DE2452826A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der hoehenlage von punkten einer oberflaeche einer probe - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der hoehenlage von punkten einer oberflaeche einer probe

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DE2452826A1 DE19742452826 DE2452826A DE2452826A1 DE 2452826 A1 DE2452826 A1 DE 2452826A1 DE 19742452826 DE19742452826 DE 19742452826 DE 2452826 A DE2452826 A DE 2452826A DE 2452826 A1 DE2452826 A1 DE 2452826A1
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Description

PATENTANWÄLTE
K. SIEBERT G. GRÄTTiNGER
Dlpl.-Ing. Dlpl.-Ing., Oipl.-Wlrtsch.-Ing.
813 Starnbsrg bei München Postfach 1649, Almeidaweg 12 Telefon (08151) t 27 30 U. 41 15
den
Anwaltsakte 6251/2
CALSPAN CORPORATION 4455 Genesee Street, Buffalo, New York 14221 ü. S. A.
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Höhenlage von Punkten einer Oberfläche einer Probe.
Die Erfindung bezieht sich auf die Analyse von Oberflächeneigene chaf ten und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, welche die Bestimmung von Oberflächenerhebungen ermöglicht.
509820/0800
Posischeckkonto München 2728-804 · KreUsparkasso Starnberg KS40 · Deutschs Bank Starnberg 59/17570
Verfahren und Vorrichtungen zur Messung und Analyse von Oberflächen verschiedenster Objekte sind bekannt. Sie
lassen sich ganz allgemein in zwei Kategorien unterteilen, nämlich die berührend arbeitenden und die berührungslos arbeitenden Arten.
Eine berührend arbeitende Vorrichtung zur Messung von Oberflächengüten bzw. -profilen weist in der Regel eine Spitze auf, mit der die Erhebungen der zu messenden Oberfläche berührend abgetastet werden. Nachteil dieser Art von Vorrichtungen sind ihr durch den Radius der Spitze begrenztes Auflösungsvermögen und die Notwendigkeit der Anwendung extrem geringer Berührdrucke zur Verhinderung einer Beschädigung der zu messenden Oberfläche.
Die berührungslos arbeitenden Vorrichtungen umfassen in der Regel optische Einrichtungen, wie beispielsweise optische Mikroskope. Diese Vorrichtungen sind, obwohl mit ihnen das Profil eines Objekts' in einer zur optischen Achse senkrechten Ebene nachgewiesen werden kann, für eine schnelle und genaue Bestimmung der kompletten dreidimensionalen Topographie der Oberfläche· eines solches Objekts nicht geeignet. Dariiberhinaus können Erhehungsänderunoen, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind, mit optisch messenden Vorrichtungen nicht nachgewiesen werden.
Ganz allgemein können sowohl mit einem optischen Mikroskop als auch mit einem Elektronenmikroskop das Profil und die Konturen des Randes eines Objekts bestimmt werden, indem man diesen Rand senkrecht zur Achse des einfallenden Strahls anordnet. Wenn es möglich wäre, das Objekt in viele
509820/0800
Segmente zu zerschneiden und das Profil der Ränder jedes Segments zu betrachten, ließen sich genügend Daten sammeln, .' um die gesamte Topographie bzw. die OberflSchenumrisse des Objekts zu bestimmen. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit welchen diese Daten erhalten werden kSnnen, ohne daß die Notwendigkeit einer Berührung oder Zerstörung des Objekts besteht, wie dies der Fall wäre, wenn das Objekt in eine große Anzahl von Segmenten zerschnitten werden müßte.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf die Oberfläche ein Elektronenstrahl zur Erzeugung einer Emmission von Elektronen aus der Oberfläche gerichtet wird, daß die aus der Oberfläche emittierten Elektronen nachgewiesen werden, daß dabei der Nachweis von aus einem bestimmten Bereich der Oberfläche emittierten Elektronen durch eine Abblockvorrichtung verhindert wird und daß gleichzeitig die Grenze des Bereichs mit Hilfe von Punkten, tn denen eine abrupte Änderung der Intensität der nachgewiesenen emittierten Elektronen auftritt, lokalisiert wird, wodurch die Bestimmung der relativen Höhenlage der Punkte möalich wird.
Erfindungsgemäß wird ferner eine Vorrichtuna zur Bestimmung des Abstandes von Punkten einer Oberfläche einer Probe von einer bezugsebene vorgesehen, welche aufweist eine Einrichtung zur Einstrahlung von Elektronen auf die Oberfläche der Probe, eine Nachweisvorrichtung zum Nachweisen der durch die Einstrahlung von der Oberfläche emittierten Elektronen, eine Einrichtung zur Verhinderung des Nachweises der von einem bestimmten Bereich der Oberfläche emittierten Elektronen, wobei die relative Lage der Einrichtung zur Verhinderung des Nachweises und der Nachweisvorrichtung fest vorgegeben ist, und eine Einrichtung zur Lokalisierung der Grenze des Bereichs
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durch Feststellung der Lage von Punkten der Oberfläche, an welchen die Ausgangsgröße der Nachweisvorrichtung abrupt ihren Wert ändert, wodurch der Abstand der Punkte von der Bezugsebene bestimmt werden kann.
Bevorzugt weist die Einrichtung zur Einstrahlung von Elektronen eine Einrichtung zum Abtasten (scannen) der Oberfläche auf und kann ein herkömmliches Rasterelektronenmikroskop unfassen, dessen eng gebündelter Elektronenstrahl auf die zu untersuchende Oberfläche auftrifft, wobei die Oberfläche Elektronen längs im wesentlichen geraderLinien aussendet. Mit Vorteil ist eine Einrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem auftreffenden Elektronenstrahl und der Oberfläche vorgesehen, so daß der Elektronenstrahl auf verschiedene Punkte der Oberfläche auftrifft, wobei von jedem dieser Punkte Elektronen ausgehen, und umfaßt die Einrichtung zur Verhinderung des Nachweises eine Abschirmung, die verhindert, daß die von einem Teil der Punkte der Oberfläche ausgehenden Elektronen die Nachweisvorrichtung erreichen können.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung. Auf dieser ist
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
Fig. 2 eine Darstellung in Veifrößertem Maßstab eines Teils der Vorrichtung gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine Schnittansicht Längslinie 3-3 der Fig. 2 und Fig. 4 eine Fig. 3 ähnliche Darstellung mit abgeänderter Winkelanordnung der einzelnen Elemente.
Gemäß Fig. 1 definiert ein Gehäuse 1o eine evakuierte Kammer
5098 2 0/0800
12, in welche die elektronenoptische Säule 14 eines herkömmlichen Rasterelektronenmikroskops ragt, dessen Ablenkeinheit dafür sorgt, daß ein enggebündelter Elektronenstrahl 16 eine zu untersuchende Probe 18 abtastet bzw. bestreicht. Die Probe 18 befindet sich auf einer geeigneten Trägerplatte 2o, welche mit Hilfe einer geeigneten Betätigungsvorrichtung, wie beispielsweise eines Motors 22 in Richtung des Pfeils A linear bewegt werden kann, und darüberhinaus noch weitere gewünschte Freiheitsgrade aufweist.
Ein Detektor 24spricht auf einen Elektronenstrahl 26 an, der als Folge des auftreffenden Elektronenstrahls 16 von der Probe 18 ausgeht, wobei der auftreffende Elektronenstrahl die Probe zeilenweise abtastet, das heißt in Richtuna des Pfeils A kontinuierlich und in Richtung des Pfeils B schrittweise fortschreitet. Alternativ können die Zeilen auch in Richtung des Pfeiles B liegen. Um eine Bestimmung der Oberflächenerhebungen einer Probe möglich zu machen, werden nur diejenigen Elektronen nachgewiesen, welche Längs gerader Linien laufen. Zu diesem Zweck weist der Detektor 24 vorzugsweise ein eh Kollektor für rückgestreute Elektronen oder einen unvorgespannten Sekundäremissions-Kollektor auf, wobei die auf Elektronen empfindliche Fläche des Detektors so klein wie möglich gehalten wird und sich vorzugsweise einem Punkt nähert.
Zwischen der Probe 18 und dem Detektor 24 ist eine Abschirmung 28 vorgesehen, welche auf geeignete Weise justierbar am Gehäuse 1o angebracht ist und sich bezüglich der Probe 18 justierbar bewegen läßt, wobei die Abschirmung in einer Kante 3o an ihreir proximalen wirksamen Ende abschließt.
Wie es üblich ist, wird die elektronenoptische Säule von einem
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Abtastgenerator 32 gesteuert, welcher die Bewegung des Elektronenstrahls mit einer Anzeige- und/oder Aufzeichnungseinheit 34 synchronisiert, welche auf ein geeignet verstärktes, vom Detektor 24 über eine Leitung 36 kommendes Signal anspricht. Die Anzeigeeinheit kann eine Kathodenstrahlröhre bekannter Bauart aufweisen.
Wie am besten in Fig. 2 dargestellt, kann die Oberfläche der Probe 18 ein unregelmäßiges Querschnittsprofil aus Bergen und Tälern aufweisen, welches in verschiedenen Ebenen verschieden sein kann. Aus Gründen der Einfachheit der Darstellung wurde das Profil aus gleichen Bergen und Tälern bestehend dargestellt, wobei es sich von selbst versteht, daß in Wirklichkeit die einzelnen Berge und Täler voneinander verschieden sein können und die Vorrichtung nach der Erfindung dazu dient, diese Unterschiede schnell und genau zu bestimmen. Die auf Elektronen empfindliche Fläche des Detektors 24 ist als Punkt D dargestellt. Eine Ebene L, welche diesen Punkt und die Kante 3o enthält schließt mit einer die Oberfläche der Trägerplatte bildenden Ebene M einen Winkel θ ein. Die Ebene L schneidet die Probenoberfläche in einer Anzahl von Punkten P1, P3 # P3/ ·#··ρ η' deren relative Abstände von der als Bezugsebene dienenden Ebene M, oder was das gleiche ist, von einer dazu parallelen, die Kante 3o enthaltenden Ebene, bestimmt werden sollen.
Wie Fig. 3 zu entnehmen ist, wird eine in der Ebene L in einem Punkt P der Probenoberfläche entspringende und am Detektor im Punkt D endende Strecke im Punkt R durch die Kante 3o geschnitten. Fig. 3 zeigt, daß der Abstand des Punktes P vom Punkt R eine Funktion des Abstandes X des Punktes P von einer zur Ebene M parallelen und die Kante 3o enthaltenden Ebene und des Abstandes S zwischen dem Punkt P und einer zur Ebene M senkrechten durch den
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Punkt R gehenden Geradere Elektronen, die in qeraden Linien von Bereichen der Probenoberfläche ausgehen, die, bei Be- , trachtung gemäß Fig. 3, rechts vom Punkt P liegende Punkte^ wj.e P1, enthalten und unterhalb der Ebene L liegen, können die empfindliche Zone D des Detektors nicht erreichen und erzeugen somit auch kein von diesem an die Anzeig^einheit gelangendes Ausganqssignal. Im Gegensatz dazu erreichen Elektronen, die von links vom Punkt P und oberhalb der Ebene L liegende Punkten, wie P3 1, ausgehen, die empfindliche Zone D und erzeugen Signale für die Anzeigeeinheit 34. Wenn also der Elektronenstrahl die Probenoberfläche in Richtung des Pfeiles A abtastet und schrittweise quer dazu in Richtung des Pfeiles B fortschreitet, so bewirkt dies, daß Elektronen in geraden Linien von der Probe ausgesandt werden, was zur Erzeugung detektierbarer Signale am Detektor 24 für alle Probenpunkte führt, mit Ausnahme derer, die im Punkte P1 enthaltenden Bereich liegen. Auf diese Weise wird die Grenze solcher Bereiche und die Lage der Punkte P1, P-, P-, ....P als abrupte Änderung im Wert der Detektorausgangs-: größe aufgezeichnet und dargestellt.
