DE2137510A1 - Elektronenoptische Anordnung mit einem Energieselektionsfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur mikroskopischen Untersuchung einer Materie mit Hilfe eines Strahles geladener Teilchen mit einem Energieselektionafilter für die geladenen Teilchen.

Eine derartige, aus einem Elektronenmikroskop mit einem energieaelektierenden System bestehende Anordnung ist in einem Artikel in "Journal de Microscopie", Band 3, Nr. 2 (1964), Seite I33 beschrieben. In der darin beschriebenen Anordnung wird die Energieselektion dadurch erhalten, dass ein Elektronenstrahl Ober ein magnetisches Prisma und einen elektrostatischen Spiegel geführt wird. Nachteile dieser Lösung sind die verhältnismässig grosse Abmessung des Systems mit dem Prisma und dem Spiegel, seine schwierige Einstellung in dem Elektronenmikroskop durch die Umbiegung in dem

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Strahlenweg und das für viele Anwendungen zu geringe Auflösungsvermögen des Systems.

Die Erfindung bezweckt eine Anordnung mit einem besseren Auflösungsvermögen zu schaffen, welche Anordnung auch die anderen Nachteile der bekannten Anordnung behebt. Eine Anordnung der eingangs erwähnten Art ist dazu dadurch gekennzeichnet, dass die Energieselektionsanordnung aus einer magnetischen Anordnung zum Erzeugen eines homogenen Magnetfeldes und aus einer elektrostatischen Anordnung zum Erzeugen eines homogenen elektrischen Kraftfeldes besteht, welche beiden Kraftfelder im selben Feldraum'liegen und quer zueinander und beide quer zur Bewegungsrichtung des Teilchenstrahles gerichtet sind.

Ein sich durch diesen Feldiaum bewegendes, geladenes Teilchen wird von dem elektrischen Feld eine Kraft -F und vom Magnetfeld eine Kraft ν χ B erfahren. Beide Kräfte sind längs einer quer zu den magnetischen Kraftlinien verlaufenden Ebene gerichtet, und beide Kräfte gleichen sich bei einer Grosse Vo für die Teilchengeschwindigkeit bei einer dafür angepassten Richtung der Kraftlinien aus, und das Teilchen verläuft auf einer geraden Bahn. Für einen Strahl geladener Teilchen mit dieser Geschwindigkeit Vo ist das System somit geradsichtig, was die Einstellung vereinfacht.

Teilchen mit einer höheren bzw. niedrigeren Geschwindigkeit als Vo werden in der erwähnten Ebene in Abhängigkeit von ihrer Geschwindigkeit nach verschiedenen Seiten von der geradeaus verlaufenden Bahn abgebeugt, wodurch die Geschwindigkeitsselektion verwirklicht ist.

Daa Auflösungsvermögen eines derartigen Energieselektionsfilters kann dadurch erhöht werden, dass die geladenen Teilchen das System

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mit einer geringeren Geschwindigkeit durchlaufen.

Ein derartiges, unter dem Namen Wienfilter bekanntes System fühlt dann, wenn es ohne weiteres in einer eingangs erwähnten Anordnung angewendet wird, oftmals unzulässige optische Fehler ein. Dazu sind der Erfindung gemSss Mittel in Form von Vierpollinsen und/oder Sechspollinsen vorhanden, um den das eigentliche Filter "bildenden Feldern elektrostatische und/oder magnetische Linsenfelder zu überlagern. Ein System eines Energieselektionsfilters mit gekreuzten elektrostatischen und magnetischen Feldern mit an sich "bekannten elektrostatischen und magnetischen Vierpollinsen und Sechspollinsen bildet ein elektromagnetisches Hilfsmittel mit Husserst geringen optischen Fehlern und einer hohen Energieselektionsempfindlichkeit.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand einiger in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiele näher erla'utert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines axialen Schnitts durch ein mit einer verzögernden und einer beschleunigenden elektrostatischen Linse versehenes Energieselektionsfilter,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein mit elektrostatischen und magnetischen Vierpollinsen und Sechspollinsen versebenes Energieselektionsfilter, und

Fig. 3 eine skizzenhafte Darstellung einer Anordnung von aufeinanderfolgenden elektronenoptischen Teilen eines Elektronenmikroskops, das erfindungsgemäss mit einem Energieselektionsfilter versehen ist.

