DE69211378T2

DE69211378T2 - Raster Reflektions-Beugungselektronenmikroskop

Info

Publication number: DE69211378T2
Application number: DE69211378T
Authority: DE
Inventors: Takao Marui
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1991-02-15
Filing date: 1992-02-17
Publication date: 1996-11-07
Anticipated expiration: 2012-02-18
Also published as: EP0499490B1; JPH071688B2; EP0499490A2; US5675148A; EP0499490A3; JPH04259743A; DE69211378D1

Description

Die Erfindung betrifft Rasterreflektionsbeugungselektronenmikroskope und insbesondere Vorrichtungen wie ein Rasterreflektionshochenergiebeugungselektronenmikroskop (RHEED) und ein Rasterreflektionsschwachenergiebeugungselektronenmikroskop (LEED) zur Beobachtung nicht nur von Blektronenbeugungsmustern, sondern auch zeitlichen Veränderungen der Intensität eines selektierten Beugungsbereichs.
Wie in Fig. 2 gezeigt, beinhaltet ein RHEED-Rastermikroskop nach dem Stand der Technik eine Elektronenkanone 2 mit einer Hochspannungsquelle, und ein daraus einittierter Pnmärelektronenstrahl 4 wird durch eine Sammellinse 3 auf der Oberfläche einer innerhalb einer Vakuumkammer 6 angeordneten Probe 7 gebündelt und tastet die Oberfläche ab, wobei eine Ablenkspule 5 für den Strahl 4 mittels einer Strahlabtastguelle 17 gesteuert wird. Das so von der Probe 7 erhaltene Probestromsignal wird als ein Helligkeitsmodulationssignal an eine Kathodenstrahlröhre (KSR) 16 weitergeleitet, um auf der KSR 16 ein Probestrombild der Probe 7 zu erzeugen, so daß der Anwender aus diesem Probestrombild einen Punkt der Probe 7 selektieren kann, der analysiert werden soll. Daraufhin wird, sobald der Primärelektronenstrahl 4 auf den selektierten Bereich einstrahlt, durch den reflektionsgebeugten Strahl 8 auf einem Fluoreszenzschirm 9 ein Bild erzeugt, und ein solches Bild kann als Beugungsmuster durch ein Sichtfenster 21 beobachtet werden. Durch Auswertung eines solchen Beugungsmusters kann man die Kristallstruktur der Probe 7 an jeder Stelle der Oberfläche analysieren.
Wenn ein Blendenschirm 22 verwendet wird&sub1; um einen bestimmten Beugungsbereich zu selektieren und ein von einer Fotokathode 23 erzeugtes elektrisches Signal gleichzeitig mit dem Abtasten des Primärelektronenstrahls 4 als ein Helligkeitsmodulationssignal an die KSR 16 übertragen wird, wird ein Abtastbild auf der KSR 16 erzeugt. Solche Bilder, die unter Ausnutzung der Intensitäten bestimmter Beugungsbereiche erzeugt werden, sind ein wirksames Instrument für die Untersuchung der kristallinen Oberflächenstruktur einer Probe
Bei einem RHEED-Rastermikroskop dieser Art nach dem Stand der Technik wird ein Fluoreszenzschirm 9 von erheblicher Größe benötigt, sofern der Benutzer einen verhältnismäßig weiten Bereich des reflektionsgebeugten Strahls überblicken möchte&sub1; und dies hat die unerwünschte Folge, daß die Abmessung der Vorrichtung als Ganzes anwächst. Nachdem dann ein bestimmter Beugungsbereich selektiert wurde, müssen die Fotokathode 23 und der Blendenschirm 22 mechanisch bewegt werden, was die Arbeitseffizienz der Vorrichtung nachteilig beeinträchtigt. Ein weiterer Nachteil einer Vorrichtung dieser Art ist, daß spezielle Einrichtungen benötigt werden, um die Bildverarbeitung eines Beugungsmusters durchzuführen, z.B. zum Speichern zweidimensionaler Bilddaten.
Die japanische Patentveröffentlichung Tokkai 60-56344 offenbart ein Rasterreflektionsbeugungselektronenmikroskop, wie in Fig. 3 gezeigt, zur Beseitigung dieser Nachteile. Zur Vereinfachung sind in Fig. 3 die Komponenten, die im wesentlichen identisch zu denen in Fig. 2 sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Das Mikroskop in Fig. 3 kann dadurch gekennzeichnet sein, daß es eine Ablenkspule 28 und eine magnetische Blendenplatte 27 aufweist. Ein Teil des durch eine Probe 7 reflektionsgebeugten Primärelektronenstrahls 4 gelangt durch die magnetische Blendenplatte 27, und ein noch kleinerer Teil davon tritt durch eine Öffnung in einem Schirm 22, um auf einem Fluoreszenzschirm 9 einen hellen Punkt zu bilden. Eine Fotokathode 23 empfängt das Lichtsignal von diesem hellen Punkt durch ein Sichtfenster 21 und wandelt dieses Lichtsignal in ein elektrisches Signal um, das von einer KSR 19 als Helligkeitsmodulationssignal für den gebeugten Strahl verwendet wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Ablenkspule 28 mit Hilfe einer Abtastspannungsquelle 20 betrieben, um den gebeugten Strahl 8, der die magnetische Blendenplatte 27 passiert hat, abzulenken und dadurch auf der KSR 19 in Übereinstimmung mit dieser Ablenkung ein Helligkeitsmodulationsmuster zu bilden. Die magnetische Blendenplatte 27 hat dabei die Aufgabe, das magnetische Feld abzubilden, das erzeugt wird, wenn die Ablenkspule 28 für den gebeugten Strahl 8 aktiviert ist, so daß der durch den Primärelektronenstrahl 4 bestrahlte Bereich unverändert bleiben kann. Das dadurch auf der KSR 19 erhaltene Helligkeitsmodulationsmuster ist vollständig äquivalent zu dem auf dem Fluoreszenzschirm 9 der Vorrichtung in Fig. 2 erzeugten Beugungsmuster.
Das Mikroskop in Fig. 3 ist ferner ausgestattet mit einem Signalschalter 18 und einer zweiten KSR 16 zur Darstellung der unter Ausnutzung der Intensitäten bestimmter Beugungsbereiche beobachteten Abtastbilder. Wenn ein solches Bild von einem bestimmten Beugungsbereich gewünscht ist, wird der Abtastschaltkreis der ersten KSR 19 für den gebeugten Strahl 8 so eingestellt, daß der Kathodenstrahl der KSR 19 auf der Position des gewünschten Beugungsbereich in dem Beugungsmuster fixiert bleibt, das auf der KSR 19 angezeigt wird. Wenn der Signalschalter 18 daraufhin auf die zweite KSR 16 umgelegt wird und der Elektronenstrahl 4 mit Hilfe einer Strahlabtastquelle 17 veranlaßt wird, die Oberfläche der Probe 7 abzutasten, kann ein gewünschtes Abtastbild gemäß der Intensität des gebeugten Elektronenstrahls in der zweiten KSR 16 erzeugt werden.
Der Vorteil des Rasterreflektionsbeugungselektronenmikroskops in Fig. 3 besteht darin, daß es keinen Fluoreszenzschirm großen Durchmessers zur Darstellung der Beugungsmuster benötigt und daß es eine verbesserte Funktionsfähigkeit besitzt, da alle Signale elektrisch erzeugt werden. Ein weiterer Vorteil dieses Mikroskops ist, daß die in Übereinstimmung mit dem Abtasten durch die Abtastspannungsquelle 20 von der Fotokathode 23 erzeugten elektrischen Signale in einer Speichervorrichtung gespeichert werden können. Dies ermöglicht es dem Benutzer unterschiedliche Bildverarbeitungsprozesse leicht