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Die Erfindung betrifft eine teilchenoptische Vorrichtung,
die aufweist:
eine Teilchenquelle zur Erzeugung eines Primärstrahls
aus elektrisch geladenen Teilchen, die sich entlang einer optischen
Achse (4) der Vorrichtung bewegen,
einen Probenhalter
für eine
Probe, die durch die Vorrichtung bestrahlt werden soll,
eine
Immersionslinse zur Erzeugung eines Brennpunkts des Primärstrahls
in der Nähe
des Probenhalters,
eine Abtasteinrichtung zum Abtasten der
Probe durch den fokussierten Strahl,
eine Nachweiseinrichtung
zum Erfassen von Signalen, die als Reaktion auf den Einfall des
Primärstrahls von
der Probe ausgehen, wobei die Nachweiseinrichtung eine elektrostatische
Nachweiselektrode zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in dem
Raum zwischen Nachweiselektrode und Probenhalter aufweist.
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Eine Vorrichtung dieser Art ist aus
der Zusammenfassung Nr. 5-174 768 (A) der japanischen Patentanmeldung
Nr. 3-53 811, veröffentlicht
am 13. 7. 93, bekannt.
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Vorrichtungen der dargestellten Art
sind als Rasterelektronenmikroskope (REM) bekannt. In einem REM
wird ein Bereich einer zu untersuchenden Probe durch einen Primärstrahl
aus elektrisch geladenen Teilchen abgetastet, gewöhnlich Elektronen, die
sich entlang einer optischen Achse der Vorrichtung bewegen. Die
Beschleunigungsspannung für den
Elektronenstrahl in dem REM wird in Abhängigkeit von der Natur der
zu untersuchenden Probe gewählt.
Diese Beschleunigungsspannung sollte einen vergleichsweise niedrigen
Wert haben (in der Größenordnung
von 1 kV), um die Aufladung der Probe durch den Elektronenstrahl
auf ein Mindestmaß zu reduzieren.
Dies könnte
zum Beispiel während
der Untersuchung von elektrisch isolierenden Schichten in integrierten
elektronischen Schaltkreisen oder bei gegebenen biologischen Proben
geschehen. Außerdem
ist es für
bestimmte Untersuchungen wünschenswert,
daß die
Elektronen des Primärstrahls nur
bis zu einer geringen Tiefe in die Probe eindringen, woraus sich
ein besserer Kontrast des zu erzeugenden Bildes ergibt. Andere Proben
erfordern jedoch eine höhere
Beschleunigungsspannung, zum Beispiel in der Größenordnung von 30 kV.
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Die Bestrahlung der zu untersuchenden
Probe setzt elektrisch geladene Teilchen frei (im allgemeinen Sekundärelektronen),
die eine wesentlich niedrigere Energie aufweisen, beispielsweise
in der Größenordnung
von 5 bis 50 eV. Die Energie und/oder die Energieverteilung dieser
Sekundärelektronen
liefert Informationen über
die Natur und die Zusammensetzung der Probe. Daher ist ein REM vorteilhafterweise
mit einem Detektor für
Sekundärelektronen
ausgestattet. Diese Elektronen werden auf der Seite der Probe freigesetzt,
auf welcher der Primärstrahl
einfällt,
wonach sie gegen die Einfallsrichtung der Primärelektronen zurückfliegen.
Wenn ein Detektor (der zum Beispiel mit einer Elektrode ausgestattet
ist, die eine positive Spannung von 300 V führt) in der Nähe der auf
diese Weise zurückfliegenden
Sekundärelektronen
angeordnet wird, werden die Sekundärelektronen durch diese Elektrode
eingefangen, und der Detektor gibt ein elektrisches Signal aus,
das dem so erfaßten
elektrischen Strom proportional ist. So entsteht auf bekannte Weise
das (Sekundärelektronen-)
Bild der Probe. Im Hinblick auf die Qualität des Bildes, besonders die
Entstehungsgeschwindigkeit des Bildes und das Signal-Rausch-Verhältnis, ist
der erfaßte
Strom vorzugsweise so groß wie
möglich.
