DE60105199T2

DE60105199T2 - Sem mit einem sekundärelektronendetektor mit einer zentralelektrode

Info

Publication number: DE60105199T2
Application number: DE60105199T
Authority: DE
Inventors: M. Jan KRANS
Original assignee: FEI Co
Current assignee: FEI Co
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2001-12-10
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2021-12-11
Also published as: US20020125428A1; US6646261B2; DE60105199D1; WO2002052610A1; EP1350259B1; EP1350259A1

Description

Die Erfindung betrifft eine teilchenoptische Vorrichtung, die aufweist

– eine Teilchenquelle zur Erzeugung eines Primärstrahls elektrisch geladener Teilchen, die sich längs einer optischen Achse der Vorrichtung bewegen,
– einen Probenträger für eine Probe, die mittels der Vorrichtung bestrahlt werden soll,
– eine Fokussiervorrichtung zur Bildung eines Brennpunkts des Primärstrahls in der Nähe des Probenträgers mittels elektrostatischer Elektroden, und
– einen Detektor, der eine Detektoroberfläche zur Detektion elektrisch geladener Teilchen aufweist, die als Reaktion auf das Auftreffen des Primärstrahls von der Probe ausgehen, wobei der Detektor in Ausbreitungsrichtung des Primärstrahls gesehen vor der Fokussiervorrichtung angeordnet ist, und wobei die Detektoroberfläche für den Durchgang des Primärstrahls mit einer zentralen Bohrung versehen ist.

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der veröffentlichten internationalen Patentanmeldung WO 99/34397 bekannt. In der darin beschriebenen Vorrichtung wird ein Bereich einer Probe, der untersucht werden soll, mittels eines primären fokussierten Strahls elektrisch geladener Teilchen, üblicherweise Elektronen, untersucht, die sich längs einer optischen Achse der Vorrichtung bewegen. Eine Vorrichtung dieser Art ist als Rasterelektronenmikroskop (SEM) bekannt.
Die Bestrahlung der Probe, die untersucht werden soll, setzt elektrisch geladene Teilchen, wie Sekundärelektronen, aus der Probe frei; solche Teilchen weisen eine Energie auf, die bedeutend niedriger als jene der Teilchen im Primärstrahl ist, zum Beispiel in der Größenordnung von 1 bis 5 eV. Die Energie und/oder die Energieverteilung solcher Sekundärelektronen liefert eine Information hinsichtlich der Beschaffenheit und Zusammensetzung der Probe. Daher ist ein SEM vorteilhafterweise mit einer Detektionsvorrichtung (Detektor) für Sekundärelektronen ausgestattet. Solche Elektronen werden auf der Seite der Probe freigesetzt, wo der Primärstrahl auftrifft, wonach sie sich entgegengesetzt zur Richtung des Auftreffens der Primärelektronen zurück bewegen. Wenn ein Detektor (zum Beispiel ein Detektor, der mit einer Elektrode versehen ist, die eine positive Spannung führt) in der Bahn der Sekundärelektronen angeordnet ist, die sich so zurück bewegen, werden die Sekundärelektronen durch diese Elektrode eingefangen, und der Detektor wird ein elektrisches Signal abgeben, das proportional zu dem so detektierten elektrischen Strom ist. Das (Sekundärelektronen)-Bild der Probe wird so in einer bekannten Weise gebildet. Der Detektor in der bekannten teilchenoptischen Vorrichtung wird aus einem Detektorkristall aus Zer-dotierten Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) gebildet, das als Reaktion auf den Einfang eines Elektrons adäquater Energie einen Lichtimpuls erzeugt; dieser Lichtimpuls wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, wovon ein Bild der Probe hergeleitet werden kann. Der Detektorkristall ist mit einer Bohrung für den Durchgang des Primärstrahls versehen. Die Oberfläche, die zu den Sekundärelektronen weist, ist die Detektoroberfläche für die Detektion elektrisch geladener Teilchen, die von der Probe als Reaktion auf das Auftreffen des Primärstrahls ausgehen.
