DE2436160A1

DE2436160A1 - Rasterelektronenmikroskop

Info

Publication number: DE2436160A1
Application number: DE2436160A
Authority: DE
Inventors: Yasushi Kokubo
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1973-07-27
Filing date: 1974-07-26
Publication date: 1975-02-20
Also published as: FR2220871A1; DE2436160B2; DE2436160C3; US4068123A; FR2220871B1

Description

Patentanwälte Liodl, Dr. Pontani, Nöth, Zeitler 2436160 München 22, Steinsdorfstraße 21-22, Telefon 089/29 84 62

B 6831

NIHON DENSHI KABUSHIKI KAISHA 1418, Nakagami-cho, Akishima-shi, Tokyo/ JAPAN

Rasterelektronenmikroskop

Die Erfindung betrifft ein Rasterelektronenmikroskop für die Aufzeichnung eines Durchstrahlungsbildes mit einem elektronenoptischen System zur Fokussierung eines Elektronenstrahles und zur Abtastung einer Probe, welche insbesondere als dünner Film vorliegt, mittels des Elektronenstrahles, der in einer Elektronenstrahlquelle erzeugt wird und mit Aufzeichnungsmitteln für ein Rasterbild auf einer Kathodenstrahlröhre, welche mit dem abtastenden Elektronenstrahl synchronisiert ist, wobei

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die Helligkeit der Kathodenstrahlröhre in Abhängigkeit vom empfangenen Signal der durch die Probe hindurchgestrahlten Elektronen synchronisiert wird.

Bei einem Rasterelektronenmikroskop hängt das Auflösungsvermögen und die Bildschärfe des Probenbildes zum größten Teil davon ab, wie die Elektronen, welche von der Probe bei der Elektronenbestrahlung ausgesendet werden, empfangen und weiterverarbeitet werden.

Wenn man beispielsweise Elektronen empfängt, die durch eine Dünnfilmprobe hindurchgeschickt worden sind, ist das Dunkelfeldbild, das man beim Empfangen der gestreuten, hindurchgegangenen Elektronen erhält, gewöhnlich besser bezüglich der Bildschärfe und der Auflösung als das Hellfeldbild, das man beim Empfangen der ungestreuten Elektronen erhält.

Es ist seit neuestem möglich geworden, Atome zu beobachten, indem man die elastisch und unelastisch gestreuten Elektronen trennt und empfängt. Da es jedoch bei dieser Technik notwendig ist, einen gestreuten Elektronenstrahl, der einen Winkel von 50 bis ungefähr 100 m. rad aufweist, zu empfangen, ist die Intensität des Strahles äußerst gering, so daß sich schwerwiegende technische Probleme hierbei ergeben.

Im Falle einer kristallinen Dünnfilmprobe hat man Rasterbilder erhalten, indem man die Beugungselektronen, welche von den Gitterebenen der kristallinen Probe in eine bestimmte Richtung gestreut worden sind, verwendet. Aber auch hier ist die erhaltene Signalintensität äußerst schwach im Vergleich zu der Dunkelfeldmethode, bei der alle Beugungselektronen erfaßt bzw. empfangen werden.

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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die im vorstehenden genannten technischen Probleme bei einem Rasterelektronenmikroskop zu lösen, indem die gestreuten Elektronen innerhalb eines Streuwinkels von 50 m. rad erfaßt bzw. empfangen werden, wobei eine ausreichende Signalintensität und ein ausreichender Bildkontrast sichergestellt sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Rasterelektronenmikroskop der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mehrere ringförmige Detektoren, deren gemeinsame Achse mit der optischen Achse des elektronenoptischen Systems zusammenfällt, sowie eine Signalverarbeitungseinrichtung zum Addieren, Subtrahieren und/oder Dividieren der Ausgangssignale der Detektoren vorgesehen sind.

Bei der Erfindung handelt es sich somit um ein Empfangssystem bzw. um eine Detektor einrichtung, welche in Verbindung mit einem Rasterelektronenmikroskop verwendet wird. Es werden hierbei die durch die Probe hindurchgetretenen Elektronenstrahlen von mehreren ringförmigen Detektoren erfaßt. Das Verhältnis von zwei Detektorausgängen kann mit feinern konstanten Wert verglichen werden. Ein Ausgang der Detektoren wird in Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleiches an die Aufzeichnungsmittel geliefert oder nicht.

Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich, Rasterbilder zu erhalten, welche ausgewählten Elementen zugeordnet sind, indem die gestreuten Elektronen, welche nur den Atomen von ausgewählten Elementen zugeordnet sind, ausgewählt werden.

Ferner ermöglicht es die Erfindung, Durch Strahlungsbilder von kristallinen Proben, welche in Filmform vorliegen, unter Verwendung einer relativ hohen Intensität der Elektronen zu erhalten. Diese Bilder enthalten eine skelettartige Information, welche der kristallinen Probe zugeordnet ist.

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In den beiliegenden Figuren sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Ss ,soll anhand dieser Figuren die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig.' 1 in schematischer Darstellung ein Rasterelektronenmikroskop 'gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Detektors, der bei dem Rasterelektronenmikroskop in der Fig. 1 zur Anwendung kommt; ·

Fig. 3 eine Kurvendarstellung zur Erläuterung des erfindungsgemä-

Fig» 4 schematische Darstellungen anderer bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung;

Fig. β eine Kurvendarstellung der Intensitätsverteilung des Elektronenstrahls, der von eier Probe gestreut wurde;

Fig. 1 schematische Darstellungen weiterer bevorzugter Ausfüh-

igo 9 eine schematische Darstellung eines weiteren Detektors, der

bei der Erfindung Anwendung finden kann.

In der Fig. 1 ist eine, E iektronenstrahlquelle 1 mit hoher Helligkeit dargestellt. Es handelt sich hierbei um eine Feldemissionselektronenkanone. Ein Elektronenstrahl 2, der von der Eiektronenstrahlquelle erzeugt wird, wird zu einem Fleck auf einem dünnen Film einer Probe 3 foiaissiert.

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Zur Fokussierung dient eine Kondensorlinse 4. Gleichzeitig tastet der Elektronenstrahl 2 eine Mikrofläche bzw. einen Mikrobereich der Probenoberfläche ab. Diese Abtastung erfolgt aufgrund des Betriebes von Ablenkspulen 5X und 5Y, welche von einem Abtastsignalgenerator 6 gespeist werden. Als Folge hiervon, werden mehrere Elektronenstrahlen E₁, E„, E₃, E.usw. unter Winkeln ^₁ , oc₂ , a₃ , c^ usw. gegenüber der optischen Achse 7 gestreut. Diese gestreuten Elektronen werden von ringförmigen Detektoren 8a, 8b, 8c, 8d usw. erfaßt bzw. empfangen. Diese Detektoren sind unterhalb der Probe angeordnet bzw. in Strahlrichtung gesehen der Probe nachgeordnet. Für diese Detektoren werden beispielsweise pn-Übergangshalbleiter oder dgl. verwendet. Die Detektoren sind so angeordnet, daß ihre gemeinsame Achse bzw. ihr gemeinsamer Mittelpunkt mit der optischen Achse 7 zusammenfällt, wie das in der Fig. 2 dargestellt ist. Zwei der Ausgänge der ringförmi- · gen Detektoren werden mittels Verstärker 9 und 10 verstärkt und danach mittels einer Signalverarbeitungsschaltung 11 verarbeitet. Das verarbeitete Signal wird an eine Kathodenstrahlröhre 12 als Heliigkeitsmodulationssignal gelegt. Ablenkspulen 13X und 13Y werden mit Abtastsignalen vom Abtastsignalgenerator 6 versorgt. Es handelt sich hierbei um den gleichen Abtastsignalgenerator, der auch die Ablenkspulen 5X und 5Y beliefert. Da diese Signale synchronisiert sind, erscheint ein Rasterbild der Probe von den hindurchgetretenen Elektronen auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre 12.

Die Signalverarbeitungsschaltung 11 enthält zwei Torschaltungen 14 und 15, welche zwischen den Verstärkern 9 und 10 und der Kathodenstrahlröhre geschaltet sind. Diese Tor schaltungen werden mittels einer Dividierschaltung 16, einer Vergleicherschaltung 17 und einer Polaritätsumkehrschaltung 18 angesteuert. Die Wirkungsweise der Signalverarbeitungsschaltung 11 soll im folgenden in Verbindung mit der Fig. 3 erläutert werden.

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In der Fig. 3 ist auf der Abszisse der Streuwinkel θ der hindurchgetretenen Elektronen und auf der Ordinate der atomare Streufaktor fe ( ö ) aufgezeichnet. Das Quadrat des atomaren Streufaktors ist proportional zur Ausgangsintensität des Elektronenstrahldetektors. Die drei Kurvendarstellungen zeigen die Beziehung zwischen Au, Cu und Al, welche mit einem 100KeV-Elektronenstrahl bestrahlt worden sind.

