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Dokumentenidentifikation DE69835089T2 08.02.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000999573
Titel Strahlrohr für geladene Teilchen
Anmelder ICT Integrated Circuit Testing Gesellschaft für Halbleiterprüftechnik mbH, 85551 Kirchheim, DE
Erfinder Feuerbaum, Hans-Peter Dr., 81739 München, DE;
Winkler, Dieter Dr., 81739 München, DE;
Degenhardt, Ralf Dr., 85652 Pliening, DE
Vertreter Zimmermann & Partner, 80331 München
DE-Aktenzeichen 69835089
Vertragsstaaten DE, GB, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 06.11.1998
EP-Aktenzeichen 981212012
EP-Offenlegungsdatum 10.05.2000
EP date of grant 28.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.02.2007
IPC-Hauptklasse H01J 37/301(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H01J 37/147(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft ein Strahlgerät für geladene Teilchen zur Untersuchung von Proben. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Strahlsäule, die zum Führen des Strahls geladener Teilchen verwendet wird.

Hintergrund der Erfindung

Strahlen negativ oder positiv geladener Teilchen können zur Untersuchung von Proben verwendet werden. Verglichen mit optischem Licht ist das Auflösungsvermögen eines Strahls geladener Teilchen mehrere Größenordnungen höher und erlaubt die Untersuchung sehr viel feinerer Details. Bei Strahlgeräten für geladene Teilchen wirken elektrische oder magnetische Felder oder eine Kombination derselben auf den Strahl in einer Weise ein, die analog zu der ist, mit der eine optische Linse auf einen Lichtstrahl wirkt. Insbesondere ist jedes elektrische oder magnetische Feld, das bezüglich einer Achse symmetrisch ist, geeignet, um entweder ein reales oder ein virtuelles Bild aus geladenen Teilchen zu erzeugen. Daher ist ein axial-symmetrisches elektrisches oder magnetisches Feld analog zu einer sphärischen Linse. Weiterhin werden ähnlich wie bei der Lichtoptik ebenso Aperturen in Geräten für geladene Teilchen verwendet. Die vornehmliche Anwendung dieser Aperturen ist das Begrenzen des Durchmessers des Strahls geladener Teilchen oder das Beseitigen von verirrten oder weit gestreuten Teilchen. Jedoch stellen Aperturen in Geräten für geladene Teilchen ein leichtes Ziel für durch Kohlenwasserstoffe bewirkte Kontamination dar.

Auf ihrem Weg von der Teilchenquelle zur Probe werden geladene Teilchen durch alle Formen von Materie einschließlich Luft stark gestreut. Daher muss das gesamte Instrument im Allgemeinen evakuiert werden. Nichtsdestotrotz ist die Anwesenheit von Kohlenwasserstoff-Molekülen in Vakuumkammern nahezu unvermeidbar. Diese werden im Allgemeinen in Vakuumkammern der Geräte für geladene Teilchen als Ergebnis von Kohlenwasserstoff- und Silikon-Ölen erzeugt, die aus Vakuumpumpen einwandern oder aus Vakuumdichtungen ausdampfen. Die Bestrahlung von Kohlenwasserstoff-Molekülen mit geladenen Teilchen führt zum Aufbrechen von Bindungen und zur Bildung von Kohlenstoff-Doppelbindungen. Die Bildung von Kohlenstoff-Doppelbindungen führt wiederum zu Vernetzung und das Endprodukt wird eine kohlenstoffhaltige polymerisierte Substanz sein. Insbesondere die Ränder von Aperturen, die zum Begrenzen des Durchmessers des Teilchenstrahls dienen, wie etwa in Dokument EP 0 797 236 beschrieben ist, sind der Teilchenstrahlung ausgesetzt. An diesen Rändern bilden sich leicht kohlenstoffreiche Filme oder Kontaminationsnadeln und wachsen in die Öffnungen hinein, was die Form des hindurchtretenden Strahls verändert.

Weiterhin werden diese in die Öffnungen hineinragenden Kontaminationen durch den Teilchenstrahl aufgeladen. Die auftreffenden Teilchen werden von den Auskragungen, die im Wesentlichen als Isolatoren klassifiziert werden können, absorbiert. Der Ladungsaufbau bewirkt eine Ablenkung des hindurchtretenden Teilchenstrahls und resultiert in Abbildungsartefakten. Aufgrund der stetigen Akkumulation von Ladung wächst die Spannung einer Kontamination an bis sie den Durchschlagspunkt erreicht. In diesem Moment tritt eine plötzliche Entladung auf und das durch den Ladungsaufbau bewirkte Abbildungsartefakt verschwindet. Die darauffolgende Absorption geladener Teilchen wird wiederum die Spannung der Kontamination aufbauen bis sie den Durchschlagspunkt erreicht. Folglich führt dies zu einem periodischen Artefakt des Bildflimmerns. Zusätzlich tritt ein Artefakt auf, das durch die langsam wachsende Kontaminationsschicht am Rand einer Apertur, die stetig den Durchmesser des hindurchtretenden Strahls verringert, bewirkt wird.

