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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Technologie für eine Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl.
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Stand der Technik
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Zur Betrachtung von mikroskopischen Bereichen auf einem Objekt werden Rasterelektronenmikroskope (REM) und Transmissionselektronenmikroskope (TEM) eingesetzt. Im allgemeinem wird bei diesen Vorrichtungen ein zweites Gehäuse, in dem sich eine Probe befindet, evakuiert, so daß sich die Probe im Vakuum befindet, und die Probe dann abgebildet. Es besteht ein dringender Bedarf nach einer Vorrichtung, mit der auch Proben unter einem Elektronenmikroskop betrachtet werden können, die im Vakuum Schaden erleiden oder deren Zustand sich im Vakuum ändert, etwa biochemische Proben oder flüssige Proben. Deshalb wurde in den letzten Jahren die Entwicklung von REMs vorangetrieben, die eine Betrachtung der jeweiligen Probe unter Atmosphärendruck erlauben, etwa mit speziellen Probenhalterungen und dergleichen.
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Die entsprechenden Vorrichtungen weisen im Prinzip eine dünne Schicht oder eine mikroskopische Öffnung auf, die der Elektronenstrahl durchsetzen kann und die zwischen dem elektronenoptischen System und der Probe angeordnet ist, um den atmosphärischen Zustand von Vakuumzustand zu trennen. Den Vorrichtungen gemeinsam ist die zwischen der Probe und dem elektronenoptischen System angeordnete dünne Schicht.
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Zum Beispiel beschreibt die Patent-Druckschrift 1:
JP 2009-245944 A (
US-Patent Nr. US 2009/0242763 A1 ) eine geschlossene Zelle, wobei sich die zu untersuchende Probe in einem petrischalenartigen zylindrischen Behälter mit einer Öffnung an der Oberseite befindet, durch die der Elektronenstrahl einfällt. Der zylindrische Behälter ist im zweiten Gehäuse eines REMs angeordnet, und von außen wird ein Schlauch zu dem zylindrischen Behälter im zweiten Gehäuse geführt. Das Innere des Behälters kann daher auf einer Pseudo-Basis in einer Luftatmosphäre gehalten werden. Mit ”Pseudo-Basis” soll darauf hingewiesen werden, daß, wenn das Innere des zweiten Gehäuses evakuiert wird, Gas durch die Öffnung strömt, so daß die Beobachtung genau genommen nicht in einer Umgebung erfolgt, die sich auf Atmosphärendruck befindet.
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Die Patent-Druckschrift 2:
JP 2007-294365 A beschreibt ein Atmosphärendruck-REM, bei dem die Elektronenquellenseite des elektronenoptischen Linsentubus nach unten gerichtet ist und die Objektivlinsenseite nach oben und bei dem über der Ausgangsöffnung für den Elektronenstrahl am distalen Ende des elektronenoptischen Objektivtubus mit einem O-Ring dazwischen ein dünne Schicht angebracht ist, die der Elektronenstrahl durchsetzen kann. Gemäß der Beschreibung in der Druckschrift wird die Probe, die Gegenstand der Untersuchung ist, direkt auf der dünnen Schicht angeordnet, der Primärelektronenstrahl wird von unten auf die Probe eingestrahlt und für die REM-Abbildung werden die reflektierten oder Sekundärelektronen erfaßt. Die Probe wird mit einem ringförmigen Element um die dünne Schicht gehalten. Die in der Patent-Druckschrift 2 beschrieben Anordnung ermöglicht ein Atmosphärendruck-REM, das insbesondere für die Untersuchung von flüssigen Proben geeignet ist.
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Die Patent-Druckschrift 3:
JP 2007-188821 A beschreibt ein kleines REM, mit dem eine REM-Untersuchung ohne die Verwendung eines zweiten Gehäuses möglich ist, wobei ein kompakter elektronenoptischer Linsentubus in einer Ummantelung gehalten wird, deren Unterseite mit einem Vakuum-Dichtmaterial versehen ist, so daß die ganze Umhüllung als Ganzes mit dem Gegenstand der Untersuchung in engen Kontakt gebracht werden kann, im Gegensatz zu einem Atmosphärendruck-REM.
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Die Druckschrift
WO 2010/001399 A1 zeigt ein Elektronenmikroskop, bei dem die Elektronenstrahlquelle, die elektronenoptischen Linsen und der Sekundärelektronendetektor innerhalb eines Gehäuses unter Vakuumbedingungen angebracht sind, während die Probe unter atmosphärischen Bedingungen außerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Der Elektronenstrahl tritt dabei aus dem Gehäuse durch eine dünne Membran aus.
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In den Druckschriften
DE 100 32 607 A1 ,
US 2006/0011834 A1 und
US 5 811 803 A werden Rasterelektronenmikroskope beschrieben, die unter Niedrigvakuumbedingungen betrieben werden; insbesondere müssen die Probenkammer vor der Untersuchung der Probe evakuiert werden.
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Die Druckschrift
DE 10 2007 021897 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Substraten mit Elektronenstrahlen, bei der das den Probentisch und die Elektronenoptik enthaltende Gehäuse mit Hilfe eines abnehmbaren Trennelements abgeteilt werden kann.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Technisches Problem
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Beim Stand der Technik nach Patent-Druckschrift 1 oder 2 kann keine große Probe betrachtet werden. Zum Beispiel kann mit der geschlossenen Zelle der Patent-Druckschrift 1 keine Probe untersucht werden, die größer ist als das Volumen der Zelle. Bei dem Atmosphärendruck-REM der Patent-Druckschrift 2 wird die Probe im ringförmigen Element angeordnet. Wegen der Stabilität des elektronenoptischen Linsentubus kann dort keine große Probe angeordnet werden. Die mit einem Ladungsteilchenmikroskop zu untersuchenden Objekte umfassen jedoch auch biomedizinische Proben und viele andere Proben, die nicht zerschnitten werden können. Es besteht daher ein wirklicher Bedarf an einer Vorrichtung, mit der ein Gegenstand unter Atmosphärendruck oder in einer Gasatmosphäre untersucht werden kann, ohne daß es erforderlich ist, die Größe der Probe zu verändern.
