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Die Erfindung betrifft ein teilchenoptisches Gerät, versehen mit einer
Teilchenkanone, die eine Teilchenquelle zum Erzeugen eines Primärstrahlenbündels aus
elektrisch geladenen Teilchen umfasst, welche Teilchenkanone weiterhin Hochspannungsmittel
umfasst zum Aufbauen eines Hochspannungsbeschleunigungsfeldes in der Teilchenkanone,
das von den Teilchen zu durchqueren ist, und einer Monochromatorfiltergesamtheit, die
nahezu vollständig zwischen der Teilchenquelle und dem Hochspannungsfeld in der
Teilchenkanone liegt, um aus dem Primärstrahlenbündel ein Teilbündel mit einer
Energiedispersion zu selektieren, die kleiner ist als die des Primärstrahlenbündels.
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Ein Gerät dieser Art ist aus dem US-Patent Nr. 5.300.775, entsprechend EP-
A-0 555 911 bekannt.
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In einem teilchenoptischen Gerät, beispielsweise einem
Elektronenmikroskop, ist im Allgemeinen eine niedrige Energiedispersion in dem Teilchenstrahlenbündel
(Elektronenstrahlenbündel) wünschenswert. Die Energiedispersion in dem
Elektronenstrahlenbündel verschlechtert nämlich zusammen mit der chromatischen Aberration der
Abbildungslinse oder -linsen die Auflösung des Bildes des Elektronenmikroskops. Eine
geringe Energiedispersion ist insbesondere in Elektronenmikroskopen erwünscht, in denen
Elektronenspektroskopie ausgeführt wird, d. h. in Elektronenmikroskopen, in denen der
Energieverlust des Elektronenstrahlenbündels in der zu untersuchenden Probe in
Abhängigkeit vom Ort der Probe bestimmt wird. Daraus können Schlussfolgerungen hinsichtlich
der Zusammensetzung der Probe gezogen werden. Der Kontrast in dem Bild der Probe
kann auch vergrößert werden, indem ausschließlich Elektronen mit einem bestimmten
Energieverlust selektiert werden, um zu der Bildgebung beizutragen. Für diese Fälle ist es
notwendig, ein bestrahlendes Elektronenstrahlenbündel mit einer niedrigen
Energiedispersion zur Verfügung zu haben. Dies kann erreicht werden, indem ein energiedispersives
Element, auch als Filtergesamtheit bezeichnet, in dem bestrahlenden Strahlenbündel
angeordnet wird. Dieses ermöglicht eine Energieselektion durch Ablenken der Elektronen, d. h.
durch räumliches Trennen der Elektronen, in Abhängigkeit von ihrer Energie und falls
notwendig durch Auswählen der Elektronen der gewünschten Energie.
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In der genannten US-Patentschrift wird ein Elektronenmikroskop
beschrieben, das eine energiedispersive Einheit (eine Filtergesamtheit) zur Energieselektion in
einem Elektronenstrahlenbündel umfasst. Wie in solchen Geräten üblich ist, umfasst das
Elektronenmikroskop eine mit einer Elektronenquelle versehene Elektronenkanone zum
Erzeugen eines primären Elektronenstrahlenbündels, d. h. eines Elektronenstrahlenbündels,
das noch keiner Energieselektion unterzogen worden ist. Außerdem kann die Kanone in ein
Beschleunigungspotential eingebracht werden (d. h. ein
Hochspannungsbeschleunigungsfeld), um die Elektronen in dem Strahlenbündel zu beschleunigen. Die Filtergesamtheit ist
in der Kanone in der Nähe der Elektronenquelle angeordnet, so dass die Elektronen die
Filtergesamtheit mit verhältnismäßig niedrigerer Energie erreichen (beispielsweise in der
Größenordnung von 3 kV). Dies hat den Vorteil, dass das Filter einen verhältnismäßig
kompakten Aufbau haben kann, weil die Abmessung eines Filters für ein
Elektronenstrahlenbündel allgemein gesagt durch die Energie des zu filternden Strahlenbündels bestimmt
wird. Der kompakte Aufbau eines solchen Filters ermöglicht es, dieses in ein
Elektronenmikroskop von vorhandenem Entwurf einzubauen, ohne das eine umfangreiche
Modifikation des Gerätes erforderlich ist.
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Die beschriebene Anordnung der Filtergesamtheit vor dem
Hochspannungsfeld hat jedoch auch eine Anzahl Nachteile. Ein erster Nachteil beruht auf der Tatsache,
dass die Beschleunigungselektrode (die Anode) in der Elektronenkanone eines
Elektronenmikroskops Erdpotential führt, so dass die Elektronenquelle die negative
Beschleunigungshochspannung in der Größenordnung von -300 kV führt. Daher führt die Filtergesamtheit
auch ungefähr diese hohe Spannung (da sie vor dem Beschleunigungsfeld angeordnet ist),
so dass eine Manipulation der Filterkomponente nahezu verhindert wird und in der Praxis
fast unmöglich ist.
