DE2137922B2 - Abtastelektronenmikroskop - Google Patents

Description

die durch das Objekt 16 geschickten Elektronen nach diskreten Energiepegeln getrennt werden. Ein Szintillaletztere durch Schwankungen der Elektronenemission der Elektronenquelle erzeugt werden.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen der Elektronenquelle und dem Objekt Monitormittel zur Erzeugung eines dem Elektronenstrom des Elektronenstrahls pioportionalen Bezugssignais angeordnet sind und daß Korrekturmittel zur Änderung der Größe des Detektorsignals in Abhängigkeit von Schwankungen diese: Bezugssignals vorgesehen sind.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Abtastelektronenmikroskops besteht darin, daß Schwankungen des Elektronenstrahls keine nennenswerte Wirkung auf das zur Erzeugung des Mikroabbildes verwendete Signal haben. Somit können Mikroabbildungen von hoher Qualität erzeugt werden, selbst wenn das Mikroskop bei Drücken betrieben wird, die Schwankungen in der Stromdichte des Elektronenstrahls verursachen. Im Ergebnis kann das Abtastelektronenmikroskop bei verhältnismäßig hohen Drücken betrieben werden (z. B. 1333 · 10-⁸Pa), und es können Mikroabbildungen mit einer Qualität und mit einer Auflösung erzeugt werden, die bisher überhaupt nicht oder nur durch wesentlich kompliziertere und teurere Mittel erzielt werden konnte. Da verbesserte Mikroabbilder bei höheren Mikroskopdrücken erzeugt werden können, ist es möglich, Evakuierungsvorrichtungen zu benutzen, die auch weniger hohen Ansprüchen genügen. Folglich ergibt sich eine bemerkenswerte Verringerung an Zeitaufwand, um den Druck im Mikroskop auf den Arbeitswert zu reduzieren. Beispielsweise können die meisten Mikroskope auf etwa 1333 · 10~⁸ Pa in ein paar Stunden evakuiert werden, während die Zeit, um dasselbe Mikroskop auf etwa 133,3 · 10-'⁰Pa zu evakuieren, im allgemeinen nach Tagen gemessen wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung bedeutet

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Abtastelektronenmikroskops;

F i g. 2 einen schematischen Teilschnitt der Monitormittel in vergrößerter Darstellung mit zusätzlichen Vorrichtungen und

F i g. 3 eine -Draufsicht auf F i g. 2 entlang der Linie 4-4.

Das in F i g. 1 und 2 als Beispiel dargestellte Abtastelektronenmikroskop enthält eine Gleichspannungsquelle 9 für eine Feldemissionsspitze 10, durch die ein Elektronenstrahl 11 erzeugt wird. Der Flektronenstrahl wird durch Elektroden 12 in Richtung auf eine Magnetlinse 14 beschleunigt, die von einer Gleichstromquelle 14a gesteuert werden. Die Magnetlinse fokussiert den Elektronenstrahl zu einem Punkt mit einem Durchmesser von wenigen Zentel nm auf der Oberfläche eines dünnen Objekts 16. Zwischen dem Objekt und der Magnetlinse sind Ablenkelektroden 18 und 20 angeordnet, die mit Spannungen von einem Ablenkgenerator 22 einer Kathodenstrahlröhre 28 eingespeist werden. Der Ablenkgenerator und die Ablenkelektroden bewirken, daß der Elektronenpunkt auf der Oberfläche des Objektes 16 nach einem vorgegebenen Schema abgelenkt wird.

Hinter dem Objekt 16 ist ein die Energie analysierendes Spektrometer 24 angeordnet und so eingestellt, daß tionsdetektor 26, der aus den Detektoren 26a bis 26e besteht, ist mit einem Fotoelektronenvervielfacher 27 gekoppelt, der Fotoelektronenvervieifacherröhren 27a bis 2Ie enthält Der Szintillationsdetektor 26 und der Fotoelektronenvervielfacher 27 bilden einen Detektor, um ein Detektorsignal zu erzeugen, das dem Elektronenfluß vom Objekt 16 entspricht Das Spektrometer 24 kann — wie man ferner erkennt — so angeordnet werden, daß der Detektor 26a Elektronen aller Energiepegel empfängt Es können auch die Detektoren 26a bis 26e an die Fotoelektronenvervielfacherröhre 27a angeschlossen werden, so daß das hierdurch erzeugte Signal den durchgeschickten Elektronen aller Energiepegel entspricht Insoweit entspricht das Abtastelektronenmikroskop nach Fig-1 und 2 dem in der Uü-Patentschrift .31 91 028 beschriebenen Abtastelektronenmikroskop.

