DE112009001537B4

DE112009001537B4 - Vorrichtung mit geladenem Teilchenstrahl und Verfahren zum Steuern der Vorrichtung

Info

Publication number: DE112009001537B4
Application number: DE112009001537.9T
Authority: DE
Inventors: Keigo Kasuya; Takashi Ohshima; Souichi Katagiri; Shigeru Kokubo; Hideo Todokoro
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2018-10-18
Anticipated expiration: 2029-06-11
Also published as: US20130063029A1; JP6054929B2; DE112009001537T5; US20110089336A1; DE112009001537B8; US8319193B2; JP2014241301A; JP2013084629A; JPWO2009153939A1; US8772735B2; WO2009153939A1; JP6231182B2; JP2017063048A; JP5203456B2

Abstract

Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl mit einer Feldemissions-Elektronenquelle (4) und einer Elektrode (11) zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die Feldemissions-Elektronenquelle, wobei die Vorrichtung umfaßteine Vakuum-Abpumpeinheit (20, 23) zum Aufrechterhalten eines Drucks um die Feldemissions-Elektronenquelle von weniger als 1 × 10Pa,eine Heizeinheit (16) für die Feldemissions-Elektronenquelle undeine Steuereinheit (17) zum Steuern der Heizeinheit,wobei von den von der Feldemissions-Elektronenquelle emittierten Elektronenstrahlen ein Elektronenstrahl mit einem zentralen Abstrahlwinkel innerhalb von 1×10sr verwendet wird, undwobei die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die Heizeinheit derart zu steuern, dass sie die Feldemissions-Elektronenquelle heizt, wenn die zweite Ableitung des Stromes des Elektronenstrahls nach der Zeit nach einer Schnellverdampfung an der Feldemissions-Elektronenquelle negativ oder Null ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl, etwa ein Elektronenmikroskop mit einer Feldemissions-Elektronenkanone (FEK), und insbesondere eine Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl zum Stabilisieren des Stroms des Elektronenstrahls sowie ein Verfahren zum Steuern dieser Vorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Wenn an eine Elektrode, die einem Metallelement in Nadelform gegenübersteht, ein elektrisches Feld angelegt wird, konzentriert sich das elektrische Feld an der Metallspitze. Bei einer elektrischen Feldstärke von etwa 10⁷ V/cm können die freien Elektronen im Metall den Potentialwall an der Oberfläche aufgrund des Tunneleffekts überwinden und nach außen abgegeben werden. Dieses Phänomen wird Feldemission bezeichnet.
Eine Vorrichtung, die mittels Feldemission einen Elektronenstrahl abgibt, wird als Feldemissions-Elektronenkanone (FEK) bezeichnet. Für die Elektronenquelle der FEK wird im allgemeinen ein aus einem Einkristall geformter Wolframstab verwendet, der in Nadelform zugespitzt ist und der sich auf Raumtemperatur befindet. Die Elektronenquelle und die der Elektronenquelle gegenüberliegende Extraktionselektrode sind in einem evakuierten Raum untergebracht. Durch das Anlegen einer Extraktionsspannung an die Elektronenquelle und die Extraktionselektrode werden Elektronen emittiert. Die emittierten Elektronen werden mittels einer an eine Beschleunigungselektrode angelegte Hochspannung beschleunigt und bilden einen Elektronenstrahl.
Die Leistungsfähigkeit der FEK wird durch die Helligkeit und die Energieverteilung bestimmt. Die Helligkeit gibt die Stärke des Elektronenstrahls als einen Wert an, der anzeigt, wie groß der Elektronenstrahlstrom ist, der pro Raumwinkeleinheit von einer Flächeneinheit der Elektronenquelle erhalten werden kann. Die Energieverteilung zeigt die Monochromatizität des Elektronenstrahls als Bereich der Wellenlängen des Elektronenstrahls an. Da im Vergleich zu anderen Elektronenkanonen vom thermionischen Emissionstyp oder Schottky-Emissionstyp mit einer FEK ein Elektronenstrahl hoher Helligkeit und mit einer schmalen Energieverteilung erhalten werden kann, wird die FEK als hoch auflösende leistungsstarke Elektronenkanone für Vorrichtungen mit einem geladenen Teilchenstrahl wie einem Rasterelektronenmikroskop (REM) oder einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) verwendet.
Es ist bekannt, daß bei der FEK der Emissionsstrom instabil ist. Die 1 zeigt eine repräsentative zeitliche Änderung des Stromes. Diese zeitliche Änderung ist im Patentdokument 1 dargestellt. Der von der sauberen Oberfläche der Elektronenquelle emittierte Strom nimmt unmittelbar nach Emissionsbeginn deutlich ab und fällt danach allmählich weiter ab. Dann tritt im Strom Rauschen auf, das mit der Zeit zunimmt. Schließlich steigt der Strom an, wobei das Rauschen weiter zunimmt. Die Zeitspanne, während der der Strom stark abfällt, die in der 1 mit A bezeichnet ist, wird als abfallender Bereich bezeichnet, und die Zeitspanne, während der der Strom allmählich abnimmt, die in der 1 mit B bezeichnet ist, als stabiler Bereich.
Die zeitliche Änderung des Stroms der FEK beruht auf der Adsorption von Restgas aus dem Vakuum auf der Oberfläche der Elektronenquelle. Wenn auf einer sauberen metallischen Oberfläche Gasteilchen adsorbiert werden, steigt die Austrittsarbeit an der Oberfläche an. Der Potentialwall an der Oberfläche wird damit höher, und die Anzahl der emittierten Elektronen nimmt ab. Mit der Abnahme des Elektronenstrahlstroms wird die Helligkeit geringer. Da dadurch die zur Erzielung des gleichen Stroms erforderliche Extraktionsspannung ansteigt, wird der Potentialwall von Elektronen mit einer relativ breiten Energieverteilung überwunden, wodurch die Energieverteilung des Elektronenstrahls breiter wird. Wenn eine bestimmte Menge von Gasteilchen an der Oberfläche adsorbiert ist, bildet sich eine Gasadsorptionsschicht, wodurch die Änderung der Austrittsarbeit kleiner und der Strom relativ stabil wird. Der Bereich nach der Bildung der Gasadsorptionsschicht entspricht dem stabilen Bereich. Im stabilen Bereich wird weiter Gas an der Adsorptionsschicht adsorbiert, oder es wird das an der Oberfläche adsorbierte Gas durch ein anderes Gas ersetzt, so daß der Strom allmählich weiter abnimmt. Für eine kurze Zeit führen die an der Oberfläche adsorbierten Gasteilchen eine Desorption, Substitution oder Migration aus, wodurch das Rauschen im Strom entsteht. Auch kollidieren vom Elektronenstrahl erzeugte positive Ionen mit der Elektronenquelle, wodurch deren Oberfläche beschädigt und uneben wird, was ebenfalls als eine der Ursachen für das Rauschen betrachtet wird.
Durch Ausführen eines Schnellverdampfungsvorgangs mittels eines kurzzeitigen Aufheizens der Elektronenquelle kann wieder eine saubere Metalloberfläche erhalten werden. Beim Aufheizen der Elektronenquelle auf eine hohe Temperatur wird das an der Oberfläche adsorbierte Gas desorbiert, und die Metallatome an der Oberfläche wandern, wodurch die Oberfläche wieder glatt wird. Damit kann wieder eine saubere Oberfläche hergestellt werden. Je größer die Menge des an der Oberfläche adsorbierten Gases ist, um so höher ist die Temperatur, die erforderlich ist, um die Oberfläche beim Schnellverdampfen zu reinigen. Dabei kann die Oberfläche der Elektronenquelle aufgrund der hohen Temperatur des Verdampfungsvorgangs schmelzen, wodurch der Krümmungsradius an der Spitze größer wird. Wenn der Krümmungsradius größer wird, nimmt die Stärke des elektrischen Feldes an der Oberfläche ab, so daß die für eine Feldemission erforderlich Extraktionsspannung ansteigt. Es gibt jedoch eine Obergrenze für die Extraktionsspannung, die angelegt werden kann, so daß das Abstumpfen des Durchmessers an der Spitze der Elektronenquelle durch das Schnellverdampfen die Lebensdauer der Elektronenquelle bestimmt.
Wenn ein Benutzer die FEK verwendet, betreibt er eine Vorrichtung auf der Basis der zeitlichen Veränderung des Stroms, wie es in der 2 gezeigt ist. Der Benutzer beginnt bei 1 mit einem Schnellverdampfen an der Elektronenquelle und läßt dann bei 2 den Extraktionsstrom ansteigen, um einen emittierten Elektronenstrahl zu erhalten. Da unmittelbar nach Emissionsbeginn der Strom im abfallenden Bereich stark abnimmt, meidet der Benutzer diesen Bereich und verwendet nur den stabilen Bereich, wozu er einige zehn Minuten wartet, bis der Strom in den stabilen Bereich eintritt, in dem die Abnahme des Stroms klein ist. Da auch im stabilen Bereich der Strom allmählich abnimmt, sorgt der Benutzer dadurch, daß er jeweils bei 2 die Extraktionsspannung wieder erhöht, dafür, daß der Strom über einem vorgegebenen Wert bleibt. Bei jeder Erhöhung der Extraktionsspannung verändern sich jedoch die Kriterien für das elektronenoptische System, so daß es erforderlich sein kann, die optische Achse neu zu koordinieren. Wenn eine Untersuchung mehrere Stunden andauert, beginnt im Strom Rauschen in Erscheinung zu treten. Das Rauschen stört die Verwendung der FEK. Das Rauschen kann durch erneutes Schnellverdampfen an der Elektronenquelle und damit Reinigen der Oberfläche beseitigt werden. Beim Schnellverdampfen kehrt die zeitliche Änderung des Stromes zu ihrem Anfangszustand zurück, so daß der Benutzer vor Aufnahme der Benutzung wieder warten muß, bis der Strom in den stabilen Bereich eintritt.
Zum Ausführen des Schnellverdampfens beendet der Benutzer bei 3 das Anlegen der Extraktionsspannung und damit die Emission des Elektronenstrahls. Der Grund dafür ist, daß, wenn das Schnellverdampfen bei angelegter Extraktionsspannung erfolgt, an der Spitze der Elektronenquelle ein Vorsprung in der Höhe einer Atomlage ausgebildet wird. Dieses Entstehen eines Vorsprungs wird Aufbauphänomen genannt. Das Aufbauphänomen ergibt sich dadurch, daß die bei der hohen Temperatur des Schnellverdampfens geschmolzenen Metallatome durch das elektrische Feld zur Spitze gezogen und dort abgeschieden werden. Durch den Vorsprung steigt zwar die Stärke des elektrischen Feldes an, das an der Spitze konzentriert ist, und damit auch der Emissionsstrom. Aufgrund des Vorsprungs werden jedoch die Auswirkungen der adsorbierten Gase und die von Schäden verstärkt, und der Strom wird leicht instabil. Aus diesen Gründen wird aus praktischen Gründen versucht, das Aufbauphänomen zu vermeiden.
