DE19719718B4

DE19719718B4 - Szintillator, Bildaufnahmevorrichtung unter Verwendung desselben sowie Untersuchungs-Vorrichtung

Info

Publication number: DE19719718B4
Application number: DE19719718A
Authority: DE
Inventors: Masanari Koguchi; Hiroshi Kakibayashi; Tetsuya Ooshima; Kenji Sameshima; Tatsuo Makishima; Keiichi Kanehori; Hiroyuki Shinada
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-05-09
Filing date: 1997-05-09
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2017-05-10
Also published as: US5932880A; DE19719718A1

Abstract

Szintillator-Anordnung mit einem Szintillator (4; 38; 52; 215) zum Umsetzen eines Teilchenstrahls oder Photonenstrahls in einen Lichtstrahl, wobei sich an der Strahl-Eintrittsfläche eine Elektrode (15; 30; 37; 53; 300) und an der Strahl-Austrittsfläche des Szintillators eine transparente Elektrode (17; 27; 39; 54;301) zum Anlegen einer Gleichspannung befinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung 100 V oder mehr beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Szintillator, der Bilder mit hoher Empfindlichkeit und Genauigkeit aufnehmen kann, eine Bildaufnahmevorrichtung unter Verwendung eines solchen Szintillators sowie Systeme unter Verwendung einer solchen Vorrichtung, z. B. ein Rasterelektronenmikroskop (REM) für Untersuchungszwecke.

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 Elektronenstrahlbild 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 Veröffentlichungen durch eine optische Linse) auf ein Bildaufnahmeelement (gemäß dieser Veröffentlichung) ein ladungsgekoppeltes Bauteil (nachfolgend als CCD bezeichnet, gemäß anderen Veröffentlichungen) 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, hier als nächstliegendem Stand der Technik betrachteten, Dokument werden ein photoleitender Film und ein reflektierender Metallfilm auf der Elektronenstrahl-Eintrittsebene ausgebildet, und auf der Szintillator-Austrittsebene wird ein transparenter Elektrodenfilm hergestellt. 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 Kathodolumineszenzeffekts. Diese Szintillation emittiert durch die transparente Elektrode Strahlung nach außen, von der ein Bruchteil in den photoleitenden Film eintritt, der die Eigenschaft aufweist, dass sich sein Widerstand bei Lichteinfall verringert. Daher fällt beinahe die gesamte zwischen dem reflektierenden Metallfilm und dem transparenten Elektrodenfilm angelegte Spannung am Szintillator ab, wenn Licht eintritt. Demgemäß tritt im örtlichen Bereich des Szintillators, in den 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 überlagert wird, wie es durch den Elektrolumineszenzeffekt erzeugt wird, das erzeugte Licht hohe Helligkeit im Vergleich zum Licht aufweist, das nur durch den Szintillator erzeugt wird.

In ähnlicher Weise verwendet die in DE 40 02 432 A1 beschriebene Anordnung eine Wechselspannung zur Anregung von Lumineszenz.

