DE10113966A1 - Sondenelektronenmikroskop - Google Patents

Abstract

Ein Sondenelektronenmikroskop wird bereitgestellt, das in der Lage ist, wiederholt Bilder der Form einer Probe etc. mit einem hohen Maß an Genauigkeit zu reproduzieren, ohne von der Umgebung beeinflusst zu werden. Ein Sondenelektronenmikroskop der vorliegenden Erfindung weist eine mikroskopische Ansteuereinrichtung für die mikroskopische Verschiebung einer Probe oder Sonde in X-, Y- und Z-Richtung, eine Versatzdetektoreinrichtung, die in der Lage ist, den Versatz der mikroskopischen Ansteuereinrichtung in X-, Y- und Z-Richtung zu messen, sowie eine Bildkorrektureinrichtung zur Aufzeichnung der von jeder Versatzdetektoreinrichtung ausgegebenen Werten als Matrixdaten und zur Erzeugung eines Bildes aus der aufgezeichneten Datenmatrix mit den relativen Positionen bezüglich der korrigierten X-, Y- und Z-Richtung auf. Eine Steuerung 14 steuert eine Messeinheit 13. Des weiteren werden Ausgangswerte für jeden Versatzsensor an eine Betriebs-/Anzeige-Einrichtung 16 geschickt, die an der Steuerung 14 angebaut ist. Die Ausgangsdaten der X-, Y- und Z-Sensoren werden von der Betriebs-/Anzeige-Einrichtung 16 an ein Bildkorrekturprozessorgerät 15 geschickt und verarbeitet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Sondenelektronenmikroskope (Scanning Probe Microscopes - SPM), die durch Abtasttunnel­ mikroskope (Scanning Tunnel Microscopes - STM) und Atomkraft­ mikroskope (Atomic Force Microscopes - AFM) typisiert sind.

Derzeit werden Sondenelektronenmikroskope (SPM), die durch Ab­ tasttunnelmikroskope (Scanning Tunnel Microscopes - STM) und Atomkraftmikroskope (Atomic Force Microscopes - AFM) typisiert sind, in großem Umfang als Mittel zur Überwachung der Oberflä­ chenform mikroskopischer Materialien verwendet. Ein SPM über­ wacht Formen und Eigenschaften einer Materialoberfläche unter Nutzung gegenseitiger physikalischer Wechselwirkung zwischen einer Sonde und einer Probenoberfläche und kann dies mit einer hohen Auflösung bis herunter zu Größenordnungen einiger Nano­ meter leisten. Um eine hohe Auflösung zu erzielen, ist es er­ forderlich, die Probe und die Sonde um winzige Beträge in der X-, Y- und Z-Richtung zu verfahren, wobei dieses Verfahren normalerweise mittels eines piezoelektrischen Element erfolgt. Am typischsten für ein solches piezoelektrisches Element ist das zylindrische piezoelektrische Element. Ein zylindrisches piezoelektrisches Element ist mit Elektroden ausgestattet, an die einzelne Ansteuersignale gelegt werden können. Dies ge­ stattet ein Verfahren in jeder der X-, Y- und Z-Richtung, in­ dem individuelle piezoelektrische Elemente verwendet werden. Dies hat den Vorteil, daß relativ große Versatzbeträge in X- und Y-Richtung beibehalten werden. Es ist dann möglich, ein beobachtetes Bild der Form etc. der Materialoberfläche wieder­ zugeben, indem die Ansteuersignale für die X-, Y- und Z- Richtung, die an diese zylindrischen piezoelektrischen Ele­ mente in drei Dimensionen gelegt werden, abgebildet werden.

Fig. 13 zeigt eine Konfiguration eines zum Stand der Technik gehörigen SPM, das sich eines zylindrischen piezoelektrischen Elements bedient. Eine Sonde 52 ist über einen Sondenträger­ tisch 51 an einem zylindrischen piezoelektrischen Element 50 befestigt. Änderungen im Ansprechverhalten der Sonde auf eine gegenseitige physikalische Wechselwirkung mit einer Probe 53 auf einem Probentisch 54 werden durch eine Detektoreinrichtung 55 für die gegenseitige Wechselwirkung erfaßt. Was tatsächlich von der Detektoreinrichtung 55 für die gegenseitige Wechsel­ wirkung erfaßt wird, ist die Auslenkung der Sonde 52 als Reak­ tion auf die Atomkraft, wenn es sich bei der gegenseitigen Wechselwirkung um Atomkraft handelt, oder im Fall des Tunnel­ stroms der Tunnelstrom, der zwischen der Sonde 52 und der Pro­ be 53 fließt. Es ist möglich, die Form usw. der Oberfläche der Probe 53 zu überwachen, indem in X- und Y-Richtung abgetastet wird, während der Betrag, um den das zylindrische piezoelek­ trische Element 50 als Reaktion auf das Ausgangssignal der De­ tektoreinrichtung 55 für die gegenseitigen Wechselwirkung in Z-Richtung verfahren wird, kontrolliert wird. Diese Kontrolle erfolgt mittels einer SPM-Steuerung 56, und die Ausgabe des überwachten Bildes sowie der gesamte Betrieb werden von der Betriebs-/Anzeige-Einrichtung 57 durchgeführt.

