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Die
Erfindung betrifft ein Raster-Teilchen-Spiegelmikroskop.
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Während der
Untersuchung von großflächigen und
ebenen Substraten aus der Halbleiterindustrie, wie etwa Masken und
Halbleiterscheiben, wird beispielsweise von hochauflösenden Rasterelektronenmikroskopen
Gebrauch gemacht. Diese Geräte weisen
eine Quelle zum Erzeugen eines primären Teilchenstrahls auf, ferner
wenigstens eine Linsenanordnung zum Fokussieren des primären Teilchenstrahls
auf eine Probe, ein Rasterablenksystem, um den primären Teilchenstrahl über der
Probe abzulenken, und einen Detektor zum Erfassen der von der Probe
kommenden Teilchen.
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Die
Rasterelektronenmikroskope werden vorzugsweise im Niederspannungsbereich
um 1 keV Primärelektronenenergie
betrieben, um Beschädigungen
und Aufladungen infolge des Primärstrahls zu
verhindern oder zu minimieren.
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Obwohl
diese Geräte
verbreitet verwendet werden, weisen sie einige Nachteile auf. Demgemäß treten
trotz der geringen Primärelektronenenergie noch
Ladungen auf der Oberfläche
der Probe auf, die die Abbildung einschränken und demgemäß verfälschen.
Darüber
hinaus kann eine Beschädigung
der Probe nicht vollständig
ausgeschlossen werden und infolge der Abscheidung von Kohlenstoff
aus der Restgasatmosphäre
treten Kontaminationen der Probe auf, was die Probe verschmutzt
und die Oberfläche
und deshalb deren Abbildung verändert.
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Ein
weiteres bekanntes Verfahren zur Abbildung der Oberflächen von
Proben ist aus der Oberflächenanalysetechnologie
bekannt. Bei dieser Disziplin wird die so genannte Spiegelmikroskopie
verwendet, um durch reflektierte Teilchen Abbildungen der Oberfläche erzeugen.
Bei dieser Technik wird die Oberfläche der Probe über eine
große
Fläche
mit einem parallelen Elektronenbündel
angestrahlt, so dass sich die Probe unter einer Bremsspannung befindet,
die etwas größer ist
als die Strahlspannung des Primärelektronenstrahls.
Die Wirkung dieser Bremsspannung ist, dass der Primärelektronenstrahl nicht
länger
auf die Probe aufschlägt
sondern kurz vor der Probe reflektiert wird. Wenn die Probe eine ebene
Oberfläche
ist, dann wird das parallele Bündel des
Primärelektronenstrahls
vollständig
ungestört
in sich selbst reflektiert und kehrt in das optische System zurück. Wenn
ein Strahlteiler verwendet wird, kann das reflektierte Bündel vom
Primärelektronenstrahl
abgetrennt und in einem geeigneten optischen Abbildungssystem ausgewertet
werden.
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Im
Fall einer nicht ebenen Probe, d. h. einer Probe mit Oberflächentopogaphie,
wird der bestrahlende Primärelektronenstrahl
nicht länger
in sich selbst reflektiert. An den Stellen auf der Oberfläche, die
Neigungen aufweisen, sind auch die reflektierenden Potentialflächen mit
entsprechenden Neigungen ausgebildet, so dass der senkrechte Strahl
in einem Winkel reflektiert wird, der von der lokalen Neigung der
Probe abhängt.
Wenn das angeschlossene Abbildungssystem eine Kontrastblende aufweist,
die lediglich die in sich selbst reflektierten Elektronen passieren
lässt,
jene mit einer Neigung reflektierten aber ausblendet, dann kann
einer Abbildung der Oberfläche
der Probe erzeugt werden, ohne dass die Probe in Kontakt mit den
Teilchen kommen muss. Dieses Prinzip der Spiegelmikroskopie besitzt
den Vorteil, dass Beschädigung,
Aufladung und Kontamination der Probe vollständig vermieden werden kann;
andererseits können
mit dieser Technik jedoch hauptsächlich
topographische Strukturen auf einem ebenen Substrat sichtbar gemacht
werden, da solche Strukturen die Reflektoroberfläche auf eine geeignete Art und
Weise „verzerren" und demgemäß Kontraste
erzeugen. Die wesentlichen Nachteile der Spiegelmikroskope sind
ihr komplexer Aufbau und ihr kostspieliger Betrieb. Spiegelmikroskope
erfordern für
großflächige und
parallele Bestrahlung der Oberfläche
der Probe ein komplettes Mikroskop, einen Strahlteiler zum Abtrennen
des bestrahlenden Strahlengangs vom abbildenden Strahlengang, ein
komplettes Mikroskop zur vergrößerten Abbildung
der Oberfläche der
Probe und einen Parallelabbildungsdetektor zur Aufnahme der Oberflächenabbildung.
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Die
erfolgreiche Entwicklung der Rasterelektronenmikroskopie mit all
ihren Möglichkeiten
der Analyse kleiner Flächen
und Signalverarbeitung gaben der Spiegelmikroskopie einen neuen
Impuls. Die Vorteile beider Techniken, des Raster- und des Spiegelverfahrens,
sind in einem neuen Forschungswerkzeug kombiniert worden, dem Rasterelektronenspiegelmikroskop.
Der Artikel von J. Witzani, E. M. Hörl „Scanning Electron Mirror
Microscopy" in Scanning, Bnd.
4, Seiten 53 bis 61 (1981) geben einen Überblick über die Arbeitsprinzipien,
Instrumentenentwürfe
und Anwendungen des Rasterelektronenspiegelmikroskops.
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Darüber hinaus
offenbart US-A-3 714 425 ein reflektierendes Elektronenmikroskop
vom Spiegeltyp.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein Rasterteilchenspiegelmikroskop
bereitzustellen, das verbesserte Abbildungen der Probe erzeugt.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 12 gelöst.
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Weitere
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind der Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße Rasterteilchenspiegelmikroskop
besteht im Wesentlichen aus einer Quelle zum Erzeugen eines Primärteilchenstrahls, wenigstens
einer Linsenanordnung zum Fokussieren des Primärteilchenstrahls, einem Rasterablenksystem,
um den Primärteilchenstrahl über der
Probe abzulenken, einem Detektor zum Erfassen von Teilchen, und
Mitteln zum Erzeugen eines Bremsfeldes gerade oberhalb der Probe,
wobei das Bremsfeld so angepasst ist, dass wenigstens ein Teil des
Primärteilchenstrahls
reflektiert wird, bevor er die Probe erreicht, und wenigstens einige
der reflektierten Teilchen den Detektor erreichen. Darüber hinaus
ist das Rasterablenksystem in der vorderen Brennebene der Linsenanordnung
angeordnet.
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Das
erfindungsgemäße Rasterspiegelmikroskop
erzeugt einen Primäreilchenstrahl,
der parallel über
der Probe gerastert wird. Deshalb wird jede Stelle auf der Probe
gleichermaßen
behandelt.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird die Linsenanordnung durch eine Immersionslinse
definiert, vorzugsweise durch eine kombinierte elektrostatischmagnetische
Immersionslinse. Solch eine Anordnung ermöglicht kurze Arbeitsabstände.
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Bei
einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist eine Kontrastblende zum Ausselektieren eines Anteils
der reflektierten Teilchen vorgesehen. In diesem Fall kann der Anteil
der Teilchen, der ausselektiert wird, durch die Teilchen gebildet werden,
die schräg
in Bezug auf die Oberfläche
der Probe reflektiert werden, oder durch Teilchen, die senkrecht
zur Oberfläche
der Probe reflektiert werden.
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Es
ist zudem vorgesehen, dass das Rasterablenksystem vorzugsweise als
ein elektrostatisches Ablenksystem konstruiert ist.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung werden die Mittel zur Erzeugung eines Bremsfeldes über der
Probe durch Mittel zum Zuführen
einer Bremsspannung auf wenigstens einen Teil der Probe bereitgestellt.
