DE69028168T2

DE69028168T2 - Rasterelektronenmikroskop und Verfahren zur Darstellung von Schnittprofilen unter Anwendung desselben

Info

Publication number: DE69028168T2
Application number: DE69028168T
Authority: DE
Inventors: Norimichi Anazawa; Kenji Harafuji; Taichi Koizumi; Hideo Nakagawa; Noboru Nomura; Mitsuhiro Okuni
Original assignee: Holon Co Ltd; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Holon Co Ltd; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-09-20
Filing date: 1990-09-20
Publication date: 1997-01-09
Anticipated expiration: 2010-09-21
Also published as: EP0418894A2; EP0418894B1; EP0418894A3; DE69028168D1; US5057689A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rasterelektronen-Mikroskop und insbesondere ein Rasterelektrdnen-Mikroskop, das zur Beobachtung des Inneren von vertieften Abschnitten sehr kleiner unebener Muster geeignet ist, die in einer relativ großen Probe ausgebildet sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Darstellung von Schnittprofilen ebener Muster, die in der Oberfläche einer Probe ausgebildet sind, unter Verwendung des Rasterelektronen-Mikroskops.

2. Beschreibung des Standes der Technik:

In den letzten Jahren ist auf dem Gebiet der integrierten Halbleiterschaltungen die Größe der Halbleitersubstrate gestiegen, während die Größe der auf dem Substrat integrierten Schaltungselemente abgenommen hat. Tatsächlich ist die Größe der Schaltungselemente auf weniger als 1 Mikron reduziert worden (in den Submikron-Bereich).
Bei der Herstellung solcher integrierter Halbleiterschaltungen ist es notwendig, des öfteren sehr kleine Muster, die auf Halbleitersubstraten während verschiedener Herstellungsvorgänge ausgebildet werden, wie z.B. das Lithographieverfahren und der Ätzprozeß oder nach dem Abschluß der Herstellung zu untersuchen. Ein Rasterelektronen-Mikroskop (im weiteren abgekürzt als SEM (scanning electron microscope) ist ein wichtiges Element bei der Untersuchung solcher sehr kleiner Muster.
Ein SEM umfaßt eine Elektronenkanone zum Abstrahlen eines Elektronenstrahls, eine Objektivlinse zur Erzeugung eines Magnetfelds in der Passage, durch welche der Elektronstrahl hindurchgeht, und einen Sekundärelektronendetektor zum Detektieren von Sekundärelektronen, die durch das Auftreffen des Elektronenstrahls auf einer Probe erzeugt werden, welche das zu beobachtende Objekt ist.
Die Fig. 17B zeigt einen Querschnitt einer Objektivlinse eines SEM gemäß dem Stand der Technik. Die Objektivlinse hat eine symmetrische Ausbildung bezüglich ihrer Achse. Die Symmetrieachse wird zur Klarstellung im weiteren als die Achse oder die Z-Achse, die Richtung parallel zur Symmetrieachse als axiale Richtung und die Richtung senkrecht dazu als Querrichtung bezeichnet.
Die Objektivlinse hat eine ringförmige Spule 54 zum Erzeugen eines Magnetfeldes und eine magnetische Bahn 41 zur Führung der Kraftlinien des Magnetfeldes, das um die Spule 54 herum erzeugt wird. Die magnetische Bahn 41 hat ein oberes Polstück 41a und ein unteres Polstück 41b. Das obere Polstück 41a umfaßt einen axialsymmetrischen, kegelförmigen Abschnitt, dessen Boden mit einem Loch versehen ist, durch welches der Elektronenstrahl 43 hindurchgeht. Das untere Polstück 41b ist eine planare bzw. flache, bezüglich zur Achse symmetrische Platte, deren Zentrum mit einem Loch versehen ist, durch welches der Elektronenstrahl 43 hindurchgeht. Ein Linsenfeld 55 wird zwischen dem Loch im oberen Polstück 41a und dem Loch im unteren Polstück 41b ausgebildet.
In Fig. 17B ist die magnetische Feldstärke in Axialrichtung durch Bz angedeutet. Die magnetische Feldstärke in Axialrichtung variiert in der Achsenrichtung (Z-Achse) und erreicht das Maximum zwischen dem oberen Polstück 41a und dem unteren Polstück 41b.
Nach dem Hindurchgehen durch das Loch im oberen Polstück 41a wird der Elektronenstrahl 43 durch das Linsenfeld 55 fokussiert, geht durch das Loch im unteren Polstück 41b hindurch und trifft auf eine Probe 42, die das zu beobachtende Objekt ist. Das Auftreffen des Elektronenstrahls (Primärelektronen) auf die Probe 42 verursacht, daß Sekundärelektronen von der Oberfläche der Probe 42 emittiert werden. Die Sekundärelektronen werden durch einen Sekundärelektronendetektor (nicht gezeigt) detektiert, der über dem oberen Polstück 41a vorgesehen ist. Da ein in Axialrichtung wirkendes elektrisches Feld im Raum zwischen der Probe 42 und dem Sekundärelektronendetektor aufgebaut wird, wirkt wegen des elektrischen Feldes eine Lorentz-Kraft auf die Sekundärelektronen und das durch die Objektivlinse erzeugte Magnetfeld, wodurch die Sekundärelektronen sich spiralförmig bewegen, um auf dem Sekundärelektronendetektor auf zutreffen.
Um das Signal/Störungs-Verhältnis eines Bildes (SEM-Bild), das durch das SEM erzeugt wird, zu steigern und ein hochaufgelöstes, scharffokussiertes Bild zu erhalten, ist es wichtig, das Verhältnis der Anzahl der Sekundärelektronen, welche durch den Sekundärelektrondendetektor detektiert werden, zu derjenigen der Sekundärelektronen, die von der Probe emittiert werden (das Auffangverhältnis) zu steigern. Zu diesem Zweck sollte die Probe an einer Stelle angeordnet werden, wo eine hohe magnetische Feldstärke zu erwarten ist.
Beim SEM der Fig. 17B besteht eine mögliche Methode zur Steigerung des Auffangverhältnisses der Sekundärelektronen darin, das Objekt so nahe wie möglich an einer Position zwischen dem oberen Polstück 41a und dem unteren Polstück 41b anzuordnen, wo die axiale magnetische Feldstärke am höchsten ist. Jedoch eignet sich diese Methode nicht zum Beobachten einer Probe, die größer ist als das Loch im unteren Polstück 41b, weil das untere Polstück 41b stört. Gewöhnlich hat ein Halbleiter-Wafer einen Durchmesser von mehr als einigen cm und kann nicht direkt ausreichend nahe an der Position angeordnet werden, wo die axiale magnetische Feldstärke am höchsten ist.
Eine weitere mögliche Methode zur Steigerung des Auffangverhältnisses der Sekundärelektronen besteht darin, die Probe 42 an einer Position zwischen dem oberen Polstück 41a und dem unteren Polstück 41b einzusetzen, wo die axiale magnetische Feldstärke am höchsten ist. Jedoch ist es bei dieser Methode lediglich möglich, eine Probe zu beobachten, die klein genug ist, um zwischen dem oberen Polstück 41a und dem unteren Polstück 41b eingesetzt zu werden. Ein Wafer mit einem Durchmesser von mehr als einigen cm kann mit dieser Methode nicht beobachtet werden, wenn der Wafer nicht in Teile geschnitten wird, die klein genug sind, um zwischen das obere Polstück 41a und das untere Polstück 41b eingesetzt zu werden.
Wenn der Wafer einmal in kleine Teile geschnitten ist, kann er nicht länger im darauffolgenden Herstellungsprozeß verwendet werden und muß, nachdem er unter Verwendung des SEM untersucht worden ist, entsorgt werden. Im allgemeinen ist es in einem Reinraum, wo integrierte Halbleiterschaltungen hergestellt werden, verboten, Wafer zu schneiden oder geschnittene Waferteile von außen hereinzubringen, da die Reinheit des Reinraums aufrechterhalten werden muß. Dies bedeutet, daß, wenn das SEM in einem Reinraum installiert ist, geschnittene Wafer-Stücke nicht unter Verwendung des SEM beobachtet werden können. Deshalb besteht auf dem Gebiet der Halbleiterschaltungs-Herstellung ein großer Bedarf an einem SEM, mit dem ein großer Wafer beobachtet werden kann, ohne daß er in kleinere Teile geschnitten werden muß.
Die Fig. 17C zeigt einen Querschnitt einer Objektivlinse eines weiteren SEM gemäß dem Stand der Technik. Diese Objektivlinse hat einen Aufbau, der es gestattet, eine relativ große Probe 42 zwischen das obere Polstück 41a und das untere Polstück 41b einzusetzen.
Jedoch hat dieses SEM den Nachteil, daß die axiale magnetische Feldstärke wegen eines erhöhten Abstandes zwischen dem oberen Polstück 41a und dem unteren Polstück 41b abnimmt. Da die Probe 42 im großen Umfang in Querrichtung bewegt werden muß, um einen erwünschten Abschnitt davon zu beobachten, muß das untere Polstück 41b auch eine Fläche haben, die einige Male größer ist als diejenige der zu beobachtenden Probe 42. Es ist jedoch faktisch nicht möglich, eine Objektivlinse mit einem so großen unteren Polstück 41b einzusetzen.
Ein weiteres SEM gemäß dem Stand der Technik, das mit dem Ziel entwickelt wurde, das Auffangverhältnis der Sekundärelektronen zu steigern, wird in "The Japan Society of Applied Physics, 1988, Spring" beschrieben. Dieses SEM erreicht eine vergrößerte axiale magnetische Feldstärke durch das Bereitstellen einer Zusatzspule zusätzlich zu der Spule 54 der herkömmlichen Objektivlinse. Jedoch hat dieses SEM den Nachteil vergrößerter Abmessungen und eines hohen Energieverbrauchs.
Aus der JP-A-1-197951 ist ein Rasterelektronenmikroskop bekannt mit einer Elektronenkanone zum Abstrahlen eines Elektronenstrahls, einer Objektivlinse zum Ausbilden eines Magnetfeldes in einer Bahn, durch welche der Elektronenstrahl hindurchgeht, und einem Sekundärelektronendetektor zum Detektieren von Sekundärelektronen, die durch das Auftreffen des Elektronenstrahls auf einer Probe erzeugt werden, wobei die Objektlinse ein erstes Polstück und ein zweites Polstück aufweist. Das erste Polstück ist mit einem Loch versehen, durch welches der Elektronenstrahl hindurchgeht, und ist zwischen der Elektronenkanone und dem zweiten Polstück angeordnet. Das zweite Polstück hat einen der Probe zugewandten flachen Abschnitt und ist auf einem Trägerblock befestigt, der in einer Ebene bewegbar ist, die im wesentlichen senkrecht zur Projektionsrichtung des Elektronenstrahls liegt. Die Probe ist auf einem Probenbett befestigt, welches auf dem zweiten Polstück angeordnet ist.
Ein Verfahren und eine Einrichtung zur automatischen Korrektur des Astigmatismus eines Rasterelektronenmikroskops, das mit einem fokussierenden Linsensystem zum Fokussieren eines Elektronenstrahls auf eine Probe und mit einem xy-Solenoid-Stigmator zur Korrektur des Astigmatismus des fokussierenden Linsensystems ausgestattet ist, ist aus der US-PS 4,791,295 bekannt.
