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Feld der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für geladene Teilchen. Im besonderen
bezieht sich diese Erfindung auf eine Vorrichtung und eine Methode
zur Untersuchung von Proben mit einem Strahl geladener Teilchen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Strahlen
von negativ oder positiv geladenen Teilchen können zur Untersuchung von Proben
verwendet werden. Verglichen mit optischem Licht, ist das Auflösungsvermögen eines
Strahles geladener Teilchen einige Grössenordnungen höher und
erlaubt die Untersuchung viel feinerer Details. Demgemäß werden
Strahlen geladener Teilchen, insbesondere Elektronenstrahlen, in
vielfältiger
Weise in Biologie, Medizin, Materialwissenschaft und Lithographie
verwendet. Beispiele schließen
die Diagnose von menschlichen, tierischen und pfanzlichen Krankheiten,
Darstellung von subzelluraren Komponenten und Strukturen, wie die
DNS, Bestimmung der Struktur von zusammengesetzten Materialien,
Dünnfilmen und
Keramiken oder die Inspektion von Masken und Wafern in der Halbleitertechnologie
ein.
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Die
zwei grundsätzlichen
Typen von Vorrichtungen für
geladene Teilchen zur Untersuchung von Proben, die heute in weitverbreitetem
Gebrauch sind, sind das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) und
das Rasterelektronenmikroskop (REM). Zusätzlich zum normalen Gebrauch
der beiden Mikroskope sind sowohl das TEM als auch das REM verändert worden,
um Instrumente zu erhalten, die für die Ausführung bestimmten Funktionen
angepasst sind.
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Zum
Beispiel erzeugt das Rastertransmissionselektronenmikroskop (RTEM)
ebenso wie das TEM ein übertragenes
Abbild, aber es verwendet einen abtastenden Strahl wie das REM.
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In
herkömmlichen
Vorrichtungen für
geladene Teilchen, wie zum Beispiel einem Rastereelektronenmikroskop
(REM), muss der Entwickler immer einen Kompromiss machen zwischen
der Anordnung der Objektivlinse zur Fokussierung des Teilchenstrahls
auf die Probe und der Anordnung des Detektors, da sowohl die Objektivlinse
als auch den Detektor in möglichst
geringem Abstand zur Probe angeordnet sein müssen, um die besten Ergebnisse
zu erzielen. Dadurch jedoch, daß der
Detektor nicht unter ein bestimmtes Maß verkleinert werden kann,
bleibt gerade in der Nähe
der Probe nicht genug Platz für den
Detektor, ohne die Fo kussierungseigenschaften der Objektivlinse
negativ zu beeinflussen.
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Außerdem sind
Elektronenmikroskope trotz des verbreiteten Gebrauchs, große und ziemlich komplizierte
Instrumente, die in vielen Universitäten und in industrieller Umgebung
zentralisiert wurden. Techniker für Elektronenmikroskope haben
eine bestimmte Ausbildung, um die alltäglichen Operationen des Laboratoriums
auszuführen.
Jedoch führt
die Wartung des Instruments und besonders die Anpassung des Instruments
an bestimmte Messerfordernisse, z. B. beim Gebrauch von verschiedenen
Spektrometern und Detektoren, oft zu teuren Ausfallzeiten der Instrumente,
die eine große
Zahl von Nutzern betreffen.
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Diese
Probleme sind teilweise in dem Stand der Technik behandelt, z.B.
in USP 5.422.486, das einen Teilchenspiegel innerhalb eines Elektronenmikroskops
offenlegt. Es besteht jedoch ein Bedürfnis nach zusätzlicher
Verbesserung.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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In
Anbetracht der vorangehenden Ausführungen ist es ein Ziel der
vorliegenden Erfindung, einen Teilchenspiegel und eine Vorrichtung
für geladene
Teilchen bereitzustellen, wobei beide die Untersuchungsqualität beträchtlich
erhöhen.
Ein weiteres Ziel ist es, eine Methode zur Untersuchung einer Probe
mit erhöhter
Untersuchungsqualität
zu schaffen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung für geladene
Teilchen, wie im unabhängigen
Anspruch 1 beschrieben, bereitgestellt. Gemäß einem weiteren Aspekt der
vorliegenden Erfindung wird ein Teilchenspiegel zum Gebrauch in
einer Vorrichtung für
geladene Teilchen, wie im unabhängigen
Anspruch 14 beschrieben, bereitgestellt. Gemäß noch einem weiteren Aspekt
der vorliegenden Erfindung wird eine Methode zur Untersuchung von
Proben durch einen Strahl geladener Teilchen, wie im unabhängigen Anspruch
19 beschrieben, bereitgestellt. Weitere Vorteile, Merkmale, Aspekte
und Details der Erfindung sind aus den abhängigen Ansprüchen, der
Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen ersichtlich.
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Gemäß dem ersten
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung für geladene
Teilchen bereitgestellt, die folgendes umfasst: eine Teilchenquelle
zum Bereitstellen eines geladenen Teilchenstrahls; eine Objektivlinse,
um den Teilchenstrahl auf eine Probe zu fokus sieren, wobei besagte Objektivlinse
eine optische Achse hat; einen Teilchenspiegel, der sich auf der
optischen Achse der Objektivlinse befindet, wobei dieser Teilchenspiegel folgendes
umfaßt,
eine Vorderseite und eine Rückseite,
einen Driftbereich, der von der Rückseite bis zur Vorderseite
reicht, um den Strahl geladener Teilchen von der Rückseite
zur Vorderseite durchzulassen, wobei dieser Driftbereich sich außerhalb
der optischen Achse befindet, und einen Ablenkbereich, der sich
auf der Vorderseite befindet, um geladene Teilchen abzulenken, die
von der Probe in Richtung auf einen Detektor einfallen.
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Die
verbesserte Vorrichtung für
geladene Teilchen hat den Vorteil, daß der Gebrauch eines Teilchenspiegels
zu zusätzlicher
Freiheit in der Ausführungsform
der Vorrichtung für
geladene Teilchen führt.
Ein Teilchenspiegel kann, im Gegensatz zu einem Teilchendetektor,
in einer Vorrichtung leichter angeordnet werden, ohne die Fokussierungs-
oder Projektionseigenschaften der Objektivlinse negativ zu beeinflussen.
Dadurch, dass man den Driftbereich hat, kann der Teilchenspiegel
leichter in die Vorrichtung integriert werden, ohne den Strahl geladener Teilchen
negativ zu beeinflussen. Dadurch, daß dieser Driftbereich außerhalb
der Objektivlinse liegt, kann der Bereich, in dem die Achse den
Spiegel durchschneidet, als Ablenkbereich genutzt werden, was die
Qualität
der Untersuchung beträchtlich
erhöht,
da die Teilchen, die sich entlang der Achse bewegen, einen wichtigen
Teil der Information über
die Probe enthalten.
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Da
es außerdem
nun keine Begrenzung für die
Größe des Detektors
gibt, können
alle Arten von Detektoren und Spektrometern verwendet werden, um
die Probe zu analysieren. Zusätzlich
kann ein Detektortyp leicht durch einen anderen Detektortyp ersetzt
werden, um das Gerät
an besondere Messerfordernisse anzupassen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform weist
der Teilchenspiegel einen auf der Vorderseite befindlichen Ablenkbereich
auf, um alle Teilchen in einem gegebenen Geschwindigkeitsbereich
(Energiebereich) und in einem gegebenen Winkelbereich abzulenken,
so dass der Winkel βo, zwischen der ausgehenden Bahn des Teilchens
und der Achse senkrecht zur Spielgelvorderseite gleich dem Winkel βi,
zwischen der ankommenden Bahn des Teilchens und der Achse senkrecht
zur Vorderseite des Spiegels an dem Punkt, wo das Teilchen den Spiegel
trifft ist. Dadurch, dass die Energie- und die Winkelaufteilung
der Teilchen, die von der Probe kommen, durch den Spiegel bewirkt
werden, ist der Detektor in der Lage grundlegend die gleichen Informationen
aufzunehmen, wie wenn er direkt nahe an der Probe angeordnet wäre.
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Der
Driftbereich des Teilchenspiegels, der von der Rückseite zur Vorderseite reicht,
ist außerhalb
der geometrischen Mitte des Spiegels angeordnet. Der Teilchenspiegel
ist vorzugsweise in solch einer Weise angeordnet, dass der überwiegende
Teil der Teilchen, die von der Probe kommen, zum Detektor hin abgelenkt
wird. Dies bringt mit sich, dass die geometrische Mitte des Spiegels
vorzugsweise dort angeordnet ist, wo die Teilchen, die von der Probe kommen,
konzentriert sind.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform, weist
die Vorrichtung für
geladene Teilchen außerdem
eine Ablenkungseinheit auf, um den geladenen Teilchenstrahl hauptsächlich entlang
der optischen Achse der Objektivlinse zu lenken, wobei diese Ablenkungseinheit
zwischen dem Teilchenspiegel und der Objektivlinse angeordnet ist.
In dieser Anordnung können
grundsätzlich
alle Teilchen, die von der Probe kommen und sich entlang der optischen
Achse bewegen, zum Detektor hin abgelenkt werden. Offensichtlich
beeinflusst die Ablenkungseinheit sowohl den geladenen Teilchenstrahl,
der sich zur Probe bewegt, als auch den geladenen Teilchenstrahl,
der von der Probe kommt. Jedoch sind diese zwei Teilchenarten in
verschiedener Weise betroffen, was zu einer Trennung der zwei Arten
von Teilchen führt.
Dabei ist es ohne Belang, ob die Ablenkungseinheit magnetisch oder
elektrostatisch ist.
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Insbesondere
trennt eine magnetische Ablenkungseinheit den Strahl geladener Teilchen,
der sich auf die Probe zubewegt, und die geladenen Teilchen, die
von der Probe kommen, in komplementäre Teile. Gemäß dem Lorentz'schen Gesetz, erfahren von
der Probe kommende Teilchen, welche in umgekehrter Richtung zum
Strahl geladener Teilchen fliegen, eine entgegengesetzte Kraft.
Mit anderen Worten, sie werden in einen Bereich gelenkt, der komplementär ist zum
Bereich des primären
Teilchenstrahls ist.
