DE102022114035B3

DE102022114035B3 - Objektivlinsenanordnung und Teilchenstrahlmikroskop

Info

Publication number: DE102022114035B3
Application number: DE102022114035.0A
Authority: DE
Inventors: Björn Gamm; Marko Matijevic
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2022-06-02
Filing date: 2022-06-02
Publication date: 2023-09-21
Anticipated expiration: 2042-06-03
Also published as: CN117174560A

Abstract

Die Aufgabe der Erfindung ist es, den Anteil an Sekundärelektronen zu erhöhen, die mit einem Detektor detektiert werden können, der im Inneren einer Teilchenstrahlsäule eines Teilchenstrahlmikroskops angeordnet ist. Eine erfindungsgemäße Objektivlinsenanordnung (1) umfasst eine Objektivlinse (30) zum Fokussieren eines Primärteilchenstrahls (101) in einen Probenbereich (102), wobei die Objektivlinse (30) eine Austrittsöffnung (37) aufweist, durch welche der Primärteilchenstrahl (101) von einem Innenraum der Objektivlinse (30) in einen Außenraum der Objektivlinse (30) austritt; und eine Immersionsfeldspule (40) zum Erzeugen eines in dem Probenbereich (102) wirkenden Magnetfeldes, wobei die Immersionsfeldspule (40) in dem Außenraum der Objektivlinse (30) nahe der Austrittsöffnung (37) angeordnet ist. Ein erfindungsgemäßes Teilchenstrahlmikroskop (100) umfasst die Objektivlinsenanordnung (1), eine Primärteilchenstrahlquelle (11) zum Erzeugen des Primärteilchenstrahls (101), und einen Detektor (61, 64) mit einer für geladene Teilchen sensitiven Detektionsfläche (62, 65), welche in einem Innenraum (17) des Teilchenstrahlmikroskops (100) angeordnet ist, der mit dem Innenraum der Objektivlinse (30) verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Objektivlinsenanordnung für ein Teilchenstrahlmikroskop sowie ein Teilchenstrahlmikroskop, insbesondere ein Rasterelektronenstrahlmikroskop.
Ein herkömmliches Rasterelektronenstrahlmikroskop weist eine Teilchenstrahlsäule auf, welche einen Primärteilchenstrahl aus Elektronen erzeugen und diesen mittels einer Objektivlinse auf eine zu untersuchende Probe fokussieren kann. Durch Wechselwirkung des Primärteilchenstrahls mit der zu untersuchenden Probe gehen von der Probe Sekundärelektronen und andere induzierte Teilchen aus. Zur Detektion der Sekundärelektronen weist das herkömmliche Rasterelektronenstrahlmikroskop einen Detektor auf, welcher eine für Elektronen sensitive Detektionsfläche aufweist. Die Detektionsfläche des Detektors kann im Inneren der Teilchenstrahlsäule angeordnet sein. In diesem Fall treten die von der Probe ausgehenden Sekundärelektronen durch die Objektivlinse in das Innere der Teilchenstrahlsäule ein und propagieren im Inneren der Teilchenstrahlsäule weiter bis zu der Detektionsfläche des Detektors, wo sie detektiert werden.
Bei dieser Technologie besteht jedoch das Problem, dass Sekundärelektronen von der Probe in alle Raumrichtungen ausgehen und nur ein geringer Anteil der Sekundärelektronen in das Innere der Teilchenstrahlsäule eintritt. Daher kann lediglich geringer Anteil der erzeugten Sekundärelektronen mit dem Detektor detektiert werden.
DE 10 2017 110 993 A1 offenbart ein Rasterelektronenmikroskop mit einem ringförmigen Detektor, welcher im Inneren einer Teilchenstrahlsäule des Rasterelektronenmikroskops angeordnet ist. Das Rasterelektronenmikroskop umfasst ferner eine Immersionsfeldspule, welche mit relativ großem Abstand von einer Öffnung der Teilchenstrahlsäule angeordnet ist, durch welche ein Teilchenstrahl aus der Teilchenstrahlsäule zu einer Probe hin austritt.
DE 11 2017 007 776 T5 offenbart ebenfalls eine Teilchenstrahlsäule mit einer Immersionsfeldspule, welche mit relativ großem Abstand von einer Öffnung der Teilchenstrahlsäule angeordnet ist, durch welche ein Teilchenstrahl aus der Teilchenstrahlsäule zu einer Probe hin austritt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den Anteil an Sekundärelektronen zu erhöhen, welcher mit einem Detektor detektiert werden kann, dessen für Elektronen sensitive Detektionsfläche im Inneren einer Teilchenstrahlsäule eines Teilchenstrahlmikroskops angeordnet ist.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Eine erfindungsgemäße Objektivlinsenanordnung umfasst: eine Objektivlinse zum Fokussieren eines Primärteilchenstrahls aus geladenen Teilchen in einen Probenbereich, der in einem Außenraum der Objektivlinse liegt und in welchem eine Probe anordenbar ist, wobei die Objektivlinse eine Austrittsöffnung aufweist, durch welche der Primärteilchenstrahl von einem Innenraum der Objektivlinse in den Außenraum der Objektivlinse austritt; eine Immersionsfeldspule zum Erzeugen eines in dem Probenbereich wirkenden Magnetfeldes, wobei die Immersionsfeldspule in dem Außenraum der Objektivlinse nahe der Austrittsöffnung der Objektivlinse angeordnet ist; und eine Steuerung, welche konfiguriert ist, die Objektivlinse und die Immersionsfeldspule in einem ersten Betriebsmodus zu betreiben, in welchem die Objektivlinse den Primärteilchenstrahl in den Probenbereich fokussiert, die Immersionsfeldspule das Magnetfeld mit einer von Null deutlich verschiedenen Feldstärke erzeugt und eine Feldstärke eines resultierenden Magnetfeldes in dem Probenbereich von Null deutlich verschieden ist. Die Immersionsfeldspule ist zumindest teilweise in einem ersten Bereich angeordnet, wobei der erste Bereich auf alle Orte des Außenraums der Objektivlinse begrenzt ist, die von der Austrittsöffnung einen Abstand von höchstens 3 cm haben.
