DE2137510C3 - Elektronenoptische Anordnung mit einer Energieselektionsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur mikroskopischen Untersuchung einer Materie mit Hilfe eines Strahls geladener Teilchen, mit einer Energieselektionsanordnung für die geladenen Teilchen, die aus einer magnetischen Anordnung zum Erzeugen eines homogenen magnetischen Feldes und aus einer elektrostati-

»5 sehen Anordnung zum Erzeugen eines elektrischen Feldes besteht

Eine derartige, aus einem Elektronenmikroskop mit einem energieselektierenden System bestehende Anordnung ist in einem Artikel in »Journal de Microsco-

pie«. Band 3, Nr. 2 (1964), Seite 133-152, beschrieben. In der darin beschriebenen Anordnung wird die Energieselektion dadurch erhalten, daß ein Elektronenstrahl über ein magnetisches Prisma und einen elektrostatischen Spiegel geführt wird. Nachteile dieser Lösung sind die verhältnismäßig große Abmessung des Systems mit dem Prisma und dem Spiegel, seine schwierige Einstellung in dem Elektronenmikroskop durch die Umbiegung in dem Strahlenweg und das für viele Anwendungen zu geringe Auflösungsvermögen des Systems.

Die DE-AS 12 48181 offenbart eine Energieselektionsanordnung in Form einer elektrostatischen Einzellinse mit großen chromatischen Fehlern oder in Form elektrostatischer Ablenkplatten. Damit wird eine Selektion erreicht, aber das Auflösungsvermögen ist sehr gering und Linsenwirkung und Selektion sind nicht getrennt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weniger aufwendige Anordnung mit einem besseren

*o Auflösungsvermögen zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Anordnung der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld ebenfalls homogen ist und daß beide Felder im selben Feldraum liegen und senkrecht

*5 zueinander und beide senkrecht zur Bewegungsrichtung des Strahls geladener Teilchen gerichtet sind.

Bei Benutzung einer solchen als Wienfilter (siehe z. B. »Brit. J. Appl. Physics, Bd. 18, 1967, S. 1573-1579) bekannten Energieselektionsanordnung ist das Auflösungsvermögen viel besser und die Elektronen einer einstellbaren Energie werden nicht abgelenkt. Die Energie, die man gerade durchgehen lassen will, ist nur durch das Magnetfeld und das elektrostatische Feld einzustellen.

Ein sich durch diesen Feldraum bewegendes, geladenes Teilchen wird von dem elektrischen Feld F eine Kraft - F und vom Magnetfeld B eine Kraft ν ■ B erfahren. Beide Kräfte sind längs einer senkrecht zu den magnetischen Kraftlinien verlaufenden Ebene gerichtet, und beide Kräfte gleichen sich bei einer Größe V₀ für die Teilchengeschwindigkeit bei einer dafür angepaßten Richtung der Kraftlinien aus, und das Teilchen verläuft auf einer geraden Bahn. Für einen Strahl geladener Teilchen mit dieser Geschwindigkeit V₀ ist das System somit geradsichtig, was die Einslcllung vereinfacht.

Teilchen mit einer höheren bzw. niedrigeren Geschwindigkeit als Vo weiden in der erwähnten Ebene in Abhängigkeit von ihrer Geschwindigkeit nach verschie-

denen Seiten von der geradeaus verlaufenden Bahn abgebeugt, wodurch die Geschwindigkeitsselektion verwirklicht ist.

Das Auflösungsvermögen eines derartigen Energieselektionsfilters kann dadurch erhöht werden, daß die geladenen Teilchen das System mit einer geringeren Geschwindigkeit durchlaufen.

Bei Weiterbildungen der Erfindung sind der Energieselektionsanordnung eine Vierpollinse und/oder eine Sechspollinse zugeordnet um den die eigentliche Energieselektionsanordnung bildenden Feldern elektrostatische und/oder magnetische Linsenfelder zu überlagern. Ein solches System einer Energieselektionsanordnung mit gekreuzten elektrostatischen und magnetischen Feldern mit an sich bekannten elektrostatischen und magnetischen Vierpollinsen und Sechspollinsen bildet ein elektromagnetisches Hilfsmittel mit äußerst geringen optischen Fehlern und einer hohen Energieselektionsempfindlichkeit.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand einiger in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines axialen Schnitts durch ein mit einer verzögernden und einer beschleunigenden elektrostatischen Linse versehenes Energieselektionsfilter,

Fig.2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein mit elektrostatischen und magnetischen Vierpollinsen und Sechspollinsen versehenes Energieselektionsfilter und

Fig.3 eine skizzenhafte Darstellung einer Anordnung von aufeinanderfolgenden elektronenoptische?) Teilen eines Elektronenmikroskops, das mit einem Energieselektionsfilter versehen ist.