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In
dem Fall, dass die Ablenkungseinheit elektrostatisch ist, werden
die geladenen Teilchen, die von der Probe kommen, in den Bereich
des primären
Teilchenstrahls gelenkt. Jedoch ist der Umlenkungswinkel der geladenen
Teilchen, die von der Probe kommen, größer, da der Umlenkungswinkel
umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit ist. Dadurch ergibt sich
eine gerichtete Trennung der sekundären Teilchen von den primären Teilchen.
Da eine magnetische Ablenkungseinheit den sich zur Probe bewegenden
Teilchenstrahl und die von der Probe kommenden geladenen Teilchen
in entgegengesetzte Richtungen ablenkt, wird es vorgezogen eine
magnetische Ablenkungseinheit zu verwenden.
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Gemäß einer
weiterhin bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung für
geladene Teilchen desweiteren eine dreistufige Ablenkungseinheit,
um den Strahl geladener Teilchen von der optischen Achse weg und
auf die optische Achse wieder zurück zu lenken. Durch die Verwendung
einer dreistufigen Ablenkungseinheit, können die Teilchenquelle und
jedes andere Element, zum Formen des Strahls geladenener Teilchen
entlang der Achse der Objektivlinse angeordnet werden, was zu einem kompakten
Aufbau der kompletten Vorrichtung führt. Die dreistufige Ablenkungseinheit
kann aus Elementen wie Magnetspulen, die nur für diesen Zweck benutzt werden,
bestehen. Jedoch kann die dreistufige Ablenkungseinheit auch aus
Elementen bestehen, die zum Beispiel zusätzlich eingesetzt werden, um den
geladenen Teilchenstrahl quer über
die Probe (Abtasteinheit) zu bewegen.
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Gemäß einer
weiterhin bevorzugten Ausführungsform
ist der Teilchenspiegel in Bezug zur optischen Achse in einem Winkel α zwischen
ungefähr 20
und ungefähr
70 Grad, vorzugsweise zwischen ungefähr 40 und ungefähr 50 Grad,
und auf am meisten bevorzugte Weise ungefähr 45 Grad geneigt. Durch diese
Ausrichtung des Teilchenspiegels werden die Teilchen, die von der
Probe kommen, mühelos
an den Rand der Vorrichtung gelenkt, wo alle Arten von Detektoren
angeordnet werden können, ohne
den Rest der Vorrichtung zu beeinflussen. Durch den Einsatz einer
45 Grad Ausrichtung des Teilchenspiegels kann sichergestellt werden,
dass die Zeitdifferenz zweier unterschiedlicher Teilchen, die sich
auf den Detektor zubewegen, minimal bleibt, solange sie die gleiche
Anfangsgeschwindigkeit aufweisen.
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Gemäß einer
weiterhin bevorzugten Ausführungsform
umfasst der Teilchenspiegel eine leitende Oberfläche oder ein leitendes Ablenkungsgitter,
die auf einem vorbestimmten Potenzial gehalten werden, das ausreicht,
um alle Teilchen, die weniger als eine vorbestimmte Energie haben,
abzulenken. Es kann dabei die Oberfläche einer Metallplatte als
leitende Oberfläche
verwendet werden. Außerdem
kann keramisches Material, z. B. Al2O3, das eine leitende Beschichtung hat, zu
diesem Zweck verwendet werden. In dieser Anordnung wirkt der Teilchenspiegel
wie ein Tiefpassfilter und, indem das Potenzial der leitenden Oberfläche oder
des leitenden Ablenkungsgitters verändert wird, der Spiegel kann
für spektroskopische
Zwecke verwendet werden. Außerdem
ist es vorzuziehen, dass der Teilchenspiegel mindestens ein leitendes
Abschirmgitter zum Abschirmen des Potenzials der Oberfläche oder
des leitenden Ablenkungsgitters vom Rest der Vorrichtung und/oder
einen Teilchenabsorber aufweist, der Teilchen absorbiert, die mehr
als die vorbestimmte Energie tragen. Falls eine Metallplatte oder
eine keramische Platte mit leitender Beschichtung verwendet wird,
kann diese als Teilchenabsorber eingesetzt werden.
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Gemäß einer
weiterhin bevorzugten Ausführungsform
ist ein zweiter Detektor hinter dem leitenden Ablenkungsgitter angeordnet,
um Teilchen zu erfassen, die mehr als die vorbestimmte Energie haben.
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Gemäß einer
weiterhin bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung für
geladene Teilchen weiterhin einen Hochpassfilter, der vor dem Detektor
angeordnet ist, um nur Teilchen mit einer Energie oberhalb eines
vorbestimmten Energiebetrages den Eintritt in den Detektor zu ermöglichen.
Die Kombination eines Tiefpassfilters und eines Hochpassfilters
erlaubt es, ein jegliches Energieband für die Erfassung auszuwählen und
dadurch Materialkontrast oder andere Merkmale der Probe zu verbessern.
