СПОСОБ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В СКАНИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ Российский патент 2014 года по МПК G02B27/64 

Изобретение относится к области обработки сигналов в сканирующих устройствах, в частности, оно касается способов обработки сигналов в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) и ему подобных устройствах с целью определения параметров пучка и коррекции этих параметров.

При исследовании поверхности различных объектов с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) или подобного устройства с остросфокусированным электронным пучком возникает необходимость коррекции параметров этого пучка, в частности, фокусировка и стигмирование. Эти операции особенно важны в тех случаях, когда в СЭМ сканируют в автоматическом режиме достаточно большой участок поверхности объекта, например, несколько квадратных сантиметров. При этом электронным пучком сканируют относительно небольшой участок поверхности объекта, например, 200×200 мкм², а переход от одного поля сканирования к другому осуществляют посредством перемещения стола объектов.

Ввиду изменения высоты микрорельефа поверхности от одного поля сканирования к другому, необходимо осуществлять коррекцию положения точки фокусировки и стигмирование электронного пучка на каждом из полей сканирования.

В известных из уровня техники СЭМ используются как магнитные фокусирующие линзы и стигматоры, так и электростатические. Поэтому, в зависимости от конструкции фокусирующей линзы и стигматоров, регулировку осуществляют за счет изменения тока магнитных элементов, либо изменения электрических потенциалов на электростатических элементах. Соответственно, регулируемым параметром является либо ток фокусирующей линзы, либо потенциал на фокусирующем электроде.

При исследовании объектов с изменяющимся в достаточно широком диапазоне профилем микрорельефа, например, микроструктур с глубиной профиля 1 мкм (см. Фиг.1) необходимо также сфокусировать пучок в заданной плоскости относительно подложки. Например, при просмотре одного слоя микроструктуры необходимо сфокусировать пучок на высоту 0,1 мкм относительно подложки, для просмотра другого слоя требуется в автоматическом режиме перейти на высоту 0,2 мкм и т.д. На Фиг.1 в окрестности точки фокусировки показаны траектории электронов, рассчитанные для электронного пучка с полууглом расходимости 7 мрад. Если в точке фокусировки диаметр зонда d_b не превышает одного нанометра, то в основании ступеньки диаметр зонда достигает 14 нм.

Одним из основных требований при автоматическом анализе участка поверхности при помощи СЭМ является обеспечение высокой производительности измерений. Поскольку скорость получения полезного изображения в современных сканирующих системах близка к своему физическому пределу, единственным способом повышения производительности является сокращение времени выполнения вспомогательных процедур: перемещения стола, коррекции фокуса и астигматизма, юстировки оптической системы.

Известные из уровня техники способы определения параметров пучка основаны на обработке изображений или сигналов СЭМ.

Например, в способе, описанном в патенте США №7,030,394 [1] получают ряд двумерных изображений при последовательном изменении параметра, например, тока фокусирующей линзы, проводят двумерное Фурье преобразование этих изображений, проводят анализ полученных Фурье спектров и по результатам этого анализа определяют значение тока фокусирующей линзы, при котором получается наиболее резкое изображение объекта. Аналогичная процедура используется для коррекции астигматизма. При этом одновременно либо последовательно меняют параметры стигматора Х и У и путем анализа серий Фурье спектров, полученных от соответствующих изображений объекта, получают данные об оптимальных значениях тока стигматоров Х и У. Критерием точной фокусировки в данном методе является максимальная ширина Фурье спектра.

Недостатком данного способа является то, что Фурье анализ отображает пространственный частотный спектр и не позволяет судить о том, в какой плоскости объекта сфокусирован, то есть имеет наименьший диаметр, электронный пучок. Например, при исследовании объектов с переменной высотой рельефа, например, 1 микрон, уширение пучка диаметром 1 нм в плоскости точной фокусировки может составлять (см Фиг.1) до 20 нм для деталей, лежащих на подложке на глубине 1 микрон. Поскольку критерием выбора является максимальная ширина спектра пространственных частот, в приведенном примере она будет достигаться, когда электронный пучок сфокусирован на мелкие детали, находящиеся на поверхности подложки. Таким образом, положение точки точной фокусировки в данном методе зависит от характера микрорельефа поверхности исследуемого объекта, наличия и количества мелких деталей. При переходе с одного поля сканирования на другое, в зависимости от рельефа положение точки фокусировки может меняться неопределенным образом.

