DE69903439T2

DE69903439T2 - Ablenkeinheit zur Separation zweier Teilchenstrahlen

Info

Publication number: DE69903439T2
Application number: DE69903439T
Authority: DE
Inventors: Dr. Frosien
Original assignee: Advantest Corp
Current assignee: Advantest Corp
Priority date: 1999-11-12
Filing date: 1999-11-12
Publication date: 2003-07-03
Anticipated expiration: 2019-11-13
Also published as: EP1100111B1; DE69903439D1; US6509569B1; EP1100111A1; JP2001148227A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ablenkanordnung zum Trennen zweier Teilchenstrahlen und ein eine derartige Ablenkanordnung umfassendes Teilchenstrahlsystem.
Bei Teilchenstrahlsystemen und insbesondere bei hochauflösenden Elektronenstrahlsystemen besteht eine Aufgabe darin, Beleuchtungspartikel (primärer Teilchenstrahl) und durch die Beleuchtungspartikel generierte Signalpartikel (sekundärer Teilchenstrahl) voneinander zu trennen. Diese allgemeine Aufgabe der Trennung zweier Strahlen muß sowohl in Abtastsystemen (z. B. SEMs) als auch in Parallelabbildungssystemen (wie etwa LEEMs) durchgeführt werden.
In bekannten Anordnungen werden häufig die folgenden Bestandteile als Strahlteiler eingesetzt:
- Magnetsektorfelder,
- Ein-, zwei- oder dreistufig angeordnete elektrostatische und magnetische Ablenkelemente,
- Wien-Filter.
Bei Oberflächenabbildungswerkzeugen, die einen relativ breiten Strahl aufweisen, werden durch einen Beleuchtungs-Teilchenstrahl vollständige Abbildungsfelder beleuchtet und Signalpartikel, wie etwa sekundäre Partikel, rückgestreute Partikel, reflektierte Partikel oder andere, an der Probe freigesetzte Partikel durch einen Strahlungsempfänger abgebildet, an dem ein vollständiges Bild des Oberflächenbereichs erzeugt wird. Ein entsprechendes Oberflächenabbildungswerkzeug ist in W. Telieps, "Surface Imaging with LEEM", Appl. Phys. A 44, 55-61, 1987, beschrieben. Der primäre Teilchenstrahl und der sekundäre Teilchenstrahl werden dabei durch ein Magnetsektorfeld abgelenkt. Der Einfallswinkel des primären Teilchenstrahls gegenüber der optischen Achse ist gleich α, wobei dieser Strahl durch das Magnetsektorfeld auf die optische Achse abgelenkt wird, während der von der Probe reflektierte sekundäre Teilchenstrahl zur arideren Seite der optischen Achse abgelenkt und so der sekundäre Teilchenstrahl vom primären Teilchenstrahl getrennt wird.
Magnetsektorfelder führen jedoch eine chromatische Abweichung ein, durch die die Auflösung begrenzt wird. Soll die Auflösung akzeptabel bleiben, so lassen sich nur kleine Trennwinkel erzielen.
Die EP-A-0 817 235 bezieht sich auf ein Rasterelektronenmikroskop, das ein Abtastbild auf der Grundlage von sekundären Elektronen liefert, die bei einer Bestrahlung einer Probe mit einem Elektronenstrahl emittiert werden. Bei diesem Mikroskop wird zur Trennung des primären Elektronenstrahls von den sekundären Elektronen ein Wien-Filter eingesetzt. Ein Wien-Filter erzeugt sich kreuzende elektrostatische und magnetische Ablenkfelder, wodurch allerdings ebenfalls eine chromatische Abweichung eingeführt wird. Nur wenn eine Überkreuzung oder ein Bild der Oberfläche im Zentrum des Wien-Filters liegt, läßt sich die chromatische Abweichung beseitigen. Hierdurch wird jedoch die optische Konstruktion Einschränkungen unterworfen.
Es ist möglich, eine achromatische Anordnung aus elektrostatischen und magnetischen Ablenkelementen vorzusehen; hierfür wird jedoch zumindest eine zwei- oder dreistufige Anordnung benötigt, wie sie sich der EP-A-0 917 177 entnehmen läßt. Bei optischen Systemen mit mehreren Ablenkelementen erhöht sich allerdings die Länge des optischen Systems, was sich auf die Teilchenstrahl- Interaktion und dementsprechend auch auf die Bildauflösung negativ auswirkt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ablenkanordnung zum Trennen zweier Teilchenstrahlen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. ein eine derartige Ablenkanordnung umfassendes Teilchenstrahlsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 8 zu beschreiben, die bzw. das einen achromatischen Betrieb und eine gute Bildauflösung liefert.
Die genannte Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt die Ablenkanordnung zum Trennen zweier Teilchenstrahlen ein elektrostatisches Ablenkelement und ein magnetisches Ablenkelement, die eine gemeinsame optische Achse aufweisen und sich kreuzende elektrostatische und magnetische Ablenkfelder erzeugen, wobei die beiden Teilchenstrahlen die Ablenkanordnung von entgegengesetzten Seiten aus passieren. Die beiden Ablenkelemente sind so ausgelegt, daß sie einen der beiden Strahlen achromatisch um einen Winkel α und den anderen Strahl um einen Winkel β ≥ 3α in bezug zum jeweiligen Einfallswinkel ablenken.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Ablenkanordnung an einer Überkreuzung eines der beiden Strahlen angeordnet, wobei es sich vorzugsweise um eine Überkreuzung desjenigen Strahls handelt, der nicht achromatisch abgelenkt wird. Durch eine solche Anordnung kann eine chromatische Abweichung für beide Strahlen vermieden werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel überlagern sich das Ablenkfeld des elektrostatischen Ablenkelements und das des magnetischen Ablenkelements, ähnlich wie dies bei der Anordnung in einem Wien-Filter der Fall ist. Der Hauptunterschied zu einem herkömmlichen Wien-Filter besteht jedoch in der Anregung des elektrostatischen und magnetischen Ablenkelements:
1. Die magnetische Ablenkung wird definiert durch:
αm = cm·H·U&sub0;-0,5 (1)
dαm = -0,5·Cm·H·U&sub0;-1,5·dU&sub0; = -0,5·αmdU&sub0;/U&sub0; (2)
dαm/αm = -0,5dU&sub0;/U&sub0; (3)
αm = magnetischer Ablenkwinkel
cm = geometrische Daten des magnetischen Ablenkelements
H = magnetische Feldstärke
U&sub0; = Beschleunigungsspannung der primären Partikel
dαm = Änderung des Ablenkwinkels durch Veränderung der Primärenergie um dU&sub0;
2. Die elektrostatische Ablenkung wird definiert durch:
αe = ce·UD·U&sub0;&supmin;¹ (4)
dαe = -ce·UD·U&sub0;&supmin;²·dU&sub0; = -αe·dU&sub0;/U&sub0; (5)
dαe/αe = -dU&sub0;/U&sub0; (6)
αe = elektrostatischer Ablenkwinkel
ce = geometrische Daten des elektrostatischen Ablenkelements
UD = elektrostatische Ablenkspannung
U&sub0; = Beschleunigungsspannung der primären Partikel
dαe = Änderung des Ablenkwinkels durch Veränderung der Primärenergie um dU&sub0;
3. Überlagerung des elektrostatischen und magnetischen Ablenkelements:
dα = (-αe - 0,5·αm)·dU&sub0;/U&sub0; (7)
dα = Veränderung des gesamten Ablenkwinkels der sich überlagernden elektrostatischen und magnetischen Ablenkelemente durch Veränderung der Primärenergie um dU&sub0;.
Ein achromatisches Ablenkelement läßt sich realisieren, wenn dα = 0. Dies trifft zu, sofern die Amplitude der Anregung des magnetischen Ablenkelements doppelt so hoch ist wie die des elektrostatischen Ablenkelements. Die beiden Systeme weisen eine entgegengesetzte Ablenkrichtung auf. Die Wirkung einer solchen Anordnung besteht nun darin, daß das magnetische Ablenkelement versucht, den Strahl um einen Winkel von 2α abzulenken, während das elektrostatische Ablenkelement den Strahl um α zurückbiegt. Die sich bei dieser Anordnung ergebende Ablenkkraft beträgt α. Da die chromatische Abweichung des elektrostatischen Ablenkelements doppelt so hoch ist wie die des magnetischen Ablenkelements, ergibt sich unabhängig vom Strahlverlauf eine achromatische Ablenkung.
