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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine teilchenoptische Vorrichtung,
und insbesondere ein Elektronenmikroskop mit einer solchen teilchenoptischen
Vorrichtung.
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Bei
einem Elektronenmikroskop wird zur Untersuchung eines Objektes ein
Primärelektronenstrahl
auf das zu untersuchende Objekt gerichtet, und von dem Objekt ausgehende
Elektronen werden als Sekundärelektronenstrahl
zu einem Detektor geführt
und nachgewiesen.
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Im
Rahmen der vorliegenden Anmeldung umfasst der Begriff "Sekundärelektronen" unter anderem:
- – "Spiegelelektronen", d. h. an dem Objekt
reflektierte Primärelektronen,
die die Oberfläche
des Objekts nicht ganz erreichen;
- – "Rückstreuelektronen", d. h. emittierte
Elektronen, deren Energie im Wesentlichen gleich der der auf das Objekt
gerichteten Primärelektronen
ist (elastisch gestreute Elektronen); sowie
- – "Sekundärelektronen
im engeren Sinn",
d. h. solche von dem Objekt emittierte Elektronen, deren kinetische
Energie wesentlich kleiner als die der Primärelektronen ist (inelastisch
gestreute Elektronen).
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Die
nach dem Anmeldetag der vorliegenden Anmeldung zugänglich gemachte
Offenlegungsschrift
DE 101
07 910 A1 offenbart ein Teichenstrahlsystem mit einem Spiegelkorrektor,
bei dem geladene Teilchen aus einer Strahlenquelle zunächst in
einer Strahlweiche in eine Querrichtung abgelenkt, von dem Spiegelkorrektor energieabhängig reflektiert,
und von der Strahlweiche wieder in die ursprüngliche Strahlrichtung abgelenkt werden,
um durch ein Objektiv auf das Objekt gerichtet zu werden.
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Die
Patentschrift
US 4,866,272 offenbart
einen Protonenenergieanalysator zur Untersuchung der Element-Zusammensetzung
von Oberflächen.
Die Vorrichtung umfasst eine Strahlweiche, deren Magnetfeld die vom
Objekt zurückgeworfenen
Protonen je nach ihrer Geschwindigkeit in eine mehr oder weniger
enge Halbkreisbahn zwingt.
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Die
Offenlegungschrift
DE
40 41 495 A1 offenbart einen sandwichartig zusammengesetzten
Elektronenenergiefilter vom Omega-Typ mit vier Magnetfeldsektoren.
Ein- und Austrittsrichtung der Elektronen stimmen überein.
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Die
Offenlegungschrift
DE
39 31 970 A1 offenbart ein Sektorfeldablenksystem mit einem äußeren dreieckigen,
und drei zueinander identisch gestalten inneren viereckigen Magnetfeldsektoren
für ein
Niederspannungs-Elektronenmikroskop. Der ein- und der austretende Strahl durchsetzen
je einen der inneren Sektoren und den einen äußeren Sektor.
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Die
Patentschrift
US 6,310,341
B1 offenbart ein Elektronenmikroskop mit einem Energiefilter
von Alpha-Typ im Detektionsteil. Der Energiefilter wirkt zudem als
Strahlweiche und zum Ablenken des Primärelektronenstrahls zum Objekt
hin.
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Die
Offenlegungschrift
DE
41 29 403 A1 offenbart ein teilchenoptisches Abbildungssystem
mit Spiegelkorrektor, bei dem eine Strahlweiche den Teilchenstrahl
zum Spiegelkorrektor hinlenkt, und die von jenem reflektierten Teilchen
auf das Objekt richtet. Die Strahlweiche weist einen inneren quadratischen
und einen äußeren umgebenden
Magnetfeldbereich auf.
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Bei
Elektronenmikroskopen besteht ein Bedarf danach, einen Strahlengang
des Primärelektronenstrahls
von einem Strahlengang des Sekundärelektronenstrahls zu separieren,
um diese Strahlen möglichst unabhängig voneinander manipulieren
zu können.
Bei einem in 180°-Reflektion
arbeitenden Elektronenmikroskop bedeutet das, dass beide Strahlen
ein umlenkendes Feld einer Strahlweiche passieren müssen; durch diese
Umlenkung können
aber in den Strahlen Verzeichnung, Dispersion und Astigmatismus
auftreten.
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Es
sind Vorrichtungen bekannt, die diese Dispersion oder den Astigmatismus
reduzieren, allerdings nur für
jeweils bestimmte, genau einzujustierende Bildlagen, insbesondere
der Elektronenquelle oder des Objekts, minimieren.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine teilchenoptische
Vorrichtung bereitzustellen, die die vorbeschriebene Funktionalität einer
Strahlweiche realisiert, und dabei günstige Eigenschaften hinsichtlich
Verzeichnung, Energiedispersion und Astigmatismus bereitstellt.
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Ferner
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Elektronenmikroskop
bereitzustellen, bei dem die Strahlengänge von Primärelektronenstrahl
und Sekundärelektronenstrahl
getrennt sind.