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Mit der vorliegenden Erfindung soll dieses Problem beseitigt werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl oder ein Ladungsteilchenmikroskop zu schaffen, mit dem eine große Probe in einer Luftatmosphäre oder einer Gasatmosphäre untersucht werden kann.
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Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl, die mit einer dünnen Schicht versehen ist, die eine Vakuumatmosphäre von einer Luftatmosphäre (oder einer Gasatmosphäre) trennt. Die Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl umfaßt einen optischen Linsentubus für die geladenen Teilchen, der das optische System für die geladenen Teilchen aufnimmt, ein Gehäuse mit einer Bahn, entlang der der Primärstrahl der geladenen Teilchen, der von dem optischen Linsentubus für die geladenen Teilchen emittiert wird, den dünnen Film erreicht und entlang dem eine Vakuumatmosphäre aufrecht erhalten wird, und einen Mechanismus, der den optischen Linsentubus für die geladenen Teilchen und ein erstes Gehäuse an einer Installationsfläche für die Vorrichtung hält. Dieser Haltemechanismus wird von einem Gehäuse mit einer Öffnung, durch die eine große Probe eingebracht werden kann, oder von einem Mechanismus mit einer anderen Form als der eines Gehäuses gebildet, etwa der eines Pfostens, wodurch das oben genannte Problem gelöst wird. Die Länge der Bahn, entlang der der Primärstrahl geladener Teilchen durch die dünne Schicht die Probe erreicht, wird mit einer geeigneten Einrichtung eingestellt.
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Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
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Auch eine sehr große Probe kann mit einem geladenen Teilchenstrahl unter Atmosphärendruck oder in einer Gasatmosphäre untersucht werden. Außerdem ist es möglich, bei der Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl die Position an der Probe, die untersucht wird, ohne Beschädigung der dünnen Schicht während der Untersuchung zu verändern.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt den Gesamtaufbau einer Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl bei einer ersten Ausführungsform;
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2 den Gesamtaufbau einer Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl bei einer zweiten Ausführungsform;
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3 ein Beispiel für die Konfiguration eines Bildschirms für den Betrieb der Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl bei der zweiten Ausführungsform;
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4 ein weiteres Beispiel für die Konfiguration eines Bildschirms für den Betrieb der Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl bei der zweiten Ausführungsform;
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5 den Gesamtaufbau einer Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl bei einer dritten Ausführungsform;
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6 den Gesamtaufbau einer Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl bei einer vierten Ausführungsform;
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7 eine Variante der Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl bei der vierten Ausführungsform; und
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8 den Gesamtaufbau einer Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl bei einer fünften Ausführungsform.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Die folgende Beschreibung beruht auf einem REM mit einem Elektronenstrahl. Es ist jedoch auch jede andere Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl möglich, etwa ein Rasterionenmikroskop (RIM), bei dem ein Ionenstrahl eingestrahlt wird und Sekundärelektronen oder reflektierte Elektronen erfaßt werden, oder ein Ionenmikroskop, bei dem ein Ionenstrahl aus einem leichten Element verwendet wird. Die im folgenden beschriebenen Ausführungsformen können auch kombiniert werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
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Erste Ausführungsform
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Die 1 zeigt den Gesamtaufbau einer Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl. Die in der 1 gezeigte Vorrichtung ist ein Rastermikroskop, bei dem eine Probe 6 von einem geladenen Teilchenstrahl abgetastet wird und zum Erzeugen einer Abbildung die sich dabei ergebenden Sekundärelektronen oder reflektierten Elektronen erfaßt werden. Generell umfaßt die Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl einen elektronenoptischen Linsentubus 2, ein erstes Gehäuse 7, das den elektronenoptischen Linsentubus 2 enthält, ein zweites Gehäuse 8, in dem die Probe untergebracht ist, die Gegenstand der Untersuchung ist, und eine dünne Schicht 10, die am Boden des ersten Gehäuses 7 ausgebildet ist und die den Primelektronenstrahl durchläßt. Der elektronenoptische Linsentubus 2 ragt in das Innere des ersten Gehäuses 7 hinein. Am Ende des elektronenoptischen Linsentubus 2 ist ein Detektor 3 angeordnet, die die Sekundärelektronen oder reflektierten Elektronen erfaßt. Bei dem Aufbau der 1 befindet sich der Detektor 3 im ersten Gehäuse 7. Alternativ kann sich der Detektor 3 im elektronenoptischen Linsentubus 2 oder im zweiten Gehäuse 8 befinden.
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Anstelle der dünnen Schicht 10 kann im Boden des ersten Gehäuses 7 auch eine Durchgangsöffnung zum Durchlassen des Primärelektronenstrahls ausgebildet sein. In der Zeichnung bezeichnet eine strichpunktierte Linie die Achse des Primärelektronenstrahls, und der elektronenoptische Linsentubus 2, das erste Gehäuse 7 und die dünne Schicht 10 sind koaxial zu der Achse des Primärelektronenstrahls angeordnet.
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Das Steuersystem für die Vorrichtung umfaßt einen PC 35, der vom Benutzer der Vorrichtung verwendet wird, eine übergeordnete Steuereinheit 36, die mit dem PC 35 verbunden ist damit kommuniziert, und eine nachgeordnete Steuereinheit 37, die das Vakuumsystem oder das elektronenoptische System entsprechend Anweisungen von der übergeordneten Steuereinheit 36 steuert. Der PC 35 umfaßt einen Monitor, auf dem ein Betriebsbildschirm (mit einer graphischen Benutzeroberfläche) für die Vorrichtung angezeigt wird, und eine Eingabevorrichtung für den Betriebsbildschirm, etwa eine Tastatur und eine Maus. Die übergeordnete Steuereinheit 36, die nachgeordnete Steuereinheit 37 und der PC 35 sind über Kommunikationsleitungen 43 und 44 miteinander verbunden. Die nachgeordnete Steuereinheit 37 ist ein Bereich, der Steuersignale zum Steuern einer Vakuumpumpe 4, eines Gassteuerventils 101, einer Elektronenquelle 0 und von optischen Linsen 1 überträgt oder aufnimmt. Die nachgeordnete Steuereinheit 37 wandelt das Ausgangssignal des Detektors 3 in ein digitales Bildsignal um und überträgt das digitale Bildsignal zur übergeordneten Steuereinheit 36. Sowohl in der übergeordneten Steuereinheit 36 als auch in der nachgeordneten Steuereinheit 37 kann es analoge und digitale Schaltungen nebeneinander geben, und die übergeordnete Steuereinheit 36 und die nachgeordnete Steuereinheit 37 können auch in einer Einheit zusammengefaßt sein. Der in der 1 gezeigte Aufbau des Steuersystems ist nur ein Beispiel. Zu der Kategorie des REMs oder der Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl gehört jede Variante der Steuereinheiten, Ventile, Vakuumpumpen und Kommunikationsleitungen, mit der die von der vorliegenden Ausführungsform angestrebten Möglichkeiten verwirklicht werden.