Heutzutage gibt es eine Tendenz, SEMs so aufzubauen, daß sie so klein wie möglich sind. Abgesehen von wirtschaftlichen Motiven (allgemein kann eine kleinere Vorrichtung wirtschaftlicher hergestellt werden), bietet eine solche kleine Vorrichtung den Vorteil, daß sie aufgrund ihrer Mobilität und des erforderlichen geringen Raums nicht nur als Laborinstrument, sondern auch als ein Werkzeug zur Bildung kleiner Strukturen, wie zum Beispiel bei der Herstellung integrierter Schaltungen verwendet werden kann. Auf diesem Gebiet kann ein miniaturisiertes SEM zur direkten Herstellung ebenso wie für die Kontrolle der Produkte verwendet werden. In Hinblick auf die direkte Herstellung kann das SEM verwendet werden, um unter Verwendung von Elektronen ein Muster auf den IC zu schreiben, der hergestellt werden soll. In Hinblick auf die Anwendung zur Kontrolle kann das SEM verwendet werden, um den relevanten Prozeß während des Schreibens mittels eines weiteren Teilchenstrahls zu beobachten (zum Beispiel eines Ionenstrahls zur Implantierung in den IC, der hergestellt werden soll); es ist außerdem möglich, das SEM zur Online-Kontrolle eines ICs nach der Vollendung eines Schritts des Herstellungsprozesses zu verwenden.
Zur Miniaturisierung eines SEM ist es attraktiv, ein elektrostatisches Objektiv zu verwenden, da ein solches Objektiv so aufgebaut werden kann, daß es kleiner als eine magnetische Linse ist. Dies ist auf das Fehlen der Notwendigkeit einer Kühleinrichtung (insbesondere der Kühlkanäle für die Linsenspule) zurückzuführen und auf die Tatsache, daß der magnetische (Eisen) Kreis der Linse ein gegebenes Minimalvolumen aufweisen muß, um eine magnetische Sättigung zu verhindern. Außerdem sind aufgrund der Anforderungen, die heutzutage bezüglich eines Hochvakuums im Probenraum gestellt werden, elektrostatische Elektroden (die als glatte Metalloberflächen aufge baut sind) attraktiver als die Oberflächen einer magnetischen Linse, die häufig mit Spulen, Drähten und/oder Vakuumringen versehen sind. Schließlich ist, wie in der Teilchenoptik allgemein bekannt ist, ein elektrisches Feld eine geeignetere Linse für schwere Teilchen (Ionen) als ein Magnetfeld. Das Objektiv im bekannten SEM weist zwei elektrostatische Elektroden auf, die zusammen ein Bremssystem für den Primärstrahl bilden.
Die Anordnung des Detektors für die Sekundärelektronen in einer Position vor der Fokussiervorrichtung in dem bekannten SEM bietet den Vorteil, daß wenn das SEM für die Kontrolle von ICs verwendet wird, es auch leichter ist, in grübchenförmige Unregelmäßigkeiten zu blicken; dies liegt daran, daß die Beobachtung längs derselben Linie stattfindet, wie der, längs welcher der Primärstrahl einfällt. Außerdem würde eine Anordnung eines Detektors seitlich vom Objektiv und direkt über der Probe den Nachteil haben, daß der Detektor es unmöglich machen würde, den Abstand zwischen dem Objektiv und der Probe so klein wie möglich zu machen, was in Hinblick auf die starke Verkleinerung der Elektronenquelle wünschenswert ist, die notwendig ist, um eine Größe des Abtastelektronenflecks zu erreichen, die ausreichend klein ist, um die erforderliche Auflösung zu verwirklichen. Wenn ein elektrostatisches Objektiv in einem SEM verwendet wird, kommt es außerdem häufig vor, daß sich das elektrostatische Linsenfeld des Objektivs über die physikalischen Begrenzungen des Gegenstands hinaus erstreckt, also möglicherweise so weit wie die Probe. Dieses elektrische Feld zwischen der Endelektrode des Objektivs und der Probe wird auch als Streufeld bezeichnet. Aufgrund des Vorhandenseins des Streufelds würden Sekundärelektronen, die von der Probe ausgehen, durch dieses Feld angezogen. Ein Detektor, der zum Beispiel seitlich des Objektivs angeordnet ist, würde dann eine sehr viel stärkere Anziehungswirkung benötigen, wodurch der Primärstrahl in einem unzulässigen Ausmaß beeinflußt werden würde. Dieser nachteilige Effekt wird vermieden, indem der Detektor über dem Objektiv angeordnet wird. Wenn die Sekundärelektronen, die durch das Streufeld angezogen werden, durch die Bohrung des Objektivs gegangen sind, werden sie durch das darin vorhandene elektrische Feld auf einen Energiewert beschleunigt, der dem Potential im Raum vor dem Objektiv entspricht. Die so beschleunigten Elektronen weisen nun eine Energie auf, die ausreicht, um das Detektormaterial anzuregen, wodurch folglich eine Detektion ermöglicht wird.
