PL178583B1 - Zespół hamowania wiązki elektronowej - Google Patents

Abstract

Zespół hamowania wią.ki elektronowej złożony z elektrody hamującej, detektorów i uchwytu obiektu, znamienny tym, że ma elektrodę hamującą (1) w całości lub w części w kształcie rury umieszczonej współosiowo w otworze dolnego nabiegunnika soczewki obiektywowej (4).

Description

Przedmiotem wynalazku jest zespół hamowania wiązki elektronowej, przeznaczony do skaningowych mikroskopów elektronowych w celu zmniejszenia energii wiązki elektronowej, padającej na powierzchnię badanego przedmiotu.

Znane opracowania zespołów hamowania wiązki elektronowej w skaningowych mikro- skopach elektronowych przedstawiono w artykule: I. Mullerova, M. Lenc: Some approaches to low-voltage scanning electron microscopy. Ultramicroscopy 1992 vol. 41 s. 399-410. Ogólnie rzecz biorąc można je podzielić na dwie grupy: zespoły hamowania wbudowane konstrukcyjnie w kolumnę elektronooptyczną, wytwarzającąw skaningowym mikroskopie elektronowym niskoenergetyczną wiązkę elektronową oraz zespoły hamowania, dołączane do standardowej kolumny elektronooptycznej komercyjnych mikroskopów; Rozwiązania pierwszej grupy nie są praktycznie stosowane, bowiem wymagają daleko idącej ingerencji w konstrukcję mikroskopu, utrudniając jednocześnie jego zastosowanie do innych celów niż niskonapięciowa mikroskopia elektronowa. Znacznie prościej prezentująsię rozwiązania zaliczane do drugiej grupy. Polegają one na zaaranżowaniu elektrycznej soczewki hamującej w przestrzeni między badanym obiektem a ostatnią soczewką kolumny elektronooptycznej, to jest soczewką obiektywową.

Najprostszym rozwiązaniem jest zaaranżowanie dwuelektrodowej soczewki przesłonowej zwanej też katodową. Rolę katody pełni tu badany obiekt zamocowany na uchwycie odizolowanym od masy mikroskopu. Z kolei, anodę stanowi przysłona umieszczona w odle- głości kilku milimetrów od obiektu, z otworem na osi kolumny elektronooptycznej, połączona elektrycznie z jej masą. Jeśli obiekt stanowiący katodę spolaryzować względem anody ujemnym napięciem, U_o < 0, to energia kinetyczna wiązki elektronowej na powierzchni obiektu W_p będzie równa:

Wp = eU_E + eUo gdzie: U_E - potencjał odpowiadający energii wiązki elektronowej u wylotu soczewki obiektywowej mikroskopu, e - ładunek elementarny. Dobierając odpowiednio napięcie katody Uo można zredukować energię wiązki elektronowej niemal do zera. W otworze anody powstaje przy tym soczewka oddziałująca na wiązkę w sposób rozpraszający. Nie utrudnia onajednak ogniskowania wiązki na obiekcie, wystarczy bowiem nieco zwiększyć wzbudzenie soczewki obiektywowej by skompensować jej działanie.

Wiązka elektronowa bombardując powierzchnię obiektu generuje między innymi niskoenergetyczne elektrony wtórne, stanowiące podstawowy sygnał niosący informacje o obiekcie. Elektrony wtórne sąz kolei intensywnie przyspieszane w polu soczewki katodowej i biegną wąskim strumieniem wzdłuż osi układu co utrudnia ich detekcję. Dla ułatwienia detekcji elektronów wtórnych budowane są również bardziej złożone, wieloelektrodowe wersje soczewki katodowej, nie zmieniają one jednak warunków detekcji w istotny sposób.

Zasadniczą niedogodnością techniczną zwanych rozwiązań zespołów hamowania wiązki elektronowej jest fakt, że przy powierzchni obiektu występuje silne pole elektryczne soczewki katodowej, przyspieszające elektrony wtórne i koncentrujące je wzdłuż osi elektronooptycznej mikroskopu. Powoduje to poważne problemy z detekcją elektronów wtórnych, bowiem

178 583 detektory z natury rzeczy muszą być umieszczone w pewnej odległości od osi. Wręcz niemożliwe staje się wtedy uzyskanie czułości detektorów na kąty emisji elektronów wtórnych co ogranicza zastosowanie ilościowych metod badania topografii obiektu. Z drugiej strony zastosowanie znanych rozwiązań zespołów hamowania wiązki elektronowej w obrębie kolumny elektronooptycznej mikroskopu wymaga głębokich zmian w jej konstrukcji i jest nieekonomiczne, bowiem czyni mikroskop instrumentem zbyt wyspecjalizowanym.

Przedmiotem wynalazku jest zespół hamowania wiązki elektronowej złożony z elektrody hamującej, detektorów i uchwytu obiektu.

Istota wynalazku polega na tym, że elektroda hamująca w całości lub w części w kształcie rury jest umieszczona współosiowo w otworze dolnego nabiegunnika soczewki obiektywowej.

