DE69634032T2

DE69634032T2 - Unter etwas erhöhtem druck arbeitendes feldemissionsrasterelektronenmikroskop

Info

Publication number: DE69634032T2
Application number: DE69634032T
Authority: DE
Inventors: W. Ralph Knowles
Original assignee: FEI Co
Current assignee: FEI Co
Priority date: 1995-08-11
Filing date: 1996-08-08
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2016-08-09
Also published as: EP0786145B1; WO1997007525A1; US5828064A; DE69634032D1; JP2002516018A; EP0786145A1; EP0786145A4

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Gebiet von unter Umgebungsbedingungen arbeitenden bzw. Umgebungs-Rasterelektronenmikroskopen ("ESEM") und insbesondere ein Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop, das eine verbesserte räumliche Auflösung durch Verwendung eines Feldmissionselektronenstrahlers erreicht.
Hintergrund der Erfindung
Als Hintergrund liegen die Vorteile von Umgebungs-Rasterelektronenmikroskopen gegenüber gewöhnlichen Rasterelektronenmikroskopen (SEM) in ihrer Fähigkeit, hochauflösende Elektronenbilder feuchter oder nichtleitender Proben (z. B. biologischer Materialien, Kunststoffe, Keramik, Fasern) zu erzeugen, die in der üblichen Vakuumumgebung des SEM äußerst schwierig abzubilden sind. Das Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop ermöglicht, die Probe in ihrem "natürlichen" Zustand zu halten, ohne sie den Verwerfungen auszusetzen, die durch Trocknen, Gefrieren oder Vakuumbeschichten verursacht werden, was zur Elektronenstrahlbeobachtung im Hochvakuum normalerweise erforderlich ist. Außerdem wirkt der relativ hohe Gasdruck, der in der Probenkammer des Umgebungs-Rasterelektronenmikroskops leicht toleriert wird, effektiv so, daß er die Oberflächenladung ableitet, die sich normalerweise auf einer nichtleitenden Probe aufbauen würde und eine hochqualitative Bilderfassung blockiert. Ferner ermöglicht das Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop die direkte Echtzeitbeobachtung von Flüssigkeitstransport, chemischer Reaktion, Lösung, Hydratation, Kristallisation und anderen Prozessen, die bei relativ hohen Dampfdrücken auftreten, die weit über jenen liegen, die in der normalen SEM-Probenkammer zulässig sein können.
Ferner beschreibt die US-A-5412211, die dem gemeinsamen Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung übertragen ist, die Vorteile eines Umgebungs-Rasterelektronenmikroskops gegenüber dem üblichen Hochvakuum-Rasterelektronenmikroskop. Sie beschreibt auch Verbesserungen, um eine Leistung zu erzielen, die mit dem üblichen Hochvakuum-Rasterelektronenmikroskop vergleichbar ist.
Die hohe Vergrößerungsleistung eines Rasterelektronenmikroskops ("SEM") ist durch die Leistung des Elektronenstrahlers begrenzt. In den letzten 20 Jahren wurde die beste SEM-Leistung durch Verwendung einer Art von Strahler erreicht, der als Feldemissionsstrahler bekannt ist. Das herkömmliche SEM verwendet einen Strahler, bei dem die Elektronen von einem Material mit hoher Temperatur (z. B. einem Wolframheizdraht) ausgestrahlt werden. Im Feldemissionsstrahler werden die Elektronen von der Oberfläche eines fein zugespitzten Wolframkristalls durch ein sehr starkes elektrostatisches Feld abgezogen. Allerdings muß ein Feldemissionsstrahler im ultrahohen Vakuum arbeiten (normalerweise über 10^–9 Torr (1,3 × 10^–7 N/m²)), was teuer ist, und der scharf zugespitzte Wolframkristalldraht ist ebenfalls teuer. Somit kommt die Feldemission normalerweise nur in Rasterelektronenmikroskopen der oberen Leistungsklasse zum Einsatz.
Wie zuvor erwähnt, erfordert der Feldemissionsstrahler ein sehr hohes Vakuum (besser als 10^–9 Torr (1,3 × 10^–7 N/m²)) für seinen Betrieb. Das übliche Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop hat auch ein hohes Vakuum in der Probenkammer, aber dieses Vakuum ist größer als 10^–4 Torr (1,3 × 10^–2 N/m²). Eine Anzahl differentieller Vakuumzonen wird verwendet, um für das Druckverhältnis von 10⁵ zwischen dem Betriebsdruck des Feldemissionsstrahlers und dem Druck der Probekammer zu sorgen.
In einem ESEM wird der Druck in der Probenkammer normalerweise auf einem Druck bis 10 Torr (1,3 × 10³ N/m²) gehalten, weshalb das Druckverhältnis zwischen der Probenkammer und dem Feldemissionsstrahler 10¹⁰ beträgt. Außerdem muß der Elektronenstrahl eine Gasumgebung durchlaufen, und es kommt zu Kollisionen zwischen dem Elektronenstrahl und dem Gas, die zu einem räumlichen Auflösungsverlust führen können.
In der US-A-5396067 ist ein Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop offenbart, das den Gebrauch niedriger Beschleunigungsspannungen und die Probleme eines positiven Ionenüberschusses betrifft. Allerdings widmet sich die US-A-5396067 nicht den Problemen, einen Feldemissionsstrahler mit dem Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop bei hohen Strahlspannungen zu kombinieren.
Bisher wurde noch nicht demonstriert, daß es möglich ist, die sehr hohe räumliche Auflösung der Feldemissions-Rasterelektronenmikroskope in einer gasförmigen Umgebung beizubehalten. Vergleichbare Feldemissions-Rasterelektronenmikroskope mit Hochvakuum erreichen räumliche Auflösungen von etwa 2 nm. Die beste räumliche Auflösung, die bisher in einem Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop erzielt wurde, betrug 4 nm. Daher ist erwünscht, ein Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop bereitzustellen, das eine räumliche Auflösung von 2 nm erreicht, die mit der von Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopen mit Hochvakuum vergleichbar ist.
AUFGABEN DER ERFINDUNG
Somit besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop bereitzustellen, das die o. g. Mängel des Stands der Technik vermeidet.
Außerdem besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop bereitzustellen, das eine verbesserte räumliche Auflösung von etwa 2 nm durch Verwendung eines Feldemissions-Elektronenstrahlers erzielt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, einen Feldemissionsstrahler mit einem Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop zu kombinieren, der bei jeder Spannung bis zu hohen Strahlspannungen verwendet werden kann, z. B. bis zu hohen Strahlspannungen von 300 bis 500 kV.
