DE4009692A1 - Elektronendetektor fuer ein rasterelektronenmikroskop - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Elektronen­ detektor zur Verwendung in einem Rasterelektronenmikroskop, welcher Detektor rückgestreute Elektronen hoher und niedriger Energie wie auch Sekundärelektronen erfaßen kann. Sie basiert auf der Verwendung eines leitenden Films hoher Transparenz über der Oberfläche des De­ tektors, welcher Film bei Anlegen einer hohen positiven Spannung sta­ bil ist.

Die meisten Detektoren für rückgestreute Elektronen beruhen auf der Energie des Elektrons, um in dem Detektor ein Signal zu erre­ gen. Je höher die Energie des Elektrons ist desto größer ist der Sig­ nalausgang pro Elektron. Umgekehrt ergeben Elektronen niedriger Ener­ gie ein kleineres Signal. Schließlich kann ein Elektron eine so nied­ rige Energie haben, daß es nicht in der Lage ist, den leitenden Film zu durchdringen sowie die tote Schicht auf der Oberfläche und es kann überhaupt kein Signal mehr erregen. Dies begrenzt üblicherweise den unteren Energiepegel bis zu dem ein Detektor für rückgestreute Elek­ tronen arbeiten kann.

Es gibt zwei Methoden, die untere Begrenzung des Energiepe­ gels zu verbessern, der von einem Detektor für rückgestreute Elektro­ en erfaßbar ist. Eine Methode besteht darin, den Oberflächenfilm zu entfernen und damit den Energieverlust zu eliminieren, der auftritt, wenn er von einem Elektron niedriger Energie durchdrungen wird. Die zweite Technik besteht darin, eine positive Spannung an die aktive Oberfläche des Detektors anzulegen und damit die Energie eines Elek­ trons zu erhöhen, womit der Signalausgang des Detektors vergrößert wird.

Der Sekundärelektronendetektor beruht auf diesem Prinzip. Eine positive Spannung zieht sowohl Sekundärelektronen niedriger Energie quer zu ihr an und erhöht deren Energie von 1 bis 2 eV auf typischerweise +10 KV, was zu einem starken Signal führt, erzeugt durch Elektronen extrem niedriger Energie.

Um wirksam zu arbeiten, muß ein Detektor für rückgestreute Elektronen nahe dem Prüfling angeordnet werden und einen größeren Winkel relativ zum Prüfling einschließen. Typischerweise hat ein De­ tektor für rückgestreute Elektronen eine Oberfläche von zwischen 200 mm² bis über 2000 mm² und/oder definiert einen Winkel von mehr als 0,8 Steradian relativ zum Prüfling. Um ein gutes Signal von einem rückgestreuten Elektron niedriger Energie abzuleiten, muß eine posi­ tive Spannung an den Detektor angelegt werden und damit die Energie des Elektrons erhöht werden, so daß dieses schließlich ein größeres Signal erzeugt. Wenn jedoch einmal eine Spannung hinreichender Höhe, gewöhnlich mit einem Minimum von einigen hundert Volt, an die große Oberfläche des gleitenden Films auf der Oberfläche des Detektors an­ gelegt worden ist, wird er unstabil und führt zu einem Versagen des Detektors. Die folgende Erfindung bezieht sich auf die Verwendung ei­ nes Films auf der Oberfläche des Detektors, der stabil bleibt, wenn eine Spannung an ihn angelegt wird.

Elektronenmikroskopdetektoren für rückgestreute Elektronen nach dem Stand der Technik sind beschrieben in US-PS 42 17 495, und ein quantitativer Zusammensetzungsanalysator zur Verwendung mit Ra­ sterelektronenmikroskopen ist in US-PS 45 59 450 offenbart.

US-PS 42 17 495 bezieht sich auf einen Detektor mit einem Arm aus Scintillationsmaterial mit einem Loch, durch den ein Elektro­ nenstrahl verläuft, wobei das Loch mit einer entfernbaren an Masse liegenden Auskleidung versehen ist, um die Reinigung zu vereinfachen und Astigmatismusprobleme infolge Elektronenaufbau zu vermeiden.

