DE69213157T2

DE69213157T2 - Elektronenstrahlvorrichtung

Info

Publication number: DE69213157T2
Application number: DE69213157T
Authority: DE
Inventors: Ralf Degenhardt; Harald Rose; Der Mast Karel D Van
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: FEI Co
Priority date: 1991-10-24
Filing date: 1992-10-15
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2012-10-16
Also published as: US5336885A; JPH05314938A; JP3471039B2; EP0538938B1; EP0538938A1; DE69213157D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektronenstrahlgerät mit einer Elektronenquelle, einer um eine optische Achse des Geräts herum angeordneten Elektronenoptik und einem magnetischen energieselektiven Filter für spektrometrische Messungen, wobei eine eintretende optische Achse mit der optischen Achse des Geräts zusammenfällt und eine austretende optische Achse mit der optischen Achse des Geräts zusammenfällt, wobei in dem Filter ein Hauptelektronenstrahlengang am Eingang mit der eintretenden optischen Achse zusammenfällt und der Hauptelektronenstrahlengang am Ausgang mit der austretenden optischen Achse des Filters zusammenfällt.
Ein Gerät dieser Art ist aus einem Artikel von Rose und Degenhardt mit dem Titel "A compact aberration-free imaging filter with inside energy selection" in Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A298 (1990), S. 171-178, bekannt.
Allgemein ist es die Aufgabe des bekannten Geräts, Probenabbildung und lokale empfindliche Spektrometermessung an einer Probe in einem Transmissionselektronenmikroskop zu kombinieren. Daher sollte spektrometrische Messung eine abbildende Wirkung des Mikroskops nicht behindern und umgekehrt. Das magnetische energieselektive Filter, wie in dem genannten Artikel beschrieben, ist ein sogenanntes Ω-Filter, in dem das Elektronenstrahlenbündel in dem Filter in eine Ω-Form gebogen wird, wobei das Ω-förmige Strahlenbündel und die optische Achse des Elektronenstrahlgeräts (des Elektronenmikroskops) alle in der gleichen Ebene liegen. Eine solche Filteranordnung beansprucht erheblichen Raum in dem zu verwendenden Elektronenmikroskop.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein magnetisches energieselektives Filter zu verschaffen, das in dem Elektronenmikroskop erheblich weniger Raum beansprucht, ohne zusätzliche elektronenoptische Aberrationen bei der Abbildung des Gerätes einzubringen, in dem störende Empfindlichkeit gegenüber externen Einflüssen verringert ist.
Hierzu ist das eingangs dargelegte Elektronenstrahlgerät erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Rauptelektronenstrahlengang des magnetischen energieselektiven Filters in einer die optische Achse des Geräts nicht enthaltenden Ebene angeordnet ist.
Da die optische Achse des erfindungsgemäßen magnetischen energieselektiven Filters in einer Ebene nahezu quer zur optischen Achse des Geräts liegt, steht für die Strahlenbündelsteuerung, die Bündelmodulation und die dispersive Wirkung eine erhebliche Strahlenbündeldurchlaufstrecke zur Verfügung, ohne die gesamte läänge des Gerätes zu beeinflussen. Somit kann die dispersive Vorrichtung für die Abbildung und Dispersion optimiert werden, ohne irgendwelche Längenbegrenzungsforderungen. Dies bedeutet, daß dort, wo es sinnvoll ist, elektronenoptische Elemente in die Vorrichtung eingebracht werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das magnetische energieselektive Filter von einem das Strahlenbündel von der optischen Achse des Geräts weg richtenden ersten Strahlenablenksystem und einem das Strahlenbündel in einer Linie mit der optischen Achse des Geräts zurück richtenden zweiten Strahlenablenksystem umgeben. Somit wird die gesamte Länge des Geräts um einen Wert vergrößert, der zweimal dem Ablenkradius einer ersten und einer letzten strahlenablenkenden Vorrichtung entspricht, wobei zwischen diesen beiden Strahlenablenkern eine willkürliche Länge zur optischen Behandlung des Strahlenbündels offen bleibt. Insbesondere umfaßt das erste Strahlenablenksystem ein erstes, nahezu um 90º ablenkendes Element zum Richten des Strahlenbündels in einer nahezu quer zur optischen Achse liegenden Richtung und ein zweites, nahezu um 90º ablenkendes Element zum Richten des Strahlenbündels in einer Richtung aus der die optische Achse einschließenden Ebene heraus, wobei das zweite Strahlenablenksystem ein drittes und ein viertes nahezu um 90º strahlenablenkendes Element umfaßt, um das Strahlenbündel in einer Linie mit der optischen Achse zurück zu richten. Somit ist ein hoher Freiheitsgrad zur Orientierung der Ebene für den Strahlengang in das magnetische energieselektive Filter eingebracht worden. Die richtige Orientierung dieser Ebene kann jetzt mit einem interessanten Geräteentwurf und Aufbau erreicht werden. Eine empfehlenswerte Lösung kann sein, diese Ebene parallel zur optischen Achse zu haben, was zur einem magnetischen energieselektiven Filtersystem führt, das vollständig gegen die Säule des Elektronenstrahlgeräts an montiert ist. In einer weiteren Ausführungsform sind alle oder ein Teil der strahlenablenkende Elemente Teil des magnetischen energieselektiven Filters an sich. Strahlenablenkende Elemente können relativ einfach angepaßt werden, um in dem erfindungsgemaßen magnetischen energieselektiven Filtersystem eine doppelte elektronenoptische Funktion zu erfüllen. Diese Ausführungsform verringert die Gesamtzahl Elemente für das magnetische ener gieselektive Filtersystem.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das magnetische energieselektive Filter von zwei nahezu um 90º strahlenablenkenden Elementen umgeben, wobei ein erstes Element das Elektronenstrahlenbündel in einer nahezu quer zur optischen Achse liegenden Richtung richtet und ein zweites Element es in einer Linie mit der optischen Achse des Geräts zurück richtet. Die Verwendung zweier vorzugsweise gleichartiger strahlenrichtender Elemente ermöglicht es, einen hohen Grad an Symmetrie in das System einzubringen und bietet die Möglichkeit, das Strahlenbündel zu beiden Seiten der dispersiven Vorrichtung an sich zu korrigieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt das magnetische energieselektive Filter zwei um nahezu 180º strahlenabbiegende Systeme, die eine Energiedispersion in einem Elektronenstrahlenbündel aufweisen das in einer zentralen Symmetrieebene zwischen den genannten beiden System untersucht werden soll. Durch Einführen von zwei vorzugsweise gleichartigen um 180º strahlenabbiegenden Systemen kann vollständige Symmetrie der Vorrichtung bezüglich der zentralen Symmetrieebene eingebracht werden, die mit einer Ebene optimaler Dispersion zusammenfällt. Letzteres ermöglicht es, mit Hilfe des zweiten strahlenabbiegenden Systems alle Bündelabweichungen des ersten strahlenabbiegenden Systems zu korrigieren.
Vorzugsweise umfaßt jedes der 180º abbiegenden Systeme zwei um 90º abbiegende Elemente, die eine zweite Symmetrieebene nahezu senkrecht zu der zentralen Symmetrieebene bilden. Dies bringt die Möglichkeit einer weiteren Bündelkorrektur usw. in der zweiten Symmetrieebene mit sich. Um den um 90º strahlenabbiegenden Elementen eine Doppelfokussierungswirkung zu geben, umfassen diese vorzugsweise flache magnetische Elemente mit gekippten Eingangs- und oder Ausgangsflächen, abgeschrägte magnetische Segmente und/oder flache magnetische Segmente mit Strom wicklungen zum Einbringen oder Steuern von Doppelfokussierungswirkung.
In einer weiteren Ausführungsform wird zu beiden Seiten der Hauptsymmetrieebene eine Quadrupollinse eingebracht, um die dispersive Wirkung des magnetischen energieselektiven Filters in der Hauptsymmetrieebene zu vergrößern und anschließend die genannte Vergrößerung zu kompensieren. Vorzugsweise werde solche Quadrupollinsen in der zweite Symmetrieebene eingebracht und zum Ausgleichen ihrer Wirkung auf das Elektronenstrahlenbündel in Reihe geschaltet.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die strahlenablenkende Elemente, die das magnetische energieselektive Filter umgeben, bezüglich der Strahlenachse des Filters eine rotationssymmetrische Fokussierungswirkung auf. Dies verhindert das Einbringen einer Abweichung in dem Elektronenstrahlenbündel in dem diesbezüglichen Filter. Vorzugsweise weisen die strahlenabbiegenden Elemente rotationssymmetrische Fokussierung um die gekrümmte Achse des Filters auf. Die strahlenablenkenden Elemente werden vorzugsweise ähnlich den um 90º strahlenabbiegenden Elementen ausgerüstet, um Doppelfokussierung einzubringen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wirken die beiden strahlenabbiegenden Elemente, die das magnetische energieselektive Filter umgeben, mit diesem zusammen, so daß eine achromatische Ebene für ein Eintrittsstrahlen ablenkendes Element und eine achromatische Ebene des Austrittsstrahlen ablenkenden Elements zueinander konjugierten Abbildungsebenen bilden.
Vorzugsweise liegt ein energieselektierendes Blendensystem in der zentralen Symmetrieebene des magnetischen energieselektiven Filters. Dies ermöglicht es, in dem Spektrometer vollständige Symmetrie aufrechtzuerhalten, so daß die Möglichkeit vollständigen Ausgleichs von Elektronenstrahlenbündelabweichungen gegeben ist, so daß die abbildende Wirkung des Geräts nicht nachteilig beeinflußt wird. Auch kann die energieselektierende Blende über der Bündelachse des Geräts hinter dem Filter positioniert werden. Diese Lage ist häufig einfach zu handhaben, aber die vollständige Symmetrie geht verloren.
