DE68924563T2

DE68924563T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächenanalyse.

Info

Publication number: DE68924563T2
Application number: DE68924563T
Authority: DE
Inventors: Ken Ninomiya; Shigeru Nishimatsu
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-07-15
Filing date: 1989-07-11
Publication date: 1996-05-09
Anticipated expiration: 2009-07-12
Also published as: DE68924563D1; EP0350874A3; EP0350874A2; EP0350874B1; US5138158A; JPH0225737A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft die Verbesserung eines Oberflächenanalyseverfahrens und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oberflächenanalyse, mit dem bzw. mit der eine Untersuchung des chemischen Zustandes in kleinen Bereichen auf der Oberfläche der zu untersuchenden Probe möglich ist.
Der Fortschritt in der Oberflächenanalyse von kleinen Oberflächenbereichen ist bemerkenswert; diese Analyse von kleinen Bereichen und die Technologie dafür werden im allgemeinen "Mikro-Charakterisierung" genannt.
Die Information über die kleinen Oberflächenbereiche schließt die geometrische Form und die Struktur der Oberfläche und des oberflächennahen Bereiches (im folgenden zusammen Oberfläche genannt), die Atomart, die Zusammensetzung und die chemische Bindung der Atome in diesem Bereich usw. ein. Zusätzlich muß die Untersuchung zerstörungsfrei sein.
Die geometrische Form der Oberfläche kann mit einem RTM (Rastertunnelmikroskop) oder einem hochauflösenden REM (Rasterelektronenmikroskop) gemessen werden. Gegenwärtig liegt die seitliche Auflösung, mit der die Form gemessen werden kann, nahe bei 0,1 nm (1 Å).
Andererseits liegt die seitliche Auflösung bei der Untersuchung des chemischen Zustandes, etwa der Atomart und der chemischen Bindung (d.h. die Größe des kleinen Oberflächenbereiches, auf dem die Atomart und die chemischen Bindungen festgestellt werden können) bei einigen zehn um, was im Vergleich zur Messung der Form einen sehr schlechten Wert darstellt.
Bei der Untersuchung des chemischen Zustandes ist in der Zukunft jedoch aus den folgenden Gründen eine sehr hohe seitliche Auflösung erforderlich. Zum Beispiel verschlechtern Rückstände nach Oberflächenbehandlungen auf Halbleiterschaltungen die Eigenschaften der Schaltung. Um die Rückstände auf der Probenoberfläche festzustellen und zu identifizieren, ist es erforderlich, daß die seitliche Auflösung der minimalen Größe des Schaltungsmuster entspricht. Wenn zukünftig eine Schaltungsmustergröße von 0,3 bis 0,1 um erreicht wird, ist demnach zur Untersuchung kleiner Oberflächenbereiche eine seitliche Auflösung von 0,1 um erforderlich.
Darüberhinaus weisen reale Oberflächen viele Defekte wie Stufen auf. Die Abscheidung von Materialien und chemische Reaktionen wie katalytische Reaktionen an der Oberfläche schreiten beim Vorhandensein von Defekten nicht gleichmäßig fort. Die Ungleichförmigkeit liegt nach Korngrenzenuntersuchungen in der Größenordnung von 0,1 bis mehrere um (Katsumichi Yagi, "Oyo-busteri", 55, 1036 (1986)). Unter dem Gesichtspunkt der Untersuchung von Ungleichmäßigkeitsphänomenen ist demnach auch eine Auflösung von 1 um oder weniger erforderlich.
Bei der Untersuchung von einzelnen Proteinmolekülen in der Biologie und der Biotechnik ist eine seitliche Auflösung von 0,01 um oder weniger erforderlich, da die Größe des Proteinmoleküls bei einigen nm (einigen zehn Å) liegt.
Zur Verbesserung der seitlichen Auflösung bei der Oberflächenanalyse zum Erhalten von Informationen über den chemischen Zustand wurden bereits die folgenden Verfahren vorgeschlagen:
Eines der Verfahren besteht darin, bei der XPS (Röntgenstrahl-Photoelektronenspektroskopie) weiche Röntgenstrahlen mittels einer gekrümmten Einkristalloberfläche zu fokussieren (F.J. Grunthaner, MRS Eulletin 30, 60 (1987)). Bei diesem Verfahren ist jedoch die Aberration des optischen Systems sehr groß, so daß der Strahldurchmesser auf etwa 120 um begrenzt ist. Die zu untersuchende Fläche hat daher einen Durchmesser von 120 um, so daß mit diesem Verfahren keine seitliche Auflösung von 1 um oder weniger erzielt werden kann.
Bei einem anderen Verfahren zum Verbessern der seitlichen Auflösung wird in der Nähe der Probenoberfläche ein starkes Magnetfeld erzeugt, und es werden die von der Probenoberfläche emittierten Photoelektronen unter Verwendung der Elektronenzyklotronbewegung erfaßt. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß die seitliche Auflösung vom Larmorradius rb der Photoelektronen bestimmt ist:
rb = vpm/(eB)
wobei vp, m, e und B die Geschwindigkeitskomponente der Photoelektronen senkrecht zum Magnetfeld, die Elektronenmasse, die Elektronenladung bzw. die Magnetflußdichte in der Nähe der Probenoberfläche sind. Unter der Annahme, daß das Photoelektron mit einer kinetischen Energie E unter einem Winkel θ (der zur Richtung des Magnetfeldes gemessen wird) emittiert wird, läßt sich Gleichung (1) mit E und θ umschreiben zu
rb = 2Em sinθ/(eB) (2)
Die seitliche Auflösung wird bei diesem Verfahren durch 4 rb bestimmt. Wenn zum Beispiel für E = 10 eV, B = 20 T, θ = 90º in die Gleichung (2) eingesetzt wird, ergibt sich 4 rb = 2,1 um. Die seitliche Auflösung dieses Verfahrens liegt somit in der Größenordnung von um.
Um eine höhere Auflösung zu erreichen, sollte der Winkel θ klein sein, wie es aus der Gleichung (2) ersichtlich ist. Das heißt, daß nur ein kleiner Anteil der von der Probenoberflache emittierten Photoelektronen zur Oberflächenanalyse verwendet werden kann. Zum Beispiel beträgt unter Berücksichtigung des differentiellen Photoemissionsguerschnittes (R.F. Reilman et al., J. Elect. Spectrosc. Relat. Phenom. 8, 389 (1976)) der Ausnutzungsgrad der Photoelektronen 1% oder weniger, wenn die seitliche Auflösung zu 0,06 um gewählt wird (4 rb). Mit zunehmender seitlicher Auflösung nimmt der Ausnutzungsgrad weiter ab. Dieses Verfahren hat daher den schwerwiegenden Nachteil, daß kaum Photoelektronen beobachtet werden können, obwohl sie von der Probenoberfläche emittiert werden. Da darüberhinaus die seitliche Auflösung von der kinetischen Energie E abhängt (Gleichung (2)), kann die kinetische Energie der Photoelektronen nicht mit gleichbleibender seitlicher Auflösung untersucht werden.
Es gibt ein anderes Verfahren, bei dem Röntgenstrahlen mittels einer Fresnel-Zonenplatte fokussiert werden (JP-OS 265 555/1987). Dieses Verfahren weist jedoch einen geringen Ausnutzungsgrad der Röntgenstrahlen auf. Zum Beispiel liegt der theoretische Wert für die Ausnutzung sogar für die intensivste Beugung erster Ordnung bei etwa 10%, der gemessene Wert bei etwa 5%.
Es ist daher ein reichlicher Fluß an Röntgenstrahlen erforderlich, um einen kleinen Oberflächenbereich zu untersuchen und dabei eine große Intensität für das erfaßte Signal zu erhalten. Der Grund dafür liegt darin, daß die Anzahl der Atome und Moleküle in diesem Bereich sehr klein ist. Das Fokussieren der Röntgenstrahlen nur durch eine Zonenplatte hat eine geringe Signalintensität zur Folge, was bei der Analyse ein ernstes Problem ist.
In der US-A-4 680 467 ist ein ESCA-System (Elektronenspektroskopie zur chemischen Analyse) beschrieben, bei dem ein Röntgenstrahl mit einer Energie von 1,5 keV durch ein konvergierendes System mit einem Einkristall zu einem Strahldurchmesser am Auftreffpunkt im Bereich von 100 bis 600 um fokussiert wird.
Wie beschrieben weisen die herkömmlichen Verfahren den Nachteil einer geringen seitlichen Auflösung oder einer geringen Signalintensität auf. Es ist daher nicht möglich, damit Informationen über den chemischen Zustand mit einer seitlichen Auflösung von 1 um oder weniger zu erhalten.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Ausgehend von dem oben erwähnten ESCA-System, das eine Quelle zum Aussenden von Röntgenstrahlen mit einer Energie von 1,5 keV, ein optisches System aus einem Einkristallmonochromator zum Einstrahlen des Röntgenstrahles auf die Oberfläche einer Probe und eine Einrichtung zum Bestimmen der Energie der Teilchen enthält, die von der Oberfläche der Probe abgegeben werden, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oberflächenanalyse zu schaffen, mit dem bzw. mit der Informationen über den chemischen Zustand wie über Atomarten und chemische Bindungen mit einer seitlichen Auflösung von 1 um oder weniger und auch große Signalintensitäten erhalten werden können.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren und die Vorrichtung nach Anspruch 1 bzw. 17 gelöst.
Um die obige Aufgabe zu lösen, wird demnach ein Strahl elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von weicher Röntgenstrahlung bis zum Vakuum-Ultraviolett-Bereich durch ein optisches System, das Wolter-Optik genannt wird, oder durch ein optisches System, das Kirkpatric-Baez-Optik genannt wird, auf die Probenoberfläche fokussiert. Es wird dann die kinetische Energie der Elektronen untersucht, die von der bestrahlten Probenoberfläche abgegeben werden, so daß die Informationen über den chemischen Zustand an der Probenoberfläche erhalten werden können.
Das dabei verwendete optische System unterscheidet sich von den Systemen, bei denen die Bragg-Reflektion an einer Einkristalloberfläche oder nur die Zonenplatte angewendet wird. Es wird hauptsächlich eine reflektierende Optik mit kleiner Aberration und einem hohen Ausnutzungsgrad der elektromagnetischen Strahlung verwendet.
Durch die Verwendung dieses optischen Systems ist es möglich, die elektromagnetische Strahlung, die im Bereich von weicher Röntgenstrahlung bis zum Vakuum-Ultraviolett-Bereich liegt, auf eine kleine Fläche mit einem Durchmesser von 1 um oder weniger zu fokussieren und so die Energie der Photoelektronen mit hoher Signalintensität und hoher Auflösung zu untersuchen, die von dieser kleinen Fläche abgegeben werden.
Um eine solch kleine Fläche zu untersuchen, ist es erforderlich, entweder den Durchmesser des Untersuchungsstrahles oder das Gesichtsfeld eines Detektors bei nicht fokussiertem Untersuchungsstrahl zu verringern. Wenn das letzte Verfahren angewendet wird, besteht die Möglichkeit, daß die Signalintensität reduziert ist oder nur wenige Informationen erhalten werden, wie es oben bereits erwähnt ist. Bei der vorliegenden Erfindung wird daher ein fokussierter Untersuchungsstrahl verwendet.
Die möglichen Untersuchungsstrahlen sind Strahlen geladener Teilchen (ein Elektronenstrahl oder Ionenstrahl) oder Strahlen elektromagnetischer Strahlung. Wenn als Untersuchungsstrahl ein Strahl geladener Teilchen verwendet wird, ist es erforderlich, den geladenen Teilchen eine kinetische Energie von wenigstens 1 keV oder mehr zu geben, um sie auf etwa 0,01 um Durchmesser zu fokussieren (Takashi Tanaka, Oyobutsuri, 55, 1153 (1986), und R. Levi-Setti et al., Appl. Surf. Sci. 26, 249 (1986))