Die Sekundärelektronen, die detektiert werden sollen, treffen an unterschiedlichen Auftreffpunkten auf die Detektoroberfläche, das heißt, abhängig von der Stelle auf der Probe, von der sie herrühren, von ihrer Anfangsenergie und von dem Winkel, unter dem sie die Probe verlassen. Die Wege solcher Elektronen werden durch das Beschleunigungsfeld beeinflußt, das in den Objektivelektroden vorhanden ist, und durch die Ablenkfelder, die zur Abtastung des Primärstrahls erforderlich sind, da auch der Sekundärelektronenstrahl durch diese Ablenkfelder geht, so daß nicht von vornherein klar ist, wo die Elektronen, die von einem gegebenen Punkt auf der Probe ausgehen, landen werden. Jedoch wird es praktisch immer der Fall sein, daß die Elektronen, die von einem Punkt mit derselben Energie ausgehen und die die Probe auch mit demselben Winkel verlassen, auf annähernd denselben Punkt auf der Detektoroberfläche auftreffen werden, wohingegen Elektronen, die vom selben Punkt und mit demselben Winkel aber mit einer anderen Energie ausgehen, auf einen anderen Punkt auf der Detektoroberfläche treffen werden. Dies ist insbesondere für Elektronen von Wichtigkeit, die von einer grübchenförmigen Vertiefung in der Probenoberfläche herrühren, wie es in integrierten Schaltungen häufig der Fall ist. Solche Elektronen werden die Probenoberfläche in annä hernd rechten Winkeln verlassen. Wenn die grübchenförmige Vertiefung kontrolliert werden soll, wird sie sich am Schnittpunkt der optischen Achse mit der Probenoberfläche oder in direkter Nähe dieses Punkts befinden. Obwohl der Auftreffpunkt auf die Detektoroberfläche für viele Sekundärelektronen nicht von vornherein bekannt ist, ist es eine Tatsache, daß Sekundärelektronen, die von der grübchenförmigen Vertiefung ausgehen, in der Mitte der Detektoroberfläche landen werden, das heißt im Bereich des Schnittpunkts und der Detektoroberfläche. Die zentrale Bohrung für den Durchgang des Primärstrahls befindet sich exakt in diesem Bereich, so daß der Hauptteil dieser wichtigen Sekundärelektronen durch die Detektorbohrung verschwindet und folglich nicht zum Detektorsignal beiträgt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine teilchenoptische Vorrichtung der angegebenen Art bereitzustellen, in der der Sammelwirkungsgrad, daß heißt der Bruchteil der Gesamtzahl emittierter Sekundärelektronen, der letztlich zum detektierten Signal beiträgt, für die beschriebene Situation beträchtlich verbessert wird. Zu diesem Zweck ist die erfindungsgemäße teilchenoptische Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor im Bereich der zentralen Bohrung mit einer Zentralelektrode versehen ist, und daß die teilchenoptische Vorrichtung mit einer Stromversorgungseinrichtung zur Einstellung einer solchen Spannung an der Zentralelektrode versehen ist, daß im Bereich der Detektoroberfläche die Zentralelektrode eine Rückstoßkraft auf die Teilchen ausübt, die von der Probe ausgehen. Als Resultat dieser Schritte wird erreicht, daß die Teilchen, die von der Probe ausgehen und durch die Detektorbohrung gehen würden, durch das elektrische Feld der Zentralelektrode von der Bohrung weg getrieben werden, so daß sie auf die Detektoroberfläche treffen und folglich zum Signal beitragen, das detektiert werden soll.