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Der elektronenoptische Linsentubus 2 enthält in seinem Inneren ein elektronenoptisches System. Das elektronenoptische System umfaßt die Elektronenquelle 0, die den Primärelektronenstrahl aussendet, die verschiedenen optischen Linsen 1, mit denen die Bahn des Elektronenstrahls gesteuert wird, und verschiedene Deflektoren zum Ablenken der Bahn des Elektronenstrahls. Wenn die Vorrichtung ein RIM oder Ionenmikroskop ist, bezeichnen der elektronenoptische Linsentubus 2 und das elektronenoptische System einen optischen Linsentubus für geladene Teilchen und ein optisches System für geladene Teilchen, und unter der Elektronenquelle ist eine Ionenquelle zu verstehen. Die verschiedenen optischen Linsen und die verschiedenen Deflektoren werden dann von elektrostatischen Linsen und elektrostatischen Deflektoren gebildet, da bei einem Ionenstrahl im Fall von Linsen und Deflektoren vom Magnetfeldtyp eine Massentrennung erfolgt.
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Das Innere des elektronenoptischen Linsentubus 2 und das erste Gehäuse (genau genommen der geschlossene Raum, der von den Oberflächen des ersten Gehäuses 7 und des elektronenoptischen Linsentubus 2 gebildet wird) wird beim Betrieb der Vorrichtung von der Vakuumpumpe 4 evakuiert und damit in einem Zustand gehalten, in dem der Druck niedriger ist als der Atmosphärendruck. Die Verbindungsstelle des ersten Gehäuses 7 mit dem elektronenoptischen Linsentubus 2 ist daher mit einem vakuumdichten Element 17 versehen. Im Gegensatz dazu weist das zweite Gehäuse 8 eine Öffnung 81 (oder eine offene Fläche) auf, durch die das Innere des zweiten Gehäuses 8 zur Luft hin offen ist. Bei der Untersuchung einer Probe befindet sich das Innere des zweiten Gehäuses 8 immer in dem zur Luft offenen Zustand.
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Das Innere des zweiten Gehäuses 8 und des ersten Gehäuses 7 wird im folgenden als erster Raum 12 bzw. als zweiter Raum 11 bezeichnet. Im zweiten Raum 11 hat die Bahn des Primärelektronenstrahls nicht durch die dünne Schicht 10 geführt, und im ersten Raum 12 hat die Bahn des Primärelektronenstrahls durch die dünne Schicht 10 geführt.
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In der 1 wird das Innere des elektronenoptischen Linsentubus 2 und des ersten Gehäuses 7 mit einer einzigen Vakuumpumpe 4 evakuiert. Alternativ können auch zwei oder mehr Vakuumpumpen vorgesehen sein, die den elektronenoptischen Linsentubus 2 und das erste Gehäuses 7 unabhängig voneinander evakuieren. Eine Rohrleitung 16 ist sowohl mit dem elektronenoptischen Linsentubus 2 als auch dem ersten Gehäuses 7 verbunden. Alternativ können mit dem elektronenoptischen Linsentubus 2 und dem ersten Gehäuses 7 auch separate Rohrleitungen verbunden sein.
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Das erste Gehäuse 7 ist mit einem Leckventil 15 versehen, so daß das erste Gehäuse 7 für die Luft geöffnet werden kann, wenn die Vorrichtung nicht in Betrieb ist. Die Position für das Leckventil 15 am ersten Gehäuse 7 ist nicht besonders vorgegeben. Es können auch zwei oder mehr Leckventile 15 vorgesehen sein, und es kann überhaupt kein Leckventil vorgesehen sein.
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Wenn anstelle der dünnen Schicht 10 eine Durchgangsöffnung ausgebildet ist, ist die Fläche der Durchgangsöffnung vorzugsweise gleich oder kleiner als 1 mm2. Die Fläche der Durchgangsöffnung muß gleich oder kleiner als 1 mm2 sein, damit mit einer realen Vakuumpumpe, etwa einer Turbomolekularpumpe oder einer Kreiselpumpe, eine differentielle Evakuierung möglich ist. Da das zweite Gehäuse 8 und das erste Gehäuse 7 differentiell evakuiert werden, sollten unabhängige Vakuumpumpen zum Evakuieren des elektronenoptischen Linsentubus 2 und des ersten Gehäuses 7 vorgesehen werden.
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Wenn statt einer Durchgangsöffnung die dünne Schicht vorgesehen ist, sollte die Dicke der dünnen Schicht gleich oder kleiner sein als 20 μm. Der Grund dafür ist, daß mit einer Elektronenkanone mit einer Beschleunigungsspannung von einigen zehn Kilovolt, wie sie in einem REM im allgemeinen verwendet wird, die Dicke einer dünnen Schicht, die der Elektronenstrahl durchsetzen kann, etwa 20 μm beträgt.
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Auf einem Probentisch 501 wird eine Probe 6 plaziert und im zweiten Gehäuse 8 angeordnet. Es sind Probentische 501 mit verschiedenen Dicken möglich. Die geeignete Dicke wird entsprechend der Dicke der zu untersuchenden Probe gewählt und im zweiten Gehäuse 8 untergebracht. Diese Arbeit muß manuell ausgeführt werden. Bei dieser Arbeit kann der Abstand zwischen der dünnen Schicht 10 und der Oberfläche der zu untersuchenden Probe auf einen geeigneten Wert eingestellt werden.
