektronenmikroskop (REM; Eng lisch: scanning electron microscope = SEM) eingesetzt. Hier bei wird auf die zu betrachtende Oberfläche einer Probe oder eines Substrates ein scharf fokussierter Elektronenstrahl ge richtet, der in einem Zeilenraster über den Beobachtungsbe reich geführt wird. Die auftreffenden Elektronen lösen Sekun därelektronen aus der Probe, die mit einem Detektor gesammelt werden. Entsprechend der Menge der aufgenommenen Sekundär elektronen wird die Intensität eines Elektronenstrahls einer Bildröhre variiert, wobei sich ein Grauwertbild hoher Auflö sung und Schärfe ergibt. Nachteilig an der Elektronenmikro skopie ist, daß sie auf der Messung der Sekundärelektronen beruht, so daß nur Oberflächenstrukturen aufklärbar sind, nicht aber in der Tiefe der Probe verborgene Strukturen.

Aus der DE 196 29 249 A1 ist ein Verfahren zum Analysieren von Defekten von Halbleitereinrichtungen mit drei Dimensionen bekannt, wodurch auch die Analyse von unter der Oberfläche angeordneten Schichten möglich ist. Allerdings werden hier abtragende Verfahren angewandt, beispielsweise das Ionen strahlätzen. Der so untersuchte Gegenstand ist damit unwei gerlich zerstört. Bei der Untersuchung fehlerhafter Vorpro dukte in der Halbleiterindustrie ist es daher nicht möglich, einzelne defekte Zonen auf einem Wafer von fehlerfreien zu unterscheiden. Eine Fehlererkennung ist dann erst im Zuge der Funktionsüberprüfung des fertig ausgebildeten Halbleiterchips möglich. Damit müssen auch Produkte mit fehlerhaften Zonen zunächst eine Vielzahl von weiteren Fertigungsschritten durchlaufen, wobei sie Kosten verursachen, bevor die Fehler bei einer abschließenden Funktionsmessung erkannt werden kön nen.

Insbesondere aus dem Bereich der Medizin sind durchleuchten de, zerstörungsfreie Verfahren bekannt, beispielsweise die Durchstrahlung von Gewebe mit Röntgenstrahlen. Die Weiterent wicklung der Röntgentechnik in Form der Computertomographie ermöglicht zudem eine dreidimensionale Rekonstruktion innerer Organe eines Patienten. Allerdings reicht die derzeit erziel bare Auflösung von etwa 0,2 mm für viele technische Anwen dungsgebiete nicht aus. Außerdem nimmt die durchgelassene Röntgenstrahlung mit zunehmender Dichte der durchstrahlten Medien stark ab, so daß bei Elementen mit hoher Massendichte, also den industriell überwiegend verwendeten Metallen und Edelmetallen, beispielsweise Aluminium, Eisen, Kupfer, Silber und Gold, keine auswertbare Röntgenstrahlung mehr durch die zu untersuchende Probe dringen kann.

Aus der Medizin ist auch die Magnetresonanztomographie be kannt, mit der ebenfalls ein räumliches Modell einer Probe generierbar ist. Der hierbei erfaßte Meßwert ist aber der An teil an Wasserstoffkernen in einem Gewebe. Werkstoffproben des technischen Bereichs enthalten jedoch nur marginale Men gen an Wasserstoff und sind damit ebenfalls nicht in der Tie fe aufklärbar.

Sowohl bei der Computertomographie als auch bei der Magnet resonanztomographie werden entlang einer linearen Achse eine Vielzahl von Schnittaufnahmen angefertigt, die dann über Com puter-Rekonstruktionsverfahren zu einem dreidimensionalen Mo dell vereinigt werden können. Ein solches Rekonstruktionsver fahren beschreibt die US-PS 4 149 248. Aus der EP 488 888 B1 ist weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dreidi mensionalen Bilderzeugung eines Objektes mit zwei Kreisbahnen gemeinsamer Achse bekannt. Obwohl durch die tomographischen Verfahren der genannten Schriften gute Bildmodelle generier bar sind, ist ihre Anwendung für technische Zwecke stark ein geschränkt, da sie auf Bildfolgen beruhen, die durch Röntgen strahlung oder Magnetresonanzeffekte gewonnen wurden, also Verfahren, die bei vielen technischen Werkstoffen nicht an wendbar sind.

Bekannt ist auch, daß bei der Bestrahlung eines Festkörpers mit einem Elektronenstrahl ein Teil der Elektronen bis in die Tiefe eindringt und dort zurückgestreut wird. Hierbei ist es bekannt (TOLLKAMP: "Messungen zum Rückstreukoeffizienten und zur Sekundärelektronenausbeute in einem Rasterelektronenmi kroskop", Diplomarbeit an der Universität Münster 1980, daß das Verhältnis von eingebrachter Primärenergie E zu gemesse nem Rückstreukoeffizienten nahezu konstant ist, wenn die Pri märenergie wenigstens 5 keV beträgt. Ein Verfahren zur zer störungsfreien Überprüfung und Rekonstruktion von dreidimen sionalen Strukturen ist auch hierdurch nicht gegeben.

