CZ302974B6

CZ302974B6 - Filtr energie elektronu s magnetickými vychylovacími oblastmi a elektronový mikroskop

Info

Publication number: CZ302974B6
Application number: CZ20010483A
Authority: CZ
Inventors: Rose@Harald
Original assignee: Carl Zeiss Nts Gmbh
Priority date: 2000-02-08
Filing date: 2001-02-07
Publication date: 2012-02-01
Also published as: CZ2001483A3; DE10005347A1; EP1124251B1; DE50115805D1; EP1124251A3; US20020033455A1; US6559445B2; JP4897144B2; EP1124251A2; JP2001243910A

Abstract

Vynález se týká filtru energie elektronu s magnetickými vychylovacími oblastmi, které vychylují optickou osu (1) na vstupu filtru (3) energie do optické osy (1') na výstupu filtru (3) energie. Vychylovací oblasti obsahují první vychylovací oblast, druhou vychylovací oblast, tretí vychylovací oblast a ctvrtou vychylovací oblast. Všechny vychylovací oblasti vytvárejí spolecne celkové vychýlení paprsku o úhel 90.degree. až 210.degree.. První vychylovací oblast a ctvrtá vychylovací oblast jsou vždy vytvoreny dvoudílne ze dvou dílcích oblastí s vždy jednou prechodovou dráhou v prostoru bez magnetického pole mezi temito dílcími oblastmi. Elektronový mikroskop obsahuje takový filtr energie elektronu.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká filtru energie elektronů s magnetickými vychylovacími oblastmi, které vychyíují optickou osu na vstupu filtru energie do optické osy na výstupu filtru energie, přičemž vychylovací oblasti obsahují první vychylovací oblast, druhou vychylovací oblast, třetí vychylovací oblast a čtvrtou vychylovací oblast. Vynález se dále týká elektronového mikroskopu s filtrem io energie elektronů.

Dosavadní stav techniky

Zobrazovací filtry energie elektronů se používají u transmisních elektronových mikroskopů pro zlepšení kontrastu zobrazení objektů nebo difrakčních diagramů volbou elektronů určitého energetického rozsahu. Pomocí těchto filtračních systémů je rovněž možná registrace rozložení elementů a spekter ztrát energie.

2o Ze spisů DE 43 10 559, US 4 740 704 a US 4 760 261 jsou známé filtrační systémy, které jako disperzní elementy používají tri nebo čtyři homogenní nebo nehomogenní magnetická pole. Tyto filtry energie jsou přímohledné, to znamená, že optické osy drah dopadajících elektronů a drah vystupujících elektronů jsou navzájem koaxiální. Tyto přímohledné filtry energie mají výhodu v relativně jednoduché nastavitelnosti, protože celý zobrazovací systém před a za filtrem energie se může nejprve u vypnutého filtru energie předem nastavit. Tato výhoda je však vykoupena relativně velkou konstrukční výškou celého systému sestávajícího z elektronového mikroskopu a filtru energie, protože veškeré komponenty elektronové optiky jsou uspořádány v řadě v přímé optické ose. Z toho mohou vznikat, zejména při energii elektronů 200 keV a vyšší, a u filtrů potřebných při takové energii pro vysokou disperzi neboli rozklad, které jsou relativně velké a uspořádané vůči ose symetrie sloupce komponent elektronové optiky nesymetricky, problémy s mechanickou stabilitou.

Dále jsou například ze spisu US 4 851 670 známé filtry energie, které jako disperzní element obsahují jedinou usměrňovači neboli vychylovací oblast, která způsobuje vychýlení paprsku o 90°. Tento jediný disperzní usměrňovači element však vytváří relativně velké zobrazovací chyby, takže za tímto usměrňovacím elementem musí být zařazen velmi nákladný zobrazovací systém. Vychýlením optické osy prostřednictvím tohoto disperzního elementu o 90° a následným vodorovným průběhem optické osy za filtrem energie je sice možno konstrukční výšku snížit, avšak i u tohoto systému dochází rychle ke vzniku problému s mechanickou stabilitou, protože nákladný zobrazovací systém za filtrem energie způsobuje vlivem gravitace vznik příliš velkých momentů.

Ze spisu DE 198 38 600 B jsou dále známé filtry energie elektronů, které rovněž vytvářejí odchýlení optické osy o 90° mezi vstupem filtru a výstupem filtru, které však současně v důsled45 ku vícenásobného odchýlení paprsku do opačného směru mají symetrickou konstrukci vůči střední rovině. Touto symetrickou konstrukcí filtru energie je možno, jak známo, odstranit zobrazovací chyby uvnitř filtru energie, takže celkově vznikne lepší zobrazení. Avšak i u tohoto provedení způsobuje vodorovný průběh optické osy za výstupem filtru problémy s mechanickou stabilitou.

Ze spisu DE 35 32 326 je známý elektronový spektrometr pro analýzu nepružně rozptýlených elektronů v rastrovém transmisním elektronovém mikroskopu. Tento elektronový spektrometr obsahuje dva magnetické sektory uspořádané symetricky vůči jedné rovině, které odchylují elektronový paprsek vždy téměř o 90°.