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Da das zweite Gehäuse 8 die Öffnung 81 aufweist, kann auch eine große Probe, die wie in der 1 gezeigt aus dem Gehäuse herausragt, im Gehäuse untergebracht werden. Da das zweite Gehäuse 8 immer offen ist, kann auch noch während einer REM-Untersuchung mit der Hand durch die Öffnung 81 in das Gehäuse gegriffen werden. Durch Bewegen des Probentisches 501 kann dabei die Beobachtungsposition an der Probe 6 während der REM-Untersuchung verändert werden.
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Bei den existierenden Atmosphärendruck-REMs ist es sehr schwierig, die Beobachtungsposition an der Probe während der Untersuchung zu verändern. Zum Beispiel befindet sich bei der geschlossenen Zelle der Patent-Druckschrift 1 die Probe, die Gegenstand der Untersuchung ist, in der Zelle mit der Öffnung zum Durchlassen des Elektronenstrahls. Wenn die Zelle bewegt wird, wird nicht nur die Probe darin bewegt, sondern auch die Öffnung zum Durchlassen des Elektronenstrahls. Bei der Methode mit der geschlossenen Zelle kann daher nur eine bestimmte Position an der Probe untersucht werden. Bei dem in der Patent-Druckschrift 2 beschriebenen Atmosphärendruck-REM steht die Probe mit der dünnen Schicht in Kontakt. Wenn die Probe während der Untersuchung bewegt wird, besteht die Gefahr, daß die dünne Schicht beschädigt wird und das Vakuum im elektronenoptischen System zusammenbricht. Es ist daher schwierig, die Beobachtungsposition an der Probe während der Untersuchung zu verändern.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform kann mit einem Atmosphärendruck-REM eine Probe untersucht werden, die so groß ist, daß sie nicht in das zweite Vakuumgehäuse eines gewöhnlichen REM paßt. Außerdem ist es möglich, bei einem REM oder einer Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl die Beobachtungsposition an der Probe zu verändern, ohne daß es erforderlich ist, die Einfallposition des geladenen Teilchenstrahls anzupassen.
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Zweite Ausführungsform
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Bei einem Atmosphärendruck-REM befindet sich in dem Raum zwischen der dünnen Schicht und der Probe eine Luftatmosphäre oder eine Gasatmosphäre, so daß der Elektronenstrahl davon gestreut wird. Um eine gute Abbildung zu erhalten, sollte der Abstand zwischen der Probe und der dünnen Schicht daher so klein wie möglich sein. Wenn der Abstand zwischen der Probe und der dünnen Schicht jedoch zu klein ist, besteht die Gefahr, daß die dünne Schicht beschädigt wird.
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Bei der in der Patent-Druckschrift 1 für den Stand der Technik beschriebenen geschlossenen Zelle kann der Abstand zwischen der Öffnung der Zelle und der Oberfläche der Probe in der Zelle während der Untersuchung nicht verändert werden. In der Zelle hat nur eine kleine Probe Platz. Bei dem in der Patent-Druckschrift 2 beschriebenen Atmosphärendruck-REM ist es Voraussetzung, daß die Probe mit der dünnen Schicht in Kontakt steht. Für jede Untersuchung muß eine neue dünne Schicht verwendet werden.
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Bei der ersten Ausführungsform wird der Abstand zwischen der Probe und der dünnen Schicht durch Ändern der Dicke des Probentisches 501, der sich im zweiten Gehäuse befindet, eingestellt. Die Untersuchung kann um so besser durchgeführt werden, je genauer der Abstand eingestellt werden kann.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Atmosphärendruck-REM beschrieben, mit dem es möglich ist, den Abstand zwischen der Probe und der dünnen Schicht unter Verwendung eines Z-Tisches und einer Abstandsmeßeinrichtung sehr genau einzustellen.
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Die 2 zeigt den Gesamtaufbau der Vorrichtung mit einem geladenen Teilchenstrahl bei der vorliegenden Ausführungsform. Der in der 2 gezeigte Aufbau der Vorrichtung hat vieles mit dem in der 1 gezeigten Aufbau der Vorrichtung gemeinsam. Die gemeinsamen Teile werden im folgenden nicht mehr beschrieben, sondern es werden nur die Unterschiede erläutert.
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Das in der 2 gezeigte REM umfaßt ähnlich wie das REM der 1 den elektronenoptischen Linsentubus 2, das erste Gehäuse 7 zur Aufnahme des elektronenoptischen Linsentubus 2, das zweite Gehäuse 8, in dem sich die Probe befindet, die Gegenstand der Untersuchung ist, und verschiedene Steuersysteme wie bei der 1. Bei dem REM der vorliegenden Ausführungsform ist die dünne Schicht 10 mittels eines Halteelements 47 für die dünne Schicht am Boden des ersten Gehäuses 7 angebracht. Zum Verbinden des Halteelements 47 für die dünne Schicht mit der dünnen Schicht 10 kann jedes Mittel verwendet werden, mit dem eine vakuumdichte Abdichtung erhalten wird. Zum Beispiel kann ein Vakuum-Dichtelement wie ein O-Ring verwendet werden oder ein organisches Material, etwa ein Klebstoff, oder ein Klebeband. Wie bei der Ausführungsform 1 kann die dünne Schicht 10 durch ein geeignetes Plattenelement mit einer Durchgangsöffnung ersetzt werden.
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Im Boden des ersten Gehäuses 7 ist eine kreisrunde Öffnung ausgebildet, und das Halteelement 47 für die dünne Schicht ist so am ersten Gehäuse 7 angebracht, daß es die Öffnung von außen abdeckt. Das erste Gehäuse 7 und der elektronenoptische Linsentubus 2 werden von einer Vakuumpumpe 4 evakuiert, wobei die Vakuumabdichtung des ersten Gehäuses 7 durch einen O-Ring am Rand der Öffnung aufrecht erhalten wird. Das Halteelement 47 für die dünne Schicht kann damit am ersten Gehäuse 7 angebracht und davon abgenommen werden. Die dünne Schicht 10 ist so dünn, daß sie nur schwer handzuhaben ist. Nachdem die dünne Schicht 10 außerhalb der Vorrichtung am Halteelement 47 für die dünne Schicht angebracht wurde, wird das mit der dünnen Schicht 10 versehene Halteelement 47 für die dünne Schicht am ersten Gehäuse 7 angebracht. Ein Ersetzen der dünnen Schicht 10 wird damit sehr einfach. Wenn die dünne Schicht 10 beschädigt wird, wird die dünne Schicht 10 zusammen mit dem Halteelement 47 für die dünne Schicht ausgetauscht.
