DE3811673A1

DE3811673A1 - Rasterelektronenmikroskopisches verfahren zum vermessen der profilierung, insbesondere der rauhigkeit, von oberflaechen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3811673A1
Application number: DE19883811673
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr Konitz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-04-07
Filing date: 1988-04-07
Publication date: 1989-10-19
Also published as: DE3811673C2

Description

Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermessen der Profilierung von Oberflächen zu schaffen, welche eine schnelle und genaue Messung erlauben.

Diese Aufgabe wird für das Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Vermessen der Profilierung ein Rasterelektronenmikroskop verwendet wird und die von einer Autofokussierungseinrichtung des unter eventueller Zuhilfenahme einer Wobblereinrichtung mit genügend großer Apertur betriebenen Rasterelektronenmi kroskopes zur Steuerung des Linsenstromes der Objektivlinse des Rasterelektro nenmikroskops benutzte Stellgröße für jeden Meßpunkt x _n des zu untersuchenden Oberflächenteils gemessen wird und die so gewonnenen Meßwerte aller Meßpunkte zur Gewinnung der gewünschten Information über die Oberflächenprofilierung des Objektes in einer Recheneinheit verarbeitet werden.

Die Aufgabe wird für die Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an eine den Objektivlinsenstrom eines eventuell mit einer Wobblereinrichtung verse henen, mit genügend großer Apertur betriebenen Rasterelektronenmikroskops steu ernde Autofokussierungseinheit eine Recheneinheit angeschlossen ist, in der die Werte der sich bei jedem Meßpunkt des untersuchten Oberflächenteils einstellen den Stellgröße zu einer die gewünschte Information über die Oberflächen profilierung des Objektes liefernden Zahl verarbeitet werden, welche von einer Anzeigeeinheit angezeigt wird.

Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Vergrößern der Apertur des Rasterelektronenmikroskops durch Benutzung einer genügend wei ten Blende oder mit Hilfe einer Wobblereinrichtung zu dem Zweck, durch Verringerung der Schärfentiefe unterschiedliche Höhenebenen auf der Objektober fläche mit unterschiedlicher Schärfe abzubilden und die Empfindlichkeit der Auto fokussierungseinrichtung damit so zu steigern, daß die Autofokussierungseinrich tung auf die unterschiedlichen Höhenebenen der Objektoberfläche anspricht.

Demgemäß ist es für die erfindungsgemäße Vorrichtung ein wesentliches Merkmal, daß an die den Objektivlinsenstrom eines mit weiter Blende oder einer Wobblereinrichtung versehenen Rasterelektronenmikroskops steuernde Autofokus sierungseinheit eine Recheneinheit wenigstens dann wirksam angeschlossen oder anschließbar ist, wenn das Rasterelektronenmikroskop auf eine große Apertur eingestellt ist.

Aufgrund der in der angegebenen Weise erzeugten sehr kleinen Schärfentiefe des Rasterelektronenmikroskops ist die Autofokussierungseinrichtung gezwungen, den Fokus des Elektronenstrahls des Rasterelektronenmikroskops der Oberfläche des Objektes durch Verstellen der Brennweite der Objektivlinse des Rasterelektronen mikroskops bei jedem einzelnen Meßpunkt vertikal mit höchster Empfindlichkeit nachzuführen und den Fokus des Elektronenstrahls mit höchster Empfindlichkeit auf das Niveau des jeweils nächsten Meßpunktes neu einzustellen. Mit jeder jeweils neuen Einstellung, die bei jedem Meßpunkt erfolgt, dessen Höhenunterschied zum vorherigen Meßpunkt für die Autofokussierungseinrichtung unterscheidbar ist, ist eine Änderung des Objektivlinsenstroms verbunden, welche Anderung direkt propor tional zum Höhenunterschied der beiden hintereinanderliegenden Rasterpunkte auf der Oberfläche des Objektes ist. Die Stellgröße für den sich nach dem Autofokussierungsvorgang einstellenden Objektivlinsenstrom wird bei jedem Meß punkt an der Autofokussierungseinrichtung gemessen und zusammen mit einem oder mehreren Referenzwerten der jeweils eingestellten Vergrößerungsstufe der Recheneinheit zur Auswertung eingegeben.

