DE69027602T2

DE69027602T2 - Energiefilter für Ladungsträgervorrichtung

Info

Publication number: DE69027602T2
Application number: DE69027602T
Authority: DE
Inventors: Harald Rose
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: FEI Co
Priority date: 1990-08-08
Filing date: 1990-08-08
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2010-08-09
Also published as: JPH04233145A; EP0470299B1; JP3299554B2; DE69027602D1; US5126565A; EP0470299A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Energiefilter zum Monochromatisieren eines Laungsteilchenstrahlenbündels in einem Ladungsteilchenstrahlgerät und ein Ladungsteilchenstrahlgerät mit einem solchen Energiefilter.
Ein Energiefilter zum Monochromatisieren eines Laungsteilchenstrahlenbündeis in einem Ladungsteilchenstrahlgerät ist aus GB-A-2 074 371 bekannt.
Chromatische Aberration ist einer der Hauptfaktoren, der die Auflösung in Ladungsteilchenstrahlgeräten wie Ionenstrahlenmikrosonden, Niederspannungselektronenmikroskopen, Hochauflösungselektronenmikroskopen, insbesondere bei korrigierter sphärischer Aberration, Elektronenstrahlen-Holographiegeräten usw. begrenzt.
Chromatische Aberration kann zumindest im Prinzip mit Hilfe eines Quadrupolsystems oder eines nichtdispersiven Wienschen Filtersystems korrigiert werden. Solche Systeme erfordern jedoch eine extreme Stabilität der elektromagnetischen Felder, so daß sie bisher nicht in der Praxis verwendet werden. Auch ist ein Monochromator mit einem System aus zylindrischen Spiegelanalysatoren vorgeschlagen worden, ein Nachteil davon ist die bei einer akzeptablen Verlängerung des zu korrigierenden Geräts in einem Filter erreichbare niedrige Dispersion.
Die Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein Energiefilter zu verschaffen, in dem die genannte Nachteile vermieden oder wesentlich verringert sind. Hierzu ist ein Energiefilter der dargelegten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Filter vier grundsätzlich hemisphärisch geformte Kondensatorstrukturen umfaßt, die symmetrisch und in Reihe zu beiden Seiten einer Symmetrieebene in dem Filter angeordnet sind, wobei jeder Kondensator eine äußere hemisphärische Elektrode und eine innere hemisphärische Elektrode umfaßt, die an jeweils verschiedene Potentiale anzuschließen sind und einen Durchgang für Ladungsteilchen definieren.
Mit der Struktur kann bei einer akzeptablen Verlängerung des Geräts eine akzeptable Dispersion realisiert werden, und Stabilitätsanforderungen sind hier wesentlich weniger streng, weil das Filter rein elektrostatisch ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines Filters bildet als Ganzes eine nichtdispersive, teleskopische, optische Ladungsteilcheneinrichtung, so daß tatsächlich keinerlei Wirkungen auf das Teilchenstrhhlenbündel statttinden außer einer Bildverschiebung in axialer Richtung mit der gewünschten Monochromafisierung der Teilchenquelle.
Bei einer weiteren Ausführungsform liegen energieselektierende Mittel im Bereich der Symmetrieebene des Filters. Obwohl die Lage der selektierenden Mittel innerhalb des Filters nicht sehr kritisch ist, werden bei Positionierung in der Symmetrieebene die Vorteile größter Dispersion, optischer Symmetrie und einfacher Struktur kombiniert.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Filter verschafft, vor und hinter dem eine hinsichtlich der Spannung einstellbare Abschirmelektrode vorhanden ist. Mit deren Hilfe kann für das Filter eine mittlere Spannung gewahlt werden, so daß dessen Wirkungsweise optimiert wird. Es ist weiterhin möglich, mit Hilfe von an die innere und äußere Elektrode jedes Kondensators angelegten Spannungen durch Einfüh rung einer kleinen Spannungsdifferenz geringe Konstruktionsfehler zu korrigieren. Vorzugsweise werden die Spannungen so gewählt, daß das Potential der gekrümmten optischen Achse über das gesamte Filter mit dem Potential der Abschirmelektroden zusammenfällt. In einer weiteren Ausführungsform werden optische Mittel vor dem Filter verschafft, um in einem Ladungsteilchenstrrhlgerät in einer Ebene nahe der Symmetrieebene in dem Filter, dort wo eine energieselektierende Öffnung liegt, ein Bild der Teilchenquelle zu bilden.
Abbildung der Teilchenquelle in die Ebene der Energieselektion führt zu einer Maximierung des Stroms des gefilterten Strahlenbündels nach Durchlaufen einer selektierenden Öffnung.
Wenn diese Ebene mit der Symmetrieebene zusammenfällt, wird eine Abweichung des Strahlenbündels in der ersten Filterhälfte in der zweiten Filterhälfte kompensiert.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die vier Paare Hemisphären so angeordnet, daß ein Querschnitt davon in Richtung des zu korrigierenden Strahlenbün deis eine gespiegelte S-Form, eine geradlinige Verbindungsröhre und eine S-Form bildet, wobei die geradlinige Verbindungsröhre tatsächlich einen Boden einer vasenförmigen Struktur bildet und in ihrer Mitte die Symmetrieebene enthält. Die vier Kondensatoren können die gleiche Struktur haben, was den Vorteil hat, daß im Prinzip nur zwei Spannungen erforderlich sind, eine erste für die inneren Hemisphären und eine zweite für die äußeren Hemisphären.
