DE4236273A1 - Lens for focussing electrons for specimen inspection - has field generated by coils and cone-shaped electrode set into entry section - Google Patents
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Abstract
Description
In allen Bereichen der Entwicklung und Fertigung mikro- und optoelektronischer Bauelemente besteht ein steigender Bedarf an hochauflösenden Rasterelektronenmikroskopen, um Submikro meterstrukturen visuell beurteilen, Abweichungen von Sollmu stern feststellen und topographische Parameter wie Höhen, Breiten oder Neigungswinkel erfassen und auswerten zu können. Konventionelle Rasterelektronenmikroskope erreichen die ge forderte Ortsauflösung von Bruchteilen eines Mikrometers bis hin zu wenigen Nanometern allerdings erst bei kleinen Ar beitsabständen und hohen Beschleunigungsspannungen oberhalb von etwa 20 kV, wo Resiststrukturen und integrierte Schaltun gen durch die hochenergetischen Elektronen geschädigt und nichtleitende oder schlechtleitende Proben aufgeladen werden.In all areas of development and manufacturing micro and There is an increasing need for optoelectronic components on high-resolution scanning electron microscopes to submicro visually assess meter structures, deviations from target mu asterisk and topographic parameters such as heights, Being able to record and evaluate widths or angles of inclination. Conventional scanning electron microscopes achieve the ge required spatial resolution from fractions of a micrometer to towards a few nanometers, however, only with small ares distance and high acceleration voltages above of about 20 kV, where resist structures and integrated circuits damaged by the high-energy electrons and non-conductive or poorly conductive samples can be charged.
Erst mit der Entwicklung aberrationsarmer Objektivlinsen war die Möglichkeit gegeben, Rasterelektronenmikroskope und Elek tronenstrahlmeßgeräte zu konstruieren, die auch bei niedrigen Strahlenergien im Bereich von etwa 0,5 bis 3 keV die für hochgenaue Messungen erforderliche Ortsauflösung erreichen. In den beispielsweise aus US-A-47 28 790, 48 31 266, Microelectronic Engineering 7 (1987) Seiten 163 bis 172 oder J. Vac. Sci. Technol. B 7(6) Nov./Dez. 1989, S. 1874-1877 bekannten Linsen nutzt man hierbei die Erkenntnis, daß ein dem fokussierenden Magnetfeld überlagertes elektrostatisches Verzögerungsfeld die Linsenaberrationen bei gleichem Arbeits abstand erheblich verringert.It was only with the development of low-aberration objective lenses given the opportunity to use scanning electron microscopes and elec to construct electron beam measuring devices, even at low Radiation energies in the range of about 0.5 to 3 keV for achieve high-precision measurements required spatial resolution. In for example from US-A-47 28 790, 48 31 266, Microelectronic Engineering 7 (1987) pages 163 to 172 or J. Vac. Sci. Technol. B 7 (6) Nov./Dec. 1989, pp. 1874-1877 known lenses use the knowledge that a electrostatic superimposed on the focusing magnetic field Delay field the lens aberrations with the same work distance significantly reduced.
Die US-A-48 96 036 beschreibt ein für niedrige Strahlenergien optimiertes Rasterelektronenmikroskop, dessen Säule einen aus mehreren Multipolelementen bestehenden Farb- und Öffnungsfeh lerkorrektor und ein elektrostatisches Detektorobjetiv ent hält. Als Detektorobjektiv findet eine Immersionslinse mit Mittelelektrode Verwendung, die die hochenergetischen Primär elektronen fokussiert und auf die gewünschte Endenergie von 0,2 bis 5 keV abbremst. Um auch große Proben in geneigtem Zu stand abtasten zu können, haben die beiden unteren Elektroden der Immersionslinse die Form eines sich in Strahlrichtung verjüngenden Kegelstumpfes.US-A-48 96 036 describes one for low radiation energies optimized scanning electron microscope, the column of which one several multi-pin elements existing color and opening errors corrector and an electrostatic detector lens holds. An immersion lens is used as the detector lens Center electrode use which is the high energy primary focused on the desired final energy of Decelerates 0.2 to 5 keV. For even large samples in an inclined direction the two lower electrodes have the ability to scan the immersion lens is in the shape of a beam tapered truncated cone.
Zur Verbesserung der Ortsauflösung eines Rasterelektronenmi kroskops wird in Mikrochim Acta 107 (1992) vorgeschlagen, ei ne aus einer elektrostatischen Immersionslinse und einer ma gnetischen Einpollinse bestehende Elektronenoptik im Strah lengang unterhalb der konventionellen Säule vorzusehen. Die im Magnetfeld der Einpollinse angeordnete Probe bildet hier bei die untere Elektrode der Immersionslinse.To improve the spatial resolution of a scanning electron mi kroskops is proposed in Mikrochim Acta 107 (1992), ei ne from an electrostatic immersion lens and a ma magnetic single-pole lens existing electron optics in the beam must be provided below the conventional column. The Sample arranged in the magnetic field of the single-pole lens forms here at the lower electrode of the immersion lens.
Aus Rev. Sci. Instr. 59 (9), Sept. 1988, S. 1985-1989 und 60 (4), April 1989, S. 693-699 ist eine magnetische Objek tivlinse bekannt, die sich durch sehr kleine Farb- und Öff nungsfehlerkonstanten auszeichnet. Sie besteht aus einer ma gnetischen Einpollinse und einer als "Halbpol" wirkenden ma gnetischen Abschirmung, die das Magnetfeld auf der optischen Achse oberhalb der Probe abschwächt und dadurch die fokussie rende Wirkung der Linse verbessert.From Rev. Sci. Instr. 59 (9), Sept. 1988, pp. 1985-1989 and 60 (4), April 1989, pp. 693-699 is a magnetic object tivlinse known, which is characterized by very small color and aperture distinguished error constants. It consists of a ma magnetic single-pole lens and a ma magnetic shielding that the magnetic field on the optical Axis weakens above the sample and thereby the focus The effect of the lens is improved.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine magnetische Einpollinse hinsichtlich ihrer Abbildungseigenschaften und ihrer Verwendbarkeit weiter zu verbesseren. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine die Merkmale des Patentan spruchs 1 aufweisende Objektivlinse gelöst.The invention has for its object a magnetic Single pole lens with regard to its imaging properties and to further improve their usability. This task is according to the invention by the features of the patent 1 objective lens solved.
Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, daß auch relativ große Proben mit stark strukturierten Oberflächen in geneigtem Zustand mit hoher Ortsauflösung ab gebildet werden können. Mit Hilfe der nur sehr kleine Farb- und Öffnungsfehlerkonstanten aufweisenden Objektivlinse las sen sich auch bei niedrigen Elektronenenergien im Bereich von 0,5 bis 5 keV Sonden erzeugen, deren Durchmesser weniger als 5 Nanometer beträgt. Diese Objektivlinse eignet sich daher insbesondere für Rasterelektronenmikroskope, in denen der so genannte Boersch-Effekt die Ortsauflösung bei niedrigen Be schleunigungsspannungen begrenzt und konventionelle Objekti vlinsen zu große Aberrationen aufweisen.The advantage that can be achieved with the invention is in particular in that even relatively large samples with highly structured Surfaces in an inclined state with high spatial resolution can be formed. With the help of only very small color and objective lens having aperture error constants even at low electron energies in the range of Generate 0.5 to 5 keV probes whose diameter is less than Is 5 nanometers. This objective lens is therefore suitable especially for scanning electron microscopes, in which the so called Boersch effect the spatial resolution at low loading limited acceleration voltages and conventional objects lenses have too large aberrations.
Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildun gen der im folgenden anhand der Zeichnung erläuterten Erfin dung. Hierbei zeigt die Fig. 1 den schematischen Aufbau ei ner erfindungsgemäßen Objektivlinse.The dependent claims relate to advantageous developments of the inven tion explained below with reference to the drawing. Here, FIG. 1 shows a schematic structure of egg ner objective lens according to the invention.