Dieses dem Stand der Technik entsprechende SPM ist aufgrund seiner hohen Auflösung als Mittel zur Überwachung der Ober­ fläche mikroskopischer Bereiche wirksam. In den letzten Jahren hat jedoch der Bedarf, die Form von Halbleitern und Aufzeich­ nungsmedien mittels SPM mit noch größerer Genauigkeit zu mes­ sen, zugenommen. Soll ein SPM als diese Art Meßgerät in Be­ tracht gezogen werden, sind die Präzision der Positionierung und die Wiederholgenauigkeit unzureichend. Im Stand der Tech­ nik erfolgt das Abtasten in X- und Y-Richtung rückführungslos gesteuert, so daß die Position der Sonde oder der Probe anhand des Versatzes eines piezoelektrischen Elements entsprechend eines angelegten Ansteuersignals bestimmt wird. In Wirklich­ keit ist jedoch der Betrag dieses Versatzes aufgrund von Hysterese und nicht linearen Vorgängen etc. nicht proportional zum Ansteuersignal. Dies erschwert die Bestimmung der Position der Sonde. Die tatsächliche Form des auf diese Weise erhalte­ nen überwachten Bildes wird deshalb nicht zuverlässig wieder­ gegeben. Zur Lösung dieses Problems werden das Ansteuersignal und der Versatz des piezoelektrischen Elements bei dem Stand der Technik entsprechenden SPM gemessen und ein Ausgleich vor­ genommen, so daß sich das piezoelektrische Element linear ver­ hält. Bei dieser Methode hängt der Ausgleich jedoch von frühe­ ren Ergebnissen ab, und obwohl dadurch der Einfluss stark aus­ geprägter Hysterese etc. abgeschwächt wird, kann nicht davon ausgegangen werden, daß so Fehler der mikroskopischen Positio­ nierung hinreichend vermieden werden. Des weiteren handelt es sich bei der Hysterese und nicht linearen Vorgängen um Diffe­ renzen in Abhängigkeit von Änderungen des Materials des Ele­ ments, der Präzision von Form und Elektroden usw., und es ist deshalb erforderlich, Ausgleichskoeffizienten für jedes Ele­ ment bereitzustellen. Außerdem ergeben sich Probleme, wenn Fehler aufgrund von Änderungen der Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Vibrationen etc. auftreten.

Ein Fall, in dem die Dicke eines zylindrischen piezoelektri­ schen Elements nicht gleichmäßig ist, wird nunmehr als Bei­ spiel für ein nicht lineares Verhalten aufgrund der Präzision, mit der eine Form ausgeführt ist, betrachtet. Fig. 14A ist eine Querschnittsansicht eines zylindrischen piezoelektrischen Elements, bei dem die Dicke der linken und rechten Elemente gleichmäßig ist, und Fig. 14B ist eine Querschnittsansicht eines zylindrischen piezoelektrischen Elements, bei dem die Dicke der linken und rechten Elemente nicht gleichmäßig ist. Das tatsächlich verwendete piezoelektrische Element ist mit einer Vielzahl Elektroden ausgerüstet und dehnt sich bzw. zieht sich in drei Dimensionen aus bzw. zusammen; der Einfach­ heit halber werden hier jedoch die piezoelektrischen Elemente von Fig. 14A und 14B als mit Elektroden versehen betrachtet, die gleichmäßig in einer sich von innen nach außen erstrecken Ebene angeordnet und die nur in senkrechter Richtung dehnbar bzw. zusammendrückbar sind. Wird im Fall von Fig. 14A ein Po­ tential über die inneren und äußeren Elektroden angelegt, ist die gewünschte Charakteristik die mit gestrichelten Linien in Fig. 14A dargestellte, wo ein Versatz nur in senkrechter Rich­ tung stattfindet, um das piezoelektrische Element auf eine gleichmäßige Weise sowohl nach links als auch nach rechts zu dehnen. Ist die Dicke des Elements nicht gleichmäßig wie in Fig. 14B dargestellt, findet ebenfalls ein Versatz in waag­ rechter Richtung statt, selbst wenn das gleiche Potential wie bei Fig. 14A angelegt wird, der mit gestrichelten Linien ge­ kennzeichnet ist, da der dünne Abschnitt auf der linken Seite von Fig. 14B stärker gedehnt wird, d. h. selbst bei Anlegen eines gleichen Potentials tritt nicht nur der Fehler in senk­ rechter Richtung, sondern auch ein erheblicher Fehler in waagrechter Richtung auf. Es liegt deshalb auf der Hand, daß erhebliche Fehler auftreten, wenn bei Verwendung der Art des in Fig. 14B dargestellten piezoelektrischen Elements als Son­ denmikroskop ein Formbild nur von einem Ansteuersignal erhal­ ten wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sonden­ elektronenmikroskop bereitzustellen, das in der Lage ist, wie­ derholt Bilder der Form einer Probe etc. mit einem hohen Maß an Genauigkeit zu reproduzieren, ohne von der Umgebung beein­ flusst zu werden. Ein Sondenelektronenmikroskop der vorliegen­ den Erfindung weist deshalb eine Versatzdetektoreinrichtung auf, die in der Lage ist, den Versatz der mikroskopischen An­ steuereinrichtung in X-, Y- und Z-Richtung zu messen, sowie eine Bildkorrektureinrichtung zur Aufzeichnung der von jeder Versatzdetektoreinrichtung ausgegebenen Werten als Matrixdaten während der Abtastung einer Probe mittels einer Sonde und zur Erzeugung eines Bildes aus der aufgezeichneten Datenmatrix mit den relativen Positionen bezüglich der korrigierten X-, Y- und Z-Richtung.

Bei dieser Konfiguration kann die Position der Sonde oder der Probe genau erfaßt werden, ohne daß dies vom Material des Elements, der Präzision, mit der die Form hergestellt wird oder externen Umgebungsbedingungen abhängt. Tatsächliche For­ men können deshalb auf hochpräzise Weise wiedergegeben werden. Diese Konfiguration ist äußerst einfach ausgelegt, da sie nicht nur erzielt werden kann, indem nur Versatzdetektorein­ richtungen und Bildkorrektureinrichtungen zu der dem Stand der Technik entsprechenden SPM-Konfiguration hinzugefügt werden, sondern weil auch keine der Funktionalitäten des dem Stand der Technik entsprechenden SPM verloren geht.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1A ist eine Draufsicht, die schematisch eine Konfigura­ tion für eine SPM-Meßeinheit der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 1B ist eine Vorderansicht, die schematisch eine Konfigu­ ration der SPM-Meßeinheit der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm der Gesamtkonfiguration eines SPM gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Sensorwerte des XYZ-Versatzes.

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Winkelausgleichs­ einrichtung der vorliegenden Erfindung.

Fig. 5 ist eine Ansicht der graphischen Darstellung der Sensorwerte des XY-Versatzes.

Fig. 6 ist ein Flussdiagramm einer Bildausgleichseinrichtung der vorliegenden Erfindung.

Fig. 7 ist eine graphische Darstellung eines Beispiels einer Bildausgleichseinrichtung der vorliegenden Erfindung.

Fig. 8 ist ein Flussdiagramm einer Bildausgleichseinrichtung, das ein Verfahren zur Zerlegung einer Form in Dreiecke anwen­ det, der vorliegenden Erfindung.

Fig. 9 ist ein Beispiel einer Voronoi-Ansicht.

Fig. 10 ist ein Beispiel einer Delaunay-Ansicht.

Fig. 11 ist eine graphische Darstellung eines Beispiels einer Bildausgleichseinrichtung der vorliegenden Erfindung.

Fig. 12 ist eine schematische Ansicht einer Konfiguration eines Nahfeld-Sondenmikroskops der vorliegenden Erfindung.

Fig. 13 ist eine schematische Ansicht einer Konfiguration eines dem Stand der Technik zugehörigen SPM.

Fig. 14A ist ein Schnittansicht eines zylindrischen piezoelek­ trischen Elements gleichmäßiger Dicke; und

Fig. 14B ist ein Schnittansicht eines zylindrischen piezoelek­ trischen Elements ungleichmäßiger Dicke.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematische Ansichten einer Konfiguration für eine SPM-Meßeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 1A ist eine Ansicht von oben, und Fig. 1B ist einer Vorderan­ sicht. Wie bei einem zum Stand der Technik gehörigen SPM sind ein Sondenträgertisch 6 und eine Sonde 7 an einem in XYZ-Rich­ tung beweglichen Scanner 1 angebracht und eine Probe 8 befin­ det sich auf einem Probentisch 9. Die Oberfläche der Probe 8 kann dann abgetastet werden, wobei eine gegenseitige physika­ lische Wechselwirkung zwischen der Sonde 7 und der Probe 8 er­ faßt wird. Ein nicht in Fig. 1 dargestellter Mechanismus zur Erfassung der gegenseitigen Wechselwirkung ist ebenfalls vor­ gesehen wie bei einem zum Stand der Technik gehörigen SPM. Ein X-Versatzsensor 3, ein Y-Versatzsensor 4 und ein Z-Versatzsen­ sor 5 sind bei dieser Ausführungsform ebenfalls vorgesehen, so daß eine Bewegung der Sonde 7 erfaßt werden kann. Es ist des­ halb möglich, den Versatzbetrag in X-, Y- und Z-Richtung ein­ zulesen, während die Abtastung mit Hilfe des Scanners 1 er­ folgt. Bei dieser Ausführungsform ist am Scanner 1 eine Sen­ sor-Gegenelektrode 2 angebracht, da angenommen wird, daß die Versatzsensoren elektrostatische Kapazitätssensoren sind; es können jedoch auch Interferometer oder optische Sensoren etc. als Sensoren eingesetzt werden.

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das die Gesamtkonfiguration für ein SPM dieser Ausführungsform darstellt. Eine SPM-Steuerung 14 steuert eine SPM-Meßeinheit 13. Des weiteren werden Aus­ gangswerte für jeden Versatzsensor an eine Betriebs-/Anzeige- Einrichtung 16 geschickt, die an der SPM-Steuerung 14 angebaut ist. Das bedeutet, daß es erforderlich ist, die Ansteuerung des Scanners 1 und das Auslesen des Sensorausgangs während des Abtastens zu synchronisieren, so daß Signale auf wirksame Weise unter Verwendung der SPM-Steuerung 14 verarbeitet werden können. Die Betriebs-/Anzeige-Einrichtung 16 steuert das SPM in seiner Gesamtheit und ist ein Rechner mit einem Programm zur Anzeige von Daten. Bei dieser Ausführungsform werden die Ausgangsdaten der X-, Y- und Z-Sensoren von der Betriebs-/ Anzeige-Einrichtung 16 an einen Bildkorrekturprozessor 15 ge­ schickt und verarbeitet.

Das oben genannte SPM erhält Daten, die auf eine solche Weise angeordnet sind, daß für jeden der Ausgangswerte der X-, Y- und Z-Sensoren die gleiche Anzahl Elemente vorgesehen ist. Die Ausgangswerte 17(a) für einen X-Versatzsensor 17, die Aus­ gangswerte 18(a) für den Y-Versatz und die Ausgangswerte 19 des Z-Versatzsensors sind schematisch als entsprechende Daten­ matrizen in Fig. 3 dargestellt. Im Falle des Abtastens eines bestimmten Bereichs durch wiederholtes Verfahren um eine Strecke entsprechend einem Bildpunkt in der Y-Richtung nach dem Abtasten einer Zeile in der X-Richtung werden Werte für X jeder Reihe als Linien dargestellt, die inkrementell in ein­ zelnen Einheiten ansteigen, wie näherungsweise für das Aus­ gangswertprofil 17(b) des X-Versatzsensors gezeigt, und jede Spalte für Y wird in einzelnen Einheiten ansteigend darge­ stellt, wie für das Ausgangswertprofil 18(b) des Y-Versatz­ sensors gezeigt. Fig. 3 zeigt ideale Abtastergebnisse; in der Realität enthalten die Ergebnisse verschiedene Fehler aufgrund der Hysterese des Scanners etc. Die Ausgangswerte 19 des X- Versatzsensors enthalten Versatzsensorwerte, die einer Höhe entsprechend der Oberflächenform der abgetasteten Probe ent­ sprechen, die für jedes Element der Matrix gespeichert sind.

Es ergibt sich deshalb ein Problem dahingehend, ob die Aus­ gangswerte der X-, Y- und Z-Sensoren den Scanner-Versatz kor­ rekt ausdrücken oder nicht. Weicht der Einbauwinkel der X-, Y- und Z-Sensoren von einem im Voraus angenommenen idealen Winkel ab, werden Fehler auftreten, was z. B. aus Fig. 1 ersichtlich ist. In diesem Fall ist es deshalb erforderlich, einen gewis­ sen Ausgleich vorzunehmen, um sicherzustellen, daß die von den Sensorwerten angegebenen Versatzbeträge korrekt sind. Fig. 4 zeigt ein Beispiel für einen solchen Ausgleich. Es sei der Fall angenommen, bei dem wie in Fig. 4 dargestellt anstelle der X- und Y-Achsen der Versatzsensoren die Achsen U und V be­ trachtet werden, so daß die jeweiligen Winkel von den XY- Achsen, die die idealen Achsen sind, um die Winkel α und β ab­ weichen. Die X- und Y-Achsen werden unter Berücksichtigung der Abweichungsdaten der X-, Y-Sensoren gemäß Fig. 3 eingerichtet. In diesem Fall muss (u, v) auf den Achsen der Versatzsensoren auf die Idealen XY-Achsen korrigiert werden, was mit folgenden Gleichungen ausgedrückt werden kann:

x = u.cos α + v.sin β

y = -u.sin α + v.cos β

Ein korrekter Sensorwert kann erhalten werden, indem die Werte für jeden Punkt für die Werte der XY-Versatzsensoren auf Basis dieser Gleichungen berechnet werden. Diese Verarbeitung er­ folgt in einem Rechner, nachdem die Matrix der Versatzsensor­ werte erstellt worden ist, und kann selbstverständlich zur Korrekturfunktion als elektrische Signalverarbeitung im An­ schluss an den Ausgang des Versatzsensors hinzugefügt werden. Eine Korrektur kann auf die gleiche Weise erfolgen, wenn der Einbauwinkel des Z-Versatzsensors abweicht.

Als Nächstes wird ein Fall betrachtet, wenn die Sensorwerte als Reaktion auf Temperaturänderungen usw. wandern. Diese Drift läßt sich leicht korrigieren, wenn sie als Funktion der abgelaufenen Zeit ausgedrückt wird. Beispielsweise sei der Fall angenommen, bei dem der Ausgang des Versatzsensors linear in Einheiten über der Zeit ansteigt. Wird in diesem Fall der Versatzbetrag als D, die abgelaufene Zeit als T, der Gradient als a und ein Abschnitt als b angesetzt, kann eine das Ausmaß der Drift ausdrückende Funktion folgende Form haben:

D (T) = a.T + b

Werden aus Zeiteinheiten bestehende Intervalle, in denen Daten abgetastet werden, mit ΔT und ein Driftbetrag pro Zeiteinheit mit ΔD angesetzt, so gilt:

ΔD = a.ΔT

Eine Korrektur ist dann auf eine unkomplizierte Weise möglich, indem einfach der Driftbetrag von den Anstiegen des Sensorwer­ tes je Zeiteinheit subtrahiert wird. Außerdem ist eine einfa­ che Korrektur auf ähnliche Weise dadurch möglich, wenn die Drift bzw. das Wandern der Werte der Versatzsensoren als Funk­ tion D(T) der Zeit bestimmt werden.

