DE3811673C2

DE3811673C2 -

Info

Publication number: DE3811673C2
Application number: DE19883811673
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr. 3000 Hannover De Konitz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-04-07
Filing date: 1988-04-07
Publication date: 1990-01-11
Also published as: DE3811673A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermessen der Höhenprofilierung, insbesondere Rauhigkeit von Oberflächen mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus den Druckschriften JP-Abstract 62-98 208 A oder JP-Abstract 62-96 807 A oder aus DE-AS 24 52 826 bekannt.

Das Vermessen von Oberflächenprofilierungen (z. B. die Bestimmung der Rauhtiefe oder des Mittelrauhwertes der Oberfläche eines Objektes oder die Erfassung der Topographie einer Objektoberfläche) ist ein sehr allgemeines Problem, das in den verschiedensten Gebieten der Technik und Forschung regelmäßig auftaucht. Als Beispiele seien Materialuntersuchungen, die Überprüfung von Ätzvorgängen in der Chipherstellung sowie die biologisch-medizinische Forschung, hier z. B. die Untersuchung von Epithelpräparaten, genannt. Je nach Aufgabenstellung werden dabei unterschiedliche Kenngrößen, wie z. B. die Rauhtiefe, die mittlere Rauhtiefe oder der Mittelrauhwert einer Objektoberfläche gesucht. Die mittlere Rauhtiefe ist immer dann eine wichtige Kenngröße eines Meßobjektes, wenn es sich bei der gesuchten Information weniger um die Erfassung der speziellen Ausgestaltung des Reliefs der Oberfläche des Meßobjektes, sondern mehr um die statistische Verteilung der Höhenunterschiede des Reliefs des Meßobjektes handelt. Offensichtliche Beispiele für entsprechende Messungen sind die Qualitätsbestimmung von Spiegeloberflächen oder lackierten Schichten.

Bei einem bekannten Verfahren zum Messen der Rauhigkeit von technischen Oberflächen (Lichtschnittverfahren nach Schmalz) wird die zu untersuchende Oberfläche mit einem dünnen Lichtband schräg beleuchtet und senkrecht dazu, also auch schräg zur Oberfläche, mit einem Mikroskop betrachtet. Auf diese Weise sind Rauhigkeiten bis 0,5 Mikrometer meßbar.

Aus dem JP-Abstract 62-98 208 A ist eine mit einem Elektronenstrahl arbeitende Vorrichtung zum Messen der Rauhtiefe einer Oberfläche bekannt. Dabei wird die Reflexion eines auf eine technische Oberfläche gestrahlten Elektronenstrahls durch die Rauhigkeit der Oberfläche beeinflußt. Mit dieser Meßmethode lassen sich jedoch nur grobe qualitative Aussagen über die Rauhtiefe einer relativ rauhen Oberfläche treffen.

Bei einem anderen bekannten Verfahren zum Bestimmen der Rauhigkeit von Oberflächen wird von der zu untersuchenden Oberfläche ein Stereobildpaar (also ein Bildpaar, das die gleiche Oberfläche aus zwei unterschiedlichen Richtungen zeigt) angefertigt. Auf dem Wege der Auswertung des Stereobildpaares kann dann eine Aussage über die Rauhigkeit der Oberfläche gemacht werden. Ein solches Verfahren ist jedoch sehr zeitaufwendig und erlaubt nur relativ ungenaue Rückschlüsse.

Genauere Aussagen über die Oberflächenbeschaffenheit einer technischen Oberfläche lassen sich mit einem Meßverfahren nach dem JP-Abstract 62-96 807 A treffen. Hierzu wird die zu untersuchende Probe in einem Elektronenmikroskop gedreht und schräg zur Flächennormalen mit einem Elektronenstrahl bestahlt. Die reflektierten Elektronen bilden jeweils ein Bild, wobei die aus verschiedenen Richtungen aufgenommenen Bilder von einem Computer zu einem dreidimensionalen Bild zusammengesetzt werden, welches von einem Plotter aufgezeichnet wird. Mit diesem Meßverfahren erhält man zwar genauere Aufschlüsse über die Oberflächenbeschaffenheit, jedoch ist dieses Verfahren sehr aufwendig.

