DE10242962B4 - Einrichtung und Verfahren zur örtlichen Schichtdickenmessung an einer Probe - Google Patents

Einrichtung und Verfahren zur örtlichen Schichtdickenmessung an einer Probe Download PDF

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Abstract

Einrichtung zur örtlichen Schichtdickenmessung an einer Probe mit einem Elektronenstrahl,
bestehend aus:
– einer Elektronenkanone,
aus der ein Strahl vorgegebener Stromstärke an Elektronen mit eingestellter Energie extrahiert wird,
– einer Blende im weiteren Strahlengang, mit der der Elektronenstrahl begrenzt und fixiert wird,
– einem elektrisch leitenden Gitter im weiteren Strahlengang, mit einer Maschenweite, die kleiner als der Durchmesser des Strahlquerschnitts des durchtretenden Elektronenstrahls ist,
das einen proportionalen Anteil des Elektronenstrahls aufnimmt und ableitet,
– einer Strahlablenkeinrichtung im weiteren Strahlengang, mit der die Strahlachse in einer Ebene abgeknickt werden kann,
– einer Probenhalterung,
in die zu vermessende Proben derart eingespannt werden können, dass sie nacheinander durch Weiterbewegen senkrecht zur Strahlachse in den Elektronenstrahl exponiert werden können, wobei die Probenhalterung einerseits um eine Achse senkrecht zur und durch die Strahlachse vor und zurück gedreht werden kann, so dass die Flächennormale der gerade exponierten...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur ortsaufgelösten Schichtdickenmessung an einer dünnschichtigen Probe mit einem Elektronenstrahl und ein Verfahren zur Durchführung der Schichtdickenmessung/- verringerung dazu.
  • Diese Art der Schichtdickenmessung oder Schichtdickeverringerung dient vornehmlich dem Zweck, dünne Festkörpertargets, wie sie üblicherweise in kern- und atomphysikalischen Bestrahlungsexperimenten verwendet werden, in einfacher Weise auf Veränderung durch die Strahlenbelastung hin zu überprüfen.
  • Bekannt ist, gesteuerte Elektronenstrahlen in der Elektronenstrahl-Mikroanalyse zu verwenden (siehe IV.). Dabei wird prinzipiell zur Spurenanalyse die elementspezifische Röntgenstrahlung detektiert.
  • Bekannt ist auch das Elektronen-Durchstrahl- und Rückstreuverfahren (siehe V.), in dem radioaktive β-Quellen als Elektronenstrahler verwendet werden. Die Nachteile dabei liegen in der festgelegten Elektronenenergie und der Intensität der gewählten Quellen. Aufgrund der geringen Intensität werden Einzelteilchen-Zähler verwendet, was bei einem statistischen Fehler von ca. 1% eine Messdauer im Sekundenbereich bedingt.
  • Eine Einrichtung zur örtlichen Schichtdickenmessung an einer Probe mit einem Elektronenstrahl durch Messung des transmittierten Elektronenstroms, mit einer Elektronenkanone, Strahlablenkung, Probenhalterung für eine Probe und Verstärker zur Auswertung wird in VI. gezeigt. Zur Normierung muss etwa durch eine einen Teilstrom abschälende Blende auch der Strom vor der Probe gemessen werden. Solche Konzeptionen sind in handelsüblichen Transmissionselektronenmikroskopen realisiert, in denen die Elektronenintensität nach abbildenden Linsen durch ver schiedene Verfahren, wie Strommessung, Elektronenzähler, Leuchtschirm, zu Bildern gewandelt wird.
  • Die Aufgabe, die zur Erfindung führte, ist:
    ein Target während der Bestrahlung prompt oder anschließend hinsichtlich seiner aktuellen, ortsaufgelösten Schichtdicke zu überprüfen;
    es soll möglich sein, ein Targetdickenprofil hinsichtlich Homogenität, Loch- oder Klumpenbildung zu erstellen bzw. darzustellen.
  • Die Aufgabe wird durch die Einrichtung gemäß den Kennzeichen des gegenständlichen Anspruchs 1 und den kennzeichnenden Verfahrensschritten des Anspruchs 9 gelöst. Die örtliche Veränderung wird durch den Verwendungsanspruch 10 beansprucht.
