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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Energiefilter für das selektive
ausschließliche Hindurchlassen
von geladenen Teilchen, die eine gegebene Energie aufweisen, und
auf ein Elektronenmikroskop, das ein solches Energiefilter verwendet.
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BESCHREIBUNG
DES STANDS DER TECHNIK
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In
einem Transmissionselektronenmikroskop wird ein Elektronenstrahl
auf eine Probe gerichtet. Das Bild, das durch den Elektronenstrahl,
der durch die Probe hindurch gelassen wurde, geschaffen wird, wird
vergrößert und
auf einen fluoreszierenden Schirm projiziert. Somit wird ein vergrößertes Bild
der Probe auf dem fluoreszierenden Schirm erhalten. In den letzten
Jahren ist ein Elektronenmikroskop entwickelt worden, das ein Energiefilter
aufweist, wie ein Ω-Filter,
das im elektronenoptischen System montiert ist, für das Projizieren
des Elektronenstrahls, der durch ein Probe hindurch gelassen wurde,
auf den fluoreszierenden Schirm. In diesem Instrument wird ein TENI-Bild
aus nur den durchgelassenen Elektronen, die durch die Probe beeinflusst
wurden, die durch das Ω-Filter
hindurch gegangen sind, geschaffen.
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In
diesem Elektronenmikroskop, das mit diesem Ω-Filter ausgerüstet ist,
muss die Energiestreuung des Elektronenstrahls, der auf die Probe
gerichtet ist, schmaler gemacht werden, um die Energieselektivität (Energieauflösung) des
erhaltenen TEM-Bildes zu verbessern. Somit wird in diesem Typ eines Elektronenmiokroskop
eine Feldemissionskanone (FEG) des kalten Typs, die heutzutage die
schmalste Energiestreuung liefert, verwendet.
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Bei
diesem Typ einer Feldemissionskanone beträgt die erhaltene Energiestreuung
jedoch nur beispielsweise ungefähr
0,4 eV bei einer Beschleunigungsspannung von 200 kV. Aktuell ist
es schwierig, die Energiestreuung noch schmaler zu machen. Andererseits
ist es, um eine hohe Energieauflösung
zu erhalten, gewünscht,
die Energiestreuung des Elektronenstrahls, der auf die Probe auftrifft
auf ungefähr 0,1
bis 0,2 eV oder weniger herab zu drücken. Deswegen wurde neulich
ein neuer Versuch gemacht, um die Energiestreuung schmaler zu machen.
Insbesondere wird ein Energiefilter zwischen einer Elektronenkanone
und einer Probe montiert. Ein Schlitz wird verwendet, um nur einen
schmalen Energiebereich aus einer Energiestreuung, die durch eine
Elektronenquelle erzeugt wird, zu extrahieren. Dieser Elektronenstrahl,
der eine schmale Energiestreuung aufweist, wird auf die Probe gerichtet.
So ein Filter, das einen rein elektrostatischen Aufbau verwendet,
ist in H. Rose, Ultramicroscopy 78, Seiten 13–25 (1999) offenbart.
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Es
ist jedoch kein praktikables Energiefilter, das eine Auflösung hat,
die ausreicht, um Energien von ungefähr 0,1 bis 0,2 eV aus hohen
Energien, größer als
die Beschleunigungsenergie von 200 kV (bei der die Elektronen eine
Energie von 200 keV haben), die von einem hochauflösenden Elektronenmikroskop
benötigt
wird, zu extrahieren, heutzutage verfügbar. Somit wurde ein Verfahren
zur Montage eines Energiefilters an einer Position, an der sich
der Elektronenstrahl in einem Zustand niedriger Energie befindet,
um eine Energieselektion auszuführen,
und der anschließenden
Beschleunigung der Elektronen, um ihnen hohe Energie zu verleihen,
diskutiert.
