DE10131931A1

DE10131931A1 - Untersuchungssystem zum teilchenoptischen Abbilden eines Objekts, Ablenkvorrichtung für geladene Teilchen sowie Verfahren zum Betrieb derselben

Info

Publication number: DE10131931A1
Application number: DE2001131931
Authority: DE
Inventors: Oliver Kienzle; Dirk Stenkamp; Michael Steigerwald; Rainer Knippelmeyer
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2001-07-02
Filing date: 2001-07-02
Publication date: 2003-01-16

Abstract

Es wird ein Untersuchungssystem zum Abbilden eines in einer Objektebene anordenbaren Objekts vorgeschlagen, umfassend eine Beleuchtungseinrichtung (31), um einem begrenzten Feld des Objekts (3) Energie derart zuzuführen, daß geladene Teilchen von Orten des Feldes austreten, wobei das Feld in der Ebene des Objekts (3) verlagerbar ist, eine erste Deflektoreinrichtung (23, 24) zur Bereitstellung eines änderbaren Ablenkfeldes, um an Orten eines auswählbaren Bereiches (7) des Objekts (3) austretende geladene Teilchen durch einen festen vorbestimmten Strahlquerschnitt (27) zu führen, einen derart im Strahlengang angeordneten ortsauflösenden Detektor (5), daß die geladenen Teilchen nach Durchlaufen der ersten Deflektoreinrichtung (23, 24) auf diesen treffen, wobei von verschiedenen Orten des Bereiches (7) austretende Teilchen aus den Austrittsorten zugeordnete verschiedene Orte des ortsauflösenden Detektors (5) abgebildet werden, und eine Steuerung (25), um die Beleuchtungseinrichtung (31) im Hinblick auf eine Änderung der Verlagerung des beleuchteten Feldes anzusteuern, und um die erste Deflektoreinrichtung (23, 24) derart anzusteuern, daß der auf den Detektor abgebildete Bereich (7) des Objekts gemeinsam mit dem beleuchteten Feld in der Objektebene verlagert wird. DOLLAR A Hierbei werden aus dem Objekt austretende Photoelektronen, Sekundärelektronen, Rückstreuelektronen und Transmissionselektronen beobachtet. DOLLAR A Ferner wird eine Ablenkvorrichtung zum Ablenken eines die ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Untersuchungssystem zur zweidimensionalen Abbildung von Strukturen eines Objekts mittels geladener Teilchen, wie etwa Elektronen, auf einen Empfänger, wie etwa eine Kamera. Die untersuchten Strukturen sind dabei insbesondere solche, wie sie herkömmlicherweise elektronenmikroskopisch untersucht werden, wobei von dem Objekt austretende Rückstreuelektronen, Sekundärelektronen, Transmissionselektronen oder Photoelektronen beobachtet werden. Die Erfindung soll dabei nicht auf diese Arten von Elektronen beschränkt sein, insbesondere ist auch an die Beobachtung von aus dem Objekt austretenden Ionen gedacht.
Die Erfindung betrifft ferner eine Ablenkvorrichtung für Strahlen geladener Teilchen, welche insbesondere in dem Untersuchungssystem zur Untersuchung des Objekts einsetzbar ist. Allerdings soll der Einsatz der Ablenkvorrichtung nicht auf diese Anwendung beschränkt sein. Ferner betrifft die Erfindung noch ein Verfahren zum Betrieb der Ablenkvorrichtung.
Ein möglicher Einsatzbereich des Untersuchungssystem liegt in Verfahren zur Herstellung miniaturisierter Bauelemente und dabei insbesondere in der Lokalisierung von Defekten an den Bauelementen während der Fertigung derselben und an hierfür verwendeten Masken, wie etwa Lithographiemasken.
US 5,578,821 offenbart hierzu ein Untersuchungssystem, bei dem ein Elektronenstrahl auf einen Punkt (Pixel) des zu untersuchenden Objekts fokussiert wird, und von dem Objekt austretende Rückstreuelektronen, Sekundärelektronen und Transmissionselektronen durch entsprechende Detektoren registriert werden. Hierbei ist eine Deflektoreinrichtung vorgesehen, um den Ort, an dem der fokussierte Strahl auf das Objekt trifft, zu verlagern, und die jeweiligen Detektoren empfangen unabhängig von der Auslenkung des Ortes integral sämtliche Rückstreu-, Sekundär- bzw. Transmissionselektronen. Die Detektoren arbeiten selbst nicht ortsauflösend, allerdings ist es möglich, ein ortsaufgelöstes Bild der Strukturen des Objekts zu erhalten, wenn die von einem Detektor registrierte Intensität dem durch die Deflektoreinrichtung bestimmten Punkt, an dem der Strahl auf das Objekt trifft, zugeordnet wird. Es wird dann der Strahl nacheinander durch Betätigen der Deflektoreinrichtung an die verschiedenen Orte (Pixel) des Objekts ausgelenkt, es werden die den verschiedenen Orten zugeordneten gemessenen Intensitäten registriert, und aus den nacheinander registrierten Intensitäten wird das räumliche Bild des Objekts zusammengesetzt. Dieses Verfahren ist sehr zeitaufwendig.
US 6,087,659 offenbart ein Untersuchungssystem, bei dem ein räumlich ausgedehntes Feld auf dem Objekt mit Primärelektronen bestrahlt wird und bei dem aus dem Objekt austretende Sekundärelektronen auf einen ortsauflösenden Detektor abgebildet werden. Hierdurch ist, im Unterschied zu dem in US 5,578,821 gezeigten System, ein sequentielles Abtasten von Pixeln mittels einer Deflektoreinrichtung nicht notwendig, es können vielmehr eine Vielzahl von Pixeln gleichzeitig erfaßt werden. Allerdings ist bei einer gewünschten hohen Vergrößerung der Abbildung das auf den Detektor abgebildete Feld zu klein, um ein Objekt von größerer räumlicher Ausdehnung auf einmal abbilden zu können. Es ist deshalb ein mechanischer Verschiebetisch für das Objekt vorgesehen, um dieses relativ zu dem beleuchteten Feld zu verlagern, so daß mit dem Detektor zeitlich nacheinander eine Vielzahl von Bildern des schrittweise verlagerten Objekts aufgenommen werden kann, um schließlich durch Zusammenfügen der mehreren Bilder eine Abbildung des gesamten Objekts zu erhalten. Dies ist wiederum zeitaufwendig und setzt außerdem einen Verschiebetisch voraus, dessen mechanische Präzision in etwa der gewünschten Auflösung der Abbildung entspricht.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Untersuchungssystem zum Abbilden eines Objekts vorzuschlagen, mit dem räumlich ausgedehnte Objekte vergleichsweise schnell abgebildet werden können.
Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein solches Untersuchungssystem vorzuschlagen, bei dem Anforderungen an eine mechanische Verschiebung des Objekts relativ zu dem Untersuchungssystem reduziert sind.
Unter einem ersten Aspekt sieht die Erfindung ein Untersuchungssystem zum Abbilden eines in einer Objektebene anordenbaren Objekts vor, welches einen ortsauflösenden Detektor umfaßt, auf den geladene Teilchen, die in einem räumlich ausgedehnten Feld aus dem Objekt austreten, abgebildet werden. Es ist ferner eine erste Deflektoreinrichtung vorgesehen, die ein änderbares Ablenkfeld bereitstellt, um den Bereich, der mittels der geladenen Teilchen auf den Detektor abgebildet wird, in der Ebene des Objekts zu verlagern. Die erste Deflektoreinrichtung dient dabei dazu, um die je nach Verlagerung des Bereichs in der Objektebene aus unterschiedlichen Richtungen in die erste Deflektoreinrichtung eintretenden geladenen Teilchen durch einen im wesentlichen festen vorbestimmten Strahlquerschnitt zu führen. Nach Durchlaufen dieses von der Verlagerung des abgebildeten Bereichs in der Objektebene unabhängigen Strahlquerschnitts durchlaufend die geladenen Teilchen gegebenenfalls eine Optik zur Erhöhung der Abbildungsvergrößerung und treffen schließlich auf den ortsauflösenden Detektor. Aufgrund der Verlagerbarkeit des auf den Detektor abgebildeten Bereichs der Objektebene ist es möglich, Strukturen vergleichsweise großer Objekte räumlich abzubilden, ohne das Objekt relativ zu dem Untersuchungssystem mechanisch bewegen zu müssen.
Das Untersuchungssystem umfaßt ferner eine Beleuchtungseinrichtung, um dem Objekt Energie derart zuzuführen, daß geladene Teilchen von Orten des Objekts austreten, wobei diese austretenden Teilchen dann nachfolgend dem Detektor zugeführt werden, um das Abbild des Objekts zu erhalten. Die Energie kann dem Objekt in Form von geladenen Teilchen, insbesondere Elektronen, oder elektromagnetischer Strahlung (Licht) zugeführt werden. Entsprechend umfaßt die Beleuchtungseinrichtung dann eine Lichtquelle, wie etwa einen Laser, oder eine Teilchenquelle, insbesondere eine Elektronenquelle. Die aufgrund der Zuführung der Energie aus dem Objekt austretenden Teilchen sind vorzugsweise Photoelektronen bzw. Rückstreuelektronen, Sekundärelektronen oder Transmissionselektronen.
Das Untersuchungssystem umfaßt ferner eine Steuerung, um die erste Deflektoreinrichtung derart anzusteuern, daß der auf den Detektor abgebildete Bereich des Objekts geändert wird, wobei die Steuerung ferner dazu vorgesehen ist, die Beleuchtungseinrichtung anzusteuern, um das begrenzte Feld, in dem dem Objekt Energie zugeführt wird, gemeinsam mit dem auf den Detektor abgebildeten Bereich in der Ebene des Objekts zu verlagern. Vorzugsweise fällt das beleuchtete Feld mit dem auf den Detektor abgebildeten Bereich im wesentlichen zusammen.
Es wird somit nicht etwa dem gesamten Objekt Energie zugeführt. Vielmehr wird im Hinblick auf eine möglichst niedrige thermische Belastung des Objekts lediglich einem Bereich desselben Energie zugeführt. Hierdurch wird zusätzlich eine Reduktion des Teilchenstroms erzielt, wodurch zum Beispiel Raumladungseffekte verkleinert werden. Wenn das beleuchtete Feld und der abgebildete Bereich zusammenfallen, ist dann die thermische Belastung des Objekts nicht größer als im Hinblick auf die Erzeugung der Abbildung des Objekts unbedingt notwendig.
