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Die Erfindung betrifft ein Teilchenstrahlsystem und ein Spektroskopieverfahren zur Aufzeichnung von Energieverlustspektren, welche Energieverluste repräsentieren, die Teilchen eines Teilchenstrahls bei der Wechselwirkung mit einer Probe erfahren.
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Energieverlustspektren sind geeignet, elementare Anregungen einer Probe, wie beispielsweise die Anregung von Oberflächenplasmonen in der Probe, zu erfassen. Hierzu kann beispielsweise ein monochromatischer Elektronenstrahl auf einen Ort der Probe gerichtet werden, wobei Anregungen der Probe erfolgen und den Elektronen des Elektronenstrahls ein der Energie der Anregung entsprechendes Maß an Energie entziehen. Wird ein Energiespektrum des Elektronenstrahls nach Wechselwirkung mit der Probe aufgezeichnet, so enthält das aufgezeichnete Energiespektrum Information über die Anregungsenergien. Anwendungen dieser Methode sind in den Artikeln
J. Nelayah, L. Gu, W. Sigle, C. T. Koch, I. Pastoriza-Santos, L. M. Liz-Marzán, and P. A. van Aken, "Direct imaging of surface plasmon resonances an single triangular silver nanoprisms at optical wavelength using low-loss EFTEM imaging," Opt. Lett. 34, 1003–1005 (2009) und
Wilfried Sigle, Jaysen Nelayah, Christoph T. Koch, and Peter A. van Aken, "Electron energy losses in Ag nanoholes – from localized surface plasmon resonances to rings of fire," Opt. Lett. 34, 2150–2152 (2009) beschrieben.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Teilchenstrahlsystem und ein Spektroskopieverfahren vorzuschlagen, mit welchen Energieverlustspektren mit höherer Genauigkeit aufgezeichnet werden können.
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Der Erfinder hat erkannt, dass Instabilitäten in einer Hochspannungsquelle, welche eine Beschleunigungsspannung für einen für die Messung genutzten Teilchenstrahl bereitstellt, ursächlich für eine Limitierung einer erreichbaren Auflösung bei der Messung von Energieverlustspektren sind. Es kann deshalb daran gedacht werden, zur Bereitstellung der Beschleunigungsspannung eingesetzte Hochspannungsquellen stärker zu stabilisieren. Bei herkömmlichen Hochspannungsquellen für Teilchenstrahlsysteme werden allerdings bereits beträchtliche Maßnahmen zur Stabilisierung derselben eingesetzt, welche hohe Kosten verursachen und dennoch verbleibende Instabilitäten, insbesondere Driften und niederfrequentes Rauschen, nicht zufriedenstellend verhindern können.
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Zur Lösung der oben genannten Aufgabe wird deshalb vorgeschlagen, eine gegebene Instabilität der Hochspannungsquelle hinzunehmen und Änderungen der Hochspannung beziehungsweise Abweichungen der bereitgestellten Hochspannung von einer Soll-Spannung zu erfassen und an einer anderen Stelle im Strahlengang des Teilchenstrahls vor oder nach der Wechselwirkung mit der Probe Korrekturmaßnahmen zu treffen.
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Gemäß Ausführungsformen der Erfindung umfasst ein Teilchenstrahlsystem eine Hochspannungsquelle zur Bereitstellung einer Hochspannung an einem Hochspannungsausgang der Hochspannungsquelle und eines Steuersignals, welches eine Abweichung der bereitgestellten Hochspannung von einer Soll-Spannung oder eine zeitliche Änderung der Hochspannung repräsentiert, an einem Steuerungsausgang der Hochspannungsquelle, eine mit dem Hochspannungsausgang elektrisch verbundene Beschleunigungselektrode zur Beschleunigung der Teilchen eines Teilchenstrahls auf eine der Hochspannung entsprechende kinetische Energie, eine in dem Strahlengang des Teilchenstrahls hinter der Beschleunigungselektrode angeordnete Fokussierlinse zur Fokussierung des Strahls auf einen Ort einer Probe, eine in dem Strahlengang des Teilchenstrahls hinter der Probe angeordnete energie-dispersive Komponente, welche dazu konfiguriert ist, Teilchen unterschiedlicher kinetischer Energie unterschiedlich abzulenken, einen in dem Strahlengang hinter der energie-dispersiven Komponente angeordneten Detektor und eine mit dem Steuerungsausgang der Hochspannungsquelle verbundene Steuerung, welche dazu konfiguriert ist, in Abhängigkeit von dem von der Hochspannungsquelle bereitgestellten Steuersignal Änderungen von Betriebsparametern der energie-dispersiven Komponente oder weiterer in dem Strahlengang des Teilchenstrahls angeordneter teilchenoptischer Komponenten zu bewirken, oder von dem ortsauflösenden Detektor detektierte Intensitäten hinsichtlich der Energie zu korrigieren.
