DE102008025495A1

DE102008025495A1 - Elektronenmikroskopiesystem mit Spannungsversorgungssystem

Info

Publication number: DE102008025495A1
Application number: DE102008025495A
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Menard; Rainer Dr. Arnold
Original assignee: Carl Zeiss NTS GmbH
Current assignee: Carl Zeiss NTS GmbH
Priority date: 2008-05-28
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2009-12-10

Abstract

Ein Elektronenmikroskopiesystem mit einer Elektronenstrahlquelle, einer elektrostatischen Linse mit einer als Strahlrohr ausgebildeten Elektrode und einer Abschlusselektrode, einer magnetischen Linse, einem Elektronendetektor, und einem Spannungsversorgungssystem ist bereitgestellt. Das Spannungsversorgungssystem ist dazu konfiguriert, die Elektronenstrahlquelle auf ein negatives erstes Potential U1, das Strahlrohr auf ein positives zweites Potential, die Abschlusselektrode auf Massepotential, und das zu untersuchende Objekt auf ein positives drittes Potential zu legen. In einem ersten Betriebsmodus erlaubt das Elektronenmikroskopiesystem eine selektive Detektion von Rückstreuelektronen und in einem zweiten Betriebsmodus die Detektion von zusätzlich niederenergetischen Sekundärelektronen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektronenmikroskopiesystem mit einer Objektivlinse und einem Spannungsversorgungssystem. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Elektronenmikroskopiesystem, wobei die Objektivlinse durch eine elektrostatische Linse und eine magnetische Linse gebildet ist. Weiter insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Elektronenmikroskopiesystem mit einer elektrostatischen Linse und einer magnetischen Linse, wobei das Spannungsversorgungssystem zum Beaufschlagen von Spannungen an Komponenten der elektrostatischen Linse und zum Beaufschlagen einer Spannung auf ein zu untersuchendes Objekt ausgebildet ist.
Elektronenmikroskopiesysteme werden zur Untersuchung einer Oberfläche eines Objekts verwendet. Hierzu wird zunächst ein Primärelektronenstrahl mit einer bestimmten Primärenergie erzeugt und auf das Objekt gerichtet. In der Transmissionselektronenmikroskopie wird ein Primärelektronenstrahl mit relativ hoher Primärenergie, wie z. B. 100 keV, auf ein dünnes Objekt gerichtet und transmittierte Elektronen werden von einem Detektor detektiert. Dickere Objekte erlauben keine Transmission von Primärelektronen und somit können keine Elektronen in einer Richtung des Primärelektronenstrahls in einer Richtung hinter dem Objekt detektiert werden. In diesem Fall kann jedoch die Oberfläche des Objekts durch Detektieren der von der Oberfläche unter einer Vielzahl von Richtungen ausgehenden Elektronen, welche durch Auftreffen des Primärelektronenstrahls erzeugt sind, detektiert werden. Grundsätzlich treten eine Vielzahl von physikalischen Wechselwirkungen bei Auftreffen des Primärelektronenstrahls auf die Oberfläche des Objekts auf. Aufgrund der verschiedenen Arten der physikalischen Wechselwirkung verlassen die von der Oberfläche des Objekts ausgehenden Elektronen die Oberfläche des Objekts in verschiedenen Richtungen und mit verschiedenen Energien.
Unter Sekundärelektronen werden im Rahmen dieser Anmeldung Elektronen verstanden, welche durch verschiedene physikalische Prozesse bei Auftreffen des Primärelektronenstrahls aus der Oberfläche des Objekts und auch aus tieferen Schichten des Objekts ausgelöst werden. Die Sekundärelektronen weisen typischerweise relativ geringe Energien auf, wie etwa bis zu 50 bis 100 eV. Ein Teil des Primärelektronenstrahls, welcher auf die Oberfläche des Objekts auftrifft, wird von der Oberfläche des Objekts rückgestreut und verlässt die Oberfläche des Objekts als sogenannter Rückstreuelektronenstrahl. Die Rückstreuelektronen, welche diesen Rückstreuelektronenstrahl bilden, weisen Energien von etwa 50 eV bis zur Primärenergie des Primärelektronenstrahls auf.
Um die Oberfläche des Objekts ortsaufgelöst untersuchen zu können, wird der Primärelektronenstrahl auf einem kleinen Fleck auf der Oberfläche des Objekts fokussiert und die von diesem Fleck der Oberfläche des Objekts ausgehenden Elektronen, welche Sekundärelektronen und Rückstreuelektronen umfassen, werden von einem Elektronendetektor detektiert. Um einen größeren Bereich der Oberfläche des Objekts unter suchen zu können, wird der fokussierte Primärelektronenstrahl über den Bereich der Oberfläche des Objekts gescannt. Dazu kommen typischerweise magnetische und/oder elektrostatische Ablenkelemente zur Anwendung.
Zur Fokussierung des Primärelektronenstrahls auf die Oberfläche des Objekts wird eine Objektivlinse verwendet. Häufig wird dazu eine Kombination aus elektrostatischer Linse und magnetischer Linse eingesetzt. Die elektrostatische Linse umfasst dabei mindestens eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, wobei die erste Elektrode als ein Strahlrohr ausgebildet sein kann. Zwischen beiden Elektroden wird eine Spannung angelegt, um zumindest in einem Raumbereich zwischen den Elektroden ein fokussierendes elektrisches Feld zu erzeugen. Das Strahlrohr der elektrostatischen Linse wird typischerweise mit einer hohen positiven Spannung beaufschlagt, wie etwa +8 kV, während die zweite Elektrode, welche in Richtung des Primärelektronenstrahls in einem Abstand von dem Strahlrohr zum zu untersuchenden Objekt hin angeordnet ist, typischerweise auf Massepotential gehalten wird. Somit erzeugt die elektrostatische Linse für die Primärelektronen ein Verzögerungsfeld, wodurch die Primärelektronen vor Auftreffen auf die Oberfläche des Objekts abgebremst werden. Dabei weist die auch als Abschlusselektrode bezeichnete zweite Elektrode der elektrostatischen Linse eine Durchtrittsöffnung zum Durchtritt des Primärelektronenstrahls auf das Objekt auf. Das Verzögerungsfeld für den Primärelektronenstrahl ist besonders stark zwischen dem Strahlrohr und der Abschlusselektrode. Typischerweise greift jedoch das Verzögerungsfeld durch die Durchtrittsöffnung der Abschlusselektrode hindurch, so dass zwischen der Abschlusselektrode und der Oberfläche des Objekts eine weitere Verzögerung der Primärelektronen vor Auftreffen auf der Oberfläche des Objekts erfolgt.
Die magnetische Linse umfasst häufig einen inneren Polschuh und einen äußeren Polschuh und Spulenwicklungen, welche um mindestens einen Polschuh angeordnet sind. Bei Stromfluss durch die Spulenwicklungen wird ein magnetisches Feld erzeugt, welches in einem Polschuhspalt zwischen Enden der Polschuhe austritt und fokussierend auf den Primärelektronenstrahl wirkt. Bei einer sogenannten Immersionslinse ist das die erste Elektrode bildende Strahlrohr der elektrostatischen Linse in einem unteren Teil eines durch den inneren Polschuh der magnetischen Linse gebildeten Innenraums angeordnet.
Der Elektronendetektor kann an verschiedenen Orten des Elektronenmikroskopiesystems angeordnet sein. Als vorteilhaft hat sich eine Anordnung des Elektronendetektors innerhalb des Strahlrohrs der elektrostatischen Linse erwiesen. Dabei können von der Oberfläche des Objekts ausgehende und durch das erwähnte Zugfeld in des Strahlrohr gezogene Elektronen detektiert werden, um ein elektronenmikroskopisches Bild der Oberfläche des Objekts zu erzeugen. Ein solches System ist z. B. aus der Druckschrift EP 1 439 565 A2 bekannt.
Zur elektronenmikroskopischen Abbildung der Oberfläche des Objekts werden vornehmlich Sekundärelektronen von dem Elektronendetektor detektiert, da diese in großer Zahl von der Oberfläche des Objekts ausgehen. Es ist auch bekannt, dass sich Sekundärelektronen nicht für eine Abbildung der Oberfläche sämtlicher Objekte optimal eignen, insbesondere wenn verschiedene Materialien auf der Oberfläche des Objekts abgebildet und unterschieden werden müssen. Im Vergleich zu Sekundärelektronen haben die oben erwähnten Rückstreuelektronen für Elemente unterschiedlicher Ordnungszahlen stärker verschieden große Streuquerschnitte. Aus diesem Grunde kann durch Detektion von Rückstreuelektronen ein verglichen mit der Detektion von Sekundärelektronen erhöhter Materialkontrast detektiert werden. Um jedoch Rückstreuelektronen, welche verglichen mit Sekundärelektronen einen kleineren Anteil der von der Oberfläche des Objekts ausgehenden Elektronen ausmachen, selektiv detektieren zu können, sind spezielle Detektoranordnungen erforderlich. Vorteilhafterweise sollten diese Detektoranordnungen derart ausgebildet sein, wahlweise entweder Sekundärelektronen oder Rückstreuelektronen zu detektieren.
