DE19719718A1 - Szintillator, Bildaufnahmevorrichtung unter Verwendung desselben sowie Systeme unter Verwendung dieser Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Szintillator, der Bilder mit hoher Empfindlichkeit und Genauigkeit aufnehmen kann, eine Bildaufnahmevorrichtung unter Verwendung eines solchen Szin­ tillators sowie Systeme unter Verwendung einer solchen Vor­ richtung, z. B. ein Rasterelektronenmikroskop (REM) für Un­ tersuchungszwecke.

Ein Beispiel einer Bildaufnahmevorrichtung unter Verwendung eines Szintillators ist eine Elektronenmikroskop-Kamera, wie in "Ultramicroscopy", Vol. 52, S. 7-20 (1993) offenbart. Durch diese Bildaufnahmevorrichtung wird ein Elektronen­ strahlbild mittels eines Szintillators in ein optisches Bild umgesetzt, und dieses optische Bild wird unter Verwendung eines optischen Elements (in der genannten Veröffentlichung durch eine optische Faserplatte, gemäß anderen Veröffentli­ chungen durch eine optische Linse) auf ein Bildaufnahmeele­ ment (gemäß dieser Veröffentlichung) ein ladungsgekoppeltes Bauteil (nachfolgend als CCD bezeichnet, gemäß anderen Ver­ öffentlichungen) auf eine Bildaufnahmeröhre fokussiert, um das Objektbild zu erfassen.

Ein Beispiel eines herkömmlichen Szintillators, an dessen Platten eine Spannung angelegt wird, ist ein Szintillator vom Kathodenstrahlröhre-Typ, wie im Dokument JP-A-58-206029 offenbart. Gemäß diesem Dokument werden ein photoleitender Film und ein reflektierender Metallfilm auf der Elektronen­ strahl-Eintrittsebene ausgebildet, und auf der Szintillator- Austrittsebene wird ein transparenter Elektrodenfilm herge­ stellt. Zwischen den reflektierenden Metallfilm und den transparenten Elektrodenfilm wird eine Spannung von ungefähr 10 V gelegt. Wenn ein Elektronenstrahl in den Szintillator eintritt, erfolgt Szintillation aufgrund des Kathodolumines­ zenzeffekts. Diese Szintillation emittiert durch die trans­ parente Elektrode Strahlung nach außen, von der ein Bruch­ teil in den photoleitenden Film eintritt, der die Eigen­ schaft aufweist, daß sich sein Widerstand bei Lichteinfall verringert. Daher fällt beinahe die gesamte zwischen dem re­ flektierenden Metallfilm und dem transparenten Elektroden­ film angelegte Spannung am Szintillator ab, wenn Licht ein­ tritt. Demgemäß tritt im örtlichen Bereich des Szintilla­ tors, in denen Elektronenstrahlen eingetreten sind, der Elektrolumineszenzeffekt auf, und der Szintillator erzeugt in diesem Bereich zusätzliches Licht. D. h., da durch den Kathodolumineszenzeffekt erzeugtes Licht solchem Licht über­ lagert wird, wie es durch den Elektrolumineszenzeffekt er­ zeugt wird, das erzeugte Licht hohe Helligkeit im Vergleich zum Licht aufweist, das nur durch den Szintillator erzeugt wird.

Im Szintillator wird durch eine elektromagnetische Kraft von Atomen mit hauptsächlich positiven Ladungen ein Strahl gela­ dener Teilchen, die Bildinformation enthalten, gestreut, so daß der Lichterzeugungsbereich um die Eintrittsachse des geladenen Teilchenstrahls herum einen breiten Bereich auf­ weist. Im Ergebnis wird ein Bild, selbst dann, wenn es vor dem Eintritt in den Szintillator ausreichende Auflösung auf­ weist, defokussiert oder unscharf, wenn es im Szintillator in ein optisches Bild umgesetzt wird. Der Elektronenstrahl verliert seine Information völlig, da starke Streuung zufäl­ lige Störungen im Bild erzeugt, und das S/R-Verhältnis wird stark verringert.

Um ein Absinken der Auflösung und des S/R-Verhältnisses zu verhindern, wird dafür gesorgt, daß der Strahl geladener Teilchen vom Szintillator ausgegeben wird, bevor er stark gegen die Eintrittsachse verschoben ist. Z. B. wird, wie es in "Ultramicroscopy", Vol. 54, S. 293-300 (1994) offenbart ist, der Szintillator ausreichend dünn dafür gemacht, daß die Aufweitungsbreite eines Elektronenstrahls in gewissem Ausmaß unterdrückt werden kann. Mit diesem Verfahren gehen jedoch die folgenden Probleme einher. Ein Elektronenstrahl wird im Szintillator einer elektrolytischen Dissoziation un­ terworfen, und Elektronen verlieren selbst allmählich ihre Energie, während sie diese an den Szintillator übertragen. Der Szintillator erzeugt unter Empfang dieser Energie Szin­ tillation. Das Ausmaß der übertragenen Energie wächst pro­ portional zur Übertragungslänge des Elektronenstrahls im Szintillator. Daher ist, wenn ein Szintillator dünn gemacht wird, um ein Absinken der Auflösung zu verhindern, das Aus­ maß an Szintillation entsprechend verringert.

Die Technik gemäß dem Dokument JP-A-58-206029 zielt nicht darauf ab, die Elektronenstrahlrichtung zu steuern, so daß ein Vergleich mit der vorliegenden Erfindung hinsichtlich dieses Gesichtspunkt nicht wesentlich ist. Jedoch werden die folgenden Probleme betreffend eine Richtungskontrolle eines Elektronenstrahls erläutert.

