DE3943211A1 - Abbildendes elektronenoptisches geraet - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem abbildenden elektronenoptischen Gerät mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmalen.

Bei einer Reihe von abbildenden elektronenoptischen Geräten wird aus Intensitätsgründen ein Bildverstärker benötigt. Beispiele hierfür sind Photoelektronen-Emissions­ mikroskope und Reflexionsmikroskope nach Bauer und Telieps. Letztere sind unter der Bezeichnung "Low energy electron reflection microscope" und den Abkürzungen LEERM oder LEEM in der wissenschaftlichen Literatur bekannt (W. Telieps und E. Bauer, Ultramicroscopy 17 (1985) 57).

Kanalplatten-Elektronenvervielfacher (im folgenden kurz "Kanalplatten", die im abbildenden elektronenoptischen Gerät direkt den Elektronen ausgesetzt werden, deren Verteilung das Endbild darstellt, stellen eine preiswerte Lösung des Bildverstärkerproblems vor allem dann dar, wenn große Bildflächen (d. h. eine große Anzahl von Bildpunkten) verstärkt werden sollen. Ein vollständiger Kanalplatten- Bildverstärker besteht aus der Kanalplatte und einem Durchsichtlumineszenzschirm, der in geringer Entfernung parallel zur Ausgangsfläche der Kanalplatte angeordnet ist. Die in den Kanälen verstärkte Elektronenverteilung wird zum Lumineszenzschirm hin beschleunigt und dabei auch approximativ fokussiert.

Es ist bereits bekannt, Kanalplatten-Bildverstärker in abbildenden elektronenoptischen Geräten, wie Photo­ elektronen-Emissionsmikroskopen und Reflexionsmikroskopen zu verwenden, siehe B.P. Tonner et al, Rev. Sci, Instrum. 59 (1988) 853 sowie Telieps et al, 1.c.

Die vorliegende Erfindung löst durch das kennzeichnende Merkmal des Patentanspruchs 1 die Aufgabe, die Empfind­ lichkeit eines gattungsgemäßen abbildenden elektronen­ optischen Gerätes zu verbessern.

Bei dem erfindungsgemäßen elektronenoptischen Gerät wird die Empfindlichkeit dadurch um ein Mehrfaches gesteigert, daß die Energie der bilddarstellenden Elektronen, die in den Kanalplatten-Elektronenvervielfacher eintreten, auf einen Wert verringert ist, bei dem der Kanalplatten- Elektronenvervielfacher eine wesentlich höhere Empfind­ lichkeit hat als bei den gewöhnlich mindestens 5-10³ keV bis zu einige 10⁴ keV betragenden Energien der normalerweise das Endbild des Gerätes darstellenden Elektronenverteilung.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des vorliegenden elektronenoptischen Gerätes ist die Vorrichtung zum Erzeugen des abbremsenden elektrischen Feldes eine elektrische Elektronenlinse, welche so ausgebildet und angeordnet ist, daß der Strahlengang der das Endbild darstellenden Elektronen teleskopisch ist, so daß die Elektronen unabhängig vom Bildort im wesentlichen senkrecht auf die Eintrittsfläche der Kanalplatte auftreffen. Der Winkel zwischen den gewöhnlich schräg zur Eintrittsfläche verlaufenden Kanalachsen und der Elektronen ist daher vom Ort des Bildes unabhängig. Eine Ortsabhänigigkeit der Kanalplattenempfindlichkeit infolge ortsabhängiger Elektroneneinfallsrichtungen wird dadurch vermieden.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele näher erläutert, dabei werden noch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung zur Sprache kommen. Es zeigen:

Fig. 1a eine schematische Darstellung eines elektro­ statischen Elektronenlinsensystems für ein abbildendes elektronenoptisches Gerät gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 1b eine graphische Darstellung des elektrischen Potentials ⌀ auf der z-Achse (Linsenachse) des Elektronenlinsensystems gemäß Figur 1a;

Fig. 1c eine Darstellung des Elektronenstrahlenganges im Elektronenlinsensystem gemäß Fig. 1a;

Fig. 2a eine schematische Darstellung eines magnetisch­ elektrostatischen Elektronenlinsensystems für ein elektronenoptisches Gerät gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2b eine graphische Darstellung der magnetischen Induktion B (gestrichelte Kurve) und des elektrischen Potentials ⌀ (ausgezogene Kurve) auf der Achse des Elektronenlinsensystems gemäß Fig. 2a, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Photoelektronen- Emissionsmikroskopes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1a zeigt schematisch ein rein elektrostatisches Linsensystem, welches als Verzögerungsprojektiv eines Elektronenmikroskops geeignet ist und einen Kanalplatten- Bildverstärker zur Verstärkung der Intensität des vom Elektronenlinsensystem erzeugten Elektronenbildes (Endbild) enthält. Das Elektronenlinsensystem gemäß Figur 1a kann beispielsweise ein Projekiv eines bekannten Elektronen­ mikroskopes bilden, das außerdem noch ein Objektiv und gegebenenfalls eine Zwischenlinse enthält (nicht dargstellt).

Bei dem Verzögerungsprojektiv gemäß Fig. 1a handelt es sich um ein Tetrodensystem mit Elektroden 12, 14, 16 und 18. Die Elektroden 12 und 16 enthalten, wie dargestellt, jeweils einen rohrförmigen und einen blendenförmigen Teil und bilden zusammen mit der im wesentlichen ring­ förmigen Elektrode 14 eine elektrostatische Einzellinse. Der rohrförmige Teil der Elektrode 16 und die ebenfalls rohrförmige Elektrode 18 bilden eine elektrostatische Rohrlinse.

Im Betrieb werden den Elektroden 12 bis 18 Potentiale U₁, U₂, U₃ bzw. U₄ zugeführt. Diese Potentiale sind auf das Potential einer nicht dargestellten Elektronenquelle normiert, welches gleich Null, d. h. Erdpotential ist.

An dem der Elektrode 16 abgewandten Ende der Elektrode 18 ist eine Kanalplatte 20 des Kanalplatten-Bildverstärkers 22 angeordnet, der außerdem noch einen Durchsicht-Lumineszenz­ schirm 24 aufweist, der auf der Innenseite eines Bild­ schirm-Fensters 26 angeordnet ist. Der Kanalplatte 20 werden übliche Betriebspotentiale über die Elektrode 18 und eine Rückseitenelektrode 28 zugeführt. An den Lumineszenzschirm 24, der mit einer Metallisierung versehen ist, wird eine geeignete Beschleunigungsspannung über eine Elektrode 30 angelegt.

Ein möglicher Satz von Potentialwerten ist z. B. U₁ = U₃ = 20 kV; U₄ = 1 kV, U₂ = 0 V. Die Erzeugung dieser Potentiale ist besonders einfach, da für das Linsensystem nur das Potential U₄ erzeugt zu werden braucht, welches so bemessen ist, daß sich die maximale Kanalplatten-Empfind­ lichkeit ergibt. Sind die Eigenschaften der Kanalplatte 20 bekannt und sind sie zeitlich nicht veränderlich, so kann U₄ fest gewählt werden.

Für diesen einfachen Satz von Potentialwerten läßt sich eine Linsengeometrie angeben, die vergrößert und verzeichnungs­ frei mit teleskopischem Strahlengang (Fig. 1c) abbildet. Es ergibt sich für das Potential ⌀ auf der Rotationsachse 32 der Linse die in Fig. 1b dargestellte ausgezogene Kurve. Muß U₄ jedoch bei einmal festgelegter Linsengeometrie verändert werden, so können die gewünschten Eigenschaften durch geeignete Potentialwerte für U₂ und U₃ wieder hergestellt werden. Ist also eine Variation von U₄ erforderlich, so müssen auch die Potentiale U₂ und U₃ variabel sein, um optimale Verhältnisse zu erreichen. Ist z. B. ein kleineres U₄ erforderlich, so wird U₃ < U₁ und U₂ < 0 und es ergibt sich ein Potentialverlauf ⌀(z), wie in Fig. 1b durch die gestrichelte Kurve wiedergegeben ist.

Das in Fig. 1a dargestellte Projektivlinsensystem kann als Doppellinse angesehen werden, die aus einer Einzellinse 12, 14-16 und einer Rohrlinse 16-18 besteht, wobei in der letzteren die Verminderung der Elektronengeschwindigkeit erfolgt. Der gewünschte teleskopische Strahlengang (Fig. 1c) wird dann erreicht, wenn der bildseitige Brennpunkt der Einzellinse mit dem gegenstandsseitigen Brennpunkt der Rohrlinse zusammenfällt. Das ist in Fig. 1c im Punkt F der Fall, in dem die parallel einfallenden Strahlen die Achse schneiden.

Das Aufteilen der Funktion des Linsensystems gemäß Fig. 1a in die Einzellinse und die Rohrlinse veranschaulicht die Wirkungsweise des Linsensystems und macht deutlich, daß ein Linsensystem mit den gewünschten Eigenschaften auch durch Kombination eines magnetischen und eines elektrostatischen Feldes erzeugt werden kann, wie es in Fig. 2a und 2b dargestellt ist.

Bei dem in Fig. 2a dargestellten Linsensystem, das als magnetisch-elektrostatisches Verzögerungsprojektiv verwendet werden kann, tritt an die Stelle der elektro­ statischen Einzellinse eine magnetische Linse 40 mit einem Eisenkreis 42 und einer Erregerwicklung 44. An diese elektromagnetische Linse 40 schließen sich eine Rohrlinse 46 und ein Kanalplatten-Bildverstärker 22 an, die im wesentlichen denen der Fig. 1a entsprechen. Auch hier bewirkt die Rohrlinse 46 eine Verringerung der Elektronengeschwindigkeit auf einen Wert, der eine möglichst hohe Empfindlichkeit des Kanalplatten-Bild­ verstärkers 22 gewährleistet.

Die optimale Energie der in den Kanalplatten-Bildverstärker eintretenden Elektronen hängt vom Typ der Kanalplatte und bis zu einem gewissen Grade auch von ihrer Vorgeschichte ab, z. B. ob sie längere Zeit Atmosphärendruck ausgesetzt war. Im allgemeinen liegen die Werte der optimalen Eintrittsenergien zwischen 200 und 2000 eV. Die Energie der in die Kanalplatte eintretenden Elektronen wird daher unter 3 keV liegen.

Fig. 3 zeigt schematisch ein Photoelektronen-Emissions­ mikroskop gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Das Elektronenmikroskop gemäß Fig. 3 enthält eine nicht näher dargestellte Vorrichtung 50 zur Halterung einer elektrisch leitfähigen Probe, deren Oberfläche zu untersuchen ist. Ferner enthält das Elektronenmikroskop ein elektronenoptisches Abbildungssystem mit einer elektrostatischen Objektivlinse 54, einer elektrostatischen Zwischenlinse 56 und ein Projektiv, welches eine elektro­ statische Einzellinse 58 sowie eine Rohrlinse 60 enthält. Die Objektebene des Abbildungssystems fällt mit der zu untersuchenden Probenoberfläche zusammen. In der Bildebene des Projektivs ist die Eingangsfläche eines Kanalplatten- Bildverstärkers 62 angeordnet. Zur Auslösung von Photo­ elektronen an der zu untersuchenden Oberfläche der Probe ist eine Strahlungsquelle 64 vorgesehen, welche optische (elektromagnetische) Strahlung 66 liefert, deren Quanten­ energie ausreicht, um Photoelektronen aus der Oberfläche der Probe 52 freizusetzen. Die freigesetzten Elektronen bilden eine Verteilung oder ein Elektronenbild, welches durch das elektronenoptische Abbildungssystem aus dem Objektiv 54, der Zwischenlinse 56, dem Projektiv mit der Einzellinse 58 und der Rohrlinse 60 vergrößert in die Eingangsfläche des Kanalplatten-Bildverstärkers 62 abgebil­ det wird. Das Objektiv 54 und die Zwischenlinse 56 erzeugen dabei ein Zwischenbild in der eintrittsseitigen Brennebene des Projektivs 58, 60, so daß sich der unter Bezugnahme auf Fig. 1c beschriebene teleskopische Strahlengang ergibt, der einen gleichbleibenden Eintrittswinkel der Elektronen über die ganze Eingangsfläche der Kanalplatte des Bild­ verstärkers 62 gewährleistet.

