DE19951147A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Neigung einer durch einen Elektronenstrahl abgebildeten Oberfläche - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Neigung einer durch einen Elektronenstrahl abgebildeten Oberfläche

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Abstract

Die Form einer Probe (1) wird durch ein Abtastelektronenmikroskop (SEM) unter Verwendung der Elektronenemission von einer Oberfläche für die Bestimmung ihrer Neigung bestimmt. Eine Oberfläche der Probe wird im Elektronenstrahl (9) des SEM unter mehreren bekannten Winkeln angeordnet, wobei entsprechende Messungen der Elektronenemission erhalten werden. Aus den Messungen wird für die Probe (1) eine Beziehung zwischen dem Oberflächenwinkel und der Elektronenemission abgeleitet. Wenn der Elektronenstrahl (9) anschließend die Oberfläche abtastet, um die Elektronenemission zu messen, wird die abgeleitete Beziehung verwendet, um die Neigung an jedem Abtastpunkt zu erhalten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Neigung einer durch einen Elektronenstrahl abgebildeten Oberfläche nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 6.
Wenn ein Abtastelektronenmikroskop (SEM) einen Elektronenstrahl auf eine Oberfläche schickt, erzeugt ein solcher Strahl Rückstreuelektronen und Se­ kundärelektronen. Die Anzahl der Rückstreuelektronen und der Sekundärelektro­ nen ändert sich mit dem Neigungswinkel oder der Neigung der Oberfläche, auf die der Strahl auftrifft. Es ist zu erwarten, daß mehr Sekundärelektronen von einer geneigten Oberfläche als von einer zum auftreffenden Strahl senkrechten Ober­ fläche emittiert werden, weil bei einer erhöhten Neigung ein größerer Anteil der Strahlwechselwirkung mit der Probe nahe genug an der Oberfläche für die zu emittierenden Elektronen stattfindet.
Im Kapitel 4 von Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis von J. Goldstein u. a., Plenum Publishing 1992, wird erwähnt, daß sich die Se­ kundärelektronenemission ungefähr wie eine Sekansfunktion ändert. Falls θ der Winkel zwischen dem auftreffenden Strahl und einer Linie senkrecht zur Pro­ benoberfläche ist, weshalb θ Neigungswinkel genannt wird, ändert sich wegen secθ = 1/cosθ die Sekundärelektronenemission umgekehrt proportional zu cosθ.
Es wäre wünschenswert, das SEM für die Bestimmung der dreidimensio­ nalen Form einer Probe zu verwenden. Hierfür ist es jedoch notwendig, daß das SEM den Neigungswinkel der geneigten Oberflächen der Probe genau mißt. Falls die Neigung aus der Sekundärelektronenemission gemessen würde, die in Über­ einstimmung mit der obenerwähnten Beziehung bestimmt wird, würde das Ergeb­ nis durch die Tatsache beeinflußt, daß sie bei θ = 90° eine unendliche Emission liefert. Falls die Bestimmung der Neigung auf einer solchen falschen Beziehung beruhen würde, würden nicht korrekte Neigungswinkel abgeleitet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 6 zu schaffen, die es ermöglichen, die Neigung einer Oberfläche mit einem SEM genau zu messen.
Diese Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Teilen der An­ sprüche 1 bzw. 6 gelöst.
Es wird ein Kalibrierungsvorgang ausgeführt, umfassend: (i) Erhalten mehrerer SE-Messungen durch Messen der Elektronenemission SE von einem Abschnitt der Oberfläche, der in jeweiligen bekannten Winkeln θ des Elektronen­ strahls positioniert ist, und (ii) Ableiten einer Beziehung zwischen SE und θ auf der Grundlage der mehreren Messungen. Der Elektronenstrahl wird dann so gelenkt, daß er auf einen Punkt der Oberfläche auftrifft, um eine gemessene SE zu erzeu­ gen, wobei die Neigung an dem Punkt bestimmt wird, indem der Winkel θ aus der gemessenen SE und der erhaltenen Beziehung bestimmt wird.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschrei­ bung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Abbildungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer Probe mit geneigten Wänden, die durch einen Elektronenstrahl von einem SEM abgebildet werden.
