Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2019, № 7, стр. 36-41

ВВЕДЕНИЕ

В большинстве случаев при оптимизации параметров растрового электронного микроскопа (РЭМ) [1–4] основным критерием является его разрешение. Однако, в ряде практически важных случаев, в частности, при контроле топологии микроэлектронных структур непосредственно на фоторезисте, необходимо учитывать еще целый ряд дополнительных факторов [5–8].

Например, при выборе оптимального сочетания дозы и фокуса оптического сканера экспонируют 7 × 7-матрицу тестовых структур. Размер ячейки матрицы обычно выбирают 200 × 200 мкм. Далее сканируют в РЭМ все 49 ячеек и по изображениям определяют оптимальное сочетание дозы и фокуса, соответствие размеров, неравномерность ширины линий, шероховатость края и т.п. В данном случае, наряду с высоким разрешением, необходимо обеспечить высокую производительность измерений, что подразумевает работу с максимально возможным током пучка. Разрешение РЭМ выбирают в зависимости от требуемой погрешности измерений. Разрабатываемый РЭМ предполагается использовать в технологической линейке с минимальными размерами элементов 65 нм, тогда при диаметре пучка 5 нм обеспечивается погрешность измерений менее 8%, что приемлемо для большинства задач [9, 10]. Кроме того, необходимо исключить возможность ухода размеров структур при измерениях за счет подтравливания их электронным пучком, что возможно реализовать, лишь работая при низких ускоряющих напряжениях [11].

Наиболее удачными конфигурациями электронно-оптических систем (ЭОС) низковольтных РЭМ являются системы с промежуточным ускорением электронов и их последующим замедлением [12]. Высокая яркость катода обеспечивается первоначальной энергией электронов. Замедление электронов осуществляется либо при помощи комбинированной магнитно-электростатической линзы, либо катодной линзы. При этом аберрации системы уменьшаются пропорционально коэффициенту замедления.

Дополнительным преимуществом такой схемы является то, что вторичные и обратно рассеянные электроны (ВЭ и ОРЭ) при выходе из образца попадают в ускоряющее поле объективной линзы и могут быть эффективно зарегистрированы in lens детектором.

Еще одним важным моментом является выбор режима работы объективной линзы. Обычно считается, что наилучшее сочетание между разрешением и током обеспечивается в телецентрическом режиме. В этом случае формирующая система состоит из двух линз: последнего конденсора и объектива. Конденсор настроен таким образом, что его передний фокус совпадает с положением промежуточного кроссовера предыдущего конденсора. В результате на выходе конденсора формируется параллельный пучок электронов, который фокусируется в заднем фокусе объективной линзы. Одной из задач данной работы являлось изучение характеристик ЭОС вблизи точки телецентрического режима.

Таким образом, задача оптимизации электронно-оптической системы может быть сформулирована как реализация режима максимальной яркости при низких ускоряющих напряжениях. Такая постановка задачи (с учетом нелинейности системы, возникающей вследствие суперпозиции электростатического и магнитного полей) не является тривиальной и требует отдельного детального рассмотрения.

МОДЕЛИ И МЕТОДЫ

Расчеты производились для ЭОС низковольтного РЭМ [13, 14], сечение которой показано на рис. 1. ЭОС содержит трехэлектродную электронную пушку с катодом из LaB₆, три магнитные конденсорные линзы с осевыми зазорами, магнитную объективную линзу с радиальным зазором [15, 16], электрод – бустер, восьмиполюсные магнитные отклоняющие системы и стигматор.

Исследования проводились на основании программы расчета электромагнитных полей и траекторий в электронно-оптических системах EOD [17–19].

Рассмотрим работу ЭОС в режиме, схематично показанном на рис. 2. Электронная пушка формирует кроссовер, уменьшенный впоследствии двумя конденсорными линзами. Возбуждение третьей конденсорной линзы выбрано таким образом, чтобы ход лучей в ней был телецентрическим в пространстве изображений. Таким образом, на выходе конденсорной линзы пучок пойдет параллельно оптической оси, а в объективной линзе при фокусировке электронный пучок сфокусируется в задней фокальной плоскости, то есть ход лучей в объективной линзе будет телецентрическим в пространстве предметов. Назовем такой режим работы системы линз объектив с третьим конденсором телецентрическим (рис. 3). Такой режим обеспечивает максимально возможный ток электронного пучка, поскольку в этом случае диафрагма отсекает минимальную площадь пучка при одинаковых углах наклона к оптической оси электронов, выходящих из предметной плоскости конденсора.

Объективная линза работает в телецентрическом режиме, поэтому формируемое линзой изображение находится в ее фокальной плоскости при Z = 5 мм. Между объективной линзой и образцом происходит резкое изменение электростатического поля, которое приводит к замедлению первичных электронов пучка и изменению их траекторий.

