Brevet FR2027656A1 — publié le 19701002

i 2027656 La présente invention concerne un appareil à faisceau électronique du type dans lequel un faisceau d'électrons, dénommé également une sonde électronique, est amené à frapper un échantillon ou un spécimen en cours d'examen et dans lequel les 5 informations concernant la distribution des tensions au niveau de la surface du spécimen sont obtenues en utilisant un détecteur destiné à capter les électrons émis'par le spécimen. Normalement, le faisceau est focalisé ou concentré en une petite zone ou un point auquel on fait balayer la surface de l'échan-10 tillon et le signal est utilisé pour commander la brillance ou la luminosité d'un tube de représentation à rayons cathodiques synchronisé avec le balayage du faisceau, de sorte qu'on obtient ainsi une image de la surface de l'échantillon. Le contraste de tension dans l'image peut avoir en lui-15 même une signification importante, par exemple lorsque le spécimen ou l'échantillon est un composant électronique semiconducteur ou une partie d'ion circuit intégré, ou bien il peut représenter certains autres phénomènes physiques que l'on désire examiner. 20 Le détecteur est normalement placé du même côté de l'échantillon que le faisceau mais à côté de ce dernier et il est destiné à capter les électrons secondaire.® émis par l'échantillon. Le détecteur sous-tend ou intercepté normalement un angle solide relativement petit au niveau de la surface de 25 l'échantillon. Lorsque que le faisceau balaie une surface présentant un potentiel uniforme, le nombre moyen des électrons secondaires captés par le détecteur reste le même, mais lorsqu'il atteint une région de potentiel différent, la distribution de l'énergie absolue des électrons secondaires est aug-30 mentée et il se produit une variation du nombre des électrons secondaires captés, ce qui détermine un contraste d'image. Cependant, un tel montage n'a pas un fonctionnement sûr. Pour une différence de tension donnée, une partie sombre peut correspondre à me valeur positive et une partie brillante à 35 une valeur négative ou vice versa. De plus, il n'est pas possible normalement de s'arranger pour que, pour un courant de sonde électronique donné, le courant collecté varie d'une certaine quantité ou d'une certaine 69 45615 2027656 valeur pour une variation donnée de la tension au niveau de surface de 1*échantillon. Par conséquent, l'amplitude et le signe des différences de tension au niveau de surface de l'échantillon ne peuvent être déduites des variations du courant col-5 lecté. Une difficulté supplémentaire provient de ce qu'au fur et à mesure que les électrons secondaires s'écartent du point d'impact et sont attirés selon des trajets curvilignes et à des vitesses relativement faibles vers le détecteur, ils peu-10 vent également être influencés par des champs produits par des gradients de potentiel ou des différences de potentiel présents dans d'autres parties de la surface de l'échantillon. De plus, le détecteur ne capte pas seulement les électrons secondaires réels, présentant une faible énergie, mais capte éga-15 lement des électrons primaires réfléchis qui présentent une énergie élevée et qui ne sont pratiquement pas affectés par le contraste de potentiel. Finalement, le détecteur capte également d'autres électrons secondaires à faible énergie produits au niveau de l'enveloppe ou de l'enceinte environnante et du 20 montage portant l'échantillon par l'impact des électrons primaires réfléchis, et ces électrons ne sont pas affectés non plus par le contraste de potentiel régnant dans l'échantillon et, par conséquent, perturbent également le signal désiré. Ils peuvent constituer jusqu'à 30% des électrons à faible énergie 25 atteignant le détecteur. L'invention a pour but de permettre la réalisation d'un montage d'électrodes, constituant un détecteur ou un capteur d'électrons tel que le sens de la variation du courant collecté pour une variation donnée de la tension au niveau de la sur-30 face du spécimen soit toujours la même, indépendamment de la valeur absolue de cette tension, c'est-à-dire que le courant collecté reste une fonction monotone ou invariable de la tension de surface. L'invention a également pour but dë donner la certitude que ce montage des électrodes puisse être réalisé de 35 façon à fournir la même variation du courant collecté pour la même variation de la tension au niveau de la surface de l'échantillon, que cette variation de tension au niveau de la surface de l'échantillon ait lieu dans l'espace ou dans le temps et 69 45615 3 2027656 quel que soit le lieu où la sonde électronique puisse être située ou puisse être déplacée