DE2136250C2 - Abtast-Elektronenmikroskop - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Abtast-Elektronenmlkroskop mit einer Kammer mit einer Elektronenquelle zur Aussendung eines Elektronenstrahls, mit einer Kammer zur Aufnahme elnss Objektes, mit einem die Elektronenquellenkammer und die Objektkammer verbindenden Vakuumraum, durch den der Elektronenstrahl von der Elektronenquelle auf das Objekt gerichtet Ist, mit einer Vielzahl von Magnetspulen mit Vorrichtungen zu ihrer Ansteuerung zur Fokussierung und Abtastung des Elektronenstrahls auf dem Objekt und mit Vorrichtungen zur Evakuierung des Inneren der Elektronenquellenkammer und der Objektkammer sowie des Vakuum- raums

Bei einem Abtast-Elektronenmikroskop wird ein von einer Elektronenquelle ausgesandter Elektronenstrahl auf einem Objekt fokussiert und zur Abtastung des Objektes abgelenkt. Die Fokussierung und Ablenkung des Elektronenstrahls wird üblicherweise mit Hilfe einer Anzahl von Magnetspulen durchgeführt, die als Linsen und Ablenkspulen wirken und die aufeinanderfolgend entlang des Weges des Elektronenstrahls angeordnet sind und eine elektronen-optlsche Säule bilden.

Bei einem Abtast-Elektronenmlkroskop der eingangs genannten Art (US-PS 35 09 335) ist die Elektronenquelle In einer ersten Kammer angeordnet, wahrend das Objekt In einer zweiten Kammer angeordnet ist und diese beiden Kammern sind über einen Vakuumraum verbunden. Die Magnetspulen sind bei diesem bekannten Abtast-Elektronenmikroskop Im Inneren des Vakuumraumes angeordnet, so daß sich einerseits ein relativ großer zu evakuierender Raum ergibt und andererseits Probleme durch das Ausgasen der Magnetspulen auftreten. Ferner ist diese bekannte elektronenoptische Säule aus einzelnen jeweils eine elektromagnetische Linse umfassenden Abschnitten aufgebaut, die miteinander verbunden und abgedichtet werden müssen. Die Reinigung derartiger elektronenoptischer Säulen 1st relativ aufwendig, und es ergeben sich erhebliche Schwierigkelten beim Abgleich und bei der Einstellung der Elektronenlinsen mit dem hohen Genauigkeitsgrad der zur Erzielung einer genauen Abtastung und einer hohen Auflösung des Elektronenstrahls erforderlich ist. Durch diese Unterteilung der elektronenoptischen Säule in verschiedene Abschnitte ergeben sich weiterhin zusatzliche Abdichtungsprobleme. Es ist weiterhin ein Elektronenmikroskop bekannt (US-Patentschrift 22 06 415), bei dem elektrostatische Ablenksysteme und elektromagnetische Linsen verwendet werden. Die elektrostatischen Ablenksysteme sind hierbei Im Inneren des Vakuumraums angeordnet, während die Magnetspulen außerhalb des Vakuumraums angeordnet sind. Avich bei diesem bekannten Elektronenmikroskop besteht jedoch der die Ablenksysteme und die Linsen enthaltende Vakuumraum aus einzelnen miteinander verbundenen Abschnitten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Abtast-Elektronenmlkroskop der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei vereinfachtem Aufbau eine einfachere Reinigung ermöglicht und die Probleme des Ausgasens der Magnetspulen sowie von Undichtigkeiten auf Grund der Unterteilung der elektronen-optluchen Säule beseitigt.

Diese Aufgabe wird durch die Im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Abtast-Elektronenmlkroskop weist eine verringerte Anzahl von Abdichtpunkten auf und weiterhin sind die Magnetspulen der elektronenoptischen SBuIe außerhalb des Vakuumraums angeordnet, so daß keine Probleme auf Grund des Ausgasens der Magnetspulen entstehen. Da der Vakuumraum lediglich durch das die Elektronenquellenkammer und die Objektkar.imer verbindende Rohr gebildet ist, ist das zu evakuierende Volumen wesentlich verringert, was mit der Verringerung der Anzahl der Abdichtpunkte eine Verringerung der Abpumpzelt ergibt. Das Rohr kann In einfacher Welse von den übrigen Teilen de? Abtast-Elektronenmlkroskopes getrennt werden um eine Reinigung durchzuführen, wobei keine Störung de Ausrichtung der einzelnen Magnetspulen oder eine Gefahr der Beschädigung der elektronenoptlschen Säule besteht.

