DE7411204U - Korpuskularstrahlgeraet, insbesondere elektronenmikroskop, mit einem energieanalysator - Google Patents

Description

Korpuskularstrahlgerät, insbesondere Elektronenmikroskop, mit einem Energieanalysator

Die Erfindung bezieht sich auf ein Korpuskularstrahlgerät, insbesondere Elektronenmikroskop, mit einem Energieanalysator, der eine Magnetanordnung mit senkrecht zu einem Strahlenbündel verlaufenden Magnetfeld und eine Energieselektorblende umfaßt, wobei das in den Energieanalysator eintretende Strahlenbündel die gleiche Richtung hat wie das aus ihm austretende Strahlenbündel; · .

Die Erfindung ist von besonderer Bedeutung für hochauflösende Elektronenmikroskope mit festem Strahl. Bei Elektronenmikroskopen dieser Art wird der Kontrast wesentlich geschwächt durch den Schleier, den die unelastisch gestreuten. Elektronen über das von den elastisch gestreuten Elektronen erzeugte Bild legen. Wegen des chromatischen Fehlers der abbildenden Linsen und weil der unelastische Streuprozeß nicht lokalisiert ist, verfehlen die meisten der unelastisch gestreuten Elektronen den Bildfleck und erhöhen damit die Intensität des Untergrundes. Besonders bei der Dunkelfeld-Abbildung wird dadurch der Kontrast erheblich verschlechtert. Dagegen wird der Phasenkontrast dünner Objekte nur wenig durch die unelastisch gestreuten Elektronen beeinträchtigt, weil im Hellfeld bereits ein von den ungestreuten Elektronen gebildeter starker Untergrund vorhanden ist.

Mit Hilfe eines Energieanalysators im Strahlengang des Elektronenmikroskops ist es möglich, die unelastisch gestreuten Elektronen von den elastisch gestreuten Elektronen zu separieren und nach Energieverlusten zu trennen. Aus dem Energieverlust-

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spektrum lassen sich wichtige zusätzliche Informationen über die chemische Zusammensetzung kleiner Objektdetails und über die Strahlenschädigung gewinnen. Für diesen Zweck ist von Castaing und Henry ein elektronenoptisches Filter angegeben worden, das aus einem magnetischen Prisma und einem elektrostatischen Spiegel besteht (J. Microscopie 2 (1963) 5, ibid.3 (1964) 133). Ein erheblicher Nachteil dieses Filters ist seine extreme Empfindlichkeit gegenüber äußeren Störfeldern, da die Geschwindigkeit der Elektronen in der Nähe des Spiegels bei Null liegt. Der Bereich, in dem die Elektronen sehr langsam sind, muß daher sehr gut abgeschirmt werden, was mit großen Schwierigkeiten verbunden ist. Außerdem ist das Filter mit einer Verzeichnung zweiter Ordnung behaftet.

Die hohe Empfindlichkeit gegen Störfelder entfällt bei rein magnetischen Filtern mit gleichbleibender Bahngeschwindigkeit der Elektronen. Ein derartiger Energieanalysator ist aus der DT-AS 1 498 543 bekannt; er ist so ausgebildet, daß die Elektronen innerhalb eines inhomogenen Magnetfeldes einen geschlossenen Umlauf vollziehen. Mit diesem Filter ist (jedoch keine stigmatische Abbildung möglich.

Außer für Elektronenmikroskope mit festem Strahl kommt eine Anwendung der Erfindung auch bei Raster-Transmissions-Elektronenmikroskopen und Massenspektroskopen, mit anderen Worten bei allen Korpuskularstrahlgeräten in Betracht, bei denen es auf eine Energieanalyse eines Korpuskularstrahlbündels ankommt. Für ein Raster-Transmissions-Elektronenmikroskop ist zwar bereits ein Energieanalysator angegeben, der ein rechtwinklig ablenkendes Magnetfeld aufweist (A.V. Crewe, M. Isaacson and D. Johnson, Rad. Res. 55 (1973) 205). Ein derartiger Energieanalysator hat oedoch gegenüber einem geradsichtigen Energieanalysator,mit dsm sich die Erfindung befaßt, gerätetechnische Nachteile.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Korpuskularstrahlgerät der eingangs genannten Art einen rein magnetisch wirkenden Energieanalysator mit guten Abbildungseigenschaften vorzusehen. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Magnetanordnung aus vier nacheinander vom Strahlenbündel durchsetzten Magnetprismen besteht, von denen die äußeren (erstes und viertes Magnetprisma) mit gleicher Polarität und die inneren (zweites und drittes Magnetprisma) mit dazu entgegengesetzter, untereinander ebenfalls gleicher Polarität erregt sind.

** Mit Vorteil sind die äußeren und die inneren Magnetprismen jeweils symmetrisch zu einer Mittelebene ausgebildet, die senkrecht zum abbildenden Strahlenbündel steht. Bei einem derartigen symmetrischen Aufbau erreichen die Bildfehler ein Minimum. Konstruktiv läßt sich die.Magnetanordnung dadurch vereinfachen, daß die äußeren und/oder die inneren Magnetprismen jeweils eine einheitliche Magnetanordnung bilden.

Ein Elektronenmikroskop mit festem Strahl nach der Erfindung, bei dem der Energieanalysator zwischen der Objektivlinse und einer in Strahlrichtung folgenden weiteren Abbildungslinse (Zwischen- oder Projektivlinse) angeordnet ist, kann mit Vorteil so ausgebildet sein, daß zwischen der Objektivlinse und dem ersten Magnetprisma eine Zusatzlinse liegt, die ein von der Objektivlinse entworfenes erstes reelles Bild des Objekts zu einem zweiten; vor dem ersten Magnetprisma liegenden reellen Bild vergrößert. Wie später gezeigt werden wird, ermöglicht es die Zusatzlinse, den Fehler zweiter Ordnung klein zu halten.

Zur Erzielung einer achromatischen Abbildung der Objektebene ist weiterhin von Vorteil, daß zwischen dem ersten und zweiten bzw. dem dritten und vierten Magnetprisma je ein Beugungsbild des Objekts und zwischen dem zweiten und dritten Magnetprisma ein reelles geometrisches Bild des Objekts liegt. Die Energieselektorblende kann hierbei, falls keine sehr scharfe Kaergiefilterung verlangt wird, zwischen dem dritten und

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vierten Magnetprisma in der Ebene des Beugungsbildes liegen; der Energieanalysator erhält hierdurch eine geringere Baulänge. Bei höheren Anforderungen an die Energiefilteruiig liegt die Energieselektorblende in Strahlrichtung hinter dem vierten Magnetprisma.

Es kann erwünscht sein, außer dem geometrischen Bild des Objekts auch ein Energiespektrum des Strahls nach Durchtritt durch das Objekt wiederzugeben. Zu diesem Zweck kann zwischen dem Energieanalysator und der weiteren Abbildungslinse eine J Anpassungslinse angeordnet sein, deren Erregung so veränderbar ist, daß sie in der Gegenstandsebene der Abbildungslinse entweder die Objektebene oder ein in der Ebene eines Beugungsbildes des Objekts liegendes Energiespektrum abbildet. Für diese Umstellung kann ferner eine weitere Anpassungslinse vorteilhaft sein, die zwischen der Zusatzlinse und dem ersten Magnetprisma liegt.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Elektronenmikroskop mit festem Strahl.