Es sei angenommen, daß die Probe aus zwei Elementen besteht, beispielsweise Au und Cu und daß die hindurchgetretenen Elektronen, welche einen Streuwinkel θ.=7,4 m.rad. aufweisen, empfangen bzw. erfaßt worden

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sind. Der Bildkontrast der beiden Elemente ist dann gleich ) =3,8, wenn ferner der Streuwinkel der hindurchgetretenen Elektronen '3 =18, m.rad. ist, so ist der Bildkontrast der beiden Elemente gleich

(γ-Tc) =4,8. Hieraus wird ersichtlich, daß bei steigendem 9 der Bildkontrast ebenfalls anwächst. Das Anwachsen des Kontrastes hat jedoch einen unvermeidbaren Nachteil bezüglich der Signalintensität und bezüglich des Rauschabstandes bzw. S/N-Verhältnisses des Detektorausganges.

Bei der Ausführungsform in der Fig. 1 ist es möglich, zwei Signale, welche den Streuwinkeln β. und ^ entsprechen, zu erhalten, indem man mittels Umschaltern 19 und 20 entsprechend umschaltet. Das Verhältnis der beiden Signale wird in der Dividierschaltung 16 ermittelt. Demgemäß gelangt ein Empfangssignal, das entweder dem Winkel ¹^. oder .ö_ entspricht, durch die Torschaltungen und erreicht die Kathodenstrahlröhre als Helligkeitsmodulationssignal.

Wenn der Elektronenstrahl von Au-Atomen gestreut wird, ist die Interi-

θρ. 7 92 2

sität des empfangenen Signales -JS- gleich (_η) = 6,25. Für den Fall

von Cu-Atomen ist das Verhältnis der Intensitäten der empfangenen Signale ^ gleich -) = 7,84. Demgemäß unterscheidet das Aus-

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gangssignal der Vergleichsschaltung 17 zwischen Au- und Cu-Atomen, indem sie den ungefähren Mittelwert von 6, 25 und 7,84, d.h. 7 als Referenzsignal, verwendet. Wenn der Ausgang der Dividierschaltung 16 geringer als 7 ist, wird die Torschaltung 14 in offenem Zustand gehalten und die Torschaltung 15 ist in geschlossenem Zustand. Dies erfolgt aufgrund der Vergleichsschaltung 17 und der Polaritätsumkehrschaltung Wenn andererseits der Ausgang der Dividierschaltung 16 hoher ist als 7, befindet sich die Torschaltung 14 im geschlossenen Zustand und die Torschaltung 15 ist geöffnet, Demgemäß wird der Bildkontrast der Au- und 7 92 2

Cu-Atome U' a§) > ^{was etwa} 30 entspricht. Dies bedeutet einen bedeutend höheren Kontrast als er beim Stand der Technik erzielt wird. Darüber hinaus erhält man eine Verbesserung beim Rauschabstand bzw. beim S/N-Verhäitnis, da die starke Intensität der Elektronen,· welche einen ziemlichen kleinen Streuwinkel aufweisen, erfaßt bzw. empfangen werden und für das Bildsignal verwendet werden.

Die Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches mehrere Kathodenstrahlröhren aufweist. Hierbei bildet jede Kathodenstrahlröhre ein Probenbild ab, das einem speziellen Element zugeordnet ist. Bei dieser Vorrichtung ist die Probe 3 im Linsenfeld einer stark erregten Linse 21 angeordnet» Durch die starke Erregung der Linse 21 zeigt das Linsenfeld einen Dreifachlinseneffekt, was durch die Linsen 21a, 21b und 21c angedeutet ist. Der von der Elektronenstrahlquelle erzeugte Elektronenstrahl 2 wird mittels der Kondensorlinse 4 und der Scheinlinse 21a auf die Probe fokussiert. Die durch die Probe hindurchgetretenen Elektronen werden, wenn die Probe kristallin ist, in einer

rückwärtigen Brennpunktebene 22 der ScheinÜnse 21b in ein Beugungsmuster geformt. Dies erfolgt durch die Wirkung der Scheinlinse 21b. Ferner wird das von der Scheinlinse 21b gebildete Beugungsmuster durch die Scheinlinse 21c in vergrößertem Maßstab in der Detektorebene erzeugt.

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Die Beugungsmuster bzw. Beugungsbilder bleiben dieselben, unabhängig von der Stelle auf der Probenoberfläche, auf welche der Elektronenstrahl gerichtet ist. Demgemäß ist es möglich, Elektronenstrahlen zu erfassen, deren Beugungswinkel äußerst gering ist, wobei man ringförmige Detektoren verwenden kann, welche vergleichsweise große Durchmesser aufweisen.