Das beschriebene Abbildungssystem 54, 56, 58, 60 sowie der Bildverstärker 62 und ein äußeres vakuumdichtes Gehäuse 68, das ein Fenster 71 zur Betrachtung des Lumineszenzschirms des Bildverstärkers 62 aufweist, sind an einem Normflansch 70 gehaltert, z. B. einem CF-Flansch NW 150, so daß die Anordnung in jeder Lage an einen entsprechenden Zugangs­ flansch einer Vakuumkammer angeflanscht werden kann. Die Baulänge des sich vom Flansch 70 nach innen (in Fig. 3 nach oben) erstreckenden Teils der Anordnung ist so gewählt, daß der Abstand zwischen einer Bezugs- oder Anlagefläche des Flansches 70 und der Objektoberfläche gleich 254 mm beträgt. Dies ist der Standardabstand für LEED-Optiken. Das Mikroskop paßt daher an jeden Flansch, der für eine LEED-Optik vorgesehen wurde.

Bisher war es üblich, das Objekt, d. h. die Probe 52, im Emissionsmikroskop auf negative Hochspannung zu legen. Dies ist hier nicht der Fall. Die Probe bleibt auf Erd­ potential, so daß alle vorhandenen Einrichtungen zur Heizung, Kühlung und Temperaturmessung der Probe und andere Probenmanipulationseinrichtungen weiter benutzt werden können. Hier liegt also ein sich nach innen erstreckender Tubus 72 des Mikroskops auf einer positiven Beschleunigungshochspannung, die im allgemeinen mindestens 5 kV beträgt und normalerweise im 10⁴ Volt-Bereich liegt, z. B. bei +20 kV. Der Tubus 72 ist mit den äußeren ring­ förmigen Elektroden der Objektivlinse 54 und der Zwischen­ linse 56 sowie der quellenseitigen kegelstumpfförmigen, ringförmigen Elektrode der Projektiv-Einzellinse 58 elektrisch und mechanisch verbunden. Das aus Metall bestehende Vakuumgehäuse 68 ist über den Flansch 70 geerdet und umschließt den sich nach außen erstreckenden Teil des Elektrodensystems, der die Verzögerungslinse 60 bildet, und den Kanalplatten-Bildverstärker 62. Die Halterung der verschiedenen Teile erfolgt, soweit erforderlich, durch isolierende Zwischenstücke, wie in Fig. 4 dargestellt ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform bestand die Strahlungsquelle 64 aus einer 200 W-Deuteriumlampe, die bevorzugt im Wellenlängenbereich von 180 bis 300 nm emittiert. Es sind selbstverständlich auch andere Strahlungsquellen verwendbar, z. B. Quecksilberhochdruck­ lampen. Strahlungsquellen mit kontinuierlicher Emission werden bevorzugt. Das Photoelektronen-Emissionsmikroskop gemäß Fig. 3 ist UHV-kompatibel und bis 250°C ausheizbar. Es kann bei Gasdrücken bis hinauf zu etwa 1,3 × 10^-2 Pa (10^-4 Torr) betrieben werden, ohne daß Überschläge zu befürchten sind. Das Gesichtsfeld hat größenordnungsmäßig einen Durchmesser von 0,5 mm. Die kleinste verzeichnungs­ freie Vergrößerung für Übersichtsbilder ist etwa 50 bis 100fach, die maximale Vergrößerung ist mindestens etwa 1000. Die Auflösung ist besser als 200 nm.

