DE2223367B2 - Mikrostrahlsonde zur quantitativen Erfassung von geladenen Sekundärteilchen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikrostrahlsonde zur quantitativen Erfassung von geladenen Sekundärteilchen mit einer Teilchenquelle, die ein im wesentlichen paralleles, ggf. auch etwas divergierendes Primärstrahlbündel erzeugt, einem mindestens eine teilchenoptische Linse enthaltenden Objektiv zur Fokussierung des Primärstrahlbündels auf einem kleinen Probenbereich einer zu untersuchenden elektrisch leitenden Oberfläche, und einer Elektrodenanordnung, durch die Sekundärteilchen, die vom Primärstrahlbündel im Probenbereich erzeugt worden sind, zu einer Untersuchungseinrichtung gelangen.

Bei den bekannten Mikrostrahlsonden werden die zu untersuchenden Sekundärteilchen im allgemeinen vom Probenbereich seitlich unter einem Winkel von der Achse des Primärstrahles weg beschleunigt (siehe z. B. DT-OS 19 37 482). Deswegen muß der Abstand zwischen Objektiv und Probe und damit die Brennweite des Objektivs relativ groß sein um Platz für die Elektrodenanordnung der Sekundärstrahloptik zu

■to schaffen.

Andererseits ist es jedoch erwünscht, die Brennweite des Objektivs so klein wie möglich zu machen, und zwar aus zwei Gründen: Erstens ist die durch das Objektiv erzielbare Verkleinerung, also das Durchmesserverhältnis zwischen dem Durchmesser der Primärteilchenquelle bzw. des Bereichs kleinsten Querschnitts des Primärstrahlbündes (Überkreuzungsbereich, Zwischenfokus) und dem Durchmesser des vom Primärstrahl getroffenen Probenbereiches umso stärker, je kürzer die Brennweite ist. Zweitens sinkt mit der Brennweite einer teilchenoptischen, insbesondere elektrostatischen Linse auch ihre spärische Aberration, d. h. mit abnehmender Brennweite wächst der Raumwinkel, aus dem die Primärteilchen in einem Probenbereich gewünschten Durchmesser fokussiert werden können und umso größer wird die Stromdichte im Probenbereich.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Mikrostrahlsonde anzugeben, die ein Objektiv wesentlich kürzerer Brennweite hat als die bekannten Mikrostrahlsonden, ohne daß dadurch eine weitgehend quantitative Erfassung der geladenen Sekundärteilchen und deren Überführung in eine Untersuchungseinrichtung beeinträchtigt wird.

t>5 Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Mikrostrahlsonde der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das Objektiv zwei hintereinander geschaltete, rotationssymmetrische elek-

trostatische Linsen kurzer Brennweite sowie eine zwischen diesen angeordnete Lochblende enthält; daß die Linsen sowie die zu untersuchende Oberfläche bezüglich der Energie des Primärstrahlbündels so bemessen und angeordnet sind, daß das Primärstrahlbündel durch die kombinierte Wirkung der elektrischen Felder der beiden Linsen auf den Probenbereich fokussiert wird, wobei die Blende als Aperturblende für das Primärstrahlbündel wirkt und gleichzeitig die im Probenbereich erzeugten Sekundärteilchen von der durch die Elektroden der zweiten Linse und die leitende Oberfläche gebildeten Linse in die Öffnung der Lochblende fokussiert und durch die erste Linse zu einem wenigstens annähernd parallelen Sekundärstrahlbündel gesammelt werden, das das Objektiv in einer dem Primärstrahlbündel im wesentlichen entgegengesetzten Richtung verläßt und daß zwischen der Primärstrahlquelle und dem Objektiv eine Anordnung zum Erzeugen eines Ablenkfeldes angeordnet ist, das das Primärstrahlbündel und das Sekundärstrahlbündel aufgrund der unterschiedlichen Energien der Teilchen dieser Bündel trennt.