Auch wenn die FEK im Vergleich mit anderen Elektronenkanonen eine hohe Auflösung erlaubt, ist es wegen der beschriebenen zeitlichen Änderung des Stromes manchmal unbequem, die FEK zu benutzen. Die zeitliche Änderung des Stromes wird besonders bei Vorrichtungen, die für eine lange Zeit einen stabilen Strom benötigen, wie bei einem Analyse-REM oder einem Längenmeß-REM, zu einem Problem. Es ist schwierig, hier eine FEK einzusetzen. Schottkyemissions-Elektronenkanonen weisen zwar eine relativ geringe Auflösungsleistung auf, jedoch einen stabilen Strom.
Um den Strom einer FEK über einem vorgegebenen Wert zu halten, kann gemäß Patentdokument 1 im stabilen Bereich periodisch eine Schnellverdampfung durchgeführt werden, oder es kann gemäß Patentdokument 2 im abfallenden Bereich periodisch eine Schnellverdampfung durchgeführt werden. Im Nicht-Patentdokument 1 ist ein Verfahren zum Dehnen der zeitlichen Änderung des Stromes zur Verringerung der Abnahmegeschwindigkeit durch Verbessern des Vakuums um die Elektronenquelle mittels einer Titan-Sublimationspumpe und mittels Kühlen mit flüssigem Stickstoff beschrieben. Für den Aufbau einer Elektronenkanone mit verbessertem Vakuum ist im Patentdokument 3 eine Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl beschrieben, bei dem eine nicht-verdampfende Getterpumpe (NVG-Pumpe) verwendet wird. Im Patentdokument 4 ist eine Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl mit einer NVG-Pumpe und einer Ionenpumpe beschrieben. Im Patentdokument 5 ist ein Aufbau zum Zuführen eines Gases zu einer Elektronenkanone beschrieben.
DOKUMENTE ZUM STAND DER TECHNIK
PATENTDOKUMENTE:

Patentdokument 1: US-Patent US 3 786 268 A
Patentdokument 2: Japanische Patent-Offenlegungsschrift JP 2007 / 073 521 A
Patentdokument 3: Japanische ungeprüfte Patentanmeldungs-Veröffentlichung JP H03-505386 A
Patentdokument 4: Japanische Patent-Offenlegungsschrift JP 2006 / 294 481 A
Patentdokument 5: Japanische Patent-Offenlegungsschrift JP 2007 / 172 862 A

Die in der US-Patentanmeldungs-Veröffentlichung US 3 945 698 A1 beschriebene Feldemissions-Elektronenquelle wird auf 2000-3000°C erhitzt und in einer Wasserstoffatmosphäre mit einem Druck von ungefähr 5×10⁷ gehalten.
NICHT-PATENTDOKUMENTE:
Nicht-Patentdokument 1: B. Cho, Applied Physics Letters, Bd. 91 (2007) P012105.
Der wissenschaftliche Artikel A. V. Crewe et al., „Electron Gun Using a Field Emission Source", Rev. Sci. Instr. 29 (1968), pp. 576-583, beschreibt eine Feldemissions-Elektronenquelle mit hohem Vakuumgrad und schnell abklingendem Elektronenstrahlstrom.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
PROBLEME, DIE MIT DER ERFINDUNG GELÖST WERDEN SOLLEN
Da wie beschrieben der Emissionsstrom einer Feldemissions-Elektronenkanone (FEK) mit der Zeit abnimmt und Rauschen auftritt, ist die FEK instabil. Eines der Probleme ist daher, daß wegen der Abnahme des Stromes unmittelbar nach Emissionsbeginn kein Elektronenstrahl mit der hohen Helligkeit und der schmalen Energieverteilung bei der Anfangsemission stabil und kontinuierlich erhalten werden kann. Bei der Verwendung des Verfahrens zum Verbessern des Vakuums um die Elektronenquelle, das im Nicht-Patentdokument 1 beschrieben ist, kann zwar die zeitliche Änderung gedehnt und die Abnahmegeschwindigkeit des Stromes verringert werden. Aber auch mit verbessertem Vakuum ist die Abnahmegeschwindigkeit im abfallenden Bereich vergleichsweise groß, und der Strom nimmt kontinuierlich die ganze Zeit ab. Es ist schwierig, den Elektronenstrahl in diesem Bereich für eine Vorrichtung zu verwenden.
Auch wenn wie beschrieben und bekannt nur im stabilen Bereich gearbeitet wird, ist ein anderes Problem das, daß auch dort der Strom langsam abnimmt. Einmal alle zehn Minuten oder so ist daher ein Erhöhen der Extraktionsspannung und eine Achsenkoordination erforderlich. Da über mehrere Stunden im Strom ein Rauschen auftritt, kann eine Schnellverdampfung erforderlich sein, die den Gebrauch der Vorrichtung beendet. Bei der Nutzung des stabilen Bereichs ist eine Wartezeit von wenigstens zehn Minuten erforderlich. Bei dem im Patentdokument 1 beschriebenen Verfahren des Schaffens eines kontinuierlichen stabilen Bereichs durch eine periodische Schnellverdampfung ist es erforderlich, einen Zustand aufrechtzuerhalten, in dem auf der Oberfläche der Elektronenquelle eine vorgegebene Menge an Gas adsorbiert ist. Es ist daher schwierig, die Stärke des Schnellverdampfens zu steuern. Da die Stromabnahme im abfallenden Bereich sehr stark ist, muß bei einem periodischen Schnellverdampfen im abfallenden Bereich das Schnellverdampfen häufig und in kurzen Zeitabständen erfolgen, damit der Strom immer über einem vorgegebenen Wert bleibt. Durch häufiges Schnellverdampfen wird das vordere Ende der Elektronenquelle schnell stumpf, und die Lebensdauer der Elektronenquelle wird verkürzt. Auch ist es erforderlich, jedesmal die Emission des Elektronstrahls zu unterbrechen, wenn die Schnellverdampfung ausgeführt wird. Bei dem im Patentdokument 2 beschriebenen Verfahren mit einer Schnellverdampfung während der Einstrahlung des Elektronenstrahls wird der Strom durch den an der Spitze der Elektronenquelle durch das Aufbauphänomen ausgebildeten Vorsprung instabil. Auch werden durch die hohe Temperatur der Elektronenkanone beim Schnellverdampfen thermische Elektronen erzeugt, und es tritt im Elektronenstrahl Rauschen auf, wodurch der Gebrauch der Vorrichtung eingeschränkt wird. Durch das Verbessern des Vakuums um die Elektronenquelle und Dehnen der zeitlichen Änderung kann zwar die Abnahme des Stroms im stabilen Bereich geglättet und der Zeitpunkt hinausgezögert werden, bei dem das Rauschen beginnt. Da dabei jedoch auch der abfallende Bereich gedehnt wird, wird im Gebrauch der Vorrichtung die Wartezeit verlängert.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl zu schaffen, bei der stabil ein Elektronenstrahl mit hoher Helligkeit und mit einer schmalen Energieverteilung erhalten wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl zu schaffen, bei der schnell ein stabiler Elektronenstrahl erhalten wird, bei der die Abnahmegeschwindigkeit für eine lange Zeit verringert ist und bei der nur wenig Rauschen auftritt.
MITTEL ZUM LÖSEN DER PROBLEME
Die Aufgabe wird gelöst durch die in den unabhängigen Patentansprüchen definierten Vorrichtungen mit einem Teilchenstrahl und Steuerverfahren dafür. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
Die Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl umfasst eine Feldemissions-Elektronenquelle und eine Elektrode zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die Feldemissions-Elektronenquelle, wobei eine Vakuum-Abpumpeinheit vorgesehen ist, die den Druck um die Feldemissions-Elektronenquelle auf einem Wert hält, der kleiner ist als 1 × 10^-8 Pa, wobei von den Elektronenstrahlen, die die Feldemissions-Elektronenquelle emittiert, ein Elektronenstrahl mit einem zentralen Abstrahlwinkel innerhalb von 1 × 10^-2 str verwendet wird, und wobei die zweite Ableitung des Stromes des Elektronenstrahls nach der Zeit für wenigstens eine Stunde nach einer Schnellverdampfung an der Feldemissions-Elektronenquelle negativ oder gleich Null ist. Vorzugsweise hat der Strom des Elektronenstrahles eine Abnahmerate von 10% oder weniger pro Stunde.
Die Aufgabe wird auch dadurch gelöst, daß in der Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl zusätzlich zu der Heizeinheit für die Feldemissions-Elektronenquelle ein Detektor für den Strom des von der Feldemissions-Elektronenquelle emittierten Elektronenstrahls vorgesehen wird, und dadurch, daß durch wiederholtes Aufheizen der Feldemissions-Elektronenquelle mittels der Heizeinheit der Strom des von der Feldemissions-Elektronenquelle emittierten Elektronenstrahls auf einem Wert gehalten wird, der größer ist als ein vorgegebener Wert.
Die obige Aufgabe kann auch dadurch gelöst werden, daß Elektronenstrahlen von der Feldemissions-Elektronenquelle emittiert werden, während die Feldemissions-Elektronenquelle im Normalbetrieb auf 1500 Grad oder weniger aufgeheizt wird.
Die Aufgabe wird schließlich auch dadurch gelöst, daß die Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl mit einer Feldemissions-Elektronenquelle und einer Elektrode zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die Feldemissions-Elektronenquelle mit einer Vakuum-Abpumpeinheit, die den Bereich um die Feldemissions-Elektronenquelle evakuiert, und mit einer eine Gasadsorptionsschicht ausbildenden Einheit versehen wird, die auf der Oberfläche der Feldemissions-Elektronenquelle eine Gasadsorptionsschicht ausbildet, wobei die Änderungen im Strom des von der Feldemissions-Elektronenquelle emittierten Elektronenstrahls mittels der Vakuum-Abpumpeinheit und der eine Gasadsorptionsschicht ausbildenden Einheit gesteuert werden. Dabei erzeugt die Vakuum-Abpumpeinheit der Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl um die Feldemissions-Elektronenquelle einen Druck, der kleiner ist als 1 × 10^-8 Pa.
AUSWIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Mit der vorliegenden Erfindung werden eine Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl, die einen sehr stabilen Elektronenstrahl erzeugt, und ein Verfahren zum Steuern der Vorrichtung geschaffen.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm zur Darstellung der zeitlichen Änderung des Emissionsstroms einer Feldemissions-Elektronenkanone (FEK) beim Stand der Technik.
2 ist ein Diagramm zu Beschreibung der Änderung des Emissionsstroms bei der Verwendung der FEK nach dem Stand der Technik.
3 zeigt den Aufbau eines Rasterelektronenmikroskops (REM) bei einer ersten Ausführungsform.
