DE60127677T2

DE60127677T2 - Elektronenstrahlvorrrichtung mit Mehrfachstrahl

Info

Publication number: DE60127677T2
Application number: DE60127677T
Authority: DE
Inventors: Dieter Winkler; Pavel Adamec; Achim Göhl; Helmut Banzhof
Original assignee: ICT Integrated Circuit Testing Gesellschaft fuer Halbleiterprueftechnik mbH
Current assignee: ICT Integrated Circuit Testing Gesellschaft fuer Halbleiterprueftechnik mbH
Priority date: 2001-10-05
Filing date: 2001-10-05
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2021-10-06
Also published as: US7282711B2; EP1768162A2; US20040256556A1; EP1300870A1; EP1300870B1; EP1768162A3; ATE358886T1; DE60127677D1; WO2003032361A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung und Verfahren zum Inspizieren von Mehrfachelektronenstrahlen solcher Mehrfachelektronenstrahlvorrichtungen. Solche Mehrfachelektronenstrahlvorrichtungen werden zum Prüfen oder Strukturieren nicht-transparenter Probekörper, wie zum Beispiel Wafer, verwendet.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Technologien wie Mikroelektronik, Mikromechanik und Biotechnologie haben in der Industrie eine große Nachfrage nach Strukturierungen und Prüfungen von Probekörpern im Nanometerbereich geschaffen. Bei einem solch kleinen Maßstab erfolgt das Prüfen oder Strukturieren oft mit Elektronenstrahlen, die in Elektronenstrahlvorrichtungen wie Elektronenmikroskopen oder Elektronenstrahlstrukturierungsvorrichtungen erzeugt und fokussiert werden. Elektronenstrahlen bieten dank ihrer kurzen Wellenlängen eine überragende räumliche Auflösung im Vergleich zum Beispiel mit Photonenstrahlen bei einer vergleichbaren Teilchenenergie.
Obgleich Elektronenstrahlvorrichtungen hohe Anforderungen an eine räumliche Auflösung erfüllen können, sind sie oft zu langsam, um den Durchsatz zu ermöglichen, der in der Massenproduktion benötigt wird. Um die Durchsatzeinschränkungen zu überwinden, sind Elektronenstrahlvorrichtungen mit Mehrfachstrahlen mit verschiedenen Designs vorgeschlagen worden. In US 6,14, 438 wird eine Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung mit Mikrosäulen vorgeschlagen. Jede Mikrosäule ist in der Lage, einen Elektronenstrahl zu erzeugen und ihn mit hoher räumlicher Auflösung auf einen gemeinsamen Probekörper zu richten. Gewöhnlich umfassen Mikrosäulen optische Elektronenstrahlkomponenten zum individuellen Fokussieren und Ablenken der Elektronenstrahlen. Ein solches Design gestattet ein hohes Maß an Flexibilität, weil jeder Elektronenstrahl unabhängig arbeiten kann. Jedoch haben Mikrosäulen Durchmesser von mindestens 1 bis 2 cm, wodurch es schwierig ist, Elektronenstrahlen mit einer Dichte von mehr als einem oder zwei Elektronenstrahlen je Quadratzentimeter zu erzeugen.
Mehrfachelektronenstrahlvorrichtungen mit höherer Elektronenstrahldichte stützen sich gewöhnlich auf Anordnungen von Feldemissionskathoden, wobei die Feldemissionskathoden auf einem Substrat integriert sind. Solche Feldemissionskathodenanordnungen werden mittels mikromechanischer oder mikroelektronischer Fertigungstechniken hergestellt. Sie wurden erstmals von C. A. Spindt vorgeschlagen (Journal of Appl. Physics, Band 39 (1968) Nr. 7, Seiten 3504-3505). Feldemissionskathodenanordnungen umfassen gewöhnlich eine Anordnung von Emitterspitzen und eine Anordnung von Extraktionselektroden, wobei die Extraktionselektrode und die Emitterspitze einander eins zu eins gegenüberstehen. Aufgrund der spitzen Scheitelpunkte der Emitterspitzen und aufgrund der kurzen Entfernungen zwischen Emitterspitze und Extraktionselektrode ist es möglich, ein extrem starkes elektrisches Feld an den Scheitelpunkten mit mittleren Spannungen zu erzeugen. Wenn das elektrische Feld an der Oberfläche eines Scheitelpunktes über beispielsweise 10⁷ V/cm ansteigt, können Elektronen in der Emitterspitze durch die Oberflächenpotenzialsperre des Scheitelpunktes hindurchtunneln und in den freien Raum abgegeben werden. Diese Tatsache wird zum Erzeugen von Primärelektronenstrahlen ausgenutzt, wobei die Elektronenstrahlströme durch die Spannungen zwischen Emitterspitze und ihr zugewandter Extraktionselektrode gesteuert werden.
Aus den Feldemissionskathodenanordnungen sind inzwi schen hochentwickelte Vorrichtungen mit verschiedenen Designs und Merkmalen geworden. Es ist nun möglich, Anordnungen von Feldemissionskathoden mit einem Abstand von wenigen Mikrometern oder weniger auf einem Substrat zu integrieren. Mit einer solchen Technologie ist es möglich, Hunderte, Tausende oder gar Millionen Feldemissionskathoden auf einem Substrat der Größe eines Daumennagels zu integrieren. Eine solche hohe Integrationsdichte macht es jedoch schwierig, Richtungen, Brennweiten und Elektronenstrahlströme der Primärelektronenstrahlen individuell zu steuern.
Um eine individuelle Steuerung der endgültigen Brennweiten von Mehrfachelektronenstrahlen von hochintegrierten Feldemissionskathodenanordnungen zu ermöglichen, ist vorgeschlagen worden, eine Anordnung von Gate-Elektroden auf der Feldemissionskathodenanordnung zu integrieren, wobei Gate-Elektrode und Feldemissionskathode sich eins zu eins gegenüberstehen. Solche Feldemissionskathodenanordnungen sind zum Beispiel in US 5,929,557 offenbart. Die Spannung jeder Gate-Elektrode kann individuell gesteuert werden, um die Form oder Richtung jedes Primärelektronenstrahls individuell zu ändern oder anzupassen. Genauer gesagt, können die Spannungen jeder Gate-Elektrode dafür genutzt werden, die endgültigen Brennweiten der endgültigen Fokusse der Primärelektronenstrahlen individuell zu ändern oder anzupassen. Der Begriff "endgültiger Fokus" meint dabei in dieser Anmeldung den Fokus eines Primärelektronenstrahls, der die Oberfläche eines Probekörpers prüfen oder strukturieren soll. Form, Position und Brennweite des endgültigen Fokus eines fokussierten Primärelektronenstrahls sind von besonderer Bedeutung, weil sie dafür verantwortlich sind, an welcher Position und mit welcher räumlichen Auflösung die Oberfläche eines nicht-transparenten Probekörpers prüft oder strukturiert wird.
Für eine Elektronenstrahlvorrichtung mit einem einzelnen Primärelektronenstrahl ist die Positionierung des Primärelektronenstrahls, die Einstellung der Brennweite und die Steuerung des Elektronenstrahlstroms einfach und kann von Hand ausgeführt werden. Zum Beispiel kann. das Richten des Primärelektronenstrahls auf die gewünschte Primärelektronenstrahlposition in der Weise erfolgen, dass man eine interessierende Oberflächenregion des Probekörpers scannt und das Bild beobachtet, das durch die Sekundärteilchen erzeugt wird. Der Scanvorgang wird gewöhnlich mit verschiedenen Betriebsparametern der magnetischen oder elektrostatischen Linsen wiederholt, bis das Bild der strukturierten Oberseite die beste räumliche Auflösung zeigt.
Für eine Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung ist das Verfahren zum Finden der Primärelektronenstrahlposition und zum Bestimmen der Strahlströme aus verschiedenen Gründen komplizierter. Als erstes muss die Primärelektronenstrahlposition relativ zu dem Probekörper nicht nur für einen einzigen Primärelektronenstrahl bekannt sein, sondern für viele Primärelektronenstrahlen. Zweitens weisen die Positionen der Feldemissionskathoden in einer Feldemissionskathodenanordnung in der Praxis Abweichungen von den spezifizierten Positionen auf, welche die Präzision des Prüfens oder Strukturierens eines Probekörpers einschränken. Drittens ist es beim Justieren Tausender oder gar Millionen Elektronenstrahlen unverzichtbar, die Primärelektronenstrahlen parallel zu justieren, um Zeit zu sparen. Es ist jedoch schwierig, die Primärelektronenstrahlen parallel zu justieren, bis die durch jeden Primärelektronenstrahl erzeugten Bilder die beste Auflösung aufweisen. Viertens wird die Detektion von Sekundärteilchen zum Zweck des parallelen Messens der Primärelektronenstrahlpositionen durch die Unklarheit behindert, dass man nicht weiß, welches Sekundärteilchen welchem Primärelektronenstrahl entstammt. Fünftens dauert die Messung der Primärelektronenstrahlpositionen und der endgültigen Brennweiten einige Zeit, während der sich der nicht-transparente Probekörper in der Region aufladen kann, wo die Messungen erfolgen. Eine solche Aufladung kann den Probekörper zerstören oder beschädigen. Und schließlich können selbst bei gleichen Betriebsparametern für jede Elektronenstrahlquelle die Ströme der Primärelektronenstrahlen erheblich variieren. Das kann Homogenitätsfehler auf einer strukturierten Oberfläche eines nicht-transparenten Probekörpers zur Folge haben, die außerhalb der akzeptablen Spezifikationen liegen.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, verbesserte Mehrfachelektronenstrahlvorrichtungen bereitzustellen. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung gemäß Darstellung in dem unabhängigen Anspruch 1 bereitgestellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Inspizieren mehrerer Primärelektronenstrahlen gemäß Darstellung in dem unabhängigen Anspruch 19 bereitgestellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Kalibrieren einer Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung gemäß Darstellung in dem unabhängigen Anspruch 20 bereitgestellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Justieren endgültiger Brennweiten von mehreren fokussierten Primärelektronenstrahlen auf gewünschte endgültige Brennweiten gemäß Darstellung in dem unabhängigen Anspruch 24 bereitgestellt.
Weitere Vorteile, Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen hervor.
Die Erfindung gemäß Anspruch 1 offenbart eine Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung zum Prüfen oder Strukturieren eines nicht-transparenten Probekörpers mit Primärelektronenstrahlen, wobei die mindestens eine Anode die Primärelektronenstrahlen auf den Elektronensensor richtet und Fokussierkomponenten vorhanden sind, die endgültige Fokusse mit endgültigen Brennweiten erzeugen. Aufgrund der Segmentierung des Elektronensensors können Positionen der Primärelektronenstrahlen auf dem Elektronensensor vor oder nach dem Prüfen oder Strukturieren des nicht-transparenten Probekörpers gemessen werden. Vorzugsweise gestatten die Messungen der Positionen der Primärelektronenstrahlen auf dem Elektronensensor die Bestimmung der Pfade, entlang denen die Primärelektronenstrahlen verlaufen. Nachdem ein nicht-transparenter Probekörper zum Prüfen oder Strukturieren seiner Oberseite in den Primärelektronenstrahlen angeordnet wurde, dienen die Messungen der Primärelektronenstrahlen auf dem Elektronensensor vorzugsweise dem Bestimmen der Positionen, wo die Primärelektronenstrahlen auf die Oberfläche des nicht-transparenten Probekörpers auftreffen.
Das Messen der Pfade der Primärelektronenstrahlen gestattet das Bestimmen oder Justieren der seitlichen Entfernungen zwischen benachbarten Primärelektronenstrahlen bei einem bestimmten Satz von Betriebsparametern der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung. Es gestattet außerdem das Bestimmen der Positionen, wo die Primärelektronenstrahlen auf den nicht-transparenten Probekörper auftreffen, wenn er in den Primärelektronenstrahlen angeordnet wird. Die Positionen zu kennen, wo die Primärelektronenstrahlen auf die Oberfläche des nicht-transparenten Probekörpers auftreffen, ist eine Vorbedingung zum Prüfen oder Strukturieren der Oberfläche eines nicht-transparenten Probekörpers in einer bestimmten Form.
Die Messungen der Primärelektronenstrahlpositionen auf dem Elektronensensor dienen vorzugsweise dem Bestimmen der Pfade der Primärelektronenstrahlen bei bestimmten Sätzen von Betriebsparametern. Betriebsparameter sind zum Beispiel die Spannungen der Anoden, Spannungen oder Ströme, welche die elektrischen oder magnetischen Felder von Fokussierkomponenten und Deflektoren bestimmen, sowie die Spannungen der Extraktionselektroden der Feldemissionskathoden. Betriebsparameter von Bedeutung können auch Parameter wie die Position des nicht-transparenten Probekörpers relativ zu dem Elektronensensor oder die Positionierung der Elektronenstrahlquellen relativ zu dem Elektronensensor sein.
Weil der Probekörper gemäß der Erfindung für die Primärelektronenstrahlen im Wesentlichen nicht-transparent ist, erreichen die Primärelektronenstrahlen nicht den Elektronensensor, wenn sie auf den nicht-transparenten Probekörper gerichtet sind. Darum können die Positionsmessungen nur vor oder nach dem Prüfen oder Strukturieren des nicht-transparenten Probekörpers vorgenommen werden. Die Positionen der Primärelektronenstrahlen, die auf den nicht-transparenten Probekörper auftreffen, können nur dann mit hoher Präzision bestimmt werden, wenn die Position des nicht-transparenten Probekörpers relativ zu dem Elektronensensor, insbesondere die Entfernung zwischen dem Elektronensensor und der Oberseite des nicht-transparenten Probekörpers, mit hoher Präzision bekannt ist.
Gemäß Anspruch 20 wird ein Verfahren zum Kalibrieren der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung zum Prüfen oder Strukturieren eines nicht-transparenten Probekörpers vorgeschlagen, wobei eine Kalibrierungskarte erzeugt wird, die gemessene Positionen der Primärelektronenstrahlen auf dem Elektronensensor zu Betriebsparametern der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung in Beziehung setzt, welche die Primärelektronenstrahlen zu den Positionen auf dem Elektronensensor richten. Vorzugsweise setzt die Kalibrierungskarte auch gemessene endgültige Brennweiten der Primärelektronenstrahlen zu Betriebsparametern der Mehrfachelektronenstrahlvor richtung in Beziehung, welche die endgültigen Brennweiten erzeugen. Vorzugsweise setzt die Kalibrierungskarte auch gemessene Ströme der Primärelektronenstrahlen zu Betriebsparametern des Mehrfachelektronenstrahls in Beziehung, welche die Elektronenströme erzeugen. Je mehr relationale Informationen dieser Art erzeugt und gespeichert werden, desto detailliertere Scanvorgänge können mit den Primärelektronenstrahlen ausgeführt werden, um eine Oberfläche eines nicht-transparenten Probekörpers zu prüfen oder zu strukturieren.
Vorzugsweise wird die Kalibrierungskarte dafür verwendet, eine Sequenz von Betriebsparametern der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung zu erzeugen, welche die Primärelektronenstrahlen über die Oberseite des nicht-transparenten Probekörpers führt, um diese mit einem gewünschte Muster zu prüfen oder zu strukturieren. Sobald eine Kalibrierungskarte für die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung erzeugt wurde, kann der nicht-transparente Probekörper mit hoher Präzision prüft oder strukturiert werden, ohne gleichzeitig die Primärelektronenstrahlpositionen zu messen.
Vorzugsweise wird die Kalibrierungskarte elektronisch erzeugt. Vorzugsweise wird die Kalibrierungskarte erzeugt, indem die Betriebsparameter der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung zu der Zeit gelesen werden, wenn gewünschte Positionen, Ströme oder endgültige Brennweiten der Primärelektronenstrahlen mit dem Elektronensensor gemessen werden. Vorzugsweise wird die Kalibrierungskarte erzeugt, indem die Betriebsparameter der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung auf ein elektronisches Speichermedium geschrieben werden, zum Beispiel auf ein Band, eine Disk oder in flüchtige Direktzugriffsspeicher.
