DE112018000937T5 - Messen und Steuern von Abbildungsfehlern in Elektronenmikroskopen - Google Patents

Messen und Steuern von Abbildungsfehlern in Elektronenmikroskopen Download PDF

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Abstract

Ein Elektronenmikroskopsystem und ein Verfahren zum Messen eines Abbildungsfehlers des Elektronenmikroskopsystems werden offenbart. Eine Blende filtert einen Elektronenstrahl in einer Beugungsebene des Elektronenmikroskops, um Elektronen mit einer ausgewählten Energie und einem ausgewählten Impuls hindurchgehen zu lassen. Eine Verschiebung eines Bildes der hindurchgelassenen Elektronen wird an einem Detektor in einer Bildebene des Elektronenmikroskops gemessen. Ein Abbildungsfehlerkoeffizient des Elektronenmikroskops wird anhand der gemessenen Verschiebung und mindestens der Energie oder des Impulses der hindurchgelassenen Elektronen ermittelt. Der gemessene Abbildungsfehler kann verwendet werden, um einen Parameter des Elektronenmikroskops oder eines optischen Elements des Elektronenmikroskops zu ändern, wodurch der Gesamtabbildungsfehler des Elektronenmikroskops gesteuert wird.

Description

  • HINTERGRUND
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Steuern von Abbildungsfehlern (aberrations) in Bildgebungseinheiten und insbesondere auf Systeme und Verfahren zum Messen und Steuern einer Stärke von Abbildungsfehlern in Elektronenmikroskopen.
  • Elektronenmikroskope verwenden einen Strahl aus beschleunigten Elektronen zum Beleuchten einer Probe, die geprüft wird, um hochauflösende Bilder der Probe zu erhalten. Da es mehrere optische Elemente gibt, die zum Lenken des Elektronenstrahls und zum Erzeugen eines Bildes der Probe verwendet werden, treten bei Elektronenmikroskopen tendenziell bestimmte Abbildungsfehler wie chromatischer Abbildungsfehler, sphärischer Abbildungsfehler usw. auf. Diese optischen Elemente können zwar so angepasst werden, dass der Abbildungsfehler korrigiert wird, die Abbildungsfehler müssen jedoch gemessen werden, bevor sie korrigiert werden können. Einen sphärischen und chromatischen Abbildungsfehler in einem niederenergetischen Elektronenmikroskop (low energy electron microscope, LEEM) oder Fotoemissionselektronenmikroskop (photo electron emission microscope, PEEM) zu messen, ist ein aufwändiger Prozess, der zeitraubend und schwer zu automatisieren ist. Bei einem Verfahren zum Messen des sphärischen Abbildungsfehlers werden der einfallende Strahlwinkel und die Kontrastblende des Elektronenmikroskops gemeinsam abgetastet. Beim Abtasten des Strahlwinkels verschiebt sich das Bild, da der sphärische Abbildungsfehler sowie Defokussierung und Astigmatismus auftreten. Anhand systematischer Messungen der Bildverschiebung im Vergleich zum Strahlwinkel können diese Abbildungsfehler gemessen werden. Ein weiteres Verfahren ist als niederenergetische Mikropunkt-Elektronenbeugung im Realraum (real space microspot low energy electron diffraction) bekannt. In diesem Fall wird die Probe mit einem kleinen Elektronenpunktstrahl beleuchtet. Da die Probe den einfallenden Strahl in viele reflektierte Strahlen mit jeweils bekannten Winkeln beugt, stimmen die Bilder dieser Strahlen in der Bildebene aufgrund von sphärischem Abbildungsfehler, Defokussierung und Astigmatismus nicht genau überein. Indem die relativen Verschiebungen dieser Kleinpunktbilder gemessen werden, können diese Abbildungsfehler gemessen werden. Für beide Verfahren ist zum Erzeugen von gebeugten Strahlen eine Einkristallprobe erforderlich, die jedoch nicht immer verfügbar ist. Um einen chromatischen Abbildungsfehler zu messen, wird die Energie eines einfallenden Elektronenstrahls variiert. Diese Methode erfordert eine Neuanpassung des Mikroskops für jede Einstellung der Energie, was ein langwieriges Verfahren ist. Auch wenn Fotoelektronen verwendet werden, funktioniert keines dieser Verfahren. Diese Testverfahren weisen tendenziell das Problem auf, dass die Anzahl der Kalibrierungen des Elektronenmikroskops eingeschränkt ist. Es ist daher notwendig, ein Verfahren zum Messen von Abbildungsfehlern zu entwickeln, um Maßnahmen zum regelmäßigeren Korrigieren der Abbildungsfehler zu ergreifen, ohne aufwändige Kalibrier- und Messprotokolle.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Messen eines Abbildungsfehlers eines Elektronenmikroskops: Filtern eines Elektronenstrahls des Elektronenmikroskops in einer Beugungsebene des Elektronenmikroskops, um Elektronen mit ausgewählter Energie und ausgewähltem Impuls hindurchgehen zu lassen; Messen einer Verschiebung eines Bildes der hindurchgelassenen Elektronen in einer Bildebene des Elektronenmikroskops; Ermitteln eines Abbildungsfehlerkoeffizienten des Elektronenmikroskops anhand der gemessenen Verschiebung und mindestens der Energie oder des Impulses der hindurchgelassenen Elektronen; und Ändern eines Parameters des Elektronenmikroskops, um den Abbildungsfehler des Elektronenmikroskops mindestens teilweise auf Grundlage des ermittelten Abbildungsfehlerkoeffizienten zu steuern.
  • Gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Steuern eines Abbildungsfehlers eines Elektronenmikroskops: Erhalten einer dispersen Energieverteilung für Elektronen in einer Beugungsebene des Elektronenmikroskops; Platzieren einer Blende an einer ausgewählten Position der dispersen Energieverteilung in der Beugungsebene; Messen der Verschiebung eines Bildes der Blende in einer Bildebene des Elektronenmikroskops für die ausgewählte Position der Blende; Ermitteln eines Abbildungsfehlerkoeffizienten des Elektronenmikroskops anhand der gemessenen Verschiebung und der ausgewählten Position der Blende; und Ändern eines Parameters eines Elements des Elektronenmikroskops, um den Abbildungsfehler des Elektronenmikroskops mindestens teilweise auf Grundlage des ermittelten Abbildungsfehlerkoeffizienten zu steuern.
  • Gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Elektronenmikroskopsystem: ein optisches Element zum Lenken eines Elektronenstrahls des Elektronenmikroskopsystems; eine Blende in einer Beugungsebene des Elektronenmikroskops, um einen Teil einer dispersen Energie-Impuls-Beziehung des in der Beugungsebene gebildeten Elektronenstrahls auszuwählen; und einen Prozessor, der so konfiguriert ist, dass er: eine Verschiebung eines Bildes der Blende in einer Bildebene des Elektronenmikroskops für den ausgewählten Teil der dispersen Energie-Impuls-Beziehung misst, einen Abbildungsfehlerkoeffizienten anhand der gemessenen Verschiebung und des ausgewählten Teils der dispersen Energie-Impuls-Beziehung ermittelt und eine Einstellung des optischen Elements ändert, um den Abbildungsfehler des Elektronenmikroskops mindestens teilweise auf Grundlage des ermittelten Abbildungsfehlerkoeffizienten zu steuern.
  • Gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Vorrichtung zum Steuern eines Abbildungsfehlers eines Elektronenmikroskops: eine Blende in einer Beugungsebene des Elektronenmikroskops, die Elektronen einer ausgewählten Energie und eines ausgewählten Impulses hindurchgehen lässt; einen Detektor zum Messen einer Verschiebung der hindurchgelassenen Elektronen; und einen Prozessor, der so konfiguriert ist, dass er: mindestens die ausgewählte Energie oder den ausgewählten Impuls der hindurchgelassenen Elektronen empfängt; die gemessene Verschiebung eines Bildes der Probe empfängt, einen Abbildungsfehlerkoeffizienten anhand der gemessenen Verschiebung und mindestens der ausgewählten Energie oder des ausgewählten Impulses ermittelt und eine Einstellung des Elektronenmikroskops ändert, um den Abbildungsfehler des Elektronenmikroskops mindestens teilweise auf Grundlage des ermittelten Abbildungsfehlerkoeffizienten zu steuern.
  • Gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Betreiben eines Elektronenmikroskops: Erhalten einer dispersen Energieverteilung für Elektronen in einer Beugungsebene des Elektronenmikroskops; Platzieren einer Blende an einer ausgewählten Position der dispersen Energieverteilung in der Beugungsebene; Messen an einem Detektor einer Verschiebung eines Bildes der Blende in einer Bildebene des Elektronenmikroskops für die ausgewählte Position der Blende; Ermitteln eines Abbildungsfehlerkoeffizienten des Elektronenmikroskops anhand der gemessenen Verschiebung und der ausgewählten Position der Blende mithilfe eines Prozessors; Ändern einer Einstellung eines Elements des Elektronenmikroskops, um den Abbildungsfehler des Elektronenmikroskops mindestens teilweise auf Grundlage des ermittelten Abbildungsfehlerkoeffizienten zu steuern; und Erhalten eines Bildes einer Probe mithilfe des Elektronenmikroskops mit dem gesteuerten Abbildungsfehler.
  • Figurenliste
  • Der Gegenstand, der als die Erfindung betrachtet wird, wird in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung besonders hervorgehoben und ausdrücklich beansprucht. Das Vorstehende und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Elektronenmikroskops zeigt, das gemäß Ausführungsformen der Erfindung dargestellt ist;
    • 2 eine Energie-Impuls-Dispersionsbeziehung in einer Beugungsebene des Elektronenmikroskops von 1 zeigt;
    • 3 eine Beziehung zwischen einer Verschiebung des Bildes an einem Detektor des Elektronenmikroskopdetektors für eine Vielfalt von Winkel-/Impulswerten zeigt, die durch eine Kontrastblende bei konstanter Energie in der Beugungsebene gemäß Ausführungsformen der Erfindung ausgewählt werden;
    • 4 eine Beziehung zwischen einer Defokussierung des Elektronenstrahls am Detektor bei Energiewerten zeigt, die durch eine Blende mit einem konstanten Winkel-/ky-Impulswert in der Beugungsebene gemäß Ausführungsformen der Erfindung ausgewählt werden;
    • 5 einen veranschaulichenden Blendensteuerungsmechanismus zum Verwenden in der Beugungsebene des Elektronenmikroskops zeigt, um die Abbildungsfehlerkoeffizienten des Elektronenmikroskops gemäß Ausführungsformen der Erfindung zu ermitteln; und
    • 6 einen Ablaufplan zeigt, der ein Verfahren zum Korrigieren von Abbildungsfehlern in einem Elektronenmikroskop gemäß Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Ausführungsformen der Erfindung stellen Systeme und Verfahren bereit, um den sphärischen und/oder chromatischen Abbildungsfehler in Kathodenlinsen-Elektronenmikroskopen (z.B. niederenergetisches Elektronenmikroskop (LEEM) und Fotoemissionselektronenmikroskop (PEEM)) zu messen und auf diese Weise den sphärischen und/oder chromatischen Abbildungsfehler zu steuern. Mithilfe der dispersen Eigenschaften einer Magnetprismenanordnung wird eine Energie-Impuls-Projektion in der dispersen Ebene der Kontrastblende des Mikroskops erzeugt, indem eine Blende mit schmalem Spalt in der Eintrittsebene zu einer Magnetprismenanordnung platziert wird. Durch Abtasten der Kontrastblende in dieser dispersen Ebene und Erzeugen eines Realraumbildes für jede Position der Kontrastblende können sowohl der sphärische als auch der chromatische Abbildungsfehlerkoeffizient aus den Bildverschiebungen von einer Blendenposition zur nächsten extrahiert werden.