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Das REM der vorliegenden Ausführungsform umfaßt einen Probentisch, mit dem die Probe, die Gegenstand der Untersuchung ist, im zweiten Gehäuse 8 untergebracht wird. Der Probentisch ist mit einem Positionierantrieb versehen. Der Probentisch umfaßt einen Tisch 5, auf die Probe 6 plaziert wird, einen Z-Antriebsmechanismus 502 und einen XY-Antriebsmechanismus 503. Die Probe 6 wird durch die Öffnung 81 in das zweite Gehäuse 8 gebracht. Das zweite Gehäuse 8 ist mit einem Positionsmeßinstrument 14 versehen, das die Höhe der Probenoberfläche und dessen Position in planarer Richtung erfaßt. Als Positionsmeßinstrument 14 kann zum Beispiel ein optisches Abstandsmeßgerät verwendet werden. Als Licht kann sichtbares Licht, Infrarotlicht, Laserlicht und dergleichen verwendet werden. Das Meßergebnis des Positionsmeßinstruments 14 wird über die nachgeordnete Steuereinheit 37 und die übergeordnete Steuereinheit 36 zum PC 35 übertragen und auf dem Monitor angezeigt. Ein Benutzer manipuliert den Z-Antriebsmechanismus 502, während er das am Monitor angezeigte Ergebnis der Messung im Auge behält, und bewegt dabei die Probe 6 so nahe an die dünne Schicht 10, daß die Probenoberfläche gerade nicht mit der dünnen Schicht 10 in Kontakt kommt. Das in der 2 gezeigte REM ist so aufgebaut, daß die Probe bei der Manipulation des Z-Antriebsmechanismusses 502 manuell verschoben wird. Alternativ kann die Vorrichtung so aufgebaut sein, daß der Z-Antriebsmechanismus 502 mit einem Motor oder Aktuator versehen ist und das Ausmaß der Verschiebung des Z-Antriebsmechanismusses 502 mittels der graphischen Benutzeroberfläche des Monitors manipuliert wird.
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Mit diesem Aufbau kann bei dem REM der Abstand zwischen der dünnen Schicht 10 und der Probe 6 genauer eingestellt werden als bei der ersten Ausführungsform, das heißt daß es möglich ist, bei dem REM der zweiten Ausführungsform die Probe 6 näher an die dünne Schicht 10 heranzubringen. Mit der vorliegenden Ausführungsform ist es daher möglich, eine REM-Abbildung mit einer höheren Auflösung zu erhalten als bei der ersten Ausführungsform.
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Das REM der vorliegenden Ausführungsform umfaßt eine Gasdüse 100, aus dem in der Nähe der Einstrahlposition des Primärelektronenstrahls auf der Probe ein Gas abgegeben wird, dessen Masse kleiner ist als die von Luft. Die Gasdüse 100 ist über eine Rohrleitung mit einem Gaszylinder 103 verbunden, der mit dem Gas eines leichten Elements gefüllt ist. In der Rohrleitung befindet sich ein Gassteuerventil 101 und ein Anschlußstück 102. Normalerweise ist der Gaszylinder 103 nicht Teil des REMs, sondern ein Benutzer schließt den Gaszylinder 103 nachträglich an. Das REM kann jedoch auch mit dem Gaszylinder daran verkauft werden.
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Der Primärelektronenstrahl tritt nach dem Durchlaufen der dünnen Schicht 10 oder der Durchgangsöffnung in das zweite Gehäuse 8 ein. Das Innere des zweiten Gehäuses 8 befindet sich unter Atmosphärendruck oder in einem nur schwach evakuierten Zustand. Der in das zweite Gehäuse 8 eintretende Primärelektronenstrahl wird daher an den Stickstoff- und Sauerstoff-Gasmolekülen gestreut, und die mittlere freie Weglänge des Primärelektronenstrahls ist kürzer als im ersten Gehäuse 7. Wenn die mittlere freie Weglänge kürzer ist als der Abstand zwischen der dünnen Schicht 10 und der Oberfläche der Probe 6, erreicht der Elektronenstrahl die Probe nicht, und es ist keine REM-Untersuchung möglich.
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Je größer die Masse der Gasmoleküle ist, an denen die Streuung erfolgt, um so kürzer ist die mittlere freie Weglänge des Elektronenstrahls. Wenn die Bahn des Primärelektronenstrahls im zweiten Gehäuse 8 mit Gasmolekülen gefüllt ist, die eine kleinere Masse haben als Stickstoff oder Sauerstoff, den Hauptelementen von Luft, wird die mittlere freie Weglänge größer als in einer Luftatmosphäre. Das REM der vorliegenden Ausführungsform enthält die Gasdüse 100, und das Gas eines leichten Elements, etwa Wasserstoffgas, Heliumgas, Methangas oder Wasserdampf wird in der Nähe der Einstrahlposition des Primärelektronenstrahls auf der Probe freigesetzt. Damit wird die Wahrscheinlichkeit größer, daß der in das zweite Gehäuse 8 eingetretene Primärelektronenstrahl die Probe 6 erreicht. Letztlich erhöht sich damit die Menge der an der Probe entstehenden reflektierten Elektronen oder Sekundärelektronen, und es ist auch die Wahrscheinlichkeit kleiner, daß die reflektierten Elektronen oder die Sekundärelektronen im zweiten Gehäuse 8 gestreut werden. Im Ergebnis wird die Wahrscheinlichkeit höher, daß die reflektierten Elektronen oder die Sekundärelektronen den Detektor 3 erreichen, wodurch sich die Bildqualität der aufgenommenen REM-Abbildung erhöht.