Falls in dem Laungsteilchenstrahlenbündel Astigmatismus auftritt, kann ein Stigmator in ein feldfreies Gebiet davon eingebracht werden, beispielsweise zwischen den zweiten und den dritten Kondensator oder hinter den vierten Kondensator.
Ein Energieffiter, wie beschrieben, kann in Ladungsteilchenstrahlgeräten, wie aufgeführt, verwendet werden und sollte vorzugsweise unmittelbar in die Teilchenquelle eingebracht werden, die normalerweise um ein Linsensystem ergänzt wird, das zur Abbildung der Quelle auf die Selektionsmittel verwendet werden kann. Ein übliches Strahlenbündelabbildungssystem ohne weitere Ergänzungen kann dem Filter folgen. Ein solches Gerät ist vorzugsweise mit einer Teilchenquelle versehen, die hohe Strahlstromdichte mit einer relativen kleinen Energiestreuung kombiniert, wie ein pn-Emitter, ein Feldemitter usw. Das Filter liefert eine sehr kohärente Strahlenquelle und hat somit besondere Vorteile bei hochauflösender Abbildung, holographischer Abbildung, in Elektronen-oder lonenmikroskopen usw.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden anhand der einzigen Figur näher beschrieben.
Ein Filter, wie in der Zeichnung dargestellt, liefert vier Paare hemisphäri sche Strukturen 1a, 2b, 2a, 2b, 3a, 3b bzw. 4a, 4b. Eine Eintrittsöffnung 6 der ersten Hemisphäre ist an die Richtung eines zu monochromatisierenden Ladungsteilchenstrahlenbündels 5 angepaßt. Eine Eintrittsöffnung 10 des zweiten hemisphärischen Kondensators ist mit einer Austrittsöffnung 8 des ersten hemisphärischen Kondensators la, ib so verbunden, daß ein Querschnitt wie angegeben eine gespiegelte S-förmige Figur bildet.
Wegen dieser Anordnung sollte eine Austrittsöffnung 12 des zweiten hemisphärischen Kondensators mit einer Eintrittsöffnung 14 des dritten hemisphärischen Kondensators durch eine geradlinige dazwischenliegsröhre Verbindungsröre 15 verbunden werden. Mit einer Austrittsöffnung 16 des dritten hemisphärischen Kondensators 3a, 3b ist eine Eintrittsöffnung 18 des vierten hemisphärischen Kondensators 4a, 4b gekoppelt; wobei ein S-förmiger Querschnitt gebildet wird, der mit der Hälfte der Röhre 15 eine spiegelsymmetrische Struktur der ersten beiden Hemisphären mit der anderen Hälfte der Röhre 15 bildet, somit zusammen eine doppelte S-förmige Figur. Die beiden Kondensatoren 1a, 1b und 4a, 4b können strukturell über einen Bogen 19 miteinander verbunden werden. Eine Austrittsöffnung 20 des vierten hemisphärischen Kondensators ist so angeordnet, daß das Ladungsteilchenstrahlenbündel, das das Filter verläßt, seinem Weg bezüglich des Strahlenbündeiweges geradlinig folgt, bevor es in das Filter eintritt. Obwohl für die vier Hemisphären andere Anordnungen möglich sind, ist diese eine darum sehr interessant, weil keine gegenseitigen Uberlappungen stattttnden, die erforderliche Verlängerung L in einem Gerät relativ klein ist, gemessen über 2R, wobei R der Radius der optischen Achse innerhalb des ersten und vierten hemisphärischen Kondensators ist, wobei die Radien R1 und R4 identisch sind.
Vor dem Filter ist eine Elektrode 22 und hinter dem Filter eine Elektrode 24 so zugefügt, daß ein wohldefiniertes Potential in den Eintritts- und Austrittsbereich des Filters eingebracht werden kann. In einer Symmetrieebene 25 sind energieempflndliche Sperrmittel 26 aufgenommen, die als fester oder einstellbarer Spalt konstruiert sein können, als vorzugsweise an der Seite der Elektronen höherer Spannung gelegene Schneidkante für Strahlenbündel, bei denen die Steigung der Energieverteilung an der Niederspannungsseite relativ steil ist, oder irgendeine andere selektive Strahlenbündelsperre.
Bei einem Ladungsteilchengerät kann ein emittierender Punkt 30 einer Ledungsteilchenquelle 32 mit einer Steuerelektrode 34 auf die energieselektierenden Mittel mit Hilfe einer üblichen Linse 36 abgebildet werden. Hinter dem Filter wird eine Steuerelektrode 38 gezeigt, um die Energie des Teilchenstrahlenbündels an einen Arbeitspegel für das Gerät anzupassen.
Prinzipiell führen die Elektroden 22 und 24 die gleiche Spannung, aber eine kleine Differenz kann eingebracht werden, um eventuelle Konstruktionsabweichungen, die zu Strahlenbündelabweichungen führen, elektrisch zu korrigieren. Wenn die vier Kondensatoren alle die gleiche Struktur haben, können sie elektrisch kurzgeschlossen werden, so daß alle inneren und äußeren Hemisphären das gleiche Potential haben. Wenn die Radien der Hemisphären la und 4a von den Radien der Hemisphären 2a und 3a abweichen, sollte jedoch eine Potentialdifferenz für diese Hemisphären eingebracht werden. Das Potential der Röhre 15 sollte dasselbe sein wie das Potential für die Abschirmelektroden 22 und 24, außer für kleine Einstellpotentialdifferenzen.

