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Dokumentenidentifikation DE19526999A1 01.02.1996
Titel Elektronenenergiefilter und Transmissionselektronenmikroskop mit einem solchen
Anmelder Hitachi, Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Taniguchi, Yoshifumi, Hitachinaka, Ibaraki, JP;
Taya, Shunroku, Mito, Ibaraki, JP
Vertreter Strehl, Schübel-Hopf, Groening & Partner, 80538 München
DE-Anmeldedatum 24.07.1995
DE-Aktenzeichen 19526999
Offenlegungstag 01.02.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.02.1996
IPC-Hauptklasse H01J 37/05
IPC-Nebenklasse G01N 23/04   
Zusammenfassung Ein Elektronenenergiefilter ist so aufgebaut, daß ein Paar Joche (1a, 1b) mit Elektronenstrahlkanal-Löchern (61, 62) und Polstücken (2, 3) an jeder der einander zugewandten Seiten vorhanden sind, wobei die Polstücke einander unter Einhaltung eines bestimmten Raums zugewandt sind. Das Elektronenenergiefilter wird in einem Transmissionselektronenmikroskop angebracht, um ein stabiles Kartierungsbild von Aufbauelementen zu erhalten.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Elektronenenergiefilter und ein mit einem solchen versehenes Transmissionselektronenmikroskop, und spezieller betrifft sie eine Vorrichtung, die dazu geeignet ist, ein Elementkartierungsbild für einen kleinen Bereich dadurch zu erhalten, daß Elektronen mit spezieller Energie aus einem Elektronenstrahl abgesondert werden, der durch die Probe hindurchläuft, und dann eine Abbildung erfolgt.

Eine solche Vorrichtung zur Energieauflösung eines durch eine Probe gestrahlten Elektronenstrahls ist ein Elektronenenergiefilter, das nur Elektronen mit einer Energie in einem speziellen Energiebereich aussondert, und es wird am häufigsten in Kombination mit einem Transmissionselektronenmikroskop verwendet. Durch eine Probe gestrahlte Elektronen verlieren durch inelastische Streuung an Aufbauelementen der Probe Energie, die vom Streuelement abhängt, weswegen ein Elektronenmikroskopbild, das mit Elektronen erhalten wird, die eine spezielle Energiemenge verloren haben, eine zweidimensionale Karte entsprechend einem Aufbauelement der Probe wiedergibt. Ein Elektronenstrahl, der nach Transmission durch eine Probe Elektronen in einem großen Energiebereich enthält, wird gefiltert, damit nur Elektronen in einem speziellen Energiebereich weiterlaufen können, und der sich ergebende Elektronenstrahl mit eingeschränktem Energiebereich bildet ein kontrastreiches Bild ab.

Das Elektronenenergiefilter besteht aus mehreren Magnetpolen mit Polstücken, die so angeordnet sind, daß sie einander unter Einhaltung eines bestimmten Spalts gegenüberstehen, wobei kein Magnetfeld im Raum zwischen benachbarten Magnetpolen existiert, wodurch sich in diesem freien Raum ein Elektron geradlinig bewegen kann. Elektronen, die in ein Energiefilter entlang der Mittelachse eines Elektronenmikroskops eingeführt wurden, laufen durch den Spalt zwischen Magnetpolen und den freien Raum, wobei sie von der Mittelachse abweichen und dann wieder entlang der Mittelachse laufen. An der Rückseite des Energiefilters wird ein Energiespektrum erhalten, wobei eine spezielle Energie ausgewählt ist.

Nach der Energieauswahl wird ein zweidimensionales Kartenbild unter Verwendung einer Abbildungselektronenlinse erhalten. Ein Energiefilter dieses Typs wird als Säulen-Energiefilter bezeichnet, und es sind hierzu verschiedene Typen offenbart, wie ein in JP-A-62-66553 (1987) beschriebenes Ω-Energiefilter, ein in JP-A-62-69456 (1987) beschriebenes α-Energiefilter und ein von den Erfindern vorgeschlagenes γ-Energiefilter.

Um Elektronenenergiefilter dieser Typen herzustellen, müssen einander zugewandte Magnetpole hergestellt und mit hoher Genauigkeit positioniert werden, wobei ein Verfahren zum Herstellen derartiger Energiefilter z. B. in JP-A-4-294044 (1992) offenbart ist.

Dieses Elektronenenergiefilter wird als Ω-Energiefilter bezeichnet, das ein Paar Außenplatten und ein Paar einander gegenüberstehender Innenplatten aufweist, und vier Magnetpole zum Ablenken eines Elektronenstrahls sind mit Polstücken ausgebildet, die unter Einhaltung eines bestimmten Spalts einander gegenüberstehen.

Das gesamte, wie vorstehend beschrieben aufgebaute Elektronenenergiefilter ist in einer Vakuumkammer angebracht, die als Säule des Elektronenmikroskops dient.

Ein anderer Aufbau eines herkömmlichen Energiefilters (zweiter Stand der Technik) ist z. B. in JP-A-58-32347 (1983) beschrieben. