DE3619729C2

DE3619729C2 -

Info

Publication number: DE3619729C2
Application number: DE3619729A
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Mito Jp Kobayashi; Shigeto Katsuta Jp Isakozawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-06-12
Filing date: 1986-06-12
Publication date: 1991-05-16
Also published as: DE3619729A1; JPH0815060B2; US4775790A; JPS61285647A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Durchstrahlungs-Elektronenmikroskops und ein Durch strahlungs-Elektronenmikroskop zur Durchführung des Verfah rens. Ein Durchstrahlungs-Elektronenmikroskop gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist beispielsweise aus der EP- 68 896 A2 bekannt.

Ferner ist aus der US-PS 45 20 264 ein Verfahren zum Betrieb eines Durchstrahlungs-Elektronenmikroskops mit einem aus einer Objektivlinse, zwei Zwischenlinsen und einer Projektionslinse bestehenden Bilderzeugungs-Linsensystem bekannt, bei dem das vergrößerte Bild der Probe durch bestimmte Erregung der beiden Zwischenlinsen um beliebige Winkel gedreht werden kann, ohne daß sich die Vergrößerung ändert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Durch strahlungs-Elektronenmikroskops der eingangs genannten Art zu schaffen, in welchem das Bild der Probe frei gedreht werden kann, während die Ver größerung des Bildes konstant bleibt, und bei welchem darüber hinaus die Betriebsbedingungen der elektromagnetischen Linsen für solch eine Bilddrehung leicht bestimmt werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.

Eine Weiterbildung des Verfahrens ist Gegenstand des Anspruchs 2 und ein Durchstrahlungs-Elektronenmikroskop zur Durch führung des Verfahrens Gegenstand des Anspruchs 3.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1 ein Diagramm, teilweise in Blockschaltweise und teilweise schematisch, des Ausführungsbeispiels eines Durchstrahlungs-Elektronenmikroskops gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Bilddrehung, welche durch das Bilderzeugungs- Linsensystem gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 erzeugt wird, und der Erregung für dieses Bilder zeugungs-Linsensystem, und

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Vergrößerung des Bilderzeugungs-Linsensystems gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und der Erre gung für dieses Bilderzeugungs-Linsensystem.

Vor Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorlie genden Erfindung wird weiter unten im einzelnen der funda mentale Gedanke der Erfindung beschrieben.

Der Drehwinkel R, um welchen das Bild einer Probe mit Hilfe einer elektromagnetischen Linse in einem Elektronenmikroskop gedreht wird, ist durch die nachfolgende Gleichung gegeben:

wobei B(z) die Verteilung der Magnetfeldstärke in einer Z-Richtung, IN die Ampere-Windung einer Spule zur Bildung der elektromagnetischen Linse und E die Elektronenbeschleu nigungsspannung angibt. Darüber hinaus ist der Drehwinkel des Endbildes einer Probe, welches in einem Durchstrahlungs- Elektronenmikroskop erzeugt wird, die Gesamtsumme von Dreh winkeln R_i, verursacht durch eine Anzahl von elektromagne tischen Linsen, welche zur Bilddrehung beitragen.

Es wird nunmehr ein Bilderzeugungs-Linsensystem betrachtet, welches in Fig. 1 gezeigt ist und welches z. B. fünf elektro magnetische Linsen aufweist (d. h. eine Objektivlinse 5, eine erste Zwischenlinse 6, eine zweite Zwischenlinse 7, eine erste Projektionslinse 8 und eine zweite Projektionslinse 9). In diesem Falle ist der Drehwinkel R des Endbildes durch die nachfolgende Gleichung gegeben:

wobei die Indices obj, I1, I2, P1 und P2 jeweils die Objek tivlinse, die erste Zwischenlinse, die zweite Zwischenlinse, die erste Projektionslinse und die zweite Projektionslinse angeben.

Es wird weiterhin angenommen, daß der Erregerstrom I_obj der Objektivlinse 5 und die Elektronenbeschleunigungsspannung E konstant sind, und daß die Spulen zur Bildung der ersten Zwischenlinse, der zweiten Zwischenlinse, der ersten Projek tionslinse und der zweiten Projektionslinse die gleiche An zahl von Wicklungen aufweisen (d. h. N_I1 = N_I2 = N_P1 = N_P2). Dann kann die Gleichung (2) wie folgt geschrieben werden:

(I_I1 + I_I2) + (I_P1 + I_P2) = k₁R + k₂R . . . (3)

wobei k₁ und k₂ Konstante sind.

