DE2418279A1

DE2418279A1 - Elektronenstrahl-abtastinstrument

Info

Publication number: DE2418279A1
Application number: DE2418279A
Authority: DE
Inventors: David Kynaston; Richard Stephen Paden; Peter Irving Tillett
Original assignee: Cambridge Scientific Instruments Ltd
Current assignee: Cambridge Instruments Ltd
Priority date: 1973-04-19
Filing date: 1974-04-16
Publication date: 1974-11-07
Also published as: US3900734A; DE2418279C2; JPS5031770A; GB1441824A

Description

vI/Pz . München-Pullach, 9. April 197¹»

191^2/73

CAMBRIDGE SCIENTIFIC INSTRUMENTS LIMITED, Chesterton Road, Cambridge, CB4 3AW, England'

Elektronenstrahl-Abtastinstrument

Die Erfindung betrifft Elektronenstrahl-Abtastinstrumente, wie beispielsweise Elektronenmikroskope und Röntgenstrahlmikroanalysiergeräte, bei welchen ein scharf gebündelter Strahl oder Abtaststrahl aus Elektronen veranlaßt wird, eine ausgewählte Fläche eines Probestückes in einem rasterförmigen Muster abzutasten.

Die letzte- oder Objektivlinse des den Strahl formenden Systems ist meistens unvermeidlich elektromagnetischer Natur und die Abtastspulen sind bei oder nahe dem Eingangsende der Linse angeordnet. Der Abtastraster ist gewöhnlich rechteckig gestaltet und besteht aus einer Anzahl von Zeilen, die durch eine schnelle Zeilenabtastung und eine langsamere Rasterabtastung sehr ähnlich wie bei einem Fernsehbildraster erzeugt werden. Blickt man in Z-Richtung (d. h. längs der elektronenoptischen Achse), so zeigt der Raster eine gewisse Orientierung in Relation zu dieser Achse und zwar in der Gegend der Abtastspulen und weiter fallen im Geradeausfall die X- und Y-Richtungen, d. h. die Zeilen- und Rasterablenkungen mit den Achsen der jeweiligen Abtastspulenpaare zusammen, obwohl Ablenkschaltungen bekannt sind und auch verwendet wurden, die die Möglichkeit schaffen, die X- und Y-Richtungen über irgendeinen Winkel bis zu 360° um die Z-Achse

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zu drehen, wobei jedoch die orthogonale Beziehung zwischen den Zeilen- und Rastervektoren aufrecht erhalten werden.

Ungeachtet der Orientierung des Rasters in den Bereichen der Wicklungen, wird der Raster um die elektronenoptische Achse einer Drehung unterworfen, bevor er das Probestück erreicht und zwar aufgrund der Wirkung der elektromagnetischen letzten Linse. Das Ausmaß der Drehung hängt von der Erregung der Linse ab, die ihrerseits dann die Brennweite bestimmt. Auf diese Weise hängt die Drehung vom Abstand des Probestücks in Richtung der Achse zum Ausgangs-Polteil der Linse ab, da dieser Abstand die Brennweite bestimmt, auf welche die Linse eingestellt werden muß.

Wenn die Fläche des zu prüfenden Probestückes senkrecht zur elektronenoptischen Achse verläuft (die als Z-Achse bezeichnet werden soll), erfolgt die Drehung des abgetasteten Rasters, die durch diesen Endlinsen-Effekt eingeführt wird, in störender nachteiliger Weise, da durch diese Drehung die Ausrichtung der

Sbjektivtisch
eft- / bewegung gestört wird (der Probestücktisch ist

normalerweise in zwei orthogonalen Richtungen bewegbar, d. h. entlang einer X- und einer Y-Achse mit den Zeilen- und Rasteroder Bildvektoren.

