DE2922325A1

DE2922325A1 - Rasterelektronenmikroskop

Info

Publication number: DE2922325A1
Application number: DE19792922325
Authority: DE
Inventors: Klaus Dieter Ing Grad Manzke
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1979-06-01
Filing date: 1979-06-01
Publication date: 1980-12-11
Also published as: JPS6334588B2; FR2458142B1; FR2458142A1; US4330707A; JPS55161344A; DE2922325C2; GB2052147A; CA1141481A

Description

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PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH, Steindamm 94, 2000 Hamburg

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Rasterelektronenmikrο skop

Die Erfindiang betrifft ein Rasterelektronenmikroskop, mit einem Elektronenstrahlerzeuger, einer eine Anode zur Beschleunigung der Elektronen enthaltenden elektronenoptischen Säule, unterhalb der eine Probenhalterung zur Aufnähme und Positionierung einer zu untersuchenden Probe angeordnet ist, und mit einem Detektor zum Detektieren der aus der Probe austretenden Elektronen, der mit einem Sichtgerät zur Darstellung eines vergrößerten Bildes der Probe mit Hilfe der detektierten Elektronen verbunden ist.

Ein derartiges Rasterelektronenmikroskop ist bereits aus der Zeitschrift "Philips Technische Rundschau", 35. Jahrgang, 1975/76, Nr. 6, Seiten 165 bis 178, bekannt. Bei ihm werden die aus einem Elektronenstrahlerzeuger austretenden Elektronen in einer elektronenoptischen Säule mittels einer Anode auf eine gewünschte Geschwindigkeit beschleunigt, fokussiert und über Ablenkspulen abgelenkt. Nach Verlassen der elektronenoptischen Säule treffen die Elektronen auf die zu untersuchende Probe und schlagen dort material- bzw. topographiespezifische Sekundärelektronen heraus, die von Detektoren detektiert werden.

In vielen Fällen jedoch muß die Energie des Elektronenstrahls bzw. die Geschwindigkeit seiner Elektronen an die Probenverhältnisse angepaßt werden. Handelt es sich bei

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den Proben beispielsweise um mit Hilfe des Potentialkontrastverfahrens (S. 166, Spalte 2, Absatz 3, Zeilen 9-14) zu kontrollierende Halbleiterstrukturen mit hohem Integrationsgrad, so ist ebenfalls aus der genannten Veröffentlichung bekannt, daß zur Erzielung eines hohen Auflösungsvermögens (S. 168, Spalte 2, Absatz 2) - neben einer guten Dosierbarkeit der Strahlintensität (S. 169, Spalte 1, Absatz 2) - die Geschwindigkeit der auf die zu untersuchende Probe auftreffenden Elektronen relativ gering zu wählen ist. Das Auflösungsvermögen eines Rasterelektronenmikroskops hängt hierbei im allgemeinen nicht ausschließlich von optischen Größen wie z.B. Linsenfehlern, Linsenöffnungen und dem Durchmesser des Elektronenstrahls auf der Probe ab. Die Diffusionslänge der Elektronen in der Probe bzw. ihre Eindringtiefe hat ebenfalls einen Einfluß, derart, daß das Auflösungsvermögen umso größer wird, je kleiner die Diffusionslänge und damit die Energie bzw. Geschwindigkeit der Elektronen ist.

Die Trennung der aus der Probe herausgeschlagenen Sekundärelektronen nach Energien eröffnet dann die Möglichkeit, eine Abbildung von Potentialunterschieden auf der Probenoberfläche zu erhalten, so daß z.B. im Betrieb befindliche integrierte Schaltungen sowohl auf ihren Aufbau als auch auf ihre Funktionsweise hin überprüft werden können (siehe z.B. auch L. Reimer, G. Pfefferkorn; Rasterelektronenmikroskopie, (1977), S. 146).

Eine Veränderung der Energie bzw. der Intensität des Elektronenstrahls zur Anpassung an die jeweiligen Probenverhältnisse erfordert jedoch eine Veränderung der Beschleunigungsspannung, wodurch jedesmal eine Änderung der Fokussier- und Ablenkspannungen erforderlich wird.