In Fig. 1 sind die wesentlichen Teile des Elektronenmikroskops schematisch dargestellt. Der von einer Elektronenquelle 1 ausgehende Elektronenstrahl 2 wird durch ein Kondensor 3 auf ein in der Ebene 0 liegendes Objekt h konzentriert. Mit 5 ist die Objektivlinse, mit 6 eine Zusatzlinse, mit 7 eine Anpassungslinse und mit 8 ein Projektiv (evt. einschließlich einer davor liegenden Zwischenlinse) bezeichnet. Das Bild des Objekts wird auf einen Bildschirm 9 projiziert. In Strahlrichtung hinter der Zusatzlinse 6 liegt ein hier nur schematisch als Block dargestellter Energieanalysator 10, aus dem Elektronen unterschiedlicher Energie mit verschiedenen Richtungen austreten. Hinter dem Energieanalysator 10 liegt eine Energieselektorblende 11.

Gemäß Fig. 1 entstehen im Strahlengang mehrere Bilder der Objektebene 0, nämlich die Bilder O₁ bis O₅. Außerdem er-

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Pig. 2 itt der Energieanalysator 10 im einzelnen dargellt . Sr besteht im Prinzip aus vier Magnetpriamen 21, 22, 24, von denen die äußeren (21 und 24) mit gleicher Polarl- und die Inneren (22 und 23) mit dazu entgegengesetzter, enLnander ebenfalls gleicher Polarität erregt sind. Zn

• 2 sind ferner zwei Strahlenbündel 25 und 26 eingezeioh-

• Das ausgezogen dargestellte Strahlenbündel 25 geht von m Punkt der Objektebene 0 aus, das gestrichelt darge-

ellte Strahlenbündel 26 von einem Punkt der Beugungsebene D.

e Erregung der Magnetprismen 21 - 24 1st so gewählt> daß zwischen den Magnetprismen 22 und 23 ein Bild O, eines Punktes der Objektebene O entsteht, während zwischen den Magnetprismen 21 und 22 ein Bild D₂ zwischen den Magnetprismen 23 und 24 ein Bild D, eines Punktes der Beugungsebene D entsteht. Jedes Magnetprisma lenkt das Strahlenbünd 1 um 90° ab.

.Der dargestellte Energieanalysator, bei dem das Strahlenbündel 25 antisymmetrisch und das Strahlenbündel 26 symmetrisch zur Mittelebene 27 des Energieanalysator verlaufen, verschwinden der öffnungsfehler und die Verzeichnung zweiter i Ordnung. In diesem Fall bildet der Energieanalysator die ;beiden Ebenen O₂ und D₁ stigmatisch im Maßstab 1 : 1 in die Ebenen O^ und D^ ab. Außerdem verschwinden dann gleichzeitig der Farbfehler nullter Ordnung (Farb-Abhängigkeit der Bildlage) und die Farb-Abhängigkeit der Vergrößerung in der Ebene O^ und damit auch in der Bildebene 9 des Mikroskops. Die Qualität des von den elastisch gestreuten Elektronen erzeugten Bildes wird daher nicht durch den Energieanalysator beeinträchtigt.

Der dargestellte Energieanalysator läßt sich für Auflösungen bis herunter zu 0,1 nm verwenden, wenn es gelingt, den Fehler zweiter Ordnung hinreichend klein zu halten. Die Größe dieses Fehlers, bezogen auf die Objektebene, hängt ab von der Ver-

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^{m 6} -

größerung v_g de· vor oder im j&ergietmlyeator gelegenen Zwisohenbildes der Objektebene· Der Fehler zweiter Ordnung Setzt eich zusammen au· drei Komponenten, dem öffnung*fehler, der Apertur-AbhKngigkelt der Vergrößerung und der Verzeichnung, Bei steigender ZwiBohenvergrößerung nehmen der Öffnungefehler mit der dritten Potenz und die Apertur-Abhängigkeit der Vergrößerung linear mit 1/V_B ab, während die Verzeichnung linear mit der Zwisohenvergrößerung anwäohst. Infolge der symmetrischen Anordnung der Felder und des Bahnverlaufs verschwinden der Öffnungefehler und die Verzeichnung für den dargestellten Energieanalysator vollständig. Die nicht verschwindende Apertur-Abhängigkeit der Vergrößerung läßt sich durch entsprechende Wahl der Zwisohenyergrößerung hinreichend klein halten. Bei dem AusfUhrungsbeispiel nach Fig. 1 ist daher vor dem Energieanalysator 10 eine ,Zusatzlinse 6 angeordnet» die vor dem Energieanalysator in der Ebene O₂ ein erheblich vergrößertes Bild der Objektebene 0 entwirft.

