DE2235903C2

DE2235903C2 - Verfahren zum Betrieb eines Feldemissions-Raster-Korpuskularstrahlmikroskops und Feldemissions-Raster-Korpuskularstrahlmikroskop zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2235903C2
Application number: DE2235903A
Authority: DE
Inventors: Vincent John Los Altos Calif. Coates; Leonard Melvin Saratoga Calif. Welter
Original assignee: Nanometrics Inc
Current assignee: Nanometrics Inc
Priority date: 1970-06-15
Filing date: 1972-07-21
Publication date: 1986-04-17
Also published as: AU466190B2; GB1378554A; CA950592A; NL165604B; GB1355365A; FR2149412B1; DE2235903A1; AU4319672A; NL165604C; NL7209179A; NL161297B; FR2099295A5; FR2149412A1; DE2129636A1; NL161297C; NL7108096A; US3678333A; DE2129636C2; US3784815A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Feldemissions-Rasterkorpuskularstrahlmikroskops nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und auf ein Feldemissions-Raster-Korpuskularstrahlmikroskop zur Durchführung des Verfahrens.

Ein derartiges Feldemissions-Raster-Korpuskularstrahlmikroskop ist aus dem Artikel von A. W. Grewe et al in The Review of Scientific Instruments, Bd. 40, Nr. 2. Feb. 1969. Seiten 24! bis 246 bekannt; dieses Gerät arbeitet mit Elektronen.

Die Verwendung der Feldemissionsspitze ermöglicht die Bildung eines sehr intensiv fokussierten Strahls geladener Teilchen, durch die intensive Bestrahlung gewährleistet ist, die in der Rastermikroskopie benötigt wird; unmittelbar vor der Feldemissionsspitze kann dabei zur weiteren Leistungssteigerung eine Exiraktionselektrode angebracht werden, wie sie aus der deutschen Patentschrift 7 35 313 bekannt ist.

Feldemissions-Rasterelektronenmikroskope benötigen ein hohes Vakuum in der Nähe von 1,33· 10"* mbar. Normalerweise bewegen sich die Beschleunigungsspannungen, die zum Betrieb des beschriebenen Rasterelektronenmikroskops wie auch anderer ähnlicher Einrichtungen zur Anwendung kommen, im Bereich zwischen 5000 und 100 000 Volt. Dassebe gilt für die Beschlcunigungsspannungen, die in üblichen Rasiereiekironenmlkroskopen verwendet werden, welche von thermionischen Strahlerzeugern zur Versorgung mit den notwendigen Elktronen Gebrauch machen. Man kann ohne weiteres abschätzen, daß die Verwendung solcSi hoher Beschleunigungsspannungen, insbesondere in der Nachbarschaft von 100 000 Volt, eine ganze Reihe von Problemen aufwirft. Das Objekt wird oft durch die Strahlen, die Partikel mit solch hohen Energien enthalten, zerstört, und in vielen Fällen wird die Morphologie des Objektes derart einschneidend verändert, daß Zweifel an der Zuverlässigelt der erhaltenen Ergebnisse entstehen. In noch anderen Fällen.-/fenn nämlich leitende Oberflächen zu untersuchen sind, können bei der Verwendung von Strahlen mit hoher Energie elektrostatische Aufladungen, die an der Oberfläche durch den Elektronenstrahl hervorgerufen werden, nicht abgeleitet werden. Im Falle der Verwendung bekannter thermionischer Strahlerzeuger führen Versuche, die Beschleunigungsspannung zu erniedrigen, entsprechend den elektrooptischen Effekten zu einer drastischen Verringerung der Strahlstromintensltät, und der Brennpunkt nimmt größere Ausmaße an. wobei beide Effekte letztlich zu einem Verlust an Auflösungsvermögen führen. Dagegen sind bei dem bekannten Feldenilsslons-Raster-Korpuskularstrahlmlkroskop tier eingangs genannten Art die Intensität und die Brcnnpunklgröße spürbar verbessert. Diese Aufgabe wird durch die In den Ansprüchen 2 und 3 gekennzeichnete Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind In den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Durch die Erfindung kann das bekannte liustcr-Korpuskularstrahlmikroskop der eingangs genannten

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Λ rl, das isl eine neue Art gefunden worden, ein reelles Bild eines inensiven Strahls von Korpuskeln erzeugt, dessen Brennpunktebene mit dem Objekthalter des Mikroskops zusammenfällt, mit niedriger Strahlenergie betrieben werden.

Ks ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren 'um Betrieb eines Feldemissions-Raster-Korpuskularitrahlmikroskops der eingangs gnanntenArt bei dem ein Korpuskularstrahl erzeugt wird, der bei hoher Strahlntensitat eine geringe Strahlenergie hat, so-aie ein Hcldemissions-Raster-Korpuskularstrahlmikroskop zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Durch die Wahl des Potentials der zweiten Anode werden die von der ersten Anode beschleunigten Korpuskeln abgebremst, wobei ein reeller Brennpunkt der Korpuskeln außerhalb des Linsenfeldes und auf der der Feldemissionsspitze abgewendeten Seite entsteht. Die Korpuskeln im Brennpunkt des Strahls weisen eine niedrige Energie, jedoch eine hohe Intensität auf.

