DE69834413T2

DE69834413T2 - Elektronenstrahlmikroskop mit verwendung von elektronenstrahlmustern

Info

Publication number: DE69834413T2
Application number: DE69834413T
Authority: DE
Inventors: W. Aaron San Francisco BAUM
Original assignee: Intevac Inc
Current assignee: Intevac Inc
Priority date: 1997-10-01
Filing date: 1998-09-18
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2018-09-19
Also published as: EP1019942A4; US6005247A; AU9401098A; EP1019942A1; DE69834413D1; IL135115A; WO1999017332A1; EP1019942B1; IL135115A0; JP2003525514A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die Elektronenstrahlmikroskopie und, insbesondere, auf Verfahren und Vorrichtungen für die Elektronenstrahlmikroskopie, die Elektronenstrahlmuster für eine verbesserte Funktionsweise einsetzen.
Die Elektronenstrahlmikroskopie umfasst die Erzeugung eines Elektronenstrahls, Richten des Elektronenstrahls auf eine Probe und Erfassen eines Ergebnisses der Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit der Probe. Das Ergebnis der Wechselwirkung sind typischerweise sekundäre Elektronen und zurückgestreute, primäre Elektronen, kann allerdings auch sichtbares Licht, ultraviolettes Licht, Röntgenstrahlen oder dergleichen sein. Die Elektronenstrahlenquelle, die Proben und der Detektor sind innerhalb einer Vakuumumhüllung angeordnet. Traditionell ist die Elektronenstrahlmikroskopie unter Verwendung von Einzelstrahl- oder Projektionstechniken durchgeführt worden.
Einzel- oder Punktstrahlsysteme, wie beispielsweise das Rasterelektronenmikroskop (SEM), werden umfangreich für die Mikroskopie aufgrund der relativen Einfachheit des Designs und der Benutzung verwendet. In Punktstrahlsystemen wird ein Elektronenstrahl auf einen kleinen Durchmesser fokussiert und Teilchen, emittiert von der Probe, werden als eine Funktion der Position erfasst, um ein Bild der Probe zu erzeugen. Der Durchmesser des Elektronenstrahls wird auf eine untere Auflösungsgrenze eingestellt. Für viele Anwendungen, die diese Maßnahme verwenden, ist die primäre Begrenzung in Bezug auf die Funktionsweise eine Raumladungswechselwirkung mit dem Strahl. Dies bewirkt eine irreversible Defokussierung des Strahls und begrenzt demzufolge den Strom, der zu der Probe, für eine gegebene Auflösung, geführt werden kann. Der zuführbare Strom bestimmt die Geschwindigkeit, mit der das Mikroskop eine gegebene Probe mit einem gegebenen Signal zu Rausch Verhältnis abtasten kann. Für viele Applikationen ist eine höhere Geschwindigkeit erwünscht.
In Projektionstechniken werden Bereiche der Probe, die größer als ein einzelnes Pixel sind, einem gleichförmigen Flutungsstrahl aus Elektronen ausgesetzt und ein Ergebnis der Wechselwirkung mit der Probe wird mit einem Bilddetektor erfasst, um ein Bild der Probe zu erzeugen. Diese Techniken haben den Vorteil eines verbesserten Durchsatzes, da Raumladungseffekte verringert sind, haben allerdings den Nachteil der Komplexitäten, die den Abbildungsoptiken und den Abbildungsdetektoren zugeordnet sind, und sind nicht weit verbreitet verwendet worden.
Die Vorteile des Durchsatzes einer Musterprojektion in der Elektronenstrahllithographie sind in der Simulation und im Experiment eingerichtet worden. Siehe, zum Beispiel, J.E. Schneider et al, "Semiconductor on Glass Photocathodes as High-Performance Sources for Parallel Electron Beam Lithography", J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 14, No. 6 Nov./Dez. 1996, Seiten 3782-3786, und A.W. Baum et al, "Semiconductor on Glas Photocathodes for High Throughput Maskless Elektron Beam Lithography", 41 st Electron, Ion an Photon Beam and Nanolithogragy Conference, 1997.
Das US-Patent 5557105 offenbart ein Elektronenmikroskop, das mehrere Strahlen verwendet, die durch mehrere Spalten gebildet sind, wobei jede Spalte bzw. Säule einen gesonderten Detektor besitzt.
Dementsprechend ist ein Bedarf nach verbesserten Verfahren und Vorrichtungen für die Elektronenstrahlmikroskopie vorhanden, wobei eine hohe Auflösung und eine hohe Geschwindigkeit gleichzeitig erreicht werden, während die zusätzliche Komplexität minimiert wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Elektronenstrahlmikroskop, wie es in Anspruch 1 definiert ist, geschalten. Das Elektronenstrahlmikroskop weist eine Elektronenstrahlmusterquelle, eine Vakuumumhüllung, Elektronenoptiken, einen Detektor und einen Prozessor auf. Die Elektronenstrahlmusterquelle erzeugt eine Folge von Elektronenstrahlmustern zum Beleuchten eines Satzes von Pixeln auf einer Probe. Die Vakuumumhüllung hält ein Vakuum zwischen der Elektronenstrahlmusterquelle und der Probe aufrecht. Die Elektronenoptiken richten die Folge der Elektronenstrahlmuster auf die Probe. Der Detektor erfasst ein Ergebnis einer Wechselwirkung zwischen jedem Elektronenstrahlmuster und der Probe und erzeugt eine Folge von Detektorsignalen. Der Prozessor erzeugt, auf die Folge von Detektorsignalen hin, ein Bild, das einen Pixelwert aufweist, der für jedes der beleuchteten Pixel auf der Probe repräsentativ ist.
Vorzugsweise weist das Elektronenstrahlmikroskop weiterhin eine Ablenkungseinrichtung auf, um jedes der Elektronenstrahlmuster relativ zu der Probe abzulenken. Die Ablenkungseinrichtung bewirkt, dass mehrere Sätze von Pixeln auf der Probe mit der Folge der Elektronenstrahlmuster beleuchtet werden. Der Detektor erzeugt eine Folge von Detektorsignalen für jeden der Sätze der Pixel, und der Prozessor erzeugt ein Bild der beleuchteten Sätze der Pixel der Probe.
In einer ersten Abtasttechnik wird ein erster Satz von Pixeln aufeinander folgend mit den Elektronenstrahlmustern einer Folge beleuchtet. Dann werden Elektronenstrahlmuster zu einem zweiten Satz von Pixeln abgelenkt und der zweite Satz von Pixeln wird sequenziell mit den Elektronenstrahlenmustern der Folge beleuchtet bzw. bestrahlt. Dieser Vorgang wird über den Bereich der Probe oder einen erwünschten Bereich der Probe wiederholt. In einer zweiten Abtasttechnik wird die Probe oder ein erwünschter Bereich der Probe mit einem ersten Elektronenstrahlmuster einer Folge abgetastet. Dann schaltet das Mikroskop zu einem zweiten Elektronenstrahlmuster um und die Probe oder der erwünschte Bereich der Probe wird mit den zwei Elektronenstrahlmustern abgetastet. Dieser Vorgang wird für jedes Elektronenstrahlmuster in der Folge der Elektronenstrahlmuster wiederholt. In jedem Fall erfasst der Detektor das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen jedem der Elektronenstrahlmuster und der Probe und erzeugt Detektorsignale. Die Detektorsignale werden verwendet, um ein Bild der Probe oder des erwünschten Bereichs der Probe zu erzeugen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Elektronenstrahlmusterquelle eine Kathode mit negativer Elektronenaffinität auf einem lichttransmissiven Substrat, einer Lichtquelle, Elektronenoptiken und einer Quellen-Vakuumumhüllung auf. Die Lichtquelle richtet Lichtstrahlen durch das lichttransmissive Substrat auf aktive Bereiche der Fotokathode, um Elektronen in das Leitungsband der Fotokathode anzuregen. Die Elektronenoptiken bilden die Elektronen, die von den aktiven Bereichen der Fotokathode emittiert sind, zu Elektronenstrahlen. Die Quellen-Vakuumumhüllung hält die Fotokathode auf einem Hochvakuum, so dass die Elektronen in dem Leitungsband der Fotokathode höhere Energien als Elektronen in der Quellen-Vakuumumhüllung benachbart zu der Fotokathode haben und eine hohe Wahrscheinlichkeit einer Emission in die Quellen-Vakuumumhüllung hinein von den aktiven Bereichen der Fotokathode haben. Die Lichtstrahlen können Laserstrahlen aufweisen, und die Lichtquelle kann Laserdioden aufweisen.