Ein Bild, das als formgenau gelten kann, kann erhalten werden, indem Punkt im XYZ-Raum aufgetragen werden, wobei die wie oben bestimmten entsprechenden Ausgangswerte der Versatzsensoren als Koordinaten dienen. Dadurch wird jedoch die Datenmenge er­ heblich und bedeutet außerdem, daß die dem die Verarbeitung ausführenden Rechner und der elektrischen Schaltung zur Sig­ nalverarbeitung aufgebürdete Last erheblich ist. Des weiteren ist es am günstigsten, wenn als Bilddaten wie von Rechnern verarbeiteten Bitmaps etc. die XY-Koordinaten der einzelnen Punkte eines Bildes den tatsächlichen Scannerversatz aus­ drücken oder daß die Intensität dieser Punkte den Versatz in der Z-Richtung ausdrückt. Die Einrichtung zum Erhalt dieser Bildart ist der oben genannte Bildkorrekturprozessor 15. Fig. 5 zeigt eine Graphik für den Fall, in dem Punkte in einer XY- Ebene auf Basis der Ausgangswerte der XY-Versatzsensoren auf­ getragen werden. Wird davon ausgegangen, daß bezüglich X und Y geringfügige Abweichungen bestehen, ergibt sich der in Fig. 6 wiedergegebene XY-Plot der Sensorwerte. Eine Operation, bei der Werte für Z entsprechend den Koordinaten der in Zeilen in gleichmäßigen Abständen im Hintergrund der Punkte angeordneten Daten 21 auf Basis dieser Daten interpoliert werden, ist die Korrekturverarbeitung dieser Erfindung. Daten auf Basis von drei Matrizen für X, Y und Z können als einzelne Datenelemente gehandhabt werden, indem diese in Matrizen angeordneten Daten im Voraus beschafft werden. Das bedeutet, daß die Daten auf eine effiziente Weise verwendet werden können und daß eine Übertragung in Bildformate wie Bitmaps, wie sie im allgemeinen von Rechnern eingesetzt werden, auf eine unkomplizierte Weise möglich ist.

Auf Basis des in Fig. 6 dargestellten Flussdiagramms wird nun­ mehr der Ablauf in groben Zügen beschrieben. Fig. 7 zeigt eine graphische Darstellung eines Korrekturverfahrens. Zuerst wer­ den in einem Auswahlprozeß 22 eines Zielpunktes die XY-Koordi­ naten eines angestrebten Punktes einer Matrix aus gleichmäßig im Abstand zueinander angeordneten Daten erfaßt. Diese XY-Ko­ ordinaten sind der in Fig. 7 dargestellte Zielpunkt. Eine Gruppe der drei diesen Koordinaten am nächsten liegenden Punk­ te, die mit Sensorwert A, Sensorwert B und Sensorwert C in Fig. 7 dargestellt sind, wird dann selektiv aus der Gruppe der Sensorwerte extrahiert. Dieser Prozeß erfolgt gemäß Fig. 6 in einem Prozeß 23 zur Wahl eines nah gelegenen Punktes. Danach wird diese Gruppe naher Punkte in einem Prozeß 24 zur Dreieck­ bestimmung zu einem Dreieck in der XY-Ebene geformt, und es erfolgt eine Bestimmung, ob der Zielpunkt in diesem Dreieck liegt oder nicht. Eine Gleichung, die eine Ebene aus dieser Gruppe von drei Punkten im dreidimensionalen Raum beschreibt, wird erstellt (Näherungsrechenprozeß 25), und dann kann ein Z- Wert für den Zielpunkt bestimmt werden (Rechenprozeß 26 für den Korrekturwert), indem die XY-Koordinaten des Zielpunktes in diese Gleichung eingesetzt werden. Dieser Prozeß wird so oft wiederholt, bis der Abschluß durch den Prozeß 27 zur Be­ stimmung des Abschlusses festgestellt wird, d. h. er wird genau so oft wiederholt, wie der Anzahl Elemente der in Matrixform angeordneten Daten, die die Korrekturresultate bilden, ent­ spricht, so daß sich ein korrigiertes Bild ergibt.

