Brevet FR2786023A1 — publié le 20000519

LENTILLE MAGNETIQUE POUR FOCALISER UN FAISCEAU DE PARTICULES CHARGEES La présente invention concerne une lentille magnétique pour focaliser un faisceau de particules chargées généré par un instrument en un spot très petit pour déduire les caractéristiques d'un échantillon et, en particulier, pour créer une configuration de flux magnétique qui fournit une haute résolution améliorée. Divers instruments qui s'appuient sur l'interaction des particules chargées d'un échantillon pour déduire les caractéristiques de l'échantillon sont connus. Des exemples de tels instruments sont un microscope électronique et un microscope à faisceau ionique focalisé. Un faisceau focalisé de particules chargées est également utilisé dans une machine pour effectuer une lithographie par faisceau électronique. Pour faciliter la description de la présente invention, elle va être expliquée en relation avec un microscope électronique à balayage. Cependant, on devrait comprendre que l'invention n'est pas limitée à un microscope électronique à balayage et peut être appliquée par un spécialiste de l'art à des instruments et des machines tels que ceux mentionnés ci- dessus qui nécessitent un faisceau focalisé de particules chargées. Un microscope électronique à balayage fonctionne en générant un faisceau électronique de balayage principal qui frappe un échantillon, une image d'une surface de celui-ci étant générée. En conséquence, des électrons rétrodiffusés et secondaires sont émis à partir de la surface d'échantillon et recueillis par un détecteur qui est agencé près de la surface de l'échantillon. Le détecteur génère un signal à partir de l'émission électronique recueillie à partir de la surface de l'échantillon alors qu'il est exposé au faisceau 2 2786023 électronique. Le signal provenant du détecteur est utilisé pour afficher une image de la surface sur un écran vidéo. Un agencement typique des composants principaux d'un microscope électronique à balayage est montré sous forme de schéma sur la figure 1. Une source d'électrons 2 génère un faisceau électronique 3 qui est dirigé à travers des ouvertures alignées aux extrémités opposées d'un tube 4 vers un échantillon 5. Un détecteur 6 recueille les électrons émis à partir de l'échantillon 5. Le faisceau 3 passe à travers une ouverture 8 dans le détecteur 6. Le faisceau 3 est contrôlé par des bobines de stigmation 7, des bobines d'alignement 9, des bobines de balayage lla et 11b, et une lentille 13. La fonction de ces composants est bien connue. Brièvement, les bobines de stigmation 7 sont utilisées pour corriger la forme du faisceau. Les bobines d'alignement 9 sont utilisées pour aligner le faisceau à travers le tube 4. Les bobines de balayage lla et llb dévient le faisceau électronique 3, respectivement, dans deux directions, telles que dans une direction x et dans une direction y dans un plan perpendiculaire à la direction du faisceau. Les microscopes électroniques à balayage peuvent contenir plusieurs de l'un quelconque de ces composants. La lentille électromagnétique 13 est prévue pour la focalisation du faisceau 3 en un spot très petit pour permettre la génération d'une image de haute résolution. Un type de lentille 13 est une lentille à immersion. Le Brevet U.S. No 5 493 116 présente une lentille à immersion, et cette lentille est montrée sous forme de schéma sur les figures 1 et 2 du présent document. Elle comprend une pièce polaire magnétique toroïdale en forme de canal 14 avec un pôle interne de lentille 15 et un pôle externe de lentille 17, et un enroulement 19 à l'intérieur du canal. 3 2786023 Une caractéristique d'une lentille de microscope électronique à balayage est sa distance de fonctionnement optoélectronique (E.O.). La distance de fonctionnement optoélectronique fait référence à la distance entre le plan de surface de l'échantillon 5 et un plan correspondant à une région de densité de flux maximale de la lentille. La région de densité de flux maximale pour la lentille 13 est située au niveau du plan 22. La distance de fonctionnement optoélectronique est décrite comme étant légèrement négative d'environ -1 mm, de sorte que le plan de l'échantillon 5 est au-dessus du plan 22. Cette configuration est présumée avoir pour résultat bénéfique d'augmenter considérablement l'efficacité de la collecte des électrons rétrodiffusés à faible rendement parce que les électrons sont balayés sur cette distance de fonctionnement optoélectronique légèrement négative sur le détecteur (ou les détecteurs), tel que l'électron montré comme ayant une trajectoire initiale le long d'un trajet , qui est selon un angle significatif par rapport à la normale, mais est dévié et atteint le détecteur via une trajectoire défléchie 21 (voir figure 2). Cependant, un défaut de cette approche de l'art antérieur consiste en ce que le champ magnétique, comme montré sur la figure 2, réagit avec l'échantillon et n'importe quoi au-dessous de l'échantillon dans le microscope électronique à balayage s'ils ont des propriétés magnétiques, tel que l'étage x-y (non montré) qui est utilisé pour déplacer l'échantillon vers sa position de balayage souhaitée par rapport au faisceau électronique. Cette interaction entraîne une distorsion du champ. En fait, ce n'est pas comme montré sur la figure 2, et ceci détériore la résolution qui peut être atteinte avec l'instrument. De plus, le flux au-dessous de l'échantillon n'a pas d'utilité, mais de la puissance est consommée pour le générer. La puissance utilisée pour 4 2786023 créer ce flux génère de la chaleur qui, ensuite, doit être conduite loin de l'enroulement de bobine 19. De plus, les aberrations lors de la génération du petit spot peuvent être minimisées en créant une configuration de flux magnétique qui présente une concentration du champ magnétique près de l'échantillon. Etant donné que cette approche de l'art antérieur ne produit pas un tel champ, on peut s'attendre à des coefficients d'aberration plus élevés. Une lentille à trou minuscule est un autre type de lentille magnétique connu dans l'art antérieur pour focaliser un faisceau de particules chargées. Contrairement à la lentille à immersion, la masse du champ magnétique généré par une lentille à trou minuscule est au-dessus de l'échantillon (c'est-à-dire qu'elle a une distance de fonctionnement optoélectronique positive). Un défaut de cette lentille consiste en ce qu'elle a une grande focale qui interfère avec l'obtention d'une haute résolution. Egalement, les électrons dans l'axe et proche de l'axe ne peuvent pas passer à travers ce champ et, donc, le détecteur doit être positionné au-dessous de la lentille. Ceci augmente davantage la focale et exacerbe la difficulté d'obtention de la haute résolution. De plus, un détecteur situé dans cette position ne peut recueillir que les électrons qui sont sensiblement hors axe, perdant de ce fait les autres électrons. Un objet de l'invention consiste à proposer une lentille magnétique qui produit une focalisation améliorée d'un faisceau de particules chargées. Un autre objet de l'invention consiste à proposer une lentille magnétique qui produit une génération d'image de haute résolution améliorée. Un autre objet de l'invention consiste à proposer une lentille de particules chargées pour générer une image qui présente des coefficients d'aberration réduits. 2786023 Un autre objet encore de l'invention consiste à proposer une lentille magnétique qui ne gaspille pas de puissance. Un autre objet toujours de la présente invention consiste à éviter qu'elle réagisse fortement avec l'échantillon et avec les choses au-dessous de l'échantillon. Un autre objet de l'invention consiste à créer des propriétés de lentille souhaitables tout en permettant aux électrons émis d'atteindre efficacement le détecteur. Ces objets et les autres sont atteints selon un aspect de la présente invention qui concerne une lentille magnétique pour un instrument qui dirige un faisceau de particules chargées vers un échantillon. Une pièce polaire comprend une culasse interne, une culasse externe et une bobine. Un pôle externe de lentille est fixé à la culasse externe et comprend une première surface dans laquelle est définie une première ouverture positionnée de telle sorte que le faisceau passe à travers celle-ci. Un pôle interne de lentille est fixé à la culasse interne et comprend une seconde surface dans laquelle est définie une seconde ouverture alignée avec la première ouverture, mais avec un plus petit diamètre interne. La figure 1 est une vue en coupe schématique d'un microscope électronique à balayage de l'art antérieur. La figure 2 montre une vue agrandie de la lentille de la figure 1 avec une représentation de la configuration de flux magnétique qu'elle génère. La figure 3 montre une vue en coupe prise le long des lignes III- III sur la figure 4 d'une lentille selon l'invention. La figure 4 montre une vue en coupe prise le long de la ligne IV-IV sur la figure 3. La figure 5 montre une vue agrandie d'une partie de la lentille de la figure 3. 6 2786023 La figure 6 montre une partie de la lentille de la figure 3 avec une représentation de la configuration de flux magnétique qu'elle génère. La figure 7 est une vue similaire à la figure 5 et comprenant une représentation de courbes équipotentielles pour la configuration de flux magnétique de la figure 6. La figure 3 montre une section d'une lentille 30 selon la présente invention. La lentille magnétique 30 comporte une pièce polaire magnétique toroidale en forme de canal 40. La pièce polaire 40 comporte une culasse interne 42, une culasse externe 44, et une bobine 46 à l'intérieur du canal. La façon selon laquelle ces composants sont montés à l'intérieur du microscope électronique à balayage est bien connue et, donc, aucun détail n'est estimé nécessaire. Avec référence maintenant aux caractéristiques spécifiques de la lentille qui mettent en oeuvre les principes de la présente invention, les culasses interne et externe 42 et 44 sont pourvues de pôles 50 et 60 qui s'étendent vers l'échantillon 5 et servent à créer une configuration de flux magnétique qui focalise le faisceau 3 en un spot très petit alors qu'il frappe l'échantillon. En particulier, et avec référence aux figures 3 et 4, fixé à l'extrémité inférieure 51 de la culasse externe 44 se trouve le pôle externe de lentille 50. Le pôle 50 comporte une partie extérieure cylindrique 55 et une partie intérieure horizontale sensiblement plate 56 qui se trouve dans un plan qui est sensiblement parallèle à l'échantillon 5. Un rebord 59 se trouve à la périphérie intérieure de la partie 55. Le rebord 59 facilite l'alignement de la partie pendant le montage. De plus, il sert à supporter le joint d'étanchéité 70. Les joints toriques 71 dans le joint d'étanchéité 70 rendent l'intérieur de la lentille étanche afin de maintenir un vide, comme cela est bien connu, sans nécessiter que l'espace occupé par la bobine 46 soit inclus dans le vide. Des trous 52 sont prévus dans la partie extérieure 55 pour la fixation du pôle 50 à la culasse 44 par des vis (non montrées). Une ouverture circulaire située au centre 57 est définie dans la partie intérieure 56 par le bord 58. Le bord 58 se termine en pointe d'une manière décrite en détail ci-dessous. Le pôle 50 peut être réalisé en n'importe quel matériau dont les propriétés magnétiques sont suffisantes pour supporter le flux requis pour actionner la lentille. Fixé à l'extrémité inférieure 51a de la culasse interne 42 se trouve le pôle interne de lentille 60 qui comporte un rebord 61 à la périphérie extérieure supérieure d'une partie extérieure horizontale sensiblement plate 62 qui se trouve dans un plan sensiblement parallèle à l'échantillon 5. Le rebord 61 facilite l'alignement de la partie pendant l'assemblage. De plus, il sert à supporter le joint d'étanchéité 70. Des trous 63 sont formés à travers la partie 62 pour fixer le pôle 60 à la culasse 42 par des vis (non montrées). La partie horizontale 62 comprend également des trous 65 pour la fixation d'un détecteur (non montré) en position. La partie intérieure 66 du pôle 60, commençant au diamètre intérieur 64 de la partie extérieure 62 s'incline vers le bas vers l'échantillon 5 et comporte une ouverture circulaire centrale 67 définie par le bord 68. L'ouverture 67 est plus petite que l'ouverture 57 et concentrique avec celle-ci. La partie intérieure inclinée 66 se termine en pointe au bord 68. La partie intérieure 66 se termine en pointe d'une manière décrite en détail ci-dessous. Le bord 68 se trouve dans un plan au-dessus de la partie intérieure 56 du pôle 50, comme expliqué davantage ci- dessous. Des espaces circonférentiels 74 sont prévus pour permettre à l'air de sortie pendant l'évacuation par pompage alors qu'on crée un vide. Egalement, les espaces 74 reçoivent le câblage électrique pour le détecteur. Les espaces devraient être agencés symétriquement pour éviter de créer des aberrations, bien qu'un certain écart par rapport à la symétrie parfaite puisse être toléré. La figure 5 fournit plus de détails concernant le pôle externe de lentille 50 et le pôle interne de lentille 60. Le diamètre interne 64 du pâle 60 est sélectionné pour permettre à tous les électrons émis dans un grand angle par rapport à la normale (c'est-à-dire la direction axiale) d'atteindre le détecteur. Le diamètre intérieur de l'ouverture 67 et l'angle pour le cône de la partie intérieure 66 du pôle 60 sont sélectionnés sur la base de cette considération de permettre aux électrons émis d'atteindre le détecteur. Une autre manière de décrire cet agencement physique est que le prolongement virtuel de la surface intérieure de la partie 66 le long d'une ligne 66a atteint la zone de l'échantillon 5 dont l'image est générée par le faisceau. Une fois que ces dimensions et ces configurations sont établies pour le pôle interne de lentille 60, le pôle externe de lentille 50 est configuré pour créer un champ magnétique par un positionnement et une inclinaison adéquats par rapport au pôle 60. Plus spécifiquement, le pôle 50 ne peut pas être suffisamment proche du pôle 60 pour éteindre le champ magnétique. Un certain espace doit être prévu. Etant donné que la partie intérieure 66 s'incline vers le bas vers l'échantillon 5, l'inclinaison de la surface supérieure du bord 57 et l'inclinaison de la surface inférieure de la partie intérieure 66 forment un espace uniforme d'une distance sélectionnée entre les pôles 50 et 60. Cependant, il n'est pas nécessaire que l'espace soit uniforme, parce que l'uniformité de l'espace a peu d'effet sur la configuration du flux qui influence le faisceau. Egalement, le prolongement de la surface inclinée du bord 58 par des lignes virtuelles, comme montré sur la figure 5, atteint à peu près le même spot sur l'échantillon que le prolongement virtuel 66a. Le diamètre de l'ouverture 67 doit être