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In einem sogenannten Umgebungs-Rasterelektronenmikroskop
(UREM) ist die Probe in einer Gasatmosphäre unter einem Druck zwischen
1,3 N/m2 (0,01 Torr) und 2630 N/m2 (30 Torr) angeordnet, also unter einem
vielfach höheren
Druck als dem Arbeitsdruck herkömmlicher
Rasterelektronmikroskope. Ein elektrisches Feld, das durch die Spannung zwischen
der Probe und einer elektrostatischen Nachweiselektrode erzeugt
wird, die mit der Nachweiseinrichtung zur Erfassung von Signalen
verbunden ist, die als Reaktion auf den Einfall des Primär strahls
von der Probe ausgehen, beschleunigt die von der Probe ausgehenden
Sekundärelektronen
auf eine solche Geschwindigkeit, daß sie die Atome des die Probe
einhüllenden
Gases ionisieren können. Während dieser
Ionisationen werden von den Gasatomen ein oder mehrere Elektronen
freigesetzt, die selbst beschleunigt werden und durch weitere Ionisationen
wieder Elektronen freisetzen können,
und so weiter. Das die Probe umgebende Gas wirkt folglich als Verstärker für den Sekundärelektronenstrom,
so daß der
nachzuweisende Strom im Prinzip größer sein kann als der durch
die Sekundärelektronen selbst
verursachte Strom.
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Weitere Vorteile eines mit einer
Gasatmosphäre
arbeitenden REM (nachstehend als "Umgebungs-REM" oder UREM bezeichnet) gegenüber dem
herkömmlichen
REM bestehen darin, daß das UREM
die Entstehung elektronenoptischer Bilder von feuchten oder nichtleitenden
Proben (zum Beispiel biologischen Proben, Kunststoffen, Keramiken oder
Glasfasern) ermöglicht,
die unter den gebräuchlichen
Vakuumbedingungen in den herkömmlichen Rasterelektronenmikroskopen äußerst schwer
abzubilden sind. Das UREM ermöglicht,
die Probe in ihrem "natürlichen" Zustand zu erhalten,
ohne die Probe den schädlichen
Auswirkungen von Trocknungs-, Gefrier- oder Vakuumbedampfungsvorgängen aussetzen
zu müssen,
die normalerweise für
die Untersuchung mittels Elektronenstrahlen unter Hochvakuumbedingungen
erforderlich sind.
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Wegen des vergleichsweise hohen zulässigen Drucks
im Probenraum des UREM neutralisieren ferner die gebildeten Gasionen
eine etwaige elektrische Aufladung einer nichtleitenden Probe, die
andernfalls die Entstehung eines Bildes mit hoher Auflösung behindern
könnte.
Das UREM ermöglicht auch
die direkte Echtzeitbeobachtung von Erscheinungen wie z. B. Flüssigkeitstransport,
chemischen Reaktionen, Lösung,
Kristallisation und anderen Prozessen, die bei einem vergleichsweise
hohen Dampfdruck stattfinden, der weit über dem zulässigen Dampfdruck in der Probe
eines herkömmlichen
REM liegt.