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Wo
ein Elektronenstrahl niedriger Energie durch ein Energiefilter auf
diese Weise hindurch geht, muss der Boersch-Effekt berücksichtigt
werden. Das heißt,
die Geschwindigkeiten (oder Energien) von Elektronen (allgemein
geladenen Teilchen), die sich dicht beieinander bewegen, beeinflussen
einander durch Coulomb-Interaktionen. Der Boersch-Effekt wird stärker mit
einer Erhöhung
der Stromdichte oder der Elektronengeschwindigkeit. Somit beeinflussen, wo
ein Elektronenstrahl niedriger Energie durch ein Energiefilter hindurch
geht, insbesondere, wenn sich die Elektronen beim Durchgang durch
den Brennpunkt des Filters dicht beieinander bewegen, die Elektronen
einander und variieren die Energien. Auf diese Weise findet eine
Energieverbreiterung statt. Dies macht es schwierig, einen Elektronenstrahl
mit einer schmalen Energiestreuung zu erhalten.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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In
Anbetracht der vorhergehenden Probleme wurde die vorliegende Erfindung
gemacht.
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Es
würde wünschenswert
sein, ein Energiefilter zu liefern, dass den Boersch-Effekt unterdrücken kann.
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Es
würde auch
wünschenswert
sein, ein Elektronenmikroskop zu liefern, das ein solches Energiefilter
liefert.
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Somit
weist ein Energiefilter gemäß der Erfindung
elektrische und magnetische Felder auf, die kombiniert werden, um
nur geladene Teilchen, die eine gegebene Energie aufweisen, hindurch
zu lassen. Geladene Teilchen, die durch dieses Energiefilter hindurch
gelassen werden, werden mehrere Male (an mehreren Brennpunkten)
in der X-Richtung rechtwinklig zur Bewegungsrichtung der geladenen Teilchen
fokussiert. Die geladenen Teilchen werden in der Y-Richtung rechtwinklig
zur X-Richtung an einer Position, die sich von den Brennpunkten
in der X-Richtung unterscheidet, fokussiert. Ein Energieauswahlschlitz
ist am zweiten oder folgenden Brennpunkt in der X-Richtung montiert.
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Ein
Elektronenmikroskop gemäß der vorliegenden
Erfindung weist eine Elektronenkanone für das Erzeugen eines Elektronenstrahls
und ein Energiefilter, um nur Elektronen, die eine gegebene Energie
haben, zu einer Probe durchzulassen, auf. Das Energiefilter besitzt
elektrische und magnetische Felder, die kombiniert werden, um nur
Elektronen, die die gegebene Energie besitzen, durchzulassen. Geladene
Teilchen, die durch dieses Energiefilter hindurch gehen, werden
mehrere Male (das ist an mehreren Brennpunkten) in der X-Richtung
rechtwinklig zur Bewegungsrichtung der geladenen Teilchen fokussiert.
Die geladenen Teilchen werden in der Y-Richtung rechtwinklig zur
X-Richtung an einer Position, die sich von den Brennpunkten in der
X-Richtung unterscheidet, fokussiert. Ein Energieschlitz ist am
zweiten oder folgenden Brennpunkt in der X-Richtung montiert.
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Andere
Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden im Laufe der nun folgenden
Beschreibung aufscheinnen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein schematisches Diagramm eines Energiefilters gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht eines Wien-Filters, das im in 1 gezeigten
Energiefilter verwendet werden kann;
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3 ist
ein Diagramm, das Flugbahnen von Elektronen im in 1 gezeigten
Energiefilter zeigt, wobei die Flugbahnen auf der ZX-Ebene beziehungsweise
ZY-Ebene aufgenommen sind;
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4 ist
ein Diagramm, das das Profil des Elektronenstrahls auf der Ebene
des in 1 gezeigten Schlitzes zeigt;
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5(a) ist ein schematisches Diagramm eines Elektronenmikroskops,
das ein Energiefilter gemäß der Erfindung
einschließt,
wobei das Energiefilter zwischen einer Feldemissionskanone und einem Beschleuniger
eingeschoben ist; und
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5(b) ist ein Diagramm ähnlich der 5(a), wobei das Energiefilter aber hinter dem
Beschleuniger eingeschoben ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Betrachtet
man die 1, so ist dort ein Energiefilter
gezeigt, das die vorliegende Erfindung verkörpert. Dieses Filter umfasst
ein Filter 1 erster Stufe und ein Filter 2 zweiter
Stufe, die in dieser Reihenfolge entlang der zentralen Flugbahn 0 eines
Elektronenstrahls angeordnet sind. Das Filter 1 der ersten Stufe
und das Filter 2 der zweiten Stufe haben Längen von
L1 beziehungsweise L2.
