DE60032591T2

DE60032591T2 - Magnetische immersionslinse mit detektionsanordnung

Info

Publication number: DE60032591T2
Application number: DE60032591T
Authority: DE
Inventors: Takao Marui; Ranjan Krishnachandra Badheka; Frank Henry Read
Original assignee: Shimadzu Research Laboratory Europe Ltd
Current assignee: Shimadzu Research Laboratory Europe Ltd
Priority date: 1999-03-19
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2020-03-18
Also published as: US6664544B1; JP2002540562A; WO2000057450A3; AU3305900A; EP1166320A2; EP1166320B1; DE60032591D1; GB2348048A; WO2000057450A2; GB9906443D0

Description

Die Erfindung betrifft magnetische Immersionslinsen.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine magnetische Immersionslinse der Art, die eine inneres und ein äußeres Polstück umfasst, die symmetrisch zu einer Längsachse der Linse angeordnet sind, wobei das innere Polstück eine Durchgangsbohrung aufweist. Im Gebrauch wird eine Probe vor einem Spitzenende des inneren Polstücks in einem geeigneten Arbeitsabstand, typischer Weise etwa 2 mm, positioniert. Ein Beispiel für eine invertierte magnetische Immersionslinse ist in 1 gezeigt.
In einer Anwendung bildet die magnetische Immersionslinse einen Teil eines Elektronenmikroskops, wie eines Rasterelektronenmikroskops. In diesem Fall beschränkt das abbildende Magnetfeld der Linse einen Strahl von Primärelektronen, so dass sie einer axialen Trajektorie entlang der Durchgangsbohrung folgen, und fokussiert den Strahl auf die Probe. Sekundärelektronen, die von der Probe emittiert werden, werden durch das abbildende Magnetfeld in die Durchgangsbohrung geführt, und sie werden mittels einer Sekundärelektronendetektoranordnung detektiert, die sich innerhalb der Durchgangsbohrung befindet. Aufgrund des beschränkt verfügbaren Platzes innerhalb der Durchgangsbohrung ist es notwendig, dass die Detektoranordnung von kompaktem Design ist, und dieses stellt ein bedeutendes technisches Problem dar.
Des Weiteren kann eine Detektoranordnung, die elektrostatische Ablenkfelder verwendet, das abbildende Magnetfeld der Linse stören, was unter anderem eine Fehlausrichtung des Primärelektronenstrahls und eine daraus resultierende Verschlechterung der elektronenoptischen Eigenschaften des Mikroskops verursacht. Dieses Problem ist besonders in dem Fall eines Niederspannungsmikroskops akut, insbesondere, wenn die Energie der Primärelektronen 1 keV oder weniger beträgt.
Eine bekannte Sekundärelektronendetektoranordnung innerhalb der Linse weist die Form eines W in dem Energiefilter auf und ist von M. Sato, N. Todokoro, K. Kageyama – „A snorkel type conical objective Jens with E cross B fields for detecting secondary electrons", SPIE, Bd. 2014, Charged-particle optics (1993) – beschrieben.
Diese Detektoranordnung besitzt elektrostatische Deflektoren zum Erzeugen eines elektrostatischen Felds in einer Ebene senkrecht zu der Achse des Primärelektronenstrahls, der für das Extrahieren von Sekundärelektronen verwendet wird. Die Detektoranordnung besitzt ebenso Spulen zum Erzeugen eines Magnetfelds senkrecht zu dem und in der selben Ebene wie das elektrostatische Feld. Die Stärke und Richtung des Magnetfelds sind so, dass es die Kraft kompensiert, die durch das elektrostatische Feld auf den Primärelektronenstrahl wirkt. Somit gibt es selbst bei Energien, die so niedrig sind wie 1 keV, keine bemerkbare Fehlausrichtung des Primärelektronenstrahls. Nichtsdestoweniger weist die Detektoranordnung eine komplexe Struktur auf, und sie ist schwierig zu justieren, um das optimale Ergebnis zu erhalten.
US – Patent Nr. 5 079 428 beschreibt eine magnetische Linse, die eine Detektoranordnung für geladene Teilchen einschließt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine magnetische Immersionslinse zur Verfügung gestellt, die ein inneres und ein äußeres Polstück, die symmetrisch zu einer Längsachse der Linse angeordnet sind, wobei das innere Polstück eine Durchgangsbohrung aufweist und die Linse ein abbildendes Magnetfeld zum Führen geladener Teilchen entlang der genannten Durchgangsbohrung erzeugt, die von einer Probe vor dem inneren Polstück emittiert werden, und eine achsensymmetrische Detektoranordnung für geladene Teilchen, die sich innerhalb der Durchgangsbohrung befindet und eine Detektoreinrichtung zum Detektieren geladener Teilchen einschließt, die durch das abbildende Magnetfeld entlang der Durchgangsbohrung geführt werden, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte achsensymmetrische Detektoranordnung für geladene Teilchen weitehin eine Repellerelektrode zum Ablenken der genannten geladenen Teilchen von der Längsachse der Linse fort für die Detektion durch die Detektoreinrichtung und eine Fokussierelektrode zum Bündeln der genannten geladenen Teilchen zu der genannten Repellerelektrode hin einschließt.
Es werden im weiteren Ausführungsformen der Erfindung lediglich beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, von denen:
1 eine Längsschnittansicht durch eine bekannte magnetische Immersionslinse ist;
2 eine Längsschnittansicht durch einen Teil einer magnetischen Immersionslinse gemäß der Efindung ist;
3 eine ausführliche Ansicht der Detektoranordnung liefert, die in der magnetischen Immersionslinse von 2 verwendet wird;
4 eine Computersimulation der Detektoranordnung veranschaulicht; und
5 die axiale Verteilung eines elektrostatischen Potentials innerhalb des Bereichs der magnetische Immersionslinse, der von der Detektoranordnung besetzt wird, zeigt.
Mit Bezug auf 2 ist die magnetische Immersionslinse von der Schnorchelart, die ein inneres und ein äußeres Polstück 10, 11 umfasst, die symmetrisch zu einer Längsachse X-X der Linse angeordnet sind, wobei das innere Polstück 10 eine Durchgangsbohrung 12 aufweist.
Es wird eine Probe S vor einem Spitzenende des inneren Polstücks 10 in einem geeigneten Arbeitsabstand d, typischer Weise 2 mm, positioniert. Geladene Teilchen, die von der Oberfläche der Probe S emittiert werden, werden durch das abbildende Magnetfeld der Linse beschränkt, so dass sie in die Durchgangsbohrung 12 des inneren Polstücks 10 gelangen, wo sie einer spiralförmigen Trajektorie folgen und durch die Detektoranordnung 20 detektiert werden, die sich in der Durchgangsbohrung 12 befindet. In dieser besonderen Ausführungsform ist die magnetische Immersionslinse Teil eines Rasterelektronenmikroskops; daher sind in diesem Fall die geladenen Teilchen Sekundärelektronen, die durch einen Strahl von Primärelektronen, der entlang der Längsachse X-X der Linse geführt wird, zur Emission aus der Probenoberfläche veranlasst werden.
Die Detektoranordnung 20 ist in 3 in größerer Ausführlichkeit gezeigt. Sie besteht aus einer Anzahl an Elektroden, die symmetrisch zu der Längsachse X-X angeordnet sind; namentlich aus einer Fokussierelektrode 21, einer Repellerelektrode 22, einer Extraktorelektrode 23, einer Detektorelektrode 24 und einer Reflektorelektrode 25.
Die Fokussierelektrode 21 besteht aus einer ringförmigen Plattenelektrode, die etwa 20 mm von dem Eingang der Durchgangsbohrung 12 entfernt positioniert ist. Die Elektrode wird auf einer positiven Spannung V_f von etwa +50 Volt gehalten, und sie bewirkt, dass Sekundärelektronen, die in die Durchgangsbohrung 12 geraten, beschleunigt werden. Die beschleunigten Elektronen passieren eine zentrale Öffnung 21' in der Plattenelektrode und folgen konvergenten Trajektorien zu der Repellerelektrode 22.
Die Repellerelektrode 22 hat die Form einer zylindrischen Elektrode, die auf der Längsachse X-X zentriert ist, und sie wird auf einer negativen Spannung V_r von etwa –20 V gehalten. Die Repellerelektrode 22 bringt die Sekundärelektronen zu der Fokussierelektrode 21 zurück und lenkt zur selben Zeit die Elektronen von der Längsachse X-X ab. 2 zeigt Trajektorien T₁, T₂ von zwei solchen Elektronen, wobei das Elektron, das der Trajektorie T₁ folgt, in einem von dem des Elektrons, das der Trajektorie T₂ folgt, unterschiedlichen Winkel in die Durchgangsbohrung 12 eintritt. Die abgelenkten Elektronen werden mittels der Extraktorelektrode 23 zu der Detektorelektrode 24 beschleunigt. Die Extraktor- und die Detektorelektrode 23, 24 sind beide ringförmig und um die Repellerelektrode 22 herum, jedoch elektrisch von dieser isoliert, angeordnet, und sie liegen in jeweiligen Ebenen senkrecht zu der Längsachse X-X. Die Extraktorelektrode 23 hat die Form eines Gitters, das auf einer positiven Spannung V_e von etwa +150 V gehalten wird, wohingegen die Detektorelektrode 24 die Form einer Plattenelektrode besitzt, die auf einer positiven Spannung V_d von +500 V gehalten wird. Die beschleunigten Elektronen passieren das Gitter der Elektrode 23, um von der Detektorelektrode 24 detektiert zu werden.
