DE2542356B1

DE2542356B1 - Verfahren zur fokussierung der objektivlinse eines korpuskular-durchstrahlungs-rastermikroskops und einrichtung zur selbsttaetigen durchfuehrung des verfahrens sowie anwendung

Info

Publication number: DE2542356B1
Application number: DE19752542356
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dr Rer Nat Mueller; Volker Ing Rindfleisch; Reinhard Dr-Ing Schliepe
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-09-19
Filing date: 1975-09-19
Publication date: 1977-03-10
Also published as: GB1567021A; NL7610327A; DE2542356C2; JPS5238878A; US4097740A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fokussierung der Objektivlinse eines Korpuskular-Durchstrahlungs-Rastermikroskops, bei dem der Strahl durch ein sägezahnförmig erregtes Ablenksystem derart geführt wird, daß er auf dem zu untersuchenden Objekt einen aus parallelen Zeilen bestehenden Raster beschreibt, und bei dem in Strahlrichtung hinter dem Objekt ein Detektor vorgesehen ist, dessen Ausgang die Helligkeit eines synchron mit dem Raster betriebenen Bildröhren-Monitors steuert. Ein Korpuskular-Durchstrahlungs-Rastermikroskop, auf das sich das Verfahren bezieht, ist z. B. aus der Zeitschrift »Journal of Applied Physics«, Bd. 39, Nr. 13,1968, Seiten 5861 ff., bekannt.

Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, das von der Objektivlinse entworfene stark verkleinerte Bild der Strahlquelle durch entsprechende Einstellung des Linsenstromes mit möglichst hoher Genauigkeit in die Ebene zu bringen, in der das zu untersuchende Objekt liegt.

Diese Aufgabe ist bei einem Korpuskular-Durch-Strahlungs-Rastermikroskop der obengenannten Art bereits gelöst. (DT-AS 23 30 304). Gemäß dem bekannten Verfahren v/erden zwei Rasterbilder, die zwei in verschiedene?i Richtungen durch das Objekt hindurchgetretenen Elektronenstrahlbündeln entsprechen, gleichzeitig auf einer oder zwei Bildröhren beobachtbar gemacht. Zur Fokussierung der Objektivlinse wird ihr Linsenstrom so eingestellt, daß die zwei Rasterbilder bei visueller Betrachtung zur Deckung gebracht werden. Zur Erfassung der zwei in verschiedenen Richtungen durch das Objekt hindurchgetretenen Elektronenstrahlbündel kann ein auf der optischen Achse angeordneter Detektor und ein zwischen diesem und dem Objekt angeordnetes Ablenksystem vorgesehen sein. Mit dem bekannten Verfahren ist auch eine Astigmatismuskorso rektur der Objektivlinse möglicht.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird die obengenannte Aufgabe auf andere Weise dadurch gelöst, daß während der Bestrahlung eines Objektpunktes im Kegel des durch das Objekt hindurchgetretenen Strahls an zwei zur Kegelachse symmetrischen Stellen durch eine Detektoranordnung, deren wirksame Eintrittsfläche kleiner ist als der Querschnitt des Kegels in gleicher Höhe, Teil-Strahlungsintensitäten gemessen werden und daß der Linsenstrom der Objektivlinse so eingestellt wird, daß die Ausgangsgrößen der Detektoranordnung bei beiden Messungen gleich sind. Das erfindungsgemäße Verfahren hat u. a. den Vorteil, daß bei ihm nur zwei Meßgrößen verglichen werden müssen, während bei dem bekannten Verfahren die Betrachtung zweier Rasterbilder erforderlich ist.

