-
Bereich der Erfindung
-
Diese
Erfindung betrifft eine Vorrichtung bzw. ein Gerät zur Detektion bzw. Erfassung
geladener Teilchen, und insbesondere eine Vorrichtung zur Erfassung
geladener Teilchen in einer gasförmigen Umgebung.
Die Erfindung betrifft auch ein Rasterelektronenmikroskop, welches
eine solche Vorrichtung aufweist.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Es
gibt Anlässe,
bei denen es notwendig ist, Proben in einer gasförmigen Umgebung während eines
Abbildens in einem Rasterelektronenmikroskop zu halten. Beispiele
schließen
Abbilden von biologischen oder nichtleitenden Proben mit ein. Die
gasförmige
Umgebung unterbindet die Verdampfung von Feuchtigkeit aus den biologischen
Proben und leitet Oberflächenladungen
von den nichtleitenden Proben ab, ansonsten würden sich die Ladungen mit
einer Beeinträchtigung
einer Abbildungsauflösung
ansammeln.
-
Eine
Verwendung einer gasförmigen
Umgebung zur Verstärkung
eines Sekundärelektronensignals,
welches bei einem Abbilden einer Probe erhalten wird, ist im
US-Patent 4,785,182 (Mancuso
et al.), im europäischen
Patent
EP 330 310 (Electroscan Corp.)
und in der PCT-Anmeldung mit der Nummer
PCT/GB97/03136 beschrieben, wobei
Sekundärelektronen,
die als Ergebnis einer Wechselwirkung mit einem Abtast- bzw. Rasterelektronenstrahl
von der Probe freigesetzt werden, durch die gasförmige Umgebung beschleunigt
werden, wobei einige der Sekundärelektronen
mit den Gasmolekülen
kollidieren, welche die gasförmige
Umgebung ausmachen. Die Kollisionen ionisieren die Gasmoleküle zur Freisetzung
weiterer Elektronen, von denen einige mit anderen Gasmolekülen kollidieren,
um noch weitere Elektronen freizusetzen. Die Elektronenlawine, welche durch
die Ionisation der Gasmoleküle
als Resultat derartiger Kollisionen losgelöst wird, schafft eigentlich
die Verstärkung
des Sekundärelektronensignals.
-
PCT/GB97/03136 beschreibt
eine Vorrichtung, welche das verstärkte Sekundärelektronensignal unter Verwendung
eines Fotodetektors und Fotovervielfachers zur Erfassung von Photonen,
die als Resultat der Kollisionen der Elektronen mit Gasmolekülen emittiert
werden, abtastet.
-
Während jedoch
der Gasdruck erhöht
wird, wird die Stärke
des Sekundärelektronensignals
reduziert, da das Gas den Anteil des Primärstrahls, welcher die Probe
erreicht, verringert. Dies begrenzt dementsprechend den maximalen
Gasdruck, bei welchem das Mikroskop eine Abbildung erzeugen kann.
-
Bei
Rasterelektronenmikroskopen, in welchen die Proben beim Abbilden
in einer im Wesentlichen evakuierten Umgebung gehalten werden, ist
es bekannt, die Sekundärelektronen
unter Verwendung eines Everhart-Thornley-Detektors zu erfassen.
In einem solchen Detektor werden die Sekundärelektronen auf einen Szintillator
hin beschleunigt, um sie in Photonen umzuwandeln, welche zu einem
Fotorvervielfacher übertragen
werden.
-
Der
Everhart-Thornley-Detektor hat sich als relativ empfindlich herausgestellt,
aber er gebraucht eine hohe Spannung zur Erzeugung eines elektrostatischen
Feldes, in welchem die Sekundärelektronen in
Richtung des Szintillators beschleunigt werden. In einer gasförmigen Umgebung
würde eine
zu hohe Spannung ausreichen, um eine Entladung durch das Gas hindurch
zu erzeugen.
-
Ein
Geigerzähler
zur Detektion von Röntgenstrahlen
wird in der Schrift mit dem Titel „A Geiger Counter Spectrometer
for the measurement of Debye-Scherrer Line Shapes" (Proceedings of
the Physical Society, Section A, vol. 62, no. 10, 1 October 1949
Seiten 631–636
X2002307878) beschrieben. Der Zähler
besitzt ein zylindrisches Gehäuse,
welches eine Anode in einem Körper
aus Detektionsgas enthält.