Der Prozessor kann einen Pixelwert erzeugen, der für jedes der Mehrzahl der beleuchteten Pixel repräsentativ ist, durch Multiplizieren einer Matrix, die eine Folge von Detektorsignalen enthält, mit einer inversen Beleuchtungsmatrix, die die Folge der Elektronenstrahlmuster enthält.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erhalten eines Bilds einer Probe geschaffen. Das Verfahren weist die Schritte eines Beleuchtens eines Satzes von Pixeln auf einer Probe mit einer Folge von Elektronenstrahlmustern, Erfassen eines Ergebnisses einer Wechselwirkung zwischen jedem der Elektronenstrahlmuster und der Probe unter Erzeugen einer Folge von Detektorsignalen, und Erzeugen eines Bilds, aufweisend einen Pixelwert, der für jedes der beleuchteten Pixel repräsentativ ist, auf die Folge von Detektorsignalen hin, auf.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, die hier unter Bezugnahme darauf eingeschlossen werden, und in denen:
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Elektronenstrahlmikroskops gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Beispiels der Elektronenstrahlmusterquelle, umfassend eine erste Ausführungsform einer Lichtquelle;
3 zeigt ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform der Lichtquelle;
4 zeigt ein Blockdiagramm einer dritten Ausführungsform der Lichtquelle;
5. zeigt eine schematische Darstellung des Elektronenstrahlmikroskops der vorliegenden Erfindung;
6A–6D zeigen schematische Diagramme, die die Betriebsweise des Elektronenstrahlmikroskops der vorliegenden Erfindung, mit einer Folge von Elektronenstrahlmustern, darstellen;
7 zeigt ein Flussdiagramm, das die Betriebsweise des Elektronenstrahlmikroskops der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer ersten Abtasttechnik darstellt;
8A, 8B, 9A und 9B stellen unterschiedliche Elektronenstrahlmuster dar, die in dem Elektronenstrahlmikroskop der vorliegenden Erfindung verwendet werden können; und
10 zeigt ein Flussdiagramm, das die Betriebsweise des Elektronenstrahlmikroskops der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer zweiten Abtasttechnik darstellt. Detaillierte Beschreibung Ein Blockdiagramm eines Beispiels eines Elektronenstrahlmikroskops gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt. Eine Elektronenstrahlmusterquelle 10 erzeugt eine Folge von Elektronenstrahlmustern, die schematisch als ein Elektronenstrahlmuster 12 dargestellt ist. Das Elektronenstrahlmuster 12, wie es im Detail nachfolgend beschrieben ist, weist einen oder mehrere Elektronenstrahl(en) auf. Jeder Elektronenstrahl in dem Elektronenstrahlmuster kann irgendeine erwünschte Querschnittsform haben. Allerdings sind die Elektronenstrahlen typischerweise Punktstrahlen, die ungefähr kreisförmige Querschnitte haben.
Die Elektronenstrahlmusterquelle 10 erzeugt die Folge von Elektronenstrahlmustern auf Mustersteuersignale hin. Die Folge der Elektronenstrahlmuster wird durch individuelles Steuern der Elektronenstrahlen erzeugt, die das Elektronenstrahlmuster aufweisen. Demzufolge können die Mustersteuersignale mehrere Signalleitungen umfassen. Jeder Elektronenstrahl kann zwischen einem maximalen Strom und einem Null-Strom variiert werden. In einem Beispiel wird eine binäre Steuerung verwendet, und jeder Elektronenstrahl befindet sich entweder auf einem spezifizierten Strompegel oder ist aus (Null-Strom). In einem anderen Beispiel können Zwischenstrompegel verwendet werden. Die Muster der Folge der Elektronenstrahlmuster werden in der Zeit aufeinander folgend erzeugt. Für jedes Muster wird der Zustand jedes Elektronenstrahls in dem Muster durch das entsprechende Steuersignal eingerichtet. Die Folge der Elektronenstrahlmuster kann so, wie dies notwendig ist, um ein Bild zu erhalten, wie es nachfolgend beschrieben ist, wiederholt werden.
Das Elektronenstrahlmuster 12 wird durch Elektronenoptiken und eine Ablenkungseinrichtung 18 auf eine Probe 20, die an einem Probenhalter 22 befestigt ist, gerichtet. Die Elektronenoptiken 16 können, zum Beispiel, das Elektronenstrahlmuster 12 zum Beleuchten der Probe 20 verkleinern. Die Elektronenoptiken 16 umfassen elektronenoptische Elemente, die elektrische und/oder magnetische Felder erzeugen, die die Elektronen strahlen in Elektronenstrahlmuster fokussieren oder defokussieren. Elektronenoptische Techniken sind für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet bekannt.
Die Ablenkungseinrichtung 18 lenkt das Elektronenstrahlmuster relativ zu der Probe 20 auf ein Abtaststeuersignal hin ab. Die Ablenkungseinrichtung 18 lenkt das Elektronenstrahlmuster 12 auf unterschiedliche Bereiche der Probe 20 ab. Die Ablenkungseinrichtung 18 umfasst Ablenkungseinrichtungselemente, die elektrische und/oder magnetische Felder erzeugen, die Elektronen in dem Elektronenstrahlmuster 12 auf das Abtaststeuersignal hin ablenken. Techniken zum Ablenken von geladenen Teilchenstrahlen sind ausreichend für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet bekannt. Typischerweise wird das Elektronenstrahlmuster 12 auf erwünschte Bereiche der Probe abgelenkt und die Folge der Elektronenstrahlmuster wird zur Beleuchtung jedes Bereichs wiederholt.
Das Elektronenstrahlmuster 12 tritt mit der Probe 20 in Wechselwirkung und erzeugt ein Ergebnis, das von den Parametern jedes Elektrodenstrahls in dem Elektronenstrahlmuster 12, wie beispielsweise Energie und Strom, und den Charakteristika der Probe 20, abhängt. Die Wechselwirkung erzeugt typischerweise gestreute, primäre Elektronen und sekundäre Elektronen, und kann, in einigen Fällen, sichtbares Licht, ultraviolettes Licht, Röntgenstrahlen oder dergleichen erzeugen. Das Ergebnis der Wechselwirkung wird durch einen Detektor 24, positioniert in der Nähe der Probe 20, erfasst. Um die Komplexität und die Kosten zu verringern, ist der Detektor 24 vorzugsweise ein Nichtabbildungsdetektor und kann, zum Beispiel, ein Elektronendetektor des Typs sein, der in herkömmlichen Rasterelektronenmikroskopen verwendet wird.
Der Detektor 24 erzeugt ein Detektorsignal 26 auf die Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahlmuster 12 und der Probe 20 hin. Demzufolge kann, zum Beispiel, das Detektorsignal 26 von zurückgestreuten, primären Elektronen und sekundären Elektronen resultieren, die den Detektor 24 erreichen. Das Mikroskop kann eine oder mehrere Element(e) (nicht dargestellt) umfassen, um das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen dem Strahlmuster 12 und der Probe 20 zu dem Detektor 24 zu richten. Elektrische und/oder magnetische Felder können dazu verwendet werden, geladene Teilchen von der Probe 20 zu dem Detektor 24 zu richten. Ähnlich können eine oder mehrere Linse(n) verwendet werden, um Licht von der Probe 20 zu dem Detektor 24 zu richten. Wie vorstehend angeführt ist, erzeugt die Elektronenstrahlmusterquelle 10 eine Folge von Elektronenstrahlmustern. Der Detektor 24 erzeugt ein Detektorsignal 26 in Abhängigkeit von je dem Elektronenstrahlmuster 12 in der Folge der Elektronenstrahlmuster, so dass ein Detektorsignal jedem Elektronenstrahlmuster entspricht. Für einen linearen Detektor ist das Detektorsignal die Summe der Ansprechverhalten der Probe auf jeden Elektronenstrahl in dem Elektronenstrahlmuster. Die Folge der Detektorsignale wird zu einem Prozessor 30 zugeführt. Die Detektorsignale werden typischerweise digitalisiert und zu dem Prozessor 30 in einer digitalen Form zugeführt, allerdings können auch analoge Signale verwendet werden. Der Prozessor 30 analysiert die Folge der Detektorsignale, um ein Bild des Bereichs der Probe 20, der durch die entsprechende Folge der Elektronenstrahlmuster beleuchtet ist, zu erzeugen, wie dies im Detail nachfolgend beschrieben ist.
