DE2452826B2

DE2452826B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Höhenlage von Punkten einer Oberfläche

Info

Publication number: DE2452826B2
Application number: DE2452826A
Authority: DE
Inventors: Edward A. Depew Gasiecki; Hiramie T. Williamsville Mcadams
Original assignee: Calspan Corp
Current assignee: Calspan Corp
Priority date: 1973-11-09
Filing date: 1974-11-07
Publication date: 1979-10-04
Also published as: DE2452826A1; JPS5511204B2; JPS5081175A; FR2250977A1; NL7414104A; US3876879A; GB1485449A

Description

Verfahren und Vorrichtungen zur Vermessung von Oberflächen verschiedenster Objekte sind bekannt. Sie lassen sich ganz allgemein in zwei Kategorien unterteilen, nämlich die berührend arbeitenden und die berührungslos arbeitenden Arten.

Die berührend arbeitenden Vorrichtungen weisen in der Regel eine Spitze auf, mit der die zu messende Oberfläche abgetastet wird. Wegen der Rundung der Spitze und der Notwendigkeit der Anwendung extrem geringer Berührdrucke zur Verhinderung einer Beschädigung der zu messenden Oberfläche, ist das Auflösungsvermögen derartiger Vorrichtungen begrenzt.

Die berührungslos arbeitenden Vorrichtungen umfassen in der Regel optische Einrichtungen, wie beispielsweise optische Mikroskope. Diese Vorrichtungen sind, obwohl mit ihnen das Profil eines Objektes in einer zur bo optischen Achse senkrechten Ebene nachgewiesen werden kann, für eine schnelle und genaue Bestimmung der kompletten dreidimensionalen Topographie der Oberfläche eines solchen Objekts nicht geeignet. Darüberhinaus können Höhenunterschiede, die kleiner als die Wellenlänge des Lichtes sind, mit optisch messenden Vorrichtungen nicht nachgewiesen werden.

Ganz allgemein können sowohl rrit ?!Π?ΠΊ 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 eine große Anzahl von Abschnitten zu zerschneiden und das Profil der Ränder jedes Abschnitts zu betrachten, ließen sich genügend Daten sammeln, um die gesamte Topographie bzw. die genaue Oberflächen form oder- -ausbildung des Objekts zu bestimmen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein schnell arbeitendes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen, mit welchen genaue Oberflächendaten erhalten werden können, ohne daß die Notwendigkeit einer Berührung oder Zerteilung des Objekts besteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verfahrensschritte gelöst:

a. Erzeugen einer Emission von Elektronen aus der Oberfläche durch einen auf die Oberfläche gerichteten Elektronenstrahl;

b. Nachweisen der emittierten Elektronen außerhalb eines Bereiches durch den der Nachweis verhindert wird:

c. Abtasten der Grenze dieses Bereiches durch Feststellen eines Intensitätsprangs der nachgewiesenen emittierten Elektronen für jeden Grenzwert;

d. Errechnen der relativen Höhenlage jedes Meßpunktes aufgrund der Geometrie der Meßanordnung durch Vergleich mit einer Bezugsebene.

Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen auf die zu untersuchend Oberfläche gerichteten Sender von Elektronen, einen Detektor zum Nachweisen der durch die Einstrahlung aus der Oberfläche emittierten Elektronen, eine Abschirmeinrichtung zum Verhindern des Nachweises der aus einem bestimmten Bereich der Oberfläche emittierten Elektronen, wobei die relative Lage der Abschirmeinrichtung fest vorgegeben ist, und eine Synchronisiereinrichtung, mittels welcher der Sender abhängig vom Ausgangssignal des Detektors steuerbar ist

Bezüglich weiterer Ausgestaltungen dieser Vorrichtung wird auf die Unteransprüche 3 bis 12 verwiesen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläutert

Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

F i g. 2 eine Darstellung eines Teils der Vorr. :htung gemäß F i g. 1 in vergrößertem Maßstab,

Fig.3 eine Schnittansicht längs der Ebene 3-3 der F i g. 2 und

Fig.4 eine der Fig.3 ähnliche Darstellung mit abgeänderter Winkelanordnung der einzelnen Elemente.

Gemäß F i g. 1 begrenzt ein Gehäuse 10 eine evakuierte Kammer 12, in welche die elektronenoptische Säule 14 eines herkömmlichen Rasterelektronenmikroskops ragt, dessen Ablenkeinheit dafür sorgt, daß ein enggebündelter Elektronenstrahl 16 eine zu untersuchende Fläche einer Probe 18 abtastet bzw. überstreicht. Die Probe 18 befindet sich auf einer Trägerplatte 20, welche mit Hilfe eines Motors 22 in Richtung des Doppelpfeils A linear bewegt werden kann, und darüberhinaus noch weitere Freiheitsgrade aufweist.

Ein Detektor 24 spricht auf einen Elektronenstrahl 26 an, der als Folge des auftreffenden Elektronenstrahls 16 von der Probe 18 ausgeht, wobei der auftreffende Elektronenstrahl die Probe zeilenweise abiastet, das heißt in Richtung des Pfeils A kontinuierlich und in Richtung des Pfeils B schrittweise fortschreitet. Alternativ dazu können die Zeilen auch in Richtung des Pfeiles B liegen. Um nun eine Bestimmung der Oberflächenerhebungen der Probe möglich zu machen, werden nur diejenigen Elektronen nachgewiesen, welche längs gerader Linien laufen. Zu diesem Zweck weist der Detektor 24 vorzugsweise einen Kollektor für rückgestreute Elektronen oder einen unvorgespannten Sekundäremissionskollektor auf, wobei die auf Elektronen ansprechende Fläche des Detektors so klein wie möglich dimensioniert ist, d. h. sich möglichst einem Punkt nähert.

Zwischen der Probe 18 und dem Detektor 24 ist eine Abschirmplatte 28 vorgesehen, welche bezüglich der Probe 18 verstellbar am Gehäuse 10 angebracht ist und eine definierte Kante 30 an ihrem dem Elektronenstrahl 26 zugewandten Ende aufweist.

Wie üblich wird die elektronenoptische Säule 14 von einem Ahtastge.nerator 32 gesteuert; welcher die Bewegung des Elektronenstrahls mit einer Anzeige- und/oder Aufzeichnungseinheit 34 synchronisiert, dies wiederum auf ein geeignet verstärktes, vom Detektor 24 über eine Leitung 36 kommendes Signal anspricht Die Anzeigeeinheit 34 kann eine Kathodenstrahlröhre bekannter Bauart aufweisen.

Wie in F i g. 2 verdeutlicht, kann die Oberfläche der Probe 18 z. B. ein Querschnittprofil aus Bergen und Tälern aufweisen. Aus Gründen der Einfachheit der

ίο Darstellung wurde das Profil aus gleichen Bergen und Tälern bestehend dargestellt, wobei es sich von selbst versteht, daß in Wirklichkeit ein unregelmäßiges Querschnittsprofil mit Erhöhungen und Vertiefungen vorliegen wird. Die auf Elektronen empfindliche Fläche des Detektors 24 ist als Punkt D dargestellt Eine Ebene L, welche diesen Punkt und die Kante 30 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 P\, Pi, Pi,..., P_n, deren relative Abstände von der als Bezugsebene dienenden Ebene M bzw. einer dazu parallelen, die Kante 30 enthaltenden Ebene, bestimmt werden sollen.

Wie in F i g. 3 zu entnehmen ist wird eine in der

2: Ebene L in einem Punkt P der Probenoberfläche entspringende und am Detektor im Punkt D endende Strecke im Punkt R durch die Kante 30 geschnitten.

F i g. 3 zeigt, daß der Abstand des Punktes P vom Punkt R eine Funktion des Abstandes X des Punktes P

jo von einer zur Bezugsebene M parallelen und die Kante 30 enthaltenden Ebene sowie des Abstandes S zwischen dem Punkt P und einer zur Ebene M senkrechten durch den Punkt R gehenden Geraden. Elektronen, die in geraden Linien von Bereichen der Probenoberfläche ausgehen, die, bei Betrachtung gemäß F i g. 3 rechts vom Punkt P liegenden Punkte, wie P' enthalten und unterhalb der Ebene L liegen, können den empfindlichen Punkt D des Detektors nicht erreichen und erzeugen somit auch kein von diesem an die Anzeigeeinheit 34 gelangendes Ausgangssignal. Im Gegensatz dazu erreichen Elektronen, die von links vom Punkt P und oberhalb der Ebene L liegende Punkten, wie P", ausgehen, den empfindlichen Punkt 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

so Detektor 24 für alle Probepunkte führt, mit Ausnahme derer, die im Punkte /"enthaltenden Bereich liegen. Auf diese Weite wird die Grenze solcher Bereiche und die Lage der Punkte Pu P2, P3, ■ ■ ·, P_n als abrupte Änderung im Wert der Detektorausgangsgröße aufgezeichnet und dargestellt.