au-dessus de la surface de l'échantillon. Un autre but de l'invention est que le courant électronique collecté présente autant que possible une relation 5 linéaire avec la tension existant au niveau de la surface de l'échantillon. Un autre but de l'invention est que le courant électronique collecté soit autant que possible indépendant de toute influence autre que le nombre des électrons émis par la petite zone de la surface de l'échantillon frappée instantané-10 ment par la sonde électronique, et autre que le potentiel de ce même point ou de cette même petite zone. l'invention est matérialisée dans un appareil à faisceau électronique dans lequel on prévoit un détecteur sous-tendant un angle solide relativement important au niveau du point d'im-15 paet de la sonde et des grilles placées entre le détecteur et le point d'impact, le potentiel appliqué sur au moins l'une de ces grilles étant tel qu'il ne permette le passage que des électrons ayant un niveau d'énergie supérieur à une certaine valeur dénommée "énergie de seuil" qui peut être réglée à n'importe 20 quelle valeur choisie, le potentiel appliqué sur au moins une autre grille ayant une valeur relativement positive telle qu'elle attire une proportion élevée des électrons secondaires disponibles. De préférence, c'est la première grille rencontrée par 25 les électrons qui est soumise à un potentiel positif relativement important. La présence de cette grille permet également la production d'un champ qui masque toute perturbation possible du champ régnant au-dessus de l'échantillon et induit par les différences de potentiel existant au niveau de la surface 30 du spécimen à proximité du point d'impact. Les grilles et le détecteur peuvent présenter une forme partiellement sphérique, leur centre de courbure commun étant placé au niveau du point d'impact, ou bien peuvent être plans (ce qui est imposé dans de nombreux cas par la nature du détecteur), cylindriques, tronco-35 niques ou présenter n'importe quelle autre forme convenable. La description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés, donnés à titre non limitatif, permettra de mieux comprendre l'invention. 69 45615 4 2027656 La figo 1 est une représentation schématique de l'appareil selon l'invention. La figo 2 est une représentation graphique montrant la distribution de l'énergie des électrons secondaires. 5 La fig. 3 est une représentation graphique montrant la relation entre le courant de collecteur et la différence de potentiel. Si l'on se réfère tout d'abord à la fig. 1» celle-ci représente un système classique constituant une sonde électro-10 nique et comprenant un canon à électrons G, une anode A, une première lentille à optique électronique L1 et une lentille électronique finale L2. Le pinceau ou la sonde électronique formée par ce système frappe un échantillon ou un spécimen S et doit en balayer une petite zone, par exemple un carré mesu-15 rant une fraction de millimètre dans chaque sens*, Ce balayage est provoqué par des enroulements de commande de "balayage C alimentés à partir d4un circuit à base de temps T qui commande également les plaques de déviation d'un tube à rayons cathodiques CR. La brillance ou la luminosité du point apparaissant 20 sur l'écran du tube est commandée par le signal provenant d'un détecteur, désigné d'une façon générale par D, de sorte qu'une image est produite sur l'écran et représente la zone balayée de l'échantillon, le contraste de cette image étant déterminé par la variation du signal au niveau du détecteur S tandis que 25 la sonde se déplace sur la surface d« l'échantillon* Lorsque le détecteur est simplement en train de capter les électrons secondaires émis par l'échantillon et que le contraste à représenter est le contraste de potentiel au niveau de la surface de cet échantillon, les détecteurs connus offrent, 30 les défauts mentionnés ci-avant. Les variations qui doivent être détectées sont masquées par des électrons primaires rétro-diffusés et ayant une énergie élevée, par des électrons secondaires produits par 11 impact des électrons primaires rétro-diffusés sur des parties de l'appareil entourant le spécimen, 35 et par le fait que le contraste de potentiel réel, que l'on Cherche à détecter, produit au-dessus de la surface de l'échantillon des champs qui influencent eux-mêmes les trajets des électrons secondaires à faible énergie et qui, par conséquent, 69 45615 2027656 masquent de façon aléatoire le contraste que l'on cherche à observer. Normalement, le canon à électrons est soumis à un potentiel négatif important (par exemple -20 kV) t et l'échantillon 5 est mis au potentiel de la masse, de sorte que les électrons de la