Kommt der Strahl aus der entgegengesetzten Richtung, so wirken die elektrostatischen und magnetischen Ablenkkräfte in dieselbe Richtung, so daß dieser Strahl um wenigstens 3α abgelenkt wird. Der Gesamttrennwinkel der beiden Strahlen beträgt dementsprechend 4α.
Die achromatische Ablenkung gilt nur für einen Strahl. Beim anderen Strahl addiert sich vielmehr sogar die Energiestreuung der beiden sich überlagernden Ablenkelemente. Dies stellt jedoch in den meisten Fällen keinen Nachteil dar, weil die Auflösungsanforderungen bei einem der beiden Strahlen von geringerer Bedeutung sind.
Wird für beide Strahlen ein Chromatikausgleich benötigt, so bieten die Anordnung und die entsprechende Anregung der beiden Ablenkelemente allerdings ebenfalls eine Lösung. In diesem Fall muß derjenige Strahl, der nicht achromatisch abgelenkt wird, eine Überkreuzung im Zentrum der Ablenkanordnung aufweisen. Trifft dies zu, so wird auch die chromatische Abweichung des zweiten Strahls kompensiert.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Ablenkanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Ablenkanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines eine erfindungsgemäße Ablenkanordnung enthaltenden Teilchenstrahlsystems.
Fig. 1 zeigt eine Ablenkanordnung zur Trennung zweier Teilchenstrahlen, die ein elektrostatisches Ablenkelement 1 und ein magnetisches Ablenkelement 2 umfaßt, welche eine gemeinsame optische Achse aufweisen und sich kreuzende elektrostatische und magnetische Ablenkfelder E, B erzeugen, wobei zwei Teilchenstrahlen 4, 5 die Ablenkanordnung von entgegengesetzten Seiten her passieren.
Die beiden Ablenkelemente 1, 2 sind so ausgelegt, daß sie einen der beiden Strahlen 4 achromatisch um einen Winkel α und den anderen Strahl 5 um einen Winkel β ≥ 3α gegenüber dem jeweiligen Einfallswinkel ablenken.
Die Ablenkfelder E, B des elektrostatischen Ablenkelements 1 und des magnetischen Ablenkelements 2 überlagern einander.
Die Anregungsamplitude des magnetischen Ablenkelements 2 ist doppelt so hoch wie die des elektrostatischen Ablenkelements 1. Die beiden Ablenkelemente 1, 2 weisen im übrigen eine entgegengesetzte Ablenkrichtung auf. Dies hat zur Folge, daß der erste Strahl 4, dessen Einfallswinkel zur optischen Achse 3 α beträgt, durch das magnetische Ablenkelement 2 um einen Winkel von - 2α abgelenkt wird, während das elektrostatische Ablenkelement 1 den Strahl um α zurückbiegt. Dementsprechend ergibt sich für den ersten Strahl 4 eine Ablenkung von α. Falls der Einfallswinkel des ersten Strahls α beträgt, so ist der Austrittswinkel relativ zur optischen Achse 3 gleich 0º.
Da die chromatische Abweichung des elektrostatischen Ablenkelements 1 doppelt so hoch ist wie die des magnetischen Ablenkelements 2, ergibt sich eine achromatische Ablenkung.
Der zweite Teilchenstrahl 5 tritt von unten her in die Ablenkanordnung ein, wobei sein Einfallswinkel zur optischen Achse 3 0º beträgt. In diesem Fall lenken beide Ablenkelemente den Teilchenstrahl in dieselbe Richtung ab, was bedeutet, daß der zweite Teilchenstrahl 5 um β ≥ 3α abgelenkt wird. Dementsprechend beträgt der Gesamttrennwinkel zwischen dem ersten und dem zweiten Strahl 4, 5 wenigstens 4α.
Für den zweiten Teilchenstrahl 5 erfolgt beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 im übrigen kein Chromatikausgleich. Vielmehr addiert sich hier sogar die Energiestreuung der beiden sich überlagernden Ablenkelemente 1, 2. In den meisten Fällen stellt dies jedoch keinen Nachteil dar, weil die Auflösungsanforderungen an einen der beiden Strahlen nur von geringerer Bedeutung sind.
Wenn für beide Strahlen ein Chromatikausgleich benötigt wird, so muß die Ablenkanordnung an einer Überkreuzung desjenigen Strahls angeordnet werden, der nicht achromatisch abgelenkt wird.