Методика оптимизации. Прежде всего, используя традиционное выражение для радиуса электронного зонда на образце (1) [20], определяем оптимальный полуугол (α_opt) сходимости электронов, падающих на образец, для заданного значения конечной энергии электронов E_L. Расчеты проводились для диапазона энергий E_L = = 50–5000 эВ. В статье приведены результаты для E_L = 5000 эВ.

где r_g − диск гауссова изображения: r_g = = (i/βπ²α²)^1/2, r_s − диск сферической аберрации: r_s = (1/2)C_sα³; r_d − диск Эйри: r_d = 1.22λ/α; r_c − диск хроматической аберрации: r_c = (ΔE/E)C_cα; i – ток пучка, α – угол, β − электронная яркость, C_c – коэффициент хроматической аберрации, ΔE – энергетический разброс электронов, вылетающих с поверхности катода, E – энергия электронов пучка, C_s – коэффициент хроматической аберрации, λ − длина волны электронов.

Поскольку данная система является нелинейной вследствие наложения электростатического и магнитного полей, то угловое увеличение в ней не равно линейному. Поэтому данные параметры определялись для заданной конфигурации ЭОС при помощи программы EOD. Далее, исходя из значения α_opt и углового уменьшения, определялся требуемый диаметр апертурной диафрагмы.

Для выбранного диаметра диафрагмы и энергии пучка рассчитывали серии траекторий электронов при различных значениях возбуждения апертурной линзы и по ним определяли диаметр и ток пучка в плоскости объекта.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Была рассчитана серия траекторий электронов, в которой все траектории качественно можно разделить на пять различных типов. Эти пять типов указаны на рис. 4. Режим фокусировки, описанный выше, соответствует траекториям, обозначенным номером II, здесь траектории (по большей части межлинзового пространства) идут параллельно оси системы. Траектории под номером I соответствуют ситуации, при которой конденсор недовозбужден по сравнению с телецентрическим режимом. Напротив, траектории под номером III соответствуют ситуации, при которой на катушку конденсора подан повышенный ток. Дальнейшее увеличение тока возбуждения конденсора ведет к ситуации IV, при которой фокусировка в плоскости образца осуществляется исключительно самой конденсорной линзой, при этом объектив оказывается выключенным. Еще большее увеличение тока возбуждения конденсора приводит к фокусировке пучка конденсором еще до плоскости образца. Таким образом, возникает двойная фокусировка, качественно показанная на рис. 4 под номером V.

На рис. 5 показан график зависимости диаметра пучка в плоскости образца от возбуждения третьей конденсорной линзы при соответствующем изменении возбуждения объективной линзы для сохранения плоскости наименьшего сечения пучка в плоскости образца.

Цифрами II, III, IV указаны точки, соответствующие режимам фокусировки II, III и IV, показанным на рис. 4. Точки, лежащие на графике левее точки II, соответствуют режиму I. Точки, лежащие правее точки IV, соответствуют режиму V.

Как можно увидеть из графика зависимости, приведенной на рис. 5, наименьшее значение диаметра электронного пятна на образце (2.2 нм) достигается при возбуждении третьей конденсорной линзы, равном 380 ампер-виткам, то есть при большем возбуждении, чем при телецентрическом режиме фокусировки (365 ампер-витков), Этот факт объясняется наличием в непосредственной близости образца одновременно магнитного и электростатического полей, в результате воздействия которых электронный пучок в области фокусировки приобретает жгутообразную форму (рис. 6), изменяющую его диаметр.

На рис. 7 показан график зависимости возбуждения объективной линзы от возбуждения третей конденсорной линзы. Эти значения соответствуют тем же условиям, которые были использованы при построении графика на рис. 5. Наблюдается провал в возбуждении объективной линзы до нуля. Эта точка соответствует режиму фокусировки, при котором плоскость изображения третьей конденсорной линзы совпадает с плоскостью образца.

Программа EOD дает возможность смоделировать траектории электронов в комбинированном поле и определить при помощи процедуры оптимизации значение возбуждения объективной линзы, при котором в плоскости образца достигается минимальное значение диаметра такого пучка. В случае комбинированного поля внешняя граница электронного пятна на образце, задающая его диаметр, формируется электронами, имеющими для каждого значения возбуждения объективной линзы свой радиус и угол вылета из источника (не обязательно максимальные). Поэтому для корректного проведения процедуры оптимизации необходимо было выбрать набор электронов источника с такими радиусами и углами вылета, которые позволяют в рассматриваемом диапазоне возбуждений верно определять диаметр пятна на образце.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложенная методика оптимизации ЭОС низковольтного РЭМ позволяет реализовать неразрушающий контроль структур с высокой производительностью, начиная с диаметров пучка 4–5 нм. По сравнению с телецентрическим режимом оптимальный выбор диаметра апертурной диафрагмы и тока конденсорной линзы позволяет повысить производительность в 1.3 раза.

БЛАГОДАРНОСТИ

Работа финансировалась в рамках Государственного задания № 075-00475-19-00.