DE3854283T2

DE3854283T2 - Direkt-abbildendes monochromatisches Elektronenmikroskop.

Info

Publication number: DE3854283T2
Application number: DE3854283T
Authority: DE
Inventors: Robert L Gerlach
Original assignee: Physical Electronics Inc
Current assignee: Revera Inc
Priority date: 1987-06-05
Filing date: 1988-06-03
Publication date: 1996-01-11
Anticipated expiration: 2008-06-04
Also published as: JP2685501B2; EP0293924A3; DE3854283D1; JPS63318052A; EP0293924A2; US4810880A; EP0293924B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Elektronenmikroskope und insbesondere ein direkt abbildendes monochromatisches Elektronenmikroskop, das für Röntgenstrahlphotoelektronen und Augerelektronen nützlich ist. Die Erfindung betrifft teilweise auch ein direkt abbildendes monochromatisches Elektronenmikroskop mit einer Emissionsvorrichtung (16) zum Emittieren von Elektronen von einer Probe, einer Objektivvorrichtung (24) zum Sammeln eines wesentlichen Teils der von der Probe emittierten Elektronen, einer Fokussiervorrichtung (62) zum Fokussieren eines wesentlichen Teils der emittierten Elektronen in eine Vielzahl von Elektronenstrahlgruppen, einem Energiefilter (82), der die Strahlgruppen empfängt und monochromatische Strahlen mit einer ausgewählten Energie durchläßt, einer abbildenden Vorrichtung (102), die die monochromatischen Strahlen zum Fokussieren derselben zur Erzeugung eines Bildflecks empfängt, und einer Detektorvorrichtung (110) zum Detektieren des Bildes.
Eine Vielzahl von Elektronenmikroskopen und dazu verwandten Oberflächenanalysatoren wurde in den vergangenen Jahren entwickelt. Die allgemeinen Grundlagen sind z.B. in "Introduction to Analytical Electron Microscopy", Plenum Press (New York 1979) dargelegt. Ein häufig auftretender Typ ist ein Rasterelektronenmikroskop, bei dem ein fokussierter Elektronenstrahl über eine Probenoberfläche gerastert wird, wobei Sekundärelektronen in Korrelation zu der Rasterposition detektiert werden und elektronisch weiterverarbeitet werden, um ein Bild von Topographiemerkmalen zu schaffen. Ein verwandtes Kartieren von chemischen Bestandteilen in der Oberfläche wird mit charakteristischen Röntgenstrahlen erzielt, die durch den Elektronenstrahl erzeugt werden. Jedoch ist die Auflösung mit den Röntgenstrahlen für die topographische Auflösung nicht ausreichend. Zudem sind Röntgenstrahlen nicht für detektierende Elemente mit geringen Atomzahlen oder für eine oberflächennahe Empfindlichkeit geeignet.
Ein weiteres Verfahren zum Analysieren von Oberflächen verwendet sekundäre Augerelektronen, die an der Probenoberfläche durch den fokussierten Primärelektronenstrahl erzeugt werden. Auger-Mikrosonden sind zum Detektieren von Elementen mit niedrigen Atomzahlen geeignet und weisen eine Empfindlichkeit für wenige Atomlagen auf. Eine Oberflächenkartierung von Elementen wird durch Abtastung mit dem Primärelektronenstrahl erzielt. Ein Beispiel einer abtastenden Auger-Mikrosonde ist in der US-A-4048498 dargestellt. Ein abtastendes Auger-Verfahren ist in seiner Analysefläche auf ungefähr 500 Angström Durchmesser aufgrund der Streuung des Primärstrahls in dem Oberflächengebiet beschränkt.
Eine weitere Möglichkeit für die Oberflächenanalyse besteht in der Elektronenspektroskopie für die chemische Analyse (ESCA), die eine Bestrahlung einer Probenoberfläche mit Röntgenstrahlen und Detektierung der charakteristischen emittierten Photoelektronen beinhaltet. Die Photoelektronen werden durch elektrostatische oder magnetische Vorrichtungen gefiltert, die nur Elektronen mit einer bestimmten Energie einen Durchtritt ermöglichen. Die Intensität des resultierenden Strahls spiegelt die Konzentration eines vorliegenden chemischen Bestandteils der Probenoberfläche wider. Die US-A-3617741 und 3766381 beschreiben ein derartiges System. Eine chemische Kartierung der Oberfläche setzt eine Bewegung eines Bauteils oder einer Blende voraus, um Elektronen von verschiedenen Teilen der Oberfläche zu detektieren, da Röntgenstrahlen im allgemeinen nicht ausreichend in kleine Gebiete der Oberfläche fokussierbar sind, um eine Abtastung mit hoher Auflösung zu ermöglichen.
Daher wurden andauernde Anstrengungen auf die direkte Abbildung von charakteristischen Emissionen hin gerichtet. Eine Möglichkeit wird in "Photoelectron Microscopy - Applications to Biological Surfaces" von O. Hayes Griffith beschrieben, vorgestellt bei einem Symposium über "Small Area Solid and Surface Analysis" in New Orleans, 25. Februar bis 1. März 1985. Das darin beschriebene System bildet niederenergetische Photoelektronen, die durch Ultraviolettstrahlung hervorgerufen wurden, ab. Es wird darin festgehalten, daß eine Elementanalyse nicht bereitgestellt wird. Zudem war eine Abbildung mit höherenergetischen Elektronen weniger erfolgreich, da Aberrationen größeres Gewicht hatten.
Die Veröffentlichung von Griffith beschreibt auf Seite 16 eine weitere Möglichkeit, bei der emittierte Elektronen mit schraubenlinienförmigen Trajektorien entlang magnetischer Flußlinien fokussiert werden. Die Auflösung hängt vom Durchmesser der Schraubenlinie ab, und es wird herausgestellt, daß die Hauptbegrenzung in der maximalen Verstärkung besteht und daß deshalb die Auflösung gering ist.
Eine Energiefilterung des Elektronenstrahls ist wichtig, um einen monochromatischen Strahl zu erhalten, der für das der Analyse unterworfene Element charakteristisch ist. Eine elektrostatische Filterung kann mit konzentrischen halbkugelförmigen Leitern erzielt werden, die eine zwischen ihnen anliegende Spannung aufweisen, wie es in der vorher erwähnten US-A-3766381 beschrieben ist.
Ein magnetisches System zum Filtern von Elektronen ist in "Modification of a Transmission Electron Microscope to Give Energy-Filtered Images and Diffraction Patterns, and Electron Energy Loss Spectra" von R. F. Egerton, J. G. Philip, P. S. Turner und M. J. Whelan in Journal of Physics E: Scientific Instruments, Band 8, Seiten 1033-1037 (1975) beschrieben. Diese Veröffentlichung beschreibt ein Transmissionselektronenmikroskop. Der Energiefilter ist ein magnetisches Prisma, das mit einem elektrostatischen Spiegel zusammenwirkt, der die Elektronen das Prisma zweimal durchlaufen läßt. Eine direkte Abbildung der Oberflächenelemente wird mit relativ hochenergetischen Elektronen (beispielsweise 80 keV) erzielt. Obwohl die gefilterten Energien der transmittierten Elektronen für Elementbestandteile repräsentativ sind, verwendet dieses Instrument jedoch speziell angefertigte Dünnfilmproben in Transmission und ist nicht zur Analyse von festen Oberflächen gedacht.
Ein Gerät zum Abbilden von Sekundärionen von Oberflächen ist in "Secondary Ions Microanalysis and Energy-Selecting Electron Microscopy" von R. Castaing in Electron Microscopy in Material Sciences , Academic Press (New York 1971) auf Seiten 103-161 beschrieben. Dieses Gerät beschleunigt sehr niederenergetische (beispielsweise 10 ev) Sekundärionen von Oberflächen und führt eine Massen- und Energieanalyse aus, während gleichzeitig zweidimensionale Bilder erzeugt werden.
Eine Vielfalt von elektrostatischen und magnetischen Elektronenlinsen sind bekannt und beispielsweise in dem vorher erwähnten Text von Hren et al. beschrieben. Eine derartige magnetische Linse ist eine Linse mit einem einzigen Polstück, die von Hren et al. auf Seiten 66-69 als Scheiben- (Pancake) und Schnorchel- (snorkel) Linse beschrieben wird. Weitere Einzelheiten über Schnorchellinsen sind in "Some Properties of single Pole Piece Objective electron Lenses" von S. M. Juma, M. A. A. Khalig und F. H. Antar in Journal of Physics E: Scientific Instruments, Band 16, Seiten 1063-1068 (1993) dargelegt. Linsen mit einem einzigen Polstück haben sich offensichtlich noch nicht als nützlich in der praktischen Elektronenmikroskopie erwiesen.
Im Hinblick auf das vorher Gesagte ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Elektronenmikroskop zu schaffen für eine zweidimensionale Abbildung von Sekundärelektronen mit mittlerer Energie (50-3000 eV), die von festen Oberflächen emittiert werden, wobei die emittierten Elektronen in dem Verfahren monochromatisiert werden.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein neues, direkt abbildendes Mikroskop zu schaffen, das besonders für die chemische Röntgenstrahlphotoelektronenanalyse von Oberflächen nützlich ist.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein neues, direkt abbildendes Mikroskop zu schaffen, das besonders für die chemische Kartierung mit Auger-Elektronen nützlich ist.
Noch eine weitere Aufgabe besteht darin, ein monochromatisches Elektronenmikroskop zu schaffen, das eine verbesserte Sammeleffizienz für Elektronen von einer Probenoberfläche aufweist.
Die vorhergehenden und andere Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein gattungsgemäßes direkt abbildendes monochromatisches Elektronenmikroskop gelöst, das durch die Merkmale des kennzeichnenden Abschnitts des Anspruchs 1 gekennzeichnet ist. Das Mikroskop enthält eine Emissionsvorrichtung zum Emittieren von Elektronen von wenigstens einem und vorzugsweise einer Vielzahl von Flecken quer uber einer Probenoberfläche, eine Objektivvorrichtung zum Sammeln eines wesentlichen Teils der von der Probenoberfläche emittierten Elektronen und eine Fokussiervorrichtung zum Fokussieren des wesentlichen Teils der emittierten Elektronen in eine Vielzahl von Elektronenstrahl gruppen. Das Mikroskop enthält weiter einen Energiefilter, der die Strahlgruppen empfängt und monochromatische Strahlen mit einer ausgewählten Energie durchläßt, eine Abbildungsvorrichtung, die die monochromatischen Strahlen zum Fokussieren derselben zur Erzeugung eines Bildes der Vielzahl von Flecken empfängt, und eine Detektorvorrichtung zum Detektieren des Bildes. Das Mikroskop umfaßt weiter eine magnetische Objektivlinse und vorzugsweise eine Objektivlinse mit einem einzigen Polstück, die aus einer ein magnetisches Feld erzeugenden Solenoidspule mit einem tellerförmigen magnetisch permeablen Teil, das koaxial über die Solenoidspule gestülpt ist, gebildet ist. Das permeable Teil weist insbesondere einen Halsabschnitt auf, der sich durch eine zentrale Öffnung in der Spule erstreckt. Die Objektivlinse ist so angeordnet, daß sie den wesentlichen Teil der Elektronen empfängt, die von einer Probenoberfläche emittiert werden, die in der Nähe der Objektivlinse zwischengefügt ist und die am besten zwischen der Objektivlinse und dem Energiefilter sich befindet.
Für den Energiefilter ist ein sphärischer Analysator mit halbkugelförmiger Gestaltung geeignet, der eine Eintrittsöffnung, die den Elektronenstrahl von der fokussierenden Vorrichtung empfängt, und eine geschlitzte Austrittsöffnung aufweist, die diametral der Eintrittsöf fnung gegenüberliegend angeordnet ist. Das Elektronenmikroskop sollte auch eine Vorrichtung zum Auswählen der Energie für die monochromatischen Elektronenstrahlen enthalten.
Die Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Elektronenmikroskops, das Bauteile gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.
Die Fig. 2 ist ein axialer Querschnitt einer in dem Elektronenmikroskop nach der Fig. 1 verwendeten Objektivlinse.
Die Fig. 3 ist ein axialer Querschnitt einer in dem Elektronenmikroskop nach der Fig. 1 verwendeten Übertragungslinse.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Ein erfindungsgemäßes direkt abbildendes monochromatisches Elektronenmikroskop ist schematisch in der Fig. 1 dargestellt. Die Bauteile des Systems sind in geeigneten Umhüllungen (nicht gezeigt), um unter Hochvakuum betreibbar zu sein. Der bevorzugte Zweck des Mikroskops besteht darin, eine zweidimensionale Kartierung ausgewählter Elementbestandteile gemäß ihrer Konzentration an oder sehr nah an einer Oberfläche 12 einer Probe 14 darzustellen. Die Oberfläche wird auf herkömmliche Weise einem Strahl 15 von einer Energiequelle 16, vorzugsweise einer Quelle von Elektronen oder Röntgenstrahlen, unterworfen.
Für den Fall einer Elektronenstrahlquelle ist es besonders nützlich, wenn der Strahl eine geeignete Energie aufweist, um Auger-Elektronen hervorzurufen, die von der Probenoberfläche emittiert werden. Bei einfallenden Röntgenstrahlen wird eine Photoelektronenemission auftreten und ausgenützt werden. Bei jeder dieser Quellen oder bei anderen ähnlichen Verhältnissen der Elektronenemission oder Transmission filtert das erfindungsgemäße Elektronenmikroskop die Energien der Elektronen, um ein Paket monochromatischer Strahlen zu erzeugen und ab zubilden, die eine ausgewählte Energie aufweisen, die für einen zu kartierenden Elementbestandteil charakteristisch ist.
Die von der Oberfläche 12 emittierten Elektronen werden durch eine Objektivlinse 20 eines magnetischen Typs gesammelt, bei der es sich vorzugsweise um eine Linse eines Typs mit einem einzigen Polstück handelt, wie eine Scheibenlinse (pancake) und in besonders vorteilhafter Weise eine Schnorchellinse (snorkel), wie sie in den vorher erwähnten Seiten 68-69 der Schrift von Hren et al. und der Publikation von Juma et al. offenbart sind. (Hier und in den Ansprüchen wird der Begriff "Linse" als ein elektronenoptisches Bauteil gebraucht.) Eine solche Schnorchellinse ist in der Fig. 2 der vorliegenden Anmeldung dargestellt. Die Schnorchelobjektivlinse enthält eine ein magnetisches Feld erzeugende Solenoidspule 22 aus Draht, die in sich eine zentrale Öffnung 24 aufweist. Drahtzuleitungen 26 von der Spule sind mit einer Stromquelle 28 verbunden. Beispielsweise weist die Spule 500 Windungen auf und ein Strom von 1 Ampere wird verwendet.
Ein tellerförmiges magnetisch permeables Teil 30 ist koaxial über die Solenoidspule 22 gestülpt. Das permeable Teil weist einen Halsabschnitt 32 auf mit einer sich im wesentlichen durch die zentrale Öffnung 24 der Spule erstreckenden Spitze 36. Ein Beispiel für den äußeren Durchmesser des Halses beträgt 20 mm und für seine gesamte Länge 30 mm. Es kann die Notwendigkeit für ein Kühlmittel bestehen, wobei in diesem Fall eine Abdeckplatte 38 aus nicht magnetischem Material wie Aluminium mit dem permeablen Teil 30 zusammenwirkt, um die Spule 22 in einer Kühlmittelkammer 40 einzuschließen, die mit einer Einlaßleitung 42 und einer Auslaßleitung 44 für das Kühlmittel versehen ist, um in der Spule durch den Strom erzeugte Wärme abzuführen.
Die Spitze 36 des Linsenhalses ist gegen die Probenoberfläche 12 hin angeordnet. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist die Probe außerhalb des Zwischenraums zwischen Halsspitze 36 und Fokusebene 54 wie auch von nachfolgenden noch zu beschreibenden Komponenten angeordnet. Aufgrund der Eigenschaften dieser Linse ist ein sehr großer Raumwinkel, der annähernd 600 erreicht, für die Aufnahme von Elektronen von der Oberfläche 12 praktisch erreichbar. Das magnetische Feld der Einzelpollinse ist derart, daß die Elektronen in einer ersten Bildebene 54 fokussiert werden (Fig.1). Eine Vergrößerung von ungefähr 10 ist bevorzugt.
Gemäß den Grundsätzen der Elektronenoptik werden Elektronenstrahlengruppen mittels der Objektivlinse 20 durch eine Objektivblende 55 in eine Bildebene 54 in einem Muster entsprechend den verschiedenen Elektronenemissionsflecken auf der Probenoberfläche fokussiert. Zwei derartige Gruppen 56, 60 sind in der Fig. 1 jeweils mit durchgezogenen und unterbrochenen Linien gezeigt. Diese sind in ihrem Durchlauf durch den größten Teil des Systems dargestellt (die unterbrochenen Linien sind teilweise der Klarheit wegen weggelassen). Die Blende 55 begrenzt Aberrationen von der Objektivlinse. Ein Durchlaß 61 in der Bildebene 54 wählt die Elektronenstrahlen für die Fläche auf der zu kartierenden Oberfläche 12 aus. Obwohl es nicht gezeigt ist, kann das Objektivlinsensystem zusätzlich magnetische oder elektrostatische Linsenbauteile gewünschter oder herkömmlicher Art zwischen der Linse 20 aus einem einzigen Polstück und dem Durchlaß 61 enthalten, insbesondere für eine Auger-Abbildung, bei der eine höhere Vergrößerung meist benötigt ist.
Eine Übertragungslinse 62 ist nach der Bildebene 54 in einem der Brennweite der Übertragungslinse entsprechenden Abstand angeordnet, um somit jede Gruppe in eine Gruppe paralleler Elektronenstrahlen zu brechen. Die Übertragungslinse kann jegliche herkömmliche Linse eines Typs hoher Qualität sein, entweder elektrostatisch oder magnetisch, sie sollte jedoch einen gesamten Aberrationskoeffizienten von weniger als 50 cm und vorzugsweise von weniger als 30 cm aufweisen.
Eine besonders wünschenswerte Übertragungslinse 62 ist in der Fig. 3 dargestellt und ist in einer Druckschrift mit dem Titel "An Asymmetric Electrostatic Lens for Field Emission Microprobe Applications" von J. Orloff und L. W. Swanson (Juni 1978) beschrieben. Ein erstes Bauteil 64 in der Form einer Zwischenlegscheibe mit einer ersten darin vorgesehenen Öffnung 66 stellt die Einlaßseite für die Strahlen dar. Ein tassenförmiges Bauteil 68 weist einen flachen tassenbodenförmigen Abschnitt 70 auf, der koaxial und in der Nähe zu dem ersten Bauteil 64 angeordnet ist. Ein drittes Bauteil 72 in der Form einer Zwischenlegscheibe, das ähnlich zu dem Bauteil 64 ist, ist koaxial und in der Nähe des Randes 74 des tassenförmigen zweiten Bauteils 68 im Abstand angeordnet. Das erste, zweite und dritte Bauteil weisen koaxiale Öffnungen 66, 76, 78 ähnlicher Durchmesser auf, um in Zusammenwirkung durch sie hindurch die Elektronen durchtreten zu lassen. Die Linse 62 wird vorzugsweise mit auf Massepotential gelegten ersten und dritten Komponenten 64,72 betrieben, (das heißt im allgemeinen auf dem Potential der nicht gezeigten Umhüllungen des Systems), und das zweite Bauteil 68 befindet sich bei einer negativen Spannung relativ zu dem Massepotential, die von einer Spannungsquelle 80 stammt.
Wieder Bezug nehmend auf die Fig. 1 empfängt ein Energiefilter 82 die Elektronenstrahlen, die durch diesen hindurch gehen und monochromatischen Strahlen mit einer ausgewählten Energie entsprechen. Der Filter ist von bekannter oder gewünschter Art, wie ein Prismenspiegelsystem, das in dem vorher erwähnten Artikel von Eggerton et al. gezeigt ist. Insbesondere für Röntgenstrahlphotoelektronen ist der Filter jedoch bevorzugt ein sphärischer Analysator mit herkömmlicher halbkugelförmiger Gestaltung mit einer inneren Halbkugelschale 84 und einer äußeren Halbkugelschale 86. Dieser Analysator schafft einen großen Eintrittsraumwinkel und eine große Fläche, die für die Abbildung von Röntgenstrahlphotoelektronen notwendig sind.
Eine Eintrittsöffnung 88 nimmt die Elektronenstrahlen von der Übertragungslinse auf. Eine geschlitzte Austrittsöffnung 90 liegt der Eintrittsöf fnung diametral gegenüber.
Eine relativ zu der inneren Halbkugelschale 84 negative Ablenkspannung wird an die äußere Halbkugelschale 86 von einer Spannungsquelle 96 über Leitungen 97 angelegt. Es ist offensichtlich, daß die Strahltrajektorien zwischen den Halbkugelschalen 84,86 von der Elektronenenergie und der angelegten Spannung abhängen und daß nur die Strahlen eines ausgewählten engen Energiebereichs durch die Austrittsöffnung 90 hindurchtreten. Die Aberrationen sind bei einem Austritt aus dem Halbkugelschalenweg mit 180º am geringsten.
