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Die
Erfindung betrifft eine teilchenoptische Vorrichtung, die aufweist:
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- – eine
Teilchenquelle zur Erzeugung eines Primärstrahls elektrisch geladener
Teilchen, die sich längs
einer optischen Achse der Vorrichtung bewegen,
- – einen
Probenhalter für
eine Probe, die mittels der Vorrichtung bestrahlt werden soll,
- – eine
Fokussiervorrichtung zur Bildung eines Brennpunkts des Primärstrahls
in der Nähe
des Probenhalters,
- – mindestens
zwei Wien-Filter, die zwischen der Teilchenquelle und der Fokussiervorrichtung
angeordnet sind,
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Die
Erfindung betrifft außerdem
ein Verfahren zum Trennen elektrisch geladener Teilchen nach der
Bewegungsrichtung in einer solchen teilchenoptischen Vorrichtung,
wie es im Detail im folgenden beschrieben wird.
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Eine
teilchenoptische Vorrichtung dieser Art ist aus dem US-Patent Nr.
5,422,486 bekannt.
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Vorrichtungen,
in denen ein fokussierter Primärelektronenstrahl über die
zu untersuchende Probe bewegt wird, sind als Rasterelektronenmikroskope
(SEM) bekannt. In einem SEM wird ein zu untersuchender Bereich einer
Probe mittels eines fokussierten Primärstrahls elektrisch geladener
Teilchen abgetastet, die im allgemeinen Elektronen sind, die sich
längs einer
optischen Achse der Vorrichtung bewegen. Die Energie des Primärelektronenstrahls
im SEM kann innerhalb eines weiten Bereichs in Abhängigkeit
von der Anwendung variieren. Dieser Wert kann zwischen Grenzen der
Größenordnung
von 1 kV und 30 kV liegen, jedoch sind höhere oder niedrigere Werte
nicht ausgeschlossen.
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Während der
Bestrahlung der zu untersuchenden Probe werden elektrisch geladene
Teilchen (üblicherweise
Elektronen) in der Probe freigesetzt. Diese Elektronen können eine
Energie aufwei sen, die von einem sehr niedrigen Wert zu einem Wert
variiert, der von derselben Größenordnung
wie die Energie des Primärstrahls
ist, zum Beispiel von 10% bis praktisch 100% davon. Die Energie
der freigesetzten Niederenergie-Elektronen weist einen Wert in der Größenordnung
von 1 bis 50 eV auf; in diesem Fall werden sie Sekundärelektronen
genannt. Die Energie der freigesetzten Hochenergie-Elektronen weist einen
Wert in der Größenordnung
von 50 eV bis zum Energiewert des Primärstrahls auf; in diesem Fall werden
sie Rückstreuelektronen
genannt. Der Bereich der Auger-Elektronen, deren Energiewerte zwischen
annähernd
50 eV und 5 keV liegen, liegt in dem sich allmählich ändernden Energiespektrum der Rückstreuelektronen
und ist ihm überlagert.
Im Energiespektrum der Rückstreuelektronen
verursachen solche Auger-Elektronen eine leichte Intensitätsvariation
im relevanten Energiebereich; diese Variation kann als eine Welligkeit
betrachtet werden, die dem sich allmählich ändernden Hintergrund der Rückstreuelektronen überlagert
ist. Der Ort und die Größe der Maximalwerte
in der Welligkeit sind für
das Material in der Probe charakteristisch. Um die Energievariation
der Auger-Elektronen zu detektieren, kann von speziellen, bekannten
Auger-Detektoren Gebrauch gemacht werden, die imstande sind, das Spektrum
der Auger-Elektronen vom Spektrum der Rückstreuelektronen zu trennen.
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Die
Energie und/oder die Energieverteilung der freigesetzten Elektronen
liefert eine Information hinsichtlich der Beschaffenheit und Zusammensetzung
der Probe. Diese Elektronen werden auf der Seite der Probe freigesetzt,
auf die der Primärstrahl auftrifft,
wonach sie sich gegen die Richtung des Auftreffens der Primärelektronen
bewegen. Wenn ein oder mehrere Wien-Filter im Weg der Sekundärelektronen
angeordnet sind, die sich so zurück
bewegen, gehen diese Elektronen dann durch diese Filter in eine
Richtung, die der Richtung des Primärstrahls entgegengesetzt ist;
außerdem
wird die Energie dieser freigesetzten Elektronen von der Energie
des Primärstrahls
abweichen. Folglich werden die freigesetzten Elektronen von der
optischen Achse weg abgelenkt, also weg vom Primärstrahl, so daß weitere Ablenkeinrichtungen
diese Elektronen zu einem Detektor leiten können, ohne den Primärstrahl
merklich zu beeinträchtigen.
