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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung von Linsen in Rasterelektronenmikroskopen, die es möglich macht, eine hohe Auflösung, eine große Schärfentiefe sowie ein großes Sichtfeld zu erhalten. Dank einer aus drei Objektivlinsen bestehenden Anordnung hat der Anwender eine Vielzahl von Abbildungsmodi zur Verfügung.
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Bestehender Stand der Technik
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Rasterelektronenmikroskope setzen sich aus einer Primärelektronenquelle, einer den Primärelektronenstrom regulierenden Kondensorlinse, einer Aperturblende, einer Objektivlinse, mehreren Raster- und Zentrierelementen sowie mindestens einem Detektor zusammen. Die Kondensorlinse reguliert den Primärelektronenstrom. Die Objektivlinse weist üblicherweise einen elektromagnetischen Aufbau auf. Eine derartige Linse wird von einer mit elektrischem Strom versorgten Spule sowie von einer aus einem magnetischen Werkstoff bestehenden Umhüllung gebildet, wobei die letztere ein Bestandteil des magnetischen Kreises der Linse ist. Die Spule kann eine, zwei oder mehrere Wicklungen umfassen, die zur Aufrechterhaltung einer konstanten Wärmeleistung der Spule während der von der Linse eingeleiteten Magnetfeldänderungen genutzt werden können. An der Stelle, wo die Umhüllung der Spule unterbrochen ist, entsteht zwischen den so genannten Polschuhen ein Magnetfeld, das für die Formgebung eines Elektronenstrahls sorgt. Die elektromagnetische Linse kann als eine konventionelle Linse oder als eine Immersionslinse ausgeführt sein. Die konventionelle Linse weist zwei Polschuhe mit einem axialen Spalt auf, innerhalb dessen das von der Linse erzeugte Magnetfeld den Primärelektronenstrahl (gebündelten Elektronenstrahl) im lokalen Ausmaß beeinflusst und in keiner wesentlichen Art und Weise in den Bereich der Probe eingreift. Die Immersionslinse kann entweder nur einen Polschuh aufweisen, in welchem Fall das geschlossene Magnetfeld die Kammer des Mikroskops umgibt, oder kann zwei Polschuhe umfassen, die durch einen radialen Spalt voneinander getrennt sind. Bei der Verwendung derartiger Immersionslinse wird die zu untersuchende Probe in das von dieser Linse erzeugte Magnetfeld eingetaucht. Einer der Vorteile der Immersionslinsen gegenüber konventionellen Linsen besteht darin, dass eine Verminderung von optischen Fehlern (Aberrationen) sowie eine Verbesserung des Auflösungsvermögens des Elektronenmikroskops erreichbar sind.
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Elektromagnetische Linsen können auch durch elektrostatische Linsen ersetzt werden, wobei die letzteren anstatt Spulen mit Elektroden versehen sind; gegebenenfalls kann eine kombinierte Linse ausgebildet werden, in der Spulen, ein magnetischer Kreis und Elektroden zusammengefasst sind.
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Einer der Nachteile eines herkömmlichen Rasterelektronenmikroskops besteht darin, dass dieses in der Regel nur eine Objektivlinse mit vorgegebenen Eigenschaften nutzen kann, weshalb es nur über eine sehr beschränkte Anzahl der für die Einstellung der Abbildungsmodi des Mikroskops erforderlichen Freiheitsgrade verfügt. Falls beispielsweise das Objektiv für eine hohe Auflösung optimiert ist, hat es in der Regel nur eine relativ kleine erreichbare Größe des Sichtfeldes sowie eine geringe Schärfentiefe. Mittels der Aperturblende und des Kondensors können die Divergenz (der Aperturwinkel) sowie der gewünschte Strom der durch die Aperturblende hindurchgehenden Elektronen geregelt werden. Für die Objektivlinse, die den Primärelektronenstrahl in Bezug auf die Probe fokussiert, gibt es jedoch in dieser Anordnung nur einen relativ engen Bereich der Stromwerte des Elektronenstrahls, welchem der für die optimale Auflösung erforderliche Winkel entspricht. Eine Änderung der Stromstärke des durchgehenden Elektronenstrahls (und damit auch eine Änderung des Aperturwinkels) führt daher zu einer Verminderung des Auflösungsvermögens der entsprechenden Objektivlinse.
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Falls beispielsweise das Objektiv für einen optimalen Aperturwinkel eingestellt ist, der einer niedrigen Stromstärke entspricht, geht sein Auflösungsvermögen bei hohen Stromstärken verloren.
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Dieser Nachteil wird durch die in der Patentschrift
US5124556 offenbarte Lösung beseitigt. In dieser Schrift ist eine Anordnung allgemein beschrieben, die aus zwei Kondensorlinsen, einer Aperturblende und zwei Objektivlinsen besteht, wobei eine der Objektivlinsen als eine Hilfslinse ausgeführt ist, die zur Überwachung des Aperturwinkels eines auf die zu untersuchende Probe einfallenden Strahls geladener Partikel dient. Die erwähnte Anordnung macht es möglich, eine optimale Apertur bei einem größeren Bereich der Stromstärken eines auf die zu untersuchende Probe einfallenden Elektronenstrahls aufrechtzuerhalten. Ein Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass das Sichtfeld relativ klein ist.