Für die Untersuchung einer Probe ist es häufig wünschenswert, daß ein Spannungskontrast beobachtet werden kann, was bedeutet, daß Bereiche der Probe, die ein wechselseitig unterschiedliches Potential aufweisen (zum Beispiel in der Größenordnung von einigen Volt), eine andere Intensität im Bild zeigen, so daß zwischen solchen Bereichen im Bild ein Kontrast auftritt. Dies ist insbesondere für die Kontrolle von integrierten Schaltungen wünschenswert, in denen das Vorhandensein von Defekten als das Vorhandensein oder das Fehlen von Spannungsdifferenzen in der Schaltung offenbar wird. Es wird so ein Intensitätsunterschied zwischen Bereichen mit unterschiedlicher Spannung auftreten.
Die Zentralelektrode ist in einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung so aufgebaut, daß sie rotationssymmetrisch um die optische Achse ist. In vielen Fällen wird die Detektoroberfläche eine rotationssymmetrische Form um die optische Achse aufweisen. Eine rotationssymmetrische Form um die optische Achse der Zentralelektrode ist sehr gut mit dieser Form der Detektoroberfläche kompatibel und erzeugt folglich keine elektrischen Felder, die die Rotationssymmetrie stören und folglich die Wege der Sekundärelektronen in einer Weise beeinflussen, die schwierig vorauszusagen ist.
Der Detektor ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung als ein Halbleiterdetektor aufgebaut. Halbleiterdetektoren sind insbesondere für die weitere Miniaturisierung der teilchenoptischen Säule attraktiv, was wünschenswert ist, wenn die Säule zur Wafer-Kontrolle in der Herstellung von Halbleitern verwendet wird. Wenn mehrere Säulen in einer dichten Anordnung eingesetzt werden, erfordert die Verwendung des bekannten Scintillationskristalldetektors das Vorhandensein von vielen Lichtleitern zur Übertragung der optischen Signale zu einem optoelektroni schen Wandler und von Glasgliedern zur Übertragung des Lichts von den Scintillationskristallen zu den Lichtleitern. Dies ist in einer Situation unangenehm, wo eine durchgreifende Miniaturisierung verfolgt wird, so daß die Verwendung eines Detektors, der direkt elektrische Signale liefert (wie der Halbleiterdetektor), in solchen Fällen zu bevorzugen ist. Die (ringförmige) Detektoroberfläche eines Halbleiterdetektors ist mit einem p-dotierten ringförmigen Bereich versehen, der gegenüber Sekundärelektronen empfindlich ist. Um dem elektrischen Feld innerhalb des Halbleiterkörpers die gewünschte Homogenität zu verleihen, muß die Detektoroberfläche mit feldformenden Ringen (Schutzringen), die an den Seiten des ringförmigen p-dotierten Bereichs angeordnet sind, das heißt mit einem ersten Ring direkt um die optische Achse und einem zweiten Ring um den Rand des ringförmigen p-dotierten Bereichs versehen sein. Der Raum, der durch den ersten Schutzring eingenommen wird, steht nicht zur Sammlung der Sekundärelektronen zur Verfügung, die auf diesen Bereich auftreffen, so daß der Sammelwirkungsgrad folglich verschlechtert würde. Es ist ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung, daß das Vorhandensein der Zentralelektrode auch eine Lösung für dieses Problem bietet.
Die Spannung der Stromversorgungseinrichtung kann in einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch den Benutzer der Vorrichtung eingestellt werden. Der Benutzer kann so die Detektion der Sekundärelektronen in Abhängigkeit vom Typ der Probe und von den eingestellten Betriebsbedingungen der Vorrichtung optimieren.
Die Erfindung wird im folgenden im Detail unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, in denen entsprechende Bezugsziffern entsprechende Elemente bezeichnen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektronenoptischen Säule, zusammen mit einer ersten Gruppe von Elektronenwegen,
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektronenoptischen Säule zusammen mit einer zweiten Gruppe von Elektronenwegen;
3 eine detailliertere Darstellung der Sekundärelektronenwege in der Nähe der zentralen Detektorelektrode, und
4 eine Querschnittansicht eines Halbleiterdetektors zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen elektronenoptischen Säule.