Die weiteren Ablenkeinrichtungen gemäß dem zitierten US-Patentdokument
bestehen aus einem Elektronenspiegel, der zwischen der Elektronenquelle
und der Fokussiervorrichtung und zur Seite der optischen Achse angeordnet
ist. Es wird so ein energieselektiertes Bild der Probe in einer
bekannten Weise verwirklicht. In Hinblick auf die Qualität der Abbildung
der Elektronenquelle auf einen Abtastpunkt ist es notwendig, daß die Wien-Filter
den Primärstrahl
nicht merklich stören;
es ist insbesondere notwendig, daß die Dispersion dieser Wien-Filter nicht
den Abtastpunkt des Primärstrahls
vergrößert (in
dem die Elektronen unvermeidlich eine gegebene Energiespreizung
zeigen), der auf der Probe fokussiert wird. In dem zitierten Patentdokument
wird dies durch Nutzung zweier Wien-Filter erreicht, wobei der zweite
Wien-Filter die Dispersion aufhebt, die durch den ersten Wien-Filter
verursacht wird.
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Die
bekannte teilchenoptische Vorrichtung ist dazu eingerichtet, Bilder
mittels Sekundärelektronen
zu erzeugen, d.h. Elektronen, die aus der Probe freigesetzt werden
und deren Energie zwischen annährend
1 eV und 50 eV liegt. Jedoch ist es häufig außerdem wünschenswert, ein Bild mittels
freigesetzter Elektronen einer anderen Energie zu bilden, zum Beispiel
Auger-Elektronen,
deren Energie zum Beispiel um einen Faktor von einhundert höher als die
Energie der Sekundärelektronen
sein kann. In diesem Fall müssen
die elektrischen und magnetischen Felder des Wien-Filters proportional
stärker werden;
eine solche größere Stärke ist
unvermeidlich mit Abbildungsfehlern verbunden, die unzulässigerweise
die Punktgröße des Brennpunkts
des Primärstrahls
beeinflussen und folglich die Auflösung des Bildes verschlechtern
würden.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine teilchenoptische Vorrichtung
der im einleitenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Art bereitzustellen,
in der Auger-Bilder der Probe gebildet werden können, ohne die räumliche
Auflösung
durch die Auswahl des Auger-Energiebereichs ernsthaft zu verschlechtern. Zu
diesem Zweck ist die erfindungsgemäße teilchenoptische Vorrichtung
dadurch gekennzeichnet, daß für jeden
Wien-Filter Polflächen zum
Erzeugen eines Quadrupolfelds vorgesehen sind, wobei die Polflächen in
dem Bereich jedes jeweiligen Wien-Filters in einer solchen Weise
angeordnet sind, daß mindestens
ein Teil jedes der Quadrupolfelder mit den homogenen Feldern des
zugehörigen
Wien-Filters zusammenfällt.
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Es
wird angemerkt, daß die
Polflächen
verwendet werden, um entweder magnetische oder elektrostatische
Felder oder deren Mischungen zu erzeugen.
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Es
kann so ein scharfer Punkt des Primärstrahls erhalten werden, so
daß die
gewünschte
Auflösung
beibehalten wird. Insbesondere der Astigmatismus, der durch die
Wien-Filter verursacht wird, wird so reduziert. Aufgrund der beschriebenen
Situation der Quadrupolfelder kann die Quadrupolstärke variiert
werden, ohne gleichzeitig eine Einstellung der Stärke eines
oder beider Felder der Wien-Filter zu erfordern.
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Es
wäre im
Prinzip machbar, die gewünschte Korrektur
der Abbildungsfehler der Wien-Filter mittels der Stigmatoren zu
versuchen und zu verwirklichen, die schon in einem Elektronenmikroskop
enthalten sind, um den Astigmatismus der Elektronenlinsen zu korrigieren,
die im Grunde ebenfalls eine Art Quadrupolfeld erzeugen. Jedoch
sind diese Stigmatoren dazu bestimmt, kleine Korrekturen vorzunehmen,
so daß sie
keine geeignet definierte Poloberfläche aufweisen. Dies bedeutet,
daß der
korrekte Ort relativ zur optischen Achse der relevanten Stigmatorfelder nicht
gut genug definiert ist, so daß die
Korrekturwirkung in Kombination mit den Wien-Filtern nicht geeignet
vorhergesagt werden kann, und außerdem das Bild bei einer Variation
der Stigmatorerregung weit von der optischen Achse wegwandern kann („Wegdriften" des Bildes). Ein
ernsterer Nachteil ist es jedoch, daß eine Differenz der Vergrößerung zwischen
der x-z-Ebene und
der y-z-Ebene auftritt, da die Position des Stigmators längs der
optischen Achse von jener des Wien-Filters abweicht; bei der Bildung
des Abtastpunktes durch die Abbildung der Elektronenquelle kann
diese Differenz ohne weiteres zu einem Verhältnis von 2:3 des Öffnungswinkels
des Primärstrahls
auf der Fläche
der Probe führen.
Dies bedeutet zum Beispiel, daß der
Bildfehler infolge sphärischer
Aberration des Objektivs (von dem bekannt ist, daß er zur
dritten Potenz des Öffnungswinkels
proportional ist) ein Verhältnis
von 8:27 der x-z-Ebenen
und der y-z-Ebenen zeigt, so daß die Kreissymmetrie
des Abtastpunktes und folglich die Auflösung des Mikroskops ernsthaft
gestört
würden.
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Ein
Wien-Filter ist ein Geschwindigkeitstyp eines Filters mit gegenseitig
senkrechten homogenen elektrostatischen und magnetischen Feldern.
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Es
wird angemerkt, daß die
europäische
Patentanmeldung EP0989584A1 im Abschnitt [0030] (Spalte 5 Zeilen
24-29) offenbart, daß ein „Wien-Filter aus
einem Quadrupolfilter oder einer Anordnung einer noch höherer Ordnung
bestehen kann",
jedoch unterscheidet sich diese Definition für ein Wien-Filter vom normalen
Gebrauch. Obwohl das elektrostatische und magnetische Feld der Struktur,
die in diesem europäischen
Patent beschrieben werden, gegenseitig senkrecht sind, ist die Struktur
kein Geschwindigkeitsfilter, da ein Quadrupolfilter oder eine Anordnung
noch höherer
Ordnung keine Energiedispersion für Teilchen zeigt, die über die
Mittelachse der Struktur gehen, und im allgemeinen ist die Energiedispersion
eine Funktion des Abstandes der Teilchen von der Achse. Die Energiedispersion
auf der Achse ist null, da auf der Achse sowohl die elektrostatischen
als auch magnetischen Felder der Quadrupolfelder oder der Felder
noch höherer
Ordnung null sind.
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In
einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen teilchenoptischen
Vorrichtung sind drei Wien-Filter zwischen der Elektronenquelle
und der Fokussiervorrichtung angeordnet. In dieser Anordnung wird
die Winkelspreizung, die durch die Dispersion des (von der Elektronenquelle
gesehen) ersten Wien-Filters verursacht wird, durch den nachfolgenden zweiten
Wien-Filter aufgehoben. Infolge des Abstands zwischen dem ersten
und dem zweiten Filter unterliegen jedoch die Elektronen mit anderer
Energie im Primärstrahl
dann einer gegebenen lateralen Verschiebung, so daß unter
den gegebenen Umständen
die gewünschte
Bildauflösung
nicht mehr erzielt werden kann. Falls dies unerwünscht ist, kann ein dritter
Wien-Filter hinter dem zweiten Wien-Filter angeordnet werden. Der
zweite Wien-Filter wird dann in einem geringfügig höheren Maß erregt, so daß die Elektronen
anderer Energie wieder mit dem dritten Wien-Filter zusammenfallen.
Infolge der Dispersionswirkung des dritten Filters werden diese
Elektronen durch solche andere Winkel abgelenkt, daß sie keine resultierende
Winkelvariation zeigen, und folglich keine resultierende Querverschiebung
beim Verlassen des Filters zeigen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen teilchenoptischen
Vorrichtung werden die Polflächen
zum Erzeugen eines Quadrupolfelds durch zwei zusätzliche Elektroden gebildet,
die parallel zur optischen Achse angeordnet sind und sich senkrecht
zu den Elektroden zum Erzeugen des elektrische Felds im Wien-Filter
erstrecken.
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Die
beiden Elektroden, die sich senkrecht zu den elektrostatischen Elektroden
und parallel zur optischen Achse erstrecken, können durch die Polflächen zum
Erzeugen des magnetischen Felds gebildet werden, vorausgesetzt,
daß diese
Flächen
vom Rest der Vorrichtung elektrisch isoliert sind. Es ist alternativ
möglich,
getrennte elektrisch leitfähige
Elektroden an diesen Polflächen
vorzusehen; diese Elektroden sind in diesem Fall an den Polflächen befestigt;
diese Elektroden sind in diesem Fall über eine elektrisch isolierende
Zwischenschicht an den Polflächen
befestigt. Die obigen Schritte können
in dieser Ausführungsform
zum Beispiel leicht implementiert werden, indem die Stromversorgungsquelle(-Quellen)
des relevanten Wien-Filters
in einer solchen Weise eingestellt wird, daß zusätzlich zur Zufuhr einer reinen
Spannungsdifferenz relativ zu einem gemeinsamen Nullpegel zu den
Feldelektroden (+V und –V relativ
zu null Volt) die beiden zusätzlichen
Elektroden mit einer gemeinsamen Spannung verbunden werden. Als
Ergebnis dieses Schritts wird keine zusätzliche physikalische Einrichtung
erforderlich sein, um das gewünschte
Quadrupolfeld zu erzeugen, und außerdem wird die Mitte des Quadrupolfelds
immer mit der Mitte des Wien-Filterfelds
zusammenfallen. Unter diesen Umständen wird die Korrektur der
Linsenfehler am Filter optimal sein.
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Eine
weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen teilchenoptischen
Vorrichtung ist mit Ablenkeinrichtungen zur Ab lenkung elektrisch
geladener Teilchen aus der Probe weiter weg von der optischen Achse
versehen, wobei die Ablenkeinrichtungen zwischen die Elektronenquelle
und die Fokussiervorrichtung und zur Seite der optischen Achse geschaltet
sind, und eingerichtet sind, ein im wesentlichen radiales elektrisches
Ablenkfeld zu erzeugen. Dieser Schritt ermöglicht einen vergleichsweise
einfachen Aufbau des Ablenksystems; außerdem ist folglich nicht nur
ein zylindersymmetrisches Ablenkfeld, sondern auch ein kugelsymmetrisches
Ablenkfeld möglich.
Dies bietet den Vorteil, daß von
vergleichsweise langen Ablenkelektroden mit einem vergleichsweise
kleinen Abstand Gebrauch gemacht werden kann, ohne daß der Elektronenstrahl
die Platten trifft. Für
einen gegebenen Ablenkwinkel reicht dann eine vergleichsweise niedrige
Spannung an den Elektroden aus.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen teilchenoptischen
Vorrichtung sind die Ablenkeinrichtungen außerdem dazu eingerichtet, ein
magnetisches Ablenkfeld zu erzeugen und das magnetische Ablenkfeld
und das elektrische Ablenkfeld unabhängig voneinander einzustellen.
Diese Schritte ergeben ein flexibles Instrument, das abhängig von
dieser Einstellung Fokussiereigenschaften aufweist. Ein Punkt der
Probe, der Auger-Elektronen emittiert, kann folglich so gut wie
möglich
auf die Eintrittsfläche
des Detektors abgebildet werden, so daß der Auger-Detektor eine vorteilhafte
spektrale Auflösung
bieten kann.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
ein Verfahren zum Trennen elektrisch geladener Teilchen in einer
teilchenoptischen Vorrichtung nach der Bewegungsrichtung, wobei
in der Vorrichtung
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- – ein
Primärstrahl
elektrisch geladener Teilchen erzeugt wird, die sich längs einer
optischen Achse der Vorrichtung bewegen,
- – der
Primärstrahl
durch ein Wien-Filter geht, das zwischen der Teilchenquelle und
der Fokussiervorrichtung angeordnet ist,
- – die
Fokussiervorrichtung einen Endbrennpunkt des Primärstrahls
in der Nähe
eines Probenhalters für
eine Probe bildet, die mittels der Vorrichtung bestrahlt werden,
- – als
Reaktion auf das Auftreffen des Primärstrahls elektrisch geladene
Teilchen aus der Probe freigesetzt werden, wobei sich die freigesetzten
Teilchen in die zur Bewegungsrichtung des Primärstrahls entgegengesetzte Richtung
bewegen
- – die
freigesetzten Teilchen im Wien-Filter weg vom Primärstrahl
abgelenkt werden.
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Gemäß eines
weiteren Aspekts der Erfindung kann die erwünschte Bildung von Auger-Bildern der
Probe, ohne die räumliche
Auflösung
infolge der Wahl des Auger-Energiebereichs ernstlich zu verschlechtern,
auch mittels nur eines Wien-Filters erreicht werden; dies hat den
Vorteil der Einfachheit der teilchenoptischen Vorrichtung.
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Um
die vorhergehende Aufgabe zu lösen,
ist das Verfahren erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, daß ein
Zwischenbrennpunkt des Primärstrahls
im wesentlichen in der Mitte des Wien-Filters gebildet wird, und daß in einem
Bereich des Wien-Filters
ein Quadrupolfeld erzeugt wird, von dem mindestens ein Teil mit
dem Feld des Wien-Filters zusammenfällt.
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Die
Wirkung des Wien-Filters auf den Primärstrahl ist, daß ein Strahl
in diesem Primärstrahl, der
eine andere Energie als die Nennenergie (d.h. die Energie, bei der
keine resultierende Ablenkung durch das Filter verursacht wird)
aufweist, durch das Filter abgelenkt wird. Dieser abgelenkte Strahl
scheint vom Ausgang des Filters aus gesehen im wesentlichen von
einem Punkt in der Mitte des Filters auszugehen, so daß dieser
Punkt zu einem virtuellen Gegenstandspunkt für die Abbildungselemente wird,
die dem Filter folgen, insbesondere das Objektiv, das den Strahl auf
die Probe fokussiert. Wenn der Zwischenbrennpunkt des Primärstrahls
in dem virtuellen Gegenstandspunkt positioniert wird, vereinigt
das Objektiv alle Strahlen, die vom Gegenstandspunkt ausgehen, wieder
im zugehörigen
Bildpunkt, unabhängig
vom Winkel, der durch die Strahlen, die vom Gegenstandspunkt ausgehen,
relativ zur optischen Achse eingeschlossen wird. Irgendeine Winkelvariation
des Gegenstandspunkts infolge der Energiedispersion des Filters
erzeugt daher keine Variation im Bildpunkt, also auch keine Variation
der Größe des Elektronenpunkts
des Primärstrahls,
der auf der Probe gebildet wird.
