ДЕТЕКТОР ОБРАТНО-ОТРАЖЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ДЛЯ РАСТРОВОГО ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА Российский патент 1996 года по МПК H01J37/28 

Изобретение относится к области растровой электронной микроскопии (РЭМ).

Предлагаемый детектор сигнала обратно отраженных электронов (ООЭ) может быть применен для послойной визуализации глубинной микроструктуры исследуемых объектов, имеющих преимущественно слоистую структуру: интегральных микросхем и других изделий микро- и наноэлектроники.

Существующие в настоящее время детекторы ООЭ: полупроводниковый датчик Кимото [1] сцинтилляционный детектор Робинсона [2] детектор Эверхарта-Торнли [3] и другие не обладают способностью визуализировать отдельные глубинные слои исследуемого объекта, а дают усредненное изображение всех слоев одновременно.

Полупроводниковый датчик Кимото состоит из полупроводникового диска с отверстием для первичного электронного пучка, размещаемым на полюсном наконечнике РЭМ. На поверхности диска, обращенной к объекту, имеется тонкий р-n переход, с которого осуществляется сбор тока неравновесных носителей заряда, возникающих в результате поглощения отраженных электронов в толстом полупроводниковом слое.

С точки зрения поставленной проблемы у этого датчика имеются следующие недостатки:
1) электроны с различными энергиями дают различный вклад в выходной сигнал из-за процесса квантового усиления;
2) электроны со всеми энергиями выхода регистрируются в одном детектирующем слое.

Известен детектор, состоящий из двух пластин, сигналы с которых поступают на усилители и на видеоконтрольное устройство и позволяют судить о составе объекта [4]
Целью изобретения является визуализация отдельных глубинных слоев исследуемого объекта для целей неразрушающей диагностики и тестирования.

Указанная цель достигается с помощью создания нового детектора потока обратно отраженных электронов для растрового электронного микроскопа, состоящего из набора N комбинированных детектирующих слоев проводника с малым атомным номером (например, углерода в графитовой фазе) и диэлектрика с малым атомным номером (например, углерода в аморфной фазе), располагаемых вблизи или вокруг первичного пучка электронов. При этом общая толщина этой системы должна превышать глубину пробега электронов в материале детектора при используемом ускоряющем напряжении, а толщина каждого комбинированного слоя должна быть равна требуемому глубинному разрешению с поправкой на отношение атомных номеров материалов объекта и детектора.

Предварительные теоретические расчеты показали, что для того, чтобы визуализировать отдельные глубинные слои исследуемого объекта, достаточно специальным образом отселектировать поток ООЭ по направлениям вылета и остаточным энергиям, а именно:
1) необходимо выбирать только электроны, вышедшие из объекта с направлениями скоростей, практически противоположных первоначальным,
2) регистрировать электроны с энергиями, лежащими в узком спектральном "окне", с возможностью изменять пороговую энергию и ширину такого окна.

В этом случае оказывается, что часть потока электронов с отмеченными выше энергиями и направлениями скоростей преимущественно отражается от узкого, параллельного поверхности слоя объекта, глубина залегания и толщина которого определяются пороговой энергией и шириной энергетического "окна" регистрирующей системы.

В отличие от прототипа в конструкцию детектора внесены следующие изменения:
1) вместо полупроводникового детектирующего слоя применена многослойная структура слоев проводника с малым атомным номером (углерод в графитовой фазе), что позволяет, несмотря на ухудшение отношения сигнал/шум, проводить непосредственную регистрацию потока электронов в каждом слое, исключая процесс квантового усиления;
2) для селекции электронов по энергиям введены промежуточные слои диэлектрика с малым атомным номером (углерод в аморфной фазе), что позволяет разделить потоки электронов, поглощаемых в разных детектирующих слоях проводника, и, соответственно, имеющих разные энергии выхода из объекта.

