Анализатор энергий отраженных электронов для растрового электронного микроскопа

 

Использование: изобретение относится к растровой электронной микроскопии (РЭМ) и предназначено для получения изображений отдельных тонких глубинных слоев исследуемого объекта в режиме регистрации отраженных электронов (ОЭ). Целью изобретения является создание компактного и практичного анализатора энергий ООЭ, располагаемого в непосредственной близости от первичного пучка РЭМ и использующего при своей работе относительно низкие анализирующие напряжения и пригодного таким образом для визуализации отдельных глубинных слоев исследуемого объекта для целей неразрушающей диагностики и тестирования. Сущность изобретения: цель достигается тем, что в анализаторе, содержащем экранирующий корпус, снабженный входной и выходной диафрагмами, и размещенную внутри него аксиально-симметричную систему из двух электродов, один из которых заземлен, а другой подсоединен к источнику высокого напряжения, внутренний заземленный электрод представляет собой соосную с электронным зондом растрового элекронного микроскопа усеченную конусообразную сужающуюся к исследуемому объекту фигуру вращения с вогнутой боковой поверхностью, по оси которой выполнено сквозное отверстие для прохождения электронного зонда, внешний электрод, подсоединенный к источнику высокого напряжения, представляет собой соосный с электронным зондом цилиндр, по оси которого выполнено отверстие, имеющее форму усеченной конусообразной сужающейся к исследуемому объекту фигуры вращения с вогнутой к оси боковой поверхностью, таким образом, внешняя поверхность внутреннего электрода и внутренняя поверхность внешнего образуют канал, обеспечивающий фокусировку приосевой части потока отраженных электронов в соосное с электронным зондом кольцо, расположенное на противоположной по отношению к объекту поверхности корпуса анализатора, при этом входная и выходная диафрагмы выполнены в виде щелей кольцевой формы. 1 ил.

Изобретение относится к растровой электронной микроскопии (РЭМ) и предназначено для получения изображений отдельных тонких глубинных слоев исследуемого объекта в режиме регистрации отраженных электронов (ОЭ).

Известно [1] что получение послойных изображений внутренней структуры может быть весьма важным для целей неразрушающей диагностики и контроля объектов, имеющих преимущественно слоистое строение: интегральных микросхем и других изделий микро- и наноэлектроники.

Существующие в настоящее время стандартные детектирующие поток ОЭ системы не обладают способностью визуализировать отдельные глубинные слои исследуемого объекта, а дают усредненное изображение всех слоев одновременно.

Теоретические расчеты показали, что для того, чтобы визуализировать отдельные глубинные слои исследуемого объекта достаточно специальным образом отселектировать поток ОЭ по направлениям вылета и остаточным энергиям, а именно: 1) необходимо выбирать только не ОЭ, которые вылетают из объекта с направлениями скоростей, практически противоположных первоначальным, т. е. приосевую часть потока ОЭ, для которой в [2] был предложен термин "обратно-отраженные электроны" (ООЭ); 2) необходимо регистрировать ОЭ с остаточными энергиями, лежащими в узком спектральном "окне", с возможностью изменять пороговую энергию и ширину такого окна.

В этом случае оказывается, что части потока ООЭ, имеющие различные остаточные энергии, преимущественно отражаются от узких, параллельных поверхности слоев объекта, глубина залегания и толщина которых определяются остаточной энергией ООЭ. Необходимо отметить, что для полного потока ОЭ такая связь практически не выполняется.

Таким образом, для того чтобы получить в РЭМ отселектированные изображения отдельных слоев исследуемого объекта достаточно создать анализатор энергий ООЭ, способный избирательно пропускать только ООЭ с остаточными энергиями, лежащими в определенном интервале. При этом глубина залегания и толщина визуализируемого слоя будет определяться как пороговой энергией и шириной энергетического "окна" регистрирующей системы так и некоторыми характеристиками материалов, из которых состоит исследуемый объект.

Известны несколько типов анализаторов энергий ОЭ для РЭМ (аналогов изобретения). Применяются они, однако, не для послойной визуализации глубинной структуры объектов, а для других целей: Оже-анализа поверхности, исследования магнитных доменов, визуализации границ поверхностных элементов у объектов с выраженной топографией и др.

В электростатических сеточных анализаторах Уэллса [3] и Реймера [4] поток ОЭ пропускается через систему сеточных электродов, на которые подаются задерживающие потенциалы, при этом часть потока ОЭ с остаточными энергиями ниже порогового потенциала отражается, а более высокоэнергетичные ОЭ проходят сквозь сетки и регистрируются детектирующим элементом.

В этих устройствах на анализирующие электроды подаются напряжения, сравнимые или равные ускоряющему напряжению РЭМ (десятки киловольт), что существенно затрудняет их практическое применение. Кроме того, из-за присутствия столь высоких потенциалов в камере РЭМ существенно ухудшается фокусировка первичного пучка. Для уменьшения этого эффекта энергоанализаторы обычно располагают как можно дольше от первичного пучка РЭМ, что делает практически невозможным их применение для целей послойной визуализации внутренней структуры исследуемого объекта из-за указанных выше требований к углам вылета пригодных для этой цели ООЭ.

Известен также анализатор ОЭ [5] основанный на отклонении потока ОЭ в области локализованного магнитного поля. При этом ОЭ с большими энергиями отклоняются на меньшие углы, а с меньшими энергиями наоборот. Часть потока, отклонившаяся на определенный угол и соответственно имеющая определенную энергию, высекается с помощью подвижной диафрагмы, расположенной на входной поверхности детектирующего элемента.

Присутствие в камере РЭМ сильного магнитного поля существенно влияет на фокусировку электронного зонда РЭМ. Кроме того, в этой системе конечное отклонение ОЭ в магнитном поле зависит не только от остаточной энергии, но и от угла вылета, что существенно затрудняет сепарацию ОЭ по энергиям В результате такой анализатор также не пригоден для целей послойной визуализации глубинной структуры.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному анализатору (прототипом изобретения) является анализатор энергий ОЭ для РЭМ, содержащий экранирующий корпус, снабженный входной и выходной диафрагмами, и размещенную внутри него аксиально-симметричную систему из двух электродов, один из которых заземлен, а другой подсоединен к источнику высокого напряжения [6] В этой системе смешанный поток ОЭ и эмиттированных с поверхности Оже-электронов, имеющих примерно одинаковые энергетические характеристики, проходит через входную диафрагму в канал между двумя полусферическими электродами, внешний из которых заземлен, а на внутренний подается высокий положительный потенциал. Электрическое поле, создаваемое таким образом в пространстве между электродами, по-разному искривляет траектории электронов в зависимости от их энергии. Те электроны, для которых выполняется условие пролета сквозь канал анализатора, регистрируются детектирующим элементом на выходной поверхности анализатора. Электроны с другими энергиями поглощаются либо на поверхностях электродов, либо на выходной диафрагме прибора.

С точки зрения поставленной проблемы основным недостатком описанного выше анализатора является то, что его конструкция рассчитана на предельное увеличение эффективности сбора сигнала Оже-электронов, доля которых в общем потоке электронов, идущих с поверхности объекта, весьма невелика. В связи с этим необходимо предельно увеличивать размер входной диафрагмы, что требует увеличивать зазор между отклоняющими электродами, что, в свою очередь, приводит к необходимости применения либо достаточно высоких отклоняющих потенциалов, либо увеличения радиуса закругления траекторий, что окончательно приводит к громоздкости конструкции. Отмеченные недостатки делают невозможным прямое применение прототипа для решения поставленной проблемы. Более конкретно это выражается в том, что в описанном анализаторе-прототипе: 1) невозможно анализировать приосевую часть как потока Оже-электронов, так и потока ОЭ из-за жестких особенностей формы отклоняющих электродов (см. выше); 2) невозможно анализировать высокоэнергетичную часть потока ОЭ, так как это потребовало бы либо применения отклоняющих потенциалов, сравнимых с ускоряющим напряжением РЭМ, что привело бы к существенному удорожанию конструкции, значительным сложностям в настройке и практическом применении анализатора и ухудшению фокусировки электронного зонда РЭМ; либо к необходимости увеличивать габариты анализатора до размеров, превосходящих размеры РЭМ; 3) требуется применение детектирующих элементов со специальной формой рабочих поверхностей, что также обусловлено особенностями конструкции прототипа.