In einer weiteren Ausführungsform werden dem magnetischen energieselektiven Filter Multipolelemente hinzugefügt, um die Abweichungen zweiter Ordnung in dem magnetischen energieselektiven Filter zu korrigieren. Solche Elemente können auch eingeführt werden, um Bündelverzerrung in dem Elektronenstrahlenbündel zu korrigieren. Diese Korrektoren liegen vorzugsweise zwischen den ersten und den zweiten um 90º strahlenabbiegenden Elementen und zwischen den dritten und den vierten um 90º strahlenabbiegenden Elementen. Ein weiterer Korrektor kann vor dem ersten und hinter dem letzten Sektor plaziert werden - eventuell über der optischen Achse des Geräts, vor und hinter dem selektiven System als Ganzes.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Bündelanpassungslinse vor dem magnetischen energieselektiven Filtersystem eingebracht, um die relevanten Elektronenstrahlenbündelparameter für das magnetische energieselektive Filter zu optimieren.
In einer weiteren Ausführungsform wird im Anschluß an das magnetische energieselektive Filter eine relativ starke Linse hinzugefügt, um die abbildende Wirkung des Elektronenstrahlenbündels zu erreichen. Diese Linse ist vorzugsweise als Dublett linse ausgeführt, um die Bündelsteuerungsmöglichkeiten zu vergrößern, um so Bündelrotation zu vermeiden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das magnetische energieselektive Filter im Anschluß an eine Objektivlinse, eine Beugungslinse und eine Zwischenlinse angeordnet. In solch einem Gerät kann die Anpassungslinse zwischen den genannten drei Linsen und der Vorrichtung eingebracht werden.
Vorzugsweise wird ein erfindungsgemäßes Gerät mit einer Schmalband- CCD-Kamera für Auslesesignale versehen. Eine solche Kamera wird vorzugsweise in einer Bildebene hinter der dispersiven Vorrichtung plaziert.
Bei den oben beschriebenen Meßbetriebsarten liegt ein Elektronenenergie verlustspektrum vorzugsweise bei der zentralen Symmetrieebene des Systems. Wegen der Anforderungen an die Symmetrie kann ein Energiespektrum nicht willkürlich außerhalb des magnetischen energieselektiven Filters gebildet werden. Es ist jedoch wünschenswert, eine Möglichkeit zu haben, die ein Energiespektrum enthaltende zentrale Symmetrieebene auf den Abbildungsschirm des Mikroskops oder irgendwo anders in dem Gerät abzubilden, wo sie beispielsweise mit einer CCD-Kamera oder ähnlichem detektiert werden kann. Dies würde eine genaue Positionierung eines energieselektierenden Spaltes in dem Spektrum zum Sammeln spektraler Information aus dem Elektronenstrahlenbündel ermöglichen. Um dies zu erreichen, sollte der energiedispersive Effekt hinter der Symmetrieebene minimiert werden. Dies wird in einer bevorzugten Ausführungsform durch Erzeugen eines zusätzlichen Bündeiknotens in der energiedispersiven Ebene des magnetischen energieselektiven Filtersystems zwischen einem dritten und einem vierten strahlenabbiegenden Sektor realisiert. Dies hat den Effekt, daß die efektive Dispersion des dritten und des vierten Sektors zusammengenommen ungefahr null ist und somit die Dispersion in der zentralen Symmetrieebene unbeeinflusst bleibt. Vorzugsweise wird dies realisiert, indem zwei oder drei zusätzliche Quadrupole zwischen dem dritten und dem vierten abbiegenden Sektor angebracht werden oder indem eine Quadrupolwirkung in den Sektorfeldern an sich durch zusätzliche Spulen auf den Sektorpolstückoberflächen wie beschrieben oder eventuell durch konstruktive Maßnahmen eingebracht wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, zwischen Abbildungsbetrieb und Spektrorneterbetrieb durch Ändern der Anregung der obengenannten Quadrupole zu schalten.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 ein Elektronenmikroskop mit einem erfindungsgemäßen magnetischen energieselektiven Filtersystem,
Fig. 2 ein Beispiel für grundlegende Strahlengänge in einem magnetischen energieselektiven Filter hierfür,
Fig. 3 ein Beispiel für ein doppeltsymmetrisches magnetisches energieselektives Filtersy stern,
Fig. 4 ein Paar um 90º strahlenablenkender Vorrichtungen in einem Linsensystem eines Elektronenmikroskops,
Fig. 5 ein Beispiel für die Geometrie eines um 90º strahlenabbiegenden Magneten für ein magnetisches energieselektives Filtersystem,
Fig. 6 prinzipielle Strahlenbündelbahnen in einem magnetischen energieselektiven Filtersy stern im Abbildungsbetrieb und
Fig. 7 prinzipielle Strahlenbündelbahnen in einem magnetischen energieselektiven Filtersystem im Spektrorneterbetrieb.