Vorzugsweise ist zwischen dem Objekt und dem Ort in dem Strahlengang, an dem die zu dem Detektor hin verlaufenden geladenen Teilchen durch den festen Strahlquerschnitt treten, eine erste Fokussierlinseneinrichtung vorgesehen, welche auf die von dem Objekt austretenden Teilchen die Wirkung einer fokussierenden Linse hat. Im Hinblick auf eine ausreichende Vergrößerung der Abbildung ist diese Fokussierlinseneinrichtung relativ nahe an dem Objekt anzuordnen. Zur Vermeidung von Abbildungsfehlern ist ferner bei Verwendung einer herkömmlichen rotationssymmetrischen Magnetlinse, deren Bohrungsdurchmesser relativ klein zu wählen, so daß bei dicht an dem Objekt angeordneter Rundlinse mit kleinem Bohrungsdurchmesser der Bereich, der auf den Detektor abgebildet wird, in der Ebene des Objekts nicht so weit auslenkbar, wie dies im Hinblick auf eine Abbildung großflächiger Objekte ohne mechanische Bewegung derselben relativ zu dem Untersuchungssystem gewünscht wäre. Deshalb werden hier als erste Fokussierlinseneinrichtung vorzugsweise Linseneinrichtungen eingesetzt, die von der magnetischen Rundlinse, wie sie in den übrigen Komponenten des Untersuchungssystems, wie beispielsweise der Nachvergrößerungsoptik vor dem Detektor, einsetzbar ist, verschieden sind.
Eine bevorzugte mögliche Ausgestaltung der ersten Fokussierlinseneinrichtung, welche ihr fokussierendes Ablenkfeld über einen relativ großen Bereich quer zur Strahlrichtung bereitstellt, ist in DE 196 34 456 A1 beschrieben, wobei die Offenbarung dieser Schrift durch Inbezugnahme vollumfänglich in die vorliegende Beschreibung aufgenommen wird. Diese Fokussierlinseneinrichtung umfaßt eine Zylinderlinse und eine stationär zur Zylinderlinse angeordnete Quadrupollinse. Die Achse der Zylinderlinse ist quer zur Strahlrichtung angeordnet und fokussiert den Strahl in einer Richtung quer zur Achsrichtung der Zylinderlinse. Eine Hauptachse der Quadrupollinse fällt im wesentlichen mit der Achse der Zylinderlinse zusammen, und das Feld der Zylinderlinse und das Feld der Quadrupollinse wirken zusammen fokussierend auf geladene Teilchen, die die Linsenanordnung durchsetzen.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der ersten Fokussierlinseneinrichtung ist in DE 199 44 857 A1 beschrieben, deren Offenbarung durch Inbezugnahme vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird. Die dort offenbarte Fokussierlinseneinrichtung umfaßt ebenfalls eine Zylinderlinse, deren Achse sich quer zur Strahlrichtung erstreckt. Dem durch die Zylinderlinse bereitgestellten Ablenkfeld wird ebenfalls ein Quadrupolfeld überlagert, welches allerdings nicht stationär ist, sondern in Richtung der Zylinderachse verlagerbar ist. Hierzu umfaßt die Linsenanordnung eine Vielzahl von Elektroden, welche paarweise gegenüberliegend entlang der Zylinderachse angeordnet sind. An die Elektroden können selektiv Spannungen derart angelegt werden, daß diese an einer auswählbaren Stelle entlang der Zylinderachse ein elektrisches Feld mit Quadrupolsymmetrie bereitstellen. Beim Einsatz einer solchen ersten Fokussierlinseneinrichtung ist die Steuerung ferner dazu vorgesehen, daß der Ort des gerade bereitgestellten Quadrupolfeldes in etwa zentral bezüglich eines Bündels geladener Teilchen angeordnet ist, welche von dem auf den Detektor abgebildeten Bereich bei dessen entsprechender Auslenkung in der Ebene des Objekts ausgehen.
Ferner ist es bevorzugt, die erste Fokussierlinseneinrichtung als Linse mit variabler Achse ("variable axis lens") auszubilden. Eine solche Linse ist in dem Artikel "MOL ("Moving Objective Lens"), Optic 48 (1977), Seiten 255 ff. von E. Goto et al. oder in US 4,376,249 beschrieben.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der ersten Fokussierlinseneinrichtung als Magnetlinse mit variabler Achse ist in der Patentanmeldung DE 100 44 199.8 der Anmelderin beschrieben und wird durch Inbezugnahme ebenfalls in die vorliegende Anmeldung aufgenommen. Diese Fokussierlinseneinrichtung umfaßt eine Magnetlinse die ein statisches rotationssymmetrisches Ablenkfeld bereitstellt, sowie ferner eine Spulenanordnung, die innerhalb des rotationssymmetrischen Magnetfelds angeordnet ist und dort ein Dipolfeld einstellbarer Größe erzeugt. Die Überlagerung des rotationssymmetrischen Magnetfelds und des Dipolfelds, dessen Feldrichtung quer zur Symmetrieachse der Magnetlinse und Strahlrichtung ausgerichtet ist, führt zu einem ebenfalls rotationssymmetrischen fokussierenden Feld, dessen Symmetrieachse allerdings bezüglich der Symmetrieachse der statischen Linse in Abhängigkeit von der Stärke des Dipolfelds verlagert ist. Die Stärke des Dipolfelds und damit die Verlagerung der wirksamen optischen Achse der Fokussierlinseneinrichtung wird hierbei vorzugsweise ebenfalls durch die Steuerung derart eingestellt, daß die Achsverlagerung gemeinsam mit der Verlagerung des beleuchteten Feldes und des auf den Detektor abgebildeten Bereichs des Objekts in der Objektebene erfolgt.
Vorzugsweise erfolgt die Ansteuerung dabei derart, daß die optische Achse des von der ersten Fokussierlinseneinrichtung bereitgestellten Fokussierlinsenfeldes den auf den Detektor abgebildeten Bereich insbesondere zentral schneidet.
Vorzugsweise ist das Untersuchungssystem derart ausgelegt, daß aus dem Objekt austretende Rückstreuelektronen oder/und Sekundärelektronen oder/und Transmissionselektronen oder/und Photoelektronen auf den entsprechenden Detektor abgebildet werden.
Zur Abbildung von Photoelektronen auf den Detektor umfaßt die Beleuchtungseinrichtung dann eine Photonenquelle, um das Feld in der Objektebene zu beleuchten. Die von der Photonenquelle emittierten Photonen werden hierbei vorzugsweise auf eine bewegbare Ablenkeinrichtung gerichtet, die die Photonen auf das Objekt reflektiert. Die Bewegung der Ablenkeinrichtung wird durch die Steuerung kontrolliert, um durch Änderung der Orientierung der Ablenkeinrichtung die Auslenkung des beleuchteten Feldes in der Objektebene zu erzielen.
Zur Abbildung von Transmissionselektronen auf den Detektor umfaßt das Untersuchungssystem eine Elektronenquelle und eine Blende, um aus den von der Quelle emittierten Elektronen einen Strahl zu formen, der das Feld in der Objektebene ausleuchtet. Ferner ist eine zweite Deflektoreinrichtung vorgesehen, um den Elektronenstrahl quer zu seiner Strahlrichtung auszulenken und damit die Verlagerung des beleuchteten Feldes in der Objektebene zu erreichen. Die erste Deflektoreinrichtung und der Detektor sind dann auf einer der Quelle bezüglich der Objektebene gegenüberliegenden Seite des Objekts angeordnet, um die durch das Objekt hindurchtretenden Transmissionselektronen zu erfassen.
Zur Erfassung von Rückstreuelektronen bzw. Sekundärelektronen sind die Quelle und der Detektor auf einer bezüglich der Objektebene gleichen Seite des Objekts angeordnet. Vorzugsweise wird dann die erste Deflektoreinrichtung nicht nur dazu eingesetzt, den Bereich, von dem austretende Elektronen auf den Detektor abgebildet werden, in der Objektebene zu verlagern, sondern auch dazu, das durch die von der Quelle austretenden Elektronen beleuchtete Feld in der Objektebene zu verlagern. Die erste Deflektoreinrichtung wird dann von dem von der Quelle zum Objekt verlaufenden Elektronenstrahl in die eine Richtung und von dem von dem Objekt zum Detektor verlaufenden Elektronenstrahl in die andere Richtung durchsetzt. Hierbei weisen die von der Quelle zum Objekt verlaufenden Elektronen im allgemeinen eine größere kinetische Energie auf als die von dem Objekt zum Detektor verlaufenden Elektronen. Die Deflektoreinrichtung ist dabei vorzugsweise derart ausgebildet, daß sie für die in beide Richtungen verlaufenden Elektronen einen jeweils im wesentlichen gleichen Ablenkwinkel bereitstellt.
Eine derartige Ablenkvorrichtung bildet einen zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Hierzu sieht die Erfindung eine Ablenkvorrichtung vor, welche in einem räumlichen Volumen ein elektrisches und ein magnetisches Ablenkfeld bereitstellt, wobei die Bewegungsrichtungen der Elektronen und die Feldrichtungen des elektrischen und magnetischen Feldes jeweils paarweise in etwa orthogonal zueinander orientiert sind.
Das elektrische Ablenkfeld kann beispielsweise durch eine Elektrodenanordnung bereitgestellt sein, und das magnetische Ablenkfeld kann beispielsweise durch eine Stromleiterwindungsanordung bereitgestellt sein. Es ist dann erfindungsgemäß eine Steuerung vorgesehen, welche Ströme durch die Stromleiterwindungsanordnung und an die Elektrodenanordnung angelegte Spannungen derart einstellt, daß die von der Quelle zum Objekt verlaufenden Elektronen und die von dem Objekt zu dem Detektor verlaufenden Elektronen sich auf im wesentlichen gleichen oder ähnlichen Trajektorien bewegen.
Im Hinblick auf eine präzise Ablenkung der sich in entgegengesetzte Richtungen durch die Ablenkvorrichtung bewegenden Elektronen ist die Ablenkvorrichtung gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung derart ausgebildet, daß sie eine Mehrzahl von mit axialem Abstand voneinander angeordneten Ringen aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität umfaßt und die Stromleiterwindungen jeweils wenigstens einen der Ringe umgreifen. Das Material hoher magnetischer Permeabilität ist hierbei ein Material, dessen Permeabilität wesentlich größer als die des Vakuums ist.
Im Hinblick auf eine Vermeidung von Wirbelströmen ist dieses Material vorzugsweise elektrisch im wesentlichen nicht leitend bzw. ein elektrischer Isolator. Ein Beispiel für ein solches Material ist ein Ferrit.
Die Elektroden der Elektrodenanordnung sind vorzugsweise radial innerhalb der Ringe und der auf diese gewickelten Stromleiterwindungen angeordnet. Bei einer Führung der geladenen Teilchen im Vakuum ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, die Stromleiterwindungsanordnung außerhalb eines entsprechenden Vakuummantels und die Elektrodenanordnung radial innerhalb des Vakuummantels anzuordnen.
Zur Änderung der durch die Ablenkvorrichtung für die Elektronen bereitgestellten Ablenkwinkel ändert die Steuerung die Stärken sowohl des elektrischen als auch des magnetischen Feldes in dem Ablenkvolumen. Hierbei erfolgt die Änderung der Feldstärken vorzugsweise derart, daß das Verhältnis zwischen der Stärke des magnetischen Feldes und der Stärke des elektrischen Feldes unabhängig von dem Ablenkwinkel konstant ist. Vorzugsweise ist dieses Verhältnis im wesentlichen gleich der Differenz der Geschwindigkeiten der von der Quelle zum Objekt und der vom Objekt zum Detektor verlaufenden Elektronen, wenn diese die Ablenkvorrichtung passieren, geteilt durch das Produkt dieser beiden Geschwindigkeiten.
