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Gegenstand
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Elektronenquelle, insbesondere
für ein RHEED-Messsystem,
sowie auf ein RHEED-Messsystem als solches, und auf ein Verfahren
zur Strahlung eines Elektronenstrahls mit einer Elektronenquelle
auf eine Probe.
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Stand der
Technik
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Die
Beugung von Elektronen auf einer Kristalloberfläche ist in vielen Beziehungen ähnlich zu der
optischen Beugung von Licht oder Röntgenstrahlen. Für beides
gilt das Bragg'sche
Beugungsgesetz, welches das Auftreten und die Größe des Beugungsdiagramms bestimmt.
Zwei wesentliche Parameter des einfallenden Strahls finden sich
im Bragg'schen Beugungsgesetz,
nämlich
seine Wellenlänge
und der Einfallswinkel. Da die Wellenlänge, die den Elekronen zugeordnet
ist, gering und vergleichbar kleiner als der Gitterabstand von Atomen
in Kristallen ist, wird Elektronenbeugung wie Röntgenbeugung verwendet, um
die atomare Struktur von Materialien zu analysieren. Da Elektronen
stark absorbiert werden, können
sie nicht in die Probe eindringen oder durch diese hindurchtreten.
Im Unterschied zur Röntgenbeugung
wird die Elektronenstrahlbeugung durchgeführt, indem der Elektronenstrahl
auf der Oberfläche reflektiert
wird. In Abhängigkeit
von dem Einfallswinkel des Elektronenstrahls wurden zwei wesentliche Beugungstechniken
entwickelt: bei einem großen Einfallswinkel,
z.B. bei senkrechtem Einfall, wird die geeignete Wellenlänge bei
niedrigeren Elektronenenergien im Bereich von 10 eV bis 300 eV er zielt.
Diese Technik wird „Low
Energy Electron Diffraction" (LEED)
genannt. Bei einem streifenden Einfallswinkel kann die Energie in
dem Bereich von 10.000 eV bis 60.000 eV, wesentlich höher sein.
Diese Technik wird „Reflection
High Energy Electron Diffraction" (RHEED)
genannt. Meistens ist der Einfallswinkel im Bereich von nur 2° bis 4°. Eine genaue
und stabile Justierung des Einfallswinkels ist zwingend erforderlich.
Nachjustierungen des Einfallswinkels sind häufig erforderlich, wenn die
Strahlenergie oder die Orientierung der Probe geändert werden.
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Die
RHEED-Technik hat sich in jüngster
Zeit zu einem wichtigen Untersuchungswerkzeug zur Überwachung
des Kristallwachstums in Vakuumkammern entwickelt. Es wird üblicherweise
verwendet, um in-situ die Qualität
und die Dicke des Materials während
des Wachstumsprozesses zu kontrollieren, das unter guten Vakuumbedingungen
mit einem Druck in dem Bereich von 10–6 bis
10–11 Torr
abgeschieden wird.
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Ein
herkömmlicher
Aufbau für
RHEED ist in 7 gegeben: ein Hochenergie-Elektronen-Emitter 5' erzeugt einen
dichten, gut kollimierten Strahl 7'. Der Strahl trifft mit einem geringen
Einfallswinkel auf die Oberfläche
einer Probe 1'.
Der Strahl 7' wird
gemäß der Kristallstruktur
der Oberfläche
gebeugt, und das Beugungsdiagramm wird auf einem fluoreszierenden
Schirm 20' beobachtet,
der innerhalb der Vakuumkammer auf der anderen Seite der Probe angebracht
ist.
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Der
Hochenergie-Elektronen-Emitter 5' ist mit Flanschen 3' und 4' an der Vakuumkammer 2' angebracht.
