NL8702874A - Inspectie apparaat met gedigitaliseerde elektronen detectie. - Google Patents

Description

I t

V

9 * PHN 12.342 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Inspectie apparaat met gedigitaliseerde elektronen detectie.

De uitvinding heeft betrekking op een stralingsinspectie apparaat met een stralingsbron een stralingsbundel-besturingssysteem en een meetruimte voor positionering van een te onderzoeken object en met een detectie-inrichting voor het detecteren van elektronen die bij 5 interactie van de stralenbundel en het object uit het object treden.

Een dergelijk inspectie apparaat in de vorm van een elektronenbundel apparaat voor inspectie van chips, is bekend uit EP 196 958, en in de vorm van een aftast elektronen microscoop uit ÜS 4,438,332.

10 In de bekende apparaten wordt een van een meetpunt, bijvoorbeeld een metaalspoor op een chip, afkomstige elektronenstroom . gemeten. Bij aanstralen met een elektronenbundel treden voornamelijk secundaire elektronen uit en aangezien de secundaire emissie coëfficiënt onder daartoe aangepaste omstandigheden, waarvan we hier 15 en in het navolgende uitgaan, ongeveer 1 is, is de stroomsterkte in de retourbundel ongeveer gelijk aan de stroomsterkte van de primaire bundel. Bij aanstralen met een lichtbundel of meer algemeen een photonenbundel, bijvoorbeeld met behulp van een UV-laser treden voornamelijk photoelektronen uit. Voor het meten van zowel secundaire 20 als van photo-elektronen wordt bijvoorbeeld gebruik gemaakt van een luminescentie-element met een daaraan optisch gekoppelde photomultiplier buis. Als gevolg van in het luminescentie materiaal optredende nalichttijd en van looptijdspreiding voor de laag energetische secundaire- en photo-elektronen is het gewenst of zelfs noodzakelijk 25 gepulsd te meten. Hierbij wordt in bekende apparaten gebruik gemaakt van een bundelonderbreker. Met een, zogenaamde, boxcar-schakeling wordt door integratie, de signaal-ruis verhouding in het signaal verbeterd. Het meten met een boxcar-schakeling is uitvoerig beschreven in EP-A-196 958.

Omdat de te inspecteren elementen, bijvoorbeeld sporen in 30 een chip steeds kleiner van afmeting worden, nu bijvoorbeeld reeds in de orde van 0,5 μη liggen, is het voor een voldoend hoog oplossend vermogen bij de metingen noodzakelijk te werken met een elektronenspot of .8702874 / ► PHN 12.342 2 photonenspot met een relatief kleine dwarsdoorsnede. Bij toepassing van een elektronenspot met een doorsnede van bijvoorbeel 0,1 pm treedt bij verder gebruikelijke bundelparameters en een secundaire emissiecoëfficient van ongeveer 1 een elektronenbundelstroom van 5 maximaal ongeveer 1 nA op. Wordt daarbij gemeten met een pulsduur van bijvoorbeeld maximaal ongeveer 0,5 nsec dan moet per puls een lading overeenkomend met de lading van slechts enkele elektronen gemeten worden. Bij bestraling met een photonenbundel treden overeenkomstige beperkingen op. Mede door een beperkte efficiëntie van de detector als 10 gevolg van verliezen bij het invang proces voor de elektronen wordt het voor kortere pulsen en of kleinere stromen (spot diameter) steeds moeilijker de secundaire elektronenstroom te meten. In dergelijke gevallen zal het signaal gemakkelijk in de ruis verloren gaan. Doordat de chips steeds complexer worden, moeten daaraan voor een betrouwbare 15 inspectie steeds meer metingen worden verricht. Het een boxcar schakeling kan na elke trigger slechts een enkele sample worden uitgevoerd. Gebruik van meerdere parallel geschakelde boxcar schakelingen maakt het inspectie apparaat al snel uiterst omslachtig.