Eine erfindungsgemäße Objektivlinse zur Fokussierung von Elektronen 1 auf eine Probe 2 besitzt einen rotationssymmetri schen Aufbau bezüglich der Strahlachse 3. Sie besteht aus ei ner eine obere und eine untere Wicklung 4, 5 aufweisenden ma gnetischen Einpollinse 6, einer als Halbpol wirkenden magne tischen Abschirmung 7 und einer elektrostatischen Immersions linse 8, 9, 10 mit Mittelelektrode 9. Die Einpollinse 6 und die mit einer konischen Bohrung 11 versehene Abschirmung 7 bilden einen den magnetischen Fluß B führenden Hohlkörper, in dem die Probe 2 auf der Strahlachse 3 im Raumbereich zwischen dem Polschuh 12 der magnetischen Linse 6 und den sich in Strahlrichtung erstreckenden Teilen 13, 14 der Abschirmung 7 angeordnet ist. Die im Eisenkreis vorhandenen Durchbrüche 15, 16 erlauben die Probe 2 in den Linsenkörper einzuführen und am Ort des Maximums der axialen magnetischen Induktion B zu positionieren. Ein Kippen der Probe 2 in den durch die Pfeile angedeuteten Richtungen gestaltet sich sehr einfach, da der nadelförmige Polschuh 12 eine solche Bewegung nicht behindert und die in das Linseninnere hineinragenden Teile 13, 14 der magnetischen Abschirmung 7 seitlich abgeflacht sind. Außerdem besteht ein genügend großer Abstand zu den beiden das fokus sierende Magnetfeld erzeugenden Linsenwicklungen 4 und 5. Der Linsenkörper enthält mindestens vier symmetrisch zur Strahlachse 3 orientierte Durchbrüche 15, 16, um keinen zu sätzlichen Astigmatismus zu induzieren. An objective lens according to the invention for focusing electrons 1 on a sample 2 has a rotationally symmetrical structure with respect to the beam axis 3 . It consists of egg ner an upper and a lower winding 4 , 5 having magnetic single-pole lens 6 , a magnetic shield acting as a semi-pole shield 7 and an electrostatic immersion lens 8 , 9 , 10 with center electrode 9th The single pole lens 6 and the shield 7 provided with a conical bore 11 form a hollow body guiding the magnetic flux B, in which the sample 2 on the beam axis 3 in the spatial region between the pole piece 12 of the magnetic lens 6 and the parts 13 extending in the beam direction, 14 of the shield 7 is arranged. The openings 15 , 16 present in the iron circle allow the sample 2 to be introduced into the lens body and to be positioned at the location of the maximum of the axial magnetic induction B. Tilting the sample 2 in the directions indicated by the arrows is very simple since the needle-shaped pole piece 12 does not hinder such a movement and the parts 13 , 14 of the magnetic shield 7 protruding into the inside of the lens are flattened laterally. In addition, there is a sufficiently large distance from the two lens windings 4 and 5 that generate the focusing magnetic field. The lens body contains at least four openings 15 , 16 oriented symmetrically to the beam axis 3 in order not to induce additional astigmatism.
Die elektrostatische Immersionslinse ist im Strahlengang oberhalb der magnetischen Einpollinse 6 angeordnet, wobei die Innenseite 10 der in der magnetischen Abschirmung 7 vorhande nen konischen Bohrung 11 deren auf dem Potential ϕ₀ der Probe 2 und damit auf Masse liegende untere Elektrode bildet. Die in die konische Bohrung 11 hineinragende und durch einen Iso lator 17 gehalterte Mittelelektrode 9 der Immersionslinse be steht vorzugsweise aus Kupfer. Sie kann die Form eines Hohlzylinders oder, wie in Fig. 1 dargestellt, die Form ei nes sich in Richtung der Probe 2 verjüngenden Kegelstumpfes aufweisen. Da diese Elektrode 9 auf einem positiven Potential ϕ₂ und die magnetische Abschirmung 7 auf Masse liegt, baut sich im Raumbereich zwischen den Elektroden 9 und 10 der Im mersionslinse ein die Primärelektronen 1 abbremsendes elek trisches Feld auf. Wie der Verlauf der gestrichelt darge stellten Feldlinien zeigt, streut das elektrische Bremsfeld nicht in das Linseninnere hinein, so daß am Ort der Probe 2 nur noch das fokussierende Magnetfeld der Einpollinse 6 wirk sam ist.The electrostatic immersion lens is arranged in the beam path above the magnetic single-pole lens 6 , the inside 10 of the conical bore 11 present in the magnetic shield 7 forming the lower electrode at the potential ϕ₀ of the sample 2 and thus on the ground. The protruding into the conical bore 11 and held by an insulator 17, the central electrode 9 of the immersion lens is preferably made of copper. It can have the shape of a hollow cylinder or, as shown in FIG. 1, the shape of a truncated cone tapering in the direction of the sample 2 . Since this electrode 9 is at a positive potential ϕ₂ and the magnetic shield 7 is at ground, the primary electrons 1 braking electric field builds up in the space between the electrodes 9 and 10 of the immersion lens. As the course of the dashed lines Darge shows, the electric brake field does not scatter into the lens interior, so that at the location of the sample 2 only the focusing magnetic field of the single-pole lens 6 is effective sam.