  • Die Einrichtung zur örtlichen Schichtdickenmessung an einer Probe/einem Target besteht einerseits aus dem strahloptischen Aufbau aus den Komponente: Elektronenkanone zur Erzeugung des Elektronenstrahl, Blende zum Schälen/Formen des Nutzstrahls, Ablenkeinrichtung (Deflektor), Probe/Target als zu durchstrahlenden Gegenstand und dem Elektronenstrahlauffänger in Form eines Faraday-Bechers mit geometrisch vorgegebener Elektroneneintrittsöffnung. Andrerseits aus den elektronischen Komponenten:
    zur Signalwandlung, dem ersten, am Faraday-Becher angeschlossenen Verstärker, dem zweiten, am Gitter angeschlossenen Verstärker;
    zur Signalverarbeitung, die elektronische Rechner-Verknüpfungseinrichtung als PC, X-Y-Schreiber beispielsweise, und einer Regel-/Steuersignalformungseinrichtung zur Erzeugung einer vom Gitterstrom abhängigen Ablenkspannung zur entsprechenden Ablenkung im Deflektor. Die Wirkung der Komponenten wird weiter unten bei der Erläuterung des Verfahrens beschrieben.
  • In den Unteransprüchen 2 bis 7 werden Besonderheiten an den Komponenten beschrieben, mit denen das Verfahren gezielt und einfach durchgeführt werden kann.
  • So ist die Elektroneneintrittsöffnung des Elektronenstromauffängers, wie gesagt, teilweise abgedeckt und die belassene Öffnung besteht nach Anspruch 2 aus mindestens einem Schlitz. Die Längsachse des bei der Bestrahlung benutzten Schlitzes wird von der Strahlachse überstrichen.
  • Das Gehäuse des Elektronenstromauffängers ist nach Anspruch 3 mit einer elektrischen Abschirmung umgeben, die auf ein vorgegebenes Potential gelegt werden kann.
  • Der erste Verstärker mündet in einen Strom-Frequenz-Wandler mit am Ausgang angeschlossener Frequenzanzeige und der zweite Verstärker mit einem eben solchen Strom-Frequenz-Wandler mündet in einen Frequenzuntersetzer.
  • Nach Anspruch 6 ist die Auswerteeinrichtung ein elektronischer Rechner wie ein PersonalComputer,PC, oder einfach ein X-Y-Schreiber.
  • Die Elektronenstrahlblende ist einfach eine Blende zum Ausblenden von Strahlteilen oder ein strahloptisches Mittel zum Fokussieren oder beides (Ansprüche 7 und 8).
  • Das Verfahren (Anspruch 9) beruht auf der Messung der Stromabschwächung eines Elektronenstrahls, der eine zu untersuchende Probe durchdringt. Der Elektronenstrahl kann ein Gleichstrom, Dauerstrichbetrieb, oder mit einem gewählten Puls-Breiten-Verhältnis gepulst sein, Pulsbetrieb. Jede handelsübliche einfache Elektronenkanone, wie sie z.B. in Bildröhren eingesetzt sind, kann als Elektronenquelle verwendet werden. Mit Hilfe eines hinter der Probe angeordneten Auffängers, einem Faraday-Becher vom physikalischen Prinzip her, der in Bezug auf die durch die Probe bewirkte Winkelaufstreuung des Elektronenstrahls in geeigneten Abstand platziert ist, wird mit einem empfindlichen (Gleichstrom-) Verstärker oder Pulsverstärker der austretende Strom/Strompuls gemessen. Die gemessene Strom abschwächung wird einerseits durch die Absorption der Elektronen in der Probe und andererseits durch die Winkelaufstreuung des Elektronenstrahls nach dem Targetdurchtritt in Verbindung mit der Auffängergeometrie, der teilweisen Abdeckung und der Geometrie der Öffnung des Faraday-Bechers sowie dem Abstand von der Probe bedingt. Sie hängt dabei von der Targetdicke, der Atomzahl des Materials und von der wählbaren Elektronenenergie ab (siehe I. – III.). Der dabei auftretende mittlere Energieverlust und die Energieverbreiterung, in der Fachsprache auch „energy straggling" genannt, des Elektronenstrahls ist für diese Strommessung unwesentlich. Je nach Dickenbereich der Probe, etwa d < 1 μg/cm2 bis ungefähr 1 mg/cm2, lässt sich durch die Wahl der Elektronenenergie und der Auffanggeometrie eine optimale Empfindlichkeit für die Stromabschwächung in Abhängigkeit einer Dickenänderung in der Probe einstellen (Anspruch 10).
