СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ (ВАРИАНТЫ) И РАСТРОВЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП
METHOD OF MEASURING LINEAR SIZES (VERSIONS) AND SCANNING ELECTRONIC MICROSCOPE

Область техники
Группа изобретений относится к способам измерения линейных размеров изделий, микро- и наноэлектроники, а также наноразмерных частиц и к сканирующим электронным микроскопам.
Предшествующий уровень техники
Растровые электронно-микроскопические изображения отражают распределения интенсивностей электронов выхода (далее «реизлучение»), т.е. электронов, которые покидают изображаемый объект в ответ на облучение его сфокусированным пучком электронов.
Из уровня техники известен патент RU 2134864, опубликованный 20.08.1999, в котором описан способ измерения линейного размера объекта с использованием растрового электронного микроскопа как расстояния между инвариантными точками распределений интенсивности реизлучения, формирующего изображение на краях объекта. Этот известный способ является прототипом для трех заявленных способов. Недостатком этого известного способа является то, что он не позволяет учитывать влияние зависимости выхода электронов отдачи от формы объекта и от размеров сечения пучка электронов поверхностью объекта.
Из уровня техники известен патент США US 7442929 от 28.10.2008, в котором описан растровый электронный микроскоп, выполненный с блоком управления, обеспечивающим автоматическое изменение интенсивности электронного пучка, его сходимости и перемещение предметного столика. Этот известный растровый электронный микроскоп является прототипом заявленного растрового электронного микроскопа. Недостатком этого известного растрового электронного микроскопа является отсутствие контроля за положением предметного столика и невозможность обеспечить с более высокой точностью автоматическое совмещение предметного столика с заданными плоскостями, в том числе заданными таким образом, что при фокусировке освещающего пучка на одну из заданных плоскостей (центральную) дефокусировки этого пучка в плоскостях, расположенных по обе стороны от нее, имеют одну и ту же величину или что при фокусировках на две заданные плоскости величина дефокусировки в центральной плоскости, заданной между ними, имеет одну и ту же величину, независимо от того, на какую из двух заданных плоскостей сфокусирован пучок.
Раскрытие группы изобретений
Техническим результатом, на достижение которого направлены заявленные способы измерения линейных размеров, является увеличение точности измерения линейных размеров объектов за счет исключения из распределений интенсивности реизлучения составляющей, которая при данных размерах сечения пучка электронов плоскостью нулевой высоты объекта не зависит от сходимости пучка, а потому не чувствительна к форме объекта.
Техническим результатом, на достижение которого направлен заявленный растровый электронный микроскоп, является автоматическое перемещение предметного столика для совмещения расположенного на нем образца с плоскостями, координаты которых заданы в целях получения сфокусированных и/или дефокусированных изображений с заданными величинами дефокусировки.
Следует пояснить, что размеры сечения освещающего электронного пучка некоторой плоскостью выбраны как опорные. При движении пучка по поверхности трехмерного объекта он приближается к выбранной плоскости или удаляется от нее, и эта плоскость является плоскостью, относительно которой происходят изменения сечения пучка поверхностью объекта, т.е. плоскостью нулевой высоты объекта (базовой плоскостью). При этом изменение размеров сечения электронного пучка поверхностью зависит от сходимости пучка.
Указанный технический результат достигается в способе измерения линейных размеров объекта с использованием растрового электронного микроскопа как расстояния между инвариантными точками распределений интенсивности реизлучения, формирующего изображение на краях объекта, в котором регистрируют профиль интенсивности реизлучения при глубине фокуса электронного микроскопа, превышающей высоту объекта, два профиля интенсивности реизлучения с различной по знаку дефокусировкой электронного пучка при глубине фокуса электронного микроскопа менее высоты объекта, при этом все профили интенсивности реизлучения регистрируют с одинаковыми размерами сечения электронного пучка плоскостью нулевой высоты объекта и интенсивностями электронного пучка в этом сечении, а инвариантные точки на краях объекта определяют как точки пересечения двух разностных профилей интенсивности реизлучения, полученных вычитанием из профилей интенсивности реизлучения при глубине фокуса электронного микроскопа менее высоты объекта профиля интенсивности реизлучения при глубине фокуса электронного микроскопа, превышающей высоту объекта.