Fig. 2 ist ein Graph von Sekundärelektronen, die durch die Probe von Fig. 1 an verschiedenen Punkten emittiert werden, wenn sich der Strahl längs der Oberfläche bewegt.
Fig. 3 ist ein Ablaufplan von ausgeführten Verfahrensschritten.
Fig. 4 ist ein Graph der Sekundärelektronenemission in Abhängigkeit vom Neigungswinkel.
Fig. 1 zeigt eine auf einem Substrat 2 gebildete Probe 1. Die Form der Probe 1 ist zu Erläuterungszwecken beliebig gewählt worden und besitzt eine ebene Oberfläche 3 und geneigte Wände 5 und 7 mit gleichen großen, jedoch entgegengesetzten Winkeln. Der auftreffende Elektronenstrahl 9 wird durch ein (nicht gezeigtes) SEM emittiert, wobei die Anzahl der durch die Probe 1 emittierten Sekundärelektronen, die auf einen Elektronendetektor in dem (nicht gezeigten) SEM auftreffen, gezählt werden, wie im folgenden erläutert wird. Die Positio­ nierung des Detektors oder mehrerer Detektoren ist eine Frage der Wahl durch den Entwurfsingenieur und/oder den Anwender des SEM und hängt von Faktoren ab, die dem Fachmann ohne weiteres bekannt sind.
Fig. 2, die auf Fig. 1 ausgerichtet ist, zeigt die Größe der Sekundärelek­ tronenemission SE, wenn ein Strahl 9 so abgelenkt wird, daß er auf diskrete Punkte auftrifft, die längs der Oberfläche der Probe 1 beabstandet sind. Selbst­ verständlich hängen die tatsächlichen SE-Werte von Faktoren wie etwa dem Pro­ benmaterial, dem SEM-Entwurt und -Betrieb sowie von der Probenladung und von der Probengeometrie ab. Fig. 2 soll jedoch eine beispielhafte Änderung erläutern, die in der SE bei geneigten Wänden 5, 7 und einer zum Strahl senkrechten, ebe­ nen Oberfläche 3 auftreten kann. Daher ist klar, daß die Sekundärelektronen­ emission zwischen den Punkten b und c, die der geneigten Wand 5 entsprechen, höher als zwischen den Punkten c und d, die der ebenen Oberfläche 3 bei θ = 0° entsprechen, ist. Um jedoch den Neigungswinkel der Wände 5, 7 zu bestimmen, muß quantitativ bekannt sein, wie sich die SE mit dem Neigungswinkel ändert.
Um die Beziehung zwischen der SE und dem Neigungswinkel, wie sie etwa in Fig. 4 gezeigt ist, zu bestimmen, wird eine Vortest-Prozedur oder Kalibrie­ rung ausgeführt, um die dreidimensionale Form der Probe oder eines Postens identisch geformter Proben zu bestimmen. Die Probe wird im SEM angeordnet, der Strahl 9 wird auf einen Abschnitt ihrer Oberfläche, die sich unter einem be­ kannten Winkel θ zum Strahl befindet, gerichtet und der SE-Wert wird aufge­ zeichnet. Die Werte von θ und SE bilden einen Datenpunkt auf dem Graphen von Fig. 4. Es werden mehrere solche Datenpunkte erhalten, indem die Probe unter bekannten Winkeln geneigt wird und die SE bei jedem Winkel gemessen wird, wobei eine Technik für die beste Anpassung der Kurve in wohlbekannter Weise auf die Datenpunkte angewendet wird. Die in Fig. 4 gezeigte Kurve ist in dieser Weise abgeleitet worden.