  • Die bisherige Messdauer im Sekundenbereich wird mit der Erfindung ganz wesentlich verkürzt, weil die Signalstärke durch den wählbaren Elektronenstrom auf erheblich kürzere Messzeiten eingestellt werden kann. Durch Wahl der Elektronenenergie wird eine optimale Anpassung der Messempfindlichkeit auf den zu untersuchenden Dickenbereich erreicht, was bei dünnen Folien (d 0,1 μm) von großem Vorteil ist. Weiterhin ermöglicht die Einstellbarkeit/Fokussierung des Elektronenstrahls auf kleine Durchmesser eine hohe örtliche Auflösung in der Dickenmessung, was mit festen radioaktiven Quellen nur sehr aufwendig möglich ist. Durch die Wahl einer ausreichenden primären Elektronenintensität im Bereich von 100 μA bis 100 nA, die jedoch so begrenzt bleibt, dass keine strukturelle Veränderung im Fall der Schichtdickenmessung an der zu vermessenden Substanz, der Probe oder dem Target, erfolgt, und durch Verwendung schneller empfindlicher Verstärker wird eine genaue Messung kleiner Stromänderungen in kurzer Zeit, < 50 μs, erreicht. Damit ist eine prompte Überwachung von Materialdicken und Profilen möglich.
  • Ein Prototyp der Apparatur wird bei der GSI zur Überwachung von bewegten Targets – rotierendes Targetrad mit einer Geschwindigkeit von ~ 60 km/h mit einer Ortsauflösung von 1 mm – eingesetzt.
  • Zum Erreichen einer hohen Empfindlichkeit in der Targetdickenmessung ist die Normierung des hinter der Probe austretenden Elektronenstroms auf den primären Strom ein wichtiger Bestandteil des Verfahrens. Dadurch werden Schwankungen des Stromes der Elektronenkanone/-quelle korrigiert. Mit Hilfe eines dünnes Drahtgitters, Transmission ~ 80%, wird vor der Probe ein Teilstrom gemessen und das Signal darauf normiert.
  • Die Messmethode eignet sich zur empfindlichen Registrierung relativer Targetdickenunterschiede. Absolute Dickenbestimmungen werden dadurch ermöglicht, dass bei festgehaltenen Apparaturparametern, Elektronenenergie, Geometrie, die Stromabschwächungen durch Targets bekannter Dicken, sogenannter Eichproben, gemessen und mit den zu untersuchenden Proben verglichen werden.
  • Die Ortsauflösung in der Dickenmessung wird durch das Profil des Elektronenstrahls, Fläche und Intensitätsverteilung, bestimmt. Dieses ist durch Blenden und Fokussierlinsen, letzteres ein den Elektronenstrahl umgebendes Solenoid, einstellbar.
  • Für den Anwendungsfall der Targetüberwachung ist beispielsweise ein Elektronenstrahldurchmesser von 2 bis 3 mm geeignet.
  • Die gemessenen Targetdicken sind Mittelwerte über das Elektronenstrahlflächenprofil. Feinere Dickenstrukturen: Granulate, Mikrolöcher, Risse, werden in diesem Fall nicht mehr scharf wiedergegeben. Prinzipiell kann jedoch die Ortsauflösung durch Feinfokussierung des Elektronenstrahls auf z.B. 0,1 mm gesteigert werden.
  • Das Verfahren ist, bei einem eingeschränkten Dickenbereich, auch auf flüssige, dampf-, cluster- oder gasförmige Substanzen, letzterer insbesondere Atomstrahlen/-jets anwendbar.
