DE3532326A1

DE3532326A1 - Electron spectrometer

Info

Publication number: DE3532326A1
Application number: DE19853532326
Authority: DE
Inventors: Maximilian Dipl Phys Haider; Harald Prof Dipl Phys Dr Rose
Original assignee: Europaisches Laboratorium fuer Molekularbiologie EMBL
Current assignee: Europaisches Laboratorium fuer Molekularbiologie EMBL
Priority date: 1985-09-11
Filing date: 1985-09-11
Publication date: 1987-03-19

Abstract

The invention proposes an electron spectrometer, especially for the analysis of non-elastically scattered electrons in a raster-transmission (scanning) electron microscope, in the case of which electron spectrometer the electron beam 5 passes through two magnet sectors 1, 2 (which are arranged symmetrically with respect to a plane) to be precise symmetrically with respect to this plane, and a plurality of detectors, which are situated closely adjacent to one another, are arranged in the detection plane. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektronenspektrome ter insbesondere zur Analyse inelastisch gestreu ter Elektronen im Rastertransmissionselektronen mikroskop mit einem vom Elektronenstrahl durch laufenen Magnetfeld.The invention relates to an electron spectrum especially inelastic for analysis ter electrons in raster transmission electrons microscope with one of the electron beam running magnetic field.

Die aus dem Stande der Technik bekannten Elektro nenspektrometer bestehen aus einem einzigen Magnet sektor, in dessen Detektionsebene eine schlitzför mige Austrittsblende angeordnet ist, durch welche Elektronen bestimmter Energie hindurchtreten können, diejenigen anderer Energien jedoch zurückgehalten werden. Durch entsprechende Änderung des Magnetfel des läßt sich die Energie der die Austrittsblende verlassenden Elektronen variieren. Mit Hilfe derar tiger Spektrometer können bei Rastertransmissions elektronenmikroskopen Bilder aus Elektronen bestimm ter Energie hergestellt werden, wobei im besonderen die inelastisch gestreuten Elektronen mit bestimm tem Energieverlust erfaßt werden können. Bei den Vorrichtungen gattungsgemäßer Art ist als nachtei lig anzusehen, daß sie zum einen eine geringe Dis persion besitzen und zum anderen bei der hier vor allem interessierenden Abbildung biologischer Prä perate und Moleküle ein Großteil der auf das Objekt auftreffenden Elektronen durch den Detektor nicht erfaßt werden. Um ein Bild mit hinreichendem Infor mationsgehalt erhalten zu können, sind aus diesem Grund so hohe Strahlendosen erforderlich, daß die bestrahlten und abzubildenden Moleküle hierbei in aller Regel zerstört werden. Eine Verbreiterung des Spaltes der Austrittsblende würde zwar eine Erhöhung der Anzahl der erfaßten Elektronen, jedoch gleich zeitig eine Verschlechterung der Energieauflösung zur Folge haben.The Elektro known from the prior art Nominal spectrometers consist of a single magnet sector, in the detection plane of which a slit is arranged through which Electrons of certain energy can pass through those of other energies, however, withheld will. By changing the magnetic field accordingly of the energy of the exit aperture leaving electrons vary. With the help of derar tiger spectrometer can be used for raster transmissions electron microscopes Determine images from electrons ter energy are produced, in particular determine the inelastically scattered electrons tem energy loss can be detected. Both Devices of the generic type is a disadvantage lig to see that on the one hand they have a slight dis own persion and on the other hand here in front all interesting illustration of biological pre perate and molecules much of the on the object striking electrons through the detector be recorded. To a picture with sufficient information To be able to maintain the mation content are from this Reasonably high radiation doses required that the irradiated and to be imaged molecules usually be destroyed. A broadening of the The gap of the outlet aperture would increase the number of electrons detected, but the same deterioration in energy resolution at an early stage have as a consequence.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Schaf fung eines Elektronenspektrometers zur Aufgabe ge macht, mit dessen Hilfe eine Verbesserung der Dis persion sowie eine Erhöhung des Anteiles der erfaß ten Elektronen möglich wird.Proceeding from this, the invention has the sheep an electron spectrometer to the task with whose help an improvement of the dis persion as well as an increase in the proportion of the recorded ten electrons is possible.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß zwei, symmetrisch zu einer Ebene angeordnete Magnetsektoren vorhanden sind, die vom Elektronen strahl ebenfalls symmetrisch zu dieser Ebene durch laufen werden und daß in der Detektionsebene mehre re, eng aneinander anliegende Detektoren angeordnet sind. Im Sinne der Erfindung ist unter dem Begriff "Magnetsektor" jeweils ein Magnetfeld zu verstehen, durch welches die eintretenden Elektronen in an sich bekannter Weise, entsprechend und bestimmt durch ihre Geschwindigkeit, unterschiedlich stark abgelenkt werden. Durch die erfindungsgemäß vorge schlagene Anordnung der Magnetsektoren als auch des Elektronenstrahles symmetrisch zu ein und der selben Ebene erhält man einen Verlauf des Elektro nenstrahls etwa von U-Form. Aus dem symmetrischen Verlauf ergibt sich ein wesentlicher Vorteil der Er findung, nämlich daß sämtliche außeraxialen, linear vom Achsenabstand abhängenden Bildfehler eliminiert werden. Durch die Beseitigung dieser Bildfehler erreicht man, daß ein größerer Anteil der inela stisch gestreuten Elektronen erfaßt und scharf ab gebildet wird d. h. man erhält einen höheren Auf sammelgrad.According to the invention, this object is achieved by that two, symmetrical to one plane Magnetic sectors exist from the electron also beam through symmetrically to this plane will run and that more in the detection plane right, closely spaced detectors are. For the purposes of the invention, the term "Magnetic sector" to understand a magnetic field, through which the entering electrons in at known, appropriate and determined by their speed, different degrees get distracted. Pre-invented by the striking arrangement of the magnetic sectors as well of the electron beam symmetrical to one and the same level you get a course of the electro NEN rays of about U shape. From the symmetrical Course results in a significant advantage of the Er finding, namely that all off-axis, linear Image errors dependent on the center distance have been eliminated will. By eliminating these image errors one achieves that a larger proportion of the inela scattered electrons and sharply off is formed d. H. you get a higher up degree of collection.

Durch die Symmetrie des Bahnverlaufes ist darüber hinaus sichergestellt, daß in beiden Bildschnitten die gleiche Vergrößerung erfolgt und keinerlei Ver zeichnungen des Bildes auftreten können, das heißt ein in der Objektebene liegender Kreis wird eben falls wieder in einen Kreis abgebildet. Durch die Verwendung zweier Magnetfelder erhält man zudem eine höhere Dispersion der mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten sich bewegenden Elektronen. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die in der Detektionsebene ankommenden Elektronen durch mehrere, eng aneinander anliegende Detektoren erfaßt. Dann wird es möglich bei einer einzigen Auf nahme gleichzeitig die Elektronen verschiedener Energien getrennt zu erfassen und folglich auch auszuwerten. Im Gegensatz zu der aus dem Stande der Technik bekannten Verwendung einer Austritts blende lassen sich mit wesentlich geringerer Strahlungsdosis die gleichen Informationen erhal ten. Die hierbei zum Einsatz kommenden und aus mehreren Detektoren bestehenden Vorrichtungen sind an sich bekannt und sie werden entweder als CCD (Charged Coupled Device), oder Photodioden- Anordnung, die aus mehreren parallel zueinander geschalteten Halbleiterdetektoren aufgebaut sind oder als Strip-Detektoren bezeichnet. Dabei sind diese Begriffe im funktionellen Sinne aufzu fassen, denn sie sollen auch jene grundsätzlich denkbaren Detektorvorrichtungen beinhalten, die aus einem einzigen Detektor bestehen, der seiner seits jedoch zur getrennten Erfassung der in ver schiedenen Punkten auftreffenden Elektronen, also der Elektronen verschiedener Geschwindigkeiten, in der Lage ist. Die gleichzeitige Erfassung von Elektronen verschiedener Energien erübrigt die Herstellung einer Aufnahme für jeden einzelnen Energiebereich.Due to the symmetry of the course of the path is above also ensured that in both image sections the same enlargement occurs and no ver drawings of the picture can occur, that is a circle lying in the object plane becomes flat if mapped again in a circle. Through the You also get the use of two magnetic fields a higher dispersion of those with different Speeds moving electrons. According to another feature of the invention the electrons arriving in the detection plane thanks to several detectors placed close together detected. Then it becomes possible with a single up took the electrons of different ones at the same time Capture energies separately and consequently also evaluate. In contrast to that from the stand the use of an exit known in the art aperture can be made with much less Radiation dose get the same information ten. The used here and from devices consisting of several detectors are known per se and are either called CCD (Charged Coupled Device), or photodiode Arrangement consisting of several parallel to each other switched semiconductor detectors are or referred to as strip detectors. Here these terms are to be found in the functional sense grasp, because they should also basically those conceivable detector devices include that consist of a single detector, his on the other hand for the separate recording of the ver electrons hitting different points, so of electrons of different speeds, be able to. The simultaneous detection of Electrons of different energies are unnecessary Making a recording for everyone Energy range.

Neben der erheblichen Verbesserungen der Disper sion und folglich auch der Meßgenauigkeit erhält man durch den höheren Akzeptanzwinkel sowie die gleichzeitige, jedoch getrennte Erfassung von Elektronen unterschiedlicher Energien eine we sentliche Reduzierung der Objektstrahlungsbela stung. Bei dem erstrebten Ziel der Abbildung von Biomolekülen ergeben sich insbesondere auch bei der Abbildung in Rastertransmissionselektronen mikroskopen wesentliche Schwierigkeiten dadurch, daß zum Erhalt einer verwertbaren Aufnahme eine so hohe Strahlungsdosis erforderlich ist, daß das Biomolekül vorher bis zur Unkenntlichkeit zerstört wird.In addition to the significant improvements to the Disper sion and consequently also the measurement accuracy one by the higher acceptance angle as well as the simultaneous but separate acquisition of Electrons of different energies a we Significant reduction in object radiation exposure stung. With the aim of the illustration of Biomolecules also result in particular from the image in raster transmission electrons microscopes significant difficulties because that to obtain a usable recording such a high radiation dose is required that the biomolecule beforehand beyond recognition gets destroyed.

Es ist also von entscheidender Bedeutung, daß die hierzu erforderliche Strahlungsdosis wesentlich reduziert wird. Das Verhältnis der durch das Meß gerät erfaßten zu den insgesamt gestreuten Elek tronen ist damit im Falle der erfindungsgemäßen Vorrichtung wesentlich günstiger. Die Erfassung des inelastischen Streuquerschnittes der abge bildeten Atome erlaubt grundsätzlich deren Iden tifizierung.So it is vital that the the radiation dose required for this is essential is reduced. The ratio of the by the measurement device recorded to the total scattered elec Tronen is in the case of the invention Device much cheaper. The capture of the inelastic scattering cross-section of the formed atoms basically allow their idens certification.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die An bringung magnetischer und/oder elektrischer Quadrupolfelder vorgesehen, welche ebenfalls symmetrisch zu der durch den Aufbau des Spektro meters oder den Strahlengang der Elektronen definierten Symmetrieebene angeordnet sind und deren Anzahl mindestens drei beträgt. Quadru polfelder erlauben unterschiedliche Fokus sierungen im X,Y-Schnitt und dementsprechend variable Bildweiten bei gleichzeitig festem Auf bau. Im besonderen erlauben sie die Korrektur des Astigmatismus erster Ordnung. Die räumliche Anordnung dieser Felder steht dabei, sofern sie nur symmetrisch zur bereits definierten Ebene erfolgt, grundsätzlich frei. So kann beispiels weise bei drei Quadrupolfeldern das eine in der Symmetrieebene zwischen den beiden Magnetsekto ren und das zweite am Eingang des vom Elektronen strahl als erstes durchlaufenen Magnetsektors und das dritte Quadrupolfeld am Ausgang des zweiten Magnetsektors angeordnet sein.In a further development of the invention, the provision of magnetic and / or electrical quadrupole fields is provided, which are also arranged symmetrically to the plane of symmetry defined by the structure of the spectrometer or the beam path of the electrons and the number of which is at least three. Quadrupol fields allow different focusing in the X, Y cut and accordingly variable image widths with a fixed structure at the same time. In particular, they allow the correction of first order astigmatism. The spatial arrangement of these fields is basically free, provided that it is only symmetrical to the already defined level. For example, in the case of three quadrupole fields, one in the plane of symmetry between the two magnetic sectors and the second at the input of the magnetic sector passed first by the electron beam and the third quadrupole field at the output of the second magnetic sector.