Bei niedrigen Beschleunigungsspannungen erweist sich zusätzlich die mangelnde Stabilität des Elektronenstrahls

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als nachteilig, die aufgrund von Verunreinigungen innerhalb des vom Elektronenstrahl durchlaufenen evakuierten Bereichs auftreten. Diese Verunreinigungen sind zum Teil Rückstände der durch den Elektronenstrahl gecrackten Pumpole. Aus diesem Grunde ist für einen stabilen Betrieb eines Rasterelektronenmikroskops bei niedrigen Beschleunigung s spannungen ein hohes, möglichst ölfreies Vakuum ererforderlich, das Jedoch nur durch relativ lange Abpumpzeiten erzeugt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Rasterelektronenmikroskop anzugeben, bei dem bei Änderung der Geschwindigkeit des auf die Probe auftreffenden Elektronenstrahls ein Nachfokussieren des Elektronenstrahls innerhalb der elektronenoptisehen Säule vermieden wird und bei dem bei geringer Geschwindigkeit der auf die Probe auftreffenden Elektronen ein stabiler Betrieb auch bei einer gewissen Verunreinigung des Vakuums gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen der elektronenoptischen Säule und der Probenhalterung eine Bremselektrode angeordnet ist, zwischen der und der Anode eine die Geschwindigkeit der aus der elektronenoptischen Säule austretenden Elektronen vermindernde, einstellbare Spannung anlegbar ist.

Zwischen der Kathode und der Anode liegt somit eine die Elektronen beschleunigende erste Spannung, die z.B. auf einen konstanten Wert eingestellt werden kann, während zwisehen der Anode und der Bremselektrode eine zweite variierbare Spannung mit einer zur ersten Spannung umgekehrten Polarität anliegt, so daß die Geschwindigkeit der aus der elektronenoptischen Säule austretenden Elektronen je nach Art der zu untersuchenden Probe vermindert werden kann. Die erste zwischen Kathode und Anode liegende konstante Spannung ist dabei relativ hoch. Auf diese Weise wird er-

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reicht, daß sich der Elektronenstrahl mit konstanter und hoher Geschwindigkeit durch die elektronenoptische Säule bewegt und unempfindlich gegen Verunreinigungen, z.B. Crack-Produkten auf den Blenden, ist.

Soll nun die Geschwindigkeit der auf die Probe auftreffenden Elektronen vermindert werden, so wird lediglich die zweite zwischen Anode und Bremselektrode liegende Spannung entsprechend eingestellt, während die erste Spannung zwi~

1Q sehen dem Elektronenstrahlerzeuger (Kathode) und der Anode konstant bleibt.

Aufgrund dieser Maßnahme wird erreicht, daß jeweils bei Änderung der Elektronengeschwindigkeit allein durch die zweite Spannung, die z.B. auf einen konstanten Wert einstellbar ist, ein entsprechendes Anpassen der Ablenk- und Fokussierungsspannungen innerhalb der elektronenoptischen Säule entfällt. Zudem durchläuft der Elektronenstrahl nach Austritt aus der elektronenoptischen Säule bzw. nach Hindurchtreten durch eine letzte Aperturblende nur eine relativ kurze Strecke mit niedriger Geschwindigkeit bis zur Probe, so daß ein stabiler Betrieb des Rasterelektronenmikroskops gewährleistet ist.

Ferner wird durch die hohe Geschwindigkeit des Elektronenstrahls innerhalb der elektronenoptischen Säule erreicht, daß keine zu großen Anforderungen an die Höhe des Vakuums gestellt zu werden brauchen, und daß demzufolge die Abpumpzeiten begrenzt sind.

Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.

In der Fig. 1 ist schematisch ein Rasterelektronenmikroskop gezeigt, welches zur Erzeugung von freien Elektronen eine Kathode 1 besitzt, gegenüber der eine zur Beschleuni-

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gung der Elektronen vorgesehene Anode 2 angeordnet ist. Zwischen der Kathode 1 und der Anode 2 liegt eine Spannungsquelle S1 mit einer konstanten Spannung von z.B. U1=10KV, so daß die aus der Kathode 1 austretenden Elektronen mit relativ hoher Geschwindigkeit in ein sich an die Anode 2 anschließendes evakuiertes, aus einem nichtmagnetischen Material bestehendes, e3.ektrisch leitendes und mit der Anode 2 verbundenes Rohr 3 eintreten. Entlang dieses Rohres 3 befinden sich Spulen 4 zur Zentrierung bzw. Fokussierung des Elektronenstrahls sowie eine unterhalb der Spule 4 angeordnete Spule 5 zur Erzeugung zweier Kondensorlinsen 6 und 7. Unterhalb der Kondensorlinsen 6 und 7 ist eine weitere das Rohr 3 umgebende Spule 8 zur Bildung einer Objektivlinse 9 angeordnet, wobei die weitere Spule 8 zwei Ablenkspulen 10, 11 zur ebenen Ablenkung des Elektronenstrahls auf der Oberfläche einer unterhalb des Rohres 3 auf einer Probenhalterung 12 (Goniometer) liegenden Probe 13 umschließt.

