DE19633496A1 - Monchromator für die Elektronenoptik, insbesondere Elketronenmikroskopie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Monochromator für die Elektronenoptik, insbesondere Elektronenmi­ kroskopie, zur stigmatischen Abbildung unter Ver­ wendung von Ablenkfeldern und einer Schlitzblende sowie deren Verwendung.

In der Elektronenmikroskopie, aber auch in der Ho­ lographie wird die zu übertragende Information durch die inkohärenten Bildfehler begrenzt, zu denen neben den durch mechanische Instabilitäten hervorgerufenen "Verwackelungen" vor allem die chromatischen Fehler zu rechnen sind. Kohärente Bildfehler lassen sich hingegen durch geeignete Maßnahmen und so durch rechnerische Methoden der Bildkonstruktion beseitigen. Bei statischen und raumladungsfreien Rundlinsen kann der Einfluß des chromatischen Fehlers nur durch Verringerung der Energiebreite des auftreffenden Elektronenstrahles verringert werden. Um in der Elektronenmikroskopie bei einer Beschleunigungsspannung von 200 kV die Informationsgrenze unter 1 Angström zudrücken, darf die Energiebreite 0,2 eV nicht überschreiten. Als Elektronenquellen mit den geringsten Halbwertsbrei­ ten gelten bekanntlich die Feldemissionskathoden, bei denen die Energiehalbwertsbreite jedoch immer noch 0,7 bis 0,8 eV unter derartigen Bedingungen beträgt. Genauere Untersuchungen haben gezeigt, daß etwa 30% der Elektronen eine Abweichung von weniger als 0,1 eV besitzen und einen Strom von einigen we­ nigen Mikroampere erzeugen. Für bestimmte Anwendun­ gen, wie die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ist diese Stromstärke ausreichend, so daß das Herausfiltern der verbleibenden 70% der Elektronen ein gangbarer Weg zur Realisierung einer hinrei­ chend monochromatischen Elektronenquelle mit aus­ reichender Stromstärke darstellen würde. Die grund­ sätzliche Realisierung dieses Zieles eröffnet die Verwendung eines Monochromators. Als erheblicher Nachteil ist anzusehen, daß die bekannten Monochro­ matoren ein stigmatisches Zwischenbild der Elektro­ nenquelle erzeugen, was zu einer Energieverbreite­ rung aufgrund des Boersch-Effektes führt. Dieser Begriff bezeichnet das Phänomen, daß bei Elektro­ nenstrahlen, die in einem Punkt fokussiert werden, aufgrund der dann in diesem Bereich herrschenden hohen Stromdichte und der hieraus resultierenden gegenseitigen Beeinflussung der Elektronen die En­ ergiebreite des Strahles eine drastische Aufweitung erfährt.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Schaf­ fung eines elektronenoptischen Monochromators zur Aufgabe gemacht, mit dessen Hilfe die zur Verfü­ gungsstellung eines Elektronenstrahles geringe En­ ergiebreite möglich wird.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die Ablenkfelder und der optische Strahlengang spiegelsymmetrisch zu einer Ebene, der dispersiven Ebene, verlaufen, daß in der dispersiven Ebene ein astigmatisches Zwischenbild (=Linienfokus) erzeugt wird und die Schlitzblende dem astigmatischen Zwi­ schenbild derart zugeordnet ist, daß der Schlitz in Richtung des Linienfokus ausgerichtet ist.