  • Mit Bezug nunmehr auf 1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Elektronenmikroskops 100 gemäß Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Das Elektronenmikroskop 100 enthält unter anderem eine Elektronenkanone 102, eine erste Magnetprismenanordnung (MPA1) 104, eine Probe 106, eine zweite Magnetprismenanordnung (MPA2) 108, einen Spiegel 110 und einen Detektor 112.
  • Die Elektronenkanone 102 erzeugt einen Elektronenstrahl 103 in Richtung der MPA1 104. Der Elektronenstrahl 103 breitet sich entlang einer optischen Achse aus, die eine z-Richtung in einem Koordinatensystem des Elektronenstrahls 103 definiert, wobei eine y-Richtung außerhalb der Ebene der Seite und eine x-Richtung orthogonal sowohl zur y-Richtung als auch zur z-Richtung liegt. Während sich die z-Richtung mit der Ausbreitungsrichtung ändern kann, behält die y-Richtung ihre Richtung außerhalb der Ebene der Seite bei und die x-Richtung bleibt orthogonal sowohl zur y-Richtung als auch zur z-Richtung.
  • Bei der Elektronenkanone 102 kann es sich um eine beliebige Art von Elektronenkanone handeln, die geeignet ist, einen Elektronenstrahl mit einer ausgewählten Energie bereitzustellen, wie beispielsweise eine kalte Feldemissionskanone, ohne darauf beschränkt zu sein. Die erzeugten Elektronen werden durch eine Kanonenlinse (GL) 114 und eine Kondensorlinse (CL) 116 in einer Eintrittsebene der MPA1 104 gebündelt. Die MPA1 104 lenkt den Elektronenstrahl 103 über einen Winkel von 90 Grad zur Probe 106 ab. Beim Verlassen der MPA1 104 geht der Elektronenstrahl 103 durch ein Objektivlinsensystem 118 auf der Probe 106 hindurch. Das Objektivlinsensystem 118 enthält eine magnetische Transferlinse M1 120 und eine Objektivlinse OL 122, die den Strahl auf die Probe 106 ausrichtet. In Ausführungsformen der Erfindung wird die Probe 106 so auf einem Potential gehalten, dass einfallende Elektronen auf einen ausgewählten Energiebereich an der Probe 106 abgebremst werden. Nach der Reflexion von der Probe 106 werden die Elektronen durch das Objektivlinsensystem 118 in Richtung der MPA1 104 zurück beschleunigt. Die MPA1 104 lenkt die Elektronen wieder über einen Winkel von 90 Grad in Richtung der MPA2 108 ab. Der Elektronenstrahl geht durch eine elektrostatische Transferlinse EL 128 auf halbem Weg zwischen der MPA1 104 und MPA2 108 hindurch. Die MPA2 108 lenkt den Elektronenstrahl 103 über einen Winkel von 90 Grad auf einen zum Spiegel 110 gerichteten Weg ab und geht dabei durch die Magnetlinse M2 130 und die zwischen der MPA2 104 und dem Spiegel 110 angeordnete Magnetlinse M3 132 hindurch. Nach der Reflexion vom Spiegel 110 geht der Elektronenstrahl 103 auf seinem Weg in Richtung der MPA2 108 erneut durch die Magnetlinse M3 132 und die Magnetlinse M2 130 hindurch.
  • Die MPA2 lenkt den Elektronenstrahl 103 erneut über einen Winkel von 90 Grad in eine Projektorsäule ab, die die Linsen P1 bis P4(A,B) (Linsen 140 bzw. 142) und den Detektor 112 enthält. Die magnetische Transferlinse P1 projiziert den Strahl auf eine Projektorlinse P3. Die gemeinsamen Einstellungen der Linse P3 und der Linsen P4A/P4B legen eine Vergrößerung des Bildes auf dem Detektor fest. Alternativ kann durch Anregen der Linse P2 (136) das Beugungsmuster oder Energiespektrum in der Objektebene von P3 (138) platziert werden, um eine gezielte Überprüfung auf dem Bildschirm durchzuführen.
  • In der beispielhaften Ausführungsform von 1 lenken MPA1 und MPA2 die Elektronen um 90 Grad ab. Der Grad der Ablenkung durch MPA1 und MP2 ist kein wesentliches Element des Elektronenmikroskops. Andere Ausführungsformen des Elektronenmikroskops können den Elektronenstrahl um 60 Grad oder einen anderen Winkel ablenken. Das gleiche hierin beschriebene Verfahren zum Messen von Abbildungsfehlern gilt für diese Ausführungsformen sowie für Ausführungsformen mit anderen Ablenkungswinkeln.
  • Nach Erreichen des Detektors 112 weist der Elektronenstrahl 103 aufgrund der verschiedenen Elemente des Elektronenmikroskops wie den Objektivlinsen, der MPA1, MPA2 usw. verschiedene Abbildungsfehler auf. Die genannten Elemente führen insbesondere zu Abbildungsfehlern bei Bildern wie unter anderem zum chromatischen Abbildungsfehler und sphärischen Abbildungsfehler in dem Elektronenstrahl 103. Um diese Abbildungsfehler im Elektronenstrahl 103 zu korrigieren, kann beispielsweise der Spiegel 110 oder können andere optische Elemente angepasst werden, um dem Elektronenstrahl 103 eine Korrektur des Abbildungsfehlers (z.B. chromatisch und/oder sphärisch usw.) bereitzustellen, die den Auswirkungen des Abbildungsfehlers durch die anderen strahlenverformenden Elemente des Elektronenmikroskops 100 entgegenwirkt und/oder diese aufhebt.
  • Eine Kontrastblende 144 kann in der Nähe der magnetischen Transferlinse P1 134 platziert werden, um einen Teil des Elektronenstrahls für die Bilderzeugung zu Prüf- und Kalibrierzwecken auszuwählen. Die Kontrastblende 144 kann verwendet und die Probe 106 kann in den Elektronenstrahl 103 platziert werden, um Bilder der Probe 106 zu erhalten.
  • Um den Abbildungsfehler zu ermitteln, kann man eine Beziehung zwischen einer Dispersionsbeziehung in einer Beugungsebene des Elektronenmikroskops (d.h. an der Linse P1) und einem am Detektor 112 erzeugten Bild beobachten. In Ausführungsformen der Erfindung wird ein Beugungsmuster von der Objektivlinse OL 122 betrachtet. Eine Ebene OS zeigt ein Bild 124 der Beugungsebene der Objektivlinse OL 122. Die Geometrie des Elektronenmikroskops ist so gewählt, dass das Beugungsmuster in der Beugungsebene 124 an der Linse P1 134 reproduziert wird. In einer Ausführungsform ist eine Kontrastblende 144 in einer Beugungsebene 146 platziert, die sich in der Mitte der Linse P1 134 befindet und dazu dient, Teile des Elektronenstrahls 103 bei verschiedenen Energie- und Impulswerten auszuwählen. Anhand des Beobachtens der Auswirkungen der verschiedenen Energie- und Impulswerte auf die Verschiebung eines Bildes am Detektor 112 können die Abbildungsfehler des Elektronenmikroskops ermittelt werden.
  • In der Beugungsebene 124 bilden die Elektronen von der Probe 106 eine Verteilung, wobei die Elektronenenergien wie von einer Ewald-Kugel angezeigt von 0 bis zu einer maximalen Energie Em reichen. Ein Radius der Ewald-Kugel bezieht sich auf die Maximalwerte der in der Ebene liegenden kx- und ky-Vektoren bei jeder Elektronenenergie. Der Durchmesser der Ewald-Kugel nimmt mit der Quadratwurzel der Energie der Elektronen zu, wenn sie mit der Probe interagieren oder von ihr emittiert werden (z.B. Quadratwurzel (E)). In der Beugungsebene 124 der magnetischen Transferlinse M1 120 wird zwischen der magnetischen Transferobjektivlinse M1 120 und der MPA1 104 ein schmaler Spalt („Filtereintrittsspalt“) 126 eingefügt. Der schmale Spalt 126 ist in y-Richtung normal zur Ebene der Zeichnung verlängert und schmal in x-Richtung. Der schmale Spalt 126 ermöglicht es daher, dass Elektronen mit einem Bereich von Impulswerten entlang der ky-Richtung hindurchgehen, wobei aber nur ein schmaler Anteil von Elektronen in kx-Richtung hindurchgeht. Vor dem Durchgang durch den engen Spalt 126 liegt die Energie-Impuls-Verteilung des Elektronenstrahls 103 in Form eines dreidimensionalen Paraboloid vor. Der schmale Spalt 126 bewirkt, dass von diesem Paraboloid nur ein schmaler Anteil (in kx-Richtung) hindurchgeht. MPA1 104, MPA2 108 und/oder andere energiedisperse Elemente streuen diesen Anteil des Elektronenstrahls 103. In der Beugungsebene der Linse P1 134 am Austritt von MPA2 (108) tritt eine parabolische Dispersionsbeziehung auf, die die Energie im Vergleich zum ky-Impuls darstellt. Der Impuls ky steht in direktem Zusammenhang mit einem Winkel θ der Elektronen relativ zur optischen Achse.
  • 2 zeigt eine Energie-Impuls-Dispersionsbeziehung 200 in der Beugungsebene an der Linse P1 134 des Elektronenmikroskops von 1 in Ausführungsformen der Erfindung. Die Dispersionsbeziehung 200 ergibt sich aus der Anordnung des Filtereintrittsspalts 126 in der Beugungsebene 124 der Objektivlinse 122. Die Grenze 202 ist die Grenze der Ewald-Kugel in Bezug auf die Energie- und Impulswerte des Elektronenstrahls 103. Eine Kontrastblende 144 wird in die P1-Beugungsebene eingefügt, wobei nur ein kleiner Energie- und Impulsbereich ausgewählt wird. Diese Blende wird verwendet, um Elektronen eines ausgewählten Impuls- und/oder Energiewertes hindurchgehen zu lassen. Die Blende kann bewegt werden, um Elektronen einer Mehrzahl von Impuls- und/oder Energiewerten hindurchgehen zu lassen, und eine Verschiebung eines Bildes der Blende kann betrachtet werden, um Abbildungsfehlerkoeffizienten des Elektronenmikroskops 100 zu ermitteln.
  • Die Blenden 206 und 208 sind in 2 dargestellt, um mögliche Abtastverfahren in der Beugungsebene zu veranschaulichen. In Ausführungsformen der Erfindung wird eine einzelne Blende verwendet, die sich entlang der ky-Richtung (wie durch die Blende 206 dargestellt) und/oder entlang der energiedispersen Richtung (wie durch die Blende 208 dargestellt) bewegen kann. Die Blenden 206, 208 blockieren den Elektronenstrahl 103 in der Beugungsebene 146, davon ausgenommen sind die Energie- und Impulswerte an der Position der Blenden 206, 208. Die Blende 206 veranschaulicht ein Verfahren zum Abtasten einer Mehrzahl von ky-Impulswerten bei einem konstanten Energiewert. Die Blende 206 wird entlang einer durch Pfeil 210 dargestellten ky-Richtung bewegt, um die Mehrzahl der ky-Impulswerte bei konstanter Energie auszuwählen. Die Blende 208 veranschaulicht ein Verfahren zum Abtasten einer Mehrzahl von Energiewerten bei einem konstanten ky-Impuls. Die Blende 208 wird entlang einer durch Pfeil 212 dargestellten energiedispersen Richtung bewegt, um die Mehrzahl von Energien bei einem konstanten ky-Impuls auszuwählen. Wenn sich die Blenden 206, 208 entlang der Richtungen bewegen, die durch die jeweiligen Pfeile 210, 212 angezeigt werden, werden die entsprechenden Verschiebungen des durch die Blenden 206, 208 hindurchgelassenen Probenbildes in einer Bildebene des Elektronenmikroskops, d.h. des Detektors 112, aufgezeichnet. Anschließend kann eine Beziehung zwischen ausgewählten Energie-/Impulswerten erzeugt werden, die durch die Blende und die Verschiebung des Probenbildes am Detektor 112 ausgewählt wurden, um Abbildungsfehlerkoeffizienten für das Elektronenmikroskop zu ermitteln. Die ermittelten Koeffizienten können dann vom Bediener oder einem Prozessor verwendet werden, um einen Parameter des Elektronenmikroskops anzupassen oder zu ändern, sodass die Abbildungsfehler des Mikroskops gesteuert, verringert oder verkleinert werden können. Durch das Ermitteln der Abbildungsfehlerkoeffizienten des Elektronenmikroskops 100 kann insbesondere der Spiegel 110 des Elektronenmikroskops 100 so angepasst werden, dass die Abbildungsfehler der Objektivlinse 122 ausgeglichen werden, sodass die Gesamtabbildungsfehler des Elektronenmikroskops 100 gesteuert, verringert und/oder auf null oder im Wesentlichen auf null minimiert werden.