Bei der Untersuchung des chemischen Zustandes der Oberfläche ist vorzugsweise die Energie des Teilchenstrahles etwa gleich der Wechselwirkungsenergie zwischen den Atomen und Molekülen, die den Oberflächenbereich bilden, mit den einfallenden geladenen Teilchen (zum Beispiel einige bis einige hundert eV bei der Anregung oder Ionisierung). Eine diesen Wert übersteigende Energie ergibt einen kleinen Wechselwirkungsquerschnitt und damit eine Abnahme in der Signalintensität. Sie hat außerdem ein physikalisches Absputtern der Probenoberflache und einen Temperaturanstieg zur Folge, was nicht die Voraussetzung für eine zerstörungsfreie Analyse erfüllt. Wenn zum Beispiel 10&sup9; Elektronen (1,6 x 10&supmin;¹&sup0; A) von 2 keV pro Zeiteinheit auf eine Fläche mit 1 um Durchmesser einfallen, steigt die Oberflächentemperatur der Probe auf 1042 K (Herman Winick und S. Doniach ed.; "Synchrotron Radiation Research" (Plenum Press, New York, 1982), Seite 475). Es ist darüberhinaus bekannt, daß Elektronenstrahlen mit einer kinetischen Energie von 3 bis 7 keV eine Desorption von absorbierten Atomen und Molekülen von der Probenoberfläche verursachen (Elektronenstimulierte Desorption). Der Durchmesser des geladenen Teilchenstrahles kann leicht verringert werden, dieser Strahl verändert und schädigt jedoch die Probenoberfläche durch seine hohe (kinetische) Energie.
Auf der anderen Seite kann durch die Verwendung von elektromagnetischer Strahlung das Hochenergieproblem vermieden werden, wie es später noch erläutert wird. Wenn der Durchmesser des Untersuchungsstrahles auf 0,01 um (wie bei der obigen Beschreibung) eingestellt wird, liegt die für die Strahlung mögliche Wellenlänge bei 0,01 um oder weniger, d.h. es sollte Strahlung im weichen Röntgenstrahlenbereich verwendet werden (wenn der Strahldurchmesser etwa 0,1 um ist, kann auch Strahlung im Vakuum-Ultraviolett-Bereich verwendet werden). Die Energie der Strahlung mit einer Wellenlänge von 0,01 um liegt bei 120 eV, was viel kleiner ist als die Energie (> 1 keV), die zum Fokussieren von Strahlen geladener Teilchen auf den gleichen Bereich erforderlich ist. Die Schäden an der Probe sind daher gering. Da der Strahl an elektromagnetischer Strahlung einen größeren Anregungs- und Ionisationsquerschnitt hat als ein Strahl geladener Teilchen (Herman Winick und S. Doniach ed.; "Synchrotron Radiation Research" wie oben), kann auch ein Ansteigen des Wechselwirkungsquerschnittes erwartet werden, wenn elektromagnetische Strahlung verwendet wird. Aus diesen Gründen wird bei der vorliegenden Erfindung ein fokussierter Strahl elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von weicher Röntgenstrahlung bis zum Vakuum-Ultraviolett-Bereich als Untersuchungsstrahl verwendet.
Wenn die Erfindung auf einen Herstellungsprozeß für Halbleiterschaltungen angewendet wird, sind nur einige wenige Elemente wie Si, O, C und Al zu untersuchen . Bei anderen Anwendungsgebieten werden wieder andere Elemente untersucht. Das verwendete Verfahren muß daher in der Lage sein, alle Elemente und ihre chemischen Bindungen zu analysieren. Nach den möglichen Wellenlängen und diesem Erfordernis ist das wünschenswerteste Analyseverfahren die UPS (Ultraviolett- Photoelektronenspektroskopie) oder die XPS (Röntgenstrahl- Photoelektronenspektroskopie). Bei der UPS und der XPS wird Vakuum-Ultraviolettlicht bzw. weiche Röntgenstrahlung auf die Probenoberfläche eingestrahlt und die von der Oberfläche emittierten Photoelektronen beobachtet. Durch Bestimmen der kinetischen Energie dieser Photoelektronen ist es möglich, Atomarten und ihre chemischen Bindungen im Oberflächenbereich zu identifizieren. Erfindungsgemäß wird deshalb elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von weicher Röntgenstrahlung bis zum Vakuum-Ultraviolett-Bereich als Untersuchungsstrahl auf die Probenoberfläche fokussiert, und es wird die kinetische Energie der Photoelektronen bestimmt, die von der Oberfläche emittiert werden.
Schließlich sollen noch Verfahren zum Fokussieren der elektromagnetischen Strahlung erwähnt werden. Die herkömmliche Vorrichtung, bei der ein fokussierter Röntgenstrahl zur Untersuchung der Probenoberfläche verwendet wird, macht zum Fokussieren der Röntgenstrahlen von einem Kristall Gebrauch (siehe z.B. die JP-OS 179 645/1987 und die oben genannte US- A-4 680 467). Erfindungsgemäß wird jedoch ein optisches System verwendet, das kurz gesagt aus einer reflektierenden Optik aufgebaut ist, bei der die Totalreflektion ausgenutzt wird. Mit diesem optischen System ist es möglich, Röntgenstrahlen mit geringer Aberration auf einen sehr kleinen Oberflächenbereich zu fokussieren.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Ausführungsform der Erfindung.
Die Fig. 2 bis 6 sind schematische Darstellungen von Beispielen für die bei dieser Erfindung verwendeten optischen Systeme.