Ferner besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop bereitzustellen, das die sehr hohe räumliche Auflösung der Feldemissions-Rasterelektronenmikroskope beibehält, allerdings in einer gasförmigen Umgebung.
Weiterhin besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop bereitzustellen, das ei nen Feldemissionsstrahler mit einem Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop kombiniert, um im wesentlichen die gleiche räumliche Auflösung einer in der Probenkammer in einem Druckbereich von 10^–2 Torr (1,3 N/m²) bis 50 Torr (6,6 × 10³ N/m²) gehaltenen Probe zu erreichen, die in Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopen mit Hochvakuum erreicht wird.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop bereitzustellen, in dem ein Feldemissionsstrahler mit dem Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop kombiniert ist und das für den Feldemissionsstrahler erforderliche ultrahohe Vakuum beibehalten werden kann, obwohl die Probenkammer auf einem Druck zwischen 10^–2 Torr (1,3 N/m²) bis 50 Torr (6,6 × 10³ N/m²) und vorzugsweise 10 Torr (1,3 × 10³ N/m²) gehalten wird.
Zudem besteht eine weitere Aufgabe der Erfindung darin, eine verbesserte druckbegrenzende Apertur in einem Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop bereitzustellen, das eine verbesserte räumliche Auflösung durch Verwendung eines Feldemissions-Elektronenstrahlers erreicht.
Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung ist, einen verbesserten, in gasförmiger Umgebung arbeitenden Sekundärelektronendetektor in einem Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop bereitzustellen, das eine verbesserte räumliche Auflösung durch Verwendung eines Feldemissions-Elektronenstrahlers erreicht.
Verschiedene weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden näheren Beschreibung hervor, und die neuen Merkmale werden insbesondere in den beigefügten Ansprüchen herausgestellt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop, das eine verbesserte räumliche Auflösung durch Verwendung eines Feldemissions-Elektronenstrahlers in einer gasförmigen Umgebung erreicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop einen Feldemissions-Elektronenstrahler zum Erzeugen und Richten eines Elektronenstrahls zu einer zu untersuchenden Probe auf. In diesem Umgebungs-Ra sterelektronenmikroskop durchläuft der Elektronenstrahl eine differentiell gepumpte elektronenoptische Säule. In der differentiell gepumpten elektronenoptischen Säule wird der Elektronenstrahl durch eine Folge druckbegrenzender Aperturen geführt, was später näher beschrieben wird.
Eine Probenkammer ist unter der Objektivlinsenanordnung positioniert und kann die in Gas gehüllte Probe in Ausrichtung zu einer letzten druckbegrenzenden Apertur halten, die die Objektivlinsenanordnung und die Probenkammer so trennt, daß eine Oberfläche der Probe dem fokussierten Strahl von Elektronen ausgesetzt sein kann. Eine Probenhalterung befindet sich innerhalb der Probenkammer und ist zum Abstützen der Probe etwa 1 bis 25 mm unter der druckbegrenzenden Apertur positioniert, damit der fokussierte Elektronenstrahl mit der Probe in Wechselwirkung treten kann. In der Probenkammer wird die Probe bei einem Druck zwischen etwa 10^–2 und 50 Torr (1 N/m² und 6,6 × 10³ N/m²) und vorzugsweise 10 Torr (1,3 × 10³ N/m²) gehalten.
Gemäß einer der allgemeinen Aufgaben der Erfindung erreicht dieses Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop eine verbesserte räumliche Auflösung von etwa 2 nm, die mit der räumlichen Auflösung vergleichbar ist, die in Rasterelektronenmikroskopen mit Hochvakuum erreicht wird. Insbesondere beinhaltet die Erfindung einen Feldemissionsstrahler in einem Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop, der bei jeder Spannung bis zu hohen Strahlspannungen verwendet werden kann, z. B. bis zu hohen Strahlspannungen von 300 bis 500 kV.
Um für das erforderliche Druckverhältnis von 10¹⁰ zwischen dem Feldemissionsstrahler und der Probekammer zu sorgen, verfügt die elektronenoptische Säule über ein differentiell gepumptes Apertursystem mit mindestens vier differentiell gepumpten Vakuumzonen mit einer Hochvakuumzone des Feldemissionsstrahlers, die auf einem Druck von etwa 10^–10 Torr (1,3 × 10^–8 N/m²) gehalten wird, einer ersten Zwischenvakuumzone, die auf einem Druck von etwa 10^–7 Torr (1,3 × 10^–5 N/m²) gehalten wird, einer zweiten Zwischenvakuumzone, die auf einem Druck von etwa 10^–4 Torr (1,3 × 10^–2 N/m²) gehalten wird, und einer dritten Zwischenvakuumzone, die auf einem Druck von etwa 0,1 Torr (13 N/m²) gehalten wird. Wie zuvor erwähnt, wird die Probenkammer vorzugsweise auf einem Druck von etwa 10 Torr (1,3 × 10³ N/m²) gehalten. In diesem Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop durchläuft der Weg des durch den Feldemissionsstrahler erzeugten Elektronenstrahls vier oder mehr druckbegrenzende Aperturen, die das ESEM in fünf differentiell gepumpte Vakuumzonen trennen. Insbesondere ist eine obere druckbegrenzende Apertur zwischen der Hochvakuumzone und der ersten Zwischenvakuumzone vorgesehen. Eine erste druckbegrenzende Zwischenapertur ist zwischen der ersten und zweiten Zwischenvakuumzone vorgesehen. Eine zweite druckbegrenzende Zwischenapertur ist zwischen der zweiten und dritten Zwischenvakuumzone vorgesehen. Schließlich trennt eine letzte druckbegrenzende Apertur die dritte Zwischenvakuumzone der Objektivlinsenanordnung von der Probenkammer.
Um Gas aufzufangen, das die druckbegrenzenden Aperturen durchströmt, hat jede Vakuumzone der Objektivlinsenanordnung eine Vakuumpumpe. Demgemäß kommunizieren die Hochvakuumzone und die erste Zwischenvakuumzone jeweils mit einer Ionenpumpe, die zweite Zwischenvakuumzone kommuniziert mit einer Diffusionspumpe, und die dritte Zwischenvakuumzone kommuniziert mit einer Rotationspumpe.