Das in Fig. 1 dargestellte Energieselektionsfilter enthält ein eigentliches Wienfilter 1, (siehe beispielsweise Brit J. Appl. Phys. Band 18 (I967) Seite 1573 - 1579), tei dem die Lunge des

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homogenen Feldraums zwischen einer Eintrittsfläche 2 und einer Austrittsfläche 3 für einen Teilchenstrahl 4 vorzugsweise ungefähr 5 cm beträgt. Zu beiden Seiten wird das Filter durch eine elektrostatische Zweizylinderlinse begrenzt, deren Elektroden 5 und 6 im Betrieb ein verhältnismässig hohes Potential und deren Elektroden 7 und 8 ein verhältnismässig niedriges Potential führen» In einer bevorzugten Einstellung des aus dem Wienfilter und den beiden elektrostatischen Linsen bestehenden Systems sind die Linsenpotentiale derart gewählt, dass eine mit der Eintrittsfläche 2 des Feldraums des Wienfilters zusammenfallende Gegenstandsfläche in einer mit der Austrittsfläche 3 des Wienfilters zusammenfallenden Bildfläche für den Strahl geladener Teilchen abgebildet wird. Für eine bestimmte Filterlänge und Zerstreuung hat das Filter dann eine optimale Hebertragung. In einer Ebene, in der die geladenen Teilchen abgebeugt werden und die quer zum homogenen magnetischen Kraftfeld gerichtet ist, hat eine derartige Feldkonfiguration eine fokussierende Wirkung. Das Wienfilter bildet somit eine Zylinderlinse. Durch Ueberlagerung eines elektrostatischen oder eines magnetischen Vierpollinsenfelds auf dem homogenen Feld kann das System doppelt-fokuseierend gemacht werden.

Das System weist dann noch einen ziemlich starken Fehler zweiter Ordnung auf, der durch drei Koeffizienten angegeben werden kann» Einer dieser Koeffizienten kann durch eine Ueberlagerung eines elektrostatischen oder eines magnetischen Sechspollinsenfeldes auf den Wienfilterfeldern und dem Vierpolfeld gleich Null gemacht werden. Ein zweiter Koeffizient kann dadurch gleich KuIl gemacht werden, dass das Filter mit eiaer Kombination aus einer elektrostatischen

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"und einer magnatischen Vierpollinse doppelt-fokussierend gemacht wird. Der übrigbleibende dritte Koeffizient kann in "bekannten Syatemen nicht gleich Null gemacht werden, aondern wird durch die Elimination der ersten "beiden Koeffizienten sogar grSsser. In einem Wienfilter jedoch ist dieser Koeffizient unter Anwendung der erwähnten Korrekturen durch die Symmetrie in den Bahnen der geladenen Teilehen infolge der Geradsichtigkeit zugleich mit den ersten "beiden gleich Null.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine bevorzugte Ausführung eines Energieaelektionafilters skizzenhaft dargestellt. In diesem Filter können mit den elektrostatischen-Elektroden 8 und magnetischen Polschuhen 9 alle erwähnten Felder in dem Feldraum erzeugt werden. Zum Einstellen der Teilchenstrahlen im Filter muas "beiapielsweise die Feldstärke wenigstens eines der Polschuhe von aussen geändert werden.

Mit einem derartigen Energieselektionsfilter ist in einer mit einem Elektronenstrahl von 100 keV arbeitenden Anordnung eine Zerstreuung von gut 20/um pro Volt, ein Auflösungavermögeη bis 20 Ä mit einer Verzerrung von weniger als "Ufo erreichbar.

Fig. 3 zeigt eine skizzenhafte Darstellung des abbildenden Systems eines Elektronenmikroskops, das gemäsa einer bevorzugten Auaführungsform der Erfindung mit einem Energieaelektionsfilter versehen iat. In dem Elektronenmikroskop befinden sich eine Objektivlinae 11, eine Diffraktionslinse 12, eine Projektionslinae 13» ain Bildschirm 14 und ein in dieae.r Ausführung zwischen das Diffraktionalinse 12 und der Projektionslinae 13 montiertes Wienfilter 1_e Daa Enesgieselaktionsfiltes ist hier somit dort montiert,, wo b©i den {fbliohan Elektronenmikroskopen sina Zxiiachanlina® vosgasghen ist» Das Filter kann auoh an eines andossn Stalls in dem Mikroskop

sogar ausserhalb des Mikroskops angeordnet werden. Im letzteren Fall befindet sich das Filter vom abbildenden System aus hinter dem Schirm 14· Eine Oeffnung im Schirm ist dann als Eingangsblende für das Filter wirksam. Eine derartige Oeffnung kann beispielsweise einen Durchmesser von ungefähr 250/um haben. Hierdurch kann eine Energieanalyse einer Stelle im Präparat durchgeführt werden. Dadurch, dass dem Bild des Elektronenmikroskops am Schirm 14 und synchron damit einem Ausgangssignal des Energieselektionsfilter eine Abtastbewegung erteilt wird, kann ein Energieverlustbild von einem Präparat dadurch erhalten werden, dass ein Bild von allen Elektronen aus dem abbildenden Strahl gebildet wird, die das Präparat mit demselben Energieverlust durchlaufen haben. Ein Vorteil dieser Anordnung ist der, dass das Elektronenmikroskop zum Anbringen oder Entfernen des Filters nicht auseinandergenommen zu werden braucht. Ein Nachteil ist der, dasa nicht das gesamte Bild zugleich durch das Filter hindurchgehen kann.

