DE1250570B - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIj

Deutsche Kl.: 21g-37/01

Nummer: 1250 570

Aktenzeichen: J 25347 VIII c/21 g

Anmeldetag: 27. Februar 1964

Auslegetag: 21. September 1967

Die Erfindung betrifft ein Emissionselektronenmikroskop mit photoelektrischer Ablösung der abbildenden Elektronen von einem elektrisch leitenden Objekt und mit Vergrößerung des abzubildenden Objektes durch Beschleunigung der abbildenden Elektronen in einem zentralsymmetrischen elektrischen Feld.

Es wird dabei keine Elektronenoptik im herkömmlichen Sinne, d. h. keine elektrostatischen oder magnetischen Elektronenlinsen, mit deren Hilfe das Bild des Objektes in Analogie zu optischen Geräten mit von einer Elektronenquelle herrührenden Elektronenstrahlen nach Durchstrahlung des Präparates auf einen Schirm vergrößert abgebildet wird, verwendet. Vielmehr erfolgt eine elektronenoptische Abbildung der Oberfläche durch Zentralprojektion, wobei die abbildenden Elektronen durch den Photoeffekt ausgelöst werden. Die Anordnung projiziert die der Austrittsarbeit entsprechende Emissionsstromdichteverteilung und ergibt einen ausgezeichneten Kontrast, da die Stromdichte von der Austrittsarbeit bzw. deren Änderungen exponentiell abhängig ist (Gleichung von Dushman — Richardson). Projektionszentrum ist die von der die Photoemission auslösenden elektromagnetischen Strahlung punktförmig beleuchtete Stelle der Probe, wobei die Abbildung auf einer zum Projektionszentrum konzentrischen Kugelkalottenfläche stattfindet.

Ein in der genannten Weise arbeitendes Mikroskop, bei dem die Elektronenauslösung durch ein sehr starkes, am Ort des abzubildenden Objektes wirkendes elektrisches Feld bewirkt wird, ist bereits bekannt. Bei diesem sogenannten Feldelektronenmikroskop ist die eigentliche elektronenauslösende Wirkung dem Tunneleffekt zuzuschreiben.

Ferner wurde auch ein hochauflösendes Emissionsmikroskop mit durch UV-Licht ausgelösten Elektronen bekannt, bei dem die Abbildung jedoch mittels einer elektrostatischen Linsenanordnung erfolgt.

Als elektronenauslösende Lichtquelle wird hierbei eine lOO-W-Quecksilberdampf-Höchstdrucklampe in Verbindung mit einem Kollimator aus Quarz benutzt, jedoch sind für diesen Zweck auch offene Bogenlampen oder Wasserstoffentladungslampen anwendbar. Besonders bei den letztgenannten Lichtquellen ist es allerdings schwierig, die erforderliche Lichtintensität sicherzustellen.

Bei den eingangs erwähnten Feldelektronen-Emissionsmikroskopen muß die Oberfläche des zu untersuchenden Objektes bzw. dessen Krümmungsradius sehr klein sein, um durch Spitzenwirkung die elektrische Feldstärke örtlich zu erhöhen und dadurch Emissionselektronenmikroskop

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

Armonk, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt,

Böblingen (Württ.), Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:

Dr. Claus Ch. Schüler, Oberrieden (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:

Schweiz vom 28. Februar 1963 (2582)

die notwendige Dichte des Elektronenflusses zu erreichen. Die Präparation einer solchen außerordentlichen scharfen Metallspitze ist schwierig und nur bei bestimmten Metallen möglich. Außerdem arbeiten solche Feldelektronen-Emissionsmikroskope nur bei einem sehr hohen Vakuum (ΙΟ"⁹ bis ΙΟ"¹⁰ Torr), was eine besondere Sorgfalt im Aufbau und in der Reinhaltung des Vakuumsystems erfordert.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgäbe zugrunde, ein einfaches Elektronenmikroskop ohne aufwendige Optik zu schaffen, bei dem die Justierschwierigkeiten und die elektrische Stabilisierung hoher Präzision entfallen.

Das Mikroskop ist für die Untersuchung aller Materialien mit hinreichender Leitfähigkeit, einscnließlich der Halbleiter, geeignet. Außerdem ist es möglich, mit diesem Gerät auch schwer zu präparierende Materialproben ohne besondere Kunstgriffe in einfacher Weise zu untersuchen und weiterhin mehrere Proben gleichzeitig im Vakuumraum anzuordnen.

Gemäß der Erfindung ist zur Ablösung der Elektronen aus dem Objekt eine Laser-Lichtquelle mit scharf gebündeltem Strahl hoher Energiedichte vorgesehen.

Das zu beschreibende Vorgehen ist, abgesehen von den damit zu erzielenden, bereits aus der obigen Aufgabenstellung hervorgehenden Vorteilen, auch deshalb nützlich, weil hierbei wegen der bekannten Eigenschaften der Laser-Lichtquelle, z. B. wegen der entfallenden zusätzlichen kollimierenden optischen Anordnungen Lichtintensitätsschwierigkeiten nicht zu erwarten sind. Außerdem ist es bei dieser Anordnung

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nicht schwierig, mehrere innerhalb des Vakuumraumes des Mikroskops angeordnete Proben sukzessive zu untersuchen, ohne jeweils hierbei das Vakuum erneuern zu müssen. Dies geschieht einfach durch eine Relativbewegung zwischen den Objekten und dem elektronenauslösenden Laserstrahl.