Die Achse des Flansches 3' kann
in Abhängigkeit
von der Kammergestaltung verschiedene Orientierungen aufweisen:
gewöhnlich
weist es zu dem Zentrum der Probe 1' hin, wobei die Achse jedoch auch
oft parallel zu der Oberfläche
verläuft,
wie es in 7 ge zeigt ist. Eine Ablenkstufe
(elektrostatisch oder magnetisch) 6'a, b wird verwendet, um den Strahl
auf die Probe 1' zu
justieren. Die Ablenkung sollte in zwei zueinander senkrechten Richtungen
X und Y gegeben sein. Die Ablenkstufe besteht aus zwei separaten
Einheiten 6'a und 6'b für die X-
und Y-Orientierung.
Die Ablenkstufe kann innerhalb (elektrostatisch oder magnetisch)
oder außerhalb
der Elektronenquelle (magnetisch) angeordnet sein. Optional kann
eine mechanische Einrichtung, die aus einem Vakuumbalg 8' und Justierschrauben 9' besteht, zugefügt werden,
um die Orientierung und die Position der Elektronenquelle in Bezug
auf die Probe zu justieren.
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Diese
herkömmliche
Gestaltung ist mit oder ohne mechanische Stufe der am häufigsten
verwendete herkömmliche
RHEED-Aufbau. Sie weist jedoch für
die folgenden neuen Anwendungen, insbesondere bei Einrichtungen
zur Wafer-Produktion und mit Umgebungen mit erhöhtem Druck starke Einschränkungen
auf:
- – Maschinen
zur Wafer-Produktion für
MBE, DVD usw. weisen eine große
Vakuumkammer auf. Die Entfernungen, die durch den Elektronenstrahl
zurückgelegt
werden, liegen im Meterbereich anstelle des Dezimeterbereiches.
Die Strahlposition und -stabilität
wird wesentlich stärker
durch Rest-Magnetfelder, wie das Erdmagnetfeld, und durch magnetische
Wechselfelder, die durch die Geräte
um den Strahl (meist mit der Frequenz der Hauptenergieleitung) erzeugt
werden, und durch magnetische Streufelder beeinflusst, die durch
andere Komponenten des Systems (wie Magnetron-Verdampfungsquellen)
erzeugt werden. Die Wirkung des reinen Erdmagnetfeldes (ungefähr 0.6 G)
wird wichtig: Bei einem 35 kV Elektronenstrahl, der innerhalb einer
Vakuumkammer 500 mm zurücklegt,
ergibt sich ein ringförmiger
Weg. Der Strahl wird von seiner ursprünglichen Achse abgelenkt und
sein Orientierungswinkel wird verändert. Der Ablenkwinkel ist
so groß wie
2.7° und
der Strahl-Offset- Abstand
beträgt
an der Probenposition 12 mm. In ähnlicher
Weise wird ein Wechselfeld von 80 mG den Strahl verbreitern (defokussieren),
wobei die Größe des Strahlflecks
auf bis zu 3 mm vergrößert wird.
- – Viele
Aufwachsgeräte
arbeiten bei erhöhtem Gasdruck
in der Kammer, und oft werden reaktive und/oder toxische Substanzen
verwendet. Die Elektronenquelle verwendet ein Filament, das auf Temperaturen
in dem Bereich von 800 °C
bis 1800 °C
erhitzt wird, um thermisch Elektronen zu emittieren. Das Vakuum
innerhalb der Elektronenquelle muss so gut wie möglich gehalten werden, um nicht
das Filament (durch Verdampfen und Verbrennen) zu beschädigen. Das
Filament wird auch durch Ionen beschädigt werden, die in dem Gas
innerhalb der Quelle erzeugt werden.
- – Die
Produktionsmaschinen laufen über
Monate, ohne anzuhalten oder die Kammer zu belüften. Große Materialmengen werden verdampft
und abgeschieden. Einiges von diesem Material erreicht den Elektronenemitter
und wird auf Teilen der Elektronenquelle abgeschieden. Das beschriebene
System wird auch in derart rauen Umgebungen, speziell wenn gefährliche
Elemente involviert sind, verwendet, um das elektronische System
zu schützen.
Neben der Erhöhung
der Zuverlässigkeit
der RHEED-Quelle
verringert es stark die Menge der Kontamination auf den Kathodenteilen,
die regulär
ausgetauscht werden müssen.