Bei dem Ablast-Elektronenmikroskop nach Anspruch 3 wird durch die Ausgestaltung des Rohres In Form eines Innenliegenden dünnwandigen Metallrohres einerseits eine elektrostatische Aufladung vermieden, während gleichzeitig Wirbelstromverluste aufgrund der dynamischen Felder der Ablenkspulen zu einem Minimum gemacht werden. Die Steifheit des Rohres Ist durch

die Verstärkung des dünnwandigen metallischen Innenrohres durch ein außenliegendes Isolierrohr dennoch ausreichend.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird Im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt eine seitliche Querschnittsansicht der elektronenoptischen Säule eines Abtsst-Elet-tronen-SPÜLiüSfcopS.

In der Zeichnung ist die elektronenoptische Säule A eines Ausführungsbeispiels des Abtast-Elektronenmikroskops gezeigt. Die elektronenoptische Säule A umfaßt eine Elektro-jin-^uaüenkammer 10, in der eine Elektronenquelle 11 angeordnet ist. Die Elektronenquelle 11 ist elektrisch mit einer geeigneten Hochspannungs-Leistungsversorgung über die Leitung 12 verbunden. Die F.lektronenquellenkammer 10 umfaßt ein im wesentlichen zylindrisches, an einem Ende geschlossenes Gehäuse, das eine ringförmige Nut an dem anderen Ende aufweist, die einen O-Ring oder eine Abdichtung 13 aufnehmen kann Die Elektronenquellenkammer 10 schließt eine Pumpöffnung 14 ein, die zur Evakuierung des Inneren der elektronenoptischen Säule verwendet wird, wie es im folgenden ausführlicher beschrieben wird.

Die Elektronenquellenkammer 10 ist In geeigneter Weise befestigt, wobei das den O-Ring 13 enthaltende Ende gegen ein erstes Spulengehäuse 15 anliegt. Das Gehäuse 15 ist ein hohles zylindrisches Gehäuse mit einer Innenwand 15a, die eine ringförmige Kammer und eine axiale öffnung definiert. Innerhalb der ringförmigen Kammer Ist eine Spule 16 angeordnet. Die Innenwand 15a schließt zwei Spalten 17 und 18 an Ihren Enden ein. Die Spule wirkt bei geeigneter Ansteuerung mit dem Gehäuse 15 zur Bildung von zwei magnetischen Linsenfeldern an den Spalten 17 und 18 zusammen. Diese magnetischen Linsenfelder dienen zur Fokussierung des von der Elektronenquelle 11 ausgesandten Elektronenstrahls.

innerhalb der axialen Öffnung In dem Gehäuse 15 Ist ein sich darüber hinaus erstreckendes Rohr 20 angeordnet. Das Rohr 20 Ist an einem Ende an dem Flansch 21 besfestlgt. Der Flansch 21 weist eine ringfömlge Nut auf, die einen O-Rlng 22 enthält, der unter einem durch das Vakuum bewirkten Druckkontakt mit der Endoberfläche des Gehäuses 15 steht. Somit 1st das innerhalb der elektronen-optlschen Säule A enthaltene Vakuum auf das Rohr 20 beschränkt und tritt innerhalb des Gehäuses 15 nicht auf, wie es Im folgenden klarer ersichtlich wird. Der Flansch 21 weist eine mit einer öffnung versehene Scheibe 23 auf, wobei der von der Elektronenquelle 11 ausgesandte Elektronenstrahl durch die öffnung In der Scheibe 23 geleitet wird, die teilweise dazu dient, den räumlichen Winkel des von der Elektronenquelle 11 ausgesandten Elektronenstrahls zu definieren.

Um den Teil des Rohres 20, der aus dem Gehäuse 15 herausragt, ist eine Ablenkspule 24 angeordnet. Wie es Im folgenden ausführlicher beschrieben wird, wird die Ablenkspule 24 In geeigneter Weise angesteuert, um den Elektronenstrahl zu veranlassen, die Probe oder das Objekt In einer erwünschten Welse abzutasten.

