DE3910199A1 - Anordnung zur lichtdetektion in einem lichtrastermikroskop - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Lichtdetektion in einem Lichtrastermikroskop, bei der analog zum Rasterelektronenmikros­ kop (REM) die Probe von einem fokussierten Lichtstrahl zeilen­ weise abgetastet wird und ein Wechselwirkungssignal (z. B. Streu­ licht, transmittiertes Licht, lichtinduzierter Strom) zur Gewin­ nung eines Bildes (z. B. auf einer Kathodenstrahlröhre) benutzt wird.

Bevorzugtes Anwendungsgebiet sind die Varianten der Lichtraster­ mikroskopie, in denen die verfügbare Lichtmenge begrenzt ist und es auf eine minimale Baugröße der Anordnung ankommt. Dies ist insbesondere bei der sogenannten SOM-SEM-Anordnung der Fall, bei der in einem Rasterelektronenmikroskop auf einem transparenten Leuchtschirm ein rasternder Lichtpunkt erzeugt wird, der über eine Optik auf die Probe abgebildet wird.

Es ist bekannt, daß es Verfahren und Anordnungen der Licht­ rastermikroskopie (DE-OS 30 37 983, EP-PS 01 68 983, US-PS 41 98 571) gibt. Dabei handelt es sich meist um Laserrastermikroskope mit einem Laser als Lichtquelle wie sie z. B. im Siemens Forschungs- und Entwicklungsbericht (Bd. 13 (1984), Nr. 1, Springer-Verlag) be­ schrieben wird.

Bei diesen Geräten wird das zu detektierende Primärlicht und/ oder das von der Probe reflektierte Licht mittels Strahlleiter senkrecht aus dem Strahlengang auf nachgeordnete, unterschiedlich ausgebildete Detektoren geführt. Prinzipbedingt wird durch den Strahlleiter das primär zur Abbildung benutzte Licht geschwächt und nur ein Teil des rückgestreuten Lichtes zur Detektion ge­ bracht. Auf Grund der hohen Primärintensität in Laserraster­ mikroskopen stört dieser Leitungs- und Signalverlust in vielen Einsatzfällen wenig. Die auftretende Tubusverlängerung, sowie der Fertigungs- und Justieraufwand werden in Kauf genommen.

Diese Einschätzungen gelten jedoch z. B. nicht mehr für die SOM- SEM-Anordnung, wie sie von E. F. Maher (Scanning 7 (1985) S. 61-65) beschrieben wird. Hier ist die primär auf dem Leuchtschirm erzeugte Lichtmenge sehr begrenzt, so daß mit minimalen Licht­ verlusten gearbeitet werden muß. Des weiteren muß in Folge der begrenzten Höhe von REM-Probenkammern die Bauhöhe der Anordnung möglichst klein gehalten werden. Daher wurde bei bisherigen SOM- SEM-Anordnungen auf eine Streulichtabbildung und eine Messung des Primärlichtflusses verzichtet, und nur der lichtinduzierte Strom (OBIC = optical beam induced current) zur Abbildung benutzt.

Eine Streulichtabbildung wäre aber auch hier sehr wünschens­ wert, schon um auch eine Orientierung auf lichtunempfindlichen Probenbereichen zu ermöglichen.

Gerade bei dieser Anordnung führen Leuchtschirmdegradationen, hervorgerufen durch den Elektronenstrahl, und Leuchtschirminhomo­ genitäten zu besonders starken Schwankungen der Primärlichtin­ tensität. Sie schlagen sich oft auch in einem ungleichmäßig ausgeleuchteten Bild nieder. Dies läßt eine Überwachung des Primärlichtflusses dringend geboten erscheinen.

Die in der US-PS 47 20 191 beschriebene Lösung vermeidet die Schwächung des Primärlichtes bei der Detektion des von der Probe reflektierten Streulichtes indem das fokussierende Objektiv von einem, den Detektor enthaltenden, Dunkelfeld-Ringkondensor umgeben ist. Dieser Gewinn an Intensität bei kürzerer Baulänge erfordert jedoch zusätzliche Einzelteile mit einem zusätzlichen Fertigungs- und Justieraufwand. Außerdem kann hier das Streu­ licht nicht aus dem sich der Beleuchtungsapertur unmittelbar anschließenden Raumwinkel, sondern nur aus einem entfernten, sehr flachen Raumwinkelbereich detektiert werden. Das hat nega­ tive Auswirkungen auf die Intensität des detektierten Signales und die Übertragungsfunktion des optischen Systems.

