DE60029041T2

DE60029041T2 - Teilchenstrahlapparat mit Kompensation der chromatischen Aberration

Info

Publication number: DE60029041T2
Application number: DE60029041T
Authority: DE
Inventors: Pavel Adamec
Original assignee: ICT Integrated Circuit Testing Gesellschaft fuer Halbleiterprueftechnik mbH
Current assignee: ICT Integrated Circuit Testing Gesellschaft fuer Halbleiterprueftechnik mbH
Priority date: 1999-04-15
Filing date: 2000-04-17
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2020-04-18
Also published as: EP1045425B1; JP4759113B2; US6614026B1; DE60029041D1; JP2001015055A; EP1045425A3; EP1045425A2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Säule für einen geladenen Teilchenstrahl zum Untersuchen von Proben. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf eine Säule für einen Strahl, wobei der Strahl auf der Probenoberfläche unter einem schrägen Auftreffwinkel landen kann.
In Geräten für geladene Teilchenstrahlen wie beispielsweise einem Rasterelektronenmikroskop (Scanning-Electron-Microscope, SEM) sind der typische Aperturwinkel sowie der typische Auftreffwinkel des geladenen Teilchenstrahls von der Ordnung von einigen Millirad. Für viele Anwendungen ist es erstrebenswert, dass der geladene Teilchenstrahl auf der Probenoberfläche unter einem wesentlich größeren Winkel von typischerweise 5 Grad bis 10 Grad landet, was 90 bis 180 Millirad entspricht. Einige Anwendungen erfordern Auftreffwinkel, die 15 Grad oder sogar 20 Grad übertreffen.
Eine Anwendung, die große Auftreffwinkel erfordert, ist die stereoskopische Visualisierung einer Probenoberfläche. Stereografische Verfahren, die ein SEM benutzen, gehen auf die frühe Entwicklungsperiode der Rasterelektronenmikroskopie zurück. Da Elektronen von praktisch allen Teilen einer relativ rauen Probe aufgesammelt werden können, wirkt ein SEM-Bild ziemlich realistisch. Der Hauptgrund für diese realistische Wirkung ist, dass das Sekundärelektronensignal, das an dem Auftreffpunkt des Strahls erzeugt wird, mit der lokalen Neigung der Oberfläche in der gleichen Weise wie die wahrgenommene Helligkeit der Oberfläche eines diffus beleuchteten makroskopischen Objekts variiert. Desweiteren verändern Variationen in der Effizienz, mit der dieses Signal durch das schwache elektrische Feld von dem Detektor erfasst wird, das Signal in Abhängigkeit der Position, so dass die Probenoberfläche Schatten zu enthalten scheint. Während die Bilder somit alle visuellen Anhaltspunkte einer konventionellen Schwarz-Weiß-Fotografie aufweisen, sind diese Anhaltspunkte in vielen Situationen täuschend. Es ist daher essentiell, dass eine Methode verfügbar ist, die authentische perspektivische Informationen zur Verfügung stellt. Stereoskopische Visualisierung ist eine solche Methode. Sie ist nützlich und manchmal unverzichtbar, um Situationen aufzuspüren und zu lösen, in denen andere Abbildungs- oder Codiermechanismen mehrdeutige Resultate liefern.
In einer anderen Anwendung kann topografische Information über die Probenoberfläche beispielsweise aus der Parallaxe zwischen stereoskopischen Paaren von Bildern extrahiert werden, die mit einem schrägen Strahl erhalten wurden. Eine weitere Anwendung, dreidimensionale Abbildung einer Probe, erfordert ebenfalls einen Strahl, der um einige Grad geneigt ist, siehe beispielsweise das US-Patent 5,734,164.
In all diesen Anwendungen spielt der Mechanismus zum Strahlneigen eine Schlüsselrolle. In frühen Lösungen wurde ein Stereoeffekt erzeugt, indem die Probe mechanisch geneigt wurde, um zwei Perspektiven zur Verfügung zu stellen. Jedoch ist aufgrund von mechanischen Ungenauigkeiten eine laterale Bewegung der Probe unvermeidlich, was oft in Fehlzuordnungen zwischen den Elementen eines stereografischen Bildpaares resultiert. Dieses Problem tritt besonders bei hochgradig regelmäßigen Strukturen wie beispielsweise einem Gitter von Speicherzellen in einem integrierten Schaltkreis auf.
Wenn die Strahlneigung elektrisch durchgeführt wird, stellt die Tatsache, dass die Probe horizontal bleiben kann, einen signifikanten Vorteil dar, was die Registrierung der Lateralkoordinate betrifft. Das elektrische Neigen ist auch wesentlich schneller als die mechanische Entsprechung. Die elektrische Methode hat jedoch auch einige Nachteile. In einer Methode wird der Strahl oberhalb der Objektivlinse so abgelenkt (Prä-Linsen-Ablenkung), dass jeder Strahl von einem Punkt zu kommen scheint, der mit der scheinbaren Position der Elektronenquelle übereinstimmt (siehe 3). Auf diese Weise wird jeder Strahl auf den gleichen Bereich der Probe fokussiert, so lange sich die Probenoberfläche im Fokus befindet. Jedoch durchquert infolgedessen der Strahl das Feld der Objektivlinse deutlich weg von der Achse, was von Verschlechterungen wegen Linsen-Aberrationen begleitet ist. Insbesondere chromatische Aberrationen begrenzen die erreichbare Auflösung auf einige zehn Nanometer. Viele Anwendungen erfordern eine wesentlich höhere Auflösung von etwa fünf Nanometern.
Wenn, wie in einer anderen Methode, die Ablenkspulen unterhalb der Objektivlinse angeordnet sind (Post-Linsen-Deflektion), durchquert der Strahl die Linse an der optischen Achse (3). Jedoch begrenzen die physikalischen Abmessungen der Spulen unterhalb der finalen Linse die minimal erreichbare Arbeitsdistanz, das heißt, die minimal erreichbare Distanz zwischen der finalen Linse und der zu untersuchenden Probe. Eine akzeptable Auflösung wird in diesem Fall wegen der verschlechterten Instrumentenauflösung, die von der vergrößerten Arbeitsdistanz herrührt, nicht erreicht.
In der europäischen Patentanmeldung 1049131, die ein Dokument gemäß Artikel 54 (3) EPC ist, wird ein Teilchenstrahlapparat für die geneigte Beobachtung einer Probe zur Verfügung gestellt. Der Teilchenstrahlapparat umfasst eine Quelle zum Generieren eines Teilchenstrahls, Ablenkmittel zum Neigen des Teilchenstrahls und eine Linse zum Fokussieren des geneigten Teilchenstrahls auf die Probe. Desweiteren sind Multipol-Korrekturmittel zur Verfügung gestellt, um die Linsen-Aberrationen zu korrigieren, die auftreten, weil der geneigte Teilchenstrahl die Linse weg von der Achse schneidet.
Die vorliegende Erfindung beabsichtigt, die oben genannten Nachteile und Unzulänglichkeiten des Stands der Technik zu überwinden. Insbesondere beabsichtigt die Erfindung, eine verbesserte Säule für geladene Teilchenstrahlen zur Verfügung zu stellen, die es erlaubt, Proben mit einem schrägen Strahlenauftreffwinkel zu untersuchen, wobei eine hohe Auflösung des Bilds der geladenen Teilchen beibehalten wird. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, um dies zu erreichen, eine Säule zur Verfügung gestellt, wie sie in Anspruch 1 angegeben ist, und eine Methode, wie sie in Anspruch 13 angegeben ist.
Weitere Vorteile, Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung sind aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren ersichtlich.
Gemäß einer Ausführungsform stellt die Erfindung eine Säule zum Lenken eines Strahls geladener Teilchen mit einer endlichen Energiespanne auf eine Probenoberfläche unter einem schrägen Auftreffwinkel des Strahls zur Verfügung, wobei die Säule umfasst: eine Teilchenquelle, um den Strahl geladener Teilchen zur Verfügung zu stellen, der sich entlang der optischen Achse fortbewegt; eine Objektivlinse zum Fokussieren des Strahls geladener Teilchen auf die Probenoberfläche; eine Ablenkeinheit, um den Strahl geladener Teilchen weg von der optischen Achse abzulenken, so dass der Strahl geladener Teilchen die Objektivlinse außerhalb der Achse durchquert, wodurch eine chromatische Aberration verursacht wird, wobei die Ablenkeinheit zwei Deflektoren umfasst, die geeignet sind, um den Strahl geladener Teilchen weg von der optischen Achse auf einen Pfad abzulenken, der von einem Punkt zu kommen scheint, der mit der scheinbaren Position der Teilchenquelle oder mit einem intermediären Bild der Teilchenquelle übereinzustimmen scheint; eine Ausgleichseinheit, die geeignet ist, den Strahl geladener Teilchen dispersiv zu beeinflussen, wodurch im Wesentlichen die genannte chromatische Aberration in der Ebene der Probenoberfläche kompensiert wird, wobei die kombinierte Wirkung der Objektivlinse und der Ablenkeinheit den Strahl geladener Teilchen so lenkt, dass er die Probenoberfläche unter dem genannten schrägen Auftreffwinkel trifft.
Wie weiter oben aufgeführt ist, führt die Ablenkung dazu, dass der Strahl auf einem Pfad durch die Objektivlinse weg von der Achse verläuft, was zu großen chromatischen Aberrationen aufgrund der endlichen Energiespanne des Strahls führt. Überraschend wurde durch die Erfinder gefunden, dass diese erste chromatische Aberration, die durch die Ablenkung verursacht ist, in der Ebene der Probenoberfläche kompensiert werden kann, indem ein Element hinzugefügt wird, das eine zweite chromatische Aberration einführt, die im Wesentlichen von der gleichen Art und Größe wie die erste chromatische Aberration ist, aber die im Wesentlichen entgegengesetzt ist. Eine solche zweite chromatische Aberration kann eingeführt werden, indem der geladene Teilchenstrahl dispersiv beeinflusst wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Kompensationseinheit Mittel, um gekreuzte elektrostatische und magnetische Ablenkfelder zu generieren. Vorzugsweise werden elektrische und magnetische Felder erzeugt, die senkrecht zur optischen Achse sind, um einen sogenannten Wien-Filter zu bilden. Die Kompensationseinheit ist vorzugsweise in der Form eines elektrostatischen und magnetischen Multipols (2n-Pol, n = 1, 2, 3, ...) gebildet, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, die aus einem elektrostatischem und magnetischen Dipol (2-Pol), Quadrupol (4-Pol), Hexapol (6-Pol), und Octupol (8-Pol) besteht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der elektrostatische und magnetische 2n-Pol 2n Polstücke und 2n Elektroden, die disktinkt von den Polstücken sind. Die Polstücke und die Elektroden sind in einer Fläche angeordnet, die senkrecht zur optischen Achse steht. In einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der elektrostatische und magnetische 2n-Pol 2n Polstücke, wobei jedes der 2n Polstücke angepasst ist, um gleichzeitig als Elektrode benutzt zu werden. Die Polstücke und die Elektroden sind in einer Fläche angeordnet, die senkrecht zur optischen Achse steht.
Ohne dass eine Einschränkung auf eine bestimmte Theorie erfolgen soll, ist der kompensierende Effekt eines Wien-Filters in der Säule gegenwärtig folgendermaßen verstanden:
Für einen bestimmten Auftreffwinkel des Strahls, beispielsweise für fünf Grad, führt die erforderliche Ablenkung dazu, dass das Zentrum des Strahls die Objektivlinse in einem bestimmten Abstand von der optischen Achse durchquert. Dann hängt die Brennweite der Objektivlinse von der Energie der geladenen Teilchen und von dem Abstand zwischen der Bahn des Strahlenzentrums und der optischen Achse ab. Da der Strahl geladener Teilchen eine endliche Energiespanne hat, werden Teilchen mit unterschiedlichen Energien durch die Linse in geringfügig unterschiedliche Richtungen abgelenkt, wodurch die chromatische Aberration der Linse verursacht wird (siehe 3).