Im Szintillator wird durch eine elektromagnetische Kraft von Atomen mit hauptsächlich positiven Ladungen ein Strahl geladener Teilchen, die Bildinformation enthalten, gestreut, so dass der Lichterzeugungsbereich um die Eintrittsachse des geladenen Teilchenstrahls herum einen breiten Bereich aufweist. Im Ergebnis wird ein Bild, selbst dann, wenn es vor dem Eintritt in den Szintillator ausreichende Auflösung aufweist, defokussiert oder unscharf, wenn es im Szintillator in ein optisches Bild umgesetzt wird. Der Elektronenstrahl verliert seine Information völlig, da starke Streuung zufällige 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 löst im Szintillator die Anregung von Elektronen aus, und Elektronen verlieren selbst allmählich ihre Energie, während sie diese an den Szintillator übertragen. Der Szintillator erzeugt unter Empfang dieser Energie Szintillation. Das Ausmaß der übertragenen Energie wächst proportional zur Übertragungslänge des Elektronenstrahls im Szintillator. Daher ist, wenn ein Szintillator dünn gemacht wird, um ein Absinken der Auflösung zu verhindern, das Ausmaß 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 wesentlich. Wenn jedoch dieser photoleitende Film verwendet wird, wird in ihm eine große Anzahl von Elektronen absorbiert, so dass das Szintillationsausmaß verringert ist und der Elektronenstrahl stark gestreut wird, was hinsichtlich einer Verringerung der Auflösung schwerwiegend ist. Die zwischen die Elektroden angelegte Spannung wird durch den Szintillator und den photoleitenden Film aufgeteilt, und die Spannung wird nicht wirkungsvoll an den Szintillator angelegt, wodurch dieser nicht dazu in der Lage ist, die vorteilhaften Wirkungen einer Richtungseinstellung des Elektronenstrahls zu schaffen, was Aufgabe der Erfindung ist. Gemäß den herkömmlichen Techniken ist zum Erzeugen von Elektrolumineszenz 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 Spannung null wird, sind die Wirkungen einer Richtungseinstellung für den Elektronenstrahl völlig beseitigt, und zusätzlich wird im Fall einer Wechselspannung der Elektronenstrahl aufgeweitet, wenn die Polarität umgekehrt wird, was die Auflösung 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 keiner Weise die Elektronenstrahlrichtung kontrollieren.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Szintillator zu schaffen, der bei hoher Auflösung und hohem S/R(Signal/ Rauschsignal)-Verhältnis einen starken Szintillationseffekt zeigen kann.

Diese Aufgabe wird durch die Lehre des beigefügten Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Gemäß der Erfindung sind Elektroden auf der Strahl-Eintrittsfläche und der Strahl-Austrittsfläche eines Szintillators ausgebildet, und es wird eine hohe Gleichspannung zwischen die Elektroden gelegt, um die Streurichtung eines in den Szintillator eingetretenen Elektronenstrahls so zu steuern, dass sie mit der Richtung der Szintillatorstrahlung zusammenfällt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
1A und 1B sind schematische Diagramme, die Beispiele eines Elektronenmikroskops mit Bildaufnahmevorrichtung zeigen.
2A ist eine vergrößerte Ansicht, die die Struktur eines herkömmlichen Szintillators zeigt, und 2B ist ein Diagramm, das die Verteilung aufgeweiteter Elektronenstrahlen zeigt.
3A ist eine vergrößerte Ansicht, die den Aufbau eines erfindungsgemäßen Szintillators zeigt; und 3B ist ein Diagramm, das die Verteilung aufgeweiteter Elektronenstrahlen zeigt.
4A zeigt ein direkt mit Elektronenstrahlen aufgenommenes Bild, und die 4B und 4C sind Bilder nach einer Elektronen/Photonen-Umsetzung gemäß dem Stand der Technik bzw. gemäß der Erfindung.
5 ist ein schematisches Diagramm, das die Montagestruktur eines erfindungsgemäßen Szintillators an einem Elektronenmikroskop zeigt.
6A und 6B sind Diagramme, die Einzelheiten eines erfindungsgemäßen Szintillators zeigen.
7 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Röntgentomographiesystems.
8 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel für die Anwendung der Erfindung bei einem Bildverstärker zeigt.
9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Anwendung der Erfindung bei einem Halbleiteruntersuchungsgerät zeigt.
Unter Bezugnahme auf die 1A, 1B, 2A und 2B werden zunächst Konstruktionen bekannter Systeme, die gemäß der herkömmlichen Technik arbeiten, beschrieben. Die 1A und 1B zeigen den Gesamtaufbau eines Elektronenmikroskops, bei dem ein Bild durch eine Linse oder eine optische Faserplatte auf die Lichterfassungsebene eines Bildaufnahmeelements fokussiert wird. Im Elektronenmikroskop 1 wird ein von einer Elektronenquelle 2 abgestrahlter Elektronenstrahl 3 über eine Objektivlinse 10 auf eine Probe 9 gegeben. Der Elektronenstrahl 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 Elektronenstrahl wird über die Elektronenlinse 8, wie eine Zwi schenlinse und eine Projektionslinse, auf einen Szintillator 4 fokussiert, der als auf einem Glasfenster 5 ausgebildeter Dünnfilm vorliegt.