Die Drehung wird jedoch schwerwiegender im Falle eines geneigten oder schrägen Probestücks. In der Elektronenmikroskopie ist es üblich, die abgetastete Probestücksfläche in einem Winkel zum Elektronenstrahl (der Z-Achse) geneigt anzuordnen, der von 90 abweicht und zwar hauptsächlich aus dem Grund, um ein verbessertes sekundäres Elektronensignal oder Röntgenstrahlsignal von einem Detektor zu erhalten, der notwendigerweise auf einer Seite der Achse in Lage gebracht wird. Hierdurch wird eine Verzerrung in dem abgetasteten Raster aufgrund der Vorverkürzung der Dimension eingeführt, die mit der steilsten Neigung koinzidiert (d. h. in einer Richtung auf der Probe Stücks fläche, die in "einer die Z-Achse enthaltenden Senkrechte zu der Fläche am Aufschlagpunkt

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enthaltenden Ebene liegt). Dort, wo entweder die X-Richtung oder die Y-Richtung (d. h. die Zeilen- oder Bildabtastung) des Rasters mit dieser Richtung koinzidieren, entstehen keine grösseren Probleme, da das geeignete Ablenksignal mit einem Korrektursignal multipliziert werden kann, welches vom Kosinus des Neigungswinkels abhängig ist. Dies ist jedoch nur für einen Wert der Brennweite der letzten Linse gültig. Bei anderen Werten wird der Raster mehr oder weniger gedreht und die Verzerrung führt somit zur Entstehung einer parallelogrammartigen oder rhombusartigen Verzerrung des Rasters.

Gemäß einem breiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Verzerrungsproblem, welches aus der Neigung der Probestücksfläche entsteht, dadurch beseitigt, daß man eine Korrektur für den Endlinsen-Effekt zu diesem Zweck einführt, die von irgendwelchen Vorkehrungen oder Maßnahmen unabhängig ist, die zur beliebigen Drehung des Abtastrasters durch Einflußnahme der Bedienungsperson getroffen sein können.

Diese Verzerrungskorrektur wird dadurch erreicht, indem man einen geeigneten Dämpfungsfaktor elektronisch längs der Richtung der steilsten Neigung einführt und zwar ungeachtet der Orientierung des Rasters in Relation zu dieser Richtung (oder indem man einen Verstärkungsfaktor in einer quer zur Neigung verlaufenden Richtung einführt) und indem man gleichzeitig die Ausrichtung des Rasters automatisch vom Arbeitsabstand unabhängig macht.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles unter Hinweis auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die Abtastspulen, die Endlinse und das Probestück in einem Elektronenstrahl-Abtastinstrument;

Fig. 2 eine schematische Ansicht, in Richtung der Z-Achse ge-

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sehen (der Achse des Elektronenstrahls); Fig. 3 einen Schaltplan einer bekannten Korrekturschaltung;

Fig. 4 ein Diagramm, welches den Verzerrungseffekt aufgrund der Neigung der Ebene der Probestücksfläche gegenüber der Z-Achse veranschaulicht; und

Fig. 5 eine Schaltung, die nach der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.

Der Einfachheit halber ist in Figur 1 nur der letzte Teil des strahlenformenden Systems eines Elektronenstrahlinstruments gezeigt, welches beispielsweise ein Abtast-Elektronenmikroskop oder ein Abtast-Röntgenstrahlmikroanalysiergerät sein kann. Ein Elektronenstrahl B wird auf einem Probestück S letztlich fokussiert, wobei die Fläche dieses Probestückes überprüft werden soll. Diese letztliche Fokussierung erfolgt durch eine letzte elektromagnetische Linse, die schematisch im Abschnitt bei L gezeigt ist. Um Abweichungen klein zu halten, sollte die Brennweite der letzten Linse (und daher der Abstand vom unteren Pol desselben zur Probestücksfläche) so kurz wie möglich sein, dies wurde jedoch in Figur 1 übertrieben dargestellt, um die Übersichtlichkeit nicht zu verlieren.

Bei einem Abtastinstrument wird der Strahl veranlaßt, in einem Raster vor und zurück zu laufen, was üblicherweise ähnlich wie bei einem Fernsehraster erfolgt, d. h. es wird eine Anzahl von Z*eilen abgetastet, die zusammen ein rechteckiges Feld oder Fläche ergeben, wozu man Zeilenabtast- und Bildabtastwicklungen FS und LS verwendet, die in der hinteren öffnung der Linse L angeordnet sind. In der Praxis gelangen aus Gründen, die hier nicht weiter interessieren, zwei Sätze von Spulen zur Anwendung und zwar für jede Abtastrichtung, die entlang der Achse des Strahls einen Abstand aufweisen (die als Z-Achse bezeichnet wer-

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den soll), wobei der Strahl zunächst in einer Richtung abgelenkt wird und dann wieder zurückgelenkt wird, wobei jedoch für die durch die Erfindung verfolgten Zwecke jedes Paar der axial im Abstand angeordneten Spulen als eine einzige Spule betrachtet werden kann.