Nach der Wahl jedes Punktes des korrigierten Bildes als Ziel­ punkt (Fig. 6) werden drei Punkte in dessen Nähe gesucht, und es erfolgt die Bestimmung, ob diese drei Punkte ein Dreieck bilden oder nicht. Es gibt jedoch auch eine Methode, wonach bestimmt wird, ob der Zielpunkt innerhalb eines Dreiecks liegt oder nicht, nachdem die Gruppe der XY-Sensorwerte durch Ver­ binden jedes Punktes in Dreiecke zerlegt wird. Diese Methode ist im Flußdiagramm von Fig. 8 dargestellt. In diesem Fall wird die Zerlegung in Dreiecke nach einem Prozeß 30 für die Zerlegung in Dreiecke vorgenommen, und das in weitem Umfang verwendete Delaunay-Verfahren für die Zerlegung in Dreiecke wird als Beispiel für diese Methode genannt. In diesem Fall ist es zunächst erforderlich, ein Voronoi-Diagramm zu erstel­ len wie in Fig. 9 dargestellt. Es wird davon ausgegangen, daß jeder der Punkte (im folgenden als Punkte der Erzeugenden be­ zeichnet) in Fig. 9 in einer Ebene auf Basis der XY-Sensor­ werte liegt. Polygone, die jeden Punkt enthalten, werden als Volonoi-Polygone bezeichnet, und die Grenze jedes Polygons be­ steht aus zwei identischen senkrechten Linien der jede Erzeu­ gende verbindenden Liniensegmente. Im Scheitelpunkt eines Volonoi-Polygons, der als Volonoi-Punkt bezeichnet wird, liegt stets der Schnittpunkt dreier Seiten. Das bedeutet, daß immer drei Punkte der Erzeugenden im Umkreis eines Volonoi-Punktes liegen. Ein die drei Punkte verbindendes Dreieck wird als De­ launay-Dreieck bezeichnet. Es ist deshalb möglich, eine Ebene wirksam in Dreiecke zu zerlegen, wenn Punkte für alle Delau­ nay-Dreiecke in der Ebene bestimmt werden. Diese Delaunay- Dreiecke sind in ihrer Gesamtheit in Fig. 10 dargestellt und werden als Delaunay-Diagramm bezeichnet. Bei der obigen Metho­ de handelt es sich um das Delaunay-Dreieckzerlegungsverfahren, das jedoch auch bezüglich der Präzision der danach ausgeführ­ ten Näherungsberechnungen vorteilhaft ist, da Delaunay-Drei­ ecke Formen ergeben, die gleichseitigen Dreiecken relativ nahe kommen. Diese Methode kann auch allgemein in vielen verschie­ denen Gebieten angewendet werden, einschließlich der Struktur­ analyse und Bildverarbeitung etc. und ist unter dem Gesichts­ punkt der Leistungsfähigkeit günstig. Bei dieser Methode ist es jedoch erforderlich, Volonoi-Punkte und Delaunay-Dreiecke im Voraus zu speichern und zu verarbeiten, was die Belastung hinsichtlich Speicherkapazität etc. des verwendeten Rechners aufgrund der Verarbeitung nach Fig. 6 erhöht. Als Resultat besteht die Möglichkeit, daß der Prozeß von Fig. 6 aufgrund der Leistungsfähigkeit des eingesetzten Rechners nicht gewählt und beschafft wird.

Nach der oben beschriebenen Zerlegung in Dreiecke (Fig. 8) wird ein korrigiertes Bild erhalten, indem der folgende kon­ tinuierliche Ablauf wiederholt wird: Berechnung der XY-Koor­ dinaten für einen Zielpunkt (Prozeß Zielpunktwahl 31), Wahl eines Delaunay-Dreicks, das den Zielpunkt enthält (Prozeß Wahl eines nahen Dreiecks 32), Berechnung einer Näherung aus den drei das Delaunay-Dreieck bildenden Punkten (Prozeß Näherungs­ berechnung 33) und Berechnung von Korrekturwerten aus der Nä­ herung (Prozeß Korrekturwertberechnung 34), bis der Abschluß im Prozeß Bestimmung des Verarbeitungsabschlusses 34 festge­ stellt wird.

Mit den Prozessen gemäß Fig. 6 und 8 ist eine hochgenaue Kor­ rektur möglich, indem die entsprechenden planaren Näherungen durchgeführt werden, allerdings müssen Gleichungen aufgestellt werden, die Ebenen für sämtliche Punkte beschreiben, weshalb dies in manchen Fällen zeitaufwendig sein kann. Die Verarbei­ tungsgeschwindigkeit kann deshalb durch Einführen eines Ver­ fahrens erhöht werden, bei dem ein Wert des Z-Versatzsensors für den nächstliegenden Punkt anstelle des Z-Wertes für den Zielpunkt eingesetzt wird, oder bei dem Werte des Z-Versatz­ sensors für eine Anzahl Gruppen in der Nähe des Zielpunktes gemittelt und dann anstelle des Z-Wertes für den Zielpunkt eingesetzt werden, wobei jedoch die Präzision eingebüßt wird.

Ein in der Graphik von Fig. 11 dargestelltes Verfahren kann ebenfalls für die Verarbeitung zur Bildkorrektur in Betracht gezogen werden. Eine Gruppe aus vier Sensorwerten, die einen Zielpunkt umgeben und ein Viereck definieren, wird wie in Fig. 11 dargestellt mittels des Prozesses zur Wahl eines nahen Punktes 23 gemäß Fig. 6 gewählt. Danach werden eine durch den Zielpunkt verlaufende Gerade parallel zur Y-Achse mittels des Prozesses der Näherungsberechnung 25 bezüglich einer die Sen­ sorwerte A und B verbindenden Geraden und eine die Sensorwerte C und D verbindende gezogen, während die X- und Z-Koordinaten für Schnittpunkte a und b bestimmt werden, in denen die durch den Zielpunkt verlaufende Gerade die beiden anderen Geraden schneidet. Es ist dann möglich, einen Z-Wert aus einer Nähe­ rung einer Geraden, die die Schnittpunkte a und b verbindet, für den Zielpunkt zu erhalten.