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Gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform umfasst das Teilchenstrahlsystem einen Strahlablenker, der in dem Strahlengang zwischen der energie-dispersiven Komponente und dem ortsauflösenden Detektor angeordnet ist. Der Strahlablenker kann ein für den Teilchenstrahl ablenkendes einstellbares elektrisches oder magnetisches Feld bereitstellen oder den Teilchenstrahl auf andere Weise einstellbar ablenken. Der Strahlablenker wird von der Steuerung in Abhängigkeit von dem von der Hochspannungsquelle bereitgestelltem Steuersignal kontrolliert. Insbesondere wird hierbei der von dem Strahlablenker für den Teilchenstrahl erzeugte Ablenkwinkel vergrößert oder verkleinert, wenn sich die Abweichung der von der Hochspannungsquelle bereitgestellten Hochspannung von der Soll-Spannung vergrößert oder verkleinert.
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Mit dieser Maßnahme kann die Qualität des mit dem ortsauflösenden Detektor erfassten Energieverlustspektrums verbessert werden. Ohne die Ansteuerung des Strahlablenkers durch die Steuerung würde z. B. eine relative Vergrößerung der von der Hochspannungsquelle bereitgestellten Hochspannung zu einer relativen Vergrößerung der kinetischen Energie der Teilchen des Strahls führen. Unabhängig von ihrer kinetischen Energie erfahren die Teilchen allerdings einen gleichen Energieverlust an der Probe, welcher durch die Energien der in der Probe angeregten Anregungen gegeben ist. Ein mit dem ortsauflösenden Detektor hinter der energie-dispersiven Komponente aufgezeichnetes Energiespektrum wird somit aufgrund der relativen Erhöhung der Hochspannung hin zu höheren Energien verlagert, ohne seine relative Gestalt, welche durch die gleichbleibenden Energieverluste definiert ist, zu ändern. Eine während der Aufzeichnung des Spektrums mit dem ortsauflösenden Detektor schwankende Hochspannung führt somit zu einer Verschmierung des aufgezeichneten Spektrums. Durch die oben erläuterte Ansteuerung des zwischen der energie-dispersiven Komponente und dem ortsauflösenden Detektor angeordneten Strahlablenkers ist es, nach geeigneter Kalibrierung, möglich, die Verschiebungen des Spektrums zu höheren oder niederen Energien gänzlich zu vermeiden, so dass ein stabiles Energieverlustspektrum aufgezeichnet werden kann.
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Gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform umfasst das Teilchenstrahlsystem einen Antrieb, der dazu konfiguriert ist, den Detektor in eine Richtung quer zu dem Strahlengang bzw. einer Auftreffrichtung der Teilchen auf den Detektor zu verlagern. Der Antrieb wird von der Steuerung in Abhängigkeit von dem von der Hochspannungsquelle bereitgestellten Steuersignal kontrolliert.
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Ähnlich wie mit dem vorangehend beschriebenen Strahlablenker ist es durch die Ansteuerung des Antriebs zur Verlagerung des Detektors möglich, durch Änderungen der Hochspannung verursachte Verschiebungen des mit Hilfe des Detektors aufgezeichneten Energiespektrums so zu kompensieren, dass für verschiedene Hochspannungen gleiche Energieverlustspektren aufgezeichnet werden können.
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Gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform umfasst das Teilchenstrahlsystem eine Hochspannungsquelle zur Bereitstellung einer Hochspannung an einem Hochspannungsausgang und eines Steuersignals, welches eine Abweichung der bereitgestellten Hochspannung von einer Soll-Spannung repräsentiert, an einem Steuerungsausgang, eine mit dem Hochspannungsausgang elektrisch verbundene Beschleunigungselektrode zur Beschleunigung der Teilchen eines Teilchenstrahls auf eine der Hochspannung entsprechende kinetische Energie, eine in dem Strahlengang des Teilchenstrahls hinter der Beschleunigungselektrode angeordnete Fokussierlinse zur Fokussierung des Strahls auf einen Ort einer Probe, einen in dem Strahlengang des Teilchenstrahlsystems vor der Fokussierlinse angeordneten Monochromator, der dazu konfiguriert ist, lediglich solche Teilchen des Teilchenstrahls passieren zu lassen, deren kinetische Energie innerhalb eines einstellbaren Energieintervalls liegt, einen in dem Strahlengang des Teilchenstrahlsystems hinter der Probe angeordneten Detektor zur Detektion von Teilchenstrahlintensitäten, und eine mit dem Steuerungsausgang der Hochspannungsquelle verbundene Steuerung, welche dazu konfiguriert ist, den Monochromator derart anzusteuern, dass sich eine Mittenenergie des Energieintervalls in Abhängigkeit von dem von der Hochspannungsquelle bereitgestellten Steuersignal ändert.
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Gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform umfasst das Teilchenstrahlsystem eine Hochspannungsquelle zur Bereitstellung einer Hochspannung an einem Hochspannungsausgang und eines Steuersignals, welches eine Abweichung der bereitgestellten Hochspannung von einer Soll-Spannung repräsentiert, an einem Steuerungsausgang, eine mit dem Hochspannungsausgang elektrisch verbundene Beschleunigungselektrode zur Beschleunigung der Teilchen eines Teilchenstrahls auf eine der Hochspannung entsprechende kinetische Energie, eine in einem Strahlengang des Teilchenstrahlsystems hinter der Beschleunigungselektrode angeordnete Fokussierlinse zur Fokussierung des Strahls auf einen Ort einer Probe, eine in dem Strahlengang hinter der Probe angeordnete energie-dispersive Komponente, welche dazu konfiguriert ist, Teilchen unterschiedlicher kinetischer Energie unterschiedlich abzulenken, einen in dem Strahlengang hinter der energie-dispersiven Komponente angeordneten Detektor, und eine mit dem Steuerungsausgang der Hochspannungsquelle verbundene Steuerung, welche dazu konfiguriert ist, die energie-dispersive Komponente derart anzusteuern, dass sich eine Dispersion der energie-dispersiven Komponente in Abhängigkeit von dem von der Hochspannungsquelle bereitgestellten Steuersignal ändert.
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Ähnlich wie mit dem vorangehend beschriebenen und im Strahlengang des Teilchenstrahlsystems hinter der energie-dispersiven Komponente angeordneten Strahlablenker ist es durch die Ansteuerung der energie-dispersiven Komponente selbst möglich, durch Änderungen der Hochspannung verursachte Änderungen eines mit Hilfe des Detektors aufgezeichneten Energiespektrums der Teilchenstrahlen so zu kompensieren, dass für verschiedene Hochspannungen gleiche Energieverlustspektren aufgezeichnet werden können.
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Gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform umfasst das Teilchenstrahlsystem eine Hochspannungsquelle zur Bereitstellung einer Hochspannung an einem Hochspannungsausgang und eines Steuersignals, welches einer Abweichung der bereitgestellten Hochspannung von einer Soll-Spannung repräsentiert, an einem Steuerungsausgang, eine mit dem Hochspannungsausgang elektrisch verbundene Beschleunigungselektrode zur Beschleunigung der Teilchen eines Teilchenstrahls auf eine der Hochspannung entsprechende kinetische Energie, eine in einem Strahlengang des Teilchenstrahlsystems hinter der Beschleunigungselektrode angeordnete Fokussierlinse zur Fokussierung des Strahls auf einen Ort in einer Objektebene, einen in dem Strahlengang hinter der Objektebene angeordneten Detektor und eine Steuerung, welche dazu konfiguriert ist, mit Hilfe des Detektors Energiespektren der in dem Teilchenstrahl hinter der Objektebene enthaltenen Teilchen aufzuzeichnen. Hierbei werden nacheinander mehrere Energiespektren aufgezeichnet und manipuliert, indem ein jedes der Energiespektren in Richtung der Energie um ein Maß verschoben wird, welches in Abhängigkeit von dem von der Hochspannungsquelle bereitgestellten Steuersignal bestimmt wird. Die derart manipulierten Spektren werden dann zu einem Gesamtspektrum addiert. Auf diese Weise ist es möglich, durch Änderungen der Hochspannung hervorgerufene Änderungen der gemessenen Spektren hinsichtlich deren Energie derart zu kompensieren, dass die einzelnen gemessenen Spektren jeweils gleiche Energieverlustspektren repräsentieren, welche überlagert werden können, um eine statistische Signifikanz der Spektren zu erhöhen.
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Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Hierbei zeigt:
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1 ein Teilchenstrahlsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
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2 einen Graphen von zwei mit dem in 1 gezeigten Teilchenstrahlsystem aufgezeichneten Energieverlustspektren für verschiedene Werte einer Hochspannung ohne Kompensation, und
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3 ein Prinzipschaltbild einer Hochspannungsquelle, welche in dem in 1 gezeigten Teilchenstrahlsystem einsetzbar ist.
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In 1 ist ein Teilchenstrahlsystem 1 schematisch dargestellt, welches zur Aufnahme von Energieverlustspektren geeignet ist. Das Teilchenstrahlsystem 1 umfasst eine Teilchenstrahlquelle 3, welche einen Emitter 5, eine Extraktorelektrode 6 und mehrere weitere Elektroden 7 aufweist, um einen Elektronenstrahl 9 zu erzeugen. Die Elektronenstrahlquelle 3 kann beispielsweise eine Schottky-Feldemissionsquelle sein, welche z. B. einen Strahlstrom von 100 pA bei einer Energiebreite von 0,7 eV liefert.