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Nach der zitierten Zusammenfassung
Nr. 5-174 768 (A) wird der Primärstrahl
durch eine Immersionslinse auf die Probe fokussiert. Bekanntlich ist
eine Immersionslinse eine Magnet linse, die in dem Raum zwischen
den Polschuhen der Linse und der Probe ein Magnetfeld erzeugt. Die
durch den Primärstrahl
aus der Probe freigesetzten Elektronen fliegen dann von der Probe
zurück
zu der elektrostatischen Nachweiselektrode des Detektors, wobei
sie annähernd
den Feldlinien der Immersionslinse folgen. Die in der zitierten
Zusammenfassung offenbarte elektrostatische Nachweiselektrode ist
eine ringförmige Elektrode,
die zwischen der Probe (die eine niedrigere als die an dieser Elektrode
anliegende Spannung führt)
und dieser Elektrode ein elektrisches Feld erzeugt. Um durch die
Gasatmosphäre
in dem UREM einen ausreichend hohen Stromverstärkungseffekt zu erzielen, ist
jedoch eine vergleichsweise hohe Spannung für die Detektorelektrode erforderlich,
und wegen der Gefahr elektrischer Durchschläge darf der Abstand zwischen
der Probe und der Detektorelektrode nicht kleiner als ein vergleichsweise
großer
Mindestabstand sein. Infolgedessen ist die Anzahl aufeinanderfolgender
Ionisationen und daher auch die Stromverstärkung begrenzt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein U-REM
mit einer höheren
Stromverstärkung
als derjenigen des bekannten Umgebungs-Rasterelektronenmikroskops
bereitzustellen. Zu diesem Zweck ist die erfindungsgemäße teilchenoptische
Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweiseinrichtung so
eingerichtet ist, daß ein elektrisches
Mehrpolfeld oder Multipolfeld um die optische Achse herum erzeugt
wird, das sich quer zur optischen Achse in dem gleichen Raum wie
das Magnetfeld der Immersionslinse erstreckt.
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Die Erfindung nutzt die Eigenschaft
elektrischer Multipole, daß bei
einer gegebenen Feldstärke an
der optischen Achse des Mehrpols die elektrische Feldstärke außerhalb
der optischen Achse wesentlich höher
sein kann. Während
daher auf den Primärelektronenstrahl
nur eine schwache Wirkung ausgeübt
wird, kann dennoch ein starkes Detektorfeld bereitgestellt werden,
so daß die
zu beschleunigenden Sekundärelektronen
ausreichend Energie empfangen, um zahlreiche Multipol-Ionisationen und
daher eine hohe Stromverstärkung
in der Gasatmosphäre um
die Probe herum zu realisieren. Außerdem ist der Raumwinkel sehr
groß,
in dem die Probe durch die das elektri sche Mehrpolfeld erzeugende
Elektrodenbaugruppe "wahrgenommen" wird.
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Die Erfindung beruht auf der Anerkennung der
Tatsache, daß bekanntlich
ein Elektron, das sich in einem Magnetfeld bewegt, eine Kraft erfährt, die senkrecht
zur Bewegungsrichtung und außerdem senkrecht
zum Magnetfeld gerichtet ist. In Abwesenheit eines Magnetfeldes
folgt ein Sekundärelektron, das
sich von der Probe zur Detektorelektrode bewegt, einer praktisch
geraden Bahn zur Detektorelektrode, mit Ausnahme von Richtungsänderungen,
die auf Zusammenstöße mit Gasatomen
zurückzuführen sind.
In Gegenwart eines Magnetfeldes wird daher ein solches Elektron
aus seiner Bewegungsrichtung zur Detektorelektrode abgelenkt. (Theoretisch
gesagt, im Fall gegebener Feldgeometrien kann es bei fehlendem Energieverlust
nicht einmal die Detektorelektrode erreichen.) Folglich bewegt sich
dieses Elektron über
eine wesentlich längere
Distanz, so daß sich
die Wahrscheinlichkeit von Zusammenstößen mit den Gasatomen wesentlich
erhöht.
Wegen der ionisierenden Stöße mit den
Gasatomen verliert ein solches Elektron jedesmal einen gegebenen
Energiebetrag während
seines Fluges, so daß es
im Grunde schließlich
durch die Detektorelektrode eingefangen werden kann. Während dieses
wesentlich längeren
Fluges wird dieses Elektron daher eine proportional größere Anzahl
von ionisierenden Stößen erfahren
und folglich eine größere Anzahl
von Elektronen freigesetzt haben. Das gleiche gilt auch für die durch
solche Stöße freigesetzten
Elektronen. Auf diese Weise entsteht eine Kaskade von freigesetzten Elektronen,
wodurch sichergestellt wird, daß das
zu erfassende Signal viel größer ist
als in Abwesenheit eines zusätzlichen
Magnetfeldes. Das zu erfassende Signal kann verschiedene Formen
annehmen, die alle eine Darstellung des aus der Probe freigesetzten Elektronenstroms
bilden.
