DE2555781A1 - Elektronenmikroskop - Google Patents

Description

PHN. 78**9 ' ΌΕΕΝ/FF/SCHE Dr. Herbert Sehol* 2-12-1975

N.V. PH UPS¹ SiOEtLAMPENFABfflEKOI. 2555781

"Elektronenmikroskop"

"Die Erfindung betrifft einen Elektronenstrahl apparat mit einem elektronenoptischen Linsensystem und einer wenigstens nahe einer Strahlbahn für einen im Elektronenstrahlapparat auftretenden Elektronenstrahl angeordneten Elektronendetektionsanordmmg.

Ein derartiger Elektronenstrahlapparat ist beispielsweise aus der Dt- OS 21 38.767 deJC Anmelderin bekannt. In einem dort besehriebenen Hochspannungsmikroskop wird mit Hilfe eines Elektronendetektors die Beschleunigungsspannung für den Elektronenstrahl stabilisiert. Zweck der Erfindung ist es, mit Hilfe eines Signals aus einem in der Strahlbahn· oder wenigstens sich damit berührend in

609826/0709

-Y- PHN.7849

2-12-1975

einem El ektronens tralil apparat angeordneten Detektor störende Bewegungen des Elektronenstrahles in bezug auf ein Objekt oder ein Zielpunkt zu reduzieren. Für bekannte Elektronenstrahlapparate, insbesondere solche mit einer hohen Axif lösxxng, müssen dazu sehr strenge Bau- und MontageVorschriften erfüllt werden und insbesondere werden dabei dem Objekthalter sehr hohe Anforderungen gestellt. Bei Rastermikroskopen ist es erwünscht, Bewegungen eines Bildes der Quelle infolge mechanischer Schwingungen der Quelle selbst oder infolge magnetischer oder elektrischer Störungen im Abbildungsfeld zu vermeiden.

Die Erfindung bezweckt, einen Elektronenstrahlapparat zu schaffen, in dem diese axxfwendigen Massnahmen nicht erforderlich sind. Ein Elektronenstrahlapparat der eingangs erwähnten Art ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektionsanordnung wenigstens nahe einem vom Linsensystem zu bildenden Zwischenbild angeordnet ist und zusammen mit einer Strahlablenkanordnung einen Teil einer Strahlkorrekturanordnung für den Elektronenstrahlapparat bildet.

In einem erfindungsgemässen Elektronenstrahlapparat wird daher nicht bezweckt_} das Objekt oder die Quelle an sich schwingungsfrei anzuordnen, sondern durch Anpassung der Strahlposition an auftretende Schwingungen oder Störungen ein scharfes xxnd xinverzeichnetes Bild des Objektes oder der Quelle zxi verwirklichen. Es ist

60 98-26/0 7.0 9 '

-3- PHN.7849

2-12-1975

dabei unwichtig, wie das Bild geformt oder welche Information im Bilde dargestellt wird.

In einer bevorzugten Ausfühmngsform nach

der Erfindung ist der Detektor in einem Durchstrahlungselektronenmikroskop in einem Zwischenbild eines Objektes angeordnet, das von der Objektivlinse des Linsensystems gebildet wird, und das vom Oetektorsignal gesteuerte Strahlablenksystem ist zwischen der Projektionslinse und einem Auffangschirm angeordnet. In einer weiteren bevorzxigten Ausführungsform ist in einem Rasterelektronenmikroskop ein Detektor mit einer scharf geräderten Goldfolie in der Zwischenbild-~ ebene des Objektionsflansches angeordnet -and mit Signalen dieses Detektors wird die Erregung einer Strahlablenkanordnung für die Abtastung nachgeregelt. Mit einer zweiten Strahlablenkanordnung wird dabei die Bewegung des Elektronenstrahles in der Detektionsebene, welche Bewegung eine Folge der gewünschten Abtastung des Objektes ist, völlig reduziert. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Detektionsanordnung in einer Bildebene einer Kondensorlinse angeordnet, die einen Teil eines Rastermikroskops, eines Elektron ens trahlbearbeitirngs ge räts oder eines Elektronenstrahlscheibengeräts bildet.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung und einiger bevorzugten erfindungsgemässen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen

Fig.·1 einen schematischen Strahlengang in

6 0 9 8 2 6/0709 '

2SiK 8 I

/ H.

einem Durchstrahlungselektrotienmikroskop mit einer erfindungsgemässen Strahlkorrekt\iranoz*dnung.

