Tem的無失真消像散的製作方法

2023-05-27 06:05:11 2

專利名稱：Tem的無失真消像散的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種帶電粒子裝置，該裝置配備有用於發射帶電粒子束的帶電粒子源，在所述束的下遊跟隨有聚光器光學器件、跟隨有樣本位置、跟隨有物鏡、跟隨有成像光學器件並且跟隨有檢測器系統，其中在物鏡與檢測器系統之間，第一消像散器被定位用於在將樣本成像於檢測器系統上時減少像散並且第二消像散器被定位用於在衍射平面成像於檢測器系統上時減少像散。本發明還涉及這樣的裝置的使用。
背景技術：
這樣的裝置以透射電子顯微鏡(TEM)的形式為本領域技術人員所知。
在TEM中，用高能電子束照射厚度通常在2nm與I U m之間的樣本，比如薄的生物材料切片或者薄的半導體材料切片。雖然已知對更高和/或更低能量進行使用的TEM，但是電子的能量例如在50至400keV之間可調。樣本放置於TEM的物鏡中或者附近，從而物鏡以例如20倍的放大率形成樣本的第一圖像。如技術人員所知，TEM具有兩個主要操作模式其中樣本成像於檢測器系統上的一個操作模式以及其中物鏡的後焦平面成像於檢測器系統上的一個操作模式。後焦平面包含樣本的衍射圖案。檢測器系統例如可以是螢光屏或者CMOS檢測器。樣本可以用例如IO6倍的放大率成像於檢測器上而對應解析度為IOOpm或者更少。典型TEM在物鏡之後配備有兩個消像散器一個消像散器在與物鏡接近的平面中用於在成像模式中校正像散(當對樣本成像時)，而一個消像散器與第一中間成像的平面接近用於在衍射模式中校正像散(當對衍射圖案成像時)。在成像模式中，樣本例如成像於TEM的螢光屏或者比如CXD相機、CMOS相機等的另一檢測器上。物鏡消像散器用來校正物鏡的像散，並且通過觀察樣本的圖像來完成調諧。在衍射模式中，衍射平面例如成像於TEM的螢光屏或者比如CXD相機、CMOS相機等的另一檢測器上。衍射消像散器用來校正衍射透鏡的像散，並且通過觀察衍射圖案的圖像來完成調諧。將一個消像散器用於校正像散的問題在於出現線性失真(LD):在兩個垂直方向上的放大率可能不同。在圖I中示出了這一點。圖IA示意地示出了具有像散的束，其中物鏡在一個方向上的強度略微不同於它在另一方向上的強度。這可能例如由物鏡的形狀缺陷弓I起。我們選擇X和y軸，使得x-z平面是其中物鏡是最弱的平面而y_z平面是其中物鏡是最強的平面。在x-z平面中的焦點略微不同於在y_z平面中的焦點。在圖IB中，用消像散器校正這一點，並且在x-z和y-z平面中的焦點重合。然而角度Py不相同，並且由於在x-z平面中的角度放大率不同於y-z平面的角度放大率,所以空間放大率也在x-z平面與y-z平面之間不同。注意由於消像散器在X-Z平面和y-Z平面中具有不同影響，所以通過使用僅一個消像散器而引入的放大誤差為線性失真(LD):在X和y方向上的放大率不同。
圖IC示出了通過使用第二消像散器的對這一問題的解決方案。根據Hou 等人在Microsc Microanal 2008 年 14 期(增刊 2)第 1126 頁的「A Methodto Correct Elliptical Distortion of Diffraction Patterns in TEM，，已知使用兩個消像散器來校正衍射模式中的LD。在所述論文中，放大誤差稱為橢圓誤差。為了確定這一誤差，TEM的物鏡消像散器設置於任意值，相應地調節衍射透鏡消像散器以使衍射圖像中的像散最小化，並且測量衍射圖案中的LD (這裡稱為橢圓失真)。針對物鏡消像散器的不同值重複這一過程以形成2D等高線繪圖，該繪圖代表用於所有物鏡消像散器設置(和對應優化的衍射透鏡消像散器設置)的LD。根據第6，388，261號美國專利已知在對晶片上的標線成像時使用兩個消像散器來校正光刻裝置中的LD。該專利描述如下裝置，在該裝置中標線由雙合透鏡成像，由此可以 調諧放大率。兩個透鏡中的每個透鏡由消像散器包圍，其中一個消像散器主要用來校正雙合透鏡的像散而另一個用來主要校正LD。