In der oben erwähnten Druckschrift EP 1 439 565 A2 ist ein Elektronendetektor innerhalb eines Strahlrohrs der elektrostatischen Linse angeordnet und mit einem Gegenfeldgitter ausgestattet, um eine Detektion nur der gegenüber den Sekundärelektronen höher energetischen Rückstreuelektronen zu erlauben. Dazu ist weiterhin vor dem Rückstreuelektronendetektor eine Apertur angeordnet, um eine effektive Filterung zu erlauben. Ein weiterer näher zu dem Objekt hin angeordneter Detektor ist bereitgestellt, um Sekundärelektronen zu detektieren. Dieser weitere Elektronendetektor, welcher zur Detektion der Sekundärelektronen vorgesehen ist, detektiert jedoch nicht nur Sekundärelektronen sondern auch Rückstreuelektronen. Somit ist ein durch diesen Detektor erzeugtes elektronenmikroskopisches Bild durch Detektion eines Gemisches aus Sekundärelektronen und Rückstreu elektronen gebildet, was eine Interpretation des elektronenmikroskopischen Bildes erschwert. Auf der anderen Seite ist eine Intensität von durch den als Rückstreuelektronendetektor ausgelegten Detektor detektierten Elektronen sehr gering, so dass das von dem als Rückstreuelektronendetektor ausgelegten Detektor aufgenommene elektronenmikroskopische Bild einen hohen Rauschanteil aufweist und somit schwer auswertbar ist.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Mikroskopiesystem bereitzustellen, welches eine Abbildung einer Oberfläche eines Objekts mit hohem Materialkontrast erlaubt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Mikroskopiesystem bereitzustellen, welches eine Aufnahme elektronenmikroskopischer Bilder hoher Intensität erlaubt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Partikelstrahlmikroskopiesystem bereitgestellt mit einer Objekthalterung zum Haltern eines Objekts in einer Objektebene; einer Partikelquelle zum Erzeugen eines geladenen Partikelstrahls; einer Objektivlinse zum Fokussieren des Partikelstrahls in der Objektebene, wobei die Objektivlinse eine zwischen der Partikelquelle und der Objektebene angeordnete und der Objektebene am nächsten gelegene Abschlusselektrode umfasst; einem Elektronendetektor zum Detektieren von von dem Objekt ausgehenden Elektronen; und einem Spannungsversorgungssystem, welches dazu ausgebildet ist, an die Objekthalterung oder das Objekt ein höheres elektrisches Potential, insbesondere ein um mindestens 100 V höheres elektrisches Potential, anzulegen als an die Abschlusselektrode.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Partikelquelle eine Elektronenquelle zum Erzeugen von Elektronen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung um fasst die Objektivlinse eine magnetische Linse mit einem inneren und einem äußeren Polschuh, wobei zwischen dem inneren und dem äußeren Polschuh ein Polschuhspalt gebildet ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Objektivlinse eine als Strahlrohr ausgebildete Elektrode.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Elektronenmikroskopiesystem bereitgestellt mit einer Objekthalterung zur Halterung einer Oberfläche eines zu untersuchenden Objekts in einer Objektebene des Elektronenmikroskopiesystems; einer Elektronenstrahlquelle zum Erzeugen eines Primärelektronenstrahls; einer Objektivlinse zum Fokussieren des Primärelektronenstrahls in der Objektebene mit einem inneren Polschuh und einem äußeren Polschuh, wobei ein Polschuhspalt zwischen dem inneren und dem äußeren Polschuh gebildet ist, sowie mit einem den inneren Polschuh wenigstens teilweise durchsetzenden als Elektrode ausgebildeten Strahlrohr und einer zwischen dem Strahlrohr und der Objektebene und mit Abstand von dem Strahlrohr angeordneten Abschlusselektrode mit einer Durchtrittsöffnung; einem Elektronendetektor zur Detektion von durch den Primärelektronenstrahl am Objekt erzeugten Sekundärelektronen oder/und Rückstreuelektronen, wobei ein Strahlengang der Sekundärelektronen bzw. Rückstreuelektronen zwischen der Oberfläche des Objekts und dem Elektronendetektor die Durchtrittsöffnung der Abschlusselektrode durchsetzt; und einem Spannungsversorgungssystem, welches dazu konfiguriert ist, in einem ersten Betriebsmodus die Elektronenstrahlquelle auf ein bezüglich eines Bezugspotentials negatives erstes Potential zu legen, das Strahlrohr auf ein bezüglich des Bezugspotentials positives zweites Potential zu legen, die Abschlusselektrode auf das Bezugspotential, insbesondere auf Massepotential, zu legen, und das zu untersuchende Objekt auf ein bezüglich des Bezugspotentials drittes Potential zu legen; wobei für das negative erste Potential U1 gilt: 0 > U1 > –50 kV, wobei für das positive zweite Potential U2 gilt: 0 < U2 < 12 kV, und wobei für das dritte Potential U3 gilt: 100 V < U3 < –U1.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Elektronenmikroskopiesystem bereitgestellt, welches eine Objekthalterung zur Halterung eines zu untersuchenden Objekts so, dass eine Oberfläche des Objekts in einer Objektebene des Elektronenmikroskopiesystems angeordnet ist; eine Elektronenstrahlquelle; eine Objektlinse zum Fokussieren eines von der Elektronenstrahlquelle erzeugten Primärelektronenstrahls in der Objektebene; einen Elektronendetektor zur Detektion von durch den Primärelektronenstrahl am Objekt erzeugten Sekundärelektronen oder/und Rückstreuelektronen; und ein Spannungsversorgungssystem umfasst. Die Objektivlinse umfasst dabei eine bezüglich einer optischen Achse des Systems eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Polschuhanordnung zur Erzeugung eines fokussierenden Magnetfeldes, wobei die Objektivlinse einen inneren Polschuh und einen äußeren Polschuh aufweist, wobei ein Polschuhspalt zwischen dem inneren und dem äußeren Polschuh gebildet ist. Weiter weist die Objektivlinse eine bezüglich der optischen Achse des Systems im Wesentlichen rotations symmetrische Elektrodenanordnung zur Erzeugung eines fokussierenden elektrischen Feldes auf, wobei die Elektrodenanordnung ein den inneren Polschuh wenigstens teilweise durchsetzendes Strahlrohr und eine zwischen dem Strahlrohr und der Objektebene und mit Abstand von dem Strahlrohr angeordnete Abschlusselektrode mit einer Durchtrittsöffnung umfasst. Der Elektronendetektor zur Detektion von durch den Primärelektronenstrahl am Objekt erzeugten Sekundärelektronen oder/und Rückstreuelektronen ist derart konfiguriert, dass ein Strahlengang der Sekundärelektronen bzw. Rückstreuelektronen zwischen der Oberfläche des Objekts und dem Elektronendetektor die Durchtrittsöffnung der Abschlusselektrode durchsetzt. Der Elektronendetektor detektiert somit von der Oberfläche des Objekts ausgehende Elektronen, welche durch die Durchtrittsöffnung der Abschlusselektrode getreten sind. Der Elektronendetektor kann außerhalb der Objektivlinse oder innerhalb der Objektivlinse angeordnet sein. Der Elektronendetektor kann z. B. seitlich, d. h. in einer radialen Richtung senkrecht zur optischen Achse, neben der Objektivlinse angeordnet sein. Das Spannungsversorgungssystem ist dazu konfiguriert, in einem ersten Betriebsmodus die Elektronenstrahlquelle auf ein bezüglich eines Bezugspotentials negatives erstes Potential zu legen, das Strahlrohr auf ein bezüglich des Bezugspotentials positives zweites Potential zu legen, die Abschlusselektrode auf das Bezugspotentials, insbesondere Massepotential, zu legen, und das zu untersuchende Objekt auf ein bezüglich des Bezugspotentials drittes Potential zu legen, wobei für das negative erste Potential U1 gilt: 0 > U1 > –50 kV, wobei das positive zweite Potential U2 gilt: 0 < U2 < 12 kV undwobei für das dritte Potential U3 gilt: 100 V < U3 < –U1.
Die Elektronenstrahlquelle kann eine Feldemmissionskathode und eine Reihe von Extraktions- oder/und Strahlformungselektroden umfassen.