Mit einer Aufzeichnung der Lage dieser Punkte läßt sich ihre Höhenlage mit Hilfe der folgenden Beziehunn leicht berechnen:"""
X «= S tan θ ,
X die Höhe.eines auf der Oberfläche befindlichen Punkte P, gemessen von der die Kante 3o enthaltenden und zur Ebene M parallelen Ebene, ist,
S den Abstand in Richtung des Pfeiles A zwischen einem Punkt P
und einer die Kante 3o enthaltenden und zur Ebene M senkrechten Ebene bezeichnet und
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θ der weiter oben gegebenen Definition entspricht.
Diese Rechnungen lassen sich mit Hilfe geeigneter Analog- oder Digitalrechner wohlbekannter Art automatisch durchführen.
Zum Nachweis der Profile oder Erhebungen in verschiedenen Bereichen der Oberfläche 18 müssen aus verschiedenen Bereichen emittierte Elektronen bezügliche des Detektors 24 abgeblockt werden; Zu diesem Zweck läßt sich die Oberfläche kontinuierlich oder schrittweise bezüglich der Kante 3o und des Detektors 24 bewegen, wodurch sich die Grenzen zusätzlicher Oberflächenbereiche bestimmen lassen. Dies kann nach beleiben wiederholt werden, so daß sich auf diese Weise die gesamte Topographie bzw. die Höhen aller Punkte der Oberfläche bestimmten lassen.
Die Prägerplatte 2o und die Abschirmung 28 wurden zwar in parallelen Ebenen, die im wesentlichen senkrecht zur Achse der elektronenoptischen Säule liegen, dargestellt, wobei θ ein spitzer Winkel mit weniger als 9o° ist, jedoch werden auch andere Winkelanordnunaen ins Auge gefaßt. Es hat sich in der Tat ergeben, daß eine bevorzuote Anordnung diejenige ist, bei welcher θ gleich 9o ist. Um dies zu erreichen könnten die Trägerplatte und die Abschirmung bezüglich der Achse der elektronenoptischen Säule geeignet geneigt werden, wie schematisch in Fig. 4 dargestellt ist. In diesem Fall ist die Höhe X gegeben durch:
χ = s
sin £
ß der Winkel zwischen der Achse der elektronenoptischen Säule und der die Kante der Abschirmung und die empfindliche Zone des Detektors enthaltenden Ebene ist.
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Bei den beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen, jedoch liegen Abweichungen davon für den Fachmann auf der Hand. So kann beispielsweise, obwohl die Abschirmung 2 8 als ein Flächenelement mit einer scharfen Kante beschrieben wurde, auch ein positives Feld ins Auge qefaßt werden, welches die Elektronen einfängt und so ein Auftreffen derselben auf den Detektor verhindert. Dieses Feld darf jedoch keinen Einfluß auf Elektronen haben, welche vom Detektor gesehen werden.
- Patentansprüche -
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Claims (20)

  1. -1ο -
    Patentansprüche
    ( 1.!verfahren zur Bestimmung der Höhenlage von Punkten einer Oberfläche einer Probe, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche ein Elektronenstrahl zur Erzeugung einer Emmission von Elektronen aus der Oberfläche gerichtet wird, daß die aus der Oberfläche emittierten Elektronen nachgewiesen werden, daß dabei der Nachweis von aus einem bestimmten Bereich der Oberfläche emittierten Elektronen durch eine Abblockvorrichtung verhindert wird und daß gleichzeitig die Grenze des Bereichs mit Hilfe von Punkten der Oberfläche, an denen eine abrupte Änderung der Intensität der nachgewiesenen, emittierten Elektronen auftritt, lokalisiert wird, wodurch die Bestimmung der relativen Höhenlage dieser Punkte möglich wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachweis von aus einem weiteren Bereich der Oberfläche ausgelösten Elektronen durch die gleiche Abblockvorrichtung verhindert wird und daß die Grenze des weiteren Bereichs mit Hilfe von Punkten, an denen eine abrupte Änderung der Intensität der nachaewiesenen emittierten Elektronen auftritt, lokalisiert wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch qekennζeichent, daß der Nachweis von aus einer Anzahl zusätzlicher Bereiche der Oberfläche ausgelösten Elektronen verhindert wird und daß die Grenzen der zusätzlichen Bereiche jeweils mit Hilfe von Punkten, an denen eine abrupte Änderung der Intensität der nachgewiesenen emittierten- Elektronen auftritt, lokalisiert wij."d.
