DE10164895B4

DE10164895B4 - Emissionselektronenmikroskop mit zwei umschaltbaren Abbildungssytemen

Info

Publication number: DE10164895B4
Application number: DE10164895A
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: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2021-02-06
Also published as: DE10190535B4; US6667477B2; AU2001230639A1; US20030010915A1; DE10190535D2; WO2001061725A1; WO2001061725B1; PL338538A1

Abstract

Es wird ein Emissionselektronenmikroskop beschrieben, das aus einer Objektivlinse, aus einem Abbildungssystem mit wenigstens einer Linse und aus einem Stigmator besteht, und zeichnet sich dadurch aus, dass es ein zweites, unabhängiges und zu dem ersten Abbildungssystem K1 ein paralleles Abbildungssystem K2 und zwei Elektronennachweiseinrichtungen (25) und (27) besitzt, mit dem zwei unabhängige Bilder erfasst werden: ein reelles Bild und ein Bild der Winkelverteilung der Elektronen als Folge des elektronischen Umschaltens der Potentiale der Ablenkelemente (13) und (17). Die beiden identischen Ablenkelemente, die aus Paaren sphärischer und konzentrischer Elektroden (13a), (13b) und (17a), (17b) bestehen, sind voneinander um deren zweifache Brennweite elektronenoptisch entfernt und lenken den Elektronenstrahl entsprechend um einen Winkel (beta) und (-beta) ab, was zu einer parallelen Versetzung des Elektronenstrahles führt. Die Elektrode (13b) enthält eine Bohrung (13c), die den Drift der Elektronen entlang der elektronenoptischen Hauptachse (29a) bei der abgeschalteten Ablenkung ermöglicht. Das Emissionselektronenmikroskop hat eine Elektronenquelle (8), die Primärelektronen emittiert, ein Kontrastblendensystem (4a) in einer von den zu der Brennebene des Objektives konjugierten Ebenen und ein Bildblendensystem (11) in einer von den Bildebenen des Systems.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Emissionselektronenmikroskop zur Abbildung der Oberfläche und der Winkelverteilung der aus einer Probenoberfläche emittierten Elektronen.
Ein System elektrostatischer Linsen, bekannt aus der US-amerikanischen Patentbeschreibung US 4 096 386 , 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 untersuchenden 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 6 011 262 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.
Ein elektronenoptisches Instrument mit zwei unabhängigen Bilddetektoren zur Aufzeichnung eines Diffraktogramms wird in der deutschen Offenlegungsschrift DE 2 217 501 A beschrieben. Dabei wird ein Diffraktogramm mit Hilfe eines elektronenoptischen Ablenksystems entweder direkt auf einen der beiden Bilddetektoren oder, bei der Anwendung eines komplexen Abtastsystems, indirekt auf einen Monitor visualisiert. Das Umschalten des Elektronenstrahles ändert den elektronenoptischen Charakter des Bildes nicht, sondern lediglich die Art der Detektion. Zudem ermöglicht das System keine Energiefilterung.
Das Elektronenmikroskop, vorgeschlagen in der japanischen Patentschrift JP 113 26 247A , 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 einer der Ausführungen wird ein Energiefilter verwendet, der den Sekundärelektronenstrahl zwischen einer schnellen und einer langsamen Komponente aufteilt. Beide können auf zwei separaten Bilddetektoren visualisiert werden.