Вторым недостатком данного способа является большая длительность процедур фокусировки и стигмирования. Это обусловлено, прежде всего, высокой чувствительностью Фурье преобразования к уровню шумов. Поскольку процесс формирования информативного сигнала происходит в присутствии дробовых шумов, для их уменьшения и повышения отношения сигнал/шум необходимо увеличивать длительность развертки. Ввиду того, что в известном способе получают ряд изображений с медленной разверткой, причем каждое из них подвергают дополнительной обработке, например, получению Фурье спектров и сравнению этих спектров, то типичное время, требуемое для автофокусировки, составляет от единиц до десятков секунд. Типичное время для стигмирования электронного пучка в два раза больше, чем для автофокусиовки, поскольку происходит регулировка двух параметров: Х и У.

Еще один способ автоматической фокусировки, предложенный в патенте США №5,198,668 [2], основан на анализе характеристик изображений.

При реализации данного способа получают ряд изображений поверхности при различных токах возбуждения фокусирующей линзы, интегрируют выходной сигнал от каждого отдельного изображения и запоминают значение этого интеграла в устройстве памяти. Далее, сравнивают полученные значения между собой, и максимальное из этих значений принимают за соответствующее точной фокусировке, а соответствующий ток возбуждения фокусирующей линзы - за ток точной фокусировки.

Недостатком данного способа является то, что положение плоскости фокусировки является неопределенным и зависит от топологии объекта. Например, расчетный сигнал от одиночного элемента, представленный на Фиг.2 сложным образом зависит не только от геометрии объекта и положения точки фокусировки, но и от ряда экспериментальных параметров: энергии первичных электронов, материала образца, положения детекторов электронов и других трудно учитываемых факторов. При наличии в поле сканирования других микрообъектов, например, микрошероховатостей или ступенек малыми латеральными размерами и высотой (см. Фиг.1), при фокусировке на плоскость на верхнюю грань ступеньки высотой 1 мкм, малые элементы не будут разрешаться, но будут давать интегральный вклад в возрастание сигнала.

Вторым недостатком является низкая скорость данного способа. Хотя в данном случае интегрирование сигнала осуществляется в реальном времени, для реализации способа требуется получение большого количества изображений с малым шагом изменения тока фокусирующей линзы.

Наиболее близким к заявляемому способу является патент США №4,514,634 [3], который и выбран в качестве прототипа. В способе [3] осуществляют многократное сканирование электронным пучком поперек определенного топологического элемента с острыми вертикальными гранями, каждый раз с различным током возбуждения фокусирующей линзы, получают выходной сигнал, интегрируют квадрат этого сигнала за время одного кадра изображения и сравнивают между собой интегрированные значения от разных кадров изображения для определения оптимального значения тока фокусировки. Второй модификацией способа [3] является измерение интегрального значения квадрата сигнала от каждой линии, при одновременном изменении для каждой линии тока фокусирующей линзы. При этом варианте можно уменьшить время определения необходимого значения тока фокусирующей линзы. Однако, основной недостаток - неопределенность точки фокусировки относительно микрорельефа образца - сохраняется, поскольку нет однозначной взаимосвязи между сигналом и точкой фокусировки электронного пучка.

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа определения плоскости точной фокусировки электронного пучка относительно микрорельефа образца и выставление этой плоскости на заданную высоту относительно базовой поверхности (подложки) исследуемого образца.

Еще одной задачей, которую призвано решить заявляемое изобретение, является уменьшение времени, необходимого для выполнения вспомогательных процедур установки заданных параметров пучка.

Технический результат достигается за счет использования в качестве основного критерия измерений контраста сигнала. Контраст сигнала является объективным критерием, который может быть измерен с высокой точностью в ходе эксперимента. В ходе одного цикла измерений значения контраста однозначно связаны с параметрами электронного пучка.

Исходя из этих соображений, в заявляемом изобретении предложен способ обработки сигналов в сканирующих устройствах с остросфокусированным электронным пучком, заключающийся в том, что сканируют электронным пучком поверхность объекта поперек топологического элемента, находящегося на этой поверхности, с одновременным изменением для каждой линии сканирования значения регулируемого параметра, получают вторично-эмиссионный сигнал, преобразуют этот сигнал в цифровую форму, запоминают и анализируют значения этого сигнала для определения лучших условий фокусировки, при этом отличительные признаки заявляемого изобретения заключаются в том, что для каждой сигналограммы определяют значение контраста сигнала, строят зависимость этого контраста от регулируемого параметра и по этой зависимости устанавливают однозначное соответствие между регулируемым параметром и положением точки фокусировки относительно объекта и выставляют эту точку в требуемое положение.