Die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung gemäß der Erfindung erlaubt die Vornahme einer Kalibrierung der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung. Die Kalibrierung dient zum Erzeugen einer Kalibrierungskarte. Die Kalibrierungskarte setzt Positionen der Primärelektronenstrahlen auf dem Elektronensensor, endgültige Brennweiten der Primärelektronenstrahlen, die Ströme der Primärelektronenstrahlen oder jegliche Kombination der drei Parametertypen zu den entsprechenden Betriebsparametern der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung in Beziehung. Die Kalibrierungskarte wiederum erlaubt die Bereitstellung einer Sequenz von Betriebsparametern, die dazu dient, die Oberfläche des nicht-transparenten Probekörpers in einem genau definierten Muster zu prüfen oder zu strukturieren. Mit der Kalibrierungskarte kann das Prüfen oder Strukturieren der Oberfläche des nicht-transparenten Probekörpers ausgeführt werden, ohne die Primärelektronenstrahlpositionen, die endgültigen Brennweiten oder die Ströme gleichzeitig steuern zu müssen. Die Kalibrierung gemäß der Erfindung erlaubt außerdem das Kompensieren von Defekten der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung und insbesondere von Defekten der Anordnung von Elektronenstrahlquellen. Zum Beispiel kann die Kalibrierung dafür verwendet werden, Abweichungen von Primärelektronenstrahlpositionen oder endgültigen Brennweiten von gewünschten Primärelektronenstrahlpositionen und gewünschten endgültigen Brennweiten auszugleichen, die ihre Ursache in fehlausgerichteten Elektronenstrahlquellen innerhalb der Anordnung von Elektronenstrahlquellen, in Homogenitätsfehlern von Linsen und Deflektoren oder in anderen Defekten der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung haben können.
Vorzugsweise führt die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung die Positionsmessungen der Primärelektronenstrahlen parallel aus. Dadurch kann der Kalibrierungsprozess extrem schnell werden. Vorzugsweise ist die Segmentierung des Elektronensensors hoch genug, um es dem Elektronensensor zu ermöglichen zu unterscheiden, welche Elektronen von welchem Primärelektronenstrahl kommen.
Vorzugsweise ist das Kalibrierungsverfahren automatisiert, vorzugsweise unter Verwendung einer Steuereinheit, welche die Signale von dem Elektronensensor liest. Vorzugsweise errechnet die Steuereinheit die Primärelektronenstrahlpositionen und vorzugsweise auch die endgültigen Brennweiten anhand der elektronischen Signale, die von dem Elektronensensor kommen. Vorzugsweise nutzt die Steuereinheit die Positionsmessungen zum Justieren der Primärelektronenstrahlpositionen in gewünschte Primärelektronenstrahlpositionen durch Ändern der Spannungen für die Elektronenstrahlquellen, der Linsen oder Deflektoren oder einer Kombination der drei. Vorzugsweise verwendet die Steuereinheit auch die endgültigen Brennweitenmessungen zum Justieren der endgültigen Brennweiten auf gewünschte endgültige Brennweiten durch Ändern der Spannungen, welche die endgültigen Brennweiten steuern.
Des Weiteren verwendet vorzugsweise die Steuereinheit die Strommessungen der Primärelektronenstrahlen zum Justieren der Ströme auf gewünschte Ströme durch Ändern der Spannungen, welche die Ströme der Primärelektronenstrahlen steuern. Die Justierung kann zum Beispiel durch einen geschlossenen Regelkreis ausgeführt werden, wobei die Spannungsänderungen auf die gemessenen Primärelektronenstrahlströme gestützt werden.
Vorzugsweise verwendet die Steuereinheit elektronische Signale von dem Elektronensensor, um zu bestimmen, ob Primärelektronenstrahlen ein- oder auszuschalten sind. Das Ein- oder Ausschalten einzelner Primärelektronenstrahlen kann erforderlich sein, um gewünschte Strukturen auf einem nicht-transparenten Probekörper während des Prüfens oder Strukturierens zu scannen. Darum ist es bevorzugt, dass die Steuereinheit in der Lage ist zu prüfen, dass Primärelektronenstrahlen, deren Abschaltung befohlen wird, auf einen Abschaltzustand gemessen werden. Gleichermaßen ist es bevorzugt, dass Primärelektronenstrahlen, deren Einschalten befohlen wird, auf einen Einschaltzustand gemessen werden. Des Weiteren ist es auch bevorzugt, dass die Steuereinheit elektronische Signale von dem Elektronensensor verwendet, um die Schwankung der Ströme der Primärelektronenstrahlen (Stromrauschen) zu bestimmen. Elektronenstrahlquellen, die Primärelektronenstrahlen mit zu hohem Stromrauschen erzeugen, sind in der Regel vorzugsweise abzuschalten.
Die Messungen der Primärelektronenstrahlpositionen auf dem Elektronensensor dienen vorzugsweise zum Beurteilen der Anordnung von Elektronenstrahlquellen und der optischen Elektronenstrahlkomponenten für bestimmte Betriebsparameter. Sie können dafür verwendet werden, Abweichungen der Primärelektronenstrahlen von gewünschten Primärelektronenstrahlpositionen, Abweichungen endgültiger Brennweiten von gewünschten endgültigen Brennweiten und/oder Abweichungen von Primärelektronenstrahlströmen von gewünschten Primärelektronenstrahlströmen festzustellen. Neben dem Feststellen von Abweichungen können die Messungen auch zum Korrigieren von Abweichungen durch Justieren von Primärelektronenstrahlpositionen in gewünschte Primärelektronenstrahlpositionen, Justieren endgültiger Brennweiten der Primärelektronenstrahlen auf gewünschte endgültige Brennweiten und/oder durch Justieren von Primärelektronenstrahlströmen auf gewünschte Primärelektronenstrahlströme verwendet werden. Besonders bevorzugt dienen Messungen der Primärelektronenstrahlpositionen auf dem Elektronensensor zum Bestimmen der Betriebsparameter der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung, die gewünschte Positionen der Primärelektronenstrahlen auf dem Elektronensensor erzeugen. Des Weiteren dienen vorzugsweise die Messungen der Primärelektronenstrahlströme zum Bestimmen der Betriebsparameter der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung, die gewünschte Ströme erzeugen. Des Weiteren dienen vorzugsweise die Messungen der endgültigen Brennweiten zum Bestimmen der Betriebspara meter der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung, die gewünschte endgültige Brennweiten erzeugen.
Vorzugsweise wird das Verfahren zum Kalibrieren der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung gemäß der Erfindung ausgeführt, wenn sich der nicht-transparente Probekörper außerhalb des Weges der Primärelektronenstrahlen befindet. Auf diese Weise lädt sich der nicht-transparente Probekörper während der Positionsmessungen nicht auf, wodurch der nicht-transparente Probekörper andernfalls zerstört werden könnte. Vorzugsweise wird die Kalibrierung in bestimmten Zeitintervallen ausgeführt, um nach im Lauf der Zeit entstandenen Abweichungen infolge von Verschleiß oder sonstigen zeitbezogenen Veränderungen der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung Ausschau zu halten. Besonders bevorzugt wird die Kalibrierung vor jedem Prüfen oder Strukturieren eines nicht-transparenten Probekörpers ausgeführt, um die Primärelektronenstrahlpositionen oder Primärelektronenstrahlströme exakt steuern zu können, wenn sie die Oberfläche eines nicht-transparenten Probekörpers prüfen oder strukturieren.
Vorzugsweise umfasst die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung Fokussierkomponenten zum Fokussieren der Primärelektronenstrahlen auf endgültige Brennweiten. Auf diese Weise kann das Prüfen oder Strukturieren der Oberfläche eines nicht-transparenten Probekörpers mit signifikant höherer räumlicher Auflösung ausgeführt werden. Vorzugsweise werden die Primärelektronenstrahlen mit endgültigen Brennweiten fokussiert, dass sich die endgültigen Fokuspositionen auf der Oberfläche des nicht-transparenten Probekörpers befinden. Mit solchen Brennweiten kann die höchstmögliche räumliche Auflösung zum Prüfen oder Strukturieren erreicht werden.
Gemäß der Erfindung werden die Primärelektronenstrahlen durch eine Anordnung von Elektronenstrahlquellen erzeugt, vorzugsweise eine Anordnung von Mikrosäulen oder eine Feldemissionskathodenanordnung. Gemäß Anspruch 1 ist die Anordnung von Elektronenstrahlquellen eine Feldemissionskathodenanordnung. Eine Feldemissionskathode ist eine Elektronenquelle mit einer Emitterspitze und einer Extraktionselektrode, wobei die Spannung zwischen Emitterspitze und Extraktionselektrode den Emissionsstrom der Emitterspitze in den freien Raum hinein steuert. Vorzugsweise ist die Feldemissionskathodenanordnung auf einem Substrat integriert, vorzugsweise einem Halbleitersubstrat. Die Integrationsdichte der Feldemissionskathoden auf einem Substrat ist vorzugsweise größer als 100 l/cm², vorzugsweise größer als 10⁴ l/cm² und besonders bevorzugt größer als 10⁶ l/cm² oder 10⁸ l/cm². Je größer die Integrationsdichte der Feldemissionskathoden auf einer Feldemissionskathodenanordnung von einer bestimmten Größe, desto höherer der Durchsatz zum Prüfen oder Strukturieren der Oberfläche eines nicht-transparenten Probekörpers.
Die Anordnung von Elektronenstrahlquellen gemäß Anspruch 1 in einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Feldemissionskathodenanordnung, wie sie oben beschrieben wurde. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht die Anordnung von Elektronenstrahlquellen aus diskreten Elektronenstrahlquellen wie thermionischen Elektronenkathoden, Feldemissionskathoden oder kalten Feldemissionskathoden. Vorzugsweise sind die Elektronenstrahlquellen an genau definierten Positionen angeordnet. Die Elektronenstrahlquellen können auch die Elektronenstrahlquellen von Mikrosäulen sein. Eine Mikrosäule ist ein optisches Elektronenstrahlsystem mit einer Elektronenstrahlquelle, die einen Elektronenstrahl erzeugt und ihn auf eine Anode richtet (siehe zum Beispiel US-Patent Nr. 5,155,412 und Nr. 5,122,663). Eine Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung mit einer Anordnung von Mikrosäulen ist vorteilhaft, weil sie es ermöglicht, endgültige Brennweiten, Positionen und/oder Ströme der Primärelektronenstrahlen mit hoher Präzision zu steuern. Vorzugsweise sind die Entfernungen zwischen solchen benachbarten Elektronenstrahlquellen kleiner als 5 cm und vorzugsweise kleiner als 1 cm. Vorzugsweise können die Elektronenstrahlquellen individuell ein- und ausgeschaltet werden, um je nach Anwendung einen Parallelstrahlbetrieb sowie einen Einzelstrahlbetrieb zu ermöglichen.
Die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung gemäß Anspruch 1 ist auch mit Fokussierkomponenten zum Erzeugen endgültiger Fokusse mit endgültigen Brennweiten versehen. Die Fokussierkomponenten können global fokussierende Komponenten sein, wobei jede Fokussierkomponente die endgültigen Brennweiten der Primärelektronenstrahlen gleichzeitig steuert. Jedoch sind vorzugsweise die Fokussierkomponenten individuell fokussierende Komponenten, wobei jede Fokussierkomponente die endgültigen Brennweiten der Primärelektronenstrahlen individuell steuert. Individuell fokussierende Komponenten sind vorzugsweise Gate-Elektroden nahe den Elektronenstrahlquellen, deren Spannungen die endgültigen Brennweiten der entsprechenden Primärelektronenstrahlen steuern.
Vorzugsweise können die endgültigen Brennweiten durch Messen der Anzahl der Elektronensensorsegmente bestimmten werden, auf die jeder Primärelektronenstrahl auftrifft. Die Anzahl der Segmente, auf die ein Primärelektronenstrahl auftrifft, widerspiegelt den Querschnitt eines Primärelektronenstrahls auf dem Elektronensensor. Vorzugsweise wird der gemessene Querschnitt seinerseits verwendet, um die Entfernung zwischen der endgültigen Fokusposition dieses Primärelektronenstrahls und dem Elektronensensor zu berechnen. Die Entfernung zwischen der endgültigen Fokusposition und dem Elektronensensor wiederum bestimmt die endgültige Brennweite. Die Berechnung der Entfernung zwischen endgültiger Fokusposition und Elektronensensor basiert vorzugsweise auf geometrischen Berechnungen, in denen die Querschnitte der Primärelektronenstrahlen vor der endgültigen Fokussierung und die Entfernung zwischen Elektronensensor und Fokussierkomponente verwendet werden.
Im Vergleich zu den Messungen von Primärelektronenstrahlpositionen und endgültigen Brennweiten mittels Sekundärteilchen bietet die Messung durch Detektieren der Primärelektronenstrahlteilchen viele Vorteile. Erstens kann die Detektion der Primärelektronenstrahlelektronen ausgeführt werden, ohne sich um störende Elektronen von benachbarten Primärelektronenstrahlen kümmern zu müssen, wenn die Segmentierung des Elektronensensors hoch genug ist. Dies steht im Gegensatz zur Detektion von Sekundärteilchen, die von der Oberseite des nicht-transparenten Probekörpers in alle Richtungen fortstreuen, wodurch an den Sekundärdetektoren Unklarheit darüber entsteht, welche Sekundärteilchen zu welchem Primärelektronenstrahl gehören.
Zweitens kann die Bestimmung der Positionen und Querschnitte der Primärelektronenstrahlen mit einem Hochstatistiksignal erfolgen, das die Messungen beschleunigt. Sekundärteilchendetektoren in Elektronenstrahlvorrichtungen erfassen stattdessen gewöhnlich nur einen Bruchteil des Raumwinkels und sehen nur einen Bruchteil des vollen Signals.
Drittens ist der Elektronensensor vorzugsweise fest in der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung montiert, so dass der Elektronensensor sich nicht in der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung bewegt oder verrutscht. Dadurch kann eine hohe Reproduzierbarkeit der Positionsmessungen erreicht werden. Messungen von Positionen und endgültigen Brennweiten von Primärelektronenstrahlen mittels Sekundärteilchen sind stattdessen mit Ungewissheiten infolge sich verändernder Oberseiten und Positionierungen jedes neuen Probekörpers behaftet.
Die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung gemäß der Erfindung prüft oder strukturiert Probekörper, die für die Elektronenstrahlen nicht-transparent sind. "Nichttransparent" bedeutet, dass vorzugsweise nicht mehr als 1 ppm (Teile je einer Million Teile), vorzugsweise nicht mehr als 0,001 ppm und besonders bevorzugt gar keine Primärelektronenstrahlen, die auf den Probekörper auftreffen, den Probekörper durchdringen. Das impliziert, dass die Probekörper eine Mindestdicke aufweisen müssen, die von dem Material des Probekörpers und der Energie der Elektronen der Primärelektronenstrahlen abhängt. Der Probekörper ist vorzugsweise ein Halbleiterwafer mit einer Dicke von über 100 μm, vorzugsweise von über 500 μm, oder eine biologische Probe mit einer Dicke von über 1000 μm.
Vorzugsweise ist die Oberseitenentfernung des nicht-transparenten Probekörpers in einer Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung bekannt. Die Oberseitenentfernung ist die Entfernung zwischen dem Elektronensensor und der Oberseite eines nicht-transparenten Probekörpers, wenn seine Oberfläche geprüft oder strukturiert wird. Wenn die Oberseite eines Probekörpers koplanar zu dem Elektronensensor verläuft, so ist die Oberseitenentfernung durch eine einzelne Zahl gegeben, die durch die vertikale Entfernung zwischen den Elektronensensorsegmenten und der Oberseite des Probekörpers gegeben ist. Ansonsten ist die Oberseite eine Funktion der seitlichen Position auf dem Elektronensensor.
Aufgrund der Nichttransparenz des Probekörpers enden die Primärelektronenstrahlen im Wesentlichen auf der Oberfläche des Probekörpers, die den ankommenden Primärelektronenstrahlen zugewandt ist und die in dieser Anmeldung als die "Oberseite des nicht-transparenten Probekörpers" bezeichnet wird. Vorzugsweise werden die Positionen, wo die Primärelektronenstrahlen auf den Elektronensensor auftreffen, vor oder nach dem Prüfen oder Strukturieren des nicht- transparenten Probekörpers gemessen. Das impliziert, dass der nicht-transparente Probekörper nicht den Elektronenstrahlen ausgesetzt ist, wenn die Primärelektronenstrahlpositionsmessungen ausgeführt werden. Das mindert das Problem des Aufladens des Probekörpers.
Die vorliegende Erfindung ist auf Mehrfachelektronenstrahlvorrichtungen beschränkt, die zum Prüfen oder Strukturieren nicht-transparenter Probekörper verwendet werden. Das impliziert, dass die Primärelektronenstrahlen gemäß der Erfindung im Wesentlichen die Oberseite des Probekörpers prüfen oder strukturieren. "Prüfen" meint den Prozess, wenn die Oberseite des Probekörpers inspiziert wird, ohne die Oberseite des Probekörpers signifikant zu verändern, wie zum Beispiel im Fall eines Elektronenrastermikroskops. "Strukturieren" meint den Prozess, wenn die Oberseite des Probekörpers durch die Primärelektronenstrahlen verändert wird, um zum Beispiel auf der Oberseite eine Struktur in die Oberseite einzuarbeiten. Solche Vorrichtungen sind auch als Elektronenstrahlstrukturierungsvorrichtungen bekannt. Sie werden zum Beispiel zum Implementieren einer Struktur im Resist eines Wafers, in einer Maske oder in einem Wafer verwendet.
Der Elektronensensor mit Elektronensensorsegmenten dient zum Detektieren der Elektronen der Primärelektronenstrahlen mit räumlicher Auflösung. Die räumliche Auflösung des Elektronensensors wird vorzugsweise durch die Größen der Segmente des Elektronensensors bestimmt. Die Segmente des Elektronensensors sind vorzugsweise Detektorzellen, die an festen Stellen auf dem Elektronensensor angeordnet sind. Sie können Bildelemente (Pixel) von Pixeldetektoren wie Charge Coupled Device (CCD)-Detektoren oder Active Pixel Sensors (APS) sein. Sie können auch andere Elemente sein, die durch Strukturen auf dem Elektronensensor definiert sind, die durch Streifen oder Implantate auf dem Elektronensensor gegeben sind. Sie können auch beliebige sonstige Elektronensensorsegmente sein, die in der Lage sind, unabhängige Signale voneinander zu erzeugen, wenn Elektronen der Primärelektronenstrahlen auf sie auftreffen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Segmentierung des Elektronensensors eindimensional, zum Beispiel wie für ein lineares CCD oder einen Halbleiterstreifendetektor. Eindimensionale Elektronensensoren vereinfachen signifikant die Sensorenkomplexität, die Sensorsteuerung und die Datenauswertung, während Messungen von Positionen und Querschnitten des Primärelektronenstrahls immer noch möglich sind. Durch Anwenden sequenziell stärker werdender Ablenkfelder von Ablenkdeflektoren an die Primärelektronenstrahlen können Positionen und Querschnitte und Ströme von allen Primärelektronenstrahlen einer zweidimensionalen Elektronenstrahlquellenanordnung bestimmt werden.
Die mindestens eine Anode dient dazu, die Primärelektronenstrahlen mittels eines elektrischen Feldes auf den Elektronensensor zu richten. Der Begriff "Anode" ist in weitem Sinne zu verstehen. Die mindestens eine Anode kann jede beliebige Elektrode sein, die ein bestimmtes elektrisches Potenzial relativ zu der entsprechenden Elektronenstrahlquelle aufweist und die dazu dient, die Primärelektronenstrahlen auf den Elektronensensor zu richten. Anoden können zum Beispiel Deflektoren, die Aufspannvorrichtung für den nicht-transparenten Probekörper und vorzugsweise der Elektronensensor selbst sein.
Das elektrische Potenzial der mindestens einen Anode relativ zu den entsprechenden Elektronenstrahlquellen bestimmt die Energie der Elektronen der Primärelektronenstrahlen, wenn sie auf den nicht-transparenten Probekörper auftreffen. Die Energie der Elektroren wiederum bestimmt die Wellenlänge des Elektronenstrahls, was wiederum die räumliche Auflösung begrenzt, mit der der Probekörper geprüft oder strukturiert werden kann. Die Wellenlänge der Elektronen der Elektronenstrahlen bestimmt des Weiteren die Schärfentiefe an der Oberseite des Probekörpers. Schließlich bestimmt die Energie der Elektronen der Primärelektronenstrahlen bei den endgültigen Fokussen die Tiefe, mit der der nicht-transparente Probekörper geprüft oder strukturiert wird. Vorzugsweise liegt die Energie der Elektronen der Primärelektronenstrahlen bei den endgültigen Fokussen im Bereich zwischen 0,1 keV und 100 keV und vorzugsweise im Bereich zwischen einigen hundert eV und 40 keV, je nach der Art des Probekörpers und der Art der Anwendung. In einigen Anwendungen, zum Beispiel beim Prüfen von biologischen nicht-transparenten Proben oder beim Strukturieren sehr dünner Oberflächenschichten, ist es bevorzugt, die Energie der Elektronen der Primärelektronenstrahlen auf unter 15 keV und sogar auf unter 500 eV einzustellen.
Die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung gemäß Anspruch 3 umfasst Fokussierkomponenten zum Erzeugen endgültiger Fokusse mit endgültigen Brennweiten. Die Fokussierung dient vorzugsweise dem Verbessern der räumlichen Auflösung zum Prüfen oder Strukturieren der Oberfläche des nicht-transparenten Probekörpers. Die Brennweiten werden "endgültige Brennweiten" genannt, da sie Parameter der endgültigen Fokusse sind, die den nicht-transparenten Probekörper prüfen oder strukturieren. Da der Probekörper nicht-transparent ist, enden die Primärelektronenstrahlen auf der Oberseite des Probekörpers, wenn er geprüft oder strukturiert wird.
Vorzugsweise umfassen die Fokussierkomponenten individuell fokussierende Komponenten zum individuellen Steuern der endgültigen Brennweiten der Primärelektronenstrahlen. Individuell fokussierende Komponenten sind in der Lage, einen einzelnen Primärelektronenstrahl unabhängig von den anderen zu fokussieren. Beispiele für Mehrfachelektronenstrahlvorrichtungen mit individuell fokussierenden Komponenten sind Mehrfachelektronenstrahlvorrichtungen mit Mikrosäulen. Ein weiteres Beispiel ist eine Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung mit einer Feldemissionskathodenanordnung mit individuellen Gate-Elektroden für jede Feldemissionskathode. Durch Anlegen individueller Spannungen an jede Gate-Elektrode können die endgültigen Brennweiten jedes Primärelektronenstrahls individuell verändert oder justiert werden.
Vorzugsweise umfasst die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung eine Aufspannvorrichtung, um den nicht-transparenten Probekörper in den Primärelektronenstrahlen anzuordnen. Vorzugsweise ist die Aufspannvorrichtung so gebaut, dass der nicht-transparente Probekörper routinemäßig in den und außerhalb der Primärelektronenstrahlen angeordnet werden kann. "Routinemäßig" meint, dass das Anordnen eines nicht-transparenten Probekörpers in den Primärelektronenstrahlen und außerhalb der Primärelektronenstrahlen zu den Vorgängen gehört, die ein Bediener der Mehrfachelektronenstrahlvorrichturg regelmäßig ausführen kann, zum Beispiel öfter als einmal in der Stunde und vorzugsweise öfter als einmal alle 10 Minuten.
Vorzugsweise umfasst die Aufspannvorrichtung Mittel, um einen nicht-transparenten Probekörper an einer genau definierten Position relativ zu dem Elektronensensor in der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung anzuordnen. Vorzugsweise ist die Aufspannvorrichtung so gebaut, dass die gleichen nicht-transparenten Probekörper in den Primärelektronenstrahlen wiederholt in der gleichen Position angeordnet werden können. Auf diese Weise ist die Oberseitenentfernung bekannt, ohne sie jedes Mal messen zu müssen, wenn ein Probekörper in den Primärelektronenstrahlen angeordnet wird. Die Oberseitenentfernung braucht man zum Bestimmen der Primärelektronenstrahlpositionen und der endgültigen Brennweiten anhand von Positionsmessungen mit dem Elektronensensor.
Vorzugsweise stellt die Aufspannvorrichtung Mittel bereit, dass die Oberseite des nicht-transparenten Probekörpers, die den Primärelektronenstrahlen zugewandt ist, koplanar zu dem Elektronensensor verläuft, wenn der nicht-transparente Probekörper in den Primärelektronenstrahlen angeordnet wird. Auf diese Weise ist die Oberseitenentfernung ein konstanter Wert über der Oberflächenregion, die zu prüfen oder zu strukturieren ist. Vorzugsweise hält die Aufspannvorrichtung den nicht-transparenten Probekörper so in den Primärelektronenstrahlen, dass die Oberseitenentfernung innerhalb eines Bereichs von 100 μm und vorzugsweise innerhalb eines Bereichs von 10 μm bekannt ist. Vorzugsweise hält die Aufspannvorrichtung den nicht-transparenten Probekörper so in den Primärelektronenstrahlen, dass seine Oberseite koplanar zu der Ebene von Segmenten des Elektronensensors verläuft. Vorzugsweise macht die Koplanarität die Oberseitenentfernung innerhalb von 100 μm, vorzugsweise innerhalb von 10 μm und besonders bevorzugt innerhalb von 2 μm über der Region des nicht-transparenten Probekörpers, der geprüft oder strukturiert werden soll, konstant.
Vorzugsweise umfasst die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung mindestens einen Sekundärdetektor zum Detektieren von Sekundärteilchen, die durch die Primärelektronenstrahlen auf der Oberseitenregion des nicht-transparenten Probekörpers erzeugt werden. Sekundärteilchen sind die Teilchen, die von den Primärelektronenstrahlen erzeugt werden, wenn sie auf die Oberseite des nicht-transparenten Probekörpers auftreffen. Sekundärteilchen sind Elektronen, die von den Primärelektronenstrahlen zurückgestreut werden, sowie Elektronen oder Photonen, die erzeugt werden, wenn Primärelektronenstrahlen auf den nicht-transparenten Probekörper auftreffen. Darum ist der Sekundärdetektor vorzugsweise in der Lage, je nach dem Zweck der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung Elektroren, Photonen oder beides zu detektieren. Elektronenrastermikroskope zum Beispiel umfas sen mindestens einen Sekundärdetektor zum Detektieren von Sekundärteilchen. Dadurch, dass die Detektoren die Sekundärteilchen detektieren, kann ein Bild der Oberseite des nicht-transparenten Probekörpers mit hoher räumlicher Auflösung erzeugt werden.
Der Sekundärdetektor für die Sekundärteilchen ist vorzugsweise zwischen den Elektronenstrahlquellen und dem nicht-transparenten Probekörper angeordnet, um die Sekundärteilchen detektieren zu können, die an der Oberseite des nicht-transparenten Probekörpers erzeugt oder gestreut werden. Gleichzeitig befindet sich der mindestens eine Sekundärdetektor vorzugsweise außerhalb des Weges der Primärelektronenstrahlen, um das Prüfen oder Strukturieren des nicht-transparenten Probekörpers durch die Primärelektronenstrahlen nicht zu behindern.
Vorzugsweise umfasst die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung eine Steuereinheit zum Lesen elektronischer Signale von den Elektronensensorsegmenten. Vorzugsweise bestimmt die Steuereinheit, auf welche Elektronensensorsegmente die Primärelektronenstrahlen auftreffen. Vorzugsweise kennt die Steuereinheit die Positionen der Segmente, auf die die Primärelektronen auftreffen. Vorzugsweise werden die bekannten Positionen der Segmente dafür verwendet, die Positionen der Primärelektronenstrahlen auf dem Elektronensensor zu bestimmen. Vorzugsweise übersetzt die Steuereinheit die Signale der Elektronensensorsegmente in die Informationen, an welchen Positionen die Primärelektronenstrahlen auf den Elektronensensor auftreffen. Vorzugsweise leitet die Steuereinheit aus diesen Informationen die Primärelektronenstrahlpositionen auf der Ebene der Oberseite des nicht-transparenten Probekörpers ab, wenn der nicht-transparente Probekörper in den Primärelektronenstrahlen zum Prüfen oder Strukturieren angeordnet ist. Zu diesem Zweck hat die Steuereinheit vorzugsweise Zugriff auf die Informationen, wie die Oberseite des nicht-transparenten Probekörpers geometrisch relativ zu den Positionen der Elektronensensorsegmente angeordnet ist.
Vorzugsweise werden die Messungen der Positionen der Primärelektronenstrahlen auf dem Elektronensensor dafür verwendet, seitliche Entfernungen zwischen benachbarten Primärelektronenstrahlen zu bestimmen. Vorzugsweise werden die Entfernungen zwischen benachbarten Primärelektronenstrahlen mit einer relativen Präzision von besser als 50%, vorzugsweise von besser als 20% und besonders bevorzugt von besser als 5% gemessen. Vorzugsweise sind die Segmente des Elektronensensors so klein, dass sie die Querschnitte der ankommenden Primärelektronenstrahlen auf dem Elektronensensor mit besser als 50%, vorzugsweise besser als 20% und besonders bevorzugt besser als 5% auflösen können. Die Bestimmung der Querschnitte wird vorzugsweise verwendet, um die endgültigen Brennweiten der Primärelektronenstrahlen zu bestimmen.
Vorzugsweise zählt die Steuereinheit die Anzahl der Elektronensensorsegmente, auf die ein Primärelektronenstrahl auftrifft. Vorzugsweise übersetzt die Steuereinheit diese Anzahl in die Größe des Querschnitts dieses Primärelektronenstrahls auf dem Elektronensensor. Vorzugsweise erzeugt die Steuereinheit aus diesen Informationen die endgültige Brennweite des Primärelektronenstrahls.
Vorzugsweise bestimmt die Steuereinheit den Elektronenstrahlstrom eines Primärelektronenstrahls anhand der elektronischen Signale der Elektronensensorsegmente. Diese Informationen werden vorzugsweise aus den Signalamplituden abgeleitet, die von Elektronensensorsegmenten kommen.
Die Steuereinheit umfasst vorzugsweise mehrere Hardware- und Softwarekomponenten. Vorzugsweise umfasst die Steuereinheit mindestens eine Verarbeitungseinheit zum Ausführen der Berechnungen, die erforderlich sind, um die Primärelektronenstrahlpositionen und die endgültigen Brennweiten anhand elektronischer Signale der Segmente des Elektronensensors zu berechnen. Vorzugsweise umfasst die Steuereinheit auch eine Speicherkomponente, wo eine Kalibrierungskarte gespeichert werden kann. Die Kalibrierungskarte enthält vorzugsweise Daten bezüglich Betriebsparametern der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung mit Positionen der Primärelektronenstrahlen auf dem Elektronensensor.
Vorzugsweise steuert die Steuereinheit die elektrischen oder magnetischen Felder der mindestens einen Anode und/oder Fokussierkomponenten zum Justieren der Primärelektronenstrahlspositionen auf gewünschte Primärelektronenstrahlpositionen. Vorzugsweise steuert die Steuereinheit des Weiteren die elektrischen oder magnetischen Felder der mindestens einen Anode und/oder Fokussierkomponenten zum Justieren der endgültigen Brennweiten auf gewünschte endgültige Brennweiten. Vorzugsweise ist die Steuereinheit mit einem vorgegebenen Algorithmus und vorzugsweise mit einer Kalibrierungskarte ausgestattet, die hilft, die Potenziale oder magnetischen Felder zu erzeugen, die benötigt werden, um die primären endgültigen Fokuspositionen auf gewünschte endgültige Fokuspositionen zu bewegen. Auf diese Weise können die Primärelektronenstrahlen automatisch auf gewünschte Positionen justiert werden, was wichtig ist, wenn Hunderte, Tausende oder gar Millionen Primärelektronenstrahlen durch eine Feldemissionskathodenanordnung erzeugt werden.
Vorzugsweise steuert die Steuereinheit die individuell fokussierenden Komponenten zum individuellen Justieren der endgültigen Brennweiten der Primärelektronenstrahlen auf gewünschte endgültige Brennweiten. Dies erfolgt vorzugsweise durch individuelles Justieren der Spannungen der Gate-Elektroden jeder Elektronenstrahlquelle einer Feldemissionskathodenanordnung. Vorzugsweise sind solche Gate- Elektroden auf dem Substrat integriert, das die Elektronenstrahlquellenanordnung trägt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Elektronensensor fest mit der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung verbunden. Die Begriff "fest" bezieht sich auf den Umstand, dass der Elektronensensor an seiner Position innerhalb der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung verbleiben kann, wenn vom Prüfen oder Strukturieren eines nicht-transparenten Probekörpers zur Kalibrierung der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung oder umgekehrt gewechselt wird. Vorzugsweise ist der Elektronensensor hinter der Position angeordnet, die für einen nicht-transparenten Probekörper während des Prüfens oder Strukturierens seiner Oberfläche vorgesehen ist (in der Richtung der Primärelektronenstrahlen gesehen). Auf diese Weise kann der Elektronensensor in seiner Position verbleiben, unabhängig davon, ob der nicht-transparente Probekörper geprüft oder strukturiert wird oder ob die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung kalibriert wird. Dank der Möglichkeit, den Elektronensensor innerhalb der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung zu belassen, erhöht sich die Reproduzierbarkeit für die Messungen der Primärelektronenstrahlspositionen und endgültigen Brennweiten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Elektronensensor beweglich. Vorzugsweise wird der Elektronensensor bewegt, wenn vom Prüfen oder Strukturieren der Oberfläche eines nicht-transparenten Probekörpers zum Kalibrieren der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung oder umgekehrt gewechselt wird. Beim Wechsel zur Kalibrierung der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung wird der Elektronensensor vorzugsweise so bewegt, dass er die Position des nicht-transparenten Probekörpers einnimmt, die für den nicht-transparenten Probekörper während des Prüfens oder Strukturierens seiner Oberfläche vorgesehen ist. Vorzugsweise ist diese Position des Elektronensensors während der Kalibrierung so, dass die Oberfläche der Segmente des Elektronensensors mit der Oberseite des nicht-transparenten Probekörpers übereinstimmt, wenn diese geprüft oder strukturiert wird. Auf diese Weise sind die Positionen der Primärelektronenstrahlen, die auf den Elektronensensor auftreffen, die gleichen wie die Positionen der Primärelektronenstrahlen, die auf den nicht-transparenten Probekörper auftreffen. Diese Ausführungsform vereinfacht die Berechnung der Positionsmessung der Primärelektronenstrahlspositionen, die auf den nicht-transparenten Probekörper auftreffen, erheblich. Außerdem können Verzerrungen der elektrischen und magnetischen Felder aufgrund des Fehlens des nicht-transparenten Probekörpers während der Kalibrierung verringert werden.