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Die
Erfindung geht aus von einer teilchenoptischen Vorrichtung, welche
umfasst:
- – eine
Strahlweiche mit einer Strahlebene und drei Strahlanschlüssen;
- – ein
Strahlführungssystem
zum Zuführen
und Abführen
eines ersten, im Wesentlichen dispersionsfreien und im Wesentlichen
stigmatischen Strahls, und eines zweiten Strahls geladener Teilchen
zu, bzw. weg von der Strahlweiche, wobei die Strahlweiche den zugeführten Strahl
aus einer Richtung quer zu der Richtung des von der Strahlweiche
abgeführten
Strahls empfängt,
und wobei
- – die
Strahlweiche für
den ersten Strahl wenigstens vier Strahlbereiche bereitstellt, wobei
jeder Strahlbereich Teil eines Feldbereichs ist, in dem ein Magnetfeld
bereitgestellt ist, und wobei wenigstens ein Feldbereich von einem
Stromleiter zur Erzeugung des Magnetfelds umschlossen ist.
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Unter
einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine teilchenoptische Vorrichtung
der vorbeschriebenen Art vorgeschlagen, bei der bei dem wenigstens
einen Feldbereich der erste Strahl, bei Projektion in die Strahlebene,
bei Eintritt in den Bereich und bei Austritt aus dem Bereich jeweils
den Stromleiter an einer Stelle schneidet, die kein Krümmungsumkehrbereich
ist.
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Hierdurch
ist die Funktionalität
der Strahlweiche solcherart bereitgestellt, dass die Verzeichnung,
die Dispersion und der Astigmatismus wenigstens des ersten Strahls
im Wesentlichen beseitigt werden können.
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Es
hat sich nämlich
gezeigt, dass, falls der Strahl den felderzeugenden Stromleiter
in einem Krümmungsumkehrbereich
desselben schneidet, einerseits die zur Beseitigung von Verzeichnung,
Dispersion und Astigmatismus erforderliche Genauigkeit der Stromleiterpositionierung
schwierig zu erreichen, und andererseits die positionsgenaue Montage
aufwändig
und daher kostenintensiv ist.
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Unter
einem Krümmungsumkehrbereich
wird hier ein Bereich zwischen zwei Kurven des den Feldbereich umschliessenden,
und daher notwendigerweise gekrümmten
Stromleiters verstanden, wobei die Kurvenkrümmungen entgegengesetzte Vorzeichen
haben bzw. die Krümmungskreismittelpunkte
auf verschiedenen Seiten des Stromleiters liegen. Wenn alle Kurven
des Stromleiters die gleiche Krümmungsrichtung
haben, der Stromleiter also überall
konvex ist, entfallen naturgemäß die Krümmungsumkehrbereiche.
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Unter
einem zweiten Aspekt zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass
wenigstens drei Feldbereiche von je einem Stromleiter umschlossen
sind.
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Diese
Anordnung bietet den Vorteil, dass wegen der Mehrzahl an Stromleitern
auch eine Mehrzahl an einstellbaren Stromstärken zur Verfügung steht,
und somit eine Mehrzahl von Freiheitsgraden zur simultanen Kompensation
von Dispersion und Astigmatismus des ersten Strahls bereitgestellt
werden. Allerdings ist es nicht nötig, für die Funktion der Strahlweiche übermäßig viele
Feldbereiche vorzusehen. Für
die Bereitstellung einer Strahlweiche, die in erster Ordnung dispersionsfrei
und stigmatisch ist, sind nicht mehr als 10 Feldbereiche notwendig,
bei besonderen Ausführungsformen
läßt sich
eine solche Strahlweiche mit weniger als 6, vorzugsweise weniger
als 5, insbesondere mit 4 oder gar nur mit 3 Feldbereichen realisieren.
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Mit
einer solchen Anordnung kann erreicht werden, dass bei teleskopischem
Strahleintritt in der Strahlweiche höchstens ein Fokus erzeugt wird.
Dadurch wird die Zahl der Crossover-Punkte begrenzt, was günstig für die Strahl-Eigenschaften
ist.
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Unter
einem dritten Aspekt zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass
wenigstens einer der Strahlbereiche Teil eines feldfreien Bereichs
ist. Unter einem feldfreien Bereich ist hier ein Bereich zu verstehen,
in dem die Magnetfeldstärke
im Wesentlichen Null ist, so dass geladene Teilchen diesen Bereich
im Wesentlichen ohne Richtungsänderung
passieren.
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Dies
bietet den Vorteil, dass Austritt aus einem umlenkenden Strahlbereich
und Eintritt in den folgenden umlenkenden Strahlbereich nicht zwangsläufig unter
demselben Winkel zwischen Strahl und Strahlbereichsgrenze stattfinden.
Da durch ergibt sich wiederum ein zusätzlicher Freiheitsgrad, der
zur besseren Kompensation von Dispersion und/oder Astigmatismus
genutzt werden kann.
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Unter
einem vierten Aspekt zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass
ein Verlauf des ersten Strahls durch die Strahlbereiche im Wesentlichen
eine Inversionssymmetrie aufweist.