In dem Wien-Filter generieren das elektrische Feld E und das magnetische Feld B eine elektrische und magnetische Kraft auf die geladenen Teilchen, F_el = qE, und F_mag = q(v × B), wobei q = –e die Elektronenladung ist. Wenn das elektrische und magnetische Feld zueinander und zu der Geschwindigkeit des geladenen Teilchens senkrecht stehen, wirken die elektrischen und magnetischen Kräfte in entgegengesetzte Richtungen. Für Teilchen mit einer gewissen Geschwindigkeit, v = |E|/|B|, ist die Gesamtkraft Null und sie durchqueren den Filter unbeeinflusst. Teilchen mit einer anderen Geschwindigkeit erfahren eine Gesamtkraft F = F_el – F_mag, und werden durch den Wien-Filter abgelenkt. Infolgedessen wird ein Strahl geladener Teilchen mit einer endlichen Energiespanne, der den Wien-Filter durchquert, dispersiv beeinflusst, da Teilchen mit unterschiedlichen Energien um unterschiedliche Beträge abgelenkt werden.
Die Dispersion führt zu einer wenigstens teilweisen Kompensation der chromatischen Aberrationen der Objektivlinse. Die Erfindung hat somit den Vorteil, dass große Auftreffwinkel des Strahls auf der Probenoberfläche ohne die übliche Verringerung der Auflösung, die von großen chromatischen Aberrationen herrührt, zur Verfügung gestellt werden können.
In dem Fall, dass die Kompensationseinheit durch einen elektrostatischen und magnetischen 2n-Pol gebildet wird, wobei n wenigstens 2 ist, können sowohl magnetische als auch elektrostatische Felder eingestellt werden, um in einer beliebigen Richtung in der Ebene senkrecht zur optischen Achse abzulenken. Dadurch kann eine Kompensation für jede Richtung der Deflektierwirkung erreicht werden.
In dem Fall, dass die Kompensationseinheit durch einen elektrostatischen und magnetischen 2n-Pol gebildet wird, wobei n wenigstens 3 ist, können gleichmäßigere Ablenkfelder generiert werden. Dies ist besonders wichtig, wenn die Felder stark sein sollen, wenn der Strahldurchmesser in dem Wien-Filter groß ist, oder wenn der Strahl geladener Teilchen den Filter weg von der Achse durchqueren darf. Zusätzlich können Ablenkfelder von höherer Ordnung generiert werden, die das Koma der Objektivlinse reduzieren oder kompensieren, das die zweitgrößte Neigungs-Aberration bildet.
Wenn die Polstücke gleichzeitig als Elektroden benutzt werden, werden elektrische und magnetische Felder mit im Wesentlichen identischer räumlicher Verteilung generiert. Dass die Felder sehr gut zusammenpassen, ist wichtig, wenn die Ablenkfelder sehr stark sein sollen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ablenkeinheit geeignet, um einen Auftreffwinkel des Strahls zur Verfügung zu stellen, der weniger als 25°, vorzugsweise zwischen 3° und 15°, noch mehr vorzugsweise zwischen 5° und 10° ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Ablenkeinheit zwei Deflektoren, die geeignet sind, um den Strahl geladener Teilchen weg von der optischen Achse auf einen Pfad abzulenken, der von einem Punkt zu kommen scheint, der mit der scheinbaren Position der Teilchenquelle übereinstimmt, oder der gegebenenfalls von einem Punkt zu kommen scheint, der mit einem intermediären Bild der Teilchenquelle übereinstimmt.
In einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Kompensationseinheit zwischen der Teilchenquelle und der Ablenkeinheit angeordnet. In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Kompensationseinheit innerhalb der Ablenkeinheit anzuordnen. Auch wenn diese Anordnungen bevorzugt sind, ist es auch möglich, die Kompensationseinheit unterhalb der Ablenkeinheit anzuordnen.
Auch wenn das bisher beschriebene Ablenksystem mit jeder Art von Objektivlinse benutzt werden kann, ist in einem weiteren Aspekt der Erfindung die Objektivlinse eine magnetisch-elektrostatische Verbundlinse. Vorzugsweise ist der elektrostatische Teil der magnetisch-elektrostatischen Verbundlinse eine elektrostatische retardierende Linse. Mit einer solchen magnetisch-elektrostatischen Verbundlinse kann eine überlegene Auflösung bei niedrigen Beschleunigungsenergien wie z.B. wenigen hundert Elektronenvolt im Fall eines Rasterelektronenmikroskops (SEM) erzielt werden. Solch niedrige Beschleunigungsenergien sind erstrebenswert insbesondere in der modernen Halbleiterindustrie, um Aufladen und/oder Beschädigung von strahlungsempfindlichen Proben zu vermeiden. In einer bevorzugten Ausführungsform verringert die elektrostatische retardierende Linse die Energie eines Strahls von Elektronen als geladenen Teilchen auf weniger als 5 keV, bevorzugt auf weniger als 2 keV, und besonders bevorzugt auf ungefähr oder weniger als 1 keV.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Objektivlinse eine magnetische Immersionslinse.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Säule Mittel zum Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen der Probe und einem Polstück der Objektivlinse. Auf diese Weise kann eine elektrostatische retardierende Linse zwischen der Probe und einem Polstück der Objektivlinse erzeugt werden, ohne dass zusätzliche Elektroden notwendig werden. Der Fachmann wird jedoch würdigen, dass zusätzliche Elektroden vorliegen können, um das auf diese Weise generierte Verzögerungsfeld zu ergänzen und/oder zu modifizieren.
Vorzugsweise umfasst die Säule weiter Mittel zum Scannen des Strahls geladener Teilchen über die Probenoberfläche.
Weiter ist hierin eine Methode zum Richten eines Strahls geladener Teilchen mit einer endlichen Energiespanne auf eine Probenoberfläche unter einem schrägen Auftreffwinkel des Strahls offenbart, wobei die Methode die folgenden Schritte umfasst:

a) Zu Verfügung stellen eines Stahls geladener Teilchen mit endlicher Energiespanne, die sich entlang einer optischen Achse fortbewegen;
b) Fokussieren des Strahls geladener Teilchen auf die Probenoberfläche mittels einer Objektivlinse, wobei die Methode dadurch gekennzeichnet ist, dass sie weiterhin die folgenden Schritte umfasst:
c) Auswählen eines Auftreffwinkels des Strahls;
d) Ablenken des Strahls geladener Teilchen, die sich entlang der optischen Achse fortbewegen, weg von der optischen Achse mittels einer Ablenkeinheit, die zwei Deflektoren umfasst, und die geeignet ist, den Strahl geladener Teilchen weg von der optischen Achse auf einen Pfad abzulenken, der von einem Punkt zu kommen scheint, der mit der scheinbaren Position der Teichenquelle oder mit einem intermediären Bild der Teilchenquelle übereinstimmt, so dass der Strahl geladener Teilchen die Objektivlinse außerhalb ihrer Achse durchquert, wodurch eine erste chromatische Aberration verursacht wird, wobei die Größe der Ablenkung so gewählt ist, dass die gemeinsame Wirkung des Ablenkens und des Fokussierens des Stahls den Strahl geladener Teilchen so lenkt, dass er die Probenoberfläche unter genanntem großem Auftreffwinkel des Strahls trifft, und
e) dispersives Beeinflussen des Strahls geladener Teilchen, wodurch eine zweite chromatische Aberration eingeführt wird, die im Wesentlichen der gleichen Art und Größe, aber von im Wesentlichen umgekehrter Richtung als die genannte erste chromatische Aberration ist, um die genannte erste chromatische Aberration in der Ebene der Probenoberfläche im Wesentlichen zu kompensieren.

Vorzugsweise umfasst Schritt e) der Methode: Generieren von gekreuzten elektrostatischen und magnetischen Feldern, die im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse und zueinander sind, in einer Region entlang der optischen Achse; und Hindurchbewegen des Strahls geladener Teilchen durch die genannte Region.
Einige der oben angeführten und weitere detailliertere Aspekte der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung beschrieben und Bezug nehmend auf die Figuren teilweise illustriert, in welchen
1 ein schematischer vertikaler Querschnitt einer Strahlensäule gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
2 ein schematischer vertikaler Querschnitt einer Strahlensäule gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist;
3 ein schematischer vertikaler Querschnitt einer Strahlensäule gemäß dem Stand der Technik ist, die ein Prä-Linsen-Ablenksystem benutzt;
4 ein schematischer vertikaler Querschnitt einer Strahlensäule gemäß dem Stand der Technik ist, die ein Post-Linsen-Ablenksystem benutzt;
5a ein schematischer horizontaler Querschnitt eines Wien-Filters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
5b ein schematischer vertikaler Querschnitt des Wien-Filters von 5a ist;
6a ein schematischer horizontaler Querschnitt eines Wien-Filters gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist;
6b ein schematischer vertikaler Querschnitt des Wien-Filters von 6a ist;
7–8 horizontale Querschnitte von Wien-Filtern gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung sind;
9–12 vertikale Querschnitte des unteren Abschnitts von Strahlensäulen gemäß weiteren vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung zeigen.
In den Figuren beziehen sich ähnliche Bezugszeichen auf ähnliche Elemente.
Im Folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung besprochen, die Elektronen als geladene Teilchen benutzen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Benutzung von Elektronen beschränkt, sondern umfasst ebenfalls die Benutzung von Protonen, Ionen und anderen geladenen Teilchen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sind typische Probleme, die mit Gestaltungen aus dem Stand der Technik in SEMs verbunden sind, in den 3 und 4 illustriert. Elemente wie die Anode der Elektronenquelle, Kondenserlinsen, Aperturen, Abtastspulen, Detektoren und ähnliches, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht wichtig sind, sind in den Zeichnungen weggelassen. Im Allgemeinen wird ein Elektronenstrahl von einer Elektronenquelle 12 freigegeben und bewegt sich entlang der optischen Achse 16 zu einer Objektivlinse 20 hin.
Die Elektronen in dem Strahl sind nicht monochromatisch, sondern werden mit geringfügig unterschiedlichen Energien emittiert. Beispielsweise ist in einer thermionischen Elektronenkanone die Energiespanne (das heißt, die volle Breite bei der Hälfte des Maximums in der Elektronenenergieverteilung) von der Ordnung ΔE = 2,5kT_C, wobei T_C die Temperatur der Kathodenspitze und k die Boltzmann-Konstante sind. Diese Energiespanne ist weiter durch den Boersch-Effekt vergrößert, der von Ort-Ladungs-Oszillationen in der Nähe der Strahlüberschneidung herrühren, so dass thermionische Wolframkathoden eine Energiespanne von ΔE = 1–3 eV aufweisen, während für LaB₆-Kathoden der Wert ΔE = 0,5–2 eV beträgt. Feldemissionskanonen haben üblicherweise eine geringere Energiespanne aufgrund der geringeren Kathodentemperaturen von der Größenordnung von ΔE = 0,2–0,4 eV (L. Reimer, Scanning Electron Microscopy, Springer 1985).
Die Objektivlinse 20 fokussiert den Elektronenstrahl auf die Oberfläche einer Probe 18. Die Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit der Probe 18 generiert Sekundärelektronen, die durch einen geeigneten Detektor (nicht dargestellt) gesammelt und detektiert werden.
In 3 lenkt eine zweistufige Prä-Linsen-Ablenkeinheit 70 den Strahl von seinem Pfad 15a entlang der optischen Achse 16 auf einen Pfad 15b ab, der von einem Punkt zu stammen scheint, der mit der scheinbaren Position der Teilchenquelle 12 übereinstimmt. Auf diese Weise wird der abgelenkte Strahl durch die Objektivlinse 20 für eine beliebige Ablenkung auf denselben Bereich der Probe fokussiert, solange die Probenoberfläche sich in Fokus befindet (Strahl 15d). Aufgrund der Ablenkung durchquert der Strahl das Feld der Objektivlinse deutlich weg von der Achse (Bezugszeichen 22), was zu großen chromatischen Aberrationen aufgrund der endlichen Energiespanne des Strahls führt.
Für einen Strahl an der Achse resultiert die endliche Energiespanne des Strahls in einer Scheibe von geringster Vermischung bzw. Verwirrung mit dem Durchmesser d_c, der geschrieben werden kann als dc = CcαΔE/E, (1)wobei C_C der chromatische Aberrationskoeffizient, α üblicherweise der Konvergenzwinkel, und ΔE/E die relative bzw. fraktionale Variation in der Elektronenstrahlenergie ist. Gleichung (1), die die chromatische Aberration für einen Strahl an der Achse mit Konvergenzwinkel α beschreibt, kann auch benutzt werden, um eine Situation zu beschreiben, in der der geladene Teilchenstrahl die Linse weg von der Achse durchquert. In diesem Fall muss der Konvergenzwinkel α in der Gleichung (1) durch den Auftreffwinkel des Strahls ersetzt werden, und die Länge d_c ist eine laterale Ausdehnung des länglichen Strahlquerschnitts. Eine große chromatische Aberration tritt auf, da der Auftreffwinkel des Strahls sehr groß ist (einige Grad) verglichen mit typischen Konvergenzwinkeln (wenige Zehntel eines Grads).
Der Effekt ist schematisch in 3 durch Strahlen 15e, 15d und 15c dargestellt, die jeweils Elektronen mit Energien mit E – ΔE, E, und E + ΔE, darstellen. Wie gezeigt ist, werden Elektronen mit größeren Energien weniger abgelenkt als Elektronen mit niedrigeren Energien. In Ausführungen wie den in 3 illustrierten verschmiert die chromatische Aberration das Bild und begrenzt die erreichbare Auflösung auf einige zehn Nanometer.
4 zeigt einen alternativen Aufbau aus dem Stand der Technik, worin Ablenkspulen 82, 84 unterhalb der Objektivlinse 20 angeordnet sind, um ein Post-Linsen-Ablenksystem 80 zu bilden. Nachdem der Strahl die Objektivlinse 20 durchquert, lenkt eine erste Ablenkspule 82 den Strahl weg von der optischen Achse ab, und eine zweite Ablenkspule 84 lenkt den Strahl zurück zur optischen Achse, damit er die Probe unter dem gewünschten Strahlenauftreffwinkel trifft. Da der Strahl die Objektivlinse 20 an der optischen Achse 16 durchquert, ist die Auflösung nicht durch die Aberration der Linse weg von der Achse verschlechtert. Jedoch begrenzen die physikalischen Abmessungen der Spulen unterhalb der finalen Linse 20 die erreichbare minimale Arbeitsdistanz, so dass Objektivlinsen mit größeren Brennweiten benötigt werden. Die größere Brennweite führt dann zu einer vergrößerten chromatischen sowie zu einer vergrößerten sphärischen Aberration. Entsprechend erreichen Lösungen, wie sie in 4 illustriert sind, ebenfalls nicht akzeptable Bildauflösungen.
1 illustriert eine besondere Ausführungsform einer Säule gemäß der Erfindung, die insgesamt durch das Bezugszeichen 10 repräsentiert ist. Wie zuvor wird der Elektronenstrahl von einer Elektronenquelle 12 freigegeben und bewegt sich auf einem Pfad 14a entlang der optischen Achse 16 zu einer Objektivlinse 20 hin, die den Strahl auf die Oberfläche einer Probe 18 fokussiert. Die Ablenkeinheit 30 umfasst zwei Deflektoren 32, 34, um den Strahl weg von der optischen Achse zu einem Pfad 14b abzulenken, der von einem Punkt zu kommen scheint, der mit der scheinbaren Position der Elektronenquelle 12 übereinstimmt. In Abhängigkeit des Aufbaus der Säule kann das Bezugszeichen 12 die Elektronenquelle selbst oder ein intermediäres Bild der Elektronenquelle bezeichnen.
In der Ausführungsform von 1 ist die Ablenkeinheit 30 zwischen der Elektronenquelle 12 (oder einem intermediären Bild davon) und der Objektivlinse 20 angeordnet, das heißt, die Ablenkeinheit 30 ist als eine Prä-Linsen-Ablenkeinheit dargestellt. Jedoch kann die Ablenkeinheit 30 auch in die Nähe oder sogar tief im Inneren der Objektivlinse 20 angeordnet sein, so dass deren jeweilige Felder überlappen.
Oberhalb der Ablenkeinheit 30 ist ein Wien-Filter 40 angeordnet, der überkreuzte elektrische und magnetische Felder generiert. In der Ausführungsform von 1, in der die Elektronen sich allgemein in der +z-Richtung bewegen, und in der die Ablenkeinheit 30 die Elektronen in +x-Richtung ablenkt, ist das elektrische Feld E entlang der x-Achse gewählt, und das magnetische Feld B ist entlang der y-Achse. Wie oben erwähnt, sind die elektrischen und magnetischen Kräfte auf das Elektron dann in entgegengesetzten Richtungen. Elektronen mit einer Geschwindigkeit v = |E|/|B| durchqueren den Filter unbeeinflusst, während Elektronen mit einer anderen Geschwindigkeit eine Gesamtkraft erfahren und durch den Wien-Filter 40 abgelenkt werden.