Die Ausgangssignale der Detektoren 8a, 8b, 8c und 8d werden von Verstärkern 23, 24, 25 und 26 verstärkt, bevor sie in die Dividierschaltungen gelangen, wo ihre Intensitätsverhältnisse errechnet werden. Danach werden diese Signale in den Vergleichsschaltungen mit bestimmten Referenz wer ten P₁, P₀ und P_Q verglichen. Wenn eines der Signale gleich P., P_? oder P„ ist, wird das fragliche Signal an eine der drei Torschaltungen 33, 34, 35 weitergeleitet, welche sich hierbei im geöffneten Zustand befindet.

Zu dem Zeitpunkt, zu welchem der Elektronenstrahl über dem Bereich der Probe tastet, welcher Au-Atome enthält, ist das Intensitätsverhältnis der Ausgänge der Detektoren 8a und 8b gleich dem Wert P: und die Torschaltung 33 ist vom Ausgang der Vergleichsschaltung 30 geöffnet. Das gleiche gilt auch dann, wenn der Elektronenstrahl über einem Bereich der Probe tastet, der Cu- oder Al-Atome aufweist. Es wird dann ■ die Torschaltung 34 bzw. 35 vom Ausgang der Vergleichsschaltung 31 bzw. 32 geöffnet. Folglich werden die Probenbilder von Au, Cu und Al auf entsprechenden Bildschirmen der Kathodenstrahlröhren 36, 37 und dargestellt. Da das Helligkeitsmodulationssignal des Probenbildes vom ringförmigen Detektor 8a, der Elektronen mit starker Intensität und geringem Streuwinkel erfaßt, erhalten wird, hat das Probenbild einen hohen Rauschabstand bzw. ein hohes S/N-Verhältnis.

Unter Berücksichtigung der Breite der ringförmigen Detektoren bzw.

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von Empfangsfehlern erstrecken sich die Referenzwerte bzw. Vergleichswerte von P., P„ und P„ über einen bestimmten Bereich, d.h. über P₁ _ A ~ ^_x + Δ, ^ - Δ ~ ^P2 + ^Δ> ^£i - ^Δ ~ "S ^{+ Δ etc}··

Die Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das elektronenoptische System ist identisch zu dem, das in der Fig. 1 gezeigt ist. Es wird jedoch eine unterschiedliche Signalverarbeitungsschaltung verwendet, um die Beobachtung von kristallinen Proben zu erleichtern.

Die Fig. 6 zeigt die Intensitätsverteilung des Elektronenstrahles, der von einer kristallinen Probe gestreut worden ist. Auf der Abszisse ist der Streuwinkel und auf der Ordinate ist die Intensität des Elektronenstrahles aufgetragen. S₁, ο«, Θ„ und β. bedeuten Streuwinkelbereiche der Detektoren 8a, 8b, 8c und 8d. Aus der Verteilungskurve ist ersichtlich, daß die Beugungsringe bzw. Beugungsflecken A und B von ringförmigen Detektoren 8a und 8d empfangen werden. Wenn man die Ausgänge dieser Detektoren in der Signalverarbeitungseinrichtung 39 (Fig. 5) addiert, erhält man ein Signal mit einer ausreichenden Intensität, das eine allgemeine Information über die Kristallstruktur enthält. Ferner erhält man durch Subtraktion des Ausganges des Detektors 8d vom Ausgang des Detektors 8a ein Signal, das die Nettointensität des Beugungsringes A anzeigt, da die Hintergrundkomponente der Intensität des Empfangssignales im Streuwinkelbereich θ- immer gleich der Gesamtintensität des Empfangssignales im Streuwinkelbereich 3_O ist. Da darüber hinaus nur das erwünschte Signal erhalten wird, wird sichergestellt, daß ein Empfangs signal vorhanden ist, das einen hohen Rauschabstand bzw. ein hohes S/N-Verhältnis aufweist. Bei der Ausführungsform in der Fig. 5 wird das Empfangs signal von den ringförmigen Detektoren gleichzeitig mittels zweier unterschiedlichen Methoden behandelt, bevor es in die Kathodenstrahlröhren 40 und 41 weitergeleitet wird. Auf diese

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Weise kann man zwei verschiedene Arten von Bildern beobachten.

Die Fig. 7 und 8 zeigen Ausführungsformen, welche geeignet sind, rückgestreute Elektronen zu empfangen.

