DE3032818C2

DE3032818C2 -

Info

Publication number: DE3032818C2
Application number: DE3032818A
Authority: DE
Inventors: Gijsbertus Bouwhius; Hendrik De Lang; Nicolaas Henricus Eindhoven Nl Dekkers
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1979-09-05
Filing date: 1980-08-30
Publication date: 1991-06-20
Also published as: CA1153131A; US4379230A; DE3032818A1; NL7906632A; FR2464558A1; GB2059120A; FR2464558B1; JPS5673853A; JPH0122705B2; GB2059120B

Description

Verfahren zum Korrigieren von Defokussierung und/oder Astigmatismus in einem Elektronenmikroskop und Elektronen mikroskop zur Durchführung des Verfahrens.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Korrigieren von Defokussierung und/oder Astigmatismus in einem Elektronen mikroskop entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie betrifft weiter ein Elektronenmikroskop zur Durch führung dieses Verfahrens.

Ein Elektronenmikroskop der genannten Art ist aus der DE-OS 26 19 739 bekannt.

Aus der DE-AS 26 42 356 ist ein Elektronenmikroskop ähn licher Art bekannt, bei dem zwei symmetrisch zur optischen Achse angeordnete Detektoren zum Detektieren von das Ob jekt durchdringenden Elektronen vorgesehen sind. Mit Hilfe dieser Detektoren kann ein selbstätig arbeitendes Verfah ren zum Korrigieren von Defokussierung und/oder Astig matismus durchgeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß es sicher und selbstätig arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeich nenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale ge löst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an hand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Elektronenmikroskops zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung, mit einem Detektor mit mehreren unabhängig voneinander auslesbaren Detektorelementen,

Fig. 2 einen derartigen Detektor vom einfallenden Elektronenstrahl aus gesehen,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Elektronen strahls mit Defokussierung und Astigmatismus.

Ein Elektronenmikroskop nach Fig. 1 enthält eine Elektro nenstrahlquelle 1 mit einer Anode 2 und einem Strahlaus richtsystem 3, eine Kondensorlinse 4, einen Stigmator 5, eine Objektivlinse 6, ein Strahlabtastsystem 7, einen Ob jektraum 8 mit einer Objektebene 9, eine Diffractionslinse 10, eine Zwischenlinse 11, eine Projektionslinse 12, eine Filmkamera 13 sowie einen Detektor 14 mit einer Signal ableitung 15. Alle diese Teile sind in ein Gehäuse 16 mit einer Zuleitung 17 für die Elektronenstrahlquelle aufge nommen und mit einem Schaufenster 18 zum Beobachten eines Fluoreszenzschirms 19 versehen. An das Gehäuse können wei ter eine Vakuumpumpanlage 20, eine Plattenkamera 21 und ein Fernsehmonitor 22 angeschlossen sein. Weiter ist der Detektor mit einer elektronischen Schaltung 23 verbunden, an die eine Regelschaltung 24 für das elektronenoptische System, insbesondere für die Objektivlinse 6 und den Stig mator 5, angeschlossen ist.

Der Detektor enthält in einer Ausführungsform zum Aus gleichen der Defokussierung allein, die der Deutlichkeit halber zunächst hier beschrieben wird, mindestens zwei Detektorelemente 30 und 31 gemäß Fig. 2.

Die Detektorelemente 30 und 31 befinden sich an der glei chen Seite einer als Y-Achse angegebenen Teillinie des De tektors, die hier der Bildrichtung eines Fernsehabtasters entspricht, mit dem ein Objekt abgetastet wird. Eine quer zur y-Achse gerichtete x-Achse deckt sich daher mit der Linienabtastrichtung des Abtastmusters. Die automatische Einstellung der Fokussierung auf das Objekt kann jetzt wie folgt dargelegt werden. Hierbei wird die Objektabtastung als eine Bewegung des Objekts in bezug auf einen still stehenden Elektronenstrahl betrachtet.

Wenn eine Objektstruktur mit einer Geschwindigkeit s quer zum stillstehend gedachten, die Struktur durchstrahlenden Elektronenstrahl bewegt wird, bewegt sich ein Intensitäts muster, das durch Interferenz des ungestörten Elektronen strahls mit einem von der Struktur abgelenkten Elektronen strahl entsteht, in einer Detektionsebene mit einer Ge schwindigkeit v, die durch v=L.s.d.^-1 gegeben ist. Hierin ist L der Abstand zwischen dem Strahlfokus und der Bildebene oder einem gleichwertigen Abstand, wenn sich Linsenfelder zwischen diesem Strahlfokus und der Ebene be finden. Der Defokussierungsabstand d, gemessen gegen die Struktur in der Objektebene, wird bei Unterfokussierung positiv und Überfokussierung negativ gemessen. Bei Unter fokussierung liegt der Brennfleck nahe des Objekts und bei Überfokussierung vor dem Objekt, von der Elektronenstrahl quelle aus gesehen. Die Formel zeigt, daß v gleichgerich tet zur Abtastrichtung bei Unterfokussierung und dazu ent gegengesetzt gerichtet ist bei Unterfokussierung.