In einer anderen Ausführungsform sind elektrische und/oder magnetische Hexapolfelder, gleichfalls symmetrisch zur bereits oben definierten Ebene angeordnet, wobei deren Zahl ebenfalls wenig stens drei beträgt. Magnetische Hexapolfelder erlauben die Korrektur des Öffnungsfehlers zweiter Ordnung und sie können, ebenso wie die Quadrupol- und Oktupolfelder, im besonderen auch dadurch realisiert werden, daß die am Eintritt bzw. Austritt der Magnetsektoren be findlichen Kanten so geformt oder geneigt werden, daß ein Hexapolfeld entsteht, welches jedoch in in seiner Stärke nachträglich nicht mehr verän der- und justierbar ist.In another embodiment, electrical and / or magnetic hexapole fields, likewise symmetrical to the plane already defined above arranged, their number also little is at least three. Magnetic hexapole fields allow correction of the opening error second order and they can, just like that Quadrupole and octupole fields, in particular can also be realized in that the am Entry or exit of the magnetic sectors sensitive edges are shaped or inclined that a hexapole field arises, which, however, in no longer change its strength afterwards which is adjustable.

Schließlich werden ebenfalls symmetrisch zur oben bereits definierten Ebene angeordneter elektri scher und/oder magnetischer Oktupolfelder vorge geschlagen, die bei entsprechender Einstellung zur Beeinflußung und auch Korrektur des Öff nungsfehlers dritter Ordnung genutzt werden kön nen. Grundsätzlich erreicht man durch die Besei tigung der Öffnungsfehler einen höheren Akzep tanzwinkel, so daß auch jene Elektronen durch das Spektrometer erfaßt und ausgewertet werden können, die sich in größerem Winkel zur opti schen Achse bewegen.Finally, be symmetrical to the above already defined level arranged electri shear and / or magnetic octupole fields beaten with the appropriate setting for influencing and also correcting the public third-order error nen. Basically you can reach through the Besei the opening errors make a higher acceptance dance angle so that those electrons pass through the spectrometer can be recorded and evaluated can, which are at a greater angle to the opti move axis.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich dem nachfolgendem Beschrei bungsteil entnehmen, in dem an Hand der Zeichnung eine Ausführungsform der Erfindung in prinzipien hafter Darstellung wiedergegeben ist. Sie zeigt eine erfindungsgemäße Apparatur in schematisch ge haltener Draufsicht.More details, features and advantages of the Invention can be the following description Take the exercise part, in the on the basis of the drawing an embodiment of the invention in principles representation is reproduced. she shows an apparatus according to the invention in schematically ge holding top view.