4 ist ein Diagramm zur Beschreibung der zeitlichen Änderung des Emissionsstroms bei der ersten Ausführungsform.
5 ist ein Diagramm zur Beschreibung der Änderung im Emissionsmuster mit der Darstellung eines hellen stabilen Bereichs bei der ersten Ausführungsform.
6 ist ein Diagramm zur Darstellung der zeitlichen Änderung des Emissionsstroms bei der Steuerung einer Schnellverdampfung bei der ersten Ausführungsform.
7 ist ein Flußdiagramm zur Beschreibung der Abläufe bei der Steuerung der Schnellverdampfung in der ersten Ausführungsform.
8 ist ein Diagramm zur Darstellung der zeitlichen Änderung des Emissionsstroms bei der Steuerung der Schnellverdampfung während der Ausstrahlung des Elektronenstroms bei der ersten Ausführungsform.
9 ist ein Flußdiagramm zur Beschreibung der Abläufe bei der Steuerung der Schnellverdampfung während der Ausstrahlung des Elektronenstroms in der ersten Ausführungsform.
10 ist ein Diagramm zur Darstellung der zeitlichen Änderung bei der Steuerung der Schnellverdampfung in kurzen Zeitabständen bei der ersten Ausführungsform.
11 zeigt den Aufbau eines REM mit einem Ventil für eine nicht-verdampfende Getterpumpe (NVG-Pumpe) bei einer zweiten Ausführungsform.
12 ist ein Diagramm zur Darstellung der zeitlichen Änderung des Emissionsstroms bei der Steuerung des Ausbildens einer Gasadsorptionsschicht in der zweiten Ausführungsform.
13 ist ein Flußdiagramm zur Beschreibung der Abläufe bei der Steuerung des Ausbildens einer Gasadsorptionsschicht in der zweiten Ausführungsform.
14 ist ein Diagramm zur Darstellung der zeitlichen Änderung des Emissionsstroms bei der Steuerung des Ausbildens einer Gasadsorptionsschicht ohne Ausstrahlung des Elektronenstrahls in der zweiten Ausführungsform.
15 zeigt den Gesamtaufbau der Vorrichtung bei der zweiten Ausführungsform einschließlich einer Gaszuführung.
16 zeigt den Gesamtaufbau der Vorrichtung bei der zweiten Ausführungsform einschließlich eines Gas adsorbierenden Materials.
17 ist ein Diagramm zur Darstellung der zeitlichen Änderung bei der Ausführung einer Schnellverdampfung, während Wasserstoffgas zugeführt wird, bei einer dritten Ausführungsform.

BESTE ARTEN DER ERFINDUNGSAUSFÜHRUNG
Im folgenden wird die beste Art der Erfindungsausführung unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. In der vorliegenden Beschreibung wird eine „Einrichtung“ auch „Einheit“ oder „Vorrichtung“ genannt, zum Beispiel wird eine Heizeinrichtung auch Heizeinheit genannt und dergleichen.
Erste Ausführungsform
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl beschrieben, mit der unmittelbar nach dem Emissionsbeginn ein Elektronenstrahl mit einem stabilen Strom sowie hoher Helligkeit und mit einer schmalen Energieverteilung erhalten wird. Die 3 zeigt als erste Ausführungsform der Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl ein Rasterelektronenmikroskop (REM). Das spitze vordere Ende eines Einkristall-Wolframstabes mit einem <310>-Azimuth bildet eine Elektronenquelle 4. Die Elektronenquelle 4 ist am vorderen Ende eines Wolframbogens 5 angebracht und befindet sich in einer Elektronenkanonenkammer 6. Die Elektronenkanonenkammer 6 wird durch eine Ionenpumpe 20 und eine nicht-verdampfende Getterpumpe (NVG-Pumpe) 23 evakuiert und auf einem Druck von weniger als 1 × 10^-8 Pa und vorzugsweise weniger als 1 × 10^-9 Pa gehalten. Die NVG-Pumpe hat den Vorteil, daß sie im Vergleich zu anderen Vakuumerzeugungsverfahren, etwa dem Abkühlen einer Titan-Sublimationspumpe, oder einer Vorrichtung mit flüssigem Stickstoff klein, leicht und billig ist. Auch wenn die NVG-Pumpe 23 von einer NVG-Heizeinheit 24 aufgeheizt wird und dadurch Raumtemperatur erreicht, pumpt sie weiter ab. Die Elektronenkanonenkammer 6 ist über eine Öffnung in der Mitte einer Extraktionselektrode 11 mit einer ersten Zwischenkammer 7 verbunden. Die erste Zwischenkammer 7 ist über eine Öffnung in einer Beschleunigungselektrode 12 mit einer zweiten Zwischenkammer 8 verbunden. Der Aufbau über der zweiten Zwischenkammer 8 stellt generell die FEK dar. Die zweite Zwischenkammer 8 ist über eine Öffnung in einer Objektivlinse 13 mit einer Probenkammer 9 verbunden. Die erste Zwischenkammer 7 wird von einer Ionenpumpe 21 evakuiert, die zweite Zwischenkammer 8 von einer Ionenpumpe 22 und die Probenkammer 9 von einer Turbomolekularpumpe 25, wodurch ein differentieller Pumpenaufbau erhalten wird.
Nach dem Schnellverdampfen an der Elektronenquelle 4 mittels einer Schnellverdampfungs-Energiequelle 16, wodurch eine an der Oberfläche adsorbierte Schicht verschwindet, wird zwischen die Elektronenquelle 4 und die Extraktionselektrode 11 mittels einer Hochspannungsquelle 33 eine Extraktionsspannung angelegt, so daß die Elektronenquelle 4 einen Elektronenstrahl 10 emittiert. Der Elektronenstrahl 10 wird von einer zwischen der Elektronenquelle 4 und der Beschleunigungselektrode 12 mit Hilfe der Hochspannungsquelle 33 angelegten Beschleunigungsspannung beschleunigt und erreicht die zweite Zwischenkammer 8. Der Elektronenstrahl durchläuft eine Blende in einer Aperturelektrode 31, wodurch der Teil am äußeren Umfang davon beseitigt wird und der Emissionswinkel des Elektronenstrahls festgelegt wird. Mit der Aperturelektrode 31 ist ein Stromdetektor 15 verbunden, mit dem die Änderungen im Emissionsstrom überwacht werden. Das Überwachen des Emissionsstromes erfolgt durch Erfassen des von der Elektronenquelle 4 emittierten Gesamtstromes durch den Stromdetektor 15. Der Elektronenstrahl 10 wird dann von der Objektivlinse 13 fokussiert und auf eine Probe 14 eingestrahlt, die sich auf einem Probentisch 26 befindet. Die von der Probe 14 ausgesendeten Elektronen werden von einem Emissionselektronendetektor 32 erfaßt und in einer Steuereinheit 17 verarbeitet, um eine Abbildung zu erhalten.
Die Schnellverdampfung erfolgt dadurch, daß durch den Wolframbogen 5 für eine vorgegebene Zeit Strom geleitet wird, so daß durch die vom Strom erzeugte Wärme die Temperatur der Elektronenquelle 4 ansteigt. Die Zeitspanne, während der Strom eingeleitet wird, beträgt maximal einige Sekunden, und der Strom wird in Abhängigkeit vom Zustand der Oberfläche mehrere Male angelegt. Vor der Verwendung der Vorrichtung oder bei einer alle paar Monate durchgeführten Wartung erfolgt mittels einer Elektronenkanonen-Heizeinheit 30 ein Ausheizen der Elektronenkanonenkammer 6. Während des Ausheizens wird das von den Wänden der Elektronenkanonenkammer abgegebene Gas abgeführt, so daß die Elektronenkanonenkammer 6 im Normalbetrieb auf einem Druck gehalten werden kann, der kleiner ist als 1 × 10^-8 Pa. Auch die erste Zwischenkammer 7 und die zweite Zwischenkammer 8 werden ausgeheizt. Da der Druck in der Elektronenkanonenkammer 6 beim Ausheizen ansteigt, werden ein Grobvakuumventil 27, ein Grobvakuumventil 28 und ein Grobvakuumventil 29 geöffnet, und das abgegebene Gas wird von der Ionenpumpe 21, der Ionenpumpe 22 und der Turbomolekularpumpe 25 zusammen abgesaugt. Wie beschriebenen beginnt die NVG-Pumpe 23 beim Aufheizen mit der NVG-Heizeinheit 24 mit dem Abführen von Gas. Durch das Aufheizen der NVG-Pumpe 23 beim Ausheizen der Elektronenkanonenkammer 6 kann das vorübergehend von der NVG-Pumpe 23 beim Erreichen einer hohen Temperatur abgegebene Gas wirkungsvoll abgeführt werden, so daß verhindert wird, daß das abgegebene Gas an den Wänden der Elektronenkanonenkammer 6 adsorbiert wird.
Vor einer Untersuchung wird an der Elektronenquelle 4 ein Schnellverdampfen durchgeführt, bis die Gas-Adsorptionsschicht an der Oberfläche verschwunden ist. Dann wird die Extraktionsspannung angelegt und der Elektronenstrahl 10 eingestrahlt. An der Aperturelektrode 31 wird ein Elektronenstrahl 10 mit einem Emissionswinkel kleiner 1 × 10^-2 sr ausgebildet, der von der Mitte des vorderen Endes der Elektronenquelle 4 emittiert wird und der als Sondenstrom verwendet wird. Durch das Aufrechterhalten eines Drucks um die Elektronenquelle von weniger als 1 × 10^-8 Pa ändert sich wie in der 4 gezeigt der Sondenstrom anders als bei der herkömmlichen zeitlichen Änderung der 1.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird bei einer Untersuchung ein Bereich verwendet, in dem der Strom unmittelbar nach dem Emissionsbeginn in einer nach oben konvexen Form allmählich abnimmt, wie es bei C in der 4 gezeigt ist. Für die Untersuchung wird somit ein Bereich verwendet, in dem die zweite Ableitung des Stromes nach der Zeit negativ oder Null ist und die Abnahmerate kleiner ist als 10 % pro Stunde. Die Kontinuitätszeit in diesem Bereich hängt vom Vakuum um die Elektronenquelle ab, bei einem Vakuum von 10^-9 bis 10^-10 Pa beträgt die Kontinuitätszeit wenigstens eine Stunde und in der Regel einige Stunden bis einige zehn Stunden. Im folgenden wird dieser Strombereich „heller stabiler Bereich“ genannt. Der helle stabile Strombereich entspricht einem neuen Strombereich, der bisher nicht bekannt war. Durch das Aufrechterhalten eines Vakuumdrucks um die Elektronenquelle von weniger als 1 × 10^-8 Pa bei der vorliegenden Ausführungsform und durch die Verwendung des lokalen Stroms in der Mitte des Elektronenstrahls tritt der helle stabile Bereich in Erscheinung und kann verwendet werden.
