DE1639280C3 - Elektronenmikroskop mit einer magnetischen Zylinderlinse zur Energieanalyse der Elektronen - Google Patents
Elektronenmikroskop mit einer magnetischen Zylinderlinse zur Energieanalyse der ElektronenInfo
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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.
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.
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
I 639 280
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,
m = Elektronenmasse,
Hn — Maximalstärke des Magnetfeldes in der
Linsenachse,
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,
Zylinderlinse zu dem Schlitz,
Vr -- Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls korrigiert mit dem Relativfaktor,
\V = Energieverlust des Elektronenstrahls in der
Probe.
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 (1)
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.
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
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