auszuführen, z.B. das Signal-/Rausch-Verhältnis zu erhöhen. Mit anderen Worten ist das Mikroskop in Fig 3 in der Lage, die Nachteile des älteren Mikroskops in Fig. 2 zu beseitigen, bei dem zum Selektieren eines bestimmten Beugungsbereiches nicht nur seine Fotokathode 23 und der Blendenschirm 22 mechanisch bewegt werden müssen, sondern auch andere spezielle Vorrichtungen erforderlich sind, um Bildverarbeitungsvorgänge an einem Beugungsmuster durchzuführen, z.B. zum Speichern zweidimensionaler Bilder.
Trotz solcher Vorteile ist das Mikroskop in Fig. 3 dennoch nicht in der Lage, gebeugte Elektronen mit einem großen Beugungswinkel zu erfassen, da der Bereich des erfaßbaren Beugungswinkels durch den Abstand zwischen der Probe 7 und der Abtastspulenanordnung und die Intensität des magnetischen Feldes, das durch die Ablenkspule für den gebeugten Strahl erzeugt wird, begrenzt ist. Um ein gebeugtes Elektron mit großem Beugungswinkel erfassen zu können, ist es notwendig, entweder eine große Abtastspule vorzusehen oder die Abtastspulenanordnung in der Nähe der Probe zu plazieren. Wird eine große Abtastspule verwendet, so wird das Mikroskop im ganzen größer. Andererseits kann die Abtastspulenanordnung nicht ständig in der Nähe der Probe gehalten werden, da die Proben häufig ausgetauscht werden. Das bedeutet, daß ein Mechanismus zum Bewegen der Abtastspulenanordnung und zum Einstellen ihrer Position notwendig wird und dadurch der Aufbau der Vorrichtung kompliziert wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die bezüglich der Fig. 2 und 3 beschriebenen Nachteile der Vorrichtung nach dem Stand der Technik zu beseitigen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Rasterreflektionsbeugungselektronenmikroskop mit einer verbesserten Abtastfähigkeit bereitzustellen, das in der Lage ist, selbst gebeugte Elektronen mit großen Beugungswinkeln zu erfassen, ohne eine große Abtastspule zu verwenden und ohne den Detektor in der Nähe der Probe zu halten.
Ein Rasterreflektionsbeugungselektronenmikroskop gemäß der vorliegenden Erfindung, mit dem die obigen und andere Aufgaben erfüllt werden können, ist dadurch gekennzeichnet, daß seine Mittel zur Erfassung eines Beugungsmusters ein optisches Reduktionssystem aufweisen zur optischen Verkleinerung der Größe eines Beugungsmusters auf einem Fluoreszenzschirm, eine fotoelektrische Oberfläche zur Umwandlung eines optisch verkleinerten Beugungsmusters in einen bildtragenden Elektronenstrahl, ein Ablenkungssystem zur Ablenkung der von der fotoelektrischen Oberfläche emittierten Elektronen, einen Blendenschirm, durch den die durch das Ablenkungssystem abgelenkten Elektronen passieren, und einen Detektor zur Erfassung der Elektronen, welche die Öffnung passiert haben.
Mit einem derart aufgebauten Mikroskop wird die Größe des Beugungsmusters auf dem Fluoreszenzschirm durch das optische Reduktionssystem verkleinert, um auf der fotoelektrischen Oberfläche ein verkleinertes Bild zu erzeugen, und die von dieser fotoelektrischen Oberfläche emittierten Elektronen werden durch das Ablenkungssystem abgelenkt. Die Ausgabe von dem Detektor, der die durch die Öffnung tretenden Elektronen erfaßt, wird synchron mit der Ablenkung des Ablenkungssystems als ein