DE112016006486T5

DE112016006486T5 - Elektronenmikroskop

Info

Publication number: DE112016006486T5
Application number: DE112016006486.1T
Authority: DE
Inventors: Takashi Ohshima; Hiroyuki Minemura; Yumiko Anzai; Momoyo Enyama; Yoichi Ose; Toshihide Agemura
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2018-11-08
Anticipated expiration: 2036-03-30
Also published as: US11251011B2; JPWO2017168554A1; CN108885961B; JP6568646B2; DE112016006486B4; CN108885961A; US20200303152A1; WO2017168554A1

Abstract

Es wird ein Elektronenmikroskop bereitgestellt, das zur Durchführung eines Umschaltvorgangs zwischen einer normalen Belichtung und einer ringförmigen Belichtung, einer Großflächenbelichtung, einem Interferenzmuster und dergleichen in rascher und einfacher Weise befähigt ist oder mit dem ein besseres S/N-Verhältnis erreicht werden kann. Das Elektronenmikroskop umfasst Folgendes: eine Photokathode 101 mit negativer Elektronenaffinität bei der Anwendung; ein optisches Anregungssystem zur Anregung der Photokathode; und ein Elektronenoptiksystem zur Bestrahlung einer Probe mit einem Elektronenstrahl 13, der aus der Photokathode durch Anregungslicht 12, das durch das optische Anregungssystem geführt worden ist, erzeugt worden ist; wobei das optische Anregungssystem eine Lichtquellenvorrichtung 107 für das Anregungslicht; und eine optische Modulationseinrichtung 108, die im optischen Lichtweg des Anregungslichts angeordnet ist, um eine räumliche Phasenmodulation am Anregungslicht vorzunehmen, umfasst.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektronenmikroskop.
Stand der Technik
Bei einem Elektronenmikroskop mit hoher Auflösung werden herkömmlicherweise als Elektronenkanonen von hoher Helligkeit Enden von Spitzen in Gestalt von feinen Nadeln, wie Kaltkathoden-Feldemissionselektronenquellen und Schottky-Elektronenquellen, verwendet. Die Größe der virtuellen Quellen liegt im Bereich von einigen nm bis einigen 10 nm. Als Verfahren zur elektronenoptischen Modulation zur Verstärkung der Auflösung eines derartigen Elektronenmikroskops wird beispielsweise im nachstehend angegebenen Patentdokument 1 eine Ringbelichtung beschrieben. Diese Ringbelichtung ist so beschaffen, dass ein Ringbelichtungsdiaphragma 20, zum Beispiel gemäß Darstellung in 2, in der Passage des Elektronenstrahls angeordnet wird. Der Mittelbereich des Elektronenstrahls wird durch eine zentrale Abschirmeinrichtung 23 abgeschirmt, und der durch den ringförmigen Aperturbereich 21 tretende Elektronenstrahl wird beim Einsatz auf der Probenoberfläche mit einer Objektivlinse fokussiert, wodurch die Strahlen miteinander interferieren, wodurch eine Betrachtung mit höherer Tiefenschärfe ermöglicht wird.
Bei Elektronenquellen unter Verwendung einer Photokathode, bei der Licht auf eine p-Typ-GaAs-Filmkathode auftrifft, um Elektronen unter Ausnutzung einer negativen Elektronenaffinität zu emittieren, wird in Patentliteratur 2 eine Technik beschrieben, bei der bei Exposition mit dem Elektronenstrahl Anregungslicht auf die Photokathode aus einer Mehrzahl von optischen Elementen gestrahlt wird und das emittierte Licht abgetastet wird, um die Elektronen-Emissionsmuster in ihrer Gestalt zu variieren, oder es wird eine Maske zur Abschirmung der Elektronenemission auf der Kathode angeordnet, um den Elektronenstrahl dünner zu machen.
Literaturverzeichnis
Patentliteratur

Patentliteratur 1: japanische Offenlegungsschrift Nr. 2002-124205
Patentliteratur 2: japanische Offenlegungsschrift Nr. 2001-526446 (PCT-Anmeldung).

Zusammenfassende Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung
Bei der herkömmlichen Ringbelichtung ist es erforderlich, Träger 22 zum Fixieren der zentralen Abschirmeinrichtung 23 vorzusehen, um das in der Patentliteratur 1 beschriebene Diaphragma in die Passage des Elektronenstrahls einzusetzen, so dass die gestreuten Elektronen, die bei der Kollision des Elektronenstrahls mit dem Träger 22 und den Elementen in der Umgebung entstehen, möglicherweise ein Rauschen verursachen. Wenn ferner die Betrachtung unter Verwendung einer Apertur 24 umgeschaltet wird, um den Ringaperturbereich 21 zu verwenden, ist es im Allgemeinen erforderlich, eine präzise Anpassung einer jeden Position vorzunehmen, so dass es als schwierig gilt, ein derartiges Umschalten in einfacher Weise vorzunehmen. Außerdem ist bei dem aus der Elektronenquelle emittierten Elektronenstrahl die Stromdichte im Zentrumbereich am höchsten, wobei aber dieser Bereich durch die zentrale Abschirmeinrichtung 23 abgeschirmt wird, so dass sich der Sondenstrom verringert, wodurch sich als Ergebnis möglicherweise das S/N-Verhältnis eines Bilds verschlechtert. Mit anderen Worten, bei Verwendung der herkömmlichen Ringbelichtung wird eine Elektronenquelle verwendet, deren Gestalt und Größe konstant ist, so dass Schwierigkeiten bei der Justierung von ringförmigen Strahlen am Diaphragma stromabwärts von der Elektronenquelle auftreten.
Andererseits ergibt sich aus Patentliteratur 2, dass die Größe der Elektronenquelle aufgrund der Mehrzahl von optischen Wegen und des Abtastens mit Bestrahlungslicht zunimmt, so dass es bei der Verringerung dieser Größe mit dem Ziel, einen kleineren Punkt zu erzeugen, häufig dazu kommt, dass kein ausreichender Sondenstrom erhalten wird. Obgleich sich durch Platzieren einer Maske auf die Photokathode ringförmige Lichtquellen mit optimal verringerter Größe bilden lassen, ist es erforderlich, dass eine Justierung der Position zwischen dem Brennpunkt des Anregungslichts und der Maske sowie eine Justierung der Position zwischen den erhaltenen Elektronenquellen und dem Elektronenoptiksystem vorgenommen wird, so dass zeitaufwändige Maßnahmen vom Anwender durchgeführt werden müssen, was einen Nachteil darstellt. Gleichermaßen ist es dann, wenn das Umschalten auf normale optische Bedingungen, bei denen keine ringförmigen Lichtquellen benötigt werden, erforderlich, bei jedem Umschalten die Photokathode zu verschieben und zu justieren, was ebenfalls Zeit und Mühe erfordert und für den Anwender einen Nachteil darstellt. Ferner wird ausgeführt, dass die Photokathode mit ringförmigem Licht bestrahlt wird, dass aber die Verteilung der optischen Intensität auf der Photokathodenoberfläche nicht ringförmig verteilt ist, sondern nur ein einziger Peak erreicht wird und der erhaltene Elektronenstrahl ebenfalls einen einzigen Peak darstellt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Elektronenmikroskop bereitzustellen, das ein Umschalten zwischen einer normalen Belichtung und beispielsweise einer Ringbelichtung oder einer großflächigen Belichtung ermöglicht, wobei angestrebte Interferenzmuster rasch und einfach sowie ein verbessertes S/N-Verhältnis erzielbar sind.
Lösung der Aufgabe
Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Elektronenmikroskop bereitgestellt, wobei das Mikroskop dadurch gekennzeichnet ist, dass es Folgendes aufweist: eine Photokathode mit negativer Elektronenaffinität bei der Anwendung; ein optisches Anregungssystem zur Anregung einer Photokathode; und ein Elektronenoptiksystem zur Bestrahlung einer Probe mit einem Elektronenstrahl, der aus der Photokathode durch Anregungslicht, das durch das optische Anregungssystem geführt worden ist, erzeugt worden ist; wobei das optische Anregungssystem eine Lichtquellenvorrichtung für das Anregungslicht und eine optische Modulationseinrichtung, die im optischen Lichtweg des Anregungslichts angeordnet ist, um am Anregungslicht eine räumliche Phasenmodulation vorzunehmen, umfasst.
Ferner ist das erfindungsgemäße Elektronenmikroskop dadurch gekennzeichnet, dass es Folgendes umfasst: eine Lichtquelle für Anregungslicht; eine Photokathode, um Elektronen durch das Anregungslicht aus der Lichtquelle für das Anregungslicht zu emittieren; eine optische Modulationseinrichtung, die in einem optischen Lichtweg zwischen der Lichtquelle für das Anregungslicht und der Photokathode angeordnet ist, um das Anregungslicht optisch zu modulieren; und ein Elektronenoptiksystem, um von der Photokathode emittierte Elektronen auf eine Probe in Form eines Elektronenstrahls zu richten.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Elektronenmikroskop bereit, bei dem das Umschalten zwischen normaler Belichtung und Ringbelichtung oder großflächiger Belichtung möglich ist und erwünschte Interferenzmuster rasch und einfach sowie ein besseres S/N-Verhältnis erreicht werden können.
Figurenliste

1 ist eine schematische Querschnittansicht zur Erläuterung eines Beispiels der Photoanregungselektronenkanone des Elektronenmikroskops gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Draufsicht der Maske für die Ringbelichtung zur Erläuterung der herkömmlichen Ringbelichtung unter Verwendung eines Elektronenstrahls.
3 ist eine schematische Querschnittansicht zur Erläuterung eines Beispiels des vollständigen Elektronenmikroskops gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4A ist eine Draufsicht zur Erläuterung eines Beispiels der optischen Modulationseinrichtung (transmissiver räumlicher Phasenmodulator) der Photoanregungselektronenkanone gemäß Darstellung in 1.
4B ist eine Querschnittansicht zur Erläuterung eines Beispiels der Querschnittstruktur des transmissiven räumlichen Phasenmodulators gemäß Darstellung in 4A.
4C ist eine Querschnittansicht zur Darstellung eines weiteren Beispiels der Querschnittstruktur des in 4A dargestellten transmissiven räumlichen Phasenmodulators.
5A ist ein Diagramm zur Erläuterung der Intensität des auf den Photokathodenfilm treffenden Anregungslichts bei Verwendung des in 4A dargestellten transmissiven räumlichen Phasenmodulators.
5B ist eine schematische Querschnittansicht zur Erläuterung des (normalen) Elektronenstrahls, der vom Photokathodenfilm durch Anregungslicht emittiert wird, das die Teilfläche A des in 4A dargestellten transmissiven räumlichen Phasenmodulators durchlaufen hat.
5C ist eine schematische Querschnittansicht zur Erläuterung des (ringförmigen) Elektronenstrahls, der vom Photokathodenfilm durch das Anregungslicht emittiert wird, das die Teilfläche B des in 4A dargestellten transmissiven räumlichen Phasenmodulators durchlaufen hat.
6 ist eine schematische Querschnittansicht zur Erläuterung eines Beispiels der Photoanregungselektronenkanone des Elektronenmikroskops gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7A ist eine schematische Draufsicht einer Probe (normale Belichtung (Punktbelichtung)) zur Erläuterung der optischen Modulationseinrichtung (reflektiver räumlicher Phasenmodulator) der in 6 dargestellten Photoanregungselektronenkanone.
7B ist eine schematische Draufsicht einer Probe (Großflächenbelichtung) zur Erläuterung der optischen Modulationseinrichtung (reflektiver räumlicher Phasenmodulator) der in 6 dargestellten Photoanregungselektronenkanone.
8 ist eine schematische Draufsicht des Anregungslichts (gabelförmiges Interferenzmuster) auf dem Photokathodenfilm zur Erläuterung der optischen Modulationseinrichtung (reflektiver räumlicher Phasenmodulator) der in 6 dargestellten Photoanregungselektronenkanone.

