WO2021018327A1 - Teilchenstrahlsystem und seine verwendung zum flexiblen einstellen der stromstärke von einzel-teilchenstrahlen - Google Patents

Teilchenstrahlsystem und seine verwendung zum flexiblen einstellen der stromstärke von einzel-teilchenstrahlen Download PDF

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particle beam
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Stefan Schubert
Dirk Zeidler
Georgo Metalidis
Hans Fritz
Ralf Lenke
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Carl Zeiss Multisem Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to particle beam systems which operate with a large number of particle beams.
  • Multi-beam particle microscopes like single-beam particle microscopes, can be used to analyze objects on a microscopic scale. For example, by means of these particle microscopes, images of an object can be recorded which represent a surface of the object. In this way, for example, the structure of the surface can be analyzed. While a single particle beam of charged particles such as electrons, positrons, muons or ions is used in a single-beam particle microscope to analyze the object, a plurality of particle beams is used in a multi-beam particle microscope.
  • the majority of the particle beams which are also referred to as bundles, are directed simultaneously onto the surface of the object, whereby a significantly larger area of the surface of the object can be scanned and analyzed during the same period of time compared with a single-beam particle microscope.
  • WO 2005/024 881 A2 a multitude particle beam system in the form of an electron microscopy system which works with a multitude of electron beams in order to scan an object to be examined in parallel with a bundle of electron beams.
  • the bundle of electron beams is generated by directing an electron beam generated by an electron source onto a multi-aperture plate which has a multiplicity of openings. Some of the electrons of the electron beam strike the multi-aperture plate and are absorbed there, and another part of the steel passes through the openings of the multi-aperture plate, so that an electron beam is formed in the beam path behind each opening, the cross-section of which is defined by the cross-section of the opening.
  • suitably selected electrical fields which are provided in the beam path in front of and / or behind the multi-aperture plate, mean that each opening in the Multi-aperture plate acts as a lens on the electron beam passing through the opening, so that the electron beams are focused in a plane which is at a distance from the multi-aperture plate.
  • the plane in which the foci of the electron beams are formed is mapped onto the surface of the object to be examined by subsequent optics, so that the individual electron beams hit the object as primary beams. There they generate interaction products emanating from the object, such as backscattered electrons or secondary electrons, which are formed into secondary beams and directed onto a detector by further optics.
  • each of the secondary beams strikes a separate detector element, so that the electron intensities detected with it provide information on the object at the location where the corresponding primary beam strikes the object.
  • the bundle of primary rays is systematically scanned over the surface of the object in order to generate an electron microscopic image of the object in the manner customary for scanning electron microscopes.
  • a high resolution in the particle-optical imaging is of great relevance in practice.
  • the resolution depends on the numerical aperture in the object plane and on the beam current of the individual particle beams.
  • the values of the numerical aperture and the beam current of the individual particle beams are closely related to one another or are linked to one another via the imaging scale. Additional factors influencing the resolution are aberrations, these contributions being dependent on the numerical aperture in different ways.
  • a particle beam system which has the following:
  • At least one particle source configured to generate a divergent beam of charged particles
  • a condenser lens system through which the charged particle beam passes; a pre-multi-lens array, wherein the pre-multi-lens array has a pre-counter electrode with a central opening through which the charged particle beam passes, and wherein the pre-multi-lens array is one in the beam path after the pre-counter electrode arranged pre-multi-aperture plate, which is arranged so that the charged particles pass through the pre-multi-aperture plate in the form of a plurality of charged individual particle beams;
  • a multi-lens array which is arranged in the beam path after the pre-multi-lens array, wherein the multi-lens array has a multi-aperture plate with a plurality of openings that are at least partially affected by the charged individual particle beams are traversed, and wherein the multi-lens array has a counter-electrode, which is arranged in the beam path after the multi-aperture plate and has a central opening through which the plurality of individual particle beams essentially penetrate;
  • a controller which is set up to supply adjustable excitations to the condenser lens system and the pre-counter electrode in such a way that the charged particles can telecentrically impinge on the pre-multi-aperture plate.
  • the controller is preferably configured to adjust the current strength of the individual particle beams.
  • the charged particles can be, for example, electrons, positrons, muons or ions or other charged particles. They are preferably electrons that are generated, for example, with the help of a thermal field emission source (TFE). But other particle sources can also be used.
  • TFE thermal field emission source
  • the condenser lens system can have one, two or more condenser lenses.
  • the condenser lens system preferably has a double condenser.
  • the condenser lens system preferably comprises exactly two condenser lenses, particularly preferably two magnetic condenser lenses.
  • a multi-aperture plate is a plate with a large number of openings. It is possible that a voltage is applied to this multi-aperture plate as a whole. This may or may not be the case. In any case, all openings in a multi-aperture plate are on a uniform, globally identical electrical and magnetic potential.
  • a multi-lens array in the context of this patent application has a large number of lenses arranged essentially parallel to one another, the refractive powers of which can be varied. The lens effect is generated by a combination of multi-aperture plate and counter electrode and the refractive power of the lenses can be varied in particular by different excitations of the counter electrode.
  • the heart of a particle beam system with a large number of individual particle beams is formed by the multi-lens array.
  • the multi-lens array includes a multi-aperture plate and a counter electrode. At the latest when the multi-lens array is penetrated, the individual particle beams are generated and each focussed after the multi-lens array.
  • the resulting foci correspond to several images of the Particle source and can be viewed in the following as starting points or virtual multi-source array for the subsequent particle-optical images.
  • the focusing effect of the multi-lens array comes about through different electric field strengths in front of and after the multi-aperture plate, and the counter-electrode with its central opening arranged in the beam path after the multi-aperture plate also ensures that the individual particle beams are torn apart or the foci of the individual particle beams are further apart than the individual openings of the multi-aperture plate. This fact is known in principle from the prior art.
  • a pre-multi-aperture plate in the beam path before the multi-lens array, this pre-multi-aperture plate then being used to shape the individual particle beams or to cut them out of the beam of charged particles.
  • Arranging a pre-multi-aperture plate in front of the multi-lens array has the advantage that the multi-aperture plate of the multi-lens array is not charged by particles hitting it; at the same time, particle beam systems according to the prior art can also function without the aforementioned pre-multi-aperture plate.
  • a pre-multi-aperture plate is provided which is a functional component of the pre-multi-lens array.
  • the current strength of individual particle beams is now set as follows:
  • the condenser lens system is excited differently. It is so that the original divergent beam of charged particles is collimated by the condenser lens system and that these collimated beams strike the multi-lens array or a pre-multi-aperture plate possibly arranged in front of it. Strictly speaking, the condenser lens system is therefore a collimation lens system.
  • the total beam of charged particles has a different beam diameter depending on the excitation of the condenser lens system. This means that the current or the beam current density that applies to a single particle beam can be varied via the settings of the condenser lens system.
  • the particle beam system according to the invention has a pre-multi-lens system Array which is constructed as follows:
  • the pre-multi-lens array has a pre-counter electrode with a central opening through which the beam of charged particles passes.
  • the pre-multi-lens array has a multi-aperture plate arranged in the beam path downstream of the pre-counter-electrode, which is arranged such that the charged particles pass through the pre-multi-aperture plate in the form of a plurality of charged individual particle beams.
  • This pre-multi-aperture plate can be a pre-multi-aperture plate that is already known / existing per se.
  • the pre-counter electrode is combined with the pre-multi-aperture plate to form the pre-multi-lens array and that an adjustable voltage can be applied to the pre-counter electrode.
  • the pre-multi-lens array in its entirety thus also has a focusing effect on the charged individual particle beams passing through it.
  • a global lens field is created in the area of the pre-counter electrode, which acts on the beam of charged particles that penetrate the condenser lens system.
  • the irradiation conditions of the condenser lens system can be varied over a wider range, because after passing through the condenser lens system, the charged particle beam does not have to be collimated according to the invention.
  • the charged particle beam it is possible for the charged particle beam to enter the global lens field of the pre-counter electrode in a convergent or divergent manner after passing through the condenser lens system.
  • the control which supplies adjustable excitations, i.e. voltages and / or currents, to the condenser lens system and the pre-counter electrode, it is possible to select these excitations so that the charged particles can meet the telecentricity condition when they hit the pre-multi-aperture plate. Satisfying this telecentricity condition is preferred for the quality of the particle-optical imaging in the further beam path through the particle beam system, since this facilitates the construction of the particle-optical components.
  • the beam flow of the individual particle beams can be varied without structural changes / extensions of the column.
  • the dominant effect of the combination of features according to the invention is the change in the effective numerical aperture of the source for changing the current.
  • the decisive factor in this picture is from which radiation angle / solid angle of the particle source a single particle beam draws its charged particles.
  • the openings of the pre-multi-aperture plate and the multi-aperture plate of the multi-lens array can have the same diameter, but it is also possible that they have different diameters.
  • the diameter of the apertures of the pre-multi-aperture plate can be smaller than the diameter of the apertures of the multi-aperture plate of the multi-lens array.
  • the openings of the pre-multi-aperture plate and the multi-aperture plate of the multi-lens array are preferably circular and the individual openings are arranged overall in a hexagonal structure, but other possible arrangement options are also possible.
  • the number of openings in the pre-multi-aperture plate and the multi-aperture plate is matched to the number of individual particle beams. It is advantageous if the number of particle beams is 3n (n-1) +1 with n any natural number, in the case of a hexagonal arrangement.
  • the particle beam system has micro-optics that comprise the multi-lens array.
  • the micro-optics also comprise the pre-multi-aperture plate.
  • micro-optics are an assembly of particle-optical elements that are combined in micro-optics.
  • the assembly can have a special holder for the assembly or a common socket for the assembly.
  • the micro-optics can also have further particle-optical components. Examples of this are, for example, multistigmators or other multi-lens arrays, where the lens effects of the individual openings of multi-aperture plates can also be set individually for each individual particle beam, e.g. for the individual correction of a focal length of individual particle beams to correct any curvature of the field . Components other than those mentioned can also be part of the micro-optics.
  • the micro-optics have a mount that is at ground potential.
  • the pre-multi-aperture plate and the multi-aperture plate of the multi-lens array are also typically at ground potential.
  • voltages in the range of a few kilovolts are applied to the counter electrode or the pre-counter electrode, e.g. + -12 kV, + -15 kV, + -16 kV or + -20 kV.
  • the particle beam system can have a pre-additional electrode with a central opening which is arranged in the beam path after the pre-counterelectrode close in front of the pre-multi-aperture plate and to which an adjustable voltage can be supplied by means of the controller.
  • an adjustable voltage can be supplied by means of the controller.
  • the particle beam system furthermore has an additional post electrode with a central opening, which is arranged in the beam path close to the multi-aperture plate and in front of the counter electrode and to which an adjustable voltage can be supplied by means of the controller.
  • the selected distance between the pre-additional electrode and the pre-multi-aperture plate and the distance between the post-additional electrode and the multi-aperture plate have an influence on how strong the additional setting options are due to the excitations or voltages applied to the pre-additional electrode or the post-additional electrode .
  • a voltage applied to the pre-additional electrode can then be between approximately -1000V and + 1000V.
  • the post-additional electrode can be somewhat further away from the multi-aperture plate than the pre-additional electrode from the pre-multi-aperture plate.
  • the voltage applied to the post additional electrode can then be selected approximately as the mean value between that applied to the counter electrode and ground potential. This has the advantage that the correction of an image field curvature can essentially be adjusted via the excitation of the pre-additional electrode and the pitch can be adjusted with the post-additional electrode. Other arrangements of the distances and excitations and thus other setting options are also possible.
  • the condenser lens system has two condenser lenses.
  • both condenser lenses are magnetic condenser lenses.
  • the condenser lens system has exactly one magnetic condenser lens and one electrostatic condenser lens, the electrostatic condenser lens being arranged in the beam path after the magnetic condenser lens, and a booster electrode being arranged between the magnetic condenser lens and the electrostatic condenser lens, which can be controlled by the controller and by which the electrostatic condenser lens is excitable.
  • a variable electrostatic lens is formed, which acts as a lower condenser lens.
  • the upper end of the booster electrode forms the fields for the upper condenser lens together with the cathode of the emitter and a magnetic lens.
  • the particle beam system furthermore has a beam-current-limiting multi-aperture plate system comprising a beam-current-limiting multi-aperture plate with a plurality of openings, the beam-current-limiting multi-aperture plate system being arranged in the beam path between the pre-multi-lens array and the multi-lens array and designed to be insertable into the beam path.
  • a beam-current-limiting multi-aperture plate system comprising a beam-current-limiting multi-aperture plate with a plurality of openings
  • the beam-current-limiting multi-aperture plate system being arranged in the beam path between the pre-multi-lens array and the multi-lens array and designed to be insertable into the beam path.
  • Sufficient installation space is available between the pre-multi-lens array and the multi-lens array to arrange a variably usable multi-aperture plate system. It can be pushed in using a mechanical actuator.
  • the beam-current-limiting multi-aperture plate system serves to further limit the beam current that reaches the pre-multi-aperture plate and the subsequent particle optics. Because the multi-aperture plate system, which limits the jet flow, can be pushed in, great flexibility and variability can be achieved here.
  • the jet flow-limiting multi-aperture plate system can have precisely one jet-flow-limiting multi-aperture plate, but the multi-aperture plate system can also have two or more jet-flow-limiting multi-aperture plates. A positioning accuracy of a beam-current-limiting multi-aperture plate in the range of approximately one micrometer can be achieved mechanically.
  • the multi-aperture plate system which limits the jet current it is possible to vary or reduce the current strength by up to a further factor of 10. However, the diffraction error with small apertures and the lens error with large apertures would reduce the achievable resolution over the current variation range.
  • the invention enables the resolution variation to be minimized and the resolution to be optimized.
  • a multi-aperture plate that limits the beam current can also be permanently arranged between the pre-multi-lens array and the multi-lens array. This is preferably at ground potential.
  • the openings of the at least one jet-flow-limiting multi-aperture plate are circular and / or annular. Compared to circular openings, circular openings have the advantage that the numerical aperture does not change or does not become smaller. Strictly speaking, a central maximum in the diffraction pattern of a circular opening is even narrower than the diffraction pattern of a conventional circular opening, although higher secondary maxima arise in the case of an annular opening.
  • An aperture can also have several annular rings, possibly in addition to a central smaller circular opening.
  • the jet-flow-limiting multi-aperture plate system has two multi-aperture plates, which can be displaced essentially parallel to one another, each with a large number of openings, so that an effective multi-aperture plate opening size can be set for the individual particle beams passing through the jet-flow-limiting multi-aperture plate system.
  • the openings of the two multi-aperture plates which can be displaced relative to one another are essentially identical in size and have essentially the same geometric shape.
  • the size of a resulting multi-aperture plate opening can be easily adjusted when the two multi-aperture plates are pushed one over the other or relatively opposite one another, and it is possible to select the relative movement so that the shape of the resulting multi-aperture plate opening does not change.
  • the provision of identical openings facilitates the manufacture of the multi-aperture plates.
  • the openings of the multi-aperture plates which can be displaced relative to one another are circular or square.
  • the plates can be shifted relative to one another within the XY plane if Z denotes the central optical axis of the system.
  • the resulting multi-aperture plate opening can then have the same shape as the respective openings of the multi-aperture plates, namely also be square. If a shifting process is carried out differently, the resulting opening can represent a rectangle or even a triangle (rotation of the plates against each other), but this is not advantageous.
  • the effective multi-aperture plate opening is what is known as a delta circle, which is approximately elliptical. Because of the essentially elliptical resulting individual particle beam, there is then a further course of the beam path Multi-stigmator advantageous in order to correct the astigmatism resulting from the elliptical beam profile.
  • the beam-current-limiting multi-aperture plate system has two or more multi-aperture plates arranged sequentially in the beam path, each with a large number of openings, with two deflectors being arranged and controllable between the two multi-aperture plates in such a way that essentially a parallel offset of individual particle beams to the optical axis Enforcement of the multi-aperture plate system can be achieved.
  • the two multi-aperture plates are preferably structurally identical and their openings are, in particular, exactly one above the other in the Z direction or beam flow direction. If the two deflectors are switched off, a particle beam then passes through the two multi-aperture plates essentially undisturbed, i.e.
  • the particle beam system furthermore has the following:
  • An intermediate image plane which is arranged in the direction of the beam path after the multi-lens array and in which real foci of the individual particle beams are formed which are spaced apart from one another with a pitch 1;
  • a field lens system which is arranged in the direction of the beam path after the intermediate image plane;
  • an objective lens in particular magnetic, arranged in the direction of the beam path after the field lens system;
  • the particle beam system according to the invention can therefore be combined with the other components of already known multiple particle beam systems and in particular with known multiple particle microscopes. It is preferred that the control of the particle beam system according to the invention is set up to control the particle-optical components of the particle beam system in such a way that the pitch 2 can be set in the object plane and, in particular, can be kept constant with different beam currents of the individual particle beams. For such a setting, the particle beam system according to the invention requires sufficient degrees of freedom or particle-optical components that can be varied independently of one another.
  • the beam spacing or pitch of the grid arrangement of the large number of individual particle beams is in principle fixedly predetermined over the selected multi-aperture plates.
  • the pitch and the numerical aperture are coupled to one another and cannot be changed independently of one another. If a large number of individual particle beams are imaged by a common optical system, the change in a numerical aperture always inevitably leads to a change in the pitch, which is undesirable. A change in the numerical aperture without a simultaneous change in the pitch is therefore not possible in ordinary multi-beam particle microscopes. Instead, a further particle-optical component is required for such adjustments, which brings an additional degree of freedom into the system. This can be an additional field lens, for example.
