DE68926161T2

DE68926161T2 - Elektronenstrahlgerät mit dynamischer Fokussierung

Info

Publication number: DE68926161T2
Application number: DE68926161T
Authority: DE
Inventors: Jong Marcus Johannes Cornel De
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1988-12-23
Filing date: 1989-12-20
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2009-12-21
Also published as: US5003173A; DE68926161D1; EP0376392B1; NL8803153A; JPH02215034A; EP0376392A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Elektronenstrahlgerät entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Ein Gerät dieser Art ist aus den "Proceedings of the 4th Annual Scanning Electron Microscope Symposium", ITT Research Institute, Chicago, III., USA, April 1971, S.33-40, bekannt.
Das Kippen des Objekts ist in zahlreichen Untersuchungsgebieten bei der Elektronenmikroskopie wünschenswert. Beispiele in diesem Zusammenhang sind dreidimensionale Abbildung, biologische Untersuchungen, Ablenkmikroskopie, Kristallflächenmessungen und ähnliches. Insbesondere für die relativ großen Kippwinkel, die in solchen Anwendungen gefordert werden, beispielsweise zum Reduzieren des sogenannten fehlenden Kegels bei der dreidimensionalen Abbildung, tritt bei Bildern, die durch ein das Objekt bestrahlendes Elektronenstrahlenbündel oder durch ein reflektierendes Elektronenstrahlenbündel erzeugt werden, unzulässige Defokussierung auf. Die Fokusänderung innerhalb eines Bildes führt zu einer ortsabhängigen Kontrastübertragungsfunktion, die sowohl den Bildkontrast als auch die Bildauflösung bestimmt. Infolgedessen wird die Untersuchung von Strukturen u. ä. stark beeinflußt, insbesondere im Fall der Abbildung mit einer geringen Dosis und einem kleinen Vergrößerungsfaktor bei einer Bestrahlung relativ großer Objektflächen. Ähnliche Probleme treten bei der Hochauflösungsmikroskopie bei dreidimensionaler Abbildung auf. Die Fokusänderung wird unmittelbar durch die örtliche Höhenänderung des Objekts hinsichtlich einer Brennebene gegeben und damit direkt durch die Strahlenbündelposition bezüglich der optischen Achse oder der Kippachse des Objekts und dem Kippwinkel des Objekts.
Bei dem bekannten Elektronenstrahlgerät werden infolge eines Kippens des Objekts auftretende defokussierende Fehler durch eine dynamische Fokussierungseinrichtung kompensiert, die in Abhängigkeit von dem Kippwinkel und dem Abstand zwischen dem Abtaststrahlenbündel und der Kipplinie steuerbar ist. Weil die Fokussierung pro Abtasflinie angepaßt wird, kann eine optimale Fokussierung über eine verhältnismäßig große Bildfläche realisiert werden.
Für das Abtasten fokuskorrigierter gerader Abtastlinien, die parallel zur Kippachse verlaufen, sei der übliche Fall angenommen, daß die Brennebene in dem Gerät mit einer flachen Ebene durch die Kipplinie quer zur optischen Achse zusammenfällt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektronenstrahlgerät zu verschaffen, wie eingangs beschrieben, in dem Fokussierungsfehler infolge von Linsenunvollkommenheiten ebenfalls korrigiert werden können. Hierfür ist das erfindungsgemäße Elektronenstrahlgerät dadurch gekennzeichnet, daß das elektronenoptische System zum Abtasten des Objekts in halbkreisförmigen oder elliptischen Linien eingerichtet ist, von denen eine zentrale Linie mit der Kippachse des Objekts zusammenfällt.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Grad der Fokussierungskompensation und die Auflösung durch Auswahl des Abtastmusters, das heißt, der Anzahl Abtastlinien und ihres Zwischenabstandes, einstellbar sind. Solche Abtastmöglichkeiten sind im allgemeinen in bekannten Elektronenmikroskopen bereits enthalten, so daß die Anwendung der Erfindung kaum irgendwelche zusätzlichen Maßnahmen erfordert. Wenn das elektronenoptische System eine Brennebene hat, die beispielsweise sphärisch gekrümmt ist, kann eine Kompensation durch Abtasten entlang halbkreisförmigen/halb-elliptischen Bahnen erfolgen, wobei die Kippachse bzw. die Achse der Ellipse als Mittellinie dienen. Daher können auch in dem Gerät auftretende Fokussierungsfehler kompensiert werden.
Das Verfahren für Dunkelfeldmessungen, Ablenkmessungen oder Beugungsmessungen kann genau das gleiche sein. Tatsächlich braucht nur die Position des Detektors angepaßt zu werden. Alle bekannten Detektionsmittel können verwendet werden, das heißt Mittel zur direkten Registrierung ebenso wie zur elektronischen Signalverarbeitung.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Elektronenstrahlgeräts ist für Transmissionsmessungen geeignet, wobei die Fokussierung linienweise erfolgt, so daß die Fokussierung in Bildern, die mit einem das Objekt durchlaufenden Strahlenbündel erzeugt werden, immer lokal optimal ist, und wobei ein Detektor für die Detektion von Transmissionssignalen eingerichtet ist.
Ein vollständiges optimales Abbilden der Probe wird somit durch momentanes Fokussieren des Bildes pro Abtastlinie realisiert. Im allgemeinen erfolgt Fokussieren immer auf der Ebene des bestrahlten Objektteils, welches Objektteil dann momentan auf den Detektor abgebildet wird. Wenn eine Messung außerhalb des Fokus gewünscht wird, kann der Objektbrennpunkt auch so gewählt werden, daß er an einer anderen Stelle liegt, was zu einem, bei manchen Untersuchungen gewünschten, nicht optimal fokussierten Bild führt.
