DE2608958A1 - Vorrichtung zum erzeugen von strahlen aus geladenen teilchen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Strahlen aus geladenen Teilchen, d.h. Elektronen- und Ionenkanonen. Mit derartigen Strahlen beschießt man typischerweise Oberflächen, die daraufhin Teilchen emittieren, die sich analysieren lassen, um die Zusammensetzung oder andere Eigenschaften der Oberfläche zu bestimmen.

Eine Art Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahles geladener Teilchen und insbesondere zur Erzeugung eines stark fokussierten Strahles positiver Ionen beruht auf der Ionisierung von Gasatomen in einer elektrischen Entladung und der Extraktion der so gebildeten Ionen durch geeignete elektrische und/oder magnetische Felder, um den Strahl auszubilden. Derartige

Plasmatron-Teilchenquellen sind in der Lage, sehr kräftige Strahlen zu liefern. Die im Plasma vorliegenden hohen Energien bewirken jedoch, daß im Ionenstrahl Ionen in einer Anzahl unterschiedlicher Ionisierungszustände mit erheblicher Streuung der Energie und in einer Vielzahl von Elementen vorliegen. Sehr oft ist es erforderlich, diesen Strahl zunächst zu filtern, wenn man ihn in Fällen einsetzen will, in denen ein einenergetischer Strahl erforderlich ist.

Eine weitere allgemeine Art einer Ionenkanone für die Herstellung eines Strahles mit erheblich geringerer Streuung der Energien beruht auf einem Elektronenbeschuß von Gasatomen unter niedriger Spannung, so daß im wesentlichen die gesamte Energie der Ionen des schließlich entstehenden Strahls bei der Beschleunigung entsteht. Eine derartige Kanone ist in der US-Patentschrift 3.665.182 offenbart.

Während eine solche Vorrichtung einen im wesentlichen einenergetischen Strahl liefern kann, ist dieser nicht stark fokussiert. Blendet man ihn auf einen kleineren Durchmesser ab, reduziert sich der Strom auf einen für viele Fälle unerwünscht kleinen Wert - bspw. dann, wenn man ein Bild herstellen will, das bestimmten Oberflächeneigenschaften entspricht.

Die US-Patentschrift 3.840.743 offenbart eine Ionenkanone mit zwei Fokussierlinsen und einer zwischen diesen angeordneten Platte mit einer Apertur verhältnismäßig großen Durchmessers. Weiterhin ist eine Plasmatron-Ionenquelle mit kleinem Quelldurchmesser offenbart. Der Punktdurchmesser des Strahles soll dabei auf jeden gewünschten Wert zwischen 1 µm und mehreren hundert Mikrometern einstellbar sein. Eine solche Variation läßt sich leicht erreichen, indem man das Potential in der ersten Fokussierlinse derart ändert, daß ein variabler Teil des Strahles von der Aperturplatte abgeblendet wird. Wie jedoch oben bereits erwähnt, verhindern die Energiestauung und die zu breit gefächerte Zusammensetzung eines derartigen Strahles in vielen Fällen dessen Einsatz.

Im Gegensatz zu diesen Vorrichtungen zur Erzeugung von Strahlen aus geladenen Teilchen nach dem Stand der Technik erlaubt die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung die Erzeugung eines im wesentlichen einenergetischen Strahls, der unter einer ersten Gruppe von Bedingungen sich auf einen Punkt sehr geringen Durchmessers fokussieren läßt, dessen Größe im wesentlichen von der sphärischen Aberration begrenzt wird, und der unter einer zweiten Gruppe von Bedingungen sich zu einem Strahl hohen Stromes fokussieren läßt.

In der neuartigen Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung werden die aus der Quelle austretenden geladenen Teilchen beschleunigt und auf im wesentlichen parallele Flugbahnen geschickt. Dieser Zustand erleichtert den Aufbau einer sehr kompakten und verhältnismäßig einfachen Konstruktion, die nichtsdestoweniger in der Lage ist, den oben erwähnten Strahl geringen Durchmessers zu liefern, ohne unwirtschaftlich hohe elektrische Potentiale zu erfordern.

Die neuartige Einrichtung weist Mittel auf, um einen Strahl geladener Teilchen zu erzeugen, einschließlich einer Quelle geladener Teilchen und einer primären Extraktorelektrode mit einer Öffnung, die den wirksamen Durchmesser des erzeugten Strahls bestimmt. Vorzugsweise weist die Quelle eine Quelle von Elektronen auf, die zu einem Elektronenstrahl ausgerichtet oder auf ein Gas gerichtet werden können, um dieses zu beschießen und positive Ionen darin zu erzeugen, die dann zu einem Strahl positiver Ionen geformt werden.

Stromabwärts der Quelle befinden sich Mittel, um die geladenen Teilchen im Strahl zu beschleunigen, eine erste Einrichtung zum Fokussieren des Strahles in einem Kreuzungspunkt des fokussierten Strahls, sowie eine zweite Einrichtung zum Fokussieren des Strahles auf einem Ziel. Wie sie hier benutzt werden, gelten die Ausdrücke "stromabwärts" und "stromaufwärts" relativ zur Richtung von der Quelle der geladenen Teilchen zum Ziel.

Eine wesentliche Verbesserung der vorliegenden Erfindung gegenüber den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik liegt im Beschleunigungsteil derselben, der eine erste und eine zweite Elektrodenanordnung aufweist. Die erste Elektrodenanordnung weist eine primäre Extraktorelektrodenanordnung am stromaufwärtigen Ende sowie Mittel zur Erzeugung einer Unipotentialfläche auf, die zirkularsymmetrisch um die Achse herum angeordnet ist und eine erste vorbestimmte Strecke stromabwärts der primären Extraktorelektrode verläuft.