Das dargestellte Elektronenspektrometer ist nur in seinen wesentlichen Bestandteilen bei gleich zeitig eingezeichnetem Strahlengang zu sehen. In seinem Kernstück besteht es aus zwei Magnetsek toren 1, 2, die symmetrisch zu einer zwischen bei den in Richtung der strickpunktierten Linie 3 und senkrecht zur Zeichenfläche verlaufende Ebene an geordnet und entsprechend geformt sind. Der vom Objekt 4 ausgehende Elektronenstrahl 5 tritt an der Stirnseite des ersten Magnetsektors 1 ein, wird dann etwa unter gleichzeitiger Dispersion der Elektronen etwa um 90 Grad umgelenkt, tritt an der dem zweiten Magnetsektor 2 gegenüberlie genden Seite aus und durchstößt in etwa senkrecht die durch die strichpunktierte Linie 3 definierte Lage der Symmetrieebene, um von dort in den gegen überliegenden zweiten Magnetsektor 2 einzutreten, diesen zu durchlaufen und hierbei nochmals um etwa 90 Grad abgelenkt zu werden. Von dem (zweiten) Magnetsektor 2 tritt der Elektronenstrahl 5 dann aus und ergibt den in der Bildebene mit Hilfe ei nes hier nicht gezeichneten Detektors erfaßten Bildpunkt 6. Insgesamt ergibt der Verlauf des Elektronenstrahls 5 die Form eines "U".The electron spectrometer shown can only be seen in its essential components with the beam path drawn in at the same time. In its core, it consists of two Magnetsek tors 1 , 2 , which are arranged symmetrically to one between the in the direction of the dash-dotted line 3 and perpendicular to the drawing plane and shaped accordingly. The electron beam 5 emanating from the object 4 enters at the end face of the first magnetic sector 1 , is then deflected approximately by 90 degrees with the simultaneous dispersion of the electrons, emerges on the side opposite the second magnetic sector 2 and penetrates approximately perpendicularly through the through Dash-dotted line 3 defines the position of the plane of symmetry in order to enter the opposite second magnetic sector 2 from there, to pass through it and to be deflected again by about 90 degrees. The electron beam 5 then emerges from the (second) magnetic sector 2 and results in the pixel 6 detected in the image plane with the aid of a detector not shown here. Overall, the course of the electron beam 5 results in the shape of a "U".

Im Strahlengang 5 befinden sich zur Justierung und insbesondere zur Beseitigung von Bildfeh lern Korrekturelemte 7, 8, 9, wobei das erstere 7 noch vor dem Magnetsektor 1, das zweite Kor rekturelement 8 genau auf der Symmetrieebene zwischen den beiden Magnetsektoren 1, 2 und das dritte Korrekturelement 9 zwischen zweitem Mag netsektor 2 und Bildpunkt 6 und zwar so ange ordnet ist, daß es symmetrisch zum ersten Kor rekturelement 7 zu liegen kommt. Die Korrektur elemente 7, 8, 9, können als Quadrupol und/oder Hexapol und/oder Oktupol oder aber als Multipol ausgebildet sein, wobei im letzteren Fall mit ein und dem selben Korrekturelement Felder un terschiedlicher Zähligkeit gleichzeitig erzeug bar werden.In the beam path 5 there are correction elements 7 , 8 , 9 for adjustment and in particular for the elimination of image errors, the former 7 still in front of the magnetic sector 1 , the second correction element 8 being exactly on the plane of symmetry between the two magnetic sectors 1 , 2 and the third Correction element 9 between the second mag netsector 2 and pixel 6 is arranged so that it comes to lie symmetrically to the first correction element 7 Cor. The correction elements 7 , 8 , 9 , can be designed as a quadrupole and / or hexapole and / or octupole or as a multipole, in the latter case with one and the same correction element, fields of different numbers can be generated simultaneously.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind sämtliche weitere Teile des Spektrometers nicht eingezeich net, da sie für das Verständnis der Erfindung nicht von entscheidender Bedeutung sind.For reasons of clarity, all are other parts of the spectrometer not shown net as it is for understanding the invention are not critical.

Im Ergebnis erhält man ein Elektronenspektrometer, mit dessen Hilfe eine wesentliche Steigerung der Leistungsfähigkeit unter gleichzeitiger Verrin gerung der Strahlungsbelastung des abgebildeten Objektes möglich wird.The result is an electron spectrometer with its help a significant increase in Efficiency with simultaneous reduction reduction of the radiation exposure of the pictured Object becomes possible.

Claims

1. Electron spectrometer, in particular for analysis of inelastically scattered electrons in a transmission electron microscope with a magnetic field traversed by the electron beam, characterized in that two magnetic sectors 1 , 2 arranged symmetrically to a plane are present, which are also traversed symmetrically to this plane by the electron beam 5 and that several, closely fitting detectors are arranged in the detection plane.

2. electron spectrometer according to claim 1, characterized by little least 3 symmetrically arranged to the same level electric and / or magnetic quadrupole fields.

3. Electron spectrometer according to claim 1 or 2, characterized by at least 3, symmetrical to the same plane ordered electrical and / or magnetic hexapole fields.

4. Electron spectrometer according to one of the An sayings 1 to 3, marked by symmetrical to the same plane orderly electrical and / or magnetic Octopus fields.