Es ist demnach die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem eine zerstörungsfreie Überprüfung mikroskopisch kleiner, räumli cher Strukturen in der Tiefe eines Festkörpers möglich ist. Auch soll die überprüfte Struktur in einem dreidimensionalen Modell rekonstruiert werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst bei einem elektronentomographischem Verfahren der eingangs genannten Art mit folgenden Verfah rensschritten:

a) Einbringen einer Probe des Festkörpers in eine Vakuumkam mer und Evakuierung derselben,
b) Bereitstellen, erforderliches Eichen und Fokussieren einer in einem zweidimensionalen Raster führbaren und in die Va kuumkammer einstrahlenden Elektronenstrahlquelle,
c) Bestrahlen der Probe an einem Rasterpunkt a_x,y mit einem Primärelektronenstrahl mit einer Primärenergie E, wobei die Primärenergie E wenigstens 5 keV beträgt,
d) Detektieren der Rückstreuelektronen am Rasterpunkt a_x,y,
e) Definition eines Eigenschaftswertes ξ und/oder eines Grau wertes ϕ in Abhängigkeit von der Menge der am Rasterpunkt a_x,y detektierten Rückstreuelektronen und Speicherung des Eigenschaftswertes ξ in einer ebenen Eigenschaftswertmatrix A_x,y, _ξ und/oder Abbildung des Grauwertes ϕ in einem Grauwert bild G_x,y, _ϕ;
f) Wiederholung der vorgenannten Verfahrensschritte c) bis e) für jeden Rasterpunkt a_x,y;
g) Variation der Primärenergie E um den Betrag einer Pri märenergiedifferenz ΔE;
h) Wiederholung der Schritte c) bis g) unter Gewinnung einer Folge von Eigenschaftswertmatrizen A_x,y, _ξ und/oder Grauwert bildern G_x,y, _ϕ.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die überraschende Er kenntnis zugrunde, daß bei einer Festkörperprobe ein tiefen- und materialabhängiger Eigenschaftswert aus der Messung des Rückstreukoeffizienten E_B bei einer Primärenergie E von wenig stens 5 keV erhalten wird.

Beim Verfahren der Erfindung werden deshalb nur Rückstreue lektronen aufgenommen. Die von der Probenoberfläche abge strahlten Sekundärelektronen, deren Erfassung der bekannten Rasterelektronenmikroskopie zugrunde liegt, werden gemäß der vorliegenden Erfindung grundsätzlich nicht gemessen, da sie nur Bildung einer Oberflächentopographie benutzt werden kön nen, nicht aber für Tiefeninformationen. Es sei aber nicht ausgeschlossen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren re konstruierte Volumenstruktur durch eine mit bekannten raster elektronenmikroskopischen Verfahren erhaltene Oberflächento pographie zu ergänzen.

Durch Messungen an einer Vielzahl von Rasterpunkten entlang einer Linie kann bereits erkannt werden, ob in einer Meßebene Strukturgrenzen zwischen verschiedenen Materialien vorhanden sind. Werden mehrere parallele, in einer Ebene liegende Linien bei der Messung abgefahren, sind zusammenhängende Flächen bereiche unterschiedlicher Materialien erkennbar.

Bei einer Überprüfung einer Soll-Struktur hinsichtlich des Ist-Zustandes sind die verschiedenen in der Festkörperprobe enthaltenen Materialien von vornherein bekannt, insbesondere wenn das Verfahren zur Qualitätsüberwachung der laufenden Halbleiterfertigung benutzt wird. Ebenso können die Materia lien im Vorfeld durch Analyseverfahren ermittelt werden, bei spielsweise mittels der energiedispersiven Röntgenspektrome trie (EDX = energy dispersive x-ray spectrometry). Anhand dieser Information kann aus der eingebrachten, bekannten Pri märenergie und dem gemessenen Rückstreukoeffizient unmittel bar über den materialspezifischen Rückstreukoeffizienten das jenige Material aus der Menge der in Frage kommenden Materia lien ermittelt werden, das in einer bestimmten Tiefe im Inne ren der Probe vorliegt.

Wenn darüberhinaus bekannt ist, welches Material genau an ei nem Rasterpunkt und in welcher Tiefenausdehnung zu erwarten ist, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren überprüft wer den, ob die geplante Struktur an einem bestimmten Volumen punkt der Probe tatsächlich gegeben ist oder ob Fehlstellen, Defekte oder Unregelmäßigkeiten vorliegen. Bei der Fertigung von Halbleiterchips beispielsweise sind die räumlichen Struk turen der verschiedenen Schichten einer Schaltung in engen Grenzen festgelegt. Mit dem Verfahren der Erfindung kann hier überprüft werden, ob diese Grenzen in der Produktion einge halten werden konnten oder ob Abweichungen vorliegen, die die Funktionsfähigkeit der Schaltung beeinträchtigen.

