DE60309579T2

DE60309579T2 - Einrichtung zur messung der emission von röntgenstrahlen, die durch ein objekt erzeugt werden, das einem elektronenstrahl ausgesetzt ist

Info

Publication number: DE60309579T2
Application number: DE60309579T
Authority: DE
Inventors: Emmanuel Thales Intellectual Propert De Chambost; Chrystel Thales Intellectual Propert Hombourger; Juan Thales Intellectual Property Montero; Pierre Thales Intellectual Property Montsallut; Pierre-Francois Thales Intelle Staub
Original assignee: Cameca SAS
Current assignee: Cameca SAS
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2023-03-29
Also published as: FR2837931B1; US7049588B2; DE60309579D1; US20050211898A1; ATE344972T1; WO2003083892A1; EP1490888B1; JP2005528735A; EP1490888A1; FR2837931A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Emission von Röntgenstrahlen, die von einem Objekt erzeugt wird, das einem Elektronenstrahl ausgesetzt wird. Sie betrifft insbesondere die Herstellung einer Vorrichtung, die es ermöglicht, die Herstellungsqualität von integrierten Schaltungen zu kontrollieren, die auf Siliciumplättchen hergestellt werden, die in der englischen Literatur auch "Wafers" genannt werden. Die Vorrichtung ist dazu bestimmt, Messungen der Zusammensetzung und der Stärke an den leitenden und dielektrischen Strukturen durchzuführen, die diese leitenden Schaltungen bilden. Die Vorrichtung ist ebenfalls dazu bestimmt, die Analysezeit eines Wafer werkseitig zu optimieren.
Diese Vorrichtung ist insbesondere zur Ausrüstung der Herstellungsstraßen von integrierten Schaltungen bestimmt.
Die Notwendigkeit, sehr dünne Strukturen, die zum Beispiel in die ersten Nanometer der Feststoffe vom Typ Halbleiter eingegraben sind, quantitativ charakterisieren zu können, wächst im Laufe der Jahre immer mehr. Dies ist insbesondere der Fall auf dem Gebiet der Mikroelektronik. Die Erhöhung der Schnelligkeit der elektronischen Schaltungen ist mit den Bedürfnissen des Markts verbunden. Dieses Ansteigen der Schnelligkeit geht über die Reduzierung der Größe dieser Schaltungen und somit der Strukturelemente, die die Transistoren bilden.
So ist die Mindestgröße dieser Transistoren von 2 μm im Jahr 1980 auf heute 180 nm übergegangen. Ziel ist das Einsetzen von Transistoren mit Größen von 130 nm und 100 nm in den kommenden Jahren und von 50 nm danach.
Die Herstellung solcher submikronischer Transistoren setzt voraus, die Schritte der Bildung von sehr dünnen Strukturen zu beherrschen, deren Stärke zum Beispiel nicht über 50 nm hinausgeht. Zwei Herstellungsschritte sind insbesondere sehr wichtig:

– Die Ionenimplantierung der Ladungsträger, die auf einer Stärke durchgeführt werden kann, die jetzt schon einige Nanometer vor Aktivierung nicht überschreitet.
– Die Bedeckung des Transistors mit einem dielektrischen Gate-Material, in Form einer Materialschicht, deren Stärke nun manchmal unter einem Nanometer liegt.

Stärken dieser Größenordnung stellen Atommengen dar, die typischerweise zwischen 10¹³ und 10¹⁸ Atomen pro cm² liegen.
Angesichts der den Herstellungsschwierigkeiten suchen die Hersteller von Halbleitern nach industriellen Analysevorrichtungen, die in der Lage sind, auf zuverlässige Weise die hergestellten submikronischen Strukturen zu charakterisieren. Diese Vorrichtungen müssen ausreichend empfindlich und präzise sein, um exakt, typischerweise bis auf 1 %, die Charakteristiken der Zusammensetzung und der Stärke der hergestellten Strukturen quantifizieren und kontrollieren zu können. Diese Vorrichtungen müssen ebenfalls eine ausreichende Auflösung haben, um eine analytische Kontrolle in sehr kleinen Zonen zu erlauben, die für diese Tests bestimmt sind und sich am Rand von elektronischen Chips befinden. Die Größe der Testzonen liegt typischerweise in der Größenordnung von 100 µm × 100 µm. Diese Vorrichtungen müssen außerdem Diagnosen in Zeiten erstellen, die mit den Zwängen kompatibel sind, die mit der Herstellungsumgebung verbunden sind. Diese Zeiten liegen zum Beispiel in der Größenordnung von einigen Minuten für die Prüfung eines Wafer.