  • Durch die Maßnahmen aus den Ansprüchen 1 bis 9 wird die Messempfindlichkeit für dünne Folien dadurch optimiert, dass die Geometrie der Messanordnung, d.h. der Abstand des schlitztragenden Elektronenauffängers zur durchstrahlten Probe, die Schlitzbreite und Schlitzlänge so gewählt sind, dass die dickenabhängige Winkelaufstreuung des Elektronenstrahls in der Probe gemäß den elementaren physikalischen Streuprozessen (siehe II.) zur Signalabschwächung gezielt ausgenutzt wird. Zusätzlich wird die dickenabhängige Absorption des Elektronenstroms (siehe III.) wahrgenommen, was bei größeren Dicken, bei denen sich die Winkelstreuverteilung nur noch schwach ändert, die Information zur Probendicke trägt. Die Ausnutzung der Kombination dieser zwei Effekte führt bei einer gewählten Elektronenenergie zu hoher Messempfindlichkeit über einen großen Dickenbereich.
  • Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher beschrieben. Sie besteht aus den 1 bis 8, die im einzelnen zeigen:
  • 1 die schematische Darstellung der Einrichtung,
  • 2 die Wirkung der Normierung,
  • 3 die Stromabschwächung an Kohlenstofffolien,
  • 4 der Einfluss der Erhöhung der effektiven Dicke,
  • 5 die Ergebnisse einer Untersuchung,
  • 6 eine Messwiederholung,
  • 7 modifizierte Messtargets,
  • 8 Anpassung der Messempfindlichkeit.
  • Vorbemerkung:
  • Zur Vermessung von Dickenprofilen wird entweder die Probe entlang zweier senkrechter Koordinaten bewegt oder der Elektronenstrahl abgelenkt. Bei der Ablenkung des Elektronenstrahls ist die Position des Elektronenauffängers entsprechend nachzufahren. Diese Komplikation entfällt, wenn die Ablenkung des Elektronenstrahls nur in einer Dimension beschränkt bleibt und der Stromauffänger/Faraday-Becher eine dem Ablenkungsbereich entsprechende streifen-/schlitzförmige Eintrittsfläche, Schlitz in der Abdeckung des Faraday-Bechers, hat. Die Darstellung des Dickenprofils erfolgt zweckmässiger Weise in einem PC-Datenaufnahmesystem oder z.B. in einfachster Form mit Hilfe eines X-Y-Schreibers.
  • Zunächst sei die Einrichtung zur örtlichen Schichtdickenmessung an einer Probe mit einem Elektronenstrahl anhand von 1 vorgestellt: Der Elektronenstrahl wird mit einer handelsüblichen Elektronenkanone aus der Fernsehbildröhrentechnik erzeugt. Der Strahlstrom, typisch 0,1 μA – 100 μA, wird über die Heizung der Kathode eingestellt. Mit dem Linsensystem der Kanone wird der Strahl auf ca. 2 mm fokussiert. Alle Spannungen der Elektroden der Kanone sind auf eine Beschleunigungsspannung eines regelbaren Hochspannungsgerätes, von 0 – 30 kV, bezogen, so dass der Elektronenstrahl gegenüber dem Erdpotential der Apparatur eine einstellbare Energie erhält.
  • Mit der Wehneltelektrode kann der Elektronenstrom gesperrt werden. In diesem Fall wird für Messungen mit gepulstem Elek tronenstrahl ein hochspannungsisolierter Ferrittkernransformator benutzt, um einen 5 μs langen Niedervoltpuls von –10 V als Sperrspannung an die Wehneltelektrode zu legen.
  • Die Blende von 1 mm Weite begrenzt und fixiert den Elektronenstrahl. Anschließend durchdringt der Strahl das feinmaschige Edelstahldrahtgitter, das einen Teil des Elektronenstroms aufnimmt.
  • Nachfolgend sind auf ca. 20 mm Länge hier zwei Paar Plattenelektroden angeordnet, die es erlauben, den Strahl vertikal und/oder und horizontal über die Probe zu lenken.
  • Im vorliegenden Aufbau wird eine Targetleiter, die in Ablenkrichtung des Strahls verschiebbar ist, zur Positionierung der Proben verwendet.