Ferner ist bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß F i g. 1 bis 3 eine Monitoranordnung 29 und eine Korrekturschaltung 31 vorgesehen. Insbesondere enthält die Monitoranordnung 29 eine Umlenkanordnung 170 und eine Wandleranordnung 182.

Gemäß den F i g. 2 und 3 besteht die dort dargestellte Umlenkanordnung 170 aus einem geschlossenen Metallbehälter 172, deren obere Wand 174 ein Loch 176 mit einem Durchmesser von 200 Mikron aufweist Die untere Wand 178 des Behälters 172 besitzt ein Loch 180 mit einem Durchmesser von 100 Mikron. Wie Fig.2 zeigt, sind die Löcher 176 und 180 konzentrisch, und ihre Mittellinie verläuft annähernd in der Mitte des Elektronenstrahls 11.

Die Wandleranordnung 182 enthält eine Metallspule 184, die den Elektronenstrahl zwischen der oberen und unteren Wand 174 bzw. 178 umgibt Schematisch ist angedeutet, daß die Wandleranordnung ferner einen Szintillator 186, einen Lichtleiter 188 und einen Fotoelektronenvervielfacher 190 enthält Auf den Szintillator auftreffende Elektronen werden in Licht umgesetzt, das durch den Lichtleiter 188 zum Fotoelektronenvervielfacher 190 geschickt wird. Der Fotoelektronenvervielfacher 190 erzeugt ein Bezugssignal, das proportional zum Elektronenstrom des Elektronenstrahls 11 ist. Dieses Signal wird über einen Leiter 191 abgeführt

Es sei bemerkt, daß die Metallspule 184 ein wichtiges Element bildet Ohne sie würde das elektrische Feld an den Teilen der Wandleranordnung den Elektronenstrahl ablenken und einen schwerwiegenden Astigmatismus im Elektronenstrahl hervorrufen. Die Metallspule sollte möglichst auf Erdpotential gehalten werden. Falls es jedoch notwendig sein sollte, an die Spule eine Spannung anzulegen, muß große Sorgfalt darauf verwendet werden, daß jeglicher Isolator vom Elektronenstrahl abgeschirmt wird.

Gemäß Fig. 1 enthält die Korrekturschaltung 31 eine Verhältnisschaltung zur Erzeugung eines Korrektursignals, das dem Verhältnis von Detektorsignal und Bezugssignal entspricht Diese Verhältnisschaltung enthält logarithmische Verstärker 194 und 196, eine Subtraktionsschaltung 198 und einen antilogarithmischen Verstärker 200, wobei die Verbindung über Leiter 195, 197, 199 und 201 erfolgt. Der Verstärker 200 erzeugt ein korrigiertes Signal, das dem Verhältnis von Detektorsignal und Bezugssignal entspricht. Das korrigierte Signal wird über einen Leiter 202 als Videoinformationssignal entnommen, durch das auf einer Kathodenstrahlröhre eine Mikroabbildung sichtbar gemacht werden kann. Die Elemente 194, 196, 198 und 200 sind

bekannte elektronische Mittel, die für sich nicht Teil der Erfindung bilden.

Die Monitormittel arbeiten folgendermaßen. Der Elektronenstrahl U verläuft durch das Loch 176 in die Umlenkanordnung 170. Da das Loch 180 kleiner als das Loch 176 ist, trifft ein Teil des Elektronenstrahls auf den das Loch 180 umgebenden Bereich der Wand 178. Die auf diesen Bereich auftreffenden Elektronen werden aus ihrem normalen Weg umgelenkt und bilden einen Fluß umgelenkter Elektronen 11a. Einige dieser Elektronen treffen auf den Szintillator 186 und werden in bekannter Weise in Lichtstrahlen umgesetzt. Die Lichtstrahlen werden dann über den Lichtleiter 188 geleitet und durch den Fotoelektronenvervielfacher 190 in ein entsprechendes Bezugssignal umgesetzt. Das Bezugssignal wird ι über den Leiter 191 entnommen. Wie zuvor erwähnt wurde, ist das Bezugssignal proportional der Größe des abgelenkten Elektronenflusses, der wiederum proportional dem Elektronenstrom des Elektronenstrahls U ist.