In manchen Geräten wurden Multi-Aperturen verwendet, um eine Vielzahl vorgewählter Strahldurchmesser zu erhalten. Eine Platte, die mehrere Aperturen mit unterschiedlichen Durchmessern umfasst, wird zwischen der Teilchenquelle und der Probe angeordnet. Der Strahl geladener Teilchen wird dann durch eine dieser Aperturen geführt, um ihn auf einen gewünschten Durchmesser zu reduzieren, bevor er auf die zu untersuchende Probe auftrifft. Ohne Beschränkung des Schutzbereichs der Erfindung konzentrieren sich die folgenden Erläuterungen hauptsächlich auf die Verwendung von Elektronen als geladene Teilchen. Ein auftreffender Strahl von Elektronen mit einer gegebenen Elektronendichte und einem größeren Strahldurchmesser führt dazu, dass mehr Primär-Elektronen das Ziel treffen. Die größere Zahl von Wechselwirkungen zwischen Primär-Elektronen und dem Ziel führt im Allgemeinen zu einem Anstieg der detektierten Sekundärprodukte und folglich zu einem höheren Bildkontrast. Auf der anderen Seite führt ein kleinerer Strahldurchmesser mit weniger durch das Ziel absorbierten Primär-Elektronen zu einer geringeren Aufladung und erlaubt das Fokussieren des Strahls auf einem kleineren Durchmesser in der Probenebene.

Insbesondere kleine Aperturen von Multi-Apertur-Einheiten erfordern häufiges Reinigen aufgrund der hoch-intensiven Strahlung an ihren Rändern. Weiterhin ist häufiges Reinigen notwendig, da eine Verunreinigungsstelle gegebener Größe bezüglich der Gesamtfläche einer kleinen Apertur einen großen Einfluss hat. Zum Reinigen muss der Teil der Elektronenstrahlsäule, der die Multi-Apertur-Einheit beinhaltet, geöffnet werden und sein Vakuum wird aufgehoben. Nach dem Reinigen sind zeitaufwendige Neujustierungs- und Einstellungsschritte notwendig, bevor das Elektronenstrahlgerät wieder voll einsatzfähig ist. Da diese Arbeitsschritte zu einer beachtlichen Maschinen-Stillstandszeit führen, ist es wünschenswert, das Intervall, in dem solche Aperturen gereinigt werden müssen, zu vergrößern.

In der Vergangenheit wurden mehrere Versuche unternommen, die Kontamination von Aperturen zu vermindern, wie z. B. die Verwendung eines kohlenwasserstoff-freien Vakuums und geeignetes vorheriges Reinigen der Vakuumkammer und Apertur-Einheit. Bei einem anderen Versuch wurden die Aperturen während der Maschinenlaufzeit erhitzt. Die vergrößerte Brown'sche Bewegung der Moleküle an den Rändern der Apertur verhindert die Bildung von Kontaminationsschichten darauf. Jedoch ist der Einbau von Heizgeräten in der Nähe der Aperturen beschwerlich und kostenintensiv.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung beabsichtigt, eine verbesserte Strahlsäule zur Untersuchung einer Probe mit einem Strahl geladener Teilchen bereitzustellen. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.

Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung weiterhin ein Verfahren gemäß Anspruch 11 bereit.

Weitere Vorteile, Merkmale, Aspekte und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen. Die Ansprüche sollen als ein erster, nicht einschränkender Versuch verstanden werden, die Erfindung in allgemeinen Begriffen zu definieren.

Gemäß einem bevorzugten Aspekt wird eine Strahlsäule für geladene Teilchen mit einer ersten Vakuumkammer bereitgestellt. Das Strahlgerät für geladene Teilchen umfasst weiterhin eine Teilchenquelle zum Bereitstellen eines Strahls geladener Teilchen und eine Multi-Apertur-Einheit mit zumindest zwei strahl-definierenden Aperturen zum Formen des Strahls geladener Teilchen. Die Teilchenquelle und die strahl-definierenden Aperturen sind innerhalb der ersten Vakuumkammer angeordnet. Eine Trenneinheit zum Isolieren einer zweiten Vakuumkammer von der ersten Vakuumkammer, wodurch die Trenneinheit eine Pfad-Apertur für den Strahl geladener Teilchen umfasst, ist zwischen der ersten und der zweiten Vakuumkammer angeordnet. Eine erste Ablenkeinheit richtet den Strahl geladener Teilchen durch eine der strahl-definierenden Aperturen und eine zweite Ablenkeinheit richtet den Strahl geladener Teilchen durch die Pfad-Apertur.

Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die erste und/oder die zweite Ablenkeinheit außerhalb der ersten Vakuumkammer angeordnet. Dies erlaubt die Verwendung kleinerer Vakuumkammern und beseitigt das Erfordernis, Dichtungsglieder für Kabel und Verbinder, die zum Betreiben der Ablenkeinheiten verwendet werden, bereitzustellen.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die zweite Ablenkeinheit, die den Strahl geladener Teilchen durch die Pfad-Apertur führt, zwei Stufen. Die erste führt den durch eine ausgewählte strahl-definierende Apertur kommenden Strahl zurück auf die optische Achse. Danach führt die zweite Stufe ihn entlang der optischen Achse oder alternativ in großer Nähe zur optischen Achse. Vorteilhafterweise erlaubt dies, den Strahl auf eine Trajektorie nahe der optischen Achse zu richten, selbst bevor er durch die Pfad-Apertur der Trenneinheit hindurchtritt. Schon die zweite Ablenkeinheit führt den Strahl in einer Richtung, so dass er auf das Ziel oder die Probe hin propagiert, ohne dass er nochmals durch eine dritte Ablenkeinheit ausgerichtet werden müsste.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine dritte Ablenkeinheit zum Ausrichten des Strahls geladener Teilchen durch die Objektivlinse bereitgestellt, nachdem er durch die Pfad-Apertur der Trenneinheit hindurchgetreten ist. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Trajektorie des Strahls bezüglich der optischen Achse geneigt, nachdem er durch die erste und die zweite Ablenkeinheit hindurchgetreten ist. Vorteilhafterweise kompensiert die dritte Ablenkeinheit übermäßige Neigungswinkel und richtet den Strahl geladener Teilchen wieder aus, so dass der Winkel zwischen der optischen Achse und dem Strahl vermindert wird. Vorzugsweise ist die dritte Ablenkeinheit zwischen der Trenneinheit und der Probe angeordnet.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst die dritte Ablenkeinheit zwei Ablenkstufen. Die erste Stufe der Ablenkeinheit richtet den Strahl wieder zurück zur optischen Achse und darauffolgend führt die zweite Stufe den Strahl entlang der optischen Achse oder in großer Nähe dazu. Dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel erlaubt nicht nur eine Verminderung des Winkels zwischen der optischen Achse und dem Strahl sondern es erlaubt ebenfalls, dass der Strahl entlang oder in großer Nähe zur optischen Achse propagiert. Weiterhin erlaubt die zweite Stufe in Fällen, bei denen die durch die Pfad-Apertur und die Objektivlinse definierten optischen Achsen nicht koaxial sind, dass der Strahl entlang der durch die Objektivlinse definierten optischen Achse wieder ausgerichtet wird. Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Vakuum in der ersten Vakuumkammer höher als das Vakuum in der zweiten Kammer. Vorteilhafterweise wird die in der ersten Vakuumkammer angeordnete Multi-Apertur in einem höheren Vakuum gehalten. Auf diese Weise wird die Zeitspanne, in der sich Verunreinigungen an der Pfad-Apertur entwickeln und beginnen, die Trajektorie des Strahls geladener Teilchen negativ zu beeinflussen, verlangsamt durch die spezifische Verminderung der Anzahl von Kohlenwasserstoffen in diesem Bereich. Gleichzeitig ist es nicht erforderlich, die Vakuumstufe der ersten Vakuumkammer in Teilen der Strahlsäule aufrecht zu erhalten, in denen Verunreinigungen einen geringeren störenden Einfluss haben.

Gemäß noch einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die erste Vakuumkammer auf Ultrahoch-Vakuum gehalten. In dieser Vakuumstufe ist die Anzahl der Kohlenwasserstoffe in der Nähe der pfad-definierenden Aperturen drastisch vermindert, was die Maschinenlaufzeiten erhöht.

Die Erfindung ist ebenfalls auf Verfahren gerichtet, mittels derer die beschriebenen Vorrichtungen betrieben werden. Sie beinhalten Verfahrensschritte zum Ausführen einer jeden Funktion der Vorrichtungen. Diese Verfahrensschritte können durch Hardware-Komponenten, einen durch geeignete Software programmierten Computer oder durch eine beliebige Kombination der beiden oder in jeder beliebigen anderen Weise ausgeführt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen.

Einige der oben angedeuteten und andere mehr detaillierten Aspekte der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung beschrieben und teilweise unter Bezugnahme auf die Zeichnungen veranschaulicht. Darin:

1 zeigt einen schematischen senkrechten Querschnitt einer Strahlsäule für ein Strahlgerät für geladene Teilchen umfassend eine erste, eine zweite und eine dritte Doppelstufen-Ablenkeinheit. Die erste und die zweite Ablenkeinheit sind außerhalb einer ersten Vakuumkammer angeordnet.

2 zeigt einen schematischen senkrechten Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Strahlsäule für ein Strahlgerät für geladene Teilchen umfassend eine erste, eine zweite und eine dritte Doppelstufen-Ablenkeinheit. Die erste und die zweite Ablenkeinheit sind innerhalb einer ersten Vakuumkammer angeordnet.

3 zeigt einen schematischen senkrechten Querschnitt einer dritten Ausführungsform einer Strahlsäule für ein Strahlgerät für geladene Teilchen umfassend eine erste und eine zweite Doppelstufen-Ablenkeinheit. Die erste und die zweite Ablenkeinheit sind außerhalb der ersten Vakuumkammer angeordnet.

4 zeigt einen schematischen senkrechten Querschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels einer Strahlsäule für ein Strahlgerät für geladene Teilchen umfassend eine erste, eine zweite und eine dritte Doppelstufen-Ablenkeinheit. Die erste und die zweite Ablenkeinheit sind innerhalb der ersten Vakuumkammer angeordnet.

