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Die Erfindung betrifft ein teilchenoptisches Gerät, das eine Teilchenquelle
zum Erzeugen eines Bündels elektrisch geladener Teilchen enthält, die sich entlang einer
optischen Achse des Geräts fortpflanzen, zum Abtasten eines zu untersuchenden
Prüflings mit Hilfe des Teilchenbündels angeordnet ist, und eine Fokussierlinse zum
Erzeugen eines Brennpunkts in der Nähe des Bereichs enthält, in dem der Prüfling
angeordnet werden muß, wobei das Gerät weiterhin eine Detektoreinrichtung zum
Detektieren elektrisch geladener Teilchen aus dem Prüfling enthält, und die
Detektoreinrichtung einen elektrischen Dipol enthält, dessen elektrisches Feld die optische Achse
schneidet und sich quer dazu erstreckt, und damit ein Feldintegral des elektrischen
Feldes auf der optischen Achse definiert.
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Ein Gerät dieser Art ist aus einem Artikel in der Zeitschrift
"SCANNING", Vol 8, S. 285...293, von 3. Zach und H. Rose, mit dem Titel
"Efficient Detection of Secondary Electrons in Low-Voltage Electron Microscopy"
bekannt.
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Geräte eingangs erwähnter Art sind als Rasterelektronenmikroskop (REM)
bekannt. In einem REM wird ein zu untersuchendes Gebiet mit einem
Primärelektronenbündel mit einer Energie in der Größenordnung von 1 bis 100 keV
abgetastet, dabei werden Sekundärelektronen wesentlich niedrigerer Energie aus dem
Prüfling befreit, beispielsweise einer Energie in der Größenordnung von 5 bis 50 keV.
Die Energie und/oder die Energieverteilung dieser Sekundärelektronen liefert Auskunft
über die Art und Zusammensetzung des Prüflings Daher ist es nützlich, ein REM mit
einer Detektoreinrichtung für Sekundärelektronen vorzusehen. Diese Elektronen werden
an der Seite des Prüflings freigemacht, an der das Primärbündel einfällt, etwa entlang
der Feldlinien der Fokussierlinse. Wenn ein Detektor in der Nähe der also
zurückbewegenden Sekundärelektronen angebracht wird, sammelt ein derartiger Detektor die
Sekundärelektronen und gibt ein elektrisches Signal aus, das dem so detektierten Fluß
proportional ist und dabei zum Erzeugen des (Sekundärelektronen-)Bildes des Prüflings
auf bekannte Weise benutzt wird.
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Der Detektor soll u.a. die Bedingung erfüllen, daß er keine bedeutsamen
Abbildungsfehler (sowohl geometrischen als auch chromatischen) in das Primärbündel
einführen darf, damit der Querschnitt dieses Bündels im Bereich der Prüflingoberfläche
nicht vergrößert wird, wodurch die Auflösung des REM herabgesetzt werden würde.
Außerdem ist Beeinflussung der Richtung des Primärbündels infolge des vorhandenen
Detektors unerwünscht.
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Der genannte Artikel in der Zeitschrift "SCANNING" (insbesondere Seite
286, Abschnitt 2: "The Dipole Detector") ist die Beschreibung eines Detektors, in dem
die Sekundärelektronen mittels der Kombination eines homogenen elektrischen Feldes
und eines homogenen Magnetfeldes abgelenkt und eingefangen werden, das sich
senkrecht dazu erstreckt. Eine derartige Feldkombination hat einige Nachteile. Ein
erster Nachteil liegt darin, daß es Umstände gibt, in denen ein Magnetfeld in einem
REM unerwünscht ist, beispielsweise wenn dieses Feld sich in der Nähe des
Magnetfelds der Fokussierlinse erstreckt. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß ein
derartiges System oft einen chromatischen Fehler in das Primärbündel einführt, der
nicht übersehen werden kann, wodurch also zusätzlich korrigiert werden muß. Diese
Zusatzkorrektur wird in diesem Artikel mit Hilfe eines zusätzlichen Wien-Filters mit
einer Polarität verwirklicht, die der des Detektors entgegengesetzt ist. Dieses Filter wird
über der Fokusierlinse angeordnet (siehe den letzten Absatz des Abschnitts 2 des
genannten Artikels).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein teilchenoptisches
Abtastgerät zu schaffen, in dem die Nachteile der Beeinflussung des Magnetfelds und
die Einführung eines zusätzlichen chromatischen Fehlers vermieden werden. Zur
Lösung dieser Aufgabe ist das Gerät erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die
Detektoreinrichtung wenigstens einen weiteren elektrischen Dipol enthält, der in bezug
auf den ersten Dipol in der Richtung der optischen Achse verschoben ist und dessen
elektrische Feld im Bereich der optischen Achse dem des ersten Dipols entgegengesetzt
ist und eine derartige Stärke hat, daß die algebraische Summe der Feldintegrale entlang
der optischen Achse aller Dipole der Detektoreinrichtung im wesentlichen gleich Null
ist.
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Auf diese Weise wird ein doppelter elektrischer Dipol erhalten, in dem
die Auswirkung des ersten Dipols auf das Primärbündel vom zweiten Dipol
ausgeglichen wird, sowohl hinsichtlich der Bündelablenkung als auch hinsichtlich der
Einführung von Abbildungsfehlern. Ein sehr hoher Detektionswirkungsgrad für die
Sekundärelektronen (bis zu einer Größenordnung von 100%) ist also möglich, da
verhältnismäßig hohe Spannungen am elektrischen Dipol möglich sind. Da diese
Dipolfelder auf jeder Ebene senkrecht zur Achse des Primärbündels konstant sind, gibt
es auch weit vorbei der Achse keine Aberrationen. Außerdem wird nur die Stelle des
Primärbündels beeinflußt. Diese Verschiebung beträgt in der Größenordnung von
einigen zehn Mikrometer für ein elektrisches Feld in der Ordnung von 1 kvim, eine
Feldlänge von 1 cm und eine Beschleunigungsspannung in der Größenordnung von 1
kV. Wenn diese Verschiebung das Fokussierfeld ersetzt, das die Endlinse des Geräts
bildet, beeinflußt sie nicht die Stelle des Elektronenbrennpunkts. Sollte dieses Phänomen
letzten Endes störend wirken, kann es von der ohnehin erforderlichen Ausrichtung der
Linse zufriedenstellend korrigiert werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
die Detektoreinrichtung drei elektrische Dipole enthält, die in der Richtung der
optischen Achse in bezug aufeinander verschoben sind, wobei das elektrische Feld des
zentralen Dipols in der gegenüberliegenden Richtung orientiert ist, und das Feldintegral
des zentralen Dipols entlang der Achse das Zweifache dessen jedes der anderen Dipole
beträgt.
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Dieses Ausführungsbeispiels kann in Fällen benutzt werden, in denen
parallele Verschiebung des Primärelektronenstrahls immer noch unerwünscht ist. Für
die Feldverteilung dient diese Konfiguration als einen Stapel von zwei Doppeldipolen
mit dem Ausgleichseffekt für die Verschiebung. Außerdem wird die Verschiebung des
Primärbündels jetzt für jede Beschleunigungsspannung des Bündels ausgeglichen.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, daß wenigstens ein Dipol mit Elektroden versehen ist, die einen Winkel
von etwa 120 Grad einschließen, wenn von der optischen Achse aus gesehen. Sowohl
der positive als auch der diametral gegenüberliegend befindliche negative Pol dieses
Dipols sind als ein 120º Kreissegment in diesem Ausführungsbeispiel aufgebaut. (Die
Zwischensegmente werden dabei auf dem Hauptpotential gehalten, insbesondere
Erdpotential). Theoretisch läßt sich vorführen, daß diese Konfiguration keine Monopol-,
Quadrupol-, Hexapol- und Oktupolbauteile hat. Der erste Mehrpolterm ungleich Null ist
der Dekapolterm, dessen elektrisches Potential als fünfte Potenz des Abstands von der
Achse absinkt, und das daher nur eine vernachläßigbar geringe Störung des reinen
Dipolfelds in der Nähe der optischen Achse verursacht.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, daß alle Elektroden des Detektors von der Umgebung elektrisch isoliert
sind. Dieser Schritt macht das Erhöhen oder Veringern der Spannung aller Elektroden
des Detektors um denselben Betrag möglich. Mso kann ein elektrisches Monopolfeld
derart erzeugt werden, daß die zu detektierenden Sekundärelektroden den Dipol nicht
passieren können und also undetektierbar sind. Damit wird also die Detektionswirkung
gefördert.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens eine der Elektroden eines der Dipole für elektrisch geladene Teilchen
transmissiv ist. Dies kann beispielsweise durch Anfertigung der betreffenden Elektrode
mit Hilfe einer Gaze oder einer durchlochten Platte erreicht werden. Die zu
detektierenden Elektronen können durch die Öffnungen in dieser Elektrode eingefangen
werden.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Dipole der Detektoreinrichtung in diesem Gerät in der Bohrung
einer Immersionsimse angebracht sind. Da das elektrische Dipolfeld nahezu unabhängig
ist vom Abstand zur Achse, können die Abtastspulen für die Bündelablenkung in einem