De uitvinding beoogt de genoemde beperkingen te 20 ondervangen en daartoe heeft een stralingsinspectie apparaat van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding tot kenmerk, dat dedetectie-inrichting is uitgerust met elektronische telinrichtingen.

Doordat in een apparaat volgens de uitvinding bijvoorbeeld elektronen individueel kunnen worden geteld en daardoor 25 ruisbijdragen tot de meetsignalen sterk kunnen worden gereduceerd, kan ook bij lage signaalsterkte nauwkeurig en snel gemeten worden zonder dat het signaal in de optredende ruis verloren gaat.

De bij een integrerende meetmethode, zoals een boxcar noodzakelijke vaste trigger frequentie komt daarbij eveneens te 30 vervallen omdat bij een teller geen informatie weglekt. Door toepassing van multi-sampling wat in deze elektronica volgens de uitvinding eenvoudig kan worden doorgevoerd, kunnen na elke trigger vele samples worden uitgevoerd. Voor kleine stroompulsen kan daarbij elektronen counting worden gebruikt, terwijl van grotere stroomsterkten met een 35 analoog-digital feedback kan worden gewerkt.

In een voorkeursuitvoering volgens de uitvinding is de stralenbron een elektronenbron en is in het bijzonder het te meten . 8702874 »

«I

PHN 12.342 3 object een geïntegreerd halfgeleiderschakelelement (chip). Bij is het schakelelement activeerbaar in de meetruimte opgesteld.

In een verdere voorkeursuitvoering is het apparaat uitgerust met een bundelonderbreker voor gepulsd meten waarbij een 5 pulsfrequentie wordt toegepast die een optimale informatie uit de van de chip afkomstige elektronenpulsen oplevert.

In een voorkeursuitvoering is in een apparaat uitgerust voor het meten van signalen afkomstig van meerdere metingen na elk triggersignaal een snel geheugen opgenomen waarin meetgegevens tijdelijk 10 kunnen worden opgeslagen.

In een verdere voorkeursuitvoering omvat de detectie-inrichting een elektronische delay inrichting en bijvoorbeeld een sample en hold inrichting.

Voor analoog meten met behulp van telinrichtingen in de 15 detectiemethode wordt een signaal vanuit bijvoorbeeld een photomultiplier via een integrerende RC-kring toegevoerd aan een verschilversterker die het signaal vergelijkt met de uitgang van een DAC. De uitgang van de DAC staat bij aanvang bijvoorbeeld op de helft van hetmaximale photomultiplier signaal. Na een gegeven vertraging na 20 een afgegeven triggerpuls wordt een stuurpuls aan de bundelonderbreker gegeven. Het uitgangssignaal van de photomultiplier wordt geïntegreerd over bijvoorbeeld 100 nsec, waardoor het discrete telkarakter van de individuele elektronentelling wordt uitgesmeerd. Door een sample en hold schakeling wordt bijvoorbeeld na 110 nsec een signaal ingenomen. Als dit 25 signaal lager is dan de uitgang van de digitaal-analoog converter wordt een teller die de DAC stuurt met een eenheid verminderd, anders wordt daar een eenheid aan toegevoegd. Na bijvoorbeeld enkele honderden triggerpulsen wordt zodoende de DAC-output gelijk aan de gemiddelde photomultiplieruitgangspanning. Bij een zeer ruisrijk signaal is het 30 gunstiger de DAC te koppelen met hogere bits van de teller, die dan, omdat nu eerst na meerdere gelijkgerichte signalen wordt gediscrimineerd, in feite de functie van een ruis onderdrukker krijgt.

Deze meetmethode kan ook worden toegepast bij multisampling. De teller wordt dan opgeladen of ontladen vanuit een te adresseren geheugen.