Gemäß einer weiteren Aufgabe der Erfindung ist eine verbesserte druckbegrenzende Apertur in dieses Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop eingebaut, das eine verbesserte räumliche Auflösung durch Verwendung eines Feldemissions-Elektronenstrahlers erreicht. Diese druckbegrenzende Apertur ist so gestaltet, daß sie frei von Kontamination ist, die den Strahl beeinträchtigen würde, leicht zu reinigen ist und für die erforderliche Gasströmungsdrosselung sorgt. Insbesondere weist in diesem ESEM die zweite druckbegrenzende Zwischenapertur des differentiell gepumpten Apertursystems eine druckbegrenzende Aperturanordnung mit einem Aperturhalter auf, der an einer ringförmigen Vakuumwand abgedichtet ist, die die zweite und dritte Zwischenvakuumzone trennt. Diese druckbegrenzende Aperturanordnung weist mehrere gestapelte ringförmige Platinaperturen auf, die in den Aperturhalter eingepaßt sind, der sich von der ringförmigen Vakuumwand nach oben erstreckt. Die Platinaperturen erstrecken sich vom Aperturhalter so nach innen, daß der einzige Gasweg durch die ausgerichteten Mittelöffnungen verläuft, die in den Platinaperturen vorgesehen sind. Ein ringförmiger Haltering ist vom oberen Abschnitt des Aperturhalters nach innen positioniert, der dadurch die Platinaperturen zwischen dem Haltering und der ringförmigen Vakuumwand dicht zusammendrückt.
Wie im Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop der US-A-5412211 weist dieses Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop eine Elektronendetektorkonfiguration auf, die die rückgestreute Elektronenkomponente des von der Oberfläche der Probe ausgehenden Signals reduziert und das durch den Primärelektronenstrahl erzeugte Signalrauschen vermindert. Insbesondere verfügt diese Konfiguration über einen vorgespannten druckbegrenzenden Aperturelektrodendetektor, der mit der letzten druckbegrenzenden Apertur einstückig gebildet ist, und eine vorgespannte Ringelektrode, die innerhalb der Probenkammer über der Oberfläche der Probe vorgesehen ist. Um für mechanische Steifigkeit für die Elektroden zu sorgen, die von der Oberfläche der untersuchten Probe ausgehende Signale auffangen, hat die Elektrodendetektoranordnung die Form einer Leiterplatte. Die Leiterplatte weist einen Detektorkopf mit Auffangelektroden daran zum Auffangen von Signalen auf, die von der Probe ausgehen. In einer Ausführungsform verfügen diese Auffangelektroden über eine Signalringelektrode, die so vorgespannt ist, daß sie Sekundärelektronen auffängt, die von der Oberfläche der Probe ausgehen, und eine vorgespannte Elektrodenanschlußfläche, um Signale zu reduzieren, die von den rückgestreuten und in geringem Winkel reflektierten Elektronen ausgehen.
Die Aufgabe des verbesserten, in gasförmiger Umgebung arbeitenden Sekundärelektronendetektors des ESEM der Erfindung, das einen Feldemissionsstrahler beinhaltet, besteht darin, einen kurzen Gasweg zur Probe zu ermöglichen, aber einen relativ langen Gasweg zum Signalringelektrodendetektor beizubehalten. Um dies zu erreichen, erstreckt sich die letzte druckbegrenzende Apertur, die einstückig mit der Leiterplatte gebildet ist, in einer umgekehrten konischen Anordnung durch die Signalringelektrode ringförmig nach innen. Diese Konfiguration verkürzt die Länge des Wegs des Elektronenstrahls durch die gasförmige Umgebung der Probenkammer.
Für bessere Abbildungsfähigkeiten sind in diesem ESEM die Signalringelektrode und die letzte druckbegrenzende Apertur mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen vorgespannt. Dazu ist die Signalringelektrode mit einer Spannung V1 vorgespannt, die zur befriedigenden Detektion notwendig ist, gewöhnlich etwa +500 Volt. Um zu gewährleisten, daß das in der gasförmigen Umgebung der Probenkammer erzeugte Elektronensignal nicht durch die letzte druckbegrenzende Apertur aufgefangen, sondern zum Signalelektrodenring abgelenkt wird, ist die letzte druckbegrenzende Apertur mit einer Spannung V2 vorgespannt, die etwa 5 bis 100 Volt kleiner als die Vorspannung V1 der Signalringelektrode ist.
Zusätzlich weist die Leiterplatte hierin einen Schutzring auf, der von der Signalringelektrode nach außen positioniert und mit einer Spannung V3 so vorgespannt ist, daß der Schutzring die Sekundärelektronen auffängt, die durch rückgestreute Elektronen erzeugt werden, die auf die Objektivlinsenanordnung treffen. Normalerweise ist dieser Schutzring mit etwa der gleichen Spannung wie die Signalringelektrode vorgespannt (d. h. V3 = V1).
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die folgende nähere Beschreibung, die als Beispiel dient, aber die Erfindung nicht ausschließlich auf die spezifischen beschriebenen Ausführungsformen beschränken soll, ist am besten im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen verständlich. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Beispiels für Elektronenflugbahnen in einem Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop;
2 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Umgebungs-Rasterelektronenmikroskops der US-A-5362964 und 5412221, die die bevorzugte Elektronenflugbahn zeigt;
3 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Umgebungs-Rasterelektronenmikroskops gemäß den Lehren der Erfindung;
4 eine schematische Darstellung einer bekannten druckbegrenzenden Aperturanordnung, die in herkömmlichen Rasterelektronenmikroskopen zum Einsatz kommt;
5 eine schematische Darstellung einer bekannten Röhrenanordnung, die zur Gasströmungsdrosselung in einem herkömmlichen Rasterelektronenmikroskop genutzt wird;
6 eine schematische Darstellung einer verbesserten druckbegrenzenden Aperturanordnung zur Verwendung im Zusammenhang mit dem Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop der Erfindung gemäß 3;
7 eine vergrößerte schematische Darstellung eines Abschnitts des in der US-A-5412211 offenbarten Umgebungs-Rasterelektronenmikroskops, die speziell die Abdichtung zwischen dem Detektorkörper und einer Elektrodendetektoranordnung veranschaulicht;
8 eine schematische Darstellung einer verbesserten, in gasförmiger Umgebung arbeitender Elektronendetektoranordnung zur Verwendung im Zusammenhang mit dem Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop der Erfindung gemäß 3; und
9 eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer verbesserten, in gasförmiger Umgebung arbeitender Elektronendetektoranordnung zur Verwendung im Zusammenhang mit dem Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop der Erfindung gemäß 3.
Nähere Beschreibung bestimmter bevorzugter Ausführungsformen
In 1 ist das bekannte Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop der US-A-5362964 und 5412211 veranschaulicht. In diesem Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop ist eine Vorrichtung zum Erzeugen, Verstärken und Detektieren von Sekundär- und rückgestreuten Elektronen vorgesehen, die von einer Oberfläche einer untersuchten Probe ausgehen. Insbesondere wird ein Elektronenstrahl 12 durch eine elektronenoptische Säule 10 und eine Objektivlinse 11 durch einen herkömmlichen Elektronenstrahler (nicht gezeigt) abgestrahlt. Die optische Vakuumsäule 10 weist eine letzte druckbegrenzende Apertur 14 an ihrem unteren Ende auf. Die letzte druckbegrenzende Apertur 14 ist innerhalb des unteren Endes eines Aperturträgers 15 gebildet. Diskutiert ist dieser Aperturträger in der US-A-4823006. Dieser Aperturträger weist eine über der letzten druckbegrenzenden Apertur 14 positionierte zweite druckbegrenzende Apertur 17 auf, die direkt mit der elektronenoptischen Säule 10 kommuniziert. Der Elektronenstrahl durchläuft Magnetlinsen 16 und 18, die zur Steuerung der Stärke des Elektronenstrahls dienen. Eine Fokussiereinrichtung 20, die innerhalb der Objektivlinsenanordnung 11 benachbart zur Vakuumsäule angeordnet ist, kann den Elektronenstrahl durch die letzte druckbegrenzende Apertur 14 richten.
Im bekannten ESEM-Aufbau von 1 wird der Strahl anschließend durch die letzte druckbegrenzende Apertur 14 in eine Probenkammer 22 gerichtet, in der er auf eine Probe 24 trifft, die auf einer Probenstufe abgestützt ist. Die Probenhalterung oder -stufe 26 befindet sich innerhalb der Probenkammer 22 und ist zum Abstützen der Probe etwa 1 bis 25 mm und vorzugsweise 1 bis 10 mm unter der letzten druckbegrenzenden Apertur 14 positioniert, damit der Elektronenstrahl mit der Probe in Wechselwirkung treten kann. Die Probenkammer ist unter der optischen Vakuumsäule 10 angeordnet und kann die in Gas, vorzugsweise Stickstoff oder Wasserdampf, gehüllte Probe 24 bei einem Druck von etwa 10^–2 bis 50 Torr (1,3 N/m² bis 6,6 × 10³ N/m²) in Ausrichtung zur druckbegrenzenden Apertur so halten, daß eine Oberfläche der Probe dem geladenen Teilchenstrahl ausgesetzt sein kann, der vom Elektronenstrahler abgestrahlt und durch die druckbegrenzende Apertur 14 gerichtet wird.
Gemäß 1 ist ein Ringdetektor 28 in der Probekammer des Umgebungs-Rasterelektronenmikroskops der US-A-5362965 und 5412211 zwischen der letzten druckbegrenzenden Apertur 14 und der Probe 24 vorgesehen. Gemäß der Offenbarung ist dieser Ringelektrodendetektor vorzugsweise aus einem dünnen, aus Metall hergestellten Ring gebildet und hat eine Drahtdicke von etwa 50 bis 1000 Mikrometern. Gemäß den Patenten '964 und '211 ist der Durchmesser des Ringdetektors 28 etwas größer als der Durchmesser der letzten druckbegrenzenden Apertur 14 und unmittelbar darunter und von ihr getrennt plaziert.
Trifft der Primärstrahl 12 auf die Probe 24 gemäß 1, werden Sekundärelektronen 35 und rückgestreute Elektronen, z. B. 37, 38 und 39, aus der Probe freigesetzt. Zur Veranschaulichung diskutieren die Patente '964 und '211, daß im bekannten ESEM von 1 eine Vorspannung von etwa +500 V an der Ringelektrode 28 anzulegen ist. Der Geschoßdetektor 30, der die letzte druckbegrenzende Apertur 14 bildet, ist nicht vorgespannt. In dieser Konfiguration bewirkt hohe positive Spannung an der Ringelektrode 28, daß die von der Oberfläche der Probe ausgehenden Sekundärelektronen 35 beschleunigt werden, bis sie auf Gasmoleküle der gasförmigen Umgebung in der Probenkammer 22 treffen. Mehrfachkollisionen mit der gasförmigen Umgebung bewirken, daß andere Elektronen freigesetzt werden, die auch zur Ringelektrode 28 beschleunigt werden. Einige Beispiele von Signal-Gas-Wechselwirkungen, die in der US-A-4992662 (Danilatos) beschrieben und spezifisch hierin eingefügt sind, sind: Gasszintillation, Ionisation, chemische Kombination, chemische Disassoziation, Elektronenanlagerung, Photoionisation, Röntgenstrahlreaktionen, Rotations- und Vibrationskollisionen, durch einen speziellen Energieverlust gekennzeichnete Kollisionen usw. Gemäß den Patenten '964 und '211 gibt es allgemein viele solcher Kollisionen, und schließlich erreicht eine Wolke aus Hunderten oder Tausenden Elektronen die Ringelektrode 28. Allerdings ist die Hauptaufgabe der Ringelektrode 28, die Elektronen aufzufangen, die durch Sekundärelektronen ausgelöst werden, die von der Probe 24 ausgehen.
Gemäß 1 werden aber Sekundärelektronen auch durch Gaskollisionen aus anderen Quellen erzeugt; d. h.:

(a) Kollisionen zwischen dem Primärstrahl 12 und der gasförmigen Umgebung der Probenkammer, wobei diese Sekundärelektronen in 1 mit der Bezugszahl 43 bezeichnet sind;
(b) Kollisionen zwischen den rückgestreuten Elektronen 37, die die druckbegrenzende Apertur 14 durchlaufen, und der gasförmigen Umgebung der Probenkammer 22, wobei diese Sekundärelektronen mit der Bezugszahl 45 bezeichnet sind;
(c) Kollisionen zwischen den rückgestreuten Elektronen 38, die die gasförmige Umgebung zwischen der Probe 24 und dem Rest der Probenkammer durchlaufen, wobei diese Sekundärelektronen mit der Bezugszahl 47 bezeichnet sind; und
(d) rückgestreute Elektronen 39, die auf die druckbegrenzende Apertur 14 treffen und Sekundärelektronen erzeugen, die mit der Bezugszahl 49 bezeichnet sind.

Sämtliche durch diese Kollisionen erzeugten Sekundärelektronen werden durch Gasmultiplikation in der gasförmigen Umgebung der Probenkammer verstärkt und addieren sich zum gewünschten Sekundärelektronensignal. Allerdings fügen die Sekundärelektronen, die aus den rückgestreuten Elektronen abgeleitet sind, z. B. 43, 45, 47 und 49, dem durch den Ringdetektor 28 empfangenen Sekundärelektronenbild eine unerwünschte rückgestreute Komponente zu. Ferner bewirken die Sekundärelektronen 43, die durch Kollisionen zwischen dem Primärstrahl 12 und der gasförmigen Umgebung der Probenkammer erzeugt werden, eine unerwünschte Hintergrundrauschkomponente.
Um also seine Signalfähigkeiten zu erhöhen, beinhaltet das in den US-A-5362964 und 5412211 offenbarte Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop einen verbesserten Sekundärelektronendetektor, der die rückgestreute Elektronenkomponente des Signals reduziert, z. B. der im Beispiel von 1 vorhandenen Signale 43, 45, 47 und 49, und der das durch den Primärstrahl erzeugte Signalrauschen vermindert, z. B. das Signal 43.
In der Ausführungsform des Umgebungs-Rasterelektronenmikroskops der US-A-5362964 und 5412211 gemäß 2 ist die Ringelektrode 28 mit einem elektrischen Potential zwischen etwa 200 und 2000 Volt und vorzugsweise 500 Volt vorgespannt. Zusätzlich ist eine druckbegrenzende Apertur 50 in einem Stück mit dem Geschoßdetektor ausgebildet, der die letzte druckbegrenzende Apertur bildet, und mit einem elektrischen Potential zwischen etwa 200 und 2000 Volt und vorzugsweise 500 Volt vorgespannt. Im ESEM der US-A-5362964 und 5412211 sind die Ringelektrode 28 und die druckbegrenzende Aperturelektrode 50 vorzugsweise mit dem gleichen elektrischen Potential vorgespannt.
Sind als Beispiel für den Effekt der ESEM-Gestaltung von 2 die Ringelektrode 28 und die letzte druckbegrenzende Aperturelektrode 50 beide mit 500 Volt vorgespannt, werden die erwünschten Sekundärelektronen 35 in der gasförmigen Umgebung der Probenkammer 22 beschleunigt und multipliziert, um weitere Sekundärelektronen 36 zu erzeugen, die immer noch durch die Ringelektrode 28 aufgefangen werden. Jedoch werden in dieser Konfiguration die meisten der unerwünschten Sekundärelektronen durch die letzte druckbegrenzende Aperturelektrode 50 abgefangen. Insbesondere werden die Sekundärelektronen 45, die durch Kollisionen mit den rückgestreuten Elektronen 37 erzeugt werden, zur positiven Oberfläche der druckbegrenzenden Aperturelektrode 50 angezogen. Ferner werden viele der Sekundärelektronen 47, die durch Kollisionen zwischen dem Primärstrahl 12 und der gasförmigen Umgebung der Probenkammer 22 erzeugt werden, auch zur druckbegrenzenden Aperturelektrode 50 angezogen. Zusätzlich werden die Sekundärelektronen 49, die durch Kollisionen zwischen einem rückgestreuten Elektron 39 und der druckbegrenzenden Apertur 50 erzeugt werden, nicht mehr von der druckbegrenzenden Apertur weg beschleunigt, und es tritt keine Gasverstärkung auf. Somit werden die meisten der unerwünschten Signalkomponenten nicht durch die Ringelektrode 28 aufgefangen, weshalb das von der Ringelektrode 28 abgeleitete Bildsignal ein reineres Sekundärelektronenbild mit einem geringeren Rauschpegel ist.
Damit sorgt diese Gestaltung eines in den US-A-5362964 und 5412211 offenbarten Umgebungs-Rasterelektronenmikroskops für Bildauflösungsfähigkeiten der Probe von etwa 4 nm. Gemäß einer allgemeinen Aufgabe der Erfindung, die nachstehend aufgeführt ist, stellt das in der vorliegenden Anmeldung beschriebene Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop eine Verbesserung gegenüber dem Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop der US-A-5362964 und 5412211 dar und erreicht eine räumliche Auflösung von etwa 2 nm, was mit der räumlichen Auflösung von Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopen mit Hochvakuum vergleichbar ist.
Demgemäß kombiniert die Erfindung einen Feldemissionsstrahler mit einem Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop, um im wesentlichen die gleiche Auflösung der auf einem Druck von etwa 10 Torr gehaltenen Probe zu erreichen, die im Hochvaku um-Rasterelektronenmikroskop erreicht wird, und das für den Feldemissionsstrahler erforderliche ultrahohe Vakuum kann mit 10 Torr Gasdruck in der Probenkammer aufrecht erhalten bleiben.
Wie später näher beschrieben wird, weist das Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop mit Feldmissionsstrahler der Erfindung auf:

(a) eine Anzahl differentieller Pumpzonen, um für das erforderliche Vakuum im Feldemissionsstrahler zu sorgen;
(b) eine verbesserte druckbegrenzende Aperturanordnung;
(c) einen verbesserten, in gasförmiger Umgebung arbeitenden Sekundärelektronendetektor; und
(d) ein verbessertes Auflösungsvermögen von 2 nm.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Umgebungs-Rasterelektronenmikroskops, das ein verbessertes Auflösungsvermögen von 2 nm erreichen kann, ist in 3 veranschaulicht. Der Aufbau des Umgebungs-Rasterelektronenmikroskops der Erfindung ähnelt dem Aufbau des Umgebungs-Rasterelektronenmikroskops, das in 1 und 2 dieser Anmeldung gezeigt und in den US-A-5362964 und 5412211 offenbart ist, mit den hierin dargestellten zusätzlichen Merkmalen. Dieses Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop weist einen Feldemissions-Elektronenstrahler 60 und eine elektronenoptische Säule 62 auf, um den Elektronenstrahl 64 zur Probe 66 zu richten. Die Probe ist in der gasförmigen Umgebung der Probenkammer 68 enthalten, die auf jedem Druck zwischen 10^–2 Torr (1,3 N/m²) und 50 Torr (6,6 × 10³ N/m²), aber vorzugsweise mindestens bis 10 Torr (1,3 × 10³ N/m²) gehalten werden kann. Gemäß 3 verläuft der Weg des Elektronenstrahls 64 durch die elektronenoptische Säule 62, die ein differentiell gepumptes Apertursystem 69 mit vier oder mehr druckbegrenzenden Aperturen aufweist: einer oberen druckbegrenzenden Apertur 70, einer ersten druckbegrenzenden Zwischenapertur 72, einer zweiten druckbegrenzenden Zwischenapertur 74 und der letzten druckbegrenzenden Apertur 76. Jede der druckbegrenzenden Aperturen 70, 72, 74 und 76 ist in einer Mittelöffnung einer jeweiligen Vakuumwand 71, 73, 75, 77 vorgesehen. Die druckbegrenzenden Aperturen 70, 72, 74 und 76 teilen das Mikroskop in fünf Vakuumzonen auf, d. h. eine Hochvakuumzone 80, eine erste Zwischenvakuumzone 82, eine zweiten Zwischenvakuumzone 84, eine dritte Zwischenvakuumzone 86 und die Probenkammer 68. Diese druckbegrenzenden Aperturen 70, 72, 74 und 76 drosseln die Gasströmung von einer Zone zur anderen.
Jede Zone wird auf einem unterschiedlichen Druck gehalten, um eine Folge von Druckgradienten zu bilden, die der Elektronenstrahl durchläuft, und um so für ein Druckverhältnis bis 10¹⁰ zwischen dem Betriebsdruck des Feldemissionsstrahlers und der Probenkammer zu sorgen. In der bevorzugten Ausführungsform wird die Hochvakuumzone 80 auf einem Druck von etwa 10^–10 Torr (1,3 × 10^–8 N/m²) gehalten. Die erste Zwischenvakuumzone 82 wird auf einem Druck von etwa 10^–7 Torr (1,3 × 10^–5 N/m²) gehalten. Die zweite Zwischenvakuumzone 84 wird auf einem Druck von etwa 10^–4 Torr (1,3 × 10^–2 N/m²) gehalten. Die dritte Zwischenvakuumzone 86 wird auf einem Druck von etwa 0,1 Torr (13 N/m²) gehalten. Schließlich wird die Probenkammer wie oben erwähnt auf einem Druck von etwa 10 Torr (1,3 × 10³ N/m²) gehalten.
Das differentiell gepumpte Apertursystem 69 der elektronenoptischen Säule 62 des ESEM weist ein Pumpsystem auf, um Gas aufzufangen, das die druckbegrenzenden Aperturen durchströmt. Um dies zu erreichen, ist jede der Vakuumzonen 80, 82, 84 und 86 mit einer Vakuumpumpe verbunden. Insbesondere sind in der bevorzugten Ausführungsform Ionenpumpen 88 und 90 mit der Hochvakuumzone 80 bzw. der ersten Zwischenvakuumzone 82 verbunden. Eine Diffusionspumpe 92 ist mit der zweiten Zwischenvakuumzone 84 verbunden, und eine Rotationspumpe 94 ist mit der dritten Zwischenvakuumzone 86 verbunden. Andere Arten von Vakuumpumpen können verwendet werden. Zum Beispiel kann die Rotationspumpe 94 durch eine Trockenpumpe ersetzt sein, und die Diffusionspumpe 92 kann durch eine Turbomolekularpumpe ersetzt sein.
Als Ergebnis der Gestaltung eines ESEM gemäß 3, das einen Feldemissionsstrahler nutzt, werden räumliche Auflösungsfähigkeiten der Probe von 2 nm erreicht, obwohl die Probe in der gasförmigen Umgebung der Probenkammer enthalten ist.
Das Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop mit Feldemissionsstrahler der Erfindung kann nicht nur verwendet werden, um Sekundärelektronen zu detektieren, sondern kann auch zur Detektion anderer Arten von Signal-Gas-Wechselwirkungen dienen, z. B. Gasszintillation, Ionisation, chemische Kombination, chemische Disassoziation, Elektronenanlagerung, Photoionisation, Röntgenstrahlreaktionen, Rotations- und Vibrationskollisionen, durch einen speziellen Energieverlust gekennzeichnete Kollisionen usw. Außerdem kann der Feldemissionsstrahler dieses ESEM mit jedem Gas in der Probenkammer zum Einsatz kommen.
Eine weitere Aufgabe des Umgebungs-Rasterelektronenmikroskops der Erfindung ist die Gestaltung der zweiten druckbegrenzenden Zwischenapertur, die in 3 mit 74 bezeichnet ist. Diese Apertur ist einstückig auf einer Elektronenlinse (nicht gezeigt) angeordnet, die den Elektronenstrahl 64 auf die Probe fokussiert. Bekanntlich muß eine Apertur in dieser Position frei von Kontamination sein, damit der Strahl genau fokussiert wird.
Um eine solche druckbegrenzende Apertur kontaminationsfrei zu halten, ist es in herkömmlichen Rasterelektronenmikroskopen weit verbreitet, eine Platinapertur in dieser Position zu nutzen. Gemäß 4 kann in Rasterelektronenmikroskopen eine einzelne Platinapertur 96 als druckbegrenzende Apertur verwendet werden, die sich innerhalb der Mittelöffnung 98 der Ringblende erstreckt, die zwischen der zweiten und dritten Zwischenvakuumzone vorgesehen ist. Um jede Kontamination zu entfernen, die den Strahl beeinflussen würde, kann diese Platinapertur 96 auf hohe Temperaturen (ohne Beschädigung) erwärmt werden.
Allerdings muß die zweite druckbegrenzende Zwischenapertur 74 in diesem Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop auch für eine relativ starke Drosselung der Gasströmung sorgen. Normalerweise ist eine einzelne Apertur, z. B. wie in der bekannten Platinaperturgestaltung von 4, für diese Drosselung nicht ausreichend. In der herkömmlichen Vakuumtechnologie käme gemäß 5 eine verlängerte Röhre 102 für diese Drosselung zum Einsatz. Indes wurde festgestellt, daß es schwierig ist zu gewährleisten, daß sich das Innere dieser in der herkömmlichen Vakuumtechnologie verwendeten Röhre leicht reinigen läßt.
Daher verfügt gemäß 6 das Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop der Erfindung über eine druckbegrenzende Aperturanordnung 103 für die zweite druckbegrenzende Zwischenapertur 74, die nicht nur so gestaltet ist, daß sie frei von Kontamination ist, sondern auch leicht zu reinigen ist. Somit ersetzt die druckbegrenzende Aperturanordnung 103 die herkömmlich verwendete Röhre, z. B. 102 in 5, durch mehrere gestapelte, allgemein ringförmige Platinaperturen, z. B. 108, 110, 112 und 114. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Aperturanordnungen von 4 und 5 sorgt die Aperturanordnung von 6 für die erforderliche Gasströmungsdrosselung für die zweite druckbegrenzende Apertur 74 des ESEM, das einen Feldemissionsstrahler von 3 verwendet. Gemäß 6 ist ein Aperturhalter 116 an der ringförmigen Vakuumwand 75 zwischen der zweiten und dritten Zwischenvakuumzone 84 und 86 abgedichtet. Insbesondere sind die mehreren gestapelten ringförmigen Platinaperturen 108, 110, 112 und 114 in den Aperturhalter 116 eingepaßt, der sich von der ringförmigen Vakuumwand 75 nach oben erstreckt. Die Platinaperturen 108, 110, 112 und 114 erstrecken sich vom Aperturhalter 116 nach innen, so daß der einzige Gasweg durch die Öffnung 118 verläuft, die in jeder der Platinaperturen vorgesehen ist. Gemäß 6 ist ein ringförmiger Haltering 119 vom oberen Abschnitt 120 des Aperturhalters 116 nach innen positioniert und drückt dadurch die Platinaperturen 108, 110, 112 und 114 zwischen dem Haltering 119 und der ringförmigen Vakuumwand 75 dicht zusammen.
