DE2512468C2

DE2512468C2 - "Elektronenmikroskop mit einem Wien-Filter als Energieanalysator"

Info

Publication number: DE2512468C2
Application number: DE2512468A
Authority: DE
Inventors: Willem Hendrik Jan Eindhoven Andersen
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-04-01
Filing date: 1975-03-21
Publication date: 1981-09-24
Also published as: GB1507366A; CA1021883A; DE2512468A1; NL7404363A; FR2266300A1; FR2266300B1; JPS50141966A; US3979590A

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektronenmikroskop mit einer Elektronenquelle mit erhöhter Emissionsstromdichte, einem elektronenoptischen Linsensystem zur Bildung eines engsten Strahlquerschnitts (Überkreu lungspunkt) in dem von der Elektronenquelle erzeugten Elektronenstrahl, einem Wien-Filter, einer Quadrupol· linse und einem Elektronendetektor;

Ein derartiges Elektronenmikroskop ist bekannt, so Z, B. aus der D&ÖS 21 37 510, Bei dem zur Energiese· iektion verwendeten Wien-Filter sind die optischen Fehler verringert und es wird eine höhe Enefgieselektionsempfindlichkeit erreicht.

Ein ähnliches Elektronenmikroskop ist i, B, auch aus

dem »Journal of Applied Physics«, Band 39, Nr. 13, Seiten 5861 ... 5868, Crewe u. a„ bekannt Bei dem dort beschriebenen Mikroskop wird für die Energieanalyse ein elektrostatischer Analysator benutzt Dadurch ist das System nicht geradsichtig, wenig einstellbar und die Durchstrahlung des Mikroskops ist bei ausreichender Auflösung in der Energieanalyse zu beschränkt

Die Aulgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einem Elektronenmikroskop der eingangs

ίο genannten Art eine hohe Durchstrahlung und zugleich eine weiter erhöhte Energieselektion für das als Energieanalysator dienende Wien-Filter zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Wien-Filter so angeordnet ist daß dafür der engste Strahlquerschnitt (Oberkreuzungspunkt) Gegenstand ist daß die Quadrupollinse in Strahlrichtung gesehen nach dem Wien-Filter so angeordnet ist, daß sie in Dispersionsrichtung des Wien-Filters vergrößert und daß ein Strahlablenksystem zum Verschieben der vom Wien-Filter erzeugten Abbildung des engsten Strahlquerichniits in seiner Oispcrsionsrichtung über einen Spalt vorgesehen ist der in der Bildebene des Wien-Filters angeordnet ist und hinter dem sich der Elektronendetektor befindet.

Zweckmä3ige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Anhand der Zeichnung wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine skizzenhafte Wiedergabe eines Ausführungsbeispiels eines Elektronenmikroskops mit Elektronenenergieanalysator mit einem Strahlengang in einer X-Richtung gesehen,

Fig. 2 das bevorzugte Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, jetzt jedoch in einer zur X-Richtung senkrechten K-Richtungund

F i g. 3 den gesamten Strahlengang in einem Elektronenmikroskop mit dem Energieanalysator nach den F i g. 1 und 2.

ίο In Fig. 1 sind, in einem Strahlquerschnitt in einer ^-Richtung gesehen, die mit einer Dispersionsrichtung einer dem Elektronenenergieanalysator bildenden Wien-Filter (5) eines Elektronenmikroskops zusammenfällt, eine Projektorlinse 1 und ein Auffangschirm 2 mit

einer öffnung 3 dargestellt. In der Bewegungsrichtung eines Elektronenstrahls 4 gesehen befindet sich in diesem Elektronenmikroskop, das sowohl ein Durchstrahlungselektronenmikroskop (TEM) als auch ein Rasterelektronenmikroskop (SEM) oder ein Durch-Strahlungs-Rastermikroskop (STEM) sein kann und das vorzugsweise mit einer Feldemissions-Elektronenquelle ai'sgerüstet ist. hinler dem Auffangschirm 2 das Wien-Filter 5, das aus nicht getrennt dargestellten elektromagnetischen und elektrostatischen Elementen aufgebaut ist. Ein derartiges Wien-Filter ist allgemein bekannt und zum Beispiel in dem »British Journal of Applied Physics«, Band 18, Seiten 1573 ... 1579, beschrieben. Das Wien-Filter 5 ist mit einer Quadrupollinse 6 und einem Ablenksystem 7 ergänzt.

Als Ablenksystem wird eine elektromagnetische Spule hier bevorzugt, Das Ablenksystem kann auch durch das Einbauen einer einstellbaren Unsymetrie in das Wienfilter gebildet werden, Wodurch eine Ablenkung in einer auszuwählenden Richtung als Resultieren* de übrigbleibt, Weil der maximale Ablefikw'inkel nur klein ist, z, B, wenige Bogenminuten, werden dadurch auch bei der Verwendung einer einfachen Spüle keine störenden Fehler eingeführt. Das Wien-Filter bildet Von

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einem von der Projektorlinse erzeugten engsten Querschnitt 8 im Elektronenstrahl ein Spektrum 9 (Fig.2) mit einer in der X-Richtung liegenden Dispersion. Dieses Dispersionsspektrum wird durch die Quadrupollinse auf einem Endschirm 10 abgebildet, wobei das Spektrum in der Dispersionsrichtung beispielsweise 20- bis lOOmal vergrößert wird. Hierdurch wird das Auflösungsvermögen des Analysators im Endschirm erhö!-L Der Endschirm 10 hat einen Spalt 11 mit einer mit der Dispersionsrichtung zusammenfallenden Breiterichtung und einer mit der V-Richtung (Fig.2) zusammenfallenden Längsrichtung. In der V-Richtung, also senkrecht zur Dispersionsrichtung, vergrößert die Quadrupollinse 6 nicht oder in viel geringerem Maße. Hierdurch kann die Stromdichte in der Abbildung des Analysators sehr stark erhöht werden, was eine hohe Durchstrahlung des Analysators ergibt. Mit dieser Quadrupollinse kann auch die Länge der Linienabbildung eingestellt und auf diese Weise der Spaltlänge angepaßt werden. Der Spalt 11 hat eine Breuc, die beispielsweise zwischen O₁! und 10 mm einstellbar ist, und eine Länge von 5 ... 10 mm. Für den Spalt kann jeder beliebige Aufbau ausgewählt werden, z. B. wie der nach Fig. 3 des erwähnten Artikels in dem »Journal of Applied Physics«. Hinter dem Spalt ist ein Elektronendetektor 12 angeordnet. Dieser Detektor ist vorzugsweise ein Halbleiterdetektor, wie er beispielsweise in dem von der Anmelderin hergestellten handelsüblichen Rasterelektronenmikroskop verwendet wird. Auch die zur Detektion benötigte Elektronik kann entsprechend diesem Rastermikroskop gewählt werden.

Mit dem Ablenksystem 7 wird die Linienabbildung in der Dispersionsrichtung über den Spalt bewegt, wodurch Energieanalyse verwirklicht werden kann. In Fällen aus der Praxis wird die Linienabbildung über einen Abstand entsprechend z. B. 100 eV über den Spalt bewegt und ist mit einer Genauigkeit von ungefähr 2 eV meßbar.

In den Figuren sind weiter einige elektronenoptische Hilfsmittel angegeben. So ist an der Ausgangsseite des Wien-Filters eine verhältnismäßig schwache Quadrupollinse 13 angeordnet. Mit dieser Linse kann die Fokussierung des Wien-Filters der Lage des engsten Strahlquerschnitts 8 angepaßt werden, ohne daß dabei die Energieauswahlemstellung beeinträchtigt wird. Das Energiespektrum kann damit also auf dem Endschirm bei schwankender Lage des engsten Strahlquerschnitts fokussiert bleiben, der als Gegenstand für das Wien-Filter arbeitet. Für die Quadrupollinse ist das Dispersionsbild virtuell, wie in F i g. 1 angegeben. Mit einem übertiem Wien-Filter angeordneten Sechspoi 15 kann, wenn der öffnungswinkel des ankommenden Strahls dies erfordert, für einen Öffnungsfehler der 2. Ordnung, insbesondere in der Dispersionsrichtung korrigiert werden. Mit einer an der Austrittsseite des Wien-Filters angeordneten SechsDollinse kann für Linienkrümmung korrigier werden. Diese Korrektur möglichkeiten sind besonders wichtig, weil die Korrek tür von Strahlöffnungsfe'ilern und Limenkrümmung eine optimale Anpassung an den Auswahlspalt in der Endfläche ermöglicht, HitJrbei vergrößert sich für ein gewisses Energietfennun^svermögen die Durchslrahlung des Systems, mit anderen Worten die Sammelwirk* smnkeit des Systems. Die zu verwendenden Sechspole sind an sich bekannte elektronenoptische Elemente. Die Eigenschaft dieser Linsen, daß ohne entkorrigierenden Einfluß in einer Richtung in der anderen Richtung korrigiert werden kann, ist hier besonders vorteilhaft. Auch das Ablenksystem 7 kann in solchem Sinne doppelt ausgeführt sein, daß senkrecht aufeinander stehende und unabhängig zu steuernde Ablenkfelder angelegt werden können. Für die bereits erwähnte Verschiebung der Abbildung über den Spalt ist dieses Ablenkfeld gleich dem entsprechenden Ablenkfeld des Wien-Filters gerichtet. Das Ablenkfeld zum Zentrieren der Linienabbildung in der Längsrichtung des Spaltes ist senkrecht zu diesem Ablenkfeld des Wien-Filters gerichtet