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Das Teilchenstrahlsystem
1 kann einen Monochromator
11 umfassen, welcher dazu konfiguriert ist, lediglich solche Elektronen des Teilchenstrahls passieren zu lassen, deren kinetische Energie innerhalb eines einstellbaren Energieintervalls liegt. Hierzu umfasst der Monochromator mehrere (in
1 nicht dargestellte) Elektroden, um den Elektronenstrahl
9 auf der dargestellten Ω-förmigen Bahn zu führen, wobei in dem Strahlengang eine Blende
12 angeordnet ist, welche lediglich von den Teilchen des Strahls durchsetzt werden kann, deren kinetische Energie in dem eingestellten Energieintervall liegt. Ein Beispiel eines geeigneten Monochromators ist in der Patentschrift
US 6,770,878 B2 beschrieben, deren Offenbarung vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird. Mit einem geeigneten Monochromator ist es möglich, die Breite des Energieintervalls auf beispielsweise 50 meV zu beschränken.
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Der Monochromator 11 ist in dem Teilchenstrahlsystem lediglich optional vorgesehen und kann dann weggelassen werden, wenn eine Energiebreite des von der Elektronenquelle 3 bereitgestellten Elektronenstrahls bereits kleiner oder gleich einer für die durchzuführende Untersuchung gewünschten Energiebreite ist.
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In dem Strahlengang des Teilchenstrahlsystems 1 sind hinter dem Monochromator eine Mehrzahl von Beschleunigungselektroden 13 angeordnet, um die Elektronen des Elektronenstrahls 9 jeweils auf eine kinetische Energie von beispielsweise 200 keV zu beschleunigen, wobei deren Energie vor dem Durchlaufen der Beschleunigungselektroden 13 beispielsweise 4 keV betragen hat. In dem dargestellten Beispiel ist der Monochromator 11 zwischen der Elektronenquelle 3 und den Beschleunigungselektroden 13 angeordnet, so dass vergleichsweise geringe Ablenkfelder nötig sind, um den Elektronenstrahl auf einer für die Monochromatisierung nötigen gekrümmten Bahn zu führen. Es ist jedoch auch möglich, einen Monochromator im Strahlengang hinter den Beschleunigungselektroden 13 anzuordnen und den Elektronenstrahl hoher kinetischer Energie zu monochromatisieren.
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Der Elektronenstrahl 9 durchläuft nach seiner Beschleunigung ein Kondensorsystem 15 und wird dann von einer Einfeld-Kondensor-Objektivlinse 17 in einer Objektebene 19 fokussiert. In der Objektebene 19 ist eine zu untersuchende Probe angeordnet, welche von dem Teilchenstrahl 9 durchsetzt wird. Hierbei können im Strahlengang vor der Objektebene 19 auch Strahlablenker vorgesehen sein, um den Strahl über die Objektebene 19 zu scannen und auf ausgewählte Orte einer Probe zu richten. Je nach Ausführung des Systems und insbesondere der Kondensorlinse kann der Elektronenstrahl in der Probenebene Durchmesser aufweisen, welche kleiner sind als z. B. 0,2 nm.
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Die kinetische Energie der die Probenebene 19 durchsetzenden Elektronen des Strahls 9 ist durch eine Spannungsdifferenz zwischen einer Umgebung der Probenebene 19 und dem Emitter 5 der Elektronenquelle definiert. Es ist üblich, die in der Objektebene 19 angeordnete Probe auf Massepotential und den Emitter 5 auf Hochspannungspotential zu halten. Hiervon kann allerdings auch abgewichen werden. In jedem Fall ist eine Hochspannungsquelle 21 notwendig, um die notwendige hohe Potentialdifferenz zwischen dem Emitter 5 und der Probe bereitzustellen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Hochspannungsausgang 23 der Hochspannungsquelle 21 elektrisch mit dem Emitter 5 verbunden, um diesen auf einem hohen elektrischen Potential gegenüber Masse zu halten.
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Die Hochspannungsquelle 21 weist ferner einen Steuereingang 25 auf, um ihr ein Steuersignal zuzuführen, welches eine Soll-Spannung für die an dem Hochspannungsausgang 23 bereitzustellende Hochspannung repräsentiert. Dieses Steuersignal wird von einer Steuerung 27 über einen Ausgang 29 der Steuerung 27 bereitgestellt.