Korzyściątechnicznąwynikającąz zastosowania zespołu hamowania wiązki elektronowej według wynalazku jest fakt, że przy powierzchni badanego obiektu nie występuje silne pole elektryczne soczewki katodowej. Dzięki temu możliwa jest detekcja strumienia elektronów wtórnych o rozkładzie kątowym nie zniekształconym przez silne pole elektryczne, której dokonuje się przy pomocy odpowiednich detektorów umieszczonych nad powierzchnią obiektu. Pozwala to między innymi na zastosowanie ilościowych metod badania topografii obiektu. Zachowuje to przy tym uniwersalny charakter mikroskopu, bowiem zastosowanie zespołu hamowania wiązki elektronowej według wynalazku nie wymaga zmian w konstrukcji mikroskopu i nie koliduje z innymi modami jego pracy. Mieszana soczewka elektryczno-magnetyczna jaką stanowi tu zespół hamowania wiązki elektronowej, charakteryzuje się małą aberracją sferyczną i chromatyczną co sprzyja uzyskaniu dobrej zdolności rozdzielczej.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia przekrój poprzeczny zespołu hamowania wiązki elektronowej.

Zespół hamowania wiązki elektronowej składa się z elektrody hamującej 1, uchwytu obiektu 2 i detektorów 3. Kolejnym elementem niezbędnym do działania zespołu jest dolny nabiegunnik soczewki obiektywowej 4, stanowiący anodę zespołu. Elektroda hamująca 1 jest wykonana w postaci rury o średnicy zewnętrznej c i średnicy wewnętrznej d, zaopatrzonej w płaski kołnierz. Część rurowa elektrody hamującej umieszczonajest współosiowo w otworze o średnicy D dolnego nabiegunnika soczewki obiektywowej 4. Poniżej elektrody hamującej 1 znajduje się uchwyt obiektu 2, odizolowany od masy mikroskopu. Między uchwytem obiektu 2 i elektrodą hamującą 1 znajdują się detektory 3. Do elementów zespołu dołączone sąźródła napięć polaryzujących. Elektroda hamująca 1 jest spolaryzowana potencjałem U_k, uchwyt obiektu 2 jest spolaryzowany potencjałem U_o, zaś dolny nabiegunnik soczewki obiektywowej 4 jest spolaryzowany potencjałem Ua.

Zespół hamowania wiązki elektronowej działa następująco. Dolny nabiegunnik soczewki obiektywowej 4, znajduje się z reguły na potencjale masy, to znaczy jego potencjał U jest równy zeru. Jeśli spolaryzować elektrodę hamującą 1 i uchwyt obiektu 2 jednakowymi potencjałami Uk = Uo mniejszymi od zera, to jest ujemnymi, to w otworze dolnego nabiegunnika soczewki obiektywowej 4 wystąpi pole elektryczne hamujące wiązkę elektronową W. Energia kinetyczna wiązki elektronowej W w płaszczyźnie uchwytu 2 wyniesie wtedy, podobnie jak w zespołach z hamującą soczewką katodową:

Wp = eUE + eUo gdzie: Ue - potencjał odpowiadający energii wiązki elektronowej na wlocie soczewki obiektywowej mikroskopu, e - ładunek elementarny. Dobierając wartość napięcia hamującego Uo, można energię wiązki elektronowej W zredukować niemal do zera, przy czym między elektrodą hamującą 1 i uchwytem obiektu 2 nie występuje pole elektryczne. Umożliwia to umieszczenie między tymi dwoma elektrodami odpowiednich detektorów 3, dokonujących detekcji elektronów wtórnych ew generowanych z obiektu przez wiązkę elektronową W. Tory elektronów wtórnych ew są przy tym liniami prostymi nachylonymi pod kątami emisji elektronów, co umożliwia uzyskanie ilościowego kontrastu topograficznego. W praktyce potencjały Uk i Uo mogą się nieco różnić jeśli wymaga tego konstrukcja detektorów 3.

178 583

Istotnym dla funkcjonowania zespołujest fakt, że elektroda hamująca 1 jest wprowadzona do otworu w dolnym nabiegunniku soczewki obiektywowej 4, tak by jej krawędź znalazła się w obszarze silnego pola magnetycznego tej soczewki. Pole elektryczne powstałe na skutek polaryzacji elektrody hamującej 1 nakłada się tutaj na pole magnetyczne, tworząc mieszaną, elektryczno-magnetycaną soczewkę immersyjną. Obliczenia numeryczne i pomiary wykazują, że aberacja sferyczna i chromatyczna takiej soczewki mieszanej jest znacznie mniejsza niż gdyby soczewka elektryczna i magnetyczna były zaaranżowane posobnie. Dzięki temu, przy zastosowaniu zespołu hamowania wiązki elektronowej według wynalazku uzyskuje się dobrą rozdzielczość obrazów mikroskopowych.

W

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz.

Cena 2,00 zl.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Zespół hamowania wiązki elektronowej złożony z elektrody hamującej, detektorów i uchwytu obiektu, znamienny tym, że ma elektrodę hamującą(l) w całości lub w części w kształcie rury umieszczonej współosiowo w otworze dolnego nabiegunnika soczewki obiektywowej (4).

   * * *