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Weitere
Vorteile und Ausführungsbeispiele der
Erfindung werden in größerem Detail
unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung einiger Beispiele
der Konstruktion und auf die Zeichnung erläutert, wobei:
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1 eine
grundlegende Darstellung des erfindungsgemäßen Raster-Teilchen-Spiegelmikroskops
zeigt,
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2 eine
schematische Darstellung des Rasterteilchenspiegelmikroskops gemäß einer
ersten Variante zeigt,
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3 eine
schematische Darstellung eines Rasterablenksystems zeigt,
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4 eine
schematische Darstellung des Rasterteilchenspiegelmikroskops gemäß einer
zweiten Variante zeigt,
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5 eine
schematische Darstellung des Rasterteilchenspiegelmikroskops gemäß einer
dritten Variante zeigt,
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6 eine
schematische Darstellung des Rasterteilchenspiegelmikroskops gemäß einer
vierten Variante zeigt,
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7 eine
schematische Darstellung des Rasterteilchenspiegelmikroskops gemäß einer
fünften
Variante zeigt,
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8 eine
Darstellung eines reflektierten Primärstrahls im Bereich der Probe
zeigt,
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9 eine
Darstellung eines teilweise reflektierten Primärstrahls im Bereich der Probe
zeigt.
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1 zeigt
den grundlegenden Aufbau des Raster-Teilchen-Spiegelmikroskops.
Es besteht im Wesentlichen aus einer Quelle 1 zum Erzeugen
eines Primärteilchenstrahls 2,
wenigstens einer Linsenanordnung 3 zum Fokussieren des
Primärteilchenstrahls,
ein Rasterablenksystem 4 und einen Detektor 5 zum
Detektieren von Teilchen.
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Die
zu untersuchende Probe wird durch die Bezugsnummer 6 gekennzeichnet.
Zudem sind Mittel 7 zur Versorgung wenigstens eines Teils
der Probe mit einer Bremsspannung U0 + ΔU0 vorgesehen, wobei der absolute Wert der
Bremsspannung höher
ist als der absolute Wert der Spannung U0 des
Primärteilchenstrahls 2,
so dass der Primärteilchenstrahl
reflektiert wird, bevor er diesen Teil der Probe erreicht, und wenigstens
ein Anteil der reflektierten Teilchen den Detektor 5 erreicht.
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Bei
Elektronenstrahlsystemen wird als die Quelle 1 eine Feldemissionsquelle
oder eine thermische Emissionsquelle verwendet. Die Linsenanordnung 3 dient
dazu, die Größe der Quelle
zu verringern und den Primärteilchenstrahl
in die Nähe
der Oberfläche
der Probe zu fokussieren. Die Mittel 7 werden üblicherweise
durch eine Stromversorgungseinrichtung gebildet. Weitere Komponenten,
wie etwa Justierablenker, Stigmatoren etc. sind aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht detaillierter dargestellt. Innerhalb des Umfangs der Erfindung
sind darüber
hinaus weitere Linsen zum Reduzieren der Größe der Quelle oder für die Ausführung anderer
Funktionen möglich.
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Die
Linsenanordnung 3 kann beispielsweise aus einer magnetischen
Linse (herkömmliche
magnetische Linse oder Einzelpolschuhlinse, die vor oder hinter
der Probe angeordnet ist), einer elektrischen Linse oder einer kombinierten
magnetischelektrostatischen gebildet werden. Eine grundlegende Komponente
der Linsenanordnung 3 ist ein verzögerndes Bremsfeld, das vor
der Probe aufgebaut wird, so dass der Primärteilchenstrahl 2 reflektiert
wird, kurz bevor er die Oberfläche
der Probe erreicht. Die Reflektorebene 8 wird in der Zeichnung
durch eine punktierte Linie dargestellt.
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Im
Strahlengang des Teilchenstrahls 2 ist zudem eine Blende 9 zur
Beschränkung
des Öffnungswinkels
des Primärteilchenstrahls
vorgesehen.
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1 zeigt
die Verhältnisse
im Fall einer ebenen Oberfläche
der Probe, so dass der Primärteilchenstrahl 2 an
der Reflektorebene 8 in sich selbst zurückreflektiert wird. Zur Erfassung
der reflektierten Teilchen kann beispielsweise ein Strahlenteiler 10 verwendet
werden, der den Primärteilchenstrahl 2 passieren
lässt,
aber die reflektierten Teilchen ablenkt und sie dem Detektor 5 zuführt.
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Das
Rasterablenksystem 4 hat die Aufgabe, den Primärteilchenstrahl 2 über der
Probe 6 abzulenken, wie es in 2 schematisch
dargestellt ist.