Mit einer Aufzeichnung der Lage dieser Punkte läßt sich ihre Höhenlage mit Hilfe der folgenden Beziehung leicht berechnen:

X= S tan 6

wobei

X d^;p Höhe eines auf der Oberfläche befindlichen Punktes P, gemessen von der die Kante 30 enthaltenden und zur Ebene Mparallelen Ebene, ist,

S den Abstand in Richtung des Pfeiles A zwischen einem Punkt Pund einer Kante 30 enthaltenden und 7Jir Rhpnp Λ/f QPnIi l*Pr*ht Pn PhpnP kpvpir-hnot unH

θ entsprechend der weiter oben gegebenen Definition, der zwischen den Ebenen L und M angeschlossenen Winkel ist.

Diese Rechnungen lassen sich mit Hilfe geeigneter Analog- oder Digitalrechner wohlbekannter Art automatisch durchführen.

Zum Nachweis der Profile bzw. Höhenlagen in verschiedenen Bereichen der Oberfläche !8 müssen aus verschiedenen Bereichen emittierte Elektronen bezüglich des Detektors 24 abgeblockt werden. Zu diesem Zweck läßt sich die Oberfläche kontinuierlich oder schrittweise bezüglich der Kante 30 und des Detektors 24 bewegen, wodurch sich die Grenzen zusätzlicher Oberflächenbereiche bestimmen lassen. Dies kann nach Belieben wiederholt werden, so daß sich auf diese Weise die gesamte Topographie bzw. die Höhen aller Punkte der Oberfläche bestimmen lassen.

Die Trägerplatte 20 und die Abschirmplatte 28 wurden zwar in parallelen Ebenen, die im wesentlichen senkrecht zur Achse der elektronenoptischen Säule 14 liegen, dargestellt, wobei θ ein spitzer Winkel ist, jedoch sind auch andere Winkelanordungen möglich. Es hat sich in der Praxis ergeben, daß eine bevorzugte Anordnung diejenige ist, bei welcher θ gleich 90° ist. Um dies zu erreichen können die Trägerplatte 20 und die Abschirmung 28 bezüglich der Achse der elektronenoptischen Säule 14 geeignet geneigt werden, wie schematisch in Fig.4 dargestellt ist. In diesem Fall ist die Höhe Abgegeben durch:

γ'

sin/7

wobei

β der Winkel zwischen der Achse der elektronenoptischen Säule 14 und der die Kante 30 der Abschirmplatte 28 und den empfindlichen Punkt D des Detektors 24 enthaltenden Ebene ist.

Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Abwandlungen denkbar.

Beispielsweise kann anstelle der Abschirmplatte 28 auch ein positives Feld ins Auge gefaßt 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung der Höhenlage von Punkten einer Oberfläche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

b. Nachweisen der emittierten Elektronen außer- ι ο halb eines Bereiches durch den der Nachweis verhindert wird;

c Abtasten der Grenze dieses Bereiches durch Feststellen eines Intensitätsprungs der nachgewiesenen emittierten Elektronen für jeden Grenzwert;

2. Vorrichtung zur Bestimmung der Höhenlage von Punkten einer Oberfläche bezüglich einer Bezugsebene, nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen auf die zu untersuchende Oberfläche gerichteten Sender von Elektronen, einen Detektor (24) zum Nachweisen der durch die Einstrahlung aus der Oberfläche emittierten Elektronen, eine Abschirmeinrichtung zum verhindern des Nachweises der aus einem bestimmten Bereich der Oberfläche emittierten Elektronen, wobei die relative Lage der Abschirmeinrichtung und des Detektors (24) fest vorgegeben ist, und einer Synchronisiereinrichtung, mittels welcher der Sender abhängig vom Ausgangssignal des Detektors (24) steuerbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmeinrichtung eine im Abstand von der Oberfläche zwischen dieser und dem Detektor (24) liegende Abschirmplatte (28) umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmplatte (28) eine Kante (30) aufweist, wobei die Grenze des Emissionsbereichs durch die Schnittlinie einer die Kante (30) und dem Ansprechpunkt (D) des Detektors enthaltenden Grenzebene mit der Oberfläche bzw. der Bezugsebene gegeben ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel θ zwischen Grenzebene (L) und Bezugsebene (M) vorgegeben, bevorzugt etwa 90° ist

β. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine die zu untersuchende Oberfläche enthaltende Probe (18) auf einer Unterlage bezüglich der Abschirmplatte (28) schrittweise oder kontinuierlich bewegbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Detektor (24) und Synchronisiereinrichtung eine Anzeigeeinheit (34) zur Anzeige des Ausgangssignals des Detektors vorgesehen ist

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß die Anzeigeeinheit (34) mit einer Aufzeichnungseinheit zum Aufzeichnen der Ausgangsgröße des Detektors verbunden ist

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (24) als Rückstreuungsdetektor ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (24) als unvorgespannter Sekundäremissionsdetektor ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisiereinrichtung als Abtastgenerator (32) ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender eine elektronenoptische Säule (14) eines Rasterelektronenmikroskops ist