In Rev. Sci. Instrum. 67 (3), March 1996 auf Seite 742 wird von K. Grzelakowski und E. Bauer in der Veröffentlichung „A flange-on type low energy electron microscope" ein Elektronenmikroskop vorgestellt, welches zwei Säulen aufweist, nämlich eine Beleuchtungssäule und eine Abbildungssäule. Durch eine Zwischenlinse wird ermöglicht, zwischen einem niederenergetischen Winkelverteilungsbild (Beugungsbild) und einem niederenergetischen reellen Bild umzuschalten. Ein Betrachten beider Bilder gleichzeitig ist jedoch nicht möglich, da beide auf dem gleichen Abbildungssystem dargestellt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Emissionselektronenmikroskop vorzuschlagen, welches insbesondere die Möglichkeit bietet, gleichzeitig sowohl ein reelles Bild der Probe als auch ein korreliertes Winkelverteilungsbild zu erzeugen.
Das erfindungsgemäße Emissionselektronenmikroskop, das aus einer Objektivlinse mit Kontrastblendensystem, aus einem Stigmator und aus einem elektronenoptischen Abbildungssystem mit wenigstens einer Linse besteht, hat zusätzlich ein zweites, unabhängiges und zu dem ersten Abbildungssystem paralleles Abbildungssystem und zwei Elektronennachweiseinrichtungen zur unabhängigen Aufnahme von zwei Bildern: des reellen Bildes und des Bildes der Winkelverteilung der Elektronen, was durch elektronisches Schalten der Potentiale der um Winkel β und –β den Elektronenstrahl ablenkenden und um dessen doppelte Brennweite elektronenoptisch entfernten zwei Ablenkelemente möglich ist, wobei jedes Ablenkelement aus zwei sphärischen und zentrischen Elektroden besteht, von denen die äußere gebohrt ist, um die Drift der Elektronen entlang der elektronenoptischen Achse bei der ausgeschalteten Ablenkung zu ermöglichen.
Das Emissionselektronenmikroskop besitzt eine Elektronenquelle, ein Kontrastblendensystem in einer der zu der Brennebene der Objektivlinse konjugierten Ebenen und ein Bildblendensystem in einer der Bildebenen des Emissionselektronenmikroskopes.
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 eine Quelle für spinpolarisierte Elektronen sein. In der weiteren Ausführung des Emissionselektronenmikroskopes ist das Ablenksystem mit einer Elektronennachweiseinrichtung ausgerüstet, die sich hinter der Bohrung in der äußeren Ablenkelektrode des zweiten Ablenkelementes befindet und die zur Energiespektrumaufnahme dient.
In einer weiteren Variante des Emissionselektronenmikroskopes, das aus Objektivlinse, Kontrastblendensystem, Stigmator und aus einem Abbildungssystem mit wenigstens einer Linse besteht, besitzt das Emissionselektronenmikroskop sowohl eine Elektronenquelle, wie auch ein Kontrastblendensystem in einer der zu der Brennebene des Objektives konjugierten Ebenen und ein Bildblendensystem in einer der Bildebenen des Systems.
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 einer weiteren Ausführung ist die Elektronenquelle oder die Quelle der spinpolarisierten Elektronen mit einem Ablenkelement ausgerüstet.
Mit der Objektivlinse des Emissionselektronenmikroskopes ist auf mechanische Weise ein piezoquarzangetriebener Probenmanipulator zusammengekoppelt, der die Verschiebung, Kühlung und Heizung der Probe ermöglicht.