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Das REM der vorliegenden Ausführungsform enthält neben dem Detektor 3 im ersten Gehäuse 7 noch einen EDX-Detektor 18, so daß an der untersuchten Probe eine Materialanalyse durchgeführt werden kann. Außer dem EDX-Detektor kann auch noch ein Fluoreszenzliniendetektor vorgesehen sein. Wenn der Primärelektronenstrahl auf die Probe 6 eingestrahlt wird, fließt in der Probe ein Absorptionsstrom. Wenn der von der Probe 6 in den Probentisch fließende Strom gemessen wird, kann eine Abbildung auf der Basis des Absorptionsstroms (oder der absorbierten Elektronen) aufgenommen werden. Zu diesem Zweck befindet sich in der nachgeordneten Steuereinheit 37 ein Amperemeter, und die Oberfläche des Probentisches 5, auf dem die Probe plaziert wird, besteht aus einem leitenden Material, so daß der Probentisch 5 die Möglichkeit zur Stromerfassung aufweist.
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In Verbindung mit den 3 und 4 wird nun ein Betriebsbildschirm für das REM der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
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Der Betriebsbildschirm der 3 umfaßt zum Beispiel ein Betriebsfenster 50, einen Bildanzeigeabschnitt 51, eine Schaltfläche 52 für den Beginn der Bildaufnahme und zum Starten der Emission eines Elektronenstrahls zu Beginn der Aufnahme einer Abbildung, eine Schaltfläche 53 für das Ende der Bildaufnahme und zum Stoppen der Emission des Elektronenstrahls und Festhalten der Abbildungsanzeige, eine Fokussierschaltfläche 54 zum Einstellen der optischen Linsen einschließlich einer Ablenklinse und einer Objektivlinse, um eine automatische Fokussierung auszuführen, eine Schaltfläche 55 zum Einstellen der Helligkeit der Abbildung, eine Schaltfläche 56 zum Einstellen des Kontrastes, eine Evakuierungsschaltfläche 57 für den Beginn der Evakuierung des Inneren des optischen Linsentubus 2 für die geladenen Teilchen oder des ersten Gehäuses 7 und eine Schaltfläche 58 für ein Atmosphärenventil zum Füllen des Inneren des ersten Gehäuses 7 mit Luft. Wenn im Bildschirm die Evakuierungsschaltfläche 57 angeklickt wird, wird mit der Evakuierung begonnen. Wenn die Evakuierungsschaltfläche 57 erneut angeklickt wird, wird die Evakuierung beendet. Das gleiche gilt für die Schaltfläche 58 für das Atmosphärenventil. Die bei der Manipulierung der Schaltflächen ausgeführten Schritte können auch durch eine Manipulation von mechanischen Knöpfen oder eines Knopfes an einer Haupteinheit der Vorrichtung ausgelöst werden.
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Im Betriebsfenster 50 befinden sich noch eine Schaltfläche 112 für den Beginn der Gasabgabe und zum Öffnen des Gassteuerventils 101 für das Abgeben von Gas an der Gasdüse und eine Schaltfläche 113 für das Ende der Gasabgabe und zum Schließen des Gassteuerventils 101 und Beenden der Gasabgabe.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform besteht die Möglichkeit, daß nach dem Anklicken der Schaltfläche 112 für den Beginn der Gasabgabe vergessen wird, die Schaltfläche 113 für das Ende der Gasabgabe anzuklicken, so daß das Gassteuerventil 101 offen bleibt und sich der Gaszylinder 103 leert. Beim Anklicken einer Schaltfläche 114 zum Einstellen der Bedingungen für die Gasabgabe wie in der 3 gezeigt öffnet sich daher das in der 4 gezeigte Fenster 118 zum Einstellen der Bedingungen für die Gasabgabe, mit dem die Bedingungen für die Gasabgabe eingestellt werden, etwa ob Gas abgegeben werden soll oder wie lange Gas abgegeben werden soll. Wenn die Zeit, während der Gas abgegeben werden soll, in ein Einstellfeld für die Gasabgabezeit im Fenster eingegeben wird, wird nach dem Anklicken der Schaltfläche 112 für den Beginn der Gasabgabe während der eingegebenen Zeit Gas abgegeben. Nach dem Verstreichen der Zeit wird die Abgabe des Gases automatisch beendet. Die Zeit, während der Gas abgegeben werden soll, kann nicht nur in einem Einstellfeld wie in der 4 gezeigt eingegeben werden, sie kann auch als fester Wert in der übergeordneten Steuereinheit 36 oder in der nachgeordneten Steuereinheit 37 gespeichert sein. Die Vorrichtung kann so aufgebaut sein, daß nach dem Verstreichen einer bestimmen Zeit seit dem Anklicken der Schaltfläche 112 für den Beginn der Gasabgabe die Gasabgabe beendet wird.
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Es kann sein, daß bei der Aufnahme einer REM-Abbildung immer eine Gasabgabe erfolgen soll. In diesem Fall wird nach den Ankreuzen eines Kästchens in einem Gasabgabe-Prüffeld 119 wie in der 4 gezeigt beim Anklicken der Schaltfläche 52 für den Beginn der Aufnahme das Gassteuerventil 101 automatisch geöffnet, da dies mit den Anklicken gekoppelt ist. Beim Anklicken der Schaltfläche 53 für das Ende der Aufnahme wird das Gassteuerventil 101 automatisch wieder geschlossen. Wenn dabei in einem Feld 117 für das Einstellen der Gasabgabezeit ein numerischer Wert eingetragen ist, wird nach dem Verstreichen der eingestellten Zeit das Gassteuerventil 101 geschlossen. Die Steuerung wird von der nachgeordneten Steuereinheit 37 ausgeführt. Auch wenn die Koppelfunktion für den Beginn der Aufnahme und den Beginn der Gasabgabe verwendet wird, bleiben die Schaltfläche 112 für den Beginn der Gasabgabe und die Schaltfläche 113 für das Ende der Gasabgabe der 3 in Funktion. Nach dem Anklicken der Schaltfläche 113 für das Ende der Gasabgabe wird eine Gasabgabe, mit der aufgrund der Koppelfunktion begonnen wurde, beendet.
