NL7906632A

NL7906632A - Automatische bundelcorrektie in stem.

Info

Publication number: NL7906632A
Application number: NL7906632A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1979-09-05
Filing date: 1979-09-05
Publication date: 1981-03-09
Also published as: CA1153131A; US4379230A; DE3032818A1; FR2464558A1; GB2059120A; DE3032818C2; FR2464558B1; JPS5673853A; JPH0122705B2; GB2059120B

Description

w € i F- ·—· ·* PHN 9563 1

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven Automatische bundelcorrektie in STEM

De uitvinding heeft betrekking op een elektronen-mikroskoop voorzien van, om een optische as gerangschikt, een elektronenoptiseh lenzenstelsel, een stigmator en een bundelaftastinrichting voor het aftasten van een object 5 met een elektronenbundel en van een detektor voor het detekteren van het object doordringende elektronen.

Een dergelijke elektronenmikroskoop is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift no. 3833811. In een daarin beschreven elektronenmikroskoop wordt een object 10 afgetast en worden het object doordringende elektronen gedetekteerd.

Uit metingen in een aldus gevormd beeld worden signalen gewonnen voor het instellen van het focus van de condensorlens en het astigmatisme van de stigmator.

15 Beelden, opgenomen door twee onderscheiden detek- toren, worden op een monitor weeigegeven en door bijsturing van de bekrachtiging van de elektronenoptische elementen worden de twee beelden tot samenvallen gebracht, waardoor een optimale instelling van de elektronenbundel is bereikt.

20 Het bezwaar van deze methode is, dat de mikroskopist de lensstroom steeds weer moet bijstellen en daartoe de nodige (X metingen moet verrichten. Hiermede gaat in de praktijk veel . tijd verloren en moet een object vaak gedurende een groot deel van de tL jd enkel bestraald worden voor het instellen 25 van de lenzen. Door optredende objectcontaminatie kan de eigenlijke waarneming dan veelal niet meer optimaal worden uitgevoerd.

* De uitvinding beoogt deze bezwaren te ondervangen en daartoe heeft een elektronenmikroskoop van de in de aan-30 hef genoemde soort tot kenmerk, dat voor het meten van de beweging van een intensiteitspatroon dat door aftasten van een in het objectvlak gelegen struktuur in het detektie- 7906632 PHN 9563 2 vlak wordt gevormd, de detektor meerdere, onafhankelijk-.-uitleesbare detektorelementen bevat, die paarsgewijs door een elektronisch circuit selecteerbaar zijn, welk elektronisch circuit uit de detektorsignalen een regelsignaal S vormt voor minimalisering van defocussering en/of astig-matisme van het elektronenoptisch systeem.

Doordat in een elektronenmikroskoop volgens de uitvinding de instelling van de relevante lenzen en de stigmator voortdurend automatisch wordt geoptimaliseerd 10 behoeft het object niet extra te worden bestraald, De opgedeelde detektor wordt ook gebruikt voor de eigenlijke signaaldetektie en aan de elektronenmikroskoop behoeven dus geen additieve elementen voor de instelling toegevoegd te worden. Hierdoor wordt voorkomen dat extra onnauwkeurig-15 heden of storingen worden geïntroduceerd.

In een voorkeursuitvoering van de elektronenmikroskoop bevat de detektor twee op enige afstand van elkaar, in eenzelfde detektorhelft gelegen, detektorelementen voor het meten van een signaal dat een maat is voor 20 de defocussering van een relevante lens van het elektronenoptisch systeem.

In een -verdere voorkeursuitvoering bevat de detektor meerdere paren detektorelementen voor het verkrijgen van signalen di'e een maat zijn voor hat astigmatis-25 me in de eLektronenbundel en waarmede het astigmatisme door bijstelling van de stigmator kan worden geminimaliseerd.

Bij voorkeur worden defocussering en astigmatisme tegelijkertijd automatisch gecorrigeerd bijvoorbeeld door het toepassen van een daartoe geprogrammeerde mikro-30 processor waarop de detektorelementen zijn aangesloten en die de gewenste combinatie uit de aangeboden detektorsignalen vormt en daaruit regelsignalen voor' beide correkties afleidt.

Aan de hand van de tekening zullen in het onder-staande enkele voorkeursuitvoeringen volgens de uitvinding nader worden beschreven. In de tekening toont, _ fig. 1 schematisch een elektronenmikroskoop 7906632 vm 9563 3 F * volgens de uitvinding voorzien van een detektor met meerdere onafhankelijk uitleesbare detektorelementen, fig. 2 een dergelijke detektor gezien vanuit de invallende elektronenbundel, g fig.3 een schematische weergave van een elek tronenbundel met defocussering en astigmatisme.