Bei einem derartigen Korpuskularstrahlmikroskops ist die Neigung zu Hüchspannungsdurchschlägen verringert und s können Objekte beobachtet werden, die gegen sine Zerstörung durch den Strahl anfällig sind, ,-.ußerdem kann ein derartiges Korpuskularstrahlmikroskop so ausgestaltet werden, daß es insbesondere für die Spiegelrasterung von Objekten geeignet ist.

Es sei darauf hingewiesen, daß ein Feldemisslons-Raster-Korpuskularstrahlmikroskop mit den Merkmalen der Ansprüche 6 und 7 im wesentlichen Gegenstand der /u der DE-OS 21 29 636 gehörenden älteren Patentanmeldung ist.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden erläutert.

Die Fig. 1 zeigt das Funktionsschema eines Feldemissions-Rastermikroskops.

Die Fig. 2 zeigt den Querschnitt eines Feldemissions-Rasterelektronenmlkroskops.

Die Fig. 3 zeigt die teilweise Ansicht einer Anodenanordnung.

Die Fig. 4 zeigt das Funktionsschema eines Objektes, das entsprecnend einer besonderen Betriebsart des FeIdcmissions-Rastermikroskops untersucht wird.

In den Figuren sind übliche Symbole verwendet, außerdem sind gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Teile in den einzelnen Ansichten verwendet.

Das elektronenoptische System gemäß Fig. 1 isl in Form eines Rasterelektronenmikroskcps 10 aufgebaut. Dieses Elektronenmikroskop weist einen Feldemissionsstrahlerzcuger auf. Es ist wichtig, an diesem Punkt darauf hinzuweisen, daß der Feldemissionsstrahlerzeuger des Ausführungsbeispiels zwar dazu verwendet wird. Elektronen als bestrahlende Partikel zu erzeugen, es aber auch möglich und In einigen Fällen notwendig ist, daß derselbe Erzeuger dazu benutzt wird, andere geladene Partikel, wie positive Ionen, zu erzeugen, um Objekte spezieller Natur beobachten zu können oder um Angaben zu erhalten, die durch die Verwendung eines Elektronenstrahls nicht mit letzter Sicherheit erhalten werden können. Wenn der Feldemissionsstrahlerzeuger als Quelle für positiv geladene Partikel verwendet wird, ist es natürlich notwendig, daß die Extraktionsspannungen und die Fokussierungsfelder umgepolt werden, damit die notwendigen Extraktlons-Beschleunigungs- und Fokussicrungskräfie erhalten werden. Zusätzlich zu dem Rasterelektronenmikroskop ist eine Potentialquelle II mit Elementen darstellt, die die verschieden hohen Spannungen an die Elektroden des Rastermikroskops 10 Meiern und die für den Be'irieb desselben notwendig sind.

Eine zweite zusätzliche Einheil, der Video-Empfänger 29, erzeugt in Zusammenarbeit mit den Abtast- und Detektorteilen des Rasterelektronenmikroskops 10 das Bild des untersuchten Objektes.

Die Feldelektronenemissionsspitze 21 stellt das Herz des Feldelektronenemissions-Rastermikroskops dar. Sie erzeugt einen in hohem Maße kohärenten Elektronenstrom hoher intensität, der zu einem Punkt mit dem gewünschten Auflösungsvermögen auf der Bildebene fokussiert werden kann, um das Objekt 18 zu bestrahlen. Das Objekt 18 ist als von einem Objekthalter 17 getragen dargestellt, welcher dieses in einer bestimmten Lage in bezug auf den fokussierten Elektronenstrahl 13 hält. Der Strahl der Elektronen oder geladenen Teilchen 13 wird in erster Linie durch die Wirkung der ersten Anode 23 fokussiert, welche sich zwischen der Feldelektronenemissionsspitze 21 und der zweiten Anode 24 befindet, welche ihrerseits in bezug auf die Ff.ldelektronenemissionsspitze 21 jenseits der ersten Anode 23 angeordnet ist. Die erste Anode 24 und die zweite Anode 23 erzeugen zusammen ein Feld 12. das als ^pokussierungslinse auf den Strahl 13 wirkt, wenn dle»:r sich durch die Öffnungen der Anoden hindurch auf eine Auftreffplatte oder auf das Objekt 18 zu bewegt.