Ein Auswählen der Energie der monochromatischen Elektronenstrahlen geschieht durch bekannte oder gewünschte Mittel, beispielsweise durch Einstellen der von der Quelle 96 angelegten Spannung. Alternativ dazu kann eine herkömmliche Elektronenlinse 98 verwendet werden, die selektiv die Energie der durch den Filter 82 empfangenen Elektronen abwandelt. Die Linse kann mit der Übertragungslinse 62 integral ausgebildet sein, oder diese darstellen. Die Energie abwandelnde Linse 98 ist schematisch zwischen der Übertragungslinse 62 und dem Filter 82 in der Fig. 1 angedeutet. Eine elektronische Steuervorrichtung 100 für die Linse 98, die mit dem Filter 82 zusammenwirkt, bewirkt die ausgewählte Energie der aus der Öffnung 90 austretenden monochromatischen Strahlen. Wahlweise und vorzugsweise ist die Energie abwandelnde Linse bei 98' zwischen der Übertragungslinse 62 und der Objektivlinse 20 mit einer Steuerung 100' vorgesehen. Zudem können eine oder mehrere Linsen bei 98' für eine weitere Vergrößerung verwendet werden. Geeignete Linsen 98 (oder 98') sind in den vorher erwähnten US-A-3766381 und 3617741 offenbart.
Eine zweite Übertragungslinse 102 ist nach der Austrittsöffnung 90 angeordnet, die die monochromatischen Strahlen empfängt und dieselben erneut fokussiert. Die zweite Übertragungslinse kann im wesentlichen zu der ersten Übertragungslinse identisch, jedoch entgegengesetzt ausgerichtet sein. Somit weist die zweite Linse 102 eine Auslaßseite auf, von der die erneut fokussierten Strahlen austreten, die aufbaumäßig der Einlaßseite der ersten Übertragungslinse 62 entspricht. Die Auslaßseite der Linse 62 würde durch das in der Fig. 3 gezeigte erste Bauteil 64 dargestellt.
Die Strahlen werden dann in eine zweite Bildebene 104 fokussiert, die sich im Abstand der Brennweite von der zweiten Übertragungslinse befindet und einen Durchlaß 105 aufweist. Eine Projektionslinse 106, die die wieder fokussierten Strahlen empfängt, bildet dieselben in eine Projektionsebene 108 ab, wo ein Kanalplattenelektronenvervielfältiger 110 angeordnet ist. Typischerweise werden Signale von dem Kanalplattenvervielfältiger herkömmlich detektiert und mit einem (nicht gezeigten) System verarbeitet, das eine positionsempfindliche Vorrichtung enthält, und weiter zur Darstellung als Bild auf einem Monitor oder einer Kamera bearbeitet. Ein derartiges Bild zeigt Variationen in seiner Gestalt für ein zweidimensionales Gebiet auf der Probenoberfläche 12 für einen ausgewählten Elementbestandteil, der eine charakteristische Elektronenemissionsenergie aufweist, die für den monochromatischen Strahl gewählt wurde.
Die magnetische Linse und insbesondere die Schnorchellinse nach der Fig. 2 schaffen eine Aufnahme über einen weiten Winkel und eine Fokussierung der emittierten Elektronen mit geringen Aberrationen unter ausreichender Elektronenintensität für eine direkte Abbildung und somit mit einer hohen Auflösung für Variationen in der Zusammensetzung entlang der Oberfläche, wenn sie in der hier beschriebenen Ausrichtungsart verwendet und mit den anderen Bauteilen des Elektronenmikroskops gemäß der Erfindung kombiniert werden. Beispielsweise ist bei Röntgenstrahlphotoelektronen in einem ESCA-System mit Energien von ungefähr 500 bis 1000 Elektronenvolt eine Oberflächenfleckauflösung von 0,5 um praktisch erzielbar. Für Auger-Elektronen, die ähnliche Energien aufweisen, sollte die Auflösung 10 bis 20 nm (100-200 Angström) betragen, was nur durch die Signalstärke beschränkt ist. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der hohen Effizienz ist die Möglichkeit, eine geringere örtliche Intensität des Quellenstrahls auf der Oberfläche zu verwenden unter einer begleitenden verringerten Oberflächenbeschädigung für einen kleinen Fleck.