Die Länge
L1 des Filters 1 der ersten Stufe
wird so gewählt,
dass sie größer als
die Länge
L2 des Filters 2 der zweiten Stufe ist.
Ein freier Raum 3, der eine Breite von d aufweist, existiert
zwischen den zwei Filtern 1 und 2. Ein Energieauswahlschlitz 4 ist
im Elektronstrahlpfad in diesem freien Raum 3 angeordnet.
Ausblendelemente (shunt members) 5 und 6 sind
am Eingang beziehungsweise Ausgang des Energiefilters montiert,
um eine Interferenz elektrischer und magnetischer Felder, die von
den Filtern 1 und 2 erzeugt werden, mit umgebenden
elektronenoptischen Komponenten zu verhindern.
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Sowohl
das Filter 1 der ersten Stufe als auch das Filter 2 der
zweiten Stufe ist ein Wien-Filter, das elektrische und magnetische
Felder aufweist, die rechtwinklig zueinander sind. Beispielsweise
hat dieses Wien-Filter eine Struktur, wie sie in 2 gezeigt ist.
In 2 bezeichnet Z die optische Achse des Elektronenstrahls.
Magnetpole N und S sind auf den entgegengesetzten Seiten dieser
optischen Achse angeordnet. Eine positive Elektrode (+) und eine negative
Elektrode (–)
sind auf entgegengesetzten Seiten der optischen Achse in der Lücke zwischen
den Magnetpolen angeordnet.
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Als
Ergebnis wird ein Magnetfeld in der Y-Richtung erzeugt und ein elektrisches
Feld wird in der X-Richtung aufgebaut. Auf diese Weise werden überlagerte
Felder auf und um die optische Achse erzeugt. Somit folgen Elektronen,
die entlang der optischen Achse einfallen, Flugbahnen, die durch
Kräfte bestimmt
werden, die von den zueinander rechtwinkligen elektrischen und magnetischen
Feldern und von den Energien, die die einzelnen Elektronen besitzen,
bestimmt werden.
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3 ist
ein Diagramm der Flugbahnen der Elektronen im in 1 gezeigten
Energiefilter, wobei die Flugbahnen auf der ZX-Ebene und der ZY-Ebene aufgenommen
sind. In 3 wird angenommen, dass ein
Elektronenstrahl mit einem kreisförmigen Querschnitt in den Filter 1 der
ersten Stufe eintritt, um konvergiert zu werden. Die Flugbahnen
der Elektronen, die den zentralen Energiewert des Durchlassbandes
des Energiefilters aufweisen, sind durch die Linien c bezeichnet.
Die Flugbahnen von Elektronen, die Energiewerte aufweisen, die vom
zentralen Energiewert um Δα abweichen,
sind durch die Linien d angezeigt.
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Man
kann aus der 3 sehen, dass der Elektronenstrahl,
der einen kreisförmigen
Querschnitt beim Eintreten in das Filter 1 der ersten Stufe annimmt,
an zwei Positionen, das heißt
um das Zentrum L1/2 des Filters 1 und
an der Position des Schlitzes auf der Flugbahn der ZX-Ebene fokussiert
wird. Andererseits wird bei der Flugbahn auf der ZY-Ebene der Strahl
nur einmal nahe dem Ausgang des Filters erster Stufe fokussiert.
Der Strahl nimmt wieder einen kreisförmigen Querschnitt an beim
Eintreten in das Filter der zweiten Stufe und tritt aus dem Energiefilter in
diesem Zustand aus. Auf diese Weise wird der Strahl an verschiedenen
Positionen zwischen den X- und Y-Richtungen fokussiert. Dies kann
durch ein passendes Wählen
der Größen der
elektrischen und magnetischen Filter, die das Wien-Filter bilden,
erzielt werden.
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4 zeigt
das Profil des Elektronenstrahls auf der Schlitzebene. Der Elektronenstrahl
nimmt einen kreisförmigen
Querschnitt bei Eintreten in das Filter 1 der ersten Stufe
an. An der Position des Schlitzes nimmt der Strahl einen elliptischen
oder linearen Querschnitt an. Die Abmessung des Querschnitts entlang
der X-Richtung ist klein, während
die Abmessung entlang der Y-Richtung groß ist. Der Strahl läuft über die
X-Achse an einer unterschiedlichen Position in Abhängigkeit
von einem unterschiedlichen Energiewert. Somit können nur Elektronen, die eine
gewünschte
Energie aufweisen, durch die Verwendung eines Schlitzes, der entlang
der Y-Richtung länglich
ist und der eine passende Breite entlang der X-Richtung aufweist,
ausgewählt
werden.
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Wir
diskutieren nun den Boersch-Effekt des Energiefilters gemäß der Erfindung,
wie es oben beschrieben ist. Wie vorher erwähnt wurde, beeinflussen die
Elektronen einander, wo ein Elektronenstrahl niedriger Energie durch
das Energiefilter läuft,
insbesondere wenn die Elektronen sich beim Durchlaufen eines Brennpunktes
im Filter dicht beieinander bewegen. Somit werden die Energien variiert,
was zu einer Energiestreuung führt.
Dies macht es schwierig, einen Elektronenstrahl mit einer schmalen
Energiestreuung zu erhalten. In der vorliegenden Ausführungsform
wird der Elektronenstrahl zweimal in der ZX-Ebene und einmal in
der ZY-Ebene fokussiert. Der
Brennpunkt in der ZY-Ebene unterscheidet sich von den Brennpunkten
in der ZX-Ebene. Somit wird der Strahl im Filter nicht auf einen
Punkt konvergiert. Insbesondere nimmt der Strahl eine lineare Querschnittsform
an jedem Brennpunkt an, und so ist die Elektronendichte viel kleiner
als wenn der Strahl in einen Punkt fokussiert würde. Somit kann der Boersch-Effekt
minimiert werden.
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In
der oben beschriebenen Ausführungsform werden
zwei Filter kombiniert. Es können
mehr Filter kombiniert werden, um ein Energiefilter gemäß der vorliegenden
Erfindung zu bilden. In diesem Fall wird der Schlitz im zweiten
oder nachfolgenden Brennpunkt in der ZX-Ebene platziert. Da es schwierig
ist, den Schlitz in einem Filter zu platzieren, ist es notwendig,
den Schlitz im freien Raum zwischen zwei Filtern zu platzieren.
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In
der oben beschriebenen Ausführungsform werden
zwei Stufen von Wien-Filtern, in welchen magnetische und elektrische
Felder überlagert
werden, verwendet. Es ist nicht notwendig, dass die magnetischen
und elektrischen Felder perfekt überlagert werden.
Wenn mehrere Stufen von Energiefiltern, die ein einzelnes magnetisches
Feld oder ein einzelnes elektrisches Feld einschließen, als
auch überlagerte Felder
verwendet werden, kann ein Energiefilter gemäß der Erfindung gebaut werden.
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Die 5(a) und 5(b) zeigen
Beispiele der Struktur eines Elektronenmikroskops, das ein Energiefilter
gemäß der vorliegenden
Erfindung einschließt.
In 5(a) ist ein Energiefilter gemäß der Erfindung
zwischen einer Feldemssionskanone 11 und einem Beschleuniger
mon tiert. Die Kanone 11 produziert einen Elektronenstrahl
mit relativ niedriger Energie von ungefähr 1 keV bis zu mehreren Kilovolt. Der
Strahl wird aufgenommen im Energiefilter 17 des Verzögerungstyps,
das aus einer Eingangsblende 12, einem Verzögerungsteil 13,
einem Energiefilterteil 14, einem Beschleunigungsteil 15 und
einer Ausgangsblende 16 besteht. In diesem Energiefilter 17 werden
die einfallenden Elektronen auf Energien von Hunderten von Elektronenvolt
durch den Verzögerungsteil
verzögert.