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Dementsprechend
resultieren die Hauptprobleme der herkömmlichen Systeme aus: 1 – einem großen Abstand
zwischen der Probe 1 und dem Flansch 3, 2 – einem
hohen Druck innerhalb der Kammer und 3 – dem Auftreten von magnetischen Streufeldern,
die durch einige Einrichtungen in der Kammer erzeugt werden.
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Mit
Blick auf die o.g. Probleme wurde eine verbesserte Gestaltung zum
Betrieb bei erhöhtem Druck
vorgeschlagen (siehe J.H. Guus et al. in „Appl. Phys. Lett.", Band 70, 1997,
Seite 1888–1890).
Wie in 8 gezeigt ist, wird eine Möglichkeit zum differentiellen
Pumpen dem Elektronenstrahlungssystem zugefügt. Eine kleine Apertur 10' (0.1 mm bis
2 mm) wird zwischen dem Emitter 5' und der Vakuumkammer 2' eingefügt. Ein
Pumpanschluss 11' ist
zum differentiellen Pumpen des Emittervolumens zugefügt. Ferner
ist eine weitere differentielle Apertur 13' zugefügt. Diese Apertur ist nahe
der Probe angeordnet, um den Abstand zu begrenzen, der von dem Elektronenstrahl 7' in schlechtem
Vakuum zurückgelegt wird.
Dies reduziert die Strahlabsorption und -diffusion aus dem Gas in
der Vakuumkammer. Der Raum zwischen den Aperturen 13' und 10' wird durch
den Flansch 12' ausgepumpt.
Der Elektronenstrahl von dem Emitter 5' wird präzise fokussiert und unter Verwendung
der Ablenkstufe 6'a,
b auf die kleine Apertur 13' ausgerichtet.
Der Strahl tritt in die Vakuumkammer 2' auf der Achse des Systems ein.
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Dies
ist die wesentliche Beschränkung
des Aufbaus. Um den Einfallswinkel zu justieren, müssen der
gesamte Aufbau, die Elektronenquelle, die Vakuumrohre und die Vakuumschläuche mechanisch
bewegt werden. Dies wird durch mechanische Positioniereinrichtungen 9'a, b erreicht,
die die Translation in die X- und Y-Richtungen (9'b) und eine
Neigung der Achse (9'a)
ermöglichen.
Die Amplitude der Versetzungen ist durch die Größe des inneren Rohres des Flansches 3' begrenzt. Dann
muss die Probe auch bewegt werden, um den Einfallswinkel zu optimieren.
Viele Vakuumsysteme haben jedoch eine mechanisch fixierte Probenposition,
und die Strahlausrichtung ist unter Verwendung dieses Aufbaus nicht
möglich.
Des weiteren ist die mechanische Justierung des Einfallswinkels
kein einfacher Vorgang. Aufgrund des Gewichts der Elektronenquelle
(10 bis 25 kg) und der Vakuumrohrverbindungen zu den Pumpen, die
für das
differentielle Pumpen verwendet werden, muss ein sehr robustes Vakuumbalgsystem 8' verwendet werden,
um die Anordnung genau in Position zu halten.
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EP 1 113 482 A1 offenbart
eine Hochenergie-Elektronenbeugungsvorrichtung mit einer Elektronenquelle,
einer axialen Ausrichtungs-Beugungsstufe, einer astigmatischen Korrekturelektrodenanordnung
und einer Abtastablenkelektrodenanordnung. G. J. H. Rijders et al.
("Appl. Phys. Lett.", Band 70, 1997,
S. 1888) offenbaren eine Technik für die in situ-Überwachung während der
gepulsten Laser-Deposition von komplexen Oxiden in hohem Sauerstoffdruck
unter Verwendung von Reflektions-Hochenergie-Elektronenbeugung.
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Aufgabe der
Erfindung
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Elektronenquelle
bereitzustellen, welche die Nachteile der herkömmlichen Systeme vermeidet.