Bei der obigen Ausführungsform wird ein Verfahren beschrieben, wie sich ein Bild mit hochgenauer Form auf Basis sämtlicher Sensorwerte gewinnen läßt, aber es ist auch möglich, verschie­ dene andere Merkmale als die Höhe mit einem SPM zu messen, etwa Licht, Reibungskraft, Oberflächenspannung usw. In diesem Fall ist es auch möglich, diese Informationen zu Merkmalen im Voraus zusammen mit den X- und Y-Sensorwerten anstelle der in Matrixform angeordneten Daten für die Z-Sensorwerte gleichzei­ tig aufzuzeichnen, so daß sich charakteristische in XY-Rich­ tung hochgenaue Bilder erzielen lassen. Als Beispiel hierfür zeigt Fig. 12 eine schematische Ansicht einer Konfiguration für den Fall, in dem die SPM-Meßeinheit von Fig. 1 als Nah­ feld-Sondenmikroskop eingesetzt wird. Ein Punkt, in dem sich Fig. 12 von Fig. 1 unterscheidet, ist, daß eine optische Sonde 100 aus einem für die Lichtfortpflanzung geeigneten Körper wie einem Lichtwellenleiter verwendet wird, um die Probe 8 zu be­ leuchten, und eine Beleuchtungslinse 103 sowie eine Licht­ quelle 102 hinzugefügt werden, um sicherzustellen, daß Licht auf die Sonde 100 fällt. Das die Probe passierende Licht wird von einem Spiegel 104 und einer Beleuchtungslinse 105 zu einem Lichtdetektor 106 geleitet, so daß die optischen Eigenschaften der Probe 8 gemessen werden können. Ein hier verwendeter Pro­ bentisch 101 muß deshalb eine solche Form haben und aus einem solchen Material bestehen, daß er nicht das die Probe 8 pas­ sierende Licht blockiert. Die vom Lichtdetektor 106 erfaßten Informationen über die optischen Eigenschaften werden wie die oben beschriebenen Werte des Z-Sensors als Datenmatrix gespei­ chert, so daß ein Bild der optischen Eigenschaften erhalten werden kann, das bezüglich der Positionierung in X- und Y- Richtung von hoher Genauigkeit ist.

Ist der Versatz in Z-Richtung mikroskopisch, so daß sich eine hinreichend Präzision ohne Einsatz eines Sensors erzielen läßt, ist es möglich ein Bild der Form dadurch zu erhalten, daß eine Korrektur anhand eines Ansteuersignals in Z-Richtung erfolgt, das in einen Scanner als Datum für die Höhenrichtung wie im Falle des dem Stand der Technik zugehörigen Sondenelek­ tronenmikroskops eingegeben wird.

Wie oben beschrieben weist ein Sondenelektronenmikroskop gemäß dem der vorliegenden Erfindung eine mikroskopische Ansteuer­ einrichtung für die mikroskopische Verschiebung einer Probe oder Sonde in X-, Y- und Z-Richtung, eine Versatzdetektor­ einrichtung, die in der Lage ist, den Versatz der mikroskopi­ schen Ansteuereinrichtung in X-, Y- und Z-Richtung zu messen, und eine Bildkorrektureinrichtung zur Aufzeichnung der von jeder Versatzdetektoreinrichtung ausgegebenen Werten als Ma­ trixdaten während der Abtastung einer Probe mittels einer Sonde und zur Erzeugung eines Bildes aus der aufgezeichneten Datenmatrix mit den relativen Positionen bezüglich der korri­ gierten X-, Y- und Z-Richtung auf. Mit dieser Konstruktion kann die tatsächliche Form der Probe etc. wiederholt mit hoher Genauigkeit reproduziert werden ohne durch Hysterese, un­ gleichmäßiges Verhalten eines piezoelektrischen Elements oder die Umgebungsbedingungen beeinflußt zu werden. Als Ergebnis kann ein SPM in Meßvorrichtungen zur hochgenauen Messung der Oberflächenbedingungen eines Halbleiters oder Aufzeichnungs­ mediums eingesetzt werden.

Claims (13)

1. Sondenelektronenmikroskop mit:
einer mikroskopischen Ansteuereinrichtung für die mikroskopi­ sche Verschiebung einer Probe oder Sonde in X-, Y- und Z-Rich­ tung;
einer Versatzdetektoreinrichtung, die in der Lage ist, den Versatz der mikroskopischen Ansteuereinrichtung in X-, Y- und Z-Richtung zu messen;
und einer Bildkorrektureinrichtung zur Aufzeichnung der von jeder Versatzdetektoreinrichtung ausgegebenen Werten als Ma­ trixdaten während der Abtastung einer Probe mittels einer Sonde und zur Erzeugung eines Bildes aus der aufgezeichneten Datenmatrix mit den relativen Positionen bezüglich der korri­ gierten X-, Y- und Z-Richtung.

2. Sondenelektronenmikroskop nach Anspruch 1, das des wei­ teren eine Winkelkorrektureinrichtung zum Korrigieren eines Abweichungswinkels der Versatzdetektoreinrichtung von der idealen Position aufweist.

3. Sondenelektronenmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, das ein Driftkorrektureinrichtung zum Korrigieren der Drift der Aus­ gangswerte der Versatzdetektoreinrichtung als Funktion der Zeit aufweist.

4. Sondenelektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das des weiteren eine Meßeinrichtung für charakteristische Informationen aufweist, die in der Lage ist, Informationen zu messen, die gleichzeitig mit Ausgangswerten der Versatzdetek­ toreinrichtung für die X- und Y-Richtung Eigenschaften einer Probenoberfläche ausdrücken,
wobei die Bildkorrektureinrichtung jeden Ausgangswert der Ver­ satzdetektoreinrichtung und der Meßeinrichtung für charakteri­ stische Informationen als Datenmatrix während des Abtastens der Probe mit einer Sonde aufzeichnet und ein Ausgangsbild aus den in Matrixform aufgezeichneten Daten aufbaut, während sie Korrekturen bezüglich der relativen Positionen der X-, Y- und Z-Richtung und der charakteristischen Informationen vornimmt.

5. Sondenelektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das des weiteren eine Einrichtung zur Wahl eines nahe gele­ genen Punktes aufweist, um eine oder mehrere Gruppen Daten in der Nähe der X- und Y-Koordinaten individueller Punkte eines Ausgangsbildes aus in Matrixform angeordneten Daten als Aus­ gangswerte der Versatzdetektoreinrichtung zu wählen, sowie eine Einrichtung zur Berechnung eines Korrekturwertes, um kor­ rigierte Werte zu erhalten, die die Intensität einzelner Punk­ te eines Bildes darstellen, das aus gewählten nahe liegenden Punkten ausgegeben wird,
wobei die Bildkorrektureinrichtung auf eine solche Weise kon­ figuriert ist, daß die X- und Y-Koordinaten einzelner ab­ standsgleich aufgereihter Punkte eines Ausgangsbildes dem Versatz in Z-Richtung der mikroskopischen Ansteuereinrichtung oder den Informationen der Oberflächeneigenschaften einer Probe entsprechen.

6. Sondenelektronenmikroskop nach Anspruch 5, bei dem die Einrichtung zur Wahl eines nahe gelegenen Punktes eine Funk­ tion für die Wahl zweier oder mehrerer Gruppen Daten in der Rangfolge der Nähe zu den XY-Koordinaten eines bestimmten Zielpunktes des Ausgangsbildes hat.

7. Sondenelektronenmikroskop nach Anspruch 5, bei dem die Einrichtung zur Wahl eines nahe gelegenen Punktes bezüglich eines Zielpunktes eines Ausgangsbildes eine Funktion zur Wahl dreier Gruppen Daten aus in Matrixform angeordneten Daten für Ausgangswerte in X-, Y- und Z-Richtung der Versatzdetektor­ einrichtung in der Nähe des Zielpunktes hat, sowie eine Funk­ tion zur Bildung der Gruppe der drei extrahierten Punkte zu einem Dreieck in der XY-Ebene und zur Bestimmung, ob der Ziel­ punkt des Ausgangsbildes in diesem Dreieck liegt oder nicht.

8. Sondenelektronenmikroskop nach Anspruch 5, bei dem die Einrichtung zur Wahl eines nahe gelegenen Punktes eine Funk­ tion zum Zerlegen einer in XY-Koordinaten definierten XY-Ebene von in Matrixform angeordneten Daten für Ausgangswerte in XY- Richtung der Versatzdetektoreinrichtung in dreieckige Bereiche durch Verbinden jedes Punktes und zur Wahl von Gruppen aus drei Punkten, die den Scheitelpunkt eines Dreieck bilden, das einen Zielpunkt des Ausgangsbildes als einen nahe liegenden Punkt enthält, hat.

9. Sondenelektronenmikroskop nach Anspruch 5, bei dem die Einrichtung zur Wahl eines nahe gelegenen Punktes bezüglich eines Zielpunktes eines Ausgangsbildes eine Funktion zur Wahl von vier Gruppen Daten aus in Matrixform angeordneten Daten für Ausgangswerte in X-, Y- und Z-Richtung der Versatzdetek­ toreinrichtung in der Nähe des Zielpunktes hat, sowie eine Funktion zur Bildung der Gruppe der vier extrahierten Punkte zu einem Viereck in der XY-Ebene und zur Bestimmung, ob der Zielpunkt des Ausgangsbildes in diesem Viereck liegt oder nicht.

10. Sondenelektronenmikroskop nach Anspruch 6, bei dem die Einrichtung zur Berechnung eines Korrekturwertes einen Aus­ gangswert in Z-Richtung der Versatzdetektoreinrichtung als Korrekturwert verwendet, der in einer Datengruppe enthalten ist, die von der Einrichtung zur Wahl eines nahe gelegenen Punktes gewählt wurde.

11. Sondenelektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem die Einrichtung zur Berechnung eines Korrektur­ wertes einen Mittelwert in Z-Richtung aus den Ausgangswerten der Versatzdetektoreinrichtung als Korrekturwert verwendet, der in zwei oder mehreren Datengruppe enthalten ist, die von der Einrichtung zur Wahl eines nahe gelegenen Punktes gewählt wurde.

12. Sondenelektronenmikroskop nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Einrichtung zur Berechnung eines Korrekturwertes einen Korrekturwert bereitstellt, indem sie eine Näherungsebene im XYZ-Raum aus den drei Datengruppen, die von der Einrichtung zur Wahl eines nahe gelegenen Punktes gewählt wurden, ver­ wendet.

13. Sondenelektronenmikroskop nach Anspruch 9, bei dem die Einrichtung zur Berechnung eines Korrekturwertes eine Nähe­ rungslinie bereitstellt, die sowohl einzelne Punkte aus einer Gruppe von vier Datenelementen, die von der Einrichtung zur Wahl eines nahe gelegenen Punktes gewählt wurden, einer Seite und einer Gegenseite eines im XYZ-Raum gebildeten Vierecks schneidet als auch diese verbindet.