Die zweite Elektrodenanordnung ist derart angeordnet, daß ihr stromaufwärtiges Ende stromabwärtig vom stromabwärtigen Ende einen zweiten vorbestimmten Abstand einhält und weist Mittel auf, um eine über eine dritte vorbestimmte Strecke verlaufende, zirkularsymmetrische und axial zentrierte Unipotentialfläche zu erzeugen. Vorzugsweise sind diese drei vor- bestimmten Strecken gleich.

Die Vorrichtung weist weiterhin Mittel, um ein vorgegebenes Potential zwischen die Quelle der geladenen Teilchen und die zweite Elektrodenanordnung zu legen, sowie Mittel auf, um einen Teil dieses Potentials an die erste Elektrodenanordnung zu legen. Diese Potentiale und die entsprechenden Anordnungen bilden eine elektrostatische Linse und sind so gewählt, daß ein Brennpunkt der elektrostatischen Linse etwa in der Ebene der Öffnung der primären Extraktorplatte liegt und die Flugbahnen der durch die zweite Elektrode fliegenden geladenen Teilchen im wesentlichen parallel verlaufen.

Es hat sich herausgestellt, daß sich ein derartiger Parallelstrahl unter einer vorgegebenen Größe von Fokussierbedingungen auf einen kleinen Durchmesser und verbesserte Stromdichte am Ziel fokussieren läßt. Infolge der Parallelität läßt sich der Strahl unter einer ersten Gruppe von Fokussierbedingungen an einem Kreuzungspunkt innerhalb der ersten Fokussierlinse fokussieren, so daß die Vorrichtung verhältnismäßig kurz und kompakt wird.

Die Zeichnung ist eine Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die die Zeichnung zeigt, soll nur beispielhaft gelten. Es liegt innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, für die Ausführungsform angegebene bauliche Einzelheiten wie bspw. die Teilchengeneratoren und Fokussierelemente durch solche anderer Art zu ersetzen.

Die dargestellte Vorrichtung eignet sich für jede Art geladener Teilchen, soll aber im folgenden in erster Linie am Beispiel eines Strahles aus positiven Ionen beschrieben werden.

Wie in der Zeichnung gezeigt, weist die Vorrichtung 10 einen Ionengenerator 12 mit einer Quelle geladener Teilchen, die allgemein mit 14 bezeichnet ist, und einer primären Extraktorelektrode 16 mit einer Öffnung 18 auf. Die Öffnung 18 steuert den Abgang von Ionen von der Quelle und definiert folglich den wirksamen Durchmesser des Strahles. Der wirksame Quelldurchmesser ist vermutlich etwa gleich der Hälfte des Durchmessers der Öffnung 18. Stromabwärts des Generators 12 liegen nacheinander ein allgemein mit 20 bezeichneter Beschleunigungsteil, eine erste Fokussierlinse 22, eine Elektrode 24 zur Durchmesserbegrenzung sowie eine zweite Fokussierlinse 26.

Beim Verlassen der zweiten Linse 26 wird der Strahl auf eine Zielfläche 28 fokussiert. Die Vorrichtung weist vorzugsweise Ablenkelektroden 29 und 30 auf, die zwischen der zweiten Fokussierlinse 26 und der Zielfläche 28 liegen. Eine Probe 31, deren Oberfläche 32 analysiert werden soll, läßt sich auf dem Probenträger 28 anbringen. Weiterhin kann man geeignete Einrichtungen 33 zur Aufnahme der von der Oberfläche emittierten Teilchen und deren Analyse vorsehen. Bei diesen Teilchen kann es sich um gestreute und abgestäubte Ionen, Sekundärelektronen, Photonen usw. handeln.

Der Ionengenerator 12 weist eine Elektronenquelle 36, ein elektronendurchlässiges zylindrisches Gitter 38 sowie eine Extraktor-Hilfselektro- de 40 auf. Die Elektronenquelle 36 ist ein kreisförmiger Heizfaden aus einer einzigen Windung, die das zylindrische Gitter 38 umgibt und in einer angenähert rechtwinklig zur Strahlachse liegenden Ebene liegt. Der Heizfaden 36 liegt nahe der Extraktor-Hilfselektrode 40, d.h. stromaufwärts von dieser um eine Strecke, die nicht größer ist als der Durchmesser der Öffnung 44.

Diese Anordnung ist dahingehend erwünscht, daß die vom Heizfaden emittierten Elektronen durch das Gitter hindurch in die Nähe der Extraktionselektroden angezogen werden. Auf diese Weise konzentriert die Ionisierung der Gasatome sich in der Nähe der Extraktionselektroden, womit die Wahrscheinlichkeit steigt, daß die erzeugten Ionen in den resultierenden Strahl hineingezogen werden. Der Heizfaden 36 läßt sich bequemerweise aus Wolframdraht mit einem Durchmesser von 0,125 mm herstellen, den man zu einer einzigen Windung mit einem Durchmesser von etwa 19 mm formt; die Erregung erfolgt bspw. mit 7 V zu einem Elektronenstrom von 15 mA. Das zylindrische Gitter 38 ist ein offenmaschiges Wolframdrahtgewebe mit einem Offenflächenanteil von 90 % bei einem Durchmesser von etwa 12,7 mm und einer Länge von 12,7 mm; er ist an seinem stromaufwärtigen Ende mit einem entsprechenden Maschennetz oder einer durchgehenden Tantalplatte verschlossen. Der Ionengenerator 12 weist weiterhin einen äußeren Reflexionszylinder 42 aus rostfreiem Stahl auf, der elektrisch mit dem Heizfaden 36 verbunden oder diesem gegenüber negativ vorgespannt sein kann, um die aus dem Heizfaden austretenden Elektronen zu reflektieren und folglich den Stromfluß durch das Gitter 38 hindurch zu verstärken.

Die Extraktor-Hilfselektrode 40 ist eine Platte aus rostfreiem Stahl mit einer kreisförmigen Öffnung 44, die konzentrisch zur Öffnung 18, dem zylindrischen Gitter 38 und dem Heizfaden 36 liegt. Die Elektrode 30 liegt stromabwärts von dem unteren Ende des Gitters 38, und zwar um eine Strecke von etwa 2,5 mm. Der Durchmesser der Öffnung 44 beträgt etwa 6,3 mm.