-1 CZ 302974 B6

Podstata vynálezu

Úkolem vynáiezu je vytvořit filtr energie, zejména pro elektronové mikroskopy, který umožní dosažení malé konstrukční výšky celého systému, sestávajícího z elektronového mikroskopu a filtru energie, a který způsobí co nej menší problémy s mechanickou stabilitou. Dalším úkolem vynálezu je vytvořit filtr energie, u něhož budou zobrazovací chyby způsobené elektronovou optikou co nejmenší.

Uvedený prvně jmenovaný úkol splňuje filtr energie elektronů s magnetickými vychylovacími oblastmi, které vychylují optickou osu na vstupu filtru energie do optické osy na výstupu filtru energie, přičemž vychylovací oblasti obsahují první vychylovací oblast, druhou vychylovací oblast, třetí vychylovací oblast a čtvrtou vychylovací oblast, podle vynálezu, jehož podstatou je, že všechny vychylovací oblasti vytvářejí společně celkové vychýlení paprsku o úhel 150 až 210°, a že první vychylovací oblast a čtvrtá vychylovací oblast jsou vždy vytvořeny dvoudílně ze dvou dílčích oblastí s vždy jednou přechodovou dráhou v prostoru bez magnetického pole mezi těmito dílčími oblastmi.

Podle výhodného provedení vynálezu jsou magnetické vychylovací oblasti uspořádány symetricky vůči střední rovině, přičemž Helmholtzova délka filtru energie je větší než dvojnásobek střední hodnoty poloměrů vychýlení ve vychylovacích oblastech.

První vychylovací oblast a druhá vychylovací oblast jsou, až na změnu směru pro elektrony procházející filtrem energie, s výhodou vytvořeny symetricky vůči rovině symetrie.

Helmholtzova délka filtru je s výhodou větší než dvojnásobek střední hodnoty poloměrů vychýlení ve vychylovacích oblastech.

Další výhodná provedení vynálezu vyplývají jak z kombinace obou těchto provedení, tak i ze znaků v závislých nárocích.

Celkovým vychýlením optické osy mezi vstupem filtru a výstupem filtru větším než 90° vznikne u optické osy probíhající před vstupem filtru svisle směrem dolů za výstupem filtru optická osa probíhající šikmo vzhůru. Touto šikmo vzhůru probíhající optickou osou za výstupem filtru se sníží momenty, vznikající v důsledku gravitace, působící na komponenty elektronové optiky uspořádané za výstupem filtru. Optimální mechanické stability se tedy potom dosáhne přirozeně tím, když optická osa probíhá za výstupem filtru opět svisle, takže filtr způsobuje celkově vychýlení paprsku o 180°, přičemž odchylky od průběhu optické osy ± 30° od svislého průběhu ovlivňují mechanickou stabilitu negativně jen nepatrně. Hranice maximálního možného vychýlení je dána tím, že detektor zařazený za filtrem energie nemůže ležet nad filtrem energie v dráze paprsku elektronového mikroskopu a dráha paprsku vystupujícího z filtru energie nesmí protínat dráhu paprsku vstupujícího do filtru energie.

Aby se kromě mechanické stability udržovala na nízké hodnotě i neodstranitelná zobrazovací chyba filtru energie způsobená komponentami elektronové optiky, měl by být filtr energie jednak vytvořen symetricky vůči střední rovině a jednak by současně měla Helmholtzova délka odpovídat alespoň dvojnásobku, s výhodou alespoň trojnásobku nebo dokonce alespoň pětinásobku střední hodnoty poloměrů vychýlení ve vychylovacích oblastech. Helmholtzova délka je přitom vzdálenost mezi dvěma rovinami zobrazenými filtrem energie v zobrazovacím měřítku 1:1 ve vstupní oblasti filtru energie nebo před ní. Jedna z těchto obou rovin na vstupní straně, vstupní chybová rovina se přitom zobrazí disperzně v zobrazovacím měřítku 1:1 do takzvané disperzní roviny, a druhá z těchto obou rovin, vstupní obrazová rovina, se zobrazí achromaticky v zobrazovacím měřítku 1:1 do takzvané výstupní obrazové roviny.

Symetrickým vytvořením filtru energie zmizí, jak známo, část chyb 2. řádu filtru energie. Kombinací s Helmholtzovou délkou, která je ve srovnání s poloměry vychýlení - nebo se střední hod-2CZ 302974 B6 notou poloměrů vychýlení při různých poloměrech vychýlení - uvnitř filtru energie dlouhá, vznikne uvnitř filtru energie malý průměr svazku, čímž se opět dosáhne toho, že i neodstraňitelné chyby zobrazení vyšších řádů zůstanou malé.

Helmholtzova délka, která odpovídá alespoň pětinásobku poloměru vychýlení nebo střední hodnotě poloměrů vychýlení, je přitom zvlášť vhodná pro elektronové mikroskopy s prohlížecí hlavou - při pohledu ve směru pohybu elektronů - předfiltrem energie, protože Helmholtzova délka potom odpovídá přibližně obvyklé konstrukční délce prohlížecí hlavy, to znamená vzdálenosti poslední projekční čočky před prohlížecí hlavou a fluorescenčním stínítkem nebo detektorem.

S výhodou se v první vychylovací oblasti provede vychýlení paprsku o úhel, který je větší než 135°. Filtr energie má v důsledku malých délek drah v magnetickém poli, které jsou s tímto provedením spojeny, velmi vysokou disperzi.

Dále je výhodné, když první a poslední vychylovací oblast sestávají vždy ze dvou magnetických dílčích oblastí, které jsou od sebe odděleny přechodovou drahou, přičemž úhel vychýlení v první dílčí oblasti za vstupem filtru a v poslední dílčí oblasti před výstupem filtru odpovídá úhlu vychýlení obou středních dílčích oblastí. Současně by tato přechodová dráha mezi druhou dílčí oblastí první vychylovací oblasti a druhou vychylovací oblastí měla odpovídat přechodové dráze mezi první a druhou dílčí oblastí první vychylovací oblasti. Tím je možno ještě zvýšit symetrii dráhy paprsků v každé z obou navzájem symetrických polovin filtru energie. Tím vzniknou celkově přídavné průběhy paprsků blížící se ose, a tudíž menší chyby vyššího řádu.

Aby se dosáhlo vysoké míry symetrie, měly by být obě střední vychylovací oblasti od sebe odděleny přechodovou drahou, jejíž délka odpovídá dvojnásobku vzdálenosti mezi vstupní ohybovou rovinou před filtrem energie a výstupním okrajem první vychylovací oblasti. Filtr energie má potom dvojitou symetrii, to znamená, že každá zobou navzájem symetrických polovin filtru energie je sama opět symetrická vůči střední rovině obou polovin, alespoň pokud se týká zaostřovacího účinku magnetických polí v magnetech. Protože zaostření vytvářené magnetickými polije vždy čtvercem vychýlení vytvářeného příslušným magnetickým polem, je pro dvojitou symetrii filtru energie nevýznamné, když obě poloviny filtru energie samotné jsou opět symetrické až na různé znaménko vychýlení.

Aby se dosáhlo celkově vysoké disperze, neboli rozptylu, při současném kompaktním vedení paprsku, měl by být úhel vychýlení v každé z obou dílčích oblastí první vychylovací oblasti a přirozeně i v obou k ní symetrických dílčích oblastech poslední vychylovací oblasti - větší nebo roven 90°. Úhel vychýlení v první dílčí oblasti první vychylovací oblasti má přitom hodnotu s výhodou dokonce mezi 110° a 120°, ideálně asi 115°. Kombinace vychýlení paprsku 115° v první dílčí oblasti s vychýlením 90° v druhé dílčí oblasti první vychylovací oblasti přitom poskytuje maximální disperzi. Další zvýšení úhlu vychýlení je možné jen s většími přechodovými drahami mezi oběma dílčími oblastmi první vychylovací oblasti, protože jinak mezi druhou vychylovací oblastí a komponentami elektronové optiky elektronového mikroskopu nastávají prostorové problémy s místem.

Podle zvlášť výhodného provedení je filtr energie celkově vytvořen jako teleskopický nebo kvazi teleskopický systém. Kvazi teleskopickým je filtr energie přitom tehdy, když poměr ohniskové vzdálenosti objektivu vůči Helmholtzově délce filtru energie přibližně odpovídá Číselné apertuře objektivu. Toho se dosáhne tehdy, když je Helmholtzova délka větší nebo rovna desetinásobku poloměru vychýlení nebo střední hodnotně poloměrů vychýlení. I tím, jak se ukázalo, je možno udržovat na malé hodnotě celkově vzniklé chyby zobrazení, protože chyby zobrazení vyšší než 2. řádu zůstávají malé.

Aby bylo možno celkově korigovat chyby zobrazení 2. řádu, je výhodné uspořádat v přechodových drahách mezi jednotlivými vychylovacími oblastmi a dílčími oblastmi vždy šestipóly, které

- 3 CZ 302974 B6 jsou přirozeně uspořádány v obou symetrických polovinách filtru energie vůči sobě symetricky. Tyto šest i póly slouží ke korekci chyb zobrazení 2. řádu.

V části vychylovacích oblastí má filtr energie podle vynálezu s výhodou nehomogenní magnetic5 ké pole.

Filtr energie zobrazuje rovinu na vstupní straně, vstupní ohybovou rovinu, disperzní do jedné volně přístupné roviny na výstupní straně, disperzní rovinu nebo selektivní rovinu. V rovině symetrie filtru energie přitom vznikne páskové ohnisko, to znamená obraz vstupní ohybové rovíio ny zaostřený jen v jednom směru.

Protože filtr energie působí celkově jako teleskopický systém, měl by se při použití v transmisním elektronovém mikroskopu v od filtru odvrácené ohniskové rovině poslední magnetické čočky ležící před filtrem vytvářet reálný meziobraz objektu nebo zdroje - podle toho, zda má být is zobrazen energeticky filtrovaný obraz objektu nebo ohybový diagram objektu.

Objasněni výkresů

Vynález bude dále blíže objasněn na příkladech provedení podle přiložených výkresů, na nichž obr. 1 znázorňuje schematicky filtr energie podle vynálezu v kombinaci s transmisním elektronovým mikroskopem, obr. 2 ve zvětšeném měřítku filtr energie z obr. 1, obr. 3a a 3b základní dráhy uvnitř filtru energie z obr. 2 v rovině vyobrazení obr. 2 (obr. 3a) a v rovině kolmé k rovině vyobrazení obr. 2 (obr. 3b), obr. 3c disperzní dráhu ve filtru energie z obr. 2, obr. 4 schematicky další příkladné provedení filtru energie podle vynálezu, obr. 5a, 5b, 5c, 5d, 5e základní dráhy ve filtru energie podle obr. 4 a obr. 6 řez filtrem energie s osmi vychylovacími oblastmi a úplnou dvojitou symetrií.

