DE3032818A1

DE3032818A1 - Durchstrahlungsrasterelektronenmikroskop mit automatischer strahlkorrektur

Info

Publication number: DE3032818A1
Application number: DE19803032818
Authority: DE
Inventors: Gijsbertus Bouwhius; Nicolaas Henricus Eindhoven Dekkers; Hendrik De Lang
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1979-09-05
Filing date: 1980-08-30
Publication date: 1981-04-02
Also published as: GB2059120B; FR2464558B1; JPS5673853A; FR2464558A1; GB2059120A; DE3032818C2; NL7906632A; US4379230A; JPH0122705B2; CA1153131A

Description

N.V. Philips¹ eioeüa.v.^I^ieki.T, Eindhovon 3032818

PHN 9563 *~ 12-6-1980

-3-

"Durchstrahlungsrasterelektronenmikroskop mit automatischer Strahlkorrektur."

Die Erfindung betrifft ein Elektronenmikroskop mit einem um eine optische Achse angeordneten elektronenoptischen Linsensystem, einem Stigmator und einer Strahlabtast anordnung zum Abtasten eines Objekts mit Hilfe eines Elektronenstrahls und mit einem Detektor zum Detektieren von das Objekt durchdringenden Elektronen.

Ein derartiges -Elektronenmikroskop ist aus der US-PS 3 833 811 bekannt. In einem dort beschriebenen Elektronenmikroskop wird ein Objekt abgetastet und werden das Objekt durchdringende Elektronen detektiert.

Aus Messungen in einem auf diese ¥eise gewonnenen Bild werden Signale zum Einstellen des Brennpunktes der ' Kondensorlinse und des Astigmatismus des Stigmators erhalten.

Von zwei unterschiedlichen Detektoren aufgenommene Bilder werden auf einem Monitor dargestellt, und zur Nachsteuerung der Erregung der elektronenoptischen Elemente werden die zwei Bilder zur Deckung gebracht, wodurch eine optimale Einstellung des Elektronenstrahls erreicht ist.

Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass das

Bedienungspersonal den Linsenstrom immer wieder nachstellen und dazu die erforderlichen Messungen durchführen muss. Hiermit geht in der Praxis viel Zeit verloren und muss ein Objekt oft für einen grossen Zeitabschnitt nur zum Einstellen der Linsen angestrahlt werden. Durch auftretende

Objektkontamination kann die eigentliche Beobachtung dann häufig nicht mehr optimal durchgeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einstellung des Elektronenstrahls zu vereinfachen und zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Elektronenmikroskop der

eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung der Bewegung eines Intensitätsmusters, das durch das Abtasten einer in der Objektebene liegenden Struktur in der Detektionsebene gebildet wird, der Detektor

130014/1060

PHN 9563 -2" 12-6-1980

mehrere, unabhängig voneinander auslesbare Detektorelemente enthält, die paarweise von einer elektronischen Schaltung auswählbar sind, die aus den Detektorsignalen ein Regelsignal erzeugt, um die Defokussierung und/oder den Astigmatismus des elektronenoptischen Systems möglichst zu reduzieren.

Da in einem erfindungsgemässen Elektronenmikroskop die Einstellung der betreffenden Linsen und des Stigmators ununterbrochen selbsttätig optimiert wird, braucht das Objekt nicht zusätzlich angestrahlt zu werden. Der geteilte Detektor wird auch für die eigentliche Signaldetektion benutzt und es brauchen also dem Elektronenmikroskop keine zusätzlichen Elemente für die Einstellung hinzugefügt zu werden. Hierdurch wird vermieden, dass zusätzliche Ungenauigkeiten oder Störungen eingeführt werden.

