DE2005682A1

DE2005682A1 - Vorrichtung fur die Elektronen Rastermikroskopie und die Elektronenstrahl Mikroanalyse

Info

Publication number: DE2005682A1
Application number: DE19702005682
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr rer nat 7500 Karls ruhe Gullasch Jürgen Dipl Phys 6741 Minderslachen P Weber
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-02-07
Filing date: 1970-02-07
Publication date: 1971-09-09
Also published as: FR2078240A5; GB1284708A; CH524140A; US3736422A; DE2005682B2; DE2005682C3

Description

Vorrichtung für die Elektronen-Rastermikroskopie und die Elektroden strahl-Mikroanalyse

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Elektronen-Rastermikroskopie und die Elektronenstrahl-Mikroanalyse mit Abrasterung einer Probenoberfläche durch einen primären Elektronenstrahl,

Mit Hilfe der Elektronen-Rastermikroskopie läßt sich eine Analyse der äußeren Gestalt und der Topographie einer Probenoberfläche, mit Hilfe der Elektronenstrahl-Röntgenmikroanalyse (genannt ESMA) eine Elementaranalyse von Objekt-Btrukturen mit nur wenigen Mikrometern Ausdehnung durchführen. Bei der Elektronen-Rastermikroskopie werden vorwiegend die bei der Wechselwirkung zwischen einem hochenergetischen primären Elektronenstrahl (5 bis 40 keV) und einer Probe auftretenden niederenergetischen Sekundärelektronen (maximal etwa 50 eV) als Meßsignale verwendet; bei der ESMA werden dagegen fast alle physikalischen Vorgänge als Informationsmöglichkeiten für die Analyse in Betracht gezogen.

Ein im elektronenoptischen System des Strahlerzeugers eingebautes magnetisches Ablenksystem ermöglicht neben der Punktanalyse durch zellenförmige Ablenkung des primären Elektronenstrahls über die Probenoberfläche und synchron dazu gesteuerte Auswertegeräte (Registriergeräte (Schreiber), Ausgabegeräte (Zeichner), Bildaufzeichnungsgeräte (Bildröhren)) die Messung und Darstellung des Intensitäts--Verlaufs der Meßsignale entlang von Linien oder über einen Bereich der Probenoberfläche.

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Bei der Wechselwirkung zwischen einfallendem primären Elektronenstrahl und Probe entstehen vorwiegend Röntgenstrahlen, Rückstreuelektronen und Sekundärelektronen.

Pur die Röntgenanalyse ergibt sich eine Punktauflösung von der Größenordnung 1 >u bei massiven Proben. Bei dünnen, für die primären Elektronen transparenten Präparaten läßt sich eine wesentlich kleinere Punktauflösung erreichen. Die Rückstreuelektronen dagegen, die noch einen Großteil der Primärenergie mit sich führen, ergeben in den günstigsten Fällen einer Probe mit hoher Ordnungszabl eine Punktauflösung bis hinab zu 0,2 /U. Nur die Sekundärelektronen haben wegen ihrer sehr kleinen Energien eine sehr kleine Reichweite in der Probe und daher einen Diffusionsbereich, der erst bei einem Durchmesser des primären Elektronenstrahls unterhalb einiger 10 m/U die Auflösung beeinträchtigt. Sie werden deshalb bei der Elektronen-Rastermikroskopie bei Durchmessern des Primärstrahls von nur 10 m/U zum Abbilden der Oberflächengestalt der Proben verwendet und ermöglichen dort eine Punktauflösung von 15 bis 20 m/U. Die Punktauflösung bei der Analyse einer Probenoberfläche mit Hilfe der Sekundärelektronen statt mit Rückstreuelektronen ist also um eine Größenordnung besser.

Es ist in der ESMA bekannt, auch den sogenannten Probenstrom I einer rasterförmig vom primären Elektronenstrahl abgetasteten Probe zu messen, in einem Probenstrom-Ver stärker zu verstärken und zur Bilddarstellung heranzuziehen. Rechnerisch ergibt sich der jeweils gemessene Probenstrom I aus dem Strom I der primären Elektronen durch Subtraktion des Stroms I der rückges-beuten Elektronen sowie des Stroms I der an der Probenoberfläche ausgelösten Sekundärelektronen:

¹P = ¹O - ¹T - he

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Im allgemeinen ist der Beitrag der Sekundärelektronen im Probenstrom I. vernachlässigbar, da die Sekundärelektronen in· der Nähe des Auftreffpunkts des primären Elektronenstrahls eine Raumladung erzeugen, so daß nur ein geringer Bruchteil der erzeugten Sekundärelektronen aus dor Probenoberfläche austreten kann. Man mißt also als Probenstrom I im wesentlichen die Differenz zwischen dem Strom I der primären Elektronen und dem Strom I der Rückstreuelektronen, wobei der Strom I der primären Elektronen durch den Strahlerzeuger konstant gehalten wird. Die Auflösung im Probenstrombild wird also in erster Linie von den Rückstreuelektronen bestimmt. Im Probenstrombild er- g hält man daher bei nichtdurchstrahlbaren, massiven Proben selbst bei Verkleinerung des Durchmessers des primären Elektronenstrahls nur eine Auflösung von einigen 0,1/U. Dieser Wert entspricht dem Durchmesser des Diffusionsbereichs der (schnellen) Primär-bzw. Rückstreuelektronen. Der detaillierte Kontrast und die gute Auflösung, die in der Elektronenraster-Mikroskopie unter Heranziehung der Sekundärelektronen zur Bilddarstellung erzielt werden, konnten bisher in Probenstrombildern aus den erwähnten physikalischen Gründen nicht erreicht werden.

Es ist ferner bekannt, daß die Emission der Sekundärelektronen durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die ( Probe weitgehend verändert werden kann.

Es war in der Elektronen-Rastermikroskopie bisher üblich, die Sekundärelektronen durch einen Sekundärelektronen-Detektor von anderen Elektronen - wenigstens teilweise - abzutrennen und nachzuweisen. Der Sekundärelektronen-Detektor ist ein recht aufwendiges Nachweisgerät. Er umfaßt im wesentlichen ein elektronenoptisches System, einen Szintillationskristall, einen Photomultiplier, ein HochspannungsVersorgungsgerät und einen nachgeschalteten Verstärker.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Elektronenraster-Mikroskopie und die Elektronenstrahl-Mikroanalyse eine Vorrichtung zu schaffen, die einfacher aufgebaut, einfacher zu handhaben und preisgünstiger ist als ein Sekundärelektronen-Detektor, und die im Gegensatz zum Sekundärelektronen-Detektor sämtliche die Probe verlassenden Sekundärelektronen zur Bilderzeugung heranzieht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Erzeugung kontrastreicher, hochaufgelöster Bilder der Oberflächenstruktur einer Probe eine an der Probenoberfläche ein elektrisches Feld derartiger Richtung und Stärke, daß sämtliche oder ein erheblicher Anteil der bei Eintritt des primären Elektronenstrahls in der Probe ausgelösten und aus der Probenoberfläche austretenden Sekundärelektronen abführbar sind, erzeugende Einrichtung vorgesehen ist, und daß ein an der Probe abgenommener Probenstrom einem ihn mit der Rasterbewegung korrelierenden Auswertegerät zugeführt ist.

Es ist also gemäß der Erfindung eine Einrichtung vorgesehen, die eine bestimmte elektrische Potentialverteilung um die Probe bewirkt und dadurch den Aufbau von Raumladungen vor der Probenoberfläche weitgehend oder völlig verhindert. Sämtliche oder zumindest ein erheblicher Anteil der vom primären Elektronenstrahl und auch von den Rückstreuelektronen ausgelösten Sekundärelektronen werden vom elektrischen Feld abgesaugt und können die Probenoberfläche verlassen. In Gleichung (1) kann daher der Strom I__ö der Sekundärelektronen keinesfalls mehr vernachlässigt werden. Der Sekundärelektronenstrom I ist jetzt betragsmäßig vergleichbar mit dem Strom I der primären Elektronen, unter gewissen Umständen sogar beträchtlich größer. Die Stromstärke I_r der an der Probe zurückgestreuten Elektronen beträgt dagegen im allgemeinen nur einen Bruchteil der Stromstärke I_Q der primären Elektronen (I_xVl₀ = 0,1

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bis 0,4). Bei einheitlich aufgetauter Probe bleibt I₃, während des gesamten Abrastervorgangs annähernd konstant. Der gemessene Probenstrom I enthält daher nach Gleichung (1) außer einem von der Anzahl der primären und rückgestreuten Elektronen bestimmten Gleichstromanteil im wesentlichen das Signal, das der Strom I der Sekundärelektronen trägt, und damit die Information über die Oberflächenstruktur der Probe.

