DE1639280C3

DE1639280C3 - Elektronenmikroskop mit einer magnetischen Zylinderlinse zur Energieanalyse der Elektronen

Info

Publication number: DE1639280C3
Application number: DE1639280A
Authority: DE
Inventors: Takeo Kawasaki Kanagawa Ichinokawa (Japan)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1967-03-30
Filing date: 1968-03-07
Publication date: 1974-01-31
Also published as: GB1226872A; FR1558166A; DE1639280A1; DE1639280B2; NL153718B; US3619607A; NL6804435A

Description

ein zylinderförmiger Körper entsteht, und daß die

mit ir = Elektronenladung, m = Elektronenmasse, Magnetfeldstärke der Zylinderlinse in der Linsen-

H₀ --■ Maximalstärke des elektromagnetischen Er- achse auf einen Wert eingestellt ist, bei dein da<-

regungsfeldes in der Linsenachse, a = Halbwerts- »5 Quadrat eines Erregungsparameters λ gleich 3/4 ist.

breite des Magnetfeldes und Vr = Beschleuni- wobei
gungsspannung, korrigiert mit dem Relativfaktor.

2. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, da- c-H -·α-durch gekennzeichnet, daß zwischen Objektiv- K- =- ° - und Zylinderlinse eine Zwischenlinse angeord- 3° 8- m- Vr
net ist.

mit e — Elektronenladung, m = Elektronenmasse, H₀ = Maximalstärke des elektromagnetischen Erre-35 gungsfeldes in der Linsenachse, a -- halbe Weite des Magnetfeldes und Vr -- Beschleunigungsspannung, korrigiert mit dem Relativfaktor.

Mit diesem Elektronenmikroskop wird eine Zwci-

Die Erfindung betrifft ein Elektronenmikroskop fachbrcchung des zu analysierenden Elektronenstrahmit einer Objektivlinse, einer Projektionslinse, einer 40 les mit einer symmetrischen Zylinderachse und zugemagnetischen Zylinderlinse zwischen der Objektlinse ordneter Schlitzblende erreicht. Anders als bei dem und der Projektionslinse zur Energieanalyse der vorstehend angesprochenen Stand der Technik ist Elektronen in einem Elektronenstrahlenbündel, nach- diese symmetrische Zylinderlinse an Stelle der zwidem dieses durch ein Objekt hindurchgetreten ist, sehen der Objektivlinse und der Projektionslinse, und mit einer Schlitzblende in Sirahlrichtung vor der 45 beispielsweise eines Elektronenmikroskops, angeord-Zylinderlinse. ncten Zwischenlinse vorgesehen, oder aber — wie

Bekanntlich ist die Analyse der Energie eines eine an sich aus dem zuerst abgehandelten Stand der dünne Membran oder den Film einer Probe durch- Technik (britische Patentschrift 982 086) bekannt — dningenen Elektronenstrahls oder eines solchen, der zwischen dieser Zwischenlinse und der Projektionsdurch eine dicke Probe zerstreut wurde, für viele so linse. Die symmetrische Zylinderlinse wird durch ein Zwecke nützlich, beispielsweise für die Analyse des elektromagnetisches Erregerfeld erregt, das in defi-In einem Elektronenmikroskop erzeugten Bildes, die nierter Weise ausgelegt ist. Dieses Elektronenmikro-Messung der Streuung und Absorption von EIek- skop ist demnach sehr einfach aufgebaut, die symmetronen in einem festen Körper, die Bestimmung des trische Zylinderlinse läßt sich auch bei hoher Ge-Werkstoffcs einer extrem geringen Menge usw. Für 55 nauigkeit einfach herstellen.

diese Energieanalysierung von Elektronenstrahlen Eine bevorzugte Ausfiihrungsform der Erfindung

sind mehrere Vorrichtungen bekanntgeworden. wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher be-

So verwendet man unter anderem Vorrichtungen schrieben. Es zeigt

mit elektrostatischen Zylinderlinsen (britische Patent- Fig. IA und IB eine schematische Darstellung

schrift 962086). Solche Vorrichtungen weisen jedoch 60 des optischen Systems des Elektronenmikroskops bei viele Nachteile auf, so nimmt die Linse wegen ihrer verschiedenen Erregungen,

extrem starken Überhöhung einen sehr großen Raum Fig. 2 eine schematische Perspektivansicht der

ein, und es ist deshalb sehr schwierig, sie in der Säule Zylinderlinse des optischen Systems der Fig. IA eines Elektronenmikroskops unterzubringen. Des und 1B,

weiteren ist es äußerst schwierig, Elektronenmikro- 65 F i g. 3 ein Schaubild zur Veranschaulichung der skope mit solchen Linsen zu handhaben, und es ist Beziehung zwischen der Linsenstärke (Erregungsschließlich noch festzuhalten, daß solche Vorrichtun- stärke) der Zylinderlinse und der axialen chromatigen dann nicht verwendet werden können, wenn für sehen Aberration beim Abschalten und

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F i g. 4 ein Beispiel der Energieanalyse von Elektronen, die Aluminiumfolien verschiedener Dicke durchdrungen haben.

In den Fig. IA und 1 B ist mit der BezugszilTer 5 eine Elektronenquelle bezeichnet, welche einen Elektronenstrahl e gleichförmiger Energie aussendet. Dieser Elektronenstrahl e wird durch eine Kondensorlinse 6 achsparallel ausgerichtet, er trilTt auf eine Probe 7, deren Bild durch eine Objektivlinse 8 auf die obere Flache einer Schlitzblende 4 abgebildet wird. Das so erzeugte Bild wird dann von den Linsen 3 und 9 auf einen fluoreszierenden Auffangschirm Il geworfen. Es ist nun ohne weiteres erkennbar, daß sich die Geschwindigkeit der Elektronen des Elektronenstrahls e, welche die Probe 7 durchdrungen haben, wegen des Energieverlustes ändern wird, der hervorgerufen ist beispielsweise durch unelastische Streuung in der Probe. Die Linse 3 ist zur Analyse der Energie des Elektronenstrahls vorgesehen: ihr vorgeschaltet ist die Schlitzblende 4, so daß es möglich ist, einen Teil e₀ des Elektronenstiahls e auf den fluoreszierenden Auffangschirm 11 durch die Projektionslinse 9 zur Abbildung zu bringen. In Abhängigkeit von der Änderung der Menge des Energieverlustes werden also auf den Schirm 11 die Spektra des Energieverlustes projiziert, insbesondere das das durch den Schlitz der Schlitzblende 4 begrenzte Bild.

Die an Stelle der üblichen Zwischenlinse angeordnete Zylinderlinse 3 ist nach Fig. 2 aufgebaut aus Zwei Magnetpolen 1,1 und 2,2, die in ihrer Gesamtheit derart gestaltet sind, daß ein zylindccförmiger Körper entsieht. Diese Zylinderlinse 3 wird durch die Spannungsquelle der Zwischcnlinse magnetisch erregt. Die der Zylinderlinse 3 zugeordnete Schlitzblende 4 steht senkrecht auf der Brechungsebene X des Elektronenstrahls.

F i g. 3 zeigt schaubildlich die Beziehung zwischen dem Koeffizienten der axialen chromatischen Aberration Cch der magnetischen Zylinderlinse 3 beim Abschalten und der Erregiingsstärke. Über die Ordinate ist der chromatische Aberrationskoeffizient Cch abgetragen und über die Abszisse das Verhältnis Wl⁷F, worin V die Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls, /V die Zahl der Windungen der Erregerspule und / der .Strom ist. Wird der Erregungsparameter A- wie folgt definiert, dann entspricht der Punkt B im Koordinatensystem der Fig. 3 dann der Linsenstärke, wenn das Quadrat dieses Erregungsparameters 3/4 ist:

8 · m ■ Vr

e = Elektronenladung,
m = Elektronenmasse,

H_n — Maximalstärke des Magnetfeldes in der
Linsenachse,

a = Halbwerkbreite des Magnetfeldes,

Vr — Beschleunigungsspannung, korrigiert mit dem Relativfaklor.

Der Punkt B im Koordinatensystem der F i g. 3 entspricht auch dann der Linsenstärke, wenn k² — 8. Wird die Erregung stärker als im Punkt A, dann nimmt die chromatische Aberration plötzlich /u, im Punkt R nimmt sie ihren Maximalwert ein, und sie wird in diesem Punkt in ihrem Vorzeichen geändert. Hinter dem Punkt B wird die chromatische Aberration allmählich abgeschwächt.

Es ist nun festzuhalten, daß für die Energieanr.Ust' die Zylinderlinse 3 nahe dem Punkt B der Linsenstarke zu erregen ist. Fig. IA zeigt das optische. System bei einer Erregung, die schwächer ist als im

ίο Punkt A, die Fig. IU zeigt das gleiche optische System bei einer Erregung, die stärker ist als im Punkt B. Wird die Zylinderlinse 3 in der obenerwähnten Stärke erregt, dann sind die Vergrößerungen in der X- und der K-Ebene des Elektronenmikroskopbildes gleich groß, und es kann für die Praxis davon ausgegangen werden, daß di<. astigmatische Aberration in diesen Ebenen vernaclilässigbar klein ist. da die Fokustiefe der Objektiv linse 8, welche das Büd auf die Schlitzblende 4 wirft, ohr groß ist. Wird nun die Schlitzblende 4 entfernt, dinn wird auf den fluoreszierenden Auffangschirm 11 das gleiche Bild wie bei den üblichen Elektronenmikroskopen projiziert. Wird nun aber die Schlitzblende 4 parallel zur V-Hbene angeordnet, dann wird nur das durch deren Schlitz begrenzte Bild auf den fluoreszierenden Auffangschirm 11 projiziert. Dieser Elektronenstrahl c„ wird in Abhängigkeit seiner Energie auf Grund der chromatischen Aberration der Linr.e 3 zerstreut, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Die Wirkung kann mit sehr einfachen Mitteln hervorgerufen werden, wie dies beispielsweise bekannt ist von der Beugung einer vorgewählten Fläche.

