DE19929185A1 - Vorrichtung und Verfahren zur energie- und winkelaufgelösten Elektronenspektroskopie - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur energie- und winkelaufgelösten ElektronenspektroskopieInfo
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Abstract
Zur Abbildung eines Teilchenstrahls (108) aus geladenen Teilchen mit einer bestimmten Energie- und Winkelverteilung auf einer Detektoreinrichtung (140) mit einer Vorrichtung (100), die eine Ablenkeinrichtung (120) mit mindestens einer Abbremslinse (121-124), die dazu vorgesehen ist, im Teilchenstrahl (108) im wesentlichen parallele Teilchenbahnen (109) auszubilden, deren gegenseitige Abstände der Winkelverteilung der Teilchen entsprechen, und eine Filtereinrichtung (130) umfaßt, die zwischen der Ablenkeinrichtung (120) und der Detektoreinrichtung (140) angeordnet ist, wobei die Filtereinrichtung (130) mit einem Potential zur Bildung eines Abbremsfeldes beaufschlagbar und dazu eingerichtet ist, für die Teilchen energieselektiv durchlässig zu sein, ist probenseitig vor der Ablenkeinrichtung (120) ein Eintrittsfenster (111) in Form einer axialsymmetrischen Stufenblende oder eines Eintrittsgitters angeordnet, das von der Ablenkeinrichtung (120) elektrisch getrennt ist und auf Massepotential liegt.
Description
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Abbil
dung eines aus geladenen Teilchen mit einer bestimmten Ener
gie- und Winkelverteilung bestehenden Teilchenstrahls auf
einen Detektor, und ein Spektrometer, insbesondere für Elek
tronenbeugungsmessungen, mit Energie- und Winkelauflösung.
Bei der Bestrahlung einer Materialprobe mit elektromagneti
scher Strahlung oder geladenen Teilchen kann es durch Wechsel
wirkungsvorgänge in der Probe zur Abstrahlung geladener Teil
chen kommen, deren Raum- (oder Winkel-) und Energieverteilung
Rückschlüsse auf physikalische oder chemische Vorgänge bei der
Wechselwirkung oder auf Merkmale der beteiligten Teilchensor
ten oder des Wechselwirkungsbereiches zulassen. Auf dieser
Grundlage wurden zahlreiche Analyseverfahren, z. B. unter Ver
wendung von Elektronenbeugungsuntersuchungen oder spektrosko
pischen Untersuchungen, realisiert.
Ein Problem der bekannten Analyseverfahren ist die gleichzei
tige Erfassung der Winkel- und der Energieverteilung eines
Teilchenstrahls (z. B. aus Elektronen, Ionen oder Tonengruppen,
Atomen oder Atomgruppen). Beispielsweise besteht bei der Un
tersuchung der Reflexion hochenergetischer Elektronen an einer
Probe (RHEED-Verfahren) ein Interesse an energiegefiltert auf
genommenen Beugungsbildern, um elastische und unelastische
Streuvorgänge voneinander zu trennen. Die Modellierung der
rein elastischen Streuungen erlaubt eine verbesserte Struktur
auflösung.
In DE-OS 197 01 192 werden herkömmliche Systeme zur simultanen
Orts- und Energieauflösung bei der Elektronenbeugungsuntersu
chung erläutert. Bei einer ersten Bauform wird ein Rasterme
chanismus implementiert, der eine Abtastung von Ausschnitten
des Beugungsbildes und deren Energieanalyse erlaubt, jedoch
störanfällig und zeitaufwendig ist, so daß insbesondere Echt
zeitanalysen, z. B. zur Beobachtung von Oberflächenveränderun
gen an Festkörpern, nur eingeschränkt oder gar nicht möglich
sind. Eine echte simultane Energie- und Winkelauflösung wird
erst mit einer zweiten Bauform erreicht, bei der ein Beugungs
bild durch Filterpaare oder -tripel (allgemein: Gruppen von
Filterelektroden) beobachtet wird. Zwischen den Filterelektro
den werden vorbestimmte Abbremsfelder ausgebildet, die bei
spielsweise von elastisch gestreute Elektronen durchlaufen
werden und die inelastisch gestreuten Elektronen reflektieren.
Zur Realisierung der zweiten Bauform werden beispielsweise von
Y. Horio in "Jpn. J. Appl. Phys.", Bd. 35, 1996, S. 3559 ff.,
Filterelektroden in Form von Kugelgittern beschrieben, die je
doch wegen des zwangsläufig kleinen Arbeitsabstandes, der ge
ringen Energieauflösung und einer Anfälligkeit gegenüber Ver
unreinigungen nachteilig sind. Demgegenüber wurde gemäß
DE-OS 197 01 192 (s. Fig. 16) eine Verbesserung durch die Ver
wendung von Filterelektroden in Form ebener Gitterelektroden
3, 4 und die Kombination derartiger Filterelektroden mit einer
Ablenkeinrichtung 1 zur Ausbildung paralleler Elektronenstrah
len erzielt, deren gegenseitige Abstände der Winkelverteilung
der Elektronen entsprechen und die auf die Filterelektroden
gerichtet sind. Mit dieser Kombination paralleler Elektronen
bahnen mit ebenen Filterelektroden können zwar die obengenann
ten Nachteile der Technik nach Y. Horio in Bezug auf den Ar
beitsabstand des Detektors 2 von der Probe, die Empfindlich
keit und die Robustheit der Abbildungseinrichtung überwunden
werden. Für Meßaufgaben mit extremen Anforderungen kann die
Abbildungsqualität (hochauflösende Elektronenbeugung), bei
denen beispielsweise der Abstand von Beugungsmaxima mit hoher
Genauigkeit gemessen werden muß, treten jedoch auch bei der
Technik mit den ebenen Filterelektroden einschränkende Bild
fehler auf.