In 1A wird ein Bild durch eine Bildaufnahmeröhre 7 unter Verwendung einer Linse erzeugt, während in 1B ein Bild über eine optische Faserplatte 11 mittels eines ladungsgekoppelten Bauteils (CCD) 12 erzeugt wird. Die optische Faserplatte 11 besteht aus einem Bündel optischer Fasern. In beiden Fällen wird ein Elektronenstrahlbild durch den Dünnfilmszintillator 4 in ein optisches Bild umgesetzt, und dieses optische Bild wird aufgenommen.
2A ist eine vergrößerte Ansicht des Szintillators 4. In 2A sind die Bahn 13 eines Elektronenstrahls, der an einem Punkt in den Szintillator eingetreten ist, die Einhüllende 18, die den Bereich der Elektronenstrahlen anzeigt, und der optische Pfad erzeugter Szintillation 14 dargestellt. In den meisten Elektronenmikroskopen wird der Elektronenstrahl mit 100 bis 300 kV beschleunigt. In diesem Bereich der Beschleunigungsspannung beträgt. die Szintülatordicke, 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 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 Elektronenanregung, so dass. Elektronen im Valenzband in das Leitungsband angeregt werden und Löcher im Valenzband verbleiben. Erzeugte Elektron-Loch-Paare rekombinieren innerhalb kurzer Zeit. Bei dieser Rekombination wird Szintillation mit einer für das Szintillatormaterial charakteristischen Energie (Wellenlänge) erzeugt. Das Halbieren der Dicke des Szintillators 4 und das Verkürzen des Trans missionswegs des Elektronenstrahls führt zu einer verringerten Menge an Szintillation im Szintillator 4. Da Szintillationsstrahlung in allen Richtungen strahlt, macht die Szintillationsstrahlung, wie sie von derjenigen Ebene (der Austrittsebene) abgestrahlt wird, die von der Eingangsebene des Elektronenstrahls abgewandt ist, 50 % oder weniger der Gesamtszintillation aus. Im allgemeinen ist ein photoempfindliches Element auf der Austrittsseite angeordnet, um Szintillation zu erfassen. Daher wurde, um den Erfassungswirkungsgrad so stark wie möglich zu verbessern, herkömmlicherweise 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 Aluminiumfilm, 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 2A dargestellt, hat die in 2B dargestellte Szintillationsverteilung (die Abszisse repräsentiert den Abstand des Elektronenstrahls von der Eintrittsachse), wobei diese Szintillationsverteilung hauptsächlich durch den Aufweitungsbereich des Elektronenstrahls im Szintillator 4 bedingt ist.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. 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 werden, ist die Energieverteilung betreffend die mittlere freie Weglänge wie folgt gegeben: λ(E) = 4 β(β + 1)E2A/(πNAρZ (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 Atomgewicht 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 Schlussfolgerungen 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) = 2πe4NAρZ/(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/μm) (5)
Daraus können die folgenden Schlussfolgerungen gezogen werden:

(b) Ein Elektron mit niedrigerer Energie verleiht dem Szintillator 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 Streuwahrscheinlichkeit in der Richtung zwischen ω und ω + dω durch den Streuquerschnitt (dσ/dΩ(E)) gegeben: dσdΩ(E) = Z(Z + 1)e4/4E2(1 – cosω + 2β)2 = a/(E(1 – cosω) + b]2 (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 Streuelektronenstrahl enthält keine Bildinformation mehr und überdeckt das gesamte Bild in Form zufälliger Hintergrund-Störsignale, die die Auflösung und das S/R-Verhältnis beträchtlich 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 Eintrittsachse 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 nachfolgend beschrieben wird, in den Szintillator 4 mit herkömmlicher Struktur eingebaut. Die 3A und 3B veranschaulichen das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß der Erfindung ist eine transparente Elektrode 17 auf der Seite der Austrittsebene eines Szintillators vorhanden. Ein Reflexionsfilm 15, wie er ähnlich beim