Ein Transmissionselektronenmikroskop 2, wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt eine Elektronenquelle 4 mit einer Kathode 6 und einer Anode 8, ein Kondensorlinsensystem 10, ein Objektivlinsensystem 12, ein Beugungslinsensystem 14 und eine Zwischenlinse 16. Zum Abbilden eines von einem Objektträger 18 getragenen Objekts 20 auf eine Eintrittsebene 22 eines erfindungsgemäßen magnetischen energieselektiven Filters 25 wird vorzugsweise eine Anpassungslinse 24 hinzugefügt. Im Anschluß an das Filter sind ein Projektionslinsensystern 26 und ein Abbildungsraum 28 mit einem Bildschirm 30 vorgesehen. Das Projektionslinsensystem 26 umfaßt zwei Linsen, um die Vergrößerungsveränderung eines beispielsweise von einem CCD-Aufnahmesystem 32 zu detektierenden Spektrums zu vereinfachen, ohne Drehung davon, das heißt Aufrechterhalten der Dispersionsrichtung senkrecht zu den Bildelementen 34 des CCD-Systems für alle Vergrößerungen. Wenn ein Hauptstrahlengang 33 des Filters 25 in eine Ebene 36 fiel, in der gezeigten Ausführungsform senkrecht zur optischen Achse 35 des Mikroskops, kann leicht erkannt werden, daß eine zusätzliche gesamte Säulenlänge von 2R für das Filter notwendig ist, wobei R der Ablenkradius eines Eintrittsstrahlen ablenkenden Systems 37 und eines Austrittsstrahlen ablenkenden Systems 39 ist, die eingebracht werden müssen, um das Elektronenstrahlenbündel in die Strahlengangebene 36 des Filters zu richten und zurück zur optischen Achse 35 nach Durchlaufen des Filters.
Optische Prinzipien eines magnetischen energieselektiven Filters 40 an sich können anhand relevanter Elektronenbahnen in einem homogenen Magnetfeld wie in Fig. 2 gezeigt erläutert werden. Wählt man einen gewissen Punkt 42 als Eingangsund Ausgangspunkt des Filters, wobei ein Punkt der optischen Achse des Mikroskops verwendet wird, dann sind alle Bahnen durch Punkt 42 in einer Ebene senkrecht zum den Feldlinien perfekte Kreise. Ein bestimmter Kreis 44 kann als (gekrümmte) optische Achse des Filters gewählt werden. Aus kreisförmigen Bahnen 46, 48 bzw. 45, 47 von Elektronen, die vom Punkt 42 unter leicht variierenden negativen bzw. positiven Winkeln α ausgehen, aber alle die gleiche Energie haben, das heißt den gleichen Krümmungsradius, können die Fokussierungseigenschaften des Filters insbesondere nach 180 bzw. 360º ausgelesen werden. Erkennbar ist eine Abweichung zweiter Ordnung Δd im Bereich 49 nach 180º und eine totale Abwesenheit jeglicher Abweichung nach 360º. Das heißt, daß alle Bahnen wieder durch Punkt 42 gehen. Eine zweite Hälfte 52 des Filters kompensiert die Abweichungen zweiter Ordnung der ersten Hälfte 50 des Filters vollkommen. Nach 180º ist die Abweichung Δd von der Zentralbahn 44 proportional zu α2, was angibt, daß eine positive und eine negative Winkelabweichung beide eine gleiche gerichtete Aberration geben.
Zur Energieselektion muß ein Bündeiknoten des Elektronenstrahlenbündels auf den Punkt 42 fokussiert werden. Ein Elektronenstrahlenbündel 43 gilt für eine leicht geringere Energie und wird als gestrichelte Linie dargestellt. Kreise mit wieder der gleichen Energie, das heißt dem gleichen Radius, aber wiederum unterschiedlicher Winkel werden das gleiche Verhalten zeigen wie der erste Satz Kreise. Zu erkennen ist, daß nach 360º keine Aberration mehr vorhanden ist. Ein vollständig achromatisches und von Abweichungen zweiter Ordnung freies eindeutiges Abbildungssystem ist realisiert worden. Wenn dieses System an ein Elektronenmikroskop angepaßt wird, beeinflußt es das optische Verhalten des Elektronenstrahlenbündels nicht; dies gilt für jede optische Situation und nicht nur für den Fall, daß der Bündeiknoten am Punkt 42 liegt. Um einen gewissen Elektronenenergiebereich zu selektieren, kann sich bei 49 ein Spalt befinden. Man kann erkennen, daß die Auswirkungen der Abweichungen zweiter Ordnung die folgenden sind. Ein schmaler Spalt bei 49 begrenzt das Bildfeld für einen gegebenen (schmalen) Energiebereich, Lind für verschiedene Werte von a unterscheidet sich der selektierte Energiebereich, was zu anisochromatischer Abbildung führt. Diese beiden Abweichungen können korrigiert werden, indem an den Stellen 51 und 53, das heißt nach einem Abbiegen um 90º bzw. 270º, optische Elemente 55 und 57 mit Ablenkeffekten zweiter Ordnung in der Ebene des Filters um die Zentralbahn 44 angebracht werden. Diese optischen Elemente sind vorzugsweise Sextupole, deren Aberration in anderen Richtungen vernachlässigt werden kann, gerade weil Energieselektion mit einem Spalt ausgeführt wird und nicht mit einer anders geformten Blende. Der zweite Sextupol 57 bei 53 kompensiert wie Wirkung des ersten vollständig, so daß die beiden Sextupole zusammen keinerlei Auswirkung auf die Bildqualität des gesamten Filterkreises haben. Solch ein Filter ermöglicht also, daß keine Abweichungen zweiter Ordnung, keine chromatischen Bildaberrationen und in der energieselektierenden Ebene bei 49 keine Abweichungen zweiter Ordnung Anisochromatismus oder Bildfeldbegrenzung bewirken.