Die Bildfehler bei der herkömmlichen energieselektiven Abbil
dung werden insbesondere durch eine inhomogene Streuwinkelfo
kussierung und durch störende Moire-Muster an den gitterförmi
gen Filterelektroden 3, 4 verursacht. Die beschränkte Qualität
der Streuwinkelfokussierung führt dazu, daß insbesondere bei
größeren Streuwinkeln der Zusammenhang zwischen den Abständen
der parallelen Teilstrahlen und der Winkelverteilung der ge
streuten Elektronen nicht mehr linear ist. Je nach Anwendungs
fall wird dadurch die Bildgröße und/oder die Auflösung der Ab
bildung beschränkt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Vorrichtungen
und Verfahren zur winkel- und energieauflösenden Abbildung
eines Teilchenstrahls anzugeben, die sich durch eine erhöhte
Abbildungsqualität, insbesondere durch erweiterte Streulicht
bilder und/oder höhere Auflösungen bei der Abbildung, aus
zeichnen. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung, ein ent
sprechend ausgestattetes Spektrometer und Verfahren zu dessen
Betrieb und Verwendung anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung, ein Spektrometer
und ein Verfahren mit den Merkmalen der Gegenstände von
Patentanspruch 1 bzw. 13 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsfor
men der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
Ein erster wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung besteht in
der Ausstattung einer Abbildungseinrichtung zur energie- und
winkelselektiven Abbildung geladener Teilchen, z. B. Elektro
nen, mit einer vorgeschalteten Eintrittsblende oder einem vor
geschalteten, sich quer zum Teilchenstrahl erstreckenden Ein
trittsgitter. Das Eintrittsgitter ist von der Ablenkeinrich
tung elektrisch getrennt und liegt vorzugsweise aus Massepo
tential. Es dient der Begrenzung des probenseitig aus der Ab
lenkeinrichtung austretenden elektrischen Feldes und erlaubt
eine bessere Randstrahllenkung. Die Randstrahllenkung bedeu
tet, daß die Linearität des Zusammenhangs zwischen Streuwin
keln und Abständen der parallelisierten Teilchenbahnen auch
bei größeren Streuwinkeln hin zur Bildberandung gewährleistet
ist. Gemäß einer ersten Gestaltungsform ist das Eintrittsgit
ter ein im wesentlichen ebenes, auf der Achse der Ablenkein
richtung senkrecht stehendes Gitter, das vorzugsweise für die
Abbildung größerer Streuwinkelbereiche von bis zu +/- 10° aus
gelegt ist. Kommt es hingegen anwendungsabhängig mehr auf die
höchste Linearität (minimalste Verzerrung) bei der Abbildung
an, so wird gemäß einer zweiten Gestaltungsform des Eintritts
gitters dieses als Kugelgitter ausgebildet. Als Kugelgitter
besitzt das Eintrittsgitter die Form eines Kugeloberflächen
ausschnitts mit einem zugehörigen vorbestimmten Kugelradius.
Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung besteht
darin, eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur energie- und win
kelaufgelösten Abbildung eines Strahls geladener Teilchen auf
eine Detektoreinrichtung auf der Basis der obengenannten Kom
bination aus einer Ablenkeinrichtung zur Erzeugung paralleler
und abgebremster Teilchenstrahlen und einer Filtereinrichtung
dahingehend weiter zu entwickeln, daß die Filtereinrichtung
aus einem einzigen, in Bezug auf die parallelen Teilchenstrah
len senkrecht ausgerichteten Filtergitter besteht. Dies bedeu
tet, daß zwischen der Ablenkeinrichtung und der Detektorein
richtung lediglich eine, sich quer zu den Teilchenstrahlen er
streckende Filtergitter-Elektrode angeordnet ist und der Raum
zwischen der Ablenkeinrichtung und der Detektoreinrichtung im
übrigen frei von weiteren strahlformenden Elektroden ist. Das
Filtergitter bildet bei Zusammenwirkung mit der Ablenkeinrich
tung einen Gegenfeldanalysator, der beispielsweise bei Elek
tronenbeugungsuntersuchungen der Filterung inelastisch ge
streuter Elektronen dient.
Der Übergang von einer Gruppe von Filterelektroden zu einem
einzelnen Filtergitter stellt insbesondere in Zusammenwirkung
mit dem vorgeschalteten Eintrittsgitter einen wichtigen Vor
teil sowohl in Bezug auf die Vereinfachung des Gesamtaufbaus
als auch in Bezug auf die Abbildungsqualität dar. Es wurde vom
Erfinder überraschenderweise festgestellt, daß sich mit dem
Filtergitter die gleiche hochempfindliche Energieselektivität
wie bei der herkömmlichen Abbildungsvorrichtung erreichen
läßt, wobei jedoch keine Moire-Muster entstehen und damit die
Bildqualität verbessert wird.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Spektrometer, insbeson
dere ein Elektronenbeugungs- oder Elektronendiffraktions-
Spektrometer, das mit der oben beschriebenen Abbildungsein
richtung ausgestattet ist. Bevorzugte Anwendungen eines derar
tigen Spektrometers liegen bei Elektronendiffraktionsuntersu
chungen bei allen üblichen Energien (LEED, MEED, HEED, ent
sprechend Low-, Medium-, High-Energy-Electron Diffraction),
bei energie- und winkelaufgelösten Ionenstreuungsuntersuchun
gen, bei der Strukturanalyse durch elastische Streuung und
inelastische Diffusion (z. B. auf der Basis von Kikushi-Linien)
oder bei der winkelaufgelösten Elektronenspektroskopie. Der
Einsatz der erfindungsgemäßen Abbildungsvorrichtung ist jedoch
nicht auf die Verwendung in einem einfachen Beugungsspektrome
ter beschränkt. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch
als elektronischer Spiegel für die sogenannte "Time-of-
Flight"-Spektroskopie verwendet werden.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Abbil
dung eines Teilchenstrahls aus geladenen Teilchen mit einer
bestimmten Energie- und Winkelverteilung auf einer Detek
toreinrichtung, bei dem die Teilchen mit einer Ablenkeinrich
tung zu parallelen und abgebremsten Teilchenstrahlen oder
-bahnen geformt und auf ein Filtergitter gerichtet werden, das
im Zusammenwirken mit der Ablenkeinrichtung energieselektiv
Teilchen mit einer Energie oberhalb einer bestimmten Grenz
energie zu einem Detektor durchläßt und Teilchen mit geringe
ren Energie reflektiert. Gemäß einer bevorzugten Ausführungs
form der Erfindung durchlaufen die Teilchen vor Eintritt in
die Ablenkeinrichtung einen probenseitigen feldfreien Raum,
der mit einem ebenen oder kugelausschnittsförmigen Eintritts
gitter von der Ablenkeinrichtung abgeschirmt ist.