Nachdem dieser Kalibrierungsvorgang abgeschlossen ist, wird der Strahl 9 längs eines interessierenden Abschnitts auf der Oberfläche der Probe abgelenkt. Für jeden diskreten Oberflächenort, an dem der Strahl auf die Oberfläche auftrifft, wird die SE-Messung unter Verwendung der in Fig. 4 gezeigten Beziehung oder ihrer mathematischen Darstellung in einen Winkel θ umgesetzt.
Die gemessene Neigung kann die dreidimensionale Form der Probe lie­ fern, da sie angibt, wie sich die Oberflächenform in einer Richtung senkrecht zum Strahl 9 ändert. Somit kann durch Integrieren des Wertes der Neigung, die an jedem der abgetasteten Punkte erhalten wird, die in Fig. 1 gezeigte Form abge­ leitet werden.
Bevorzugt wird zwischen der SE und der Neigung die folgende Beziehung verwendet:
wobei:
SE die gemessene Sekundärelektronenemission an einem gewählten Punkt auf der Oberfläche der Probe 1 ist; .
SE0 eine bekannte Sekundärelektronenemission bei θ = 0° ist;
SE90 eine bekannte Sekundärelektronenemission bei θ = 90° ist; und
γ ein Kurvenanpassungsterm ist.
Um die Neigung zu ermitteln, ergibt die Umordnung der Terme die fol­ gende Gleichung:
Vor der Ausführung der SE-Messungen für die Ermittlung des Winkels einer geneigten Wand werden bevorzugt die Werte von SE0 und SE90 bestimmt und als Datenpunkte für die Ableitung der Kurve in Fig. 4 verwendet. Ein Wert von γ wird in Gleichung (1) gewählt, um eine Kurve SE zu erhalten, die für diese be­ kannten Datenpunkte die beste Anpassung liefert.
Ein Vorteil der Verwendung der bevorzugten Ausführungsform besteht darin, daß sie die Kalibrierung vereinfacht und dabei zufriedenstellende Ergeb­ nisse liefert. Insbesondere braucht nur eine minimale Anzahl von Datenpunkten über die beiden Datenpunkte SE0 und SE90 hinaus bereitgestellt werden, statt einer höheren Anzahl von Datenpunkten, die andernfalls für die Kurvenanpassung erforderlich wären. Falls jedoch γ bekannt ist, sind nur zwei Datenpunkte erforder­ lich. Das γ kann aus früheren Daten, die unter Verwendung eines ähnlichen SEM bei der Arbeit mit ähnlichen Probenmaterialien gesammelt wurden, bekannt sein.
Sobald SE0, SE90 und γ bekannt sind, werden die Messungen durch Ab­ lenken des Strahls 9 in der Weise, daß er auf die Probenoberfläche auftrifft, aus­ geführt. Wenn der Strahl an einem Punkt auf der geneigten Wand der Probe auf­ trifft, wird beispielsweise die gemessene SE in die Gleichung (2) eingegeben, um die Neigung an diesem Punkt abzuleiten.
Nun wird mit Bezug auf die Fig. 3 und 4 eine genauere Erläuterung der bevorzugten Ausführungsform gegeben. Die Probe 1 ist im SEM angeordnet und der Strahl 9 wird auf einen Punkt auf der ebenen Oberfläche 3 gerichtet. Im Schritt 20 befindet sich die ebene Oberfläche 3 bei θ = 0°. Der Strahl 9 wird aktiviert und eine Messung von SE wird aufgezeichnet, die als SE0 dient. Im Schritt 22 wird die Probe 1 geneigt, so daß die ebene Oberfläche 3 unter einem von 0° verschiede­ nen, bekannten Winkel geneigt ist, um SE90 abzuleiten.