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Durch
diese Maßnahme
wird erreicht, dass wesentliche Komponenten von Dispersion und Astigmatismus
aus Symmetriegründen
insbesondere gleichzeitig zu Null werden; die Kompensation der restlichen Komponenten
wird dadurch wesentlich vereinfacht.
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Es
sei angemerkt, dass die Erfindung ermöglicht, Dispersion und Astigmatismus
für beliebige
Divergenz des eintretenden Strahls im Wesentlichen zu vermeiden;
in diesem Sinne ist die erfindungsgemäße Strahlweiche verzeichnungsfrei.
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Unter
einem fünften
Aspekt zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass für einen
ersten und einen zweiten Strahl, deren Energie unterschiedlich ist,
jeweils wenigstens vier Strahlbereiche zur Verfügung gestellt werden.
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Mit
einer solchen Anordnung kann erreicht werden, dass sowohl der Primärelektronenstrahl,
als auch ein Strahl von Sekundärelektronen
im engeren Sinne verzeichnungsfrei, dispersionsfrei und stigmatisch
durch die Strahlweiche geführt
werden.
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Die
teilchenoptische Vorrichtung ist hierbei nicht auf Elektronen beschränkt, vielmehr
können
als geladene Teilchen auch Ionen, Myonen oder andere zum Einsatz
kommen.
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Eine
bevorzugte Anwendung der teilchenoptischen Vorrichtung liegt allerdings
im Bereich der Elektronenmikroskopie.
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Hier
kann die teilchenoptische Vorrichtung in verschiedenen Typen von
Elektronenmikroskopen eingesetzt werden. Diese umfassen zum einen
solche, bei denen der Primärelektronenstrahl
ein sondenformender Strahl ist, welcher auf vorbestimmte Orte des
Objekts fokussiert wird, insbesondere auf in zeitlicher Folge verschiedene
Orte, und bei denen eine Sekundärelektronenintensität integral,
d. h. nicht örtlich
aufgelöst
erfasst wird. Diese Mikroskoptypen sind in der Fachwelt als SEM
("scanning electron
microscope") bekannt.
Zum anderen umfassen diese Typen Elektronenmikroskope mit einem
ortsauflösenden
Detektor, auf welchen ein ausgedehnter Bereich des Objekts, der
simultan und im Wesentlichen gleichmäßig von dem Primärelektronenstrahl
ausgeleuchtet wird, abgebildet wird. Diese Mikroskoptypen sind in
der Fachwelt unter anderem als LEEM (low energy) electron microscope") oder SEEM ("secondary electron
emission microscope")
bekannt.
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Nachfolgend
werden Einzelheiten der Erfindung anhand der in den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispiele
erläutert
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1 zeigt
schematisch ein Elektronenmikroskop vom SEM-Typ mit einer Strahlweiche
gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung;
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2 zeigt
schematisch eine Anordnung von Feldbereichen der Strahlweiche gemäß 1;
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3 zeigt
schematisch einen Querschnitt durch einen Feldbereich der in den 1 und 2 gezeigten
Strahlweiche mit einem Beispiel einer Stromleiteranordnung;
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4 zeigt
schematisch ein Elektronenmikroskop vom SEM-Typ mit einer Strahlweiche
gemäß einer weiteren
Ausführungsform
der Erfindung;
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5 zeigt
schematisch eine Anordnung von Feldbereichen der Strahlweiche gemäß 4;
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6 zeigt
schematisch ein Elektronenmikroskop vom SEM-Typ mit einer Strahlweiche
gemäß einer weiteren
Ausführungsform
der Erfindung;
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7 zeigt
schematisch die Strahlweiche gemäß 6;
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8 zeigt
schematisch Details einer Variante der in den 6 und 7 gezeigten
Strahlweiche;
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9 zeigt
schematisch ein Elektronenmikroskop vom LEEM-Typ mit einer Strahlweiche
gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung;
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10 zeigt
schematisch eine Lithographievorrichtung mit einer Strahlweiche
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
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11 zeigt
schematisch Details einer Variante der in 10 gezeigten
Strahlweiche.
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Die
Funktionsweise eines Elektronenmikroskops vom SEM-Typ wird in 1 veranschaulicht.
Das Elektronenmikroskop weist eine Teilchenquelle 1 mit
einem der Teilchenquelle 1 in Strahlrichtung nachfolgenden
Strahlbeschleuniger 2 auf. Nach Passieren des Strahlbeschleunigers
werden die Teilchen auf das Potenzial des äußeren Strahlführungsrohrs 3 beschleunigt.
In diesem Bereich sind eine magnetische Kondensorlinse 4 und
ein dieser nachfolgender Stigmator 5 vor gesehen. Auf den
Stigmator 5 folgt eine erste elektrostatische Immersionslinse 6a,
durch die die Elektronen auf eine andere kinetische Energie, die
des inneren Strahlführungsrohrs 7,
beschleunigt bzw. abgebremst werden können. Im Bereich des inneren
Strahlführungsrohrs 7 ist
die Strahlweiche 8 mit den Magnetsektoren 8a bis 8c angeordnet.
Der Strahlweiche 8 folgt eine zweite elektrostatische Immersionslinse 6b,
durch die die Elektronen auf die Energie des Objektiv-Strahlrohrs 9 abgebremst
oder beschleunigt werden. Daran anschliessend folgt in Strahlrichtung
ein Multipol-System mit Zwölfpol-Elementen 11, 13 und
Einfach-Ablenksystemen 10, 12, 14 sowie
das dicht vor dem Objekt 15 angeordnete Objektiv 16 mit
einer Beugungsebene 17. Durch das Objektiv 16 wird
der einfallende Elektronenstrahl in die Brennebene 18 des
Objektivs 16 fokussiert. Dabei kann das Objektiv 16 als
rein magnetische Objektivlinse oder als Kombination aus einer solchen
mit einer elektrostatischen Immersionslinse ausgebildet sein. Im letzteren
Fall wird die Immersionslinse dadurch gebildet, dass das Objektiv-Strahlrohr 9 innerhalb
des Objektivs 16 auf Höhe
des Polschuhspaltes oder dahinter endet und die Elektronen nach
Austritt aus dem Objektiv-Strahlrohr auf das Potenzial des in der
Nähe der
Brennebene 18 des Objektivs 16 angeordneten Objekts 15 abgebremst
werden.
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Das
Paar von Immersionslinsen 6a, 6b ermöglicht auch,
Variationen in der Elektronenenergie so zu kompensieren, dass der
durch die Strahlweiche 8 tretende Elektronenstrahl im Wesentlichen
eine konstante Energie hat.
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Die
durch die Wechselwirkung des Primärelektronenstrahls mit dem
Objekt 15 entstehenden Sekundärelektronen werden durch das
höhere
Potenzial des Objektiv-Strahlrohrs 9 wieder zurückbeschleunigt
und durchlaufen den Strahlengang zwischen Objektiv 16 und
Strahlweiche 8 in umgekehrter Richtung. Aufgrund der umgekehrten
Bewegungsrichtung werden die Elektronen im Magnetsektor 8c in
entgegengesetzter Richtung umgelenkt, so dass sie von dem Primärelektronenstrahl
räumlich
getrennt werden. Mittels eines im umgelenkten Seitenarm der Strahlweiche
folgenden Detektors 20 können die Sekundärelektronen
detektiert werden. Durch eine vorgeschaltete elektrostatische Linse 19 ist
durch Anlegen unterschiedlicher Potenziale eine Diskriminierung
hinsichtlich von Energien der von der Probe kommenden Elektronen,
insbesondere nach Spiegel-, Rückstreu-
sowie verschiedenen Arten von Sekundärelektronen, möglich.
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2 veranschaulicht
die Anordnung der Strahl- und Feldbereiche in der Strahlweiche 8.
Diese Strahlweiche 8 besteht aus insgesamt drei Magnetsektoren 8a, 8b, 8c mit
jeweils hinsichtlich der Richtung einheitlich gekrümmten einschliessenden
Stromleitern (nicht gezeigt) in für diese vorgesehenen Leiterführungen 21a, 21b, 21c.
Indem die Krümmung
der Stromleiter bzw. der Leiterführungen 21a, 21b, 21c keine
Vorzeichenwechsel aufweist, also konvex ist, gibt es keine Krümmungsumkehrbereiche.
Dadurch ist die positionsgenaue Herstellung der zur Erzeugung der
Magnetfelder erforderlichen Spulen vergleichsweise einfach. Die
beiden äußeren Sektoren 8a, 8c können hierbei
einen identischen Aufbau aufweisen, es reicht aber aus, wenn diese Symmetrie
in den vom Primärelektronenstrahl
durchsetzten Strahlbereichen besteht. Die Richtung der Magnetfelder
Ba und Bc, bevorzugt
auch ihre Stärke,
ist dabei in diesen äußeren Sektoren 8a, 8c gleich,
wogegen das Magnetfeld Bb des inneren Sektors 8b eine
dazu entgegengesetzte Richtung aufweist. Der innere Magnetsektor 8b ist
bevorzugt in sich symmetrisch ausgebildet und zur durch Strichelung
in 2 angedeuteten Ebene 23 symmetrisch angeordnet.
Damit sind die Feldbereiche einschliesslich der feldfreien Bereiche,
und damit die vom Strahl durchsetzten Strahlbereiche zur Ebene 23 symmetrisch
angeordnet. Außerdem
sind die Magnetfelder alle parallel bzw. antiparallel, so dass der Primärelektronenstrahl
die Strahlweiche 8 koplanar, nämlich in einer Strahlebene 24 (siehe 3)
durchläuft.
Die 2 stellt also eine Projektion auf die Strahlebene 24 dar.
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Sei
z eine jeweilige Richtung der Strahlachse BA im Verlauf des Strahls;
x eine Richtung senkrecht auf z und senkrecht auf den Magnetfeldrichtungen;
y eine Richtung senkrecht auf z und x, also parallel bzw. antiparallel
zu den Magnetfeldrichtungen. Dabei sei davon auszugehen, dass der
Primärelektronenstrahl
bei Eintritt in die Strahlweiche 8 so zentriert ist, dass
er eine erste Strahlachse BA1 aufweist. Dann sind die einzelnen Magnetsektoren 8a, 8b, 8c so
ausgebildet, dass die erste Strahlachse BA1 die den ersten Sektor 8a umgebende
Leiterführung 21a senkrecht
schneidet. Mit der Umlenkung des Primärelektronenstrahls in den Sektoren 8a, 8b, 8c wird
jeweils auch die Richtung der Strahlachse BA verändert, bis der Strahl den letzten
Sektor 8c verlässt.
Der austretende Strahl definiert eine zweite Strahlachse BA2, die
die den letzten Sektor 8c umgebende Leiterführung 21c wiederum
senkrecht schneidet.
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Die
Winkel, unter denen die Strahlachse BA im Inneren der Strahlweiche
in die Sektoren 8b, 8c ein- bzw. aus den Sektoren 8a, 8b austritt,
weichen demgegenüber
von 90° ab.
Durch die so auftretenden Quadrupolkomponenten wird innerhalb der
Strahlweiche eine y-Fokussierung senkrecht zur Strahlebene 24 erreicht. Diese
y-Fokussierung kann an die x-Fokussierung in der Strahlebene 24,
die durch die (Dipol-)Magnetfelder erzeugt wird, durch Wahl der
Ein- und Austrittswinkel angepasst werden, so dass die Strahlweiche 8 eine
stigmatische Abbildung erzeugt, die der Abbildung durch eine Rundlinse
entspricht.
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Durch
die Strahlumlenkung im Inneren der Strahlweiche 8 resultiert
in diesem Beispiel eine Strahlumlenkung um etwa 90° zwischen
der ersten und zweiten Strahlachse BA1, BA2; es sind aber auch andere
Umlenkwinkel im Bereich 50° bis
110° realisierbar.
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Die
Driftstreckenlängen,
d. h. die in dem feldfreien Bereich 22d vom Strahl zurückzulegenden
Strecken zwischen den Sektoren 8a und 8b bzw. 8b und 8c,
sowie die Umlenkwinkel in den Magnetsektoren 8a, 8b, 8c,
sind so aufeinander abgestimmt, dass die Strahlweiche 8 für den Primärelektronenstrahl
dispersionsfrei wird. Zudem soll ein teleskopisch einfallendes Strahlbündel die
Strahlweiche 8 im wesentlichen teleskopisch, oder schwach
fokussiert verlassen.
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Bei
der in 2 gezeigten Anordnung durchläuft der Primärelektronenstrahl
innerhalb der Strahlweiche 8 fünf Strahlbereiche, nämlich den
Feldbereich 22a des ersten Sektors 8a, den feldfreien
Bereich 22d, den Feldbereich 22b des zweiten Sektors 8b,
abermals den feldfreien Bereich 22d, sowie den Feldbereich 22c des dritten
Sektors 8c. Die Vorzeichenfolge der durchlaufenen Strahlbereiche
mit den Magnetfeldern Ba, Bb,
Bc lautet somit "+0-0+".
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3 verdeutlicht
den prinzipiellen Aufbau der Magnetsektoren 8a, 8b, 8c.
Diese Figur entspricht einer Schnittdarstellung des in 2 gezeigten
Magnetsektors 8a etwa entlang der Schnittlinie (III-III).
Gezeigt sind die Polschuhe 25 und das in der Leiterführung 21 angeordnete
Spulenpaar 26 sowie Trimmspulenpaare 27, die der
Feinjustage dienen. Im von den Spulen 26 umschlossenen
Raum bildet sich das Magnetfeld Ba aus. Es
ist bevorzugt, wenn die Spulen 26 oder/und 27,
beispielsweise mit Wasser, kühlbar
sind. Nicht gezeigt sind Joche, die die Polschuhe 25 außerhalb
des vom Stromleiter umschlossenen Bereichs magnetisch verbinden und
für den
Schluss der Magnetfeldlinien notwendig sind. Außerdem definieren die Joche
den Polschuhabstand. Polschuhe 25 und Joche können aus
Weicheisen, Ferrit oder aus einem anderen magnetischen Material bestehen.
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In
der folgenden Tabelle 1 sind die nominellen Parameter einer ersten
Strahlweiche
8 gemäß vorstehenden
Ausführungen
aufgelistet (mit Polschuhabstand 10 mm, Breite der Leiterführungen
3 mm, r
i Strahlkrümmungsradien, φ
i Strahlkrümmungswinkel, δ
ji, δ
ij Ein-
bzw. Austrittswinkel, d
ij Driftstrecke): Tabelle 1 Abmessungen einer ersten Strahlweiche
ra = rc | rb | dab = dbc | φa = φc | –φb | δab = –δcb | δba = –δbc |
13,7
mm | 13,7
mm | 16,7
mm | 71,5° | 52,9° | 57,5° | 2,4° |
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Es
ist noch anzumerken, dass die Krümmung
der Stromleiter bevorzugt jeweils im Ganzen konvex ist, und für alle Stromleiter
solchermaßen
konvex ist. Erfindungsgemäß reicht
es aber aus, wenn der Strahl an solchen Stellen in die Feldbereiche
ein- bzw. aus den Feldbereichen austritt, die nicht Krümmungsumkehrbereiche
des umschliessenden Stromleiters sind; andernorts darf jeder Stromleiter
solche Krümmungsumkehrbereiche
aufweisen.