Die Erfindung bietet die Vorteile einer äußerst guten Energie
auflösung, die beispielsweise bei 10 keV Elektronenenergie rd.
2 eV beträgt. Ferner werden die Abbildungseigenschaften gegen
über herkömmlichen Vorrichtungen erheblich verbessert, was
sich insbesondere in einer Reduzierung der Verzeichnung bei
der Abbildung von Beugungsmaxima äußert. Weitere Vorteile er
geben sich aus dem einfachen Aufbau der erfindungsgemäßen Ab
bildungsvorrichtung, der Verzerrungsfreiheit der Abbildung
(verbesserte Streuwinkelfokussierung) und der Erweiterung der
Abbildungsdimensionen (Vergrößerung der auswertbar abbildbaren
Streuwinkel).
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im fol
genden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrie
ben. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungs
gemäßen Abbildungsvorrichtung in schematischer
Schnittansicht,
Fig. 2 eine Illustration der Vorrichtung gemäß Fig. 1
bei vollständiger Reflektion der Teilchen
strahlen,
Fig. 3 eine Illustration der Fokussierungseigen
schaften der Vorrichtung gemäß Fig. 1 bei
verschiedenen Streuwinkeln,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungs
gemäßen Abbildungsvorrichtung mit einem ebenen
Eintrittsgitter in schematischer Schnittansicht,
Fig. 5 eine Illustration der Vorrichtung gemäß Fig. 4
bei vollständiger Reflektion der Teilchen
strahlen,
Fig. 6 eine Illustration der Fokussierungseigen
schaften der Vorrichtung gemäß Fig. 5 bei
verschiedenen Streuwinkeln,
Fig. 7 eine weitere Ausführungsform einer erfindungs
gemäßen Abbildungsvorrichtung mit einem kugel
förmig gekrümmten Eintrittsgitter in schemati
scher Schnittansicht,
Fig. 8 eine Illustration der Fokussierungseigen
schaften der Vorrichtung gemäß Fig. 7 bei
verschiedenen Streuwinkeln,
Fig. 9 eine weitere Ausführungsform einer erfindungs
gemäßen Abbildungsvorrichtung mit einem kugel
förmig gekrümmten Eintrittsgitter in schemati
scher Schnittansicht,
Fig. 10 eine Illustration der Vorrichtung gemäß Fig. 9
bei vollständiger Reflektion der Teilchen
strahlen,
Fig. 11 eine Illustration der Fokussierungseigen
schaften der Vorrichtung gemäß Fig. 9 bei
verschiedenen Streuwinkeln,
Fig. 12 eine Kurvendarstellung zur Illustration der
Verzeichnung als Funktion des Streuwinkels für
die in den Fig. 1 bis 11 illustrierten
Ausführungsformen der Erfindung,
Fig. 13 eine Illustration der Energiefilterung eines
Beugungsbildes,
Fig. 14 eine Kurvendarstellung zur Illustration einer
Energieverlustmessung an einer Siliziumprobe,
Fig. 15 eine schematische Übersichtsdarstellung einer
RHEED-Apparatur, die mit einem erfindungs
gemäßen Spektrometer ausgestattet ist, und
Fig. 16 eine Schnittansicht einer herkömmlichen Abbil
dungsvorrichtung für Elektronenstrahlen (Stand
der Technik).
Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft unter Bezug auf
eine Vorrichtung zur Abbildung von Elektronenstrahlen mit
einer bestimmten Energie- und Winkelverteilung beschrieben,
ist jedoch nicht auf die Abbildung von Elektronen beschränkt,
sondern auch bei der Abbildung anderer geladener Teilchen ent
sprechend anwendbar.
Die Fig. 1 bis 3 zeigen in schematischer Schnittansicht eine
erfindungsgemäße Abbildungsvorrichtung 100 zur energie- und
winkelauflösenden Abbildung eines Elektronenstrahls 108, wobei
aus Übersichtlichkeitsgründen lediglich die in einem Gehäuse
101 untergebrachten Abbildungsstufen gezeigt sind. Die Abbil
dungsstufen umfassen im einzelnen einen Eintrittsbereich 110,
eine Ablenkeinrichtung 120, eine Filtereinrichtung 130 und
eine Detektoreinrichtung 140. Das Gehäuse 101 in Form eines
geraden Kreiszylinders enthält ferner Halterungsmittel zur An
bringung der genannten Komponenten im Gehäuseinneren, elektri
sche Anschlußeinrichtungen zur Beaufschlagung der Komponenten
mit den gewünschten Steuerspannung und zur Abnahme von Bildsi
gnalen von der Detektoreinrichtung 140 und äußere Halterungen
zur Anbringung des Gehäuses 101 beispielsweise an einem Spek
trometer. Diese Teile sind jedoch an sich bekannt und daher im
einzelnen nicht illustriert. Die geometrischen Dimensionen der
Abbildungsvorrichtung 100 werden anwendungsabhängig gewählt
und liegen beispielsweise im Bereich von rd. 5 cm bis 15 cm
für den Gehäusedurchmesser und dem 0.5 bis 1.5-fachen Gehäuse
durchmesser für die axiale Länge der Abbildungsstufen. Die
optische Achse der Vorrichtung 100 fällt mit der Zylinderachse
des Gehäuses 101 zusammen.