Es ist dabei vorteilhaft, die Struktur eines wohl immer vorhandenen Tragnetzes für das Objekt als Intensitäts muster erzeugende Struktur zu wählen. Ein an sich bekann tes Verfahren zur Messung der Bewegung eines Intensitäts musters ist die Bestimmung der Zeitdifferenz zwischen den Signalen zweier in einem gewissen gegenseitigen Abstand liegender Detektorelemente. Signale s1 und s2 der Detek torelemente 30 und 31 liegen in einem gegenseitigen Ab stand a in der x-Richtung und weisen beispielsweise eine Zeitdifferenz t auf, die durch t=a.d.L^-1s^-1 gegeben is.t Durch die Messung von t wird ein Wert für a.d.L^-1v^-1 erhalten, und mit a, L und v als feste Daten ein Wert für d, der einer Regelschaltung zugeführt wird, bevor eine strahlfokussierende Linse des elektronenoptischen Systems die Defokussierung beseitigt.

Ein optimaler Wert für die Verzögerungszeit zwischen den Signalen s1 und s2 kann dadurch erhalten werden, daß mit einem maximalen Wert der Korrelationsfunktionen

y=∫s1(t) · s2(t+Δt)dt

die Größe und das Zeichen des zugeordneten Δt-Werts bestimmt werden. Der gefundene Δt-Wert ist dabei ein Maß für das Korrektionssignal. Es kann dabei vorteilhaft sein, den Detektor mit mehreren paarweise zu verbindenden Detektorelementen auszuführen, die stets beide in der gleichen Detektorhälfte liegen und einen gewissen gegenseitigen Abstand in der x-Richtung aufweisen.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Elektronen mikroskops zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfin dung werden sowohl die Defokussierung als auch der Astig matismus des Elektronenstrahls an der Stelle der Objekt ebene beseitigt. Hierzu enthält der Detektor vorzugsweise eine Matrix von getrennt auslesbaren Detektorelementen beispielsweise in der Ordnung eines orthogonalen Systems von 5×5 Elementen.

Völlig analog zu obiger Beschreibung kann mit einer derar tigen Matrix ein Detektorelementpaar zum Erhalten eines die Defokussierung ausgleichenden Signals ausgewählt wer den.

In Fig. 3 ist ein Elektronenstrahl dargestellt, in dem so wohl Strahlastigmatismus als auch Defokussierung hinsicht lich der Objektebene auftreten.

Quer zu einer optischen Achse 40 sind in bezug auf ein x, y-Achsensystem, das den Abtastrichtungen des Elektronen strahls über das Objekt entspricht, und wobei die Linien richtung mit der x-Richtung und die Bildrichtung mit der y-Richtung zusammenfällt, in der Figur angegeben; in einer Ebene 41 eine erste Brennlinie m des astigmatischen Strahls und in einer Ebene 42 eine zweite Brennlinie n des astigmatischen Strahls. Die Ebenen 41 und 42 liegen in gleichem Abstand an beiden Seiten eines Brennflecks (engster Querschnitt) 43 des astigmatischen Strahls. Weiter sind eine Objektebene 44 und eine Detektionsebene 45 angegeben. Der Abstand zwischen dem engsten Querschnitt 43 und der Objektebene 44 ist mit d bezeichnet.

In allgemeiner Form ist der Astigmatismus eines Strahls von einem Orientierungswinkel der gegenseitig senkrechten Brennlinien m und n gekennzeichnet, beispielsweise hin sichtlich des x, y-Achsenkreuzes, und durch einen Abstand 2p zwischen den zwei Brennlinien n und m, gemessen entlang der optischen Achse. Aus einer allgemeinen Formel für den Astigmatismus ergibt sich, daß die durch die Objekt abtastung erzeugte Bewegung des Intensitätsmusters in der Detektionsebene beim Abtasten des Objekts mit der x-Achse als Linienabtastrichtung eine Komponente in der y-Richtung hat, wenn der Elektronenstrahl schief orientierten Astigmatismus aufweist; also wenn das m-n-Achsenkreuz nicht mit dem x-y-Achsenkreuz zur Deckung kommt. Auch zum Korrigieren sowohl der Defokussierung als auch des Astig matismus kann das Bewegungsmuster in der Detektionsebene als Einstellkriterium dienen. Aus der allgemeinen Formel des Bewegungsmusters kann hergeleitet werden, daß bei ent lang der x-Achse gerichteter Objektabtastung für die Ge schwindigkeiten Ux in der x-Richtung und Uy in der y-Rich tung in der Detektionsebene folgendes gilt:

Ux=-Ls (d+p cos 2α) (d²-p²)^-1
Uy=-Ls p sin 2α (d²-p²)^-1

Aus dieser Bewegungsformel können sowohl Ux als Uy unter Verwendung von Zeitdifferenzmessungen in der x-Richtung bzw. in der y-Richtung in bezug auf gegeneinander versetzt angeordnete Detektorelementpaare bestimmt werden.