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Ein zweiter Nachteil beruht auf der Tatsache, dass viele
Elektronenmikroskope zur Hochspannungsisolierung um den Kanonenraum eine Umhüllung umfassen, die
ein isolierendes Gas enthält, wie Schwefelfluorid (SF&sub6;). Die Zugänglichkeit der
Filtergesamtheit wird somit stark eingeschränkt. Die Bildung von Durchgängen, entweder
mechanisch oder elektrisch, durch diesen gasgefüllten Raum führt zu Problemen hinsichtlich der
Gasdichtheit und auch der elektrischen Isolierung der Durchführungen. (Die vorhandenen
elektrischen Anschlüsse zur Elektronenkanone werden über ein Hochspannungskabel in
Standardausführung geleitet, das beim Entwurf des Mikroskops berücksichtigt worden ist.
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Dieses Standardkabel ist jedoch nicht geeignet, andere elektrische Signale zu übertragen als
die, für die es entworfen worden ist).
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Ein dritter Nachteil beruht auf der Tatsache, dass es notwendig sein würde,
für Durchführungen in der Mikroskopsäule eines Elektronenmikroskops, das bereits bei
einem Kunden installiert sein kann, Bohrungen anzubringen. Dies würde eine vollständige
Demontage notwendig machen, was Verunreinigung des Vakuumraumes des Mikroskops
beinhaltet und auch den Transport von schweren Präzisionswerkzeugen.
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Insbesondere das Ausrichten der verschiedenen Filterkomponenten relativ
zueinander und zum Rest des Elektronenmikroskops wird durch die oben genannten
Probleme ernsthaft behindert.
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Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein teilchenoptisches Gerät der
dargelegten Art zu verschaffen, in dem die Filtergesamtheit in der Elektronenkanone nur
eine minimale Anzahl Durchführungen durch die Wand des Gerätes erfordert. Hierzu ist
das teilchenoptische Gerät gemäß der Erfindung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,
dass eine Blende vorgesehen ist, die an der Eintrittsseite der
Monochromatorfiltergesamtheit liegt und bei normalen Betriebsbedingungen starr mit einem Teil der
Monochromatorfiltergesamtheit verbunden ist.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll mit dem Begriff "starr
verbunden" nicht gemeint sein, dass die Eintrittsblende nicht gelöst werden kann, sondern dass sie
im normalen Betrieb des teilchenoptischen Gerätes nicht einstellbar ist.
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Infolge dieser Maßnahmen wird erreicht, dass wegen der starren Verbindung
die Blende bezüglich der Filtergesamtheit genau zentriert werden kann (außerhalb des
Elektronenmikroskops), falls notwendig durch Verwendung von Zentrierwerkzeugen.
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Mit diesen Maßnahmen wird auch möglich, dass die Filtergesamtheit durch
geeignete Wahl der Blendenöffnung einen geeigneten Strahlstrom durchlässt
(Größenordnung 50 nA), um eine geeignete Bildgebung in dem Elektronenmikroskop zu erhalten,
insbesondere in einem Transmissionselektronenmikroskop; andererseits wird jedoch dafür
gesorgt, dass dieser Strom nicht viele Größenordnungen zu groß wird, weil die
Energiedispersion in dem Strahlenbündel durch Wechselwirkung der Bündelelektronen verhindert
werden muss (der sogenannte Boersch-Effekt).
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Es wäre denkbar, durch Verwendung einer Öffnung von sehr kleiner
Abmessung in der Extraktionselektrode in der Elektronenkanone die gewünschte Begrenzung
des Strahlstroms zu erreichen; jedoch ist das austretende Strahlenbündel dann so schmal,
dass Ausrichten der Filtergesamtheit relativ zum Primärstrahlenbündel sehr problematisch
wird. Infolge der erfindungsgemäßen Maßnahmen tritt ein breites Strahlenbündel aus der
Extraktionselektrode aus, so dass die Eintrittsblende diesem Bündel immer ausgesetzt ist
und somit keine Zentrierprobleme auftreten.
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Die Anordnung der Blende gemäß der Erfindung hat auch den Vorteil, dass
die infolge von Elektronen, die zu weit von der optischen Achse entfernt einfallen,
auftretenden Linsenfehler in dem Filter vermieden werden; solche Linsenfehler könnten durch
eine Bündelbegrenzung hinter dem Filter nicht verringert werden (d. h. die Linsenfehler, die
dafür sorgen, dass die Elektronen mit unerwünschter Richtung die optische Achse hinter
dem Filter durchqueren).
