DE3931970A1 - Sektorfeldablenksystem, insbes. fuer ein niederspannungselektronen-mikroskop - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Sektorfeldablenksystem mit drei oder mehr Magnetsektoren bzw. -Schuhen, insbes. ein für Niederspan­ nungselektronen-Mikroskop aber auch für Spektrometer oder dergl., welches mittels elastischer oder inelastisch gestreuter Elektronen oder Ionen abbildet. Es ist ferner geeignet für bestimmte Formen von Ablenkeinrichtungen zum Studium von Teilcheneigenschaften. Ein Niederspannungselektronenmikroskop, bei dem die Erfindung eingesetzt werden kann, ist von E. Bauer im Jahre 1962 angegeben worden. Ein Sepektrometer, für das das neue Sektorfeldablenksystem geeignet ist, ist vom Castaing- Henery-Typ.

Niederspannungselektronen-Mikroskope (Low Energy Electron Microscopes (LEEM)) beleuchten die zu untersuchende Oberfläche mit paralellen Elektronenstrahlen, die durch eine Objektiv­ linse, insbes. eine Objektivkathodenlinse kollimiert werden, die so ausgerichtet ist, daß deren Achse rechtwinkelig zur zu untersuchenden Probe steht. Längs der Beleuchtungsachse reflek­ tierte Elektronen werden wieder beschleunigt und fokussiert und dienen zur Erzeugung eines Abbildes der Struktur, Topologie und/oder der chemischen Eigenschaften der beobachteten Ober­ fläche. Derartige Elektronen-Mikroskope haben eine sogenannte magnetische Sektorablenkeinheit (Separator), die es gestattet, ein Beleuchtungsstrahlenbündel auf einer Seite der Ablenkein­ heit einzuleiten und in die Achse der Objektivlinse bzw. Kathodenlinse abzulenken. Das reflektierte Ablenkungsstrahlen­ bündel verläuft entlang der gleichen Achse der Kathodenlinse, wird aber aufgrund des Umstandes, daß die Elektronengeschwin­ digkeit reversiert wurde, in der Ablenkeinheit aus der Beleuch­ tungsachse weg in die Achse eines Abbildungssystems mit Verstärkungslinsen und dergl. gelenkt, das das Abbild der be­ obachteten Oberfläche erzeugt. Ein wesentliches Merkmal dieses Ablenksystems ist es, daß die zur Beleuchtung und Abbildung dienenden optischen Einheiten räumlich getrennt sein können und so ein sonst nicht lösbares Problem der Beleuchtung und Abbil­ dung vermeide.

Für eine optimale Betriebsweise sollte die Ablenkeinheit ver­ schiedene bestimmte Eigenschaften aufweisen. Wenn alle Linsen­ systeme fixiert sind, muß sichergestellt sein, daß die Mittel­ achse sowohl des Beleuchtungs- als auch des Abbildungsstrahlen­ gangs bestimmten genau festgelegten Wegen außerhalb des Be­ reichs der Sektorablenkeinheit folgen, und dadurch zu erreichen, daß die beiden Strahlenbündel der Objektivlinse der Optik längs der gleichen Achse in die Ablenkeinheit ein- und austreten. Das Ablenksystem muß ferner ein fokussiertes Abbild der Elektronen­ strahlquelle auf einen Punkt gerade oberhalb der Objektivkatho­ denlinse abbilden und es muß ferner ein fokussiertes Abbild auf einen symmetrisch angeordneten Punkt längs des Abbildungsstrah­ lengangs durchlassen. Zur Vermeidung von Verzerrung und Astig­ matismus ist es ferner wünschenswert, daß das Sektorfeldablenk­ system stigmatisch oder doppelbrechend ist. Das bedeutet, daß es einen Punkt oberhalb des Objektivs in einen anderen Punkt außerhalb der Ablenkeinheit fokussiert, unabhängig davon, ob sich die Elektronen längs der horizontalen oder vertikalen Ebene der Polschuhe der magnetischen Ablenkeinheit bewegen. Ferner sollte die Sektorablenkeinheit in der Lage sein, die zuvor genannten Erfordernisse auch dann erfüllen, wenn Beleuchtungsstrahlenbündel und Abbildungsstrahlenbündel unter­ schiedliche Energien haben. Diese zuletzt genannte Eigenschaft ist vor allen Dingen wichtig, wenn inelastische Elektronen, nämlich solche, die Energie an die zu untersuchende Probe verlieren, zur Abbildung verwendet werden.