Als erste Phase im Korrekturverfahren wird jetzt eine aufeinander folgende Reihe von d-Werten durch stetiges oder gestuftes Variieren der Erregung der strahlfokussierenden Linse ver wirklicht. Aus dem Bewegungsvergleich folgt jetzt, daß das Zeichen von Ux und Uy für

d=d1=-|p| bzw. d=d2=+|p|

simultan umkehrt.

Bei d=d3=p cos 2 α tritt dagegen nur Zeichenumkehr für Ux auf. Durch Einstellung der Linsenerregung auf den arithmetischen Mittelwert der der Linsenerregung für d1 bzw. d2 zugeordneten zwei Stromwerte ist die optimale Fokussierung mit d=0 erreicht.

In einer von einem Mikroprozessor gesteuerten selbstäti gen Korrekturschaltung ist es vorteilhaft, die lineare Ab hängigkeit von d vom Linsenstrom und von der Tatsache zu benutzen, daß sowohl |p| als auch p cos 2α einen direkten Zusammenhang mit den den unterschiedlichen d-Werten zuge ordneten Linsenstromwerten aufweisen und das Zeichen von p eindeutig mit dem Zeichen von Uy zusammenhängt.

Die Korrigierung von Astigmatismus kann in zwei Schritten realisiert werden. In einem ersten Schritt wird diagonaler Astigmatismus zugesetzt, um die Orientierung des Astigma tismus, also die Orientierung des m-n-Achsenkreuzes, mit dem x-y-Achsenkreuz zur Deckung zu bringen. Aus dem Be wegungsmuster ist die Größe des diagonalen Astigmatismus bekannt, wobei für eine zusätzliche Prüfung die Zeichen umkehr von Uy verwendet werden kann. Wenn die Orientierung des Astigmatismus zum Zusammenfallen mit dem x-y-Achsen kreuz gebracht ist, werden in einem zweiten Schritt die Abstände p auf Null durch den Zusatz von in x-Achse ge richteten Astigmatismus mit einer Stärke von -p cos 2α reduziert, wobei die Zeichenumkehr von Ux als Prüfung be nutzt werden kann. Nach der Durchführung der beschriebenen Korrekturschritte ist der Elektronenstrahl optimal fokussiert und astigmatismusfrei. Die Korrektur kann für eine Mikroprozessorschaltung programmiert und ununter brochen bei normalen Messungen durchgeführt werden. Hier bei kann die zu messende Bilderzeugung benutzt werden, ohne daß diese Bilderzeugung auf irgendeine Weise gestört wird. Ein vorteilhafter Stigmator für die beschriebene Korrektur ist in J. Phys. D. Appl. Physics, Vol. 7 (1974), S. 805-814 beschrieben.

Claims

1. Verfahren zum Korrigieren von Defokussierung und/oder Astigmatismus in einem Elektronenmikroskop mit einem um eine optische Achse angeordneten elektronenoptischen Linsensystem, einem Stigmator und einer Strahlabtastanordnung zum Abtasten eines Objekts mit Hilfe eines Elektronenstrahls, mit einem mehrere unabhängig voneinander auslesbare Detektorelemente enthaltenden Detektor zum Detektieren von das Objekt durchdringenden Elektronen und mit einer elektronischen Schaltung zum Selektieren der Detektorsignale der Detektorelemente, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Detektor mit mehreren unabhängig voneinander auslesbaren Detektorelementen (30, 31) die Bewegung eines Intensitätsmusters, das in dere Detektionsebene durch das Abtasten einer Struktur in der Objektebene entsteht, gemessen wird und aus Signalpaaren von Detektorelementen Korrektursignale für die Defokussierung und den Astigmatismus hergeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen des Intensitätsmusters ein Tragnetz für das Objekt benutzt wird.

3. Elektronenmikroskop zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur der Defokussierung der Detektor min destens zwei Detektorelemente (30, 31) enthält, die in ei ner Richtung entsprechend einer Linienabtastrichtung des Strahlabtastsystems in Abstand voneinander, an der gleichen Seite einer senkrecht zu dieser Richtung ver laufenden Detektoreillinie liegen und ein von der elek tronischen Schaltung gebildetes Regelsignal die Erregung für eine strahlfokussierende Linse (4, 6) des elektronen optischen Systems steuert.

4. Elektronenmikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur von Astigmatismus der Detektor mehrere Detektorelemente (30, 31) enthält, die paarweise sowohl in einer Richtung entsprechend der Linienabtastrichtung als auch in einer Richtung senkrecht darauf in gegenseitigem Abstand liegen und mit Detektorsignalen von Detektor elementpaaren (30, 31) ein einem Stigmator (5) des elek tronenoptischen Systems zuführbares Regelsignal gebildet wird.

5. Elektronenmikroskop nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung einer Verzögerungszeit zwischen Signalen zweier Detektorelemente aus einem Detektor elementpaar ein maximaler Wert für eine zeitabhängige Korrelationsfunktion zwischen beiden Signalen bestimmt und eine zu diesem maximalen Wert gehörende Verzögerungszeit als maßgebend für das Korrektursignal erhalten wird.

6. Elektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor aus einer orthogonalen Matrix von Detektorelementen (30, 31) aufgebaut ist, deren Achsensystem dem Achsensystem eines Strahlabtastmusters des Objekts entspricht.