DE3145606C2

DE3145606C2 - Rasterelektronenmikroskop

Info

Publication number: DE3145606C2
Application number: DE3145606A
Authority: DE
Inventors: Naoki Tokio/Tokyo Date; Yohio Ishimori; Seiichi Nakagawa
Original assignee: Nihon Denshi KK
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1980-11-21
Filing date: 1981-11-17
Publication date: 1986-11-13
Also published as: JPS6255263B2; GB2088625A; US4431915A; FR2494904A1; FR2494904B1; DE3145606A1; JPS5788659A; GB2088625B

Abstract

Ein Elektronenstrahlgerät mit einer Elektronenquelle (1), einer Kondensorlinse (3), einer Objektivlinse (8) und einer oberen und unteren Ablenkspule (6 und 20), die zwischen der Kondensorlinse (3) und der Objektivlinse (8) angeordnet sind, von denen die untere Ablenkspule sattelförmig ausgebildet ist, und die von einem gemeinsamen einzigen Ablenksignalgenerator (21) gespeist werden, der Abtastsignale erzeugt, mit unterschiedlichen Frequenzen, die von niedrigen Abrastergeschwindigkeiten bis zu Fernsehabrastergeschwindigkeiten reichen. Hierdurch wird eine Bildverschiebung vermieden, wenn ein Wechsel zwischen Fernsehabrastergeschwindigkeit und einer anderen niedrigeren Abrastergeschwindigkeit erfolgt.

Description

aufweisen und eine große Eigeninduktivität (im folgenden als »Induktivität« bezeichnet) pro Einheitsablenkwinkel aufweisen. Demzufolge besitzen die obere und untere Ablenkspule 6 und 7 eine relativ hohe kombinierte Induktivität. Diese hohe Induktivität führt zu kleinen Abtastwinkeln für den Fall, daß ein Strom mit annähernder Fernsehabtastfrequenz vom Sägezahngenerator geliefert wird, um die Bedürfnisse einer Probenbeobachtung mit Hochgeschwindigkeitsabrasterang zu befriedigen. Durch die hohe Induktivität wird die Sägezahnform des Stromes beim Hindurchfließen durch die Ablenkspulen gestört. Demzufolge ist ein Umschalten notwendig, damit der Impulsgenerator U einen Strom in Rechteckwellenform liefert, der jedoch wiederum in Sägezahnwellenform bei einer Ferasehabrasterung verformt wird. Außerdem ist es schwierig, die Nullpunkte des Impulsgenerators 11 und des Sägezahngenerators 17 zu jeder Zeit auf einer Linie zu halten. Demzufolge verschiebt sich das Probenbild und die Beobachtung des gleichen Bereiches des Probenbildes wird verhindert, wenn die Abrastergeschv/iridigkeiten zwischen Fernsehabrastergeschwindigkeiten und anderen A': rastergeschwindigkeiten wechselt.

Außerdem ist die Verwendung von zwei Quellen für die Abtastsignale aufwendig und erhöht die Herstel-Iungskosten sowie den Platzbedarf des Gerätes.

Aus der GB-PS 12 48 061 ist ein Rasterelektronenmikroskop mit zwei Ablenkspulen zwischen Kondensor- und Objektivlinse bekannt, bei dem die beiden Ablenkspulen durch einen Ablenksirom aus einem Ablenksignalgenerator gespeist. Bei diesem Rasterelektronenmikroskop ist jedoch keine Veränderung der Abrastergeschwindigkeit vorgesehen. Aus der DE-OS 23 20 283 ist die Verwendung von Sattelspulen als Ablenkspulen bei Rasterelektronenmikroskopen bekannt.

Aufgabe der F.rfindung ist es. ein Rasterelektronenmikroskop der eingangs genannten Art zu schaffen, das frei von einer Verschiebung des Probenbildes ist, wenn die Abrastergeschwindigkeiten zwischen einer Fernsehabrastergescuwindigkeit und einer anderen Abrastergeschwindigkeit gewechselt werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1, wobei in den Unteransprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben sind.

Dadurch, daß lediglich die obere Ablenkspule ringförmig ausgebildet ist, und die untere Ablenkspule sattelförmig ausgebildet ist, wird die kombinierte Induktivität aus der oberen und unteren Ablenkspule verringert. Ferner ist nur ein einziger Abtastsignalgenerator vorhanden, der die AblenKspulen mit den Abtastsignalen versorgt, die unterschiedliche Frequenzen aufweisen und deren Abrastergeschwindigkeiten von einer niedrigen Abrastergeschwindigkeit bis zu Fernsehabrastergeschwindigkeit reichen. Auf diese Weise wird eine Bildverschiebung verhindert, wenn zwischen den Abrastergeschwindigkeiten, insbesondere zwischen Fernsehabrastergeschwindigkeiten und anderen Abrastergeschwindigkeiten gewechselt wird.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß der Aufbau des Rasterelektronenmikroskops einfach ist und die Herstellung mit verringertem Aufwand gegenüber bekannten Geräten möglich ist.

Anhand der beiliegenden Figuren wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung noch näher erläutert.

Es zeigt (S

Fig. 1 ein bekanntes Elektronenstrahlgerät;

Fig. 2 ein Ausführungiibeispiel der Erfindung;

Fig. 3 eine sattelförmige Ablenkspule und ,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer sattelförmigen Ablenkspule.

In der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dieses Ausfühirungsbeispiel enthält zum Unterschied zu einem in der Fig. 1 dargestellten bekannten Rasterelektronenmikroskop eine untere, sattelförmig ausgebildete Ablenkspule 20 anstelle einer ringförmigen Ablenkspule. Die obere Ablenkspule 6 ist als Ringspule ausgebildet. Die obere ringförmige Ablenkspule 6 und die untere sattelförmige Ablenkspule 20 werden von einem Sägezahngenerator 21 über eine Vergrößerungssteuerschaltung 22 mit Abtastsignalen versorgt. Der Sägezahngenerator 21 erzeugt sägezahnförmige Signale mit unterschiedlichen Frequenzen in Abhängigkeit von dem Umfang der Änderungsmöglichkeit der Abtastgeschwindigkeiten in einem Bereich, der sich von einer niedrigen Abtastgeschwindigkeit bis zu Fernsehabtastgeschwindigkeit erstreckt. Die Fig. 3 dient zur Erläuterung der unteren Ablenkspule 20. In dieser Figur ist ein Ferritkern 23 dar—stellt. Innerhalb des Ferritkernes 23 befinden sich vier i'aare sattelförmiger Spulenelemente (24a, 24b), (25a, 25ö), (26a, 26b), (27a, TIb) in verschiedenen Schichten. Die Spulenelementpaare liegen einander gegenüber in der gle.chen Schicht bzw. auf dem gleichen Radius. Die Spulenelemente 24a, 24b in der ersten Schicht bzw. auf dem ersten Radius dienen zur Ablenkung des Elektronenstrahls in der ^-Richtung. Eines dieser Spulenelemente ist perspektivisch in der Fig. 4 dargestellt. Die in der Fig. 3 dargestellten Spulenelemente sind dargestellt in Blickrichtung des Pfeiles A in der Fig. 4. Die ausgezogenen Linienteile in der Fig. 3 entsprechen Spulenwindungen, die in der Fig. 4 mit M und N bezeichnet sind. Diese Spulenwindungen leiten den elektrischen Strom senkrecht zur Zeichenoberfläche. Die Teile der Spulenelemente 24a und 24b mit Spulenwindungen, die den Strom in die gleiche Richtung wie oben erwähnt leiten, liegen in einem Winkel von 120', wie e-> in Fig. 3 dargestellt ist. Auf diese Weise wird die Störung in einem Magnetfeld, das von den Spulenelementen 24a und 246 erzeugt wird, verringert. Die sattelförmigen Spulenelemente 25a und 25b in der zweiten Schicht bzw. auf dem zweiten Radius dienen zur Ablenkung in der y-Richtung und besitzen zu den Spulenelementen 24a und 24b einen Winkelabstand von 90 und befinden sich in enger Berührung mit diesen. Wenn das Verhältnis des Abstands zwischen den Spulenelementen 24c und 246 sowie dem Kern 23 zu dem Abstand zwischen den Spulenelementen 25a und 25b und dem Kern 23 1 ist, dann ist die Kopplung zwischen dem Kern 23 und den Spulenelementen 24a und 24b sowie die Kopplung zwischen dem Kern 23 und den Spulenelemen'ten 25a und l^?-b äquivalent bzw. gleichwirkend. Demzufolge sind die Spulenelemente 24a und 24b vom Spulenkern 23 im weitestmögli.iien Abstand, den die räumlichen Begrenzungen erlauben (beispielsweise 1 mm), angeordnet. Da das Verhältnis nicht 1 sein kann, selbst wenn der Abstand zwisrhen dem Kern 73 und den Spulenelementen 24a und 24^ groß ist, wird der Ablenkwinkel in der A'-Richtung etwas größer sein als der Ablenkwinkel in der K-Richtung, wenn der gleiche Strom dutch die Spülerielemente auf dem ersten und üuf dem zweiten Radius durch die gleiche Anzahl an Windungen fließt. Um diese Schwierigkeit zu beseitigen, ist die Anzahl der Windungen der Spulenelemente 25a und 25i> größer als die Windungszahl der Spulenelemente 24a und 24b. Beispielsweise beträgt der Unterschied zwei Windungen um die Ablenkwinkel in der X- und der y-Richtung