Контраст сигнала может быть измерен по одной линии сканирования для каждого значения изменяемого (регулируемого) параметра, например, тока возбуждении фокусирующей линзы или потенциала на фокусирующем электроде.

Измерение значения контраста могут быть проведены в реальном времени. За время, эквивалентное получению одного малоформатного кадра изображения, например, 128×128 пикселов, могут быть получены значения контраста для 128 значений тока возбуждения фокусирующей линзы. При той же скорости развертки, что и для основного изображения, форматом 8192×8192 пикселов, вспомогательное время определения одного параметра (например, положения точного фокуса) составляет 0,03% от полезного времени. Для сравнения с аналогами предположим, что время выполнения одной процедуры в аналогичном способе составляет 1 сек. Тогда, при формате кадра изображения 8000×8000 пикселов и длительности пиксела 2,5 нсек время получения одного кадра полезного изображения составляет 0,16 сек, или 5,3% от общей длительности процесса.

Новизна заявляемого способа базируется на использовании в качестве оценочного критерия значения контраста при различных значениях регулируемых параметров. Закономерности изменения контраста в зависимости от различных экспериментальных параметров и от характеристик образца были исследованы авторами при разработке заявляемого изобретения.

Для лучшего понимания заявляемого изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.

Фиг.1. Расширение пучка на трапецеидальной ступеньке высотой 1 мкм.

Фиг.2. Вторичноэмиссионные сигналы на выходе детектора, регистрируемые при сканировании электронного пучка поперек кремниевой полоски высотой 0,1 мкм, расположенной на кремниевой подложке.

Фиг.3. Расчетные зависимости локального контраста от высоты h_b точки фокусировки над гладкой поверхностью образца при поперечном сканировании трапецеидальных полосок высотой h=0,02, 0,1; 0,2 и 0,5 мкм.

Фиг.4. Экспериментальная зависимость контраста сигнала от тока фокусирующей линзы.

Где Δh_b - шаг изменения высоты точки фокусировки пучка, соответствующий шагу изменения регулируемого параметра ΔI

$$\Delta h_b=\frac{известная\text{ высота топологического элемента h}}{k}$$

Соответствие между значениями регулируемого параметра I_n и значениями высоты h_b точки фокусировки электронного пучка относительно основания топологического элемента - подложки

I_n, А I₀ … … I_m-1 I_m I_m+1 … I_q … … I_N h_b, нм -m·Δh_b … … -Δ_hb 0 Δh_b … h … … (N-m)-Δh_b

h_b - высота точки фокусировки электронного пучка

n - номер шага изменения регулируемого параметра или номер линии сканирования

Общее число шагов N=2000, число линий сканирования равно соответственно N+1=2001

Регулируемый параметр - ток I возбуждения формирующей линзы ΔI - шаг изменения регулируемого параметра

I_n - значение тока возбуждения формирующей линзы для n-ой линии сканирования

I₁₀₀₀=I_nom=1,5 А - номинальное значение тока I

$$I_n=I_{nom}+\left(n-\frac{N}{2}\right)\cdot \Delta I$$

Фиг.5. Зависимости локального контраста C от высоты h_b точки фокусировки зонда над гладкой поверхностью образца при поперечном сканировании трапецеидальных полосок различной высоты высотой h.

Заявляемый способ функционирует следующим образом.

Электронный луч сканирует по линии поперек топологического элемента на поверхности объекта (Фиг.2). Сигнал вторичных электронов улавливается детектором СЭМ, преобразуется в цифровую форму аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) СЭМ и запоминается в управляющем компьютере СЭМ. Каждой сигналограмме от одной линии сканирования соответствует одно значение регулируемого параметра, определяющее положение точки фокусировки пучка. В качестве регулируемого параметра предпочтительно выбрать значение тока фокусирующей линзы или значение потенциала на фокусирующем электроде линзы.

Далее, для каждой сигналограммы определяется значение контраста C как: С=ΔS/S, где ΔS - амплитуда сигнала вблизи топологического элемента, S - значение сигнала от гладкой поверхности.

Значение контраста и соответствующее этому контрасту значение тока фокусирующей линзы или значение потенциала фокусирующего электрода запоминаются. Далее, анализируя зависимость контраста от тока фокусирующей линзы или потенциала фокусирующего электрода, делают выводы о положении плоскости точной фокусировки луча и выставляют ее в требуемое положение.

Принцип определения положения точки фокусировки поясняется Фиг.2-4.

Вторичноэмиссионные сигналы на выходе детектора, регистрируемые при сканировании электронного пучка поперек кремниевой полоски высотой 0,1 мкм, расположенной на кремниевой подложке, представлены на Фиг.2.

Сигналограммы вторичной эмиссии рассчитаны для семи различных значений тока фокусирующей линзы - регулируемого параметра, соответствующих фокусировке (высоте h_b точки фокусировки электронного пучка относительно гладкой поверхности образца) от -2,9 мкм (недофокусировка) до 3,1 мкм (перефокусировка). Диаметр пучка в точке фокусировки равен 1 нм, энергия электронов в пучке 3 кэВ, угол расходимости пучка α=0,01 рад. За нулевое значение высоты принято положение подложки. Контраст вторичноэмиссионного сигнала C определяется для каждой сигналограммы как C=ΔS/S.

Как видно из Фиг.2, наибольшее значение разности между максимальным и минимальным значениями сигнала ΔS, а значит и наибольшее значение локального контраста С, достигается для сигнала, соответствующего высоте фокусировки пучка h_b=0,1 мкм, т.е. когда пучок сфокусирован на верхней грани полоски.

Расчетные зависимости локального контраста от высоты h_b точки фокусировки над гладкой поверхностью образца при поперечном сканировании трапецеидальных полосок высотой h=0,02, 0,1; 0,2 и 0,5 мкм представлены на Фиг.3. При расчетах шаг изменения тока фокусирующей линзы варьировался в зависимости от высоты полоски таким образом, чтобы положение точки фокусировки изменялось на 10, 20, 50 и 100 нм соответственно. Ширина полосок на полу высоте равна 0,1 мкм, ширина верхней плоскости 0,082 мкм. Энергия электронов зонда E=3 кэВ, диаметр в точке фокусировки d_b=1 нм, угол расходимости зонда α=10^-2 рад.

Каждая из зависимостей имеет одну точку перегиба (А) и одну точку максимума (В). Высота точки фокусировки пучка, соответствующая точке перегиба кривых, равна высоте нижнего края полосок (0 мкм). Точки максимума кривых соответствуют высоте фокусировки пучка на верхних гранях полосок (0,02, 0,1; 0,2 и 0,5 мкм соответственно).

Пример 1.

Рассмотрим реализацию способа на типичном СЭМ или подобном устройстве с компьютерным управлением и магнитной фокусирующей линзой.

Предварительные установки

Для определенности будем считать, что номинальное расстояние от подложки (рабочий отрезок) равно 5 мм, в качестве топологического элемента используется полоска с известной высотой h=0,5 мкм, а регулируемым параметром является ток возбуждения фокусирующей линзы I.

Предварительно получают обычным способом в СЭМ изображение топологического элемента и приблизительно фокусируют его с помощью стандартных органов фокусировки СЭМ. Значение тока фокусировки принимают за номинальное (I_nom) и запоминают в памяти компьютера.

Далее ориентировочно задают шаг и интервал изменения тока возбуждения фокусирующей линзы. При этом считают, что малые изменения тока возбуждения ΔI относительно I_nom пропорциональны изменению высоты точки фокусировки Δh_b относительно номинального значения рабочего отрезка, то есть ΔI/I_nom=Δh_b/WD, где WD (Working Distance)=5 мм Например, при шаге Δh_b≈20 нм и типичном значении I_nom≈1,5 А получаем ΔI=6 мкА. Полученное значение приращения тока также запоминается в памяти компьютера.

Интервал δI изменения регулируемого параметра определяется как ΔI×N, где N - число шагов, а нижняя граница интервала задается как I_low=I_nom-ΔI×N/2

Например, если принять N=2000, то легко определить, что интервал регулировки тока фокусирующей линзы составляет 12 мА, а соответствующий ему интервал δh_b регулировки положения точки фокусировки относительно номинального значения рабочего отрезка ориентировочно составит δh_b≈±20 мкм, что вполне достаточно для большинства практических применений. Например, нормированное значение изменения высоты подложки полупроводниковых пластин за счет волнистости составляет ±15 мкм, а в случае использования электростатического прижима уменьшается до ±3 мкм и менее.