  • a conventional multi-beam particle microscope with a field lens system consisting of three field lenses can be supplemented, for example, with a fourth field lens outside the field lens system. It is important here to provide an additional global lens field for which the Helmholtz-Lagrange invariant is fulfilled.
  • the controller is set up to control the particle-optical components of the particle beam system in such a way that the numerical aperture in the object plane can be set and, in particular, the resolution of the image in the object plane can be optimized for a given beam current strength.
  • the control is preferably configured to control the particle-optical components in such a way that other parameters of the particle-optical imaging such as focus, rotation and / or telecentricity can also be set in the object plane.
  • the control is preferably configured in such a way that the values of these other particle-optical parameters can be kept constant in the event of a change in the beam current strength and / or the numerical aperture in the object plane.
  • this relates to a use of a particle beam system as described above for adjusting the current strength of individual particle beams. Adjusting the current strength of the individual particle beams opens up a wide range of possibilities for varying other parameters of a particle-optical image and in particular it allows the operation of a particle beam system to be switched between low resolution on the one hand and high resolution on the other hand, since the resolution is very dependent on the beam current.
  • this relates to the use of the particle beam system as described above for setting a particularly optimal resolution in an object plane.
  • the beam current, the numerical aperture, the distance between the individual particle beams in the object plane and the image scale of the image of the source are closely related.
  • the use of the particle beam system according to the invention offers particularly good flexibility and enables, in particular, an optimal resolution to be set even with a given beam current of the individual particle beams.
  • this relates to a multi-beam particle microscope with a particle beam system as described above.
  • the particle beam system according to the invention can thus be supplemented by the components of a multi-beam particle beam microscope known per se, including in particular any known detection unit.
  • a multi-beam particle beam microscope known per se, including in particular any known detection unit.
  • Fig. 3 shows schematically the illumination of a micro-optics by means of a
  • Fig. 4 shows schematically an embodiment of the invention with convergent
  • FIG. 5 shows schematically the embodiment of the invention shown in FIG. 4 with divergent beam guidance according to the condenser lens system
  • Fig. 6 shows schematically a further embodiment of the invention with a
  • Fig. 7 shows schematically a further embodiment of the invention with a
  • FIG. 8 schematically shows the embodiment of the invention shown in FIG. 7 with an additional pre-additional electrode
  • FIG. 9 shows schematically a multi-aperture plate system with two or more multi-aperture plates which can be displaced relative to one another for the purpose of beam current variation
  • Fig. 10 shows schematically a multi-aperture plate system with two sequentially
  • the particle beam system 1 is a schematic representation of a particle beam system 1 in the form of a multi-beam particle microscope 1 which uses a plurality of particle beams.
  • the particle beam system 1 generates a large number of particle beams which strike an object to be examined in order to generate interaction products there, for example secondary electrons, which emanate from the object and are subsequently detected.
  • the particle beam system 1 is of the scanning electron microscope (SEM) type, which uses several primary particle beams 3 that impinge on a surface of the object 7 at several locations 5 and there generate several spatially separated electron beam spots or spots.
  • the object 7 to be examined can be of any type, for example a semiconductor wafer or a biological sample, and can comprise an arrangement of miniaturized elements or the like.
  • the surface of the object 7 is arranged in a first plane 101 (object plane) of an objective lens 102 of an objective lens system 100.
  • the enlarged section h of FIG. 1 shows a top view of the object plane 101 with a regular rectangular field 103 of impact locations 5 which are formed in the first plane 101.
  • the number of impact locations is 25, which form a 5 ⁇ 5 field 103.
  • the number 25 at points of impact is a number chosen for the sake of simplicity of representation. In practice, the number of rays, and thus the number of points of incidence, can be selected to be significantly larger, such as 20 ⁇ 30, 100 ⁇ 100 and the like.
  • the field 103 of points of incidence 5 is a substantially regular rectangular field with a constant distance Pi between adjacent points of incidence.
  • Exemplary values of the distance Pi are 1 micrometer, 10 micrometers and 40 micrometers.
  • a diameter of the beam spots formed in the first plane 101 can be small. Exemplary values for this diameter are 1 nanometer, 5 nanometers, 10 nanometers, 100 nanometers and 200 nanometers.
  • the focusing of the particle beams 3 to form the beam spots 5 is carried out by the objective lens system 100.
  • the primary particles hitting the object generate interaction products, for example secondary electrons, backscattered electrons or primary particles, which for other reasons have experienced a movement reversal, which originate from the surface of the object 7 or from the first plane 101.
  • the interaction products emanating from the surface of the object 7 are shaped into secondary particle beams 9 by the objective lens 102.
  • the particle beam system 1 provides a particle beam path 11 in order to feed the multiplicity of secondary particle beams 9 to a detector system 200.
  • the detector system 200 comprises particle optics with a projection lens 205 in order to direct the secondary particle beams 9 onto a particle multi-detector 209.
  • the detail l 2 in FIG. 1 shows a top view of the plane 21 1 in which individual detection areas of the particle multi-detector 209 are located, on which the secondary particle beams 9 impinge at locations 213.
  • the points of impact 213 lie in a field 217 at a regular distance P2 from one another.
  • Exemplary values of the distance P 2 are 10 micrometers, 100 micrometers and 200 micrometers.
  • the primary particle beams 3 are generated in a beam generating device 300 which comprises at least one particle source 301 (e.g. an electron source), at least one collimation lens 303, a multi-aperture arrangement 305 and a field lens 307, or a field lens system composed of several field lenses.
  • the particle source 301 generates a diverging particle beam 309 which is collimated or at least largely collimated by the collimation lens 303 in order to form a beam 31 1 which illuminates the multi-aperture arrangement 305.
  • the detail I3 in FIG. 1 shows a top view of the multi-aperture arrangement 305.
  • the multi-aperture arrangement 305 comprises a multi-aperture plate 313 which has a plurality of openings or apertures 315 formed therein. Center points 317 of the openings 315 are arranged in a field 319 which is imaged onto the field 103 which is formed by the beam spots 5 in the object plane 101.
  • a distance P3 of the center points 317 of the apertures 315 from one another can have exemplary values of 5 micrometers, 100 micrometers and 200 micrometers.
  • the diameters D of the apertures 315 are smaller as the distance P3 of the centers of the apertures. Exemplary values for the diameter D are 0.2 x P 3 , 0.4 x P3 and 0.8 x P 3 .
  • Particles of the illuminating particle beam 311 pass through the apertures 315 and form particle beams 3. Particles of the illuminating beam 311 which strike the plate 313 are intercepted by the latter and do not contribute to the formation of the particle beams 3.
  • the multi-aperture arrangement 305 focuses each of the particle beams 3 due to an applied electrostatic field in such a way that beam foci 323 are formed in a plane 325.
  • the beam foci 323 can be virtual.
  • a diameter of the beam foci 323 can be, for example, 10 nanometers, 100 nanometers and 1 micrometer.
  • the field lens 307 and the objective lens 102 provide first imaging particle optics in order to image the plane 325 in which the beam foci 323 are formed onto the first plane 101 so that a field 103 of incidence locations 5 or beam spots is created there. If a surface of the object 7 is arranged in the first plane, the beam spots are correspondingly formed on the object surface.
  • the objective lens 102 and the projection lens arrangement 205 provide second imaging particle optics in order to image the first plane 101 onto the detection plane 211.
  • the objective lens 102 is thus a lens which is part of both the first and the second particle optics, while the field lens 307 only belongs to the first particle optics and the projection lens 205 only to the second particle optics.
  • a beam splitter 400 is arranged in the beam path of the first particle optics between the multi-aperture arrangement 305 and the objective lens system 100.
  • the beam switch 400 is also part of the second optics in the beam path between the objective lens system 100 and the detector system 200.
  • the multiple particle beam system also has a computer system 10 which is designed both to control the individual optical particle components of the multiple particle beam system and to evaluate and analyze the signals obtained with the multiple detector 209.
  • the computer system 10 can be constructed from several individual computers or components. It can also contain the control according to the invention.
  • the components of the particle beam system according to the invention can be integrated into this multitude of particle beam systems.
  • FIG. 2 schematically illustrates a current variation by means of condenser lenses according to the prior art.
  • a section from a particle beam system such as a multi-beam particle microscope is shown.
  • the system includes a particle source 301 which generates a diverging particle beam 309. This then hits a condenser lens system with two condenser lenses 330 and 331, which in the example shown are each magnetic condenser lenses.
  • the condenser lenses 330, 331 are indicated in Figure 2 by ellipses.
  • a wide ellipse means strong excitation of the magnetic lens, while a narrow ellipse means little or no excitation of the corresponding condenser lens.
  • the two condenser lenses 330 and 331 form the condenser lens system or collimation lens system 303, which was also shown in FIG. 1.
  • the illuminating particle beam 31 1 which hits the further particle-optical components and in particular the micro-optics after passing through the collimation lens system 303, is collimated.
  • the illuminating particle beam 311 first strikes a pre-multi-aperture plate 380, which serves to limit the current and which, when penetrated, form individual particle beams 3.
  • the individual particle beams 3 formed in this way then penetrate the other components of the micro-optics, here two micro-optic correctors 353 and 354 are shown as an example, which in the example shown are arranged in front of the heart of the micro-optics, namely the multi-aperture plate 351 and its counter-electrode 352.
  • the electric field varies as it passes through the multi-aperture plate 351 and the individual particle beams 3 are more or less strongly focused and torn apart.
  • the focused individual particle beams 3 then strike a field lens system 307, which is indicated in the example shown by a single field lens.
  • a control ensures that the condenser lens system with the condenser lenses 330 and 331 can be controlled in different ways. At this time, the condenser lenses 330 and 331 become different very excited.
  • the illuminating particle beam 31 1 is widened to a greater or lesser extent, which is indicated in FIG. 2 by the broad double arrows.
  • the characteristic of the actual particle source 301 is assumed to be unchangeable. This means that the total number of charged particles emitted by the particle source or the associated particle flow per unit of time is assumed to be constant. The different expansion of the illuminating particle beam 31 1 thus changes the beam current density, that is to say the number of charged particles per area and unit of time.
  • Fig. 2c) shows an illumination of the micro-optics with a low beam current density :
  • the first condenser lens 330 is practically not excited, whereas the second condenser lens 331 is very strongly excited.
  • the result is a greatly expanded illuminating particle beam 31 1 which strikes identical apertures in the pre-multi-aperture plate 380 and downstream elements of the micro-optics.
  • the current strength of the individual particle beams according to the configuration in FIG. 2c) is thus reduced.
  • a zoom factor of approximately 4X can be achieved, which enables a beam current variation of approximately a factor of 15.
  • the aperture diameter in the micro-optics here e.g. the aperture diameter of the pre-multi-aperture plate 380, in order to achieve lower beam currents.
  • the disadvantage of this is that the numerical aperture is also reduced and the resolution therefore deteriorates due to diffraction effects.
  • the particle source 301 there are also possible variations: If a smaller particle source is used, lower currents can generally be achieved. However, the exchange of the particle source (“tip”) requires service times, which are undesirable. Another starting point is the variation of the extractor potential, whereby a beam current variation by a factor of around 2 is possible. A variation in the extractor potential, however, leads to disadvantageous drifts in the beam current strength.
  • FIG. 3 shows schematically the illumination of a micro-optics 399 by means of a condenser lens system 303 according to the prior art:
  • the beam paths of the illuminating particle beam 311 and the individual particle beams 3 can be seen more clearly in FIG.
  • the illuminating particle beam 311 is in several trajectories shown. Parts of the illuminating particle beam 311 pass through the pre-multi-aperture plate 380, which in the example shown forms the first component of the micro-optics 399.
  • the portions of the illuminating particle beam 311 hit the pre-multi-aperture plate 380 telecentrically, which simplifies the subsequent penetration of the remaining particle-optical components of the micro-optics 399 and other components of the overall system (not shown).
  • the present invention enables the respective optimum of beam current and numerical aperture to be set independently and over large value ranges for optimum resolution, in particular in a simple manner and without making structural changes to the particle beam system.
  • the column height does not need to be changed significantly.
  • the present invention enables the jet current strength of each individual jet to be varied by more than a factor of 15, preferably more than a factor of 25, without having to lengthen the column height.
  • the beam current strength of each individual beam can be varied by more than a factor of 50, for example a factor of 100.
  • FIG. 4 now schematically shows an embodiment of the invention with convergent beam guidance according to the condenser lens system with the magnetic condenser lenses 330 and 331.
  • the illuminating beam 311a is convergent and a portion of charged particles arising from the same solid angle of the particle source 301 becomes, so to speak compressed, so that the beam current strength of a single particle beam formed from this solid angle increases.
  • the stronger the convergence the greater the beam current density.
  • pre-counter electrode 362 between the condenser lens 331 and the pre-multi-aperture plate 380, 361.
  • a control (not shown) is set up to supply adjustable voltages to the condenser lens system 330, 331 and the pre-counter electrode 362, that the charged particles telecentrically onto the pre-multi-aperture plate 361 can hit.
  • this telecentricity condition can be seen from the central individual particle beam or the associated beam trajectories.
  • the trajectories of the particle beams when they strike the pre-multi-aperture plate 361 are parallel.
  • the telecentric condition is also fulfilled outside the optical axis (eg upper trajectory), but this cannot be seen in the drawing because of the simplified schematic representation.
  • the desired effect of the telecentric impact is achieved in the present case by a combination of the global lens field, which is generated by the pre-counter electrode 362, with the local lens field of the pre-multi-aperture plate 361. Overall, this results in a focusing effect which is added to the focusing effect of the system combination of multi-lens array 351 and counter-electrode 352. In this way, the focal length of the micro-optics is also shortened, that is to say in FIG. 4 the foci 323 move further to the left in the direction of the optical axis Z.
  • the multi-lens array 350 and the pre-multi-lens array 360 according to the invention are constructed as mirror images of one another in FIG.
  • a combination or targeted control of the pre-multi-lens array 360 in combination with a correspondingly selected control of the condenser lens system 330, 331 enables the beam current strength to be set.
  • the beam current strength of the individual beams is increased, so that in addition to the increase in the beam current strength shown in Figure 2a by varying the condenser lenses 330, 331, a further increase in the beam current strength is achieved without the overall length of the condenser lens system or the column length to increase.
  • FIG. 4 illustrates an average beam current density with convergent radiation 31 1 a
  • FIG. 5 shows a small beam current density with divergent beam guidance 31 1 b.
  • the illustration in FIG. 5 is very schematic in such a way that both condenser lenses 330, 331 are only very weakly excited, so that in the simplified sketched illustration the divergent particle beam 309 is practically not deflected.
  • the divergent illuminating particle beam 311b passes through the pre-counterelectrode 362.
  • a different electrical potential is now applied to this pre-counterelectrode 362, so that, as a result of the selected settings, the particle beams again have a telecentric impingement on the pre -Multi-aperture plate 361 is reached.
  • the beam current recorded for each individual particle beam 3 is smaller.
  • the targeted control of the condenser lens system and in particular the condenser lens 331 in combination with A specially selected control of the pre-counterelectrode 362 thus also allows an individual setting of the beam current here, which in turn enables the targeted improvement of the resolution of the overall system.
  • the beam current strength of the individual beams is reduced, so that in addition with the lowering of the beam current strength shown in FIG. 2c by varying the condenser lenses 330, 331, a further reduction in the beam current strength is achieved without the overall length of the condenser lens system or the column length to increase.
  • a voltage of -30 kV is typically present at the emitter 301, provided that the emitter emits electrons.
  • the associated extractor 302 typically has 3 to 7 kV.
  • the micro-optics themselves are usually at earth potential, i.e. 0 kV.
  • the pre-counter electrode according to the invention is typically operated in the range of approximately + - 12 to + - 20 kV. This is therefore of the same order of magnitude as the voltage supply to the counter electrode 352 of the multi-lens array 350. Other voltage values are possible.
  • a controller is set up to supply adjustable voltages to the particle-optical components. For this purpose, it is particularly possible that charged particles can strike the pre-multi-aperture plate 361 telecentrically.
  • This control can be a central control which also controls the particle beam system as a whole, for example the controller or the computer system 10 which is shown in FIG. 1 of this patent application. It is possible that certain values for the control of the particle-optical components are stored in a look-up table.
  • the condenser lens system comprises a magnetic condenser lens 330 and an electrostatic condenser lens 332b arranged downstream. Their excitation is indicated by the double arrow.
  • a booster potential by means of the booster electrode 332 is applied between the two condenser lenses 330 and 332b.
  • the pre-multi-lens array 360 according to the invention with the pre-counterelectrode 362 and the pre-multi-aperture plate 361 is again arranged in the beam path after the electrostatic condenser lens 332b. With the electric field of the pre-counter electrode 362, the focal length of the pre-multi-lens Arrays 360 are set.
  • a variable electrostatic lens is formed which functions as a lower condenser lens 332b.
  • the beam current can be set with the corresponding condenser lenses 330 and 332b and the telecentric lighting condition can be established .
  • Fig. 8 schematically shows the embodiment of the invention shown in Fig. 7, supplemented by a pre-additional electrode 363.
  • This pre-additional electrode 363 can be used, for example, to correct a curvature of the field.
  • the electric field E changes with different settings of the pre-additional electrode 363, which leads to a focal length variation between the beams and thus to a "negative" field curvature of the beam array.
  • the telecentric condition of incidence on the pre-multi-aperture plate 361 can nevertheless be achieved by appropriate control of the condenser lens system 330, 332a and the pre-counterelectrode 362, the greater the effect on the resulting field curvature.
  • FIG. 9 shows schematically a multi-aperture plate system with two or more multi-aperture plates 386, 387 which can be displaced relative to one another for the purpose of beam current variation.