Für die herkömmliche Technik, bei der eine Spannung zwischen die den photoleitenden Film und den Szintillator einbetten­ den Elektroden gelegt wird, ist der photoleitende Film we­ sentlich. Wenn jedoch dieser photoleitende Film verwendet wird, wird in ihm eine große Anzahl von Elektronen absor­ biert, so daß das Szintillationsausmaß verringert ist und der Elektronenstrahl stark gestreut wird, was hinsichtlich einer Verringerung der Auflösung schwerwiegend ist. Die zwi­ schen die Elektroden angelegte Spannung wird durch den Szin­ tillator und den photoleitenden Film aufgeteilt, und die Spannung wird nicht wirkungsvoll an den Szintillator ange­ legt, wodurch dieser nicht dazu in der Lage ist, die vor­ teilhaften Wirkungen einer Richtungseinstellung des Elektro­ nenstrahls zu schaffen, was Aufgabe der Erfindung ist. Gemäß den herkömmlichen Techniken ist zum Erzeugen von Elektrolu­ mineszenz eine Wechselspannung erforderlich, oder es ist das abwechselnde Anlegen einer Gleichspannung und der Spannung Null erforderlich. Lediglich eine Gleichspannung kann keine Elektrolumineszenz erzeugen. Wenn jedoch die angelegte Span­ nung null wird, sind die Wirkungen einer Richtungseinstel­ lung für den Elektronenstrahl völlig beseitigt, und zusätz­ lich wird im Fall einer Wechselspannung der Elektronenstrahl aufgeweitet, wenn die Polarität umgekehrt wird, was die Auf­ lösung verringert. Ferner liegt die angelegte Spannung zwar in der Größenordnung von ungefähr 10 V, jedoch ist diese Spannung zu niedrig für eine Richtungseinstellung eines Strahls geladener Teilchen, was Aufgabe der Erfindung ist. Z.B. beträgt eine typische Beschleunigungsspannung für einen Elektronenstrahl bei einem Elektronenmikroskop 100 kV bis 300 kV, und eine Spannung von ungefähr 10 V kann in kei­ ner Weise die Elektronenstrahlrichtung kontrollieren.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Szintillator zu schaffen, der bei hoher Auflösung und hohem S/R(Signal/ Rauschsignal) -Verhältnis einen starken Szintillationseffekt zeigen kann. Außerdem ist es eine Aufgabe, eine Bildaufnah­ mevorrichtung unter Verwendung eines solchen Szintillators sowie Systeme unter Verwendung einer derartigen Bildaufnah­ mevorrichtung, z. B. ein REM für Untersuchungszwecke, zu schaffen.

Diese Aufgaben sind hinsichtlich des Szintillators durch die Lehre des beigefügten Anspruchs 1, hinsichtlich der Bildauf­ nahmevorrichtung durch die Lehre des beigefügten Anspruchs 13 und hinsichtlich der Systeme durch die Lehren der beige­ fügten Ansprüche 14, 17 gelöst.

Gemäß der Erfindung sind Elektroden auf der Elektronen­ strahl-Austrittsebene und der Szintillationsstrahlungsebene eines Szintillators ausgebildet, und es wird eine hohe Gleichspannung zwischen die Elektroden gelegt, um die Streu­ richtung eines in den Szintillator eingetretenen Elektronen­ strahls so zu steuern, daß sie mit der Richtung der Szin­ tillatorstrahlung zusammenfällt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Figuren ver­ anschaulichten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

Fig. 1A und 1B sind schematische Diagramme, die Beispiele eines Elektronenmikroskops mit Bildaufnahmevorrichtung zei­ gen.

Fig. 2A ist eine vergrößerte Ansicht, die die Struktur eines herkömmlichen Szintillators zeigt, und Fig. 2B ist ein Dia­ gramm, das die Verteilung aufgeweiteter Elektronenstrahlen zeigt.

Fig. 3A ist eine vergrößerte Ansicht, die den Aufbau eines erfindungsgemäßen Szintillators zeigt, und Fig. 3B ist ein Diagramm, das die Verteilung aufgeweiteter Elektronenstrah­ len zeigt.

Fig. 4A zeigt ein direkt mit Elektronenstrahlen aufgenomme­ nes Bild, und die Fig. 4B und 4C sind Bilder nach einer Elektronen/Photonen-Umsetzung gemäß dem Stand der Technik bzw. gemäß der Erfindung.

Fig. 5 ist ein schematisches Diagramm, das die Montagestruk­ tur eines erfindungsgemäßen Szintillators an einem Elektro­ nenmikroskop zeigt.

Fig. 6A und 6B sind Diagramme, die Einzelheiten eines erfin­ dungsgemäßen Szintillators zeigen.

Fig. 7 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Röntgentomo­ graphiesystems.

Fig. 8 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel für die Anwendung der Erfindung bei einem Bildverstärker zeigt.

Fig. 9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Anwendung der Erfindung bei einem Halbleiteruntersuchungsgerät zeigt.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1A, 1B, 2A und 2B werden zu­ nächst Konstruktionen bekannter Systeme, die gemäß der her­ kömmlichen Technik arbeiten, beschrieben. Die Fig. 1A und 1B zeigen den Gesamtaufbau eines Elektronenmikroskops, bei dem ein Bild durch eine Linse oder eine optische Faserplatte auf die Lichterfassungsebene eines Bildaufnahmeelements fokus­ siert wird. Im Elektronenmikroskop 1 wird ein von einer Elektronenquelle 2 abgestrahlter Elektronenstrahl 3 über eine Objektivlinse 10 auf eine Probe 9 gegeben. Der Elektro­ nenstrahl zeigt Wechselwirkung mit der Probe, wie Brechung, die die Kristallstruktur und die Zusammensetzung der Probe widerspiegelt, und er durchläuft die vorab als dünner Film ausgebildete Probe 9. Der durch die Probe 9 gelaufene Elek­ tronenstrahl wird über die Elektronenlinse 8, wie eine Zwi­ schenlinse und eine Projektionslinse, auf einen Szintilla­ tor 4 fokussiert, der als auf einem Glasfenster 5 ausgebil­ deter Dünnfilm vorliegt.

In Fig. 1A wird ein Bild durch eine Bildaufnahmeröhre 7 un­ ter Verwendung einer Linse erzeugt, während in Fig. 1B ein Bild über eine optische Faserplatte 11 mittels eines la­ dungsgekoppelten Bauteils (CCD) 12 erzeugt wird. Die opti­ sche Faserplatte 11 besteht aus einem Bündel optischer Fa­ sern. In beiden Fällen wird ein Elektronenstrahlbild durch den Dünnfilmszintillator 4 in ein optisches Bild umgesetzt, und dieses optische Bild wird aufgenommen.