1 ist eine schematische Darstellung einer elektronenoptischen Säule, die zur erfindungsgemäßen Verwendung geeignet ist. Diese Figur zeigt im allgemeinen den Weg des Primärelektronenstrahls und den des Sekundärelektronenstrahls. Die Säule, die in dieser Figur gezeigt wird, weist eine optische Achse 2 auf, auf der eine Teilchenquelle in Form einer Elektronenquelle 4 des Feldemissionstyps (Feldemissionskanone oder FEG) angeordnet ist, die eingerichtet ist, einen Primärelektronenstrahl 6 zu erzeugen. Wie bekannt ist, ist es wichtig, daß eine solche Teilchenquelle in einem Vakuum hoher Qualität angeordnet ist, zum Beispiel mit einem Druck in der Größenordnung von 10^–8 N/m². Nachdem er die Quelle 4 verlassen hat, geht der Primärstrahl 6 durch eine Kondensorlinse 8, die imstande ist, den Grad der Konvergenz oder Divergenz des Primärstrahls 6 zu steuern.
Der Kondensorlinse 8 folgt eine Ablenkeinheit 10, die unter anderem zum Richten des Strahls 6 auf die Öffnung 12 der Blende 14 verwendet werden kann, die in einem Blendenhalter 16 angeordnet ist.
Der Öffnungswinkel des Primärstrahls 6 wird durch die Blende 14 begrenzt; nach dieser Blende setzt sich der Strahl im Säulenraum 20 fort. Von oben nach unten betrachtet, beherbergt der Säulenraum aufeinanderfolgend einen Detektorkristall 22, eine elektrostatische Beschleunigungselektrode 24, eine erste elektrische Abtastelektrode 26, eine zweite elektrische Abtastelektrode 28, eine erste elektrostatische Elektrode 30, die Teil des Objektivs bildet, und eine zweite elektrostatische Elektrode 32, die ebenfalls Teil des Objektivs bildet. Schließlich erreichen die Elektronen des Primärstrahls 6 die Probe 34.
Der Detektorkristall 22 bildet einen Teil des Detektors für die Detektion von Sekundärelektronen, die als Reaktion auf das Auftreffen des Primärstrahls von der Probe ausgehen. Der Detektorkristall besteht in dieser Figur aus einem Stoff (zum Beispiel, Cer-dotiertem Yttrium-Aluminium-Granat oder YAG), der als Reaktion auf den Einfang eines Elektrons adäquater Energie einen Lichtimpuls erzeugt; dieser Lichtimpuls wird mittels einer (nicht gezeigten) optischen Leiteinrichtung weitergeleitet und wird in einem optoelektrischen Wandler in ein elektrisches Signal umgewandelt, aus dem ein Bild der Probe abgeleitet werden kann, falls erwünscht. Die letztgenannten Elemente bilden ebenfalls einen Teil des Detektors. Der Detektorkristall 22 ist mit einer Bohrung 36 für den Durchgang des Primärstrahls versehen, und in der Bohrung ist eine Zentralelektrode 35 vorgesehen, die von der Beschleunigungselektrode 24 isoliert ist. Die Zentralelektrode 35 kann mittels einer variablen Stromversorgungseinheit, die nicht gezeigt ist, auf eine gewünschte Spannung von zum Beispiel 5 kV eingestellt werden.
Die elektrostatische Beschleunigungselektrode 24 ist als ebene Platte geformt, die mit einer Bohrung für den Primärstrahl versehen ist, und ist auf dem Detektormaterial, insbesondere auf die Detektorfläche des Scintillationskristalls 22, in Form eines leitfähigen Oxids, zum Beispiel Indiumoxid und/oder Zinnoxid abgeschieden. Die Elektrode 24 kann mittels einer Stromversorgungseinheit, die nicht gezeigt ist, auf eine gewünschte Spannung von zum Beispiel 9 kV eingestellt werden.
Die erste elektrische Abtastelektrode 26 und die zweite elektrische Abtastelektrode 28 bilden einen Teil des Strahlablenksystems zur Steuerung der Abtastbewegung des Primärstrahls über die Probe 34. Jede dieser beiden Elektroden ist als röhrenförmiger Abschnitt aufgebaut, der eine äußere Form in Form eines geraden kreisförmigen Zylinders und eine innere Form in Form eines Kegels aufweist, der in Richtung des Strahls verjüngt ist. Jede der Elektroden 26 und 28 ist durch zwei Sägeschnitte in gegenseitig senkrechten Ebenen durch die optische Achse in vier gleiche Teile unterteilt, so daß jede der Elektroden 26 und 28 imstande ist, durch Anlegen geeigneter Spannungsdifferenzen zwischen den Teilen sowohl in die x-Richtung als auch in die y-Richtung elektrische Dipolfelder zu erzeugen, mit dem Ergebnis, daß der Primärstrahl über die Probe 34 streifen kann und der Weg der Sekundärelektronen, die sich in Richtung des Detektorkristalls bewegen, beeinflußt werden kann. Anstatt die Elektroden 26 und 28 in vier Teile zu unterteilen, können sie auch in eine größere Anzahl von Teilen, zum Beispiel acht gleiche Teile, mittels vier Sägeschnitten in einer Ebene durch die optische Achse unterteilt werden. Wenn die passenden Spannungen an die verschiedenen Teile jeder der Elektroden angelegt werden, kann das so gebildete System nicht nur zur Ablenkung des Strahls, sondern auch als Stigmator verwendet werden.
Die erste Elektrode 30 und die zweite Elektrode 32 bilden das Elektrodensystem, das das Objektiv der Säule bildet. Innen wie außen ist die Elektrode 30 wie ein Kegel geformt, der sich nach unten verjüngt, so daß diese Elektrode in die Elektrode 32 paßt. Innen wie außen ist die Elektrode 32 ebenfalls wie ein Kegel geformt, der sich nach unten verjüngt; die äußere konische Form bietet einen optimalen Raum für die Behandlung von vergleichsweise großen Proben, wie kreisförmige Wafer, die für die Herstellung von ICs verwendet werden und die einen Durchmesser von 300 mm erreichen können. Aufgrund der äußeren konischen Form der Elektrode 32 kann dafür gesorgt werden, daß der Primärstrahl den Wafer unter einem vergleichsweise großen Winkel trifft, indem der Wafer unter dem Objektiv geneigt wird, ohne daß der Wafer eine Störung durch Teile erfährt, die aus dem Objektiv vorstehen. Eine gestrichelte Linie 42 in der Figur zeigt den Bereich an, von dem angenommen wird, daß in ihm die Linsenwirkung des elektrischen Objektivfeldes (also die achsennahe Mitte des Objektivs) lokalisiert ist.
Das Objektiv 30, 32 fokussiert den Primärstrahl 6 in einer solchen Weise, daß die Elektronenquelle mit einer im allgemeinen sehr großen Verkleinerung auf der Probe abgebildet wird; aufgrund dieser starken Verkleinerung ist der Abstand zwischen der Oberfläche der Probe 34 und der Mitte der Linse 36 (die Brennweite) sehr klein, was wie schon erwähnt, die Möglichkeit einer Neigung streng begrenzen würde, wenn die äußere Form der Elektrode 32 nicht konisch wäre.
Das Auftreffen des Primärelektronenstrahls 6 auf die Oberfläche der Probe 34 setzt daraus in der Nähe des Auftreffpunkts 38 Sekundärelektronen frei. Da die Spannungsdifferenz, die zwischen den Objektivelektroden 30 und 32 vorhanden ist, im Raum zwischen der unteren Elektrode 32 und der Probe 34 ebenfalls ein elektrisches Feld bewirkt (das als Streufeld bezeichnet wird), bewegen sich die Sekundärelektronen unter dem Einfluß des Streufelds in Richtung des Objektivs 32, 34. Die Sekundärelektronen bilden folglich einen Sekundärelektronenstrahl 40, dessen Ausbreitungsrichtung jener des Primärstrahls 6 entgegengesetzt ist. Das elektrische Feld, das zwischen den Objektivelektroden 30 und 32 vorhanden ist, beschleunigt die Sekundärelektronen auf eine Geschwindigkeit, die der Spannung zwischen den Objektivelektroden entspricht, die zum Beispiel 10 kV beträgt. Der Sekundärstrahl ist ebenfalls gegenüber der Ablenkung durch die Abtastelektroden 26 und 28 empfindlich, jedoch wird praktisch der gesamte Sekundärstrahl 40 infolge der verjüngten Form des Inneren dieser Elektroden den Detektorkristall 22 erreichen.