上述兩個例子示出了在原理上有可能並且已知用兩個消像散器同時調節像散和LD0如技術人員所知，不能任意地選擇消像散器的位置消像散器中使用的磁場或者靜電場的強度隨著與軸的距離線性地縮放。因此使直徑小的束消像散與使直徑大的束消像散相比需要消像散器的更大的激勵。對於從或者向中間圖像發散的束，束直徑隨著與中間圖像的距離線性地縮放。因此，消像散器在其中束具有交叉的圖像處甚至無消像散影響。另夕卜，消像散器的影響也隨著在消像散器與其中形成圖像的平面之間的距離線性地縮放。因此對於從或者向中間圖像發散的束，消像散器的影響因此隨著消像散器與其中形成圖像的平面的距離呈二次縮放。因此，消像散器優選地放置於其中束具有大直徑並且與其中形成圖像的平面遠離的位置。由於TEM具有兩個操作模式(其中對圖像平面成像的一個操作模式以及其中對衍射平面成像的一個操作模式)，所以典型TEM在樣本與成像系統之間配備有兩個消像散器一個在與物鏡接近的平面中用於在對圖像成像時校正圖像中的像散，而一個在衍射透鏡(即在物鏡之後成像系統的第一透鏡)附近用於在對衍射平面成像時校正衍射平面中的像散。所得到的兩個自由度(每個消像散器有一個自由度)用來校正物鏡和衍射平面中的像散。兩個消像散器可以一起工作以形成其中出現組合動作的虛擬平面。這一組合動作可以是像散校正和LD校正。可以選擇這一平面以與其中物體駐留的平面重合或者與衍射平面重合。當使用兩個消像散器來校正兩個模式(成像模式和衍射模式)中的像散並且也用那些消像散器校正LD時出現問題當在模式之間切換時，也必須改變消像散器的激勵。如下說明這一點在成像模式中，成像消像散器用來校正像散，而另一消像散器(衍射器消像散器)用來校正LD。在衍射模式中，衍射器消像散器用來校正像散，而另一消像散器(物鏡消像散器)用來校正LD。激勵的改變在消像散器的線圈中引起不同的歐姆熱產生(通常為若干瓦特的改變)，從而造成圖像由於所得到的溫度漂移而漂移。所需穩定時間約為數十分鐘。尤其在使用鐵軛(yoke)時也可能出現滯後。

發明內容
需要一種用於校正兩個平面中的像散並且同時校正LD而無由消像散器的不同激勵所引起的漂移的方法。本發明旨在於提供對所述問題的解決方案。為此，根據本發明的TEM的特徵在於第三消像散器定位於物鏡與檢測器系統之間，因而產生第三自由度用於減少線性失真。本發明基於如下認識有可能以在兩個模式(成像模式和衍射模式)中的像散在無LD的情況下是可能的這樣的方式激勵三個消像散器。因此也未出現耗散改變，因此消像散器耗散的改變未引入漂移。本領域技術人員將清楚消像散器不應成像於彼此上它應是獨立的消像散器組。 優選地，三個消像散器放置於物鏡與成像光學器件之間。然後可以改變成像光學器件的放大率而不必改變消像散器激勵，因為成像光學器件的所有透鏡在消像散器與圖像平面之間。也由於圖像光學器件的透鏡產生放大的圖像，所以消像散器的影響在它們放置於更『下遊』時更少，並且激勵應更大。將消像散器放置於物鏡與成像光學器件之間的另一優點在於由於磁透鏡引入旋轉，所以當改變在物鏡與消像散器之間的透鏡的激勵時，也應改變消像散器的定向，從而造成更複雜的操作。將消像散器放置於這一體積中的又一優點在於由於在消像散器之間無透鏡，所以無一個消像散器成像於另一消像散器上的改變(對於任何放大率設置)，由此將自由度減少至兩個。注意多數像散由物鏡引入而在更少程度上由衍射透鏡引入(可以忽略與圖像平面更近的透鏡的影響)。可以忽略成像系統中的其它透鏡的影響，因此改變這些透鏡的放大率對像散無影響。優選地，該裝置配備有用戶界面，其中相互獨立地控制在成像模式中的像散、在衍射模式中的像散和LD的校正。一種使用三個消像散器的方法包括激勵第一消像散器用於減少成像模式中的像散、激勵第二消像散器用於減少衍射模式中的像散，其特徵在於該方法包括激勵第三消像散器用於減少線性失真。對於這一方法，重要的是注意對於消像散器而言存在理想位置，使得第一消像散器未影響LD而僅影響成像模式中的像散，第二消像散器未影響LD而僅影響衍射模式中的像散並且第三消像散器主要影響LD而僅略微影響成像和衍射模式中的像散。在實踐中，機械約束使得並非總是有可能在這些理想位置而是僅接近這些理想位置裝配消像散器。然後例如第一消像散器不僅影響圖像像散而且略微影響衍射像散並且略微影響LD。在該情況下，有可能進行三個新的控制，每個所述控制以不同比率同時改變三個消像散器，使得每個新的控制僅影響圖像像散或者僅影響衍射像散或者僅影響LD。該方法的結果在於激勵三個消像散器，使得同時滿足所有三個需求(在成像模式中的像散、在衍射模式中的像散和LD為零)，因此當從一個模式變成另一模式時無需激勵的改變。


現在使用其中相同標號指代對應特徵的附圖來闡明本發明。為此
圖1A、1B和IC示意地示出了一組消像散器的工作，
圖2示意地示出了根據本發明的裝置，並且
圖3示意地示出了圖2的細節，示出了在樣本與衍射透鏡之間的部分。
具體實施例方式圖IA示意地示出了透鏡104聚焦的束100。束和透鏡均居中於軸102周圍。透鏡將束聚焦於交叉位置F，但是由於像散，在x-z平面中的交叉位置Fx略微不同於在y-z平面中的交叉位置Fy。
圖IB示意地示出了消像散器106的影響。消像散器可以視為在一個平面(x-z平面)中具有正強度而在與之垂直的平面(y-z平面)中具有相等但是為負的強度的透鏡。消像散器的強度關於x-z平面定義為
為，其中Ar』是撞擊消像散器的射線的角度改變(斜率改變)，該射線在與軸的距離 r
T處撞擊消像散器。因而當將消像散器放置於透鏡與交叉之間時，可以校正像散，因而在x-z和y-z平面中的交叉重合。然而在X-Z平面中的開度角Px和在y-z平面中的開度角Py不同。因而在x_z和y_z平面中的放大率Mx和My不同，因為Mx ^ x = My 3 y。圖IC示意地示出了如何通過引入額外消像散器108可以校正像散而在兩個方向上的放大率相同。圖2示意地示出了在成像模式中的根據本發明的TEM。圖2示出了沿著光軸200發射電子束的電子源202。束由對準線圈204居中於軸周圍。束的開度角受束限制孔徑206限制，然後束由聚光器透鏡208準直(聚光)到樣本210上。樣本裝配於樣本保持器202上，從而它可以關於軸來定位。樣本駐留於物鏡214的磁場中，從而產生中間圖像。成像光學器件中的投影儀透鏡216還放大這一圖像，因而大大放大的圖像形成於螢光屏218中。可以經由查看埠 220觀察螢光屏。螢光屏裝配於鉸鏈222上並且可以從束的路逕取出。這使得圖像能夠產生於另一類型的檢測器(比如CMOS相機224)上。顯微鏡還包括殼226、真空管道228和一個或者多個真空泵230[例如來自離子吸氣泵(IGP)、渦輪分子泵(TMP)、油擴散泵(ODP)等(如果必要則由所謂的預真空泵補充)的組的一個或者多個泵]。另外，顯微鏡包括實現用戶控制顯微鏡和顯示例如檢測器224產生的圖像的控制器(未示出)、顯示器(未示出)等。顯微鏡也在樣本與第一圖像平面之間包括三個消像散器物鏡消像散器250用於主要在對樣本成像時減少像散，衍射消像散器252用於主要在對衍射平面成像時減少像散，而LD消像散器254用於主要減少線性失真。注意現有技術的顯微鏡未配備有LD消像散器。在工作時，電子源產生可調能量通常在50與400keV之間的電子束。束居中於軸上，並且開度角(並且因此電流)受束限制孔徑限制。聚光器透鏡然後將束聚光於樣本上。聚光器透鏡因此確定束在樣本上的發散/會聚角度、以及照亮的樣本面積。
樣本通常具有在2nm與I U m之間的厚度。許多撞擊電子經過樣本行進，但是它們中的許多電子將與樣本相互作用。相互作用可以是吸收、散射和/或能量損耗。吸收的電子將在圖像中引起強度波動，散射的電子將通過與非散射電子的幹涉而造成相位對比度圖像。能量損耗可以由特殊電子能量損耗分光計成像。在成像模式中，物鏡形成樣本的放大中間圖像，該圖像還由投影儀透鏡放大以在屏幕或者檢測器上形成圖像。在衍射模式中，未對樣本成像，而是對衍射平面成像。在衍射平面(與物鏡的後焦平面重合或者接近的平面)中，在一個角度下離開樣本的所有電子聚焦於一點。因而衍射信息可以用來獲得樣本的晶體結構信息。注意這是TEM的很示意表示並且TEM通常包括多得多的元件，比如偏轉器、聚光器消像散器(在電子源與樣本之間)、檢測器(也包圍樣本例如用於檢測X射線)、低溫屏蔽(用 於將樣本和/或檢測器保持於低溫溫度)。圖3示意地示出了圖2的細節，其中示出了物鏡214、消像散器250、252、254和衍射透鏡306 (成像系統的與樣本最近的透鏡)以及樣本210及其第一中間圖像304。圖3也