Die Erfindung macht von der Erkenntnis Gebrauch, daß sowohl bei relativ zum Objekt zu kurzer Brennweite (Überfokus) als auch bei zu langer

Brennweite (Unterfokus) der durch das Objekt hindurchgetretene Strahlkegel ein Schattenbild eines mehr oder weniger ausgedehnten Objektbereiches in der Ebene des Detektors entwirft. Dieses Schattenbild ist strukturiert; mit anderen Worten sind Teilintensitäten, die im Strahlkegel symmetrisch zu beiden Seiten der Achse gemessen werden, in der Regel unterschiedlich. Befindet sich dagegen der Fokus auf dem Objekt, so ist die Strahlungsintensität im Kegel unstrukturiert, so daß die an symmetrischen Stellen des Kegelquerschnitts gemessenen Intensitäten gleich sind. Dies gilt allerdings streng nur für nichtkristalline Objekte; bei kristallinen Objekten kann es daher vorteilhaft sein, die meist aus amorphem Kohlenstoff bestehende Trägerfolie als Testobjekt zu benutzen.

Zur Messung können zwei symmetrisch zur optischen Achse liegende Detektoren, von denen jeder eine im Verhältnis zum Kegelquerschnitt kleine Eintrittsfläche hat, verwendet werden. Die Ausgangsgrößen der Detektoren können nach Verstärkung unmittelbar an Instrumenten abgelesen werden; der Linsenstrom in der Objektivlinse wird in diesem Falle so lange verstellt, bis die Anzeigedifferenz der beiden Instrumente ein Minimum hat.

Der apparative Aufwand ist im allgemeinen geringer, wenn man gemäß einer Weiterbildung der Erfindung zur Messung einen in der optischen Achse liegenden Detektor verwendet und den Kegel durch ein rechteckförmig wechselerregtes Ablenksystem alternierend in zwei entgegengesetzt gleichen Winkeln gegenüber der optischen Achse ablenkt.

In beiden Fällen kann man die Messung vornehmen, während das zur Erzeugung des Objektrasters dienende Ablenksystem nicht erregt ist, also ein Objektpunkt mit einem ruhenden Strahl beleuchtet wird. Im zweiten Falle kann das Verfahren auch während der Erzeugung eines Objektrasters in der Weise durchgeführt werden, daß die Frequenz der Ablenkung des Strahlkegels unter dem Objekt groß ist gegenüber der Zeilenfrequenz des Objektrasters. Das bedeutet, daß die Zeit zwischen zwei Ablenkungen des Strahlkegels etwa so groß ist wie die Punktzeit des Objektrasters, so daß auch hier der Vergleich der Detektor-Ausgangsgrößen bei der Bestrahlung eines Objektpunktes vorgenommen wird.

Bei der letztgenannten Ausführungsform des Verfahrens (mit axial angeordnetem Detektor) kann man die Messung der Detektor-Ausgangsgröße mit Vorteil auf eine Wechselstrommessung zurückführen, indem man den Detektorausgang mit einem Schmalbandverstärker, der auf die Frequenz des zur Ablenkung des Strahlkegels unter dem Objekt dienenden Ablenksystems abgestimmt ist, verstärkt. Man kann ferner dem Linsenstrom einen gegenüber der Ablenkfrequenz niederfrequenten Wechselstrom überlagern und die Phasendifferenz dieses Wechselstromes einerseits und der Modulation der Detektorausgangsgröße andererseits als Kriterium für die Richtung der erforderlichen Linsenstromänderung benutzen.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Einrichtung zur selbsttätigen Durchführung der vorstehend genannten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei dieser Einrichtung liegt in Strahlrichtung hinter dem Objekt in der optischen Achse ein Strahlungsdetektor; zwischen beiden ist ein Ablenksystem angeordnet. Ferner ist ein auf das Ablenksystem wirkender Ablenk-Wobbelgenerator mit rechteckförmigem Ausgang vorgesehen, der die Aufgabe hat, den Strahlkegel in zwei zur optischen Achse symmetrischen Richtungen abzulenken. Die Frequenz des Ablenk-Wobbelgenerator ist groß gegenüber der Zeilenfrequenz des Objektrasters. Des weiteren ist eine Linsenstrom-Regeleinrichtung vorhanden; auf diese Regeleinrichtung wirkt ein Linsenstrom-Wobbelgenerator, der den Linsenstrom mit einem Wechselstrom überlagert. Schließlich ist ein Phasendiskriminator zum Phasenvergleich zwischen Linsenstrom-Wobbelgenerator und Detektor-Ausgangsgröße vorgesehen, dessen Ausgang auf die Linsenstrom-Regeleinrichtung einwirkt.

Ausführungsbeispiele des Verfahrens nach der Erfindung werden im folgenden anhand von F i g. 1 beschrieben. F i g. 1 stellt gleichzeitig ein Elektronen-Durchstrahlungs-Rastermikroskop mit einem Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur selbsttätigen Durchführung des Verfahrens dar. Die F i g. 2 und 3 sind Diagramme zur Erläuterung der Einrichtung.

In F i g. 1 ist 1 die Strahlquelle des Mikroskops, die beispielsweise eine Feldemissionskathode enthalten kann. Zur Ausführung des Objektrasters dient ein Ablenksystem 3 mit den Stufen 3a und 3b. Jede Stufe 3a bzw. 3b besteht aus zwei Paaren vom elektrostatischen Ablenkplatten bzw. magnetischen Ablenkspulen zur Ablenkung des Strahls 2 in zwei zueinander senkrechten Richtungen χ und y; dargestellt sind nur die Paare für die x-Richtung (Spulen). Das Ablenksystem 3 wird durch einen Rastergenerator RG erregt. Die Stufe 3a lenkt den Strahl 2 aus der Achse A heraus, während die Stufe 3b den Strahl wieder zur Achse zurücklenkt. Der Verlauf des abgelenkten Strahls ist mit 2a bezeichnet.

Der Strahl wird durch eine magnetische Objektivlinse 4 auf das Objekt 5 fokussiert und durch das Ablenksystem 3 um einen Punkt P gekippt, der in der Brennebene der Objektivlinse 4 liegt. Unterhalb des Objektes 5 sind ein weiteres Ablenksystem 6 und ein Detektor D angeordnet. Das Ablenksystem 6 besteht aus nur einem Paar von Ablenkplatten bzw. -spulen.

Der Detektor D ist über einen Verstärker Vl mit der Helligkeitssteuerung eines Bildröhren-Monitors 10 verbunden, dessen Ablenksystem ebenfalls durch den Rastergenerator RG gesteuert wird.

In F i g. 1 ist ein Zustand des Mikroskops dargestellt, bei dem der Fokus F des Strahls 2 infolge zu großer Erregung der Objektivlinse 4 nicht, wie er sollte, auf dem Objekt 5, sondern in Strahlrichtung vor dem Objekt liegt. Infolgedessen erzeugt der Strahl mit seinem nach unten gerichteten Kegel 2b eine Schattenprojektion eines Objektbereiches 5a; mit anderen Worten entsteht in der Ebene 8, in der die Eintrittsfläche des Detektors D liegt, ein Schattenbild des Bereiches 5a. Die Eintrittsfläche des Detektors D ist mit d bezeichnet; es ist wesentlich, daß sie kleiner ist als der Querschnitt des Strahlkegels in der Ebene 8; mit anderen Worten, die Detektorapertur ocp ist kleiner als die Beleuchtungs-■ apertur ocb-

Es ist ersichtlich, daß das in der Ebene 8 erzeugte Schattenbild des Objektbereiches 5a ebenso wie dieser selbst strukturiert ist. Das gleiche gilt für den Fall, daß der Fokus Fbei zu kleiner Erregung der Objektivlinse 4 unter dem Objekt 5 liegt; auch dann entsteht in der Ebene 8 ein strukturiertes Bild. Liegt dagegen der Fokus F auf dem Objekt 5, so ist der Strahlkegel unter dem Objekt nicht strukturiert.