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Zu beachten ist, daß im Zusammenhang
mit der vorliegenden Erfindung der Ausdruck "der Raum zwischen der Nachweiseinrichtung
und dem Probenhalter" als
der Raum aufzufassen ist, der von elektrisch geladenen Teilchen
(und möglicherweise
von Teilchen, die durch diese Teilchen erzeugt werden, zum Beispiel
von Elektronen und durch Ionisationsvorgänge erzeugten Ionen) durchquert
wird, bevor sie durch eine Detektorelektrode eingefangen werden.
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Die Nachweiseinrichtungen in einer
Ausführungsform
der Erfindung sind außerdem
so eingerichtet, daß sie
um die optische Achse herum ein magnetisches Multipolfeld erzeugen,
das sich quer zur optischen Achse in dem gleichen Raum wie das elektrische
Mehrpolfeld erstreckt. Diese Ausführungsform ist besonders attraktiv,
wenn das im Probenraum durch die Fokussiereinrichtung selbst erzeugte Magnetfeld
nicht stark genug ist, um die gewünschte Verlängerung der Elektronenweglänge für die Elektronenvervielfachung
zu erreichen. Diese Ausführungsform
nutzt die Eigenschaft magnetischer Multipole, daß bei einer gegebenen Feldstärke an der
optischen Achse des Mehrpols die Magnetfeldstärke außerhalb der optischen Achse
wesentlich höher sein
kann. Während
daher auf den Primärelektronenstrahl
nur eine schwache Wirkung ausgeübt
wird, kann dennoch ein starkes Magnetfeld erzielt werden, um die
Weglänge
der Sekundärelektronen
zu vergrößern.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen teilchenoptischen
Vorrichtung ist mit Einstelleinrichtungen versehen, um die Stärke des Multipolfeldes
unabhängig
von der Fokussiereinrichtung einzustellen. Dies bietet einen hohen
Flexibilitätsgrad
beim Einsatz der Vorrichtung und ermöglicht eine Anpassung des Multipolfeldes
an verschiedene Abbildungsparameter, die einer Veränderung
unterliegen, zum Beispiel den Abstand zwischen der Probe und der
Objektivlinse, die Anzahl der Sekundärelektronen pro Primärelektron,
die Beschleunigungsspannung, den Gasdruck im Probenraum, die Anzahl der
Ionen, die zur Entladung der Probe erforderlich sind, usw.
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Der Nachweis des zu erfassenden Signals
in einer Ausführungsform
der Erfindung findet so statt, daß die Signale, die als Reaktion
auf den Einfall des Primärstrahls
von der Probe ausgehen, durch von der Probe ausgehende elektrisch
geladene Teilchen gebildet werden. Dieser von der Probe ausgehende Strom
elektrisch geladener Teilchen kann der Strom der Sekundärelektronen
sein (d. h. die Gesamtzahl der von der Probe freigesetzten Elektronen
und der Elektronen, die durch Vervielfachung in der Gasentladung
erzeugt werden). Alternativ wird der von der Probe ausgehende Strom
elektrisch geladener Teilchen durch einen Ionenstrom gebildet, der
in der Gasentladung entsteht, sich unter dem Einfluß des elektrischen
Feldes zur Probe bewegt und als Probenstrom gemessen werden kann.
Eine dritte Möglichkeit
besteht darin, daß der
von der Probe ausgehende Strom elektrisch geladener Teilchen durch
einen Ionenstrom gebildet wird, der in der Gasentladung entsteht
und sich, beispielsweise unter dem Einfluß eines durch die Nachweiseinrichtung
erzeugten elektrischen Feldes, zu einer Elektrode der Nachweiseinrichtung
bewegt und als Detektorstrom gemessen werden kann. Alternativ können zwei
oder mehrere der so gebildeten Ströme kombiniert und das dann
entstehende Signal gemessen werden.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung findet der Nachweis des zu erfassenden Signals so
statt, daß die
als Reaktion auf den Einfall des Primärstrahls von der Probe ausgehenden
Signale durch Lichtsignale gebildet werden, die durch Gasionisationsvorgänge in dem
elektrischen Multipolfeld entstehen. Dieser Effekt wird außerdem durch
das stärkere
elektrische und/oder magnetische Detektorfeld verstärkt, da
darin die Energie und/oder die Weglänge der Sekundärelektronen
erhöht
und damit auch die Anzahl der Ionisationen sowie die dadurch erzeugte
Lichtmenge vergrößert werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
der Zeichnungen ausführlich
beschrieben, in denen einander entsprechende Bezugszeichen entsprechende Elemente
bezeichnen. Dabei zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines teilchenoptischen Geräts, bei
dem die Erfindung angewandt werden kann;
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2 schematisch
den Prozeß der
Elektronenvervielfachung mittels eines elektrischen und eines magnetischen
Feldes;
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3a eine
schematische Darstellung einer Elektrodenbaugruppe zur Erzeugung
eines elektrischen Vierpolfeldes;
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3b eine
perspektivische Ansicht einer Polkonfiguration zur Erzeugung eines
elektrischen und/oder magnetischen Multipolfeldes;
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4 eine
Schnittansicht eines Probenraums mit einer Immersionslinse, deren
Magnetfeld mit dem elektrischen und/oder magnetischen Multipolfeld
des Detektors zusammenwirkt.
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1 zeigt
ein teilchenoptisches Gerät
in Form eines Teils einer Säule 2 eines
Rasterelektronenmikroskops (REM). Wie üblich, erzeugt eine Elektronenquelle
(in der Figur nicht dargestellt) in diesem Gerät einen Elektronenstrahl, der
sich entlang der optischen Achse 4 des Geräts ausbreitet.
Dieser Elektronenstrahl kann eine oder mehrere elektromagnetische
Linsen durchlaufen, wie z. B. die Kondensorlinse 6, wonach
er die Linse 8 erreicht. Diese Linse, die eine sogenannte
Monopol-Linse ist, bildet einen Teil eines Magnetkreises, der außerdem durch die
Wand 10 der Probenkammer 12 gebildet wird. Die Linse 8 dient
zur Ausbildung eines Elektronenstrahlbrennpunkts, durch den die
Probe 14 abgetastet wird. Diese Abtastung erfolgt durch
Bewegen des Elektronenstrahls quer über die Probe in x-Richtung sowie
in y-Richtung mittels der in der Linse 8 vorgesehenen Abtastspulen 16.
Die Probe 14 ist auf einem Probentisch 18 angeordnet,
der einen Träger 20 für die x-Verschiebung und
einen Träger 22 für die y-Verschiebung
aufweist. Durch diese zwei Träger
kann ein gewünschter
Bereich der Probe für
die Untersuchung ausgewählt
werden. Von der Probe werden Sekundärelektronen freigesetzt, die
in Richtung der Linse 8 zurückfliegen. Diese Sekundärelektronen werden
durch einen nachstehend zu beschreibenden Detektor 24 erfaßt, der
in der Bohrung dieser Linse angeordnet ist. Eine Steuereinheit 26 ist
mit dem Detektor verbunden, um den Detektor zu aktivieren und den
Strom erfaßter
Elektronen in ein Signal umzuwandeln, das zur Erzeugung eines Bildes
der Probe verwendet werden kann, zum Beispiel mit Hilfe einer Kathodenstrahlröhre.
