Brevet FR2814853A1 — publié le 20020405

La présente invention concerne un scintillateur compacte à haut rendement de collecte, utilisé pour obtenir une image de haute résolution de dispositifs dans des systèmes FIB, c'est-à-dire des systèmes à faisceau d'ions focalisé. Dans les deux dernières décades, une source d'ions de métal liquide (LMIS) basée sur des systèmes à faisceau d'ions focalisé (FIB) ont trouvé de nombreuses applications dans différentes branches de la science et de l'industrie. Par exemple, dans l'industrie des semiconducteurs, les systèmes à faisceau d'ions focalisé sont utilisés pour réaliser une modification de dispositifs à circuits intégrés (toc), l'analyse de défaillances, la création de points de sonde, la réparation de masques photosensibles, la lithographie sans masque, la préparation d'échantillons TEM, la microscopie ionique à balayage et la spectroscopie de masse à ions secondaires. Dans un grand nombre de ces applications, il est nécessaire d'obtenir des images FIB à haute résolution du dispositif, sur lequel le système FIB agit. Les images permettent une détermination de l'effet du faisceau sur le dispositif. Par exemple l'obtention d'images en coupe transversale de haute qualité d'un dispositif à circuits intégrés à semiconducteurs est essentielle pour identifier des défauts de traitement. En général, il existe deux paramètres importants qui affectent conjointement la qualité de l'image du faisceau FIB. (1) La taille du spot du faisceau d'ions qui, en mm, est déterminée par le système optique de la colonne ionique, et (2) le rendement de collecte du système de détection à électrons secon- daires, qui affecte le niveau de contraste de l'image. (Les électrons secondaires sont ceux qui sont éjectés par le dispositif sous l'effet du faisceau FIB incident). On sait parfaitement que la résolution de l'image s'améliore lorsque la taille du spot du faisceau d'ions diminue. On sait également que la taille du spot du faisceau d'ions varie inversement avec le courant du faisceau. Il en résulte que l'on peut obtenir des résolutions d'images plus élevées en utilisant des courants plus petits de faisceau. De façon typique, des courants de 1 pA du faisceau d'ions ou moins conduisent à des images à haute résolution, qui compensent le rapport signal/bruit (SNR) faible qui est associé en soi à de faibles courants de faisceau. De même, conformément à Orloff et al., si le critère de Rayleigh est utilisé pour quantifier la résolution d'images, alors il existe une corrélation directe entre la résolution d'images et le niveau du contraste d'images. À son tour le niveau du contraste d'images dépend directement du nombre d'électrons secondaires réellement collectés par le système de détection à électrons secondaires. Des scintillateurs collectant des électrons aux fréquences les plus basses avec une probabilité maximale sont très efficaces étant donné que la plupart des énergies probables d'électrons secondaires sont égales à environ 0-5 eV (voir Goldstein et al.,"Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microscopy", 2- ème édition, Plenum, 1992. Même s'il est difficile de quantifier la dépendance de la résolution de l'image vis-à-vis du rendement de collecte des électrons secondaires, éventellement le rendement de collecte des électrons secondaires est arrêté à un facteur limite concernant la résolution de l'image. C'est pourquoi il est très intéressant dans la pratique d'incorporer des détecteurs à électrons secondaires possédant un rendement élevé de collecte. Un type usuel de détecteur d'électrons secondaires utilisé dans des systèmes à faisceaux FIB est le type Everhart-Thorniey. Les scintillateurs du type Everhart-Thornley ont été utilisés depuis de nombreuses années dans des instruments à particules chargées (à faisceau d'ions ou d'électrons) servant à collecter des électrons secondaires. Ce type d'appareil contient de façon typique un oscillateur plat qui émet des photons proportionnellement au nombre d'électrons qui le rencontrent, un guide de lumière pour envoyer les photons au tube photomultiplicateur de photoélectrons, et un capuchon ou un treillis, auquel une tension de polarisation positive est normalement appliquée pour accroître le rendement de collecte. Le brevet US 4 588 890 ayant pour titre"Apparatus and method for composite image formation by scanning electron beam Il décrit le détecteur