DE2436160C3

DE2436160C3 - Rasterelektronenmikroskop

Info

Publication number: DE2436160C3
Application number: DE2436160A
Authority: DE
Inventors: Yasushi Akishima Tokio Kokubo (Japan)
Original assignee: Nihon Denshi KK
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1973-07-27
Filing date: 1974-07-26
Publication date: 1978-11-23
Also published as: DE2436160A1; FR2220871B1; US4068123A; DE2436160B2; FR2220871A1

Description

50

Die Erfindung betrifft ein Rasterelektronenmikroskop mit einem elektronenoptischen System zur Fokussierung eines in einer Elektronenstrahlquelle erzeugten Elektronenstrahles und zur Abtastung einer Probe mittels des Elektronenstrahls, mit mehreren ringförmigen Detektoren zum Erfassen der durch die Probe hindurchgestrahlten bzw. von der Probe gestreuten Elektronen, deren gemeinsame Achse mit der optischen Achse des elektrcnenoptischen Systems oder mit dem Mittelsträhl der rückgestreuten Elektronen ^o zusammenfällt, mit einer Signalverarbeitungseinrichtung für die Ausgangssignale der Detektoren und mit Aufzeichnungsmitteln für ein Rasterbild auf einer Kathodenstrahlröhre, welche mit dem abtastenden Elektronenstrahl synchronisiert ist und deren Helligkeit in Abhängigkeit von den durch die Signalverarbeitungseinrichtung gesteuerten Ausgangssignalen der Detektoren moduliert wird.

Ein derartiges Rasterelektronenmikroskop ist be-Kannt (DE-OS 21 10 325).

Bei einem Rasterelektronenmikroskop hängt das Auflösungsvermögen und die Bildschärfe des Probenbildes zum größten Teil davon ab, wie die Elektronen, welche von der Probe bei der Elektronenbestrahlung ausgesendet werden, empfangen und weiterverarbeitet werden.

Wenn man beispielsweise Elektronen empfängt, die durch eine Dünnfilmprobe hindurchgeschickt worden sind, ist das Dunkelfeldbild, das man beim Empfangen der gestreuten, hindurchgegangenen Elektronen erhält, gewöhnlich besser bezüglich der Bildschärfe und der Auflösung als das Hellfeldbild, das man beim Empfangen der ungestreuten Elektronen erhält

Es ist seit neuestem möglich geworden. Atome zu beobachten, indem man die elastisch und unelastisch gestreuten Elektronen trennt und empfängt Ein entsprechendes Rasterelektronenmikroskop ist aus der eingangs genannten DE-OS 21 10 325 bekannt Da es jedoch hierzu notwendig ist, einen gestreuten Elektronenstrahl, der einen Winkel von 50 bis ungefähr 100 m rad. aufweist, zu empfangen, ist die Intensität des Strahles äußerst gering.

Bei kristallinen Dünnfilmproben erhält man Rasterbilder, indem man die Beugungselektronen, welche von den Gitterebenen der kristallinen Probe in eine bestimmte Richtung gestreut worden sind, verwendet Aber auch hier ist die erhaltene Signalintensität äußerst schwach im Vergleich zu der Dunkelfeldmethode, bei der alle Beugungselektronen erfaßt bzw. empfangen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Signalverarbeitungseinrichtung eines Rasterelektronenmikroskop der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Rasterbilder, die ausgewählten Elemente der Probe entsprechen, ausgewählt werden können.

" Diese Aufgabe wird bei einem Rasterelektronenmikroskop der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die Signalverarbeitungseinrichtung eine Vergleicherschaltung zum Vergleichen des Signalverhältnisses von zwei Ausgangssignaien der ringförmigen Detektoren mit einem konstanten Signal sowie ferner Steuerungseinrichtungen enthält zum Ansteuern von zwischen die Kathodenstrahlröhren und die ringförmigen Detektoren geschalteten Torschaltungen in Abhängigkeit vom Ausgang der Vergleicherschaltung.

