DE69210440T2

DE69210440T2 - Ladungspartikelbündelanordnung

Info

Publication number: DE69210440T2
Application number: DE69210440T
Authority: DE
Inventors: Jong Alan Frank De; Der Mast Karel Diederick Van
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: FEI Co
Priority date: 1991-02-20
Filing date: 1992-02-17
Publication date: 1996-11-07
Anticipated expiration: 2012-02-18
Also published as: EP0500179B1; JPH04328232A; DE69210440D1; JP3281017B2; US5221844A; NL9100294A; EP0500179A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Ladungsteilchenstrahlgerät mit einer Quelle zum Emittieren eines Ladungsteilchenbündels auf eine Objektebene, teilchenoptischen Elementen, die entlang einer optische Achsen angeordnet sind und die mindestens eine Linse zur Bildung eines Bildes der Objektebene umfassen, und einem Korrekturelement zur Korrektur der sphärischen und/oder chromatischen Aberration im Bild der mindestens einen Linse, wobei das Korrekturelement ein Multipolelement zum Erzeugen einer magnetischen und/oder elektrischen Potentialverteilung in einer senkrecht zur optischen Achse verlaufenden Korrekturebene umfaßt.
Ein Ladungsteilchenstrahlgerät dieser Art ist aus der US-Patentschrift US 4.414.474 bekannt.
Die zitierte Patentschrift beschreibt ein Korrekturelement zur Korrektur von sphärischer Aberration in einem Elektronenmikroskop. Sphärische Aberration tritt auf, weil Elektronen, die in eine elektronenoptische Linse von einem Punkt auf der optischen Achse aus eintreten, mehr am Rand der Linse abgelenkt werden als in Teilen der Linse, die näher bei der optischen Achse liegen. Ein auf der optischen Achse liegender Punkt wird von der Linse als Fleck abgebildet, mit einem Radius r, der gegeben ist durch r = MCsα³. Hierin ist Cs der Koeffizient der sphärischen Aberration, M ist die Quervergrößerung und α ist der von dem Radius bezüglich der optischen Achse zwischen dem Punkt auf der optischen Achse und dem Rand der Linse eingeschlossene Winkel. Sphärische Aberration kann durch Bündelausbiendung verringert werden; dies hat jedoch keine Vorteile, da Informationen über das abzubildende Objekt dann verlorengehen. Der Koeffrzient der sphärischen Aberration kann auch verkleinert werden.
Ein statisches elektrisches oder magnetisches Feld in einem ladungsfreien Raum ohne Ladungsstromdichten wird durch eine Potentialverteilung beschrieben, die die Laplace-Gleichungen erfüllt. In einem System mit Zylindersymmetrie kann diese Potentialverteilung in eine Reihe um die optische Achse entwickelt werden, wobei die Reihe nur geradzahlige Potenzen des Abstandes von der optischen Achse enthält. Die mit der Potentialverteilung zusammenhängenden elektrischen oder magnetischen Felder werden durch Bestimmung der Ableitungen dieser Verteilung gefunden. Wenn die Berechnung einer Bahn eines Ladungsteilchens in diesen elektrischen oder magnetischen Feldern nur die Feldglieder in der Reihenentwicklung des Feldes um die optische Achse, in der Potenzen des Abstandes von der optischen Achse nicht größer als 1 werden, berücksichtigt, wird die Bahn erster Ordnung gefunden. Wenn die Berechnung der Bahn des Ladungsteilchens Feldglieder mit nächsthöheren Potenzen des Abstandes von der optischen Achse berücksichtigt, die größer als 1 sind, wird die Behn dritter Ordnung gefunden, die sich von der Bahn erster Ordnung unterscheidet. Für Ladungsteilchen, die aus einem Punkt auf der optischen Achse austreten, wird die Abweichung in der Bildebene zwischen der Bahn erster Ordnung und der Behn dritter Ordnung als sphärische Aberration bezeichnet. Für magnetische Felder kann der Koeffizient der sphärischen Aberration mit einem Integral entlang der optischen Achse zwischen der Objektebene und der Bildebene ausgedrückt werden. Für Systeme mit Zylindersymmetrie hat Scherzer nachgewiesen, daß dieses Integral immer negativ ist. Daher kann sphärische Aberration mit Hilfe zylindersymmetrischer teilchenoptischer Elemente nicht korrigiert werden. Bei Verwendung eines Korrekturelements mit zwei um eine Rundlinse angeordneten Sextupolen wird nach dem bekannten Verfahren eine Wirkung dritter Ordnung auf die Elektronenbahn ausgeübt, die der von dem zylindersymmetrischen teilchenoptischen System eingebrachten sphärischen Aberration entgegenwirkt. Solch ein Korrekturelement hat den Nachteil, daß die Korrektur über einen verhältnismäßig langen Teil der optischen Achse erfolgt und daß das Korrekturelement eine länge von 10 cm in dieser Richtung hat und relativ viel Raum einnimmt. Daher ist es schwierig, das Korrekturelement in vorhandene teilchenoptische Geräte einzubauen. Die Anforderungen hinsichtlich der Positionierung eines solchen Korrekturelements sind streng und schwierig zu erfüllen. Außerdem wird mit zunehmenden Abmessungen des Korrekturelements seine Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen auch größer, weil die Bildinformation am Ort des Korrekturelements noch nicht vergrößert worden ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ladungsteilchenstrahlgerät der dargelegten Art zu verschaffen, das ein Korrekturelement umfaßt, das in Richtung der optischen Achse verhältnismäßig geringe Abmessungen hat.
