DE3011625C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Abtastelektronenmikroskop nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, mit dem sowohl kleine als auch große Proben wechselweise beobachtet werden können.

Im Gegensatz zu Durchstrahlungs-Elektronenmikroskopen ist es bei Abtastelektronenmikroskopen erforderlich, daß eine Probe über einen großen Bereich verschoben oder bewegt werden kann, damit die Gesamtoberfläche der Probe selbst dann beobachtet werden kann, wenn die Probe eine erhebliche Größe hat (z. B. einen Durchmesser von 10 cm und eine Dicke von 7,5 cm besitzt). Im folgenden werden unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 bekannte Abtastelektronenmikroskope genauer beschrieben.

Zu dem oben angegebenen Zweck ist bei dem in Fig. 1 darge­ stellten Abtastelektronenmikroskop eine Probenbühne 1 hinter einer Objektivlinse 2 angeordnet, so daß eine Probe über eine große Strecke zweidimensional versetzt, in einem Bereich von 10° bis 90° gekippt und/oder über 360° gedreht werden kann. Die Möglichkeit der Bewegung der Probe über einen derart großen Bereich macht die Probenbühne jedoch nicht nur sehr anfällig gegen Vibrationen, sondern gibt auch Anlaß zu einer Drift der Probe aufgrund thermischer Expansion der Probenbühne bzw. des Probenträgers, eventuell verbunden mit einer Instabi­ lität des erzeugten Proben- bzw. Objektbildes. Wegen des großen Abstandes zwischen der Probe und der Objektivlinse 2 machen sich auch verschiedene Aberrationen bemerkbar. Das große Volumen der zur Aufnah­ me großer Proben geeigneten Probenkammer 3 macht es schwierig, ein hohes Vakuum innerhalb des Linsensystems aufrechtzuerhal­ ten, und führt außerdem zu weiteren Problemen, wie der Konta­ mination (z. B. Ablagerung von Kohlenstoff auf der Probenober­ fläche). Unter diesen Umständen bestehen erhebliche Schwierig­ keiten bei der Erzielung eines hohen Auflösungsvermögens. Um diesen Problemen zu begegnen, wurde in Kombination mit einem bekannten Durchstrahlungs-Elektronenmikroskop ein lösbar ange­ brachtes Gerät zum Einsetzen der Probe zwischen die Magnetpole der Objektivlinse des Mikroskops vorgeschlagen. Mit einer solchen Anordnung ist es jedoch unmöglich, Proben großen Volu­ mens zu beobachten. Mit anderen Worten, gerade die typische Eigenschaft des Abtastelektronenmikroskops geht verloren.

Ein in Fig. 2 gezeigtes bekanntes Abtastelektronenmikroskop der eingangs genannten Art ermöglicht die Beobachtung sowohl großer als auch kleiner Proben mit hoher Auflösung in einer Kammer 4 bzw. in einer Kammer 5. Diese Ausbildung des Elektronenmikroskops hat jedoch aufgrund der Anordnung der zur Aufnahme der großen Probe vor­ gesehenen Kammer 4 über der die kleine Probe aufnehmenden Kammer 5 verschiedene Nachteile. Der Einbau von Zusatzvorrich­ tungen, z. B. eines Röntgenstrahlspektrometers, zusätzlich zur Probenbühne 1 in der großvolumigen Kammer 4 führt zu einem relativ hoch gelegenen Schwerpunkt und damit zu Instabilitäten und Vibrationsanfälligkeiten. Bei Benutzung der kleineren Kammer 5 muß auch die größere Kammer 4 evakuiert werden, ob­ wohl sie unbenutzt ist. Die Montage zusätzlicher Linsen unter­ halb der Objektivlinse 8 bereitet Schwierigkeiten mit der Folge funktioneller Beschränkungen hinsichtlich des Kontrasts, der Auflösung und der Empfindlichkeit.

Aus der US-PS 41 21 100 ist ein Elektronenmikroskop bekannt, das als Durchstrahlungsmikroskop für eine erste Probe oder als Abtastmikroskop für eine im Strahlengang hinter der ersten liegenden zweiten Probe betrieben werden kann. Die erste Probe ist zwischen den Magnetpolen einer Objektivlinse angeordnet, während bei Betrieb als Abtastelektronenmikroskop die zweite Probe in Strahlrichtung hinter einer Projektionslinse angeord­ net ist. Im Durchstrahlungsbetrieb werden zur Abbildung der ersten Probe die Objektivlinse auf Höhe der ersten Probe, eine Zwischenlinse und die Projektionslinse benötigt. Im Abtastbe­ trieb dagegen werden zur Abbildung der zweiten Probe minde­ stens die Zwischenlinse und die als Objektivlinse wirkende Pro­ jektionslinse verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abtastelektro­ nenmikroskop zur Verfügung zu stellen, bei dem mit zwei Probenbühnen die wahlweise Betrachtung von Proben geringer und erheblicher Größen bei einer vorgegebenen Auflösung ermöglicht wird, wobei unerwünschte Vibrationen unschädlich gemacht sind.

Bei einem Abtastelektronenmikroskop der eingangs genannten Art ist zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß das kennzeich­ nende Merkmal des Anspruchs 1 vorgesehen.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht durch ein bekanntes Abtastelektronenmikroskop;

Fig. 2 eine vertikale Schnittansicht durch ein anderes bekanntes Abtastelektronenmikroskop;

Fig. 3 eine vertikale Schnittansicht durch ein Ausfüh­ rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Abtastelektro­ nenmikroskops mit zwei Probentischen;

Fig. 4 eine vertikale Schnittansicht durch ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Abtast­ elektronenmikroskops;

Fig. 5 eine vertikale Schnittansicht durch ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Abtast­ elektronenmikroskops; und

Fig. 6 eine vertikale Schnittansicht durch ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Abtast­ elektronenmikroskops.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Abtastelektronenmikroskops mit einem elektronenoptischen System, das eine Elektronenkanone 10, Fokussierlinsen 11 und 12, eine erste Ablenkspule 13, eine zweite Ablenkspule 14, einen ersten Sekundärelektronendetektor 15 für eine Probe geringer Größe, eine erste Objektivlinse 16 zur Beobachtung der Probe geringer Größe, eine erste Proben­ bühne 17 zur Halterung der Probe geringer Größe, eine zweite Objektivlinse 18 zur Beobachtung einer großen Probe, einen zweiten Sekundär­ elektronendetektor 19 für die große Probe und eine zweite Probenbühne 20 für die große Probe aufweist. Ein von der Elektronenkanone 10 emittiertes Elektronenstrahlbündel wird durch die Fokussierlinsen 11 und 12 fokussiert und von den ersten und zweiten Ablenkspulen 13 und 14 derart abgelenkt, daß eine zweidimensionale Abtastung der Probe mit dem Elektronenstrahlbündel erzielt wird. Der von den ersten und zweiten Ablenkspulen 13 und 14 abgelenkte Elektronen­ strahl wird von der ersten Objektivlinse 16 oder der zweiten Objetivlinse 18 auf die Probe weiter fokussiert, so daß sich ein Elektronenstrahlbündel-Durchmesser der Größenordnung von 10 nm auf einer Oberfläche der Probe ergibt. Von der Ober­ fläche der Probe aufgrund der Abtastung durch das Elektronen­ strahlbündel emittierte Sekundärelektronen werden von dem ersten oder zweiten Sekundärelektronendetektor 15 oder 19 wahrgenommen und in ein entsprechendes elektrisches Signal umgesetzt, das verstärkt oder verarbeitet wird, um ein zweidimensionales Bild auf einer Kathodenstrahlröhre (CRT) o. dgl. entsprechend der zuvor beschriebenen zweidimensionalen Abtastung wiederzugeben. In Fig. 3 bezeichnet das Bezugs­ zeichen 21 eine Blende für die Fokussierungslinsen 11 und 12, 22 bezeichnet eine Blende für die zweite Objektiv­ linse, 23 bezeichnet eine Probenkammer zum Einsetzen der kleinen Probe, 24 bezeichnet eine Probenkammer für die große Probe, und die Bezugszeichen 25, 26 und 27 bezeichnen jeweils Evakuierungsöffnungen.