5 zeigt eine Draufsicht auf eine Multi-Apertur-Einheit mit mehreren strahl-definierenden Aperturen, die in einem Kreis um die mittlere strahl-definierende Apertur, die in der Mitte der kreisförmigen Platte angeordnet ist, herum angeordnet sind.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Eine beispielhafte Ausführungsform einer Elektronenstrahlsäule, die in einer Vorrichtung zur Untersuchung von Proben verwendet wird, ist in 1 gezeigt. Ein Elektronenstrahl 4 kommt aus einer Elektronenquelle 3, z. B. einem Schottky-Emitter oder einer Wolfram-Nadel. Eine unterhalb angeordnete Anode beschleunigt und zieht die Elektronen an und ein Kondensor sammelt sie zu einem feinen Strahl. Beide, Anode und Kondensor, sind nicht in den Zeichnungen gezeigt, da sie für das Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich sind. Eine erste Ablenkeinheit 11 lenkt den Elektronenstrahlpfad von der durch die Elektronenquelle 3 definierten optischen Achse 9 ab und führt den Elektronenstrahl durch eine der strahl-definierenden Öffnungen 6 in der Multi-Apertur 5.

Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Multi-Apertur 5 eine kreisförmige flache Scheibe mit mehreren strahl-definierenden Öffnungen 6 mit einem bestimmten Durchmesser. Bevor der Elektronenstrahl durch eine dieser Öffnungen hindurchtritt, weist er im Allgemeinen einen Durchmesser auf, der größer ist als der Durchmesser der Öffnung. Auf diese Weise gestattet die strahl-definierende Apertur lediglich den Elektronen, hindurchzutreten, deren Abstand von der Elektronenstrahlachse kleiner ist als der Aperturdurchmesser und entfernt die restlichen. Die erste Ablenkeinheit ist in der Lage, den Elektronenstrahl 4 durch eine beliebige der strahl-definierenden Aperturen 6 in der Multi-Apertur-Einheit 5 zu richten, wodurch der Strahldurchmesser und folglich auch der Strom des Elektronenstrahls bestimmt wird. Die Auswahl einer speziellen strahl-definierenden Apertur steht in der Wahl des Benutzers und beruht auf seinen Absichten. Im Hinblick auf die vorliegende Erfindung ist es nicht erforderlich, die strahl-definierenden Aperturen 6 in einem bestimmten Muster auf der Multi-Apertur-Einheit 5 anzuordnen. Es ist jedoch bevorzugt, einen hinreichenden Abstand zwischen den äußeren Rändern benachbarter Aperturen zu haben, so dass Elektronen, die auf den am weitesten außen gelegenen Trajektorien des Elektronenstrahls sich bewegen, nicht zufällig durch benachbarte Aperturen hindurchtreten. Auf der anderen Seite sollte die Abstände zwischen den äußeren Rändern benachbarter Aperturen nicht zu weit sein. Dies erlaubt Ablenkungen des Elektronenstrahls mit kleineren Winkeln, da die Mitten der strahl-definierenden Aperturen 6 näher an der Mitte der Multi-Apertur-Einheit 5 angeordnet sind. Weiterhin ist es bevorzugt, eine strahl-definierende Apertur in der Mitte der Multi-Apertur-Einheit 5 zu haben. Wenn eine bestimmte Anwendung die Verwendung der Mitten-Apertur erfordert, ist es dann nicht notwendig, den Elektronenstrahl abzulenken, der auf der optischen Achse verbleiben kann.

Eine zweite Ablenkeinheit 12 richtet den Strahl zurück nachdem sein Durchmesser durch eine der Aperturen 6 definiert worden ist, und führt ihn durch die Pfad-Apertur 8 der Trenneinheit 7. Die Trenneinheit 7 ist zwischen einer ersten Vakuumkammer 1 und einer zweiten Vakuumkammer 2 angeordnet und trennt die zweite Vakua, die in einer jeweiligen der Kammern existieren. Dadurch ist das Vakuum in der ersten Kammer 1 höher als das Vakuum in der zweiten Kammer 2 oder mit anderen Worten ist der Druck in der zweiten Kammer höher als der Druck in der ersten Kammer. Dies vermindert die Anzahl der Kohlenwasserstoff-Moleküle in der Umgebung der strahl-definierenden Aperturen, wodurch auf diese Weise die Bildung von Verunreinigungen verlangsamt wird. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das Vakuum in der ersten Kammer 1 mindestens fünfmal so hoch wie das Vakuum in der zweiten Kammer. In noch mehr bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das Vakuum in der ersten Kammer mindestens zehnmal so hoch wie das Vakuum in der zweiten Kammer. Durch Ausbilden einer Druckdifferenz von ungefähr einer Größenordnung wird die Anzahl der in der ersten Kammer anwesenden Kohlenwasserstoff-Moleküle verglichen mit der Anzahl in der darauf folgenden zweiten Kammer anwesenden Kohlenwasserstoff-Moleküle beträchtlich vermindert, was in noch stärker verlängerten Laufzeiten des Strahlgeräts für geladene Teilchen resultiert.

