DE2335304A1

DE2335304A1 - Abtastelektronenmikroskop

Info

Publication number: DE2335304A1
Application number: DE19732335304
Authority: DE
Inventors: Hirotami Koike; Shigekata Sakurai; Katsuyoshi Ueno
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1972-07-11
Filing date: 1973-07-11
Publication date: 1974-01-31
Also published as: FR2192374B1; GB1442177A; US3833811A; JPS4928267A; FR2192374A1; JPS521869B2; DE2335304B2

Description

Patentanwalt Dipl.-Phys. Gerhard Lied! 8 München 22 Steinsdorfstr. 21-22 Tel. 29 84 62

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NIHON DENSHI KABUSHIKI KAISHA 1418, Nakagami-cho, Akishima-shi, TOKYO / Japan

Abtastelektronenmikroskop

Die Erfindung betrifft ein Abtastelektronenmikroskop mit einer Elektronenquelle zur Erzeugung eines Elektronenstrahles, einem Elektronenlinsensystem zur Fokussierung des Elektronenstrahles auf die Oberfläche einer dünnen Probe, Abtastmitteln zum Abtasten der Oberfläche der Probe mittels des Elektronenstrahles, einem oder mehreren Detektoren zur Erfassung der durch die Probe hindurchgegangenen Elektronen und Aufzeichnungsmittel zur Aufzeichnung von Abtastbildern in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen des bzw. der Detektoren. Insbesondere betrifft die Erfindung die Überwachung der Fokussierungsbedingungen des Elektronenstrahles, der bei der Durchführung der Prüfung auf die Probe gerichtet ist.

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In einem Abtastelektronenmikroskop will man einen äußerst geringen Durchmesser für den Elektronenstrahl erreichen. Dies ist notwendig, um ein Abtastbild mit hoher Auflösung beobachten zu können. Demzufolge wird der Elektronenstrahl, der von der Elektronenquelle erzeugt wird, durch eine oder mehrere Kondensorlinsen gesammelt bzw. verdichtet. Die Einstellung des Erregerströmes für die Kondensorlinse ist jedoch, um eine optimale Strahlfokussierung zu erreichen, für das Durchschnittsbedienungspersonal sehr schwierig. Ein weiteres Problem liegt darin, daß der eingebaute Stigmator, der zur Korrektur des Linsenastigmatismus vorgesehen ist, eine Einstellung erfordert. Dies ist eine Schwierigkeit, welche zur Erhaltung einer optimalen Strahlfokussierung sich nicht umgehen läßt. Die genaue Einstellung des Stigmators ist jedoch äußerst schwierig.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demzufolge darin, ein Abtastelektronenmikroskop zu zeigen, bei dem die Einstellung des Erregerstromes für die Kondensor linse zwecks opitmaler Strahlfokussierung erleichert ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Abtastelektronenmikroskop der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die in verschiedenen Richtungen durch die Probe hindurchgegangenen Elektronen getrennt von den Detektoren erfaßt werden und daß die Abtästbilder durch die Aufzeichnungsmittel gleichzeitig aufgezeichnet werden.

Hierdurch wird außerdem die optimale Einstellung des Stigmators erleichtert.

In den beiliegenden Figuren sind bevorzugte Ausführungsbeispiele dargestellt, welche zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen sollen. Es zeigen:

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Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Abtastelektronenmikroskopes gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Bilder, welche auf den Bildschirmen der in der Fig. 1 dargestellten Kathodenstrahlröhren aufgezeichnet sind;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Elektronenstrahlganges in der Nähe der Probe;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Abtastelektronenmikroskopes;

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Abtastbildes, das auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre in der Fig. 4 aufgezeichnet wird;

Fig. 6, schematische Darstellungen weiterer Ausführungsformen von

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' * Abtastelektronenmikroskopen und

Fig. 10 eine schematische Darstellung des Abtastbildes, das auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre in der Fig. 9 aufgezeichnet wird.