In Fig. 3 ist eine Ausführungsform eines magnetischen energieselektiven Filters dargestellt, das auf den obengenannten Prinzipien beruht. Ein solches Filtersystem umfaßt ein strahlenablenkendes Element 60 zum Ablenken des Elektronenstrahlenbündels aus der optischen Achse 35 heraus. Ein zweites strahlenablenkendes Element 62 ist vorgesehen, um das Elektronenstrahlenbündel nach dem Durchlaufen des Filters zurück in einer Linie mit der optischen Achse abzulenken. In dieser Figur liegen diese beiden Elemente oben übereinander zu beiden Seiten der Ebene 61 des Filters, hier der Zeichenebene. Das Filter umfaßt weiterhin die vier strahlenabbiegenden Elemente 64, 65, 66 und 67. Die vier Elemente bilden eine zentrale Symmetrieebene 68 und hier eine zweite Symmetrieebene 70. Die zentrale Symmetrieebene 68 enthält die optische Achse 35 und eine Dispersionsebene 69, die im in Fig. 2 angegebenen Gebiet 49 liegt. In der Dispersionsebene 69 ist ein energieselektierender Spalt 71 mit einem Steuerungssystem 72 eingebracht. Dispersion tritt hier in der Zeichenebene auf, das heißt die Energie diskriminierenden Begrenzungen des Spaltes sind senkrecht zur Zeichenebene gerichtet. Zwischen den strahlenabbiegenden Elementen 64 und 65 ist ein Sextupolsystem 74 und zwischen den Strahlen abbiegenden Elementen 66 und 67 ist ein Sextupolsystem 76 eingebracht. Die vier strahlenabbiegenden Elemente sind alle um nahezu 90º abbiegende Elemente, die ein doppeltsymmetrisches System bilden, das das Einbringen strahlenbündelkorrigierender Elemente erleichtert, ohne nachteilige Auswirkungen auf das Elektronenstrahlenbündel. Eine eingehende Erläuterung der optischen Prinzipien und Vorteile eines doppeltsymmetrischen magnetischen energieselektiven Filters wird in dem Beitrag von Rose und Degenhardt in Nuclear Instrumentation and Methods in Physics Research A298 (1990), Nr. 1, S. 15-38, gegeben. Mit dem vollständigen Kreisentwurf wie in Fig. 3 können die beiden Symmetrieebenenbedingungen einfach erfüllt werden. Um das Strahlenbündel in das Filter einzubringen und wieder in die Mikroskopachse zu richten, sind wieder zwei 90º-Ablenker erforderlich. Für diese Ablenker sind vorzugsweise keine anderen optischen Effekte erster Ordnung erforderlich; sie sollten rotationssymmetrisch sein, da die Filterabbilungseigenschaften entlang ihrer gedehnten Achse vollständig rotationssymmetrisch gemacht worden sind. Ein Element, das diese Funktion erfüllen kann, ist ein magnetischer Sektor mit konischen Polstücken. Diese Elemente haben Rotationssymmetrie im Hinblick auf Fokussierungswirkung, aber leiden nicht unter Abweichungen zweiter Ordnung und Energiedispersion. Wenn die gleichen Symmetrieregeln auf das Filter angewendet werden, können diese vollständig entfallen. Dies kann teilweise realisiert werden, indem dafürt gsorgt wird, daß der Eingangs- und Austrittsbündelknoten genau in der Ebene dieser Ablenker liegen. Da die Ablenker am Punkt 49 plaziert werden, wo der Bündelknoten zur Energieselektion liegen sollte, ist diese Bedingung ungefähr erfüllt. Genaue Berechnungen der tatsächlichen Bahn ergeben, daß der Bündelknoten ein wenig außerhalb des Zentrums liegt. Weiterhin können die Abmessungen der Ablenksysteme so gewählt werden, daß die Brennebenen außerhalb des Systems mit der Mikroskopbildebene zusammenfallen, was zur Symmetrie der abbildenden Hauptstrahlen führt. Dies garantiert, daß die leichte Asymmetrie der Bündelknotenpositionen in den Ablenksystem vernachlässigbare chromatische Aberrationen im Bild in Querrichtung erzeugt.
In Fig. 4a ist ein Paar 90º-Strahlablenker 60 und 62 in Beziehung zu Teilen des Elektronenstrahlgeräts dargestellt. Der erste Ablenker 60 lenkt ein Elektronenstrahlenbündel aus der optischen Achse 35 des Elektronenstrahlgeräts ab, und ein zweiter Ablenker 62 lenkt es zurück zur Achse 35. Zwischen den beiden Ablenkern verlaufen die Strahlenbündel in der Filterebene 61 durch die Linie 80 und senkrecht zur Zeichenebene, das heißt senkrecht zur Achse 35. Der erste Ablenker ist nahe einem Linsensystem 82 des Elektronenstrahlgeräts montiert, vorzugsweise einer Anpassungs linse, die für eine optimierte Anpassung der Elektronenstrahlenbündelgeometrie in einer Filtereintrittsebene 84 verwendet werden soll. Die zweite Umlenkvorrichtung 62 ist nahe eines darauffolgenden optischen Linsensystem 86 des Elekronenstrahlgeräts, vorzugsweise einer Projektorlinse, montiert. Das Strahlenbündel wird in den Ablenkvorrichtungen mit einem Radius R von beispielsweise 30 mm abgelenkt, das heißt, die optische Dicke des Filters gemessen in Richtung der Achse 35 beträgt zumindest 2R = 6 cm, aber sie braucht nicht viel größer als dieser Wert zu sein. Falls möglich liegen die Ablenksysteme teilweise innerhalb des genannten Linsensystems und kann somit die geometrische Dicke des Filters selbst kleiner als 6 cm sein.