Die GB-A-2,084,837 offenbart ein Verfahren und eine Einrichtung zur automatischen Korrektur des Fokuszustandes in einem Rasterelektronenmikroskop ohne Rücksicht auf die Vertikalverschiebung einer Probe. Bei einem Verfahren zur Regelung des Erregerstroms der Objektivlinse im Rasterelektronenmikroskop werden Daten, die das Verhältnis zwischen dem Erregerstrom der Objektivlinse und dem Fokussierungsabschnitt der Objektivlinse spezifizieren, gespeichert. Der Fokussierungsabstand, der dem Erregerstrom der Objektivlinse entspricht und durch die Fokussierung festgestellt wurde, wird abgespeichert. Der veränderte Abstand des Fokussierungsabstands aufgrund der Probenverschiebung entlang der optischen Achse der Objektivlinse nach der Fokussierung wird detektiert. Dann wird der Erregerstrom entsprechend dem Fokussierabstand aus den gespeicherten Daten ausgelesen, und die Objektivlinse wird mit diesem ausgelesenen Erregerstrom versorgt.
Damit haben die SEMs gemäß dem Stand der Technik den Nachteil, daß es faktisch nicht möglich ist, ein starkes axiales Magnetfeld zur Beobachtung einer relativ großen Probe bereitzustellen, ohne diese in kleinere Stücke zu schneiden. Deshalb besteht das Problem darin, daß die Sekundärelektronen nicht mit einem hohen Auffangverhältnis detektiert werden können, was es schwierig macht, ein hochaufgelöstes Bild mit einem hohen Signal/Störungsverhältnis von einer großen Probe zu erhalten.
Insbesondere liegt der Nachteil der Sems gemäß dem Stand der Technik in einem niedrigen Auffangverhältnis der Sekundärelektronen, die von vertieften Abschnitten unebener, in einer Probe ausgebildeter Muster emittiert werden. Dies stellt z.B. das Problem darf daß es schwierig ist, ein klares SEM-Bild vom Boden eines Kontaktioches einer integrierten Halbleiterschaltung im Submikron-Bereich zu erhalten. Der Grund hierfür liegt darin, daß unter einem relativ schwachen axialen Magnetfeld die vom Boden des Kontaktlochs emittierten Sekundärelektronen leicht die Seitenwände des Kontaktlochs treffen können, und meist verhindert wird, daß sie den Sekundärelektronendetektor erreichen.
Die Figur 18 ist eine schematische Darstellung, die die Bewegung von Sekundärelektronen zeigt, die vom Boden eines Kontaktlochs emittiert werden. Der Zyklotronradius (Larmor-Radius) der Spiralbewegung eines Sekundärelektrons variiert im umgekehrten Verhältnis mit der magnetischen Feldstärke B, die in Axialrichtung anliegt. Deshalb wird der Zyklotronradius größer, je kleiner die magnetische Feldstärke B in Axialrichtung ist, wodurch die Wahrscheinlichkeit, daß das Sekundärelektron die Seitenwand des Kontaktlochs trifft, verstärkt wird, während die Wahrscheinlichkeit (Auffangverhältnis), daß das Sekundärelektron den Sekundärelektronendetektor erreicht, kleiner wird.
Die obige Beziehung, diejenige die das Kontaktloch betrifft, zwischen dem axialen Magnetfeld B und dem Auffangverhältnis der Sekundärelektronen ist auch auf unebene Muster anwendbar, die ein Längenverhältnis haben, das anders als bei Kontaktlöchern ist.
Die SEMs gemäß dem Stand der Technik sind auch durch eine große Brennweite und eine große Tiefenschärfe gekennzeichnet Dies bedeutet, daß, es, wenn die Oberfläche einer Probe durch den Elektronenstrahl abgetastet wird, schwierig ist, Informationen über unebene Muster zu erhalten, die in der Oberfläche der Probe ausgebildet sind. Deshalb muß man, um ein Schnittprofil unebener Muster in der Oberfläche der Probe zu erhalten, die Probe schneiden und die Schnittfläche mit dem Elektronenstrahl abtasten. Jedoch muß aus den vorgenannten Gründen das Schneiden der Proben beim Herstellungsprozeß von integrierten Halbleiterschaltungen vermieden werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der Erfindung wird ein Rasterelektronen-Mikroskop zur Verfügung gestellt, welches die oben angesprochenen und viele andere Nachteile und Mängel des Standes der Technik überwindet, wobei das Rasterelektronenmikroskop aufweist: Eine Elektronenkanone zum Abstrahlen eines Elektronenstrahls; eine Objektlinse zum Ausbilden eines magnetischen Feldes in einer Bahn, durch welche der Elektronenstrahl hindurchgeht; und einen Sekundärelektronendetektor zum Detektieren von Sekundärelektronen, die durch das Auftreffen des Elektronenstrahls auf einer Probe erzeugt werden, wobei: die Objektivlinse ein erstes Polstück und ein zweites Polstück aufweist; das erste Polstück mit einem Loch versehen ist, durch welches der Elektronenstrahl hindurchgeht, und zwischen der Elektronenkanone und dem zweiten Polstück angeordnet ist; und das zweite Polstück einen planaren bzw. flachen Abschnitt hat, auf welchem die Probe direkt aufgesetzt wird, und das zweite Polstück auf einem Trägerblock befestigt wird, der in einer Richtung bewegbar ist, die im wesentlichen senkrecht zur Projektionsrichtung des Elektronenstrahls liegt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Polstück aus einer Platte aus einem Material ausgebildet, das eine hohe magnetische Permeabihät hat, und der Trägerblock ist aus einem nicht-magnetischen Material ausgebildet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht das zweite Polstück aus einer mehrlagigen Schicht mit einer Lage mit hoher magnetischer Permeabilität und einer nicht-magnetischen Lage, und der Trägerblock ist aus einer nicht-magnetischen Substanz ausgebildet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Rasterelektronen-Mikroskop Astigmatismus-Korrektureinrichtungen zur Korrektor von Astigmatismus der Objektivlinse durch das Einstellen des Magnetfeldes, das in der Bahn des Elektronenstrahls ausgebildet wird, gemäß einer Elektrizitätsmenge, die der Astigmatismus-Korrektureinrichtung zugeführt wird, Speichereinrichtungen zum Abspeichern von Werten der Elektrizitätsmenge für die Astigmatismus-Korrektureinrichtung, wenn Astigmatismus- Korrekturen an mehreren ausgewählten Positionen der Probe in einem anfänglichen Einstellmodus erhalten werden, wobei die Werte der Elektrizitätsmenge jeweils den Positionen der Probe entsprechen, an welchen die Astigmatismus-Korrekturen erhalten werden, und Regelungseinrichtungen zum Regeln der Elektrizitätsmenge, die der Astigmatismus-Korrektureinrichtung zugeführt wird, damit diese dem Wert der Elektrizitätsmenge gleicht, welcher aus den Speichereinrichtungen gemäß einer Position der Probe ausgelesen wird, die in einem Beobachtungsmodus beobachtet werden soll.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Rasterelektronen-Mikroskop Astigmatismus-Korrektureinrichtungen zur Korrektur von Astigmatismus der Objektivlinse durch das Einstellen eines Magnetfeldes, das in der Elektronenstrahlbahn ausgebildet wird, gemäß einer Elektrizitätsmenge, die den Astigmatismus- Korrektureinrichtungen zugeführt wird, Magnetfeldsensor-Einrichtungen zum Messen einer Stärke eines Magnetfeldes, das zwischen dem ersten Polstück und dem zweiten Polstück ausgebildet wird, Speichereinrichtungen zuin Abspeichern von Werten der Elektrizitätsmenge, die den Astigmatismus-Korrektureinrichtungen zugeführt wird, und von magnetischen Feldstärken, die durch die Magnetfeldsensor-Einrichtungen gemessen werden, wenn Astigmatismus-Korrekturen an mehreren ausgewählten Positionen der Probe in einem anfänglichen Einstelmodus erhalten werden, wobei die Werte der Elektrizitätsmenge und der magnetischen Feldstärken jeweils den Positionen der Probe entsprechen, bei welchen die Astigmatismus-Korrekturen erhalten werden, und Regelungseinrichtungen zum Regeln der Elektrizitätsmenge, die den Astigmatismus-Korrektureinrichtungen zugeführt wird, damit diese dem Wert der Elektrizitätsmenge gleicht, welcher aus den Speichereinrichtungen gemäß einer Position der Probe ausgelesen wird, die in einem Beobachtungsmodus beobachtet werden soll, wobei die Regelungseinrichtungen eine magnetische Feldstärke, die durch die Magnetfeldsensor-Einrichtungen an der Position der zu beobachtenden Probe gemessen wurde, mit der magnetischen Feldstärke vergleichen, die aus den Speichereinrichtungen gemäß der Position der zu beobachtenden Probe ausgelesen wird, und wobei die Regelungseinrichtungen die Elektrizitätsmenge regeln, die den Astigmatismus-Korrektureinrichtungen zugeführt wird, um so eine Differenz zwischen der magnetischen Feldstärke, die durch die Magnetfeldsensor-Einrichtungen gemessen wurde, und der magnetischen Feldstärke, welche aus den Speichereinrichtungen ausgelesen wird, zu verringern.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Rasterelektronen-Mikroskop Astigmatismus-Korrektureinrichtungen zur Korrektur von Astigmatismus der Objektivlinse durch das Einstellen eines Magnetfeldes, das in der Elektronenstrahlbahn ausgebildet wird, gemäß einer Elektrizitätsmenge, die den Astigmatismus- Korrektureinrichtungen zugeführt wird, Magnetfeldsensor-Einrichtungen zum Messen einer Stärke eines Magnetfeldes, das zwischen dem ersten Polstück und dem zweiten Polstück ausgebildet wird, Speichereinrichtungen zum Speichern von magnetischen Feldstärken, die durch die Magnetfeldsensor-Einrichtungen gemessen werden, wenn Astigmatismus-Korrekturen an mehreren ausgewählten Positionen der Probe in einem anfänglichen Einstellmodus erhalten wurden, und zum Speichern eines Ausdrucks, der das Verhältnis zwischen den gemessenen magnetischen Feldstärken und den Positionen der Probe definiert, an welcher die magnetischen Feldstärken erhalten werden, Regeleinrichtungen zum Regeln einer magnetischen Feldstärke, die durch die Magnetfeldsensor-Einrichtungen gemessen werden, damit diese der magnetische Feldstärke gleicht, welche aus den Ausdrücken erhalten wird, die in den Speichereinrichtungen gemäß einer Position der Probe gespeichert werden, die einem Beobachtungsmodus beobachten werden soll.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfassen Astigmatismus- Korrektureinrichtungen Astigmatismus-Korrekturspulen zur Reduzierung des Astigmatismus der Objektivlinse durch das Einstellen des Magnetfeldes, das in der Elektronenstrahlbahn ausgebildet wird, gemäß einem zuzuführenden Strom, und Höhenregelungseinrichtungen zum Einstellen der Höhe des Trägerblocks gemäß einer zuzuführenden Spannung.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Darstellung von Schnittprofilen bereitgestellt, das folgende Schritte aufweist: Erhalten von mehreren Sekundärelektronen-Signalen durch das Abtasten einer Oberfläche einer Probe durch Elektronenstrahlen während des stufenweise ansteigenden Varuerens der Brennweite des Elektronenstrahls durch das Ändern eines durch die Objektivlinsenspule fließenden Stromes; das Abspeichern des Sekundärelektronensignals im Verhältnis zu jeweiligen Werten der variierten Brennweiten; und das Erstellen eines Quer-schnittsprofils der Oberfläche der Probe auf der Basis der Werte der stufenweise ansteigend variierten Brennweiten und der Positionen auf der Oberfläche der Probe, an welchem die Elektronenstrahlen mit jeweils diesen Werten entsprechenden Brennweiten fokussiert werden. Zur Durchführung dieses Verfahrens wird eine oben beschriebene Einrichtung verwendet.