Die Erfindung kann insbesondere für Untersuchungen benutzt werden, wo ein relativ großes Objekt bestrahlt wird, weil in diesem Fall verhältnismäßig starke Defokussierung auftreten würde. Die Notwendigkeit für die Analyse großer Objekte kann durch deren Eigenart gegeben sein, aber es kann auch vorteilhaft sein, mit einem verhältnismäßig großen Objekt zu arbeiten, um die lokale Elektronenbelastung des Objekts unter einem maximal zulässigen Grenzwert zu halten, das heißt mit einem relativ größeren Fleck zu arbeiten. Die dann notwendige relativ kleine Vergrößerung kann eventuell durch Nachvergrößerung des Bildträgers ausgeglichen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Elektronenstrahlgerät eine digitale Steuerungseinrichtung und eine Signalverarbeitungseinrichtung, mit voll- oder teilautomatischem Betrieb, wodurch somit eine exakte zentrale Steuerung oder dynamische Fokussierung möglich ist. Falls gewünscht, können Steuerparameter in einfacher Weise in einem Speicher gespeichert werden.
Einige Beispiele, die keine Ausführungsformen der Erfindung sind, aber nützlich zum Verständnis der Erfindung, sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 schematisch ein Elektronenstrahlgerät und
Fig. 2 eine Kippsituation für ein damit zu untersuchendes Objekt.
Ein Elektronenmikroskop wie in Fig. 1 wird beispielsweise in Philips Technical Review, Bd 43, Nr.10, November 1987, S.273-291, ausführlich beschrieben und umfaßt eine Elektronenquelle 2, eine Anode 4 und ein Kondensorsystem 6, eine Bündelabtasteinrichtung 8, ein Objektivlinsensystem 10, einen Objekthalter 12 mit einer Objektkippeinrichtung 14 und einen Detektor 16 zum Messen eines Elektronenstrahlenbündels 20, das ein auf einem Objekthalter angeordnetes Objekt 18 bestrahlt. Wenn das zu untersuchende Objekt in einer gekippten Position in ein solches Gerät eingelegt wird, beispielsweise wie in Fig. 2 gezeigt, wird, wenn eine Brennebene 22 mit einer Ebene quer zur Hauptachse 24 des Geräts zusammenfällt, das Elektronenstrahlenbündel 20 in einer Ebene 26, die mit der Brennebene 22 einen Kippwinkel 28 bildet, nur auf eine Kipplinie 30 fokussiert. Bei Verwendung der Bündelabtasteinrichtung 8, die auch anderswo in dem Gerät angeordnet sein kann, wird das Objekt linienweise entlang, in diesem Fall, gerader Abtastlinien 32 abgetastet, die parallel zur Kippachse 30 verlaufen.
Durch eine Neujustierung der Fokussierung für jede Abtastlinie wird selbst in dem Fall eines gekippten Objekts über die gesamte zu untersuchende Zone eine Abbildung erhalten, und zwar mit einer Abbildungsoptik, die für den Auftreffort des Abtastelektronenbündels optimal fokussiert ist, weil die Optik sofort für die betreffende Position des bestrahlten Objektteilgebiets fokussiert wird, so daß Abtasten mit einem in diesem Gebiet optimal fokussierten Strahlenbündel erfolgt. Hierzu wird ein Kippwinkelsensor der Kippeinrichtung mit einer zentralen Meß- und Steuerungseinrichtung 34 verbunden, mit der auch der Detektor 16 verbunden ist. Ein Monitor 36 zur Bildwiedergabe kann mit der Einrichtung 34 verbunden sein. Die zentrale Steuerungseinrichtung 34 ist auch mit einer Linsenjustiereinheit 38 gekoppelt, um das Nachfokussieren zu aktivieren, und mit einer Bündelablenksteuerungseinrichtung 40 zum Synchronisieren der Fokussierung mit der Abtastposition des Strahlenbündels. In einer Linse, wie sie in US 4.306.149 beschrieben wird, kann dies beispielsweise durch unmittelbare Neujustierung der Erregung der ersten Pollinse 10a der Objektivlinse realisiert werden. Die Bündelgeometrie, beispielsweise die Querabmessung und der Öffnungswinkel, kann also zur Anpassung an direkt gewünschte Bündelparameter eingestellt werden. Zur Bündelstromsteuerung, beispielsweise Bündelunterbrechung, kann die Steuerungseinrichtung auch mit einer Quellensteuerungseinrichtung 42 für das Belichtungssystem des Geräts verbunden werden, die zur Bündelunterbrechung beispielsweise einen Bündelaustaster umfaßt. Für verschiedene Untersuchungsverfahren und die zugehörigen Strahlengänge sei auf den zitierten Beitrag in Philips Technical Review verwiesen. Durch Festlegen des Verhältnisses der Abtastfleckabmessung zum Abstand der Abtastlinien voneinander kann entweder ein Muster aus getrennten Linien, ein Muster aus einander berührenden Linien oder ein Muster aus überlappenden Linien gebildet werden. Ein stark überlappendes Linienmuster kann beispielsweise günstig sein, wenn ein verhältnismäßig großer Abtastfleck verwendet wird, mit beispielsweise nicht vernachlässigbarer Defokussierung innerhalb der Querabmessung des Strahlenbündels. Indem jedes Objektelement mehrere Male bestrahlt und detektiert wird, kann eine Art mittlere Fokussierungssituation angenommen werden, die für jedes Bildelement als gleich angesehen werden kann. Daher wird die Rekonstruktion vereinfacht und können Bildartefakte verhindert werden, ohne daß die dem bekannten Verfahren innewohnenden Diskontinuitäten auftreten. Wenn die Fokussierung einer Position 46 in der Brennebene 22 zur einer Position 44 in der gekippten Ebene 26 infolge einer Nachfokussierung der Abbildungsoptik verschoben wird, das heißt in diesem Fall durch die zweite Pollinse lob, kann in dem abtastenden Elektronenstrahlenbündel 20 Defokussierung auftreten. Da die Auswirkung der zweiten Pollinse auf die Strahlenbündelgeometrie bekannt ist oder gemessen werden kann und dann festliegt, kann eine Korrektur auch dieser Erscheinung beispielsweise durch Neujustierung der ersten Pollinse 10a oder des Kondensorsystems erfolgen.