Helligkeitsmodulationssignal in einer KSR addiert, und ein Helligkeitsmodulationsmuster wird auf der KSR für den gebeugten Strahl angezeigt. Das so erhaltene Helligkeitsmodulationsmuster ist vollständig äquivalent zu dem auf dem Fluoreszenzschirm gebildeten Beugungsmuster. Ein unter Ausnutzung der Intensität eines bestimmten Beugungsbereichs erhaltenes Abtastbild kann in einer KSR angezeigt werden, indem das Ablenkungssystem auf die Position des selektierten Beugungsbereichs eingestellt und der Elektronenstrahl über der Oberfläche der Probe abgetastet wird.
Die beigelegten Zeichnungen, die in dieser Beschreibung enthalten sind und einen Teil davon bilden, illustrieren eine Ausführungsform der Erfindung und dienen gemeinsam mit der Beschreibung der Erklärung der Grundbestandteile der Erfindung. Zu den Zeichnungen:
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Rasterreflektionsbeugungselektronenmikroskops gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Rasterreflektionsbeugungselektronenmikroskops nach dem Stand der Technik zeigt; und
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines weiteren Rasterreflektionsbeugungselektronenmikroskops nach dem Stand der Technik zeigt.
Eine Ausführungsform eines Rasterreflektionsbeugungselektronenmikroskops nach dem Stand der Technik wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben, wobei die Bezugszeichen 1-8 und 16-21 Bestandteile bezeichnen, die entsprechend in Fig. 3 durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, Bezugszeichen 9 einen Fluoreszenzschirm bezeichnet, Bezugszeichen 10 eine optische Linse bezeichnet, Bezugszeichen 11 eine fotoelektrische Oberfläche bezeichnet, Bezugszeichen 12 eine Ablenkspule bezeichnet, Bezugszeichen 13 eine Kondensorspule bezeichnet, Bezugszeichen 14 einen Blendenschirm bezeichnet und Bezugszeichen 15 einen Fotomultiplier bezeichnet. Nachfolgend wird ein Verfahren zur Anwendung dieses Mikroskops zur Erzeugung eines Reflektionsbeugungselektronenmusters erläutert.
Wie oben in Verbindung mit den in Fig. 2 und 3 gezeigten Mikroskopen nach dem Stand der Technik beschrieben, emittiert die mit einer Hochspannungsquelle 1 versehene Elektronenkanone 2 einen Primärelektronenstrahl 4, und die Sammellinse 3 veranlaßt den Primärelektronenstrahl 4, sich auf der Oberfläche einer innerhalb der Vakuumkammer 6 angeordneten Probe 7 zu bündeln. Indem die Ablenkspule 5 durch die Strahlabtastquelle 17 gesteuert wird, tastet der Primärelektronenstrahl 4 die Oberfläche der Probe 7 ab und erzeugt ein Probestromsignal, und ein Probestrombild der Probe 7 wird auf der KSR 16 erzeugt, indem dieses Probestromsignal an die KSR 16 als ein Helligkeitsmodulationssignal weitergeleitet wird. Wenn der Benutzer aus diesem Strombild eine Zielposition selektiert, die eine Analyse erfordert, und den Primärelektronenstrahl 4 auf diese selektierte Position feststehend einfallen läßt, bildet der reflektionsgebeugte Strahl 8 auf dem Fluoreszenzschirm 9 ein Beugungsmuster. Das derart auf dem Fluoreszenzschirm 9 gebildete Beugungsmuster wird in der Größe optisch verkleinert und mit Hilfe der optischen Linse 10 auf die fotoelektrische Oberfläche 11 fokussiert, so daß es in ein elektronisches Bild umgewandelt wird. Die Elektronen, welche