Das Mikroskop wird oben zur Kartierung einer Vielzahl von Flecken auf der Probenoberfläche beschrieben. Die Vielzahl von Flecken wird sich im allgemeinen einem Kontinuum annähern. Es kann jedoch vorteilhaft sein, alle Elektronen von dem gesamten Gebiet des Vervielfältigers 108 zu sammeln, um das gesamte Oberflächengebiet mit einem Strahl hoher Intensität zu analysieren, was zu einem hohen gesamten Signal führt. Alternativ dazu kann die Energiequelle 16, wie z. B. ein Elektronenstrahl, in einen Fleck auf der Oberfläche fokussiert werden und kann beispielsweise über die Oberfläche in einem Abtastmodus gerastert werden. In jedem der Fälle wird das erf indungsgemäße Mikroskop vorteilhafterweise als eine Analysevorrichtung ohne direkte Abbildung mit hoher Sammeleffizienz und deshalb hoher Empfindlichkeit verwendet.
Während die Erfindung im vorhergehenden im einzelnen unter Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, sind verschiedene Veränderungen und Abwandlungen, die den Grundgedanken der Erfindung und den Bereich der beiliegenden Ansprüche fallen, dem Fachmann offensichtlich. Die Erfindung soll daher nur durch die beiliegenden Ansprüche und ihre Äquivalente beschränkt sein.

Claims

1. Ein direkt abbildendes monochromatisches Elektronenmikroskop mit einer Hauptstrahlungsquelle (16), die zur gleichzeitigen Emission von Elektronen von einer Vielzahl von Punkten auf einer Probenoberfläche (12) vorgesehen ist, einer Objektivvorrichtung (24), die die von der Probe in einen weiten Winkel emittierten Elektronen sammelt, einer fokussierenden Vorrichtung (62) zum Fokussieren der in den weiten Winkel emittierten Elektronen in eine Vielzahl von Elektronenstrahlgruppen, einem Energiefilter (82), der die Strahlgruppen empfängt und monochromatische Strahlen mit einer ausgewählten Energie durchläßt, einer abbildenden Vorrichtung (102), die die monochromatischen Strahlen zum Fokussieren derselben zur Erzeugung eines Bildes empfängt, und einer Detektorvorrichtung (110) zum Detektieren des Bildes,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Hauptstrahlungsquelle (16) so angeordnet ist, daß die Probe von der Seite der Oberfläche aus bestrahlt wird,

daß die Objektivvorrichtung (20) eine Objektivlinse umfaßt, die aus einer ein magnetisches Feld erzeugenden Solenoidspule (22) mit einer darin vorgesehenen zentralen Öffnung (24) gebildet ist, wobei ein tellerförmiges magnetisch permeables Teil (30) koaxial über die Solenoidspule (22) gestülpt ist, wobei das permeable Teil (30) einen Halsabschnitt (32) aufweist, der sich im wesentlichen durch die zentrale Öffnung erstreckt, und wobei die Objektivlinse so angeordnet ist, daß sie die in den weiten Winkel emittierten Elektronen von der Probenoberfläche (12) sammelt, die zwischen der Objektivlinse (20) und der fokussierenden Vorrichtung (62) in der Nähe des Halsabschnitts angeordnet ist.

2. Ein Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, wobei der Energiefilter (82) einen sphärischen Analysator mit halbkugelförmigen Aufbau umfaßt mit einer Eingangsausnehmung (88), die Elektronenstrahlen von der fokussierenden Vorrichtung (62) aufnimmt, und einer geschlitzten Austrittsausnehmung (90), die diametral der Eintrittsausnehmung (88) gegenüberliegend angeordnet ist.

3. Ein Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, das weiter eine Vorrichtung (96) zum Auswählen der Energie für die monochromatischen Elektronenstrahlen umfaßt.

4. Ein Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, wobei die Hauptstrahlungsquelle (16) eine auf die Probenoberfläche gerichtete Elektronenkanone umfaßt, um eine Auger-Elektronenemission von der Probenoberfläche (12) zu bewirken.

5. Ein Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, wobei die Hauptstrahlungsquelle (16) eine Röntgenstrahlquelle umfaßt, die auf die Probenoberfläche (12) gerichtet ist, um eine Fotoelektronenemission von der Probenoberfläche zu bewirken.