Mindestens ein Bereich der Elektronenstrahlmusterquelle 10, der Elektronenoptiken 16, der Ablenkungseinrichtung 18 und des Detektors 24 sind innerhalb einer Vakuumumhüllung 34 angeordnet. Die Vakuumumhüllung 34 ist über einen geeigneten Kanal mit einer Vakuumpumpe 36 oder einer Kombination von Vakuumpumpen verbunden. Der gesamte oder der größte Teil des Wegs, dem das Elektronenstrahlmuster zwischen der Quelle 10 und der Probe 20 folgt, und der gesamte oder der größte Teil des Wegs, dem durch die Elektronen zwischen der Probe 20 und den Detektor 24 gefolgt wird, werden auf einem hohen Vakuum während des Betriebs gehalten. In einigen Anwendungen kann ein Bereich nahe der Probe unter Atmosphärendruck, oder nahe dazu, sein. Die Hauptsäule kann auf einem hohen Vakuum (ungefähr 10^–4Pa bis 10^–5Pa (10^–6 bis 10^–7Torr)) gehalten werden, wogegen der Bereich um eine Kathode mit negativer Elektronenaffinität herum auf einem Ultrahochvakuum (ungefähr 10^–7Pa (10^–9Torr)) während des Betriebs beibehalten wird. Die Hauptsäule kann von dem Bereich der Fotokathode durch eine Diffusionsbegrenzungsöffnung getrennt sein, um die erforderlichen Vakuumniveaus aufrecht zu erhalten.
Ein Beispiel einer Elektronenstrahlmusterquelle, geeignet zur Verwendung in dem Elektronenstrahlmikroskop der 1, ist in 2 dargestellt. Eine Fotokathode 50 ist auf einer Oberfläche eines lichttransmissiven Substrats 52 angeordnet. Die Fotokathode 50 ist innerhalb des Vakuumgehäuses 34 angeordnet und befindet sich demzufolge in einer Ultrahochvakuumumgebung während des Betriebs. Das Vakuumgehäuse 34 kann ein Vakuumfenster 54 zum Übertragen von Lichtstrahlen zu der Fotokathode 50, wie dies nachfolgend beschrieben ist, umfassen. In einer alternativen Anordnung kann das lichttransmissive Substrat 52 einen Teil einer Vakuumumhüllungswand bilden. Eine Lichtquelle 60 richtet Lichtstrahlen 62, 64,... 70 über Optiken 74, ein Vakuumfenster 54 und ein Substrat 52 auf aktive Bereiche 82, 84...90 der Fotokathode 50. Jeder der aktiven Bereiche 82, 84...90 emittiert Elektronen in den Vakuumbereich, der durch die Vakuumumhüllung 54 definiert ist. Die Elektronen werden zu parallelen Elektronenstrahlen 102, 104,... 110 durch Elektronenoptiken 114 geformt.
Die Fotokathode 50 in dem Beispiel der 2 ist eine Fotokathode mit negativer Elektronenaffinität (NEA). Die Fotokathode weist einen Halbleiter, gewöhnlich eine Säulen-III-V-Verbindung, wie beispielsweise Gallium, Arsenid, stark P-dotiert (1 – 5 × 10¹⁹), mit einem Material, wie beispielsweise Zink, Magnesium oder Kohlenstoff, um so das Leitungsband relativ zu dem Fermi-Niveau anzuheben auf. Die gereinigte Halbleiterfläche wird Cäsium und Sauerstoff ausgesetzt, um eine aktivierende Schicht, ein paar Monoschichten dick, zu bilden. Die Aktivierungsschicht setzt die Arbeitsfunktion so herab, dass das Leitungsband in der Masse oberhalb des Vakuumpegels, der Zustand der negativen Elektronenaffinität, liegt. Wenn Elektronen von dem Valenzband in das Leitungsband innerhalb einer Diffusionslänge (typischerweise ein paar Micrometer) der Oberfläche angeregt werden, diffundieren viele der Elektronen zu der Oberfläche, wo sie eine hohe Wahrscheinlichkeit dahingehend haben, von der Oberfläche in das Vakuum zu entweichen.
Allgemein kann die Fotokathode irgendein Material sein, das die Bedingungen einer negativen Elektronenaffinität, die vorstehend spezifiziert sind, erfüllt. Die Fotokathode ist typischweise ein Halbleitermaterial. Verbindungen des Gruppe-III-Materials, wie beispielsweise Gallium, Aluminium und Indium, und Materialien der Gruppe V, wie Phosphor, Arsen und Stickstoff, werden typischerweise verwendet. Andere NEA-Materialien umfassen Diamant, Siliziumcarbit, Aluminiumnitrid und Galliumnitrit. Einige NEA-Materialien können keine Aktivierungsschicht erfordern. Typischerweise können NEA-Fotokathoden dadurch aktiviert werden, dass sie Cäsium und Sauerstoff ausgesetzt werden. Alternativ kann die Aktivierungsschicht dadurch gebildet werden, dass sie nur Cäsium oder Cäsium und Stickstofftrifluorid ausgesetzt wird; oder andere Materialien mit einer potenziellen niedrigen Arbeitsfunktion können auch verwendet werden. Die Fotokathode 50 ist vorzugsweise sehr dünn, um ein seitliches Ausbreiten von Elektronen innerhalb der Fotokathode zu begrenzen. Bevorzugte Dicken der Fotokathode 50 betragen ungefähr einen Micrometer oder geringer. Zusätzliche Informationen, die sich auf NEA-Fotokathoden beziehen, sind in der US-A-5684360 beschrieben.
Die Lichtquelle 60 erzeugt Lichtstrahlen 62, 64,... 70 einer erwünschten Wellenlänge und Intensität. Optiken 74 fokussieren jeden der Lichtstrahlen auf einen kleinen Durchmesser an der Oberfläche der Fotokathode 50. Die Lichtquelle 60 kann eine Vielfalt von Anordnungen haben und kann einen oder mehrere Laser- oder Breitbandlichtquellen umfassen. Wenn eine Breitbandlichtquelle verwendet wird, kann die Lichtquelle ein geeignetes optisches Filter umfassen, um Licht einer erwünschten Wellenlänge oder eines Wellenlängenbereichs zu erzeugen. Für Fotokathoden, hergestellt durch Materialien der Gruppe III-V, liegt die Wellenlänge typischerweise in dem Bereich von 300-800 Nanometern. Die ausgewählte Wellenlänge hängt von dem Absorbtionsband des Fotokathodenmaterials, um Elektronen zu dem Leitungsband anzuregen, und von der Dicke der Fotokathode ab. Das Energieniveau der Lichtquelle 60 ist relativ niedrig. Typischerweise sind Energieniveaus geringer als 10 Milliwatt zum Anregen der Fotokathode 50 erforderlich. Die Optiken 74 können eine Korrektur für eine sphärische Aberration des Vakuumfensters 54 und des Substrats 52 einsetzen.
Eine erste Ausführungsform der Lichtquelle 60, dargestellt in 2, weist Laserdioden 122, 124,... 130 auf, die jeweils Lichtstrahlen 62, 64,... 70 erzeugen. Jede Laserdiode wird durch ein Strahlsteuersignal gesteuert, das die Ausgangsintensität der jeweiligen Laserdiode moduliert. Jedes Strahlsteuersignal kann die Ausgangslichtintensität der jeweiligen Laserdiode zwischen einem maximalen Pegel und Null variieren. Die Lichtintensitäten der jeweiligen Lichtstrahlen 62, 64,... 70 steuern wiederum die Stromniveaus der Elektronenstrahlen 102, 104,... 110. Demzufolge steuern die Strahlsteuersignale das Elektronenstrahlmuster 12 und entsprechend zu den Mustersteuersignalen, dargestellt in 1. Unterschiedliche Kombinationen der Strahlsteuersignale erzeugen unterschiedliche Elektronenstrahlmuster.
Die Lichtstrahlen 62, 64,... 70 können irgendein erwünschtes räumliches Muster auf der Photokathode 50 bilden, wie beispielsweise ein lineares Muster, ein X-Y-Gitter oder dergleichen. Das ausgewählte Muster hängt von der Abtasttechnik, die in dem Elektronenstrahlmikroskop verwendet wird, ab. Das räumliche Muster der Lichtstrahlen auf der Fotokathode 50 definiert das Muster von parallelen Elektronenstrahlen, die durch die Elektronenstrahlmusterquelle emittiert sind. Die Elektronenstrahlmuster werden in weiterem Detail nachfolgend diskutiert.
Ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform der Lichtquelle 60 ist in 3 dargestellt. Ein Laser 150 richtet einen Laserstrahl 152 zu einem Mehrwegstrahlteiler 154. Der Strahlteiler 154 teilt den Laserstrahl 152 in Strahlen 162, 164,... 170 auf. Die Laserstrahlen 162, 164,... 170 werden zu optischen Modulatoren 172, 174,... 180, jeweils, zugeführt. Die Modulatoren 172, 174,... 180 steuern die Laserstrahlen 162, 164,... 170 auf die individuellen Strahlsteuersignale hin, und führen modulierte Lichtstrahlen 62, 64,... 70 über Optiken 74 (2) zu der Fotokathode 50 zu.
Ein Blockdiagramm einer dritten Ausführungsform der Lichtquelle 60 ist in 4 dargestellt. Laser 202, 204,... 210 führen jeweils Laserstrahlen 212, 214,... 220 zu optischen Modulatoren 222, 224,... 230 zu. Die Modulatoren 222, 224,... 230 modulieren Laserstrahlen 212, 214,... 220 auf individuelle Steuersignale hin und führen modulierte Lichtstrahlen 62, 64,... 70 über Optiken 74 (2) zu der Fotokathode 50 zu.
Andere Anordnungen der Elektronenstrahlmusterquelle sind innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung umfasst. Zum Beispiel kann ein Feld von Elektronenemittern, wie beispielsweise Avalache-Dioden oder Feldemitterspitzen, wobei einzelne Elemente des Felds elektronisch erregt werden, verwendet werden. Andere Fotokathoden können innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung verwendet werden. Zusätzlich kann eine Kombination einer Beleuchtung mit Licht und eines elektronischen Gating, wobei eine Fotokathode mit einem breiten Lichtstrahl beleuchtet wird und Bereiche des Strahls elektronisch torgesteuert werden, verwendet werden. Weiterhin kann eine Elektronenquelle, die einen breiten Elektronenstrahl erzeugt, verwendet werden, um ein Blanking-Apertur-Feld zu beleuchten. Allgemein sollte die Elektronenstrahlquelle dazu geeignet sein, mehrere Elektronenstrahlen zu erzeugen, die wahlweise ein- und ausgeschaltet werden können, um eine Folge von Elektronenstrahlmustern zu bilden.
Eine schematische Darstellung eines Elektronenstrahlmikroskops gemäß der Erfindung ist in 5 dargestellt. Entsprechende Elemente in den 1, 2 und 5 sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Lichtstrahlen 62, 64,... 70 fallen auf die NEA-Fotokathode 50 ein, was parallele Elektronenstrahlen 102, 104,... 110 erzeugt. Die parallelen Elektronenstrahlen führen durch Elektronenoptiken 16 und eine Ablenkungseinrichtung 18 hindurch und beleuchten einen Bereich der Probe 20. In dem Beispiel der 5 umfassen die Elektronenoptiken 16 eine Elektronenlinse 250, eine Maskenplatte 252 und eine Elektronenlinse 254. Die Elektronenlinse 250 fokussiert Elektronenstrahlen 102, 104, ... 110 auf eine Apertur 256 der Maskenplatte 252. Die Elektronenlinse 254 richtet die Elektronenstrahlen so, dass sie durch die Apertur 256 entlang paralleler Wege zu der Probe 20 hin hindurchführen, mit der sich daraus ergebenden Verkleinerung des Elektronenstrahlmusters. Die Ablenkungseinrichtung 18 lenkt die Elektronenstrahlen in dem Elektronenstrahlmuster relativ zu der Probe 20 so ab, dass das Elektronenstrahlmuster einen erwünschten Bereich der Probe 20 beleuchtet. Der Detektor 24 erfasst ein Ergebnis der Wechselwirkung des Elektronenstrahlmusters mit der Probe 20.
Wie vorstehend diskutiert ist, projiziert die Elektronenstrahlmusterquelle 10 eine Folge von Elektronenstrahlmustern auf die Probe 20 und das Ansprechverhalten der Probe jedes Elektronenstrahlmusters wird durch den Detektor 24 erfasst. Ein Beispiel einer einfachen Folge von Elektronenstrahlmustern ist in den 6A–6D dargestellt. Die Strahlkonfiguration der 6A–6D umfasst vier Elektronenstrahlen 300, 302, 304 und 306 in einem 2 × 2 Feld. Die Elektronenstrahlen 300, 302, 304 und 306 werden durch Elektronenoptiken 16 auf Pixel 310, 312, 314 und 316 der Probe 20 projiziert. Es wird angenommen, dass der Strahl 300 Pixel 310 beleuchtet, der Strahl 302 Pixel 312 beleuchtet, der Strahl 304 Pixel 314 beleuchtet und der Strahl 306 Pixel 316 beleuchtet. Die Pixel der Probe 20 sind als einzelne Bereiche der Probe definiert, die Pixeln in einem Bild der Probe, das durch das Elektronenstrahlmikroskop erhalten werden soll, entsprechen. Die Ansprechverhalten der Pixel 310, 312, 314 und 316 werden durch den Detektor 24 erfasst, um ein Detektorsignal für jedes Elektronenstrahlmuster zu erzeugen.
In den Elektronenstrahlmustern der 6A–6D kann der Elektronenstrom jedes der Elektronenstrahlen 300, 302, 304 und 306 zwischen einem maximalen Strom I₀ und einem Null-Strom gesteuert werden. In der nachfolgenden Diskussion sind die Strahlströme auf Werte in einem Bereich von 0 bis 1,0 normiert. In 6A besitzen die Elektronenstrahlen 300, 302, 304 und 306 jeweils Ströme von 0,5. Der Detektor 24 erfasst die Summe der Ansprechverhalten der Pixel 310, 312, 314 und 316 auf die Elektronenstrahlen und erzeugt ein erstes Detektorsignal. In 6B besitzen die Elektronenstrahlen 300 und 302 Ströme von 1,0 und die Elektronenstrahlen 304 und 306 besitzen einen Null-Strom. Der Detektor 24 erfasst die Ansprechverhalten der Pixel 310 und 312 auf Elektronenstrahlen 304 und 306 und erzeugt ein zweites Detektorsignal. In der 6C besitzen die Elektronenstrahlen 300 und 304 Ströme von 1,0 und die Elektronenstrahlen 302 und 306 besitzen einen Null-Strom. Der Detektor 24 erfasst die Ansprechverhalten der Pixel 310 und 314 auf Elektronenstrahlen 300 und 304 und erzeugt ein drittes Detektorsignal. In 6D besitzen die Elektronenstrahlen 300 und 306 Ströme von 1,0 und die Elektronenstrahlen 302 und 304 besitzen einen Null-Strom. Der Detektor 24 erfasst die Ansprechverhalten von Pixeln 310 und 316 und erzeugt ein viertes Detektorsignal. Das erste, das zweite, das dritte und das vierte Detektorsignal, erzeugt durch den Detektor 24, bilden eine Folge von Detektorsignalen, die durch einen Prozessor 30 (1) verarbeitet werden, um einen Pixelwert für jedes der Pixel 310, 312, 314 und 316 zu erzeugen, wie dies nachfolgend beschrieben ist. Die Pixelwerte bilden ein Bild des beleuchteten Bereichs der Probe. Es wird verständlich werden, dass mehrere Sätze von Pixeln auf der Probe mit der Folge der Elektronenstrahlmuster in einem Abtastvorgang beleuchtet werden können, um ein Bild der Probe oder einen erwünschten Bereich der Probe zu erzeugen.
Der Detektor erfasst die Ansprechverhalten einer Anzahl von Pixeln auf der Probe, um Elektronenstrahlen zu stimulieren. Das Ansprechverhalten eines Pixels ist als das Verhältnis des Signals, erzeugt durch den Detektor, und das durch das Pixel beigetragen wird, zu dem Elektronenstrahlstrom, der auf das Pixel einfällt, definiert. Durch Bestimmen dieser Werte kann ein Bild der Probe oder eines Bereichs der Probe erzeugt werden. Falls N Pixel beleuchtet werden sollen und deren Ansprechverhalten bestimmt ist, ist es notwendig, N Elektrodenstrahlmuster auf die Pixel zu projizieren, um deren einzelne Ansprechverhalten zurückzugewinnen. Die Elektronenstrahlmuster, verwendet in dem Elektronenstrahlmikroskop der vorliegenden Erfindung, sind durch eine Strahlkonfiguration und eine Folge von Strahlmustern, basierend auf der Strahlkonfiguration charakterisiert. Die Strahlkonfiguration ist durch die gesamte Anzahl von Elektronenstrahlen, die aktiviert werden kann, und die räumliche Beziehung zwischen den Elektronenstrahlen, ebenso wie des individuellen Strahlstroms, der Größe und der Form, definiert. Jedes Elektronenstrahlmuster in der Folge verwendet die Strahlkonfiguration, wobei ausgewählte solche der Elektronenstrahlen aktiviert sind. Die Strahlkonfiguration, dargestellt in den 6A–6D, ist ein 2 × 2 Feld von voneinander beabstandeten Elektronenstrahlen. Die Folge der Elektronenstrahlmuster umfasst 4 Elektronenstrahlmuster, in denen ausgewählte solche der Strahlen in der 2 × 2 Strahlkonfiguration aktiviert sind.
Für die Zwecke einer Berechnung können die Ströme, verwendet in den Elektronenstrahlmustern, als eine Matrix I geschrieben werden.
wobei I_jk den Strom darstellt, der das j-te Pixel beleuchtet, wenn das k-te Muster projiziert wird. Die Muster einer Beleuchtung, die als ein Vektor I_k = [I_1k ... I_Nk) geschrieben sind, können entsprechend der folgenden Kriterien ausgewählt werden. Zuerst sollten die Elektronenstrahlmuster, als ein Satz linear unabhängig sein, was bedeutet, dass irgendein gegebenes Elektronenstrahlmuster I_k nicht durch irgendeine lineare Kombination der anderen N – 1 Elektronenstrahlmuster dupliziert werden kann. Dies stellt sicher, dass die Folge von Detektorsignalen entsprechend zu einer Folge von Elektronenstrahlmustern weder redundante Informationen noch ausreichende Informationen, um die Pixelwerte zu bestimmen, enthält. Als Zweites sollten die Elektronenstrahlmuster, als eine allgemeine Regel, so ausgewählt werden, um die Menge an Strom, die zu der Probe für eine gegebene Auflösung zugeführt werden kann, zu maximieren. Dies bringt eine Minimierung von Raum-Ladungs-Wechselwirkungen, beide innerhalb und zwischen Strahlen, mit sich. Schließlich sollte das Elektronenstrahlmuster so ausgewählt werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis für jedes Pixel zu maximieren, und um demzufolge eine maximale Geschwindigkeit zu erreichen, während der Strahldurchmesser kleiner als oder gleich zu der Pixelgröße gehalten wird. Die Strahlen in dem Muster sollten ausgebreitet werden, um einen sich konzentrierenden Strom an irgendeinem Pixel oder einer Gruppe von Pixeln zu vermeiden. Dieses Erfordernis muss gegenüber Off-Axis-Aberrationen in der Kanone und der Säule ausbalanciert sein. Die beste Maßnahme hängt von der Anwendung ab, allerdings sollte der maximale Strom, der zu einem Pixel zugeführt wird, auf einem Minimum gehalten werden, da der gesamte Strom zugeführt werden sollte, wenn irgendein Muster projiziert wird. Da der Gesamtstrom eine Rolle in einer Raum-Ladung-Defokussierung und der Unschärfe, indem der gesamte Strom von Muster zu Muster konstant gehalten wird, spielt, kann es möglich sein, enger eine Raum-Ladung-Defokussierung und -Unschärfebildung zu kontrollieren. Anhand wiederum der 6A–6D kann beobachtet werden, dass der Gesamtstrom in jedem der Muster derselbe ist.
Die Detektorsignalstärken für das k-te Muster s_k, geschrieben als ein Vektor s = [s₁ ... s_N], werden durch die Ansprechverhalten der Pixel r_j, geschrieben als ein Vektor r = [r₁ ... r_N], durch Multiplizieren mit der Beleuchtungsmatrix I, bestimmt. S = I·r (2)
Es sollte angemerkt werden, dass, damit Gleichung (2) gilt, die Detektor- und Pixel-Ansprechverhalten beide linear sein müssen. Wenn irgendein Ansprechverhalten nicht linear ist, muss Gleichung (2) so modifiziert werden, um dies zu berücksichtigten.
Wenn die Detektorsignalstärken s = [s₁ ... s_N] gemessen worden sind, können die Ansprechverhalten der Pixel durch Invertieren von Gleichung (2) bestimmt werden. r = I–1·s (3)
Der Wert von I^–1 kann experimentell vor einer Messung mit einer Probe eines bekannten Ansprechverhaltens berechnet oder bestimmt werden. Eine Bestimmung der Ansprechverhalten der Pixel, von denen das erwünschte Bild dann rekonstruiert ist, erfordert demzufolge nur eine einzelne Matrix-Multiplikation. Eine Matrix-Multiplikation ist ein einfacher Vorgang, der durch digitale Computer oder analoge Elektroniken durchgeführt werden kann.
Unter Bezugnahme wiederum auf das Beispiel der 6A–6D kann die Beleuchtungsmatrix I geschrieben werden als
wobei I₀ ein Strom ist, der durch den erwünschten Durchsatz und die Auflösung bestimmt ist. In diesem Beispiel ist die inverse Beleuchtungsmatrix I^–1 gegeben durch
und die Ansprechverhalten der Pixel 310, 312, 314 und 316 r = [r₁r₂r₃r₄] werden durch eine einfache Multiplikation mit einem Vektor, konstruiert aus den individuellen Detektorsignalen s = [s₁s₂S₃s₄], bestimmt.
Die Elektronenstrahlmuster können dann zu einem anderen Satz von Pixeln abgelenkt werden und der Vorgang kann wiederholt werden, um ein vollständiges Bild der Probe oder eines erwünschten Bereichs der Probe aufzubauen. In einer alternativen Maßnahme einer Abtastung, die nachfolgend beschrieben ist, wird ein Strahlmuster über die Probe oder den erwünschten Bereich der Probe abgetastet und die Detektorsignale werden aufgezeichnet. Dann schaltet das System zu dem nächsten Strahlmuster in der Folge um und die Abtastung wird wiederholt.
Ein Flussdiagramm eines Prozesses zum Erhalten eines Bilds einer Probe oder eines erwünschten Bereichs einer Probe mit dem Elektronenstrahlmikroskop der vorliegenden Erfindung ist in 7 dargestellt. Im Schritt 400 wird ein Satz von Pixeln auf der Probe, der als der Strom-Satz der Pixel identifiziert ist, mit einem Elektronenstrahlmuster beleuchtet. Die Ansprechverhalten der beleuchteten Pixel auf das Elektronenstrahlmuster werden erfasst und das Detektorsignal wird im Schritt 402 gespeichert. Im Schritt 404 wird eine Bestimmung vorgenommen, ob das momentane Elektronenstrahlmuster das letzte Muster in einer Folge von Elektronenstrahlmustern ist. Wenn das Strommuster nicht das letzte Muster ist, erhöht der Prozess zu dem nächsten Muster im Schritt 408, in dem die Mustersteuersignale, angelegt an die Elektronenstrahlmusterquelle 10, geändert werden, und kehrt zu Schritt 400 zur Beleuchtung des momentanen Satzes von Pixeln auf der Probe mit dem nächsten Elektronenstrahlmuster zurück. Wenn die Folge der Elektronenstrahlmuster abgeschlossen worden ist, wie dies im Schritt 404 bestimmt ist, kann die Verarbeitung der Folge der Detektorsignale am Schritt 410 beginnen. Die Ansprechverhalten der beleuchteten Pixel werden aus der Folge der Detektorsignale entsprechend zu Gleichung (3) vorstehend bestimmt. Alternativ können die gespeicherten Detektorsignale zu einer späteren Zeit verarbeitet werden, um ein Bild der Probe zu erzeugen. Im Schritt 416 wird eine Bestimmung vorgenommen, ob der momentane Satz von Pixeln auf der Probe der letzte Satz von Pixeln, die als Probe genommen werden sollen, ist. Wenn der momentane Satz der Pixel nicht der letzte Satz der Pixel ist, werden die Elektronenstrahlen des Elektronenstrahlmusters durch die Ablenkungseinrichtung 18 zu dem nächsten Satz von Pixeln auf der Probe in Schritt 412 abgelenkt. Der Vorgang kehrt dann zu den Schritten 400 und 408 zum Beleuchten des nächsten Satzes von Pixeln auf der Probe mit der Folge der Elektronenstrahlmuster zurück. Wenn der momentane Satz von Pixeln der letzte Satz von Pixeln ist, ist der Vorgang abgeschlossen.
Der Vorgang kann eine Rasterabtastung der Probe oder des erwünschten Bereichs der Probe verwenden. Die Strahlmuster werden entlang eines Streifens, der eine oder mehrere Reihe(n) aus Pixeln aufweist, abgelenkt. Die Anzahl von Reihen in dem Streifen hängt von der Konfiguration der Elektronenstrahlmuster ab. Wenn der Streifen abgeschlossen ist, werden die Strahlmuster senkrecht zu dem Streifen abgelenkt und der nächste Streifen wird abgetastet. Diese Betriebsweise wird wiederholt, bis der erwünschte Bereich abgetastet worden ist.
Der Prozessor 30 (1) kann eine Software zum Steuern der Betriebsweise des Elektronenstrahlmikroskops, wie dies in dem Flussdiagramm der 7 dargestellt ist und vorstehend beschrieben ist, enthalten. Insbesondere kann der Prozessor 30 Mustersteuersignale zum Steuern des Elektronenstrahlmustergenerators 10 und Abtaststeuersignale zum Steuern der Ablenkungseinrichtung 18 erzeugen. Zusätzlich speichert und verarbeitet der Prozessor so die Detektorsignale von dem Detektor 24 und erzeugt Pixelwerte zum Erzeugen eines Bilds der Probe 20 oder eines erwünschten Bereichs der Probe 20, wie dies vorstehend beschrieben ist. Der Prozessor 30 kann irgendein Computer für allgemeine Zwecke oder für spezielle Zwecke sein, wie beispielsweise ein Personalcomputer (PC) oder Kunden-Elektroniken, die eine Schaltung für ein schnittstellenmäßiges Verbinden mit den Bauteilen des Elektronenstrahlmikroskops haben. Eine geeignete Schnittstellenschaltung ist ausreichend für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet bekannt.
Es wird verständlich werden, dass das Elektronenstrahlmuster, das zum Beleuchten der Probe, gemäß der vorliegenden Erfindung, verwendet wird, irgendeine praktische Anzahl von zwei oder mehr Elektronenstrahlen umfassen kann. In irgendeinem bestimmten Elektronenstrahlmuster kann jeder Elektronenstrahl auf einen Stromwert zwischen einem Null-Strom und einem maximalen Strahl-Strom gesteuert werden.
Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, den Elektronenstrahlstrom, der zu der Probe hin läuft, auszubreiten, so dass die Raum-Ladungs-Wechselwirkungen minimiert werden. Demzufolge wird der Strom, der zu der Probe für eine gegebene Auflösung zugeführt werden kann, erhöht. Wie wiederum die 6A–6D zeigen, wird ein Gesamtstrom von 2I₀ über zwei oder mehr Elektronenstrahlen ausgebreitet. Durch Vergleich mit einem einzelnen Strahl eines Stroms 2I₀, wie er in SEM's nach dem Stand der Technik verwendet wird, sind die Raum-Ladungs-Wechselwirkung und die Defokussierung verringert.
In dem Beispiel der 6A–6D sind Elektronenstrahlen 300, 302, 304 und 306 so voneinander beabstandet, um Raum-Ladungs-Wechselwirkungen und eine Defokussierung zu verringern. In diesem Fall ist es notwendig, verschachtelte Elektronenstrahlmuster zu verwenden, um ein vollständiges Bild der Probe zu erhalten. Zum Beispiel wird das Muster um ein Pixel nach rechts verschoben, um ein Pixel zwischen den Pixeln 300 und 302, und ein Pixel zwischen den Pixeln 304 und 306, zu beleuchten. Ähnlich wird das Muster nach unten um ein Pixel verschoben, um ein Pixel zwischen den Pixeln 300 und 304 und ein Pixel zwischen den Pixeln 302 und 306 zu beleuchten. Unter Verwendung dieser Maßnahmen kann ein vollständiges oder fortlaufendes Bild der Probe oder eines erwünschten Bereichs der Probe erhalten werden. Das Elektronenstrahlmuster kann, in einer alternativen Maßnahme, fortlaufende Elektronenstrahlen haben und kann dadurch fortlaufende Pixel auf der Probe beleuchten. Diese Maßnahme besitzt den Vorteil einer vereinfachten Abtastung, zeigt allerdings eine erhöhte Raum-Ladungs-Wechselwirkung, und zwar verglichen mit den Mustern, die in den 6A–6D dargestellt sind.
Die Anzahl von Elektronenstrahlen in dem Elektronenstrahlmuster ist eine Abwägung zwischen einer erhöhten Komplexität und einer verringerten Raum-Ladungs-Wechselwirkung. Wenn die Anzahl von Strahlen erhöht wird, wird der Strom, zugeführt zu der Probe, stärker ausgebreitet, und eine Raum-Ladungs-Wechselwirkung wird verringert. Allerdings wird die Komplexität des Systems erhöht, da mehr Elektronenstrahlen erzeugt und gesteuert werden müssen.
Eine zweite Abtasttechnik wird unter Bezugnahme auf die 8A, 8B, 9A, 9B und 10 beschrieben. Im Gegensatz zu einer Untersuchung jedes einzelnen Satzes von Pixeln, wie beispielsweise die vier Pixel in dem Beispiel des 2 × 2 Felds, mit einer Folge von Elektronenstrahlmustern, und dann schrittweise weitergehend zu dem nächsten Satz von Pixeln, ist eine andere Maßnahme diejenige, ein erstes Elektronenstrahlmuster zu bilden und dieses Strahlmuster über die Probe abzutasten, was die Ansprechverhalten mehrerer Sätze von Pixeln auf der Probe aufzeichnet. Das System erhöht dann zu einem zweiten Elektronenstrahlmuster in der Folge und tastet das zweite Elektronenstrahlmuster über dieselben Sätze von Pixeln in einer ähnlichen Art und Weise ab. Dieser Vorgang wird über die gesamte Folge von Elektronenstrahlmustern wiederholt. Auf diese Art und Weise kann eine große Anzahl von Pixeln untersucht werden, ohne dass eine Hochgeschwindigkeitsumschaltung von Mustern erforderlich ist. Auch werden die einzelnen Pixelansprechverhalten mit weniger (obwohl komplexeren) Berechnungen durch Manipulieren der größeren Datensätze, die so erhalten werden, gewonnen. Diese Berechnungen sind eine einfache Extrapolation der Berechnungen, die vorstehend beschrieben sind.
In dieser zweiten Abtasttechnik kann die Auswahl von Elektronenstrahlmustern Berücksichtigungen zusätzlich zu solchen, die vorstehend beschrieben sind, einsetzen. Es kann vorteilhaft sein, kontinuierlich die Strahlmuster in einer Art und Weise ähnlich zu derjenigen, die in einem Standard-SEM verwendet wird, wie dies ausreichend bekannt ist, eine einfache und schnelle Technik, abzutasten. Eine andere Option ist diejenige, die Strahlmuster diskontinuierlich in Schritten zu bewegen, was temporär eine Erfassung und/oder eine Leertastung des Strahls unterbindet, und dann zu dem nächsten Satz von Pixeln zu gehen. Diese Maßnahme kann einen Geschwindigkeitsverlust mit sich bringen, da es notwendig ist, darauf zu warten, dass der Strahl zur Ruhe kommt, und zwar aufgrund des ausreichend bekannten Phänomens der Einstellzeit der Ablenkungseinrichtungen und der Treiber für die Ablenkungseinrichtung, bevor Daten erhalten werden können. Mit einer kontinuierlichen Bewegung werden solche Verzögerungen nicht vorgefunden.
Die zweite Maßnahme einer Abtastung setzt allgemein eine Bewegung des Strahlmusters entlang einer ersten Achse ein, um einen Streifen aus Pixeln zu untersuchen, der typischerweise zwei oder mehr Reihen aus Pixeln umfasst, und dann Bewegen entlang einer zweiten Achse senkrecht zu der ersten Achse, so dass ein anderer Streifen parallel zu dem ersten Streifen untersucht wird. Für die Maßnahme einer fortlaufenden Abtastung kann es, um am effizientesten zu arbeiten, notwendig sein, sicherzustellen, dass das Strahlmuster nicht mehr als ein Pixel in einer Reihe umfasst, so dass ein gegebenes Pixel nicht mehr als einmal während der Abtastung durch irgendein Strahlmuster untersucht wird. Es kann auch vorteilhaft sein, die Strahlen in dem Strahlmuster so anzuordnen, dass alle benachbarten Reihen eines Streifens in einem Überstreichen des Strahls untersucht werden.
Das einfachste Beispiel eines Musters, das diese Erfordernisse erfüllt, ist eine Spalte aus Pixeln, eines für jede Reihe. Eine Anordnung 500 mit vier Strahlen ist in 8A dargestellt, wobei die vier schraffierten Punkte 502, 504, usw., Strahlen darstellen, die ein oder aus sein können, und zwar in Abhängigkeit von dem Strahlmuster, das projiziert wird. Die vier Strahlen sind nahe zu einander so zusammen, um benachbarte Reihen zu untersuchen. Zuvor untersuchte Pixel in der Abtastung sind durch offene Punkte 510 angegeben. Folglich decken die Strahlen einen durchgezogenen Streifen über die Probe ab, wenn abgetastet wird. Diese Maßnahme kann so erweitert werden, um Strahlen in gestaffelten Säulen zu umfassen, so dass die Elektronenstrahlen über einen größeren Bereich ausgebreitet sind. Wie in 8B dargestellt ist, umfasst eine Strahlanordnung 520 vier Strahlen in angrenzenden Reihen, wobei sich zwei Strahlen 522 und 524 in einer ersten Spalte aus Pixeln und zwei Strahlen 526 und 528 in einer zweiten Spalte befinden. Die zweite Spalte ist von der ersten Spalte durch eine Spalte getrennt. Die Anordnung der 8B kann die Funktionsweise der Elektronenoptiken verbessern, die von dem Abstand des Strahls von der optischen Achse abhängt. Ein Staffeln der Strahlen erhöht den Abstand zwischen den Strahlen, was demzufolge eine Raum-Ladungs-Wechselwirkung verringert, während der maximale Abstand irgendeines Strahls von der Mitte des Musters nur leicht ist. Die Strahlen können unter zwei oder mehr Spalten aus Pixeln gestaffelt sein oder können benachbarte Spalten sein oder nicht. In der Strahlkonfiguration 520 der 8B sind die Strahlen 522, 524, 526 und 528 voneinander um mindestens einen Strahldurchmesser getrennt. Jeder der Strahlen 522, 524, 526 und 528 kann in einem bestimmten Strahlmuster ein oder aus sein.
Die 9A und 9B stellen eine Erweiterung dieser Maßnahme auf eine Strahlkonfiguration dar, die 16 Strahlen umfasst. In 9A umfasst eine Strahlkonfiguration 600 16 Strahlen 602, 604, usw., in einer einzelnen Spalte. In 9B umfasst eine Strahlkonfiguration 620 16 Strahlen 622, 624, usw., gestaffelt in vier voneinander beabstandeten Spalten aus Pixeln. In jeder der Anordnungen 600 und 620 untersuchen die Strahlen 126 benachbarte Reihen aus Pixeln. In jeder der Anordnungen 600 und 620 kann jeder einzelne Strahl in einem bestimmten Strahlmuster ein oder aus sein. Es wird verständlich werden, dass eine Vielfalt von Strahlanordnungen in der zweiten Abtasttechnik verwendet werden kann und dass die optimale Anordnung von der Anwendung abhängt.
Ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erhalten eines Bilds einer Probe oder eines erwünschten Bereichs einer Probe mit dem Elektronenstrahlmikroskop der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der zweiten Abtasttechnik ist in 10 dargestellt. In einem Schritt 700 wird ein Satz von Pixeln in einem ausgewählten Streifen der Probe, identifiziert als momentaner Streifen, mit einem Elektronenstrahlmuster beleuchtet. Die Ansprechverhalten der beleuchteten Pixel auf das Elektronenstrahlmuster werden erfasst und das Detektorsignal wird im Schritt 702 gespeichert. Im Schritt 704 wird eine Bestimmung vorgenommen, ob der momentane Satz von Pixeln der letzte Satz von Pixeln in dem momentanen Streifen ist, d.h. ob der Streifen vollständig abgetastet worden ist. Wenn der Streifen nicht abgeschlossen ist, lenkt der Vorgang das Elektronenstrahlmuster zu dem nächsten Satz von Pixeln in dem Streifen im Schritt 708 ab und kehrt zu Schritt 700 für eine Beleuchtung des nächsten Satzes von Pixeln mit dem momentanen Strahlmuster zurück. Wie vorstehend angegeben ist, kann eine Ablenkung des Elektronenstrahlmusters entlang eines Streifens kontinuierlich oder in Schritten erfolgen. Wenn der Streifen abgeschossen worden ist, wie dies im Schritt 704 bestimmt ist, wird eine Bestimmung im Schritt 710 vorgenommen, ob der momentane Streifen der letzte Streifen, der untersucht wird, ist. Wenn der momentane Streifen nicht der letzte Streifen ist, erhöht sich der Vorgang zu dem nächsten Streifen im Schritt 712 und kehrt zu Schritt 700 für eine Beleuchtung des nächsten Streifens mit dem Stromstrahlmuster zurück. Wenn der momentane Streifen der letzte Streifen ist, wie dies im Schritt 710 bestimmt ist, ist eine Abtastung der Probe oder eines erwünschten Bereichs der Probe abgeschlossen worden. Eine Bestimmung wird dann im Schritt 716 vorgenommen, ob das momentane Strahlmuster das letzte Muster in der Folge der Strahlmuster ist. Wenn das momentane Strahlmuster nicht das letzte Muster ist, erhöht sich der Vorgang zu dem nächsten Strahlmuster in der Folge und kehrt zu dem ersten Streifen in dem Bereich, der untersucht werden soll, im Schritt 718, zurück. Der Vorgang kehrt dann zu Schritt 700 für eine Bestrahlung des ersten Satzes von Pixeln in dem ersten Streifen, mit dem neuen Strahlmuster, zurück. Das neue Strahlmuster wird dann verwendet, um die Probe in derselben Art und Weise abzutasten. Wenn das momentane Muster das letze Muster in der Folge ist, wie dies in dem Schritt 716 bestimmt ist, ist eine Abtastung abgeschlossen, und die gespeicherten Detektorsignale können im Schritt 720 verarbeitet werden. Es wird verständlich werden, dass die gespeicherten Detektorsignale unmittelbar unter Abschluss der Abtastung, oder zu einer späteren Zeit, verarbeitet werden können.
Zusammengefasst verwendet das Elektronenstrahlmikroskop der vorliegenden Erfindung typischerweise eine Rasterabtastung der Elektronenstrahlmuster. In einer Maßnahme wird die Folge der Elektronenstrahlmuster auf jeden Satz der Pixel, vor einem Bewegen zu dem nächsten Satz von Pixeln, angewandt. In einer anderen Maßnahme wird jedes Elektronenstrahlmuster über die Probe oder den erwünschten Bereich der Probe, vor einem Umschalten zu dem nächsten Strahlmuster in der Folge, abgetastet. Die Abtastung kann verschachtelt oder nicht verschachtelt sein.
Während hier dasjenige dargestellt und beschrieben worden ist, was derzeit als die bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angesehen wird, wird für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen darin vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, zu verlassen.

Claims

Elektronenstrahlmikroskop, das umfasst: eine Quelle, die eine Sequenz von Mustern von Elektronenstrahlen zum Beleuchten von Bildpunkten auf einer Probe erzeugt, wobei jedes der Muster mehrere Elektronenstrahlen umfasst; eine Vakuumumhüllung, die ein Vakuum zwischen der Quelle und der Probe aufrechterhält; Elektronenoptik, die sich in der Vakuumumhüllung befindet, um die Muster von Elektronenstrahlen auf die Probe zu richten; einen Detektor, der gleichzeitig ein Ergebnis einer Wechselwirkung zwischen den mehreren Strahlen des Musters von Elektronenstrahlen und der Probe erfasst, um Detektorsignale zu erzeugen, die der durch die Quelle erzeugten Sequenz von Signalen entsprechen; und einen Prozessor, der auf die Sequenz von Detektorsignalen anspricht und ein Bild erzeugt, das einem Bildpunktwert entspricht, der repräsentativ für jeden der beleuchteten Bildpunkte auf der Probe ist.
Elektronenstrahlmikroskop nach Anspruch 1, das des Weiteren eine Ablenkeinrichtung umfasst, die sich in der Vakuumumhüllung befindet, um die Elektronenstrahlen relativ zu der Probe abzulenken, wobei mehrere Gruppen von Bildpunkten auf der Probe mit der Sequenz von Elektronenstrahlen beleuchtet werden, der Detektor die Sequenz von Detektorsignalen für jede der Gruppen von Bildpunkten produziert und der Prozessor ein Bild der beleuchteten Gruppen von Bildpunkten auf der Probe erzeugt.
Elektronenstrahlmikroskop nach Anspruch 2, wobei der Prozessor eine Einrichtung enthält, die die Quelle und die Ablenkeinrichtung steuert, um die Probe oder einen gewünschten Abschnitt der Probe mit einem ersten Muster von Elektronenstrahlen zu beleuchten, worauf das Umschalten auf ein zweites Muster von Elektronenstrahlen und das Beleuchten der Probe oder des gewünschten Abschnitts der Probe mit dem zweiten Muster von Elektronenstrahlen folgt.
Elektronenstrahlmikroskop nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Prozessor eine Einrichtung zum Steuern der Quelle und der Ablenkeinrichtung zum Beleuchten einer ersten Gruppe von Bildpunkten mit der Sequenz von Elektronenstrahlen enthält, worauf das Ablenken der Elektronenstrahlen auf eine zweite Gruppen von Bildpunkten und Beleuchten der zweiten Gruppe von Bildpunkten mit der Sequenz von Elektronenstrahlen folgt.
Elektronenstrahlmikroskop nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Quelle umfasst: eine Fotokatode mit negativer Elektronenaffinität auf einem lichtdurchlässigen Substrat, wobei die Fotokatode ein Leitungsband und eine Vielzahl aktiver Bereiche zur Emission von Elektronen hat; eine Lichtquelle, die Lichtstrahlen durch das lichtdurchlässige Substrat auf die aktiven Bereiche der Fotokatode richtet, um Elektronen in das Leitungsband der Fotokatode anzuregen; Elektronenoptik, die die aus den aktiven Bereichen der Fotokatode emittierten Elektronen zu Elektronenstrahlen formt; und eine Quellen-Vakuumumhüllung, die die Fotokatode auf hohem Vakuum hält, so dass Elektronen in dem Leitungsband der Fotokatode höhere Energien haben als Elektronen in der Quellen-Vakuumumhüllung an die Fotokatode angrenzend und eine hohe Wahrscheinlichkeit der Emission aus den aktiven Bereichen der Fotokatode in die Quellen-Vakuumumhüllung hinein haben.
Elektronenstrahlmikroskop nach Anspruch 5, wobei die Lichtstrahlen Laserstrahlen umfassen.
Elektronenstrahlmikroskop nach Anspruch 5 oder 6. wobei die Lichtquelle eine Vielzahl einzeln steuerbarer Laserdioden umfasst.
Elektronenstrahlmikroskop nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Lichtquelle Modulatoren zum Steuern jedes der Lichtstrahlen enthält.
Elektronenstrahlmikroskop nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Prozessor eine Einrichtung enthält, die einen Bildpunkt, der repräsentativ für jeden der Vielzahl beleuchteter Bildpunkte ist, erzeugt, indem sie eine Matrix, die die Sequenz von Detektorsignalen erhält, mit einem Reziproken einer Beleuchtungsmatrix multipliziert, die repräsentativ für die Sequenz der Muster von Elektronenstrahlen is.
Elektronenstrahlmikroskop nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jedes der Elektronenstrahlmuster linear unabhängig von den anderen der Elektronenstrahlmuster ist.
Elektronenstrahlmikroskop nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Gesamt-Elektronenstrahlstrom in jedem der Muster von Elektronenstrahlen konstant ist.
Elektronenstrahlmikroskop nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die parallelen Elektronenstrahlen beabstandet sind und beabstandete Bildpunkte auf der Probe beleuchten.
Elektronenstrahlmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Detektor einen Elektronendetektor zum Erfassen von Sekundärelektronen und rückgestreuten Primärelektronen umfasst.
Elektronenstrahlmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Prozessor eine Einrichtung enthält, die einen Flächenwert, der repräsentativ für die beleuchteten Flächen ist, erzeugt, indem sie eine Matrix, die die Sequenz von Detektorsignalen enthält, mit einem Reziproken einer Beleuchtungsmatrix multipliziert, die repräsentativ für die Sequenz der Muster von Elektronenstrahlen ist.
Elektronenstrahlmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei jedes der Elektronenstrahlmuster linear unabhängig von den anderen der Elektronenstrahlmuster ist.
Elektronenstrahlmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei ein Gesamt-Elektronenstrahlstrom in jedem der Elektronenstrahlmuster konstant ist.
Verfahren zum Gewinnen eines Bildes einer Probe, das die folgenden Schritte umfasst: a) Erzeugen einer Vielzahl von Elektronenstrahlen von einer Elektronenquelle in einem vordefinierten räumlichen Muster; b) Beleuchten einer Gruppe von Flächen auf einer Probe mit dem räumlichen Muster, so dass jeder einzelne Strahl des Musters gleichzeitig mit einer einzigen Fläche der Gruppe in Wechselwirkung tritt; c) Erfassen des Ergebnisses der Wechselwirkungen zwischen den Elektronenstrahlen und den Flächen als ein einzelnes Signal und Speichern des Ergebnisses; und d) Wiederholen der Schritte a) bis c), wobei gleichzeitig das räumliche Muster der Beleuchtungsstrahlen und der auf der Probe beleuchteten Flächen systematisch variiert wird, bis genügend Informationen akkumuliert sind, um ein Bild wenigstens eines Teils der Probe zu rekonstruieren.
Verfahren nach Anspruch 17, das Ändern des räumlichen Musters der Beleuchtung nach Beleuchtung ausgewählter Gruppen von Flächen der Probe mit dem Muster einschließt.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Gruppe von Flächen der Probe, die beleuchtet werden, nach Beleuchtung mit einer Sequenz von Elektronenstrahlmustern geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 17, 18 oder 19, wobei jeder der Elektronenstrahlen linear unabhängig von den anderen der Elektronenstrahlen ist.
Verfahren nach Anspruch 17, 18, 19 oder 20, das des Weiteren den Schritt des Auswählens räumlicher Muster einschließt, so dass ein Gesamt-Elektronenstrahlstrom in jedem der Muster konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 17, 18, 19, 20 oder 21, das den Schritt des Erzeugens eines Bildes, das einen Flächenwert umfasst, der repräsentativ für jede beleuchtete Fläche der Probe ist, in Reaktion auf die Sequenz von Erfassungssignalen einschließt.