Hierzu ist ein erfindungsgemäßes Ladungsteilchenstrahlgerät dadurch gekennzeichnet, daß das Ladungsteilchenstrahlgerät Mittel umfaßt zur Drehung der durch das Korrekturelement erzeugten Potentialverteilung in der Korrekturebene, um eine Korrekturrichtung einzustellen.
Es sei bemerkt, daß ein Korrekturelement zum Erzeugen einer magnetischen Potentialverteilung in einer Korrekturebene senkrecht zur optischen Achse, das Mittel zum Drehen der Potentialverteilung in der Korrekturebene umfaßt, aus einem Artikel von A. Gemperle und J. Gemperlova "A simple stigmator circuit for independent control of corrector amplitude and orientation", Optik, Bd. 59, Nr. 5 (1981) S. 401-406 bekannt ist. Dieses Korrekturelement ist jedoch zur Korrektur von Astigmatismus entworfen; es gibt in dieser Veröffentlichung keinen Hinweis auf Korrektur von sphärischer und/oder chromatischer Aberration.
Weil Aberrationen ausschließlich in den Richtungen korrigiert werden, für die zuvor bekannt ist, daß dort wichtige Bildinformationen liegen, und die in einer Korrekturebene senkrecht zur optischen Achse verlaufen, genügt es, ein Korrekturelement mit verhältnismäßig kleiner Abmessung in Richtung der optischen Achse zu verwenden (beispielsweise von 1 bis 2 cm). Durch Drehung der Potentialverteilung, beispielsweise durch selektive Erregung der Pole des Multipolelements oder durch Anpassung der relativen Starke der Pole, können Aberrationen für eine Anzahl unterschiedlicher Richtungen in der Korrekturebene hintereinander korrigiert werden, so daß eine Anzahl korrigierter Bilder mit verbesserter Auflösung in der Korrekturrichtung erhalten wird.
Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladungsteilchenstrahlgeräts ist dadurch gekennzeichnet, daß das Ladungsteilchenstrahlgerät Mittel umfaßt, um Bilder zu kombinieren, die hintereinander in verschiedenen Korrekturrichtungen korrigiert worden sind.
Ein korrigiertes Gesamtbild eines Objektes wird durch Kombination der korrigierten Bilder in beispielsweise einem Bildspeicher eines Computers oder durch Überlagerung photographischer Platten erhalten.
Eine Ausführungsform eines erfmdungsgemäßen Ladungsteilchenstrahlgeräts ist dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturebene mit einer mit einer Hauptebene der Linse konjugierten Ebene zusammenfällt.
Die von der Linse eingebrachte sphärische und/oder chromatische Aberration wird von dem Korrekturelement korrigiert. Daher liegt das Korrekturelement vorzugsweise in einer Ebene, die zur Hauptebene der Linse äquivalent ist. Unter einer Hauptebene der Linse soll hier die Ebene der Linsenwirkung verstanden werden, wo eventuell Linsenfehler eingebracht werden.
Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladungsteilchenstrahlgeräts ist dadurch gekennzeichnet, daß die Linse eine Objektivlinse ist.
In einem Transmissionselektronenmikroskop liegt das Korrekturelement vorzugsweise hinter der Objektivlinse dort, wo sich üblicherweise der Stigmator befindet. In einem Rasterelektronenmikroskop ist das Korrekturelement vorzugsweise in oder nahe der Objektivlinse, d.h. vor der Probe angeordnet. Wegen ihres verhältnismäßig großen Öffnungswinkels, beispielsweise 20 mrad, bewirkt die Objektivlinse einen im Vergleich zu anderen Linsen hohen Anteil sphärischer Aberration und chromatischer Aberration. Wegen seiner kleinen Abmessungen kann das Korrekturelement in einem Transmissionselektronenmikroskop mit dem hinter der Objektivlinse angeordneten Stigmator kombiniert werden.
Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladungsteilchenstrahlgeräts ist dadurch gekennzeichnet, daß das Ladungsteilchenstrahlgerät ein Bildverarbeitungssystem umfaßt, das eine Bildverarbeitungsprozedur zum Selektieren der korrigierten Richtung in einem Bild enthält.
Mittels Bildverarbeitung kann also eine gewünschte Richtung, insbesondere die korrigierte Richtung, aus einem Bild durch Selektieren dieser Richtung im Fourier-Raum und Unterdrückung der anderen Richtungen selektiert werden. Selektion erfolgt auf Basis von Intensität.
Eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemaßen Ladungsteilchenstrahlgeräts, in dem das Ladungsteilchenstrahlgerät als Transmissionselektronenmikroskop ausgeführt ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Ladungsteilchenstrahlgerät eine Blende zum Selektieren der korrigierten Richtung in der hinteren Brennebene der Linse umfaßt, wobei die Blende und das Ladungsteilchenbündel zueinander bewegbar sind und diese Bewegung mit der Drehung der Potentialverteilung des Korrekturelements gekoppelt ist.