Der Eintrittsbereich 110 wird bei der dargestellten Ausfüh
rungsform der Erfindung durch ein Eintrittsfenster 111 in Form
einer stufenförmigen Blende gebildet. Das Eintrittsfenster 111
liegt vorzugsweise auf Massepotential, so daß probenseitig vor
der Abbildungsvorrichtung 100 ein feldfreier Raum gebildet
wird, und dient der Ausblendung von Anteilen des Elektronen
strahls 108 mit großen Streuwinkeln. Es ist beispielsweise
eine Ausblendung von Streuwinkeln oberhalb von +/- 6° vorgese
hen. Der stufenförmige Aufbau des Eintrittsfensters 111 umfaßt
ein axialsymmetrisch angebrachtes Ringblendenteil 111a, ein
sich axial erstreckendes, zylinderförmiges Teil 111b und ein
an dessen probenseitigen Ende angebrachtes weiteres Ringblen
denteil 111c. Der stufenförmige Aufbau erlaubt einen teilwei
sen Ausgriff der elektrischen Felder der Ablenkeinrichtung 120
auf deren Probenseite.
Die Ablenkeinrichtung 120 umfaßt bei der dargestellten Ausfüh
rungsform vier Abbremslinsen 121, 122, 123 und 124. Alternativ
können aber auch weniger (mindestens eine) oder mehr Abbrems
linsen vorgesehen sein. Die Abbremslinsen sind axialsymme
trisch auf der Innenseite des Gehäuses 101 angebracht und
vorzugsweise als Blechringe ausgebildet. Die Dimensionierung
und Ansteuerung der Abbremslinsen 121-124 wird anwendungsab
hängig gewählt. Es sind entweder für jede Abbremslinse eine
separate Anschlußeinrichtung zur Beaufschlagung mit einer
variablen Steuerspannung oder für alle Abbremslinsen eine ge
meinsame Anschlußeinrichtung und feste Teilerstufen zur Ein
stellung der Steuerspannungen an den einzelnen Abbremslinsen
vorgesehen.
In der Filtereinrichtung 130 ist ausschließlich ein Filtergit
ter 131 vorgesehen, das im Inneren des Gehäuses 101 zwischen
der in Richtung des einfallenden Elektronenstrahls 108 letzten
Abbremslinse 124 und der Detektoreinrichtung 140 angebracht
ist. Das Filtergitter 131 ist ein ebenes Gitternetz, das sich
senkrecht zur Gehäuseachse über den gesamten, durch das Ein
trittsfenster 111 und die Abbremslinsen 121-124 gebildeten
Einfallsbereich des Elektronenstrahls 108 erstreckt. Das
Gitternetz besitzt vorzugsweise eine hohe Transmission von rd.
T = 90% und wird durch ein rechteckiges oder schiefwinkliges
Streifen- oder Drahtgitter gebildet.
Die Detektoreinrichtung 140 umfaßt einen Leuchtschirm 141, der
mit geeigneten Sensormitteln (nicht dargestellt) zusammen
wirkt. Die Sensormittel können eine CCD-Kamera, eine Photo
diode und/oder einen Elektronenvervielfacher umfassen. Der
Leuchtschirm 141 ist zur Vermeidung von elektrischen Aufladun
gen vorzugsweise mit einem elektrisch leitenden Material auf
gebaut. Für sehr empfindliche Messungen mit geringen Strömen
kann der Leuchtschirm 141 auch durch einen Channel-Plate-
Elektronenvervielfacher ersetzt werden, hinter dem dann ein
angepaßter Leuchtschirm angebracht ist.
Im Betriebszustand tritt ein von der schematisch am linken
Bildrand in Fig. 1 illustrierten Probe 102 ausgehender Elek
tronenstrahl 108 durch das Eintrittsfenster 111 in die
Ablenkeinrichtung 120 ein. Der Elektronenstrahl 108 ist ein
Bündel von Elektronen, die nach Streuung an der Probenober
fläche divergente Teilchenbahnen bilden. In der Darstellung
sind die Bahnen durch Linien gezeigt, die jeweils eine Abstu
fung im Streuwinkel von 1° pro Linie besitzen. Der von dem
Eintrittsfenster 111 durchgelassene Ausschnitt der Winkelver
teilung für Streuwinkel unterhalb +/- 6° bildet eine Elektro
nenstromverteilung durch eine auf der Gehäsueachse senkrecht
stehende Bezugsebene. Die Elektronen bewegen sich unter dem
Einfluß der von den Abbremslinsen 121-124 ausgehenden elektri
schen Feldern in Richtung des Pfeiles A, wobei ein Elektronen
strahl 109 mit im wesentlichen parallelen, geraden Teilchen
bahnen geformt wird. Dabei werden die Elektronen durch in
Strahlrichtung steigende Gegenpotentiale der Abbremslinsen ab
gebremst. Der Elektronenstrahl 109 bildet eine der ursprüng
lichen Winkelverteilung entsprechenden Elektronenstromvertei
lung durch eine Bezugsebene senkrecht zur Bewegungsrichtung A,
wobei für große Streuwinkel große Abstände von der Gehäuse
achse und für geringe Streuwinkel geringere Abstände von der
Gehäuseachse ausgebildet werden.
Die Abbremslinsen erfüllen somit eine Doppelfunktion. Einer
seits werden die genannten parallelen Teilchenbahnen (soge
nanntes "paralleles Beugungsbild") ausgebildet. Andererseits
werden die Elektronen abgebremst, wobei die Abbremsung vor
zugsweise so stark ist, daß die Elektronen beim Durchtritt
durch die letzte Abbremslinse 124 eine möglichst geringe
Energie besitzen. Damit wird eine verbesserte Energieauflösung
am Filtergitter 131 erzielt. Es wird beispielsweise eine
Abbremsung um rd. 90% angestrebt, wodurch eine rd. 10-fache
Verbesserung der Energieauflösung erzielt wird.
Die stationären Potentiale, mit denen die Abbremslinsen 121-124
beaufschlagt werden, können auf der Grundlage der Elek
trostatik (z. B. zur Feldverteilung einzelner Linsen) in Abhän
gigkeit von der konkreten Bauform und der erforderlichen Ge
nauigkeit berechnet oder durch geeignete numerische Simu
lationen ermittelt werden. Als Eingangsgrößen für die Simu
lationen dienen insbesondere die Forderungen, daß die Teil
chenbahnen nach Durchtritt durch die Ablenkeinrichtung 140
parallel und stark abgebremst verlaufen sollen. Zur Paralle
lisierung wird beispielsweise eine Divergenz der Teilchenbah
nen von weniger als 0.5° als Simulationsbedingung berücksich
tigt. Eine weitere Bedingung besteht in der Einstellung einer
linearen Winkelabweichung. Dies bedeutet, daß der lineare Zu
sammenhang zwischen dem Streuwinkel und dem Abstand der jewei
ligen Teilchenbahn von der Zylinderachse auch bei großen
Streuwinkeln erhalten bleiben soll. Dadurch wird der als
Kissenverformung bezeichnete Abbildungsfehler minimiert. Die
Ermittlung der Potentiale der Abbremslinsen durch Berechnung
oder numerische Simulation erfolgt auch bei den unten erläu
terten, abgewandelten Ausführungsformen der Erfindung.
Nach Durchtritt durch die Abbremslinse 123 treffen die Elek
tronen auf das Filtergitter 131, das mit einer Potentialdiffe
renz (Filter-Abbremspotential) gegenüber der Abbremslinse 124
zur Bildung eines Abbremsfeldes derart beaufschlagt ist, daß
Elektronen mit einer Energie unterhalb einer vorbestimmten
Grenzenergie im Teilchenstrahl reflektiert (s. Pfeil B) und
nur Teilchen mit einer höheren Energie zur Detektoreinrichtung
140 durchgelassen werden. Die erreichbare Empfindlichkeit der
Energieselektivität ist von der Bauform des Filtergitters 131
und den Betriebsparametern, insbesondere der Stärke des Ab
bremsfeldes und der Größe der Gitteröffnungen (Maschengröße),
abhängig. Zur Erzielung einer hohen Abbildungsqualität werden
am Filtergitter 131 Gitteröffnungen der Größenordnung 300 µm
oder geringer bevorzugt.
Die Elektronen mit einer genügend hohen Energie treten durch
die Gitteröffnungen des Filtergitters 131 hindurch und treffen
auf den Leuchtschirm 141. Es kann vorgesehen sein, daß zwi
schen dem Leuchtschirm 141 und dem Filtergitter 131 ein Be
schleunigungspotential ausgebildet ist.
Beispielwerte für die Potentiale der Abbremslinsen 121-124
sind jeweils entsprechend -6 kV, -9 kV, -9.4 kV und -10 kV.
Das Feldgitter 131 liegt auf einem Potential von -7 kV.
Die in den Fig. 1 und 2 eingezeichneten Elektronenbahnen
illustrieren die Filterwirkung der erfindungsgemäßen Abbil
dungseinrichtung 100. Bei der Darstellung gemäß Fig. 1 besit
zen die Elektronen des Elektronenstrahls eine Energie von
10001 eV. Abgesehen von den Teilstrahlen mit hohen Streuwin
keln (+/- 6°), die nicht zu einer fehlerfreien Abbildung bei
tragen und daher am Filtergitter 131 reflektiert werden, tre
ten sämtliche Elektronen durch das Filtergitter 131 zum
Leuchtschirm 141 durch. Besitzen die Elektronen jedoch gemäß
Fig. 2 lediglich eine Energie von 9999 eV, so werden alle
Elektronen am Filtergitter 131 reflektiert und in die Abbil
dungsvorrichtung zurückgerichtet. Die Fig. 1 und 2 illustrie
ren die hervorragende Energieauflösung von rd. 2 eV bei einer
Elektronenenergie von rd. 10 keV.
Die Fig. 3 illustriert einen weiteren Vorteil der Erfindung,
nämlich die hervorragende Streuwinkelfokussierung, bei ver
schiedenen Streuwinkeln des Elektronenstrahls von 0° bzw. 5°.
Bei einer Elektronenstrahlausdehnung δx am Probenort wird bei
spielsweise eine Ausdehnung auf dem Leuchtschirm 141 mit einer
Dimension im Bereich von δx/5 bis δx/10 erzielt.
Ein besonderer Vorteil des Filtergitters 131 besteht in der
fokussierenden Wirkung der Maschen oder Gitteröffnungen. Durch
einen geringfügigen Feldurchgriff durch die Maschen bilden
diese jeweils eine kleine elektrooptische Linse. Dieser Fokus
sierungseffekt wird jedoch nur bei Elektronenenergien von rd.
2 bis 6 eV, d. h. für die bereits abgebremsten, langsamen Elek
tronen.
Die Fig. 4 bis 6 zeigen eine abgewandelte Ausführungsform der
Erfindung. Die Abbildungseinrichtung 100 ist, abgesehen von
den Eigenschaften des Eintrittsbereiches 110, im wesentlichen
identisch wie die Abbildungsvorrichtung 100 gemäß den Fig. 1
bis 3 aufgebaut. Für die gleichen Komponenten werden daher die
gleichen Bezugszeichen verwendet.
Gemäß Fig. 4 ist im Eintrittsbereich 110 ein im wesentlichen
ebenes Eintrittsgitter 112 vorgesehen, das sich senkrecht zur
Achse des zylinderförmigen Gehäuses 101 erstreckt. Das Ein
trittsgitter 112 liegt auf Massepotential, so daß probenseitig
vor der Abbildungsvorrichtung 100 ein feldfreier Raum gebildet
wird. Das Eintrittsgitter 112 erstreckt sich über den gesamten
Einfallsbereich des Elektronenstrahls 108 und ist vorzugsweise
wie das Filtergitter 131 als rechteckiges oder schiefwinkliges
Streifen- und Drahtnetz ausgebildet. Die geometrische Dimen
sionierung des Eintrittsgitters 112 wird anwendungsabhängig
gewählt. Beispielsweise ergibt sich bei einer großen Maschen
weite von rd. 300 µm eine hohe Transmission von rd. 90%, so
daß auch schwache Reflexe von der Probe abgebildet werden kön
nen. Dadurch wird jedoch die Auflösung der Abbildung be
schränkt. Bei kleineren Maschenweiten von bis zu rd. 50 µm ist
die Transmission mit rd. 60% geringer, wobei jedoch die Auflö
sung der Abbildung sich verbessert.
