DE3887891T2 - Niederspannungsquelle für schmale Elektronen-/Ionenstrahlenbündel. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Quelle für sehr scharf gebündelte Strahlen aus elektrisch geladenen Teilchen wie z. B. Elektronen oder Ionen, wobei diese Quelle für Niedervoltbetrieb ausgelegt ist. Die Erfindung ist zur Anwendung z. B. in der Ionen- und Elektronenmikroskopie, Interferometrie und Lithographie bestimmt.
• Elektronenstrahlquellen sind auf dem Stand der Technik schon lange bekannt. Sie arbeiten entweder mit thermionischer Emission aus einer Kathode, die auf höhere Temperaturen erwärmt wird, so daß die Elektronen genügend Energie aufnehmen können, um aus der Kathodenoberfläche auszubrechen, oder mit der Anwendung eines sehr starken elektrischen Feldes in der Nähe der Kathode, dessen Wirkung es ist, die Potentialschwelle an der Kathodenoberfläche zu erniedrigen, so daß die effektive Austrittsarbeit genügend reduziert wird. Elektronenstrahlquellen dieser Typen werden bei V. E. Cosslett, Introduction to Electron Optics [Einführung in die Elektronenoptik], Oxford 1950, beschrieben.
• Nachteile der Quellen auf dem Stand der Technik sind eine sehr geringe Wirksamkeit, eine ziemlich große Divergenz des Strahls, zusammen mit der Schwierigkeit, diese Strahlen auf einen angemessen scharfen Punkt zu bündeln, und vor allem die hohe Energie der Elektronen in solchen Strahlen. Alle Bemühungen, die Durchmesser der Elektronenstrahlen zu verkleinern, gehen Hand in Hand mit einer entsprechenden Energiezunahme der Elektronen. Hochenergetische Strahlen haben den Nachteil, daß sie die zu untersuchende Probe beschädigen, zu tief in die Probe eindringen und auf diese Weise Informationen aus einem unerwünscht großem Volumen der Probe zu liefern anstatt nur von der Oberfläche der Probe.
• Eine Möglichkeit zur Überwindung dieser Nachteile ist die Verwendung einer punktförmigen Quelle für geladene Partikel, wie sie in H. W. Fink, "Point Source for Ions and Electrons" [Punktförmige Quellen für Ionen und Elektronen], Physica Scripta, Bd. 38 (1988), S. 260-263, diskutiert wird. Diese punktförmigen Quellen bestehen aus einer Wolframspitze, die entweder in einem Haufen von sehr wenig Wolframatomen, wie z. B. einem Trimer, oder in einem einzelnen Wolframatom oben auf einem Trimer endet. Mit einer solchen Spitze wird das elektrische Feld fast ausschließlich am Ende der Spitze eingeschlossen. Dementsprechend werden die Elektronen oder Ionen sequentiell an einem wohldefinierten Punkt im Raum erzeugt.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Quelle für geladene Partikel, wie z. B. Elektronen und Ionen, bereitzustellen, wo der von der Quelle ausgestoßene Partikelstrahl sehr scharf gebündelt und niedrigenergetisch ist. Diese Aufgabe wird gelöst mit Hilfe einer scharfen Spitze, die als Quelle geladener Partikel dient und mit einer engen Öffnung fluchtet, und wobei der Abstand zwischen der Spitze und der Öffnung in der Größenordnung des Durchmessers der Öffnung gesteuert wird.
• In weiteren Einzelheiten schlägt die Erfindung eine Niederspannungsquelle mit einer scharfen Spitze für Elektronen/Ionenstrahlen vor, die an ein elektrisches Potential angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze mit einer Öffnung in einer dünnen Platte fluchtet, der Abstand zwischen der Spitze und der Öffnung von 1 bis 10 nm beträgt, der Durchmesser dieser Öffnung weniger als 1 um beträgt, und das Potential an dieser Spitze so ist, daß freie Elektronen spontan von dieser Spitze abgestoßen werden und durch diese Öffnung strömen, um einen Strahl geladener Partikel auf der in Stromrichtung nachgeordneten Seite dieser Platte zu erzeugen.
• Vorzugsweise wird die Öffnung in einer dünnen Platte bestehend aus einer Kohlenstoffolie ausgebildet, die eine Dicke in der Größenordnung des Durchmessers dieser Öffnung in derselben aufweist.
• Einzelheiten der erfindungsgemäßen Ausbildungsform werden nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnungen beispielhaft beschrieben, in denen
• Fig. 1 das Prinzip der Anordnung einer Elektronenquelle und einer Öffnung zeigt;
• Fig. 2 eine schematische Illustration eines Mikroskopaufbaus unter Verwendung einer Elektronenquelle und einer Öffnung gemäß der Erfindung darstellt.
• Fig. 1 zeigt die prinzipielle Anordnung der Grundelemente, aus denen die Partikelquelle der vorliegenden Erfindung besteht. Eine sehr scharfe Spitze 1 ist mit einer Öffnung 2 in einer dünnen Folie 3 genau ausgerichtet. Die Spitze 1 liegt an einem Potential V&sub0;, und die Folie 3 liegt an einem Potential V&sub1;. Mit einem sehr kleinen Abstand zwischen Spitze 1 und Folie 3 zieht ein verhältnismäßig starkes elektrisches Feld Elektronen aus der Spitze 1, die in Richtung zur Öffnung 2 hin beschleunigt werden. Durch die Öffnung 2 hindurch treten die Elektronen als Strahl 4 in den feldfreien Raum hinter der Folie 3 ein.
• Eine Bedingung dafür, daß der Elektronenstrahl 4 einen kleinen Durchmesser aufweist, ist die Zuspitzung der Elektronenquelle, d.i. der Spitze 1, das heißt, die Winkeldivergenz der Quelle muß ein Minimum sein. Die schärfste mögliche Spitze ist die, die als Scheitelpunkt ein einziges Atom aufweist. Eine solche Spitze, oder eine mit einem Atomtripel am Scheitelpunkt, hat eine Winkeldivergenz, die klein genug ist, daß die Streuung des Elektronenstrahls in der Ebene der Öffnung 2 noch immer im Submikrometerbereich oder sogar im Nanometerbereich liegt.
• Eine direkte Methode zur Herstellung stabiler einatomiger Spitzen wird von H.-W. Fink in "Monoatomic tips for scanning tunneling microscopy" [einatomige Spitzen zum Abtasten in Tunnelmikroskopie], IBM Journal of Research and Development, Bd. 30, Nr. 5, 1986, S. 460-465 beschrieben. Im wesentlichen wird ein einziges Wolframatom durch Feldionen-Mikroskopiertechnik auf das Ende einer scharf zugespitzten Wolframspitze aufgebracht. Das Ende der Spitze wird durch ein Trimer aus Wolframatomen auf einer (111) Ebene gebildet. Wie bereits gesagt, wäre auch ein Atom-Trimer auf der Scheitelspitze ausreichend.
• Die Emissionsspannung für eine scharfe Spitze ist typisch ein paar Hundertstel Volt. Dieser verhältnismäßig kleine Wert wird weiter reduziert in der erfindungsgemäßen Umgebung infolge der engen Nachbarschaft der Spitze 1 zur Öffnung 2. Ursprünglich, zu Beginn des Ausrichtzyklus, d. h. wenn der Abstand zwischen der Spitze 1 und der Öffnung 2 noch im Mikrometerbereich liegt, kann das Potential V&sub0; an der Spitze 1 noch bei 320 V liegen müssen. Während der Annäherung der Spitze 1 an die Öffnung 2 kann das Potential nach und nach auf 50 V zurückgefahren werden.
• Der Abstand zwischen der Spitze 1 und der Öffnung 2 muß im Submikrometerbereich liegen. Dieser Abstand eignet sich sehr gut dafür, daß er durch die wohlbekannt Abtast-Tunnelmikroskopie (Scanning Tunneling Microscopy-STM) Technik gesteuert wird. Im Zusammenhang mit der Entwicklung des Abtast-Tunnelmikroskops werden verschiedene Grob/Fein- Annäherungsvorrichtungen vorgeschlagen, die auch im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können. In diesem Zusammenhang wird Bezug genommen z. B. auf IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 27, Nr. 10B, März 1985, S. 5976/7, das einen piezoelektrischen xyz-Antrieb offenbart, der drei gekoppelte Schenkel zum Positionieren einer Elektronenemissionsspitze in einer Tunnelumgebung aufweist. Mit einer Positioniervorrichtung wie dieser wird es möglich sein, die Spitze 1 genau mit der Öffnung 2 zu fluchten.
• Eine weitere Möglichkeit ist die in-situ Herstellung einer geeigneten Öffnung in automatischer Fluchtung mit der Spitze. Ein Verfahren zur Herstellung selbstfluchtender Öffnungen wird in EP-A-351 444 (Stand der Technik gemäß Art. 54(3) EPÜ) beschrieben. Die Spitze wird mit sehr kurzem Abstand in einer Atmosphäre von schweren Gasatomen vor eine dünne Metallfolie plaziert. Das Anlegen einer höheren Spannung an die Spitze wird zu einer Zerstäuber-Operation führen, mit der begonnen wird, die Metallfolie unter der gegenüberliegenden Spitze zu erodieren. Diese Zerstäuber-Operation wird vorzugsweise fortgesetzt, bis das Austreten der ersten Ionen auf der abgelegenen Seite der Folie beobachtet wird.
• Fig. 2 zeigt eine Einrichtung zum Abbilden von Oberflächen mit niedrigenergetischen Elektronen- oder Ionenstrahlen. Diese Einrichtung ist, ähnlich wie ein Abtast-Tunnelmikroskop, mit einem xyz-Antrieb 5 versehen, der z. B. einen Satz piezoelektrischer Elemente 6 bis 8, montiert an drei senkrecht aufeinanderstehenden Kanten eines Würfels 9, umfaßt. Der letztere gleitet auf einem Saphirblock 10, der auf einer Bank 11 liegt. Angeordnet an einem beweglichen Halter 12 ist eine Folie 13, mit einer Öffnung 14 in genauer Fluchtung mit einer Spitze 15, die an diesem xyz-Antrieb 5 befestigt ist. Die Probe 16 liegt auf einem gesonderten xyz- Antrieb 17, der die Justierung des Abstands, den der Partikelstrahls durchwandern muß, um zur Probe zu kommen, ermöglicht, und vorsieht, den Strahl in xy-Richtung über die Probe zu führen.