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Untersuchungssystems, bei dem Sekundärelektronen beobachtet werden,
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Funktion einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ablenkvorrichtung, die auch in dem Untersuchungssystem der Fig. 1 einsetzbar ist,
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der in Fig. 2 erläuterten Ablenkvorrichtung,
Fig. 4 eine Darstellung der Anordnung von Stromleiterwindungen bei der in Fig. 3 gezeigten Ablenkvarrichtung,
Fig. 5 eine räumliche aufgebrochene Darstellung einer bei dem Untersuchungssystem der Fig. 1 einsetzbaren Fokussierlinse,
Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Fokussierlinse der Fig. 5,
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Untersuchungssystems, bei dem Rückstreuelektronen beobachtet werden,
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Variante der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform,
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Untersuchungssystems, bei dem Transmissionselektronen beobachtet werden,
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Variante des in Fig. 9 dargestellten Untersuchungssystems und
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Untersuchungssystems, bei dem Photoelektronen beobachtet werden.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Untersuchungssystems 1. Das Untersuchungssystem 1 dient zur Abbildung von Strukturen eines Objekts 3, wie etwa eines Halbleiterwafers 3 oder anderer miniaturisierter Strukturen, wie beispielsweise einer Lithographiemaske oder auch etwa einer biologischen Probe. Die Strukturen des Objekts 3 werden untersucht, indem von dem Objekt 3 austretende Sekundärelektronen auf einen ortsauflösenden Detektor 5 abgebildet werden. Der Detektor 5 ist zweidimensional ortsauflösend, indem er eine Vielzahl von Bildpunkten (Pixeln) aufweist, die in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind. Ein jeder Bildpunkt sammelt auslesbare Information, die eine in einem Belichtungszeitintervall auf den Bildpunkt treffende Elektronenintensität repräsentiert.
Zwischen dem Objekt 3 und dem Detektor 5 sind elektronenoptische Komponenten vorgesehen, welche ein räumlich begrenztes rechteckiges Feld 7 in der Ebene des Objekts 3 auf den Detektor 5 abbilden. Die Abbildung erfolgt dabei derart, daß an verschiedenen Orten des Feldes 7 austretende Sekundärelektronen auf verschiedene Pixel des Detektors 5 treffen. Somit können über den Detektor 5 Strukturen des Objekts 3, die sich hinsichtlich der Intensität an emittierten Sekundärelektronen unterscheiden, bildlich dargestellt werden.
In Fig. 1 sind die Trajektorien 9, 10 von zwei Sekundärelektronen, die von einem Ort des Feldes 7 unter verschiedenen Winkeln austreten symbolisch dargestellt. Die mit einer kinetischen Energie zwischen 0 eV und etwa 5 eV aus dem Objekt 3 austretenden Sekundärelektronen werden zunächst auf eine kinetische Energie von etwa 20 keV beschleunigt. Die Beschleunigung erfolgt durch ein elektrisches Feld, welches zwischen dem Objekt 3 und einer vor dem Objekt angeordneten Elektrode 13 bereitgestellt ist. Nach der Beschleunigung durchlaufen die Elektronen ein Fokussierlinsenduplett, das eine objektnahe Fokussierlinse 15 und eine weitere Fokussierlinse 17 umfaßt. Die Elektrode 13 wirkt hierbei mit der der objektnahen Fokussierlinse 15 zusammen und bildet mit dieser eine erste Fokussiereinheit des Dupletts, dessen zweite Fokussiereinheit durch die weitere Fokussierlinse 17 gebildet ist.
Nach Durchlaufen des Dupletts erfolgt eine Bildvergrößerung in einer schematisch dargestellten Nachvergrößerungsoptik 19, die ein oder mehrere teilchenoptische Linsen und andere Komponenten enthalten kann, bevor die Elektronen auf den Detektor 5 treffen.
Die Fokussierlinsen 15, 17, die Nachvergrößerungsoptik 19 und der Detektor 5 sind bezüglich einer Hauptachse 21 des Untersuchungssystems zentriert. Allerdings ist das Feld 7, das elektronenoptisch auf den Detektor 5 abgebildet ist, bezüglich der Hauptachse 21 in einer x-Richtung quer zur Hauptachse 21 verlagerbar. Hierzu sind zwischen den beiden Fokussierlinsen 15 und 17 zwei Deflektoren 23 und 24 angeordnet. In Fig. 1 ist eine Situation dargestellt, bei der das Zentrum des auf den Detektor 5 abgebildeten Feldes 7 um eine Strecke M in x-Richtung von der Hauptachse 21 weg verlagert ist. Nach Durchlaufen der objektnahen Fokussierlinse 15 erstrecken sich die Trajektorien der Elektronen parallel zur z- Achse bzw. Hauptachse 21. Der näher am Objekt 3 angeordnete Deflektor 24 bewirkt eine Ablenkung der Trajektorien um einen Winkel β derart, daß die Elektronen in Richtung zur Hauptachse 21 hin verlaufen. Daraufhin bewirkt der entfernter von dem Objekt 3 angeordneter Deflektor 23 eine Ablenkung der Elektronen um einen Winkel -β derart, daß die Elektronen wieder parallel zur z-Achse weiterverlaufen. Die Auslenkung M des Feldes 7 weg von der Hauptachse 21 ist somit durch den Abstand der beiden Deflektoren 23, 24 voneinander und den durch die beiden Deflektoren 23, 24 jeweils bereitgestellten Ablenkwinkel β gegeben.
Es ist ferner eine Steuerung 25 vorgesehen, die die Deflektoren 23 und 24 ansteuert, um den Ablenkwinkel β und damit die Auslenkung M des Feldes 7 weg von der Hauptachse 21 einzustellen. Die Winkel β werden dabei derart eingestellt, daß die Sekundärelektronen nach Durchlaufen des entfernt von dem Objekt 3 angeordneten Deflektors 23 einen von der Auslenkung M unabhängigen und fest bezüglich des Untersuchungssystems positionierten Strahlquerschnitt durchlaufen. Dieser von der Auslenkung M unabhängige Strahlquerschnitt ist in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 27 gekennzeichnet und ist bezüglich der Hauptachse 21 zentriert. Nach Durchsetzen des mit dem Bezugszeichen 27 gekennzeichneten von der Auslenkung unabhängigen Strahlquerschnitts verlaufen die Elektronen in einem ebenfalls von der Auslenkung M unabhängigen Strahlengang weiter zum Detektor. In der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist dieser weitere Strahlenverlauf hin zum Detektor ebenfalls bezüglich der Hauptachse 21 zentriert. Es ist allerdings möglich, hier auch Strahlablenker und andere Komponenten, wie etwa Energiefilter, vorzusehen, die den Strahl zwischen dem von der Auslenkung unabhängigen Querschnitt 27 und dem Detektor 5 von der Hauptachse 21 wegführen.
Um aus dem Objekt 3 in dem auf den Detektor 5 abgebildeten Feld 7 Sekundärelektronen herauszulösen, wird dieses Feld 7 mit Primärelektronen beleuchtet. Ein Primärelektronenstrahl 29 wird von einer Elektronenkanone 31, einer Magnetlinse 33 und einer Strahlformungsblende 35 geformt. Die kinetische Energie der Primärelektronen des Strahls 29 beträgt etwa 22 keV.
Der Primärelektronenstrahl 29 wird mittels eines Strahlkombinators 37 mit dem zum Detektor 5 hin verlaufenden Sekundärelektronenstrahl überlagert. Der Strahlkombinator 37 ist im Strahlengang der Sekundärelektronen zwischen der Fokussierlinse 17 und der Nachvergrößerungsoptik 19 angeordnet und wird von den Sekundärelektronen geradlinig durchsetzt. Die schräg zur Hauptachse 21 in den Strahlkombinator 37 eintretenden Primärelektronen 29 lenkt der Strahlkombinator 37 derart ab, daß sich die Primärelektronen nach Durchlaufen des Strahlkombinators 37 entlang der Hauptachse 21 in Richtung hin zu dem Objekt 3 bewegen.
Nach dem Strahlkombinator 37 durchlaufen die Primärelektronen die Fokussierlinse 17 und den von der Auslenkung M unabhängigen Strahlquerschnitt 27 und sodann den Deflektor 23, der sie um einen Winkel β weg von der Hauptachse 21 lenkt. Anschließend werden die Primärelektronen von dem Detektor 24 um einen Winkel -β hin zur Hauptachse 21 gelenkt, so daß sie schließlich wieder parallel zur Hauptachse 21 verlaufen, wobei allerdings der Primärelektronenstrahl durch die beiden Deflektoren 23, 24 ebenfalls um die Strecke M von der Hauptachse 21 weg verlagert wurde. Die Primärelektronen durchlaufen sodann die Fokussierlinse 15 und werden durch das von der Elektrode 13 bereitgestellte elektrische Feld auf eine kinetische Energie von etwa 2 keV abgebremst, bevor sie in dem Feld 7 auf das Objekt 3 treffen und dort die Sekundärelektronen herauslösen.
Der hier angegebene Wert der kinetischen Energie von etwa 2 keV zur Erzeugung der Sekundärelektronen ist ein beispielhafter Wert. Es können die Primärelektronen auch auf andere Energien abgebremst werden, beispielsweise auf Energien in einem Bereich von 100 ev bis 5 keV.
Die Deflektoren 23, 24 stellen zusammen für sowohl die Primärelektronen als auch für die Sekundärelektronen eine gleiche Verlagerung M quer zur z-Achse bzw. Hauptachse 21 bereit. Hierzu weisen die beiden Deflektoren 23, 24 zueinander symmetrischen Aufbau und Wirkungsweise auf, welche in den Fig. 2 bis 4 erläutert sind.
In der Darstellung der Fig. 2 treten die Primärelektronen 29 von links in den Deflektor 23 ein, und die Sekundärelektronen 9, 10 treten von rechts in den Deflektor ein. Der Deflektor 23 stellt in einem Volumen 37 ein durch Elektroden 38, 39 erzeugtes elektrisches Feld sowie ein magnetisches Feld bereit, welches durch Symbole 40 gekennzeichnet ist. Die Richtungen des elektrischen Feldes und des magnetischen Feldes sind zueinander und zur z-Richtung orthogonal ausgerichtet.
Nach Durchlaufen des Deflektors 23 weist die Bewegungsrichtung der Elektronen bezüglich ihrer Bewegungsrichtung vor Eintritt in den Deflektor einen Winkel β auf, der bei nichtrelativistischer Rechnung gegeben ist durch die folgende Gleichung:

wobei
e die Elementarladung
m die Elektronenmasse
l die Länge des Feldvolumens 37 in z-Richtung
E_x die Stärke des elektrischen Feldes,
B_y die Stärke des magnetischen Feldes und
V_z die Geschwindigkeit der Elektronen in z-Richtung
angibt.
Die Ablenkwinkel β bzw. -β für die Primärelektronen und die Sekundärelektronen sind dann gleich wenn die elektrische Feldstärke und die magnetische Feldstärke in etwa die folgende Relation erfüllen:

wobei
V_z1 die Geschwindigkeit der Primärelektronen und
V_z2 die Geschwindigkeit der Sekundärelektronen
angibt.
Die oben angegebene Relation zwischen den elektrischen und magnetischen Feldstärken gilt näherungsweise. Bei Berücksichtigung von relativistischen Termen und Termen höherer Ordnung, die beispielsweise bei der Berücksichtigung von Rand- bzw. Streufeldern des elektrischen bzw. des magnetischen Feldes entstehen, können Abweichungen hiervon auftreten.
Bei dieser Wahl des Verhältnisses zwischen den elektrischen und magnetischen Feldstärken ist es somit möglich, daß die Primärelektronen und die Sekundärelektronen von dem Deflektor 23 um entgegengesetzt gleiche Winkel abgelenkt werden und sich deren Trajektorien somit decken.
Die Deflektoren 23, 24 weisen jeweils einen oder mehrere Ferritringe 43 und Keramikringe 45 gleichen Durchmessers auf, welche zentrisch zur Hauptachse 21 alternierend aufeinandergestapelt sind, wobei die Enden des Stapels in z-Richtung jeweils durch einen Keramikring 45 gebildet sind. Die an den Enden des Stapels angeordneten Keramikringe 45 weisen jeweils eine Mehrzahl in Umfangsrichtung der Ringe verteilt angeordnete Bohrungen zum Durchtritt von Stromleiterwindungen 47 auf. Eine jede Stromleiterwindung 47 erstreckt sich parallel zur Hauptachse 21 und umgreift mehrere der Ferritringe 43. Eine Verteilung der Stromleiterwindungen 47 in Umfangsrichtung der Ringe 43, 45 ist aus Fig. 4a ersichtlich. Die hierbei auftretenden Winkel θ₁ bis θ₇ haben folgende Werte:
θ₁ = 21,6°, θ₂ = 41,6°, θ₃ = 47,6°, θ₄ = 62,4°, θ₅ = 68,4°, θ₆ = 78,5° und θ₇ = 84,5°. Diese Winkel sind derart gewählt, daß das durch die Stromleiterwindungen 47 erzeugte Magnetfeld ein im wesentlichen homogenes in y-Richtung orientiertes Magnetfeld ist.
Radial innerhalb der Ringe 43, 45 und der Windungen 47 sind acht gleichmäßig um den Umfang verteilt angeordnete teilzylindrische Elektroden 38 angeordnet, an welche Spannungen derart angelegt werden können, daß sie das im wesentlichen homogene und in x-Richtung orientierte elektrische Feld in dem Volumen 37 bereitstellen.
Mit den Elektroden 38 kann ebenfalls eine Ablenkung des Strahls in y-Richtung erzeugt werden, um das beleuchtete Feld auf dem Objekt auch geringfügig in y-Richtung auszulenken, wie dies nachfolgend noch erläutert wird.
Die Steuerung 25 stellt die an die Elektroden 38 angelegten Spannungen und die die Windungen 47 durchfließenden Ströme derart ein, daß das in dem Volumen 37 erzeugte elektrische Feld und das dort erzeugte magnetische Feld die oben genannte Relation erfüllen.
Die dem Objekt nahe Fokussierlinse 15 ist in Fig. 5 perspektivisch und schematisch dargestellt. Diese umfaßt zwei jeweils ebene Elektroden 51, 53, welche senkrecht zur z-Richtung orientiert und mit Abstand in z-Richtung voneinander angeordnet sind. Eine jede der Elektroden 51, 53 weist einen sich in x-Richtung erstreckenden Schlitz 55 auf, durch welchen die Primärelektronen und die Sekundärelektronen hindurchtreten. Liegt an den Elektroden 51, 53 eine elektrische Spannung an, erzeugen diese ein elektrisches Feld mit einem Feldlinienverlauf, wie er in Fig. 6a schematisch dargestellt ist. Ein solches elektrisches Feld wirkt auf die die Elektroden 51, 53 durchsetzenden Elektronen wie eine Zylinderlinse.
In z-Richtung zwischen den beiden Elektroden 51, 53 sind zwei parallel mit Abstand voneinander angeordnete Reihen von Fingerelektroden 57 vorgesehen, wobei sich die Reihen in x-Richtung erstrecken und wobei die Primärelektronen und die Sekundärelektronen zwischen den beiden Reihen hindurch treten. An eine jede Fingerelektrode 57 kann, gesteuert durch die Steuerung 25, eine separat einstellbare Spannung angelegt werden. Es wird dabei an die Fingerelektroden 57 ein Spannungsmuster derart angelegt, daß das durch die Fingerelektroden 57 erzeugte elektrische Feld Quadrupolsymmetrie aufweist, wie dies in Fig. 6b dargestellt ist. Durch entsprechende Ansteuerung der Fingerelektroden 57 kann durch die Steuerung 25 eine Hauptachse 59 des Quadrupolfeldes in x-Richtung verlagert werden.
Auf die die Fokussierlinse 15 durchsetzenden Elektronen wirkt somit eine Überlagerung des Zylinderlinsenfelds gemäß Fig. 6a und des Quadrupolfelds gemäß Fig. 6b. Diese Überlagerung der elektrischen Felder entspricht einem Rundlinsenfeld mit einer Symmetrieachse 59, wie dies in Fig. 6c schematisch dargestellt ist.
Dies bedeutet, daß die Linse 15 auf die diese durchsetzenden Elektronen eine Wirkung wie eine fokussierende Rundlinse hat. Hierbei ist allerdings über die Steuerung 25 die Symmetrieachse 59 des Rundlinsenfeldes in x-Richtung verlagerbar.
Im Betrieb legt die Steuerung 25 an die Fingerelektroden 57 ein derartiges Spannungsmuster an, daß die Symmetrieachse 59des Rundlinsenfeldes um den gleichen Betrag M von der Hauptachse 21 weg verlagert ist, wie das Zentrum des auf den Detektor 5 abgebildeten Feldes 7 des Objekts 3. Hierdurch ist die Wirkung der Fokussierlinse 15 auf die aus dem Feld 7 austretenden Sekundärelektronen von der Auslenkung M des beleuchteten Felds 7 im wesentlichen unabhängig. Hierdurch werden Abbildungsfehler, wie sie herkömmliche Rundlinsenfelder für entfernt von der Symmetrieachse des Rundlinsenfeldes verlaufende Strahlengänge erzeugen, weitgehend vermieden.
Alternativ zu der im Zusammenhang mit den Fig. 5 und 6 erläuterten Ausgestaltung der Fokussierlinse 15 kann auch die auf E. Goto zurückgehende Linse mit variabler Achse eingesetzt werden, wie dies vorangehend bereits erläutert wurde.
Aufgrund der unterschiedlichen kinetischen Energien bzw. Geschwindigkeiten der Primärelektronen und der Sekundärelektronen ist es möglich, daß durch die Deflektoren 23, 24 für beide Arten von Elektronen gleiche Ablenkwinkel β bzw. Auslenkungen M weg von der Hauptachse 21 bereitgestellt werden. Allerdings weist die Fokussierlinse 15 und auch die Fokussierlinse 17 für die beiden Arten von Elektronen aufgrund des Unterschieds in deren kinetischer Energie unterschiedliche fokussierende Wirkungen bzw. unterschiedliche Brennweiten auf. Dabei sind die Fokussierlinsen 15 und 17 dann derart angepaßt, daß sie im Einblick auf eine fokussierende Wirkung für die Sekundärelektronen optimiert sind, um eine möglichst gute Auflösung der optischen Abbildung des Feldes 7 auf den Detektor 5 zu erreichen. Diese Anpassung der Fokussierlinsen 15 und 17 ist dann für die Primärelektronen zur Beleuchtung des Feldes 7 nicht optimal. Allerdings kann dies in Kauf genommen werden, da lediglich für die Beleuchtung des Feldes 7 eine präzise Abbildung beispielsweise der Blende 35 auf die Ebene des Objekts 3 nicht notwendig ist.
Mit dem Untersuchungssystem 1 kann ein räumliches Abbild von Strukturen des Objekts 3 folgendermaßen gewonnen werden. Die maximale Auslenkung M des Feldes weg von der Hauptachse 21 ist begrenzt durch die Länge des Schlitzes 55 in x-Richtung und durch den maximalen Strahlversatz, der durch die Deflektoren erzeugt werden kann. Es werden zunächst die Deflektoren 23, 24 und die Fokussierlinse 15 durch die Steuerung derart eingestellt, daß das in (-x)-Richtung maximal ausgelenkte Feld 7 auf den Detektor 5 abgebildet wird. Der Detektor 5 wird solange mit Sekundärelektronen belichtet, bis sich ein Bild mit ausreichendem Kontrast auslesen läßt, welches gespeichert wird. Sodann wird die Auslenkung M um einen Wert verringert, der der Ausdehnung des Feldes 7 in x-Richtung entspricht, und es wird eine erneute Aufnahme der Sekundärelektronen mit dem Detektor gewonnen, welche ebenfalls gespeichert wird. Dieser Vorgang wird schrittweise wiederholt, bis das Feld 7 mit seiner maximalen Auslenkung in (+ x)-Richtung angeordnet ist. Sodann wird das Objekt 3 in y-Richtung relativ zu dem Untersuchungssystem mittels eines in den Figuren nicht dargestellten Antriebs mechanisch verlagert, und zwar um eine Strecke, die der Ausdehnung des Feldes 7 in y- Richtung entspricht. Daraufhin werden wiederum mit den jeweils verschiedenen Auslenkungen M Bilder mit der Kamera 5 aufgenommen. Wenn auf diese Weise die gesamte Oberfläche des Objekts abgetastet ist, werden die Bilder zusammengesetzt, um das räumliche Abbild der Strukturen des Objekts zu erhalten.
Es ist auch möglich, die Deflektoren 23, 24 derart auszubilden, daß sie neben der Auslenkung des Feldes 7 in x-Richtung auch eine Auslenkung des Feldes in y-Richtung erzeugen können. Hierbei ist die maximale Auslenkung in y-Richtung geringer als die maximale Ausrichtung in x-Richtung, und zwar derart, daß bei den vergleichsweise geringen Auslenkungen in y-Richtung eine Abbildung ausreichender Qualität des beleuchteten Feldes 7 auf den Detektor erreicht wird. Es ist dann möglich, das Objekt 3 in y-Richtung kontinuierlich relativ zu dem Untersuchungssystem mechanisch zu verlagern und das beleuchtete Feld angepaßt an die mechanische Verlagerung des Objekts 3 relativ zum Untersuchungssystem mit dem bewegten Objekt in y-Richtung "mitzuführen".
Bei einem Primärelektronenstrom von 3,2 µA und einer Ausdehnung des Feldes 7 in der Ebene des Objekts von 100 µm × 100 µm kann ein Strom von etwa 2,6 µA an Sekundärelektronen erzeugt werden. Hat die Kamera eine Auflösung von 1.000 mal 1.000 Pixeln, ergibt sich eine Ortsauflösung des Untersuchungssystems von 100 nm. Sollen pro Aufnahme etwa 2.000 Elektronen auf jedes Pixel der Kamera treffen, so können mit dem Untersuchungssystem 0,2 cm²/sec bzw. 720 cm²/h der Objektoberfläche abgetastet werden.
Nachfolgend werden Varianten der Erfindung erläutert. Hierbei sind Komponenten, die hinsichtlich ihrer Funktion und ihres Aufbaues Komponenten der in den Fig. 1 bis 6 erläuterten Ausführungsformen entsprechen, mit den gleichen Bezugsziffern wie in den Fig. 1 bis 6 bezeichnet, zur Unterscheidung jedoch mit einem zusätzlichen Buchstaben versehen.
Ein in Fig. 7 schematisch dargestelltes Untersuchungssystem 1a dient dazu, Rückstreuelektronen, die in einem Feld 7a aus einem zu untersuchenden Objekt 3a austreten, auf einen ortsauflösenden Detektor 5a abzubilden. Wie in der vorangehend beschriebenen Ausführungsform ist auch hier das auf den Detektor 5a abgebildete Feld 7a bezüglich einer Hauptachse 21a auslenkbar (Auslenkung M).
Da Rückstreuelektronen eine wesentlich größere kinetische Energie aufweisen als Sekundärelektronen, ist eine separate Elektrode zur Beschleunigung der Rückstreuelektronen (vergleiche Elektrode 13 in Fig. 1) nicht unbedingt notwendig. Allerdings kann zur Erhöhung der kinetischen Energie der Rückstreuelektronen bei Bedarf auch eine entsprechende Elektrode vorgesehen sein.
Die Rückstreuelektronen durchlaufen nach Verlassen der Oberfläche des Objekts 3a zunächst eine dem Objekt nahe Fokussierlinse 15a, dann zwei Deflektoren 24a, 23a, deren Ablenkwinkel derart eingestellt sind, daß die von dem Feld 7a austretenden Rückstreuelektronen unabhängig von der Auslenkung M des Feldes 7a einen festen Strahlquerschnitt 27a durchlaufen. Nach Durchlaufen des festen Strahlquerschnitts 27a treten die Rückstreuelektronen durch eine weitere Fokussierlinse 17a und einen Strahlteiler bzw. Strahlkombinator 37a, der zur Überlagerung des Strahls Rückstreuelektronen mit einem Strahl Primärelektronen 29a dient, der durch eine Elektronenkanone 31a, einer Fokussierlinse 33a und einer Blende 35a geformt wird. Der Strom des Primärelektronenstrahls beträgt beispielsweise 10 µA, und die kinetische Energie beträgt beispielsweise 10 keV.
Die Primärelektronen durchlaufen nach dem Strahlkombinator 37a nacheinander die Fokussierlinse 17a, die beiden Deflektoren 23a, 24a und die Fokussierlinse 15a. Dabei sind die Deflektoren 23a und 24a wiederum derart eingestellt, daß sie auch für die Primärelektronen eine solche Auslenkung M bereitstellen, daß der von den Primärelektronen beleuchtete Bereich auf dem Objekt 3a im wesentlichen mit dem auf den Detektor 5a abgebildeten Feld 7a zusammenfällt.
Da die Rückstreuelektronen eine relativ breite Energieverteilung aufweisen, ist zwischen dem Strahlkombinator 37a und einer Nachvergrößerungsoptik 19a ein abbildungserhaltendes Energiefilter 67 vorgesehen, um aus den Rückstreuelektronen Elektronen aus einem kleineren Energieband auszuwählen, die dann mit der Optik 19a vergrößert und auf den Detektor 5a abgebildet werden. Das Energiefilter 67 umfaßt mehrere Sektormagnete 69 und ist derart aufgebaut, daß die geometrische Abbildung des Feldes 7a auf den Detektor 5a durch das Filter 67 nicht gestört wird. Ein Beispiel für ein solches Energiefilter 67 ist in EP 0 218 920 B1 der Anmelderin beschrieben. Die Offenbarung dieser Schrift wird durch Inbezugnahme vollumfänglich in der vorliegenden Anmeldung aufgenommen.
Die dem Objekt 3a nahe Fokussierlinse 15a kann einen Aufbau haben, wie er in dem vorangehenden Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit den Fig. 5 und 6 erläutert wurde. Es ist jedoch auch möglich, hierfür eine Linse mit variabler Achse einzusetzen, wie sie auf E. Goto zurückgeht.
Ein in Fig. 8 schematisch dargestelltes Untersuchungssystem 1b ist im wesentlichen ähnlich aufgebaut, wie das in Fig. 7 dargestellte Untersuchungssystem. Es dient ebenfalls zur Abbildung von Rückstreuelektronen, die aus einem in der Ebene des Objekts 3b verlagerbaren Feld 7b austreten, auf einen Detektor 5b. Im Unterschied zu der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform sind hier allerdings nicht zwei separate Deflektoren vorgesehen, um die änderbare Auslenkung M des abzubildenden Feldes 7b zu erzeugen. Es ist lediglich ein Deflektor 23b vorgesehen, und die Funktion des zweiten Deflektors wird durch eine dem Objekt 3b nahe Fokussierlinse 15b übernommen. Ein hierfür geeigneter Aufbau der Fokussierlinse 15b ist in DE 196 34 456 A1 offenbart und umfaßt ein elektrisches oder magnetisches Zylinderlinsenfeld, dem ein stationäres elektrisches oder magnetisches Quadrupolfeld überlagert ist.
Ein in Fig. 9 schematisch dargestelltes Untersuchungssystem 1c dient zur Beobachtung von Transmissionselektronen, die aus einem Feld in der Ebene eines Objekts 3a austreten, auf einen Detektor 5c. Das Objekt 3a ist eine Lithographiemaske zur Abbildung einer Struktur 75 auf einen Wafer in einem Lithographieprozeß. Das mittels der Transmissionselektronen auf den Detektor 5c abgebildete Feld ist in der Ebene des Objekts verlagerbar (Auslenkung M).