Die Ablenkfelder werden im Hinblick auf die räumli­ che Anordnung sowie ihre Stärke spiegelsymmetrisch zu einer Ebene angeordnet; gleichermaßen wird der Strahlengang so einjustiert, daß er ebenfalls sym­ metrisch zu der selben Ebene verläuft. Aufgrund der symmetrischen Verhältnisse werden die Bildfehlerin­ tegrale für die Öffnungsfehler aber auch für die Verzeichnung in der Bildebene zu Null. In der durch die Spiegelsymmetrie definierten Ebene, in der ma­ ximale Dispersion erfolgt, wird ein astigmatisches Zwischenbild (Linienfokus) erzeugt. Eine der wich­ tigsten Erkenntnisse vorliegender Erfindung ist, daß im Falle eines linienförmigen astigmatischen Bildes im Vergleich zu einem stigmatischen Zwi­ schenbild eine wesentlich geringere Stromdichte er­ zeugt wird, so daß es nicht mehr zu einer wesentli­ chen Ausprägung des Boersch-Effektes kommt und hierin nicht mehr der limitierende Faktor der Ab­ bildungsqualität zu sehen ist. Die Dispersion er­ folgt senkrecht zum Linienfokus und wird vorteil­ hafterweise in der Symmetrieebene maximal einge­ stellt, so daß sie gleichzeitig die dispersive Ebene darstellt. Die Dispersion hat bekanntlich zur Folge, daß das Bild um so mehr vom Linienfokus ab­ weicht je größer die Energieabweichung dieser Elek­ tronen vom Mittelwert der den der Ort des Linienfo­ kus definierenden Elektronenenergie beträgt. Durch Zuordnung einer Schlitzblende zum astigmatischen Zwischenbild, in der Weise, daß der Schlitz in die Richtung des Linienfokus ausgerichtet ist, lassen sich bei geeigneter Einstellung der Schlitzweite all jene Elektronen ausfiltern, die in ihre kineti­ schen Energie hinreichend von den mittleren Elek­ tronenenergie abweichen. Die Veränderung der Schlitzbreite hat eine Änderung der Energiebreite der durchgelassenen Elektronen zur Folge. Im Ergeb­ nis erhält man im stigmatischen Bild nur noch jene Elektronen, die in ihrer Energiebreite unter einer durch die Einstellung der Schlitzblende vorgege­ benem Wert liegen. Bei Abbildung einer Elektronen­ quelle läßt sich ein Elektronenstrom mit hinrei­ chend geringer Energiebreite erzeugen.

Im Rahmen der Erfindung steht grundsätzlich frei, welche Art von Ablenkfeldern eingesetzt werden. Ne­ ben magnetischen Feldern- die permanent oder durch Ströme erzeugt sein können, ist die Verwendung elektrostatischer Felder als besonders bevorzugt zu erachten. Aufgrund der hohen Spannungen gegenüber der Erde sind elektrostatische Ablenkfelder einfa­ cher realisierbar. Ihnen ist bei bestimmten Anwen­ dungsfällen, wie der Transmissionselektronenmikro­ skopie, der Vorzug zu geben.

Im Hinblick auf die räumliche Anordnung ist der spiegelsymmetrische Aufbau zur Symmetrieebene ent­ scheidend, die gleichzeitig die dispersive Ebene darstellt. So ist die Form einer in einer Ebene liegenden Schlaufe denkbar. Besonders bevorzugt ist jedoch, wenn der Aufbau und somit der optische Strahlengang der Form eines Omega entspricht. Ge­ genüber anderen denkbaren Lösungen zeichnet sie sich dadurch aus, daß sie eine Realisierung des Mo­ nochromators mit geringer Bauhöhe zuläßt.

Zur Erreichung einer präzisen Filterwirkung ist von Vorteil, wenn die Bildfehler zweiter Ordnung, ins­ besondere die Öffnungsfehler senkrecht zur Schlitz­ blende in der Dispersionsebene möglichst klein ge­ wählt werden. Um den Durchmesser des Bildpunktes gering zu halten müssen die Bildfehler zweiter Ord­ nung in der Bildebene ebenfalls möglichst gering gehalten werden.

Die Ablenkfelder bestehen aus Dipolen, die zu einer Krümmung des optischen Strahlenganges Anlaß geben und denen Quadropole überlagert sind, um die in der einen Richtung senkrecht zum Strahlengang erfol­ gende Defokussierung zu kompensieren. Die Realisie­ rung der Dipol- und Quadropolfelder kann durch ent­ sprechende Gestaltung der Elektrodenoberfläche Um­ setzung finden.

Die Erzeugung des astigmatischen Zwischenbildes wird im mathematischen Sinn dadurch beschrieben, daß die beiden Elementarlösungen der zugrundelie­ genden Differentialgleichung, die von der optischen Achse im Gegenstandspunkt in den beiden senkrecht zueinander verlaufenden Schnitten ausgehen in der Ebene der Blende zum eine einen Maximalwert anneh­ men und zum anderen zu Null werden. Dabei weist der eine Strahlengang eine Punktsymmetrie und der an­ dere eine Spiegelsymmetrie zur dispersiven Ebene auf, in der weiterhin die Dispersion einen Maximal­ wert annimmt, die in der Gegenstands- und Bildebene zu Null wird, so daß ebenfalls ein zur dispersiven Ebene spiegelsymmetrischer Verlauf gegeben ist.

Einsatz und Verwendung des erfindungsgemäßen Mono­ chromators sind vielfältig. Unter Anlehnung an die Ausführungen zum Stande der Technik kann er dazu eingesetzt werden, einen Elektronenstrom von vor­ gebbarer und in ihren Grenzen veränderbarer Ener­ giebreite zu erzeugen. Zu diesem Zweck wird die Elektronenquelle von großer Energiebreite im Gegen­ standspunkt des Monochromators angeordnet, so daß man im Bildpunkt die stigmatische Abbildung der Elektronenquelle jedoch mit demgegenüber geringerer Energiebreite erhält. Der Monochromator ist hierzu unmittelbar hinter der Elektronenquelle einzuord­ nen.

In einer anderen Möglichkeit der Verwendung wird der Monochromator in den Abbildungsstrahlengang des abbildenden elektronenoptischen Systems einge­ bracht. Seine Aufgabe besteht darin, durch entspre­ chende Einstellung der Schlitzblende Elektronen be­ stimmter Energien aus dem Strahlengang zu selektie­ ren. Durch Veränderung des Energiefensters lassen sich die Energien dieser Elektronen sowie die Ener­ giebreite des erfaßten Strahlenganges bestimmen und variieren. Bei Elektronen niederer Energie kann der aus der Transmissionselektronenmikroskopie bekannte Monochromator direkt übernommen werden.

Bei einem speziellen Einsatz in der Niederenergie­ elektronenmikroskopie wird der Monochromator bei der Abbildung der vom Objekt emittierten oder rück­ gestreuten Elektronen eingesetzt. Diese Elektronen haben von Haus aus eine hohe Energiebreite. Eine Verbesserung des Kontrastes läßt sich durch Nutzung von Elektronen aus einem schmalen Energieband er­ reichen. Durch selektives Setzen des Energiefen­ sters können sukzessive bestimmte Signale herausge­ griffen und verstärkt und andere demgegenüber abge­ schwächt werden. Eine gezielte Hervorhebung be­ stimmter Informationen ist auf diesem Wege möglich.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei­ bungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben wird. Sie zeigt in Querschnittsdarstellung einen Schnitt in Richtung der optischen Achse durch eine Monochromator.

Die elektrostatischen Ablenkfelder (1-4) sind paarweise symmetrisch zur Mittelebene (5) angeord­ net. Die optische Achse des gekrümmten Strahlengan­ ges ist ebenso wie die Gesamtheit der Ablenkfelder (1-4) von der vorm eines Omega.

Dort, wo der Strahlengang (6) die Symmetrieebene (5) schneidet, ist eine Schlitzblende (7) angeord­ net, die senkrecht zur Zeichenebene verläuft und in der der Linienfokus des astigmatischen Zwischenbil­ des liegt. Senkrecht hierzu, d. h. in der Zeichene­ bene, erfolgt die Dispersion, also eine Ablenkung vom mittleren Strahlengang um einen Wert, der pro­ portional ist der Energieabweichung. Durch Verände­ rung der Schlitzweite läßt sich selektiv die Ener­ giebreite der von der Schlitzebene durchgelassenen Elektronen feststellen und verändern. Im Ergebnis erreichen nur jene Elektronen den Bildpunkt, die sich innerhalb dieser Energiebreite befinden. Der Elektronenstrahl wird als Resultat monochromatisch.

Claims (8)

1. Monochromator für die Elektronenoptik, insbeson­ dere Elektronenmikroskopie zur stigmatischen Abbil­ dung unter Verwendung von Ablenkfeldern und einer Schlitzblende, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ablenkfelder (1-4) und der optische Strahlen­ gang spiegelsymmetrisch zu einer Ebene (5), der di­ spersiven Ebene, verlaufen,
daß in der dispersiven Ebene (5) ein astigmatisches Zwischenbild (=Linienfokus) erzeugt wird und
die Schlitzblende (7) dem astigmatischen Zwischen­ bild derart zugeordnet ist, daß der Schlitz in Richtung des Linienfokus ausgerichtet ist.

2. Monochromator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch elektrostatische Ablenkfelder (1-4).

3. Monochromator nach Anspruch 1 oder 2, gekenn­ zeichnet durch einen Aufbau in Omega-Form.

4. Monochromator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildfehler zweiter Ordnung, insbesondere die Öffnungsfehler, senkrecht zur Schlitzblende in der Dispersionsebene und/oder in der Bildebene minimiert sind.

5. Monochromator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkfelder (1-4) aus Dipolen und überlagernden Quadropolen beste­ hen.

6. Verwendung des Monochromators nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Monochromator hinter einer Elektronenquelle ange­ ordnet ist, die im Objektpunkt des Monochromators liegt und in den Bildpunkt abgebildet wird.

7. Verwendung eines Monochromators gemäß der An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er in den Abbildungsstrahlengang eines elektronenopti­ schen Systemes eingebracht wird.

8. Verwendung des Monochromators nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er zur Abbildung nie­ derenergetischer Elektronen, z. B. Sekundärelektro­ nen, eingesetzt wird.