Dabei wird vorgezogen, dass der Hochpassfilter ein leitendes Filtergitter
aufweist, das auf einem vorbestimmten Potenzial gehalten wird, das
ausreicht, um alle Teilchen herauszufiltern, die weniger als eine
vorbestimmte Energie besitzen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
der genannte Driftbereich außerhalb
der optischen Achse der Objektivlinse angeordnet, sodass alle von der
Probe kommenden geladenen Teilchen innerhalb eines Winkels γ ≤ 5 Grad, vorzugsweise ≤ 10 Grad, gemessen
von der optischen Achse der Objektivlinse, den Ablenkbereich des
Spiegels treffen. Dies hat den Vorteil, dass besonders bei Proben
mit ausgeprägter
Topografie, die meisten der von der Probe kommenden geladenen Teilchen
erfasst werden können.
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Gemäß dem zweiten
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Teilchenspiegel in einer
Vorrichtung für
geladene Teilchen bereitgestellt, der folgendes umfasst: eine Vorderseite
und eine Rückseite,
einen auf der Vorderseite befindlichen Ablenkbereich, um alle Teilchen
in einem gegebenen Geschwindigkeits- und einem gegebenen Winkelbereich
abzulenken, einen von der Rückseite
bis zur Vorderseite reichenden Driftbereich, um Teilchen von der
Rückseite
zur Vorderseite des Spiegels passieren zu lassen, wobei der Driftbereich
dabei außerhalb der
geometrischen Mitte des Spiegels liegt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform umfasst
der Teilchenspiegel weiterhin eine lei tende Oberfläche oder
ein leitendes Ablenkungsgitter, auf einem vorbestimmten Potenzial
gehalten, das ausreicht, um alle Teilchen, die weniger als eine
vorbestimmte Energie haben, abzulenken. Außerdem wird es vorgezogen,
dass der Teilchenspiegel mindestens ein leitendes Abschirmgitter,
zum Abschirmen von Potenzial der Oberfläche oder des leitenden Ablenkungsgitters
vom Rest der Vorrichtung und/oder einen Teilchenabsorber aufweist,
der Teilchen absorbiert, die mehr als die vorbestimmte Energie besitzen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Einige
der oben angegebenen und weitere detailliertere Aspekte der Erfindung
werden in der folgenden Beschreibung dargestellt, und teilweise
in Bezug auf die Abbildungen erläutert.
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1 ist
ein schematischer, senkrechter Schnitt der Vorrichtung für geladene
Teilchen gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine vergrößerte Ansicht
des Teilchenspiegels, wie er in 1 verwendet
wird.
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3 ist
eine schematischer, senkrechter Schnitt einer Vorrichtung für geladene
Teilchen, gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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4 ist
eine vergrößerte Ansicht
des Teilchenspiegels, wie er in 3 verwendet
wird.
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5 ist
ein schematischer, senkrechter Schnitt einer Vorrichtung für geladene
Teilchen, gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Eine
erste Ausführungsform
gemäß der Erfindung
wird schematisch in 1 gezeigt. Ein geladener Teilchenstrahl 4,
normale weise ein Elektronenstrahl, kommt von der Quelle geladener
Teilchen 2, z.B. einer Wolfram-Haarnadel-Kanone (tungsten-hairpin
gun), einer Lanthan-Hexaborid-Kanone, einer Feldemissionskanone
oder einem thermionischen Schottky-Emitter. Mindestens eine Anode 3, die
die geladenen Teilchen anzieht und beschleunigt, wird unter der
Teilchenquelle 2 angeordnet. Um die geladenen Teilchen
zu beschleunigen, wird die Quelle geladener Teilchen 2 auf
negativem Potenzial gehalten, zum Beispiel – 0,5 kV, wohingegen Anode 3 auf
positivem Potenzial gehalten wird, zum Beispiel + 10 kV.
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Auf
die Anode 3 folgt eine Kondensorlinse 5, die die
geladenen Teilchen auf einen dünnen
Strahl konzentriert und den Strahl entlang der optischen Achse 6 führt, welche
zugleich die Achse der Objektivlinse 10 darstellt. Die
erste Stufe 12A der dreistufigen Ablenkungseinheit 12 lenkt
den Strahl geladener Teilchen 4 weg von der optischen Achse 6.
Der Strahl geladener Teilchen 4 betritt die zweite Stufe 12B der dreistufigen
Ablenkungseinheit, die den Strahl geladener Teilchen 4 zur
optischen Achse 6 umlenkt. Auf seinem Weg zurück zur optischen
Achse 6 passiert der Strahl 4 den Teilchenspiegel 14,
der sich auf der optischen Achse 6 befindet. Der Strahl
geladener Teilchen 4 passiert den Teilchenspiegel 14 durch
einen Driftbereich 26 (Driftrohr), der innerhalb des Teilchenspiegels 14 angeordnet
ist. Der Driftbereich 26 reicht von der Rückseite 28 des
Spiegels bis zur Vorderseite 27 des Spiegels (siehe 2).
Dadurch, dass der Driftbereich 26 im Teilchenspiegel 14 angeordnet
ist, passiert der Strahl geladener Teilchen 4 den Teilchenspiegel 14 in
grundsätzlich
ungestörter Weise.
Demgemäß gibt es
keinen Bedarf nach zusätzlichen
Maßnahmen
zur Korrektur des Strahles geladenener Teilchen.
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Der
Strahl geladener Teilchen 4 betritt dann die dritte Stufe 12C der
dreistufigen Ablenkungseinheit 12, die den Strahl geladenener
Teilchen 4 hauptsächlich
in die Richtung der optischen Achse 6 umlenkt. Die Ablenkungseinheit 12 kann
elektrostische oder magnetische Ablenkstufen 12A–12C beinhalten.