Wegen der angewendeten extrem hohen Energiedichte des elektronenauslösenden Lichtstrahles kann auf die Spitzenwirkung zur Erhöhung der ablösenden Feldstärke, wie sie beim Feldelektronenmikroskop benutzt wird, verzichtet werden. Dies stellt schon deshalb einen Vorteil dar, weil es schwierig ist, geeignete Spitzen zu präparieren. Außerdem kann ein im Vergleich mit bekannten Feldelektronenmikroskopen (10~⁹ bis 10"¹⁰ Torr) weniger gutes Vakuum benutzt werden (IO"⁵ bis 10~⁶ Torr). Dies bedeutet insbesondere auch eine Erleichterung beim Einschleusen von abzubildenden Präparaten in das Mikroskopsystem.

Im folgenden wird die beschriebene Einrichtung unter Zugrundelegung der Figuren im einzelnen beschrieben; in den Figuren bedeutet

F i g. 1 ein Elektronenmikroskop mit einer Materialprobe und außerhalb des Vakuums angeordnetem Laser und

Fig. 2 ein Elektronenmikroskop entsprechend demjenigen nach der F i g. 1, jedoch mit mehreren Materialproben.

Fig. 1 zeigt schematisch die für das Zustandekommen der Abbildung wesentlichen Teile des Elektronenmikroskops 1 mit einem Vakuumgefäß 2, in dem mittels einer Haltevorrichtung 3 der Probenhalter mit der Materialprobe 4 angeordnet ist. Der auf die abzubildende Stelle fokussierte Laserstrahl 5 eines (nicht dargestellten) außerhalb des Vakuumgefäßes angeordneten Lasers ist auf diese Materialprobe gerichtet. Gegenüber dieser letzten ist an der Gefäßinnenwandung als Registriereinrichtung für die emittierten Photoelektronen ein Leuchtschirm 6 angeordnet. Eine mit dem positiven Pol am Leuchtschirm 6 und mit dem negativen Pol an den Haltedrähten 3 angeschlossene Spannungsquelle 7 dient dazu, den Leuchtschirm 6 gegenüber der Materialprobe 4 positiv zu laden und ein die Elektronen beschleunigendes Feld zu erzeugen.

Das Elektronenmikroskop gemäß der F i g. 2 entspricht grundsätzlich demjenigen nach der Fig. 1, was durch die Verwendung von gleichen Bezeichnungen für gleiche Teile zum Ausdruck gebracht wird. Bei dieser Ausführung ist indessen an der Haltevorrichtung 3 im Innern des Gefäßes als Proberihalter ein hier stark vergrößert gezeichnetes Plättchen angeordnet, auf dem sich mehrere Materialproben 4 befinden. Die Mittel, um die Proben abwechslungsweise dem Laserstrahl aussetzen zu können, sind in der Figur nicht mit dargestellt. Beispielsweise kann für die Abtastung der Probenkörper der Laserstrahl mit an sich bekannten optischen Mitteln verschiebbar sein. Auch kann unabhängig davon der Probenhalter mit mechanischen Mitteln verschiebbar sein.

Die Wirkungsweise der Elektronenmikroskope nach den F i g. 1 und 2 ist folgende: Die auf die gewünschte abzubildende Stelle der Materialprobe fokussierten elektromagnetischen Strahlen des Lasers lösen aus dem Material Photoelektronen aus, die durch das angelegte elektrische Feld abgesogen und divergierend in Richtung auf die registrierende Schicht beschleunigt werden. Auf dem Leuchtschirm oder der Photoplatte ergibt sich daher ein vergrößertes Abbild der durch die photoemittierten Elektronen gegebenen Stromdichteverteilung der bestrahlten Stelle der Materialprobe. Die den Kontrast bildenden Unterschiede der Emissionsstromdichte sind ein Abbild der örtlich variierenden Austrittsarbeit, woraus Schlüsse auf die Oberflächenbeschaffenheit des untersuchten Materials gezogen werden können.

Die Abbildung ist eine Zentralprojektion. Das

ίο Projektionszentrum ist die punktförmig durch die elektromagnetische Strahlung beaufschlagte Stelle der Probe, die die Photoelektronen emittiert. Zur Abschätzung der erzielbaren Vergrößerung kann man annehmen, daß das Emissionszentrum einen Radius von etwa r = l bis 1000 μ, d.h. 10~⁴ bis 10-¹Cm, aufweist. Der Radius der Vakuumgefäße 2 liegt in der Größenordnung von etwa R = 10 cm. Der erreichbare Vergrößerungsmaßstab kann daher in erster Näherung zu M = R/r = 10² bis 10⁵ abge-

schätzt werden.