Da die ausgearbeiteten Strukturen immer dünner werden, erfordert es ihre Kontrolle, immer präzisere Messungen durchführen zu können. In Anbetracht der Größenordnungen der durchzuführenden Messungen sind die derzeit auf dem Markt erhältlichen Vorrichtungen ungeeignet und zeigen unzureichende Leistungen. Diese mangelnde Leistung berührt mehrere Aspekte, von der mangelnden Präzision bei den quantitativen Ergebnissen bis zum ganz einfachen Mangel an Empfindlichkeit.
Es ist insbesondere ein Ziel der Erfindung, die oben erwähnten Anforderungen zu erfüllen. Zu diesem Zweck hat die Erfindung eine Vorrichtung zur Messung der Emission von Röntgenstrahlen zum Gegenstand, die von einem Objekt erzeugt wird, das einem Elektronenstrahl ausgesetzt ist. Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der international unter dem Akronym EPMA (Electron Probe Micro Analysis) bekannten Technik, die die Bombardierung von Objekten mit einem Elektronenstrahl mit der Erfassung der Wellenlänge der Röntgenstrahlen kombiniert, die durch die Wechselwirkung von Elektronen und Tastprobe erzeugt werden. Ein Beispiel einer instrumentalen Vorrichtung, die die EPMA-Technik anwendet, ist die SX100, die von der Anmelderin entwickelt wurde und insbesondere in den Kapiteln 1 und 5 des Werks mit dem Titel "Microanalyse et Microscopie électronique à Balayage", veröffentlicht 1979 von Les Editions de Physique, beschrieben ist.
Im Kontext der bekannten Techniken, die eine Bombardierung von Objekten mit einem Elektronenstrahl anwenden, kann ebenfalls die Technik AUGER erwähnt werden, die ein Verfahren einsetzt, das auf der Analyse der Energie der von der analysierten Tastprobe emittierten Elektronen beruht. Man kann in diesem Zusammenhang insbesondere das Patent US 3,760,180 A erwähnen, das von der Firma SIEMENS angemeldet und am 18. September 1973 erteilt wurde. Dieses Patent beschreibt eine Instrumentierung, die Optronik-Mittel, um die Tastprobe zu bombardieren, und eine Einrichtung zur Analyse der Energie der Elektronen vom Typ AUGER kombiniert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist hauptsächlich auf

– eine Untereinheit, die Mittel zur Elektronenemission und eine Beschleunigungsstufe aufweist, in der die Elektronen einer Potentialdifferenz ΔV1 ausgesetzt werden;
– einen Raum ohne elektrisches Feld, in dem der Elektronenstrahl geformt und von geeigneten Mitteln überwacht wird;
– eine Bremsstufe, in der die Elektronen einer Potentialdifferenz ΔV2 gleichen Vorzeichens wie ΔV1 ausgesetzt werden;
– einen Träger, der es ermöglicht, das Objekt unter dem Elektronenstrahl zu positionieren;
– Mittel zur Spektralanalyse der vom analysierten Objekt emittierten Röntgenstrahlen.

Diese Vorrichtung hat den Vorteil, einen Elektronenstrahl geringer Abmessung zu emittieren, der mit den oben erwähnten Zwängen der Auflösung kompatibel ist.
Der Elektronenstrahl weist wenig Streuung auf, was eine gute Beleuchtungspräzision gewährleistet.
Die Eindringtiefe des Elektronenstrahls ins Innere des zu analysierenden Materials ist einstellbar und ermöglicht es vorteilhafterweise, eine Empfindlichkeit zu erhalten, die mit den Zwängen kompatibel ist, die mit der Dünnheit der analysierten Schichten verbunden sind.
Die Stärke des erzeugten Elektronenstroms ermöglicht es ebenfalls, die Empfindlichkeit der Vorrichtung zu erhöhen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren hervor. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung.
2 eine schematische Darstellung der Bahn des Elektronenstrahls.
3 eine Veranschaulichung der Wirkung des Verzögerungsfelds auf einen Elektronenstrahl.
4 eine mögliche Architektur eines Automatisierungssystems der Vorrichtung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in 1 dargestellt. Sie weist hauptsächlich eine Elektronensäule genannte Untereinheit, die für die Emission, das Formen und das Steuern des Elektronenstrahls bestimmt ist, eine Untereinheit, die die Spektralanalyse der Röntgenstrahlenemissionen durchführt, die für das analysierte Objekt charakteristisch sind, und einen Tastprobenträger 12 auf, auf dem die zu analysierende Tastprobe 11 angeordnet ist. Sie weist ebenfalls eine optische Untereinheit auf, die die Anzeige der Tastprobe 11 ermöglicht. Weitere Untereinheiten können in die Vorrichtung integriert sein, um Neben- oder komplementäre Funktionen durchzuführen, wie insbesondere Mittel zur automatischen Steuerung oder auch Mittel, die es ermöglichen, die Position der Tastprobe bezüglich des Strahls zu verändern. Die gesamte Vorrichtung ist in einem in der Figur nicht dargestellten Raum angeordnet, in dem ein nach Bedarf mehr oder weniger starkes Vakuum herrscht.
Die Elektronensäule weist mehrere Teile auf, wobei jeder Teil selbst mehrere Elemente aufweist. Die Untereinheit 13, die zur Emission und zur Beschleunigung des Elektronenstrahls bestimmt ist, ist das das Element der Säule, das sich am weitesten vorn befindet. Sie weist insbesondere eine Elektronenquelle, die auf einem Potential HV1 liegt, und eine Elektronbeschleunigungsstufe auf.
Die Elektronenquelle kann von verschiedener Art sein, insbesondere eine kalte Quelle mit Feldeffekt, eine Schottky-Quelle mit punktförmiger Kathode, oder auch eine Quelle mit einer Kathode mit Thermoemission. Das Potential HV1 wird mittels eines Generators 14 an die Quelle angelegt.
In Höhe der Beschleunigungsstufe sind die Elektronen einer Potentialdifferenz ΔV1 zum Beispiel gleich der vom Generator 14 gelieferten Spannung ausgesetzt. Diese Potentialdifferenz ist derart, dass sie ein elektrisches Feld erzeugt, das die von der Quelle emittierten Elektronen beschleunigt.
Die so beschleunigten Elektronen verlassen die Emissions-Untereinheit 13 und kommen zu einem Raum, der einem elektrischen Feld im Wesentlichen gleich Null ausgesetzt ist, in dem sie eine praktisch konstante Energie beibehalten. In diesem feldlosen Raum bildet sich der Elektronenstrahl und breitet sich aus. Dieser feldlose Raum weist selbst mehrere Zonen auf.
Eine erste Zone 15 der Bildung des Strahls befindet sich direkt hinter der Emissionsvorrichtung. Diese Zone ist von einem innen metallisierten Raum 16 umgeben, der zum Beispiel die Form eines Rohrs annehmen kann. Dieser Raum wird auf das Bezugspotential 1111 des Generators 14 gebracht. Das Bezugspotential kann zum Beispiel die Masse der Gesamtheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sein.
Um den Raum 16 herum, direkt hinter der Quelle, sind Umlenkelemente 17, zum Beispiel magnetisch, angeordnet, deren Aufgabe es ist, die Position oder die Richtung des Elektronenstrahls einzustellen.
Um den Raum 16 herum ist ebenfalls eine magnetische Linse 18 angeordnet, die es ermöglicht, dem Elektronenstrahl eine nicht fokussierte Rohrform zu verleihen, in der die Elektronen parallelen Bahnen folgen.
Am Ausgang des Raums 16 ist eine Blende 19 angeordnet, deren Aufgabe darin besteht, den Durchmesser des Elektronenstrahls zu begrenzen. Diese Begrenzung des Durchmessers des Strahls hat insbesondere den Zweck, zu bewirken, dass der Durchmesser des Strahls, der auf die Ebene der Tastprobe trifft, den gewünschten maximalen Wert nicht überschreitet. Dieser maximale Durchmesser ist zum Beispiel derjenige, der für die spektrale Auflösung der Spektrometer oder auch für die für die Messung notwendige räumliche Auflösung erforderlich ist.
Diese Blende kann ein einziges Element mit einer Öffnung mit feststehendem Durchmesser sein. Sie kann auch aus einer Gruppe von umschaltbaren Blenden bestehen, die unterschiedliche Öffnungsdurchmesser haben.
Die Umschaltung von Blenden mit unterschiedlichen Durchmessern ist ein vorteilhaftes Mittel, das es ermöglicht, die Stärke des Strahls zu verändern, ohne die Eigenschaften der Elektronenquelle zu verändern.
