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Dokumentenidentifikation DE69831284T2 29.06.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0000877409
Titel Verfahren zur Schätzung des Auflösungsvermögens eines Elektronenmikroskops
Anmelder Hitachi, Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Kitagawa, Taiji, Fujisawa-shi, Kanagawa-ken, JP;
Sato, Mitsugu, Hitachinaka-shi, Ibaraki-ken, JP;
Shimoma, Goroku, Higashi Ibaraki-gun, Ibaraki-ken, JP;
Takahashi, Tadanori, Hitachinaka-shi, Ibaraki-ken, JP;
Yoshida, Naoto, Hitachinaka-shi, Ibaraki-ken, JP;
Yukii, Masayuki, Hitachinaka-shi, Ibaraki-ken, JP;
Ninomiya, Takanori, Hiratsuka-shi, Kanagawa-ken, JP;
Horiuchi, Tatsuo, Chigasaki-shi, Kanagawa-ken, JP;
Kawame, Keisuke, Yokohama-shi, Kanagawa-ken, JP
Vertreter BEETZ & PARTNER Patentanwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69831284
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 07.05.1998
EP-Aktenzeichen 981083405
EP-Offenlegungsdatum 11.11.1998
EP date of grant 24.08.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.06.2006
IPC-Hauptklasse H01J 37/28(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG Technischer Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Auflösungsvermögens eines Elektronenmikroskops.

Beschreibung der verwandten Technik

Herkömmlicher Weise wird das Auflösungsvermögen eines Elektronenmikroskops unter Verwendung des Abstands zwischen zwei auf einer Probe erkennbaren Punkten ermittelt. In der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 45265/1993 ist ein Verfahren zum Ermitteln des Auflösungsvermögens eines Elektronenmikroskops offenbart, bei dem eine mit Goldpartikeln bedampfte Kohlenstoffprobe mit einem Elektronenmikroskop betrachtet und sein Auflösungsvermögen auf der Grundlage des minimalen räumlichen Abstands zwischen zwei Goldpartikeln bestimmt werden. Im Übrigen wird die Auflösungsleistung eines Elektronenmikroskops auf der Grundlage des Grads der Unschärfe an einer Partikelgrenze ermittelt.

Bei einem herkömmlichen Verfahren zum Ermitteln des Auflösungsvermögens, bei dem unter einem Elektronenmikroskop betrachtete Goldpartikelbilder verwendet werden, treten Schwankungen der Größe und Form der Goldpartikel auf, die bei einzelnen Analysierenden Unterschiede hinsichtlich der Ergebnisse der Messungen verursachen, und identische Proben sind nicht reproduzierbar, wodurch es schwierig wird, eine genaue quantitative Ermittlung des Auflösungsvermögens zu praktizieren. Überdies existiert kein Verfahren zur genauen Messung des räumlichen Abstands zwischen den Goldpartikeln, die unter einem Elektronenmikroskop betrachtet werden, und es treten bezüglich des Auflösungsvermögens einzelner Elektronenmikroskope Instrumentenfehler auf. Daher können sich bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen, bei der die Abmessungen der Schaltungsmuster auf einer Halbleitervorrichtung unter Verwendung mehrerer Elektronenmikroskope gemessen werden, die von den Elektronenmikroskopen erzeugten Bilder jeder Halbleitervorrichtung voneinander unterscheiden, wodurch das Problem auftritt, daß ein Fehler abhängig von dem verwendeten Elektronenmikroskop erkennbar oder nicht erkennbar ist. Daher ist es unzulässig, eine Fertigung von Halbleitervorrichtungen auf der Grundlage vorgegebener, konsistenter Steuerwertdaten zu implementieren.

In dem Buch „Raster-Elektronenmikroskopie" von Reimer und Pfefferkorn, 1973, Springer, Berlin, ist eine Prüfung der Auflösung anhand durch Ätzen erzeugter Stufen auf der Oberfläche beschrieben. Ferner werden der Materialkontrast und insbesondere der durch eine Veränderung des Rückstreuungskoeffizienten auf einer ebenen Oberfläche eines Objekts erzielte Kontrast angesprochen. Unter diesen Umständen kann ein durch eine z-Abhängigkeit des Rückstreuungskoeffizienten verursachter Materialkontrast eindeutig verwendet werden.

In der US 4 068 381 sind eine Elektronenmikroskop-Mikrometerskala und ein Verfahren zu ihrer Herstellung offenbart. Ein mehrschichtiges Gefüge wird hergestellt und in Proben geschnitten. Die freiliegende Kante wird geschliffen und metallographisch poliert. In der Nähe einer ersten Goldschicht wird eine mikroskopische Einbuchtung im Substrat erzeugt. Die Einbuchtung definiert einen Bezugsbereich, und die Abstände zu den nachfolgenden Goldschichten werden gemessen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend erwähnten Nachteile durch die Schaffung eines Verfahrens zum Ermitteln des Auflösungsvermögens eines Elektronenmikroskops zu überwinden, das die Herstellung einer dementsprechenden Probe einschließt.

Zur Lösung dieser Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird eine Probe aus mehreren Dünnfilmschichten hergestellt, die dadurch vorteilhaft ist, daß anstelle einer bei der bei dem herkömmlichen Verfahren zum Ermitteln des Auflösungsvermögens verwendeten Kohlenstoffprobe, auf die Goldpartikel aufgedampft werden, beliebige Dicken und Kombinationen von Schichtmaterialien zulässig sind, und daß zur Ermittlung der Leistung ein in das Elektronenmikroskop eingebauter numerischer Prozessor vorgesehen ist. Zur Verwendung für die Ermittlung wird jede Probe aus mehreren Dünnfilmschichten mittels Röntgenstrahlen oder dergleichen in der Richtung ihrer Tiefe analysiert und entlang ihres Querschnitts geschnitten, der genau bekannte Abmessungen aufweisen.

Jede Probe aus mehreren aufeinandergeschichteten Dünnfilmen wird unter Verwendung einer Kombination von Materialien hergestellt, die sich hinsichtlich ihrer Atomzahl signifikant unterscheiten, beispielsweise einer Kombination aus Tantal und Silicium, so daß durch eine Abtastung des Bilds der Probenoberfläche unter einem Elektronenmikroskop Stufensignale bzw. Quadratwellensignale mit unterschiedlichen Frequenzen ermittelt werden können. In diesem Fall wird durch die Differenzierung der den durch eine Abtastung des Bilds der Probenoberfläche mittels eines Elektronenmikroskops erhaltenen Stufensignalen entsprechenden Daten ein Elektronenstrahlenprofil erzeugt, und der Durchmesser und die Form des Elektronenstrahls können durch Einstellen eines Schwellenwerts, wie einer Halbwertbreite, quantitativ ermittelt werden. Überdies kann, was jedoch nicht Teil der beanspruchten Erfindung ist, die quantitative Ermittlung des Auflösungsvermögens durch eine Berechnung des Kontrasts oder weiterer, den Quadratwellensignalen entsprechender Daten erfolgen. Zudem kann durch Anwenden eines Verfahrens zur Bestimmung der Grenzen der optischen Auflösung die Auflösung eines Elektronenmikroskops unter Verwendung des Lambda-Viertel-Kriteriums an einem Zweischlitzmusterbild berechnet werden.

Bei mehreren Elektronenmikroskopen, unter denen eine Probe, wie die vorstehend erwähnte, montiert wird, kann durch Einstellen der Fokussierspannung oder weiterer Instrumentenparameter jedes Elektronenmikroskops ein identisches Auflösungsvermögen/eine identische Auflösung herbeigeführt werden. Dies ermöglicht eine Bildbetrachtung unter identischen Bedingungen bei unterschiedlichen Elektronenmikroskopmodellen.

Genauer wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum quantitativen Ermitteln des Auflösungsvermögens eines Elektronenmikroskops geschaffen, bei dem eine Probe hergestellt wird, indem Materialien mit unterschiedlichen Emissionskoeffizienten von sekundären geladenen Partikeln, wie sekundären Elektronen, rückgestreuten Elektronen, übertragenen Elektronen, etc. aufeinandergeschichtet werden, ein Querschnittsabschnitt der Probe, der die aufeinandergeschichteten Materialien enthält, mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird, um durch Erfassen der von ihm emittierten sekundären geladenen Partikel ein Bild der sekundären, geladenen Partikel des Querschnitts der Probe zu erhalten, und die quantitative Ermittlung des Auflösungsvermögens des Elektronenmikroskops unter Verwendung des so erhaltenen Bilds der sekundären geladenen Partikel ausgeführt wird.

Bei der Herstellung der Probe wird ein Dünnfilm aus einem Material, das sich hinsichtlich des Emissionskoeffizienten sekundärer, geladener Partikel, wie sekundärer Elektronen, rückgestreuter Elektronen und übertragener Elektronen, von dem des Substrats unterscheidet, auf dem Substrat erzeugt.

Überdies werden bei der Herstellung der Probe Dünnfilme aus mehreren Materialien mit unterschiedlichen Emissionskoeffizienten sekundärer, geladener Partikel, wie sekundärer Elektronen, rückgestreuter Elektronen und übertragener Elektronen, auf ein Substrat geschichtet.

Ferner wird eine Probe zum Ermitteln des Auflösungsvermögens eines Elektronenmikroskops beschrieben, die einen Querschnitt zum Ermitteln des Auflösungsvermögens mit einem aufeinandergeschichteten Teil aus zwei oder mehr Materialien mit unterschiedlichen Emissionskoeffizienten sekundärer, geladener Partikel, wie sekundärer Elektronen, rückgestreuter Elektronen und übertragener Elektronen, umfaßt.

Überdies wird eine Probe zum Ermitteln des Auflösungsvermögens eines Elektronenmikroskops beschrieben, die ausgebildete Dünnfilme aus zwei oder mehr Materialien mit unterschiedlichen Emissionskoeffizienten sekundärer, geladener Partikel, wie sekundärer Elektronen, rückgestreuter Elektronen und übertragener Elektronen, umfaßt.

Darüber hinaus wird eine Probe zum Ermitteln des Auflösungsvermögens eines Elektronenmikroskops beschrieben, die aufeinandergeschichtete Dünnfilme aus mehreren Materialien mit unterschiedlichen Emissionskoeffizienten sekundärer, geladener Partikel, wie sekundärer Elektronen, rückgestreuter Elektronen und übertragener Elektronen, umfaßt.

Im Übrigen wird ein Verfahren zum Einstellen eines Elektronenmikroskops beschrieben, bei dem eine Probe hergestellt wird, indem Materialien mit unterschiedlichen Emissionskoeffizienten sekundärer, geladener Partikel, wie sekundärer Elektronen, rückgestreuter Elektronen und übertragener Elektronen, aufeinandergeschichtet werden, ein Querschnitt, der einen geschichteten Teil der Probe enthält, unter einem Elektronenmikroskop mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird, um durch Erfassen der von ihm emittierten, sekundären, geladenen Partikel ein Bild der sekundären, geladenen Partikel des Querschnitts der Probe zu erhalten, unter Verwendung des so erhaltenen Bilds der sekundären, geladenen Partikel eine Bewertung des Auflösungsvermögens des Elektronenmikroskops ausgeführt wird, und ein elektronenoptisches System, ein Vakuumsystem oder eine Elektronenkanone des Elektronenmikroskops entsprechend dem Ergebnis der Ermittlung seines Auflösungsvermögens eingestellt wird.

Die vorstehend aufgeführten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen deutlicher hervor.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein schematisches Diagramm des Aufbaus eines Rasterelektronenmikroskops;

2 zeigt ein Beispiel einer Probe zur Ermittlung der Leistung mit zwei Schichten;

3 ist eine diagrammartige Darstellung eines Verfahrens zur Ermittlung der Leistung unter Verwendung der in 2 gezeigten Probe;

4 zeigt ein Beispiel einer Probe zur Ermittlung der Leistung, bei der ein Dünnfilm zwischen zwei Schichten angeordnet ist;

5 ist eine diagrammartige Darstellung eines Verfahrens zur Ermittlung der Leistung unter Verwendung der in 4 gezeigten Probe;

6 zeigt ein Beispiel einer Probe zur Ermittlung der Leistung, bei der zwei Dünnfilme zwischen drei Schichten angeordnet sind;

7 ist eine diagrammartige Darstellung eines Verfahrens zur Ermittlung der Leistung unter Verwendung der in 6 gezeigten Probe;

8 zeigt ein Beispiel einer Probe zur Ermittlung der Leistung, bei der die Filme in einem Streifenmuster ausgebildet sind;

9 ist eine diagrammartige Darstellung, die ein auf einer Frequenzanalyse basierendes Verfahren zur Ermittlung der Leistung zeigt;

10 ist eine diagrammartige Darstellung, die eine Probe zur Ermittlung der Leistung, die in Intervallen von 10 nm streifenartig angeordnete Filme umfaßt, und das Ergebnis ihrer Abbildung zeigt;

11 ist eine diagrammartige Darstellung, die eine Probe zur Ermittlung der Leistung, die in Intervallen von 20 nm streifenartig angeordnete Filme umfaßt, und das Ergebnis ihrer Abbildung zeigt;

12 ist eine Übersicht zur Ermittlung des Auflösungsvermögens eines Rasterelektronenmikroskops;

13 zeigt ein Beispiel des Aufbaus einer Probe zur Ermittlung der Leistung;

14 ist ein schematisches Diagramm, das einen Probenträger zeigt;

15 ist ein schematisches Diagramm, das eine elektrische Heiz- und Haltevorrichtung für Proben zeigt;

16 zeigt den Aufbau und ein Rasterelektronenmikroskopbild einer Probe, bei der metallische Materialien mit unterschiedlichen Emissionskoeffizienten sekundärer Elektronen in Intervallen mit unterschiedlichen Abmessungen aufeinandergeschichtet sind;

17 zeigt ein weiteres Beispiel des Aufbaus einer Probe, bei der metallische Materialien mit unterschiedlichen Emissionskoeffizienten sekundärer Elektronen in Intervallen mit unterschiedlichen Abmessungen aufeinandergeschichtet sind;

18 zeigt ein das einer Fourier-Transformation unterzogene Bild einer Probe zur Ermittlung der Leistung;

19 zeigt ein Rasterelektronenmikroskopbildprofil, das durch eine Fourier-Transformation und eine anschließende invertierte Transformation unter Verwendung eines Bandpaßfilters erhalten wird, und

20 ist ein Diagramm, das eine Kurve zur Ermittlung der Auflösungsleistung eines Rasterelektronenmikroskops zeigt.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen im Einzelnen beispielhaft beschrieben.

In 1 ist ein schematisches Diagramm des Aufbaus eines für die erfindungsgemäße Ermittlung des Auflösungsvermögens vorgesehenen Rasterelektronenmikroskops (REM) gezeigt. Ein elektronenoptisches System des Rasterelektronenmikroskops umfaßt eine Elektronenkanone 13, einen Deflektor 12, eine elektromagnetische Linse 14, etc. Ein von der Elektronenkanone 13 mit einer gewünschten Beschleunigungsspannung emittierter Elektronenstrahl 8 konvergiert durch die elektromagnetische Linse 14, und der so konvergierte Elektronenstrahl tastet die Oberfläche einer auf einem X-Y-Z-Träger 17 montierten Probe 1 mittels des Deflektors 12, etc. in beliebiger Reihenfolge ab. Ferner werden sekundäre Elektronen oder rückgestreute Elektronen, die von der mit dem Elektronenstrahl bestrahlten Oberfläche der Probe 1 emittiert werden, von einem Detektor 15 erfaßt, und die durch die Erfassung erhaltenen Bilddaten werden einer Bildeingabevorrichtung 16 zugeführt. Die betrachtete Probe 1 kann auf dem X-Y-Z-Träger 17 in drei Dimensionen in jeder Richtung bewegt werden. Bei der Synchronisation der Bewegung des X-Y-Z-Trägers 17 erfolgen eine Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl und eine Bilddateneingabe, und die Bewegung des Trägers wird entsprechend den Vorgaben eines Steuercomputers 20 gesteuert. Während das in 1 gezeigte Rasterelektronenmikroskop ein Bild der sekundären Elektronen zur Betrachtung von Proben verwendet, kann auch ein Bild verwendet werden, daß anhand rückgestreuter Elektronen, übertragener Elektronen, etc. erhalten wird. Die Erfassung übertragener Elektronen wird mittels einer Technik als STEM bekannten Technik implementiert.

Im Folgenden wird eine Probe 21 zur Ermittlung des Auflösungsvermögens eines Rasterelektronenmikroskops beschrieben. Bei der Herstellung der Probe 21 werden Dünnfilme aus Materialien mit signifikant unterschiedlichen Atomzahlen, beispielsweise ein Ta-Film und ein Si-Film, ein W-Film und ein C-Film, ein Ru-Film und ein C-Film, ein Mo-Film und ein B4C-Film, ein W-Film und ein Si-Film, etc., abwechselnd aufeinandergeschichtet, wodurch mittels einer Verarbeitung mit gesteuerter Filmdicke mittels einer allgemein bekannten Dünnfilmherstellungstechnik, wie Beschichten, einer chemischen Dampfabscheidung (CVD), einer physischen Dampfbeschichtung (PVD), etc., mehrere Schichten auf einem Ein-Kristall-Siliciumsubstrat erzeugt werden, und das Substrat mit den mehreren Dünnfilmschichten wird geschnitten, um eine Querschnittsfläche 22 für die Betrachtung zu erzeugen. Bei der Erzeugung eines Bilds des Querschnitts 22 ermöglichen die Differenzen zwischen den Emissionskoeffizienten der sekundären Elektronen der Filmmaterialien die Erzeugung eines Bilds mit merklichen Kontrasten. So erscheinen beispielsweise die Ta-, W-, Ru- und Mo-Filme mit einem hohen Emissionskoeffizienten sekundärer Elektronen weiß, und die Si-, C- und B4C-Filme mit einem niedrigen Emissionskoeffizienten sekundärer Elektronen erscheinen schwarz.

Zur Herstellung eines Querschnitts mehrschichtiger Dünnfilme aus diesen Materialien ist eine Technik bekannt, bei der eine Spaltebene verwendet wird (ein Kristallmineralmaterial neigt dazu, in einer bestimmten Ausrichtung zu brechen, wodurch eine gleichmäßige Spaltebene erscheint). Wenn der Grad der Oberflächenrauhigkeit des Querschnitts 22 in bezug auf das Niveau des zu ermittelnden Auflösungsvermögens relativ groß ist, wird beispielsweise die folgende Behandlung ausgeführt: Polierpartikel mit einem Durchmesser von weniger als 100 nm werden in einer Platte mit dünner Oberfläche versenkt, und der Querschnitt 22 wird auf der Platte mit dünner Oberfläche so poliert, daß der Grad der Oberflächenrauhigkeit des Querschnitts 22 im Bereich von weniger als einigen nm liegt.

Zur Ermittlung des Auflösungsvermögens eines Rasterelektronenmikroskops wird beispielsweise die in 2 gezeigte Probe 21a verwendet. Der Konvergenzpunkt des von der Elektronenkanone 13 mit einer gewünschten Beschleunigungsspannung emittierten Elektronenstrahls 8 wird über die Oberfläche eines Querschnitts 22 geführt, der eine Ta-Schicht 23a und eine Si-Schicht 23b enthält, die jeweils eine Dicke aufweisen, die ausreichend größer als der Durchmesser des Konvergenzpunks des Elektronenstrahls 8 ist, beispielsweise ca. 100 nm. Bei dieser Abtastung werden die Energieverteilung 31 des Elektronenstrahls und die vom Detektor 15 erfaßte Intensität 32a der sekundären Elektronen zur Eingabe in die Bildeingabevorrichtung 16 bereitgestellt, wie in 3 gezeigt. Unter Verwendung eines von der Bildeingabevorrichtung 16 zugeführten Signals 32a für die Intensität der sekundären Elektronen ermittelt ein numerischer Prozessor 19 durch eine Differenzierung ein Differenzsignal 33 und kann anhand des Differenzsignals 33 den Punkt 35s des Beginns der Abtastung und den Punkt 35e des Endes der Abtastung durch den Elektronenstrahlenpunkt an der Grenze 24 zwischen der Ta-Schicht 23a und der Si-Schicht 23b identifizieren. Dann berechnet der numerische Prozessor 19 die Differenz zwischen den beiden Punkten 35s und 35e, um den Durchmesser des Elektronenstrahlenpunkts zu bestimmen. Zur Bestimmung des Durchmessers eines Elektronenstrahls verwendet der numerische Prozessor 19 die Halbwertbreite ∅1 einer durch eine Differenzierung der Veränderungen des Ausgangs an sekundären Elektronen ermittelten Kurve 33.

Da davon ausgegangen wird, daß der Wert des Durchmessers des Elektronenstrahls dem des Auflösungsvermögens entspricht, kann die quantitative Ermittlung der Leistung eines Rasterelektronenmikroskops anhand desselben ausgeführt werden. Überdies kann durch Annähern der Intensität 32a der sekundären Elektronen durch eine B-Spline-Annäherung oder eine Annäherung des Differenzsignals 33 durch eine normale Annäherung der Verteilungsfunktion eine Rauschpegelkomponente des Signals reduziert werden, wodurch eine Messung des Durchmessers des Elektronenstrahls mit ausreichender Reproduzierbarkeit ermöglicht wird. In diesem Fall ist es nicht immer erforderlich, die Si-Schicht 23b und die Ta-Schicht 23a abwechselnd durch einen Filmabscheidungsprozeß auf dem Si-Substrat aufeinander zu schichten, d.h. es können mehrere beliebige Materialien mit erheblich unterschiedlichen Emissionskoeffizienten sekundärer Elektronen mittels Druck oder Haftung aufeinandergeschichtet werden.

Im Folgenden wird ein Verfahren zur Messung des Auflösungsvermögens eines Rasterelektronenmikroskops beschrieben, das nicht Teil der beanspruchten Erfindung ist und bei dem die in 4 gezeigte Probe 21b verwendet wird. Bei der Herstellung der Probe 21b wird beispielsweise eine dünne Ta-Schicht 23a mit einer Dicke von ca. 1 nm zwischen Si-Schichten 23b angeordnet, die jeweils eine Dicke aufweisen, die ausreichend größer als der Durchmesser des Elektronenstrahls ist, und der Durchmesser dieser Schichten wird zur Überprüfung verwendet. Wird ein Konvergenzpunkt eines von der Elektronenkanone 13 mit einer gewünschten Beschleunigungsspannung emittierten Elektronenstrahls über die Oberfläche des Querschnitts 22 der Probe 21b geführt, werden die Energieverteilung 31 des Elektronenstrahls und die vom Detektor 15 erfaßte Intensität 32a der sekundären Elektronen zur Eingabe in die Bildeingabevorrichtung 16 bereitgestellt, wie in 5 gezeigt. Durch Subtrahieren des Werts des Hintergrunds (der von der Si-Schicht 23b erhaltenen Intensität der sekundären Elektronen) von der Kurve des Ausgangs an sekundären Elektronen kann der numerische Prozessor 19 den Punkt 35s des Beginns und den Punkt 35e des Endes der Abtastung der Ta-Schicht durch den Elektronenstrahlenpunkt identifizieren. Dann subtrahiert der numerische Prozessor 19 die Dicke des Ta-Films von der Differenz zwischen den beiden Punkten 35s und 35e, um den Durchmesser des Elektronenstrahlenpunkts zu bestimmen. Wie bei der Verwendung der in 2 gezeigten Probe 21a kann der numerische Prozessor 19 zur Bestimmung des Durchmessers des Elektronenstrahls auch eine Halbwertbreite ∅2 berechnen und dann die Dicke des Ta-Films von ihr subtrahieren. In diesem Fall kann die Intensität der Emission sekundärer Elektronen verändert werden, indem dünne Ta-Schichten mit unterschiedlichen Filmdicken von beispielsweise 0,5 nm, 2 nm und 3 nm erzeugt werden. Dadurch kann der numerische Prozessor 19 die Energieverteilung des Elektronenstrahls mit hoher Genauigkeit bestimmen.

Im Folgenden wird ein Verfahren zum Messen des Auflösungsvermögens/der Auflösung eines Rasterelektronenmikroskops beschrieben, das kein Teil der beanspruchten Erfindung ist und bei dem die in 6 gezeigte Probe 21c verwendet wird. Bei der Abtastung der Probe 21c, die ein Muster aufweist, das dünne, weiße Schlitze 23a auf einem schwarzen Hintergrund 23b enthält, wie in 6 dargestellt, kann ähnlich wie bei der Überprüfung von zwei Nadellöchern bei einem allgemeinen, optischen System, durch die Abbildung eines Diffraktionsmusters ein Signal für die Intensität der Emission erhalten werden. In der Optik wird die Rayleigh'sche Grenze der Auflösung definiert, wie in „Wave Optics" (Handou Kogaku), Seiten 359 bis 377, veröffentlicht von Iwanami Shoten, nachzulesen, und wenn der Mindestwert des mittleren Teils eines derartigen Signals weniger als 74% des Höchstwerts beträgt, wird davon ausgegangen, daß zwei Nadellochbilder erfaßbar voneinander getrennt sind.

Zur Anwendung der Definition der Rayleigh'schen Grenze der Auflösung auf die Ermittlung des Auflösungsvermögens eines Rasterelektronenmikroskops wird die Probe 21c hergestellt, die ein Muster aufweist, das dünne weiße Schlitze 23a auf einem schwarzen Hintergrund 23b umfaßt (beispielsweise ein Streifenmuster, das dünne weiße Schlitzschichten aus Ta auf schwarzen Hintergrundschichten aus Si aufweist). Bei der Herstellung der Probe 21c wird der Abstand zwischen den Schlitzen, der der Dicke jedes der streifenartigen Filme entspricht, so gesteuert, daß er dem gewünschten Wert des Auflösungsvermögens entspricht, d.h. er wird so gesteuert, daß er 1 nm beträgt, damit die Einstellung des Rasterelektronenmikroskops ein Auflösungsvermögen von 1 nm ergibt. Wie in 7 gezeigt, subtrahiert der numerische Prozessor 19 den Wert des Hintergrunds (die von einer Si-Schicht 23b erhaltene Intensität der sekundären Elektronen) von einem maximalen Wert und einem minimalen Wert eines mittleren Teils eines durch die Erzeugung eines Bilds der Probe 21c mittels eines Rasterelektronenmikroskops erhaltenen Signals 32c für die Veränderung der Intensität der sekundären Elektronen. Wenn das Verhältnis zwischen dem minimalen und dem maximalen Wert beispielsweise 74% beträgt, kann der Wert des Auflösungsvermögens bzw. die Grenze der Auflösung als 1 nm definiert werden.

Durch die Verwendung einer Probe mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau kann das Niveau des ermittelten Auflösungsvermögens durch Verändern des Abstands zwischen den Schlitzen verändert werden. Überdies kann für einzelne Rasterelektronenmikroskope mit unterschiedlichen Auflösungsvermögen bzw. Auflösungsgrenzen mittels einer auf die vorstehend beschriebene Weise mit unterschiedlichen Sätzen von Schlitzabständen gefertigten Probe, wie der in 13 gezeigten, eine Quantifizierung erfolgen. So kann der numerische Prozessor 19 unter Verwendung der anhand einer bestimmten Probe mit vorgegebenen Abständen zwischen den Schlitzen erhaltenen Daten eine quantitative Ermittlung des Auflösungsvermögens bzw. der Auflösungsgrenze ausführen. Genauer kann der numerische Prozessor 19 bei der Erstellung einer Leistungsermittlungsübersicht, wie in 12 gezeigt, das Auflösungsvermögen bzw. die Auflösungsgrenze unter Verwendung der den an einer Probe mit Schlitzabständen von beispielsweise 1 nm gemessenen minimalen und maximalen Wert betreffenden Daten quantitativ ermitteln, indem er das Auflösungsvermögen bzw. die Auflösungsgrenze betreffende quantitative Daten mittels einer Funktionsannäherung, etc. in Beziehung setzt.

Im Folgenden wird ein Verfahren zur Fourier-Transformations-Frequenzanalyse an einem Bild der in 8 gezeigten Probe 21d zur Messung der Auflösung eines Rasterelektronenmikroskops beschrieben, wobei dieses Verfahren kein Teil der beanspruchten Erfindung ist.

Rasterelektronenmikroskopbilddaten der Probe 21d, die mehrere Dünnfilme umfaßt, die so angeordnet sind, daß sie ein Streifenmuster mit gleichmäßigen Abständen bilden, wie in 8 gezeigt, werden dem numerischen Prozessor 19 zugeführt, in dem dann eine ein- oder zweidimensionale Fourier-Transformation ausgeführt wird. 9 zeigt eine Kurve, die die Beziehung zwischen der Frequenz des Streifenmusters und der Signalintensität in Bezug auf ein durch eine Fourier-Transformation erhaltenes Leistungsspektrum zeigt. Es wird darauf hingewiesen, daß der Ursprung, an dem die Gleichstromkomponente maximiert wird, einer Frequenz von Null entspricht.

Gemäß dem Diagramm nimmt die Frequenz auf der Abszisse vom Ursprung in der Mitte nach links und rechts zu. Unter Verwendung einer Spitzensignalintensität bei der Streifenmusterfrequenz kann der numerische Prozessor 19 eine quantitative Ermittlung der Auflösung ausführen. Darüber hinaus kann der numerische Prozessor 19 die Auflösung unter Verwendung des Verhältnisses oder der Differenz zwischen der Signalintensität der Gleichstromkomponente und der Spitzensignalintensität des Streifenmusters quantitativ ermitteln. Dies bedeutet, daß die Auflösung besser wird, wenn die Spitzensignalintensität des Streifenmusters zur Signalintensität der Gleichstromkomponente zunimmt.

Durch Abbilden der in 8 gezeigten Probe 21d zum Messen der Auflösung eines Rasterelektronenmikroskops kann auch der Wert der Kontrastübertragungsfunktion (CTF) bestimmt werden. In diesem Fall kann die quantitative Ermittlung der Auflösung unter Verwendung des folgenden Ausdrucks ausgeführt werden: (maxL – minL)/(maxL + minL)·100 (%), wobei „maxL" den maximalen Luminanzwert des Streifenmusterteils der Bilddaten der Probe und „minL" seinen minimalen Luminanzwert bezeichnet.

Bei der in 8 gezeigten Probe scheint sich unter der elektronenoptischen Voraussetzung einer konstanten Vergrößerung und einer konstanten Beschleunigungsspannung jeder weiße Teil 23a ihres Rasterelektronenmikroskopbilds gleichmäßig auszudehnen, wie in den 10 und 11 gezeigt. Wenn sich ein weißer Teil 23a des Rasterelektronenmikroskopbilds einer Probe mit einem Streifenmuster mit Intervallen von 10 nm bei einer konstanten elektronenoptischen Vergrößerung und bei einer konstanten Beschleunigungsspannung beispielsweise auf 14 nm auszudehnen scheint, scheint sich ein weißer Teil 23a des Rasterelektronenmikroskopbilds einer Probe mit einem Streifenmuster mit Abständen von 20 nm auf 24 nm auszudehnen. Da der Grad der Ausdehnung, wie vorstehend erwähnt, identisch ist, kann die Auflösung dementsprechend definiert werden, d.h. der Wert von 4 nm kann bei dem vorstehenden Beispiel als Auflösung definiert werden.

In 13 ist ein Beispiel einer zum Ermitteln des Auflösungsvermögens bzw. der Auflösungsgrenze hergestellten Probe dargestellt. Auf dieser Probe sind die in den 2, 4, 6 und 8 gezeigten Streifenmuster so angeordnet, daß sie die Ermittlung des Auflösungsvermögens bzw. der Auflösung mittels unterschiedlicher Verfahren ermöglichen, ohne daß ein Wechsel der Proben erforderlich wäre.

In 14 ist ein Probenträger/Probenhalter 24 zur Montage der Probe 1 bzw. der Probe 21 zum Ermitteln des Auflösungsvermögens gezeigt. Bei der Überprüfung von Halbleitervorrichtungen bietet der beispielsweise quadratische Probenträger/Probenhalter 24, auf dem ein kreisförmiges Plättchen montiert ist, an seinen vier Ecken freie Flächen. An einer dieser vier Eckpositionen ist der in 15 gezeigte Probenhalter 41 montiert. Auf dem Probenhalter 41 wird die Probe 21 zwischen Elektrodenteilen zum elektrischen Anschließen angeordnet. Ein normaler Probenhalter kann aufgrund der Entstehung einer Ladung oder einer Verunreinigung der Oberfläche bei der Betrachtung nicht wiederverwendet werden, nachdem die Probe 21 einmal einer Rasterelektronenmikroskopbilderzeugung unterzogen wurde. Die entstandene Ladung und die Verunreinigung der Oberfläche können jedoch durch eine elektrische Erwärmung der Probe 21 auf 1.000°C oder mehr entfernt werden, was beispielsweise zu einer Verringerung der Anzahl der Probenwechsel oder zur Eliminierung der Probenwechsel führt.

In 16 ist der Aufbau einer zur Ermittlung des Auflösungsvermögens hergestellten Probe 51 gezeigt. Bei der Herstellung der Probe 51 werden W-Filme 53 und C-Filme 54 auf ein Si-Plättchen 52 geschichtet. Genauer werden auf einer Abmessung A 55 jeweils C-Filme 54 mit einer jeweiligen Dicke von 6 nm und W-Filme 53 mit einer jeweiligen Dicke von 3 bis 10 nm aufeinandergeschichtet. Auf einer Abmessung B 56 werden jeweils C-Filme 54 mit einer jeweiligen Dicke von 5 nm und W-Filme 53 mit jeweiligen einer Dicke von 3 bis 10 nm aufeinandergeschichtet. Dann werden auf einer Abmessung C 57 jeweils C-Filme 54 mit einer jeweiligen Dicke von 4 nm und W-Filme 53 mit einer Dicke von 3 bis 10 nm aufeinandergeschichtet. Für Fachleute ist offensichtlich, daß die Dicke jedes W-Films nicht notwendiger Weise 3 bis 10 nm beträgt. Bei der Betrachtung der Probe 51 unter einem Rasterelektronenmikroskop wird das Rasterelektronenmikroskopbild auf einer Anzeigeeinrichtung 30 angezeigt, d.h. die Anzeigeeinrichtung 30 zeigt das in 16 gezeigte Rasterelektronenmikroskopbild 58 an. In dem Dimensionsintervall 57 auf dem Rasterelektronenmikroskopbild 58 scheint sich jeder durch einen W-Film 53 verursachte weiße Bildteil auszudehnen, obwohl C-Filme 54 mit einer jeweiligen Dicke von 4 nm dazwischen angeordnet sind, wodurch eine Betrachtung der einen C-Film 54 darstellenden dunklen Bildteile unmöglich wird. Dies zeigt, daß das bewertete Rasterelektronenmikroskop eine Dimension von 5 nm separat unterscheiden kann, eine Dimension von 4 nm jedoch nicht erkennbar trennen kann. Daher wird mittels einer Probenbetrachtung festgestellt, daß das Auflösungsvermögen des bewerteten Rasterelektronenmikroskops 5 nm beträgt.

Im Folgenden wird ein Verfahren zur Messung des Auflösungsvermögens eines Rasterelektronenmikroskops unter Verwendung der in 17 gezeigten Probe 61 und ohne die Verwendung der in 12 gezeigten Leistungsbewertungsübersicht beschrieben, das kein Teil der beanspruchten Erfindung ist.

Bei der Herstellung der Probe 61 werden beispielsweise Ru-Filme 63 und C-Filme 64 auf ein Si-Plättchen 62 geschichtet. Genauer werden auf einer Abmessung A 65 jeweils C-Filme 64 mit einer jeweiligen Dicke von 10 nm und Ru-Filme 63 mit einer jeweiligen Dicke von 3 bis 10 nm aufeinandergeschichtet. Auf einer Abmessung B 66 werden jeweils C-Filme 64 mit einer jeweiligen Dicke von 6 nm und Ru-Filme 63 mit einer jeweiligen Dicke von 3 bis 10 nm aufeinandergeschichtet. Dann werden auf einer Abmessung C 67 jeweils C-Filme 64 mit einer jeweiligen Dicke von 5 nm und Ru-Filme 63 mit einer jeweiligen Dicke von 3 bis 10 nm aufeinandergeschichtet. Für Fachleute ist offensichtlich, daß die Dicke jedes der Ru-Filme 63 nicht notwendiger Weise 3 bis 10 nm beträgt.

Wird ein Rasterelektronenmikroskopbild der Probe 61 erzeugt, kann durch eine Fourier-Transformation ein ähnliches Leistungsspektrum erzielt werden, wie das in 9 gezeigte. Dann werden nur die Frequenzkomponenten in den Dimensionsintervallen D 56, E 66 und F 67 herangezogen, die den in 9 gezeigten Streifenmusterfrequenzsignalen entsprechen. Genauer werden mehrere Punkte 82 herangezogen, die auf einem in 18 gezeigten, einer Fourier-Transformation unterzogenen Bild 81 erscheinen. Diese Punkte 82 werden einer invertierten Fourier-Transformation unterzogen, um ein bandpaßgefiltertes Rasterelektronenmikroskopbild zu reproduzieren. 19 zeigt das Luminanzprofil des Rasterelektronenmikroskopbilds.

In den Dimensionsintervallen D 65, E 66 und F 67 nimmt die Amplitude der Luminanz in der Größenordnung der Amplitude D, der Amplitude E und der Amplitude F ab. Wird der Abstand der Streifen schmaler, wird der Grad der erkennbaren Trennung bei der Bilderzeugung geringer. Unter der Voraussetzung, daß bei der Bilderzeugung im Dimensionsintervall D eine vollständig erkennbare Trennung erzielbar ist, kann das Verhältnis zwischen den Amplituden D, E und F gemäß 19 als Auflösungskurve oder -linie aufgezeichnet werden, wobei der Abstand (nm) auf der Abszisse und das Amplitudenverhältnis (%) auf der Ordinate dargestellt ist. Durch die Anwendung der Rayleigh'schen Grenze der optischen Auflösung kann ein Wert auf der Abszisse, der einem Punkt unterhalb eines Niveaus von 26% auf der aufgezeichneten Kurve oder Linie entspricht, als Grenze der Auflösung/des Auflösungsvermögens definiert werden. Das Niveau von 26% kann für jedes Instrumentenmodell entsprechend der anhand einer Korrelationsuntersuchung, etc. erhaltenen, experimentell ermittelten Daten verändert werden.

Als Materialien für die aufeinander zu schichtenden Filme können zusätzlich zu einer Kombination aus W-Filmen und C-Filmen auch Kombinationen aus W-Filmen und Si-Filmen, Ru-Filmen und C-Filmen, Mo-Filmen und B4C-Filmen, etc. verwendet werden.

Obwohl bei den vorliegenden, bevorzugten Ausführungsformen ein Einkristall-Siliciumsubstrat als Substrat verwendet wird, auf dem die Dünnfilme erzeugt werden, ist festzuhalten, daß ein verwendbares Material für das Substrat nicht auf Einkristall-Silicium begrenzt ist.

Die für die Ermittelung des Auflösungsvermögens eines Rasterelektronenmikroskops hergestellte Probe 51 ist nicht nur für die Ermittlung der Leistung bei der Herstellung von Rasterelektronenmikroskopen verwendbar, sondern auch für die Ermittlung der Alterung bei Routineüberprüfungen oder bei der Wartung von Rasterelektronenmikroskopen.

