DE112013001852B4 - Rastertransmissionselektronenmikroskop sowie Verfahren zur Durchführung einer Vergrößerungskalibrierung - Google Patents

Abstract

Rastertransmissionselektronenmikroskop, aufweisend:eine Elektronenquelle (1), die einen Elektronenstrahl (3) erzeugt,einen Deflektor (8, 10), der den Elektronenstrahl (3) ablenkt, um eine Probe (13) mit dem Elektronenstrahl (3) abzutasten,eine Objektivlinse (12), die den Elektronenstrahl (3) auf der Probe (13) bündelt,einen Detektor (42), der ein Rastertransmissionselektron (41) erfasst, das von der Probe (13) durchgelassen wird,einen Computer (30) undeine Blende (44), die zwischen der Probe (13) und dem Detektor (42) angeordnet ist, um den Erfassungswinkel (βi) des Rastertransmissionselektrons (41) zu steuern,wobei der Elektronenstrahl (3) in einem vorbestimmten Konvergenzhalbwinkel (αi) in die Probe (13) eintritt,dadurch gekennzeichnet, dass das Rastertransmissionselektronenmikroskop dazu konfiguriert ist, ein Gitterbild mit einem im Voraus gespeicherten und durch den Computer (30) eingestellten, zweiten Konvergenzhalbwinkel (αi1) zu erfassen, der größer als ein erster Konvergenzhalbwinkel (αi0) ist, bei dem der Strahldurchmesser auf der Probe (13) minimiert ist, und der ferner größer ist als der doppelte Bragg-Winkel θB, um so den Kristallgitterabstand (d) der Probe (13) aus dem Gitterbild zu erhalten und eine Vergrößerungskalibrierung auf der Grundlage des Kristallgitterabstands (d) durchzuführen.

Description

• TECHNISCHES GEBIET
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Rasterelektronenmikroskop. Insbesondere bezieht sie sich auf ein Rasterelektronenmikroskop mit einer Einrichtung zum Erfassen eines Rastertransmissionselektrons und ein Rastertransmissionselektronenmikroskop sowie auf ein Verfahren zur Durchführung einer Vergrößerungskalibrierung für ein Rastertransmissionselektronenmikroskop.
• STAND DER TECHNIK
• Ein Rasterelektronenmikroskop ist ein Gerät, das einen Primärelektronenstrahl, der von einer Elektronenkanone ausgesendet wird, durch eine Magnetfeldlinse auf eine Probe fokussiert, die Probe mit dem Primärelektronenstrahl durch einen Magnetfelddeflektor oder einen elektrischen Felddeflektor abtastet und Sekundärladungsteilchen (zum Beispiel Sekundärelektronen oder Rastertransmissionselektronen) von der Probe erfasst, wodurch ein vergrößertes Bild der Probe erhalten wird. Die Beobachtungsvergrößerung des vergrößerten Bilds der Probe ist durch das Verhältnis zwischen der Abtastbreite des Primärelektronenstrahls auf der Probenoberfläche und der Anzeigebreite des vergrößerten Bilds festgelegt, das durch die Sekundärladungsteilchen gebildet wird, die aus dem abgetasteten Bereich erhalten werden. Die Abtastbreite des Primärelektronenstrahls auf der Probe kann mit dem Deflektor beliebig geändert werden. Wenn die Anzeigebreite des vergrößerten Bilds konstant ist, nimmt daher die Beobachtungsvergrößerung durch Erweitern des Abtastbereichs des Primärelektronenstrahls auf der Probe ab, und durch Verkleinern des Abtastbereichs nimmt die Beobachtungsvergrößerung zu. Nachstehend erfolgt der Einfachheit halber die folgende Beschreibung unter der Annahme, dass, der Vergrößerungswert in dieser Spezifikation mit der Anzeigebreite des vergrößerten Bilds von 100 mm festgelegt ist, was nahe dem allgemein verwendeten Wert ' ist. In diesem Fall gibt eine Vergrößerung von 10.000x einen Zustand an, in dem ein Probenbild eines 10-pm-Bereichs auf einem vergrößerten Bild mit einer Breite von 100 mm angezeigt wird.
• In letzter Zeit sind die Proben, die mit einem Rasterelektronenmikroskop untersucht werden sollen, immer weiter miniaturisiert worden, und die Beobachtung bei einer Vergrößerung von 1.000.000x oder mehr (Anzeigebereich der Probe: 100 nm oderweniger), die kaum praktiziert worden ist, war erforderlich. Darüber hinaus ist zum Messen der Abmessungen einer Probenstruktur eine sehr genaue und zuverlässige Maßkalibrierung (Vergrößerungskalibrierung) in diesem Vergrößerungsbereich erforderlich. Die Maßkalibrierung erfordert eine exakte Dimensionsmessung bei einer Vergrößerung, die höher ist als die für die Beobachtung.
• Üblicherweise werden bei der Ausführung einer exakten Maßkalibrierung mithilfe einer Mikroskala mit bekannten Abmessungen die Abmessungen mehrerer Teilungen derselben gemessen, und der resultierende Wert wird als wahrer Wert verwendet. Darüber hinaus wird, wenn ein Sekundärladungsteilchen ein Rastertransmissionselektron ist, wie in Patentdokument 1 beschrieben, ein Gitterbild durch Verwendung einer dünnen Einkristallprobe mit einer bekannten Kristallstruktur (Gitterabstand) erhalten, und die Maßkalibrierung wird mit diesem Bild durchgeführt.
• ZITIERLISTE
• Patentdokumente
• Patentdokument 1: Japanisches Patent JP 4 464 857 B2 (US-Patent US 7 375 330 B2 )
• US 3 908 124 A offenbart ein Rasterelektronenmikroskop mit den Merkmalen im Oberbegriff des vorliegenden Anspruchs 1. Weitere Beispiele herkömmlicher Rasterelektronenmikroskope sind beschrieben in US 2011/0049363 A1 sowie in den wissenschaftlichen Publikationen K. Tsuda et al., „Observation of Interference Fringes with a Lattice Spacing of 1.92 Å in Convergent-Beam Electron Diffraction“, Journal of Electron Microscopy 43 (1994), Seiten 173-175, und K. Tsuda et al., „Interferometry by coherent convergent-beam electron diffraction“, Journal of Electron Microscopy 45 (1996), Seiten 59-63.
• ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Mit der Erfindung zu lösende Probleme
• Weil der Minimalwert einer Teilung der Mikroskala etwa 100 nm beträgt und eine ausreichende Messgenauigkeit nicht erreicht werden kann, sofern nicht mehrere Abmessungen mehrmals gemessen werden, weist die Mikroskala bei der Durchführung der Maßkalibrierung eines Rasterelektronenmikroskops unter Verwendung einer Mikroskala mit bekannten Abmessungen keine ausreichende Maßteilung im Hinblick auf ein Probenbild mit einer Vergrößerung von 1.000.000x oder mehr auf und kann daher nicht für die Maßkalibrierung angewendet werden. Darüber hinaus ist der Prozess zur Verringerung der Maßteilung einer Mikroskala schwierig, und mit kleiner werdender Maßteilung nimmt auch die Zuverlässigkeit der Kalibrierung ab.
• Weil ein Transmissionselektronenmikroskop oder ein Rastertransmissionselektronenmikroskop mit einer Beschleunigungsspannung von 100 kV oder mehr unter normalen hochauflösenden Beobachtungsbedingungen ein hochauflösendes Rastertransmissionsbild und ein Kristallgitterbild (im Folgenden als Gitterbild bezeichnet) erfassen kann, ist es bei der Durchführung der Maßkalibrierung unter Verwendung einer dünnen Einkristallprobe mit einer bekannten Kristallstruktur nach Patentdokument 1 möglich, eine Kristallstruktur zu beobachten, solange normale hochauflösende Beobachtungsbedingungen eingestellt sind. Bei der Untersuchung eines Rastertransmissionsbilds mit einem allgemeinen handelsüblichen Rasterelektronenmikroskop beträgt die maximale Beschleunigungsspannung, die eingestellt werden kann, jedoch nur 30 kV, und daher ist die Auflösung, niedrig im Vergleich mit der eines Transmissionselektronenmikroskops oder dergleichen mit einer Beschleunigungsspannung von 100 kV oder mehr. Daher sind dünne Kristallproben, die unter normalen hochauflösenden Beobachtungsbedingungen beobachtet werden können, auf Proben mit großem Gitterabstand d (zum Beispiel d = ca. 1,0 nm) beschränkt. Aus diesem Grund macht es wenig Sinn, die vorstehend beschriebene Technik in tatsächlichen Anwendungen einzusetzen, und die Beobachtung mit ihrer Hilfe ist nicht versucht worden.
• Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Rasterelektronenmikroskops, das in der Lage ist, ein Rastertransmissionsbild eines Gitterbilds mit einer bekannten Kristallstruktur.zu erfassen und eine hoch genaue Maßkalibrierung (Vergrößerungskalibrierung) unter Verwendung des erfassten Bilds durchzuführen, selbst in einem universellen Rasterelektronenmikroskop.
• MITTEL ZUR LÖSUNG DER PROBLEME
• Zur Lösung des vorstehend genannten Problems weist ein Rastertransmissionselektronenmikroskop nach der vorliegenden Erfindung eine Elektronenquelle, die einen Elektronenstrahl erzeugt, einen Deflektor, der den Elektronenstrahl ablenkt, um eine Probe mit dem Elektronenstrahl abzutasten, eine Objektivlinse, die den Elektronenstrahl auf die Probe bündelt, einen Detektor, der ein Rastertransmissionselektron erfasst, das von der Probe durchgelassen worden ist, und eine Blende auf, die zwischen der Probe und dem Detektor angeordnet ist, um den Erfassungswinkel des Rastertransmissionselektrons zu steuern, wobei der Elektronenstrahl in einem vorbestimmten Konvergenzhalbwinkel in die Probe eintritt und ein Gitterbild mit einem zweiten Konvergenzhalbwinkel erfasst wird, der größer als ein erster Konvergenzhalbwinkel ist, bei dem der Strahldurchmesser auf der Probe minimiert ist.
• WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
• Nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Rasterelektronenmikroskop bereitzustellen, das in der Lage ist, ein Rastertransmissionsbild eines Gitterbilds mit einer bekannten Kristallstruktur zu erfassen und eine hoch genaue Maßkalibrierung (Vergrößerungskalibrierung) unter Verwendung des erfassten Bilds durchzuführen, selbst in einem universellen Rasterelektronenmikroskop.
• KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• 2 zeigt ein erläuterndes Diagramm eines Strahlkonvergenzhalbwinkels α_i und eines Erfassungswinkels β_i.
• 3 zeigt ein Ablaufdiagramm der Verarbeitungsschritte nach dieser Ausführungsform.
• 4 zeigt ein Beispiel eines Einstellbildschirms.
• 5 zeigt das Verhalten eines Primärelektronenstrahls beim Eintritt in eine Probe.
• 6 zeigt einen Zustand, in dem der Strahlkonvergenzhalbwinkel α_i kleiner ist als der Bragg-Winkel θ_B (α_i < θ_B).
• 7 zeigt einen Fall, bei dem der Strahlkonvergenzhalbwinkel α_i im Bereich von θ_B < α_i ≤ 2θ_B liegt.
• 8 zeigt einen Fall, bei dem der Strahlkonvergenzhalbwinkel α_i im Bereich von 2θ_B < α_i liegt.
• 9 zeigt den Prozess zum Erhalten eines Gitterbilds.
• 10 zeigt ein Diagramm der Veränderung des Gitterbildsignals im Verhältnis zur Elektronenstrahl-Abtastposition.
• 11 zeigt ein Diagramm der Veränderung des Bildkontrasts im Verhältnis zum Primärelektronenstrahl-Konvergenzhalbwinkel.
• BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben.
• 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Rasterelektronenmikroskops nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hierbei ist zu beachten, dass ein Rasterelektronenmikroskop in dieser Ausführungsform ein Rasterelektronenmikroskop mit einer Einrichtung zum Erfassen von Rastertransmissionselektronen ist und gelegentlich auch als Rastertransmissionselektronenmikroskop bezeichnet wird.
• Ein Primärelektronenstrahl 3, der durch eine Spannung V1, die an eine Kathode 1 und eine erste Anode 2 angelegt wird, aus der Kathode 1 ausgesendet wird, wird durch eine Spannung V_acc beschleunigt, die an eine zweite Anode 4 angelegt wird, und pflanzt sich zu einem elektromagnetischen Linsensystem in einer nachfolgenden Stufe fort. In diesem Fall steuert eine Hochspannungssteuerung 22 die Beschleunigungsspannung V_acc und die Spannung V1. Der Primärelektronenstrahl 3 wird von einer ersten Kondensorlinse 5 gebündelt, die von einer ersten Kondensorlinsensteuerung 23 gesteuert wird. Nach Entfernen eines unnötigen Bereichs aus dem Primärelektronenstrahl 3 mit einer Objektivblende 6 wird der Primärelektronenstrahl 3 weiter erneut mit einer zweiten Kondensorlinse 7 gebündelt, die von einer zweiten Kondensorlinseristeuerung 24 gesteuert wird, mit einer Objektivlinse 12, die von einer Objektivlinsensteuerung 26 gesteuert wird, auf eine Probe 13 fokussiert; danach tastet er die Probe 13 durch eine obere Ablenkspule 8 und eine untere Ablenkspule 10, an die eine Ablenkungssteuerung 25 angeschlossen ist, zweidimensional ab. Die Probe 13 muss eine Dünnschicht sein, um Rastertransmissionselektronen zu erfassen. Darüber hinaus muss die Probe 13 eine Probe sein, deren Kristallgitterabstand bekannt ist, um für die Maßkalibrierung verwendet zu werden. Die Probe 13 wird auf einen Probentisch 14 gelegt, der durch eine Probentischsteuerung 27 gesteuert wird. Von den Signalen, die von dem Primärelektronenstrahl-Bestrahlungspunkt auf der Probe 13 erzeugt werden, wird ein Sekundärelektron 16 mit Informationen über die Probenoberfläche von dem Magnetfeld der Objektivlinse 12 erfasst, durch eine orthogonale elektrische und Magnetfeldvorrichtung (EXB) 17, die über der Objektivlinse 12 angeordnet ist, von dem Primärelektronenstrahl 3 getrennt, mit einem Detektor 20 erfasst und dann mit einem Verstärker 21 verstärkt. Außerdem wird ein Rastertransmissionselektron 41, das erhalten wird, wenn der Primärelektronenstrahl 3 durch die Probe 13 hindurchtritt, mit einem Detektor 42, der unter der Probe 13 angeordnet ist, erfasst und mit einem Verstärker 43 verstärkt. Hierbei ist zu beachten, dass das Rastertransmissionselektron 41 ein elastisch gestreutes Elektron und ein unelastisch gestreutes Elektron umfasst, wie weiter unten beschrieben. Dabei ist der Erfassungswinkel des Rastertransmissionselektrons 41 durch eine Blende 44 begrenzt, die zwischen der Objektivlinse 12 und dem Detektor 42 angeordnet ist. Der Verstärker 21 und der Verstärker 43 werden durch eine Signalsteuerung 28 gesteuert. Die jeweiligen Steuerungen 22 bis 28 werden von einem Computer 30 gesteuert, der das gesamte Gerät steuert. Die Signale der verstärkten Sekundärelektronen und Transmissionselektronen werden als ein vergrößertes Bild der Probe auf dem Bildschirm einer Anzeigevorrichtung 31 angezeigt. Andere Einheiten, die an den Computer 30 angeschlossen sind, sind unter anderem eine Bilderfassungseinheit 32, die das auf der Anzeigevorrichtung 31 angezeigte Beobachtungsbild als Bildinformationen erfasst, eine Bildverarbeitungseinheit 33, die verschiedene Arten der Bildverarbeitung für das Beobachtungsbild durchführt, eine Berechnungseinheit 34, die Parameter aus