Fig. 2A ist eine vergrößerte Ansicht des Szintillators 4. In Fig. 2A sind die Bahn 13 eines Elektronenstrahls, der an einem Punkt in den Szintillator eingetreten ist, die Einhül­ lende 18, die den Bereich der Elektronenstrahlen anzeigt, und der optischer Pfad erzeugter Szintillation 14 darge­ stellt. In den meisten Elektronenmikroskopen wird der Elek­ tronenstrahl mit 100 bis 300 kV beschleunigt. In diesem Be­ reich der Beschleunigungsspannung beträgt die Szintillator­ dicke, durch die der Elektronenstrahl laufen kann, ungefähr 20 bis 100 µm. Daher wird die Dicke des Szintillators 4 auf die Hälfte dieses Werts eingestellt, damit, wie es in Fig. 2A dargestellt ist, der Elektronenstrahl zur Außenseite des Szintillators 4 laufen kann, bevor er ganz erschöpft ist. Der Elektronenstrahl verliert seine Energie im Szintillator 4 durch elektrolytische Dissoziation. Andererseits erhält der Szintillator diese Energie, so daß Elektronen im Va­ lenzband in das Leitungsband angeregt werden und Löcher im Valenzband verbleiben. Erzeugte Elektron-Loch-Paare rekombi­ nieren innerhalb kurzer Zeit. Bei dieser Rekombination wird Szintillation mit einer für das Szintillatormaterial charak­ teristischen Energie (Wellenlänge) erzeugt. Das Halbieren der Dicke des Szintillators 4 und das Verkürzen des Trans­ missionswegs des Elektronenstrahls führt zu einer verringer­ ten Menge an Szintillation im Szintillator 4. Da Szintilla­ tionsstrahlung in allen Richtungen strahlt, macht die Szin­ tillationsstrahlung, wie sie von derjenigen Ebene (der Aus­ trittsebene) abgestrahlt wird, die von der Eingangsebene des Elektronenstrahls abgewandt ist, 50% oder weniger der Ge­ samtszintillation aus. Im allgemeinen ist ein photoempfind­ liches Element auf der Austrittsseite angeordnet, um Szin­ tillation zu erfassen. Daher wurde, um den Erfassungswir­ kungsgrad so stark wie möglich zu verbessern, herkömmlicher­ weise ein dünner Reflexionsfilm 15 auf der Eintrittsebene angeordnet (wie in "Ultramicroscopy", Vol. 54, S. 293-300 (1994) beschrieben). Dieser Reflexionsfilm 15 besteht im allgemeinen aus einem im Vakuum abgeschiedenen Aluminium­ film, um ausreichende Lichtreflexion aufrechtzuerhalten, während die Energie des Elektronenstrahls kaum verringert wird.

Der Bereich erzeugter Szintillation ist entlang der Bahn des Elektronenstrahls dreidimensional verteilt. Der auf einen Punkt auftreffende Elektronenstrahl, wie in Fig. 2A darge­ stellt, hat die in Fig. 2B dargestellte Szintillationsver­ teilung (die Abszisse repräsentiert den Abstand des Elektro­ nenstrahls von der Eintrittsachse), wobei diese Szintilla­ tionsverteilung hauptsächlich durch den Aufweitungsbereich des Elektronenstrahls im Szintillator 4 bedingt ist.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung be­ schrieben. Um das Verhalten eines Elektronenstrahls in einem Szintillators zu verstehen, müssen zunächst die folgenden drei Faktoren (1) bis (3) untersucht werden.

(1) Mittlere freie Weglänge

Die mittlere freie Weglänge (λ) ist der mittlere Abstand, den ein Elektron zurücklegt, bevor es einmal gestreut wird. Wenn die Effekte inelastischer Streuung berücksichtigt wer­ den, ist die Energieverteilung betreffend die mittlere freie Weglänge wie folgt gegeben:

λ (E) = 4 β(β + 1)E²A/(πN_AρZ (Z + 1)e⁴) = a + bE (1)

β = 5,44 Z(^2/3)/V (β: Abschirmungsparameter) (2),

wobei E die Elektronenenergie (= eV/300) ist, A das Atomge­ wicht ist, Z die Atomzahl ist, e die Elektronenladung ist, NA die Avogadrozahl ist und ρ die Dichte ist.

Aus den obigen Gleichungen können die folgenden Schlußfol­ gerungen gezogen werden:

• (a) Die Streuwahrscheinlichkeit wird größer und das Ausmaß erzeugter Szintillation des Szintillators steigt um so mehr an, je niedriger die Energie des Elektronstrahls ist.

(2) Energieverlust

Der Elektronenstrahl verliert seine Energie allmählich und kontinuierlich. Das Ausmaß des Energieverlusts (dE/dx) eines Elektronenstrahls mit der Energie (E) ist pro Einheitslänge durch die Betheformel wie folgt gegeben:

dE/dx (E) = 2πe⁴N_AρZ/(EA) 1n (1,66E/J) (3)

J = 14Z [1 - exp (-0,1Z)] + 75,5 Z/Z(^Z/7,5) - Z²/100 + Z) (4)

Wenn E < 300 keV gilt, ergibt sich

dE/dx (E) (keV/µm) = 100/E (keV) (5)

Daraus können die folgenden Schlußfolgerungen gezogen wer­ den:

• (b) Ein Elektron mit niedrigerer Energie verleiht dem Szin­ tillator viel Energie.
• (c) Daher ist das Ausmaß erzeugter Szintillation nahe einem Elektron mit niedrigerer Energie größer.

(3) Streuwinkel

Wenn ein Elektronenstrahl mit der Energie E mit dem Winkel ω aus der Ausbreitungsrichtung gestreut wird, ist die Streu­ wahrscheinlichkeit in der Richtung zwischen ω und ω + dω durch den Streuquerschnitt (dσ/dΩ(E)) gegeben:

dσdΩ(E) = Z (Z + 1) e⁴4E²(1 - cosω + 2β)²
= a/[E(1 - cosω) + b] (6)

Aus der obigen Gleichung kann die folgende Schlußfolgerung gezogen werden:

• (d) Je niedriger die Energie eines Elektrons ist, desto wahrscheinlicher ist es, daß es gestreut wird.

In Zusammenfassung der obigen Schlußfolgerungen (a) bis (d) kann die folgende Schlußfolgerung gezogen werden:

• (e) Ein Elektron verliert seine Energie kontinuierlich im Szintillator und erhöht die Menge erzeugter Szintillation um so mehr, je weiter es von der Eintrittsachse entfernt ist, je niedriger also seine Energie ist. Ein derartiger Streu­ elektronenstrahl enthält keine Bildinformation mehr und überdeckt das gesamte Bild in Form zufälliger Hintergrund- Störsignale, die die Auflösung und das S/R-Verhältnis be­ trächtlich herabsetzen. Anders gesagt, können die Auflösung und das S/R-Verhältnis wesentlich verbessert werden, wenn ein Elektronenstrahl unmittelbar vor seiner Erschöpfung aus dem Szintillator geführt wird oder der Elektronenstrahl so gesteuert wird, daß er im Szintillator nicht aus der Ein­ trittsachse abgelenkt wird.

Vorstehend wurden Effekte betreffend einen Elektronenstrahl beschrieben. Die obige Schlußfolgerung (e) gilt jedoch auch für andere Strahlen geladener Teilchen mit anderen Massen und Ladungen.

(1. Ausführungsbeispiel)

Gemäß der Erfindung wird ein neuartiger Aufbau, wie er nach­ folgend beschrieben wird, in den Szintillator 4 mit herkömm­ licher Struktur eingebaut. Die Fig. 3A und 3B veranschauli­ chen das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß der Erfindung ist eine transparente Elektrode 17 auf der Seite der Austrittsebene eines Szintillators vorhanden. Ein Refle­ xionsfilm 15, wie er ähnlich beim herkömmlichen Szintillator vorliegt, wird ebenfalls als Elektrode verwendet. An den Re­ flexionsfilm 15 und die neue transparente Elektrode 17 ist eine Gleichspannungsquelle 16 angeschlossen, um eine Span­ nung zwischen diese beiden Elektroden zu legen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Elektronenstrahl in der Rich­ tung der Eintrittsachse gezogen, und es wird eine hohe Span­ nung an die transparente Elektrode angelegt, um eine Strahl­ aufweitung zu verhindern. Die optimal anzulegende Spannung ändert sich mit der Energie des Elektronenstrahls und der Dicke des Szintillators. Daher ist es erwünscht, eine vari­ able Gleichspannungsquelle 16 zu verwenden. Die transparente Elektrode 17, die sowohl leitend als auch lichtdurchlässig sein soll, wird vorzugsweise aus Zinnoxid (SnO₂), Indiumoxid (In₂O₃), Titanoxid (TiO₂) oder dergleichen hergestellt.

Gemäß der Schlußfolgerung (e) wird der Einfluß betreffend eine Verringerung der Auflösung und des S/R-Verhältnisses um so auffälliger, je niedriger die Energie eines Elektronen­ strahls ist. Daher kann selbst dann eine wesentliche Verbes­ serung hinsichtlich der Auflösung und des S/R-Verhältnisses erwartet werden, wenn eine niedrige Spannung an die Elektro­ den angelegt wird. D.h., daß selbst dann, wenn der Ein­ trittselektronenstrahl eine Energie von 200 keV hat, die an­ gelegte Spannung nicht einige 100 keV betragen muß, sondern daß eine angelegte Spannung von einigen 100 V bis einigen kV ausreichend ist, um für eine Verbesserung der Auflösung und des S/R-Verhältnisses zu sorgen. Eine Gleichspannungs­ quelle dieser Art ist im Markt leicht verfügbar und kann mit geringen Kosten hergestellt werden. Wie es in Fig. 3A darge­ stellt ist, ändert sich zwar die Bahn eines Elektronen­ strahls hoher Energie unmittelbar nach dem Auftreffen kaum, jedoch ist dafür gesorgt, daß die Bahn 13 von Elektronen mit niedriger Energie, die starken Einfluß betreffend die Beeinträchtigung der Auflösung und des S/R-Verhältnisses ha­ ben, im Szintillator keine Verschiebung gegen die Eintritts­ achse erfahren, und Elektronen mit niedriger Energie unmit­ telbar vor ihrer Erschöpfung werden so stark wie möglich aus dem Szintillator entfernt. Auch sind in Fig. 3A die Bahn 13 eines auf einen Punkt auftreffenden Elektronenstrahls, eine Einhüllende 18, die den Bereich zeigt, in dem ein Elektro­ nenstrahl existiert, und Lichtpfade erzeugter Szintillati­ onsstrahlung 14 dargestellt. Die Szintillationsverteilung aufgrund eines an einem Punkt eintretenden Elektronenstrahls ist in Fig. 3B dargestellt (in der die Abszisse den Abstand eines Elektronenstrahls vom Eintrittspunkt repräsentiert). Die Verteilung ist schärfer als die in Fig. 2B dargestellte. Daher ist die Unschärfe eines im Szintillator erzeugten Bilds gelindert, und das S/R-Verhältnis ist verbessert.

Die verbesserte Auflösung wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 4A bis 4C erläutert. Fig. 4A zeigt ein Elektronenbild eines pfeilförmigen Bildobjekts, das durch das Elektronen­ mikroskop vergrößert und auf einen Schirm gestrahlt wurde.

Da das Elektronenbild ein Bild vor der Elektronen-Photonen- Umsetzung ist, ist der Unschärfeeinfluß auf ein im Szintil­ lator erzeugtes Bild gering, und es wird ein scharfes Bild des Pfeils erhalten. Fig. 4B zeigt ein Bild, wie es unter Verwendung des in Fig. 2A dargestellten herkömmlichen Szin­ tillators aufgenommen wurde. Dieses Bild desselben Pfeils verfügt über größere Breite, als sie in Fig. 4A dargestellt ist, und seine Unschärfe ist stärker. Fig. 4C zeigt ein un­ ter Verwendung des in Fig. 3A dargestellten Szintillators des Ausführungsbeispiels aufgenommenes Bild. Dieses Bild hat eine Breite zwischen denen, wie sie in den Fig. 4A und 4B dargestellt sind, und die Verringerung der Auflösung ist we­ niger ausgeprägt.