Röntgenstrahlen
können
in das Gehäuse durch
ein Fenster aus Aluminiumfolie eindringen, um eine Ionisation des
Gases zu bewirken. Das an der Anode generierte Feld beschleunigt
Partikel- bzw. Teilchenladungen durch das Gas hindurch, welche in einer
Kaskade von ionisierenden Kollisionen und daraus in einem verstärkten Signal
resultieren, welches an der Anode erfassbar ist.
-
Eine
Schrift von W. Slowko (Vacuum, Pergammon Press, GB, Vol 63, No.
4, 12 June 2000, Seiten 457–461,
XP002268265 ISSN: 0042–207X) zeigt
einen Sekundärelektronendetektor
mit einer mikroporösen
Platte für
ein Environmental-Rasterelektronenmikroskop
(SEM).
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird ein Detektor für geladene Teilchen bereitgestellt, welcher
Folgendes aufweist:
eine Kammer mit einer Einlassöffnung für geladene Teilchen,
die in die Kammer aus einer Umgebung gelangen, zu der hin die Einlassöffnung gerichtet
ist, wobei der Detektor derart ausgebildet ist, dass bei seiner
Benutzung mindestens ein Teilvakuum in der Kammer aufrechterhalten
wird;
einen auf Aufprall ansprechenden Sensor, der auf auf ihn
auftreffende geladene Teilchen anspricht, wobei zumindest jener
Teil des Sensors, auf den die Teilchen auftreffen, in der Kammer
angeordnet ist;
Beschleunigungsmittel, die eine Beschleunigungselektrode
umfassen, welche sich in der Kammer befindet;
eine elektrisch
leitende Sperreinrichtung, die sich an der Einlassöffnung befindet
und die Kammer derart verschließt,
dass das Eindringen bzw. der Durchgang von Gas in die Kammer verhindert
wird, um zu ermöglichen,
dass das Teilvakuum erhalten bleibt, wobei die elektrisch leitende
Sperreinrichtung dünn
genug ist, um den Durchgang der zu detektierenden geladenen Teilchen
durch sie hindurch zu ermöglichen, wobei
die Sperre eine Metallfolien-Membran und eine Haltevorrichtung umfasst,
die sich hinter der Folie erstreckt, um die letztere gegen einen
Druck zu stützen,
der durch Gas außerhalb
der Kammer gegen die Membran ausgeübt wird; und
Mittel zum
Anlegen von Spannung, um ein erstes Potential an die Sperreinrichtung
und ein zweites Potential, höher
als das erste Potential, an die Beschleunigungselekt rode zu liefern,
wobei das zweite Potential in der Kammer ein elektrisches Feld aufbaut,
um darin befindliche geladene Teilchen zum Sensor hin zu beschleunigen.
-
Somit
kann, wenn der Detektor in einer gasförmigen Umgebung verwendet wird,
die Beschleunigungselektrode ein großes elektrostatisches Beschleunigungsfeld
aufbauen, ohne dass eine elektrische Entladung in dem Gas in der
Umgebung bewirkt wird, da die Sperreinrichtung, wenn sie an eine
geeignete Spannungsquelle angeschlossen ist, verhindert, dass ein
Feld der gleichen Größenordnung durch
die Sperreinrichtung eindringt. Das große Beschleunigungsfeld verleiht
der Vorrichtung eine sehr hohe Empfindlichkeit für die Partikel.
-
Außerdem ist
in dem Fall, wenn ein Sekundärelektronensignal
von einer Probe in der Kammer eines Rasterelektronenmikroskops durch
Kollisionen mit gasförmigen
Molekülen
in einer Gasverstärkungskollisionszone
verstärkt
wird, die Zahl der Elektronen, welche als ein Ergebnis dieses Vorgangs
produziert werden, weitaus größer als
die Zahl von Photonen, die von den Kollisionen innerhalb des Gases emittiert
werden. Da die Vorrichtung gegenüber
geladenen Partikeln, wie beispielsweise Elektronen, sensitiv ist,
ist sie besonders zur Erfassung eines durch Gas verstärkten Sekundärelektronensignals
geeignet. Zusätzlich
kann der Detektor verwendet werden, um ein Sekundärelektronensignal
zu erfassen, welches in einem Vakuum erzeugt worden ist, da unter diesen
Bedingungen generierte Sekundärelektronen durch
die Aufbringung einer geeigneten Spannung auf den Einlass hin gerichtet
beschleunigt werden können.
-
Vorzugsweise
ist die Beschleunigungselektrode auf oder benachbart zu dem Sensor
angeordnet, wobei der Detektor einen Anschluss zur Verbindung der
Beschleunigungselektrode mit den Mitteln zum Anlegen von Spannung
aufweist.