Wie oben mit Bezug zur 1 beschrieben wurde, nimmt bei der allgemeinen zeitlichen Änderung des Emissionsstromes der Strom deutlich ab, da Gas an der Oberfläche der Elektronenquelle adsorbiert wird. Die Abnahmegeschwindigkeit des Stromes ist unmittelbar nach dem Beginn der Emission am größten und wird dann mit der Zeit kleiner. Die zeitliche Änderung des Stromes ist wie in der 1 gezeigt eine nach unten konvexe Kurve, und die zweite Ableitung des Stromes nach der Zeit ist positiv. Wie im Nicht-Patentdokument 1 beschrieben, ist die Abnahmegeschwindigkeit des Stromes kleiner, wenn das Vakuum um die Elektronenquelle besser ist. Dabei zeigt wie beim Stand der Technik jedoch die Kurve der zeitlichen Änderung des Stromes eine nach unten konvexe Krümmung, und die zweite Ableitung des Stromes ist positiv. Wie beschrieben ist somit, wenn die Stromkurve eine nach unten konvexe Krümmung aufweist, die zweite Ableitung nach der Zeit positiv, und es ist nicht möglich, unmittelbar nach dem Beginn der Emission einen hohen Strom zu erhalten.
Wie beschrieben kann jedoch bei der vorliegenden Ausführungsform durch einen Aufbau mit einem verbesserten Vakuum um die Elektronenquelle und durch die Verwendung des lokal vom zentralen Bereich der sauberen Oberfläche der Elektronenquelle emittierten Elektronenstrahls eine nach oben konvexe Stromkurve erhalten werden, und es kann der helle stabile Bereich zum Erhalten eines hohen Stroms verwendet werden. Der helle stabile Bereich ist als der Bereich definiert, in dem während einer Zeitspanne nach einem Schnellverdampfen, die wenigstens eine Stunde beträgt, die Abnahmegeschwindigkeit des Stromes klein ist und die zweite Ableitung des Stromes nach der Zeit negativ oder Null ist. Der helle stabile Bereich wurde bisher nicht beobachtet und kann nur mit dem herkömmlichen Vakuum nicht erhalten werden.
Das Emissionsmuster im hellen stabilen Bereich der vorliegenden Ausführungsform wird anhand der 5 erläutert. Im oberen Teil der 5 sind an der Kurve der zeitlichen Änderung des gleichen Sondenstroms wie in der 4 die Zeitpunkte (eingekreiste Zahlen 1 bis 8) angegeben, an denen das Emissionsmuster festgestellt wurde. Im unteren Teil der 5 ist jeweils das Emissionsmuster zu den einzelnen Zeitpunkten dargestellt. Das Emissionsmuster entspricht der Abbildung, die durch Bestrahlen eines Fluoreszenzschirms mit den von der Elektronenquelle abgegebenen Elektronen erhalten wird. Die Emission der Elektronen von der Oberfläche der Elektronenquelle entspricht der Helligkeit des Musters. Aus der 5 ist ersichtlich, daß das Emissionsmuster am äußeren Umfang mit der Zeit dunkel wird (eingekreiste Zahlen 1 bis 8), und daß der Mittelteil davon hell bleibt. Das heißt, daß die 5 zeigt, daß die Gasadsorption am äußeren Umfang des vorderen Endes der Elektronenquelle beginnt und anfangs im Mittelteil nicht in Erscheinung tritt, und daß einige Zeit vergeht, bis die Adsorption im Mittelteil beginnt. Aus dem Emissionsmuster folgt somit, daß es möglich ist zu erklären, wie der helle stabile Bereich im lokalen Strom im Mittelteil des Elektronenstrahls entsteht. Der Bereich des Elektronenstrahls, in dem der helle stabile Bereich in Erscheinung tritt, entspricht dem lokalen Elektronenstrahl, der emittiert wird von einem Bereich zwischen der <310>-Fläche des Mittelpunktes der Oberfläche der Elektronenquelle und der <410>-Zwischenfläche der <100>-Fläche, die der <310>-Fläche am nächsten liegt und von der kein Elektronenstrahl emittiert wird. Der Öffnungswinkel ist an beiden Oberflächen 77 mrad vom inneren Produkt des Normalvektors und entspricht einem Elektronenstrahl, der innerhalb eines Raumwinkels von etwa 1 × 10^-2 sr ausgesendet wird. Bei der Verwendung des lokalen Elektronenstrahls von einem weiteren Mittelteil wird die Kontinuitätszeit des hellen stabilen Bereichs erweitert. Vorzugsweise wird experimentell ein Elektronenstrahl mit einem Raumwinkel innerhalb von 1 × 10^-3 sr verwendet.
Der Elektronenstrahl des hellen stabilen Bereichs wird von der Oberfläche der sauberen Elektronenquelle emittiert, an der die Austrittsarbeit niedrig ist, und weist daher im Vergleich zum herkömmlichen stabilen Bereich eine hohe Helligkeit und eine schmale Energieverteilung auf. Die Abnahmegeschwindigkeit des Stromes ist dabei verringert, und es tritt auch wenig Rauschen auf. Da die zweite Ableitung des Stromes nach der Zeit negativ ist, wird der hohe Strom unmittelbar nach dem Emissionsbeginn für eine lange Zeitspanne im vorgegebenen Zustand aufrechterhalten. Bei der Verwendung des Stromes in diesem Bereich für eine REM-Untersuchung läßt sich im Vergleich zum Stand der Technik eine stabile Untersuchung mit hoher Auflösung durchführen. Da die Kontinuitätszeit des hellen stabilen Bereichs einige Stunden bis einige zehn Stunden beträgt, ist sie ausreichend lang für die einmalige Benutzung der Vorrichtung bei einer allgemeinen REM-Untersuchung und dergleichen für eine wissenschaftliche Analyse. Da innerhalb einer Untersuchung keine Erhöhung der Extraktionsspannung, keine der Erhöhung entsprechende Achsenkoordination des optischen Systems und kein erneutes Schnellverdampfen an der Elektronenquelle erforderlich sind, muß die Untersuchung auch nicht unterbrochen werden. Daher ist auch keine Wartezeit einzuhalten, bis die Untersuchung wieder aufgenommen werden kann, und der Benutzer kann mit der Untersuchung sofort nach dem anfänglichen Schnellverdampfen beginnen. Da die Extraktionsspannung während der Untersuchung konstant ist, ist die Achsenkoordination des optischen Systems, die bei einer Änderung der Beschleunigungsspannung auszuführen ist, einfach. Da die Häufigkeit der Schnellverdampfung geringer ist, ist die Lebensdauer der Elektronenquelle verlängert.
Durch wiederholtes Schnellverdampfen im hellen stabilen Bereich kann der helle stabile Bereich durchgehend verwendet werden. Die zeitliche Änderung des Stromes in diesem Fall ist in der 6 dargestellt, die 7 zeigt ein Flußdiagramm für die Abläufe dabei. In der 6 sind mit 1, 2 und 3 die Schnellverdampfung, die Erhöhung der Extraktionsspannung und das Abschalten der Extraktionsspannung bezeichnet.
Wenn in der 7 der Vorgang mit einer vorgegebenen Eingabe beginnt, wird die Extraktionsspannung nach der Schnellverdampfung (71) um einen vorgegebenen Betrag erhöht (72). Dann wird der Normalbetrieb durchgeführt (73). In vorgegebenen Zeitabständen wird geprüft, ob der Strom den für eine erneute Schnellverdampfung vorgegebenen Zeitpunkt erreicht hat (74). Wenn der Zeitpunkt für eine erneute Schnellverdampfung erreicht ist, wird nach dem Abschalten der Extraktionsspannung (75) eine erneute Schnellverdampfung durchgeführt.
Da im hellen stabilen Bereich nur wenig Gas an der Oberfläche der Elektronenquelle adsorbiert wird, kann die Oberfläche durch ein Schnellverdampfen mit einer Temperatur gereinigt werden, die unter der Temperatur von 2000 Grad liegt, die beim Stand der Technik verwendet wird. Da das Schnellverdampfen somit bei einer niedrigen Temperatur erfolgen kann, die unter 1500 Grad liegt, tritt das Aufbauphänomen auch dann nicht auf, wenn die Extraktionsspannung anliegt, und die Menge an thermischen Elektronen ist klein. Das Schnellverdampfen kann daher auch während einer laufenden Untersuchung erfolgen, ohne daß die Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl unterbrochen wird. Die zeitliche Änderung des Stromes in diesem Fall ist in der 8 dargestellt und ein entsprechendes Flußdiagramm in der 9. In den 8 und 9 werden für die gleichen Objekte und Schritte wie in den 6 und 7 auch die gleichen Zahlen verwendet. In der 9 bezeichnet der Schritt 76 eine Schnellverdampfung (eine Niedrigtemperatur-Schnellverdampfung) bei einer Temperatur von weniger als 1500 Grad.
Bei einer Schnellverdampfung während einer laufenden Untersuchung kann dadurch verhindert werden, daß das während der Schnellverdampfung im Strom auftretende Rauschen die Untersuchung beeinträchtigt, daß die Schnellverdampfung dann erfolgt, wenn beim Abtasten der Elektronenstrahl neben der Probenoberfläche liegt, oder es wird die Aufnahme der Abbildung für einige wenige Sekunden während der Schnellverdampfung unterbrochen. Dadurch wird auch die Bedienung der Vorrichtung erleichtert.
Bei dem beschriebenen Untersuchungsverfahren mit einer Schnellverdampfung kann im Vergleich zu dem Verfahren mit einer Schnellverdampfung im abfallenden Bereich des Stromes des Patentdokuments 2 immer ein Elektronenstrahl mit einer hohen Helligkeit und einer schmalen Energieverteilung erhalten werden. Da die Abnahmegeschwindigkeit des Stromes klein ist und die zweite Ableitung des Stromes nach der Zeit negativ, das heißt sich die Änderung als eine nach oben konvexe Kurve ausdrücken läßt, kann für eine lange Zeit ein stabiler, hoher Strom erhalten werden, auch wenn das Zeitintervall für das Schnellverdampfen ausgedehnt wird.
Da eine Niedrigtemperatur-Schnellverdampfung erfolgt, tritt das Aufbauphänomen nicht auf, und die Menge an thermischen Elektronen ist klein. Da die Elektronenquelle nicht schmilzt, ist ihre Lebensdauer erhöht. Da die Elektronenquelle nicht stumpf wird, bleibt die Extraktionsspannung für lange Zeit auf einem vorgegebenen Wert. Es ist darüberhinaus möglich, für die Elektronenquelle ein Material zu verwenden, das beim Stand der Technik mit einer Schnellverdampfung bei 2000 Grad nicht verwendet werden kann und das einen Schmelzpunkt unter dem vom Wolfram hat.