Ein erfindungsgemäßes Teilchenstrahlmikroskop umfasst die Objektivlinsenanordnung; eine Primärteilchenstrahlquelle zum Erzeugen des Primärteilchenstrahls; und einen Detektor mit einer für geladene Teilchen sensitiven Detektionsfläche, welche in einem Innenraum des Teilchenstrahlmikroskops angeordnet ist, der mit dem Innenraum der Objektivlinse verbunden ist.
In dem ersten Betriebsmodus erzeugt die Immersionsfeldspule ein Magnetfeld in dem Probenbereich, in welchem die mit dem Teilchenstrahlmikroskop zu untersuchende Probe anzuordnen ist. Das von der Immersionsfeldspule erzeugte Magnetfeld bewirkt eine Fokussierung von Sekundärelektronen, welche durch Wechselwirkung des Primärteilchenstrahls mit der Probe erzeugt werden. Durch die Fokussierung der Sekundärelektronen erhöht sich der Anteil an den erzeugten Sekundärelektronen, die durch die Objektivlinse (d. h. durch den Innenraum der Objektivlinse) in den Innenraum des Teilchenstrahlmikroskops eintreten und auf die in dem Innenraum des Teilchenstrahlmikroskops angeordnete Detektionsfläche des Detektors treffen. Insbesondere kann die Fokussierung so gewählt werden, dass Sekundärelektronen zwischen der Probe und der Immersionsfeldspule einen Crossover bilden. Im Weiteren bewirkt die Fokussierung, dass die Trajektorie der Sekundärelektronen im Bereich zwischen der Immersionsfeldspule und der Detektionsfläche des Detektors, im Vergleich zu dem Fall ohne die Immersionsfeldspule, näher an einer optischen Achse des Teilchenstrahlmikroskops und mit einem flacheren Winkel zu der optischen Achse des Teilchenstrahlmikroskops verläuft, wodurch der Anteil der Sekundärelektronen, der auf das Innere des Teilchenstrahlmikroskops trifft und daher nicht zur Detektionsfläche gelangt, kleiner wird. Somit bewirkt die Immersionsfeldspule eine verbesserte Detektion der Sekundärelektronen.
Hierin werden als Sekundärelektronen Elektronen bezeichnet, die durch Wechselwirkung des Primärteilchenstrahls mit der Probe von der Probe ausgehen und eine kinetische Energie von höchstens 50 eV haben.
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Hierbei zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Teilchenstrahlmikroskops,
2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Objektivlinsenanordnung,
3 eine schematische Darstellung von Feldstärken von Magnetfeldern,
4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer weiteren Objektivlinsenanordnung.

Ein Teilchenstrahlmikroskop 100 gemäß einer Ausführungsform sowie eine Objektivlinsenanordnung 1 gemäß einer Ausführungsform werden nachfolgend mit Bezug zu 1 beschrieben.
Das Teilchenstrahlmikroskop 100 ist in dem in 1 gezeigten Beispiel ein Rasterelektronenmikroskop. Das Teilchenstrahlmikroskop 100 kann jedoch auch eine Ionenstrahlsäule sein, beispielsweise ein System mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB System). Das Teilchenstrahlmikroskop 100 kann Bestandteil eines Teilchenstrahlsystems sein, welches mehrere Teilchenstrahlgeräte mit einem gemeinsamen Arbeitsbereich aufweisen kann.
Das Teilchenstrahlmikroskop 100 umfasst eine Primärteilchenstrahlquelle 11, welche dazu konfiguriert ist, geladene Teilchen (beispielweise Elektronen oder Ionen) bereitzustellen.
Das Teilchenstrahlmikroskop 100 umfasst ferner eine Unterdrückungselektrode 12, welche dazu konfiguriert ist, von der Primärteilchenstrahlquelle 11 thermisch emittierte Teilchen daran zu hindern, sich stromabwärts (d. h. in Richtung eines Primärteilchenstrahls 101) zu bewegen. Durch die Unterdrückungselektrode 12 werden insbesondere Teilchen blockiert, die nicht an einer Emissionsspitze der Primärteilchenstrahlquelle 11, sondern weiter oberhalb der Emissionsspitze emittiert werden.
Das Teilchenstrahlmikroskop 100 umfasst ferner eine Extraktionsblende 13, welche stromabwärts der Primärteilchenstrahlquelle 11 angeordnet ist. An die Extraktionsblende 13 kann ein elektrisches Potenzial angelegt werden, was zur sogenannten Feldemission führt.
Die Extraktionsblende 13 weist eine Apertur auf, durch welche die aus der Primärteilchenstrahlquelle 11 extrahierten geladenen Teilchen verlaufen. Diese bilden den Primärteilchenstrahl 101, der durch die weiteren Komponenten des Teilchenstrahlmikroskops 100 manipuliert wird. In 1 ist lediglich eine Trajektorie eines geladenen Teilchens des Primärteilchenstrahls 101 gezeigt, welche mit einer optischen Achse 110 des Teilchenstrahlmikroskops 100 deckungsgleich ist. Die geladenen Teilchen des Primärteilchenstrahls 101 verlaufen jedoch entlang einer Vielzahl unterschiedlicher Trajektorien durch das Teilchenstrahlmikroskop 100.
Die Primärteilchenstrahlquelle 11, die Unterdrückungselektrode 12 und die Extraktionsblende 13 sind in einem Gehäuse 14 untergebracht, in welchem im Betrieb ein Ultrahochvakuum hergestellt wird.
Stromabwärts der Extraktionsblende 13 ist eine Anodenblende 15 mit einer Apertur angeordnet, durch welche der Primärteilchenstrahl 101 im Betrieb verläuft. An die Anodenblende 15 kann ein elektrisches Potenzial angelegt werden, um die geladenen Teilchen des Primärteilchenstrahls 101 auf eine einstellbare kinetische Energie zu beschleunigen.
Das Teilchenstrahlmikroskop 100 umfasst ferner ein Strahlrohr 16, welches stromabwärts der Anodenblende 15 angeordnet ist. In dem in 1 gezeigten Beispiel erstreckt sich das Strahlrohr 16, gesehen entlang der optischen Achse 110 des Teilchenstrahlmikroskops 100, von der Anodenblende 15 bis in eine Objektivlinse 30 des Teilchenstrahlmikroskops 100. Der Ausdruck „gesehen entlang der optischen Achse 110 des Teilchenstrahlmikroskops 100“ bezeichnet alle Richtungen, die zu der Richtung der optischen Achse 110 des Teilchenstrahlmikroskops 100 parallel verlaufen. Das Strahlrohr 16 umfasst einen rohrförmigen hohlen Körper mit einem Innenraum 17, der auf der Seite der Anodenblende 15 eine Eintrittsapertur und auf der Seite der Objektivlinse 30 eine Austrittsapertur aufweist. Im Betrieb tritt der von der Anodenblende 15 kommende Primärteilchenstrahl 101 durch die Eintrittsapertur in den Innenraum 17 des Strahlrohrs 16 ein, durchläuft den Innenraum 17 des Strahlrohrs 16 und tritt durch die Austrittsapertur aus dem Strahlrohr 16 aus. An das Strahlrohr 16 kann ein elektrisches Potenzial angelegt werden. Im Betrieb wird in dem Strahlrohr 16 ein Vakuum erzeugt, welches durch eine nicht dargestellte Pumpe hergestellt wird.
Das Teilchenstrahlmikroskop 100 umfasst ferner eine Kondensorlinse 18 zum Erzeugen eines Magnetfeldes zum Fokussieren des Primärteilchenstrahls 101 zwischen der Anodenblende 15 und der Objektivlinse 30. Die Kondensorlinse 18 umfasst in den gezeigten Beispielen einen Magnetkern 19 zum Führen des Magnetfeldes und eine Erregungsspule 20 zum Erzeugen des Magnetfeldes. Der Magnetkern 19 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die optischen Achse 110 ausgebildet.
Das Teilchenstrahlmikroskop 100 umfasst ferner die Objektivlinsenanordnung 1. Die Objektivlinsenanordnung 1 umfasst die Objektivlinse 30, eine Immersionsfeldspule 40 und eine Steuerung 45.
Die Objektivlinse 30 ist stromabwärts der Kondensorlinse 18 angeordnet. Die Objektivlinse 30 ist dazu konfiguriert, den Primärteilchenstrahl 101 in einen Probenbereich 102 zu fokussieren, in welchem die Probe 103 angeordnet werden kann. Die Fokussierung des Primärteilchenstrahls 101 in den Probenbereich 102 erfolgt um eine optische Achse 31 der Objektivlinse 30. Der Probenbereich 102 liegt in einem Außenraum der Objektivlinse 30. Das heißt, der Probenbereich 102 liegt außerhalb der Objektivlinse 30. Die Probe 103 kann auf einem Probentisch 104 angelegt werden, welcher die Probe 103 trägt und positionieren und orientieren kann.
Die Objektivlinse 30 weist eine Austrittsöffnung 37 auf, durch welche der Primärteilchenstrahl 101 von einem Innenraum der Objektivlinse 30 in den Außenraum der Objektivlinse 30 austritt. Hierdurch tritt der Primärteilchenstrahl 101 in Richtung des Probenbereichs 102 aus der Objektivlinse 30 aus. Die Austrittsöffnung 37 ist diejenige Öffnung in der Objektivlinse 30, durch welche der Primärteilchenstrahl 101 verläuft und die am nächsten zu dem Probenbereich 102 angeordnet ist. Die optische Achse 31 der Objektivlinse 30 durchläuft die Austrittsöffnung 37.
Der Innenraum der Objektivlinse 30 bezeichnet denjenigen räumlichen Bereich, der eine konvexe Hülle um (sämtliche) Komponenten der Objektivlinse 30 bildet. Der Außenraum der Objektivlinse 30 bezeichnet denjenigen räumlichen Bereich, der außerhalb des Innenraums der Objektivlinse 30 liegt.
Die Immersionsfeldspule 40 ist dazu konfiguriert, ein in dem Probenbereich 102 (d. h. zwischen der Austrittsöffnung 37 der Objektivlinse 30 und der Probe 103) wirkenden Magnetfeld zu erzeugen. Die Immersionsfeldspule 40 ist in dem Außenraum der Objektivlinse 30 nahe der Austrittsöffnung 37 der Objektivlinse 30 angeordnet. Die Immersionsfeldspule 40 kann (direkt) an der Objektivlinse 30 angeordnet (montiert) sein. Die Immersionsfeldspule 40 ist um die optische Achse 31 der Objektivlinse 30 herum angeordnet. Das bedeutet, dass Wicklungen der Immersionsfeldspule 40 die optische Achse 31 der Objektivlinse 30 umschließen.
Die Steuerung 45 ist dazu konfiguriert, die Objektivlinse 30 und die Immersionsfeldspule 40 zu steuern. Die Objektivlinse 30 und die Immersionsfeldspule 40 zu steuern bedeutet beispielsweise, diesen eine geeignete elektrische Spannung und/oder einen geeigneten elektrischen Strom zuzuführen.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt einer beispielhaften Objektivlinsenanordnung 1A, welche von der in 1 gezeigten Objektivlinsenanordnung 1 geringfügig verschieden ist. In 2 sind zur Vereinfachung der Zeichnung nur zur Erläuterung relevante Komponenten des Teilchenstrahlmikroskops 100 bzw. der Objektivlinsenanordnung 1A dargestellt.