Somit ermöglicht die hier beschriebene Erfindung die Lösung folgender Aufgaben:
(1) Bereitstellen eines Rasterelektronen-Mikroskops mit einem Aufbau, der es gestattet, eine große Probe direkt und ohne sie in kleine Teile zu schneiden, an einer Stelle einzusetzen, wo eine Objektivlinse die maximale Feldstärke in axialer Richtung zur Verfügung stellt.
(2) Bereitstellen eines Rasterelektronen-Mikroskops, das dazu in der Lage ist, ein hochaufgelöstes helles Bild herzustellen, ohne die magnetische Bahn der Objektivlinse stark zu vergrößeren.
(3) Bereitstellen eines Rasterelektronenmikroskops, das dazu in der Lage ist, ein hochaufgelöstes helles Bild vom Boden eines Kontaktloches oder eines anderen unebenen Musters zu erstellen, das in einem Halbleiterwafer ausgebildet ist.
(4) Bereitstellen eines Verfahrens zur Darstellung von Schnittprofilen, bei dem Schnittprofile unebener Muster, die in der Oberfläche einer Probe ausgebildet sind, erhalten werden können, ohne die Probe zu schneiden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Mit Bezug auf die beiliegenden zeichnungen wird diese Erfindung besser verständlich, und ihre vielfältigen Aufgaben und Vorteile werden für Fachleute ersichtlich. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht, die in schematischer Form den Aufbau eines SEM gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; Fig. 2 eine Querschnittsansicht der Objektivlinse der ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht, die in schematischer Form den Aufbau eines SEM der ersten Ausführungsform zeigt, wenn ein Kantenabschnitt einer Probe beobachtet wird;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht eines unteren Polstücks der ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines anderen unteren Polstücks;
Fig. 6 eine Querschnittsansicht, die in schematischer Form den Aufbau eines SEM gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 7A eine Querschnittsansicht der Objektivlinse der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 7B eine Aufsicht, die die Anordnung von Magnetfeldsensoren zeigt, die an der Objektivlinse vorgesehen sind;
Fig. 8A eine perspektivische Ansicht der Objektivlinse;
Fig. 8B eine schematische Aufsicht auf Hall-Elemente, die in der Objektivlinse vorgesehen sind;
Fig. 9 ein Ablaufdiagramm, das eine Abfolge zur Astigmatismus-Reduzierung beim SEM der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 10 ein Ablaufdiagramm, das im Detail eine Abfolge zur Magnetfeldreproduktion in der Abfolge der Figur 9 zeigt;
Fig. 11 ein Ablaufdiagramm, das eine andere Abfolge für die Astigmatismus-Reduzierung zeigt;
Fig. 12 ein Ablaufdiagramm, das noch eine weitere Abfolge für die Astigmatismus-Reduzierung zeigt;
Fig. 13A und 13B schematische Schnittansichten, die Polstücke jeweils vor und nach der Parallelitäts-Korrektur zeigen;
Fig. 14 ein Ablaufdiagramm, das eine Abfolge und ein Verfahren zur Darstellung eines Schnittprofils einer Probe unter Verwendung des SEM der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 15 eine schematische Darstellung, die den Fluß von Sekundärelektronen-Signalen beim Darstellen eines Schnittprofils zeigt;
Fig. 16 eine schematische Darstellung, die ein Querschnittsprofil und Sekundärelektronen-Signale zeigt; Fig. 17A, 17B und 17C Querschnittsansichten, die jeweils die Objektivlinse der vorliegenden Erfindung, eine Objektivlinse gemäß dem Stand der Technik und eine weitere Objektivlinse gemäß dem Stand der Technik im Vergleich miteinander zeigen;
Fig. 18 eine schematische Querschnittsansicht, die die Zyklotronbewegung eines vom Boden eines Kontaktlochs emittierten Sekundärelektrons zeigt; und
Fig. 19 eine schematische Darstellung, die zeigt, wie ein der Beobachtung durch ein SEM unterzogener Wafer im Herstellungsprozeß für integrierte Halbleiterschaltungen behandelt wird.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau eines SEM gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das SEM dieser Ausführungsform umfaßt eine Elektronenkanone 11 zum Abstrahlen eines Elektronenstrahls 12, eine Achsen-Ausrichtungsspule 13 zum Ausrichten der Achse des Elektronenstrahls 12, der von der Elektronenkanone 11 abgestrahlt wird, eine Fokussierungslinse 14 mit einer Fokussierungsspule 15 zum Fokussieren des axial ausgerichteten Elektronenstrahls 12, eine Öffnung 16 zum Begrenzen der Bahn des Elektronenstrahls 12, eine Ablenkspule 25 zum Ablenken des Elektronenstrahls 12, der durch die Öffnung 16 geführt wurde, eine Objektivlinse 17, um den Brennpunkt des Elektronenstrahls 12 auf eine Probe 22 zu bringen, und einen Sekundärelektronen-Detektor 24 zum Detektieren von Sekundärelektronen, die von der Probe 22 emittiert werden, welche durch den Elektronenstrahl 12 abgetastet wird. Diese Bauteile bilden ein axialsymmetrisches optisches Elektronensystem.
Die Probe (Silikon-Wafer) 22, die beobachtet werden soll, wird in einer Probenkammer 30 plaziert. Der Elektronenstrahl 12, der durch die Objektivlinse 17 fokussiert ist, wird auf den Wafer 22 projiziert und verursacht, daß Sekundärelektronen vom Wafer 22 emittiert werden. Der Elektronenstrahl 12 wird durch die Ablenkspule 25 abgelenkt, um die Oberfläche des Wafers 22 zweidimensional abzutasten. Die vom Wafer 22 emittierten Sekundärelektronen werden durch den Sekundärelektronen-Detektor 24 detektiert, wobei diese Elektronen in ein Sekundärelektronen Signal umgewandelt, auf dessen Basis ein Sekundenelektronen- Bild (SEM-Bild) auf einer Anzeige (CRT) erstellt wird; die nicht gezeigt ist.
Ein Abschnitt, der als Durchgang für den Elektronenstrahl 12 dient, und die Probenkammer 30 werden mittels einer Unterdruckpumpe (nicht gezeigt) im Zustand eines hohen Unterdrucks gehalten.
Die Objektivlinse 17 dieser Ausführungsform umfaßt eine ringförmige Spule 20 und eine magnetische Bahn 10, die die Kraftlinien eines durch die Spule 20 erzeugten Magnetfeldes führt. Die -magnetische Bahn 10 umfaßt ein oberes Polstück 18 (ein erstes Polstück) und ein unteres Polstück 21 (ein zweites Polstück), welches vom oberen Polstück 18 getrennt ist.
Die Figur 2 ist eine detaillierte Darstellung der Objektivlinse 17. Wie in Fig. 2 gezeigt, hat das obere Polstück 18 einen axialsymmetrischen, kegelförmigen Abschnitt, dessen Boden mit einein Loch versehen ist, durch welches der Elektronenstrahl 12 hindurchgeht. Das untere Polstück 21 hat eine planare Form und ist in der Richtung senkrecht zur Achse (in der Querrichtung) bewegbar. Sowohl das obere Polstück 18 als auch das untere Polstück 21 sind aus Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität ausgebildet, wie z.B. Reineisen, Cobalt-Eisen, Permalloy, etc.
Damit die Objektivlinse 17 als Linse wirkt, wird ein elektrischer Strom durch die Spule 20 geschickt, wodurch ein Magnetfeld um die Spule 20 herum erzeugt wird. Die Kraftlinien des Magnetfelds werden durch die magnetische Bahn 10 geführt und bilden eine Schleife, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 2 gezeigt. In diesem schleifenförmigen Magnetfeld wirkt ein Bereich zwischen dem Lochabschnitt des oberen Polstücks 18 und der Oberfläche des unteren Polstücks 21 als Wirkbereich, der als Linse für den Elektronenstrahl 12 arbeitet. In diesem Bereich wird ein Linsenfeld zum Fokussieren des Elektronenstrahls 12 ausgebildet.
Der Wafer 22 wird auf dem unteren Polstück 21 aufgesetzt. Diese Ausbildung gestattet es, eine große Probe, wie z. B. einen Wafer von 152,3 mm (6 inches) Außendurchmesser direkt an einer Position zwischen dem oberen Polstück 18 und dem unteren Polstück 21 aufzusetzen, wo die axiale magnetische Feldstärke am höchsten ist. Die axiale magnetische Feldstärke beim SEM dieser Ausführungsform wird in Fig. 17A durch BZ gezeigt. Gemäß dieser Ausführungsform ist die axiale magnetische Feldstärke auf dem Wafer 22 am höchsten. An der Position, wo die axiale magnetische Feldstärke am höchsten ist, ist die Tiefenschärfe der Objektivlinse 17 am geringsten und die Aberration der Linse ist ebenfalls am geringsten.
Wiederum unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird nunmehr eine Einrichtung zum Bewegen des Wafers 22 beschrieben. Der Wafer 22 wird direkt auf dem unteren Polstück 21 befestigt und unter Verwendung eines Halters 31 dort festgestellt. Das untere Polstück 21 wird auf einem Trägerblock 23 befestigt, welcher auf Bewegungsblöcken 27 und 28 befestigt ist. Durch das Drehen einer Einstellschraube 26, die zwischen dem Trägerblock 23 und dem Bewegungsblock 27 angeordnet ist, wird die Parallelität des unteren Polstücks 21 bezüglich des oberen Polstücks 18 eingestellt, d.h. die Parallelität des unteren Polstücks 21 bezüglich einer Fläche senkrecht zur Achse. Die Bewegungsblöcke 27 und 28 sind in einer Ebene senkrecht zur Achse bewegbar. Das Bewegen der Bewegungsblöcke 27 und 28 bewirkt, daß der darauf montierte Trägerblock 23 und somit das untere Polstück 21 und der Wafer 22 sich entlang der senkrecht zur Achse liegenden Ebene bewegen.
Die Figur 3 zeigt das Positionsverhältnis zwischen dem oberen Polstück 18 und dem unteren Polstück 21, wenn ein Kantenabschnitt des Wafers 22 beobachtet wird. Um einen gewünschten Abschnitt auf der Oberfläche des Waf ers 22 zu beobachten, muß das obere Polstück 21 mit dem darauf befestigten Wafer 22 in Querrichtung so bewegt werden, daß der gewünschte Abschnitt durch den Elektronenstrahl 12 abgetastet wird. Um Abweichungen der magnetischen Felstärke zwischen dem Lochabschnitt des oberen Polstücks 18 und der Oberfläche des unteren Polstücks 21 zu verhindern, wird das untere Polstück 21 so ausgestaltet, daß es eine Größe hat, die ausreichend größer ist als diejenige des Wafers 22. Bei dieser Ausführungsform ist es so ausgestaltet, daß das untere Polstück 21 Abmessungen hat, die um mehr als das Fünffache eines Abstands d zwischen dem oberen Polstück 18 und dem unteren Polstück 21 länger sind als diejenigen des Wafers 22.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform, wenn der Außendurchmesser des Wafers als DW0, der Abstand zwischen dem Lochabschnitt des oberen Polstücks 18 und der Oberfläche des unteren Polstücks 21 als d und der Außendurchmesser des äußeren unteren Endes 19 der magnetischen Bahn 10 als D&sub0; bezeichnet wird, sollte der Außendurchmesser des unteren Polstücks 21 größer sein als DW0+ D&sub0; + 10d. Wenn z. B. der Außendurchmesser des Wafers 22 150 mm (6 inches), der Abstand d 6 mm und der Achsendurchmesser D&sub0; 100 mm ist, sollte der Außendurchmesser des unteren Polstücks 21 größer sein als 310 mm.
Es ist nicht wünschenswert, daß der Abstand zwischen dem oberen Polstück 18 und dem unteren Polstück 21 variiert, wenn das untere Polstück 21 in Querrichtung bewegt wird. Deshalb muß ein hoher Parallelitätsgrad zwischen dem oberen Polstück 18 und dem unteren Polstück 21 bereitgestellt werden. Ein solcher hoher Parallelitätsgrad kann durch das Einstellen der Einstellschraube 26 erreicht werden, die zwischen dem Trägerblock 23 und den Bewegungsblöcken 27 und 28 wie vorgenannt, vorgesehen ist.
Wenn die Parallelität nicht perfekt ist, wird die Höhe des Beobachtungspunktes an der Oberfläche der Probe verändert, wenn das untere Polstück 21 in Querrichtung bewegt wird. Durch das Einstellen der Einstellschraube 26 kann die veränderte Höhe des Beobachtungspunktes ebenfalls eingestellt werden. Solche Einstellungen werden durch Beobachtung des Sekundärelektronenbildes auf der Anzeige oder unter Verwendung eines optisches Mikroskops manuell durchgeführt.
Da das obere Polstück 18 vom unteren Polstück 21 getrennt ist, kann gemäß dieser Ausführungsform somit eine große Probe, wie der 6-inch-Wafer 22 an einer Position zwischen diesen Polstükken eingesetzt werden, wo die axiale magnetische Feldstärke am höchsten ist, unter welcher die Probe beobachtet werden soll. Deshalb können ohne Vergrößerung der Abmessungen der Objektivlinse 17 die Zyklotronradien der Sekundärelektronen wesentlich reduziert werden, um ein hohes Auffangverhältnis der Sekundärelektronen zu erhalten, wodurch das Erstellen eines hellen und hochaufgelösten Bildes sichergestellt wird.
Deshalb ist es ebenfalls möglich, ein helles und hochaufgelöstes SEM-Bild aus dem Inneren von vertieften Abschnitten sehr schmaler unebener Muster in der Probe zu erhalten, z.B. vom Boden eines Kontaktloches im Submikron-Größenbereich einer integrierten Halbleiterschaltung während des Herstellungsprozesses. Ferner kann, sogar wenn die Projektionsstärke des Elektronenstrahls 12 etwas reduziert wird, ein SEM-Bild von ausreichend guter Qualität erhalten werden. Deshalb kann beim Be-obachten eines Materials, das sich leicht auf lädt, die Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls 12 verringert werden, um zu verhindern, daß das Material eine Ladung aufnimmt. Dies dient dazu, zu verhindern, daß die Bildqualität aufgrund einer Aufladung leidet.
Um die Oberfläche des Wafers während der Herstellung einer integrierten Halbleiterschaltung zu beobachten, ist es, da ein hochaufgelöstes SEM-Bild erhalten werden kann, ohne den Wafer 22 in kleinere Teile zu schneiden, nicht nötig, den Wafer 22 zur Untersuchung während des Herstellungsprozesses zu zerschneiden. Dies bedeutet, daß der Wafer 22, der zur Beobachtung durch das SEM aus dem Herstellungsprozeß entnommen wurde, nach dem Abschluß der Beobachtung in den Herstellungsprozeß zurückgeführt werden kann. Dies erleichtert die Realisierung eines hohen Durchsatzes bei der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen etc.
Die Fig. 19 ist eine schematische Darstellung, die eine Abfolge zum Beobachten eines Wafers unter Verwendung eines SEM beim Herstellungsverfahren für integrierte Halbleiterschaltungen zeigt. Bei einem herkömmlichen SEM wird ein Wafer zur Beobachtung durch das SEM geschnitten und die Waferprobe wird nach dem Abschluß der Beobachtungen entsorgt. Im Gegensatz hierzu muß beim SEM dieser Ausführungsform der Wafer nicht geschnitten werden, sondern kann direkt als Probe zur Beobachtung durch das SEM verwendet werden, und nach dem Abschluß der Beobachtung kann der Wafer im darauffolgenden Herstellungsprozeß verwendet werden.
Da das untere Polstück 21 eine bewegbare planare Platte ist, kann gemäß dem SEM dieser Ausführungsforin, die direkt auf den unteren Polstück 21 befestigte Probe zusammen mit dem unteren Polstück 21 bewegt werden. Es ist deshalb möglich, einen gewünschten Abschnitt auf der ausgedehnten Oberfläche einer großen Probe unter einem hohen axialen Magnetfeld zu beobachten, obwohl die Objektivlinse 17 relativ klein ist.
Die Fig. 4 zeigt detaillierte Schnittansichten des unteren Polstücks und des Trägerblocks 23 dieser Ausführungsform. Es ist wünschenswert, daß das untere Polstück 21 und der Trägerblock 23 leicht konstruiert werden. Eine schwerere Konstruktion würde eine längere Zeit für die Beschleunigung und Abbremsung beim Bewegen des unteren Polstücks 21 in Querrichtung erfordern.
Das untere Polstück 21, das in Fig. 4 gezeigt ist, ist auf einer polierten Oberläche 43 des Trägerblocks 23 befestigt, der aus einem nicht-magnetischen Material, Aluminium, mit einer dazwischen eingesetzten Klebeschicht 41 ausgebildet ist. Das untere Polstück 21 ist aus einem Material von hoher magnetischer permeabilität ausgebildet. Wenn das untere Polstück 21 und der Trägerblock 23 beide aus relativ schweren Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität ausgebildet sind, wie z.B. Weicheisen (spezifisches Gewicht: 7,8), Permalloy (spezifisches Gewicht: 8,6), etc. dauert es wegen seiner schweren Konstruktion lange, das untere Polstück zu bewegen, was die Gesamtzeit für die Beobachtung verlängert. Auch neigt eine schwere Konstruktion dazu, Reibung an Führungsabschnitten der Bewegungsblöcke 27 und 28 hervorzurufen, was die Genauigkeit der Positionsregelung der Bewegungsblöcke 27 und 28 verschlechtert und als Resultat der Reibung Staub erzeugt. Es ist unverzichtbar, die Erzeugung von Staub zu vermeiden, weil Staub die Beobachtung sehr kleiner Muster stört und den Ertrag der integrierten Halbleiterschaltungen verringert.
Da das zu beobachtende Objekt, wie z.B. der Wafer 22, auf das untere Polstück 21 gesetzt wird, muß die Oberfläche 42 des unteren Polstücks 21 einen hohen Grad an Flachheit aufweisen, wie z.B. derjenige eines Waferhalters einer schrittweise arbeitenden Überführungseinrichtung. Im allgemeinen wird angenommen, daß die Oberfläche 42 des unteren Polstücks 21 durch Schleifen oder Polieren ihrer Oberfläche 42 mit einem hohen Grad an Flachheit versehen werden kann.
Es ist jedoch schwierig, ein hochpermeables magnetisches Material, welches als Material für das Polstück verwendet wird, mit hoher Genauigkeit zu schleifen oder zu polieren, weil Schleifen und Polieren eine Spannung in der bearbeiteten Schicht des hochpermeablen magnetischen Materials hinterläßt, was dessen magnetische Eigenschaften verschlechtert. Um die magnetischen Eigenschaften wieder herzustellen, muß das hochpermeable magnetische Material geglüht werden, aber das Glühen wird eine Krümmung der bearbeiteten Oberfläche (endbearbeitete Oberfläche) hervorrufen. Es ist deshalb schwierig, die Oberfläche von Weicheisen, Permalloy, Sendust, etc. präzise zu bearbeiten.
Die Anforderungen (Leichtigkeit und Flachheit) für das untere Polstück 21 werden gemäß der Konstruktion dieser Ausführungsform erfüllt. Das untere Polstück 21 dieser Ausführungsform, welches aus einer dünnen Platte (Dicke 300 µm, hergestellt aus relativ schwerem magnetischen Material hoher Permeabilität) aufgebaut ist, wird auf dem Trägerblock 23 befestigt (Dicke 3 mm, bestehend aus einem relativ leichten, nicht magnetischen Material, Aluminiumoxid (spezifisches Gewicht: 4,1) wodurch eine praktische und wirksame Verringerung des Gesamtgewichts der Konstruktion erreicht wird. Das addierte Gewicht des unteren Polstücks 21 und des Trägerblocks 23 dieser Ausführungsform beträgt ungefähr die Hälfte des Gewichts eines unteren Polstücks, das aus einem dicken Block eines hochpermeablen magnetischen Materials hergestellt ist (spezifisches Gewicht: 5 bis 8,6).
Um die Dicke des unteren Polstücks zu verringern, sie z.B. auf 0,3 mm herabzusetzen, sollten Materialien mit einer hohen magnetischen Sättigungsdichte als Materialien für das untere Polstück 21 verwendet werden, wobei solche Materialien z.B. sein können: Permalloy (spezifisches Gewicht: 8,4, magnetische Sättigungs-Flußdichte: 8.000 Gaus), amorphe magnetische Legierung (spezifisches Gewicht: ungefähr 7, magnetische Sättigungs flußdichte: 6.000 bis 9.000 Gaus), Ferrit mit hoher magnetischer Permeabilität (spezifisches Gewicht: ungefähr 5, magnetische Sättigungs-Flußdichte: 4.000 bis 6.000 Gaus), etc.
Der Trägerblock 23 dieser Ausführungsform ist aus einem Material mit guter Bearbeitbarkeit ausgebildet. Da das untere Polstück 21 auf der polierten Oberfläche 43 des Trägerblocks 23 befestigt ist, der eine gute Bearbeitungsfähigkeit aufweist, wobei eine Klebeschicht dazwischen eingesetzt ist, muß das untere Polstück, das aus einem magnetischen Material mit hoher Permeabilität ausgebildet ist, nicht notwendigerweise poliert werden. Deshalb verschlechtern sich seine magnetischen Eigenschaften nicht.
Im folgenden wird kurz ein Verfahren zur Herstellung des unteren Polstücks 21 beschrieben. Zuerst wird die obere Oberfläche des Trägerblocks 23 durch Schleifen poliert, und dann wird die Klebeschicht 41 auf der polierten Oberfläche 43 ausgebildet. Danach wird das untere Polstück, eine dünne magnetische Platte, mittels der Klebeschicht 41 auf den Trägerblock 23 geklebt. Wenn Staub sich während des Prozesses der Angleichung der Dicke der Klebeschicht 41 auf der Klebeschicht 41 ansetzt, wird die Parallelität des unteren Polstücks 21 bezüglich der polierten Oberfläche 43 verringert, wie hoch auch immer der Grad der Flachheit der polierten Oberfläche 43 ist. In einem solchen Fall muß die Oberfläche des unteren Polstücks 21 geschliffen oder poliert werden, nachdem sie an ihrer Position angeklebt wurde, um die Parallelität zu verbessern.
Anstelle des Aufklebens einer Platte, die als unteres Polstück 21 dient, auf dem Trägerblock 23, kann ein dünner Film, der aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität ausgebildet ist, auf dem Trägerblock 23 abgelagert werden. Bedampfung, wie sie bei der Herstellung von Magnetköpfen verwendet wird, ist als Aufbringungsmethode geeignet. In diesem Fall ist die Ausbildung einer Klebeschicht 41 nicht notwendig.
In einer Bedampfungskammer mit einem relativ hohen Unterdruck erreichen Atome, die von einem Target abgedampft werden, den Trägerblock 23, auf welchen die Atome aufgebracht werden. Dieses Verfahren gestattet die Ausbildung eines unteren Polstücks 21 mit einer hervorragenden Flachheit, ohne die Flachheit der polierten Oberflächen des Trägerblocks 23 zu beeinträchtigen.
Beim Bedampfungsverfahren ist es, da der Trägerblock 23 sich im Zeitpunkt der Aufbringung erwärmt, wünschenswert, daß der Trägerblock 23 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der in der Nähe desjenigen des unteren Polstücks 21 liegt. Falls jedoch eine Klebeschicht 41 zwischen dem unteren Polstück 21 und dem Trägerblock 23 vorgesehen ist, dient eine solche Schicht dazu, Spannungen zu absorbieren, welche durch den Unterschied in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem unteren Polstück 21 und dem Trägerblock 23 hervorgerufen werden.
Geeignete Materialien für den Trägerblock 23, welcher wünschenswerterweise leicht sein sollte, umfassen Quarz, Aluminiumoxid, Aluminiumlegierungen, Kupfer, Aluminium, etc. Geeignete Materialien für das untere Polstück 21, welche wünschenswerterweise hervorragende magnetische Eigenschaften haben sollen, umfassen Weicheisen, Permalloy, Supermalloy, Sendust, amorphe Legierungen vom Metall-Metall-Metalloid-Typ und amorphe Legierungen vom Metall-Metall-Typ.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt eines anderen unteren Polstücks 21. Dieses untere Polstück 21 umfaßt einen Trägerblock 23 aus Aluminiumlegierung (Dicke ungefähr 7 mm und eine mehrlagige Schicht mit nicht-magnetischen Lagen 45 und magnetischen hochpermeablen Lagen 44, die auf der Oberfläche des Trägerblocks 23 abgebildet sind. Die obere Oberfläche des Trägerblocks 23 wird durch Feinschleifen oder Polieren behandelt, so daß eine Flachheit von ± 2 µm bereitgestellt wird.
Auf dem Trägerblock 23 wird eine nicht magnetische Lage (Dicke: 100 µm, Wärmeausdehnungskoeffizient: 65 x 10&supmin;&sup7;/ºC), die aus Aluminiumoxid besteht, als Pufferlage 46 ausgebildet. Auf der Aluminiumoxid-Pufferlage 46 wird eine mehrlagige Schicht mit hochpermeablen magnetischen Lagen ausgebildet (Dicke: 80 µm, Wärmeausdehnungskoeffizient: 120 x 10&supmin;&sup7;/ºC), hergestellt aus einer amorphen Legierung vom Metall-Metall-Typ (CoNbTaZr) und mit nicht magnetischen Lagen 45 (Dicke: 3 µm, Wärmeausdehnungskoeffizient: 10 x 10&supmin;&sup7;/ºC), die aus Quartz bestehen. Die Mehrlagenschicht kann einfach und mit geringen Kosten durch den Einsatz von Bedampfung ausgebildet werden.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient einer Aluminiumlegierung, wie z.B. Duraluminium ist 23 bis 78 x 10&supmin;&sup7;/ºC über den Temperaturbereich von 0-300ºC. Spannung, die durch den Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungkoeffizienten des Trägerblocks 23 aus Aluminiumlegierung und den hochpermeablen magnetischen Lagen 44 hervorgerufen wird, wird durch das Vorhandensein der nicht magnetischen Lagen 45 und der nicht magnetischen Pufferlage 46 verringert.
Somit hat das untere Polstück 21 dieser Ausführungsform, das aus einer Mehrlagenschicht mit nicht magnetischen Feldern 45 und hochpermeablen magnetischen Filmen 44 besteht, die Eigenschaften der leichten Magnetisierung (d.h. geringer Entmagnetisierungskoeffizient) und der hohen Permeabilität wegen seiner offensichtlich vergrößerten Dicke. Da leichte nicht magnetische Lagen 45 miteingeschlossen sind, ist das untere Polstück 21 auch trotz seiner offensichtlichen Dicke von geringem Gewicht.
Wenn Quartz (Wärmeausdehnungskoeffizient: 10 x 10&supmin;&sup7;/ºC) als Material für den Trägerblock 23 verwendet wird, und amorphe Legierung vom Metall-Metall-Typ (CoNbTaZr) als Material für die hochpermeablen magnetischen Lagen 44, sollten solche Materialien wie Kupfer (Wärmeausdehnungskoeffizient: 168 x 1010&supmin;&sup7;/ºC), Mikron (Wärmeausdehnungskoeffizient: 130 x 1010&supmin;&sup7;/ºC) vorzugsweise als Material für die nicht magnetischen Schichten verwendet werden, die vorgesehen sind, um die thermischen Spannungen abzubauen.
Wenn eine Aluminiumlegierung mit einem hohen Wärmeausdehnungkoeffizienten (170 x 10&supmin;&sup7;/ºC) als Material für den Trägerblock 23 verwendet wird, sollten solche Materialien wie Aluminiumoxid (Wärmeausdehnungskoeffizient: 67 x 10&supmin;&sup7;/ºC), Quartz (Wärmeausdehnungskoeffizient: 10 x 10&supmin;&sup7;/ºC) vorzugsweise als Material für die nicht magnetischen Lagen verwendet werden, die vorgesehen sind, um die thermischen Spannungen abzubauen.
Wenn beim unteren Polstück 21 die nicht magnetischen Lagen 45 so zwischen die hochpermeablen magnetischen Filme 44 eingesetzt sind, um thermische Spannung abzubauen, kann verhindert werden, daß die magnetischen Eigenschaften sich aufgrund der Spannung verschlechtern, die durch den Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten hervorgerufen werden.
Um die magnetischen Eigenschaften des untere Polstücks 21 weiter zu verbessern, ist es notwendig, das untere Polstück 21 aus einem magnetischen Material herzustellen, das einen Magnetostriktionskoeffizienten λ hat, der nahe bei 0 liegt.
Ein solches magnetisches Material kann z.B. durch das Zusetzen von Zr, das einen positiven Magnetostriktionskoeffizienten hat, zu einem Material von CoNaTa-Typ erhalten werden, das einen negativen Magnetstriktionskoeffizienten λ hat. Das Resultat ist CoNbTaZr, das einen Magnetostriktionskoeffizienten hat, der geringer ist als 10&supmin;&sup5;. Wenn das Verhältnis von NbTa zu Zr ungefähr 2 zu 3,1 ist, nähert sich der Magnetostriktionskoeffizient λ weiter an 0 an.
Geeignete Materialien für die hochpermeablen magnetischen Lagen 44 umfassen Weicheisen, Permalloy, Supermalloy, Sendust, amorphe Legierung vom Metall-Metall-Metalloid-Typ und amorphe Legierung vom Metall-Metall-Typ. Geeignete Materialien für die nicht magnetischen Lagen 45 und 46 umfassen Aluminium, Quartz, etc.
Die Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines SEM gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das SEM dieser Ausführungsform umfaßt eine Astigmatismus-Korrekturspule 5, magnetische Feldsensoren 1-4 und 6-9 und einen Stufenhöhenregelungsmechanismus 40, so daß der Astigmatismus, welcher sich mit der Querbewegung des unteren Polstücks 21 vergrößert, automatisch korrigiert wird.
Das SEM dieser Ausführungsform umfaßt einen Speicher und eine CPU. Der Speicher wird verwendet, um Kombinationen von Stromund Spannungswerten zu speichern, bei welchen Astigmatismus- Korrektur in einem anfänglichen Einstellmodus erzielt wird, wie im weiteren beschrieben wird, durch das Einstellen des der Objektivlinsenspule 20 zuzuführenden Stromes, des Stromes, der der Astigmatismus-Korrekturspule 5 zugeführt wird, und der Spannung, die den Stufenhöhenkontrollmechanismus 40 gemäß den verschiedenen Positionen der Bühne zugeführt wird.
Die CPU dient der Regelung eines Stromes zur Objektivlinsenspule 25 und eines Stromes für die Astigmatismus-Korrekturspule 5 und einer Spannung für den Bühnenhöhenregelungsmechanismus 40, wobei die Ströme und Spannungen gemäß der Position der Bühne aus den Strom- und Spannungswerten ausgewählt werden, die in dem Speicher in Bezug auf die verschiedenen Positionen der Bühne abgespeichert sind.
Die Fig. 7A zeigt einen deutlichen Detailquerschnitt der Objektivlinse 17 dieser Ausführungsform Die Astigmatismus- Korrekturspule 5 ist vorgesehen, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, das den Astigmatismus korrigiert, der durch die Objektivlinse 17 hervorgerufen wird, und ist über dem im oberen Polstück vorgesehenen Loch angeordnet. Deshalb tritt der Elektronenstrahl 12 in das Magnetfeld der Objektivlinse 17 ein, nachdem er durch das Magnetfeld hindurchgegangen ist, das durch die Astigmatismus-Korrekturspule 5 erzeugt wird.
Die Astigmatismus-Korrekturspule 5 dieser Ausführungsform ist eine Luftkernspule mit acht Polen, welche so angeordnet sind, daß ein N-Pol einem N-Pol und ein S-Pol einem S-Pol zugewandt ist. Durch das Einstellen des durch die Astigmatismus-Korrekturspule 5 fließenden Stromes kann Astigmatismus verringert werden.
Magnetische Feldsensoren 1-4 sind vorgesehen, um die Stärke des axialen Magnetfeldes zu messen, das zwischen dem Lochabschnitt des oberen Polstücks 18 und der Oberfläche des unteren Polstücks 21 gebildet wird. Wie in den Fig. 7A und 7B gezeigt, sind die magnetischen Feldsensoren 1-4 in der Nähe des Loches des oberen Polstücks 18 angeordnet. Die magnetischen Feldsenso-ren 1 und 2 sind auf der X-Achse der Fig. 7B und die Magnetsensoren 3 und 4 auf der Y-Achse angeordnet.
Magnetische Feldsensoren 6-9 sind vorgesehen, um die Stärke des axialen Magnetfeldes zu messen, das zwischen dem äußeren unteren Ende 19 des magnetischen Bahnverlaufs 10 und der Oberfläche des untere Polstücks 21 gebildet wird. Die magnetischen Feldsensoren 6-9 sind am unteren Ende 19 des magnetischen Bahnverlaufs 10 vorgesehen. Wie die Magnetsensoren 1 und 2 sind die Magnetsensoren 6 und 7 auf der X-Achse angeordnet (jedoch nicht in Fig. 7B gezeigt). Ebenfalls sind die Magnetsensoren 8 und 9 auf der Y-Achse am äußeren unteren Ende 19 des magnetischen Bahnverlaufs 10 angeordnet. Geeigneterweise werden Hall-Elemente als solche magnetischen Sensoren 1-4 und 6-9 verwendet.
Die Fig. 8A ist eine perspektivische Ansicht, die einen Querschnitt der Objektivlinse 17 dieser Ausführungsform zeigt. Die Fig. 8B ist eine schematische Ansicht, die Hall-Elemente zeigt, die die magnetischen Feldsensoren 1-4 bilden. Wie in Fig. 8b gezeigt, sind mehrere Hall-Elemente (z.B. 256 Stück) 50 um das Loch im oberen Polstück 18 herum angeordnet, wobei mindestens ein Hall-Element einen magnetischen Feldsensor bildet.
Da diese Hall-Elemente 50 unter Verwendung einer integrierten Halbleiterschaltungstechnik ausgebildet werden, können magnetische Feldsensoren mit einheitlicher Magnetfeld-Detektion leicht hergestellt werden. Bei der Verwendung dieser Hall-Elemente 50 ist es ebenfalls möglich, Magnetfeldsensoren herzustellen, um Magnetfelder nicht nur in Axialrichtung, sondern auch in Querrichtung zu detektieren.
Unter nochmaliger Bezugnahme auf die Fig. 6 wird nun der Bühnenhöhenregelungsmechanismus 40 erläutert. Der Bühnenhöhenregelungsmechanismus 40 ist an vier Stellen zwischen einem Bewegungsblock 27a und einem Bewegungsblock 27 vorgesehen. Die dreidimensionale Anordnung des Bewegungsblocks 27a und des Bewegungsblocks 27 zueinander wird durch das Einstellen des Abstands zwischen dem Bewegungsblock 27a und dem Bewegungsblock 27 an jeder Stelle eingestellt. Der Bühnenhöhenregelungsmechanismus wird elektrisch unter Verwendung von Bühnenhöhenregelungsmotoren gesteuert. In dieser Beschreibung bezieht sich der Ausdruck Bühne auf den Trägerblock 23.
Mit Bezug auf das Ablaufdiagramm der Fig. 9 wird nun erläutert, wie die Tätigkeit der Astigmatismus-Korrektur beim SEM dieser Ausführungsform durchgeführt wird.
Zuerst wird im Schritt 101 die zu beobachtende Hauptoberfläche des Wafers 22 in neun Beobachtungsf lächen aufgeteilt, die in einer 3 x 3 Matrix-Form aufgereiht sind. Jede Fläche wird spezifiziert und durch einen Satz von Positionskoordinaten der Bühne identifiziert. Bei dieser Ausführungsform ist die Anzahl der Flächen neun, aber es kann eine beliebige erwünschte Anzahl von Flächen eingesetzt werden. Auch können die Flächen so bestimmt werden, daß sie den jeweiligen Kippbereichen auf dem Wafer 22 entsprechen. Im Schritt 112 wird die Astigmatismus- Korrektur durch den Bediener durchgeführt, während der Elektronenstrahl 12 auf das Zentrum jeder Fläche projiziert wird. Die Astigmatismus-Korrektur wird durch das Einstellen des Stromes durchgeführt, der der Spule 20 zugeführt wird, und des Stromes, der der Astigmatismus-Korrekturspule 5 zugeführt wird, sowie der Spannung, die an den Bühnenhöhenkontrollmechanismus 40 angelegt wird.
Die Magnetfeldstärke (Magnetfeldinformation im Anfangszustand), unter welcher die Astigmatismus-Korrektur bezüglich des Zentrums jeder Fläche durchgeführt worden ist, wird durch magnetische Feldsensoren gemessen, und der so gemessene Wert für jede Fläche wird im Schritt 113 im Speicher gespeichert. Im Schritt 114 werden die Werte des durch die Spule 20 fließenden Stromes und des durch die Astigmatismus-Korrekturspule 5 fließenden Stromes, der Wert der an dem Bühnenhöhenregelungsmechanismus 40 angelegten Spannung und die Positionskoordinaten der Bühne zur Zeit des Abschlusses der Astigmatismus-Kontrolle im Speicher mit Bezug auf jede Fläche gespeichert. Mit der obigen Prozedur ist die Anfangseinstellung abgeschlossen.
Im Schritt 115 wird die Bühne durch den Bediener in einer solchen Richtung bewegt, daß der gewünschte Abschnitt der Oberfläche des Wafers 22 beobachtet werden kann (so daß der Elektronenstrahl 12 auf den zu beobachtenden Abschnitt projiziert wird). Im Schritt 116 wird, nach dem Bewegen der Bühne, die Fläche, auf welche der Elektronenstrahl projiziert wird, durch die Positionskoordinaten der Bühne identifiziert. Im Schritt 117 wird auf der Basis der Positionskoordinate der Bühne festgestellt, ob die Fläche, auf welche der Elektronenstrahl 12 momentan projiziert wird, dieselbe Fläche ist, wie vor der Bewegung der Bühne. Wenn die momentane Fläche dieselbe Fläche ist wie vor der Bewegung der Bühne (im Fall von ja), schreitet das Verfahren zum Schritt 119 fort, um mit der Beobachtung fortzufahren. Im Schritt 120 wird die Beobachtung abgeschlossen.
Wenn die momentane Fläche im Schritt 117 eine andere ist als vor der Bewegung der Bühne (im Fall von nein), fährt der Prozeß mit dem Schritt 118 fort, in welchem ein Strom zur Astigmatismus-Korrekturspule 5 und zur Spule 20 geführt wird, und eine Spannung an den Bühnenhöhenregelungsmechanismus 40 angelegt wird, wobei der Strom und die Spannung auf der Wertekombination basieren, die in dem Speicher bezüglich der momentanen Fläche gespeichert sind. Diese Folge wird mit Bezug auf Fig. 10 erläutert.
Im Schrittt 121 wird die für die momentane Fläche gespeicherte Information aus dem Speicher ausgelesen. Im Schritt 122 werden, basierend auf den aus dem Speicher ausgelesenen Werten, wie z.B. den durch die Spule 20 fließenden Strom und den durch die Astigmatismus-Korrekturspule 5 fließenden Strom und der an den Bühnenhöhenregelungsmechanismus 40 angelegten Spannung, Strom und Spannung an die jeweiligen Teile angelegt. Im Schritt 123 wird Magnetfeldinformation mittels der Magnetfeldsensoren 1, 2, 3 und 4 detektiert, und die so detektierte Magnetfeldinformation wird im Speicher gespeichert. Im Schritt 124 werden die Magnetfeldinformationen B0i (i = 1,2,3,4) im Anfangszustand und die letzten magnetischen Feldinformationen Bzi verglichen, um die Abweichung Δ Bzi zu errechnen, die gegeben ist durch
Δ= Bzi -BOi
Im Schritt 125 wird festgestellt, ob Bz < Bs ist (spezifischer Wert). Wenn die Differenz zwischen der Magnetfeldinformation im Anfangszustand und der gegenwärtigen Magnetfeldinformation geringer ist als der spezifische Wert Bs (im Fall von ja), wird festgestellt, daß der Astigmatismus erfolgreich korrigiert wurde, und das Verfahren geht zum Schritt 119 in Fig. 9 über. Wenn andererseits die Differenz zwischen der Magnetfeldinformation im Anfangszustand und der gegenwärtigen Magnetfeldinformation größer ist als der spezifische Wert Bs (im Falle von nein), wird festgestellt, daß der Astigmatismus noch nicht ausreichend korrigiert worden ist und das Verfahren geht zu den Schritten 126 und 127 über. Im Schritt 126 werden die folgenden Berechnungen ausgeführt.
Δ Bx = Δ Bz1 - Δ Bz2
Δ By = Δ Bz3 - Δ 8z4
Δ Bx wird von den Magnetfeldsensoren 1 und 2 erhalten und repräsentiert den Grad der Magnetfeldverzerrung (Asymmetrie) in X-Richtung. Δ By wird von den Magnetfeldsensoren 3 und 4 erhalten und repräsentiert den Grad der Magnetfeldverzerrung in Y-Richtung.
Im Schritt 127 werden die Höhe und Neigung der Bühne mittels des Bühnenhöhenregelungsmechanismus 40 auf eine solche Weise eingestellt, daß Δ Bx und Δ By verringert werden. Im Schritt 120 der Fig. 9 wird festgestellt, ob die Beobachtung des SEM- Bildes abgeschlossen wird. Wenn die Beobachtung abgeschlossen werden soll (im Falle von ja), hört die Beobachtung auf, und wenn die Beobachtung nicht abgeschlossen werden soll (im Falle von nein), kehrt das Verfahren zum Schritt 122 zurück, um die obige Abfolge zu wiederholen.
Somit wird beim SEM dieser Ausführungsform jedweder Anstieg des Astigmatismus als Resultat einer Querbewegung der Bühne über einen relativ langen Bereich automatisch auf der Basis der Werte korrigiert, die vorher im Speicher für jede Fläche mit Bezug auf den zur Astigmatismus-Korrekturspule 5 und zur Spule 20 zuzuführenden Strom und die zu den Bühnenhöhenregelungsmotoren zugeführte Spannung im Speicher gespeichert wurden.
Eine Korrektur wird auch durch die Verwendung der Magnetfeldsensoren durchgeführt, um eine Verringerung des Astigmatismus sicherzustellen. Unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm der Fig. 11, wird ein anderes Beispiel einer Astigmatismus-Korrektur erläutert. Zuerst wird im Schritt 131 die Hauptoberf läche des Wafers 22, der beobachtet werden soll, in neun Beobachtungsflächen unterteilt, die in einer 3 x 3 Matrixform aufgereiht sind. Jede Fläche wird durch die Positionskoordinaten der Bühne identifiziert.
Im Schritt 132 wird die Astigmatismus-Korrektur durch den Bediener mit Bezug auf das Zentrum jeder Fläche durchgeführt. Im Schritt 133 wird die Magnetfeldstärke, unter welcher die Astigmatismus-Korrektur bezüglich des Zentrums jeder Fläche durchgeführt wurde, durch Magnetfeldsensoren gemessen, und im Schritt 134 wird der so gemessene Wert im Speicher mit Bezug auf jede Fläche abgespeichert. Im Schritt 135 werden die Magnetfeldstärken als Funktionen der Positionskoordinaten der Stufe angenähert, wie in den folgenden Gleichungen gezeigt ist.
Bzi = fi (x, y) (i = 1, 2)
Bzj = fj (x, y) (j = 3, 4)
wobei Bzi und Bzj die magnetischen Feldstärken repräsentieren, die jeweils durch die Magnetsensoren 1 und 2 und die Magnetsensoren 3 und 4 gemessen wurden, und (x, y) indiziert die Positionskoordinaten der Bühne.
Im Schritt 136 werden die obigen Gleichungen im Speicher abgespeichert, wodurch die Anfangseinstellung abgeschlossen wird. Im Schritt 137 wird die Bühne durch den Bediener bewegt, so daß der gewünschte Abschnitt auf dem Wafer beobachtet werden kann. Im Schritt 138 wird die zu beobachtende Fläche durch die Positionskoordinaten der Bühne identifiziert. Die Magnetfeldstärke für die Positionskoordinaten wird unter Verwendung der im Speicher abgespeicherten Gleichungen berechnet. Im Schritt 139 wird die an die Bühnenhöhenregelungsmotoren anzulegende Spannung so eingestellt, daß die zu messende Magnetfeldstärke gleich der errechneten Magnetfeldstärke für die momentane Bühnenposition wird. Auf diese Weise wird das Magnetfeld, unter welchem der Astigmatismus durch die Tätigkeit bei der anfänglichen Einstellung korrigiert wird, automatisch reproduziert. Im Schritt 140 wird die Beobachtung durchgeführt. Im Schritt 141 wird festgestellt, ob die Beobachtung abgeschlossen werden soll. Wenn die Beobachtung abgeschlossen werden soll (im Falle von ja), hört die Beobachtung auf, und wenn die Beobachtung nicht abgeschlossen werden soll (im Falle von nein), kehrt das Verfahren zum Schritt 137 zurück, um die obige Folge zu wiederholen.
Gemäß der obigen Prozedur zur Astigmatismus-Korrektur werden die Höhe und Neigung der Bühne für jede Bühnenposition so eingestellt, daß die Magnetfeldstärke, die unter Verwendung der im Speicher abgespeicherten Gleichungen errechnet wird, für diese Bühnenposition erhalten werden kann, wodurch Astigmatismus automatisch korrigiert wird.