-
Vorzugsweise
weist der Sensor einen Szintillator zur Emittierung von Licht als
Reaktion auf den Aufprall eines geladenen Partikels darauf auf.
-
Vorzugsweise
schließt
der Szintillator die Beschleunigungselektrode ein.
-
Der
Sensor kann zweckdienlicherweise einen Everhart-Thornley-Detektor
aufweisen.
-
Die
Sperreinrichtung umfasst eine Membran aus Metallfolie, vorzugsweise
Aluminium.
-
Eine
Aluminiumfolie ist sowohl preisgünstig als
auch ein guter Leiter für
Elektrizität,
wobei sie dadurch besonders für
den Gebrauch als Membran geeignet ist. Weiterhin können auf
Grund der geringen Kernladungs- bzw. Ordnungszahl der Atome, aus
denen die Folie besteht, Elektronen mit einer kinetischen Energie
von ungefähr
500 eV die dünne
Aluminiumfolie durchdringen.
-
Vorzugsweise
weist die Aluminiumfolie eine Dicke von 7,5 nm auf.
-
Vorzugsweise
umfasst der Detektor weiterhin einen elektrisch leitfähigen Käfig, welcher
vor der Sperreinrichtung angebracht, aber von ihr elektrisch isoliert
ist, wobei der Käfig
an eine Beschleunigungsspannung zur Anziehung von Partikeln auf
die Sperreinrichtung hin anschließbar ist, wobei der Käfig so konstruiert
ist, dass er den Durchgang von Teilchen durch ihn hindurch gestattet.
In dem Fall, in welchem der Detektor als ein Detektor für Sekundärelektronen benutzt
wird, kann an den Käfig
eine positive Spannung angelegt werden, um die Gasverstärkungskollisionszone
in der Probenkammer auf die Vorrichtung hin zu verschieben, wobei
sich so die Empfindlichkeit weiter erhöht.
-
Vorzugsweise
sind die Mittel zum Anlegen von Spannung auch dazu einsetzbar, auf
den Käfig eine
weitere Spannung von der gleichen Polarität wie die der zweiten Spannung,
aber geringer als diese, aufzubringen.
-
Der
Käfig kann
vorteilhaft teilkugelförmig oder
ellipsoidförmig
ausgebildet sein.
-
Vorzugsweise
weist das Gerät
eine Vakuumpumpe auf, welche mit der Kammer in Verbindung steht
und zur Evakuierung der Kammer betrieben werden kann.
-
Die
Erfindung besteht auch in einem Rasterelektronenmikroskop mit einer
Probenkammer, um eine Probe zu halten, die in einer gasförmigen Umgebung
abgebildet werden soll, Erzeugungsmitteln zur Erzeugung eines Rasterelektronenstrahls
und Ausrichtung dieses Strahls auf eine Probe in der Probenkammer,
wobei die Kammer auch Detektionsmittel enthält, um Sekundärelektronen
zu erfassen, die von der Probe emittiert werden, wobei die Detektionsmittel
einen Detektor umfassen, welcher hierin oben beschrieben ist.
-
Vorzugsweise
sind die Mittel zum Anlegen einer Spannung zur Anlegung einer Spannung
von +10 kV an das Bauteil und von 0 bis +1 kV an die Sperreinrichtung
betreibbar.
-
Vorzugsweise
weist der Detektor einen wie hierin oben beschriebenen Käfig auf,
wobei die Mittel zum Anlegen einer Spannung dazu einsetzbar sind, eine
Spannung von ungefähr
+300 Volt daran anzulegen.
-
Der
Detektor kann verwendet werden, wenn im Wesentlichen keine Gase
in der Probenkammer vorhanden sind, da die Sekundärelektronen
von der Probe auf die Sperreinrichtung hin beschleunigt werden.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die
Erfindung wird nun auf nur beispielhafte Weise mit Bezugnahme auf
die begleitenden Zeichnungen beschrieben, von denen:
-
1 eine
schematische Ausschnittsansicht eines Elektronenmikroskops und einer
Detektorvorrichtung in Übereinstimmung
mit der Erfindung ist;
-
2 eine
schematische Schnittansicht des Gerätes darstellt;
-
3a und 3b Ansichten
von elektrisch leitenden Käfigen
zur Anbringung an das Gerät
sind; und
-
4 eine
schematische Ausschnittsansicht einer Detektorvorrichtung in Übereinstimmung
mit der Erfindung mit einem daran angebrachten elektrisch leitfähigen Käfig ist.