herkömmlichen Szintillator vorliegt, wird ebenfalls als Elektrode verwendet. An den Reflexionsfilm 15 und die neue transparente Elektrode 17 ist eine Gleichspannungsquelle 16 angeschlossen, um eine Spannung zwischen diese beiden Elektroden zu legen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Elektronenstrahl in der Richtung der Eintrittsachse gezogen, und es wird eine. hohe Spannung an die transparente Elektrode angelegt, um eine Strahlaufweitung zu verhindern. Die optimal anzulegende Spannung ändert sich mit der Energie des Elektronenstrahls und der Dicke des Szintillators. Daher ist es erwünscht, eine variable Gleichspannungsquelle 16 zu verwenden. Die transparente Elektrode 17, die sowohl leitend als auch lichtdurchlässig sein soll, wird vorzugsweise aus Zinnoxid (SnO₂), Indiumoxid (In₂O₃) oder Titanoxid (TiO₂) 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 Verbesserung hinsichtlich der Auflösung und des S/R-Verhältnisses erwartet werden, wenn eine niedrige Spannung an die Elektroden angelegt wird. D. h., dass selbst dann, wenn der Eintrittselektronenstrahl eine Energie von 200 keV hat, die angelegte Spannung nicht einige 100 kV 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 Gleichspannungsquelle dieser Art ist im Markt leicht verfügbar und kann mit geringen Kosten hergestellt werden. Wie es in 3A dargestellt ist, ändert sich zwar die Bahn eines Elektronenstrahls 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 haben, im Szintillator keine Verschiebung gegen die Eintrittsachse erfahren, und Elektronen mit niedriger Energie unmittelbar vor ihrer Erschöpfung werden so stark wie möglich aus dem Szintillator entfernt. Auch sind in 3A die Bahn 13 eines auf einen Punkt auftreffenden Elektronenstrahls, eine Einhüllende 18, die den Bereich zeigt, in dem ein Elektronenstrahl existiert, und Lichtpfade erzeugter Szintillationsstrahlung 14 dargestellt. Die Szintillationsverteilung aufgrund eines an einem Punkt eintretenden Elektronenstrahls ist in 3B dargestellt (in der die Abszisse den Abstand eines Elektronenstrahls vom Eintrittspunkt repräsentiert). Die Verteilung ist schärfer als die in 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 4A bis 4C erläutert. 4A zeigt ein Elektronenbild eines pfeilförmigen Bildobjekts, das durch das Elektronenmikroskop vergrößert und auf einen Schirm gestrahlt wurde.
Da das Elektronenbild ein Bild vor der Elektronen-Photonen-Umsetzung ist, ist der Unschärfeeinfluss auf ein im Szintillator erzeugtes Bild gering, und es wird ein scharfes Bild des Pfeils erhalten. 4B zeigt ein Bild, wie es unter Verwendung des in 2A dargestellten herkömmlichen Szintillators aufgenommen wurde. Dieses Bild desselben Pfeils verfügt über größere Breite, als sie in 4A dargestellt ist, und seine Unschärfe ist stärker. 4C zeigt ein unter Verwendung des in 3A dargestellten Szintillators des Ausführungsbeispiels aufgenommenes Bild. Dieses Bild hat eine Breite zwischen denen, wie sie in den 4A und 4B dargestellt sind, und die Verringerung der Auflösung ist weniger ausgeprägt.
Beim obigen Ausführungsbeispiel ist zwar ein Elektronenstrahl verwendet, jedoch gilt dieselbe Beschreibung für andere Teilchen, unabhängig vom Vorliegen/Fehlen elektrischer Ladungen. Wenn ein Ionenstrahl, ein Atomstrahl oder ein Molekülstrahl auftrifft, werden die Bahnelektronen jedes Teilchens 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 Elektronenstrahl, die Eintrittsebene des Teilchenstrahls mit negativem Potential versehen, während die Austrittsebene der erzeugten Szintillationsstrahlung mit positivem Potential versehen wird. Umgekehrt wird im letzteren Fall die Eintrittsebene des Teilchenstrahls mit positivem Potential versehen, während die Austrittsebene der erzeugten Szintillationsstrahlung mit negativem Potential versehen wird. Durch das Anlegen dieser Potentiale kann der Szintillationsbereich eingestellt werden, und es kann eine Verringerung der Auflösung verhindert werden.