die Öffnung im Schirm 14 passieren, werden durch den Elektronen-Multiplier 15 erfaßt, und die Erfassungsergebnisse werden als ein Helligkeitsmodulationssignal über den Schalter 18 an die KSR 19 für den gebeugten Strahl übermittelt. Während dieses Vorgangs wird die Abtastspannungsquelle 20 durch ein Abtastsignal von der KSR 19 betrieben, so daß die Elektronen von der fotoelektrischen Oberfläche 11 durch das Elektronenablenksystem bestehend aus der Ablenkspule 12 und der Kondensorspule 13 abgelenkt werden und dadurch auf der KSR 19 ein Helligkeitsmodulationsbild anzeigen. Das so erhaltenene Helligkeitsmodulationsbild auf der KSR 19 ist vollständig äquivalent zu dem Beugungsmuster auf dem Fluoreszenzschirm 19.
Um ein Abtastbild unter Ausnutzung der Intensität eines bestimmten Beugungsbereichs zu erhalten, wird das Abtastsignal von der KSR 19 so eingestellt, daß die Kathodenstrahlung der KSR 19 auf die Position des selektierten Beugungsbereichs im Beugungsmuster fixiert ist, das auf der KSR 19 angezeigt wird. Nachdem es so eingestellt wurde, daß nur die von der Position der fotoelektrischen Oberfläche, die dern selektierten Beugungsbereich auf dem Fluoreszenzschirm 9 entspricht, emittierten Elektronen durch die Öffnung im Schirm 14 mittels des Elektronen-Multipliers 15 erfaßt werden, wird der Signalschalter 18 auf die andere KSR 16 umgeschaltet, und der Primärelektronenstrahl 4 wird veranlaßt, unter Steuerung der Strahlabtastquelle 17 die Oberfläche der Probe abzutasten und dadurch ein Abtastbild auf der KSR 16 zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung wurde oben unter Bezugnahme auf nur ein Beispiel beschrieben, aber dieses Beispiel ist keinesfalls so auszulegen, daß es den Bereich der Erfindung begrenzt. Obwohl beispielsweise festgestellt wurde, daß in dern optischen Reduktionssystem eine optische Linse verwendet wird, kann ebensogut eine optische Faserplatte benutzt werden. Die Verwendung einer optischen Faserplatte hat sowohl den Vorteil der Ausführung des Vakuumabdichtens und der optischen Verkleinerung des Bildes zur gleichen Zeit als auch die Verringerung der Übertragungsverluste optischer Signale. Als weiteres Beispiel ist es nicht notwendig, daß die Strahlabtastquelle durch ein Abtastsignal von der KSR betrieben wird. Die Ablenkung der KSR kann auch durch eine Ausgabe der Strahlabtastquelle gesteuert werden. Darüberhinaus kann auch eine einzelne KSR verwendet werden, so daß ein Beugungsmuster und ein Abtastbild wahlweise darauf angezeigt werden können. Dies kann erreicht werden durch wahiweises Zuführen der Ausgabe von der Abtastspannungsquelle 20 oder der von der Strahlabtastquelle 17 zu der KSR als Ablaufsignal.
Da ein Rasterreflektionsbeugungselektronenmikroskop gemäß der vorliegenden Erfindung ein optisches Reduktionssystem zur optischen Umwandlung eines Beugungsbildes auf einem Fluoreszenzschirm in ein verkleinertes Bild auf einem fotoelektrischen Schirm verwendet und die daraus resultierenden bildtragenden Elektronen mit Hilfe eines Ablenkungssystems ablenkt, ist es möglich, sogar Elektronen mit großem Beugungswinkel zu erfassen, ohne Verwendung einer großen Abtastspule und ohne unmäßige Verringerung des Abstands zwischen der Probe und dem Detektor.