Das Eintrittsgitter 112 wird vorzugsweise als elektrolytisch
geätzte Platte hergestellt. Die Platte ist im wesentlichen
eben, so daß das Eintrittsgitter 112 Abweichungen von einer
ebenen Ausrichtung von weniger als 1/10 mm über der gesamten
Gitterfläche aufweist.
Die Fig. 4 und 5 zeigen analog zu den Fig. 1 und 2 die hohe
Energieselektivität der erfindungsgemäßen Abbildungsvorrich
tung 100. Elektronen, die von einer mit einer Spannung von
-300 V vorgespannten Probe ausgehen, werden mit einer Energie
von 10001 eV vom Filtergitter 131 durchgelassen (s. Fig. 4)
bzw. mit einer Energie von 9999 eV vom Filtergitter 131 re
flektiert (s. Fig. 5).
Fig. 6 illustriert analog zu Fig. 3 die verbesserte Streuwin
kelfokussierung an der erfindungsgemäßen Abbildungsvorrichtung
100 für einen Elektronenstrahl mit Streuwinkeln von 0° bzw.
3°. Neben dieser Verbesserung der Abbildungsqualität besteht
der Vorteil der Ausführungsform gemäß Fig. 4 in dem erweiter
ten Winkelbereich bei der Elektronenabbildung. Es können
Streuwinkel von bis zu +/- 10° mit hervorragenden Fokussie
rungseigenschaften abgebildet werden.
Beispielwerte für die Potentiale der Abbremslinsen 121-124 bei
der Ausführungsform gemäß den Fig. 4 bis 6 sind jeweils ent
sprechend -5,5 kV, -7,5 kV, -8,85 kV und -10 kV. Das Filter
gitter 131 liegt wiederum bei einem Potential von -7 kV.
Die Fig. 7 bis 11 illustrieren weitere Abwandlungen einer er
findungsgemäßen Abbildungsvorrichtung 100, bei denen im Ein
trittsbereich 110 jeweils ein Kugeleintrittsgitter 113 mit
einem geringen Kugelradius für geringere Winkelbereiche (Fig.
7, 8) oder einem größeren Kugelradius für große Winkelbereiche
von bis zu +/- 23° (Fig. 9 bis 11) vorgesehen ist. Das Kugel
gitter 113 besteht jeweils wie das Eintrittsgitter 112 bei der
oben erläuterten Ausführungsform aus einem Gitternetz mit ei
ner anwendungsabhängig gewählten Maschenweite. Es erstreckt
sich auf einer Kugeloberfläche mit einem anwendungsabhängig
gewählten Kugelradius im Bereich von rd. 50 mm bis 150 mm. Das
Kugeleintrittsgitter 113 ist in Bezug auf die optische Achse
der Abbildungsvorrichtung 100 axialsymmetrisch angebracht. Der
Gitterrand ist über eine ringförmige, in einer senkrecht zur
optischen Achse ausgerichteten Bezugsebene liegende Halterung
116 mit dem Gehäuseinneren verbunden. Der senkrechte Abstand
der Halterung 116 von der Probe 102 entspricht vorzugsweise
dem drei- bis vierfachen Wert des Radius des Kugeleintritts
gitters 113, kann aber auch geringer sein. Vorteilhafterweise
besteht keine empfindliche Abhängigkeit der Abbildungseigen
schaften der Abbildungsvorrichtung 100 vom Probenabstand, so
daß dieser anwendungsabhängig variieren kann.
Das auf Massepotential liegende Kugeleintrittsgitter 113 bil
det probenseitig einen feldfreien Raum und definiert eine er
ste Äquipotentialfläche der ersten Abbremslinse 121 des Ab
lenkbereiches 120.
Beispielwerte für die Potentiale der Abbremslinsen 121-124
sind jeweils entsprechend -4 kV, -5 kV, -8,6 kV und -10 kV
(Fig. 7) bzw. -3 kV, -7 kV, -8,8 kV und -10 kV (Fig. 9). Die
Filtergitter 131 liegen in beiden Fällen bei einem Potential
von -7 kV.
Ein Kugeleintrittsgitter wird wie folgt hergestellt. Ein Git
ternetz, wie es beispielsweise auch zur Bildung eines ebenen
Filtergitters aus einer Platte oder Folie geätzt wird, wird
auf eine kugelförmige Form gespannt und auf dieser beispiels
weise durch eine Beschichtung versteift. Anschließend wird das
nunmehr sich auf einer Kugeloberfläche erstreckende Gitternetz
am Rand mit einer geeigneten Halterung zur Anbringung im Ge
häuse versehen.
Der Vorteil der Anbringung des Kugeleintrittsgitter 115 be
steht in der weiteren Verbesserung der Linearität der Abbil
dung bei hohen Streuwinkeln. Die Verzerrung wird minimiert und
die Streulichtfokussierung wird verbessert. Dies ist in den
Fig. 8 bzw. 11 illustriert. Des weiteren wird die Energie
selektivität verbessert. So zeigt Fig. 9 den Hindurchtritt von
Elektronen mit einer Energie von 10006 eV durch das Filtergit
ter 131. Bei der entsprechenden Abbildung von Elektronen mit
einer geringeren Energie von z. B. 10004 eV werden diese am
Filtergitter 131 reflektiert (Fig. 10).
Fig. 12 illustriert die hohe Qualität der Abbildung von Elek
tronenstrahlen auch bei großen Streuwinkeln. Es ist die Abhän
gigkeit der Verzeichnung vom Streuwinkel dargestellt. Die mit
Version 1 bis Version 4 bezeichneten Kurvenverläufe entspre
chen den oben erläuterten Ausführungsformen gemäß den Fig. 1,
4, 7 bzw. 9. Die dargestellten Verzeichnungswerte sind mit
gattungsgemäßen Abbildungsvorrichtungen nicht erzielbar.
Bei Elektronenbeugungsuntersuchungen kann erfindungsgemäß zum
streifenden Einfall der Elektronenbestrahlung übergegangen
werden, so daß sich ein Bestrahlungsfleck in Form einer Ellip
se ergibt, die eine Querdimension im Bereich von 300 µm bis
1 mm und eine 5- bis 10-fach größere Längsdimension besitzt.
Durch die hervorragende Streuwinkelfokussierung werden alle
von einem derartigen Beleuchtungsfleck ausgehenden, parallelen
Strahlen auf einen Punkt fokussiert, der wegen der damit er
zielten Spot-Schärfe in seiner Lage genau vermessen werden
kann.
In Fig. 13 ist mit einer Bildfolge die Energiefilterung mit
einer erfindungsgemäßen Abbildungsvorrichtung bei der Untersu
chung der Elektronenbeugung an einer Siliziumprobe darge
stellt. Die (111)-Oberfläche der Siliziumprobe wird unter Ein
stellung einer Strahlspannung von Vp = 15000 V bestrahlt und
der gebeugte Elektronenstrahl mit Streuwinkeln von +/- 10° er
faßt. Dies entspricht einem Gesamtgesichtsfeld von 20°. Die
vier Einzelbilder zeigen das Beugungsbild bei verschiedenen
Abbremspotentialen des Filtergitters 131 (s. oben). Im einzel
nen wurden Abbremspotentiale von jeweils entsprechend
Vp - 300 V, Vp - 15 V, Vp - 2 V und Vp eingestellt. Die Energie
filterung liefert nicht nur eine saubere Trennung der Streure
flexe von Hintergrundstrahlen, sondern auch die Möglichkeit
einer genaueren Auswertung der Positionen der Streureflexe.
Fig. 14 illustriert eine mit einer erfindungsgemäßen Abbil
dungsvorrichtung durchgeführte Energieverlustmessung bei der
Streuung von Elektronen an der (111)-Oberfläche von Silizium
bei einer Temperatur von T = 585°C. Es ist die Abhängigkeit
des vom Detektor für einen bestimmten Reflex gelieferten
Detektorsignals (willkürliche Einheiten) von der Energie der
gestreuten Elektronen. Durch die Variation des Abbremspoten
tials des Filtergitters 131 gegenüber dem Ablenkbereich 120
kann der Streuanteil für die verschiedenen Energiebereiche
aufgenommen werden. Die Kurve x1 zeigt einen elastischen
Streupeak mit einer Halbwertsbreite von 3.4 eV. Im Bereich
inelastischer Streuungen (Kurve x5) können Anteile von Ober
flächenplasmonen (a), Volumenplasmonen (b) und Mehrfachstreu
verlusten (c) identifiziert werden.
Eine erfindungsgemäße Abbildungsvorrichtung wird vorzugsweise
an einem Diffraktionsspektrometer angebracht, das schematisch
in Übersichtsdarstellung in Fig. 15 illustriert ist. Fig. 15
zeigt eine RHEED-Apparatur mit einer RHEED-Elektronen
strahlquelle 350, einem erfindungsgemäßen Spektrometer 300,
Steuerungselementen 360 und einer Datenverarbeitungseinheit
370. Die Elektronenstrahlquelle 350 ist in an sich bekannter
Weise aufgebaut und zur Bestrahlung der Probe 320 vorgesehen.
Das gestreute Elektronenbündel wird vom Spektrometer 300 er
faßt, in dem eine Abbildungsvorrichtung gemäß einer der oben
erläuterten Ausführungsformen vorgesehen ist. Der Leuchtschirm
(hier mit dem Bezugszeichen 315) wird über zwei Meßkanäle si
multan beobachtet. Ein Strahlteiler 331 liefert ein Teilbild
an eine Bilderfassung mit einem zweidimensionalen Detektor
(z. B. einer CCD-Kamera 330) und ein Teilbild an einen schnell
ansprechenden, dynamischen Sensor 332 zur Erfassung eines in
tegralen Bildsignals, das die Leuchtdichte des gesamten Beu
gungsbildes repräsentiert.
Die Steuerungselemente 360 umfassen eine Versorgungseinheit
361 der Elektronenstrahlquelle 350, eine Ablenkeinheit 362 für
die Elektronenstrahlquelle 350, eine Spektrometersteuereinheit
360, ein Lock-in-System 364 und einen Stromverstärker 365. Die
Datenverarbeitungseinheit 370, die vorzugsweise durch eine
Computersteuerung implementiert wird, umfaßt eine Schaltung
371 zur Bereitstellung der Steuersignale für die Versorgungs
einheit 361, eine Schaltung 372 zur Vorgabe von Bestrahlungs
parametern, eine Schaltung 373 zur Lieferung von Spektrometer
steuersignalen, eine Schaltung 374 zur Lock-in-Datenaufnahme,
eine Schaltung 375 zur Steuerung von Wachstumsvorgängen mit
tels einer (nicht dargestellten) MBE-Apparatus und eine Schal
tung 376 zur Bildverarbeitung und -anzeige.
Weitere Einzelheiten des Spektrometeraufbaus gemäß Fig. 15
sind an sich aus DE-OS 197 01 192 bekannt, die hiermit in Be
zug auf Einzelheiten des Spektrometers und der Elektrodenan
steuerung bei der Elektronenabbildung vollständig in die vor
liegende Beschreibung einbezogen wird.
Die erfindungsgemäße energie- und winkelselektive Abbildung
geladener Teilchen kann wie folgt modifiziert werden. Abwei
chend vom oben erläuterten kompakten Aufbau der Abbildungsvor
richtung können in axialer Richtung bzw. Strahlrichtung ver
längerte Bauformen realisiert werden, falls beispielsweise die
Probe aufgrund ihrer Temperatur oder zur Vermeidung von Verun
reinigungen möglichst weit vom Detektor entfernt sein soll.
Ferner können innerhalb des Gehäuses zusätzlich Auffangelek
troden zur Aufnahme reflektierter oder vom Filtergitter 131
weggelenkter Teile des Elektronenstrahls 108 vorgesehen sein,
die die Elektronen, die nicht abgebildet werden sollen, absau
gen. Schließlich kann eine erfindungsgemäße Abbildungsvorrich
tung mit einer Einrichtung zur Verschiebung des Bildaus
schnitts versehen sein, wie sie DE-OS 197 01 192 bekannt ist.