In einer bevorzugten Ausfuhrungsform des Elektronenmikroskops enthält der Detektor zwei im Abstand voneinander, in einer gleichen Detektorhälfte liegende, Detektorelemente zur Messung eines Signals, das ein Mass für die Defokussierung einer betreffenden Linse des elektronenoptischen Systems ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält der Detektor mehrere Detektorelementpaare zum Erhalten von Signalen, die ein Mass für den Astigmatismus im Elektronenstrahl sind und mit denen der Astigmatismus durch Nachstellung des Stigmators möglichst klein gemacht werden kann.

Vorzugsweise werden Defokussierung und Astigmatismus gleichzeitig selbsttätig beispielsweise durch die Verwendung eines dazu programmierten Mikroprozessors korrigiert, an den die Detektorelemente angeschlossen sind und der die gewünschte Kombination aus den zugeführten Detektorsignalen bildet und daraus Regelsignale für die beiden Korrekturen ableitet.

An Hand der Zeichnung werden nachstehend einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein erfindungsgemässes Elek-

1300H/1060

PHN 9563 2r 12-6-198O

tronenmikroskop mit einem Detektor mit mehreren unabhängig voneinander auslesbaren Detektorelementen,

Fig. 2 einen derartigen Detektor vom einfallenden Elektronenstrahl aus gesehen,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Elektronenstrahls mit Defokussierung und Astigmatismus.

Ein Elektronenmikroskop nach Fig. 1 enthält eine Elektronenstrahlquelle 1 mit einer Anode 2 und einem Strahlrichsystem (beam alignment) 3, eine Kondensorlinse 4, einen Stigmator 5> eine Objektivlinse 6, ein Strahlabtastsystem 7» einen Objektraum 8 mit einer Objektebene 9, eine Diffractionslinse 10, eine Zwischenlinse 11, eine Projektionslinse 12, eine Filmkamera 13 sowie einen Detektor 14 mit einer Signalableitung 15· Alle diese Teile sind in eine Gehäuse 16 mit einer Zuleitung 17 für die Elektronenstrahlquelle aufgenommen und mit einem Schaufenster 18 zum Studieren eines Fluoreszenzschirms 19 versehen. An das Gehäuse können weiter eine Vakuumpumpanlage 20, eine Plattenkamera 21 und ein Fernsehmonitor 22 angeschlossen sein. Weiter ist der Detektor mit einer elektronischen Schaltung 23 verbunden, an die eine Regelschaltung 2h für das elektronenoptische System, insbesondere für die Objektivlinse 6 und den Stigmator 5> angeschlossen ist.

Der Detektor enthält in einer Ausführungsform zum Ausgleichen der Defokussierung allein, die der Deutlichkeit halber zunächst hier beschrieben wird, mindestens zwei Detektorelemente 30 und 31 gemäss Fig. 2.

Die Detektorelemente 30 und 3I befinden sich an der gleichen Seite einer als Y-Achse angegebenen Teillinie des Detektors, die hier der Bildrichtung eines Fernsehabtastmusters entspricht, mit dem ein Objekt abgetastet wird. Eine quer zur y-Achse gerichtete x-Achsedeckst sich daher mit der Linienabtastrichtung des Abtastmusters. Die automatische Einstellung der Fokussierung auf das Objekt kann jetzt wie folgt dargelegt werden. Hierbei wird die Objektabtastung als eine Bewegung des Objekts in bezug auf einen stillstehenden Elektronenstrahl betrachtet.