Die Reflektorelektrode 25 ist zwischen der Fokussierelektrode 21 und der Repellerelektrode 22 positioniert und wird auf einer negativen Spannung V_rf von etwa –5 V gehalten. Die Reflektorelektrode 25 ist so geformt, dass es verhindert wird, dass Sekundärelektronen, die von der Repellerelektrode 22 abgelenkt werden, auf die Wände des inneren Polstücks 10 und auf die Fokussierelektrode 21 treffen, so dass sie dem Fluss von Elektronen verloren gehen, der von der Detektorelektrode 24 gesammelt wird. Die negative Spannung V_rf, die an der Reflektorelektrode 25 angelegt ist, kann so eingestellt werden, dass das Sekundärelektronensignal, das von der Detektorelektrode 24 detektiert wird, maximiert wird.
In dieser Ausführungsform besteht die Reflektorelektrode 25 aus einer ringförmigen Plattenelektrode 25', die der Fokussierelektrode 21 benachbart ist, einer zylindrischen Elektrode 25'', die sich mit der Repellerelektrode 22 axial überlappt, und einer abgeschnittenen konischen Elektrode 25''', die die Elektroden 25', 25'' verbindet.
Die Wirkung der Repellerelektrode 22 besteht darin, zu verhindern, dass die Sekundärelektronentrajektorien weiter der Längsachse folgen, und diese von der Achse zu trennen. Des weiteren werden, da die Detektoranordnung 20 achsensymmetrisch ist, die Sekundärelektronen zu der Detektorelektrode 24 geführt, ohne irgend eine signifikante Störung des abbildenden Magnetfelds und eine daraus resultierende Fehlausrichtung des Primärelektronenstrahls zu verursachen.
Die achsensymmetrische Detektoranordnung 20, die in 3 in größerer Ausführlichkeit gezeigt ist, ist unter Verwendung von Computersimulationstechniken modelliert worden. Das Modell schließt ein abbildendes Magnetfeld ein, das in der Lage ist, einen Primärelektronenstrahl von 1 keV auf die Oberfläche einer Probe zu fokussieren, die in einem Arbeitsabstand von 2 mm gehalten wird. Die Computersimulationsuntersuchungen unter Verwendung von 1000 Sekundärelektronen, die die Probenoberfläche in verschiedenen Winkeltrajektorien und mit einer kinetischen Energie von 5 eV verlassen, haben gezeigt, dass über 80 % der Sekundärelektronen auf die Detektorelektrode 24 einfallen. 4 zeigt ein Beispiel dieser Computersimulation, wobei zur Deutlichkeit lediglich 10 der 1000 Sekundärelektronen für die Ansicht ausgewählt worden sind. 5 zeigt, dass die axiale Verteilung Ø(z) eines elektrostatischen Potentials innerhalb des Bereichs des Detektors 20 nicht größer als ± 20 V ist. Verglichen mit einer typischen Energie Ep des Primärelektronenstrahls von 1000 eV sollte die elektrostatische Verteilung aufgrund des Effekts der Detektoranordnung einen kleinen oder gar keinen Effekt auf die elektrooptischen Eigenschaften des Primärelektronenstrahls haben. Dieses ist unabhängig durch andere Berechnungen bestätigt worden, welche die Linsenaberrationswerte einer hochauflösenden Elektronensonde, die durch Betreiben einer magnetischen Linse mit und ohne die Detektoranordnung gebildet werden, miteinander vergleichen.
In der Ausführungsform von 2 und 3 besitzt die Detektorelektrode 24 die Form einer ringförmigen Plattenelektrode. In einer alternativen Ausführungsform könnte eine unterschiedliche Form einer Detektoreinrichtung, zum Beispiel eine ringförmige Mikrokanalplattenanordnung, eine ringförmige Festkörperdiode, ein ringförmiger Szintillator oder eine Detektoreinrichtung, die aus einer Anzahl von vorzugsweise elektrisch isolierten Abschnitten besteht, verwendet werden.

Claims

Eine magnetische Immersionslinse umfassend, ein inneres und ein äußeres Polstück (10, 11), die symmetrisch zu einer Längsachse der Linse angeordnet sind, wobei das innere Polstück (10) eine Durchgangsbohrung (12) aufweist und die Linse ein abbildendes Magnetfeld zum Führen geladener Teilchen entlang der genannten Durchgangsbohrung (12) erzeugt, die von einer Probe vor dem inneren Polstück (10) emittiert werden, und eine achsensymmetrische Detektoranordnung (20) für geladene Teilchen, die sich innerhalb der Durchgangsbohrung (12) befindet und eine Detektoreinrichtung (24) zum Detektieren geladener Teilehen einschließt, die durch das abbildende Magnetfeld entlang der Durchgangsbohrung geführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte achsensymmetrische Detektoranordnung (20) für geladene Teilchen weiterhin eine Repellerelektrode (22) zum Ablenken der genannten geladenen Teilchen von der Längsachse der Linse fort für die Detektion durch die Detektoreinrichtung (24) und eine Fokussierelektrode (21) zum Bündeln der genannten geladenen Teilchen zu der genannten Repellerelektrode (22) hin einschließt.
Eine Linse, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist, in der die Detektoranordnung (20) für geladene Teilchen weiterhin eine Reflektorelektrode (25) zum Ablenken geladener Teilchen von den Seiten der genannten Durchgangsbohrung (12) und der genannten Fokussierelektrode (21) fort umfasst.
Eine Linse, wie sie in Anspruch 1 oder 2 beansprucht ist, in der die genannte Repellerelektrode (22) so angeordnet ist, dass sie verursacht, dass die genannten geladenen Teilchen sich auf Trajektorien zu der Probe hin bewegen, bevor sie zu der Detektoreinrichtung (24) hin abgelenkt werden.
Eine Linse, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 3 beansprucht ist, in der die Detektoreinrichtung (24) eine ringförmige Plattenelektrode umfasst, die auf einer Längsachse zentriert ist und in einer Ebene senkrecht zu dieser liegt.
Eine Linse, wie sie in Anspruch 4 beansprucht ist, in der die Detektoranordnung (20) für geladene Teilchen eine Extraktorelektrode (23) zum Beschleunigen von geladenen Teilchen zur Detektion zu der genannten ringförmigen Plattenelektrode hin einschließt.
Eine Linse, wie sie in Anspruch 5 beansprucht ist, in der die Extraktorelektrode (23) ein ringförmiges Gitter umfasst, das in einer Ebene parallel zu und beabstandet von der ringförmigen Plattenelektrode der Detektoreinrichtung (24) liegt.
Eine Linse, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 3 beansprucht ist, in der die Detektoreinrichtung (24) eine ringförmige Mikrokanalplattenanordnung umfasst.
Eine Linse, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 3 beansprucht ist, in der die Detektoreinrichtung (24) eine ringförmige Festkörperdiode umfasst.
Eine Linse, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 3 beansprucht ist, in der die Detektoreinrichtung (24) einen ringfärmigen Szintillator umfasst.
Eine Linse, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 3 beansprucht ist, in der die Detektoreinrichtung (24) eine Mehrzahl von Segmenten umfasst.
Eine Linse, wie sie in Anspruch 10 beansprucht ist, in der die genannten Segmente voneinander elektrisch isoliert sind.
Eine Linse, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 11 beansprucht ist, in der die genannte Repellerelektrode (22) eine zylindrische Elektrode umfasst, die symmetrisch zu der Längsachse der Durchgangsbohrung angeordnet ist, und die die selbe Polarität wie die geladenen Teilchen besitzt.
Eine Linse, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist, in der die genannte Detektoranordnung (20) für geladene Teilchen weiterhin eine Reflektorelektrode (25) umfasst, die sich zwischen der genannten Repellerelektrode (22) und der genannten Fokussierelektrode (21) erstreckt, und die so angeordnet ist, dass sie geladene Teilchen, die von der Repellerelektrode (22) abgelenkt worden sind, von der Fo kussierelektrode (21) fort und von den Seiten der Linsen-Durchgangsbohrung (12) fort ablenkt.
Eine Linse, wie sie in Anspruch 13 beansprucht ist, in der sich die Reflektorelektrode (25) axial mit der Repellerelektrode (22) überlappt.
Eine Linse, wie sie in Anspruch 13 oder in Anspruch 14 beansprucht ist, in der die Reflektorelektrode (25) eine ringfömige Plattenelektrode (25') benachbart der Fokussierelektrode (21), eine zylindrische Elektrode (25'') benachbart der Repellerelektrode (22) und eine abgeschnittene konische Elektrode (25'''), die die ringförmige Plattenelektrode und die zylindrische Elektrode (25'') verbindet, umfasst.
Eine Linse, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 15 beansprucht ist, in der die geladenen Teilchen Sekundärelektronen sind.
Ein Elektronenmikroskop, das eine magnetische Immersionslinse, wie sie in einem der Ansprüche 1 bis 16 beansprucht ist, und eine Einrichtung zum Richten eines Strahls von Primärelektronen entlang der Durchgangsbohrung der magnetischen Immersionslinse auf eine Probe vor dem inneren Polstück (10) der magnetischen Immersionslinse einschließt.
Ein Elektronenmikroskop, wie es in Anspruch 17 beansprucht ist, in der Form eines Rasterelektronenmikroskops.