In Fig. 3a und 3b ist eine weitere Ausführungsform des Energleanalysators 10 dargestellt, bei der die Süßeren und die inneren Magnetprismen jeweils ein einheitliche Magnetanordnung bilden. Der Energieanalysator nach Fig. 3 weist daher zwei Doppelprismen 30 und 31 auf, von denen das Doppelprisma 30 das erste und vierte Magnetprisma und das Doppelprisma 31 das zweite und dritte Magnetprisma umfaßt. Jedes Doppelprisma besteht aus zwei planparallelen Weicheisenplatten, die durch einen von einer Wicklung umgebenen Weicheisensteg miteinander verbunden sind. Dies ist für das Doppelprisma 30 in Fig. 3b (Draufsicht in Richtung der Mikroskopachse) dargestellt; die beiden Weicheisenplatten sind mit 30 a und 30 b, der von einer Wicklung umgebende Steg mit 30 c bezeichnet. Der Strahlverlauf ist im übrigen der gleiche wie in Fig. 2.

Die Krümmungsradien R₁ und R₂ der optischen Achse 32 innerhalb der Doppelprismen 30 und 31 können unabhängig voneinander gewählt werden. Zur Erzielung des gewünschten Strahl-

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verlaufe stehen ferner die Abstände d₁ und d₂ zwlsohen den Feldgrenzen der Magnetpriemen sowie die Winkel £_v I₂ und i^ iwieohen den Feldgrenzen und den zur optischen Aohse 32 senkreohten SIn- und Austrittsebenen ale frei wählbare Parameter zur Verfügung. Bei geeigneter Wahl dieser Neigungswinkel bildet jedes Magnetprisma zwei bestimmte Ebenen stigmatisch ab. Für das hier dargestellte Ausführungsbeispiel wurde S₁^ 26,6° und ^₂**23,3° gewählt. In diesem Fall liegen D₁ im Abstand 5,02 R₁ und O₂ im Abstand 0,548 R₁ vom Durchstoßpunkt der optischen Achse mit der objektseitlgen Feldgrenze des ersten Prismas entfernt. Auf Grand der Symmetrie liegen O^ bzw. D^ in den gleichen Abständen von der bildseitlgen Feldgrenze· .

Die beiden Doppelprismen 30 und 31 haben entlang der Aohse 32 einen Abstand d₁ = R₁ + 0,542 R₂. In diesem Zwischenraum liegen im Abstand R₁ vom ersten Doppelprisma oberhalb und unterhalb der Mittelebene 27 zwei weitere stigmatische reelle Bilder D₂ und D, der Beugungsebene· Die Feldgrenzen des zweiten Doppelprismas schließen einen Winkel 7Γ/2 - £ 5 c«- 66,34° mit der optischen Achse 32 ein. In der Mitte des Doppelprismas befindet sich eine dreiecksförmige Aussparung. Ihre Breite entlang der optischen Achse ist d₂ = 1.085 R₂*

Die Dispersionen der vier 90°-MagnetprIsmen addieren sich im Beugungsbild D^ und heben sich auf ein Zwischenbild O^ der Objektebene. Die gesamte Dispersion

tu * rf (3 «a - ♦ «i> <¹>

im Beugungsbild D^ hängt ab von der Wahl der Krümmungsradien R₁ und R₂ und von der Beschleunigungsspannung U. In dieser Ebene wird das Bild durch die Energie-Selektorblende 11 gefiltert (Fig. 1). Hinter der Ebene D^ befindet sich die Anpassungslinse 7, die je nach ihrer Erregung entweder das