Een elektronenmikroskoop zoals geschetst in fig.

1 bevat een elektronenbron 1 met een anode 2 en een bundelrichtsysteem (beam alignment) 3, een condensorlens 10 4, een stigmator 5, een objectieflens 6 een bundelaftast- systeem 7» een objectruimte 8 met een objectvlak 9» een diffractielens 10, een tussenlens 11, een projectielens 12, een filmcamera 13 en een detektor 14 met een signaalafvoer-leiding 15· Al deze onderdelen zijn opgenomen in een huis 15 16 met een toevoerleiding 17 voor de elektronenbron en met een kijkvenster 18 voor het bestuderen van een fluorescentie scherm 19· Aan-het huis kunnen verder een vakuumpompin-richting 20, een platencamera 21 en een televisiemonitor 22 zijn aangesloten. De detektor is verder verbonden met een 20 elektronisch circuit 23 waarop een regelcircuit 24 voor het elektronenoptisch stelsel, in het bijzonder voor de objec-tieflens 6 en voor de stigmator 5 is aangesloten.

De detektor bevat in een uitvoeringsvorm voor het compenseren van enkel de defocussering, die terwille 25 van de duidelijkheid hier eerst wordt beschreven, ten minste twee detektorelementen 30 en 31 zoals aangegeven in fig. 2.

De detektorelementen 30 en 31 liggen aan eenzelfde zijde van een als y-as aangegeven deellijn van 30 de detektor die hier overeenkomt.met de beeldrichting van een televisieaftastpatroon waarmede een object wordt afgetast. Een x-as,dwars op de y-as gericht, valt. derhalve samen met de lijnaftastrichting van het aftastpatroon.

De automatische instelling van de focussering op het ob-35 ject kan nu op de volgende wijze worden voorgesteld. Hierbij wordt de objectaftasting beschouwd als een beweging van het object ten opzichte van een stilstaande elektronen- 7906632 ί % ΡΗΝ 9563 4 bundel.

Als een objectstruktuur met een snelheid s beweegt dwars op de stilstaand gedachte, dé struktuur doorstralende elektronenbundel, dan beweegt een intensiteits-5 patroon dat ontstaat·door interferentie van de ongestoorde elektronenbundel met een door de struktuur afgebogen elektronenbundel zich in een detektievlak mèt een snelheid v -1 die gegeven is door v = L.s.d · Hierin is L de afstand tussen het bundelfocus en het beeldvlak, of in geval zich 10 lensvelden tussen dat bundelfocus en het beeldvlak bevinden een quivalente afstand. De defocusseerafstand d gemeten ten opzichte van de struktuur in het objectvlak wordt bij onder-focussering positief en bij overfoc.ussering negatief gemeten. Bij onderfocussering ligt het focus voorbij het ob-15 ject en bij overfooussering voor het object gezien vanaf de elektronenbron. Uit de formule blijkt dan, dat v gelijkgericht is met de aftastrichting s bij onderfocussering en tegengesteld gericht daarmee is bij overfocussering.

Het is hierbij gunstig om de struktuur van een altijd wel 20 aanwezig draagvlies voor het object als intensiteitspa-troon opwekkende struktuur te kiezen. Een op zich bekende methodiek om de beweging van een intensiteitspatroon te meten is het bepalen van het tijdverschil tussen de signalen van twee, op een zekere onderlinge afstand van elkaar 25 gelegen detektorelementen. Signalen s1 en s2 van de detek-torelementen 30 en 31 gelegen op een onderlinge afstand a in de x-richting vertonen bijvoorbeeld een tijdsverschil -1-1 t dat gegeven is door t = a.d. L s . Door t te meten -1 -1 wordt een waarde voor a.d.L v verkregen en met a, L en 30 v als vast gegeven een waarde voor d die toegevoerd aan een regelcircuit voor een relevante spotvormende lens van het elektronenoptsich systeem de defocussering opheft.

Een optimale waarde voor de vertragingstijd tussen de signalen s1 en s2 kan worden verkregen door met 35 een maximale waarde van de. correlatiefunkties y = jsl(t).s2(t +<3t)dt de grootte en het teken van de bijbehorende waarde te bepalen. De gevonden <it is dan een maat voor het correktiesignaal. Het kan daarbij.

7906632 . . * ΡΗΝ 9563 5 gunstig zijn, de detektor uit te voeren met meerdere paarsgewijs te koppelen detektorelementen die steeds beiden in eenzelfde detektorhelft zijn gelegen en een zekere onderlinge afstand in de x-richting hebben.

5 Xn een verdere voorkeursuitvoering van een elek- tronenmikroskoop volgens de uitvinding wordt zowel de de-focussering als het astigmatisme van de elektronenbundel ter plaatse van het objectvlak opgeheven. Hiertoe bevat de detektor bij voorkeur een matrix van afzonderlijk uitlees-10 bare detektorelementen bijvoorbeeld gerangschikt in een orthogonaal stelsel van 5x5 elementen. Geheel analoog aan het bovenstaande kan met een dergelijke matrix een detektor-elementenpaar worden uitgekozen voor het verkrijgen van een de defocussering compenserend signaal.

15 In figuur 3 is. een elektronenbundel geschetst waarin zowel bundelastigmatisme als defocussering ten aanzien van het objectvlak optreedt.

Dwars op een optsiche as 4o zijn ten opzichte van een x, y assenstelsel dat correspondeert met de aftastrich-20 tingen van de elektronenbundel over het object en waarbij de lijnrichting samenvalt met de x-ri diting en de beeld-richting samenvalt met de y-richting in de figuur aangegeven; in een vlak 41 een eerste brandlijn m van de astigmatische bundel en in een vlak 42 een tweede brandlijn n van de 25 astigmatische bundel. De vlakken 41 en 42 liggen op gelijke afstand aan weerszijden van een focus (nauwste doorsnede) 43 van de astigmatische bundel. Verder zijn aangegeven, een objectvlak 44 en een detektievlak 45.

In algemene vorm is het astigmatisme van een 30 stralenbundel gekarakteriseerd door een orientatiehoek van de onderling loodrechte brandlijnen m en n, bijvoorbeeld ten aanzien van het x, y assenkruis, en door een afstand 2p tussen de twee brandlijnen m en m, gemeten langs de optische as. Uit een algemene formulering voor het astig-35 matisme blijkt, dat de door de objectaftasting opgewekte beweging van het intensiteitspatroon in het detektievlak, bij aftasten van het object met de x-as als lijnaftast- 7906632

t J

PHN 9563 6 richting, een component in de y-richting heeft indien de elektronenbundel scheef georienteerd astigmatisme vertoont; dus indien het m, n assenkruis niet samenvalt met het x, y assenkruis. Ook voor het korrigeren van zowel de defocus-5 sering als het astigmatisme kan het bewegingspatroon in het detektievlak als instelcriterium dienen.· Uit algemene formulering van het bewegingspatroon kan worden afgeleid, dat bij langs de x-as gerichte objectaftasting voor de snelheden Ux in de x-richting en Uy in de y-richting in het 10 detektievlak geldt:

Ux = - Ls (d + p cos (d2-p2) ^

Uy = - Ls p sin 2et (d2'-p2 ) ^

Uit deze bewegingsformule kunnen -zowel Ux als Uy &tömen worden bepaald met gebruikmaking van tijdsverschilmetingen 15 van respectievelijk in de x-richting en in de y-richting ten opzichte van elkaar verschoven gesitueerde detektor-elementenparen.

Als eerste stap in de korrektie-procedure wordt nu een opvolgende reeks d-waarden gerealiseerd (through focus 20 series) door de bekrachtiging van de relevante lens continu of stapsgewijs te variëren. Uit de bewegingsvergelijking volgt nu, dat het teken van Ux en Uy simultaan omkeert v-oor respectievelijk d= d1= -jp| en d= d2= +j;p| Bij d= d3= -p «*4.

cos 2d treedt daarentegen alleen tekenomkering voor Ux op.

25 Door de lensbekrachtiging in te stellen op het rekenkundig gemiddelde van de twee stroomwaarden behorende bij de lensbekrachtiging voor respectievelijk d, en d^ is de optimale focussering met d=0 bereikt.

In een door een microprocessor gestuurde automatische 30 korrekt ie schakeling is het gunstig gebruik te maken van de lineaire afhankelijkheid van d van de lensstroom en van het feit dat zowel £p| als p cos 2eC een direkte samenhang met de bij de onderscheiden d-waarden behorende lensstroom-waarden tonen en het teken van p eenduidig samenhangt met het teken van Uy.

Het korrigeren van astigmatisme kan in twee stappen worden gerealiseerd. In een eerste stap wordt diagonaal 79 0 6 6 3 2 ........