Insbesondere soll ein System bereitgestellt werden, das eine verbesserte
Fähigkeit
zur Strahljustierung für
RHEED-Beugung ermöglicht.
Des weiteren sollen die Genauigkeit und Stabilität der Strahljustierung verbessert
werden.
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Diese
Aufgaben werden durch eine Elektronenquelle gelöst, welche die Merkmale von
Anspruch 1 umfasst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung
sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Gemäß einem
ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Elektronenquelle, insbesondere
für ein
RHEED-Messystem mit einem Elektronenemitter zum Erzeugen eines Elektronenstrahls
und einer ersten Ablenkstufe zum Strahlen des Elektronen strahls auf
eine Probe bereitgestellt, wobei eine zweite Ablenkstufe für eine elektronische
Strahlorientierungskorrektur zwischen der ersten Ablenkstufe und
der Probe, vorzugsweise nahe der Probe, vorgesehen ist. Die Bereitstellung
der zweiten Ablenkstufe eröffnet
die folgenden Vorteile. Das System ermöglicht die komplette elektronische
Strahljustierfähigkeit
für RHEED-Beugung
ohne mechanische Nachjustierungen der Vakuumteile (weder die Teile
der Elektronenquelle noch die Probenhalterungen müssen bewegt werden).
Diese neue Gestaltung ermöglicht
es, dass die Elektronenquelle und alle angebrachten Pumpeinrichtungen
in einer festen mechanischen Position angebracht sind. Die Strahlposition
auf der Probe sowie der Einfallswinkel können vollständig elektronisch gesteuert
werden. Die Genauigkeit und Stabilität des Strahls ist wesentlich
besser, als wenn mechanische Stufen verwendet werden.
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Erfindungsgemäß umfasst
die Elektronenquelle ein längliches,
vakuumdichtes, rohrförmiges Gehäuse, das
den Weg des Elektronenstrahls, der sich von dem Elektronenemitter über die
erste Ablenkstufe zu der zweiten Ablenkstufe bewegt, gegenüber der
Umgebung, z.B. einer Vakuumkammer trennt. Das Gehäuse hat
den Vorteil, insbesondere den Elektronenemitter gegen störende Einflüsse von der
Umgebung, z.B. von Reaktionsgasen zu schützen. Das Gehäuse ist
aus einem Material hergestellt, das magnetische Felder abschirmt.
Entsprechend können
Einflüsse
von magnetischen Streufeldern vermieden werden.
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Für einen
weiteren Schutz des Elektronenemitters ist der Innenraum des Gehäuses mit
mindestens einer Pumpeinrichtung zum Evakuieren des Innenraumes
des Gehäuses
verbunden. Vorzugsweise sind sowohl der Elektronenemitter als auch
der Innenraum des Gehäuses
beide mit zwei Pumpeinrichtungen verbunden, die eine differentielle
Vakuumpumpeneinrichtung bilden.
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Die
Wirkung von der mindestens einen Pumpeinrichtung kann weiter verbessert
werden, falls eine Apertur an oder nahe der zweiten Ablenkstufe vorgesehen
ist. Die Apertur repräsentiert
eine Barriere für
Gase, die von der Vakuumkammer in die Elektronenquelle wandern könnten. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen
hat die Apertur eine Punktform oder eine Schlitzform. Der Vorteil
der Punktform besteht in der Bereitstellung einer sehr kleinen Fläche, die
eine effektive Gasbarriere bildet. Der Vorteil der Schlitzform bezieht
sich auf eine erweiterte Justiermöglichkeit der Elektronenquelle.
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Für spezielle
Anwendungen kann es vorteilhaft sein, die Apertur mit einer dünnen Folie
abzudecken, die in der Lage ist, den Elektronenstrahl durchzulassen.
Die dünne
Folie repräsentiert
eine dichte Barriere für
jegliche Moleküle
innerhalb der Vakuumkammer oder von der übrigen Umgebung. Der Raum von
dem Elektronenemitter über
die ersten und zweiten Ablenkstufen zu der abgedeckten Apertur ist
vakuumdicht von der Umgebung getrennt.
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Diese
Ausführungsform
hat einen wesentlichen Vorteil. Sie erlaubt erstmalig, einen Elektronenstrahl
mit einer definierten Orientierung, insbesondere für RHEED-Messungen,
bei einem erhöhten Druck,
bis zum normalen atmosphärischen
Druck, bereitzustellen. Der Erfinder hat herausgefunden, dass die
Reichweite des Elektronenstrahls bei Normaldruck in Luft oder einem
anderen Gas aus Atomen mit geringer Atomzahl (z.B. reiner Stickstoff,
He usw.) groß genug
ist, um eine Beugungseinrichtung zu bauen. Die Probe muss nahe genug
an dem Austrittsfenster (Apertur mit der Folie), z.B. in dem Bereich
von 5 mm bis 25 mm, angeordnet sein.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein RHEED-Messystem, das mit der erfindungsgemäßen Elektronenquelle ausgestattet
ist. Das RHEED-Messystem kann zum herkömmlichen Betrieb unter Vakuumbedingungen
oder alternativ zum Betrieb unter atmosphärischem Druck angepasst sein.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zum Strahlen
eines Elektronenstrahls auf eine Probe bereitgestellt, wobei nach
der Erzeugung des Elektronenstrahls mit einem Elektronenemitter
und einem Ausrichten des Elektronenstrahls mit einer ersten Ablenkstufe
hin zur Probe ein weiterer Schritt der Korrektur der Orientierung
des Elektronenstrahls mit einer zweiten Ablenkstufe vorgesehen ist,
die zwischen der ersten Ablenkstufe und der Probe angeordnet ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird der Elektronenstrahl von der optischen Achse mit
der ersten Ablenkstufe abgelenkt, wobei der Strahl, der sich zwischen
den zwei Ablenkstufen bewegt, von der Achse verlängert wird, und die zweite
Ablenkstufe den Strahl zurück
hin zur Achse der Elektronenquelle biegt.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden unter
Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 bis 3:
schematische Illustrationen einer ersten Ausführungsform der Elektronenquelle gemäß der Erfindung,
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4 bis 6:
schematische Illustrationen von weiteren Ausführungsformen einer Elektronenquelle
gemäß der Erfindung,
und
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7 und 8:
schematische Illustrationen von herkömmlichen Elektronenquellen
(Stand der Technik).
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung
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Eine
erste Ausführungsform
einer Elektronenquelle 100 ist in 1 gezeigt.
Die Elektronenquelle 100 hat eine Grundstruktur wie ein
herkömmliches
System, das in 8 gezeigt ist. Entsprechende
Teile sind mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Der Elektronenemitter
(Elektronenkanone) mit einer ersten Ablenkstufe 6a, b ist
mit Flanschen 3, 4 an einer Vakuumkammer 2 (teilweise
gezeigt) montiert. Die Linie von dem Elektronenemitter 5 zu
der ersten Ablenkstufe 6a, b legt eine Achse der Elektronenquelle
fest. Die Vakuumkammer 2 ist ein Rezipient z.B. einer Abscheidungsvorrichtung
oder einer Messvorrichtung. Die Elektronenquelle 5 ist
zur Bestrahlung einer Probe 1 (z.B. eines Wafers) in der
Vakuumkammer, z.B. für
eine RHEED-Messung vorgesehen. Ein Pumpanschluss 11 ist
zum differentiellen Pumpen des Emittervolumens vorgesehen.