Ein wesentlicher Vorteil ergibt sich bei dem erfindungsgemä ßen Verfahren dadurch, daß eine Wiederholung der Messung in demselben Raster unter Erhöhung der Primärenergie E durchge führt wird, wodurch eine weitere, tiefer in der Probe liegen de Meßebene untersucht werden kann. Dazu wird eine Volumenma trix V_x,y,z, _ξ definiert, die aus einem Stapel von jeweils in ei ner bestimmten Tiefe z liegenden zweidimensionalen Eigen schaftswertmatrizen A_x,y, _ξ besteht. Die Eigenschaftswertmatri zen A_x,y, _ξ sind um einen Tiefenversatz zueinander versetzt und erstrecken sich in einer Ebene, deren Normale der Elektronen strahlvektor ist. Es wird bei der Wiederholung der Messung unter Erhöhung der Primärenergie E ausgenutzt, daß bei einer Primärenergie E von wenigstens 5 keV der Rückstreukoeffizient η nur noch vom Material abhängig ist. Wird also bei der Wie derholung der Messung mit erhöhter Primärenergie E ein verän derter Rückstreukoeffizient η ermittelt, deutet dies auf eine Phasengrenze hin, die zwischen der ersten und der zweiten Meß ebene liegt.

Als Eigenschaftswert ξ kann beispielsweise die Ordnungszahl des am Rasterpunkt a_x,y vorliegenden Elementes definiert sein. Die Eigenschaftswerte ξ können in eine separate Eigenschafts matrix A_x,y, _ξ übergeben werden; es können aber auch die von der Meßvorrichtung erhaltenen Meßwerte durch die Eigenschaftswer te ξ überschrieben werden.

Die Bezeichnung "Eigenschaftswertmatrix" schließt nachfolgend sowohl Matrizen ein, die den ursprünglichen Meßwert der Rück streukoeffizient enthalten, als auch solche, die andere mate rialabhängige Eigenschaftswerte enthalten.

Vorteilhaft ist es insbesondere, Eigenschaftswerte als Grau- oder Farbwerte zu definieren, so daß jede Eigenschaftswertma trix A_x,y, _ξ als zweidimensionales Bild darstellbar ist, bei dem die in der jeweiligen Meßebene aufgeklärten Strukturen anhand von Helligkeits-, Kontrast- und/oder Farbunterschieden unmit telbar optisch erkennbar sind.

Wenn Phasengrenzen zugleich innerhalb und zugleich unterhalb einer Meßebene verlaufen, ist nicht auszuschließen, daß ne beneinanderliegende Schichten verschiedener Elemente, die tatsächlich gleich dick sind, in der Abbildung als unter schiedlich dick dargestellt werden, da nach der LIBBY-Formel scheinbar eine unterschiedliche Austrittstiefe der Rückstreu elektronen bei gegebener Primärenergie vorliegt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn Elemente höhere Ordnungszahl über solchen mit niedriger Ordnungszahl angeordnet sind. Hierzu wird eine Umrechnung der Eigenschaftswerte in Bezug auf die Massendicke vorgenommen werden, die als Produkt aus Dichte und geometrischer Schichtdicke definiert ist.

Aufgrund der begrenzten Wiederholgenauigkeit bei der Verwen dung von Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens mit mechanischen Komponenten wie Kreuztischen und dergleichen liegen die gemessenen Raster möglicherweise in der Fläche versetzt zueinander, d. h. Rasterpunkte a_x,y, die sich ur sprünglich auf denselben Punkt der Festkörperprobe beziehen, liegen nicht übereinander. Um solche Meßfehler zu kompensie ren, ist es vorteilhaft, vor der weiteren Auswertung des Sta pels von Eigenschaftswertmatrizen A_x,y, _ξ eine Alinierung durch zuführen. Hierbei werden die in den Eigenschaftswertmatrizen A_x,y, _ξ enthaltenen Eigenschaftswerte ξ so verschoben, daß die Matrizen so übereinanderliegen, daß alle Matrizenpunkte, die sich auf denselben realen Rasterpunkt an der Festkörperober fläche beziehen, die gleichen Flächenkoordinaten aufweisen.

Eine vorteilhafte Ausbildung des Verfahren sieht vor, die Meßwerte oder Eigenschaftswerte für einen Rasterpunkt in ver tikal übereinander liegenden Eigenschaftswertmatrizen mitein ander zu verknüpfen. An jedem Rasterpunkt wird dazu eine In terpolation der vertikal übereinander liegenden Eigenschafts werte oder Eigenschaftswerte vorgenommen, wodurch ein Schnittprofil für den jeweiligen Rasterpunkt generiert wird. Die in dem Festkörper gegebene und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgeklärte Struktur ist somit in Form der Volumen matrix vollständig rekonstruiert. Für jeden Matrixpunkt der Volumenmatrix ist damit ein Eigenschaftswert vorhanden, der einen Bezug zu dem dort ermittelten Material entspricht.

Zur Visualisierung ist es vorteilhaft, zusammenhängende Ma terialbereiche zu segmentieren. Hierbei können die Grenzflä chen aneinanderstoßender Bereiche aus verschiedenen Materia lien durch Erhöhen der Schärfe und/oder des Kontrastes her vorgehoben werden.

Auch kann die aus einer Vielzahl von Rasterpunkten bestehende Volumenmatrix auf eine vektorielle Abbildung der Grenzflächen reduziert werden. Hierdurch wird eine erhebliche Reduzierung des Speicherbedarfs erreicht. Zudem ist es hiermit möglich, mit den aus der CAD-Technik bekannten Volumen-Rendering- Methoden eine Visualisierung durchzuführen.

Vorteilhaft ist die Verwendung eines an sich bekannten REM mit einem Rückstreuelektronendetektor zur Durchführung des Verfahrens. In einem REM sind die zur Durchführung des Ver fahrens erforderlichen Vorrichtungen bereits enthalten. Es sei aber nicht ausgeschlossen, das Verfahren mit anderen Vor richtungen durchzuführen, mit denen Primärelektronen auf die Probe gestrahlt und die austretenden Rückstreuelektronen de tektiert werden können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen und mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen im einzel nen:

Fig. 1 ein REM in schematischer Schnittdarstellung;

Fig. 2 eine Feldemissionsquelle in schematischer Darstel lung;

Fig. 3 die Vakuumkammer des REM aus Fig. 1 in vergrößerter, schematischer Darstellung;

Fig. 4 die bei einer mit Primärelektronen bestrahlten Pro benoberfläche auswertbaren Signale in schematischer Darstellung;

Fig. 5 die maximalen Austrittstiefen für Rückstreuelektro nen in verschiedenen Elementen in tabellarischer Darstellung;

Fig. 6 die gemessenen Rückstreukoeffizienten für verschie dene Elemente, in einem Diagramm aufgetragen über der Primärenergie E;

Fig. 7 eine erste Probe in schematischer Draufsicht.

Ein Rasterelektronenmikroskop 100, wie in Fig. 1 dargestellt, umfaßt eine Kathodeneinheit 6, eine Strahlführungseinheit 7 und eine Vakuumkammer 3 mit einem Detektor 8, einem Proben tisch 4 und einer angeschlossenen Vakuumpumpeneinheit 5, die im vorliegenden Beispiel aus einer Rotationspumpe 5.1 mit ei ner nachgeschalteten Öldiffusionspumpe 5.2 besteht.

Die Kathodeneinheit 6 umfaßt, wie insbesondere Fig. 2 zeigt, eine Feldemissionskathode 6.1, eine Extraktionsanode 6.2 und eine Beschleunigungsanode 6.3, sowie eine Stromversorgungs einheit 6.4.

Mit der Ausbildung der Kathodeneinheit 6 mit einer kalt be triebenen Feldemissionskathode 6.1 sind bei einer sehr feinen Spitze hohe Strahlströme erzielbar. Die Feldemissionskatho de 6.1 besteht aus einem gebogenen Wolframdraht, auf dem ein Wolframeinkristall mit einer sehr feinen Spitze mit einem Krümmungsradius von 0.1 µm aufgebracht ist. Um den Bereich, aus dem Elektronen austreten, klein zu halten, wird ein Wolf rameinkristall gewählt, dessen Spitze eine <310< Orientierung mit einer resultierenden Austrittsarbeit von 4.5 eV aufweist.

Zur Erzeugung eines Elektronenstrahles 1 mit Hilfe einer Fel demissionskathode 6.1 besteht die Kathodeneinheit 6 weiterhin aus zwei Anoden 6.2, 6.3. Eine Extraktionsspannung in Höhe von 0 bis 6.5 kV, die zwischen der Feldemissionskathode 6.1 und der Extraktionsanode 6.2 anliegt, erzeugt das erforderli che starke elektrische Feld an der Spitze der Feldemissions kathode 6.1, so daß Elektroren aus der kalten Feldemissions kathode 6.1 austreten. Diese werden durch die zwischen der Feldemissionskathode 6.1 und der Beschleunigungsanode 6.3 an liegende Beschleunigungsspannung in Höhe von 0.5 bis 30 kV beschleunigt.

Der von der Kathodeneinheit 6 emittierte Primärelektronen strahl 1 wird durch die Strahlführungseinheit 7 fokussiert und in einem Zeilenraster über die Probe 2 geführt.

Der Betrieb der kalten Feldemissionskathode 6.1 verlangt ein starkes Vakuum. Aufgrund des sehr geringen Restgehaltes an Gasen in der Vakuumkammer wird einerseits die Kathodenspitze vor Kontamination durch Ionenbeschuß geschützt und anderer seits wird so eine stabile Elektronenemission gewährleistet. An der Feldemissionskathode 6.2 ist zusätzlich eine Ionenget terpumpe 9 im Bereich der Kathodeneinheit 6 installiert.

Beim Rasterelektronenmikroskop 100 werden die von der Probe 2 ausgesandten Signale (z. B. Sekundärelektronen oder Rück streuelektronen) bei Rasterung des Primärelektronenstrahles 1 über den darzustellenden Bereich der Probe 2 durch einen De tektor 8 erfaßt. Mit dem vom Detektor 8 erhaltenen Meßwert wird die Helligkeit eines synchron rasternden Elektronenstah les in einem nicht dargestellten Monitor moduliert, wodurch ein Abbild der Probenoberfläche erzeugt wird. Die Meßwerte können auch zur späteren Auswertung in einen materialspezifi schen Eigenschaftswert, beispielsweise die Ordungszahl Z, um gewandelt und in einer dem Raster entsprechenden Eigen schaftswertmatrix A_x,y, _ξ gespeichert werden.

Der Detektor 8 ist direkt unterhalb des Polschuhs 11 in der Vakuumkammer 6 angebracht. Der Primärelektronenstrahl 1 durchläuft den Detektor 8 unbeeinflußt durch eine geerdete, zentral auf der Achse des Primärstrahls 1 angebrachte Hülse und trifft dann senkrecht auf die Oberfläche der Probe 2. Die hierdurch erzeugten Rückstreuelektronen treten mit einem steilen Austrittswinkel aus der Probe aus und treffen auf den ringförmig unter dem Lichtleiter 12 angebrachten Szintilla tor 14, der eine nahezu lineare Kennlinie aufweist.

Die Photonen werden von der Nachweisschwelle des Szintillations materials von 1 keV ab durch die Rückstreuelektronen aus gelösten und zwar unabhängig vom Ort des Auftreffens der Rückstreuelektronen auf dem Szintillator 14. Vom Szintillator 14 aus gelangen die durch die Rückstreuelektronen ausgelösten Photonen durch einen Lichtleiter 12 zu einer außerhalb der Vakuumkammer 6 angebrachten Photovervielfachereinheit 15, an der eine Hochspannung von 500 V bis 1.2 kV anliegt. An der Photovervielfachereinheit 15 wird durch den photoelektrischen Effekt eine Spannung erzeugt.

Der Ausgang der Photovervielfachereinheit 15 ist mit einem ersten Vorverstärker 16 verbunden. Das gewonnene Signal wird über einen Operationsverstärker 17 zu einem Meßaufnehmeran schluß des Rasterelektronenmikroskops 100 geführt, wo es in Beziehung zum Rastersignal in ein analoges sogenannten BAS-Signal (Bild-Austast-Synchron-Signal) umgewandelt wird. Das BAS-Signal kann über eine Bildspeicherkarte (frame- grabber) in 8 bit Farbtiefe, entsprechend maximal 256 Grau stufen, digitalisiert werden.

Anstelle der direkten Umsetzung des vom Detektor 8 erhaltenen Meßsignals in einen Grauwert je Rasterpunkt a_x,y kann auch eine Speicherung der Meß- oder Eigenschaftswerte ξ in einer dem Ra ster entsprechenden Matrix A_x,y, _ξ erfolgen, so daß eine nachfol gende Auswertung ermöglicht ist.

Der Detektor 8 zeigt keine anisotropen Effekte bezüglich ei ner Signalausbeute an verschiedenen Auftrefforten der BSE auf den Szintillator 12. Desweiteren arbeitet die Verstärkerkette 15, 16, 17 im verwendeten Intensitätsbereich linear.

Fig. 4 zeigt die verschiedenen Wechselwirkungsmechanismen zwischen Primärelektronen und der Probe 2, die bei einem auf die Probe 2 gerichteten Primärelektronenstrahl 1 vorliegen. Die Primärelektronen werden in der Probe 2 durch unelastische Streuprozesse abgebremst, wobei ein Teil der Elektronen als Rückstreuelektronen BSE zurückgestreut wird, während ein an derer Teil von der Probe 2 absorbiert wird. Weiterhin werden durch den auf die Oberfläche gerichteten Primärelektronen strahl 1 Sekundärelektronen aus der Oberfläche der Probe 2 herausgelöst.

Die praktische, empirisch ermittelte Reichweite R_e von Primä relektronen in die Tiefe einer Probe, bestehend aus Elementen höherer Ordnungszahl, berechnet sich für eine Primärenergie E von ca. 3 bis 30 keV und für ein bestimmtes Material nähe rungsweise nach der LIBSY-Formel:

Die Reichweite R_e bezieht sich nicht nur auf die vertikale Eindringtiefe der Primärelektronen, sondern auch auf seitlich neben dem Auftreffpunkt des Elektronenstrahls liegende Berei che. Insgesamt ergibt sich damit, ausgehend vom Auftreffpunkt des Elektronenstrahls auf der Probenoberfläche, ein birnen förmiges Wechselwirkungsvolumen. Die in das Wechselwirkungs volumen in der Tiefe der Probe gelangten und dort zurückge streuten Primärlelektronen werden auf ihrem Weg zurück an die Oberfläche der Probe abermals abgebremst. Es gelten für die Rückstreuung im wesentlichen die gleichen Gesetzmäßigkeiten wie für das Eindringen der Primärelektronen, so daß für die Austrittstiefe der Rückstreuelektronen die Hälfte der Reich weite R_e der Primärelektronen anzusetzen ist.

Der Rückstreukoeffizient η gibt das Verhältnis von Rückstreu koeffizient E_B der Rückstreuelektronen (back scattering electrons) zur eingebrachten Primärenergie E an:

Je höher die Ordnungszahl Z eines Elementes ist, desto mehr Primärelektronen werden hiervon zurückgestreut. Zudem werden die Primärelektronen mit zunehmender Eindringtiefe stärker abgebremst und folglich weniger zurückgestreut. Damit ist der Rückstreukoeffizient η grundsätzlich material- und tiefenab hängig.