  • the multi-aperture plate system is designed to be slidable into the beam path, which already results from the fact that at least one of the multi-aperture plates 386, 387 is displaceable relative to the particle beam system or the particle beam generated therein.
  • a so-called slide-in aperture 399 can be arranged, for example, as shown in FIG.
  • the slide-in, beam-current-limiting multi-aperture plate system 385 is located between the pre-multi-lens array 360 and the multi-lens array 350 and thus between the pre - Multi-aperture plate 361 and the multi-aperture plate 351, preferably in front of the micro-optic correctors 354, 353 behind the pre-multi-aperture plate 361, but outside the multi-lens fields 398.
  • the relative displacement of the two multi-aperture plates 386 and 387 to one another can be achieved by appropriate mechanics and actuators, for example piezo actuators can be achieved.
  • the accuracy of the positioning of the multi-aperture plates 386, 387 is in the range of approximately one micrometer.
  • Fig. 9 is a side view at relative to each other offset multi-aperture plates 386 and 387 show how the illuminating beam 311 results in a single particle beam 3 of a defined diameter. The further the two plates 386, 387 are displaced relative to one another, the narrower the diameter of the individual particle beam 3 and the lower the current strength in the individual particle beam 3.
  • the openings of the multi-aperture plates 386, 387 which can be displaced relative to one another, can be essentially of the same size and have essentially the same geometric shape.
  • Figures 9b) and 9c) show two examples. According to FIG. 9b), the openings 386 387a are each round or circular. A so-called circle-delta 388 results, shifted relative to one another. This circle-delta can be approximated by an elliptical shape, which is why such a realization is preferably combined with a multistigmator in order to obtain circular beam cross-sections again.
  • the variant embodiment according to FIG. 9c) shows square openings 386a and 387a. The resulting opening 388 can also be square in this case, provided that the offset of the two multi-aperture plates 486 and 387 is selected and scaled accordingly.
  • FIG. 10 schematically shows a multi-aperture plate system with two sequentially arranged multi-aperture plates 390, 391 and a deflector system located between them for varying the beam current.
  • a double deflector is shown with the individual deflectors 392 and 393. These allow a parallel offset of the illuminating beam 311 impinging on the multi-aperture plate 393. If the deflector system 392, 393 is off and the two multi-aperture plates 390 and 391 are aligned accordingly, ie their respective openings are the same size and are centered on top of one another, the entire beam 311 passes through the multi-aperture plate system and a single particle beam 3 with a maximum particle beam diameter results.
  • the deflectors 392, 393 are switched on, the parallel offset of the particle beams takes place and the offset particle beam partially strikes the second multi-aperture plate 391 and only partially penetrates it. The result is a single particle beam 3 with a reduced diameter and an overall reduced current strength.
  • the variation of the single beam current intensity takes place via the variation of the excitation of the condenser lenses, as shown in FIGS. 2a to 2c, together with the variation of the openings of the multi-aperture plates 386 and 387 or two sequentially arranged multi-aperture plates 390, 391 and a deflector system located in between Beam current variation and a single beam current variation by a factor of more than 20, for example a factor 30 or a factor 50, is achieved without the column length of the Increase multi-beam particle microscope.
  • the individual beam current intensity is varied via the variation in the excitation of the condenser lenses, as shown in FIGS.
  • Fig. 11 shows schematically different apertures for beam current variation, which can be used, for example, in the described beam current-limiting multi-aperture plate system.
  • 1 1a) initially shows a circular beam cross section 710. If the beam current strength is reduced by means of an aperture, this can be done according to FIG. 11a) by means of a circular opening.
  • the current limitation in the case of the smaller aperture 711 reduces the individual beam aperture, which leads to a reduced resolution.
  • the arrangement from FIG. 11 b) offers a better solution:
  • the current is limited with the same maximum opening diameter through the annular aperture 712.
  • the central shading diaphragm is held by fine, mechanical connections. The lateral resolution is retained when using the annular aperture.
  • 11c shows an aperture with two annular apertures.
  • the central shading screen and the annular screen are in turn held by webs 115.
  • the aperture shown is also referred to as a Toraldo filter. It achieves a diffraction maximum similar to that of an annular opening, but less high secondary maxima compared with a single annular aperture.
  • annular apertures in particular a system of at least two annular apertures arranged one inside the other, enables a further reduction of the individual beam currents with constant numerical aperture and thus constant resolution, without increasing the column length of the multi-beam particle microscope.
  • a constant resolution can in particular be ensured by digital image processing downstream of the imaging, for example a deconvolution operation of the obtained raw image data with the convolution core according to the diffraction image of the annular apertures, in particular the system of at least two annular apertures arranged one inside the other.
  • 12 shows, schematically and in a greatly simplified manner, a multi-beam particle microscope 1 with particle-optical components for setting an optimal resolution.
  • the pre-multi-lens array 360 comprises the pre-counter electrode 362 and the pre-multi-aperture plate 361.
  • the multi-lens array 350 comprises the multi-aperture plate 351 and the counter-electrode 352.
  • the pre-counter-electrode 362 and the counter-electrode 352 are controlled via the controller (not shown) controlled and fed with corresponding potentials.
  • the current strength of the individual particle beams 3 can be varied, as described in more detail above, by means of appropriate control.
  • the focal length or the position of the foci 323, 323a in the intermediate image plane E1 is varied. This changes both the distance between the foci in the intermediate image plane E1 and - with appropriate control of the particle-optical components - the position of the plane E1 in relation to the optical axis Z of the system (not shown).
  • the foci 323, 323a in the intermediate image plane E1 can be understood as multiple images of the particle source 301.
  • the solid lines illustrate a particle beam 3, the dash-dotted line, however, a particle beam 3a with changed setting conditions of the counter electrode 352.
  • the changed focus position in the intermediate image plane E1 is indicated by the stars 323a - compared to the circles 323.
  • the intermediate image plane E1 there is a field lens system 307 consisting of three field lenses as well as a beam switch 400 and a particularly magnetic objective lens 102 here.
  • the charged individual particle beams 3 are thereby imaged particle-optically from the intermediate image plane E1 onto the object plane E2.
  • the numerical aperture of the individual particle beams when they strike the object plane E2 can be changed , whereby it is possible to keep the distance between the individual particle beams (pitch 2) in the object plane E2 constant.
  • This additional condition, keeping the pitch 2 constant in the object plane E2 can be achieved by the Provide an additional field lens 370, which is arranged in the example shown between the intermediate image plane E1 and the field lens system 307 consisting of three field lenses.
  • the other particle-optical parameters such as focus, rotation and / or telecentricity in the object plane can also be kept constant.
  • the secondary particle beams 9 released from a sample 7 then pass through a projection lens 205, a diaphragm 210 and finally hit a particle multi-detector 209.
  • the multi-beam particle microscope 1 shown allows a comprehensive improvement and, if necessary, optimization of the resolution in the particle-optical imaging due to two additional global particle-optical components.
  • a specific control of the condenser lens system 303 in combination with a specific control of the pre-counter electrode 362 enables a specific setting of the current strength of the individual particle beams.
  • the telecentricity condition, which is advantageous and possibly required for the subsequent particle-optical imaging, when it hits the micro-optics or, here in simplified form, the pre-multi-aperture plate 361 can be achieved.
  • a targeted control of the counter electrode 352 in combination with the additional field lens 370 enables a change in the numerical aperture in the object plane E2 without changing the pitch 2 in the object plane.
  • the additional field lens 370 thus represents a particle-optical variation component and brings the additional degree of freedom into the system in order to enable this detailed adjustment.
  • the targeted control of the counterelectrode 352 in combination with the additional field lens 370 enables at least an approximately constant keeping of the numerical aperture of the individual beams in combination with the variation of the openings of the multi-aperture plates 386 and 387 according to one of the exemplary embodiments according to FIG. 9 or two sequentially arranged Multi-aperture plates 390, 391 and a deflector system located between them according to the exemplary embodiment according to FIG or even 100, the column length of the multi-beam particle microscope being constant and less than 1.5 m, preferably less than 1 m, and the resolution of each individual beam remaining approximately constant when the beam current strength changes. It is possible to combine the multi-beam particle microscope shown with other particle-optical components. In this respect, the embodiment shown is only to be understood as an example.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Teilchenstrahlsystem und insbesondere auf ein Mehrstrahl-Teilchenmikroskop, bei dem eine Stromstärke von Einzel-Teilchenstrahlen ohne bauliche Veränderungen flexibel und über große Wertebereiche eingestellt werden kann. Das erfindungsgemäße Teilchenstrahlsystem umfasst dabei ein Kondensorlinsensystem, ein Prä-Multi-Linsen-Array mit einer speziellen Prä-Gegenelektrode und einer Prä-Multiaperturplatte sowie ein Multi-Linsen-Array. Das System umfasst eine Steuerung, die eingerichtet ist, dem Kondensorlinsensystem und der Prä-Gegenelektrode einstellbare Erregungen derart zuzuführen, dass die geladenen Teilchen telezentrisch auf die Prä-Multiaperturplatte auftreffen können.

Description

Teilchenstrahlsystem und seine Verwendung zum flexiblen Einstellen der Stromstärke von Einzel-Teilchenstrahlen
Gebiet der Erfinduna
Die Erfindung betrifft Teilchenstrahl-Systeme, welche mit einer Vielzahl von Teilchenstrahlen arbeiten.
Stand der Technik
Mehrstrahl-Teilchenmikroskope können ebenso wie Einzelstrahl-Teilchenmikroskope dazu verwendet werden, Objekte auf einer mikroskopischen Skala zu analysieren. Bspw. können mittels dieser Teilchenmikroskope Bilder eines Objekts aufgenommen werden, welche eine Oberfläche des Objekts repräsentieren. Auf diese Weise kann bspw. die Struktur der Oberfläche analysiert werden. Während in einem Einzelstrahl-Teilchenmikroskop ein einziger Teilchenstrahl aus geladenen Teilchen wie bspw. Elektronen, Positronen, Myonen oder Ionen, dazu verwendet wird, das Objekt zu analysieren, wird in einem Mehrstrahl-Teilchenmikroskop eine Mehrzahl von Teilchenstrahlen dazu verwendet. Die Mehrzahl der Teilchenstrahlen, welche auch als Bündel bezeichnet wird, wird gleichzeitig auf die Oberfläche des Objekts gerichtet, wodurch verglichen mit einem Einzelstrahl-Teilchenmikroskop eine deutlich größere Fläche der Oberfläche des Objekts während eines gleichen Zeitraums abgetastet und analysiert werden kann.
Aus der WO 2005/ 024 881 A2 ist ein Vielzahl-Teilchenstrahlsystem in Form eines Elektronenmikroskopiesystems bekannt, welches mit einer Vielzahl von Elektronenstrahlen arbeitet, um ein zu untersuchendes Objekt mit einem Bündel von Elektronenstrahlen parallel abzurastern. Das Bündel von Elektronenstrahlen wird erzeugt, indem ein von einer Elektronenquelle erzeugter Elektronenstrahl auf eine Multiaperturplatte gerichtet wird, welche eine Vielzahl von Öffnungen aufweist. Ein Teil der Elektronen des Elektronenstrahls trifft auf die Multiaperturplatte und wird dort absorbiert, und ein anderer Teil des Stahls durchsetzt die Öffnungen der Multiaperturplatte, so dass im Strahlengang hinter einer jeden Öffnung ein Elektronenstrahl geformt wird, dessen Querschnitt durch den Querschnitt der Öffnung definiert ist. Weiterhin führen geeignet gewählte elektrische Felder, welche im Strahlengang vor und/ oder hinter der Multiaperturplatte bereitgestellt sind, dazu, dass eine jede Öffnung in der Multiaperturplate als eine Linse auf den die Öffnung durchsetzenden Elektronenstahl wirkt, so dass die Elektronenstrahlen in einer Ebene fokussiert werden, welche in einem Abstand von der Multiaperturplate liegt. Die Ebene, in der die Foki der Elektronenstrahlen gebildet werden, wird durch eine nachfolgende Optik auf die Oberfläche des zu untersuchenden Objekts abgebildet, so dass die einzelnen Elektronenstrahlen als Primärstrahlen fokussiert auf das Objekt treffen. Dort erzeugen sie von dem Objekt ausgehende Wechselwirkungsprodukte wie Rückstreuelektronen oder Sekundärelektronen, welche zu Sekundärstrahlen geformt und von einer weiteren Optik auf einen Detektor gerichtet werden. Dort trifft ein jeder der Sekundärstrahlen auf ein separates Detektorelement, so dass die mit diesem detektierten Elektronenintensitäten Informationen zu dem Objekt an dem Ort bereitstellen, an dem der entsprechende Primärstrahl auf das Objekt trifft. Das Bündel von Primärstrahlen wird systematisch über die Oberfläche des Objekts gescannt, um in der für Rasterelektronenmikroskope üblichen Weise ein elektronenmikroskopisches Bild des Objekts zu erzeugen.
Bei dem beschriebenen Vielzahl-Teilchenstrahlsystem ist eine hohe Auflösung bei der teilchenoptischen Abbildung in der Praxis von hoher Relevanz. Die Auflösung hängt ab von der numerischen Apertur in der Objektebene sowie vom Strahlstrom der Einzel- Teilchenstrahlen. Grundsätzlich gilt für eine aberrationsfreie Optik aufgrund der Beugung: Je größer die numerische Apertur in der Objektebene, desto besser die Auflösung, da dann ein kleinerer Beleuchtungsfleck in der Objektebene erzielt werden kann. Je kleiner der Strahlstrom eines Einzel-Teilchenstrahles ist, desto besser ist die Auflösung. Dabei hängen die Werte der numerischen Apertur und des Strahlstromes der Einzel-Teilchenstrahlen eng miteinander zusammen bzw. sind über den Abbildungsmaßstab miteinander verknüpft. Zusätzliche Einflussfaktoren auf die Auflösung sind Aberrationen, wobei diese Beiträge auf unterschiedliche Weise von der numerischen Apertur abhängig sind. Bei gegebenem Arbeitspunkt, insbesondere bei vorgegebenem Strahlstrom, und bei festgelegten Systemparametern (z.B. Aberrationskoeffizienten, Vergrößerung der Abbildung der Quelle, Strahlstrom) existiert jedenfalls ein Wert für die numerische Apertur an der Probe, für den die Fleckgröße der Einzel-Teilchenstrahlen auf dem Objekt minimal ist. Dabei wird die numerische Apertur typischerweise nur für einen Arbeitspunkt des Systems optimiert und auch hier kann es Vorkommen, dass die numerische Apertur für diesen einen Arbeitspunkt trotz aller Berechnungen nicht optimal ist.
Es ist deshalb wünschenswert, die numerische Apertur des Vielzahl-Teilchenstrahlsystems verändern zu können. Dies würde es erlauben, die Auflösung im Betrieb zu verbessern oder zu optimieren. Außerdem ist es wünschenswert, die Auflösung für einen vorgegebenen Arbeitspunkt und insbesondere für eine vorgegebene Strahlstromstärke zu verbessern bzw. zu optimieren oder auch umgekehrt für eine gewünschte Auflösung die Strahlstromstärke kontinuierlich und möglichst flexibel über große Wertebereiche einzustellen, möglichst ohne dabei bauliche Veränderungen am Vielzahl-Teilchenstrahlsystem vornehmen zu müssen.
Beschreibuna der Erfinduna
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Teilchenstrahlsystem bereitzustellen, das es erlaubt, das jeweilige Optimum von Strahlstrom und numerischer Apertur für eine optimale Auflösung unabhängig und über große Wertebereiche einzustellen, und zwar insbesondere auf einfache Weise und ohne konstruktive Veränderungen an dem Teilchenstrahlsystem vorzunehmen. Dabei soll es zwar möglich, aber nicht zwingend notwendig sein, andere teilchenoptische Parameter wie zum Beispiel den Abstand der Einzel- Teilchenstrahlen beim Auftreffen auf die Probe (der sog.„Pitch“) zu verändern.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
Die vorliegende Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer DE 10 2019 005 362.1 , deren Offenbarung vollumfänglich durch in Bezugnahme in diese Anmeldung mit aufgenommen wird.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf ein Teilchenstrahlsystem, das Folgendes aufweist:
mindestens eine Teilchenquelle, welche dazu konfiguriert ist, einen divergenten Strahl geladener Teilchen zu erzeugen;
ein Kondensorlinsensystem, das von dem Strahl geladener Teilchen durchsetzt wird; ein Prä-Multi-Linsen-Array, wobei das Prä-Multi-Linsen-Array eine Prä-Gegenelektrode mit einer zentralen Öffnung aufweist, die von dem Strahl geladener Teilchen durchsetzt wird, und wobei das Prä-Multi-Linsen-Array eine im Strahlengang nach der Prä-Gegenelektrode angeordnete Prä-Multiaperturplatte aufweist, die so angeordnet ist, dass die geladenen Teilchen die Prä-Multiaperturplatte in Form einer Vielzahl von geladenen Einzel- Teilchenstrahlen durchsetzen;
ein Multi-Linsen-Array, das im Strahlengang nach dem Prä-Multi-Linsen-Array angeordnet ist, wobei das Multi-Linsen-Array eine Multiaperturplatte mit einer Vielzahl von Öffnungen aufweist, die von den geladenen Einzel-Teilchenstrahlen zumindest teilweise durchsetzt werden, und wobei das Multi-Linsen-Array eine im Strahlengang nach der Multiaperturplatte angeordnete Gegenelektrode mit einer zentralen Öffnung aufweist, die von der Vielzahl der Einzel-Teilchenstrahlen im Wesentlichen durchsetzt wird; und
eine Steuerung, die eingerichtet ist, dem Kondensorlinsensystems und der Prä- Gegenelektrode einstellbare Erregungen derart zuzuführen, dass die geladenen Teilchen telezentrisch auf die Prä-Multiaperturplatte auftreffen können.