Два профиля интенсивности реизлучения, получаемые при глубине фокуса, меньшей высоты объекта, и дефокусировках электронного пучка относительно плоскости нулевой высоты объекта одинаковых по абсолютной величине, но разных по знаку, могут регистрироваться при неизменной фокусировке электронного луча и смещениях объекта предметным столиком вдоль оси электронного микроскопа.
Два профиля интенсивности реизлучения, получаемые при глубине фокуса, меньшей высоты объекта, и дефокусировках электронного пучка относительно плоскости нулевой высоты объекта одинаковых по абсолютной величине, но разных по знаку, могут регистрироваться при неизменном расположении объекта и смещении фокальной плоскости вдоль оси электронного микроскопа.
Указанный технический результат достигается в способе измерения линейных размеров объекта с использованием растрового электронного микроскопа как расстояния между инвариантными точками распределений интенсивности реизлучения, формирующего изображение на краях объекта, в котором регистрируют, по крайней мере, две различающихся размерами сечений электронного пучка плоскостью нулевой высоты объекта, пары профилей интенсивности реизлучения, формирующего изображение, каждая из пар включает профили интенсивности реизлучения при глубине фокуса электронного микроскопа, превышающей высоту объекта и менее высоты объекта, полученные при одинаковых размерах сечения освещающего электронного пучка плоскостью, соответствующей нулевой высоте объекта, и интенсивностях электронных пучков в этом сечении, а инвариантные точки на краях объекта определяют как точки пересечения профилей, полученных для каждой пары профилей интенсивности реизлучения вычитанием из профиля интенсивности реизлучения при глубине фокуса электронного микроскопа менее высоты объекта профиля интенсивности реизлучения при глубине фокуса электронного микроскопа, превышающей высоту объекта.
Указанный технический результат достигается в способе измерения линейных размеров объекта с использованием растрового электронного микроскопа посредством регистрации двух групп профилей интенсивности реизлучения, обеспечивая их сопоставимость по масштабу и направлению в образце, которому они соответствуют. Сопоставимость профилей означает то, что они выполнены в одном масштабе и отвечают одному и тому же направлению в образце.
1-я группа включает два профиля интенсивности реизлучения, регистрируемых при фокусировке электронного луча на плоскость, соответствующую нулевой высоте объекта, при глубине фокуса электронного микроскопа, превышающей высоту объекта, и при глубине фокуса электронного микроскопа менее высоты объекта;
2-я группа включает три профиля интенсивности реизлучения, регистрируемых при одинаковых размерах сечения электронного пучка плоскостью нулевой высоты объекта и интенсивностях электронного пучка в этом сечении, при этом один из профилей регистрируют при глубине фокуса большей высоты объекта, а два других профиля регистрируют при глубине фокуса электронного микроскопа менее высоты объекта и при одинаковых по абсолютной величине, но разных по знаку дефокусировках электронного пучка относительно плоскости нулевой высоты объекта;
исключают в полученных профилях интенсивности реизлучения составляющие, которые при данных размерах сечения пучка электронов плоскостью нулевой высоты объекта не зависят от сходимости пучка, вычитая один из другого профили 1-й группы; а также один из другого профили 2-й группы, полученные при глубине фокуса электронного микроскопа менее высоты объекта, и из каждого профиля 2-й группы, полученного при дефокусировке, профиль этой группы, полученный при глубине фокуса большей высоты объекта, а затем для определения инвариантных точек на краях объекта, используя полученные разности профилей интенсивности реизлучения, вычисляют распределения интенсивностей реизлучения, отражающие влияние изменения размеров сечения электронного пучка поверхностью объекта.
Два профиля интенсивности реизлучения, получаемые при глубине фокуса менее высоты объекта и дефокусировках электронного пучка относительно плоскости нулевой высоты объекта, одинаковых по абсолютной величине, но разных по знаку, могут регистрировать при неизменной фокусировке электронного луча и смещениях объекта предметным столиком вдоль оси электронного микроскопа.
Два профиля интенсивности реизлучения 2-й группы, получаемые при глубине фокуса менее высоты объекта и дефокусировках электронного пучка относительно плоскости нулевой высоты объекта, одинаковых по абсолютной величине, но разных по знаку, могут регистрировать при неизменном расположении объекта и смещении фокальной плоскости вдоль оси электронного микроскопа.