In Fig. 5 sind die berechneten maximalen Austrittstiefen der Rückstreuelektronen für verschiedene Materialien und unter schiedliche Primärenergien E wiedergegeben. Bei einer mit ei nem REM üblicherweise erzielbaren maximalen Primärenergie E von beispielsweise 30 keV ergibt sich demnach für das Verfah ren der Erfindung eine maximale Untersuchungs- bzw. Austritts tiefe von z. B. 1/2 µm bei Gold bis 8/2 µm bei Silizium.

Wie Fig. 6 zeigt, ist der materialspezifische Rückstreukoef fizient η für Primärenergien E über 5 keV nahezu konstant, wobei der Rückstreukoeffizient η umso höher ist, je größer die Ordnungszahl Z des Elementes ist. Damit kann bei Schich ten, deren Dicke bekannt ist, das dort vorliegende Material bestimmt werden. Umgekehrt ist es bei Kenntnis des Materials möglich, eine Tiefeninformation zu erhalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden anhand von Beispielen erläutert.

Beispiel 1

Eine polierte Aluminiumscheibe wird zur Hälfte abgedeckt. Die freiliegende Hälfte wird mit Kupfer in einer Schichtdicke von 200 nm bedampft. In einem zweiten Schritt wird die Scheibe um 90° gedreht, erneut zur Hälfte abgedeckt und auf der anderen Hälfte mit Gold in einer Schichtdicke von 50 nm bedampft. Die so erhaltene Probe 70 (vgl. Fig. 7) weist einen unbeschichte ten Bereich 71, einen goldbeschichteten Bereich 72 und einen kupferbeschichteten Bereich 74 auf sowie einen Überlappungs bereich 73, indem eine Goldschicht über einer Kupferschicht angeordnet ist.

Die Probe 70 wird in die Vakuumkammer eines Rasterelektronen mikroskops eingebracht und mit einem Elektronenstrahl mit ei ner ersten Primärenergie E₁ von 5 keV bestrahlt. Die Rück streuelektronen werden detektiert. Entsprechend der Menge der an einem Rasterpunkt a_x,y detektierten Rückstreuelektronen wird ein Grauwert eines Bildpunktes b_x,y eines Monitorbildes definiert. Ein hoher gemessener Rückstreuwert am Rasterpunkt a_x,y führt dabei zu einem hellen Bildpunkt b_x,y auf dem Monitor.

Aufgrund des geringen Rückstreukoeffizienten η von Aluminium weist der dem Materialbereich 71 der Probe 70 entsprechende Bildbereich wenig Helligkeit auf. Der kupferbeschichtete Be reich 74 ist leicht erhellt. Die Bereiche 72 und 73 weisen aufgrund des hohen Rückstreukoeffizienten η der an zuoberst liegenden Goldbeschichtung eine hohe Helligkeit auf. Zwischen den Bereichen 72 und 73 besteht dabei kein Helligkeitsunter schied. Da der Elektronenstrahl in Gold bei einer Primärener gie E₁ von 5 keV nur eine Reichweite R von etwa 50 nm hat (vgl. Figur . . .) wird im Bereich 73 die Goldschicht nicht durchdrun gen, so daß die darunterliegende Kupferschicht im Grauwert bild nicht erkennbar ist.

Bemerkenswert ist, daß das Grauwertbild an der Grenze zwi schen den Bereichen 73, 74 keine Kontrastunterschiede erken nen läßt, obwohl die Oberfläche vom Bereich 73 zum Bereich 74 eine Stufe von 50 nm Höhe aufweist. Ein solcher Höhensprung erzeugt bei bekannten rasterelektronenmikroskopischen Verfah ren, die auf der Auswertung der an der Oberfläche ausgelösten Sekundärelektronen beruhen, stets ein starkes Signal. Es ist somit bereits hier erkennbar, daß die bei dem erfindungsgemä ßen Verfahren gewonnenen Grauwertbilder nicht durch die Ober flächentopographie beeinflußt sind, sondern nur durch den Rückstreukoeffizienten desjenigen Materials, das im Bereich der maximalen Eindringtiefe der Primärelektronen für eine be stimmte Primärenergie in der Tiefe der Probe vorliegt.

Die Messung wird bei einer zweiten Primärenergie E₂ von 25 keV wiederholt. Das aus dieser Messung gewonnene Grauwertbild weist ebenfalls einen dunklen Bereich auf, der der freilie genden Aluminiumoberfläche 71 entspricht. Es wird, wie bei der ersten Messung, auch bei der erhöhten Primärenergie E₂ der kupferbeschichtete Bereich 72 leicht erhellt gegenüber dem Bereich 71 abgebildet. Der nur goldbeschichtete Bereich 74 ist deutlich heller abgebildet als die Bereiche 72, 74. Am hellsten ist der Bereich 73, in dem Gold und Kupfer überein ander liegen, abgebildet. Die Elektronen durchdringen demnach die in den Bereichen 73, 74 obenliegende Goldschicht und wer den anschließend in den darunterliegenden Schichten zurückge streut. Da im Bereich 74 unterhalb der Goldschicht nur Alumi nium mit einem geringen Rückstreukoeffizienten, im Bereich 73 aber eine Kupferschicht mit einem gegenüber Aluminium wesent lich größeren Rückstreukoeffizienten angeordnet ist, wird der Überlappungsbereich von Gold und Kupfer sehr hell darge stellt, so daß anhand des Kontrastes im Grauwertbild die in der Tiefe verborgene Kupferschicht erkennbar ist.

Beispiel 2

Auf einer Silizium-Scheibe wird ein Drahtnetz aus Kupfer be festigt. Das Drahtnetz hat eine Maschenweite von 50 µm; der Draht hat eine Stärke von 12,5 µm. Die so präparierte Silizi um Scheibe wird mit Gold bedampft. Nach dem Ablösen des Net zes wird eine Probe erhalten, die quaderförmige Goldblöcke enthält, wobei die Kantenlänge der Maschenweite des Netzes entspricht und der Abstand zwischen den Quadern der Draht stärke.

Mit der so erhaltenen Probe wird das erfindungsgemäße Verfah ren mit einer Primärenergie von 5 keV durchgeführt. Der Meß wert der Rückstreukoeffizient an einem Rasterpunkt a_x,y wird in einer Eigenschaftswertmatrix A_x,y, _ξ gespeichert und zugleich in einen Grauwert ϕ umgerechnet, so daß neben der Eigen schaftswertmatrix A_x,y, _ξ auch ein Grauwertbild G_x,y, _ϕ erhalten wird. In dem Grauwertbild G_x,y, _ϕ sind die Goldquader als helle Bildbereiche abgebildet.

Das Verfahren wird unter schrittweiser Erhöhung der Pri märenergie von 5 keV bis 25 keV wiederholt, wobei die Schrittweite 1 keV beträgt. Bei einer Primärenergie von 22 keV durchdringen die Elektronen die Goldquader über die ge samte Höhe und werden in der darunterliegenden Silizium schicht zurückgestreut. Hierbei ist über den gesamten Proben bereich kein Kontrastunterschied mehr festzustellen.

Da die Materialanordnung bei der Probe bekannt ist, kann über den spezifischen Rückstreukoeffizienten von Gold die Aus trittstiefe der Elektronen bei einer bestimmten Primärener gie E berechnet und jeder der gewonnenen Eigenschaftswertma trizen A_x,y, _ξ ein Höhenwert z zugeordnet werden, der die Höhen lage der Eigenschaftswertmatrix A_x,y, _ξ in Bezug auf die Ober fläche kennzeichnet. Es wird hierzu eine Volumenmatrix defi niert, in der die Folge von in der Höhe zueinander versetzten Eigenschaftswertmatrizen A_x,y, _ξ gespeichert ist.

Durch interpolierende Verfahren werden die Bereiche in der Volumenmatrix V_x,y,z, _ξ ergänzt, die zwischen den durch die Ei genschaftswertmatrizen A_x,y, _ξ repräsentierten Schnittebenen liegen. In der so erhaltenen Volumenmatrix V_x,y,z, _ξ ist für je den Raumpunkt der Probe ein Eigenschaftswert ξ enthalten, wel cher zwecks Visualisierung in einen Eigenschaftswert umgewan delt wird, der dem an diesem Raumpunkt vorliegenden Material entspricht. Der Eigenschaftswert ξ kann ein Grauwert ϕ oder ein Farbwert sein, um beliebige Schnitte im Raum zu visuali sieren. Weiterhin werden zusammenhängende Segmente mit glei chen Eigenschaftswerten ξ erkannt und die Grenzflächen zwi schen den erkannten Segmenten als Freiformflächen vektoriell beschreiben.

Somit ist die Struktur der Probe durch das Verfahren der Er findung in einem Computermodell rekonstruierbar, welches mit bekannten CAD-Techniken aus beliebigen Blickwinkeln darge stellt werden kann, beispielsweise durch verdeckte Körperkan ten (hidden lines) oder durch schattierte Körperflächen (volume rendering).

Beispiel 3

Zur Schichtdickenmessung einer Schichtfolge:

- Aluminium (Rückstreukoeffizient η = 0,18, Soll-Schichtdicke = 1 µm)
- Kupfer (Rückstreukoeffizient η = 0,31)
- Silizium (Rückstreukoeffizient η = 0,20)

wird ein Rasterpunkt der Probe mit Primärelektronen be strahlt, beginnend mit einer Primärenergie von 5 keV, die schrittweise um 0,5 keV erhöht wird. Für jeden Schritt wird der Quotient aus Rückstreukoeffizient und Primärenergie ge bildet und mit dem Rückstreukoeffizienten η der zuoberst lie genden Aluminiumschicht verglichen.