Zur Formung eines Strahls Primärelektronen 29c zur Beleuchtung des auf den Detektor 5c abzubildenden Feldes in der Objektebene ist eine Elektronenkanone 31c, eine Blende 35c und eine Fokussierlinse 33c vorgesehen. Nach der Fokussierlinse 33c durchläuft der Primärelektronenstrahl nacheinander zwei mit Abstand voneinander angeordnete Deflektoren 23c und 24c, die den Strahl um jeweils entgegengesetzt gleiche Winkel β ablenken, um die Auslenkung M zu erzeugen. Der Primärelektronenstrahl 29c wird sodann durch eine Fokussierlinse 15c auf das Objekt 3c fokussiert, um dort das abzubildende Feld zu beleuchten. Die Fokussierlinse 15c ist eine Linse mit variabler optischer Achse, wie sie auf E. Goto zurückgeht. Hierzu umfaßt sie eine Rundlinse 77 zur Bereitstellung eines bezüglich einer Hauptachse 21c rotationssymmetrischen fokussierenden Magnetfelds und Spulen 78, 79 zur Erzeugung eines magnetischen Dipolfeldes. Der Strom durch die Dipolspulen 78, 79 ist durch eine Steuerung 25c derart einstellbar, daß die Überlagerung des stationären Rundlinsenfeldes und der Dipolfelder zu einer Wirkung eines Rundlinsenfeldes führt, dessen Symmetrieachse 59c ebenfalls um den Betrag M von der Hauptachse 21c weg verlagert ist. Mit 81 ist in Fig. 9 eine dynamische Fokusspule dargestellt, die ebenfalls von der Steuerung 25c angesteuert wird, um die Wirkung der Fokussierlinse 15c bei verschiedenen Auslenkungen M zu optimieren.
Um die das Objekt 3c durchsetzenden Transmissionselektronen bei ausgelenktem Feld auf die Hauptachse 21c bzw. einem in Fig. 9 mit 27c bezeichneten festen Strahlquerschnitt, der unabhängig von der Auslenkung M ist, zurückzuführen, ist für die Transmissionselektronen eine Strahlführung mit Komponenten vorgesehen, die symmetrisch zu den Komponenten der Strahlführung zur Auslenkung der Primärelektronen aufgebaut sind. Die Komponenten für die Strahlführung der Transmissionselektronen sind mit den gleichen Bezugszeichen wie die entsprechenden Komponenten zur Strahlführung der Primärelektronen bezeichnet, zusätzlich jedoch mit einem ' versehen. Diese Strahlführung umfaßt damit eine dem Objekt nahe Fokussierlinse 15c' mit variabler Achse und zwei Deflektoren 24c' und 23c'.
Im Strahlengang nachfolgend zu dem auslenkungsunabhängigen festen Strahlquerschnitt 27c ist eine Nachvergrößerungsoptik 19c mit zwei Rundlinsen 83, 84 vorgesehen, bevor die Transmissionselektronen auf den Detektor 5c treffen.
Aus dem in Fig. 9 dargestellten Strahlengang für die Transmissionselektronen ist ersichtlich, wie eine Objektgröße 85 über Zwischenbilder 86, 87 in ein Bild 88 auf dem Detektor 5c abgebildet wird.
Alternativ zu den dem Objekt 3a nahen Fokussierlinsen 15c bzw. 15c' mit variabler optischer Achse können eine oder beide dieser Linsen durch eine Linse ersetzt werden, wie sie im Zusammenhang mit den Fig. 5 und 6 vorangehend erläutert wurde.
Ein in Fig. 10 schematisch dargestelltes Untersuchungssystem 1d ist ähnlich aufgebaut, wie das in Fig. 9 gezeigte Untersuchungssystem. Es dient zur Abbildung eines bezüglich einer Hauptachse 21d auslenkbaren Feldes in der Ebene eines Objekts 3d auf einen Detektor 5d. Im Unterschied zu den in der Ausführungsform gemäß Fig. 9 vorgesehenen zwei separaten Deflektoren zur Erzeugung der Auslenkung eines Primärstrahles 29d aus der Hauptachse 21d ist hier jedoch lediglich ein separater Deflektor 23d vorgesehen, und die Funktion des zweiten Deflektors ist durch eine dem Objekt 3d nahe Fokussierlinse 15d bereitgestellt. Der für die Zurückführung der Transmissionselektronen auf die Hauptachse 21d bzw. hin zu einem von der Auslenkung M unabhängigen Strahlquerschnitt 27d bereitgestellte Strahlengang ist hinsichtlich seiner Komponenten symmetrisch aufgebaut zu der Strahlführung für die Primärelektronen, und die hierfür vorgesehenen Komponenten, nämlich die Fokussierlinse 15d' und der Deflektor 23d' sind mit entsprechenden Bezugszeichen jedoch mit einem zusätzlichen ' versehen.
Ein in Fig. 11 schematisch dargestelltes Untersuchungssystem 1e dient zur Abbildung von Photoelektronen, die aus einem räumlich begrenzten Feld 7e auf der Oberfläche eines zu untersuchenden Objekts 3e austreten, auf einen Detektor 5e. Das abzubildende Feld 7e ist bezüglich einer Hauptachse 21e bzw. einem festen Strahlquerschnitt 27e auslenkbar (Auslenkung M). Das elektronenoptische System zur Führung der aus dem Objekt 3e austretenden Photoelektronen hin zu dem Detektor 5e ist ähnlich aufgebaut, wie das im Zusammenhang mit der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform erläuterten System zur Führung der Rückstreuelektronen zum Detektor, wobei allerdings eine Elektrode 13e vorgesehen ist, um die Photoelektronen nach ihrem Austritt aus dem Objekt 3e zu beschleunigen.
Die Auslenkung M wird durch zwei mit Abstand in Richtung der Hauptachse 21e angeordnete Deflektoren 23e und 24e erzeugt, und eine dem Objekt nahe Fokussierlinse 15e ist als Linse mit variabler Achse aufgebaut und umfaßt Dipolspulen 78e und 79e sowie zusätzlich in Abhängigkeit von der Auslenkung M angesteuerte dynamische Fokusspulen 77e.
Ferner ist ein abbildungserhaltendes Energiefilter 67e vorgesehen, um das Energiespektrum der Photoelektronen, welches einer Nachvergrößerungsoptik 19e zugeführt ist, zu beschneiden. Das Energiefilter 67e umfaßt mehrere Sektormagnete, wobei die Photoelektronen durch den Sektormagnet 69e des Energiefilters 67e, in den sie zuerst eintreten, von der Hauptachse 21e weggeführt werden.
Die Beleuchtung des abzubildenden Feldes 7e mit Photonen zur Erzeugung der Photoelektronen erfolgt mittels einer Lichtquelle 91, die einen Lichtstrahl 93 erzeugt, der auf einen auf der Hauptachse 21e angeordneten Umlenkspiegel 95 gerichtet ist. Der Umlenkspiegel 95 ist dabei an einer Stelle der Hauptachse 21e angeordnet, an der der Strahl Photoelektronen bereits durch den ersten Sektormagnet 69e von der Hauptachse 21e weg gelenkt wurde.
Der Umlenkspiegel 95 ist mittels eines durch die Steuerung 25e kontrollierten Antriebs 97 verschwenkbar. Die Steuerung 25e kontrolliert die Verschwenkung des Umlenkspiegels 95 in Abhängigkeit von der Auslenkung M des auf den Detektor 5e abgebildeten Feldes 7e derart, daß immer das abgebildete Feld 7e mit Photonen der Lichtquelle 91 beleuchtet wird. Hierbei entspricht der mit Photonen beleuchtete Bereich in der Ebene des Objekts 3e hinsichtlich seiner Geometrie im wesentlichen dem Feld 7e, das elektronenoptisch auf den Detektor 5e abgebildet wird.
Alternativ zu der Ausbildung der dem Objekt 3e nahen Fokussierlinse 15e als Linse mit variabler Achse ist es auch möglich, als Fokussierlinse 15e eine solche Linse einzusetzen, wie sie im Zusammenhang mit den Fig. 5 und 6 erläutert wurde.
Ferner ist es ebenfalls möglich, zur Bereitstellung der Auslenkung M nicht zwei nacheinander angeordnete separate Deflektoren 23e und 24e einzusetzen, sondern lediglich einen separaten Deflektor vorzusehen und die Funktion des zweiten Deflektors durch die Fokussierlinse 15e bereitzustellen, wie dies bei der im Zusammenhang mit Fig. 8 erläuterten Ausführungsform dargestellt wurde.
Bei den vorangehend erläuterten Ausführungsformen, bei denen Sekundärelektronen und Rückstreuelektronen auf den Detektor abgebildet werden, wird die Deflektoreinrichtung sowohl von den Primärelektronen als auch den Sekundär- bzw. Rückstreuelektronen durchlaufen. Dies stellt an die Deflektoreinrichtung besondere Anforderungen, da sowohl die Primärelektronen als auch die Sekundär- bzw. Rückstreuelektronen im wesentlichen gleiche Auslenkungen erfahren sollen. Bei den Ausführungsformen, bei denen Transmissionselektronen und Photoelektronen auf den Detektor abgebildet werden, sind hingegen die Anforderungen an die Deflektoreinrichtung geringer, da lediglich die von dem Objekt zu dem Detektor hin verlaufenden Elektronen definiert abzulenken sind. Es können dann auch Deflektoren eingesetzt werden, die lediglich ein änderbares elektrisches Feld oder ein änderbares magnetisches Feld bereitstellen.
In den vorangehend dargestellten Ausführungsformen, die mit Photoelektronen arbeiten, wurde ein Schwenkspiegel eingesetzt, um das mit Photonen beleuchtete Feld in der Objektebene zu verlagern. Alternativ hierzu können auch andere Maßnahmen eingesetzt werden, um die Photonen änderbar abzulenken. Ein Beispiel hierfür ist ein akustooptischer Modulator.

