DE19845329C2 - Rasterelektronenmikroskop - Google Patents
RasterelektronenmikroskopInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Rasterelektronenmikroskop (REM),
insbesondere ein unter etwas erhöhtem Druck arbeitendes
Rasterelektronenmikroskop oder die Umrüstung eines unter
Vakuum betriebenen Rasterelektronenmikroskops für den Betrieb
mit Gas in der Probenkammer, und bezieht sich insbesondere auf
eine verbesserte Detektionseffizienz eines derartigen
Mikroskops (d. h. auf die Verbesserung des Signal-zu-Rausch-
Verhältnis der damit aufgenommenen Bilder), insbesondere beim
Betrieb mit niedriger Primärenergie.
Bei einem Rasterelektronenmikroskop, das unter etwas erhöhtem
Druck arbeitet (Druck-REM), ist in der Probenkammer üblicher
weise ein maximaler Betriebsdruck von einigen Hektopascal bis
einigen Kilopascal zugelassen. Die Primärelektronen haben bei
diesem Druck nur eine kurze mittlere freie Weglänge. Deshalb
wird die Mikroskopsäule zur Probenkammer hin durch eine Druck
stufenblende (oder druckbegrenzende Blende) abgeschlossen,
durch die der Primärelektronenstrahl in die Probenkammer ein
tritt. Oberhalb dieser Druckstufenblende ist der Druck um meh
rere Zehnerpotenzen verringert.
Mit einer Szintillator-Lichtleiter-Kombination, die zwischen
der Probe und der Druckstufenblende angeordnet ist, können die
von der Probe emittierten Rückstreuelektronen detektiert wer
den. Eine demgegenüber verbesserte Ortsauflösung erhält man
bei der Verwendung der von der Probe emittierten Sekundärelek
tronen, die mit Hilfe einer Kollektorelektrode detektiert wer
den können (WO 88/09564 A1). Dabei ist üblicherweise die Un
terseite der Druckstufenblende als Kollektorelektrode ausgebildet
oder eine separate Kollektorelektrode unterhalb der
Druckstufenblende angeordnet.
Bei anderen Rasterelektronenmikroskopen, die unter etwas er
höhtem Druck arbeiten, findet die Detektion der Sekundärelek
tronen durch die Öffnung der Druckstufenblende hindurch in ei
ner Art Vorkammer statt, die nach oben zur Objektivlinse hin
durch eine weitere Druckstufenblende abgeschlossen ist. Als
Detektor für die Sekundärelektronen wird auch hier eine Kol
lektorelektrode verwendet (WO 90/04261 A1). Diese Gestaltung
wurde zwar erprobt (G. D. Danilatos, "Design and Construction
of an Environmental SEM; Part 4", Scanning Vol. 12 (1990),
S. 23), hat sich jedoch in der praktischen Anwendung nicht
durchgesetzt.
Detektorsysteme mit Kollektorelektroden haben wegen des Rau
schens bei der nachfolgenden elektronischen Verstärkung eine
schlechte Nachweisempfindlichkeit und erfordern deshalb eine
Vorverstärkung des Sekundärelektronensignals vor dem Erreichen
der Kollektorelektrode. Diese Vorverstärkung geschieht mit
Hilfe eines elektrischen Feldes zwischen der Probe und der
Kollektorelektrode, durch das die, von der Probe emittierten
Sekundärelektronen beschleunigt werden, so daß sie Gasmoleküle
ionisieren können. Nach dem Stoß mit den Gasmolekülen werden
die dabei im Gas erzeugten Sekundärelektronen und die bereits
vorher vorhandenen Sekundärelektronen wieder durch das elek
trische Feld beschleunigt und erzeugen weitere Sekundärelek
tronen im Gas. Auf diese Weise wird durch die von der Probe
emittierten Sekundärelektronen eine Sekundärelektronenkaskade
ausgelöst, die schließlich die Kollektorelektrode erreicht.
Trotz dieser Kaskaden-Vorverstärkung ist das Signal-zu-Rausch-
Verhältnis der bei etwas erhöhtem Druck aufgenommenen Bilder,
bei gleicher Strahlstromstärke, wesentlich schlechter als bei
den Bildern, die ohne erhöhten Druck mit konventionellen Sekundärelektronendetektoren
aufgenommen werden. Insbesondere für
die Untersuchung empfindlicher Proben (beispielsweise Halblei
terbauelemente, Kunststoffe, biologische und medizinische Pro
ben) stellt deshalb die Verbesserung der Detektionseffizienz
und insbesondere die Verringerung des Detektor-Rauschens der
Druck-REMs eine wichtige Aufgabe dar.
Bei der Untersuchung empfindlicher Proben ist weiterhin die
Verwendung einer niedrigen Primärenergie vorteilhaft, um der
Probe weniger Energie zuzuführen und um die Schädigung der Pro
be durch den Elektronenstrahl auf eine dünne Oberflächenschicht
zu begrenzen. Die bisher bekannten Druck-REMs benötigen für ih
re Kollektorelektrode eine Sekundärelektronenkaskade im Gas und
sind deshalb für den Betrieb mit niedriger Primärenergie (von
beispielsweise 1 keV) ungeeignet. Für den Betrieb mit niedriger
Primärenergie sind nämlich eine möglichst kurze Gasstrecke zwi
schen der Probe und der darüberliegenden Druckstufenblende, so
wie ein möglichst geringer Druck oberhalb der Druckstufenblende
erforderlich, da mit abnehmender Primärenergie auch die mittle
re freie Weglänge der Primärelektronen im Gas abnimmt. Unter
diesen Bedingungen ist jedoch keine befriedigende Kaskaden-
Vorverstärkung mehr möglich, so daß die bisher bekannten Druck-
REMs beim Betrieb mit Gas in der Probenkammer erst ab einer
Primärenergie von 3 keV verwendet werden können. Aber auch bei
3 keV wird durch den hohen Anteil an gestreuten Primärelektro
nen ein Signal-Untergrund erzeugt, der dazu führt, daß die Bil
der ein noch wesentlich schlechteres Signal-zu-Rausch-
Verhältnis aufweisen als bei hoher Primärenergie.
Weitere rasterelektronenmikroskopische Anordnungen sind aus
DE-OS 196 05 855, DE-OS 195 49 022, DE-OS 36 38 682,
US 5 412 211 A, US 5 412 209 A und US 5 396 067 A gekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes, un
ter etwas erhöhtem Druck arbeitendes REM (im folgenden: Druck-
Rasterelektronenmikroskop oder Druck-REM) anzugeben, das die
genannten Nachteile herkömmlicher REMs nicht aufweist, und ins
besondere die Detektionseffizienz von Druck-REMs, bei denen
die Detektion durch die Druckstufenblende stattfindet, durch
die die Mikroskopsäule zur Probenkammer hin abgeschlossen ist
(bzw. das Signal-zu-Rausch-Verhältnis der damit aufgenommenen
Bilder), insbesondere beim Betrieb mit niedriger Primärenergie
zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch, ein REM mit den Merkmalen gemäß
Patentanspruch 1 und/oder Patentanspruch 2 gelöst. Vorteilhaf
te Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhän
gigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe insbesondere gemäß einem er
sten Gesichtspunkt dadurch gelöst, daß oberhalb der Druckstu
fenblende ein oder mehrere Elektrodenelemente (massive Elek
troden oder dünne Elektrodenschichten) angeordnet sind, die
gegenüber der Druckstufenblende auf positivem Potential lie
gen, wobei als Detektor für die in der Probe und im Gas er
zeugten Sekundärelektronen keine Kollektorelektrode, sondern
ein oder mehrere Detektoren mit höherer Nachweisempfindlich
keit verwendet werden.
Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, daß -
unabhängig von dem Vorhandensein einer Sekundärelektronenkas
kade - eine hohe Detektionseffizienz für die von der Probe
emittierten Sekundärelektronen und insbesondere ein geringes
Rauschen des Detektorsystems erzielt werden. Bei den erfin
dungsgemäßen Druck-REMs kann die Länge der Wegstrecke, die die
Primärelektronen durch das Gas zurücklegen müssen, sehr klein
(< 300 µm) gemacht werden, indem ein kurzer Abstand zwischen
der Probe und der Druckstufenblende verwendet wird und ober
halb der Druckstufenblende stark abgepumpt wird. Die bisher
bekannten Druck-REMs sind für solche kurzen Wegstrecken
(< 300 µm) der Primärelektronen durch das Gas hingegen prinzi
piell ungeeignet, weil sich dabei weder unterhalb noch oberhalb
der Druckstufenblende eine ausreichende Sekundärelektro
nenkaskade ausbilden kann.
Mit der guten Eignung für eine kurze Wegstrecke der Primäre
lektronen durch das Gas werden durch die erfindungsgemäßen
Druck-REMs insbesondere zwei wichtige neue Anwendungsgebiete
für Druck-REMs erschlossen.
Erstens wird Rasterelektronenmikroskopie bei geringer Pri
märenergie (beispielsweise 1 keV und weniger) mit Gas in der
Probenkammer (beispielsweise Wasserdampf bei einem Druck von
10 hPa) problemlos möglich. Wegen der hohen Detektionseffizi
enz und des geringen Rauschens des Detektorsystems ist dabei
nur eine geringe Strahlstromstärke erforderlich.
Eine Anwendungsmöglichkeit besteht beispielsweise in der zer
störungsfreien Abbildung besonders empfindlicher Proben (bei
spielsweise bestimmter Kunststoffproben). Hierbei wird die
Probe (beispielsweise durch Abscheidung aus der Gasphase) mit
einem gleichmäßig dünnen Flüssigkeitsfilm bedeckt, dessen
Schichtdicke so groß ist wie die Reichweite der Primärelektro
nen. (Zum Erreichen eines gleichmäßig dünnen Flüssigkeitsfil
mes sollte die Flüssigkeit eine gute Adhäsion an der Pro
benoberfläche und eine sehr geringe Oberflächenspannung auf
weisen. Außerdem ist eine hohe Dichte wünschenswert, damit nur
eine geringe Schichtdicke erforderlich ist.) Bei der anschlie
ßenden Untersuchung im Druck-REM wird eine möglichst geringe
Primärenergie (beispielsweise zwischen 200 eV und 1 keV) ver
wendet. Hierfür ist die Reichweite der Primärelektronen in der
Flüssigkeit so gering, daß die Auflösungsverschlechterung
durch den Flüssigkeitsfilm bei mittlerer (beispielsweise zehn
tausendfacher) Vergrößerung kaum zu bemerken ist. Die Verwen
dung einer möglichst geringen Primärenergie wird dabei er
leichtert, wenn mit einem gekühlten Probenhalter der Dampf
druck der Flüssigkeit verringert wird.