35 Een verdere uitvoering is uitgerust met middelen voor een energie afhankelijke detectie van de uit het object tredende elektronen, waardoor absolute spanningen of het spanningsverloop van een meetpunt .8702874 « f PHN 12.342 4 kan worden gemeten. In het bijzonder is daartoe een vertragingsrooster tussen de chip en de detector opgesteld. Dit rooster is via een DAC op een variabele spanning instelbaar. Met behulp van een digitale feed-back loop naar het vertragingsrooster kan een photomultiplier uitgangsignaal 5 op een constante waarde worden gehouden waardoor spectrometrisch kan worden gemeten. De potentiaal van het rooster volgt het signaal op een gekozen te meten positie.

Een verdere voorkeursuitvoering is uitgerust voor individueel tellen van te meten elektronen. Elke overschrijding van een 10 vastgelegde drempelspanning kan daarbij opgeslagen worden in een teller. De teller wordt bij voorkeur alleen opengesteld als relevante informatie verwacht kan worden dus gedurende een meettijd na een vertragingstijd na een via een bundelonderbreker in het apparaat toegelaten gestralingspuls.

15 Voor multi-sampling wordt de tellerinhoud na elk sample opgeslagen in een snel werkend geheugen tot aankomst van een volgend triggersignaal en vervangen door de inhoud van de volgende geheugenpositie voordat de volgende sample wordt uitgevoerd. In een tweede teller worden alle triggersignalen geteld en van daaruit wordt 20 aan een besturingsinrichting beëindiging van de meting doorgegeven.

In de tekening toont:

Figuur 1 een blokschema voor een apparaat met een bekende detectie-inrichting uitgerust met een boxcar,

Figuur 2 een blokschema voor een dergelijk apparaat 25 volgens de uitvinding uigerust met een telinrichting,

Figuur 3 een blokschema van een dergelijk apparaat uitgerust voor individueel tellen van elektronen en

Figuur 4 een blokschema voor een spectrometrische uitvoering van de detectie-inrichting.

30 Een blokschema in figuur 1 toont van een bekend apparaat;een elektronen optische kolom 2 waarvan hier enkel een elektronenbron 4, een bundelonderbrekingsinrichiting 6, een diafragma 8 en een objectdrager 10 zijn weergegeven. Op de objectdrager 10 bevindt zich een te onderzoeken object 12 hier en in het navolgende een 35 geïntegreerd halfgeleider schakelelement of chip. Een vanuit de elektronenbron 4 uitgaande elektronenbundel 14 passeert de bundelonderbreker 6 en treedt, als de bundelonderbreker niet actief is, . 87 02 87 4 * Ί ΡΗΝ 12.342 5 via het diafragma 8 een meetruimte 16 binnen. De bundel treft het object 12 waaruit als gevolg hiervan onder andere secundaire elektronen uittreden. Secundaire elektronenbundel 18 kunnen door een secundaire elektronen detector (SED) 20 worden gedetekteerd. Een dergelijke SED 5 bevat een liminescentie element 22, dat bij voorkeur in de meetruimte is opgesteld en via een optische geleider 24, die bijvoorbeeld ook een wandgedeelte van de kolom kan vormen, met een photomultiplierbuis 26 is verbonden. Voor een goede detectie is het gewenst dat het liminescentiemateriaal efficient elektronen omzet in luminescentie licht 10 en een relatief korte nalichttijd vertoont en dat de photomultiplier een snelle respons en een geringe ruis vertoont. Met behulp van een triggerpuls afkomstig van een triggerklok 30 wordt via een eerste delay 32 een pulsgenerator 34 geactiveerd. De pulsgenerator levert bijvoorbeeld een spanningsouls aan de bundelonderbreker 6 die hier is 15 uitgevoerd als een bundelafbuig-inrichting waardoor bij activering de elektronenbundel door het diafragma 8 wordt doorgelaten. Gedurende een tijd overeenkomstig met een pulsbreedte At zal de, niet afgebogen en aldus het diafragma 8 passerende bundel, de meetruimte 16 kunnen binnen treden. Via een tweede delay 36 wordt met dezelfde triggerpuls een poort 20 puls generator 38 gestuurd vanwaaruit een switch 52 van een box-car 50 wordt bediend.

