DE2138892B2 - MAGNETIC ELECTRONIC LENS WITH SPACE CHARGE AND THEIR USE - Google Patents
MAGNETIC ELECTRONIC LENS WITH SPACE CHARGE AND THEIR USEInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine magnetische Elektronense mit rotationssymmetrischen Magnetfeld und einem
nahe an einem axialen Ende der rotationsmagnetischen Magnetfelds angeordnetem Elektronensirahlerzeugungssystem
zum Erzeugen eines im Feldraum der Linse verlaufenden Elektronenstrahls.
S Eine derartige Elektronenlinse ist aus der britischen Patentschrift 5 78 273 bekannt und bezweckt, die
sphärische Aberration von elektromagnetischen Linsen herabzusetzen. Von einer Elektronenquelle aus abgehende
Elektronen bilden in einem rotationssymmetrisehen elektromagnetischen Linsenfeld eine elektrostatische
Raumladung, die eine ausgleichende Wirkung auf die sphärische Aberration eines axial in das Linsenfeld
geschossenen Elektronenstrahls ausübt. Die dazu verwendete Elektronenquelle besteht aus einer ringför-The invention relates to a magnetic electron probe with a rotationally symmetrical magnetic field and an electron beam generating system arranged close to one axial end of the rotationally magnetic magnetic field for generating an electron beam running in the field space of the lens.
Such an electron lens is known from British patent specification 5 78 273 and is intended to reduce the spherical aberration of electromagnetic lenses. Electrons emanating from an electron source form an electrostatic space charge in a rotationally symmetrical electromagnetic lens field, which has a balancing effect on the spherical aberration of an electron beam shot axially into the lens field. The electron source used for this consists of a ring-shaped
migen Kathode, die koaxial nahe einem axialen Ende des elektromagnetischen Linsenfeldes vorgesehen ist.moderate cathode which is provided coaxially near an axial end of the electromagnetic lens field.
Dieser Aufbau hat den Nachteil, daß die Rotationssymmetrie des Linsenfeldes für die abbildenden Elektronen leicht durch die ringförmige Kathode und insbesondere durch die Zuführungsleitungen zur Kathode hin gestört wird. Die dadurch entstandenen Abweichungen von der Rotationssymmetrie rufen Abbildungsfehler für den bildformenden Elektronenstrahl hervor.This structure has the disadvantage that the rotational symmetry of the lens field for the imaging Electrons easily through the ring-shaped cathode and in particular through the feed lines to the cathode is disturbed. The resulting deviations from the rotational symmetry call Aberrations for the image-forming electron beam.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer magnetischen Elektronenlinse der eingangs erwähnter Ar: derartige Abweichungen von der Rotationssymmetrie und damit die dadurch hervorgerufenen Abbildungsfehler für den bildformenden Elektronenstrahl zt vermeiden.The invention is based on the object of the aforementioned in the case of a magnetic electron lens Ar: such deviations from the rotational symmetry and thus the imaging errors caused by them for the image-forming electron beam avoid in part.
Diese Aufgabe wird gelöst, daß das Elektronen-Strahlerzeugungsystem seitlich der verlängerten Symmetrieachse des rotationssymmetrischen Magnetfeldes längs der der bildformendi: Elektronenstrahl verläuftThis object is achieved in that the electron beam generating system to the side of the extended axis of symmetry of the rotationally symmetrical magnetic field along which the bildformendi: electron beam runs
angeordnet ist und daß eine Hauptrichtung für der Elektronenstrahl des Strahlerzeugungssystems zurr Magnetfeld hin gerichtet ist und die Symmetrieachse des Magnetfeldes in einem Winkel von maxima ungefähr 30° kreuzt.is arranged and that a main direction for the electron beam of the beam generating system zurr Magnetic field is directed towards and the axis of symmetry of the magnetic field at an angle of maxima crosses about 30 °.
Dabei kann die Elektronenquelle derart angeordne werden, daß sie keinen Einfluß auf die Rotationssymme trie des Magnetfeldes hat, während zugleich eim großzügigere Steuerungsmöglichkeit für den Elektro nenstrahl möglich ist, letzteres sowohl hinsichtlich dei Stromstärke, der Energie, mit der die Elektronen in da; Magnetfeld geschossen werden, als auch des Winkels, ir dem geschossen wird.The electron source can be arranged in such a way that it has no influence on the rotational symmetry ty of the magnetic field, while at the same time a more generous control option for the electric nenstrahl is possible, the latter both in terms of the current strength, the energy with which the electrons in there; Magnetic field as well as the angle at which the shot is made.