US-PS 45 59 450 bezieht sich auf ein Analysesystem für ein Rasterelektronenmikroskop, das einen Detektor für rückgestreute Elek­ tronen aufweist. Der Ausgang des Detektors wird verstärkt, verarbei­ tet durch einen Analog-Digital-Umsetzer, Teil eines Mehrkanalanalysa­ tors, und Digitalumsetzung- und Verarbeitungsschaltkreise zum Erzeu­ gen eines Signals, das indikativ ist für den Atomzahltaktor des Prüf­ lings.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Fähigkeit von Me­ tallmaschengittern,Elektronen ohne Energieverlust durchzulassen, wäh­ rend zugleich eine leitende Oberfläche auf der Oberfläche des Detek­ tormaterials geschaffen wird, welche Oberfläche stabil ist bei Anle­ gen einer hohen Spannung. Das Gitter hat einen dreifachen Effekt. Er­ stens bildet es einen leitenden Schirm rings um das isolierende De­ tektormaterial, welcher Schirm das Aufbauen einer negativen Ladung verhindert und damit eine Verzerrung des Strahls unter Erzeugung von Astigmatismus im schließlichen Bild. Zweitens stellt es Massepoten­ tial bereit, was zu einiger Leitung der Elektronen von dem Detektor­ material zu dem Gitter führt und den Ladungsaufbau verringert. Drit­ tens ist es stabil bei Anlegen einer hohen Spannung.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Elek­ tronendetektor vorgeschlagen mit einem feinmaschigen Metallgitter na­ he seiner aktiven Oberfläche. Vorzugsweise ruht das feinmaschige Me­ tallgitter auf der Oberfläche des Detektors und wird an Ort und Stel­ le durch eine Hülse oder Klammer gehalten oder es wird im Abstand vom Detektor gehalten mit einer Distanz von bis zu 2 mm mittels irgendei­ ner geeigneten Hülse oder Klammer.

Bezüglich eines anderen Aspekts der Erfindung wird das Me­ tallgitter an der Oberfläche des Detektors zum Anhaften gebracht un­ ter Verwendung eines Scintillatorklebeprozesses oder eines Warm­ schmelzprozesses. Das Gitter wird vorzugsweise an Massepotential ge­ legt.

In einer anderen Ausführungsform des Detektors liegt das Me­ tallmaschengitter vorzugsweise auf einer festen oder variablen posi­ tiven Spannung derart, daß Elektronen quer zum Gitter angezogen wer­ den und ihnen demgemäß ermöglicht wird, durch das Detektormaterial zu passieren und so erkannt zu werden. Diese Spannung liegt in der Grö­ ßenordnung von +0,1 KV bis +10,0 KV.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Detektor einge­ schlossen innerhalb einer größeren Maschen- oder Gitterstruktur, an die eine Spannung angelegt werden kann, um Elektronen niedriger Ener­ gie anzuziehen oder abzustoßen.

Realisierungen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 stellt einen typischen Scintillationsdetektor dar;

Fig. 2 ist eine Zeichnung eines typischen Metallmaschengit­ ters der bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Verbesserungen, die durch Verwendung des Detektors gemäß vorliegender Erfindung erzielt werden können, und

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Verbesserungen bezüglich des Signalrauschverhältnisses des Detek­ tors gemäß vorliegender Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen typischen Scintillationselektronende­ tektor, bestehend aus einem speziell geformten Scintillator, der Elektronen auf seiner aktiven Oberfläche, die mit "A" bezeichnet ist, erkennen kann. Die Elektronen erregen Photonen in dem Scin­ tillationsmaterial, die dann einem Fotovervielfacher zugeführt werden oder einem äquivalenten Strahlungserkennungsgerät, positio­ niert an Punkt "B". Die Elektronen von der elektronenoptischen Säule des Elektronenmikroskops gelangen durch die mit "C" in der Zeichnung markierte Apertur, um auf den Prüfling, mit "D" mar­ kiert, aufzutreffen. Einige der Elektronen werden von dem Prüfling rückgestreut und bewegen sich weg, um durch den Scintillator er­ faßt zu werden. Wenn sie durch einen Metallfilm gelangen, der auf der Oberfläche des Scintillators angeordnet ist, verlieren sie et­ was ihrer Energie, bevor sie auf die Scintillatoroberfläche zwecks Erkennung auftreffen. Wenn die Elektronen nur eine Energie von 1 KeV haben, ist die Bremskraft des Metallfilmes derart, daß sie die meisten derselben daran hindern, den Scintillator zu erreichen und erfaßt zu werden. Infolgedessen haben solche Detektoren eine sehr geringe oder gar keine Erfassungswirksamkeit für diese rück­ gestreuten Elektronen niedriger Energie.

Fig. 2 zeigt typische Abmessungen eines geeigneten Metall­ maschengitters. Die Abmessungen dieses Gitters liegen zwischen
X 1=5 mm, X 1=0,01 mm, X 2=0,002 mm, X 2=2 mm
Y 1=5 mm, Y 1=0,01 mm, Y 2=0,002 mm, Y 2=2 mm
X 1 und X 2 müssen nicht notwendigerweise mit Y 1 bzw. Y 2 überein­ stimmen.