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Infolge
der Wahl des Ortes des Zwischenbrennpunkts bildet der Elektronenpunkt
daher ein dispersionsfreies Bild des Zwischenbrennpunkts. Diese
Wahl des Ortes des Zwischenbrennpunkts bietet außerdem den Vorteil, daß auf irgendwelche
zweite und dritte Wien-Filter verzichtet werden kann, da offensichtlich
keine Dispersion im ersten Filter verursacht wird, so daß auch kein
Wien-Filter zu deren Korrektur erforderlich sein wird.
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Vorteilhafte
Ausführungen
dieses Verfahrens werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Die
Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren im
Detail beschrieben, in denen entsprechende Bezugsziffern entsprechende Elemente
bezeichnen. Es zeigen:
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1 schematisch einen relevanten
Teil eines erfindungsgemäßen teilchenoptischen
Instruments;
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2a, 2b, 2c den
Verlauf einiger Elektronenwege in einem oder mehreren Wien-Filtern,
die in einem erfindungsgemäßen Elektronenmikroskop verwendet
werden;
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3 den Verlauf einiger Elektronenwege
in einem Wien-Filter und einer Objektivlinse, indem ein Zwischenbrennpunkt
im erfindungsgemäßen Wien-Filter
eingesetzt wird;
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4 den Weg eines Primärelektrons
und eines Elektrons, das aus der Probe freigesetzt wird, in einem
System von Wien-Filtern und einer Objektivlinse;
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5a eine schematische Schnittansicht, die
teilweise in der x-z-Ebene und teilweise in der y-z-Ebene vorgenommen
ist, einer erfindungsgemäßen Kombination,
die aus einem Wien-Filter und Einrichtungen zum Erzeugen eines Quadrupolfelds
besteht;
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5b eine detailliertere (Teil-)
Schnittansicht, die längs
der Linie A–A
in 5a vorgenommen ist,
der erfindungsgemäßen Korrekturvorrichtung.
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1 zeigt ein teilchenoptisches
Instrument in der Form eines Teils einer Säule 2 eines Rasterelektronenmikroskops
(SEM). Wie es üblich
ist, wird in diesem Instrument ein Strahl von Elektronen (der Primärstrahl)
durch eine (in der Figur nicht gezeigte) Elektronenquelle erzeugt;
dieser Strahl bewegt sich längs
der optischen Achse 4 des Instruments. Der Elektro nenstrahl
kann durch eine oder mehrere elektromagnetische Linsen gehen, wie
eine Kondensorlinse 6, und erreicht schließlich die
Objektivlinse 8. Diese Linse, die eine sogenannte Monopollinse
ist, bildet einen Teil eines magnetischen Kreises, der außerdem aus
der Wand 10 der Probenkammer 12 besteht . Die
Objektivlinse 8 wird verwendet, um mittels des Primärelektronenstrahls
einen Brennpunkt zu bilden, um die Probe 14 abzutasten.
Die Probe wird abgetastet, indem der Elektronenstrahl mittels Ablenkspulen 16,
die in der Objektivlinse 8 untergebracht wird, in die x-Richtung
ebenso wie in die y-Richtung über
die Probe bewegt wird. Die Probe 14 ist auf einem Probenhalter 18 angeordnet,
der einen Träger 20 für die x-Verschiebung
und einen Träger 22 für die y-Verschiebung
aufweist. Diese beiden Träger
ermöglichen
die Auswahl eines gewünschten
Bereichs der Probe zur Untersuchung. Das Objektiv 8 dient auch
als eine Fokussiervorrichtung zur Erzielung eines Brennpunkts des
Primärstrahls
in der Nähe
des Probenhalters 18. Im vorliegenden Mikroskop wird die
Abbildung dadurch erzielt, daß Elektronen
aus der Probe herausgeschlagen werden und sich in die Richtung der
Objektivlinse 8 zurückbewegen.
Da die Objektivlinse als eine Monopollinse aufgebaut ist, bewegen
sich die freigesetzten Elektronen in das magnetische Feld des Objektivs,
so daß sie
sich in die Richtung des spitzen, nach unten zeigenden Endes des
Objektivs bewegen, wo sie in die Bohrung des Objektivs eintreten.