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In der Patentschrift
US7705298 ist ein Gerät beschrieben, das sich aus drei Kondensorlinsen (zwei elektromagnetischen und einer elektrostatischen Linse) und einer Objektivlinse zusammensetzt, wobei die letztgenannte Linse von einer Kombination gebildet ist, die aus einer zweipoligen elektromagnetischen Immersionslinse und einer elektrostatischen Linse besteht. Durch diese Objektivlinsen wird das für die Fokussierung des Primärelektronenstrahls in Bezug auf die Probe erforderliche elektromagnetische / elektrostatische Feld angepasst. Das Gerät umfasst ferner eine schnell reagierende elektromagnetische Hilfslinse, die es möglich macht, die Fokussierung des Strahls in Bezug auf eine vertikal gegliederte Probe schnell zu verändern. In dieser Schrift wird jedoch keine Möglichkeit der Verwendung einer höheren Anzahl der Abbildungsmodi erwähnt und die Hilfslinse ist wegen ihrer Eigenschaften nicht zur Abbildung, sondern nur als eine Ergänzung der Hauptobjektivlinse verwendbar.
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In der Patentschrift
EP0708975 ist eine Anordnung beschrieben, die aus zwei Objektivlinsen besteht, wobei die näher zu der Probe liegende Objektivlinse als eine Immersionslinse und die in einem größeren Abstand von der Probe angebrachte Objektivlinse als eine konventionelle Linse ausgeführt ist. Diese zwei Linsen wirken jedoch nicht zusammen, sondern eine Abbildung, die mittels der Immersionslinse für die höchstmögliche Auflösung erzeugt wird, und eine Abbildung, die mittels der konventionellen Linse für einen Modus ohne ein auf die Probe einwirkendes Magnetfeld erzeugt wird, wechseln, was beispielsweise für Proben aus magnetischen Werkstoffe vorteilhaft sein kann. Darüber hinaus wird hier keine Möglichkeit der Verwendung einer höheren Anzahl der Abbildungsmodi erwähnt.
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Das in der Patentschrift
JP2969219 offenbarte Gerät umfasst zwei Kondensorlinsen und zwei Objektivlinsen. Die Objektivlinsen sind als elektromagnetische Linsen ausgeführt, deren Anordnung ähnlich der in der Patentschrift
EP0708975 offenbarten technischen Lösung ist. Die erste elektromagnetische Objektivlinse ist dabei als eine konventionelle Linse ausgeführt, wohingegen die zweite elektromagnetische Objektivlinse von einer Immersionslinse gebildet ist. Der gemeinsame Nachteil der beiden technischen Lösungen besteht darin, dass die Linsen wegen der angestrebten Erreichung der höchstmöglichen Auflösung möglichst nahe zu der Probe angeordnet sind, was dazu führt, dass kein großes Sichtfeld erreichbar ist, das vor allem für eine einfache Navigation entlang der Probe wichtig ist.
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In der Patentschrift
US7223983 ist eine Anordnung beschrieben, die aus zumindest einer Kondensorlinse und zwei Ablenkspulen zur Steuerung der Richtung eines Elektronenstrahls besteht, die durch einen nachgeschalteten Detektor von Sekundärelektronen, eine Rasterspule, eine zusätzliche Objektivlinse und eine Hauptobjektivlinse ergänzt werden. Bei den erwähnten Elementen der Mikroskopanordnung handelt es sich um Elemente elektromagnetischer Art. Das Gerät macht es möglich, den Strahl unter einem großen Winkel derart abzulenken, dass die Abbildung nicht verzerrt wird. Es wird hier auch keine Möglichkeit der Verwendung einer höheren Anzahl der Abbildungsmodi erwähnt.
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Bei keinem der bekannten Systeme können somit in einem einzigen Gerät mit unterschiedlichen Abbildungsmodi gleichzeitig eine hohe Auflösung, eine größere Schärfentiefe und ein großes Sichtfeld erreicht werden.
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Wesen der Erfindung
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Das Wesen der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das gegenständliche Rasterelektronenmikroskop wenigstens eine Kondensorlinse und drei Objektivlinsen umfasst, durch die eine Vielzahl von Abbildungsmodi des Mikroskops einstellbar ist.
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Das erfindungsgemäße Rasterelektronenmikroskop umfasst eine Primärelektronenquelle, wenigstens eine Kondensorlinse, eine Aperturblende, Rasterspulen, wenigstens einen Detektor von Signalelektronen, einen Probenhalter, eine zwischen der Kondensorlinse und dem Probenhalter angeordnete distale Objektivlinse und eine zwischen der distalen Objektivlinse und dem Probenhalter angeordnete Immersions-Objektivlinse sowie eine proximale Objektivlinse, die zwischen der distalen Objektivlinse und der Immersions-Objektivlinse angebracht ist.
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Das erfindungsgemäße Rasterelektronenmikroskop verwendet somit bis zu drei Objektivlinsen zum Fokussieren des Primärelektronenstrahls. Die distale Objektivlinse sowie die proximale Objektivlinse sind als konventionelle Linsen ausgeführt. Die distale Objektivlinse sowie die proximale Objektivlinse können als elektromagnetische oder elektrostatische Linsen ausgeführt sein. Die dritte Linse ist als eine elektromagnetische Immersions-Objektivlinse ausgeführt, was bedeutet, dass die zu untersuchende Probe in ein von dieser Immersions-Objektivlinse erzeugtes Magnetfeld eingetaucht wird.
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Die Kondensorlinsen des Mikroskops dienen, im Zusammenwirken mit der Aperturblende, zur Regelung der Stromstärke des Primärelektronenstrahls. Die Kondensorlinsen sind üblicherweise als elektromagnetische Linsen ausgeführt; in alternativen Ausführungsformen können jedoch auch elektrostatische oder kombinierte Linsen vorgesehen sein.
