DE3224871C2 - Magnetische Elektronenlinse - Google Patents

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-

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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

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Claims (5)

Patentansprüche:

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.