Het meten van snelle veranderingen wordt, zoals reeds is opgemerkt beperkt door; de traagheid van de fosfor, gebruikelijke fosforen tonen bijvoorbeeld een nalichttijd van ongeveer 60 nsec, en 25 door looptijdspreiding voor de secundaire elektronen die vanaf het chip oppervlak naar de detectoringang "gezogen" moeten worden. Om toch snel te kunnen meten wordt een meetpunt gedurende een korte tijd At op een vast tijdstip na een triggerpuls bestraald. Het fotomultiplier signaal dat zich door de nalichttijd over ongeveer 60 nsec uitstrekt, is dan 30 afkomstig van de aanstraalpuls van bijvoorbeeld 0,3 nsec. Het signaal is is klein, door de geringe opvallende energie, en duurt maar kort, bijvoorbeeld 60 nsec, en is opgenomen in de ruis. Met behulp van de boxcar 50 die in principe bestaat uit een voor versterker 54, een integratie capaciteit 56 en weerstand 57, een lekweerstand 58 en een 35 eindversterker 60, wordt het interessante tijdsinterval door activeren van de switch 52 via de gate 38 geselecteerd. Het signaal wordt in de integratie condensator 56 opgeslagen. Na een aantal getriggerde metingen . 8702874 PHN 12.342 6 wordt de ruis aldus uitgemiddeld. Een aan een uitgangsklem 62 van de versterker 60 optredende potentiaal is evenredig met de stroomsterkte van de secundaire elektronen en is een maat voor de potentiaal van het meetpunt gedurende een tijdsinterval At op een gegeven tijd t na de 5 trigger.

In figuur 2 is een apparaat weergegeven waarin volgens de uitvinding de box-car 50 is vervangen door een detectie-inrichting 70 uitgerust met tellers 72 en 74, een DAC 76 en een geheugen 77 en waarbij tussen de detector 20 en de verschilversterker 54 een RC-10 integrator 78 met een weerstand 80 en een condensator 82 en een computer 84 is opgenomen. Verdere elementen van het apparaat zijn in principe overeenkomstig met de in figuur 1 weergegeven elementen en daaraan zijn overeenkomstige referentienummers gegeven. De uitgang van de met een eerste teller 72 verbonden DAC 76 is verbonden met een ingang van een 15 verschildetector 55.

Het ruismiddelen dat in bekende apparaten wordt uitgevoerd met een box-car wordt hier gerealiseerd door herhaald vergelijken van een photo-multiplier uitgangssignaal met een uitgangssignaal van de DAC 76. Komt de vergelijking negatief uit, dan 20 wordt de DAC uitgangspotentiaal met een unit verlaagd, in het andere geval met een unit verhoogd. Na bijvoorbeeld enkele honderden triggers is de gemiddelde DAC uitgangsspanning gelijk aan de uitgangsspanning van de photomultiplier. De DAC spanning is daarbij evenredig met de inhoud van de teller 72. Na elke trigger ontvangt de teller 72 een puls. Of 25 deze puls wordt toegevoegd of afgetrokken wordt bepaald door de uitkomst van de vergelijking photomultiplier signaal-DAC signaal op het moment dat de stijgende flank van de clockpuls uit delay 36 aankomt. Voor het geval de verschildetector 54 niet snel genoeg werkt kan een sample and hold circuit tussen de detector en de verschilversterker 54 worden 30 opgenomen. De teller 74 telt het aantal triggers en signaleert aan een computer 84 dat een meting klaar is.

Voor ruismiddeling wordt de DAC met hogere orde bits verbonden. Vergelijking van de signalen moet dan bijvoorbeeld, werkend met een derde bit acht maal opvolgend hoger of lager zijn om tot 35 aanpassing van de DAC spanning aanleiding te geven.