gleichzuhalten, wenn gleiche Ablenkströme durch die Spulenelemente fließen (der Winkel innerhalb welchem die Spulenelemente 25a und 25b liegen ist daher etwas größerals 120°). Sattelförmige Spulenelemente 26a, 26b in einer dritten Schicht bzw. auf einem dritten Radius besitzen gegenüber den sattelförmigen Spulenelementen 25a und 256 einen radialen Abstand, so daß eine geringe Verschiebung des Elektronenstrahls in der X-Richtung ermöglicht wird. Die sattelförmigen Spuleneiemente 27a und 276 in einer vierten Schicht bzw. auf einem vierten Radius besitzen ebenfalls einen radialen Abstand gegenüber den Spulenelementen 26a und 26b und dienen zur geringen Verschiebung des Elektronenstrahls in y-Richtung. Die Spulenelemente 26a und 26b sowie 27a und 27b werden dann verwendet wenn es notwendig ist. den beobachteten Bereich genau zu verschieben. Wenn die Hauptebene der Objektivlinse 8 und die Mitte des Ablenkfeldes, welches durch die sattelförmige Ablenkspule 20 erzeugt wird, einen Abstand F voneinander aufweisen und die Mitte des Ablenkfeldes, welches von der ringförmigen Ablenkspule 6 erzeugt wird, einen Abstand G von der Mitte des Ablenkfeldes, das von der sattelförmigen Ablenkspule 20 erzeugt wird, aufweist, werden die Objektivlinse 8 und die ringförmige Ablenkspule 6 sowie die sattelförmige Ablenkspule 20 relativ zueinander so angeordnet, daß die Beziehung G/F§3 erfüllt wird.

Normalerweise besteht zwischen dem Ablenkwinkel Θ und der Ampere-Windungszahl Ni bei der Ablenkspule die Beziehung Θ — Μ. Wenn man annimmt, daß die obere Ablenkspule einen Ablenkwinkel Q_x und die untere Ablenkspule einen Ablenkwinkel von O₂ erzeugt, ergibt sich hieraus die Beziehung 6>₂ = (G/ F+\) Q_x. Aus der Beziehung G/F>3 und der Beziehung Q₁ = (G/F+l) Q_x läßt sich die Beziehung Q_xIQ₁ > ¹A ableiten. Wenn daher durch die obere und untere Ablenkspule der gleiche Abienkstrom fließt, ergibt sich für die Windungszahlen Nl und N2 für die obere und untere Ablenkspulen die Beziehung NVN2 < V».

Da L — N² ist, wobei L die Spuleninduktivität ist, ergibt sich L_xIL₂ < Vi₆ wenn die obere und die untere Ablenkspule Ringspulen sind. Wenn daher die Beziehung G/F>3 gilt, läßt sich die kombinierte Induktivität aus oberer und unterer Ablenkspule darstellen als wenn diese allein durch die Induktivität der unteren Ablenkspule bestimmt wird. Auf diese Weise läßt sich die kombinierte Induktivität verringern, wenn eine Verringerung der Induktivität der unteren Ablenkspule erzielt wird. Ein Vergleich zwischen ringförmigen und sattelförmigen Ablenk«pulen mit Kernen, die gleichen Radius aufweisen, ergibt, daß die Induktivität der sattelförmigen Ablenkspule, welche man zur Ablenkung eines Elektronenstrahls pro Winkeleinheit benötigt, etwa Vt der Induktivität einer ringförmigen Ablenkspule ist. Da die ringförmige Ablenkspule einen erhöhten Flußverlust, welcher durch das Linsenjoch fließt, zuläßt, beträgt die Induktivität der sattelförmigen Ablenkspule etwa Vs bis Ά der von einer ringförmigen Ablenkspule benötigten Induktivität, wenn sie im Gerät eingebaut wird. Bei dem beschriebenen Rasterelektronenmikroskop ist die untere Ablenkspule als sattelförmige Spule ausgebildet, so daß die kombinierte Induktivität aus oberer und unterer Ablenkspule äußerst gering ist. Die Ablenkspulen 6 und 20 werden mit einem sägezahnförmigen Strom aus dem einzigen Sägezahngenerator 21 bei Rasterbetrieb innerhalb eines breiten· Geschwindigkeitsspektrums versorgt. Das Abrasterspektrum reicht von einer niedrigen Abrastergeschwindigkeit bis zu Fernsehabrastergeschwindigkeit. Es ergibt sich keine Bildverschiebung beim Wechsel von der Fernsehabrastergeschwindigkeit zu einer anderen Abrastergeschwindigkeit. Hierdurch ist es möglich, auf der Probe zu jeder Zeit immer den gleichen Bereich zu beobachten.

