RU2713090C1

RU2713090C1 - Method of processing signals in scanning devices with a highly focused electron beam

Info

Publication number: RU2713090C1
Application number: RU2019107979A
Authority: RU
Inventors: Татьяна Николаевна Савицкая; Илья Геннадьевич Курганов; Вячеслав Васильевич Казьмирук; Алексей Владимирович Бородин; Александр Владимирович Веретенников; Максим Николаевич Кузьмин; Кирилл Николаевич Смирнов; Дмитрий Олегович Новиков
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2020-02-03

Abstract

FIELD: electronic equipment.

SUBSTANCE: use: for processing signals in scanning devices with a highly focused electron beam. Summary of invention consists in the fact that scanning with electron beam of object surface across topological element located on said surface with simultaneous change of controlled parameter value for each scanning line, obtaining a secondary emission signal, converting the signal into digital form, determining the signal contrast value, analyzing the contrast dependence of the controlled parameter, determining from this relationship an one-to-one correspondence between the value of the controlled parameter and the position of the focusing point relative to the object and exposing the focusing point to the required position, wherein the controlled parameter is the potential of the electrode located at the anode of the electro-optical system of the electromagnetic wave.

EFFECT: high accuracy of setting the focusing plane of the electron beam.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к созданию методов обработки сигналов в растровом электронном микроскопе (РЭМ) и ему подобных устройствах с целью определения параметров пучка и коррекции этих параметров.The invention relates to the creation of signal processing methods in a scanning electron microscope (SEM) and similar devices in order to determine beam parameters and correct these parameters.

При исследовании поверхности различных объектов с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) или подобного устройства с остросфокусированным электронным пучком возникает необходимость коррекции параметров этого пучка, в частности, фокусировка и стигмирование. Эти операции особенно важны в тех случаях, когда в РЭМ сканируют в автоматическом режиме достаточно большой участок поверхности объекта, например, несколько квадратных сантиметров. При этом электронным пучком сканируют относительно небольшой участок поверхности объекта, например, 200×200 мкм2, а переход от одного поля сканирования к другому осуществляют посредством перемещения стола объектов.When studying the surface of various objects using a scanning electron microscope (SEM) or a similar device with a sharply focused electron beam, it becomes necessary to correct the parameters of this beam, in particular, focusing and stigmatization. These operations are especially important in cases when a sufficiently large portion of the surface of an object, for example, several square centimeters, is scanned automatically in the SEM. In this case, a relatively small portion of the surface of the object, for example, 200 × 200 μm2, is scanned with an electron beam, and the transition from one scanning field to another is carried out by moving the table of objects.

Ввиду изменения высоты микрорельефа поверхности от одного поля сканирования к другому необходимо осуществлять коррекцию положения точки фокусировки и стигмирование электронного пучка на каждом из полей сканирования.In view of the change in the height of the surface microrelief from one scanning field to another, it is necessary to correct the position of the focus point and stigmatize the electron beam on each of the scanning fields.

При исследовании объектов с изменяющимся в достаточно широком диапазоне профилем микрорельефа, например, микроструктур с глубиной профиля 1 мкм (Фиг. 1) необходимо также сфокусировать пучок в заданной плоскости относительно подложки. Например, при просмотре одного слоя микроструктуры (Фиг. 1) необходимо сфокусировать пучок на высоту 0,1 мкм относительно подложки, для просмотра другого слоя требуется в автоматическом режиме перейти на высоту 0,2 мкм и т.д.When examining objects with a microrelief profile that varies in a fairly wide range, for example, microstructures with a profile depth of 1 μm (Fig. 1), it is also necessary to focus the beam in a given plane relative to the substrate. For example, when viewing one layer of the microstructure (Fig. 1), it is necessary to focus the beam to a height of 0.1 μm relative to the substrate, to view another layer, it is necessary to automatically switch to a height of 0.2 μm, etc.

Одним из основных требований при автоматическом анализе участка поверхности при помощи РЭМ является обеспечение высокой производительности измерений. Поскольку скорость получения полезного изображения в современных сканирующих системах близка к своему физическому пределу, единственным способом повышения производительности является сокращение времени выполнения вспомогательных процедур: перемещения стола, коррекции фокуса и астигматизма, юстировки оптической системы.One of the main requirements for automatic analysis of a surface area using SEM is to ensure high measurement performance. Since the speed of obtaining a useful image in modern scanning systems is close to its physical limit, the only way to increase productivity is to reduce the time it takes to perform auxiliary procedures: moving the table, correcting focus and astigmatism, and adjusting the optical system.

Основными задачами предлагаемого изобретения являются определение плоскости точной фокусировки электронного пучка относительно микрорельефа образца, выставление этой плоскости на заданную высоту относительно базовой поверхности (подложки) исследуемого образца.The main objectives of the invention are to determine the plane of precise focusing of the electron beam relative to the microrelief of the sample, setting this plane to a predetermined height relative to the base surface (substrate) of the test sample.

Еще одной задачей изобретения является уменьшение времени, необходимого для выполнения вспомогательных процедур установки заданных параметров пучка.Another objective of the invention is to reduce the time required to perform auxiliary procedures for setting the given beam parameters.

Известен способ по патенту РФ 2510062 от 06.06.2011 г., который выбран в качестве наиболее близкого аналога. В способе обработки сигналов в сканирующих устройствах осуществляют многократное сканирование электронным пучком поверхности объекта поперек топологического элемента, находящегося на этой поверхности, с одновременным изменением для каждой линии сканирования значения регулируемого параметра, получают вторично-эмиссионный сигнал, определяют значение контраста сигнала, строят зависимость этого контраста от регулируемого параметра и по этой зависимости устанавливают однозначное соответствие между регулируемым параметром и положением точки фокусировки относительно объекта и выставляют эту точку в требуемое положение.The known method according to the patent of the Russian Federation 2510062 from 06.06.2011, which is selected as the closest analogue. In the method of processing signals in scanning devices, an electron beam repeatedly scans the surface of an object across a topological element located on this surface, while changing the value of an adjustable parameter for each scan line, a secondary emission signal is obtained, the signal contrast value is determined, and the dependence of this contrast on adjustable parameter and according to this dependence establish an unambiguous correspondence between the adjustable parameter and We take the focus point relative to the subject and set this point to the desired position.

Основным недостатком указанного способа является низкая чувствительность положения точки фокусировки от значения регулируемого параметра, если в качестве регулируемого параметра выступает ток возбуждения объективной линзы. В подавляющем большинстве РЭМ в качестве объективных линз используются магнитные линзы, что ведет за собой необходимость использования в качестве регулируемого параметра ток возбуждения объективной линзы. Так, при типичных значениях тока возбуждения объективной линзы 1.5 А, для изменения положения точки фокусировки на 10 нм, требуется изменить ток возбуждения объективной линзы на 3 мкА. Точное и контролируемое изменение тока возбуждения объективной линзы на такие малые значения - недостижимая задача для стандартных источников тока, используемых в РЭМ. То есть, технический результат указанного способа требует для своего достижения использования специализированных источников тока.The main disadvantage of this method is the low sensitivity of the position of the focus point on the value of the adjustable parameter, if the excitation current of the objective lens acts as an adjustable parameter. The vast majority of SEMs use magnetic lenses as objective lenses, which leads to the need to use the excitation current of the objective lens as an adjustable parameter. So, at typical values of the excitation current of the objective lens 1.5 A, to change the position of the focus point at 10 nm, it is necessary to change the excitation current of the objective lens by 3 μA. An accurate and controlled change in the excitation current of the objective lens by such small values is an unattainable task for standard current sources used in SEM. That is, the technical result of this method requires the use of specialized current sources for its achievement.

Указанный недостаток может быть устранен при использовании дополнительного электрода в электронно-оптической системе (ЭОС) РЭМ. Электрод должен быть установлен между катодом и анодом, ближе к аноду. Таким образом, если подать на электрод потенциал 1 В относительно анода, то положение плоскости фокусировки электронного пучка сместится на 2.5 мкм, при этом конечная энергия электронов не изменится. То есть для изменения положения точки фокусировки на 10 нм, требуется изменить потенциал электрода на 4 мВ. Такая чувствительность позволяет менять положение точки фокусировки при необходимости на единицы и десятые доли нанометров.This drawback can be eliminated by using an additional electrode in the electron-optical system (EOS) of the SEM. The electrode should be installed between the cathode and the anode, closer to the anode. Thus, if a potential of 1 V is applied to the electrode relative to the anode, then the position of the focusing plane of the electron beam will shift by 2.5 μm, while the final electron energy will not change. That is, to change the position of the focusing point by 10 nm, it is necessary to change the electrode potential by 4 mV. This sensitivity allows you to change the position of the focus point, if necessary, to units and tenths of nanometers.

Техническим результатом от применения способа является повышение точности выставления плоскости фокусировки электронного пучка. Результат достигается с применением способа обработки сигналов в сканирующих устройствах с остросфокусированным электронным пучком, заключающегося в том, что сканируют электронным пучком поверхность объекта поперек топологического элемента, находящегося на этой поверхности, с одновременным изменением для каждой линии сканирования значения регулируемого параметра, получают вторичноэмиссионный сигнал, преобразуют этот сигнал в цифровую форму, определяют значение контраста сигнала, анализируют зависимость контраста от регулируемого параметра, определяют по этой зависимости однозначное соответствие между значением регулируемого параметра и положением точки фокусировки относительно объекта и выставляют точку фокусировки в требуемое положение, отличающегося тем, что в качестве регулируемого параметра используют потенциал электрода, расположенного у анода электронно-оптической системы РЭМ.The technical result from the application of the method is to increase the accuracy of setting the focus plane of the electron beam. The result is achieved using the method of processing signals in scanning devices with a sharply focused electron beam, which consists in scanning the surface of the object across the topological element located on this surface with an electron beam, simultaneously changing the value of the adjustable parameter for each scan line, receiving a secondary emission signal, converting this signal in digital form, determine the contrast value of the signal, analyze the dependence of contrast on adjustable a parameter determined depending on this one correspondence between the control parameter and the position of the focus point relative to the object focus point and put into the desired position, characterized in that as control parameter using the potential of the electrode disposed at the anode electro-optical system of the SEM.

Заявляемый способ функционирует следующим образом.The inventive method operates as follows.

На фиг. 1 показано, что катод 1 испускает электроны, которые ускоряются в сторону анода 3 и приобретают энергию в соответствии с разностью потенциалов между катодом и анодом. Электрон составляют электронный луч 4, который фокусируется на объекте 5 объективной линзой 6. Электронный луч сканирует за счет отклоняющих систем 7 по линии поперек топологического элемента на поверхности объекта. Сигнал вторичных электронов 8 улавливается детектором 9, преобразуется в цифровую форму аналогово-цифровым преобразователем 10 и запоминается в управляющем компьютере 11. Каждой сигналограмме от одной линии сканирования соответствует одно значение регулируемого параметра, определяющее положение точки фокусировки пучка. В качестве регулируемого параметра выступает потенциал электрода 2 расположенного вблизи анода. Далее, для каждой сигналограммы определяется значение контраста. Значение контраста и соответствующее этому контрасту значение потенциала электрода запоминается. Далее, анализируя зависимость контраста от потенциала электрода, делают выводы о положении плоскости точной фокусировки луча и выставляют ее в требуемое положение.In FIG. 1 shows that cathode 1 emits electrons that accelerate toward the anode 3 and acquire energy in accordance with the potential difference between the cathode and the anode. The electron is constituted by an electron beam 4, which is focused on the object 5 by an objective lens 6. The electron beam scans due to deflecting systems 7 along a line across the topological element on the surface of the object. The signal of the secondary electrons 8 is captured by the detector 9, digitized by an analog-to-digital converter 10 and stored in the control computer 11. Each signalogram from one scanning line corresponds to one value of an adjustable parameter that determines the position of the beam focusing point. The potential of the electrode 2 located near the anode acts as an adjustable parameter. Further, for each waveform, the contrast value is determined. The contrast value and the corresponding potential value of the electrode are stored. Further, analyzing the dependence of contrast on the electrode potential, draw conclusions about the position of the plane of the exact focusing of the beam and put it in the desired position.

Изобретение применяется в растровом электронном микроскопе, запланированном к производству на ФГУП ЭЗАН.The invention is applied in a scanning electron microscope, scheduled for production at FSUE EZAN.

Claims

A method of processing signals in scanning devices with a sharply focused electron beam, which consists in scanning the surface of an object across the topological element located on this surface with an electron beam, while changing the value of the adjustable parameter for each scan line, they obtain a secondary-emission signal, convert this signal to digital shape, determine the contrast value of the signal, analyze the dependence of contrast on the adjustable parameter, determine by this dependence awns one correspondence between the control parameter and the position of the focus point relative to the object focus point and put into the desired position, characterized in that as control parameter using the potential of the electrode disposed at the anode electro-optical system of the SEM.