Wird in einem Elektronenraster-Mikroskop oder in einem Elektronenstrahl-Mikroanalysator der unter Berücksichtigung der beschriebenen Maßnahmen an der Probe abgenommene Probenstrom I in einem Auswertegerät zur Bilddarstellung verwendet, so lassen sich die Oberflächenstruktüren der Probe mit ähnlicher bzw. gleicher Auflösung und gleichem Kontrast abbilden wie durch die bisher übliche Anwendung von Sekundärelektronen-Detektoren in konventionellen Elektronenraster-Mikroskopen. Ohne eine Einrichtung, welche die Sekundärelektronen von der Probenoberfläche absaugt, läßt sich bei der bisher üblichen Anwendung von Probenstromsignal-Verstärkern in Elektronenstrahl-Mikroanalysatoren nur eine wesentlich schlech tere Auflösung und ein wesentlich geringerer Bildkontrast erreichen.

In einer Weiterbildung der Erfindung kann zur Unterstützung der Abführung der ausgelösten Sekundärelektronen dafür Sorge getragen werden, daß zusätzlich eine Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes an der Probenoberfläche vorgesehen ist. Es ist zweckmäßig, das Magnetfeld schwach und zeitlich konstant zu halten und parallel zur Probenoberfläche anzulegen.

Zur Abnahme des Probenstroms I ist an der Probe ein elektrischer Kontakt angebracht. In einer Ausbildung der Erfindung wird der Probenstrom selbst oder eine ihm proportionale Spannung über einen Verstärker dem Auswertegerät zugeführt.

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In Gleichung (1) tritt der Sekundärelektronenstrom I₀

mit negativem Vorzeichen auf. Das im Auswertegerät von der Oberfläche der Probe dargestellte Bild kann daher ein Negativ sein. Um dieses zu vermeiden, ist nach einer Ausbildung der Erfindung zur Darstellung eines Bildposi-· tivs die dem Probenstrom I proportionale Spannung dem Eingang des Verstärkers oder direkt dem Eingang des Auswertegeräts unter Polaritätsumkehr zugeführt.

Zur Erzeugung des elektrischen Feldes an der Probenoberfläche ist nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung an ein oder mehrere elektrisch leitende, sich im Raum vor der Probenoberfläche befindliche Bauteile des Elektronenraster-Mikroskops oder des Elektronenstrahl-Mikroanalysators ein gegenüber der Probe positives, den primären Elektronenstrahl jedoch nicht oder nur geringfügig beeinflussendes Potential gelegt. Dieses Bauteil kann ein der Probe zugewandter Linsenpolschuh der Peinstrahllinse und/oder eine Probenkammerwand sein. Derselbe Zweck kann nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung dadurch erreicht werden, daß die Bauteile (z.B. Linsenpolschuh, Probenkammerwand) auf Masse gelegt sind, und daß der an der Probe angebrachte Kontakt mit einer gegenüber den Bauteilen auf negativem Potential liegenden Eingangsklemme des Auswertegeräts oder des Verstärkers verbunden ist.

Das elektrische Feld an der Probenoberfläche kann aber auch auf eine andere Weise erzeugt werden. Dazu ist in einer Weiterbildung der Erfindung die ein elektrisches Feld erzeugende Einrichtung aus zwei Elektroden aufgebaut, wobei die erste Elektrode mit dem Minuspol und die zweite Elektrode mit dem Pluspol einer regelbar einstellbaren Spannungsquelle derart verbunden ist, daß ein sich an der Probenoberfläche befindliches Elektron einer von der Probenoberfläche fortzeigenden Kraftkomponente ausgesetzt ist.

1 0 Π Π 'λ 7 / Γι Γ. 7 7

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Die erste Elektrode kann als Metallplatte, Metallsieb oder als Probenträger ausgebildet sein. Es ist auch zweckmäßig, daß die Probe selbst die erste Elektrode ist, oder daß die Probe teilweise mit einer elektrisch leitenden, die erste Elektrode bildenden Schicht überzogen ist. Im letzteren Fall sollte der an der Probe bzw. Schicht angebrachte elektrische Kontakt zur Abnahme des Probenstroms I über einen Arbeitswiderstand mit dem Minuspol der Spannungsquelle verbunden sein.

Die zweite Elektrode kann eine Schneide sein, die in einer Ebene senkrecht zur Richtung des primären Elektronenstrahls angeordnet ist. Sie kann aber auch eine mit einer | Bohrung zum Durchtritt des primären Elektronenstrahls versehene elektrisch leitende Platte sein, wobei der Durchmesser der Bohrung gerade so bemessen ist, daß der durchtretende primäre Elektronenstrahl von dem angelegten positiven Potential nicht merklich beeinflußt ist. Sie kann· dann als ringförmige Scheibe ausgebildet sein, die konzentrisch zur Richtung des primären Elektronenstrahls angeordnet ist. Für bestimmte Zwecke ist es zweckmäßig, die zweite Elektrode auch, als Spitze auszubilden.

Der Eintrittswinkel der elektrischen Feldlinien in die Probenoberfläche ist für den Bildkontrast mitverantwortlich. Eine Veränderung des Eintrittswinkels bewirkt da- f her eine Änderung des Bildkontraste. Aus diesem Grund ist in einer weiteren Ausbildung der Erfindung die zweite Elektrode in einer Ebene senkrecht zum primären Elektronenstrahl oder in einer Ebene parallel zur Oberfläche der Probe verschiebbar.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung des Bildkontrastes im Raum vor der Probe eine dritte Elektrode angeordnet und auf ein gegenüber der zweiten Elektrode negatives Potential gelegt ist, und daß das Potential der dritten Elektrode

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unabhängig von dem gegenüber der Probenoberfläche positivem Potential der zweiten Elektrode an einer weiteren Spannungsquelle einstellbar ist. Auch in diesem Fall ist es zweckmäßig, daß die dritte Elektrode in einer Ebene senkrecht zur Richtung des primären Elektronenstrahls verschiebbar oder daß sie um eine Achse parallel zum primären Elektronenstrahl drehbar ist. Die dritte Elektrode kann auch so angeordnet sein, daß sie bei Kippung, Verschiebung und Drehung der Probe ihre Lage relativ zur Probenoberfläche nicht ändert.

Für viele Analysenprobleme genügt es, wenn das an der ψ Probenoberfläche wirksame elektrische sowie das gegebenenfalls zusätzlich vorhandene magnetische Feld zeitlich konstant ist. Wird eines dieser Felder periodisch verändert, so läßt sich eine weitere Steigerung der Auflösung und des Bildkontrastes erreichen, weil zur Bilddarstellung im Auswertegerät ausschließlich das Signal der Sekundärelektronen Verwendung findet, während Signalanteile, die von Rückstreuelektronen bzw. von primären Elektronen herrühren, vollständig zurückgehalten werden. Eine weitere Ausbildung der Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, daß die an der Probenoberfläche ein elektrisches oder ein zusätzliches magnetisches Feld erzeufc gende Einrichtung zur periodischen Schwächung oder Unterbrechung des an der Probenoberfläche ausgelösten Sekundärelektronenstroms I von einem Funktionsgenerator ansteuerbar ist. Der Funktionsgenerator kann ein Rechteckoder ein Sinusgenerator sein.

Die physikalische Erklärung findet sich darin, daß im Probenstrom gemäß Gleichung (1) nur der Teil, der von den die Probe verlassenden Sekundärelektronen herrührt, aus Elektronen sehr geringer kinetischer Energie besteht. Diese Elektronen werden daher beispielsweise durch Anlegen eines periodischen elektrischen Potentials an die Probe abwechselnd am Verlassen der Probe gehindert oder zum Austreten veranlaßt. Die Modulation beeinflußt ausschließ-

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lieh die Sekundärelektronen und nicht die hochenergetißchen Primär- und Rückstreuelektronen.

Diese Ausbildung der Erfindung weist also einen sogenannten "Chopper" auf, durch den die Sekundärelektronen periodisch am Austreten aus der Probe gehindert werden. Der Chopper kann z.B. dadurch realisiert werden, daß zwischen der Probe einerseits und den der Probe zugewandten Teil des Linsenpolschuhs bzw. den Probenkammerwänden andererseits eine genügend hohe elektrische Wechselspannung gelegt wird. Weiterhin sollen durch den Verstärker nur diejenigen Probenstromkomponenten verstärkt werden, die periodisch mit der Chopper-Frequenz variieren. Nach einer Wei- · terbildung der Erfindung ist also dem Verstärker ein "

schmalbandiges, auf die Frequenz des Funktionsgenerators abgestimmtes Bandpaßfilter vorgeschaltet. Noch zweckmäßiger ist es, daß nur die Probenstromkomponenten, die mit der Chopper-Frequenz phasenrichtig variieren, zum Auswertegerät gelangen. Daher ist nach einer Weiterbildung der Erfindung der Verstärker durch einen phasenempfindlichen Gleichrichter mit Vorverstärker, der eingangsseitig zur Abtrennung einer Gleichstromkomponente kapazitiv oder induktiv an den Probenkontakt angekoppelt sein kann, ersetzt worden. Zweckmäßigerweise ist der phasenempfindliche Gleichrichter auf die Frequenz des Funktionsgenerators abgestimmt. Zur Einstellung der Amplitude sollte er ein Phasensteil- d glied besitzen.

Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß beide Ausgangsklemmen des Funktionsgenerators über eine Serienschaltung von zwei Widerständen miteinander verbunden sind, und daß der zweite Ausgang mit der zweiten Elektrode und der erste Ausgang mit der ersten Elektrode, und daß ein Abgriff zwischen den beiden Widerständen an Masse geführt ist.

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Der Sekundärelektronenstrom I kann nach einer Weiterbildung der Erfindung dadurch moduliert werden, daß der Punktionsgenerator an ein ein schwaches magnetisches Wechselfeld parallel zur Probenoberfläche erzeugendes Spulenpaar angeschlossen ist.

Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist ein Kippen der Probe zum Zwecke der Veränderung oder Verstärkung des Kontrastes nicht in jedem Pail erforderlich. Dieser Zweck kann auf anderem Wege, z.B. mittels der bereits beschriebenen Bewegung der Elektroden, erreicht werden. Ein Kippen der Probe erscheint jedoch dann sinnvoll,<wenn die Probe gleichzeitig mit einem anderen Nachweissystem, z.B. einem Röntgenstrahl-Detektor, untersucht werden soll, oder wenn bestimmte Probenbereiche sichtbar gemacht werden sollen. Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht daher vor, daß die Probe um eine Achse senkrecht zur Richtung des primären Elektronenstrahls in Richtung auf ein weiteres Nachweissystem um definierte Winkel kippbar ist. Weiterhin ist es sinnvoll, daß die Probe um eine Achse senkrecht zur Probenoberfläche drehbar ist.

Schließlich kann die Probe mit einer dünnen Schicht einer Substanz bedampft sein, aus der pro einfallendes Primärelektron eine große Anzahl von Sekundärelektronen abgelöst wird. Diese Schicht dient also der Unterstützung der Emission von Sekundärelektronen. Eine weitere Ausbildung der Erfindung zeichnet sich also dadurch aus, daß auf die Probenoberfläche eine die Sekundärelektronen-Emission fördernde Substanz aufgebracht ist.

Elektrische und mechanische Ausführungsbeispiele sind in 4 Figuren dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Die einander in den Figuren entsprechenden Größen und Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.

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Figur 1 zeigt die Erzeugung eines elektrischen Feldes an der Probenoberfläche und die Messung des Probenstroms. Figur 2 zeigt eine Vorrichtung wie in Figur 1, jedoch wird hier die zweite Elektrode durch den Linsenpolschuh und die Probenkammerwand gebildet. Figur 3 zeigt eine Vorrichtung nach Figur 1 mit zusätzlicher Anordnung einer dritten Elektrode. Figur 4 zeigt eine Vorrichtung mit periodisch variierendem elektrischen Feld.

In Figur 1 wird ein primärer Elektronenstrahl E der Stromstärke I nach Durchtritt durch einen Linsenpolschuh I g rasterförmig über eine Probe P gelenkt. Probe P und linsenpolschuh L sind von einer Probenkammerwand W umgeben. Die durch den primären Elektronenstrahl E in der Probe P erzeugten Sekundärelektronen werden durch ein elektrisches Feld abgesaugt. Dazu ist der Minuspol einer Spannungsquelle Q1 über einen Arbeitswiderstand R mit einem an der Probe P angebrachten elektrischen Kontakt K verbunden. Die Probe P bildet selbst die erste Elektrode E1 eines Kondensators. Die zweite Elektrode E2, eine mit einer Bohrung B zum Durchtritt des primären Elektronenstrahls E versehene Scheibe, ist mit dem Pluspol der Spannungsquelle Q1 verbunden. Probenkammerwand W und Minuspol der Spannungsquelle Q1 sind an Masse gelegt. |

Die von der ersten Elektrode E1 über den Kontakt K und über den Arbeitswiderstand R an Masse abfließenden Elektronen erzeugen am Arbeitswiderstand R eine Spannung U, die dem Probenstrom I proportional ist. Die Spannung U wird einem Verstärker V zugeführt, Die am Ausgang des Verstärkers V auftretende Spannung S wird an den Eingang eines mit der Rasterbewegung synchron angesteuerten Auswertegeräts A zugeführt. Das Auswertegerät A kann ein Re gistrier-, Ausgabe- oder Bildaufzeichnungsgerät sein.

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In Figur 2 ist der Pluspol der Spannungsquelle Q1 nicht an eine zu diesem besonderen Zweck in den Raum vor der Probenoberfläche gebrachte zweite Elektrode E2, sondern an die Probenkammerwand W, an den Linsenpolschuh L und an Masse gelegt. Der Minuspol der Spannungsquelle Q1 ist über den Arbeitswiderstand R mit der Probe P verbunden. Die Verstärkung der Spannung U erfolgt wie in Figur 1, jedoch darf keine der Verstärkereingangsklemmen an Masse liegen. Die Probe P ist um eine Achse senkrecht zur Richtung des primären Elektronenstrahls E in Richtung auf ein weiteres Nachweissystem, das sich im Raum vor der Probe P befinden kann, um definierte Winkel j kippbar.

Figur 3 zeigt, daß zur Kontrastveränderung in dem Raum vor der Probe P zusätzlich eine Elektrode E3 untergebracht ist. Die Elektrode E2 ist eine Schneide und über eine Stange in einer Ebene senkrecht zum primären Elektronenstrahl E bewegbar (durch den Doppelpfeil angedeutet), die dritte Elektrode E3, ebenfalls eine Schneide, kann dagegen örtlich feststehen oder mit der zweiten Elektrode E2 mitgeführt werden. Eine weitere Spannungsquelle Q2 legt die dritte Elektrode E3 auf ein gegenüber der zweiten Elektrode E2 negatives Potential. Dazu ist der Pluspol der Spannungsquelle Q2 mit dem Minuspol der Spannungsquelle Q1, der Minuspol von w2 dagegen mit der dritten Elektrode E3 verbunden. Die elektrische Anordnung der Spannungsquelle Q1 und des Nachweissysteme entspricht der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung.

In Figur 4 wird das an der Probenoberfläche angreifende elektrische Feld von einem Funktionsgenerator F periodisch variiert. Dazu sind die beiden Ausgangsklemmen A1 und A2 des Funktionsgenerators F über einen Spannungsteiler, der durch die Serienschaltung von zwei Widerständen R1 und R2 gebildet wird, miteinander verbunden. Die zweite Ausgangsklemme A2 ist an die aus Figur 1 bekannte zweite Elektrode E2, die erste Ausgangsklemme A1 an eine Elektrode E1

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angeschlossen. Die mit dem Kontakt K versehene Probe P liegt zwischen den beiden Elektroden Ξ1 und E2. Der Abgriff zwischen den beiden Widerständen R1 und R2 ist an Masse geführt, gleichzeitig ist er über den Arbeitswiderstand R mit dem an der Probe P angebrachten Kontakt K verbunden. Probenkammer, Wand W und Linsenpolschuh I liegen gleichfalls an Masse.

Die an der Oberfläche der Probe P erzeugten Sekundärelektronen werden durch das elektrische Wechselfeld periodisch am Austritt aus der Probe gehindert oder von der Probe abgesaugt. Der über den Arbeitswiderstand R fließende Probenstrom I enthält eine Wechselstromkomponente mit der Frequenz des Funktionsgenerators F, der ein Gleichstromanteil überlagert sein kann, Die Wechselstromkomponente enthält allein die von den Sekundärelektronen gelieferte Information über die Topographie der Probe P.

Die am Arbeitswiderstand R abgegriffene Spannung U wird einem phasenempfindlichen Gleichrichter mit Vorverstärker PG zugeführt, wobei der Gleichspannungsanteil durch einen vorgeschalteten Kondensator 0 abgetrennt wird. Die Wahl der Größen des RC-Gliedes richtet sich nach der Geschwindigkeit, mit der der primäre Elektronenstrahl die Probe P abrastert. Der phasenempfindliche Gleichrichter mit Vorverstärker PG ist zur Ermittlung des Referenzsignals mit dem Funktionsgenerator F verbunden. Die an seinem"Ausgang austretende Signalspannung S1 wird wiederum einem Auswertegerät A zugeführt.

Für die Vorrichtung gemäß der Erfindung läßt sich sine Reihe von Vorteilen anführen:

Tertiäre Elektronen leisten zur Bi.tuuc.rete Llung \iline" Beitrag (tertiäre Elektronen sind Sekundärelektronen, weiche durch die von der Probe aurückgetrtreuten Elektronen ία der Probenumgebung an Oberflächen anderer fester Körper, z.B. am Unterteil les '!Vi.nsenpolsahuhs oder an äav ?rüL=;nkaüiJ.ec wand, ausgelöst werden);

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es werden sämtliche Elektronen, die die Probe verlassen, bei der Auswertung erfaßt;

die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in der Herstellung wesentlich preisgünstiger als ein Sekundärelektronen-Detektor;

die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann wegen ihrer geringen räumlichen Ausdehnung in eine günstige Entfernung zur Probe gebracht werden;

ein Kippen der Probe zur Steigerung der Nachweisempfindlichkeit ist im Gegensatz zur Anwendung eines Sekundärelektronen-Detektors nicht in jedem Pail erforderlich; die Probe kann ohne Verlust an Auflösung, z.B. in Richtung auf ein vorhandenes dispersives Röntgen-Halbleiterspektrometer, gekippt werden, so daß gleichzeitig optimale Bilder verschiedener Information gewonnen werden können; die Bildintensität bzw. Bildinformation an der Probenoberfläche ist nahezu unabhängig von magnetischen Störfeldern, da die Sekundärelektronen keine Detektoröfinung erreichen, sondern lediglich die Probe verlassen kissen; durch Abänderung der elektrisch?;:¹· Potentialverteilung in der Umgebung der Probenoberfläche» spes eil durch Veränderung der Richtung des elektrischen Feldes, welches die Sekundärelektronen von der Probe absaugt, läßt sich die Helligkeitsverteilung nichtebener Oberflächenstrukturen der Probe verändern (Veränderung der Richtung von Licht und Schatten);

bei periodischer Variation dee elektrischen Peldes sind am Bildaufbau ausschließlich Sekundärelektronen beteiligt. Das garantiert optimale Auflösung und extrem differenzierten Bildkontrast.

38 Patentansprüche
4 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

.^Vorrichtung für die Elektronen-Rastermikroskopie und die Elektronenstrahl-Mikroanalyse mit Abrasterung einer Probenoberfläche durch einen primären Elektronenstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung kontrastreicher, hochaufgelöster Bilder der Oberflächenstruktur einer Probe (P) eine an der Probenoberfläche ein elektrisches Feld derartiger Richtung und Stärke, daß sämtliche oder ein erheblicher Anteil der bei Eintritt des primären Elektronenstrahls (E) in der Probe (P) ausgelösten und ä aus der Probenoberfläche austretenden Sekundärelektronen abführbar sind, erzeugende Einrichtung vorgesehen ist, und daß ein an der Probe (P) abgenommener Probenstrom (I_n) einem ihn mit der Rasterbewegung korrelierenden Auswertegerät (A) zugeführt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes an der Probenoberfläche vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Probe (P) ein elektrischer Kon- f takt (K) zur Abnahme des Probenstroms (I) angebracht

ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenstrom (I) selbst oder eine ihm proportionale Spannung (U) über einen Verstärker (V) dem Auswertegerät (A) zugeführt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Darstellung eines Bildpositivs die dem Proben-

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strom (I_D) proportionale Spannung (U) unter Polaritätsumkehr dem Eingang des Verstärkers (V) oder direkt dem Eingang des Auswertegeräts (A) zugeführt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an ein oder mehrere elektrisch leitende, sich im Raum vor der Probenoberfläche befindliche Bauteile des Elektronen-Rastermikroskops oder des Elektronenstrahl-Mikroanalyeators ein gegenüber der Probe (P) positives, den primären Elektronenstrahl (E) jedoch nicht oder nur geringfügig beeinflussendes Potential gelegt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das auf positivem Potential liegende Bauteil ein der Probe (P) zugewandter Linsenpolschuh (L) der Peinstrahllinse und/oder eine Probenkammerwand (W) ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile (z. B. Linsenpolschuh (L), Probenkammerwand (W)) auf Masse gelegt sind, und daß der an der Probe (P) angebrachte Kontakt (K) mit einer gegenüber den Bauteilen auf negativem Potential liegenden Eingangsklemme des Auswertegeräts (A) oder des Verstärkers (V) verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, ausgenommen Anspruch 6, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ein elektrisches Feld erzeugende Einrichtung aus zwei Elektroden (E1 und E2) aufgebaut ist, wobei die erste Elektrode (J)I) mit dem Minuspol und die zweite Elektrode (E2) mit dem Pluspol einer regelbar einstellbaren Spannungsquelle (Q1) derart verbunden ist, daß ein sich an der Probenoberfläche befindliches Elektron einer von der Probenoberfläche fortzeigenden Kraftkomponente ausgesetzt ist.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (E1) eine Metallplatte ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (E1) ein Metallsieb ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (E1) als Probenträger ausgebildet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (P) selbst die erste Elektrode (E1) ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (P) teilweise mit einer elektrisch leitenden, die erste Elektrode (E1) bildenden Schicht überzogen ist.
15· Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14» dadurch gekennzeichnet, daß der an der Probe (P) bzw. Schicht angebrachte elektrische Kontakt (K) zur Abnahme des Probenstroms (I) über einen Arbeitswiderstand (R) mit dem Minuspol der Spannungsquelle (Q) verbunden ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elek- I trode (E2) eine Schneide ist, die in einer Ebene senkrecht zur Richtung des primären Elektronenstrahls (E) angeordnet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder einem der folgenden Ansprüche, ausgenommen Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (E2) eine mit einer Bohrung (B) zum Durchtritt des primären Elektronenstrahls (E) versehene elektrisch leitende Platte ist, und daß der Durchmesser der Bohrung (B) gerade so be-