Указанный технический результат достигается в растровом электронном микроскопе, выполненном с блоком управления, обеспечивающим автоматическое изменение интенсивности электронного пучка, его сходимости, и перемещение предметного столика, который включает связанные с блоком управления средства слежения за положением предметного столика относительно плоскостей, заданных в блоке управления, привод предметного столика, выполненный с возможностью последовательного совмещения предметного столика с плоскостями, заданными в блоке управления, а блок управления выполнен с возможностью хранения координат нескольких плоскостей и автоматического управления перемещением предметного столика с использованием средств слежения, его совмещением с заданными плоскостями и фокусировкой электронного пучка на эти плоскости.
Растровый электронный микроскоп может дополнительно включать связанный с блоком управления блок измерения распределения интенсивности электронного пучка в плоскости выходной диафрагмы объективной линзы и набор сменных диафрагм, определяющих сходимость электронного пучка.
Блок измерения распределения интенсивности может включать один или несколько приемников электронного реизлучения, расположенных на пластине, выполненной с набором диафрагм в виде сквозных отверстий различных диаметров, и средства удержания и смещения пластины с приемниками электронного реизлучения в плоскости выходной диафрагмы объективной линзы.
Растровый электронный микроскоп может включать блок автоматической обработки зарегистрированных профилей интенсивности реизлучения.
Краткое описание чертежей
1
2
На Фиг.1 приведено схематическое изображение зависимости выхода электронов отдачи от позиции точки, на которую воздействует падающий пучок электронов, относительно деталей рельефа, α - область рассеяния освещающего пучка и генерации электронов отдачи; δ - выход электронов отдачи через поверхность входа, δ - выход через боковую грань. При приближении области рассеяния к боковой грани появляется возможность выхода электронов отдачи через боковую грань.
На Фиг.2 приведено экспериментальное изображение в обратнорассеянных электронах объекта со сложным габитусом. Вдоль линий пересечения граней интенсивность резко возрастает, искажая соответствие между профилями интенсивности и формой объекта.
На Фиг.3 приведена схема, иллюстрирующая влияние расходимости на изображения трехмерного образца. 1 - изменения размеров пробы (где проба суть сечение пучка электронов поверхностью объекта) при малом угле сходимости. Рельеф объекта не приводит к заметной дефокусировке луча, скользящего по поверхности объекта. 2 - большой угол сходимости, при движении луча по поверхности объекта изменяются размеры пробы, поэтому изображение, иллюстрируемое схемой 2, отличается от изображения, иллюстрируемого схемой 1. Если оба типа изображений формируются при одинаковых размерах сечения плоскостью нулевой высоты объекта, то изображения 1 и 2 отличаются только дефокусировкой, вызванной габитусом. Поэтому разность профилей интенсивности 2 и 1 позволяет восстанавливать форму объекта.
На Фиг.4 и Фиг.5 приведены схемы, разъясняющие влияние габитусных дефокусировок, идентичных по абсолютной величине, но различающихся по знаку.
На Фиг.6 приведена принципиальная схема растрового электронного измерительного микроскопа.
На Фиг.7 показан вид снизу на разрез колонны микроскопа с блоком измерения распределения интенсивности электронного пучка и объективными диафрагмами.
На Фиг.8 показан блок измерения распределения интенсивности электронного пучка.
На Фиг.9 показана пластинка блока измерения распределения интенсивности электронного пучка с диафрагмами объективной линзы.
На Фиг.10 приведена принципиальная схема совмещения объекта с заданными плоскостями и контроля этого совмещения.
На Фиг.11 приведено схематическое изображение кантилевера сверху.
На Фиг.12 приведено схематическое изображение кантилевера сбоку.
На Фиг.13 приведена принципиальная схема привода предметного столика (вид сбоку).
На Фиг.14 приведена схема привода предметного столика (вид сверху).
Лучшие варианты использования групп изобретений
В настоящее время изображения, получаемые посредством растрового электронного микроскопа (РЭМ), имеют два недостатка. Во-первых, по этим изображениям невозможно определить истинные размеры объекта. Этот недостаток наиболее явственно иллюстрируется при исследованиях объектов с прямоугольным сечением, например прямоугольных выступов на гладкой поверхности. Распределения (профили) интенсивности на их изображениях представляют собой кривые, на которых невозможно указать точки, отвечающие краям объекта. Во-вторых, по двумерным РЭМ-изображениям возникают затруднения с определением трехмерной формы объекта.