In der hinteren Brennebene der Objektivlinse wird die Elektronenwellenfunktion in fouriertransformierter Form dargestellt. Jede Richtung im ursprünglichen Bild wird durch eine Linie dargestellt. Durch Verwendung einer Blende kann eine Richtung selektiert werden. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, dafür zu sorgen, daß die selektierte Richtung der korrigierten Richtung entspricht.
Eine erste Möglichkeit besteht darin, die Blende zusammen mit dem rotierenden Multipolfeld um die optische Achse rotieren zu lassen. Der Bildveraibeitungsschritt ist dann beispielsweise eine Überlagerung.
Eine zweite Möglichkeit besteht darin, daß, statt die Blende zu drehen, das auf die Probe einfallende Elektronenstrahlenbündel gekippt wird, wobei die Kipprichtung gedreht wird. Die Elektronenwellenfunktion dreht dann relativ zu einer stillstehenden Blende in der hinteren Brennebene der Objektivlinse.
Ein Vorteil dieser Filtertechniken besteht darin, daß die Phaseninformation der Wellenfunktion erhalten bleibt. Solche Bildverarbeitungsverfahren können vorteilhaft zur Bildrekonstruktion verwendet werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die nichtlineare Bildgebung erheblich unterdrückt wird, weil nur die nichtlineare Bildgebung innerhalb der Blende von Bedeutung ist.
Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemaßen Ladungsteilchenstrahlgeräts ist dadurch gekennzeichnet, daß zum Korrigieren von sphärischer Aberration die Potentialverteilung eine Oktupolverteilung umfaßt.
Der Oktupol übt auf ein Ladungsteilchen eine zur optischen Achse gerichtete Kraft in zwei zueinander senkrechten Richtungen aus, wobei die Kraft proportional zur dritten Potenz des Abstandes des Ladungsteilchen von der optischen Achse ist. In zwei anderen zueinander senkrechten Richtungen ist die auf ein Ladungsteilchen von dem Oktupol ausgeübte Kraft von der optischen Achse weg gerichtet. Die von der optischen Achse weg gerichtete Kraft ändert den Winkel der Bahn der Teilchen, die am Rand der Linse in die Linse eintreten und die wegen der sphärischen Aberration zu stark zur optischen Achse abgelenkt werden, so daß die zu starke Ablenkung korrigiert wird.
Ein Oktupolelement wird in der Veröffenffichung von B. Bastian, K. Spengler und D. Typke: "Ein elektrisch-magnetisches Oktupolelement zur sphärischen und chromatischen Korrektur von Elektronenlinsen", Optik 33, Heft 6, 1971, S. 591- 596 beschrieben. Der in der genannten Veröffentlichung beschriebene Oktupol umfaßt einen Ring, an dem acht radial verlaufende Polschuhe befestigt sind, wobei jeder Polschuh von einer Spule umschlossen ist. Ein solcher Oktupol ist nur zur Korrektur von sphärischer Aberration dritter Ordnung in zwei zueinander senkrechten Richtungen mit einer festen Orientierung relativ zur optischen Achse geeignet. Bei Verwendung einer solchen Konstruktion mit beispielsweise 16 Polschuhen kann durch selektives Erregen der Spulen eine große Zahl von Oktupolfeldern unterschiedlicher Orientierung erhalten werden. Hierzu umfaßt beispielsweise jede Spule ihre eigene gesteuerte Spannungsquelle oder Stromquelle. Zwei Gruppen aus acht Spulen sind imstande, zwei Oktupolfelder zu generieren, deren Orientierungen relativ zur optischen Achse um 22,5º voneinander abweichen. Durch Einstellung des Verhältnisses der Erregung der zwei Gruppen von Spulen können die zwei Oktupolfelder so kombiniert werden, daß sie ein einziges Oktupolfeld mit jeder gewünschten Orientierung bilden.
Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemaßen Ladungsteilchenstrahlgeräts ist dadurch gekennzeichnet, daß zum Korrigieren von sphärischer Aberration die Potentialverteilung weiterhin eine Quadrupolfeldverteilung umfaßt.
Durch Verwendung eines Quadrupolfeldes zusätzlich zu einem Oktupolfeld wird die Defokussierung der Objektivlinse richtungsabhängig gemacht. Die optimale Defokussierung (Scherzer-Fokus) hängt von der sphärischen Aberration ab. Wenn sich die sphärische Aberration ändert, sollte sich auch die Defokussierung ändern, um dafür zu sorgen, daß möglichst viele gestreute Strahlenbündel im Feld der Objektivlinse und des Multipols der gleichen Phasenverschiebung unterliegen. Die Beziehung zwischen optimaler Defokussierung und sphärischer Aberration führt zur Verwendung eines Quadrupols.
Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemaßen Ladungsteilchenstrahlgeräts ist dadurch gekennzeichnet, daß das Multipolelement ein kombiniertes magnetisches und elektrostatisches Multipolelement zum Korrigieren von chromatischer Aberration umfaßt.