Die Fig. 7 bis 15 stellen andere Ausführungsformen dieser Erfindung dar.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Ausführungsform 1 Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der Fig. 1 sendet eine Quelle 4 einen Strahl elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich vom Vakuum-Ultraviolett bis zu weicher Röntgenstrahlung (etwa von 6 bis 2000 eV) aus, der durch ein optisches System 3 auf eine Probe 5 fokussiert wird. Das optische System 3 macht von reflektierenden optischen Elementen, die später noch beschrieben werden, oder einer Kombination davon Gebrauch. Wenn der Strahl auf die Probe eingestrahlt wird, werden von der Probenoberfläche Photoelektronen emittiert. Deren kinetische Energie wird von einem Detektor 6 bestimmt. Eine Steuerung 2 steuert die Position der Probenhalterung 1 derart, daß sie mit einer Genauigkeit von 0,1 um oder weniger in jede beliebige Richtung bewegt werden kann. Zusätzlich kann sie mit einer Genauigkeit von 1mrad um eine Achse senkrecht zur Zeichenebene gedreht werden. Ein Signalprozessor 7 verarbeitet das Positions- und Winkelsignal von der Steuerung 2 und das Ausgangssignal des Detektors 6, er ist mit einer Ausgabeeinheit 8 verbunden.
In den Fig. 2 bis 6 sind Beispiele für das bei dieser Ausführungsform verwendete optische System gezeigt. Die optischen Elemente davon weisen eine geringe Aberration (was bedeutet, daß die Strahlung auf einen sehr kleinen Bereich fokussiert werden kann) und im Vergleich zum Transmissions- und Beugungswirkungsgrad einer Zonenplatte ausgezeichnete Reflektionskoeffizienten auf.
Zum Beispiel weist der reflektierende Spiegel 11 der Fig. 2 eine kombinierte Oberfläche auf, die zum Teil aus einem Ellipsoid 9 und zum Teil aus einem Hyperboloid 10 besteht. Ein solches optisches System wird Wolter-Optik genannt (PROCEEDINGS OF SPIE, Bd. 563, APPLICATIONS OF THIN-FILM MULTILAYERED STRUCTURES TO FIGURED X-RAY OPTICS, San Diego, CA, 20.-22. August 1985, Seiten 81-89; A. Franks et al. : "The Development of Single and Multilayered Wolter X-Ray Microscopes"). Die Kombination des Ellipsoids mit dem Hyperboloid verringert die Aberration im Vergleich zu herkömmlichen konvergierenden System mit einer Bragg-Reflektion an einer Einkristalloberfläche auf etwa 1/1000. Darüberhinaus kann der Reflektionskoeffizient der kombinierten Fläche leicht auf mehrere zehn % angehoben werden, was viel höher ist als der Transmissions- und Beugungswirkungsgrad einer Zonenplatte.
Es können bei der vorliegende Erfindung auch andere Optiken des Wolter-Typs als in der Fig. 2 angewendet werden, die aus einer Kombination von Ellipsoiden, Hyperboloiden und Paraboloiden bestehen. Die verwendete Optik besteht aus einer axialsymmetrischen Oberfläche (zum Beispiel den kombinierten Spiegeln 14 und 15), die durch Drehen des Spiegels 11 um die X-Achse entsteht, oder aus einem Teil einer axialsymmetrischen Oberfläche (zum Beispiel dem kombinierten Spiegel 17)
Auch eine Kirkpatric-Baez-Optik (Fig. 3) weist wie die Wolter-Optik eine geringe Aberration und einen hohen Röntgenstrahl-Reflektionskoeffizienten auf. Die Aberration kann durch das Ausbilden von Rillen und das Ändern ihres Abstandes auf der Oberfläche der Spiegel 13, 13' (Fig. 4) weiter verringert werden. Obwohl nicht gezeigt, können auch Tandem- Optiken mit zusammengesetzter Oberfläche verwendet werden. Mit den obigen optischen Systemen kann Strahlung von weicher Röntgenstrahlung bis zum Vakuum-Ultraviolett auf einen Oberflächenbereich mit einem Durchmesser von unter 1 um mit einem hohen Sammelwirkungsgrad für das Licht fokussiert werden.
Um die Strahlung auf einen kleineren Bereich zu fokussieren, wird eine Kombination der obigen Optiken verwendet. Die Fig. 5 zeigt ein Beispiel dafür. In der Fig. 5 wird die Strahlung durch einen kombinierten Spiegel 14 auf ein feines Loch 16 fokussiert. Die Strahlung wird durch das feine Loch 16 geformt und dann durch den kombinierten Spiegel 15 schärfer auf die Probe 5 fokussiert. Die Fig. 6 zeigt anstelle des feinen Lochs 16 variable Schlitze 18, 18'. Mit den Schlitzen 18 und 18' kann die Größe des Auftreffpunktes der Strahlung auf der Probe 5 verändert werden.
In den Fig. 5 und 6 können die zusammengesetzten Spiegel 14, 15 und 17 oder Teile der Spiegel 13 und 13' durch Zonenplatten ersetzt werden. Wenn jedoch alle optischen Elemente durch eine Zonenplatte ersetzt werden, wird die Menge an elektromagnetischer Strahlung, die auf die Probe 5 einfällt, wegen des geringen Transmissions- und Beugungswirkungsgrades der Zonenplatte extrem verringert, so daß die Probe 5 nicht untersucht werden kann. Wenn allerdings nur für einen Teil davon eine Zonenplatte verwendet wird, ist die Verringerung der einfallenden Strahlung im Vergleich zu dem Fall, bei dem alle optischen Elemente durch eine Zonenplatte ersetzt werden, gering.
Bei dieser Ausführungsform ist es durch die Verwendung des optischen Systems 3 möglich, einen kleinen Oberflächenbereich mit einem Durchmesser von 1 um oder weniger zu untersuchen (die Größe der Fläche wird hier als volle Breite bei halber Höhe (FWHM) des Strahlintensitätsprofiles auf der Probenoberfläche definiert), wobei die hohe Signalintensität und Empfindlichkeit aufrechterhalten bleibt. Darüberhinaus ist es möglich, ein vergrößertes Abbild der Oberfläche der Probe 5 zu erhalten und in sehr kleinen Bereichen bestimmte Atomarten und chemische Bindungen festzustellen. Durch Bewegen der Halterung 1, um die Position des Auftreffpunktes zu verändern, sist es möglich, die Verteilung bestimmter Atomarten und chemischer Bindungen auf der Oberfläche der Probe 5 festzustellen. Da der Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung auf die Oberfläche der Probe 5 verändert werden kann, ist es außerdem möglich, die Verteilung von Atomarten oder dergleichen in Tiefenrichtung festzustellen.