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Zwecks Detektion der Signalelektronen, die von der Probe nach dem Einfall des Primärelektronenstrahls emittiert werden, ist in dem Rasterelektronenmikroskop wenigstens ein Detektor von Signalelektronen vorgesehen, der entweder in der Probenkammer oder in der Elektronensäule angeordnet ist. Unter dem Begriff Signalelektronen sind zum Beispiel Sekundärelektronen oder rückgestreute Elektronen zu verstehen. Der Detektor von Signalelektronen kann in der Elektronensäule zwischen der Immersions-Objektivlinse und der Kondensorlinse angeordnet sein, und zwar in beliebigen Abständen von denselben. Vorteilhafterweise können innerhalb der Probenkammer oder der Elektronensäule auch mehrere Detektoren von Signalelektronen untergebracht sein, die in Abhängigkeit von dem gewünschten Signal oder in Abhängigkeit von den eingesetzten Objektivlinsen betätigbar sind. Die Detektoren von Signalelektronen können seitlich (senkrecht oder schräg zu der optischen Achse) oder ringförmig (um die optische Achse herum) angeordnet sein. Es können unbegrenzt auch andere gängige Detektoren eingesetzt werden, wie zum Beispiel ein Szintillationsdetektor, ein Everhart-Thornley-Detektor oder ein Halbleiterdetektor. Die Detektion kann auch mittels Hilfselektroden verbessert werden, die die Signalelektronen zum Detektor richten. In dem Rasterelektronenmikroskop können außer dem Detektor von Signalelektronen auch Detektoren von verschiedenen anderen Signalen untergebracht werden, wie beispielsweise Detektoren von Kathodoluminiszenz, Röntgenstrahlung, sekundären Ionen oder Transmissionselektronen.
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Als weitere Bestandteile des Rasterelektronenmikroskops nach der vorliegenden Erfindung sind Rasterspulen vorgesehen, die oberhalb der distalen Objektivlinse, oberhalb der proximalen Objektivlinse oder unterhalb der proximalen Objektivlinse angebracht werden können. Sofern unterhalb der Rasterspulen wenigstens eine aktive Objektivlinse angeordnet ist, befindet sich der Schwenkpunkt des Rasters in der Regel in der Hauptebene der letzten aktiven Objektivlinse, die den Primärelektronenstrahl in Bezug auf die Probe fokussiert.
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Im Hinblick auf eine bessere Zentrierung eines Systems, das mehrere Linsen umfasst, können vorteilhafterweise mehrere Zentrierelemente eingesetzt werden, die in beliebigen Lagen zwischen den einzelnen Linsen angeordnet sind.
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Das erfindungsgemäße Rasterelektronenmikroskop kann in einem Halter angeordnet sein, der derart angepasst ist, dass eine beliebige Spannung direkt an der Probe oder an dem Probenhalter anliegen kann. Die anliegende Spannung erzeugt ein sich in der Nähe der Probe erstreckendes elektrostatisches Feld. Falls die anliegende Spannung negativ ist, trägt das derart erzeugte elektrostatische Feld zur Verbesserung der Auflösung des gesamten Abbildungssystems bei. Eine niedrige positive Spannung erzeugt dagegen ein Feld, das zur Verbesserung der Detektion oder der Steuerung der Art des zu ermittelnden Signals genutzt werden kann. Dieses elektrostatische Feld kann sich gegebenenfalls mit dem Magnetfeld der Immersions-Objektivlinse gegenseitig überlagern. Diese Möglichkeit kann im Zusammenspiel mit der proximalen Objektivlinse, der distalen Objektivlinse oder der Immersions-Objektivlinse, bzw. mit deren Kombinationen ausgenutzt werden.
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Das Rasterelektronenmikroskop nach der vorliegenden Erfindung kann ferner mit einer zweiten Elektronensäule für einen fokussierten Ionenstrahl ausgestattet sein, der zum Analysieren oder zur Bearbeitung der Probe mit diesem fokussierten Ionenstrahl dienen kann.
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Um die Funktionalität der Abbildungsmodi näher zu erläutern, sind im nachfolgenden Text die Objektivlinsen sowohl in dem aktiven als auch in dem inaktiven Zustand beschrieben. Für einen Fachmann auf dem Gebiet der Technik wird allerdings offensichtlich sein, dass die Spulen bzw. Elektroden aller Linsen mit unterschiedlichen Strömen erregt werden oder unter unterschiedlichen Spannungen stehen können, damit derart die Form und die Stärke der Felder nach Bedarf beeinflusst werden können. Es wird davon ausgegangen, dass eine aktive Linse ein elektromagnetisches / elektrostatisches Feld oder – im Fall einer kombinierten Linse – beide Felder erzeugt, wohingegen eine inaktive Linse keines der erwähnten Felder erzeugt. Eine Linse wird auch dann für inaktiv gehalten, wenn der Werkstoff des entsprechenden magnetischen Kreises ein remanentes Magnetfeld erzeugt. Als inaktiv kann außerdem auch jene Linse angesehen werden, durch deren mehrfach gewickelte Spule ein Strom derart hindurchgeht, dass die von den einzelnen Wicklungen erzeugten Magnetfelder sich gegenseitig eliminieren, d.h. dass die Vektorsumme der von den einzelnen Wicklungen erzeugten Magnetfelder in dem die Linse umgebenden Raum gleich Null ist. Die Aktivitäten der drei Objektivlinsen können unabhängig voneinander geregelt werden. Es können somit unterschiedliche Kombinationen von aktiven und inaktiven Objektivlinsen eingestellt werden. Dadurch wird es ermöglicht, die konventionellen Linsen und die Immersionslinse des Mikroskops umzuschalten und die Vorteile der beiden Linsentypen auszunutzen.
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Das Verfahren zur Verwendung des Rasterelektronenmikroskops, bei dem nur die distale Objektivlinse aktiv ist, bietet die Möglichkeit, die zu untersuchende Probe mit einem großen Sichtfeld und einer großen Schärfentiefe abzubilden.
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Nach dem Umschalten in die Betriebsart, in der die Fokussierung des Primärelektronenstrahls lediglich mittels der proximalen Objektivlinse erfolgt, kann eine bessere Auflösung erreicht werden als in dem vorangehenden Fall, denn die aktive Linse ist näher zu der Probe angeordnet. Das Sichtfeld und die Schärfentiefe sind allerdings geringer als in dem vorstehenden Fall.
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Das Verfahren zur Verwendung des Rasterelektronenmikroskops mit einer aktiven Immersions-Objektivlinse, einer inaktiven proximalen Objektivlinse sowie einer inaktiven distalen Objektivlinse macht es möglich, eine noch höhere Auflösung zu erhalten.
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Die Aktivität dieser drei Linsen kann auf verschiedenste Weisen kombiniert werden, wodurch unterschiedliche Eigenschaften des Bildes erreichbar sind. Üblicherweise übernimmt die aktive Objektivlinse, die in größerem Abstand von der Probe angeordnet ist, die Funktion der Optimierung des eingestellten Aperturwinkels für jene Linse, die den Elektronenstrahl in Bezug auf die zu untersuchende Probe fokussiert.
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Sofern nur eine Objektivlinse aktiv ist, kann die kleinstmögliche Spur des Primärelektronenstrahls bei einer einzigen eingestellten Stromstärke des Strahls erzielt werden, wobei der eingestellte Strom dem optimalen Aperturwinkel entspricht. Sofern jedoch für die Abbildung eine andere Stromstärke des Primärelektronenstrahls erforderlich ist, wird die Lage des von der Kondensorlinse gebildeten Kreuzpunktes derart verschoben, dass der optimale Aperturwinkel des auf die Objektivlinse einfallenden Strahls verloren geht. Das Rasterelektronenmikroskop nach der vorliegenden Erfindung macht es jedoch möglich, eine weitere Objektivlinse zu aktivieren, die zwischen der bereits erwähnten Objektivlinse und der Aperturblende angeordnet ist, und zwar derart, dass ein optimaler Aperturwinkel des Primärelektronenstrahls für die den Strahl in Bezug auf die Probe fokussierende Objektivlinse einstellbar ist, wobei dies sogar in einem großen Bereich der Stromwerte des Strahls erreichbar sein soll. Sofern also die Linse, die den Strahl in Bezug auf die Probe fokussiert, für einen bestimmten Aperturwinkel eingestellt ist, kann dieser Winkel mittels der distalen Objektivlinse auch dann aufrechterhalten werden, wenn der durch die Aperturblende hindurchgehende Elektronenstrahl veränderlich ist.
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Die Verwendung eines Rasterelektronenmikroskop, bei dem die distale Objektivlinse, welche die Funktion der Optimierung des eingestellten Aperturwinkels übernimmt, aktiv ist und bei dem gleichzeitig die proximale Objektivlinse, welche die auf die Probe bezogene Fokussierungsfunktion erfüllt, aktiv ist, bietet eine gute Auflösung in einem großen Bereich der Stromstärken des Primärelektronenstrahls und zudem eine relativ große Schärfentiefe, die größer ist als in dem Fall der Abbildung mittels der Immersionslinse bzw. kleiner ist als in dem Fall der Abbildung mittels der distalen Objektivlinse.
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Für einige Arten der zu untersuchenden Proben kann es vorteilhaft sein, dass in dieser Betriebsart mit inaktiver Immersions-Objektivlinse die Probe nicht in das von dieser Immersions-Objektivlinse erzeugte Magnetfeld eingetaucht wird. In dem von der Immersions-Objektivlinse erzeugten Magnetfeld können beispielsweise nur im beschränkten Ausmaß Proben aus magnetischen Werkstoffen überwacht werden. Dieses Verfahren zur Verwendung ist beispielsweise auch nicht für die gleichzeitige Arbeit mit einem fokussierten Ionenstrahl geeignet, weil der Ionenstrahl durch das von der Immersions-Objektivlinse erzeugte Magnetfeld beeinflusst wird.
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Das Verfahren zur Verwendung des Rasterelektronenmikroskops mit einer aktiven Immersions-Objektivlinse in der Kombination mit einer distalen Objektivlinse oder einer proximalen Objektivlinse macht es möglich, einen optimalen Aperturwinkel zu erhalten und das Gerät in einem großen Bereich der Stromwerten des Primärelektronenstrahls zu betreiben.
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Ein weiteres Verfahren zur Verwendung des Rasterelektronenmikroskops stellt der Fall dar, in dem die proximale Objektivlinse sowie die Immersions-Objektivlinse derart aktiv sind, dass die proximale Objektivlinse einen konvergenten Primärelektronenstrahl erzeugt und die Immersions-Objektivlinse die Fokussierung dieses Primärelektronenstrahls in Bezug auf die Probe übernimmt. Die Abbildung, die mittels der Immersions-Objektivlinse erfolgt, beschränkt sich in der Regel auf einen bestimmten Bereich der Arbeitsabstände zwischen der Probe und der Linse, was insbesondere bei hohen Energiewerten des primären Strahl der Fall ist. Die oben erwähnte Kombination einer proximalen Objektivlinse und einer Immersions-Objektivlinse macht es möglich, diesen Bereich der Arbeitsabstände zu erweitern.
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Das Rasterelektronenmikroskop nach der vorliegenden Erfindung kann auch mit einer aktiven Immersions-Objektivlinse betrieben werden, und zwar derart, dass die Kondensorlinsen ein Feld erzeugen, in dem der Primärelektronenstrahl keinen Kreuzpunkt zwischen der Kondensorlinse und der Immersions-Objektivlinse bildet. Dadurch können insbesondere jene Erscheinungen unterdrückt werden, die in einem Kreuzpunkt mit einer hohen Dichte der miteinander reagierenden geladenen Partikel entstehen und die somit die resultierende Auflösung beeinträchtigen können. Diese Betriebsart ermöglicht jedoch nicht die Stromstärken der Primärelektronenstrahls in einem Ausmaß zu regeln, das mit einer Betriebsart vergleichbar wäre, in der von den Kondensorlinsen ein Kreuzpunkt gebildet wird.
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Falls das Rasterelektronenmikroskop mit einem Gerät ausgestattet ist, das von einem fokussierten Ionenstrahl Gebrauch macht, kann es vorteilhafterweise zur Ausbildung von Strukturen auf der Oberfläche der Probe verwendet werden. Man kann somit den Ablauf der Bearbeitung der Probe mit dem fokussierten Ionenstrahl durch die Abbildung mittels des Rasterelektronenmikroskops überwachen, wenn das letztere in dem Abbildungsmodus mit aktiven konventionellen Objektivlinsen arbeitet, die den fokussierten Ionenstrahl nicht beeinflussen; im Anschluss an die Bearbeitung kann die Probe in dem Abbildungsmodus mit der aktiven Immersions-Objektivlinse untersucht werden, weil hierbei eine höhere Auflösung verfügbar ist. Bei dem erfindungsgemäßen Rasterelektronenmikroskop kann zwischen unterschiedlichen Abbildungsmodi umgeschaltet werden.
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Erläuterung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Der besseren Übersichtlichkeit halber sind in den Zeichnungen nur diejenigen Teile des Geräts dargestellt, die hinsichtlich des Prinzips der vorliegenden Erfindung wesentlich sind.
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zeigt in einer schematischen Darstellung die Anordnung der Elemente eines Rasterelektronenmikroskops.
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zeigt in einer schematischen Darstellung die Anordnung der Elemente eines Rasterelektronenmikroskops in der Kombination mit einer an dem Probenhalter anliegenden Spannung.
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zeigt in einer schematischen Darstellung die Anordnung der Elemente eines Rasterelektronenmikroskops mit völlig getrennten magnetischen Kreisen einzelner Linsen.
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zeigt in einer schematischen Darstellung ein Gerät, das ein Rasterelektronenmikroskop umfasst, sowie ein Gerät, das von einem fokussierten Ionenstrahl Gebrauch macht.
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zeigt einen Abbildungsmodus eines Rasterelektronenmikroskops, bei dem die Immersions-Objektivlinse und die proximale Objektivlinse inaktiv sind, während die distale Objektivlinse aktiv ist.
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zeigt einen Abbildungsmodus eines Rasterelektronenmikroskops, bei dem die Immersions-Objektivlinse aktiv ist und die proximale sowie die distale Objektivlinse inaktiv sind.
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zeigt einen Abbildungsmodus eines Rasterelektronenmikroskops, bei dem die Immersions-Objektivlinse und die distale Objektivlinse aktiv sind, während die proximale Objektivlinse inaktiv ist.
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zeigt einen Abbildungsmodus eines Rasterelektronenmikroskops, bei dem die Immersions-Objektivlinse und die proximale Objektivlinse aktiv sind, während die distale Objektivlinse inaktiv ist.
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zeigt einen Abbildungsmodus eines Rasterelektronenmikroskops, bei dem die Immersions-Objektivlinse, die proximale Objektivlinse sowie die Objektivlinse aktiv sind.
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zeigt einen Abbildungsmodus eines Rasterelektronenmikroskops, bei dem die Immersions-Objektivlinse und die distale Objektivlinse inaktiv sind, während die proximale Objektivlinse aktiv ist.
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zeigt einen Abbildungsmodus eines Rasterelektronenmikroskops, bei dem die Immersions-Objektivlinse inaktiv ist, während die proximale sowie die distale Objektivlinse aktiv sind.
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zeigt einen Abbildungsmodus eines Rasterelektronenmikroskops, bei dem die Immersions-Objektivlinse aktiv ist und die proximale sowie die distale Objektivlinse inaktiv sind und bei dem die Kondensorlinsen keinen tatsächlichen Kreuzpunkt des Elektronenstrahls bilden.
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Beispielhafte Ausführungen der Erfindung
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Die Anordnung eines Rasterelektronenmikroskops mit zwei Kondensorlinsen und drei Objektivlinsen ist in dargestellt. Die Primärelektronenquelle 1 erzeugt einen Primärelektronenstrahl. Nach der Primärelektronenquelle 1 sind weiter in der Richtung des Probenhalters 9 magnetische Kondensorlinsen 2a und 2b aufgereiht. Zwischen den Kondensorlinsen 2a und 2b ist eine Aperturblende 3 angeordnet. Nach den Kondensorlinsen 2a und 2b folgt in der Richtung des Probenhalters 9 eine distale Objektivlinse 4. Diese distale Objektivlinse ist als eine konventionelle elektromagnetische Linse ausgeführt, deren Polschuhe durch einen axialen Spalt voneinander getrennt sind. Unterhalb der distalen Objektivlinse 4 folgt ein ringförmiger Detektor 7 von Signalelektronen. Der Detektor 7 von Signalelektronen kann beispielsweise als ein Szintillationsdetektor oder als ein Halbleiterdetektor ausgeführt sein. Nach dem Detektor 7 von Signalelektronen folgt im Strahlengang die proximale Objektivlinse 6. Die proximale Objektivlinse 6 ist als eine konventionelle elektromagnetische Linse ausgeführt, deren zwei Polschuhe durch einen axialen Spalt voneinander getrennt sind. Jede beliebige der oben angeführten elektromagnetischen Linsen (die Kondensorlinsen 2a, 2b, die distale Objektivlinse 4 und die proximale Objektivlinse 6) kann durch elektrostatische Linsen ersetzt werden, beispielsweise durch Einzellinsen, d.h. durch Linsen, deren fokussierter Strahl dieselbe Energie sowohl am Eingang als auch am Ausgang aufweist. Einschichtige Rasterspulen 5, die die Bewegung des Primärelektronenstrahls entlang der Oberfläche der Probe steuern, sind innerhalb der proximalen Objektivlinse 6 angebracht. Unterhalb der proximalen Objektivlinse 6 ist eine Immersions-Objektivlinse 8 angeordnet. Unterhalb der Immersions-Objektivlinse 8 ist dann der Probenhalter 9 angeordnet, der derart ausgestaltet ist, dass er die Positionierung einer Probe ermöglicht. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Immersions-Objektivlinse 8 als eine einpolige Linse ausgeführt, alternativ kann sie jedoch auch als eine zweipolige Linse ausgeführt sein, deren Polschuhe durch einen radialen Spalt voneinander getrennt sind. Die proximale Objektivlinse 6 und die Immersions-Objektivlinse 8 sind in dieser Ausführungsform derart gegenüberliegend angeordnet, dass ihre magnetischen Kreise verbunden sind, d.h. dass der untere Magnetpol der proximalen Objektivlinse 6 gleichzeitig einen Magnetpol der Immersions-Objektivlinse 8 bildet.
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Der von der Primärelektronenquelle 1 erzeugte Primärelektronenstrahl geht in dieser Anordnung zuerst durch die erste Kondensorlinse 2a hindurch, die zusammen mit der Aperturblende 3 zur Einstellung des Elektronenstroms dient, von dem die Probe beaufschlagt wird. Die zweite Kondensorlinse 2b kann dann z.B. die Funktion der Aufrechterhaltung einer fixen Stellung des Kreuzpunkts bei veränderlicher Stärke des durch die Aperturblende 3 durchgehenden Stroms haben. Der Primärelektronenstrahl geht anschließend durch die distale Objektivlinse 4 hindurch. Falls diese Linse aktiv ist, können dank ihres großen Abstands von dem Probenhalter 9 vorteilhafterweise ein großes Sichtfeld sowie eine große Schärfentiefe erreicht werden. Die distale Objektivlinse 4 ist somit zur derartigen Abbildung bestimmt, die für die Navigation entlang der Probe geeignet ist, wobei die zu untersuchende Probe nicht in das von der distalen Objektivlinse 4 erzeugte elektromagnetische Feld eintaucht. Diese Linse kann vorteilhafterweise zur Untersuchung von Proben eingesetzt werden, für die das Vorhandensein eines elektromagnetischen Feldes in ihrer Umgebung unerwünscht ist, was beispielsweise bei Proben aus magnetischen Werkstoffen der Fall ist. Der Primärelektronenstrahl geht ferner durch die proximale Objektivlinse 6 hindurch. Falls diese Linse aktiv ist, bildet sie ein kleineres Sichtfeld als die distale Objektivlinse 4 ab, weist jedoch aufgrund ihres kleineren Abstands von dem Probenhalter 9 eine bessere Auflösung als die distale Objektivlinse 4 auf. Anschließend geht der Primärelektronenstrahl, in der Richtung des Probenhalters 9, durch die Immersions-Objektivlinse 8 hindurch. Falls diese Immersions-Objektivlinse 8 aktiv ist, erzeugt sie ein elektromagnetisches Feld, in das die zu untersuchende Probe eingetaucht wird. Somit kann mit der letzteren eine noch bessere Auflösung erzielt werden als mit der proximalen Objektivlinse. Nach dem Einfall des Primärelektronenstrahls auf die in dem Probenhalter 9 angebrachte Probe wird die Emission von Signalpartikeln eingeleitet, die dann von dem Detektor 7 erfasst werden.
