DE2842527C3

DE2842527C3 - Elektrostatische Emissionslinse

Info

Publication number: DE2842527C3
Application number: DE2842527A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Phys. Dr. 8057 Eching Liebl
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1978-09-29
Filing date: 1978-09-29
Publication date: 1981-12-17
Also published as: US4255661A; IT7949556A0; FR2437695B1; DE2842527A1; DE2842527B2; GB2030761B; FR2437695A1; GB2030761A; JPS5546491A; JPS6213789B2; IT1120456B

Description

wobei

dci den gerade noch trennbaren Abstand zweier

Punkte auf der Oberfläche,
e die wahrscheinlichste Anfangsenergie der zur

Abbildung beitragenden Teilchen,
e die Elementarladung und
E₀ die Feldstärke auf der Oberfläche

bedeuten.

Bei gegebener Energieverteilung der emittierten Teilchen kann demnach die Auflösung dadurch verbessert werden, daß durch Energiefilterung nur niederenergetische Teilchen zur Abbildung zugelassen werden. Dies ist aber mit einem Intensitätsverlust verbunden. Andererseits ist die Auflösung um so besser, je höher die Feldstärke Eo ist Die obere Grenze ist hierbei durch die Überschlagfestigkeit im Vakuum gegeben. Sie beträgt etwalOkV/mm.

Die elektrostatische Emissionslinse der eingangs genannten Art entspricht der »klassischen Emissionslinse«, in der Literatur (vgl. die obengenannten Literaturstellen), auch »Immersionsobjektiv« oder »Kathodenlinse« genannt, vom Johannson-Typ, bestehend aus Probenoberfläche, Wehneltelektrode und Anode. Hierbei muß zur Erzeugung eines reellen Bildes der Probenfläche, die Feldstärke auf dieser wesentlich kleiner sein als die Feldstärke zwischen Wehnelt-Elektrode und Anode. Letztere ist aber durch die Überschlagfestigkeit begrenzt, so daß die Feldstärke auf der Probenoberfläche wesentlich darunter liegt, was nach Gleichung (1) schlechte Ortsauflösung zur Folge hat.

Bei Abbildung mittels emittierender Elektronen wird diese Schwierigkeit in neueren Geräten durch Verwendung einer Absaugstrecke maximal zulässiger Feldstärke mit nachgeschalteter magnetischer Linse oder auch elektrostatischer Einzellinse umgangen. Dabei kann die erste Elektrode der elektrostatischen Einzellinse, die auf die Probenoberfläche folgende erste Loghblendenelektrode sein, an der die die maximal zulässige Feldstärke erzeugende Absaugspannung liegt (DE-AS 11 88 742). Da bei der Elektronenemissionsmikroskopie Strahlenenergien bis zu 50 keV verwendet werden können, hat man auch bei maximal zulässiger Feldstärke auf der Probenoberfläche noch einen Arbeitsabstand von mehreren Millimetern zwischen dieser und der Be-

schleunigungselektrode.

Bei Abbildung mittels emittierter Ionen, welche dann durch ein magnetisches Sektorfeld massenanalysiert werden (»Ionenmikroanalyse«), können Strahlenenergien von nur bis etwa 10 keV verwendet werden, wenn die Größe des Analysiermagneten noch handlich sein soll. Ferner ist ein Arueitsabstand von mehreren Millimetern erforderlich, um durch einen seitlich eingeschossenen Primärionenstrahl die Probenoberfläche zur Emission von Sekundärionen anregen zu können. Die erreichbare Feldstärke auf der Probenoberfläche beträgt daher wesentlich weniger als die obenerwähnte Grenze von lOkV/mm, wenn als Emissionsoptik die Kombination Absaugstrecke + Einzellinse verwendet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrostatische Emissionslinse der eingangs genannten Art anzugeben, welche bei maximaler Feldstärke auf der Probenoberfläche von etwa 10 kV/mm auch noch einen Arbeitsabstand von mehreren Millimetern zwischen Probenoberfläche und erster Elektrode zuläßt

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung bei einer elektrostatischen Emissionslinse der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Bei Weiterbildungen der Erfindung sind die Abstände und Potentialdifferenzen so bemessen, daß die Teilchen zwischen der Probenoberfläche und der ersten Lochblendenelektrode auf mindestens das Doppelte, insbesondere mindestens das Dreifache bis Zehnfache der Endenergie beschleunigt werden.

Weitere Fortbildungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei geeigneter Wahl der Abstände und Potentialdifferenzen entwirft eine Emissionslinse gemäß der Erfindung in gewisser Entfernung ein reelles vergrößertes elektronen- bzw. ionenoptisches Bild der Probenoberfläche. Im Gegensatz zur anfangs erwähnten Johansonschen Emissionslinse, die ebenfalls aus Probenfläche und zwei Lochblenden besteht, wobei aber die erste (die Wehneltelektrode) sowohl geometrisch als auch potentialmäßig nahe der Probenoberfläche liegt, liegt bei der Emissionslinse gemäß der Erfindung die erste Elektrode auf einem mehrfachen des Anodenpotentials, wenn das Potential der Probenoberfläche als null definiert wird.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen schemaiischen Axialschnitt einer elektrostatischen Emissionslinse gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und ein zugehöriges Diagramm der längs einer teilchenoptischen Achse ζ herrschenden, auf Masse bezogenen Potentialverteilung, und

F i g. 2 einen Axialschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer elektrostatischen Emissionslinse gemäß der Erfindung.

F i g. 1 zeigt ein Ausführungybeispiel der Erfindung zur ionenoptischen Abbildung einer leitenden Oberfläche mittels positiver Sekundärionen, welche durch einen Strahl energiereicher positiver Primärionen von der Oberfläche ausgelöst werden. Die Emissionslinse gemäß Fig. 1 enthält zwei koaxial im Abstand d₂ angeordnete Lochblendenelektroden 10 und 20, deren erste mit einer variablen Hochspannungspotentialquelle Vi verbunden ist, während die zweite an Masse (Erde) liegt. Diele Lochblendenelektroden haben weitere öffnungen Ii zum Durchtritt eines tVirnärionenstrahls 13. welcher die Probenoberfläche 14 in der Umgebung der Achse ζ trifft, und z. B. eine Energie von einigen zehn keV, z. B. keV, haben kann. Die Probenoberfläche 14, die von der Lochblendenelektrode 10 den Abstand d\ hat, ist mit einer Festspannungsquelle verbunden, welche die Strahlenergie der Sekundärionen liefert, und z. B. ein Beschleunigungspotential V₂ von etwa +1OkV gegen Masse erzeugt

Die Abstände d\ und (J₂ sind so gewählt, daß die ίο Feldstärken zwischen der ersten Lochblendenelektrode 10 und der Probenoberfläche 14 einerseits und der zweiten Lochblendenelektrode 20 andererseits wenigstens annähernd entgegengesetzt gleich sind und bei den skizzierten Verhältnissen 10 kV/mm betragen. Bei is einem Potentialverhältnis von (V\— Vi)/V₂ = 4 und einem Abstandsverhältnis d\ : di = 4:3 wird in einem Abstand, der groß ist verglichen mit den axialen Dimensionen der als abbildendes Objektiv wirkenden Emissionslinse ein umgekehrtes reelles stark vergrößerst) tes ionenoptisches Bild 15 der Probenoberfläche 14 entworfen. Diese Potentialverhä'.iiisse sind in Fig. 1 skizziert. Die Scharfstellung der Abtv'dung erfolgt mit Hilfe der variablen Spannung an der Lochblendenelektrode 10. In F i g. 1 ist der Strahlengang, radial stark vergrößert, eingetragen. Die rückwärtige Brennebene 16 liegt im Abstand 3di hinter der Lochblendenelektrode 20; dort kann eine Aperturblende 22 zur Verbesserung der Auflösung angebracht werden. Die Brennweite (Abstand Hauptebene 17 — Brennebene 16) beträgt 2 d{.

Die wahrscheinlichste Energie von Sekundärionen liegt bei etwa 5 eV. GL(I) ergibt sich damit und mit Eo = 10 kV/mm eine laterale Auflösung von 0,5 μηι, und zwar ohne Aperturblende, also ohne Reduzierung der Ionentransmission. Wird Energiefilterung verwendet, so kann bei gleicher Ionentransmission wie in bisherigen Ionenmikroskopen eine wesentlich bessere Auflösung erzielt werden. Bei Umkehrung des Vorzeichens aller Potentiale kann die Anordnung in analoger V/eise für negative Ionen verwendet werden.

F i g. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zur elektronenoptischen Abbildung einer leitenden Oberfläche mittels Photoelektronen. Die Abstands- und Potentialverhältnisse zwischen Probenoberfläche 14 und Lochblendenelektrode 10 und 20 sind ähnlich wie in Fi g. 1, die Polaritäten der Potentiale V,' und V₂' in F i g. 2 sind jedoch denen der Potentiale Vi und V₂ in F i g. 1 entgegengesetzt Ferner sind die koaxialen Bohrungen der beiden Lochblendenelektroden groß genug, um UV-Licht 24 über einen Planspiegel 18 und ein Spiegelobjektiv 19 auf die Probe fokussieren zu können, an deren Oberfläche es Photoelektronen auslöst. Das Spiegelobjektiv kann auch zur mikroskopischen Betrachtung der Probenoberfläche dienen.

Die wahrscheinlichste Energie von Photoelektronen beträgt typisch 0,v eV. Nach Gl. (1) ergibt sich damit und mit £ö=10 kV/mm eine laterale Auflösung von 40 r.m ohne Aperturbiende.