Für kleine Ablenkwinkel kann die Impulsnäherung verwendet werden, und der Drehpunkt der Ablenkung liegt dann beim Zentrum der Ablenkeinheit. Unter der Annahme, dass die Elektronen durch eine Region mit transversalen Feldern der Länge L fliegen, kann der Impulsübertrag p_x auf die Elektronen während der Flugzeit durch die Ablenkfelder geschrieben werden als: px = eL(Ex/v + By),wobei –e die Elektronenladung, E_x das elektrische Feld entlang der +x-Achse, B_y das magnetische Feld entlang der +y-Achse, und v die Elektronengeschwindigkeit entlang der +z-Achse ist (L. Reimer, am angegebenen Ort). Es kann aus der obigen Gleichung leicht erkannt werden, dass für Elektronen mit Geschwindigkeit v₀ = E_x/–B_y der Impulsübertrag Null ist, das heißt, diese Elektronen durchqueren den Filter unbeeinflusst. Damit die Lösung für v₀ sinnvoll (das heißt, positiv) ist, müssen E_x und B_y entgegengesetzte Vorzeichen haben, zum Beispiel kann das elektrische Feld entlang der positiven x-Richtung und das magnetische Feld entlang der negativen y-Richtung angelegt sein.
Für Elektronen mit geringfügig größeren oder kleineren Geschwindigkeiten als v₀ führt der Impulsübertrag zu einem Ablenkwinkel ε = p_x/p_z. Dieser Ablenkwinkel ist positiv (Ablenkung in +x-Richtung, Pfad 14d), wenn die Elektronen eine Geschwindigkeit haben, die kleiner als v₀ ist, und er ist negativ (in –x-Richtung, Pfad 14c), wenn die Elektronen schneller als v₀ sind.
Der Pfad des Elektronenstrahls durch die Objektivlinse 20 weg von der Achse erzeugt eine erste chromatische Aberration. Der energiedispersive Effekt des Wien-Filters 40 führt eine zweite chromatische Aberration der gleichen Art wie die erste chromatische Aberration ein. Durch geeignete Wahl der Stärke des elektrischen Feldes E und des magnetischen Feldes B kann die zweite chromatische Aberration eingestellt werden, so dass sie die gleiche Größe, aber eine entgegengesetzte Richtung wie die erste chromatische Aberration hat. Im Ergebnis kompensiert die zweite chromatische Aberration im Wesentlichen die erste chromatische Aberration in der Ebene der Probenoberfläche.
Gleichung (1) zeigt, dass die chromatische Aberration der Objektivlinse 20 von dem Auftreffwinkel des Strahls abhängt. Für unterschiedliche Auftreffwinkel des Strahls durchquert der Elektronenstrahl die Objektivlinse 20 im Allgemeinen bei unterschiedlichen Abständen von der optischen Achse 16. Daher müssen die elektrischen und magnetischen Felder des Wien-Filters 40 entsprechend gesetzt werden, wenn während des Betriebs eine Änderung des Auftreffwinkels des Strahls gewünscht ist.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, worin der Wien-Filter 40 nicht oberhalb der Ablenkeinheit 30, sondern innerhalb der Ablenkeinheit angeordnet ist, so dass die Felder der Ablenkeinheit 30 und des Wien-Filters 40 überlappen. 2 zeigt, dass der Wien-Filter 40 auf der Höhe der zweiten Ablenkspule 34 angeordnet ist, aber das ist nur zum Zweck der einfachen Darstellung so gewählt. Wie in der ersten Ausführungsform führt der Wien-Filter eine Dispersion in den Elektronenstrahl 114a ein, so dass schnellere Elektronen (Energie E + ΔE) die Objektivlinse 20 näher bei der optischen Achse 16 durchqueren (Pfad 114c), während langsamere Elektronen (Energie E – ΔE) die Linse weiter weg von der optischen Achse durchqueren (Pfad 114d). Da die Ablenkung der Objektivlinse 20 für die langsameren Elektronen stärker ist, werden alle Teilchen auf die gleiche Stelle auf der Probe 18 fokussiert.
Während die Figuren zeigen, dass die Ablenkeinheit 30 zwei Ablenkspulen 32, 34 umfasst, ist es auch im lahmen der Erfindung, eine Ablenkeinheit 30 zu benutzen, die nur aus einem einzigen Deflektor besteht. Zum Beispiel, wenn das Bezugszeichen 12 ein intermediäres Bild der Elektronenquelle darstellt, genügt ein einziger Deflektor, der auf der Höhe des intermediären Bildes platziert ist, um den Strahl von der optischen Achse 16 auf einen Pfad abzulenken, der von dem intermediären Bild der Elektronenquelle zu kommen scheint.
5a, b zeigen eine Ausführungsform eines Wien-Filters, worin der Wien-Filter einen elektrostatischen und magnetischen Quadrupol (4-Pol) 140 bildet. Der Quadrupol umfasst vier Polstücke 142 und vier Elektroden 144. Die Elektroden und die Polstücke sind in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse 16 angeordnet. Wie es am besten in 5a sichtbar ist, sind die Elektroden und die Polstücke jeweils entlang des Umfangs eines Kreises angeordnet, im Abstand eines Winkels von π/2. Da die Polstücke und die zugehörigen Elektroden die gleiche Länge haben (5b) und fast den gleichen Radius haben (5a), sind die resultierenden elektrischen und magnetischen Feldverteilungen sehr ähnlich, was zu einer guten Kompensation der elektrischen und magnetischen für die Elektronen mit Geschwindigkeit v₀ in jedem Punkt entlang der optischen Achse des Wien-Filters führt.
Während es nicht notwendig ist, dass die elektrischen und magnetischen Felder gut zusammenpassen, ist dies vorteilhaft, da sonst der Elektronenstrahl stark weg von der optischen Achse abgelenkt wird, bevor die Ablenkung durch die andere Art des Feldes kompensiert wird, wodurch zusätzliche Aberrationen weg von der Achse erzeugt werden.
Durch Benutzung einer solchen Quadrupolanordnung können magnetische und elektrostatische Felder eingestellt werden, um in einer beliebigen Richtung in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse abzulenken. Dadurch kann eine Kompensation für eine beliebige Richtung der Ablenkwirkung erreicht werden. Starke Ablenkfelder des Wien-Filters können zu Astigmatismus führen. Dieser Astimagtismus kann kompensiert werden, indem das Quadrupol-(Stigmator-)elektrostatische oder magnetische Feld bei dem Wien-Filter angeregt wird.
Es ist auch möglich, die magnetischen Felder ohne die Benutzung von Polstücken zu erzeugen, das heißt allein mit Luftspulen. Jedoch ist das Zusammenpassen zwischen den elektrostatischen und den magnetischen Feldern in diesem Fall üblicherweise nicht so gut wie in dem zuvor beschriebenen Fall.
In einer weiteren Ausführungsform des Wien-Filters (6a, b) sind die vier Polstücke 242 eines elektrostatischen und magnetischen Quadrupols 240 elektrisch von dem magnetischen Schaltkreis 246 isoliert. Sie können daher gleichzeitig als Elektroden benutzt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Form der Polstücke und Elektroden automatisch identisch ist, was zu einem elektrischen und magnetischen Feld mit im Wesentlichen identischen räumlichen Verteilungen führt. Die hervorragende Übereinstimmung der jeweiligen Felder ist wichtig, wenn die Ablenkfelder sehr stark sein sollen, da dann sogar eine kleine Fehlanordnung der Felder eine große Strahlablenkung erzeugen kann.
7 und 8 illustrieren Ausführungsformen eines Wien-Filters, in denen der Wien-Filter einen elektrostatischen und magnetischen Octupol (8-Pol) 340 bildet. Die Ausführungsform, die in 7 gezeigt ist, umfasst acht Polstücke 342 und acht Elektroden 344, die in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse 16 entlang des Umfangs eines Kreises angeordnet sind, im Abstand eines Winkels von π/4. Wiederum haben die Polstücke und die entsprechenden Elektroden die gleiche Länge und fast den gleichen Radius (7), um elektrische und magnetische Felder mit ähnlichen räumlichen Verteilungen zu erreichen. In der Ausführungsform von 8 sind die Polstücke 442 des elektrostatischen und magnetischen Octupols 440 von dem magnetischen Schaltkreis 446 isoliert, um gleichzeitig als Elektroden zur Generierung des elektrischen Feldes benutzt zu werden.
Eine elektrostatischer und magnetischer Octupol erlaubt es, homogenere Ablenkfelder zu generieren. Dieses Merkmal ist besonders wichtig, wenn die Ablenkfelder stark sein sollen, oder wenn der Durchmesser des Wien-Filters groß ist, oder wenn es erwünscht ist, dass der Strahl geladener Teilchen den Wien-Filter nicht exakt an der optischen Achse passieren kann. Zusätzlich können Ablenkfelder höherer Ordnung generiert werden, die das Koma der Objektivlinse reduzieren oder kompensieren, das die zweitgrößte Aberration, die von dem großen Auftreffwinkel des Strahls herrührt, bildet. Sehr große Auftreffwinkel des Strahls (> 15 Grad) wurden auf diese Weise mit einer hervorragenden Auflösung von weniger als fünf Nanometern erreicht.
Weitere Ausführungsformen, die die Erfindung illustrieren, sind in den 9 bis 12 dargestellt. 9 zeigt einen Wien-Filter 40, beispielsweise einen elektrostatischen und magnetischen Multipol gemäß irgendeiner der 5 bis 8, der oberhalb der Ablenkeinheit 30 angeordnet ist. Die Objektivlinse kann beispielsweise eine einstufige, rein magnetische Linse 120 (9) oder eine Immersionslinse 220 sein, bei der die Polstücke 252, 254 so angeordnet sind, dass die Probe 18 in der oder nahe der Region des maximalen magnetischen Feldes ist (10). 11 illustriert einen Fall, in dem die Objektivlinse eine Immersionslinse 320 ist, deren äußeres Polstück 352 durch die Wand der Vakuumkammer gebildet ist.
Drei weitere Ausführungsformen für eine verbesserte Auflösung bei sehr geringen Energien von etwa oder unterhalb von 1 keV sind mit Bezug auf die Objektivlinse 420 in 12 dargestellt. In einem ersten Fall sind Elektroden 424, 426 und die Potenziale U2 und U3 abwesend. Ein retardierendes elektrostatisches Feld wird erzeugt, indem eine Potenzialdifferenz U1 zwischen der Probe 18 und einem Polstück 452, 454 der Objektivlinse 420 angelegt wird.
In einem zweiten Fall sind Elektroden 424, 426 und zugehörigen Potenziale U2 und U3 auch vorhanden, um das retardierende Feld, das zwischen der Probe und einem Polstück der Objektivlinse 420 erzeugt ist, zu ergänzen. In einem dritten Fall sind die Mittel zum Generieren eines Potenzials U1 nicht vorhanden. Ein retardierendes Feld wird dann durch die Elektroden 424 und 426 allein erzeugt. Der Fachmann wird würdigen, dass eine der Elektroden 424, 426 durch ein Polstück 452, 454 der Linse 420 geformt sein kann.
Obwohl der magnetische Teil der Objektivlinse 420 vorzugsweise eine Immersionslinse ist, muss dies nicht notwendigerweise der Fall sein. Irgendeine magnetische Linse, insbesondere eine solche, wie sie in 9 bis 11 gezeigt ist, kann mit elektrostatischen retardierenden Linsen, wie denen, die in 12 illustriert sind, kombiniert werden.