-
Detaillierte Beschreibung
-
Das
Rasterelektronenmikroskop nach 1 weist
Folgendes auf: eine Probenkammer 10 zur Halterung einer
Probe 12 in einer gasförmigen
Umgebung; Erzeugungsmittel 14 zur Erzeugung eines Rasterelektronenstrahls;
und eine Einrichtung 16 zur Detektion von Sekundärelektronensignalen,
welche an der Probe durch die Zusammenwirkung der Probe und Elektronenstrahlen
erzeugt werden. Die Erzeugungsmittel 14 sind mit einer
Auslassöffnung 11 zum Anschluss
einer Pumpe zur Evakuierung der Erzeugungsmittel versehen. Die Probenkammer 10 enthält eine
Zwischenkammer 17, welche mit einer ersten Differentialauslassöffnung 13 versehen
ist und mit einer zweiten Differentialauslassöffnung 15 ausgerüstet ist.
Die Zwischenkammer 17 und die Auslassöffnungen 13 und 15 isolieren
die gasförmige
Umgebung in der Probenkammer von dem Vakuum in den Erzeugungsmitteln.
-
Die
Erzeugungsmittel
14 sind ausführlich in PCT-Anmeldung Nr.
PCT/GB/97/03136 beschrieben und
in
2 davon illustriert.
-
Der
Arbeitsabstand des Rasterelektronenmikroskops, das heißt der Abstand
zwischen den Erzeugungsmitteln 14 und der Probe 12,
beträgt
5 mm.
-
Die
Probe 12 und die Einrichtung 16 sind detailliert
in 2 dargestellt. Die Einrichtung 16 zur Detektion
weist eine Kammer 18 auf, welche einen Everhart-Thornley-Detektor von der
gasförmigen Umgebung
der Probenkammer abdichtet, und welche eine Auslassöffnung 28 besitzt,
die mit einer Turbopumpe (nicht gezeigt) zur Evakuierung der Kammer 18 verbunden
ist. Der Everhart-Thornley-Detektor weist eine transparente SnO-Schicht 20 auf,
auf welcher ein Szintillator 22 als Schicht aufgebracht
ist. Licht von dem Szintillator 22 wird über einen
Lichtleiter 24 aus Quarz einem Fotomultiplier bzw. -vervielfacher 26 zugeführt.
-
Die
Kammer 18 weist auch einen Einlass 19 auf, welcher
durch eine Membran 30 aus Aluminiumfolie abgedichtet und
direkt vor dem Szintillator 22 angeordnet ist.
-
Die
Membran 30 aus Aluminiumfolie ist ungefähr 7,5 nm dick. Eine Gleichung
für den
ungefähren
Bereich von Elektronen geringer Energie in Materialien von geringer
Atommasse wurde von Kanaya und Okayama (Penetration an energy-loss
therory of electrons in solid targets, J. Phys. D., 5, 43–58, 1972) abgeleitet,
wobei diese wie folgt lautet: range = 0,0276AEo 1,67/(Z0,889ρ)μmwobei
gilt:
- Eo
- = Elektronenenergie
(keV),
- A
- = Atommasse,
- ρ
- = Dichte (g/cm3),
- Z
- = Kernladungszahl
der Atome, die das Material bilden.
-
Der
Bereich von Elektronen in reinem Aluminium variiert gemäß der obigen
Gleichung von 0,6 nm bei 100 eV bis 28,2 nm bei 1 keV. Die Membran 30 aus
Aluminiumfolie ist mit einer von bis zu +1 kV veränderbaren
Beschleunigungsspannungsquelle verbunden. Sekundärelektronen und durch Lawineneffekt
generierte Elektronen werden durch das Feld, welches aus der an
der Folie angelegten Beschleunigungsspannung resultiert, zu der
Aluminiumfolie hin beschleunigt, und die Mehrheit erreicht eine
ausreichende kinetische Energie (in der Größe von 1 keV), um durch die
Folie, welche ungefähr
7,5 nm dick ist, hindurch zu gelangen, um in die Kammer 18 einzutreten.
Die Spannung bewirkt ebenfalls Gasverstärkung.
-
Der
Szintillator 22 ist mit einer Beschleunigungsspannungsversorgung
von ungefähr
10 kV verbunden. Elektronen, welche durch die Folie hindurch treten,
werden zu dem Szintillator 22 hin beschleunigt, durch welchen
sie in Photonen umgewandelt werden. Der Szintillator 22 ist
mit Lichtleiter 24 verbunden, welcher die Photonen zu dem
Fotovervielfacher 26 leitet.