Die erste Elektrodenanordnung 34 weist an ihrem oberen Ende und einteilig mit sich die primäre Extraktorelektrode 16 auf. Die Elektrode 16 ist ebenflächig und ihre Öffnung 18 hat einen Durchmesser von vorzugsweise zwischen 0,38 und 12,7 mm, in diesem Falle von 1 mm.

Die erste Elektrodenanordnung 34 weist weiterhin eine erste Beschleunigungselektrode 46 auf, die ebenflächig ist und eine kreisförmige Öffnung 48 enthält, die im Verhältnis zur Öffnung 18 groß ist, deren Durchmesser jedoch nicht größer ist als die Entfernung zwischen der primären Extraktorelektrode 16 und der ersten Beschleunigungselektrode 46, d.h. als die Länge der ersten vorbestimmten Strecke.

Die Öffnung 48 hat einen Durchmesser von 9,5 mm. Zwischen der ersten Beschleunigungselektrode 46 und der primären Extraktorelektrode 16 und einteilig mit diesen verläuft ein zylindrischer Abschnitt, dessen Durchmesser gleich dem oder größer als der der Öffnung 48 ist, d.h. 19 mm. Dieses zylindrische Element 50 hält die erste Beschleunigungselektrode 46 um die erste vorbestimmte Strecke auf Abstand von der primären Extraktorelektrode 16 und schafft über diese Strecke eine zirkularsymmetrische, axial zentrierte Unipotentialfläche. In der dargestellten Ausführungs- form beträgt diese Entfernung etwa 14 mm. Der begrenzte Durchmesser der Öffnung 48 schwächt die Wirkung von Feldern von stromabwärtigen Elektroden auf die in der ersten Elektrodenanordnung 34 vorliegenden Felder ab.

Die zweite Elektrodenanordnung 52 weist eine zweite Beschleunigungselektrode 54 an ihrem stromaufwärtigen Ende auf. Die Elektrode 54 ist ebenflächig und enthält eine kreisförmige Öffnung 56, die gegenüber der Öffnung 18 verhältnismäßig groß ist und einen Durchmesser von 9,5 mm hat. Am stromabwärtigen Ende der zweiten Elektrodenanordnung 52 befindet sich eine weitere ebenflächige Elektrode 58, die die stromaufwärtige äußere Elektrode der ersten Fokussierlinse 22 und das stromabwärtige Ende der dieser Anordnung zugeordneten Unipotentialfläche bildet.

Zwischen den Elektroden 54 und 58 verläuft einteilig mit diesen ein kreisförmiger Abschnitt 60, der die beiden Elektroden 54, 58 um eine dritte vorbestimmte Strecke trennt. Die zweite Elektrodenanordnung 52 ist so angeordnet, daß die zweite Beschleunigungselektrode 54 stromabwärts von der ersten Beschleunigungselektrode 46 in einem zweiten vorbestimmten Abstand liegt.

Vorzugsweise sind die erste, die zweite und die dritte vorbestimmte Strecke untereinander gleich, d.h. 14 mm. Der Durchmesser der Öffnung 56 ist gegenüber dem der Öffnung 18 groß, aber nicht größer als die dritte vorbestimmte Strecke, um die Auswirkung von Feldern aus der ersten Elektrodenanordnung 34 auf die Felder in der zweiten Elektrodenanordnung 52 zu schwächen. Der Durchmesser der Öffnung 56 beträgt 9,5 mm.

Die erste Fokussierelektrode 22 ist eine symmetrische Einzellinse ("einzel lens") mit einer stromaufwärts gelegenen äußeren Elektrode 58, einer stromabwärts gelegenen äußeren Elektrode 62 und einer axial dicken Mittelelektrode 64 mit den axial angeordneten Öffnungen 66, 68 bzw. 70, die im wesentlichen den gleichen Durchmesser haben. Die dritte vorbestimmte Strecke ist größer als die Durchmesser der Öffnungen 66, 68 und 70, um die gegenseitige Beeinflussung zwischen den Feldern so gering wie möglich zu halten.

Weiterhin ist der Abstand zwischen der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen äußeren Elektrode 58 bzw. 62 und der Mittelelektrode 64 nicht geringer als der Radius der Öffnung 70 und vorzugsweise etwa gleich deren Durchmesser. Diese Maßnahme gewährleistet, daß, wenn zwischen den äußeren Elektroden 58, 62 und der Mittelelektrode 64 ein Potential liegt, das geringer ist als das am Beschleunigungsabschnitt 20, dieses Potential dennoch ausreicht, den Kreuzungspunkt 72 zu bewirken, an dem der Strahl in die Ebene der stromabwärtigen Elektrode 62 fokussiert wird.

Die stromabwärtige durchmesserbegrenzende Elektrode 24 ist vorzugsweise ebenflächig und hat eine axial ausgerichtete Öffnung 74. Der Radius der Öffnung 74 und der Abstand der Elektrode 24 von der stromabwärtigen Elektrode 62 sind so gewählt, daß das Verhältnis zwischen dem Radius und dem Abstand nicht größer ist als 0,1. Der Durchmesser der Öffnung 74 liegt im Bereich zwischen 0,76 und 2,0 mm. Der Abstand zwischen der Elektrode 24 und der stromabwärtigen Elektrode 62 ist etwa gleich 32,2 mm. In einer Ausführungsform ist der Durchmesser der Öffnung 74 im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Öffnung 18 in der primären Extraktorelektrode 16.

Stromabwärts der durchmesserbegrenzenden Elektrode 24 liegt die zweite Fokussierlinse 26. Diese Linse weist eine asymmetrische Einzellinse mit einer verhältnismäßig dünnen stromaufwärtigen Außenelektrode 78, einer verhältnismäßig dünnen stromabwärtigen Außenelektrode 80 und einer axial dicken Mittelelektrode 82 auf, die mit den mittig liegenden Öffnungen 84, 86 bzw. 88 versehen sind.