Указанные недостатки делают невозможным применение описанного анализатора-прототипа для получения послойных изображений внутренней глубинной структуры исследуемого объекта в режиме ОЭ.

Целью изобретения является создание компактного и практичного анализатора энергий ООЭ, располагаемого в непосредственной близости от первичного пучка РЭМ и использующего при своей работе относительно низкие анализирующие напряжения и пригодного таким образом для визуализации отдельных глубинных слоев исследуемого объекта для целей неразрушающей диагностики и тестирования.

Эта цель достигается тем, что в анализаторе, содержащем экранирующий корпус, снабженный входной и выходной диафрагмами, и размещенную внутри него аксиально-симметричную систему из двух электродов, один из которых заземлен, а другой подсоединен к источнику высокого напряжения, внутренний заземленный электрод представляет собой соосную с электронным зондом растрового электронного микроскопа усеченную конусообразную сужающуюся к исследуемому объекту фигуру вращения с вогнутой боковой поверхностью, по оси которой выполнено сквозное отверстие для прохождения электронного зонда, внешний электрод, подсоединенный к источнику высокого напряжения, представляет собой соосный с электронным зондом цилиндр, по оси которого выполнено отверстие, имеющее форму усеченной конусообразной сужающейся к исследуемому объекту фигуры вращения с вогнутой к оси боковой поверхностью, таким образом внешняя поверхность внутреннего электрода и внутренняя поверхность внешнего образуют канал, обеспечивающий фокусировку приосевой части потока отраженных электронов в соосное с электронным зондом кольцо, расположенное на противоположной по отношению к объекту поверхности корпуса анализатора, при этом входная и выходная диафрагмы выполнены в виде щелей кольцевой формы.

Положительный эффект изобретения заключается в следующем: предложенный анализатор позволяет получать изображения отдельных глубинных слоев внутренней структуры исследуемого объекта при регистрации отселектированных моноэнергетических составляющих потока ООЭ, что дает возможность эффективно использовать его для целей неразрушающей диагностики и контроля изделий микро- и наноэлектроники; фокусировка моноэнергетических составляющих приосевого потока ОЭ осуществляется в тонкое кольцо, расположенное на противоположном по отношению к исследуемому торцу корпуса, что, с одной стороны, позволяет получить хорошее разрешение по энергии, а следовательно, и по глубине без ухудшения шумовых характеристик, а, с другой стороны, дает возможность достаточно просто детектировать получаемый сигнал; фокусировка осуществляется в плоскости, перпендикулярной электронному зонду РЭМ, что дает возможность использования для регистрации отселектированного потока ООЭ стандартных детекторов ОЭ с плоской рабочей поверхностью типа твердотельного датчика Кимото или сцинтилляционного детектора Робинсона;
конструкция анализатора имеет небольшие габариты, что позволяет применять ее в стандартном РЭМ без переделки камеры;
компактность конструкции дает возможность работать на малых рабочих расстояниях, что позволяет предельно фокусировать зонд РЭМ, а следовательно, получать предельное пространственное разрешение;
компактность конструкции дает возможность параллельного применения других типов датчиков РЭМ, например рентгеновского спектроанализатора и/или детектора вторичных электронов Эверхарта-Торнли, что существенно повышает информативность исследования объекта;
только 2 элемента конструкции анализатора (внутренний и внешний электроды) требуют прецизионного изготовления, что существенно повышает технологичность и упрощает его изготовление;
для работы анализатора не требуется специального высоковольтного источника напряжений, что также удешевляет конструкцию;
применяемые в описанном анализаторе напряжения не превосходят 3-5 кВ, что существенно упрощает его настройку и эксплуатацию, а также не приводит к паразитному влиянию электростатического поля на электронный зонд РЭМ.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображен разрез предлагаемого анализатора.