Bei der vorliegenden Mikrostrahlsonde werden die Sekundärteilchen also entgegen der Richtung des Primärstrahls beschleunigt und durch die gleichen Elektroden, die das Objektiv für das Primärstrahlbündel bilden, der Untersuchungseinrichtung zugeführt. Da in der Ebene der die Apertur des Primärstrahles begrenzenden Lochblende ein Zwischenfokus oder Überkreuzungsbereich des Sekundärstrahlbündes liegt, ist eine hohe Intensität des Sekundärstrahlbündels gewährleistet. Das Objektiv der vorliegenden Mikrostrahlsonde kann eine Brennweite von 5 mm und weniger haben, während bei den bekannten Mikrostrahlsonden mit Sekundärteilchenanalyse eine Objektivbrennweite von 30 mm nicht unterschritten werden konnte. Hinsichtlich der erzielbaren Verkleinerung und des erfaßbaren Raumwinkels stellt die vorliegende Mikrostrahlsonde also einen erheblichen Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik dar.

Die vorliegende Mikrostrahlsonde ist nicht auf ein bestimmtes Vorzeichen der Teilchen beschränkt, man kann vielmehr bei entsprechender Polung der Vorspannung sowohl mit einem Elektronen- also auch mit einem Ionenprimärstrahl arbeiten und unabhängig davon positive oder negative Sekundärteilchen erfassen.

Weiterbildungen und Ausgestaltung der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, es zeigt

F i g. 1 eine etwas vereinfachte, teilweise geschnittene Seitenansicht des Elektrodensystems einer Mikrostrahlsonde gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig.2 eine Schnittansicht des Objektivs und eines Teiles eines anschließenden Kugelkondensators der Mikrostrahlsonde gemäß Fig. 1 in einem gegenüber dieser Figur vergrößerten Maßstab;

F i g. 3 eine noch stärker vergrößerte Schnittansicht eines Teiles des Objektivs der Mikrostrahlsonde gemäß F i g. 2 und 3 und

F i g. 4 eine gegenüber F i g. 3 in waagerechter Richtung vergrößerte Schnittansicht eines Teiles des Objektivs der Mikrostrahlsonde gemäß F i g. 1 bis 3 mit einer Darstellung des Verlaufes des Primär- und Sekundärstrahlbündels.

Das in F i g. 1 dargestellte Elektrodensystem ist in der Praxis in einem evakuierbaren und durch eine Schleuse zum Einführen eines Objektes mit der zu untersuchenden Oberfläche zugänglichen Vakuumgefäß angeordnet und enthält eine Primärstrahlquelle 10, die in bekannter Weise aufgebaut sein kann und ein Primärstrahlbünde' 12 aus Ionen oder Elektronen liefert. Das Primärslrahlbündel hat einen durch die Primärstrahlquelle oder Überkreuzungsbereich (Zwischenfokus) des Primärstrahlbündels gegebenen Bereich kleinsten Querschnitts, der durch ein in Fig.! nur schematisch dargestelltes, teilchenoptisches Objektiv 14 auf eine zu untersuchende Oberfläche 16 eines Testobjekts abgebildet wird. Der vom Primärstrahlbündel 12 getroffene Probenbereich kann in bekannter Weise durch zwei Sätze 18, 20 elektrostatischer Ablenkplatten rasterartig auf der zu untersuchenden Oberfläche abgelenkt werden.

Das Objektiv besteht aus drei voneinander isolierten, durchbohrten Elektroden 22, 24 und 26, wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich ist. Die zu untersuchende Probenoberfläche 16, die elektrisch leiten soll oder mit einem leitenden Belag versehen ist, wird dicht unter der Bohrung der objektseitigen Elektrode 22 angeordnet. Bei Verwendung eines aus Ionen bestehenden Primärstrahlbündels wird die Elektrode 26 zweckmäßig auf Erdpotential (U3 = 0) gelegt, die Elektrode 24 liegt auf Hochspannung (z. B. U₂ = -20 kV), die Elektrode 22 auf niedriger Spannung (z. B. Ui =-500 V) und die Probenoberfläche 16 auf dem Potential, das der Austrittsenergie der Sekundärteilchen entsprechen soll (z. B.

Uo=+ 1 kV).

Die hier als Beispiel gegebenen Potentialwerte gelten dann, wenn positive Sekundärteilchen untersucht werden sollen.