Claims

1. Untersuchungssystem zum Abbilden eines in einer Objektebene anordenbaren Objektes (3), umfassend:
eine Beleuchtungseinrichtung (31; 91), um einem begrenzten Feld des Objekts (3) Energie derart zuzuführen, daß geladene Teilchen von Orten des Feldes austreten, wobei das Feld in der Ebene des Objektes (3) verlagerbar ist,
eine erste Deflektoreinrichtung (23, 24) zur Bereitstellung eines änderbaren Ablenkfeldes, um an Orten eines auswählbaren Bereiches (7) des Objektes (3) austretende geladene Teilchen durch einen festen vorbestimmten Strahlquerschnitt (27) zu führen,
einen derart im Strahlengang angeordneten ortsauflösenden Detektor (5), daß die geladenen Teilchen nach Durchlaufen der ersten Deflektoreinrichtung (23, 24) auf diesen treffen, wobei von verschiedenen Orten des Bereiches (7) austretende Teilchen auf den Austrittsorten zugeordnete verschiedene Orte des ortsauflösenden Detektors (5) abgebildet werden, und
eine Steuerung (25), um die Beleuchtungseinrichtung (31; 91) im Hinblick auf eine Änderung der Verlagerung des beleuchteten Feldes anzusteuern, und um die erste Deflektoreinrichtung (23, 34) derart anzusteuern, daß der auf den Detektor abgebildete Bereich (7) des Objekts gemeinsam mit dem beleuchteten Feld in der Objektebene verlagert wird.

2. Untersuchungssystem nach Anspruch 1, wobei das beleuchtete Feld im wesentlichen mit dem auf den Detektor abgebildeten Bereich (7) zusammenfällt.

3. Untersuchungssystem nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend eine zwischen dem Objekt (3) und dem festen Strahlquerschnitt (27) angeordnete erste Fokussierlinseneinrichtung (15) zur Bereitstellung eines Ablenkfeldes, das auf die von den Orten des auf den Detektor (5) abgebildeten Bereichs austretenden Teilchen die Wirkung einer fokussierenden Linse hat.

4. Untersuchungssystem nach Anspruch 3, wobei das Ablenkfeld änderbar ist und die Steuerung ferner dazu vorgesehen ist, die erste Fokussierlinseneinrichtung (15) derart anzusteuern, daß eine optische Achse (59) der fokussierenden Linse quer zu deren Achsrichtung verlagerbar ist.

5. Untersuchungssystem nach Anspruch 4, wobei die Steuerung (25) ferner dazu vorgesehen ist, die erste Fokussierlinseneinrichtung (15) derart anzusteuern, daß deren optische Achse (59) den abgebildeten Bereich (7) unabhängig von der Verlagerung des abgebildeten Bereichs (7) insbesondere im wesentlichen zentral schneidet.

6. Untersuchungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Beleuchtungseinrichtung eine Photonenquelle (91) aufweist, um das Feld zu beleuchten, wobei die von den Orten des abgebildeten Bereichs (7) austretenden geladenen Teilchen durch Photonen der Photonenquelle (91) erzeugte Photoelektronen umfassen.

7. Untersuchungssystem nach Anspruch 6, wobei eine Ablenkeinrichtung (95) mit einem bewegbaren Spiegel vorgesehen ist, um durch Bewegung des Spiegels das beleuchtete Feld zu verlagern.

8. Untersuchungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Beleuchtungseinrichtung eine Elektronenquelle (31) aufweist, um das Feld zu beleuchten, und wobei die von den Orten des abgebildeten Bereichs (7) austretenden geladenen Teilchen durch Elektronen der Elektronenquelle (31) erzeugte Sekundärelektronen oder/und Rückstreuelektronen oder/und Transmissionselektronen umfassen.

9. Untersuchungssystem nach Anspruch 8, wobei die Beleuchtungseinrichtung wenigstens eine Blende (35) zur Formung eines das Feld beleuchtenden Beleuchtungsstrahls (29) oder/und zur Einstellung einer numerischen Apertur der Beleuchtung aufweist.

10. Untersuchungssystem nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Beleuchtungseinrichtung (31c) und die erste Fokussierlinseneinrichtung (15c') auf gegenüberliegenden Seiten der Objektebene angeordnet sind und die Beleuchtungseinrichtung (31c) eine durch die Steuerung (25c) ansteuerbare zweite Deflektoreinrichtung (15c) aufweist, um den Strahl zur Verlagerung des Feldes auszulenken.

11. Untersuchungssystem nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Beleuchtungseinrichtung (31; 31a; 31b) und die erste Fokussierlinseneinrichtung (15; 15a; 15b) auf einer gleichen Seite bezüglich der Objektebene angeordnet sind.

12. Untersuchungssystem nach Anspruch 11, wobei eine Strahlführungseinrichtung vorgesehen ist, um die von der Quelle (31; 31a; 31b) emittierten Elektronen durch den festen Strahlquerschnitt (27; 27a; 27b) in Richtung zu dem Objekt (3) hin zu führen, wobei die zu dem Objekt (3) hin verlaufenden Elektronen auch die erste Deflektoreinrichtung (24, 25) und die erste Fokussierlinseneinrichtung (15) durchlaufen.

13. Untersuchungssystem nach Anspruch 12, wobei, beim Durchlaufen der ersten Deflektoreinrichtung (15), die zu dem Objekt (3) hin verlaufenden Elektronen eine höhere kinetische Energie aufweisen als die von dem Objekt (3) zu dem Detektor (5) verlaufenden Elektronen, und wobei die erste Deflektoreinrichtung (23, 24) derart ausgebildet ist, daß das durch sie bereitgestellte Ablenkfeld für die zu dem Objekt (3) hin verlaufenden Elektronen und die von dem Objekt (3) zu dem Detektor (5) verlaufenden Elektronen im wesentlichen gleiche Ablenkungen (M) bereitstellt.

14. Untersuchungssystem nach Anspruch 13, wobei die erste Deflektoreinrichtung wenigstens einen Bereich (37) mit einem durch die Steuerung (25) änderbaren elektrischen Ablenkfeld und einem durch die Steuerung änderbaren magnetischen Ablenkfeld (40) aufweist, wobei Feldrichtungen des elektrischen und des magnetischen Ablenkfeldes sowie Bewegungsrichtungen der Elektronen in diesem Bereich (37) paarweise im wesentlichen orthogonal zueinander ausgerichtet sind.

15. Untersuchungssystem nach Anspruch 14, wobei die Steuerung (25) die erste Deflektoreinrichtung (23, 24) derart ansteuert, daß in dem wenigstens einen Bereich (37) in etwa die Beziehung
B = k.E
erfüllt ist, wobei
B eine Feldstärke des magnetischen Feldes in dem Bereich (37),
E eine Feldstärke des elektrischen Feldes in dem Bereich (37) und
k eine Konstante
ist.

16. Untersuchungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Strahlengang zwischen dem festen Strahlquerschnitt (27) und dem Detektor (5) ein abbildendes Energiefilter (67) für die geladenen Teilchen vorgesehen ist.

17. Ablenkvorrichtung zum Ablenken eines die Ablenkvorrichtung (23, 24) in einer ersten Richtung durchlaufenden ersten Strahls (29) geladener Teilchen, mit einem Volumen (37) zur Bereitstellung eines Ablenkfeldes für die beiden Strahlen, umfassend:
eine Stromleiterwindungsanordnung mit einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung um eine Achse (z) verteilt angeordneten Stromleiterwindungen (47) zur Erzeugung eines magnetischen Ablenkfeldes (40) in dem Volumen (37),
eine Elektrodenanordnung mit einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung um die Achse (z) verteilt angeordneten Elektroden (38) zur Erzeugung eines elektrischen Ablenkfeldes in dem Volumen (37),
eine Steuerung (25) zur Einstellung von den Stromleiterwindungen (47) jeweils zuzuführenden Strömen und zur Einstellung von den Elektroden (38) jeweils zuzuführenden Spannungen,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Ablenkvorrichtung (23, 24) ferner zum Ablenken eines die Ablenkvorrichtung in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung durchlaufenden zweiten Strahls (9, 10) geladener Teilchen vorgesehen ist, und daß
die Steuerung die Ströme und die Spannungen derart einstellt, daß der erste Strahl (29) um einen Winkel (β) abgelenkt wird, der im wesentlichen entgegengesetzt gleich einem Winkel (-β) ist, um den der zweite Strahl (9, 10) abgelenkt wird.

18. Ablenkvorrichtung nach Anspruch 17 oder dem Oberbegriff von Anspruch 17, wobei die Stromleiterwindungsanordnung einen oder eine Mehrzahl von mit axialem Abstand voneinander angeordneten Ringen (43) aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität aufweist und wobei die Stromleiterwindungen (47) jeweils wenigstens einen der Ringe (43) umgreifen.

19. Ablenkvorrichtung nach Anspruch 18, ferner umfassend ein Vakuumrohr, wobei die Ringe radial außerhalb und die Elektroden radial innerhalb des Vakuumrohrs angeordnet sind.

20. Verfahren zum Betrieb einer von einem ersten Strahl (29) geladener Teilchen durchsetzten Ablenkvorrichtung (23, 24), die in einem Volumen (37) ein elektrisches Feld bereitstellt, dessen Feldrichtung im wesentlichen orthogonal zur Strahlrichtung ausgerichtet ist, und die in dem Volumen (37) ein magnetisches Feld bereitstellt, dessen Feldrichtung im wesentlichen orthogonal zur Strahlrichtung und im wesentlichen orthogonal zu der Richtung des elektrischen Feldes ausgerichtet ist, wobei das Verfahren umfaßt:
Einstellen des elektrischen Feldes und des magnetischen Feldes derart, daß eine Richtung des ersten Strahls (29) nach Durchlaufen der Ablenkvorrichtung (23, 24) bezüglich einer Richtung des ersten Strahls (29) vor Durchlaufen der Ablenkvorrichtung (24, 25) einen ersten Winkel (β) aufweist,
Richten eines dem ersten Strahl entgegengesetzten zweiten Strahls (9, 10) geladener Teilchen durch die Ablenkvorrichtung (23, 24), so daß eine Richtung des zweiten Strahls (9, 10) nach Durchlaufen der Ablenkvorrichtung (23, 24) bezüglich einer Richtung des zweiten Strahls (9, 10) vor Durchlaufen der Ablenkvorrichtung (23, 24) einen zweiten Winkel (-β) aufweist, wobei das elektrische Feld und das magnetische Feld ferner derart eingestellt werden, daß der erste Winkel (β) entgegengesetzt gleich dem zweiten Winkel (-β) ist.

21. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der erste und der zweite Winkel durch Ändern des elektrischen und des magnetischen Feldes geändert werden und dabei in etwa die Beziehung
B(α) = k.E(α)
erfüllt ist, wobei
B eine Feldstärke des magnetischen Feldes,
E eine Feldstärke des elektrischen Feldes,
α der erste Winkel und
k eine Konstante
ist.

22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei im wesentlichen die Beziehung

erfüllt ist, wobei
V_z1 die Geschwindigkeit der Teilchen des ersten Strahls und
V_z2 die Geschwindigkeit der Teilchen des zweiten Strahls
ist.