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Für gleiche
Komponenten in der Darstellung nach 2 und auch
alle weiteren Darstellungen werden die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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Um
sicherzustellen, dass alle Stellen auf der Probe auf die gleiche
Weise behandelt werden, wird der Primärteilchenstrahl während des
Rasterns an allen Stellen senkrecht zur Probe ausgerichtet. Dies wird
durch Anordnung des Rasterablenksystems 4 in der vorderen
Brennebene 3a der Linsenanordnung (2) erreicht,
d. h. in der reellen vorderen Brennebene der Linsenanordnung. In 2 wird
der abgelenkte Primärteilchenstrahl 2 mit 2a gekennzeichnet und
er ist senkrecht zur Probe 6 ausgerichtet, d. h. er trifft
senkrecht auf die Probe auf. Die reflektierten Teilchen laufen wieder
deckungsgleich mit dem Primärteilchenstrahl
bis zum Strahlenteiler 10, wo sie zum Detektor abgelenkt
werden.
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Da
es in diesem Fall sehr genau auf die exakte Positionierung des Rasterablenksystems 4 (in der
Richtung der optischen Achse 11) in der vorderen Brennebene 3a der
Linsenanordnung 3 ankommt, ist es vorteilhaft, auch bei
einem einstufigen Ablenksystem den Ablenker in zwei Teilablenker 4a, 4b aufzuteilen,
wovon einer vor der vorderen Brennebene 3 und der andere
hinter ihr (siehe 3) angeordnet wird. Auf diese
Weise ist es durch passende Steuerung der zwei Teilablenker möglich, einen
exakten Abgleich des sich ergebenden Rasterablenksystems in der
vorderen Brennebene 3a erreichen.
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Im
Fall der reflektierten Teilchen muss man grundsätzlich zwischen zwei Typen
unterscheiden, und zwar die Teilchen, die senkrecht zur Oberfläche der
Probe reflektiert werden, und Teilchen, die schräg in Bezug auf die Oberfläche der
Probe reflektiert werden. Im Fall einer ebenen Probenoberfläche, d.
h. einer Probenoberfläche,
die senkrecht zur optischen Achse 11 des Rasterteilchenspiegelmikroskops
ausgerichtet ist, werden die reflektierten Teilchen senkrecht zur
Oberfläche
der Probe reflektiert. Im Fall einer Probenoberfläche, die
geneigte Teile aufweist, wie es in 4 angedeutet
ist, werden Teilchen erzeugt, die schräg in Bezug auf die Oberfläche der Probe
reflektiert wird. Wenn die Teilchen, die senkrecht reflektiert werden,
oder die Teilchen, die schräg in
Bezug auf die Oberfläche
der Probe reflektiert werden, zum geleitet werden, können Daten
betreffend die Oberflächenkonfiguration
der Probe erhalten werden.
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Um
die Teilchen auszulesen, die schräg in Bezug auf die Oberfläche der
Probe reflektiert werden, ist in den Varianten gemäß den 4 und 5 eine
Kontrastblende 14 vorgesehen, die alle Teilchen ausselektiert,
die schräg
in Bezug auf die Oberfläche der
Probe reflektiert werden, und lediglich die Teilchen 13,
die senkrecht zur Oberfläche
der Probe reflektiert werden, passieren und demgemäß zum Detektor 5 gelangen
lässt.
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Bei
der Variante gemäß 5 ist
der Detektor vor der Lochblende in der Richtung des Primärteilchenstrahls 2 angeordnet
und in diesem Fall werden die Lochblende und die Kontrastblende
durch ein und dieselbe Blende gebildet. Beim Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist
der Detektor 5 andererseits zwischen der Lochblende 9 und
der Kontrastblende 14 angeordnet.
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Es
besteht auch die Möglichkeit,
ohne einen Strehlenteiler auszukommen, indem die Kontrastblende 14 selbst
als der Detektor 5 ausgebildet ist, wie es in 6 gezeigt
ist. Bei dieser Variante sind es im Gegensatz zu den vorherigen
Ausführungsbeispielen
nicht die Teilchen, die senkrecht zur Oberfläche der Probe reflektiert werden,
sondern die Teilchen 13, die schräg in Bezug auf die Oberfläche der Probe
reflektiert werden.