1300U/1060

PHN 9563 <*" 12-r6-198O

Wenn eine Objektstruktur mit einer Geschwindigkeit s quer zum stillstehend gedachten, die Struktur durchstrahlenden Elektronenstrahl bewegt wird, bewegt sich ein Intensitätsmuster, das durch Interferenz des ungestörten Elektronenstrahls mit einem von der Struktur abgelenkten Elektronenstrahl entsteht, in einer Detektionsebene mit einer Geschwindigkeit v, die durch ν = l.s.d gegeben ist. Hierin ist L der Abstand zwischen dem Strahlfokus und der Bildebene oder einem gleichwertigen Abstand, wenn sich Linsenfelder zwischen diesem Strahlfokus und der Ebene befinden. Der Defokussierungsabstand d, gemessen gegen die Struktur in der Objektebene, wird bei Unterfokussierung positiv und Ueberfokussierung negativ gemessen. Bei Unterfokussierung liegt der Brennfleck nahe des Objekts und bei Ueberfokussierung vor dem Objekt, von der Elektronenstrahlquelle aus gesehen. Die Formel zeigt, dass ν gleichgerichtet zur Abtastrichtung s bei Unterfokussierung und dazu entgegengesetzt gerichtet ist bei Ueberfokussierung. Es ist dabei vorteilhaft, die Struktür eines wohl immer vorhandenen Tragvlieses für das Objekt als Intensitätsmuster erzeugende Struktur zu wählen. Ein an sich bekanntes Verfahren zur Messung der Bewegung eines Intensitätsmusters ist die Bestimmung der Zeitdifferenz zwischen den Signalen zweier in einem gewissen gegenseitigen Abstand liegender Detektorelemente. Signale si und s2 der Detektorelemente 30 und 31 liegen in einem gegenseitigen Abstand a in der x-Richtung und weisen beispielsweise eine Zeitdifferenz t auf, die durch t = a.d.L~ s~ gegeben ist. Durch die Messung von t wird ein Wert für a.d.L ν erhalten, und mit a, L und ν als feste Daten ein Wert für d, der einer Regelschaltung zugeführt wird, bevor eine relevante flecikbildende Linse des elektronenoptischen Systems die Defokussierung beseitigt.

Ein optimaler Wert für die Verzögerungszeit zwischen den Signalen si und s2 kann dadurch erhalten werden, dass mit einem maximalen Wert der Korrelationsfunctionen y =/si(t).s2(t +At)dt die GrOsse und das Zeichen des zugeordneten Δ t-Werts bestimmt werden.

130014/1060

ORIGINAL INSPECTED

PHN 9563 JZ 12-6-1980

gefundene Δι-Wert ist dabei ein Mass für das Korrektionssignal. Es kann dabei vorteilhaft sein, den Detektor mit mehreren paarweise zu verbindenden Detektorelementen auszuführen, die stets beide in der gleichen Detektorhälfte liegen und einen gewissen gegenseitigen Abstand in der x—Richtung aufweisen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Elektronenmikroskops werden sowohl die Defokussierung als auch der Astigmatismus des Elektronenstrahls an der Stelle der Objektebene beseitigt. Hierzu enthält der Detektor vorzugsweise eine Matrix von getrennt auslesbaren Detektorelementen beispielsweise in der Ordnung eines orthogonalen Systems von 5 ^x 5 Elementen. VOllig analog zu obiger Beschreibung kann mit einer derartigen Matrix ein Detektorelementpaar zum Erhalten eines die Defokussierung ausgleichenden Signals ausgewählt werden.

In Fig. 3 ist ein Elektronenstrahl dargestellt, in dem sowohl Strahlastigmatismus als auch Defokussierung hinsichtlich der Objektebene auftreten.

Quer zu einer optischen Achse 4o sind in bezug auf ein x, y-Achsensystem, das den Abtastrichtungen des Elektronenstrahls über das Objekt entspricht, und wobei die Linienrichtung mit der x-Richtung und die Bildrichtung mit der y-Richtung zusammenfällt, in der Figur angegeben; in einer Ebene 4i eine erste Brennlinie m des astigmatischen Strahls und in einer Ebene k2 eine zweite Brennlinie η des astigmatischen Strahls. Die Ebenen kl und 42 liegen in gleichem Abstand an beiden Seiten eines Brennflecks (engster Querschnitt) 43 des astigmatischen Strahls.

³^ Weiter sind eine Objektebene 44 und eine Detektionsebene 45 angegeben.

' In allgemeiner Form ist der Astigmatismus eines Strahls von einem Orientierungswinkel der gegenseitig senkrechten Brennlinien m und η gekennzeichnet, beispielsweise hinsichtlich des x, y-Achsenkreuzes, und durch einen Abstand 2p zwischen den zwei Brennlinien η und m, gemessen entlang der optischen Achse. Aus einer allgemeinen Formel für den Astigmatismus ergibt sich, dass die durch die

1300U/1060

PHN 9563 > 12-6-1980

Objektabtastung erzeugte Bewegung des Intensitätsmusters in der Detektionsebene beim Abtasten des Objekts mit der x-Achse als Linienabtastrichtung eine Komponente in der y-Richtung hat, wenn der Elektronenstrahl schief orientierten Astigmatismus aufweist; also wenn das m-n-Achsenkreuz nicht mit dem x-y-Achsenkreuz zur Deckung kommt. Auch zum Korrigieren sowohl der Defokussierung als auch des Astigmatismus kann das Bewegungsmuster in der Detektionsebene als Einstellkriterium dienen. Aus der allgemeinen Formel des Bewegungsmusters kann hergeleitet werden, dass bei entlang der x.Achse gerichteter Objektabtastung für die Geschwindigkeiten Ux in der x-Richtung und Uy in der y-Richtung in der Detektionsebene folgendes gilt: Ux = -Ls (d + ρ cos 2 iO(d - P )

Uy = -Ls ρ sin 2 <2O(d² - p²)"¹ Aus dieser Bewegungsformel können sowohl Ux als Uy unter Verwendung von Zeitdifferenzmessungen in der x-Richtung bzw. in der y-Richtung in bezug auf gegeneinander versetzt angeordnete Detektorelementpaare bestimmt werden.

Als erste Phase im Korrekturverfahren wird jetzt eine auffolgende Reihe von d—¥erten (through focus series) durch stetiges oder gestuftes Variieren der Erregung der relevanten Linse verwirklicht. Aus dem Bewegungsvergleich folgt jetzt, dass das Zeichen von Ux und Uy für d = d1 =

^⁵ ~Jp| bzw. d = d2 = +{p| simultan umkehrt. Bei d = d3 = ρ cos 2 oC/ tritt dagegen nur Zeichenumkehr für Ux auf. Durch Einstellung der Linsenerregung auf den arithmetischen Mittelwert der der Linsenerregung für d bzw. d zugeordneten zwei Stromwerte ist die optimale Fokussierung mit d=O erreicht.

In einer von einem Mikroprozessor gesteuerten selbsttätigen Korrekturschaltung ist es vorteilhaft, die lineare Abhängigkeit von d vom Linsenstrom und von der Tatsache zu benutzen, dass sowohl jp| als auch ρ cos 2 et ° einen direkten Zusammenhang mit den den unterschiedlichen d-¥erten zugeordneten Linsenstromwerten aufweisen und das Zeichen von ρ eindeutig mit dem Zeichen von Uy zusammenhängt.

1300U/1060

PHN 95^3 T 12-6-1980

Die Korrigierung von Astigmatismus kann in zwei Schritten realisiert werden. Ineinem ersten Schritt wird diagonaler Astigmatismus zugesetzt, um die Orientierung des Astigmatismus, also die Orientierung des m-n—Achsen— kreuzes, mit dem x—y-Achsenkreuz zur Deckung zu bringen. Aus dem Bewegungsmuster ist die Grosse des diagonalen Astigmatismus bekannt, wobei für eine zusätzliche Prüfung die Zeichenumkehr von TJy verwendet werden kann. Wenn die Orientierung des Astigmatismus zum Zusammenfallen mit dem x-y-Achsenkreuz gebracht ist, werden in einem zweiten Schritt die Abstände ρ auf Null durch den Zusatz von in x-Achse gerichteten Astigmatismus mit einer Stärke von -p cos 2 £Λ. reduziert, wobei die Zeichenumkehr von Ux als Prüfung benutzt werden kann. Nach der Durchführung der auffolgenden Korrekturschritte ist der Elektronenstrahl optimal fokussiert und astimatismusfrei. Die Korrektur kann für eine Mikroprozessorschaltung programmiert und ununterbrochen bei normalen Messungen durchgeführt werden. Hierbei kann die zu messende Bilderzeugung benutzt werden, ohne dass diese Bilderzeugung auf irgendeine Weise gestört wird. Eine vorteilhafte Linse zurDurchführung der Korrektur ist in J.Phys. D. Appl. Physics, Vol. 7 (197*0, S. 805-814 beschrieben.