Das obige Verfahren zur Astigmatismus-Korrektur ist speziell dann effektiv, wenn der Astigmatismus auch dann nicht ausreichend verringert werden kann, wenn das Magnetfeld symmetrisch bezüglich der Achse ausgebildet wird. In Fällen, wo der Astigmatismus nicht durch das Ausbilden axialsymmetrischer magnetischer Felder verringert werden kann, ist jedoch das folgende Verfahren einfacher und deshalb praktischer. Das Verfahren der Astigmatismus-Verringerung wird im folgenden mit Bezug auf das Ablaufdiagramm der Fig. 12 erläutert.
Zuerst wird im Schritt 151 zu dem Zeitpunkt, wo die Bühne in ihrer Position angeordnet wird, die Parallelität des auf dem Trägerblock 23 befestigten unteren Polstücks mit Bezug auf das obere Polstück 18 durch das Drehen der Einstellschrauben 26 eingestellt. Mit der obigen Einstellung wird der Astigmatismus auf ein Minimum reduziert.
Im Schritt 152 werden, wenn das Objekt durch das SEM beobachtet wird, magnetische Feldstärken unter Verwendung der Magnetfeldsensoren gemessen. Nachdem die Bühne so bewegt worden ist, daß der Elektronenstrahl 12 auf einen erwünschten Beobachtungsabschnitt auf dem Wafer 22 projiziert wird, werden die Magnetfeldstärken Bzi (i = 1, 2, 3, 4) unter Verwendung der Magnetfeldsensoren 1, 2, 3, 4 gemessen. Im Schritt 153 wird die Abweichung der Δ Bzi jeder Magnetfeldstärke Bzi von ihrer entsprechenden axialsymmetrischen Komponente Bz0 wie folgt errechnet:
In Schritt 154 wird festgestellt, ob Bz0 und Δ Bzi in den spezifizierten Wert fallen. Wenn sie im spezifizierten Wert sind (im Falle von ja), wird die Tätigkeit der Astigmatismus- Korrektur beendet. Wenn sie nicht innerhalb des spezifizierten Wertes liegen (im Falle von nein), wird im Schritt 155 unter Verwendung des Bühnenhöhenregelungsmechanismus die Korrektur durchgeführt, wonach das Verfahren zum Schritt 152 übergeht.
Wenn das Objekt so durch das SEM beobachtet wird, wird die Korrekturtätigkeit automatisch mittels des Bühnenhöhenregelungsmechanismus 40 so durchgeführt, daß Bz0 und Δ Bzi in den Bereich des spezifizierten Wertes gebracht werden, wodurch ein axialsymmetrisches Feld mit einer einheitlichen Magnetisierung zwischen dem oberen Polstück 18 und dem unteren Polstück 21 ausgebildet wird. Astigmatismus wird so verringert.
Wenn die Parallelität des unteren Polstücks 21 nicht richtig bezüglich des oberen Polstücks 18 eingestellt wird, wird der Astigmatismus sich wesentlich vermehren, wenn die Bühne in Querrichtung bewegt wird. In diesem Fall ist es nicht möglich, den Astigmatismus schnell durch das obige Verfahren der Astigmatismus-Kontrolle alleine zu korrigieren.
Die Fig. 13A zeigt ein Beispiel für eine Objektivlinse, deren Parallelität nicht richtig eingestellt ist. In diesem Beispiel ist das untere Polstück 21 nach oben rechts geneigt. Bz6, Bz7, Bz8 und Bz9 bezeichnen die Magnetfeldstärken, die jeweils durch die Magnetfeldsensoren 6, 7, 8 und 9 gemessen werden. Im in Fig. 13A gezeigten Zustand kann die Beziehung z.B. durch Bz6 ) Bz7, Bz0 = Bz8 = Bz9 angegeben werden. Andererseits ist in Fig. 13B ein Polstück gezeigt, dessen Parallelität richtig eingestellt ist. In diesem Zustand kann die Beziehung Bz6 = Bz7 = Bz8 = Bz9 erhalten werden. Wenn einmal ein hoher Grad an Parallelität, wie in Fig. 13B gezeigt, durch das Durchführen der Parallelitätseinstellung zwischen den Schritten 151 und 152 der Fig. 12 erreicht ist, ist es möglich, den Astigmatismus schnell zu verringern.
Gemäß dem Stand der Technik ist die Beobachtung eines Schnittprofils unebener Muster in der Oberfläche einer Probe durch das Schneiden der Proben und das Abtasten der Schnittfläche der Proben durch den Elektronenstrahl durchgeführt worden. Im Gegensatz hierzu ist das SEM der vorliegenden Erfindung durch eine kleine Tiefenschärfe und damit ein großes Verhältnis der Intensität eines außerhalb des Brennpunkts erhaltenen Sekundärelektronensignals zu demjenigen eines im Brennpunkt erhaltenen Sekundärelektronensignals gekennzeichnet. Unter Verwendung dieser Eigenschaft kann Information über das Schnittprofil unebener Muster in der Oberfläche der Probe durch das Abtasten der Oberfläche der Probe durch den Elektronenstrahl erhalten werden. Unter Verwendung dieser Information kann das Querschnittsprofil auf dem Display erstellt werden.
Im folgenden wird das Prinzip eines Verfahrens zur Darstellung von Schnittprofilen unebener Muster der Oberfläche einer Probe unter Verwendung des SEM gemäß der zweiten Ausführungsform beschrieben. Um die Sache zu vereinfachen, befaßt sich die Beschreibung mit einem Fall, in welchem der Elektronenstrahl ein unebenes Oberflächenmuster einer Probe mit einem Quer-schnittsprofil abtastet, wie es in Fig. 16(a) gezeigt ist. Die Bezugszeichen (b) bis (i) in Fig. 16 stellen Sekundrelektronensignale dar, die in übereinstimmung mit jeweiligen Brennweiten erhalten werden, wenn die Brennweite des Elektronenstrahls schrittweise gesteigert wird.
Im allgemeinen wird ein Sekundärelektronensignal mit einem hohen Intensitätsniveau von einem Beobachtungspunkt auf der Probenoberf läche erhalten, an welchem der Elektronenstrahl fokussiert wird. Mit anderen Worten kann angenommen werden, daß ein Punkt in einem Sekundärelektronensignal, der ein bestimmtes Niveau (Schwelle) übersteigt, einen Punkt auf der Probe darstellt, an welchem der Elektronenstrahl fokussiert wird. Da die Brennweite des Elektronenstrahls mit dem Strom variiert, der durch die Objektivlinsenspule 20 fließt, kann, wenn das Verhältnis zwischen der Brennweite und dem Strom in der Spule 20 bekannt ist, die Brennweite durch den Strom erfaßt werden, und aus der Brennweite kann die relative Höhe des Punktes im Fokus auf der Probe erhalten werden.
Unter Verwendung der Sekundärelektronensignale, die durch (b) bis (i) in Fig. 16 angedeutet sind, wird die Position auf der Probenoberf läche in Relation zur Brennweite festgestellt, wenn das entsprechende Sekundärelektronensignal das Schwellenniveau überschreitet. Unter Verwendung dieser Information wird ein Querschnittsprofil, wie es in Fig. 16A gezeigt ist, erstellt.
Somit kann gemäß dem Verfahren zur Darstellung von Schnittprofilen gemäß dieser Ausführungsform ein Schnittprofil einer Probe auf einer Anzeige erstellt werden, ohne die Probe zu schneiden und ihre Schnittfläche durch den Elektronenstrahl abzutasten.
Unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm der Fig. 14 wird nun eine Prozedur zum Anzeigen eines Schnittprofils gemäß dem Verfahren dieser Ausführungsform beschrieben. Zuerst wird im Schritt 211 ein Bezugsinuster, das auf der Waferoberfläche ausgebildet ist und Abschnitte von verschiedenen Höhen hat, durch den Elektronenstrahl abgetastet. Das Bezugsmuster hat eine un-ebene Struktur mit einem bekannten Schnittprofil. Im Schritt 212 wird das Größenverhältnis des durch die Spule 20 der Objektivlinse 17 fließenden Stromes bezüglich der Brennweite bestimmt. Um genau zu sein, wird das vorhergesagte Verhältnis zwischen dem Strom in der Spule 20 und der Brennweite auf der Basis des Stromes korrigiert, der tatsächlich in der Spule 20 fließt, wenn der Brennpunkt zu jedem der verschiedenen Beobachtungspunkte auf dem Referenzmuster gebracht wird.
Durch das Einstellen der Stärke des Stromes, der tatsächlich in der Spule 20 fließt, kann eine erwünschte Brennweite erhalten werden. Im Schritt 213 werden die längste und kürzeste Brennweite, die für die Beobachtung anwendbar sind, durch das Abtasten der Waferoberfläche durch den Elektronenstrahl und das Beobachten des so erstellten SEM-Bildes erhalten. Um genau zu sein, wird das tiefste Kontaktloch, das im Wafer ausgebildet ist, durch den Elektronenstrahl gescannt, um die längste Brennweite durch das Fokussieren auf den Boden des Kontaktlochs und die kürzeste Brennweite durch das Fokussieren auf einen Abschnitt des Wafers, wo keine Kontaktlöcher ausgebildet sind zu erhalten. Im Schritt 214 wird der Spule zuerst der Strom, der der kürzesten Brennweite entspricht, zugeführt, und danach wird der Strom stufenweise ansteigend variiert (z.B. in acht Stufen), um die Brennweite zu steigern, bis die längste Brennweite erreicht ist. Im Schritt 215 wird das resultierende Sekundärelektronensignal mittels eines A/D-Umwandlers in ein digitales Signal umgewandelt, welches dann im Speicher als Brennpunktinformation abgespeichert wird. Die Schritte 214 und 215 werden 2n Mal wiederholt (wobei n eine natürliche Zahl ist). Im Schritt 216 wird ein Schnittprofil, das auf der Basis der 2n Sekundärelektronensignale erhalten wurde, auf der Anzeige dargestellt.
Die Fig. 15 ist eine schematische Darstellung, die den Lauf der Sekundärelektronensignale bei der obigen Ausführungsform zeigt. Zuerst werden die von der Probe emittierten Sekundärelektronen durch den Sekundärelektronendetektor 221 detektiert. Der Sekundärelektronendetektor 221 gibt ein analoges Signal (Sekundärelektronensignal) entsprechend dem Volumen der detektierten Sekundärelektronen an einen A/D-Umwandler 222 aus. Der A/D- Umwandler 222 wandelt das analoge Signal in ein digitales Signal zur Weitergabe an eine CPU 223 um. Die CPU 223 setzt das digitalisierte Sekundärelektronensignal zur Brennweite ins Verhältnis, die aus dem Wert des Stromes erhalten wird, der in der Objektivlinsenspule 20 fließt, und speichert die so ins Verhältnis gesetzte Information in ihrem Speicher. Das abgespeicherte digitale Signal wird ausgelesen und zu einem Schnittprofil-Reproduktionsprozessor 224 übertragen. Der Schnittprofil-Reproduktionsprozessor 224 verarbeitet die digitalen Signale, um ein Querschnittsprofil zu reproduzieren. Das produzierte Querschnittsprofil wird dann an eine CRT 225 weitergegeben. Die CRT 225 stellt das reproduzierte Schnittprofil dar.
Das Verfahren der Darstellung von Querschnittsprofilen gemäß dieser Ausführungform gestattet es, ein Schnittprofil zu erhalten, ohne eine Probe zu schneiden, und ist deshalb unter anderem für die Beobachtung von Wafern während des Halbleiterherstellungsverfahrens geeignet. Gemäß diesem Verfahren kann detaillierte Information über Schnittprof ile von Kontaktlöchern, Verdrahtungen, etc. von integrierten Halbleiterschaltungen auf einfache Weise erhalten werden.