Практическая реализация способа.

Сканируют электронным пучком поверхность объекта поперек топологического элемента, находящегося на этой поверхности, с одновременным изменением для каждой линии сканирования значения тока возбуждения фокусирующей линзы на ΔI, начиная с I_low, получают вторичноэмиссионный сигнал, преобразуют этот сигнал в цифровую форму и запоминают каждую из сигналограмм.

Для каждой сигналограммы определяют значение контраста сигнала и строят зависимость этого контраста от тока фокусирующей линзы (Фиг.5).

Точке перегиба А (Фиг.5) присваивают значение h_b=0; соответствующее значение тока возбуждения I_m записывают в память компьютера.

Из значения известного отрезка АВ (500 нм) определяют действительное значение шага регулировки по высоте как Δh_b=500/(q-m), где (q-m) - число шагов на мерном отрезке АВ.

Далее пересчитывают с учетом знака действительные значения h_b положения точки фокусировки для всех значений тока возбуждения фокусирующей линзы и полученные результаты записывают в память компьютера, например, в виде таблицы.

Таким образом, получено однозначное соответствие между регулируемым параметром - током возбуждения фокусирующей линзы, и положением точки фокусировки относительно подложки.

Пример 2. Рассмотрим определение положения плоскости фокусировки электростатической фокусирующей линзы при сканировании электронного пучка поперек того же топологического элемента - полоски высотой 100 нм (Фиг.2). Последовательность операций остается той же, что и в Примере 1, с той лишь разницей, что регулируемым параметром является потенциал на фокусирующем электроде линзы. В результате мы получаем однозначное соответствие между регулируемым параметром - потенциалом на фокусирующем электроде, и положением точки фокусировки относительно подложки.

Способ может найти применение в любом электронно-зондовом устройстве сканирующего типа.

Изобретение относится к области обработки сигналов в сканирующих устройствах, в частности оно касается способов обработки сигналов в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) и ему подобных устройствах с целью определения параметров пучка и коррекции этих параметров. Техническим результатом является уменьшение времени, необходимого для выполнения вспомогательных процедур установки заданных параметров пучка. Результат достигается тем, что сканируют электронным пучком поверхность объекта поперек топологического элемента, находящегося на этой поверхности, с одновременным изменением для каждой линии сканирования значения регулируемого параметра, получают вторично-эмиссионный сигнал, преобразуют этот сигнал в цифровую форму, запоминают и анализируют значения этого сигнала для определения лучших условий фокусировки, отличающийся тем, что для каждой сигналограммы определяют значение контраста сигнала, анализируют зависимость этого контраста от регулируемого параметра, по этой зависимости определяют однозначное соответствие между регулируемым параметром и положением точки фокусировки относительно объекта и выставляют эту точку в требуемое положение. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ обработки сигналов в сканирующих устройствах с остросфокусированным электронным пучком, заключающийся в том, что сканируют электронным пучком поверхность объекта поперек топологического элемента, находящегося на этой поверхности, с одновременным изменением для каждой линии сканирования значения регулируемого параметра, получают вторичноэмиссионный сигнал, преобразуют этот сигнал в цифровую форму, запоминают и анализируют значения этого сигнала для определения лучших условий фокусировки, отличающийся тем, что для каждой сигналограммы определяют значение контраста сигнала, анализируют зависимость контраста от регулируемого параметра, определяют по этой зависимости однозначное соответствие между значением регулируемого параметра и положением точки фокусировки относительно объекта и выставляют точку фокусировки в требуемое положение.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что значение контраста сигнала С определяют как:
C=ΔS/S,
где ΔS - амплитуда сигнала вблизи топологического элемента, S - значение сигнала от гладкой поверхности.

3. Способ обработки сигналов по п.1, отличающийся тем, что максимальное значение контраста сигнала в зависимости от регулируемого параметра принимают соответствующим положению точки фокусировки луча на верхней грани топологического элемента.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что точка перегиба на кривой зависимости контраста от регулируемого параметра соответствует положению точки фокусировки луча на нижней грани топологического элемента.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что по точке перегиба и точке максимума на кривой зависимости контраста от регулируемого параметра определяют однозначное соответствие между регулируемым параметром и положением точки фокусировки относительно объекта и выставляют эту точку в требуемое положение.