Der Raum ohne elektrisches Feld weist eine zweite Zone 110 zur Messung des Elektronenstroms auf. Diese Zone befindet sich zum Beispiel hinter der Blende. Sie ist von einem leitenden Raum 111 umgegeben, der wie der Raum 16 auf das Bezugspotential des Generators 14 gebracht ist.
Innerhalb des Raums 111 sind Ablenkmittel 112 um den Strahl herum angeordnet. Diese Ablenkmittel sind dazu bestimmt, den Strahl von seiner normalen Bahn zur zu analysierenden Tastprobe umzulenken. Der so umgelenkte Strahl wird zu einer Vorrichtung 113 geleitet, die die Dichte des Elektronenflusses misst. Diese Elektronenmessfühler-Vorrichtung, zum Beispiel vom Typ Faraday'sche Senke, ist ebenfalls im Raum 111 positioniert und elektrisch isoliert.
Die Ablenkmittel 112, die zum Beispiel Magnetspulen oder elektrostatische Platten sein können, werden periodisch in Betrieb gesetzt. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, eine periodische Messung des Elektronenstroms durchzuführen. Die Wahl der verwendeten Ablenkmittel hängt von der gewünschten Geschwindigkeit und Messtaktfolge ab. Um diese Ablenkmittel zu betätigen, weist die Erfindung ebenfalls eine Steuervorrichtung auf, die sehr kurze Ein- und Ausschaltzeiten hat. Diese in der Figur nicht dargestellte Vorrichtung ermöglicht es, den Strahl periodisch während kurzer Momente abzulenken und Strommessungen während der Benutzung des Strahls durchzuführen. Mit Umschaltzeiten von zum Beispiel weniger als einer Mikrosekunde kann man so alle Zehntelsekunden eine Messung einer Millisekunde durchführen. Man erhält dann eine Messung durch Abtastung der Stärke des Strahls. Die Erfahrung hat gezeigt, dass, wenn man eine Messung der Stärke während 1 % der Zeit durchführt, die Messung mit einer ausreichenden Präzision durchgeführt wird und den Strahl während 99 % der Zeit für die Analyse verfügbar lässt.
Der Raum 111 umschließt die Mittel zur Messung des Elektronenstroms: Es ist also vorteilhaft, ihn hinter jedem Element anzuordnen, das dazu bestimmt ist, die Größe des Strahls zu begrenzen, wie zum Beispiel eine Blende. So ist der gemessene Strahlstrom der gleiche wie der Strahlstrom, der die Tastprobe erreicht.
Der Raum ohne elektrisches Feld weist eine dritte Zone 114 der Fokussierung des Strahls auf. Diese Zone befindet sich zum Beispiel hinter der oben beschriebenen Zone 110. Diese Zone ist von einem leitenden Raum 115 umgeben, der den Strahl umgibt und der wie die Räume 16 und 111 auf das Bezugspotential des Generators 14 gebracht ist.
Um den Raum 115 herum ist eine magnetische Linse 116 angeordnet, deren Aufgabe es ist, den Elektronenstrahl auf einen Punkt der Oberfläche der zu analysierenden Tastprobe zu fokussieren. Diese Linse kann in optischer Analogie als das Objektiv des Systems betrachtet werden.
Zwischen der Linse 116 und dem den Strahl umgebenden Raum 115 kann man Umlenkbleche anordnen. Diese Umlenkvorrichtungen 117 können dazu dienen, den Strahl auf der Tastprobe zu positionieren oder zu verschieben, um eine Tastung durchzuführen.
Bei seinem Austritt aus dem Raum 115 verlässt der Strahl den Raum ohne elektrisches Feld und kommt in die Nähe der zu analysierenden Tastprobe mit einer Energie im Wesentlichen gleich seiner Anfangsenergie.
Hinter dem Raum 115 weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Lochplatte 118 auf, die zum Beispiel mit Hilfe eines Stroms von flüssigem Stickstoff gekühlt werden kann. Die Kühlung dieser Platte ermöglicht insbesondere, durch Kondensation die Qualität des Vakuums in der Nähe der Tastprobe zu verbessern.
Nach seinem Durchgang durch die Platte 118 verlässt der Elektronenstrahl die Elektronensäule und endet seinen Weg, indem er die zu analysierende Tastprobe 11 bombardiert.
Wie 1 zeigt, ist die zu analysierende Tastprobe auf einem Träger 12 angeordnet, der ein leitendes Element ist. Mittels eines Generators 119 wird die Tastprobe auf ein Potential HV2 gleichen Vorzeichens wie das Potential HV1 gebracht. Das Bezugspotential des Generators 119 ist mit demjenigen des Generators 14 verbunden. Auf diese Weise hat die Spannung ΔV2, die zwischen der Tastprobe 11 und dem Raum 115 angelegt wird, das gleiche Vorzeichen wie die Spannung ΔV1, die an die Elektronenemissionsvorrichtung angelegt wird.
Direkt nach seinem Austritt aus dem Raum ohne elektrisches Feld und kurz vor der Aufprallzone auf die Tastprobe ist der Elektronenstrahl also einem elektrischen Verzögerungsfeld ausgesetzt, dessen Wirkung darin besteht, die Elektronen zu bremsen und somit ihre Energie zu verringern. Die Regelung der Potentialdifferenz HV1-HV2 zwischen der Elektronenquelle 13 und der Tastprobe 11 wird zum Beispiel durchgeführt, indem auf dem Wert der Spannung ΔV2 eingewirkt wird. Man kann so wählen, den Wert der Bremsung, der die Elektronen ausgesetzt sind, zu verändern, indem man einfach auf den Wert von ΔV2 einwirkt.
Es ist also vorteilhafterweise möglich, durch Veränderung des Werts der Potentialdifferenz HV1-HV2 den Wert der Aufprallenergie des Elektronenstrahls auf die Tastprobe und somit seiner Eindringtiefe zu regeln.
Ein weiterer mit der Erzeugung des Verzögerungsfelds nach der letzten Fokussierlinse verbundener Vorteil ist die beträchtliche Erhöhung der Elektronenstromdichte, die sich daraus ergibt. Die Erhöhung der Elektronenstromdichte hat den Vorteil, die Empfindlichkeit der Vorrichtung zu erhöhen. Diese Erhöhung der Elektronenstromdichte kommt von der Begrenzung der Größe der Aberrationszone des Strahls. Die Aberrationszone wird vom Durchgang des Strahls durch die Linse 116 erzeugt.
Die Platte 118 kann ebenfalls leitend sein und eine Elektrode aufweisen, die es ermöglicht, sie auf ein Potential zu bringen, das zum Beispiel zwischen der Masse und dem Potential HV2 der Tastprobe 11 variieren kann. Wenn man zum Beispiel die Platte 118 auf das Potential HV2 bringt, wird die zwischen dieser Platte und der Tastprobe befindliche Zone ebenfalls eine Zone ohne elektrisches Feld. Dadurch kann vorteilhafterweise vermieden werden, dass ein Ionenfluss entsteht, der die Fläche der Tastprobe während der Analyse erodieren kann. Eine solche Erosion hätte zur Folge, die Ergebnisse zu verfälschen.
Die zu analysierende Tastprobe 11 wird auf dem Träger 12 im Inneren eines Raums 1112 oder Objekt-Kammer angeordnet, die für Röntgenstrahlen durchlässig ist. Der Träger kann sich zum Beispiel verschieben, um eine optimale Positionierung des zu analysierenden Objekts unter dem Elektronenstrahl zu ermöglichen.
Die Objekt-Kammer 1112, in der die Tastprobe angeordnet ist, befindet sich selbst in einem trockenen Hochvakuum in der Größenordnung von 10^–7 bis 10^–8 Torr. Dieses Vakuum wird zum Beispiel durch die Verwendung einer Turbomolekularpumpe mit Unterstützung durch einen Titan-Sublimator hergestellt.
Ein Mikro-Leck ist über der Tastprobe angeordnet. Seine Aufgabe ist es, in manchen Fällen das Injizieren eines beliebigen Gases zu erlauben und das Vakuum lokal zu verschlechtern. Dies begünstigt das Entfernen von elektrostatischen Ladungen und möglichen Rest-Schadstoffelementen, die an der Oberfläche der Tastprobe eingeschlossen sein können.
Um die Emission von Röntgenstrahlen, die für die analysierte Tastprobe kennzeichnend sind, zu charakterisieren, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung Spektralanalysemittel 1113 auf. Diese Mittel sind zum Beispiel Röntgenstrahlen erfassende Spektrometer vom Typ WDS, die an sich bekannt sind. 1 zeigt als Beispiel Detektoren, die in der Zone 114 des feldlosen Raums um den Raum 115 herum geneigt angeordnet sind. Die Basis dieser Detektoren ist in die magnetische Linse 116 eingefügt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ebenfalls optische Mittel auf, die die Beobachtung der Tastprobe ermöglichen. Aufgrund dieser Beobachtung ist es zum Beispiel möglich, die geeignete Höhenpositionierung der Tastprobe zu bestimmen, um immer über den besten Wirkungsgrad der Spektrometer 1113 zu verfügen. Diese optischen Mittel weisen insbesondere ein katadioptrisches Objektiv 1114, einen Umlenkspiegel 1115, der gelocht ist, um den Durchgang des Elektronenstrahl zu erlauben, und eine externe Optik 1116 auf.