Fig. 2 zeigt eine entsprechende Anordnung, bei der die Ablenkanordnung in der Überkreuzung des zweiten Strahls 5 positioniert ist. Zudem beträgt der Einfallswinkel des ersten, achromatisch abzulenkenden Teilchenstrahls 4 0º. Dementsprechend beträgt sein Austrittswinkel zur optischen Achse 3 α. Aufgrund der Anordnung der Ablenkanordnung in einer Überkreuzung des zweiten Strahls 5 läßt sich hier die chromatische Abweichung des zweiten Strahls 5 ebenfalls ausgleichen.
Falls die beiden Strahlen 4, 5 dieselbe Energie besitzen, so beträgt der Winkel β des zweiten Strahls 5 3α. Ist die Energie des ersten Strahls 4 höher als die des zweiten Strahls 5, so ist der Ablenkwinkel β des zweiten Strahls 5 größer als 3α.
Natürlich ist es nicht unbedingt nötig, daß die Ablenkfelder des elektrostatischen und des magnetischen Ablenkelements einander überlagern. Es wäre vielmehr auch möglich, die beiden Ablenkelemente nahe beieinander entlang der optischen Achse 3 anzuordnen.
Die Ausführungsbeispiele der Fig. 1 und 2 unterscheiden sich voneinander in der Richtung der beiden Teilchenstrahlen und darin, daß in einem Fall die Ablenkanordnung in der Überkreuzung desjenigen Teilchenstrahls angeordnet ist, der nicht achromatisch abgelenkt wird. Es wäre allerdings natürlich auch möglich, das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel in einer Überkreuzung des zweiten Teilchenstrahls 5 anzuordnen und das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 nicht in der Überkreuzung des zweiten Teilchenstrahls 5 anzuordnen.
Die beschriebene Ablenkanordnung läßt sich in vorteilhafter Weise in einem Teilchenstrahlsystem, d. h. in einem Elektronenstrahlmeßsystem, einsetzen.
Die Schemadarstellung gemäß Fig. 3 zeigt ein Teilchenstrahlsystem mit
- einer Quelle 6 zur Erzeugung eines primären Teilchenstrahls 4,
- einer optischen Einheit mit einer Objektivlinse 7, die dazu dient, den Teilchenstrahl 4 auf eine Probe 8 zu lenken,
- einem Detektor 9, der einen sekundären Teilchenstrahl 5 empfängt, welcher aus sekundären, rückgestreuten und/oder reflektierten Partikeln besteht, die an der Probe 8 ausgelöst wurden, und
- einer Ablenkanordnung, die zur Trennung des primären Teilchenstrahls 4 vom sekundären Teilchenstrahl 5 zwischen der Probe 8 und dem Detektor 9 angeordnet ist.
Die Ablenkanordnung besteht dabei beispielsweise aus einer der beiden Ablenkanordnungen gemäß Fig. 1 bzw. 2.
Dementsprechend weist die Ablenkanordnung ein elektrostatisches Ablenkelement 1 und ein magnetisches Ablenkelement 2 auf, die eine gemeinsame optischen Achse 3 besitzen und sich kreuzende elektrostatische und magnetische Ablenkfelder E, B erzeugen, wobei der primäre Teilchenstrahl 4 und der sekundäre Teilchenstrahl 5 die Ablenkanordnung von entgegengesetzten Seiten aus passieren. Die beiden Ablenkelemente sind so ausgelegt, daß sie einen der beiden Strahlen achromatisch um einen Winkel α und den anderen Strahl um einen Winkel β ≥ 3α gegenüber dem jeweiligen Einfallswinkel ablenken.
Bei der Darstellung gemäß Fig. 3 wird der primäre Teilchenstrahl achromatisch abgelenkt. Beim achromatisch abgelenkten Teilchenstrahl könnte es sich allerdings ebenso gut um den sekundären Teilchenstrahl handeln.
Die erfindungsgemäße Ablenkanordnung ist kurz und kompakt, wodurch eine Erhöhung der Länge des Teilchenstrahlsystems vermieden wird. Zudem besitzt sie einen einfachen Aufbau und gewährleistet einen unkomplizierten Betrieb. Daneben ist es möglich, zumindest einen Strahl und, wenn nötig, auch beide Strahlen achromatisch abzulenken, was eine gute Auflösung des Teilchenstrahlsystems sicherstellt.