Für einen optimalen Ausgleich mit einer möglichs geringen Stromstärke des Elektronenstrahls ist e günstig, die Elektronen im rotationssymmetrischei Magnetfeld einen möglichst langen Weg zurücklegen zi lassen. Dazu werden die Einfallswinkel und dii Geschwindigkeit der Elektronen derart der magneti sehen Feldstärke des rotationssymmetrischen Magnet feldes angepaßt, daß diese Elektronen darin eim Schraubenlinie mit einer sehr geringen Steiguni durchführen.For an optimal compensation with the lowest possible current strength of the electron beam, e favorable, the electrons in the rotationally symmetrical magnetic field cover the longest possible path zi permit. For this purpose, the angle of incidence and the speed of the electrons become the magneti see field strength of the rotationally symmetrical magnetic field adapted so that these electrons are in it Carry out a helix with a very low incline.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung, be der an der Stelle der rotationssymmetrischen Magnet feldes ein Gasdruck zwischen lü~4 und 10-'° Tor herrscht, wird die Raumladung im Magnetfeld nieh ausschließlich, sogar nicht einmal im wesentlicher durch Elektronen des eingeschossenen Elektronen Strahls gebildet, sondern durch Sekundärelektronen, di durch Ionisation des im Magnetfeld vorhandenen Gase gebildet werden. Ein koaxial im Magnetfeld angeordne ter, zylinderförmiger Leiter, dessen Potential einstellba ist, kann dabei behilflich sein, die gebildeten Ionen auIn a preferred embodiment of the invention, where there is a gas pressure between lü ~ 4 and 10- '° Tor at the location of the rotationally symmetrical magnetic field, the space charge in the magnetic field is never formed exclusively, not even essentially, by electrons of the injected electron beam , but through secondary electrons, i.e. through ionization of the gases present in the magnetic field. A cylindrical conductor arranged coaxially in the magnetic field, the potential of which can be adjusted, can help to build up the ions
dem Feldraum zu vertreiben sowie den Einfallswinkel des primären Strahls mitzubestimmen. Der Einfallswinkel kann auch durch eine scharnierende Anordnung des Erzeugungssystems geregelt weden. Ein Vorteil beim Arbeiten mit Sekundärelektronen besteht für die Raumladung außer in der geringen benötigten primären Stromstärke für den einzuschießenden Strahl auch darin, daß der Einfallswinkel zum optimalen Ausgleichen weniger kritisch istto drive away the field space and to help determine the angle of incidence of the primary ray. The angle of incidence can also be regulated by a hinged arrangement of the generation system. An advantage with Working with secondary electrons consists for the space charge except in the small required primary Amperage for the beam to be shot also in the fact that the angle of incidence for optimal compensation is less critical
Die Erfindung wird nunmehr anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigtThe invention will now be described in more detail with reference to a few exemplary embodiments shown in the drawings explained. It shows
F i g. 1 ein? schematische Darstellung einer magnetischen Elektronenlinse,F i g. 1 a? schematic representation of a magnetic Electron lens,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Elektronenstrahlerzeugungssystems, geeignet für eine Elektronenquelle in einer magnetischen Elektronenlinse,Fig. 2 is a schematic representation of an electron gun, suitable for an electron source in a magnetic electron lens,
F i g. 3 eine schematische Darstellung eines Elektronenmikroskops, bei dem eine der elektromagnetischen Abbildungslinsen eine magnetische Elektronenlinse mit Raumladung ist,F i g. 3 a schematic representation of an electron microscope, in which one of the electromagnetic imaging lenses has a magnetic electron lens Space charge is
Fig.4 eine schematische Darstellung eines Teiles eines Mikroanalysators, bei dem eine als Röhrenlinse ausgebildete Objektivlinse eine magnetische Elektronenlinse mit Raumladung ist.4 shows a schematic representation of a part a microanalyser in which an objective lens designed as a tube lens is a magnetic electron lens with space charge is.