Durch die Eingabe einer entsprechenden Anweisung an einer Eingabevorrichtung 19 der Vorrichtung der vorliegenden Ausführungsform, die in der 3 dargestellt ist, kann der Benutzer jederzeit ein Schnellverdampfen ausführen. Auch kann der Benutzer wählen, ob er die Schnellverdampfung nach dem Abschalten der Extraktionsspannung und Unterbrechen der Untersuchung ausführen will oder ob die Schnellverdampfung während der Untersuchung erfolgen soll. Die Stärke der Schnellverdampfung kann variabel sein und von der Gasmenge abhängen, die an der Oberfläche der Elektronenquelle adsorbiert wurde. Durch die Anzeige des vom Stromdetektor 15 überwachten Stroms an einer Anzeigevorrichtung 18 kann der Benutzer den Zeitpunkt für eine Schnellverdampfung leicht bestimmen.
Auch kann der Zeitpunkt für eine Schnellverdampfung von der Steuereinheit 17 automatisch festgelegt werden, wobei der Benutzer über den Zeitpunkt an der Anzeigevorrichtung 18 informiert wird. Ein Kriterium für die Festlegung des Zeitpunkts für die Schnellverdampfung kann es wie in der 6 gezeigt sein, daß der vom Stromdetektor 15 erfaßte Strom I_(t) kleiner wird als ein Wert αI₍₀₎, der durch Multiplizieren des Stromes I₍₀₎ unmittelbar nach Emissionsbeginn mit einem vorgegebenen Wert α erhalten wird. Bei der Verwendung eines Wertes für α von 0,8 oder mehr nimmt der Benutzer die Abnahme in der Helligkeit der erhaltenen Abbildung in der Regel nicht wahr. Wenn α größer ist als 0,95, wird die Variationsbreite des Stromes sehr klein, wie es in der 10 gezeigt ist, so daß ein sehr beständiger Strom erhalten wird und die Helligkeit der erhaltenen Abbildung gleichmäßig erhalten bleibt.
Ein weiteres Kriterium kann es wie in der 6 gezeigt sein, daß eine Schnellverdampfung erfolgt, wenn das Abnahmeverhältnis [I_(t) - I_(t+tc)]/I_(t) des Stromes im Zeitintervall t_c größer wird als ein vorgegebener Wert β. Unter Berücksichtigung der zeitlichen Änderung des Stromes im hellen stabilen Bereich ist die Änderung des Stromes leicht zu erkennen, wenn t_c kleiner ist als 60 Minuten und β größer als 0,01. Insbesondere für 0,05 ≥ β ≥ 0,01 kann der Strom gleichmäßig erhalten werden, wie es in der 10 gezeigt ist.
Gemäß einem weiteren Kriterium kann die Schnellverdampfung erfolgen, wenn seit der vorhergehenden Schnellverdampfung eine vorgegebene Zeitspanne t₁ verstrichen ist. Wenn t₁ größer ist als 1 Stunde, nimmt die Wahrscheinlichkeit dafür ab, daß die Untersuchung des Benutzers gestört wird. Wenn t₁ kleiner ist als eine Stunde, ist es andererseits möglich, durch die geringere Variationsbreite einen gleichmäßigeren Strom zu erhalten.
Anstelle des obigen Stromwertes I_(t) kann auch der mittlere Stromwert einer vorgegebenen Zeitspanne verwendet werden. Dadurch wirkt sich Rauschen im Strom nicht auf die Bestimmung aus. Bei der Festlegung des Zeitpunkts auf der Basis des Gesamtstroms können die Werte für α, β und t_c etwas anders sein, sie werden jedoch auf der Basis des gleichen Kriteriums bestimmt.
Bei der Verwendung der erwähnten Bestimmungskriterien und automatisches Auslösen der Schnellverdampfung durch die Steuereinheit 17 ist keine Eingabe von Seiten des Benutzers erforderlich, um den hellen stabilen Bereich fortzuführen. Die Bedienung der Vorrichtung wird dadurch sehr einfach. Auch ist die Automatisierung geeignet für REM-Untersuchungen, die eine lange Zeit erfordern, etwa bei einem Analyse-REM oder einem REM zur Bestimmung kritischer Abmessungen, wobei für die laufende Kontrolle in einer Halbleiter-Herstellungsanlage und dergleichen für eine lange Zeit ein automatischer Betrieb erforderlich ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, die Vorrichtung bei hoher Auflösung entsprechend auszugestalten.
Bei der vorliegenden Ausführungsform werden zu den Zeitpunkten für die Schnellverdampfung diejenigen Zeiten addiert, in denen zum Beispiel die Probe 14 der 3 gewechselt wird oder in denen die Untersuchungsstelle auf einer Probe wesentlich verändert wird. Das automatische Schnellverdampfen kann mittels der Eingabevorrichtung 19 ausgewählt werden. An der Anzeigevorrichtung 18 kann die Automatisierung der Schnellverdampfung angezeigt werden. Der Benutzer kann während der paar Sekunden, während denen die Schnellverdampfung durchgeführt wird, an der Anzeigevorrichtung 18 darüber informiert werden.
Durch wiederholtes Schnellverdampfen im hellen stabilen Bereich und automatisches Einstellen der Extraktionsspannung entsprechend der leichten Abnahme des Stroms mittels der Steuereinheit 17 kann der Strom gleichmäßig gehalten werden. In diesem Fall kann die Spannung leicht ansteigen und die Häufigkeit klein sein. Wenn entsprechend dem Anstieg der Spannung eine Achsenkoordination des optischen Systems erforderlich ist, erfolgt diese Koordination ebenfalls durch die Steuereinheit 17.
Eine andere nützliche Vorgehensweise ist bei der vorliegenden Ausführungsform, die Kontinuitätszeit des hellen stabilen Bereichs dadurch auszudehnen, daß die Elektronenquelle 4 mittels der Schnellverdampfungs-Energiequelle 16 im Normalbetrieb geheizt wird. Die Wahrscheinlichkeit der Gasadsorption an der Oberfläche nimmt nämlich mit steigender Temperatur der Elektronenquelle ab. Der helle stabile Bereich bleibt dadurch für eine lange Zeit erhalten, ohne daß die Extraktionsspannung oder die Häufigkeit der Schnellverdampfungen erhöht werden müssen. Bei einem normalen Aufheizen und Festlegen der Heiztemperatur auf eine Temperatur von weniger als 1500 Grad, insbesondere auf eine Temperatur von 100 Grad bis 1000 Grad, tritt kein Aufbauphänomen auf und es werden keine thermischen Elektronen emittiert, sondern es wird ein stabiler Strom erhalten. Wenn die Elektronenquelle auf 1500 Grad oder mehr erhitzt wird, bildet sich am vorderen Ende der Elektronenquelle aufgrund des Aufbauphänomens ein Vorsprung aus. Da das Vakuum sehr gut ist, kann jedoch die Änderung im Strom kleiner werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird zwar für die Elektronenquelle Wolfram mit einem <310>-Kristallazimuth verwendet, die gleichen positiven Auswirkungen werden jedoch auch mit anderen Kristallazimuthwerten erhalten, zum Beispiel eine kleine Austrittsarbeit bei <111> und dergleichen. Die gleichen Auswirkungen werden auch bei Elektronenquellen mit der gleichen Feldemission erhalten. Für die Elektronenquelle können andere Materialien wie LaB₆ oder Kohlenstofffasern verwendet werden. Neben dem bei der vorliegenden Ausführungsform beschriebenen Aufheizverfahren mittels Strom kann das Schnellverdampfungsverfahren auch durch ein anderes Verfahren ersetzt werden, solange das entsprechende Verfahren das an der Oberfläche der Elektronenquelle adsorbierte Gas beseitigt. Das Schnellverdampfen kann zum Beispiel dadurch ausgeführt werden, daß in der Elektronenkanonenkammer 6 ein thermische Elektronen aussendender Glühfaden installiert wird, wobei die thermischen Elektronen von diesem Glühfaden auf die Elektronenquelle 4 gerichtet werden, oder durch ein Verdampfungsverfahren mit einem elektrischen Feld. Das Schnellverdampfen kann auch zum Beispiel dadurch ausgeführt werden, daß eine Lichtquelle wie ein Laser installiert wird und der Lichtstrahl auf die Elektronenquelle 4 gerichtet wird, oder daß eine Gaszuführung in der Elektronenkanonenkammer 6 installiert wird und ein Inertgas wie Wasserstoff, Helium, Argon und dergleichen auf die Elektronenquelle 4 geleitet wird.
Mit der vorliegenden Ausführungsform kann ein stabiler Elektronenstrahl mit hoher Helligkeit und schmaler Energieverteilung erhalten werden. Durch Wiederholen der Schnellverdampfung und Herabsetzen der Heiztemperatur kann der helle stabile Bereich kontinuierlich ohne Unterbrechung der Untersuchung verwendet werden. Es ist damit möglich, eine Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl zu erhalten, bei der eine Untersuchung mit dem Elektronenstrahl mit hoher Auflösung über eine lange Zeit möglich ist.
Zweite Ausführungsform
Anhand der 11 bis 16 wird nun eine zweite Ausführungsform beschrieben. Die vorliegende Ausführungsform beschreibt eine Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl mit einer Ausbildungseinheit für eine Gasadsorptionsschicht, bei der die Zeitspanne für den abfallenden Bereich verringert wird und dadurch im Vergleich zum Stand der Technik schnell ein stabiler Strom im stabilen Bereich erhalten wird.
Die 11 zeigt den Gesamtaufbau eines REMs als Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl bei der zweiten Ausführungsform. Die zeitliche Änderung des Emissionsstroms bei der vorliegenden Ausführungsform ist in der 12 dargestellt und ein Flußdiagramm für den Betrieb in der 13. In der 13 bezeichnet der Schritt 77 einen Prozeß zum Ausbilden einer Gasadsorptionsschicht. Im übrigen bezeichnen die gleichen Zahlen wie in der 7 die gleichen Prozesse wie dort.