Vorteilhafte Resultate der Erfindung sind gegeben durch die Eigenschaft der Abbildung der Probenoberfläche mit Elektronen aus dem ausgewählten Energiebereich, die Möglichkeit der lokalen Messungen des Energiespektrums und der Winkelverteilung der Elektronen und die Möglichkeit der gleichzeitigen Aufnahme des reelles Bildes und des korrelierten Bildes der Winkelverteilung der Elektronen. Die Erzeugung dieses Effektes ist durch den Einsatz eines den Elektronenstrahl parallel versetzenden elektronenoptischen Ablenksystems und das Einfügen der Elektronenkanone in das System verwirklicht.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert:
1 illustriert ein Emissionselektronenmikroskop mit zwei parallelen Abbildungssystemen, einer Elektronenquelle und einem elektronenabbremsenden System,
2 illustriert ein Emissionselektronenmikroskop mit zwei parallelen Abbildungssystemen und mit einer Elektronenquelle,
Das Emissionselektronenmikroskop, dargestellt in 1 besteht aus: einer Objektivlinse 1 mit Probenmanipulator 3, die das Kontrastblendensystem 4 und den Stigmator 6 enthält, elektronenoptischen Linsen 20, 21, 22, 23 in den Abbildungssystemen K1 und K2, elektronenoptischen Linsen 10, 12, Elektronenquelle 8 mit Ablenkelementen 9 und aus dem elektronenoptischen Ablenksystem 13 und 17, das den Elektronenstrahl parallel verschiebt und energetisch analysiert. Das System, das den Elektronenstrahl parallel verschiebt, besteht aus: konzentrischen Ablenkelektroden 13a, 13b und ihnen identischen konzentrischen Ablenkelektroden 17a, 17b, die die Form von Teilsphären annehmen, einer Linse 15, einem Stigmator 16 und einer Elektronennachweiseinrichtung 19. Das erste Ablenkelement 13 lenkt den Elektronenstrahl um einen Winkel β, kleiner als 90°, ab, das zweite Ablenkelement 17 lenkt den Elektronenstrahl um den Winkel –β ab, was zu dessen paralleler Verschiebung führt. An den Rändern der Ablenkelemente 13 und 17 können die Ringelektroden 14 eingebaut werden, die ein durch die Ablenkelemente erzeugtes sphärisches Feld simulieren. Beide Ablenkelemente 13 und 17 sind voneinander um ihre zweifache Brennweite elektronenoptisch entfernt und bilden ein elektronenoptisches System in dessen Symmetriemitte sich eine elektronenoptische Linse 15 befindet. Eine parallele Verschiebung der elektronenoptischen Achsen 29, 30 am Eingang und Ausgang des Systems ermöglicht die Beobachtung des mikroskopischen Bildes in zwei Abbildungssystemen K1 und K2. Bei bestimmter Einstellung der Linse 10 und ausgeschaltetem Ablenkelement 13, durch die Bohrung 13c in dessen Außenelektrode 13b gelangen Elektronen in das Abbildungssystem K1, wo sie im Fall einer einkristallinen Probe 2 ein Beugungsbild und im Fall einer polykristallinen Probe ein Bild der Winkelverteilung der Elektronen erzeugen, wobei nach der entsprechenden Änderung der Einstellung der Linsen ein reelles Bild der Oberfläche entsteht.
Bei eingeschalteten Ablenkelementen 13 und 17 unterliegt der Elektronenstrahl einer doppelten Ablenkung, d.h. parallelen Verschiebung der elektronenoptischen Achse und wird dadurch in das Abbildungssystem K2 geleitet, was zu energetisch selektiver Abbildung der Probenoberfläche mit der Elektronennachweiseinrichtung 25 führt.
Das wechselhafte Ein- und Ausschalten der elektronenoptischen Ablenkelemente 13 und 17 bei bestimmten Spannungen mit einer Schaltperiode kürzer als der Intensitätsverfall der beiden Elektronennachweiseinrichtungen 25, 27 führt dazu, daß die Nachweiseinrichtungen gleichzeitig zwei Bilder zeigen:

1) ein durch die Einstellung des Ablenkelementes 13 und der Linse 15 energetisch gefiltertes reelles Bild und ein Bild der Winkelverteilung der Elektronen (ein Beugungsbild), oder
2) ein durch die Einstellung des Ablenkelementes 13 und der Linse 15 energetisch gefiltertes reelles Bild und ein von allen emittierten Elektronen erzeugtes reelles Bild.

Im Inneren der Objektivlinse 1 befindet sich ein piezoelektrischer Mechanismus aus Kontrastblenden 4 und Stigmator 6, der die Abbildungsfehler der Objektivlinse korrigiert.
Das aus einer oder einigen Elektroden bestehende abbremsende System 7, das ein sphärisches Zentralfeld mit Zentrum im Brennpunkt (oder in einem mit ihm elektronenoptisch konjugierten Punkt) der Objektivlinse 1 simuliert, ermöglicht durch die Reduzierung der Driftenergie der Elektronen im Emissionselektronenmikroskop die Verbesserung des Energieauflösungsvermögens des Ablenkelementes 13.
Die elektronenoptische Linse 12, deren Zentrum sich in der Brennebene des Ablenkelementes 13 befindet, dient als Feldlinse, die abhängig von dem Arbeitsmodus des Emissionselektronenmikroskops, entweder das Beugungsbild oder das reelle Bild in das Zentrum der elektronenoptischen Linse 15 transferiert. Durch die Reduzierung der Bildblende 11 ist es möglich, ein Fragment des Bildbereiches (sogar unterhalb 1 μm) auszuwählen und mit Hilfe einer Elektronennachweiseinrichtung 19 das Energiespektrum aus dem ausgewählten Bereich zu messen (in diesem Fall ist das Ablenkelement 13 eingeschaltet und 17 ausgeschaltet), oder mit Hilfe des elektronenoptischen Abbildungssystems K1 (in diesem Fall ist das Ablenkelement 13 ausgeschaltet) die Winkelverteilung der Elektronen aus dem ausgewählten Bereich zu messen.
Bei abgeschaltetem Ablenkelement 17 driften die Elektronen zu der Elektronennachweiseinrichtung 19 durch die Bohrung 17c in der Außenelektrode des Ablenkelements 17b.
Bei abgeschaltetem Ablenkelement 13 bilden die Elektronen ein Beugungsbild oder (abhängig von den Einstellungen der Linsen 10 und 12) ein reelles Bild (zu dem alle Elektronen beitragen) am Eingang der Linse 20, das nach der Vergrößerung auf der Elektronennachweiseinrichtung 27 erscheint.
Das Umschalten der Potentiale mit der Periode z.B. 100 ms führt zu einem wechselhaften Erscheinen der Bilder: eines energetisch selektiven reellen Bildes auf der Elektronennachweiseinrichtung 25, und des Bildes der Winkelverteilung der Elektronen (oder reellen Bildes zu dem alle Elektronen beitragen), auf der Elektronennachweiseinrichtung 27. Die Ausnutzung des elektronischen Verschlusses der zwei CCD Kameras synchronisiert z.B. mit einem Steuerungssignal mit der Periode von z.B. 10 ms, läßt den Effekt der Pulsierung der gleichzeitig und nebeneinander erscheinenden Bilder vermeiden.
In einer der Bildebenen des Systems z.B. in der Brennebene des Ablenkelementes 13, ist ein Bildblendensystem 11 angebracht, mit dem es möglich ist, ein Fragment des Bildbereiches (auch unterhalb 1 μm) auszuwählen und mit Hilfe einer Elektronennachweiseinrichtung 27 oder mit einem anderen unabhängigen Messsystem, z.B. Ablenkelement 13 und Elektronennachweiseinrichtung 19, das Energiespektrum aus dem ausgewählten Bereich zu messen, oder mit Hilfe des elektronenoptischen Abbildungssystems K1 die Winkelverteilung der Elektronen aus dem ausgewählten Bereich zu messen. In einer von den zu der Brennebene 5 der Objektivlinse konjugierten Ebenen (z.B. in der Symmetriemitte der Ablenkelemente 13 und 17) ist eine Kontrastblende (4a) angebracht.
An die Objektivlinse des Emissionselektronenmikroskops ist ein Piezoquarzprobenmanipulator mechanisch angekoppelt, der eine präzise Verschiebung, Kühlung und Heizung der Probe ermöglicht.
Das Emissionselektronenmikroskop ist für den Einsatz unter Ultrahochvakuumbedingungen konzipiert, deshalb unterliegen alle Flansche und Außenmasse dem Standard CF. Der Grundflansch des Emissionselektronenmikroskops ist ein 8''-Flansch DN150CF, der mit sechs Mini-CF-Flanschen mit elektrischen Durchführungen und zwei parallelen Röhren mit 2³/₄''-Flanschen ausgerüstet ist. Das Gesamtinstrument ist mit einer magnetischen Abschirmung ummantelt, was die langsamen Elektronen im Bereich der elektronenoptischen Linsen von dem negativen Einfluß der Außenfelder schützt.