Alternativ ist es bevorzugt, in der ersten Vakuumkammer 1 ein Ultrahoch-Vakuum, das höher ist als 10–7 mbar, herzustellen. Dies vermindert die Anzahl aller Moleküle einschließlich Kohlenwasserstoff-Moleküle pro cm3 auf nicht mehr als 109 und verlangsamt folglich die Bildung von Verunreinigungsstellen. In noch mehr bevorzugten Ausführungsbeispielen wird ein zusätzliches Hoch-Vakuum von ungefähr 10–4 mbar bis ungefähr 10–7 mbar in der Vakuumkammer 2 ausgebildet. Das zusätzliche Vorhandensein eines Hoch-Vakuums in der zur ersten Vakuumkammer benachbarten zweiten Vakuumkammer verlängert die Maschinenlaufzeiten noch mehr. Es ist natürlich möglich und vorteilhaft, die Aspekte des Ausbildens von Vakuumgradienten, wie in dem vorhergehenden Absatz beschrieben, mit den Aspekten des Herstellens eines Ultrahoch-Vakuums in der ersten Vakuumkammer, wie in dem vorliegenden Absatz beschrieben, zu kombinieren.

Die strahl-definierenden Aperturen 6 der Multi-Apertur-Einheit 5 sind alle in der Vakuumkammer 1 angeordnet, die vorzugsweise ebenfalls die Elektronenquelle 3 beinhaltet. Es liegt innerhalb des Bereichs der Erfindung, die Multi-Apertur-Platte 5 vollständig innerhalb der Vakuumkammer 1 anzuordnen. Falls das Erfordernis auftritt, die Platte 5 zu ersetzen oder zu reinigen, muss die Vakuumkammer 1 geöffnet werden. Wenn lediglich der Teil der Multi-Apertur-Platte 5, der die strahl-definierenden Aperturen 6 beinhaltet, innerhalb der Vakuumkammer 1 angeordnet ist und die äußeren Teile der Platte sich über diese hinaus erstrecken, dann ist es möglich, die Platte von der Seite ohne Öffnen der gesamten Kammer einzuführen. Eine solche Anordnung erfordert jedoch Ultrahoch-Vakuum-Dichtungen zwischen der Multi-Apertur-Platte 5 und den Wänden der Vakuumkammer 1. Es ist weiterhin für die Ersetzung der Platte notwendig, das Vakuum aufzuheben.

Die Vakuumkammer 2 ist benachbart zur Vakuumkammer 1 angeordnet. Die Pfad-Apertur 8 der Trenneinheit 7 stellt eine stetige Fluidverbindung zwischen den zwei Kammern bereit und Gase werden ausgetauscht. Der Unterschied im Vakuum wird durch Vakuumpumpen (in 1 nicht gezeigt) aufrechterhalten, die mit einer jeweiligen Kammer verbunden sind. Die mit der Kammer 1 verbundene Vakuumpumpe muss in der Lage sein, Gas mit einer Rate zu evakuieren, die den aus Kammer 2 in Kammer 1 strömenden Gasstrom kompensiert.

Die Vakua in der Strahlsäule vermindern Wechselwirkungen zwischen Gasmolekülen und Elektronen, wodurch auf diese Weise ermöglicht wird, dass der Elektronenstrahl auf vorhersagbaren Pfaden verläuft. Trotzdem sind durch die Partialdrücke der Kohlenwasserstoff- und Silikon-Öle von Vakuumpumpen und das Schmiermittel der Vakuumdichtungen und Fingerabdrücke jederzeit Kohlenwasserstoff-Moleküle in den Vakuumkammern präsent. Die Bestrahlung derselben führt zur Bildung polymerisierter Verunreinigungen. Dies geschieht insbesondere an den Rändern der strahl-definierenden Aperturen 6, die einer höheren Elektronenstrahl-Bestrahlung ausgesetzt sind. Dadurch, dass diese strahl-definierenden Aperturen innerhalb eines getrennten Vakuums angeordnet sind, ist es möglich, die Bildung von Verunreinigungen beträchtlich zu vermindern. Der Durchmesser der Pfad-Apertur 8 der Trenneinheit 7 ist vorzugsweise größer als der Durchmesser einer jeweiligen der strahl-definierenden Aperturen. Nachdem der Elektronenstrahldurchmesser durch eine der Aperturen 6 begrenzt worden ist, ist daher die Elektronenstrahlungs-Intensität an den Rändern der Pfad-Apertur 8 niedriger als die an den Rändern der strahl-definierenden Aperturen 6. Da der verschlankte Strahl weniger Elektronen beinhaltet, die alle auf eine Fläche beschränkt sind, die kleiner ist als eine der Pfad-Aperturen, treffen sie nicht den Rand der Apertur selbst. Vorteilhafterweise kompensiert dies die höhere Konzentration von Kohlenstoff-Molekülen in der Nähe der Pfad-Apertur 8.

Die Trenneinheit 7 kann aus einer kreisförmigen flachen Scheibe mit Pfad-Apertur 8 in ihrer Mitte ausgebildet sein. Die flache Scheibe wird dann zwischen den Vakuumkammer 1 und 2 angeordnet, wodurch Vakuumdichtungen an den Kontaktflächen der jeweiligen Kammerwände und der flachen Scheibe eingefügt sind. Dies erlaubt, die Trenneinheit 7 bei Bedarf auszutauschen. Alternativ ist es möglich, eine Wand mit einer Pfadöffnung bereitzustellen, die die Vakuumkammern 1 und 2 trennt. In einer solchen Anordnung ist es nicht erforderlich, Vakuumdichtungen zu verwenden. Die Pfad-Apertur wird verwendet, um die zwei Vakuumkammern zu isolieren.

1 zeigt die erste und die zweite Ablenkeinheit außerhalb der Vakuumkammer 1 angeordnet. Die kleineren Vakuumkammern sind leichter zu evakuieren und auf einem Hoch-Vakuum-Level zu halten. Ebenfalls ist es nicht erforderlich, zum Betrieb der Ablenkeinheiten notwendige Kabel und Drähte durch die Vakuumkammerwände durchzuführen und jeweilige Kabel- und Drahtdurchführungen mit Vakuumdichtungen auszustatten. Ein weiterer Vorteil ist, dass die innere Gestaltung der Vakuumkammer 1 keiner Halte- und Ausrichtungsmittel für die Ablenkeinheiten zu beinhalten braucht.

Die Ablenkung eines Strahls geladener Teilchen wird durch Anlegen transversaler elektrostatischer und magnetischer Felder erreicht. Geladene Teilchen bewegen sich um parabolische Trajektorien in einem gleichförmigen elektrostatischen Feld E eines Parallel-Plattenkondensators und entlang eines Kreises in einem gleichförmigen Magnetfeld B. Auf diese Weise können im Prinzip alle Arten von Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer und magnetischer Felder als Ablenkeinheiten verwendet werden. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, in dem die Ablenkeinheiten außerhalb der Vakuumkammern angeordnet sind, muss dem Einfluss der für die Kammerwände verwendeten Materialien auf die Ablenkfelder Beachtung geschenkt werden. Vorzugsweise werden nicht-magnetische Materialien zusammen mit Ablenkeinheiten verwendet, die mit Magnetfeldern arbeiten, und nicht-leitende Materialien werden zusammen mit Ablenkeinheiten verwendet, die mit elektrischen Feldern arbeiten.

Nachdem der Elektronenstrahl durch die Pfad-Apertur 8 hindurchtritt, tritt in die Vakuumkammer 2 ein. Für die vorliegende Erfindung ist es nicht wichtig, welcher Teil der Elektronenoptik oder der Strahlsäule innerhalb der Vakuumkammer 2 angeordnet ist. Weiterhin ist es nicht wichtig, ob der Elektronenstrahl auf seinem Weg von der Vakuumkammer 1 zu seinem Ziel durch zusätzliche Vakuumkammern hindurchtritt. Daher konzentrieren sich Teile der folgenden Erläuterungen auf die Beschreibung von Anordnungen weiterer Ablenkeinheiten zum Führen des Elektronenstrahls auf sein Ziel ohne die spezifischen Einbaustellen dieser Ablenkeinheiten weiter zu diskutieren.

Im Allgemeinen ist es wünschenswert, den Elektronenstrahl die optische Achse bei einem kleinen Winkel schneiden zu lassen. Eine dritte Ablenkeinheit 13, die unterhalb der Trenneinheit 7 angeordnet ist, richtet den durch die Pfad-Apertur 8 hindurchtretenden Elektronenstrahl 4 aus und führt ihn durch die Objektivlinse 10. In 1 ist die durch die Objektivlinse 10 definierte optische Achse nicht koaxial mit der durch die Pfad-Apertur 8 definierte optische Achse. Um Abbildungsartefakte zu vermeiden, ist es wichtig, den Elektronenstrahl nahe an der optischen Achse der Objektivlinse durch diese hindurchtreten zu lassen. Abhängig von der seitlichen Versetzung zwischen den beiden Achsen ist es manchmal möglich, den Elektronenstrahl 4 in einem einzigen Ablenkschritt durch die Objektivlinse 10 hindurch zu führen. In einem solchen Fall tritt der Elektronenstrahl 4 mit einer leichten Neigung bezüglich der optischen Achse der Objektivlinse durch die Objektivlinse hindurch. Um die Neigung zu vermeiden, ist es bevorzugt, einen doppelten Ablenkschritt zu verwenden. In einem ersten Schritt wird der Elektronenstrahl so abgelenkt, dass er die optische Achse der Objektivlinse 10 schneidet und darauffolgend wird der Elektronenstrahl in einem zweiten Schritt wieder abgelenkt, so dass er direkt entlang der optischen Achse der Objektivlinse propagiert. Es ist also möglich, den Elektronenstrahl in dem zweiten Schritt so auszurichten, dass er nicht direkt auf der optischen Achse der Objektivlinse 10 sondern mehr oder weniger parallel dazu und in direkter Nähe derselben verläuft.

2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Im Unterschied zu der oben beschriebenen Strahlsäule sind die erste und die zweite Ablenkeinheit nun innerhalb der ersten Vakuumkammer 1 angeordnet. Der kleinere Abstand zwischen den Ablenkeinheiten und dem abzulenkenden Elektronenstrahl erlaubt die Verwendung von Ablenkeinheiten, die mit schwächeren elektromagnetischen Feldern arbeiten. Weiterhin kann eine viel größere Anzahl von Materialien für die Herstellung der Wände der Vakuumkammer 1 verwendet werden, da ihr Einfluss auf die Ablenkfelder wesentlich kleiner ist.