Claims

1. Ablenkanordnung zum Trennen zweier Teilchenstrahlen (4, 5) mit einem elektrostatischen Ablenkelement (1) und einem magnetischen Ablenkelement (2), die eine gemeinsame optische Achse aufweisen und sich kreuzende elektrostatische und magnetische Felder (E, B) erzeugen, wobei die beiden Teilchenstrahlen die Ablenkanordnung von entgegengesetzten Seiten aus passieren,

dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ablenkelemente so ausgelegt sind, daß sie einen der beiden Strahlen (4) achromatisch um einen Winkel α und den anderen Strahl (5) um einen Winkel β ≥ 3α gegenüber seinem jeweiligen Einfallswinkel ablenken.

2. Ablenkanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkanordnung an einer Überkreuzung eines der beiden Strahlen angeordnet ist.

3. Ablenkanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkanordnung an einer Überkreuzung desjenigen Strahls angeordnet ist, der nicht achromatisch abgelenkt wird.

4. Ablenkanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkfelder (E, B) des elektrostatischen Ablenkelements (1) und des magnetischen Ablenkelements (2) einander überlagern.

5. Ablenkanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel des Strahls (4), der achromatisch abgelenkt werden soll, in bezug zur optischen Achse α und der Austrittswinkel in bezug zur optischen Achse 0º beträgt.

6. Ablenkanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel des Strahls (4), der achromatisch abgelenkt werden soll, in bezug zur optischen Achse 0º und der Austrittswinkel in bezug zur optischen Achse α beträgt.

7. Ablenkanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel β des anderen Strahls 3α beträgt, wenn die beiden Strahlen (4, 5) dieselbe Energie aufweisen.

8. Teilchenstrahlsystem mit

- einer Quelle (6) zur Erzeugung eines primären Teilchenstrahls (4),

- einer optischen Einheit (7), die den Teilchenstrahl (4) auf eine Probe (8) lenkt,

- einem Detektor, der einen sekundären Teilchenstrahl (5) empfängt, welcher aus sekundären, rückgestreuten und/oder reflektierten Partikeln besteht, und

- einer Ablenkanordnung, die zwischen der Probe und dem Detektor angeordnet ist und zum Trennen des primären Teilchenstrahls (4) vom sekundären Teilchenstrahl (5) dient,

gekennzeichnet durch eine Ablenkanordnung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6.

9. Teilchenstrahlsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem achromatisch abgelenkten Teilchenstrahl um den sekundären Teilchenstrahl (5) handelt.

10. Teilchenstrahlsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem achromatisch abgelenkten Teilchenstrahl um den primären Teilchenstrahl (4) handelt.