Beschreibung der Ausführungsformen
Die Erfinder untersuchten eingehend Verfahren zum raschen Umschalten zwischen normaler Belichtung und anderen Belichtungsformen mit einem Elektronenstrahl. Dabei stellten sie fest, dass die Gestalt des Elektronenstrahls rasch ohne Modifikation des Elektronenoptiksystems modifiziert werden kann, indem man lediglich die Gestalt des Anregungslichts mit einer optischen Modulationseinrichtung verändert. Die Erfindung beruht auf diesem Befund. Speziell bedient man sich beim Umschalten zwischen einer Ringbelichtung und einer normalen Belichtung einer Photokathode mit negativer Elektronenaffinität als Elektronenquelle. Mit anderen Worten, die Photokathode besteht im Wesentlichen aus einem Halbleiterfilm vom p-Typ, wobei auf der Oberfläche eine Einrichtung zur Verringerung der Austrittsarbeit vorgesehen ist. Für das Anregungslicht ist eine Kondensorlinse unter Vakuum vorgesehen. Eine Parallellichtquelle für die Anregung ist unter atmosphärischen Bedingungen vorgesehen. Eine optische Modulationseinrichtung ist im optischen Lichtweg des Anregungslichts vorgesehen. Für den Fall, dass eine derartige optische Modulationseinrichtung dem transmissiven räumlichen Phasenmodulator entspricht, wird durch Anordnen beispielsweise einer durchsichtigen Platte und durch Bereitstellen von Phasenverschiebungsbereichen, die axialsymmetrisch zueinander sind, auf der durchsichtigen Platte das Anregungslicht, das diese Phasenverschiebungsbereiche durchläuft, ringförmig in seiner Gestalt oder nimmt eine ringförmige Gestalt an, dessen Zentrum am Brennpunkt der Kondensorlinse verdunkelt ist. Im Ergebnis nimmt der emittierte Elektronenstrahl eine ringförmige Gestalt an, so dass er durch das Elektronenoptiksystem auf der Probe fokussiert wird und diese belichtet.
Gemäß dem vorstehenden Aufbau nimmt durch Anordnen von derartigen Phasenverschiebungsbereichen im optischen Lichtweg des Anregungslichts der Brennpunkt auf dem Photokathodenfilm, der durch die Kondensorlinse kondensiert wird, ein ringförmiges Muster an, wobei der Mittelbereich verdunkelt und die Umgebung aufgehellt ist. Infolgedessen nimmt die Elektronenquelle der von dem Photokathodenfilm in das Vakuum emittierten Elektronen eine Doughnut-Ringgestalt an, da eine derartige Elektronenquelle von der Lichtintensität abhängt. Der Emissionswinkel, der von einer derartigen Photokathode emittierten Elektronen ist dadurch gekennzeichnet, dass er eine engere Ausdehnung aufweist. Bei einer derartigen Verringerung des Emissionswinkels mit dem stromabwärts vorgesehenen Elektronenoptiksystem ergibt sich eine Verengung auf der Probe und der Elektronenstrahl in der Nähe des Zentrums wird mit einer winkelbegrenzenden Apertur ausgewählt. Infolgedessen wird nur der Elektronenstrahl, der im Wesentlichen senkrecht von der Kathode emittiert wird, ausgewählt, so dass der auf die Probe gerichtete Elektronenstrahl eine Ringbelichtung unter Ausnahme des Mittelbereichs vornimmt. Dadurch wird eine Betrachtung mit größerer Tiefenschärfe möglich. Da eine derartige Ringbelichtung in einfacher Weise erreicht wird, wenn das Anregungslicht durch die Phasenverschiebungsbereiche des transmissiven räumlichen Phasenmodulators tritt, indem man den transmissiven räumlichen Phasenmodulator so verschiebt, dass phasenverschiebungsfreies Licht hindurchtreten kann, wird der Brennpunkt des Anregungslichts zu einem kleinen Punkt, was es ermöglicht, das Elektronenmikroskop zum raschen und einfachen Umschalten auf eine normale Betrachtung einzusetzen, ohne dass eine Modifikation des optischen Elektronenstrahlsystems erforderlich ist. Ferner tritt auch bei der Ringbelichtung kein Fall auf, bei dem der Elektronenstrahlstrom verringert ist, so dass die Probe unter Aufrechterhaltung eines besseren S/N-Verhältnisses betrachtet werden kann.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale bezeichnen.
Erste Ausführungsform
1 ist eine schematische Querschnittansicht einer Elektronenkanone des Elektronenmikroskops gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird hauptsächlich ein Fall erläutert, bei dem ein Umschalten zwischen der Ringbelichtung und der normalen Belichtung durchgeführt wird. Die Photokathode 101 umfasst einen Photokathodenfilm 10 und ein durchsichtiges Substrat 11 und ist so angeordnet, dass sie Elektronen aus der unteren Seite des Photokathodenfilms 10 erzeugt, wenn Anregungslicht 12 von der oberen Seite aus einfällt. Die Elektronen werden durch das elektrische Feld zwischen gegenüberliegenden Extraktionselektroden 103 beschleunigt und als Elektronenstrahl 13 dem elektronenoptischen System, das sich stromabwärts von der unteren Öffnung 14 der Elektronenkanone befindet, zugeführt. Diese Elektronenquelle bedient sich der dem Fachmann als „negative Elektronenaffinität“ bekannten Erscheinung, wobei es sich beim Photokathodenfilm 10 um einen Halbleiter vom p-Typ handelt. GaAs oder GaP sind Beispiele für einen derartigen Halbleiterfilm. Ein derartiger Photokathodenfilm wird mit einer Einrichtung zur Verringerung der Austrittsarbeit oder beispielsweise mit Cs und Sauerstoff, die an seiner Oberfläche absorbiert sind, verwendet. Zu diesem Zweck wird ein Vorbereitungsraum (in der Zeichnung nicht dargestellt) neben der Elektronenkanone bereitgestellt, wo der Oberflächenzustand der Photokathode 101 mit einem Vakuumventil und einer Kathodenverschiebungseinrichtung justiert wird. Die Justierungseinrichtung für einen derartigen Oberflächenzustand umfasst eine Reinigungseinrichtung zur Entfernung von Oxiden und Carbiden, die an der Halbleiteroberfläche haften. Speziell ausgedrückt, ist eine Heizvorrichtung für eine derartige Reinigungseinrichtung geeignet. Vorzugsweise wird eine derartige Heizvorrichtung zusammen mit einer Einrichtung zur Erzeugung von atomarem Wasserstoff verwendet, um die Reinigungswirkung zu verstärken. Ferner verringert sich die Austrittsarbeit der Oberfläche des Photokathodenfilms mit einer Cs-Verdampfungseinrichtung und einer Einrichtung zur Zufuhr von Sauerstoff, was dazu führt, dass die Vakuumstärke an der Oberfläche geringer als am Boden des Leitungsbands innerhalb des Kathodenfilms ist. Als Ergebnis davon weisen die Elektronen, die aus dem Valenzband zum Leitungsband durch das Auftreffen des Anregungslichts mit einer ausreichenden Energie, um den Interband-Übergang für den Halbleiter vom p-Typ zu erreichen, angeregt werden, bereits eine höhere Potentialenergie als in einem derartigen Vakuumgrad auf, so dass sie durch das auf der Filmoberfläche erzeugte elektrische Feld in das Vakuum emittiert werden. Die Wellenlänge des Anregungslichts für die GaAs-Filmkathode soll 850 nm oder weniger betragen, wobei diese Wellenlänge vorzugsweise im Bereich vom 660 nm bis 780 nm liegt, während die Wellenlänge für die GaP-Filmkathode vorzugsweise 540 nm oder weniger beträgt. Wenn die Elektronen im Leitungsband innerhalb des Photokathodenfilms verteilt sind, bewirkt dies eine Vergrößerung der Elektronenquelle, wodurch im Ergebnis die Helligkeit beeinträchtigt wird, so dass die Qualität des Mikroskops negativ beeinflusst wird. Somit ist es bevorzugt, dass die Dicke des Photokathodenfilms wesentlich kleiner als 1 µm ist. Ferner muss eine ausreichend hohe Konzentration an Verunreinigungen vom p-Typ ebenfalls in Betracht gezogen werden. Ein derartiger Photokathodenfilm haftet am durchsichtigen Substrat 11, das das Anregungslicht nicht absorbiert und zur Stütze des Films dient. Sofern es sich beim Photokathodenfilm um eine GaAs-Filmkathode handelt, eignen sich Glas oder Halbleiter mit einem breiten Bandabstand, wie GaP, für das durchsichtige Substrat 11. Ein derariger Photokathodenfilm kann direkt am durchsichtigen Substrat 11 haften; es kann aber auch eine Zwischenschicht vorliegen. Falls ein Halbleiter als durchsichtiges Substrat verwendet wird, kann der Photokathodenfilm 10 durch epitaxiales Wachstum gebildet werden, wobei auch eine Pufferschicht, die als Zwischenschicht dient, gezüchtet werden kann.
Die Beschleunigungsspannung für die Elektronenquelle wird von einer externen Beschleunigungsleistungsquelle 105 an den Kathodenhalter 104, der in elektrischem Kontakt mit dem Photokathodenfilm 10 steht, angelegt. Es wird ein elektrisches Beschleunigungsfeld zwischen den Extraktionselektroden gebildet. Die Elektronenkanone wird durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vakuum-Absaugeinrichtung evakuiert, vorzugsweise mit einer Ionenpumpe oder einer nicht-verdampfenden Getterpumpe, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind.
Bei der Kondensorlinse 102 (vergleiche 1) zum Sammeln des Anregungslichts 12 für die Photokathode 101 handelt es sich um eine Linse, deren sphärische Aberration so korrigiert ist, dass der auf dem Photokathodenfilm 10 durch das durchsichtige Substrat 11 hindurch gebildete Brennpunkt ein Minimum erreicht. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform beträgt der Durchmesser des parallelen Lichts 4,0 bis 4,2 mm und seine NA (Numerische Apertur) beträgt 0,5. Im Ergebnis weist das Anregungslicht (Laserstrahl) mit einer Wellenlänge von 660 nm einen Durchmesser in der Größenordnung von 1 µm (Halbwertsbreite) auf dem Photokathodenfilm 10 auf, wie in 5A mit einer gestrichelten Linie A dargestellt ist. Nunmehr wird das parallele Anregungslicht von einer Parallellichtquelle 107, die sich außerhalb eines Vakuumbehälters 109 befindet, emittiert und auf den Innenraum des Vakuumbehälters 109 sowie durch den transmissiven räumlichen Phasenmodulator 108 und ein Fenster 106 gerichtet. Nachstehend wird ein Fall (normale Belichtung) erläutert, bei dem der transmissive räumliche Phasenmodulator 108 nicht positiv eingesetzt wird. In diesem Fall wird das parallele Anregungslicht durch den Bereich geleitet, der in 4A als Teilbereich A dargestellt ist. Dabei handelt es sich um eine durchsichtige Platte des transmissiven räumlichen Phasenmodulators.
Ein Beispiel für ein Rasterelektronenmikroskop (SEM) unter Verwendung einer derartigen Elektronenkanone ist in 3 dargestellt. Der Elektronenstrahl 13, der aus der Öffnung am unteren Teil der durch Licht angeregten Elektronenkanone 30 (dargestellt in 3) austritt, wird durch eine erste Kondensorlinse 32 und eine zweite Kondensorlinse 33, die innerhalb eines Gehäuses 31 für ein elektronenoptisches System angeordnet sind, in seiner Größe verringert, so dass er durch eine Objektivlinse 36 auf einer Probe 37 fokussiert wird. Die Mikrostruktur der Probenoberfläche lässt sich leicht mit einem Deflektor 35 zum Verschieben der Brennpunktposition und einem Sekundärelektronendetektor 38 zur Messung der von der Probe 37 erzeugten Elektronen betrachten. Die Energieverteilung der in der vorliegenden Ausführungsform eingesetzten Elektronenquelle liegt im Bereich von 0,1 bis 0,2 eV, was günstiger ist als der Wert von 0,3 eV der aus W (Wolfram) gefertigten Elektronenquelle mit kalter Kathodenfeldemission (CFE). Somit lässt sich die Auflösung des Elektronenmikroskops speziell durch Verringerung der chromatischen Aberration bei einer geringeren Beschleunigungsspannung erhöhen.
Wenn beispielsweise die Beschleunigungsleistungsquelle 105 auf -2 kV eingestellt ist, beträgt die anguläre Stromdichte des von der durch Photoanregung der Elektronenkanone 30 emittierten Elektronenstrahls 13 39 mA/sr oder mehr. Dabei beträgt der Durchmesser der Elektronenquelle 1 µm, während es erforderlich ist, dass der Durchmesser der auf der Probe fokussierten Elektronenquelle 0,5 nm oder weniger beträgt, um eine Betrachtung mit einer Auflösung von 1 nm oder weniger zu ermöglichen. Somit beträgt das gesamte Reduktionsverhältnis der ersten und zweiten Kondensorlinse und der Objektivlinse 36 1/2000 oder weniger.
Anschließend werden die Apertur (winkelbegrenzende Apertur) 34 und die optischen Bedingungen auf elektronischem und optischem Weg so reguliert, dass der charakteristische Wert des Divergenzwinkels αo der Objektivlinse auf die Probe 10 mrad beträgt. Somit ergibt sich, dass der Elektronenstrahl, der durch die Apertur 34 hindurchtreten kann, innerhalb eines extrem engen Bereichs von 5 prad oder weniger liegt, angegeben als Strahldivergenzwinkel αs auf der Elektronenquellenseite der der Photoanregung unterworfenen Elektronenkanone 30. Infolgedessen wird ein Sondenstrom mit 3 pA oder mehr der auf die Probe 37 gestrahlten Elektronen erreicht, so dass eine zufriedenstellende Betrachtung möglich ist. Die Tiefenschärfe unter diesen Bedingungen liegt im Bereich von 100 nm, angegeben als Spotdurchmesser/αo. Bis zu der Stufe und Tiefe in dieser Größenordnung ist eine Betrachtung mit hoher Auflösung in einem Gesichtsfeld möglich.
Beim Weg des Anregungslichts 12 durch den Phasenverschiebungsunterbereich B, der am entsprechenden, in 4A dargestellten Bereich B vorgesehen ist, nimmt gesammeltes Anregungslicht dadurch, dass man den transmissiven räumlichen Phasenmodulator 108 mit einer Schalteinrichtung (in der Zeichnung nicht dargestellt) gleiten lässt, ein ringförmiges Muster auf dem Photokathodenfilm 10 an, dessen zentraler Bereich abgedunkelt ist, wie in 5A mit einer ausgezogenen Linie B dargestellt ist. Der Durchmesser dieses ringförmigen Musters liegt in der Größenordnung von 2 µm. Im Ergebnis ergibt der vom Photokathodenfilm 10 emittierte Elektronenstrahl 13 ein ringförmiges Band, dessen zentraler Bereich entfernt ist, wie in 5C dargestellt ist. Wenn ein derartiges ringförmiges Band im Reduktionssystem in der Größenordnung von 1/2000 in dem in 3 dargestellten SEM verwendet wird, ergibt es sich, dass aufgrund der Tatsache, dass der Strahldivergenzwinkel αs auf der Elektronenquellenseite der der Photoanregung unterworfenen Elektronenkanone, definiert als 5 prad, so extrem eng ist, dass der Elektronenstrahl axial um 100 nm oder weniger verschoben wird, während er um einen Abstand von 20 mm wandert, wobei die Querschnittgestalt des von der Elektronenquelle emittierten ringförmigen Bands, dessen Durchmesser 2 µm beträgt, in zufriedenstellender Weise erhalten bleibt. Die Bedingungen des Phasenverschiebungsbereichs zur Erzielung eines derartigen ringförmigen Bands sind folgende.
Ein Beispiel für die Querschnittstruktur des Phasenverschiebungsbereichs ist in 4B dargestellt, wobei der Phasenverschiebungsbereich 40 so beschaffen ist, dass er die optische Phase um π verschiebt. Die Bedingung der Höhe h eines derartigen Bereichs wird durch die folgende Gleichung angegeben:
Gleichung 1 $h = λ / (2 (n - 1))$
„n“ entspricht dem Brechungsindex der transparenten Phasenmaske, wobei für Quarz der charakteristische Wert n=1,46 gilt. Im Fall eines Anregungslichts mit einer Wellenlänge von 660 nm beträgt der Wert von h 717 nm. Der Außendurchmesser D des Phasenverschiebungsbereichs 40 wird an den Durchmesser des Anregungslichts angepasst und die Bedingung für den Innendurchmesser d wird durch die folgende Gleichung angegeben:
Gleichung 2 $d = D / \sqrt{2}$
Nachdem der Elektronenstrahl mit einem derartigen ringförmigen Band, das auf diese Weise erzeugt worden ist, durch die Elektronenlinsen auf die Probe 37 fokussiert worden ist, wird die Tiefenschärfe mit der Interferenzbeschaffenheit um eine Größenordnung von 50% erweitert. Dies ist optimal zur Betrachtung einer Probe mit einer Höhe oder Tiefe in der Größenordnung von 150 nm. Außerdem gibt es im Vergleich zum ringförmigen Diaphragma gemäß dem in 2 dargestellten Stand der Technik keinen Faktor, der die Helligkeit des Strahls beeinträchtigt, so dass die Bildaufnahme bei einem höheren S/N-Verhältnis mit ausreichenden Sondenstrom (mehrere pA oder darüber) möglich ist. Für den Fall der normalen Belichtung mit dem in 4A dargestellten Unterbereich A nimmt der vom Photokathodenfilm emittierte Elektronenstrahl eine punktähnliche Querschnittgestalt an, wie in 5B dargestellt ist. Erfindungsgemäß kann das Umschalten zwischen einer Betrachtung bei normaler Belichtung und einer Betrachtung bei ringförmiger Belichtung mit der Phasenmaske (Phasenverschiebungsbereich) 40 vorgenommen werden, die in das Anregungslichtsystem eingesetzt wird und bei der es sich um einen Typ handelt, der zum Typ des transmissiven räumlichen Phasenmodulators 108 gehört, der eingesetzt und herausgezogen wird (Wahl zwischen den Unterbereichen A und B), so dass ein Umschalten ohne Zeitverlust und ohne Modifikation des Elektronenoptiksystems erfolgen kann. Ein Vergleich zwischen diesen Betrachtungsmethoden kann aufgrund der Tatsache vorgenommen werden, dass sich keine Veränderung des Gesichtsfelds ergibt, was für den Anwender einen Vorteil darstellt.