Sektorablenkeinheiten umfassen bisher einen einzigen festen Polschuh, der so geformt ist, daß die gewünchte Ablenkung er­ zielt wird. Der Krümmungsradius der abgelenkten Strahlenbündel und deren Neigung gegenüber den Randgrenzen der Magnetsektoren bestimmen die Eigenschaften der Sektorablenkeinheit. Es sind auch Ausführungsformen bekannt, bei denen in einem einzigen Polschuh ausgeschnittene Bereiche vorgesehen sind, um den er­ wünschten Strahlengang zu erzielen. Um Symmetrie zwischen dem auftreffenden Beleuchtungsstrahlenbündel und dem austretenden Abbildungsstrahlenbündel sicherzustellen, müssen alle drei äußeren Kanten rechtwinkelig zu den Strahlenbündelachsen außer­ halb der Ablenkeinheit stehen, während die Innenflächen eines einzelnen Polschuhs prinzipiell derart ausgebildet sein können, daß eine symmetrische, stigmatische Abbildung erzeugt wird. Unabhängig davon, wie vorteilhaft sich die bekannten Ablenk­ einheiten betreiben lassen, darf nicht übersehen werden, daß derartige einteilige Polschuhausbildungen grundsätzlich nicht in der Lage sind, eine Vielzahl unterschiedlicher Abbildungs­ strahlenbündelenergien zu beherrschen, während nur ein Beleuch­ tungsstrahlenbündel mit einer einzigen bestimmten Energie zur Anwendung kommt. Das eine oder andere Strahlenbündel muß sich von der gewünschten an sich festgelegten Strahlengangachse entfernern, da unterschiedliche Energien zu unterschiedlichen Krümmungsradien im gleichen Magnetfled führen. Wenn es auch theoretisch möglich ist, eine Reihe von entsprechend geformten Ablenkeinheiten mit mehreren Symmetrieachsen zur Erzielung des gewünschten stigmatischen und nicht-dispersiven Abbildungs­ verhaltens zu verwenden, würden derartige Ablenksysteme außer­ ordentlich kompliziert werden. Solche Systeme mit symmetrisch gekrümmten Ein- und Ausfallachsen gehören zum Stand der Technik.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sektorfeldab­ lenksystem zu schaffen, daß die an es gestellten, zuvorgenann­ ten Anforderungen bei vergleichsweise einfachem Aufbau erfüllt und sich auch bei inelastisch gestreuten Elektronen oder sich energetisch unterscheidenden Beleuchtungs- und Abbildungsstrah­ lenbündeln dennoch stigmatisch doppelfokussierend verhält. Schließlich soll das Ablenksystem sowohl mit elastischen als auch inelastisch gestreuten Elektronen oder Ionen betrieben werden können.

Ein diese Aufgabe lösendes Sektorfeldablenksystem ist mit Ausgestaltungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet und anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Das Sektorfeldablenk-System gemäß der Erfindung hat einen gleichförmig erregten äußeren Polschuh, der zwei oder mehr identisch gestaltete, symmetrisch angeordnete innere Polschuhe umschließt, die durch ein Feld erregt werden, das sich von dem äußeren Erregungsfeld unterscheidet, und eine stigmatische Doppelfokussierung liefert. Die Ablenkeinheit bildet mit elastischen oder inelastischen gestreuten Elektronen oder Ionen ab. Der äußere Polschuh bzw. das äußere Polstück wird gleich­ mäßig erregt.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß wenigstens einer der Polschuhe gegenüber den anderen unterschiedlich erregt werden kann, um Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlen­ bündel zu erhalten, die außerhalb des Ablenksystems spiegel­ bildlich sind, auch wenn das Beleuchtungsstrahlenbündel und das Abbildungsstrahlenbündel unterschiedliche Energien haben.

Bei einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sektor­ feldablenksystems ist ein innerer Polschuh mit unterschied­ licher Stärke gegenüber den anderen inneren Polschuhen erregbar. Es kann jedoch auf einem inneren Polschuh auch eine zusätzliche Spule vorgesehen sein, die bei Erregung eine entgegengerichtete Feldkomponente erzeugt. In beiden Fällen führt dies zu einer quadropolen Fokussierung längs einer einzigen Achse oder längs beider Achsen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand einer Zeich­ nung näher erläutert, die eine Sektorfeldablenkeinheit im Querschnitt zeigt.

