DE10190535B4

DE10190535B4 - Emissionselektronenmikroskop

Info

Publication number: DE10190535B4
Application number: DE10190535T
Authority: DE
Inventors: Krzysztof Grzelakowski
Original assignee: Grzelakowski Krzysztof Dr
Current assignee: Grzelakowski Krzysztof Dr
Priority date: 2000-02-20
Filing date: 2001-02-05
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2021-02-06
Also published as: US6667477B2; US20030010915A1; DE10164895B4; AU2001230639A1; PL338538A1; WO2001061725B1; DE10190535D2; WO2001061725A1

Abstract

Emissionselektronenmikroskop mit einem elektronenoptischen Abbildungssystem, das eine Objektivlinse (1), mindestens eine Projektivlinse, einen Stigmator (6), eine Elektronennachweiseinrichtung (26, 27) und ein Kontrastblendensystem (4, 4a) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar neben der elektronenoptischen Achse (29) der Objektivlinse (1) eine Elektronenquelle (8), angebracht ist, die Primärelektronen entlang der elektronenoptischen Achse (28) unter einem Winkel (α) zu der elektronenoptischen Achse (29) der Objektivlinse emittiert, wobei der Primärelektronenstrahl durch die Objektivlinse (1) hindurch unter einem Winkel zu deren elektronenoptischen Achse (29) verläuft und der Primärelektronenstrahl keinen Strahlseparator passiert und dass das Emissionselektronenmikroskop ein Kontrastblendensystem (4a) in einer der zu der Brennebene (5) der Objektivlinse korrelierten Ebenen und ein Bildblendensystem (11) in einer der Bildebenen des Systems besitzt.

Description

Der Gegenstand der Erfindung ist ein Emissionselektronenmikroskop zur Abbildung der Oberfläche und der Winkelverteilung der aus der Probenoberfläche emittierten Elektronen.
Ein System elektrostatischer Linsen, bekannt aus der US-amerikanischen Patentbeschreibung US 4096386 ist dadurch gekennzeichnet, dass eine der Linsen, z.B. die erste eine polierte, flache Elektrode besitzt, die Licht in die Richtung der Oberfläche einer zu untersuchen den Probe lenkt.

Bekannt ist auch aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 39 43 211 A1 ein elektronenoptisches, abbildendes Photoelektronenmikroskop, das ein elektrostatisches Linsensystem und einen Bildwandler enthält, dessen Eigenschaft die Abbremsung der Elektronen ist.

Ein Instrument und dessen Kalibrierungsmethode zur Objektabbildung bekannt aus der amerikanischen Patentbeschreibung US 6011262 A ist dadurch gekennzeichnet, dass das Instrument einige Blenden zur selektiven Erzeugung elektronenoptischer Bilder enthält. Das Instrument ist auch mit einem Wienfilter, der die Beleuchtung der Probe mit einem Elektronenstrahl ermöglicht, ausgerüstet.

Die Emissionselektronenmikroskopie ist eine der ältesten elektronenmikroskopischen Methoden, bei welcher die aus der Probe aufgrund der Beleuchtung senkrecht zu Probenoberfläche emittierten Elektronen zur Auswertung herangezogen werden. Bei Emissionselektronenmikroskopen erfolgt die Beleuchtung der Probe nach dem Stand der Technik entweder seitlich durch den Spalt zwischen Objektiv und Probe oder mittels eines Strahlteilers durch die Objektivlinse. Die seitliche Beleuchtung hat einen wesentlichen Nachteil, da sie zu „Schatten" und Verzerrungen in der resultierenden Abbildung führt, und damit deren Qualität negativ beeinflusst. Aber auch die Verwendung eines Strahlteilers bringt wesentliche Nachteile mit sich, da dieser eine energiedispersive Wirkung aufweist, welche sowohl auf Primär- wie auch auf Sekundärelektronen wirkt. Dies bedeutet, dass nur Elektronen eines bestimmten Energieniveaus abgebildet werden können. Elektronen anderer Energien weichen von der Abbildungsachse ab und können zum Bild nicht beitragen. Um diese Elektronen für das Bild zu nutzen, muss die Stärke des Ablenkfeldes des Strahlteilers geändert werden, was aber wiederum auch die Ablenkung des Primärstrahles ändert. Dies resultiert in einer langwierigen Optimierung, was die Nutzung von magnetischen Strahlteilern für die Emissionselektronenmikroskopie als nicht praktikabel erscheinen lässt.