Eine alternative Anordnung der Ablenkeinheiten ist in 3 gezeigt. Hier umfasst die zweite Ablenkeinheit 12 zwei Ablenkstufen 12a und 12b. Diese Ausführungsform wird vorzugsweise in Strahlsäulen verwendet, in denen die durch die Pfad-Apertur 8 definierte optische Achse und die durch die Objektivlinse 10 definierte optische Achse koaxial sind. Nachdem der Elektronenstrahl durch die strahl-definierende Apertur beschränkt wurde divergiert er von der optischen Achse 9. In einem ersten Schritt richtet die Ablenkeinheit 12a den Elektronenstrahl aus und führt ihn zurück zur optischen Achse. Am Punkt des Schneidens oder in dem Fall, dass der Elektronenstrahl die optische Achse 9 nicht schneidet, an dem Punkt, an dem der Elektronenstrahl die optische Achse 9 in großer Nähe passiert, richtet die Ablenkeinheit 12b den Elektronenstrahl 4 so aus, dass er entlang der optischen Achse 9 oder in großer Nähe zur optischen Achse 9 und mehr oder weniger parallel zu ihr verläuft. Der Ausdruck "mehr oder weniger parallel" beinhaltet in der Bedeutung gemäß dieser Erfindung Abweichungen, bei denen der Elektronenstrahl weiterhin die Objektivlinse nahe ihrer Mitte passiert, ohne übermäßige Abbildungsartefakte zu bewirken.

Die Bereitstellung einer zweistufigen zweiten Ablenkeinheit 12a und 12b macht in bestimmten Anwendungen die Bereitstellung einer dritten Ablenkstufe 13 überflüssig, da der Elektronenstrahl 4 bereits in einer Richtung nahe der optischen Achse verläuft. Trotzdem ist es in manchen Anwendungen selbst in einer Strahlsäule mit einer zweistufigen zweiten Ablenkeinheit 12a und 12b bevorzugt, eine zusätzliche zweistufige dritte Ablenkeinheit 13a und 13b bereitzustellen. Die Bereitstellung derselben erlaubt das Ausführen einer parallelen Verschiebung des Elektronenstrahls, nachdem der Elektronenstrahl durch die Pfad-Apertur 8 hindurchgetreten ist.

4 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Hier ist eine einstufige zweite Ablenkeinheit 12 mit einer zweistufigen dritten Ablenkeinheit 13 kombiniert. Eine solche Anordnung wird vorteilhafterweise in Strahlsäulen verwendet, bei denen die durch die Pfad-Apertur 8 und die Objektivlinse 10 definierten optischen Achsen koaxial sind. Verglichen mit der in 3 gezeigten Anordnung muss eine zusätzliche Ablenkstufe verwendet werden. Andererseits ist der Teil der Strahlsäule zwischen der Trenneinheit 7 und der Objektivlinse 10 in vielen Geräten geräumiger als der obere Teil der Strahlsäule und erlaubt mehr Möglichkeiten für die Installierung der dritten Ablenkeinheiten. Es liegt innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung, die ersten und die zweiten Ablenkeinheiten, wie in den 3 und 4 gezeigt, auch außerhalb der Vakuumkammer 1 anzuordnen.

5 zeigt eine Draufsicht einer Multi-Apertur-Einheit mit mehreren strahl-definierenden Aperturen, die in einem Kreis um eine mittlere strahl-definierende Apertur, die in der Mitte der kreisförmigen Platte angeordnet ist, herum angeordnet sind. Es ist möglich, die Multi-Apertur-Scheibe mit einem größeren Durchmesser zu verwenden, ohne die Anordnung der strahl-definierenden Aperturen bezüglich einander zu verändern und ohne ihre Abmessungen zu verändern. Dies vergrößert den äußeren Rand der Multi-Apertur-Platte 5 und passt sie an verschiedene Größen von Vakuumkammern an. Mit einem Abstand von ungefähr 5 cm zwischen der Quelle geladener Teilchen und der Multi-Apertur-Platte und mit Aperturgrößen zwischen 5&mgr;m und 50&mgr;m kann der Strahlstrom um einen Faktor 100 variiert werden.

6 zeigt das Ausführungsbeispiel aus 3 mit einer Veränderung. Die Trenneinheit 7 umfasst ein weiteres Trennmittel 7a, das ebenfalls mit einer Pfad-Apertur 8a ausgebildet ist. Der zwischen den beiden Platten geschaffene Zwischenraum kann als unabhängige Vakuumkammer 14 dienen, die mit einer eigenen Vakuumpumpe verbunden ist (nicht gezeigt). Der Einbau einer weiteren Vakuumkammer 14 gestattet eine bessere Isolation zwischen der ersten und der zweiten Vakuumkammer. Gasmoleküle, die sich von der mit höherem Druck beaufschlagten zweiten Vakuumkammer 2 durch die Pfad-Apertur 8a in Richtung zu der mit niedrigerem Druck beaufschlagten Vakuumkammer 1 bewegen, werden in der Isolierungs-Vakuumkammer 14 gefangen. In dieser Kammer gefangen können diese Moleküle evakuiert werden, bevor sie in die erste Vakuumkammer eintreten. Auf diese Weise ist es einfacher, einen gewünschten Vakuumgradienten zwischen der ersten und der zweiten Vakuumkammer aufrecht zu erhalten. Die oben beschriebene doppelte Pfad-Apertur kann in allen anderen Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, insbesondere in den in 1, 2 und 4 gezeigten.

