DE3224871C2 - Magnetische Elektronenlinse - Google Patents
Magnetische ElektronenlinseInfo
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Abstract
Eine Elektronenlinse mit einem ferromagnetischen Körper (9) in wenigstens einem Spalt (6b) der Polspalte der Elektronenlinse (1), welcher als Überbrückungsstrecke für den Magnetfluß dient, wobei der ferromagnetische Körper (9) magnetisch gesättigt ist bei starker Erregung, so daß zwischen einer Doppelspaltlinsenwirkung und Einzelspaltlinsenwirkung lediglich durch Änderung des Erregerstroms umgeschaltet werden kann.
Description
Die Erfind eng betrifft eine magnetische Elektronenlinse
mit dem im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmal. Mit einer solchen z. B. aus der DE-OS
15 64 161 bekannten magnetischen Elektronenlinse wird der Elektronenstrahl fokussiert. Sie findet insbesondere
Verwendung als Belcuchtungslinsc in einem Elektronenmikroskop.
Die bemerkenswerte technische Entwicklung auf dem Elektronenmikroskopsektor in den letzten Jahren ereinen
Elektronenstrahl erzeugt werden, der einen möglichst geringen Durchmesser aufweist.
Andererseits verwendet man zur Beobachtung von Durchstrahlungsbildern bevorzugt eine Einzelspalilinse.
da hierdurch ein Elektronenstrahl mit größerem Durchmesser und parallelem Strahlenbündel erzielt wird.
Die Fig.4 zeigt einen vertikalen Schnitt durch eine
herkömmliche erste Kondensorlinse mit Doppelspaltaufbau. Die erste Kondensorlinse 1 besitzt ein Linsenjoch
5. das einen Magnetkreis bildet, ein Polstück 6 im Magnetkreis und einen ersten und zweiten Spall Sa und
Sb sowie ringförmige Abstandhalter 7 a, Tb aus nichtmagnctischcm
Material, durch die der erste und zweite Spalt 6.7 und Sb gebildet werden. Ferner ist eine Erregerspijic
8 vorgesehen.
Bei der bekannten Doppclspaltlinse ist es schwierig einen Austausch des Do.opelsprleaufbaus gegen den
laubt es den Anwendern nicht nur Durchstrahlungsbil- 40 Einzelspaltaufbau und umgekehrt durchzuführen, da es
der, sondern auch Abtastbildcr mit Hilfe eines einzigen erforderlich ist. die Linsenfassung abzumontieren und
die Linse selbst auszutauschen oder Teile der Linse für den Austausch der Polstückc auszuwechseln. Dieser
Vorgang ist umständlich und erfordert einen erhebli-45
Elektronenmikroskops zu beobachten. In einem derartigen Elektronenmikroskop ist es notwendig, daß die Probe
mit einem parallelen Strahlenbündel bestrahlt wird, um Durchstrahlungsbilder zu erhalten. Andererseits
muß die Probe mit einem äußerst dünnen Strahl bestrahlt werden, um Abtastbilder zu erzielen. Um diesen
Anforderungen zu genügen, wird in herkömmlicher Weise als Beleuchtungslinscnsystcm ein Zweilinsensystem
verwendet zur Erzielung eines Durchstrahlungsbildes und ein Dreilinsensystem zur Erzielung der Abtastbilder.
In der F i g. 1 ist ein Strahlengang eines Bestrahlungslinsensystems
gezeigt mit einer ersten Kondensorlinse mit einem einzelnen Spalt. Fig.2 zeigt den Strahlengang
eines Bestrahltingslinsensystems mit einer ersten Kondensorlinse mit einem Doppelspalt. Beide Bcstrahlungslinsensysteme
besitzen eine erste Kondensorlinse 1, eine zweite Kondensorlinsc 2 und eine Elektronenstrahlquelle
3. Die Bezugsziffer 4 bezeichnet die zu beobachtende Probe. In jedem der beiden Bcstrahlungslinsensysteme
der F i g. 1 und 2 wird der von der Elektronenstrahlquelle 3 ausgesendete Elektronenstrahl durch
die erste und /.weite Kondcnsorlinsc 1 und 2 auf die
Probe fokussiert. Die erste Kondcnsorlinsc 1 rnii dem
Doppclspaltaufbau der F i μ. 2 wirkt wie /wei Linsen I a
und I b.
Die F i g. 3 zeigt die Beziehung /wischen der Vergröchen
Zeitaufwand.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Elektronenlinsc
der eingangs genannten Ar; zu schaffen, bei der die Umschaltung zwischen Ein/.clspaltlinsc und Doppclspaltlinsc
ohne Zeitaufwand und ohne aufwendige mc· chanische Tätigkeiten durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.