In der Arbeit von Hiroshi Sakama und Akira Kawazu „Recent progress in low-energy electron diffraction: theory and application to semiconductor surfaces" veröffentlicht in der Materials Science and Engineering R14, No. 6 (Juni 1995) wird ein Elektronenmikroskop für die Emissionselektronenmikroskopie vorgestellt, welches für die Beleuchtung der Probe zwei Elektronenquellen aufweist, welche wahlweise eingesetzt werden können: eine Elektronenquelle ermöglicht die Bestrahlung der Probe nach Passage eines Strahlteilers durch die Objektivlinse und mittels der zweiten Elektronenquelle kann die Probe durch den Spalt zwischen Probe und Objektivlinse beleuchtet werden. Beide Varianten der Beleuchtung der Probe weisen oben genannte Nachteile auf.

Das Elektronenmikroskop, vorgeschlagen in der japanischen Patentschrift JP 113 26 247 A , zieht zur Abbildung sowohl sekundäre als auch reflektierte Elektronen heran, die durch eine senkrechte Beleuchtung der Probe mit Primärelektronen entstehen. Die Primärelektronen aus der Elektronenquelle werden mittels eines, an der elektronenoptischen Achse des Objektivs angebrachten, magnetisch-elektrostatischen Ablenkelements Richtung Probe gelenkt. Als Folge der Geometrie des Systems, beeinflussen die Ablenkfelder gleichermaßen Primär- wie Sekundärelektronen. Somit lässt die energiedispersive Wirkung des Ablenkfeldes nur die Abbildung von Elektronen einer bestimmten Energie zu. Elektronen anderer Energieniveaus werden entweder zu stark oder zu gering abgelenkt und können damit nicht zur Abbildung herangezogen werden. Um diese zu nutzen muss die Stärke des Ablenkfeldes geändert werden, wobei jede Änderung des Ablenkfeldes auch die Ablenkung der Primärelektronenbeleuchtung beeinflusst. Das bedeutet, dass jede Änderung des Energieniveaus eine langwierige Optimierung nach sich zieht um die Ablenkung von Primär- als auch Sekundärelektronen einzustellen. Diese Tatsache sowie die unvermeidbare Hysterese der magnetischen Komponente des Ablenkfeldes machen schnelle spektroskopische Messungen unmöglich und das System erscheint nur sehr begrenzt praktikabel.

In der Patentschrift US 5,973,323 A wird ein Elektronenmikroskop für die Emissionselektronenmikroskopie mit einem magnetischen Strahlteiler zur Teilung von Primär- und Sekundärstrahl vorgestellt. Auch dieses Elektronenmikroskop weist die eingangs genannten Nachteile von magnetischen Strahlteilern bei Emissionselektronenmikroskopen auf.

In der DE 10 47 333 B wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektronenmikroskopischen Abbildung von elektrischen Potentialfeldern vorgeschlagen, bei welchem die Sekundärelektronen durch Primärelektronen geringer Energie ausgelöst werden. Dadurch wird eine Schädigung der Probe mit Sicherheit vermieden. Die offenbarte Vorrichtung ist ein Elektronenmikroskop mit einem magnetischen Strahlteiler und zwei Elektronenquellen, wobei eine die Probe durch den Spalt zwischen Objektivlinse und Probe beleuchtet, und die andere nach Passage des Strahlteilers durch die Objektivlinse. Beide Möglichkeiten der Beleuchtung haben die eingangs genannten Nachteile.

In dem Artikel „The continuing development of low-energy electron microscopy for characterizing surfaces" von Lee H. Veneklassen (Rev. Sci. Instrum. 63(12) Dez. 1992 Seite 5513) wird ein Elektronenmikroskop vorgestellt, bei dem ebenfalls ein magnetischer Strahlteiler zum Einsatz kommt. In diesem Fall wirkt der Strahlteiler jedoch nicht nur als Deflektor, sondern auch als elektronenoptische Linse. Da aber auch bei diesem System der Strahlteiler sowohl Bestandteil der Elektronenquelle als auch des Abbildungssystems ist, ist die hier vorgeschlagene Lösung ebenfalls nur sehr begrenzt praktikabel für Emissionselektronenmikroskopie.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Emissionselektronenmikroskop vorzuschlagen, welches eine wesentlich verbesserte Abbildungsqualität aufweist.