inférieur au diamètre de l'ouverture 57, de sorte que la configuration du flux émane vers le bas vers l'échantillon 5. L'ouverture 67 du pôle 60 est située dans un plan au- dessus de l'ouverture 57 du pôle 50. Ceci résulte en l'augmentation de la région de densité de flux maximale créée par la lentille. Le diamètre de l'ouverture 67 affecte la focale et le profil du champ généré par la lentille. Ainsi, un diamètre plus grand produit une focale plus grande, et vice versa. Egalement, augmenter le diamètre tout en gardant le diamètre de l'ouverture 57 inchangé augmente la région de densité de flux maximale. La figure 6 montre la configuration de flux magnétique produite par la lentille 30, et comment cette configuration de flux est positionnée par rapport à l'échantillon 5. Un plan 78 correspondant à une région de densité de flux maximale est créé par la lentille. Le plan 78 devrait se trouver entre le fond de la lentille (par exemple la surface inférieure de la partie 56) et la surface de l'échantillon. Ceci crée une distance de fonctionnement optoélectronique positive en ce que le plan de l'échantillon 5 se trouve au-dessous du plan 78. Le plan 78 peut être élevé lorsque l'interaction du champ magnétique émanant de la lentille avec l'échantillon et/ou les matériaux au-dessous de l'échantillon est indésirable. Cependant, en ajustant la taille et le positionnement des composants de la lentille, le plan 78 peut également être abaissé, même jusqu'à ce qu'une distance de fonctionnement optoélectronique soit négative, lorsque cela s'avère souhaitable, par exemple pour contrôler le trajet des électrons émis à partir de l'échantillon. Cette configuration selon l'invention présente plusieurs résultats bénéfiques. Le champ magnétique atteint l'échantillon 5 pour focaliser efficacement le faisceau, mais seule une partie insignifiante du champ s'étend au-dessous de l'échantillon. Ceci évite une interaction du champ avec des échantillons et des composants au-dessous de l'échantillon qui pourrait déformer le champ et affecter défavorablement la résolution. Egalement, la configuration de flux magnétique présente une concentration du champ magnétique près de l'échantillon. La figure 7 représente les courbes équipotentielles 80 du flux qui démontre une configuration de flux ayant bien réagi qui conduit à de faibles coefficients d'aberration. Un tel champ peut être créé en utilisant moins de puissance, ce qui réduit efficacement la génération de chaleur. Bien qu'un mode de réalisation préféré de la présente invention ait été présenté en détail ci-dessus, diverses modifications de celui-ci seront facilement évidentes pour les spécialistes de l'art. Par exemple, les dimensions, telles que la hauteur et les angles, peuvent être modifiées. La mise à l'échelle des dimensions est également possible. Il n'est pas nécessaire que les plans des parties 56, 62 soient plats, ni parallèles à l'échantillon 5. Egalement, des techniques électrostatiques bien connues peuvent être appliquées en combinaison avec les propriétés de la lentille magnétique décrites ici. Ces variantes et toutes les autres sont supposées cadrer avec l'étendue de la présente invention telle que définie par les revendications qui suivent. Il REVENDICATIONS 1. Lentille magnétique pour un instrument qui dirige un faisceau de particules chargées vers un échantillon, comprenant: une pièce polaire comprenant une culasse interne, une culasse externe et une bobine; un pôle externe de lentille fixé à ladite culasse externe et comprenant une première surface dans laquelle est définie une première ouverture positionnée de telle sorte que le faisceau passe à travers celle-ci; un pôle interne de lentille fixé à ladite culasse interne et comprenant une seconde surface dans laquelle est définie une seconde ouverture alignée avec ladite première ouverture, mais avec un plus petit diamètre interne. 2. Lentille magnétique selon la revendication 1, dans laquelle un bord définissant ladite première ouverture se termine en pointe. 3. Lentille magnétique selon la revendication 1, dans laquelle un bord définissant ladite seconde ouverture se termine en pointe. 4. Lentille magnétique selon la revendication 1, dans laquelle ladite seconde ouverture est plus éloignée de l'échantillon que ladite première ouverture. 5. Lentille magnétique selon la revendication 1, dans laquelle au moins une partie de la seconde surface entourant ladite seconde ouverture est conique. 6. Lentille magnétique selon la revendication 1, dans laquelle au moins une partie de la première surface entourant ladite première ouverture est plane. 7. Lentille magnétique selon la revendication 1, dans laquelle un bord définissant ladite seconde ouverture s'étend au moins partiellement dans ladite première ouverture. 8. Lentille magnétique selon la revendication 1, dans laquelle un bord définissant ladite première ouverture est séparé d'un bord définissant ladite seconde ouverture par un espace.