Um daher die Bilddrehung durch das obige Bilderzeugungs- Linsensystem, welches fünf elektromagnetische Linsen bein haltet, durchzuführen, ist es erforderlich, Gleichung (3) zu erfüllen. Es gibt eine Vielzahl von Kombinationen der Werte der Erregerströme I_I1, I_I2, I_P1 und I_P2, welche die Gleichung (3) erfüllen können. Daher ist es schwierig, eine Kombination von Werten I_I1, I_I2, I_P1 und I_P2 zu finden, welche das Endbild um einen Winkel R drehen kann, während die Vergrößerung des Endbildes konstant bleibt.

Die Kombination der Werte von I_I1, I_I2, I_P1 und I_P2, welche die Bilddrehung in einem Zustand ausführen kann, bei welchem die Vergrößerung des Endbildes konstant bleibt, kann jedoch leicht unter Verwendung der nachfolgenden Methode gefunden werden.

Die erste und zweite Zwischenlinse bilden eine Zwischen linsengruppe mit dem Index I. Außerdem bilden die erste und die zweite Projektionslinse eine Projektionslinsen gruppe mit dem Index P.

Um das Endbild um den Winkel R zu drehen, während die Ver größerung des Endbildes konstant bleibt, ist es erforderlich, sowohl die Brennweite f_I des Zwischenlinsensystems (nämlich der Zwischenlinsengruppe) als auch die Brennweite f_P des Projektionslinsensystems (nämlich der Projektionslinsen gruppe) konstant zu halten. f_I und f_P sind jeweils die Brennweite einer aus zwei elektromagnetischen Linsen zu sammengesetzten Linse, und f_I und f_P sind daher durch die nachfolgenden Gleichungen gegeben:

wobei d_I den Abstand zwischen der ersten und zweiten Zwischenlinse und d_P den Abstand zwischen der ersten und zweiten Projektionslinse angeben.

Wie allgemein bekannt, ist die Brennweite f einer elektro magnetischen Linse gegeben durch die nachfolgende Formel:

Aus den Gleichungen (4) und (5) und der Formel (6) erhält man die nachfolgenden Gleichungen:

f_I = f_I(I_I1, I_I2, d_I) = f_I(f_I1, I_I2) . . . (7)
f_P = f_P(I_P1, I_P2, d_P) = f_P(I_P1, I_P2) . . . (8)

Darüber hinaus kann die Gleichung (3) wie folgt geschrieben werden:

R = F(I_I1, I_I2, I_P1, I_P2) . . . (9)

Der Drehwinkel des Endbildes kann also durch eine lineare Kombination der Erregerströme I_I1, I_I2, I_P1 und I_P2 aus gedrückt werden.

Der Erregerstrom I_obj der Objektivlinse wird, wie oben erwähnt, konstant gehalten. Die Vergrößerung des Endbildes verändert sich daher nicht, wenn sowohl die Brennweite f_I als auch die Brennweite f_P konstant gehalten werden. Es ergibt sich jedoch aus der Gleichung (9), daß, wenn die Erregerströme I_I1, I_I2, I_P1 und I_P2 geändert werden, während sowohl die Brennweite f_I als auch die Brennweite f_P konstant gehalten werden, sich der Drehwinkel R verändert. Anders ausgedrückt, der Drehwinkel R des Endbildes kann frei geändert werden ohne Veränderung der Vergrößerung durch Verändern der Erregerströme I_I1, I_I2, I_P1 und I_P2 (d. h. durch Verändern der Brennweite jeder der Linsen 6 bis 9) während I_I und f_P konstant gehalten werden. In diesem Falle ist eine Bedingung, daß f_I und f_P konstant gehalten werden. Daher ist die Anzahl der Kombinationen von Werten der Er regerströme I_I1, I_I2, I_P1 und I_P2, welche einen vorbestimm ten Drehwinkel R erzeugen können, erheblich kleiner im Vergleich zu der Anzahl von Kombinationen von Werten der Erregerströme I_I1, I_I2, I_P1 und I_P2, welche den vorbestimm ten Drehwinkel R lediglich gemäß Gleichung (3) erzeugen können. Dies bedeutet, daß die Betriebsbedingungen der Linsen 6 bis 9 zum Drehen des Bildes um den Winkel R unter Konstanthaltung von f_I und f_P leicht bestimmt werden können.

Da f_I und f_P konstant gehalten werden, erhält man aus den Gleichungen (4) bis (8) die nachfolgenden Gleichungen.