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Erfindungsgemäß ist eine
zweite Ablenkstufe 16a, b dem System zugefügt. Die
zweite Ablenkstufe 16a, b ist zwischen der ersten Ablenkstufe 16a, b
der Probe 1, d.h. auf der zu dem Elektronenemitter 5 entgegengesetzten
Seite der ersten Ablenkstufe 16a, b angeordnet. Vorzugsweise
ist die zweite Ablenkstufe 16a, b in Betrachtung der speziellen
mechanischen Randbedingungen in der Vakuumkammer (insbesondere Größe der Probe 1 und
der Probenhalterung, wobei Schatten vermieden werden) so nah wie
möglich
an der Probe 1 angeordnet. Der Abstand der zweiten Ablenkstufe
zu der ersten Ablenkstufe ist größer als
der Abstand von der zweiten Ablenkstufe zu der Probe (vor zugsweise
kleiner 10 cm). Die zweite Ablenkstufe 16a, b ist auf der
Achse der Elektronenquelle 5 angeordnet. Der Aufbau und
die Steuerung der Ablenkstufen sind als solche bekannt, so dass
weitere Einzelheiten dieser Komponenten hier nicht beschrieben werden.
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Der
Strahl- oder Strahlungsweg des Elektronenstrahls 7 zwischen
dem Elektronenemitter und den Ablenkstufen wird mit einem Gehäuse abgeschirmt.
Das Gehäuse
ist ein vakuumdichter Schlauch (oder Rohr) 14, der die
Elektronenquellenteile von der Vakuumkammer isoliert. Zwischen dem Emitter 5 und
dem Gehäuse
ist eine kleine Apertur 10 (0.5 bis 2 mm) eingefügt. Zum
Verringern des Effekts von Magnetfeldern kann der Schlauch 14 aus
magnetisch abschirmendem Material hergestellt sein, oder ein magnetisch
abschirmender Schlauch (oder ein Rohr) 15 kann zugefügt sein.
Bei dieser Ausführungsform
dient das Gehäuse
der mechanischen Verbindung der Elektronenquelle 5 mit
der Vakuumkammer 2.
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Ein
zweiter Pumpanschluss 12 ist zum differentiellen Pumpen
des Innenraumes des Gehäuses vorgesehen.
Die Pumpanschlüsse 11, 12 sind
mit mindestens einer Pumpeinrichtung, z.B. einer Vakuumpumpe verbunden.
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An
dem abgewandten Ende des Gehäuses ist
eine Austrittsapertur 13 an oder nahe der zweiten Ablenkstufe
vorgesehen. Die Austrittsapertur 13 kann eine kleine Fläche zum
differentiellen Pumpen oder eine größere Fläche aufweisen, falls ein differentielles
Pumpen nicht erforderlich ist.
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Die
Anordnung von 1, welche die Elektronenquelle 5,
eine Probenhalterung zum Tragen der Probe 1 und den Detektor 20 umfasst,
repräsentiert
ein RHEED-Messystem gemäß der Erfin dung. Weitere
Teile, wie z.B. eine Steuerschaltung, sind nicht gezeigt.
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Der
Strahlweg ist in 2 gezeigt, wo die Winkel aus
Klarheitsgründen überhöht sind.
Anstatt einem axialen Weg durch das System zu folgen, wird der Strahl
zweifach abgelenkt, bevor er die Apertur 13 verlässt. Der
Elektronenstrahl wird erst unter Verwendung der Ablenkstufe 6a,
b von der optischen Achse abgelenkt. Der Strahl, der sich zwischen
den zwei Ablenkstufen bewegt, wird von der Achse weggedehnt. Die
Ablenkstufe 16a, b, die nahe der Apertur 13 angeordnet
ist, biegt den Strahl zurück
hin zur Achse. Die Ablenkstärken
von 16a, b und 6a, b sind derart justiert, dass
der Strahl durch die Apertur 13 austritt. Der Strahl wird
dann in Bezug auf die Achse des Schlauches geneigt. Die Neigung
kann in Abhängigkeit
von den Justierungen der Ablenkungen in den X und Y-Richtungen in alle
Richtungen auftreten.
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Typische
experimentelle Werte sind die folgenden:
| Abstand
zwischen der Apertur 13 und der Probe 1: | 20
mm bis 60 mm. |
| Aperturdurchmesser: | 50 μm bis 1 mm
(wenn
differentielles Pumpen verwendet wird) |
| Maximaler
Neigungswinkel des Strahls: | 5° bis 20°. |
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Diese
Gestaltung erlaubt die Justierung des Einfallswinkels allein durch
eine elektrische Steuerung.