Diese Elektronen werden anschließend vom Primärstrahl
in einer Wien-Filtereinheit 28 getrennt, die noch beschrieben
werden soll, wonach die freigesetzten Elektronen mittels Ablenkeinrichtungen 26,
die noch beschrieben werden sollen, weiter weg von der optischen
Achse 4 und zu einem Detektor 24 abgelenkt werden.
Die Ablenkeinrichtungen 26 sind zwischen der Elektronenquelle und
der Objektivlinse 8, die als die Fokussiervorrichtung dient,
und zur Seite der optischen Achse 4 angeordnet. Eine (nicht
gezeigte) Steuereinrichtung ist mit dem Detektor verbunden, um den
Detektor zu aktiveren und um den Fluß der detektierten Elektronen in
ein Signal umzuwandeln, das zum Beispiel mittels einer (nicht gezeigten)
Kathodenstrahlröhre
zur Bildung eines energieselektierten Bildes der Probe verwendet
werden kann.
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Die 2a, 2b und 2c veranschaulichen
die Wirkung eines oder mehrerer Wien-Filter auf den Primärstrahl.
Wie bekannt ist, ist die Wirkung eines Wien-Filters auf einen Elektronenstrahl
derart, daß der Weg
von Elektronen mit einer Energie, die mit der Einstellung des Filters
verbunden ist, (der Nennenergie) nicht durch das Filter abgelenkt
wird, wohingegen der Weg von Elektronen mit einer Energie, die höher als
die Nennenergie ist, in eine Richtung abgelenkt wird, und jener
von Elektronen mit einer Energie, die niedriger als die Nennenergie
ist, in die andere Richtung abgelenkt wird. Diese Wirkung wird in 2a veranschaulicht, in der
der Primärelektronenstrahl 30 längs der
optischen Achse 4 auf ein schematisch dargestelltes Wien-Filter 32 auftrifft.
Es wird vorausgesetzt, daß der
Elektronenstrahl 30 aus Elektronen dreier unterschiedlicher
Energien besteht, d.h. der Nennenergie En,
einer niedrigeren Energie El und einer höheren Energie
Eh. Pfeile, die angrenzend an das Wien-Filter
gezeichnet sind, zeigen die Richtung des magnetischen Felds B (senkrecht
zur Zeichenebene) und des elektrischen Felds E (in der Zeichenebene)
im Wien-Filter 32 an. Es stellt sich heraus, daß der Primärstrahl,
nachdem er das Wien-Filter 32 passiert
hat, in einen Teilstrahl 30a der niedrigeren Energie, einen
Teilstrahl 30b der Nennenergie und einen Teilstrahl 30c der
höheren
Energie ausgespalten ist.
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In 2b ist ein zweiter Wien-Filter 34 zum Filter 32 hinzugefügt. Es ist
zu beachten, daß die
Felder E und B im Filter 32 zu den entsprechenden Feldern
im in 2a gezeigten Filter 32 entgegengesetzt
sind, wohingegen die Felder des Filters 34 gleich groß sind,
jedoch zu jenen des Filters 32 entgegengesetzt sind. Folglich
werden die Teilstrahlen 30a, 30b und 30c durch
das Filter 34 in einer solchen Weise abgelenkt, daß sie wieder
parallel zur ursprünglichen
Richtung des Auftreffens des Strahls 30 ausgehen, das heißt, wie
die Strahlen 30d, 30e und 30f.
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In 2c ist ein drittes Wien-Filter 36 zu
den Filtern 32 und 34 hinzugefügt. Es ist zu beachten, daß die Felder
E und B im Filter 32 dieselbe Richtung wie die entsprechenden
Felder im in 2a gezeigten
Filter 32 aufweisen, wohingegen die Feldrichtungen des
Filters 34 jenen des Filters 32 entgegengesetzt
sind. In 2c sind im
Vergleich zu 2b geringfügig stärkere Felder
für das
Filter 34 eingestellt. Folglich werden die Teilstrahlen 30a, 30b und 30c durch
das Filter 34 in einer solchen Weise abgelenkt, daß sie als
Teilstrahlen 30d, 30e und 30f wieder
zur Mitte des Filters 36 geleitet werden. Im letzteren
Filter werden die Teilstrahlen einer Ablenkung ausgesetzt, die der
des Filters 34 entgegengesetzt ist, so daß die so
vereinigten Teilstrahlen vom Filter 36 wieder als ein Strahl
ausgehen.
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3 zeigt den Verlauf eines
konvergierenden Elektronenstrahls 30, der sich längs der
optischen Achse bewegt und auf das Wien-Filter 36 auftrifft.