Die Brennweite einer teilchenoptischen Linse ist von der Energie der Ladungsteilchen abhängig. Die Bahnen von Ladungsteilchen unterschiedlicher Energie, die von einer teilchenoptischen Linse fokussiert werden, weisen zueinander eine Winkelabweichung auf, die proportional zu iltrem Energieunterschied ist und in der ersten Ordnung proportional zu ihrem Abstand von der optischen Achse. In der Korrekturebene übt ein Quadrupol auf ein Ladungsteilchen eine Kraft aus, die auch proportional zum Abstand von der optischen Achse ist. In einer der Richtungen ist die Kraft hin zur optischen Achse gerichtet und in der anderen Richtung weg von der optischen Achse. Durch Kombination eines magnetischen und eines elektrischen Quadrupols, deren Kräfte einander für Teilchen mit mittlerer Energie aufheben, wird eine Korrektur von chromatischen Aberrationen in der Richtung in der Korrekturebene erhalten, in der die elektrostatische Kraft von der optischen Achse weg gerichtet und die magnetische Kraft zur optischen Achse hin gerichtet ist. Dies beruht auf der Tatsache, daß die magnetische Kraft für schnelle Teilchen größer ist als für langsame Teilchen, so daß die Gesamtkraft auf die schnellen Teilchen zur optischen Achse hin gerichtet und die Gesamtkraft auf die langsamen Teilchen von der optischen Achse weg gerichtet ist. Ein hinsichffich chromatischer Aberrationen in einer Anzhl Richtungen korrigiertes Gesamtbild wird durch Kombination der korrigierten Bilder erhalten. Solch ein Korrekturelement für die Korrektur chromatischer Aberration wird vorzugsweise zusammen mit dem Korrekturelement zur Korrektur sphärischer Aberration verwendet.
Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemaßen Ladungsteilchenstrahlgeräts ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der mindestens einen Linse und dem Multipolelement mindestens eine weitere Linse angeordnet ist, um eine Ebene der mindestens einen Linse in die Ebene des Korrekturelements abzubilden.
Die weitere Linse ist imstande, die komafreie Ebene der mindestens einen Linse in die Korrekturebene des Korrekturelements abzubilden. In dieser Hinsicht ist es vorteilhaft, ein sogenanntes 4-f-System zu verwenden, wie es in H. Rose: " Outline of a spherically corrected semiaplanatic medium voltage transmission electron microscope", Optik 85, Nr. 1, 1990, S. 19-24, beschrieben wird.
Eine andere Ausführungsform noch eines erfmdungsgemäßen Ladungsteilchenstrahlgeräts ist dadurch gekennzeichnet, daß das Ladungsteilchenstrahlgerät ein elektronenoptisches Biprisma zur Bildung von Hologrammen umfaßt.
Ein teilchenoptisches Biprisma, beispielsweise ein Möllenstedt-Biprisma, spaltet ein Ladungsteilchen-Strahlenbündel in ein bildtragendes Strahlenbündel und ein Bezugsstrahlenbündel auf. In der Bildebene interferieren die beiden Strahlenbündel, so daß sie ein Hologramm bilden, das aus einer Anzhl paalleler, geradliniger, abwechselnd heller und dunkler Linien besteht. Diese Linien enthalten Gradienten, die ein Maß für Dickeschwankungen in der von dem Ladungsteilchen-Strahlenbündel bestrahlten Probe sind. Indem die Korrekturrichtung so gewählt wird, daß sie quer zur Linienrichtung in dem Hologramm verläuft, kann die Auflösung in Richtung der Gradienten in den Linien vergrößert und ein quantitatives Maß für Dickenschwankungen abgeleitet werden, das genauer ist als ohne Korrektur.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch ein erfindungsgemeßes Ladungsteilchenstrahlgerät,
Fig. 2 und 2b die Bahn von Ladungsteilchen für eine hinsichtlich sphärischer Aberration nicht korrigierte teilchenoptische Linse bzw. für eine hinsichtlich sphärischer Aberration korrigierte teilchenoptische Linse,
Fig. 3a die auf ein Ladungsteilchen in der Korrekturebene von einem Oktupol ausgeübten Kräfte,
Fig. 3b schematisch die Filterblende bei Kombination einer Quadrupolfeldverteilung und einer Oktupolfeldverteilung,
Fig. 4 ein Multipolelement,
Fig. 5 die Bahn von Ladungsteilchen unterschiedlicher Energie für eine hinsichtlich chromatischer Aberration nicht korrigierte teilchenoptische Linse,
Fig. 6 die auf ein Ladungsteilchen in der Korrekturebene von einem Quadrupol ausgeübten Kräfte,
Fig. 7 ein Ladungsteilchenstrahlgerät mit einem teilchenoptischen Biprisma und
Fig. 8 ein mit Hilfe eines Biprismas gebildetes Hologramm.
Fig. 1 zeigt ein Ladungsteilchenstrahlgerät 1, insbesondere ein Transmissionselektronenmikroskop, in dem eine Elektronenquelle 3 Elektronen emittiert, die entlang einer optischen Achse 2 beschleunigt werden und die über ein Kondensorsystem (in der Figur nicht dargestellt) und eine Objektivlinse 7 auf eine Probe 9 gerichtet werden. Nach Bestrahlung der Probe 9 werden die Elektronen mit Hilfe der Objektivlinse 7 und eines Linsensystems, das nicht in der Figur dargestellt ist und das eine Beugungslinse, eine Zwischenlinse und ein Projektorsystem umfassen kann, auf eine Bildebene 11 abgebildet. Mit Hilfe einer Videokamera 14 wird ein Bild des Targets gebildet und in digitalisierter Form in einem Computer 16 gespeichert. Eine Speiseeinheit 10 führt der Quelle 3 eine Hochspannung zu, die einige hundert kV betragen kann und auch die Linse 7 erregt.