Es ist wesentlich, dass die Interferenzbeschaffenheit der von der Photokathode 101 emittierten Elektronen in der vorliegenden Ausführungsform hoch ist. Als übliche Elektronenquellen, bei denen der Durchmesser der Elektronenquelle in der Größenordnung von 1 µm liegt, sind thermische Elektronenquellen unter Verwendung eines Wolframfadens (W-Faden) bekannt, bei denen die Interferenz zwischen Elektronen sich nicht von Photoanregungselektronenquellen unterscheidet.
Der gleiche Effekt wird erzielt, indem man den Phasenverschiebungsbereich 41 entsprechend dem Innendurchmesser d einstellt und das Anregungslicht mit dem Außendurchmesser D axial ausrichtet, wie in 4C dargestellt ist.
In der vorliegenden Ausführungsform ist als Beispiel die Anwendung eines stark verkleinernden elektronenoptischen Systems auf ein hochauflösendes SEM beschrieben, es eignet sich aber auch für die Fokussierung durch ein elektronenoptisches System mit einer geringeren Verkleinerungsrate, für ein elektronenoptisches Univergrößerungssystem und ein vergrößerndes elektronenoptisches System. Da der Elektronenstrahl auf eine Probe mit der vorliegenden Photoanregungselektronenkanone in Form eines Hohlkegels auf eine Probe gerichtet werden kann, kann durch Vergrößerung und Fokussierung von durchgelassenen und gestreuten Elektronen beispielsweise die chromatische Aberration verringert und der Kontrast einer biologischen Probe verstärkt werden.
Gemäß der vorstehenden Ausführungsform lässt sich ein Elektronenmikroskop bereitstellen, mit dem das Umschalten zwischen einer ringförmigen Belichtung und einer normalen Belichtung schnell und einfach unter Erreichen eines besseren S/N-Verhältnisses vorgenommen werden kann. Ferner lässt sich bei einer ringförmigen Belichtung die Bildaufnahme mit höherer Tiefenschärfe und einem höheren S/N-Verhältnis erreichen.
Zweite Ausführungsform
Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 6 bis 8 erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die bei der ersten Ausführungsform beschriebenen Sachverhalte, die bei der vorliegenden Ausführungsform nicht beschrieben werden, auch für die vorliegende Ausführungsform gelten, sofern nichts anderes angegeben wird. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird das Umschalten zwischen einer Großflächenbestrahlung, einem Gabelinterferenzmuster und einer normalen Belichtung erläutert.
Durch Verwendung des räumlichen Phasenmodulators (auch als räumlicher Lichtmodulator oder SLM bezeichnet) für die optische Modulationseinrichtung wird es möglich, verschiedene Muster des Anregungslichts auf der Kathodenoberfläche zu erzeugen. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Beispiel erläutert, bei dem ein reflektiver Flüssigkristall-SLM, dessen Reaktionsgeschwindigkeit rascher ist, für die optische Modulationseinrichtung verwendet wird. Der SLM ist so beschaffen, dass die Phase einer Modulation unterworfen wird, indem man die Orientierungen der zweidimensional angeordneten Flüssigkristalle mit einem elektrischen Feld steuert. 6 ist eine schematische Querschnittansicht zur Erläuterung eines Beispiels der Photoanregungselektronenquelle unter Verwendung des reflektiven SLM. Die gesamte strukturelle Anordnung der Elektronenkanone innerhalb des Vakuumbehälters ist die gleiche wie bei der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform. Der Vakuumbehälter und dergleichen sind in 6 nicht dargestellt. Das elektronenoptische System gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist die gleiche Anordnung wie in 3 auf. In diesem Fall wird für einen seitlichen Einfall des Anregungslichts 12 gesorgt, was auf die Verwendung des reflektiven SLM 60 zurückzuführen ist. Das Bezugszeichen 61 bezeichnet das modulierte Anregungslicht.
Nach Einstellung des reflektiven SLM 60 auf einen Modus zur Aufrechterhaltung der Wellenfront, wie ein ebener Spiegel, (Wellenfrontschutzmodus), ist aufgrund der Tatsache, dass der Brennpunkt durch die Kondensorlinse zu einem kleinen Punkt wird, dessen Brechungsgrenze ähnlich der gestrichelten Linie A in 5A kleiner ist und der vom Photokathodenfilm 10 emittierte Elektronenstrahl 13 punktförmig wird (normale Bestrahlung), eine hochauflösende Betrachtung möglich (hochauflösender Betrachtungsmodus).