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Dritte Ausführungsform
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Die vorliegende Ausführungsform umfaßt ein Beispiel eines REM mit einem Begrenzungselement, das den Abstand zwischen der dünnen Schicht und der Probe begrenzt, so daß keine Gefahr besteht, daß die Probe, die Gegenstand der Untersuchung ist, und die dünne Schicht einander so nahe kommen, daß der Abstand zwischen der der Probe gegenüberliegenden Oberfläche der dünnen Schicht zum Durchlassen des Primärelektronenstrahls und der Probe nicht mehr gleich oder größer ist als ein bestimmter Wert.
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Die 5 zeigt schematisch den Aufbau des REM bei der vorliegenden Ausführungsform. Das Steuersystem wurde dabei zur Vereinfachung weggelassen. Die in der 1 und 2 gezeigten Steuereinrichtungen zum Steuern des elektronenoptischen Systems und des Vakuumsystems sind jedoch auch bei der vorliegenden Ausführungsform vorhanden.
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Der Abstand zwischen der dünnen Schicht und der Probe ist vorzugsweise unabhängig von der Atmosphäre in der Bahn des Primärelektronenstrahls so klein wie möglich. Bei der Annäherung der dünnen Schicht und der Probe steigt jedoch die Wahrscheinlichkeit, daß die dünne Schicht beschädigt wird. Insbesondere bei den dünnen Schichten zum Durchlassen des Elektronenstrahls wird dieses Problem zu einem ernsten Problem.
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Zur Lösung dieses Problems wird wie in der 5 gezeigt an der Seite der dünnen Schicht 10, die der Probe gegenüberliegt, ein Begrenzungselement 105 angebracht, das verhindert, daß die dünne Schicht und die Probe in Kontakt kommen. Als Begrenzungselement 105 kann jedes Element verwendet werden, das verhindern kann, daß der Abstand zwischen der Probe und der dünnen Schicht zu klein wird. Es kann zum Beispiel ganz einfach ein Klebstoff oder ein Klebeband an der der Probe gegenüberliegenden Oberfläche der dünnen Schicht 10 angebracht und als Begrenzungselement 105 verwendet werden. Hinsichtlich der mittleren freien Weglänge des Primärelektronenstrahls nach dem Durchlaufen der dünnen Schicht 10 besteht das Begrenzungselement 105 jedoch vorzugsweise aus einem dünnen Material, dessen Dicke genau bekannt ist. In der 5 ist das Begrenzungselement 105 an der dünnen Schicht 10 angebracht. Alternativ kann das Begrenzungselement 105 auch am Halteelement 47 für die dünne Schicht oder dem Probentisch 5 angebracht werden. Das Begrenzungselement 105 kann auch an der Probe 6 angebracht werden. Das Begrenzungselement 105 kann abnehmbar angebracht werden.
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Die Auflösung nimmt mit kleiner werdenden Abstand zwischen der dünnen Schicht und der Probe zu. Vorzugsweise wird daher ein sehr dünnes Begrenzungselement 105 verwendet. Bei manchen Proben ist jedoch keine hohe Auflösung erforderlich. In diesem Fall sollte ein Begrenzungselement 105 verwendet werden, dessen Dicke einen bestimmten Wert hat. Mit einem Begrenzungselement 105, dessen Dicke einen bestimmten Wert hat, wird die Gefahr geringer, daß die dünne Schicht beschädigt wird. Ein abnehmbares Begrenzungselement 105 ist daher von Vorteil.
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Mit dem beschriebenen Begrenzungselement 105 kann verhindert werden, daß die dünne Schicht beschädigt wird, wenn die Probe aufgrund einer fehlerhaften Manipulation zu nahe an die dünne Schicht herangebracht wird.
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Vierte Ausführungsform
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Die vorliegende Ausführungsform umfaßt ein Beispiel für den Aufbau eines REM mit einem Mechanismus, mit dem der Abstand zwischen der dünnen Schicht und der Probe verändert wird. Bei den REMs der Ausführungsformen 2 und 3 wird der Abstand zwischen der dünnen Schicht und der Probe durch Verschieben der Probe mittels eines Z-Tisches eingestellt. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der obere Teil des REM mit dem elektronenoptischen Linsentubus 2 und einem zweiten Spiegelkörper beweglich, um damit den Abstand zwischen der dünnen Schicht und der Probe einzustellen.
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Die 6 zeigt den Gesamtaufbau des REM bei der vorliegenden Ausführungsform. Wie in der 5 wurden dabei die verschiedenen Steuersysteme weggelassen. Bei dem REM der vorliegenden Ausführungsform ist über dem elektronenoptischen Linsentubus 2 ein Antriebsmechanismus 200 angeordnet. Mit dem Antriebsmechanismus 200 werden der elektronenoptische Linsentubus 2 und das erste Gehäuse 7 in vertikaler Richtung bewegt, wodurch der relative Abstand der dünnen Schicht 10 zu der auf einem Tisch 21 angeordneten Probe 6 eingestellt wird. Zur Verhinderung einer Kollision ist an der der Probe gegenüberliegenden Seite der dünnen Schicht 10 das Begrenzungselement 105 angeordnet. An einem Flansch 19, der am Boden des ersten Gehäuses 7 vorsteht, ist das Positionsmeßinstrument 14 angebracht. Die dünne Schicht 10 ist am Halteelement 47 für die dünne Schicht befestigt und am ersten Gehäuse 7 abnehmbar angebracht.
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Bei dem in der 6 gezeigten Aufbau sind die Vakuumpumpe 4 und die Rohrleitung 16 beweglich mit dem elektronenoptischen Linsentubus 2 und dem ersten Gehäuse 7 verbunden. Zwischen der Rohrleitung 16 und dem elektronenoptischen Linsentubus 2 und zwischen der Rohrleitung 16 und dem ersten Gehäuse 7 kann ein vakuumdichtes Gleitelement angeordnet sein, so daß sich die Vakuumpumpe 4 und die Rohrleitung nicht bewegen, wenn der Antriebsmechanismus 200 betrieben wird.
