DE10235981A1

DE10235981A1 - Teilchenoptische Vorrichtung und Elektronenmikroskop

Info

Publication number: DE10235981A1
Application number: DE2002135981
Authority: DE
Inventors: Dirk Dr. Preikszas; Michael Dr. Steigerwald
Original assignee: Leo Elektronenmikroskopie GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2002-08-06
Filing date: 2002-08-06
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-08-07
Also published as: EP1388882B1; EP1388882A3; DE10235981B4; JP4693342B2; EP1388882A9; DE60320722D1; DE10235981B9; JP2004134386A; EP1388882A2

Abstract

Es wird eine teilchenoptische Vorrichtung vorgeschlagen, durch die ein Primär- und ein Sekundärelektronenstahl hindurchtreten, wobei wenigstens einer dieser Strahlen die Vorrichtung im Wesentlichen dispersionsfrei und stigmatisch, insbesondere verzeichnungsfrei, durchlaufen kann. DOLLAR A Die Vorrichtung umfasst Feldbereiche 8a', 8b', 8c', 8d', von denen wenigstens einer von einer konvexen Spule umschlossen sein kann. Ferner kann die Vorrichtung drei oder mehr spulenumschlossene Feldbereiche umfassen, und es können zwischen den Feldbereichen Driftstrecken angeordnet sein. Die Feldbereiche können spiegel- oder inversionssymmetrisch angeordnet sein. DOLLAR A Schließlich kann die Vorrichtung so ausgebildet sein, dass beide Strahlen die Vorrichtung im Wesentlichen verzeichnungsfrei durchlaufen, insbesondere auch dann, wenn die Strahlenergien unterschiedlich sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine teilchenoptische Vorrichtung, und insbesondere ein Elektronenmikroskop mit einer solchen teilchenoptischen Vorrichtung.
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.
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).

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.
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.

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.

Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Elektronenmikroskop bereitzustellen, bei dem die Strahlengänge von Primärelektronenstrahl und Sekundärelektronenstrahl getrennt sind.

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 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.

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.

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.

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.

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.

Unter einem zweiten Aspekt zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass wenigstens drei Feldbereiche von je einem Stromleiter umschlossen sind.

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.

Mit einer solchen Anordnung kann erreicht werden, dass bei teleskopischem Strahleintritt in der Strahlweiche höchstens ein Fokus erzeugt wird. Dadurch wird die Zahl der Cross-over-Punkte begrenzt, was günstig für die Strahl-Eigenschaften ist.

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.

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.

Unter einem vierten Aspekt zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass ein Verlauf des ersten Strahls durch die Strahlbereiche im Wesentlichen eine Inversionssymmetrie aufweist.

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.

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.

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.

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.

Die teilchenoptische Vorrichtung ist hierbei nicht auf Elektronen beschränkt, vielmehr können als geladene Teilchen auch Ionen, Myonen oder andere zum Einsatz kommen.

Eine bevorzugte Anwendung der teilchenoptischen Vorrichtung liegt allerdings im Bereich der Elektronenmikroskopie.

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 ("lowenergy electron microscope") oder SEEM ("secondary electron emission microscope") bekannt.