Ein Sektorfeldablenksystem 10 umfaßt einen dreieckförmigen äußeren Polschuh 12 mit einer mittigen dreieckigen Durchgangs­ öffnung und in dieser - gemäß der Erfindung - symmetrisch angeordnet drei innere gleichgeformte Polschuhe 20, 22 und 24, die durch einen Luftspalt 26 vom äußeren Polschuh getrennt sind und einen Ablenkwinkel von 60° erzeugen. Der äußere dreieckförmige Polschuh 12 umschließt also sowohl die inneren Polstücke 20, 22 und 24 als auch die im Querschnitt dreieck­ förmige dreifach-symmetrische Anordnung der inneren Polschuhe. Der äußere Polschuh 12 wirkt mit einem gleichförmigen Magnet­ feld auf die Beleuchtungsstrahlenbündelsegmente AI und AO und auf die Abbildungsstrahlengangsegmente BO und BM. Die Strahlen­ bündelsegmente AI und BM müssen entlang dem gleichen spiegel­ symmetrischen Strahlengang verlaufen, während die Strahlen­ bündelsegmente AO und BO außerhalb des Ablenksystems 10 über­ lagert sind. Die inneren Polschuhe 20, 22 und 24 sind identisch geformt, so daß sie innerhalb des äußeren Polstücks 12 zueinan­ der passen. Die inneren Kanten sind so ausgerichtet, daß sie längs jeder Strahlenachse ausgerichtet sind. Die inneren und äußeren Kanten des äußeren Polschuhs 12 verlaufen parallel miteinander und senkrecht zur außenliegenden Strahlenachse. Dies ist aber keine notwendige Anordnung der inneren Kanten der inneren Polschuhe 20, 22 und 24. Letztere können unabhängig voneinander durch getrennte Erregerspulen erregt werden, um beliebige Felder längs einer rechtwinkelig zu einer Achse zu erzeugen, die rechtwinkelig zum Zeichenblatt steht. Es wird angenommen, daß die einander zugewandten Polstückpaare, die den Ablenkungsspalt der inneren Polstücke bestimmen, mit einer kleinen Komponente eines entgegengerichteten Feldes erregt werden können, so daß auch eine schwache Quadropollinse gebil­ det werden kann. Diese Quadropolkomponenten dienen zur Korrek­ tur residenten Astigmatismusses und zwar getrennt für den Beleuchtungs- und den Abbildungsstrahl.

Die nachfolgende Ausführungsform verdeutlicht, daß es möglich ist, daß System doppelfokussierend bzw. stigmatisch zu machen, selbst wenn die exakten Eigenschaften nicht zuvor errechnet werden können. Die Literatur zeigt, daß die Fokussiereigen­ schaften jeder Sektorfeldablenkeinheit vom Krümmungsradius des Strahls (Erregung) und der Neigung der Strahlachse aI und aM gegenüber der Grenze jedes Sektors beim Ein- und Austritt des Sektors abhängt. Wenn nur das äußere Polstück 12 erregt wird und dessen innere und äußere Kanten parallel zueinander ver­ laufen, dann ist in der Literatur ausgeführt, daß das System außerhalb der Achse verlaufende Elektronenstrahlen in verti­ kaler Richtung aber nicht in horizontaler Richtung fokussieren wird (Fraktion). Wenn jedoch nur die inneren Polschuhe alle gleich erregt werden, treten alle zentralen Strahlen recht­ winkelig zu den aktiven Polschuhgrenzen ein und aus. In der Literatur ist ausgeführt, daß das System dann in der horizon­ talen Ebene fokussieren wird aber nicht in der vertikalen Ebene. In beiden Fällen verlaufen die Strahlengänge der längs der Achse verlaufenden Elektronenstrahlen AI, AO, BO, BI identisch zueinander, selbst wenn sie davon abhängen, welcher Polschuh erregt ist. Wenn sowohl der äußere Polschuh 12 als auch die inneren Polschuhe 20, 22, 24 erregt sind, erfolgt eine Fokussierung sowohl in der horizontalen Ebene als auch in der vertikalen Ebene und die Symmetrie der Strahlengangsegmente ist gesichert. Daraus folgt, daß eine stigmatische Fokussierung erzielbar ist. Wenn ein Objektpunkt FI korrekt angeordnet ist, werden seine konjugierten Bildpunkte FO und FM mit einem Ver­ größerungsfaktor von minus 1 (-1) stigmatisch abbildet. Mit anderen Worten, differentielle Erregung der inneren Polschuhe und des äußeren Polschuhs hat die Wirkung einer Änderung der effektiven Fokussierstärke der inneren Polschuhgrenzen derart, daß eine Fokussierung sichergestellt ist. Aufgrund der internen Symmetrie des Beleuchtungs- und des Abbildungsstrahlenbündels ist sichergestellt, daß die von chromatischer Aberration freien Punkten in der Mitte des Systems liegen, nämlich dort, wohin die Probe abgebildet wird.