Tot zover is het meetresultaat in wezen gelijk aan het resultaat verkregen met een box-car inrichting. De triggerfrequentie .8702874 PHN 12.342 7 behoeft bij de meetmethode volgens de uitvinding evenwel niet constant te zijn. Na verstrijken van de 60 nsec meettijd kan nu evenwel een volgende aanstraalpuls gegeven worden en kan de pnotomultiplier uitgang weer met de DAC uitgang vergeleken worden. Er moet dan wel voor gezorgd 5 worden, dat de teller 72 geladen is met een bij de volgende meting behorende spanningswaarde die daartoe uit een geheugen kan worden opgehaald. De tellerinhoud van de voorafgaande meting slaan we op in het geheugen tot die bij een volgende trigger weer nodig is. Aldus kunnen met een sweep van 10 psec 100 metingen van elk 100 nsec worden 10 gerealiseerd en is een factor honderd in tijdwinst gerealiseerd.

Met behulp van een door de weerstand 80 en de capaciteit 82 gevormde R-C integratieschakeling wordt het discrete caracter van individuele elektronen invangst uitgesmeerd.

In het blokschema weergegeven in figuur 3 zijn 15 overeenkomstige onderdelen weer met overeenkomstige referentienummers aangegeven. Voor het tellen van individuele elektronen is aan een ingang 90 van een verschildetector 54 een treshold spanning Vt aangesloten en . wordt in een teller 72 elke treshold overeenkomende met een enkel elektron overschrijding geteld. De teller 72 is met behulp van een gate 20 circuit 38 alleen geopend als relevante informatie verwacht kan worden. Hier in tegenstelling tot bij de box-car methode niet om ruis te onderdrukken, die wordt immers toch niet geregistreerd, maar om het ten onrechte meetellen van eventueel door de bundelonderbreker ten onrechte doorgelaten elektronen te reduceren. In de praktijk gedurende ongeveer 25 100 nsec beginnende ongeveer 100 nsec na een bundelpuls. In een teller 74 worden ook hier weer alle triggerpulsen geteld. Voor toepassen van multisampling is een geheugen 77 opgenomen. De inhoud van teller 72 kan tijdelijk in het geheugen worden opgeslagen tot de volgende triggerpuls. Naast het tellen van het aantal triggerpulsen signaleert de 30 teller 74 ook na een instelbaar aantal triggers, bijvoorbeeld 10^, aan een computer 84 dat het meetproces daarvoor is voltooid.

In figuur 4 is in een blokschema een opstelling geschetst voor spectroscopische metingen. Ook hier zijn weer voor overeenkomstige onderdelen overeenkomstige referentiespanningen gebruikt. Voor het meten 35 van absolute spanningen zijn tussen de detector 20 en het meetpunt 25 twee extra roosters aangebracht. Een eerste rooster 94 bijvoorbeeld op ongeveer 1 mm boven het meetvlak. Dit is een zogenaamd extractierooster .8702874 PHN 12.342 8 en voert een potentiaal van bijvoorbeeld 600 V. Een tweede rooster 96 werkt als vertragingsrooster. Slechts elektronen gestrart vanuit een potentiaal lager dan de roosterpotentiaal kunnen het rooster passeren.

De te meten secundaire elektronen hebben een energieverdeling met een 5 breedte van enkele eV, voor photo-elektronen is die hooguit 1 eV. Hierdoor heeft de doorlaat karateristiek vooral voor secundaire elektronen een S-vorm in plaats van een stapvorm voor elektronen met zeer smalle energieverdeling. De roosterspanning van het vertragingsrooster 94 kan bijvoorbeeld nu zo worden ingesteld dat 50% 10 van het maximale signaal wordt gemeten. Bij een dalende potentiaal van het meetpunt 15 van bijvoorbeeld een spoor op een chip neemt het signaal toe. Er kan dan weer op 50% signaal terug geregeld worden door de spanning van het vertragingsrooster te verlagen. Deze terugkoppeling wordt bij voorkeur elektronisch uitgevoerd. De mate waarin de 15 roosterspanning moet worden aangepast geeft de potentiaaldaling of stijging van het meetpunt. In deze uitvoering regelt uitgangsspanning voor een DAC 76 de potentiaal van het vertragingsrooster. Een uitgangssignaal van de photomultiplier wordt vergeleken met een vaste referentiespanning van een spanningsgenerator 96. De referentiespanning 20 is bijvoorbeeld 50% van het maximale signaal. Ook hier kan multisampling worden toegepast met behulp van geheugen 77 en behoeft de trigger frequentie niet constant te zijn.