Die Hauptbeschleunigungsspannung V_a wird durch eine Spannungsquelle 28 erzeugt und der zweiten Anode 24 zugeführt. Ihre Größe ist entsprechend dem Potential der Feldelektronenemissionsspitze 21 gewählt. Wenn die Vorrichtung als Rasterelektronenmikroskop verwendet wird, ist das Potential der zweiten Anode 24 positiv und erzeugt eine Beschleunigungsspannung für die Elektronen. Die Potentialquelle 27 gibt eine Spannung ΙΊ an die erste Anode 23 ab, deren Potential beim Stand der Technik niedriger als das Potential der zweiten Anode 24 in bezug auf die den Strahl 13 bildenden geladenen Partikel liegt. Auf diese Weise herrscht im Normalbetrieb ein positives Feld zwischen der zweiten Anode 24 und der ersten Anode 23, das dazu neigt, den Strahl 13 zu einem Brennpunkt auf der Ebene des Objekts Ϊ8 konvergieren zu lassen. Eine letzte Elektrode, nämlich die Extraktionselektrode 22. ist der Feldelektronenemissionsspitze 21 am iachsten benachbart angeordnet und weist genau so wie die erste Anode 23 und die zweite Anode 24 eine mittige Öffnung auf. die mit der Feldelek/ronenemissionsspitze 21 axial fluchtet. Der Strahl 13 wird dadurch gebildet, daß die Elektronen von der Teldelekuonenemissiop.sspitze 21 aus sich durch die Öffnungen in der Extraktionselektrode 22, der ersten Anode 23 und der zweiten Anode 24 hindurchbewegen. Die Potentialquelle 26 liefert eine Spannung V\. die im wesentlichen der Spannung Γ, der Poientialquelle 27 gleicht und erzeugt das Extraktionsfeld für die Feldelektronenemissionsspitze 25. Wenn die Anordnung im Elektronenbetrieb verwendet wird, ist diese Spannung natürlich positiv und erzeugt eine extrem hohe Felddichte in der Nachbarschaft der Feldelek'nnenemissionsspitze 21, welche ein spitzes Ende mit einem Radius von ungef. 0.1 μηι aufweist. Es ist selbstverständlich zu beachten, daß dann, wenn die Anordnung als Quelle für positiv geladene Partikel verwendet *ird. die Spannung \\ den entgegengesetzten Pctentialweri aufweisen muß und dann ein In entgegengesetzter Richtung polarisiertes Feld p.rzeugt. das die notwendige Intensität hat, um di? Molekülzusammenstöße hervorzurufen bei denen Ionen oder andere geladene Partikel entstehen.

Das Ablenksystem 56 ist iur Steuerung des Strahls 13 bestimmt, um das Abtasten des Objektes 18 In der vorgegebenen Art und Weise zu ermöglichen. Das Ablenksy-

stem 16 weist Im wesentlichen Ablenkplatten auf. die gegenüber dem Abtastsystem des Video-Empfüngers 29 eine gleiche Anordnung aufweisen und die dadurch eine mit der Rasterung des Objektes 18 übereinstimmende Rasterung des Videofeldes des Empfängers 29 bewirken. Detektoren 14 und 15 sind so angeordnet, daß sie Informationssignale, die von der Oberfläche des Objektes 18 ausgehen oder durch dieses hindurchgetrtten slr.d. empfangen oder anzeigen. Informationssignale bezüglich t'.es Objektes 18 können dadurch erhalten werden, daß hindurchgetretene Elektronen, wie im Falle eines Durchsirahlungsm'kroskopes, Sekundärelektronen, reflektierte Elektronen, absorbierte Elektronen. Photonen oder Röntgenstrahlen, die teilweise oder alle durch den auftreffenden Strom von Elektroden oder anderer geladener Teilchen erzeugt werden, angezeigt werden. Diese Detektoren 14 und 15. die In den meisten Fällen vom Scintillationstyp sind, werden dazu verwendet, eines der Informationssignale zu empfangen, das Uann dazu verwendet wird, die Intensität bei der synchron getasteten Bildröhre des Video-Empfängers 29 zu modulleren, damit ein Bild des Objektes 18 erzeugt werden kann.

Im Verlaufe der nacnfolgenden Beschreibung und insbesondere, wenn Beispiele bzw. Betriebsarten betrachtet werden, wird die Vorrichtung lediglich im Elektro- J5 nenbetrieb beschrieben, d. h. nur für den Fall, daß die Feldemissionsspitze 21 zur Erzeugung von Elektronen verwendet wird.

Die noch verbleibenden in der Fig. 1 dargestellten Elemente sind eine Entladeabschirmung 20 und eine Sublimationsspule 19. Die Entladeabschirmung 20 findet vor allem dafür Verwendung, bei hohen Spannungen mögliche Entladungen von der äußeren Kammer nach der Extraklionselektrode 22 und nach der Feldeniissionsspitze 21 zu verhindern, außerdem dient diese Abschirmung als Kondensierungsfläche für Titan oder andere Materialien geeigneter Eigenschaften, die durch die Sublimationsspule sublimiert werden. Wenn das sublimierte Material auf der Oberfläche der Abschirmung 20 kondensiert, stellt es ein Material dar, das mit den gasförmigen Bestandteilen in der Nachbarschaft der Feldemissionsspitze sich verbindet und dabei das Vakuum erniedrigt. Die Sublimationsspule 19 ist selbstverständlich Bestandteil eines Evakuierungssysiems. der zusammen mit dem in der Nachbarschaft der Feldemissionsspitze 21 zwangsläufig auftretenden Ionenpumpvorgang ein Vakuum in der Größenordnung von 1.33-!O⁹ bis 1.33 l(r'° mbar aufrechterhält und dabei eine verlängerte und zuverlässige Tätigkeit der Feldemissionsspitze als Elektronenquelle sicherstellt. Es soll hier darauf hingewiesen zuwerden. daß bei dem noch zu beschreibenden Ausführungsbeispiel der Erfindung in gewissem Maße die Notwendigkeit für eine Hochspannungsabschirmung vermieden ist. indem die Beschleunigungsspannung verringert wird, die erforderlich ist. um einen fokussieren Elektronenstrahl von hoher Intensität auf dem zu beobachtenden Objekt zu erhalten.