Eine derartige Einrichtung wird beispielsweise durch eine Ab
lenk- und Justierspule gebildet und besitzt den Vorteil, daß
eine Bildausschnittswahl computergesteuert erfolgen kann, ohne
daß eine Verschlechterung des Vakuums im Probenraum erfolgt.
Claims (16)
1. Vorrichtung zur Abbildung eines Teilchenstrahls (108), der
geladene Teilchen mit einer bestimmten Energie- und Winkelver
teilung umfaßt, auf einer Detektoreinrichtung (140), wobei die
Vorrichtung (100) eine Ablenkeinrichtung (120) mit mindestens
einer Abbremslinse (121-124), die dazu vorgesehen ist, im
Teilchenstrahl (108) im wesentlichen parallele Teilchenbahnen
(109) auszubilden, deren gegenseitigen Abstände der Winkelver
teilung der Teilchen entsprechen, und eine Filtereinrichtung
(130) umfaßt, die zwischen der Ablenkeinrichtung (120) und der
Detektoreinrichtung (140) angeordnet ist, wobei die Filterein
richtung (130) mit einem Potential zur Bildung eines Abbrems
feldes beaufschlagbar und dazu eingerichtet ist, für die Teil
chen energieselektiv durchlässig zu sein,
dadurch gekennzeichnet, daß
probenseitig vor der Ablenkeinrichtung (120) ein Eintrittsfen
ster (111) in Form einer axialsymmetrischen Stufenblende oder
eines Eintrittsgitter (112, 113) angeordnet ist, das von der
Ablenkeinrichtung (120) elektrisch getrennt ist und auf Masse
potential liegt.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das Eintrittsgitter
ein ebenes Eintrittsgitter (112) ist, das senkrecht zur opti
schen Achse der Vorrichtung (100) angeordnet ist.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das Eintrittsgitter
ein Kugeleintrittsgitter (113) in Gestalt eines Kugeloberflä
chenausschnitts mit einem vorbestimmten Kugelradius ist.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der der Probenabstand
zwischen einer Probe (102), von der die geladenen Teilchen
ausgehen, und dem Kugeleintrittsgitter (113) dem drei- bis
vierfachen Betrag des Kugelradius entspricht.
5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das
Eintrittsgitter (112, 113) Gitteröffnungen mit charakteristi
schen Dimensionen besitzt, die kleiner oder gleich 300 µm be
tragen.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Filtereinrichtung
(130) ein Filtergitter (131) umfaßt und der Raum von der in
Strahlrichtung letzten Abbremslinse (124) der Ablenkeinrich
tung (120) bis zur Detektoreinrichtung (140) im übrigen frei
von Elektroden zur Teilchenstrahlformung ist.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der das Filtergitter
(131) so angeordnet ist, daß der Teilchenstrahl (109) mit den
parallelen Teilchenbahnen im wesentlichen senkrecht zur Fil
tergitterebene verläuft.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der das Filtergitter
(131) Maschengrößen mit charakteristischen Dimensionen umfaßt,
die kleiner oder gleich 300 µm betragen.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der zwischen der in
Strahlrichtung letzten Abbremslinse (124) der Ablenkeinrich
tung (120) und dem Filtergitter (131) ein Filter-
Abbremspotential anliegt, dessen Betrag eine Grenzenergie be
stimmt, wobei Teilchen mit einer Energie oberhalb der Grenze
nergie das Filtergitter (131) passieren können.
10. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
der die Detektoreinrichtung (140) einen Abbildungsschirm (141)
zur Bildung eines optischen Bildes und Sensormittel zur Erfas
sung des optischen Bildes umfaßt.
11. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
der die Abbremspotentiale der Abbremslinsen (121-124) und das
Filter-Abbremspotential des Filtergitters (131) für die Abbil
dung von Elektronen, Ionen, Ionengruppen oder geladenen Atom-
oder Molekülgruppen ausgebildet sind.
12. Spektrometer, das mit einer Abbildungsvorrichtung (100)
gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgestattet ist.
13. Verfahren zur Abbildung eines Teilchenstrahls, der gelade
ne Teilchen mit einer bestimmten Energie- und Winkelverteilung
umfaßt, auf einer Detektoreinrichtung (140), wobei der Teil
chenstrahl (108) eine Ablenkeinrichtung (120) mit mindestens
einer Abbremslinse (121-124) zur Ausbildung im wesentlichen
paralleler Teilchenbahnen (109) und eine Filtereinrichtung
(130) durchläuft, die für die Teilchen energieselektiv durch
lässig ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der in die Ablenkeinrichtung (120) eintretenden Teilchen
strahl (108) durch ein Eintrittsfenster (111) in Form einer
stufenförmigen Blende begrenzt wird oder durch ein probensei
tig vor der Ablenkeinrichtung (120) angeordnetes Eintrittsgit
ter (112, 113), durch das vor der Ablenkeinrichtung (120) ein
feldfreier Raum gebildet wird, hindurchtritt.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem der feldfreie Raum
durch ein ebenes oder kugelförmiges Eintrittsgitter (112, 113)
begrenzt wird.
15. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem der Teilchenstrahl
(108) in der Filtereinrichtung (130) ein Filtergitter (131)
durchläuft, das mit einem Abbremspotential gegenüber der in
Strahlrichtung letzten Abbremslinse (124) zur Bildung eines
Abbremsfeldes in Bezug auf die Ablenkeinrichtung (120) beauf
schlagt wird.
16. Verwendung einer Vorrichtung, eines Spektrometers oder
eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur
energie- und winkelaufgelösten Abbildung von Elektronen,
Ionen, Ionengruppen oder geladenen Atom- oder Molekülgruppen,
für Elektronendiffraktionsuntersuchungen, zur Strukturanalyse
durch Trennung elastischer und inelastischer Streuungen, zur
winkelaufgelösten Photo- und Auger-Elektronenspektroskopie
und/oder zur Bildung eines elektronischen Spiegels für die
"Time-of-Flight"-Spektroskopie.
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