Das Energieselektionsfilter enthält eine erste elektrostatische, vorzugsweise Zweizylinderlinse 15, eine zweite entsprechende Linse 16, eine Eingangsblende 17 und eine Ausgangsblende 18. Mit den Linsen 15 und 16 kann dae Filter dem optischen System des Elektronenmikroskops derart einverleibt werden, dass ein Bild 19 eines Objekts oder Präparats 20 mit der Gegenstandsbrennfläche 21 der Linse 15 zusammenfällt. Zusammen mit den beiden Linsen 15 und 16 bildet das Filter diese Gegenstandsfläche 21 in einer Bildfläche 22 ab. In dieser Bildfläche ist der Elektronenstrahl nach der Energie der Elektronen selektiert und kann jede des auftretenden Teilchenenergien durch das Zuordnen eines Energieselektionespalts 23 abgesondert werden. Dadurch, dass der Spalt 25 in der Zerstxeuungaxiohtung des

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Filters verschoben wird oder dadurch, dass die Feldstärke im Filter geSndert wird, kann das ganze EnergieSpektrum deT Elektronen durchlaufen weiden. Ein Vorteil der Montage des Enargieselektionsfilters von der Fortbewegungsrichtung des Teilchenstrahls aus vor der Projektionslinse besteht darin, dass sich das Filter in dem MIdformenden. Strahl an einer Stelle befindet, wo "bereits eine "beträchtliche, "beispielsweise 150-fache Bildvergrösserung verwirklicht ist. Optische Fehler des Energieselektionsfilters haben dann einen vernal tnismSss ig geringen Einfluss auf das Endbild der abbildenden Anordnung. Hinter dem Filter erfolgt in der bevorzugten Ausführung nach Fig. 3 mittels der Projektionslinse noch eine beispielsweise 125-fache Vergrösserung. Das in das Energieselektionsfilter eintretende Bild des Präparats ist dann noch klein genug, um ohne unzulässige Aberrationen in seiner Gesamtheit durch das Filter hindurchgehen zu können.

Um den Beitrag optischer Fehler durch den Einbau des Energieselektionsfilters möglichst gering zu halten, werden die Linsen 15 und 16 vorzugsweise derart eingestellt, dass dieses ganze System keine Vergrösserung einführt und ein optisches teleskopisches System bildet.

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Claims (11)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   \1 · y Anordnung zur mikroskopischen Untersuchung einer Materie .mit Hilfe eines Strahls geladener Teilchen, mit einer Energieselek— tionsanordnung für die geladenen Teilchen» dadurch gekennzeichnet, dass die Energieselektionsanordnung aus einer magnetischen Anordnung zum Erzeugen-eines homogenen magnetischen Kraftfeldes und aus einer elektrostatischen Anordnung zum Erzeugen eines homogenen elektrischen Kraftfeldes "besteht, weiche Kraftfelder im selten Feldraum liegen und quer zueinander und beide quer zur Bewegungsrichtung des Strahls geladener Teilchen gerichtet sind«
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der Bewegungsrichtung des Strahls geladener Teilchen vor der Energieselektionsanordnung eine Verzögerungslinse und hinter dem Energieselektionsfilter eine Beschleunigungslinse befindet und dass die Verzogerungslinse und die Beschleunigungslinse zusammen ein optisches teleskopisches Linsensystem bilden.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieselektionsanordnung eine Gegenstandsfläche in einer Bildfläche abbildet und dass die Gegenstandsfläche mit dem Anfang des Feldraums und die Bildfläche mit dem Ende des Feldraums zusammenfällt.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass dem Energieselektionsfilter eine Vierpollinse mit einer fokussierenden Wirkung in Richtung der magnetischen Kraftlinien zugeordnet ist.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, dass die Vierpollinse aus einer Kombination aus einem elektrostatischen und

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   .einem magnetischen Vierpol "besteht.
6. 6. Anordnung nach ainem der vorhergehenden Anaprüche, dadurch gekennzeichnet, daaa dam Enargieselektionafilter eine Sechspollinae zugeordnet ist»
7. 7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daaa aich in der Bewegungsrichtung dar geladenen Teilchen Muter dem Energieaelektionsfilter eine verhältnismässig schwache Linse befindet (Minilinse).
8. 8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Anaprüche, dadurch gekennzeichnet, daaa diaae durch ein Elektronenmikroakop gebildet wird und daaa sich das Enargieselektionsfiltar in der Bewegungsrichtung der Elektronen vor einer Endlinse das Elaktronenmikroakops befindet.
9. 9. Anordnung nach einem der Anaprüche 1 bia 7» dadurch gekennzeichnet, daas diese durch ein Elektronenmikroskop mit einem durchbohrten Auffangschirm gebildet wird und dass das Energieselaktionsfiltar hinter dam Auffangschirm montiert ist.
10. 10. Anordnung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dass eine ala Eingangsblende für daa Energieselektionafilter wirksame Durchbohrung des Auffangschirma einen Durchmesaer von ungefähr 250/um aufweist.
11. 11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,daaa Mittel zum synchronen Abtasten des Strahles geladener Teilchen über den durchbohrten Auffangschirm und ein Ausgangesignal des Energieselektionsfilters über einen Auffangschirm vorhanden sind.

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    no.

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