Der Neigungswinkel kann nicht wirklich auf genau 90° gesetzt werden, weil die Messung der SE der Oberfläche unter diesen Winkel nicht möglich ist, da der Strahl nicht auf die Oberfläche, sondern auf ihre Kante aufträfe. Daher wird vorzugsweise die SE unter einem Winkel sehr nahe bei 90° gemessen. Typi­ scherweise ändert sich die SE für θ zwischen 85° und 90° nicht erheblich, wobei solche Messungen oftmals eine ausreichende Genauigkeit besitzen können, um aussagekräftige Ergebnisse zu liefern. Daher kann diese Messung als wesentli­ ches Äquivalent von SE90 genutzt werden.
Alternativ kann ein Datenpunkt bei einem von 90° verschiedenen Winkel im Schritt 24 verwendet werden, um eine beste Anpassung einer Kurve auszufüh­ ren, etwa jene, die in Fig. 4 gezeigt ist. Aus dieser Kurve kann ein Wert für SE90 abgeleitet werden. Falls zusätzliche Datenpunkte aus Messungen der SE, die unter mehreren bekannten Neigungswinkeln ausgeführt werden, erhalten werden, kann dies eine bessere Kurvenanpassung und im Ergebnis bessere Werte für SE0, SE90 und γ liefern. Somit ist es in der bevorzugten Ausführung auf der Grundlage von Gleichung (1) nicht notwendig, Messungen für nahezu ebenso viele Datenpunkte auszuführen, wie sie andernfalls benötigt würden, es ist jedoch nützlich, mehr als genau zwei Datenpunkte zu verwenden.
Der Schritt 22 wird vor dem Schritt 24 ausgeführt, falls SE90 direkt aus der SE erhalten wird, die unter einem Winkel sehr nahe bei θ = 90° gemessen wird. Andernfalls umfaßt der Schritt 22 eine oder mehrere SE-Messungen, die unter bekannten Winkeln ausgeführt werden, um weitere Datenpunkte abzuleiten, ge­ folgt vom Schritt 24, woraufhin nur SE90 abgeleitet wird.
Im Schritt 26 wird die Messung des Neigungswinkels für einen Stapel von Proben begonnen. Somit können die Schritte 20, 22 und 24 als Kalibrierung­ schritte angesehen werden, die unter Verwendung einer oder mehrerer Proben aus diesem Stapel ausgeführt werden. Nach Abschluß dieser Phase wird eine zu messende Probe an einer Position im SEM angebracht, woraufhin ihre Oberfläche durch den Strahl 9 abgetastet wird. Wenn der Strahl 9 eine bezeichnete Position auf einer geneigten Wand erreicht, wird die SE-Messung aufgezeichnet.
Im Schritt 28 wird der gemessene Wert der SE in die Gleichung (2) einge­ geben, woraus der Neigungswinkel abgeleitet wird. Wenn der Neigungswinkel an jeder der abgetasteten Punkte bekannt ist, kann die dreidimensionale Form der Probe bestimmt werden.
Der gemessene Wert der SE kann eine Rückstreukomponente sowie eine Sekundärelektronenkomponente enthalten. Der gemessene Wert der SE kann auch ausschließlich eine Rückstreukomponente enthalten.