Ein gänzlich anderes Verfahren und Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens ist aus der DE-AS 24 52 826 bekannt. Hierbei wird eine teilweise mit einer Abschirmplatte abgedeckte Probe schräg zur Flächennormalen der Probe mit einem Elektronenstrahl bestrahlt. Durch diesen Elektronenstrahl wird eine Emission von Elektronen aus der Probe verursacht. Von dem Flächenprofil der Probe ist es jedoch abhängig, ob die entsprechend eingestrahlten Elektronen an der Abschirmplatte vorbeipassieren können und einen Detektor erreichen können. Daraus lassen sich qualitative Rückschlüsse auf die Oberflächenbeschaffenheit schließen, die jedoch auch nur für recht grobe Oberflächen möglich sind.

Damit erweisen sich die herkömmlichen Verfahren zum Vermessen von technischen Oberflächen mit Hilfe eines Elektronenstrahls entweder als zu ungenau, oder als zu langsam und aufwendig.

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 die von einer Autofokussierungseinrichtung des unter Zuhilfenahme einer Wobblereinrichtung mit genügend großer Apertur betriebenen Rasterelektronenmikroskopes zur Steuerung des Linenstromes der Objektivlinse des Rasterelektronenmikroskops 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 des mit einer Wobblereinrichtung versehenen, über diese auf eine große Apertur eingestellten Rasterelektronenmikroskops steuernde Autofokussierungseinheit eine Recheneinheit angeschlossen ist, in der die Werte der sich bei jedem Meßpunkt des untersuchten Oberflächenteils einstellenden Stellgröße der Autofokussierungseinheit zu einer die gewünschte Information über die Oberflächenprofilierung des Objektes liefernden Zahl verarbeitet werden, welche von einer Anzeigeeinheit angezeigt wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Vergrößern der Apertur des Rasterelektronenmikroskops mit Hilfe einer Wobblereinrichtung zu dem Zweck erreicht, durch Verringerung der Schärfentiefe unterschiedliche Höhenebenen auf der Objektoberfläche mit unterschiedlicher Schärfe abzubilden und die Empfindlichkeit der Autofokussierungseinrichtung damit so zu steigern, daß die Autofokussierungseinrichtung auf die unterschiedlichen Höhenebenen der Objektoberfläche anspricht.

Demgemäß wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht, daß an die den Objektivlinsenstrom eines mit einer Wobblereinrichtung versehenen Rasterelektronenmikroskops steuernde Autofokussierungseinheit 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 gezwunen, den Fokus des Elektronenstrahls des Rasterelektronenmikroskops der Oberfläche des Objektes durch Verstellen der Brennweite der Objektivlinse des Rasterelektronenmikroskops 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 Änderung direkt proportional 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 Meßpunkt 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 unter Zuhilfenahme der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung,

Fig. 2 die Wirkung einer Wobblereinrichtung in Verbindung mit einer Autofokussierungseinrichtung bei der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Blockschaltbild zum Informationsfluß zwischen Rasterelektronenmikroskop und Autofokussierungseinrichtung.