Da das Quadrat des atomaren Streufaktors proportional zur Ausgangsintensität der Elektronenstrahldetektoren ist läßt sich durch das Bilden des Verhältnisses zweier Detektorausgänge und durch Vergleich dieses Verhältniswertes mit einem konstanten Bezugswert eine Zuordnung dieser Detektorausgangssignale zu einem bestimmten Element innerhalb der Probe gewinnen.

Daher ist es möglich, Rasterbilder zu erhalten, welche ausgewählten Elementen zugeordnet sind, indem die gestreuten Elektronen, welche nur den Atomen von ausgewählten Elementen zugeordnet sind, ausgewählt werden.

Ferner ermöglicht es die Erfindung, Durchstrahlungsbilder von kristallinen Proben, welche in Filmform vorliegen, unter Verwendung einer relativ hohen Intensität der Elektronen zu erhalten. Diese Bilder enthalten eine skelettartige Information, welche der kristallinen Probe zugeordnet ist.

In den Figuren sind bevorzugte Ausführungsbeispiele

der Erfindung dargestellt Es soll anhand dieser Ausführungsbeispiele die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 in schematicher Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Rasterelektronenmikroskops gemäß der Erfindung,

Fig.2 eine schematische Darstellung eines Detektors, der bei dem Rasterelektronenmikroskop in der F i g. 1 zur Anwendung kommt,

Fig.3 eine Kurvendarstellung zur Erläuterung des erfindungsgiinäßen Prinzips,

Fig.4, 5 und 6 schematische Darstellungen weiterer bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung und

Fig.7 eine schematische Darstellung eines weiteren Detektors, der bei der Erfindung Anwendung finden kann.

In der F i g. 1 ist eine Elektronenstrahlquelle 1 mit hoher Helligkeit dargestellt Es handelt sich hierbei um eine Feldemasionsetektronenstrahlquelle. Ein Elektronenstrahl 2, der von der Elektronenstrahlquelle erzeugt wird, wird zu einem Fleck auf einem dünnen Film einer Probe 3 fokussiert

Zur Fokussierung dient eine Kondensorlinse 4. Gleichzeitig tastet der Elektronenstrahl 2 eine Mikrofläche bzw. einen Mikrobereich der Probenoberfläche ab. Diese Abtastung erfolgt aufgrund des Betriebes von Ablenkspulen 5X und 5 Y, welche von einem Abtastsignalgenerator 6 gespeist werden. Als Folge hiervon werden mehrere Elektronenstrahlen Fi, E₂, £3, Et, usw. unter Winkeln <xi, «2t «3, «4 usw. gegenüber der optischen Achse 7 gestreut Diese gestreuten Elektronen werden von ringförmigen Detektoren 8a, 8a, 8c; 80 usw. empfangen. Diese Detektoren sind unterhalb der Probe angeordnet, also in Strahlrichtung gesehen der Probe nachgeordnet Für diese Detektoren werden beispielsweise Halbleiterdetektoren mit pn-Übergängen od. dgl. verwendet Die Detektoren sind so angeordnet, daß ihre gemeinsame Achse mit der optischen Achse 7 zusammenfällt, wie das in der F i g. 2 dargestellt ist Zwei der Ausgänge der ringförmigen Detektoren werden mittels Verstärker 9 und 10 verstärkt und danach mittels einer Signalverarbeitungseinrichtung 11 verarbeitet Das verarbeitete Signal wird an eine Kathodenstrahlröhre 12 als Helligkeitsmodulationssignal gelegt Ablenkspulen \3X und 13 Y werden mit Abtastsignalen vom Abtastsignalgenerator 6 versorgt Es handelt sich hierbei um den gleichen Abtastsignalgenerator, der auch die Ablenkspulen 5X und 5 Y beliefert Da diese Signale synchronisiert sind, erscheint ein Rasterbild der Probe von den hindurchgetretenen Elektronen auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre 12.