Bei der in F i g. 1 dargestellten magnetischen Elektronenlinse wird in einem Feldraum 1 ein rotationssymmetrisches Magnetfeld durch eine elektromagnetische Spule 2 mit den Wicklungen 3, einer ferromagnetischen Abschirmung 4 und einem Luftspalt 5 erzeugt. Diese elektromagnetische Spule kann durch einen Dauermagneten ersetzt sein. Im Feldraum 1 ist ein Elektronenstrahl 6 dargestellt, der beispielsweise für eine elektronenoptische Abbildung in einem Elektronenmi kroskop, einem Abtastmikroanalysator, einem Elektronenstrahlbearbeitungsapparat oder einem anderen ähnlichen Apparat, bei dem ein Elektronenstrahl mit guten Abbildungseigenschaften erwünscht ist, verwendet wird. Nahe einem axialen Ende der Spule 2 befindet sich ein Elektronenstrahlerzeugungssystem 7 mit einer mit Glühdrähten 8 versehenen Kathode 9, einem Wehnelt 10 und einer Anode 11. Zum Bündeln eines von der Kathode 9 abgehenden Elektronenstrahls 12 ist eine magnetische Linse 13 in der Anode 11 montiert. Im rotationssymmetrischen Magnetfeld folgt der Elektronenstrahl 12, wenn er, in einem Winkel von maximal ungefähr 30° die Symmetrieachse des Magnetfeldes kreuzend, eingeschossen wird, einer Schraubenlinie 14. Die Steigung dieser Schraubenlinie wird durch die Stärke des Magnetfeldes und die Energie der eingeschossenen Elektronen bestimmt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel befindet sich um den Feldraum 1 eine Büchse 15 aus nicht ferromagnetischem, elektrisch leitendem Material Wird diese Büchse 15 auf ein positives Potential eingestellt, so drückt dieses die durch den Elektronenstrahl gebildeten Ionen weg und im magnetischen Feld kann sich eine negative Raumladung aufbauen. Durch Änderung des somit vorzugsweise positiven Potentials der Büchse 15 kann die Beschußrichtung des Elektronenstrahls 12 nachgestellt werden. Eine Energie für die Elektronen aus dem Elektronenstrahl 12, die ungefähr 500 bis 1000 eV entspricht, liefert einen maximalen wirksamen Durchmesser zum Ionisieren eines Gases in dem von dem Strahl durchlaufenden Raum.In the case of the in FIG. The magnetic electron lens shown in FIG. 1 becomes a rotationally symmetrical one in a field space 1 Magnetic field through an electromagnetic coil 2 with the windings 3, a ferromagnetic Shield 4 and an air gap 5 is generated. This electromagnetic coil can be driven by a permanent magnet be replaced. In the field space 1, an electron beam 6 is shown, for example for a electron-optical imaging in an electron microscope, a scanning microanalyser, an electron beam processing apparatus or other similar apparatus in which an electron beam having good imaging properties is desired will. Near one axial end of the coil 2 is an electron gun 7 with a with filaments 8 provided cathode 9, a Wehnelt 10 and an anode 11. For bundling one of The electron beam 12 emanating from the cathode 9 has a magnetic lens 13 mounted in the anode 11. in the The electron beam 12 follows a rotationally symmetrical magnetic field when it is at an angle of at most about 30 ° crossing the symmetry axis of the magnetic field, a helix 14. The slope of this helical line is determined by the strength of the magnetic field and the energy of the shot Electrons determined. In a preferred exemplary embodiment, 1 is located around the field space a sleeve 15 made of non-ferromagnetic, electrically conductive material, this sleeve 15 on a If a positive potential is set, this pushes the ions formed by the electron beam away and in the magnetic field can build up a negative space charge. By changing the thus preferably positive potential of the sleeve 15, the bombardment direction of the electron beam 12 can be adjusted. An energy for the electrons from the electron beam 12, which corresponds to approximately 500 to 1000 eV, provides a maximum effective diameter for ionizing a gas in that traversed by the beam Space.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines Elektronenstrahlerzeugungssystems für eine derartigen Elektronenlinse befinden sich neben den bereits erwähnten Glühdrähten 8, der Kathode 9, dem Wehnelt 10, der Anode 11 und der Linse 13 Mittel für eine mechanische Nachstellmöglichkeit für den Elektronenstrahl 12. Hierzu sind beispielsweise, wie in Fig.2 dargestellt, zwischen dem Wehnelt und der Anode deformierbare Ringe 16 und 25 ist um die Anode ein deformierbarer Ring 17 vorgesehen, wodurch das Erzeugungssystem beispielsweise mittels von außen betätigbarer, nicht dargestellter Einstellschrauben nach der Montage nachgestellt werden kann.In a preferred embodiment of an electron gun for such Electron lenses are located next to the already mentioned filaments 8, the cathode 9, the Wehnelt 10, the anode 11 and the lens 13 means for a mechanical adjustment possibility for the electron beam 12. For this purpose, for example, as shown in FIG. 2, between the Wehnelt and the anode deformable rings 16 and 25, a deformable ring 17 is provided around the anode, whereby the Generation system, for example, by means of externally operable adjusting screws (not shown) the assembly can be adjusted.