Das Spannungsversorgungssystem ist ausgebildet, an das zu untersuchende Objekt das dritte Potential U3 zu legen. Dies kann durch direktes oder indirektes elektrisches Verbinden einer auf diesem dritten Potential U3 liegenden Elektrode mit dem Objekt erfolgen. Die auf dem dritten Potential U3 liegende Elektrode kann zum Beispiel an das Objekt angelötet sein oder mit diesem elektrisch leitend verschraubt sein. Alternativ kann die auf dem dritten Potential U3 liegende Elektrode elektrisch mit der Objekthalterung zur Halterung des zu untersuchenden Objekts elektrisch verbunden sein. In diesem Fall ist ein elektrisch leitfähiger Teil der Objekthalterung, mit welchem die auf dem dritten Potential U3 liegende Elektrode verbunden ist, elektrisch leitend mit dem zu untersuchenden Objekt verbunden.
Das an dem zu untersuchenden Objekt anliegende dritte Potential U3 ist in Ausführungsformen der Erfindung größer als 100 V, insbesondere größer als 200 V, weiter insbesondere größer als 300 V, und noch weiter insbesondere größer als 400 V, um zu verhindern, dass Rückstreuelektronen mit relativ geringen Energien zum Detektor gelangen. Wenn das zu untersuchende Objekt auf ein positives Potential bezüglich Massepotential gelegt ist und die der Oberfläche des Objekts gegenüber angeordnete Abschlusselektrode auf Massepotential liegt, ist vorzugsweise ein elektrisches Feld erzeugt, welches von der Oberfläche des Objekts ausgehende Elektronen zu der Oberfläche des Objekts hin zieht. Auf diese Weise können von der Oberfläche des Objekts ausgehende Elektronen, welche eine kinetische Energie kleiner als eine Schwellenenergie aufweisen, an einem Durchtritt durch die Durchtrittsöffnung der Abschlusselektrode gehindert werden. Damit ist eine Filterung von von der Oberfläche des Objekts ausgehenden Elektronen, welche die Durchtrittsöffnung der Abschlusselektrode durchtreten, hinsichtlich ihrer kinetischen Energie ermöglicht. Damit ist eine selektive Detektion von von der Oberfläche ausgehenden Elektronen ermöglicht, welche eine kinetische Energie aufweisen, die höher als eine Schwellenenergie ist. Damit können durch den Elektronendetektor gezielt von der Oberfläche des Objekts ausgehende Rückstrahlelektronen detektiert werden, ohne zusätzlich Sekundärelektronen zu detektieren, welche eine kinetische Energie niedriger als die Schwellenenergie aufweisen. Das Elektronenmikroskopiesystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfordert keine Aperturblende in einem Strahlengang der detektierten Elektronen, um somit eine Detektion von Rückstreuelektronen zu erlauben, welche in einem großen Raumwinkel von der Oberfläche des Objekts ausgehen. Damit ist eine Detektionseffizienz verbessert.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Elektrodenanordnung und das Spannungsversorgungssystem derart konfiguriert, dass in dem ersten Betriebsmodus an der Oberfläche des Objekts ein von der Oberfläche weg orientiertes elektrisches Feld gebildet ist. Ein elektrisches Feld wird durch einen Vektor mit drei Komponenten beschrieben. Das elektrische Feld kann somit in eine Komponente senkrecht zu der Oberfläche des Objekts und eine Komponente, welche in der Oberfläche des Objekts liegt, zerlegt werden. Bei einem von der Oberfläche des Objekts weg orientierten elektrischen Feld weist die Komponente des elektrischen Feldes senkrecht zu der Oberfläche des Objekts von dem Objekt weg. Die Komponente des elektrischen Feldes, welche in der Oberfläche des Objekts liegt, kann irgend eine beliebige Richtung aufweisen.
Eine auf ein geladenes Teilchen einer Ladung in einem elektrischen Feld wirkende Kraft kann durch Multiplikation der Ladung des Teilchens mit dem Feld erhalten werden. Da Elektronen eine negative Ladung besitzen, wirkt somit auf ein Elektron, welches von der Oberfläche des Objekts ausgeht, an der Oberfläche des Objekts eine Kraft, welche zumindest eine Komponente aufweist, welche zu der Oberfläche des Objekts gerichtet ist. Von der Oberfläche des Objekts ausgehende Elektronen werden bei einer derartigen Konfiguration und Einstellung der Potentiale durch das Spannungsversorgungssystem an einem Durchtritt durch die Durchtrittsöffnung der Abschlusselektrode gehindert, sofern sie nicht eine kinetische Energie aufweisen, welche eine Schwellenenergie übersteigt.
Die Größe des elektrischen Feldes, d. h. die Länge des Vektors, welcher das elektrische Feld beschreibt, hängt zumindest von einem Abstand (Arbeitsabstand) des Objekts von der Abschlusselektrode, einer Leitfähigkeit des Objekts, einer Topografie des Objekts, einer Geometrie der Abschlusselektrode, sowie von dem dritten Potential U3.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Elektrodenanordnung und das Spannungsversorgungssystem derart konfiguriert, dass in dem ersten Betriebsmodus entlang des Strahlenganges der Sekundärelektronen ein elektrisches Potential U4 vorgesehen ist, für welches gilt: U4 < U3 – 50 V.
Damit müssen von der Oberfläche des Objekts ausgehende Elektronen einen Potentialwall von 50 V überwinden, um nach Durchtritt durch die Durchtrittsöffnung der Abschlusselektrode zu dem Elektronendetektor zu gelangen. Der Potentialwall umringt zwischen der Abschlusselektrode und der Oberfläche des Objekts einen Auftreffpunkt des Primärelektronenstrahls. Bei gegebenen Potentialen und gegebener Geometrie der Anordnung aus Objekt, Abschlusselektrode und Strahlrohr kann ein Potentialverlauf zwischen Objekt und Strahlrohr durch bekannte Methoden, wie etwa numerisches Lösen der Gleichungen der Elektrostatik, berechnet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Spannungsversorgungssystem derart konfiguriert, dass in dem ersten Betriebsmodus gilt: 200 V < U3, insbesondere 400 V < U3, weiter insbesondere 600 V < U3.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Spannungsversorgungssystem derart konfiguriert, in einem zweiten Betriebsmodus die Elektronenstrahlquelle, das Strahlrohr, die Abschlusselektrode und das zu untersuchende Objekt auf solche Potentiale zu legen, dass für das negative erste Potential U1 gilt: 0 > U1 > –50 kV,für das positive zweite Potential U2 gilt: 0 < U2 < 12 kV, undfür das dritte Potential U3 gilt: U3 < 50 V.
Eine kinetische Energie von von der Oberfläche des Objekts ausgehenden Elektronen, welche durch den Elektronendetektor detektiert werden, kann kleiner sein als eine kinetische Energie von von der Oberfläche des Objekts ausgehenden Elektronen, welche in dem ersten Betriebsmodus von dem Elektronendetektor detektiert werden. Während in dem ersten Betriebsmodus Rückstreuelektronen hoher kinetischer Energie von dem Elektronendetektor detektiert werden können, können in dem zweiten Betriebsmodus auch niederenergetische Sekundärelektronen von dem Elektronendetektor detektiert werden. Das erfinderische Elektronenmikroskopiesystem erlaubt somit durch Beaufschlagen von verschiedenen Spannungen an die Elektronenstrahlquelle, das Strahlrohr, die Abschlusselektrode und das zu untersuchende Objekt ein Umschalten zwischen einer Detektion von lediglich hochenergetischen Rückstreuelektronen und Detektion auch von niederenergetischen Sekundärelektronen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Spannungsversorgungssystem derart konfiguriert, in dem zweiten Betriebsmodus das zu untersuchende Objekt auf Massepotential zu legen. Typischerweise herrscht bei dieser Ausführungsform ein Zugfeld im Bereich der Oberfläche des Objekts, welches von der Oberfläche des Objekts ausgehende Elektronen durch die Durchtrittsöffnung der Abschlusselektrode hindurch in das Strahlrohr zieht. Damit kann eine Intensität von durch den Elektronendetektor detektierten Elektronen erhöht werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Objektivlinse zur Erzeugung des fokussierenden Magnetfeldes ferner eine Spule und ist das Spannungsversorgungssystem ferner dazu konfiguriert, der Spule in dem ersten Betriebsmodus einen ersten Erregungsstrom zuzuführen und der Spule in dem zweiten Betriebsmodus einen von dem ersten Erregungsstrom verschiedenen zweiten Erregungsstrom zuzuführen. Durch Ändern des Erregungsstroms durch die Spule wird das fokussierende Magnetfeld der Objektivlinse geändert. Damit kann nach Änderung der an die Komponenten des Systems angelegten Potentiale eine Fokussierung des Primärelektronenstrahls auf die Oberfläche des Objekts beibehalten werden.