Zweitens wird durch die erfindungsgemäßen Druck-REMs bei hoher
Primärenergie (< 15 keV) Rasterelektronenmikroskopie mit Se
kundärelektronen bei ungewöhnlich hohem Druck (< 100 hPa) mög
lich. Bei Verwendung einer Druckstufenblende mit sehr kleinem
Bohrungsdurchmesser (von beispielsweise 30 µm) ist, bei extrem
kleinen Abständen (< 60 µm) zwischen der Probe und der Druck
stufenblende, sogar der Betrieb bei Umgebungsdruck (1013 hPa)
möglich.
Außerdem kann insbesondere bei niedriger Primärenergie mit
Hilfe bestimmter Gase (beispielsweise Sauerstoff oder sauer
stoffhaltige Verbindungen) der Probenkontamination entgegenge
wirkt werden, die bei niedriger Primärenergie ein Problem in
der Rasterelektronenmikroskopie darstellt. (Eine wirkungsvolle
Reinigung der Probe vor der Untersuchung in REMs kann erreicht
werden, wenn in die Schleuse ein Hochfrequenzplasmareinigungs
gerät integriert wird.)
Eine weitere Verbesserung der Detektionseffizienz von Druck-
REMs, bei denen die Detektion der Sekundärelektronen durch ei
ne oder mehrere Druckstufenblenden hindurch stattfindet, er
reicht man gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung
durch die Vergrößerung des Anteils der Sekundärelektronen, die
durch die Druckstufenblenden hindurch gelangen. Dieser Anteil
kann vergrößert werden, indem mindestens eine Druckstufenblen
de schichtweise aufgebaut wird aus zwei oder mehr leitfähigen
Schichten mit dazwischenliegenden schlecht leitenden oder iso
lierenden Schichten, so daß die Unterseite und die Oberseite
der Druckstufenblende auf verschiedene Potentiale gelegt wer
den können. Dadurch wird in der Bohrung der Druckstufenblende
ein elektrisches Feld erzeugt, das den Transport der Sekundä
relektronen verbessert. Gleichzeitig ermöglicht dieses in der
Bohrung der Druckstufenblende erzeugte elektrische Feld auch
die Verwendung einer größeren Bohrungslänge für die Druckstu
fenblendenöffnung, so daß der Druck durch die Druckstufenblende
stärker verringert wird oder ein größerer Öffnungsdurchmes
ser verwendet werden kann.
Die oben genannten ersten und zweiten Gesichtspunkte der Er
findung können einzeln oder gemeinsam implementiert werden, um
die oben aufgeführte Aufgabe zu lösen. In beiden Fällen wird
die Beschleunigung von Sekundärelektronen aus einem probenna
hen Bereich mit erhöhtem Druck hin zum Detektor in einen pro
benfernen Bereich mit reduziertem Druck (Vakuum) unterstützt.
Bei den üblichen Sekundärelektronendetektoren mit hoher Nach
weisempfindlichkeit löst jedes einzelne Sekundärelektron eine
große Anzahl Photonen, Elektronen oder Elektron-Loch-Paare
aus, die dann detektiert werden. Hierzu ist es erforderlich,
daß den Sekundärelektronen vor dem Erreichen des Detektors
oder (bei Channelplate und Channeltron) entlang der Detektoro
berfläche Energie zugeführt wird. Zu diesem Zweck muß zwischen
der Probe und dem Detektor bzw. (bei Channelplate und Channel
tron) entlang der Detektoroberfläche eine große elektrische
Spannung angelegt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht deshalb
darin, daß die gesamte Detektoroberfläche oder Teile der De
tektoroberfläche auf einem Potential liegen, das gegenüber dem
Potential der Probe um mehr als 1000 V positiv ist. Die Ver
wendung solcher Detektoren in der Probenkammer eines Druck-
REMs, würde zu Überschlägen führen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin,
daß das Druck-REM eine kombinierte elektrostatische und magne
tische Objektivlinse besitzt. Gegenüber einer rein elektrosta
tischen Objektivlinse hat dies den Vorteil, daß das so ausge
staltete Druck-REM auch bei den üblichen Primärenergien ober
halb von 3 keV eingesetzt werden kann. Verglichen mit einer
rein magnetischen Objektivlinse, ist eine kombinierte elek
trostatische und magnetische Linse in Verbindung mit den mei
sten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Druck-REMs wesentlich
besser geeignet, da bei ihr durch die elektrostatische Linse
den Sekundärelektronen Energie zugeführt und dadurch ihre
mittlere freie Weglänge stark vergrößert wird. Insbesondere
für die Untersuchung nichtmagnetischer Proben ergibt dabei die
Ausführungsform mit einer Einpollinse als magnetischer Linse
(EP 0790634 A1, DE 42 36 273 A1) eine besonders gute Auflösung.
Bei Verzicht auf hohe Primärenergien ist auch die Ausführungs
form mit einer rein elektrostatischen Objektivlinse
(DE 37 03 029 A1) von Vorteil, die sich insbesondere durch ihren
einfachen konstruktiven Aufbau und ihre einfache Herstellbar
keit auszeichnet.
Die Realisierung der Erfindung ist nicht auf Druck-REMs be
schränkt, sondern kann durch Umrüstung auch bei REMs erfolgen,
die normalerweise mit evakuierter Probenkammer betrieben wer
den. Die leichte Umrüstbarkeit zwischen den beiden Anwendungs
fällen stellt einen Vorteil der Erfindung dar.
Weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung werden
aus den beibefügten Zeichnungen und ihrer Beschreibung er
sichtlich. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Anordnung von Druckstufenblenden, Objektivlinse,
Elektroden und Detektor für ein Druck-REM,
Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1, in dem die Druckstufen
blenden dargestellt sind,
Fig. 3 analog zu Fig. 2 eine schematische Darstellung mit
einer schichtweise aufgebauten Druckstufenblende,
Fig. 4 für einen etwas größeren Ausschnitt als in Fig. 2
eine schematische Darstellung einer weiteren Varian
te eines erfindungsgemäßen Druck-REMs, insbesondere
mit einer modifizierten Befestigung der oberen
Druckstufenblende,
Fig. 5 eine schematischen Darstellung eines etwas größeren
Ausschnitts als in Fig. 2 für eine weitere Variante
eines erfindungsgemäßen Druck-REMs mit einer
schichtweise aufgebauten oberen Druckstufenblende,
die zusätzliche Öffnungen für den Durchtritt von
Sekundärelektronen aufweist,
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausfüh
rungsbeispiels, das in Verbindung mit einer rein
magnetischen Objektivlinse verwendet werden kann,
Fig. 7 eine Darstellung entsprechend Fig. 6, mit einer ande
ren Schnittebene,
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Erweiterung des
Ausführungsbeispiels aus Fig. 1 mit einem zusätzli
chen oberen Detektor, und
Fig. 9 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels aus Fig. 8
mit einer anderen Variante des zusätzlichen oberen
Detektors.
Die Darstellungen in den Figuren beschränken sich auf die zum
Verständnis der Erfindung wichtigen Komponenten im Bereich
zwischen der Probe und dem Detektor. Die übrigen Teile eines
Rasterelektronenmikroskops, zu denen beispielsweise Gehäuse
wände, Vakuumpumpen, Vakuumleitungen, die Kathode, die Elek
troden zur Strahlformung, die Kondensorlinse, die Aperturblen
de, die Stigmatoren, die Alignment-Spulen und Steuereinrichtungen
zählen, sind nicht dargestellt. So zeigt insbesondere
Fig. 1 für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Druck-REMs die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen
Bestandteile.
Der Primärelektronenstrahl gelangt längs der optischen Achse
79 von oben durch die Öffnung 77 des Detektors 74. Die zum Ab
rastern der Probe 11 erforderliche Ablenkung des Primärelek
tronenstrahles wird mit Hilfe der Ablenkspulen 59 erzeugt. Die
Fokussierung des Primärelektronenstrahles geschieht mit Hilfe
der von den Elektroden 44, 50 und 55 gebildeten elektrostati
schen Linse und des von der magnetischen Linse 62 und/oder von
der magnetischen Einpollinse 64 erzeugten Magnetfeldes. Einen
weiteren Beitrag zur Fokussierung des Primärelektronenstrahles
liefert das elektrische Feld zwischen der Elektrode 44 und der
Elektrode 18. Es ist auch möglich, die magnetische Linse 62
mit zur optischen Achse hin geöffnetem Polschuhspalt oder die
magnetische Einpollinse 64 wegzulassen.
Die Elektrode 55 liegt gegenüber den Elektroden 44 und 50 auf
stark positivem Potential. Die Potentialdifferenz beträgt be
vorzugt 1 bis 15 kV und kann beispielsweise 7 keV betragen.
Bei geringer Primärenergie < 1 keV und einer zu großen Poten
tialdifferenz zwischen den Elektroden 44 und 55 würde die
elektrostatische Linse den Primärstrahl oberhalb der unteren
Druckstufenblende 18 fokussieren. Die Elektroden 50 und 44
sind über die Isolierung 56 am Polschuh 58 zentriert. Die
Elektrode 44 liegt gegenüber der Elektrode 18 auf positivem
Potential mit einer bevorzugten Potentialdifferenz von 50 bis
2000 V. Die Elektrode 18, die über die Isolierung 60 befestigt
ist, liegt gegenüber der Probe 11 auf positivem oder auf dem
selben Potential. Die Größe der angelegten Spannungen wird
weiter unten in Zusammenhang mit Fig. 2 besprochen.
Da die beiden Elektroden 18 und 44 eine elektrostatische Linse
bilden, ist es für die Auflösung vorteilhaft, daß die kegel
stumpfförmige Elektrode 18 während des Betriebes mit großer
Genauigkeit in Bezug auf die optische Achse 79 zentriert wer
den kann. Eine geeignete Möglichkeit hierfür besteht bei
spielsweise in der Verwendung von Mikrometerschrauben und/oder
geregelten Piezostellsystemen, deren Krafteinwirkungen FX und
FY (in x- und y-Richtung) im dargestellten Ausführungsbeispiel
die über den Umfang verteilten Rundstäbe 68 elastisch verfor
men. Die Elektrode 44 muß nicht so genau zentrierbar sein wie
die Elektrode 18, da die Äquipotentialflächen des elektrischen
Feldes im Bereich der Öffnung 41 der Elektrode 44 nahezu eben
sind.