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Die Steuerung 27 weist ferner einen Ausgang 31 auf, um den Monochromator 11 zu kontrollieren und eine Mittenenergie des Intervalls an kinetischen Energien einzustellen, welche von dem Monochromator 11 durchgelassen werden.
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Hierbei sind die an die Elektroden 6, 7, die Komponenten des Monochromators 11 und die Beschleunigungselektroden 13 anzulegenden elektrischen Potentiale Hochspannungspotentiale, die durch separate Hochspannungsquellen oder unter Einbeziehung der Hochspannungsquelle 21 zusammen mit Hilfsschaltungen, wie beispielsweise Spannungsteilern und/oder Niederspannungsquellen bereitgestellt werden können. Der Monochromator 11 ist dann z. B. nicht direkt mit dem Ausgang 31 der Steuerung 27 verbunden, sondern mit einer mit der Hochspannungsquelle verbundenen geeigneten Hilfsschaltung, wie beispielsweise einem Spannungsteiler, um die zur Steuerung des Monochromators 11 geeigneten Spannungen zu erzeugen.
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Die auf die Probe gerichteten Elektronen des Elektronenstrahls 9 wechselwirken mit der Probe und können diese anregen, wobei einzelne Elektronen einen Betrag an Energie verlieren, der der Anregungsenergie einer Anregung der Probe entspricht. Es ist deshalb interessant, das Energiespektrum der Elektronen des Elektronenstrahls nach der Wechselwirkung mit der Probe zu ermitteln, um Erkenntnisse über die möglichen Anregungen der Probe zu gewinnen.
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Hierzu umfasst das Teilchenstrahlsystem
1 ein Projektivsystem
35, welches ein oder mehrere elektronenoptische Linsen umfasst und im Strahlengang hinter dem Objektiv
17 angeordnet ist. Im Strahlengang hinter dem Projektivsystem
35 ist eine energie-dispersive elektronenoptische Komponente
37 angeordnet, welche für Teilchen unterschiedlicher kinetischer Energien unterschiedliche Ablenkwinkel bereitstellt, so dass in einer Spektrumsebene
39 im Strahlengang hinter der energie-dispersiven Komponente
37 ein ortsaufgelöstes Energiespektrum des Strahls
9 erzeugt wird. Die energie-dispersive Komponente
37 kann einen Aufbau aufweisen, wie er beispielsweise in
US 4,740,704 und
US 6,384,412 beschrieben ist, wobei die Offenbarung dieser Dokumente vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
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Die Spektrumsebene 39 wird durch ein weiteres Projektivsystem 41, welches ein oder mehrere elektronenoptische Linsen umfassen kann, auf einen ortsauflösenden Detektor 43 abgebildet. Der ortsauflösende Detektor 43 kann beispielsweise als ein Liniendetektor ausgebildet sein, der so orientiert ist, dass Teilchen verschiedener Energien aufgrund der Dispersion der energie-dispersiven Komponente 37 an verschiedenen Orten auf den Detektor treffen. Durch ortsaufgelöstes Detektieren von Intensitäten der auftreffenden Teilchen ist es somit möglich, die Intensitäten energieaufgelöst zu detektieren, d. h. das Energiespektrum des Elektronenstrahls 9 nach dessen Wechselwirkung mit der Probe zu messen.
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Mit der Linie 47 in 2 ist ein solches Energiespektrum schematisch dargestellt, wie es durch den Detektor 43 aufgezeichnet werden kann, wenn die von der Hochspannungsquelle 21 bereitgestellte Hochspannung genau der Soll-Spannung entspricht und eine gegebene Probe in der Objektebene 19 angeordnet ist. Eine Linie 49 in 2 stellt ein mit dem Detektor 43 aufgenommenes Spektrum schematisch dar, welches bei gleicher Probe entsteht, wobei allerdings die von der Hochspannungsquelle 21 bereitgestellte Hochspannung größer ist als die Soll-Spannung. Dies führt zu einer größeren kinetischen Energie der die Probe durchsetzenden Elektronen und aufgrund der Dispersion der energie-dispersiven Komponente 37 zu einer Verschiebung des mit dem Detektor 43 detektierten Spektrums in der Darstellung der 2 nach links.
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Wenn die Hochspannungsquelle 21 nicht ausreichend stabil ist und die bereitgestellte Hochspannung einem Rauschen unterworfen ist, so führt dies aufgrund der Dispersion der energie-dispersiven Komponente 37 zu einem ständigen Hin- und Herwandern des Spektrums in der Darstellung der 2 während der Messung mit dem Detektor 43. Das schließlich durch Integration erhaltene Spektrum ist entsprechend verschmiert und lässt deshalb einige Information, die in der Energieverteilung der Elektronen enthalten ist, nicht erkennen.
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Da selbst aufwändig gestaltete herkömmliche Hochspannungsquellen für hochauflösende Energieverlustmessungen nicht ausreichend stabil sind, weist das Teilchenstrahlsystem 1 verschiedene Optionen zur Kompensation von Schwankungen der Hochspannungsquelle 21 auf.
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Zunächst wird in der Hochspannungsquelle 21 selbst eine zeitliche Schwankung der an deren Ausgang 23 bereitgestellten Hochspannung ermittelt und als ein elektrisches Signal an dem Steuerausgang 51 der Hochspannungsquelle 21 bereitgestellt, welcher mit einem Eingang 53 der Steuerung 27 verbunden ist. Die Steuerung 27 kann somit über den Eingang 53 ein Signal einlesen, welches die Schwankung der bereitgestellten Hochspannung bzw. die Abweichung der an dem Hochspannungsausgang 23 bereitgestellten Hochspannung von der Soll-Spannung repräsentiert.
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Eine erste Möglichkeit zur Kompensation von Schwankungen der Hochspannung bei der Aufnahme von Energieverlustspektren verwendet einen Strahlablenker 55, welcher im Strahlengang hinter der energie-dispersiven Komponente 37 und vor dem Detektor 43 angeordnet ist. Der Strahlablenker 55 kann ein den Elektronenstrahl 9 ablenkendes magnetisches oder/und elektrisches Feld bereitstellen. Der Strahlablenker 55 wird von der Steuerung 27 kontrolliert, welche an ihrem Ausgang 57 ein Steuersignal für den Ablenker 55 bereitstellt, welcher von der Steuerung 27 in Abhängigkeit von dem Steuersignal der Hochspannung bestimmt wird. Beispielsweise kann das Steuersignal so bestimmt werden, dass eine Änderung des von dem Ablenker 55 auf den Strahl bereitgestellten Ablenkwinkels proportional zu einer Abweichung der bereitgestellten Hochspannung von der Soll-Spannung ist. Von der Steuerung 27 wird dabei in Abhängigkeit von dem Steuersignal der Hochspannungsquelle eine Änderung des Ablenksignals so erzeugt, das die durch den Ablenker 55 erzeugte Ablenkung diejenige Verschiebung des Elektronenspektrums auf dem Detektor kompensiert, die das Elektronenspektrum aufgrund der durch die Abweichung der Hochspannung von der Sollspannung verursachte Energieabweichung der Elektronen von der Sollenergie und der daraus aufgrund der Dispersion der energiedispersiven Komponente 37 verursachten Verschiebung des Elektronenspektrums auf dem Detektor entspricht.
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Durch die Ansteuerung des Ablenkers 55 in Abhängigkeit von der Abweichung der bereitgestellten Hochspannung von der Soll-Spannung ist es möglich, die vorangehend in Zusammenhang mit der 2 erläuterte Verlagerung der Spektren aufgrund der Abweichung der Hochspannung weitgehend zu vermeiden.
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Eine zweite Möglichkeit zur Vermeidung derartiger Verlagerungen, welche alternativ oder in Ergänzung mit der vorangehend beschriebenen ersten Möglichkeit einsetzbar ist, ist durch Ansteuerung des Monochromators 11 in Abhängigkeit von der Abweichung der bereitgestellten Hochspannung von der Soll-Spannung gegeben. Hierbei kontrolliert die Steuerung 27 über deren Ausgang 31 den Monochromator 11 derart, dass die Mittenenergie des Intervalls an kinetischen Energien der Elektronen, die der Monochromator 11 passieren lässt, vergrößert oder verkleinert wird, wenn sich die bereitgestellte Hochspannung aufgrund der festgestellten zeitlichen Schwankungen vergrößert oder verkleinert.
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Eine dritte Möglichkeit zur Vermeidung der Störung der detektierten Energiespektren aufgrund der Abweichung der bereitgestellten Hochspannung von der Sollspannung, welche alternativ zu einer oder beiden der vorangehend beschriebenen Möglichkeiten eingesetzt werden kann, ist dadurch gegeben, dass die energie-dispersive Komponente 37 von der Steuerung 27 über einen Ausgang 61 derselben in Abhängigkeit von der Schwankung der bereitgestellten Hochspannung bzw. der Abweichung der bereitgestellten Hochspannung von der Soll-Spannung angesteuert wird. Hierdurch kann eine Wirkung erzielt werden, welche ähnlich der des Ablenkers 55 ist und dazu führt, dass eine Verlagerung eines Spektrums von auf den Detektor 43 treffenden Elektronen durch Änderungen der Hochspannung nicht beziehungsweise nur in sehr geringem Umfang erfolgt.