1300U/1060

Claims

PHN 95^3 A" 12-6-1980

PATENTANSPRUECHE:

π; Elektronenmikroskop mit einem um eine optische Achse angeordneten elektronenoptischen Linsensystem, einem Stigmator und einer Strahlabtastanordnung zum Abtasten eines Objekts mit Hilfe eines Elektronenstrahls und mit einem Detektor zum Detektieren von das Objekt durchdringenden Elektronen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Bewegung eines Intensitätsmusters, das durch das Abtasten einer in einer Objektebene liegenden Struktur in der Detektionsebene gebildet wird, der Detektor mehrere unabhängig voneinander auslesbare Detektorelemente (3O> 31) enthält, die durch eine elektronische Schaltung (23) paarweise selektierbar sind, die aus den Detektorsignalen ein Regelsignal erzeugt, um die Defokussierung und/oder den Astigmatismus des elektronenoptischen Systems möglichst zu reduzieren.

2. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Korrektur der Defokussierung der Detektor mindestens zwei Detektorelemente (30» 31) enthält, die in einer Richtung entsprechend einer Linienabtastrichtung des Strahlabtastsystems in gewissem Abstand voneinander, an der gleichen Seite einer Detektorteillinie quer zu dieser Richtung liegen und ein von der elektronischen Schaltung gebildetes Regelsignal eine Erregung für eine fleckbildende Linse (h, 6, 9, 11) des elektronenoptischen Systems steuert.

3· Elektronenmikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Korrektur von Astigmatismus der Detektor mehrere Detektorelemente (30, 31) enthält, die paarweise sowohl in einer Richtung entsprechend der Linienabtastrichtung als auch in einer Richtung senkrecht darauf in gewissem gegenseitigem Abstand liegen und mit Detektorsignalen von Detektorelementpaaren (30, 31) ein einem Stigmator (5) des elektronenoptischen Systems zu-

1300U/1060

PHN 9563 2r 12-6-1980

führbares Regelsignal gebildet wird.

k. Elektronenmikroskop nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung einer Verzögerungszeit zwischen Signalen zweier Detektorelemente aus einem Detektorelementpaar ein maximaler ¥ert für eine zeitabhängige Korrelationsfunktion zwischen beiden Signalen bestimmt und eine zu diesem maximalen Wert gehörende Verzögerungszeit als massgebend für das Korrektursignal erhalten wird.

5. Elektronenmikroskop nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor aus einer orthogonalen Matrix von Detektorelementen (30, 31) aufgebaut ist, deren Achsensystem dem Achsensystem eines Strahlabtastmusters des Objekts entspricht.

6. Verfahren zum Korrigieren von Defokussierung und/oder Astigmatismus in einem Elektronenmikroskop, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Detektor mit mehreren einzelnen auslesbaren Detektorelementen (30, 31) die Bewegung eines Intensitätsmusters, das in einer Detektionsebene durch das Abtasten einer Struktur in einer Objektebene entsteht, gemessen wird und aus Signalpaaren von Detektorelementen Korrektursignale für die Defokussierung und den Astigmatismus hergeleitet werden. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen des Intensitätsmusters ein Tragvlies für ein Objekt benutzt wird.

1300U/1060