Příklady uskutečnění vynálezu

Transmisní elektronový mikroskop, znázorněný na obr. 1, má celkově jedno vedení optické osyl, které v podstatě odpovídá vedení tvaru velkého písmene J. V části předřazené filtru 3 energie - viděno ve směru postupu paprsku - má zobrazovací systém elektronové optiky téměř běžné provedení se zdrojem 2 elektronů a s vícestupňovým, s výhodou čtyřstupňovým, konden45 zorem, sestávajícím ze tří jednotlivých magnetických čoček 4a, 4b, 4c a ze za nimi zařazené kondenzorové-objektivové čočky 6 o jednom poli. Pro snímání zkoumaného preparátu je ve výšce mezery pólového nástavce kondenzorové-objektivové čočky 6 o jednom poli uspořádán úhloměr neboli goniometr 5. Kondenzorová-objektivová čočka 6 o jednom poli plní u tohoto uspořádání dvojí funkci, přičemž slouží jednak společně se třemi jednotlivými magnetickými čočkami, uspo50 řádanými mezi zdrojem 2 elektronů a kondenzorovou—objektivovou čočkou 6 o jednom poli, pro prosvětlení roviny preparátu a jednak současně jako objektiv pro zvětšené vyobrazení roviny preparátu.

Za kondenzorovou-objektivovou čočkou 6 o jednom polije uspořádán vícestupňový zobrazovací systém, sestávající s výhodou ze čtyř jednotlivých magnetických čoček 7, 8, 9,10. Tento zvětšu-4CZ 302974 B6 jící zobrazovací systém je přitom v činnosti tak. že se zobrazuje obraz zdroje 2 elektronů, přesněji řečeno přechod zdroje 2 elektronů, nebo rovina preparátu do vstupní ohybové roviny 12 fíltru 3 energie. Filtr 3 energie zobrazuje tuto vstupní ohybovou rovinu 12 disperzně stigmaticky do selektivní roviny 13. Současně zobrazuje zobrazovací systém elektronové optiky buď přechod zdroje 2 elektronů (u ohybových diagramů objektů) nebo rovinu preparátu (pri energeticky filtrovaném zobrazení objektu) na nekonečno. Poslední reálný meziobraz preparátu v případě energeticky filtrovaného zobrazení objektu - popřípadě přechodu zdroje 2 elektronů v případě snímání ohybových diagramů objektů - před filtrem 3 energie proto vznikne v od filtru 3 energie odvrácené ohniskové rovině JJ. poslední magnetické čočky JO zobrazovacího systému elektronové io optiky uspořádané před filtrem 3 energie. Jinými slovy, podle požadovaného zvětšení se buzení magnetické čočky 10 před filtrem 3 energie nastaví tak, aby se poslední meziobraz vytvořený podle polohy předřazeného zvětšujícího zobrazovacího systému, sestávajícího z magnetických čoček 7, 8, 9, shodoval s ohniskovou rovinou JJ. poslední magnetické čočky JO uspořádané před filtrem 3 energie.

Filtr 3 energie působí jako afokální, neboli bezohniskový, systém elektronové optiky, takže paprsky vstupující paralelně vystupují z filtru 3 energie opět paralelně, to znamená, že Helmholtzova délka filtru 3 energie je nekonečná. Filtr 3 energie přitom vychyluje optickou osu - kromě přídavných dalších mezilehlých vychýlení uvnitř filtru 3 energie - celkově o 180°, takže výstupní optická osa 1 \ vystupující z filtru 3 energie, je vůči vstupní optické ose I paralelně přesazena. Toto přesazení mezi vstupní optickou osou 1 a výstupní optickou osou JJ přitom činí s výhodou asi 0,6 až 1 m.

Ve směru výstupní optické osy JJ, směřující svisle vzhůru, jsou za výstupem filtru 3 energie uspořádány dvě další elektronové čočky 14, 15, kterými se na detektoru J6 zobrazují volitelně buď v případě energeticky filtrovaného zobrazení objektu paprsky vystupující z filtru 3 energie nebo, v případě snímání ohybových diagramů objektů, se na detektoru 16 zobrazí selektivní rovina JJ3. Detektor 16 je přitom vytvořen jako jednorozměrný nebo dvourozměrný detektor elektronů, takže je možno snímat i větší spektra.

Provedení filtru 3 energie je znázorněno ještě jednou na obr. 2 ve zvětšeném měřítku. Filtr 3 energie sestává celkově ze šesti sektorových magnetů 23, 24, 25, 26, 27, 28, vychylujících optickou osu paprsku elektronů, z nichž oba první sektorové magnety 23, 24 tvoří první vychyl ovací oblast, třetí sektorový magnet 25 tvoří druhou vychyl ovací oblast, čtvrtý sektorový magnet 26 tvoří třetí vychyl ovací oblast a oba poslední sektorové magnety 27, 28 tvoří čtvrtou vychyl ovací oblast. Třetí a čtvrtá vychylovací oblast, sestávající ze sektorových magnetů 26, 27, 28, jsou přitom uspořádány zrcadlově symetricky k oběma prvním vychylovacím oblastem, sestávajícím ze sektorových magnetů 23, 24, 25, takže filtr 3 energie má celkově symetrické provedení vůči střední rovině Μ. V případě, že má být korigována pouze chyba otvoru v selektivní rovině J3 filtru 3 energie, mohou první a čtvrtá vychylovací oblast sestávat vždy jen z jediného sektorového magnetu. Pokud je žádoucí provést i korekci chyby zobrazení 2. řádu v obrazové rovině, neboli detektoru J_6, je výhodné, jak je znázorněno na obr. 2, rozdělit první vychylovací oblast do dvou dílčích oblastí s vždy jedním odděleným sektorovým magnetem 23, 24 a přechodovou dráhou, ležící mezi nimi, v prostoru bez magnetického pole. V posledním případě je na základě symetrie filtru 3 energie samozřejmě nutno provést odpovídající oddělení čtvrté a poslední vychylovací oblasti do dvou sektorových magnetů 27, 28.

V přechodové dráze mezi oběma dílčími oblastmi první vychylovací oblasti jsou uspořádány šesti pól ové korektory Hl, H2, v přechodové dráze mezi druhou dílčí oblastí první vychylovací oblasti a druhou vychylovací oblastí jsou uspořádány dva další šest i pólové korektory H3, H4. Tyto šestipólové korektory Hl, H2, H3, H4 slouží ke korekci zobrazovacích chyb 2. řádu v koncové obrazové rovině, neboli detektoru 16. Na základě symetrie vůči střední rovině M jsou mezi třetí vychylovací oblastí, tvořené sektorovým magnetem 26, a první dílčí oblastí poslední vychylovací oblasti, tvořené sektorovým magnetem 27, uspořádány dva další šestipólové korek5? tory H8, H9. Další šestipólový korektor H5 je uspořádán mezi druhou vychylovací oblastí, tvoře-5 CZ 302974 B6 nou sektorovým magnetem 25, a třetí vychy(ovací oblastí tvořenou sektorovým magnetem 26 ve střední rovině M.

Přechodová dráha mezi výstupem z druhé dílčí oblasti první vychylovací oblasti, tvořené sektorovým magnetem 24, a vstupem elektronového paprsku do druhé vychylovací oblasti, tvořené sektorovým magnetem 25, je u filtru 3 energie na obr. 2 identická s přechodovou dráhou mezi oběma dílčími oblastmi, tvořenými sektorovými magnety 23, 24 první vychylovací oblasti. Kromě toho jsou současně identické vychylovací úhly φΐ v první dílčí oblasti, tvořené sektorovým magnetem 23, první vychylovací oblasti a v druhé vychylovací oblasti, tvořené sektorovým magnetem 25. Těmito oběma opatřeními vznikne další symetrizace. Vytvoření filtru 3 energie mezi střední rovinou S3 ve druhé vychylovací oblasti, tvořené sektorovým magnetem 25, kolmé k optické ose, a střední rovinou S4 první dílčí oblasti, tvořené sektorovým magnetem 23 první vychylovací oblasti, kolmé k optické ose, je proto zrcadlově symetrické vůči střední rovině SJ. druhé dílčí oblasti, tvořené sektorovým magnetem 24, první vychylovací oblasti, kolmé k optické ose. Na základě symetrie celého filtru vůči střední rovině M vznikne samozřejmě analogická dílčí symetrie relativně vůči střední rovině S2 první dílčí oblasti, tvořené sektorovým magnetem 27, poslední vychylovací oblasti, kolmé k optické ose. Zbylé úseky v každé polovině filtru 3 energie mezi vstupní ohybovou rovinou a střední rovinou S4 první dílčí oblasti první vychylovací oblasti, jakož i mezi střední rovinou S3 druhé vychylovací oblasti a střední rovinou M se liší pouze z hlediska směrů vychýlení, avšak nikoli z hlediska velikosti vychýlení. Protože zaostření vytvořené magnetickými polije čtvercem vychýlení, a tudíž na směru vychýlení nezávislé, vznikne pro průběhy drah celkem v první polovině filtru 3 energie navíc symetrie vůči střední rovině Sl druhé dílčí oblasti první vychylovací oblasti a v druhé polovině symetrie vůči střední rovině S2 první dílčí oblasti čtvrté vychylovací oblasti. Filtr 3 energie je proto - až na rozdíl ve směrech vychýlení - dvojitě symetrický. Touto přídavnou dílčí symetrií se společně s velkou Helmholtzovou délkou způsobí, že veškeré dráhy elektronů probíhají relativně blízko osy, takže chyby vyššího řádu zůstávají malé.

Bez šestipólových korektorů H1 až H8 by u filtru 3 energie, znázorněného na obr. 2, bylo nutno znaménka a chybu otvoru 2. řádu v selektivní rovině 13 na obr. 1 korigovat. Přídavnými šestipólovými korektory H1 až H8 je možno korigovat veškeré chyby druhého řádu jak v achromatické obrazové rovině, tak i v selektivní rovině 13.

Vzdálenost 2g mezi druhou vychylovací oblastí, tvořenou sektorovým magnetem 25, a třetí vychylovací oblastí, tvořenou sektorovým magnetem 26, má pro vytvoření symetrie hodnotu dvojnásobku vzdálenosti g mezi vstupní ohybovou rovinou 12 a vstupním okrajem první vychylovací oblasti, tvořené sektorovým magnetem 23.

Výhodný příklad provedení filtru 3 energie podle obr. 2 má následující konstrukční data:

Kl = 0,7906 k2 = 0,7929 μΙ = 0,6123 μ2 = 0,6094 g = 0,5809 R a= 1,736 R D- 7,296 R/E0 s — 1,32 R A = 8,46 R.

Přitom κΐ je normovaná bezrozměrová intenzita magnetického zaostření kolmo k rovině vyobrazení obr. 2 prvního sektorového magnetu 23, druhého sektorového magnetu 24, třetího sektorového magnetu 25, čtvrtého sektorového magnetu 26 a šestého sektorového magnetu 28, μΐ je

-6CZ 302974 B6 normovaná bezrozměrová intenzita magnetického zaostření kolmo k rovině vyobrazení obr. 2 druhého sektorového magnetu 24 a pátého sektorového magnetu 27, κ2 je normovaná bezrozměrová intenzita magnetického zaostření v rovině vyobrazení obr. 2 prvního sektorového magnetu 23, třetího sektorového magnetu 25, čtvrtého sektorového magnetu 26 a šestého sektorového magnetu 28, μ2 je normovaná bezrozměrová intenzita magnetického zaostření v rovině vyobrazení obr. 2 druhého sektorového magnetu 24 a pátého sektorového magnetu 27, gje vzdálenost mezi disperzní neboli selektivní rovinou ]_3 a výstupním okrajem posledního sektorového magnetu 28, respektive mezi vstupní ohybovou rovinou 12 a vstupním okrajem prvního sektorového magnetu 23, aje volná přechodová dráha mezi oběma dílčími oblastmi, tvořenými sektorovými to magnety 23, 24, první vychylovací oblasti a mezi druhou dílčí oblastí první vychylovací oblasti a druhou vychylovací oblastí tvořenou sektorovým magnetem 25. D je disperze, sje minimální vzdálenost mezi optickými osami v druhém sektorovém magnetu 24 a v pátém sektorovém magnetu 27, Aje vzájemná vzdálenost obou optických os 1, Ji před vstupem do filtru 3 energie a po výstupu z filtru 3 energie. R je poloměr vychýlení optické osy, identický pro všechny sektorové magnety 23 až 28, a E0 je energie elektronů, které se šíří ve filtru 3 energie na optické ose. U příkladného provedení, znázorněného na obr. 2, činí vychylovací úhel φ_1_ v prvním sektorovém magnetu 23 a třetím sektorovém magnetu 25 vždy 115° a v druhém sektorovém magnetu 24 90°. Normované bezrozměrné intenzity kí a μΐ čtyřpólů jsou přitom definovány vztahy

V obou těchto vztazích označuje R poloměr zakřivení optické osy uvnitř sektorového magnetu. U urychlovací napětí elektronů, e elementární náboj a m hmotu elektronů. Intenzita magnetického čtyřpólů je přitom gradientem hustoty magnetického toku přenášené energie kolmo ke střední rovině v optické ose.

Intenzity κΐ, κ2 a μΐ, μ2 zaostření mohou být docíleny dvěma různými cestami, a to buď nehomogenními magnetickými poli, jak je popsáno ve spise US 5 449 914 nebo v článku H. Rose, D.

Krahl „Electron Optics of ímaging Energie Filters in Springer Series in Optical Science, svazek 71, strany 57 a dále, nakladatelství Springer Verlag 1995, nebo vhodnou volbou sklonu vstupního a výstupního okraje sektorových magnetů 23 až 28 vůči optické ose, jak je popsáno například v Časopise Optik, svazek 54, č. 3, strany 235-250.

U příkladného provedení, znázorněného na obr. 2, u něhož jsou všechny vstupní a výstupní okraje sektorových magnetů 23 až 28 kolmé k optické ose, respektive optická osa je vždy lokálně kolmá ke vstupnímu a výstupnímu okraji příslušného sektorového magnetu 23 až 28, jsou první sektorový magnet 23 první vychylovací oblasti a oba střední sektorové magnety 25,26 a poslední sektorový magnet 28 poslední vychylovací oblasti vytvořeny kuželovité podle spisu

USA 5 449 914.

Základní dráhy filtrem 3 energie podle obr. 2 s výše uvedenými konstrukčními daty v první polovině filtru 3 energie, tedy mezi vstupní ohybovou rovinou 12 a střední rovinou M, jsou znázorněny na obr. 3a a 3b pro elektrony s energií 200 keV. Další průběh základních drah druhou polovi45 nou filtru 3 energie až k disperzní neboli selektivní rovině 13 vznikne odpovídajícím zrcadlovým provedením průběhu základních drah v první polovině filtru 3 energie. Jak je vidět na základních drahách na obr. 3a a 3b, vzniknou ve střední rovině M dvě pásková ohniska, a sice jedno páskové ohnisko vstupní ohybové roviny 12 a jedno páskové ohnisko vstupní obrazové roviny li. Páskové ohnisko vstupní ohybové roviny 12 leží přitom ve střední rovině se směrem rozložení pásku

-7CZ 302974 B6 v rovině obsahující optickou osu, páskové ohnisko ve vstupní obrazové rovině leží naproti tomu se směrem rozložení pásku kolmo k rovině obsahující optickou osu. Další páskové ohnisko vstupní ohybové roviny 12 kolmo k řezu x-z, tedy se směrem rozložení pásku kolmo k rovině obsahující optickou osu, vznikne mezi první a druhou vychylovací oblastí. Filtr 3 energie má při primární energii elektronů EO = 200 keV při osové vzdálenosti A mezi vstupní optickou osou i a výstupní optickou osou Γ.⁰ velikosti 0,6 m disperzi 3,3 pm na eV.