Fig. 4b zeigt die Geometrie eines Strahlenablenksystems in Draufsicht, das heißt in Richtung der optischen Achse 35 gesehen zum Ablenksystem hin. Das System zeigt ein magnetisches Joch 90, den ersten Ablenker 60 und auf niedrigere Ebene den zweiten Ablenker 62. Beide Ablenker sind mit elektromagnetischen Spulen 92 und magnetisch kurzschließenden Elementen 94 versehen. Das Elektronenstrahlenbündel tritt bei 35 ein, wird in der Filterebene 61 in einer Richtung 95 um die Filterebene herum verlaufend abgelenkt und tritt wieder beim Punkt 96 ein, um zurück zur optischen Achsenrichtung abgebogen zu werden.
Fig. 5 gibt ein Beispiel für ein strahlenabbiegendes Element eines doppeltsymmetrischen magnetischen energieselektiven Filters und zeigt eine magnetische Polfläche 100 mit einer Aussparung 102, in der, wie in Fig. 5a gezeigt, eine Spule 105 montiert ist, und auf niedrigerer Ebene eine Abschirmplatte 108. Endflächen der Abschirmplatte schließen ein Winkel von 90º ein. Ein Elektronenstrahlenbündel 112 tritt bei 114 in die abbiegende Vorrichtung ein und verläßt die Vorrichtung bei 116, wobei es um ungefahr 90º umgebogen wird. Ein symmetrisches Filter kann mit vier dieser strahlenabbiegenden Vorrichtungen aufgebaut werden, wie in Fig. 3 gezeigt wird. Um in den strahlenabbiegenden Vorrichtungen Doppelfokussierung einzuführen, können die Endflächen 114 und 116 bezüglich der Filterebene wie die Elektronenstrahlenbahn schräg orientiert sein, können der Strahlenbahn zugewandte Polflächen in Richtung der Bahn gekippt sein oder können Polflächen mit Stromleitern versehen sein, die ein fokussierendes Magnetfeld in einer Richtung senkrebht zu den der Elektronenstrahlenbahn zugewandten Polflächen einbringen.
Fig. 6 zeigt prinzipielle Elektr6nenbahnen in dem Filters im Abbildungsbetrieb und zeigt eine Eintrittsstrahlen ablenkende Vorrichtung 60, eine erste strahlenabbiegende Vorrichtung 64, eine zweite strahlenabbiegende Vorrichtung 65, eine dritte strahlenabbiegende Vorrichtung 66, eine vierte strahlenabbiegende Vorrichtung 67 und eine zweite strahlenablenkende Vorrichtung 61. Zwischen den Vorrichtungen 65 und 66 liegt die zentrale Symmetrieebene 68 und zwischen den Vorrichtungen 64, 65 und 66, 57 die zweite Symmetrieebene 70. Eine Linie 120 zeigt die Dispersion des Filters, die am größten bei der zentralen Symmetrieebene 68 ist. In der zweiten Symmetrieebene können Hexapole eingebracht werden, wie in Fig. 3 gezeigt. Eine erste Elektronenbahn 122 läuft durch einen Bündeiknoten 124 als Bildpunkt für das System und verläßt das Filtersystem durch ein Bild 126 des Bündelknotens 124, der auch einen Bündelknotenpunkt 128 in der zentralen Symmetrieebene 68 ergibt. Eine zweite Elektronenbahn 130, die durch einen Eintrittsbildpunkt 132 verläuft, verläßt das System durch einen Austrittsbildpunkt 134, der auch die Bildpunkte in den zweiten Symmetrieebenenpositionen 136 und 138 ergibt.
Fig. 7 zeigt prinzipielle Elektronenbahnen im Spektrometerbetrieb. Das Filter zeigt die gleichen Elemente, aber die Sektoren 66 und 67 sind mit Quadrupolsystemen versehen, so daß sein Bildbündelknoten nach außerhalb des Systems verschoben worden ist, was durch die Linie mit Kreuzen 140 angedeutet wird. Die Bahn 130 von Fig. 7 wird in die gepunktete Bahn 142 verändert, mit den beiden Quadrupolen, so daß die Achsenkreuzung 138 vermieden wird, und die Elektronenbahn verläßt das System auch durch den Abbildungspunkt 134, von dem aus jetzt das Energiespektrum für weitere Untersuchungen aufgenöm men werden kann.
Wie bereits bemerkt, braucht die Bahnebene des Filters nicht notwendigerweise senkrecht zur optischen Achse gelegen zu sein, sondern jede andere Ebene mit angepaßten strahlenablenkenden Elementen kann gewählt werden. Eine bevorzugte Ausführungsform ist, wenn die Ebene außerhalb der Achse, aber zu ihr parallel liegt. Wenn mehr als zwei bündelablenkende Elemente benötigt werden, kann zumindest ein Teil davon auch als bündelabbiegende Vorrichtungen dienen.