dem Ergebnis dieser Bildverarbeitung berechnet und verschiedene Arten von Berechnungen durchführt, eine Speichereinheit 35 wie etwa ein interner Speicher, die die Beobachtungsbilder und Berechnungsergebnisse speichert, und eine Eingabeeinheit 36, die Beobachtungsbedingungen und dergleichen eingibt. Die Bilderfassungseinheit 32 kann das erfasste Bild ohne Zwischenschaltung der Anzeigevorrichtung 31 direkt erfassen. Die Bilderfassungseinheit 32, die Bildverarbeitungseinheit 33, die Berechnungseinheit 34 und die Speichereinheit 35 können als Funktionen des Computers 30 implementiert sein oder durch Programme implementiert werden, die von dem Computer 30 ausgeführt werden. Darüber hinaus kann die Bildverarbeitungseinheit 33 auch als die Berechnungseinheit 34 fungieren und umgekehrt. Außerdem kann, wenn die Anzeigevorrichtung 31 ein Touch-Panel ist, die Eingabeeinheit 36 auch als der Bildschirm dienen, der auf der Anzeigevorrichtung 31 angezeigt wird.
• 2 zeigt ein erläuterndes Diagramm eines Strahlkonvergenzhalbwinkels α_i relativ zu dem Primärelektronenstrahl 3 und eines Erfassungswinkels β_i relativ zu dem Rastertransmissionselektron 41. Der Strahlkonvergenzhalbwinkel α_i entspricht der Ausbreitung des Primärelektronenstrahls 3, der auf die Probe 13 fällt, was durch einen Halbwinkel angegeben ist. Der Strahlkonvergenzhalbwinkel α_i wird durch den Durchmesser der Objektivblende 6 und eine Änderung der Überschneidungsposition 45 des Primärelektronenstrahls durch die zweite Kondensorlinse 7 eingestellt. Der Erfassungswinkel β_i ist ein Sehwinkel von einem Bestrahlungspunkt des Primärelektronenstrahls auf der Probe 13 zur Erfassungsfläche des Detektors 42. Der Erfassungswinkel β_i wird durch Ändern des Durchmessers der Blende 44 eingestellt.
• Im Allgemeinen wird bei der Beobachtung eines stereoskopischen Bilds der Probe 13 der Bestrahlungs-Konvergenzhalbwinkel (nachstehend als Strahlkonvergenzhalbwinkel bezeichnet) α_i auf die Probe eingestellt, um den Durchmesser des Primärelektronenstrahls zu minimieren. Dies geschieht, weil der Kontrast des erhaltenen Bilds in diesem Fall optimiert ist. Dieser Zustand wird als normale hochauflösende Beobachtungsbedingung bezeichnet.
• Die Einzelheiten der Verarbeitung in dieser Ausführungsform werden anhand von 3 beschrieben.
• Schritt 1
• In diesem Verarbeitungsschritt werden der Konvergenzhalbwinkel α_i des Primärelektronenstrahls 3 und ein Fokus F so eingestellt, dass die normalen hochauflösenden Beobachtungsbedingungen in dem Rasterelektronenmikroskop erreicht werden. Die Bedingungseinstellung in diesem Schritt kann gemäß einer Anweisung von der Eingabeeinheit 36 vorgenommen werden oder kann automatisch durch eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) wie die erfolgen, die in 4 beschrieben ist. Dies erlaubt es dem Benutzer, ein hochauflösendes Sekundärelektronenbild oder Rastertransmissionselektronenbild auf der Anzeigevorrichtung 31 zu beobachten. In diesem Fall ist der Strahlkonvergenzhalbwinkel α_i gegeben durch den Wert, bei dem die sphärische Aberration und die chromatische Aberration der Objektivlinse 12, die durch die Fokusposition des Primärelektronenstrahls 3 und die durch die Beschleunigungsspannung V_acc bestimmte Beugungserscheinung bestimmt werden, minimal sind, und der Fokus F ist durch das Verhältnis zwischen dem Abstand zwischen der Objektivlinse 12 und der Probe (Arbeitsabstand: WD) und der Anregung der Objektivlinse 12 festgelegt.
• Zu beachten ist, dass die Ausführungsreihenfolge von Schritt 1 und aller anderen Schritte in dieser Ausführungsform austauschbar ist und dass Schritt 1 nicht immer ausgeführt wird.
• Schritt 2
• In diesem Verarbeitungsschritt wird ein Gitterabstand d einer zu beobachtenden dünnen Kristallprobe eingestellt. Der Wert von d ist ein von entsprechenden Kristallproben bekannter Wert, und der (111)-Kristallebenenabstand von Silizium (Si) beträgt zum Beispiel 0,314 nm. 4 zeigt ein Beispiel für ein Verfahren zum Einstellen des Gitterabstands d. In diesem Fall wird eine grafische Benutzeroberfläche 51, die in der Lage ist, die Art des Rastertransmissionsbilds auszuwählen, auf der Anzeigevorrichtung 31 angezeigt. Mit der Eingabeeinheit 36 kann der Benutzer die hochauflösende Rastertransmissionselektronen-Bildbeobachtung „UHR STEM“ und die Gitterbildbeobachtung „Gitterbild“ in einem Beobachtungsmethoden-Auswahlabschnitt 52 auswählen. 4A zeigt die Anzeige, wenn „UHR STEM“ gewählt ist, und in diesem Fall werden die im vorstehend beschriebenen Schritt 1 angegebenen Bedingungen eingestellt. Auf der anderen Seite zeigt 4B die Anzeige, wenn „Gitterbild“ gewählt ist, und zusätzlich wird eine Liste 53 der dünnen Kristallproben als Beobachtungsziele für Rastertransmissionsbilder angezeigt. Der Benutzer wählt eine derzeit beobachtete dünne Kristallprobe aus der Liste 53 der dünnen Kristallproben 53 aus. Nachdem eine Probe ausgewählt ist, werden die Bedingungen entsprechend der ausgewählten Probe in Schritt 3 und den nachfolgenden Schritten eingestellt.
• Schritt 3
• Um ein Gitterbild mit dem in Schritt 2 bestimmten Gitterabstand d der Probe zu erfassen, werden in diesem Verarbeitungsschritt der optimale Strahlkonvergenzhalbwinkel α_i, der Erfassungswinkel β_i der Transmissionselektronen und ein Fokusänderungsbetrag ΔF aus dem bei der Probenbeobachtung in Schritt 1 eingestellten Fokus F festgelegt. Das hier genannte Gitterbild ist das Bild, das durch den Kontrast (Phasenkontrast), erhalten wird, der durch Interferenz von Elektronen entsteht, die von der dünnen Probe durchgelassen worden sind.
• Hier wird ein Verfahren zur Bestimmung von α_i und β_i anhand von 5 bis 10 beschrieben.
• Wie in 5 gezeigt, wenn der Primärelektronenstrahl 3 in die Probe 13 mit dem Gitterabstand d eintritt, werden ein unelastisch gestreutes Elektron 61, das durch die-dünne Kristallprobe hindurchtritt, ohne durch die Atome der Probe gestreut zu werden, und ein elastisch gestreutes Elektron 62, das von den Atomen der Probe gestreut wird, durch die dünne Kristallprobe durchgelassen. In diesem Fall wird das elastisch gestreute Elektron in einem Winkel (2θ_B) gestreut, der nach dem Bragg-Gesetz doppelt so groß wie der Bragg-Winkel θ_B ist. Hierbei ist $${\mathrm{\theta }}_{\text{B}}=\mathrm{\lambda }/2\text{d}$$