• Die Grobeinstellung des Abstands zwischen Öffnung 14 und Spitze 15 wird vorgenommen durch Heranfahren der beweglichen Halterung 12 an den Würfel 9 unter ständiger Überwachung des Elektronenprojektionsbild der Öffnung 14 auf einem Kanalplattendetektor 18 in Abwesenheit der Probe 16. Die Feineinstellung erfolgt dann auf geeignete Weise durch Aktivieren des z-Teils des xyz-Antrieb 5. Bei dieser Operation kann es erforderlich werden , die Öffnung in x- oder y-Richtung aus der Fluchtung mit der Spitze 15 herauszudrehen, um zum gewünschten Abstand zwischen Folie 13 und Spitze 15 zu kommen. Sobald die richtige Ausrichtung zwischen Spitze und Öffnung erreicht ist, wird der Tunnelstrom über den Spalt zwischen der Folie 13 und der Spitze 15 durch eine herkömmliche Rückkopplungsschleife konstant gehalten. Mit einer Spitzenspannung von 15 V erreicht der Tunnelstrom eine Größenordnung von 0,1 nA.
• Die Anordnung der Fig. 2 ist ausgelegt für die Generierung sowohl eines niedrigenergetischen Elektronenstrahls als auch Ionenstrahls. In einem ultra-hohen Vakuum wird die Anordnung durch Feldemission einen Strom freier Elektronen aus der Spitze 15 generieren, wobei der Strahldurchmesser beim Durchlauf durch die Öffnung 14 verengt wird. Die niedrigenergetischen (z. B. 15 eV) Elektronen, die auf die Probe auftreffen, werden dort Sekundärelektronen aus den Atomen in den ersten paar Molekularschichten an der Oberfläche erzeugen. Die Eindringtiefe des Elektronenstrahls hängt natürlich neben der Strahlenergie von dem Material der Probe ab. Offensichtlich ist bei diesen niedrig-energetischen Elektronen der Platz unter dem Auftreffpunkt, von dem aus Sekundärelektronen abgestrahlt werden, um einige Größenordnungen kleiner als unter hochenergetischen (keV) Bedingungen. Die Sekundärelektronen können mit Hilfe eines herkömmlichen Channeltron-Detektors 18 aufgefangen werden.
• Durch Führen der Spitze 15 über die Oberfläche der Probe 16 mittels des xy-Teils des xyz-Antriebs 17 und Konstanthalten des Emissionstroms durch Steuern des Spitze/Probe-Abstands ist das zu überwachende Signal die Zählrate, die vom Channeltron-Detektor 18 abgegeben wird. Drei Merkmale werden dabei unmittelbar sichtbar:
• 1. Die Helligkeit der Elektronenquelle ist sehr hoch, weil alle Elektronen die Spitze durch das eine Atom (bzw. Trimer) an dessen Spitze verlassen müssen. Bei einer Stromstärke von 10 uA ist die Stromdichte sehr hoch.
• 2. Hochkontrastbilder werden erhalten: Die Zählrate für die Sekundärelektronen liegt zwischen 10² und 10&sup5; Elektronen je Sekunde.
• 3. Aus den beobachteten Merkmalen kann eine seitliche Auflösung der Größenordnung von 3 nm abgeleitet werden.
• Ein Ionenstrahl wird generiert, wenn das ultrahohe Vakuum durch eine Edelgasatmosphäre, sagen wir Helium, mit einem Druck von 10&supmin;&sup4; mbar, und mit einer Potentialumkehr an der Spitze ersetzt wird. Der größte Teil des Feldes von 45 V/nm, das für die Ionisierung des Heliums nötig ist, konzentriert sich auf den Scheitel der Spitze 15, d. h. am Einzelatom, was die Spitze wieder zu einer sehr hellen Spitzenquelle macht. Die Ionisierungsrate ist im wesentlichen konstant, abgesehen von statistischen Schwankungen.
• Bei der Erzeugung eines Ionenstrahls sind die Forderungen an das Vakuum geringer als im Falle eines Elektronenstrahls, da die Restgasatome ein geringeres Ionisierungspotential als Helium zeigen, und sie daher feld-ionisiert werden, bevor sie eine Möglichkeit haben, mit der chemisch reaktiven Wolframspitze zu reagieren.
• In einem Experiment, das mit der erfindungsgemäßen Anordnung ausgeführt wurde, wurde eine Wolframspitze mit einer (111) Ausrichtung nahe an, und fluchtend mit, einem Loch in einer dünnen Kohlenstoffolie angeordnet. Aus den vielen Löchern in der Folie wurde eines mit einem Durchmesser von etwa 1 um gewählt. Während des Heranfahrens der Spitze an das Loch wurde das Spitzenpotential von ursprünglich 320 V auf 46 V reduziert, unter Konstanthalten des Stroms. Der Durchmesser des Elektronenstrahls in der Ebene der Öffnung wurde mit 500 nm gemessen. Die Feldionisierung von Heliumgas fing bereits bei etwa 450 V an, einem bemerkenswert niederen Wert.
• Angesichts der niederen Spannung, die zum Generieren des Elektronenstroms erforderlich ist, haben die sich von der Öffnung aus fortpflanzenden freien Elektronen bzw. Ionen eine entsprechend geringe kinetische Energie, und infolge der geringen Winkeldivergenz der zu ihrer Erzeugung benutzten Spitze läßt sich die scharfe Bündelung an der Öffnung mit hoher Wirksamkeit vornehmen.