Claims

1. Elektronenstrahlgerät (2) mit einer Elektronenquelle (4), einer um eine optische Achse (35) des Geräts herum angeordneten Elektronenoptik (10, 12, 14, 16) und einem magnetischen energieselektiven Filter (25) für spektrometrische Messungen, wobei eine eintretende optische Achse mit der optischen Achse des Geräts zusammenfällt und eine austretende optische Achse mit der optischen Achse des Geräts zusammenfällt, wobei in dem Filter ein Hauptelektronenstrahlengang (33) am Eingang mit der eintretenden optischen Achse zusammenfällt und der Hauptelektronenstrahlengang (33) am Ausgang mit der austretenden optischen Achse des Filters zusammenfällt,

dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptelektronenstrahlengang (33) des magnetischen energieselektiven Filters in einer die optische Achse des Geräts nicht enthaltenden Ebene angeordnet ist.

2. Elektronenstrahlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische energieselektive Filter von einem das Strahlenbündel von der optischen Achse des Geräts weg richtenden ersten Strahlenablenksystem (37) und einem das Strahlenbündel in einer Linie mit der optischen Achse des Geräts zurück richtenden zweiten Strahlenablenksystem (39) umgeben ist.

3. Elektronen strahlgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Strahlenablenksystem ein erstes, nahezu um 90º ablenkendes Element (60) zum Richten des Strahlenbündeis in einer nahezu quer zur optischen Achse liegenden Richtung und ein zweites, nahezu um 90º ablenkendes Element (66) zum Richten des Strahlenbündels in einer Richtung aus der die optische Achse einschließenden Ebene heraus umfaßt, wobei das zweite Strahlenablenksystem ein drittes und ein viertes nahezu um 90º strahlenablenkendes Element (64, 62) umfaßt, um das Strahlenbündel in einer Linie mit der optischen Achse zurück zu richten.

4. Elektronenstrahlgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptstrahlengang des magnetischen energieselektiven Filters in einer Ebene parallel zur optischen Achse angeordnet ist.

5. Elektronenstrahlgerät nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet daß strahlenablenkende Elemente (67, 64) des Strahlenablenksystems Teil des magnetischen energieselektiven Filters sind.

6. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische energieselektive Filter von zwei nahezu um 90º strahlenablenkenden Elementen umgeben ist, wobei ein erstes Element (60) das Elektronenstrahlenbündel in einer nahezu quer zur optischen Achse liegenden Richtung richtet und ein zweites Element (62) es in einer Linie mit der optischen Achse des Geräts zurück richtet.

7. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische energieselektive Filter zwei nahezu gleichartige strahlenabbiegende Systeme (64, 65; 66, 67) umfaßt, die eine Energiedispersion in einer zentralen Symmetrieebene (68) zwischen den genannten beiden Systemen bewirken.

8. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische energieselektive Filter vier nahezu um 90º strahlenabbiegende Elemente (64, 65; 66, 67) umfaßt, zwei zu beiden Seiten einer zentralen Symmetrieebene (68) des magnetischen energieselektiven Filters.

9. Elektronenstrahlgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vier strahlenabbiegenden Elemente eine zweite Symmetrieebene (70) quer zur zentralen Symmetrieebene bilden.

10. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß strahlenabbiegende Elemente des magnetischen energieselektiven Filters flache magnetische Segmente umfassen, die mit gekippten Eintritts- und/oder Austrittsflächen zum Einbringen einer Doppel foku ssierungswirkung versehen sind.