2 zeigt eine Begrenzung eines ersten Bereichs B1. Der erste Bereich B1 ist auf alle Orte des Außenraums der Objektivlinse 30 begrenzt, die von der Austrittsöffnung 37 einen Abstand von höchstens einem ersten Abstandsgrenzwert haben. Mit anderen Worten ist der erste Bereich B1 auf alle Orte begrenzt, die in dem Außenraum der Objektivlinse 30 liegen und von der Austrittsöffnung 37 einen Abstand haben, der höchstens der erste Abstandsgrenzwert ist. Der erste Abstandsgrenzwert beträgt beispielsweise 3 cm, bevorzugt 2 cm, weiter bevorzugt 1 cm. Die Immersionsfeldspule 40 ist zumindest teilweise in dem ersten Bereich B 1 angeordnet ist. Das bedeutet, dass ein Teil der Immersionsfeldspule 40 von der Austrittsöffnung 37 einen Abstand von höchstens dem ersten Abstandsgrenzwert hat.
2 zeigt eine Begrenzung eines zweiten Bereichs B2. Der zweite Bereich B2 ist auf alle Orte des Außenraums der Objektivlinse 30 begrenzt, die von der Austrittsöffnung 37 einen Abstand von höchstens einem zweiten Abstandsgrenzwert haben. Mit anderen Worten ist der zweite Bereich B2 auf alle Orte begrenzt, die in dem Außenraum der Objektivlinse 30 liegen und von der Austrittsöffnung 37 einen Abstand haben, der höchstens der zweite Abstandsgrenzwert ist. Der zweite Abstandsgrenzwert beträgt beispielsweise 10 cm, bevorzugt 5 cm, weiter bevorzugt 3 cm. Die Immersionsfeldspule 40 ist vollständig in dem zweiten Bereich B2 angeordnet. Das bedeutet, dass alle Wicklungen der Immersionsfeldspule 40 in dem zweiten Bereich B2 angeordnet sind und etwaige Zuleitungen bei dieser Definition nicht berücksichtigt werden. Das bedeutet, dass alle Wicklungen der Immersionsfeldspule 40 von der Austrittsöffnung 37 einen Abstand von höchstens dem zweiten Abstandsgrenzwert haben.
Die Immersionsfeldspule 40 kann zumindest teilweise in einem in 1 gezeigten dritten Bereich B3 angeordnet sein, welcher auf alle Orte des Außenraums der Objektivlinse 30 begrenzt ist, die von der Austrittsöffnung 37 einen entlang der optischen Achse 31 der Objektivlinse 30 betrachteten Abstand haben, der höchstens 1/3 einer Bauhöhe der Objektivlinse 30 beträgt. In 1 ist die Bauhöhe der Objektivlinse 30 als „H“ dargestellt. Die Bauhöhe der Objektivlinse 30 wird entlang der optischen Achse 31 der Objektivlinse 30 gemessen. Das bedeutet, dass ein Teil der Immersionsfeldspule 40 von der Austrittsöffnung 37 einen entlang der optischen Achse 31 der Objektivlinse 30 betrachteten Abstand hat, der höchstens 1/3 einer Bauhöhe der Objektivlinse 30 beträgt.
Die Immersionsfeldspule 40 kann vollständig in einem in 1 gezeigten vierten Bereich B4 angeordnet sein, welcher auf alle Orte des Außenraums der Objektivlinse 30 begrenzt ist, die von der Austrittsöffnung 37 einen entlang der optischen Achse 31 der Objektivlinse 30 betrachteten Abstand haben, der höchstens 1/2 der Bauhöhe der Objektivlinse 30 beträgt. Das bedeutet, dass alle Wicklungen der Immersionsfeldspule 40 von der Austrittsöffnung 37 einen entlang der optischen Achse 31 der Objektivlinse 30 betrachteten Abstand haben, der höchstens 1/2 der Bauhöhe der Objektivlinse 30 beträgt.
In dem Beispiel der 1 und 2 ist die Objektivlinse 30 als magnetische Linse ausgebildet. Als magnetische Linse umfasst die Objektivlinse 30 beispielsweise einen Magnetkern 32 und eine Erregungsspule 33. Der Magnetkern 32 ist im Wesentlich rotationssymmetrisch um die optische Achse 31 der Objektivlinse 30. Der Magnetkern 32 weist einen ersten Polschuh 34 und einen zweiten Polschuh 35 auf. Der erste Polschuh 34 und der zweite Polschuh 35 bilden zwischen sich einen Polschuhspalt 36. Die Erregungsspule 33 ist dazu konfiguriert, zwischen dem ersten Polschuh 34 und dem zweiten Polschuh 35, also in dem Polschuhspalt 36, ein Magnetfeld zum Fokussieren des Primärteilchenstrahls 101 zu erzeugen. Das Magnetfeld wird von dem Magnetkern 32 geführt.
In dem Beispiel der 1 und 2 befindet sich der Polschuhspalt 36, gesehen entlang der optischen Achse 110 des Teilchenstrahlmikroskops 100 bzw. entlang der optischen Achse 31 der Objektivlinse 30, näherungsweise auf Höhe der Austrittsapertur des Strahlrohrs 16. Der Polschuhspalt 36 ist entlang der optischen Achse 110 des Teilchenstrahlmikroskops 100 bzw. entlang der optischen Achse 31 der Objektivlinse 30 ausgedehnt, was bedeutet, dass der zweite Polschuh 35 zwischen dem ersten Polschuh 34 und der Austrittsöffnung 37 der Objektivlinse 30 angeordnet ist.
Der Magnetkern 32, die Erregungsspule 33, der erste Polschuh 34, der zweite Polschuh 35 und der Polschuhspalt 36 sind in dem Innenraum der Objektivlinse 30 angeordnet. Die Austrittsöffnung 37 liegt an der Grenze zwischen dem Innenraum und dem Außenraum der Objektivlinse 30.