Das Gitter wird in irgendeiner Weise geformt einschließ­ lich jedoch nicht beschränkt auf gewebte Elektronenanordnungen, d.h. Leisten in nur einer Richtung, in zwei Richtungen verlaufend wie in der Zeichnung dargestellt oder in noch weiteren Richtungen.

Es kann aus irgendeinem leitenden Material bestehen, doch würden typischerweise Nickel, Gold, Kupfer oder Aluminium verwendet.

In der Praxis würde das Gitter Abmessungen haben von etwa: X 1=Y 1=0,33 mm, X 2=Y 2=0,024 mm, bestehend aus elektroge­ formtem Nickelmaschengitter MN-17, hergestellt durch Buckbee Mears, 245 East 6th Street, St. Paul, MN 55101, USA.

Die Hauptvorteile dieses Gitters bestehen darin, daß es eine hohe Elektronentransmission aufweist, nominell 90%, billiger ist als andere Materialien und die feinsten im Handel erhältlichen Strukturen aufweist. Je gröber das Material ist desto mehr zieht die ladende Ober­ fläche die Kraftlinien von dem Sekundärelektronendetektor an und ver­ ringert die Wirksamkeit des Detektors. Jenseits der Abstände in der Größenordnung von 5 mm ist das Gitter zu weit, um wirksam den Ladungs­ aufbau auf der Detektoroberfläche auszublenden, womit die Möglichkeit des Astigmatismus eingeführt wird.

Dieses Gitter wird so nah als möglich zur Oberfläche des Detek­ tors plaziert. Im Idealfalle sollte es an der Oberfläche des Detektors anliegen und in jedem Falle weniger als 2 mm von der Oberfläche des De­ tektormaterials entfernt sein. Es wird an Ort und Stelle durch irgend­ welche denkbaren Mittel gehalten einschließlich, jedoch nicht be­ schränkt auf Verkleben, Punktverschweißung, Verlötung oder mechanische Befestigung an der Detektorhaltehülse.

In einer anderen Ausführungsform wird das Gitter auf die Ober­ fläche des Scintillators aufgeheftet. Im Falle von Kunststoffscintilla­ tionsmaterial, typischerweise NE 102A (hergestellt von Nuclear Enter­ prises, Sighthill, Schottland) kann das Gitter zum Anhaften gebracht werden, indem man es auf die Oberfläche des Detektors auflegt und eine Lösung des Scintillatorkunststoffs in Toluol aufträgt oder flüssiges Toluol über Gitter und Scintillator. Die Flüssigkeit bildet eine Teil­ lösung auf der Oberfläche des Scintillators, in der das Gitter sich festsetzen kann. Nach Verdunstung des Toluols ist das Gitter fest zur Anhaftung an der Oberfläche des Scintallators gebracht.

Alternativ bringt man das Gitter zum Aufruhen auf der Oberflä­ che des Scintallators und es wird erwärmt unter Verwendung einer heißen Oberfläche. Das heiße Gitter schmilzt den Kunststoff und bewirkt, daß das Gitter in das Scintillatormaterial einschmilzt und in ähnlicher Weise anhaftet.

Die oben genannten Techniken sind empfohlene Verfahren für das Anbringen des Gitters an dem Scintillator. Das Anhaften kann erreicht werden durch irgendeinen anderen Prozeß, der nicht das Einwirkenlassen irgendwelches nicht scintillierenden Materials an der Oberfläche des Scintillators umfaßt. Dies beinhaltet das Aufbringen einer Schicht, durch die die Elektronen hindurchdringen müßten und würde infolgedessen dem Zweck der Verwendung eines Gitters entgegenwirken.

Es gibt zwei Situationen, bei denen das an dem Scintillator haftende Netz eine Rolle spielt. Im einen Falle liegt das Gitter auf Massepotential. In einer anderen Variation ist das Gitter vom Massepo­ tential isoliert und an ein Potential angeschlossen, das entweder fest­ gelegt sein kann oder veränderbar ist zwischen den Werten von +100 Volt bis +10 000 Volt.

Wenn eine positive Spannung an das metallische Maschengitter an­ gelegt ist, zieht es Elektronen niedriger Energie an. Die Form des elektrostatischen Feldes, gebildet durch das Anlegen der Spannungen be­ stimmt, daß viele Elektronen durch das Gitter gelangen und auf den ak­ tiven Bereich des Detektors auftreffen. Die erhöhte Energie der Elek­ tronen ermöglicht es ihnen, ein höheres Signal abzugeben als man sonst erreichen könnte, so daß man eine wirksamere Erfassung erhält.