In der Fig. 1 ist eine dünne Probe 1 in einer evakuierten Säule 2 eines Elektronenmikroskopes angeordnet. Die Probe 1 wird von einem Elektronenstrahl EBl, der von einer Elektronenquelle 3 erzeugt wird, bestrahlt. Stromquellen 4 und 5 dienen zur Erzeugung eines Erregerstromes für die Fokussierung des Elektronenstrahles EBl auf die Oberfläche der Probe, indem die Brennweite von Kondensor lins en 6 und 7 gesteuert wird. Mit 8 ist ebenfalls eine Erregerstromquelle bezeichnet. Diese dient zur

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Erregung und zur Steuerung eines Stigmators 9, der zur Korrektur des Linsenastigmatismus vorgesehen ist. 1OX und 1OY sind Abtastspulen, damit der Elektronenstrahl EBl eine gewünschte Fläche der Probenoberfläche abtastet. 11 ist ein Signalgenerator zur Erregung der Abtastspulen 1OX und 1OY und zur Steuerung der Abtastgröße. 12 und 13 sind Strahlendetektoren zur Erfassung der Elektronenstrahlen, welche durch die Probe 1 hindurchgegangen sind. 12a und 13a sind die den Strahldetektoren zugeordneten Blenden, welche so angeordnet sind, daß nur die entlang der optischen Achse und unter einem bestimmten Winkel α . hindurchgetretenen Elektronen von den Strahldetektoren erfaßt werden. Die von den erfaßten Elektronen erzeugten Ausgangssignale werden, nachdem sie von Verstärkern 16 und 17 verstärkt worden sind, an die Steuergitter von Kathodenstrahlröhren 14 und 15 gelegt. Die Elektronenstrahlen dieser Kathodenstrahlröhren werden von Ablenkspulen 14X, 14Y und 15X, 15Y abgelenkt. Da diese Ablenkspulen von dem gleichen Signalgenerator 11 wie die Abtastspulen 1OX und 1OY gespeist und gesteuert werden, ist die Ablenkung bzw. die Abtastung der Signale mit der Ablenkung des Elektronenstrahles EBl synchronisiert. Hieraus resultiert, daß die Abtastbilder, welche den Elektronenstrahlen EB2 und EB3 entsprechen, auf entsprechenden Schirmen 14s und 15s der Kathodenstrahlröhren aufgezeichnet werden.

Wenn der Elektronenstrahl EBl richtig und korrekt fokussiert ist, erscheinen die Bilder auf den entsprechenden Bildschirmen an identischen Stellen. Wenn andererseits der Elektronenstrahl EBl unkorrekt bzw. schlecht fokussiert ist, erscheinen die Abtastbilder an verschiedenen Stellen, wobei der Lageunterschied in der Fig. 2 mit D bezeichnet ist. Dieser Lageuntefschied hängt ab, wie stark der Elektronenstrahl von der gewünschten Fokussierung abweicht. Wenn daher der Elektronenstrahl außerhalb der gewünschten Fokussierung ist, ist es verhältnismäßig einfach, den Strahl auf den gewünschten Ansatzpunkt zu fokussie-

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ren, indem man den Erregerstrom für die Kondensor linsen so lange regelt bzw. einstellt, bis die beiden Abtastbilder wieder in identischen Lagen auf den Bildschirmen erscheinen.

In der Fig. 3 ist schematisch der Elektronenstrahlgang in der Nähe der Probe 1 dargestellt,und zwar unter der Bedingung, daß der Elektronenstrahl von der in der Figur nicht dargestellten Kondensor linse in einer Ebene 18 oberhalb der Probe fokussiert ist. Die Elektronen, welche gerade durch die Probe entlang der optischen Achse 19 hindurchtreten, werden von einem Detektor A (nicht dargestellt) erfaßt und die Elektronen, welche durch die Probe unter einem Winkel α, bezüglich der optischen Achse hindurchtreten, werden von einem zweiten Detektor B (ebenfalls nicht dargestellt) erfaßt. Diese Detektoren entsprechen den Detektoren und 13 in der Fig. 1. Demgemäß erfaßt der Detektor A die Elektronen, welche die Information bezüglich einer kleinen Fläche 20 auf der Probe enthalten, während der Detektor B die Elektronen erfaßt, weiche eine Information bezüglich einer zweiten kleinen Fläche 21 auf der Probe enthalten. Wenn der fokussierte Strahl abgelenkt wird, bewegen sich die hindurchgetretenen Strahlen zu Lagen bzw. Positionen, welche durch die strichlierten Linien dargestellt sind. ,Der Detektor B empfängt nun die Elektronen, welche die Information bezüglich der Fläche 20 tragen. Ausgenommen die Verzögerungszeit, erscheint demzufolge ein Positionsunterschied D gemäß Fig. 2. Das entsprechende Detektorhelligkeitsmodu- . )