Bevorzugt ist die Steuerung konfiguriert, um die Stromstärke der Einzel-Teilchenstrahlen einzustellen.
Gemäß der Erfindung ist also eine Teilchenquelle vorgesehen, es können aber auch mehrere Teilchenquellen vorgesehen sein. Bei den geladenen Teilchen kann es sich z.B. um Elektronen, Positronen, Myonen oder Ionen oder andere geladene Partikel handeln. Bevorzugt handelt es sich um Elektronen, die z.B. mithilfe einer thermischen Feldemissionsquelle (TFE) erzeugt werden. Aber auch andere Teilchenquellen können Verwendung finden.
Das Kondensorlinsensystem kann eine, zwei oder mehr Kondensorlinsen aufweisen. Bevorzugt weist das Kondensorlinsensystem einen Doppelkondensor auf. Bevorzugt umfasst das Kondensorlinsensystem genau zwei Kondensorlinsen, besonders bevorzugt zwei magnetische Kondensorlinsen.
Im Rahmen dieser Patentanmeldung wird sprachlich durchgängig zwischen Multiaperturplatten einerseits und Multi-Linsen-Arrays andererseits unterschieden. Bei einer Multiaperturplatte handelt es sich um eine Platte mit einer Vielzahl von Öffnungen. Dabei ist es möglich, dass an diese Multiaperturplatte insgesamt eine Spannung angelegt wird. Dies kann der Fall sein, muss jedoch nicht der Fall sein. In jedem Fall liegen in einer Multiaperturplatte alle Öffnungen auf einem einheitlichen, global identischen elektrischen und magnetischen Potenzial. Ein Multi-Linsen-Array im Rahmen dieser Patentanmeldung weist eine Vielzahl im Wesentlichen parallel zu einander angeordneter Linsen auf, deren Brechkräfte variiert werden können. Die Linsenwirkung wird durch eine Kombination aus Multiaperturplatte und Gegenelektrode erzeugt und die Brechkraft der Linsen kann insbesondere durch unterschiedliche Erregungen der Gegenelektrode variiert werden.
Das Herzstück eines Teilchenstrahlsystems mit einer Vielzahl von Einzel-Teilchenstrahlen wird durch das Multi-Linsen-Array gebildet. Das Multi-Linsen-Array umfasst dabei eine Multiaperturplatte und eine Gegenelektrode. Spätestens beim Durchsetzen des Multi-Linsen- Arrays werden die Einzel-Teilchenstrahlen erzeugt und nach dem Multi-Linsen-Array jeweils fokussiert. Die dabei entstehenden Foki entsprechen dabei mehreren Bildern der Teilchenquelle und können im Folgenden als Ausgangspunkte bzw. virtuelles Multiquellen Array für die nachfolgenden teilchenoptischen Abbildungen angesehen werden. Die fokussierende Wirkung des Multi-Linsen-Arrays kommt dabei durch unterschiedliche elektrische Feldstärken vor und nach der Multiaperturplatte zustande, und die im Strahlengang nach der Multiaperturplatte angeordnete Gegenelektrode mit ihrer zentralen Öffnung sorgt des Weiteren dafür, dass die Einzel-Teilchenstrahlen auseinander gerissen werden bzw. die Foki der Einzel-Teilchenstrahlen weiter voneinander entfernt sind als die einzelnen Öffnungen der Multiaperturplatte. Dieser Sachverhalt ist im Prinzip aus dem Stand der Technik bekannt.
Bekannt ist des Weiteren das Anordnen einer Prä-Multiaperturplatte im Strahlengang bereits vor dem Multi-Linsen-Array, wobei diese Prä-Multiaperturplatte dann dazu dient, die Einzel- Teilchenstrahlen zu formen bzw. aus dem Strahl geladener Teilchen herauszuschneiden. Das Anordnen einer Prä-Multiaperturplatte vor dem Multi-Linsen-Array hat den Vorteil, dass die Multiaperturplatte des Multi-Linsen-Arrays nicht durch darauf auftreffende Teilchen aufgeladen wird; gleichwohl können Teilchenstrahlsysteme gemäß dem Stand der Technik auch ohne die angesprochene Prä-Multiaperturplatte funktionieren. Erfindungsgemäß ist jedoch eine Prä- Multiaperturplatte vorgesehen, die funktionaler Bestandteil des Prä-Multi-Linsen-Arrays ist.
Gemäß dem Stand der Technik wird nun die Stromstärke von Einzel-Teilchenstrahlen folgendermaßen eingestellt: Das Kondensorlinsensystem wird unterschiedlich erregt. Dabei ist es so, dass der ursprüngliche divergente Strahl geladener Teilchen durch das Kondensorlinsensystem kollimiert wird und dass diese kollimierten Strahlen auf das Multi- Linsen-Array bzw. eine eventuell davor angeordnete Prä-Multiaperturplatte auftreffen. Das Kondensorlinsensystem ist also streng genommen ein Kollimationslinsensystem. Dabei weist der Gesamtstrahl geladener Teilchen je nach Erregung des Kondensorlinsensystems einen unterschiedlichen Strahldurchmesser auf. Das bedeutet, dass der Strom bzw. die Strahlstromdichte, die auf einen Einzel-Teilchenstrahl entfällt über die Einstellungen des Kondensorlinsensystems variiert werden kann. Der Bereich, über den eine solche Variation der resultierenden Strahlstromdichte erfolgen kann, ist jedoch aus baulichen Gründen in einem Vielzahl-Teilchenstrahlsystem limitiert. Für eine stärkere Variation hin zu kleinen Strömen muss die Fokallänge des Kondensorlinsensystems deutlich erhöht werden, was innerhalb der bestehenden Systeme unmöglich und auch ansonsten mit gravierenden baulichen Maßnahmen (Deckenerhöhungen der Labore) verbunden wäre. Hier setzt nun die vorliegende Erfindung an:
Zusätzlich zu dem an sich bekannten Kondensorlinsensystem und dem an sich bekannten Multi-Linsen-Array weist das erfindungsgemäße Teilchenstrahlsystem ein Prä-Multi-Linsen- Array auf, das folgendermaßen aufgebaut ist: Das Prä-Multi-Linsen-Array weist eine Prä- Gegenelektrode mit einer zentralen Öffnung auf, die von dem Strahl geladener Teilchen durchsetzt wird. Des Weiteren weist das Prä-Multi-Linsen-Array eine im Strahlengang nach der Prä-Gegenelektrode angeordnete Multiaperturplatte auf, die so angeordnet ist, dass die geladenen Teilchen, die Prä-Multiaperturplatte in Form einer Vielzahl von geladenen Einzel- Teilchenstrahlen durchsetzen. Bei dieser Prä-Multiaperturplatte kann es sich um eine bereits an sich bekannte/ vorhandene Prä-Multiaperturplatte handeln. Wichtig ist aber nun, dass die Prä-Gegenelektrode mit dem Prä-Multiaperturplatte zu dem Prä-Multi-Linsen-Array kombiniert wird und an der Prä-Gegenelektrode eine einstellbare Spannung angelegt werden kann. Auch das Prä-Multi-Linsen-Array hat in seiner Gesamtheit somit eine fokussierende Wirkung auf die es durchsetzenden geladenen Einzel-Teilchenstrahlen. Gleichzeitig entsteht im Bereich der Prä-Gegenelektrode ein globales Linsenfeld, das auf den Strahl geladener Teilchen, die das Kondensorlinsensystem durchsetzen, wirkt. Dadurch können die Einstrahlbedingungen des Kondensorlinsensystems über einen weiteren Bereich variiert werden, denn nach dem Durchsetzen des Kondensorlinsensystems muss der Strahl geladener Teilchen erfindungsgemäß noch nicht kollimiert sein. Stattdessen ist es möglich, dass der geladene Teilchenstrahl nach dem Durchsetzen des Kondensorlinsensystems konvergent oder divergent in das globale Linsenfeld der Prä-Gegenelektrode eintritt. Mittels der Steuerung, die dem Kondensorlinsensystem und der Prä-Gegenelektrode einstellbare Erregungen, also Spannungen und/ oder Ströme, zuführt, ist es möglich, diese Erregungen so zu wählen, dass die geladenen Teilchen beim Auftreffen auf die Prä-Multiaperturplatte die Telezentriebedingung erfüllen können. Das Erfüllen dieser Telezentriebedingung ist für die Qualität der teilchenoptischen Abbildung im weiteren Strahlengang durch das Teilchenstrahlsystem bevorzugt, da dies die Konstruktion der teilchenoptischen Komponenten erleichtert. Durch das Einstellen entsprechender Spannungen an dem Kondensorlinsensystem und an der Prä-Gegenelektrode kann der Strahlstrom der Einzel- Teilchenstrahlen ohne bauliche Veränderungen/ Verlängerungen der Säule variiert werden. Der dominante Effekt der erfindungsgemäßen Merkmalskombination ist dabei die Änderung der effektiven numerischen Apertur der Quelle zur Stromänderung. Entscheidend ist bei diesem Bild also, aus welchem Abstrahlwinkel/ Raumwinkel der Teilchenquelle jeweils ein Einzel-Teilchenstrahl seine geladenen Teilchen bezieht. Mittels des erfindungsgemäßen Teilchenstrahlsystems ist es also möglich, die Steuerung so zu konfigurieren, dass die Stromstärke der Einzel-Teilchenstrahlen über einen weiteren Bereich ohne bauliche Veränderungen am System einstellbar wird.
Die Öffnungen der Prä-Multiaperturplatte und der Multiaperturplatte des Multi-Linsen-Arrays können den gleichen Durchmesser aufweisen, es ist aber auch möglich, dass sie unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Dabei kann insbesondere der Durchmesser der Aperturen der Prä-Multiaperturplatte kleiner sein als der Durchmesser der Aperturen der Multiaperturplatte des Multi-Linsen-Arrays. Bevorzugt sind die Öffnungen der Prä- Multiaperturplatte und der Multiaperturplatte des Multi-Linsen-Arrays kreisförmig und die einzelnen Öffnungen sind insgesamt in einer hexagonalen Struktur angeordnet, aber auch andere Möglichkeiten der Anordnung sind möglich. Idealerweise ist die Anzahl der Öffnungen in der Prä-Multiaperturplatte und der Multiaperturplatte auf die Anzahl der Einzel- Teilchenstrahlen abgestimmt. Es ist vorteilhaft, wenn die Zahl der Teilchenstrahlen 3n(n-1 )+1 mit n einer beliebigen natürlichen Zahl, im Fall hexagonaler Anordnung beträgt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Teilchenstrahlsystem eine Mikrooptik auf, die das Multi-Linsen-Array umfasst. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Mikrooptik auch die Prä-Multiaperturplatte. Bei der Mikrooptik handelt es sich im Prinzip um eine Baugruppe von teilchenoptischen Elementen, die in der Mikrooptik zusammengefasst sind. Die Baugruppe kann dabei eine spezielle Halterung für die Baugruppe oder eine gemeinsame Fassung für die Baugruppe aufweisen. Dabei kann die Mikrooptik auch weitere teilchenoptischen Komponenten aufweisen. Beispiele hierfür sind z.B. Multistigmatoren oder weitere Multi-Linsen-Arrays, wobei die Linsenwirkungen der einzelnen Öffnungen von Multiaperturplatten ggf. auch individuell für jeden Einzel-Teilchenstrahl eingestellt werden können, z.B. zur individuellen Korrektur einer Fokallänge von Einzel- Teilchenstrahlen zur Korrektur einer eventuell vorhandenen Bildfeldwölbung. Auch andere Komponenten als die genannten können Bestandteil der Mikrooptik sein.
Die Prä-Gegenelektrode des Prä-Multi-Linsen-Arrays ist dem gegenüber normalerweise nicht Bestandteil der Mikrooptik als Baugruppe. Typische Abstände der einzelnen Elemente der Mikrooptik betragen etwa 50pm bis etwa 1 mm. Demgegenüber ist die Prä-Gegenelektrode von der Prä-Multiaperturplatte typischerweise weiter beabstandet; der Abstand A beträgt etwa 3mm < A < 30mm, bevorzugt 5mm < A < 20mm, zum Beispiel A = 6mm.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Mikrooptik eine Fassung auf, die auf Erdpotenzial liegt. Typischerweise liegen auch die Prä-Multiaperturplatte und die Multiaperturplatte des Multi-Linsen-Arrays auf Erdpotenzial. Demgegenüber liegen an der Gegenelektrode bzw. der Prä-Gegenelektrode Spannungen im Bereich von einigen Kilovolt an, z.B. +-12 kV, +-15 kV, +-16 kV oder +-20 kV.
Anstelle einer auf Erdpotenzial liegenden Fassung einer Mikrooptik kann das Teilchenstrahlsystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine Prä-Zusatzelektrode mit einer zentralen Öffnung aufweisen, die im Strahlengang nach der Prä-Gegenelektrode dicht vor der Prä-Multiaperturplatte angeordnet ist und der mittels der Steuerung eine einstellbare Spannung zuführbar ist. Dadurch ist es möglich, das globale Linsenfeld bzw. die dadurch hervorgerufene Fokussierung zu variieren und insgesamt weitere Variationsmöglichkeiten für die teilchenoptische Abbildung durch das Teilchenstrahlsystem bereitzustellen. Die Fokuslage der virtuellen Teilchenquellen sowie der Pitch der Einzel- Teilchenstrahlen im Zwischenbild kann dabei noch flexibler variiert werden. Außerdem ist es möglich, eine Bildfeldwölbung zu korrigieren.
In analoger Weise ist es zusätzlich oder alternativ möglich, dass das Teilchenstrahlsystem des Weiteren eine Post-Zusatzelektrode mit einer zentralen Öffnung aufweist, die im Strahlengang dicht nach der Multiaperturplatte und vor der Gegenelektrode angeordnet ist und der mittels der Steuerung eine einstellbare Spannung zuführbar ist.
Der gewählte Abstand der Prä-Zusatzelektrode zur Prä-Multiaperturplatte sowie der Abstand der Post-Zusatzelektrode zur Multiaperturplatte hat einen Einfluss drauf, wie stark durch die zusätzlichen Einstellmöglichkeiten durch an der Prä-Zusatzelektrode bzw. an der Post- Zusatzelektrode anliegende Erregungen bzw. Spannungen sind. Je geringer der Abstand ist, desto größer ist die Sensitivität bei Einstellungen insbesondere hinsichtlich einer Justage zur Bildfeldwölbungskorrektur und hinsichtlich Telezentrie. Bevorzugt wird deshalb zwischen der Prä-Zusatzelektrode und der Prä-Multiaperturplatte ein so geringer Abstand gewählt, wie er baulich noch realisierbar ist, d.h. etwa 50pm bis etwa 1 mm. Eine an der Prä-Zusatzelektrode anliegende Spannung kann dann zwischen etwa -1000V und +1000V betragen.
Die Post-Zusatzelektrode kann von der Multiaperturplatte etwas weiter entfernt sein als die Prä-Zusatzelektrode von der Prä-Multiaperturplatte. Die an der Post-Zusatzelektrode anliegende Spannung kann dann etwa als Mittelwert zwischen einer an der Gegenelektrode und Erdpotential gewählt werden. Dies hat den Vorteil, dass man im Wesentlichen die Korrektur einer Bildfeldwölbung über die Erregung der Prä-Zusatzelektrode einstellen kann und mit der Post-Zusatzelektrode den Pitch einstellen kann. Auch andere Anordnungen der Abstände und Erregungen und somit andere Einstellungsmöglichkeiten sind möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Kondensorlinsensystem zwei Kondensorlinsen auf. Bevorzugt sind beide Kondensorlinsen magnetische Kondensorlinsen. Alternativ weist das Kondensorlinsensystem genau eine magnetische Kondensorlinse und eine elektrostatische Kondensorlinse auf, wobei die elektrostatische Kondensorlinse im Strahlengang nach der magnetischen Kondensorlinse angeordnet ist, und wobei zwischen der magnetischen Kondensorlinse und der elektrostatischen Kondensorlinse eine Booster- Elektrode angeordnet ist, die von der Steuerung ansteuerbar ist und durch die die elektrostatische Kondensorlinse erregbar ist. In Kombination mit der Prä-Gegenelektrode und dem unteren Abschluss der Booster Elektrode wird eine variable elektrostatische Linse geformt, die als untere Kondensorlinse fungiert. Der obere Abschluss der Booster Elektrode oben formt zusammen mit der Kathode des Emitters und einer magnetischen Linse die Felder für die obere Kondensorlinse.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Teilchenstrahlsystem des Weiteren ein strahlstrombegrenzendes Multiaperturplattensystem umfassend eine strahlstrombegrenzende Multiaperturplatte mit einer Vielzahl von Öffnungen auf, wobei das strahlstrombegrenzende Multiaperturplattensystem im Strahlengang zwischen dem Prä- Multilinsenarray und dem Multilinsenarray angeordnet und in den Strahlengang einschiebbar ausgebildet ist. Zwischen dem Prä-Multi-Linsen-Array und dem Multi-Linsen-Array ist ausreichend Bauraum vorhanden, um ein variabel einsetzbares Multiaperturplattensystem anzuordnen. Die Einschiebbarkeit kann mithilfe eines mechanischen Aktuators realisiert werden. Das strahlstrombegrenzende Multiaperturplattensystem dient dabei dazu, den Strahlstrom, der die Prä-Multiaperturplatte und die nachfolgende Teilchenoptik erreicht, noch einmal zu limitieren. Durch die Einschiebbarkeit des strahlstrombegrenzenden Multiaperturplattensystems ist hier eine große Flexibilität bzw. Variabilität erreichbar. Dabei kann das strahlstrombegrenzende Multiaperturplattensystem genau eine strahlstrombegrenzende Multiaperturplatte aufweisen, das Multiaperturplattensystem kann aber auch zwei oder mehr strahlstrombegrenzende Multiaperturplatten aufweisen. Mechanisch lässt sich eine Positionierungsgenauigkeit einer strahlstrombegrenzenden Multiaperturplatte im Bereich von etwa einem Mikrometer erreichen. Mittels des strahlstrombegrenzenden Multiaperturplattensystems ist es möglich, die Stromstärke etwa bis zu einem weiteren Faktor 10 zu variieren bzw. zu reduzieren. Allerdings würden der Beugungsfehler bei kleinen Aperturen und die Linsenfehler bei großen Aperturen die erzielbare Auflösung über den Stromvariationsbereich reduzieren. Die Erfindung ermöglicht es, die Auflösungsvariation zu minimieren und die Auflösung zu optimieren.