Die schematisch dargestellten Felder 28 und 30 zwischen den Elektroden 26 und 24 einerseits und 24 und 22 andererseits wirken als Sammellinsen. Durch geeignete Wahl des Verhältnisses von U2 zur Energie des Primärstrahlbündels 12 kann man erreichen, daß das Primärstrahlbündel durch die kombinierte Wirkung dieser beiden Linsen 24—26 bzw. 22—24 auf die Probenoberfläche 16 fokussiert wird, wie es in Fig.4 dargestellt ist. Dies läßt sich sowohl für positive als auch für negative Primärteilchen im Energiebereich zwischen etwa 5 und 25 kV erreichen. Zwischen den beiden Linsen befindet sich innerhalb der relativ dicken Elektrode 24 ein kurzer, feldfreier Raum. Hier ist eine Lochblende 32 mit einer feinen Öffnung angeordnet, die zur Begrenzung der Apertur des Primärstrahlbündels 12 dient. Die Anordnung der Aperturblende ist an dieser Stelle am günstigsten, weil so bei der rasterartigen Ablenkung des Primärstrahlbündels die Abweichung des Strahlenganges von der Linsenachse in beiden Linsen klein bleibt.

Für die vom fokussierten Primärstrahlbündel getroffenen Probenbereich 36 (Fig.4) ausgehenden Sekundärteilchen (bei dem erwähnten Beispiel also Ionen) wirken die leitende Oberfläche 16, die Elektroden 22 und die Elektrode 24 als elektrostatische Linse in Form eines Triodensystems, deren Feld durch geeignete Wahl des Potentials der Elektrode 22 so eingestellt werden kann, daß das vom Probenbereich 16 ausgehende Sekundärstrahlbündel in einen Überkreuzungsbereich fokussiert wird, der in der Ebene bzw. Öffnung 34 der Lochblende 32 liegt. Durch die Größe der Öffnung 34 ist

b=> der maximal mögliche Untersuchungsbereich auf der Probenoberfläche 16 festgelegt, also das Gesichtsfeld. Solange man jedoch innerhalb dieses Gesichtsfeldes bleibt, gelangen alle Sekundärteilchen mit mäßigen

Anfangsenergien durch die Blende 32 hindurch. Das Feld 28 zwischen den Elektroden 24 und 26 wirkt für die Sekundärionen als bremsende Immersionslinse, deren untere Brennebene mit der Ebene der Lochblende 32 zusammenfällt. Da das Sekundärstrahlbündel dort einen Überkreuzungsbereich hat, wird es durch diese Linse zu einem Parallelstrahlbündel gemacht. Durch die rasterartige Ablenkung des Primärstrahlbündels tritt eine entsprechende periodische Winkelauslenkung dieses Parallelstrahlbündels auf. Diese kann für die eine Ablenkkoordinate durch ein mit der raterablenkung synchronisiertes elektrisches Feld E zwischen zwei Hilfsablenkplatten 38 aufgehoben werden, so daß sich das austretende Sekundärstrahlbündel 40 (Fig.4) nur parallel zu sich selbst bewegt. Für die andere Koordinate des Rasterablenkung, die durch ein Feld zwischen Hilfsablenkplatten 42 kompensiert wird, gilt entsprechendes.

Es können sowohl positive als auch negative Primärteilchen verwendet werden und unabhängig davon können positive oder negetive Sekundärteilchen zur Analyse herausgeführt werden. Die Polung der Vorspannung an den Elektroden 22 und 24 und der Probenoberfläche 16 richtet sich nach dem Vorzeichen der verwendeten Sekundärteilchen. Sie werden so gewählt, daß diese zwischen der Oberfläche 16 und der Elektrode 24 beschleunigt werden. Bei Untersuchung von positiven Sekundärionen erhält also die Elektrode 24 eine negative Vorspannung bezüglich der Oberfläche 16 während bei der Untersuchung von negativen Sekundärionen oder Sekundärelektronen die Elektrode 24 positiv gegenüber der Oberfläche 16 sein muß. Die Bedingung, daß das Primärstrahlbündel auf die Probenoberfläche fokussiert sein muß, läßt sich in beiden Fällen und für Primärteilchen beider Vorzeichen (positive oder negative Ionen, Elektronen) immer durch geeignete Wahl ihrer Energie erfüllen.