Beim obigen Ausführungsbeispiel ist zwar ein Elektronen­ strahl verwendet, jedoch gilt dieselbe Beschreibung für an­ dere Teilchen, unabhängig vom Vorliegen/Fehlen elektrischer Ladungen. Wenn ein Ionenstrahl, ein Atomstrahl oder ein Mo­ lekülstrahl auftrifft, werden die Bahnelektronen jedes Teil­ chens im Szintillator 4 abgestreift, und es entsteht ein Strahl geladener Teilchen. Die Ladungen können positiv oder negativ sein. Im letzteren Fall wird, ähnlich wie beim Elek­ tronenstrahl, die Eintrittsebene des Teilchenstrahls mit ne­ gativem Potential versehen, während die Austrittsebene der erzeugten Szintillationsstrahlung mit positivem Potential versehen wird. Umgekehrt wird im letzteren Fall die Ein­ trittsebene des Teilchenstrahls mit positivem Potential ver­ sehen, während die Austrittsebene der erzeugten Szintilla­ tionsstrahlung mit negativem Potential versehen wird. Durch das Anlegen dieser Potentiale kann der Szintillationsbereich eingestellt werden, und es kann eine Verringerung der Auflö­ sung verhindert werden.

(2. Ausführungsbeispiel)

Fig. 5 ist eine detaillierte Schnittansicht, die die Monta­ gestruktur eines Szintillators an einem Elektronenmikroskop zeigt, wie in horizontaler Richtung gesehen. Unter einer Be­ obachtungskammer 21 des Elektronenmikroskops ist ein Loch von im allgemeinen einigen 10 Zoll (1 Zoll = 2,54 cm) Durch­ messer vorhanden, um eine Kamera und verschiedene andere Analysevorrichtungen anzubringen. Ein Aufnahmeflansch 22 zum Montieren eines Szintillators ist nahe dem Loch angebracht. Ein Trägerflansch 24 mit Gewinde ist am Aufnahmeflansch 22 montiert. Auf den Aufnahmeflansch 22 ist eine Kappe 26 ge­ schraubt, um nach oben gegen ein Glassubstrat 5 zu drücken. Zwischen die Kappe 26 und das Glassubstrat 5 ist ein Puffer 25 wie eine dünne Teflonplatte eingefügt, damit auf das Glassubstrat keine übermäßigen Kräfte ausgeübt werden, wenn die Kappe mit dem Trägerflansch 24 aufgeschraubt wird. Wie es im einzelnen durch Fig. 6 veranschaulicht ist, ist die Außenseite des Glassubstrats 5 mit einem dünnen Aluminium­ film bedeckt, während die Oberfläche ausreichend eben gehal­ ten ist. Zwischen das Glassubstrat 5 und den Aufnahmeflansch 22 ist eine Vakuumdichtung (im allgemeinen ein aus Kunst­ stoff bestehender O-Ring) eingefügt, so daß das Innere der Beobachtungskammer 21 des Elektronenmikroskops unter ausrei­ chendem Vakuum gehalten werden kann.

(3. Ausführungsbeispiel)

Unter Bezugnahme auf die Fig. 6A und 6B werden der Aufbau eines Szintillators und Prozesse zu seiner Herstellung sowie ein Verfahren zum Anlegen einer Spannung an die Elektroden gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben. Fig. 6A ist eine teilgeschnittene Seitenansicht, die einen auf einem Glassubstrat angebrachten Szintillator zeigt, und Fig. 6B ist eine schematische Draufsicht auf die in Fig. 6A darge­ stellte Struktur. Als erstes wird ein Glassubstrat 5 mit ausreichend ebenen Spiegelflächen hergestellt. In ein Loch, das im Randbereich der Glasplatte ausgebildet ist, wird ein leitender Stromversorgungsstift 31 eingebettet. Auf dem Markt sind einige derartige Glassubstrate verfügbar. Eine transparente Elektrode 27 wird durch Sputtern oder derglei­ chen im Vakuum auf dem Glassubstrat 5 abgeschieden. Die transparente Elektrode 27 kann aus Zinnoxid (SnO₂), Indium­ oxid (In₂O₃), Titanoxid (TiO₂) oder dergleichen hergestellt werden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die transparente Elektro­ de 27 im allgemeinen rechteckig, und sie verfügt über einen Kontaktbereich, der sich zum Stromversorgungsstift 31 er­ streckt. Mittels eines nichtleitenden Klebers 28 ist ein Szintillator 4 auf den rechteckigen Bereich der transparen­ ten Elektroden aufgeklebt. Die Klebefläche des Szintillators 4 wird vor dem Ankleben so poliert, daß sie spiegelglatt ist. Nach dem Ankleben wird der Szintillator 4 grob auf die gewünschte Dicke geläppt und danach so poliert, daß er eine spiegelglatte Oberfläche aufweist. Im Klebeprozeß drückt im allgemeinen der Kleber am Randbereich des Szintillators 4 durch. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der herausge­ drückte Kleber 28 für das Isolierelement zwischen den Elek­ troden verwendet. Dieser herausgedrückte Kleber 28 wird ebenfalls so geläppt, daß er mit dem Szintillator 4 fluch­ tet, wenn dieser grob geläppt wird. Auf den Kontaktbereich nahe dem Stromversorgungsstift 31 der transparenten Elektro­ de 27 wird ein nichtleitendes Material 29 aufgetragen, und dann wird auf der gesamten Oberfläche des Glassubstrats 5 eine Elektrode 30 abgeschieden. Das nichtleitende Material 29 kann dasselbe Material wie das des nichtleitenden Klebers 28 sein. Die Elektrode 30 ist vorzugsweise ein im Vakuum ab­ geschiedener Aluminiumdünnfilm, der sich leicht herstellen läßt. Die Elektrode 30 kann ein im Vakuum abgeschiedener oder aufgesputterter Metallfilm mit guter Leitfähigkeit sein, wie aus Gold, Silber oder Platin. Um die Aufweitung eines Elektronenstrahls im Szintillator 4 zu unterdrücken, ist es bevorzugt, die Elektrode 30 elektrisch zu erden und an die transparente Elektrode 27 eine hohe Spannung anzule­ gen. Zu diesem Zweck wird die Elektrode 30 mit einem Masse­ draht 32 verbunden, und der Stromversorgungsstift 31 wird mit einem Hochspannungsdraht verbunden. Der Massedraht kann z. B. mit der benachbarten Beobachtungskammer 21 oder dem Aufnahmeflansch 22 des Elektronenmikroskops verbunden wer­ den, um für elektrische Masse zu sorgen. Der Hochspannungs­ draht 33 wird außerhalb des Vakuums im Mikroskop mit der Gleichspannungsquelle 16 (Fig. 3A) verbunden.

