TEM的无失真消像散

摘要

本发明涉及TEM的无失真消像散。本发明涉及一种带电粒子装置，该装置配备有用于发射带电粒子束的带电粒子源（202），在所述束的下游跟随有聚光器光学器件（208）、跟随有样本位置、跟随有物镜（214）、跟随有成像光学器件（216）并且跟随有检测器系统（218，224），其中在物镜与检测器系统之间，第一消像散器（250）被定位用于在将样本（210）成像于检测器系统上时减少像散并且第二消像散器（252）被定位用于在衍射平面成像于检测器系统上时减少像散，其特征在于第三消像散器（254）定位于物镜与检测器系统之间，因而产生第三自由度用于减少线性失真。本发明还涉及一种使用所述三个消像散器的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种带电粒子装置，该装置配备有用于发射带电粒子束的带电粒子源，在所述束的下游跟随有聚光器光学器件、跟随有样本位置、跟随有物镜、跟随有成像光学器件并且跟随有检测器系统，其中在物镜与检测器系统之间，第一消像散器被定位用于在将样本成像于检测器系统上时减少像散并且第二消像散器被定位用于在衍射平面成像于检测器系统上时减少像散。

本发明还涉及这样的装置的使用。

背景技术

这样的装置以透射电子显微镜（TEM）的形式为本领域技术人员所知。

在TEM中，用高能电子束照射厚度通常在2nm与1μm之间的样本，比如薄的生物材料切片或者薄的半导体材料切片。虽然已知对更高和/或更低能量进行使用的TEM，但是电子的能量例如在50至400keV之间可调。样本放置于TEM的物镜中或者附近，从而物镜以例如20倍的放大率形成样本的第一图像。

如技术人员所知，TEM具有两个主要操作模式：其中样本成像于检测器系统上的一个操作模式以及其中物镜的后焦平面成像于检测器系统上的一个操作模式。后焦平面包含样本的衍射图案。检测器系统例如可以是荧光屏或者CMOS检测器。样本可以用例如10⁶倍的放大率成像于检测器上而对应分辨率为100pm或者更少。

典型TEM在物镜之后配备有两个消像散器：一个消像散器在与物镜接近的平面中用于在成像模式中校正像散（当对样本成像时），而一个消像散器与第一中间成像的平面接近用于在衍射模式中校正像散（当对衍射图案成像时）。

在成像模式中，样本例如成像于TEM的荧光屏或者比如CCD相机、CMOS相机等的另一检测器上。物镜消像散器用来校正物镜的像散，并且通过观察样本的图像来完成调谐。

在衍射模式中，衍射平面例如成像于TEM的荧光屏或者比如CCD相机、CMOS相机等的另一检测器上。衍射消像散器用来校正衍射透镜的像散，并且通过观察衍射图案的图像来完成调谐。

将一个消像散器用于校正像散的问题在于出现线性失真（LD）：在两个垂直方向上的放大率可能不同。在图1中示出了这一点。图1A示意地示出了具有像散的束，其中物镜在一个方向上的强度略微不同于它在另一方向上的强度。这可能例如由物镜的形状缺陷引起。我们选择x和y轴，使得x-z平面是其中物镜是最弱的平面而y-z平面是其中物镜是最强的平面。在x-z平面中的焦点略微不同于在y-z平面中的焦点。在图1B中，用消像散器校正这一点，并且在x-z和y-z平面中的焦点重合。然而角度β_x和β_y不相同，并且由于在x-z平面中的角度放大率不同于y-z平面的角度放大率，所以空间放大率也在x-z平面与y-z平面之间不同。

注意由于消像散器在x-z平面和y-z平面中具有不同影响，所以通过使用仅一个消像散器而引入的放大误差为线性失真（LD）：在x和y方向上的放大率不同。

图1C示出了通过使用第二消像散器的对这一问题的解决方案。

根据Hou等人在Microsc Microanal 2008年14期（增刊2）第1126页的“A Method to Correct Elliptical Distortion of Diffraction Patterns in TEM”已知使用两个消像散器来校正衍射模式中的LD。在所述论文中，放大误差称为椭圆误差。为了确定这一误差，TEM的物镜消像散器设置于任意值，相应地调节衍射透镜消像散器以使衍射图像中的像散最小化，并且测量衍射图案中的LD（这里称为椭圆失真）。针对物镜消像散器的不同值重复这一过程以形成2D等高线绘图，该绘图代表用于所有物镜消像散器设置（和对应优化的衍射透镜消像散器设置）的LD。

根据第6,388,261号美国专利已知在对晶片上的标线成像时使用两个消像散器来校正光刻装置中的LD。该专利描述如下装置，在该装置中标线由双合透镜成像，由此可以调谐放大率。两个透镜中的每个透镜由消像散器包围，其中一个消像散器主要用来校正双合透镜的像散而另一个用来主要校正LD。