Wie erwähnt, sorgt die Kombination aus den mehreren gestapelten ringförmigen Platinaperturen 108, 110, 112 und 114 für die erforderliche Gasdrosselung. Obwohl vier Aperturen in 6 bevorzugt dargestellt sind, kann die Anzahl verwendeter Platinaperturen so vorgewählt sein, daß die notwendige Gasdrosselung bereitgestellt wird. Außerdem können andere Materialien als Platin zum Einsatz kommen, und zusätzlich kann die Apertur auf einer hohen Temperatur gehalten werden, um der Bildung von Kontamination entgegen zu wirken.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen verbesserten, in gasförmiger Umgebung arbeitenden Elektronendetektor zur Nutzung in diesem Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop bereitzustellen, das einen Feldemissionsstrahler für den in gasförmiger Umgebung arbeitenden Elektronendetektor gemäß 20 der US-A-5312211 verwendet, was in 7 der vorliegenden Anmeldung dargestellt ist.
In 7 ist ein Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop gezeigt, das Leiterplattentechnologie einsetzt. In diesem bekannten ESEM ist eine Leiterplatte 132 in der Probenkammer allgemein waagerecht positioniert. Der Detektorkörper 172 ist an der elektronenoptischen Säule angeordnet und bildet einen Weg für den Durchgang des Elektronenstrahls. Dieser Detektorkörper 172 ähnelt gemäß der Beschreibung in der US-A-5412211 dem Aperturträger gemäß der Beschreibung in der US-A-4823006, die dem gemeinsamen Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde, mit der Ausnahme, daß der Detektorkopf in 7 den unteren Abschnitt des Detektorkörpers bildet. Wie 7 zeigt, ist dieser Detektorkörper 172 in die Vakuumwand 174 eingeschraubt, die der Vakuumwand 77 in 3 entspricht. In dieser Konfiguration erstreckt sich eine Signalauffang-Ringelektrode 136 von der Leiterplatte 132 und der letzten druckbegrenzenden Apertur 144, die in der Leiterplatte mit Hilfe von Stützfüßen, z. B. 140a und 140b, einstückig gebildet ist, nach unten und weist zur untersuchten Probe 178. Als Ergebnis dessen beschreibt die US-A-5412211, daß der Primärstrahl 176 die letzte druckbegrenzende Apertur 144 durchläuft und auf die Probe 178 trifft. Von der Oberfläche der Probe abgestrahlte Sekundärelektronen werden somit durch die geeignet vorgespannte Signalringelektrode 136 aufgefangen.
Wie im bekannten in gasförmiger Umgebung arbeitenden Elektronendetektor von 7 gezeigt ist, ist die Isolierfläche der Leiterplatte "verdeckt", um Störungen des Primärelektronenstrahls zu vermeiden. So ist ein Kupferring 171 auf der Oberseite der Leiterplatte vorgesehen, der ausreichend breit ist, damit er sich von der letzten druckbegrenzenden Apertur 144 so weit nach außen erstreckt, daß der Primärstrahl nie auf eine Isolierfläche der Leiterplatte trifft.
In einem Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop der Erfindung, das einen Feldemissionsstrahler nutzt, beträgt der Elektronenstrahldurchmesser etwa die Hälfte des Durchmessers, der zuvor in einem Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop erreicht wurde. Damit ist ein verbesserter, in gasförmiger Umgebung arbeitender Elektronendetektor verglichen mit dem bekannten, in gasförmiger Umgebung arbeitenden Elektronendetektor von 7 gestaltet, um Strahlverlust auf dem Weg des Elektronenstrahls durch das Gas zwischen dem Detektor und der Probe zu minimieren. Reduzieren läßt sich dieser Strahlverlust durch Verkürzen der Weglänge des Elektronenstrahls, indem man die Probe sehr nahe am Detektor positioniert. Allerdings ist die Leistung des Elektronendetektors bei verkürzten Gaswegen normalerweise verringert.
Somit ermöglicht gemäß 8 der verbesserte, in gasförmiger Umgebung arbeitende Elektronendetektor einen kurzen Elektronenstrahlweg durch die gasförmige Umgebung der Probenkammer zur Probe, wahrt aber einen relativ langen Gasweg zum Detektor. Im verbesserten Detektor von 8 erstreckt sich die letzte druckbegrenzende Apertur 144 der Leiterplatte 132 in einer umgekehrten konischen Anordnung durch die Auffangringelektrode 136 der Leiterplatte 132 winklig nach innen. Dies reduziert die Länge des Wegs des Elektronenstrahls durch das Kammergas, die durch die Entfernung a in 8 dargestellt ist. Allerdings ist der Weg von der Probe 178 zur Signalringelektrode 136, dargestellt durch die Entfernung b, immer noch lang genug, um eine befriedigende Detektionsleistung zu erhalten.
Eine weitere Verbesserung des Umgebungs-Rasterelektronenmikroskops der Erfindung ist in 9 gezeigt. In dem in gasförmiger Umgebung arbeitenden Detektor der US-A-5412211 gemäß 7 ist die letzte druckbegrenzende Apertur 144 mit einer Vorspannung verbunden, die mit der Vorspannung identisch ist, die am Signalauffang-Detektorring 136 anliegt. Im verbesserten Detektor von 8 und 9 ist eine unterschiedliche Vorspannung an der letzten druckbegrenzenden Apertur 144 und auch an der Oberfläche der Leiterplatte 132 angelegt, die die letzte druckbegrenzende Apertur und den Signalauffang-Detektionsring 136 abstützt.
Vorzugsweise ist der Detektorring 136 mit einer Spannung (V1) vorgespannt, die zur befriedigenden Detektion notwendig ist, normalerweise etwa +500 Volt. Die letzte druckbegrenzende Apertur 144 ist mit einer geringeren Spannung (V2) vorgespannt (etwa 5 bis 100 Volt kleiner als V1). Diese geringere Spannung gewährleistet, daß das im Gas erzeugte Elektronensignal nicht durch die druckbegrenzende Apertur 144 aufgefangen, sondern zum Detektorring 136 abgelenkt wird.