Das erfindungsgemäße Emissionselektronenmikroskop besteht aus einer Objektivlinse mit Kontrastblendensystem, aus einem Stigmator und aus einem elektronenoptischen Abbildungssystem mit wenigstens einer Linse.

Weiterhin hat es eine dicht neben der elektronenoptischen Achse der Objektivlinse lokalisierte Elektronenquelle, die mit Winkel α zur Achse der Objektivlinse die Elektronen emittiert. "Dicht neben" bedeutet, dass die Elektronenquelle dicht genug an der elektronenoptischen Achse der Objektivlinse lokalisiert ist, damit der aus der Elektronenquelle emittierte Primärelektronenstrahl die Probe noch durch die Öffnung der Objektivlinse erreicht, aber nicht zu dicht, um den Strahl der emittierten Elektronen durch die Probe nicht zu beeinflussen bzw. zu blockieren. Weiterhin hat das erfindungsgemäße Emissionselektronenmikroskop ein Kontrastblendensystem in einer der zu der Brennebene der Objektivlinse konjugierten Ebenen und ein Bildblendensystem in einer der Bildebenen des Emissionselektronenmikroskops.

Das Emissionselektronenmikroskop ist mit einem elektronenabbremsenden System ausgerüstet, das aus wenigstens einer Elektrode besteht, die ein sphärisches, abbremsendes Zentralfeld mit einem Zentrum im Brennpunkt der Objektivlinse simuliert.

Die Elektronenquelle kann auch spinpolarisierte Elektronen emittieren.

Das elektronenabbremsende System besteht wenigstens aus einer Elektrode, die ein sphärisches und abbremsendes Zentralfeld mit Zentrum im Brennpunkt der Objektivlinse simuliert und in einer der zu der Brennebene der Objektivlinse konjugierten Ebenen befindet sich ein Kontrastblendensystem.

In der weiteren Ausführung ist die Elektronenquelle oder die Quelle der spinpolarisierten Elektronen mit einem Ablenkelement ausgerüstet.