In Fig.3 ist ein Elektronenmikroskop mit einer magnetischen Elektronenlinse mit Raumladung dargestellt. In dem sehr üchematisch dargestellten Elektronenmikroskop befinden sich ein Elektronenstrahlerzeugungssystem 18 mit einer Kathode 19, einem Wehnelt 20 und einer Anode 21, eine Kondensorlinse 22, eine durch die elektromagnetischen Spule 2 gebildete Hauptlinse, eine Projektorlinse 23 und ein Auffangschirm 24. Das Elektronenstrahlerzeugungssystem 7 ist bei diesem Mikroskop zwischen der Hauptlinse 2 und dem Projektor 23 montiert. Die schematische Darstellung eines Elektronenmikroskops dient nur zur Veranschaulichung. In jedes Elektronenmikroskop, in dem sich rotationssymmetrische elektromagnetische oder dauermagnetisch^ Linsen befinden, kann eine erfindungsgemäße Elektronenlinse für irgendeine solcher Linsen eingebaut werden.In Fig.3 is an electron microscope with a magnetic electron lens shown with space charge. In the electron microscope, shown very schematically there is an electron gun 18 with a cathode 19, a Wehnelt 20 and an anode 21, a condenser lens 22, a main lens formed by the electromagnetic coil 2, a projector lens 23 and a collecting screen 24. The electron gun 7 is in this Microscope mounted between the main lens 2 and the projector 23. The schematic representation an electron microscope is for illustrative purposes only. In every electron microscope in which rotationally symmetrical electromagnetic or permanent magnet ^ Lenses are located, an electron lens according to the invention can be used for any of such lenses to be built in.
In Fig.4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel einer magnetischen Elektronenlinse dargestellt. Es handelt sich hierbei um eine Objektivlinse 25 vom Typ Minimlmse, wie beispielsweise in der US-Patentschrift 33 94 254 beschrieben, die beispielsweise in einem Abtastmikroanalysator angewendet werden kann. Eine für diesen Linsentyp charakteristische längliche magnetische Spule 26, die in einen Kühlkörper 27 eingeschlossen ist, bildet ein Magnetftld, in das ein Elektronenstrahl eines Elektronenstrahlerzeugungssystems 7 zur Bildung einer Raumladung, welche eine sphärische Aberration ausgleicht, eingeschossen wird.Another embodiment of a magnetic electron lens is shown in FIG. It deals This is an objective lens 25 of the Minimlmse type, as for example in the US patent 33 94 254, which can be used, for example, in a scanning microanalyzer. One elongated magnetic coil 26 which is characteristic of this type of lens and which is enclosed in a heat sink 27 forms a magnetic field into which an electron beam from an electron gun 7 is formed for formation a space charge, which compensates for a spherical aberration, is injected.
Bei Messungen hat sich herausgestellt, daß der Koeffizient der sphärischen Aberration einer erfindungsgemäßen magnetischen Linse leicht um einen Faktor 5 reduziert werden kann. Beim Auflösungsvermögen ist die Wurzel der vierten Potenz des Koeffizienten der sphärischen Aberration bestimmend, so daß der Gewinn, obwohl bedeutend, nicht so groß ist. Für den freien Arbeitsabstand ist der Brennpunktsabstand der letzten Linse bestimmend, und dieser kann in dem erwähnten Beispiel unter Beibehaltung eines guten Fokus um einen Faktor 5 größer gewählt werden. Es ist erwiesenermaßen möglich, bei einem normalen Strahl öffnungen von 1Ao radial und bei einem 50 mm langen freien Arbeitsabstand eine Fokusgröße von 1 μπι zu erreichen.Measurements have shown that the coefficient of spherical aberration of a magnetic lens according to the invention can easily be reduced by a factor of five. The resolving power is determined by the square root of the coefficient of spherical aberration, so that the gain, although significant, is not so great. The focal distance of the last lens is decisive for the free working distance, and in the example mentioned this can be selected to be greater by a factor of 5 while maintaining a good focus. It has been proven possible to achieve a focus size of 1 μm with a normal beam openings of 1 Ao radially and with a free working distance of 50 mm.