Die Elektroden 18 und 44 sind gleichzeitig als Druckstufen
blenden ausgebildet. Durch die Öffnung der Druckstufenblende
18 strömt Gas aus der Probenkammer nach oben in die Mikro
skopsäule, das durch den Wellschlauch 63 und durch die Öffnung
der Elektrode 55 abgepumpt wird, wie es die Pfeile andeuten.
Die Abdichtung der zentrierbaren Druckstufenblende 18 gegen
über dem äußeren Polschuh erfolgt durch den Simmerring 65.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführung können diejenigen
Bauteile (18, 44, 50, 56, 60, 63, 65, 68, 69), die beim Be
trieb mit Vakuum in der Probenkammer eine unnötige Begrenzung
für das Blickfeld und den Arbeitsabstand darstellen, leicht
ausgebaut werden, um das Druck-REM im Vakuumbetrieb ohne sie
mit einer anderen Elektrode 50 zu betreiben. Zu diesem Zweck
kann das Bauteil 69 von dem darüberliegenden Teil losge
schraubt werden und ist die Isolierung 56 leicht demontierbar
am Polschuh 58 befestigt. Weiterhin ist die Druckstufenblende
18 leicht auswechselbar, so daß je nach Anwendungsfall Druck
stufenblenden mit unterschiedlich großen Öffnungen verwendet
werden können.
Ein vergrößerter Ausschnitt aus Fig. 1 mit den Druckstufen
blenden 18 und 44 und der Probe 11 ist in Fig. 2 schematisch
dargestellt. Die Elektrode 44 liegt gegenüber der Elektrode 18
auf positivem Potential, dessen Größe so gewählt ist, daß di
rekt oberhalb und direkt unterhalb der Öffnung 41 etwa diesel
be elektrische Feldstärke herrscht. Hierdurch wird erreicht,
daß die Krümmung der Äquipotentialflächen im Bereich der Öff
nung 41 möglichst schwach ist. Außerdem ist die obere Druck
stufenblende 44 sehr dünn, um eine möglichst geringe Krümmung
der Äquipotentialflächen in der Nähe der optischen Achse her
vorzurufen. Ihre bevorzugte Dicke in der Nähe der optischen
Achse ist kleiner als 300 µm und größer als 0,4 µm (z. B. 20 µm).
Sie kann entweder aus Metall bestehen (beispielsweise als
Dünnschichtblende, die bei Bedarf auch mit dem Primärelektro
nenstrahl beheizt werden kann) oder kann durch Ätzen insbeson
dere aus Halbleitermaterial (beispielsweise Silizium) herge
stellt werden. Im letztgenannten Fall kann beim Ätzen entweder
eine dünne Schicht des Halbleiters stehen gelassen werden oder
nur eine Metallschicht übriggelassen werden, die vorher auf
den Halbleiter aufgebracht wurde.
Die bevorzugte Größe der Öffnungen 16 und 41 der Druckstufen
blenden in Fig. 2 ist abhängig vom gewünschten maximal zuläs
sigen Druck in der Probenkammer, von der gewünschten kleinsten
verwendbaren Primärenergie, von der Spannung und dem Abstand
zwischen den Elektroden 18 und 44 und von der Güte des Vaku
ums, das die Kathode (beispielsweise ein Schottky-Emitter) be
nötigt. Der Durchmesser der Öffnung 16 der Druckstufenblende
18 kann beispielsweise 20 µm bis 500 µm betragen. Bei Verzicht
auf die Eignung für niedrige Primärenergien oder bei Beschrän
kung auf niedrige Drücke in der Probenkammer, kann die Größe
der Öffnung 16 aber beispielsweise auch 1000 µm betragen. Der
bevorzugte Durchmesser der Öffnung 41 kann beispielsweise
100 µm bis 2000 µm betragen. Er ist vorzugsweise mindestens so
groß wie der Durchmesser der Öffnung 16.
Bei Verwendung von Halbleitermaterial für die Druckstufenblen
de 18, kann sie gleichzeitig auch als Halbleiterdetektor für
Rückstreuelektronen ausgestaltet werden. Eine Möglichkeit
hierfür besteht darin, daß die Unterseite 14 und der untere
Bereich der Außenseite 15 der Druckstufenblende n-dotiert und
mit einer dünnen Matallschicht bedampft werden, so daß sich
ein Schottky-Kontakt ausbildet.
Der Primärelektronenstrahl tritt in Fig. 2 von oben durch die
Öffnung 16 in die Probenkammer ein, durchquert das Gas in der
Probenkammer und trifft auf die Probe 11, wo er Sekundärelek
tronen und Rückstreuelektronen erzeugt. Die Sekundärelektronen
haben einen großen Wirkungsquerschnitt für elastische Streu
ung. Ihre Bewegungsrichtung wird deshalb, ähnlich wie bei ei
nem Diffusionsvorgang, häufig umgelenkt und es besteht die Ge
fahr, daß sie von der Probe absorbiert werden. Die Sekundäre
lektronen werden deshalb mit Hilfe eines elektrischen Feldes
zur Öffnung 16 gelenkt, das entweder nur aus dem Felddurch
griff durch die Öffnung 16 besteht oder durch das zusätzliche
Anlegen einer Spannung zwischen der Probe 11 und der Druckstu
fenblende 18 erzeugt wird.
In Abhängigkeit vom Gas und Druck in der Probenkammer, Durch
messer der Öffnung 16, Länge der Bohrungswandung 17, Kegelöff
nungswinkel β und γ der inneren Kegelfläche 22 und Abstand zwi
schen der Probe 11 und der Druckstufenblende 18 gibt es je
weils eine optimale Spannung zwischen der Probe 11 und der
Druckstufenblende 18, für die die meisten Sekundärelektronen
zum Detektor 74 gelangen. Diese Spannung kann zwischen null
Volt und einigen hundert Volt liegen. Für kleine Abstände zwi
schen der Probe 11 und der Druckstufenblende 18 kann der Feld
durchgriff durch die Öffnung 16 der Druckstufenblende (in Ab
hängigkeit von den oben genannten Parametern) ausreichend groß
sein, um die Sekundärelektronen zur Öffnung 16 zu lenken. Dann
können die Probe 11 und die Druckstufenblende 18 auf demselben
Potential liegen.
Das Anlegen einer Spannung zwischen der Probe 11 und der
Druckstufenblende 18 hat mehrere Auswirkungen: Es erzeugt ein
stärkeres elektrisches Feld und verbessert dadurch den Trans
port der Sekundärelektronen nach oben zur Druckstufenblende
18. Gleichzeitig verringert es die Durchwölbung der Äquipoten
tialflächen nach unten innerhalb und direkt unterhalb der Öff
nung 16, so daß die Sekundärelektronen in diesem Bereich weni
ger stark zur optischen Achse 79 hin gelenkt werden. Anderer
seits bewirkt es jedoch zusammen mit der kegelstumpfförmigen
Elektrode 18, daß die Sekundärelektronen weiter unterhalb der
Öffnung 16 zur optischen Achse 79 hin gelenkt werden.
Für eine nicht zu große Bohrungslänge der Öffnung 16 und klei
ne Abstände zwischen der Probe 11 und der Druckstufenblende 18
(je nach Druck in der Probenkammer und Geometrie der Druckstu
fenblende 18 beispielsweise für Abstände bis zum doppelten
Durchmesser der Öffnung 16) gelangt ein Großteil der Sekundä
relektronen auch durch die Öffnung 16, wenn die Spannung zwi
schen der Probe 11 und der Druckstufenblende 18 so groß ge
wählt wird, daß die Feldstärke nahe unterhalb der Öffnung 16
etwa gleich groß ist wie in der Öffnung 16. Hierdurch nehmen
die Verzerrungen am Rand des Gesichtsfeldes ab, so daß das Ge
sichtsfeld vergrößert werden kann. Dies gilt insbesondere bei
der Verwendung von Druckstufenblenden 18, deren innere Kegel
fläche 22 einen großen Kegelöffnungswinkel β hat und bei denen
die Länge der Bohrungswandung 17 klein ist im Verhältnis zum
Durchmesser 16 der Öffnung. Eine andere Möglichkeit zur Ver
größerung des Gesichtsfeldes besteht darin, daß die am Rande
des Gesichtsfeldes auftretenden Verzerrungen nachträglich mit
Hilfe eines Bildverarbeitungsprogrammes korrigiert werden.
Für größere Abstände (beispielsweise 1000 µm) und größere
Spannungen (beispielsweise 200 V) zwischen der Probe 11 und
der Druckstufenblende 18 erhält man eine Sekundärelektronen
kaskade als zusätzliche Vorverstärkung. Bei der Verwendung ei
ner ausreichend großen Druckstufenblendenöffnung 16 (< 200 µm)
gelangen genug Sekundärelektronen in die Öffnung 16, um hier
mit ebenfalls eine gute Detektionseffizienz zu erhalten.
Auch innerhalb der Öffnung 16 der Druckstufenblende ist für
den Weitertransport der Sekundärelektronen nach oben das elek
trische Feld maßgeblich verantwortlich. Der elektrische Feld
verlauf ist diesbezüglich um so günstiger, je kleiner die Län
ge der Bohrung 16 im Vergleich zu ihrem Durchmesser ist. Inso
fern wird eine Druckstufenblende 18 bevorzugt, wie sie in Fig.
5 dargestellt ist, die gar keine zylindermantelförmige Boh
rungswandung 17 hat, sondern statt dessen nur eine scharfe In
nenkante als Begrenzung zwischen der Unterseite 14 und der
Oberseite 22 der Druckstufenblende aufweist.
Neben den elektrischen Feldern zwischen der Probe 11 und der
Druckstufenblende 18 und innerhalb der Öffnung 16 ist auch das
Magnetfeld, das durch die in Fig. 1 abgebildete Einpollinse 64
erzeugt wird, sehr hilfreich für den Transport der Sekundäre
lektronen zur Öffnung 16 und durch die Öffnung 16 hindurch.
Durch das Magnetfeld wird die senkrecht zur optischen Achse 79
stehende Bewegungskomponente der Sekundärelektronen mit Hilfe
der Lorentzkraft auf eine Kreisbahn umgelenkt. Hierdurch wird
erreicht, daß ein von der Probe emittiertes Sekundärelektron
auf seinem Weg nach oben seinen Abstand von der optischen Ach
se 79 zwischen zwei Stößen maximal um seinen doppelten Larmor
radius vergrößern kann. Die niederenergetischen Sekundärelek
tronen, deren Wirkungsquerschnitt für elastische Streuung be
sonders hoch ist, haben dabei günstigerweise auch einen beson
ders kleinen Larmorradius. Da sich die Sekundärelektronen we
niger weit von der optischen Achse 79 entfernen können, gelangen
bei Verwendung einer Einpollinse mehr Sekundärelektronen
durch die Öffnung 16 der Druckstufenblende als ohne Einpollin
se.
In den Ausführungsbeispielen aus Fig. 2 bis 4 werden die Se
kundärelektronen durch die Öffnung 41 einer weiteren Druckstu
fenblende gelenkt, oberhalb derer ein gutes Vakuum herrscht,
in dem Sekundärelektronen detektiert werden. Bei diesem Funk
tionsprinzip ist es erforderlich, daß die Sekundärelektronen
keine Stöße mehr ausführen, wenn sie auf die Öffnung 41 der
oberen Druckstufenblende fokussiert werden. Dies wird durch die
Abnahme des Druckes und die Zunahme der elektrischen Feldstär
ke oberhalb der Öffnung der unteren Druckstufenblende 18 er
reicht.
Oberhalb der Öffnung 16 der unteren Druckstufenblende 18 in
Fig. 2 nimmt der Druck bis zur Öffnung 41 der oberen Druckstu
fenblende 44 gegenüber dem Druck der Probenkammer um mehrere
Zehnerpotenzen ab. Die Druckabnahme ist abhängig von der Größe
der Öffnung 16 der unteren Druckstufenblende. Diese Druckab
nahme nach oben hin bewirkt eine Zunahme der mittleren freien
Weglänge der Sekundärelektronen. Gleichzeitig nimmt die elek
trische Feldstärke oberhalb der Öffnung 16 aufgrund der koni
schen Form der Elektrode 18 nach oben hin stark zu. Beides zu
sammen führt dazu, daß die Geschwindigkeit, die die Sekundär
elektronen zwischen zwei Stößen erreichen, oberhalb der Öff
nung 16 stark zunimmt. Da außerdem auch mit zunehmender Ge
schwindigkeit die mittlere freie Weglänge der Sekundärelektro
nen zunimmt, werden die Sekundärelektronen oberhalb der Öff
nung 16 innerhalb ihrer freien Weglänge so schnell (und nimmt
dabei ihre mittlere freie Weglänge so stark zu), daß die Se
kundärelektronen keine Stöße mehr ausführen.
Viele Sekundärelektronen haben ihren letzten Stoß also in ge
ringer Entfernung oberhalb der Öffnung 16. Durch das elektrische
Feld zwischen den beiden Elektroden 18 und 44 werden sie
anschließend auf die Öffnung 41 der oberen Druckstufenblende
fokussiert. Bevorzugte Kegelöffnungswinkel β für die innere Ke
gelfläche 22 sind 20° bis 75°. Auch unter der Nebenbedingung,
daß die elektrische Feldstärke in der Öffnung 41 und direkt
unterhalb der Öffnung 41 gleich groß ist, ist die Fokussierung
der Sekundärelektronen auf die Öffnung 41 problemlos möglich.
Sogar bei einer vorgegebenen Potentialdifferenz zwischen den
Elektroden 44 und 55 und bei vorgegebenen Kegelöffnungswinkeln
β und γ wird die Fokussierung der Sekundärelektronen auf die
Öffnung 41 erreicht, indem die Lage der Elektrode 44 geeignet
gewählt wird: Wenn die Elektrode 50 etwas langer ausgeführt
wird und dadurch die Elektrode 44 (mit entsprechend kleinerem
Außendurchmesser) etwas weiter unten angeordnet ist, erhält
man eine geringere elektrische Feldstärke in der Öffnung 41.
Dementsprechend wird auch die Potentialdifferenz zwischen den
Elektroden 18 und 44 so stark verringert, daß direkt unterhalb
der Öffnung 41 wieder die gleiche Feldstärke herrscht wie in
der Öffnung 41. Hierdurch erhält man eine schwächere Fokussie
rung der Sekundärelektronen, wahrend gleichzeitig auch noch
die Wegstrecke verkürzt wird, auf der die Sekundärelektronen
fokussiert werden. (Aufgrund der geringeren Potentialdifferenz
zwischen den Elektroden 18 und 50 kann diese Strecke noch wei
ter verkürzt werden, indem der Abstand zwischen den beiden
Elektroden verkleinert wird.)
Es kann also durch die Anordnung der Elektrode 44 in geeigne
ter Höhe immer erreicht werden, daß die Sekundärelektronen auf
die Öffnung 41 fokussiert werden. (Nur für sehr große Kegel
öffnungswinkel β ist dies nicht möglich.) Eine weitere Mög
lichkeit, um die Feldstärke in der Öffnung 41 zu vergrößern
und dementsprechend die Fokussierung der Sekundärelektronen zu
verstärken, besteht darin, die Elektrode 44 in Fig. 2 mit der
ebenen Fläche nach oben in die Öffnung der Elektrode 50 einzu
bauen.
Falls der Durchmesser der Öffnung 41 so klein gewählt wird,
daß sich bei unterschiedlich großem Gasdruck in der Probenkam
mer die etwas unterschiedliche Fokussierung der Sekundärelek
tronen bemerkbar macht, besteht eine bevorzugte Ausführungs
form darin, daß die Fokussierung der Sekundärelektronen auf
die Öffnung 41 eingestellt werden kann. (Es ist dabei keine
starke Veränderung der Fokussierung erforderlich.) Die Fokus
sierung der Sekundärelektronen auf die Öffnung 41 wird bei
spielsweise erreicht, wenn die Spannung zwischen den Elektro
den 18 und 44 und proportional dazu auch die Spannung zwischen
den Elektroden 44 und 55 verändert werden kann. Eine andere
Möglichkeit besteht darin, daß eine der Druckstufenblenden 18
oder 44 höhenverstellbar (d. h. in ihrer Lage entlang der opti
schen Achse verstellbar) ist. Eine weitere Möglichkeit zur
Veränderung der Fokussierung ergibt sich bei der Verwendung
einer nicht als Druckstufenblende wirkenden, zusätzlichen
Elektrode mit größerem Öffnungsdurchmesser, die zwischen den
Elektroden 18 und 44 angebracht und vorzugsweise über eine
Isolierung an einer dieser beiden Elektroden befestigt und
zentriert ist. Die Potentiale der Elektrode 18 und der zusätz
lichen Elektrode können dann so verändert werden, daß die
Äquipotentialflächen in der Öffnung 41 weiterhin eben bleiben,
während die Fokussierung der Sekundärelektronen verändert
wird. Die hier angesprochene einstellbare oder veränderliche
Fokussierung der Elektronen ist insbesondere für große Druck
stufenblendenöffnungen 16 wichtig.
Der weitere Weg der Sekundärelektronen oberhalb der Elektrode
44 wird im folgenden anhand von Fig. 1 erläutert. Die Sekundä
relektronen werden durch das elektrische Feld zwischen den
Elektroden 44 und 55 weiter beschleunigt und fliegen mit hoher
kinetischer Energie zum Detektor 74. Durch die starke Abnahme
des Gasdruckes innerhalb und oberhalb der Druckstufenblenden 18
und 44 wird erreicht, daß trotz des erhöhten Druckes in der
Probenkammer am Ort des Detektors 74 ein hinreichend gutes Va
kuum für den Einsatz von Detektoren mit hoher Nachweisempfind
lichkeit vorhanden ist. Als Detektor 74 sind insbesondere Szin
tillator-Lichtleiter-Kombinationen, Channelplates und Halblei
terdetektoren mit einem Metall-Halbleiter-Übergang oder mit ei
nem p-n-Übergang gut geeignet. Es können auch Szintillator-
Photomultiplier-Kombinationen auf der Basis von Plastikszintil
latoren YAG-Szintillatoren, YAP-Szintillatoren und dgl. verwen
det werden. Bei Verwendung einer Channelplate ist es empfeh
lenswert, eine zusätzliche Liner-Elektrode für die Öffnung des
Detektors vorzusehen, wie sie in DE 37 03 028 A1 verwendet wird.
Fig. 3 zeigt für denselben Ausschnitt wie in Fig. 2 eine andere
Variante eines erfindungsgemäßen Druck-REMs zur Illustration
des oben genannten zweiten Gesichtspunkts. Die obere Druckstu
fenblende in Fig. 3 ist schichtweise aufgebaut: Ihre Unterseite
39 und Oberseite 43 bestehen aus leitfähigen Materialien, wäh
rend in ihrem Inneren zumindest eine Schicht aus isolierendem
Material besteht. Die Kontaktierung der leitfähigen Schichten
39 und 43 liegt außerhalb des dargestellten Bereiches.
Die Potentiale der Elektroden 18, 39, und 43 werden so gewählt,
daß in den Öffnungen der Elektroden 39 und 43 und im Bereich 41
zwischen den Öffnungen der beiden Elektroden dieselbe elektri
sche Feldstärke herrscht. Da die bevorzugte Dicke der Elektro
den 39 und 43 in der Nähe der optischen Achse 79 sehr klein
(≦ 100 µm) ist, sind die Äquipotentialflächen im Bereich der
Öffnungen der Elektroden 39 und 43 und im Bereich 41 dazwischen
nahezu eben. Der bevorzugte Abstand zwischen den Elektroden 39
und 43 beträgt 10 bis 1000 µm. Eine geeignete Möglichkeit zur
Herstellung einer solchen, schichtweise aufgebauten
Druckstufenblende mit sehr dünnen Elektroden 39 und 43
besteht beispielsweise darin, daß die Elektroden 39 und 43 Me
tallbeschichtungen eines Isolators darstellen, zwischen denen
der Isolator in einem Bereich um die optische Achse herum weg
geätzt wurde. Die Öffnung der Elektrode 39 kann auch gleichgroß
oder größer sein als die Öffnung der Elektrode 43. Weiterhin
kann auch die untere Druckstufenblende 18 schichtweise aufge
baut werden.
Fig. 4 zeigt für eine andere Variante eines erfindungsgemäßen
Druck-REMs einen Ausschnitt mit den Druckstufenblenden. Der Un
terschied gegenüber der Variante aus Fig. 2 besteht in der zu
sätzlichen Halterung 40 für die Druckstufenblende 44 und darin,
daß die Elektrode 50 in Fig. 4 ohne die dazwischenliegende Iso
lierung 56 als direkte Fortsetzung des Polschuhs 58 ausgeführt
ist, so daß sie eine besonders gute Zentrierung in Bezug auf
die optische Achse aufweist und geerdet ist. Bei dieser Varian
te ist die Elektrode 50 nicht demontierbar, während die Teile
13, 18, 40 und 44 (und 60, 63, 65, 68 und 69 aus Fig. 1) für
den Betrieb des Druck-REMs mit Vakuum in der Probenkammer ent
fernt werden können.
Die als Federelement ausgeführte Halterung 40 hält die Druck
stufenblende 44, die an der Bohrung der Elektrode 50 zentriert
ist, in ihrer Lage. Es wäre auch möglich, als Halterung ein Fe
derelement zu verwenden, das sich über eine Isolierung am da
runterliegenden Bauteil 18 abstützt. Ferner könnte man die
Druckstufenblende 18 auch an der entsprechend umgestalteten Au
ßenkante der Elektrode 50 zentrieren. Es ist auch möglich, die
obere Druckstufenblende 44, ihre Halterung 40 und das zusätzli
che Abpumpen durch den Wellschlauch 63 (siehe Fig. 1)
wegzulassen. Es können dann bei gleichbleibendem Öffnungs
durchmesser der verbleibenden Druckstufenblende 18 jedoch nur
wesentlich kleinere Drücke in der Probenkammer verwendet wer
den.
Beim Vakuumbetrieb mit den in Fig. 2 bis Fig. 4 dargestellten
Aufbauten wird nahe oberhalb der Öffnung 16 ein erster Sekun
därelektronen-Crossover erhalten, der durch das elektrische
Feld zwischen den Elektroden 18 und 44 (bzw. 39) auf die Öff
nung 41 abgebildet wird. Die Fokussierung der Sekundärelektro
nen auf die Öffnung 41 wird dabei durch das Anlegen einer
kleinen Spannung zwischen der Probe 11 und der Elektrode 18
und/oder durch eine der in Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebe
nen Maßnahmen erreicht. Für den Vakuumbetrieb mit den in Fig.
2 bis 4 ausschnittsweise dargestellten Druck-REMs ist die Kom
bination mit einem zusätzlichen oberen Detektor 91 aus Fig. 8
oder Fig. 9 vorteilhaft.
Während die Sekundärelektronen in den Ausführungsbeispielen
aus Fig. 2 bis 4 auf die Öffnung 41 der oberen Druckstufen
blende fokussiert werden, ist in Fig. 5 ein Ausführungsbei
spiel dargestellt, bei dem die Sekundärelektronen nicht auf
eine bestimmte Stelle fokussiert werden müssen. Dementspre
chend können in Fig. 5 auch die für die Sekundärelektronen-
Fokussierung maßgeblichen Parameter frei gewählt werden. Ein
weiterer Vorteil der in Fig. 5 dargestellten Ausführung be
steht darin, daß ein sehr großer Anteil der Sekundärelektronen
zum Signal des Detektors beiträgt.
Der Weg des Primärelektronenstrahls durch die Öffnungen 41 und
16 zur Probe 11, die Spannung zwischen der Probe 11 und der
Druckstufenblende 18, der Weg der Sekundärelektronen von der
Probe 11 zur Öffnung 16 und durch die Öffnung 16 hindurch, der
positive Einfluß der Einpollinse 64 hierauf, die Größe der
Öffnung 16, die Zunahme der elektrischen Feldstärke oberhalb
der Öffnung 16 und die Druckabnahme oberhalb der Öffnung 16
sind dieselben wie in Fig. 2. Statt der dünnwandigen Druckstu
fenblende 44 in Fig. 2 wird in Fig. 5 jedoch das dickwandige
Bauteil 42 verwendet. Seine bevorzugte Dicke (Länge des Durch
gangs 41) beträgt 0,4 mm bis 6 mm. Es ist schichtweise aus iso
lierenden und leitfähigen Schichten aufgebaut, die senkrecht
zur optischen Achse 79 verlaufen und in Fig. 5 durch die hori
zontale Schraffur des Bauteils 42 angedeutet sind. Die leitfä
higen Schichten haben dabei eine bevorzugte Dicke von weniger
als 200 µm, während die isolierenden Schichten auch dicker sein
können. Das Bauteil 42 ist in die isolierende Halterung 40 ein
gepaßt, die das Bauteil 42 an der Bohrung der Elektrode 50
zentriert. Die Oberseite des Bauteils 42 ist von der leitfähi
gen Schicht 43 bedeckt, die eine Elektrode bildet, die auf dem
selben Potential wie die Elektrode 50 liegt. Die Unterseiten
des Bauteils 42 und der Halterung 40 sind von der leitfähigen
Schicht 39 bedeckt. Sie bildet eine Elektrode, die gegenüber
der Elektrode 43 auf negativem Potential liegt. Das Bauteil 42
hat einen mittleren Durchgang 41 um die optische Achse 79 herum
und zusätzlich noch mehrere Durchgänge 36 über den Umfang ver
teilt.
Die Oberfläche des Teils 42 in den Durchgängen 36 und 41 ist
mit einer schlecht leitfähigen Schicht bedeckt, deren elektri
sche Parameter beispielsweise denen einer schlecht leitfähigen
Schicht entsprechen, wie sie in einem Channeltron oder einer
Channelplate verwendet wird. Die schlecht leitfähige Schicht in
den Durchgängen 36 und 41 hat einen Gesamtwiderstand, der ent
lang der optischen Achse gleichmäßig verteilt ist. (Um eine
gleichmäßige Verteilung des Widerstandes längs der optischen
Achse zu erreichen, kann auch eine zusätzliche schlecht leitfä
hige Schicht an der Grenzfläche zum Bauteil 40 auf dem Bauteil
42 aufgebracht sein). Dadurch entsteht zwischen den Elektroden
39 und 43, mit denen, die schlecht leitfähige Schicht kontak
tiert ist, ein homogenes elektrisches Feld in den Durchgängen
36 und
41. Der schichtweise Aufbau des Bauteils 42 aus abwechselnd
dünnen isolierenden und leitfähigen Schichten ergibt auch bei
einer etwas ungleichmäßigen Verteilung der schlecht leitfähi
gen Schicht im Durchgang 41 ein rotationssymmetrisches elek
trisches Feld, so daß eine gute Auflösung erreicht wird.
Die Größe der Spannung zwischen den Elektroden 50 und 55 wurde
in Zusammenhang mit Fig. 1 besprochen. Die Spannung zwischen
den Elektroden 39 und 43 ist so groß, daß die elektrische
Feldstärke innerhalb des Durchgangs 41 gleichgroß ist wie di
rekt oberhalb des Durchgangs 41. Die Spannung zwischen den
Elektroden 25 und 39 ist so groß, daß die elektrische Feld
stärke direkt unterhalb des Durchgangs 41 gleichgroß ist wie
innerhalb des Durchgangs 41. Die Druckstufenblende 18 liegt
auf demselben Potential wie die Elektrode 25 und ist leicht
demontierbar an der Elektrode 25 befestigt. Eine bevorzugte
Ausgestaltung des Aufbaus aus Fig. 5 besteht darin, daß die
Druckstufenblende 18 gewechselt werden kann, ohne daß die Pro
benkammer belüftet wird. Eine entsprechende Vorrichtung zum
Auswechseln der Druckstufenblende (nicht dargestellt) kann
beispielsweise am Rand des Probentisches angebracht sein.
Die langgestreckten schmalen Durchgänge 36 und 41 stellen ei
nen großen Strömungswiderstand für das Gas dar, das sich un
terhalb des Bauteils 42 befindet. Dieser Strömungswiderstand
ist um mehr als eine Größenordnung höher als der Strömungswi
derstand beim Abpumpen durch die in Fig. 1 dargestellte Elek
trode 55. Der bevorzugte Durchmesser des Durchgangs 41 beträgt
100 bis 2000 µm. Der bevorzugte Durchmesser der Durchgänge 36
ist kleiner als der bevorzugte Durchmesser des Durchgangs 41.
Die Durchgänge 36 weiten sich nach unten hin auf, so daß auf
der Unterseite des Bauteils 42 nur schmale Stege zwischen den
Durchgängen 36 übrig bleiben. Hierdurch wird der Anteil der
Sekundärelektronen, die in die Durchgänge 36 gelangen, vergrö
ßert.
Die Sekundärelektronen gelangen in Fig. 5 (je nach Fokussie
rung der Sekundärelektronen) in den Durchgang 41 und/oder in
die Durchgänge 36. Wenn ein Sekundärelektron auf die schlecht
leitfähige Schicht an der Oberfläche eines Durchgangs trifft,
erzeugt es dort mit hoher Wahrscheinlichkeit mindestens ein
Sekundärelektron (wie in einem Channeltron oder einer Channel
plate) und liefert dadurch einen Beitrag zum Signal des Detek
tors.
Mit dem in Fig. 5 dargestellten Aufbau ist auch der Betrieb
mit Vakuum oder sehr geringem Druck in der Probenkammer mög
lich. Wenn die untere Druckstufenblende 18 entfernt wird, wird
hiermit auch bei großem Abstand (< 5 mm) zwischen der Probe
11 und der Elektrode 25 eine gute Auflösung und eine gute De
tektionseffizienz erreicht. Die Spannung zwischen den Elektro
den 25 und 39 ist dabei so groß, daß die elektrische Feldstär
ke direkt unterhalb des Durchgangs 41 gleichgroß ist wie in
nerhalb des Durchgangs 41. Ein sehr großes Gesichtsfeld erhält
man hiermit bei Verwendung eines Doppelablenkelementes, wenn
das Rasterzentrum nahe oberhalb oder in den Durchgang 41 ge
legt wird.
Eine besonders vorteilhafte und bevorzugte Ausgestaltung des
in Fig. 5 dargestellten Aufbaus besteht darin, daß das Bauteil
42 sehr nahe an der unteren Druckstufenblende 18 angeordnet
wird (mit einem bevorzugten Abstand von weniger als 2 mm zur
Druckstufenblende 18). Hierbei wird auf die Durchgänge 36 ver
zichtet und der Durchgang 41, das Bauteil 42, die Isolierung
40 und die leitfähige Schicht 39 verjüngen sich kegelförmig
nach unten hin. Für nicht zu kleine Vergrößerungen (≧ ca. 1000-
fach) ergibt diese Variante in Verbindung mit der Einpollinse
64 eine sehr gute Detektionseffizienz. Für kleine Vergrößerun
gen wird die Einpollinse 64 ausgeschaltet.