Die kleinste beobachtbare Abmessung einer Einzelheit der Probe 9 ist ungefähr proportional zur Wellenlänge der Elektronen und umgekehrt proportional zum Öffnungswinkel α, unter dem die von der Probe 9 kommenden Elektronen in die Objektivlinse 7 einfallen. Um eine Beobachtbarkeit möglichst kleiner Einzelheiten, beispielsweise kleiner als 0,5 Å, zu erreichen, sollte der Öffnungswinkel α verhältnismäßig groß sein, beispielsweise 20 mrad. Die Wellenlänge, die umgekehrt proportional zur Wurzel der Beschleunigungsspannung ist, kann durch Erhöhen der von der Speiseeinheit 10 an die Quelle 3 gelegten Elektronenbeschleunigungsspannung auf beispielsweise 2,10&supmin;² Å bei 300 kV verringert werden. Die Auflösung wird jedoch durch sphärische und chromatische Aberration der Objektivlinse 7 begrenzt. Wegen der sphärischen Aberration wird ein auf der optischen Achse 2 liegender Punkt in der Objektebene der Objektivlinse 7 in die Bildebene als Fleck mit einem Radius proportional zur dritten Potenz des Öffnungswinkels α abgebildet. Wenn die Energie der Elektronen zunimmt, nimmt die relative Energiestreuung ab und ein auf der optischen Achse in der Objektebene der Objektivlinse 7 liegender Punkt wird als Fleck abgebildet, dessen Radius proportional zur relativen Elektronenenergiestreuung ist. Um eine Auflösung von weniger als 1 Å zu erhalten, ist in einem elektronenoptischen Bild eine Korrektur hinsichtlich sphärischer und chromatischer Aberration erforderlich. Hierzu umfaßt das Elektronenmikroskop ein Korrekturelement in Form eines einfachen Multipols 12. Durch Einstellung der Erregung der Pole des Multipols 12 durch eine Speisequelle 13 kann in einer Korrekturebene 15 eine solche magnetische und/oder elektrische Potentialverteilung erzeugt werden, daß sphärische und/oder chromatische Aberrationen in einer in der Korrekturebene 15 verlaufenden Korrekturrichtung korrigiert werden. Die Bilder, die jedesmal in einer einzigen Richtung hinsichtlich chromatischer Aberration oder jedesmal in zwei Richtungen hinsichtlich sphärischer Aberration korrigiert werden, werden mittels der Videokamera 14 in ein elektrisches Signal umgesetzt, das digitalisiert wird, um in einem Bildspeicher des Computers 16 gespeichert zu werden. Durch Kombination der jedesmal in einer einzigen Richtung korrigierten Bilder in dem Computer 16 kann ein Gesamtbild erhalten werden, das in einer großen Anzahl Richtungen nahezu frei von chromatischer und sphärischer Aberration ist. Anstelle der Videokamera 14 und des Computers 16 können photographische Platten zum Aufzeichnen der Bilder in der Bildebene 11 verwendet werden. Ein korrigiertes Gesamtbild kann durch Überlagerung einer Anzahl photographischer Platten gebildet werden, von denen jede in unterschiedlichen Richtungen korrigiert worden ist, beispielsweise durch gleichzeitige Projektion einer Anzahl Diapositive der photographischen Platten.
Eine Möglichkeit, die Selektion der gewünschten Korrekturrichtungen zu realisieren, ist Bildverarbeitung im Fourier-Raum. Hierzu sollte das Elektronenmikroskop ein Bildverarbeitungssystem umfassen mit einer geeigneten Bildverarbeitungsprozedur. Im Fourier-Raum, wo die Elektronenwellenfunktion in Form eines Beugungsmusters dargestellt wird, kann die gewünschte Korrekturrichtung mit Hilfe eines Fourier- Filters auf Basis der Intensität selektiert werden.
Wenn das Ladungsteilchenstrahlgerät ein Transmissionselektronenmikroskop ist, kann statt Selektion der gewünschten Korrekturrichtung mittels Bildverarbeitung eine Blende verwendet werden, die in der hinteren Brennebene oder Beugungsebene der Objektivlinse angeordnet ist. In dieser Ebene wird jede Richtung in dem ursprünglichen Bild durch eine durch den Ursprung verlaufende Linie dargestellt werden. Ein Satz selektierter korrigierter Richtungen ist daher ein Satz unter verschiedenen Winkeln durch einen einzigen Punkt in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse verlaufenden Linien. Um die Selektion einer gewünschten Korrekturrichtung zu ermöglichen, sollten die Blende und das Elektronenstrahlenbündel relativ zu einander bewegbar sein, wobei die Bewegung mit der Drehung der Potentialverteilung des erregten Multipols gekoppelt werden muß.
Eine erste Möglichkeit in dieser Hinsicht ist die Verwendung einer drehbaren Blende wie in Fig. 3b.
Eine zweite Möglichkeit ist, eine stillstehende Blende in der hinteren Brennebene der Objektivlinse anzuordnen, um das auf die Probe fallende Elektronenstrahlenbündel zu kippen und die Kipprichtung zu drehen. Die Elektronenwellenfunktion wird relativ zur Blende rotieren. Gekippte Beleuchtung ist an sich bekannt. Der Vorteil solcher Beleuchtung besteht darin, daß in der Kipprichtung die sphärische Aberration geringer ist, so daß die Auflösung höher ist.
In dem Transmissionselektronenmikroskop von Fig. 1 ist das Korrekturelement 12 unterhalb der Probe 9 angeordnet (TEM-Betrieb). Bei einem Rasterelektronenmikroskop (SEM/STEM-Betrieb) sollte das Korrekturelement über der Probe oder sogar über der Objektivlinse angeordnet werden.
Die Ebene der Objektivlinse, mit der die Korrekturebene des Korrekturelements konjugiert ist, ist beim TEM ungefähr die Hauptebene der Objektivlinse und auch beim SEM/STEM die Hauptebene der Objektivlinse. Unter der Hauptebene soll hier die Ebene der Wirkung der Objektivlinse verstanden werden.