Claims

1. Rasterreflexionsbeugungselektronenmikroskop mit:

Elektronenstrahl-Quellenmitteln (2) zur Erzeugung eines Primärelektronenstrahls (4),

einem Fluoreszenzschirm (9)

Musterbildungsmitteln (3, 5) zum Richten des Primärelektronenstrahis (4) auf ein Ziel (7), um dabei ein Beugungsmuster auf dem Fluoreszenzschirm (9) mit einem reflexionsgebeugten Strahl (8) von dem Ziel (7) zu bilden,

photoelektrischen Wandlermitteln (11) zur Wandlung eines optischen Bildes in einen bildtragenden Elektronenstrahl, Bildreduktionsmitteln (10) zur Erzeugung eines verkleinerten Bildes auf den photoelektrischen Wandlermitteln (11) durch optisches Verkleinern eines auf dem Fluoreszenzschirm (9) gebildeten Beugungsmusters,

einem Ablenkungssystem (12) zur Ablenkung eines von den photoelektrischen Wandlermitteln (11) emittierten Elektronenstrahls

einem Blendenschirm (14) mit einer Öffnung und einem Detektor (15) zur Erfassung von Elektronen, die durch das Ablenkungssystem abgelenkt wurden und die Öffnung passiert haben.

2. Rasterreflexionsbeugungselektronenmikroskop nach Anspruch 1 mit weiterhin einer Kathodenstrahlröhre (16), wobei der Detektor dazu dient, ein Helligkeitsmodulationssignal zu erzeugen und an die Kathodenstrahlröhre (16) zu liefern, um zu bewirken, daß ein Beugungsmuster auf der Kathodenstrahlröhre (16) angezeigt wird.

3. Rasterreflexionsbeugungselektronenmikroskop nach Anspruch 1 oder 2 mit weiterhin:

einer Kathodenstrahlröhre (19) und

Ablenkungssteuermittel (20) zum Steuern des Ablenkungssysterns (12) durch Empfang eines Abtastsignals von der Kathodenstrahlröhre (19), um zu bewirken, daß die Detektormittel (15) ein Helligkeitsmodulationssignal an die Kathodenstrahlröhre (19) übertragen, wodurch ein Helligkeitsmodulationsbild auf der Kathodenstrahlröhre (19) angezeigt wird.

4. Rasterreflexionsbeugungselektronenmikroskop, bei dem ein Prirnärelektronenstrahl (4) von einer Elektronenstrahlquelle (2) auf einen bestimmten Oberflächenbereich einer Probe (7) mit einem bestimmten Einfallswinkel eingestrahlt wird, wodurch ein Beugungsmuster auf einen Fluoreszenzschirm (9) aus einem reflexionsgebeugten Strahl (8) von dem bestimmten Oberflächenbereich gebildet wird, und bei dem ein Rasterbild durch selektives Verwenden der Intensitäten des Lichtes erhalten wird, das nur von einem bestimmten Beugungsfleck in dem Beugungsmuster auf dem Fluoreszenzschirm (9) emittiert wird, wobei das Mikroskop aufweist:

Bildreduktionsmittel (10) zur Erzeugung eines verkleinerten Bildes durch optisches Verkleinern eines auf dem Fluoreszenzschirm (9) gebildeten Beugungsmusters,

eine photoelektrische Wandlerfläche (11) zur Wandlung eines optisch verkleinerten Beugungsmusters in ein elektronisches Bild,

ein Ablenkungssystem (12) zur Ablenkung von Elektronen von der photoelektrischen Wandlerfläche (11),

einen Blendenschirm (14) mit einer Öffnung, die es ermöglicht, daß Elektronen von der photoelektrischen Wandlerfläche (11) durchtreten, und

einen Detektor (15) zur Erfassung von Elektronen, die die Öffnung passiert haben.

5. Rasterreflexionsbeugungselektronenmikroskop nach Anspruch 4 mit weiterhin einer Kathodenstrahlröhre (16), wobei der Detektor (15) dazu dient, ein Helligkeitsmodulationssignal zu erzeugen und an die Kathodenstrahlröhre (16) zu übertragen, um zu bewirken, daß ein Beugungsmuster auf der Kathodenstrahlröhre (16) angezeigt wird.

6. Rasterreflexionsbeugungselektronenmikroskop nach Anspruch 4 mit weiterhin

einer Kathodenstrahlröhre (19) und

Ablenkungssteuermitteln (20) zur Steuerung des Ablenkungssystems (12) durch Empfang eines Abtastsignals von der Kathodenstrahlröhre (19), um zu bewirken, daß die Detektormittel (15) ein Helligkeitsmodulationssignal an die Kathodenstrahlröhre (19) übertragen, wodurch ein Helligkeitsmodulationsbild auf der Kathodenstrahlröhre (19) erzeugt wird.