Die Signalverarbeitungseinrichtung U enthält zwei Torschaltungen 14 und IS, welche zwischen den Verstärkern 9 und 10 und der Kathodenstrahlröhre 12 geschaltet sind. Diese Torschaltungen werden mittels einer Dividierschaltung 16, einer Vergleicherschaltung 17 und einer Polaritätsumkehrschaltung 18 angesteuert. Die Wirkungsweise der Signalverarbeitungseinrichtung U soll Im folgenden in Verbindung mit der Fig.3 erläutert werden.

In der F i g. 3 ist auf der Abszisse der Streuwinkel θ der hindurchgetretenen Elektronen und auf der Ordinate der atomare Streufaktor fe (B) aufgezeichnet. Das Quadrat des atomaren Streufaktors ist proportional zur Ausgangsintensität des Elektronenstrahldetektors. Die drei Kurvendarstellungen zeigen die Beziehung zwischen Au. Cu und Al. welche mit einem 100-KeV-

Elektronenstrahl bestrahlt worden sind

Es sei angenommen, daß die Probe aus zwei Elementen besteht, beispielsweise Au und Cu und daß die hindurchgetretenen Elektronen, welche einen Streuwinkel e,*=7,4m-rad. aufweisen, empfangen worden sind. Der Bildkontrast der beiden Elemente ist

gleich (χα/Γ )

"· wenn ferner der Streuwinkel

der hindurchgetretenen Elektronen θ«= 18,5 m - rad. ist so ist der Bildkontrast der beiden Elemente gleich

T²TfJ =43- Hieraus wird ersichtlich, daß bei steigendem θ der Bildkontrast ebenfalls anwächst Das Anwachsen des Kontrastes hat jedoch einen unvermeidbaren Nachteil bezüglich der Signalintensität und bezüglich des Signalrauschverhältnisses des Detektorausganges.

Bei dem Ausführungsbeispiel in der F i g. 1 ist es möglich, zwei Signale, welche den Streuwinkeln Θα und Θβ entsprechen, zu erhalten, indem man mittels Umschaltern 19 und 20 entsprechend umschaltet. Das Verhältnis der beiden Signale wird in der Dividierschaltung 16 ermittelt Demgemäß gelangt ein Empfangssignal, das entweder dem Winkel Θα oder Ba entspricht durch die Torschaltungen und erreicht die Kathodenstrahlröhre als Helligkeitsmodulationssignal.

Wenn der Elektronenstrahl von Au-Atomen gestreut wird, ist die Intensität des empfangenen Signals -α⁵- gleich(ViO^ "6,25. Für den Fall von Cu-Atomen

ist das Verhältnis der Intensitäten der empfangenen

Signale -|*- gleich (^Y = 7,84. Demgemäß unterem \1,43/

scheidet das Ausgangssignal der Vergleicherschaltung 17 zwischen Au- und Cu-Atomen, indem sie den ungefähren Mittelwert von 6,25 und 7,84, d.h. 7 als Referenzsignal, verwendet Wenn der Ausgang der Dividierschaltung 16 geringer als 7 ist, wird die Torschaltung 14 in offenem Zustand gehalten und die Torschaltung 15 ist in geschlossenem Zustand. Dies erfolgt aufgrund der Vergleichsschaltung 17 und der Polaritätsumkehrschaltung 18. Wenn andererseits der Ausgang der Dividierschaltung 16 höher ist als 7, befindet sich die Torschaltung 14 im geschlossenen Zustand und die Torschaltung 15 ist geöffnet. Demgemäß wird der Bildkontrast der Au- und Cu-Atonie /792\²

f -TTj). was etwa 30 entspricht Dies bedeutet einen bedeutend höheren Kontrast als er beim Stand der Technik erzielt wird. Darüber hinaus erhält man eine Verbesserung beim Signalrauschverhältnis, da die starke Intensität der Elektronen, welche einen ziemlichen kleinen Streuwinkel aufweisen, erfaßt bzw. empfangen werden und für das Bildsignal verwendet werden.