2 des Dokuments zeigt schematisch in optischer Analogie den Aspekt des Elektronenstrahls, der von der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt wird. In diesem Schema sind die elektromagnetischen Linsen 18 und 116 der 1 durch ihre optischen Äquivalente 22 und 23 dargestellt. Diese 2 Linsen bilden ein afokales System, in dessen Innerem der Strahl praktisch parallel ist. Der so erzeugte Strahl weist keine Cross-over-Zone auf und hat den Vorteil, weniger Aberrationen aufgrund von Wechselwirkungen zwischen Elektronen aufzuweisen. Dieses Phänomen der Aberration des Strahls nach den Wechselwirkungen zwischen Elektronen ist auch unter dem Namen BOERSCH-Effekt bekannt.
Die relativen Abstände der verschiedenen Elemente werden in Abhängigkeit von der Größe des Strahls gewählt, den man in der Ebene der zu analysierenden Tastprobe erhalten möchte.
Wenn zum Beispiel der Abstand zwischen der Quelle 21 und der Linse 22 4 mal größer ist als der Abstand zwischen der Linse 22 und der Linse 23, erzeugt das optische System auf der Tastprobe ein Bild 24 der Quelle, reduziert um einen Faktor 4. Wenn so die von der idealen Quelle 21 dargestellte reale Quelle einen typischen Durchmesser von 60 µm hat, beträgt das Bild dieser Quelle, das auf der Ebene der Tastprobe gebildet wird, etwa 15 µm.
3 des Dokuments erläutert bildlich die Wirkung des Verzögerungsfelds auf einen Elektronenstrahl. Die Figur zeigt die Bahn durch eine Linse eines Elektronenstrahls, der von einer punktförmigen Quelle kommt, und sein Bild 31, oder Spot, auf einer Ebene 35. In der linken Darstellung ist der Strahl 33 keinem Verzögerungsfeld ausgesetzt, während in der rechten Darstellung ein solches Feld an den Strahl 34 angelegt wird.
Es ist bekannt, das in einem Optronik-System, so lange man annimmt, dass die Aberrationen der Linsen bezüglich des Durchmessers des betrachteten Spots 31 vernachlässigbar sind, die Stromdichte des Spots angegeben wird durch: J(A/cm2) = β·π·α2 (1)wobei α der halbe Öffnungswinkel des Strahls und β die Leuchtdichte des Strahls ist. β hängt in erster Näherung nur von der Elektronenquelle, die durch β₀ gekennzeichnet ist, und von der Energie ab, die diese Elektronen tragen, die durch das Beschleunigungspotential V definiert ist. Man kann schreiben: β = β0·V (2)
Um eine maximale Stromdichte zu haben, muss man also mit dem größtmöglichen halben Öffnungswinkel α arbeiten, indem man die Linse 32 über ihren ganzen Querschnitt verwendet. Dies hat insbesondere zur Folge, dass bezüglich der Linse der Durchmesser des Strahls 33 nicht mehr gleich dem Gaußschen Durchmesser D₀ ist, bei dem die Durchquerung der Linse ohne Aberration erfolgt. Er ist gleich einem realen Durchmesser D_a, der durch die Aberrationen des optischen Systems bestimmt wird. Die Stromdichte eines Spots wird dann angegeben durch: J(A/cm2) = β·π·α2·(D0/Da)2 (3)
In erster Näherung hängen die sphärischen und chromatischen Aberrationen vom Bruchteil des Querschnitts der Objektivlinse 116 ab, die vom Strahl durchquert wird, ab. β hängt seinerseits nur von der Aufprallenergie ab, die durch V gekennzeichnet ist. In beiden dargestellten Fällen ist die Aufprallenergie eines Elektrons E₀ die gleiche. Sie wird angegeben durch: E0 = e·V (4)wobei e den Modul der Ladung des Elektrons und V die Potentialdifferenz darstellt, der das Elektron ausgesetzt ist.
