DE3032818A1 - Durchstrahlungsrasterelektronenmikroskop mit automatischer strahlkorrektur - Google Patents
Durchstrahlungsrasterelektronenmikroskop mit automatischer strahlkorrekturInfo
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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
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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-
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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.
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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.
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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
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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 (1)
- PHN 95^3 A" 12-6-1980PATENTANSPRUECHE: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/1060PHN 9563 2r 12-6-1980führbares 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
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US-Z.: J. Phys. O. Appl. Physics, Bd. 7, 1974, S. 805-814 * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19802848A1 (de) * | 1998-01-26 | 1999-07-29 | Etec Ebt Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zum Testen eines Substrats |
DE19802848B4 (de) * | 1998-01-26 | 2012-02-02 | Display Products Group,Inc. | Verfahren und Vorrichtung zum Testen eines Substrats |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
GB2059120A (en) | 1981-04-15 |
FR2464558B1 (de) | 1983-12-30 |
DE3032818C2 (de) | 1991-06-20 |
GB2059120B (en) | 1983-07-13 |
NL7906632A (nl) | 1981-03-09 |
JPS5673853A (en) | 1981-06-18 |
FR2464558A1 (fr) | 1981-03-06 |
US4379230A (en) | 1983-04-05 |
CA1153131A (en) | 1983-08-30 |
JPH0122705B2 (de) | 1989-04-27 |
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