Grundsätzlich kann zwischen dem Prä-Muli-Linsen-Array und dem Multi-Linsen-Array eine strahlstrombegrenzende Multiaperturplatte auch fest angeordnet sein. Diese liegt bevorzugt auf Erdpotential. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Öffnungen der mindestens einen strahlstrombegrenzenden Multiaperturplatte kreisförmig und/ oder kreisringförmig ausgebildet. Kreisringförmige Öffnungen haben verglichen mit kreisförmigen Öffnungen den Vorteil, dass sich die numerische Apertur hierbei nicht ändert bzw. nicht kleiner wird. Strenggenommen ist ein zentrales Maximum im Beugungsbild einer kreisringförmigen Öffnung sogar schmaler als das Beugungsbild einer konventionellen kreisförmigen Öffnung, allerdings entstehen bei einer anularen Öffnung höhere Nebenmaxima. Eine Apertur kann auch mehrere annulare Ringe, ggf. zusätzlich zu einer zentralen kleineren kreisförmigen Öffnung, aufweisen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das strahlstrombegrenzende Multiaperturplattensystem zwei relativ zueinander im Wesentlichen parallel verschiebbaren Multiaperturplatten mit jeweils einer Vielzahl von Öffnungen auf, so dass eine effektive Multiaperturplatten-Öffnungsgröße für die durch das strahlstrombegrenzende Multiaperturplattensystem hindurchtretenden Einzel-Teilchenstrahlen einstellbar ist. Dabei ist es bevorzugt so, dass die Öffnungen der beiden relativ zueinander verschiebbaren Multiaperturplatten im Wesentlichen identisch groß sind und im Wesentlichen dieselbe geometrische Form aufweisen. Dadurch ist beim Übereinandersschieben bzw. relativem Gegeneinanderverschieben der beiden Multiaperturplatten die Größe einer resultierenden Multiaperturplatten-Öffnung gut einstellbar und es ist möglich die Relativbewegung so zu wählen, dass sich die Form der resultierenden Multiaperturplatten-Öffnung dabei nicht ändert. Außerdem wird durch das Vorsehen von identischen Öffnungen die Fertigung der Multiaperturplatten erleichtert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Öffnungen der relativ zueinander verschiebbaren Multiaperturplatten kreisförmig oder quadratisch. Im Falle von quadratischen Aperturen können die Platten innerhalb der X-Y-Ebene gegeneinander verschoben werden, wenn Z die zentrale optische Achse des Systems bezeichnet. Die resultierende Multiaperturplatten-Öffnung kann dann dieselbe Form wie die jeweiligen Öffnungen der Multiaperturplatten aufweisen, nämlich ebenfalls quadratisch sein. Führt man einen Verschiebevorgang anders aus, so kann die resultierende Öffnung ein Rechteck oder sogar ein Dreieck darstellen (Verdrehung der Platten gegeneinander), was aber nicht vorteilhaft ist. Sind die Öffnungen der zwei relativ zueinander im Wesentlichen parallel verschiebbaren Multiaperturplatten kreisförmig, so entsteht als effektive Multiaperturplatten-Öffnung ein ein sog. Kreis-Zweieck, das annähernd elliptisch ist. Aufgrund des im Wesentlichen elliptischen resultierenden Einzel-Teilchenstrahles ist dann im weiteren Verlauf des Strahlengangs ein Multistigmator vorteilhaft, um den aus dem elliptischen Strahlprofil resultierenden Astigmatismus zu korrigieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das strahlstrombegrenzende Multiaperturplattensystem zwei oder mehr im Strahlengang sequenziell angeordnete Multiaperturplatten mit jeweils einer Vielzahl von Öffnungen auf, wobei zwischen den zwei Multiaperturplatten zwei Deflektoren derart angeordnet und ansteuerbar sind, dass im Wesentlichen ein Parallelversatz von Einzel-Teilchenstrahlen zur optischen Achse beim Durchsetzen des Multiaperturplattensystems erzielbar ist. Dabei sind die beiden Multiaperturplatten bevorzugt baugleich und ihre Öffnungen liegen in Z-Richtung bzw. Strahlstromrichtung insbesondere exakt übereinander. Sind die beiden Deflektoren ausgeschaltet, so tritt dann ein Teilchenstrahl durch die beiden Multiaperturplatten im Wesentlichen ungestört hindurch, d.h. im Wesentlichen alle Teilchen der Einzel- Teilchenstrahlen passieren die Sequenz der beiden Multiaperturplatten. Sind die beiden Deflektoren hingegen eingeschaltet, so ergibt sich aufgrund des Parallelenversatzes die Situation, dass Einzel-Teilchenstrahlen die im Strahlengang weiter unten angeordnete Multiaperturplatte nur noch teilweise durchsetzten. Teile der Einzel-Teilchenstrahlen treffen auf die im Strahlengang weiter unten angeordnete Multiaperturplatte auf und werden absorbiert bzw. stehen nicht mehr für die Einzel-Teilchenstrahlen im weiteren Verlauf zur Verfügung. Auch auf diese Weise lässt sich also die Stromstärke der Einzel-Teilchenstrahlen noch weiter variieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Teilchenstrahlsystem des Weiteren Folgendes auf:
- eine Zwischenbildebene, die in Richtung des Strahlenganges nach dem Muli-Linsen- Array angeordnet ist und in der reelle Foki der Einzel-Teilchenstrahlen gebildet sind, die voneinander mit einem Pitch 1 beanstandet sind;
- ein Feldlinsensystem, das in Richtung des Strahlenganges nach der Zwischenbildebene angeordnet ist;
- eine in Richtung des Strahlenganges nach dem Feldlinsensystem angeordnete insbesondere magnetische, Objektivlinse; und
- eine Objektebene, in die die Einzel-Teilchenstrahlen teilchenoptisch abgebildet werden und in der die Einzel-Teilchenstrahlen voneinander mit einem Pitch 2 beabstandet sind. Das erfindungsgemäße Teilchenstrahlsystem kann also mit den übrigen Komponenten von bereits bekannten Vielzahl-Teilchenstrahlsystemen und insbesondere mit bekannten Vielzahl-Teilchenmikroskopen kombiniert werden. Bevorzugt ist es so, dass die Steuerung des erfindungsgemäßen Teilchenstrahlsystems eingerichtet ist, die teilchenoptischen Komponenten des Teilchenstrahlsystems derart anzusteuern, dass der Pitch 2 in der Objektebene eingestellt und insbesondere bei verschiedenen Strahlstromstärken der Einzel-Teilchenstrahlen konstant gehalten werden kann. Für eine solche Einstellung benötigt das erfindungsgemäße Teilchenstrahlsystem genügend Freiheitsgrade bzw. teilchenoptische Komponenten, die unabhängig voneinander variiert werden können. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund von Bedeutung, dass bei Vielstrahl-Teilchenstrahlsystemen der Strahlabstand oder Pitch der Rasteranordnung der Vielzahl von Einzel-Teilchenstrahlen über die gewählten Multiaperturplatten im Prinzip fest vorgegeben ist. Der Pitch und die numerische Apertur sind dabei miteinander gekoppelt und können an sich nicht unabhängig voneinander verändert werden. Wird eine Vielzahl von Einzel-Teilchenstrahlen durch eine gemeinsame Optik abgebildet, so führt die Änderung einer numerischen Apertur zwangsläufig immer auch zu einer Änderung des Pitches, was unerwünscht ist. Eine Änderung der numerischen Apertur ohne gleichzeitige Änderung des Pitches ist daher in gewöhnlichen Vielstrahl-Teilchenmikroskopen so nicht möglich. Stattdessen wird für derartige Einstellungen eine weitere teilchenoptische Komponente benötigt, die einen zusätzlichen Freiheitsgrad in das System einbringt. Dies kann z.B. eine zusätzliche Feldlinse sein. Ein herkömmliches Vielstrahl-Teilchenmikroskop mit einem Feldlinsensystem, das aus drei Feldlinsen besteht, kann z.B. um eine vierte Feldlinse außerhalb des Feldlinsensystems ergänzt werden. Wichtig ist hierbei das Vorsehen eines zusätzlich globalen Linsenfeldes, für das die Helmholtz-Lagrange-Invariante erfüllt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerung eingerichtet, die teilchenoptischen Komponenten des Teilchenstrahlsystems derart anzusteuern, dass die numerische Apertur in der Objektebene einstellbar ist und insbesondere bei einer vorgegebenen Strahlstromstärke die Auflösung der Abbildung in der Objektebene optimierbar ist. Bevorzugt ist die Steuerung konfiguriert, die teilchenoptischen Komponenten so anzusteuern, dass andere Parameter der teilchenoptischen Abbildung wie Fokus, Rotation und/ oder Telezentrie in der Objektebene ebenfalls einstellbar sind. Bevorzugt ist die Steuerung so konfiguriert, dass die Werte dieser anderen teilchenoptischen Parameter bei einer Änderung der Strahlstromstärke und/ oder der numerischen Apertur in der Objektebene konstant gehalten werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf eine Verwendung eines Teilchenstrahlsystems wie oben beschrieben zum Einstellen der Stromstärke von Einzel- Teilchenstrahlen. Das Einstellen der Stromstärke der Einzel-Teilchenstrahlen eröffnet dabei vielfältige Möglichkeiten zur Variation anderer Parameter einer teilchenoptischen Abbildung und es erlaubt insbesondere den Betrieb eines Teilchenstrahlsystems umzustellen zwischen niedriger Auflösung einerseits und hoher Auflösung andererseits, da die Auflösung sehr stark vom Strahlstrom abhängig ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf die Verwendung des Teilchenstrahlsystems wie oben beschrieben zum Einstellen einer insbesondere optimalen Auflösung in einer Objektebene. Wie bereits mehrfach ausgeführt, hängen der Strahlstrom, die numerische Apertur, der Abstand der Einzel-Teilchenstrahlen in der Objektebene und der Abbildungsmaßstab der Abbildung der Quelle eng miteinander zusammen. Hier bietet die Verwendung des erfindungsgemäßen Teilchenstrahlsystems eine besonders gute Flexibilität und ermöglicht das Einstellen insbesondere einer optimalen Auflösung auch bei vorgegebenem Strahlstrom der Einzel-Teilchenstrahlen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf ein Vielstrahl- Teilchenmikroskop mit einem Teilchenstrahlsystem wie vorstehend beschrieben. Das erfindungsgemäße Teilchenstrahlsystem kann also um die an sich bekannten Komponenten eines Vielstrahl-Teilchenstrahlmikroskops ergänzt werden, dazu zählt insbesondere jede bekannte Detektionseinheit. Hinsichtlich der Details wird beispielsweise auf die bereits mehrfach zitierte WO 2015 024 881 A2 verwiesen.
Die Erfindung wird noch besser verstanden werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren:
Fig. 1 zeigt ein Mehrstrahl-Teilchenmikroskop in schematischer Darstellung;
Fig. 2 illustriert schematisch eine Stromvariation mittels Kondensorlinsen gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 3 zeigt schematisch die Beleuchtung einer Mikrooptik mittels eines
Kondensorlinsensystems gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 4 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Erfindung mit konvergenter
Strahlführung nach dem Kondensorlinsensystem;
Fig. 5 zeigt schematisch die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform der Erfindung mit divergenter Strahlführung nach dem Kondensorlinsensystem;
Fig. 6 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einem
strahlstrombegrenzenden Multiaperturplattensystem;
Fig. 7 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einer
elektrostatischen Kondensorlinse und Booster-Elektrode; Fig. 8 zeigt schematisch die in Fig. 7 gezeigte Ausführungsform der Erfindung mit zusätzlicher Prä-Zusatzelektrode;
Fig. 9 zeigt schematisch ein Multiaperturplattensystem mit zwei oder mehr relativ zueinander verschiebbaren Multiaperturplatten zur Strahlstromvariation;
Fig. 10 zeigt schematisch ein Multiaperturplattensystem mit zwei sequentiell
angeordneten Multiaperturplatten und einem dazwischen befindlichen
Deflektorsystem zur Strahlstromvariation;
Fig. 11 zeigt schematisch verschiedene Aperturen zur Strahlstromvariation; und
Fig. 12 zeigt schematisch ein Vielstrahl-Teilchenmikroskop mit teilchenoptischen
Komponenten zur Einstellung einer optimalen Auflösung.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Teilchenstrahlsystems 1 in Form eines Mehrstrahl-Teilchenmikroskops 1 , welches eine Vielzahl von Teilchenstrahlen einsetzt. Das Teilchenstrahlsystem 1 erzeugt eine Vielzahl von Teilchenstrahlen, welche auf ein zu untersuchendes Objekt treffen, um dort Wechselwirkungsprodukte, bspw. Sekundärelektronen, zu generieren, welche von dem Objekt ausgehen und nachfolgend detektiert werden. Das Teilchenstrahlsystem 1 ist vom Rasterelektronenmikroskop-Typ („scanning electron microscope“, SEM), welches mehrere primäre Teilchenstrahlen 3 einsetzt, die an mehreren Orten 5 auf eine Oberfläche des Objekts 7 auftreffen und dort mehrere räumlich voneinander getrennte Elektronenstrahlflecken oder Spots erzeugen. Das zu untersuchende Objekt 7 kann von einer beliebigen Art sein, bspw. ein Halbleiterwafer oder eine biologische Probe, und eine Anordnung miniaturisierter Elemente oder dergleichen umfassen. Die Oberfläche des Objekts 7 ist in einer ersten Ebene 101 (Objektebene) einer Objektivlinse 102 eines Objektivlinsensystems 100 angeordnet.
Der vergrößerte Ausschnitt h der Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf die Objektebene 101 mit einem regelmäßigen rechtwinkligen Feld 103 von Auftrefforten 5, welche in der ersten Ebene 101 gebildet werden. In Fig. 1 beträgt die Zahl der Auftrefforte 25, welche ein 5 x 5-Feld 103 bilden. Die Zahl 25 an Auftrefforten ist eine aus Gründen der vereinfachten Darstellung gewählte Zahl. In der Praxis kann die Zahl an Strahlen, und damit die Zahl der Auftrefforte, wesentlich größer gewählt werden, wie bspw. 20 x 30, 100 x 100 und dergleichen.
In der dargestellten Ausführungsform ist das Feld 103 von Auftrefforten 5 ein im Wesentlichen regelmäßiges rechtwinkliges Feld mit einem konstanten Abstand Pi zwischen benachbarten Auftrefforten. Beispielhafte Werte des Abstands Pi sind 1 Mikrometer, 10 Mikrometer und 40 Mikrometer. Es ist jedoch auch möglich, dass das Feld 103 andere Symmetrien aufweist, wie bspw. eine hexagonale Symmetrie. Ein Durchmesser der in der ersten Ebene 101 geformten Strahlflecken kann klein sein. Beispielhafte Werte dieses Durchmessers betragen 1 Nanometer, 5 Nanometer, 10 Nanometer, 100 Nanometer und 200 Nanometer. Das Fokussieren der Partikelstrahlen 3 zur Formung der Strahlflecken 5 erfolgt durch das Objektivlinsensystem 100.
Die auf das Objekt treffenden Primärteilchen generieren Wechselwirkungsprodukte bspw. Sekundärelektronen, Rückstreuelektronen oder Primärteilchen, die aus anderweitigen Gründen eine Bewegungsumkehr erfahren haben, welche von der Oberfläche des Objekts 7 oder von der ersten Ebene 101 ausgehen. Die von der Oberfläche des Objekts 7 ausgehenden Wechselwirkungsprodukte werden durch die Objektivlinse 102 zu sekundären Teilchenstrahlen 9 geformt. Das Teilchenstrahlsystem 1 stellt einen Teilchenstrahlengang 1 1 bereit, um die Vielzahl sekundärer Teilchenstrahlen 9 einem Detektorsystem 200 zuzuführen. Das Detektorsystem 200 umfasst eine Teilchenoptik mit einer Projektionslinse 205, um die sekundären Teilchenstrahlen 9 auf einen Teilchen-Multi-Detektor 209 zu richten.
Der Ausschnitt l2 in Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf die Ebene 21 1 , in welcher einzelne Detektionsbereiche des Teilchen-Multi-Detektors 209 liegen, auf welche die sekundären Teilchenstrahlen 9 an Orten 213 auftreffen. Die Auftrefforte 213 liegen in einem Feld 217 mit einem regelmäßigen Abstand P2 zueinander. Beispielhafte Werte des Abstands P2 sind 10 Mikrometer, 100 Mikrometer und 200 Mikrometer.