Zwischen dem unteren Ende des Rohres 3, das gleichzeitig das Ende der elektronenoptischen Säule darstellt, und der Probenhalterung 12 ist eine mit der Probenhalterung 12 elektrisch verbundene und auf Erdpotential liegende Bremselektrode 14 angeordnet, die mit dem negativen Pol einer zwischen ihr und der Anode 2 liegenden zweiten Spannungsquelle S2 verbunden ist. Die Bremselektrode 14 kann z.B. scheibenförmig ausgebildet und mit einem im Zentrum der Scheibe liegenden Loch zum Durchtritt der Elektronen versehen oder als hohlzylinderförmige Elektrode gefertigt sein.

Die Spannung U2 der Spannungsquelle S2 ist dabei auf verschiedene konstante Werte einstellbar, derart, daß die aus dem Rohr 3 bzw. aus der elektronenoptischen Säule austretenden Elektronen mit einer gewünschten, relativ geringen Energie bzw. Geschwindigkeit auf die zu untersuchende

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Probe 13 auftreffen können. Beispielsweise kann die Spannung U2 Werte von U2=0 bis U2=-10KV annehmen. Die Größe der Spannung U2 wird dabei je nach Art der Probe 13 und des Untersuchungsverfahrens (z.B. Potentialkontrast-Verfahren) vorgewählt.

Der Nachweis der aus der Probe 13 herausgeschlagenen Elektronen (Sekundärelektroden) bzw. ihre Energieselektion kann dabei z.B. mittels einer mit einem Szintillator und einer Gegenfeldelektrode (Gaze 15a.) versehenen Photovervielfacherröhre 15 oder anderer geeigneter Nachweisgeräte für Elektronen erfolgen, die zusammen mit der Probe 13 innerhalb eines ebenfalls evakuierten Untersuchungsraumes 16 angeordnet sind.

An die Bremselektrode 14, die dicht unterhalb der elektronenoptischen Säule liegt, kann aber auch zusätzlich eine periodische, z.B. eine rechteck- oder sinusförmige Spannung angelegt werden, die der konstanten zweiten Spannung U2 überlagert wird. Dies ist z.B. zur Untersuchung der Funktion integrierter Halbleiterschaltungen erforderlich, wenn elektrische, schnell veränderliche Potentiale innerhalb der Schaltungen bzw. auf der Probe stroboskopisch beobachtet werden sollen (L. Reimer, G. Pfefferkorn; Rasterelektronenmikroskopie (1977), Seite 149, Abschnitt 4.5.4). Eine derartige Untersuchung erfolgt aber ebenfalls bei niedrigen Elektronengeschwindigkeiten, so daß eine Abbremsung der aus dem Rohr 3 mit hoher Geschwindigkeit austretenden Elektronen erfolgen muß.

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Claims

PHILIPS PATENTVERÄALTUSG ÜXBH, Steindamm 94, 2000 Hamburg

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Patentansprüche:

Rasterelektronenmikroskop, mit einem Elektronenstrahlerzeuger, einer eine Anode zur Beschleunigung der Elektronen enthaltenden elektronenoptischen Säule, unterhalb der eine Probenhalterung zur Aufnahme und Positionierung einer zu untersuchenden Probe angeordnet ist, und mit sinem Detektor zum Detektieren der aus der Probe austretenden Elektronen, der mit einem Sichtgerät zur Darstellung eines vergrößerten Bildes der Probe mit Hilfe der detektierten Elektronen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der elektronenoptischen Säule und der Probenhalterung (12) eine Bremselektrode (14) angeordnet ist, zwischen der und der Anode (2) eine die Geschwindigkeit der aus der elektronenoptischen Säule austretenden Elektronen vermindernde, einstellbare Spannung (U2) anlegbar ist.
2. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Bremselektrode

(14) und der Anode (2) eine Gleichspannung liegt.
3. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen der Bremselektrode (14) und der Anode (2) liegende Spannung aus einer Gleichspannung und einer Wechselspannung zusammengesetzt ist.

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