Claims (10)

1. Verfahren zum Bestimmen der Neigung einer Oberfläche, die durch einen Elektronenstrahl (9) von einem Abtastelektronenmikroskop (SEM) abgebil­ det wird, gekennzeichnet durch
Ausführen einer Kalibrierungsprozedur, die
Erhalten mehrerer SE-Messungen durch Messen der Elektronenemis­ sion SE von einem Abschnitt der Oberfläche, die unter bestimmten, bekannten Winkeln θ des Elektronenstrahls (9) positioniert ist, und
Ableiten einer Beziehung zwischen SE und θ anhand der mehreren Messungen,
Lenken des Elektronenstrahls (9) in der Weise, daß er auf einen Punkt auf der Oberfläche auftrifft, um eine gemessene SE zu erzeugen, und
Bestimmen der Neigung an dem Punkt durch Ableiten des Winkels θ aus der gemessenen SE und aus der erhaltenen Beziehung umfaßt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Messens der SE das Anordnen einer Oberfläche in einem Pfad des Elektro­ nenstrahls unter einem Winkel θ und das Erfassen der Anzahl der resultierenden Sekundärelektronen, die von der Oberfläche emittiert werden, umfaßt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erhaltens einer Beziehung das Anwenden einer bestangepaßten Kurve auf die mehreren Messungen gemäß der folgenden Gleichung umfaßt:
wobei
SE die gemessene Sekundärelektronenemission an einem gewählten Punkt auf der Oberfläche der Probe (1) ist,
SE0 eine bekannte Sekundärelektronenemission bei θ = 0° ist,
SE90 eine bekannte Sekundärelektronenemission bei θ = 90° ist, und
γ ein Kurvenanpassungsterm ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch den Schritt des Ableitens von SE90 durch Anordnen einer Probenoberfläche in dem Strahl (9) unter mehreren bekannten Winkeln θ, des Erhaltens mehrerer Messungen der SE für die mehreren bekannten Winkel, des Bestimmens einer Beziehung zwischen θ und SE auf der Grundlage der mehreren Messungen und des Verwendens einer solchen Beziehung für die Ableitung von SE90.
5. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch den Schritt des Ableitens von SE90 durch Messen der SE für einen Winkel θ, der nahezu 90° beträgt.
6. Vorrichtung zum Bestimmen der Neigung einer Oberfläche, die durch einen Elektronenstrahl (9) von einem Abtastelektronenmikroskop (SEM) abgebil­ det wird, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung zum Ausführen eines Kalibrierungsvorgangs, die
eine Meßeinrichtung zum Erhalten mehrerer SE-Messungen durch Messen der Elektronenemission SE von einem Abschnitt der Oberfläche, die unter bestimmten, bekannten Winkeln θ in bezug auf den Elektronenstrahl positioniert ist, und
eine Einrichtung zum Erhalten einer Beziehung zwischen SE und θ auf der Grundlage der mehreren Messungen,
eine Einrichtung zum Lenken des Elektronenstrahls (9) in der Weise, daß er auf einen Punkt auf der Oberfläche auftrifft, um eine gemessene SE zu erzeu­ gen, und
eine Einrichtung zum Bestimmen der Neigung an dem Punkt durch Ablei­ ten des Winkels θ aus der gemessenen SE und aus der erhaltenen Beziehung umfaßt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung das Anordnen einer Oberfläche im Strahl unter einem Winkel θ und das Erfassen der Anzahl der von der Oberfläche emittierten Sekundärelektro­ nen für die Ableitung von SE0 umfaßt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Ableiten einer Beziehung das Anwenden einer bestange­ paßten Kurve auf die mehreren Messungen in Übereinstimmung mit der folgenden Gleichung umfaßt:
wobei
SE die gemessene Sekundärelektronenemission an einem gewählten Punkt auf der Oberfläche der Probe (1) ist,
SE0 eine bekannte Sekundärelektronenemission bei θ = 0° ist,
SE90 eine bekannte Sekundärelektronenemission bei θ = 90° ist, und
γ ein Kurvenanpassungsterm ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Ableiten von SE90 durch Anordnen einer Probenoberfläche in dem Strahl unter mehreren bekannten Winkeln θ, eine Einrichtung zum Erhalten mehrerer Messungen der SE für die mehreren bekannten Winkel, eine Einrichtung zum Bestimmen einer Beziehung zwischen θ und SE auf der Grundlage der mehreren Messungen sowie eine Einrichtung zum Verwenden dieser Beziehung abzuleiten.
10. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Ableiten von SE90 durch Messen der SE für einen Winkel θ, der angenähert 90° beträgt.
DE19951147A 1998-11-04 1999-10-23 Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Neigung einer durch einen Elektronenstrahl abgebildeten Oberfläche Withdrawn DE19951147A1 (de)

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