Aus dem Vorhergehenden ergibt sich, daß das magnetische Sektor­ feldablenksystem 10 grundsätzlich doppelfokussierend für eine einzige nominale Strahlenergie ist. Wenn sich jedoch die Energie des Abbildungsstrahlenbündels AI-AO vom Beleuchtungs­ strahlenbündel BO-BM unterscheidet, kann z.B. der innere Polschuh 22 etwas abweichend erregt werden, um ihn wieder zur gewünschten Austrittsachse zu drängen. Während sich die Form des Strahlengangs ändert (für geringere Energien wird er im äußeren Polstück stärker gekrümmt und für entsprechend gerader im inneren Polschuh) stellt die Symmetrie der Strahlengänge BO nach BM sicher, daß er längs der Abbildungsachse austritt. Es kann gezeigt werden, daß die Abbildungsbedingungen sich etwas ändern und ein geringer Astigmatismus auftritt, da das Verhält­ nis von innerer zu äußerer Erregung verschieden ist. Diese Abweichung kann durch die eingebaute, zuvor erläuterte Quadro­ polanordnung korrigiert werden. Für kleine Energiedifferenzen ist die Wirkung auf den Bildastigmatismus vernachlässigbar, wenn er an den achromatischen Punkten liegt.

Die Symmetrie der Anordnung kann eine 3, 4- oder 5-fache sein.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel des Sektorfeldablenk­ systems der Erfindung betrug die äußere Kantenlänge des äußeren dreieckförmigen Polschuhs 12 150 mm, die Feldstärke der Pol­ schuhe je 100 Ampère-Windungen (Gauss), die Brennweite (Abstand der Bildpunkte FI und FM) vom Mittelpunkt 200 mm, und lag FI symmetrisch zu FM.

Bei unterschiedlicher Erregung des Beleuchtungsstrahls BO-BM und des Abbildungsstrahls AI-AO ändert sich die Feldstärke proportional der Quadratwurzel der Energiedifferenz. Dazu kann die Erregungsstromstärke unterschiedlich sein oder es ist eine zusätzliche Spule auf dem einen Polschuh vorgesehen. Die Brenn­ weite ändert sich bei geringen Erregungsdifferenzen nur gering­ fügig. Leichter Astigmatismus kann auftreten.

Die in der Zeichnung dargestellte 4-Magnet-Ausführung (die Magnete sind vornehmlich Elektromagnete, wenn auch Permanent­ magnete verwendbar sind) erzeugen gemeinsam zwei entgegenge­ richtete Felder, die einen Sattel der Feldstärkenverteilung in der Mitte bilden.

Die Magnete bestehen aus Eisen hoher Permeabilität und geringer Remanenz. Abmessungen des äußeren Polschuhs von ca. 75 bis 150 mm kommen in Betracht. Zur Stromversorgung dient ein strom­ geregeltes Netzgerät.

Claims (4)

1. Sektorfeldablenksystem mit drei oder mehr Magnetsektoren bzw. -Schuhen, insbesondere für ein Niederspannungselektronen- Mikroskop, welches mittels elastischer oder inelastisch gestreuter Elektronen oder Ionen abbildet, gekennzeichnet durch einen gleichförmig erregten äußeren Polschuh (12), der zwei oder mehrere identisch gestaltete innere, ebenfalls erregte Polschuhe (20, 22, 24) umschließt, deren Erregung sich von der äußeren Erregung unterscheidet und eine stigmatische Doppel­ fokussierung liefert.

2. Sektorfeldablenksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Polschuhe unterschiedlich gegenüber den anderen Polschuhen derart erregbar ist, daß das Beleuch­ tungs- und das Abbildungsstrahlenbündel außerhalb des Ablenk­ systems spiegelbildlich verlaufen, auch wenn die Energie des Beleuchtungsstrahlenbündels unterschiedlich von der Energie des Abbildungsstrahlenbündels ist.

3. Sektorfeldablenksystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen gegenüber den anderen inneren Polschuhen unter­ schiedlich erregbaren inneren Polschuh oder eine zusätzliche Magnetspule auf einem der inneren Polschuhe, welche eine entgegengerichtete Feldkomponente erzeugt, die zu einer Quadropol-Fokussierung in einer der Achsen oder in beiden Achsen führt.

4. Sektorfeldablenksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Polschuh (12) die Form eines gleichschenkeligen Dreiecks hat und die inneren Polschuhe (20, 22, 24) unter Belassung eines Spaltes (26) eine symmetrische Anordnung bildend umschließt.