Ein zweites Gehäuse 25, das In gewisser Weise ähnlich dem Gehäuse 15 ist, Ist um die Ablenkspule 24 herum angeordnet. Im einzelnen umfaßt das Gehäuse 25 ein hohles zylindrisches Gehäuse mit einer Innenwand 25a, die eine ringförmige Kammer und eine axiale Öffnung definiert. Die axiale Öffnung Innerhalb der Innenwand 25a umschließt im wesentlichen die Ablenkspule 24, wobei das Rohr 20 durch diese hindurch verläult. Innerhalb der ringförmigen Kammer des Gehäuses 25 ist eine Spule 26 angeordnet. Die innenwand ISa des Gehäuses 25 schließt einen Spalt 27 zwischen der innenwand 25a und der unteren Endwand des Gehäuse 25 eif! Wen·» an Spule 26 'n geeigneter Weise angesteuert wird, wirkt bic frtit dem Gehäuse 25 zur Bildung eines magnetischen Liiissnfeldes an dem Spalt 27 zusammen, wobei dieses magnetische Linsenfeld den Elektronenstrahl auf eine im folgenden noch näher zu beschreibende Weise fokussiert, ίο An dem unteren Ende des Rohres 20 ist ein Flansch 28 befestigt, der einen O-Ring oder eine Abdichtung 29 aufnimmt. Der O-Ring 29 wirkt mit dem Flansch 28 und dem Gehäuse 25 zusammen, um zwischen diesen Teilen eine Vakuumabdichtung zu schaffen. Somit ist das innerhalb der elektronen-optischen Säule enthaltene Vakuum innerhalb des Rohres 20 enthalten und ist nicht innerhalb der Ablenkspule 24 oder des Gehäuses 25 vorhanden. Innerhalb der axialen Öffnung in dem unteren Ende des Gehäuses 25 ist eine Scheibe 30 angeordnet, die eine Mittelöffnung aufweist. Die Öffnung in der Scheibe 30 wirkt zur weiteren Festlegung des räumlichen Winkels des hindurchlaufenden Elektronenstrahls.

Das Rohr 20 kann entweder ein metallisches oder ein nichtmetallisches Rohr sein. Wenn jedoch ein nichtmetallisches oder Isolierendes Rohr verwendet wird, können sich elektrostatische Ladungen auf dem Rohrinneren ausbilden, wobei diese Ladungen einen Astigmatismus, eine Defokussierung oder Fehlablenkung des Elektronenstrahls ergeben können. Wenn jedoch ein Metallrohr 20 verwendet wird, erzeugen die sich ändernden und durch die Ablenkspule 24 erzeugten Felde:, die zur geeigneten Ablenkung des ElektronenstraWs erforderlich sind, Wirbeiströme in dem Rohr 20, die die brauchbare Abtastfrequenz In unzweckmäßiger Weise begrenzen und im übrigen die Betriebsweise des Abtast-Elektronenmikroskops In schädlicher Weise beeinflussen.

Entsprechend Ist es vorzuziehen, daß das Rohr 20 ein zusammengesetztes Rohr ist, das aus einem äußeren Isolierrohr 20a und einem dünnwandigen metallischen Innenrohr 206 gebildet 1st. Auf diese Welse wird dai Problem der elektrostatischen Ladung auf dem Inneren des Rohres 20 auf ein Minimum verringert, well das Innenrohr l'jb geerdet werden kann, um die Ladungen abzuleiten, während das Wirbelstromproblem außerdem auf ein

<5 Minimum verringert wird, well die Wand des innenrohrs 206 extrem dünn sein kann. Somit kann das Rohr 20 ein zusammengesetztes Rohr sein, das von einem dünnwandigen, nichtmagnetischen, rostfreien Stahlrohr 206 gebildet wird, das Innerhalb eines Fiberglas-Außenrohres 20a angeordnet Ist, das seinerseits zur Erzielung der notwendigen Stärke und Steifigkeit dient, so daß das Innenrohr 206 ausreichend dünnwandig sein kann, um das Wirbelstromproblem auf ein Minimum zu verringern.
Unterhalb der elektronen-optischen Säule ist sine ObjektKmmer 31 angeordnet. Die Objektkammer 31 Ist eine Im wesentlichen zylindrische, an einem Ende geschlossene Kämmet, die am anderen Endt eine ringförmige, einen O-Rlng oder eine Abdichtung 32 aufnehmende Nut aufweist. Die Objektkammer 31 ist In geeigneter Welse unter der elektronen-optischen Säule A derart angsordnet, üdß der O-Ring 32 an dem unteren Ende des Gehäuses 25 anliegt und so eine vakuumdichte Abdichtung zwischen dem Gehäuse 25 und er Objektkammer 31 ergibt. Die Objektkummer 3! schließt weiteres hin eine Pumpdffnunj 33 e!i, die zur Evakuierung des Inneren der elektronen-optischen Säule verwendet wird. Wie es welter oben erwähnt wurde, Ist es so verständl'ch. daß das Innerhalb der elektronen-opiijchen Säule η

erforderliche Vakuum Innerhalb der Objektkammer 31. de ti! Rohr 20 und der F.leklronenquellenkammer 10 vorhanden Ist, jedoch kein Vakuum Innerhalb der magnetischen Spulen herrscht

In der Objektkammer 31 Ist ein Objekttisch 34 zur Haiterung eines Objektes 35 in einer vorgegebenen lage in bezug auf den Elektronenstrahl angeordnet. In der Nahe des Objektes 35 befindet sich ein Eleklronenkollektor 36, der zum Auffangen der von dem Objekt 35 ausgesandten oder von diesem reflektierten Elektronen dient, wenn das to Objekt von dem ElektranensSrahl abgetastet wird. Der F.lektronenkollcktor 36 wirkt mit einer (nicht gezeigten) elektronischen Schaltung zusammen, um eine übliche .»vVnt-Elektronenmlkroskop-Darstellung zu schaffen

im Betrieb wird ein Objeki 35 In geeigneter Welse an π Jerr Objekttisch 34 besfesllgt und die Objektkammer 31 wird In geeigneter Welse mit der elektronen-optlschen Säule A verbunden (Nicht gezeigte) Vakuumpumpen werden mit den Pumpöffnungen 14 und 33 verbunden, so daß das innere der Onirkikammer 3i, des Rohres Zö und w der Elektronenqueilenkammer 10 evakuiert wird. Eine Hochspannungsquelle wird Ober die Leitungen 12 mit der Elektronenquelle Il verbunden, so daß sie Aussendung eines Elektronenstrahls von der Elektronenquelle It bewirkt wird.

Geeignete Gleichspannungen werden an die Magnetspulen 16 und 26 angelegt, so daß drei magnetische Linsenfelder an den Spalten 17. 18 und 27 In üblicher Welse ausgebildet werden Selbstverständlich wurden die Gehäuse 15 und 25 vorher In bezug auf das Rohr 21t derart ausgerichtet und abgeglichen, daß die magnetischen Linsenfelder eine Fokussierung des von der Elektronenquelle Il ausgesandten und durch tias Rohr 20 laufenden Elektronenstrahls bewirken

Eine sich in geeigneter Welse ändernde elektrische Quelle wird an die Ablenkspule 24 derart angelegt, daß der Elektronenstrahl das Objekt 35 In rasterförmlger Welse abtastet Dies bewirkt andererseits, daß Elektronen von dem Objekt 35 ausgesandt oder reflektiert werden, die dann von dem Elektroner kollektor 36 aufgefangen werden. Mit Hilfe geeigneter fnlcht gezeigter) elektronischer .Schaltungen werden diese Elektronen verstärkt und welterverarbeltel. um eine übliche Ablast -Elektronenmlkroskop-Darstellung zu schaffen.

Wie es welter oben beschrieben wurde, kann das Innenrohr 206 des Rohres 20 geerdet werden, um alle elektrostatischen, auf diesem Rohr ausgebildeten Ladungen abzuleiten. Wenn jedoch auf dem Inneren des Rohres Ϊ0 Materialien aufgrund von Vakuumabscheiuung oder Verdampfung abgelagert werden, kann die elektronen-optlsche Säule A In einfacher Welse zerlegt werden, so daß eine Reinigung möglich Ist. Insbesondere kann das Rohr 20 von der elektronen-optlschen Säule A abgezogen werden. Danach kann das Rohr gereinigt und ersetzt werden, wobei sich eine minimale Störung des Abglelchs de«· rr.agnetlstnen Linsen ergibt und wobei nur geringe Möglichkeiten einer Beschädigung bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Abtast-Elektronenmikroskop mit einer Kammer mit einer Elektronenquelle zur Aussendung eines Elektronenstrahls, mit einer Kammer zur Aufnahme eines Objektes, mit einem die ElektronenqueUenkammer und die Objektkammer verbindenden Vakuumraum, durch den der Elektronenstrahl von der ElektKKwnqiKlte auf Jas Objekt gerichtet ist, mit einer Vielzahl von Magnetspulen mit Vorrichtungen zu ihrer Ansteuerung zur Fokussierung und Abtastung des Elektronenstrahls auf dem Objekt und mit Vorrichtungen zur Evakuierung des Inneren der Elektronenquellenkammer und der Objektkammer sowie des Vakuumraumes, dadurch gekennzeichnet, daß der die Elektronenquellenkammer (10) und die Objektkammer (.si) verbirid-?^» Vakuumraum durch ein diese Kammer verbindendes Rohr Uu) gebildet ist, um das hemm die Magnetspulen (16, 26) angeordnet sind.

2. Abtast-Elektronenmikroskop nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (20) ein dünnwandiges Metallrohr (206) umfaüt.

3. Abtast-Elektronenmlkroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (20) ein dünnwandiges inneres Metallrohr (2C'>) und ein äußeres Isollerrohr (20a) umfaßt, wobei das innere Metallrohr (206) innerhalb des äußeren Isolierrohres (20a) angeordnet ist.

4. Abtast-Elektronenmikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere Metallrohr (206) ein nichtmagnetisch^ Ede^'ahlrohr Ist.

5. Abtast-Elektronenmikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Isollerrohr (20a) ein Fiberglasrohr Ist.

6. Abtast-Elektronenmikroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquellenkammer (10) und die Objektkammer (31) jeweils eine Pumpöffnung (14, 33) aufweisen und daß die Evakuierungsvorrichtung eine mit den Pumpoffnungen (14, 33) verbundene Vakuumpumpe umfaßt.