Der Elektronenstrahl 11 wird dann durch die Magnetlinse 14 auf das Objekt 16 fokussiert und tastet dessen Oberfläche mit Hilfe der Ablenkelektroden 18, 20 ab. Der resultierende Elektronenfluß vom Objekt 16 wird von dem Detektor 25 erfaßt, um am Leiter 197 ein Detektorsignal zu bilden. Wie zuvor erwähnt wurde, erzeugt der Fotoelektronenvervielfacher 27, an den der logarithmische Verstärker 196 angeschlossen ist, normalerweise ein Signal, das proportional dem Fluß von Elektronen mit einem bestimmten Energiepegel ist. Wie erwähnt, kann der Fotoelektronenvervielfacher 27 aber auch abgewandelt werden, so daß er ein Signal erzeugt, das proportional dem Fluß von Elektronen unabhängig von deren Energie ist. Die Detektoren 26a bis 26e und die Fotoelektronenvervielfacher 27a bis 27e können auch einzeln an die Schaltung 31 und an die Kathodenstrahlröhre 28 zur individuellen Darstellung der auf verschiedenen Energiepegeln übermittelten Elektronen angeschlossen werden.

Das Detektorsignal wird über den Leiter 197 einem logarithmischen Verstärker 196 zugeführt, der am Leiter 199 ein erstes Signal erzeugt, das dem Logarithmus des Detektorsignals entspricht. Zugleich wird das Bezugssignai dem iogarithmischen Verstärker 194 zugeführt, der am Leiter 195 ein zweites Signal erzeugt, daß dem Logarithmus des Bezugssignals entspricht Das erste und zweite Signal wird dann einer Subtraktionsschaltung 198 zugeführt, die ein Restsignal am Leiter 201 erzeugt, das der Differenz zwischen dem ersten und zweiten Signal entspricht. Das Differenzsignal wird dann einem antilogarithmischen Verstärker 200 zugeführt, der ein korrigiertes Signal am Leiter 202 erzeugt, das dem Numerus des Restsignals entspricht. Das korrigierte Signal entspricht dem Verhältnis von Detektor- und Bezugssignal. Das korrigierte Signal wird dann als Videoinformationssignal benutzt, durch das eine Mikroabbildung auf der Kathodenstrahlröhre 28 erzeugt werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 Patentansprüche:

1. Abtastelektronenmikroskop mit einer Elektronenquelle, magnetischen Linsen und Ablenkelektroden zur Fokussierung und Ablenkung des von der Elektronenquelle erzeugten Elektronenstrahls auf einem Objekt und mit einem Detektor, der ein dem Elektronennuß vom Objekt entsprechendes Detektorsignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Elektronenquelle (10) und dem Objekt (16) Monitormittel (29) zur Erzeugung eines dem Elektronenstrom des Elektronenstrahls proportionalen Biezugssignals angeordnet sind und daß Korrekturmittel (31) zur Änderung der Größe des Detektorsignals in Abhängigkeit von Schwankungen dieses Bezugssignals vorgesehen sind.

2. Abta5telektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturmittel (31) so ausgebildet sind, daß sie ein Korrektursignal erzeugen, das dem Verhältnis von Detektorsignal und Bezugssignal entspricht

3. Abtastelektronenmikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster logarithmischer Verstärker (196) zur Erzeugung eines ersten, dem Logarithmus des Detektorsignals entsprechenden Signals, ein zweiter logarithmischer Verstärker (194) zur Erzeugung eines zweiten, dem Logarithmus des Bezugssignals entsprechenden Signals, eine Subtraktionsschaltung (198) zur Subtraktion des zweiten Signals vom ersten Signal sowie ein antilogarithmischer Verstärker (200) zur Erzeugung des Korrektursignals, das dem Numerus des durch die Subtraktion gewonnenen Restsignals entspricht, vorgesehen sind.

4. Abtastelektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Monitormittel (29) aus einer zwischen der Elektronenquelle (10) und dem Objekt (16) angeordneten Umlenkanordnung (170) zur Umlenkung eines Teils des Elektronenstrahls aus einem normalen Weg und einer Wandleranordnung (182) zur Erzeugung eines der Zahl der umgelenkten Elektronen proportionalen Signals, das das Bezugssignal bildet, bestehen.

5. Abtastelektronenmikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkanordnung (170) eine erste Metallwand (174) mit einem Loch (176) für den Durchtritt des Elektronenstrahls und eine in Strahlrichtung gesehen nach der ersten angeordnete zweite Metallwand (178) mit einem zweiten Loch (180) enthält, das soviel kleiner als das erste Loch ist, daß nur ein Teil des Elektronenstrahls das zweite Loch passiert, während der restliche Teil des Strahls an der das zweite Loch (180) umgebenden Metallwand (178) umgelenkt wird.

6. Abtastelektronenmikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandleranordnung (182) aus einer Metallspule (184), die den Elektronenstrahl zwischen den beiden Metallwänden (174, 178) umgibt, aus einem Szintillator (186) zum Empfang der umgelenkten Elektronen und Umsetzung der umgelenkten Elektronen in Licht, aus einem an den Szintillator (186) angeschlossenen Lichtleiter (188) und aus einem Fotoelektronenvervielfacher (190), der auf das durch den Lichtleiter gesandte Licht anspricht, besteht.

die durch Schwankungen des auf das Objekt fokussiertcn Elektronenstrahls hervorgerufen werden, wobei Die Erfindung betrifft ein Abtastelektronenmikroskop mit einer Elektronenquelle, magnetischen Linsen und Ablenkelektroden zur Fokussierung und Ablenkung des von der Elektronenquelle erzeugten Elektronenstrahls auf einem Objekt und mit einem Detektor, der ein dem Elektronenfluß vom Objekt entsprechendes Detektorsignal erzeugt

ίο Das Abtastelektronenmikroskop bildet für den Wissenschaftler ein wichtiges Hilfsmittel bei der Prüfung extrem kleiner Objekte. Ein Abtastelektronenmikroskop der oben genannten Art das sich in der Praxis als besonders brauchbar bewährt hat, ist in der US-Patentschrift 31 91 028 beschrieben. Obwohl dieses Mikroskop eine Reihe von Vorteilen und Besonderheiten gegenüber anderen bekannten Mikroskopen bietet hat die Praxis gezeigt daß es nur dann Mikroabbilder mit extrem hoher Qualität erzeugt wenn es auf einem Druck von etwa 1333 · 10-'⁰Pa evakuiert isL Wenn das Mikroskop auf einen höheren Druck von z.B. 1333 · 10~⁸ Pa evakuiert wird, zeigen sich in der Praxis beachtliche Schwankungen in der Intensität eines Detektorsignals, das von den von einem Objekt übermittelten Elektronen abgeleitet wird. Diese Schwankungen wiederum bewirken eine Schwankung des Elektronenstroms der anzeigenden Kathodenstrahlröhre. Als Folge davon treten zahlreiche horizontale Streifen im Mikroabbild der Kathodenstrahlröhre auf.

Dieser Umstand kann toleriert werden, wenn bei kleinen Vergrößerungen gearbeitet wird, weil der Kontrast im Mikroabbild durch das Vorhandensein von Gitterdrähten oder anderen Gegenständen von sehr hohem oder sehr niedrigem Signalpegel hoch ist Wenn man jedoch mit starker Vergrößerung arbeitet, ist das Gesichtsfeld auf Objekte mit geringem Kontrast begrenzt, so daß jegliche Stromschwankung unerwünscht ist

Es wurde nun festgestellt, daß der Grund für die Stromschwankungen darin liegt, daß die Elektronenemission von der Spitze der Elektronenquelle periodischen Schwankungen unterworfen ist Diese Schwankungen werden vornehmlich durch Gasmoleküle verursacht, die an der Spitze ankommen und die örtlichen Zustände so verändern, daß der Strom in kleinen Bereichen der gesamten Emissionszone zu- oder abnimmt. Wenn einer dieser Bereiche auf der Achse des Mikroskops liegt, tritt als Folge eine beträchtliche Schwankung in der Stromdichte des Elektronenstrahls auf, der von der Spitze ausgeht. Diese Schwankungen sind insbesondere feststellbar, wenn eine Feldemissionsspitze verwendet wird, um die Auflösung des Mikroskops zu erhöhen.
Es ist natürlich möglich, die Schwankungen des Elektronenstroms durch Verminderung des umgebenden Gasdruckes zu steuern. Bei einem Druck von 133,3 ■ 10-'⁰Pa sind diese Schwankungen bei weitem nicht so groß wie bei 133,3 · 10~⁸ Pa, aber sie sind trotzdem vorhanden und können einen Teil der Mikroabbilder unbrauchbar machen. Darüberhinaus wird zur Evakuierung des Mikroskops auf 133,3 · 10-'° Pa eine teure und komplizierte Evakuierungsvorrichtung benötigt. Außerdem muß die Vorrichtung über längere Zeiträume hinweg betrieben werden, um den gewünschten Evakuierungsdruck zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Abtastelektronenmikroskop der eingangs genannten Art Schwankungen des Detektorsignals zu vermeiden,