Durch Kombination der Ausführungsformen nach F i g. 1 und 2, aiso vor allem durch Verwendung von umpolbaien Spannungsquellen und ferner von Elektroden mit Löchern 11 für einen Primärionenstrahl in Kombination mit der Lichtoptik zur Einstrahlung von entsprechend kurzwelliger optischer Strahlung, ergibt

b5 sich weiterhin die Möglichkeit, mit der gleichen Emissionslinse eine Probe sowohl ionenmikroskopisch mittels Sekundärionen als auch elektronenmikroskopisch mittels Sekundärelektronen oder Photoelektro-

nen zu untersuchen.

Das vergrößerte Bild 15 kann auf eir."n Lumineszenzschirm, einen photoelcktrischen Empfänger, z. B. eine Fernsehaufnahmeröhre, die Eingangselektrode eines Bildverstärkers oder irgendeinen anderen Teilchenempfänger projiziert werden.

Hierzu J Hhill /.L'iclinuiiiicn

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrostatische Emissionslinse zum Erzeugen eines teilchenoptischen Bildes einer Probenoberfläche durch von dieser emittierte und auf eine vorgegebene Endenergie beschleunigte geladene Teilchen, mit zwei im Abstand voneinander vor der emittierenden Probenoberfläche angeordneten Lochblendenelektroden und mit jeweils einer Vorspannungsquelle zum Erzeugen einer Potentialdifferenz zwischen der Probenoberfläche und der dieser benachbarten ersten Lochblendenelektrode bzw. zwischen dieser Lochblendenelektrode und der zweiten Lochblendenelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände (d_u ck) zwischen der emittierenden Probenoberfläche (14) ;s und der ersten Lochblendenelektrode (10) bzw. zwischen den Lochblendenelektroden (10, 20) und die Potentialdifferenzen (Vi- Vj, V₂) so bemessen sind, daß die geladenen Teilchen zwischen der Probenoberfläche (14) und der ersten Lochblendenelektrode (10) auf ein Mehrfaches der Endenergie beschleunigt und zwischen den beiden Lochbiendenelektroden (10, 20) auf die Endenergie abgebremst werden.

2. Elektrostatische Emissionslinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände (du di) und die Potentialdifferen/.en (V₂- Vj, V₂) so bemessen sind, daß die geladenen Teilchen zwischen der Probenoberfläche (14) und der ersten Lochblendenelektrode (10) auf mindestens das Doppelte der Endenergie beschleunigt werden.

3. Elektrostatische Emissionslinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, c*aß die Abstände (du di) und die Potentialdifferenzen (Vi-V\, Vi) so bemessen sind, daß die geladenen Teilchen zwischen der Probenoberfläche (14) und der ersten Lochblendenelektrode (10) auf das Dreifache bis Zehnfache der Endenergie beschleunigt werden.

4. Elektrostatische Emissionslinse nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endenergie höchstens 10 kV beträgt.

5. Elektrostatische Emissionslinse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärke zwischen der Probenoberfläche (14) und der ersten Lochblendenelektrode (10) 10 kV/mm beträgt.

6. Elektrostatische Emissionslinse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis [(V₂- V₁)ZV₂] der zwischen der Probenoberfläche (14) und der ersten Lochblendenelektrode (10) wirkenden Potentialdifferenz (V₂- Vi) zu dem die Energie bestimmenden Potential (V₂) 4 beträgt und daß das Verhältnis (d\ : di) des Abstandes (d\) zwischen der Probenoberfläche (14) und der ersten Lochblendenelektrode (10) zum Abstand (d₂) zwischen den beiden Lochblendenelektroden (10,20) 4 :3 beträgt.

7. Elektrostatische Emissionslinse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential an der ersten Lochblenden- *>o elektrode (10) veränderbar ist.

8. Elektrostatische Emissionslinse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Ort einer rückwärtigen Brennebene (16) der Emissionslinse eine Aperturblende (22) angeord- < >5 net ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrostatische Emissionslinse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Stand der Technik

G. Möllenstedt und F. Lenz: »Electron Emission Microscopy«, Advances in Electronics and Electron Physics 18 (1963), 251 -329;

L Wegmann: »Auf dem Weg zum Metall-E'«;ktronenmikroskop«, Praktische Metallographie 5 (1968), 241-263;

G. H. Morrison and G. Slodzian: »Ion Microscopy«, Anal. Chem. 47 (1975), 932A - 943A.

Elektrisch leitende Oberflächen, welche geladene Teilchen emittieren, können mittels dieser durch eine sogenannte Emissionslinse vergrößert abgebildet werden (»Emissionsmikroskopie«). Die dabei erreichbare laterale Ortsauflösung ist durch den öffnungsfehler des Absaugfeldes prinzipiell begrenzt nach der Beziehung: