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Die Erfindung betrifft eine teilchenoptische Vorrichtung,
die enthält:
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Teilchenquelle zum Erzeugen eines Primärstrahls aus elektrisch geladenen
Teilchen, die entlang einer optischen Achse der Vorrichtung laufen,
- – einen
Probenhalter für
eine Probe, die mit Hilfe der Vorrichtung untersucht werden soll,
- – eine
Fokussiervorrichtung zur Bildung eines Fokus des Primärstrahls
in der Nachbarschaft des Probenhalters,
- – eine
Abtasteinrichtung zum Abtasten der Probe mit Hilfe des fokussierten
Strahls,
- – eine
Erfassungseinrichtung zum Einfangen von elektrisch geladenen Teilchen,
die von der Probe stammen.
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Eine Vorrichtung dieser Art ist aus
US-A-4 785 182 bekannt.
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Vorrichtungen der dargelegten Art
sind als Rasterelektronenmikroskope (REM) bekannt. In einem REM
wird ein zu untersuchender Bereich einer Probe mit Hilfe eines Primärstrahls
aus elektrisch geladenen Teilchen, gewöhnlich Elektronen, abgetastet,
welche entlang einer optischen Achse der Vorrichtung laufen. Die
Beschleunigungsspannung für den
Elektronenstrahl in dem REM wird abhängig von dem Wesen der zu untersuchenden
Probe gewählt. Diese
Beschleunigungsspannung sollte einen vergleichsweise niedrigen Wert
(in der Größenordnung von
1 kV) haben, um die Aufladung der Probe durch den Primärelektronenstrahl
zu minimieren. Dies könnte
zum Beispiel während
der Untersuchung elektrisch isolierender Schichten in integrierten
elektronischen Schaltungen oder für gegebene biologische Proben
stattfinden. Für
manche Untersuchungen ist es außerdem
wünschenswert,
daß die
Elektronen des Primärstrahls
nur bis zu einer kleinen Tiefe in die Probe eindringen, was zu einem
besseren Kontrast des zu erzeugenden Bildes führt. Andere Proben erfordern
jedoch eine höhere
Beschleunigungsspannung, zum Beispiel in der Größenordnung von 30 kV.
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Die Bestrahlung der zu untersuchenden
Proben setzt elektrisch geladene Teilchen (im allgemeinen Sekundärelektronen)
frei, die eine wesentlich niedrigere Energie, zum Beispiel in der
Größenordnung
von 5 bis 50 eV, haben. Die Energie und/oder die Energieverteilung
dieser Sekundärelektronen bietet
Informationen was das Wesen und die Zusammensetzung der Probe anbetrifft.
Daher wird ein REM attraktiverweise mit einem Detektor für Sekundärelektronen
versehen. Diese Elektronen werden auf der Seite der Probe freigesetzt,
wo der Primärstrahl
einfällt,
woraufhin sie gegen die Einfallsrichtung der Primärelektronen
etwa entlang der Feldlinien der Fokussierlinse zurücklaufen.
Wenn ein Detektor in der Nachbarschaft der auf diese Weise zurücklaufenden
Sekundärelektronen
vorgesehen wird (der zum Beispiel mit einer Elektrode versehen ist,
die eine positive Spannung von 300 V hat), werden die Sekundärelektronen
daher von dieser Elektrode eingefangen, und der Detektor gibt ein
elektrisches Signal aus, das proportional zu dem auf diese Weise
erfaßten
elektrischen Strom ist. Das (Sekundärelektronen-) Bild der Probe
wird somit auf bekannte Weise gebildet. Mit Blick auf die Bildqualität, vor allem
die Geschwindigkeit, mit der das Bild gebildet wird, und das Signal-Rausch-Verhältnis ist
der erfaßte
Strom bevorzugt so groß wie
möglich.
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Gemäß dem angeführten US-Patent wird die zu
untersuchende Probe in einer Atmosphäre aus einem Gas bei einem
Druck zwischen 6,5 N/m2 (0,05 Torr) und
2630 N/m2 (20 Torr), also einem Druck, der um
ein Vielfaches höher
ist als der Druck, bei dem herkömmliche
REMs arbeiten, angeordnet. Das von der Spannung zwischen der Probe
und der Elektrode des Detektors erzeugte elektrische Feld beschleunigt die
von der Probe ausgehenden Sekundärelektronen auf
eine derartige Geschwindigkeit, daß sie in der Lage sind, die
Atome des Gases zu ionisieren, welches die Probe umhüllt. Während diesen
Io nisationen werden ein oder mehrere Elektronen von den Gasatomen
freigesetzt, wobei diese Elektronen selbst beschleunigt werden und
durch weitere Ionisationen wieder weitere Elektronen freisetzen
können, etc.
Das die Probe umgebende Gas wirkt auf diese Weise als ein Verstärker für den Sekundärelektronenstrom,
so daß der
zu erfassende Strom im Prinzip größer sein kann als der durch
die Sekundärelektronen
selbst verursachte Strom.
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Weitere Vorteile eines REM, das mit
einer Gasatmosphäre
arbeitet (auf das hier im weiteren als ein „REM mit kontrollierter Umgebung" oder UREM Bezug
genommen wird), gegenüber
dem herkömmlichen
REM bestehen darin, daß das
UREM die Bildung von elektronenoptischen Bildern von feuchten oder
nicht leitenden Proben (zum Beispiel biologischen Proben, synthetischen
Materialien, keramischen Materialien oder Glasfasern) ermöglicht,
die in den üblichen
Vakuumbedingungen in dem herkömmlichen
REM äußerst schwierig
abzubilden sind. Das UREM ermöglicht,
daß die
Probe in ihrem „natürlichen" Zustand gehalten
wird, ohne daß die
Probe den nachteiligen Auswirkungen von Trocknungs-, Einfrier- oder
Vakuumbeschichtungsarbeitsgängen unterworfen
werden muß,
welche normalerweise für die
Untersuchung mit Hilfe von Elektronenstrahlen unter Hochvakuumbedingungen
erforderlich sind.
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Aufgrund des vergleichsweise hohen
erlaubten Drucks in dem Probenraum des UREM neutralisieren die gebildeten
Gasionen außerdem
jede elektrische Aufladung einer nicht leitenden Probe, die andernfalls
die Bildung eines Bilds mit hoher Auflösung behindern könnte. Das
UREM ermöglicht
auch die direkte Beobachtung von Erscheinungen, wie etwa dem Flüssigkeitstransport,
chemischen Reaktionen, Lösung,
Kristallisation und anderen Prozessen, die bei einem vergleichsweise
hohen Dampfdruck stattfinden, der weit jenseits dessen ist, der
in dem Probenraum eines herkömmlichen
REM erlaubt ist, in Echtzeit.
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Es sollte im allgemeinen bemerkt
werden, daß UREMs
mit einer Atmosphäre
in dem Probenraum arbeiten können,
deren Druck ebenfalls außerhalb
des Bereichs liegt, der in dem an geführten US-Patent angegeben ist.
Es ist vor allem möglich, einen
niedrigeren Druck in dem Probenraum von zum Beispiel 1,3 N/m2 (0,01 Torr) zuzulassen.
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Es ist ein Nachteil der in dem US-Patent
offenbarten Vorrichtung, daß eine
vergleichsweise hohe Spannung an der Detektorelektrode erforderlich
ist, um eine ausreichende Anzahl aufeinanderfolgender Ionisationen
zu erhalten, und daß also
der Abstand zwischen der Probe und der Detektorelektrode nicht kleiner
werden kann als ein vergleichsweise großer Minimalabstand.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung,
eine teilchenoptische Abtastvorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht
zur Verfügung
zu stellen, bei der die Anzahl der Zusammenstöße zwischen den ionisierenden
Elektronen und den Gasatomen wesentlich höher wird als in der bekannten
teilchenoptischen Vorrichtung, während
die gleiche Geometrie der Probe und der Detektorelektrode verwendet
wird.
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Zu diesem Zweck ist die erfindungsgemäße teilchenoptische
Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zum
Erzeugen eines zusätzlichen
Magnetfelds in dem Raum zwischen der Erfassungseinrichtung und dem
Probenhalter enthält.
Im Kontext der vorliegenden Erfindung versteht sich, daß der Raum
zwischen der Erfassungseinrichtung und dem Probenhalter den Raum
bedeutet, der von elektrisch geladenen Teilchen durchquert wird, welche
von der Probe stammen.
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Es ist zu bemerken, daß es sich
in dem Kontext der vorliegenden Erfindung versteht, daß ein zusätzliches
Magnetfeld ein Magnetfeld bedeutet, das zusätzlich zu dem Magnetfeld gebildet
wird, das in der Fokussiervorrichtung gebildet wird, welche dazu dient,
einen Fokus des Primärstrahls
zu erzeugen, und das sich möglicherweise
wie im Fall einer Immersionslinse so weit wie die Probe erstrecken
kann.
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Wie bekannt ist, erfährt ein
Elektron, das sich in einem Magnetfeld bewegt, eine Kraft, die senkrecht
zur Bewegungsrichtung und auch senkrecht zu dem Magnetfeld gerichtet
ist. Bei Nichtvorhandensein eines Magnetfelds folgt ein Se kundärelektron,
das von der Probe zu der Detektorelektrode läuft, abgesehen von Richtungsänderungen
aufgrund von Zusammenstößen mit
Gasatomen, einem praktisch geraden Weg zu der Detektorelektrode.
Bei Anwesenheit eines Magnetfelds wird ein derartiges Elektron daher
von seiner Bewegungsrichtung zu der Detektorelektrode abgelenkt
und kann die Detektorelektrode sogar theoretisch im Fall gegebener
Feldgeometrien bei Nichtvorhandensein eines Energieverlusts nicht
erreichen. Als eine Folge läuft
dieses Elektron eine wesentlich längere Entfernung, so daß die Wahrscheinlichkeit
von Zusammenstößen mit
den Gasatomen erheblich erhöht
wird. Aufgrund der ionisierenden Zusammenstößen mit den Gasatomen verliert
ein derartiges Elektron während
seinem Weg jedes Mal eine gegebene Menge an Energie, so daß es letzten
Endes von der Detektorelektrode schließlich eingefangen werden kann.
Während
dieses beträchtlich
längeren
Wegs hat dieses Elektron daher eine proportional größere Anzahl
von ionisierenden Zusammenstößen erfahren
und folglich eine größere Anzahl
von Elektronen freigesetzt. Das gleiche gilt auch für die durch
derartige Zusammenstöße freigesetzten
Elektronen. Auf diese Weise wird eine Kaskade freigesetzter Elektronen
gebildet, wobei auf diese Weise sichergestellt wird, daß das zu
erfassende Signal viel größer als
bei Nichtvorhandensein eines zusätzlichen
Magnetfelds ist. Das zu erfassende Signal kann verschiedene Formen
annehmen, die alle eine Darstellung des von der Probe freigesetzten
Elektronenstroms bilden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung findet
die Erfassung des zu erfassenden Signals dadurch statt, daß die von
der Probe ansprechend auf den Einfall des Primärstrahls ausgehenden Signale aus
elektrisch geladenen Teilchen gebildet werden, die von der Probe
ausgehen. Dieser Strom aus elektrisch geladenen Teilchen von der
Probe kann der Strom aus Sekundärelektronen
(d. h. die Gesamtzahl von Elektronen, die aus der Probe freigesetzt
werden und den durch die Vervielfachung in der Gasentladung erzeugten
Elektronen) sein. Alternativ wird der Strom aus elektrisch geladenen
Teilchen, die von der Probe ausgehen, durch einem Strom aus Ionen
gebildet, der bei der Gasentladung entsteht, sich unter dem Einfluß des elektrischen
Felds zu der Probe bewegt und als ein Probenstrom gemessen werden kann.
Eine dritte Möglichkeit
besteht darin, daß der Strom
aus elektrisch geladenen Teilchen, die von der Probe ausgehen, durch
einen Strom aus Ionen gebildet wird, der bei der Gasentladung entsteht
und sich unter dem Einfluß zum
Beispiel eines von der Erfassungseinrichtung erzeugten elektrischen
Feldes zu einer Elektrode der Erfassungseinrichtung bewegt und als
ein Detektorstrom gemessen werden kann. Es ist alternativ möglich, zwei
oder mehr der auf diese Weise gebildeten Ströme zu kombinieren und das dann
entstehende Signal zu erfassen.
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Es ist zu bemerken, daß der Ausdruck „der Raum
zwischen der Erfassungseinrichtung und dem Probenhalter" im Kontext der vorliegenden
Erfindung als der Raum zu verstehen ist, der von elektrisch geladenen
Teilchen durchquert wird, die von der Probe stammen (und möglicherweise
von Teilchen, die durch diese Teilchen verursacht werden, wie etwa durch
Ionisation erzeugte Elektronen und Ionen), bevor diese Teilchen
von einer Detektorelektrode eingefangen werden.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird das zu erfassende Signal dadurch erfaßt, daß die von
der Probe ansprechend auf den Einfall des Primärstrahls ausgehenden Signale
aus Lichtsignalen gebildet werden, welche durch Gasionisationen
in dem Raum zwischen der Erfassungseinrichtung und dem Probenhalter
erzeugt werden. Dieser Effekt wird ebenfalls durch das zusätzliche
Magnetfeld verstärkt,
weil es die Weglänge
der Elektronen und folglich die Anzahl der Ionisationen und auch
die dadurch erzeugte Lichtmenge erhöht.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen teilchenoptischen
Vorrichtung ist mit einer Einstelleinrichtung zum Einstellen der
Stärke des
zusätzlichen
Magnetfelds unabhängig
von der Fokussiervorrichtung versehen. Dies führt zu einem hohen Grad an
Verwendungsflexibilität
der Vorrichtung und ermöglicht,
daß das
Magnetfeld an eine Vielzahl von Abbildungsparametern, welche Änderungen
unterworfen sind, zum Beispiel den Abstand zwischen der Probe und
der Objektiv linse, die Anzahl der Sekundärelektronen pro Primärelektron,
die Beschleunigungsspannung, den Gasdruck in dem Probenraum, die
Anzahl der Ionen, die zum Entladen der Probe erforderlich sind,
etc., angepaßt
wird.
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Die Einrichtungen zum Erzeugen des
zusätzlichen
Magnetfelds sind in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung angeordnet, um eine Feldform zu erzeugen, die praktisch
keine Auswirkung auf die Richtung des Primärstrahls hat. Eine derartige
Feldform kann von einem Fachmann ohne weiteres realisiert werden.
Beispiele für
derartige Feldformen sind eine Feldform, die um die optische Achse
rotationssymmetrisch ist, eine Feldform die eine n-Tupel-Symmetrie
um die optische Achse hat, wie im Fall von sich senkrecht zu der
Achse erstreckenden Mehrpolfeldern, oder eine Feldform mit Spiegelsymmetrie
in einer Ebene durch die Achse. Diese Feldformen bieten den Vorteil,
daß der
Primärstrahl
durch das zusätzliche
Magnetfeld praktisch nicht gestört
wird. Sollte ein derartiges Feld dennoch eine Störung verursachen, könnte diese
ohne weiteres durch eine Neueinstellung des (rotationssymmetrischen)
Felds der Objektivlinse kompensiert werden.
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Die Fokussiervorrichtung wird in
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung durch eine magnetische Schlitzlinse gebildet, und
die Einrichtungen zum Erzeugen des zusätzlichen Magnetfelds werden durch
eine Spule gebildet, die um die optische Achse herum und auf der
Außenseite
des Polstücks
auf der Seite der Linse, die der Probe zugewandt ist, gelegen ist.
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Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, daß das auf
diese Weise gebildete Feld automatisch rotationssymmetrisch um die
optische Achse ist. Alle Störungen
des Primärstrahls
durch das zusätzliche Magnetfeld
können
dann ohne weiteres durch eine Neueinstellung der Anregung der ebenfalls
rotationssymmetrischen Schlitzlinse kompensiert werden.
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Die Fokussiervorrichtung wird in
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung durch eine magnetische Monopollinse mit einem Polstück gebildet, das
sich als ein Trichter um die optische Achse herum erstreckt und
dessen Ende mit kleinerem Durchmesser dem Probenhalter zugewandt
ist, wobei die Einrichtung zum Erzeugen des zusätzlichen Magnetfelds durch
eine Spule gebildet wird, die um die Außenseite des trichterförmigen Polstücks angeordnet ist.
Diese Ausführungsform
bietet den Vorteil, daß das
Eisen der Monopollinse verwendet wird, um das zusätzliche
Magnetfeld zu bilden, so daß kein
oder fast kein zusätzliches
Eisen erforderlich ist, um das Feld zu bilden, und das auf diese
Weise gebildete Feld automatisch rotationssymmetrisch um die optische
Achse gelegen ist. Außerdem
belegt die Spule zum Erzeugen dieses Felds dann nur einen vergleichsweise
kleinen Nutzraum in der Probenkammer.
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Die um die Außenseite des trichterförmigen Polstücks angeordnete
Spule ist in einer anderen Ausführungsform
der Erfindung in einem Bereich des Endes mit dessen kleinerem Durchmesser
gelegen. Auf diese Weise wird das zusätzliche Feld in einem Bereich
erzeugt, wo es am meisten benötigt
wird, d. h. in der Nachbarschaft des Raums zwischen der Probe und
der unteren Seite des Objektivs.
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Die Einrichtungen zum Erzeugen des
zusätzlichen
Magnetfelds sind in noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung von
dem Elektronenstrahl aus gesehen unter dem Probenhalter gelegen. Diese
Ausführungsform
ist vor allem attraktiv, wenn die Rotationssymmetrie des Felds notwendig
ist, aber der Raum in der Nachbarschaft der Monopollinse für andere
Zwecke benötigt
wird, wie im Fall von großen
Halbleiterscheiben, die zur Kontrolle relativ zu der Monopollinse
gekippt werden müssen.
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Die Fokussiervorrichtung ist in einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung mit einer magnetischen Schaltung versehen, und die
Einrichtungen zum Erzeugen des zusätzlichen Magnetfelds werden durch
eine magnetische Schaltung gebildet, die mit einer Spule versehen
ist und getrennt von der magnetischen Schaltung der Fokussiervorrichtung
ist. Diese Ausführungsform
kann in Situationen vorteilhaft verwendet werden, in denen die magnetische Schaltung
nicht von anderen Feldern gestört
werden darf oder in denen die Bedienung des zusätzlichen Magnetfelds aus anderen
Gründen
unabhängig
von dem Objektivfeld sein sollte.
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Die magnetische Schaltung für das zusätzliche
Feld hat in einer anderen Ausführungsform
der Erfindung einen E-förmigen Querschnitt.
Feldkonzentrationen können
auf diese Weise ohne weiteres in der Nachbarschaft des zentralen
Vorsprung der magnetischen Schaltung erzeugt werden, zum Beispiel
können
eine oder mehrere Elektroden für
die Erfassung von Sekundärelektronen
in diesem Bereich angeordnet werden.
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Die Erfassungseinrichtungen enthalten
in einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung zwei Gitter, die in dem zusätzlichen Feld angeordnet sind und
auf ein anderes elektrisches Potential eingestellt werden können. Sekundärelektronen
können
auf diese Weise durch ein elektrisches Feld aus dem Bereich der
Probe in die Richtung der zwei Elektroden gezogen werden, wobei
die gewünschte
Verstärkung des
Detektorstroms aufgrund des Vorhandenseins des zusätzlichen
Magnetfelds an diesen Elektroden stattfindet. Das zusätzliche
Magnetfeld kann wiederum attraktiv aufgebaut werden, so daß es rotationssymmetrisch
um die optische Achse ist.
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Die Erfassungseinrichtungen sind
in noch einer anderen Ausführungsform
der Erfindung angeordnet, um ein elektrisches Mehrpolfeld um die
optische Achse herum zu erzeugen, welches sich senkrecht zu der
optischen Achse in dem gleichen Raum erstreckt wie das zusätzliche
Magnetfeld. Diese Ausführungsform
bietet den Vorteil, daß ein
vergleichsweise starkes Detektorfeld realisiert werden kann, während der
Primärelektronenstrahl
nur gering beeinflußt
wird. Außerdem
wird der Raumwinkel, in dem die Probe von der Elektrodenanordnung,
welche das elektrische Mehrpolfeld erzeugt, erkannt wird, auf diese
Weise sehr groß gemacht.
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Die Erfassungseinrichtungen (54)
sind in einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung auch angeordnet, um ein magnetisches Mehrpolfeld um die
optische Achse herum zu erzeugen, das sich quer zu der optischen
Achse in dem gleichen Raum erstreckt wie das elektrische Mehrpolfeld,
wobei das magnetische Mehrpolfeld das zusätzliche Magnetfeld bildet.
Diese Ausführungsform
vermeidet die Notwendigkeit einer getrennten Einrichtung zum Erzeugen
des zusätzlichen
Magnetfelds.
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Die Erfindung wird hier im weiteren
unter Bezug auf die Figuren detailliert beschrieben, wobei entsprechende
Bezugszeichen entsprechende Elemente bezeichnen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines teilchenoptischen Instruments, in
dem die Erfindung verwendet werden kann;
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2 schematisch
den Prozeß der
Elektronenvervielfachung mit Hilfe eines zusätzlichen Magnetfelds dar;
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3 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Probenraums
mit einer Elektronenlinse und einer Spule für ein zusätzliches magnetisches Feld;
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4 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Probenraums
mit einer Elektronenlinse und einer Spule für ein zusätzliches Magnetfeld;
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5 eine
schematische Darstellung noch einer weiteren Ausführungsform
eines Probenraums mit einer Elektronenlinse und einer anderen Ausführungsform
der Einrichtungen zum Erzeugen eines zusätzlichen Magnetfelds;
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6 eine
alternative Version von 5,
in der die Einrichtungen zum Erzeugen eines zusätzlichen Magnetfelds und der
Elektronendetektor benachbart zu der Elektronenlinse und der Probe
angeordnet sind;
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7 eine
schematische Darstellung noch einer anderen Ausführungsform eines Probenraums mit
einer Elektronenlinse und einer Spule für ein zusätzliches Magnetfeld;
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8 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Probenraums
mit einer besonderen Ausführungsform
des Sekundärelektronendetektors.
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1 zeigt
ein teilchenoptisches Instrument in der Form eines Teils einer Säule 2 eines
Rasterelektronenmikroskops (REM). Wie üblich erzeugt eine (in der
Figur nicht gezeigte) Elektronenquelle in diesem Instrument einen
Elektro nenstrahl, der entlang der optischen Achse 4 des
Instruments läuft.
Dieser Elektronenstrahl kann durch eines oder mehr elektromagnetische
Linsen, wie etwa die Kondensorlinse 6, laufen, woraufhin
er die Linse 8 erreicht. Diese Linse, die eine sogenannte
Monopollinse ist, bildet einen Teil einer magnetischen Schaltung,
die außerdem durch
die Wand 10 der Probenkammer 12 gebildet wird.
Die Linse 8 kann jedoch auch als eine herkömmliche
Schlitzlinse aufgebaut sein, wobei die magnetische Schaltung in
diesem Fall vollständig
in der Linse gelegen ist und die Wand 10 der Probenkammer 12 daher
kein Teil der magnetischen Schaltung ist. Die Linse 8 wird
verwendet, um einen Elektronenstrahlfokus zu bilden, womit die Probe 14 abgetastet
wird. Ein derartiges Abtasten finden statt, indem der Elektronenstrahl
mit Hilfe von in der Linse 8 vorgesehenen Abtastspulen 16 in
der x-Richtung ebenso wie in der y-Richtung über die Probe bewegt wird.
Die Probe 14 wird auf einem Probentisch 18 angeordnet,
der einen Träger 20 für die x-Verschiebung und
einen Träger 22 für die y-Verschiebung
umfaßt. Mit
Hilfe dieser zwei Träger
kann eine gewünschte Region
der Probe für
die Untersuchung ausgewählt werden.
Sekundärelektronen,
die zurück
in die Richtung der Linse 8 laufen, werden aus der Probe
freigesetzt. Diese Sekundärelektronen
werden von einem Detektor 24 erfaßt, der in der Bohrung dieser
Linse vorgesehen ist. Eine Steuerungseinheit 26 ist mit dem
Detektor verbunden, um den Detektor auszulösen und zum Beispiel mit Hilfe
einer Kathodenstrahlröhre
den Strom aus erfaßten
Elektronen in ein Signal umzuwandeln, das verwendet werden kann,
um ein Bild der Probe zu bilden. Obwohl der Detektor in dieser Figur
in der Bohrung der Monopollinse 8 angeordnet ist, ist es
alternativ möglich,
den Detektor in dem Raum zwischen der Probe 14 und der
Monopollinse 8 anzuordnen und ihn zum Beispiel als eine
flache Platte aufzubauen, wie in den folgenden Figuren mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet.