Die obere Elektrode 8 der Immersionslinse besteht aus einer ringförmigen Blende 18 mit einem konzentrisch zur Strahlachse 3 angeordneten und sich in Richtung der Probe 2 erstreckenden Hohlzylinder 19. Wie die Mittelelektrode 9 liegen diese bei den Elektrodenteile 18 und 19 ebenfalls auf einem positiven Potential ϕ₁, das insbesondere dem Potential der Anode des Elektronenstrahlerzeugers entspricht und beispielsweise 20 kV beträgt. Da das Potential ϕ₁ dem Betrag nach kleiner ist als das Potential ϕ₂ der Mittelelektrode 9 und ϕ₂ beispielsweise der Bedingung 1,1 ϕ₁ <ϕ₂ <2,5 ϕ₁ genügt, durchlaufen die Primärelektronen 1 den oberen Teil der Immersionslinse mit einer hohen kinetischen Energie, um erst unmittelbar oberhalb der Probe 2 in dem zwischen den Elektroden 9 und 10 aufgebau ten elektrischen Verzögerungsfeld auf die gewünschte End energie E₀=-eϕK=0,2-5,0 keV (ϕK: Potential der Kathode des Elektronenstrahlerzeugers; e: Elementarladung) abgebremst zu werden. Trotz der im unteren Teil der Immersionslinse auf tretenden Verzögerung besitzen die Primärelektronen 1 im Be reich der sich abschwächenden axialen magnetischen Induktion auch noch eine vergleichsweise hohe mittlere kinetische Energie E mit E < E₀ (E₀: Energie der Primärelektronen 1 am Ort der Probe 2), was sich günstig auf den axialen Farbfehler und die sphärische Aberration der magnetischen Einpollinse 6 auswirkt. Die Farb- und Öffnungsfehlerkonstanten der erfin dungsgemäßen Öbjektivlinse sind daher kleiner als die ent sprechenden Aberrationskonstanten der modifizierten Einpol linse von Shao.The upper electrode 8 of the immersion lens consists of an annular aperture 18 with a hollow cylinder 19 arranged concentrically to the beam axis 3 and extending in the direction of the sample 2 . Like the center electrode 9 , these are also at the electrode parts 18 and 19 at a positive potential ϕ₁, which corresponds in particular to the potential of the anode of the electron gun and is, for example, 20 kV. Since the potential ϕ₁ is smaller than the potential ϕ₂ of the center electrode 9 and ϕ₂, for example, the condition 1.1 ϕ₁ <ϕ₂ <2.5 ϕ₁, the primary electrons 1 pass through the upper part of the immersion lens with a high kinetic energy only immediately above sample 2 in the electrical delay field built up between electrodes 9 and 10 to the desired end energy E₀ = -eϕ K = 0.2-5.0 keV (ϕ K : potential of the cathode of the electron gun; e: elementary charge ) to be slowed down. Despite the delay occurring in the lower part of the immersion lens, the primary electrons 1 in the area of the weakening axial magnetic induction also have a comparatively high mean kinetic energy E with E <E₀ (E₀: energy of the primary electrons 1 at the location of the sample 2 ), which has a favorable effect on the axial color error and the spherical aberration of the magnetic single-pole lens 6 . The color and aperture error constants of the inventive objective lens are therefore smaller than the corresponding aberration constants of the modified single-pole lens from Shao.
Der Detektor 20 zum Nachweis der auf der Probe 2 von den auf treffenden Primärelektronen 3 ausgelösten Sekundärelektronen ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel innerhalb der Immer sionslinse im Raumbereich zwischen der oberen und der mittle ren Elektrode 8 und 9 konzentrisch zur Strahlachse 3 angeord net. Er besteht aus einem ringförmigen elektronensensitiven Teil, der unterhalb der Blende 18 gehaltert ist. Zur Erzie lung verschiedener Kontraste ist es zweckmäßig, den Detektor 20 segmentiert aufzubauen und die in den einzelnen Segmenten gemessenen Signale in der gewünschten Weise zu kombinieren (z. B. Differenzbildung der in zwei Halbring-Detektoren ge messenen Signale bzw. Unterdrückung eines der beiden Si gnale). Da der Hohlzylinder 19 auf einem niedrigeren positi ven Potential ϕ1 als die Mittelelektrode 9 liegt (ϕ₂ <ϕ₁), werden insbesondere die unter kleinen Winkeln zur Strahlachse 3 laufenden Sekundärelektronen in Richtung des Dektors 20 ab gelenkt und nachgewiesen. Der Hohlzylinder 19 dient außerdem der Abschirmung des primären Elektronenstrahls von der am De tektor 20 anliegenden Hochspannung zur Nachbeschleunigung der Sekundärelektronen. Als Detektor 20 kommen insbesondere Halb leiteranordnungen in Betracht, deren teilchensensitive Berei che gegebenenfalls segmentiert aufgebaut und als Metall-Halb