DE1498543C - Energieanalysator zur Zerlegung eines Elektronenstrahls in Elektronenbündel einheitlicher Energie - Google Patents

Description

vom Eintritt in das Magnetfeld ab in jenen Teil des Magnetfeldes bewegen, in dem dessen Feldstärke zunimmt; schließlich wird vorausgesetzt, daß das Feld sowohl solche Feldstärke als auch in der Ebene, die der Inhomogenität folgt, solche Ausdehnung aufweist, daß Elektronen bestimmter Bewegungsenergie ein Elektronenbündel bilden, das innerhalb der Inhomogenitätsebene einen geschlossenen Umlauf vollziehen kann, so daß die Elektronen dieses bestimmten

Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Energieanalysator;

F i g. 2 ist eine Teilaufsicht auf den Energieanalysator auf Fig. 1, geschnitten in der Ebene 2-2;

F i g. 3 ist eine andere Teilaufsicht des Energieanalysators aus Fig. 1, geschnitten in der Ebene 3-3; F i g. 4 und 5 sind Darstellungen, die zur Erklärung der Wirkungsweise des Energieanalysators dienen.

In den Fig. 1, 2 und 3 ist ein Energieanalysator Bündels nach Vollzug des Umlaufs wieder ihre ur- io gezeigt, der einen zylindrischen Körper 1 aufweist, sprürigliche Laufrichtung einnehmen. Auf der einen Seite des zylindrischen Körpers 1 ist

Die Erfindung wird nun darin gesehen, daß der eine kreisförmige Endplatte 2 angesetzt, die mit dem Analysator eine Eintritsöffnung für einen Strahl ener- Körperl zusammen aus einem Stück hergestellt ist. getisch inhomogener Elektronen sowie eine Austritts- Eine weitere kreisförmige Endplatte 3 ist auf der öffnung für ein Elektronenbündel bestimmter Bewe- 15 anderen Seite des Körpers Ϊ passend befestigt. Die gungsenergie aufweist, daß ferner beide Öffnungen Endplatten 2 und 3 sind mit Öffnungen 4 und 5 verin Flucht auf einer optischen Achse angeordnet sind sehen, die als Eingangs- und Ausgangsöffnungen für und daß schließlich der so ausgebildete Energie- den Analysator dienen. Innerhalb des zylindrischen analysator in den Strahlengang einer elektronen- Körpers 1 ist eine kreisförmige Platte 6 befestigt, die optischen Einrichtung eingebaut ist, wobei die Achse 20 eine Mittelöffnung 7 aufweist. In dieser Mittelöffdes Energieanalysators mit der Achse des elektronen- nung 7 ist ein Rohr 8 verschweißt. Die Platte 6 ist

optischen Geräts übereinstimmt.

Es handelt sich also um eine Kombination von Merkmalen gerätebaulicher Art, die das Kennzeichen der Erfindung ausmachen.

Dieser Energieanalysator eignet sich ganz besonders für Elektronenmikroskope.

Spezielle Ausbildungsweisen des Analysator sind in den Ansprüchen 2 bis 6 fixiert.

derart an einen inneren kreisförmigen Flansch 9 an dem Körper 1 befestigt, daß sie abnehmbar ist. Diese Verbindung ist mit einem Rundschnurring H abge-25 dichtet.

An Magnetkernbauteilen 14 und 15 sind zwei Polschuhe 12 und 13 angesetzt. Diese Magnetkernbauteile ragen durch Öffnungen in der Platte 6 heraus, so daß die Polschuhe zwischen der Platte 6 und der

Weise sind die Magnetkernbauteile in ihrer Lage fixiert. Die Verbindungen sind wieder durch Rundschnurringe 22 und 23 abgedichtet.

Das Rohr 8 erstreckt sich zwischen den Spulen 16 und 17 sowie durch die Mittelöffnung des Joches 18 hindurch. Das Rohr 8 ist in einer Mittelöffnung 24 einer Zwischenwand 25 derart befestigt, daß es herausnehmbar ist. Die Zwischenwand 25 erstreckt

Elektronen, die andere Energie als die vorbe- 30 Endplatte 2 angeordnet sind. Die Magnetkernbauteile

stimmte aufweisen, werden beim Durchlaufen des 14 und 15 gehen durch Spule 16 und 17 hindurch

Magnetfeldes des Analysators zwar auch abgelenkt, und sind mit ihren Enden an einem kreisförmigen

verlassen jedoch das Feld nicht in einer mit der Achse Joch 18 befestigt. Die Magnetkernbauteile 14 und 15

des Analysators zusammenfallenden Richtung. sind mit Ansätzen 19 und 21 versehen. Diese Ansätze

Wenn ein solcher Energieanalysator in ein elek- 35 19 und 21 sind an der unteren Fläche der Platte 6

tronenoptisches System derart eingesetzt ist, daß die derart befestigt, daß sie abnehmbar sind. Auf diese Achse des Analysators mit derjenigen des elektronenoptischen Systems zusammenfällt, so wird derjenige
Teil des Elektronenstrahls des elektronenoptischen
Systems, dessen Elektronen sich längs der optischen 40
Achse mit der vorgegebenen Energie bewegen,' den
Analysator auch längs dessen optischer Achse verlassen. ' '

Es sind Energieanalysator^! bekannt, meist unter
dem Namen »Massenspektrometer«, mit deren Hilfe 45 sich in einem gewissen Abstand oberhalb der inneren bewegte geladene Teilchen eines Strahls entweder Oberfläche der Endplatte 3. Um das Ende des hinsichtlich der Massenunterschiede oder hinsichtlich Rohres 8 innerhalb der Öffnung 24 abzudichten, wird der Unterschiede an Bewegungsenergie aussortiert ein Rundschnurring 26 verwendet, werden können. Es ist auch bekannt, daß man mit An der inneren Oberfläche'der Endplatte 3 ist eine Hilfe, solcher Spektrometer den in sie eintretenden 50 Schlitzblende angeordnet, die zwei Platten 27 aufstrahlen geladener Teilchen Bahnen von verschieden- weist. Diese Platten 27 sind relativ zueinander .beartigstem Verlauf erteilen kann. In der Regel werden wegbar und grenzen einen Schlitz 28 ab, dessen von diesen Bahnen nur~ diejenigen ausgenμtzt, die Breite und Lage bezüglich der Achse z-z des Geeine Richtungsänderung der geladenen Teilchen bis rätes veränderbar sind. Das ist besonders deutlich in 180° oder etwas mehr ausnutzen. Es wird aber auch 55 der Fig. 3 zu sehen.

angegeben, daß Richtungsänderungen von 360° und . Die Flächen 31 und 32 der Polschuhe 12 und 13 mehr möglich sind. Doch ist bei Solchen Richtungs- bilden einen kleinen Winkel miteinander, wie man änderungen bisher nie an ernsthafte technische An- besonders deutlich der Fig. 2 entnimmt. Sie sind Zuwendungen gedacht worden. Noch weniger wurde einander symmetrisch in einem bestimmten Abstand erkannt, daß für elektronenoptische Geräte, insbeson- 60 von der Achse z-z des Gerätes angeordnet. Es können dere für Elektrdnenmikröskope,.Richtungsänderungen noch Maßnahmen vorgesehen sein (nicht gezeigt), um von 360° von entscheidender Bedeutung sind. Diese die Mägnetkernbauteile 14 und 15 bezüglich der Erkerintriis liegt dem. Analysator nach der Erfindung Platte 6 zu drehen, so daß sich der Winkel zwischen zugrunde. Auf Grund dieser Erkenntnis konnten jene den beiden Polschuhen 31 und 32 verändern läßt. Maßnahmen vorgeschlagen werden, die, gemäß dem 65 Die Magnetspulen 16 und 17 erzeugen in den Magnet-Aiispruch 1, den Inhalt der Erfindung darstellen. , . kernbauteilen 14 und 15, dem Joch 18 sowie den PoI-'Im folgenden wird die..-Erfindung an Hand der schuhen 12 und 13 einen magnetischen Fluß, so daß Zeichnungen im einzelnen beschrieben. zwischen den Flächen 31 und 32 der Polschuhe ein

magnetisches Feld induziert ist. Auf Grund der Neigung der Polschuhflächen 31 und 32 ändert sich die Stärke dieses Magnetfeldes mit dem Abstand von der Achse z-z. Weiterhin können noch Maßnahmen getroffen sein, um die Erregerströme in den Spulen 16 und 17 zu ändern, so daß auch die Gesamtintensität dieses Magnetfeldes veränderbar ist.