Nachfolgend werden Einzelheiten der Erfindung anhand der in den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele erläutert:
1 zeigt schematisch ein Elektronenmikroskop vom SEM-Typ mit einer Strahlweiche gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt schematisch eine Anordnung von Feldbereichen der Strahlweiche gemäß 1;
3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Feldbereich der in den 1 und 2 gezeigten Strahlweiche mit einem Beispiel einer Stromleiteranordnung;
4 zeigt schematisch ein Elektronenmikroskop vom SEM-Typ mit einer Strahlweiche gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
5 zeigt schematisch eine Anordnung von Feldbereichen der Strahlweiche gemäß 4;
6 zeigt schematisch ein Elektronenmikroskop vom SEM-Typ mit einer Strahlweiche gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
7 zeigt schematisch die Strahlweiche gemäß 6;
8 zeigt schematisch Details einer Variante der in den 6 und 7 gezeigten Strahlweiche;
9 zeigt schematisch ein Elektronenmikroskop vom LEEM-Typ mit einer Strahlweiche gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
10 zeigt schematisch eine Lithographievorrichtung mit einer Strahlweiche gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
11 zeigt schematisch Details einer Variante der in 10 gezeigten Strahlweiche.
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 ist 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.
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.
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.
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 B_a und B_c, bevorzugt auch ihre Stärke, ist dabei in diesen äußeren Sektoren 8a, 8c gleich, wogegen das Magnetfeld B_b 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.
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.
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.
Durch die Strahlumlenkung in 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.
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.
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 B_a, B_b, B_c lautet somit "+0–0+".
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 B_a 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.
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_i _j Ein- bzw. Austrittswinkel, d_ij Driftstrecke)
Tabelle 1 Abmessungen einer ersten Strahlweiche
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.
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.
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.
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 in Folge 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 Zeilendetektor ausgebildet werden, wodurch eine energieselektierte Detektion in einfacher weise realisiert wird.
5 zeigt einige Details der Strahlweiche 8', insbesondere die Leiterführungen 21a' bis 21d', sowie Strahlkrümmungsradien r_a bis r_d und winkel φ_a bis φd. Außerdem sind Transitwinkel δ_a _b , δ_bc und δ_cd eingezeichnet. Die Strahlkrümmungsradien r_a bis r_d sind bekanntermaßen im Wesentlichen durch die Elektronenenergie (und masse) sowie die Magnetfeldstärke bestimmt. Die für die Dispersionseigenschaften wichtigen Strahlkrümmungswinkel φ_a bis φ_d ergeben sich zusätzlich aus den Abmessungen der Sektoren. Im Rahmen der Inversionssymmetrie sind r_a und rd gleich, ebenso r_b und r_c, ferner φ_a und φ_d sowie φ_b und φ_c entgegengesetzt gleich, d.h. die Krümmungsrichtungen sind jeweils verschieden. Der Transitwinkel δ_ab ist demgegenüber gleich dem Transitwinkel δ_cd 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 δ_bc 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.
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'
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 B_b'' ein anderes Vorzeichen als das Magnetfeld B_a''. 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.
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_i _j Ein- bzw. Austrittswinkel, d_i Driftstrecke):
Tabelle 3 Abmessungen einer dritten Strahlweiche 8''
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.
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.
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.
Diese Betriebsweise des erfindungsgemäßen Elektronenmikroskops kann auch mit den anders aufgebauten Strahlweichen 8' und 8'' realisiert werden.
Weitere Einsatzgebiete der erfindungsgemäßen Strahlweiche sind im Bereich der Lithographie oder der Teilchen-Massenfilter usw. zu sehen.
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.
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_i _j Austrittswinkel, d_ij Driftstrecken):
Tabelle 4 Abmessungen einer vierten Strahlweiche 8'''
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.
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.
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.

Claims

Teilchenoptische Vorrichtung, umfassend: eine Strahlweiche (8) mit einer Strahlebene (24) und drei Strahlanschlüssen, ein Strahlführungssystem (2–7, 10–17) zum Zuführen und Abführen eines ersten und eines zweiten Strahls von geladenen Teilchen zu bzw. weg von der Strahlweiche (8), wobei einer der drei Anschlüsse der Strahlweiche sowohl für einen Austritt des einen der beiden Strahlen aus der Strahlweiche als auch für einen Eintritt des anderen Strahls der beiden Strahlen in die Strahlweiche (8) vorgesehen ist, wobei wenigstens der erste Strahl die Strahlweiche (8) im Wesentlichen dispersionsfrei und im Wesentlichen stigmatisch, insbesondere im Wesentlichen verzeichnungsfrei durchläuft, wobei die Strahlweiche (8) für den ersten Strahl wenigstens vier Strahlbereiche (22a–22d) bereitstellt, in die dieser jeweils eintritt und aus denen dieser wieder austritt, wobei ein jeder Strahlbereich (22a–22d) Teil eines Feldbereichs (8a, 8b, 8c) ist, in dem ein Magnetfeld (B_a, B_b, B_c) mit im wesentlichen konstanter Stärke bereitgestellt ist, und wobei in einander benachbarten Strahlbereichen (22a–22d) jeweils verschiedene Magnetfelder (B_a, B_b, B_c) bereitgestellt sind, wobei wenigstens ein Feldbereich (8a, 8b, 8c) von einem Stromleiter zur Erzeugung des Magnetfelds (B_a, B_b, B_c) in dem Feldbereich (8a, 8b, 8c) umschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem wenigstens einen von dem Stromleiter umschlossenen Feldbereich (8a, 8b, 8c), bei Projektion in die Strahlebene (24), der erste Strahl bei einem Eintritt in den Bereich (8a, 8b, 8c) und bei einem anschliessenden Austritt aus dem Bereich (8a, 8b, 8c) jeweils den Stromleiter an einer Stelle des Stromleiters schneidet, die kein Krümmungsumkehrbereich ist.
Teilchenoptische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Strahl bei sämtlichen Eintritten und Austritten in von Stromleitern umschlossene Feldbereiche (8a, 8b, 8c) diese an Stellen schneidet, welche keine Krümmungsumkehrbereiche der Stromleiter sind.
Teilchenoptische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der wenigstens eine von dem Stromleiter umschlossene Feldbereich (8a, 8b, 8c) von dem Stromleiter vollständig ohne Krümmungsumkehrbereich des Stromleiters umschlossen ist.
Teilchenoptische Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei sämtliche der von Stromleitern umschlossenen Feldbereiche (8a, 8b, 8c) jeweils von dem Stromleiter vollständig ohne Krümmungsumkehrbereich des Stromleiters umschlossen sind.
Teilchenoptische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder dem Oberbegriff von Anspruch 1, wobei wenigstens drei Feldbereiche (8a, 8b, 8c) von je einem Stromleiter zur Erzeugung des Magnetfelds (B_a, B_b, B_c) in dem Feldbereich (8a, 8b, 8c) umschlossen sind.
Teilchenoptische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder dem Oberbegriff von Anspruch 1, wobei wenigstens einer der Strahlbereiche (22d) Teil eines feldfreien Feldbereichs ist, in dem das Magnetfeld eine Stärke von im wesentlichen Null aufweist.
Teilchenoptische Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei, bei Projektion in die Strahlebene (24), der erste Strahl bei Eintritt in den feldfreien Feldbereich einen Stromleiter unter einem ersten Winkel schneidet und bei Austritt aus dem feldfreien Feldbereich einen Stromleiter unter einem von dem ersten Winkel verschiedenen zweiten Winkel schneidet.
Teilchenoptische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei durch die Strahlweiche (8'') für den ersten und den zweiten Strahl im wesentlichen gleiche Ablenkwinkel bereitgestellt sind.
Teilchenoptische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Feldbereiche der Strahlweiche (8; 8'') bezüglich einer orthogonal zu der Strahlebene (24) verlaufenden Symmetrieebene (23; 23c) symmetrisch angeordnet sind.
Teilchenoptische Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der erste Strahl oder/und der zweite Strahl jeweils im wesentlichen parallel zu der Symmetrieebene (23c) in die Strahlweiche (8'') eintreten oder austreten.
Teilchenoptische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder dem Oberbegriff von Anspruch 1, wobei ein Strahlverlauf des ersten Strahls durch die Strahlbereiche im wesentlichen eine Inversionssymmetrie aufweist.
Teilchenoptische Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der erste Strahl aus der Strahlweiche (8') im wesentlichen kollinear zu seinem Eintritt in die Strahlweiche (8') austritt.
Teilchenoptische Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Magnetfelder (B_a, B_b, B_c, B_d) in wenigstens drei Paaren von benachbarten Feldbereichen (21a', 21b', 21c', 21d'), die nicht feldfreie Feldbereiche (21a', 21b', 21c', 21d') sind, jeweils entgegengesetzte Richtungen aufweisen.
Teilchenoptische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Strahlweiche (8) für den zweiten Strahl eine Dispersion bereitstellt.
Teilchenoptische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der erste und der zweite Strahl die Strahlweiche (8'') im Wesentlichen dispersionsfrei und im Wesentlichen stigmatisch, insbesondere im Wesentlichen verzeichnungsfrei durchlaufen.
Teilchenoptische Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Strahlweiche (8'') drei Feldbereiche (8a'', 8b'', 8c'') aufweist, die für den ersten und den zweiten Strahl jeweils fünf Strahlbereiche bereitstellen.
Teilchenoptische Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei einer der drei Feldbereiche (8a'', 8b'', 8c'') ein feldfreier Feldbereich (8c'') ist.
Teilchenoptische Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, wobei ein jeder der drei Feldbereiche (8a'', 8b'', 8c'') von einem Stromleiter umschlossen ist und ein erster der Feldbereiche (8a'') einen zweiten der Feldbereiche (8b'') umgreift und der zweite Feldbereich (8b'') einen dritten der Feldbereiche (8c'') umgreift.
Teilchenoptische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die Vorrichtung für den ersten und den zweiten Strahl unterschiedliche Ablenkwinkel bereitstellt oder/und der erste und der zweite Strahl wesentlich unterschiedliche Strahlenergien aufweisen.
Teilchenoptische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19 oder dem Oberbegriff von Anspruch 1, wobei der erste Strahl und der zweite Strahl die Strahlweiche (8''') im Wesentlichen dispersionsfrei und im Wesentlichen stigmatisch, insbesondere im Wesentlichen verzeichnungsfrei durchlaufen, und wobei Strahlenergien des ersten und des zweiten Strahls unterschiedlich sind.
Teilchenoptische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei das Strahlführungssystem ferner für den zweiten Strahl ein Dispersionselement (28) umfasst .
Teilchenoptische Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 21, ferner umfassend einen ortsauflösenden Detektor (20b; 29; 30) zur energieaufgelösten Detektion der geladenen Teilchen des energiedispergierten zweiten Strahls.
Teilchenoptische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei das Strahlführungssystem eine Objektivanordnung (16, 17) umfasst, um den ersten Strahl nach seinem Austritt aus der Strahlweiche (8) in einer Objektebene (15) zu fokussieren und um Sekundärelektronen aus einem Bereich um die Objektebene (15) als zweiten Strahl zu der Strahlweiche (8) zu führen.
Teilchenoptische Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei das Strahlführungssystem eine Strahlquelle (1) zur Erzeugung des ersten Strahls umfasst, und die Strahlquelle (1) den ersten Strahl in eine Richtung (BA1) quer zu einer Richtung (BA2) des ersten Strahls bei dessen Austritt aus der Strahlweiche (8) emittiert.
Teilchenoptische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei das Strahlführungssystem eine Objektivanordnung (16, 17) umfasst, um den zweiten Strahl nach seinem Austritt aus der Strahlweiche (8) zu einer Objektebene (15) zu führen und um Sekundärelektronen aus einem Bereich um die Objektebene (15) als ersten Strahl zu der Strahlweiche (8) zu führen.
Elektronenmikroskop, umfassend eine Primärelektronenquelle (1), einen Sekundärelektronendetektor (20; 20b; 29; 30) und eine teilchenoptische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25.
Lithographiesystem zur Übertragung eines Musters mittels wenigstens eines Schreibstrahls geladener Teilchen, umfassend eine Teilchenquelle (1) und eine teilchenoptische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25.