(4. Ausführungsbeispiel)

Bei den obigen Ausführungsbeispielen ist ein Elektronenmi­ kroskop verwendet, bei dem sowohl der Eingangsteilchenstrahl als auch der Strahl geladener Teilchen im Szintillator Elek­ tronenstrahlen sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Eingangsteilchenstrahl ein Photonenstrahl. Fig. 7 veran­ schaulicht einen Röntgentomographieaufbau, wie er hauptsäch­ lich für medizinische Zwecke verwendet wird. Bei der Rönt­ gentomographie werden durch einen Röntgengenerator 34 er­ zeugte Röntgenstrahlen 36 auf einen Patienten 35 gestrahlt, um durch diesen hindurchgestrahlte Röntgenstrahlen mittels eines Films oder einer Kamera aufzunehmen. Bei diesem Aus­ führungsbeispiel wird eine Kamera verwendet. Die hindurchge­ strahlten Röntgenstrahlen können wegen ihrer kurzen Wellen­ längen nicht durch eine Kamera 43 unmittelbar erfaßt wer­ den. Daher werden die Röntgenstrahlen durch einen Szintilla­ tor 38 in Lichtstrahlen 42 mit einer Wellenlänge nahe der sichtbaren Lichts umgesetzt und durch eine optische Linse 41 auf die Brennebene der Kamera 43 fokussiert. In diesem Fall wird ein Röntgenstrahl durch den photoelektrischen Effekt in einen Strahl von Elektronen hoher Geschwindigkeit umgesetzt, und dann regt der Elektronenstrahl den Szintillator zum Er­ zeugen von Szintillationsstrahlung an. Da in der Röntgen­ strahlung enthaltene Information in der Dickenrichtung des Szintillators in Elektronenstrahlen mit hoher Energie umge­ setzt wird, ist dieser Effekt ähnlich dem der in den Fig. 2A bis 3B veranschaulichten Ausführungsformen. Daher sind auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine Elektrode 37 und eine transparente Elektrode 39, die den Szintillator 38 einbet­ ten, vorhanden, und sie sind so mit einer Gleichspannungs­ quelle 40 verbunden, daß die transparente Elektrode 39 am positiven Potential liegt. Auf diese Weise kann eine Aufwei­ tung des Strahls von Elektronen hoher Geschwindigkeit im Szintillator 38 unterdrückt werden.

(5. Ausführungsbeispiel)

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines Bildverstär­ kers beschrieben. Der Grundaufbau eines Bildverstärkers ist in Fig. 8 dargestellt. In diesem Bildverstärker wird ein eingegebenes Photonenbild in einer Photokathode 50 in ein Elektronenbild umgesetzt. Das Elektronenbild wird in einen Szintillator 52 gegeben, an den eine Gleichspannung 51 ange­ legt wird, und es wird erneut in ein Photonenbild umgesetzt. Da in diesem Fall ein durch eine hohe Spannung beschleunig­ tes Elektronenbild in den Szintillator 52 eintritt, wird die Auflösung beeinträchtigt, wenn sich der Elektronenstrahl in diesem aufweitet. Daher ist der Szintillator bei diesem Aus­ führungsbeispiel mit einer Elektrode 53 und einer transpa­ renten Elektrode 54 versehen, und es wird eine Gleichspan­ nung an diese angelegt, um die Auflösung zu verbessern.

(6. Ausführungsbeispiel)

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Erfindung auf ein einen Elektronenstrahl nutzendes Untersuchungssystem für Halbleiterbauteile angewandt. Fig. 9 zeigt den Aufbau dieses Untersuchungssystems mit Elektronenstrahlen. Ein von einer Elektronenkanone 201 abgestrahlter Elektronenstrahl trifft auf eine Halbleiterprobe 207. Gestreute Elektronenstrahlen werden durch einen elektromagnetischen Ablenker 203 zu einem Fokussiersystem gelenkt, durch Vergrößerungslinsen 213 und 214 vergrößert, und sie treffen danach auf eine Szintilla­ torplatte 215. Diese Szintillatorplatte 215 setzt das Elek­ tronenbild in ein Photonenbild um, das über eine optische Faserplatte 216 zu einem CCD 217 geleitet wird, um das Bild aufzunehmen. Da sich gestreute Elektronenstrahlen in einem Zustand hoher Energie befinden, werden sie in der Szintilla­ torplatte 215 ebenfalls gestreut, was das vom CCD 217 aufge­ nommene Bild unscharf macht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Szintillatorplatte 215 daher mit einer Elektrode 300 und einer transparenten Elektrode 301 versehen, die die Szintillatorplatte 215 einbettet, und an diese Elektroden wird eine Gleichspannung angelegt, wobei sich das positive Potential an der transparenten Elektrode 301 befindet. Auf diese Weise kann die Auflösung des durch das CCD 217 aufge­ nommenen Bilds stark verbessert werden.