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Der
dritten Stufe 12C der dreistufigen Ablenkungseinheit 12 folgt
die Objektivlinse 10 zum Fokussieren des Teilchenstrahls 4 auf
eine Probe 8. Um die geladenen Teilchen abzubremsen, ist
die Probe 8 geerdet, sodass die geladenen Teilchen, normalerweise Elektronen,
in diesem Beispiel die Probe 8 mit einer Energie von 0,5
keV treffen.
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Beim
Aufschlagen der geladenen Teilchen auf die Oberfläche der
Probe 8 treten diese in eine Reihe von komplexen Wechselwirkungen
mit den Atomkernen und den Elektronen der Atome der Probe.
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Die
Wechselwirkungen zwischen den einfallenden geladenen Teilchen und
den Atomen der Probe können
elastisch oder unelastisch sein. Die Wechselwirkungen erzeugen verschiedene sekundäre Produkte,
sowohl Elektronen verschiedener Energie, Röntgenstrahlen, Licht und Wärme, ebenso
wie geladene Teilchen, die zurückgeworfen
werden. Viele dieser sekundären
Produkte und/oder zurückgestreuten geladenen
Teilchen werden verwendet, um das Abbild der Probe zu erzeugen und
um zusätzliche
Daten von der Probe zu sammeln.
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Ein
sekundäres
Produkt von großer
Wichtigkeit für
die Untersuchung oder die Erzeugung des Abbilds von Proben sind
sekundäre
Elektronen, die der Probe in verschiedenen Winkeln mit relativ niedriger
Energie (3 – 50
eV) entweichen. Durch das hohe positive Potenzial innerhalb der
Objektivlinse 10 (in diesem Beispiel + 10 kV) werden die
sekundären Elektronen
in die Objektivlinse 10 gezogen und zum Teilchenspiegel 14 hin
beschleunigt. Die sekundären Elektronen
passieren die dritte Stufe 12C der dreistufigen Ablenkungseinheit 12 und
bewegen sich auf den Teilchenspiegel 14 zu. Beim Passieren
der dritten Stufe 12C der dreistufigen Ablenkungseinheit 12 werden
auch die sekundären
Elektronen abgelenkt. Im Beispiel, wie in 1 gezeigt,
ist die dritte Stufe 12C der dreistufigen Ablenkungseinheit 12 eine
magnetische Ablenkungseinheit. Daher werden die sekundären Elektronen
in die entgegengesetzte Richtung bezüglich des primären Elektronenstrahls 4 abgelenkt.
Demgemäß werden
der primäre
Elektronenstrahl und der sekundäre
Elektronenstrahl getrennt, ohne den primären Elektronenstrahl 4 negativ
zu beeinflussen.
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Die
sekundären
Elektronen treffen den Ablenkbereich 25 des Teilchenspiegels 14 und
werden in Richtung auf den Detektor 16 abgelenkt. In der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wie in 1 gezeigt,
weist der Teilchenspiegel 14 eine leitende Oberfläche 21 auf,
die in Bezug auf die optische Achse 6 in einem Winkel α von ungefähr 45 Grad
geneigt ist. Außerdem
wird die leitende Oberfläche 21 auf
einem vorbestimmten Potenzial gehalten, das ausreicht, um alle Teilchen,
die weniger als eine vorbestimmte Energie haben, abzulenken. In
diesem Beispiel wird die leitende Oberfläche 21 auf einem Potenzial
von etwas unter + 5 kV gehalten, um alle sekundären Elektronen, die von der
Probe 8 in Richtung auf den Detektor 16 kommen,
abzulenken. Dabei werden die sekundären Elektronen in einer Weise abgelenkt,
sodass der Winkel βo, zwischen der ausgehenden Bahn des Teilchens
und der Achse senkrecht zur Vorderseite des Spiegels, gleich ist
dem Winkel βi, zwischen der ankommenden Bahn des Teilchens
und der Achse senkrecht zur Vorderseite des Spiegels (siehe 2).
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In
diesem Beispiel besteht der Teilchenspiegel aus Al2O3, mit einer leitenden Beschichtung auf seiner
Vorder- und Rückseite,
wobei die leitende Beschichtung auf der Vorderseite isoliert ist
von der leitenden Beschichtung auf der Rückseite. Außerdem weist der Teilchenspiegel 14 ein
im Spiegel angeordnetes Metallrohr auf, das dem Driftbereich 26 Gestalt gibt.
Das Metallrohr ist mit der Rückseite
des Spiegels verbunden und wird auf dem gleichen Potenzial gehalten
wie die Rückseite
des Spiegels. Sorgfalt muss am Außenbereich des Spiegels und
zwischen dem Driftbereich 26 und dem Ablenkbereich 25 aufgewendet
werden, um jedwede Kurzschlüsse
zwischen der Vorder- und der Rückseite
des Spiegels zu vermeiden.
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Der
Detektor 16 kann aus einer Vielzahl von Detektoren gewählt werden.