Es ist Ziel der Erfindung den Gebrauchswert von Lichtraster­ mikroskopen zu erhöhen und deren Einsatzbereich zu erweitern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Lichtraster­ mikroskop mit einfachen Mitteln möglichst viel Licht zu detek­ tieren, ohne das auf die Probe fallende Primärlicht zu schwä­ chen. Es soll auch dann eine Lichtdetektion möglich sein, wenn die primäre Lichtintensität begrenzt und die Baugröße einge­ schränkt ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Lichtdetektion in einem Lichtrastermikroskop, bestehend aus einer punktförmigen Lichtquelle 1, einer Optik 2, einem Probentisch mit Probe 6, meistens einem Photodetektor 4 und/oder 5 und einer Rasterein­ richtung 7, die mit der Lichtquelle 1 und der Optik 2 oder mit dem Probentisch 6 verbunden ist bzw. eine Einheit bildet, gelöst, wobei erfindungsgemäß ein den Lichtfluß des Primär­ lichtes durch die Optik einengendes Bauelement (eine Blende) 3 bzw. 10 als Photodetektor 4 und/oder 5 ausgeführt oder direkt mit einem solchen verbunden ist.

Der Photodetektor 4 und/oder 5 kann sich dabei erfindungsgemäß auf der der Probe 6 und/oder der Lichtquelle 1 zugewandten Seite der Blende 3 bzw. 10 befinden, wobei die Apertur der Optik 2 auf der Seite des Photodetektors 4 bzw. 5 größer als die einengende Blende 3 bzw. 10 ist. Der Photodetektor 5 kann in mindestens zwei Teilbereiche aufgeteilt sein. Diese Teilbereiche können unter anderem die Form von Kreisringen und/oder Sektoren haben und einzeln oder mit beliebiger Polarität verknüpft mit einer Steuer- und Auswertebaugruppe verbunden sein.

Der Photodetektor 5 kann erfindungsgemäß ganz oder teilweise als wellenlängenselektives Bauelement ausgeführt sein.

Auf Grund ihrer speziellen Eigenschaften bietet sich zur Verbin­ dung mit einem Photodetektor 4 bzw. 5 vor allem die Öffnungs­ blende oder eine Blende in dazu konjugierter Lage an.

Die Kopplung von Blende 3 bzw. 10 und Photodetektor 4 bzw. 5 führt dazu, daß i. A. der hochkorrigierte zentrale Teil der Optik 2 nach wie vor mit voller Transparenz zur Verfügung steht. Der ansonsten ungenutzte oder auch speziell erweiterte Teil der Systemapertur gewährleistet die Lichtführung auf die Detektor­ blende 4 bzw. 5.

Weist die lichtempfindliche Seite der Detektorblende 5 in Rich­ tung der Probe 6, so kann in einem derart ausgerüsteten Licht­ rastermikroskop das an der Probe 6 reflektierte Streulicht detek­ tiert und ein Streulichtbild (Dunkelfeldabbildung) des Untersu­ chungsgegenstandes gewonnen werden.

Die Aufteilung des Photodetektors 5 in Teilbereiche und deren Verknüpfung bewirkt die gewichtete und vorzeichenbehaftete De­ tektion von des von der Probe 6 in unterschiedliche Raumbereiche gestreuten Lichtes.

Eine Aufteilung in ringförmige Teilbereiche beeinflußt die Übertragungsfunktion des Gesamtsystems so, daß bestimmte Orts­ frequenzen des Objektes gegenüber anderen bevorzugt detektiert werden.

Eine Aufteilung des Photodetektors 5 in Sektoren und deren elek­ trische Verknüpfung gestattet eine richtungsabhängige Detektion des Streulichtes.

Die Ausführung des Photodetektors 5 als wellenlängenselektives Bauelement bewirkt eine Sensibilisierung des Photodetektors 5 für bestimmte Farben.

Weist die lichtempfindliche Seite der Detektorblende 4 in Rich­ tung der Lichtquelle so wird in einem derart ausgerüsteten Lichtrastermikroskop das Primärlicht detektiert.

Eine Koppelung des Photodetektors 4 bzw. 5 mit der Öffnungsblen­ de des optischen Systems 2 oder dessen Anordnung in einer zu dieser Blende konjugierte Lage verhindert eine Lichtabschattung bei der Detektion.

Die beschriebene Anordnung hat zum Einen den Vorteil des Erhaltens der ursprünglichen Lichtstärke der Optik 2, und zum Anderen ge­ stattet sie eine Funktionserweiterung der Optik 2 durch Apertur­ erhöhung, ohne daß eine Verbesserung des Korrektionszustandes erforderlich ist! Diese Tatsache beruht auf der relativen Unem­ pfindlichkeit der Streulichtabbildung gegenüber Abbildungsfeh­ lern in einem Lichtrastermikroskop mit Punktlichtquelle 1.

Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist durch die kleine Bau­ höhe moderner Halbleiterlichtdetektoren (<1 mm) gegeben: sie erfordert praktisch keine Erweiterung der Konstruktion und die Gesamtbaulänge der Optik 2 bleibt klein, was besonders im Fall einer SOM-SEM-Anordnung von Interesse ist.

Auf Grund der kleinen Anzahl von benötigten Bauelementen und dem Wegfall von Justierschritten bzw. von Genauigkeitsforderungen bei der Fertigung, ist die Anordnung ökonomisch günstiger als die bisher bekannten Lösungen.

Die Anordnung des Photodetektors 5 auf der der Probe 6 zugewand­ ten Seite der Blende 3 bzw. 10 ermöglicht die Dunkelfeldabbil­ dung der Probe 6 auch in solchen Fällen, in denen das bis jetzt aus Intensitäts- und Platzgründen nicht möglich war.

Dabei wirkt sich die mögliche Kombination von Kreispupille und Ringdetektor verbessernd auf die Übertragungseigenschaften des optischen Gesamtsystems aus. Die vorgeschlagene Unterteilung des Detektors 5 in Kreisringe gestattet eine gezielte, durch Kombina­ tion beeinflußbare Ausnutzung dieses Vorteils.

Die Aufteilung des Photodetektors 5 in Sektoren und deren elek­ trische Verknüpfung hat den Vorteil, daß im Bild des Untersu­ chungsobjektes Strukturen mit einer bestimmten Ausrichtung durch eine scheinbare Schrägbeleuchtung hervorgehoben werden. Durch gezielte Verknüpfung der einzelnen Sektoren ist die scheinbare Beleuchtungsrichtung frei wählbar. Im Falle der Verknüpfung entgegengesetzter Segmente mit entgegengesetztem Vorzeichen ist die Erzielung des Differenzkontrastes möglich.

Die erfindungsgemäße Ausführung der Detektorblende 5 als wel­ lenlängenselektives Bauelement und der damit mögliche Nachweis von Licht eines oder mehrerer bestimmter Spektralbereiche hat den Vorteil, daß einzelne Signale getrennt werden können. So kann z. B. im Untersuchungsobjekt angeregtes Fluoreszenslicht von ein­ fach gestreutem Licht getrennt werden.

Die Anordnung des Photodetektors 4 auf der der Lichtquelle 1 zugewandten Seite der Blende, die eine Detektion des Primär­ lichtflusses erlaubt, hat den Vorteil eines einfachen und platz­ sparenden Aufbaues. Dadurch ist sie auch noch dann einsetzbar, wenn eine Primärlichtmessung mit bisherigen Mitteln aus Platz­ gründen nicht möglich war.

Besondere Bedeutung hat der Einsatz des beschriebenen Primär­ lichtdetektors in einer SOM-SEM-Anordnug, wo die Wirkung von Leuchtschirminhomogenitäten kompensiert und das Bildsignal (z. B. des Streulichtbildes, OBIC-Bildes) korregiert werden kann.

Der Einsatz dieser Anordnung ermöglicht die Darstellung von Probenbildern ohne gerätespezifische Störsignale. Dies gestat­ tet neben der eindeutigen Interpretierbarkeit der gewonnenen Bilder bei der SOM-SEM-Anordnung eine bessere zeitliche und flä­ chenmäßige Ausnutzung des eingesetzten Leuchtschirmes 9.

Beispiel 1

Abb. 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Licht­ rastermikroskopes, das die erfindungsgemäße Detektoranordnung enthält. Dabei handelt es sich in diesem Beispiel um eine katop­ trische Realisierung eines im Dunkelfeld-Auflicht-Modus arbeiten­ den Lichtrastermikrokopes mit Probenrasterung.

Es besteht aus einer punktförmigen Lichtquelle 1, einer aus zwei Spiegeln aufgebauten Optik 2, einem Probentisch mit Probe 6, der mit einer Rastereinrichtung 7 verbunden ist, und einem Photode­ tektor 5. Die Optik 2 erzeugt auf der Probe 6 ein Bild der punktförmigen Lichtquelle 1. Dabei wirkt der Körper des Konkav­ spiegels als den Primärlichtfluß einengendes Bauelement 3. Er stellt im optischen Sinne eine Blende dar. Bedingt durch die vermittels der Rasteinrichtung 7 eingeleitete Bewegung der Probe 6 findet eine Relativbewegung zwischen dem erzeugten Lichtfleck und der Probe statt. Das sich ändernde Streulichtsi­ gnal wird vom Photodetektor 5 aufgenommen und an eine hier nicht dargestellte Steuer- und Bildausgabeeinheit weitergegeben. Ein zweiter Photodetektor 4 registriert die Stärke des von der Lichtquelle 1 kommenden Primärlichtes.