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Die Aktivitäten einzelner Linsen können miteinander kombiniert werden, wodurch zusätzliche Abbildungsmodi erreichbar sind. Mittels der Rasterspulen 5 kann die Lage des Schwenkpunktes geändert werden, wodurch eine weitere Optimierung einzelner Abbildungsmodi durchführbar ist. Die Umschaltung zwischen unterschiedlichen Abbildungsmodi kann ferner bei einer sukzessiven Untersuchung einer Vielzahl von Proben, die beispielsweise in einem drehbaren Probenhalter 9 angebracht sind, erfolgen. Derartige Proben können beispielsweise sowohl zur Bearbeitung als auch zur Untersuchung vorgesehen sein, können unterschiedliche Oberflächenstrukturen aufweisen, können sowohl aus magnetischen als auch aus nicht magnetischen Werkstoffen hergestellt sein und können verschiedensten Untersuchungen und Analysen unterzogen werden, wie einer Detektion der charakteristischen Röntgenstrahlung (englisch: „Energy/Wavelength Dispersive X-ray Spectroscopy“, abgekürzt EDS und WDS), einer Elektronendiffraktion (englisch: „Electron Backscatter Diffraction“, abgekürzt EBSD), einer Detektion der Kathodoluminiszenz (englisch: „Cathodoluminescence“, abgekürzt CL) usw. Dann werden die einzelnen Objektivlinsen nach Bedarf ein- und ausgeschaltet.
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zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rasterelektronenmikroskops. Im Gegensatz zu der in dargestellten Ausführungsform umfasst das Rasterelektronenmikroskop nur eine Kondensorlinse 2. Die Aperturblende 3 ist unterhalb der Kondensorlinse 2 angebracht. Danach folgt der ringförmige Detektor 7 von Signalelektronen. Das Gerät umfasst ferner zweischichtige Rasterspulen 5, die unterhalb der distalen Objektivlinse 4 angebracht sind. Die magnetischen Kreise der proximalen Objektivlinse 6 und der Immersions-Objektivlinse 8 sind teilweise identisch, jedoch weist jede der Linsen ihre eigenen Polschuhe auf. Deunterr Probenhalter 9 ist derart ausgestaltet, dass eine Spannung an der Probe anliegen kann. Die anliegende Spannung erzeugt ein elektrostatisches Feld zwischen dem Probenhalter 9 und einem der Polschuhe der Immersions-Objektivlinse 8, welches Feld den Primärelektronenstrahl beeinflussen kann. Eine an der Probe anliegende negative Spannung erzeugt ein elektrostatisches Feld, das den Primärelektronenstrahl verlangsamt. Dadurch kann das Auftreten der optischen Defekte der Elektronensäulen des Rasterelektronenmikroskops unterdrückt und eine bessere Auflösung erreicht werden. An dem Probenhalter 9 kann alternativ auch eine positive Spannung anliegen.
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zeigt noch eine weitere beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rasterelektronenmikroskops. Das Rasterelektronenmikroskop umfasst eine Aperturblende 3, die unterhalb der Kondensorlinsen 2a und 2b angebracht ist. Die distale Objektivlinse 4, die proximale Objektivlinse 6 und die Immersions-Objektivlinse 8 sind voneinander getrennt und deren magnetischen Kreise sind nicht gegenseitig verbunden. Die Immersions-Objektivlinse 8 ist als eine zweipolige Linse ausgeführt, deren Polschuhe durch einen radialen Spalt voneinander getrennt sind. Das Gerät umfasst ferner Rasterspulen 5, die zwischen der proximalen Objektivlinse 6 und der distalen Objektivlinse 4 angeordnet sind, sowie einen seitlich angeordneten Detektor 7 von Signalelektronen. Ebenso wie im Fall eines ringförmigen Detektors kann es sich bei diesem Detektor um unterschiedliche Ausführungen handeln; gegebenenfalls können auch mehrere Detektoren eingesetzt werden, die seitlich oder in der Kombination mit ringförmigen Detektoren angeordnet werden können.
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Die in , und gezeigten Rasterelektronenmikroskope stellen lediglich einige beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Für einen Fachmann auf dem Gebiet der Technik werden auch weitere mögliche Kombinationen der oben beschriebenen Ausführungen offensichtlich sein. Das Gerät kann auch durch andere Teile erweitert werden, die üblicherweise in Rasterelektronenmikroskopen Anwendung finden, wie durch einen Monochromator, eine Vorrichtung zur Korrektur optischer Fehler o. dgl.
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zeigt in schematischer Darstellung eine Arbeitsvakuumkammer 10, in der ein Rasterelektronenmikroskop 11 der oben beschriebenen Art, ein Gerät 12, das von einem fokussierten Ionenstrahl Gebrauch macht, und ein Probenhalter 9 untergebracht sind. Die gegenseitige Lage der optischen Achsen des Rasterelektronenmikroskops 11 und des Geräts 12, das von einem fokussierten Ionenstrahl Gebrauch macht, kann koinzident, parallel o. dgl. sein.
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zeigt in schematischer Darstellung einen Abbildungsmodus, der üblicherweise in der ersten Phase der Untersuchung einer Probe eingesetzt wird, wobei die Immersions-Objektivlinse 8 und die proximale Objektivlinse 6 inaktiv sind und wobei lediglich die distale Objektivlinse 4 aktiv ist. Dieser Abbildungsmodus macht es möglich, große Bereiche der zu untersuchenden Probe oder sogar mehrere Proben, die in dem Probenhalter 9 angebracht sind, auf einmal abzubilden, und zwar mit einer großen Schärfentiefe und ohne die Entstehung eines auf die Probe einwirkenden Magnetfeldes.