In het bijzonder kunnen ook, in een apparaat met een individuele elektronen telsysteem spectrocopische metingen worden 25 verricht en aldus absolute potentiaal metingen worden uitgevoerd.

Daartoe worden traces opgenomen voor een set gridspanningen, een computer 84 bepaald via interpolatie de gridspanning waar het gedetecteerde aantal elektronen 50% van het maximaal te detecteren aantal bedraagt en plot de bijbehorende spanningswaarden als functie 30 van een delaytijd.

Door bij een enkele gemiddelde vertragingsrooster potentiaal het signaal in de chip te meten en allen bij maximale en minimale signaalwaarden S curvente te bepalen en via het 50% punt de absolute potentiaal kan de meettijd worden gereduceerd. Dit geeft voor 35 vele toepassingen voldoende informatie. Het is in zeer vele gevallen niet relevant hoe een potentiaal tussen de twee uiterste waarden verandert.

. 67 02874

Claims (14)

1. Stralingsinspectie apparaat met een stralingsbron, een stralingsbundel besturingsinrichting en een meetruimte voor positionering van een te onderzoeken object en met een detectie-inrichting voor het detecteren van elektronen die bij interactie van 5 stralingsbundel en het object uit het object treden, met het kenmerk, dat de detectie-inrichting is uitgerust met elektronische telinrichtingen.

2. Stralingsinspectie apparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de stralingsbron een elektronenbron is.

3. Stralingsinspectie apparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de stralingsbron een fotonenbron is.

4. Stralingsinspectie-apparaat volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat het object een geïntegreerd halfgeleiderschakelelement is.

5. Stralingsinspectie apparaat volgens conclusie 1, 2, 3 of 4, met het kenmerk, dat een bundelonderbreker voor de bestralende bundel voor gepulsde metingen is opgenomen.

6. Stralingsinspectie apparaat volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat middelen zijn opgenomen voor 20 een energie afhandkelijke meting van uit het object tredende elektronen.

7. Stralingsinspectie apparaat volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat een chip als object activeerbaar in de meetruimte is geplaatst.

8. Stralingsinspectie apparaat volgens één der 25 voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat dit is uitgerust voor multi-sample metingen via een reeks bestralingspuls en door een bundelonderbreker.

9. Stralingsinspectie apparaat volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de detectie-inrichting is uitgerust met een snel geheugen 30 voor tijdelijke opslag van meetsignalen.

10. Stralingsinspectie apparaat volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat daarin voor analoge elektronendetectie een integrerende R-C kring en een DAC zijn opgenomen.

11. Stralingsinspectie apparaat volgens conclusie 10, met het 35 kenmerk, dat aan een via een teller met een DAC gekoppelde operationele versterker een instelbare referentiespanning toevoerbaar is en de potentiaal van met een vertragingsrooster in de kolom via de DAC .8702874 k o PHN 12.342 10 bestuurbaar is met een detectiesignaal.

12. Stralingsinspectie apparaat volgens conclusie 10 of 11, met het kenmerk, dat een uitgang van de digitaal-analoog converter is verbonden met een vertragingsroosterelectrode in de kolom van het 5 apparaat.

13. Stralingsinspectie apparaat volgens één der conclusies 1 tot en met 9, met het kenmerk, dat voor individueel tellen van door de detector ingevangen elektronen aan een verschildetector een gegeven treshold spanning is aangelegd en detectiesignalen boven de 10 treshold in een teller worden geteld.

14. Stralingsinspectie apparaat volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat de teller is aangesloten op een met een bundelonderbreker in het apparaat gekoppelde gate circuit voor selectie van relevante meetperioden. ,8702874