Für den Ausgleich der sphärischen Aberration ist es nicht von Bedeutung, wie die Raumladung gebildet wird. Es kann hierbei an zwei verschiedene Prozesse gedacht werden. Entweder bleibt der Elektronenstrahl selbst durch die geringe Steigung der Spiralbahn so lange in dem Magnetfeld, daß eine bedeutende Raumladung aufgebaut wird, oder die Elektronen aus dem Elektronenstrahl ionisieren auf ihrem Weg ein Restgas derartig, daß eine bedeutende Raumladung durch die bei dieser Ionisation entstandenen Sekundärelektronen aufgebaut wird. In der Praxis treten beide Prozesse zugleich auf. Eine nur durch den Elektronenstrahl selbst gebildete Raumladung nähert sich der idealsten Raumladungsverteilung zum optimalen Ausgleich am meisten an. IhrFor the compensation of the spherical aberration it is not important how the space charge is formed. Two different processes can be thought of here. Either the electron beam remains itself so long in the magnetic field because of the slight incline of the spiral path that a significant space charge is built up, or the electrons from the electron beam ionize a residual gas on their way in such a way, that a significant space charge is built up by the secondary electrons produced during this ionization will. In practice, both processes occur at the same time. One formed only by the electron beam itself Space charge most closely approximates the most ideal space charge distribution for optimal balance. you
Aufbau ist jedoch relativ kritisch betreffs der Beschußrichtung und der Energie der Elektronen, und es ist ein relativ großer Strahlstrom erforderlich. Wird die Raumladung hauptsächlich durch Sekundärelekironen infolge der Ionisation aufgebaut, welche Elektronen durch das zusammengesetzte elektrische Feld der Büchse 15 und das rotationssymmetrische Feld im Linsenraum gehalten werden, dann ist sie weniger kritisch betreffs des Beschußwinkels und der Energie des Elektronenstrahls und kann ein geringerer Strahlstrom ausreichen. So hat sich herausgestellt, daß bei einem Restgasdruck von ungefähr 10"6 Torr ein Strahlstrom von 1 μΑ eine ausreichend ausgleichende Raumladung ergibt. Insbesondere durch das Potential der Büchse 15 kann ein erwünschtes Verhältnis in den Beiträgen von jedem der Prozesse zur gesamten Raumladung gewählt werden.However, the structure is relatively critical with regard to the direction of fire and the energy of the electrons, and a relatively large beam current is required. If the space charge is mainly built up by secondary electrons as a result of the ionization, which electrons are held in the lens space by the composite electric field of the sleeve 15 and the rotationally symmetrical field, then it is less critical with regard to the angle of fire and the energy of the electron beam and a lower beam current can be sufficient. It has been found that with a residual gas pressure of approximately 10 " 6 Torr a jet current of 1 μΑ results in a sufficiently compensating space charge. In particular, the potential of the sleeve 15 can be used to select a desired ratio in the contributions of each of the processes to the total space charge.
Die durch die Ionisation eines Restgases entstandenen Sekundärelektronen können bei einer richtigen Wahl des elektrostatischen und elektromagnetischen Feldes im Feldraum nur durch Zusammenstoß mit Gasmolekülen aus dem Feld entweichen. Sowohl die Produktion von Sekundärelektronen, als auch die Entweichungsmöglichkeit ist somit proportional dem Gasdruck. Hierdurch ist das Aufbauen einer Raumladungswolke aus Sekundärelektronen für den Druck im Feldraum wenig kritisch.The secondary electrons created by the ionization of a residual gas can with a correct Choice of the electrostatic and electromagnetic field in the field space only by colliding with Gas molecules escape from the field. Both the production of secondary electrons and the The possibility of escape is therefore proportional to the gas pressure. This creates a space charge cloud from secondary electrons is not very critical for the pressure in the field space.
Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
| EHJ | Ceased/non-payment of the annual fee |