  • In Ausführungsformen der Erfindung wird ein sphärischer Abbildungsfehler ermittelt, indem die Blende 206 bei konstanter Energie durch eine Mehrzahl von ky-Werten der Beugungsebene bewegt wird; dies wird durch Pfeil 210 dargestellt, der sich hauptsächlich in ky-Richtung bewegt. Jeder ky-Wert entspricht somit einem Winkel θ des Elektronenstrahls 103 relativ zu einer optischen Achse des Elektronenmikroskops. Für jede Position der Blende 206 wird am Detektor 112 ein Bild der Probe aufgenommen (d.h. ein Bild mit dem Teil des Elektronenstrahls, der durch die Blende 206 hindurchgeht). Wenn die Blende 206 über mehrere ky-Werte (d.h. θ-Werte) abgetastet wird, verschiebt sich das Bild bei einer Vergrößerung von 1 um einen Betrag d = C1 * θ1 + C3 * θ3, wobei C1 eine Defokussierung und C3 ein sphärischer Abbildungsfehlerkoeffizient ist. So ist es durch Messen der Bildverschiebung im Vergleich zu θ möglich, sowohl eine Defokussierung als auch einen sphärischen Abbildungsfehler zu ermitteln. Dieses Verfahren kann für verschiedene Werte von E innerhalb des Energiespektrums der Elektronen wiederholt werden. Daher können C1 und C3 in Abhängigkeit von der Elektronenenergie ermittelt werden. In einer weiteren Ausführungsform wird der chromatische Abbildungsfehler ermittelt, indem die Blende 208 wie durch Pfeil 212 gezeigt entlang der Energieachse bewegt wird, um eine Mehrzahl von Energiewerten bei einem konstanten ky-Wert abzutasten. Am Detektor 112 wird für jede Position der Blende 208 entlang der Energieachse ein Bild der Probe aufgenommen. Das Bild verschiebt sich in Abhängigkeit von der Blendenposition (d.h. der Energie). Der Vergleich der Ablenkung des Bildes mit der Blendenposition stellt Informationen über einen chromatischen Abbildungsfehlerkoeffizienten bereit, der somit anhand dieser Bildverschiebungen in Abhängigkeit von der Position der Blende 208 entlang der E-Richtung ermittelt werden kann.
  • 3 zeigt eine Beziehung 300 zwischen einer Verschiebung (Ablenkung) des Elektronenstrahls am Detektor 112 und Impulswerten, die durch die Blende 206 bei konstanter Energie in der Beugungsebene 146 ausgewählt wurden. Die Impulswerte werden durch den Ablenkwinkel entlang der Abszisse (in Bogenmaß) angezeigt und die Bildablenkung wird entlang der Ordinate (in Mikrometern) angezeigt. Die Energie des Elektronenstrahls an der Strahlprobe für diese spezielle Abtastung liegt bei einem konstanten oder im Wesentlichen konstanten Wert von 25 eV. Datenpunkte werden durch die Kreise 302 dargestellt. Durch die Datenpunkte wird eine Kurve 304 gezeichnet, um die Datenpunkte bestmöglich zusammenzuführen, wobei die Koeffizienten der Kurve 304 durch ein geeignetes Verfahren wie die Regressionsanalyse ermittelt werden. Die Koeffizienten der Kurve 304 deuten auf einen sphärischen Abbildungsfehler des Elektronenmikroskops 100 hin. Die Verschiebung d des Bildes bezieht sich insbesondere auf den ky-Impuls auf Grundlage der Gleichung: d = C1*θ+C3*θ3, wobei θ die Winkelverschiebung in der Beugungsebene (in Bezug auf ky), C3 der sphärische Abbildungsfehlerkoeffizient und C1 eine Defokussierung ist. Die kubische Form der Kurve 304 zeigt an, dass sich das Bild der Probe mit sphärischen Abbildungsfehlern in Abhängigkeit vom ky-Impuls des Elektronenstrahls bewegt. Ein Strahl ohne sphärischen Abbildungsfehler oder Defokussierung wird daher als flache horizontale Linie dargestellt. Die Steigung der veranschaulichenden Kurve 304 beträgt bei θ = 0 zwar null, d.h., dass C1=0 ist, doch bei Überprüfungen kann eine Steigung ungleich null gefunden werden, wenn die Defokussierung ungleich null ist.
  • 4 zeigt eine Beziehung 400 zwischen einer Defokussierung des Abtastbildes am Detektor 112 und Energiewerten, die durch die Blende 208 bei einem konstanten ky-Impulswert in der Beugungsebene 146 ausgewählt wurden. Die Energiewerte werden entlang der Abszisse (in eV) und die Bilddefokussierung entlang der Ordinate (in Mikrometern) angezeigt. Die Kurven 402, 404, 406 beziehen sich auf die Energie auf Grundlage einer Gleichung, die einen chromatischen Abbildungsfehlerkoeffizienten beinhaltet. Somit kann die Gleichung an die Kurven 402, 404, 406 angepasst werden, um den sphärischen Abbildungsfehlerkoeffizienten zu ermitteln. Wenn der Wert von ky, entlang dem die Blende 208 entlang der Linie 212 abgetastet wird, ungleich null ist, führt die energieabhängige Defokussierung auch zu einer energieabhängigen Bildverschiebung, die d = Defokussierung * θ1 entspricht. Somit kann die energieabhängige Defokussierung, die von dem energieabhängigen chromatischen Abbildungsfehler sowie einer vom Bediener gesteuerten zusätzlichen Defokussierung C1 abhängt, auf Grundlage der energieabhängigen Bildverschiebung d bei einem geeigneten Winkel θ gemessen werden.