    509820/08 0 0
  4. 4. Verfahren nach .Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
    der Nachweise der Elektronen jeweils durch die gleiche { Vorrichtung verhindert wird und daß die Oberfläche bezüglich ihr bewegt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl die Oberfläche abtastet.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichent, daß der Nachweis der emittierten Elektronen aufgezeichnet wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachweis der emittierten Elektronen auf einer Anzeigevorrichtung dargestellt wird, wobei die Anzeigevorrichtung und der abtastende Elektronenstrahl miteinander synchronisiert werden.
  8. 8. Vorrichtung zur Bestimmung des Abstandes von Punkten einer Oberflächt1 von einer Bezugsebene, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Einstrahlung von Elektronen auf die zu untersuchende Oberfläche, eine Nachweisvorrichtung zum Nachweisen
    . der durch die Einstrahlung von der Oberfläche emittierten Elektronen, eine Einrichtung zur Verhinderung des Nachweises der von einem bestimmten Bereich der Oberfläche emittierten Elektronen, wobei die relative Lage der Einrichtung -zur Verhinderung des Nachweises und der N ach we is vor richtung fest vorgegeben ist, und eine Einrichtung zur Lokalisierung der Grenze des Bereichs durch Feststellung der Lage von Punkten
    der Oberfläche, an welchen die Ausgangsgröße der Nachweisvorrichtung abrupt ihren Wert ändert, wodurch die Bestimmung der relativen Höhenlagen dieser Punkte möolich wird.
    509820/0800
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Verhinderung des,Nachweises eine im Abstand von der Oberfläche zwischen dieser und der Machweisvorrichtung liegende Abschirrauncr (28) umfaßt.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung (28) eine Kante (3o) aufweist und de.3 die Grenze des Bereichs durch die Schnittlinie einer die Kante (3o) und die Nachweisvorrichtung enthaltenden Ebene mit der Oberfläche gegeben ist.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet , daß die Ebene einen vorgegebenen Winkel mit einer den interessierenden, zu lokalisierenden Punkt enthaltenden Bezugsebene einschließt.
  12. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-11, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Vorrichtung (22) zur Verhinderuno drs Nachweises von Elektronen aus zusätzlichen Bereichen vorgesehen ist.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Vorrichtung (22) die Oberfläche bezüglich der Abschirmuna (2 8) bewegt.
  14. 14. .Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Einstrahlung von Elektronen auf die zu untersuchende Oberfläche eine das Abtasten der Oberfläche durch den Strahl bewirkende Einrichtung aufweist.
  15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß eine Anzeigeeinheit (3 4) zur Anzeioe der Ausgancrsqröße der Nachweisvorrichtung und eine Einrichtuna (32) zur Synchronisation
    509820/0800
    der Anzeigeeinheit mit dem abtastenden Elektronenstrahl vorgesehen sind. j
  16. 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 - 15, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Winkel im wesentlichen 9o° ist.
  17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aufzeichnungseinheit (34) zum Aufzeichnen der Ausgangsgröße der Nachweisvorrichtung vorgesehen ist.
  18. 18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1o - 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweisvorrichtung einen im wesentlichen Punktförmigen, elektronenempfindlichen Teil aufweist, wobei die die Grenze des Bereichs definierende Linie sich als Schnittlinie der Oberfläche mit der die Kante (3o) und den elektronenempfindlichen Teil enthaltenden Ebene ergibt.
  19. 19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-18, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweisvorrichtung einen Rückstreuungsdetektor umfaßt.
  20. 20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-18, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweisvorrichtung einen unvorgespannten Sekundäremmissionsdetektor umfaßt.
    6. November 19 74/958 d
    509820/0800
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