Wenn ein Antrieb von genügender mechanischer Stabilität verwendet wird, kann der Multipol 12 auch um die optische Achse 2 rotieren, beispielsweise mit Hilfe eines piezoelektrischen Motors 17.
Fig. 2a zeigt die Bahnen von Ladungsteilchen, die von einem auf der optischen Achse 2 gelegenen Punkt 18 stammen und von der Linse 7 abgelenkt werden. In rotationssymmetrischen Systemen ist der Winkel β, unter dem eine in einem Abstand h von der optischen Achse 2 liegende Bahn in die Linse 19 eintritt: β = a1h + a3h³ + a5h&sup5; + ... . Für eine perfekte Linse sind Glieder mit Potenzen größer als 1 gleich null. Für vom Punkt 18 stammende Bahnen sind die Glieder a3h³ und a5h&sup5; die sphärische Aberration dritter Ordnung bzw. fünfter Ordnung. Die sphärische Aberration dritter Ordnung herrscht gewöhnlich vor und bewirkt, daß der Punkt 18 als Fleck in die Bildebene 11 abgebildet wird, wobei der Fleck einen Radius r hat, der gegeben wird durch: r = Csα³M. Hierin ist Cs die Konstante der sphärischen Aberration und M die Quervergrößerung. Wenn ein Korrekturelement 12 hinter der Linse 7 angeordnet wird, wie in Fig. 2b gezeigt, werden die Bahnen der Teilchen, die in die Linse 7 bei der Höhe h eintreten, von der optischen Achse 2 unter einem Winkel γ weggelenkt, der proportional zu h³ ist. Bei einer konstanten Geschwindigkeit der Ladungsteuchen in Richtung der optischen Achse ist die Winkeländerung γ proportional zu der auf die Teilchen vom Korrekturelement 12 ausgeübte Krart. Weil ein magnetischer Oktupol auf Ladungsteilchen eine Kraft ausübt, die proportional zu h³ ist, und damit auch zu α³, ist dieser Multipol zum Korrigieren von sphärischer Aberration in zwei in der Korrekturebene 15 verlaufenden Richtungen geeignet. Beim SEM und STEM befindet sich das Korrekturelement 12 vor oder in der Objektivlinse 7, so daß der Strahlengang umgekehrt werden sollte.
Fig. 3a zeigt schematisch die Richtung der vom magnetischen Oktupol 12 auf die Ladungsteilchen in der Korrekturebene 15 ausgeübten Krärte, die in dieser Figur mit der Zeichenebene zusammenfällt. Um die optische Achse 2 herum ist das magnetische Potential fm = C&sub4; h&sup4;cos4φ, wobei C&sub4; eine Konstante und φ der Winkel eines Punktes in der Korrekturebene ist, dessen Position durch den Abstand von der optischen Achse und diesem Winkel definiert wird. In zwei zueinander senkrechten Richtungen in der Korrekturebene 15 ist die Kraft von der optischen Achse 2 weg gerichtet und in zwei anderen, auch zueinander senkrechten Richtungen ist die Krart zur optischen Achse hin gerichtet, so daß die sphärische Aberration in den letztgenannten Richtungen zunimmt.
Fig. 4 zeigt ein Multipolelement 12 mit sechzehn Polschuhen 26 aus magnetischem Material, die an einem Ring 23 befestigt sind. Zwischen zwei benachbarten Polschuhen wird der Ring 23 von einer Spule umschlossen, beispielsweise einer Spule 27a oder 27b, von denen jede durch ihre eigene Stromquelle erregt wird, wobei nur die Stromquellen 29a und 29b in der Figur gezeigt werden. Durch selektive Erregung der Stromquellen 29 kann jedesmal ein Oktupolfeld mit einer gewünschten Orientierung erhalten werden, wobei das genannte Feld durch Kombination zweier Oktupolfelder gebildet wird, die miteinander einen Winkel von 22,5º bilden. Daher kann sphärische Aberration in zwei Richtungen korrigiert werden, die um die optische Achse 2 drehbar sind. Es ist auch möglich, eine Anzahl Spulen 27 in Reihe zu schalten und mit einer einzigen Stromquelle 29 zu verbinden, wobei die Anzahl Windungen der in Reihe geschalteten Spulen unterschiedlich ist, so daß eine korrekte magnetische Potentialverteilung erhalten wird.
Wenn zusätzlich zum Oktupolfeld ein Quadrupolfeld verwendet wird, wird die Defokussierung oder die Linsenstärke der Objektivlinse von der Richtung abhängig gemacht. Die optimale Defokussierung (Scherzer-Fokus) ist von der sphärischen Aberration abhängig. Wenn sich die sphärische Aberration ändert, sollte sich auch die Defokussierung ändern, um dafür zu sorgen, daß möglichst viele gestreute Strahlenbündel im Feld der Objektivlinse und des Multipols der gleichen Phasenverschiebung unterliegen. Die Beziehung zwischen der optimalen Defokussierung und der sphärischen Aberration ist so, daß eine Quadrupolfeldverteilung am geeignetsten ist.
Wegen der Kombination eines Oktupolfeldes und eines Quadrupolfeldes zur Korrektur der sphärischen Aberration ist das Korrekturelement nicht mehr vierfach symmetrisch, wie in Fig. 3a, sondern nur zweifach symmetrisch. Bei der Selektion der gewünschten Korrekturrichtung sollte daher die Form der Blende angepaßt werden. Fig. 3b zeigt eine entsprechende Ausführungsform. Die Richtung der maximalen Korrektur wird mit dem Bezugszeichen 8 angedeutet.