Ausführungsform 2

Bei der Untersuchung kann der Durchmesser des Untersuchungsstrahles vom erwarteten Wert abweichen. In einem solchen Fall ist es erforderlich, die Optik entsprechend einzustellen und den Strahldurchmesser und die Strahlintensität zu überwachen. Die Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine einstellbare Optik verwendet wird. In der Fig. 7 sind Spiegel 12, 12' und ein Feineinstellmechanismus 19, 19' gezeigt. Die Position des Strahlauftreffpunktes und der Strahldurchmesser werden mit dem Strahlmonitor 20 gemessen, und das gemessene Ergebnis wird zu der Steuerung 21 zurückgeführt. In Reaktion auf dieses Rückkoppelsignal gibt die Steuerung 21 Steuersignale an die Feineinstellmechanismen 19 und 19' ab, um so die Position der Spiegel 12 und 12', deren Winkel zur Strahlachse und deren Abstand zur Strahlquelle 4 und zur Probe 5 einzustellen. Vorzugsweise werden piezoelektrische Vorrichtungen für die Feineinstellung der Position und des Winkels verwendet. Wenn die Spiegel 12, 12' dünn sind, ist es auch möglich, die Krümmung der Spiegel 12, 12' zu verändern und so die Möglichkeiten für die Strahleinstellung zu erhöhen. Ausführungsform 3 Die Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Strahleinstellung möglich ist. In der Fig. 8 ist zwischen den kombinierten Spiegel 14 und die Probe 5 ein Strahlmonitor 23 eingefügt, so daß bei der Analyse eine Strahleinstellung möglich ist. Der Feineinstellmechanismus 22 macht von einer lokalen Aufheizung Gebrauch. Das Aufheizen eines Teils des kombinierten Spiegels 14 führt zu einer Anderung der Krümmung des aufgeheizten Teils, wodurch der Strahldurchmesser auf der Oberfläche der Probe 5 verändert wird. Auch bei dieser Ausführungsform kann natürlich ein Feineinstellmechanismus für die Position und den Winkel vorgesehen sein.
Die Strahlüberwachungs- und Feineinstellmechanismen der Fig. 7 und 8 sind für jedes optische Element vorgesehen. Wenn sich die Anzahl der verwendeten optischen Elemente erhöht, kann erforderlichenfalls auch die Anzahl der Strahlmonitore und der Feineinstellmechanismen erhöht werden.

Ausführungsform 4

Bei den in den Fig. 1, 7 und 8 gezeigten Ausführungsformen wird die Verteilung von Elementen und dergleichen durch Verschieben der Probenhalterung 1 gemessen. Dies kann jedoch auch durch Abtasten der Oberfläche der Probe 5 mit dem Strahl geschehen (im allgemeinen bietet die Bewegung des einfallenden Strahles eine höhere Abtastgeschwindigkeit und erfolgt leichter als eine Bewegung der Probe). In den Fig. 9 bis 11 ist ein Beispiel für dieses System gezeigt. In der Fig. 9 ist ein Spiegel 26 für die Strahlabtastung zwischen dem optischen System 25 und der Probe 5 angeordnet. Das optische System 25 ist eine Optik mit dem Feineinstellmechanismus der vorhergehenden Ausführungsformen. Der Strahl von der Strahlquelle wird durch das optische System 25 fokussiert und vom Spiegel 26 auf die Oberfläche der Probe 5 gelenkt. Der Spiegel 26 befindet sich auf einer steuerbaren Halterung 27, die von einer Steuerung 28 gesteuert wird. Die steuerbare Halterung 27 kann um die x- und die y-Achse gedreht werden, so daß der Spiegel 26 mittels der steuerbaren Halterung 27 leicht geschwenkt werden kann, wodurch der Strahl eine Abtastung ausführt.

Ausführungsform 5

Während bei der Fig. 9 der Strahl im Verlauf der Fokussierung abgelenkt und geschwenkt wird, kann zum Abtasten der Probenoberfläche mit dem Strahl auch die Quelle bewegt werden. Die Fig. 10 zeigt dafür ein Beispiel. In der Fig. 10 werden die geladenen Teilchen aus einer Quelle 29 für geladene Teilchen durch ein Beschleunigungs-Fokussier-Ablenksystem 30 beschleunigt, fokussiert und abgelenkt und auf die Oberfläche eines Targets 31 eingestrahlt. Die Bestrahlung mit den geladenell Teilchen verursacht eine Emission von elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von weicher Röntgenstrahlung bis zum Vakuum-Ultraviolett. Diese Strahlung wird durch das optische System 25 auf die Oberfläche der Probe 5 fokussiert. Wenn der Strahl geladener Teilchen von der Steuerung 32 abgelenkt wird, verändert sich der Emissionspunkt der Strahlung auf dem Target 31, wodurch die Strahlung die Oberfläche der Probe 5 abtastet. Die Steuerung 33 ist eine Steuerung zum Kühlen des Targets 31. Bei dieser Ausführungsform ist das Target 31 ein dünner Film, und der Untersuchungsstrahl tritt aus der der Bestrahlungsseite des Targets 31 mit den geladenen Teilchen gegenüberliegenden Seite aus.

Ausführungsform 6

Um die Wärmebelastung des Targetmateriales zu verringern, ist es besser, als Target ein Blockmaterial zu verwenden. Die Fig. 11 zeigt ein Beispiel dafür. Das Target 34 besteht aus einem Blockmaterial, und der Untersuchungsstrahl tritt auf der gleichen Seite aus, auf die die geladenen Teilchen eingestrahlt werden. Die Wirkung und der Betrieb der anderen Abschnitte sind die gleichen wie bei der Ausführungsform der Fig. 10.
Zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung kann anstelle des Strahles geladener Teilchen auch intensives Licht swie etwa ein Laserstrahl auf das Target 31 oder 34 eingestrahlt werden. Die in den Fig. 1 bis 11 gezeigten Ausführungsformen erlauben eine Untersuchung des chemischen Zustandes im Bereich von 1 um oder weniger.

Ausführungsform 7

Bei den obigen Ausführungsformen kann der Detektor 6 von jeder beliebigen Art sein, solange damit die Energie der emittierten Photoelektronen festgestellt werden kann. Zum Beispiel kann es ein CMA (ein Analysator vom Zylinderspiegeltyp), ein Gegenfeldanalysator oder ein Halbkugel-Ablenkanalysator sein, wie er bei der LEED verwendet wird. Der in der Fig. 12 gezeigte Detektor ist ein Energieanalysator des Anzeigetyps (des Projektionstyps) (D.E. Eastman et al., Nucl. Instrum. Methods, 172, 327 (1980)). Diese Art eines Analysators hat den Vorteil, daß der Elektronen-Sammelwinkel groß ist. Die von der Oberfläche der Probe 5 emittierten Photoelektronen werden im Tiefpaßfilter 35 und Hochpaßfilter 37 einer Energiemessung unterzogen und fallen dann auf eine Phosphorplatte 38. Zwischen dem Tiefpaßfilter 35 und dem Hochpaßfilter 37 ist eine Blende 36 vorgesehen. Die Phosphorplatte 38 emittiert Fluoreszenzlicht, das von einem zweidimensionalen Lichtdetektor 39 erfaßt wird. Die hier beschriebenen Detektoren können bei jedem Beispiel dieser Erfindung verwendet werden.

Ausführungsform 8

Bei einer sehr empfindlichen Probe wird eine Quelle für elektromagnetische Strahlung vorgesehen, die Strahlungsimpulse erzeugt. Alternativ kann die Strahlung auch durch eine elektrische oder mechanische Einrichtung moduliert werden.
Die gepulste Strahlungsquelle kann eine Plasma-Röntgenstrahlquelle oder eine Quelle sein, bei der zum Beschuß des Targets 31, 34 der Fig. 10, 11 ein gepulster Strahl geladener Teilchen verwendet wird.

Ausführungsform 9

Die Fig. 13 zeigt ein Beispiel für die Modulation des Strahles elektromagnetischer Strahlung. In der Fig. 13 läuft der Strahl vom optischen System 25 durch einen Zerhacker 41 und wird auf die Probe 5 fokussiert. Die Zerhackerfrequenz wird durch Steuern des Zerhacker-Antriebsmotors 42 mit der Steuerung 43 eingestellt. Das mit dem Zerhacken verknüpf te Signal wird dem Signalprozessor 7 als Bezugssignal zugeführt. Das in diesem Beispiel gezeigte Zerhackersystem kann durch ein anderes Zerhackersystem ersetzt werden, bei dem ein Hochfrequenzvibrator oder dergleichen verwendet. wird. Mit dieser Ausführungsform kann eine empfindliche Probe untersucht werden, da die Probenoberfläche nur intermittierend bestrahlt wird.

Ausführungsform 10

Die in der Fig. 14 gezeigte Ausführungsform dient zur Untersuchung der Bodenfläche einer tiefen Nut oder dergleichen. Wie in der Fig. 14 gezeigt, sind unter und über der Probe 5 Spulen 44 und 45 angeordnet. Die Spulen 44 und 45 erzeugen in der Nähe der Oberfläche der Probe 5 starke Magnetfelder (> 1 T), wenn sie von der Stromversorgung 47 mit elektrischer Energie versorgt werden. Diese Spulen ermöglichen es, daß der Detektor 6 mehr Elektronen von der Bodenfläche der tiefen Nut oder dergleichen erfaßt. Mit dem Ansteigen der Magnetflußdichte in der Nähe der Oberfläche der Probe 5 kann eine Nut mit größerem Seitenverhältnis untersucht werden. In der Fig. 14 ist auch eine magnetische Abschirmung 46 gezeigt. Obwohl bei dieser Ausführungsform ein statisches Magnetfeld verwendet wird, können für größere Magnetflußdichten in der Nähe der Oberfläche der Probe 5 auch gepulste Magnetfelder angewendet werden.