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2 zeigt
schematisch den Prozeß der Elektronenvervielfachung
mittels eines elektrischen und eines magnetischen Feldes in einer
Gasatmosphäre.
Zu beachten ist, daß zur
Vereinfachung der Elektronenbewegung eine plattenförmige Nachweiselektrode
und keine Multipolkonfiguration angenommen wird; jedoch ist dies
bei der Klärung
des Prinzips der Elektronenvervielfachung nicht von wesentlicher Bedeutung.
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Der Primärelektronenstrahl (in der Figur nicht
dargestellt), der durch eine vorgeschaltete Objektivlinse 8 fokus siert
wird, fällt
entlang der optischen Achse 4 der Vorrichtung auf eine
Probe 14 auf, die auf einem Probenhalter 20 angeordnet
ist. Um die Beschreibung zu vereinfachen, wird angenommen, daß die Detektorelektrode
aus einer Platte 30 aufgebaut ist, die unterhalb der Objektivlinse 8 angeordnet ist.
Im Mittelpunkt dieser Detektorplatte 30 ist eine Öffnung für den Durchgang
des Primärstrahls
vorgesehen. Die Detektorelektrode 30 führt eine positive Spannung,
so daß die
in der Probe freigesetzten Sekundärelektronen in Richtung dieser
Elektrode beschleunigt werden. Um die Darstellung zu vereinfachen,
wird in 2 angenommen,
daß sich
ein Magnetfeld B senkrecht zur Zeichnungsebene erstreckt, wie durch
das Symbol 38 bezeichnet. Ein von der Probe 14 ausgehendes
Sekundärelektron
wird durch das elektrische Feld, das durch die Kombination aus der
positiven Elektrode 30 und der geerdeten Probe 14 erzeugt
wird, in Richtung der Elektrode 30 beschleunigt. Wegen
der Geschwindigkeit des Elektrons wird dieses durch das Magnetfeld
B so abgelenkt, daß es
einer Zykloidenbahn 40 folgt. Wenn es bei der Bewegung
auf dieser Bahn keine Energie verlieren würde, dann würde das Elektron durch das Feld
B daran gehindert werden, jemals die Elektrode 30 zu erreichen.
Die Spannung an der Elektrode 30 ist ausreichend hoch (zum
Beispiel 300 V), um sicherzustellen, daß das Elektron, während es
dieser Bahn folgt, genügend
Energie zur Ionisierung eines im Probenraum vorhandenen Gasatoms 41 aufnehmen
kann, mit dem Ergebnis, daß mindestens
ein zusätzliches
freies Elektron entsteht. Das ionisierende Elektron sowie das zusätzliche
Elektron werden wieder durch das elektrische Feld auf einer Zykloidenbahn 42 beschleunigt,
wonach sich der beschriebene Prozeß wiederholen kann. Das ionisierende
Elektron hat während
der Ionisation einen gegebenen Energiebetrag verloren, so daß es sich
auf einer Bahn zu bewegen beginnt, die näher an der Elektrode 30 liegt. Der
beschriebene Prozeß wiederholt
sich für
alle Elektronen, die sich im Probenraum bewegen, und dauert für alle Elektronen
an, bis das entsprechende Elektron die Elektrode 30 erreicht.
Um die Zeichnung zu vereinfachen, ist nicht für jeden ionisierenden Stoß die doppelte
Elektronenzahl dargestellt. Auf diese Weise wird im Probenraum eine
lawinenartige Entladung erzielt, wobei sich die Stoßwahrscheinlichkeit
eines Elektrons mit einem Gasatom durch die Gegenwart des zusätzlichen
Magnetfeldes wesentlich erhöht.
Folglich erhöht
sich im Verhältnis
dazu die Menge der durch Ionisationen freigesetzten Elektronen und
damit auch das durch die Sekundärelektronen
erzeugte Stromsignal.