Eine Anpassung der Fokussierung des Elektronenstrahls in den beiden Betriebsmoden kann alternativ oder zusätzlich zu der Änderung des Erregungsstroms auch durch Änderung des Potentials U2 oder/und durch Änderung des Potentials U1 erreicht werden. Dazu sind beide Potentiale mit einer Genauigkeit von 0,1 V einstellbar.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Betrag eines Verhältnisse zwischen einer Differenz des ersten Erregungsstroms und des zweiten Erregungsstroms und dem ersten Erregungsstrom kleiner als 10^–3, insbesondere kleiner als 10^–6.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Spannungsversorgungssystem derart konfiguriert ist, dass gilt: 2 kV < U2.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Abschlusselektrode eine zu der optischen Achse im Wesentlichen rotationssymmetrische konische Form auf, wobei sich eine Ausdehnung der Abschlusselektrode in einer radialen Richtung senkrecht zu der optischen Achse in einer Richtung entlang der optischen Achse zum Objekt hin verkleinert und die Abschlusselektrode die Durchtrittsöffnung an einem dem Objekt am Nächsten gelegenen Ende der Abschlusselektrode aufweist, wobei der Durchmesser der Abschlusselektrode kleiner ist als 6 mm, insbesondere kleiner oder gleich 5 mm. Durch die konische Form der Abschlusselektrode kann auch eine Oberfläche eines Objekts untersucht werden, deren Normalenrichtung gegen die optische Achse des Systems verkippt ist.
Gemäß einer Ausführungsform gilt für einen Winkel α' zwischen der optischen Achse und einer Schnittlinie zwischen einer Außenfläche der Abschlusselektrode und einer die optische Achse enthaltenen Ebene: 20° < α' < 70°.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gilt in einem Bereich innerhalb von wenigstens 3 cm um den Polschuhspalt, dass sich der innere Polschuh wenigstens bereichsweise zum Objekt hin verjüngt und dass sich der äußere Polschuh wenigstens bereichsweise konisch zum Objekt hin erstreckt. Damit wird eine Untersuchung bei verkipptem Objekt ermöglicht. Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, wobei ein Außenfläche der Abschlusselektrode und zumindest ein der Außenfläche der Abschlusselektrode benachbarter Teilbereich einer Außenfläche des äußeren Polschuhs fluchten.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Objektivlinse dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich innerhalb von wenigstens 3 cm um den Polschuhspalt herum gilt:

– der äußere Polschuh erstreckt sich nach unten, insbesondere verjüngt er sich hierbei wenigstens bereichsweise, und weist einen äußeren Konuswinkel (α) zur z-Richtung auf, und dass weiterhin gilt:
– 30° < α < 40° und dass weiterhin
– ein Arbeitsabstand zwischen der Abschlusselektrode und der Objektebene für Elektronen, die das Strahlrohr mit etwa 30 keV durchlaufen, kleiner als oder gleich 2 mm ist.

Zumindest in einem Bereich innerhalb von etwa 3 cm um den Polschuhspalt liegt α erfindungsgemäß in einem Bereich von 30° bis 40°, wobei mit dieser Anordnung bei Verwendung von Elektronen, die das Strahlrohr mit etwa 30 keV durchlaufen, ein Arbeitsabstand zwischen der Abschlusselektrode und der Objektebene kleiner als oder gleich 2 mm erreicht wird.
An einer in z-Richtung untersten Stelle des inneren Polschuhs weist dieser von dem äußeren Polschuh einen in z-Richtung orientierten Spaltabstand auf, wo zwischen dem inneren und dem äußeren Polschuh ein Polschuhspalt ausgebildet ist. Im Bereich des Polschuhspalts tritt das Magnetfeld in Richtung der optischen Achse aus. Die Abmessungen des Polschuhspalts haben Einfluss auf die Stärke wie auch die räumliche Ausdehnung des magnetischen Feldes auf der optische Achse und damit auf die Fokuslänge der Objektivlinse. Es wird ein Polschuhspaltabstand von mindestens 3 mm gewählt. Bei der Angabe dieses Abstandes ist zu beachten, dass es sich hier gewissermaßen um einen effektiven Polschuhspaltabstand handelt. Das bedeutet, dass es möglich ist, durch Hinzufügen weiteren Materials in Form beispielsweise eines dünnen Fortsatzes oder dünner Filme oder Folien den Polschuhspalt bzw. Polschuhabstand zwar unter einem geometrischen, nicht jedoch unter einem funktionellen Aspekt zu verkleinern. Durch dieses hinzugefügte Material werden nämlich infolge magnetischer Sättigung im hinzugefügten Material das von der Magnetlinse erzeugte Magnetfeld und damit die von dem inneren und äußeren Polschuh ausgehenden magnetischen Feldlinien nicht wesentlich beeinflusst, oder das Material wird an einer Stelle hinzugefügt, an der sich ohnehin kaum noch Fluss im Polschuh befindet.
Der Polschuhspalt, das Strahlrohr und die Abschlusselektrode sind derart angeordnet, dass sich ein in dem Polschuhspalt gebildetes magnetisches Feld mit einem durch das mit Spannung beaufschlagte Strahlrohr und die Abschlusselektrode gebildeten elektrischen Feld überlappen.
Gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zeichnet sich eine Objektivlinse, alternativ oder ergänzend zu der obig beschriebenen besonderen geometrischen Ausgestaltung der durch die Polschuhanordnung ausgebildeten Magnetlinse, durch eine magnetische Kopplung des äußeren Polschuhs und der Abschlusselektrode aus. Diese magnetische Kopplung wird dadurch erreicht, dass der äußere Polschuh, welcher nach außen im Wesentlichen durch eine Konusfläche mit einem Konuswinkel (α) zur z-Richtung begrenzt ist, und die Abschlusselektrode, welche nach außen im Wesentlichen durch eine Konusfläche mit einem Konuswinkel (α') zur z-Richtung begrenzt ist, magnetisch miteinander gekoppelt sind. Diese magnetische Kopplung bewirkt eine bessere Abschirmung des Magnetfeldes zu Bereichen außerhalb der Objektivlinse hin, was besonders vorteilhaft ist in Fällen, in denen das Magnetfeld mit einer Probe störend interferiert.
In einer Ausführungsform wird die magnetische Kopplung zwischen Abschlusselektrode und äußerem Polschuh dadurch erreicht, dass ein Spalt zwischen der Abschlusselektrode und dem äußeren Polschuh kleiner als 0,6 mm und noch mehr bevorzugt kleiner als 0,2 mm ist. Ein solcher Spalt zwischen Abschlusselektrode und äußerem Polschuh wird vorteilhaft dadurch ausgebildet, dass sich ein Bereich der Abschlusselektrode und ein Bereich des äußeren Polschuhs flächig gegenüberliegen.
Besonders bevorzugt wird die Abschlusselektrode durch eine sich von einem unteren Bereich des äußeren Polschuhs aus entlang der Innenseite des inneren Polschuhs erstreckenden Kunststoffisolierung sowie elektrisch isolierte Klammern gehalten. Dies erlaubt, die Abschlusselektrode unabhängig vom äußeren Polschuh austauschen zu können.
Weiter bevorzugt ist eine Anordnung von äußerem Polschuh und Abschlusselektrode, in der die sich zumindest teilweise im Wesentlichen konisch erstreckenden Außenseiten des äußeren Polschuhs und der Abschlusselektrode miteinander fluchten.
Die Abschlusselektrode ist vorteilhaft derart gestaltet, dass sie sich bis zu einer zentralen Öffnung an einem unteren Ende der Abschlusselektrode hin im Wesentlichen konisch verjüngt und so das elektrische Feld vergleichsweise nahe an einem Objekt bzw. einer Probe bereitgestellt wird. Der Innendurchmesser der zentralen Öffnung der Abschlusselektrode entspricht im Wesentlichen einem Innendurchmesser des Strahlrohrs, es sind aber auch Ausführungsformen vorgesehen, in denen die zentrale Öffnung am unteren Ende der Abschlusselektrode einen anderen Innendurchmesser aufweist als der Innendurchmesser des Strahlrohrs.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist das untere Ende des Strahlrohrs einen Endflansch auf, welcher sich radial über einen Außendurchmesser des Strahlrohrs hinaus erstreckt. Dabei weist der das Strahlrohr umschließende Endflansch einen Abstand zu der Abschlusselektrode auf, welcher groß genug ist, um ein Auftreten elektrischer Überschläge oder Kurzschlüsse zu verhindern. Dieser Endflansch ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass er im Axialquerschnitt von einem in Richtung der Objektebene weisenden Frontabschnitt zu einem Mantelabschnitt in verrundeter Form übergeht, wobei diese Verrundung einen Krümmungsradius von mindestens einem Millimeter aufweist. Der Endflansch kann auch derart ausgestaltet sein, dass ein Übergang von der den Innendurchmesser begrenzenden Innenwand des Strahlrohrs zur Frontfläche verrundet ausgebildet ist.
Bevorzugt sind in der Objektivlinse weiterhin mehrere Ablenkspulen zum Ablenken des Elektronenstrahls vorgesehen, so dass der Elektronenstrahl über einen definierten Bereich einer Objektoberfläche rastern kann. Neben der voranstehend beschriebenen Objektivlinse umfasst ein Elektronenmikroskopiesystem weitere Komponenten: eine Probenkammer, in der ein zu untersuchendes Objekt angeordnet ist, Elektronenoptik mit einer oder mehreren elektrostatischen und/oder magnetischen Linse(n), zumindest ein Vakuumsystem zum Evakuieren zumindest der vom Elektronenstrahl durchsetzten Räume des Elektronenmikroskops und der Probenkammer.
Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt schematisch in Schnittansicht ein Elektronenmikroskopiesystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt schematisch in vereinfachter Schnittansicht das Elektronenmikroskopiesystem der 1; und
3 zeigt ein Diagramm, welches elektrische Potentiale an Komponenten des Elektronenmikroskopiesystems der 1 und 2 illustrieren.
Die in 1 und 2 dargestellte Objektivlinse 100 dient zur Fokussierung eines Elektronenstrahls in einer Elektronenmikroskopieanordnung. Die Objektivlinse 100 umfasst eine Magnetlinse sowie eine elektrostatische Linse, sodass die Fokussierung sowohl elektrostatisch wie auch magnetisch erfolgt. Die elektrostatische Linse dient auch zum Abbremsen der Elektronen des Primärelektronenstrahls. Die Magnetlinse umfasst eine Polschuhanordnung mit einem inneren Polschuh 111 und einem äußeren Polschuh 112. Beide Polschuhe 111, 112 sind um eine zentrale optische Achse 101, d. h. den Strahlengang eines Primärelektronenstrahls 106 umschließend, rotationssymmetrisch ausgebildet.
Der innere Polschuh 111 weist in z-Richtung (optische Achse) im Wesentlichen eine konische Form auf und verjüngt sich in diesem konusförmigen Bereich kontinuierlich in Richtung zur Objektebene hin.
Der äußere Polschuh 112 erstreckt sich bis zu einem oberen Flanschbereich 112' im Wesentlichen konisch in z-Richtung. Dabei erstreckt sich eine äußere Seite 181 unter einem Winkel α (zwischen 35° und 45°, insbesondere etwa 40°), zur optischen Achse 101 radial nach außen. An einer untersten Stelle 182 des äußeren Polschuhs 112 weist dieser eine zentrale Öffnung auf, deren Innendurchmesser im Wesentlichen gleich dem Innendurchmesser der Öffnung an einer in z-Richtung untersten Stelle 192 im inneren Polschuh 111 entspricht.
In einem zwischen dem inneren Polschuh 111 und dem äußeren Polschuh 112 gebildeten Innenraum ist ein Spulenkörper 115 angeordnet. Der Spulenkörper 115 umfasst koaxial zur optischen Achse angeordnete Drahtspulen. Der Spulenkörper 115 ist durch eine Ummantelung 120 eingeschlossen. An einen vertikalen Fortsatz der Ummantelung 120 schließt sich in horizontaler Richtung nach radial außen ein von Kühlwasser durchflossenes Rohr 121 an.
Zwischen einer untersten Stelle 192 des inneren Polschuhs 111 und einer untersten Stelle 182 des äußeren Polschuhs 112 wird ein parallel zur z-Richtung verlaufender, axialer Polschuhspalt 119 mit einem Polschuhabstand ausgebildet. Der Polschuhspalt 119 hat in dieser Ausführungsform eine axiale Länge von etwa 6 mm.
Die Anordnung und Ausgestaltung des Polschuhspalts 119 ist für die Funktion der Magnetlinse von großer Bedeutung. Die Polschuhe 111, 112 ”klammern” in gewisser Weise das magnetische Feld. Die Feldlinien verlaufen zwischen dem äußeren und dem inneren Polschuh in Richtung optischer Achse 101 in bauchig ausgewölbter Form. Eine maximale Feldstärke auf der optischen Achse 101 wird im Bereich des Polschuhspalts 119 erreicht, wobei die Feldstärke des erzeugten magnetischen Feldes im Wesentlichen in z-Richtung eine Glockenform aufweist.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist an dem untersten Ende 192 des inneren Polschuhs 111 im Polschuhspalt 119 ein flacher Stützring 116 aus nicht-magnetischem Material angeordnet, der den gleichen Innendurchmesser wie der hohlzylinderförmige Bereich 111' des inneren Polschuhs 111, jedoch einen größeren Außendurchmesser aufweist.
Im Polschuhspalt ist weiterhin ein aus elastischem Material gefertigter Dichtungsring 130 vorgesehen, der an Bereichen des Stützrings 116, des äußeren Polschuh 112 und einem unteren Bereich einer Isolierung 118' anliegt und eine Dichtung des durch die Polschuhe 111, 112 eingeschlossenen Raumes von dem Vakuumraum im Bereich eines zu untersuchenden Objekts und innerhalb des Elektronenmikroskopiesystems bereitstellt.
Die Polschuhanordnung ist aus einer Eisen-Nickel-Legierung durch Drehen und anschließendes Ausglühen gefertigt.
In den Innenradius des hohlzylinderförmigen Bereichs 118' der Isolierung 118 ist das eine erste Elektrode der elektrostatischen Linse ausbildende Strahlrohr 113 eingepasst. Das Strahlrohr 113 erstreckt sich in z-Richtung sowohl über ein oberes wie auch eine unteres Ende des Hohlzylinderbereichs 118' der Isolierung 118 hinaus. Der Innendurchmesser des Strahlrohrs 113 beträgt etwa 4,5 mm. Ein unteres Ende des Strahlrohrs 113 weist einen Abstand zur untersten Stelle 182 des äußeren Polschuhs 112 von etwa 5 mm auf.
In einem Flanschbereich der Isolierung 118 ist in einer dem inneren Polschuh 111 zugewandten Seite der Isolierung 118 eine ringförmige Aussparung zur Aufnahme eines Dichtungsrings 133 vorgesehen.
Des weiteren weist die elektrostatische Linse der Objektivlinse 100 eine Abschlusselektrode 114 als eine zweite Elektrode auf. Diese Abschlusselektrode 114 ist im Wesentlichen von konischer Form, wobei ein Winkel zwischen einer äußeren Seite der Abschlusselektrode 114 und der Achse 101 gleich dem Winkel α zwischen der äußeren Seite 181 des äußeren Polschuhs 112 und der Achse 101 ist, wobei äußerer Polschuh 112 und Abschlusselektrode 114 miteinander fluchten. Die Abschlusselektrode 114 verjüngt sich in z-Richtung bis hin zu einer zentralen Öffnung von etwa 5 mm Innendurchmesser.
Die Abschlusselektrode 114 wird durch zwei gegenüberliegende, in einem oberen Bereich mit Schrauben 151 am äußeren Polschuh 112 befestigte Klammern 150 gehalten. Die Klammern 150 sind in ihrem unteren Bereich an einem obersten konusförmigen Abschnitt der Abschlusselektrode 114 angeordnet. Die Abschlusselektrode wird durch die Isolierung 118' gehalten und zentriert. Zur elektrischen Isolation der Klammern 150 vom äußeren Polschuh 112 wird keramisches Isolierungsmaterial unter der den äußeren Polschuh 112 und Klammer 150 verbindenden Schraube 151 verwendet. Diese Anordnung bzw. Halterung ermöglicht ein leichtes Auswechseln der Abschlusselektrode 114. Zudem kann die Abschlusselektrode 114 elektrisch isoliert von dem äußeren Polschuh 112 auf ein anderes Potential als Erdpotential geschaltet werden.
Als nächstes wird die Konfiguration und Funktion des Spannungsversorgungssystems 205 des Elektronenmikroskopiesystems 1 mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben. Das Spannungsversorgungssystem 205 ist dazu eingerichtet, verschiedene Spannungen bereitzustellen, welche an verschiedene Komponenten des Elektronenmikroskopiesystems 1 angelegt werden können. Weiterhin stellt das Spannungsversorgungssystem 205 eine Stromquelle bereit, um der Spule 115 der Objektivlinse 100 einen Erregungsstrom zum Erzeugen eines magnetischen Feldes bereitzustellen.
Das Spannungsversorgungssystem 205 weist einen Anschluss A1 auf, um ein veränderbares erstes Potential 131 bereitzustellen. Über die Leitung 207 wird das erste Potential 131 an die Elektronenstrahlquelle 105 angelegt. Wie genauer in 2 dargestellt, wird die Spannung 131 über die Leitung 207 an die Kathode 105a der Elektronenstrahlquelle 105 angelegt. Das erste Potential 131 liegt in einem Spannungsbereich von 0 bis –50 kV und kann in diesem Bereich veränderbar sein. Das Potential 131 bestimmt eine Primärenergie des Primärelektronenstrahls 106, welcher durch die Elektronenstrahlquelle 105 erzeugt wird.
Die Spannungsversorgungseinrichtung 205 umfasst einen weiteren Anschluss A2, um das Strahlrohr 113 auf ein zweites Potential U2 zu legen. Das zweite Potential U2, welches an dem Strahlrohr 113 anliegt, wird in Abhängigkeit des ersten Potentials 131, d. h. in Abhängigkeit der Primärenergie die Primärelektronenstrahls, gewählt. Bei sehr hohen Primärenergien zwischen 20 keV und 30 keV, d. h. bei Potentialen 131 zwischen –20 kV und –30 kV, wird die Spannung U2 des Strahlrohrs auf 0 V, d. h. Massepotential, gelegt. In einem Primärenergiebereich von 0 bis 20 keV, d. h. bei Spannungen 131 zwischen 0 und –20 kV, wird die Spannung U2 vorzugsweise auf +8 kV gelegt, kann jedoch für bestimmte Anwendungen auf Massepotential gelegt werden.
Über eine Leitung 211 wird die Abschlusselektrode 114 der Objektivlinse 100 auf Massepotential gelegt, d. h. auf ein Potential von 0 V.
Das Spannungsversorgungssystem 205 weist einen weiteren Anschluss A3 auf, um über eine Leitung 214 das Objekt 103 auf ein drittes Potential U3 zu legen. Das dritte Potential U3 liegt in einem ersten Betriebsmodus des Elektronenmikroskopiesystems oberhalb von 100 V und in einem zweiten Betriebsmodus unterhalb von 50 V. Beide Betriebsmoden werden unten genauer beschrieben.
Das Spannungsversorgungssystem umfasst weiterhin einen 2-poligen Anschluss 215, um über eine 2-polige Leitung 217 der Spule 115 der magnetischen Linse der Objektivlinse einen Erregungsstrom zuführen zu können. Eine Höhe des Erregungsstroms, welcher durch das Spannungsversorgungssystem 205 der Spule 115 zugeführt wird, hängt von einem Betriebsmodus des Elektronenmikroskopiesystems 1 ab.
Im Folgenden wird ein Betrieb des Elektronenmikroskopiesystems 1 anhand der 1 und 2 erläutert. Die Elektronenstrahlquelle 105 des Elektronenmikroskopiesystems 1 erzeugt Primärelektronen, indem aus der Kathode 105a, einem Schottky-Feldemitter, durch eine Extraktorelektrode 105c Elektronen extrahiert werden, welche zu der Anode 113 hin beschleunigt werden. Das an der Kathode anliegende Potential 131 beträgt dabei –10 kV. Die Elektronenstrahlquelle 105 weist weiterhin eine Suppressorelektrode 105b auf, um unerwünschte Elektronen zu unterdrücken. Zur Optimierung des Primärelektronenstrahls erlaubt die Elektronenstrahlquelle 105, geeignete Spannungen 107b an die Suppressor elektrode 105b und geeignete Spannungen 107c an die Extraktorelektrode 105c anzulegen. Da die Kathode 105a ein gegenüber der Anode 113 negatives Potential aufweist, werden die emittierten Primärelektronen entlang der optischen Achse 101 zur Anode 113 hin beschleunigt.
Die als Strahlrohr 113 ausgebildete Anode 113 liegt auf einem Potential U2 von etwa +8 kV. Dadurch entsteht zwischen der Kathode 105a und der Anode 113 ein für Elektronen beschleunigendes elektrisches Feld, sodass die Primärelektronen stark in das Strahlrohr 113 hinein beschleunigt werden. Die durch das hohe positive Potential des Strahlrohrs verursachte Beschleunigung führt zu einem schnellen Durchlaufen des Strahlrohrs 113, um eine Aufweitung eines Querschnitts des Primärstrahls durch Coulombsche Abstoßung zwischen den Elektronen zu vermindern. Der Primärelektronenstrahl wird in einem in 2 oberen Abschnitt des Strahlsrohr 113 durch eine Kollimatioranordnung 107 kollimiert. Unterhalb der Kollimatoranordnung 107 vergrößert sich das Strahlrohr in einer lateralen Ausdehnung, um den Elektronendetektor 200 aufnehmen zu können. Durch eine Öffnung in dem Elektronendetektor 200 tritt der Primärelektronenstrahl in einen sich konisch verjüngenden Teil des Strahlrohrs 113 ein. Dieser Teil des Strahlrohrs 113 ist rotationssymmetrisch um die optische Achse 101 von einem inneren Polschuh 111 und einem äußeren Polschuh 112 umgeben.
Die Primärelektronen 106 treten an einem unteren Ende des Strahlrohrs 113 aus diesem aus und durchlaufen eine Durchtrittsöffnung 114' der Abschlusselektrode 114. Der Durch messer der Durchtrittöffnung 114' der Abschlusselektrode 114 beträgt in dieser Ausführungsform 5 mm.
Die Abschlusselektrode 114 ist auf Massepotential gelegt. Aufgrund der hohen Potentialdifferenz zwischen dem auf typischerweise +8 kV liegenden Strahlrohr 113 und der auf Masse liegenden Abschlusselektrode 114 herrscht in einem Bereich zwischen der Abschlusselektrode 114 und einem unteren Ende des Strahlrohrs 113 ein starkes elektrisches Bremsfeld für die Primärelektronen 106.
Abhängig von einem Betriebsmodus des Elektronenmikroskopiesystems 1 reicht dieses elektrische Bremsfeld oder Verzögerungsfeld für die Primärelektronen 106 von der Durchtrittsöffnung 114' der Abschlusselektrode 114 bis hin zu der Oberfläche 103' des Objekts 103 oder es ist in diesem Bereich ein elektrisches Beschleunigungsfeld für die Primärelektronen 106 erzeugt.
In dem ersten Betriebsmodus des Elektronenmikroskopiesystems 1, in welchem das dritte Potential U3, welches an dem Objekt 103 anliegt, größer als 100 V ist, erfahren die von der Elektronenstrahlquelle 105 erzeugten Primärelektronen 106 in dem Bereich zwischen der Oberfläche 103' des Objekts 103 und der Abschlusselektrode 114 eine beschleunigende Kraft, so dass ihre Auftreffenergie auf die Oberfläche des Objekts gegenüber der allein durch die erste Spannung U1 vermittelten Energie erhöht ist. Eine Richtung des elektrischen Feldes in diesem Betriebsmodus ist durch einen Pfeil 213 gekennzeichnet. Eine auf die negativ geladenen Elektronen wirkende Kraft weist in eine der Richtung des Pfeils 213 entgegengesetzte Richtung, so dass auf die Elektronen zumindest eine Kraftkomponente zu der Oberfläche 103' des Objekts 103 hin gerichtet ausgeübt wird.
Diese Kraft wirkt nicht nur auf die auf die Oberfläche des Objekts auftreffenden Primärelektronen, sondern auch auf von der Oberfläche 103' des Objekts 103 ausgehende Elektronen. Ein Strahlengang 203 der von dem Objekt 103 ausgehenden Elektronen, welche sowohl Sekundärelektronen als auch Rückstreuelektronen umfassen, durchsetzt die Durchtrittsöffnung 114' der Abschlusselektrode 114. Der Strahlengang 203 durchsetzt sodann den sich konisch vergrößernden Teil des Strahlrohrs 113, um auf dem Elektronendetektor 200 zu enden. Dabei werden Sekundärelektronen und Rückstreuelektronen in das Strahlrohr 113 hineinbeschleunigt und treffen mit hoher mittlerer kinetischer Energie auf den Elektronendetektor 200 auf. Der Elektronendetektor 200 liegt auf demselben Potential wie das Strahlrohr 113. Der Elektronendetektor weist als Detektionsfläche einen Szintillator auf, an welchen sich ein Lichtleiter anschließt, welcher wiederum mit einem Photomultiplier optisch gekoppelt ist. Durch Auftreffen der Elektronen auf den Szintillator des Elektronendetektors werden Lichtquanten ausgelöst, welche durch den Photomultiplier verstärkt werden und schließlich als elektrische Signale ausgegeben werden. Die elektrischen Signale werden in elektronmikroskopische Bilder umgesetzt.
Bei Anlegen eines geringen elektrischen Potentials an das Strahlrohr, z. B. wenn das Strahlrohr bei sehr hohen Primärenergien, wie etwa U1 < –20kV, auf Massepotential gelegt ist, ist die kinetische Energie der von dem Objekt ausgehenden und in das Strahlrohr eintretenden Sekundärelektronen zu gering, um bei Auftreffen auf den Szintillator des Detektors 200 Lichtquanten auszulösen. Bei dieser Potenzialeinstellung ist somit eine Detektion von Sekundärelektronen mit Hilfe des innerhalb der Linse 100 angeordneten Detektors 200 nicht möglich. In diesem Fall ist zur Detektion von Elektronen, insbesondere von Sekundärelektronen, ein nicht illustrierter Elektronendetektor vorgesehen, welcher z. B. außerhalb der Linse 100 angeordnet ist, wie etwa in einer Vakuumkammer, in welcher die Linse 100 angeordnet ist.