一 —(V(O)) (o'] 一 rH(O)^ fi']
示出了 V== 和H== (以復坐標，S卩x+iy)描述的兩個主射
⑴ [p)
線 u (302)和 V (301)。本發明基於以下認識
對於具有N個消像散器的光學系統，我們可以寫為
N —
A^gs = Ev(zXa), 4 ⑴
i =1
N _
j^diffraction —) ■ 1|(^. ) ■ Aj[2]
N —
D= 2.ZV(A) 電).4[3]
i=\
其中Ai是第i個消像散器(I ( i ( N)的強度，
Aimage是圖像平面中的像散，
^-diffraction
是衍射平面中的像散，
而D是LD。每個消像散器i的強度由Ai定義。後見之明，顯而易見的是需要至少三個消像散器以獲得解決方案，其中所有三個等式[I]、[2]和[3]為零。使用三個消像散器，結果然後是用於所有三個消像散器同時滿足所有三個需求的獨特解決方案，因此當在成像模式與衍射模式之間改變時無需改變消像散器的強度/激勵。這進而避免裝置的歐姆加熱和關聯漂移。
權利要求
1.一種帶電粒子裝置，配備有用於發射帶電粒子束的帶電粒子源(202)，在所述束的下遊跟隨有聚光器光學器件(208)、跟隨有樣本位置、跟隨有物鏡(214)、跟隨有成像光學器件(216)並且跟隨有檢測器系統(218，224)，其中在所述物鏡與所述檢測器系統之間，第一消像散器(250)被定位用於在將樣本(210)成像於檢測器系統上時減少像散並且第二消像散器(252)被定位用於在衍射平面成像於檢測器系統上時減少像散，其特徵在於第三消像散器(254)定位於所述物鏡與所述檢測器系統之間，因而產生第三自由度用於減少線性失真。
2.根據權利要求I所述的裝置，其中所述三個消像散器(250，252，254)定位於所述物鏡(214)與所述成像光學器件(216)之間，因而當改變所述成像光學器件的設置時無需改變所述消像散器的激勵。
3.根據任一前述權利要求所述的裝置，所述裝置配備有具有用戶界面的控制器，所述用戶界面示出用於控制所述消像散器(250，252，254)的控制項，所述控制項以圖像像散、衍射像散和線性像散與獨立控制項關聯這樣的方式控制所述消像散器。·
4.根據任一前述權利要求所述的裝置，其中所述裝置是透射電子顯微鏡或者掃描透射電子顯微鏡。
5.一種使用根據任一前述權利要求所述的裝置的方法，所述方法包括激勵所述第一消像散器以在對所述樣本成像時減少像散並且激勵所述第二消像散器以在對所述衍射平面成像時減少像散，其特徵在於所述方法包括激勵所述第三消像散器以減少線性失真。
全文摘要
本發明涉及TEM的無失真消像散。本發明涉及一種帶電粒子裝置，該裝置配備有用於發射帶電粒子束的帶電粒子源(202)，在所述束的下遊跟隨有聚光器光學器件(208)、跟隨有樣本位置、跟隨有物鏡(214)、跟隨有成像光學器件(216)並且跟隨有檢測器系統(218，224)，其中在物鏡與檢測器系統之間，第一消像散器(250)被定位用於在將樣本(210)成像於檢測器系統上時減少像散並且第二消像散器(252)被定位用於在衍射平面成像於檢測器系統上時減少像散，其特徵在於第三消像散器(254)定位於物鏡與檢測器系統之間，因而產生第三自由度用於減少線性失真。本發明還涉及一種使用所述三個消像散器的方法。
文檔編號H01J37/153GK102737933SQ20121010794
公開日2012年10月17日 申請日期2012年4月13日 優先權日2011年4月13日
發明者A.亨斯特拉, M.比肖夫, P.C.蒂梅傑, U.呂肯 申請人:Fei 公司