Die Unteransprüchc sind Weiterbildungen der Erfindung.
Bei der Elektronenlinsc nach der Erfindung läßt sich ein Umschalten zwischen einer Doppelspaltlinse und einer
Einzclspaltlinse lediglich durch Änderung des Erregerstroms erzielen.
Die F i g. 1 bis 4 stellen den Stand der Technik dar und
die Fig. 5 bis 8 dienen zur Erläuterung von Ausführungsbeispiclcn der Erfindung. Es zeigt
Fig. 1 einen Strahlenverlauf eines Bestrahkingslinsensystems
mit einer ersten Kondensorlinse mit Ein/elspallaufbau:
b5 Fig. 2 den Strahlenverlauf eines Besirahlungslinsensystems
mit einer ersten Konclcnsorlinse mit Doppelspaltaufbau;
F i g. 3 eine Kurvendarstellung für die Beziehung /wi-
32 24 371
sehen Vergrößerungen des Bestrahlungslinsensystems und den Reziprokwerten der Brennweiten der ersten
Kondensorlinsen mit Einzelspalt- und Doppelspaltaufbau der Fig. 1 und 2;
I· i g. 4 einen Vcriikalschniit durch eine herkömmliche
crMc Kondensorlinsc mit Doppclspallaufbau;
F i g. 5 einen Vertikalschnitt durch eine crsie Kondensorlinse,
die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
F i g. 6 die Magnetfeldverteilung der in der F i g. 5
dargestellten Lir»jt·;
F i g. 7 eine Kurvendarstellung für die Beziehung zwischen der Magnetfeldstärke und der Erregerintensität
für die Linse der F i g. 5;
Fig.8 eine Kurvendarstellung der Beziehung zwischen
der Magnetfeldstärke und dem Abstand vom zweiten Spalt der Elektronenlinse.
Die Fig.5 zeigt einen vertikalen Schnitt durch eine
erste Kondensorlinse, welche ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist. Gleiche bzw. gleich wirkende Teile in
der F i g. 5 sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen wie die in der F i g. 4 dargestellte Elektronenlinse. Die
erste Kondensoriinse ί besitzt im wesentlichen den gleichen
Aufbau wie die erste Kondensorlinse ; in der F i g. 4, jedoch unterscheidet sie sich dadurch, duß der
Abstandhalter 7b ersetzt ist durch einen hohlzylindrischen ferromagnetischen Körper 9, der sich in seiner
Umfangsrichtung um den zweiten Spalt 6b herum erstreckt. Der ferromagnetische Körper 9 dient als Überbrückungsstrecke
für den Magnetfluß. Der ferromagnetische Körper 9 besteht aus einem solchen Material,
einer solchen Dicke und einer solchen Länge, durch die gewährleistet sind, daß bei starker Erregung der magnetische
Körper 9 magnetisch gesättigt ist. Die Intensität der Erregung, welche die magnetische Sättigung bewirkt,
liegt bevorzugt an einem solchen Punkt, an weichem die Kurven S und DZ sich schneiden bzw. in einem
Bereich der Erregung, in welchem diese etwas stärker ist als an dieser Stelle. Wenn der ferromagnetische
Körper 9 und die Polstücke aus Eisen bestehen, kann der ferromagnetische Körper 9 magnetisch gesättigt
werden durch eine geeignete Erregungsintensitäl für den Fall, daß die Dicke des ferromagnetischen Körpers
im wesentlichen gleich oder geringer ist als die Länge
des zweiten Spaltes 6b.
Wenn eine derartig aufgebaute Elektronenlinse schwach erregt wird durch einen geringen Erregerstrom,
erfolgt der Magnetfluß eher über die durch den ferromagnetischen Körper 9 gebildete Überbrückungsstrecke
als über den zweiten Spalt 66 zum ersten Spalt 6a. Wenn kein Magnetfluß im zweiten Spalt 6b vorhanden
ist, wirkt die Elektronenlinse wie eine Einzelspaltlinse.
Wenn die Elektronenlinse stärker erregt wird durch einen höheren Erregerstrom bis zu dem Zustand, in welchem
die Überbrückungsstrecke 9 magnetisch gesättigt ist, wird die Überbrückungsstrecke 9 immer weniger
magnetisch durchlässig, so daß der Magnetfluß über den zweiten Spalt 6b zum ersten Spalt 6a erfolgt. Die Elektronenlinse
wirkt dann als Doppelspaltlinsc.