Было установлено, что все распределения интенсивности (профили интенсивности), возникающие при разных дефокусировках, пересекаются вблизи точек, лежащих на краю изображаемого объекта, и возникли попытки использовать этот эффект для измерения его размеров в патенте РФ №2134864. Однако поскольку электроны отдачи, как показано на Фиг.1, могут выходить и через верхнюю, и через боковую поверхности края объекта, профили интенсивности только приблизительно отражают размеры объекта и зависят от дефокусировок, габитуса объекта и других причин. Всплески интенсивности вблизи линий пересечения граней объекта отчетливо прослеживаются на Фиг.2, заимствованной из работы J.CAZAUX. Recent developments and new strategies in scanning electron microscopy. J. of Microscopy. 2005, T.217, №1, с.16-35.
Современные РЭМ ориентированы на формирование изображений, которые возникают при условии, что глубина фокуса многократно превышает высоту объекта (схема 1 на Фиг.3). В этих условиях дефокусировки, обусловленные удалениями пробы от плоскости фокусировки при ее движении по поверхности объекта (дефокусировки, вызванные габитусом), на изображение не влияют. Их влияние становится заметным, только если глубина фокуса оказывается меньшей, чем высота объекта (схема 2 на Фиг.3). При этом под пробой понимается сечение пучка электронов поверхностью объекта.
Изображение, возникающее при глубине фокуса, меньшей, чем высота объекта, формируется в результате одновременной реализации трех составляющих.
Во-первых, это обычная РЭМ составляющая, отражающая вероятности выхода электронов отдачи из разных точек объекта (далее 1-я составляющая).
Во-вторых, это составляющая, обусловленная возникновением дефокусировок, вызванных габитусом, поскольку разные точки поверхности объекта различно удалены от плоскости фокусировки (далее - 2-я составляющая).
В-третьих, это составляющая, являющаяся производной от указанной дефокусировки, вызванной габитусом, поскольку при изменении размеров пробы изменяются вероятности выхода электронов отдачи, и эти изменения можно представить как составляющую, увеличивающую или уменьшающую интенсивность реизлучения в данной точке (далее - 3-я составляющая).
Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерений наноразмерных объектов за счет таких комбинаций профилей интенсивности реизлучения, формирующих изображение, которые позволяют исключить первую составляющую, поскольку она не несет информацию о форме объекта, и разделить вклады второй и третьей составляющих.
В силу независимости 1-й составляющей от расходимости ее можно удалить, если вычесть из профиля интенсивности реизлучения, формирующего изображение, профиль интенсивности реизлучения, полученный при тех же размерах сечения пучка плоскостью нулевой высоты объекта и такой сходимости освещающего пучка, которая исключает влияние дефокусировок, вызванных габитусом. Этот путь позволяет устранить 1-ю составляющую, вычитая из результирующего профиля интенсивности, полученного при недостаточной глубине фокуса, профиль, отвечающий глубине фокуса, существенно превышающей высоту объекта. Для правомочности этой операции необходимо и достаточно, чтобы пробы для обоих изображений имели одинаковые размеры в плоскости нулевой высоты объекта. Возникшая при этом разность профилей отражает сумму 2-й и 3-й составляющих и в первом приближении может использоваться для восстановления профилей интенсивности и оценок размеров объекта, например, посредством нахождения точек пересечения кривых, соответствующих разностям профилей интенсивности, отвечающих разным приборным дефокусировкам.
Существует также второй путь устранения 1-й составляющей. Эта составляющая является одинаковой для двух изображений, полученных при глубине фокуса меньшей высоты объекта и дефокусировках, равных по абсолютной величине, но разных по знаку. Возможность подобного подхода иллюстрируется на Фиг.4 и Фиг.5. «Приборная дефокусировка» (обусловленная работой объективной линзы и точкой расположения объекта на оси микроскопа) и «дефокусировка, вызванная габитусом» (обусловленная рельефом объекта) могут иметь один и тот же знак или разные знаки. В зависимости от этого они либо суммируются или вычитаются. Необходимым и достаточным условием для реализации этого подхода является строжайшая идентичность приборных дефокусировок сопоставляемых профилей интенсивности, что требует такой же точности совмещения плоскости нулевой высоты образца (объекта) с рабочей плоскостью микроскопа.