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3a zeigt
die Form der Elektrodenbaugruppe zur Erzeugung eines elektrischen
Multipolfeldes rund um die optische Achse, das quer zur optischen
Achse gerichtet ist. Die in 3a dargestellte Elektrodenbaugruppe
besteht aus vier plattenförmigen
Leitern (Polen) 60-a, 60-b, 60-c und 60-d,
die elektrisch voneinander isoliert sind, alle in einer Ebene liegen
und symmetrisch um die optische Achse 4 herum gruppiert sind, die
in dieser Figur senkrecht zur Zeichnungsebene steht. Diese Figur
zeigt außerdem
die zueinander senkrechten x-y-Richtungen. Die der optischen Achse
zugewandten Begrenzungslinien dieser Pole haben die Form von Hyperbeln;
die rund um einen gedachten Mittelkreis liegen, der die Hyperbeln
berührt.
Um die Fertigung zu vereinfachen, kann die Hyperbelform auf bekannte
Weise durch einen Kreisbogen angenähert werden. Jeder der Pole 60-a bis 60-d kann
auf ein Potential V1, V2, V3 bzw. V4 eingestellt werden. Im einfachsten
Fall sind V1 und V3 gleich, ebenso wie V2 und V4, die dann die Gegenpotentiale
zu V1 und V3 sind. Die Figur zeigt nur eine Elektrodenschicht; jedoch
können auch
mehrere Schichten übereinander
(d. h. parallel zur Zeichnungsebene, aber über oder unter dieser Ebene)
bereitgestellt werden, wenn dies wünschenswert ist. Auf diese
Weise wird ein höherer
Flexibilitätsgrad
bezüglich
der Konstruktion und/oder der Erregung des elektrischen Vierpols
erzielt.
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Es ist auch möglich, alle Potentiale der
Pole 60-a bis 60-d um einen festen Betrag zu erhöhen, ohne
daß der
Vierpoleffekt verloren geht. Dieser feste Betrag kann für eine nächste Elektrodenschicht
einen anderen Wert haben, so daß dem
Vierpol ein elektrostatischer Monopol und damit ein Element mit Linsenwirkung überlagert
wird.
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3b zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Polkonfiguration zur Erzeugung
eines elektrischen und/oder magne tischen Multipolfeldes. Der Multipolkonfiguration
in dieser Figur wird durch einen Magnetkreis gebildet, der aus einer
zylinderförmigen Hülle 66 besteht,
in der eine Anzahl von n Polen 64-1 bis 64-n so
untergebracht sind, daß sie
gleichmäßig über den
Zylinder verteilt sind, wobei in dieser Figur n gleich 8 ist. Wenn
auch zur Ausführung
der Erfindung im Grunde keine Mehrpolfelder von höherer Ordnung
als Vierpole erforderlich sind, ist es beispielsweise zum Ausgleich
mechanischer Mängel wünschenswert,
auch über
eine Möglichkeit
zur Erzeugung von Feldern höherer
Ordnung zu verfügen, zum
Beispiel von n = 8 in dieser Figur, während auch n = 12 möglich ist.
Diese Möglichkeit
ist jedoch für
die Erfindung nicht von wesentlicher Bedeutung. Die Zylinderachse
der Hülle 66 fällt mit
der optischen Achse 4 des in 1 dargestellten
teilchenoptischen Geräts
zusammen.
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Die verschiedenen Multipolfelder,