Im Fall der linken Figur gibt es kein Verzögerungsfeld zwischen der Linse 32 und der Ebene 35: Die Energie der Elektronen ist über die ganze Strecke gleich E₀. Im Fall der rechten Figur dagegen gibt es ein Verzögerungsfeld, dessen Anwesenheit die Energie der Elektronen vor der Linse erhöht. Dieser Energieanstieg drückt sich durch eine Verringerung der Größe des Strahls aus, wobei der halbe Öffnungswinkel α des Strahls 34 nach der Linse außerdem gleich bleibt.
Gemäß dem Leuchtdichtegesetz sind die Elektronenströme gleich, während der Querschnitt der Linse 32, die vom Strahl 34 durchquert wird, im zweiten Fall wesentlich kleiner ist. Der Durchmesser der Aberrationszone ist also auch verkleinert, was vorteilhafterweise dazu führt, eine sehr viel höhere Stromdichte zu erhalten.
Wenn man zum Beispiel Elektronen betrachtet, deren Energie von 500eV mit Hilfe des Verzögerungsfelds auf 5000eV vor der Linse gebracht wird, ist die erhaltene Stromdichte 4 Mal höher als in dem Fall, in dem die Elektronen ohne Verzögerungsfeld mit einer Energie von 500eV entlang der ganzen Strecke übertragen werden.
Abgesehen von den oben beschriebenen funktionellen Elementen kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine zum Beispiel elektronische Untereinheit aufweisen, deren Aufgabe es ist, die Gesamtheit der Befehle zu automatisieren, die zur Steuerung der verschiedenen in der Vorrichtung enthaltenen Elemente dienen.
4 zeigt einen möglichen Aufbau einer solchen Untereinheit. Die dargestellte Untereinheit besteht aus zwei Elementen, einer Schnittstelle 41 und einem Rechner 42.
Die Schnittstelle weist zum Beispiel Elektronikkarten auf, die je die Funktion haben, eine der großen Funktionen der Vorrichtung zu steuern. So findet man:

– eine Elektronikkarte 43 zum Steuern der Bewegungen der zu analysierenden Tastprobe,
– eine Elektronikkarte 44, die die verschiedenen Elemente der Elektroniksäule steuert,
– eine Elektronikkarte 45 zur Anwendung der Spektrometer,
– eine Elektronikkarte 46, die die Erzeugung des Vakuums in der Vorrichtung steuert.

Die Schnittstelle steht mit dem Rechner 42 über eine Server-Elektronikkarte 47 in Verbindung, die die vom Rechner gesendeten Befehle interpretiert.
Der Rechner ist einer Benutzer-Arbeitsstation, zum Beispiel ein PC, der in einer Windows-Umgebung arbeitet. Er ist mit einer grafischen Mensch-Maschine-Schnittstelle ausgestattet, die es dem Operator erlaubt, insbesondere auf eine interaktive Steuerung 48 der Vorrichtung sowie auf eine Verwaltung 49 der automatischen Analysesequenzen zuzugreifen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist einem analytischen Protokoll zugeordnet, das zum Erhalt von quantitativen Ergebnissen bezüglich der elementaren Zusammensetzung der Tastprobe führt. Dieses Protokoll besteht darin, Stärkemessungen der Röntgenstrahlung durchzuführen, die für die in der Tastprobe enthaltenen Elemente charakteristisch ist. Die Ergebnisse werden erhalten, indem die einfallende Energie der Primärelektronen verändert wird und dann diese Messungen quantitativ mit Hilfe eines geeigneten Simulationsmodells interpretiert werden. Die Energie der Primärelektronen wird durch das Anlegen der geeigneten Potentiale an die Tastprobe und die Quelle gesteuert. Die Messungen des Strahlstroms und des emittierten Röntgenphotonenflusses sind Gegenstand einer Erfassung durch das oben beschriebene automatische System.
Die Messergebnisse werden vom Rechner in eine Tabelle eingetragen, die aus N Zeilen besteht. Jede Zeile der Tabelle fasst die Gesamtheit der Daten bezüglich einer Messung zusammen. Für jeden Messzeitpunkt findet man also eine Zeile, die die ihm zugeordneten Daten zusammenfasst. Diese Daten sind zum Beispiel der Messzeitpunkt, die Aufprallenergie der Elektronen, die durch die Differenz HV2-HV1 berechnet wird, sowie die Messung des Strahlstroms, der durch Abtasten durch die Elektronenmessfühler-Vorrichtung gemessen wird, und die Akkumulation der Röntgenphotonen, die in jedem der Spektrometer gemessen wird.