  • Durch Drehung der Targetleiter wird die Einschussrichtung des Elektronenstrahls zur Flächennormalen variiert und damit die effektive Targetdicke gemäß deff = d/cosϑerhöht, wobei θ der Winkel zwischen Normalen und Strahlrichtung ist.
  • Hinter der Probe ist der rechteckige, abgeschirmte Faraday-Becher als Auffänger mit einem Eingangsschlitz der Geometrie: 5 mm vertikal und 50 mm horizontal als Elektronenauffänger angebracht. Um Verfälschungen der Strommessung durch niederenergetische Streuelektronen zu vermeiden, liegt das den Stromauffänger umgebende Abschirmgehäuse auf einer negativen Spannung. Aufgrund der noch hohen Energie des durch die Probe abgeschwächten Elektronenstromes wird dieser durch die negative Spannung nicht beeinflusst.
  • Das Stromsignal vom Faraday-Becher wird mit dem angeschlossenen, ersten Stromintegrator in institutseigener Bauweise (GSI-Typ: CD1011) aufgenommen, in eine zum Strom proportionale Frequenz (0 – 10 kHz) umgesetzt und in den Zähler: 50 MHz, Typ C-SD-24, eingelesen.
  • Der an das Gitter angeschlossenen, zweite Stromintegrator misst den Normierungsstrom des Gitters, dessen Signal nach dem Zählrateuntersetzer (GSI-Typ: FX060) zum Auslesen des Zählers verwendet wird. Gleichzeitig wird dieses Signal zur Erhöhung der Ablenkspannung an den Deflektor geschaltet womit eine kontrollierte Positionierung des Elektronenstrahls auf die Probe erreicht wird. Die normierten Stromsignale werden schließlich mit Hilfe des Personal Computers als Strom-Zeit-Spektrum bzw. als Abbildung des Targetdickenprofils, wie in den 2 bis 8 beispielsweise gezeigt, dargestellt.
  • In 2 wird die Elektronenstromnormierung durch den Gitterstrom demonstriert. Der Figurenteil a) zeigt die Abschwächungen des Elektronenstromes des gepulsten, 5 μs dauernden, 20 keV Elektronenstrahls durch 20, 40 und 60 μg/cm2 dicke Kohlenstofffolien, dem Schwankungen der Elektronenemission durch variierte Kathodenheizung überlagert sind. Die Variation der Ordinatenwerte ist durch unterschiedliche Messzeiten bestimmt. Der Figurenteil b) zeigt die entsprechenden Schwankungen des Stromes am Normierungsgitter. Der Figurenteil c) zeigt die auf Stromschwankungen korrigierten Stromintensitäten ohne Target bzw. mit Folien verschiedener Dicken.
  • Die Stromabschwächung für den 20 keV Gleichstrom-/Dauerstrich-Elektronenstrahl durch verschieden dicke Kohlenstofffolien ist in 3 dargestellt. Die Zahlen im Diagramm geben die Probendicke in μg/cm2 sowie den Durchgangsstrom in % an.
  • 4 demonstriert die Stromabschwächung durch Erhöhung der effektiven Proben-/Targetdicke durch Schrägstellung der 100 μg/cm2 dicken Folie/C-Targets, und zwar nacheinander die Strahleinfallswinkel ϑ = 0°, 20°, 45° und zurück zu 0°.
  • 5 zeigt die Elektronentransmission durch ein Segment eines Urantetrafluorid-Targets von dem rotierenden Targetrad, nachdem das Target zur Erzeugung schwerer Elemente mit 5 MeV/u-40Ar-Ionen bestrahlt worden war. Der Elektronenstrahl wurde mit dem Ablenker senkrecht zur Bestrahlungsspur gelenkt. Die Messung demonstriert einen deutlichen Verlust des Targetmaterials im Mittenbereich, der dem intensiven Ionenstrahl ausgesetzt war. Eine zweite Messung über die gleiche Stelle auf dem Target ergibt einen deckungsgleichen Verlauf der Stromkurve, was die Reproduzierbarkeit und Empfindlichkeit der Messmethode demonstriert.