Aus F i g. 2 ist ersichtlich, wie das Objektiv in mechanischer Hinsicht aufgebaut sein kann. Zur gegenseitigen elektrsichen Isolation der die drei Elektroden 22,24 und 26 bildenden Metallteile dient ein einziger Isolator 44, der einen flanschartigen Teil, das die Elektroden 22 und 26 gegeneinander isoliert und einen rohrartigen Teil mit nach innen einspringendem Rand aufweist, in dem die Elektrode 24 isoliert gelagert ist. Die Zuleitungen zu den Elektroden sind der Einfachheit halber nicht dargestellt. Der wirksame Teil der Elektrode 22 hat die Form einer verhältnismäßig dünnen Platte (Fig.3) während die Elektrode 24 demgegenüber verhältnismäßig dick ist. Die Bohrung der Elektrode 24 besteht aus einem objektseitigen, zylindrischen Teil 46 kleineren Durchmessers und einem sich daran anschließenden zylindrischen Teil 48 größeren Durchmessers. Auf der zwischen den beiden Teilen 46, 48 gebildeten Stufe liegt eine die Blende 3; bildende Scheibe. Die Elektrode 26 hat die Form eine Rohres, das ein etwas verengtes Ende aufweist und di( Hilfsablenkplatten 38, 42 enthält. Das Objektiv kann wie in Fig. 2 dargestellt ist, eine lichtmikroskopischi Einrichtung vom Schwarzschild-Typ zur Betrachtunj der Probenoberfläche 16 enthalten. Die Betrachtungs einrichtung enthält in an sich bekannter Weise einet ringförmigen Konkavspiegel 48, einen Konvexspiege 50, der eine Bohrung für die Teilchenstrahlbünde aufweist, und einen ebenfalls durchbohrten Umlenkspie gel 52. Der Verlauf des Lichtstrahlbündels 54 ist ir Fig.2 und 3 dargestellt. Die bekannten Betrachtungs einrichtungen dieser Art lassen sich bei der vorliegen den Mikrostrahlsonde jedoch wegen des kurzbrennwei tigen Objektivs und der dementsprechend kleiner Elektrodenabstände nicht ohne weiteres verwenden Bei der vorliegenden Mikrostrahlsonde wird da; Lichtstrahlbündel daher durch zwei spiegelnde Flächer 56 und 58, die durch die Oberseite der Elektrode 22 bzw die Unterseite der Elektrode 24 gebildet oder an dieser Elektroden angeordnet sein können, in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise umgelenkt, so daß es voit Konkavspiegel 48 durch die öffnung der Elektrode 2i gelangen kann. Die Elektrode 24 ist mit ringsektorför migen Aussparungen 60 für das Lichtstrahlbünde versehen.

Die Trennung des Primär- und Sekundärstrahlbün dels 12 bzw. 40 kann außerhalb des Objektiv; beispielsweise mittels eines Kugelkondensators 62 erfolgen, der das aus dem Objektiv 14 austrend« Sekundärstrahlbündel 40 vom Weg des Primärstrahl bündeis 12 ablenkt und z. B. Bestandteil eines doppelte kussierenden Massenspektrometer (siehe z. B. DT-OS 20 31 811) sein kann. Die äußere Platte des Kugelkon densators hat eine in der Richtung der Objektivachs« verlaufende Bohrung 64, durch die das Primärstrahlbün del 12 eintritt. Da die Energie des Primärstrahlbündel: 12 wesentlich höher ist als die des Sekundärstrahlbün dels 40, erfährt das Primärstrahlbündel entlang dei kurzen Stecke, die es durch den Kugelkondensator 6i läuft, nur eine geringe Ablenkung, die durch ein« entsprechende Vorspannung an dem Ablenkplattenpaai 20 kompensiert werden kann.