O

PHN 9563 7 astigmatisme toegevoegd ten einde de oriëntatie van het astigmatisme, dus de oriëntatie van het m, n assenkruis, te doen samenvallen met het x, y assenkruis. XJit het bewegingspatroon is de grootte van het diagonaal astigmatisme 5 bekend waarbij, voor een extra check de tekenomkering van Uy gebruikt kan worden. Als de oriëntatie van het astigmatisme tot samenvallen met het x, y assehkruis is gebracht, worden in een tweede stap de afstanden p tot nul gereduceerd door toevoeging van x-as gericht astigmatisme met 10 een sterkte van -p cos 2cc, waarbij de tekenomkering van Ux als check kan worden gebruikt. Na uitvoering van de opvolgende korrektiestappen is de elektronenbundel optimaal gefocusseerd en vrij van astigmatisme. De korrektie kan worden geprogrammeerd voor een microprocessor schakeling en 15 bij voortduring tijdens normale metingen worden doorgevoerd. Hierbij kan gebruik gemaakt worden van de te meten beeldvorming zonder dat deze daardoor op enigerlei wijze wordt verstoord. Een gunstige lens voor het uitvoeren van de korrekties is beschreven in J. Phys. D Appl. Physies vol.

20 7, (197*0 PP* 805-814.

25 30 35 7906632

Claims

1. Elektronenmikroskoop voorzien van, om een optische as gerangschikt, een elektronenoptisch lenzenstelsel, een stigmator en een bundelaftastinrichting voor 5 het aftasten van een object met een elektronenbundel en van een detektor voor het detekteren van het object doordringende elektronen met het kenmerk, dat voor het meten van de beweging van een intensiteitspatroon dat door aftasten van een in een objectvlak gelegen struktuur in het 10 detektievlak wordt gevormd, de detektor meerdere onafhankelijk uitleesbare detektorelementen bevat, die paarsgewijs door een elektronisch circuit selecteerbaar zijn, welk elektronisch circuit uit de detektorsignalen een regelsignaal vormt voor minimalisatie van defocussering 15 en/of astigmatisrae van het elektronenoptisch systeem.

2. Elektronenmikroskoop volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat voor korrigeren van defocussering de detektor ten minste twee detektorelementen bevat die, in een richting korresponderen met een lijnaftastrichting van 20 het bundelaftastsysteem op een zekere afstand van elkaar, aan eenzelfde kant van een detektordeellijn dwars op die richting zijn gelegen en een door het elektronisch circuit ‘ gevormd regelsignaal een bekrachtiging voor een spot- vormende lens van het elektronenoptisch.systeem stuurt. 25

3, Elektronenmikroskoop volgens conclusie 2 met het kenmerk, dat voor korrigeren van astigmatisme de detektor meerdere, detektorelementen bevat die paarsgewijs zowel in een richting overeenkomend met lijnaftastrichting als in een richting dwars daarop, op een zekere onder-30 linge afstand zijn gelegen en met detektorsignalen van paren detektorelementen een aan een stigmator van het elektronenoptisch stelsel toevoerbaar regelsignaal wordt ' gevormd.

4. Elektronenmikroskoop volgens een der voor- gaande conclusies met het kenmerk, dat voor het bepalen van een vertragingstijd tussen signalen van twee detektorelementen uit een detektorelementenpaar een maximale 7906632 PHN 9563 9 waarde voor een tijdsafhankelijke correlatie funktie tussen beide signalen wordt bepaald en een bij die maximale waarde behorende vertragingstijd als maatgevend voor het korrektie-signaal wordt gehouden.

5 5· Elektronenmikroskoop volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat de detektor is opgebouwd uit een orthogonale matrix van detektorelementen waarvan het assenstelsel korrespendeert met het assenstelsel van een bundelaftastpatroon van het object.

6. Werkwijze voor het korrigeren van defocussering en/of astigmatisme in een elektronenmikroskoop met het kenmerk, dat met een detektor met meerdere afzonderlijke uitleesbare detektorelementen de beweging van een inten-siteitspatroon, dat in een dètektievlak ontstaat door het 15 aftasten van een struktuur in een objectvlak, wordt gemeten en uit paren signalen van detektorelementen korrektie-signalen voor de defocussering en het astigmatisme worden afgeleid.

7· Werkwijze volgens conclusie 6 met het kenmerk, 20 dat voor het opwekken van het intensiteitspatroon gebruik gemaakt wordt van een draagvlies voor een object. 25 30 35 7906632