lationsausgangssignal ist scheinbar das gleiche. Der Winkel α ist in

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diesem Fall geringer als 10 rad und ist somit nicht groß genug, um elastische und unelastische Elektronen in der Probe zu trennen.

Die Fig. 4 zeigt eine andere Ausgestaltung der Erfindung, bei der nur eine Kathodenstrahlröhre zur Aufzeichnung der beiden Bilder vorgesehen ist. Dies wird durch die Einführung eines Schaltkreises 23 zwischen den Ausgängen der Verstärker 16 und 17 und den Steuergittern der einzelnen

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Kathodenstrahlröhre 22 ermöglicht. Dieser Schaltkreis ist mit dem Signalgenerator 11 für das Ablenksignal synchronisiert. Dadurch, daß nun abwechselnd Signale von den Detektoren 12 und 13 an die Steuergitter der Kathodenstrahlröhre 22 über die Empfänger 16 und 17 gelegt werden, werden auf dem Bildschirm 22s der Kathodenstrahlröhre abwechselnd Bilder aufgezeichnet, welche als einzelnes Bild pro Abtastbild erscheinen. Wenn demzufolge das Kondensorlinsensystem falsch oder inkorrekt eingestellt ist, vibriert das Bild um einen Betrag D, wie es in der Fig. 5 dargestellt ist,. Die korrekte Einstellung, d,h. die Einstellung des Brennpunktes auf den gewünschten Ansatzpunkt ist dann erreicht, wenn das Vibrieren des Bildes aufhört.

In der Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im Prinzip das gleiche ist, wie es in der Fig. 4 schon beschrieben worden ist. Es kommen jedoch unterschiedliche Mittel zur Anwendung. Anstelle des Schaltkreises ist eine mechanische Vibriereinrichtung 24 mit einer Blendenplatte 25 verbunden. Darüber hinaus sind zwei Detektoren 26 und 27 bezüglich der optischen Achse des Mikroskopes symmetrisch angeordnet. Durch Vibrieren bzw. Hin- und Herschwingen der Blendenplatte 25 gelangt immer nur ein Elektronenstrahl,, entweder EB4 oder EB5, durch die Blenden in der Platte, entweder durch 25a oder 25b zu vorgegebenen Zeiten. Demzufolge erscheint ein stationäres oder vibrierendes Bild auf der Kathodenstrahlröhre in Abhängigkeit davon, ob das Kondensor linsensystem korrekt oder nicht korrekt eingestellt ist.

Mit der in der Fig. 7 dargestellten Ausführungsform wird die gleiche Wirkung erzielt, wie mit der Ausführungsform in der Fig. 6. Es wird ein Breitfensterdetektor 28 anstelle von zwei schmalen Detektoren verwendet sowie eine Blendenplatte 27 mit einer einzelnen Blende 27c anstelle der beiden Blenden.

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Eine weitere Ausführungsform ist in der Fig. 8 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist eine Ablenkspule 30 vorgesehen, welche von einer Spannungsquelle 31 gespeist wird. Diese ist mit dem Signalgenerator 11 zur Erzeugung des Ablenksignales verbunden. Hierdurch werden der Schaltkreis und die Vibrationseinrichtungen, welche im vorstehenden beschrieben worden sind, ersetzt.