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In , , und sind die Abbildungsmodi mit inaktiver Immersions-Objektivlinse 8 dargestellt. In dem Fall, dass sowohl die proximale Objektivlinse 6 als auch die distale Objektivlinse 4 inaktiv sind und nur die Immersions-Objektivlinse 8 aktiv bleibt, stellt sich ein Zustand ein, in dem eine hohe Auflösung der abzubildenden Oberfläche der Probe erreichbar ist und die Probe in das Magnetfeld eintaucht. Ein Nachteil besteht dabei in einer geringen Schärfentiefe und einem kleinen Sichtfeld bei der Beobachtung. Diese Möglichkeit ist in dargestellt. In ist ein Abbildungsmodus dargestellt, in dem der Primärelektronenstrahl zusätzlich durch eine aus der aktiven Immersions-Objektivlinse 8 und der aktiven distalen Objektivlinse 4 bestehenden Kombination fokussierbar ist. Ein Vorteil dieser Betriebsart besteht in einer hohen Auflösung bei einem großen Bereich der Stromwerte des Primärelektronenstrahls. Falls zusätzlich die proximale Objektivlinse 6 aktiviert wurde ( ), steht zudem eine dynamische Fokussierung zur Verfügung, beispielsweise während eines auf der Oberfläche einer geneigten Probe mittels des Primärelektronenstrahls durchgeführten Rastervorgangs. In ist die Betriebsart mit der aktiven Immersions-Objektivlinse 8 und der aktiven proximalen Objektivlinse 6 dargestellt. Die proximale Objektivlinse 6 kann dabei den Aperturwinkel optimal einstellen oder einen konvergenten Strahl erzeugen. Die Erzeugung eines konvergenten Strahls bietet einen weiteren Vorteil, der darin besteht, dass kleinere Arbeitsabstände erreichbar sind als im Fall der getrennt aktivierten Immersions-Objektivlinse 8. Durch die zusätzliche Aktivierung der distalen Objektivlinse 4 kann darüber hinaus eine Optimierung der Aperturwinkels erreicht werden. zeigt die oben erwähnte Kombination von eingeschalteten Objektivlinsen 4, 6, 8.
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In und sind Abbildungsmodi mit inaktiver Immersions-Objektivlinse 8 und aktiver proximaler Objektivlinse 6 dargestellt. In diesem Fall können Oberflächen jener Proben untersucht werden, die nicht in dem Magnetfeld untergebracht werden können. Der Einsatz der Immersions-Objektivlinse 8 ist beispielsweise dann nachteilig, wenn magnetische Werkstoffe untersucht werden oder wenn gleichzeitig mit einem fokussierten Ionenstrahl gearbeitet wird. In dieser Betriebsart kann die distale Objektivlinse 8 den Aperturwinkel optimal einstellen, wohingegen die proximale Objektivlinse 6 die auf die Probe bezogene Fokussierungsfunktion übernehmen kann. Die Lage des Schwenkpunkts des Rasters ist in diesem Fall in der Hauptebene der proximalen Objektivlinse 6 definiert. Dadurch kann eine gute Auflösung bei einem großen Bereich der Stromwerte des Elektronenstrahls erreicht werden. Sofern die distale Objektivlinse 4 die auf die Probe bezogene Fokussierungsfunktion erfüllt und die proximale Objektivlinse 6 die Funktionen der Biegung des Strahls und der Erzeugung des Schwenkpunkts der Rasterspulen 5 übernimmt, ist der erste Schwenkpunkt oberhalb der proximalen Objektivlinse 6 positioniert und der zweite Schwenkpunkt wird derart unterhalb der letzteren erzeugt, dass der größtmögliche Schwenkwinkel des Strahls erhalten wird. Ein Vorteil von diesem Abbildungsmodus besteht darin, dass eine große Schärfentiefe sowie das größtmögliche Sichtfeld erhalten werden können. Sofern die distale Objektivlinse 4 die Funktion der Erzeugung eines Kreuzpunkts erfüllt und die proximale Objektivlinse 6 die Funktionen der Erzeugung eines parallelen Strahls und der Biegung desselben in der Richtung der zu untersuchenden Stelle auf der Probe übernimmt, wird der Schwenkpunkt in der Ebene der Probe erzeugt. Ein weiterer Vorteil von diesem Abbildungsmodus besteht in der Möglichkeit, Kristallebenen zu analysieren, wobei in einem Punkt der Probe ein paralleler Strahl unter einem veränderlichen Winkel einfällt.
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In ist ein Abbildungsmodus dargestellt, in dem die Kondensorlinsen 2 keinen tatsächlichen Kreuzpunkt des Primärelektronenstrahls bilden und lediglich die Divergenz desselben derart ändern, dass der Winkel des durch die Apertur 3 hindurchgehenden Primärelektronenstrahls optimiert wird. In dieser Betriebsart können die Kondensorlinsen 2 auch völlig abgeschaltet werden.
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Die vorliegende Erfindung macht es möglich, die Objektivlinsen entsprechend den gewünschten Bedingungen einzusetzen. Daraus ergibt sich, dass die eingeschalteten Objektivlinsen auf unterschiedliche Art und Weise kombiniert, aber auch getrennt eingesetzt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Primärelektronenquelle
- 2
- Kondensorlinsen (a, b)
- 3
- Aperturblende
- 4
- Distale Objektivlinse
- 5
- Rasterspulen
- 6
- Proximale Objektivlinse
- 7
- Detektor von Signalelektronen
- 8
- Immersions-Objektivlinse
- 9
- Probenhalter
- 10
- Vakuumkammer
- 11
- Rasterelektronenmikroskop
- 12
- Gerät, das von einem fokussierten Ionenstrahl Gebrauch macht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5124556 [0006]
- US 7705298 [0007]
- EP 0708975 [0008, 0009]
- JP 2969219 [0009]
- US 7223983 [0010]