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3 illustriert
eine Ausführungsform
der Erfindung mit einer schlitzförmigen
Apertur. Der Auftreffpunkt des Elektronenstrahls auf die Probe wird sich
durch eine Änderung
des Einfallswinkels bewegen. Dies muss nicht eine ernsthafte Be schränkung sein,
es sei denn die Probe weist eine geringe Größe auf oder der Nutzer möchte einen
bestimmten Punkt auf der Probe analysieren. Die Verwendung einer schlitzförmigen anstelle
einer kleinformatigen Apertur eröffnet
die Möglichkeit,
sowohl den Einfallswinkel zu ändern,
als auch den Strahl auf einem festen Punkt zu halten. 3 zeigt
schematisch die Gestaltung der Apertur. Die lange Seite des Schlitzes 13 ist
senkrecht zu der Probenoberfläche
ausgerichtet. Wird ein Abstand von dem Schlitz zu der Probe von
50 mm angenommen, so ermöglicht
ein Schlitz mit einer Länge
von 5 mm ein Variationsbereich von ungefähr 6°.
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Da
der Schlitz einer Fläche
aufweist, die größer als
die einer kleinen Apertur ist, könnte
die Wirksamkeit des differentiellen Pumpens verringert sein. Ein
bevorzugter Wert ist eine Schlitzgröße von 5 mm·0.1 mm. Diese Fläche kann
noch für
Drucke bis zu 100 mTorr in der Kammer verwendet werden.
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Die
Apertur 13 kann mit einer dünnen Folie abgedeckt sein,
die in der Lage ist, den Elektronenstrahl durchzulassen. Die Folie
stellt einen vakuumdichten Verschluss des Quellenvolumens gegenüber der
Vakuumkammer dar. Ein Material mit einer leichten Atomzahl sollte
verwendet werden, um die Absorption und die Streuung des Hochenergie-Elektronenstrahls
zu begrenzen. Eine Aluminium-, Magnesium-, Silizium- oder Kohlenstofffolie
mit einer Dicke unterhalb von 1 μm
ist bevorzugt. Die Strahldurchlässigkeit
bei 40 keV ist weitgehend oberhalb von 95%.
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Die
Quelle und die angeschlossenen Rohre können unter gutem Vakuum gehalten
werden, wobei eine kleine Pumpe verwendet wird, die wesentlich kleiner
als diejenige ist, welche für
das differentielle Pumpsystem verwendet wird. Selbst wenn die Folie Mikrolöcher oder ähnliche
Schäden
aufweist, wird das Pumpen um Größenordnungen
leichter. Die Abschirmung der inneren Quellenteile wird in der selben Weise
verwendet.
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Die 4 und 5 illustrieren
eine Ausführungsform
der Erfindung mit einer weiteren Strahlablenkung in der Vakuumkammer.
Diese Ausführungsform
ermöglicht
die Variation des Einfallswinkels, während der selbe Fleck auf der
Probe erhalten wird und eine kleinere Apertur verwendet wird. Sie
kann auch magnetische Felder innerhalb der Vakuumkammer kompensieren.
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Eine
dritte Ablenkstufe 17a, b ist vor der Apertur auf der Seite
der Vakuumkammer 2 angebracht. Der wie vorher abgelenkte
Strahl wird unter Verwendung der dritten Ablenkstufe 17a,
b hin zu der Probe rückorientiert.
Ablenkungen werden derart justiert, dass der Strahl auf einen festen
Fleck auf der Probe trifft. Diese Gestaltung stellt die beste Flexibilität bereit
und ist für
die höchsten
Kammerdrucke und/oder für
eine große
Vakuumkammer 2 bevorzugt, wo die exakte Position der Probe
in Bezug auf die Achse des Montageflansches nicht genau bekannt
sein kann.