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4 zeigt
ein anderes Ausführungsbeispiel
eines Elektronenmikroskops vom SEM-Typ. Den vorstehend beschriebenen
Bauteilen entsprechende Komponenten sind mit gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet; es sind aber in 4 zum Zwecke
der Klarheit einige Details weggelassen. Solche Komponenten, die
wesentlich von dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel abweichen, sind
durch gestrichene Bezugszeichen bezeichnet.
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Bis
zum Eintritt des Primärelektronenstrahls
in die Strahlweiche 8' ist
der Strahlengang dem in 2 gezeigten analog. Auf den
ersten Magnetsektor 8a' folgt
aber in die sem zweiten Ausführungsbeispiel
direkt, also ohne Driftstrecke in einem feldfreien Bereich, ein
zweiter Magnetsektor 8b' mit
entgegengesetzter Magnetfeldrichtung. Daran schliesst sich wiederum
jeweils direkt ein dem zweiten Bereich entsprechender dritter Bereich 8c' sowie ein dem
ersten Bereich entsprechender vierter Bereich 8d' an. Die Magnetfeldrichtungen sind
in den Bereichen 8a' und 8c' parallel, und
in den Bereichen 8b' und 8d' dazu antiparallel.
Die Feldrichtungsabfolge ist hier also "+–+–". Betragsmäßig entsprechen
sich die Feldbereiche 8a' und 8d', sowie 8b' und 8c'. Die Anordnung
der Strahl- und Feldbereiche ist somit inversionssymmetrisch zum
Schnittpunkt der Strahlachse BA' mit
der Grenzlinie zwischen der zweiten und dritten Leiterführung 21b' und 21c' (siehe 5).
Daraus resultiert eine Strahlführung,
durch die der Primärelektronenstrahl
insgesamt allenfalls einen Versatz, aber keine Richtungsänderung
erfährt,
d. h. die Richtungen der Strahlachsen BA1' und BA2' vor und nach der Strahlweiche 8' sind parallel.
Im gezeigten Beispiel tritt auch kein Versatz auf, so dass die Strahlweiche 8' "geradsichtig" ist.
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Durch
die Inversionssymmetrie werden einige Komponenten der Dispersion
und des Astigmatismus zwangsweise zu Null; das Fehlen einer Strahlrichtungsänderung
erleichtert ebenfalls die Dispersionskorrektur. Daher reichen bei
der Strahlweiche 8' vier
zu durchlaufende Strahlbereiche aus, Dispersion und Astigmatismus
im Wesentlichen zu kompensieren. Für den Sekundärelektronenstrahl
ist dagegen die Anordnung dispersiv, da die Rückstreuelektronen infolge der
umgekehrten Strahlrichtung andere Strecken- und Winkelverhältnisse
vorfinden als die Primärelektronen,
und die Sekundärelektronen
im engeren Sinn sogar vom letzten Magnetsektor 8d' soweit abgelenkt
werden, dass sie die Strahlweiche 8' verlassen. Dies bietet die Möglichkeit, separate
Detektoren 20a, 20b, 20c für Rückstreuelektronen,
Sekundärelektronen
und besonders niederenergetische Sekundärelektronen vorzusehen. Da der
von den "echten" Sekundärelektronen
durchlaufene Sektor 8d' auf
diese Elektronen dispersiv wirkt, kann der Detektor 20b bei
Bedarf als ndetektor ausgebildet werden, wodurch eine energieselektierte
Detektion in einfacher Weise realisiert wird.
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5 zeigt
einige Details der Strahlweiche 8', insbesondere die Leiterführungen 21a' bis 21d', sowie Strahlkrümmungsradien
ra bis rd und -winkel φa bis φd. Außerdem
sind Transitwinkel δab, δbc und δcd eingezeichnet. Die Strahlkrümmungsradien
ra bis rd sind bekanntermaßen im Wesentlichen
durch die Elektronenenergie (und -masse) sowie die Magnetfeldstärke bestimmt.
Die für
die Dispersionseigenschaften wichtigen Strahlkrümmungswinkel φa bis φd ergeben sich zusätzlich aus den Abmessungen
der Sektoren. Im Rahmen der Inversionssymmetrie sind ra und
rd gleich, ebenso rb und
rb, ferner φa und φd sowie φb und φc entgegengesetzt gleich, d. h. die Krümmungsrichtungen
sind jeweils verschieden. Der Transitwinkel δab ist
demgegenüber
gleich dem Transitwinkel δcd zwischen den Sektoren 8c' und 8d', d. h. in beiden
Fällen
schneidet der Strahl die Leiterführungen 21a' und 21b' bzw. 21c' und 21d' schräg von der
gleichen Seite und unter dem gleichen Winkel. Der Transitwinkel δbc hat
demgegenüber
einen anderen Betrag und das andere Vorzeichen, d. h. der Strahl schneidet
die Leiterführungen 21b' und 21c' der Sektoren 8b' und 8c' schräg von der
anderen Seite. Die Transitwinkel kontrollieren den Astigmatismus.