Der Aufbau der Vorrichtung ist im wesentlichen der gleiche wie bei der ersten Ausführungsform, wobei jedoch bei der vorliegenden zweiten Ausführungsform die NVG-Pumpe 23 über ein NVG-Pumpenventil 34 an die Elektronenkanonenkammer 6 angeschlossen ist. Das NVG-Pumpenventil 34 bildet eine Ausbildungseinheit für eine Gasadsorptionsschicht. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird an der Elektronenquelle 4 mittels der Schnellverdampfungs-Energiequelle 16 eine Schnellverdampfung durchgeführt, bis die Gasadsorptionsschicht an der Oberfläche verschwunden ist, woraufhin der Elektronenstrahl 10 durch Anlegen der Extraktionsspannung an die Extraktionselektrode 11 mittels der Hochspannungsquelle 33 erzeugt wird. In einem Teil des abfallenden Bereichs unmittelbar nach Emissionsbeginn wird das NVG-Pumpenventil 34 von der Steuereinheit 17 halb geöffnet bzw. geschlossen, um die Abpumpgeschwindigkeit der NVG-Pumpe 23 zu reduzieren, damit der Vakuumdruck in der Elektronenkanonenkammer 6 vorübergehend ansteigt. Gleichzeitig kann die Gasadsorption durch Verringern der Abpumpgeschwindigkeit der Ionenpumpe 20 beschleunigt werden. Der Druck in der Elektronenkanonenkammer beträgt dabei zwischen 1 × 10^-8 und 1 × 10^-4 Pa, vorzugsweise zwischen 1 × 10^-7 Pa bis 1 × 10^-5 Pa. Aufgrund des Druckanstiegs bildet sich auf der Oberfläche der Elektronenquelle innerhalb kurzer Zeit eine Gasadsorptionsschicht, und der Strom tritt in den stabilen Bereich ein. Anschließend wird das NVG-Pumpenventil 34 wieder geöffnet und der Druck in der Elektronenkanonkammer 6 wieder auf einen Wert von weniger als 1 × 10^-8 Pa und insbesondere weniger als 1 × 10^-9 Pa eingestellt. Durch Erhöhen der Extraktionsspannung wird dafür gesorgt, daß der Strom eine vorgegebene Größe hat, und die Untersuchung im stabilen Bereich ausgeführt. Wenn das Rauschen im Strom ansteigt, wird die Einstrahlung des Elektronenstrahls unterbrochen und eine Schnellverdampfung durchgeführt. Nach dem Schnellverdampfen erfolgen wieder die Erzeugung des Elektronenstrahls und das Ausbilden der Gasadsorptionsschicht, so daß der Strom wieder in den stabilen Bereich gelangt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform liegt der Strom nach einer kurzen Wartezeit im stabilen Bereich. Da der Vakuumdruck um die Elektronenquelle im stabilen Bereich im Vergleich zum Stand der Technik niedrig ist, ist die Kontinuitätszeit für den Strom im stabilen Bereich lang, in dem die Abnahmegeschwindigkeit gering und das Rauschen klein ist. Die Kontinuitätszeit im stabilen Bereich beträgt bei 10^-9 bis 10^-10 Pa etwa einige zehn Stunden bis zu einigen hundert Stunden und ist länger als die wenigen Stunden beim Stand der Technik. Da die Abnahmegeschwindigkeit kleiner ist, bleibt der hohe Strom für eine lange Zeitspanne erhalten, und das Erfordernis zum Erhöhen der Extraktionsspannung nimmt ab. Da die Zeitspanne bis zum Auftreten von Rauschen im Strom länger wird, muß die Schnellverdampfung weniger häufig durchgeführt werden. Die zum Unterbrechen der Untersuchung auszuführenden Manipulationen werden daher weniger, wodurch die Bedienung der Vorrichtung leichter wird. Durch die geringere Häufigkeit der Schnellverdampfung verlängert sich auch die Lebensdauer der Elektronenquelle.
Durch die Eingabe einer entsprechenden Anweisung an der Eingabevorrichtung 19 kann der Benutzer jederzeit ein Schnellverdampfen durchführen und die Gasadsorptionsschicht ausbilden. Wenn die Zeitspanne für die Gasadsorption verlängert wird, wird an der Oberfläche der Elektronenquelle übermäßig Gas adsorbiert. Die Steuereinheit 17 bestimmt daher den Zeitpunkt zur Beendigung der Gasadsorption. Der festgelegte Zeitpunkt kann dem Benutzer durch eine Anzeige des Zeitpunkts an der Anzeigevorrichtung 18 mitgeteilt werden. Auch kann der Benutzer auswählen, ob das Ausbilden der Gasadsorptionsschicht automatisch durch die Steuereinheit 17 erfolgen soll. Bei einer Automatisierung beginnt die Gasadsorption unmittelbar nach dem Schnellverdampfen und wird zu dem Zeitpunkt beendet, den die Steuereinheit 17 bestimmt hat.
Als Kriterium für den Zeitpunkt zur Beendigung der Gasadsorption kann die Gasadsorption beendet werden, wenn der vom Stromdetektor 15 erfaßte Strom I_(t) kleiner wird als ein Wert γI₍₀₎, der durch Multiplizieren des Stromes I₍₀₎ unmittelbar nach Emissionsbeginn mit einem vorgegebenen Wert γ erhalten wird. Bei der Verwendung eines Wertes für γ von 0,2 oder weniger wird in der Regel ein Strom mit einer geringen Abnahmegeschwindigkeit erhalten. Insbesondere wird mit einem γ, das kleiner ist als 0,1, ein Strom mit einer sehr geringen Abnahmegeschwindigkeit erhalten.
Ein weiteres Kriterium für die Beendigung der Gasadsorption kann es wie in der 12 gezeigt sein, wenn das Abnahmeverhältnis [I_(t) - I_(t+ts)]/I_(t) des Stromes im Zeitintervall t_s kleiner wird als ein vorgegebener Wert ε. Wenn t_s kleiner ist als 5 Minuten, ist die Bewertung einfach. In diesem Fall kann ε kleiner sein als 0,05.
Gemäß einem weiteren Kriterium wird die Gasadsorption beendet, wenn seit dem Beginn der Gasadsorption eine vorgegebene Zeitspanne t_i verstrichen ist. Wenn t_i kleiner ist als zehn Minuten, wird in der Regel an der Oberfläche die Gasadsorptionsschicht ausgebildet. Darüberhinaus kann das obige Verfahren ausgeführt werden, ohne daß der Elektronstrahl eingestrahlt wird. In diesem Fall verläuft die zeitliche Änderung des Stroms wie in der 14 gezeigt, und das Ausbilden der Gasadsorptionsschicht wird beendet. Nachdem der Druck in der Elektronenkanonenkammer 6 wieder kleiner ist als 1 × 10^-8 Pa, wird wieder mit dem Aussenden des Elektronenstrahls 10 begonnen.
Nach dem Verstreichen einer vorgegebenen Zeit nach dem Eintreten in den stabilen Bereich beginnt im Strom Rauschen in Erscheinung zu treten. Es wird dann Zeit, die Oberfläche der Elektronenquelle durch erneutes Schnellverdampfen zu reinigen. Das Schnellverdampfen kann zwar wie bei der ersten Ausführungsform vom Benutzer jederzeit durchgeführt werden, der Zeitpunkt dafür kann jedoch auch von der Steuereinheit 17 bestimmt werden, und die so festgelegte Zeit kann dem Benutzer durch Anzeigen der festgelegten Zeit an der Anzeigevorrichtung 18 mitgeteilt werden. An der Eingabevorrichtung 19 kann auch eine automatische Durchführung der Schnellreinigung mittels der Steuereinheit 17 ausgewählt werden.
Das Kriterium zum Bestimmen des Zeitpunkts kann es bezüglich des Stromes in der Zeitspanne t_n der 12 auch sein, wenn das Änderungsverhältnis (I_max - I_min) / [(I_max + I_min)/2], das durch Dividieren der Differenz (I_max - I_min) zwischen dem Maximalwert I_max des Stroms und dem Minimalwert I_min des Stroms durch den Mittelwert erhalten wird, größer wird als ein vorgegebener Wert ξ. Als Kriterium dafür, daß die beobachtete Abbildung nicht schlechter wird, wird oft das Kriterium verwendet, daß t_n kleiner ist als 5 Minuten und ξ kleiner als 0,1.
Ein anderes Kriterium ist das Verstreichen einer Zeit t₂ nach dem Schnellverdampfen. Unter Berücksichtigung der Kontinuitätszeit des stabilen Bereichs beträgt t₂ in der Regel mehrere Tage und mehr.
Der Zeitpunkt zum Beendigen der Gasadsorption und der Zeitpunkt für die Schnellverdampfung können unter Verwendung des Gesamtstroms bestimmt werden. Die Bestimmung kann gleichermaßen erfolgen, auch wenn die Werte für γ, ε, t_s, t_i usw. dabei variieren können.
Da die Steuereinheit 17 das Ausbilden der Gasadsorptionsschicht und das Schnellverdampfen automatisch ausführen kann, sind dazu keine Eingriffe des Benutzers erforderlich, und es ist möglich, kontinuierlich über mehrere Tage oder mehrere Monate nur den stabilen Bereich zu nutzen.
Es ist auch möglich, den Strom dadurch gleichmäßig zu halten, daß automatisch die Extraktionsspannung von der Steuereinheit 17 entsprechend der leichten Abnahme des Stromes eingestellt wird. Die Spannung steigt dabei leicht an, und die Häufigkeit ist gering. Wenn dabei durch den Spannungsanstieg eine Achsenkoordination des optischen Systems erforderlich ist, so kann diese Koordination ebenfalls von der Steuereinheit 17 ausgeführt werden. Die Benutzerfreundlichkeit wird durch eine solche Automatisierung weiter erhöht. Die FEK kann bei einem REM angewendet werden, das für lange Untersuchungszeiten vorgesehen ist, etwa bei einem Analyse-REM, bei einem Längenmeß-REM für die laufende Kontrolle in einer Halbleiter-Herstellungsanlage und dergleichen. Es ist so möglich, im Vergleich zum Stand der Technik eine Vorrichtung mit hoher Auflösung zu erhalten.
Darüberhinaus können zu den Zeiten bis zu einer erneuten Schnellverdampfung und zu einer Durchführung der Gasadsorption die Zeiten zum Austauschen der Probe, der regulären Wartung des REM und dergleichen hinzuaddiert werden. Ob gerade eine automatische Aktion läuft, wird an der Anzeigevorrichtung 18 angezeigt und so dem Benutzer mitgeteilt. An der Anzeigevorrichtung 18 wird so angezeigt, ob gerade eine Schnellverdampfung oder eine Gasadsorption durchgeführt wird.
Bei der vorliegenden Ausführungsform gelangt der Strom nach einer relativ kurzen Wartezeit in den stabilen Bereich, da die Abpumpgeschwindigkeit der Vakuum-Abpumpeinheit verringert und an der Oberfläche der Elektronenquelle im abfallenden Bereich des Stroms eine Gasadsorptionsschicht ausgebildet wird. Wie in der 15 gezeigt, kann das Ausbilden der Gasadsorptionsschicht dadurch beschleunigt werden, daß in der Elektronenkanonkammer 6 eine Gaszuführung 35 installiert wird, die der Oberfläche der Elektronenquelle Gas zuführt.