Es sei zunächst angenommen, daß das Ablenksystem 3 nicht erregt ist, der Strahl 2 also bei fester Lage stets denselben Punkt bzw. Bereich des Objektes 5 beleuchtet. Das Ablenksystem 6 wird nun in zwei diskreten Zuständen so erregt, daß der Kegel 2b

nacheinander nach entgegengesetzten Seiten der Achse A abgelenkt wird, und zwar derart, daß die Achse des Kegels mit der Achse A entgegengesetzt gleiche Winkel bildet. In den beiden Ablenkzuständen wirken also auf die relativ kleine Fläche d des Detektors D Teile des Kegels ein, die symmetrisch zur Kegelachse liegen. Die Strahlungsintensitäten, die der Detektor D hierbei mißt, sind bei Fehlfokussierung wegen der unregelmäßigen Strukturierung des Schattenbildes verschieden; dagegen sind sie gleich, wenn der Fokus F auf dem Objekt 5 liegt und der Kegel 2b keine Struktur aufweist.

•Karezewski-

Es ist also möglich, unmittelbar durch Messung der Ausgangsgrößen des Detektors D in den beiden Ablenkzuständen festzustellen, ob der Fokus F auf dem Objekt 5 liegt oder nicht. Aufgrund dieser Messung kann, falls erforderlich, die Erregung der Objektivlinse 4 so verstellt werden, daß die Ausgangsgrößen des Detektors Din beiden Zuständen gleich sind. Der Fokus Fbefindet sich dann auf dem Objekt.

In grundsätzlich gleicher Weise kann man auch so verfahren, daß man unter Wegfall des Ablenksystems 6 in der Ebene 8 zwei symmetrisch zur Achse A angeordnete Detektoren vorsieht, deren Eintrittsflächen, die ebenfalls kleiner als der Kegelquerschnitt sind, in F i g. 1 gestrichelt angedeutet und mit d' bezeichnet sind. Auch in diesem Falle liefert ein Vergleich der Ausgangsgrößen der beiden Detektoren ein Kriterium für die Lage des Fokus F.

Im folgenden wird die in F i g. 1 ebenfalls dargestellte Einrichtung zur selbsttätigen Durchführung des Fokussierungsverfahrens beschrieben.

Zur Stromversorgung der Objektivlinse 4 ist ein Linsenstromregler LR vorgesehen; er besteht aus einem Regelteil L, der eine zeitlich konstante Steuergröße liefert, und einem Regelteil L', der eine im positiven oder negativen Sinne zusätzliche, im Endzustand ebenfalls zeitlich konstante Steuergröße abgibt. Beide Größen steuern einen Verstärker V2, der den Strom für die Objektivlinse 4 liefert. Außerdem ist ein Linsen-Wobbelgenerator LWG vorgesehen, der es gestattet, dem Linsenstrom einen sinusförmigen Wechselstrom zu überlagern. Der Regelteil L kann auch von Hand durch ein Bedienungsorgan 11 eingestellt werden.

Das Ablenksystem 6 wird durch einen Ablenk-Wobbelgenerator A WG erregt, der einen rechteckförmigen Wechselstrom liefert. Er bewirkt, daß der Kegel 2b alternierend in zwei bezüglich der Achse A symmetrische Stellungen abgelenkt wird. Die Frequenz des Ablenk-Wobbeigenerators AWG ist groß gegenüber der Zeilenfrequenz des Rastergenerators RG, mit dem die Α-Richtung des Ablenksystems 3 betrieben wird. Das bedeutet, daß zwei aufeinanderfolgende Ablenkzustände des Kegels 2b demselben Punkt bzw. Bereich des Objektes 5 zugeordnet sind, mit anderen Worten, daß aufeinanderfolgende Ablenkungen während einer Bildpunktzeit stattfinden. Die Frequenz des Ablenk-Wobbelgenerators AWG ist ferner groß gegenüber der Frequenz des Linsen-Wobbeigenerators LWG.