Die Konvergenz dieses Strahls ist so gewählt worden, daß sich der
Vereinigungspunkt 40 dieses Strahls (der Zwischenbrennpunkt)
auf halbem Wege im Filter befindet. Elektronen im Primärstrahl,
die eine Energie aufweisen, die von der Nennenergie abweicht, werden
durch das Filter abgelenkt und verlassen das Filter als Teilstrahl 30c.
Vom Ausgang des Filters gesehen, scheint dieser Teilstrahl vom Zwischenbrennpunkt 40 auszugehen,
so daß dieser Punkt
ein Gegenstandspunkt für
die Objektivlinse 8 wird, die dem Filter folgt und den
Strahl auf der Probe fokussiert. Als Ergebnis werden alle Strahlen,
die vom Zwischenbrennpunkt ausgehen, wieder im zugehörigen Bildpunkt 38 durch
das Objektiv vereinigt, unabhängig
vom Winkel, der relativ zur optischen Achse durch die Strahlen eingeschlossen
wird, die vom Zwischenbrennpunkt ausgehen. Irgendeine Winkelvariation
im Zwischenbrennpunkt infolge der ablenkenden Wirkung des Filters ändert daher
nicht den Ort, des Bildpunkts und also auch nicht die Größe des Elektronenpunkts,
der auf der Probe durch den Primärstrahl
gebildet wird. Als Ergebnis dieser Wahl des Ortes des Zwischenbrennpunkts
bildet der Elektronenpunkt ein dispersionsfreies Bild des Zwischenbrennpunkts.
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4 zeigt den Verlauf des
Weges 30 eines Primärelektrons
durch ein System 28, das aus Wien-Filtern 32, 34 und 36 und
einer Objektivlinse 8 besteht. Diese Figur zeigt auch den
Weg 42 eines Elektrons, das aus der Probe freigesetzt wird
und nachfolgend die Objektivlinse 8, den unteren Wien-Filter 36 des
Systems 28 und die Ablenkeinrichtungen 26 durchquert.
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Wie
schon unter Bezugnahme auf 2c beschrieben
worden ist, wird der Primärelektronenstrahl 30 insgesamt
durch das Wien-Filter im System 28 nicht beeinflußt. Infolge
das Auftreffens des durch das Objektiv 8 fokussierten Primärstrahls 30 auf
der Probe 14, werden Elektronen verschiedener Energien
in der Probe freigesetzt, die insbesondere Auger-Elektronen aufweisen,
deren Energie in der Größenordnung
von 50 eV bis 5 keV liegt. Diese Auger-Elektronen sind imstande,
sich in die Richtung des Objektivs zu bewegen, insbesondere wenn
das Objektiv als eine Immersionslinse aufgebaut ist, d.h. eine Linse,
wo sich die Probe im magnetischen Feld der Linse befindet. In diesem
Fall bewegen sich praktisch alle Auger-Elektronen über die
(in 4 nicht gezeigte)
Bohrung des Objektivs 8 entgegen der Bewegungsrichtung
des Primärstrahls,
d.h, in die Richtung des unteren Wien-Filters 36. Da sich
die Auger-Elektronen entgegen der Richtung des Primärstrahls
bewegen und außerdem
im allgemeinen eine Energie aufweisen, die niedriger als die des
Primärstrahls
ist, erfüllen
diese Elektronen nicht die Wien-Bedingung für einen nicht-abgelenkten Durchgang
des Filters, so daß das
Wien-Filter 36 diese Elektronen
in Abhängigkeit
von ihrer Energie mehr oder weniger von der optischen Achse weg
längs eines
Weges 42 ablenkt. Nachdem diese Auger-Elektronen räumlich vom
Primärstrahl 30 getrennt
worden sind, werden sie durch die Ablenkeinrichtungen 26 weiter
in die Richtung eines (nicht gezeigten) Auger-Detektors geleitet.
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Die
Ablenkeinrichtungen 26 bestehen aus Elektroden 44 und
46 zum Erzeugen eines elektrischen Felds und Magnetpolen 48 und
50 zum Erzeugen eines magnetischen Felds. Die Elektroden 44 und 46 erstrecken
sich senkrecht zur Zeichenebene. Sie weisen eine im wesentlichen
kreiszylindrische Form auf, so daß die Schnittlinie mit der
Zeichenebene einen Kreis bildet. Die Ablenkeinrichtungen 26 sind
folglich eingerichtet, ein im wesentlichen radiales elektrisches
Ablenkfeld zu erzeugen. Die Polflächen der Magnetpole 48 und 50 erstrecken
sich parallel zur Zeichen ebene, so daß sich das magnetische Feld
der Ablenkeinrichtungen 26 im wesentlichen senkrecht zur Zeichenebene
erstreckt. Das elektrische Ablenkfeld und das magnetische Ablenkfeld sind
vorzugsweise gegenseitig unabhängig
einstellbar, so daß eine
Auswahl jeder der Feldstärken
die Auswahl eines gewünschten
Energiebereichs aus den Auger-Elektronen für eine gewünschte Ablenkungsrichtung ermöglicht.