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In
der folgenden Tabelle 2 sind die nominellen Parameter einer zweiten
Strahlweiche
8' gemäß vorstehenden
Ausführungen
aufgelistet (mit Polschuhabstand 10 mm, Breite der Leiterführungen
2 mm): Tabelle 2 Abmessungen einer zweiten Strahlweiche
8
Parameter | ra = rd | Rb = rc | φa = –φd | –φb = φc | δab = δcd | –δbc |
Wert | 20
mm | 20
mm | 29,7° | 71,4° | 23,3° | 22,4° |
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines Elektronenmikroskops vom SEM-Typ ist in 6 und 7 schematisch
dargestellt. Strahlenquelle 1, Strahlführung 2–7 und 10–17 zum
Objekt 15 und Detektionsteil 19, 20 entsprechen
denen in 1 und werden an dieser Stelle
nicht nochmals beschrieben; die Strahlweiche 8'' selbst hat aber einen abweichenden
Aufbau, weswegen ihre einzelnen Komponenten mit doppelt gestrichenen Bezugszeichen
gekennzeichnet sind. Insbesondere weist die Strahlweiche 8'' drei dergestalt ineinander angeordnete
Stromleiter auf, dass der äußere Magnetsektor 8a'' den mittleren Sektor 8b'', und dieser wiederum den inneren
Sektor 8c'' umfasst. Die
Stromrichtung ist für
den mittleren Sektor 8b'' entgegengesetzt
zu der für
die anderen beiden Sektoren 8a'', 8c'' und die Stromstärke betragsmäßig gleich
der Summe der Stromstärken
in dem äußeren und
dem inneren Stromleiter. Daraus resultiert innerhalb der inneren
Spule ein feldfreier Bereich 22c'',
und mithin für
den Elektronenstrahl eine Driftstrecke. Da die Stromstärke im mittleren
Stromleiter zwingend größer ist
als die im äußeren Stromleiter,
hat das Magnetfeld Bb" ein anderes Vorzeichen als das Magnetfeld
Ba".
Der einfallende Elektronenstrahl durchläuft demzufolge die Feldbereiche 22a'', 22b'', 22c'' sowie wiederum 22b'' und 22a'' mit
der Feldrichtungsabfolge "+-0-+", also fünf Strahlbereiche.
Diese Strahlbereiche sind bezüglich
einer Ebene 23a'' zum Zwecke
der Dispersionskompensation symmetrisch angeordnet. Abweichend von
der ersten Ausführungsform
sind hier die Stromleiter aber so angeordnet, dass auch der vom
Objekt emittierte Sekundärelektronenstrahl
die Strahlweiche im Wesentlichen dispersionsfrei und stigmatisch
durchläuft.
Dies wird u. a. dadurch erreicht, dass die Strahlweiche als Ganzes
symmetrisch zu einer Ebene 23c'' aufgebaut
ist. Aus dieser Symmetrie resultiert auch eine Ebene 23b'', bezüglich derer der Strahlverlauf
für den Sekundärelektronenstrahl
symmetrisch ist.
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In
der folgenden Tabelle 3 sind die nominellen Parameter einer dritten
Strahlweiche
8'' gemäß vorstehenden
Ausführungen
aufgelistet (mit Polschuhabstand 7 mm, Breite der Leiterführungen
3 mm, r
i Strahlkrümmungsradien, φ
i Strahlkrümmungswinkel, δ
ij Ein-
bzw. Austrittswinkel, d
i Driftstrecke): Tabelle 3 Abmessungen einer dritten Strahlweiche
8''
ra = ra' | rb = rb' | dc | φa = φa' | φb = φb' | δab = δab' | δbc = δbc' |
18,6
mm | 18,6
mm | 22,8
mm | 63,3° | 40,8° | 40,1° | 17,7° |
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Bei
dem gezeigten Beispiel resultiert für Primär- und Sekundärelektronenstrahl
jeweils eine Ablenkung zwischen der Strahlachse BA1" bzw. BA2" des einfallenden
Strahls und der Strahlachse BA2" bzw.
BA3" des austretenden
Strahls um etwa 45°;
andere Ablenkwinkel zwischen etwa 25° und 65° sind aber ebenfalls realisierbar.
Die Symmetrie zwischen Primär-
und Sekundärstrahlverlauf
ist dabei nicht zwingend, aber bevorzugt. Dementsprechend könnten auch
verschiedene Ablenkwinkel für
den Primär-
und Sekundärstrahl
bereitgestellt werden.
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Während im
vorbeschriebenen Beispiel der Sekundärelektronenstrahl die Strahlweiche 8'' im Wesentlichen dispersionsfrei
durchtritt, kann für
besondere Anwendungen ein separates Dispersionsglied 28 wie
in 8 gezeigt vorgesehen sein. Dem Dispersionsglied 28 folgt
dann ein Zeilendetektor 29, der es ermöglicht, die Sekundärelektronendetektion
energieaufgelöst
zu gestalten.
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Im
Gegensatz zu den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen zeigt 9 ein
Elektronenmikroskop vom LEEM-Typ. In diesem Beispiel wird der Primärelektronenstrahl
durch den ersten Magnetsektor 8a der Strahlweiche 8 und
das Objektiv 16 so auf das Objekt 15 gerichtet,
dass das Objekt 15 flächig
ausgeleuchtet wird. In der 9 sind Teile
der objektseitigen Strahlführung
zwecks Vereinfachung der Darstellung zu der Linse 10 zusammengefasst.
Die vom Objekt 15 emittierten Sekundärelektronen werden dann zur
Strahlweiche 8 zurückgeführt und
durchlaufen nacheinander die Magnetsektoren 8a, 8b und 8c im
Wesentlichen dispersionsfrei und stigmatisch. Nach Passieren der
elektrostatischen Linse 19 erfolgt Detektion der Sekundärelektronen
in einem zweidimensional ortsauflösenden Detektor 30.
Wegen der Dispersionsfreiheit und stigmatischen Abbildung der Strahlweiche 8 ist
die mit dem Detektor 30 erzielbare Ortsauflösung vergleichsweise
gut.
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Diese
Betriebsweise des erfindungsgemäßen Elektronenmikroskops
kann auch mit den anders aufgebauten Strahlweichen 8' und 8'' realisiert werden.
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Weitere
Einsatzgebiete der erfindungsgemäßen Strahlweiche
sind im Bereich der Lithographie oder der Teilchen-Massenfilter
usw. zu sehen.
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Ein
Beispiel für
eine Lithographievorrichtung ist in 10 und 11 dargestellt.
Hierbei ist zwischen Strahlquelle 1 und Strahlweiche 8''' eine
Maske 31 angeordnet. Das Bild dieser Maske 31 wird
als erster Strahl durch die Strahlweiche 8''' auf das Objekt
abgebildet. Der Strahlverlauf dieses ersten Strahls durch die Sektoren 8a''', 8b''' und 8c''' ist
dabei ähnlich
wie für
die erste Ausführungsform
beschrieben; allerdings ist der Ablenkwinkel in der in 11 dargestellten
Variante geringer, nämlich
etwa 60°.
Das in die Objektebene abgebildete Maskenbild wird anhand der ausgelösten Sekundärelektronen
im engeren Sinne, die den zweiten Strahl wesentlich niedrigerer
Energie bilden, simultan registriert, indem dieser zweite Strahl
gleichfalls verzeichnungsfrei, dispersionsfrei und stigmatisch durch
den zweiten Teil der Strahlweiche 8''' auf einen ortsauflösenden Detektor
abgebildet wird. Der Strahlverlauf dieses zweiten Strahls durch
die Sektoren 8c''', 8d''' und 8e''' ist
dabei wegen der abweichenden Energie wenigstens hinsichtlich der
Strahlkrümmungen
verschieden von dem Verlauf des ersten Strahls.
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In
der folgenden Tabelle 4 sind die nominellen Parameter einer vierten
Strahlweiche
8''' gemäß vorstehenden Ausführungen
aufgelistet (mit Polschuhabstand 7 mm, Breite der Leiterführungen
3 mm, r
i Strahlkrümmungsradien, φ
i Strahlkrümmungswinkel, δ
ji Ein-
bzw. δ
ij Austrittswinkel, d
ij Driftstrecken) Tabelle 4 Abmessungen einer vierten Strahlweiche
8'''
ra = ra' | rb | dab = dbc | φa = φa' | –φb | δab = –δcb | δba = –δbc |
17,5
mm | 17,5
mm | 15
mm | 56,5° | 53° | 49,7° | 4,5° |
rc = rc' | rd | dcd = dde | φc = φc' | –φd | δcd = –δed | δdc = –δde |
13,7
mm | 13,7
mm | 16,7
mm | 71,5° | 52,9° | 57,5° | 2,4° |
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Bei
dem gezeigten Beispiel resultieren für Primär- und Sekundärelektronenstrahl
Ablenkungen zwischen der Strahlachse BA1" bzw. BA2" des einfallenden ersten bzw. zweiten
Strahls und der Strahlachse BA2" bzw.
BA3" des austretenden
ersten bzw. zweiten Strahls um etwa 60° bzw. 90°; andere Ablenkwinkel zwischen etwa
30° und
120° sind
aber ebenfalls realisierbar.
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Die
gezeigte Ausführungsform
eines Lithographiesystems verwendet eine Maske 31; es kann
aber auch die Teilchenquelle, beispielsweise mittels eines Lasers,
geschaltet werden, um ein Muster zu erzeugen.
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Zusammengefasst
stellt die Erfindung eine teilchenoptische Vorrichtung mit der Funktionalität einer Strahlweiche
sowie ein mit dieser Strahlweiche ausgerüstetes Elektronenmikroskop
bereit, wobei die Strahlweiche wenigstens einen ersten Elektronenstrahl
im Wesentlichen dispersionsfrei und stigmatisch zu einem zu beleuchtenden
Objekt oder von einem Objekt weg zu einem Detektor führt und
dabei von einem in Gegenrichtung geführten zweiten Elektronenstrahl
separiert.