REM jetzt vor den Detektordipolelektroden angeordnet werden, da weder eine
Verschiebung noch eine Kippung des Bündels von dem erfindungsgemäß erzeugten
Detektorfeld beeinflußt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der
Zeichnung näher erläutert, in der gleiche Bauteile mit denselben Bezugsziffern
bezeichnet werden. Es zeigen
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Fig. 1 eine schematische Darstellung eines teilchenoptischen Geräts, in
dem der erfindungsgemäße Detektor einsetzbar ist,
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Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Immersionslinse für ein REM, in dem
eine erste Ausführung des erfindungsgemäßen Detektors angebracht ist,
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Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Immersionslinse für ein REM, in dem
eine zweite Ausführung des erfindungsgemäßen Detektors angeordnet ist,
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Fig. 4a eine schematische Ansicht der Form der Elektroden für einen
erfindungsgemäßen Dipoldetektor, und
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Fig. 4b eine perspektivische Darstellung der Form der Elektroden für
einen erfindungsgemäßen Detektor.
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In Fig. 1 ist ein teilchenoptisches Gerät in Form eines Teils einer Spalte 2
eines Rasterelektronenmikroskops (REM) dargestellt. Üblich dabei ist, daß in diesem
Gerät von einer in der Figur nicht dargestellten Elektronenquelle ein Elektronenbündel
erzeugt wird, das sich entlang der optischen Achse 4 des Geräts erstreckt. Das
Elektronbündel kann eine oder mehrere Elektromagnetlinsen, wie z.B. eine
Kondensorlinse 6, durchqueren, bevor es die Linse 8 erreicht. Diese, eine sog. Monopollinse
bildet einen Teile einer Magnetschaltung, die auch von einer Wand 10 einer
Musterkammer 12 gebildet wird. Die Linse 8 wird zur Erzeugung eines
Elektronenbündelbrennflecks zum Abtasten des Prüflings 14 verwendet. Abtasten erfolgt durch
Verschieben des Elektronenbündels über den Prüfling sowohl in der x- als auch in der
y-Richtung mit Hilfe von Abtastspulen 16 in der Linse 8. Der Prüfling 14 b efindet sich
auf einem Mustertafel 18, der einen Träger 20 für die x-Verschiebung und einen Träger
22 für die y-Verschiebung enthält. Ein zu untersuchendes Mustergebiet kann mit diesen
zwei Trägern gewahlt werden. Sekundärelektroden, die sich in der Richtung der Linse 8
zurückbewegen, werden aus dem Prüfling befreit. Diese Sekundärelektronen werden in
einem (noch zu beschreibenden) Detektor detektiert, der sich in der Bohrung dieser
Linse befindet. Eine Steuereinheit 26 ist mit dem Detektor zum Aktivieren des
Detektors und zum Umsetzen des Flusses detektierter Elektronen in ein Signal
verbunden, das zum Erzeugen eines Bildes des Prüflings verwendet wird, beispielsweise
mit Hilfe einer Kathodenstrahlröhre
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In Fig. 2 ist eine detaillierte Darstellung einer ersten Ausführung des
Sekundärelektronendetektors 24 wiedergegeben. Der Detektor enthält zwei Teile
(Dipole) 28 und 30, die elektrische Dipolfelder erzeugen, die sich beide senkrecht zur
optischen Achse 4 erstrecken, aber einander entgegengesetzt sind. Diese Felder
enthalten grundsätzlich nur eine Feldkomponente, die sich senkrecht zur optischen
Achse (die senkrechte Komponente) erstreckt, da in diesem Fall es sich um Dipolfelder
für Ablenkung in dieser Richtung handelt. Feldkomponenten in der Richtung der
optischen Achse werden möglichst vermieden; wenn es sie gibt (hauptsächlich außerhalb
der Dipole 28 und 30), so gleicht einer die Auswirkung des anderen auf die durch diese
Dipole gehenden Elektronen aus. Für jeden der Dipole 28 und 30 kann das Feldintegral
der senkrechten Komponenten auf der optischen Achse 4 berechnet werden. Die Stärke
der Dipolfelder wird derart gewählt, daß die algebraische Summe der Feldintegrale
(d.h. der senkrechten Komponenten) im wesentlichen gleich Null ist. Hierdurch tritt
keine netto Ablenkung des Primärelektronenbündels auf.