Fig. 2 einen schematisehen Strahlengang in einem Durchstrahlungsrasterelektronenmikroskop mit einer erfindiingsgemässen Strahlkorrekfruranordnung,

Fig. 3 einen schematischen Strahlengang in einem Rasterelektronenmikroskop mit einer Stx-ahlkorrektur an Ordnung.

In Fig. 1 sind eine Objektivlinse 1 und eine Projektionslinse 2 eines Linsensystems eines Durchstrahlungsmikroskops angegeben. Ein Objekt 3 befindet sich, in Richtung eines zu verwendenden Elektronenstrahls gehend, vor der Objektivlinse in einer Strahlbahn k mit einer optischen Achse 5· ^as Objekt 3 oder wenigstens ein Teil dieses Objekts wird von der Objektivlinse 1 in einer Zwischenbildebene 6 vergrössert dargestellt. Von einem dort geformten Bild 7 bildet die Projektionslinse 2 in einer Ednbildflache 8 ein Endbild 9. Bei dieser Abbildung trägt häufig mir ein Zentralteil 10 des Zwischenbildes 7 zur Endbildformung bei. In der Zwischenbildebene 6 ist eine Detektionsanordmmg aufgestellt, die hier beispielsweise zwei Detektoren. 11 und 12 enthält, die in zwei vorzugsweise senkrecht aufeinander stehenden Richtungen teilweise in der Strahlbahn angeordnet und mit einer Ablenkregelanordnung 13 gekoppelt sind. Eine derartige Detektionsanordnung enthält beispielsweise Halbleiterdetektoren, Szintillationskristalle mit JxLchtdetektoren oder elektronenstreuende

609826/0709

ORIGINAL INSPECTED

•-0Γ- PHN. 7849

2-12-1975

Folien mit in der Nähe liegenden Detektoren. Gleichfalls angeschlossen an die Ablenkregelanordnung 13 sind zwei Strahlablenkeinheiten 14 und 15, die je eine Strahlablenkung in zwei senkrecht aufeinander stehenden Richtungen bewirken können. Zum Ablenken des Elektronenstrahls kann eine Strahlablenkanordnung beispielsweise nach der Beschreibung in der Dt - OS 21 38 765 der AnmelderiÄ ^- verwendet werden. Die

Ablenkrichtung jedes der Detektoren oder die Richtung der Resultante beider Ablenkrichtungen ist dabei sowohl von den Winkelkoordinaten der Detektoren 11 und 12 als auch von der StrahlVerdrehung abhängig, die zwischen der Detektorebene und der Ablenkebene auftritt. Mit diesen Ablenkanordnungen kann für eine Verschiebung 16 im Endbild 9» die eine Folge einer Verschiebung des Objektes diirch Schwingungen im Objekthalter ist, dxirch eine entsprechende, mit der gestrichelten I-dnie 17 angedeutete seitwärtse Verschiebung des abbildenden Strahles ausgeglichen werden. Die Ablenkanordmmg kann dabei auch zwischen der Objektivlinse und den Detektoren angeordnet sein. Hierdurch ist eine rückregelnde Strahlablenkanordnung entstanden. Das grössere Gesichtsfeld der Objektivlinse in bezxig auf das Gesichtsfeld der Projektionslinse ist dabei vorteilhaft, weil die Detektoren dadurch vollständig ausserhalb des Endbildes angeordnet werden können. Es ist dabei vorteilhaft, in der ZwischenbiIdf lache beispielsweise einen scharfen Uebergang eines nicht oder weniger durchlässigen Teiles

609826/07 0 9

-4- PIIN. 78^9

2-12-1975

des Objekts/selbst oder eines Trägers für das Objekt gerade mit dem Rand des Detektors zusammenfallen zti lassen. Die erfindungsgemässe Strahlablenkanordnung kann dabei auch dazu verwendet werden, das Bild in der Bildebene über einen verhältnismässig geringen Abstand zii verschieben. Dies kann beispielsweise für ein exaktes Positionieren eines Bildes des Objekts in der Endbildebene verwendet werden. Mit dem Objekthalter braticht dann mir ein Feld aus dem Objekt eingestellt zu werden. Für diese verhältnismässig grobe Einstellung kann mit einem bedeutend einfacheren Objekthalter gearbeitet werden.

·- Sowohl die Detektoren als auch die Strahlablenkeinheiten können auch an anderer Stelle im Elektronenmikroskop angeordnet werden. Es ist dabei nicht notwendig, die Ablenkanordnung, in Richtung des Elektronenstrahles gehend, nach der Detektoranordnung hin zu verstellen, Die Detektoren können beispielsweise auch in der Endbildebene angeordnet werden, wobei sich die Ablenkanordnung z.B. wiederum zwischen der Objektivlinse und den Detektoren befindet. Es ist dabei vorteilhaft, dem Objekt kleine, wenig oder völlig undurchlässige Teile, beispielsweise Gold- oder Wolframteile, zuzufügen und einen Rand einer Abbildiing eines derartigen Teilchens in der Endbildebene mit dem Rand eines Detektors zusammenfallen zu lassen.

In Fig. -2 ist von einer erfindungsgemässen bevorzugten Ausführungsform in Form eines Durchstrahlungs-

609 8 26/0709

-ψ- PHN.7849

2-12-1975

rasterelektronenmikroskops ein Strahlengang gezeichnet. Die Figur zeigt sehr schema tisch' eine El ektronenq\ielle 20 zum Erzeugen eines Elektronenstrahls 21, eine Kondensorlinse 22, eine Objektfläche 23 mit einem Objekt 2k, eine Objektivlinse 25 und eine Zwischenbildebene 26. Die Zwischenbildebene 20 wird hier dtireh die Bildfläche der Objektivlinse gebildet. Um den Elektronenstrahl herum befindet sich weiter ein erstes Strahlablenksystem 27· Oamit kann dem Elektronenstrahl 21 auf bekannte ¥ei'se eine abtastende Bewegung erteilt werden. Oie Kondensorlinse bildet eine verkleinerte Abbildung (Brennfleck) der Elektronenquelle 20 in der Objektebene 23· Ein in dieser Ebene angeordnetes Objekt 2k wird mit diesem Brennfleck abgetastet. Ein Gegenstandsbrennpunkt 28 der Kondensorlinse arbeitet dabei als Kipppunkt ifür den Elektronenstrahl. Die Elektronenquelle 20 wird bei dieser Abtastung scheinbar verschoben. In einer bestimmten Stellung beim Abtasten befindet sich die Quelle 20, vom Objekt aus gesehen, in 20'. Neben dieser erwünschten scheinbaren Quellenverlagerung treten beispielsweise durch Schwingungen des Apparats auch wirkliche Bewegungen der Quelle 20 auf. So ist eine reelle Verschiebung der Qxielle 20 nach der Position 20" in Fig. 2 angegeben. "Durch diese unerwünschten Quellenbewegungen tritt eine Störung auf, die sich in einem darziistellenden Bild als eine Unscharfheit oder Verzeichnung zeigt. TE rf i η dxvn gs ge mäss wird diese Störung durch Aufstellung einer Detektoranordnung in der Strahl-

609826/0709

-8-- PIIN. 7849

2-12-1975

bahn und durch Steuerung einer Strahl ablenkanordnung mit einem daraus gewonnenen Signal eliminiert. In der skizzierten bevorzugten Atisführungsform ist die Detektoranordnung in der Zwischenbildebene 26 angeordnet lind für jede der zwei Ablenkrichtungen ist eine Elektroneneinfanganordnung angeordnet, z.B. aus einer Folie 29 zusammengesetzt. Diese Folien bestehen vorzugsweise aus Gold und sind mit einer scharfen Begrenzung 30 der Strahlachse zugewandt angeordnet. Nahe der Goldfolie befindet sich ein für Elektronen empfindlicher Detektor 31, der an der Goldfolie verstreute Elektronen einfängt. Zum Nachstellen des Strahles kann die bereits vorhandene Strahlablenkanordnung 27 verwendet werden. Diese Anordnung wird dabei mit einer zusätzlichen Erregung, also neben der Erregung für die Abtastung, gesteuert. Auch hier wird in zwei senkrecht aufeinanderstehenden Richtungen korrigiert und muss eine mögliche Verdrehung des bildformenden Strahles zwischen der Detektoranordnung und der Ablenkanordnung berücksichtigt werden. Um in der Bildebene 26 eine unerwünschte Abweichung von der normalen Abtastung zu unterscheiden, ist eine zweite StrahlablenkanordiAing 32 angeordnet. Hiermit wird der Elektronenstrahl synchron mit der ersten Strahlablenkanordnung beim Abtasten zurückgelenkt, wodurch ein Treffpunkt des Strahles mit der Bildebene 26 immer in einen vorzugsweise auf der optischen. Achse liegenden·festen Punkt 33-fällt. Im Strahlengang ist angegeben, wie ein Treffpunkt 33'» der diirch die Ab-

609826/070 9

PHN.784?

tastbewegung bei einer scheinbaren Position der Quelle in 20· entstehen würde, nach einem Treffpunkt 33 auf . der optischen Achse zxirückgebracht ist. In der Bildebene Z6 werden dadurch nicht nur gewünschte und somit nicht durch den Abtastvorgang verursachte Verschiebungen der Strahlauftreffstelle von der üetektoranordnung aufgezeichnet.

In einer weiteren bevorziigten Ausführungsform, für die in Fig. 3 ein Strahlengang skizziert ist, ist eine Betektionsanordmmg 4o in oder nahe einer Ebene angeordnet, in der diirch eine Kondensorlinse 41 eine Quelle 42 abgebildet wird. Bei dieser Abbildung wird beispielsweise durch sphärische Aberration der Kondensorlinse neben einer paraxialen Abbildung der Elektronquelle 42 um einen Achspunkt 43 eine Streuscheibe 44 gebildet. Von einem Elektronenstrahl 45 wird der nicht paraxiale Teil häufig durch eine Blende 46 abgeschirmt, die zwischen dieser Bildebene und einer nachfolgenden Linse 47 angeordnet ist. Indem die Betektoranordnung im Randbereich der Streuscheibe 44 angeordnet wird, werden für die Detektion nach der Erfindung Elektronen benutzt, die auch ohne Betektionsanordnung nicht bis zum Objekt vorgddrungen wären. Hierdurch wird das Endbild durch die Betektoren nicht gestört, während durch die feste Position der Streuscheibe in bezug auf die paraxiale Abbildtmg eine gute Platzinformation des Strahles erhalten wird. Mit einem auf diese Weise gewonnenen und einem Strahlablenksystem

609826/0709 original inspected

-AO- PHN.78^9

k8 zugeführten SignaJ können störende Strahlabweichungen vollständig reduziert werden.

Das Korrektursignäl kann auch zum Zuführen einer zusätzlichen Erregung an eine zweite Strahlablenkanordnung 49 verwendet werden, die zum Abtasten eines Objektes 50 z.B. mit dem Elektronenstrahl in den Apparat aufgenommen ist. Die Detektoranordnung enthält vorzugsweise zwei symmetrische in bezug auf den Elektronenstrahl angeordnete Betektorpaare 40 mit der Strahlachse zugewandten Begrenzungen 51· Bei einem axial laufenden Elektronenstrahl empfangen beide Detektorhälften jedes Paares gleich viel Elektronen. Dieses Gleichgewicht

wird bei jeder Abtastung des Strahles gestört und es ist somit vorteilhaft, ein Differenzsignal beider Detektoren als Steuersignal für die Ablenkanordnung zu verwenden.

Kit einer gestrichelten Linie $Z ist angegeben, wie eine Verschiebung der Quelle kz nach einem Punkt 53 eine Abweichung ^h im Endbild 55 verursacht. Diese Abweichung kann aus der jetzt asymmetrisch liegenden Streuscheibe 56 ausgeglichen werden.