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Bei dem REM der vorliegenden Ausführungsform sind der elektronenoptische Linsentubus 2 und das erste Gehäuse 7 an einem Pfosten 20 befestigt, so daß kein zweites Gehäuse zum Halten der gesamten Vorrichtung einschließlich dem elektronenoptischen Linsentubus 2 und dem ersten Gehäuse 7 erforderlich ist. Das REM mit dem Aufbau der vorliegenden Ausführungsform ist daher besonders für den Fall geeignet, daß großformatige Proben nicht zerschnitten, sondern so beobachtet werden wie sie sind. Das REM ist auch für den Fall geeignet, daß ein sehr großer Probentisch, etwa ein Förderband, verwendet wird.
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Die 7 zeigt eine andere Variante des REM mit einem Mechanismus zum Verändern des Abstands zwischen der dünnen Schicht und der Probe. Bei dem REM der 7 ist das Halteelement 47 für die dünne Schicht gegenüber dem ersten Gehäuse 7 mittels eines Antriebsmechanismusses 201 verschiebbar. Mit einem Vakuum-Abdichtmechanismus 124 wird eine Vakuumabdichtung zwischen dem Halteelement 47 für die dünne Schicht und dem ersten Gehäuse 7 erreicht. Der Vakuum-Abdichtmechanismus 124 sorgt auch für die Verschiebbarkeit.
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Bei dem in der 7 gezeigten REM kann der Abstand zwischen der dünnen Schicht und der Probe sowohl mit dem Z-Antriebsmechanismus 502 als auch mit dem Antriebsmechanismus 201 verändert werden. Zum Beispiel wird zur Grobeinstellung der Probe mit dem Z-Antrieb der Z-Antriebsmechanismus 502 verwendet. Zur Feineinstellung des Z-Antriebs wird der Antriebsmechanismus 201 verwendet.
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Um den Abstand von der Objektivlinse des REM zur Probe, das heißt die Brennweite zu verringern, wird der Z-Antriebsmechanismus 502 verwendet, um die Probe nahe an die dünne Schicht 10 zu bringen. Zum Vergrößern der Brennweite wird der Antriebsmechanismus 201 verwendet, um die dünne Schicht nahe an die Probe zu bringen.
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Wenn sich die Probe 6 auf einem Förderband befindet, kann es schwierig sein, das Förderband mit dem Z-Antriebsmechanismus 502 zu versehen. In diesem Fall erweist sich der Antriebsmechanismus 201 der 7 auf der Seite der dünnen Schicht 10 als sehr nützlich.
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Wenn die Probe 6 sehr groß ist und die in der 7 gezeigte Vorrichtung sehr klein, kann es schwierig sein, die Probe 6 zu bewegen. In diesem Fall befindet sich vorzugsweise die Probe 6 in einer festen Position, und auf der Seite der dünnen Schicht ist ein Antrieb vorgesehen, der die dünne Schicht 10 in die Nähe der Probe bringt.
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Fünfte Ausführungsform
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Die 8 zeigt eine Variante der Anordnung der Gasdüse zum Zuführen des Gases eines leichten Elements zu der Beobachtungsposition. Bei den obigen Ausführungsformen befindet sich die Gasdüse 100 unter dem Boden des ersten Gehäuses 7, und die Einführung erfolgt an der Öffnung 81 des zweiten Gehäuses 8 oder von der Seite zum Boden des ersten Gehäuses 7. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine Rohrleitung in das erste Gehäuse 7 geführt, und die Düse befindet sich im Halteelement 47 für die dünne Schicht. Das Gas des leichten Elements wird somit von der Seite des Halteelements 47 für die dünne Schicht zur Probenoberfläche geführt. Die Gasdüse kann sich auch in der dünnen Schicht 10 selbst befinden. Es beseht jedoch die große Gefahr, daß die dünne Schicht 10 bei einer Abnahme des Halteelements 47 für die dünne Schicht beschädigt wird. Die Gasdüse sollte sich also im Halteelement 47 für die dünne Schicht befinden.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform befinden sich keine Bauteile zwischen der dünnen Schicht 10 und der Probe 6. Im Vergleich zu den REMs der obigen Ausführungsformen kann der Abstand zwischen der dünnen Schicht und der Probe bei der Betrachtung mit dem REM daher kleiner sein. Zur Verhinderung einer Kollision kann ein Begrenzungselement vorgesehen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 0
- Elektronenquelle
- 1
- optische Linse
- 2
- elektronenoptischer Linsentubus
- 3
- Detektor
- 4
- Vakuumpumpe
- 5, 21
- Probentisch
- 6
- Probe
- 7
- erstes Gehäuse
- 8
- zweites Gehäuse
- 10
- dünne Schicht
- 11
- zweiter Raum
- 12
- erster Raum
- 14
- Positionsmeßinstrument
- 15
- Leckventil
- 16
- Rohrleitung
- 17
- vakuumdichtes Element
- 18
- EDX-Detektor
- 19
- Flansch
- 20
- Pfosten
- 35
- PC
- 36
- übergeordnete Steuereinheit
- 37
- nachgeordnete Steuereinheit
- 43, 44
- Kommunikationsleitung
- 47
- Halteelement für dünne Schicht
- 50
- Betriebsfenster
- 51
- Bildanzeigeabschnitt
- 52
- Schaltfläche für den Beginn einer Aufnahme
- 53
- Schaltfläche für das Ende einer Aufnahme
- 54
- Fokussierschaltfläche
- 55
- Schaltfläche zum Einstellen der Helligkeit
- 56
- Schaltfläche zum Einstellen des Kontrasts
- 57
- Evakuierungsschaltfläche
- 58
- Schaltfläche für Atmosphärenventil
- 81
- Öffnung
- 101
- Gassteuerventil
- 103
- Gaszylinder
- 112
- Schaltfläche für den Beginn der Gasabgabe
- 113
- Schaltfläche für das Ende der Gasabgabe
- 114
- Schaltfläche zum Einstellen der Bedingungen für die Gasabgabe
- 117
- Einstellfeld für die Gasabgabezeit
- 118
- Einstellfenster für die Bedingungen der Gasabgabe
- 119
- Gasabgabe-Prüffeld
- 120
- OK-Schaltfläche
- 124
- Vakuum-Abdichtmechanismus