In den Ausführungsbeispielen aus Fig. 1 bis Fig. 5 ist eine
kombinierte elektrostatische und magnetische Objektivlinse
vorgesehen.
Im Gegensatz dazu zeigen Fig. 6 und Fig. 7 ein Ausführungsbei
spiel, bei dem eine rein magnetische Objektivlinse bevorzugt
wird. Fig. 6 und Fig. 7 stellen denselben Aufbau in zwei ver
schiedenen Schnitten dar. Der Schnitt in Fig. 6 geht durch die
Öffnung 35 und das Rohr 31. Der Schnitt in Fig. 7 geht hinge
gen durch die Öffnung 38 und das Rohr 32. Die Rohre 31 und 32
sind einander benachbart. Der in Fig. 6 und 7 dargestellte,
weitgehend rotationssymmetrische Aufbau, der mehrere Druckstu
fenblenden und einen Detektor enthält, wird unterhalb der Ob
jektivlinse 61 angebracht. Im dargestellten Ausführungsbei
spiel hat das Bauteil 37 (Druckreduzierer) eine ungerade An
zahl konisch geformter Durchgänge 36 (Druckreduzierungskanä
le), deren Öffnungen 29 die untere Stirnseite des Bauteils 37
bedecken. Zwischen den Öffnungen 29 bleiben von der unteren
Stirnseite des Bauteils 37 nur schmale Stege übrig. Längs ei
nes solchen Steges verlauft der Schnitt durch das Bauteil 37
in der linken Hälfte von Fig. 6.
Die bevorzugte Größe der Druckstufenblendenöffnungen 16 und 41
ist abhängig vom gewünschten maximal zulässigen Druck in der
Probenkammer, von der gewünschten kleinsten verwendbaren Pri
märenergie und von der Güte des Vakuums, das die Kathode benö
tigt. Es ist möglich, oberhalb der Druckstufenblende 44 weite
re Druckstufenblenden einzufügen und die entstehenden Zwi
schenräume zu evakuieren. Die bevorzugten Durchmesser der Öff
nungen 16 und 41 sind dieselben wie in Fig. 2, wobei die Öff
nung 41 aber auch kleiner sein kann als die Öffnung 16.
Der Weg des Primärelektronenstrahls durch die Öffnungen 41 und
16 zur Probe 11, die Spannung zwischen der Probe 11 und der
Druckstufenblende 18 und die Bewegung der Sekundärelektronen
von der Probe 11 zur Öffnung 16 und durch die Öffnung 16 hin
durch sind in Fig. 6 dieselben wie in Fig. 2. Das elektrische
Feld zwischen den Druckstufenblenden entspricht hingegen nur
in einem Bereich nahe oberhalb der Öffnung 16 dem elektrischen
Feld in Fig. 2. Es wird in Fig. 6 durch die Potentialdifferen
zen der Elektroden 18, 24, 28 und 44 erzeugt und lenkt die Se
kundärelektronen zu den Öffnungen 29. Mit dem dargestellten
Aufbau ist nicht nur der Betrieb mit Gas in der Probenkammer,
sondern auch der Betrieb mit Vakuum in der Probenkammer mög
lich.
Die Elektrode 28 besteht aus einer leitfähigen Schicht, die
auf der Oberfläche des isolierenden Bauteils 37 aufgebracht
ist. Sie liegt gegenüber der Elektrode 18 auf positivem Poten
tial. Die bevorzugte Potentialdifferenz, die von der geometri
schen Anordnung der Elektroden 18, 24, 28 und 44 und von der
Größe der Öffnung 16 abhängig ist, beträgt 30 bis 1000 V.
Die Elektrode 24 ist vorzugsweise als dünne Metallschicht auf
dem Isolator 21 aufgebracht, der ebenfalls als Beschichtung
auf der Elektrode 18 aufgebracht sein kann. Um störende Aufla
dungen an freiliegenden Oberflächen der Isolatoren 21, 37, 53
und 57 zu verhindern, können sie mit einer schlecht leitfähi
gen Beschichtung versehen werden. Das Potential der Elektrode
24 liegt zwischen den Potentialen der Elektroden 18 und 28.
Durch das elektrische Feld der Elektrode 24 wird der Anteil
der Sekundärelektronen vergrößert, die zu den Öffnungen 29 ge
langen. Die Elektrode 24 und der Isolator 21 können aber auch
weggelassen werden, um den Aufbau zu vereinfachen.
Die Elektrode 44 liegt gegenüber der Elektrode 28 auf negati
vem oder demselben Potential mit einer bevorzugten Potential
differenz bis zu mehreren hundert Volt. Die Verwendung dessel
ben Potentials hat den Vorteil, daß eine Ausführung als ge
meinsames Bauteil möglich ist, während die dargestellte Ausführung
in zwei getrennten Bauteilen den Vorteil hat, daß ein
größerer Anteil der Sekundärelektronen zu den Öffnungen 29 ge
langt. Die Kontaktierung der Elektrode 44 erfolgt in Fig. 6
über einen isolierten Draht 34, der in der schmalen Wand zwi
schen zwei Durchgängen 36 in einer Bohrung durch das Bauteil
37 geführt ist. An der Stelle, wo der Draht die Elektrode 44
kontaktiert, hat die Isolierung 45 eine Aussparung.
Gegenüber der geerdeten Objektivlinse 61 und dem Bauteil 54
ist die Elektrode 44 durch die Isolierungen 49 und 53 isoliert
und bildet mit dem Bauteil 54 eine schwache elektrostatische
Linse. Dies hat den Vorteil, daß die Probe 11 geerdet sein
kann. Einen einfacheren Aufbau erhält man hingegen, wenn die
Isolierung 49 weggelassen wird und die Elektrode 44 zusammen
mit dem Bauteil 54 als ein gemeinsames Bauteil ausgeführt
wird.
Das durch die Öffnung 16 aus der Probenkammer einströmende Gas
wird durch die seitliche Öffnung 35 abgepumpt. Wie in Fig. 2
findet auch in Fig. 6 eine starke Druckabnahme oberhalb der
Öffnung 16 und eine Zunahme der mittleren freien Weglänge der
Sekundärelektronen statt, so daß viele Sekundärelektronen ih
ren letzten Stoß in geringer Entfernung oberhalb der Öffnung
16 haben. Die elektrische Feldstärke oberhalb der Druckstufen
blende 18 kann bei der Gestaltung gemäß den Fig. 6 und 7 in
breiten Bereichen frei gewählt werden. Sie kann wesentlich ge
ringer als bei der Gestaltung gemäß den Fig. 2 bis 5 sein
und ist mindestens so hoch, daß die Sekundärelektronen zur Er
zielung einer anwendungsabhängig genügenden Detektionseffizi
enz gut durch die Druckstufenblendenöffnung 16 hindurchgelan
gen.
In Fig. 7 ist die Funktion des Bauteils 37 zu erkennen: Es be
wirkt, daß der Druck beim Detektor 51 um mehrere Größenordnun
gen geringer ist als der Druck unterhalb der Öffnungen 29. Die
Druckdifferenz kommt dadurch zustande, daß die langgestreckten
schmalen Durchgänge 36 einen großen Strömungswiderstand für das
Gas darstellen und daß der Raum oberhalb des Bauteils 37, in
den die Durchgänge 36 münden, durch die seitlichen Öffnungen 38
und 52 evakuiert wird. Dieselbe Wirkung kann beispielsweise
auch mit zylindrisch geformten Durchgängen 36 erreicht werden.
Bei gleicher Größe der Öffnungen 29 ist dann allerdings eine
größere Baulänge erforderlich, um denselben Strömungswiderstand
zu erreichen. Wenn große Druckstufenblendenöffnungen 16 verwen
det werden sollen, ist eine besonders große Druckdifferenz er
forderlich. Diese erreicht man, indem die Durchgänge 36 bei
spielsweise auf halber Höhe zusätzliche seitliche Öffnungen er
halten, durch die mit einer zusätzlichen differentiellen Pump
stufe abgepumpt wird.
In dem isolierenden Bauteil 37 ist die Oberfläche in den Durch
gängen 36 wie in Fig. 5 mit einer schlecht leitfähigen Schicht
bedeckt. Auf Grund der Spannung zwischen den Elektroden 28 und
46, mit denen die schlecht leitfähige Schicht kontaktiert ist,
entstehen ein Spannungsabfall und ein elektrisches Feld längs
der Durchgänge 36. Der Verlauf des elektrischen Feldes längs
der Durchgänge 36 wird durch das äußere elektrische Feld, so
wie durch den Verlauf der spezifischen Leitfähigkeit, der
Schichtdicke und des Umfangs der schlecht leitfähigen Schicht
bestimmt. Es ist günstig, wenn die Feldstärke überall längs der
Durchgänge 36 möglichst hoch ist, aber unterhalb des (ortsab
hängigen) Grenzwertes liegt, ab dem Überschläge auftreten. Die
konisch geformten Durchgänge 36 sind in dieser Hinsicht vor
teilhaft: Die Zunahme der elektrischen Feldstärke, die durch
den nach oben hin abnehmende Umfang der schlecht leitfähigen
Schicht bewirkt wird, paßt zur Zunahme der Durchschlagsfestig
keit auf Grund des nach oben hin abnehmenden Gasdruckes. Eine
weitere Möglichkeit, um den optimalen Verlauf des elektrischen
Feldes längs der Durchgänge 36 zu erreichen, besteht darin, die
spezifische Leitfähigkeit oder die Schichtdicke
der schlecht leitfähigen Schicht längs der Durchgänge 36
zu variieren.
Nachdem die Sekundärelektronen die unteren Öffnungen 29 der
Durchgänge 36 erreicht haben, werden sie durch das elektrische
Feld in den Durchgängen 36 zu den oberen Öffnungen 47 der
Durchgänge 36 geleitet. Sekundärelektronen, die auf die
schlecht leitfähige Schicht treffen, erzeugen dort mit hoher
Wahrscheinlichkeit ein oder mehrere Sekundärelektronen und
tragen somit auch zum Signal des Detektors bei. Dadurch, daß
die Äquipotentialflächen in den Durchgängen 36 in Richtung zu
den unteren Öffnungen 29 hin durchgewölbt sind, werden Sekun
därelektronen mit geringer kinetischer Energie von den Wänden
der Durchgänge 36 weggelenkt.