Nun wird das Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop gemäß Fig. 2 betrachtet. Innerhalb der Vakuumkammer 41 und insbesondere des Hochvakuumbereichs M 41a befindet sich die Feldemissionsspitze 21. die die Elektronenquelle darstellt. Die Feldemissionsspitze 21 ist normalerweise geätzt und erfordert keine Heizspannung bzw. Heizenergie, um Elektronen zu emittieren, ihre Ausbildung hängt jedoch von der Formation des Extraktionsfeldes in der Nachbarschaft ihres äußersten Spitzenbereiches 45 ab. welcher einen Radius von 0.1 um aufweist Wenn das Feld, das in diesem Bereich aufgebaut worden ist. ausreichend groß ist. um die Austrlitsiirbelt des Metalls, das normalerweise Wolfram ist, und ihis durch die emittierten Elektronen aufgebaute Urcmsfckl zu überwinden, dann arbeilet die Feldemissionssplt/c 21 als Quelle für einen in hohem Grade kohärenten lilcktmnenstrom hoher Intensität.

Die Feldemissionsspitze 21 Ist so gehalten, daß sie entlang den X-. Y- und Z-Achsen bewegt werden und zum Zwecke ihres Austausche entfernt werden kann. Wie In Fig. 2 gezeigt, weist die Spltzenhalterung 50 eine V-förmige Fassung auf, an der die Spitze 21 befestigt ist. Eine Isolationsscheibe 54 nimmt die Elektrode 53 auf, die an der Spitze 21 befestigt ist und die mit dieser Isolatlonsscheibe 54 mittels eines geeigneten Befestigungsclcmentes wie zum Beispiel ein Schraubelement 57 verbunden ist. Die Spitze 21, die Scheibe 54 und die Elektrode 53 haben die Form eines Kegels, der lösbar am jenseitigen Ende eines Stempels 55 angebracht ist. Das obere Ende lie« isolierenden Stempels 55 ist fest mit einem Metallschafi 60 verbunden, der eine Kappe 60« mit einer nach unten ragenden Flanke hat, welche innerhalb des oberen Endes des Stempels 55 befestigt Ist. An die Kappe 60o Ist eine Art Barometerdose 61 angeschweißt, die zusammen mit der Hochvakuumkammer eine Vakuumabdichtung darstellt, die sowohl eine axiale als auch eine quergerichtete Bewegung der Spltzenhalterung 50 ermöglicht. Das federnde, die Form einer Baromtcrdosc aufweisende Blech ist direkt an das eine Ende der Kappe 62 angeschweißt, wodurch die Vakuumabdichtung vollständig wird. Den Metallschaft 60 umgibt eine Hülse 63. die sich in einer Öffnung 64 der Kappe 62 befindet. Von der Kappe 62 beabstandet ist eine Tragplatte 65 angeordnet, die eine geeignete Öffnung zur Aufnahme des Schalles 60 und der Hülse 63 aufweist. Ein Knopf 68, der mil dem oberen Ende des Schaftes 60 verschraubt ist, erzeugt eine axiale Bewegung der Spitzenhalterung 50, während Einstellschrauben 66 die Platte 65 neigen und dabei eine Bewegung in den V- und )-Achsen erzeugen, um üie Vorrichtung mit den Öffnungen der verschiedenen Elektroden des Mikroskops fluchten zu lassen, und zwar insbesondere der Extraktionselektrode 22, der ersten Anode 23 un4 der zweiten Anode 24.

Unterhalb der Spitze 21 befindet sich Im Niedervakuumbereich 41ft der Vakuumkammer 41 die erste Anode 23. die eine zentrische Öffnung 84 aufweist, welche mit der Feldemissionsspitze 21 fluchtet. Die zweite Anode 24 befindet sich noch weiter unten, unterhalb der ersten Anode 23 und weist in ähnlicher Weise eine Öffnung 106 auf. die mit der Feldemissionsspitze 21 fluchtet.

Eine Entladeabschirmung 20 befindet sich innerhalb des Hochvakuumbereichs 41a und umgibt bzw. ' hüt/i die Feldemissionsspitze 21 vor vorzeitiger Beschädigung, die aufgrund von Hochspannungsentladungen auftreten kann. Die Entladeabschirmung 20 ist mit einem Ausgangsanschluß 77 des Hochspannungslsolaiionsstükkes 78 verbunden. Auf diese Weise befindet sie sich etwa auf demselben elektrischen Potential wie die Feldemissionsspitze 21, was aus Fig. 1 hervorgeht. Die Extraktionselektrode 22 ist im wesentlichen innerhalb der Entladeabschirmung 20 angeordnet. Wenn an diese txtraktionselektrode 22 eine Spannung angelegt wird, entsteht ein Extraktionsfeld und es werden aus der Feldemissionsspitze 21 Elektronen abgesaugt. Die Extraktionselektrode 22 ist es, die eine normale Elektronenemission ermöglicht, wenn die Entladeabschirmung die Feldemissionsspitze 21 als Schutz gegen übermäßige Spannungsausgleichsvorgänge umgibt. Die Spannungen, die erforderlich sind, um an den Elektroden die

crlordcrliuhcn Potentiale aufrechtzuerhalten, werden durch eine Hochspannungsversorgung Il geliefert, die niil der Vakuumkammer über Anschlüsse 77 und 79 mittels des Ilochspannungsisolallonsvcrbindungsstückes 78 in Verbindung sieht. Der Anschluß 77 isi sowohl mit eier Elektrode 53 als auch mit der Entladeahschirmung 20 verbunden. Der Anschluß 79. welcher der Hochspannung.«';, .iclle Γ ι der Fig. I entspricht, ist über eine Leitung 32 mit der Extraktionselektrode 22 verbunden, welche ihrerseits über einen Widerstand 83. an dem Spannung abfällt, mit der ersten Anode 23 verbanden ist. Dieser Widerstand 83 dient dazu, die Spannung der l.xirakiionselcktrode 22 auf einem Normalwert ΙΊ zu halten, wenn die erste Anode 71 Hochspannungsentladungen ausgesetzt Ist. Das Aufrechterhalten der Spannung I , an der Extraklionselekirode 22 verhindert eine I ntladung von dieser Elektrode zu der Feldemisslonsspit/c 21 und damit daraus resultierende Beschädigungen di*r Spitze.

Die Anordnung 102 gemäß Fig. 2 stellt eine Einsetzvorrichtung für eine Gleitplatte 110 dar. die der Blendengrößcncinstellung dient. In Abhängigkeit von der für das /u untersuchende Objekt erforderlichen Strahlgröße entsprechend der gewünschten Auflösung kann mit dem Mechanismus 102. der eine Einstellschraube und geeignete Dichiungselemente. wie zi.m Beispiel ein barometerdosenarUges Element sowie i>O«-Ringe aufweist, die Gleitplatte 110 quer zur Achse dir Fokussierungselektroden soweit bewegt werden, bis die gewünschte BlendenyrölJe eingestellt ist. Die untere Kammer 103 ist die eigei liehe Objektkammer. In ihrem Inneren befinden sich sowohl das zu untersuchende Objekt, als auch jene An/cigeelemenie, die erforderlich sind, um die notwendigen oder gewünschten Angaben über die Partikelemission und die vom Objekt ausgehende Emission zu erhalten. Die Kammer 103 ist gegenüber dem Hauptgehäuse des Elektronenmikroskops durch ein geeignetes Dichtungselement in Form eines ^«-Kings abgedichtet. Wenn jedoch eine AustauschmoglichkeU für das Objekt erforderlich ist. muß. um eine Verunreinigung derstrahllormcnden Teile des Rasterelektronenmikroskops zu verhindern, ein Mechanismus 101 vorhanden sein. Dieser Mechanismus 101 ähnelt dem Blendensteuerungsmechanismus 102 und weist eine Einstellschraube, eine geeignete Druckdose und eine Dichtung in Form eines »O«-Rings auf, damit eine Verbindung mit der Außenluft verhindert ist. Seiner Natur nach stellt dieser Mechanismus 101 ein Ventil dar. welches quer zur Öffnung bewegt wird, durch die sich der Strahl in dem Ablenksystem 16 hindurchbewegt, wodurch verhindert wird, daß der Hauptteil der Kammer 41 mit der Außen-IuIt in Verbindung kommt, wenn in die Kammer 103 Luft eintritt.

Eine Ionenpumpe 104 sorgt im Zusammenwirken mit der Sublimations-Getter-Pumpe 19 durch einen gemeinsamen ionenpumpvorgang in der Umgebung der FeIdcmissionsspitze 21 für das notwendige extrem niedrige Vakuum, das für die ordnungsgemäße Wirkungsweise eines Feldemissions-Rastermikroskops notwendig ist. Zunächst wird durch die Ionenpumpe auf einen Wert von annähernd 10"' mbar gepumpt. Wenn dieser Wen erreicht ist, wird der weitere Pumpvorgang durch Sublimierung von Getter-Material durch einen Sublimationsring bewirkt. Jener wird über den Hochspannungsanschluß 77 aktiviert. Das sublimierte Material kondensiert aiii dem inneren Teil bzw. auf der Oberfläche der Entiadungsabschirmung 20 und bettet entweder verunreiniiiiMule Moleküle in sich ein oder verbindet sich mit denselben, um sie von der die Feldemissionsspitze 21 umgebenden Atmosphäre zu entfernen. Gleichzeitig bewirken die aus der Feklemissionsspiize 21 herausgerissenen Elektronen eine Ionisation der Gasmoleküle in ihrer Nachbarschaft, die dabei entstehenden Ionen werden daraufhin zu der Abschirmung 20 hingezogen und gegebenenfalls in dem von der Sublimationsspule 19 sublimierten Material eingebettet. Dieser Getter-Pumpvorgang. der mit dem Ionenpumpvorgang kombiniert ist

in und innerhalb des Feldes der Feldemissionselektrode durchgeführt wird, hält für dieselbe eine an Verunreinigungen freie Umgebung aufrecht, und bewirkt außerdem, daß in dieser Umgebung der geringste Druck des ganzen Systems von etwa 1.33 ■ 10 ' bis 1,33 · 10 '" mbar

l> herrscht. Dies hat die Stabilität des Feldes der Emissionsspitze 21 und eine stark verlängerte Lebensdauer und Effektivität derselben zur Folge. Die Kammer 100. die die Feldemissionsspitzenanordnung 50 umgibt, dient dazu. Kühlflüssigkeiten aufzunehmen, die einem Kryopumpvorgang dienen, der in der Nachbarschaft der Feldemissionsspitze 21 V₁ irksam ist. Wenn auch dieser Kryopumpwirgang die Evakuierung des Systems vergrößert, so ist dafür dennoch keine besondere Anpassung der Einrichtung erforderlich.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Ausführungsbeispicle der Erfindung wird die Flg. 3 herangezogen, die eine typische Elektroden-Feldemissionsspitzen-Konfiguration und -Geometrie zeigt. Bei der Erläuterung dieser typischen Konfiguration muß daran erinnert werden, daß

.w sie derjenigen, die auch in den Systemen der Fig. 1 und 2 vorhanden ist. entspricht und daß daher dieselben Zusatzeinrichtungen und elektrischen Verbindungen zu den Potentialquellen vorhanden sind. In Fig. 3 ist eine Feldemissionsspitze gezeigt, die axial mit Öffnungen in

.15 der Extraktionselektrode 22. in der ersten Anode 23 und in der zweiten Anode 24 fluchtet. Außerdem ist das Ablenksystem 16 gezeigt, das der Ablenkung des Strahls dient, außerdem isi die Flaue ! SO gezeigt, die der Veränderung der Blendengrßße dient. Bei allen bisher bekannten Rasterelektronenmikroskopen wurde eine Beschleunigungsspannung von 5000 bis 100 000 Volt an die zweite Anode 24 angelegt, an der ersten Anode 23 lag ein Potential zwischen 500 und 3500 Volt bzw. von 2000 Volt Nominalwert und etwa dasselbe Potential von 2000 Volt Nominalwert wurde an die Extraktionselekirode 22 angelegt. Die entsprechenden Felder hatten die Ausbildung eines von der Feldemissionsspitze ausgehenden Strahls hoher Intensität zur Folge und bewirkten eine Fokussierung dieses Strahls in einer Entfernung 5 von der Austrittsöffnung der zweiten Anode 24. An dieser Stelle sei bemerkt, daß die Geometrie der Elektrodenkonfiguration dem Optimalwert entspricht, wie er von J. W. Butler errechnet und von A. V. Crewe, D. N. Eggenberger. J. Wal! und L. M. Welter unter dem Titel »Electron Gun Using a Field Emission Source«, Volume 39, Nr. 4. in der Zeitschrift »The Review of Scientific Instruments«, April 1968. Seiten 576-583 beschrieben worden ist. Wenn die zweite Anode 24 und die erste Anode 23 in dieser Weise angeordnet sind und wenn das Verhältnis der Spannung \'a an der zweiten Anode 24 und der Spannung T₁ an der ersten Anode 23 10 zu 3 beträgt, wenn zwischen der zweiten Anode 24 und der ersten Anode 23 ein axialer Abstand von ungef. 2 cm ist. wenn der Abstand zwischen der ersten Anode 23 und der Feldemissionsspitze 1 bis 3 cm beträgt !diese Abstände können jedoch bei speziellen Anwendungen erheblich variieren), entsteht unterhalb der zweiten Anode 24 von der Emissionsspitze 2! entfernt ein reeler Brennpunkt des Strahls 13. Wenn das

Verhältnis der Spannung I₀ der zweiten Anode 24 zur Spannung I₀ auf 10 erniedrigt wird, geht der Bildabstand 5 gegen unendlich, so daß eine tür die Raster-Elektronenmlkroskople brauchbare Brennpunktgröße nicht mehr erhalten wird. Wenn dasselbe Verhältnis von I₀ zu V\ über ungf. 30 ansteigt, wird der Bildabstand S negativ und der Brennpunkt wird Innerhalb des die zweiten Anode 24 un^J. die erste Anode 23 umfassenden Linsensystems erzeugt und wird daher für die Untersuchung eines Objektes unbrauchbar. Es 1st einzusehen, daß in dem Bereich der Spannungsverhältnisse von 10 bis 30 der Elektronenstrahl aufgrund der Funktionseigenschaften der Feldemissionsspitze 21 von hoher Intensität und relativ hoher Energie 1st und damit die vorstehend erwähnten Schwierigkeiten mit sich bringt.

Der Erfindung Hegt die Erkenntnis zugrunde, daß, wenn man das Verhältnis von I₀ zu Γ, beständig so weit verkleinert bis V₀ niedriger als ΙΊ ist und damit ein abbremsendes Feld innerhalb des von der zweiten Anode 24 und der ersten Anode 23 gebildeten Linsensystems in bezug auf ein Elektron erzeugt, außerhalb und auf der der Feldemissionsspitze 21 abgewendeten Seite wieder ein reeller Brennpunkt des Strahls erscheint, so daß der fokusslerte Strahl nun zur Untersuchung des Objektes geeignet 1st. In bezug auf die besondere, in F i g. 3 dargestellte Linsenkonfiguration wurde herausgefunden, daß dann, wenn die Spannung V₀ der zweiten Anode 24 sich 300 Volt nähert und wenn die Spannung Γ, der ersten Anode 23 annähernd 2000 Volt beträgt, oder mit anderen Worten, bei einem Verhältnis von ungef. 0,15, ungef. 5 cm von der Öffnung der zweiten Anode 24 entfernt ein reelles Bild entsteht, d. h., daß der Bildabstand S 5 cm beträgt. Der Grund für die Bildung dieses reellen Brennpunktes bei einem Verhältnis von V₀ zu ΙΊ, das kleiner als 1 ist, kann nicht völlig geklärt werden. Es wird vermutet, daß das Innerhalb des durch die zweite Anode 24 und die erste Anode 23 begrenzten Bereichs gebildete abbremsende Feld aut den Strahl als Sptegeihnsensystem wirkt und zur Folge hat. daß die Elektronen des Strahls zu einem Brennpunkt vor der zweiten Anode 24 gebeugt werden, wenn der Strahl Teilchen aufweist, deren Energie ausreichend ist, um das Spiegellinsensystem zu durchqueren und durch die Öffnung der zweiten Anode 24 auszutreten. Die Makro-Analyse des Einflusses eines Spiegellinsensystems, das dem in Fig. 3 dargestellten System entspricht, zeigt die Anwendbarkelt dieser Hypothese.

Wenn ein Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop in der oben stehend beschriebenen Weise betrieben wird. 1st es möglich, einen kleinen Brennpunkt von Elektronen zu erhalten, die lediglich auf wenige i00 Voit beschleunigt sind, wobei die Stromstärken des Elektronenstroms jedoch ungef. dieselben sind, wie sie mit höheren Beschleunigungsspannungen erzielt werden. Der FeIdemisslonsstrahlerzeuger, der In der beschriebenen Art betrieben wird, behält die hler beschriebenen Vorteile wie auch diejenigen Vorteile, die in dem eingangs erwähnten Zeitschriftenartikel angegeben worden sind. Das so betriebene Rasterelektronenmikroskop bietet eine Reihe von Vorteilen. Die zum Betrieb des Strahlerzeugers erforderlichen Spannungen haben einen viel geringeren Wert, womit die Notwendigkeit für komplizierte Vorkehrungen wegfällt, die dazu dienen Spannungsentladungen zu vermeiden, die Teile der Anordnung zerstören oder aber den Betrieb des Mikroskops unterbrechen können. Notwendigerweise hat dies geringere Kosten und die Verwendbarkeit eines vielgestaltigeren Feldes für die Anordnung wie auch eine größere Zuverlässigkeit zur Folge. Darüber hinaus erlaubt die niedrigere Beschleunigungsspannung 'υ Im Zusammenwirken mit der Möglichkeit, einen Brennpunkt geringer Größe bei hoher Strahlstromstärke zu erzeugen, die Untersuchung von nichtleitenden Objekten, ohne daß das normalerweise auftretende Problem der »Aufladung« entsteht. Es Ist herausgefunden worden, daß besonders brauchbare Bilder bei Spannungen V₀ von nur mehreren 100 Volt zusammen mit Spannungen I',, die 5- oder lOmal größer als diese sind, erhalten werden können.