Claims (13)

1. Abbildendes elektronenoptisches Gerät mit einem elektronenoptischen Abbildungssystem (54, 56, 58, 60) in dem Elektronen einer abzubildenden Elektronen­ verteilung maximal auf Energien von mindestens einigen 10³ Elektronenvolt beschleunigt werden und ein reelles Bild der Elektronenverteilung in einer Bildebene erzeugt wird und mit einem zum Vervielfachen der Elektronen der abgebildeten Elektronenverteilung dienenden Kanalplatten- Bildverstärker (62), der eine mit der Bildebene zusammen­ fallende Eingangsfläche und einen im Wege der verviel­ fachten Elektronen angeordneten Luminenzenzschirm aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Weg der Elektronen vor der Eingangsfläche des Kanalplatten-Bildverstärkers (62) eine Vorrichtung (60) zum Erzeugen eines elektrischen Feldes angeordnet ist, das die Elektronen der abgebildeten Elektronenverteilung auf einen Wert abbremst, bei welchem der Kanalplatten-Bildverstärker eine höhere Empfindlichkeit hat als bei der maximalen Beschleunigungsenergie der Elektronen im Abbildungs­ system.

2. Gerät nach Anspruch 1, bei welchem das Abbildungssystem mit einer Beschleunigungsspannung von mindestens 5 kV arbeitet und das abbremsende elektrische Feld die Elektronen auf eine Energie unter 3 keV abbremst.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Erzeugen des abbremsenden elektrischen Feldes eine elektrostatische Linse (16, 18) ist.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostatische Linse (16, 18) einen Teil des elektronen­ optischen Abbildungssystems bildet und zusammen mit diesem einen teleskopischen Strahlengang der in der Eingangsfläche des Kanalplatten-Bildverstärkers (62) eintreffenden Elektronen erzeugt.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (16, 18), die das die Elektronen abbremsende Feld erzeugt, einen Teil eines Projektivs eines Elektronen­ mikroskops bildet.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektiv eine elektrische Einzellinse (12, 14, 16) und die elektrostatische Linse (16, 18), die das die Elektronen abbremsende elektrische Feld erzeugt, enthält (Fig. 1a).

7. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektiv eine elektromagnetische Linse (40) und die elektrostatische Linse (16, 18), die das die Elektronen abbremsende Feld erzeugt, enthält (Fig. 2a).

8. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (60), welche das die Elektronen abbremsende elektrische Feld erzeugt, einen Teil eines Abbildungssystems eines Elektronenmikroskops bildet.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (50) zur Halterung der Oberfläche einer zu untersuchenden Probe (52) in einer Objekt­ ebene des Elektronenmikroskops und eine Strahlungs­ quelle (64) zur Erzeugung einer Strahlung zur Auslösung von Elektronen aus der Oberfläche vorgesehen sind.

10. Gerät nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbildungssystem (54, 56, 58, 60) sowie der Kanalplatten-Elektronenvervielfacher (62) an einem Vakuum-Normflansch (70) gehaltert sind.

11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen einer Bezugsfläche des Flansches (70) und der Objektebene des Elektronenmikroskops gleich 254 mm ist.

12. Gerät nach einem der Ansprüche 8 bis 11, gekennzeichnet durch eine Anordnung zum Zuführen einer bezüglich Masse positiven Beschleunigungsspannung zum Abbildungssystem.

13. Gerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein sich vom Flansch (70) nach außen erstreckender Teil des Abbildungssystems und der Kanalplatten- Bildverstärker (62) mit einem metallischen Gehäuse (68) umgeben sind, welches mit dem Flansch (70) verbunden ist und ein Fenster (71) zur Betrachtung des Lumineszenz­ schirmes des Kanalplatten-Bildverstärkers aufweist.