Die Gaszuführung 35 wird wie folgt verwendet. Die Elektronenquelle 4 wird durch eine Schnellverdampfung gereinigt und daraufhin der Elektronenstrahl 10 ausgestrahlt. Die Gaszuführung 35 führt der Elektronenquelle 4 ein Gas wie Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid, Methan und dergleichen zu, das an der Oberfläche der Elektronenquelle 4 adsorbiert wird. Bei der Gaszuführung kann kontinuierlich eine vorgegebene Menge Gas zugeführt werden, oder es wird intermittierend Gas zugeführt. Durch Verringern der Abpumpgeschwindigkeit der NVG-Pumpe 23 oder der Ionenpumpe 20 während der Gaszuführung kann die Adsorption des Gases beschleunigt werden. Das Gas kann auch ohne Verringerung der Abpumpgeschwindigkeit von der Gaszuführung 35 zugeführt und selektiv als Gasadsorptionsschicht an der Oberfläche der Elektronenquelle abgeschieden werden. Beim Zuführen des Gases wird an der Oberfläche der Elektronenquelle 4 die Gasadsorptionsschicht ausgebildet, wodurch der Strom schnell abfällt und den stabilen Bereich erreicht. Die Gaszufuhr wird dann beendet, und die Elektronenkanonenkammer 6 wird auf einem Druck von weniger als 1 × 10^-8 Pa, besser noch weniger als 1 × 10^-9 Pa gehalten. Nach dem Erhöhen des Emissionsstroms durch Erhöhen der Extraktionsspannung bei 2 kann die Untersuchung im stabilen Bereich durchgeführt werden. Wenn im Strom Rauschen aufzutreten beginnt, wird die Extraktionsspannung abgeschaltet und die Einstrahlung des Elektronenstrahls beendet und danach eine Schnellverdampfung durchgeführt. Nach der Schnellverdampfung wird wieder der Elektronenstrahl ausgestrahlt und erneut die Gasadsorptionsschicht ausgebildet, so daß der Strom wieder in den stabilen Bereich gelangt.
Die Zeitspanne und der Zeitpunkt zum Zuführen des Gases ist jeweils der gleiche wie in der vorhergehenden Periode, und die Ausbildung der Gasadsorptionsschicht kann wie die Schnellverdampfung automatisch von der Steuereinheit 17 durchgeführt werden. An der Eingabevorrichtung 19 kann der Benutzer zu jedem beliebigen Zeitpunkt die Zuführung einer vorgegebenen Gasmenge veranlassen.
In der 16 ist ein weiteres Beispiel einer Einrichtung zum Abgeben von Gas auf die Elektronenquelle gezeigt, bei der die Ausbildung der Gasadsorptionsschicht durch Anordnen eines Gas adsorbierenden Materials 36 in der Elektronenkanonenkammer 6 und Abgeben von Gas auf die Oberfläche der Elektronenquelle beschleunigt wird.
Wie die Gaszuführung 35 wird das Gas adsorbierende Material 36 dazu verwendet, die Ausbildung der Gasadsorptionsschicht zu beschleunigen, wobei Gas an der Innenseite abgegeben wird. Das Gas adsorbierenden Material 36 ist ein Material, das an der Innenseite Wasserstoffgas und dergleichen speichert und das gespeicherte Gas bei einer Wärmebehandlung und dergleichen abgibt. Statt das Gas adsorbierende Material 36 anzubringen, kann auch die NVG-Pumpe 23 aufgeheizt und das Gas von der NVG-Pumpe 23 abgegeben werden. Da die NVG-Pumpe 23 eine Vakuumpumpe ist, die Wasserstoff enthält, gibt sie beim Aufheizen Wasserstoff ab. Durch eine Steuerung der Heizeinheit 24 mittels der Steuereinheit 17 kann die Gasadsorptionsschicht unter Verwendung nur der NVG-Pumpe 23 ausgebildet werden.
Bei einem weiteren Beispiel für eine Einrichtung zum Abgeben von Gas auf die Elektronenquelle kann die Gasadsorptionsschicht dadurch ausgebildet werden, daß ein Teil in der Elektronenkanone oder ein Teil davon aufgeheizt wird und die Abgabe des Gases vom aufgeheizten Teil beschleunigt wird.
Die Zeitspanne und der Zeitpunkt für die Abgabe des Gases ist die gleiche wie die erwähnte Zeitspanne und der erwähnte Zeitpunkt zum Ausbilden der Gasadsorptionsschicht, und die Gasabgabe kann wie beim Schnellverdampfen von der Steuereinheit 17 automatisch durchgeführt werden. Über die Eingabevorrichtung 19 kann der Benutzer zu jedem beliebigen Zeitpunkt die Abgabe einer vorgegebenen Menge an Gas auslösen.
Durch das Vorsehen der Gaszuführung 35 oder des Gas adsorbierenden Materials 36 befindet sich lokal in der Nähe der Elektronenquelle eine große Menge an Gas, so daß die Adsorptionsschicht an der Oberfläche der Elektronenquelle in relativ kurzer Zeit ausgebildet wird. Es ist auch möglich, die Adsorptionsschicht bei einem in der ganzen Elektronenkanonenkammer verringerten Gasdruck auszubilden. Darüberhinaus kann die Zusammensetzung der Gasadsorptionsschicht durch Zuführen von bestimmten Gasen gesteuert werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist es im Vergleich zum Stand der Technik möglich, nach einer relativ kurzen Wartezeit einen Elektronenstrahl mit einer geringen Abnahmegeschwindigkeit und wenig Rauschen zu erhalten. Mit diesem Elektronenstrahl weist die Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl für eine lange Zeit einen stabilen Strom auf, und die Häufigkeit des Anhebens der Extraktionsspannung sowie die Häufigkeit für eine Schnellverdampfung können reduziert werden.
Dritte Ausführungsform
Anhand der 17 wird nun eine dritte Ausführungsform beschrieben.
Die dritte Ausführungsform umfaßt eine Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl, bei der während der Schnellverdampfung an der Elektronenquelle Wasserstoffgas zugeführt wird und die Oberfläche der Elektronenquelle durch eine Niedrigtemperatur-Schnellverdampfung gereinigt wird. Bei einem REM der zweiten Ausführungsform mit der Gaszuführung 35 oder mit dem Gas adsorbierenden Material 36 kann die Elektronenquelle 4 durch eine Schnellverdampfung bei einer Temperatur gereinigt werden, die unter der Temperatur beim Stand der Technik liegt, das heißt bei einer Temperatur von weniger als 1800 Grad oder von weniger als 1500 Grad, wozu die Schnellverdampfung ausgeführt wird, während Wasserstoff in Richtung auf die Elektronenquelle 4 abgegeben wird. Der zugeführte Wasserstoff aktiviert chemisch das auf Kohlenstoff basierende adsorbierte Gas, das beim Stand der Technik nicht bei Temperaturen von unter 2000 Grad entfernt werden kann. Mit Wasserstoff kann jedoch das auf Kohlenstoff basierende adsorbierte Gas auch bei niedriger Temperatur entfernt werden.
Da die Heiztemperatur beim Schnellverdampfen niedriger ist, wird das vordere Ende der Elektronenquelle nicht so schnell stumpf, wodurch sich die Lebensdauer der Elektronenquelle verlängert. Auch kann die Extraktionsspannung zum Aussenden des Elektronenstrahls konstant bleiben, so daß keine Achsenkoordination des optischen Systems erforderlich ist. Wegen der hohen Temperatur beim Schnellverdampfen konnte bisher nur eine Elektronenquelle aus Wolfram oder einem ähnlichen Material mit hohem Schmelzpunkt verwendet werden. Da nun auch ein Niedrigtemperatur-Schnellverdampfen möglich ist, kann für die Elektronenquelle auch ein Material mit einem niedrigen Schmelzpunkt verwendet werden.
Durch Anwenden der vorliegenden Ausführungsform bei dem Verfahren der ersten Ausführungsform mit einem Ausdehnen des hellen stabilen Bereichs mittels Schnellverdampfen ist es möglich, wirkungsvoll zu verhindern, daß das vordere Ende der Elektronenquelle stumpf wird. Die zeitliche Änderung des Stroms für diesen Fall ist in der 17 dargestellt. Wie beschrieben kann der helle stabile Bereich kontinuierlich genutzt werden und die Untersuchungen können kontinuierlich weiterlaufen, wenn wiederholt ein Schnellverdampfen bei einer niedrigen Temperatur von weniger als 1500 Grad ausgeführt wird. Nach dem Verstreichen einer langen Zeit beginnt jedoch die Adsorption von auf Kohlenstoff basierenden Gasen an der Oberfläche der Elektronenquelle. Die adsorbierten Gase auf Kohlenstoffbasis können nicht durch eine Schnellverdampfung bei 1500 Grad entfernt werden. Die auf Kohlenstoff basierenden Gase können jedoch durch kurzes Unterbrechen der Untersuchung, Zuführen von Wasserstoffgas zu der Elektronenquelle und Durchführen einer Schnellverdampfung bei weniger als 1500 Grad beseitigt werden. Da auf diese Weise die Schnellverdampfung an der Elektronenquelle immer bei einer Temperatur von weniger als 1500 Grad erfolgt, wird das vordere Ende der Elektronenquelle nicht so schnell stumpf.
Bei der ersten bis dritten Ausführungsform wurden die angeführten Beispiele anhand eines REM beschrieben. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch bei anderen Vorrichtungen mit einem geladenen Teilchenstrahl verwendet werden, etwa bei einer FEK, einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM), einem Rastertransmissionselektronenmikroskop und einer Analysevorrichtung, wobei die gleichen positiven Auswirkungen erhalten werden.
Die wesentlichen Punkte der Erfindung werden nicht nur in den Patentansprüchen genannt, sondern auch im folgenden kurz angegeben.
Eine Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl umfaßt eine Steuereinheit für eine Heizeinheit, wobei, wenn der Strom des Elektronenstrahls bezüglich des Anfangswerts I₍₀₎ des Stroms I_(t) des von einer Feldemissions-Elektronenquelle emittierten Elektronenstrahls zu αI₍₀₎ wird, die Feldemissions-Elektronenquelle aufgeheizt wird, wobei α ≥ 0,95 ist.
Die Temperatur, auf die die Feldemissions-Elektronenquelle der Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl aufgeheizt wird, ist kleiner als 1500 Grad.
Bei einer Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl mit einer Heizeinheit für eine Feldemissions-Elektronenquelle wird, während ein Elektronenstrahl von der Feldemissions-Elektronenquelle emittiert wird, die Feldemissions-Elektronenquelle normalerweise auf einer Temperatur von 100 Grad bis 1000 Grad gehalten.
Bei einer Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl mit einer Steuereinheit für eine Heizeinheit wird eine Feldemissions-Elektronenquelle immer wieder dann erhitzt, wenn seit dem letzten Aufheizen der Feldemissions-Elektronenquelle eine vorgegebene Zeit verstrichen ist.
Eine Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl umfaßt eine Steuereinheit für eine Ausbildungseinheit für eine Gasadsorptionsschicht und einen Stromdetektor für den von einer Feldemissions-Elektronenquelle emittierten Elektronenstrahl, wobei, wenn der Strom des Elektronenstrahls bezüglich des Anfangswerts I₍₀₎ des Stroms I_(t) des von der Feldemissions-Elektronenquelle emittierten Elektronenstrahls zu γI₍₀₎ wird, das Ausbilden der Gasadsorptionsschicht an der Oberfläche der Feldemissions-Elektronenquelle beendet wird, wobei γ ≤ 0,2 und insbesondere γ ≤ 0,1 ist.