Im einfachsten Fall lenken die Zeilenabtastspulen LS den Strahl in einer Richtung senkrecht zur Z-Achse ab, die als X-Achse bezeichnet werden soll, und die Bildabtastspulen lenken den Strahl in einer dritten Richtung ab, der Y-Achse, senkrecht zu den anderen zwei Achsen. Zu diesem Zweck werden die Spulen mit Sägezahnkippsignalen gespeist, die von den Zeilenabtast- und Bildabtastkippgeneratoren LT und FT stammen.

Die erwähnten Generatoren steuern auch die X- und Y-Ablenkungen des Strahles einer Kathodenstrahlröhre CR oder einer äquivalenten aufzeichnenden Vorrichtung, wobei die Helligkeit des Strahles durch einen Detektor D geregelt wird, der Sekundärelektronen, reflektierte Elektronen oder Röntgenstrahlen empfängt, die von der Stelle des Aufschiagens des Elektronenstrahls B auf die Probestücksfläche ausgehen, so daß auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre CR ein rechteckiges Bild erscheint, welches der abgetastet/Fläche der Probestücksfläche entspricht, wobei der Kontrast dieses Bildes kennzeichnend für die Schwankungen in der Beschaffenheit oder der Topographie der Probestücksfläche über diesem Gebiet oder Fläche ist.

Das Probestück S wird gewöhnlich auf einem Objektivtisch für das Probestück in Lage gebracht (nicht gezeigt) der entlang zweier wechselseitig zueinander orthogonaler Achsen in einer Ebene bewegbar ist, die parallel zur Probestücksfläche verläuft, so daß unterschiedliche Zonen dieser Fläche unter den Strahl gebracht werden können. Der Einfachheit halber sollen diese Achsen mit den Richtungen der X- und Y*-Achsen auf der Probestücks fläche zusammenfallen. Die Ausrichtungen der X- und Y-Achsen auf der

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—. ο —

Probestücksfläche sind jedoch nicht gleich mit denjenigen der Wicklungen bzw. Spulen PS und LS, da.durch den FokussierungsVorgang der letzten Linse L die Elektronen veranlaßt werden, sich in einer spiral-schraubenförmigen Bahn zu bewegen, so daß effektiv der gesamte Raster um die Z-Achse zwischen den Spulen und der Probestücksfläche gedreht wird. Wenn der Arbeitsabstand, d. h. der Abstand von der Probestücksfläche zur letzten Linse fest ist und daher die Erregung der Linse konstant bleibt, besteht

den kann die Möglichkeit, daß dies stattfin/ bzw. dies herbeizuführen, indem man die Abtastspulen PS und LS relativ zu den Objektivtischbewegungen richtig ausrichtet, wenn man zu Beginn das Instrument prüft. Bei Instrumenten in der Praxis ist es jedoch wünschenswert, den Arbeitsabstand ändern zu können.

Figur 2 zeigt einen Raster C und einen Raster C¹, der im Urzeigersinn relativ zum Raster C um einen Winkel ♦ um die Z-Achse gedreht 1st. Es ist nun bekannt, daß die Koordinaten (x, y) irgendeines Punktes P in Bezug auf einen Satz von Achsen X, Y in dem anderen Satz der Koordinaten (x¹, y^f) dargestellt werden kann» so daß

x' = χ cos φ + y sin φ

y' s y cos φ - x sin φ

Es ist somit bekannt, die Signale mit der Größe L und FO aus den zwei Kippgeneratoren LT und FT zu mischen, um daraus neue Signale L¹ und F¹ zu erzeugen, so daß

L* = L cos 4» + F sin ά F' = F cos ψ - L sin φ

Figur 3 zeigt «ine geeignete bekannte Schaltung, die hierfür geeignet ist. Der Wert des Winkels b kann von Hand eingestellt

. person

werden, so daß »ie Bedienungs/den Raster nach Belieben drehen kann» so daß die Zeilenabtastung in irgendeiner Richtung er-

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folgt, welche die Person auswählt. Hierdurch erhält man die Möglichkeit, den Raster mit den Objektivtischbewegungen in Einklang zu bringen bzw. auszurichten (oder mit irgendeinem anderen Merkmal) ohne daß man dadurch die Stellungen der Abtastspulen selbst verändern braucht.

Eine Drehung stellt dort ein ernsteres Problem dar, wo die Ebene der Fläche des Probestücks S nicht mehr senkrecht zur Achse des Strahles B verläuft. Eine derartige Neigung des Probestückes ist häufig wünschenswert, umdidurch das Signal in dem Detektor D zu vergrößern. Dies führt jedoch eine Verzerrung dahingehend ein, daß, wenn die Abmaße des Rasters unverändert gehalten werden, dasjenige Abmaß oder Dimension des Rasters, die entlang der Linie der steilsten Neigung verläuft (d. h. in einer Richtung auf der Probe Stücks fläche, die in einer die Achse des Strahles und die senkrechte auf die Fläche an der Aufschlagstelle enthal-

(welches noch in sich rechteckige ist) tenden Ebene liegt) verkürzt wird und das resultierende Bild/auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre CR verzerrt wird. Wenn entweder die X-Richtung oder Y-Richtung (d. h. die Zeilen- oder Bildabtastung) des Rasters an der Probestücksfläche mit dieser Richtung koinzidiert, besteht kein schwerwiegendes Problem, da das geeignete Ablenksignal mit einem Korrektursignal multipliziert werden kann, welches vom Kosinus des Neigungswinkels abhängig ist.

Dies trifft jedoch nur für einen gegebenen Arbeitsabstand zu. Sobald der Abstand des Probestücks von der letzten Linse verändert wird (und daher auch die Erregung der Linse verändert wird), wird der Raster gedreht.

Es ist richtig, daß die Bedienungsperson den Raster zurück in Ausrichtung mit der Neigung drehen könnte, er hat jedoch dann nicht mehr die Möglichkeit, den Raster frei zu drehen, da dann andere Merkmale mit berücksichtigt werden müssen. Irgendeine nachfolgende Drehung führt eine Verzerrung ein, die derart ist,

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daß eine gegebene abgetastete Zone, die rechteckig oder rechtwinklig sein soll, rhombusförmig oder ballonförmig (kiteshaped) wird. Es sei hervorgehoben, daß das Bild auf'der Kathodenstrahlröhre CR dennoch rechteckig oder rechtwinklig ist, jedoch eine verzerrte Darstellung einer rhombusförmigen oder ballonförmigen abgetasteten Zone der Probestücksfläche ist.

In Figur 5 ist eine Schaltung nach der vorliegenden Erfindung gezeigt, durch die dies elektronisch korrigiert wird, indem eine Korrekturgröße eingeführt wird, die ungeachtet der Orientierung des Rasters relativ zur Linie der steilsten Neigung und ungeachtet der Änderungen im Arbeitsabstand ihre Gültigkeit beibehält.

Gemäß Figur 5 gelangen die Zeilen- und Bildsignale L und F von den Sägezahn-Kippgeneratoren LT und FT unverändert zu den Ablenkschaltungen der Kathodenstrahlröhre CR, wie zuvor. Für die Abtastspulen LS und FS werden die Signale zunächst, wie bereits beschrieben wurde, miteinander und mit Signalen veränderlicher Größe sin θ und cos θ gemischt, um abgeleitete Signale L^f und F^f zu erzeugen, so daß:

L^f = L cos θ + F sin θ F¹ = F cos θ - L sin θ

Dies wird in einer Weise bewerkstelligt, die nicht im einzelnen beschrieben werden braucht, da die erforderlichen Schaltungselemente im Handel erhältlich sind und analoge Multiplizierstufen enthalten, um die Faktoren L cos Θ, F sin θ usw. zu formen und ebenso Addier- und Differenzverstärker , um die Faktoren in geeigneter Weise miteinander zu verbinden bzw. zu kombinieren. Es können beispielsweise Operationsverstärker verwendet werden, wie sie von der Firma Texas Instruments mit der Bezeichnung 702 vertrieben werden. Der Wert von θ befindet sich unter dem Einfluß der Bedienungsperson und kann über einen Bereich von 0 bis

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360 einstellbar gemacht werden.