Na obr. 4 je znázorněno druhé příkladné provedení vynálezu, které sestává ze šesti sektorových magnetů 3J. až 36, které vytvářejí vždy vychýlení paprsku o 90°. I u tohoto provedení je filtr 3 energie vytvořen symetricky vůči střední rovině M. Oba první sektorové magnety 31, 32 a oba poslední sektorové magnety 35, 36 tvoří i v tomto případě opět společnou vychylovací oblast, která v součtu způsobí vždy vychýlení o 180°. Součet všech šesti sektorových magnetů 31 až 36 vytvoří celkové vychýlení optické osy mezi vstupní stranou filtru 3 energie a výstupní stranou filtru 3 energie o 180°. Délka a přechodových drah vždy mezi dvěma vychylovacími oblastmi je u tohoto příkladného provedení identická a činí vždy dvojnásobek vzdálenosti disperzní roviny 43 od výstupního okraje posledního sektorového magnetu 36, respektive vzdálenosti mezi vstupní ohybovou rovinou 42 a vstupním okrajem prvního sektorového magnetu 31. I u tohoto příkladného provedení jsou mezi vychylovacími oblastmi uspořádány vždy Šesti pólové korektory Hl, H2, H3, sloužící pro korekci chyb druhého řádu v zobrazení. Navíc jsou dva další šestipólové korektory H4 uspořádány před vstupním okrajem prvního sektorového magnetu 31 a za výstupním okrajem posledního sektorového magnetu 36.

filtr 3 energie, znázorněný na obr. 4, je dvojitě symetrický, to znamená, že každá z obou symetrických polovin je opět-až na rozdíl ohledně směrů vychýlení - provedena symetricky vůči střední rovině druhého sektorového magnetu 32, respektive pátého sektorového magnetu 35, kolmé k optické ose.

Takový filtr energie může mít následující konstrukční data:

Intenzita magnetického zaostření sektorových magnetů kolmo k rovině vyobrazení (řezy z): κ = 0,5573, intenzita magnetického zaostření v rovině vyobrazení (řez xx):

μ= 0,8303, disperze D= 4,351 R/EO, volná přechodová dráha mezi sektorovými magnety a - 0,6577 R.

Přitom R je opět poloměr vychýlení optické osy stejný pro všech šest sektorových magnetů 31 až 36. Takový filtr energie má při vzdálenosti A = 8R = 0,6 m mezi vstupní optickou osou a výstupní optickou osou disperzi 1,95 pm na eV při energii elektronů E0 = 200 keV.

U příkladného provedení, znázorněného na obr. 4, u něhož optická osa probíhá ke vstupním a výstupním okrajům jednotlivých sektorových magnetů 31 až 36 kolmo k těmto vstupním a výstupním okrajům, se intenzity magnetického zaostření opět vytvářejí příslušnými nehomogenními magnetickými poli.

Průběhy základních drah v první polovině filtru energie, tedy mezi vstupní ohybovou rovinou 42 a střední rovinou M, jsou znázorněny na obr. 5a, 5b, 5c, 5d. Disperzní dráha ?oc je znázorněna na obr. 5e. Jak je možno i v tomto případě z fundamentálních drah seznat, vzniknou i u tohoto filtru energie ve střední rovině dvě pásková ohniska, a sice jedno páskové ohnisko v obrazové rovině a další páskové ohnisko ve vstupní ohybové rovině.

Filtr energie, znázorněný na obr. 6, má celkem šest sektorových magnetů, z nichž - uvažováno ve směru průchodu paprsku - první, čtvrtý, pátý a osmý sektorový magnet způsobují vždy vychýlení o 135° a zbylé sektorové magnety vždy vychýlení o 90°. Celkové vychýlení optické osy činí

-8CZ 302974 B6 i u tohoto příkladu provedení 180°. Filtr energie je symetrický vůči střední rovině Zm a každá zobou navzájem symetrických polovin je provedena symetricky vždy k jedné rovině Zsí, Zs2 symetrie, takže i tento filtr energie má dvojitou symetrii. Sestává v podstatě ze dvou za sebou zařazených filtrů energie, z nichž každý způsobuje vychýlení optické osy o 90°.

U příkladných provedení popsaných podle obr. 2 a 4 je Helmholtzova délka vždy nekonečná. Výsledků, kterých má být podle vynálezu dosaženo, je však možno uspokojivě dosáhnout i tehdy, když jsou realizovány kratší Helmholtzovy délky, pokud jsou ještě dostatečně velké vůči poloměrům vychýlení.

io

U obou příkladných provedení popsaných podle přiložených výkresů jsou poloměry vychýlení ve všech sektorových magnetech vždy identické. Pri dodržení dvojité symetrie je však rovněž možné zvolit různé poloměry vychýlení. Dvojitá symetrie může být například zachována i tehdy, když u příkladného provedení podle obr. 2 jsou poloměry vychýlení ve druhé dílčí oblasti, tvoře15 né sektorovým magnetem 24, první vychylovací oblasti a v první dílčí oblasti třetí vychylovací oblasti, tvořené sektorovým magnetem 27, stejné, avšak odlišné od poloměrů vychýlení v ostatních vychylovacích oblastech, tvořených sektorovými magnety 25, 26, a dílčích oblastech, tvořených sektorovými magnety 23, 28.