K1: Erstes Abbildungssystem
K2: Zweites Abbildungssystem
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
13: Erstes Ablenkelement
13a: Sphärische Innenablenkelektrode
13b: Sphärische Außenablenkelektrode
13c: Bohrung in der Elektrode 13b
14: Ringelektroden
15: Elektronenoptische Linse
16: Stigmator
17: Zweites Ablenkelement
17a: Sphärische Innenelektrode
17b: Sphärische Außenelektrode
17c: Bohrung in der Elektrode 17b
18: Elektronenoptische Achse der Linse 15
19: Elektronennachweiseinrichtung
20, 21, 22, 23: Elektronenoptische Linse
24, 25, 26, 27: Elektronennachweiseinrichtung
28: Elektronenoptische Achse der Elektronenquelle
29: Elektronenoptische Achse der Objektivlinse
29a: Elektronenoptische Hauptachse des ersten Abbildungssystems
30: Elektronenoptische Achse des zweiten Abbildungssystems

Claims

Emissionselektronenmikroskop, das ein elektronenoptisches, aus einer Objektivlinse (1), aus einem Abbildungssystem (K1) mit wenigstens einer Linse (20, 21) und aus einem Stigmator (6) bestehendes Linsensystem und ein hierzu paralleles, zweites, unabhängiges Abbildungssystem (K2) sowie zwei Elektronennachweiseinrichtungen (25, 27) besitzt, mit denen zwei unabhängige Bilder erfaßt werden, nämlich ein reelles Bild und ein Bild der Winkelverteilung der Elektronen als Folge des elektronischen Umschaltens der Potentiale der Ablenkelemente (13, 17), die den von einer Probe (2) emittierten Elektronenstrahl um einen Winkel (β) und (–β) ablenken, wobei die voneinander um ihre zweifache Brennweite entfernten Ablenkelemente (13, 17) aus identischen Paaren sphärischer und konzentrischer Elektroden (13a, 13b, 17a, 17b) bestehen, und eine Elektrode (13b) eine Bohrung (13c) enthält, die bei abgeschalteter Ablenkung eine Drift der Elektronen entlang einer elektronenoptischen Hauptachse (29a) ermöglicht wobei zur Erzeugung eines die Probe (2) zur Elektronenemission anregenden Primärstrahles dicht neben der Achse der Objektivlinse (1) eine Elektronenquelle (8) sowie in einer der zur Brennebene der Objektivlinse (1) konjugierten Ebenen ein Kontrastblendensystem (4a) und in einer der Bildebenen des Systems ein Bildblendensystem (11) angeordnet ist.
Emissionselektronenmikroskop nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in dem Linsensystem ein abbremsendes System (7) angebracht ist, das aus einer oder mehreren Elektroden besteht, die ein abbremsendes sphärisches Zentralfeld mit dem Zentrum im Brennpunkt der Objektivlinse (1) simulieren.
Emissionselektronenmikroskop nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle (8) eine Quelle für spinpolarisierte Elektronen ist.
Emissionselektronenmikroskop nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang der Elektronenquelle (8) ein Ablenkelement (9) für die Elektronen angebracht ist.
Emissionselektronenmikroskop nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der elektronenoptischen Achse (18) hinter einer Bohrung (17c) in einer äußeren Ablenkelektrode (17b) des Ablenkelements (17) eine Elektronennachweiseinrichtung (19) für die Messung des Energiespektrums der emittierten Elektronen angebracht ist.