Noch ein anderer nützlicher Aspekt liegt darin, daß Objekte untersucht werden können, die einer direkten Einwirkung durch den Strahl nicht ausgesetzt werden dürfen. In Flg. 4 ist der Objekthalter eines Systems dargestellt, der so angeordnet Ist. daß eine direkte Einwirkung des Strahls auf das Objekt 18 vermieden ist. Wie dargestellt, fokussiert der Strahl direkt oberhalb de. Oberfläche des Objektes 18; die abgelenkten Elektronen werden von einem Detektor 14 empfangen, um in dem Video-Empfänger 29 sichtbar gemacht zu werden. Der Objekthalter 15 und damit das Objekt 18 erhalten durch eine Spannungsquelle k'io eine Vorspannung. Die Vorspannung ist so gewählt, daß sie in Ihrer Größe der Beschleunigungsspannung I η des Systems gleicht und in ihrer Polarität derselben entgegengerichtet Ist. so daß die Elektronen des Strahls 13 so weit abgebremst werden. daß sie gerade oberhalb der Oberfläche des Objektes zum Stillstand kommen. Durch sorgfältige Einstellung der Vorspannung des Objektes 18 Ist es möglich, die abgelenkten Rasterelektronen entsprechend der Obcrflächcngestaltung oder der elektrostatischen oder magnetischen Eigenschaften der Oberfläche zu empfangen. !Hiermit erhält man also eine Vorrichtung zum zerstörungsfreien Untersuchen bzw. Betrachten der Oberfläche des Objektes 18, da der Elektronenstrahl 13 In keiner Weise unter hoher Spannung auf das Objekt 18 einwirkt. Line derartige Spiegelmikroskopie ist durch die Bildung eines Strahls niedriger Energie möglich gemacht, dessen Intensität ausreicht, die gewünschte Auflösung und den gewünschten Kontrast herbeizuführen. Sie Ist von besonderem Wert in solchen Fällen, in denen eine lOOpro/.cntige Untersuchung der Teile erforderlich Is;. in denen aber ein Aufprall des Strahls, durch den eine Beschädigung des Objektes oder eine Wechselwirkung mit demselben möglich sein könnte, nicht zulässig lsi. Diese Art von Mikroskopie ist auch dann von bedeutendem Wert, wenn sie Im Zusammenhang mit Objekten angewendet wird, die so empfindlicher Natur sind, daß die Energie des Strahls alleine merkliche Veränderungen in der Morphologie der Substanz hervorrufen könnte.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb eines Feldemissions-Raster-Korpuskularstrahlmikroskops mit einer Feldemissionsspitze, mit einer in Strahlrichtung gesehen auf die Feldemissionsspitze folgenden ersten Anode und einer in Strahlrichtung gesehen dieser nachfolgenden zweiten Anode, deren Öffnungen axial mit der Feldemissionsspitze fluchten und die zusammen eine Feldlinse zum Fokussieren der von der Feldemissionsspitze erzeugten Korpuskeln bilden, sowie mit Potentialquellen zur Spannungsversorgung der Feldemissionsspitze und der beiden Anoden, bei dem die Potentiale an der Feldemissionsspitze und den beiden Anoden so gewählt werden, daß die Korpuskeln aus der Feldemissionsspitze extrahiert, beschleunigt und von der Feldlinse in einem reellen Brennpunkt abgebildet werden, der außerhalb der Linse an ihrer von der Feldemiss-^nsspitze abgewendeten Seite liegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential der zweiten Anode (24) in bezug auf die Polarität der Korpuskeln derart niedriger als dasjenige der ersten Anode (23) gewählt wird, daß ein intensiver jedoch niederenergetischer Korpuskuiarstrahl erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem Objekt (18) durch Vorspannungselemente (30) ein Potential aufgeprägt wird, das den Aufprall des Korpuskularstrahls auf das Objekt verhindert und daß die Lage des reellen Brennpunkts vor dem Objek; gewählt wird.

3. Feldemissions-Raster-Korpuskularstrahlmikroskop zur Durchführung dti Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geladenen Korpuskeln Elektronen sind.

4. Feldemissions-Raster-Elektronenmikroskop
nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung an der ersten Anode (23) mindestens ungefähr 500 V beträgt, daß die durch die erste Anode (23) und die zweite Anode (24) gebildete Linse eine axiale Länge von etwa 2 cm aufweist und daß die Feldemissionsspitze (21) von der ersten Anode (23) in axialer Richtung um wenigstens etwa 1 cm entfernt ist.

5. Elektronenmikroskop nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß das Potential der zweiten Anode (24) etwa 300 V beträgt und daß der reelle Brennpunkt in einer Entfernung von etwa 5 cm von der Öffnung der zweiten Anode (24) auftritt.

6. Elektronenmikroskop nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Extraktionselektrade (22) vorgesehen ist, die zwischen der Feldemissionsspitze (21) und der ersten A node (23) angeordnet ist. mit der Feldemissionsspitze (21) axial fluchtet und ein Extraktionsfeld zum Absaugen von Elektronen aus der Feldemissionsspitze (21) erzeugt, daß ein imf>edanzbehaftetes Element (83) vorgesehen ist, das zwischen der Extraktionselekelorde (22) und der ersten Anode (23) eine Reihenschaltung bildet und das Potential der Extraktionselektrode (22) auf einem Im wesentlichen konstanten Wert hält, wenn die erste Anode (23) Hochspannüngsentladungen ausgesetzt Ist und daß eine Sublimationspumpe (19) vorgesehen ist. die ein Getter-Material Hefen, das eine Bindung verunreinigender Moleküle in der Umgebung der Feldemissionsspitze (21) und eine Bindung der lonisierten Moleküle bewirkt, die durch die von der FeIdemlsslonsspitzc (21) er/cugtcn Elektronen und durch die von der Extraktionselektrode (22) emittierten Sekundärelektronen in der Umgebung der Fcldcrnissionsspitze (21) ionisiert werden.

7. Elektronenmikroskop nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Kühlmittelkammer (100), mit deren Hilfe in einem Kryopumpvorgang Verunreinigungen aus der Umgebung der Feldemissionsspitze (21) entfernt werden.