3 erläutert den ersten Betriebsmodus und den zweiten Betriebsmodus des Elektronenmikroskopiesystems 1 gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Diagramm elektrischer Potentiale. Das Diagramm zeigt elektrische Potentialverläufe in Abhängigkeit einer Position z entlang der optischen Achse 101, welche hier in z-Richtung gewählt ist. Die Oberfläche 103' des Objekts 103 befindet sich bei einer Position z = 0 des Diagramms der 3. Die Abschlusselektrode 114 befindet sich bei der Position z = z₁, das unterste Ende des Strahlrohrs 113 befindet sich bei der Position z = z₂ und die Elektronenstrahlquelle 105 befindet sich bei einer Position z = z₃.
In beiden Betriebsmodi beträgt das Potential U1, auf welches die Elektronenstrahlquelle 105 gelegt ist, –7,5 kV und das zweite Potential U2, auf welches das Strahlrohr 113 gelegt ist, beträgt +8 kV. Für alle dargestellten Potentialverläufe beträgt innerhalb des Strahlrohrs, d. h. etwa zwischen den Positionen z = z₂ und z = z₃ das Potential +8 kV und nimmt dann zu der Position z = z₃ hin steil ab, um einen Potentialwert von –7,5 kV bei der Position der Elektronenstrahlquelle, d. h. z = z₃, zu erreichen.
Die beiden Betriebsmodi unterscheiden sich in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen lediglich dadurch, auf welches dritte Potential U3 das Objekt gelegt ist.
Gemäß des ersten Betriebsmodus' illustriert eine Kurve K₁ in 3 einen Potentialverlauf, bei welchem das Objekt auf ein drittes Potential U3 von +1500 V gelegt ist. Von dem Objekt bei der Position z = 0 ausgehend, nimmt das Potential von +1500 V ab, wobei ein Winkel δ₁ zwischen einer Horizontalen des Diagramms und einer Tangente des Potentialverlaufs an der Oberfläche des Objekts bei der Stelle z = 0 eingeschlossen ist. Die Abnahme des Potentials bei der Stelle der Oberfläche des Objekts führt zu einer Krafteinwirkung durch das durch den Potentialverlauf gegebene elektrische Feld, welche für Elektronen in negative z-Richtung weist. Eine Größe der Kraft ist proportional zu dem Tangens des Winkels δ₁.
Etwa bei der Position z₁, d. h. einer mittleren Position der Abschlusselektrode 114, erreicht das Potential der Kurve K₁ einen Wert U4, welcher bei etwa 600 V liegt. Da es sich bei Elektronen um negativ geladene Teilchen handelt, stellt dieses unterhalb des Potentials U3 = 1500 V gelegene Potential U4 eine Barriere dar, welche niederenergetische Elektronen daran hindert, in einen Raumbereich zu höheren z-Werten, d. h. zu dem Strahlrohr 113 hin, zu gelangen. Nur von dem Objekt 103' des Objekts 103 ausgehende Elektronen, welche eine kinetische Energie größer als ΔU = U3 – U4 besitzen, können diese Energiebarriere überwinden, um weiter in Richtung des bei der Position z = z₂ befindlichen unteren Ende des Strahlrohrs 113 zu gelangen. Tatsächlich werden Elektronen, welche die Energiebarriere mit Höhe ΔU überwunden haben, in dem Bereich zwischen der Position z₁ und der Position z₂ zu dem Strahlrohr 113 hin beschleunigt, was aus dem starken Anstieg des Potentials resultiert, um schließlich von dem Elektronendetektor 200 detektiert zu werden.
Die Kurve K₁' illustriert einen weitern Potentialverlauf gemäß des ersten Betriebsmodus', wenn die Spannung U3, welche an dem Objekt 103 angelegt ist, +7 kV beträgt, also viel höher ist als in dem durch die Kurve K₁ illustrierten Fall. Ähnlich wie bei der Kurve K₁, nimmt das Potential von der Position z = 0 (Position der Oberfläche des Objekts) in einer durch einen Winkel δ₁' charakterisierten negativen Steigung ab. Der Winkel δ₁' ist größer als der Winkel δ₁. Die Abnahme des Potentials bei der Stelle der Oberfläche des Objekts führt wiederum zu einer Krafteinwirkung, welche für Elektronen in negative z-Richtung weist, d. h. zum Objekt hin, jedoch ist diese Kraftwirkung entsprechend des größeren Winkels δ₁' größer als in dem durch die Kurve K₁ illustrieren Fall. Das Potential entsprechend der Kurve K₁' nimmt ab, um bei der Position z₁ ein Minimum U₄' zu erreichen und nimmt dann stark zu, um bei etwa der Position z₂ den Wert des Potentials des Strahlrohrs 113, d. h. +8 kV, zu erreichen.
In dem durch die Kurve K₁' dargestellten Beispiel, in welchem das Objekt auf ein Potential U3 = +7 kV gelegt ist, müssen von der Oberfläche 103' der Oberfläche 103 ausgehende Elektronen eine Potentialbarriere einer Höhe von ΔU' = U3 – U₄' überwinden, um nach Durchtritt durch die Durchtrittsöffnung 114' der Abschlusselektrode 114 zum Strahlrohr 113 hin beschleunigt zu werden, in dieses einzu treten und zum Detektor 200 zu gelangen. Es ist ersichtlich, dass die Potentialbarriere ΔU' größer ist als die Potentialbarriere ΔU. Durch geeignetes Einstellen der dritten Spannung U3, welche an dem Objekt anliegt, ist es somit möglich, nur solche von der Oberfläche 103' des Objekts 103 ausgehende Elektronen zu dem Elektronendetektor 200 gelangen zu lassen, welche eine kinetische Energie größer als die Potentialbarriere ΔU besitzen.
3 illustriert weiterhin Potentialverläufe in dem zweiten Betriebsmodus des Elektronenmikroskopiesystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Dazu illustriert die Kurve K₂ den Potentialverlauf entlang der optischen Achse 101 (z-Richtung) in dem Fall, in welchem das Objekt 103 auf 0 V, d. h. auf Massepotential, gelegt ist. Von der Position z = 0, an welcher sich die Oberfläche 103' des Objekts 103 befindet, steigt das Potential unter einem Anstiegswinkel δ₂ an. Dieser Anstieg entspricht einer zu positiven z-Werten gerichteten Kraftwirkung auf die Elektronen. Eine Steigung oder Ableitung des Potentials bei der Position z = 0, welche der Position der Oberfläche des Objekts entspricht, ist durch einen Tangens des Winkels δ₂ gegeben. Etwa bei der Position der Abschlusselektrode 114, d. h. z = z₁, verstärkt sich die Steigung des Potentials und somit die ausgeübte beschleunigende Kraftwirkung auf die von der Oberfläche des Objekts 103 ausgehenden Elektronen, um bei etwa der Position z₂ das Potential U2 des Strahlrohrs 115 zu erreichen, d. h. +8 kV.
Die Kurve K₂' illustriert einen Potentialverlauf gemäß einer weiteren Konfiguration des zweiten Betriebsmodus' des Elektronenmikroskopiesystems 1. Hierbei liegt das Objekt auf einer Spannung U3 von 40 V. Auch in diesem Fall wirkt an der Oberfläche des Objekts und in einem gesamten Bereich zwischen der Oberfläche 103' des Objekts 103 und dem unteren Ende des Strahlrohrs 113 bei z₂ eine in positive z-Richtung gerichtete Kraft auf die Elektronen. Jedoch ist diese Kraft in dem Bereich zwischen der Position der Oberfläche des Objekts 103 und z = z₁ kleiner als die Kraft gemäß des Potentialverlaufs der Kurve K₂, da der Winkel δ₂' kleiner ist als der Winkel δ₂.
Im Gegensatz zu den Ableitungen der den ersten Betriebsmodus des Elektronenmikroskopiesystems beispielhaft illustrierenden Kurven K₁ und K₁' mit negativen Werten sind die Ableitungen des Potentials der den zweiten Betriebsmodus des Elektronenmikroskopiesystems beispielhaft illustrierenden Kurven K₂ und K₂' bei der Position z = 0 positiv. Damit werden in dem ersten Betriebsmodus von der Oberfläche 103' des Objekts 103 ausgehende Elektronen in einer Richtung zu der Oberfläche des Objekts hin abgebremst und in dem zweiten Betriebsmodus werden von der Oberfläche 103' des Objekts 103 ausgehende Elektronen durch die Durchtrittsöffnung 114' der Abschlusselektrode 114 hindurch auf das Strahlrohr 113 beschleunigt. In dem zweiten Betriebsmodus des Elektronenmikroskopiesystems gemäß der vorliegenden Erfindung müssen somit von der Oberfläche 103' des Objekts 103 ausgehende Elektronen keine Energiebarriere überwinden, um zu dem Elektronendetektor 200 innerhalb des Strahlrohrs 113 zu gelangen wie in dem ersten Betriebsmodus. Somit erlaubt in diesem zweiten Betriebsmodus der Elektronendetektor 200 auch eine Detektion von niederenergetischen Sekundärelektronen.