Die Fig.6 zeigt die Magnetfeldverteilung der Linse
der F i g. 5, Der Kurvcnverlauf A zeigt die Magnetfeld=
verteilung, welche sich bei schwacher Erregung der Linse ergibt. Der Kurvenverlauf B zeigt die Magnetfeldverteilung,
welche sich aus der starken Linsenerregung ergibt. Die Kurven A und /izeigcn eine Magnetfeldverteilung
mit einer Spitze und zwei Spitzen in Abhängigkeit von der Linsenerregung. Demzufolge kann die Linse auf
einfache Weise umgeschaltet weiden von einer Doppelspaltlinse auf eine Einfachspaltlinse und umgekehrt.
In der F i g. 7 ist eine Kurvendarstellung für die Intensität
des Magnetfelds (B). welche aufgetragen ist in Abhängigkeit von der Intensität der Erregung (I) für die in
der F i g. 5 dargestellte Elektronenlinse. Die Kurvendarstellung zeigt eine Kurve C für eine Einzelspaltlinsenwirkung
und eine Kurve D für eine Doppelspahlinsenwirkung. Die Kurve D zeigt, daß das Magnetfeld im
zweiten Spalt erzeugt wird, wenn die Erregung eine
ίο bestimmte Stärke erreicht, und dann mit linearer Proportionalität
zur Erregerstärke kontinuierlich ansteigt
Die F i g. 8 zeigt den Verlauf der magnetischen Feldstärke Bz (10-4T) in Abhängigkeit vom Abstand Z
(mm) vom zweiten Spalt in einer Elektronenlinse, in der der erste Spalt eine Länge von 4 mm aufweist. Der zweite
Spalt besitzt eine Länge von 16 mm und die Überbrückungsstrecke für den Magnetfluß wird gebildet von
einem Eisenring, der sich in Umfangsrichtung um den zweiten Spalt erstreckt und eine Dicke von 6 mm besitzt.
Die Kurvendarstellung in der Fig.8 enthält Kurven,
welche aufgetragen sind für Erref,·.·; ströme von \A
bis5A bei stufenweiser Erhöhung. Die Vif 8 zeigt, daß
im zweiten Spalt bei einem Erregerstrom von la kein Magnetfeld erzeugt wird. In diesem Spalt wird ein
schwaches Magnetfeld erzeugt bei einem Erregerstrom von 2A. Bin ausreichendes Magnetfeld zur Erzielung
eines Linseneffekts wird erzielt, wenn der Erregerstrom 3A oder höher ist.
Wenn die Elektronenlinse als Beleuchtungssystem für ein Elektronenmikroskop verwendet wire, kann die Linse
wahlweise als Einzelspaltlinse, wie es in F i g. 1 dargestellt ist, verwendet werden oder als Doppelspaltlinse,
wie es in F i g. 2 dargestellt ist. Das Umschalten zwischen der EinzelspaH- und Doppelspaltlinse läßt sich
J5 erzielen durch Änderung der Stärke des Erregerstroms.
Die Wirkung der Einzelspa'.tlinse wird erzielt, wenn der Erregerstrom niedrig ist, und die Wirkung der Doppelspaltlinse
wird erzielt, wenn der Erregerstrom erhöht wird. Die Fleckgröße des Elektronenstroms läßt sici^ auf
diese Weise ebenfalls wirkungsvoll vergrößern oder verringern.
Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht der ferromagnetische Körper 9 aus Eisen. Dieser
kann jedoch aus einem anderen Material bestehen.
Der ferromagnetische Körper 9 kann stabförmig ausgebildet
sein oder anstelle der zylindrischen Form auch eine andere Gestalt besitzen. Die Dicke des ferromagnetischen
Körpers 9 ist bestimmend für die Höhe der Erregung, bei welcher die Magnetfeldverteilung von der
Einzelspaltwirkung zur Doppelspaltwirkung übergeht in Abhängigkeit von der Länge des Spaltes, in welchem
der ferromagnetische Körper angeordnet ist, also des zweiten Spaltes und vom Abstand zwischen den beiden
Spdteti. Die Dicke des ferromagnetischen Körpers 9
wird daher so gewählt, daß die gewünschten Anforderungen an die Erregung erzielt werden. Der ferromagnetische
Körper 9 soll so dick bemessen sein, daß die Erregung zur Erzielung eines Magnetfelds im zweiten
Spalt hoch ist.