Der Gegenstand für das Wien-Filter 5 ist der engste Strahlquerschnitt 8 nach der letzten Linse des Elektronenmikroskops, und die Blende 3 im Auffangschirm 2 des Elektronenmikroskops bestimmt die Strahldurchlaßöffnung für das Wien-Filter. Arbeitet ein Elektronenmikroskop im STEM-Betrieb, bestimmt die Abmessung des abgetasteten Objektteils den engsten Strahlquerschnitt 8, und der auf den Auffangschirm bezogene öffnungswinkel des abtasf· Jen Elektronenstrahls den öffnungswinkel. In dieser Cit'jation :st der engste Strahiquerschnitt z. B. wenige Mikrometer groß und es liegt ein günstiger Wert für die Blendenöffnung 3 zwischen beispielsweise 0,5 und 2,0 mm. Durch die Anpassung der Erregung der Projektorlinse kann eine optimale Einstellung zwischen dem engsten Strahlquerschnitt und der Strahldurchlaßöffnung für das Wien-Filter erhalten werden. Bei einem TEM bieten sich zwei Möglichkeiten: die abbildende Einste'lung und die Diffraktionseinstellung. Bei der Diffraktionseinstellung wird der engste Strahlquerschnitt 8 durch die Größe des Objektbereiches bestimmt, der durch eine Auswahlblende, die sich in der Diffraktionslinse des Elektronenmikroskops befindet, bestimmt wird. Die Blende 3 kann hierbei eine öffnung von z. B. 0,05 ... 2 mm aufweisen. Diese Blendenöffnung wird durch das gewünschte Energieauflösungsvermögen des Wien-Filters und des erwähnten Diffraktionsbildes bestimmt. Bei der biMformenden Einstellung wird der engste Strahiquerschnitt durch die Abbildung einer Objektivblende im Elektronen' :ikroskop bestimmt und die Blende 3 kann wieder dem gewünschten Bildauflösungsvermögen für obigen Auswahlbereich des Objekts angepaßt werden. Das Energieauflösungsvermögen des Wien-Filters kann dabei gleichfalls dem gewünschten Auflösungsvermögen angepaßt werden.

Das Wien-Filter selbst kann auch in zwei verschiedenen Betriebsarten arbeiten, und zwar für Energieauswahl, bei der vom Elektronenmikroskop aus ein einziges Bild über den Eingang des Wien-Filters bewegt und bei der ein Band aus dem Energiespektrum gemessen wird. Über das ganze Bild wird auf diese Weise jener Teil der Elektronen aufgezeichnet, der im Präparat, z. B. zwischen 40 und 50 eV. verzögert worden ist. In der abtastenden Einstel'ung wird ein Spek'rum eines ausgewählten Teils des Mikroskopbildes sufgezeichnet. wobei die Elektronenverzögerung im Präparat als Variable auftritt. Das Meßergebnis ist dabei eine Kurve, die die Elektronen- enge in einem Geschwindigkeitsgebiet als Funktion der F.lektronengeschwindigkeit darstellt.