Der Ausgang des Detektorverstärkers VX wird einem Schmalbandverstärker SBV zugeführt, dessen Eingang außerdem mit dem Ausgang des Ablenk-Wobbelgenerators A WG verbunden ist, so daß SB V durch A WG getriggert wird. Der Schmalbandverstärker SBV ist also auf die Frequenz von A WG abgestimmt. Das Ausgangssignal S1 wird einem Phasendiskriminator PD zugeführt, dessen anderer Eingang mit dem Linsen-Wobbelgenerator LWG verbunden ist. Der Phasendiskriminator PD liefert ein positives oder negatives Signal an den Regelteil L', je nachdem, ob LWG und 51 gleiche oder entgegengesetzte Phase haben. Der Regelteil U verursacht dann entweder eine Erhöhung oder eine Herabsetzung des Linsenstromes von 4.

F i g. 2 zeigt den Verlauf des vom Schmalbandverstärker SBV abgegebenen Signals 51 bei verschiedenen Fokussierungszuständen. Fig.3 zeigt den zeitlich entsprechenden Gang des Linsen-Wobbelgenerators LWG.

Sieht man zunächst von einer Linsenwobbelung ab, so besteht das Signal 51 bei Über- und Unterfokus aus einer Spannung, deren Größe der absoluten Differenz der Detektorausgangsgrößen in beiden Lagen des Kegels entspricht und die in F i g. 2 mit a bezeichnet ist. Wird nun der Linsenstrom niederfrequent gewobbelt (vgl. F i g. 3), so wird das Signal 51 durch den Gang der Linsenwobbelung moduliert. Diese Modulation hat gegenüber der Linsenwobbelung unterschiedliche Phasen, je nachdem, ob ein Überfokus (F i g. 2a) oder ein Unterfokus (F i g. 2c) vorliegt. Bei richtiger Einstellung des Linsengleichstromes sind die maximalen Entfernungen des Fokus vom Objekt 5 während der Linsenwobbelung gleich; infolgedessen besteht die Modulation des Signals 51 gemäß Fig.2b aus zwei Halbwellen, von denen die eine gleiche und die andere entgegengesetzte Phase hat wie die Linsenwobbelung. Der Phasendiskriminator PD liefert daher bei den Signalen 51 gemäß Fig.2a und 2c entgegengesetzte Signale, deren Vorzeichen der Richtung der Fokusabweichung entspricht, an die Linsenregelung, während er im Fall 2b kein Signal abgibt Nach Einstellung der richtigen Fokussierung werden die Linsenwobbelung LWG und die Ablenkwobbelung A WG für den Normalbetrieb des Mikroskops ausgeschaltet.

Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die dargestellte selbsttätige Einrichtung während der normalen Erregung des Ablenksystems 3, d. h. während der üblichen Erzeugung eines Rasters auf dem Objekt 5, arbeitet. Infolgedessen ist auf dem Schirm des Bildröhren-Monitors 10 ein Bild des abgerasterten Objektbereiches zu sehen. Solange der Fokus Fnicht in der Ebene des Objektes 5 liegt, ist dieses Bild, wie in F i g. 1 angedeutet, ein Doppelbild, das sich bei richtiger Fokussierung zu einem einzigen Bild vereinigt. Es ist daher möglich, auf dem Monitorschirm den Fokussierungszustand visuell zu kontrollieren.

Im folgenden werden für die in F i g. 1 dargestellte Einrichtung einige Betriebsgrößen als Beispiele angegeben.

Bestrahlungsapertur:

OiB" 2 ■ 10-² rad
Detektorapertur:

OiD » 5 · 10~³rad
Rastergenerator RG

Bildzeit: Tbm = 4 see

Zeilenzeit: f_Ze,i_c = 20 msec
Bildpunktzeit: xbp « 100 \isec
Ablenk-Wobbelgenerator A WG:

Schwingungsdauer τ =50 μςεο
Linsen- Wobbelgenerator LWG:

Schwingungsdauer ν = 40 msec

Sowohl das Verfahren wie die beschriebene Einrichtung nach der Erfindung können auch zur Astigmatismuskorrektur der Objektivlinse verwendet werden, da

es sich hierbei prinzipiell um eine Fokussierungskorrektur in zwei verschiedenen, die optische Achse enthaltenden Ebenen handelt Hierzu kann z.B. das Ablenksystem 6 in seiner Wirkung durch mechanische oder elektrische Mittel azimutal gedreht und ein Stigmator so eingestellt werden, daß der zur richtigen Fokussierung eingestellte Linsenstrom für alle azimuta-

len Richtungen der gleiche ist Zur elektrischen Drehung des Ablenksystems 6 wäre dann ein weiteres Paar von Ablenkspulen vorzusehen.