Ausführungsform 11

Es wird nun eine weitere Ausführungsform beschrieben, bei der die Kombination einer fokussierten elektromagnetischen Strahlung im Bereich vom weicher Röntgenstrahlung bis zum Vakuum-Ultraviolett mit einem weiteren System verwendet wird. Die Fig. 15 zeigt eine Ausführungsform, die eine Kombination aus einem optischen System 25 und einem feinen Loch 48 zur Fokussierung darstellt. Bei dieser Ausführungsform wird der Strahl vom optischen System 25 durch die Abschirmplatte 49 abgeblockt. Nur die Strahlung, die durch das feine Loch 48 in der Abschirmplatte 49 läuft, erreicht die Oberfläche der Probe 5. Bei dieser Ausführungsform wird das optische System 25 als Kondensersystem zum Erhöhen der Strahlungsintensität (Dichte) verwendet. Die seitliche Auflösung dieses Systems wird von der Größe des feinen Lochs 48 und dem Abstand zwischen dem Loch 48 und der Probe 5 bestimmt. Wenn die Wellenlänge der Strahlung viel kleiner ist als der Durchmesser des feinen Lochs 48, kann leicht die Auflösung 1 um oder kleiner erhalten werden.
Bei den obigen Ausführungsformen sind die von der Oberfläche der Probe 5 abgegebenen Teilchen Elektronen. Wenn auf die Oberfläche der Probe 5 elektromagnetische Strahlung im Bereich vom weicher Röntgenstrahlung bis zum Vakuum-Ultraviolett (insbesondere weiche Röntgenstrahlung) einfällt, wird manchmal Licht (keine Elektronen) emittiert. Aus der Untersuchung dieses Lichts können Informationen über den chemischen Zustand, etwa über Atomarten und chemische Bindungen, erhalten werden. Es kann daher auch das emittierte Licht anstelle der Elektronen beobachtet werden. In diesem Fall wird der Detektor 6 durch einen optischen Detektor des Energiedispersionstyps oder durch einen Spektrometer und einen geeigneten optischen Detektor ersetzt. Bei der vorliegenden Erfindung kann auch diese Lichterfassung oder die gleichzeitige Erfassung von Elektronen und Licht angewendet werden.
Unter dem Gesichtspunkt der Energieanalyse ist es erforderlich, daß die Quelle 4 für die elektromagnetische Strahlung monochromatisch ist. Solange die Quelle 4 monochromatisch ist, kann sie eine beliebige Quelle weicher Röntgenstrahlung oder eine Vakuum-Ultraviolettlichtquelle sein. Zum Beispiel kann sie eine Röntgenstrahlquelle für den Beschuß verschiedener Targetmaterialien mit geladenen Teilchen, eine Röntgenstrahlquelle mit Laserbestrahlung oder eine Vakuum- Ultraviolettlichtquelle mit einem intensiven Edelgas-Linienspektrum sein. Auch Synchrotronstrahlung kann verwendet werden. Wenn diese Quellen nicht ausreichend monochromatisch sind, wird ein Spektrometer dazu verwendet, aus der Quelle 4 monochromatische Strahlung zu erhalten.
Wie beschrieben, können erfindungsgemäß Informationen über den chemischen Zustand einer sehr kleinen Fläche, insbesondere einer Fläche mit einem Durchmesser von 1 um oder weniger erhalten werden, da elektromagnetische Strahlung im Bereich weicher Röntgenstrahlung bis zum Vakuum-Ultraviolett durch ein optisches System mit geringer Aberration und einer hohen Sammelwirkung auf die Probenoberfläche fokussiert werden kann. Im Ergebnis ist es möglich, Verunreinigungen durch Rückstände auf der Oberfläche von Halbleiterschaltungen zu untersuchen. Es ist auch eine Mikro-Charakterisierung der Oberfläche von dünnen Filmen oder dergleichen aus verschiedenen Materialien sowie eine Untersuchung ungleichförmiger Reaktionen an verschiedenen Oberflächen möglich. Darüberhinaus ist es auf dem Gebiet der Biotechnik und dergleichen möglich, Atomarten und die chemische Struktur von Molekülen zu untersuchen.

Claims

1. Verfahren zur Oberflächenanalyse, um die Energie von Teilchen zu bestimmen, die beim Einstrahlen eines Strahles von elektromagnetischer Strahlung über ein reflektierendes optisches System (3; 9 bis 15, 17) auf eine Probe (5) von der Oberfläche der Probe (5) abgegeben werden, wobei die eingestrahlte Strahlung eine Wellenlänge im Bereich von weicher Röntgenstrahlung bis zum Vakuum-Ultraviolett-Bereich hat, und wobei das optische System (3; 9 bis 15, 17) eine Kombination aus einem axialsymmetrischen Ellipsoidspiegel, einem axialsymmetrischen Hyperboloidspiegel und einem axialsymmetrischen Paraboloidspiegel oder eine Kombination von zweien dieser Spiegel oder Teilen davon; oder eine Anzahl von zylindrischen Spiegeln, eine Anzahl von sphärischen Spiegeln oder eine Anzahl von zylindrischen Spiegeln mit Rillen auf deren Oberfläche aufweist, wobei das optische System den Strahldurchmesser des Strahlungsintensitätsprofiles der Strahlung auf der Oberfläche der Probe (5) auf 1 um volle Breite bei halber Höhe oder weniger verringert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Energie des Strahles an elektromagnetischer Strahlung im Bereich von 6 eV bis 2000 ev liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die von der Oberfläche der Probe (5) abgegebenen Teilchen Elektronen, Photonen oder beides sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Elektronen Photoelektronen sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der durch das optische System (3) fokussierte Strahl an elektromagnetischer Strahlung durch ein feines Loch (16) oder einen Spalt (18) geformt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das feine Loch (16) oder der Spalt (18) vor der Oberfläche der Probe (5) angeordnet ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Probe (5) relativ zur optischen Achse des optischen Systems (3) bewegt wird, so daß auf der Oberfläche der Probe (5) eine Messung der Verteilung erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei durch Abtasten der Oberfläche der Probe (5) mit dem Strahl an elektromagnetischer Strahlung durch Ablenken des Strahles die Verteilung auf der Oberfläche der Probe (5) gemessen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei durch Abtasten der Oberfläche der Probe (5) mit dem Strahl an elektromagnetischer Strahlung durch Andern der Position der Quelle (4) des Strahles die Verteilung auf der Oberfläche der Probe (5) gemessen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Strahl an elektromagnetischer Strahlung von der Quelle (4) durch Einstrahlen eines geladenen Teilchenstrahles auf ein Target (31, 34) abgegeben wird, und wobei die Anderung der Position der Quelle (4) durch Andern der Position des Einstrahlungspunktes des geladenen Teilchenstrahles auf dem Target (31, 34) erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei, während die Position, die Intensität und/oder der Durchmesser des Einstrahlungspunktes des Strahles an elektromagnetischer Strahlung auf der Oberfläche der Probe (5) überwacht wird, eine Einstellung der Position, des Winkels zur optischen Achse und/oder der Krümmung des reflektierenden optischen Systems (3; 9 bis 15, 17) erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei, während die Position, die Intensität und/oder der Durchmesser des Strahles an elektromagnetischer Strahlung auf dem Weg zur Oberfläche der Probe (5) überwacht wird, eine Einstellung der Position, des Winkels zur optischen Achse und/oder der Krümmung des reflektierenden optischen Systems (3; 9 bis 15, 17) erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Analyse der Energie der von der Oberfläche der Probe (5) abgegebenen Teilchen mittels eines Energie-Analysators des Projektionstyps erfolgt.