Вклад 2-й составляющей возникает, когда плоскость, определенная здесь как плоскость нулевой высоты объекта, имеет интенсивность реизлучения, отличающуюся от таковой для объекта, см. К.С.Максимов. Закономерности дефокусированных изображений в растровой электронной микроскопии и измерения размеров в нанообласти. // Известия вузов. Электроника. 2009. №2, Стр.69-73. Поскольку оба пути предусматривают одинаковые дефокусировки на плоскость нулевой высоты объекта, оба пути не только устраняют 1-ю составляющую, но и ограничивают вклад 2-й составляющей.
Разностная кривая (разностный профиль), полученная при вычитании из профиля, сформированного при недостаточной глубине фокуса, профиля, нечувствительного к дефокусировкам, обусловленным габитусом, и фокусировке на плоскость нулевой высоты объекта (базовую плоскость), отличается максимальной чувствительностью к изменениям габитуса. Разностные кривые, полученные в соответствии со 2-м путем и отвечающие двум приборным дефокусировкам, идентичным по величине и разным по знаку, пересекаются на границе между объектом и плоскостью нулевой высоты объекта (которая в данном случае совпадает с подложкой), т.е. несут информацию о «приподошвенных искажениях оптимальной формы объекта».
Для разделения составляющих предлагается использовать 5 профилей интенсивности (в последующих выражениях кириллицей обозначаются экспериментальные профили или разностные кривые, получаемые на их основе, а латиницей - кривые, которые необходимо получить, а суммирование является алгебраическим):
1) получаемый при точной фокусировке и глубине фокуса, исключающей влияние дефокусировок, вызванных габитусом (далее профиль А);
2) получаемый при дефокусировке и глубине фокуса, исключающей влияние дефокусировок, вызванных габитусом (Б);
3) получаемый при точной фокусировке и глубине фокуса, меньшей высоты объекта (В);
4) отвечающий 1-му дефокусированному изображению при глубине фокуса, меньшей высоты объекта (Г);
5) отвечающий 2-му дефокусированному изображению при глубине фокуса, меньшей высоты объекта (Д).
Причем 1-й и 2-й дефокусированные профили отвечают дефокусировкам, идентичным по абсолютной величине, но разным по знаку.
Вычитание из профилей, полученных при недостаточной глубине фокусировки, соответствующих профилей, отвечающих достаточной ее глубине, позволяет получить следующие профили:
1-1) из профиля В - профиль А (В-А=А*), А* - сумма профилей, один из которых отражает профиль, обусловленный дефокусировками, вызванными габитусом, (X), а второй изменения выхода электронов отдачи, связанные с изменениями размера пробы (U), Х+U=А*;
2-1) из профиля Г - профиль Б (Г-Б=Г*), Г* суть сумма профилей, один из которых отражает профиль, обусловленный дефокусировками, вызванными габитусом, (У), а второй изменения выхода электронов отдачи, связанные с изменениями размера пробы (V), Y+V=Г*;
3-1) из профиля Д - профиль Б (Д-Б=Д*), Г* суть сумма профилей, один из которых отражает дефокусировки, вызванные габитусом (Z), а второй изменения выхода электронов отдачи, связанные с изменениями размера пробы (W), Z+W=Д*;
4-1) из профиля Г - профиль Д (Д-Г=Е), Е в соответствии с формулами 3, 4, приведенными далее, отражает разность дефокусировки, вызванной габитусом (Q), плюс разность профилей, отражающих изменения интенсивности при изменении размеров пробы (V-W). В соответствии с формулой 4, приведенной далее, при малых изменениях высоты объекта Q стремится к 2Х.
Для определения размера объекта посредством полученных разностных кривых используют пересечение кривых, отвечающих одним и тем же составляющим и разным дефокусировкам. Габитус объекта восстанавливают с использованием обратного интегрального преобразования (может быть реализовано обращением матрицы), основанного на выражениях 1-4, приведенных ниже, посредством обработки полученных разностных кривых.
Распределение интенсивности при движении зонда по поверхности трехмерного объекта в одномерном приближении описывается выражением
c
c
где I - распределение интенсивности, (x, y) - координаты центра пробы, J - суммарная интенсивность освещающего пучка электронов, σ - среднеквадратичное отклонение (величина, характеризующая размытие пробы).
Размытие пробы, возникающее при ее движении по поверхности объекта, описывается формулой
где z - расстояние точки на поверхности объекта от выходной диафрагмы объективной линзы, f - фокусное расстояние, r - размытие на плоскости фокусировки, R - размер выходного отверстия объективной линзы. В выражении (2) |z - f| суть удаление точки на поверхности объекта от плоскости, на которую осуществляется фокусировка.
Разностные кривые описываются выражениями
которое при условии малости размытия, вызываемого габитусом, по сравнению с размером пробы трансформируется к виду:
1
0
где σ - среднеквадратичное отклонение для проб на поверхности объекта и σ - среднеквадратичное отклонение для пробы в плоскости нулевой высоты объекта.
На фиг.6 приведена принципиальная схема растрового электронного измерительного микроскопа, предназначенного для реализации способов измерения линейных размеров, описанных выше. 1 - катод; 2 - управляющая сетка; 3 - анод; 4 - 1-я конденсорная линза; 5 - набор конденсорных диафрагм; перемещаемый двумя шаговыми двигателями; 6 - 2-я конденсорная линза; 7 - катушки блока сканирования; 8 - детектор обратнорассеянных электронов; 9 - детектор вторичных электронов; 10 - объективная линза; 11 - диафрагма объективной линзы и детектор устройства контроля размеров и формы пучка и интенсивности освещающего пучка электронов, более детально представленные на фиг.6-8; 12 - 1-я группа плоскостей, задаваемая в блоке управления, состоящая из центральной плоскости и двух боковых плоскостей, расположенных эквидистантно относительно центральной; 13 - набор средств для контроля совмещения объекта с плоскостями (детали на фиг.10-12); 14 - объект; 15 - привод перемещения объекта, более детально представленный на фиг.13 и 14; 16 - 2-я группа плоскостей с набором плоскостей, идентичным набору плоскостей 1-й связки, задаваемая в блоке управления и расположенная в области, где глубина фокуса превышает высоту объекта; 17 - блок управления работой микроскопа; 18 - блок управления источником высоковольтных электронов; 19 - блок управления режимом работы конденсорных линз; 20 - блок управления режимами сканирования и увеличения; 21 - блок системы детектирования вторичных и обратнорассеянных электронов; 22 - блок контроля объективной диафрагмы и контроллера формы пучка; 23 - блок управления объективной линзы; 24 - блок управления режимом работы оптической системы при локализации объекта в рабочих плоскостях; 25 - блок управления механизмом совмещения объекта с рабочими плоскостями; 26 - блок управления перемещениями объекта предметным столиком; 27 - блок анализа и обработки информации; 28 - блок вывода и представления информации.
На фиг.7 представлен вид снизу на разрез колонны микроскопа с блоком измерения распределения интенсивности электронного пучка в плоскости выходной диафрагмы объективной линзы и набором сменных диафрагм, ограничивающих сходимость электронного пучка. 29 - пластинка с набором выходных диафрагм объективной линзы; 30 - приемник электронного излучения (детектор) для контроля формы и интенсивности освещающего пучка; 31 - стержень держателя диафрагм и детектора; 32 - сильфонная герметизация; 33 - канал ввода диафрагм и детектора; 34 - канал объективной линзы; 35 - корпус объективной линзы; 36 - блок перемещений диафрагм и детектора; 37 - блок картографирования сигналов детектора; 38 - заглушка; 39 - вакуумное уплотнение.
На фиг.8 представлен блок измерения распределения интенсивности. 40 - редуктор; 41 - верньер вертикальных перемещений (настраивается производителем); 42 - шаговый двигатель поперечных перемещений; 43 - контроллер поперечных перемещений; 44 - блок обработки сигналов детектора; 45 - шаговый двигатель продольных перемещений; 46 - контроллер продольных перемещений.
На фиг.9 представлена пластина 29, выполненная с набором диафрагм в виде сквозных отверстий и приемником 30 электронного излучения.