Die zwei abgeleiteten Signale L¹ und P^f werden zu getrennten unabhängig einstellbaren Dämpfungsnetzwerken A geführt. Sie werden dann erneut gemischt, wobei diesesmal Operationsverstärker in einer leicht unterschiedlichen Weise verwendet werden. Das Signal L¹ gelangt zum Eingang eines Summierverstärkers SAl

und zwar über einen Widerstand mit der Größe r-, wobei der

cos p'

Rückkopplungswiderstand der Verstärker den Widerstandswert R aufweist, so daß das Signal effektiv mit cos φ multipliziert wird, wobei die Ableitung dieser Größe im folgenden beschrieben werden soll. In ähnlicher Weise gelangt das Signal P¹ zum

Addiereingang des gleichen Verstärkers und zwar über einen Witi

derstand mit dem Wert . Die Ausgangsgröße des Verstärkers besteht daher aus L", so daß gilt:

L" = L¹ cos φ + P' sin φ

In ähnlicher Weise wird der invertierte Wert von L¹ (d. h. -L¹)» der von einem invertierenden Verstärker IA erhalten wird, einem zweiten Addierverstärker SA2 zugeführt und zwar zusammen mit dem Signal F¹, was wiederum über Eingangswiderstände mit geeigneten Widerstandswerten erfolgt, um eine Ausgangsgröße F" zu erzeugen, so daß gilt:

F" s P' cos φ - L¹ sin φ

Diese zwei Ausgangsgrößen L" und P^M werden den Abtastspulen LS und PS jeweils zugeführt.

Jeder der Eingangswiderstände mit dem Wert , und r der

zwei Summierverstärker besteht nicht aus einem einzelnen Widerstand, sondern aus einem eine Anzahl von Widerständen mit unterschiedlichen Widerstandswerten entsprechend unterschiedlichen Werten des Winkels φ und dieser Widerstandswert wird über einen

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vielstufigen Schalter ausgewählt, der mit einem Schalter gekoppelt ist, durch den unterschiedliche Werte des Erregerstromes der letzten Linse L ausgewählt werden. Die Werte sind so ausgesucht, daß für irgendeinen Wert des Erregerstromes die durch die Summierverstärker SAl und SA2 eingeführte Korrekturgröße, d. h. die Ableitung der Signale L" und P" von den Signalen L¹ und P¹, gerade den Betrag ausmacht, der zur Beseitigung der Drehung φ des Rasters erforderlich ist, die durch die letzte Linse L eingeführt wird. Gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel sind vierundzwanzig getrennte Werte vorhanden, die für jeden der Eingangswiderstände ausgewählt werden können. Bei einer alternativen Ausführungsform mit geeigneten gewickelten Potentiometern erfolgt die Veränderung stufenlos, obwohl die Wicklung des Potentiometers schwierig ist und zwar im Hinblick auf die Tatsache, daß die Veränderung der Brennweite mit der Erregung nicht linear erfolgt.

Die Winkellage des Rasters bei der Probestücksfläche ist somit von dem Arbeitsabstand unabhängig. Die Bewegungen in X- und Y-Richtung des Objektivtisches sind mit den Zeilen- und Abtastrichtungen der Spulen LS und PS während der anfänglichen Einstellung des Gerätes ausgerichtet. Wenn nunmehr das Probestück hinsichtlich seiner Linie mit der steilsten Neigung entweder in der X-Richtung oder in der Y-Richtung geneigt wird, läßt sich die durch das Neigen eingeführte Verzerrung empirisch dadurch korri-

das
gieren, indem man das eine oder/andere der Dämpfungsglieder A einstellt (wobei man anstelle der Dämpfungsglieder auch Verstärker verwenden kann).