Da nur eine Quelle zur Erzeugung der Abtastsignale notwendig ist, besitzt das Gerät einen einfachen Aufbau und der Herstellungsaufwand ist niedrig.

ίο Die Anzahl der Windungen der sattelförmigen Ablenkspulenelemente zur Ablenkung des Elektronenstrahls in der Al-Richtung weicht von deir Windungszahl der sattelförmigen Ablenkspulenelemeinte zur Ablenkung des Elektronenstrahls in die y-Richtung ab. Auf diese Weise wird die Differenz der Kopplungsgrade zwischen den Spulenelementen und dem Spulenkern eliminiert. Wenn daher die Spulenelemente mit dem gleichen Ablenkstrom versorgt werden, ist der Ablenkwinkel des Elektronenstrahls in der X- und K-Richtung gleich. Auf diese Weise läßt sich eine leichte Auswahl und Steuerung der Ablenksignale, insbesondere auch zur Drehung des Bildes, durch Drehung bzw. Verschwenkung der Rasterung erzielen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rasterelektronenmikroskop mit einer Elektronenquelle zum Aussenden eines Elektronenstrahls, einer Kondensorlinse zum Bündeln des Elektronenstrahls, einer Objektivlinse zum Fokussieren des Elektronenstrahls auf die Probe, einer in Strahlrichtung gesehen nach der Kondensorlinse angeordneten oberen und einer nachfolgend vor Objektivlinse angeordneten unteren Ablenkspule, wobei die obere Ablenkspule als Ringspule ausgebildet ist, einem Detektor zum Empfangen von Datensignalen, die von der bestrahlten Probe ausgesendet werden und mit Bildwiedergabemitteln, die unter Auswertung der empfangenen Datensignale ein Probenbild liefern, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Ablenkspule (20) eine sattelförmige Ablenkspule ist, und die obere und die untere Ablenkspule (6 und 20) durch einen Ablenkstrom aus einem einzigen Abiinksignalgenerator (21) gespeist sind, dessen Abieiiksignale Frequenzen aufweisen, die von niedrigeren Abrastergeschwindigkeiten bis zu Fernsehabrastergeschwindigkeiten reichen.

2. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkspulen (6 und 20) sowie die Objektivlinse '8) die Bedingung G/ F>3 erfüllen, wobei F der Abstand zwischen der Hauptebene der Objektivlinse (8) und der Mitte des von der unteren sattelförmigen Ablenkspule (20) erzeugten Ablenkfeldes und G der Abstand zwischen der M' te des von der oberen, ringförmigen Ablenkspule (6) erzeugten AMenkfeldes und der Mitte des von der unteren sattelförmigen Ablenkspule (20) erzeugten Ablensfeld^s ist.

3. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sattelförmige Ablenkspule (20) einen Kern (23) aufweist, in welchem sattelförmige Spulenelemente (24a bis 276) ineinander geschichtet angeordnet sind.

4. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sattelförmigen Spulenelemente (24a bis 21b) im größtmöglichen radialen Abstand, so weit es die räumlichen Begrenzungen erlauben, vom Spulenkern (23) angeordnet sind.

5. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 3 oder 4. dadurch gekennzeichnet, daß die sattelförmigen Spulenelemente (24a bis 2Tb) in einer ersten und zweiten Schicht angeordnete Spulenelemente (24a, 24b und 25a und 256) aufweisen, zur Ablenkung des Elektronenstrahls in der X- und y-Richtung, und daß in einer dritten und in einer vierten radialen Schicht Spulenelemente (26a, 26f>, 27a, 21b) angeordnet sind, zur geringen Verschiebung des Elektronenstrahls in der X- und V-Richtung.

6. Rasterelektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die sattelförmigen, in den radialen Schichten angeordneten Spuienelemente (24a bis 276) in ersten und zweiten radialen Schichten Spulenelemente (24a, 24b, 2Sa, 25b) aufweisen, weichenden Elektronenstrahl in Her X- und y-Richtung ablenken, bei denen die Anzahl der Windungen der in der zweiten radialen Schicht angeordneten Spulenelemente (25a, 256) um eine geringe Anzahl höher ist, als die Anzahl der Windungen der in der ersten radialen Schicht angeordneten Spulenelemente (24a, 246).

Die Erfindung betrifft ein Rasterelektronenmikroskop mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
In einem derartigen Rasterelektronenmikroskop dienen die Ablenkspuien der Abrasterung der Probenoberfläche. Um eine Probe innerhalb eines breiten Geschwindigkeitsbereiches, der von einer niedrigen Abtastgeschwindigkeit bis zu Fernsehabtastgeschwindigkeiten reicht, abrastern zu können, ist ein in der

Fig. 1 dargestelltes Rasterelektronenmikroskop der eingangs genannten Art bekanntgeworden.

Wie aus der Fig. 1 zu ersehen ist, wird bei einem derartigen Gerät ein Elektronenstrahl 2 von einer Elektronenstrahlquelle 1 ausgesendet. Dieser Elcktronen-

sirahl wird mittels einer Kondensorlinse 3 gebündelt und durch eine Blende 4 geschickt. Der Elektronenstrahl gelangt durch eine Blendenöffnung 5 der Blende 4, und wird durch eine obere Ringspule (auch als Toroidspule bezeichnet) 6 in einem Winkel 6>| abgclenkt, und durch eine untere Ringspule 7 unter einem Winkel ©2 wieder zurückabgelcnkt. Anschließend gelangt der Elektronenstrahl durch die Mitte einer Objektivlinse 8. Die Gesamtablenkung des Elektronenstrahles 2 beträgt 6> = Θ₂- 6>, gegenüber der optischen Achse 9 bevor er eine Probe 10 erreicht. Ein Fernsehabtastimpulsgenerator 11 erzeugt ein Ausgangssignal, das über eine Vergrößeiangssteuerschaltung an Kontakte (α) von Schalter 13,14 gelegt wird, die über Verstärker 15, 16 mit der oberen und unteren Ringspule 6 und 7 verbunden sind. Ein Sägezahngenerator 17 erzeugt Abtastsignale mit unterschiedlichen Abtastgeschwindigkeiten, die von einer niedrigen Abtastgeschwindigkeit bis zu einer sogenannten superschnellen Abtastgeschwindigkeit (welche etwas geringer ist als eine Fernsehabtastgeschwindigkeit) reicht. Das Ausgangssignal des Sägezahngenerators 17 wird über eine Vergrößerungssteuerschaltung 18 an Kontakte (b) der Schalter 13 und 14 gelegt. Ein Detektor 19 für Sekundärelektronen erzeugt ein Detektorsignal für eine oicht näher dargestellte Kathodenstrahlröhre, die synchron mit der Abrasterung der Probe durch den Elektronenstrahl arbeitet. Wenn eine Änderung der Abrastergeschwindigkeit durch den Elektronenstrahl 2 von einer niedrigen Abrastergeschwindigkeit zu einer superschnellen Abrastergeschwindigkeit in einem herkömmlichen Rasterelektronenmikroskop notwendig wird, werden die Schalter 13 und 14 an d*e Kontakte (6) gelegt, so daß das Signal des Sägezahngenerator 17 an die obere und untere Ablenkringspule 6 und 7 gelegt wird. Der Sägezahngenerator ist dabei so eingestellt, daß er Abtastsignale mit den gewünschten Frequenzen liefert. Wenn andererseits eine Abrasterung mit Fernsehabtastgeschwindigkeit erwünscht ist, werden die Schalter 13 und 14 mit den Kontakten (α) verbunden, so daß rechteckförmige Impulse des Impulsgenerators 11 an die Ablenkspulen 6 und 7 gelegt werden (die Wellenformen der Rechteckimpulse sind jedoch durch die Ablenkspulen 6 und 7 gestört, in welchen in Wirklichkeit ein Strom mit Sägezahnform fließt).

Dieses Umschalten zwischen den Abtastsignalqudlen ist aus den folgenden Gründen notwendig:

Im allgemeinen muß die obere Ablenkspule in ihren Abmessungen klein bemessen sein, da die obere Ablenkspule nahe der Blende angeordnet werden muß.

Demzufolge ist die obere Ablenkspule als Ringspule ausgebildet. In herkömmlichen Elektronenstrahlgeriiten ist jedoch auch die untere Ablenkspule als Ringspule ausgebildet, da Ringspulen kleine Abmessungen