Eine Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl umfaßt eine Steuereinheit für eine Ausbildungseinheit für eine Gasadsorptionsschicht und einen Stromdetektor für den von einer Feldemissions-Elektronenquelle emittierten Elektronenstrahl, wobei, wenn das Abnahmeverhältnis [I_(t) - I _(t+ts)]/I(t) des Stromes im Zeitintervall t_s bezüglich des Stromes I_(t) des von der Feldemissions-Elektronenquelle emittierten Elektronenstrahl größer wird als ein vorgegebener Wert ε, die Ausbildung der Gasadsorptionsschicht an der Feldemissions-Elektronenquelle beendet wird, wobei ts ≤ 5 Minuten ist und ε ≤ 0,05.
Eine Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl umfaßt eine Steuereinheit für eine Ausbildungseinheit für eine Gasadsorptionsschicht, wobei das Ausbilden der Gasadsorptionsschicht an einer Feldemissions-Elektronenquelle beendet wird, wenn seit dem vorherigen Aufheizen der Feldemissions-Elektronenquelle eine vorgegebene Zeit verstrichen ist.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl, etwa ein Elektronenmikroskop mit einer Feldemissions-Elektronenkanone, und insbesondere eine Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl zum Stabilisieren des Stroms eines Elektronenstrahls sowie ein Verfahren zum Steuern der Vorrichtung.
Bezugszeichenliste

1: Schnellverdampfung
2: Erhöhen der Extraktionsspannung
3: Abschalten der Extraktionsspannung
4: Elektronenquelle
5: Wolframbogen
6: Elektronenkanonenkammer
7: Erste Zwischenkammer
8: Zweite Zwischenkammer
9: Probenkammer
10: Elektronenstrahl
11: Extraktionselektrode
12: Beschleunigungselektrode
13: Objektivlinse
14: Probe
15: Stromdetektor
16: Schnellverdampfungs-Energiequelle
17: Steuereinheit
18: Anzeigevorrichtung
19: Eingabevorrichtung
20: Ionenpumpe
21,22: Ionenpumpen
23: Nicht-verdampfende Getterpumpe (NVG-Pumpe)
24: NVG-Heizeinheit
25: Turbomolekularpumpe
26: Probentisch
27,28,29: Grobvakuumventile
30: Elektronenkanonen-Heizeinheit
31: Aperturelektrode
32: Emissionselektronendetektor
33: Hochspannungsquelle
34: NVG-Pumpenventil
35: Gaszuführung
36: Gas adsorbierendes Material

Claims

Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl mit einer Feldemissions-Elektronenquelle (4) und einer Elektrode (11) zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die Feldemissions-Elektronenquelle, wobei die Vorrichtung umfaßt eine Vakuum-Abpumpeinheit (20, 23) zum Aufrechterhalten eines Drucks um die Feldemissions-Elektronenquelle von weniger als 1 × 10^-8 Pa, eine Heizeinheit (16) für die Feldemissions-Elektronenquelle und eine Steuereinheit (17) zum Steuern der Heizeinheit, wobei von den von der Feldemissions-Elektronenquelle emittierten Elektronenstrahlen ein Elektronenstrahl mit einem zentralen Abstrahlwinkel innerhalb von 1×10^-2 sr verwendet wird, und wobei die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die Heizeinheit derart zu steuern, dass sie die Feldemissions-Elektronenquelle heizt, wenn die zweite Ableitung des Stromes des Elektronenstrahls nach der Zeit nach einer Schnellverdampfung an der Feldemissions-Elektronenquelle negativ oder Null ist.
Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl nach Anspruch 1 mit einer nicht-verdampfenden Getterpumpe (23) in der Vakuum-Abpumpeinheit (20, 23).
Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl nach Anspruch 1, mit einem Detektor (15) für den Strom des Elektronenstrahls, wobei die Feldemissions-Elektronenquelle (4) mit der Heizeinheit (16) wiederholt erhitzt wird und der Strom des von der Feldemissions-Elektronenquelle emittierten Elektronenstrahls unter Verwendung des Ausgangssignals des Detektors auf einem Wert gehalten wird, der größer ist als ein vorgegebener Wert.
Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl nach Anspruch 3, wobei die Steuereinheit (17) die Heizeinheit (16) derart steuert, dass die Feldemissions-Elektronenquelle (4) aufgeheizt wird, wenn der Strom des Elektronenstrahls bezüglich des Anfangswerts I(0) des Stroms I(t) des von der Feldemissions-Elektronenquelle emittierten Elektronenstrahls zu αI(0) wird, wobei α ≥ 0,8 ist.
Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl nach Anspruch 3, wobei die Steuereinheit (17) die Heizeinheit (16) derart steuert, dass die Feldemissions-Elektronenquelle (4) aufgeheizt wird, wenn das Abnahmeverhältnis [I(t) - I(t+tc)]/I(t) des Stroms im Zeitintervall t_c bezüglich des Stroms I(t) des von der Feldemissions-Elektronenquelle emittierten Elektronenstrahls größer ist als ein vorgegebener Wert β, wobei t_c < 60 Minuten ist und β ≥ 0,01.
Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl nach Anspruch 1, wobei die Temperatur, auf die die Feldemissions-Elektronenquelle (4) aufgeheizt wird, kleiner ist als 2000 Grad.
Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl nach Anspruch 1, wobei beim Aufheizen der Feldemissions-Elektronenquelle (4) der Elektronenstrahl weiter normal von der Feldemissions-Elektronenquelle emittiert wird.
Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl nach Anspruch 1 mit einer Eingabevorrichtung (19) zur Eingabe, ob das Aufheizen der Feldemissions-Elektronenquelle (4) mittels der Steuereinheit (17) automatisch erfolgen soll; und einer Anzeigevorrichtung (18) zum Anzeigen des Eingabeergebnisses an der Eingabevorrichtung.
Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl nach Anspruch 1, wobei von der Feldemissions-Elektronenquelle (4) weiter Elektronenstrahlen emittiert werden, während die Feldemissions-Elektronenquelle auf 1000 Grad oder weniger aufgeheizt wird.
Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl mit einer Feldemissions-Elektronenquelle (4), einer Elektrode (11) zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die Feldemissions-Elektronenquelle und einer Vakuum-Abpumpeinheit (20, 23) zum Aufrechterhalten eines Drucks um die Feldemissions-Elektronenquelle von weniger als 1×10^-8 Pa, wobei die Vorrichtung umfaßt eine Ausbildungseinheit (34) für eine Gasadsorptionsschicht, um an der Oberfläche der Feldemissions-Elektronenquelle eine Gasadsorptionsschicht auszubilden, wobei die Ausbildungseinheit für eine Gasadsorptionsschicht die Abpumpgeschwindigkeit der Vakuum-Abpumpeinheit verändert, so dass der Druck um die Feldemissions-Elektronenquelle auf über 1×10^-8 Pa erhöht wird, um die Gasadsorptionsschicht auf der Feldemissions-Elektronenquelle zu bilden, und die Ausbildungseinheit für eine Gasadsorptionsschicht den Druck um die Feldemissions-Elektronenquelle bei unter 1×10^-8 Pa hält, um eine Probe (14) zu beobachten.
Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl nach Anspruch 10, wobei die Vakuum-Abpumpeinheit (20, 23) den Druck um die Feldemissions-Elektronenquelle (4) auf weniger als 1 × 10^-9 Pa hält, wenn die Probe (14) beobachtet wird.
Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl nach Anspruch 10, wobei die Vakuum-Abpumpeinheit (20, 23) eine nicht-verdampfende Getterpumpe (23) und ein Ventil umfaßt, dessen Durchlässigkeit auf der stromaufwärtigen Seite variabel ist.
Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl nach Anspruch 10, wobei die Ausbildungseinheit (34) für die Gasadsorptionsschicht eine Gaszuführung (35) zum Zuführen von Gas von außerhalb der Vorrichtung umfaßt, wobei die Gasadsorptionsschicht dadurch auf der Feldemissions-Elektronenquelle (4) ausgebildet wird, dass von der Gaszuführung Gas auf die Feldemissions-Elektronenquelle abgegeben wird.
Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl nach Anspruch 10, wobei die Ausbildungseinheit (34) für eine Gasadsorptionsschicht ein Gas adsorbierendes Material (36) in der Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl umfaßt, wobei die Gasadsorptionsschicht dadurch auf der Feldemissions-Elektronenquelle (4) ausgebildet wird, dass von dem Gas adsorbierenden Material Gas auf die Feldemissions-Elektronenquelle abgegeben wird.
Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl nach Anspruch 10 mit einer Steuereinheit (17) für die Ausbildungseinheit (34) für eine Gasadsorptionsschicht; einer Eingabevorrichtung (19) zur Auswahl, ob das Aufheizen der Feldemissions-Elektronenquelle (4) mittels der Steuereinheit automatisch erfolgen soll; und eine Anzeigeeinheit (18) zur Anzeige der Auswahl an der Eingabevorrichtung.
Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl nach Anspruch 13, wobei die Feldemissions-Elektronenquelle (4) aufgeheizt wird, während von der Ausbildungseinheit (34) für eine Gasadsorptionsschicht der Feldemissions-Elektronenquelle Gas zugeführt wird.
Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl nach Anspruch 16, wobei die Temperatur, auf die die Feldemissions-Elektronenquelle (4) aufgeheizt wird, kleiner ist als 2000 Grad.
Steuerverfahren für eine Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl mit einer Feldemissions-Elektronenquelle, einer Elektrode zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die Feldemissions-Elektronenquelle, einer Heizeinheit für die Feldemissions-Elektronenquelle und einer Steuereinheit zum Steuern der Heizeinheit, wobei das Verfahren umfasst: das Aufrechterhalten eines Drucks um die Feldemissions-Elektronenquelle von weniger als 1 × 10^-8 Pa durch eine Vakuum-Abpumpeinheit, das Verwenden eines von der Feldemissions-Elektronenquelle emittierten Elektronenstrahls mit einem zentralen Abstrahlwinkel innerhalb von 1 × 10^-2 sr, und das Steuern der Heizeinheit durch die Steuereinheit derart, dass sie die Feldemissions-Elektronenquelle heizt (71), wenn die zweite Ableitung des Stromes des Elektronenstrahls nach der Zeit nach einer Schnellverdampfung an der Feldemissions-Elektronenquelle auf einen negativ oder Null ist (74).
Steuerverfahren für eine Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl nach Anspruch 18, wobei die Feldemissions-Elektronenquelle mit der Heizeinheit wiederholt erhitzt wird (71) und der Strom des von der Feldemissions-Elektronenquelle emittierten Elektronenstrahls auf einem Wert gehalten wird, der größer ist als ein vorgegebener Wert.