Verschiedene Arten von Teilchenstrahlen mit zweidimensiona­ ler Information oder durch einen Teilchenstrahl hervorgeru­ fene Strahlen sekundär-geladener Teilchen werden durch Anle­ gen einer Spannung an den Szintillator so gesteuert, daß sie keine Aufweitung in der Richtung rechtwinklig zur Ein­ trittsachse erfahren. Insbesondere im Fall von Elektronen­ mikroskopie werden das Streuen und Aufweiten von Strahlen niederenergetischer Elektronen, die einen großen Einfluß auf die Beeinträchtigung der Auflösung und des S/R-Verhält­ nisses haben, unterdrückt, und zusätzlich wird ein dicker Szintillator verwendet, um für ein hohes Szintillationsaus­ gangssignal zu sorgen, während hohe Auflösung und hohes S/R- Verhältnis beibehalten sind.

Nun wird der Aufbau des in Fig. 9 dargestellten Systems de­ taillierter angegeben.

Dieses System besteht hauptsächlich aus einem elektroopti­ schen System 401, einer Probenkammer 402, einer Bilddetek­ toreinheit 403, einer Bildverarbeitungseinheit 404 und einer Steuerung.

Als erstes wird das elektrooptische System 401 beschrieben. Ein von einer Elektronenquelle 201, an die durch eine Be­ schleunigungsspannungsquelle 223 eine hohe negative Spannung angelegt wird, emittierter Elektronenstrahl wird durch eine Kondensorlinse 202 konvergiert und auf eine rechteckige Blende 204 gegeben. Dieser Elektronenstrahl wird vor seiner Fokussierung durch den elektromagnetischen Ablenker 203 ab­ gelenkt. Dieser elektromagnetische Ablenker 203 wird dazu verwendet, die optischen Pfade eines Eintrittselektronen­ strahls und eines von der Probe reflektierten Elektronen­ strahls zu trennen. Der Elektronenstrahl, der durch die rechteckige Blende 204 gelaufen ist, erzeugt über eine Ob­ jektivlinse 206 ein rechteckiges Blendenbild auf der Halb­ leiterprobe 207. Die Größe der rechteckigen Blende beträgt 400 µm im Quadrat, was durch die Objektivlinse auf 1/4 ver­ ringert wird, wodurch dies 100 µm im Quadrat auf der Halb­ leiterprobe sind. Dieser Strahlungsbereich von 100 µm im Quadrat kann durch einen Abrasterablenker 205 auf einen be­ liebigen gewünschten Bereich auf der Halbleiterprobe ver­ stellt werden, oder es kann, falls erwünscht, eine Abraste­ rung durch den Abrasterablenker 205 erfolgen. Die Elektro­ nenquelle 201 besteht aus einer LaB₆-Quelle für thermische Elektronen mit einer ebenen Spitze von 10 µm im Quadrat oder mehr. Durch diese Elektronenquelle können Elektronenstrahlen gleichmäßig auf eine große Fläche ausgegeben werden.

Durch eine Spannungsquelle 209 wird ein negatives Potential, das niedriger oder geringfügig höher als das Potential der Spannungsquelle 223 ist, an die Halbleiterprobe 207 und an einen Probenträgertisch 208 angelegt. Wenn ein negatives Po­ tential unter dem Potential der Spannungsquelle 223 angelegt wird, erfolgt eine Untersuchung unter Verwendung rückge­ streuter Elektronen, wobei ein Elektronenstrahl unmittelbar vor der Probe 207 verzögert wird, er auf die Probe trifft und er durch Atome an der Probenoberfläche gestreut wird. Diese gestreuten Elektronen werden durch den elektromagneti­ schen Ablenker 203 zu einem Fokussiersystem gelenkt. Das fo­ kussierte Bild wird dann durch die Vergrößerungslinsen 213 und 214 so vergrößert, daß ein Mikroskopbild, das das Mus­ ter auf der Oberfläche der Halbleiterprobe widerspiegelt, auf die Szintillatorplatte 215 gestrahlt wird.

In der Probenkammer 402 ist die Halbleiterprobe 207 auf dem Probenträgertisch 208 angeordnet, und an diese Probe 207 und den Haltertisch 208 wird eine hohe negative Spannung ange­ legt. Für diesen Tisch 208 ist eine Tischpositions-Messvor­ richtung 227 vorhanden, um die korrekte Tischposition in Echtzeit zu messen, damit ein Bild durch kontinuierliches Verstellen des Tischs 208 erhalten werden kann. Z.B. wird als Tischpositions-Messvorrichtung 227 ein Laserinterferome­ ter verwendet. Es ist auch eine optische Probenhöhe-Messvor­ richtung 226 vorhanden, um die korrekte Höhe des Wafers zu messen. Z.B. gibt diese Vorrichtung 226 Licht schräg auf eine Untersuchungsfläche des Wafers, und sie mißt die Höhe des Wafers abhängig von einer Änderung der Position des re­ flektierten Lichts.

Nachfolgend wird die Bilddetektoreinheit 403 beschrieben, die aus der Szintillatorplatte 215 und dem CCD 217 besteht. Die Elektrode 300 und die transparente Elektrode 301 sind an den beiden Seiten der Szintillatorplatte 215 angebracht. Zwischen diese Elektroden wird eine hohe Spannung gelegt, um eine Streuung des Elektronenstrahls zu verhindern, und die Szintillatorplatte 215 und das CCD 217 werden durch die op­ tische Faserplatte 216 optisch gekoppelt, um das optische Bild auf das optische Bilderfassungselement zu fokussieren. Alternativ kann die optische Faserplatte 216 durch eine op­ tische Linse ersetzt werden, um ein Bild auf der Oberfläche der Halbleiterprobe, wie auf der Szintillatorplatte 215 er­ zeugt, auf das CCD 217 zu fokussieren. Ein durch das CCD 217 erhaltenes elektrisches Bildsignal wird an die Bildverarbei­ tungseinheit 404 gegeben.

Diese Bildverarbeitungseinheit 404 besteht aus Bildspeicher­ einheiten 218 und 219, einer Berechnungseinheit 220 und einer Defektbeurteilungseinheit 221. Das eingegebene Bild wird auf einem Monitor 222 angezeigt. Eine Betriebsanweisung und der von jeder Einheit des Systems gelieferte Zustand werden an einen Steuercomputer 229 sowie von diesem übertra­ gen. Der Steuercomputer 229 wird vorab mit verschiedenen Pa­ rametern versorgt, einschließlich der Beschleunigungsspan­ nung für den Elektronenstrahl, der Elektronenstrahl-Ablenk­ weite, der Verstellgeschwindigkeit für den Probenträger­ tisch, dem Zeitpunkt zum Erfassen eines Detektorsignals und dergleichen. Abhängig von von der Tischpositions-Messvor­ richtung 227 und der Probenhöhe-Messvorrichtung 226 gelie­ ferten Signalen werden Korrektursignale berechnet und an die Objektivlinse 206 und den Abrasterablenker 205 gegeben, um den Elektronenstrahl immer auf die korrekte Position zu len­ ken. Unter Steuerung durch den Steuercomputer 229 überträgt eine Einheit 228 Signale an die und von der Linsensteuerein­ heit 224, um den Elektronenstrahl zu steuern, die Ablenk­ steuereinheit 225 zum Steuern des Ablenkers, die Probenhöhe- Messvorrichtung 226 und die Tischpositions-Messvorrichtung 227. Die Bezugszahl 230 repräsentiert ein Lichtmikroskop, und die Bezugszahl 212 repräsentiert die Position eines ver­ größerten Bilds zum Sekundärelektronenbild der Probe.

Claims (19)

1. Szintillator (4) zum Umsetzen eines Teilchenstrahls in einen Lichtstrahl, gekennzeichnet durch Elektroden (15, 17; 37, 39; 53, 54; 300, 301) zum Anlegen einer variablen Span­ nung (16) an gewünschte Ebenen des Szintillators, um dadurch die Streuung und den Aufweitungsbereich eines Strahls gela­ dener Teilchen im Szintillator einzustellen.

2. Szintillator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine variable Spannungsquelle (16; 40; 55) zum Anlegen der ge­ nannten variablen Spannung, um dadurch den Szintillations­ bereich des Szintillators im Vergleich zu dem Fall zu ver­ ringern, in dem keine Spannung angelegt wird.

3. Szintillator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem Photonenstrahl, einem Ionenstrahl, einem Atomstrahl, einem Molekülstrahl oder einem Elektronenstrahl betrieben wird.

4. Szintillator nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß sich die Elektroden auf der Ein­ trittsebene und der Austrittsebene des Szintillators befin­ den.

5. Szintillator nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (16; 40; 55) dann, wenn die Teilchen im Strahl geladener Teilchen positi­ ve Ladung aufweisen, positives Potential an die Eintritts­ ebene des Szintillators und negatives Potential an seine Austrittsebene anlegt, und daß sie umgekehrte Potentiale anlegt, wenn die Teilchen negativ geladen sind.

6. Szintillator nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Elektrodenfilm für die Ein­ trittsebene des Teilchenstrahls und ein anderer für die Aus­ trittsebene der Szintillatorstrahlung vorhanden ist.

7. Szintillator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Austrittsebene für die Szintillatorstrahlung eine transparente Elektrode vorhanden ist.

8. Szintillator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Elektrode aus Zinnoxid (SnO₂), Indium­ oxid (In₂O₃), Titanoxid (TiO₂) oder einer Verbindung aus diesen Materialien besteht.

9. Szintillator nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Eintrittsebene für den Teil­ chenstrahl ausgebildete Elektrodenfilm ein Metallfilm mit großem Transmissionsvermögen für Elektronen und starker Lichtreflexion ist, um sowohl Elektrodenfunktion als auch Lichtreflexionsfunktion auszuüben.

10. Szintillator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfilmelektrode aus Aluminium (Al), Silber (Ag), Gold (Au) oder Platin (Pt) besteht.

11. Szintillator nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Eintrittsebene für den Teil­ chenstrahl elektrisch geerdet ist.

12. Szintillator nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß er sich in einem Bildverstärker befindet, der ein Photonenbild an einer Photokathode in ein Elektronenbild umsetzt und das Elektronenbild durch Anlegen einer Spannung an dasselbe im Szintillator in ein Photonen­ bild umsetzt.

13. Bildaufnahmevorrichtung, gekennzeichnet durch:

• - eine erste und eine zweite Elektrode (37, 39) zum Anlegen einer Spannung;
• - einen Szintillator (38) gemäß einem der vorstehenden An­ sprüche, der zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist, um einen durch die erste Elektrode geführten Teilchenstrahl in einen Lichtstrahl umzusetzen;
• - einen Photosensor (43) zum Erfassen des vom Szintillator ausgegebenen Lichtstrahls; und
• - ein optisches Element (41), das zwischen dem Szintillator und dem Photosensor angeordnet ist.

14. System unter Verwendung eines Strahls geladener Teil­ chen, gekennzeichnet durch eine Strahlquelle für geladene Teilchen, eine optische Anordnung für den Strahl geladener Teilchen zum Konvergieren desselben, einen Probenträgertisch zum Halten einer Probe sowie eine Bildaufnahmevorrichtung nach Anspruch 13 zum Erfassen des Bilds des Strahls gelade­ ner Teilchen, wie von der Probe auf dem Probenträgertisch erzeugt.

15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl geladener Teilchen ein Elektronenstrahl ist.

16. System nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem transparenten Material besteht, das einen Vakuumbereich und den Bereich der Umgebungsatmosphäre trennt.

17. Untersuchungssystem unter Verwendung von Elektronen­ strahlen, gekennzeichnet durch eine Elektronenstrahlquelle (223), ein optisches System (401) zum Konvergieren des von der Elektronenstrahlquelle emittierten Elektronenstrahls, einen Probenträgertisch (208) zum Halten einer Probe und eine Bildaufnahmevorrichtung (403) nach Anspruch 13 zum Er­ fassen des Bilds eines Strahls geladener Sekundärteilchen von der Probe auf dem Probenträgertisch.

18. System nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es ein Substrat (5) zum Halten der ersten und zweiten Elektrode und des Szintillators (4) aufweist.

19. System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (5) aus einem transparenten Material besteht, das einen Vakuumbereich und den Bereich der Umgebungsatmo­ sphäre trennt.