DE69733873T2

DE69733873T2 - Vorrichtung zur korrektur von linsenfehlern in teilchen-optischer geräte

Info

Publication number: DE69733873T2
Application number: DE69733873T
Authority: DE
Inventors: Petrus Marcellinus KRIJN; Alexander Henstra; Diederick Karel VAN DER MAST
Original assignee: FEI Co
Current assignee: FEI Co
Priority date: 1996-05-21
Filing date: 1997-05-07
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2017-05-08
Also published as: EP0840939A1; JP3985057B2; WO1997044811A1; DE69733873D1; EP0840939B1; JPH11509972A; KR19990028770A; US5838011A

Description

Die Erfindung betrifft eine teilchenoptische Vorrichtung mit:

– einer Teilchenquelle zur Erzeugung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen, die sich längs einer optischen Achse der Vorrichtung bewegen, um einen Gegenstand, der in der Vorrichtung bestrahlt werden soll, mit dem Teilchenstrahl zu bestrahlen,
– einer Fokussierlinse zum Fokussieren des Strahls elektrisch geladener Teilchen,
– und einer Korrekturvorrichtung zur Korrektur von Linsenfehlern der Fokussierlinse,
– wobei die Korrekturvorrichtung aus einer ersten Multipoleinheit und einer zweiten Multipoleinheit besteht,
– wobei die Multipoleinheiten jeweils Polflächen zur Erzeugung eines homogenen elektrischen Felds und eines homogenen magnetischen Felds aufweisen, das sich senkrecht dazu erstreckt, wobei sich beide Dipolfelder außerdem senkrecht zur optischen Achse der Vorrichtung erstrecken,
– wobei die Multipoleinheiten jeweils außerdem Polflächen zur Erzeugung elektrischer und magnetischer Quadrupolfelder, und eines elektrischen und/oder eines magnetischen Oktupolfelds aufweisen, wobei sich die Polflächen im wesentlichen parallel zur optischen Achse der Vorrichtung erstrecken,
– wobei die erste Multipoleinheit außerdem Polflächen zur Erzeugung eines ersten elektrischen und magnetischen Hexapolfelds aufweist und die zweite Multipoleinheit außerdem Polflächen zur Erzeugung eines zweiten elektrischen und magnetischen Hexapolfelds aufweist, wobei sich die Polflächen im wesentlichen parallel zur optischen Achse der Vorrichtung erstrecken,
– wobei die erste Multipoleinheit (außerdem eingerichtet ist, mindestens ein erstes zusätzliches Hexapolfeld zu erzeugen, das einen Teil des ersten Hexapolfelds bildet, und die zweite Multipoleinheit außerdem eingerichtet ist, mindestens ein zweites zusätzliches Hexapolfeld zu erzeugen, das einen Teil des zweiten Hexapolfelds bildet, wobei die ersten und zweiten zusätzlichen Hexapolfelder relativ zueinander um die optische Achse um 180° gedreht worden sind.

Eine Korrekturvorrichtung dieser Art zur Verwendung in einer solchen Vorrichtung ist aus dem europäischen Patent Nr. 0 373 399 bekannt.
Teilchenoptische Vorrichtungen, wie Elektronenmikroskope oder Vorrichtungen zur Elektronenlithographie sind im allgemeinen eingerichtet, einen Gegenstand, der untersucht oder bearbeitet werden soll, mittels eines Strahls elektrisch geladener Teilchen (üblicherweise eines Elektronenstrahls) zu bestrahlen, der durch eine Teilchenquelle erzeugt wird, wie einer thermischen Elektronenquelle oder einer Elektronenquelle des Feldemissionstyps. Die Bestrahlung des Gegenstands kann darauf abzielen, solche Gegenstände abzubilden, die in einer solchen Vorrichtung untersucht werden sollen (Proben in Elektronenmikroskopen), oder sehr kleine Strukturen auf dem Gegenstand zu bilden, zum Beispiel für die Mikroelektronik (Elektronenlitho graphievorrichtung). In beiden Fällen werden Fokussierlinsen benötigt, um den Elektronenstrahl zu fokussieren.
Der Elektronenstrahl kann im Prinzip auf zwei Arten fokussiert werden. Gemäß einer ersten Möglichkeit wird eine Probe, die untersucht werden soll, mehr oder weniger gleichmäßig durch den Elektronenstrahl bestrahlt, und ein vergrößertes Bild der Probe wird mittels der Fokussierlinse gebildet. Die Fokussierlinse ist in diesem Fall die Objektivlinse eines Abbildungslinsensystems; die Auflösung der Objektivlinse ist dann für die Auflösung der Vorrichtung maßgebend. Eine Vorrichtung dieser Art ist als Transmissionselektronenmikroskop (TEM) bekannt. Gemäß einer zweiten Fokussierungsmöglichkeit wird die Emissionsfläche der Elektronenquelle, oder ein Teil derselben, im allgemeinen in einem stark verkleinerten Maßstab auf der Probe, die untersucht werden soll (im Rasterelektronenmikroskop oder SEM) oder auf einem Gegenstand abgebildet, auf dem die Mikrostruktur bereitgestellt werden soll (in der Lithographievorrichtung). Das Bild der Elektronenquelle (der „Punkt", der über den Gegenstand mittels zum Beispiel Ablenkspulen verschoben wird) wird wiederum mittels eines Abbildungslinsensystems gebildet. Im letztgenannten Fall ist die Fokussierlinse die Objektivlinse des punktbildenden Linsensystems; die Auflösung dieser Objektivlinse ist für die Punktgröße des Strahls und folglich die Auflösung der Vorrichtung maßgebend.
Die Linsen, die in allen der obigen Vorrichtungen verwendet werden, sind üblicherweise magnetische Linsen, können jedoch außerdem elektrostatische Linsen sein. Beide Linsentypen sind praktisch immer rotationssymmetrische Linsen. Solche Linsen weisen unvermeidlich ein nicht-ideales Verhalten auf, d.h. sie zeigen Linsenfehler, unter denen die sogenannte sphärische Aberration und die chromatische Aberration für gewöhnlich hinsichtlich der Auflösung der Linse entscheidend sind; diese Lin senfehler bestimmen folglich die Grenze der Auflösung der bekannten elektronenoptischen Vorrichtung. Gemäß eines grundlegenden Theorems der Teilchenoptik können solche Linsenfehler nicht durch eine Kompensation mittels rotationssymmetrischer elektrischer oder magnetischer Felder beseitigt werden.
Um dennoch die Auflösung der teilchenoptischen Vorrichtung zu verbessern, schlägt das zitierte europäische Patent Nr. 0 373 399 vor, die Linsenfehler mittels einer Korrekturvorrichtung zu reduzieren, die eine nicht-rotationssymmetrische Struktur aufweist. Diese Struktur wird durch einen Wien-Korrektor gebildet, das heißt, einer Struktur, in der sich ein homogenes elektrisches Feld und ein homogenes magnetisches Feld, das sich senkrecht dazu erstreckt, beide senkrecht zur optischen Achse der Vorrichtung erstrecken. Für die Korrektur der sphärischen Aberration als auch der chromatischen Aberration weist der vorgeschlagene Korrektor eine Anzahl Multipole auf, d.h. einen elektrischen und einen magnetischen Quadrupol, einen elektrischen und einen magnetischen Hexapol, und einen elektrischen und/oder einen magnetischen Oktupol. Folglich kann es vorkommen, daß nur das elektrische Feld oder nur das magnetische Feld der Oktupolfelder vorhanden ist.
Eine Ausführungsform der Korrekturvorrichtung, die in dem zitierten europäischen Patent (in 4 und der zugehörigen Beschreibung) offenbart wird, ermöglicht die Korrektur der chromatischen Aberration ebenso wie der sphärischen Aberration. Diese Ausführungsform besteht aus einem System zweier identischer Multipoleinheiten, wo zwischen zwei rotationssymmetrische Linsen angeordnet sind. Jede Multipoleinheit besteht aus einer Anzahl elektrischer und magnetischer Pole, deren Polflächen axial orientiert sind, d.h. parallel zur optischen Achse der Vorrichtung. Jeder der Pole kann einzeln erregt werden; wenn die einzelnen Erregungen geeignet gewählt werden, ist eine sol che Multipoleinheit imstande, falls erwünscht, ein homogenes elektrisches Feld, das sich senkrecht zur optischen Achse erstreckt, und ein homogenes magnetisches Feld zu bilden, das sich senkrecht dazu erstreckt; beide Felder erstrecken sich senkrecht zur optischen Achse, und darauf können elektrische und magnetische Quadrupolfelder, Hexapolfelder und ein elektrisches und/oder ein magnetisches Oktupolfeld überlagert werden. Die Hexapolfelder in dieser bekannten Korrekturvorrichtung weisen eine unterschiedliche Stärke und ein entgegengesetztes Vorzeichen auf. Dies bedeutet, daß das Hexapolfeld in der bekannten Korrekturvorrichtung so betrachtet werden kann, daß es aus einem konstanten Teil und zwei zusätzlichen Hexapolfeldern besteht, die dazu addiert werden und relativ zueinander um 180° um die optische Achse gedreht worden sind.
Eine solche Gestaltung muß sehr strenge Anforderungen bezüglich der Herstellungspräzision, mechanischen Stabilität (unter anderem in Beziehung auf eine thermische Drift), Ausrichtung der verschiedenen Elemente relativ zueinander, und Stabilität der elektrischen Ströme und Spannungen für die Erregung der elektrischen und magnetischen Pole erfüllen. Da die bekannte Korrekturvorrichtung aus einer Anzahl getrennter Komponenten besteht, ist es äußerst schwierig, die Anforderung hinsichtlich der Herstellungspräzision, mechanischen Stabilität und Ausrichtung für alle Komponenten gleichzeitig zu erfüllen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine teilchenoptische Vorrichtung der angegebenen Art bereitzustellen, in der die Anforderungen hinsichtlich der mechanischen Stabilität und Präzision leichter erfüllt werden können. Um dies zu erreichen, ist die erfindungsgemäße teilchenoptische Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß Multipoleinheiten aneinander angrenzend angeordnet sind, ohne daß andere teilchenoptische Elemente dazwischen angeordnet sind.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis der Tatsache, daß für die verschiedenen Multipole in der Korrekturvorrichtung eine Erregung gefunden werden kann, wo die chromatische ebenso wie die sphärische Aberration korrigiert wird und wo es nicht notwendig ist, zwei runde Zwischenlinsen und folglich zwei getrennte Multipoleinheiten zu verwenden. Die Korrekturvorrichtung kann nun als eine mechanische Einheit aufgebaut werden, in der nach der Herstellung eine physikalische Trennung der Pole vorgenommen wird, die das Hexapolfeld erzeugen. In die Richtung der optischen Achse gesehen, führt dies zu einer Hexapolfeldgestaltung, die aus einem konstanten Hexapolfeld und zwei zusätzlichen Hexapolfeldern besteht. Die zusätzlichen Hexapolfelder sind durch eine geeignete Erregung der elektrischen und magnetischen Pole um 180° um die optische Achse relativ zueinander gedreht worden; mit anderen Worten sind sie entgegengesetzt ausgerichtet. Da die Korrekturvorrichtung nun als eine mechanische Einheit gefertigt ist, muß nur eine Komponente bezüglich der optischen Achse der Vorrichtung ausgerichtet werden und die Abmessungsabweichungen infolge der Fertigungstoleranzen sind wesentlich kleiner als im Fall einer getrennten Herstellung der Komponenten.
Ein zusätzlicher Vorteil der beschriebenen Schritte besteht darin, daß in der erfindungsgemäßen Korrekturvorrichtung im Vergleich mit der bekannten Korrekturvorrichtung zwei Elemente weniger erregt werden müssen (d.h. die beiden rotationssymmetrischen Linsen, die zwischen den beiden Multipoleinheiten angeordnet sind). Dies macht die Einstellung der erfindungsgemäßen Korrekturvorrichtung weniger komplex.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen Dipolfelder und Quadrupolfelder der Korrekturvorrichtung eine solche Stärke auf, daß die Trajektorie der elektrisch geladenen Teilchen, die sich längs der optischen Achse der Vorrichtung bewegen, wie eine Sinuskurve mit im wesentlichen einer Periode geformt ist.