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Zwiachenbild O^ der Objektebene oder dl· Btugvne§eb«n· mit dem dort entworfenen Energiespektrum In dl« Objektebene O^ dee Projektivs 8 abbildet· Außerdem benötigt unter Umständen nooh eine weitere (eohwaohe) Anpaieungellnse 33 hinter der Zusatzlinse 6. Mit den Linsen 6 und lassen sich die Beugungsebene D und das Zwisohenbild O₁ der Objektebene in die durch den Energieanalysator vorgegeben·» Ebenen D₁ und O₂ abbilden. Der symmetrische Strahlengang im Energieanalysator wird erzielt durch eine getrennte Regelung der Ströme J₁ und J₂ in den Wicklungen der beiden Doppelprismen nach Fig. 3· Die genaue Einstellung der Ebenen D₁ und D^ erfolgt durch eine kleine Veränderung des Abstandes ^₁. Nach dieser einmaligen Einjustierung, können die beiden Doppelprismen ortsfest montiert werden.

Die Länge L, um die das Mikroskop durch den Einbau des dargestellten Energieanalysators vergrößert wird, ist gleich dem Abstand O₂ O^ und bei festgehaltener Endbildvergrößerung ungefähr 3 (R₂ + AR₁). Als Beispiel betrachten wir einen Energieanalysator mit R₁ «1.5 cm, R₂ « 4 cm. Die erforderliche zusätzliche Länge ist dann höchstens 30 cm. Die Dispersion beträgt nach (1)4 /um/Volt bei 100 kV und reicht aus, um auf 1 Volt genau zu selektieren. Eine zusätzliche 100Ofache Nachvergrößerung erlaubt die Energieverteilung des Bestrahlungssystems zu messen.

Falls keine sehr scharfe Energiefilterung verlangt wird, kann man die Energieselektorblende in der Ebene Dj innerhalb des Energieanalysators anordnen. Damit erspart man sich die Anpassungslinse 7 hinter dem Filter und damit den

Raum zwischen

und

Das Filter hat in diesem Fall eine

Dispersion4x/AU^(i.5 R₂ + R₁)/U und erfordert nur eine zu sätzliche Länge der Mikroskopsäule .

= O₂O₅ » 3(R₁ + R₂).

• · **C«II te« MH

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Die Energieauflösung ΔΕ/Ε erhält man aus (1), wenn man verlangt, daß die Beugungsbilder, die von Elektronen der Energie E und E +ΛΕ gebildet werden, räumlich getrennt erschei nen (siehe Fig. 1). Die Verschiebung /pe infolge der Energie differenz AB = eÄü muß daher mindestens gleich dem Durchmesser des Beugungsbildes in der Selektor-Ebene D^ sein:

> ^V₁. (2)

Hierbei sind <λ die Apertur und f_Q die Brennweite des Objektivs. Setzen wir (2) in (1) ein, dann istAE/E umgekehrt proportional zur Vergrößerung V₁ der Zusatzlinse 6. Durch geeignete Wahl dieser Vergrößerung läßt sich relativ einfach eine hohe Energieauflösung erreichen. Zum Beispiel ergibt sich mit ßU 1O~², f₀ = 2 mm, R₂ « 2R₁ = 3 cm und V₁ = 10 bereits eine Auf lö sung Δ Ε/Ε **10"⁵.

Die Kraftflußdichten B₁ und B₂ der beiden Doppelprismen nach Fig. 3 verhalten sich umgekehrt wie die zugehörigen Krümmungsradien: B₁ZB₂ = R₂ZR₁. Der Abstand a der beiden Platten soll klein sein gegen den Krümmungsradius und größer als das Zwischen bild innerhalb des Filters. Begrenzt man den Durchmesser des Objektfeldes auf N Punkte der Größe d = 0,6 λ/Λ , dann erhält man als Bedingung für den Plattenabstand

Je nach der Auflösungsgrenze d wird man die Zwischenvergrößerung V größer oder kleiner einstellen. Bei diesem Verfahren bleibt der durch den Energieanalysator bedingte Fehler zweiter Ordnung relativ zum Bild-Scheibchen konstant und beeinträchtigt nicht die Qualität der Abbildung. Zur Fein-> justierung benötigt man unter Umständen ein Ablenksystem vor dem Energieanalysator.