Das in F i g. 1 dargestellte Energieselektionsfilter enthält ein eigentliches Wienfilter 1, bei dem die Länge des homogenen Feldraums zwischen einer Eintrittsfläche 2 und einer Austrittsfläche 3 für einen Teilchenstrahl 4 vorzugsweise ungefähr 5 cm beträgt. Zu beiden Seiten wird das Filter durch eine elektrostatische Rohrlinse begrenzt, deren Elektrodenzylinder 5 und 6 im Betrieb ein verhältnismäßig hohes Potential und deren Elektrodenzylinder 7 und 8 ein verhältnismäßig niedriges Potential führen. In einer bevorzugten Einstellung des aus dem Wienfilter und den beiden elektrostatischen Linsen bestehenden Systems sind die Linsenpotentiale derart gewählt, daß eine mit der Eintrittsfläche 2 des Feldraums des Wienfilters zusammenfallende Gegenstandsfläche in einer mit der Austrittsfläche 3 des Wienfilters zusammenfallenden Bildfläche für den Strahl geladener Teilchen abgebildet wird. Für eine bestimmte Filterlänge und Zerstreuung hat das Filter dann eine optimale Übertragung. In einer Ebene, in der die geladenen Teilchen abgebeugt werden und die senkrecht zum homogenen magnetischen Kraftfeld gerichtet ist, hat eine derartige Feldkonfiguration eine fokussierende Wirkung. Das Wienfilter bildet somit eine Zylinderlinse. Durch Überlagerung eines elektrostatischen oder eines magnetischen Vierpollinsenfelds mit dem homogenen Feld des Wienfilters kann das System doppeltfokussierend gemacht werden.

Das System weist dann noch einen ziemlich starken Fehler zweiter Ordnung auf, der durch drei Koeffizienten angegeben werden kann. Einer dieser Koeffizienten kann durch eine Überlagerung eines elektrostatischen oder eines magnetischen Sechspollinsenfeldes mit den Wienfilterfeldern und dem Vierpolfeld gleich Null gemacht werden. Ein zweiter Koeffizient kann dadurch gleich Null gemacht werden, daß cbts Filter mit einer Kombination aus einer elektrostatischen und einer magnetischen Vierpollinse doppeltfokussierend gemacht wird Der übrigbleibende dritte Koeffizient kann in bekannten Systemen nicht gleich Null gemacht werden, sondern wird durch die Elimination der ersten beider. Koeffizienten sogar größer. In einem Wienfilter jedoch 'ist dieser Koeffizient unter Anwendung der erwähnten Korrekturen durch die Symmetrie in den

ίο Bahnen der geladenen Teilchen infolge der Geradsichtigkeit zugleich mit den ersten beiden gleich Null.

In Fig.2 ist ein Schnitt durch eine bevorzugte Ausführung eines Energieselektionsfilters skizzenhaft dargestellt In diesem Filter können mit den elektrostatisehen Elektroden 8 und magnetischen Polschuhen 9 alle erwähnten Felder in dem Feldraum erzeugt werden. Zum Einstellen der Teilchenstrahlen im Filter muß beispielsweise die Feldstärke wenigstens eines der Polschuhe von außen geändert werden.

Mit einem derartigen Energieselektionsfilter ist in einer mit einem Elektronenstrahl von 100 keV arbeitenden Anordnung eine Zerstreuung von gut 20 μπι pro Volt, ein Auflösungsvermögen bis 20 Ä mit einer Verzerrung von weniger als 2% erreichbar.

F i g. 3 zeigt eine skizzenhafte Darstellung des abbildenden Systems eines Elektronenmikroskops, das gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Energieselektionsfilter versehen ist. In dem Elektronenmikroskop befinden sich eine Objektivlinse 11, eine Diffraktionslinse 12, eine Projektionsiinse 13, ein Bildschirm 14 und ein in diesem Ausführungsbeispiel zwischen der Diffraktionslinse 12 und der Projektionslinse 13 montiertes Wienfilter 1. Das Energieselektionsfilter ist hier somit dort montiert, wo bei den üblichen Elektronenmikroskopen eine Zwischenlinse vorgesehen ist. Das Filter kann auch an einer anderen Stelle in dem Mikroskop oder sogar außerhalb des Mikroskops angeordnet werden. Im letzteren Fall befindet sich das Filter vom abbildenden System aus hinter dem Schirm !4. Eine öffnung im Schirm ist dann als Eingangsblende für das Filter wirksam. Eine derartige Öffnung kann beispielsweise einen Durchmesser von ungefähr 250 μπι haben. Hierdurch kann eine Energieanalyse einer Stelle im Präparat durchgeführt werden. Dadurch, daß dem Bild des Elektronenmikroskops am Schirm 14 und synchron damit einem Ausgangssignal des Energieselektionsfilters eine Abtastbewegung erteilt wird, kann ein Energieverlustbild von einem Präparat dadurch erhalten werden, daß ein Bild von allen Elektronen aus dem abbildenden Strahl gebildet wird, die das Präparat mit demselben Energieverlust durchlaufen haben. Ein Vorteil dieser Anordnung ist der, daß das Elektronenmikroskop zum Anbringen oder Entfernen des Filters nicht auseinandergenommen zu werden braucht. Ein Nachteil ist der, daß nicht das gesamte Bild zugleich durch das Filter hindurchgehen kann.