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5a ist eine Schnittansicht,
die teilweise in der x-z-Ebene
und teilweise in der y-z-Ebene aufgenommen ist, die sich senkrecht
dazu erstreckt, der Kombination eines Wien-Filters und einer Einrichtung zum
Erzeugen eines Quadrupolfelds, wie es in der erfindungsgemäßen Wien-Filtereinheit 28 verwendet werden
soll. Das Wien-Filter besteht aus zwei Polschuhen 52 (von
denen nur einer in 5a gezeigt wird),
die aus Nickeleisen bestehen, um ein homogenes magnetisches Feld
zu erzeugen; eine Spule 54 ist an jedem Polschuh vorgesehen.
Das magnetische Feld, das durch die Spulen 54 und die Polschuhe 52 erzeugt
wird, wird durch einen magnetischen Kreis 56 aus Nickeleisen
geleitet. Dieser Kreis ist als ein Zylinder geformt, dessen Achse
mit der optischen Achse 4 zusammenfällt. Es sind zwischen den Magnetpolen 52 zwei
Elektroden 58 (von denen nur eine in 5a gezeigt wird) in einer solchen Weise
vorgesehen, daß sich
die Polflächen
der Elektroden 58 senkrecht zu den Polflächen der
magnetischen Polschuhe 52 erstrecken. Alle der Polflächen erstrecken sich
parallel zur optischen Achse 4. Die Elektroden 58 sind
von den anderen Metallteilen des Wien-Filters durch einen Isolator 57 elektrisch
isoliert.
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Am
oberen Teil ebenso wie am unteren Teil des Wien-Filters ist ein
Leiter (60 bzw. 61) in der Form einer kreisförmigen Platte
vorgesehen, die mit einer mittleren Bohrung versehen ist. Da diese
Platten 60 und 61 aus Nickeleisen bestehen, können sie für das elektrische
Feld ebenso wie für
das magnetische Feld des Wien-Filters als ein Feldabschluß dienen.
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Die
Elektroden 58 weisen sowohl an ihrem oberen Teil als auch
an ihrem unteren Teil einen abgerundeten Abschnitt auf. Folglich
wird die Variation des elektrischen Felds und des magnetischen Felds des
Wien-Filters auch an seinen Enden in einem hohen Maße dieselbe
werden, so daß die
Wien-Bedingung für
eine Nicht-Ablenkung der Elektronen mit Nennenergie auch an den
Enden der Felder erfüllt sein
wird.
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5b ist eine detaillierte
Darstellung einer teilweisen Schnittansicht des Wien-Filters, die
längs der
Linie A–A
vorgenommen ist. Die Elektroden 58 sind zwischen den beiden
Magnetpolen 52 in einer solchen Weise angeordnet, daß sich die
Polflächen dieser
Elektroden senkrecht zu den Polflächen der magnetischen Polschuhe 52 erstrecken.
In der Mitte jeder der Elektroden 58 ist eine V-förmige Nut
vorgesehen, die sich parallel zur optischen Achse erstreckt. Eine
solche Nut erhöht
die Homogenität
des elektrischen Felds. Es sind an jeder der Polflächen der
magnetischen Polschuhe 52 über eine Substratschicht 62 bzw. 64 eines
elektrisch isolierenden Materials elektrische Elektroden 66 und 68 vorgesehen. Jede
der beiden Elektroden kann mit ihrer eigenen Spannung versorgt werden.
Das gewünschte
elektrostatische Quadrupolfeld kann durch eine geeignete Wahl dieser
Spannungen erzeugt werden. Das gewünschte homogene elektrische
Feld für
die Wien-Filterwirkung wird gebildet, indem eine gegebene Potentialdifferenz
an die Elektroden 58 angelegt wird und die Elektroden 66 und 68 auf
dem Potential null gehalten werden. Dasselbe, von null verschiedene Potential
kann nun an die beiden Elektroden 66 und 68 angelegt
werden. Die Wirkung dieses, von null verschiedenen Potentials ist,
daß das
gezeigte Wien-Filter zusätzlich
zur Wien-Filterwirkung die Wirkung einer elektrostatischen Linse
und eines Quadrupolfelds zeigt. Falls notwendig, kann diese (schwache)
Linsenwirkung leicht kompensiert werden, indem die Stärke des
Objektivs geringfügig
angepaßt
wird.
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Es
ist auch möglich,
die Isolatoren 62 und 64 und die Elektroden 66 und 68 vollständig wegzulassen
und die gewünschten
elektrischen Potentiale statt dessen an die Polschuhe 52 anzulegen.
In diesem Fall sollten die Polschuhe von ihrer Umgebung elektrisch
isoliert sein.