Verglichen mit einer einfachen Pfad-Apertur stellt die doppelte Pfad-Apertur selbst dann eine bessere Isolierung her, wenn sie nicht mit einer Vakuumpumpe verbunden ist. In diesem Fall wirkt der Zwischenraum zwischen den beiden Platten nicht als eine Vakuumkammer, jedoch müssen Gaspartikel weiterhin beide Aperturen passieren, bevor sie zum Druck in der benachbarten Kammer beitragen können. Dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel erfordert keine zusätzliche Vakuumkammer.


Anspruch[de]
Strahlsäule für geladene Teilchen, umfassend:

eine erste Vakuumkammer (1);

eine Teilchenquelle (3) zum Bereitstellen eines Strahls geladener Teilchen (4), die entlang einer optischen Achse (9) propagieren;

eine Mulitapertur-Einheit (5), umfassend zumindest zwei strahldefinierende Aperturen (6) zum Formen des Strahls geladener Teilchen, wobei die Teilchenquelle und die strahldefinierenden Aperturen innerhalb der ersten Vakuumkammer angeordnet sind,;

eine Trenneinheit (7) zum Isolieren einer zweiten Vakuumkammer (2) von der ersten Vakuumkammer, wobei die Trenneinheit eine Pfadapertur (8) für den Strahl geladener Teilchen umfaßt;

eine erste Ablenkeinheit (11) zum Lenken des Strahls geladener Teilchen durch eine der strahldefinierenden Aperturen (6); und

eine zweite Ablenkeinheit (12) zum Lenken des Strahls geladener Teilchen durch eine die Pfadapertur (8).
Strahlsäule für geladene Teilchen nach Anspruch 1, wobei die erste und/oder die zweite Ablenkeinheit (11, 12) außerhalb der ersten Vakuumkammer angeordnet ist. Strahlsäule für geladene Teilchen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Ablenkeinheit (12) zwei ablenkende Stufen umfaßt, wobei eine erste Stufe (12a) zum Lenken des Strahls geladener Teilchen hin zur optischen Achse (9) und eine zweite Stufe (12b) zum Lenken des Strahls geladener Teilchen auf die optische Achse (9) oder in ihre unmittelbare Nähe ausgebildet ist. Strahlsäule für geladene Teilchen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine dritte Ablenkeinheit (13) zum Lenken des Strahls geladener Teilchen durch eine Objektivlinse (10). Strahlsäule für geladene Teilchen nach Anspruch 4, wobei die dritte Ablenkeinheit (13) zur Trenneinheit (7) nachgelagert angeordnet ist. Strahlsäule für geladene Teilchen nach einem Anspruch 5 oder 6, wobei die dritte Ablenkeinheit (13) zwei ablenkende Stufen umfaßt, wobei eine erste Stufe (13a) zum Lenken des Strahls geladener Teilchen hin zur optischen Achse (9) und eine zweite Stufe (13b) zum Lenken des Strahls geladener Teilchen auf die optische Achse (9) oder in ihre unmittelbare Nähe ausgebildet ist. Strahlsäule für geladene Teilchen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Durchmesser der Pfadapertur (8) größer als der größte Durchmesser der strahldefinierenden Aperturen (6) ist. Strahlsäule für geladene Teilchen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das in der ersten Kammer (1) ausgebildete Vakuum höher ist als das in der zweiten Kammer (2) ausgebildete Vakuum, wobei das Vakuum in der ersten Vakuumkammer vorzugsweise fünfmal höher ist als das Vakuum in der zweiten Vakuumkammer, und wobei noch bevorzugter das Vakuum in der ersten Vakuumkammer zehnmal höher ist als das Vakuum in der zweiten Vakuumkammer. Strahlsäule für geladene Teilchen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Vakuumkammer eine Ultrahochvakuumkammer ist. Strahlsäule für geladene Teilchen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Vakuumkammer eine Hochvakuumkammer ist. Verfahren zum Führen eines Strahls geladener Teilchen durch eine Strahlsäule für geladene Teilchen, umfassend die folgenden Schritte:

a. Emittieren des Strahls geladener Teilchen von einer Teilchenquelle, die in einer ersten Vakuumkammer angeordnet ist;

b. Verwenden einer ersten Ablenkeinheit, um den Strahl geladener Teilchen durch eine strahldefinierende Apertur einer in der ersten Vakuumkammer angeordneten Multiapertur-Einheit zu führen;

c. Verwenden einer zweiten Ablenkeinheit, um den Strahl geladener Teilchen durch eine Pfadapertur einer Trenneinheit zu führen, die die erste Vakuumkammer von der zweiten Vakuumkammer isoliert.






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