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Aus dem Prüfling werden Sekundärelektronen befreit, die in der Richtung
des Detektors 24 spiralig zurückkehren. Die spiraligen Wege erstrecken sich etwa
entlang der Magnetfeldlinien zwischen der Immersionslinse 8 und dem Prüfling 14.
Diese Sekundärelektronen werden im momentanen Detektor 25 (beispielsweise einem
Everhart-Thorley-Detektor, d.h. einem aus einem Szintillator mit einer
Photovervielfacherröhre bestehenden Detektor) detektiert, in dem ein Signal erzeugt
wird, das ein Maß für die Anzahl der Sekundärelektronen ist. Nach Bedarf kann dabei
ebenso Energiewahl getroffen werden. Schließlich wird an den Detektor 25 auch eine
Steuereinheit 26 zum Erregen der Dipole und zum Aufzeichnen und/oder Wiedergeben
des gemessenen Signals angeschlossen.
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In Fig. 3 ist eine detaillierte Darstellung einer zweiten Ausführungsform
des Sekundärelektronendetektors 24 wiedergegeben. Dieser Detektor enthält vier Teile
(Dipole) 36, 38, 40 und 42. Jeder dieser Dipole erzeugt ein elektrisches Feld, das im
Prinzip senkrecht auf die optische Achse 4 gerichtet ist, wobei Komponenten in der
Richtung dieser Achse einander ausgleichen, wie oben anhand der Beschreibung der
Fig. 2 angegeben ist. Die Stärke dieser Felder wird derart gewählt, daß die algebraische
Summe der Feldintegrale im wesentlichen gleich Null ist. Auf diese Weise wird nicht
nur erreicht, daß die netto Ablenkung des Primärelektronenbündels gleich Null wird,
sondern auch daß die netto parallele Verschiebung gleich Null ist. Außerdem wird die
Verschiebung des Primärbündels jetzt für jeden Wert der Beschleunigungsspannung des
Bündels ausgeglichen. In der beschriebenen Konfiguration können die Dipole 38 und 40
zur Bildung eines einzigen Dipols kombiniert werden, solange die Bedingung der
algebraischen Summe der Feldintegrale der Dipole im wesentlichen gleich Null erfüllt
wird. Dies ist der Fall, wenn das Feldintegral auf der optischen Achse der kombinierten
Dipolbeträge das Zweifache jedes der zwei anderen Dipole beträgt. Detektion und
Aufzeichnung des Signals werden genau so anhand der Fig. 2 beschrieben.
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In Fig. 4a und 4b ist der Aufbau eines einfachen Dipols dargestellt, wie er
im Detektor nach Fig. 2 und 3 benutzt wird. Fig. 4a ist ein Grundriß dieses Dipols, und
Fig. 4b ist eine perspektivische Darstellung. Der Dipol besteht aus der kombination von
zwei 120 Grad Segementen 44 und 46 und zwei 60 Grad Segmenten 50 und 52. Ein
Spannungsunterschied, wie symbolisch mit einer Spannungsquelle 48 in der Figur
bezeichnet, wird zwischen den zwei 120 Grad Segmenten 44 und 46 angelegt. Die zwei
60 Grad Segmente 50 und 52 werden auf einem festen Potential gehalten, das einen
Wert zwischen dem des Segments 44 und dem des Segments 46 hat. Durch diese Wahl
der Elektrodenform wird erreicht, daß der erste Mehrpolterm des elektrischen Feldes
um die optische Achse ungleich Null der Dekapolterm ist, jedoch als fünfte Potenz des
Abstandes von der Achse abnimmt und damit eine nur vernachlässigbar geringe Störung
in bezug auf das ideale Dipolfeld nahe bei oder auf der Achse erzeugt.