  • 5 zeigt einen veranschaulichenden Blendensteuerungsmechanismus 500 zum Verwenden in der Beugungsebene der Linse P1 134 des Elektronenmikroskops 100, um die Abbildungsfehlerkoeffizienten des Elektronenmikroskops 100 zu ermitteln. Der Blendensteuerungsmechanismus 500 kann die Blende innerhalb des Elektronenstrahls und der Beugungsebene in und aus der Position bewegen. Der Blendensteuerungsmechanismus 500 beinhaltet einen Blendenverteiler 502 mit einer oder mehreren Blenden 504 darin. Die Mehrzahl von Blenden kann eine eingestellte räumliche Beziehung zueinander aufweisen. Ein positionscodierter Verschieber (translator) 506 lenkt den Blendenverteiler 502 entlang ausgewählter Richtungen. Der positionscodierte Verschieber 506 kann durch die Blendenhalterung 512 in der Beugungsebene gehalten werden. In Ausführungsformen der Erfindung enthält der positionscodierte Verschieber 506 einen x-Richtungsverschieber 508 und einen y-Richtungsverschieber 510. Der x-Richtungsverschieber 508 kann betätigt werden, um den Blendenverteiler 502 entlang einer Energie-Impuls-Achse der Dispersionsbeziehung zu bewegen, und der y-Richtungsverschieber 510 kann betätigt werden, um den Blendenverteiler 502 entlang einer ky- Achse zu bewegen. In Ausführungsformen der Erfindung können die Verschieber 508, 510 durch piezoelektrische Einheiten betätigt werden. In verschiedenen Ausführungsformen sind die Hauptachsen der ky-E-Parabel nicht auf die Bewegungsachsen des x-Richtungsverschiebers 408 und des y-Richtungsverschiebers 410 ausgerichtet. Daher kann eine Abtastung entweder entlang der E-Achse oder der ky-Impulsachse eine zusammengesetzte Bewegung der Verschieber 508, 510 beinhalten. Der Prozessor 520 kann verwendet werden, um die Verschieber 508, 510 zu bewegen und somit die Bewegung der Verschieber 508, 510 zu koordinieren, um den Blendenverteiler 502 entsprechend zu bewegen.
  • In Ausführungsformen der Erfindung steuert der Prozessor 502 die Bewegung des Blendenverteilers 520 in der Beugungsebene, indem er die linearen Verschieber 508, 510 steuert. Der Prozessor 520 misst die Positionen der Verschieber 508, 510, um die Position der Blende zu ermitteln. Der Prozessor 520 empfängt ferner vom Detektor 112 Ablenkungsmessungen des Bildes, das für eine ausgewählte Blendenposition durch die Blende hindurchgeht. Nach Empfangen einer Mehrzahl von Ablenkungsmessungen für eine Mehrzahl von Blendenpositionen kann der Prozessor 520 Abbildungsfehlerkoeffizienten mithilfe einer oder mehrerer der in den 3 und 4 dargestellten Beziehungen ermitteln. Der Prozessor 520 kann einen geeigneten Abbildungsfehlerkoeffizienten (sphärisch, chromatisch usw.) ermitteln, indem er beispielsweise eine Regressionsanalyse bei den Daten von Bildablenkungen und Blendenpositionen durchführt. Der Prozessor 520 kann anschließend geeignete Befehle zum Korrigieren des Abbildungsfehlers bereitstellen. In Ausführungsformen der Erfindung kann der Prozessor 520 Befehle zum Anpassen eines optischen Elements des Elektronenmikroskops wie beispielsweise des Spiegels 110 oder anderer Linsenelemente bereitstellen. Das Anpassen des optischen Elements kann ein Anpassen der Einstellungen des Spiegelelements 110 oder ein Anpassen einer Einstellung der Linsenelemente beinhalten, wie beispielsweise ein Anpassen einer Einstellung eines Magnetlinsenelements oder einer Mehrzahl von Elementen. Durch eine geeignete Anpassung des optischen Elements können am optischen Element auftretende Abbildungsfehler die Gesamtabbildungsfehler des Elektronenmikroskops 100 beseitigen oder verringern.
  • In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet der Blendenverteiler 502 eine Mehrzahl von Blenden 504, und der Prozessor 520 verwaltet eine Karte der relativen Positionen der verschiedenen Blenden 504. Jede der Blenden 504 hat ihren eigenen eindeutigen Durchmesser. Eine Blende 504 kann so ausgewählt werden, dass ein ausgewählter Energie-/Impulsbereich durch die Blende hindurchgeht. Der Prozessor 520 kann schnell und präzise von einer Blende 504 zur anderen wechseln und so einen geeigneten Energie- und Impulsbereich auswählen, um Abbildungsfehlermessungen zu erhalten.
  • 6 zeigt einen Ablaufplan 600, der ein Verfahren zum Korrigieren von Abbildungsfehlern in einem Elektronenmikroskop gemäß Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. In Kästchen 602 wird in einer Beugungsebene des Elektronenmikroskops eine Energie-Impuls-Dispersionsbeziehung gebildet. In Kästchen 604 wird in der Beugungsebene eine Blende verwendet, um die Beugungsebene abzutasten und auf diese Weise für jede Blendenposition ein Bild an einem Detektor zu erzeugen. In Kästchen 606 wird eine Beziehung zwischen der Blendenposition und einer Bildablenkung am Detektor erzeugt. In Kästchen 608 wird anhand der erzeugten Beziehung ein Abbildungsfehlerkoeffizient ermittelt. In Kästchen 610 wird ein Parameter eines Elements des Elektronenmikroskops (z.B. ein Parameter von Spiegel 110) angepasst, um den Abbildungsfehler des Elektronenmikroskops zu steuern und/oder zu verringern.