Wenn dies durchgeführt ist und wenn die Dämpfungsglieder A danach nicht mehr verändert werden, stellt man fest, daß der Winkel θ soweit wie dies gewünscht wird verändert werden kann, d. h. der Raster kann vollständig frei gedreht werden, ohne daß dadurch die Orthogonalität des Rasters beeinflußt wird und also das Bild am Bildschirm der Kathodenstrahlröhre CR (welches ohnehin immer rechteckig geblieben ist) ein wirkliches und verzerrung^freies Bild der abgestasteten Zone auf der Probestücksfläche wiedergibt.

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Dies bleibt auch durch Änderungen in dem Arbeitsabstand unbeeinflußt.

Es läßt sich einsehen, daß das eine gewisse Trapezverzerrung durch die Neigung des Probestücks eingeführt wird, was jedoch ebenfalls durch andere Mittel bzw. Maßnahmen korrigiert werden kann, die nicht gezeigt sind und nicht direkt Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind und die auf einer automatischen Dämpfung der quer zur Neigung verlaufenden Komponente (acrossthe-slope component) des Signals um einen Betrag basieren, der sich mit der Größe der abwärts zur Neigung gerichteten Komponente (down-the-slope) verändert.

Wenn aus irgendeinem Grund der Neigungswinkel des Probestückes geändert wird oder wenn die Richtung der Neigung geändert wird, so wird eine Verzerrung eingeführt, die jedoch erneut durch zeitweiliges Drehen des Rasters (durch Regelung des Winkels Θ) korrigiert werden kann, bis die X-Achse oder die Y-Achse mit der Richtung der steilsten Neigung koinzidiert und indem man dann einen oder beide Dämpfungsglieder A einstellt. Wenn dies durchgeführt ist, kann die Bedienungsperson den Raster in irgendeiner Lage, die gewünscht wird, drehen, ohne daß dadurch irgendeine Verzerrung eingeführt wird.

Sämtliche in der Beschreibung erkennbaren und in den Zeichnungen dargestellten technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

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Claims

2418779 PATENTANSPRÜCHE

1.)Elektronenstrahl-Abtastinstrument, wie beispielsweise Elektronenmikroskop oder Elektronenstrahlmikroanalysiergerät mit einem elektronenoptischen System für die Erzeugung eines scharf fokussierten Elektronenstrahls und mit einer letzten Fokussierlinse, weiter mit Abtastspulen, die den Elektronenstrahl seitlieh in zwei zueinander im rechten Winkel verlaufenden Richtungen ab »lenken, so daß dadurch ein Bereich einer ProbeStücksfläche in einer rasterähnlichen Weise abgetastet wird, mit Kippgeneratoren, welche die Abtastspulen mit Sägezahn ablenksignalen speisen und gleichzeitig die Ablenkeinrichtungen einer zweidimensionalen Anzeigevorrichtung steuern, wie beispielsweise einerKathodenstrahlröhre, weiter mit Signal-Mischeinrichtungen zum Mischen der Signale aus den zwei Kippgeneratoren zur Erzeugung von abgeleiteten Signalen, welche zu den Abtastwicklungen geleitet werden, wobei die Signalmischeinrichtungen derart einstellbar sind, daß die effektive Ausrichtung oder Orientierung des Abtastrasters um die Strahlenachse verändert werden kann, gekennzeichnet durch folgende Einrichtungen und Merkmale: durch eine Steuereinrichtung , die automatisch die Signal-Mischeinrichtungen (SAl, SA2, IA) in Abhängigkeit von der Erregung der letzten Linse (L) derart steuert, daß die Orientierung bzw. Ausrichtung des Rasters unabhängig vom Fokussierabstand des Probestücks zur letzten Linse (L)

wird, und veränderliche Dämpfungsglieder (A), die zwischen den Kippgeneratoren (LT, FT) und der Signalmischeinrichtung (SAl, SA2) geschaltet sind.

2.* Elektronenstrahl-Abtastinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weitere ansich bekannte Signalmischeinrichtungen vorgesehen sind, die von Hand steuerbar sind und zwischen den Kippgeneratoren (LT, FT) und den Dämpfungsgliedern (A) angeordnet sind.

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