Durch Ändern des Potentials U3, welches an dem Objekt anliegt, verändert sich eine Fokuscharakteristik des auf die Oberfläche des Objekts auftreffenden Primärelektronenstrahls 106. Dieser Veränderung der Fokuscharakteristik wird durch Nachregeln der Erregung der Spule 115 abgeholfen, um ein geändertes, die Änderung der Fokuscharakteristik weitgehend kompensierendes, Magnetfeld zu erzeugen.
Eine relative Änderung des Erregungsstroms zum Erregen der Spule der Magnetlinse bei Umschalten von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus kann in einem Bereich von 10^–3 bis 10^–6 liegen oder sogar kleiner als 10^–6 sein. Wenn beispielsweise der Erregungsstrom in dem ersten Betriebsmodus etwa 1 A beträgt, ist der Erregungsstrom in dem zweiten Betriebsmodus um weniger als 1 mA geändert, insbesondere weniger als 1 μA.
Damit ist es möglich, mit dem erfinderischen Elektronenmikroskopiesystem wahlweise durch einen einzigen Elektronendetektor 200 entweder Rückstreuelektronen, welche eine bestimmte Mindestenergie beim Ausgeben von der Oberfläche des Objekts aufweisen, oder eine Kombination aus Rückstreuelektronen und Sekundärelektronen zu detektieren. Dies kann vorteilhaft verwendet werden, um im Bereich der Halbleiterindustrie Wafer zu inspizieren und zu prozessieren.

In der folgenden Tabelle ist exemplarisch eine Liste von verschiedenen Kombinationen von einem ersten Potential U1, einem zweiten Potential U2, einem dritten Potential U3 und einem Arbeitsabstand WD in dem ersten und zweiten Betriebsmodus gemäß der vorliegenden Erfindung wiedergegeben. Der in 1 illustrierte Arbeitsabstand WD bezeichnet dabei einen Abstand zwischen einem unteren Ende der Abschlusselektrode 114 und der Objektebene 104. Wie in der Tabelle gezeigt, erfolgt in den verschiedenen Betriebsmodi eine Anpassung der Spannung U1 insbesondere in Abhängigkeit der Spannung U3, um eine konstante Landeenergie des Elektronenstrahls auf dem Objekt 103 zu bewirken. Weitere Kombinationen von Spannungen können in den verschiedenen Betriebsmodi realisiert werden. Tabelle:

Betriebsmodus	U1/kV	U2/kV	WD/mm	U3/V
1	–9	8	2	> 1000
2	–9,7	8	2	< 300
1	–9,4	8	4	> 600
2	–9,8	8	4	< 200
1	–9,6	8	6	> 400
2	–9,85	8	6	< 150
1	–9,7	8	8	> 300
2	–9,9	8	8	< 100

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1439565 A2 [0007, 0009]

Claims

Elektronenmikroskopiesystem umfassend: eine Objekthalterung (102) zur Halterung einer Oberfläche (103') eines zu untersuchenden Objekts (103) in einer Objektebene (104) des Elektronenmikroskopiesystems; eine Elektronenstrahlquelle (105) zum Erzeugen eines Primärelektronenstrahls (106); eine Objektivlinse (100) zum Fokussieren des Primärelektronenstrahls (106) in der Objektebene, mit einem inneren Polschuh (111) und einem äußeren Polschuh (112), wobei ein Polschuhspalt (119) zwischen dem inneren und dem äußeren Polschuh gebildet ist, sowie mit einem den inneren Polschuh wenigstens teilweise durchsetzenden als Elektrode ausgebildeten Strahlrohr (113) und einer zwischen dem Strahlrohr und der Objektebene und mit Abstand von dem Strahlrohr angeordneten Abschlusselektrode (114) mit einer Durchtrittsöffnung (114'); einen Elektronendetektor (200) zur Detektion von durch den Primärelektronenstrahl am Objekt erzeugten Sekundärelektronen oder/und Rückstreuelektronen, wobei ein Strahlengang (203) der Sekundärelektronen bzw. Rückstreuelektronen zwischen der Oberfläche des Objekts und dem Elektronendetektor die Durchtrittsöffnung (114') der Abschlusselektrode durchsetzt; und ein Spannungsversorgungssystem (205), welches dazu konfiguriert ist, in einem ersten Betriebsmodus die Elektronenstrahlquelle auf ein bezüglich eines Bezugspotentials negatives erstes Potential zu legen, das Strahlrohr auf ein bezüglich des Bezugspotentials positives zweites Potential zu legen, die Abschlusselektrode auf das Bezugspotential, insbesondere auf Massepotential, zu legen, und das zu untersuchende Objekt auf ein bezüglich des Bezugspotentials drittes Potential zu legen; wobei für das negative erste Potential U1 gilt: 0 > U1 > –50 kV,wobei für das positive zweite Potential U2 gilt: 0 < U2 < 12 kV, undwobei für das dritte Potential U3 gilt: 100 V < U3 < –U1.
Elektronenmikroskopiesystem nach Anspruch 1, wobei das Strahlrohr, die Abschlusselektrode und das Spannungsversorgungssystem derart konfiguriert sind, dass in dem ersten Betriebsmodus an der Oberfläche des Objekts ein von der Oberfläche weg orientiertes elektrisches Feld (213) gebildet ist.
Elektronenmikroskopiesystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Strahlrohr, die Abschlusselektrode und das Spannungsversorgungssystem derart konfiguriert sind, dass in dem ersten Betriebsmodus entlang des Strahlengangs (203) der Sekundärelektronen bzw. Rückstreuelektronen ein elektrisches Potential U4 vorgesehen ist, für welches gilt: U4 < U3 – 50 V.
Elektronenmikroskopiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Spannungsversorgungssystem derart konfiguriert ist, dass in dem ersten Betriebsmodus gilt: 200 V < U3, insbesondere 400 V < U3, weiter insbesondere 600 V < U3.
Elektronenmikroskopiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Spannungsversorgungssystem derart konfiguriert ist, in einem zweiten Betriebsmodus die Elektronenstrahlquelle, das Strahlrohr, die Abschlusselektrode und das zu untersuchende Objekt auf solche Potentiale zu legen, dass für das negative erste Potential U1 gilt: 0 > U1 > –50 kV,für das positive zweite Potential U2 gilt: 0 < U2 < 12 kV undfür das dritte Potential U3 gilt: U3 < 50 V.
Elektronenmikroskopiesystem nach Anspruch 5, wobei das Spannungsversorgungssystem dazu konfiguriert ist, in dem zweiten Betriebsmodus das zu untersuchende Objekt auf Massepotential zu legen.
Elektronenmikroskopiesystem nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Objektivlinse zur Erzeugung des fokussierenden Magnetfeldes ferner eine Spule (115) umfasst, und wobei das Spannungsversorgungssystem ferner dazu konfiguriert ist, der Spule (115) in dem ersten Betriebsmodus einen ersten Erregungsstrom zuzuführen und der Spule in dem zweiten Betriebsmodus einen zweiten Erregungsstrom zuzuführen, welcher kleiner ist als der erste Erregungsstrom.
Elektronenmikroskopiesystem nach Anspruch 7, wobei ein Betrag eines Verhältnisses zwischen einer Differenz des ersten Erregungsstroms und des zweiten Erregungsstroms und dem ersten Erregungsstrom kleiner ist als 10^–3, insbesondere kleiner als 10^–6.
Elektronenmikroskopiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Spannungsversorgungssystem derart konfiguriert ist, dass gilt: 2 kV < U2.
Elektronenmikroskopiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Elektronendetektor (200) innerhalb des Strahlrohrs angeordnet ist.
Elektronenmikroskopiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Abschlusselektrode eine zu einer optischen Achse der Objektivachse im Wesentlichen rotationssymmetrische konische Form aufweist, wobei sich eine Ausdehnung der Abschlusselektrode in einer radialen Richtung senkrecht zu der optischen Achse in einer Richtung entlang der optischen Achse zum Objekt hin verkleinert und die Abschlusselektrode die Durchtrittsöffnung an einem dem Objekt am nächsten gelegenen Ende der Abschlusselektrode aufweist, wobei ein Durchmesser der Durchtrittöffnung (114') der Ab schlusselektrode (114) kleiner als 6 mm, insbesondere kleiner oder gleich 5 mm ist.
Elektronenmikroskopiesystem nach Anspruch 11, wobei für einen Winkel α' zwischen der optischen Achse und einer Schnittlinie zwischen einer Außenfläche der Abschlusselektrode und einer die optische Achse enthaltenden Ebene gilt: 20° ≤ α' ≤ 70°.
Elektronenmikroskopiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei in einem Bereich innerhalb von wenigstens 3 cm um den Polschuhspalt gilt: wenigstens bereichsweise verjüngt sich der innere Polschuh zum Objekt hin und der äußere Polschuh erstreckt sich wenigstens bereichsweise konisch zum Objekt hin.