Die primären Teilchenstrahlen 3 werden in einer Strahlerzeugungsvorrichtung 300 erzeugt, welche wenigstens eine Teilchenquelle 301 (z.B. eine Elektronenquelle), wenigstens eine Kollimationslinse 303, eine Multiaperturanordnung 305 und eine Feldlinse 307, oder ein Feldlinsensystem aus mehreren Feldlinsen, umfasst. Die Teilchenquelle 301 erzeugt einen divergierenden Teilchenstrahl 309, welcher durch die Kollimationslinse 303 kollimiert oder zumindest weitgehend kollimiert wird, um einen Strahl 31 1 zu formen, welcher die Multiaperturanordnung 305 beleuchtet.
Der Ausschnitt I3 in Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf die Multiaperturanordnung 305. Die Multiaperturanordnung 305 umfasst eine Multiaperturplatte 313 welche eine Mehrzahl von darin ausgebildeten Öffnungen bzw. Aperturen 315 aufweist. Mittelpunkte 317 der Öffnungen 315 sind in einem Feld 319 angeordnet, welches auf das Feld 103 abgebildet wird, welches durch die Strahlflecken 5 in der Objektebene 101 gebildet wird. Ein Abstand P3 der Mittelpunkte 317 der Aperturen 315 voneinander kann beispielhafte Werte von 5 Mikrometer, 100 Mikrometer und 200 Mikrometer aufweisen. Die Durchmesser D der Aperturen 315 sind kleiner als der Abstand P3 der Mittelpunkte der Aperturen. Beispielhafte Werte der Durchmesser D sind 0,2 x P3, 0,4 x P3 und 0,8 x P3.
Teilchen des beleuchtenden Teilchenstrahles 311 durchsetzen die Aperturen 315 und bilden Teilchenstrahlen 3. Teilchen des beleuchtenden Strahles 311 , welche auf die Platte 313 treffen, werden durch diese abgefangen und tragen nicht zur Bildung der Teilchenstrahlen 3 bei.
Die Multiaperturanordnung 305 fokussiert aufgrund eines angelegten elektrostatischen Felds jeden der Teilchenstrahlen 3 derart, dass in einer Ebene 325 Strahlfoki 323 gebildet werden. Alternativ können die Strahlfoki 323 virtuell sein. Ein Durchmesser der Strahlfoki 323 kann bspw. 10 Nanometer, 100 Nanometer und 1 Mikrometer betragen.
Die Feldlinse 307 und die Objektivlinse 102 stellen eine erste abbildende Teilchenoptik bereit, um die Ebene 325, in der die Strahlfoki 323 gebildet werden, auf die erste Ebene 101 abzubilden, so dass dort ein Feld 103 von Auftrefforten 5 bzw. Strahlflecken entsteht. Soweit in der ersten Ebene eine Oberfläche des Objekts 7 angeordnet ist, werden die Strahlflecken entsprechend auf der Objektoberfläche gebildet.
Die Objektivlinse 102 und die Projektionslinsenanordnung 205 stellen eine zweite abbildende Teilchenoptik bereit, um die erste Ebene 101 auf die Detektionsebene 211 abzubilden. Die Objektivlinse 102 ist somit eine Linse, welche sowohl Teil der ersten als auch der zweiten Teilchenoptik ist, während die Feldlinse 307 nur der ersten Teilchenoptik und die Projektionslinse 205 nur der zweiten Teilchenoptik angehören.
Eine Strahlweiche 400 ist in dem Strahlengang der ersten Teilchenoptik zwischen der Multiaperturanordnung 305 und dem Objektivlinsensystem 100 angeordnet. Die Strahlweiche 400 ist auch Teil der zweiten Optik im Strahlengang zwischen dem Objektivlinsensystem 100 und dem Detektorsystem 200.
Weitergehende Informationen zu solchen Vielstrahl-Teilchenstrahlsystemen und darin eingesetzten Komponenten, wie etwa Teilchenquellen, Multiaperturplatte und Linsen, kann aus den internationalen Patentanmeldungen WO 2005/ 024881 , WO 2007/028595, WO 2007/028596, WO 2011/124352 und WO 2007/060017 und den deutschen Patentanmeldungen mit den Anmeldenummern DE 10 2013 026 113.4 und DE 10 2013 014 976.2 erhalten werden, deren Offenbarung vollumfänglich durch in Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird. Das Vielzahl-Teilchenstrahlsystem weist weiterhin ein Computersystem 10 auf, das sowohl zur Steuerung der einzelnen teilchenoptischen Komponenten des Vielzahl- Teilchenstrahlsystems ausgebildet ist, als auch zur Auswertung und Analyse der mit dem Multi-Detektor 209 gewonnenen Signale. Das Computersystem 10 kann dabei aus mehreren Einzelcomputern oder Komponenten aufgebaut sein. Es kann auch die erfindungsgemäße Steuerung beinhalten.
In dieses Vielzahl-Teilchenstrahlsystem können die Bestandteile der erfindungsgemäßen Teilchenstrahlsystem integriert werden.
Fig. 2 illustriert schematisch eine Stromvariation mittels Kondensorlinsen gemäß dem Stand der Technik. Dargestellt ist ein Ausschnitt aus einem Teilchenstrahlsystem wie beispielsweise einem Mehrstrahl-Teilchenmikroskop. Das System beinhaltet eine Teilchenquelle 301 , die einen divergierenden Teilchenstrahl 309 erzeugt. Dieser trifft sodann auf ein Kondensorlinsensystem mit zwei Kondensorlinsen 330 und 331 , die in dem dargestellten Beispiel jeweils magnetische Kondensorlinsen sind. Die Kondensorlinsen 330, 331 sind in Figur 2 durch Ellipsen angedeutet. Eine breite Ellipse bedeutet dabei starke Erregung der magnetischen Linse, eine schmale Ellipse hingegen bedeutet kaum oder keine Erregung der entsprechenden Kondensorlinse. Die beiden Kondensorlinsen 330 und 331 bilden das Kondensorlinsensystem bzw. Kollimationslinsensystem 303, das auch in Fig. 1 bereits dargestellt war. Gemäß dem Stand der Technik ist es dabei so, dass der beleuchtende Teilchenstrahl 31 1 , der nach dem Durchsetzen des Kollimationslinsensystems 303 auf die weiteren teilchenoptischen Komponenten und insbesondere die Mikrooptik trifft, kollimiert ist. Im gezeigten Beispiel trifft der beleuchtende Teilchenstrahl 311 zunächst auf eine Prä- Multiaperturplatte 380, die zur Strombegrenzung dient und bei deren Durchsetzung Einzel- Teilchenstrahlen 3 gebildet werden. Die so gebildeten Einzel-Teilchenstrahlen 3 durchsetzen sodann die weiteren Bestandteile der Mikrooptik, hier sind beispielhaft zwei Mikrooptik- Korrektoren 353 und 354 gezeigt, die im gezeigten Beispiel vor dem Herzstück der Mikrooptik, nämlich der Multiaperturplatte 351 und ihrer Gegenelektrode 352, angeordnet sind. Je nach Erregung der Gegenelektrode 352 variiert das elektrische Feld beim Durchgang durch die Multiaperturplatte 351 und die Einzel-Teilchenstrahlen 3 werden mehr oder weniger stark fokussiert und auseinandergerissen. Die fokussierten Einzel-Teilchenstrahlen 3 treffen sodann auf ein Feldlinsensystem 307, das im dargestellten Beispiel durch eine einzelne Feldlinse angedeutet ist. Eine Steuerung (nicht dargestellt) sorgt dafür, dass das Kondensorlinsensystem mit den Kondensorlinsen 330 und 331 auf unterschiedliche Weise angesteuert werden kann. Dabei werden die Kondensorlinsen 330 und 331 unterschiedlich stark erregt. Je nach Ansteuerung wird der beleuchtende Teilchenstrahl 31 1 mehr oder weniger stark aufgeweitet, was in Fig. 2 durch die breiten Doppelpfeile angedeutet ist. Die Charakteristik der eigentlichen Teilchenquelle 301 wird dabei als unveränderlich angenommen. Das bedeutet, die Anzahl der insgesamt von der Teilchenquelle ausgesendeten geladenen Teilchen bzw. der dazugehörige Teilchenstrom pro Zeiteinheit wird als konstant angenommen. Durch die unterschiedliche Aufweitung des beleuchtenden Teilchenstrahles 31 1 verändert sich somit die Strahlstromdichte, das heißt die Anzahl der geladenen Teilchen pro Fläche und Zeiteinheit. Es ist möglich, jeweils einen bestimmten Bruchteil sämtlicher geladenen Teilchen einem der dann gebildeten Einzel-Teilchenstrahlen 3 zuzuordnen. Bei ansonsten mechanisch identischen Aperturen, hier maßgeblich festgelegt durch den Öffnungsdurchmesser der Öffnungen in der Prä-Multiaperturplatte 380, wird durch die unterschiedliche Aufweitung des beleuchtenden Teilchenstrahles 31 1 eine Variation der Stromstärke je Einzel-Teilchenstrahl erzeugt. Die Situationen in Fig. 2a, und Fig. 2b zeigen dabei äquivalente Möglichkeiten, wie ein verhältnismäßig großer Strahlstrom für Einzel- Teilchenstrahlen erreicht wird: Gemäß Fig. 2a) ist die Kondensorlinse 330 stark erregt und die Kondensorlinsen 331 praktisch ausgeschaltet. In Fig. 2b) sind beide Kondensorlinsen 330, 331 in etwa gleich stark erregt, nämlich mittelmäßig. Die Stromdichte des beleuchtenden Teilchenstrahles 311 ist in den beiden Fällen von Fig. 2a) und Fig. 2b) somit identisch, gleiches gilt für die Stromstärke der erzeugten Einzel-Teilchenstrahlen 3. Fig. 2c) zeigt demgegenüber eine Beleuchtung der Mikrooptik mit einer niedrigen Strahlstromdichte: Dazu ist die erste Kondensorlinse 330 praktisch nicht erregt, die zweite Kondensorlinse 331 hingegen ist sehr stark erregt. Es resultiert ein stark aufgeweiteter beleuchtender Teilchenstrahl 31 1 , der auf identische Aperturen in der Prä-Multiaperturplatte 380 und nachgeordnete Elemente der Mikrooptik trifft. Die Stromstärke der Einzel-Teilchenstrahlen gemäß der Konfiguration in Fig. 2c) ist somit reduziert. Über die Variation der Erregungen der ersten und zweiten Kondensorlinsen 330, 331 lässt sich etwa ein Zoomfaktor von 4X realisieren, was eine Strahlstromvariation von etwa einem Faktor 15 ermöglicht.
Neben der Stromvariation mittels unterschiedlicher Erregungen von Kondensorlinsen bzw. Kollimationslinsensystemen sind weitere Zusammenhänge allgemein bekannt: Es ist z.B. möglich, die Fokallänge des Kondensorlinsensystems (vgl. Fokallänge fcü zu erhöhen, um die Strahlstromstärke weiter zu reduzieren. Nachteilig ist hierbei, dass sich die Säulenhöhe („column height“) des Gesamtsystems dadurch drastisch erhöht. Die hierfür erforderlichen baulichen Maßnahmen sind gemeinhin nicht akzeptabel (die Verlängerung des Gesamtsystems erfordert andere Raumhöhen als gemeinhin gegeben sind) und stellen deshalb keine echte Option dar. Will man beispielsweise den Zoomfaktor des Kondensorsystems von 4X auf 5X erhöhen, um eine Strahlstromvariation von etwa einem Faktor 25 zu erreichen, verlängert sich die Säulenhöhe um etwa 30cm bis 50cm.
Zusätzlich oder alternativ ist es denkbar, den Aperturdurchmesser in der Mikrooptik, hier z.B. den Aperturdurchmesser der Prä-Multiaperturplatte 380, zu erniedrigen, um so geringere Strahlstromstärken zu erzielen. Nachteilig hieran ist aber, dass die numerische Apertur ebenfalls reduziert wird und es deshalb zu einer Verschlechterung der Auflösung aufgrund von Beugungseffekten kommt.
Hinsichtlich der Teilchenquelle 301 gibt es ebenfalls Variationsmöglichkeiten: Wird eine kleinere Teilchenquelle verwendet, so sind grundsätzlich geringere Stromstärken zu erreichen. Allerdings benötigt man für den Austausch der Teilchenquelle („tip“) Servicezeiten, die unerwünscht sind. Ein weiterer Ansatzpunkt ist die Variation des Extraktorpotenzials, wodurch eine Strahlstromvariation etwa um den Faktor 2 möglich ist. Eine Variation des Extraktorpotenzials führt aber zu nachteiligen Driften der Strahlstromstärke.
Es ist möglich, den Durchmesser der Aperturen der Mikrooptik zu reduzieren und gleichzeitig die Gegenstandsweite der Objektivlinse bzw. den Abstand des Multi-Zwischenbildes der Teilchenquelle von der Probe zu erhöhen. Dies erlaubt grundsätzlich geringere Strahlströme und auch eine Anpassung der numerischen Apertur an optimale Werte. Allerdings werden diese Vorteile dadurch erkauft, dass der Abstand zwischen den erzeugten Einzel- Teilchenstrahlen auf der Probe stark variiert. Zudem würde sich auch hier die Höhe des Gesamtsystems bzw. die Säulenhöhe stark erhöhen, was wiederum unter den gegebenen Umständen in Labors nicht hinnehmbar ist. Abgesehen davon würde sich hiermit auch der Pitch der Strahlen auf der Probe stark variieren, was prinzipiell unerwünscht ist.
Es ist auch möglich, den Aperturdurchmesser in der Mikrooptik zu reduzieren und gleichzeitig die Fokallänge der Mikrooptik zu reduzieren. Dies ermöglicht ebenfalls grundsätzlich geringere Strahlstromstärken und eine Anpassung der numerischen Apertur an eine gute Auflösung. Allerdings ändert sich auch in diesen Fällen der Beam Pitch sehr stark. Um der Änderung des Pitches aufgrund der Änderung der Fokallänge der Mikrooptik entgegenzuwirken, wäre eine mechanische Änderung notwendig, was das System insgesamt sehr unflexibel macht.
Fig. 3 zeigt schematisch die Beleuchtung einer Mikrooptik 399 mittels eines Kondensorlinsensystems 303 gemäß dem Stand der Technik: Verglichen mit Fig. 2 sind in Fig. 3 die Strahlengänge des beleuchtenden Teilchenstrahles 311 und der Einzel-Teilchenstrahlen 3 deutlicher erkennbar. Der beleuchtende Teilchenstrahl 311 ist in mehreren Trajektorien dargestellt. Teile des beleuchtenden Teilchenstrahles 311 durchsetzen die Prä- Multiaperturplatte 380, die im gezeigten Beispiel die erste Komponente der Mikrooptik 399 bildet. In Fig. 3 sind einige Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes innerhalb der Mikrooptik eingezeichnet und man erkennt insgesamt eine fokussierende Wirkung der Mikrooptik 399, genauer eine fokussierende Wirkung auf die Einzel-Teilchenstrahlen 3 beim Durchsetzen der Multiaperturplatte 351 aufgrund des an der Gegenelektrode 352 anliegenden elektrischen Feldes, das für eine Veränderung des elektrischen Feldes im Bereich der Multiaperturplatte 351 sorgt. Durch das globale Linsenfeld der Gegenelektrode 352 erfolgt ein Auseinanderreißen der Einzel-Teilchenstrahlen, bevor diese in den Foki 323 fokussiert werden. In Fig. 3 treffen die Anteile des beleuchtenden Teilchenstrahles 311 telezentrisch auf die Prä-Multiaperturplatte 380, was das nachfolgende Durchsetzen der übrigen teilchenoptischen Komponenten der Mikrooptik 399 und weiterer Komponenten des Gesamtsystems (nicht dargestellt) vereinfacht.
Dies vorausgeschickt, ermöglicht es die vorliegende Erfindung, das jeweilige Optimum von Strahlstrom und numerische Apertur für eine optimale Auflösung unabhängig und über große Wertebereiche einzustellen, und zwar insbesondere auf einfache Weise und ohne konstruktive Veränderungen an dem Teilchenstrahlsystem vorzunehmen. Dabei braucht die Säulenhöhe nicht wesentlich verändert zu werden. Insbesondere ermöglicht die vorliegende Erfindung die Variation der Strahlstromstärke eines jeden Einzelstrahls um mehr als einen Faktor 15, bevorzugt mehr als einen Faktor 25, ohne dabei die Säulenhöhe verlängern zu müssen. In einem Beispiel kann eine Variation der Strahlstromstärke eines jeden Einzelstrahls um mehr als einen Faktor 50, beispielsweise einem Faktor 100 erreicht werden.