In dem vorliegenden Beispiel ist der Detektor ein Szintillationszähler, der mit
einem Fotoverstärker
(photo multiplier) mittels eines Lichtleiters verbunden ist. Der
Output des Detektors 16 wird dann zum Beispiel verwendet,
um ein Abbild der Oberfläche
einer Probe anzuzeigen oder aufzuzeichnen.
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Auch
rückwärts gestreute
Teilchen, normalerweise Elektronen (backscattered electrons), sind für die Erzeugung
des Abbilds von Proben wichtig. Rückwärts gestreute Elektronen besitzen
hohe Energie, im Durchschnitt 60 bis 80 Prozent
der Anfangsenergie des Elektronenstrahles (in diesem Beispiel 0,5 keV).
Durch das hohe positive Potenzial innerhalb der Objektivlinse 10 (in
diesem Beispiel + 10 kV) werden die rückwärts gestreuten Elektronen auch
in die Objektivlinse 10 gezogen und zum Teilchenspiegel 14 hin
beschleunigt. Die rückwärts gestreuten
Elektronen passieren die dritte Stufe 12C der dreistufigen Ablenkungseinheit 12 und
bewegen sich auf den Teilchenspiegel 14 zu. Beim Passieren
der dritten Stufe 12C der dreistufigen Ablenkeinheit 12 werden
auch die rückwärts gestreuten
Elektronen abgelenkt. Wie oben erläutert ist die dritte Stufe 12C der
dreistufigen Ablenkungseinheit 12 eine magnetische Ablenkungseinheit.
Daher werden die rückwärts gestreuten
Elektronen auch in die in Bezug auf den primären Elektronenstrahl 4 entgegengesetzte
Richtung abgelenkt. Demgemäß werden
der primäre
Elektronenstrahl 4 und die rückwärts gestreuten Elektronen getrennt, ohne
den primären
Elektronenstrahl 4 negativ zu beeinflussen.
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Folglich
treffen die rückwärts gestreuten Elektronen
auch den Ablenkbereich 25 des Teilchenspiegeles 14.
Durch ihre relativ hohe Energie, verglichen mit den sekundären Elektronen,
reicht jedoch das Potenzial der leitenden Oberfläche 21 nicht aus, die
rückwärts gestreuten
Elektronen abzulenken. Demgemäß passieren
die rückwärts gestreuten
Elektronen die leitende Oberfläche 21 und
erreichen das keramische Material Al2O3, das als Teilchenabsorber wirkt.
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Um
die sekundären
Elektronen von den rückwärts gestreuten
Elektronen zu trennen, wird im allgemeinen Fall das Potenzial der
leitenden Oberfläche 21 etwas
unter BE sin2α gehalten, wobei BE das Potenzial
im Innern der Objektvlinse 10 ist, und der Winkel α der Winkel
zwischen der optischen Achse und einer Achse senkrecht zur Vorderseite
des Teilchenspiegels 14 ist. Durch das Abtasten der Probe mit
dem geladenen Teilchenstrahl und durch das Anzeigen/Aufzeichnen
des Outputs des Detektors 16 wird ein Abbild der Probenoberfläche erzeugt.
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Eine
zweite Ausführungsform,
gemäß der Erfindung
wird in 3 schematisch gezeigt. Komponenten,
die die gleichen wie in 1 sind, haben die gleichen Bezeichnungen
und werden nicht weiter beschrieben. Die in 3 gezeigte
Ausführungsform
unterscheidet sich von der Ausführungsform, die
in 1 gezeigt wird, indem ein zusätzliches leitendes Abschirmgitter 22 vor
der leitenden Oberfläche 21 bereitgestellt
wird, um das Potenzial der leitenden Oberfläche 21 vom Rest der
Vorrichtung abzuschirmen. Außerdem
weist die Ausführungsform gemäß der Erfindung,
wie in 3 gezeigt, einen vor dem Detektor 16 angeordneten
Hochpassfilter 30 auf, der nur Teilchen, deren Energiebetrag über einer vorbestimmten
Schwelle liegt, den Eintritt in den Detektor erlaubt. Der Hochpassfilter 30 umfasst
ein leitendes Filtergitter 31 und ein weiteres vor dem
Filtergitter 31 angeordnetes Abschirmgitter 32.
Die Kombination des Tiefpassfilters 14 (der Teilchenspiegel) und
des Hochpassfilters 30 erlaubt es, jedes Energieband (Energiebereich)
für die
Erfassung auszuwählen,
und dadurch den Materialkontrast oder andere Merkmale der Probe
zu verbessern.
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4 ist
eine vergrößerte Ansicht
des Teilchenspiegels 14, wie er in 3 verwendet
wird. Der Teilchenspiegel 14, wie in 3 gezeigt,
weist eine Vorderseite 27, eine Rückseite 28, einen
auf der Vorderseite angeordneten Ablenkbereich 25, um alle Teilchen
in einem gegebenen Geschwindigkeitsbereich (Energiebereich) und
in einem gegebenen Winkelbereich abzulenken, und einen Driftbereich 26 auf, der
von der Rückseite 28 bis
zu Vorderseite 27 reicht, um Teilchen von der Rückseite
zur Vorderseite der Spiegels passieren zu lassen.