Claims

1. Elektronenstrahlgerät, mit:

* einer Elektronenquelle (2) zum Erzeugen eines entlang einer optischen Achse (24) des Geräts verlaufenden Elektronenstrahlenbündels (20),

* einem elektronenoptischen System (8, 40) einschließlich Abtastmitteln (8), die eingerichtet sind, ein in dem Gerät zu untersuchendes Objekt (18) mit dem Elektronenstrahlenbündel in einem rechteckigen Linienmuster (32) zu bestrahlen und abzutasten.

* einem Objekthalter (12), um das Objekt in dem genannten Elektronenstrahlenbündel zu halten, mit einer Kippeinrichtung (14) zum Kippen des Objekts (18) unter einem Kippwinkel (28) um eine Kippachse (30),

* einer abbildenden Fokussierungseinrichtung (6, 10) zum Fokussieren des Elektronenstrahlenbündels auf das Objekt (18), wobei die Einrichtung (6, 10) in Abhängigkeit von dem Kippwinkel (28) und dem Abstand zwischen dem Auftreffpunkt des Abtaststrahlenbündels (20) auf dem Objekt und der Kippachse (30) zur Kompensation von defokussierenden Fehlern infolge des Kippens des Objekts dynamisch steuerbar ist,

* Detektionsmittel (16) zum Detektieren von Bestrahlung des genannten Objekts (18) durch das genannte Elektronenstrahlenbündel (20),

dadurch gekennzeichnet, daß

das elektronenoptische System zum Abtasten des Objekts in halbkreisförmigen oder elliptischen Linien eingerichtet ist, von denen eine zentrale Linie mit der Kippachse (30) des Objekts zusammenfällt.

2. Elektronenstrahlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle und das elektronenoptische System eingerichtet sind zum Erzeugen eines im wesentlichen kohärenten Elektronenstrahlenbündels zum Abtasten des Objekts, wobei die Detektionsmittel zum Messen des Stroms des das Objekt durchlaufenden Teils des Strahlenbündels eingerichtet sind.

3. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät für Rastertransmissionsmikroskopie eingerichtet ist und daß es zur Rekonstruktion dreidimensionaler Bilder aus bei verschiedenen Kippwinkeln detektierten Objekttransmissionssignalen eingerichtet ist.

4. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät für Rastertransmissionsmikroskopie eingerichtet ist und daß die Strahlenbündelabtasteinrichtung zur Objektabtastung in einem Linienmuster mit überlappenden Linien eingerichtet ist und zum Messen einer Vielzahl von Transmissionssignalen von Objektelementen, um für die Budrekonstruktionen Fokussierungsunterschiede herauszumitteln.

5. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine digitale Steuerungseinheit umfaßt.

6. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es Mittel zum Nachfokussieren des bestrahlenden Elektronenstrahlenbündels umfaßt, für den Fall, daß es infolge der dynamischen Fokussierung am Ort des Objekts defokussiert worden ist.

7. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Bündelaustaster umfaßt, der in Abhängigkeit von der Objektabtastung steuerbar ist.

8. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungseinrichtung Mittel zur automatischen Steuerung umfaßt.