Приемник электронного излучения 30 освещающего пучка в плоскости объективной диафрагмы предназначен для решения трех задач: во-первых, с его помощью находится центр пучка электронов относительно текущих перемещений, осуществляемых шаговыми двигателями 44 и 47, и соответственно определяется положение центра устанавливаемой диафрагмы, во-вторых, он позволяет контролировать дефокусировку освещающего пучка и добиваться приближения распределения интенсивности, вырезаемого объективной диафрагмой, к однородному, в-третьих, он позволяет измерять интенсивность пучка, выходящего из объективной диафрагмы, что необходимо для нормировки регистрируемых профилей интенсивности.
Использование матрицы приемников вместо единичного приемника электронного излучения возможно при размерах пиксела матрицы порядка 1 мкм.
На фиг.10 представлена схема совмещения объекта с заданными в блоке управления плоскостями, включая контроль этого совмещения. 47 - игла кантилевера; 48 - блок перемещения иглы; 49 - балка кантилевера; 50 - лазерный диод с коллиматором и линзой; 51 - освещающий лазерный луч; 52 - система фокусировки луча на зеркало блока кантилевера; 53 - зеркало блока кантилевера; 54 - отраженный луч; 55 - система фокусировки отраженного луча; 56 - настраиваемое зеркало, ориентация которого связана с горизонтальными перемещениями блока иглы; 57 - зеркало; 58 - фотодетектор с коллиматором; 59 - столик объекта. Игла фиксирована по вертикали, и ее острие определяет позицию плоскости, система настроена так, что касание объектом острия иглы изменяет угол отражения, что регистрируется фотодетектором.
Для контроля приведена схема с отраженным лазерным лучом, однако возможны также схемы, в которых совмещение объекта с плоскостью контролируется по возникновению туннельного тока, изменению емкости, эффектам интерференции и пр.
В описании в качестве примера приведена схема совмещения плоскости нулевой высоты объекта с рабочей плоскостью посредством кантилеверов, жестко установленных в корпусе микроскопа. Большую гибкость обеспечивает устройство со специальным держателем, в котором образец устанавливается на заданную высоту с помощью средств, описанных выше вне корпуса микроскопа, а положение самого держателя по высоте фиксируется, например, с помощью оптической системы.
На фиг.11 схематично изображен кантилевер (вид сверху). 47 - игла кантилевера, 49 - балка кантилевера, 60, 61 - пьезодвигатели, 62 - упругая вставка балки держателя иглы, реагирующая на контакт острия иглы с объектом.
На фиг.12 также схематично изображен кантилевер (вид сбоку). 53 - зеркало кантилевера. 49 - балка кантилевера, 60, 61 - пьезодвигатели, 62 - упругая вставка балки держателя иглы, реагирующая на контакт острия иглы с объектом.
На фиг.13 приведена схема блока прецизионных перемещений столика объекта (вид сбоку). 59 - столик объекта; 63, 64, 65 - пьезодвигатели для прецизионных перемещений столика объекта и совмещения плоскости нулевой высоты объекта с рабочей плоскостью; 66 - центральная часть основания блока держателя образца; 65 - шаговый двигатель, обеспечивающий перемещение блока установки образца от одной рабочей плоскости к другой.
На фиг.14 приведена схема блока прецизионных перемещений столика объекта (вид сверху). 59 - столик объекта; 66 - основание блока держателя образца; 68, 69 - шаговые двигатели, обеспечивающие латеральные перемещения держателя образца.
Глубина фокуса может регулироваться тремя способами. Во-первых, можно изменять размер выходной диафрагмы объективной линзы при неизменном положении плоскости фокусировки. Во-вторых, можно изменять удаление плоскости фокусировки от выходной диафрагмы объективной линзы при постоянной величине последней. В-третьих, можно одновременно варьировать и размер выходной диафрагмы и удаление от нее плоскости фокусировки.
Задаваемые в блоке управления 17 группы плоскостей состоят из троек плоскостей - центральной (опорной) и двух эквидистантно расположенных боковых (установочных) плоскостей. Существование опорной и установочных плоскостей позволяет реализовать два варианта формирования пар дефокусированных изображений. Во-первых, объект может располагаться в опорной плоскости, а фокусировка поочередно осуществляться на установочные плоскости (Фиг.4). Во-вторых, падающий пучок может быть сфокусирован на опорную плоскость, а дефокусированные изображения формироваться посредством поочередных совмещений объекта с установочными плоскостями (Фиг.5). Разделение плоскостей на опорные и установочные при строгой фиксации их координат обеспечивает формирование изображений, отвечающих одинаковым по абсолютной величине дефокусировкам, и управление знаками дефокусировок.