Oberhalb der Öffnungen 47 herrscht ein starkes elektrisches
Feld, das die Sekundärelektronen zum Detektor 51 beschleunigt,
wo sie detektiert werden. Die bevorzugte Spannung zwischen der
Elektrode 46 und dem Detektor 51, der über einen isolierten
Draht kontaktiert ist, beträgt 1 bis 10 kV. Als Detektor 51
kann beispielsweise ein Halbleiterdetektor oder ein Szintilla
tor verwendet werden. Bei Verwendung eines Szintillators ist
das isolierende Bauteil 57 ein Lichtleiter. Das isolierende
Bauteil 57 wird mit dem darunterliegenden restlichen Aufbau
durch einige, über den Umfang verteilte Halteklammern 48 zu
sammengehalten.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des in Fig. 6 und 7 dargestell
ten Aufbaus besteht darin, daß er unter der Objektivlinse 61
angebracht und entfernt werden kann, ohne daß die Probenkammer
belüftet wird, indem er von einer Flanschöffnung aus bewegt
wird. Der Aufbau ist gegenüber der Flanschöffnung mit einem
Faltenbalg abgedichtet und wird beim Betrieb mit Vakuum in der
Probenkammer soweit zurückgezogen, daß er nicht stört.
In Fig. 1 werden nur diejenigen Sekundärelektronen detektiert,
die beim Erreichen des Detektors 74 einen ausreichend großen
Abstand von der optischen Achse 79 haben, um nicht durch die
Öffnung 77 des Detektors zu fliegen. Die restlichen Sekundäre
lektronen fliegen durch die Öffnung 77 des Detektors. Um die
Detektionseffizienz des Druck-REMs zu erhöhen, werden in dem
Ausführungsbeispiel von Fig. 8 auch diese Sekundärelektronen
86 detektiert. Hierzu wird ein zusätzlicher oberer Detektor 91
verwendet, der nahe unterhalb der Aperturblende 94 angebracht
ist. Die Elektrode 55 ist nach oben hin bis über die Aper
turblende verlängert, und die Aperturblende 94 und der Detek
tor 91 liegen auf dem Potential der Elektrode 55. Aufgrund der
kleinen Baugröße ist beispielsweise die Verwendung eines Halb
leiterdetektors (mit nachgeschaltetem Optokoppler) als oberem
Detektor 91 vorteilhaft.
Der untere Detektor 74 und die Aperturblende 94 werden gleich
zeitig auch als Druckstufenblenden verwendet. Zwischen den
Druckstufenblenden 44, 74 und 94 und oberhalb der Druckstufen
blende 94 wird durch die Öffnungen 73, 76 und 98 abgepumpt,
wie es die Pfeile andeuten. Für die Verwendung der Aper
turblende 94 als Druckstufenblende ist ein elektromagnetischer
Aperturblendenwechsler vorteilhaft, weil die Aperturblende
dann nicht beweglich zu sein braucht.
Fig. 9 zeigt eine andere Variante eines erfindungsgemäßen
Druck-REMs mit zusätzlichem oberen Detektor 91, der hier als
Kombination mit der Aperturblende 94 ausgeführt ist. Eine be
vorzugte Ausführungsform besteht in der Verwendung von Halb
leitermaterial für das kombinierte Bauteil, wobei das Halblei
termaterial im Bereich um die optische Achse 79 herum bis auf
eine geringe Dicke (< 100 µm) weggeätzt sein kann, so daß die
Aperturblendenöffnungen nur eine geringe Länge haben. Von oben
ist eine Metallbeschichtung aufgebracht, die als Aperturblende
94 wirkt und von unten ist das kombinierte Bauteil als Halbleiterdetektor
91 ausgebildet. Für den mit der Aperturblende
94 kombinierten oberen Detektor 91 besteht eine bevorzugte
Ausführungsform darin, daß oberhalb der Aperturblende 94 Ul
trahochvakuum herrscht, damit die Aperturblende nicht beheizt
zu werden braucht.
In Fig. 9 wird der von der Kathode 99 emittierte Primärelek
tronenstrahl mit Hilfe eines elektromagnetischen Aperturblen
denwechslers durch die gewünschte Öffnung der Aperturblende
94 gefädelt. Unterhalb des Detektors 91 wird der Primärelek
tronenstrahl 82 durch die Magnetfelder 83 und 80 wieder auf
die optische Achse gelenkt. Der anschließende Weg ist für die
Primärelektronen und die Sekundärelektronen derselbe wie in
Fig. 1. Bei dem in Fig. 9 dargestellten Aufbau werden auch die
Sekundärelektronen 85 (und Rückstreuelektronen mit geringen
Energieverlusten), die längs der optischen Achse durch die
Öffnung 77 des unteren Detektors fliegen, durch die Magnetfel
der 80 und 83 von der optischen Achse abgelenkt und zum oberen
Detektor 91 geleitet.
Der in Fig. 8 und 9 dargestellte zusätzliche obere Detektor 91
kann mit den Ausführungsbeispielen aus Fig. 2 bis Fig. 5 kom
biniert werden, sowie mit jedem Korpuskularstrahlgerät, bei
dem der primäre Korpuskularstrahl nahe am Rand des Detektors
74 vorbeifliegt (beispielsweise durch eine Öffnung 77 des De
tektors) und bei dem zwischen der Probe 11 und dem Detektor 74
ein elektrisches Feld vorhanden ist, das die Sekundärkorpus
keln in Richtung zum Detektor 74 beschleunigt. Die Detektion
der Sekundärelektronen bzw. Sekundärkorpuskeln, die am Rand
des unteren Detektors 74 vorbei geflogen sind (beispielsweise
durch eine Öffnung 77 des Detektors), bewirkt sowohl beim Be
trieb mit Gas in der Probenkammer als auch beim Vakuumbetrieb
eine Erhöhung der Detektionseffizienz.
Beim Betrieb mit Vakuum in der Probenkammer bewirkt der zu
sätzliche obere Detektor 91 eine starke Verbesserung der De
tektionseffizienz, wenn die Sekundärelektronen unter ungünsti
gen Betriebsbedingungen auf die Öffnung 77 des unteren Detek
tors fokussiert werden. Weiterhin macht sich die Verbesserung
der Detektionseffizienz für die Bildmitte von Bildern mit
niedriger Vergrößerung positiv bemerkbar. Bei der Aufnahme von
Bildern mit dem unteren Detektor 74 fällt bei niedriger Ver
größerung nämlich ein dunkler Bereich in der Mitte des Bildes
auf, der dadurch zustande kommt, daß bei den achsnahen Proben
stellen mehr Sekundärelektronen durch die Öffnung 77 des unte
ren Detektors fliegen als bei den achsfernen Probenstellen.
Dieser nachteilige Effekt entfällt, wenn man zum Signal des
unteren Detektors 74 das Signal des oberen Detektors 91 hinzu
addiert, das von den Sekundärelektronen stammt, die durch die
Öffnung 77 des unteren Detektors geflogen sind. Außerdem
bringt der zusätzliche obere Detektor 91 im Vakuumbetrieb ein
sehr wertvolles zusätzliches Signal. Es wird insbesondere
durch diejenigen Sekundärelektronen erzeugt, die von der Probe
unter kleinen Winkeln zur optischen Achse emittiert werden und
deshalb vom unteren Detektor 74 nicht detektiert werden kön
nen, sondern durch seine Öffnung 77 fliegen. Sie sind für die
Untersuchung tiefer Löcher und stark zerklüfteter Strukturen
erforderlich, für die der zusätzliche obere Detektor in idea
ler Weise geeignet ist. Da er von allen Probenstellen nur die
Sekundärelektronen erfaßt, die unter kleinen Winkeln zur opti
schen Achse emittiert werden, erscheint der Boden eines tiefen
Loches ähnlich hell wie erhabene Probenstellen. Um im Vakuum
betrieb Sekundärelektronen mit unterschiedlich großen Start
winkeln getrennt nachzuweisen, kann der Detektor 91 in mehrere
teilchensensitive Bereiche aufgeteilt sein, die beispielsweise
konzentrisch zur optischen Achse angeordnet sein können. Die
selben Vorteile erhält man auch bei der Verwendung des zusätz
lichen oberen Detektors in einem Korpuskularstrahlgerät.
Für große Abstände zwischen der Probe 11 und der Druckstufen
blende 18 findet bei Verwendung einer kleinen Druckstufenblen
denöffnung 16 für die in Fig. 1 bis Fig. 9 dargestellten er
findungsgemäßen Druck-REMs eine Verschlechterung der Auflösung
und der Detektionseffizienz statt. Dies kann aber durch die
Kombination mit anderen Detektoren, die für große Arbeitsab
stände gut geeignet sind, weitgehend vermieden werden: Das
elektrische Feld zwischen den Elektroden 18 und 44 (bzw. 18
und 39 in Fig. 3 und 5) bildet eine elektrostatische Linse,
die bei großem Abstand zur Probe 11 eine Auflösungsverschlech
terung bewirkt. Dies kann vermieden werden, indem die elek
trostatische Linse beim Betrieb mit großem Arbeitsabstand aus
geschaltet und rein magnetisch fokussiert wird. Hierzu werden
die Elektroden 18, 25, 44 (bzw. 39 und 43 in Fig. 3 und 5), 50
und 55 (bzw. 24 und 28 in Fig. 6 und 7) alle auf dasselbe Po
tential gelegt. Für den Betrieb mit Gas in der Probenkammer
wird dann ein Kollektorelektroden-Detektor (WO 88/09564 A1,
WO 90/04261 A1) und für den Betrieb mit Vakuum in der Proben
kammer ein seitlich angeordneter Everhardt-Thornley-Detektor
verwendet. Als Kollektorelektrode wird die Druckstufenblende
18 und/oder eine demgegenüber isolierte Kollektorelektrode 13,
wie sie beispielsweise in Fig. 4 dargestellt ist, verwendet.
Mit dem Kollektorelektroden-Detektor, für den bei dem großen
Abstand zwischen der Probe 11 und der Druckstufenblende 18
günstige Betriebsbedingungen herrschen, wird dann immerhin
dasselbe Signal-zu-Rausch-Verhältnis erreicht wie bei den heu
te bekannten Druck-REMs.
Das rein magnetische Fokussieren, bei dem die Elektrode 55 auf
ein erdnahes Potential (< 1000 V) gelegt wird, ist für Pri
märenergien ≧ ca. 5 keV auch bei Verwendung einer Feldemissi
onskathode oder eines Schottky-Emitters ohne wesentliche Auf
lösungseinbußen möglich (weil die Extraktionselektrode nur bei
Primärenergien < ca. 5 keV auf einem stark positivem Potential
liegt). Beim Betrieb mit Gas in der Probenkammer macht sich
diese Beschränkung auf hohe Primärenergien gar nicht bemerk
bar, weil bei einem typischen Gasdruck von beispielsweise
10 hPa für größere Abstände zwischen der Probe 11 und der
Druckstufenblende 18 sowieso nur Primärenergien < 5 keV in
Frage kommen.