  • Das hierin beschriebene Verfahren kann einen einfallenden Elektronenstrahl verwenden, funktioniert aber ebenso gut mit fotoemittierten Elektronen. Das hierin beschriebene Verfahren ermöglicht es, die Abbildungsfehler eines Elektronenmikroskops zu ermitteln, ohne die Ausrichtung des Elektronenstrahls oder des Elektronenmikroskops anpassen oder ändern zu müssen. Anhand dieses Verfahrens werden daher Abbildungsfehler des Elektronenmikroskops ermittelt, ohne den einfallenden Elektronenstrahlwinkel oder die Energie zu verändern, und ferner werden Verfahren zum Korrigieren der Abbildungsfehler bereitgestellt, wiederum ohne solche Anpassungen.
  • Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich zum Zweck des Beschreibens von speziellen Ausführungsformen und soll die Erfindung nicht einschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein/eine/einer/eines“ und „der/die/das“ ebenfalls die Pluralformen umfassen, es sei denn, der Zusammenhang zeigt eindeutig etwas anderes auf. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke „aufweisen“ und/oder „aufweisend“, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit von angegebenen Merkmalen, Ganzzahlen, Schritten, Operationen, Elementen und/oder Komponenten spezifizieren, jedoch nicht die Anwesenheit oder Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, Ganzzahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen.
  • Die entsprechenden Strukturen, Materialien, Maßnahmen und Äquivalente aller Mittel oder Schritt-plus-Funktion-Elemente in den nachfolgenden Ansprüchen sollen alle Strukturen, Materialien oder Maßnahmen zur Durchführung der Funktion in Kombination mit anderen beanspruchten Elementen umfassen, wie dies speziell beansprucht wird. Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurde zum Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung vorgestellt, soll jedoch nicht erschöpfend oder auf die Erfindung in der offenbarten Form beschränkt sein. Für Fachleute ist offensichtlich, dass viele Änderungen und Abwandlungen möglich sind, ohne vom Umfang und Gedanken der Erfindung abzuweichen. Die Ausführungsform wurde ausgewählt und beschrieben, um die Grundgedanken der Erfindung und die praktische Anwendung am besten zu erläutern und um anderen Fachleuten ein Verständnis der Erfindung für verschiedene Ausführungsformen mit verschiedenen Änderungen zu ermöglichen, wie sie für die jeweils beabsichtigte Verwendung geeignet sind.
  • Die hierin abgebildeten Ablaufplandarstellungen sind nur ein Beispiel. Es kann viele Abwandlungen für diese Darstellung oder die darin beschriebenen Schritte (oder Operationen) geben, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. Die Schritte können zum Beispiel in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden, oder es können Schritte hinzugefügt, weggelassen oder geändert werden. Alle diese Abwandlungen gelten als Teil der beanspruchten Erfindung.
  • Obwohl die beispielhafte Ausführungsform der Erfindung beschrieben worden ist, versteht sich, dass der Fachmann sowohl heute als auch in Zukunft verschiedene Verbesserungen und Erweiterungen vornehmen kann, die in den Schutzumfang der nachfolgenden Ansprüche fallen. Diese Ansprüche sollten so ausgelegt werden, dass der richtige Schutz für die ursprünglich beschriebene Erfindung aufrechterhalten wird.
  • Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden zum Zwecke der Veranschaulichung vorgestellt, sollen jedoch nicht erschöpfend oder auf die Ausführungsformen beschränkt sein. Für Fachleute ist offensichtlich, dass viele Änderungen und Abwandlungen möglich sind, ohne vom Anwendungsbereich und Erfindungsgedanken der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Die hier verwendete Terminologie wurde gewählt, um die Grundgedanken der Ausführungsformen, die praktische Anwendung oder technische Verbesserung gegenüber Technologien auf dem Markt bestmöglich zu erläutern oder es Fachleuten zu ermöglichen, die hier beschriebenen Ausführungsformen zu verstehen.

Claims (22)

  1. Verfahren zum Messen eines Abbildungsfehlers eines Elektronenmikroskops, das aufweist: Filtern eines Elektronenstrahls des Elektronenmikroskops in einer Beugungsebene des Elektronenmikroskops, um Elektronen mit einer ausgewählten Energie und einem ausgewählten Impuls hindurchgehen zu lassen; Messen einer Verschiebung eines Bildes der hindurchgelassenen Elektronen in einer Bildebene des Elektronenmikroskops; Ermitteln eines Abbildungsfehlerkoeffizienten des Elektronenmikroskops anhand der gemessenen Verschiebung und mindestens der Energie oder des Impulses der hindurchgelassenen Elektronen; und Ändern eines Parameters des Elektronenmikroskops, um den Abbildungsfehler des Elektronenmikroskops mindestens teilweise auf Grundlage des ermittelten Abbildungsfehlerkoeffizienten zu steuern.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Elektronenmikroskop ein Spiegelelement zum Steuern eines Elektronenstrahls des Elektronenmikroskops enthält, und das Verfahren weiterhin ein Anpassen des Spiegelelements aufweist, um den Abbildungsfehler zu ändern.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin ein Auswählen der Elektronen mithilfe einer Blende aufweist, die innerhalb der Beugungsebene bewegbar ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Filtern des Elektronenstrahls weiterhin ein Auswählen von Elektronen an einer Mehrzahl von Positionen innerhalb der Beugungsebene aufweist, wobei die Elektronen an jeder der Mehrzahl von Positionen die gleiche Elektronenenergie aufweisen.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Filtern des Elektronenstrahls weiterhin ein Auswählen von Elektronen an einer Mehrzahl von Positionen innerhalb der Beugungsebene aufweist, wobei die Elektronen an jeder der Mehrzahl von Positionen den gleichen Elektronenimpuls aufweisen.