Bei den so eingestellten Feldstärken ist der Wert des Erregerstroms und/oder der Erregerspannung zur Erzeugung der Felder so festgelegt, daß sie im Vergleich mit der Situation so klein wie möglich sind, in der die Trajektorie des Strahls, der sich längs der optischen Achse der Vorrichtung bewegt, wie eine Sinuskurve mit mehreren Perioden geformt ist. In einer solchen Situation ist die Stabilität der Ströme und/oder Spannungen, die eingestellt werden sollen, maximal.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Länge der Polflächen, die ein erstes zusätzliches Hexapolfeld bestimmen, in die Richtung der optischen Achse gesehen gleich jener der Polflächen, die ein zweites zusätzliches Hexapolfeld bestimmen.
Die letztgenannten Schritte bieten den Vorteil, daß es für die Erregung der zusätzlichen Hexapole im Prinzip ausreicht, nur eine Stromversorgung zu verwenden, die elektronisch vom Satz der Pole, die den einen zusätzlichen Hexapol bestimmen, mit dem Satz der Pole verbunden sein können, die den anderen zusätzliche Hexapol bestimmen. Eine absichtliche Änderung der Erregung bewirkt dann gleiche Änderungen der Erregung in beiden Sätzen. Irgendwelche (kleinen) mechanischen Abweichungen können dann außerdem mittels einer einfachen Versorgungsquelle für einen vergleichsweise kleinen Strom und/oder Spannung kompensiert werden.
Wenn die teilchenoptische Vorrichtung eine abtastende teilchenoptischen Vorrichtung mit einer punktbildenden Objektivlinse ist, ist die Korrekturvorrichtung vorzugsweise so angeordnet, daß sie von der Teilchenquelle gesehen der Objektivlinse vorausgeht. Die Korrekturvorrichtung kann dann so nah wie möglich an der Objektivlinse angeordnet werden, so daß irgendwel che Aberrationen nicht unnötig durch den Abstand zwischen der Korrekturvorrichtung und dem Objektiv vergrößert werden. Falls notwendig, kann dann ein Satz von Ablenkspulen für die Abtastbewegung des Strahls zwischen der Korrekturvorrichtung und dem Objektiv angeordnet werden; jedoch sind diese Spulen vergleichsweise klein und erhöhen nicht oder erhöhen kaum den Abstand zwischen der Korrekturvorrichtung und dem Objektiv. Die Korrekturvorrichtung kann folglich so nah wie möglich an der Objektivlinse angebracht werden.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden aus den Ausführungsformen, die im folgenden beschrieben werden, deutlich werden und unter Bezugnahme auf sie erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen:
1 schematisch einen relevanten Teil eines teilchenoptischen Instruments, in dem die erfindungsgemäße Korrekturvorrichtung verwendet werden kann;
2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Korrekturvorrichtung zur Verwendung in einem teilchenoptischen Instrument;
3a und 3b schematisch den Weg einiger Elektronenstrahlen, die wie eine Sinuskurve mit einer Periode geformt sind, in zwei zueinander senkrechten Ebenen in einer erfindungsgemäßen Korrekturvorrichtung;
4a bis 4c schematisch einige Abweichungen bei der Fokussierung eines Elektronenpunkts, die auf chromatische und sphärische Aberration zurückzuführen sind, mit und ohne die Verwendung einer erfindungsgemäßen Korrekturvorrichtung.
1 zeigt ein teilchenoptisches Instrument in der Form eines Teils einer Säule 2 eines Rasterelektronenmikroskops (SEM). Wie üblich, erzeugt eine (in der Figur nicht gezeigte) Elektronenquelle in diesem Instrument einen Elektronenstrahl, der sich längs der optischen Achse 4 des Instruments bewegt. Der Elektronenstrahl kann eine oder mehrere elektromagnetische Linsen durchqueren, wie die Kondensorlinse 6, wonach er die Objektivlinse 8 erreicht. Diese Linse, die eine sogenannte Monopollinse ist, bildet einen Teil eines magnetischen Kreises, der außerdem durch die Wand 10 der Probenkammer 12 gebildet wird. Die Objektivlinse 8 wird verwendet, um einen Elektronenstrahlbrennpunkt zu bilden, wodurch die Probe 14 abgetastet wird. Die Abtastung findet statt, indem der Elektronenstrahl über die Probe sowohl in die X-Richtung als auch die Y-Richtung mittels Abtastspulen 16 bewegt wird, die in der Objektivlinse 8 vorgesehen sind. Die Probe 14 ist auf einem Probentisch 18 angeordnet, der einen Träger 20 zur x-Verschiebung und einen Träger 22 zur y-Verschiebung aufweist. Diese beiden Träger ermöglichen die Auswahl eines gewünschten Bereichs der Probe zur Untersuchung. In diesem Mikroskop findet eine Abbildung dadurch statt, daß aus der Probe Sekundärelektronen freigesetzt werden, die sich zurück in die Richtung der Objektivlinse 8 bewegen. Die Sekundärelektronen werden durch einen Detektor 24 detektiert, der in der Bohrung dieser Linse angeordnet ist. Mit dem Detektor ist eine Steuereinheit 26 verbunden, um den Detektor zu aktivieren und um den Strom detektierter Elektronen in ein Signal umzuwandeln, das verwendet werden kann, um ein Bild der Probe zum Beispiel mittels einer (nicht gezeigten) Kathodenstrahlröhre zu bilden. Zwischen dem Kondensor 6 und der Objektivlinse 8 ist eine Korrekturvorrichtung 28 angeordnet, die zur Korrektur der chromatischen und sphärischen Aberration der Objektivlinse dient, wie im folgenden beschrieben wird.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Korrekturvorrichtung zur Verwendung in einem teilchenoptischen Instrument, wie es zum Beispiel in 1 gezeigt wird. Die Korrekturvorrichtung besteht aus zwei identischen Hälften 31a und 31b. Da die beiden Hälften identisch sind, wird die Korrekturvorrichtung im folgenden auf der Grundlage des Teils 31a beschrieben. Jede der beiden Hälften wird durch einen magnetischen Kreis gebildet, der aus einem zylindrischen Mantel 32 besteht, in dem eine Anzahl n Pole 30-1 bis 30-n so vorgesehen sind, daß sie gleichmäßig über den Zylinder verteilt sind, wobei n gleich 8 ist. Für die Korrektur mechanischer Unvollkommenheiten kann eine größere Anzahl n gewählt werden, zum Beispiel n = 12. Die Zylinderachse des Mantels 32 fällt mit der optischen Achse 4 des in 1 gezeigten teilchenoptischen Instruments zusammen.
Die verschiedenen Multipolfelder, d.h. die magnetischen Felder ebenso wie die elektrostatischen Felder, werden mittels der n Pole erzeugt. Jeder dieser Pole ist eingerichtet, ebenso ein elektrisches wie ein magnetisches Feld zu erzeugen; wobei sich die Polflächen, die die Multipolfelder bestimmen, parallel zur optischen Achse der Vorrichtung erstrecken. Jeder Pol 30-i weist eine Erregerspule 34-i zur Erzeugung eines magnetischen Feldes und eine Polkappe 36-i zur Erzeugung eines elektrischen Feldes auf. Jede Erregerspule 34-i und jede Polkappe 36-i kann einzeln erregt werden, so daß jedes erwünschte Multipolfeld. sowohl elektrisch als auch magnetisch, mittels der 8 Pole 30-1 bis 30-8 erzeugt werden kann.
Obwohl im Prinzip keine Multipolfelder einer Ordnung, die höher als 8 ist, zur Ausführung der Erfindung benötigt werden, ist es zur Kompensation mechanischer Unvollkommenheiten wünschenswert, eine Möglichkeit zur Erzeugung auch von 10-Pol- und 12-Pol-Feldern zur Verfügung zu haben. Diese Möglichkeit ist jedoch für die Erfindung nicht wesentlich.
3 zeigt den Weg einiger Elektronenstrahlen, die die Form einer Sinuskurve mit einer Periode aufweisen, in einer Korrekturvorrichtung, wie in 2 gezeigt. 3a zeigt die Wege in einer Ebene durch die optische Achse, und 3b zeigt die Wege in einer Ebene senkrecht zur erstgenannten Ebene. Die erstgenannte Ebene wird als die x-z-Ebene bezeichnet, wobei sich die x-Richtung parallel zu den elektrischen Feldlinien des elektrischen Dipols erstreckt und die z-Richtung die Richtung der optischen Achse ist. Die durchgezogenen Linien repräsentieren die Wege von Elektronen mit der Nennenergie von 1 keV; die strichpunktierten Linien repräsentieren die Wege von Elektronen, deren Energie um 0,2 eV von der Nennenergie abweicht. In beiden Figuren wird eine Länge von 50 mm für die Pole (d.h. der Korrektureinheit) und ein Innenradius der Begrenzungskreise von 2 mm für die Polflächen vorausgesetzt. (Die schattierten Begrenzungsflächen in den beiden Figuren repräsentieren daher keine maßstabsgerechte Begrenzung.) Um einen Eindruck der Abweichungen der Wege von der optischen Achse zu bieten, wird ein Unterteilungsstrich von 10 μm in den Figuren gezeigt.
Die x-z-Ebene, die in 3a gezeigt wird, ist die Symmetrieebene der elektrischen Multipole. Die magnetischen Multipole erstrecken sich senkrecht zu diesen elektrischen Multipolen. Die Ebene, die sich senkrecht zur x-z-Ebene erstreckt, d.h. die Ebene, die in 3b gezeigt wird, wird als y-z-Ebene bezeichnet.
Die Gleichung erster Ordnung der Elektronenwege in der x-z-Ebene von 3a ist:
wohingegen für die Gleichung erster Ordnung der Elektronenwege in der y-z-Ebene gemäß 3b gilt, daß:
Die Symbole in den Gleichungen (1) und (2) haben die folgende Bedeutung:

– x, y und z sind die Positionskoordinaten des relevanten Elektrons;
– x₀ und y₀y am sind die Werte von x bzw. Ort z = 0, d.h. am Eingang der Korrekturvorrichtung;
– x₀ und y₀ sind die Steigung in die z-Richtung des Weges in der x-Ebene bzw. der y-Ebene im Bereich z = 0;
– ΔU ist die Abweichung der Energie der Elektronen von der Nennenergie U₀, und
– κ = (E√2)/(4U₀), in dem E₁ der Koeffizient des Terms –x in der Reihenentwicklung des elektrischen Potentials in x und y ist.

Es stellt sich aus den Gleichungen (1) und (2) heraus, daß in der Korrekturvorrichtung eine Dispersion nur in der x-z-Ebene auftritt (die Variable ΔU erscheint nur in der Gleichung (1)), und daß die y-z-Ebene frei von Dispersion ist.
Die Einstellung der Korrekturvorrichtung, d.h. die Wahl der Werte der Ströme und Spannungen, wodurch die Pole 30-i (1) erregt werden, wird auf der Grundlage auf den folgenden Kriterien durchgeführt.
Zuallererst gibt es die Anforderung, daß im Gleichgewicht ein Elektron der Nennenergie U₀ keine Ablenkung in der Korrekturvorrichtung erfahren darf. Dies bedeutet, daß ein Elektron mit der Nennenergie, das anfänglich der optischen Achse folgt, sich wieder längs der optischen Achse bewegt, nachdem es die Korrekturvorrichtung verlassen hat. Diese Anforderung wird erfüllt, wenn: E1 – v0B1 = 0 (3)
Die Symbole in der Gleichung (3), die noch nicht erläutert worden sind, haben die folgende Bedeutung:

– B₁ ist der Koeffizient des Terms –y in der Reihenentwicklung des magnetischen Potentials nach x und y, und
– v₀ ist die Geschwindigkeit des Elektrons, die mit dem Beschleunigungspotential U_p verbunden ist.

Wenn der Gleichung (3) erfüllt ist, die die sogenannte Wien-Bedingung ist, müssen die elektrischen und magnetischen Quadrupolkomponenten so gewählt werden, daß überdies die Bedingung, daß das Verhalten der Korrekturvorrichtung in der x-z-Ebene identisch zu jenem in der y-z-Ebene sein muß, außerdem erfüllt wird; dies ist die sogenannte doppelte Fokussierbedingung. Diese Bedingung ist:
Die Symbole in der Gleichung (4), die noch nicht erläutert worden sind, haben die folgende Bedeutung:

– E₂ ist der Koeffizient des Terms – (x² – y²) in der Reihenentwicklung des elektrischen Potentials nach x und y, und
– B₂ ist der Koeffizient des Terms –2xy in der Reihenentwicklung des magnetischen Potentials nach x und y.

Um sicherzustellen, daß die Korrekturvorrichtung von ihrem Eingang bis zu ihrem Ausgang keine Dispersion zeigt, muß der letzte Term in der Gleichung (1), der proportional zu ΔU/U₀ ist, gleich null sein. Für eine Korrekturvorrichtung mit der Länge L wird diese Anforderung erfüllt, wenn κ = 2π/L, oder κ = (E√2)/(4U_a):
Die Gleichung (5) wird als die 2π-Bedingung bezeichnet.
Zur Korrektur der chromatischen Aberration muß die Bedingung erfüllt werden, daß die chromatische Aberration der Korrekturvorrichtung rotationssymmetrisch ist und daß außerdem die chromatische Aberration der Korrekturvorrichtung zu jener des Objektivs entgegengesetzt ist, das korrigiert werden soll. Die erste Bedingung wird als die Bedingung des Fehlens von chromatischem Astigmatismus und die zweite Bedingung als die achromatische Bedingung bezeichnet. Die Bedingung des Fehlens von chromatischem Astigmatismus kann geschrieben werden als:
Die Symbole in der Gleichung (6), die noch nicht erläutert worden sind, haben die folgende Bedeutung:

– E₃ ist der Koeffizient des Terms –(x³ – 3xy²) in der Reihenentwicklung des elektrischen Potentials nach x und y, und
– B₃ ist der Koeffizient des Terms –(3x²y – y³) in der Reihenentwicklung des magnetischen Potentials nach x und y.

Die achromatische Bedingung kann geschrieben werden als:
Die Symbole in dieser Gleichung (7), die noch nicht erläutert worden sind, haben die folgende Bedeutung:

– C_o,obj ist der Koeffizient der chromatischen Aberration des Objektivs, das korrigiert werden soll, und
– K_obj ist die Stärke des Objektivs, das korrigiert werden soll; dieser Wert ist gleich dem Reziprokwert der Brennweite f_obj.