Die beschriebene Anordnung zeichnet sich dadurch aus, daß die Photodetektoren 4 und 5 erfindungsgemäß mit dem den Lichtfluß des Primärlichtes durch die Optik einengenden Bauelement (Blen­ de) 3 verbunden sind. Außerdem ist der zentrale Teil des Photo­ detektors 5 elektrisch vom äußeren (ringförmigen) Teil ge­ trennt und als wellenlängensensitives Bauelement ausgebildet.

Beispiel 2

In der Abb. 2 ist der Querschnitt durch eine die erfindungs­ gemäße Anordnung enthaltende SOM-SEM-Anordnung dargestellt.

Mit Hilfe eines Elektronenstrahles 8 in einem REM wird auf dem transparenten Leuchtschirm 9 ein wandernder Lichtpunkt erzeugt, der über eine symmetrische Optik 2 auf die Probe 6 abgebildet wird.

In diesem Beispiel entspricht der auf dem Leuchtschirm 9 wandern­ de Lichtfleck der Wirkung der Lichtquelle 1 und der Rasterein­ richtung 7 des in Abb. 1 beschriebenen Ausführungsbei­ spiels.

Die Optik 2 besteht aus dem der Lichtquelle zugewandten Kondensor und dem der Probe 6 zugewandten Projektiv. Dabei ist der zur Abbildung benutzte Primärstrahlengang durch die Aperturblende 10 eingeengt.

Die erfindungsgemäß als ringförmiger Photodetektor 4 ausge­ bildete Beleuchtungsseite der Aperturblende 10 gestattet eine Messung des vom Leuchtschirm 9 kommenden Lichtstromes.

Das von der Probe 6 gestreute Licht trifft nach rückwärtsge­ richtetem Durchgang durch die Randbereiche des Projektives auf die Probenseite der erfindungsgemäß als ringförmiger Lichtde­ tektor ausgebildeten Aperturblende 10. Dieser elektrisch vom er­ wähnten beleuchtungsseitigen Lichtdetektor isolierte (probensei­ tige) Photodetektor 5 ermöglicht die Generierung eines Streu­ lichtbildes der Probe auf einer Kathodenstrahlröhre des elektri­ schen Steuerteiles des REM.

Der beschriebene Photodetektor 5 der Aperturblende 10 ist erfin­ dungsgemäß in ein rechtes und ein linkes Segment aufgeteilt. Die Lage dieser beiden Segmente entspricht der rechten bzw. linken Streurichtung des von der Probe kommenden Lichtes. Wird die Differenz beider Detektorsignale zur Abbildung benutzt ist der Differenzkontrastmodus realisiert. Es entsteht eine scheinbar schräge Beleuchtung der Probe 6, die senkrechte Bildstrukturen hervorhebt und eine Profildeutung vereinfacht.

Claims (7)

1. Anordnung zur Lichtdetektion in einem Lichtrastermikroskop bestehend aus einer punktförmigen Lichtquelle (1), einer Optik (2), einem Probentisch mit Probe (6), meistens einem Photodetek­ tor (4 und/oder 5) und einer Rastereinrichtung (7), die mit der Lichtquelle (1) und der Optik (2) oder mit dem Probentisch (6) verbunden ist, bzw. eine Einheit bildet, gekennzeichnet dadurch, daß der Photodetektor (4 und/oder 5) als ein den Lichtfluß des Primärlichtes durch die Optik (2) einengendes Bauelement (eine Blende) (3 bzw. 10) ausgeführt oder mit einem solchen verbunden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß sich der Photodetektor (4 und/oder 5 auf der der Probe (6) zugewandten Seite der Blende (3 bzw. 10) befindet und die proben­ seitige Apertur größer als die einengende Blende (3 bzw. 10) ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Photodetektor (5) in mindestens zwei Teilbereiche aufge­ teilt ist, die einzeln oder mit beliebiger Polarität verknüpft mit einer Steuer- und Auswertebaugruppe verbunden sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Photodetektor (5) in mehrere Sektoren aufgeteilt ist, die so elektrisch verbunden sind, daß die scheinbare Beleuch­ tungsrichtung ausgewählt werden kann.

5. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Photodetektor (5) ganz oder teilweise als wellenlän­ genselektives Bauelement ausgeführt ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die sensitive Seite des Photodetektors (4) in Richtung der Lichtquel­ le (1) des Lichtrastermikroskopes weist und die lichtquellensei­ tige Apertur größer als die Blende (3 bzw. 10) ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1, 2 und 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Blende (3 bzw. 10) die Öffnungsblende des optischen Systems oder ein Bauelement, das sich in einer zu dieser Blende konjugierten Lage befindet, ist.