Die letztere Anordnung bietet Vorteile im Fall von UREMs, weil die
sich in der Gasatmosphäre
vervielfachenden Elektronen von dem plattenförmigen Detektor mit einem höheren Wirkungsgrad
eingefangen werden können.
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2 zeigt
schematisch den Prozeß der Elektronenvervielfachung
mit Hilfe eines zusätzlichen
Magnetfelds in einer Gasatmosphäre.
Der von einer vorhergehenden Objektivlinse 8 fokussierte
Primärelektronenstrahl
fällt entlang
der optischen Achse 4 der Vorrichtung (in der Figur nicht
gezeigt) auf eine Probe 14 auf einem Probenhalter 20 ein.
Unterhalb de Objektivlinse 8 ist eine plattenförmige Detektorelektrode 30 angeordnet,
die für
den Durchtritt des Primärstrahls
mit einer Öffnung
in ihrer Mitte versehen ist. Die Detektorelektrode 30 hat
eine positive Spannung, so daß die
in der Probe freigesetzten Sekundärelektronen in die Richtung
dieser Elektrode beschleunigt werden. Für die Einfachheit der Darstellung
wird in 2 angenommen,
daß ein
zusätzliches
Magnetfeld B sich, wie durch das Symbol 38 bezeichnet,
senkrecht zu der Zeichnungsebene erstreckt. Ein von der Probe 14 ausgehendes
Sekundärelektron
wird von dem elektrischen Feld, das von der Kombination aus der
positiven Elektrode 30 und der geerdeten Probe 14 erzeugt
wird, in die Richtung der Elektrode 30 beschleunigt. Aufgrund
der Geschwindigkeit des Elektrons wird es von dem Magnetfeld B abgelenkt,
so daß es
einem Zykloidenweg 40 folgt. Wenn es während des Laufs keinen Energieverlust
gäbe, würde das
Vorhandensein des Felds B verhindern, daß das Elektron jemals die Elektrode 30 erreicht.
Die Spannung an der Elektrode 30 ist ausreichend hoch (zum
Beispiel 300 V), um sicherzustellen, daß das Elektron, während es
diesem Weg folgt, ausreichend Energie aufnehmen kann, um ein in
dem Probenraum vorhandenes Gasatom 41 zu ionisieren – mit dem
Ergebnis, daß mindestens
ein zusätzliches freies
Elektron gebildet wird. Das ionisierende Elektron ebenso wie das
zusätzliche
Elektron werden von dem elektrischen Feld wieder in einem Zykloidenweg 42 beschleunigt,
woraufhin sich der beschriebene Prozeß selbst wiederholen kann.
Das ionisierende Elektron hat während
der Ionisation eine gegebene Energiemenge verloren, so daß es beginnt,
entlang eines Wegs zu laufen, der sich näher an der Elektrode 30 befindet.
Der beschriebene Prozeß wird
für alle sich
in dem Probenraum bewegenden Elektronen wiederholt und geht weiter,
bis das rele vante Elektron die Elektrode 30 erreicht. Der
Einfachheit der Zeichnung halber ist die Verdopplung der Anzahl
von Elektronen nicht für
jeden ionisierenden Zusammenstoß gezeigt.
In dem Probenraum wird auf diese Weise eine lawinenartige Entladung
erreicht, wobei die Wahrscheinlichkeit des Zusammenstoßes für ein Elektron
mit einem Gasatom durch das Vorhandensein des zusätzlichen
Magnetfelds erheblich erhöht
wird. Die durch Ionisationen freigesetzte Menge an Elektronen und
folglich auch das von den Sekundärelektronen
gebildete Stromsignal werden auf diese Weise proportional erhöht.
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3 zeigt
einen Probenraum mit einer Immersionslinse und einer Spule zur Bildung
eines zusätzlichen
Magnetfelds. Die Immersionslinse ist in dieser Figur durch den trichterförmigen unteren
Teil des Magnetpols 8 dargestellt. Unterhalb des Magnetpols 8 ist
ein Probenhalter 20 mit einer Probe 14 angeordnet.
Der Magnetpol 8 bildet einen Teil der Eisenschaltung 8, 10,
wie in 1 gezeigt, so
daß ein Magnetfeld
zum Fokussieren des entlang der optischen Achse 4 laufenden
Strahls zwischen diesem Magnetpol und der Probe vorhanden ist.
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Der Raum in dem trichterförmigen Magnetpol 8 steht
mit den anderen Bestandteilen der elekronenoptischen Säule 2 in
Verbindung; wie bekannt ist, muß der
Druck in dieser Säule
aus verschiedenen Gründen
wesentlich niedriger als die genannten Werte (bis zu ≈ 2500 N/m2) für
den Druck in dem Probenraum des UREMs sein. Um zu ermöglichen,
daß dieser-Druckunterschied
aufrecherhalten wird, wird auf bekannte Weise eine Trennmembran 28 zwischen dem
Probenraum und der Säule 2 vorgesehen.