Первичные пучки фокусируются электромагнитными линзами, и «остаточные» магнитные поля могут проникать в окрестности контролируемого объекта (что может особенно влиять на изображения при короткофокусных режимах). Кроме того, перенос фокуса с одной установочной плоскости на другую связан с изменением расходимости освещающего пучка. Эти два фактора нарушают идентичность дефокусировок, если эквидистантность установочных плоскостей обеспечена только их пространственной равноудаленностью от опорной плоскости.
Существуют два варианта определения позиций установочных плоскостей. В первом варианте пару этих плоскостей подбирают таким образом, чтобы распределение интенсивности освещающего пучка в соответствующей этой паре опорной плоскости было одним и тем же независимо от того, на какую из двух установочных плоскостей этой пары сфокусирован освещающий пучок. Во втором - каждую пару установочных плоскостей подбирают таким образом, чтобы при фокусировке освещающего пучка на соответствующую ей опорную плоскость распределение интенсивности в обеих установочных плоскостях этой пары было одним и тем же. При этом вследствие существования остаточных полей позиции установочных плоскостей для двух вариантов получения дефокусированных изображений могут не совпадать.
Соответственно, если в микроскопе реализуются оба варианта дефокусировок, то в блоке управления хранятся координаты плоскостей и семейства опорных плоскостей и обоих подсемейств установочных плоскостей.
Опорные и установочные плоскости формируют связки. Каждая связка состоит из одной опорной плоскости и, по меньшей мере, одной пары связанных с ней установочных плоскостей. Посредством связок формируются изображения, отвечающие дефокусировкам разных знаков. Как минимум, одна из связок комбинации должна быть локализована в области, где глубина фокуса больше высоты объекта, и, как минимум, одна из связок комбинации расположена в области, где глубина фокуса меньше высоты объекта. Оптимизация процедуры определений габитуса для объектов с разными высотой и формами требует применения дефокусировок с различными абсолютными величинами дефокусировок. Поэтому с каждой опорной плоскостью могут быть связаны более одной пары установочных плоскостей.
В устройстве заложена возможность изменять сходимость освещающего электронного пучка путем изменения размеров выходной диафрагмы объективной линзы и/или передвижением объекта вдоль оси микроскопа. Управление углом сходимости целесообразно осуществлять частично за счет изменения расстояния между образцом и диафрагмой объективной линзы, а частично за счет изменения размеров самой диафрагмы. Однако для поддержания одинаковой интенсивности необходимо варьировать плотность пучка. Кроме того, необходимо поддерживать однородную плотность пучка электронов по сечению объективной диафрагмы. Обе эти задачи решаются посредством приемника излучения, расположенного в плоскости объективных диафрагм с возможностью перемещения.
Это позволяет объединять в комбинации связки с различной расходимостью пучка. Отличительной особенностью комбинации от связки является то, что в связке все установочные плоскости принадлежат одной и той же опорной плоскости, а в комбинацию входит более одной связки, причем каждая из связок имеет свои установочные плоскости. К одной комбинации принадлежат связки, для которых или при фокусировке на установочные плоскости идентичны распределения интенсивности в опорной плоскости или при фокусировке на опорные плоскости идентичны распределения интенсивности в установочных плоскостях. Наибольший интерес представляют комбинации, для которых одна связка лежит в области, где глубина фокуса существенно превышает высоту объекта, и, по меньшей мере, одна связка локализована в области, где ее высота превышает глубину фокуса. Подобная комбинация позволяет реализовать второй заявленный способ измерения линейных размеров и, соответственно, установление габитуса объекта.
В устройстве заложена возможность изменять сходимость освещающего электронного пучка посредством управления работой «оптической» системы и/или путем изменения размеров выходной диафрагмы объективной линзы.
В устройстве заложена возможность управлять формированием профилей, отвечающих одному и тому же увеличению и одному и тому же направлению в объекте.