So ist es zum Beispiel während einer Analyse möglich, den Wert der Aufprallenergie des Strahls sich manuell oder automatisch zu verändern und die erhaltenen Ergebnisse mit Hilfe einer geeigneten digitalen Verarbeitung auszuwerten. Man kann dann die wesentlichen Attribute einer besonderen Struktur der analysierten Tastprobe bestimmen. Diese Attribute sind zum Beispiel ihre Dichte, die integrierte Dosis, d.h. die Anzahl von implantierten Atomen pro Oberflächeneinheit, oder auch die dem gemessenen Element zugeordnete Tiefenverteilung.
Die hier ausgeführten elementaren Messungen können selbstverständlich an allen Testpunkten einer Struktur vom Typ Wafer reproduziert werden. Die Automatisierung ermöglicht es dann vorteilhafterweise, die komplette Analyse eines Wafer ohne manuellen Eingriff und präzise auszuführen.

Claims

Vorrichtung zur Messung der Emission von Röntgenstrahlen, die von einem Objekt (11) erzeugt wird, das einem Elektronenstrahl ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens aufweist: – eine Untereinheit (13), die Mittel zur Elektronenemission und eine Beschleunigungsstufe aufweist, in der die Elektronen einer Potentialdifferenz ΔV1 ausgesetzt werden; – einen Raum ohne elektrisches Feld (15, 110, 114), in dem der Elektronenstrahl geformt und von geeigneten Mitteln (18, 19, 11, 116, 119) überwacht wird; – eine Bremsstufe, in der die Elektronen einer Potentialdifferenz ΔV2 gleichen Vorzeichens wie ΔV1 ausgesetzt werden; – einen Träger (12), der es ermöglicht, das Objekt (11) unter dem Elektronenstrahl anzuordnen; – Mittel (1113) zur Spektralanalyse der vom analysierten Objekt emittierten Röntgenstrahlen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Potentialdifferenzen ΔV1 und ΔV2 mit Hilfe von zwei Generatoren (14 und 119) angelegt werden, deren Bezugspotentiale miteinander verbunden sind, wobei der erste Generator (14) die Elektronen-Emissionsquelle auf das Potential HV1 und der zweite Generator (118) das zu analysierende Objekt (11) auf das Potential HV2 bringt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugspotentiale (1111) der beiden Generatoren (14 und 119) mit der Masse der Vorrichtung verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum ohne elektrisches Feld (15, 110, 114) Bereiche (16, 111 und 115) aufweist, die auf das Bezugspotential (1111) der beiden Generatoren (14 und 119) gebracht sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Elektrode (118) aufweist, die zwischen dem Probenträger und dem Rest der Vorrichtung angeordnet ist, wobei diese Elektrode auf ein beliebiges Potential gebracht werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese Elektrode (118) eine Lochplatte ist, wobei diese Platte gekühlt sein kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum ohne elektrisches Feld (15, 110, 114) Mittel (113) umschließt, die es ermöglichen, die Stärke des Strahlstroms zu messen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (113), die es ermöglichen, die Stärke des Strahlstroms zu messen, Mitteln (112) zur Umlenkung des Elektronenstrahls zugeordnet sind, wobei diese Umlenkungsmittel es ermöglichen, den Strahl zu den Mitteln zur Messung des Elektronenstroms zu leiten.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkmittel (112) von einem schnellen Elektroniksystem aktiviert werden, das es ermöglicht, die Messung durch Tastung während der Analyse durchzuführen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektralanalysemittel (1113) mindestens ein WDS-Spektrometer aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Objekt-Kammer (1112) aufweist, die sich in einem trockenen Hochvakuum befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Objekt-Kammer (1112) ein Mikro-Leck aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie optische Mittel aufweist, die es ermöglichen, das analysierte Objekt anzuzeigen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Mittel mindestens eine katadioptrische Optik (1114), die in der Nähe des Objekts angeordnet ist, einen gelochten Umlenkspiegel (1115) und ein externes optisches System (1116) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine elektronische Schnittstelle (41) zur Steuerung und Erfassung aufweist, die mit den verschiedenen Elementen der Vorrichtung verbunden ist und die Fernüberwachung der Vorrichtung und die Erfassung der den durchgeführten Messungen entsprechenden Daten ermöglicht.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Rechner (42) aufweist, der mit der elektronischen Schnittstelle (41) verbunden und mit einer Mensch-Maschine-Schnittstelle ausgestattet ist, die es ermöglicht, verschiedene Elemente der Vorrichtung aus der Ferne zu überwachen und automatisch die durchgeführten Messungen auszuwerten.