Zur Korrektur der sphärischen Aberration ist es notwendig, die Bedingung zu erfüllen, daß die sphärische Aberration der Korrekturvorrichtung rotationssymmetrisch ist. Diese Bedingung führt zu zwei Anforderungen. Die erste Anforderung wird als die Bedingung des Fehlens von axialem Astigmatismus und die zweite Anforderung als die Bedingung des Fehlens einer axialen Sternaberration bezeichnet. Die Kombination dieser beiden Anforderungen führt zu zwei Bedingungen, die geschrieben werden können als:
und
Die Symbole in der Gleichung (9), die noch nicht erläutert worden sind, haben die folgende Bedeutung:

– E, ist der Koeffizient des Terms –(x⁴ – 6x²y² + y⁴) in der Reihenentwicklung des elektrischen Potentials nach x und y, und
– B₄ ist der Koeffizient des Terms –(4x³y – 4xy³) in der Reihenentwicklung des magnetischen Potentials nach x und y.

Wenn die Bedingungen für die Multipolfelder in Übereinstimmung mit den Ausdrücken (3) bis (9) erfüllt worden sind, ist der Ausdruck für die sphärische Aberration der Korrekturvorrichtung selbst gegeben durch:
Die Symbole in dieser Gleichung (10), die noch nicht erläutert worden sind, haben die folgende Bedeutung:

– C_s,corr ist der Koeffizient der sphärische Aberration der Korrekturvorrichtung selbst, und
– C_c,corr ist der Koeffizient der chromatischen Aberration der Korrekturvorrichtung selbst.

Im Ausdruck (10) ist die Größe der sphärischen Aberration der Korrekturvorrichtung selbst nicht ausreichend, um die sphärische Aberration der Fokussierlinse zu kompensieren, die korrigiert werden soll. Dies ist hauptsächlich auf die Tatsache zurückzuführen, daß LK_obj sehr viel größer als 1 ist. Außerdem ist im Ausdruck (10) die sphärische Aberration nicht von der chromatischen Aberration der Korrekturvorrichtung selbst unabhängig, so daß eine gleichzeitige Korrektur der beiden Aberrationen einer beliebigen Fokussierlinse nicht möglich ist. Eine Addition von Multipolen einer höheren Ordnung als Oktupole würde diese Probleme nicht lösen, da solche Multipole höherer Ordnung nicht zur Korrektur der sphärischen Aberration beitragen.
Die obigen Probleme werden erfindungsgemäß gelöst, indem die Korrekturvorrichtung (mindestens deren Hexapolabschnitt) in zwei Teile aufgespalten wird und ein zusätzlicher Hexapol ΔE₃ zum ersten Teil des ursprünglichen Hexapols addiert wird, und indem ein gleich starker zusätzlicher Hexapol ΔE₃ vom zweiten Teil des ursprünglichen Hexapols subtrahiert wird. Es kann gezeigt werden, daß für den Koeffizienten der sphärischen Aberration C'_s,corr, der auf diese zusätzlichen Hexapole zurückzuführen ist, gilt, daß:
Für den Koeffizienten der chromatischen Aberration der so gebildeten Korrekturvorrichtung gilt, daß:
Die Erscheinung des Ausdrucks (12) weicht nicht von jenem ab, der für die Korrekturvorrichtung gefunden wird, in der keine zusätzlichen Hexapole zum ursprünglichen Hexapol addiert worden sind.
Die Größe des zusätzliche Hexapolterms ΔE₃, die eingestellt werden soll, folgt aus der Bedingung, daß die Summe der Koeffizienten der sphärischen Aberration der Korrekturvorrichtung ohne die zusätzlichen Hexapole (Ausdruck (10)), einer imaginären Korrekturvorrichtung, die nur die zusätzlichen Hexapole aufweist (Ausdruck (11)), und der Fokussierlinse, die korrigiert werden soll, gleich null sein muß. Die erforderliche Größe für den linken Term des Ausdrucks (11) folgt daraus, und daraus der Wert von ΔE₃.
Die Prozedur zur Einstellung einer teilchenoptischen Vorrichtung, die eine erfindungsgemäße Korrekturvorrichtung enthält, geschieht im allgemeinen wie folgt:

1) Es wird ein Bild eines kleinen Gegenstands, zum Beispiel einer Latexkugel mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 0,25 μm, mit einer Vergrößerung von zum Beispiel 10000 gebildet, ohne daß die Korrekturvorrichtung aktiviert ist;
2) die Achse der Quadrupole wird mit der optischen Achse ausgerichtet, indem mit variierenden Quadrupolstärken E₂ und B₂ die Quadrupole und der Elektronenstrahl relativ zueinander verschoben werden, bis keine Bildverschiebung mehr auftritt;
3) Anschließend werden alle Multipolstärken in Übereinstimmung mit den Ausdrücken (3) bis (11) auf ihre Nennwerte eingestellt;
4) E₁ wird dann so eingestellt, daß die 2π-Bedingung erfüllt wird, wobei gleichzeitig B₁ so eingestellt wird, daß die Wien-Bedingung erfüllt wird; es findet eine Fokussierung auf den Gegenstand über E₁ statt, wohingegen die Strahlverschiebung durch die Einstellung von B₁ minimiert wird;
5) Über B₂ wird die doppelte Fokussierbedingung erfüllt, indem der Astigmatismus minimiert wird.
6) Die Schritte 2, 4 und 5 werden wiederholt, bis eine Endsituation erreicht ist, in der die Bedingungen erfüllt sind.
7) Anschließend wird E₂ eingestellt, während E₂ – v₀B₂ zur Feineinstellung der Korrektur der chromatischen Aberration konstant gehalten wird. Dies wird wie folgt durchgeführt: beim Vorhandensein der chromatischen Aberration kann die Erregung der Fokussierlinse in einer solchen Weise eingestellt werden, daß der Querschnitt des Elektronenstrahls minimal ist. Dieser Zustand wird als Fokussierung bezeichnet. Auf der Grundlage dieser Fokussierung kann das Objektiv auf eine geringe Defokussierung eingestellt werden. Diese geringe Defokussierung kann durch eine Änderung der Beschleunigungsspannung U aufgehoben werden. Es ist festgestellt worden, daß es zwei Werte der Beschleunigungsspannung U + ΔU₁ und U – ΔU₂ gibt, für die die Fokussierung wiederhergestellt wird. E₂ wird dann verändert, bis ΔU₁ = –ΔU₂;
8) Jeder Dreifach-Rest-Astigmatismus wird durch eine Einstellung der Stärke und Orientierung des Hexapols E₃ mit einer Defokussierung des Objektivs beseitigt. Dies liegt daran, daß diese Aberration im Fall einer Defokussierung als eine dreieckige Verzeichnung des kreisförmigen Bildes offenkundig wird;
9) Der zusätzliche Hexapol E₃ wird zur Korrektur der sphärischen Aberration eingestellt. Diese Einstellung auf den Nennwert wird durch eine Berechnung des Nennwerts von E₃ aus dem Ausdruck (11) erhalten.
10) Jeder Vierfach-Rest-Astigmatismus wird durch Einstellung der Stärke und der Orientierung des Oktupolkoeffizienten E₄ mit einer Defokussierung der Fokussierlinse beseitigt. Diese Aberration wird hauptsächlich als eine quadratische oder kreuzförmige Verzeichnung offenkundig, die zwischen der unteren und oberen Brennweite im kreisförmigen Bild bei der Defokussierung um 45° verschoben worden ist.

Die 4a bis 4c sind schematische Darstellungen von Abweichungen bei der Fokussierung eines Elektronenpunkts, die auf die chromatische und sphärische Aberration zurückzuführen sind. Für diese Figuren wird vorausgesetzt, daß ein zylindrischer Elektronenstrahl einen ringförmigen Querschnitt und eine Zylinderachse aufweist, die mit der optischen Achse zusammenfällt. Der Radius des Zylinders ist gleich r₀, wobei r₀ = fα (f = 1/K ist die Brennweite der Fokussierlinse, die korrigiert werden soll, und α ist der Öffnungswinkel). Der Strahlweg in den 4a bis 4c ist durch eine Computersimulation mittels eines kommerziell erhältlichen Simulationsprogramms erhalten worden. Dieses Computerprogramm ist als „TRC/TRASYS" bekannt und ist von Delft Technical University, Department of Applied Physics, Particle Optics Group, Delft, Niederlande erhältlich. Die elektrischen und magnetischen Felder, die im Simulationsprogramm verwendet werden, sind mittels einer Anzahl anderer Programme berechnet worden, die als „MLD, Magnetic Lens Design", „MMD, Magnetic Multipole Design", „ELD, Electrostatic Lens Design" und „EMD, Electrostatic Multipole Design" bekannt sind; alle diese Programme sind ebenfalls von der Delft Technical University erhältlich.
4a zeigt den Querschnitt des Elektronenstrahls in der paraxialen Bildebene einer Fokussierlinse. In dieser Figur wies die Fokussierlinse eine Korrekturvorrichtung auf, jedoch wurde vorausgesetzt, daß keine sphärische Aberration auftritt, d.h. C_s = 0. Außerdem weisen die Abbildungsparameter in dieser Figur die folgenden Werte auf: C_c = 1 mm, f = 1 mm, α = 12 mrad, U₀ = 1 kV; der Maßstab in der Bildebene ist wie längs der Achsen in der Figur angegeben. Die Pixel, die durch die Quadrate gebildet werden, repräsentieren die Situation ohne Dispersion (ΔU = 0); die Pixel, die durch die Dreiecke gebildet werden, repräsentieren die Situation mit zusätzlich ΔU = 0,2 eV, und die Pixel, die durch die Pluszeichen gebildet werden, repräsentieren die Situation mit ΔU = –0,2 eV. Es stellt sich heraus, daß in diesem Fall die Punktgröße annähernd 0,4 nm beträgt. In derselben Situation würde ein unkorrigierter Strahl einen Punkt bewirkt haben, der einen Durchmesser von 5 nm aufweist: aufgrund des Maßstabs werden die zugehörigen Pixel in der Figur nicht gezeigt.
4b zeigt den Querschnitt des Elektronenstrahls in der paraxialen Bildebene einer Fokussierlinse. In dieser Figur wies die Fokussierlinse eine Korrekturvorrichtung für die sphärische Aberration als auch die chromatische Aberration auf. Die Abbildungsparameter in dieser Figur weisen die folgenden Werte auf:
C_c = 1 mm, C_s = 1 mm, f = 1 mm, α = 15 mrad, U₀ = 1 kV; der Maßstab in der Bildebene ist wie in der Figur angegeben. Die Pixel, die durch die Quadrate gebildet werden, repräsentieren die Situation ohne Dispersion (ΔU = 0); die Pixel, die durch die Dreiecke gebildet werden, repräsentieren die Situation mit zusätzlich ΔU = 0,2 eV, und die Pixel, die durch die Pluszeichen gebildet werden, repräsentieren die Situation mit ΔU = –0,2 eV. Es stellt sich heraus, daß in diesem Fall die Punktgröße annähernd 1 nm beträgt. In derselben Situation würde ein unkorrigierter Strahl einen Punkt bewirkt haben, der einen Durchmesser von 6 nm aufweist; aufgrund des Maßstabs werden die zugehörigen Pixel in der Figur nicht gezeigt.
4c zeigt den Querschnitt des Elektronenstrahls in der paraxialen Bildebene einer Fokussierlinse. In dieser Figur wies die Fokussierlinse eine Korrekturvorrichtung für die sphärische Aberration auf, jedoch wurde vorausgesetzt, daß keine chromatische Aberration auftrat, d.h. C_c = 0. Außerdem weisen die Abbildungsparameter in dieser Figur die folgenden Werte auf:
C_s = 10 mm, f = 5 mm, α = 10 mrad, U₀ = 1 kV; der Maßstab in der Bildebene ist wie in der Figur angegeben. Die Pixel, die durch die Quadrate gebildet werden, repräsentieren die Situation ohne Dispersion (ΔU = 0); die Pixel, die durch die Dreiecke gebildet werden, repräsentieren die Situation mit zusätzlich ΔU = 0,2 eV, und die Pixel, die durch die Pluszeichen gebildet werden, repräsentieren die Situation mit ΔU = –0,2 eV. Es stellt sich heraus, daß in diesem Fall die Punktgröße annähernd 4 nm beträgt. In derselben Situation würde ein unkorrigierter Strahl einen Punkt bewirkt haben, der einen Durchmesser von 20 nm aufweist; aufgrund des Maßstabs werden die zugehörigen Pixel in der Figur nicht gezeigt.