Vorzugsweise ist der Elektronensensor ein Halbleiterdetektor, vorzugsweise ein Charged Coupled Device (CCD), ein Active Pixel Sensor (APS) oder ein Halbleiterstreifendetektor. Halbleiterdetektoren haben die Vorteile, dass sie auf ankommende Elektronen hohe elektronische Signale erzeugen, dass sie auf sehr feine Strukturgrößen segmentiert werden können und dass sie auf kompakte Weise in Verstärker- oder elektronische Logikschaltungen integriert werden können. CCDs haben die Vorteile, dass sie mit verschiedenen Parametern, wie Pixel (Segment)-Anzahlen, Pixelgrößen, Auslesegeschwindigkeit, elektronisches Rauschen und dergleichen, auf dem Markt frei verfügbar sind. Außerdem gibt es CCDs mit kleinen Totbereichen zwischen benachbarten Pixeln, wodurch das räumliche Auflösungsvermögen weiter verbessert wird.
APSs haben ein ähnliches räumliches Auflösungsvermögen; jedoch kann jedes Pixel (Segment) eines APS individuell zum Auslesen adressiert werden. Dies erlaubt ein paralleles Auslesen der Pixel, wodurch die Auslesegeschwindigkeit deutlich gesteigert wird. Außerdem gestattet das individuelle Adressieren der Pixel das Lesen nur jener Pixel, die von Interesse sind, wodurch das Auslesen weiter beschleunigt wird.
Vorzugsweise umfasst die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung eine Vergrößerungslinse, die zwischen dem Elektronensensor und den Fokussierkomponenten, welche die endgültigen Fokusse erzeugen, angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Vergrößerungslinse hinter der Ebene angeordnet, auf der der nicht-transparente Probekörper zum Prüfen oder Strukturieren seiner Oberfläche angeordnet werden soll. Die Vergrößerungslinse ist vorzugsweise Teil eines optischen Elektronenstrahlsystems, das die seitlichen Entfernungen D1 zwischen benachbarten Primärelektronenstrahlen bei den gewünschten endgültigen Fokuspositionen zu den seitlichen Entfernungen D2 zwischen denselben Primärelektronenstrahlen an dem Elektronensensor vergrößert. Vorzugsweise ist der Vergrößerungsfaktor D2/D1 größer als das Verhältnis des Abstands der Segmente des Elektronensensors zum Abstand benachbarter Elektronenstrahlquellen. Die Vergrößerung hilft beim Verbessern der Auflösung zum Bestimmen der Primärelektronenstrahlpositionen und/oder der endgültigen Brennweiten.
Vorzugsweise ist die Vergrößerungslinse Teil eines optischen Elektronenstrahlsystems, das die Entfernungen D1 um einen Faktor vergrößert, der größer ist als das Verhältnis des Abstands der Segmente des Elektronensensors zum Abstand benachbarter Elektronenstrahlquellen. Dies ist die Mindestvergrößerung, die erforderlich ist, um zu gewährleisten, dass maximal ein einziger Primärelektronenstrahl auf ein Elektronenstrahlsegment auftrifft. Es ist auch die Mindestvergrößerung, die erforderlich ist, um Messungen der Querschnitte der Primärelektronenstrahlen vorzunehmen. Vorzugsweise ist die Vergrößerung viermal höherer, und besonders bevorzugt zehnmal höherer, als das oben erwähnte Verhältnis. Je höher die Vergrößerung, desto höher die räumliche Auflösung für die Messungen der Primärelektronenstrahlspositionen und der endgültigen Brennweiten.
Die Erfindung gemäß Anspruch 19 offenbart ein Verfahren zum Inspizieren mehrerer Primärelektronenstrahlen, die durch eine Feldemissionskathodenanordnung einer Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung erzeugt wurden. Das Verfahren enthält das Messen von Positionen der mehreren Primärelektronenstrahlen auf dem Elektronensensor. Vorzugsweise werden die Messungen verwendet, um Pfade zu bestimmen, entlang denen die Primärelektronenstrahlen verlaufen. Die Kenntnis der Pfade, entlang denen die Primärelektronenstrahlen verlaufen, erlaubt es, die Positionen zu bestimmen, an denen die Primärelektronenstrahlen auf einem nicht-transparenten Probekörper auftreffen, wenn er in den Primärelektronenstrahlen an einer genau definierten Position angeordnet ist.
Das Bestimmen von Positionen der mehreren Primärelektronenstrahlen auf dem Elektronensensor erfolgt vorzugsweise, wenn der nicht-transparente Probekörper außerhalb des Weges der Primärelektronenstrahlen angeordnet ist. Vorzugsweise enthält die Inspektion der mehreren Primärelektronenstrahlen das Erstellen einer Kalibrierungskarte, die Betriebsparameter der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung zu den Positionen der mehreren Primärelektronenstrahlen auf dem Elektronensensor in Beziehung setzt. Mit der Kalibrierungskarte ist es möglich, den nicht-transparenten Probekörper mit hoher räumlicher Auflösung zu prüfen oder zu strukturieren, ohne gleichzeitig die Positionen der mehreren Primärelektronenstrahlen auf dem Elektronensensor messen zu müssen.
Vorzugsweise werden die Primärelektronenstrahlen mittels elektrischer oder magnetischer Fokussierfelder auf endgültige Fokusse fokussiert. Die elektrischen oder magnetischen Fokussierfelder werden vorzugsweise durch Fokus sierkomponenten und besonders bevorzugt durch individuell fokussierende Komponenten erzeugt.
Vorzugsweise werden die endgültigen Brennweiten der endgültigen Fokusse durch Zählen der Anzahl der Segmente bestimmt, auf die der entsprechende Primärelektronenstrahl auftrifft. Wie oben angesprochen, spiegelt die Anzahl der Segmente des Elektronensensors, auf die ein Primärelektronenstrahl auftrifft, den Querschnitt des Primärelektronenstrahls auf dem Elektronensensor wider. Der Querschnitt auf dem Elektronensensor wiederum kann verwendet werden, um die endgültigen Brennweiten der fokussierten Primärelektronenstrahlen zu bestimmen.
Vorzugsweise werden die endgültigen Brennweiten der Primärelektronenstrahlen mittels der elektrischen oder magnetischen Fokussierfelder auf gewünschte endgültige Brennweiten justiert. Vorzugsweise werden die elektrischen oder magnetischen Fokussierfelder durch individuell fokussierende Komponenten erzeugt. Individuell fokussierende Komponenten sind in der Lage, jeden Primärelektronenstrahl unabhängig von den entsprechenden anderen Primärelektronenstrahlen zu fokussieren. Die Justierung erfolgt vorzugsweise durch Bestimmen der gewünschten Segmente des Elektronensensors, d. h. der Segmente, auf die der Primärelektronenstrahl mit der gewünschten endgültigen Brennweite auftreffen würde. Dann werden die endgültigen Brennweiten verändert, bis die gewünschten Segmente getroffen werden. Die gewünschten Segmente können aus geometrischen Berechnungen abgeleitet werden, zum Beispiel unter Verwendung des Querschnitts des Primärelektronenstrahls auf der Ebene der Fokussierkomponente, der die endgültigen Fokusse erzeugt, und der Entfernung zwischen dieser Ebene und dem Elektronensensor.
Die Erfindung gemäß Anspruch 24 offenbart ein Verfahren zum Justieren endgültiger Brennweiten von fokassier ten mehreren Primärelektronenstrahlen auf gewünschte endgültige Brennweiten. In einem Schritt wird die Anzahl der Segmente, auf die ein entsprechender Primärelektronenstrahl auftrifft, für jeden Primärelektronenstrahl bestimmt, was vorzugsweise dazu dient, die erdgültigen Brennweiten der Primärelektronenstrahlen zu messen. In einem weiteren Schritt wird die endgültige Brennweite jedes Primärelektronenstrahls auf eine gewünschte endgültige Brennweite justiert, indem die elektrischen oder magnetischen Fokussierfelder verändert werden, bis der entsprechende Primärelektronenstrahl auf eine gewünschte Anzahl der Segmente auftrifft.
Vorzugsweise werden die elektrischen oder magnetischen Fokussierfelder in einer Weise justiert, dass jeder Primärelektronenstrahl auf eine gewünschte Anzahl der Segmente gleichzeitig auftrifft. In diesem Fall werden die Primärelektronenstrahlen gleichzeitig auf gewünschte endgültige Brennweiten fokussiert, wodurch die Primärelektronenstrahlen mit gewünschten endgültigen Brennweiten parallel betrieben werden können. Vorzugsweise sind die Anzahlen der Segmente, auf die die entsprechenden Primärelektronenstrahlen auftreffen, für alle Primärelektronenstrahlen gleich.
Vorzugsweise werden elektrische oder magnetische Fokussierfelder durch individuell fokussierende Komponenten erzeugt. Individuell fokussierende Komponenten ermöglichen das individuelle Fokussieren der Primärelektronenstrahlen. Auf diese Weise ist es möglich, jeden Primärelektronenstrahl auf eine gewünschte erdgültige Brennweite unabhängig von den entsprechenden anderen Primärelektronenstrahlen zu Justieren. Insbesondere können auf diese Weise die endgültigen Brennweiten so justiert werden, dass die endgültigen Fokuspositionen auf der Oberseite eines nicht-transparenten Probekörpers angeordnet werden. Dies wiederum erlaubt die bestmögliche räumliche Auflösung zum Prüfen oder Strukturieren eines nicht-transparenten Probekörpers.
Vorzugsweise werden die Verfahren zum Inspizieren mehrerer Primärelektronenstrahlen, das Verfahren zum Justieren der endgültigen Brennweiten fokussierter mehrerer Primärelektronenstrahlen und das Verfahren zum Kalibrieren einer Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung mit Mehrfachelektronenstrahlvorrichtungen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20 ausgeführt.
Vorzugsweise werden Daten, die Informationen der elektronischen Signale der Elektronensensorsegmente enthalten, auf eine Speichervorrichtung geschrieben. Solche Daten werden vorzugsweise zum Erstellen der Kalibrierungskarte verwendet. Sie können auch dafür verwendet werden, später ein Bild der Oberseite des Probekörpers, der durch die Primärelektronenstrahlen geprüft wird, zu korrigieren. Die Daten können auch dafür verwendet werden, ein Driften des Primärelektronenstrahlverhaltens im Lauf der Zeit bei konstanten Betriebsparametern der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung zu beobachten.
Vorzugsweise werden die seitlichen Entfernungen zwischen benachbarten Primärelektronenstrahlen, D1, durch mindestens eine Vergrößerungslinse vergrößert. Die Vergrößerungslinse ist vorzugsweise eine magnetische oder elektrische Linse. Die Vergrößerung der Entfernung D1 erhöht die räumliche Auflösung für die Messungen der Positionen der Primärelektronenstrahlen auf dem Elektronensensor. Sie erhöht auch die räumliche Auflösung für die Messung der endgültigen Brennweiten. Je größer die Segmente des Elektronensensors, desto größer die Vergrößerung, die zum Erreichen einer bestimmten räumlichen Auflösung benötigt wird. Vorzugsweise ist die Vergrößerung größer als das Verhältnis der Größen der Segmente mit den entsprechenden seitlichen Entfernungen zwischen benachbarten Primärelektronenstrahlen, D1.
Vorzugsweise kann die Oberfläche der Elektronensensorsegmente in Richtung der Oberseite eines nicht-transparenten Probekörpers bewegt werden. Vorzugsweise wird – insbesondere für die Inspektion der Primärelektronenstrahlen, für das Justieren der endgültigen Brennweiten der Primärelektronenstrahlen und/oder für die Kalibrierung – die Oberfläche der Elektronensensorsegmente so bewegt, dass sie mit der Ebene der Oberseite des nicht-transparenten Probekörpers während des Prüfens oder Strukturierens übereinstimmt. Auf diese Weise stimmen die Messungen der Positionen der Primärelektronenstrahlen auf dem Elektronensensor mit den Positionen überein, wo die Oberfläche des nicht-transparenten Probekörpers danach oder vorher geprüft oder strukturiert wird. Des Weiteren wird das Justieren der endgültigen Fokuspositionen der Primärelektronenstrahlen auf der Oberfläche des nicht-transparenten Probekörpers auf die Aufgabe reduziert, die Betriebsparameter zu finden, welche die Querschnitte der Primärelektronenstrahlen auf dem Elektronensensor minimieren.
Vorzugsweise werden auch die Ströme der Primärelektronenstrahlen mittels des Elektronensensors gemessen. Des Weiteren wird für jeden Primärelektronenstrahl der Strom des Primärelektronenstrahls vorzugsweise auf einen gewünschten Stromwert justiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Einige der oben angedeuteten und weitere detailliertere Aspekte der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung beschrieben und teilweise anhand der Figuren veranschaulicht. In den Figuren ist Folgendes dargestellt:
1a zeigt einen Primärelektronenstrahl einer Mehrfach elektronenstrahlvorrichtung des Standes der Technik, der auf die Oberseite eines nicht-transparenten Probekörpers auftrifft.
1b zeigt einen fokussierten Primärelektronenstrahl einer Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung des Standes der Technik, der auf die Oberseite eines nicht-transparenten Probekörpers auftrifft.
2a zeigt schematisch eine Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung gemäß der Erfindung mit fokussierten Primärelektronenstrahlen, die durch global fokussierende Elemente fokussiert werden.
2b zeigt schematisch eine Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung gemäß der Erfindung mit fokussierten Primärelektronenstrahlen, die durch individuell fokussierende Elemente fokussiert werden.
2c zeigt schematisch eine Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung gemäß der Erfindung mit fokussierten Primärelektronenstrahlen, die durch individuell fokussierende Elemente und eine Steuereinheit zum Steuern der endgültigen Brennweiten fokussiert werden.
3a und 3b zeigen schematisch eine Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung gemäß der Erfindung mit dem Elektronensensor in der Kalibrierungsposition (3a) oder der Strukturierungsposition (3b).
4a und 4b zeigen schematisch eine Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung gemäß der Erfindung, wo Kalibrierung (4a) und Strukturierung (4b) ausgeführt werden können, ohne den nicht-transparenten Probekörper oder den Elektronensensor bewegen zu müssen.
5a zeigt endgültige Fokusse von fokussierten Primär elektronenstrahlen, die auf die Segmente eines Elektronensensors gemäß der Erfindung auftreffen.
5b zeigt endgültige Fokusse von fokussierten Primärelektronenstrahlen, die auf die Segmente eines Elektronensensors nach einer Vergrößerung gemäß der Erfindung auftreffen.
6a zeigt ein Verfahren zum Kalibrieren einer Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung gemäß der Erfindung mit einer Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung, wie sie in 5b gezeigt ist.
6b zeigt eine Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung gemäß der Erfindung, die mit dem in 5a gezeigten Verfahren kalibriert werden kann.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1a und b zeigen schematisch Primärelektronenstrahlen 14, die auf die Oberseite 20a eines nicht-transparenten Probekörpers 20 auftreffen. Der nicht-transparente Probekörper 20 ist in dieser Ausführungsform ein Siliziumwafer. Die Dicke des Wafers 20 liegt in der Regel zwischen 100 μm und 2000 μm und vorzugsweise zwischen 300 μm und 1000 μm. 1a betrifft einen nicht-fokussierten Primärelektronenstrahl 14. Die Achse 15 des Primärelektronenstrahls 14 ist im Wesentlichen als die Linie der Mittelpunkte der Querschnitte 18 des Primärelektronenstrahls 14 gegeben. Die Position des Primärelektronenstrahls 14, der auf den nicht-transparenten Probekörper 20 auftrifft, ist durch die Primärelektronenstrahlposition 11 gegeben. Die Primärelektronenstrahlposition 11 ist der Punkt, wo die Achse des Primärelektronenstrahls 15 die Oberseite des nicht-transparenten Probekörpers 20a kreuzt. Die Primärelektronenstrahlposition 11 in 1a weicht vor einer gewünschten Primärelektronerstrahlposition 8 ab, die sich in diesem Beispiel auf der Oberfläche des nicht-transparenten Probekörpers 20a befindet. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von Mitteln und Verfahren, um zu gewährleisten, dass zum Prüfen oder Strukturieren der Oberfläche eines nicht-transparenten Probekörpers 20a die Primärelektronenstrahlen 14 auf den nicht-transparenten Probekörper 20 an den gewünschten Primärelektronenstrahlpositionen 8 auftreffen.
In 1b passiert ein Primärelektronenstrahl 14 eine Fokussierlinse 16, um einen endgültigen Fokus 17 mit der endgültigen Fokusposition 10 zu bilden. Die endgültige Fokusposition 10 ist durch die endgültige Brennweite 13 und die Primärelektronenstrahlposition 11 gegeben. Die endgültige Fokusposition 10 in 1b weicht von der gewünschten endgültigen Fokusposition 9 ab. Die gewünschte endgültige Fokusposition 9 liegt auf der Oberfläche des nicht-transparenten Probekörpers 20a, was zum Prüfen oder Strukturieren des nicht-transparenten Probekörpers 20 mit der höchstmöglichen räumlichen Auflösung vorteilhaft ist. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von Mitteln und Verfahren, um zu gewährleisten, dass zum Prüfen oder Strukturieren der Oberfläche eines nicht-transparenten Probekörpers 20a die Primärelektronenstrahlen 14 auf den nicht transparenten Probekörper 20 mit einer gewünschten endgültigen Fokusposition 9 auftreffen.
In 2a ist eine Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 während der Kalibrierung gezeigt. Während der Kalibrierung befindet sich der nicht-transparente Probekörper 20 außerhalb des Weges der Primärelektronenstrahlen 14. Darum treffen die Primärelektronenstrahlen 14 auf die Segmente 12a des Elektronensensors 12 auf. Der nicht-transparente Probekörper 20, der in dieser Ausführungsform ein Siliziumwafer ist, ist nur als eine Strichlinie gezeichnet, um die Oberfläche 20a des nicht-transparenten Probekörpers 20 sichtbar zu machen, die nach der Kalibrierung zu strukturieren ist.
2a zeigt weiter Primärelektronenstrahlen 14, die durch einen global ablenkenden Deflektor 19 abgelenkt und durch eine global fokussierende Komponente 16a mit einer endgültigen Brennweite 13 fokussiert werden. Zur Vereinfachung der Erklärung wird die folgende Beschreibung der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 auf die Beschreibung der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 als eine Vorrichtung zum Strukturieren der Oberseite eines nicht-transparenten Probekörpers 20a beschränkt. Der Fachmann weiß jedoch, dass eine Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung gemäß der Erfindung auch dafür verwendet werden kann, die Oberseite eines nicht-transparenten Probekörpers zu prüfen, die zum Beispiel die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung als ein Elektronenrastermikroskop mit Mehrfachelektronenstrahlen verwendet.
In dieser Ausführungsform wird die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 dafür verwendet, direkt eine Struktur in die Oberseite eines Siliziumwafers 20 zu schreiben, um einen Wafer mit einem integrierten elektronischen Schaltkreis herzustellen. Auch hier ist dem Fachmann bewusst, dass die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 gemäß der Erfindung auch zum Strukturieren anderer nicht-transparenter Probekörper anstelle von Siliziumwafern verwendet werden kann, zum Beispiel zum Strukturieren biologischer Materialien, keramischer Materialien oder Wafers, die nicht aus Silizium bestehen.
Das Strukturieren der Oberfläche des Siliziumwafers 20a erfolgt durch Richten der Primärelektronenstrahlen 14 auf die gewünschten Positionen, die strukturiert werden sollen. Da in 2a die Primärelektronenstrahlen 14 nur global abgelenkt werden können, können nicht alle Primärelektronenstrahlen gleichzeitig an gewünschten Positionen sein. Insbesondere können einige Primärelektronenstrahlen zu Positionen auf der Oberfläche des Siliziumwafers weisen, die nicht strukturiert werden sollen. Aus diesem Grund ist vorgesehen, eine elektronische Schaltung an die Elektronenstrahlquellen anzuschließen, um die Elektronenstrahlströme individuell nach Bedarf ein- und auszuschalten.
Zum Einarbeiten einer gewünschten Struktur in die Oberfläche des Siliziumwafers 20a wurde eine Sequenz von Betriebsparametern der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung in einen elektronischen Speicher der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 (in 2a nicht gezeigt) geladen, die hilft, die Primärelektronenstrahlen 14 zu den verschiedenen Positionen auf dem Siliziumwafer 20, die strukturiert werden sollen, zu führen. Die Betriebsparametersequenz basiert vorzugsweise auf einer Kalibrierungskarte, die Betriebsparameter der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 zu den entsprechenden Primärelektronenstrahlpositionen 11 auf dem Siliziumwafer 20, den endgültigen Brennweiten 13 und den Primärelektronenstrahlströmen der Primärelektronenstrahlen in Beziehung setzt. Die Kalibrierungskarte ist während eines Kalibrierungsverfahrens erzeugt worden, bevor der Wafer in der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung zum Einarbeiten der Struktur angeordnet wurde.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Betriebsparametersequenz so gestaltet, dass sie die endgültigen Brennweiten 13 so justiert, dass sich die endgültigen Fokuspositionen 10 auf der Oberfläche des Siliziumwafers 20a befinden, um die Oberfläche des Siliziumwafers 20 mit der höchstmöglichen räumlichen Auflösung zu strukturieren. Die Betriebsparametersequenz justiert vorzugsweise die Primärelektronenstrahlströme auf einen gleichen Stromwert, um die Homogenität zu verbessern, mit der die Primärelektronenstrahlen 14 die Siliziumwaferoberseite 20a strukturieren. Die Betriebsparametersequenz ergreift des Weiteren vorzugsweise Ausgleichsmaßnahmen, um Artefakte in der Struktur auf der Oberfläche des Siliziumwafers 20a zu vermeiden, die durch Elektronenstrahlquellen 3 verursacht werden, die Störungen haben oder funktionsuntüchtig sind.
Um die Betriebsparametersequenz der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung zu erstellen, wurden die endgültigen Brennweiten 13 und die Primärelektronenstrahlpositionen 11 relativ zu dem Elektronensensor für bestimmte Sätze von Betriebsparametern der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung gemessen. Vorzugsweise wurden auch die Entfernungen zwischen Primärelektronenstrahlpositionen 11 von benachbarten Primärelektronenstrahlen 14 auf dem Elektronensensor für bestimmte Sätze von Betriebsparametern gemessen, bevor der Wafer 20 in der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 angeordnet wurde.
Um die Oberfläche des Siliziumwafers 20a in einer genau definierten Weise zu strukturieren, umfasst die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 von 2a eine Anordnung von Elektronenstrahlquellen 3, die eine Feldemissionskathodenanordnung 5 ist. Jede Elektronenstrahlquelle 3 umfasst eine Emitterspitze 22 und eine Extraktionselektrode 24. Der Strom der Elektronenstrahlsquelle 3 wird vorzugsweise durch eine erste Spannung 30 gesteuert, die zwischen der Emitterspitze 22 und der Extraktionselektrode 24 angelegt wird. Vorzugsweise kann die erste Spannung 30 für jede Elektronenstrahlquelle individuell angelegt werden, um den Strom jeder Elektronenstrahlquelle 3 individuell zu steuern. Eine solche individuelle Steuerung der Ströme erlaubt das individuelle Ein- und Ausschalten jeder Elektronenstrahlquelle.
Vorzugsweise ist die Feldemissionskathodenanordnung 5 von 2a auf einem Halbleitersubstrat integriert. Ein Beispiel einer integrierten Feldemissionskathodenanordnungen ist zum Beispiel in US 5,977,719 beschrieben, das hiermit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenom men wird. Ein integriertes Design erlaubt die Integration Hunderter, Tausender oder gar Millionen von Elektronenstrahlquellen auf einem Substrat von ungefähr der Größe eines Daumennagels. Feldemissionskathodenanordnungen von solch hoher Integrationsdichte können mit mikromechanischen Fertigungstechniken hergestellt werden, die im Stand der Technik bekannt sind. Die hohe Integrationsdichte erlaubt das Prüfen oder Strukturieren eines Probekörpers mit vielen parallelen Primärelektronenstrahlen, um den Durchsatz zum Prüfen oder Strukturieren eines Probekörpers zu erhöhen. In 2a ist die Entfernung zwischen benachbarten Emitterspitzen 22 kleiner als 1000 μm, vorzugsweise kleiner als 100 μm und besonders bevorzugt kleiner als 10 μm.
Die Primärelektronenstrahlen 14 werden mittels der Anode 7, des global ablenkenden Deflektors 19 und der global fokussierenden Komponente 16a gerichtet und fokussiert. In dieser Ausführungsform ist die Anode 7 im Wesentlichen der Elektronensensor 20, der relativ zu den Emitterspitzen 22 eine positive Spannung hat. Die positive Spannung in 2a wird durch die Summe der zweiten Spannungsquelle 31 und der dritten Spannungsquelle 32 bestimmt. Die endgültigen Fokusse 17 werden durch die global fokussierenden Komponenten 16a gebildet. Die endgültigen Fokusse 17 sind die Fokusse der Primärelektronenstrahlen 14, welche die Oberseite des Siliziumwafers 20a strukturieren sollen. Die Entfernung zwischen der Feldemissionskathodenanordnung 5 und der Anode 7 ist in dieser Ausführungsform vorzugsweise kleiner als 100 mm, vorzugsweise kleiner als 20 mm und besonders bevorzugt kleiner als 10 mm.
Die global fokussierenden Komponenten 16a wirken gleichzeitig auf die Primärelektronenstrahlen. Sie sind wegen der Einfachheit ihres Gebrauchs bevorzugt, da es speziell mit hoch-integrierten Elektronenstrahlquellen schwierig ist, Fokussierkomponenten zu implementieren, die jeden Primärelektronenstrahl individuell fokussieren. Jedoch können Homogenitätsfehler der global fokussierenden Komponente 16a, Homogenitätsfehler der Energien der Primärelektronenstrahlen 14 und dergleichen zu Homogenitätsfehlern der endgültigen Brennweiten 13 innerhalb der Anordnung von Primärelektronenstrahlen 14 führen, wie in 2a angedeutet. Da eine global fokussierende Komponente 16a nicht die Homogenitätsfehler von allen endgültigen Brennweiten 13 gleichzeitig beseitigen kann, ist es unmöglich, alle endgültigen Fokuspositionen 10 auf der Oberfläche des Siliziumwafers 20a gleichzeitig zu justieren. Stattdessen fokussieren die global fokussierenden Komponenten 16a die Primärelektronenstrahlen 14 in einer Weise, dass alle endgültigen Fokuspositionen 10 mindestens nahe der Oberfläche des Siliziumwafers 20a liegen.
In 2a ist der Elektronensensor 12 hinter dem Siliziumwafer 20 angeordnet, um nicht im Weg der Primärelektronenstrahlen 14 zu sein, wenn der Siliziumwafer 20 in den Primärelektronenstrahlen 14 angeordnet wird. Der Elektronensensor 12 ist in dieser Ausführungsform ein Charged Coupled Device (CCD). Darum entsprechen die Elektronensensorsegmente 12a in 2a-c den Pixeln (Bildelementen) des CCD. Es sind jedoch auch andere Typen von Elektronensensoren möglich, um die Positionsmessung auszuführen, wie zum Beispiel Active Pixel Sensors (APS) mit einer Ausleseelektronik an jedem Pixel, Siliziumstreifendetektoren, Anordnungen von Photodioden oder dergleichen. Die Vorteile eines CCD sind ihr hoher Segmentierungsgrad (d. h. die geringe Pixelgröße), die hohe Empfindlichkeit für ionisierende Strahlung, der hohe Integrationsgrad und ihre Verfügbarkeit auf dem freien Markt. Die Größen der rechteckigen Pixel 12a der CCDs sind gewöhnlich kleiner als 20 μm an jeder Seite, vorzugsweise kleiner als 8 μm an jeder Seite und besonders bevorzugt kleiner als 5 μm an jeder Seite.
Die Detektion der Positionen von ankommender Primärelektronenstrahlen, die auf ein CCD auftreffen, mittels des CCD und eines CCD-Auslesesystems ist dem Fachmann bekannt und wird hier nur kurz beschrieben. Jedes Pixel 12a des CCD 12, auf das Elektronen eines Primärelektronenstrahls 14 auftreffen, erzeugt Elektronenlochpaare, die detektiert werden können. CCD-Auslesesysteme sind in der Lage zu detektieren, in welchem Pixel 12 die Elektronenlochpaare erzeugt werden. Darum ist das CCD 12 in Kombination mit dem CCD-Auslesesystem in der Lage zu detektieren, auf welchen Pixel 12a der Primärelektronenstrahl 14 auftraf.
Wenn ein Primärelektronenstrahl 14 auf nur einen einzigen Pixel 12a des CCD 12 auftrifft, so ist die räumliche Auflösung der Messung der Position des Primärelektronenstrahls, der auf das CCD 12 auftrifft, durch die Größe der Pixel 12 gegeben. Wenn der Primärelektronenstrahl 14 auf mehr als einen Pixel 12a des CCD 12 auftrifft, so kann die räumliche Auflösung der Messung der Position des Primärelektronenstrahls, der auf das CCD 12 auftrifft, durch Interpolation verbessert werden, zum Beispiel Berechnen des Schwerpunkts des Primärelektronenstrahls 14 durch Summieren der Signalamplitude der Pixel 12a, auf die der Primärelektronenstrahl 14 auftrifft. Im Stand der Technik sind viele weitere Verfahren bekannt, die zum Bestimmen der Position eines Elektronenstrahls verwendet werden, der auf einen Pixelbaustein wie das CCD auftrifft.
Es ist bekannt, dass CCDs verschmierte Bilder erzeugen, wenn sie während der CCD-Auslesung den Primärelektronenstrahlen ausgesetzt werden. Das Verschmieren der Bilder verschlechtert die Präzision, mit der die Primärelektronenstrahlpositionen gemessen werden können. Um ein Verschmieren zu vermeiden, kann ein mechanischer Verschluss vor dem CCD 12 angeordnet werden, um das CCD 12 zum Zeitpunkt des Auslesens zu bedecken. Alternativ kann das CCD 12 auch mit einem Design ausgestattet werden, das die Pixel 12a vor den Primärelektronenstrahlen 14 schützt, wenn das CCD 12 ausgelesen wird.
2a auch zeigt eine Aufspannvorrichtung 21, die dazu dient, den Siliziumwafer 20 in den Primärelektronenstrahlen 14 anzuordnen. Die Aufspannvorrichtung 21 ist für die Kalibrierungen der Primärelektronenstrahlen wichtig, da sie die Position des Siliziumwafers 20 relativ zu dem Elektronensensor 12 definiert. Insbesondere definiert die Aufspannvorrichtung die Oberseitenentfernung 26, d. h. die Entfernung zwischen dem Elektronensensor 20 und der Oberseite des Siliziumwafers 20a entlang den Primärelektronenstrahlrichtungen. Die Wahl der Oberseitenentfernung 26 beeinflusst die Querschnitte der Primärelektronenstrahlen 14 auf dem Elektronensensor 12 und darum die Präzision der Messung der endgültigen Brennweite 13. Vorzugsweise ist die Oberseitenentfernung 26 kleiner als 5000 μm und vorzugsweise kleiner als 1000 μm.
Abweichungen der Oberseitenentfernung 26 von Wafer zu Wafer sind vorzugsweise kleiner als 100 μm und vorzugsweise kleiner als 2 μm. In 2a ist der Siliziumwafer 20 zwischen einem oberen und einem unteren Backen der Aufspannvorrichtung 21 eingespannt. Da der Siliziumwafer 20 innerhalb weniger Mikrometer planar ist, bestimmt der obere Backen der Aufspannvorrichtung 21 die Position der Oberseite des Wafers 20a innerhalb einiger Mikrometer.
Wenn der Siliziumwafer 20 aus den Primärelektronenstrahlen 14 herausgenommen wird, so gibt die Aufspannvorrichtung 21 den Primärelektronenstrahlen 14 den Weg frei, um sie auf den Elektronensensor 12 auftreffen zu lassen. Vorzugsweise stellt die Aufspannvorrichtung auch ein Mittel bereit, mit dem der Siliziumwafer 20 an der Aufspannvorrichtung 21 festgespannt werden kann, damit sich der Siliziumwafer 20 während des Betriebes nicht unbeabsichtigt um mehr als 10 μm und vorzugsweise nicht um mehr als 1 μm bewegt.
Vorzugsweise stellt die Aufspannvorrichtung 21 auch ein Mittel bereit, um den Siliziumwafer 20 routinemäßig in den und aus dem Weg der Primärelektronenstrahlen 14 zu bewegen. Da die in 2a gezeigte Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 Siliziumwafer mit hohem Durchsatz strukturieren soll, d. h. mehr als 10 Wafer in der Stunde, ist es wichtig, dass die Aufspannvorrichtung die Siliziumwafer in weniger als ein paar Minuten in den und aus dem Weg der Primärelektronenstrahlen 14 bewegen kann, vorzugsweise in weniger als einer Minute. Vorzugsweise bewegt die Aufspannvorrichtung 21 den Wafer ferngesteuert in den und aus dem Weg, da dieser Vorgang vorzugsweise unter Hochvakuum (besser als 10^–6 mbar oder vorzugsweise besser als 10^–8 mbar) am Wafer erfolgt.