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Außerdem umfasst
der Teilchenspiegel eine leitende Oberfläche 21, die auf einem
vorbestimmten Potenzial gehalten wird, das ausreicht, um alle Teilchen,
deren Energiebetrag unter einer vorbestimmten Schwelle liegt, abzulenken.
Das Potenzial der Oberfläche 21 wird
durch ein leitendes Abgeschirmgitter 22 abgeschirmt, das
sich vor der Oberfläche 21 befindet.
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Dabei
wird der Abstand zwischen der leitenden Oberfläche 21 und dem Abschirmgitter 22 vorzugsweise
größer als
die zehnfache Maschenweite des Gitters 22 gewählt. Das
Abschirmgitter 22 wird vorzugsweise auf dem gleichen Potenzial
gehalten wie die Elemente, die an den Teilchenspiegel 14 in der
Vorrichtung für
geladene Teilchen angrenzen. Durch den Gebrauch eines Abschirmtgitters 22 kann das
Potenzial der leitenden Oberfläche 21,
das sich normalerweise beträchtlich
vom Potenzial der an den Teilchenspiegel 14 angrenzenden
Elemente unterscheidet, von diesen Elementen abgehalten werden. Demgemäß können negative
Nebeneffekte, die auf das Potenzial der leitenden Oberfläche 21 zurückzuführen sind,
vermieden werden.
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Wenn
ein geladenes Teilchen wie ein sekundäres Elektron, das weniger als
eine bestimmte Energie hat, den Ablenkbereich 25 des Teilchenspiegels 14 trifft,
wird es in einer Weise abgelenkt, dass der Winkel βo,
zwischen der ausgehenden Bahn 9B des Teilchens und der
Achse senkrecht zur Spiegelvorderseite gleich dem Winkel βi,
zwischen der ankommenden Bahn 9A des Teilchens und der
Achse senkrecht zur Spiegelvorderseite ist.
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Da
der Teilchenspiegel 14 aus keramischem Material hergestellt
ist, wirkt das Keramikmaterial als Teilchenabsorber 23,
der zwischen der Rückseite 28 des
Spiegels und der leitenden Oberfläche 21 angeordnet
ist, um Teilchen zu absorbieren, die mehr als eine bestimmte Energie
haben und die deshalb fähig sind
durch die Oberfläche 21 zu
dringen.
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Wie
aus 4 ersehen werden kann, ist der Driftbereich nicht
in der geometrischen Mitte des Spiegels angeordnet, was mit der
Referenznummer 40 angezeigt wird. Der Spiegel, der in 4 gezeigt wird,
hat die Form einer runden Scheibe mit einem Mittelpunkt. Demgemäß ist die
geometrische Mitte der Mittelpunkt der Scheibe. Dadurch, dass der
Driftbereich außerhalb
der geometrischen Mitte des Spiegels angeordnet ist, kann die geometrische
Mitte des Spiegels als Ablenkbereich verwendet werden, was die Qualität der Untersuchung
beträchtlich
erhöht.
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Eine
dritte Ausführungsform
gemäß der Erfindung
wird schematisch in 5 gezeigt. Ein geladener Teilchenstrahl 4,
normalerweise ein Elektronenstrahl, kommt von einer Quelle geladener
Teilchen 2 z.B. einer Wolfram-Haarnadel-Kanone (tungsten-hairpin
gun), einer Lanthan-Hexaborid-Kanone, einer Feldemissionskanone
oder einem Thermischen Schottky-Emitter.
Mindestens eine Anode 3, die die geladenen Teilchen anzieht
und beschleunigt, wird unter der Teilchenquelle 2 angeordnet.
Um die geladenen Teilchen zu beschleunigen, wird die Quelle geladener
Teilchen 2 auf negativem Potenzial gehalten, zum Beispiel – 0,5 kV,
wohingegen die Anode 3 auf positivem Potenzial gehalten
wird, zum Beispiel + 10 kV.
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Auf
Anode 3 folgt eine Kondensorlinse 5, die die geladenen
Teilchen auf einen dünnen
Strahl konzentriert und den Strahl entlang der optischen Achse 6' führt, die
nicht die Achse 6 der Objektivlinse 10 ist. Der
Strahl geladenener Teilchen 4 betritt dann die erste Stufe 12B einer
zweistufigen Ablenkungseinheit, die den Strahl geladener Teilchen 4 auf
die optische Achse 6 der Objektivlinse richtet. Auf seinem Weg
zur optischen Achse 6 passiert der Strahl 4 den Spiegel 14,
der auf der optischen Achse 6 der Objektivlinse angeordnet
ist. Der Strahl geladenener Teilchen 4 passiert den Teilchenspiegel 14 durch
einen Driftbereich 26 (Driftrohr), der sich im Teilchenspiegel 14 befindet.
Dadurch, dass sich der Driftbereich 26 im Teilchenspiegel 14 befindet,
passiert der Strahl geladenener Teilchen 4 den Teilchenspiegel 14 in grundsätzlich ungestörter Weise.
Daher gibt es kein Bedürfnis
nach zusätzlichen
Maßnahmen,
um den geladenen Teilchenstrahl zu korrigieren. Der Strahl geladenener
Teilchen 4 betritt nun die zweite Stufe 12C, der
zweistufigen Ablenkungseinheit 12, welche den Strahl geladenener
Teilchen 4 in Richtung der optischen Achse 6 umgelenkt.