14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Magnetfeld mit einer Magnetflußdichte von 1 T oder mehr in der Nähe der Oberfläche der Probe (5) erzeugt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Intensität des Strahles an elektrornagnetischer Strahlung, der auf die Oberfläche der Probe (5) einfällt, moduliert ist.

16. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Intensität des eingestrahlten Teilchenstrahles moduliert ist.

17. Vorrichtung zur Oberflächenanalyse, mit einer Quelle (4) zum Aussenden eines Strahles an elektromagnetischer Strahlung, einem reflektierenden optischen System (3; 9 bis 15, 17) zum Einstrahlen des Strahles an elektromagnetischer Strahlung auf die Oberfläche einer Probe (5), und mit einer Einrichtung (6, 7, 8) zum Bestimmen der Energie der Teilchen, die von der Oberfläche der Probe (5) abgegeben werden, wobei die eingestrahlte Strahlung eine Wellenlänge im Bereich von weicher Röntgenstrahlung bis zum Vakuum-Ultraviolett-Bereich hat, und wobei das optische System (3; 9 bis 15, 17) eine Kombination aus einem axialsymmetrischen Ellipsoidspiegel, einem axialsymmetrischen Hyperboloidspiegel und einem axialsymmetrischen Paraboloidspiegel oder eine Kombination von zweien dieser Spiegel oder Teilen davon; oder eine Anzahl von zylindrischen Spiegeln, eine Anzahl von sphärischen Spiegeln oder eine Anzahl von zylindrischen Spiegeln mit Rillen auf deren Oberfläche aufweist, wobei das optische System den Strahldurchmesser des Strahlungsintensitätsproflles der Strahlung auf der Oberfläche der Probe (5) auf 1 um volle Breite bei halber Höhe oder weniger verringert.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Energie des Strahles an elektromagnetischer Strahlung im Bereich von 6 eV bis 2000 eV liegt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die die Energie bestimmende Einrichtung (6, 7, 8) die Energie von Elektronen, Photonen oder beldem bestimmt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Elektronen Photoelektronen sind.

21. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei der durch das optische System (3) fokussierte Strahl an elektromagnetischer Strahlung durch ein feines Loch (16) oder einen Spalt (18) geformt ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei das feine Loch (16) oder der Spalt (18) vor der Oberfläche der Probe (5) angeordnet ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 17, mit einer Einrichtung zum Bewegen der Probe (5) relativ zur optischen Achse des optischen Systems (3)

24. Vorrichtung nach Anspruch 17, mit einer Strahlablenkeinrichtung zum Abtasten der Oberfläche der Probe (5) mit dem Strahl an elektromagnetischer Strahlung.

25. Vorrichtung nach Anspruch 17, mit einer Positionsänderungseinrichtung zum Andern der Position der Quelle (4) des Strahles an elektromagnetischer Strahlung, um mit dem Strahl die Oberfläche der Probe (5) abzutasten.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die Quelle für die elektromagnetische Strahlung so aufgebaut ist, daß durch Einstrahlen eines geladenen Teilchenstrahles auf ein Target (31' 34) der Strahl an elektroinagnetischer Strahlung abgegeben wird, und wobei die Positionsänderungseinrichtung so aufgebaut ist, daß die Position des Einstrahlungspunktes des geladenen Teilchenstrahles auf dem Target (31, 34) verändert wird.

27. Vorrichtung nach Anspruch 17, mit einer Einrichtung zum Überwachen der Position, der Intensität und/oder des Durchmessers des Einstrahlungspunktes des Strahles an elektromagnetischer Strahlung auf der Oberfläche der Probe (5), und mit einer Einrichtung zum Einstellen der Position, des Winkels zur optischen Achse und/oder der Krümmung des reflektierenden optischen Systenis (3; 9 bis 15, 17)

28. Vorrichtung nach Anspruch 17, mit einer Einrichtung zum Überwachen der Position, der Intensität und/oder des Durchmessers des Strahles an elektromagnetischer Strahlung auf dem Weg zur Oberfläche der Probe (5), und mit einer Einrichtung zum Einstellen der Position, des Winkels zur optischen Achse und/oder der Krümmung des reflektierenden optischen Systems (3; 9 bis 15, 17)

29. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Einrichtung zum Bestimmen der Energie ein Energie-Analysator des Projektionstyps ist.

30. Vorrichtung nach Anspruch 17, mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Nagnetfeldes mit einer Magnetflußdichte von 1 T oder mehr in der Nähe der Oberfläche der Probe (5).

31. Vorrichtung nach Anspruch 17, mit einer Einrichtung zum Modulieren der Intensität der elektromagnetischen Strahlung, die auf die Oberfläche der Probe (5) einfällt.

32. Vorrichtung nach Anspruch 26, mit einer Einrichtung zum Nodulieren der Intensität des eingestrahlten Teilchenstrahles.

33. Vorrichtung nach Anspruch 17, mit einer einstellbaren Wärmequelle (22) in der Nähe wenigstens eines der Elemente des reflektierenden optischen Systems.