Everhart-Thornley et est incorporé ici par référence. Cependant les auteurs de la présente invention ont identifié plusieurs inconvénients dans ces scintillateurs de l'art antérieur. Les auteurs à la base de la présente invention ont établi que par le passé, l'orientation spatiale du collecteur par rapport à la colonne d'échan- tillons et de faisceaux primaires n'était pas optimisée au niveau de la gamme. On ne mettait également pas l'accent sur la compacité de l'ensemble du dispositif. Dans des systèmes à faisceau FIB, de nombreuses considérations pratiques comme par exemple la vitesse de pompage de vide et des interférences mécaniques avec des injecteurs de gaz et des sondes mécaniques, requièrent que l'ensemble de scintillateur soit aussi petit que possible sans que ceci s'effectue aux dépens du rendement de collecte d'éléments secondaires. De même, on a établi que l'application d'une tension de polarisation peut avoir une influence sur le faisceau d'ions primaires ainsi que sur d'autres capteurs à l'intérieur de la chambre. Dans une forme de réalisation, on a optimisé la position, l'angle du disque du scintillateur par rapport à l'échantillon et la colonne, et la forme du capuchon de mise à la terre, pour obtenir un rendement de collecte de 100 % en utilisant un ensemble de scintillateur très compact, avec une tension de polarisation typique. Le présent scintillateur possède une géométrie, une orientation et une dimension globale optimales pour l'obtention d'un rendement de collecte de presque 100 pour cent pour la majorité des gammes utiles d'énergies des électrons secondaires. En outre le scintillateur peut être disposé plus près du faisceau d'ions primaires, ce qui améliore plus encore le rendement de collecte. Ceci améliore fortement la qualité des images produites et la fiabilité du système. Le présent scintillateur évite des fluctuations de la déviation du faisceau d'ions primaires, qui affectent la formation d'une image normale du faisceau FIB, les opérations de coupe et les opérations de dépôt. Ces fluctuations résultent d'une charge accumulée sur l'isolant entre le disque de scintillateur et le capuchon de mise à la terre, qui atteint un certain seuil, et une décharge ultérieure ou d'un amorçage d'arc ultérieur. Il en résulte que la distribution spatiale du potentiel électrique varie également brusquement. Pour résoudre le problème de la charge de l'isolant, le présent scintillateur fournit un rendement de collecte extrêmement élevé et est également nette- ment moins sensible à une opération de charge. L'isolant est disposé de telle sorte qu'il est situé complètement à l'extérieur du trajet des électrons secondaires. Simultanément, l'interstice entre le capuchon de mise à la masse et le disque du scintillateur à haute tension et son anneau de maintien est accru. Cela permet un rendement de collecte et simultanément améliore fortement la fiabilité du système. De façon plus précise l'invention concerne un dispositif de scintillateur destiné à détecter des électrons secondaires émis par une pièce à traiter que rencontre un faisceau de particules chargées, caractérisé en ce qu'il comporte : - un disque, - une base située sur un côté du disque à l'opposé de celui sur lequel les électrons secondaires rencontrent le disque, la base retenant le disque par rapport à l'axe du faisceau, - un isolant adjacent à la base et disposé sur le côté du disque situé à l'opposé du côté sur lequel les électrons secondaires rencontrent le disque et à l'extérieur d'un trajet des électrons secondaires provenant de la pièce à traiter, - un capuchon de mise à la terre disposé autour de la base et de l'iso- lant, et - un guide de lumière couplé optiquement au disque de manière à rece- voir des photons provenant du disque. Selon une autre caractéristique de l'invention, un angle entre l'axe du faisceau de particules chargées et la surface du disque est tel qu'un rendement de collecte de presque 100 pour cent est obtenu pour des électrons secondaires ayant des énergies égales à environ 0, 1-10 eV. Selon une autre caractéristique de l'invention, un angle entre l'axe du faisceau de particules chargées et une surface du disque est tel qu'un rendement de collecte supérieur à 50 pour cent est obtenu pour des électrons secondaires ayant des énergies d'environ 10-50 eV. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'angle est égal à environ 29 degrés. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'angle est égal à environ 33 degrés. Selon une autre caractéristique de l'invention, une distance entre le capuchon de mise à la terre et la pièce à traiter est égale à environ 20 mm. Selon une autre caractéristique de l'invention, une distance entre le capuchon de mise à la terre et la pièce à traiter est égale à environ 45 mm. Selon une autre caractéristique de l'invention, le capuchon de mise à la terre définit un perçage ayant un diamètre d'environ 12 mm. Selon une autre caractéristique de l'invention, le capuchon de mise à la terre définit un perçage ayant un diamètre d'environ 10-13 mm. Selon une autre caractéristique de l'invention, une tension de polarisation appliquée au disque est égale à environ 8-12 kV. Selon une autre caractéristique de l'invention, un spot focal, au niveau duquel la majorité des électrons secondaires rencontrent le dispositif de scintillateur, possède un diamètre d'environ 3-4 mm. L'invention concerne également un procédé pour faire fonctionner un scintillateur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : - diriger un faisceau de particules chargées sur une pièce à traiter, ce qui provoque l'émission d'électrons secondaires par cette pièce, - prévoir un disque de scintillateur positionné de manière à collecter des électrons secondaires, - prévoir une base pour le disque et un isolant pour le disque, posi- tionné sur un côté du disque situé à l'opposé de celui que rencontrent les électrons secondaires, et - appliquer une tension de polarisation au disque par l'intermédiaire de la base. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels : la Figure 1 représente le présent ensemble de scintillateur disposé dans la chambre à faisceau FIB ; la la Figure 2 représente une vue détaillée de l'ensemble de scintillateur ; la la Figure 3 représente des trajectoires simulées pour des électrons secondaires à 10 eV ; la Figure 4 représente le rendement de collecte d'électrons secon- daires en fonction de l'énergie des électrons secondaires. La Figure 1 représente le présent scintillateur dans une chambre à faisceau FIB. Le joint d'étanchéité glissant 1, qui est un conducteur de terre, peut ne pas être présent dans l'autre faisceau FIB 8 et fait simplement partie de l'enceinte à vide, dans laquelle le dispositif de scintillateur est logé. Ce scintillateur serait utile dans d'autres systèmes, étant donné que le joint d'étanchéité coulissant 1 affecte très peu le rendement de collecte des électrons. Un faisceau de particules primaires chargées (ions) 10 sort d'un corps en forme de colonne classique 11 et se déplace le long d'un axe optique coaxial au trajet du faisceau primaire (d'ions) 10. Le faisceau primaire 10 est un faisceau de particules chargées constituées d'ions ou d'électrons. Le faisceau 10 rencontre un échantillon (pièce à traiter), tel qu'un dispositif intégré à semiconducteurs, sur lequel on agit et dont on forme l'image, et des électrons secondaires sont déviés depuis l'échantillon en direction du disque de scintillateur 13 dans la direction générale repérée par les flèches 15. Les distances de travail entre la pièce à traiter et l'ensemble sont représentées par une ligne formée de tirets d, et l'angle entre l'axe optique et l'axe de l'ensemble est représenté par a. Une tension de polarisation est appliquée au disque de scintillateur 13 par un conducteur 16 qui peut être également désigné comme étant un capuchon du scintillateur. Le dispositif comporte également un isolant 18 situé en arrière du disque 13 du scintillateur et un guide de lumière 19, qui véhicule des photons émis par le disque 13 en direction d'un photodétecteur classique (non représenté). Le dispositif de scintillateur utilisé ici est basé sur le dispositif de scintillateur du type Everhart-Thornley, décrit précédemment. Un capuchon de mise à la terre 14 contribue à la mise en forme du champ électrique de polarisation autour du disque 13 du scintillateur de manière qu'il n'affecte pas le faisceau primaire 10. Le diamètre du perçage du capuchon de mise à la terre 14 est représenté par la distance dcap sur la Figure 1. D'une manière générale, si le capuchon de mise à la terre 14 est éloigné du disque 13 du scintillateur, auquel une tension de 8-12 kV est appliquée, son effet sur le rendement de collecte du dispositif est norma- lement négligeable. L'emplacement du capuchon