Die Rate, mit der Kalibrierungsmessungen, d. h. die Erstellung einer Kalibrierungskarte, ausgeführt werden, richtet sich nach der Qualität der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung, der räumlichen Auflösung, die für eine bestimmte Anwendung benötigt wird, und dem Verschleiß der Feldemissionskathodenanordnung 5 oder der global fokussierenden Komponente 16a. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Kalibrierung ausgeführt, nachdem eine neue Feldemissionskathodenanordnung 5 in der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 installiert wurde. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Kalibrierung jedes Mal ausgeführt, wenn eine neue Betriebsparametersequenz, zum Beispiel für ein neues Strukturierungsmuster, erstellt werden muss. Vorzugsweise wird die Kalibrierung in Zeitintervallen ausgeführt, die von der Rate abhängen, mit der Siliziumwafer durch die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 strukturiert werden. Für sehr hohe Präzision werden Kalibrierungsmessungen jedes Mal ausgeführt, wenn ein einzelner Siliziumwafer zu strukturieren ist.
Eine Kalibrierung der Mehrfachelektronenstrahlvor richtung 1 von 2a enthält das Bestimmen der Betriebsparameter der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung für bestimmte gemessene Primärelektronenstrahlpositionen 11 auf dem Elektronensensor 12. Vorzugsweise enthält die Kalibrierung auch das Bestimmen der Betriebsparametern der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung für bestimmte gemessene endgültige Brennweiten 13 oder für bestimmte gemessene Elektronenstrahlströme. Vorzugsweise enthält die Kalibrierung der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 von 2a auch Justierungen der endgültigen Brennweiten 13 auf gewünschte endgültige Brennweiten, wodurch eine Kalibrierungskarte erstellt wird, welche die gewünschten endgültigen Brennweiten zu den Betriebsparametern in Beziehung setzt, welche die gewünschten endgültigen Brennweiten erzeugen. Vorzugsweise enthält die Kalibrierung der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 von 2a auch Justierungen der Elektronenstrahlsströme auf gewünschte Elektronenstrahlströme, wodurch eine Kalibrierungskarte erstellt wird, welche die gewünschten Elektronenstrahlströme zu den Betriebsparametern in Beziehung setzt, welche die gewünschten Elektronenstrahlströme erzeugen.
Die Messung der Primärelektronenstrahlspositionen 11 wird durch Detektieren der Pixel 12a ausgeführt, auf die die Primärelektronenstrahlen auftreffen. Mit Kenntnis der Oberseitenentfernung 26 können die Primärelektronenstrahlpositionen 11 anhand einfacher trigonometrischer Überlegungen bestimmten werden. Vorzugsweise ist auch der Winkel bekannt, mit dem die Primärelektronenstrahlen 14 auf den Elektronensensor 12 auftreffen, um die Primärelektronenstrahlpositionen 11 mit noch höherer Präzision zu berechnen. Wenn Primärelektronenstrahlpositionen 11 von gewünschten Primärelektronenstrahlpositionen abweichen, so muss die Betriebsparametersequenz der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung Kompensierungsbefehle enthalten, die verhindern, dass der abweichende Primärelektronenstrahl die Siliziumwafer 20 an der falschen Position strukturiert, indem zum Beispiel der Primärelektronenstrahlstrom der entsprechenden Feldemissionskathode 3 individuell abgeschaltet wird.
Weil das Fokussieren der Primärelektronenstrahlen 14 der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung von 2a nur global fokussierende Komponenten 16a enthält, kann die Justierung der endgültigen Brennweiten 13 nicht individuell auf gewünschte endgültige Brennweiten erfolgen. Stattdessen ist nur eine Justierung auf eine globale beste endgültige Brennweite möglich. Eine Justierung auf eine beste endgültige Brennweite wird durch Messen der individuellen endgültigen Brennweiten 13 der Primärelektronenstrahlen 14 ausgeführt. Dann werden gemäß einem spezifizierten Algorithmus Parameter der global fokussierenden Komponente 16a verändert, bis eine beste globale endgültige Brennweite zur Verfügung steht. Die Definition einer besten globalen endgültigen Brennweite hängt von der Anwendung ab. Vorzugsweise wird die beste globale endgültige Brennweite erreicht, wenn die Summe der Abweichungen der endgültigen Brennweiten von den gewünschten endgültigen Brennweiten minimiert wird. In 2a ist die gewünschte endgültige Brennweite durch die Entfernung von der Ebene der global fokussierenden Komponente 16a zur Oberseite des Siliziumwafers 20a gegeben.
Die Messungen der endgültigen Brennweiten 13 der Primärelektronenstrahlen 14 werden durch Detektieren der Anzahl der Pixel 12a ausgeführt, auf die jeder Primärelektronenstrahl 14 auftrifft. Die Anzahl der Pixel 12a, auf die ein Drimärelektronenstrahl auftrifft, spiegelt den Querschnitt des Primärelektronenstrahls 14 auf dem CCD 12 wider. Der Querschnitt des Primärelektronenstrahls 14 auf dem CCD 12 wiederum ist ein Maß der erdgültigen Brennweite 13. Zum Beispiel ist aus 2a zu ersehen, dass, wenn die erdgültige Brennweite 13 eines Primärelektronenstrahls 14 kurz ist, die Anzahl der Segmente 20a des Elektronensensors 12, auf die der Primärelektroenstrahl 14 auftrifft, im Vergleich zu Primärelektronenstrahlen mit längerer endgültiger Brennweite 13 groß ist.
Da es nicht möglich ist, die endgültige Brennweite 13 eines Primärelektronenstrahls 14 zu bestimmen, der nur auf einen einzigen Pixel 12a auftrifft, ist es wichtig, dass der Abstand der Pixel 12 klein genug ist, dass mehrere Pixel 12a durch einen ankommenden Primärelektronenstrahl 14 getroffen werden. Alternativ kann das CCD 12 in einer vertikalen Richtung von der global fokussierenden Linse 16a fort bewegt werden, um die Oberseitenentfernung 26 zu vergrößern. Eine vergrößerte Oberseitenentfernung verbreitert praktisch den Querschnitt der Primärelektronenstrahlen 14 auf dem Elektronensensor 12, wodurch die räumliche Auflösung der Primärelektronenstrahlsposition bei einem bestimmten Pixelabstand verbessert wird. Andererseits sollte die Oberseitenentfernung 26 auch nicht zu groß sein, um zu vermeiden, dass benachbarte Primärelektronenstrahlen 14 sich auf dem CCD 12 überlappen. Vorzugsweise liegt die Oberseitenentfernung 26 unter 5000 μm und vorzugsweise unter 1000 μm.
Die Justierung der Primärelektronenstrahlsströme auf einen gewünschten Primärelektronenstrahlstrom erfolgt durch Messen der Primärelektronenstrahlströme und anschließendes Justieren der ersten Spannung 30 zwischen Extraktionselektroden 24 und den entsprechenden Emitterspitzen 22 für jede Elektronenstrahlquelle 3. Die Primärelektronenstrahlströme werden mit dem CCD 12 gemessen. Jeder Primärelektronenstrahl erzeugt Signale in den Pixeln 12a, deren Amplitude direkt mit der Anzahl der Elektronen je Zeiteinheit korreliert, die auf dem Pixel 12 ankommen. Darum kann der Primärelektronenstrahlstrom eines Primärelektronenstrahls 14 durch Summieren der Signale der Pixel 12a bestimmt werden, auf die der Primärelektronenstrahl 14 auftrifft.
Die Primärelektronenstrahlpositionen 11 werden relativ zueinander durch Messen der seitlichen Entfernungen D2 zwischen benachbarten Primärelektronenstrahlen an dem CCD 12 gemessen. Die seitlichen Entfernungen D2 werden durch Messen der Primärelektronenstrahlpositionen der zwei benachbarten Primärelektronenstrahlen auf dem CCD 12 bestimmt. Die Primärelektronenstrahlpositionen der zwei benachbarten Primärelektronenstrahlen auf dem CCD 12 werden durch Detektieren der Pixel 12a gemessen, auf die die zwei Primärelektronenstrahlen 14 auftreffen. Wenn ein Primärelektronenstrahl 14 auf mehr als einen einzigen Pixel 12a auftrifft, so wird der Mittelpunkt der Pixel bestimmt, indem man zum Beispiel die mittlere Position nimmt, die durch die Signalhöhe der Pixel gewichtet ist. Möglich Abweichungen der Entfernungen D2 zwischen benachbarten Primärelektronenstrahlen von gewünschten Werten werden vorzugsweise auf einer Datenspeichervorrichtung dokumentiert. Sie werden auch als Eingabedaten für eine Kalibrierungskarte und/oder für die Erstellung der Betriebsparametersequenz verwendet, um Kompensierungsmaßnahmen einzubinden, um Artefakte der Struktur auf dem Siliziumwafer 20 zu vermeiden.
Vorzugsweise verlaufen die Richtungen der Primärelektronenstrahlen 14, die auf dem CCD 12 ankommen, innerhalb von 5° und vorzugsweise innerhalb von 1° parallel. Vorzugsweise ist die Oberseite des Siliziumwafers 20a koplanar zur Oberseite des CCD 12, dergestalt, dass die Oberseitenentfernung 26 um weniger als 100 μm und vorzugsweise um weniger als 10 μm über die Oberfläche 20a des Wafers 20 variiert. In diesem Fall sind die Entfernungen D2 zwischen benachbarten Primärelektronenstrahlen auf dem CCD 12 die gleichen wie die Entfernungen D1 auf der Oberseite des Siliziumwafers 20a. Wenn jedoch die Primärelektronenstrahlen 14 nicht parallel ankommen, so müssen weitere Korrekturen vorgenommen werden, um die Entfernungen D1 anhand der gemessenen Werte der Entfernungen D2 zu bestimmen. Die erforderlichen Schritte, die für die erforderli chen Korrekturen zu ergreifen sind, hängen jedoch von den Einzelheiten einer Anwendung ab und sind dem Fachmann bekannt.
In 2b ist eine Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 ähnlich der von 2a gezeigt. Der Hauptunterschied ist, dass die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 in 2b individuell fokussierende Komponenten 16b umfasst. Die individuell fokussierende Komponenten 16b ermöglichen eine individuelle Justierung der endgültigen Brennweiten 13 jedes Primärelektronenstrahls 14. Dies wiederum erlaubt es, die Primärelektronenstrahlen 14 individuell auf der Oberseite des Siliziumwafers 20a zu fokussieren. Auf diese Weise wird die räumliche Auflösung zum Strukturieren der Oberfläche des Siliziumwafers 20a verbessert.
Die individuell fokussierenden Komponenten 16b in 2a werden vorzugsweise als Gate-Elektroden 16b realisiert, die an vierte Spannungen 33 angeschlossen sind, die für jede Gate-Elektrode individuell eingestellt werden können. Mittels der vierten Spannungen 33 können die elektrischen Felder entlang des Pfades der Primärelektronenstrahlen individuell in einer Weise verändert werden, dass die endgültigen Brennweiten 13 jedes Primärelektronenstrahls in der einen oder der anderen Richtung variiert wird.
Vorzugsweise werden die Gate-Elektroden 16b auf der Feldemissionskathodenanordnung 5 integriert. Feldemissionskathodenanordnungen 5 mit integrierten Gate-Elektroden 16b sind zum Beispiel in US 5,977,719 beschrieben. Das Design einer Feldemissionskathodenanordnung 5 mit integrierten Gate-Elektroden erlaubt das individuelle Verbinden der Gate-Elektroden 16b mit vierten Spannungsquellen 33 in einer kompakten und zuverlässigen Weise. Mit solchen Vorrichtungen werden Primärelektronenstrahlen 14 auf Querschnitte an der endgültigen Fokusposition 10 fokussiert, die kleiner als 500 nm, vorzugsweise kleiner als 100 nm und besonders bevorzugt kleiner als 20 nm sind. Die Schärfentiefe solcher Strahlen liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 μm und 5 μm.
In 2c ist eine Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 wie in 2b gezeigt, mit dem Unterschied, dass die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 eine Steuereinheit 52 umfasst. Während der Kalibrierung liest die Steuereinheit 52 die Signale vom CCD 12, um die Primärelektronenstrahlströme, die Primärelektronenstrahlpositionen 11 auf dem CCD 12 und die endgültigen Brennweiten 13 zu bestimmen. Die Steuereinheit 52 verändert des Weiteren die erste, die zweite, die dritte, die vierte und die fünfte Spannung 30, 31, 32, 33 bzw. 34, um die Primärelektronenstrahlsströme auf gewünschte Primärelektronenstrahlströme, die endgültigen Brennweiten 13 auf die gewünschten endgültigen Brennweiten und die Primärelektronenstrahlpositionen 11 auf die gewünschten Primärelektronenstrahlpositionen zu justieren. Die gewünschten endgültigen Fokuspositionen liegen dadurch auf der Oberfläche des Siliziumwafers 20a, wenn er in den Primärelektronenstrahlen 14 angeordnet ist.
Nachdem die gewünschten Primärelektronenstrahlpositionen, die gewünschten Ströme und die gewünschten endgültigen Brennweiten der mehreren Primärelektronenstrahlen justiert worden sind, werden die entsprechenden Betriebsparameter der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1, insbesondere die erste, die zweite, die dritte, die vierte und die fünfte Spannung 30, 31, 32, 33 bzw. 34, aus den entsprechenden Spannungsversorgungen gelesen und zusammen mit den gewünschten Positionen, Strömen und endgültigen Brennweiten in eine elektronische Speichervorrichtung (zum Beispiel einen RAM) geschrieben. Die Daten, die in die elektronische Speichervorrichtung geschrieben werden, sind Teil einer Kalibrierungskarte, die verwendet wird, um eine Sequenz von Betriebsparametern zum Aufbringen einer ge wünschten Struktur auf die Oberfläche des Wafers 20 zu bestimmen.
3a und 3b zeigen eine weitere Ausführungsform einer Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 gemäß der Erfindung. In dieser Ausführungsform ist der Elektronensensor 12 beweglich. 3a zeigt die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 während der Kalibrierung, wobei der Elektronensensor 12 die Position des Wafers 20 während der Strukturierung eingenommen hat. Die Primärelektronenstrahlen 14 treffen auf den Elektronensensor auf und werden inspiziert, verändert oder justiert. Der Wafer 20 ist außerhalb des Weges der Primärelektronenstrahlen 14 angeordnet. 3b zeigt die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 im Strukturiermodus, wobei der Elektronensensor 12 entfernt wurde, damit die Primärelektronenstrahlen 14 auf die Oberfläche des Wafers 20a auftreffen können. Obgleich in 3a und 3b der nicht-transparente Probekörper 20 ein Halbleiterwafer ist, kann die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 auch auf andere nicht-transparente Probekörper anstelle von Wafern angewendet werden.
Die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 erzeugt Primärelektronenstrahlen 14 mittels der Feldemissionskathodenanordnung 5 mit Emitterspitzen 22 und Extraktionselektroden 24. Die Primärelektronenstrahlen 14 können des Weiteren mittels individuell fokussierenden Komponenten 16b individuell fokussiert werden, die in dieser Ausführungsform Gate-Elektroden sind, die auf der Feldemissionskathodenanordnung 5 integriert sind. Die Gate-Elektroden 16b erzeugen endgültige Fokusse mit Brennweiten 13 und endgültigen Fokuspositionen 10.
Im Kalibriermodus ist der Wafer 20 außerhalb des Weges der Primärelektronenstrahlen angeordnet, während die Entfernung DS zwischen einem Schrittmotor 40 und dem Elektronensensor 12 vergrößert wird, damit der Elektronensensor 12 an die Stelle des Wafers 20 in der Waferposition tritt. Vorzugsweise wird die Entfernung DS auf ein solches Maß vergrößert, dass die Ebene der Segmente 12a des Elektronensensors 12 mit der Ebene übereinstimmt, welche die Oberseite des Wafers 20a während des Strukturierens des Wafers 20 einnimmt. Auf diese Weise sind die Positionen der Primärelektronenstrahlen 14, die auf dem Elektronensensor 12 gemessen werden, mit den Primärelektronenstrahlpositionen 11 auf dem Wafer 20 während des Strukturierens des Wafers 20 praktisch identisch. In der Kalibrierungsposition weicht die Ebene der Segmente des Elektronensensors 12a vertikal um weniger als vorzugsweise 100 μm und besonders bevorzugt um weniger als 10 μm oder gar weniger als 2 μm von der Ebene der Oberseite des Wafers 20a ab, wenn er in der Strukturierungsposition wäre, d. h. die Oberseitenentfernung 26 ist vorzugsweise kleiner als 100 μm und besonders bevorzugt kleiner als 10 μm.
Die direkte Übertragung der Positionsmessungen, die mit dem Elektronensensor 12 vorgenommen werden, auf die Positionen auf der Oberfläche des Wafers 20a macht das Positionsmessverfahren weniger kompliziert und verringert die Positionsmessfehler. Außerdem kann das Vorhandensein des Elektronensensors 12 an der Position, wo sich der Wafer während des Strukturierens befindet, genutzt werden, um die Elektronenstrahlpositionsfehler infolge elektrischer Verzerrungen, die durch das Fehlen des Wafers 20 während der Kalibrierung verursacht werden, zu verringern. Außerdem wird die Justierung der endgültigen Brennweiten 13 für eine höchstmögliche räumliche Auflösung zum Strukturieren des Wafers 20 auf das Problem reduziert, die kleinsten Querschnitte der Primärelektronenstrahlen 14 auf dem Elektronensensor 12 zu finden.
Sobald die Kalibrierung beendet ist, wird der Elektronensensor 12 aus seiner Position fortbewegt, damit der Wafer 20 in den Primärelektronenstrahlen 14 an der Position angeordnet werden kann, wo sich der Elektronensensor 12 während der Kalibrierung befand (3b). Vorzugsweise wird der Elektronensensor 12 aus seiner Kalibrierungsposition entfernt, indem die Entfernung DS zwischen dem Elektronensensor 12 und dem Schrittmotor 40 verringert wird. Auf diese Weise muss der Elektronensensor 12 um eine Entfernung von nur wenig mehr als der Dicke des Wafers 20 bewegt werden. Eine kurze Entfernung zum Entfernen des Elektronensensors 12 ist bevorzugt, um die Präzision und Reproduzierbarkeit der Positionierung des Elektronensensors 12 zu verbessern, wenn er zwischen Kalibrierungsposition und Strukturierungsposition vor und zurück bewegt wird.
Wie oben angesprochen, muss die Anordnung des Wafers 20 in den Primärelektronenstrahlen 14 zum Strukturieren präzise erfolgen, um die Ungewissheit der Oberseitenentfernung 26 zu minimieren. In 3b wird die Präzision durch die Aufspannvorrichtung 21 erreicht, die den Wafer 20 hält und die mit dem Wafer 20 während der Kalibrierung nach außerhalb des Weges der Primärelektronenstrahlen 14 bewegt wird. Vorzugsweise stützt die Aufspannvorrichtung 21 den Wafer 20 auch auf der Rückseite des Wafers 20, um zu vermeiden, dass sich der Wafer 20 unter seinem eigenen Gewicht durchbiegt.
4a und 4b zeigen nun eine weitere Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform können die Kalibrierung und die Strukturierung des Wafers 20 ausgeführt werden, ohne den nicht-transparenten Probekörper 20 und den Elektronensensor 12 bewegen zu müssen, wenn aus dem Kalibriermodus in den Strukturiermodus oder umgekehrt gewechselt wird. Stattdessen lenkt, um eine Kalibrierung zu beginnen, ein global ablenkender Deflektor 19 die Primärelektronenstrahlen 14 aus der Region des nicht-transparenten Probekörpers 20 heraus in die Region des Elektronensensors 12. Weder den nicht-transparenten Probekörper 20 noch den Elektronensensor 12 zwischen Kalibrie rung und Strukturierung bewegen zu müssen, ist vorteilhaft, weil Positionsfehler infolge mechanischer Bewegungen des nicht-transparenten Probekörpers 20 oder des Elektronensensors 12 beseitigt werden. Außerdem dauert das Umschalten zwischen Kalibriermodus und Strukturiermodus nur eine kurze Zeit, da nur das Ablenkfeld des global ablenkenden Deflektors 19 verändert werden muss. Ein schnelles Umschalten zwischen Kalibrier- und Strukturiermodus erlaubt das kurzfristige Überprüfen der Funktionalität der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 und das kurzfristige Inspizieren der Primärelektronenstrahlen 14, wodurch die Gesamtleistung der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung verbessert wird.
In 4a wird die Stärke des Ablenkfeldes des global ablenkenden Deflektors 19 von einem spezifizierten niedrigen Pegel auf einen spezifizierten hohen Pegel erhöht, um die Primärelektronenstrahlen 14 von dem Wafer 20 fort in die Region des Elektronensensors 12 abzulenken. In dieser Position können die endgültigen Fokuspositionen 10, die endgültigen Brennweiten 13 und die Ströme jedes Primärelektronenstrahls 14 in der oben beschriebenen Weise gemessen werden. Da Stärke und Richtung des Hochpegel-Ablenkfeldes bekannt sind, können die Messungen der endgültigen Fokuspositionen 10 und der endgültigen Brennweiten 13 der Primärelektronenstrahlen 12 mittels des Elektronensensors 12 verwendet werden, um die endgültigen Fokuspositionen 10 und die endgültigen Brennweiten 13 der Primärelektronenstrahlen zu bestimmen, wenn das Ablenkfeld von dem spezifizierten hohen Pegel zu dem spezifizierten niedrigen Pegel zurück umgeschaltet wird. Auf diese Weise können die endgültigen Fokuspositionen 10 und die endgültigen Brennweiten 13 der Primärelektronenstrahlen 14 inspiziert und justiert werden.
4b zeigt dieselbe Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1, wobei das Ablenkfeld auf den spezifizierten niedrigen Pegel abgesenkt ist. Bei einem Niedrigpegel- Ablenkfeld treffen die Primärelektronenstrahlen 14 auf den Wafer 20 auf, um seine Oberseite 20a zu strukturieren. Um die Primärelektronenstrahlen 14 über eine Region der Oberseite des nicht-transparenten Probekörpers 20a zu scannen, wird entweder der Wafer 20 horizontal bewegt, oder des Ablenkfeld des global ablenkenden Deflektors 19 wird innerhalb eines niedrigen Pegels variiert.
Vorzugsweise ist die vertikale Entfernung zwischen dem Elektronensensor 12 und dem Wafer 20 so klein wie möglich, damit sowohl die Segmente des Elektronensensors 12a als auch die Oberseite des Wafers 20a mit hoher räumlicher Auflösung mit ähnlichen endgültigen Brennweiten gescannt werden können. Andererseits ist die vertikale Entfernung vorzugsweise groß genug, damit der Wafer 20 unter dem Elektronensensor bewegt werden kann, ohne seine vertikale Entfernung zur Feldemissionskathodenanordnung 5 zu verändern. Vorzugsweise ist die vertikale Entfernung zwischen dem Elektronensensor 12 und dem Wafer 20 kleiner als 5000 μm und besonders bevorzugt kleiner als 1000 μm.
5a und b zeigen in größerem Detail fokussierte Primärelektronenstrahlen 14, die auf den Elektronensensor 12 auftreffen, der in dieser Ausführungsform ein CCD 12 mit Pixeln 12a ist. Die endgültigen Fokuspositionen 10 der endgültigen Fokusse 17 können mittels der individuell fokussierenden Komponenten 16b individuell justiert werden. Der nicht-transparente Probekörper 20 ist vorzugsweise ein Halbleiterwafer. 5a und 5b zeigen die Situation im Kalibriermodus, d. h. der Wafer 20 ist außerhalb des Weges der Primärelektronenstrahlen 14 angeordnet, damit die Primärelektronenstrahlen 14 auf den Elektronensensor auftreffen können. Stattdessen ist nur eine Linie gezogen, um anzudeuten, wo die Oberfläche des Wafers 20a verläuft, wenn der Wafer zum Strukturieren in den Primärelektronenstrahlen angeordnet wird. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist die Oberfläche des Siliziumwafers 20a innerhalb von 3° und vorzugsweise innerhalb von 1° mit dem Elektronensensor koplanar, was impliziert, dass auch die Linie 20a parallel zu der Ebene der Segmente 12a des Elektronensensors verläuft.
Vorzugsweise verlaufen die Primärelektronenstrahlen 14 in Richtungen im Wesentlichen parallel zueinander, mit Winkeln kleiner als 10° und vorzugsweise kleiner als 3°. Darum ist – innerhalb der Grenzen der Parallelität – die Entfernung D2 zwischen benachbarten Primärelektronenstrahlen gemäß Messung am Elektronensensor 12 gleich den Entfernungen D1 auf der Oberfläche des Siliziumwafers 20a.
In dieser Ausführungsform ist der Elektronensensor 12 fest in der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 eingespannt, d. h. der Elektronensensor 12 bewegt sich weder vor noch zurück, wenn aus dem Kalibriermodus in den Strukturiermodus gewechselt wird, wodurch eine höhere Reproduzierbarkeit für Positionsmessungen der Primärelektronenstrahlen 14 im Lauf der Zeit erreicht wird. Außerdem ist die Anforderung an eine hohe Segmentierung weniger streng, weil, wenn der Elektronensensor 12 außerhalb der Ebene mit gewünschten endgültigen Fokuspositionen angeordnet ist, die Querschnitte der Primärelektronenstrahlen auf dem Elektronensensor 12 größer sind als auf der Oberfläche des Wafers 20a.
Um die höchstmögliche räumliche Auflösung zum Strukturieren des Wafers 20 zu erreichen, werden die endgültigen Brennweiten 13 der Primärelektronenstrahlen 14 vorzugsweise in einer Weise justiert, dass sich die endgültigen Fokuspositionen 10 auf der Linie 20a befinden. Wie aus 5a zu ersehen ist, führen die unterschiedlichen endgültigen Brennweiten 13 der drei Primärelektronenstrahlen 14 zu unterschiedlichen Querschnitten D3 der Primärelektronenstrahlen 14 auf dem Elektronensensor 12. Die Anzahl der Segmente 12a des Elektronensensors (d. h. die Anzahl der Pixel eines CCD 12), auf die ein Primärelektronenstrahl 14 auftrifft, ist darum ein relatives Maß, um wie viel eine endgültige Brennweite 13 von einer gewünschten endgültigen Brennweite abweicht. Das Messen der Anzahl der Pixel, auf die ein Primärelektronenstrahl 14 auftrifft, erlaubt darum das Justieren der endgültigen Brennweite 13 auf eine gewünschte endgültige Brennweite 13.
Die Primärelektronenstrahlpositionen 11, welche die Positionen des Primärelektronenstrahls an der Linie 20a sind, werden durch Berechnen der Mitte der gemessenen Querschnitte D3 auf dem Elektronensensor 12 bestimmt. Vorzugsweise sind die Primärelektronenstrahlpositionen 11 dergestalt, dass die Entfernungen zwischen benachbarten Primärelektronenstrahlen an den gewünschten endgültigen Fokuspositionen D1 gleich sind. Gleiche Entfernungen zwischen benachbarten Primärelektronenstrahlen D1 machen es einfacher, die vielen Primärelektronenstrahlen 14 gleichzeitig über der Oberfläche 20a der Wafers zu scannen, um die Oberfläche des Wafers 20a mit einer gewünschten Struktur zu versehen.
Für viele Anwendungen jedoch ist die räumliche Auflösung der segmentierten Elektronensensoren 12, wie CCDs, zu niedrig, um die Entfernungen D1 zwischen benachbarten Primärelektronenstrahlen und die endgültigen Fokuspositionen 11 mit der erforderlichen Präzision zu bestimmen. Zum Beispiel gibt es Feldemissionskathodenanordnungen 5 mit einem Abstand zwischen ihren Feldemissionskathoden 3 von weniger als 10 μm. Mehrfachelemtronenstrahlvorrichtungen mit solchen Feldemissionskathodenanordnungen müssen oft die Primärelektronenstrahlpositionen 11 mit einer Präzision von besser als 1 μm bestimmen. Jedoch sind Pixel von CCDs kaum kleiner als 4 μm und könnten die Primärelektronenstrahlpositionen 11 nicht mit solcher Präzision auflösen. Außerdem wäre die Präzision des Messens der Querschnitte der Priärelektronenstrahlen 14 mit einem CCD 12 mit einem Abstand von 4 μm, wie er durch die Pixelgröße gegeben ist, niedrig, wodurch es schwierig wird, die endgültigen Brennweiten 13 der Primärelektronenstrahlen 14 zu bestimmen.
5b zeigt einen Aufbau zum Erfüllen hoher Präzisionsstandards für die räumliche Auflösung der Primärelektronenstrahlspositionen 11. In 5b ist eine Vergrößerungslinse 50 zwischen der Ebene, welche die Oberfläche des Wafers 20a während des Strukturierens darstellt, und dem Elektronensensor 12, der wieder ein CCD ist, angeordnet. Die Vergrößerungslinse kann eine elektrische Linse, eine magnetische Linse oder eine Kombination aus beiden sein. Die Vergrößerungslinse 50 projiziert die seitlichen Entfernungen D1 von benachbarten Primärelektronenstrahlen an den endgültigen Fokuspositionen 10 auf die größeren Entfernungen D2 auf der Ebene des CCD 12. Die Vergrößerung ist durch das Verhältnis D2/D1 gegeben. Dieses Verhältnis kann durch Ändern der Brennweite FL der Vergrößerungslinse oder Ändern der Entfernung zwischen der Vergrößerungslinse 50 und dem CCD 12 justiert werden. Die Vergrößerung der Vergrößerungslinse 50 ist vorzugsweise größer, und besonders bevorzugt viermal größer, als das Verhältnis des Abstands der Pixel des CCD 12 und des Abstands benachbarter Feldemissionskathoden 3 der Feldemissionskathodenanordnung 5. Auf diese Weise ist es möglich, Primärelektronenstrahlen 14 auf dem CCD 12 zu trennen und die endgültigen Fokuspositionen 11 und die endgültigen Brennweiten 13 mit hoher Auflösung zu bestimmen.
6a beschreibt schematisch ein Kalibrierungsverfahren für eine Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung, wie sie in 6b gezeigt ist. Die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 von 6b ähnelt der von 3b. Die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 umfasst eine Feldemissionskathodenanordnung 5 mit N Feldemissionskathoden 3. Jede Feldemissionskathode 3 umfasst eine Emitterspitze 2, eine Extraktionselektrode 24 und eine Gate-Elektrode 16b zum individuellen Fokussieren des entsprechenden Primärelektronenstrahls 14. Vorzugsweise ist die Feldemissionskathodenanordnung 5 ein hoch-integrierter Baustein mit mehr als N = 100, vorzugsweise mehr als N = 1000 und besonders bevorzugt mehr als N = 100.000 Feldemissionskathoden 5. Die Entfernung zwischen benachbarten Feldemissionskathoden 5 ist vorzugsweise weniger als 1000 μm und besonders bevorzugt weniger als 100 μm. Die Feldemissionskathoden 5 sind so konfiguriert, dass sie Primärelektronenstrahlen 14 mit Strömen im Bereich zwischen 100 pA und 100 nA und vorzugsweise zwischen 1 nA und 10 nA aussenden. Die Primärelektronenstrahlen 14 werden durch die Gate-Elektroden 16b auf Fokusse mit einem Querschnitt von weniger als 1000 nm und vorzugsweise weniger als 100 nm an der endgültigen Fokusposition 10 fokussiert.
Vorzugsweise ist der Elektronensensor 12 ein CCD mit einem Abstand zwischen benachbarten Pixeln von jeweils weniger als 10 μm. Das CCD 12 ist hinter der Ebene angeordnet, wo sich während des Strukturierens die Oberseite 20a des Wafers 20 befindet. Außerdem ist eine Vergrößerungslinse 50 vor dem CCD 12 angeordnet. Die Vergrößerungslinse 50 ist von dem in 5b gezeigten Typ. Sie ist dafür konfiguriert, die seitlichen Entfernungen D1 zwischen benachbarten Primärelektronenstrahlen zu vergrößern. Der Vergrößerungsfaktor ist so gewählt, dass der Querschnitt eines Primärelektronenstrahls 14 auf dem CCD 12 mindestens 4 Pixel im Durchmesser abdeckt, wenn der Primärelektronenstrahl 14 korrekt auf der Ebene der Oberfläche 20a des Wafers 20 fokussiert ist. Die Vergrößerung ist erforderlich, um die endgültigen Brennweiten 13 der Primärelektronenstrahlen mit ausreichender Auflösung zu messen.
Die Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1 umfasst des Weiteren einen global ablenkenden Deflektor 19, der dafür konfiguriert ist, die Primärelektronenstrahlen 14 gleichzeitig um den gleichen Ablenkwinkel abzulenken. Der global ablenkende Deflektor 19 dient zum Scannen der Primärelektronenstrahlen 14 über der Oberfläche 20a des Wafers 20 zum Strukturieren der Waferoberfläche 20a nach der Kalibrierung.
Die Kalibrierung von dem in 6a gezeigten Typ vollzieht sich folgendermaßen: In einem ersten Schritt werden N Primärelektronenstrahlen 14 erzeugt und auf das CCD 12 gerichtet. Da der Wafer 20 während der Kalibrierung außerhalb des Weges der Primärelektronenstrahlen 14 angeordnet ist, verlaufen die Primärelektronenstrahlen 14 durch die Vergrößerungslinse 50 hindurch, um auf dem CCD 12 an anfänglichen Primärelektronenstrahlpositionen mit anfänglichen endgültigen Brennweiten und Strömen aufzutreffen.