Claims

Eine Säule zum Lenken eines Strahls geladener Teilchen mit einer endlichen Energiespanne auf eine Probenoberfläche (18) unter einem schrägen Auftreffwinkel des Strahls, wobei die Säule umfasst: eine Teilchenquelle (12), um den Strahl geladener Teilchen zur Verfügung zu stellen, der sich entlang der optischen Achse (16) fortbewegt; eine Objektivlinse (20) zum Fokussieren des Strahls geladener Teilchen auf die Probenoberfläche (20); eine Ablenkeinheit, um den Strahl geladener Teilchen weg von der optischen Achse (16) abzulenken, so dass der Strahl geladener Teilchen die Objektivlinse außerhalb ihrer Achse durchquert, wodurch eine chromatische Aberration verursacht wird, wobei die Ablenkeinheit (30) zwei Deflektoren (32, 34) umfasst, die geeignet sind, um den Strahl geladener Teilchen weg von der optischen Achse (16) abzulenken, auf einen Pfad, der von einem Punkt zu kommen scheint, der mit der scheinbaren Position der Teilchenquelle (12) oder mit einem intermediären Bild der Teilchenquelle übereinzustimmen scheint; eine Ausgleichseinheit (40), die geeignet ist, den Strahl geladener Teilchen dispersiv zu beeinflussen, wodurch im Wesentlichen die genannte chromatische Aberration in der Ebene der Probenoberfläche (18) kompensiert wird, wobei die kombinierte Wirkung der Objektivlinse (20) und der Ablenkeinheit (30) den Strahl geladener Teilchen so lenkt, dass er die Probenoberfläche (18) unter dem genannten schrägen Auftreffwinkel trifft.
Die Säule gemäß Anspruch 1, wobei die Ablenkeinheit (30) geeignet ist, um einen Auftreffwinkel des Strahls zur Verfügung zu stellen, der weniger als 25°, vorzugsweise zwischen 3° und 15°, noch mehr vorzugsweise zwischen 5° und 10° ist.
Die Säule gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompensationseinheit (40) Mittel umfasst, um gekreuzte elektrostatische und magnetische Ablenkfelder zu generieren, vorzugsweise um elektrische und magnetische Felder zu generieren, die senkrecht zur optischen Achse sind.
Die Säule gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kompensationseinheit (40) ein elektrostatischer und magnetischer Multipol (2n-Pol, n = 1, 2, 3, ...) ist, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, die besteht aus einem elektrostatischem und magnetischen Dipol (2-Pol), Quadrupol (4-Pol), Hexapol (6-Pol), und Octupol (8-Pol).
Die Säule gemäß Anspruch 4, wobei der elektrostatische und magnetische 2n-Pol umfasst: 2n Polstücke und 2n separate Elektroden, wobei die Polstücke und die Elektroden in einer Fläche angeordnet sind, die senkrecht zur optischen Achse steht.
Die Säule gemäß Anspruch 4, wobei der elektrostatische und magnetische 2n-Pol umfasst: 2n Polstücke, wobei jedes der 2n Polstücke geeignet ist, als Elektrode benutzt zu werden, und wobei die Postücke in einer Fläche angeordnet sind, die senkrecht zur optischen Achse (16) steht.
Die Säule gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompensationseinheit (40) zwischen der Teilchenquelle und der Ablenkeinheit (30) angeordnet ist.
Die Säule gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompensationseinheit (40) innerhalb der Ablenkeinheit angeordnet ist.
Die Säule gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Objektivlinse (20) eine magnetische Immersionslinse ist.
Die Säule gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Objektivlinse (20) eine magnetisch-elektrostatische Verbundlinse, vorzugsweise eine solche, bei der der elektrostatische Teil der magnetisch-elektrostatischen Verbundlinse eine elektrostatische retardierende Linse ist.
Die Säule gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend Mittel zum Anwenden einer Potentialdifferenz zwischen der Probe (18) und einem Polstück (652, 654) der Objektivlinse.
Die Säule gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend Mittel zum Scannen des Strahls geladener Teilchen über die Probenoberfläche (18).
Eine Methode zum Richten eines Strahls geladener Teilchen mit einer endlichen Energiespanne auf eine Probenoberfläche unter einem schrägen Auftreffwinkel des Strahls, wobei die Methode die folgenden Schritte umfasst: a) Zu Verfügung stellen eines Stahls geladener Teilchen mit endlicher Energiespanne, die sich entlang einer optischen Achse fortbewegen; b) Fokussieren des Strahls geladener Teilchen auf die Probenoberfläche mittels einer Objektivlinse; gekennzeichnet dadurch, dass die Methode weiterhin die folgenden Schritte umfasst c) Auswählen eines Auftreffwinkels des Strahls; d) Ablenken des Strahls geladener Teilchen, die sich entlang der optischen Achse fortbewegen, weg von der optischen Achse mittels einer Ablenkeinheit, die zwei Deflektoren (32, 34) umfasst, und die geeignet ist, den Strahl geladener Teilchen weg von der optischen Achse (16) auf einen Pfad abzulenken, der von einem Punkt zu kommen scheint, der mit der scheinbaren Position der Teichenquelle (12) oder mit einem intermediären Bild der Teilchenquelle übereinstimmt, so dass der Strahl geladener Teilchen die Objektivlinse außerhalb ihrer Achse durchquert, wodurch eine chromatische Aberration verursacht wird, wobei die Größe der Ablenkung so gewählt ist, dass die gemeinsame Wirkung des Ablenkens und des Fokussierens des Stahls den Strahl geladener Teilchen so lenkt, dass er die Probenoberfläche unter genanntem schrägen Auftreffwinkel des Strahls trifft, und e) dispersives Beeinflussen des Strahls geladener Teilchen, wodurch eine zweite chromatische Aberration eingeführt wird, die im Wesentlichen der gleichen Art und Größe, aber von im Wesentlichen umgekehrter Richtung als die genannte erste chromatische Aberration ist, um die genannte erste chromatische Aberration in der Ebene der Probenoberfläche im Wesentlichen zu kompensieren.
Die Methode von Anspruch 13, wobei Schritt e) umfasst: Generieren von gekreuzten elektrostatischen und magnetischen Feldern, die im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse und zueinander sind, in einer Region entlang der optischen Achse; und Hindurchbewegen des Strahls geladener Teilchen durch die genannte Region.