Fig. 4 zeigt nun schematisch eine Ausführungsform der Erfindung mit konvergenter Strahlführung nach dem Kondensorlinsensystem mit den magnetischen Kondensorlinsen 330 und 331. Nach dem Durchsetzen des Kondensorlinsensystems ist der beleuchtende Strahl 311a konvergent und ein aus demselben Raumwinkel der Teilchenquelle 301 hervorgehender Anteil von geladenen Teilchen wird sozusagen verdichtet, so dass sich die Strahlstromstärke eines aus diesem Raumwinkel geformten Einzel-Teilchenstrahles erhöht. Je stärker die Konvergenz, desto größer die Strahlstromdichte. Es ist aber trotzdem notwendig oder zumindest vorteilhaft, die Mikrooptik, im gezeigten Beispiel beginnend mit der Prä- Multiaperturplatte 380, telezentrisch zu beleuchten. Dies wird ermöglicht durch das Vorsehen einer zusätzlichen Prä-Gegenelektrode 362 zwischen der Kondensorlinse 331 und der Prä- Multiaperturplatte 380, 361. Eine Steuerung (nicht dargestellt) ist eingerichtet, dem Kondensorlinsensystem 330, 331 und der Prä-Gegenelektrode 362 einstellbare Spannungen derart zuzuführen, dass die geladenen Teilchen telezentrisch auf die Prä-Multiaperturplatte 361 auftreffen können. In Fig. 4 ist diese Telezentriebedingung am zentralen Einzel- Teilchenstrahl bzw. den zugehörigen Strahltrajektorien zu erkennen. Im Bereich der optischen Achse Z sind die Trajektorien der Teilchenstrahlen beim Auftreffen auf die Prä- Multiaperturplatte 361 parallel. Die Telezentriebedingung ist auch außerhalb der optischen Achse (z.B. obere Trajektorie) erfüllt, jedoch ist dies zeichnerisch wegen der vereinfachten schematischen Darstellung so nicht zu erkennen. Die gewünschte Wirkung des telezentrischen Auftreffens wird vorliegend durch eine Kombination des globalen Linsenfeldes, das durch die Prä-Gegenelektrode 362 erzeugt wird, mit dem lokalen Linsenfeld der Prä- Multiaperturplatte 361 erreicht. Insgesamt ergibt sich dadurch eine fokussierende Wirkung, die sich zu der fokussierenden Wirkung der Systemkombination von Multi-Linsen-Array 351 und Gegenelektrode 352 addiert. Auf diese Weise verkürzt sich auch die Fokallänge der Mikrooptik, das heißt in Fig. 4 rücken die Foki 323 in Richtung der optischen Achse Z weiter nach links. Das Multi-Linsen-Array 350 und das Prä-Multi-Linsen-Array 360 gemäß der Erfindung sind in Fig. 4 spiegelbildlich zueinander aufgebaut. Eine Kombination bzw. gezielte Ansteuerung des Prä-Multi-Linsen-Arrays 360 in Kombination mit einer entsprechend gewählten Ansteuerung des Kondensorlinsensystems 330, 331 ermöglicht dabei eine Einstellung der Strahlstromstärke. Gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 4 wird die Strahlstromstärke der Einzelstrahlen erhöht, so dass zusätzlich mit der in Figur 2a dargestellten Erhöhung der Strahlstromstärke durch Variation der Kondensorlinsen 330, 331 eine weitere Erhöhung der Strahlstromstärke erreicht wird, ohne dabei die Baulänge des Kondensorlinsensystems bzw. die Säulenlänge zu erhöhen. Analog ermöglicht ein Einstellen des Multi-Linsen-Arrays 350 bei geeigneter Wahl eines zusätzlichen Einstellungsparameters wie dem einer zusätzlichen Feldlinse 370 (vgl. Fig. 12) eine Variation der numerischen Apertur in der Objektebene, was insgesamt zu einer verbesserten, insbesondere optimierten, Auflösung führt.
Während Fig. 4 eine mittlere Strahlstromdichte bei konvergenter Einstrahlung 31 1 a illustriert, zeigt Fig. 5 eine kleine Strahlstromdichte bei divergenter Strahlführung 31 1 b. Dabei ist die Darstellung in Fig. 5 sehr schematisch derart, dass beide Kondensorlinsen 330, 331 nur sehr schwach erregt sind, so dass in der vereinfachten skizzierten Darstellung der divergente Teilchenstrahl 309 praktisch nicht abgelenkt wird. Der divergente beleuchtende Teilchenstrahl 311 b durchsetzt die Prä-Gegenelektrode 362. An dieser Prä-Gegenelektrode 362 liegt nun aber - verglichen mit Fig. 4 - ein anderes elektrisches Potenzial an, sodass resultierend aus den gewählten Einstellungen wiederum ein telezentrisches Auftreffen der Teilchenstrahlen auf die Prä-Multiaperturplatte 361 erreicht wird. Verglichen mit dem Beispiel aus Fig. 4 ist der für jeden Einzel-Teilchenstrahl 3 aufgenommene Strahlstrom kleiner. Die gezielte Ansteuerung des Kondensorlinsensystems und insbesondere der Kondensorlinse 331 in Kombination mit einer speziell gewählten Ansteuerung der Prä-Gegenelektrode 362 erlaubt also auch hier eine individuelle Einstellung des Strahlstroms, was wiederum die gezielte Verbesserung der Auflösung des Gesamtsystems ermöglicht. Gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 5 wird die Strahlstromstärke der Einzelstrahlen erniedrigt, so dass zusätzlich mit der in Figur 2c dargestellten Erniedrigung der Strahlstromstärke durch Variation der Kondensorlinsen 330, 331 eine weitere Erniedrigung der Strahlstromstärke erreicht wird, ohne dabei die Baulänge des Kondensorlinsensystems bzw. die Säulenlänge zu erhöhen. Somit ist ein Mehrstrahl- Teilchenmikroskop mit einer Vielzahl von Einzelstrahlen gegeben, bei dem eine Strahlstromstärke eines jeden Einzelstrahls bei gleichbleibender numerischer Apertur eines jeden Einzelstrahls um mehr als einen Faktor 15 veränderbar ist, bevorzugt um mehr als einen Faktor 20, um mehr als einen Faktor 30 oder um mehr als eine Faktor 50, wobei die Säulenlänge des Mehrstrahl-Teilchenmikroskop unverändert bleibt, und insbesondere die Säulenlänge geringer als 1 ,5 Meter, bevorzugt geringer als 1 m ist.
Typischerweise liegt beim Emitter 301 eine Spannung von - 30 kV an, sofern der Emitter Elektronen emittiert. Der zugehörige Extraktor 302 verfügt über typischerweise 3 bis 7 kV. Die Mikrooptik selbst liegt gemeinhin auf Erdpotenzial, also 0 kV. Die erfindungsgemäße Prä- Gegenelektrode wird typischerweise im Bereich von etwa +- 12 bis +- 20kV betrieben. Dies liegt somit in derselben Größenordnung wie die Spannungsversorgung der Gegenelektrode 352 des Multi-Linsen-Arrays 350. Andere Spannungswerte sind möglich. Erfindungsgemäß ist es insbesondere so, dass eine Steuerung eingerichtet ist, den teilchenoptischen Komponenten einstellbare Spannungen zuzuführen. Dazu ist es insbesondere möglich, dass geladene Teilchen telezentrisch auf die Prä-Multiaperturplatte 361 auftreffen können. Bei dieser Steuerung kann es sich um eine zentrale Steuerung handeln, die auch insgesamt das Teilchenstrahlsystem steuert, z.B. den Controller oder das Computersystem 10, das in Fig. 1 dieser Patentanmeldung dargestellt ist. Es ist möglich, dass bestimmte Werte für die Ansteuerung der teilchenoptischen Komponenten in einer Nachschlagetabelle hinterlegt sind.
Fig. 7 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einer elektrostatischen Kondensorlinse und einer Booster-Elektrode 332. Das Kondensorlinsensystem umfasst dabei eine magnetische Kondensorlinse 330 und eine nachfolgend angeordnete elektrostatische Kondensorlinse 332b. Deren Erregung ist jeweils durch den Doppelpfeil angedeutet. Zwischen den beiden Kondensorlinsen 330 und 332b liegt ein Booster-Potenzial mittels der Booster-Elektrode 332 an. Im Strahlengang nach der elektrostatischen Kondensorlinse 332b ist wiederum das erfindungsgemäße Prä-Multi-Linsen- Array 360 mit der Prä-Gegenelektrode 362 und der Prä-Multiaperturplatte 361 angeordnet. Mit dem elektrischen Feld der Prä-Gegenelektrode 362 kann die Brennweite des Prä-Multi-Linsen- Arrays 360 eingestellt werden. In Kombination mit der Prä-Gegenelektrode 362 und dem unteren Abschluss der Booster Elektrode 332 wird eine variable elektrostatische Linse geformt, die als untere Kondensorlinse 332b fungiert. Der obere (Kathoden-nahe) Abschluss der Booster Elektrode 332 formt zusammen mit der Kathode 301 des Emitters und einer magnetischen Linse 330 die Felder für die obere Kondensorlinse 330. Mit den entsprechenden Kondensorlinsen 330 und 332b kann der Strahlstrom eingestellt und die telezentrische Beleuchtungsbedingung hergestellt werden.
Fig. 8 zeigt schematisch die in Fig. 7 gezeigte Ausführungsform der Erfindung ergänzt um eine Prä-Zusatzelektrode 363. Diese Prä-Zusatzelektrode 363 kann z.B. zum Korrigieren einer Bildfeldwölbung verwendet werden. Insgesamt verändert sich das elektrische Feld E bei verschiedenen Einstellungen der Prä-Zusatzelektrode 363, was zu einer Brennweitenvariation zwischen den Strahlen und somit zu einer„negativen" Bildfeldwölbung des Strahlarrays führt. Je näher die Prä-Zusatzelektrode an der Prä-Multiaperturplatte 361 angeordnet ist, desto größer ist der Effekt auf die resultierende Bildfeldwölbung. Entsprechend kann gemäß der Erfindung aber dennoch die telezentrische Einfallbedingung auf die Prä-Multiaperturplatte 361 erreicht werden, und zwar durch entsprechende Ansteuerung des Kondensorlinsensystems 330, 332a und der Prä-Gegenelektrode 362.
Fig. 9 zeigt schematisch ein Multiaperturplattensystem mit zwei oder mehr relativ zueinander verschiebbaren Multiaperturplatten 386, 387 zur Strahlstromvariation. Das
Multiaperturplattensystem ist in den Strahlengang einschiebbar ausgebildet, was sich bereits daraus ergibt, dass zumindest eine der Multiaperturplatten 386, 387 relativ zu dem Teilchenstrahlsystem bzw. dem darin erzeugten Teilchenstrahl verschiebbar ist. Eine sogenannte Slide-in-Apertur 399 kann z.B. wie in Fig. 6 dargestellt angeordnet sein: Das einschiebbare, strahlstrombegrenzende Multiaperturplattensystem 385 befindet sich zwischen dem Prä-Multi-Linsen-Array 360 und dem Multi-Linsen-Array 350 und somit zwischen der Prä- Multiaperturplatte 361 und der Multiaperturplatte 351 , vorzugsweise vor den Mikrooptik- Korrektoren 354, 353 hinter der Prä-Multiaperturplatte 361 , aber außerhalb der Multilinsenfelder 398. Die relative Verschiebbarkeit der zwei Multiaperturplatten 386 und 387 zueinander kann durch eine entsprechende Mechanik und Aktuatoren, beispielsweise Piezoaktuatoren, erreicht werden. Die Genauigkeit der Positionierung der Multiaperturplatten 386, 387 liegt hier im Bereich von etwa einem Mikrometer. Es ist möglich, mithilfe einer entsprechend variabel einschiebbaren Apertur den Strahlstrom um einen weiteren Faktor (ca. Faktor 6) zu reduzieren. Dabei ist es auch möglich, dass eine der beiden Multiaperturplatten 386, 387 mit der bereits vorstehend beschriebenen Prä-Multiaperturplatte 361 identisch ist. Dies muss aber nicht der Fall sein. In Fig. 9 ist in einer Seitenansicht bei relativ zueinander versetzten Multiaperturplatten 386 und 387 gezeigt, wie der beleuchtende Strahl 311 in einem Einzel-Teilchenstrahl 3 definierten Durchmessers resultiert. Je weiter die beiden Platten 386, 387 gegeneinander verschoben sind, desto schmaler wird der Einzel-Teilchenstrahl 3 in seinem Durchmesser und desto geringer ist die Stromstärke in dem Einzel-Teilchenstrahl 3.
Die Öffnungen der relativ zueinander verschiebbaren Multiaperturplatten 386, 387 können dabei im Wesentlichen identisch groß sein und im Wesentlichen dieselbe geometrische Form aufweisen. Die Figuren 9b) und 9c) zeigen zwei Beispiele. Gemäß Fig 9b) sind die Öffnungen 386 387a jeweils rund bzw. kreisförmig. Relativ gegeneinander verschoben ergibt sich ein sogenanntes Kreis-Zweieck 388. Dieses Kreis-Zweieck kann durch eine elliptische Form angenähert werden, weshalb eine derartige Realisierung bevorzugt mit einem Multistigmator kombiniert wird, um wieder kreisförmige Strahlquerschnitte zu erhalten. Die Ausführungsvariante gemäß Fig. 9c) zeigt quadratische Öffnungen 386a und 387a. Die resultierende Öffnung 388 kann in diesem Fall ebenfalls quadratisch sein, sofern der Versatz der beiden Multiaperturplatten 486 und 387 zueinander entsprechend gewählt und skaliert wird.
Fig. 10 zeigt schematisch ein Multiaperturplattensystem mit zwei sequenziell angeordneten Multiaperturplatten 390, 391 und einem dazwischen befindlichen Deflektorsystem zur Strahlstromvariation. Dargestellt ist ein Doppeldeflektor mit den Einzeldeflektoren 392 und 393. Diese ermöglichen einen Parallelversatz des auf die Multiaperturplatte 393 auftreffenden beleuchtenden Strahls 311. Ist das Deflektorsystem 392, 393 aus und sind die beiden Multiaperturplatten 390 und 391 entsprechend ausgerichtet, d.h. ihre jeweiligen Öffnungen sind gleich groß und liegen mittig übereinander, so tritt der gesamte Strahl 311 durch das Multiaperturplattensystem hindurch und es resultiert ein Einzel-Teilchenstrahl 3 mit maximalem Teilchenstrahldurchmesser. Sind die Deflektoren 392, 393 hingegen eingeschaltet, so erfolgt der Parallelversatz der Teilchenstrahlen und der versetzte Teilchenstrahl trifft teilweise auf die zweite Multiaperturplatte 391 auf und durchsetzt diese nur noch teilweise. Es resultiert ein Einzel-Teilchenstrahl 3 mit verringertem Durchmesser und insgesamt verringerter Stromstärke.
In einem Beispiel erfolgt die Variation der Einzelstrahlstromstärke über die Variation der Erregung der Kondensorlinsen, wie in Figur 2a bis 2c dargestellt, zusammen mit der Variation der Öffnungen der Multiaperturplatten 386 und 387 bzw. zwei sequenziell angeordneten Multiaperturplatten 390, 391 und einem dazwischen befindlichen Deflektorsystem zur Strahlstromvariation und es wird eine Einzelstrahlstromvariation um einen Faktor von mehr als 20, beispielsweise ein Faktor 30 oder einen Faktor 50 erreicht, ohne die Säulenlänge des Mehrstrahl-Teilchenmikroskop zu erhöhen. In einem Beispiel erfolgt die Variation der Einzelstrahlstromstärke über die Variation der Erregung der Kondensorlinsen, wie in Figur 2a bis 2c dargestellt, zusammen mit der Variation der Erregung Prä-Gegenelektrode 362, wie in Abbildung 5 und 6 dargestellt und zusammen mit der Variation der Öffnungen der Multiaperturplatten 386 und 387 bzw. zwei sequenziell angeordneten Multiaperturplatten 390, 391 und einem dazwischen befindlichen Deflektorsystem zur Strahlstromvariation und es wird eine Einzelstrahlstromvariation um einen Faktor von mehr als 30, beispielsweise ein Faktor 50 oder einen Faktor 100 erreicht, ohne die Säulenlänge des Mehrstrahl-Teilchenmikroskop zu erhöhen.