Aus Fig. 3 ist zu sehen, daß die erste Objektivlinse 16 zur Beobachtung der Probe geringer Größe über der zweiten Objektivlinse 18 zur Beobachtung der großen Probe angeordnet ist und daß die erste Probenbühne 17 für die kleine Probe in der Probenkammer 23 angeordnet ist, die zwischen den Magnetpolen der ersten Objektivlinse 16 gebildet ist. Unmittelbar über der Probenkammer 23 für die kleine Probe ist ein erster Sekundärelektronendetektor 15 angeordnet, der zur Bestimmung der Sekundärelektronen dient, welche von der abgetasteten Oberfläche der auf der ersten Probenbühne 17 angeordneten Probe emittiert werden.

Andererseits liegt die zweite Objektivlinse 18 zur Beobach­ tung der großen Probe unter der ersten Objektivlinse 16.

Die Probenkammer 24 zur Aufnahme der großen Probe ist unter der zweiten Objektivlinse 18 angeordnet. Die zweite Probe­ bühne 20 zur Halterung der großen Probe ist in der zweiten Probenkammmer 24 in der Nähe der Brennebene der zweiten Objektivlinse 18 angeordnet, während der zweite Sekundär­ elektronendetektor 19 zur Bestimmung der von der abge­ tasteten Oberfläche der großen Probe 28 emittierten Sekundärelektronen an einer Seite der zweiten Proben­ bühne 20 angeordnet ist. Das zuvor mit den verschiedenen Komponenten beschriebene elektronenoptische System genießt eine hohe Stabilität aufgrund der Tatsache, daß die zur Aufnahme der großen Probe dienende Probenkammer 24 im Bodenabschnitt der elektronenoptischen Säule angeordnet ist und der Schwerpunkt des gesamten Abtastelektronenmikroskops relativ niedrig liegt.

Zur Beobachtung einer Probe geringer Größe werden die erste Objektivlinse 16, die erste Probenbühne 17 und der Sekundärelektronendetektor 15 verwendet. In diesem Falle ist die zu untersuchende Probe im Mittelpunkt des von der ersten Objektivlinse 16 erzeugten Magnetfelds angeordnet, wodurch es möglich wird, die Probe mit einer wesentlich verringerten Aberration des elektronenoptischen Linsensystems zu beobachten.

Außerdem braucht die erste Probenbühne 17 nicht über einen großen Bereich verschoben oder eingestellt zu werden. Dementsprechend ist auch der Probentisch gegen Vibrationen weitgehend unempfindlich, so daß eine genaue Positionsein­ stellung der Probe mit hoher Genauigkeit und dadurch ein Bild hoher Auflösung erzielt werden kann.

Wenn eine große Probe 28 beobachtet werden soll, so werden die zweite Objektivlinse 18, die zweite Probenbühne 20 und der zweite Sekundärelektronendetektor 19 verwendet. In diesem Falle ist es möglich, das Bild der großen Probe durch Abtastung mit dem Elektronenstrahl in ähnlicher Weise wie bei einem herkömmlichen Abtastelektronenmikroskop zu beobachten. Zuvor ist natürlich die erste Probenbühne 17 zu entfernen und die Stromquelle von der ersten Objektiv­ linse auf die zweite Objektivlinse 18 umzuschalten.

Fig. 4 zeigt eine vertikale Schnittansicht durch ein zweites Ausführungsbeispiel des beschriebenen Abtastelektronenmikroskops.