Die Durchmesser der Öffnungen 84 und 88 sind mit 9,5 mm angenähert gleich, während der Durchmesser der Öffnung 86 in der stromabwärtigen Außenelektrode 80 etwas geringer ist, d.h. 5,1 mm, wodurch die elektrostatischen Felder in der zweiten Linse 26 gegen die stromabwärtig vorliegenden externen Felder abgeschirmt werden. Die zweite Fokussierlinse 26 ist stromabwärts der durchmesserbegrenzenden Elektrode 24 in einem solchen Abstand zu dieser angeordnet, daß der Abstand zwischen der Elektrode 24 und der stromaufwärtigen Außenelektrode 78 etwa gleich dem Durchmesser der Öffnung 84 und 9,5 mm beträgt.

Die axiale Länge der Mittelelektrode 82 ist vorzugsweise nicht geringer als der Radius der Öffnung 88 in ihr. Die stromabwärtige Außenelektrode 80 ist so angeordnet, daß der Strahl mit einem Potential fokussiert werden kann, das geringer ist als das Potential am Beschleunigungsabschnitt 20, und zwar auf ein Ziel 28, das hinter der stromabwärtigen Außenelektrode 80 in einer Entfernung liegt, die ausreicht, um die Anordnung der Ablenkplatten 29, 30 zwischen diesen Elementen zuzulassen.

Der Abstand zwischen der stromaufwärtigen Außenelektrode 78 und der

Mittelelektrode 82 ist vorzugsweise größer als die Hälfte, aber geringer als das Dreifache des Durchmessers der Öffnungen 84 und 88, womit sphärische Aberrationen gering gehalten werden, die von der asymmetrischen Anordnung der stromabwärtigen Elektrode 80 verstärkt werden könnten.

Der relative Abstand der durchmesserbegrenzenden Elektrode 24 und der Durchmesser der darin befindlichen Öffnung sind so gewählt, daß das Verhältnis des Radius der Öffnung 74 zum Abstand zwischen der Elektrode 24 und der stromabwärtigen Elektrode 62 der ersten Fokussierlinse 22 nach Maßgabe eines gewünschten minimalen Strahlradius am Ziel 28 maximiert wird, und zwar nach folgender Formel: in der r[tief]A der Radius der Öffnung in der durchmesserbegrenzenden Elektrode, L der Abstand der durchmesserbegrenzenden Elektrode von der stromabwärtigen Außenelektrode der ersten Einzellinse, r[tief]t der Strahlradius am Ziel (unter Vernachlässigung von Anteilen infolge einer endlichen Quellgröße), M[tief]L2 der Vergrößerungsfaktor der zweiten Einzellinse und C[tief]S2 der sphärische Aberrationskoeffizient der zweiten Linse sind.

Da eine Änderung der körperlichen Größe bzw. Anordnung eines der baulichen Elemente oder eine Änderung des an die Elemente angelegten Potentials den resultierenden Strahldurchmesser und -strom beeinflussen, werden derartige Änderungen vorzugsweise iterativ durchgeführt, d.h., daß man wiederholt geringe Veränderungen an der Lage und Größe der verschiedenen Öffnungen und den an die verschiedenen Elektroden gelegten Potentiale, bis der für einen gewünschten Strahldurchmesser und -strom erforderliche Optimalzustand ermittelt ist.

Ein wesentliches Attribut der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist deren Fähigkeit, am Ziel 28 unter einer ersten Gruppe von Fokussierbedingungen einen stark fokussierten Strahl und unter einer zweiten Gruppe von Fokussierbedingungen einen Strahl hoher Stromstärke zu liefern.

Die erste Gruppe von Fokussierbedingungen wird derart eingestellt, daß man den Strahl auf einen Kreuzungspunkt 72 fokussiert, der etwa in der Ebene der stromabwärtigen Elektrode 62 der ersten Fokussierlinse 22 liegt. Diese Maßnahme ergibt, daß der Strahl nicht fokussiert auf die durchmesserbegrenzende Elektrode 24 auftrifft. Unter diesen Bedingungen durchläuft nur der mittige Teil des Strahles die Öffnung 74.

Da Aberrationen der Linse, die die Fokussierung des Strahles beeinträchtigen, stärker auf die Außenbereiche des Strahlquerschnitts wirken, gewährleistet der eingeengte Strahldurchgang, daß die Bereiche, die schließlich die Elektrode durchlaufen, von der zweiten Fokussierlinse auf einen Strahl geringen Durchmessers auf dem Ziel fokussiert werden können. Unter der zweiten Gruppe von Fokussierbedingungen wird der Strahl unmittelbar in der Ebene der Öffnung 74 fokussiert, so daß im wesentlichen der gesamte Strahl durchläuft und auf dem Ziel 28 einen hohen Strahlstrom bewirkt. Während der Gesamtstrom unter der ersten

Gruppe von Fokussierbedingungen gegenüber dem bei der zweiten Gruppe von Fokussierbedingungen erheblich reduziert ist, ist die Stromdichte bei beiden Bedingungsgruppen angenähert gleich.

Die typische Arbeitsweise der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung läßt sich bequemerweise an einem statischen Betriebsfall an der Erzeugung eines 2000eV-Strahles von Neonionen beschreiben.