Andererseits wird bei Störung der Wellenfront (Modus unter Störung der Wellenfront) der Brennpunkt des Anregungslichts größer. Die Größe eines derartigen Brennpunkts kann durch die Art und Weise der Störung der Wellenfront ausgewählt werden. Die 7A und 7B zeigen die Betrachtung einer Probe. Beim zu betrachtenden Gegenstand handelt es sich um eine Mikroschaltung, die auf einem Halbleitersubstrat 70 ausgebildet ist, wobei dann, wenn die Wellenfront am reflektiven SLM 60 (normale Belichtung) erhalten bleibt, eine hochauflösende SEM-Betrachtung an einem derartigen Schaltkreis mit einem Betrachtungselektronenstrahl 72, der gemäß Darstellung in 7A zu einem winzigen Punkt zusammengedrückt ist, durchgeführt wird. Wenn dabei ein Bereich (Elektrifizierungsbereich) 71, der leicht mit Elektrizität aufzuladen ist, auf dem Halbleitersubstrat 70 vorgesehen ist, erfolgt bei Bestrahlung eines derartigen Bereichs mit dem Elektronenstrahl (Betrachtungselektronenstrahl) 72 eine Elektrifizierung, so dass es zu einer Anomalie in Bezug auf die Genauigkeit der Abmessungen und den Kontrast kommt, wodurch im Ergebnis das S/N-Verhältnis sich verschlechtert. In einem derartigen Fall wird durch Störung der Wellenfront des Anregungslichts (Modus unter Störung der Wellenfront) mit dem reflektiven SLM 60 die Größe der Elektronenquelle gemäß Darstellung in 7B so vergrößert, dass ein die Elektrifizierung steuernder Strahl 73 über einen weiten Bereich der den Elektrifizierungsbereich 71 auf dem Halbleitersubstrat 70 umgibt, abgestrahlt wird (Modus unter Steuerung der Elektrifizierung), wodurch die elektrische Ladung, die lokal auf dem Elektrifizierungsbereich 71 sich angesammelt hat, ausgeglichen wird, was es ermöglicht, die Präzision bezüglich der Abmessung intakt zu halten und eine Anomalie des Kontrasts zu korrigieren. Durch Umschalten des reflektiven SLM 60 unter Verwendung einer Umschalteinrichtung (in der Zeichnung nicht dargestellt) mit hoher Geschwindigkeit zwischen dem Modus zum Schutz der Wellenfront und dem Modus zur Störung der Wellenfront ist es möglich, einen derartigen Schaltkreis bei einem höheren S/N-Verhältnis mit dem Betrachtungselektronenstrahl 72 zu messen, der während des Abtastvorgangs mit dem SEM in einem Elektrifizierungssteuerstrahl 73 umgeschaltet worden ist. Je nachdem, ob ein derartiger Elektrifizierungsbereich positiv oder negativ geladen ist, und je nach der Leichtigkeit, mit der ein derartiger Bereich elektrisch aufgeladen wird, können die Bestrahlungsdauer, der Abstand, der Strombetrag und der Bestrahlungsbereich eines derartigen Elektrifizierungssteuerstrahls durch die Intensität des Anregungslichts 12 und die Einstellung des reflektiven SLM 60 gesteuert werden. Auf diese Weise wird die Gestalt des Elektronenstrahls, der vom Photokathodenfilm emittiert wird, durch den reflektiven SLM variiert, ohne dass die Einstellung des Elektronenoptiksystems modifiziert wird. Dadurch wird es möglich, die Vorrichtung zur Betrachtung von Mustern und die Inspektionsvorrichtung für Halbleiter innerhalb kürzerer Zeit bei einem höheren Durchsatz bereitzustellen.
Ferner können Beugungsgitter mit Einrichtungen zur Erzeugung von holographischen Beugungsgittern (in der Zeichnung nicht dargestellt) unter Verwendung des reflektiven SLM angeordnet werden, so dass gabelförmige Interferenzstreifenmuster gemäß Darstellung in 8 für das Anregungslicht verfügbar sind. Durch Interferenz werden Wirbelelektronenwellen mit orbitalem Drehimpuls aus dem von der Elektronenquelle emittierten Elektronenstrahl in dieser Gestalt abgetrennt und für einen Winkel weg von der Mittelachse des Elektronenstrahls verfügbar gemacht. Durch selektive Anwendung derartiger Wirbelelektronenwellen entsprechend dem verwendeten Elektronenoptiksystem wird eine wirksame Messeinrichtung für Proben mit chiraler Beschaffenheit bereitgestellt. Ferner erweist sich das Elektronenmikroskop gemäß der vorliegenden Erfindung als eine experimentelle Vorrichtung, die für die zukünftige Anwendung von Wirbelelektronenwellen wichtig ist. Mit anderen Worten, es können aufgrund der Tatsache, dass die Bereitstellung einer speziellen Apertur, wie sie beim Stand der Technik üblich ist, nicht nötig ist und durch die Bildung des Interferenzmusters des Anregungslichts mittels des reflektiven SLM 60 wunschgemäß Wirbelelektronenwellen erzeugt werden können, verschiedene Muster leicht erzeugt werden.
Durch Verwendung des reflektiven SLM wird es möglich, zwischen einer erwünschten Elektronenstrahlmuster-Belichtung auf der Grundlage des gewünschten Anregungslichtmusters, das auf dem Photokathodenfilm fokussiert ist, und einer normalen Belichtung rasch umzuschalten.