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messen ist, daß der durchtretende primäre Elektronenstrahl (E) von dem angelegten positiven Potential nicht merklich beeinflußt ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (E2) eine ringförmige Scheibe ist, die konzentrisch zur Richtung des primären Elektronenstrahls (E) angeordnet ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder einem der folgenden Ansprüche, ausgenommen Anspruch 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (E2) eine Spitze ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung des Bildkontrastes die zweite Elektrode (E2) in einer Ebene senkrecht zum primären Elektronenstrahl (E) verschiebbar ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (E2) in einer Ebene parallel zur Oberfläche der Probe (P) verschiebbar ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen den beiden Elektroden (E1 und E2) von der Spannungsquelle (Q1) erzeugte elektrische Feld zeitlich konstant ißt.
23. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder einem der folgenden Ansprüche, ausgenommen Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die dem auftreffenden primäre» Elektronenstrahl (E) zugewandte, au untersuchende Probenoberfläche zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (E1 und E2) angeordnet if=fc.

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24. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung des Bildkontrasteβ im Raum vor der Probe (P) eine dritte Elektrode (E3) angeordnet und auf ein gegenüber der zweiten Elektrode negatives Potential gelegt ist, und daß das Potential der dritten Elektrode (E3) unabhängig von dem gegenüber der Probenoberfläche positiven Potential der zweiten Elektrode (E2) an einer weiteren Spannungsquelle (Q2) einstellbar ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode (E3) in einer Ebene senkrecht zur Richtung des primären Elektronenstrahls (E) ver- ™ schiebbar ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode (E3) um eine Achse parallel zum primären Elektronenstrahl (E) drehbar ist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein schwaches, zeitlich konstantes magnetisches PeId parallel zur Probenoberfläche angelegt ist.
28. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden i Ansprüche, ausgenommen Anspruch 23 und 27, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Probenoberfläche ein elektrisches oder ein zusätzliches magnetisches Feld erzeugende Einrichtung zur periodischen Schwächung oder Unterbrechung des an der Probenoberfläche ausgelösten Sekundärelektronenstroms (I._) von einem Punktionsgenerator (P) ansteuerbar ist.
29. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 28, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verstärker (V) ein schmalbandiges, auf die Frequenz des Punktionsgenerators (P) abgestimmtes Bandpaßfilter vorgeschaltet ist.

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- 20 - VPA 9/363/0501
30. Vorrichtung nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Punktionsgenerator (P) ein Rechteck- oder ein Sinusgenerator ist.
31. Vorrichtung nach Anspruch 28 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Punktionsgenerator (F) an ein ein schwaches magnetisches Wechselfeld parallel zur Probenoberfläche erzeugendes Spulenpaar angeschlossen ist.
32. Vorrichtung nach Anspruch 28 oder einem der folgenden Ansprüche, ausgenommen Anspruch 31» dadurch gekennzeichnet, daß beide Ausgangsklemmen (A1 und A2) des Punktionsgenerators (P) über eine Serienschaltung von zwei Widerständen (R1 und R2) miteinander verbunden sind, daß der zweite Ausgang (A2) mit der zweiten Elektrode (E2) und der erste Ausgang (A1) mit der ersten Elektrode (E1) verbunden ist, und daß ein Abgriff zwischen den beiden Widerständen (R1 und R2) an Masse geführt ist.
33. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 28 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (V) durch einen phasenempfindlichen Gleichrichter mit Vorverstärker (PG), der eingangsseitig zur Abtrennung einer Gleichstromkomponente kapazitiv oder induktiv an den Probenkontakt (K) angekoppelt ist, ersetzt ist.
34. Vorrichtung nach Anspruch 33» dadurch gekennzeichnet, daß der phasenempfindliche Gleichrichter (PG) auf die Frequenz des Funktionsgenerators (P) abgestimmt ist.
35. Vorrichtung nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, daß der phaeenetnpfindliche Gleichrichter (PG) ein Phasenstellglied besitzt.

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- 21 τ VPA 9/363/0501
36. Vorrichtung Dach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (P) um eine Achse senkrecht zur Richtung des primären Elektronenstrahls (E) in Richtung auf ein weiteres Nachweissystem um definierte Winkel (O kippbar ist.
37. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (P) um eine Achse senkrecht zur Probenoberfläche drehbar ist.
38. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Probenoberfläche eine die Sekundärelektronen-Emission fördernde Substanz aufgebracht ist.

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