d. h. sowohl die magnetischen als auch die elektrostatischen Felder,
werden durch die n Pole erzeugt. Jeder dieser Pole ist so angeordnet,
daß sowohl
ein elektrisches als auch ein magnetisches Feld erzeugt wird, wobei die
Polflächen
diese Multipolfelder festlegen, die sich parallel zur optischen
Achse der Vorrichtung erstrecken. Jeder Pol 64-i ist mit
einer Erregerspule 68-i zur Erzeugung eines Magnetfeldes
und mit einer Polkappe 70-i zur Erzeugung eines elektrischen
Feldes versehen. Jede der Erregerspulen 68-i und jede der Polkappen 70-i kann
individuell erregt werden, so daß jedes der gewünschten,
sowohl elektrischen als auch magnetischen Multipolfelder durch die
8 Pole 64-1 bis 64-8 erzeugt werden kann.
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4 zeigt
eine Schnittansicht eines Probenraums mit einer Immersionslinse,
deren Magnetfeld mit dem elektrischen und/oder magnetischen Multipolfeld
des Detektors zusammenwirkt. Der Magnetkreis zur Erzeugung des Fokussierungsfeldes
für die
Immersionslinse besteht aus den trichterförmigen Polen 8 der
Immersionslinse und der Wand 10 der Probenkammer 12,
die sich (wegen des Magnetflusses) im Kontakt damit befindet. Die
Magnetfeldlinien 52 erstrecken sich folglich vom Ende der
trichterförmigen
Pole 8 der Immersionslinse zur Probe 14, die sich über den
Probenhalter 20, d. h. die Wand 10, im Kontakt mit
dem Magnetkreis befindet. Eine Multipolvorrichtung 46,
deren Symmetrieachse mit der optischen Achse 4 zusammenfällt, ist
im gleichen Raum wie das Magnetfeld 52 der Immersionslinse
untergebracht. Die schematisch dargestellte Multipolvorrichtung 46 hat
daher die Form des Multipols von 3b oder
des elektrischen Vierpols von 3a.
Im Falle von 3a bildet
die Höhe
des Rechtecks 46 die Dicke der plattenförmigen Leiter 60-a bis 60-d;
im Falle von 3b bildet
die Höhe
des Rechtecks 46 die Abmessung in der Axialrichtung der
zylinderförmigen Hülle 66.
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Bekanntlich muß aus verschiedenen Gründen der
Druck in dieser Säule
wesentlich niedriger sein als die Druckwerte (bis zu ≈ 2500 N/m2) im Probenraum des Umgebungs-Rasterelektronenmikroskops
(UREM). Um die Aufrechterhaltung dieser Druckdifferenz zu ermöglichen,
wird auf bekannte Weise eine Trennmembran 28 zwischen dem
Probenraum und der Säule 2 vorgesehen.
Die Membran 28 wird mit einer Bohrung von beispielsweise
0,1 mm versehen. Der gewünschte
niedrige Druck in der Säule
kann aufrechterhalten werden, indem direkt oberhalb dieser Membran
eine Pumpöffnung
(nicht dargestellt) angebracht wird.
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Die Erregung der verschiedenen Pole
der Multipolvorrichtung 46 wird durch eine steuerbare Stromversorgungsquelle 50 realisiert,
die über
zwei Anschlüsse
mit der Multipolvorrichtung 46 verbunden ist, wie schematisch
in der Figur dargestellt. Diese Stromversorgungsquelle ist so eingerichtet,
daß sie verschiedene
unabhängig
regelbare Spannungen für die
elektrostatischen Elektroden und verschiedene unabhängig regelbare
Ströme
für die
Magnetpole liefern kann.
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Die in 4 dargestellte
Ausführungsform bietet
einen Detektor mit vergleichsweise weitem Raumwinkel für den Einfang
der Sekundärelektronen und
mit einem Entladungsraum zwischen den Polen, in dem die Elektronen
während
einer vergleichsweise langen Zeitspanne enthalten sein können, so
daß sie einen
ausreichenden Betrag an elektrischer (und damit kinetischer) Energie
aufnehmen können
und daher eine hohe Stromverstärkung
der Sekundärelektronen
stattfinden kann. Die Weiterverarbeitung des durch die Sekundärelektronen
erzeugten Stromsignals erfolgt in einer Verarbeitungseinheit (nicht
dargestellt), die mit den verschiedenen Polen verbunden ist. Die
Weiterverarbeitung des Stromsignals ist für die Erfindung nicht wichtig,
so daß sie
nicht ausführlich
beschrieben wird.