Wie nun dieser Energieanalysator nach den Fig. 1, 2 und 3 arbeitet, kann am besten in Verbindung mit den Fig. 4 und 5 erklärt werden. Die Fig. 4 zeigt die Änderung der Magnetfeldstärke zwischen den Polschuhflächen 31 und 32 in einer Ebene durch die Achse z-z des Spektrometer, die sich symmetrisch zwischen den Polschuhen erstreckt. Die Intensität des Magnetfeldes ist an jedem beliebigen Punkt durch folgenden Ausdruck gegeben:

B bedeutet dabei die Flußdichte des magnetischen tors. Sein Maximalwert beträgt bei dieser Anordnung π/4.

Wenn das Elektron die gleiche Masse, jedoch eine höhere Energie e(V+ δ V) aufweist, wird seine Bahn einer größeren Trochoide gleichen. Das ist durch die gestrichelte Linie in Fig. 5 dargestellt. Das Elektron kann nun auf der höheren Trochoide keinen vollen Umlauf mehr durchführen und wird daher das Magnetfeld verlassen, bevor es die Achse Z-Z erreicht.

ίο Das Teilchen läuft daher in einer Richtung aus dem Feld heraus, die gegenüber der Achse Z-Z um einen Winkel δ κ geneigt ist, der ein anderes Vorzeichen wie der Winkel hat, unter dem ein Elektron aus dem Magnetfeld austritt, das eine niedrigere Energie aufweist.

Wenn also ein Strahl von Elektronen unterschiedlicher Energien durch das magnetische Feld des Analysators längs'der Achse Z-Z einläuft, wird der

Strahl beim Verlassen des Feldes gemäß den unterFeldes in Richtung zwischen den beiden Polschuh- 20 schiedlichen Energien der Elektronen zerlegt, so daß flächen, k ist eine Konstante und hängt von dem ein Energiespektrum entsteht. Ändert man nun die Strom in den Spulen 16 und 17 ab. / ist die Entfernung zwischen der Achse z-z bis zu der Linie, in
der sich die Ebenen der Polschuhflächen schneiden,
.ν ist die Entfernung von der Achse z-z in Richtung 25
der anwachsenden Feldstärke.

Aus diesem oben angegebenen Ausdruck geht hervor, daß die Intensität B des Feldes monoton anwächst. Die Richtung des Feldes ist in der F i g. 4
durch das kleine Kreuz in dem kleineren Kreis ange- 3° zyklischen Kurve entspricht, und daß es einen vollen geben. Die Feldrichtung steht senkrecht auf der Umlauf auf dieser Kurve durchführt, wenn es durch Zeichenebene. Die Polung des Feldes ist so gewählt, das Feld hindurchläuft. Wenn dieser Umlauf an einem daß ein . Elektron, das längs der Achse z-z in das Punkt begonnen und beendet wird, an dem das Elek-Magnetfeld eintritt, anfangs in Richtung der zuneh- tron längs der Achse entlangläuft, werden die Rich-

gp

Intensität des magnetischen Feldes, so kann der Wert der Energie eV ausgewählt werden, für den die Elektronen aus dem Magnetfeld längs der Achse Z-Z austreten sollen.

Es soll bemerkt werden, daß die Feldverteilung im Magnetfeld derart gewählt ist, daß ein Elektron einer bestimmten Energie auf Grund der Ablenkung durch das Magnetfeld eine Bahn .beschreibt, die einer

menden magnetischen Feldstärke abgelenkt wird.

F i g. 5 zeigt nun den Weg, den ein Elektron durchläuft, wenn es durch das Magnetfeld hindurchgeht. Dabei ist angenommen, daß sich das Magnetfeld von der ΛΓ-Achse bis zu der Linie L-L in F i g. 5 erstreckt.

g g

tungen, mit denen das Elektron in das Feld ein- und wieder austritt, kolinear, so daß der gesamte Weg des Elektrons nicht geändert wird. Auch Elektronen, deren Energien von diesen vorgegebenen Werten unterschiedlich sind, werden auf ihrer Bahn durch

Weiterhin ist angenommen, daß das Elektron längs 4° das Magnetfeld abgelenkt. Solchen Elektronen ist es

der Achse zu in das Magnetfeld eingetreten ist. Wenn aber nicht möglich, genau einen Umlauf durchzu-

das Elektron eine bestimmte Energie eV und eine führen.

Masse m hat, beschreibt es eine Bahn, die im wesent- Wenn man das Magnetfeld so einrichtet, daß das

liehen einer höheren Trochoide gleicht, sofern die Elektron vorgegebener Energie keine höhere Trocho-

Intensitätsverteilung des magnetischen Feldes richtig 45 ide, sondern irgendeine andere zyklische Kurve

gewählt ist. Das Elektron wird auf der Trochoiden- durchläuft, kann sich die Empfindlichkeit des Analy-

bahn einen vollen Umlauf durchführen und das Magnetfeld wieder längs der Achse Z-Z verlassen. Diese Teilchenbahn ist in der F i g. 5 als durchgezogene Linie gezeigt. '■.'..

Wenn das Elektron die gleiche Masse, jedoch eine niedrigere Energie e(V — ö V) besitzt, wird die Teilchenbahn einer kleineren höheren Trochoide gleichen, wie sie in der Fig. 5 als strichpunktierte Linie dargestellt ist. Dieses Elektron wird nun nach einem vollen Umlauf auf der höheren Trochoide die Achse Z-Z wieder erreichen, bevor es das Magnetfeld verlassen kann. Vor dem Verlassen des Magnetfeldes wird das Elektron daher durch das Feld weiterhin sators ändern.

Der Energieanalysator, der in den Fig. 1, 2 und 3 beschrieben und gezeigt ist, ist so eingerichtet, daß er in ein Elektronenentladungsgerät eingesetzt werden kann. Der Strahl des Gerätes aus Elektronen unterschiedlicher Energie tritt dann durch die Öffnung 4 ein. Die Kammer 33, die durch die Endplatte 2 und die Platten 6 begrenzt ist, ist an das Vakuumsystem des Elektronenentladungsgerätes angeschlossen. Die Kammer 33 steht weiterhin über das Rohr 8 mit einer Kammer 34 in Verbindung, die durch die Endplatte 3 und die Zwischenwand 25 begrenzt ist. Das Gebiet, in dem die Magnetspulen 16 und 17 angeordnet sind,

abgelenkt und aus dem Feld in einer Richtung heraus- 60 kann auf einem höheren Druck gehalten werden, wo-

laufen, die gegenüber der Achse Z-Z um einen kleinen Winkel δ /χ geneigt ist. Dieser Winkel δα bestimmt sich aus folgendem Ausdruck:

0« =

δν

K ist dabei der Dispersionskoeffizient des Analysabei das Vakuum innerhalb der Kammern 33 und 34 sowie innerhalb des Rohres 8 durch die Rundschnurringdichtungen 11, 22, 23 und 26 aufrechterhalten wird. Das Rohr 8 dient dazu, alle Elektronen innerhalb dieses Rohres magnetisch abzuschirmen.

Die Elektronen, die zwischen den Polschuhen 12 und 13 hindurchlaufen, werden so abgelenkt, wie es oben beschrieben ist. Elektronen mit einer bestimmten

Energie, die mit den Stromstärken in den Magnetspulen 16 und 17 übereinstimmt, laufen längs der Achse Z-Z durch die Schlitzblende 28 hindurch und aus der Öffnung 5 heraus, wo sie mit Hilfe anderer Einzelteile des Elektronenentladungsgerätes, wie bei·· spielsweise mit Hilfe eines Leuchtschirmes, nachgewiesen werden können. Wenn man die Breite des Schlitzes 28 verändert, kann man auch die Breite des austretenden Strahles und damit den Energiebereich des austretenden Strahles ändern. Der mittlere Energiebereich der Elektronen, die durch den Schlitz 28 hindurchlaufen, kann auch dadurch geändert werden, daß man einmal die Platten 27 bewegt, die die Schlitzblende begrenzen, oder dadurch, daß man die Stromstärken in den Spulen 16 und 17 ändert.

Wenn man den eben beschriebenen Energieanalysator in Verbindung mit einem elektronenoptischen Gerät, wie beispielsweise in Verbindung mit einem Elektronenmikroskop, verwendet, kann der Analysator dazu benutzt werden, aus einem Elektronenstrahl von unterschiedlichen Energien Elektronen ganz bestimmter Energiewerte auszuwählen. Der Analysator kann in das Elektronenmikroskop derart eingesetzt werden, daß die Analysatorachse Z-Z mit der optischen Achse des Mikroskops zusammenfällt, so daß nur Elektronen einer ganz bestimmten Energie durch den Schlitz 28 längs der optischen Achse austreten können. Das elektronenoptische Gerät kann noch eine Korrekturvorrichtung für astigmatische Bildfehler sowie eine elektronenoptische Blende enthalten, die am Eingang des Spektrometers angeordnet sind.

Im Vorstehenden ist eine Verwendung des Energieanalysator in Verbindung mit einem Elektronenentladungsgerät beschrieben worden, in dem ein Elektronenstrahl erzeugt ist. Man kann den Analysator auch in Verbindung mit einem Strahl anderer geladener Teilchen verwenden und kann es zusammen mit Geräten benutzen, die diesen Strahl geladener Teilchen in einer ähnlichen Weise erzeugen, wie es oben beschrieben ist, so daß der Strahl dieser anderen geladenen Teilchen durch das Magnetfeld hindurchläuft. Wenn die Teilchen alle die gleiche Masse, aber unterschiedliche Energien haben, werden diese Teilchen in dem Analysator in ein Energiespektrum zerlegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 209 583/73

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Energieanalysator zur Zerlegung eines Elektronenstrahls in Elektronenbündel einheitlicher Energie, ausgestattet mit einem in nur einer Richtung monoton inhomogenen Magnetfeld, das so gelagert ist, daß der zu analysierende Elektronenstrahl in dieses Magnetfeld einerseits senkrecht zu den Kraftlinien, andererseits in der Richtung, in der das Magnetfeld keine Inhomogenität aufweist, eintritt, das ferner in bezug zu der Richtung des eintretenden Elektronenstrahls so gerichtet ist, daß alle Elektronen des Strahls so abgelenkt werden, daß sie sich vom Eintritt in das Magnetfeld ab in denjenigen Teil des Magnetfeldes bewegen, in dem dessen Feldstärke zunimmt, und das sowohl solche Feldstärke als auch in der der Inhomogenität des Feldes folgenden Ebene solche Ausdehnung aufweist, daß Elektronen bestimmter Bewegungsenergie ein Elektronenbündel bilden, das innerhalb der Inhomogenitätsebene einen geschlossenen Umlauf vollziehen kann, so daß die Elektronen dieses bestimmten Bündels nach Vollzug des vollen Umlaufs wieder ihre ursprüngliche Laufrichtung einnehmen, dadurch gekennzeichnet, daß der Analysator eine Eintrittsöffnung für einen Strahl energetisch inhomogener Elektronen sowie eine Austrittsöffnung für ein Elektronenbündel bestimmter Bewegungsenergie aufweist, daß beide öffnungen in Flucht auf einer optischen Achse angeordnet sind und daß der so ausgebildete Energieanalysator in den Strahlengang einer elektronenoptischen Einrichtung eingebaut ist, wobei die Achse des Energieanalysator mit der Achse des elektronenoptischen Geräts übereinstimmt.

2. Energieanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronenoptische Gerät ein Elektronenmikroskop ist.

3. Energieanalysator nach Anspruch 1 oder % dadurch^ gekennzeichnet, daß das Magnetfeld durch einen Elektromagneten gebildet wird, dessen mittlere Feldstärke einstellbar ist.

4. Energieanalysator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet sowohl einen Eisenkern als auch Polschuhe aufweist, wobei die letzten in Polstücke auslaufen, deren das Magnetfeld begrenzenden Oberflächen eben ausgebildet und gegeneinander in solcher Weise geneigt angeordnet sind, daß sich die beiden Ebenen in einer Geraden schneiden, die parallel zur Achse des Analysators liegt.

5. Energieanalysator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Eisenkern und Polschuhe so ausgebildet sind, daß die Neigung,der Ebene der Polstücke gegeneinander einstellbar ist.

6. Energieanalysator nach ,einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung, in bei Elektronenanalysatoren anderer Bau- und Wirkungsweise bekannter Art, mit einem Spalt ausgestattet ist, dessen Richtung auf der Ebene, in der die Elektronen den geschlossenen Umlauf vollziehen, senkrecht steht und dessen Weite einstellbar ist.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Energieanalysatoren.

Ein Energieanalysator dient dazu, um aus einem Strahl von Elektronen, die verschiedene Energie aufweisen, ein Energiespektrum zu erzeugen. Ein solcher Analysator ist so eingerichtet, daß sich in ihm ein Magnetfeld befindet, durch das die Elektronen sich bewegen müssen. Beim Durchlaufen dieses Magnetfeldes wird jedes Elektron entsprechend seiner

ίο Energie abgelenkt. Im allgemeinen bewegt sich infolgedessen jedes Elektron, das aus dem Feld austritt, in einer Richtung, die um einen gewissen Winkel von der Richtung abweicht, in der es in das Feld eintrat, wobei die Größe des Winkels von der jeweiligen Energie des Elektrons abhängig ist.

Wenn ein Strahl von verschiedene Energie aufweisenden Elektronen mit einer durchweg gleichen Ahfangsrichtung in das Feld eintritt, so treten die Elektronen aus dem Feld in Richtungen aus, die von der Eintrittsrichtung um so mehr abweichen, je unterschiedlicher die Energie der Elektronen ist. Daher wird ein Energiespektrum des Elektronenstrahls entstehen..

In bekannten Analysatoren werden sämtliche Elektronen, die denselben durchlaufen, abgelenkt. Daher wird ein solcher Analysator, wenn er mit einem anderen elektronischen Apparat zusammenarbeiten und in dessen Strahlengang eingebaut werden soll, den gesamten Verlauf der Elektronen beeinflussen.

In einem elektronenoptischen Gerät, speziell einem Elektronenmikroskop, wird das zu beobachtende Objekt einem Elektronenstrahl ausgesetzt, dessen Elektronen durchweg gleiche Energie haben. Dabei werden die Elektronen abgelenkt bzw. gestreut. Dann haben die abgelenkten bzw. gestreuten Elektronen nicht mehr gleiche Energie; daher ist dann ein Elektronenstrahl entstanden, dessen Elektronen nicht mehr gleiche Energie aufweisen. In solchen Fällen kann es erwünscht sein, einen Energieanalysator wie den soeben beschriebenen zu verwenden, um aus dem Elektronenstrahl mit Elektronen verschiedener Energie ein Energiespektrum zu erzeugen, derart, daß Elektronen einer vorbestimmten Energie aussortiert werden können.

Durch Einsetzen eines Energieanalysators der bekannten Art in ein elektronenoptisches Gerät würde der optische Weg der Elektronen für die noch zu durchlaufenden Teile des elektronenoptischen Systems beeinflußt. Dies wird im allgemeinen unerwünscht sein.

Ziel der Erfindung ist daher ein Energieanalysator,

, der zur Verwendung in elektronenoptischen Geräten, insbesondere in Elektronenmikroskopen, geeignet ist.

Daher geht die Erfindung von einem Energieanalysätor aus, der mit einem Magnetfeld ausgestattet ist, das die Besonderheit aufweist, inhomogen zu sein, aber nur in einer Richtung der Ebene senkrecht zu den Kraftlinien. Die Inhomogenität soll dabei monoton sein, also weder Periodizitäten oder Extrema noch Unstetigkeiten aufweisen. Es wird vorausgesetzt, daß das Magnetfeld so gelagert ist, daß der zu analysierende Elektronenstrahl in dieses Magnetfeld einerseits senkrecht zu den Kraftlinien, andererseits in derjenigen Richtung eintritt, in der das Magnetfeld keine Inhomogenität aufweist. Ferner wird vorausgesetzt, daß dieses Feld in bezug zu der Richtung der eintretenden Elektronen so gerichtet ist, daß alle Elektronen des Strahls so abgelenkt werden, daß sie sich