Claims

1. Rasterelektronen-Mikroskop mit:

- einer Elektronenkanone (11) zum Abstrahlen eines Elektronenstrahls (12);

- einer Objektivlinse (17) zum Ausbilden eines Magnetfeldes in einer Bahn, durch die der Elektronenstrahl (12) hindurchgeht; und

- einem Sekundärelektronendetektor (24) zum Detektieren von Sekundärelektronen, die durch das Auftreffen des Elektronenstrahls (12) auf eine Probe (22) erzeugt werden, wobei die Objektivlinse (17) ein erstes Polstück (18) und ein zweites Polstück (21) umfaßt;

- wobei das erste Polstück (18) mit einem Loch versehen ist, durch welches der Elektronenstrahl (12) hindurchgeht, und zwischen der Elektronenkanone (11) und dem zweiten Polstück (21) angeordnet ist, und

- das zweite Polstück (21) einen der Probe (22) zugewandten planaren Abschnitt hat; und

- das zweite Polstück (21) auf einem Trägerblock (23) befestigt ist, der in einer Ebene hew egbar ist, die im wesentlichen senkrecht zur Projektionsrichtung des Elektronenstrahls (12) liegt,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Probe direkt auf den planaren Abschnitt des zweiten Polstücks (21) aufgesetzt wird.

2. Rasterelektronen-Mikroskop gemäß Anspruch 1, bei dem das zweite Polstück (21) aus einer Platte aus einem Material ausgebildet ist, das eine hohe magnetische Permeabilität hat, und der Trägerblock (23) aus einem nicht-magnetischen Material ausgebildet ist.

3. Rasterelektronen-Mikroskop gemäß Anspruch 1, bei dem das zweite Polstück (21) aus einer Mehrlagenschicht mit einer lage (44) mit hoher magnetischer Permeabilität und einer nicht-magnetischen lage (45) besteht, und der Trigerblock (23) aus einer nicht-magnetischen Substanz ausgebildet ist.

4. Rasterelektronen-Mikroskop gemäß Anspruch 1, das ferner aufweist:

- Astigmatismus-Korrektureinrichtungen (5,40) zur Korrektur von Astigmatismus der Objektivlinse (17) durch das Einstellen des Magnetfeldes, das in der Bahn des Elektronenstrahls ausgebildet wird, gemäß einer Elektrizitätsmenge, die der Astigmatismus-Korrektur-einrichtung (5, 40) zugeführt wird;

- Speichereinrichtungen zum Abspeichern von Werten der Elektrizitätsmenge für die Astigmatismus-Korrektureinrichtung (5,40), wenn Astigmatismus-Korrekturen an mehreren ausgewählten Positionen der Probe (22) in einem anfänglichen Einstellmodus erhalten werden, wobei die Werte der Elektrizitätsmenge jeweils den Positionen der Probe (22) entsprechen, an welchen die Astigmatismus- Korrekturen erhalten werden; und

- Regelungseinrichtungen zum Regeln der Elektrizitätsmenge, die der Astigmatismus-Korrektureinrichtung (5, 40) zugeführt wird, damit diese dem Wert der Elektrizitätsmenge gleicht, welcher aus den Speichereinrichtungen gemäß einer Position der Probe (22) ausgelesen wird, die in einem Beobachtungsmodus beobachtet werden soll.

5. Rasterelektronen-Mikroskop gemäß Anspruch 1, das ferner aufweist:

- Astigmatismus-Korrektureinrichtungen (5, 40) zur Korrektur von Astigmatismus der Objektivlinse (17) durch das Einstellen eines Magnetfeldes, das in der Elektronenstrahlbahn ausgebildet wird, gemäß einer Elektrizitätsmenge, die den Astigmatismus-Korrektureinrichtungen (5, 40) zugeführt wird;

- Magnetfeldsensor-Einrichtungen (1 - 5, 6 - 9) zum Messen einer Stärke eines Magnetfeldes, das zwischen dem ersten Polstück (18) und dem zweiten Polstück (21) ausgebildet wird;

- Speichereinrichtungen zum Abspeichern von Werten der Elektrizitätsmenge, die den Astigmatismus-Korrektureinrichtungen (5, 40) zugeführt wird, und von magnetischen Feldstärken, die durch die Magnetfeldsensor-Einrichtungen (1 - 4, 6 - 9) gemessen werden, wenn Astigmatismuskorrekturen an mehreren ausgewählten Positionen der Probe (22) in einem anfänglichen Einstellmodus erhalten werden, wobei die Werte der Elektrizitätsmenge und der magnetischen Feldstärken jeweils den Positionen der Probe (22) entsprechen, bei welchen die Astigmatismuskorrekuren erhalten werden; und

- Regelungseinrichtungen zum Regeln der Elektrizitätsmenge, die den Astigmatismus-Korrektureinrichtungen (5, 40) zugeführt wird, damit diese dem Wert der Elektrizitätsmenge gleicht, welcher aus den Speichereinrichtungen gemaß einer Position der Probe (22) ausgelesen wird, die in einem Beobachtungsmodus beobachtet werden soll, wobei die Regelungseinrichtungen eine magnetische Feldstärke, die durch die Magnetfeldsensor-Einrichtungen (1 - 4, 6 - 9) an der Position der zu beobachtenden Probe (22) gemessen wurde, mit der magnetischen Feldstärke vergleichen, die aus den Speichereinrichtungen gemäß dieser Position der zu beobachtenden Probe (22) ausgelesen wird, und wobei die Regelung seinrichtungen die Elektrizitätsmenge regeln, die den Astigmatismus- Korrektureinrichtungen (5, 40) zugeführt wird, um so eine Differenz zwischen der magnetischen Feldstärke, die durch die Magnetfeldsensor-Einrichtungen (1 bis 4, 6 bis 9) gemessen wurde, und der magnetischen Feldstärke, welche aus den Speichereinrichtungen ausgelesen wird, zu verringern.

6. Rasterelektronen-Mikroskop gemäß Anspruch 1, das ferner aufweist:

- Astigmatismus-Korrektureinrichtungen (5,40) zur Korrektur von Astigmatismus der Objektivlinse (17) durch das Einstellen eines Magnetfeldes, das in der Elektronenstrahlbahn ausgebildet wird, gemäß einer Elektrizitätsmenge, die den Astigmatismus-Korrektureinrichtungen (5, 40) zugeführt wird;

- Magnetfeldsensor-Einrichtungen (1 bis 5, 6 bis 9) zum Messen einer Stärke eines Magnetfeldes, das zwischen dem ersten Polstück (18) und dem zweiten Polstück (21) ausgebildet wird;

- Speichereinrichtungen zum Speichern von magnetischen Feldstärken, die durch die Magnetfeldsensor-Einrichtungen (1 - 4, 6 - 9) gemessen werden, wenn Astigmatismus-Korrekturen an mehreren ausgewählten Positionen der Probe (22) in einem anfänglichen Einstellmodus erhalten wurden, und zum Speichern eines Ausdrucks, der das Verhältnis zwischen den gemessenen magnetischen Feldstärken und den Positionen der Probe (22) definiert, an welcher die magnetischen Feldstärken erhalten werden; und

- Regelungseinrichtungen zum Regeln einer magnetischen Feldstärke, die durch die Magnetfeldsensor-Einrichtungen (1 - 4, 6 - 9) gemessen werden, damit diese der magnetischen Feldstärke gleicht, welche aus den Ausdrücken erhalten wird, die in den Speichereinrichtungen gemäß einer Position der Probe (22) gespeichert wurden, die in einem Beobachtungsmodus beobachtet werden soll.

7. Rasterelektronen-Mikroskop gemäß Anspruch 4, 5 oder 6, bei der die Astigmatismus-Korrektureinrichtungen aufweisen:

- Astigmatismus-Korrekturspulen (5) zur Reduzierung des Astigmatismus der Objektivlinse (17) durch das Einstellen des Magnetfeldes, das in der Elektronenstrahlbahn ausgebildet wird, gemäß einem zuzuführenden Strom; und

- Höhenregelungseinrichtungen (40), zum Einstellen der Höhe des Trägerblocks (23) gemäß einer zuzuführenden Spannung.

8. Verfahren zur Darstellung von Schnittprofilen mit den folgenden Schritten:

- Erhalten von mehreren Sekundärelektronensignalen durch das Abtasten einer Oberfläche einer Probe (22) durch Elektronenstrahlen (12), während des

- Variieren einer Brennweite der Elektronenstrahlen (12) durch das Verändern eines Stromes, der durch eine Objektivlinsenspule (20) fließt, dadurch gekennzeichnet, daß

- eine Einrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird, wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist:

- Abtasten von Positionen auf der Oberfläche der Probe (22) in stufenweise ansteigenden Brennweitenschritten für die Elektronenstrahlen (12);

- Abspeichern der Sekundärelektronen-Signale im Verhältnis zu jeweiligen Werten der veränderten Brennweiten; und

- Erstellen eines Schnittprofils (a) der Oberfläche der Probe (22) auf der Basis der Werte der stufenweise steigend variierten Brennweiten und der Positionen auf der Oberfläche der Probe (22), bei welchem die Elektronenstrahlen (12) mit jeweils diesen Werten entsprechenden Brennweiten fokussiert werden.