Eine weitere Verbesserung besteht darin, daß die Leiterplatte 132 einen Schutzring 148 aufweist, der außerhalb des Detektorrings 136 plaziert ist. Der Schutzring 148 ist mit einer gesonderten Spannung V3 vorgespannt. Diese Spannung ist so eingestellt, daß der Schutzring 148 die durch rückgestreute Elektronen, dargestellt durch den Weg c, erzeugten Sekundärelektronen auffängt, die auf die Objektivlinse 174 treffen, was durch den Weg d dargestellt ist. Normalerweise ist der Schutzring 148 so vorgespannt, daß V3 gleich V2 ist, aber er kann je nach den Detektionsanforderungen auf eine unterschiedliche Spannung eingestellt sein.
Hauptzweck des Schutzrings 148 ist, das rückgestreute Elektronensignal daran zu hindern, vom Detektorring aufgefangen zu werden. Damit ist beabsichtigt, daß das vom Schutzring 148 aufgefangene Signal verwendet werden kann, ein rückgestreutes Elektronenbild zu erzeugen.
Somit ist ein Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop unter Verwendung eines Feldemissionsstrahlers gestaltet, das für eine räumliche Auflösung der Probe von 2 nm sorgen kann, obwohl die Probe bei einem Druck von 10^–2 Torr (1,3 N/m²) bis 50 Torr (6,6 × 10³ N/m²) in der gasförmigen Umgebung der Probenkammer gehalten wird. Außerdem ist ein Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop gestaltet, das eine verbesserte räumliche Auflösung durch Verwendung eines Feldemissionsstrahlers erreicht, der bei jeder Spannung bis zu hohen Strahlspannungen verwendet werden kann, z. B. hohen Strahlspannungen von 300 bis 500 kV. Ferner erreicht dieses Umgebungs-Rasterelektro nenmikroskop mit Feldemissionsstrahler ein verbessertes räumliches Auflösungsvermögen von 2 nm, was eine vergleichbare räumliche Auflösung mit der ist, die man in Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopen mit Hochvakuum erzielt.
Obwohl die Erfindung anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsformen speziell dargestellt und beschrieben wurde, wird dem Fachmann klar sein, daß verschiedene Änderungen und Abwandlungen an ihr vorgenommen werden können.

Claims

Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop, das für die Abbildung einer untersuchten Probe (66) sorgt, wobei das Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop aufweist: (a) einen Elektronenstrahler (60) zum Erzeugen und Richten eines Elektronenstrahls (64) zur Probe; (b) eine elektronenoptische Säule (62) mit einem differentiell gepumpten Apertursystem (71, 73, 75, 77) mit differentiell gepumpten Vakuumzonen (80, 82, 84, 86), um eine Druckdifferenz zwischen dem Elektronenstrahler und der Probe zu erzeugen, wobei das differentiell gepumpte Apertursystem ferner druckbegrenzende Aperturen (70, 72, 74, 76) aufweist, um die differentiell gepumpten Vakuumzonen zu bilden, die der Elektronenstrahl durchläuft; (c) eine Probenkammer (68), die die in Gas gehüllte Probe in Ausrichtung zu einer letzten druckbegrenzenden Apertur der druckbegrenzenden Aperturen des differentiell gepumpten Apertursystems hält; (d) eine Einrichtung zum Detektieren von Signalen, die von der Oberfläche der Probe ausgehen; dadurch gekennzeichnet, daß – der Elektronenstrahler als Feldemissionsstrahler gebildet ist; – das Elektronenmikroskop mindestens vier differentiell gepumpte Vakuumzonen enthält, um für ein Druckverhältnis bis 10¹⁰ zu sorgen; und – mindestens vier druckbegrenzende Aperturen vorgesehen sind, um mindestens vier differentiell gepumpte Vakuumzonen zu bilden.
Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1, wobei die mindestens vier differentiell gepumpten Vakuumzonen, die der Elektronenstrahl durchläuft, aufweisen: eine Hochvakuumzone (80) des Feldemissionsstrahlers, die auf einem Druck von etwa 10^–10 Torr (1,3 × 10^–8 N/m²) gehalten wird, eine erste Zwischenvakuumzone (82), die auf einem Druck von etwa 10^–7 Torr (1,3 × 10^–5 N/m²) gehalten wird, eine zweite Zwischenvakuumzone (84), die auf einem Druck von etwa 10^–4 Torr (1,3 × 10^–2 N/m²) gehalten wird, eine dritte Zwischenvakuumzone (86), die auf einem Druck von etwa 0,1 Torr (13 N/m²) gehalten wird, und die Probenkammer, die auf einem Druck von etwa 10 Torr (1,3 × 10³ N/m²) gehalten wird.
Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 2, wobei die mindestens vier druckbegrenzenden Aperturen der elektronenoptischen Säule aufweisen: eine obere druckbegrenzende Apertur (70), die zwischen der Hochvakuumzone und der ersten Zwischenvakuumzone vorgesehen ist, eine erste druckbegrenzende Zwischenapertur (72), die zwischen der ersten und zweiten Zwischenvakuumzone vorgesehen ist, eine zweite druckbegrenzende Zwischenapertur (74), die zwischen der zweiten und dritten Zwischenvakuumzone vorgesehen ist, und eine letzte druckbegrenzende Apertur (76), die zwischen der dritten Zwischenvakuumzone und der Probenkammer vorgesehen ist.
Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 3, wobei die zweite druckbegrenzende Zwischenapertur aus einer druckbegrenzenden Aperturanordnung (103) mit mehreren gestapelten allgemein ringförmigen Aperturen (108, 110, 112, 114) gebildet ist.
Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 4, wobei die mehreren ringförmigen Aperturen aus Platin gebildet und in einen Aperturhalter (116) eingepaßt sind, der an einer ringförmigen Vakuumwand (75) zwi schen der zweiten und dritten Zwischenvakuumzone abgedichtet ist und sich von ihr nach oben erstreckt.
Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 4, wobei die druckbegrenzende Aperturanordnung mindestens vier ringförmige Aperturen aufweist.
Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1, wobei die Detektionseinrichtung eine Leiterplatte (132) mit einem Detektorkopf aufweist, der eine Auffangelektrodeneinrichtung (136) zum Auffangen von Signalen daran hat, die von der untersuchten Probe ausgehen.
Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 7, wobei der Detektorkopf eine Signalringelektrode (136) aufweist, die so vorgespannt ist, daß sie Sekundärelektronen auffängt, die von der Oberfläche der Probe ausgehen.
Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 8, wobei die Leiterplatte die letzte druckbegrenzende Apertur (144) aufweist, die sich ringförmig durch die Signalringelektrode erstreckt, um dadurch die Weglänge des Elektronenstrahls durch das Gas in der Probenkammer zu verkürzen.
Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 9, wobei der Detektorring mit einer Spannung V1 von etwa +500 Volt vorgespannt ist und die letzte druckbegrenzende Apertur mit einer Spannung V2 vorgespannt ist, die etwa 5 bis 100 Volt kleiner als V1 ist.