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Auf
die Ablenkungseinheit 12C folgt die Objektivlinse 10,
um den Teilchenstrahl 4 auf eine Probe 8 zu fokussieren.
Um die geladenen Teilchen abzubremsen, ist die Probe 8 geerdet,
sodass die geladenen Teilchen, normalerweise Elektronen, die Probe 8 in
diesem Beispiel mit einer Energie von 0,5 keV treffen.
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Durch
das hohe positive Potenzial innerhalb der Objektivlinse 10 (in
diesem Beispiel + 10 kV), werden die sekundären Elektronen, die der Probe 8 entweichen,
in die Objektivlinse 10 gezogen und zum Teilchenspiegel 14 hin
beschleunigt. Die sekundären Elektronen 44 passieren
die Ablenkungseinheit 12C und bewegen sich auf den Teilchenspiegel 14 zu. Beim
Passieren der Ablenkungseinheit 12C werden auch die sekundären Elektronen
abgelenkt. In diesem Beispiel, gezeigt in 5, ist die
Ablenkungseinheit 12C eine magnetische Ablenkungseinheit. Daher
werden die sekundären
Elektronen in entgegengesetzter Richtung, bezüglich des primären Elektronenstrahles 4 abgelenkt.
Demgemäß, werden
der primäre
Elektronenstrahl und die sekundären
Elektronen getrennt, ohne den primären Elektronenstrahl 4 negativ
zu beeinflussen.
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Die
sekundären
Elektronen 44 treffen den Ablenkbereich 25 des
Teilchenspiegels 14 und wer den in Richtung auf den Detektor 16 abgelenkt.
In der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wie in 5 gezeigt,
weist der Teilchenspiegel 14 ein leitendes Ablenkungsgitter 41 auf,
das in einem Winkel α von
ungefähr
45 Grad bezüglich
der optischen Achse 6 geneigt ist. Außerdem wird das leitende Abschirmgitter 41 auf
einem vorbestimmten Potenzial gehalten, das ausreicht, um alle Teilchen,
die weniger als eine vorbestimmte Energie haben, abzulenken. In diesem
Beispiel wird das Ablenkungsgitter 41 auf einem Potenzial
von etwas unter +5 kV gehalten, um alle sekundären Elektronen, die von der
Probe 8 zum Detektor 16 kommen, abzulenken. Dabei
werden die sekundären
Elektronen in einer Weise abgelenkt, dass der Winkel βo,
zwischen der ausgehenden Bahn des Teilchens und der Achse senkrecht
zur Vorderseite des Spiegels gleich dem Winkel βi, zwischen der
ankommenden Bahn des Teilchens und der Achse senkrecht zur Vorderseite
des Spiegels ist.
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Durch
das hohe positive Potenzial innerhalb der Objektivlinse 10 (in
diesem Beispiel + 10 kV) werden auch die zurückgestreuten Elektronen 45 in
die Objektivlinse 10 gezogen und werden zum Teilchenspiegel 14 hin
beschleunigt. Demgemäß treffen
auch die zurückgestreuten
Elektronen 45 den Ablenkbereich 25 des Teilchenspiegels 14.
Durch ihre relativ hohe Energie jedoch, verglichen mit den sekundären Elektronen 44,
reicht das Potenzial des leitenden Ablenkungsgitters 41 nicht
aus, um die zurückgeworfenen
Elektronen 45 abzulenken. Demgemäß treten die zurückgeworfenen
Elektronen durch das leitende Ablenkungsgitter 41 und erreichen
den zweiten Detektor 24, der hinter dem leitenden Ablenkungsgitter 41 angeordnet
ist. Der zweite Detektor 24 kann ebenfalls aus einer Vielzahl
von Detektortypen gewählt werden.
Im vorliegenden Beispiel ist der zweite Detektor 24 ebenfalls
ein Szintillationszähler,
der durch einen Lichtleiter mit einem Fotomultiplier verbunden ist.
Falls die mit den zurückgeworfenen
Teilchen verbundene Information nicht gebraucht wird, kann der zweite
Detektor 24 auch durch einen Teilchenabsorber ersetzt werden,
der die zurückgeworfenen
Teilchen 45 absorbiert. Der Teilchenabsorber kann zum Beispiel
aus dielektrischem Material bestehen.
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Wie
aus der 5 ersehen werden kann, ist der
Driftbereich 26 des Spiegels 14 außerhalb
der optischen Achse 6 der Objektivlinse 10 angeordnet, sodass
alle geladenen Teilchen, die von der Probe 8 innerhalb
eines Winkels γ ≤ 10 Grad,
gemessen von der optischen Achse der Objektivlinse, kommen, den Ablenkbereich 25 des
Spiegels 14 treffen. Besonders bei Proben mit ausgeprägter Topografie
hat dies den Vorteil, dass die meisten Elektronen, die von der Probe
kommen, erfasst werden können.
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Durch
das Abtasten der Probe mit dem geladenen Teilchenstrahl und durch
das Anzeigen/Aufzeichnen des Outputs des Detektors 16 und/oder beim
Anzeigen/Aufzeichnen des Outputs des zweiten Detektors 24 wird
ein Abbild der Oberfläche
der Probe erzeugt.