Die F i g. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches mehrere Kathodenstrahlröhren aufweist Hierbei bildet jede Kathodenstrahlröhre ein Probenbild ab, das einem speziellen Element zugeordnet ist Bei dieser Vorrichtung ist die Probe 3 im Linsenfeld einer stark erregten Linse 21 angeordnet, wie es bei Rasterelektronenmikroskopen bekannt ist (DT-OS 21 16 289). Durch die starke Erregung der Linse 21 zeigt das Linsenfeld einen Dreifachlinseneffckt, was durch die Linsen 21a, 2tb und 21c angedeutet ist. Der von der Elektronenstrahlquelle I erzeugte Elektronenstrahl 2 wird mittels der Kondensorlinse 4 und der Scheinlinse 21a auf die Probe fokussiert. Die durch die

Probe hindurchgetreienen Elektronen werden, wenn die Probe kristallin ist, in einer rückwärtigen Brennpunktebene 71 der Scheinlinse 21 ö in ein Beugungsmuster geformt. Dies erfolgt durch die Wirkung der Scheinlinse 21 b. Ferner wird das von der Scheinlinse 210 gebildete Beugungsmuster durch die Scheinlinse 21 ein vergrößertem Maßstab in der Detektorebene erzeugt.

Die Beugungsmuster bzw. Beugungsbilder bleiben dieselben, unabhängig von der Stelle auf der Probenoberfläche, auf welche der Elektronenstrahl gerichtet ist. Demgemäß ist es möglich, Elektronenstrahlen zu erfassen, deren Beugungswinkel äußerst gering ist, wobei man ringförmige Detektoren verwenden kann, welche vergleichsweise große Durchmesser aufweisen.

Die Ausgangssignale der Detektoren 8a, 86, und 8d werden von Verstärkern 23. 24, 25 und 26 verstärkt bevor sie in die Dividierschaltungen gelangen, wo ihre Intensitätsverhältnisse errechnet werden. Danach werden diese Signale in den Vergleicherschaltungen mit bestimmten Referenzwerten Pu P₂ und P₃ verglichen. Wenn eines der Signale gleich Pu P7 oder P3 ist wird das fragliche Signal an eine der drei Torschaltungen 33, 34, 35 weitergeleitet, welche sich hierbei im geöffneten Zustand befindet.

Zu dem Zeitpunkt, zu welchem der Elektronenstrahl über dem Bereich der Probe tastet welcher Au-Atome enthält, ist das Intensitätsverhältnis der Ausgänge der Detektoren 8a und Sb gleich dem Wert P\ und die Torschaltung 33 ist vom Ausgang der Vergleicherschaltung 30 geöffnet. Das gleiche gilt auch dann, wenn der Elektronenstrahl über einem Bereich der Probe tastet der Cu- oder Al-Atome aufweist. Es wird dann die Torschaltung 34 bzw. 35 vom Ausgang der Vergleicherschaltung 31 bzw. 32 geöffnet Folglich werden die Probenbilder von Au, Cu und Al auf entsprechenden Bildschirmen der Kathodenstrahlröhren 36, 37 und 38 dargestellt. Da das Helligkeitsmodulationssignal des Probenbildes vom ringförmigen Detektor 8a, der Elektronen mit starker intensität und geringem Streuwinkel erfaßt, erhalten wird, hat das Probenbild ein hohes Signalrauschverhältnis.

Unter Berücksichtigung der Breite der ringförmigen Deiektoren bzw. von Empfangsfehlern erstrecken sich die Referenzwerte bzw. Vergleichswerte von Pu P₂ und Pi über einen bestimmten Bereich,d. h. über

Pi - Δ ~ P, + Δ, P₂-A- P₂+Δ, P₃- Δ ~ P₃ + Δ etc.

Die F i g. 5 und 6 zeigen Ausführungsbeispiele, welche geeignet sind, rückgestreute Elektronen zu empfangen.

