DE2922325C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Rasterelektronenmikroskop nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein 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 Elektronenstrahl­ erzeuger austretenden Elektronen in einer elektronen­ optischen Säule mittels einer Anode auf eine gewünschte Geschwindigkeit beschleunigt, fokussiert und über Ablenk­ spulen abgelenkt. Nach Verlassen der elektronenoptischen Säule treffen die Elektronen auf die zu untersuchende Probe und schlagen dort material- bzw. topograhie­ spezifische Sekundärelektronen heraus, die von Detektoren detektiert werden.

In vielen Fällen jedoch muß die Energie des Elektronen­ strahls bzw. die Geschwindigkeit seiner Elektronen an die Probenverhältnisse angepaßt werden. Handelt es sich bei den Proben beispielsweise um mit Hilfe des Potential­ kontrastverfahrens (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 Strahlungsintensität (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. Linsen­ fehlern, 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 Auflösungs­ vermögen 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 des Elektronenstrahls zur Anpassung an die jeweiligen Proben­ verhältnisse 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 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 Pumpöle. Aus diesem Grunde ist für einen stabilen Betrieb eines Rasterelektronenmikroskops bei niedrigen Beschleunigungsspannungen ein hohes, möglichst ölfreies Vakuum erforderlich, das jedoch nur durch relativ lange Abpumpzeiten erzeugt werden kann.

Aus der US-PS 34 74 245 ist ein Rasterelektronenmikroskop der eingangs genannten Art bekannt. Dabei dient die zwischen der elektronenoptischen Säule und der Probehalterung angeordnete, auf einem einstellbaren negativen Potential liegende Elektrode dazu, die Sekundärelektronen, also diejenigen, die aus der Probe herausgeschlagen werden, derart abzulenken, daß sie durch einen Schlitz eines Szintillators hindurchlaufen.

Ferner ist aus der Zeitschrift "Journal of Scientific Instruments (Journal of Physics E) 1968", Seiten 1073 bis 1080, bekannt, bei einem Rasterelektronenmikroskop die Geschwindigkeit der auf die Probe auftreffenden Elektronen durch ein Bremsfeld zwischen der elektronenoptischen Säule und der Probe zu verringern. Hierzu wird an die Probe ein negatives Potential von mehreren 1000 V angelegt oder die Probe auf einer Elektrode mit negativem Potential befestigt. Da aber, z. B. zur Untersuchung von Halbleiter­ strukturen, die Probe praktisch elektrisch angesteuert wird, darf sie nicht auf z. B. 1000 V liegen. Ein derart ausgestaltetes Rasterelektronenmikroskop ist zur Unter­ suchung von Halbleiterstrukturen also nur bedingt einsetzbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Raster­ elektronenmikroskop zu schaffen, bei dem der Primär­ elektronenstrom in seiner Energie der jeweils zu untersuchenden Probe anpaßbar ist, ohne daß ein Nach­ fokussieren innerhalb der elektronenoptischen Säule erforderlich ist. Ferner soll ein stabiler Betrieb bei geringer Geschwindigkeit der auf die Probe auftreffenden Primärelektronen auch bei einer gewissen Verunreinigung des Vakuums gewährleistet sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Zwischen der Kathode des Elektronenstrahlerzeugers und der Anode liegt somit eine die Elektronen beschleunigende erste Spannung, die z. B. auf einen konstanten Wert eingestellt werden kann, während zwischen der Anode und der Bremselektrode eine zweite variierbare Spannung mit einer zur ersten Spannung umge­ kehrten 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 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 auftreffen­ den Elektronen vermindert werden, so wird lediglich die zweite zwischen Anode und Bremselektrode liegende Spannung entsprechend eingestellt, während die erste Spannung zwi­ schen der Kathode des Elektronenstrahlerzeugers 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 ein­ stellbar 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 Rasterelektro­ nenmikroskops gewährleistet ist.

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

Eine Weiterbildung der Erfindung ist im Anspruch 2 gekennzeichnet.

Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.

In der Figur ist schematisch ein Rasterelektronenmikro­ skop gezeigt, welches zur Erzeugung von freien Elektronen eine Kathode 1 besitzt, gegenüber der eine zur Beschleuni­ gung der Elektronen vorgesehene Anode 2 angeordnet ist. Zwischen der Kathode 1 und der Anode 2 liegt eine Span­ nungsquelle S 1 mit einer konstanten Spannung von z. B. U 1 = 10 KV, so daß die aus der Kathode 1 austretenden Elek­ tronen mit relativ hoher Geschwindigkeit in ein sich an die Anode 2 anschließendes evakuiertes, aus einem nicht­ magnetischen Material bestehendes, elektrisch 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 unter­ halb 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 weite­ re 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 Brems­ elektrode 14 angeordnet, die mit dem negativen Pol einer zwischen ihr und der Anode 2 liegenden zweiten Spannungs­ quelle S 2 verbunden ist. Die Bremselektrode 14 kann z. B. scheibenförmig ausgebildet und mit einem im Zentrum der Scheibe liegenden Loch zum Durchtritt der Elektronen ver­ sehen oder als hohlzylinderförmige Elektrode gefertigt sein.

Die Spannung U 2 der Spannungsquelle S 2 ist dabei auf ver­ schiedene konstante Werte einstellbar, derart, daß die aus dem Rohr 3 bzw. aus der elektronenoptischen Säule aus­ tretenden Elektronen mit einer gewünschten, relativ gerin­ gen Energie bzw. Geschwindigkeit auf die zu untersuchende Probe 13 auftreffen können. Beispielsweise kann die Span­ nung U 2 Werte von U 2 = 0 bis U 2 = - 10 KV annehmen. Die Größe der Spannung U 2 wird dabei je nach Art der Probe 13 und des Untersuchungsverfahrens (z. B. Potentialkontrast-Ver­ fahren) vorgewählt.

Der Nachweis der aus der Probe 13 herausgeschlagenen Elek­ tronen (Sekundärelektronen) bzw. ihre Energieselektion kann dabei z. B. mittels einer mit einem Szintillator und einer Gegenfeldelektrode (Gitter 15 a) versehenen Photoverviel­ facherröhre 15 oder anderer geeigneter Nachweisgeräte für Elektronen erfolgen, die zusammen mit der Probe 13 inner­ halb eines ebenfalls evakuierten Untersuchungsraumes 16 an­ geordnet sind.

An die Bremselektrode 14, die dicht unterhalb der elektro­ nenoptischen Säule liegt, kann aber auch zusätzlich eine periodische, z. B. eine rechteck- oder sinusförmige Spannung angelegt werden, die der konstanten zweiten Spannung U 2 überlagert wird. Dies ist z. B. zur Untersuchung der Funk­ tion integrierter Halbleiterschaltungen erforderlich, wenn elektrische, schnell veränderliche Potentiale innerhalb der Schaltungen bzw. auf der Probe stroboskopisch beob­ achtet werden sollen (L. Reimer, G. Pfefferkorn; Raster­ elektronenmikroskopie (1977), Seite 149, Abschnitt 4.5.4). Eine derartige Untersuchung erfolgt aber ebenfalls bei niedrigen Elektronengeschwindigkeiten, so daß eine Ab­ bremsung der aus dem Rohr 3 mit hoher Geschwindigkeit austretenden Elektronen erfolgen muß.

Claims (2)

1. Rasterelektronenmikroskop mit einem Elektronen­ strahlerzeuger, 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 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, bei der zwichen der elektronenoptischen Säule und der Proben­ halterung eine auf negativem Potential liegende Elektrode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der als Brems­ elektrode (14) wirkenden Elektrode und der Anode (2) eine Gleichspannungsquelle (S 2) liegt, die eine die Geschwindigkeit der aus der elektronenoptischen Säule austretenden Elektronen vermindernde, einstellbare Spannung (U 2) erzeugt, und daß die Probe (13) und die Bremselektrode (14) gemeinsam mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle (S 2) auf Erdpotential liegen.

2. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen der Bremselektrode (14) und der Anode (2) anliegenden Gleichspannung eine Wechselspannung überlagert ist.