Die im vorstehenden Absatz erwähnte Beugung des Elektronenstrahls kann mathematisch in folgender Gleichung ausgedrückt werden::

A = M · Cch-r·.WIVr, Xf = Vergrößerung der Zylinderlinse,

r --- Entfernung von der Achse der magnetischen
Zylinderlinse zu dem Schlitz,

Vr -- Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls korrigiert mit dem Relativfaktor,

\V = Energieverlust des Elektronenstrahls in der
Probe.

Aus der vorstehenden mathematischen Gleichung ist erkennbar, daß bei Vergrößerung der Entfernung r die Beugung des Spektrums vergrößert wird. Wählt man nun für die Größe/V/ \Ύ in dem Bereich zwischen den Punkten Λ und B oder ^:n dem Bereich jenseits des Punktes B einen geeigneten Wert, so daß die chromatische Aberration ausreichend groß ist. dann kann uas beste Ergebnis erzielt werden.

In der vorbeschriebenen Ausführungsform werden Polkörper einer magnetischen Zylinderlinse an Stelle solcher einer gewöhnlichen Zirkularlinse verwendet,

wenn Elektronenmikroskopbilder zu analysieren sind. Soll jedoch eine Energieanalyse von Elektronenbeugungsbüdern durchgeführt werden, dann ist es erforderlich, die magnetische Zylinderlinse zwischen der Zwischenlinse und der Projektionslinse anzuordnen. Es ist auch möglich, das Elektronenmikroskopbild wahlweise mittels Elektronen zu erzeugen, die einen Energieverlust erlitten, oder solchen, die keinen Energieverlust aufweisen.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist erkennbar, daß mit einfachsten Mitteln eine Vorrichtung zur Analysierung der Energie eines Elektronenstrahls dadurch zur Verfügung steht, daß die Polkörper einer üblichen Zirkularlinse durch die Zylinderlinse ersetzt oder zusätzlich diese Zylinderlinse eingebaut wird Versuche haben ergeben, daß es möglich ist, mit Be schleunigungsspannungen wesentlich höher als 50 k\ zu arbeiten, wobei maximal mit einer Fehlerspannunf von 1 EV zu rechnen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

die Elektronen Beschleunigungsspannungen von mehr Patentansprüche: als 50 kV benötigt werden. Bei einem bekanntgewordenen Elektronenmikro-

1. Elektronenmikroskop mit einer Objektiv- skop der eingangs genannten Art (R. Uyeda, Elec-Iinse, einer Projektionslinse, einer magnetischen 5 tron Microscopy 1966, Tokyo, Vol. I, S. 89 und 90) Zylinderlinse zwischen der Objektivlinse und der wird der zu analysierende Elektronensttahl zweifach Projektionslinse zur Energieanalyse der Elektro- gebrochen, nämlich einmal durch eine obere Linse ne'n in einem Elekironenstrahlcnbündel, nachdem und zum zweitenmal durch eine untere Linse. Die dieses durch ein Objekt hindurchgetreten ist, und magnetische Zylinderlinse ist dabei asymmetrisch mit einer Schlitzblende in Strahlrichtung vor der io ausgebildet. Der dadurch bedingte komplizierte Auf-Zylinderlinse, dadurch gekennzeichnet, bau verursacht vor dem Hintergrund der zu forderndaß die Zylinderlinse aus zwei Magnetpolpaaren den Genauigkeit erhebliche Herstellungskosten, wo-(3,1 und 2,2) besteht, die in ihrer Gesamtheit so bei in weiterhin nachteiliger Weise das Optimum an gestaltet sind, daß ein zylinderförmiger Körper Auflösungsvermögen nicht erreicht sein dürfte,
entsteht, und daß die Magnetfeldstärkc der Zy- 15 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Imderachse in der Linsenachse auf einen Wert Elektronenmikroskop der eingangs genannten Art zu eingestellt ist, bei dem das Quadrat eines Erie- scha.Ten, das bei hoher Güte möglichst einfach aufgungsparameccrs k gleich 3/4 ist, wobei gebaut und preisgünstig hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

^₂ __ ,fL'.iV'^I ao löst, daß die Zylinderlinse aus zwei Magnetpolpaaren

8-m-Vr besteht, die in ihrer Gesamtheit so gestaltet sind, daß