Mit der Objektivlinse des Emissionselektronenmikroskops ist auf mechanische Weise ein piezoquarzangetriebene Probenmanipulator zusammengekoppelt, der die Verschiebung, Kühlung und Heizung der Probe ermöglicht.
Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert:
1 illustriert ein Emissionselektronenmikroskop mit einem Abbildungssystem und einer Elektronenquelle und
2 illustriert ein Emissionselektronenmikroskop mit einem Abbildungssystem, einer Elektronenquelle und einem elektronenabbremsenden System.
Das Emissionselektronenmikroskop dargestellt in 1 besteht aus: einem Probenmanipulator 3, mit einer Probe 2, einer Objektivlinse 1 mit der Brennebene 5, die das Kontrastblendensystem 4 und Stigmator 6 enthält. Weiterhin hat das Emissionselektronenmikroskop eine Elektronennachweiseinrichtung 26, 27 mit elektronenoptischen Linsen 20 und 21. Darunter befindet sich weitere elektronenoptische Linsen 10 und 12, wobei zwischen diesen ein Bildblendensystem 11 angeordnet ist. Dicht neben der elektronenoptischen Achse der Objektivlinse 1 befindet sich eine Elektronenquelle 8 mit Ablenkelementen 9.
Im Inneren der Objektivlinse 1 befindet sich ein piezoelektrischer Mechanismus aus Kontrastblenden 4 und Stigmator 6, der die Abbildungsfehler der Objektivlinse korrigiert.
In Abhängigkeit der Einstellung der Linsen 10 und 12 bilden die Elektronen ein Beugungsbild oder ein reelles Bild (zu dem alle Elektronen beitragen) am Eingang der Linse 20, das nach der Vergrößerung auf der Elektronennachweiseinrichtung 26, 27 erscheint.
Der Primärelektronenstrahl gelangt zur Probe 2 aus der dicht neben der elektronenoptischen Achse der Objektivlinse befindlichen Elektronenquelle 8. Primärelektronen, die in den Bereich der Objektivlinse unter Winkel α zu deren Achse eintreten und in Folge der Auswirkung des Objektivsfeldes zum Schnittpunkt der Objektivachse mit der Probe umgelenkt werden, beleuchten die Probe unter einem größerem Winkel als α.
Am Ausgang der Elektronenquelle 8 können sphärische oder zylindrische Ablenkelektroden 9 angebracht werden, welche den Winkel zwischen der elektronenoptischen Achse 28 des Primärstrahles und der elektronenoptischen Achse 29 der Objektivlinse reduzieren.
Das Emissionselektronenmikroskop aus 2 ist zusätzlich mit einem abbremsenden System 7 ausgerüstet, das aus einer oder mehreren Elektroden besteht, die ein sphärisches Zentralfeld mit Zentrum im Brennpunkt der Objektivlinse 1 simulieren.
Die Objektivlinse 1 des Emissionselektronenmikroskops ist mit einem Piezoquarzprobenmanipulator mechanisch verbunden, der eine präzise Verschiebung, Kühlung und Heizung der Probe 2 ermöglicht.
Das Emissionselektronenmikroskop ist für den Einsatz unter Ultrahochvakuumbedingungen konzipiert, deshalb unterliegen alle Flansche und Außenmasse dem CF-Standard. Der Grundflansch des Emissionselektronenmikroskops ist ein 8''-Flansch DN150CF, der mit sechs Mini-CF-Flanschen mit elektrischen Durchführungen und zwei parallelen Rohren mit 2¾''-Flanschen ausgerüstet ist. Das Gesamtinstrument ist mit einer magnetischen Abschirmung ummantelt, was die langsamen Elektronen im Bereich der elektronenoptischen Linsen vor negativem Außenfeldeinfluss schützt.

1: Objektivlinse
2: Probe
3: Probenmanipulator
4, 4a: Kontrastblendensystem
5: Brennebene der Objektivlinse
6: Stigmator
7: Abbremsendes System
8: Elektronenquelle
9: Ablenkelement der Elektronenquelle
10: Elektronenoptische Linse
11: Bildblendensystem
12: Elektronenoptische Linse
20, 21: Elektronenoptische Linse
26, 27: Elektronennachweiseinrichtung
28: Elektronenoptische Achse der Elektronenquelle
29: Elektronenoptische Achse der Objektivlinse

Claims

Emissionselektronenmikroskop mit einem elektronenoptischen Abbildungssystem, das eine Objektivlinse (1), mindestens eine Projektivlinse, einen Stigmator (6), eine Elektronennachweiseinrichtung (26, 27) und ein Kontrastblendensystem (4, 4a) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar neben der elektronenoptischen Achse (29) der Objektivlinse (1) eine Elektronenquelle (8), angebracht ist, die Primärelektronen entlang der elektronenoptischen Achse (28) unter einem Winkel (α) zu der elektronenoptischen Achse (29) der Objektivlinse emittiert, wobei der Primärelektronenstrahl durch die Objektivlinse (1) hindurch unter einem Winkel zu deren elektronenoptischen Achse (29) verläuft und der Primärelektronenstrahl keinen Strahlseparator passiert und dass das Emissionselektronenmikroskop ein Kontrastblendensystem (4a) in einer der zu der Brennebene (5) der Objektivlinse korrelierten Ebenen und ein Bildblendensystem (11) in einer der Bildebenen des Systems besitzt.
Emissionselektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abbildungssystem ein die Elektronen abbremsendes System (7) angebracht ist, das aus einer oder mehreren Elektroden besteht, die ein abbremsendes sphärisches Zentralfeld mit Zentrum im Brennpunkt der Objektivlinse (1) simulieren.
Emissionselektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer der zu der Brennebene des Objektives elektronenoptisch konjugierten Ebenen in Kontrastblendensystem (4) angebracht ist.
Emissionselektronenmikroskop nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenquelle (8) eine Quelle von spinpolarisierten Elektronen ist.
Emissionselektronenmikroskop nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenquelle (8) ein Ablenkelement (9) aufweist.