Bei diesem Einsatz wird die Vorrichtung auf übliche Weise in eine normale Vakuumkammer mit den erforderlichen elektrischen Durchführungen eingebracht, die erlauben, die verschiedenen Elektroden auf geeignete Weise zu erregen. Die Kammer wird mit einer Vakuumpumpe auf einen Druck unter etwa 10[hoch]-8 Torr evakuiert. Falls erwünscht, kann man in der Kammer einen Getter und eine Kaltfläche mit flüssigem Stickstoff vorsehen, um die in der Kammer verbleibenden aktiven Elemente weiter zu reinigen. Sodann läßt man Neon durch geeignete Ventile bis zu einem statischen Druck von etwa 5 x 10[hoch]-5 Torr in die Kammer. An diesem Punkt werden sämtliche Öffnungen zur Kammer verschlossen; die Neonatome verteilen sich gleichmäßig in der Kammer und in dem von dem zylindrischen Gitter 38 umschlossenen Ionisierungsbereich.

Alternativ kann man die Vorrichtung auch dynamisch betreiben, in dem man bevorzugt ein zu ionisierendes Gas in den vom Gitter 38 gebildeten Bereich injiziert. Diese Betriebsart ist hinsichtlich der Gesamtzusammensetzung der Restgasatome weniger kritisch, da vorzugsweise die so eingeführten Gase von herkömmlichen Vakuumpumpen abgezogen werden.

Man legt ein positives Potential von 2000 eV an das zylindrische Gitter 38 und die Extraktor-Hilfselektrode 40 und eine etwas geringere Gleichspannung von 1850 eV an den Heizfaden 36 und an den Außenzylinder 42. Der Heizfaden 36 wird dann mit 7 V zu einem Elektronenstrom von 15 mA erregt. Die emittierten Elektronen laufen infolge der Potentialdifferenz zwischen dem Heizfaden und dem Gitter zu letzteren hin und treten durch es hindurch in seinen Innenraum ein.

Der resultierende Beschuß der Neonatome innerhalb des Gitters bewirkt die Entstehung von Neonionen. Die erste Elektrodenanordnung 34 wird mit einem Potential von 1830 V erregt. Diese Potentialdifferenz bewirkt, daß die Ionen innerhalb des zylindrischen Gitters 38 durch die Öffnungen 44 und 18 hindurch extrahiert werden.

Die zweite Elektrodenanordnung 52 wird auf Massepotential gehalten; das resultierende Beschleunigungspotential von etwa 2000 V bewirkt eine Anziehung von durch die Öffnung 18 laufenden Ionen in stromabwärtiger Richtung auf die zweite Elektrodenanordnung hinzu. Das 2kV-Potential zwischen der zweiten Elektrodenanordnung und der Ionenquelle 14 und der an die erste Elektrodenanordnung gelegte Teil dieses Potentials (1830 V) zusammen mit der relativen Anordnung dieser Elemente bilden eine elektrostatische Linse, deren Brennpunkt etwa an der Öffnung 18 liegt. Diese Lage bewirkt, daß die die zweite Elektrodenanordnung durchlaufenden Ionen im wesentlichen parallel gerichtet sind.

Unter einer ersten Gruppe von Fokussierbedingungen wird die erste Fokussierlinse 22 vorzugsweise bei geerdeten Außenelektroden 58, 62 und mit auf einem Potential von 1800 V befindlicher Mittelelektrode 64 erregt. Diese Maßnahme bewirkt, daß der Strahl auf den Kreuzungspunkt 72 fokussiert wird, der sich etwa in der Ebene der stromabwärtigen Elektrode 26 der ersten Fokussierlinse 22 befindet.

Die durchmesserbegrenzende Elektrode 24 ist ebenfalls geerdet, so daß der Strahl beim Verlassen der ersten Fokussierlinse 22 einen im wesentlichen feldfreien Bereich durchläuft. Unter diesen Bedingungen trifft der Strahl auf die durchmesserbegrenzende Elektrode 24 im wesentlichen nichtfokussiert auf, so daß nur dessen Mittelteil die Öffnung 74 durchtritt.

Die zweite Fokussierlinse 26 wird mit geerdeten Außenelektroden 78 und 80 und auf einem Potential von 1585 V befindlicher Mittelelektrode 82 erregt. Daher wird der durch die Öffnung 74 tretende Teil des Strahles auf die Zielfläche 28 fokussiert, was einen Strahl von etwa 100 µm Durchmesser und einer Stromstärke von etwa 30 nA ergibt.

Unter diesen Bedingungen liegt der Zielpunkt 28 etwa 25 mm von der stromabwärtigen Elektrode 80 entfernt. Der so hergestellte Ionenstrahl ist einenergetisch bei einer Energiestreuung von etwa +/- 5 eV und hat sich als von Schwankungen des Quellgasdrucks, des Elektronenemissionsstromes, der Ionisierungs- und der Extraktionsspannungen verhältnismäßig unabhängig herausgestellt.

Unter der zweiten Gruppe von Fokussierbedingungen wird das Potential an der Mittelelektrode 64 der ersten Fokussierlinse 22 auf 1333 V ge- ändert, das Potential an der Mittelelektrode 82 der zweiten Fokussierlinse 26 auf 1675 V. Unter diesen Bedingungen bleibt das Ziel 28 im wesentlichen an der gleichen Stelle. Jedoch verschiebt der Kreuzungspunkt 72 des aus der ersten Fokussierlinse 22 austretenden Strahles sich stromabwärts in etwa die Ebene der durchmesserbegrenzenden Elektrode 24 hinein und durchtritt der Strahl im wesentlichen mit seinem gesamten Querschnitt die Öffnung 74, um auf die Zielfläche 28 fokussiert zu werden. Unter diesen Bedingungen ergibt sich ein Strahl von etwa 500 µm Durchmesser und einer Stromstärke von etwa 700 nA.

In dem obigen Beispiel ist die Stromdichte des Strahles auf der Zielfläche unter der ersten Gruppe von Fokussierbedingungen etwa gleich 0,38 mA/cm[hoch]2, unter der zweiten Gruppe von Fokussierbedingungen gleich 0,35 mA/cm[hoch]2.

Ein solcher Edelgasionenstrahl wird bevorzugt bei der Oberflächenanalyse eingesetzt, bei der man die Oberfläche einer zu analysierenden Probe mit einem verhältnismäßig starken Strahl geladener Teilchen beschießt, um eine Oberflächenemission zu bewirken, die die Eigenschaften der beschossenen Oberfläche anzeigt, und um diese Emission danach mit herkömmlichen Einrichtungen 33 zu einem diese Eigenschaften ausweisenden Spektrum auszuwerten.

Es kann weiterhin erwünscht sein, die Oberfläche mit einem Strahl geringen Durchmessers der erzeugt wurde, wie oben beschrieben, zu beschießen, und den Strahl dabei mittels herkömmlicher Ablenkelektroden 29 und 30 abzulenken, so daß er die Probenoberfläche abtastet. Die sich aus dem

Beschuß mit dem dünnen Strahl ergebenden Emissionen lassen sich dann mittels der Einrichtung 33 zu einer Darstellung umsetzen, die die räumlichen Konzentrationsschwankungen einer Eigenschaft, die in dem zuvor hergestellten Spektrum enthalten war, ausweist.

Bspw. kann man mit der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ein Ionenstreuspektrometer nach der US-Patentschrift 3.665.182 modifizieren. Die Vorrichtung kann dabei zunächst mit einem auf einen Oberflächenteil auftreffenden starken Strahl betrieben werden. Der hohe Strahlstrom bewirkt einen verhältnismäßig starken Streuionenstrom, was ein Spektrum rasch herzustellen gestattet, das die Masse der Elemente an der Probenoberfläche ausweist.

Hat man das Vorliegen einer vorgegebenen Atommasse festgestellt, schaltet man den Strahl auf eine zweite Gruppe von Fokussierbedingungen, bei denen der Strahl einen geringeren Durchmesser annimmt. Der dem Ionenstreuspektrometer zugeordnete Energienanalysator kann dann abgestimmt werden, so daß er nur Streuionen durchläßt, die einer vorgegebenen, im Spektrum vorliegenden Atommasse entsprechen. Ein diesen Streuionen entsprechendes Signal kann dann erzeugt werden.

Weiterhin kann man eine Sichtvorrichtung wie bspw. eine Kathodenstrahlröhre synchron mit der Abtastbewegung des dünnen Strahles auslenken und ein der abgetasteten Fläche entsprechendes Raster ausbilden, das man dann mit dem elektronischen Signal moduliert, so daß sich ein graphisches Abbild der räumlichen Schwankungen der gewählten Atommassen auf der Probenoberfläche ergibt.

In einer anderen Ausführungsform kann auch der Strahl mit dem hohen Strahlstrom abgelenkt werden, um die Oberfläche der Probe auf der Zielfläche abzutasten. Auf diese Weise läßt sich eine größere Analysefläche erreichen.

Nach einem anderen Verfahren, bei dem man die Vorrichtung in zwei Betriebsarten einsetzt, ergibt sich eine verbesserte Tiefenprofilanalyse. Bei diesem Verfahren trifft der Strahl mit dem hohen Strahlstrom auf die Oberfläche einer zu analysierenden Probe auf und bewirkt, daß Oberflächenatome von dieser abstäuben, was einen Krater auf der Oberfläche ergibt.

Geladene Teilchen, die die Oberflächeneigenschaften angeben, lassen sich dann zu einem Spektrum umwandeln, das diese Eigenschaften ausweist. Sodann kann man den Brennpunkt verkleinern und mit dem resultierenden Strahl geringen Durchmessers nur den Probenteil beschießen, der sich am Boden des Kraters befindet. Die geladenen Teilchen, die die Eigenschaften des Bodenteils angeben, lassen sich dann in ein Spektrum umwandeln, das für den begrenzten Bereich am Kraterboden gilt. Auf diese Weise verhindert man, daß Änderungen und die Zusammensetzung entlang der Kraterwände die Analyse verhindern.

Alternativ kann man einen Strahl kleinen Durchmessers auslenken und eine Sichtvorrichtung mit der Auslenkbewegung synchronisieren, wie oben beschrieben, um ein Abbild darzustellen, das einem von einem der Konzentration einer vorgegebenen Eigenschaft entsprechenden Signal modulierten Raster entspricht. Auf diese Weise lassen sich Änderungen einer gegebenen Eigenschaft - bspw. eine gewählte Atommasse - als Funktion der Tiefe im Krater mit der Konzentration dieser Eigenschaft an der Probenoberfläche vergleichen.

Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung läßt sich auch anwenden, um zum Beschuß der Oberfläche der zu analysierenden Probe einen Elektronenstrahl zu erzeugen. Bei einem solchen Verfahren wird die Kammer, in der die Vorrichtung angeordnet ist, evakuiert, und man kehrt die Potentiale an den entsprechenden Elektroden gegenüber dem Fall der Erzeugung eines Ionenstrahls um, um die vom Heizfaden 36 erzeugten Elektronen durch die Extraktoröffnungen 44 und 18 hindurch anzuziehen und auf diese Weise das Ziel 28 mit einem Elektronenstrahl zu beaufschlagen.

Diese Maßnahme ermöglicht die Analyse von Oberflächen nach den herkömmlichen Verfahrensweisen der Sekundärelektronenmikroskopie, Auger-Elektronenmikrographie und dergl. Nach Beendigung einer solchen Analyse können die Potentiale dann umgekehrt und zu ionisierende Gasatome in die Kammer eingelassen werden, falls sie dort nicht schon vorliegen, und die gleiche Oberfläche läßt sich nunmehr nach den Verfahren der herkömmlichen Ionenstreuspektroskopie oder der Sekundärionenspektroskopie ohne Entnahme oder Modifikation der Probe analysieren.