Die Linsenfelder 28 und 30 (F i g. 3) wirken auf da: Primärstrahlbündel wie ein zusammengesetztes Objek tiv, das bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein« Brennweite von etwa 5 mm hat. Die bekannter Mikrostrahlsonden, die mit Sekundärteilchenanalys« arbeiten, haben Brennweiten von mindestens 30 mm Die vorliegende Mikrostrahlsonde stellt also einer erheblichen Fortschritt gegenüber dem Stand dei Technik dar.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Mikrostrahlsonde zur quantitativen Erfassung von geladenen Sekundärteilchen mit einer Teilchenquelle, die ein im wesentlichen paralleles, ggf. auch etwas divergierendes Primärstrahlbündel erzeugt, einem mindestens eine teilchenoptische Linse enthaltenden Objektiv zur Fokussierung des Primärstrahlenbündels auf einen kleinen Probenbereich einer zu untersuchenden, elektrisch leitenden Oberfläche, und einer Elektrodenanordnung, durch die die Sekundärteilchen, die vom Primärstrahlbündel im Probenbereich erzeugt worden sind, zu einer Untersuchungseinrichtung gelangen, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv (14) zwei hintereinander geschaltete, rotaiionssymmetrische elektrostatische Linsen (24,26,28; 22,24,30) kurzer Brennweite sowie eine zwischen diesen angeordnete Lochblende (32) enthält; daß die Linsen und die zu untersuchende Oberfläche (16) bezüglich der Energie des Primärstrahlbündels (12) so bemessen und angeordnet sind, daß das Primärstrahlbündel durch die kombinierte Wirkung der elektrischen Felder der beiden Linsen auf den Probenbereich (36) fokussiert wird, wobei die Lochblende (32) als Aperturblende für das Primärstrahlbündel wirkt und gleichzeitig die im Probenbereich erzeugten Sekundärteilchen von der durch die Elektroden (22,24) der zweiten Linse und die leitende Oberfläche (16) gebildeten Linse (16, 22, 24) in die Öffnung (34) der Lochblende (32) fokussiert und durch die erste Linse (24, 26, 28) zu einem wenigstens annähernd parallelen Sekundärstrahlbündel (40) gesammelt werden, das das Objektiv (14) in einer dem Primärstrahlbündel im wesentlichen entgegengesetzten Richtung verläßt; und daß zwischen der Primärstrahlquelle (10) und dem Objektiv (14) eine Anordnung (62) zum Erzeugen eines Ablenkfeldes angeordnet ist, das das Primärstrahlbündel (12) und das Sekundärstrahlbündel (40) aufgrund der unterschiedlichen Energien der Teilchen dieser Bündel trennt

2. Mikrostrahlsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Linsen je eine äußere Elektrode (22 bzw. 26) und eine gemeinsame Mittelelektrode (24) enthalten, die einen im wesentlichen feldfreien Raum bildet, in dem die Lochblende (32) angeordnet ist.

3. Mikrostrahlsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Primärstrahlquelle (10) benachbarte Elektrode (26) der ersten Linse rohrförmig ist, daß die Mittelelektrode (24) die Form einer relativ dicken Platte hat, welche eine Bohrung mit einem der äußeren Elektrode der ersten Linse zugewandten zylindrischen Teil (48) größeren Durchmessers und einem sich daran anschließenden zylindrischen Teil (46) kleineren Durchmessers hat, und daß die äußere Elektrode (22) der zweiten Linse die Form einer durchbrochenen, relativ dünnen Platte hat.

4. Mikrostrahlsonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblende (32) zwischen den beiden zylindrischen Teilen (46,48) der Bohrung der Mittelelektrode (24) angeordnet ist.

5. Mikrostrahlsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Vorrichtung zur Ablenkung des Primärstrahlbündels, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Vorrichtung (18, 20) zur Ablenkung

des Primärstrahlbündels (12) zugewandten Seite des Objektivs (14) eine Hilfsablenkeinrichtung (38, 42) zur Kompensation der durch die Ablenkung des Primärstrahlbündels verursachten Ablenkung des Sekundärstrahlbündels (40) vorgesehen ist.

6. Mikrostrahlsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer lichtoptischen Einrichtung vom Schwarzschild-Typ zur Betrachtung der Probenoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß an der der Probenoberfläche 16 abgewandten Seite der äußeren Elektrode (22) der zweiten Linse und an der dieser Elektrode zugewandten Seite der anschließenden Elektrode (24) je eine spiegelnde Fläche (56, 58) zur Umlenkung des Lichtstrahlbündels (54) vorgesehen sind.