I_I2 = g(f_I, I_I1, d_I) = g(I_I1) . . . (10)
I_P1 = g(f_P, I_P1, d_P) = g(I_P1) . . . (11)

Der Erregerstrom I_I2 ist also eine Funktion des Erreger stroms I_I1 und der Erregerstrom I_P2 ist eine Funktion des Erregerstroms I_P1.

Aus den Gleichungen (9) bis (11) erhält man die nachfolgende Gleichung:

R = F(I_I1, g(I_I1), I_P1, g(I_P1)) = F(I_I1, I_P1) . . . (12)

Der Drehwinkel R ist also gegeben durch eine Funktion von I_I1 und I_P1. Es wird angemerkt, daß jede der Gleichungen (3) und (9) eine Funktion mit vier Variablen I_I1, I_I2, I_P1 und I_P2 und die Gleichung (12) eine Funktion von nur zwei Variablen I_I1 und I_P1 angeben. Die Anzahl der Kombinationen von Werten der Erregerströme I_I1 und I_P1, welche einen vor bestimmten Winkel R entsprechend der Gleichung (12) er zeugen können, ist daher erheblich kleiner als die Anzahl von Kombinationen von Werten der Erregerströme I_I1, I_I2, I_P1 und I_P2, welche den obigen Winkel entsprechend der Gleichung (3) oder (9) erzeugen können. Die Betriebsbedin gungen der Linsen 6 bis 9 zum Drehen des Endbildes um den Winkel R unter Konstanthaltung der Brennweite f_I und f_P können daher leicht bestimmt werden.

Die Zwischenlinsengruppe und die Projek tionslinsengruppe können jeweils erste Linsengruppe und zweite Linsengruppe genannt werden. Darüber hinaus kann das Bilderzeu gungs-Linsensystem nicht nur zwei Linsengruppen enthalten, sondern auch drei oder mehr Linsengruppen. Auch in diesem Falle kann der Drehwinkel des Endbildes durch Verändern der Erregerströme der einzelnen elektromagnetischen Linsen unter Konstanthaltung der resultierenden Brennweite jeder Linsen gruppe in einen Zustand geändert werden, bei welchem die Vergrößerung konstant bleibt. Es ist klar, daß jede Linsen gruppe nicht nur zwei elektromagnetische Linsen, sondern auch drei oder mehr elektromagnetische Linsen aufweisen kann.

Die Vergrößerung des Endbildes wird durch die Brennweite jeder elektromagnetischen Linse, welche in dem Bilderzeugungs- Linsensystem enthalten ist, bestimmt. Wenn jedoch der Erre gerstrom I_obj der Objektivlinse 5, wie oben erwähnt, konstant gehalten wird, wird die obige Vergrößerung nur durch die Brennweite f_I der Zwischenlinsengruppe und die Brennweite f_P der Projektionslinsengruppe bestimmt. Daher können in einem Fall, in welchem das Endbild gedreht wird, unter Aufrecht erhaltung einer gewünschten Vergrößerung (d. h. einer gewünsch ten Kombination von f_I und f_P), die Erregerströme der Linsen 6 bis 9 leicht aus den Gleichungen (7) bis (9) bestimmt werden.

Fig. 1 ist ein Diagramm, teilweise in Blockschaltweise und teilweise schematisch, des Ausführungsbeispiels eines Durchstrahlungs-Elektronenmikroskops gemäß der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1 wird ein Elektronenstrahl, der von einer Elektronenquelle 1 ausgesandt wird, auf einer Probe 11 durch ein Bestrahlungslinsensystem mit elektromagnetischen Linsen 2, 3 und 4 fokussiert. Der durch die Probe 11 hin durchgetretene Elektronenstrahl wird durch das Bilderzeu gungs-Linsensystem mit den elektromagnetischen Linsen 5 bis 9 vergrößert, um das Endbild der Probe auf einem Fluoreszenzschirm 10, welcher von einer Bedienungsperson betrachtet wird, zu erzeugen.