Für mögliche Bildverdrehung zwischen der Detektorebene und der* Bildebene rrmss auch hier ausgeglichen werden. Diese Detektorpaare brauchen nicht exakt in der Kondensorbildebene angeordnet zu sein und die zwei Paare nicht in .einer gleichen Ebene zu liegen. ·

Nach Bedarf kann mit einer Ablenkanordnung

609826/0709

ORIGINAL INSPECTED

PHN. 7849

ein senkrechtes Einfallen eines, um einen festen Punkt kippenden Elektronenstrahls auf ein zu untersuchendes Objekt verwirklicht werden. "Die hier angegebenen möglichen Positionen sowohl der üetektionsanordmmg als auch der Strahlablenkanordnung erlaubt den Einbau einer Strahlkorrekturanordnung in einem Rasterelektronenmikroskop, in dem in Reflektion gearbeitet wird.

Xn einer weiteren Ausführungsform ist die Strahlkorrekturanordnung nach der Erfindung ein Teil eines Elektronenstrahlbearbeitungsapparats. In diesen Apparaten ist es erwünscht, dass einer Abbildung der Elektronenquelle eine exakt bestimmte Position gegeben werden kann, z.B. zum Herstellen oder Fertigstellen integrierter Schaltungen oder für eine andere Materialbearbeitung mit mikroskopisch kleinen Abmessungen. Eine Strahlkorrekturanordnung wird dabei die Reprodiizierbarkeit und die Genauigkeit des Bearbeitungsapparat bedeiitend verbessern. Ebenso wird von einem Elektronenstrahl Scheibenapparat für Mikrroaufzeichnung von Information durch Anwendung einer erfindungsgemässen Strahl^- korrekturanordnung das Auflösungsvermögen vergrössert werden. Hierdurch kann eine deutlichere Aufzeichnung oder eine verkleinerte Aufzeichnung erhalten werden.

609826/0709
OÜTOS-VÄ* ..ΑΧΛΤίΟ ' ORIGINAL INSPECTED

Claims (2)

1. PATENTANSPRUECHE:

   /1.J Elektronenstrahlapparat mit einem elektronenoptischen Linsensystem und einer wenigstens nahe einer Strahlbahn für einen im Elektronenstrahlapparat auftretenden Elektronenstrahl angeordneten Elektronendetektionsanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Oetektionsanordmmg wenigstens nahe einem vom Linsensystem zu bildenden Zwischenbild angeordnet ist und zxisamraen mit einer Strahlablenkanordnung einen Teil einer Strahlkorrekturanordnung des Elektronenstrahlapparats bildet.
2. 2. Elektronenstrahlapparat nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, dass er als ein Durchstrahlungselektronenmikroskop ausgerüstet ist und die Oetektionsanordnung in einem Zwischenbild hinter einer Linse mit einem in bezug auf eine nachfolgende Linse grossen Oeffnungswinkel angeordnet ist.

   3· Elektronenstrahlapparat nach Anspruch 1,

   oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ei* als Elektronenmikroskop ausgerüstet ist, in dem eine Abbildung eines scharfen Ueberganges in der Objektebene als Referenz für die Detektionsanordnung arbeitet.

   km Elektronenstrahlapparat nach Anspruch 3,

   dadurch gekennzeichne*, dass die Strahlkorrekttiranord— nung für stellenweise Bildaixswahl eingerichtet ist. 5· Elektronenstrahlapparat nach Anspruch 1, dadxirch gekennzeichnet, dass er als ein Rasterelektronenmikroskop ausgerüstet ist und dass "eine Strahlablenkanordnung für Objektabtastung gleichfalls als Strahlablenkanordnung für die Strahlkorrektur arbeitet.

   . , 609-026/0Ϊ09

   -A3- PHN.7849

   6. Elektronenstrahlapparat nach Ansprtich 5» dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Strahlablenkanordnung ζτιηι vollständigen Reduzieren durch die Abtastung verursachter Bildverschiebung in der Detektorebene vorhanden ist.

   7. Elektronenstrahlapparat nach Anspruch 1, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoranordnung wenigstens nahe einer Abbildungsebene einer Kondensorlinse angeordnet ist.

   8. Elektronenstrahlapparat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoranordnung zwei Detektorpaare enthält und Differenzsignale aus den von den Detektorpaaren gewonnenen Signale gebildet werden.

   9· Elektronenstrahlapparat nach Anspruch 1 ,

   dadurch gekennzeichnet, dass er als ein Elektronenstrahlbearbeitungsapparat axis ge rüstet ist.

   609826/07 0 9 ORIGINAL INSPECTED