Dann wählt
der Filterteil 14 nur Elektronen aus, die eine gegebene
Energie aufweisen. Die Elektronen werden wieder auf die ursprüngliche
Energie durch den Beschleunigungsteil 15 beschleunigt,
und dann aus der Ausgangsöffnung 17 abgegeben.
Der Energiefilterteil 14 hat die in 1 gezeigte
Struktur.
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Der
Elektronenstrahl, der aus der Ausgangsblende 17 austritt,
wird auf eine gewünschte
hohe Energie (beispielsweise ungefähr 200 keV) durch den Beschleuniger 18 beschleunigt.
Dann lässt
man den Strahl auf eine Probe 21 über Sammlerlinsen 19 und
eine Objektivlinse 20 auftreffen.
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5(b) zeigt ein Beispiel, in dem ein Energiefilter
gemäß der Erfindung
hinter einem Beschleuniger angeordnet ist. In diesem Beispiel wird
ein Elektronenstrahl mit relativ niedrigen Energien von 1 keV bis
mehreren Kilovolt, der von einer Feldemissionskanone 11 ausgestrahlt
wird, auf eine gewünschte hohe
Energie (beispielsweise ungefähr
200 keV) durch einen Beschleuniger 18 beschleunigt. Dann tritt
der Strahl in ein Energiefilter 17 des Verzögerungstyps
durch eine Sammlerlinse 22 ein. Das Filter 17 besteht
aus eine Eingangsblende 12, einem Verzögerungsteil 13, einem
Energiefilterteil 14, einem Beschleunigungsteil 15 und
einer Ausgangsblende 16. In diesem Energiefilter 17 des
Verzögerungstyps werden
die einfallenden Elektronen auf Energien von Hunderten von Elektronenvolt
durch den Verzögerungsteil
verzögert.
Dann extrahiert der Filterteil 14 nur Elektronen, die eine
gegebene Energie haben. Der Strahl wird auf die ursprüngliche
Energie durch den Beschleunigungsteil 15 beschleunigt.
Dann tritt der Strahl aus der Ausgangsblende 17 aus. Der
Energiefilterteil 14 nimmt eine Struktur an, wie sie in 1 gezeigt
ist. Der Elektronenstrahl, der aus der Ausgangsblende 17 austritt,
wird über
Sammlerlinsen 18 und eine Objektivlinse 20 auf
eine Probe 21 gerichtet.
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In
diesem Beispiel müssen
der Verzögerungsteil 13 und
der Beschleunigungsteil 15 des Energiefilters 17 des
Verzögerungstyps
Elektronen hoher Energien auf ungefähr Hunderte von Elektronenvolt
verzögern
beziehungsweise sie auf die ursprüngliche hohe Energie beschleu nigen.
Somit sind der Verzögerungsteil 13 und
der Beschleunigungsteil 14 vorzugsweise Mehrstufenelektroden ähnlich dem systemeigenen
Beschleuniger 18.
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Es
sollte verständlich
sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt
ist, und dass verschiedene Änderungen
und Modifikationen möglich sind.
Insbesondere ist die Position, an der das Energiefilter montiert
ist, nicht auf die Positionen beschränkt, die in den oben beschriebenen
Ausführungsformen
verwendet werden. Eine passende Position kann gewählt werden,
so lange sie stromaufwärts
einer Probe angeordnet ist.
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Wie
bisher beschrieben wurde, verwendet ein Energiefilter gemäß der vorliegenden
Erfindung elektrische und magnetische Felder, die kombiniert werden,
um nur geladene Teilchen, die eine gegebene Energie haben, hindurch
zu lassen. Die geladenen Teilchen, die durch das Energiefilter hindurch laufen,
werden an mehreren Positionen (Brennpunkten) in der X-Richtung rechtwinklig
zur Bewegungsrichtung fokussiert. Die Teilchen werden in der Y-Richtung an einer
Position, die sich von den Brennpunkten in der X-Richtung unterscheidet,
fokussiert. Ein Energieauswahlschlitz ist am zweiten oder nachfolgenden
Brennpunkt in der X-Richtung montiert. Somit haben das Energiefilter
gemäß der Erfindung und
ein Elektronenmikroskop, das dieses verwendet, einen großen Vorteil
bei der Reduzierung des Boersch-Effekts.