In dem Beispiel der 1 ist die Immersionsfeldspule 40, gesehen entlang der optischen Achse 31 der Objektivlinse 30, teilweise zwischen dem Polschuhspalt 36 und dem Probenbereich 102 angeordnet. Insbesondere ist die Immersionsfeldspule 40, gesehen entlang der optischen Achse 31 der Objektivlinse 30, teilweise zwischen dem Polschuhspalt 36 und der Austrittsöffnung 37 angeordnet. Der Ausdruck „gesehen entlang der optischen Achse 31 der Objektivlinse 30“ bezeichnet alle Richtungen, die zu der der optischen Achse 31 der Objektivlinse 30 parallel verlaufen.
In dem Beispiel der 2 ist die Immersionsfeldspule 40, gesehen entlang der optischen Achse 31 der Objektivlinse 30, vollständig zwischen dem Polschuhspalt 36 und dem Probenbereich 102 angeordnet. Insbesondere ist die Immersionsfeldspule 40, gesehen entlang der optischen Achse 31 der Objektivlinse 30, vollständig zwischen dem Polschuhspalt 36 und der Austrittsöffnung 37 angeordnet.
In dem Beispiel der 1 und 2 ist die Objektivlinse 30 ferner als elektrische Linse ausgebildet. Als elektrische Linse umfasst die Objektivlinse 30 eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, welche bei Anliegen einer elektrischen Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ein zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode liegendes elektrisches Feld zum Fokussieren des Primärteilchenstrahls 101 erzeugen. In dem Beispiel der 1 und 2 ist die erste Elektrode durch das Strahlrohr 16 gegeben, und die zweite Elektrode ist durch den zweiten Polschuh 35 (1) bzw. durch eine Kappe 41 (2) gegeben. Die Kappe 41 ist an dem Probenbereich-seitigen Ende des zweiten Polschuhs 35 angeordnet und stellt die Austrittsöffnung 37 bereit. Dementsprechend ist die Austrittsöffnung 37 der Objektivlinse 30 durch eine Öffnung in der zweiten Elektrode gebildet.
Die erste Elektrode (ein Abschnitt des Strahlrohrs 16) und die zweite Elektrode (ein Teil des zweiten Polschuhs 35 bzw. die Kappe 41) sind in dem Innenraum der Objektivlinse 30 angeordnet.
Die Immersionsfeldspule 40 weist beispielsweise mindestens 50 Wicklungen auf. Die Immersionsfeldspule 40 weist beispielsweise höchstens 500 Wicklungen auf. Die Immersionsfeldspule 40 ist beispielsweise mit einem elektrischen Strom von mindestens 1 A betreibbar. Das bedeutet, dass ein elektrischer Strom von 1 A die Immersionsfeldspule 40 nicht beschädigt. Die Immersionsfeldspule 40 ist mit einem elektrischen Strom von höchstens 50 A betreibbar. Das bedeutet, dass ein elektrischer Strom von 50 A die Immersionsfeldspule 40 beschädigt. Das bedeutet auch, dass die Immersionsfeldspule 40 eine Spule ist, die im Vergleich zu der Erregungsspule 33 der Objektivlinse 30 „klein“ ist.
In dem Beispiel der 1 und 2 dient der Immersionsfeldspule 40 ein Teil der Objektivlinse 30 als Polschuh. Konkret verwendet die Immersionsfeldspule 40 den zweiten Polschuh 35 des Magnetkerns 32 der Objektivlinse 30 als innenliegenden Polschuh. Jedoch sind die Objektivlinsenanordnungen 1 und 1A so ausgebildet, dass der Immersionsfeldspule 40 kein außenliegender Polschuh bereitgestellt ist. Das bedeutet, dass ein durch die Immersionsfeldspule 40 erzeugter Magnetfluss auf der außenliegenden Seite (d. h. auf der der optischen Achse 31 der Objektivlinse 30 abgewandten Seite) der Immersionsfeldspule 40 (überwiegend) durch ein Vakuum verläuft, welches im Außenraum der Objektivlinse 30 zwischen der Objektivlinse 30 und dem Probenbereich 102 vorliegt.
Das Teilchenstrahlmikroskop 100 ist in 1 beispielhaft als Rasterelektronenmikroskop ausgebildet. Hierzu umfasst das Teilchenstrahlmikroskop 100 ein Ablenksystem 50, welches beispielsweise, betrachtet entlang der optischen Achse 110 des Teilchenstrahlmikroskops 100, auf Höhe der Objektivlinse 30 angeordnet ist. Das Ablenksystem 50 ist dazu konfiguriert, den Primärteilchenstrahl 101 in Radialrichtung (d. h. senkrecht zu der optischen Achse 110) abzulenken, um hierdurch den Primärteilchenstrahl 101 auf verschiedene Orte einer Oberfläche der Probe 103 in dem Probenbereich 102 zu richten. Das Ablenksystem 50 umfasst in dem in 1 gezeigten Beispiel zwei Ablenkeinheiten 51 und 52, welche aus Spulen gebildet sind. In dem in 1 gezeigten Beispiel sind die Spulen der Ablenkeinheiten 51 und 52 zwischen dem Strahlrohr 16 und der Objektivlinse 30 angeordnet. Die zwei Ablenkeinheiten 51 und 52 sind entlang der optischen Achse 110 verteilt angeordnet. Die Steuerung 45 kann dazu konfiguriert sein, das Ablenksystem 50 zu steuern.
Um als Rasterelektronenmikroskop ausgebildet zu sein, umfasst das Teilchenstrahlmikroskop 100 ferner einen Detektor 61 mit einer für geladene Teilchen (beispielsweise Elektronen) sensitiven Detektionsfläche 62. Die Detektionsfläche 62 ist nach Art einer Blende mit einer Apertur 63 ausgebildet und innerhalb des Strahlrohrs 16 stromaufwärts der Objektivlinse 30 angeordnet. Das bedeutet, dass die Detektionsfläche 62 in einem Innenraum des Teilchenstrahlmikroskops 100 angeordnet ist. Der von der Primärteilchenstrahlquelle 11 ausgehende Primärteilchenstrahl 101 durchläuft die Apertur 63 in der Detektionsfläche 62 und wird von der Objektivlinse 30 in den Probenbereich 102 fokussiert.
Aufgrund einer Wechselwirkung des Primärteilchenstrahls 101 mit der in dem Probenbereich 102 angeordneten Probe 103 gehen von der Probe 103 Sekundärelektronen und rückgestreute Elektronen aus. Ein Teil der Sekundärelektronen und rückgestreuten Elektronen tritt über die Austrittsöffnung 37 der Objektivlinse 30 in den Innenraum der Objektivlinse 30 ein. Von dort aus verläuft die Trajektorie der Sekundärelektronen und rückgestreuten Elektronen weiter in den Innenraum 17 des Strahlrohrs 16 (d. h. weiter in den Innenraum des Teilchenstrahlmikroskops 100), welcher mit dem Innenraum der Objektivlinse 30 verbunden ist. Im Innenraum 17 des Strahlrohrs 16 (d. h. in dem Innenraum des Teilchenstrahlmikroskops 100) treffen die Sekundärelektronen und rückgestreuten Elektronen auf die Detektionsfläche 62 und werden detektiert. Die Steuerung 45 kann dazu konfiguriert sein, von dem Detektor 61 ein Detektionssignal zu empfangen.
Das in 1 gezeigte beispielhafte Teilchenstrahlmikroskop 100 umfasst einen weiteren Detektor 64, welcher dem Detektor 61 gleich ist. Der Detektor 64 umfasst eine für geladene Teilchen (beispielsweise Elektronen) sensitive Detektionsfläche 65 und eine Apertur 66, durch welche der Primärteilchenstrahl 101 verläuft. Der Detektor 64 ist stromaufwärts des Detektors 61 angeordnet. Während der Detektor 61 hauptsächlich zur Detektion von Sekundärelektronen dient, dient der Detektor 64 hauptsächlich zur Detektion von rückgestreuten Elektronen. Die Steuerung 45 kann dazu konfiguriert sein, von dem Detektor 64 ein Detektionssignal zu empfangen.
Die Steuerung 45 kann ferner konfiguriert sein, weitere Komponenten des Teilchenstrahlmikroskops 100 zu steuern. Als Beispiel zeigt 1, dass die Steuerung 45 konfiguriert sein kann, die Primärteilchenstrahlquelle 11 und die Erregungsspule 20 der Kondensorlinse 18 zu steuern.
3 zeigt eine schematische Darstellung von Feldstärken von Magnetfeldern in dem Objektbereich 102, die von der Objektivlinse 30 und von der Immersionsfeldspule 40 gemäß einem ersten Betriebsmodus der Steuerung 45 erzeugt werden.
In dem ersten Betriebsmodus steuert die Steuerung 45 die Objektivlinse 30 so, dass die Objektivlinse 30 den Primärteilchenstrahl 101 in den Probenbereich 102 fokussiert. Hierzu erzeugt die Objektivlinse 30 in dem gezeigten Beispiel ein Magnetfeld, welches auf der optischen Achse 31 die in durchgezogener Linie dargestellte Magnetfeldstärke H₃₀ hat. Die Magnetfeldstärke H₃₀ weist im Innenraum der Objektivlinse 30, genauer gesagt zwischen der Austrittsöffnung 37 und dem Strahlrohr 16, ein Maximum auf und nimmt in Richtung des Objektbereichs 102 hin ab. Im Objektbereich 102 ist die Magnetfeldstärke H₃₀ sehr gering (d. h., gegenüber der unten beschriebenen Magnetfeldstärke H₄₀ vernachlässigbar klein).
In dem ersten Betriebsmodus steuert die Steuerung 45 die Immersionsfeldspule 40 so, dass das von der Immersionsfeldspule 40 in dem Probenbereich 102 erzeugte Magnetfeld eine von Null deutlich verschiedene Feldstärke H₄₀ aufweist. In 3 ist die Feldstärke H₄₀ des von der Immersionsfeldspule 40 erzeugten Magnetfeldes auf der optischen Achse 31 durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Die Magnetfeldstärke H₄₀ weist zwischen der Probe 103 und der Austrittsöffnung 37 ein Maximum auf. Im Innenraum der Objektivlinse ist die Magnetfeldstärke H₄₀ sehr gering (d. h., gegenüber der Magnetfeldstärke H₃₀ vernachlässigbar klein). Im Objektbereich 102 und insbesondere auf der Oberfläche der Probe 103 ist die Magnetfeldstärke H₄₀ von Null deutlich verschiedenen. Eine von Null deutlich verschiedene Magnetfeldstärke weist beispielweise einen Wert von mindestens 5 mT auf.
In dem ersten Betriebsmodus weist daher ein resultierendes Magnetfeld in dem Probenbereich 102, insbesondere auf der Oberfläche der Probe 103, eine Magnetfeldstärke auf, die deutlich von Null verschieden ist. Zu der Magnetfeldstärke des resultierenden Magnetfeldes im Probenbereich 102 trägt das von der Immersionsfeldspule 40 erzeugte Magnetfeld maßgeblich bei, wohingegen der Beitrag des von der Objektivlinse 30 erzeugten Magnetfeldes demgegenüber klein (geringer) ist.
Ein Verhältnis der Magnetfeldstärke H₄₀ des von der Immersionsfeldspule 40 im Objektbereich 102 erzeugten Magnetfeldes zu der Magnetfeldstärke H₃₀ des von der Objektivlinse 30 im Objektbereich 102 erzeugten Magnetfeldes beträgt im ersten Betriebsmodus beispielsweise mindestens 0,9, bevorzugt mindestens 1,0, weiter bevorzugt mindestens 1,6, weiter bevorzugt mindestens 5.
Die Steuerung 45 kann dazu konfiguriert sein, die Objektivlinse 30 und die Immersionsfeldspule 40 gemäß einem zweiten Betriebsmodus zu steuern. In dem zweiten Betriebsmodus steuert die Steuerung 45 die Objektivlinse 30 so, dass die Objektivlinse 30 den Primärteilchenstrahl 101 in den Probenbereich 102 fokussiert. Zudem steuert die Steuerung 45 die Immersionsfeldspule 40 so, dass das von der Immersionsfeldspule 40 in dem Probenbereich 102 erzeugte Magnetfeld eine Fokussierung für Sekundärelektronen derart erzeugt, dass die Sekundärelektronen (hauptsächlich) nicht auf die Detektionsfläche 62 des Detektors 61 treffen. Der Begriff „hauptsächlich“ bedeutet in diesem Zusammenhang beispielsweise, dass höchstens 20% der erzeugten Sekundärelektronen auf die Detektionsfläche 62 des Detektors 61 treffen.
Beispielsweise steuert die Steuerung 45 die Immersionsfeldspule 40 so, dass das von der Immersionsfeldspule 40 in dem Probenbereich 102 erzeugte Magnetfeld eine Fokussierung für Sekundärelektronen derart erzeugt, dass die Sekundärelektronen (hauptsächlich) in die Apertur 63 des Detektors 61 fokussiert werden. Dies bewirkt, dass die Sekundärelektronen hauptsächlich durch die Apertur 63 verlaufen und daher nicht auf die Detektionsfläche 62 des Detektors 61 treffen.
Hingegen beeinflusst das von der Immersionsfeldspule 40 erzeugte Magnetfeld die Trajektorien der rückgestreuten Elektronen kaum, weshalb die Trajektorien der rückgestreuten Elektronen hauptsächlich von der Objektivlinse 30 bestimmt werden. Daher treffen in dem zweiten Betriebsmodus hauptsächlich rückgestreute Elektronen auf die Detektionsfläche 62 (und keine oder zumindest kaum Sekundärelektronen). Die Sekundärelektronen tragen daher kaum zum Detektionssignal bei, das von dem Detektor 61 ausgegeben wird. Somit kann ein Detektionssignal erhalten werden, welches hauptsächlich auf der Detektion von rückgestreuten Elektronen basiert.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer weiteren Objektivlinsenanordnung 1B. Die Objektivlinsenanordnung 1B unterscheidet sich von der Objektivlinsenanordnung 1A nur dadurch, dass sie ferner eine erste Kühlvorrichtung 70 umfasst, welche konfiguriert ist, die Immersionsfeldspule 40 zu kühlen. Die Kühlvorrichtung 70 kann beispielsweise eine passive Kühlvorrichtung, ein Peltier-Element, eine Wasserkühlung oder dergleichen oder Kombinationen davon umfassen. Durch die Kühlvorrichtung 70 kann die Funktionsweise der Immersionsfeldspule 40 stabilisiert werden. Die Kühlvorrichtung 70 kann so konfiguriert sein, dass die Temperatur der Immersionsfeldspule 40 im Arbeitsbereich des Teilchenstrahlmikroskops 100 stabil bleibt. Die Kühlvorrichtung 70 für die Immersionsfeldspule 40 kann von einer Kühlvorrichtung für die Objektivlinse 30 unabhängig steuerbar sein.
Bezugszeichenliste
1 Objektivlinsenanordnung; 11 Teilchenquelle; 12 Unterdrückungselektrode; 13 Extraktionsblende; 14 Gehäuse; 15 Anodenblende; 16 Strahlrohr; 17 Innenraum des Teilchenstrahlmikroskops (Strahlrohrs); 18 Kondensorlinse; 19 Magnetkern der Kondensorlinse; 20 Erregungsspule der Kondensorlinse; 30 Objektivlinse; 31 optische Achse der Objektivlinse; 32 Magnetkern der Objektivlinse; 33 Erregungsspule der Objektivlinse; 34 erster Polschuh; 35 zweiter Polschuh; 36 Polschuhspalt; 37 Austrittsöffnung; 40 Immersionsfeldspule; 41 Kappe; 45 Steuerung; 50 Ablenksystem; 51, 52 Ablenkeinheit; 61, 64 Detektor; 62, 65 Detektionsfläche; 63 Apertur; 70 erste Kühlvorrichtung; 100 Teilchenstrahlmikroskop; 101 Primärteilchenstrahl; 102 Probenbereich; 103 Probe; 104 Probentisch; 110 optische Achse des Teilchenstrahlmikroskops.

Claims

Objektivlinsenanordnung (1, 1A, 1B), umfassend: eine Objektivlinse (30) zum Fokussieren eines Primärteilchenstrahls (101) aus geladenen Teilchen in einen Probenbereich (102), der in einem Außenraum der Objektivlinse (30) liegt und in welchem eine Probe (103) anordenbar ist, wobei die Objektivlinse (30) eine Austrittsöffnung (37) aufweist, durch welche der Primärteilchenstrahl (101) von einem Innenraum der Objektivlinse (30) in den Außenraum der Objektivlinse (30) austritt; eine Immersionsfeldspule (40) zum Erzeugen eines in dem Probenbereich (102) wirkenden Magnetfeldes, wobei die Immersionsfeldspule (40) in dem Außenraum der Objektivlinse (30) nahe der Austrittsöffnung (37) der Objektivlinse (30) angeordnet ist; und eine Steuerung (45), welche konfiguriert ist, die Objektivlinse (30) und die Immersionsfeldspule (40) in einem ersten Betriebsmodus zu betreiben, in welchem die Objektivlinse (30) den Primärteilchenstrahl (101) in den Probenbereich (102) fokussiert, die Immersionsfeldspule (40) das Magnetfeld mit einer von Null deutlich verschiedenen Feldstärke erzeugt und eine Feldstärke eines resultierenden Magnetfeldes in dem Probenbereich (102) von Null deutlich verschieden ist, wobei die Immersionsfeldspule (40) zumindest teilweise in einem ersten Bereich (B 1) angeordnet ist, wobei der erste Bereich (B 1) auf alle Orte des Außenraums der Objektivlinse (30) begrenzt ist, die von der Austrittsöffnung (37) einen Abstand von höchstens 3 cm haben.