Сущностью изобретения является следующее: электроны, отразившиеся от различных глубинных слоев объекта 1 (см. чертеж) и, соответственно, имеющие соответствующие различные энергии выхода, поглощаются в различных детектирующих слоях проводника 2 (в опытной конструкции углерод в графитовой фазе, слой толщиной 0,5 мкм), разделенных промежуточными слоями диэлектрика 3 (в опытной конструкции углерод в аморфной фазе, слой толщиной 0,5 мкм). Возможно применение других материалов, например бериллия в качестве проводника и нитрида бора в качестве диэлектрика. Селекция электронов, прошедших по преимущественно прямолинейным траекториям внутри объекта, осуществляется благодаря расположению детектора в непосредственной близости или вокруг первичного электронного пучка 4. Те электроны, которые поглощаются в слоях проводника, регистрируются в одном из каналов многоканального усилителя постоянного тока 5. Таким образом, регистрируемый в некотором канале ток ООЭ в основном соответствует изображению отдельного глубинного слоя объекта, глубина залегания и толщина которого определяются расчетным образом, исходя из номера слоя проводника (т.е. его расстояния от поверхности детектора) и его толщины.

В опытной конструкции 20 комбинированных детектирующих слоев толщиной 1 мкм каждый и общей толщиной 20 мкм располагаются на подложке из кремния диаметром 20 мм с отверстием для прохода первичного пучка (в опытной конструкции углерод в аморфной фазе).

Предлагаемый детектор является уникальным в плане возможности независимой визуализации отдельных глубинных слоев исследуемого объекта. Его применение может сыграть существенную роль в развитии методов неразрушающей электронно-зондовой диагностики и контроля в микро- и наноэлектронике.

Использование: в области растровой электронной микроскопии, в частности в устройстве детектора сигнала обратно отраженных электронов (ООЭ) для послойной визуализации глубинной микроструктуры исследуемых объектов, имеющих преимущественно слоистую структуру: интегральных микросхем и других изделий микрои наноэлектроники. Сущность изобретения: для визуализации отдельных глубинных слоев исследуемого объекта при неразрушающей диагностике и тестировании детектор потока ООЭ для растрового электронного микроскопа состоит из набора N-комбинированных детектирующих слоев проводника с малым атомным номером (например, углерода в графитовой фазе) и диэлектрика с малым атомным номером (например, углерода в аморфной фазе), располагаемых вблизи и вокруг первичного пучка электронов. Общая толщина этой системы должна превышать глубину пробега электронов в материале детектора при используемом ускоряющем напряжении. Толщина каждого комбинированного слоя должна быть равна требуемому разрешению с поправкой на отношение атомных номеров материалов объекта и детектора. В данном случае происходит следующее: электроны, отразившиеся от различных глубинных слоев объекта 1 и, соответственно, имеющие соответствующие различные энергии выхода, поглощаются в различных детектирующих слоях проводника 2 (в опытной конструкции - углерод в графитовой фазе, слой толщиной 0,5 мкм), разделенных промежуточными слоями диэлектрика 3 (в опытной конструкции - углерод в аморфной фазе, слой толщиной 0,5 мкм). Селекция электронов, прошедших по преимущественно прямолинейным траекториям внутри объекта, осуществляется благодаря расположению детектора в непосредственной близости или вокруг первичного электронного пучка 4. Те электроны, которые поглощаются в слоях проводника, регистрируются в одном из каналов многоканального усилителя постоянного тока 5. Регистрируемый в некотором канале ток ООЭ в основном соответствует изображению отдельного глубинного слоя объекта, глубина залегания и толщина которого определяются расчетным образом, исходя из номера слоя проводника (т.е. его расстояния от поверхности детектора) и его толщины. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Детектор потока обратно-отраженных электронов для растрового электронного микроскопа, содержащий проводящие детектирующие электроды, расположенные смежно с областью первичного пучка электронов и имеющие контакты для соединения с соответствующими входами видеоконтрольного устройства, отличающийся тем, что детектирующие электроды выполнены в виде набора параллельно расположенных проводящих слоев, выполненных из материала с малым атомным номером, при этом суммарная толщина каждого двойного слоя соседних проводника и диэлектрика соответствует заданному глубинному разрешению, а общая толщина всех слоев превышает глубину пробега электронов в детекторе. 2. Детектор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала проводящих слоев использован углерод в проводящей фазе, а в качестве диэлектрика углерод в аморфной фазе.