DE19633496B4

DE19633496B4 - Monochromator for electron optics, in particular electron microscopy

Info

Publication number: DE19633496B4
Application number: DE1996133496
Authority: DE
Inventors: Harald Prof. Dr. Rose; Frank Kahl
Original assignee: CEOS GmbH; CEOS Corrected Electron Optical Systems GmbH
Current assignee: CEOS GmbH; CEOS Corrected Electron Optical Systems GmbH
Priority date: 1996-08-20
Filing date: 1996-08-20
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2016-08-21
Also published as: DE19633496A1

Abstract

Monochromator für die Elektronenoptik; insbesondere Elektronenmikroskopie zur stigmatischen Abbildung unter Verwendung von Ablenkfeldern und einer Schlitzblende, wobei
die Ablenkfelder (1–4) und der optische Strahlengang spiegelsymmetrisch zu einer Ebene (5), der dispersiven Ebene, verlaufen,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der dispersiven Ebene (5) ein astigmatisches Zwischenbild (= Linienfokus) erzeugt wird und
die Schlitzblende (7) dem astigmatischen Zwischenbild derart zugeordnet ist, daß der Schlitz in Richtung des Linienfokus ausgerichtet ist.Monochromator for the electron optics; in particular electron microscopy for stigmatic imaging using deflection fields and a slit, wherein
the deflecting fields (1-4) and the optical beam path are mirror-symmetrical to a plane (5), the dispersive plane,
characterized in that
in the dispersive plane (5) an astigmatic intermediate image (= line focus) is generated and
the slit (7) is associated with the astigmatic intermediate image such that the slit is aligned in the direction of the line focus.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Monochromator für die Elektronenoptik, insbesondere Elektronenmikroskopie zur stigmatischen Abbildung unter Verwendung von Ablenkfeldern und einer Schlitzblende, und die Ablenkfelder und der optische Strahlengang spiegelsymmetrisch zu einer Ebene, der dispersiven Ebene, verlaufen.The The invention relates to a monochromator for electron optics, in particular electron microscopy for stigmatic imaging using deflection fields and a slit, and the deflection fields and the optical path mirror-symmetric to a plane, the dispersive plane.

In der Elektronenmikroskopie, aber auch in der Holographie wird die zu übertragende Information durch die inkohärenten Bildfehler begrenzt, zu denen neben den durch mechanische Instabilitäten hervorgerufenen „Verwackelungen" vor allem die chromatischen Fehler zu rechnen sind. Kohärente Bildfehler lassen sich hingegen durch geeignete Maßnahmen und so durch rechnerische Methoden der Bildkonstruktion beseitigen. Bei statischen und raumladungsfreien Rundlinsen kann der Einfluss des chromatischen Fehlers nur durch Verringerung der Energiebreite des auftreffenden Elektronenstrahles verringert werden. Um in der Elektronenmikroskopie bei einer Beschleunigungsspannung von 200 kV die Informationsgrenze unter 1 Angström zu drücken, darf die Energiebreite 0,2 eV nicht überschreiten. Als Elektronenquellen mit den geringsten Halbwertsbreiten gelten bekanntlich die Feldemissionskathoden, bei denen die Energiehalbwertsbreie jedoch immer noch 0,7 bis 0,8 eV unter derartigen Bedingungen beträgt. Genauere Untersuchungen haben gezeigt, dass etwa 30 % der Elektronen eine Abweichung von weniger als 0,1 eV besitzen und einen Strom von einigen wenigen Mikroampere erzeugen. Für bestimmte Anwendungen, wie die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ist diese Stromstärke ausreichend, sodass das Herausfiltern der verbleibenden 70 % der Elektronen ein gangbarer Weg zur Realisierung einer hinreichend monochromatischen Elektronenquelle mit ausreichender Stromstärke darstellen würde. Die grundsätzliche Realisierung dieses Zieles eröffnet die Verwendung eines Monochromators. Als erheblicher Nachteil ist anzusehen, dass die bekannten Monochromatoren ein stigmatisches Zwischenbild der Elektronenquelle erzeugen, was zu einer Energieverbreiterung aufgrund des Boersch-Effektes führt. Dieser Begriff bezeichnet das Phänomen, dass bei Elektronenstrahlen, die in einem Punkt fokussiert werden, aufgrund der dann in diesem Bereich herrschenden hohen Stromdichte und der hieraus resultierenden gegenseitigen Beeinflussung der Elektronen die Energiebreite des Strahles eine drastische Aufweitung erfährt.In In electron microscopy, but also in holography, the to be transferred Information by the incoherent Image errors limited, in addition to the caused by mechanical instabilities "shake" especially the chromatic Errors are expected. coherent Image errors, on the other hand, can be remedied by suitable measures and thus eliminate them by computational methods of image construction. For static and space charge-free round lenses, the influence the chromatic error only by reducing the energy width of the incident electron beam can be reduced. To be in the Electron microscopy at an acceleration voltage of 200 kV to push the information limit below 1 angstrom, the energy width may Do not exceed 0.2 eV. Apply as electron sources with the lowest half-widths as is known, the field emission cathodes in which the energy Halbwertsbreie but still 0.7 to 0.8 eV under such conditions. more accurate Studies have shown that about 30% of the electrons have a Have a deviation of less than 0.1 eV and a current of some generate a few microamps. For certain applications, such as transmission electron microscopy (TEM) is this current sufficient so that filtering out the remaining 70% of the Electrons a viable way to realize a sufficient monochromatic electron source with sufficient amperage. The fundamental Realization of this goal opened the use of a monochromator. As a significant disadvantage to see that the known monochromators a stigmatic Intermediate image of the electron source generate, resulting in an energy broadening due to the Boersch effect leads. This term denotes the phenomenon that with electron beams that are focused in one point, due to the then prevailing in this area high current density and the resulting mutual influence of the electrons the energy width of the beam undergoes a drastic widening.