(2. Ausführungsbeispiel)
5 ist eine detaillierte Schnittansicht, die die Montagestruktur eines Szintillators an einem Elektronenmikroskop zeigt, wie in horizontaler Richtung gesehen. Unter einer Beobachtungskammer 21 des Elektronenmikroskops ist ein Loch von im allgemeinen einigen 10 Zoll (1 Zoll = 2,54 cm) Durchmesser 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 geschraubt, 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 6 veranschaulicht ist, ist die Außenseite des Glassubstrats 5 mit einem dünnen Aluminiumfilm bedeckt, während die Oberfläche ausreichend eben gehalten ist. Zwischen das Glassubstrat 5 und den Aufnahmeflansch 22 ist eine Vakuumdichtung (im allgemeinen ein aus Kunststoff bestehender O-Ring) eingefügt, so dass das Innere der Beobachtungskammer 21 des Elektronenmikroskops unter ausreichendem Vakuum gehalten werden kann.
(3. Ausführungsbeispiel)
Unter Bezugnahme auf die 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. 6A ist eine teilgeschnittene Seitenansicht, die einen auf einem Glassubstrat angebrachten Szintillator zeigt, und 6B ist eine schematische Draufsicht auf die in 6A dargestellte 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 dergleichen im Vakuum auf dem Glassubstrat 5 abgeschieden. Die transparente Elektrode 27 kann aus Zinnoxid (SnO₂), Indiumoxid (In₂O₃) oder Titanoxid (TiO₂) oder hergestellt werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die transparente Elektrode 27 im allgemeinen rechteckig, und sie verfügt über einen Kontaktbereich, der sich zum Stromversorgungsstift 31 erstreckt. Mittels eines nichtleitenden Klebers 28 ist ein Szintillator 4 auf den rechteckigen Bereich der transparenten 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 herausgedrückte Kleber 28 für das Isolierelement zwischen den Elektroden verwendet. Dieser herausgedrückte Kleber 28 wird ebenfalls so geläppt, dass er mit dem Szintillator 4 fluchtet, wenn dieser grob geläppt wird. Auf den Kontaktbereich nahe dem Stromversorgungsstift 32 der transparenten Elektrode 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 abgeschiedener 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 anzulegen. Zu diesem Zweck wird die Elektrode 30 mit einem Massedraht 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 werden, um für elektrische Masse zu sorgen. Der Hochspannungsdraht 33 wird außerhalb des Vakuums im Mikroskop mit der Gleichspannungsquelle 16 (3A) verbunden.
(4. Ausführungsbeispiel)
Bei den obigen Ausführungsbeispielen ist ein Elektronenmikroskop verwendet, bei dem sowohl der Eingangsteilchenstrahl als auch der Strahl geladener Teilchen im Szintillator Elektronenstrahlen sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Eingangsteilchenstrahl ein Photonenstrahl. 7 veranschaulicht einen Röntgentomographieaufbau, wie er hauptsächlich für medizinische Zwecke verwendet wird. Bei der Röntgentomographie werden durch einen Röntgengenerator 34 erzeugte Röntgenstrahlen 36 auf einen Patienten 35 gestrahlt, um durch diesen hindurchgestrahlte Röntgenstrahlen mittels eines Films oder einer Kamera aufzunehmen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Kamera verwendet. Die hindurchgestrahlten Röntgenstrahlen können wegen ihrer kurzen Wellenlängen nicht durch eine Kamera 43 unmittelbar erfasst werden. Daher werden die Röntgenstrahlen durch einen Szintillator 38 in Lichtstrahlen 42 mit einer Wellenlänge nahe derjenigen 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 Röntgenstrahlung enthaltene Information in der Dickenrichtung des Szintillators in Elektronenstrahlen mit hoher Energie umgesetzt wird, ist dieser Effekt ähnlich dem der in den 2A bis 3B veranschaulichten Ausführungsformen. Daher sind auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine Elektrode 37 und eine transparente Elektrode 39, die den Szintillator 38 einbetten, vorhanden, und sie sind so mit einer Gleichspannungsquelle 40 verbunden, dass die transparente Elektrode 39 am positiven Potential liegt. Auf diese Weise kann eine Aufweitung des Strahls von Elektronen hoher Geschwindigkeit im Szintillator 38 unterdrückt werden.