  

  erfüllt, und λ ist die Wellenlänge eines Elektrons und wird mit der folgenden Gleichung durch Verwendung der Beschleunigungsspannung V_acc erhalten. $$\mathrm{\lambda }=\surd \left(\mathrm{1,5}/{\text{V}}_{\text{acc}}\right)\left(\text{nm}\right)$$

  
• 6 bis 8 zeigen Ansichten zur Beschreibung des Interferenzzustands einer Elektronenwelle entsprechend der Beziehung zwischen dem Bragg-Winkel θ_B und dem Strahlkonvergenzhalbwinkel α_i. Der Einfachheit halber zeigen 6 bis 8 jeweils eine vertikale Schnittansicht der Probe einschließlich der optischen Achse. Daher wird die Elektronenwelle eines elastisch gestreuten Elektrons, wie nachstehend beschrieben, tatsächlich in Donut-Form mit einem vorbestimmten Streuwinkel gestreut.
• Unter den Bedingungen in Schritt 1 ist der Zustand, wie in 6A gezeigt, und der Strahlkonvergenzhalbwinkel α_i wird kleiner als der Bragg-Winkel θ_B (α_i < θ_B). Dabei überlappt das unelastisch gestreute Elektron 61 das elastisch gestreute Elektron 62 nicht. Daher erscheint eine Signalform wie die in 6B gezeigte auf einer Signalerfassungsfläche 64. Hierbei ist die Signalerfassungsfläche 64 die Erfassungsfläche des Detektors 42.
• Als Nächstes wird der Fall beschrieben, bei dem α_i gegenüber dem in 6A gezeigten Zustand (Bedingungen in Schritt 1) vergrößert ist und im Bereich von θ_B < α_i ≤ 2θ_B liegt, wie in 7A gezeigt. Weil zwei Elektronenwellen, das heißt ein elastisch gestreutes Elektron 62 und das unelastisch gestreute Elektron 61 einander überlappen, erscheint dabei ein Interferenzmuster 65 der Elektronenwellen in einem Bereich,, in dem sich die zwei Wellen auf der Signalerfassungsfläche 64 überlappen, wie in 7B gezeigt.
• Darüber hinaus wird der Fall,beschrieben, bei dem α_i gegenüber dem in 7A gezeigten Zustand, weiter vergrößert ist und im Bereich von α_i > 2θ_B liegt, wie in 8A gezeigt. Dabei überlappen drei Elektronenwellen einander, das heißt beide elastisch gestreute Elektronen und das unelastisch gestreute Elektron, und ein Interferenzmuster 66 erscheint in der Mitte des unelastisch gestreuten Elektrons auf der Signalerfassungsfläche 64, wie in 8B gezeigt. Das in der Mitte gebildete Interferenzmuster wird als ein Rastertransmissionselektronensignal in einem (Signal-) Erfassungsbereich 67 des Erfassungswinkels β_i erfasst, der durch die Blende 44 gebildet wird, wie in 9A gezeigt. Außerdem verschieben sich durch Abtasten der Probe 13 mit dem Primärelektronenstrahl 3 die Interferenzmuster 65 und 66, wie in 9B gezeigt.
• 10 zeigt ein Diagramm, in dem die Abszisse die Abtastposition auf der Probe 13 angibt und die Ordinate die Gesamtmenge der Rastertransmissionselektronen angibt, die im Bereich des Erfassungswinkels β_i erfasst wurden. Durch Abtasten der Probe 13 mit dem Primärelektronenstrahl 3 verschieben sich die Interferenzmuster 65 und 66, und ein Gitterbildsignal 68 mit hohen und niedrigen Intensitäten erscheint in dem Rastertransmissionselektronenbild, wie in 10 gezeigt. Die Intensitätsveränderung des Gitterbildsignals 68 wird mit dem Detektor 42 erfasst und mit dem Verstärker 43 verstärkt und dann durch die Signalsteuerung 28 und den Computer 30 als ein Gitterbild an die Anzeigevorrichtung 31 ausgegeben.
• Wie vorstehend beschrieben, muss mindestens α_i auf einen Winkel größer als 2θ_B eingestellt werden, aber um ein Gitterbild bei einer Beschleunigungsspannung von 30 kV oder weniger zu beobachten, ist es erforderlich, einen geeigneteren Strahlkonvergenzhalbwinkel (angegeben als α_i1) einzustellen. Dies wird anhand von 11 beschrieben. 11 zeigt das Verhältnis zwischen dem Strahlkonvergenzhalbwinkel und dem Bildkontrast bei einem vorbestimmten Gitterabstand d und einer vorbestimmten Beschleunigungsspannung V_acc.
• In einem normalen Sekundärelektronenbild oder Rastertransmissionsbild ist der Strahldurchmesser bei dem Strahlkonvergenzhalbwinkel (angegeben als α_i0) in Schritt 1 minimiert, und der Bildkontrast ist dabei maximiert, wie durch den Sekundärelektronen-/Rastertransmissionsbildkontrast 70 angegeben. Weil 2θ_B kleiner ist als der Strahlkonvergenzhalbwinkel α_i0 bei dem minimalen Strahldurchmesser wird in dem Rastertransmissionselektronenmikroskop mit einer Beschleunigungsspannung von 100 kV oder mehr ein Gitterbild unter der Bedingung dargestellt, bei der der Kontrast des Rastertransmissionsbilds (der Strahlkonvergenzhalbwinkel α_i0 bei dem minimalen Strahldurchmesser) maximiert ist. Daher ist es nicht nötig, den Strahlkonvergenzhalbwinkel α_i strikt entsprechend dem Gitterabstand einzustellen. Weil der Strahlkonvergenzhalbwinkel α_i0 entsprechend einer Bedingung, bei der der Strahldurchmesser minimiert ist, kleiner ist als 2θ_B, ist es im Gegensatz dazu in einem universellen Rasterelektronenmikroskop mit einer maximalen Beschleunigungsspannung von 30 kV oder weniger nicht möglich, ein Gitterbild unter der Bedingung des Strahlkonvergenzhalbwinkels α_i0 zu erhalten.
• Wie vorstehend beschrieben, wenn der Strahlkonvergenzhalbwinkel α_i von α_i0 für die Beobachtung eines Gitterbilds weiter vergrößert wird, nimmt der Bildkontrast in Verbindung mit einer Vergrößerung des Durchmessers des Primärelektronenstrahls aufgrund der Aberration der Objektivlinse 12 ab. Darüber hinaus, wie vorstehend beschrieben, erscheint kein Gitterbild, sofern der Strahlkonvergenzhalbwinkel α_i nicht größer ist als 2θ_B.
• Wenn der Strahlkonvergenzhalbwinkel weiter vergrößert wird, um die Bedingung α_i > 2θ_B zu erfüllen, wird ein Gitterbild erhalten. Weil der Strahldurchmesser vergrößert wird, ist in diesem Fall in dem Rasterelektronenmikroskop mit einer Beschleunigungsspannung von 30 kV oder weniger der optimale Bereich des einzustellenden Strahlkonvergenzhalbwinkels α_i bezogen auf den Gitterabstand d und die Beschleunigungsspannung verglichen mit dem Rastertransmissionselektronenmikroskop mit einer Beschleunigungsspannung von 100 kV bis 200 kV sehr begrenzt, wie in 11 gezeigt. Daher ist es bei der Durchführung der Maßkalibrierung unter Verwendung einer dünnen Kristallprobe in einem Rasterelektronenmikroskop mit einer Beschleunigungsspannung von 30 kV oder weniger wünschenswert, optimale Bedingungen einzustellen, um stabil ein Gitterbild zu erfassen. Der Gitterbildkontrast ist bei einem Strahlkonvergenzhalbwinkel α_i1 wie der Gitterbildkontrast 71 in 11 im Hinblick auf einen Strahlkonvergenzhalbwinkel (α₁ > 2θ_B) maximiert, bei dem das Gitterbild beobachtet werden kann. Daher wird zur Beobachtung eines Gitterbilds der Strahlkonvergenzhalbwinkel auf α_i1 eingestellt, und α_i1 ist durch die folgende Gleichung definiert: $${\mathrm{\alpha }}_{\text{il}}=2{\mathrm{\theta }}_{\text{B}}+\Delta {\mathrm{\alpha }}_{\text{i}}$$