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Eine vierte Möglichkeit der Vermeidung der Verschmierung des gemessenen Spektrums aufgrund von Schwankungen der Hochspannung, welche alternativ zu oder in Kombinationen mit einer oder mehreren der vorangehend erläuterten Möglichkeiten eingesetzt werden kann, ist dadurch gegeben, dass die Steuerung 27 über eine Datenleitung 42 in schneller Folge hintereinander mehrere ortsaufgelöste Intensitätsspektren von dem Detektor 43 ausliest. Hierzu kann der Detektor 43 beispielsweise als ein CMOS-Sensor ausgeführt sein, welcher ein besonders schnelles Auslesen ermöglicht.
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Die Steuerung liest die von dem Detektor 43 ortsaufgelöst detektierten Intensitätswerte zusammen mit einem Wert des Steuersignals ein, welches die aktuelle Abweichung der bereitgestellten Hochspannung von der Soll-Spannung repräsentiert. In Abhängigkeit von dieser Abweichung wird ein jedes von dem Detektor 43 eingelesenes Spektrum korrigiert, indem die jeweiligen Messwerte hin zu höheren oder niederen Energien verschoben werden, wobei der Wert der Verschiebung in Abhängigkeit von der jeweiligen Abweichung der bereitgestellten Hochspannung von der Soll-Spannung bestimmt wird. Somit wird ein jedes der eingelesenen Spektren hinsichtlich der Abweichung der bereitgestellten Hochspannung von der Soll-Spannung korrigiert, so dass abschließend die mehreren Spektren addiert werden können, um ein Gesamtspektrum hoher statistischer Signifikanz zu erhalten, welches nicht aufgrund der Schwankungen der bereitgestellten Hochspannung verschmiert ist.
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Eine fünfte Möglichkeit zur Vermeidung der Verschmierung des gemessenen Spektrums aufgrund von Schwankungen der Hochspannung, welche alternativ zu oder in Kombination mit einer oder mehreren der vorangehend erläuterten Möglichkeiten eingesetzt werden kann, ist dadurch gegeben, dass von der Steuerung 27 über einen Ausgang 58 derselben ein Antrieb 60, welcher beispielsweise ein Elektromotor oder Piezoantrieb sein kann, angesteuert wird, welcher dazu konfiguriert ist, den ortsauflösenden Detektor 43 in eine durch einen Pfeil 62 dargestellte Lateralrichtung quer zu einer Auftreffrichtung des Strahls 9 auf den Detektor zu verlagern. Hierdurch kann eine Wirkung erzielt werden, welche ähnlich der des zuvor beschriebenen Ablenkers 55 ist und dazu führt, dass eine Verlagerung des Spektrums von auf den Detektor 43 treffenden Elektronen durch Änderungen der Hochspannung in vergleichsweise geringem Umfang erfolgt.
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3 ist ein Prinzipschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform einer Hochspannungsquelle 21.
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Die Hochspannungsquelle 21 stellt eine Hochspannung von beispielsweise 200 kV zwischen den Anschlüssen 23 und 24 bereit. Hierbei kann der Anschluss 24 mit einer internen Masse der Hochspannungsquelle 21 verbunden sein, welche wiederum mit einer Masse des Teilchenstrahlsystems 1 verbunden ist. Die Hochspannungsquelle 21 weist ferner den Steuereingang 25 auf, um den Wert der zwischen den Anschlüssen 23 und 24 bereitgestellten Hochspannung einzustellen, wobei an dem Steuerausgang 51 ein Signal ausgegeben wird, welches die Größe der momentanen Abweichung der zwischen den Anschlüssen 23 und 24 bereitgestellten Hochspannung von ihrem Sollwert repräsentiert.
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Die Hochspannungsquelle 21 umfasst einen Wechselspannungsgenerator 81, welcher eine Wechselspannung mit einer gegebenen Spannungsamplitude erzeugt. Diese Wechselspannung wird von einem Transformator 83 in eine Wechselspannung mit höherer Spannungsamplitude transformiert. Aus dieser Wechselspannung mit erhöhter Spannungsamplitude erzeugt ein Hochspannungswandler 85, wie beispielsweise ein Cockcroft-Walton-Generator, eine gleichgerichtete Hochspannung, welche von ein oder mehr Sieb-Widerständen 87 und Sieb-Kondensatoren 89 geglättet wird, so dass die geglättete Hochspannung an dem Anschluss 23 zur Verfügung steht.