  • Im vorliegenden Fall hatte das Target auf der Austrittsseite des Ionenstrahls keine dünne Kohlenstoffdeckschicht, die ein Entweichen des UF4 reduzieren würde. Zum Vergleich ist die Stromkurve eines zweiten mit einer 5 μg/cm2 dicken Kohlenstoffdeckschicht versehenen Targets aufgenommen. Das Material bleibt in diesem Fall erhalten. Deutliche Schwankungen in der Homogenität der Targetdicke werden dabei erkannt.
  • Die Messmethode ist sensitiv auf die effektive Targetdicke deff – d/cosϑ,mit ϑ als dem Winkel des Messstrahls zur Flächennormalen des Targets und d der tatsächlichen Dicke desselben, die in Beschleunigerexperimenten auch eine bestimmende Grösse für Reaktionswahrscheinlichkeiten ist.
  • Durch Strahlenbelastung können Targets deformieren und eine wellige Struktur erhalten, die verschiedenen effektiven Targetdicken entsprechen. Ein Tantal-Target, das auf einem rotierenden Targetrad mit einem intensiven Argon Ionenstrahl be strahlt wurde, entwickelte quer zur Rotationsrichtung verlaufende Runzeln, die mit blossem Auge deutlich sichtbar sind. Diese werden mit dem hier entwickelten Messverfahren gut wiedergegeben.
  • 6 zeigt den Stromverlauf 1 entlang der Bestrahlungsspur die über eine Länge von ca. 20 mm drei deutliche Runzeln aufweist zeigt, Balkenbereiche 1, 2 und 3. Die wiederholte Messung 2 über die gleiche Spur ergibt eine genaue Reproduktion des effektiven Targetdickenverlaufs. Der Elektronenstrahl wurde hierzu entlang der Bestrahlungsspur eines 360 μg/cm2 Ta-Targets, aufgedampft auf eine 44 μg/cm2 Kohlenstoffträgerschicht und bestrahlt mit 40Ar10+ Ionen, gelenkt. Das temperaturfeste Targetmaterial entwickelte quer zur Ionenstrahlspur runzlige Deformationen, die mit dem Auge den eingezeichneten Balkenbereichen 1, 2 und 3 zugeordnet werden. Entsprechend zeigen die Elektronenstrahlmessungen reproduzierbar verschiedene effektive Targetdicken.
  • Eine weitere Verwendung des Messverfahrens der Abschwächung des Elektronenstroms eines gesteuerten Elektronenstrahls liegt darin, in bestimmten Anwendungsfällen, in denen gezielte Veränderungen der. Proben, z.B. durch Strahlungseinwirkungen, hergestellt werden sollen, diese simultan als Dickenänderungen zu messen und zu kontrollieren. 7 zeigt ein solches Beispiel. Zur Herstellung eines dünnen, freitragenden Kohlenstofftargets von 2 μg/cm2 Dicke wurde Kohlenstoff auf einen Träger aus Kollodium (Schießbaumwolle) bis zu einer Dicke von ca. 32 μg/cm2 aufgedampft. Das leicht flüchtige Trägermaterial sollte durch moderate Wärmezufuhr, z. B. durch Strahlung, im Vakuum verdampft werden. Mit dem Messelektronenstrahl ist es möglich, durch Wahl des Elektronenstroms und der Elektronenenergie die geeignete Energie zur Modifikation der Probe zu deponieren und die resultierende Veränderung zeitlich zu verfolgen. 7 demonstriert die Abnahme des Trägermaterials mit wachsender Bestrahlungsdauer für einen ortsfesten Elektronenstrahl von 5 keV Energie und 80 nA Stromstärke. Die kontrollierte Modifikation des Komposittargets aus 32 μg/cm2 kolodiumträger mit 2 μg/cm2 aufgedampfter Kohlenstoffschicht durch Einwirkung eines stehenden 5 keV-/80 nA-Elektronenstrahls ist ersichtlich. Mit zunehmender Bestrahlungsdauer wird Kollodium-Material abgebaut und im ansteigenden Stromsignal nachgewiesen. Die Stufe: 1-min-Warten, zeigt die weitere Einwirkung des Elektronenstrahls bei Aussetzung der Datenaufnahme für 1 Minute. Die Wiederholung des Vorgangs wird durch Verschieben des Targets um 2 mm demonstriert.