Nachdem die Primärenergie mit 8,5 keV so stark gewählt ist, daß die Aluminiumschicht vollständig von dem Primärelektro nenstrahl durchdrungen wird, ist eine sprunghafte Änderung des Rückstreukoeffizienten η zu beobachten. Aus dem Wert der Primärenergie beim letzten Schritt vor der sprunghaften Ände rung, nämlich 8 keV, wird die maximale Austrittstiefe der Elektronen aus der Aluminiumschicht anhand der LIBBY-Formel zu 928 min berechnet. Für die Primärenergie von 8,5 keV, die ur sächlich für die beobachtete Änderung des Rückstreukoeffizi enten war, wird eine maximale Austrittstiefe von 1026 nm be rechnet. Die Phasengrenze zwischen Aluminium und Kupfer und damit die Schichtdicke der oben liegenden Aluminiumschicht wird mit 977 nm zwischen den beiden berechneten Tiefenwerten angesiedelt und dieser Schichtdicke wird ein Abfall der Pri märenergie um 8,25 keV zugeordnet.

Eine weitere Eingrenzung der genauen Lage der Grenzschicht ist durch Wiederholung des Verfahrens mit kleinerer Schritt weiten möglich, wobei die kleinste auswertbare Schrittweite durch die Meßgenauigkeit der verwendeten Vorrichtung bestimmt ist.

Zur Bestimmung der Lage der Phasengrenze zwischen Kupfer und Silizium wird in gleicher Weise vorgegangen. Zur Berechnung der Austrittstiefe der Elektronen wird die Erhöhung der Ener giezunahme seit der letzten festgestellten Grenzschicht zu grunde gelegt, also der Betrag der eingestrahlten Primärener gie, gemindert um eine Energieabsorption in der Aluminium schicht von 8,25 keV.

Zur Erhöhung der Genauigkeit wird die Messung an zehn weite ren Rasterpunkten wiederholt.

Das Verfahren ermöglicht demnach, durch schrittweise Erhöhung der Primärenergie allein durch Messungen an einzelnen Punkten ein Schnittprofil der Probe zu erstellen, ohne eine Messung und Auswertung über eine große Rasterfläche vornehmen zu müs sen.

Beispiel 4

Die Probe aus Beispiel 3 soll zusätzlich auf Einschlüsse von Verunreinigungen in der Kupferschicht untersucht werden.

Da der Schichtaufbau bekannt ist und auch die Schichtdicke anhand des zuvor erläuterten Beispiels ermittelt worden ist, können mittels der Einstellung der Primärenergie Schnittebe nen festgelegt werden, die innerhalb der Kupferschicht lie gen.

Mit diesen Einstellungen für die Primärenergie werden in ei nem engen, flächigen Raster, welches den zu untersuchenden Bereich der Probe abdeckt, Messungen durchgeführt, wobei die erhaltenen Eigenschaftswerte ξ direkt in Grauwerte ϕ eines Mo nitorbildes umgesetzt werden. Eine starke Rückstreuung von Elektronen an einem Rasterpunkt ergibt einen hellen Bild punkt.

Soweit Verunreinigungen durch Fremdelemente in der Schnit tebene vorliegen, werden diese als Helligkeitsunterschied im Bild sichtbar.

Verunreinigungen von Elementen, die eine höhere Ordnungszahl als das schichtbildende Element haben, führen zu einem helle ren Bildpunkt; organische Verunreinigungen und andere Ein schlüsse von Elementen mit niedriger Ordnungszahl ergeben dunklere Bildpunkte. Die Höhe der Differenz der Ordnungszah len zwischen schichtbildendem Element und Verunreinigung be stimmt den Kontrast im Grauwertbild.

Claims

Elektronentomographisches Verfahren zur zerstörungsfreien Un tersuchung und Rekonstruktion von dreidimensionalen Struktu ren in einem Festkörper, mit folgenden Verfahrensschritten:
- a) Einbringen einer Probe (2) des Festkörpers in eine Vaku umkammer (3) und Evakuierung derselben,
- b) Bereitstellen, erforderlichenfalls Eichen und Fokussieren einer in einem zweidimensionalen Raster führbaren und in die Vakuumkammer (3) einstrahlenden Elektronenstrahlquelle (Kathode 6),
- c) Bestrahlen der Probe (2) an einem Rasterpunkt a_x,y mit ei nem Primärelektronenstrahl (1) mit einer Primärenergie E, wobei die Primärenergie E wenigstens 5 keV beträgt,
- d) Detektieren der Rückstreuelektronen am Rasterpunkt a_x,y,
- e) Definition eines Eigenschaftswertes ξ und/oder eines Grau wertes ϕ in Abhängigkeit von der Menge der am Rasterpunkt a_x,y detektierten Rückstreuelektronen und Speicherung des Eigenschaftswertes ξ in einer ebenen Eigenschaftswertma trix A_x,y, _ξ und/oder Abbildung des Grauwertes ϕ in einem Grauwertbild G_x,y, _ϕ;
- f) Wiederholung der vorgenannten Verfahrensschritte c) bis e) für jeden Rasterpunkt a_x,y;
- g) Variation der Primärenergie E um den Betrag einer Pri märenergiedifferenz ΔE;
- h) Wiederholung der Schritte c) bis g) unter Gewinnung einer Folge von Eigenschaftswertmatrizen A_x,y, _ξ und/oder Grau wertbildern G_x,y, _ϕ.