Fig. 5 zeigt die Bahnen von Ladungsteilchen unterschiedlicher Energie, die von der teilchenoptischen Linse 7 in einem Transmissionselektronenmikroskop abgelenkt werden. Im Falle eines Rasterelektronenmikroskops ist das Korrekturelement in oder über der Objektivlinse angeordnet, so daß der Strahlengang umgekehrt werden sollte. Teilchen mit einer Energie, die höher ist als die mittlere Energie Eo werden ungenügend abgelenkt, während Teilchen mit einer Energie, die niedriger als die mittlere Energie ist, zu stark abgelenkt werden. Ein Punkt 18 auf der optischen Achse 2 wird in der Bildebene 11 als Fleck abgebildet, mit einem Radius r, der gegeben ist durch: r = 1/2mCcαΔE.Eo. Hierin ist ΔE die Energiestreuung der Teilchen um die mittlere Energie. Die Winkelabweichung δ zwischen den Bahnen von Teilchen mit einer mittleren Energie Eo und einer Energie, die davon um einen Betrag ΔE abweicht, ist proportional zu α, und damit zum Abstand h von der optischen Achse. Ein Korrekturelement zum Korrigieren chromatischer Aberrationen übt keine Kraft auf Teilchen mit der mittleren Energie Eo aus und lenkt Teilchen mit Energien, die höher oder niedriger als die mittlere Energie sind, hin zur optischen Achse 2 bzw. weg von der optischen Achse 2 ab, wobei das Ausmaß der Ablenkung proportional zum Abstand h von der optischen Achse ist. In der Korrekturebene 15 hat ein Quadrupolelement eine Potentialverteilung f, die gegeben ist durch: f = C&sub2;h²cos2φ. Die Richtung der vom Quadrupol ausgeübten Kräfte wird in Fig. 6 schematisch dargestellt. Die vom Quadrupol auf die Ladungsteilchen ausgeübte Kraft ist proportional zum Abstand h von der optischen Achse und ist in einer Richtung zur optischen Achse hin gerichtet und in einer zweiten Richtung von der optischen Achse weg gerichtet, wie in Fig. 6 durch Pfeile angedeutet wird. Durch Kombination eines magnetischen und eines elektrischen Quadrupols, deren Kräfte einander entgegengesetzt sind und sich für ein Teilchen mit der mittleren Energie Eo aufheben, wird ein Korrekturelement erhalten, mit dem chromatische Aberration in einer Richtung korrigiert werden kann, wobei die chromatische Aberration in der anderen Richtung verzweifacht wird. Die auf ein Ladungsteilchen in einem magnetischen Feld wirkende Kraft ist proportional zur Geschwindigkeit des Teilchen. Wenn die von dem elektrostatischen Quadrupol ausgeübte Kraft FE von der optischen Achse 2 weg gelenkt, und die vom magnetischen Quadrupol ausgeübte Kraft FB zur optischen Achse hin gelenkt wird, wie in Fig. 5 gezeigt, wird die Summe der elektrostatischen und der magnetischen Kraft auf schnelle Teilchen zur optischen Achse gelenkt, und die Summe der Kräfte auf langsame Teilchen wird von der optischen Achse 2 weggelenkt. Die Summe der Kräfte ist proportional zu h. Spannungsquellen 30a-30d, wie in Fig. 4 gezeigt, liefern vier Pole des Multipolelements mit einer jeweiligen Spannung. Jeder Pol des Multipolelements ist mit einer Spannungsquelle verbunden, wobei nicht alle Quellen in der Figur gezeigt werden. Die Spulen dieser vier Pole werden gleichzeitig erregt, so daß ein kombinierter elektrischer und magnetischer Multipol erhalten wird, der die chromatische Aberration in einer Richtung in der Korrekturebene korrigiert und der auch die chromatische Aberration in einer Richtung vergrößert. Die chromatische Aberration kann durch selektive Aktivierung der Stromquellen 29 und der Spaanungsquellen 30 eines Multipolelements, wie in Fig. 4 gezeigt, in jeder gewünschten Richtung nacheinander korrigiert werden.
Fig. 7 zeigt ein Elektronenmikroskop mit einem Möllenstedt-Biprisma 40, das einen elektrisch geladenen Draht 42 umfaßt, der von zwei Elektroden 43 und 44 auf Erdpotential flankiert wird. In dem Biprisma wird das Elektronenstrahlenbündel in einen bildtragenden Teil 46 und einen Bezugsteil 48 aufgespalten, wobei die Teile in der Bildebene 11 interferieren. Fig. 8 zeigt ein so gebildetes Hologramm. Für vollkommen flache Proben 9 enthält das Hologramm eine Anzahl paralleler heller und dunkler Linien. Wo in der Probe ein Dickenunterschied auftritt, verschiebt sich die Phase des bildtragenden Strahlenbündels, was zu einem Gradienten 50 in einer Linie 52 führt. Die Größe des Gradienten beträgt einen Bruchteil der Linienbreite. Durch Rotation der Potentialverteilung des Multipolelements 12 um die optische Achse 2, wobei die Korrektur von chromatischer und/oder sphärischer Aberration in der Richtung senkrecht zur Linienrichtung in dem Hologramm aufgehoben wird, kann die Höhe des Gradienten 50 genauer gemessen werden, so daß eine genauere Bestimmung der durch die Probe verursachten Phasenverschiebungen möglich wird.
Bei Holographie kann die Selektion einer gewünschten Korrekturrichtung realisiert werden, indem die Blende am Ort der Seitenbänder des Hologramms positioniert wird, in denen die lineare Bildinformation vorhanden ist. Dies bedeutet, daß Filterung auf Basis der Wellenfunktion selbst und nicht auf Basis von Intensität erfolgt.
Korrektur der sphärischen Aberration in der Elektronenholographie verringert die Verlagerung des Bildes erheblich und macht die Genauigkeitsanforderungen für die Übertragungsfunktion des Elektronenmikroskops erheblich weniger streng.

Claims

1. Ladungsteilchenstrahlgerät (1) mit einer Quelle (3) zum Emittieren eines Ladungsteilchenbündels auf eine Objektebene (9), teilchenoptischen Elementen, die entlang einer optische Achsen (2) angeordnet sind und die mindestens eine Linse (7) zur Bildung eines Bildes der Objektebene (9) umfassen, und einem Korrekturelement (12) zur Korrektur der sphärischen und/oder chromatischen Aberration im Bild der mindestens einen Linse, wobei das Korrekturelement ein Multipolelement zum Erzeugen einer magnetischen und/oder elektrischen Potentialverteilung in einer senkrecht zur optischen Achse verlaufenden Korrekturebene (15) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladungsteilchenstrahlgerät Mittel (13), (17) umfaßt zur Drehung der durch das Korrekturelement erzeugten Potentialverteilung in der Korrekturebene, um eine Korrekturrichtung einzustellen.

2. Ladungsteilchenstrahlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladungsteilchenstrahlgerät Mittel (14), (16) umfaßt, um eine Anzahl Bilder zu kombinieren, die hintereinander in verschiedenen Korrekturrichtungen korrigiert worden sind.

3. Ladungsteilchenstrahlgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturebene mit einer mit einer Hauptebene der Linse konjugierten Ebene zusammenfällt.

4. Ladungsteilchenstrahlgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (7) eine Objektivlinse ist.

5. Ladungsteilchenstrahlgerät nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladungsteilchenstrahlgerät ein Bildverarbeitungssystem umfaßt, das eine Bildverarbeitungsprozedur zum Selektieren der korrigierten Richtung in einem Bild enthält.

6. Ladungsteilchenstrahlgerät nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, das als Transmissionselektronenmikroskop ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladungsteilchenstrahlgerät eine Blende zum Selektieren der korrigierten Richtung in der hinteren Brennebene der Linse umfaßt, wobei die Blende und das Ladungsteilchenbündel zueinander bewegbar sind und diese Bewegung mit der Drehung der Potentialverteilung des Korrekturelements gekoppelt ist.

7. Ladungsteilchenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Korrigieren von sphärischer Aberration die Potentialverteilung eine Oktupolverteilung umfaßt.

8. Ladungsteilchenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Korrigieren von sphärischer Aberration die Potentialverteilung weiterhin eine Quadrupolfeldverteilung umfaßt.

9. Ladungsteilchenstrahlgerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (13), (17) zum Drehen der Potentialverteilung eine elektrische Speisequelle zum selektiven Erregen eines Oktupolfeldes und/oder eines Quadrupolfeldes mittels des Multipolelements umfassen.

10. Ladungsteilchenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Multipolelement ein kombiniertes magnetisches und elektrostatisches Multipolelement zum Korrigieren von chromatischer Aberration umfaßt.

11. Ladungsteilchenstrahlgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Drehen der Potentialverteilung eine elektrische Speisequelle zum selektiven Erregen eines Quadrupolfeldes mit Hilfe des magnetischen Multipolelements und eines Quadrupolfeldes mit Hilfe des elektrostatischen Multipolelements umfassen.

12. Ladungsteilchenstrahlgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisequelle die Multipolelemente in solcher Weise erregt, daß in der Korrekturebene die von dem magnetischen Quadrupolfeld auf Ladungsteilchen einer vorgegebenen Energie ausgeübte Kraft die auf die Ladungsteilchen von dem elektrischen Quadrupolfeld ausgeübte Kraft nahezu aufhebt.

13. Ladungsteilchenstrahlgerät mit einem Korrekturelement nach Anspruch 7, 8 oder 9 und einem Korrekturelement nach Anspruch 10, 11 oder 12.

14. Ladungsteilchenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der mindestens einen Linse und dem Multipolelement mindestens eine weitere Linse angeordnet ist, um eine Ebene der mindestens einen Linse in die Ebene des Korrekturelements abzubilden.

15. Ladungsteilchenstrahlgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der mindestens einen Linse und dem Multipolelement zwei weitere Linsen mit einer Brennweite f angeordnet sind, wobei ein Abstand zwischen der Hauptebene der mindestens einen Linse und der Ebene des Korrekturelements nahezu 4f beträgt, der Abstand zwischen den beiden weiteren Linsen 2f beträgt und der Abstand zwischen der Ebene der mindestens einen Linse bzw. der Korrekturebene und der nächstgelegenen weiteren Linse f beträgt.

16. Ladungsteilchenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladungsteilchenstrahlgerät ein elektronenoptisches Biprisma zur Bildung von Hologrammen umfaßt.