Die Membran 28 hat eine Bohrung von zum Beispiel 0,1 mm.
Der gewünschte
niedrige Druck in der Säule kann
durch Vorsehen einer (nicht gezeigten) Pumpöffnung direkt über dieser
Membran aufrechterhalten werden.
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Um die Außenseite des trichterförmigen Polstücks 8 herum,
im Bereich des Endes mit kleinerem Durchmesser, ist eine Spule 34 zum
Erzeugen des zusätzlichen
Magnetfelds vorgesehen. Diese Spule wird von einer regelbaren Spannungsquelle 36 gespeist.
Direkt unter dem schmalen Ende des Pol stücks 8 ist eine plattenförmige Detektorelektrode 30 zum
Einfangen der Sekundärelektronen
angeordnet.
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Die aus der Probe freigesetzten Sekundärelektronen
werden in dieser Ausführungsform
von dem plattenförmigen
Detektor 30 eingefangen, der auf einer geeigneten Spannung
von zum Beispiel +300 V gehalten wird. Die weitere Verarbeitung
des durch diese Sekundärelektronen
gebildeten Stromsignals findet in einer Spannungsversorgungs- und Verarbeitungseinheit 32 statt.
Eine derartige Weiterverarbeitung des Stromsignals ist für die Erfindung nicht
von wesentlicher Bedeutung, so daß die Einheit 32 nicht
im Detail beschrieben wird.
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4 zeigt
einen Probenraum mit einer Schlitzlinse und einer Spule zum Bilden
eines zusätzlichen
Magnetfelds. Wie in 3 ist
eine Trennmembran vorgesehen, um zu ermöglichen, daß der Probenraum auf dem gewünschten
vergleichsweise hohen Druck gehalten wird. Das von der Schlitzlinse
erzeugte Magnetfeld befindet sich nun vollständig innerhalb der Linse; dies
ist zeichnerisch mit den Feldlinien 43 bezeichnet. Das
zusätzliche
Magnetfeld wird in dieser Ausführungsform
mit Hilfe einer Spule 34 erzeugt, die sich auf der Außenseite
des Polstücks 8 auf
der Seite der Schlitzlinse, die der Probe zugewandt ist, also direkt
unterhalb der Linse, befindet. Die Detektorplatte 30 ist
direkt unterhalb der Spule 34 angeordnet. Der Prozeß der Verstärkung des
Sekundärelektronenstroms
findet auf die gleiche Weise statt wie unter Bezug auf 2 und 3 beschrieben.
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5 zeigt
einen Probenraum mit einer Immersionslinse und Einrichtungen zum
Erzeugen des zusätzlichen
Magnetfelds. Die Einrichtungen werden in dieser Ausführungsform
durch eine magnetische Schaltung 44 gebildet, die mit einer
Spule 45 versehen ist und von der magnetischen Schaltung
der von der Immersionslinse gebildeten Fokussiervorrichtung getrennt
ist. Die magnetische Schaltung 44 ist aus einem geeigneten
Material, zum Beispiel Eisen, gefertigt, ist rotationssymmetrisch
um die optische Achse 4 herum angeordnet und hat in einer
Ebene durch diese Achse einen E-förmigen Querschnitt. In der Mitte
der Eisenschaltung ist für
den Durch tritt des Primärstrahls
eine Bohrung vorgesehen. Die Spule 45 ist in dem rotationssymmetrischen
Hohlraum angeordnet, der von der E-Form definiert wird. Das von dieser
magnetischen Schaltung erzeugte Magnetfeld ist mit den Feldlinien 46 bezeichnet.
Diese Feldlinien erstrecken sich, wie in der Figur angedeutet, von
dem Mittelkern der E-Form zu dem Außenrand. Der Prozeß der Verstärkung des
Sekundärelektronenstroms findet
auf die gleiche Weise statt wie unter Bezug auf 2 und 3 beschrieben.