Ferner kann der numerische Prozessor 19 so konstruiert sein, daß er Bildverarbeitungstechnologie zum Ausführen einer automatischen Dimensionsmessung anhand des Grads der Bildausdehnung unter Verwendung der vorstehen beschriebenen Phänomene bei der Bilderzeugung mittels eines Rasterelektronenmikroskops enthält. Dies ermöglicht das Ausführen einer automatischen Messung und quantitativen Ermittlung des Auflösungsvermögens jedes Rasterelektronenmikroskops. Bei montierter Probe 51 kann jedes Rasterelektronenmikroskop sein eigenes Auflösungsvermögen durchgehend selbst steuern.

Obwohl im Zusammenhang mit den vorliegenden, bevorzugten Ausführungsformen eine eindimensionale Richtung (die Richtung der x-Achse) beschrieben wurde, ist für Fachleute offensichtlich, daß die Erfindung auch auf zweidimensionale Richtungen anwendbar ist. Es ist auch offensichtlich, daß sich das Auflösungsvermögen bei einer Veränderung der Beschleunigungsspannung ändert.

Ist das Auflösungsvermögen nicht zufriedenstellend, können überdies die Fokussierbedingungen durch Verändern der eingestellten Werte für die Eingabedingungen zur Steuerung des elektronenoptischen Systems einschließlich der elektromagnetischen Linse 14 unter Verwendung der Eingabeeinrichtung 31 verändert werden. Durch Verändern der eingestellten Werte für die Eingabebedingungen zum Regulieren eines Vakuumsteuersystems 32 unter Verwendung der Eingabeeinrichtung 31 kann auch der Grad des Unterdrucks eingestellt werden. In einer Situation, in der die Elektronenkanone 13 nicht ordnungsgemäß eingestellt ist, muß sie eingestellt werden.

Da überdies eine mit dem numerischen Prozessor 19 verbundene Speichervorrichtung aufgezeichnete, das Auflösungsvermögen betreffende Daten enthält, kann jeder Benutzer über die Anzeigeeinrichtung jederzeit hinsichtlich eines bestimmten Protokolls des Auflösungsvermögens informiert werden.

Wie vorstehend ausgeführt, ermöglicht die vorliegende Erfindung das Ausführen einer quantitativen Ermittlung des Auflösungsvermögens/der Auflösung eines Rasterelektronenmikroskops unter Verwendung einer Probe aus mehreren, aufeinandergeschichteten Dünnfilmen mit bekannten Abmessungen mittels einer Frequenzanalyse der aus einer Bilderzeugung mittels eines Rasterelektronenmikroskops resultierenden Daten, etc. wodurch die Erfassung genauer, die Leistung des Rasterelektronenmikroskops und seine zeitbedingte Verschlechterung betreffender Daten ermöglicht wird. Insbesondere bei der Überprüfung oder bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen, bei der zahlreiche Rasterelektronenmikroskope verwendet werden, kann die vorliegende Erfindung durch die Verbesserung der Meßgenauigkeit zur Verringerung der Instrumentenfehler der Rasterelektronenmikroskope beitragen.

Anders als bei dem herkömmlichen Verfahren zum Ermitteln der Leistung eines Rasterelektronenmikroskops, bei dem eine Kohlenstoffprobe mit aufgedampften Goldpartikeln verwendet wird und bei dem die Ergebnisse der Ermittlung von Schwankungen der Größe und Form der Goldpartikel beeinträchtigt werden, ermöglicht die vorliegende Erfindung darüber hinaus jederzeit eine konsistente quantitative Ermittlung der Leistung eines Rasterelektronenmikroskops unter Verwendung einer wie vorstehend beschrieben hergestellten Probe. Im Übrigen kann durch eine Messung des Grads der Ausdehnung eines Rasterelektronenmikroskopbilds eine automatische Messung des Auflösungsvermögens implementiert werden.

Die Erfindung kann in weiteren spezifischen Formen ausgeführt werden. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher in jeder Hinsicht als illustrativ und nicht als restriktiv zu interpretieren, wobei der Rahmen der Erfindung durch die beiliegenden Ansprüche und nicht durch die vorstehende Beschreibung definiert ist und sämtliche Veränderungen, die in die Bedeutung der Ansprüche fallen, daher als in ihr enthalten zu betrachten sind.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Ermitteln des Auflösungsvermögens eines Elektronenmikroskops,

    gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

    herstellen einer Probe durch Schichten von Materialien mit unterschiedlichen Emissionskoeffizienten von geladenen Sekundärpartikeln wie Sekundärelektronen, rückgestreute Elektronen, durchgelassene Elektronen, usw.;

    Bestrahlen eines Querschnitts einschließlich eines geschichteten Materialteils der Probe mit einem Elektronenstrahl, um ein Bild des Querschnitts der Probe an Hand der sekundären geladenen Partikel durch Erfassen der emittierten sekundären geladenen Partikel zu erhalten; und Vornehmen der quantitativen Auswertung des Auflösungsvermögens des Elektronenmikroskops unter Verwendung des so aus den sekundären geladenen Partikeln erhaltenen Bildes, wobei die qualitative Auswertung des Auflösungsvermögens des Elektronenmikroskops ausgeführt wird, indem ein Differenzialsignal verwendet wird, dass durch Differenzierung des Signals des Bildes von den sekundären geladenen Partikeln gewonnen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, mit dem weiteren Schritt des Herstellens der Probe durch Schichten von Dünnschichten.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Dünnschicht auf dem Substrat eine bekannte Dicke hat.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt des Herstellens mehrfacher Dünnfilmschichten aus zwei oder Mehrmaterialien mit unterschiedlichen Emissionskoeffizienten auf der Probe.
Es folgen 12 Blatt Zeichnungen






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