de mise à la terre 14 affecte la distribution du champ électrique autour du disque 13 du scintillateur et par conséquent autour de l'axe optique, qui coïncide avec le trajet 10 du faisceau. Cet effet peut perturber le faisceau primaire 10 et affecter la qualité de l'image. Une faible distribution de champ électrique sur l'axe optique est admissible étant donné qu'il décale seulement légèrement le faisceau primaire 10, mais la présence d'un champ électrique intense sur l'axe optique introduit une certaine distorsion dans l'image résultante. C'est pourquoi non seulement le rendement de collecte est rendu maximum, ce qui optimise la qualité des images produites, mais le capuchon de mise à la terre 14 est également positionné de manière à réduire la distribution de champ axial le long de l'axe optique pour optimiser la qualité de l'image. La Figure 2 représente sous la forme d'une vue éclatée plus détaillée le dispositif de scintillateur de la Figure 1. Le disque classique 13 du scintillateur est entouré par un capuchon 16 du scintillateur, au niveau de sa périphérie. Le disque 13 est maintenu en position entre une base 24 du scintillateur et un capuchon 16 qui est vissé sur la base filetée 24. Le trou formé dans le capuchon 16 au niveau de sa face avant est plus petit que le trou situé sur son côté arrière, et par lequel il est vissé sur la base 24, et le trou situé sur le côté avant possède un diamètre inférieur au diamètre du disque 13. Ceci permet le maintien en place du disque 13 entre la base 24 et le capuchon 16 tout en permettant une connexion électrique entre le capuchon conducteur 16 et l'avant du disque 13. La broche à haute tension 25 permet une connexion et une déconnexion rapides des câbles de polarisation à haute tension (non représentés), qui appliquent la tension de polarisation au dispositif. La broche 25 est agencée d'une manière (standard pour des dispositifs à haute tension) en ce qu'elle ne comporte aucune arête vive. La broche 25 établit une connexion électrique avec la base 24, à laquelle elle est fixée, et au capuchon conducteur 16 par l'intermédiaire de la connexion de capuchon à la base 24, lorsque le capuchon 16 est vissé sur la base 24. La base 24 du scintillateur est insérée dans l'isolant 18. Le capuchon de mise à la terre 14 entoure le disque 13, le capuchon 16, la base 24 et l'isolant 18, comme on peut le voir en référence aux Figures 1 et 2. Le dispositif est maintenu assemblé par une vis insérée dans le capuchon de mise à la terre 14 et dans l'isolant 18 respectivement au niveau de trous 26a et 26b. L'isolant 18 est situé sur le côté du disque 13 du scintillateur situé à l'opposé de l'endroit où des électrons secondaires frappent le disque 13, de sorte qu'il est situé entièrement hors du trajet des électrons secondaires. Ceci empêche que l'isolant soit chargé négativement. Dans l'art antérieur, lorsque la charge cumulée grâce à un isolant du scintillateur atteint un certain seuil, il se produit une décharge ou un amorçage d'arc. À son tour ceci conduisait à des déviations du faisceau d'ions primaires, qui affectaient les opérations normales de formation d'images, de coupe et de dépôt à l'aide du faisceau FIB. Sur la Figure 2, l'isolant est disposé de telle sorte qu'il est situé complètement en dehors du trajet des électrons secondaires. Simultanément, l'interstice entre le capuchon de mise à la terre et le disque du scintillateur à haute tension et son anneau de retenue devient maximum. Cela permet un rendement élevé de collecte et simultanément améliore la fiabilité du système. La Figure 3 représente un tracé (zone sombre) de trajectoires d'électrons secondaires depuis l'échantillon 12 en direction du spot focal 34 sur le dispositif de scintillateur du dispositif de la Figure 1. Les tracés concernent des électrons secondaires avec les énergies de 10 eV. La distribution spatiale initiale d'électrons secondaires lorsque les électrons quittent l'échantillon 12, est supposée uniforme dans le demi-espace supérieur désigné par la référence 30. Il est évident que le rendement de collecte dans cet agencement est égal à 100 pour cent, étant donné que tous les électrons secondaires rencontrent le disque du scintillateur 13 comme cela est représenté sur la Figure 3. La majeure partie de ces électrons rencontrent le disque 13 au niveau du point focal 34 au centre du disque 13. Le champ électrique dans la chambre du scintillateur atteint son niveau maximum, à l'endroit où le faisceau primaire 10 rencontre l'échantillon. On a utilisé un logiciel (par exemple le module EO-3D) pour obtenir un positionnement optimal et des dimensions optimales des composants du scintillateur. Ce logiciel peut réaliser un tracé tridimensionnel du rayonnement de particules chargées sur la base d'un procédé aux différences finies. Un moyen efficace d'optimiser un tel scintillateur compliqué à particules chargées tel qu'il est réalisé ici, est d'exécuter de nombreux essais pour déterminer des tendances concernant les résultats du rendement de collecte lorsque certains paramètres sont fixés alors que d'autres paramètres peuvent varier. La position du dispositif de scintillateur est fréquemment limitée par l'agencement mécanique de la chambre à échantillon, avec une variation de position minimale admissible. Cependant il existe une plus grande liberté pour modifier l'angle du disque du scintillateur et pour modifier la forme géométrique du capuchon de raccordement à la terre. On a établi que les paramètres du scintillateur dépendent de la distance de travail d et des positions relatives du scintillateur par rapport au corps 11 de la colonne. Certains des paramètres les plus importants sont la proximité du disque 13 du scintillateur par rapport à l'échantillon, l'angle entre le disque 13 et l'axe optique du faisceau 10 (a), la distance de travail d entre le dispositif de scintillateur et l'échantillon et le diamètre du perçage du capuchon (dcap). Par exemple, on peut utiliser un logiciel pour déterminer un angle a optimum pour une distance de travail d constante et un diamètre dcap de perçage constant. La Figure 1 représente une forme de réalisation, dans laquelle on a a = 29", d = 20 mm, diamètre du perçage du capuchon dcap = 12 mm, diamètre du disque du scintillateur 10 mm, tension du scintillateur 10 kV, et tous les autres conducteurs tels que le capuchon et le corps de colonne étant raccordés à la terre. Comme mentionné précédemment, le rendement de collecte n'est pas le seul critère important à considérer dans une scintillation. L'interférence avec le faisceau primaire 10 est également un facteur lorsque la distribution de champ électrique sur l'axe optique du faisceau est suffisamment grande pour entraîner des décalages importants d'image et des distorsions du balayage. Pendant le processus d'optimisation on modifie le diamètre dcap du perçage du capuchon pour équilibrer l'amplitude du potentiel axial et les rendements de collecte. Le niveau maximum du champ apparaît au niveau de l'échantillon et est plus faible ailleurs le long du faisceau primaire 10. La Figure 4 représente un graphique 40 de variation du rendement de collecte en fonction de l'énergie des électrons secondaires pour la forme de réalisation représentée sur la Figure 1, qui comporte des énergies d'électrons secondaires atteignant jusqu'à 50 eV. L'objectif est d'avoir un rendement de collecte de 100 % pour les électrons secondaires qui possèdent des énergies dans la gamme de 0,1-10 eV, des coefficients modérés de collecte pour les électrons secondaires avec des énergies comprises allant de 10 eV jusqu'à 50 eV, et de réduire l'apparition d'un arc. Les effets du champ électrique produit par le scintillateur sur le faisceau primaire sont réduits. Conformément à la Figure 4, ce scintillateur compact est très efficace pour collecter une gamme d'énergies étendues d'électrons. Dans la pratique, le rendement de collecte est réellement égal à 100 % étant donné que les énergies les plus probables des électrons secondaires se situent autour de 0-5 eV. Sur la base des procédures d'optimisation décrites précédemment, on a construit un ensemble de scintillateur pour lequel une détente de travail de 45 mm est également utile et dans lequel des capuchons non coaxiaux ont été utilisés pour réduire l'effet du faisceau primaire, tout en conservant le rendement élevé de collecte. L'angle d'inclinaison optimisé pour une distance de travail de 45 mm s'est avéré être égal à 330. On a également étudié la perturbation du faisceau primaire due au champ électronique produit par le scintillateur. On a pu observer la perturbation du faisceau primaire. Dans le cas dcap = 16 mm, on a trouvé des distorsions dans les images en plus de la détection d'un décalage des images. On a trouvé que dcap = 10-13 mm fournissait la performance la plus satisfaisante en termes de contraste d'image, de distorsions d'image, de décalages d'image et de distance de travail. On a trouvé que la taille du disque du scintillateur n'est pas critique pour le rendement de collecte, dans la mesure où il est positionné de manière à ouvrir le spot focal 34 des électrons secondaires. Après avoir réduit la taille de l'isolant dans le nouvel agencement représenté sur les Figures 1 et 2, on a totalement éliminé l'incertitude associée à la charge appliquée à la surface de l'isolant. Il en résulte que l'on n'a observé aucun problème de fiabilité tel qu'une dérive, une décharge flash et la formation d'un arc. La description a été donnée à titre d'illustration sans aucun caractère limitatif et d'autres variantes de réalisation apparaîtront aux spécialistes de la technique dans le cadre de la présente invention. LÉGENDES DES FIGURES FIGURES 1 À 3 : Pas de légendes FIGURE 4 : a. Coefficient de collecte (%) b. Énergie des électrons secondaires (eV) REVENDICATIONS 1. Dispositif de scintillateur destiné à détecter des électrons secondaires émis par une pièce à traiter que rencontre un faisceau (10) de particules chargées, caractérisé en ce qu'il comporte : - un disque (13), - une base située sur un côté du disque à l'opposé de celui sur lequel les électrons secondaires rencontrent le disque, la base retenant le disque par rapport à l'axe du faisceau, - un isolant (18) adjacent à la base et disposé sur le côté du disque situé à l'opposé du côté sur lequel les électrons secondaires rencontrent le disque et à l'extérieur d'un trajet des électrons secondaires provenant de la pièce à traiter, - un capuchon de mise à la terre (16) disposé autour de la base du disque et de l'isolant, et - un guide de lumière (19) couplé optiquement au disque de manière à recevoir des photons provenant du disque. 2. Dispositif de scintillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un angle entre l'axe du faisceau de particules chargées et la surface du disque est tel qu'un rendement de collecte de presque 100 pour cent est obtenu pour des électrons secondaires ayant des énergies égales à environ 0,1-10 eV. 3. Dispositif de scintillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un angle (a) entre l'axe du faisceau (10) de particules chargées et une surface du disque est tel qu'un rendement de collecte supérieur à 50 pour cent est obtenu pour des électrons secondaires ayant des énergies d'environ 10-50 eV. 4. Dispositif de scintillateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'angle (oye) est égal à environ 29 degrés. 5. Dispositif de scintillateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'angle (a) est égal à environ 33 degrés. 6. Dispositif de scintillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une distance entre le capuchon (16) de mise à la terre et la pièce à traiter est égale à environ 20 mm. 7. Dispositif de scintillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une distance entre le capuchon (16) de mise à la terre et la pièce à traiter est égale à environ 45 mm. 8. Dispositif de scintillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capuchon (16) de mise à la terre définit un perçage ayant un diamètre d'environ 12 mm. 9. Dispositif de scintillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capuchon (16) de mise à la terre définit un perçage (26b) ayant un diamètre d'environ 10-13 mm. 10. Dispositif de scintillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une tension de polarisation appliquée au disque est égale à environ 8- 12kV. 11. Dispositif de scintillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un spot focal, au niveau duquel la majorité des électrons secondaires ren-contrent le dispositif de scintillateur, possède un diamètre d'environ 3-4 mm. 12. Procédé pour faire fonctionner un scintillateur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : - diriger un faisceau de particules chargées sur une pièce à traiter, ce qui provoque l'émission d'électrons secondaires par cette pièce, - prévoir un disque de scintillateur positionné de manière à collecter des électrons secondaires, - prévoir une base pour le disque et un isolant pour le disque, positionné sur un côté du disque situé à l'opposé de celui que rencontrent les électrons secondaires, et - appliquer une tension de polarisation au disque par l'intermédiaire de la base.