Fig. 1 zeigt den im Querschnitt dargestellten schematischen Aufbau eines Rasterelektronenmikroskops 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^-4 Pa oder höher. Ein Rastergenerator 123 steuert über eine Vergrößerungseinheit 122 und entsprechende Ablenkspulen gleichzeitig die punkt- und zeilenweise Ablenkung des Elektronenstrahls des Rasterelektronenmikroskops wie auch des Kathodenstrahls eines bilderzeugenden Systems 124. Der Fokus des Elektronenstrahls des Rasterelektronenmikroskops 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 Autofokussierungseinrichtung 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 jeweils 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, welche Änderung direkt proportional zum Höhenunterschied der beiden hintereinanderliegnden Meßpunkte auf der Oberfläche des Objektes ist. Die Stellgröße für den sich nach dem Autofokussierungsvorgang einstellenden Objektlinsenstrom wird bei jedem Meßpunkt an der Autofokussierungseinrichtung 127 gemessen und zusammen mit dem Wert des größtmöglichen und des kleinstmöglichen Stellgrößenwertes der jeweils eingestellten Vergrößerungsstufe, 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 Vorrichtung mit Hilfe einer Wobblereinrichtung verwirklicht ist, auf die Autofokussierungseinrichtung der 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 Meßpunkt. Aufgrund der mit Hilfe der Wobblereinrichtung 116 und der Steuereinheit 126 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 Vorrichtung entspricht. Die Abstände 250 bzw. 230 geben den Tiefenbereich an, innerhalb dessen bei Verschieben des Elektronenstrahls von einem Rasterpunkt zum nächsten maximale Schärfe, d. h. maximale Auflösung der Objektoberfläche gegeben ist. Umfaßt nämlich die von dem Elektronenstrahl getroffene Fläche mehr als ein Rasterelement (Rasterpunkt), so werden bei der Bildentstehung diese Rasterelemente nicht mehr getrennt gebildet, was einen Verlust an Auflösung bzw. Bildschärfe bedeutet. Die 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 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 Rasterelektronenmikroskop 100 und der Autofokussierungseinrichtung. Das vom Rasterelektronenmikroskop 100 kommende Videosignal wird in dem A/D-Wandler 129 digitalisiert, und die Meßgrößen der (wählbaren) Meßpunkte werden in einem Digitalspeicher 329 gespeichert. In einem Analysator 340 wird das Signal auf ein dem Analysator 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 Referenzwertgeber 330 eingestellt werden kann. Die Referenzgröße und die dem Kriterium zur optimalen 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 erläuterten Vorrichtung im Zusammenhang mit einer Gestaltung des beschriebenen Verfahrens dargestellt. Gemäß dieser Gestaltung 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 (V) _min,
S (x _n )	= der bei einem gegebenen Meßpunkt gegebene Wert der Stellgröße
f (V)	= die in Mikrometern ausgedrückte, von der Vergrößerungsstufe 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 Stellgrößenwert 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 übe 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 ausgedrückten 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 116 bei minimalem und maximalem Objektivlinsenstrom der Abstand der scharf abgebildeten Ebenen eines Objektes bekannter Dimension gemessen wird. Andererseits kann der Eichfaktor bei Kenntnis der entsprechenden Daten des verwendeten Rasterelektronenmikroskops auch direkt aufgrund dieser Daten ausgerechnet werden. Durch die Multiplikation der Kenngröße k mit der in Mikrometer ausgedrückten, von der Vergrößerungsstufe des Rasterelektronenmikroskops abhängigen Differenz der minimalen und maximalen Stellgrößenwerte, f (V), ergibt sich die mittlere Rauhtiefe r, die von einem Anzeigegerät 141 angezeigt wird.

Bei einer anderen Gestaltung des 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 Elektronenstrahl 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 statistische Verteilung der Meßwerte angeben und diese als Grundlage für weitere numerische Aussagen benutzen.

Claims

1. Verfahren zum Vermessen der Höhenprofilierung, insbesondere Rauhigkeit, von Oberflächen mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops, dadurch gekennzeichnet, daß die von einer Autofokussierungseinrichtung (127) des unter Zuhilfenahme einer Wobblereinrichtung (116) mit genügend großer Apertur betriebenen Rasterelektronenmikroskopes (100) zur Steuerung des Linsenstromes 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 Gewinnung der gewünschten Information über die Oberflächenprofilierung des Objektes in einer Recheneinheit (140) verarbeitet werden.

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