Claims

1. Energiefilter zum Monochromatisieren eines Ladungsteilchenstrahlenbün deis (5) in einem Ladungsteilchenstrahlgerät, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter vier grundsätzlich hemisphärisch geformte Kondensatorstrukturen (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) umfaßt, die symmetrisch und in Reihe zu beiden Seiten einer Symmetrieebene (25) in dem Filter angeordnet sind, wobei jeder Kondensator eine äußere hemisphärische Elektrode (1b, 2b, 3b, 4b) und eine innere hemisphärische Elektrode (1a, 2a, 3a, 4a) umfaßt, die an jeweils verschiedene Potentiale anzuschließen sind und einen Durchgang für Ladungsteuchen definieren.

2. Energiefliter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter als Ganzes eine nichtdispersive, teleskopische, optische Ladungsteilcheneinrichtung bildet.

3. Energiefilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein teilchenenergieselektierender Spalt (26) im Bereich der Symmetrieebene (25) des Filters liegt.

4. Energiefilter nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor und hinter dem Filter eine hinsichtlich der Spannung emstellbare Abschirmelektrode (22, 24) vorhanden ist.

5. Energiefilter nach Anspruch 1,2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Filter optische Mittel (36) vorhanden sind, um in einem Ladungsteilchenstrahlgerat in einer Ebene nahe der Symmetrieebene (25) in dem Filter, dort wo eine energieselektierende Öffnung (26) liegt, ein Bild einer Teilchenquelle (30, 32) zu bilden.

6. Energiefilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Kondensatorstrukturen (1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) im wesentlichen Hemisphären sind.

7. Energieselektierendes Filter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Hemisphären im Querschnitt eine doppelte 5-Form mit einer geraden Röhre (15) zwischen zwei einander zugewandten Anschlüssen bilden, welche Röhre (15) einen energieselektierenden Spalt trägt.

8. Energiefilter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Hemisphären den gleichen mittleren Radius haben.

9. Energiefilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß ein elektrostatischer Stigmator in einem feldfleien Bereich des Filters vorgesehen ist.

10. Ladungsteilchenstrahlgerät mit einem Energiefilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

11. Ladungsteilchenstrahlgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät mit einer Elektronenquelle (32) versehen ist, die eine kleine emittierende Oberfläche (30), eine kleine Energiestreuung der emittierten Elektronen und eine hohe Emissionsdichte aufweist.

12. Ledungsteilchenstrahlgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer ionenemittierenden Teilchenquelle versehen ist.

13. Ladungsteilchenstrahlgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es mit ladungsteilchenoptischen Mitteln versehen ist, um holographisches Abbilden zu erhalten.