Claims (8)

1. Niederspannungsquelle für Elektronen/Ionenstrahlen mit einer scharfen Spitze (1, 15), die an ein elektrisches Potential angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (1, 15) mit einer Öffnung (2, 14) in einer dünnen Platte (3, 13) fluchtet, der Abstand zwischen der Spitze (1, 15) und der Öffnung (2, 14) 1 bis 10 nm beträgt, der Durchmesser dieser Öffnung (2, 14) weniger als 1 um beträgt, und das Potential an dieser Spitze (1, 15) so ist, daß freie Elektronen spontan von dieser Spitze (1, 15) abgestoßen werden und durch diese Öffnung (2, 14) strömen, um einen Strahl geladener Partikel auf der in Stromrichtung nachgeordneten Seite dieser Platte (3, 13) zu erzeugen.

2. Niederspannungsquelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (1, 15) in einem Atom-Trimer in ihrem Scheitel endet.

3. Niederspannungsquelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (1, 15) in einem einzelnen Atom auf einem Atom-Trimer in ihrem Scheitel endet.

4. Niederspannungsquelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (2, 14) in einer dünnen Platte (3, 13) ausgebildet ist, die aus einer Kohlenstoffolie besteht und eine Dicke in der Größenordnung des Durchmessers dieser Öffnung (2, 14) in derselben aufweist.

5. Niederspannungsquelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (15) an einem xyz-Antrieb (5) befestigt ist und mit der Öffnung (14) in dieser Platte (13) und mit einer Probe (16) fluchtet, wobei diese Probe (16) einzeln auf verschiebbaren Haltern (12, 17) montiert ist zwecks Einstellung ihrer gegenseitigen Abstände und/oder xy-Abtastung des Strahls (4) aus geladenen Partikeln über die Oberfläche dieser Probe (16).

6. Niederspannungsquelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung, die die Spitze (1, 15), die Öffnung (2, 14) in der Platte (3, 13) und die Probe (16) umfaßt, in einer Umgebung mit ultra-hohem Vakuum eingeschlossen ist, so daß der Partikelstrahl (4) im wesentlichen aus niedrigenergetischen Elektronen besteht.

7. Niederspannungsquelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung, die die Spitze (1, 15), die Öffnung (2, 14) in der Platte (3, 13) und die Probe (16) umfaßt, in einem Gefäß mit einer Edelgasatmosphäre eingeschlossen ist, so daß der Partikelstrahl (4) im wesentlichen aus niedrigenergetischen Edelgasionen besteht.

8. Niederspannungsquelle gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Edelgasatmosphäre einen Druck in der Größenordnung von 10&supmin;&sup4; mbar aufweist.