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Filtergesamtheit als ein
Wien-Filter ausgeführt. Dieses Filter ist vorzugsweise mit einem Permanentmagneten zum
Generieren des Magnetfeldes des Filters versehen.
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So wird erreicht, dass keine elektrischen Leiter zum Erzeugen des
Magnetfeldes in den Raum in dem Elektronenmikroskop, in dem das Filter liegt, eingebracht zu
werden brauchen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 einen schematischen Schnitt entlang einer Ebene durch die optische
Achse der wesentlichen Teile eines Elektronenmikroskops, das die Filtergesamtheit gemäß
der Erfindung umfasst;
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Fig. 2 den Strahlengang in der Filtergesamtheit gemäß der Erfindung;
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Fig. 3a eine schematische Draufsicht der Filtergesamtheit gemäß der
Erfindung;
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Fig. 3b eine schematische Schnittansicht entlang einer Linie durch die
optische Achse der Filtergesamtheit gemäß der Erfindung.
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Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht entlang einer Ebene durch die
optische Achse der wesentlichen Teile eines teilchenoptischen Gerätes, insbesondere eines
Elektronenmikroskops, das die erfindungsgemäße Filtergesamtheit umfasst. Das
Elektronenmikroskop ist mit einer Teilchenkanone 28 versehen, insbesondere einer
Elektronenkanone, die eine Elektronenquelle 2, eine Filtergesamtheit 10 und Beschleunigungselektroden
16a, 16b und 12 umfasst.
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Die Elektronenquelle 2 ist zum Erzeugen eines Primärstrahlenbündels von
Elektronen ausgebildet, die in dieser Figur nicht dargestellt ist. Die Elektronenquelle der
vorliegenden Ausführungsform ist als Feldemissionsquelle ausgeführt, die eine
emittierende Spitze 4 umfasst, eine Extraktionselektrode 6 und eine Linseneffektelektrode 8, die eine
Kanonenlinse zum steuerbaren Leiten des Elektronenstrahlenbündels von der
Elektronenkanone 28 zu den anderen Komponenten des Elektronenmikroskops bildet. Die von der
Spitze und den genannten beiden Elektroden gebildete Gesamtheit formt eine
elektrostatische Linse, die auf das Primärelektronenstrahlenbündel, das von der Spitze erzeugt wird,
eine fokussierende Wirkung ausübt.
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Die Elektronenkanone 28 umfasst auch Hochspannungsmittel zum Erzeugen
eines Beschleunigungshochspannungsfeldes, das von den Teilchen durchquert werden
muss, in der Elektronenkanone. Die Hochspannungsmittel sind mit einem
Hochspannungsgenerator verbunden (in der Figur nicht abgebildet), der die Spitze und die genannten
Elektroden im Betrieb des Elektronenmikroskops mit einer Hochspannung der Größenordnung
-300 kV relativ zum Erdpotential versorgen kann. Die Extraktionselektrode führt dann eine
Spannung der Größenordnung von ungefähr 4 kV bezüglich der Spitze, während die
Linseneffektelektrode auf eine Spannung der Größenordnung von 2 kV in Bezug auf die Spitze
eingestellt ist.
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Die Elektronen treten schließlich aus der Elektronenkanone über eine
Öffnung in der Anode 12 aus, die Erdpotential führt. Die Elektronen sind einer
beschleunigenden Potentialdifferenz von ungefähr 300 kV ausgesetzt worden, was einem
elektrostatischen Beschleunigungshochspannungsfeld zwischen der Spitze 4 und der Anode 12 im
Kanonenraum 14 entspricht. Um das genannte Feld gleichmäßig über den Raum 14 in
vertikaler Richtung zu verteilen, ist eine Anzahl von beispielsweise 8 scheibenförmigen
Elektroden in dem genannten Raum angeordnet, von denen zwei (16a und 16b) gezeigt werden.
Die Elektroden 16a und 16b sind mit einer Hochspannung verbunden, deren Wert zwischen
-300 kV und Erdpotential liegt und deren Wert gleichmäßig als Funktion des Abstandes
von der Spitze ansteigt. Der Raum 14 wird von einer Wand 20 aus Isoliermaterial wie z. B.
Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) umschlossen.
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Um an die scheibenförmigen Elektroden 16a und 16b eine Hochspannung
anzulegen, sind diese Elektroden mit Hochspannungsklemmen 18a und 18b versehen. Die
Hochspannungsklemmen verlaufen zu den Elektroden 16a und 16b durch die Wand 20; sie
liegen in einem Raum 22, der zur Hochspannungsisolierung mit gasförmigem
Schwefelfluorid (SF&sub6;) gefüllt ist. Der Raum 22 selbst ist von einer gasdichten Wand 24 umschlossen.
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Im Raum 14 ist eine Monochromatorfiltergesamtheit 10 unter der
Linseneffektelektrode und über den Elektroden 16a und 16b angeordnet, um eine gleichmäßige
Hochspannungsverteilung zu erhalten; die optische Achse 26 der Filtergesamtheit fällt so
gut wie möglich mit der optischen Achse des Elektronenmikroskops zusammen. Diese
Filtergesamtheit ist dazu bestimmt, aus dem Primärelektronenstrahlenbündel, das aus der
Spitze austritt, ein Teilbündel mit einer Energiedispersion auszuwählen, die kleiner ist als die
des Primärstrahlenbündels. Der Aufbau und die Eigenschaften dieser Filtergesamtheit
sollen anhand der anderen Figuren näher beschrieben werden.
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Fig. 2 veranschaulicht den Strahlengang in der Filtergesamtheit 10 gemäß
der Erfindung. In dieser Figur wird die Filtergesamtheit 10 schematisch durch eine
Eintrittsblende 30 dargestellt, deren Öffnung 32 der Deutlichkeit halber übertrieben groß
dargestellt ist. Die Filtergesamtheit 10 ist als bekanntes Wien-Filter ausgeführt, das aus einem
Polsystem zum Erzeugen eines Magnetfeldes und einem Elektrodensystem zum Erzeugen
eines elektrostatischen Feldes besteht. Das Magnetfeld wird beispielsweise von einem Satz
von Magnetpolen 34 erzeugt, so dass die Feldlinien des Magnetfeldes in der Zeichenebene
verlaufen. Das elektrostatische Feld verläuft senkrecht zur Zeichenebene und wird von zwei
flachen Elektroden (in der Figur nicht abgebildet) erzeugt, die parallel zur Zeichenebene
liegen.
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In Fig. 2 wird das Primärstrahlenbündel 31 durch die Öffnung der
Extraktionselektrode 6 begrenzt. Wenn die Begrenzungsöffnung groß ist, wird der Strahlstrom in
dem Wien-Filter so groß, dass im Fokussierungsbereich des Filters eine starke
Wechselwirkung zwischen den Elektronen in dem Strahlenbündel auftritt, der sogenannte Boersch-
Effekt, so dass in dem Filter Energiedispersion auftritt. In diesem Fall ist Energiedispersion
unerwünscht und daher muss der Strom in dem Wien-Filter so weit begrenzt werden, dass
keine (merkbare) Energiedispersion mehr auftritt. Ein geeigneter Wert für den Strahlstrom
in einem praktischen Aufbau ist beispielsweise 50 nA. Hierzu wird eine Eintrittsblende 30
mit einer Öffnung angebracht, die wesentlich kleiner als die Öffnung 32 von Fig. 2 ist. Die
Öffnung hat einen Durchmesser von beispielsweise 100 um, während die Öffnung in der
Extraktionselektrode 6 einen Durchmesser von beispielsweise 400 um hat. Die Blende 30
ist mit den Magnetpolschuhen 34 starr verbunden; es ist auch möglich, die genannte Blende
zum Abschließen (Definieren) des Magnetfeldes starr mit einem Abschlussstück zu
verbinden, sofern dieses vorhanden ist.
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Fig. 3a ist eine schematische Draufsicht der Filtergesamtheit 10 gemäß der
Erfindung und Fig. 3b ist eine Querschnittsansicht davon, entlang einer Ebene durch die
optische Achse 26. Das Magnetfeld im Raum 46 wird mit einer Magnetschaltung erzeugt,
die aus einem Permanentmagnetteil 36 besteht, der sich in Kontakt mit einer Eisenschaltung
38,40,42 befindet. Die letztgenannte Schaltung ist aus einem Material hergestellt, das eine
hohe magnetische Permeabilität hat, beispielsweise Eisen, und dient dazu, den
magnetischen Fluss aus dem Permanentmagneten 36 zum Raum 46 zu führen. An der Magnetseite
wird der Raum 46 von den Polschuhen 34 begrenzt. Das elektrische Feld wird von den
Elektroden 44 erzeugt, die in Fig. 3b der Deutlichkeit halber weggelassen worden sind.
Wegen der Verwendung des Permanentmagneten 36 zum Erzeugen des Magnetfeldes sind
elektrische Zuführleitungen, wie sie für Erregungsspulen erforderlich wären, nicht mehr
notwendig. Fig. 3b zeigt magnetische Abschlussstücke 48a und 48b. Auf Wunsch kann die
Eintrittsblende 30 über einen Halter 50 starr mit dem Abschlussstück 48a am Eingang der
Filtergesamtheit 10 verbunden werden.