Wie vorstehend ausgeführt, lässt sich gemäß den vorliegenden Ausführungsformen ein Elektronenmikroskop bereitstellen, bei dem das Umschalten zwischen einer Großbereichbestrahlung, einem erwünschten Interferenzmuster und einer normalen Belichtung rasch und einfach vorgenommen werden kann, wobei ein besseres S/N-Verhältnis erreicht werden kann. Ferner kann durch Umschalten zwischen einer Großbereichsbelichtung und einer normalen Belichtung eine Kontrastanomalie durch Elektrifizierung und die sich ergebende Beeinträchtigung des S/N-Verhältnisses unterdrückt werden. Ferner kann für den Fall, dass der Elektronenstrahl unter Verwendung eines derartigen gabelförmigen Interferenzstreifenmusters emittiert wird, eine wirksame Messeinrichtung für Proben mit chiraler Beschaffenheit bereitgestellt werden.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt ist, sondern verschiedenartig modifiziert werden kann. Es ist selbstverständlich und braucht nicht mit einem konkreten Beispiel belegt zu werden, dass bei der Ausführungsform, bei der ein reflektiver Flüssigkristall-SLM für den räumlichen Phasenmodulator verwendet wird, die gleichen vorteilhaften Wirkungen auch mit einem transmissiven räumlichen Phasenmodulator erreicht werden können, da derartige SLMs die gleiche Funktionsweise aufweisen und die gleichen Wirkungen erzielen. Die vorstehenden ausführlichen Ausführungsformen dienen lediglich dazu, dem Fachmann das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, so dass die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf die vorstehend erläuterten Merkmale beschränkt ist. Ferner kann ein Teil der Merkmale von bestimmten Ausführungsformen durch Merkmale anderer Ausführungsformen ersetzt werden, und es können Merkmale bestimmter Ausführungsformen zu einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. Außerdem sind Ausführungsformen denkbar, bei denen weitere Merkmale hinzugefügt oder ersetzt werden, indem man Weglassungen vornimmt.
Bezugszeichenliste

101:: Photokathode
102:: Kondensorlinse
103:: Extraktionselektrode
104:: Kathodenhalter
105:: Beschleunigungsleistungsquelle
106:: Fenster
107:: parallele Lichtquelle
108:: transmissiver räumlicher Phasenmodulator (optische Modulationseinrichtung)
109:: Vakuumbehälter
110:: Photokathodenfilm
11:: transparentes Substrat
12:: Anregungslicht
13:: Elektronenstrahl
14:: Öffnung
20:: herkömmliches ringförmiges Belichtungsdiaphragma
21:: ringförmiger Aperturbereich
22:: Träger
23:: zentrale Abschirmeinrichtung
24:: herkömmliche Apertur
30:: Photoanregungselektronenkanone
31:: Gehäuse für das elektronenoptische System
32:: erste Kondensorlinse
33:: zweite Kondensorlinse
34:: winkelbeschränkende Apertur
35:: Deflektor
36:: Objektivlinse
37:: Probe
38:: Sekundärelektronendetektor
40:: Phasenverschiebungsbereich
41:: Phasenverschiebungsbereich
60:: reflektiver räumlicher Phasenmodulator (optische Modulationseinrichtung)
61:: moduliertes Anregungslicht
70:: Halbleitersubstrat
71:: Elektrifizierungsbereich
72:: Betrachtungselektronenstrahl (normale Bestrahlung)
73:: Elektronenstrahl zur Steuerung der Elektrifizierung (Großbereichbestrahlung).

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2002124205 [0003]
JP 2001526446 [0003]

Claims

Elektronenmikroskop, umfassend: eine Photokathode mit negativer Elektronenaffinität bei der Anwendung; ein optisches Anregungssystem zur Anregung einer Photokathode; und ein Elektronenoptiksystem zur Bestrahlung einer Probe mit einem Elektronenstrahl, der aus der Photokathode durch Anregungslicht, das durch das optische Anregungssystem geführt worden ist, erzeugt worden ist; wobei das optische Anregungssystem eine Lichtquellenvorrichtung für das Anregungslicht und eine optische Modulationseinrichtung, die im optischen Lichtweg des Anregungslichts angeordnet ist, um am Anregungslicht eine räumliche Phasenmodulation vorzunehmen, umfasst.
Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, wobei das optische Anregungssystem mit Kondensorlinsen zum Sammeln des Anregungslichts in einem winzigen Bereich der Photokathode versehen ist.
Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, wobei die optische Modulationseinrichtung einen Phasenverschiebungsbereich an einem Teil eines Substrats, durch das das Anregungslicht geführt werden kann, umfasst, um einen Brennpunkt des durchgeleiteten Anregungslichts auf der Photokathode in Form einer ringförmigen Zone bereitzustellen.
Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, wobei die optische Modulationseinrichtung einen Wellenschutzmodus aufweist, bei dem von der Photokathode durch das Anregungslicht emittierte Elektronen in einem hochauflösenden Betrachtungsmodus im elektronenoptischen System verwendet werden; sowie einen Modus zur Störung der Wellenfront, bei dem die von der Photokathode durch das Anregungslicht emittierten Elektronen in einem Elektrifizierungssteuermodus im elektronenoptischen System verwendet werden, wobei eine Umschalteinrichtung zwischen einem Betrachtungsmodus mit hoher Auflösung und dem Elektrifizierungssteuermodus die Einrichtung darstellt, mit der vom Wellenfrontschutzmodus zum Modus zur Störung der Wellenfront umgeschaltet wird.
Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, wobei die optische Modulationseinrichtung eine Einrichtung zur Bildung eines gabelförmigen Anregungslichtmusters und zur Bildung von holographischen Beugungsgittern umfasst, um Wirbelelektronenwellen mit einem orbitalen Winkelmoment von den von der Photokathode durch das Anregungslicht emittierten Elektronen mit dem gabelförmigen Muster zu trennen.
Elektronenmikroskop, umfassend: eine Lichtquelle für ein Anregungslicht; eine Photokathode zur Emission von Elektronen durch das Anregungslicht aus der Lichtquelle für das Anregungslicht; eine optische Modulationseinrichtung, die in einem optischen Weg zwischen der Lichtquelle für das Anregungslicht und der Photokathode angeordnet ist, um das Anregungslicht optisch zu modulieren; und ein Elektronenoptiksystem zur Strahlung der von der Photokathode emittierten Elektronen auf eine Probe in Form eines Elektronenstrahls.
Elektronenmikroskop nach Anspruch 6, wobei die optische Modulationseinrichtung einen ersten Bereich aufweist, der keine optische Modulation bewirkt; einen zweiten Bereich, der die optische Modulation bewirkt; und eine Umschalteinrichtung zum Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich.
Elektronenmikroskop nach Anspruch 6, wobei die optische Modulationseinrichtung eine Flüssigkristalleinrichtung zur Steuerung des Vorliegens einer optischen Modulation durch ein angelegtes elektrisches Feld umfasst.