  • Die Empfindlichkeit der Messung von Dickenänderungen kann für dünne Proben durch Verringerung der Elektronenenergie gesteigert und damit in einem weiten Bereich an die Anwendung angepasst werden. 8 zeigt ein Beispiel für 1,2 μg/cm2 und 0,6 μg/cm2 Kohlenstofffolien, die auf einem Trägergitter von ca. 70 % optischer Transmission aufgebracht sind. Zum Vergleich ist ein freitragendes Kohlenstofftarget von 5 μg/cm2 Dicke bei zwei Drehwinkeln, 0° und 3,0°, dargestellt. Die Proben wurden mit einem 5 keV-Elektronenstrahl an festgehaltenen Stellen durchstrahlt. Der reproduzierbare, deutliche Abfall des Elektronenstroms auf ca. 70% ist ersichtlich, der bei einer Dickenzunahme von 0,6 μg/cm2 auf 1,2 μg/cm2 um ~3% ansteigt. Die 5 μg-Folie zeigt eine Abschwächung des Elektronenstrahls auf 74%, die bei Schrägstellung des Targets auf ϑ ~ 30° um ca. 4% ansteigt.
  • Literaturstellen:
    • I. Benjamin M. Siegel and Donald R. Beaman, „Physical Aspects of Electron Microscopy and Microbeam Analysis", p. 53, (1975) New York, ISBN 0-471-79020-6;
    • II. G. Knop and W. Paul, K. Siegbahn, „Alpha-, Beta- and Gamma-Ray Spectroscopy", Vol.1, S. 1 – 25, 1968, North-Holland, ISBN: 0 7204 0083 x;
    • III. Manfred von Ardenne, „Tabellen zur angewandten Physik", Band 1, S. 159 – 161
    • IV. J. Herberger, W. Gloede, W. Krämer, H. Leistner und E. Roll, „Zur Anwendung der Elektronenstrahlmikroanalyse in der Dünnschichtphysik", Exp. Tech. d.Phys., Vol.20, 1972;
    • V. Karl Nitzsche, „Schichtmeßtechnik", Vogel-Fachbuch 1997, ISBN3 – 8023-1530-8, Seite 295 und 449, und P.W. Büchel, Innerstaatliche Fachhochschule für Technik, Buchs, Schweiz, „Dickenmessung von Kunststofffolien", Diplomarbeit 17. 12. 1999.
    • VI. JP-Abstr. 57 00 63 10 A

Claims (10)

  1. Einrichtung zur örtlichen Schichtdickenmessung an einer Probe mit einem Elektronenstrahl, bestehend aus: – einer Elektronenkanone, aus der ein Strahl vorgegebener Stromstärke an Elektronen mit eingestellter Energie extrahiert wird, – einer Blende im weiteren Strahlengang, mit der der Elektronenstrahl begrenzt und fixiert wird, – einem elektrisch leitenden Gitter im weiteren Strahlengang, mit einer Maschenweite, die kleiner als der Durchmesser des Strahlquerschnitts des durchtretenden Elektronenstrahls ist, das einen proportionalen Anteil des Elektronenstrahls aufnimmt und ableitet, – einer Strahlablenkeinrichtung im weiteren Strahlengang, mit der die Strahlachse in einer Ebene abgeknickt werden kann, – einer Probenhalterung, in die zu vermessende Proben derart eingespannt werden können, dass sie nacheinander durch Weiterbewegen senkrecht zur Strahlachse in den Elektronenstrahl exponiert werden können, wobei die Probenhalterung einerseits um eine Achse senkrecht zur und durch die Strahlachse vor und zurück gedreht werden kann, so dass die Flächennormale der gerade exponierten Probe stets senkrecht zu dieser Achse steht und auf jeden Winkel zur Strahlachse gestellt werden kann, und andrerseits die Probenhalterung aus dem Strahlengang geschwenkt werden kann, – einem Auffänger für den durch die Probe getretenen Elektronenstrahl, der ein Faraday-Becher ist, – einem an den Auffänger für den Elektronenstrahl angeschlossenen ersten Verstärker, an dessen Ausgang ein zum. aufgefangenen Elektronenstrom in Beziehung stehendes Signal ansteht, – einem an das Gitter angeschlossenen zweiten Verstärker, an dessen Ausgang ein zum aufgenommenen Gitterstrom, dem Normierungsstrom, in Beziehung stehendes Signal ansteht, – einer an die beiden Verstärker angeschlossenen Auswerteeinrichtung, mit der aus den beiden Verstärkerausgangssignalen ein Strom-Zeit-Spektrum erzeugt und daraus ein Targetdickenprofil der vermessenen Probe dargestellt wird, – einer Einrichtung zur Erzeugung einer Ablenkspannung, die mit ihrem Eingang mittelbar oder unmittelbar am Ausgang des zweiten Verstärkers und mit ihrem Ausgang an der Strahlablenkeinrichtung angeschlossen ist.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroneneintrittsöffnung des Elektronenstromauffängers teilweise abgedeckt ist und die Abdeckung mindestens einen Schlitz durch die Mitte der Öffnung hat, dessen Längsachse mit der stets schneidenden Strahlachse eine Ebene aufspannt.