  

  θ_B wird mit der vorstehenden Gleichung bestimmt, und Δα_i und der Erfassungswinkel β_i werden auf der Grundlage von im Voraus gewonnenen Versuchsergebnissen bestimmt. Δα_i ist ein Betrag, der abhängig ist von dem Gitterabstand d, der Beschleunigungsspannung V_acc, dem Erfassungswinkel β_i und dem Arbeitsabstand (WD) der Objektivlinse. Hierbei werden der Gitterabstand d und die Beschleunigungsspannung V_acc aus Eingaben des Benutzers in 4 bestimmt, und der Erfassungswinkel β_i und der Arbeitsabstand (WD) werden aus dem Zustand des Geräts beim Erfassen eines Gitterbilds bestimmt. Wenn der optimale Wert für Δα_i im Hinblick auf den Gitterabstand d, die Beschleunigungsspannung V_acc, den Erfassungswinkel β_i und den Arbeitsabstand (WD) der Objektivlinse erhalten und im Voraus in der Speichereinheit 35 gespeichert worden ist, ist es daher möglich, den optimalen Wert für Δα_i beim Erfassen eines Gitterbilds auszulesen und einzustellen.
• Als Nächstes wird die Einstellung eines Fokusänderungsbetrags ΔF beschrieben. Ein Fokus F' für die Beobachtung eines Gitterbilds verändert sich abhängig von dem Gitterabstand d der dünnen Kristallprobe, die beobachtet werden soll, im Verhältnis zu dem Fokus F unter den normalen hochauflösenden Beobachtungsbedingungen, die in Schritt 1 eingestellt worden sind. Daher muss, weil es eine Differenz zwischen den Fokussen F und F' gibt, die Fokuseinstellung um den durch ΔF = F - F' gegebenen Betrag verschoben werden. Weil der Strahlkonvergenzhalbwinkel α_i' zum Zeitpunkt der Beobachtung eines Gitterbilds nicht groß ist, führt hierbei im Falle eines Rastertransmissionselektronenmikroskops mit einer Beschleunigungsspannung von 100 kV oder mehr die Verschiebung der Fokusänderung ΔF nicht zu einer großen Bildänderung. Daher wird normalerweise ein Gitterbild ohne die Fokusänderung ΔF beobachtet. Im Falle eines Rasterelektronenmikroskops mit einer Beschleunigungsspannung von 30 kV oder weniger muss jedoch zur Beobachtung eines Gitterbilds α_i vergrößert werden, wie vorstehend beschrieben, und somit führt die Verschiebung der Fokusänderung ΔF zu einer großen Bildänderung. Daher ist bei Beobachtung eines Gitterbilds bei 30 kV oder weniger eine Fokuseinstellung erforderlich. Obwohl der Benutzer den Fokus in jedem Fall einstellen kann, ist es, weil Kenntnisse erforderlich sind, um eine optimale Fokuseinstellung zu erreichen, nötig, dass eine optimale Fokusbedingung F' (oder die Änderung ΔF von der Fokusbedingung F) für die Beobachtung eines Gitterbilds entsprechend dem Gitterabstand d der Probe auf der Geräteseite eingestellt wird. Weil die Fokusbedingung F'. durch eine Funktion des Bragg-Winkels θ_B gegeben ist, wird sie unter Verwendung der Beschleunigungsspannung und des Gitterabstands d bestimmt, wie durch die vorstehende Gleichung angegeben.
• Darüber hinaus gibt es auch einen optimalen Wert für den Erfassungswinkel β. Weil der Erfassungswinkel β durch den Durchmesser der Blende 44 bestimmt wird, wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, ist es möglich, einen optimalen Wert für β durch Einstellen des Durchmessers zu wählen. Der Durchmesser der Blende 44 ist zum Beispiel vorzugsweise variabel, so dass der Durchmesser schrittweise oder kontinuierlich eingestellt werden kann. Alternativ kann die Blende 44 selbst gegen eine andere Blende mit einem anderen Durchmesser ausgetauscht werden. Gitterbilder werden bei dem Strahlkonvergenzhalbwinkel α_i1 und der Fokusbedingung F' im Hinblick auf mehrere Durchmesser, das heißt mehrere Erfassungswinkel, erfasst, und die Bedingungen, bei denen das schärfste Gitterbild erfasst werden kann, werden im Voraus gewählt.
• Weil die optimalen Bereiche für den optimalen Erfassungswinkel β_i und den Defokusbetrag ΔF ebenfalls sehr begrenzt sind, wie die in 11 gezeigte Beziehung zwischen dem Kontrast und dem Strahlkonvergenzhalbwinkel α_i, werden der optimale Erfassungswinkel β_i und der optimale Defokusbetrag ΔF für die Erfassung eines Gitterbilds vorzugsweise im Voraus ermittelt und in der Speichereinheit 35 gespeichert, wie im vorstehend beschriebenen Fall. Dabei werden der optimale Strahlkonvergenzhalbwinkel α_i1 (oder der optimale Wert für Δα_i) , der optimale Erfassungswinkel β_i und die optische Fokusbedingung F' (oder der optimale Wert für ΔF) vorzugsweise als Gruppe im Voraus gespeichert. Die Informationen für den Strahlkonvergenzhalbwinkel α_i, den Erfassungswinkel β_i und den Fokusänderungsbetrag ΔF gegenüber dem Fokus F für die Beobachtung eines Gitterbilds, die in der vorstehend beschriebenen Weise bestimmt werden, werden für jede dünne Kristallprobe im Voraus in der Speichereinheit 35 gespeichert, entsprechend der in Schritt 2 eingestellten dünnen Kristallprobe (oder dem Gitterabstand d) gelesen und durch die Berechnungseinheit 34 und den Computer 30 eingestellt.
• Schritt 4
• Das unter den in Schritt 3 eingestellten Bedingungen erhaltene Gitterbild wird durch die Bilderfassungseinheit 32 erfasst. Dieses Gitterbild kann auf der Anzeigevorrichtung 31 angezeigt werden. Darüber hinaus wird durch die Bildverarbeitungseinheit 33 für das erfasste Gitterbild eine Fourier-Transformation (FT) durchgeführt, um ein Fourier-Transformationsmuster (FT-Daten) zu erfassen. Auf diese Weise ist es möglich, zu kontrollieren, ob der gewünschte Gitterabstand d erhalten worden ist. Ist der gewünschte Gitterabstand d erhalten worden, kann festgestellt werden, dass die nachstehend beschriebene Vergrößerungskalibrierung unnötig ist. Ist der gewünschte Gitterabstand d nicht erhalten worden, kann eine entsprechende Warnmeldung auf einer grafischen Benutzeroberfläche angezeigt werden, wodurch die Zuverlässigkeit der Messung verbessert wird.
• Schritt 5
• Abmessungen entsprechend einem Pixel in einem Bild werden von der Berechnungseinheit 34 aus den FT-Daten des in Schritt 4 erhaltenen Gitterbilds berechnet, und ein tatsächlicher Vergrößerungswert M' des in Schritt 4 erhaltenen Gitterbilds wird auf der Grundlage des Berechnungsergebnisses berechnet.
• Schritt 6
• Eine Fehlerrate ε zwischen einem von dem Computer 30 in Schritt 4 eingestellten Vergrößerungswert M und der tatsächlichen Vergrößerung M' wird nach der folgenden Gleichung aus dem Ergebnis von Schritt 5 berechnet: $$\mathrm{\epsilon }=\left(\text{M}-\text{M'}\right)/\text{M'}$$

  
• Schritt 7
• Die Elektronenstrahl-Abtastbreite des Rasterelektronenmikroskops wird durch Änderung des Stroms, der in der oberen Ablenkspule 8 und der unteren Ablenkspule 10 fließt, von dem Computer 30 durch die Ablenkungssteuerung 25 kalibriert, um den in Schritt 6 erhaltenen Vergrößerungsfehler ε auf null zu setzen.
• Wie vorstehend beschrieben, ist es nach der vorliegenden Ausführungsform möglich, eine hoch zuverlässige Maßkalibrierung unter Verwendung eines Gitterbilds einer dünnen Kristallprobe zu realisieren.
• Weil ein Gitterbild einer dünnen Kristallprobe ohne weiteres auch mit einem Rasterelektronenmikroskop mit einer niedrigen Beschleunigungsspannung beobachtet werden kann, ist es insbesondere möglich, die Vergrößerungskalibrierung bei einer hohen Vergrößerung auf der Grundlage des bekannten Gitterabstands d durchzuführen. Daher ist es möglich, ein sehr zuverlässiges Rasterelektronenmikroskop im Hinblick auf die Dimensionsmessung mit einer hohen Vergrößerung von 1.000.000x oder mehr bereitzustellen, was herkömmlicherweise nicht möglich war.
• Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend genannten Ausführungsformen beschränkt, und verschiedene Modifikationen und Abänderungen können vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die vorstehenden Ausführungsformen sind zum Beispiel im Detail beschrieben worden, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsform mit allen beschriebenen Bestandteilen beschränkt. Außerdem kann ein Teil der Konfiguration einer Ausführungsform durch die Konfiguration einer anderen Ausführungsform ersetzt werden, und die Konfiguration einer Ausführungsform kann zu der Konfiguration einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. Darüber hinaus kann eine andere Konfiguration zu einem Teil der Konfiguration jeder Ausführungsform hinzugefügt werden, und ein Teil der Konfiguration jeder Ausführungsform kann weggelassen oder durch eine andere Konfiguration ersetzt werden.
• LISTE DER BEZUGSZEICHEN

1

Kathode

2

Erste Anode

3

Primärelektronenstrahl

4

Zweite Anode

5

Erste Kondensorlinse

6

Objektivblende

7

Zweite Kondensorlinse

8

Obere Ablenkspule

10

Untere Ablenkspule

12

Objektivlinse

13

Probe

14

Probentisch

16

Sekundärelektron

17

Orthogonale elektrische und Magnetfeldvorrichtung (EXB)

20, 42

Detektor

21, 43

Verstärker

22

Hochspannungssteuerung

23

Erste Kondensorlinsensteuerung

24

Zweite Kondensorlinsensteuerung

25

Ablenkungssteuerung

26

Objektivlinsensteuerung

27

Probentischsteuerung

28

Signalsteuerung

30

Computer

31

Anzeigevorrichtung

32

Bilderfassungseinheit

33

Bildverarbeitungseinheit

34

Berechnungseinheit

35

Speichereinheit

36

Eingabeeinheit

41

Rastertransmissionselektron

44

Blende

45

Überschneidungsposition

51

Grafische Benutzeroberfläche (GUI)