Im folgenden werden das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Zuhilfenahme der Figuren der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipielien Aufbau einer bevorzugten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens

Fig. 2 die Wirkung einer Wobblereinrichtung in Verbindung mit einer Autofokus sierungseinrichtung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung

Fig. 3 ein Blockschaltbild zum Informationsfluß zwischen Rasterelektronenmikro skop und Autofokussierungseinrichtung

Fig. 1 zeigt den im Querschnitt dargestellten schematischen Aufbau eines Ra sterelektronenmikroskops 100. Die Kathode 110 liefert Elektronen, die von einem Wehneltzylinder 111 kollimiert und von einer Anode 112 beschleunigt werden. Der so gewonnene Elektronenstrahl wird mit Hilfe von Kondensorlinsen 113 und 114 fokussiert und dieser Fokus mit Hilfe einer Objektivlinse 117 auf das sich auf dem Objektträger 118 befindliche Objekt 130, dessen Oberfläche zu untersuchen ist, abgebildet. Ein Vakuumsystem 128 erzeugt ein Vakuum von 10^-4Pa oder höher. Ein Rastergenerator 123 steuert über eine Vergrößerungseinheit 122 und entsprechende Ablenkspulen gleichzeitig die punkt- und zeilenweise Ablenkung des Elektronen strahls des Rasterelektronenmikroskops wie auch des Kathodenstrahls eines bilder zeugenden Systems 124. Der Fokus des Elektronenstrahls des Rasterelektronenmi kroskops hat dabei typischerweise einen Durchmesser von ungefähr 5 nm. Die aus der Oberfläche des Meßobjektes austretenden Sekundärelektronen werden von einem Kollektor 119 abgesaugt und das ihrer Anzahl proportionale elektrische Signal wird von einem Signalverstärker 125 verstärkt. Eine Wobblereinrichtung 116, die auf bekannte Weise von einer Steuereinheit 126 gesteuert wird, lenkt den Elektronenstrahl in schneller Folge in unterschiedliche Richtungen ab und erzeugt dadurch eine künstlich vergrößerte Apertur des auf die Oberfläche des Objektes fallenden Elektronenstrahls. Die künstliche Vergrößerung der Apertur mit Hilfe der Wobblereinrichtung 116 hat zur Folge, daß die sonst relativ hohe Schärfentiefe des Rasterelektronenmikroskops auf ein Minimum reduziert wird.

Aufgrund der so künstlich erzeugten sehr kleinen Schärfentiefe ist die Autofokus sierungseinrichtung 127 gezwungen, den Fokus des Elektronenstrahls der Oberfläche des Objektes durch Verstellen der Brennweite der Objektivlinse bei jedem einzelnen Meßpunkt vertikal mit höchster Empfindlichkeit nachzuführen und den Fokus des Elektronenstrahls mit höchster Empfindlichkeit auf das Niveau des je weils nächsten Meßpunktes neu einzustellen. Mit jeder jeweils neuen Einstellung, die bei jedem Meßpunkt notwendig ist, dessen Höhenunterschied zum vorherigen Meßpunkt von der Autofokussierungseinrichtung 127 wahrnehmbar ist, ist eine Änderung des Objektivlinsenstroms verbunden, weiche Änderung direkt proportional zum Höhenunterschied der beiden hintereinanderliegenden Meßpunkte auf der Ober fläche des Objektes ist. Die Stellgröße für den sich nach dem Autofokussierungs vorgang einstellenden Objektlinsenstrom wird bei jedem Meßpunkt an der Autofo kussierungseinrichtung 127 gemessen und zusammen mit dem Wert des größtmöglichen und des kleinstmöglichen Stellgrößenwertes der je weils eingestell ten Vergrößerungstufe, S _max und S _min, über einen A/D- Wandler 129 in eine digitale Recheneinheit 140 eingegeben.

In Fig. 2 ist die Auswirkung einer großen Apertur, wie sie im Fall der oben geschilderten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Hilfe einer Wobblereinrichtung verwirklicht ist, auf die Autofokussierungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Doppelkegel 210, 220 stellen einen Vertikalschnitt des von der Kathode 110 kommenden Elektronenstrahls dar, der auf die Oberfläche 290 des Objektes trifft. Die Spitzen der Doppelkegel 210, 220 stellen dabei die Fokuspunkte der betreffenden Elektronenstrahlen dar. Der mit der Referenzzahl 240 bezeichnete Abstand der vertikalen Linien kennzeichnet die punkt- bzw. zeilenweise Verschiebung des Elektronenstrahls von Meßpunkt zu Meß punkt. Aufgrund der mit Hilfe der Wobblereinrichtung 126 und der Ablenkspule 116 erzeugten künstlich vergrößerten Apertur ist der Öffnungswinkel des Doppelkegels 210 um ein Vielfaches größer als der Öffnungswinkel des Doppelkegels 220, dessen Öffnungswinkel dem normalen, ungewobbelten Öffnungswinkel des Elektronenstrahls des Elektronenmikroskops der erfindungsgemäßen Vorrichtung entspricht. Die Abstände 250 bzw. 230 geben den Tiefenbereich an, innerhalb dessen bei Verschie ben des Elektronenstrahls von einem Rasterpunkt zum nächsten maximale Schärfe, d.h. maximale Auflösung der Objektoberfläche gegeben ist. Um faßt nämlich die von dem Elektronenstrahl getroffene Fläche mehr als ein Rasterelement (Raster punkt), so werden bei der Bildentstehung diese Rasterelemente nicht mehr getrennt gebildet, was einen Verlust an Auflösung bzw. Bildschärfe bedeutet. Die erfin dungsgemäß benutzte Autofokussierungseinrichtung 127 stellt den Strom durch die Objektivlinse 117 und damit ihre Brennweite so ein, daß optimale Fokussierung und somit maximale Bildschärfe erreicht wird. Es ist anhand der Figur einleuchtend, daß die Autofokussierungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einem großen Öffnungswinkel des Doppelkegels des Elektronenstrahls zum Zwecke des scharfen Abbildens der Objektoberfläche gezwungen ist, durch Änderung der Brennweite der Objektivlinse 117 die Spitze des Doppelkegels des Elektronenstrahls viel genauer vertikal zu verschieben, bis maximale Bildschärfe erreicht wird, als dies bei einem kleineren Öffnungswinkel des Doppelkegels des Elektronenstrahls notwendig wäre. Dadurch wird die Autofokussierungseinrichtung 127 gezwungen, die Brennweite der Objektivlinse 117 viel kleineren Änderungen des Reliefs der Oberfläche des Objektes nachzuführen, als dies bei einem kleinen Öffnungswinkel des Doppelkegels des Elektronenstrahls notwendig wäre.

Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild für den Informationsfluß zwischen Rasterelek tronenmikroskop 100 und der Autofokussierungseinrichtung. Das vom Rasterelek tronenmikroskop 100 kommende Videosignal wird in dem A/D-Wandler 129 digitali siert, und die Meßgrößen der (wählbaren) Meßpunkte werden in einem Digitalspei cher 329 gespeichert. In einem Analysator 340 wird das Signal auf ein dem Analy sator eingegebenes Kriterium zur optimalen Fokussierung hin analysiert und es wird in dem Analysator von dem Signal zwecks Nullpunktunterdrückung bei der Stellgrößenmessung eine Referenzgröße abgeleitet, die an einem Referenzwertge ber 330 eingestellt werden kann. Die Referenzgröße und die dem Kriterium zur op timalen Fokussierung zugrundeliegende Information bestimmen zusammen eine Stellwertgröße, die von einem Stellwertgeber 350 gegeben wird und die über ein Interface 360 den Objektivlinsenstrom des Rasterelektronenmikroskops 100 steuert.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Zusam menhang mit einer bevorzugten Gestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar gestellt. Gemäß dieser Gestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur Bestimmung der mittleren Rauhtiefe in der Recheneinheit 140 folgende Operationen gemäß nachstehender Formel durchgeführt:

wobei
r = mittlere Rauhtiefe
N = Anzahl der Meßpunkte
V = Vergrößerungsstufe des Rasterelektronenmikroskops
Δ S(V) = S(V) _max-S(V) _min′
S(V) _max = der bei einer bestimmten Vergrößerungsstufe gegebene maximale Wert der Stellgröße
S(V) _min = der bei einer bestimmten Vergrößerungsstufe gegebene minimale Wert der Stellgröße
x _n = ein gegebener Meßpunkt
Δ S(x _n) = S(x _n)-S_min′
S(x _n) = der bei einem gegebenen Meßpunkt gegebene Wert der Stellgröße
f(V) = die in Mikrometern ausgedrückte, von der Vergrößerungs stufe abhängige Differenz Δ S(V) (Eichfaktor)