Die Erregerströme aller elektromagnetischen Linsen, welche in dem Bilderzeugungs-Linsensystem enthalten sind, werden durch eine CPU (nämlich eine zentrale Verarbeitungseinheit) 25 gesteuert, welche mit Spannungsquellen 13 bis 16 und 18 über D/A-Wandler 19 bis 23 verbunden ist. Obwohl die Erreger ströme aller elektromagnetischen Linsen, welche in dem Be strahlungs-Linsensystem enthalten sind, in der gleichen Weise wie oben bestimmt werden, sind der Kürze halber Strom quellen und D/A-Wandler für das Bestrahlungs-Linsensystem in Fig. 1 weggelassen worden. Eine Elektronenstrahl-Ablenk einrichtung 12 wird durch die CPU 25 über eine Zwischen schaltung 24 und eine Spannungsquelle 17 gesteuert und dazu verwendet, zu verhindern, daß auf dem Fluoreszenz schirm 10 im mittleren Verlauf der Bilddrehung ein Über gangsbild der Probe 11 erscheint. Eine Speichereinheit 26 speichert nicht nur die Daten des Erregerstroms und der Erregerpolarität jeder elektromagnetischen Linse, erforder lich zum Drehen des Endbildes in einem vorbestimmten Bereich der Vergrößerung und des Drehwinkels, sondern auch alle Steuerprogramme, welche zum Steuern des Betriebes des Elektronenmikroskopes erforderlich sind. Eine Konsoleneinheit 27 ist nicht nur mit einem Schalter zum Ausführen der Bild drehung, sondern auch mit Steuerungen und Schaltungen, welche z. B. für den Betrieb des Elektronenmikroskopes erforderlich sind, und Steuerungen zum Spezifizieren der Vergrößerung und der Elektronenbeschleunigungsspannung versehen. Die Zustände dieser Schalter und Steuerungen werden ständig in die CPU 25 eingegeben. Wenn der Zustand einer dieser Schalter geändert wird, steuert die CPU 25 die vorliegende Ausfüh rungsform derart, daß ein Betrieb entsprechend der obigen Änderung im Zustand des Schalters durchgeführt wird. Eine Kathodenstrahlröhren-Anzeigeeinrichtung 28 wird für die An zeige des Betriebszustandes des Elektronenmikroskopes und zum Betrachten der Bedingungen verwendet und durch die CPU 25 gesteuert.

Wenn der Zustand einer Bilddrehungs-Steuerung, vorgesehen auf der Konsoleneinheit 27, verändert wird, wird diese Änderung in die CPU 25 eingegeben, um den Drehwinkel des Endbildes zu bestimmen. Dann wird die Speichereinheit 26 nach Daten bezüglich des Erregerstromes und der Erreger polarität einer jeden elektromagnetischen Linse abgefragt, welche den obigen Drehwinkel erzeugen können unter Auf rechterhaltung der vorliegenden Vergrößerung und Erfüllung verschiedener Bedingungen. Die so erhaltenen Daten werden den D/A-Wandlern 20 bis 23 zugeführt, um das Endbild zu drehen.

Die Daten bezüglich des Erregerstromes und der Erregerpola rität einer jeden elektromagnetischen Linse, gespeichert in der Speichereinheit 26, beinhalten Daten bezüglich der Erregerströme des Projektionslinsensystems und des Zwischen linsensystems, welche die Gleichung (3) in einem Falle erfüllen, in welchem der Erregerstrom der Objektivlinse 5 konstant gehalten wird und die Bilddrehung ausgeführt wird durch Verändern des Erregerstromes des Zwischenlinsensystems und des Projektionslinsensystems. Ein Beispiel solcher Daten ist in Fig. 2 gezeigt.

Darüber hinaus speichert die Speichereinheit 26 Daten be züglich der Erregerströme des Zwischenlinsensystems und des Projektionslinsensystems, welche die Gleichung (3) in einem Falle erfüllen, in welchem die Vergrößerung des End bildes geändert wird unter Aufrechterhaltung des vorliegenden Drehwinkels. Durch Ausgeben der obigen Daten zu den D/A- Wandlern 20 bis 23 ist es möglich, die Vergrößerung des End bildes in einem Zustand zu ändern, in welchem das Endbild um einen vorbestimmten Winkel gedreht worden ist. Ein Beispiel solcher Daten ist in Fig. 3 gezeigt.

Entsprechend der obigen Methode ist es möglich, das End bild um einen gewünschten Winkel zu drehen und die Ver größerung des Endbildes in einen Zustand zu verändern, in welchem das Endbild um den gewünschten Winkel gedreht worden ist.