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Die
zusätzliche
Ablenkstufe 17a, b kann auch verwendet werden, um magnetische
Felder zwischen der Austrittsapertur 13 und der Probe 1 zu kompensieren:
jedes restliche Magnetfeld, das in den Raum zwischen der Austritts-apertur 13 und
der Probe 1 austritt, wird die Probenwege krümmen. Die
Ablenkung 17 wird verwendet, um diese Drift zu kompensieren.
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Gemäß einer
modifizierten Ausführungsform kann
die Erfindung in einer Umgebung erhöhten Druckes und/oder unter
Bedingungen mit einem hohem Materialfluss angewendet werden (Doppelanwendungen
des Systems). Wenn sie unter guten Vakuumbedingungen in der Kammer
(unterhalb 10–6 Torr) verwendet
wird, schützt
sie sehr wirksam die Elektronenquelle gegen Kontaminationen durch
hohe Materialflüsse,
die zum Aufwachsen innerhalb der Vakuumkammer verwendet werden.
Ein typischer Aufbau ist in 6 gezeigt.
Die Aperturen sind vergrößert oder
sogar entfernt, und die Quelle erfordert nicht ein differentielles
Pumpen. Das Gehäuse 14, 15 (Schlauchaufbau)
wird einen sehr wirksamen Schutz gegen den Fluss von Materialien
hin zur Elektronenquelle bereitstellen.
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Zusätzliche
Pumplöcher 19 können verwendet
werden, um die Elektronenquelle gegenüber der Kammer besser abzupumpen,
während
der Kontaminationsfluss sehr niedrig gehalten werden kann.
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Die
Erfindung kann mit den folgenden weiteren Modifikationen realisiert
werden.
- – Für den besten
Betrieb sollte die Ablenkung in zwei zueinander senkrechten Richtungen
X und Y unter Verwendung getrennter Ablenkstufen betätigt werden,
die als 6a und 6b, 16a und 16b, 17a und 17b bezeichnet
sind. Da jedoch die Orientierung senkrecht zu der Probenoberfläche am meisten
Bedeutung hat, könnte
eine unidirektionale Gestaltung verwendet werden, vorausgesetzt, dass
die Ablenkstufen korrekt in Bezug auf die Oberfläche orientiert sind.
- – Die
Ablenkstufen 6a, b, 16a, b und 17a, b
können
innerhalb oder außerhalb
des Vakuumgehäuses
(Rohr) angeordnet sein.
- – Eine
magnetische Abschirmung ist gemäß der Erfindung
vorgesehen. Die Abschirmung kann ein Schlauch sein, der aus einem
magnetisch abschirmenden Material hergestellt ist, das innerhalb
oder außerhalb
des Vakuumrohres 14 zugefügt ist. Alternativ kann das
Vakuumrohr selbst aus einem magnetisch abschirmenden Material hergestellt
sein. Die Ablenkstufe 16a, b muss innerhalb der magnetischen
Abschirmung angeordnet sein. Die externe Ablenkstufe 17a,
b kann entweder innerhalb oder außerhalb der Abschirmung angeordnet
sein.
- – Die
Aperturen 13 und 10 müssen nicht eine Kreisform aufweisen,
sondern können
jede Form und Dicke aufweisen, sobald ein nutzbarer Elektronenstrahl übertragen
wird.
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Mit
einer erfindungsgemäßen Elektronenquelle
wurden die folgenden speziellen Ergebnisse erhalten. Das doppeldifferentielle
Pumpsystem wurde getestet und bei Drucken bis zu 1 Torr in der Kammer
betrieben. Dieser Wert ist der höchste
Druck, der bisher erreicht wurde. Das System ist sehr genau, stabil
und überraschend
einfach zu justieren.
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Die
Ausführungsform
gemäß 6 wurde
in einem Produktionsgerät
getestet. Die Stabilität
der Strahlposition auf der Probe ist bei einem Abstand von 600 mm
zwischen dem Flansch 3 und der Probe 1 besser
als 30 μm
und somit wesentlich besser als bei der Verwendung mechanischer
Justierungen.