-
2 zeigt
auch den Vorgang einer Gasverstärkung
eines Sekundärelektronensignals,
wobei der Rasterelektronenstrahl 32, die angenäherte Lokalisierung
einer Gasverstärkungskollisionszone,
der Pfad 36 eines Sekundärelektrons und der Pfad 34 eines
zurück
gestreuten Elektrons dargestellt sind. Die Kollisionszone 35 umfasst
einen Bereich der Probenkammer zwischen der Probe 12 und
der Vorrichtung, wobei in dem Bereich die Mehrheit von Kollisionen zwischen
Elektronen und Gasmolekülen
als Resultat des elektrischen Feldes auf Grund der auf die Membran
aus Aluminiumfolie aufgebrachten Beschleunigungsspannung auftritt.
Der Pfad 36 des Sekundärelektrons
ist dargestellt, wobei er sich mit dem Pfad eines Gasmoleküls 38 kreuzt,
welches als Ergebnis der Kollision Elektronen freisetzt, die Pfaden 40 und 42 folgen.
Das Elektron, welches dem Pfad 40 folgt, wird auf die Membran
aus Aluminiumfolie hin beschleunigt, tritt durch die Membran hindurch
und wird auf die SnO-Schicht und den Szintillator hin beschleunigt.
Ebenfalls werden in der Aluminiumfolie durch Kollision freigesetzte
Elektronen (nicht gezeigt) auch zu der SnO-Schicht und zu dem Szintillator
hin beschleunigt. Das dem Pfad 42 folgende Elektron wird zur
Aluminiumfolie hin beschleunigt, aber kollidiert mit einem Gasmolekül 44,
welches zwei Elektronen erzeugt, die ähnlichen Pfaden 46 durch
die Membran aus Aluminiumfolie hindurch in die Kammer folgen.
-
Die
Membran aus Aluminiumfolie weist eine Verstärkung aus MylarTM (nicht
dargestellt) auf, welche es der Folie ermöglicht, dem über ihr
vorhandenen Differenzdruck auf Grund der gasförmigen Umgebung außerhalb
der Kammer und dem innerhalb von dieser im Wesentlichen vorhandenen
Vakuum zu widerstehen. Die Membran aus Aluminiumfolie kann alternativ
durch eine Gitterstruktur innerhalb der Kammer und quer über dem
Einlass in diese verstärkt
sein.
-
Der
in 3a gezeigte elektrisch leitende Käfig kann
vor der Membran aus Aluminiumfolie, aber elektrisch isoliert von
ihr, angebracht werden. Die Konstruktion weist ein ringförmiges Verbindungsglied 48 mit
einer Tiefe von 7 mm und mit einem Durchmesser von 25 mm auf, an
welchem die offenen Enden von drei Schleifen 50 befestigt
sind. Die längste
Schleife hat ein Maß von
30 mm von dem gebogenen Ende bis zu dem ringförmigen Glied 48. Der in 3b gezeigte
Käfig ist
in ähnlicher
Weise aufgebaut und weist ähnliche
Abmessungen auf, aber die Schleifen sind durch eine Anzahl von Umreifungen 52 verstärkt. Die
Käfige
sind bei Betrieb an eine Versorgung mit einer Beschleunigungsspannung
von +300 V angeschlossen, was den Effekt besitzt, dass die Gasverstärkungskollisionszone
in der Probenkammer dichter an die Membran aus Aluminiumfolie heran
gezogen wird, wodurch die Empfindlichkeit des Gerätes verbessert
wird.
-
4 zeigt
eine Vorrichtung mit einem elektrisch leitenden Käfig 60,
welcher an der Membran 68 aus Aluminiumfolie angebracht
ist. Wie in vorhergehenden Ausführungen
weist die Vorrichtung einen Szintillator 62, einen Lichtleiter 64 und
einen Fotovervielfacher 66 auf. Ebenfalls sind eine Quelle 54 eines Primärelektronenstrahls
und ein Stumpf 56, auf welchem eine Probe 58 gehalten
wird, dargestellt. Der Durchmesser des Stumpfs beträgt 12,5
mm, und der Stumpf ist dazu ausgebildet, eine Probe mit einer Abmessung
bis zu 5 mm an ihrem breitesten Punkt aufzunehmen. Der Abstand zwischen
dem gebogenen Ende des elektrisch leitenden Käfigs, das ist der Punkt, welcher
am dichtesten an der Probe liegt, und der Probe beträgt 5 mm.