上述两个例子示出了在原理上有可能并且已知用两个消像散器同时调节像散和LD。

如技术人员所知，不能任意地选择消像散器的位置：消像散器中使用的磁场或者静电场的强度随着与轴的距离线性地缩放。因此使直径小的束消像散与使直径大的束消像散相比需要消像散器的更大的激励。对于从或者向中间图像发散的束，束直径随着与中间图像的距离线性地缩放。因此，消像散器在其中束具有交叉的图像处甚至无消像散影响。另外，消像散器的影响也随着在消像散器与其中形成图像的平面之间的距离线性地缩放。因此对于从或者向中间图像发散的束，消像散器的影响因此随着消像散器与其中形成图像的平面的距离呈二次缩放。

因此，消像散器优选地放置于其中束具有大直径并且与其中形成图像的平面远离的位置。

由于TEM具有两个操作模式（其中对图像平面成像的一个操作模式以及其中对衍射平面成像的一个操作模式），所以典型TEM在样本与成像系统之间配备有两个消像散器：一个在与物镜接近的平面中用于在对图像成像时校正图像中的像散，而一个在衍射透镜（即：在物镜之后成像系统的第一透镜）附近用于在对衍射平面成像时校正衍射平面中的像散。

所得到的两个自由度（每个消像散器有一个自由度）用来校正物镜和衍射平面中的像散。

两个消像散器可以一起工作以形成其中出现组合动作的虚拟平面。这一组合动作可以是像散校正和LD校正。可以选择这一平面以与其中物体驻留的平面重合或者与衍射平面重合。

当使用两个消像散器来校正两个模式（成像模式和衍射模式）中的像散并且也用那些消像散器校正LD时出现问题：当在模式之间切换时，也必须改变消像散器的激励。如下说明这一点：在成像模式中，成像消像散器用来校正像散，而另一消像散器（衍射器消像散器）用来校正LD。在衍射模式中，衍射器消像散器用来校正像散，而另一消像散器（物镜消像散器）用来校正LD。激励的改变在消像散器的线圈中引起不同的欧姆热产生（通常为若干瓦特的改变），从而造成图像由于所得到的温度漂移而漂移。所需稳定时间约为数十分钟。尤其在使用铁轭（yoke）时也可能出现滞后。

发明内容

需要一种用于校正两个平面中的像散并且同时校正LD而无由消像散器的不同激励所引起的漂移的方法。

本发明旨在于提供对所述问题的解决方案。

为此，根据本发明的TEM的特征在于第三消像散器定位于物镜与检测器系统之间，因而产生第三自由度用于减少线性失真。

本发明基于如下认识：有可能以在两个模式（成像模式和衍射模式）中的像散在无LD的情况下是可能的这样的方式激励三个消像散器。因此也未出现耗散改变，因此消像散器耗散的改变未引入漂移。

本领域技术人员将清楚消像散器不应成像于彼此上：它应是独立的消像散器组。

优选地，三个消像散器放置于物镜与成像光学器件之间。然后可以改变成像光学器件的放大率而不必改变消像散器激励，因为成像光学器件的所有透镜在消像散器与图像平面之间。也由于图像光学器件的透镜产生放大的图像，所以消像散器的影响在它们放置于更‘下游’时更少，并且激励应更大。将消像散器放置于物镜与成像光学器件之间的另一优点在于由于磁透镜引入旋转，所以当改变在物镜与消像散器之间的透镜的激励时，也应改变消像散器的定向，从而造成更复杂的操作。将消像散器放置于这一体积中的又一优点在于由于在消像散器之间无透镜，所以无一个消像散器成像于另一消像散器上的改变（对于任何放大率设置），由此将自由度减少至两个。

注意多数像散由物镜引入而在更少程度上由衍射透镜引入（可以忽略与图像平面更近的透镜的影响）。可以忽略成像系统中的其它透镜的影响，因此改变这些透镜的放大率对像散无影响。

优选地，该装置配备有用户界面，其中相互独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。

一种使用三个消像散器的方法包括激励第一消像散器用于减少成像模式中的像散、激励第二消像散器用于减少衍射模式中的像散，其特征在于该方法包括激励第三消像散器用于减少线性失真。对于这一方法，重要的是注意对于消像散器而言存在理想位置，使得第一消像散器未影响LD而仅影响成像模式中的像散，第二消像散器未影响LD而仅影响衍射模式中的像散并且第三消像散器主要影响LD而仅略微影响成像和衍射模式中的像散。在实践中，机械约束使得并非总是有可能在这些理想位置而是仅接近这些理想位置装配消像散器。然后例如第一消像散器不仅影响图像像散而且略微影响衍射像散并且略微影响LD。在该情况下，有可能进行三个新的控制，每个所述控制以不同比率同时改变三个消像散器，使得每个新的控制仅影响图像像散或者仅影响衍射像散或者仅影响LD。

该方法的结果在于激励三个消像散器，使得同时满足所有三个需求（在成像模式中的像散、在衍射模式中的像散和LD为零），因此当从一个模式变成另一模式时无需激励的改变。

附图说明

现在使用其中相同标号指代对应特征的附图来阐明本发明。

为此：

图1A、1B和1C示意地示出了一组消像散器的工作，

图2示意地示出了根据本发明的装置，并且

图3示意地示出了图2的细节，示出了在样本与衍射透镜之间的部分。

具体实施方式

图1A示意地示出了透镜104聚焦的束100。束和透镜均居中于轴102周围。透镜将束聚焦于交叉位置F，但是由于像散，在x-z平面中的交叉位置F_x略微不同于在y-z平面中的交叉位置F_y。

图1B示意地示出了消像散器106的影响。消像散器可以视为在一个平面（x-z平面）中具有正强度而在与之垂直的平面（y-z平面）中具有相等但是为负的强度的透镜。消像散器的强度关于x-z平面定义为                                                ，其中Δr’是撞击消像散器的射线的角度改变（斜率改变），该射线在与轴的距离r处撞击消像散器。

因而当将消像散器放置于透镜与交叉之间时，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平面中的开度角β_x和在y-z平面中的开度角β_y不同。因而在x-z和y-z平面中的放大率M_x和M_y不同，因为M_x · β_x = M_y · β_y。

图1C示意地示出了如何通过引入额外消像散器108可以校正像散而在两个方向上的放大率相同。

图2示意地示出了在成像模式中的根据本发明的TEM。

图2示出了沿着光轴200发射电子束的电子源202。束由对准线圈204居中于轴周围。束的开度角受束限制孔径206限制，然后束由聚光器透镜208准直（聚光）到样本210上。样本装配于样本保持器202上，从而它可以关于轴来定位。样本驻留于物镜214的磁场中，从而产生中间图像。成像光学器件中的投影仪透镜216还放大这一图像，因而大大放大的图像形成于荧光屏218中。可以经由查看端口220观察荧光屏。荧光屏装配于铰链222上并且可以从束的路径取出。这使得图像能够产生于另一类型的检测器（比如CMOS相机224）上。显微镜还包括壳226、真空管道228和一个或者多个真空泵230[例如来自离子吸气泵（IGP）、涡轮分子泵（TMP）、油扩散泵（ODP）等（如果必要则由所谓的预真空泵补充）的组的一个或者多个泵]。另外，显微镜包括实现用户控制显微镜和显示例如检测器224产生的图像的控制器（未示出）、显示器（未示出）等。

显微镜也在样本与第一图像平面之间包括三个消像散器：物镜消像散器250用于主要在对样本成像时减少像散，衍射消像散器252用于主要在对衍射平面成像时减少像散，而LD消像散器254用于主要减少线性失真。

注意现有技术的显微镜未配备有LD消像散器。

在工作时，电子源产生可调能量通常在50与400keV之间的电子束。束居中于轴上，并且开度角（并且因此电流）受束限制孔径限制。聚光器透镜然后将束聚光于样本上。聚光器透镜因此确定束在样本上的发散/会聚角度、以及照亮的样本面积。

样本通常具有在2nm与1μm之间的厚度。许多撞击电子经过样本行进，但是它们中的许多电子将与样本相互作用。相互作用可以是吸收、散射和/或能量损耗。吸收的电子将在图像中引起强度波动，散射的电子将通过与非散射电子的干涉而造成相位对比度图像。能量损耗可以由特殊电子能量损耗分光计成像。

在成像模式中，物镜形成样本的放大中间图像，该图像还由投影仪透镜放大以在屏幕或者检测器上形成图像。

在衍射模式中，未对样本成像，而是对衍射平面成像。在衍射平面（与物镜的后焦平面重合或者接近的平面）中，在一个角度下离开样本的所有电子聚焦于一点。因而衍射信息可以用来获得样本的晶体结构信息。

注意这是TEM的很示意表示并且TEM通常包括多得多的元件，比如偏转器、聚光器消像散器（在电子源与样本之间）、检测器（也包围样本例如用于检测X射线）、低温屏蔽（用于将样本和/或检测器保持于低温温度）。

图3示意地示出了图2的细节，其中示出了物镜214、消像散器250、252、254和衍射透镜306（成像系统的与样本最近的透镜）以及样本210及其第一中间图像304。图3也示出了和（以复坐标，即x+iy）描述的两个主射线u（302）和v（301）。

本发明基于以下认识：

对于具有N个消像散器的光学系统，我们可以写为：

                                                                                    [1]

                                                                        [2]

                                                                                   [3]

其中A_i是第i个消像散器（1 ≤ i ≤ N）的强度，

A_image是图像平面中的像散，

A_diffraction是衍射平面中的像散，

而D是LD。每个消像散器i的强度由A_i定义。

后见之明，显而易见的是需要至少三个消像散器以获得解决方案，其中所有三个等式[1]、[2]和[3]为零。使用三个消像散器，结果然后是用于所有三个消像散器同时满足所有三个需求的独特解决方案，因此当在成像模式与衍射模式之间改变时无需改变消像散器的强度/激励。这进而避免装置的欧姆加热和关联漂移。