In der Fig.5 ist mit 42 ein unteres Polstück einei Endstufe einer Fokussierungslinse, welche den Elektronenstrahl 2 auf einen Punkt auf der Oberfläche einei Probe 43 fokussiert, bezeichnet. Diese Probe wird vor einem Probenträger 44 getragen. Da die Probenoberfläche senkrecht zum Elektronenstrahl 2 ist, fällt dei mittlere Strahl der rückgestreuten Elektronen mit derr bestrahlenden Elektronenstrahl 2 zusammen. Da fernei die ringförmigen Detektoren 45a, 456, 45c und 45d am unteren Polstück 42 angeordnet sind, fällt ihre gemeinsame Achse mit dem Elektronenstrahl zusammen. Die Ausgänge der Detektoren werden dei Signalverarbeitungsschaltung 11, beispielsweise der Ausführungsbeispielen in der F i g. 1 oder4, zugeleitet.

Beim Ausführungsbeispiel in der Fig. 8 ist die Probe 43 so angeordnet, daß der Elektronenstrahl 2 unter einem Winkel θ (=45°) auf die Probenoberfläche auftrifft. Darüber hinaus sind die ringförmigen Detektoren 45a, 456, 45c und 45d so angeordnet, daß der Mittelstrahl 46 der rückgestreuten Elektronen mit dei gemeinsamen Achse der ringförmigen Detektoren zusammenfällt.

In der F i g. 7 ist ein ringförmiger Detektor dargestellt der aus mehreren winzigen Detektorelementen 4Ϊ zusammengesetzt ist wie das durch die Linienschraffui dargestellt ist. Um diesen Detektortyp für der angegebenen Zweck verwenden zu können, sind die Ausgänge von bestimmten Gruppen von Elementer durch Verbindungsschaltkreise 48, 49 und 50 miteinander verbunden. Hierdurch können Ausgänge Qu Q₂ unc Q₃ gleich den Ausgängen von ringförmigen Detektorer 8a, 86 und 8c, welche in den vorherigen Ausführungsbei spielen beschrieben worden sind, gemacht werden. Ir einem anderen Fall kann die entsprechende Verarbeitung der Ausgangssignale aller winziger Detektorer von einem Rechner 51 verarbeitet werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rasterelektronenmikroskop mit einem elektronenoptischen System zur Fokussierung eines in einer Elektronenstrahlquelle erzeugten Elektronenstrahls und zur Abtastung einer Probe mittels des Elektronenstrahls, mit mehreren ringförmigen Detektoren zum Erfassen der durch die Probe hindurchgestrahlten bzw. von der Probe gestreuten _]0 Elektronen, deren gemeinsame Achse mit der optischen Achse des elektronenoptischen Systems oder mit dem Mittelstrahl der rückgestreuten Elektronen zusammenfällt, mit einer Signalverarbeitungseinrichtung fflr die Ausgangssignale der Detektoren und mit Aufzeichnungsmitteln für ein Rasterbild auf einer Kathodenstrahlröhre, welche mit dem abtastenden Elektronenstrahl synchronisiert ist und deren Helligkeit in Abhängigkeit von den durch die Signalverarbeitungseinrichtung gesteuerten Ausgangssignalen der Detektoren moduliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung eine Vergleicherschaltung (17; 30,31,32) zum Vergleichen des Signalverhältnisses von zwei Ausgangssignalen der ringförmigen Detektoren (8a, b, c, d; 45a, b, c, d) mit einem konstanten Signal sowie ferner Steuerungseinrichtungen enthält zum Ansteuern von zwischen die Kathodenstrahlröhren (12; 36, 37, 38) und die ringförmigen Detektoren geschalteten Torschaltungen (14 bzw. 15; 33, 34, 35) in Abhängigkeit vom Ausgang der Vergleicherschaltung.

2. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daü die ringförmigen Detektoren aus mehreren winzigen auswählbaren Detektorelementen (47) bestehen, die gleichförmig unter der Probe angeordnet und durch Verbindungsschaltkreise (48, 49, 50) oder durch einen Rechner (51) zu ringförmigen Detektoren verbunden sind (F ig. 7).

3. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ferner zwischen der Probe (3) und den Detektoren (8a, b, c, d) eine weitere Linse (21) vorgesehen ist bzw. die Probe (3) im Feld dieser Linse angeordnet ist (F i g. 4).