Wenn jedoch das Endbild gedreht ist oder die Vergrößerung des Endbildes geändert ist unter Aufrechterhaltung des vor liegenden Drehwinkels, kann das Endbild unscharf sein. Um dieses Problem zu lösen, wird der Erregerstrom I_obj der Objektivlinse 5 durch die CPU 25 auf der Grundlage der nachfolgenden Gleichung korrigiert:

I_obj = I_obj0 + (I_obj1 - I_obj2) . . . (13)

wobei I_obj einen zum D/A-Wandler 19 ausgegebenen Stromwert darstellt, I_obj0 einen Stromwert zu einem Zeitpunkt unmittel bar vor der Bilddrehung oder der Vergrößerungsänderung, I_obj1 einen Stromwert, welcher vorher in der Speicherein heit 26 gespeichert ist und bei dem das Endbild fokussiert ist in dem gleichen Betriebszustand wie zu einem Zeitpunkt unmittelbar vor der Bilddrehung oder der Vergrößerungs änderung, und I_obj2 einen Stromwert, welcher vorher in der Speichereinheit 26 gespeichert ist und bei welchem das End bild fokussiert ist in dem gleichen Betriebszustand wie zu einem Zeitpunkt nach der Bilddrehung oder der Vergrö ßerungsänderung.

Wenn das Endbild gedreht wird oder dessen Vergrößerung ver ändert wird unter Aufrechterhaltung des vorliegenden Dreh winkels, wird ein Übergangsbild der Probe 11 auf dem Fluo reszenzschirm 10 für einen Augenblick beobachtet, da jede elektromagnetische Linse langsam anspricht. Eine Bedienungs person empfindet ein solches Übergangsbild als sehr merkwürdig und es ist daher nicht wünschenswert, das Übergangsbild zu betrachten. Um bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Betrachtung des Übergangsbildes zu vermeiden, wird der Elektronenstrahl durch die Ablenkeinrichtung 12 zu einem Zeitpunkt abgelenkt, unmittelbar bevor die Erregerströme für die Bilddrehung oder die Änderung der Vergrößerung an den D/A-Wandlern 20 bis 23 ausgegeben werden, und kehrt zu einer ursprünglichen Position zurück, nachdem ein Zeitab schnitt, der länger als die Ansprechzeit einer jeden elektro magnetischen Linse ist, abgelaufen ist.

Der Drehwinkel R des Endbildes kann bestimmt werden durch die Gleichungen (1) und (2), und der so erhaltene Winkel wird an der Kathodenstrahlröhren-Anzeigeeinrichtung 28 angezeigt, um eine Verwirrung der Bedienungsperson zu ver meiden.

Wenn die Polarität des Erregerstroms jeder elektromagnetischen Linse, welche in dem Bilderzeugungs-Linsensystem enthalten ist, geändert wird, kann das Endbild in einem größeren Win kelbereich gedreht werden, und dessen Vergrößerung kann in einem größeren Bereich verändert werden.

Wie im vorhergehenden erläutert, kann das Endbild einer Probe bei dem beschriebenen Durchstrahlungs-Elektronenmikroskop um einen gewünschten Winkel gedreht werden in einem Zustand, in dem die Vergröße rung des Endbildes konstant gehalten wird, und darüber hin aus können die Betriebsbedingungen der elektromagnetischen Linsen zum Drehen des Endbildes leicht bestimmt werden.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb eines Durchstrahlungs-Elektro nenmikroskops zum Bestrahlen einer Probe mit einem Elektronenstrahl und zum Vergrößern des von dem durch die Probe hindurchgeführten Elektronenstrahl erzeugten Bildes der Probe mit Hilfe eines Bilder zeugungs-Linsensystems, das eine Anzahl von mindestes zwei Linsen gruppen aufweist, welche jeweils eine Anzahl von mindestens zwei elektromagnetischen Linsen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehung des vergrößerten Bildes der Probe die Brennweite jeder der elektromagnetischen Linsen (6, 7, 8, 9), welche in jeder der Linsengruppen (6, 7; 8, 9) enthalten ist, verändert wird, während die resultierende Brennweite in jeder der Linsengruppen im wesentlichen konstant gehalten wird.

2. Verfahren zum Betrieb eines Durchstrahlungs-Elektro nenmikroskops nach Anspruch 1, bei dem das Bilder zeugungs-Linsensystem außerdem eine Objektivlinse aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das vergrößerte Bild unter Konstanthaltung der Brennweite der Objek tivlinse (5) gedreht wird.

3. Durchstrahlungs-Elektronenmikroskop zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Linsengruppen eine Zwischen linsengruppe aufweisen, welche von einer ersten und einer zweiten Zwischenlinse (6, 7) gebildet wird, und eine Projektionslinsengruppe, welche von einer ersten und einer zweiten Projektionslinse (8, 9) gebildet wird.