Das Elektronenmikroskop gemäß Fig. 4 unter­ scheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 3 in erster Linie darin, daß eine dritte Ablenkspule 29 zwischen der ersten Objektivlinse 16 und der zur Beobachtung einer großen Probe 28 dienenden zweiten Objektivlinse 18 angeordnet ist. In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, daß bei Beobachtung einer großen Probe bei schwacher Vergrößerung durch das in Fig. 3 gezeigte Abtastelektronenmikroskop der Strahlengang des durch die zweite Ablenkspule 14 abgelenkten Elektronen­ strahls möglicherweise vom Zentrum der ersten Objektiv­ linse 16 abgelenkt werden kann, wodurch sich eine merklich große Aberration ergeben kann, oder daß der Elektronenstrahl von dem inneren Umfangsabschnitt der ersten Objektivlinse unterbrochen wird, wodurch es unmöglich wird, die Oberfläche der großen Probe 28 abzutasten, da die zweite Probenbühne 20 von der zweiten Ablenkspule 14 weit beabstandet ist. Um diesem Problem zu begegnen, ist eine dritte Ablenkspule 29 an einer Zwischenstellung zwischen der ersten Objektiv­ linse 16 und der zweiten Objektivlinse 18 bei dem Aus­ führungsbeispiel gemäß Fig. 4 angeordnet, so daß der Elektronenstrahl durch das Zentrum der ersten Objektivlinse 16 treten kann. Bei der Anordnung gemäß Fig. 4 ist es möglich, ein abgetastetes Bild einer großen Probe 28 mit verringerter Aberration zu gewinnen. Es hat sich tatsächlich gezeigt, daß die Aberration auf ein Zehntel derjenigen bei einer Anordnung ohne die Ablenkspule 29 reduziert werden kann. Ein Umschalter ist zum selektiven Umschalten der Stromversorgung zu den ersten, zweiten und dritten Ablenkspulen (13, 14 und 29) vorgesehen.

Fig. 5 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein drittes Aus­ führungsbeispiel des erfindungsgemäßen Abtastelektronenmikroskops, bei dem ein Absperrventil 31 im Elektronenstrahldurchgang 30 zwischen den Probenkammern 23 und 24 angeordnet ist. Es ist leicht einzusehen, daß die Probenkammer 24 für große Proben einen unbenutzten Freiraum darstellt, wenn eine Probe geringer Größe unter Verwendung der ersten Probenbühne beobachtet wird. Wenn daher die zweite Probenkammer 24 bei Beobachtung einer kleinen Probe zusammen mit der Probenkammer 24 auf ein vor­ gegebenes Vakuum evakuiert werden muß, so geht eine größere Zeit für die Evakuierung verloren. Darüberhinaus ist der hohe Vakuumpegel innerhalb der Probenkammer 23 für die kleine Probe deshalb nicht leicht herzustellen, da Gas aus den Innen­ wänden der Probenkammer 24, dem Röntgenspektrometer und anderen Zusatzgeräten in die Kammer 23 für kleine Proben emittiert wird. Hier schafft das Absperrventil 31 Abhilfe, das bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 als Gasstrom­ sperre wirkt. Bei Einbau des Absperrventils 31 kann der Elektronenstrahldurchgang 30 bei der Beobachtung der Probe geringer Größe unterbrochen werden, so daß nur der Raum ober­ halb der ersten Objektivlinse 16 evakuiert zu werden braucht. Das Absperrventil 31 kann durch eine Betätigungsvorrichtung 32 selektiv betätigt werden. Zur Absperrung des Gasstroms können auch andere Geräte als das in Fig. 5 dar­ gestellte Absperrventil 31 verwendet werden. So kann bei­ spielsweise eine zylindrische Blende mit einer Länge von 20 mm und einem Innendurchmesser von 1 mm im Elektronenstrahl­ durchlaß 30 montiert werden. In diesem Fall ist der Durchlaß 30 nicht hermetisch abgeschlossen. Ein entsprechender Strom­ beschränkungseffekt kann jedoch aufgrund der Tatsache erzielt werden, das gasförmige Moleküle bei einem Vakuumpegel von mehr als 10^-3 mbar lineare Bewegungen ausführen.