Schließlich ist in der Fig. 9 ein wesentlicher Teil der Einrichtung schematisch dargestellt, welche zur erleichterten Einstellung des Stigmators dient. Mehrere Detektoren und Blenden,im vorliegenden Fall sechs Detektoren 32, 33, 34, 35, 36 und 37 und sechs Blenden 32a, 33a, 34a, 35a, 36a und 37a,sind symmetrisch um die optische Achse 19 unter der Probe angeordnet. Die Ausgangs signale der entsprechenden Detektoren werden, nachdem sie von den Verstärkern 32c, 33c, 34c, 35c, 36c und 37c verstärkt worden sind, an einen Schaltkreis 38 gelegt. Der Ausgang dieses Schaltkreises wird an das Helligkeitssteuergitter der Kathodenstrahlröhre 22 gelegt. Der Schaltkreis 38 ist mit dem Signalgenerator 11, der das Ablenksignal liefert, synchronisiert.

Wenn ein Linsenastigmatismus vorhanden ist, ändert sich die Brennweite der Linse, da die Azimuthrichtung bezüglich der optischen Achse sich äniert. Wenn daher die Erreger stromquelle 8 für den Stigmator korrekt eingestellt ist, sind die Abstände D-, D„ und D„ gleich, wie es in der Fig. 10 dargestellt ist. Wenn darüber hinaus das Kondensorlinsensystem ebenfalls korrekt eingestellt ist, sind D., D„ und D^ gleich und werden zu Null.

Aufgrund der Erfindung ist es möglich, durch visuelle Beobachtung des Betrages einer Bildverschiebung auf dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre, den Stigmator und die Kondensorlinse durch äußerst einfache Mittel auf optimale Bedingungen einzustellen.

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Claims

Patentansprü ehe

Abtastelektronenmikroskop mit einer Elektronenquelle zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, einem Elektronenlinsensystem zur Fokussierung des Elektronenstrahles auf die Oberfläche einer dünnen Probe, Ablenkmittel zur Abtastung der Oberfläche der Probe mittels des Elektronenstrahles, einem oder mehreren Detektoren zur Erfassung der durch die Probe hindurchgegangenen Elektronen und Aufzeichnungsmittel zur Aufzeichnung von Abtastbildern in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen des bzw. der Detektoren, dadurch gekennzeichnet, daß die in verschiedenen Richtungen durch die Probe hindurchgegangenen Elektronen getrennt von den Detektoren erfaßt werden und daß die Abtasthilder durch die Aufzeichnungsmittel gleichzeitig aufgezeichnet werden.

2. Abtastelektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Detektoren unter der Probe so angeordnet sind, daß die Detektoren, die in verschiedenen Richtungen durch die Probe hindurchgetretenen Elektronen erfassen.

3. Abtastelektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Detektor unter der Probe vorgesehen ist und daß eine Vibriereinrichtung zur Hin- und Herbewegung einer Blende, welche über dem Detektor angeordnet ist, vorgesehen ist.

4. Abtastelektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Detektoren unter der Probe vorgesehen sind und daß zur Hin- und Herbewegung einer über den Detektoren befindlichen Blendenplatte eine Vibriereinrichtung vorgesehen ist.

5. Abtastelektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter der Probe ein Detektor vorgesehen ist und daß Ablenk-

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spulen vorgesehen sind, weiche abwechselnd den Elektronenstrahl so ablenken, daß die Richtung des hindurchgetretenen Elektronenstrahles,,der vom Detektor erfaßt wird, geändert wird.

β, Abtastelektronenmikroskop nach Anspruch ί, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufzeichnungsmittel zwei oder mehrere Kathodenstrahlröhren enthalten, auf denen die Bilder aufgezeichnet werden, welche den in entsprechende Pachtungen verlaufenden hindurchgetretenen Eiektronenstrahien entsprechen.

7. Abtastelektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufzeichnungsmittel eine Kathodenstrahlröhre enthalten zur abwechselnden Aufzeichnung der Bilder, welche den in verschiedenen Pachtungen verlaufenden hindurchgetretenen ElektrönenstraMen entsprechen.

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