In einem zweiten Schritt werden die Ströme der N Primärelektronenstrahlen individuell und parallel durch das CCD 12 gemessen. Verfahren zum Messen von Elektronenstrahlströmen mit einem CCD sind dem Fachmann vertraut. Sie gründen auch auf das Messen der Ionisierung je Zeitintervall, die durch jeden Primärelektronenstrahl 14 in den Pixeln 12a, auf die sie auftreffen, hervorgerufen wird.
Die gemessenen Primärelektronenstrahlströme werden individuell mit gewünschten Primärelektronenstrahlstromwerten verglichen und erforderlichenfalls justiert. Die Justierung der N Primärelektronenstrahlströme erfolgt durch Ändern der Spannungen der entsprechenden N Extraktionselektroden 24, bis die gewünschten Stromwerte erreicht sind. Zum Beispiel wird der Primärelektronenstrahlstrom einer Feldemissionskathode 3 erhöht, indem die Spannung zwischen der entsprechenden Emitterspitze 22 und der Extraktionselektrode 24 erhöht wird, und wird gesenkt, indem die gleiche Spannung verringert wird.
Nachdem die gewünschten Stromwerte der N Primärelektronenstrahlen justiert wurden, werden die Betriebspa rameter, die diese Ströme erzeugen, insbesondere die Spannungen der Emitterspitze 22 und der Extraktionselektrode 24 jeder Feldemissionskathode 3, in eine elektronische Speichervorrichtung geschrieben. Die Daten sind Teil einer Kalibrierungskarte, welche die Stromwerte der Primärelektronenstrahlen 14 zu den Betriebsparametern der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1, welche die gemessenen Stromwerte erzeugen, in Beziehung setzt. Die Kalibrierungskarte wird auf einer späteren Stufe zum Erzeugen von Primärelektronenstrahlen mit den gewünschten Stromwerten verwendet, um eine Waferoberfläche 20a zu strukturieren, ohne sie überwachen zu müssen.
In einem dritten Schritt werden die endgültigen Brennweiten 13 der N Primärelektronenstrahlen 14 gemessen. Die Messungen erfolgen mit den Betriebsparametern der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1, welche die gewünschten Primärelektronenstrahlströme erzeugten. Die endgültige Brennweite 13 eines Primärelektronenstrahls 14 wird durch die Entfernung zwischen der fokussierenden Gate-Elektrode 16b und der endgültigen Fokusposition 10 bestimmt. Die Messung der endgültigen Brennweiten 13 erfolgt durch Messen des Querschnitts der Primärelektronenstrahlen auf dem CCD 12, d. h. durch Zählen der Pixel 12a, auf die ein Primärelektronenstrahl 14 auf dem Elektronensensor 12 auftrifft. Die Relation zwischen der Anzahl der Pixel 12a, auf die ein Primärelektronenstrahl 14 auftrifft, und der entsprechenden endgültigen Fokuspositionen 10 ergibt sich aus einfachen geometrischen Überlegungen, wie sie in der Beschreibung von 5b erläutert werden.
Nachdem die endgültigen Brennweiten 13 gemessen wurden, werden ihre Werte individuell mit den gewünschten endgültigen Brennweiten verglichen und erforderlichenfalls justiert. Die Justierung der N endgültigen Brennweiten 13 erfolgt durch Ändern der Spannungen der entsprechenden N fokussierenden Gate-Elektroden 24, bis die gewünschten endgültigen Brennweiten 13 erzeugt wurden.
Mach der Justierung der N endgültigen Brennweiten 13 werden die Betriebsparameter, die diese endgültigen Brennweiten 13 erzeugen, insbesondere die Spannungen der fokussierenden Gate-Elektroden 16b, in die elektronische Speichervorrichtung geschrieben. Auch hier sind die Daten Teil einer Kalibrierungskarte, welche die erdgültigen Brennweiten 13 der Primärelektronenstrahlen 14 zu den Betriebsparametern der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1, welche die gemessen endgültigen Brennweiten erzeugen, in Beziehung setzt. Die Kalibrierungskarte wird auf einer späteren Stufe zum Erzeugen von Primärelektronenstrahlen mit den gewünschten endgültigen Brennweiten 13 verwendet, um eine Waferoberfläche 20a zu strukturieren, ohne sie überwachen zu müssen.
In einem vierten Schritt werden die N Primärelektronenstrahlpositionen auf dem CCD 12 gemessen. Die Messung erfolgt vorzugsweise mit den Betriebsparametern der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1, welche die gewünschten Primärelektronenstrahlströme und die gewünschten endgültigen Brennweiten 13 erzeugten. Die Messungen der N Positionen der Primärelektronenstrahlen 14 auf dem CCD 12 kann verwendet werden, um die Primärelektronenstrahlpositionen 11 auf der Oberfläche 20a des Wafers zu bestimmen, da die Oberseitenentfernung 26, d. h. die Entfernung zwischen dem CCD 12 und der Oberseite des Wafers 20a während der Strukturieren, bekannt ist. Nach dem Messen der N Positionen der Primärelektronenstrahlen 14 auf dem CCD 12 werden ihre Koordinaten (oder äquivalente Parameter, welche die Positionen der Primärelektronenstrahlen 14 auf dem CCD oder der Waferoberfläche 20a beschreiben) in die elektronische Speichervorrichtung geschrieben. Auch hier sind die Daten Teil einer Kalibrierungskarte, welche die Primärelektronenstrahlpositionen 11 der Primärelektronenstrahlen 14 zu den Betriebsparametern der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung 1, welche die gemessenen Positionswerte erzeugen, in Beziehung setzt. Die Kalibrierungskarte wird auf einer späteren Stufe zum Erzeugen der Primärelektronenstrahlen mit den gewünschten Primärelektronenstrahlpositionen 11 verwendet, um eine Waferoberfläche 20a zu strukturieren, ohne sie überwachen zu müssen.
In der Ausführungsform der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung, die in 6b gezeigt ist, ist es nicht möglich, die Primärelektronenstrahlspositionen individuell auf gewünschte Positionen zu justieren. Die Anordnung von Primärelektronenstrahlpositionen auf dem CCD 12 (oder auf der des Waferoberfläche 20a, wenn sie in den Primärelektronenstrahlen 14 angeordnet ist) kann von einer regelmäßig verteilten Anordnung mit gleichen Entfernungen zwischen benachbarten Primärelektronenstrahlen 14 abweichen. Jedoch hilft die Kenntnis der Abweichungen, solche Abweichungen zu kompensieren, wenn die Primärelektronenstrahlen 14 mittels eines global ablenkenden Deflektors über die Oberfläche eines Wafers 20a gescannt werden.
Es gibt noch viele weitere Verfahrensweisen, die zum Kalibrieren von Mehrfachelektronenstrahlvorrichtungen gemäß der Erfindung möglich sind. Das Kalibrierungsverfahren richtet sich nach der Art der Mehrfachelektronenstrahlvorrichtung, nach der benötigten Präzision und nach der Anwendung, für die die Kalibrierung ausgeführt wird.

Claims

Eine Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung (1) zum Prüfen oder Strukturieren einer nicht-transparenten Probe (20) mit fokussierten Primär-Elektronenstrahlen (14) mit: einem Array von Elektronenstrahlquellen (3) zum Erzeugen mehrerer Primär-Elektronenstrahlen (14); einem Elektronen-Sensor (12) mit Elektronen-Sensor-Segmenten (12a) zum Detektieren von Elektronen der Primär-Elektronenstrahlen (14); mindestens einer Anode (7) zum Lenken der Primär-Elektronenstrahlen (14) hin zum Elektronen-Sensor (12); Fokussierungs-Komponenten (16a, 16b), die finale Foki (17) mit finalen Fokuslängen (13) erzeugen.
Die Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung gemäß Anspruch 1, umfassend individuell fokussierende Komponenten (16b) zum individuellen Steuern der finalen Fokuslängen (13) der Primär-Elektronenstrahlen (14).
Die Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 oder 2, umfassend eine Haltestruktur (21), um die nicht-transparente Probe (20) in die Primär-Elektronenstrahlen zu platzieren (14).
Die Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 oder 3, umfassend mindestens einen Sekundärdetektor, um die Sekundärpartikel zu detektieren, die durch die Primär-Elektronenstrahlen an der oberen Oberfläche der nicht-transparenten Probe (20a) erzeugt werden.
Die Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend eine Steuereinheit (52), um elektronische Signale von den Elektronen-Sensor-Segmenten (12a) zu lesen.
Die Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Steuereinheit (52) feststellt, welche Elektronen-Sensor-Segmente (12a) durch einen Primär-Elektronenstrahl (14) getroffen werden.
Die Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei die Steuereinheit (52) die Anzahl der Elektronen-Sensor-Segmente (12a) zählt, die durch einen Primär-Elektronenstrahl (14) getroffen sind.
Die Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Steuereinheit (52) den Elektronenstrahl-Strom eines Primär-Elektronenstrahls (14) aus den elektronischen Signalen der Elektronen-Sensor-Segmente (12a) ermittelt.
Die Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Steuereinheit (52) die elektrischen Felder oder die Magnetfelder der Fokussierungs-Komponenten (16a, 16b) und/oder die mindestens eine Anode (7) steuert, um die Positionen der Primär-Elektronenstrahlen (11) auf gewünschte Positionen der Primär-Elektronenstrahlen anzupassen.
Die Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Steuereinheit (52) die elektrischen Felder oder die Magnetfelder der individuell fokussierenden Komponenten steuert, um die finalen Fokuslängen (13) der Primär-Elektronenstrahlen (14) auf gewünschte finale Fokuslängen individuell anzupassen.
Die Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 5 bis 10, wobei die Steuereinheit (52) Ströme der einzelnen Primär-Elektronenstrahlen (14) auf gewünschte Ströme anpasst.
Die Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Array von Elektronenstrahlquellen (3) ein Feldemissions-Kathoden-Array (5) ist und vorzugsweise ein Feldemissions-Kathoden-Array (5) ist, das auf einem Halbleitersubstrat integriert ist.
Die Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei die individuell fokussierenden Komponenten (16b) auf das Array von Feldemissions-Kathoden (5) integriert sind.
Die Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Elektronen-Sensor (12) direkt mit der Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung (1) verbunden ist.
Die Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend eine Vergrößerungslinse (50), die zwischen den Elektronen-Sensor (12) und den Fokussierungs-Komponenten (16a, 16b) positioniert ist, die die finalen Foki (17) erzeugen.
Die Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung gemäß Anspruch 15, wobei die Vergrößerungslinse (50) ein Teil eines Elektronenstrahl-optischen Systems ist, das die lateralen Abstände D1 zwischen benachbarten Primär-Elektronenstrahlen (14) um einen Faktor vergrößert, der größer als das Verhältnis des Pitches der Segmente (12a) des Elektronen-Sensors (12) zum Pitch der benachbarten Elektronenstrahlquellen (3) ist.
Die Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Elektronen-Sensor (12) ein Halbleiter-Sensor, vorzugsweise ein CCD-Sensor (Charged Coupled Device) oder ein APS-Sensor (aktiver Pixel-Sensor) ist.
Die Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung (1) ein Raster-Elektronen-Mikroskop (SEM) bzw. ein SEM-Detektor oder ein Elektronen-Pattern-Generator ist.
Eine Methode zum Inspizieren von mehreren Primär-Elektronenstrahlen (14), die durch ein Feldemmissions-Kathoden-Array (5) einer Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung (1) erzeugt werden, mit den Schritten: Versehen einer Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung (1) mit einem Feldemmissions-Kathoden-Array (5); Erzeugen der mehreren Primär-Elektronenstrahlen (14) mittels des Feldemmissions-Kathoden-Arrays (5); Lenken der mehreren Primär-Elektronenstrahlen (14) hin zu einem Elektronen-Sensor (12) mit Elektronen-Sensor-Segmenten (12a); und Messen von Positionen der mehreren Primär-Elektronenstrahlen (14) auf dem Elektronen-Sensor (12) durch Bestimmen von Positionen der Elektronen-Sensor-Segmente (12a), die durch die mehreren Primär-Elektronenstrahlen (14) getroffen werden.
Eine Methode zum Kalibrieren einer Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung (1) zum Prüfen oder Strukturieren einer nicht-transparenten Probe (20) mit den Schritten: Versehen einer Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung (1) mit einem Elektronenstrahlquellen-Array (3); Erzeugen mehrerer Primär-Elektronenstrahlen (14) mittels der Elektronenstrahlquellen (3); Lenken der mehreren Primär-Elektronenstrahlen (14) hin zu einem Elektronen-Sensor (12) mit Elektronen-Sensor-Segmenten (12a); Messen von Positionen der mehreren Primär-Elektronenstrahlen (14) auf dem Elektronen-Sensor (12) durch Bestimmen von Positionen der Elektronen-Sensor-Segmente (12a), die durch die mehreren Primär-Elektronenstrahlen (14) getroffen werden; und Erzeugen einer Kalibrierung-Zuordnung, welche die gemessenen Positionen der mehreren Primär-Elektronenstrahlen (14) auf dem Elektronen-Sensor (12) mit Operations-Parametern der Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung (1) verknüpft, durch die die Primär-Elektronenstrahlen (14) auf besagte gemessene Positionen auf dem Elektronen-Sensor (12) gelenkt werden.
Die Methode gemäß Anspruch 19 oder 20, wobei die mehreren Primär-Elektronenstrahlen (14) mittels elektrischer oder magnetischer Fokussierungsfelder auf finale Foki (17) fokussiert werden.
Die Methode gemäß Anspruch 21, wobei die finalen Fokuslängen (13) der finalen Foki (17) festgestellt werden, indem die Zahl Segmenten (12a) gezählt wird, die durch die Primär-Elektronenstrahlen (14) getroffen werden.
Die Methode gemäß irgendeinem der Ansprüche 21 bis 22, wobei die finalen Fokuslängen (13) der Primär-Elektronenstrahlen (14) auf gewünschte finale Fokuslängen mittels der elektrischen oder magnetischen Fokussierungsfelder angepasst werden.
Eine Methode zum Anpassen der finalen Fokuslängen (13) von fokussierten mehreren Primär-Elektronenstrahlen (14) auf gewünschte finale Fokuslängen mit den Schritten: Versehen einer Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung (1) mit einem Array von Elektronenstrahlquellen (3); Erzeugen mehrerer Primär-Elektronenstrahlen (14) mittels der Elektronenstrahlquellen (3); Lenken der Primär-Elektronenstrahlen (14) hin zu einem Elektronen-Sensor (12) mit Elektronen-Sensor-Segmenten (12a); Fokussieren der Primär-Elektronenstrahlen (14) mittels der elektrischen oder magnetischen Fokussierfelder; Bestimmen, für jeden Primär-Elektronenstrahl (14), einer Anzahl von Segmenten (12a), die durch den gemäßen Primär-Elektronenstrahl (14) getroffen werden; und Anpassen, für jeden Primär-Elektronenstrahl (14), der finalen Fokuslänge (13) an eine gewünschte finale Fokuslänge, indem die elektrischen oder magnetischen Fokussierungsfelder geändert werden, bis eine gewünschte Anzahl von Segmenten durch den entsprechenden Primär-Elektronenstrahl (14) getroffen wird.
Die Methode gemäß irgendeinem der Ansprüche 19 bis 24, wobei die Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung (1) eine Mehrfach-Elektronenstrahl-Vorrichtung (1) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 20 ist.
Die Methode gemäß irgendeinem der Ansprüche 21 bis 25, wobei die elektrischen oder magnetischen Fokussierungsfelder durch individuell fokussierende Komponenten bzw. durch individuelle Fokussierungs-Komponenten erzeugt werden.
Die Methode gemäß irgendeinem der Ansprüche 19 bis 26, wobei die lateralen Abstände zwischen benachbarten Primär-Elektronenstrahlen (14), D1, durch mindestens eine Vergrößerungslinse (50) vergrößert werden.
Die Methode gemäß irgendeinem der Ansprüche 19 bis 27, wobei die Oberfläche der Elektronen-Sensor-Segmente (12a) hin zur oberen Oberfläche einer nicht-transparenten Probe (20a) bewegbar ist.
Die Methode gemäß irgendeinem der Ansprüche 19 bis 28, wobei Daten, die Informationen von durch den Elektronen-Sensor (12) gelesenen Daten enthalten, auf eine Datenspeichervorrichtung geschrieben werden.
Die Methode gemäß irgendeinem der Ansprüche 19 bis 29, wobei die Ströme der Primär-Elektronenstrahlen (14) mittels des Elektronen-Sensors (12) gemessen werden.
Die Methode gemäß Anspruch 30, wobei für jeden Primär-Elektronenstrahl (14) der Strom des Primär-Elektronenstrahls (14) auf einen gewünschten Stromwert angepasst wird.