Zunächst wird die Differenz des größtmöglichen und des kleinstmöglichen Wertes der Stellgröße bei einer vorgegebenen Vergrößerungsstufe, Δ S (V)=S (V) _max- S (V)_min, ermittelt und gespeichert. Anschließend wird für jeden Meßpunkt, der zu den Höhenunterschieden der verschiedenen Meßpunkte x _n proportionale Stell größenwert Δ S (x _n) aus der Differenz des in x _n gemessenen Stellgrößenwertes S (x _n) und dem minimalen Stellgrößenwert S (V) _min gebildet. Daraufhin wird für jeden Meßpunkt der Quotient Δ S (x _n) / Δ S (V) gebildet, sodann wird die Summe der so erhaltenen Größen über die Anzahl N der Meßpunkte gebildet und die so erhaltene Summe durch die Anzahl N der Rasterpunkte geteilt. Die so erhaltene Kenngröße k ist zwar zum Vergleich der mittleren Rauhtiefen verschiedener Präparate geeignet, die bei gleicher Vergrößerungsstufe untersucht werden, sie ist aber noch kein absolutes Maß für die mittlere Rauhtiefe. Die mittlere Rauhtiefe r ergibt sich aus der Kenngröße k durch Multiplikation mit einem von der Vergrößerungsstufe abhängigen Faktor, nämlich der in Mikrometer ausge drückten Differenz der für die jeweils eingestellte Vergrößerungsstufe fest vorgegebenen maximalen und minimalen Objektivlinsenströme, S (V) _max und S (V)_min. Die Bestimmung dieses Eichfaktors für das Ausdrücken der Differenz Δ S (V) in Mikrometern kann entweder experimentell geschehen, indem unter Einsatz der Wobblereinrichtung 126 bei minimalem und maximalem Objektivlinsenstrom der Abstand der scharf abgebildeten Ebenen eines Objektes bekannter Dimension gemessen wird. Andererseits kann der Eichfaktor bei Kenntnis der ent sprechenden Daten des verwendeten Rasterelektronenmikroskops auch direkt aufgrund dieser Daten ausgerechnet werden. Durch die Multiplikation der Kenn größe k mit der in Mikrometer ausgedrückten, von der Vergrößerungsstufe des Rasterelektronenmikroskops abhängigen Differenz der minimalen und maximalen Stellgrößenwerte, f (V), ergibt sich die mittlere Rauhtiefer, die von einem Anzeigegerät 141 angezeigt wird.

Bei einer anderen bevorzugten Gestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die digitalisierten Meßwerte aller Rasterpunkte der Objektoberfläche in der Recheneinheit 140 so verarbeitet, daß alle Meßwerte gleichzeitig von einer digitalen Matrix des Anzeigegerätes 141 angezeigt werden. Die Anzahl der Zeilen und Spalten dieser Matrix stimmt dabei vorteilhafterweise mit der Anzahl von Zeilen und Spalten der Rasterung der Objektoberfläche durch den Elektronen strahl des Rasterelektronenmikroskopes überein. Es ist aber auch möglich, den Mittelwert von beispielsweise 4, 16 oder 64 jeweils benachbarten Rasterpunkten auf der Matrix des Anzeigegerätes 141 darzustellen. Ferner kann man die statis tische Verteilung der Meßwerte angeben und diese als Grundlage für weitere numerische Aussagen benutzen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind vorteilhaft immer dann einzusetzen, wenn andere Verfahren oder Vorrichtungen zum Vermessen der Profilierung von Oberflächen mangels Empfindlichkeit und Genauigkeit nicht mehr eingesetzt werden können.

Claims

1. Verfahren zum Vermessen der Profilierung, insbesondere Rauhigkeit, von Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rasterelektronenmikroskop ver wendet wird und die von einer Autofokussierungseinrichtung (127) des unter eventueller Zuhilfenahme einer Wobblereinrichtung (126) mit genügend großer Apertur betriebenen Rasterelektronenmikroskopes (100) zur Steuerung des Lin senstromes der Objektivlinse (117) des Rasterelektronenmikroskopes benutzte Stellgröße für jeden Meßpunkt (x _n) des zu untersuchenden Oberflächenteils gemessen wird und die so gewonnenen Meßwerte aller Meßpunkte zur Ge winnung der gewünschten Information über die Oberflächenprofilierung des Objektes in einer Recheneinheit (140) verarbeitet werden.

2. Vorrichtung zum Vermessen der Profilierung, insbesondere Rauhigkeit, von Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß an eine den Objektivlinsenstrom eines mit einer Wobblereinrichtung (116) versehenen, über diese auf eine große Apertur eingestellten Rasterelektronenmikroskops (100) steuernde Autofokus sierungseinheit (127) eine Recheneinheit (140) angeschlossen ist, in der die Werte der sich bei jedem Meßpunkt des untersuchten Oberflächenteils ein stellenden Stellgröße der Autofokussierungseinheit zu einer die gewünschte Information über die Oberflächenprofilierung des Objektes liefernden Zahl ver arbeitet werden, welche von einer Anzeigeeinheit (141) angezeigt wird.