Da aus diesen Gründen zur Erreichung einer möglichst starken Vergrößerung das Emissionszentrum sehr klein sein soll, ist für eine ausreichende Ausbeute an Photoelektronen die intensive Bestrahlung

mit möglichst kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung erforderlich. Derartig intensive Strahlenquellen sind nur nach dem Prinzip der sogenannten induzierten Anregung elektromagnetischer Strahlung realisierbar. Solche Lichtverstärker werden Laser genannt. Ein

weiterer Vorteil des Lasers für diesen Zweck ist, daß seine gesamte Strahlung photoelektrisch wirksam ist. Es treten keine zusätzlichen Erwärmungseffekte der bestrahlten Stelle durch langwellige, photoelektrisch nicht wirksame Strahlen auf, wodurch die Objekt-

belastung gering bleibt.

Die für Elektronen empfindliche Registriereinrichtung 6 kann eine auf einem Träger aufgebrachte selbstleuchtende Schicht, beispielsweise ein Leuchtschirm sein. Wenn der Leuchtschirm leitfähig ist,

kann er gleichzeitig als Anode für das beschleunigende elektrische Feld dienen. Sonst müssen andere geeignete Elektrodenformen benutzt werden, wie z.B. metallische Netze oder ringförmige Elektroden. Das Vakuumgefäß 2 kann aus Glas oder anderem

geeignetem durchsichtigem Material hergestellt sein und z. B. angenähert eine kugelförmige Gestalt besitzen. Dann ist die Registriereinrichtung 6 in der Form einer Kugelkalotte ausgebildet, was für eine verzerrungsarme Abbildung die günstigste Form ist.

Sonstx kann das Vakuumgefäß auch aus Metall oder einem anderen geeigneten Werkstoff hergestellt sein und an der Frontseite eine durchsichtige Scheibe enthalten, die in ihrer Form auch zylindrisch oder plan sein kann. Das Bild auf dem Leuchtschirm kann

beispielsweise von außerhalb des Vakuumgefäßes her photographiert werden. Eine andere Möglichkeit ist die, daß die für Elektronen empfindliche Registriereinrichtung von sich aus schon eine auf einen Träger aufgebrachte und durch ein chemisches Ver-

fahren entwickelbare aufzeichnende Schicht, beispielsweise eine Photoplatte ist. Solche Photoschichten oder gegebenenfalls registrierende Schichten anderer Art können ohne große Umstände in ein entsprechend eingerichtetes Vakuumgefäß eingebracht

werden, weil das für den neuen Typ von Elektronenmikroskopen nach dem Prinzip der Photoemission erforderliche relativ niedrige Vakuum derartige Manipulationen zuläßt.

Das Vakuum braucht nur etwa die Größe von 10~^δ bis 10~⁶ Torr zu haben. Das ist ein um 4 bis 5 Zehnerpotenzen günstigerer Wert im Vergleich zu den Feldelektronen-Emissionsmikroskopen. Deshalb bedeutet der Einbau einer Einrichtung zum Einschleusen von Photokassetten keine großen Schwierigkeiten. Auch können Einrichtungen zum mechanischen Verstellen des Probehalters vorgesehen sein, um verschiedene Proben nacheinander dem Laserstrahl aussetzen zu können.

Weiterhin ist auch die erforderliche Feldstärke für das die Photoelektronen in Richtung auf die Registriereinrichtung beschleunigende elektrische Feld einige 10- bis lOOmal kleiner als beim Feldelektronen-Emissionsmikroskop. Eine große Anzahl Proben kann im gleichen Vakuum untersucht werden. Die Objektive sind einfach zu präparieren. Alle Materialien mit elektrischer Leitfähigkeit, also auch Halbleiter, sind brauchbar für die Untersuchung im beschriebenen Elektronenmikroskop.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Emissionselektronenmikroskop mit photoelektrischer Ablösung der abbildenden Elektronen von einem elektrisch leitenden Objekt und mit Vergrößerung des abzubildenden Objektes durch Beschleunigung der abbildenden Elektronen in einem zentralsymmetrischen elektrischen Feld, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ablösung der Elektronen aus dem Objekt eine Laser-Lichtquelle mit scharf gebündeltem Strahl hoher Energiedichte vorgesehen ist.

2. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laser-Lichtquelle außerhalb des Vakuumraumes des Mikroskops angeordnet ist.

3. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere elektronenabgebende Objekte im elektrischen Feld innerhalb des Vakuums angeordnet sind.

4. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Abtastung des oder der Objekte eine optische Anordnung zur Lenkung des Laserstrahles vorgesehen ist.

5. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanische Anordnung zur Verschiebung des Objekthalters vorgesehen ist.

6. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Elektronen eine Registriereinrichtung, beispielsweise ein Leuchtschirm, vorgesehen ist.

7. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Elektronen eine als Photoplatte ausgebildete Registriereinrichtung vorgesehen ist.

8. Elektronenmikroskop nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Registriereinrichtung wenigstens angenähert in der Form einer Kugelkalotte ausgebildet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Mahl und Gölz, »Elektronenmikroskopie«, VEB Bibliographisches Institut Leipzig, 1951, S. 96 bis 100;

Zeitschrift für Physik, Bd. 152, 1958, S. 1 bis 18.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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