leiter- oder p-n-Übergang ausgebildet sind. Selbstverständ lich können auch oberhalb der Immersionslinse angeordnete Szintillator-Lichtleiterkombinationen oder Channel-Plates als Sekundärelektronendetektoren verwendet werden. The detector 20 for detecting the on the sample 2 triggered by the striking primary electrons 3 secondary electrons is in the embodiment shown within the always sion lens in the space between the upper and the middle Ren electrode 8 and 9 concentric to the beam axis 3 angeord net. It consists of a ring-shaped electron-sensitive part, which is held below the aperture 18 . To achieve various contrasts, it is expedient to construct the detector 20 in segments and to combine the signals measured in the individual segments in the desired manner (e.g. forming the difference between the signals measured in two half-ring detectors or suppressing one of the two Si gnale). Since the hollow cylinder 19 is at a lower positive potential ϕ1 than the center electrode 9 (ϕ₂ <ϕ₁), in particular the secondary electrons running at small angles to the beam axis 3 are deflected and detected in the direction of the detector 20 . The hollow cylinder 19 also serves to shield the primary electron beam from the high voltage applied to the detector 20 for post-acceleration of the secondary electrons. Semiconductor arrangements, the particle-sensitive areas of which are optionally segmented and are designed as metal-semiconductor or pn junctions are particularly suitable as detector 20 . Of course, scintillator-light guide combinations or channel plates arranged above the immersion lens can also be used as secondary electron detectors.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das beschriebene Aus führungsbeispiel. So eignet sich die Objektivlinse insbeson dere auch zur Fokussierung von Ionen. Es ist selbstverständ lich ohne weiteres möglich, einen aus Kupfer bestehenden Ke gelstumpf als untere Elektrode der Immersionslinse vorzusehen und diesen in einer entsprechend ausgebildeten Bohrung 11 der magnetischen Abschirmung 7 anzuordnen.The invention is not limited to the exemplary embodiment described. The objective lens is also particularly suitable for focusing ions. It is, of course, easily possible to provide a copper stump as a lower electrode of the immersion lens and to arrange it in a correspondingly designed bore 11 of the magnetic shield 7 .
Claims (10)
- - die Linse besitzt einen rotationssymmetrischen Aufbau be züglich einer Strahlachse (3);
- - sie besteht aus einer magnetischen Einpollinse (6), einer als Halbpol wirkenden magnetischen Abschirmung (7) und einer elektrostatischen Immersionslinse (8, 9, 10);
- - die Einpollinse (6) und die magnetische Abschirmung (7) bilden einen in Richtung der Immersionslinse (8, 9, 10) offe nen Hohlkörper;
- - innerhalb des den magnetischen Fluß führenden Hohlkörpers befindet sich die Probe (2) an einem Ort oberhalb des Pol- Schuhs (12) der Einpollinse (6), an dem kein elektrisches Feld (E) vorhanden ist und die axiale magnetische Induktion ihr Maximum erreicht;
- - die oberhalb der magnetischen Einpollinse (6) angeordneten Elektroden (8, 9, 10) der Immersionslinse sind mit Potentia len (ϕ₁, ϕ₂) derart beaufschlagt, daß die geladenen Teilchen (1) in dem sich abschwächenden axialen Magnetfeld eine Ener gie haben, die höher ist als die Endenergie der geladenen Teilchen (1) an der Probe (2).
- - The lens has a rotationally symmetrical structure with respect to a beam axis ( 3 );
- - It consists of a magnetic single-pole lens ( 6 ), a magnetic shield ( 7 ) acting as a semi-pole and an electrostatic immersion lens ( 8 , 9 , 10 );
- - The single-pole lens ( 6 ) and the magnetic shield ( 7 ) form a hollow body in the direction of the immersion lens ( 8 , 9 , 10 );
- - Within the hollow body guiding the magnetic flux, the sample ( 2 ) is located at a location above the pole shoe ( 12 ) of the single-pole lens ( 6 ), at which no electric field (E) is present and the axial magnetic induction reaches its maximum ;
- - The electrodes ( 8 , 9 , 10 ) of the immersion lens arranged above the magnetic single-pole lens ( 6 ) are acted upon with potentials (ϕ₁, ϕ₂) such that the charged particles ( 1 ) have an energy in the weakening axial magnetic field, which is higher than the final energy of the charged particles ( 1 ) on the sample ( 2 ).
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