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Die Größe der Hochspannung wird über einen Amplitudenregler 91 bestimmt, welcher die Spannungsamplitude des Wechselspannungsgenerators 81 kontrolliert. Hierzu wird über einen Messwiderstand 93 dem Amplitudenregler 91 ein Spannungssignal zugeführt, welches die Größe der zwischen den Anschlüssen 23 und 24 bereitgestellten Hochspannung repräsentiert, wobei in dem Amplitudenregler 91 ein Vergleich dieser zugeführten Spannung mit der der Hochspannungsquelle 21 über den Anschluss 25 zugeführten Spannung erfolgt und, in Abhängigkeit von diesem Vergleich, die Spannungsamplitude des Wechselspannungsgenerators 81 erhöht oder erniedrigt wird. Die Steuerung 27 kann somit über den Anschluss 25 die Größe der zwischen den Anschlüssen 23 und 24 bereitgestellten Hochspannung steuern.
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Ein Laststrommessgerät 95 ist vorgesehen, um den zwischen den Anschlüssen 23 und 24 fließenden Strom zu messen.
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Zwischen den Anschlüssen 23 und 24 ist ein kapazitiver Spannungsteiler mit Kondensatoren 97 und 98 vorgesehen, wobei ein Verstärker 99 die zwischen den Kondensatoren 97 und 98 vorliegende Spannung verstärkt und ein der verstärkten Spannung entsprechendes Signal an dem Ausgang 51 bereitstellt, so dass über den Ausgang 51 an die Steuerung 27 des Teilchenstrahlsystems 1 ein Signal ausgegeben wird, welches der Größe der momentanen zeitlichen Änderung der zwischen den Anschlüssen 23 und 24 bereitgestellten Hochspannung und damit der Abweichung derselben von ihrem Sollwert entspricht.
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In den vorangehend erläuterten Ausführungsbeispielen ist der Detektor 43 ein Zeilendetektor, welcher ein Energiespektrum des auf ihn treffenden Elektronenstrahls detektiert. Es ist jedoch auch möglich, ein Energiespektrum mit einem nicht ortsauflösenden Detektor zu detektieren, in dem dieser oder eine diesem zugeordnete Blende, welche im Strahlengang hinter der energie-dispersiven Komponente 37 angeordnet ist, quer zur Strahlrichtung bewegt wird und die von dem Detektor registrierten Intensitäten in Abhängigkeit von der Position der Blende bzw. des Detektors aufgezeichnet werden. Ferner kann auch ein zweidimensional ortsauflösender Detektor zur Detektion des Energiespektrums eingesetzt werden.
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In den vorangehend erläuterten Ausführungsbeispielen ist das Teilchenstrahlsystem ein Transmissionselektronenmikroskop. Hierauf ist die vorliegende Offenbarung allerdings nicht beschränkt. In weiteren möglichen Ausführungsbeispielen kann das Teilchenstrahlsystem ein Transmissionsionenmikroskop sein. Ein Beispiel hierfür ist ein Gas-Feld-Ionenmikroskop, bei dem ein Ionenstrahl dadurch erzeugt wird, dass Gasatome in einem elektrostatischen Feld einer Emissionsspitze ionisiert werden. Das Objekt wird dann mit einem Ionenstrahl bestrahlt wobei durch das Objekt transmittierte Ionen Energie verlieren können, so dass auch deren Energieverlustspektrum detektiert werden kann. Wenn das erfindungsgemäße Teilchenstrahlgerät als Ionenmikroskop ausgebildet ist, kann die Objektivlinse eine Magnetlinse, eine elektrostatische Linse oder eine Kombination aus einer Magnetlinse und einer elektrostatischen Linse sein.
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In den vorangehend erläuterten Ausführungsbeispielen weist das Teilchenstrahlsystem einen vor der Objektivlinse im Strahlengang angeordneten Monochromator auf. Die ist jedoch nicht notwendigerweise der Fall. In anderen Ausführungsbeispielen ist zwischen der Teilchenquelle und dem Objekt ein Monochromator nicht vorgesehen. Ein solcher ist insbesondere dann nicht notwendig, wenn eine Energiebreite des von der Teilchenquelle erzeugten Teilchenstrahls für eine gewünschte Untersuchung ausreichend gering ist. Dies kann insbesondere für gekühlte Ionenquellen oder Elektronenquellen der Fall sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6770878 B2 [0020]
- US 4740704 [0029]
- US 6384412 [0029]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- J. Nelayah, L. Gu, W. Sigle, C. T. Koch, I. Pastoriza-Santos, L. M. Liz-Marzán, and P. A. van Aken, ”Direct imaging of surface plasmon resonances an single triangular silver nanoprisms at optical wavelength using low-loss EFTEM imaging,” Opt. Lett. 34, 1003–1005 (2009) [0002]
- Wilfried Sigle, Jaysen Nelayah, Christoph T. Koch, and Peter A. van Aken, ”Electron energy losses in Ag nanoholes – from localized surface plasmon resonances to rings of fire,” Opt. Lett. 34, 2150–2152 (2009) [0002]