Ih der Fig. 7 ist mit 42 ein unteres Polstück einer Endstufe einer Fokussierungslinse, welche den Elektronenstrahl 2 auf einen Punkt auf der Oberfläche einer Probenmasse 43 fokussiert, bezeichnet. Diese Probenmasse wird von einem Probenträger 44 getragen. Da die Probenoberfläche senkrecht zum Elektronenstrahl 2 ist, fällt der mittlere Strahl der rückgestreuten Elektronen mit dem bestrahlenden Elektronenstrahl2 zusammen. Da ferner die ringförmigen Detektoren 45a, 45b, 45c und 45d am unteren Polstück 42 angeordnet sind, fällt ihre gemeinsame Achse mit dem Elektronenstrahl zusammen. Die.Ausgänge der Detektoren werden der Signalverarbeitungsschaltung 11 bzw. 39, beispielsweise der Ausführungsform in der Fig. 1 oder 4, zugeleitet.

Beim Ausführungsbeispiel in der Fig. 8 ist die Probenmasse 43 so angeordnet, daß der Elektronenstrahl 2 unter einem Winkel 3 (= 45 ) auf die Probenoberfläche auftrifft. Darüber hinaus sind die ringförmigen Detektoren 45a, 45b,45c und 45d so angeordnet, daß der Mittelstrahl 46 der rückgestreuten Elektronen mit der gemeinsamen Achse der ringförmigen Detektoren zusammenfällt.

In der Fig. 9 ist ein ringförmiger Detektor dargestellt, der aus mehreren winzigen Detektorelementen 47 zusammengesetzt ist, wie das durch die Linienschraffur dargestellt ist. Um diesen Detektortyp für den angegebenen Zweck verwenden zu können, sind die Ausgänge von bestimmten Gruppen von Elementen durch Verbindungsschalckreise 48, 49 und 50 miteinander verbunden. Hierdurch können Ausgänge Q., Q_? und Q„ gleich den Ausgängen von ringförmigen Detektoren 8a, 8b und 8c, welche

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in den vorherigen Ausführungsbeispielen beschrieben worden sind, gemacht werden. In einem anderen Fall kann die Verarbeitung der Ausgangssignale aller winziger Detektoren von einem Rechner 51 verarbeitet werden.

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Claims

^Patentansprüche

Rasterelektronenmikroskop für die Aufzeichnung insbesondere eines Durchstrahlungsbildes mit einem elektronenoptischen System zur Fokussierung eines Elektronenstrahles und zur Abtastung einer Probe, welche insbesondere aus einem dünnen Film Bestellt mittels des iSlektronenstrahleSj der in einer Elektronenstrahlquelle erzeugt wird und mit Aufzeichnungsmitteln für ein Rasierbild auf einer Kathodenstrahlröhre, welche mit dem abtestenden Elektronenstrahl synchronisiert ist, wobei die Helligkeit der Kathodenstrahlröhre in Abhängigkeit vom empfangenen Signal der durch die Probe hindurchgestrahlten bzw» von der Probe gestreuten Elektronen moduliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere ringförmige Detektoren "(8a, b, C₉ d; 45a, h_s c, d), deren gemeinsame Achse mit der optischen Achse des elektronenoptischen Systems zusammenfällt sowie eine Signalverarbeitungseinriehtung (11; 39; 51) zum Addieren, Subtrahieren und/oder Dividieren der Ausgangssignale der Detektoren vorgesehen sind,

2ο Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung eine Vergleicherschaltung (17; 3Oj, SI«, 32) zum Vergleichen des Signalverhältnisses von zwei Ausgangs Signalen der ringförmigen Detektoren mit einem konstanten Signal sowie ferner Steuerungseinrichiungen zum Ansteuern von Torschaltungen (14 bzw= 15; 33, 34_P 35), welche zwischen die Kathodenstrahlröhren und die ringförmigen Detektoren geschaltet sind, in Abhängigkeit vom Ausgang der Vergleichsschaltung enthält»

3. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der ringförmigen Detektoren ein einzelner Detektor vorgesehen ist, der aus mehreren winzigen auswählbaren Detektorelementen besteht, die gleichförmig unter der Probe angeordnet sind.

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4. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ferner zwischen der Probe und den Detektoren eine weitere Linse (21) vorgesehen ist bzw. die Probe (3) im Feld dieser Linse angeordnet ist.

5. Rasterelektronenmikroskop, bei dem aus reflektierten bzw. rückgestreuten Elektronen ein Bild erzeugt wird nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren so angeordnet sind, daß sie die rückgestreuten bzw. bei schrägem Strahleinfall die unter den entsprechenden Winkeln gestreuten Elektronen auffangen.

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