Das Anlegen einer solchen Spannung an eine Erfassungsoberfläche deformiert sowohl die Form des auftreffenden Elektronenstrahls und er­ zeugt damit Astigmatismus oder zieht Sekundärelektronen an, die mit den rückgestreuten Elektronen niedriger Energie interferieren, die eigent­ lich erkannt werden sollen. Das Vorsehen eines zweiten Gitters, das entweder an Masse gelegt sein kann oder eine variable positive oder ne­ gative Spannung führt, kann diese Probleme überwinden.

Dieses zweite Gitter ist von der Oberfläche des ersten Gitters um mindestens 1 Millimeter und nicht mehr als 5 Millimeter entfernt. Es hat Abmessungen innerhalb des Bereiches, die oben bezüglich Fig. 2 ge­ nannt wurden, muß jedoch nicht dieselben Abmessungen haben wie das Git­ ter, das an dem Scintillator befestigt ist.

Fig. 3 illustriert die Verbesserungen bezüglich des Signals, die durch diesen Typ von Detektor erzielbar sind gegenüber einem übli­ chen mit einer Aluminiumschicht versehenen Scintillator. Die Kurve A zeigt das Signal von dem üblichen Detektor, dessen aktive Oberfläche mit einer Schicht von 100 Ångström Aluminium beschichtet ist. Die Kurve B zeigt die Verbesserung, die aus der Verwendung des Gitters herrührt anstelle der Aluminiumschicht. Die Kurven C und D illustrieren das Sig­ nal, erzielt durch Anlegen einer positiven Spannung von 3000 Volt. Die Kurve D enthält den Effekt der Sekundärelektronen, die zu dem rückge­ streuten Elektronensignal zuaddiert sind, erzeugt durch fehlendes An­ liegen einer negativen Spannung an das Gitter rings um das Scintilla­ tormaterial. Kurve C zeigt die Wirkung des Anlegens einer negativen Spannung zum Entfernthalten von Sekundärelektronen. Die vier Kurven A, B, C und D wurden abgeleitet unter Verwendung desselben Strahlstroms und derselben Verstärkungseinstellungen, wobei nur die Strahlbeschleu­ nigungsspannung variiert wurde.

Fig. 4 zeigt dies ausgedrückt im Signalrauschverhältnis. Die deutliche Verbesserung im Signalrauschverhältnis dieses Typs von Detek­ tor gegenüber bisher üblichen Detektoren für rückgestreute Elektronen bei niedrigen Strahlbeschleunigungsspannungen ist deutlich erkennbar. Die mit SE markierte Kurve zeigt das Signalrauschverhältnis, abgeleitet von einem Sekundärelektronendetektor unter den gleichen Bedingungen.

Es versteht sich, daß die spezielle Erwähnung von Scintillator­ material als Illustration für den Aufbau eines solchen Detektors nicht bedeutet, daß die obigen Ausführungen auf die Verwendung von Scintilla­ tionsmatieral beschränkt wären. Andere Erfassungsoberflächen wie eine Siliciumdiode oder andere Festkörperstrahlungsdetektormaterialien wer­ den von der vorliegenden Erfindung ebenfalls umfaßt.

Das Vorangehende beschreibt nur einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und Abwandlungen, die für den Fachmann auf der Hand liegen, können vorgenommen werden, ohne daß man vom Grundgedanken der vorliegenden Erfindung abweicht.

Claims (9)

1. Ein Elektronendetektor mit einer aktiven Oberfläche, nahe der ein feinmaschiges Metallgitter angeordnet ist.

2. Der Elektronendetektor nach Anspruch 1, bei dem das feinma­ schige Metallgitter auf der aktiven Oberfläche aufruht.

3. Der Elektronendetektor nach Anspruch 1, bei dem das feinma­ schige Metallgitter von der aktiven Oberfläche des Detektors beab­ standet ist.

4. Der Elektronendetektor nach Anspruch 3, bei dem das feinma­ schige Metallgitter von der aktiven Oberfläche einen Abstand von bis zu 2 mm aufweist.

5. Der Elektronendetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem das feinmaschige Metallgitter an Ort und Stelle durch Klemmittel gehalten ist.

6. Der Elektronendetektor nach Anspruch 2, bei dem das feinmaschige Metallgitter auf der aktiven Oberfläche des Detektors haftet unter Verwendung eines Scintillatorverklebungsprozesses oder eines Warm­ schmelzprozesses.

7. Der Elektronendetektor nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, bei dem das feinmaschige Metallgitter an Massepotential ange­ schlossen ist.

8. Der Elektronendetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das feinmaschige Metallgitter an einer festen oder variablen positiven Spannung im Bereich von +0,1 KV bis +10,0 kV angeschlossen ist.

9. Der Elektronendetektor nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, bei dem der Detektor in eine Gitterstruktur eingeschlossen ist, an die eine Spannung anlegbar ist, um Elektronen niedriger Energie anzuziehen oder zurückzustoßen.