Claims (24)

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahles geladener Teilchen mit (a) einer Einrichtung zur Erzeugung eines Strahles geladener Teilchen mit einer Quelle geladener Teilchen und einer primären Extraktorelektrode mit einer Öffnung (18), die den wirksamen Durchmesser des erzeugten Strahles bestimmt,

(b) einer Einrichtung zum Beschleunigen der geladenen Teilchen im Strahl,

(c) einer ersten Fokussiereinrichtung zum Fokussieren des Strahles an einem Kreuzungspunkt,

(d) einer Einrichtung zum Begrenzen des Durchmessers des fokussierten Strahles und

(e) einer zweiten Fokussiereinrichtung, mit der der Strahl auf eine Zielfläche fokussiert wird,

wobei alle diese Einrichtungen entlang einer Strahlachse stromabwärts von der jeweils zuvorgenannten Einrichtung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungseinrichtung eine erste Elektrodenanordnung (34), mit der primären Extraktorelektrode (16) an ihrem stromaufwärtigen Ende sowie Mitteln (46) und (50) aufweist, die eine zirkularsymmetrische und axial zentrierte Unipotentialfläche bilden, die eine erste vorbestimmte Strecke stromabwärts von der Extraktorelektrode verläuft, eine zweite Elektrodenanordnung (52), deren stromaufwärtiges Ende um eine zweite vorbestimmte Strecke stromabwärts vom stromabwärtigen Ende der ersten Elektrodenanordnung liegt und die Mittel (54), (58) und (60) enthält, die eine zirkularsymmetrische, axial zentrierte Unipotentialfläche bewirken, die eine dritte vorbestimmte Strecke in Axialrichtung verläuft, Mittel, mit denen sich ein vorgegebenes Potential zwischen die Quelle (14) geladener Teilchen und die zweite Elektrodenanordnung (52) legen läßt, und eine Einrichtung aufweist, mit der ein vorgegebener Teil des gegebenen Potentials an die erste Elektrodenanordnung (34) gelegt werden kann, um eine elektrostatische Linse zu bilden, deren einer Brennpunkt etwa in der Ebene der Öffnung (18) der primären Extratorplatte derart liegt, daß die Laufbahnen der durch die zweite Elektrodenanordnung (52) laufenden leitenden Teilchen im wesentlichen parallel liegen, wodurch die Stromdichte des Strahls am Ziel (28) unter einer Gruppe vorgegebener Fokussierbedingungen verstärkt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, zweite und dritte vorbestimmte Strecke einander angenähert gleich ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unipotentialfläche der ersten Elektrodenanordnung (34) zylindrisch ist und die erste Elektrodenanordnung (34) weiterhin eine erste Beschleunigungselektrode (46) mit einer kreisförmigen Öffnung (48) an deren stromabwärtigen Ende aufweist, die im Verhältnis zur Öffnung (18) in der primären Extraktorelektrode (16) groß ist, aber keinen größeren Durchmesser hat als die erste vorbestimmte Strecke, um die Auswir- kung von aus der zweiten Elektrodenanordnung (52) austretenden Feldern auf Felder innerhalb der ersten Elektrodenanordnung (34) gering zu halten.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Unipotentialfläche der zweiten Elektrodenanordnung (52) zylindrisch ist und die zweite Elektrodenanordnung (52) weiterhin eine zweite Beschleunigungselektrode (54) mit einer kreisförmigen Öffnung (56) an deren stromaufwärtigen Ende aufweist, die im Verhältnis zur Öffnung (18) der primären Extraktorelektrode (16) groß, aber im Durchmesser nicht größer ist als die dritte vorbestimmte Strecke, um die Auswirkungen von aus der ersten Elektrodenanordnung (34) austretenden Felder auf die Felder in der zweiten Elektrodenanordnung (52) zu schwächen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die primäre Extraktorelektrode (18), die erste Beschleunigungselektrode (46) und die zweite Beschleunigungselektrode (54) jeweils ebenflächig und zueinander parallel sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (12) zum Erzeugen eines Strahles geladener Teilchen (a) eine Elektronenquelle (36), (b) ein elektronendurchlässiges zylindrisches Gitter (38), das, wenn gegenüber der Quelle elektrisch vorgespannt, Elektronen in die Kammer innerhalb des Gitters zieht, und (c) eine Extraktor-Hilfselektrode (4) aufweist, die zwischen dem Gitter (38) und der primären Extraktorelektrode (16) und parallel zu die- sen angeordnet ist und eine kreisförmige Öffnung (44) aufweist, die axial zentriert ist, so daß, wenn die primäre Extraktorelektrode (16) elektrisch gegenüber der Extraktor-Hilfselektrode (40) und dem Gitter (38) vorgespannt wird, das resultierende elektrische Feld in das Gitter sich hineinerstreckt, um die Extraktion geladener Teilchen aus diesem zu verstärken.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenquelle (36) einen kreisförmigen Heizfaden enthält, der das zylindrische Gitter im wesentlichen umgibt und sich in einer angenähert rechtwinklig zur Achse liegenden Ebene befindet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der kreisförmige Heizfaden aus einer einzigen Windung besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der kreisförmige Heizfaden stromaufwärts der Extraktor-Hilfselektrode (40) in einer Entfernung angeordnet ist, die nicht größer ist als der Durchmesser der Öffnung (44) in der Extraktor-Hilfselektrode.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Strahldurchmesser bestimmende Öffnung (18) der primären Extraktorelektrode (16) 0,38 bis 1,27 mm ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der ersten und der zweiten Fokussiereinrichtung (22) bzw. (26) um eine erste und eine zweite axial angeordnete Einzellinse handelt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einzellinse Außenelektroden (58, 62) und eine axial dicke Mittelelektrode (64) aufweist, die jeweils axial gelegene Öffnungen (66, 68 bzw. 70) enthalten, die im wesentlichen den gleichen Durchmesser haben und nicht größer sind als die dritte vorbestimmte Strecke, und daß die stromaufwärtige Außenelektrode (58) einteilig mit der zweiten Elektrodenanordnung (58) ausgebildet und mit dieser elektrisch gekoppelt ist und die stromabwärtige Grenze der Unipotentialfläche bestimmt, die der zweiten Elektrodenanordnung zugeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Außenelektroden (58, 62) der ersten Einzellinse von der Mittelelektrode (64) einen Abstand hat, der etwa gleich dem Radius der Öffnung (70) in ihr ist, und daß die Mittelelektrode (64) der ersten Einzellinse eine axiale Länge von nicht weniger als dem Radius der Öffnung (70) hat, wodurch ein Potential an der ersten Linse, das nicht höher ist als das zwischen der Quelle der geladenen Teilchen und der zweiten Elektrodenanordnung liegende Potential, ausreicht, um den Kreuzungspunkt, in dem der Strahl fokussiert wird, in die Ebene der stromabwärtigen Elektrode (62) der ersten Einzellinse zu legen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Mitteln (24) zum Begrenzen des Durchmessers des fokussierten Strahls um eine ebenflächige Elektrode handelt, die rechtwinklig zur Achse liegt und eine auf der Achse zentrierte kreisförmige Öffnung (74) aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die durchmesserbegrenzende Elektrode (24) von der stromaufwärtigen Außenelektrode (78) der zweiten Einzellinse einen Abstand hat, der etwa gleich dem Durchmesser der Öffnung (84) in der stromaufwärtigen Elektrode ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Öffnung (74) in der durchmesserbegrenzenden Elektrode (24) so gewählt und die durchmesserbegrenzende Elektrode (24) stromabwärts von der stromabwärtigen Elektrode (62) der ersten Einzellinse so angeordnet ist, daß das Verhältnis zwischen dem Radius der Öffnung (74) und dem Trennabstand zwischen der durchmesserbegrenzenden Elektrode (24) und der der stromabwärtigen Außenelektrode der ersten Einzellinse (62) nicht größer ist als 0,1.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Öffnung (74) so gewählt und die durchmesserbegrenzende Elektrode (24) so angeordnet ist, daß das Verhältnis entsprechend einem gewünschten minimalen Strahlradius am Ziel nach folgender Formel maximiert wird:

in der r[tief]A der Radius der Öffnung in der durchmesserbegrenzenden Elektrode, L die Entfernung zwischen der durchmesserbegrenzenden Elektrode und der stromabwärtigen Außenelektrode der ersten Einzellinse, r[tief]t der Strahlradius am Ziel (unter Vernachlässigung von Anteilen infolge der endlichen Quellgröße), M[tief]L2 der Vergrößerungsfaktor der zweiten Linse und C[tief]S2 der sphärische Aberrationskoeffizient der zweiten Linse sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Öffnung (74) in der durchmesserbegrenzenden Elektrode (24) im wesentlichen gleich dem Durchmesser der durchmesserbestimmenden Öffnung (18) der primären Extraktorelektrode (16) ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (74) in der strahlbegrenzenden Elektrode (24) 0,75 bis 2,0 mm beträgt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Fokussiereinrichtung (26) eine asymmetrische Einzellinse mit verhältnismäßig dicken Außenelektroden (78, 81) und einer axial dicken Mittelelektrode (82) aufweist, die allesamt axial liegende Öffnungen (84, 86 bzw. 88) aufweisen, wobei die Durch- messer der Öffnungen (84, 88) in der stromaufwärtigen Außenelektrode (78) und in der Mittelelektrode (82) etwa gleich sind und der Durchmesser der Öffnung (86) in der stromabwärtigen Außenelektrode (80) geringfügig kleiner ist, so daß elektrostatische Felder in der zweiten Linse gegen externe Felder stromabwärts der zweiten Linse abgeschirmt sind.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge der Mittelelektrode (82) der Einzellinse nicht geringer ist als der Radius der Öffnung (88) in ihr.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die stromabwärtige Außenelektrode (80) der Einzellinse so angeordnet ist, daß der Strahl mit einem Potential, das kleiner ist als das gegebene Potential zwischen der Quelle und der zweiten Elektrodenanordnung auf ein Ziel hinter der stromabwärtigen Außenelektrode in einer Entfernung fokussiert werden kann, die ausreicht, um zwischen Ziel und Elektrode die Ablenkplatten (29, 30) unterzubringen.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel und die stromaufwärtige Außenelektrode (82 bzw. 78) der Einzellinse einen Abstand von mehr als der Hälfte aber weniger als dem Dreifachen des Durchmessers der Öffnungen (84 und 88) aufweisen, um die sphärische Aberration gering zu halten.

24. Verfahren zur Oberflächenanalyse unter Einsatz der Vorrichtung zur Erzeugung geladener Teilchen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Oberfläche (32) einer zu analysierenden Probe (31) am Ziel (28) anordnet, die Quelle (14) geladener Teilchen erregt, so daß diese Elektronen liefert, ein zur Quelle positives Potential an die zweite Elektrodenanordnung (52) anlegt, einen vorgegebenen Anteil des positiven Potentials an die erste Elektrodenanordnung (34) legt, um einen Elektronenstrom auf die Oberfläche (32) zu schicken und ihn dort zu fokussieren, dann eine erste Emissionsart, die sich infolge des Auftreffens der Elektronen ergibt, in eine Anzeige bestimmter Eigenschaften des beaufschlagten Oberflächenteils umwandelt, Gasatome in die Vorrichtung einläßt, so daß Elektronen aus der Elektronenquelle mit den Gasatomen kollidieren und sie ionisieren, ein zur Quelle negatives Potential an die zweite Elektrodenanordnung (52) legt, einen gegebenen Teil des negativen Potentials an die erste Elektrodenanordnung (34) legt, damit ein Strahl einenergetischer positiver Ionen auf den gleichen Teil der Fläche (32) auftrifft und dort fokussiert wird, und eine zweite Emissionsart, die sich aus dem Ionenbeschuß ergibt, in eine Anzeige einer weiteren Eigenschaft umwandelt, wodurch sich die andere Eigenschaft ohne Umsetzen oder Ändern der Probe bestimmen läßt.

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