2 ist eine schematische Darstellung der elektronenoptischen Säule, die in 1 gezeigt ist, jedoch mit anderen Elektronenwegen. Für diese Figur wird vorausgesetzt, daß die Ablenkfelder, die durch die Abtastelektroden 26 und 28 erzeugt werden, einen vernachlässigbar kleinen Effekt auf die Richtung des Strahls und folglich auf den Auftreffpunkt haben. Diese Annahme ist gerechtfertigt, da der Abtastabstand des Primärstrahls auf der Probe nicht größer als annähernd 100 μm sein wird; die Ablenkfelder, die zu diesem Zweck erforderlich sind, weisen einen solchen Wert auf, daß die Ablenkung des Sekundärelektronenstrahls auf der Detektoroberfläche in derselben Größenordnung liegt. Diese Ablenkung kann ignoriert werden, wenn man die Abmessungen der Detektoroberfläche berücksichtigt. Diese Figur zeigt die Situation, bei der der Primärstrahl die Probenoberfläche am Schnittpunkt 38 der Probenoberfläche und der optischen Achse 2 trifft, das heißt in einer (nicht gezeigten) grübchenförmigen Vertiefung. In diesem Fall verläßt der Sekundärelektronenstrahl 40 die Probenoberfläche am Punkt 38 auf der Achse, das heißt, mehr oder weniger senkrecht zu der Oberfläche. Da die Sekundärelektronen, die am Boden der grübchenförmigen Vertiefung freigesetzt werden, die Probenoberfläche unter annähernd rechten Winkeln verlassen, werden solche Sekundärelektronen die Detektoroberfläche im Bereich der zentralen Bohrung 36 treffen, wie auf der Grundlage der Rotationssymmetrie der Säule verstanden werden kann. Diese Annahme ist gerechtfertigt, da die Größe der Abtastbewegung des Strahls um ein Vielfaches kleiner als die Größe der zentralen Bohrung 36 ist.
3 ist eine detailliertere Darstellung der Sekundärelektronenwege in der Nähe der zentralen Detektorelektrode. Der Klarheit willen zeigt diese Figur den Primärstrahl 6 nicht, sondern ausschließlich den Sekundärelektronenstrahl 40. Wie in 2 wird angenommen, daß die Ablenkfelder, die durch die Abtastelektroden 26 und 28 erzeugt werden, einen vernachlässigbar kleinen Effekt auf die Richtung des Strahls und folglich auf die Auftreffposition haben. Die Figur ist durch eine Computersimulation erhalten worden, bei der vorausgesetzt wird, daß an der Beschleunigungselektrode 24 eine Spannung von 8 kV und an der Zentralelektrode 35 eine Spannung von 5 kV vorhanden ist. Es wird eine Anfangsenergie von 5 eV für den Sekundärelektronenstrahl 40 vorausgesetzt; dieser Strahl erstreckt sich vom Boden aufwärts, wobei die anfänglich divergierenden äußeren Elektronenwege in der Nähe dieser Elektrode deutlich in Richtung der Elektrode 24 gezogen werden. Aufgrund ihrer zentralen Position erfahren die Elektronenwege 44, die der Mitte am nächsten gelegen sind, keine Kraft nach außen und tragen folglich nicht zum Detektorsignal bei. Die Elektronenwege 44, die vom mittleren Teil des Strahls 40 weiter außen gelegen sind, erfahren jedoch eine nach außen gerichtete Kraft und werden folglich von der Bohrung 36 weggedrückt, so daß sie zum Detektorsignal beitragen.