Um mit dem Energieanalysator bei einer Dispersion von 4 . 10"⁶m/Volt auf 1 e-Volt genau selektieren zu können,

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muß der Schlitz der Energie-Selektorblende auf eine Breite von 4 . 10 m eingestellt werden. Solch kleine Schlitzbreiten lassen sich mit Hilfe zweier Lochblenden realisieren, die hintereinander verschiebbar angebracht sind.

.Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen wird der Strahl durch jedes Magnetprisma um 90° abgelenkt. Das ist nicht erforderlich; man kann vielmehr auch andere Winkel> wie z.B. 120° oder 60°, wählen. Bei größeren Ablenkwinkeln, insbesondere über 90°, wird die Baulänge des Energieanalysator geringer und die Dispersion größer, Vorteile, die besonders bei Verwendung in einem Elektronenmikroskop erheblich ins Gewicht fallen. ·

■■.·· ■ · ^ . « ■ ■■....■·

9 Ansprüche
3 Figuren

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Claims (5)

1. 3 W (p»t) 67/73

   VPA 74/8311 OdI 22 Etc

   Schutzanspruoh 1

   Korpuakularotrohlgerät, insbesondere Elektronenmikroskop» mit einem Energieanalysator, der aus einer Magnetanordnung mit senkrecht zu einem Strahlenbündel verlaufendem Magnetfeld und einer Energieselektorblende besteht, wobei das in die Magnetemorvinung eintretend*» Strahlenbündel die gleiche Richtung hat wie das aus ihm austretende Strahlenbündel, 4|4 u.r 0,'h g*,_:f, kenn ζ ei, c L η e t , daß die Magne'täSnordnung (10)_Äaus vier nacheinander vom StraftlenbÜBdel (2) durchsetztenvMagnetpriemeη (21, 22, 23, 24) beeteh-t» von denen die äußeren (erstes und viertes Magnetprisma) (21, 24) m& gleiche** Polarität und die inneren (zweites und drittes Magnetprisma) (22, 23) «tt dazu entgegengesetzte/¹, untereinander ebenfalls gleiche/ Polarität e£t«(wt,itn ■

   Geschäftssiell·,

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   einem Energieanalysator, der eine Nagnetanordnung mit zu einem Strahlenbündel verlaufendem Magnetfeld und selektorblende umfaßt, wobei das in den Snergiaaaialyeator eietr·- fcende Strahlenbündel die gleiche Riohtung^hax wie das tu* ihe mwtretende Strahlenbündel, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung (10) aus vier nacheinander vom Strahlenbündel (2) durchsetzten Magnetprismen (24-^22,23,24) besteht, von denen die äußeren (erstes und viertea^agnetprisma) (21,24) mit gleioher Polarität und die innarenCzweites und drittes Hagnetprisma) (22,23) mit dazu entgegengesetzter, untereinander ebenfalls gleicher Polarität .
2. 2. Korpuskularstrahlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren (21,24) und die inneren (22,23) Magnetprismen jeweils symmetrisch zu einer Mittelebene (27) ausgebildet sind, die senkrecht zum abbildenden Strahlenbündel steht,
3. 3. Korpuskularstrahlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren und/oder die inneren Magnetprismen jeweils eine einheitliche Magnetanordnung (30,31) bilden.
4. 4. Elektronenmikroskop mit festem Strahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieselektorblende (11) zwischen dem dritten (23) und vierten (24) Magnetprisma liegt.
5. 5. Elektronenmikroskop mit festem Strahl nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieselektorblende (11) in Strahlrichtung hinter dem vierten Magn^tprisma (24) liegt.