Das Energieselektionsfilter enthält eine erste elektrostatische, vorzugsweise Rohrlinse 15 mit zwei Zylinder-

bo elektroden, eine zweite entsprechende Linse 16, eine Eingangsblende 17 und eine Ausgangsblende 18. Mit den Linsen 15 und 16 kann das Filter dem optischen System des Elektronenmikroskops derart einverleibt werden, daß ein Bild 19 eines Objekts 20 mit der

tii Gegenstandsbrennfläche 21 der Linse 15 zusammenfällt. Zusammen mit den beiden Linsen 15 und 16 bildet das Filter diese Gegenstandsfläche 21 in einer Bildfläche 22 ab. In dieser Bildfläche ist der Elektronenstrahl nach der

Energie der Elektronen selektiert und es kann jede der auftretenden Teilchenenergien durch das Zuordnen eines Energieselektionsspalts 23 abgesondert werden. Dadurch, daß der Spalt 23 in der Zerstreuungsrichtung des Filters verschoben wird oder dadurch, daß die Feldstärke im Filter geändert wird, kann das ganze Energiespektrum der Elektronen durchlaufen werden. Ein Vorteil der Montage des Energieselektionsfilters von der Fortbewegungsrichtung des Teilchenstrahls aus vor der Projektionslinse besteht darin, daß sich das Filter in dem bildformenden Strahl an einer Stelle befindet, wo bereits eine beträchtliche, beispielsweise 150fache Bildvergrößerung verwirklicht ist. Optische Fehler des Energieselektionsfilters haben dann einen verhältnismäßig geringen Einfluß auf das Endbild der abbildenden Anordnung. Hinter dem Filter erfolgt in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 mittels der Projeklionslinse noch eine beispielsweise 125fache Vergrößerung. Das in das Energieselcktionsfilter eintretende Bild des Präparats ist dann noch klein genug, um ohne unzulässige Aberrationen in seiner Gesamtheit durch das Filter hindurchgehen zu können.

Um den Beitrag optischer Fehler durch den Einbau des Energieselektionsfilters möglichst gering zu halten, werden die Linsen 15 und 16 vorzugsweise derart eingestellt, daß dieses ganze System keine Vergrößerung einführt und ein optisches teleskopisches System bildet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur mikroskopischen Untersuchung einer Materie mit Hilfe eines Strahls geladener Teilchen, mit einer Energieselektionsanordnung für die geladenen Teilchen, die aus einer magnetischen Anordnung zum Erzeugen eines homogenen magnetischen Feldes und aus einer elektrostatischen Anordnung zum Erzeugen eines elektrischen Feldes besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld ebenfalls homogen ist und daß beide Felder im selben, Feldraum liegen und senkrecht zueinander und beide senkrecht zur Bewegungsrichtung des Strahls geladener Teilchen gerichtet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Bewegungsrichtung des Strahls geladener Teilchen vor der Energieselektionsanordnung (1) eine Verzögerungslinse (15) und hinter der Energieselektionsanordnung (1) eine Beschleunigungslinse (16) befindet und daß die Verzögerungslinse (15) und die Beschleunigungslinse (16) zusammen ein optisches teleskopisches Linsensystem bilden.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieselektionsanordnung (1) eine Gegenstandsfläche (21) in eine Bildfläche (22) abbildet und daß die Gegenstandsfläche (21) mit dem Anfang des Feldraums und die Bildfläche (22) mit dem Ende des Feldraums zusammenfällt.

4. Anordnung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieselektionsanordnung (1) eine Vierpollinse mit einer fokussierenden Wirkung in Richtung der magnetischen Kraftlinien zugeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vierpollinse aus einer Kombination aus einem elektrostatischen und einem magnetischen Vierpol besieht.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieselektionsanordnung eine Sechspollinse zugeordnet ist.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Bewegungsrichtung der geladenen Teilchen hinter der Energieselektionsanordnung (1) eine verhältnismäßig schwache Linse (Minilinse) befindet.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese durch ein Elektronenmikroskop gebildet wird und daß sich die Energieselektionsanordnung (1) in der Bewegungsrichtung der Elektronen vor einer Endlinse des Elektronenmikroskops befindet (F ig. 3).

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese durch ein Elektronenmikroskop mit einem durchbohrten Auffangschirm (14) gebildet wird und daß die Energieselektionsanordnung (1) hinter dem Auffangschirm (14) montiert ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine als Eingangsblende für die Energieselektionsanordnung (1) wirksame Durchbohrung des Auffangschirms (14) einen Durchmesser von ungefähr 250 μπι aufweist.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch

gekennzeichnet, daß Mittel zum synchronen Abtasten des Elektronenstrahles über dem durchbohrten Auffangschirm (14) und des Ausgangssignals der Energieselektionsanordnung (1) vorhanden sind.