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6 ist
eine alternative Version von 5. In
der in 6 gezeigten Version
ist die mit einer Spule 45 versehene magnetische Schaltung 44 benachbart
zu der Elektronenlinse 8 angeordnet, ebenso wie die Detektorelektroden 30 und 52,
die von der optischen Achse 4 gesehen vor der magnetischen Schaltung 44, 45 angeordnet
sind. In 6 hat diese Schaltung
wiederum eine rotationssymmetrische Form und in einer Ebene durch
ihre Symmetrieachse einen E-förmigen
Querschnitt. Die Spule 45 ist in dem rotationssymmetrischen
Hohlraum angeordnet, der durch die E-Form definiert ist. Das von
dieser magnetischen Schaltung erzeugte Magnetfeld hat die gleiche
Form wie in 5. Die Spannung
VD an den Detektorelektroden 30 und die Spannung VG an
den Detektorelektroden 52 werden mit Hilfe der Spannungsversorgungs-
und Verarbeitungseinheit 32 in einer derartigen Weise eingestellt,
daß das
von diesen Elektroden verursachte elektrische Feld keine oder nur
eine vernachlässigbare
Auswirkung auf die Abbildung durch den Primärstrahl hat. Zu diesem Zweck
wird die Elektrode 30 zum Beispiel auf eine Spannung von
+300 V eingestellt, während
die Elektrode 52 auf eine niedrige positive Spannung von zum
Beispiel +5 V eingestellt wird und die Eisenschaltung 44 das
gleiche Potential wie die Probe (Massenpotential) hat. Aufgrund
der niedrigen positiven Spannung der Elektrode 52 werden
die aus der Probe freigesetzten Sekundärelektronen in die Richtung
dieser Elektrode gezogen, woraufhin sie von der Elektrode 30 aufgesammelt
werden. Das von der Elektrode 30 erzeugte vergleichsweise
starke Feld wird von der Elektrode 52 praktisch vollständig abgeschirmt.
Diese Ausführungsform
ist sehr geeignet für die
Verwendung in Fällen,
in denen in dem Raum zwischen der Elektronenlinse und der Probe
zum Beispiel aufgrund von Raummangel keine Erfassungseinrichtung
und keine Magnetspule angeordnet werden können.
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7 zeigt
einen Probenraum mit einer Elektronenlinse und Einrichtungen zum
Erzeugen des zusätzlichen
Magnetfelds. Die Einrichtungen werden in dieser Ausführungsform
durch eine Spule 34 gebildet, die von dem Elektronenstrahl
aus gesehen unterhalb des Probenhalters angeordnet ist. In dieser
Ausführungsform
ist es irrelevant, ob die Elektronenlinse eine Immersionslinse oder
eine Schlitzlinse ist. Im Fall einer Immersionslinse kann die Eisenschaltung 8, 10 auch
als die Eisenschaltung zum Erzeugen des Magnetfelds dienen. Als
ein Ergebnis dieser Anordnung der Spule 34 wird erreicht,
daß der Raum
zwischen dem Probenhalter 20 und der Unterseite der Linse
nicht von einer voluminösen
Spule belegt wird. Dies ist besonders attraktiv, wenn der Raum in
der Nachbarschaft der Monopollinse für andere Zwecke benötigt wird,
wie im Fall großer
Halbleiterscheiben, die für
Kontrollzwecke relativ zu der Linse kippbar sein müssen; diese
Bewegung wird durch die in diesem Raum vorhandenen Elemente nicht
behindert.
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8 zeigt
eine Ausführungsform
der Erfindung mit einer besonderen Ausführungsform des Sekundärelektronendetektors.
Diese Ausführungsform des
Elektronendetektors ist als ein elektrischer Mehrpol aufgebaut,
der, falls gewünscht,
mit einem magnetischen Mehrpol kombiniert werden kann. Der elektrische
Mehrpol 54 erzeugt ein elektrostatisches Mehrpolfeld, das
sich senkrecht zu der optischen Achse 4 erstreckt. Ein
derartiges Feld kann im allgemeinen ein n-Pol-Feld sein, wobei n
= 4, 6, 8, ... Mehrpole dieser Art sind Fachleuten auf dem Gebiet der
Elektronenmikroskope im allgemeinen bekannt. Das zusätzliche
Magnetfeld kann in dieser Ausführungsform
mit Hilfe einer getrennten Spule 34 erzeugt werden. Es
ist jedoch auch bekannt, einen Mehrpol als eine Kombination aus
elektrischen und magnetischen Feldern aufzubauen. Die Magnetpolschuhe
in einer derartigen Mehrpoleinheit sind zum Beispiel mit Polkappen
versehen, die elektrisch dagegen isoliert sind und die eine Spannung
führen,
so daß sie
das elektrische Mehrpolfeld erzeugen. Die Spule 34 kann
dann weggelassen werden, und das zusätzliche Magnetfeld wird durch
das magnetische Mehrpolfeld gebildet. In dieser Ausführungsform
ist ein vergleichsweise starkes elektrisches und/oder magnetisches
Feld machbar, weil die bekannte Eigenschaft eines Mehrpolfelds ausgenutzt
wird, daß die
Feldachse an der optischen Achse vergleichsweise schwach sein kann,
während
sie in einem großen Abstand
von der Achse sehr stark sein kann. Auf diese Weise wird der Primärstrahl
nicht oder nur kaum von diesen Feldern beeinflußt, und starke Felder für die Elektronenvervielfachung
und Erfassung sind dennoch möglich.
Außerdem
bietet diese Ausführungsform
einen Detektor mit einem relativ großen Raumwinkel zum Einfangen
der Sekundärelektronen und
mit einem Entladungsraum innerhalb der Mehrpolelektroden, in dem
die Elektronen für
eine vergleichsweise lange Zeitdauer zurückgehalten werden können, was
eine hohe Stromverstärkung
der Sekundärelektronen
ermöglicht.