W) Der ferromagnetische Körper 9 kann auch im ersten
Spalt anstelle der Anordnung im zweiten Spalt vorgesehen sein. Wenn die Linse drei Spalte oder mehr besitzt,
ist wenigstens einer dor Spalte mit dem ferromagnetischen Körper 9 ausgestattet. Der ferromagnetische
Körper 9 kann auch η anderen Linsen als der ersten Kondensorlinse angeordnet sein.
Die Elektronenlinse 1 des Ausführungsbeispiels besitzt demnach den fcrromaKnctisrhcn Körper 9, der wc-
nigstens in einem der Polspalte der F.lcktroncnlinse angeordnet
ist. Er dient als Übcrbrückungsstreckc für den
Magnetfluß. Der ferromagnetische Körper 9 ist bei starker Erregung magnetisch gesättigt, so daß eine Umschaltung
zwischen der Doppelspaltlinsenwirkung und der Einzelspaltlinsenwirkung erzielt wird. Hierzu ist lediglich
eine Änderung des F.rregerstroms erforderlich.
Die vorstehende Erläuterung bezieht sich auf die Verwendung der Linse für das Umschalten zwischen
Durchstrahlungsbildern und Rasterbildern bei einem n>
Elektronenmikroskop. Die Linse kann jedoch noch anderweitig verwendet werden. Beispielsweise läßt sich
die Linse verwenden zur Vergrößerung der Fleckgröße eines Elektronenstrahls in einem Rasterelektronenmikroskop
bei der Beobachtung von Bildern bei geringer r> Vergrößerung oder bei der Verwendung als Röntgenstrahlmikroanalysiergerät.
Ferner ist die Elektroncnlinse verwendbar überall dort, wo der Durchmesser des Elektronenstrahls eingestellt wird.
Die Umschaltung zwischen der Einzelspalt- und Doppelspaltwirkung der Elektronenlinsc läßt sich automatisch
erzielen durch Änderung des Erregerstroms. Gleichfalls läßt sich natürlich auch die Durchmesseränderung
des Elektronenstrahls auf diese Weise durchführen und damit eine Einstellung des Durchmessers des 2~>
Elektronenstrahls auf eine bestimmte Größe erzielen.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Ji
40
45
bO
Claims (5)
1. Magnetische Elektronenlinsc, insbesondere für ein Elektronenmikroskop oder dgl. mit mehreren
Polspalten, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einem der Polspalte (6a, Sb) ein ferrornagnetischer
Körper (9) angeordnet ist. der als Oberbrückungsstrecke für den Magnetfluß dient
und bei hoher Linsenerregung magnetisch gesättigt ist.
2. Magnetische Elektronenlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische
Körper (9) in Umfangsrichtung den Spalt (6a bzw. Sb) umgibt
3. Magnetische Elektronenlinse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische
Körper (9) im in Strahlrichtung gesehen zweiten Spalt (Sb) angeordnet ist.
ßerung /M/ des Bestrahlungslinsensystems und die Reziprokwerte
der Brennweite (\/f) der ersten Kondensorlinsen 1 mit dem Einzelspallaufbau und dem Doppelspaltaufbau
(Fig. I und 2). Mit 5ist eine Kurve für die
Einzelspalilinse bezeichnet und mil D(D 1, D2, DZ) ist
ein Kurvenverlauf für die Doppelspaltlinse gezeigt. Da
der Reziprokwert der Brennweite (\/f) proportional
zum Quadrat P der Erregungsintensität / für die Kondensorlinsen
ist, ist auf der Horizontalachse sowohl p
ίο als auch l/f dargestellt. Die Vertikalachse bezeichnet
sowohl die Strahlfleckgröße de als auch die Vergrößerung, da die Strahlfleckgröße. d. h. der Durchmesser des
Elektronenstrahls, der auf die Probe trifft, das Produkt der Vergrößerung /M/ und der Größe des Bündelkno-
1ι tens der Elektronenstrahlquelle ist.
Wie aus der F i g. 3 zu ersehen ist, ist die Strahlfleckgröße
de des Elektronenstrahls bei Verwendung der Doppelspaltlinse bedeutend geringer als die Strahlfleckgröße,
welche durch die Einzelspaltlinse bei gleicher
4. Ms&^etische Elektronenlinse nach einem der 20 Erregcrinlcnsität erzielt wird.
,δ nsppjcne 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Demgemäß wird die Doppelspaltlinse bevorzugt zur
Beobachtung von Rasterbildern verwendet, die durch
ferromagnetische Körper (9) als Hohlzylinder ausgebildet
ist.
5. Magnetische Elektronenlinse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
ferromagnetische Körper (9) aus Eisen besteht.
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