52

Beobachtungsmethoden-Auswahlabschnitt

53

Liste der dünnen Kristallproben

61

Unelastisch gestreutes Elektron

62

Elastisch gestreutes Elektron

64

Signalerfassungsfläche

65, 66

Interferenzmuster

67

(Signal-) Erfassungsbereich

68

Gitterbildsignal

70

Sekundärelektronen-/Rastertransmissionselektronenbildkontrast

71

Gitterbildkontrast

Claims (8)

1. Rastertransmissionselektronenmikroskop, aufweisend: eine Elektronenquelle (1), die einen Elektronenstrahl (3) erzeugt, einen Deflektor (8, 10), der den Elektronenstrahl (3) ablenkt, um eine Probe (13) mit dem Elektronenstrahl (3) abzutasten, eine Objektivlinse (12), die den Elektronenstrahl (3) auf der Probe (13) bündelt, einen Detektor (42), der ein Rastertransmissionselektron (41) erfasst, das von der Probe (13) durchgelassen wird, einen Computer (30) und eine Blende (44), die zwischen der Probe (13) und dem Detektor (42) angeordnet ist, um den Erfassungswinkel (β_i) des Rastertransmissionselektrons (41) zu steuern, wobei der Elektronenstrahl (3) in einem vorbestimmten Konvergenzhalbwinkel (α_i) in die Probe (13) eintritt, dadurch gekennzeichnet, dass das Rastertransmissionselektronenmikroskop dazu konfiguriert ist, ein Gitterbild mit einem im Voraus gespeicherten und durch den Computer (30) eingestellten, zweiten Konvergenzhalbwinkel (α_i1) zu erfassen, der größer als ein erster Konvergenzhalbwinkel (α_i0) ist, bei dem der Strahldurchmesser auf der Probe (13) minimiert ist, und der ferner größer ist als der doppelte Bragg-Winkel θ_B, um so den Kristallgitterabstand (d) der Probe (13) aus dem Gitterbild zu erhalten und eine Vergrößerungskalibrierung auf der Grundlage des Kristallgitterabstands (d) durchzuführen.
2. Rastertransmissionselektronenmikroskop nach Anspruch 1, wobei die maximale Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls (3) 30 kV oder weniger beträgt.
3. Rastertransmissionselektronenmikroskop nach Anspruch 1, wobei der Detektor (42) einen Signalbetrag (68) erfasst, der von einem Interferenzmuster (66) ausgeht, das durch Interferenz zwischen einem elastisch gestreuten Elektron (61) und einem unelastisch gestreuten Elektron (62) bewirkt wird, die in dem Rastertransmissionselektron (41) enthalten sind, und eine Berechnungseinheit (34) aufweist, die eine Intensitätsveränderung des Signalbetrags (68) durch Abtasten der Probe (13) mit dem Elektronenstrahl (3) erfasst und den Kristallgitterabstand (d) der Probe (13) aus der Intensitätsveränderung erhält.
4. Rastertransmissionselektronenmikroskop nach Anspruch 1, weiter aufweisend: eine Speichereinheit (35), die den zweiten Konvergenzhalbwinkel (α_i1), den Erfassungswinkel (β_i) und einen Fokuswert der Objektivlinse (12) für jede Probe (13) als Bedingungen für die Erfassung des Gitterbilds im Voraus speichert.
5. Verfahren zur Durchführung einer Vergrößerungskalibrierung für ein Rastertransmissionselektronenmikroskop, wobei ein Elektronenstrahl (3) von einer Elektronenquelle (1) erzeugt wird, der Elektronenstrahl (3) von einem Deflektor (8, 10) abgelenkt wird, um eine Probe (13) mit dem Elektronenstrahl (3) abzutasten, der Elektronenstrahl (3) von einer Objektivlinse (12) auf der Probe (13) gebündelt wird, ein Rastertransmissionselektron (41), das von der Probe (13) durchgelassen wird, von einem Detektor (42) erfasst wird, der Erfassungswinkel (β_i) des Rastertransmissionselektrons (41) von einer Blende (44) gesteuert wird, die zwischen der Probe (13) und dem Detektor (42) angeordnet ist, der Elektronenstrahl (3) in einem vorbestimmten Konvergenzhalbwinkel (α_i) in die Probe (13) eintritt, und ein Gitterbild mit einem zweiten Konvergenzhalbwinkel (α_i1) erfasst wird, der größer als ein erster Konvergenzhalbwinkel (α_i0) ist, bei dem der Strahldurchmesser auf der Probe (13) minimiert ist, und der ferner größer ist als der doppelte Bragg-Winkel θ_B, um so den Kristallgitterabstand (d) der Probe (13) aus dem Gitterbild zu erhalten und die Vergrößerungskalibrierung auf der Grundlage des Kristallgitterabstands (d) durchzuführen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die maximale Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls (3) 30 kV oder weniger beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei durch den Detektor (42) ein Signalbetrag (68) erfasst wird, der von einem Interferenzmuster (66) ausgeht, das durch Interferenz zwischen einem elastisch gestreuten Elektron (61) und einem unelastisch gestreuten Elektron (62) bewirkt wird, die in dem Rastertransmissionselektron (41) enthalten sind, und durch eine Berechnungseinheit (34) eine Intensitätsveränderung des Signalbetrags (68) durch Abtasten der Probe (13) mit dem Elektronenstrahl (3) erfasst und den Kristallgitterabstand (d) der Probe (13) aus der Intensitätsveränderung erhalten wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der zweite Konvergenzhalbwinkel (α_i1), der Erfassungswinkel (β_i) und ein Fokuswert der Objektivlinse (12) für jede Probe (13) als Bedingungen für die Erfassung des Gitterbilds im Voraus durch eine Speichereinheit (35) gespeichert werden.

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