Aus der US 5126565 A ist eine gattungsbildende Vorrichtung bekannt, bei der mit hierfür halbkugelförmigen Kondensatoren eine Monochromasie hergestellt werden soll, wobei die Anordnung der Halbkugel spiegelsymmetrisch zu einer Mittelebene verläuft. Bei dieser, eine Schlitzblende in dieser Ebene aufweisenden Anordnung erfolgt durch Ausblenden von Elektronen abweichender Energie eine Monochromasierung des Elektronenstrahles. Aus der DE 3702696 A1 ist ein Elektronenstoßspektrometer entnehmbar, das ebenfalls ein über elektrostatische Ablenkfelder bewegte Dispersion mit Schlitzblenden zur Monochromasierung nutzt. Dabei folgt eine stigmatische Abbildung der Elektronenquelle auf das zu untersuchende Objekt.From the US 5126565 A a generic device is known in which for this purpose hemispherical capacitors monochromatism is to be produced, wherein the arrangement of the hemisphere is mirror-symmetrical to a median plane. In this arrangement, which has a slit diaphragm in this plane, monochromatization of the electron beam takes place by hiding electrons of dissimilar energy. From the DE 3702696 A1 is an electron impact spectrometer removable, which also uses a moving over electrostatic deflection fields dispersion with slit diaphragm for monochromatization. This is followed by a stigmatic image of the electron source on the object to be examined.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Schaffung eines elektronenoptischen Monochromators zur Aufgabe gemacht, mit dessen Hilfe die zur Verfügungsstellung eines Elektronenstrahles geringer Energiebreite möglich wird.Of these, Based on the invention, the creation of an electron-optical Monochromators tasked, with the help of which the disposal an electron beam of low energy width is possible.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß in der dispersiven Ebene ein astigmatisches Zwischenbild (= Linienfokus) erzeugt wird und die Schlitzblende dem astigmatischen Zwischenbild derart zugeordnet ist, daß der Schlitz in Richtung des Linienfokus ausgerichtet ist.Is solved This object according to the invention in that in the dispersive plane an astigmatic intermediate image (= line focus) is generated and the slit diaphragm of the astigmatic intermediate image such it is associated with that Slit is aligned in the direction of the line focus.

Die Ablenkfelder werden im Hinblick auf die räumliche Anordnung sowie ihre Stärke spiegelsymmetrisch zu einer Ebene angeordnet; gleichermaßen wird der Strahlengang so einjustiert, daß er ebenfalls symmetrisch zu derselben Ebene verläuft. Aufgrund der symmetrischen Verhältnisse werden die Bildfehlerintegrale für die Öffnungsfehler, aber auch für die Verzeichnung in der Bildebene, zu Null. In der durch die Spiegelsymmetrie definierten Ebene, in der maximale Dispersion erfolgt, wird ein astigmatisches Zwischenbild (Linienfokus) erzeugt. Eine der wichtigsten Erkenntnisse vorliegender Erfindung ist, daß im Falle eines linienförmigen astigmatischen Bildes im Vergleich zu einem stigmatischen Zwischenbild eine wesentlich geringere Stromdichte erzeugt wird, so daß es nicht mehr zu einer wesentlichen Ausprägung des Boersch-Effektes kommt und hierin nicht mehr der limitierende Faktor der Abbildungsqualität zu sehen ist. Die Dispersion erfolgt senkrecht zum Linienfokus und wird vorteilhafterweise in der Symmetrieebene maximal eingestellt, so daß sie gleichzeitig die dispersive Ebene darstellt. Die Dispersion hat bekanntlich zur Folge, daß das Bild um so mehr vom Linienfokus abweicht, je größer die Energieabweichung dieser Elek tronen vom Mittelwert der den der Ort des Linienfokus definierenden Elektronenenergie beträgt. Durch Zuordnung einer Schlitzblende zum astigmatischen Zwischenbild, in der Weise, daß der Schlitz in die Richtung des Linienfokus ausgerichtet ist, lassen sich bei geeigneter Einstellung der Schlitzweite all jene Elektronen ausfiltern, die in ihre kinetischen Energie hinreichend von der mittleren Elek- tronenenergie abweichen. Die Veränderung der Schlitzbreite hat eine Änderung der Energiebreite der durchgelassenen Elektronen zur Folge. Im Ergebnis erhält man im stigmatischen Bild nur noch jene Elektronen, die in ihrer Energiebreite unter einer durch die Einstellung der Schlitzblende vorgegebenem Wert liegen. Bei Abbildung einer Elektronenquelle läßt sich ein Elektronenstrom mit hinreichend geringer Energiebreite erzeugen.The deflection fields are arranged with respect to the spatial arrangement and their strength mirror-symmetrical to a plane; equally the beam path is adjusted so that it also runs symmetrically to the same plane. Due to the symmetrical conditions, the image error integrals for the aperture errors, but also for the distortion in the image plane to zero. In the plane defined by the mirror symmetry, in which maximum dispersion takes place, an astigmatic intermediate image (line focus) is generated. One of the most important findings of the present invention is that in the case of a linear astigmatic image compared to a stigmatic intermediate image, a substantially lower current density is generated, so that it no longer comes to a significant expression of the Boersch effect and herein no longer the limiting factor Imaging quality can be seen. The dispersion is perpendicular to the line focus and is advantageously set to a maximum in the plane of symmetry, so that it simultaneously represents the dispersive plane. As is known, the dispersion results in the image deviating more from the line focus the greater the energy deviation of these electrons from the mean value of the electron energy defining the location of the line focus. By assigning a slit diaphragm to the astigmatic intermediate image, in such a way that the slot is aligned in the direction of the line focus, with appropriate adjustment of the slot width, all those electrons which deviate sufficiently in their kinetic energy from the average electron energy can be filtered out. The change in slot width has a change in the energy width of the transmitted electrons result. As a result, in the stigmatic image only those electrons are obtained whose energy widths are below a value given by the setting of the slit diaphragm. When imaging an electron source, an electron current with a sufficiently low energy width can be generated.

Im Rahmen der Erfindung steht grundsätzlich frei, welche Art von Ablenkfeldern eingesetzt werden. Neben magnetischen Feldern, die permanent oder durch Ströme erzeugt sein können, ist die Verwendung elektrostatischer Felder als besonders bevorzugt zu erachten. Aufgrund der hohen Spannungen gegenüber der Erde sind elektrostatische Ablenkfelder einfacher realisierbar. Ihnen ist bei bestimmten Anwendungsfällen, wie der Transmissionselektronenmikroskopie, der Vorzug zu geben.in the Under the invention is basically free, which kind of Deflection fields are used. In addition to magnetic fields, the permanently or by currents can be generated the use of electrostatic fields is particularly preferred to consider. Due to the high voltages to the earth are electrostatic Deflection fields easier to realize. They are in certain applications, such as of transmission electron microscopy, to give preference.

Im Hinblick auf die räumliche Anordnung ist der spiegelsymmetrische Rufbau zur Symmetrieebene ent scheidend, die gleichzeitig die dispersive Ebene darstellt. So ist die Form einer in einer Ebene liegenden Schlaufe denkbar. Besonders bevorzugt ist jedoch, wenn der Aufbau und somit der optische Strahlengang der Form eines Omega entspricht. Gegenüber anderen denkbaren Lösungen zeichnet sie sich dadurch aus, daß sie eine Realisierung des Monochromators mit geringer Bauhöhe zuläßt.in the Regard to the spatial Arrangement is the mirror-symmetrical call structure to the symmetry plane decisive, which at the same time represents the dispersive plane. So is the shape of a lying in a plane loop conceivable. Especially however, it is preferred if the structure and thus the optical beam path the shape of an omega. Compared to other conceivable solutions they are characterized by the fact that they allows a realization of the monochromator with low height.

Zur Erreichung einer präzisen Filterwirkung ist von Vorteil, wenn die Bildfehler zweiter Ordnung, insbesondere die Öffnungsfehler senkrecht zur Schlitzblende in der Dispersionsebene möglichst klein gewählt werden. Um den Durchmesser des Bildpunktes gering zu halten, müssen die Bildfehler zweiter Ordnung in der Bildebene ebenfalls möglichst gering gehalten werden.to Achieving a precise Filtering effect is advantageous when the second order aberrations, in particular the opening error perpendicular to the slit diaphragm in the dispersion plane as small as possible chosen become. To keep the diameter of the pixel low, the Image error of second order in the image plane also as small as possible being held.

Die Ablenkfelder bestehen aus Dipolen, die zu einer Krümmung des optischen Strahlenganges Anlaß geben und denen Quadrupole überlagert sind, um die in der einen Richtung senkrecht zum Strahlengang erfolgende Defokussierung zu kompensieren. Die Realisierung der Dipol- und Quadrupolfelder kann durch entsprechende Gestaltung der Elektrodenoberfläche Umsetzung finden.The Deflection fields consist of dipoles, which lead to a curvature of the give rise to optical beam path and overlaid with quadrupoles are to take place in the one direction perpendicular to the beam path Compensate for defocusing. The realization of the dipole and Quadrupole field can be implemented by appropriate design of the electrode surface Find.

Die Erzeugung des astigmatischen Zwischenbildes wird im mathematischen Sinn dadurch beschrieben, daß die beiden Elementarlösungen der zugrundelie genden Differentialgleichung, die von der optischen Achse im Gegenstandspunkt in den beiden senkrecht zueinander verlaufenden Schnitten ausgehen, in der Ebene der Blende zum einen einen Maximalwrert annehmen und zum anderen zu Null werden. Dabei weist der eine Strahlengang eine Punktsymmetrie und der andere eine Spiegelsymmetrie zur dispersiven Ebene auf, in der weiterhin die Dispersion einen Maximalwert annimmt, die in der Gegenstands- und Bildebene zu Null wird, so daß ebenfalls ein zur dispersiven Ebene spiegelsymmetrischer Verlauf gegeben ist.The Generation of the astigmatic intermediate image is mathematical Sinn described by the fact that the both elementary solutions the underlying differential equation, that of the optical Axis in the object point in the two mutually perpendicular Cut out, in the plane of the aperture for a Maximalwrert and to become zero. In this case, the one beam path a point symmetry and the other a mirror symmetry to the dispersive Level, in which the dispersion continues to assume a maximum value, which becomes zero in the object and image plane, so too a mirror-symmetric course is given to the dispersive plane.

Einsatz und Verwendung des erfindungsgemäßen Monochromators sind vielfältig. Unter Anlehnung an die Ausführungen zum Stande der Technik kann er dazu eingesetzt werden, einen Elektronenstrom von vorgebbarer und in ihren Grenzen veränderbarer Energiebreite zu erzeugen. Zu diesem Zweck wird die Elektronenquelle von großer Energiebreite im Gegenstandspunkt des Monochromators angeordnet, saß man im Bildpunkt die stigmatische Abbildung der Elektronenquelle jedoch mit demgegenüber geringerer Energiebreite erhält. Der Monochromator ist hierzu unmittelbar hinter der Elektronenquelle einzuordnen.commitment and use of the monochromator according to the invention are diverse. Based on the comments The prior art can be used to generate an electron current of predeterminable and within their limits changeable energy width produce. For this purpose, the electron source of large energy width arranged in the object point of the monochromator, one sat in However, the stigmatic image of the electron source with the other hand receives lower energy width. The monochromator is for this purpose immediately behind the electron source classify.

In einer anderen Möglichkeit der Verwendung wird der Monochromator in den Abbildungsstrahlengang des abbildenden elektronenoptischen Systems eingebracht. Seine Aufgabe besteht darin, durch entspre chende Einstellung der Schlitzblende Flektronen bestimmter Energien aus dem Strahlengang zu selektieren. Durch Veränderung des Energiefensters lassen sich die Energien dieser Elektronen sowie die Energiebreite des erfaßten Strahlenganges bestimmen und variieren. Bei Elektronen niederer Energie kann der aus der Transmissionselektronenmikroskopie bekannte Monochromator direkt übernommen werden.In another possibility the use of the monochromator in the imaging beam path introduced the imaging electron optical system. His task consists of by corre sponding adjustment of the slit diaphragm Flektronen certain energies from the beam path to select. By change of the energy window, the energies of these electrons can be as well the energy width of the detected Determine and vary the beam path. With electrons lower Energy may be that known from transmission electron microscopy Monochromator taken directly become.