Filtr energie podle vynálezu se používá s výhodou jako takzvaný „filtr ve sloupci“, který je integrován do sloupce elektronového mikroskopu, přičemž za filtrem energie je dodatečné zvětšení o faktor alespoň stokrát. V úvahu však připadá použití i jako takzvaný „filtr za sloupcem“ s ještě mírnějším dodatečným zvětšením za výstupem filtru energie.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Filtr energie elektronů s magnetickými vychylovacími oblastmi, které vychylují optickou osu (1) na vstupu filtru (3) energie do optické osy (Γ) na výstupu filtru (3) energie, přičemž vychylovací oblasti obsahují první vychylovací oblast, druhou vychylovací oblasti, třetí vychylovací oblast a čtvrtou vychylovací oblast, vyznačující se tím, že všechny vychylovací

35 oblasti vytvářejí společně celkové vychýlení paprsku o úhel 150° až 210°, a že první vychylovací oblast a čtvrtá vychylovací oblast jsou vždy vytvořeny dvoudílně ze dvou dílčích oblastí s vždy jednou přechodovou dráhou v prostoru bez magnetického pole mezi těmito dílčími oblastmi.
2. Filtr energie elektronů podle nároku 1, vyznačující se tím, že magnetické vychy40 lovací oblasti jsou uspořádány symetricky vůči střední rovině (M).
3. Filtr energie elektronů podle nároku 2, vyznačující se tím, že první vychylovací oblast a druhá vychylovací oblast jsou, až na změnu směru pro elektrony procházející filtrem (3) energie, vytvořeny symetricky vůči rovině (Sl) symetrie.
4. Filtr energie elektronů podle jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že Helmholtzova délka filtru (3) energie je větší než dvojnásobek střední hodnoty poloměrů vychýlení ve vychylovacích oblastech.

50
5. Filtr energie elektronů podle nároku 4, vyznačující se tím, že Helmholtzova délka filtru (3) energie je větší než trojnásobek, s výhodou větší než pětinásobek, střední hodnoty poloměrů vychýlení ve vychylovacích oblastech.
6. Filtr energie elektronů podle jednoho z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že filtr

55 (3) energie je teleskopický nebo kvazi teleskopický.

-9CZ 302974 B6
7. Filtr energie elektronů podle jednoho z nároků 2 až 6. vyznačující se tím, že mezi druhou vychylovací oblastí a třetí vychylovací oblastí je v prostoru bez magnetického pole upravena přechodová dráha.
8. Filtr energie elektronů podle nároku 7, vyznačující se tím, že přechodová dráha mezi druhou vychylovací oblastí a třetí vychylovací oblastí má délku, která odpovídá dvojnásobku vzdálenosti (g) mezi vstupní ohybovou rovinou (12) a vstupním okrajem první vychylovací oblasti.

io
9. Filtr energie elektronů podle jednoho z nároků 2 až 8, vyznačující se tím, že hodnota vychylovacího úhlu (φΐ) první dílčí oblasti první vychylovací oblasti se rovná hodnotě vychylovacfho úhlu (φΐ) druhé vychylovací oblasti.

15
10. Filtr energie elektronů podle jednoho z nároků 2 až 9, vyznačující se tím, že délka přechodové dráhy mezi oběma dílčími oblastmi první vychylovací oblasti se rovná délce přechodové dráhy mezi výstupem z první vychylovací oblasti a vstupem do druhé vychylovací oblasti.

20
11. Filtr energie elektronů podle jednoho z nároků 2 až 10, vyznačující se tím, že vychylovací úhel (φΐ, φ2) každé zobou dílčích oblastí první vychylovací oblasti je větší nebo roven 90°.
12. Filtrenergie elektronů podle nároku 11, vyznačující se tím, že vychylovací úhel

25 první dílčí oblasti první vychylovací oblasti má hodnotu mezi 110° a 120°, s výhodou 115°.
13. Filtr energie elektronů podle jednoho z nároků 2 až 12, vyznačující se tím, že mezi vychylovacími oblastmi jsou uspořádány šestipólové korektory.

30
14. Filtr energie elektronů podle jednoho z nároků 1 až 13, vyznačující se tím, že filtr je bezohniskovým teleskopickým systémem.
15. Filtr energie elektronů podle jednoho z nároků 1 až 14, vyznačující se tím, že část vychylovacích oblastí obsahuje nehomogenní magnetická pole,
16. Elektronový mikroskop, vyznačující se tím, že obsahuje filtr (3) energie elektronů podle jednoho z nároků 1 až 15.
17. Elektronový mikroskop podle nároku 16, vyznačující se tím, že reálný mezi40 obraz objektu nebo zdroje je vytvořen v ohniskové rovině (11), odvrácené od filtru (3) energie, poslední magnetické čočky (10) předřazené před filtrem (3) energie.