Objektivlinsenanordnung (1, 1A, 1B) gemäß Anspruch 1, wobei die Immersionsfeldspule (40) vollständig in einem zweiten Bereich (B2) angeordnet ist, wobei der zweite Bereich (B2) auf alle Orte des Außenraums der Objektivlinse (30) begrenzt ist, die von der Austrittsöffnung (37) einen Abstand von höchstens 10 cm haben.
Objektivlinsenanordnung (1, 1A, 1B) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Immersionsfeldspule (40) zumindest teilweise in einem dritten Bereich (B3) angeordnet ist, wobei der dritte Bereich (B3) auf alle Orte des Außenraums der Objektivlinse (30) begrenzt ist, die von der Austrittsöffnung (37) einen entlang einer optischen Achse (31) der Objektivlinse (30) betrachteten Abstand haben, der höchstens 1/3 einer Bauhöhe der Objektivlinse (30) beträgt.
Objektivlinsenanordnung (1, 1A, 1B) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Immersionsfeldspule (40) vollständig in einem vierten Bereich (B4) angeordnet ist, wobei der vierte Bereich (B4) auf alle Orte des Außenraums der Objektivlinse (30) begrenzt ist, die von der Austrittsöffnung (37) einen entlang einer optischen Achse (31) der Objektivlinse (30) betrachteten Abstand haben, der höchstens 1/2 einer Bauhöhe der Objektivlinse (30) beträgt.
Objektivlinsenanordnung (1, 1A, 1B) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Objektivlinse (30) im Innenraum einen ersten Polschuh (34), einen zweiten Polschuh (35) und eine Erregungsspule (33) umfasst, wobei die Erregungsspule (33) konfiguriert ist, in einem zwischen dem ersten Polschuh (34) und dem zweiten Polschuh (35) liegenden Polschuhspalt (36) ein Magnetfeld zum Fokussieren des Primärteilchenstrahls (101) zu erzeugen; wobei die Immersionsfeldspule (40), gesehen entlang einer optischen Achse (31) der Objektivlinse (30), zwischen dem Polschuhspalt (36) und dem Probenbereich (102) angeordnet ist.
Objektivlinsenanordnung (1, 1A, 1B) gemäß Anspruch 5, wobei die Immersionsfeldspule (40), gesehen entlang der optischen Achse (31) der Objektivlinse (30), zwischen dem Polschuhspalt (36) und der Austrittsöffnung (37) der Objektivlinse (30) angeordnet ist.
Objektivlinsenanordnung (1, 1A, 1B) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Objektivlinse (30) im Innenraum eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfasst, welche bei Anliegen einer elektrischen Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ein zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode liegendes elektrisches Feld zum Fokussieren des Primärteilchenstrahls (101) erzeugen, wobei die Austrittsöffnung (37) der Objektivlinse (30) durch eine Öffnung in der zweiten Elektrode gebildet ist.
Objektivlinsenanordnung (1, 1A, 1B) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Immersionsfeldspule (40) mindestens 50 Wicklungen aufweist.
Objektivlinsenanordnung (1, 1A, 1B) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Immersionsfeldspule (40) höchstens 500 Wicklungen aufweist.
Objektivlinsenanordnung (1, 1A, 1B) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Immersionsfeldspule (40) mit einem elektrischen Strom von mindestens 1 A betreibbar ist.
Objektivlinsenanordnung (1, 1A, 1B) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Immersionsfeldspule (40) mit einem elektrischen Strom von höchstens 50 A betreibbar ist.
Objektivlinsenanordnung (1, 1A, 1B) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Immersionsfeldspule (40) ein Teil der Objektivlinse (30) als Polschuh dient und der Immersionsfeldspule (40) kein außenliegender Polschuh bereitgestellt ist.
Objektivlinsenanordnung (1B) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, ferner umfassend: eine erste Kühlvorrichtung (70), welche konfiguriert ist, die Immersionsfeldspule (40) zu kühlen.
Objektivlinsenanordnung (1B) gemäß Anspruch 13, ferner umfassend: eine von der ersten Kühlvorrichtung (70) unabhängig steuerbare zweite Kühlvorrichtung, welche konfiguriert ist, die Objektivlinse (30) zu kühlen.
Objektivlinsenanordnung (1, 1A, 1B) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Innenraum der Objektivlinse (30) eine konvexe Hülle um sämtliche Komponenten der Objektivlinse 30 bildet, die zum Fokussieren des Primärteilchenstrahls (101) in den Probenbereich (102) dienen, und der Außenraum der Objektivlinse (30) ein räumlicher Bereich außerhalb des Innenraums der Objektivlinse (30) ist.
Teilchenstrahlmikroskop (100), umfassend: eine Objektivlinsenanordnung (1, 1A, 1B) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15; eine Primärteilchenstrahlquelle (11) zum Erzeugen des Primärteilchenstrahls (101); und einen Detektor (61) mit einer für geladene Teilchen sensitiven Detektionsfläche (62), welche in einem Innenraum (17) des Teilchenstrahlmikroskops (100) angeordnet ist, der mit dem Innenraum der Objektivlinse (30) verbunden ist.
Teilchenstrahlmikroskop (100) gemäß Anspruch 16, wobei die Detektionsfläche (62) eine Apertur (63) aufweist, durch welche der Primärteilchenstrahl (101) verläuft; wobei die Steuerung (45) konfiguriert ist, die Objektivlinse (30) und die Immersionsfeldspule (40) in einem zweiten Betriebsmodus zu betreiben, in welchem die Objektivlinse (30) den Primärteilchenstrahl (101) in den Probenbereich (102) fokussiert und die Immersionsfeldspule (40) von dem Probenbereich (102) ausgehende Sekundärelektronen so fokussiert, dass die Sekundärelektronen hauptsächlich nicht auf die Detektionsfläche (62) treffen.
Teilchenstrahlmikroskop (100) gemäß Anspruch 17, wobei die Steuerung (45) die Immersionsfeldspule (40) in dem zweiten Betriebsmodus so betreibt, dass die Sekundärelektronen in die Apertur (63) fokussiert werden.