  6. Verfahren zum Steuern eines Abbildungsfehlers eines Elektronenmikroskops, das aufweist: Erhalten einer dispersen Energieverteilung für Elektronen in einer Beugungsebene des Elektronenmikroskops; Platzieren einer Blende an einer ausgewählten Position der dispersen Energieverteilung in der Beugungsebene; Messen einer Verschiebung eines Bildes der Blende in einer Bildebene des Elektronenmikroskops für die ausgewählte Position der Blende; Ermitteln eines Abbildungsfehlerkoeffizienten des Elektronenmikroskops anhand der gemessenen Verschiebung und der ausgewählten Position der Blende; und Ändern eines Parameters eines Elements des Elektronenmikroskops, um den Abbildungsfehler des Elektronenmikroskops mindestens teilweise auf Grundlage des ermittelten Abbildungsfehlerkoeffizienten zu steuern.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Elektronenmikroskop ein optisches Element zum Steuern eines Elektronenstrahls des Elektronenmikroskops enthält, und das Verfahren weiterhin ein Ändern einer Einstellung des optischen Elements zum Erzeugen eines Abbildungsfehlers am optischen Element aufweist, um den Abbildungsfehler des Elektronenmikroskops zu steuern.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei es sich bei dem optischen Element um einen Spiegel handelt.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, das weiterhin ein Auswählen einer Mehrzahl von Elektronenenergien bei einem konstanten Elektronenimpuls mithilfe der Blende und ein Ermitteln eines chromatischen Abbildungsfehlerkoeffizienten mindestens teilweise auf Grundlage einer Verschiebung des Bildes in Abhängigkeit von der Elektronenenergie aufweist.
  10. Verfahren nach Anspruch 6, das weiterhin ein Auswählen einer Mehrzahl von Elektronenimpulsen bei einer konstanten Elektronenenergie mithilfe der Blende und ein Ermitteln eines sphärischen Abbildungsfehlerkoeffizienten mindestens teilweise auf Grundlage einer Verschiebung des Bildes in Abhängigkeit von dem Elektronenimpuls aufweist.
  11. Elektronenmikroskopsystem, das aufweist: ein optisches Element, um einen Elektronenstrahl des Elektronenmikroskopsystems zu lenken; eine Blende in einer Beugungsebene des Elektronenmikroskops, um einen Teil einer dispersen Energie-Impuls-Beziehung des in der Beugungsebene erzeugten Elektronenstrahls auszuwählen; und einen Prozessor, der so konfiguriert ist, dass er: eine Verschiebung eines Bildes der Blende in einer Bildebene des Elektronenmikroskops für den ausgewählten Teil der dispersen Energie-Impuls-Beziehung misst; einen Abbildungsfehlerkoeffizienten anhand der gemessenen Verschiebung und des ausgewählten Teils der dispersen Energie-Impuls-Beziehung ermittelt; und eine Einstellung des optischen Elements ändert, um den Abbildungsfehler des Elektronenmikroskops mindestens teilweise auf Grundlage des ermittelten Abbildungsfehlerkoeffizienten zu steuern.
  12. Elektronenmikroskopsystem nach Anspruch 11, wobei die Blende weiterhin eine Mehrzahl von Blenden aufweist und der Prozessor eine Blende auswählt, die einen gewünschten Winkel- und Energiebereich hindurchgehen lässt.
  13. Elektronenmikroskopsystem nach Anspruch 11, wobei die Blende eine Mehrzahl von Elektronenenergien bei einem konstanten Elektronenimpuls auswählt und der Prozessor einen chromatischen Abbildungsfehlerkoeffizienten mindestens teilweise auf Grundlage einer Verschiebung des Bildes in Abhängigkeit von der Elektronenenergie ermittelt.
  14. Elektronenmikroskopsystem nach Anspruch 11, wobei die Blende eine Mehrzahl von Elektronenimpulsen bei einer konstanten Elektronenenergie auswählt und der Prozessor einen sphärischen Abbildungsfehlerkoeffizienten mindestens teilweise auf Grundlage einer Verschiebung des Bildes in Abhängigkeit von dem Elektronenimpuls ermittelt.
  15. Elektronenmikroskopsystem nach Anspruch 11, wobei es sich bei dem optischen Element um einen Spiegel handelt.
  16. Vorrichtung zum Steuern eines Abbildungsfehlers eines Elektronenmikroskops, die aufweist: eine Blende in einer Beugungsebene des Elektronenmikroskops, die Elektronen einer ausgewählten Energie und eines ausgewählten Impulses hindurchgehen lässt; einen Detektor zum Messen einer Verschiebung der hindurchgelassenen Elektronen; und einen Prozessor, der so konfiguriert ist, dass er: mindestens die ausgewählte Energie oder den ausgewählten Impuls der hindurchgelassenen Elektronen empfängt; die gemessene Verschiebung eines Bildes der Probe empfängt, einen Abbildungsfehlerkoeffizienten anhand der gemessenen Verschiebung und mindestens der ausgewählten Energie oder des ausgewählten Impulses ermittelt, und eine Einstellung des Elektronenmikroskops ändert, um den Abbildungsfehler des Elektronenmikroskops mindestens teilweise auf Grundlage des ermittelten Abbildungsfehlerkoeffizienten zu steuern.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, die weiterhin ein Betätigungselement zum Bewegen der Blende innerhalb der Beugungsebene aufweist, um die Energie und den Impuls der hindurchgelassenen Elektronen auszuwählen.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Blende weiterhin eine Mehrzahl von Blenden aufweist.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei jede der Mehrzahl von Blenden einen eindeutigen Durchmesser aufweist.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei der Prozessor einen Energie- oder Impulsbereich auswählt, indem er eine der Mehrzahl von Blenden auswählt.
  21. Verfahren zum Betreiben eines Elektronenmikroskops, das die Schritte eines der Ansprüche 6 bis 10 aufweist und weiterhin aufweist: Erhalten eines Bildes einer Probe mithilfe des Elektronenmikroskops, das den gesteuerten Abbildungsfehler aufweist.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, das weiterhin ein Platzieren der Blende in der Beugungsebene aufweist, um den Abbildungsfehlerkoeffizienten zu ermitteln und die Blende aus der Beugungsebene zu entfernen, um das Bild der Probe zu erhalten.
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