Die Erfindung ist nicht nur bei Elektronen-Durchstrahlungs-Rastermikroskopen, sondern auch bei Ionenmikroskopen dieser Art anwendbar.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

709510/360

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Fokussierung der Objektivlinse eines Korpuskular-Durchstrahlungs-Rastermikroskops, bei dem der Strahl durch ein sägezahnförmig erregtes Ablenksystem derart geführt wird, daß er auf dem zu untersuchenden Objekt einen aus parallelen Zeilen bestehenden Raster beschreibt, und bei dem in Strahlrichtung hinter dem Objekt ein Detektor vorgesehen ist, dessen Ausgang die Helligkeit eines synchron mit dem Raster betriebenen Bildröhren-Monitors steuert, dadurch gekennzeichnet, daß während der Bestrahlung eines Objektpunktes im Kegel (2b) des durch das Objekt (5) hindurchgetretenen Strahls an zwei zur Kegelachse symmetrischen Stellen durch eine Detektoranordnung (D), deren wirksame Eintrittsfläche fc# kleiner ist als der Querschnitt des Kegels in gleicher Höhe, Teil-Strahlungsintensitäten gemessen werden und daß der Linsenstrom der Objektivlinse (4) so eingestellt wird, daß die Ausgangsgrößen der Detektoranordnung bei beiden Messungen gleich sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung zwei symmetrisch zur optischen Achse liegende Detektoren (D, d) verwendet werden

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung ein in der optischen Achse (A) liegender Detektor (D, d) verwendet wird und daß der Kegel (2b) durch ein rechteckförmig wechselerregtes Ablenksystem (6) alternierend in zwei entgegengesetzt gleichen Winkeln gegenüber der optischen Achse abgelenkt wird, wobei die Ablenkfrequenz groß ist gegenüber der Zeilenfrequenz des Objektrasters.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektorausgang durch einen Schmalbandverstärker (SBV), der auf die Frequenz des Ablenksystems (6) abgestimmt ist, verstärkt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Linienstrom ein gegenüber der Ablenkfrequenz niederfrequenter Wechselstrom überlagert wird und daß die Phasendifferenz dieses Wechselstroms einerseits und der Modulation der Detektorausgangsgröße andererseits als Kriterium für die Richtung der erforderlichen Linsenstromänderung benutzt wird.

6. Einrichtung zur selbsttätigen Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch

a) einen in Strahlrichtung hinter dem Objekt (5) in der optischen Achse (A) liegenden Strahlungsdetektor (D, d),

b) ein zwischen Objekt und Strahlungsdetektor liegendes Ablenksystem (6),

c) einen auf dieses Ablenksystem wirkenden Ablenk-Wobbelgenerator (A WG) mit rechteckförmigem Ausgang zur Ablenkung des Strahlkegels (2b) in zwei zur optischen Achse symmetrischen Richtungen, dessen Frequenz groß ist gegenüber der Zeilenfrequenz des Objektrasters,

d) eine Linsenstrom-Regeleinrichtung (LR),

e) einen auf die Linsenstrom-Regeleinrichtung wirkenden Linsenstrom-Wobbelgenerator (LWG) zur Überlagerung des Linsenstromes

mit einem Wechselstrom,

f) einen Phasendiskriminator (PD) zum Phasenvergleich zwischen Linsenstrom-Wobbelgenerator und Detektorausgangsgröße (S 1), dessen Ausgang auf die Linsenstrom-Regeleinrichtung einwirkt.

7. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Astigmatismuskorrektur der Objektivlinse.

8. Anwendung der Einrichtung nach Anspruch 6 zur Astigmatismuskorrektor der Objektivlinse.