4 ist eine Querschnittansicht eines Halbleiterdetektors zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen elektronenoptischen Säule. Halbleiterdetektoren dieser Art sind als solche bekannt, zum Beispiel aus einem Artikel in IEEE Transactions on Nuclear Science, B. 44, Nr. 6, Dezember 1997, S. 2561 bis 2665: „Response of 100% Internal Quantum Efficiency Silicon Photodiodes to 200 eV–40 keV Electrons", oder aus dem Buch „Scanning Electron Microscopy", Kapitel 5.2: „Current Measurement and Semiconductor Detector" S. 185 bis 190 (ISBN 0-38713530-8). Der Detektor, der in 4 gezeigt wird, ist so angeordnet, daß er um die optische Achse 2 rotationssymmetrisch ist und ist mit einer zentralen Bohrung 36 versehen, in der die Zentralelektrode 35 so vorgesehen ist, daß sie von den restlichen Teilen des Detektors isoliert ist. Der Detektor besteht aus einem Halbleiterkörper 46 aus n^–-Material, in dem ein p-dotierter Bereich 48 vorgesehen ist. Es sind ein innerer Schutzring 50 und ein äußerer Schutzring 52 vorgesehen, um dem elektrischen Feld im Bereich 46 die gewünschte Form zu verleihen. Die Beschleunigungselektrode 24 ist auf dem p-dotierten Bereich 48 und den Schutzringen 50 und 52 vorgesehen. Auf der anderen Seite des Körpers 46 ist ein n⁺-dotierter Bereich 54 vorgesehen. Der Bereich 48 ist der Bereich, der gegenüber den Sekundärelektronen empfindlich ist, wohingegen die anderen Teile der Detektoroberfläche gegenüber solchen Sekundärelektronen nicht empfindlich sind.
In einem typischen Halbleiterdetektor zur Verwendung in einer SEM-Säule, wie in 1 oder 2 gezeigt, weist der Körper 46 einen Durchmesser von annähernd 6 mm auf. Der Durchmesser 56 der zentralen Bohrung 36 beträgt dann annähernd 1 mm, wohingegen der Außendurchmesser 58 des inneren Schutzrings 50 annähernd 2 mm beträgt und der Außendurchmesser 60 des p-dotierten Bereichs 48 annähernd 6 mm beträgt. Da die Abmessungen der Schutzringe durch die erwartete Wirkung bestimmt werden, die diese Ringe auf das elektrische Feld ausüben, kann der Durchmesser dieser Ringe nicht beliebig klein gemacht werden, so daß vor allem der innere Schutzring 50 eine Untergren ze hinsichtlich der Größe der Oberfläche auferlegt, die nicht zum Detektorsignal beiträgt. Die festgestellten Werte zeigen, daß annähernd 11% der Oberfläche, die durch den Sekundärelektronenstrahl erreicht werden kann, nicht zum Detektorsignal beitragen; dieser relative Anteil wird sogar noch größer, wenn die Miniaturisierung der Kontrollsäule fortschreitet, da der Schutzring 50 nicht im selben Ausmaß reduziert werden kann. Die Erfindung bietet dadurch eine Lösung für dieses Problem, daß der Sekundärelektronenstrahl nun in dem Bereich 48 konzentriert wird.

Claims

Teilchenoptische Vorrichtung, mit: – einer Teilchenquelle zum Erzeugen eines Primärstrahls (6) elektrisch geladener Teilchen, die sich längs einer optischen Achse (2) der Vorrichtung bewegen, – einem Probenträger für eine Probe (34), die mittels der Vorrichtung bestrahlt werden soll, – einer Fokussiervorrichtung (8, 30, 32) zum Bilden eines Brennpunkts des Primärstrahls in der Nähe des Probenträgers mittels elektrostatischer Elektroden, und mit – einem Detektor (22), der eine Detektoroberfläche zur Detektion elektrisch geladener Teilchen aufweist, die als Reaktion auf das Auftreffen des Primärstrahls von der Probe ausgehen, wobei der Detektor in Ausbreitungsrichtung des Primärstrahls gesehen vor der Fokussiervorrichtung angeordnet ist, und wobei die Detektoroberfläche für den Durchgang des Primärstrahls mit einer zentralen Bohrung (36) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß – der Detektor (22) im Bereich der zentralen Bohrung (36) mit einer Zentralelektrode (35) versehen ist, und – daß die teilchenoptische Vorrichtung mit einer Stromversorgungseinrichtung zum Einstellen einer solchen Spannung an der Zentralelektrode versehen ist, daß im Bereich der Detektoroberfläche die Zentralelektrode eine Rückstoßkraft auf die Teilchen ausübt, die von der Probe ausgehen.
Teilchenoptische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zentralelektrode (35) um die optische Achse (2) rotationssymmetrisch ist.
Teilchenoptische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Detektor (22) als ein Halbleiterdetektor aufgebaut ist.
Teilchenoptische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spannung der Stromversorgungseinrichtung durch den Benutzer der Vorrichtung eingestellt werden kann.