sonde électronique ont une énergie de 20 keV (dans cet exemple numérique). L'un quelconque de ces électrons rétrodif-fusés à partir de l'échantillon possède une énergie d'un ordre similaire, c'est-à-dire l'une des diverses valeurs pouvant 10 atteindre 20 keV. Par conséquent, ces éiectroàs sont rapides et ne sont pas déviés facilement par de faibles champs électriques ou magnétiques. En outre, les électrons secondaires réels, possèdent des énergies faibles dont les valeurs varient généralement au-dessous de 5 eV, avec une pointe se situant autour 15 de 2,5 eY. Ce phénomène est représenté schématiquement par la courbe visible sur la fig. 2. Ces électrons secondaires quittant un point de la surface du spécimen, qui est au potentiel de la terre, possèdent, en arrivant au niveau d'une grille ou d'une autre surface donnée 20 présentant un certain potentiel, -une quantité d'énergie représentée par leur énergie intrinsèque et ayant une valeur d'environ 2,5 à 4 eV", à laquelle s'ajoute (ou de laquelle est déduite) Tin gain (ou une perte) d'énergie du à la différence de potentiel existant entre l'échantillon mis à la masse et la 25 grille ou l'autre surface considérée. Lorsque la surface de l'échantillon n'est pas mise au potentiel de la masse, l'énergie gagnée ou perdue est différente. Dans le détecteur représenté, on prévoit une grille G1 soumise à un potentiel positif relativement élevé, une grille 30 de commande G2 soumise à un potentiel faible et réglable, et une troisième grille G3 dont le but sera expliqué ci-après, ces grilles étant placées entre la surface du spécimen et un collecteur d'électrons se présentant sous la forme d'un dispositif à scintillation SC, dont la lumière est captée par un 35 organe tubulaire de transmission de la lumière destiné à transmettre cette lumière à un photomultiplicateur P de façon à produire le signal électrique, qui est amplifié et utilisé pour moduler le faisceau dans le tube à rayons cathodiques CR. 69 45615 6 2027656 La grille G1 sert simplement à attirer les électrons secondaires, provenant-du point d'impact du faisceau sur la surface de 1'échantillon, vers le détecteur, et remplit une fonction supplémentaire consistant à produire au-dessus de la sur-5 face du spécimen un champ électrique destiné à masquer toute distorsion de champ provoquée dans cette région par la présence de différence de potentiel dans l'échantillon. Dans un exemple typique, la grille G1 peut être soumise à un potentiel positif de 500 Y mais la tension réelle dépend de sa distance 10 par rapport à l'échantillon. Il est souhaitable que le gradient de potentiel ne soit pas inférieur à 5000 V/m. Cette valeur donne une tension de 25 Y lorsque la grille est placée à 5 mm de la surface de l'échantillon» De préférence, le gradient de potentiel est au moins égal à 10^ V/m» Cependant, indépendam-15 ment de la distance, le potentiel appliqué sur la grille ,G1 doit être au moins égal à 25 T pour avoir un effet valable. La particularité essentielle de l'invention concerne la grille de commande G2, qui constitue une barrière de potentiel d'une importance ou d'une valeur variable pour effectuer la 20 discrimination entre les électrons secondaires émis par des régions de la surface de 1'échantillon présentant des potentiels différents. La grille G2, comme les grilles G1 et G3 peut se présenter sous la forme d'un tamis constitué par des fils, et son potentiel efficace n'est pas celui qui est appli-25 qué aux fils eux-mêmes mais celui du champ existant au niveau des intervalles entre les fils, ce champ étant principalement déterminé par le potentiel appliqué aux fils mais étant également influencé jusqu'à un certain point par les potentiels appliqués aux électrodes environnantes. Si ce potentiel effica-30 ce est nul, les électrons secondaires provenant d'un point de la surface de l'échantillon, qui est également à un potentiel nul, traversent la grille G2 du fait qu'ils ont une énergie potentielle d'environ 2,5 eY ou plus. Les électrons provenant d'une région de la surface du spécimen soumise à un potentiel 35 de -5 Y, par exemple, la traversent facilement du fait qu'ils possèdent une énergie supplémentaire de 5 eY provenant de leur accélération dans le champ, de -5 Y jusqu'à zéro. En outre, les électrons provenant d'une région soumise à un potentiel de +5 Y 69 45615 7 2027656 sont retardés et, seuls ceux qui ont été émis arec une énergie intrinsèque supérieure à 5 eV traversent la grille. Comme on peut s'en rendre compte en se référant à la fig. 2, ces électrons ne constituent qu'une faible proportion de l'ensemble. 5 Ainsi, le signal capté par le détecteur varie lorsque la sonde balaye une région de la surface de l'échantillon dont le potentiel varie, les parties plus négatives de cette surface produisant dans le détecteur un signal plus important que celles qui sont moins négatives. 10 En pratique, les potentiels absolus sont influencés par le potentiel de la fonction de travail des éléments constitutifs de l'échantillon mais, du fait que ce phénomène est le même pour toute la surface de l'échantillon, il n'affecte pas le raisonnement précédent. 15 Par conséquent, le détecteur selon l'invention est capa ble d'effectuer une discrimination entre des régions de la surface du spécimen présentant des potentiels différents, et une image du contraste de potentiel est formée sur l'écran du tube à rayons cathodiques CR. En ajustant le potentiel de la 20 grille G2, il est possible de faire varier le niveau du potentiel moyen pour lequel la région balayée ne produit exactement aucun signal dans le détecteur et, de cette façon, on peut effectuer à volonté la discrimination entre des régions de potentiels positifs et négatifs ou entre des régions ayant des 25 niveaux de potentiels différents d'un même signe ou d'une même polarité. En fait, la grille G2 constitue une barrière comme le montre la fig. 2, tous les électrons correspondant à la droite de cette barrière étant susceptibles de la traverser. Pour obtenir la discrimination maximale, la barrière est noi>-50 malement réglée (du point de vue potentiel) pour correspondre approximativement au maximum de la courbe, ou au point pour lequel elle présente la pente la plus raide ou pour son point d'inflexion situé à droite de la pointe, ou bien pour correspondre à un emplacement quelconque situé entre ces deux points. 35 La linéarité de la réponse est également souhaitable, c'est-à-dire l'obtention d'une variation uniforme du signâl au niveau du détecteur pour une variation uniforme du potentiel au niveau de la surface de l'échantillon. On obtient ce résultat en 69 45615 8 2027656 plaçant la "barrière au niveau du point d'inflexion» la fig. 3 montre approximativement comment le courant de collecteur le varie en fonction de la valeur de la différence de potentiel (Vg-Vs) entre le potentiel efficace Tg appliqué sur la grille 5 G2 et le potentiel Vs de la surface de l'échantillon. En fait, la courbe visible sur la fig. 3 représente l'intégrale de la courbe visible sur la fig. 2, le zéro de l'axe horizontal étant décalé d*approximativement 5 "V pour tenir compte du fait que la différence de potentiel considérée doit avoir une valeur 10 pouvant aller jusqu'à -5 V pour l'emporter sur l'énergie intrinsèque des électrons secondaires. Il est souhaitable d'avoir un fonctionnement s'effectuant sur la partie sensiblement linéaire de la courbe, aux environs de —2,5 "V. On préfère utiliser un dispositif à scintillation pour 15 capter les électrons du fait que ce dispositif présente un très faible facteur de bruit. Son potentiel n'est pas important en ce qui concerne le raisonnement précédent et peut avoir n'importe quelle valeur typique utilisée pour des appareils à scintillation, par exemple 10 kV» la grille G3 remplit les 20 fonctions d'une grille suppresseuse destinée à éviter que le signal ne soit perturbé par une émission secondaire provenant du collecteur lui-même et résultant de l'impact des électrons primaires rétrodiffuses et ayant une énergie élevée. Pour simplifier, on connecte cette troisième grille à la première gril-25 le G1 de sorte qu'elle est soumise au même potentiel de 500 V que dans le présent exemple. Pour augmenter la linéarité de la réponse, on peut faire varier le potentiel appliqué à la grille de commande G2 d'une façon cyclique, suivant une sinusoïde ou une autre courbe par 30 rapport à sa valeur moyenne. Tandis que la valeur absolue de la sensibilité varie jusqu'à un certain point avec le potentiel appliqué à la grille de commande , c'est-à-dire loin de la partie rectiligne de la courbe visible sur la fig. 3» la variation cyclique elle-même introduit effectivement une certaine 35 distorsion et de ce fait son amplitude ne doit pas être supérieure à sa valeur nécessaire. Dans l'exemple représenté, les grilles et le dispositif à scintillation sont montés successivement sur un axe normal à 69 45615 9 2027656 la surface de l'échantillon et la sonde électronique est placée sous un angle suffisant pour qu'ils ne gênent pas son fonctionnement, mais il est possible que la sonde soit normale à la surface, le détecteur étant alors placé de côté. Les grilles 5 ne sont pas nécessairement planes mais peuvent être, par exemple, partiellement sphériques ou même cylindriques, et entourant la normale à l'échantillon. Dans ce cas, le collecteur peut être différent d'un dispositif à scintillation du fait que ce dernier appareil est souvent nécessairement plan. 10 Dans l'exemple représenté, on prévoit une fenêtre ¥ délimitant la zone exposée de l'appareil à scintillation. Le but de cette fenêtre est d'augmenter dans le courant électronique collecté la proportion des électrons émis avec de faibles énergies (et contribuant donc au contraste de tension) 15 jusqu'à atteindre la proportion des électrons émis avec des énergies élevées. La première grille positive G1 tend à retenir et à rapprocher de la normale à l'échantillon les électrons secondaires préférés et ayant une faible énergie, plus qu'elle ne le fait pour les électrons à énergie élevée. A nouveau, l'é-20 nergie cinétique élevée que possèdent ces électrons préférés au niveau de la première grille G1 signifie qu'ils sont moins courbés ou déviés par le champ retardateur existant entre les grilles G1 et G2 qu'ils ne le seraient sans l'énergie cinétique supplémentaire fournie par la première grille. Finalement, 25 la troisième grille positive G3 retient et rapproche à nouveau de la normale à l'échantillon ceux des électrons qui pénètrent dans la grille G2 avec une faible énergie. A l'opposé, un électron émis avec une énergie élevée est beaucoup moins dévié par rapport à son trajet par les divers potentiels de 30 grille. La fenêtre W ne permet le passage vers le collecteur que des électrons proches de la normale à l'échantillon. Par conséquent, il en résulte que les électrons provenant d'un angle solide d'émission plus important sont collectés pour des énergies d'émission faibles plutôt que pour des énergies d'é-35 mission élevées. Le montage du détecteur selon l'invention peut être uti 45615 10 2027656 lisé conjointement avec les méthodes d'échantillonnage en courant alternatif ou avec les méthodes de balayage troboscopique décrites dans les brevets français n° 69.09986 et 69»09987 déposés le 2 Avril 1969. Des modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits, dans le domaine des équivalences techniques, sans s'écarter de l'invention. 69 45615 u 2027656 BEVEHDICAÏIOHS 1. Appareil à faisceau électronique, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif destiné à former une sonde électronique et à lui faire frapper la surface d'un échan-tillon ou d'un spécimen et un détecteur destiné à capter les 5 électrons secondaires résultants émis par la surface de l'échantillon de façon à produire une image de contraste de potentiel, ce détecteur comprenant un collecteur d'électrons, une première grille placée entre la surface de 1'échantillon et le collecteur et soumise à un potentiel positif, et une 10 seconde grille soumise à un potentiel faiblement négatif ayant une valeur variable et formant effectivement une barrière de potentiel présentant une importance ou une valeur variable• 2» Appareil à faisceau électronique suivant la revendi- 15 cation 1, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de commande de balayage destiné à faire balayer par la sonde une zone sélectionnée de la surface du spécimen et un dispositif destiné à représenter une image et commandé de façon synchronisée par le signal provenant du détecteur. 20 3. Appareil à faisceau électronique suivant la revendi cation 1 ou 2, caractérisé en ce que la première grille est placée entre la surface du spécimen et la seconde grille. 4. Appareil à faisceau électronique suivant la revendication 3» caractérisé en ce que la première grille est sou- 25 mise à un potentiel au moins égal à 25 volts. 5. Appareil à faisceau électronique suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le gradient de potentiel existant entre la surface de l'échantillon et la première grille est au moins égal à 5 000 volts par mètre. 30 6. Appareil à faisceau électronique suivant la revendica tion 5» caractérisé en ce que le gradient de potentiel est au moins égal à 10^ volts par mètre. 7. Appareil à faisceau électronique suivant l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu'il com- 35 prend une troisième grille placée entre la seconde grille et le collecteur. 8. Appareil à faisceau électronique suivant la revendi 69 45615 12 2027656 cation 7» caractérisé en ce que la troisième grille est connectée électriquement à la première grille. 9. Faisceau électronique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que toutes les grilles 5 et le collecteur sont plans et sont parallèles les uns aux autres. 10. Appareil à faisceau électronique suivant la revendication 9, caractérisé en ce que les grilles et le collecteur sont placés perpendiculairement à une normale à la suj>- 10 face de l'échantillon.