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Nach
diesem Prinzip funktioniert auch die Variante gemäß 7 und
bei dieser Variante dient die Kontrastblende 14 als Konverterelektrode
und die Sekundärteilchen
(Pfeil 15), die an der Konverterelektrode durch die Teilchen 12,
die schräg
in Bezug auf die Oberfläche
der Probe reflektiert werden, ausgelöst werden, erreichen den Detektor 5.
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Bei
allen Varianten ist die Verwendung von elektrostatischen Rasterablenksystemen
besonders vorteilhaft, da in diesem Fall ein Strahl unabhängig von
der Flugrichtung der Teilchen reflektiert wird, so dass für alle Stellen
auf der Probe (im Fall senkrechten Einfalls und ebener Spiegeloberfläche) der
Primärteilchenstrahl
und die reflektierten Teilchen nicht nur vor dem Rasterablenksystem
zusammenfallen, sondern auch hinter ihm, und dies gilt für alle Reflexionswinkel.
Demgemäß weisen
axiale Strahlen und außeraxiale
Strahlen praktisch keinen Unterschied auf.
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Darüber hinaus
ist es innerhalb des Umfangs der Erfindung denkbar, dass nur ein
Teil der Probe mit einer ausreichenden Bremsspannung versehen wird,
um den Primärteilchenstrahl 2 zu
reflektieren, bevor er die Probe erreicht. Wenn ein anderer Teil
der Probe mit einer nicht ausreichenden Bremsspannung versorgt wird,
dann kann der Primärteilchenstrahl 2 dort
an der Probe Sekundärteilchen
auslösen
und diese können
vom Detektor erfasst werden (SE-Modus). Das erfindungsgemäße Verfahren
kann dann wahlweise einen Reflektormodus, einen SE-Modus oder einen
Mischbetrieb zwischen Reflektormodus und SE-Modus vorsehen.
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Die
Versorgung bestimmter Teile der Probe mit einer ausreichenden Bremsspannung
kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Probe zuerst
so bestrahlt wird, dass ein Teil der Probe aufgeladen wird, so dass
die Bremsstrahlung, die schließlich
auf die gesamte Probe angelegt wird, in diesem vorher aufgeladenen
Teil der Probe nicht ausreicht, so dass der Primärteilchenstrahl dort soweit die
Probe erreicht und dort Sekundärteilchen
auslöst. Es
ist auch möglich,
Teile der Probe mittels UV-Licht, Elektronen oder anderen Teilchen
aufzuladen.
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Bei
diesem Mischbetrieb erreichen nicht nur reflektierte Teilchen sondern
auch an der Probe ausgelöste
Teilchen den Detektor. Durch diesen Mischbetrieb können unter
bestimmten Umständen
zusätzliche
Daten betreffend die Oberflächenkonfiguration der
Probe erhalten werden, beispielsweise Material, Leitfähigkeit.
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Ein
anderer Mischbetrieb ist möglich,
wenn das Bremsfeld so zurechtgemacht ist, dass ein Teil des Primärteilchenstrahls
reflektiert wird, bevor er die Probe erreicht, und ein anderer Teil
die Probe erreicht, um Sekundärelektronen
an der Probe auszulösen.
Dieser Modus basiert auf der Tatsache, dass der fokussierte Teilchenstrahl
einen Öffnungswinkel aufweist.
Folglich weisen die Teilchen des Primärstrahls, die sich nahe der
optischen Achse 11 befinden, eine höhere Energie auf, als jene
Teilchen, die einen größeren Abstand
von der optischen Achse aufweisen.
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8 offenbart
einen Primärteilchenstrahl, der
Primärteilchen 21 aufweist,
die einen größeren Abstand
von der optischen Achse 11 und einen größeren Neigungswinkel aufweisen.
Folglich werden sie weit vor der Probe 6 reflektiert. Jene
Teilchen 20, die sich näher
an der optischen Achse 11 befinden, weisen eine höhere axiale
Energie auf und deshalb werden sie näher an die Probe gelangen,
bevor sie reflektiert werden.
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Folglich
ist es möglich,
das Bremsfeld über der
Probe 6 derart anzupassen, dass die Teilchen 21, die
einen größeren Abstand
von der optischen Achse 11 aufweisen, reflektiert werden,
bevor die Probe erreichen, während
die Primärteilchen 23,
die sich näher
an der optischen Achse befinden, die Probe erreichen und Sekundärelektronen 24 auslösen werden (siehe 9).