In der Anordnung zum Messen von STF.M^sEnergieauswahl ist eine verhältnismäßig große Eingangsblende für das Wien-Filter notwendig. Daher machen sich gerade in dieser Anuftlnung die erwähnten Sechspoi" korrekturen erforderlich- Ein zweckmäßiger Wienfilter ist beispielsweise etwa 30 cm lang und es kann bei einer Ausgangsspannung von 100 ksV ein Auflösungs-

vermögen von ungefähr 1 eV erreicht werden. Die Strahlspannungdes Elektronenmikroskops kann von 10 ... 150 keV schwanken. Der engste Strahlquerschnitt im Elektronenmikroskop, der als Gegenstand des Wien-Filters arbeitet, hat einen Durchmesser Von höchstens 5 Mikron und liegt beispielsweise ungefähr 25 cm vor dem Auffangschirm. Mit einer lOOfachen Vergrößerung durch die Quadrupollinse beträgt die Dispersion in der Endfläche ungefähr 10 eV pro mm. Es wird in einem Gebiet von z. B. 100 eV gemessen, d. h. zwischen einer Verzögerung 0, also zwischen den ungehemmt durchgehenden Elektronen und den mil 100 eV im Präparat verzögerten Elektronen.

In Fig.3 sind eine Elektronenquelle' 20, ein belichtendes System 21, ein abbildendesSystern 22 und der bereits in den Fig. I und 2 dargestellte Auffangschirm 2 eines Elektronenmikroskops dargestellt. Der Auffangschirm zeigt die Blende 3, hinter der das oben beschripbene Wien-Filter 5 (die Quadrupollinse ist nicht dargestellt) mit dem Endschirm 10 und dem Elektronendetektor 12 angeordnet ist. Ein von der Elektronenquelle 20 ausgehender Elektronenstrahl 25 bildet einen engsten Strahlquerschnitt 26, von dem ein Zwischenbild 27 und ein Endbild 28 gebildet werden. Es werden gleichfalls ein Zwischenbild 30 und ein Endbild eines Objektes 29 gebildet. Die Abbildung 27 des engsten Strahlquerschnitts 26 bildet den Gegenstand 8 für das Wien-Filter, das, Zwischenbild 30 des Objektes fällt mit dem Auffangschirm 2 und die zweite Abbildung 28 des engsten Strahlqüerschriiüs mit dem Endschirm 10 zusammen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Elektronenmikroskop mit einer Elektronenquelle mit erhöhter Emissionsstromdichte, einem elektronenoptischen Linsensystem zur Bildung eines engsten Strahlquerschnitts (Oberkreuzungspunkt) in dem von der Elektronenquelle erzeugten Elektronenstrahl, einem Wien-Filter, einer Quadrupollinse und einem Elektronendetektor, dadurch gekennzeichnet, daß das Wien-Filter (5) so angeordnet ist, daß dafür der engste Strahlquerschnitt (Oberkreuzungspunkt) Gegenstand ist, daß die Quadrupollinse (6) in Strahlrichtung gesehen nach dem Wien-Filter (5) so angeordnet ist, daß sie in Dispersionsrichtung des Wien-Filters (5) vergrößert und daß ein Strahlablenksystem (7) zum Verschieben der vom Wien-Filter (5) erzeugten Abbildung des engsten Strahlquerschnitts in seiner Dispersionsrichtung über einen Spalt (11) vorgesehen ist, der in der Bildebene des Wien-Filters (5) angeordnet ist und hinter dem sich der Elektronendetekior (12) befindet

2. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wien-Filter (5) ein Sechspollinsenkorrektursysiem zugeordnet ist, das zwei Sechspollinsen (15, 16) zum Korrigieren von öffnungsfehlern der 2. Ordnung des Wien-Filters (5) enthält.

3. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wien-Filter (5) eine zusätzliche Quadrupollinse (13) zum unabhängigen Nachstellen von Änderungen in der Abbildung durch das Wien-Filter (3) infolge von Änderungen in seiner Energieauswahleinstfllunp zugeordnet ist.

4. Elektronenmikroskop nach tinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wien-Filter (5) mit einem senkrecht zu seiner Dispersionsrichtung wirksamen zusätzlichen Ablenksystem (7) zum Ausrichten der Abbildung senkrecht zum Spalt (11) ausgerüstet ist.

5. Elektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich da* Wien-Filter (5), in Richtung des Elektronenstrahls gesehen, hinter einem Auffangschirm (2) für die Elektronen befindet und eine als Eintrittspupille für das Wien-Filter (5) arbeitende öffnung (3) im Auffangschirm (2) eine Durchlaßöffnung von 0.5 bis 2 mm hat.

6. Elektronenmikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es als Durchstrahlungs-Rasterelektronenmikroskop ausgebildet ist.