Dadurch, daß bei großen Arbeitsabständen die elektrostatische
Linse oberhalb der Druckstufenblende 18 ausgeschaltet wird,
findet neben der Auflösungsverbesserung auch eine Erweiterung
des Gesichtsfeldes statt, da die Verzerrungen am Rand des Ge
sichtsfeldes verschwinden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Druck-REMs, die bei großem Abstand zwischen
der Probe 11 und der Druckstufenblende 18 eine starke Vergrö
ßerung des Gesichtsfeldes bewirkt, besteht darin, daß statt
der Ablenkspulen 59 ein Doppelablenkelement verwendet wird.
Hiermit kann die Lage des Rasterzentrums auf der optischen
Achse frei gewählt werden. Das größtmögliche Gesichtsfeld wird
dabei erreicht, wenn um einen Punkt zwischen den beiden Druck
stufenblenden 18 und 44 gerastert wird, dessen Lage auf der
optischen Achse 79 so gewählt ist, daß das Gesichtsfeld sowohl
von der unteren Druckstufenblende 18 als auch von der darüber
liegenden Druckstufenblende 44 begrenzt wird.
Für Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Druck-REMs, die
bei hohem Druck in der Probenkammer (≧ 100 hPa) oder bei gerin
gen Primärenergien (< 2 keV bei beispielsweise 10 hPa) arbei
ten, entstehen Einschränkungen für den Arbeitsabstand und das
Gesichtsfeld dadurch, daß hierfür kleine Abstände (< 300 µm)
zwischen der Probe 11 und der Druckstufenblende 18 und ein
kleiner Durchmesser (< 300 µm) der Öffnung 16 zwingend notwen
dig sind.
Berührungen zwischen der Probe 11 und der Druckstufenblende 18
beim Bewegen des Probentisches können beim Betrieb mit Gas in
der Probenkammer für leitfähige Proben trotzdem sicher vermieden
werden. Hierzu wird eine Spannung zwischen der Probe 11
und der Druckstufenblende 18 angelegt und sind Schutzwider
stände eingebaut, so daß Gasentladungen zwischen der Probe 11
und der Druckstufenblende 18 zugelassen werden können und als
Warnzeichen für einen kleinen Abstand zwischen der Probe 11
und der Druckstufenblende 18 verwendet werden können. Eine an
dere Methode, mit der Berührungen auch zwischen nichtleitenden
Proben 11 und der Druckstufenblende 18 nach Vermessung der
Probentopographie sicher vermieden werden können, wird nach
folgend beschrieben.
Die Einschränkung des Gesichtsfeldes durch die Druckstufen
blendenöffnung 16 kann durch die nachfolgend beschriebenen
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Druck-REMs kompensiert
werden. Eine bevorzugte Ausgestaltung besteht in der Kombina
tion mit einem computergesteuerten Probentisch und einer Bild
verarbeitung, die es ermöglicht, mehrere elektronen
mikroskopische Einzelbilder zu einem größeren Gesamtbild zu
sammenzusetzen. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung besteht
in der Integration eines Auflichtmikroskopes oder eines konfo
kalen Lasermikroskopes in die Probenkammer. Hiermit wird vor
der Untersuchung mit dem Elektronenstrahl von der bereits auf
dem Probentisch montierten Probe ein Übersichtsbild aufgenom
men und vom Computer gespeichert. Bei großen Proben kann das
Übersichtsbild aus mehreren Einzelbildern zusammengesetzt
sein. In diesem Bild können mit Hilfe des Computers Stellen
markiert werden, die dann von dem computergesteuerten Proben
tisch für die rasterelektronenmikroskopische Untersuchung an
gefahren werden. Solche lichtmikroskopischen Übersichtsbilder
machen rasterelektronenmikroskopische Übersichtsbilder im
Druck-REM weitgehend überflüssig.
Wenn mit dem Auflichtmikroskop oder dem konfokalen Lasermikro
skop gleichzeitig auch noch die Probentopographie vermessen
und vom Computer gespeichert wird, dann kann bei der nachfolgenden
Untersuchung mit dem Elektronenstrahl auch der Arbeits
abstand vom Computer ohne zusätzliche Abstandskontrolle ein
gestellt werden und können beim Bewegen des Probentisches Be
rührungen zwischen der Probe 11 und der Druckstufenblende 18
sicher vermieden werden.
Claims (12)
1. Rasterelektronenmikroskop mit einem Strahlerzeuger und
einer Probenkammer, zwischen denen eine oder mehrere Druckstu
fenblenden angeordnet sind, durch deren Öffnungen ein Primär
elektronenstrahl auf eine Probe in der Probenkammer lenkbar
ist, wobei die der Probe nächste, unterste Druckstufenblende
(18), durch die der Primärelektronenstrahl auf die Probe
trifft, dazu eingerichtet ist, einen erhöhten Druck in der
Probenkammer gegenüber der übrigen Mikroskopsaule des Raster
elektronenmikroskops abzuschirmen und durch ihre Öffnung (16)
Sekundärelektronen oder Rückstreuelektronen von der Probe zu
mindestens einem Detektor durchzulassen,
dadurch gekennzeichnet, daß
oberhalb der untersten Druckstufenblende (18) mindestens eine
Elektrode (24, 43, 44, 50, 55) angeordnet ist, die gegenüber
der Druckstufenblende (18) auf positivem Potential liegt und
dazu eingerichtet ist, die Sekundärelektronen oder Rückstreu
elektronen von der Probe hin zum Detektor (51, 74, 91) zu be
schleunigen, der ein hochempfindlicher, gegenüber der Probe
positiv vorgespannter Detektor ist.
2. Rasterelektronenmikroskop mit einem Strahlerzeuger und
einer Probenkammer, zwischen denen eine oder mehrere Druckstu
fenblenden angeordnet sind, durch deren Öffnungen ein Primär
elektronenstrahl auf eine Probe in der Probenkammer lenkbar
ist, von denen die unterste Druckstufenblende (18) dazu einge
richtet ist, einen erhöhten Druck in der Probenkammer gegen
über der übrigen Mikroskopsaule des Rasterelektronenmikroskops
abzuschirmen, insbesondere Rasterelektronenmikroskop nach An
spruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Rasterlektrorenmikroskop zur Detektion der Sekundärelekt
ronen durch die Öffnung mindestens einer Druckstufenblende
eingerichtet ist, die schichtweise aus mindestens zwei leitfä
higen, voneinander elektrisch isolierten Schichten 28, 39,
43, 46) aufgebaut ist, wobei die leitfähigen Schichten derart
mit Potentialen beaufschlagbar sind, daß die Unter- und Ober
seite der jeweiligen Druckstufenblende eine Potentialdifferenz
besitzen.
3. Rasterelektronenmikroskop gemäß Anspruch 1 oder 2, bei
dem die unterste Druckstufenblende (18) und/oder die darüber
liegenden Elektroden (24, 28, 39, 43, 44, 50, 55) eine oder
mehrere elektrostatische Linsen bilden, die zur Fokussierung
des Primärelektronenstrahls im elektrischen Feld zwischen der
Druckstufenblende (18) und der darüberliegenden Elektrode (44
bzw. 39) bzw. zwischen den darüberliegenden Elektroden (24,
28, 39, 43, 44, 50, 55) eingerichtet sind.
4. Rasterelektronenmikroskop gemäß Anspruch 1 oder 2, bei
dem die Elektroden (24, 28, 39, 43, 44, 50, 55) konzentrisch
zur optischen Achse des Rasterelektronenmikroskops angeordnet
sind.
5. Rasterelektronenmikroskop gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei den die Oberfläche des Detektors (51, 75, 91)
zumindest in Teilbereichen auf einem Potential liegt, das ge
genüber dem Potential der Probe um mehr als 1.000 V positiv
ist.
6. Rasterelektronenmikroskop gemäß einem der vorhergehenden,
Ansprüche, bei den eine kombinierte elektrostatische und mag
netische Objektivlinse vorgesehen ist.
7. Rasterelektronenmikroskop gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei dem eine oder mehrere Elektroden (39, 44) oberhalb
der untersten Druckstufenblende (18) weitere Druckstufen
blenden bilden, wobei Pumpeinrichtungen zur Erzeugung von Un
terdrücken in den Zwischenräumen zwischen den Druckstufenblen
den vorgesehen sind.
8. Rasterelektronenmikroskop gemäß Anspruch 7, bei dem die
als Druckstufenblenden gestalteten Elektroden Öffnungen besit
zen, die eine charakteristische Dimension von weniger als 1,5 mm
besitzen.
9. Rasterelektronenmikroskop gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die zum Mikroskopbetrieb bei erhöhtem Druck
in der Probenkammer erforderlichen Bauteile (13, 18, 21, 24,
28, 31, 32, 34, 37, 39, 40, 42-46, 48, 49, 51, 53, 54, 57, 60,
63, 65, 68, 69) eine oder mehrere leicht demontierbare Bau
gruppen in der Probenkammer bilden.
10. Rasterelektronenmikroskop gemäß Anspruch 1, bei dem ein
erster Detektor (74) mit seinem äußeren Rand oder einer inne
ren Öffnung (77) an den Primärelektronenstrahl angrenzend an
geordnet und ein zweiter Detektor (91) vorgesehen ist, der in
Bezug auf die Bewegungsrichtung der Sekundärelektronen oder
Rückstreuelektronen hinter dem Rand bzw. der Öffnung des ers
ten Detektors (74) positioniert und zur Detektion von Sekun
därelektronen (85, 86) oder Rückstreuelektronen eingerichtet
ist, die sich am Rand vorbei- oder durch eine Öffnung (77)
hindurchbewegen.
11. Rasterelektronenmikroskop gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei dem eine Aperturblende (94) als Kombination mit
einem Sekundärelektronendetektor (91) ausgeführt ist.
12. Rasterelektronenmikroskop gemäß Anspruch 10 oder 11, bei
dem ein Magnetfeld (80) einstellbar ist, das simultan den Pri
märelektronenstrahl (82) nach Durchtritt durch eine Aperturblendenöffnung
auf die optische Achse (79) und die Sekun
därelektronen (85) von der optischen Achse (79) zum Detektor
ablenkt.
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