Fig. 1 1 zeigt schematisch verschiedene Aperturen zur Strahlstromvariation, die z.B. in dem beschriebenen strahlstrombegrenzenden Multiaperturplattensystem eingesetzt werden können. Fig. 1 1a) zeigt zunächst einen kreisförmigen Strahlquerschnitt 710. Wird mittels einer Apertur die Strahlstromstärke reduziert, so kann dies gemäß Fig. 11a) mittels einer kreisförmigen Öffnung erfolgen. Die Stromlimitierung bei der kleineren Apertur 711 verringert allerdings die Einzelstrahlapertur, was zu einer verringerten Auflösung führt. Verglichen damit bietet die Anordnung aus Fig. 11 b) einen besseren Lösungsansatz: Hier erfolgt die Stromlimitierung bei gleichem maximalen Öffnungsdurchmesser durch die annulare Apertur 712. Die zentrale Abschattungsblende wird dabei durch feine, mechanische Verbindungen gehalten. Die laterale Auflösung bleibt bei Verwendung der anularen Apertur erhalten. Vergleicht man eine konventionelle kreisförmige Apertur mit einer annularen Apertur, so stellt man fest, dass die anulare Öffnung einen Bessel-Strahl mit sogar kleinerem zentralem Maximum und somit höherer Auflösung erzeugt. Allerdings wird dies mit hohen Nebenmaxima erkauft, so dass im Einzelfall die Verwendung einer konventionellen kreisförmigen Apertur gegen die Verwendung einer annularen Apertur abgewogen werden sollte. Fig. 11c) zeigt eine Apertur mit zwei annularen Aperturen. Die zentrale Abschattungsblende und die kreisringförmige Blende werden wiederum durch Stege 115 gehalten. Die dargestellte Apertur wird auch als Toraldo-Filter bezeichnet. Sie erzielt ein ähnliches Beugungsmaximum wie eine kreisringförmige Öffnung, jedoch weniger hohe Nebenmaxima verglichen mit einer einzelnen annularen Apertur. Die Verwendung von annularen Aperturen, insbesondere eines Systems von mindestens zwei ineinander angeordneten annularen Aperturen, ermöglicht eine weitere Reduktion der Einzelstrahlströme bei gleichbleibender numerischer Apertur und somit gleichbleibender Auflösung, ohne die Säulenlänge des Mehrstrahl-Teilchenmikroskop zu erhöhen. Eine gleichbleibende Auflösung kann insbesondere sichergestellt werden durch eine der Bildgebung nachgeordnete digitale Bildverarbeitung, beispielsweise einer Entfaltungsoperation der gewonnenen Bildrohdaten mit dem Faltungskern entsprechend dem Beugungsbild der annularen Aperturen, insbesondere des Systems von mindestens zwei ineinander angeordneten annularen Aperturen. Fig. 12 zeigt schematisch und stark vereinfacht einen Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 mit teilchenoptischen Komponenten zur Einstellung einer optimalen Auflösung. Ausgehend von einer Teilchenquelle 301 , die beispielsweise Elektronen emittiert, durchsetzen geladene Teilchen ein Kondensorlinsensystem 303, das im gezeigten Beispiel über zwei magnetische Kondensorlinsen 330, 331 verfügt, die jeweils mit einer Steuerung (nicht dargestellt) angesteuert werden können. Im nachfolgenden Strahlengang durchsetzen die geladenen Teilchen sodann das Prä-Multi-Linsen-Array 360 und nachfolgend das Multi-Linsen-Array 350. Das Prä-Multi-Linsen-Array 360 und das Muli-Linsen-Array 350 sind dabei im Wesentlichen gespiegelt zueinander ausgeführt. Das Prä-Multi-Linsenarray 360 umfasst die Prä- Gegenelektrode 362 und die Prä-Multiaperturplatte 361. Das Multi-Linsen-Array 350 umfasst die Multiaperturplatte 351 und die Gegenelektrode 352. Die Prä-Gegenelektrode 362 und die Gegenelektrode 352 werden dabei über die Steuerung (nicht dargestellt) angesteuert und mit entsprechenden Potenzialen gespeist. Durch eine entsprechende Ansteuerung kann die Stromstärke der Einzel-Teilchenstrahlen 3, wie vorstehend näher beschrieben variiert werden. Durch eine Variation der an der Gegenelektrode 352 anliegenden Spannung wird die Fokallänge bzw. die Lage der Foki 323, 323a in der Zwischenbildebene E1 variiert. Dabei verändert sich sowohl der Abstand der Foki in der Zwischenbildebene E1 als auch - bei entsprechender Ansteuerung der teilchenoptischen Komponenten - die Position der Ebene E1 in Bezug auf die optische Achse Z des Systems (nicht eingezeichnet). Die Foki 323, 323a in der Zwischenbildebene E1 können als vielfache Bilder der Teilchenquelle 301 aufgefasst werden. Sie bilden damit virtuelle Teilchenquellen 323, 323a. Die durchgezogenen Linien illustrieren dabei einen Teilchenstrahl 3, die strichpunktierte Linie hingegen einen Teilchenstrahl 3a bei veränderten Einstellbedingungen der Gegenelektrode 352. Die veränderte Fokuslage in der Zwischenbildebene E1 ist durch die Sterne 323a - verglichen mit den Kreisen 323 - angedeutet.
Im Strahlengang nach der Zwischenbildebene E1 befindet sich ein Feldlinsensystem 307 bestehend aus drei Feldlinsen sowie nachfolgend eine Strahlweiche 400 und eine hier insbesondere magnetische Objektivlinse 102. Die geladenen Einzel-Teilchenstrahlen 3 werden dadurch von der Zwischenbildeben E1 auf die Objektebene E2 teilchenoptisch abgebildet. Durch eine Variation der Lage der Foki 323, 323a in der Zwischenbildebene E1 sowie ein ggf. erfolgtes Verschieben der Zwischenbildebene E1 in Richtung der optischen Achse Z (nicht dargestellt), lässt sich die numerische Apertur der Einzel-Teilchenstrahlen beim Auftreffen auf die Objektebene E2 verändern, wobei es möglich ist, den Abstand zwischen den Einzel-Teilchenstrahlen (Pitch 2) in der Objektebene E2 konstant zu halten. Diese zusätzliche Bedingung, Konstanthalten des Pitches 2 in der Objektebene E2, lässt sich durch das Vorsehen einer zusätzlichen Feldlinse 370 erreichen, die im gezeigten Beispiel zwischen der Zwischenbildebene E1 und dem Feldlinsensystem 307 bestehend aus drei Feldlinsen angeordnet ist. Die übrigen teilchenoptischen Parameter wie Fokus, Rotation und/ oder Telezentrie in der Objektebene können ebenfalls konstant gehalten werden.
Die aus einer Probe 7 ausgelösten sekundären Teilchenstrahlen 9 durchsetzen sodann eine Projektionslinse 205, eine Blende 210 und treffen schließlich auf einen Teilchen-Multi-Detektor 209.
Das dargestellte Mehrstrahl-Teilchenmikroskop 1 erlaubt dabei aufgrund zweier zusätzlicher globaler teilchenoptischer Komponenten eine umfassende Verbesserung und ggf. Optimierung der Auflösung bei der teilchenoptischen Abbildung. Zum einen ermöglicht ein gezieltes Ansteuern des Kondensorlinsensystems 303 in Kombination mit einer gezielten Ansteuerung der Prä-Gegenelektrode 362 eine gezielte Einstellung der Stromstärke der Einzel-Teilchenstrahlen. Die für die nachfolgende teilchenoptische Abbildung vorteilhafte und ggf. erforderliche Telezentriebedingung beim Auftreffen auf die Mikrooptik bzw. hier vereinfacht dargestellt die Prä-Multiaperturplatte 361 kann erreicht werden. Im weiteren Verlauf ermöglicht dann eine gezielte Ansteuerung der Gegenelektrode 352 in Kombination mit der zusätzlichen Feldlinse 370 eine Veränderung der numerischen Apertur in der Objektebene E2, ohne dabei den Pitch 2 in der Objektebene zu verändern. Die zusätzliche Feldlinse 370 stellt somit eine teilchenoptische Variationskomponente dar und bringt den zusätzlichen Freiheitsgrad in das System, um diese detaillierte Einstellung zu ermöglichen.
In einem Beispiel ermöglicht die gezielte Ansteuerung der Gegenelektrode 352 in Kombination mit der zusätzlichen Feldlinse 370 mindestens ein näherungsweises Konstanthalten der numerischen Apertur der Einzelstrahlen in Kombination mit der Variation der Öffnungen der Multiaperturplatten 386 und 387 gemäß einem der Ausführungsbeispiele nach Figur 9 bzw. zwei sequenziell angeordneten Multiaperturplatten 390, 391 und einem dazwischen befindlichen Deflektorsystem gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Figur 10. Somit ist eine Mehrstrahl-Teilchenmikroskop mit einer Vielzahl von Teilchenstrahlen gegeben, welches für eine Variation der Strahlstromstärken der Einzelstrahlen um mehr als einen Faktor 20, beispielsweise einem Faktor 30, 50 oder sogar 100 ausgelegt ist, wobei die Säulenlänge des Mehrstrahl-Teilchenmikroskop konstant ist und unter 1 ,5m, bevorzugt geringer als 1 m Länge ist, und die Auflösung eines jeden Einzelstrahls bei Veränderung der Strahlstromstärke näherungsweise konstant bleibt. Es ist möglich, das dargestellte Mehrstrahl-Teilchenmikroskop mit weiteren teilchenoptischen Komponenten zu kombinieren. Die dargestellte Ausführungsform ist insofern lediglich beispielhaft zu verstehen.
Bezuqszeichenliste
1 Mehrstrahl-Teilchenmikroskop
3 primäre Teilchenstrahlen (Einzel-Teilchenstrahlen)
3a primäre Teilchenstrahlen (Einzel-Teilchenstrahlen)
5 Strahlflecken, Auftrefforte
7 Objekt
9 sekundäre Teilchenstrahlen
10 Computersystem, Steuerung
100 Objektivlinsensystem
101 Objektebene
102 Objektivlinse
103 Feld
200 Detektorsystem
205 Projektionslinse
209 Teilchen-Multi-Detektor
210 Blende
211 Detektionsebene
213 Auftrefforte
217 Feld
300 Strahlerzeugungsvorrichtung
301 Teilchenquelle
302 Extraktor
303 Kollimationslinsensystem bzw. Kondensorlinsensystem
305 Multiaperturanordnung
313 Multiaperturplatte
315 Öffnungen der Multiaperturplatte
317 Mittelpunkte der Öffnungen
319 Feld
307 Feldlinsensystem
309 divergierender Teilchenstrahl
311 beleuchtender Teilchenstrahl
323 Strahlfoki 3a Strahlfoki
5 Zwischenbildebene
0 Kondensorlinse (magnetisch)
1 Kondensorlinse (magnetisch)
2 Kondensorlinse (elektrostatisch)
3 Booster-Potential
0 Multi-Linsen-Array
1 Multiaperturplatte
1 Gegenelektrode
3 Mikrooptik-Korrektor, insbesondere Multistigmator
4 Mikrooptik-Korrektor, insbesondere fokussierendes Multi-Linsen-Array 5 Fassung
0 Prä-Multi-Linsen-Array
1 Prä-Multiaperturplatte
2 Prä-Gegenelektrode
3 Prä-Zusatzelektrode
0 zusätzliche Feldlinse
0 Prä-Multiaperturplatte
5 einschiebbares, strahlstrombegrenzendes Multiaperturplattensystem 6 erste Multiaperturplatte
6a Öffnung in erster Multiaperturplatte
7 zweite Multiaperturplatte
7a Öffnung in zweiter Multiaperturplatte
88 effektive Öffnung
90 erste Multiaperturplatte
91 zweite Multiaperturplatte
92 erster Deflektor
93 zweiter Deflektor
97 einschiebbares Multiaperturplattensystem
98 Multilinsenfeld
99 Mikrooptik
00 Strahlweiche
10 Strahlrohr
10 kreisförmiger Strahlquerschnitt
11 kreisförmige Apertur
12 annulare (kreisringförmige) Apertur
13 Toraldo-Filter 715 Steg
E1 Zwischenbildebene
E2 Objektebene
Z optische Achse

Claims

Patentansprüche
1. Teilchenstrahlsystem, das Folgendes aufweist:
mindestens eine Teilchenquelle, welche dazu konfiguriert ist, einen divergenten Strahl geladener Teilchen zu erzeugen;
ein Kondensorlinsensystem, das von dem Strahl geladener Teilchen durchsetzt wird; ein Prä-Multi-Linsen-Array, wobei das Prä-Multi-Linsen-Array eine Prä- Gegenelektrode mit einer zentralen Öffnung aufweist, die von dem Strahl geladener Teilchen durchsetzt wird, und wobei das Prä-Multi-Linsen-Array eine im Strahlengang nach der Prä- Gegenelektrode angeordnete Prä-Multiaperturplatte aufweist, die so angeordnet ist, dass die geladenen Teilchen die Prä-Multiaperturplatte in Form einer Vielzahl von geladenen Einzel- Teilchenstrahlen durchsetzen;
ein Multi-Linsen-Array, das im Strahlengang nach dem Prä-Multi-Linsen-Array angeordnet ist, wobei das Multi-Linsen-Array eine Multiaperturplatte mit einer Vielzahl von Öffnungen aufweist, die von den geladenen Einzel-Teilchenstrahlen zumindest teilweise durchsetzt werden, und wobei das Multi-Linsen-Array eine im Strahlengang nach der Multiaperturplatte angeordnete Gegenelektrode mit einer zentralen Öffnung aufweist, die von der Vielzahl der Einzel-Teilchenstrahlen im Wesentlichen durchsetzt wird; und
eine Steuerung, die eingerichtet ist, dem Kondensorlinsensystems und der Prä- Gegenelektrode einstellbare Erregungen derart zuzuführen, dass die geladenen Teilchen telezentrisch auf die Prä-Multiaperturplatte auftreffen können.
2. Teilchenstrahlsystem gemäß Anspruch 1 , wobei die Steuerung konfiguriert ist, um die Stromstärke der Einzel-Teilchenstrahlen einzustellen.
3. Teilchenstrahlsystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Teilchenstrahlsystem eine Mikrooptik aufweist, die das Multi-Linsen-Array umfasst.
4. Teilchenstrahlsystem gemäß Anspruch 3, wobei die Mikrooptik die Prä- Multiaperturplatte umfasst.
5. Teilchenstrahlsystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Teilchenstrahlsystem des Weiteren eine Prä-Zusatzelektrode mit einer zentralen Öffnung aufweist, die im Strahlengang nach der Prä-Gegenelektrode und dicht vor dem Prä-Multi- Linsen-Array angeordnet ist und der mittels der Steuerung eine einstellbare Spannung zuführbar ist.
6. Teilchenstrahlsystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Teilchenstrahlsystem des Weiteren eine Post-Zusatzelektrode mit einer zentralen Öffnung aufweist, die im Strahlengang dicht nach dem Multi-Linsen-Array und vor der
Gegenelektrode angeordnet ist und der mittels der Steuerung eine einstellbare Spannung zuführbar ist.
7. Teilchenstrahlsystem gemäß einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei die Mikrooptik eine Fassung aufweist, die auf Erdpotential liegt.
8. Teilchenstrahlsystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kondensorlinsensystem zwei Kondensorlinsen aufweist.
9. Teilchenstrahlsystem gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei beide
Kondensorlinsen magnetische Kondensorlinsen sind.
10. Teilchenstrahlsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8,
wobei das Kondensorlinsensystem eine magnetische Kondensorlinse und eine elektrostatische Kondensorlinse aufweist, wobei die elektrostatische Kondensorlinse im Strahlengang nach der magnetischen Kondensorlinse angeordnet ist, und
wobei zwischen der magnetischen Kondensorlinse und der elektrostatischen
Kondensorlinse eine Booster-Elektrode angeordnet ist, die von der Steuerung ansteuerbar ist und durch die die elektrostatische Kondensorlinse erregbar ist.
11. Teilchenstrahlsystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das des
Weiteren ein strahlstrombegrenzendes Multiaperturplattensystem umfassend eine strahlstrombegrenzende Multiaperturplatte mit einer Vielzahl von Öffnungen aufweist, wobei das strahlstrombegrenzende Multiaperturplattensystem im Strahlengang nach dem Prä- Multi-Linsen-Array und vor dem Multi-Linsen-Array angeordnet und in den Strahlengang einschiebbar ausgebildet ist.
12. Teilchenstrahlsystem gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei die Öffnungen kreisförmig und / oder kreisringförmig ausgebildet sind.
13. Teilchenstrahlsystem gemäß einem der Ansprüche 11 bis 12, wobei das strahlstrombegrenzende Multiaperturplattensystem zwei oder mehr relativ zueinander im Wesentlichen parallel verschiebbare Multiaperturplatten mit jeweils einer Vielzahl von Öffnungen aufweist, so dass eine effektive Multiaperturplatten-Öffnungsgröße für die durch das strahlstrombegrenzenden Multiaperturplattensystem hindurchtretenden Einzel- Teilchenstrahlen einstellbar ist.
14. Teilchenstrahlsystem gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei die Öffnungen der relativ zueinander verschiebbaren Multiaperturplatten im Wesentlichen identisch groß sind und im Wesentlichen dieselbe geometrische Form aufweisen.
15. Teilchenstrahlsystem gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei die Öffnungen der relativ zueinander verschiebbaren Multiaperturplatten kreisförmig oder quadratisch sind.
16. Teilchenstrahlsystem gemäß Anspruch 11 ,
wobei das strahlstrombegrenzende Multiaperturplattensystem zwei im Strahlengang sequentiell angeordnete Multiaperturplatten mit jeweils einer Vielzahl von Öffnungen aufweist,
wobei zwischen den zwei Multiaperturplatten zwei Deflektoren derart angeordnet und ansteuerbar sind, dass im Wesentlichen ein Parallelversatz von Einzel-Teilchenstrahlen zur optischen Achse beim Durchsetzen des Multiaperturplattensystems erzielbar ist.
17. Teilchenstrahlsystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das des
Weiteren Folgendes aufweist:
eine Zwischenbildebene, die in Richtung des Strahlenganges nach dem Multi-Linsen- Array angeordnet ist, und in der reelle Foki der Einzel-Teilchenstrahlen gebildet sind, die voneinander mit einem Pitch 1 beabstandet sind;
ein Feldlinsensystem, das in Richtung des Strahlenganges nach dem Multi-Linsen- Array angeordnet ist;
eine in Richtung des Strahlenganges nach dem Feldlinsensystem angeordnete, insbesondere magnetische, Objektivlinse; und
eine Objektebene, in der die Einzel-Teilchenstrahlen teilchenoptisch abgebildet werden und in der die Einzel-Teilchenstrahlen voneinander mit einem Pitch 2 beabstandet sind.
18. Teilchenstrahlsystem gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei die Steuerung eingerichtet ist, die teilchenoptischen Komponenten des Teilchenstrahlsystems derart anzusteuern, dass der Pitch 2 in der Objektebene eingestellt und insbesondere bei verschiedenen Strahlstromstärken der Einzel-Teilchenstrahlen konstant gehalten wird.
19. Teilchenstrahlsystem gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei die Steuerung eingerichtet ist, die teilchenoptischen Komponenten des Teilchenstrahlsystems derart anzusteuern, dass die numerische Apertur in der Objektebene eingestellt und insbesondere bei einem vorgegebenen Strahlstrom der Einzel-Teilchenstrahlen die Auflösung in der Objektebene optimiert wird.
20. Verwendung eines Teilchenstrahlsystems gemäß einem der vorangehenden Ansprüche zum Einstellen der Stromstärke von Einzel-Teilchenstrahlen.
21. Verwendung eines Teilchenstrahlsystems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 zum Einstellen einer insbesondere optimalen Auflösung in der Objektebene.
22. Vielstrahl-Teilchenmikroskop mit einem Teilchenstrahlsystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19.
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