Анализатор состоит из экранирующего корпуса цилиндрической формы 1, у которого на противоположном от объекта торце имеется выходная диафрагма 2 с кольцевой щелью 3 и отверстием 4 для прохождения электронного зонда РЭМ 5. На торце корпуса, обращенном к объекту, располагается входная диафрагма 6 для прохода зонда РЭМ и входа потока ООЭ, которая может быть выполнена в виде отдельного конструктивного элемента, а может, как показано на чертеже, образовываться внутренней гранью круглого отверстия 6 на обращенном к объекту торце корпуса и внешней гранью кольцевого торца внутреннего электрода 7.

Внутри корпуса соосно с ним расположен внутренний электрод 7 усеченной конусообразной формы с вогнутой боковой поверхностью. По оси внутреннего электрода 7 выполнено отверстие 4 для прохождения электронного зонда 5. Диаметр этого отверстия определяется размерами требуемого поля исследования. Вокруг внутреннего электрода 7 и соосно с ним расположен внешний электрод 8 цилиндрической формы с осевым отверстием в виде усеченной конусообразной фигуры вращения с внутренней поверхностью, выпуклой к оси. Внешняя поверхность внутреннего электрода и внутренняя поверхность внешнего образуют канал для пролета и отклонения потока ООЭ.

Между внешним электродом 8 и корпусом анализатора расположена изолирующая прокладка 10. Через прокладку и боковую стенку корпуса проходит изолированный разъем (на чертеже не показан) для подключения внешнего электрода к источнику высокого положительного напряжения (на чертеже не показан).

На противоположном по отношению к объекту торце корпуса анализатора располагается стандартный, либо специальный детектирующий элемент (на чертеже не показан) с плоской рабочей поверхностью, в качестве которого может применяться сцинтилляционный детектор Робинсона, либо твердотельный полупроводниковый датчик типа Кимото.

Анализатор работает следующим образом. Электронный зонд РЭМ 5 проходит через отверстие 4 в выходной диафрагме, отверстие во внутреннем электроде 7, отверстие в торце корпуса 6 и попадает на исследуемый объект 11. Внутри объекта часть электронов 12 движется преимущественно по прямолинейным траекториям и испытывает только одно сильное упругое рассеяние, приводящее к изменению импульса этих электронов на практически противоположное. Именно такие электроны и образуют поток ООЭ. Для этих электронов их остаточная энергия однозначно связана с глубиной, на которой произошло сильное упругое рассеяние, "выбившее" их из объекта.

Таким образом, составляющая потока ООЭ с определенной энергией выхода несет информацию о параметрах упругого рассеяния на определенной фиксированной глубине, а следовательно, о физических характеристиках материала объекта на этой глубине.

Диффузно рассеянные электроны, для которых однозначность связи остаточной энергии и глубины рассеяния не выполняется, либо выходят из объекта под углами, не попадающими во входную апертуру анализатора 13, либо имеют существенно меньшие, чем ООЭ, остаточные энергии 14 и отсекаются в самом анализаторе.

Поток ООЭ попадает в канал 9 между электродами анализатора, в электростатическом поле которого происходит искривление их траекторий. Форма канала в общем случае рассчитывается следующим образом:
1) для заданного диапазона углов влета ООЭ и необходимого искривления траектории аналитически оценивается необходимая напряженность электростатического поля и связанная с ней конфигурация поверхностей электродов и зазора между ними;
2) численно решается уравнение Пуассона, описывающее распределение электростатического поля в пространстве между электродами;
3) для ООЭ с заданными остаточными энергиями решается система уравнений Лагранжа, учитывающая полученные точные значения напряженности поля;
4) с учетом полученной формы траекторий ООЭ модифицируются формы поверхностей внутреннего и внешнего электродов, зазор между ними, а также потенциал внешнего электрода исходя из требований оптимизации фокусировки ООЭ;
5) шаги 2, 3 и 4 повторяются до достижения наилучшей фокусировки одной из моноэнергетических компонент потока ООЭ.

Рассчитанный таким образом канал обладает свойством, что только те ООЭ 15, для остаточной энергии которых выполняется условие наилучшей фокусировки, собираются в тонкое кольцо на поверхности выходной диафрагмы 3. Те же ООЭ, для которых это условие не выполняется (а также диффузно рассеянные ОЭ), поглощаются либо на поверхностях электродов 16, либо на выходной диафрагме 17. Прошедшая через выходную диафрагму часть потока ООЭ регистрируется расположенным позади нее детекторным элементом.

При стандартной развертке зонда РЭМ по поверхности объекта зарегистрированная таким образом в каждой точке моноэнергетическая часть потока ООЭ несет информацию о параметрах упругого рассеяния в тонком подповерхностном слое исследуемого объекта, глубина залегания z и толщина Δz которого определяются по формуле
z R_e+ ; Δz где R_e полная длина пробега электронов в материале объекта, определяемая, например, по формуле Эверхарта и Хоффа;
ε(Е) функция потерь энергии электроном на единице длины пробега, рассчитываемая, например, по формуле Бете;
Е энергия пропускания анализатора, определяемая из описанного выше условия оптимальной фокусировки (для опытного образца Е=8,33 eV, где V потенциал внешнего электрода, а е заряд электрона);
Δ Е энергетическое разрешение анализатора на энергии Е, определяемое особенностями его конструкции (для опытного образца ΔЕ=0,1Е).

Опытный образец был изготовлен в НИИ Ядерной Физики МГУ. Корпус и электроды сделаны из латуни, изолирующие элементы из полиметилметакрилата (оргстекла). В качестве источника высокого напряжения использовался стандартный блок ИП-3, а в качестве детектора оригинальная система сцинтиллятор-ФЭУ. Образец имел следующие характеристики: диаметр корпуса, мм 50 высота корпуса, мм 30 диаметр канала для зонда РЭМ, мм 6 зазор канала между электродами, мм 0,8-1,2 расстояние от объекта до входной диафрагмы, мм 20 расстояние от объекта до полюсного наконечника РЭМ, мм 50 диапазон входных приосевых углов, ^о 10-20^о диапазон анализиру- емых энергий ООЭ, кэВ 10-25 отношение энергии пропускания к потенциалу внешнего электрода Е/eV 8,33 относительное энергетическое разрешение ΔЕ/E 10% абсолютное глубинное разрешение на кремниевом объекте, мкм 2
Таким образом, предложенный анализатор отличается от известных тем, что позволяет получать изображения отдельных глубинных слоев исследуемого объекта, параллельных его поверхности и расположенных на различных глубинах с хорошим разрешением по глубине. Информация такого рода, не доступная при применении стандартных детекторов ОЭ. Кроме того, описанный анализатор может быть также применен для Оже-анализа химического состава поверхности исследуемого объекта непосредственно в камере стандартного РЭМ.

Формула изобретения

АНАЛИЗАТОР ЭНЕРГИЙ ОТРАЖЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ДЛЯ РАСТРОВОГО ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА, содержащий экранирующий корпус, снабженный входной и выходной диафрагмами, и размещенную внутри него аксиально-симметричную систему из двух электродов, один из которых заземлен, а другой подсоединен к источнику высокого напряжения, отличающийся тем, что внутренний заземленный электрод представляет собой соосную с электронным зондом растрового электронного микроскопа усеченную конусообразную сужающуюся к исследуемому объекту фигуру вращения с вогнутой боковой поверхностью, по оси которой выполнено сквозное отверстие для прохождения электронного зонда, внешний электрод, подсоединенный к источнику высокого напряжения, представляет собой соосную с электронным зондом фигуру вращения, по оси которой выполнено отверстие, имеющее форму усеченной конусообразной сужающейся к исследуемому объекту фигуры вращения с вогнутой к оси боковой поверхностью, таким образом, что внешняя поверхность внутреннего электрода и внутренняя поверхность внешнего электрода образуют канал, обеспечивающий фокусировку приосевой части потока отраженных электронов в соосное с электронным зондом кольцо, расположенное на противоположной по отношению к объекту поверхности корпуса анализатора, при этом входная и выходная диафрагмы выполнены в виде щелей кольцевой формы.

РИСУНКИ

Рисунок 1