Claims

Teilchenoptische Vorrichtung mit – einer Teilchenquelle zur Erzeugung eines Strahls elektrisch geladener Teilchen, die sich längs einer optischen Achse (4) der Vorrichtung bewegen, um einen Gegenstand (14), der in der Vorrichtung bestrahlt werden soll, mit dem Teilchenstrahl zu bestrahlen, – einer Fokussierlinse (8) zum Fokussieren des Strahls elektrisch geladener Teilchen, – und einer Korrekturvorrichtung (28) zur Korrektur von Linsenfehlern der Fokussierlinse (8), – wobei die Korrekturvorrichtung (28) aus einer ersten Multipoleinheit (31a) und einer zweiten Multipoleinheit (31b) besteht, – wobei die Multipoleinheiten (31a und 31b) jeweils Polflächen zur Erzeugung eines homogenen elektrischen Felds und eines homogenen magnetischen Felds aufweisen, das sich senkrecht dazu erstreckt, wobei sich beide Dipolfelder außerdem senkrecht zur optischen Achse (4) der Vorrichtung erstrecken, – wobei die Multipoleinheiten (31) jeweils außerdem Polflächen zur Erzeugung elektrischer und magnetischer Quadrupolfelder, und eines elektrischen und/oder eines magnetischen Oktupolfelds aufweisen, wobei sich die Polflächen (30-i) im wesentlichen parallel zur optischen Achse (4) der Vorrichtung erstrecken, – wobei die erste Multipoleinheit (31a) außerdem Pol-flächen (30-i) zur Erzeugung eines ersten elektrischen und magnetischen Hexapolfelds aufweist und die zweite Multipoleinheit (31b) außerdem Polflächen (30-i) zur Erzeugung eines zweiten elektrischen und magnetischen Hexapolfelds aufweist, wobei sich die Polflächen (30-i) im wesentlichen parallel zur optischen Achse (4) der Vorrichtung erstrecken, – wobei die erste Multipoleinheit (31a) außerdem eingerichtet ist, mindestens ein erstes zusätzliches Hexapolfeld zu erzeugen, das einen Teil des ersten Hexapolfelds bildet, und die zweite Multipoleinheit (31b) außerdem eingerichtet ist, mindestens ein zweites zusätzliches Hexapolfeld zu erzeugen, das einen Teil des zweiten Hexapolfelds bildet, wobei die ersten und zweiten zusätzlichen Hexapolfelder relativ zueinander um die optische Achse (4) um 180° gedreht worden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Multipoleinheiten (31a und 31b) aneinander angrenzend angeordnet sind, ohne daß andere teilchenoptische Elemente axial dazwischen angeordnet sind.
Teilchenoptische Vorrichtung nach Anspruch 1, in der Dipolfelder und Quadrupolfelder der Korrekturvorrichtung eine solche Stärke aufweisen, daß die Trajektorie der elektrisch geladenen Teilchen, die sich längs der optischen Achse der Vorrichtung bewegen, wie eine Sinuskurve mit im wesentlichen einer Periode geformt ist.
Teilchenoptische Vorrichtung nach Anspruch 2, in der die Länge der Polflächen, die ein erstes zusätzliches Hexapol feld bestimmen, in die Richtung der optischen Achse gesehen gleich jener der Polflächen ist, die ein zweites zusätzliches Hexapolfeld bestimmen.
Teilchenoptische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die als eine abtastende teilchenoptische Vorrichtung mit einer punktbildenden Objektivlinse ausgebildet ist, wobei die Korrekturvorrichtung darin so angeordnet ist, daß sie von der Teilchenquelle gesehen der Objektivlinse vorausgeht.
Korrekturvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die als eine mechanisch starre Einheit für die Korrektur von Linsenfehlern einer Fokussierlinse in einer teilchenoptischen Vorrichtung aufgebaut ist.