11. Elektronen strahigerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß strahlenabbiegende Elemente des magnetischen energieselektiven Filters abgeschrägte magnetische Segmente zum Einbringen einer Doppelfokussierungswirkung umfassen.

12. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß magnetische Segmente von strahlenabbiegenden Elementen des magnetischen energieselektiven Filters mit Stromwicklungen zum Einbringen oder Abgleichen einer Doppel fokussierungswirkung versehen sind.

13. Elektronen strahigerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu beiden Seiten einer zentralen Symmetrieebene des magnetischen energieselektiven Filters, in dem Energiedispersion erzeugt wird, eine Quadrupollinse zum Vergrößern und anschließenden Verkleinern der Energiedispersion eingebracht wird.

14. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß strahlenablenkende Elemente, die das magnetische energieselektive Filter umgeben, bezüglich der Strahlenachse des Filters eine rotationssymmetrische Fokussierungswirkung aufweisen.

15. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß strahlenablenkende Elemente, die das magnetische energieselektive Filter umgeben, eine Doppelfokussierungswirkung aufweisen.

16. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden das magnetische energieselektive Filter umgebenden strahlenablenkenden Elemente mit dein magnetischen energieselektiven Filter zusammenwirken, so daß eine achromatische Ebene für ein Eintrittsstrahlen ablenkendes Element und eine achromatische Abbildungsebene des Austrittssstrahlen ablenkenden Elements zueinander konjugierte Ebenen bilden.

17. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische energieselektive Filter bildfehlerfreien Strahlenbündeldurchgang aufweist.

18. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein energieselektierendes Blenden system (71) in der zentralen Symmetrieebene des magnetischen energieselektiven Filters liegt.

19. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche (ohne 13 und 14), dadurch gekennzeichnet, daß ein energieselektierendes Blendensystem "über" der optischen Achse des Geräts hinter dem energieselektiven Filter liegt.

20. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische energieselektive Filter mit korrigierenden Multi pollinsen (55, 57) versehen ist.

21. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Hälfte des magnetischen energieselektiven Filters im Anschluß an die zentrale Symmetrieebene Quadrupole hinzugefügt sind, um spektrometrische Wirkung des magnetischen energieselektiven Filters herzustellen.

22. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Korrigieren von Aberrationen zweiter Ordnung in der energiedispersiven Ebene Hexapollinsen (55, 57) hinzugefügt sind, um die isochromatischen Betrachtungsfel der zu vergrößern.

23. Elektronen strahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem magnetischen energieselektiven Filter Multipollinsen hinzugefügt sind, um Verzerrung im Elektronenstrahlenbündel zu korrigieren.

24. Elektronenstrahlgerät nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß verzerrungskorrigierende Multipole in Bildebenen zwischen einem ersten und einem zweiten und zwischen einem dritten Lind einem vierten strahlenabbiegenden Element eines doppeltsymmetrischen magnetischen energieselektiven Filters liegen.

25. Elektronen strahigerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anpasstingslinse (24) vor dem magnetischen energieselektiven Filter hinzugefügt ist.

26. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine relativ starke Linse (86) im Anschluß an das magnetische energieselektive Filter hinzugefügt ist.

27. Elektronenstrahlgerät nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die zugefügte Linse eine Dublettlinse ist.

28. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische energieselektive Filter im Anschluß an eine Objektivlinse (12), eine Beugungslinse (14) und eine Zwischenlinse (16) positioniert ist.

29. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß eine Schmalband-CCD-Kamera (32) in einer Abbildungsebene hinter dem magnetischen energieselektiven Filter liegt.

30. Magnetisches energieselektives Filter, eingerichtet zur Verwendung in einem Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine optische Eintrittsachse und eine optische Austrittsachse nahezu parallel zur optischen Eintrittsachse liegen, wobei in dein Filter ein Hauptelektronen strahlengang am Eingang mit der optischen Eintrittsachse zusammenfällt und der Hauptelektronenstrahlengang am Ausgang mit der optischen Austrittsachse des Filters zusammenfällt,

dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptelektronenstrahlengang des magnetischen energieselektiven Filters in einer die optische Eintrittsachse und die optische Austrittsachse nicht enthaltenden Ebene angeordnet ist.

31. Magnetisches energieselektives Filter nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß strahlenabbiegende Elemente des Filters eine Hauptsymmetrieebene bilden, in der die Energiedispersion einen maximalen Wert aufweist.

32. Magnetisches energieselektives Filter nach Anspruch 30 oder 31, mit einer Anpassungseintrittslinse.

33. Magnetisches energieselektives Filter nach Anspruch 30, 31 oder 32, mit einem Eintrittsstrahlen richtenden Element und einem Austrittsstrahlen richtenden Element.

34. Magnetisches energieselektives Filter nach Anspruch 30, 31, 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, daß iii einer Eintritts- und/oder Austrittsebene des Filters Multipollinsen hinzugefügt sind.