Fig. 6 zeigt in einer vertikalen Schnittansicht ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Abtastelektronenmikroskops, bei dem eine Miniaturlinse 18′ als zweite Objektivlinse verwendet wird. Mit dem Ausdruck "Miniaturlinse" ist eine kleine Linse gemeint, in der eine Ablenkspule integriert ist. Dagegen hat die normale Objektivlinse einen Durchmesser von 15 bis 20 cm. Wie oben gesagt, muß eine große Probe 28 häufig über einen weiten Bereich bewegt werden, wobei es erwünscht ist, einen möglichst großen Raum um die zweite Probe verfügbar zu haben. Wenn eine Röntgen­ strahl-Spektralanalyse einer Probe unter Verwendung eines Röntgenstrahlspektrometers durchgeführt werden soll, so muß die Probe 28 so nahe wie möglich an die Objektivlinse heran­ gerückt werden, um einen großen Röntgenstrahl-Austritts­ winkel relativ zur Probenoberfläche zu gewährleisten. Diese Bedingungen können durch Verwendung der Miniaturlinse als zweite Objektivlinse erfüllt werden.

Bei dem beschriebenen Abtastelektronenmikroskops ist der Schwerpunkt der elektronenoptischen Säule relativ weit unten, so daß eine hohe Stabilität sowie eine relative Unempfindlichkeit gegen Vibrations­ einflüsse und damit eine hohe Bildauflösung erzielt werden. Durch Schaffung einer Gasstrombegrenzung zwischen der Proben­ kammer 23 für die kleine Probe und der Probenkammer 24 für die große Probe läßt sich die zur Evakuierung der Probenkammer 23′ auf einen vorgegebenen Vakuumpegel benötigte Zeit für die Beobachtung der kleinen Probe ganz wesentlich verringern. Da die Kammer 24 unter der der Beobachtung der kleinen Probe dienenden Kammer 23 vorgesehen ist, ist der die kleine Probe ab­ tastende Elektronenstrahl keinen Einflüssen äußerer Magnet­ felder ausgesetzt, welche anderenfalls durch die zur Auf­ nahme der große Probe dienenden Kammer 24 eindringen könnten. Wegen der Anordnung der zweiten Objektivlinse 18 unter der ersten Objektivlinse 16 kann ein Abtastdurchstrahlungsbild (STEM Bild) einer auf dem ersten Probentisch 17 angebrachten Probe durch die zweite Objektivlinse 18 beobachtet werden. Wenn die zweite Objektiv­ linse durch die Miniaturlinse gebildet wird, kann der zur Einstellbewegung einer Probe in der Probenkammer 24 verfüg­ bare Raum vergrößert werden, während die Herstellungskosten verringert werden.

Claims (4)

1. Abtastelektronenmikroskop mit einer Elektronenkanone (10), einer ersten Objektivlinse (16) zur Beobachtung einer Probe geringer Größe, einer zweiten Objektivlinse (18; 18′) zur Beobachtung einer großen Probe, einer ersten Probenbühne (17), die nahe der ersten Objektivlinse (16) angeordnet ist und die kleine Probe zwischen den Magnetpolen der ersten Ob­ jektivlinse (16) hält, einer zweiten Probenbühne (20), die in Strahlrichtung gesehen hinter der zweiten Objektivlinse (18; 18′) zur Halterung der großen Probe an einer Stelle nahe der Brennebene der zweiten Objektivlinse (18; 18′) angeordnet ist, und mit Mitteln zur selektiven oder abwechselnden Beobachtung der kleinen und der großen Probe, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Objektivlinse (16) in Strahlrichtung gesehen vor der zweiten Objektivlinse (18; 18′) angeordnet ist.

2. Abtastelektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine zusätzliche Ablenkspule (29) zwischen der ersten Objektivlinse (16) und der zweiten Objektivlinse (18; 18′) angeordnet ist.

3. Abtastelektronenmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Beschränkung des Gasstroms zwischen der ersten Probenbühne (17) und der zweiten Probenbühne (20) angeordnet ist.

4. Abtasteleketronenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Objektivlinse durch eine Miniaturlinse (18′) gebildet ist.