(5. Ausführungsbeispiel)
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines Bildverstärkers beschrieben. Der Grundaufbau eines Bildverstärkers ist in 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 angelegt wird, und es wird erneut in ein Photonenbild umgesetzt. Da in diesem Fall ein durch eine hohe Spannung beschleunigtes Elektronenbild in den Szintillator 52 eintritt, wird die Auflösung beeinträchtigt, wenn sich der Elektronenstrahl in diesem aufweitet. Daher ist der Szintillator bei diesem Ausführungsbeispiel mit einer Elektrode 53 und einer transparenten Elektrode 54 versehen, und es wird eine Gleichspannung 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. 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 Szintillatorplatte 215. Diese Szintillatorplatte 215 setzt das Elektronenbild 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 Szintillatorplatte 215 ebenfalls gestreut, was das vom CCD 217 aufgenommene 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 aufgenommenen Bilds stark verbessert werden.
Verschiedene Arten von Teilchenstrahlen mit zweidimensionaler Information oder durch einen Teilchenstrahl hervorgerufene Strahlen sekundär-geladener Teilchen werden durch Anlegen einer Spannung an den Szintillator so gesteuert, dass sie keine Aufweitung in der Richtung rechtwinklig zur Eintrittsachse erfahren. Insbesondere im Fall von Elektronenmikroskopie werden das Streuen und Aufweiten von Strahlen niederenergetischer Elektronen, die einen großen Einfluss auf die Beeinträchtigung der Auflösung und des S/R-Verhältnisses haben, unterdrückt, und zusätzlich wird ein dicker Szintillator verwendet, um für ein hohes Szintillationsausgangssignal zu sorgen, während hohe Auflösung und hohes S/R-Verhältnis beibehalten sind.
Nun wird der Aufbau des in 9 dargestellten Systems detaillierter angegeben.
Dieses System besteht hauptsächlich aus einem elektrooptischen System 401, einer Probenkammer 402, einer Bilddetektoreinheit 403, einer Bildverarbeitungseinheit 404 und einer Steuerung.
Als erstes wird das elektrooptische System 401 beschrieben. Ein von einer Elektronenquelle 201, an die durch eine Beschleunigungsspannungsquelle 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 abgelenkt. Dieser elektromagnetische Ablenker 203 wird dazu verwendet, die optischen Pfade eines Eintrittselektronenstrahls und eines von der Probe reflektierten Elektronenstrahls zu trennen. Der Elektronenstrahl, der durch die rechteckige Blende 204 gelaufen ist, erzeugt über eine Objektivlinse 206 ein rechteckiges Blendenbild auf der Halbleiterprobe 207. Die Größe der rechteckigen Blende beträgt 400 μm im Quadrat, was durch die Objektivlinse auf 1/4 verringert wird, wodurch dies 100 μm im Quadrat auf der Halbleiterprobe sind. Dieser Strahlungsbereich von 100 μm im Quadrat kann durch einen Abrasterablenker 205 auf einen beliebigen gewünschten Bereich auf der Halbleiterprobe verstellt werden, oder es kann, falls erwünscht, eine Abrasterung durch den Abrasterablenker 205 erfolgen. Die Elektronenquelle 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 Potential unter dem Potential der Spannungsquelle 223 angelegt wird, erfolgt eine Untersuchung unter Verwendung rückgestreuter 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 elektromagnetischen Ablenker 203 zu einem Fokussiersystem gelenkt. Das fokussierte Bild wird dann durch die Vergrößerungslinsen 213 und 214 so vergrößert, dass ein Mikroskopbild, das das Muster 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 angelegt. Für diesen Tisch 208 ist eine Tischpositions-Messvorrichtung 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 Laserinterferometer verwendet. Es ist auch eine optische Probenhöhe-Messvorrichtung 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 reflektierten 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 optische Faserplatte 216 optisch gekoppelt, um das optische Bild auf das optische Bilderfassungselement zu fokussieren. Alternativ kann die optische Faserplatte 216 durch eine optische Linse ersetzt werden, um ein Bild auf der Oberfläche der Halbleiterprobe, wie auf der Szintillatorplatte 215 erzeugt, auf das CCD 217 zu fokussieren. Ein durch das CCD 217 erhaltenes elektrisches Bildsignal wird an die Bildverarbeitungseinheit 404 gegeben.
Diese Bildverarbeitungseinheit 404 besteht aus Bildspeichereinheiten 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 übertragen. Der Steuercomputer 229 wird vorab mit verschiedenen Parametern versorgt, einschließlich der Beschleunigungsspannung für den Elektronenstrahl, der Elektronenstrahl-Ablenkweite, der Verstellgeschwindigkeit für den Probenträgertisch, dem Zeitpunkt zum Erfassen eines Detektorsignals und dergleichen. Abhängig von von der Tischpositions-Messvorrichtung 227 und der Probenhöhe-Messvorrichtung 226 gelieferten Signalen werden Korrektursignale berechnet und an die Objektivlinse 206 und den Abrasterablenker 205 gegeben, um den Elektronenstrahl immer auf die korrekte Position zu lenken. Unter Steuerung durch den Steuercomputer 229 überträgt eine Einheit 228 Signale an die und von der Linsensteuereinheit 224, um den Elektronenstrahl zu steuern, die Ablenksteuereinheit 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 vergrößerten Bilds zum Sekundärelektronenbild der Probe.

Claims

Szintillator-Anordnung mit einem Szintillator (4; 38; 52; 215) zum Umsetzen eines Teilchenstrahls oder Photonenstrahls in einen Lichtstrahl, wobei sich an der Strahl-Eintrittsfläche eine Elektrode (15; 30; 37; 53; 300) und an der Strahl-Austrittsfläche des Szintillators eine transparente Elektrode (17; 27; 39; 54;301) zum Anlegen einer Gleichspannung befinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung 100 V oder mehr beträgt.
Szintillator-Anordnung nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch eine Spannungsquelle (16; 40; 55), die für einen Strahl positiv geladener Teilchen ein positives Potential an die Elektrode an der Eintrittsfläche und ein negatives Potential an die Elektrode an der Austrittsfläche anlegt, und umgekehrte Potentiale anlegt, wenn die Teilchen negativ geladen sind.
Szintillator-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus Metallfilmen bestehen.
Szintillator-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Elektrode aus Zinnoxid (SnO₂), Indiumoxid (In₂O₃), Titanoxid (TiO₂) oder einer Verbindung aus diesen Materialien besteht.
Szintillator-Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Eintrittsfläche ausgebildete Elektrodenfilm ein Metallfilm mit großem Transmissionsvermögen für Elektronen und starker Lichtreflexion ist.
Szintillator-Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfilmelektrode aus Aluminium (Al), Silber (Ag), Gold (Au) oder Platin (Pt) besteht.
Szintillator-Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode an der Eintrittsfläche elektrisch geerdet ist.
Szintillator-Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie 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 Photonenbild umsetzt.
Bildaufnahmevorrichtung, gekennzeichnet durch: eine Szintillator-Anordnung (37, 38, 39) gemäß einem der, vorstehenden Ansprüche; einen Photosensor (43) zum Erfassen des vom Szintillator ausgegebenen Lichtstrahls; und ein optisches Element (41), das zwischen dem Szintillator und dem Photosensor angeordnet ist.
Untersuchungs-Vorrichtung unter Verwendung eines Strahls geladener Teilchen, 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 Anspruch9 zum Erfassen des Bilds eines Strahls geladener Sekundär-Teilchen, wie von der Probe auf dem Probenträgertisch erzeugt.
Untersuchungs-Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie Substrat (5) zum Halten der beiden Elektroden und des Szintillators (4) aufweist.
Untersuchungs-Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (5) aus einem transparenten Material besteht, das einen Vakuumbereich und den Bereich der Umgebungsatmosphäre trennt.