  3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse des Elektronenstromauffängers mit einer elektrischen Abschirmung umgeben ist, die auf ein vorgegebenes Potential gelegt werden kann.
  4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verstärker aus einem Strom-Frequenz-Wandler mit am Ausgang angeschlossenem Frequenzzähler besteht.
  5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verstärker aus einem Strom-Frequenz-Wandler mit am Ausgang angeschlossenem Frequenzuntersetzer besteht.
  6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung ein elektronischer Rechner wie ein PersonalComputer,PC, oder ein zweidimensionales Aufzeichengerät wie ein X-Y-Schreiber ist.
  7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende eine Blende zur Teilstrahlausblendung ist.
  8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende eine strahloptische Fokussiereinrichtung wie ein den Elektronenstrahl umfassendes Solenoid ist.
  9. Verfahren zur Messung des Dickenprofils einer dünnen Materieschicht mit Elektronenstrahlen, bestehend aus den Schritten: – in einer Elektronenkanone wird ein gerichteter Strahl an Elektronen vorgegebener Stromstärke und eingeprägter Energie erzeugt, – im weiteren Strahlengang wird der Elektronenstrahl mit einer Blende oder strahloptischen Einrichtung zum Nutzstrahl geformt, – im weiteren Strahlengang wird durch ein im Strahlengang stehendes Gitter kleinerer Maschenweite als der lokale Strahldurchmesser ein zum auftreffenden Strahl entsprechend der Maschenweite und der Gittertransparenz proportionaler/ähnlicher Anteil aufgenommen und an einen zweiten Verstärker zur Signalaufbereitung abgeleitet, wobei das Gitter von einem Abschirmgehäuse umgeben ist, an dem eine Vorspannung liegt, und Öffnungen zum Durchtreten des Elektronenstrahls hat, – im weiteren Strahlengang wird die Strahlachse mit einer elektrischen Ablenkeinrichtung, dem Deflektor, eben abgelenkt, und zwar soweit, das eine im weiteren Strahlengang exponierte Probe über ihre Mitte hinweg mit dem Strahl vollständig überstrichen werden kann, – der nach dem Durchtritt durch die Probe sich durch die Wechselwirkung mit ihr verstärkt auffächernde Elektronenstrahl wird zumindest mit einem Strahlteil um die Strahlachse mit einem Faraday-Becher aufgefangen und der Strom an einen angeschlossenen ersten Verstärker zur Signalaufbereitung abgeleitet, – die beiden Verstärkersignale werden in einer elektronischen Auswerteeinrichtung zur Normierung des Verstärkersignals aus dem ersten Verstärker und zur Erstellung eines zur vermessenen Probe gehörigen Strom-Zeit-Spektrums und daraus abgeleiteten Target-Dicken-Profils miteinander verknüpft. – aus dem in dem zweiten Verstärker erzeugten Signal wird ein Signal aufbereitet und an die Ablenkeinrichtung zur entsprechend ebenen Ablenkung des Elektronenstrahls geführt.
  10. Verwendung einer Einrichtung zur örtlichen Schichtdickenmessung an einer Probe nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur örtlichen Veränderung der Probendicke.
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