DE2418279C2 - Elektronenstrahl-Abtastinstrument - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektronenstrahl-Abtastinstrument mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Die letzte Fokussierlinse, auch Objektivlinse genannt, des den Strahl formenden Systems ist meistens unvermeidlich eine elektromagnetische Linse und die Ablenkspulen sind bei oder nahe dem Eingangsende der Linse angeordnet. Das Abtastraster ist rechteckig und besteht aus einer Anzahl von Zeilen, die durch eine schnelle Zeilenabtastung und eine langsamere Bildabtastung sehr ähnlich wie bei einem Fernsehbildraster erzeugt werden. Blickt man in Z-Richtung (d.h. längs der elektronenoptischen Achse), so zeigt das Raster am Ort eo der Ablenkspulen eine gewisse Orientierung in Relation zu dieser Achse. In der Regel fallen die X- und y-Richtungen, d.h. die Zeilen- und Bildablenkungen mit den Achsen der jeweiligen Ablenkspulenpaare zusammen, obwohl Ablenkschaltungen bekannt sind und auch verwendet wurden, die die Möglichkeit schaffen, die X- und K-Richtungen über irgendeinen Winkel bis zu 360° um die Z-Achse zu drehen, wobei jedoch die orthogonale Beziehung zwischen den Zeilen- und Bildablenkungen aufrecht erhalten werden.

Ungeachtet der Orientierung des Rasters in den Bereichen der Ablenkspulen, wird das Raster um die elektronenoptische Achse einer Drehung unterworfen, bevor es die Probe 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 der Probe vom Ausgangs-Polteil der Linse in Richtung der Achse ab, da dieser Abstand die Brennweite bestimmt, aufweiche die Linse eingestellt werden muß.

Wenn die Fläche der zu prüfenden Probe senkrecht zur elektronenoptischen Achse verläuft (die als Z-Achse bezeichnet werden soll), erfolgt die Drehung des Rasters, die durch diesen Endiinsen-ElTekt eingeführt wird, in störender nachteiliger Weise, da durch diese Drehung die Ausrichtung der Bewegung des Objekttisches, der die Probe trag!, gestört wird (der Objekttisch isl normalerweise in zwei orthogonalen Richtungen bewegbar, und zwar entlang der X- und der /-Achse, also entlang den Zeilen- und Bildablenkungen.

Die Drehung wird jedoch schwerwiegender im Falle einer geneigten oder schrägen Probe. In der Rasterelektronenmikroskopie ist es üblich, die abgetastete Probenlläche in einem Winkel zum Elektronenstrahl (der Z-Achsr) 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 Probenfläche, die in einer die Z-Achse und die Senkrechte zu der Probenfläche am Aufschlagpunkt enthaltenden Ebene liegt). Dort, wo entweder die ^-Richtung oder die K-Richtung (d. h. die Zeilen- oder Bildabtastung) des Rasters mit dieser Richtung koinzidieren, entstehen keine größeren Probleme, da das entsprechende 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 das Raster mehr oder weniger gedreht und die Verdrehung führt somit zur Entstehung einer parallelogrammierten oder rhombusartigen Verzerrung des Rasters.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Elektronenstrahl-Abtastinstmment der eingangs genannten Art, die aus der Neigung der Probenfläche herrührende Verzerrung des Abtastrasters unabhängig von der Brennweite der letzten Fokussierlinse zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist im Anspruch 2 gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die Ablenkspulen, die Endlinse und die Probe in einem Elektronenstrahl-Abtastinstrument;

Fig. 2 eine schematische Ansicht, in Richtung der Z-Achse gesehen (der Achse des Elektronenstrahls);

Fig. 3 einen Schaltplan einer bekannten Korrekturschaltung;

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

Fig. 5 eine Schaltung für ein Ausluhrungsi«ispiel der Erfindung.

Der Einfachheit halber ist in Fig. 1 nur der letzte Teil des strahlenformenden Systems eines Elektronenstrahlinstruments gezeigt, welches beispielsweise ein Abtast-Elektronenmikroskop oder ein Abtast-Röntgeiistrahlrnikroanalysiergerät sein kann. Ein Elektronenstrahl B wird auf eine Probe S letztlich fokussiert, wobei die Fläche dieser Probe 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 Probenfläche) so kurz wie möglich sein, dies *urde jedoch in Fig. 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 Zeilen abgetastet, die zusammen ein rechteckiges Feld ergeben, wozu man Zeilenabtast- und Bildabtastspulen 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 werden soll), wobei der Strahl zunächst in einer Richtung abgelenkt wird und dann wieder zurückgelenkt wird, wobei jedoch hier 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 .Y-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 A"-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 ?uf die Probenfläche ausgehen, so daß auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre CR ein rechteckiges Bild erscheint, welches der abgetasteten Fläche d^r Probe entspricht, wobei der Kontrast dieses Bildes kennzeichnend für die Schwankungen in der Beschaffenheit oder der Topographie der Probenfläche über dieser Fläche ist.

Die Probe S wird gewöhnlich auf einem Objekttisch in Lage gebracht (nicht gezeigt) der entlang zweier wechselseitig zueinander orthogonaler Achsen in einer Ebene bewegbar ist, die parallel zur Probenfläche 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 Probenfläche zusammenfallen. Die Ausrichtungen der A"-und y-Achsen auf der Probenfläche sind jedoch nicht gleich mit denjenigen der Spulen FS 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 das gesamte Raster um die Z-Achse zwischen den Spulen und der Probenfläche gedreht wird. Wenn der Arbeitsabstand, d.h. Abstand von der Probenfläche zur letzten Linse fest ist und daher die Erregung der Linse konstant bleibt, besteht die Möglichkeit, die Abtastspulen FS und LS relativ zu den Objekttischbewegungen richtig auszurichten, wenn man zu Beginn das Instrument prüft. Bei Instrumenten in der Praxis ist es jedoch wünschenswert, den Arbeitsabstand ändern zu können. Fig. 2 zeigt ein Raster C und ein Raster C", das im Uhrzeigersinn relativ zum Raster C um einen Winkel φ um die Z-Achse gedreht ist. Es ist nun bekannt, daß die Koordinaten (*, y) irgendeines Punkts P in bezug auf einen Satz von Achsen X, Y in dem anderen Satz der Koordinaten (*', /) dargestellt werden kann, so daß

λ'' = Λ' cos φ +y sin φ y' =y cos φ—χ sin φ

Es ist somit bekannt, die Signale mit der Größe L und F aus den zwei Kippgenratoren LTund F7"zu mischen, um daraus neue Signale L und F zu erzeugen, so daß

L = L cos φ + F sin ψ F = F cos φ — L sin ψ

Fig. 3 zeigt eine geeignete bekannte Schaltung, die hierfür geeignet ist. Der Wert des Winkels ψ kann von Hand eingestellt werden, so daß die Bedienungsperson das Raster nach Belieben drehen kann, so daß die Zeilenabtastung in irgendeiner Richtung erfolgt, welche die Person auswählt. Hierdurch erhält man die Möglichkeit, das Raster mit den Objekttischbewegungen in Einklang zu bringen bzw. auszurichten (oder mit irgendeinem anderen Merkmal) ohne daß man dadurch die Stellungen der Ablenkspulen selbst verändern braucht.

Eine Drehung stellt dort ein ernsteres Problem dar, wo die Ebene der Fläche der Probe S nicht mehr senkrecht zur Achse des Strahles B verläuft. Eine derartige Neigung der Probe ist häufig wünschenswert, um dadurch 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 des Rasters, das entlang der Linie der steilsten Neigung verläuft (d. h. in einer Richtung auf der Probenfläche, die in einer die Achse des Strahles und die Senkrechte auf die Fläche an der Aufschlagstelle enthaltenden Ebene liegt) verkürzt wird und das resultierende Bild (welches noch in sich rechteckig ist) auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre CR verzerrt wird. Wenn entweder die Ä'-Richtung oder y-Richtung (d.h. die Zeilen- oder Bildabtastung) des Rasters an der Probenfläche mit dieser Richtung koinzidiert, besteht kein schwerwiegendes Problem, da das entsprechende 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 der Probe von der letzten Linse verändert wird (und daher auch die Erregung der Linse verändert wird), wird das Raster gedreht.

Es ist richtig, daß die Bedienungsperson das Raster zurück in Ausrichtung mit der Neigung drehen könnte, sie hat jedoch dann nicht mehr die Möglichkeit, das Raster frei zu drehen, da dann andere Merkmale mit berücksichtigt werden·müssen. Irgendeine nachfolgende Drehung führt eine Verzerrung ein, die derart ist, daß eine gegebene abgetastete Zone, die rechteckig oder rechtwinklig sein soll, rhombusförmig oder ballonförmig wird. Es sei hervorgehoben, daß das Bild auf der Katho-

denstrahlröhre CR dennoch rechteckig oder rechtwinklig ist, jedoch eine verzerrte Darstellung einer rhombusförmigen oder ballonförmigen abgetasteten Zone der Probenfläche ist.

In Fig. 5 ist eine Schaltung für ein Ausführungsbeispiel 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 Fig. 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 Ablenkspulen LS und FS werden die Signale zunächst, wie bereits beschrieben wurde, miteinander und mit Signalen veränderlicher Größe sin 0 und cos 0 gemischt, um abgeleitete Signale L und F' zu erzeugen, so daß:

L' = LcosO + F sin0
F = Fcos0-Z.sin0

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 0, F sin 0 usw. zu formen und ebenso Addier- und Differenzverstärker, um die Faktoren in geeigneter Weise miteinander zu verbinden bzw. zu kombinieren. Der Wert von 0 befindet sich unter dem Einfluß der Bedienungsperson und kann über einen Bereich von 0 bis 360° einstellbar gemacht werden.

Die zwei abgeleiteten Signale L' und 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 L' gelangt zum Eingang eines Summierverstärkers SA1, und

zwar über einen Widerstand mit der Größe , wobei

COS(Jl

der Rückkopplungswiderstand der Verstärker den Widerstandswert R aufweist, so daß das Signal effektiv mit cos ψ multipliziert wird, wobei die Ableitung dieser Größe im folgenden beschrieben werden soll. In ähnlicher Weise gelangt das Signal F zum Addiereingang des gleichen Verstärkers, und zwar über einen Widerstand mit

dein Wert -—. Die Ausgangsgröße des Verstärkers besinip

steht daher aus L", so daß gilt:

L" - L cos ψ + F sin 0
In ähnlicher Weise wird der invertierte Wert von L und

sin φ

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 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 SA\ und SA 2 eingeführte Korrekturgröße, d. h. die Ableitung der Signale L" und F" von den Signalen L' und F, 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 Auslührungsbeispiel 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 auf der Probenfläche ist somit von dem Arbeitsabstand unabhängig. Die Bewegungen in X- und X-Richtung des Objekttisches sind mit den Zeilen- und Abtastrichtungen der Spulen LS und FS 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 K-Richtung geneigt wird, läßt sich die durch das Neigen eingeführte Verzerrung empirisch dadurch korrigieren, indem man das eine oder das 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 0 soweit wie dies gewünscht wird verändert werden kann, d. h. das 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 verzerrungsfreies Bild der abgetasteten Zone auf der Probenfläche wiedergibt. Dies bleibt auch durch Änderungen in dem Arbeitsabstand unbeeinflußt.

Es läßt sich einsehen, daß das eine gewisse Trapezverzerrung durch die Neigung der Probe eingeführt wird, was jedoch ebenfalls durch andere Mitte] bzw. Maßnahmen korrigiert werden kann, die nicht gezeigt sind und nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind und die auf einer automatischen Dämpfung der quer zur Neigung verlaufenden Komponente des Signals um einen

(d.h. -L'), der von einem invertierten Verstärker IA 55 Betrag basieren, der sich mit der Größe der abwärts zur erhalten wird, einem zweiten Addierverstärker SA2 züge- Neigung gerichteten Komponente verändert.

Wenn aus irgendeinem Grund der Neigungswinkel der Probe 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 0) korrigiert werden kann, bis die X-Achse oder die X-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 das Raster in irgendeiner Lage, die gewünscht wird, drehen, ohne daß dadurch irgendeine Verzerrung eingeführt wird.

führt, und zwar zusammen mit dem Signal F, was wiederum über Eingangswiderstände mit geeigneten Widerstandswerten erfolgt, um eine Ausgangsgröße F' zu erzeugen, so daß gilt:

F" = F cos ψ — L' sin φ

Diese zwei Ausgangsgrößen L" und F' werden den Abtastspulen LS und FS jeweils zugeführt.

Jeder der Eingangswiderstände mit dem Wert

cos φ

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektronenstrahl-Abtastinstrument, wie beispielsweise Abtast-Elektronenmikroskop oder Eiektronenstrahlmikroanalysiergerät, mit einem elektronenoptischen System fur die Erzeugung eines scharf fokussierten Elektronenstrahls, das eine letzte, vor einer Probe angeordnete Fokussierlinse aufweist, mit Ablenkspulen, die den Elektronenstrahl seitlich in zwei zueinander im rechten Winkel verlaufenden Richtungen ablenken, so daß dadurch ein Bereich der Probenfläche in einer rasterähnlichen Weise abgetastet wird, mit zwei Kippgeneratoren, welche die Ablenkspulen mit Sägezahnablenksignalen speisen und gleichzeitig die Ablenkeinrichtungen einer zweidimensionalen Anzeigevorrichtung, wie beispielsweise einer Kathodenstrahlröhre, steuern, mit Signal-Mischeinrichtungen zum Mischen der Signale aus den zwei Kippgeneratoren zur Erzeugung von abgeleiteten Signalen, welche zu den Ablenkspulen geleitet werden, bei dem die Signalmischeinrichtungen derart einstellbar sind, daß die Orientierung des Abtastrasters um die Elektronenstrahlachse verändert werden kann, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung, die automatisch die Signal-M ischeinrichtungen (SA 1, SA 2, IA ) in Abhängigkeit von der Erregung der letzten Fokussierlinse (L) derart steuert, daß die Orientierung des Abtastrasters um die Elektronenstrahlachse unabhängig vom Fokussierabstand der Probe zur letzten Fokussierlinse (L) wird, und durch veränderliche Dämpfungsglieder (A), die zwischen den Kippgeneratoren (LT, FT) und den Signalmischeinrichtungen (Sa 1, SAl) geschaltet sind.

2. Elektronenstrahl-Abtaslinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weitere an sich bekannte Signalmischeinrichtungen vorgesehen sind, die von Hand steuerbar sind und zwischen den Kippgeneratoren (LT, FT) und den Dämpfungsgliedem (A) angeordnet sind.