Bei einem speziellen Einsatz in der Niederenergieelektronenmikroskopie wird der Monochromator bei der Abbildung der vom Objekt emittierten oder rückgestreuten Elektronen eingesetzt. Diese Elektronen haben von Haus aus eine hohe Energiebreite. Eine Verbesserung des Kontrastes läßt sich durch Nutzung von Elektronen aus einem schmalen Energieband erreichen. Durch selektives Setzen des Energiefensters können sukzessive bestimmte Signale herausgegriffen und verstärkt und andere demgegenüber abgeschwächt werden. Eine gezielte Hervorhebung bestimmter Informationen ist auf diesem Wege möglich.at a special application in low energy electron microscopy the monochromator is emitted when imaging the object emitted by the object or backscattered Electrons used. These electrons are inherently one high energy width. An improvement of the contrast can be by using electrons from a narrow energy band. By selectively setting the energy window, certain signals can be successively selected and reinforced and others in contrast attenuated become. A targeted highlighting of certain information is possible in this way.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich dem nachfolgenden Beschreibungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben wird. Sie zeigt in Querschnittsdarstellung einen Schnitt in Richtung der optischen Achse durch eine Monochromator, Die elektrostatischen Ablenkfelder (1–4) sind paarweise symmetrisch zur Mittelebene (5) angeordnet. Die optische Achse des gekrümmten Strahlenganges ist ebenso wie die Gesamtheit der Ablenkfelder (1–4) von der Form eines Omega.Further details, features and advantages of the invention can be taken from the following description part, in which reference to the drawings, an embodiment of the invention is reproduced. It shows in cross-section a section in the direction of the optical axis through a monochromator, the electrostatic deflection fields ( 1 - 4 ) are pairwise symmetrical to the median plane ( 5 ) arranged. The optical axis of the curved beam path as well as the entirety of the deflection fields ( 1 - 4 ) of the form of a Omega.

Dort, wo der Strahlengang (6) die Symmetrieebene (5) schneidet, ist eine Schlitzblende (7) angeordnet, die senkrecht zur Zeichenebene verläuft und in der der Linienfokus des astigmatischen Zwischenbildes liegt. Senkrecht hierzu, d. h. in der Zeichenebene, erfolgt die Dispersion, also eine Ablenkung vom mittleren Strahlengang um einen Wert, der proportional ist der Energieabweichung. Durch Veränderung der Schlitzweite läßt sich selektiv die Energiebreite der von der Schlitzebene durchgelassenen Elektronen feststellen und verändern. Im Ergebnis erreichen nur jene Elektronen den Bildpunkt, die sich innerhalb dieser Energiebreite befinden. Der Elektronenstrahl wird als Resultat monochromatisch.Where the beam path ( 6 ) the plane of symmetry ( 5 ) is a slit ( 7 ), which runs perpendicular to the plane of the drawing and in which lies the line focus of the astigmatic intermediate image. Perpendicular to this, ie in the plane of the drawing, the dispersion takes place, ie a deflection from the central beam path by a value that is proportional to the energy deviation. By changing the slot width, the energy width of the electrons transmitted by the slot plane can be selectively detected and changed. As a result, only those electrons reach the pixel that are within this energy width. As a result, the electron beam becomes monochromatic.

Claims

Monochromator for the electron optics; in particular electron microscopy for stigmatic imaging using deflection fields and a slit diaphragm, wherein the deflection fields ( 1 - 4 ) and the optical beam path is mirror-symmetrical to a plane ( 5 ), the dispersive plane, characterized in that in the dispersive plane ( 5 ) an astigmatic intermediate image (= line focus) is generated and the slit diaphragm ( 7 ) is assigned to the astigmatic intermediate image such that the slot is aligned in the direction of the line focus.

Monochromator according to claim 1, characterized by electrostatic deflection fields ( 1 - 4 ).

Monochromator according to claim 1 or 2, characterized by a construction in omega form.

Monochromator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the Image error of the second order, in particular the aperture error, perpendicular to Slit diaphragm in the dispersion plane and / or in the image plane are minimized.

Monochromator according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the deflecting fields ( 1 - 4 ) consist of dipoles and overlapping quadrupoles.

Use of the monochromator according to one of claims 1 to 4, characterized in that the Monochromator is arranged behind an electron source, the lies in the object point of the monochromator and imaged in the pixel becomes.

Use of a monochromator according to claims 1 to 5, characterized in that it in the imaging beam path of an electron-optical system is introduced.

Use of the monochromator according to claim 7, characterized characterized in that for imaging low-energy electrons, eg. B. secondary electrons, is used.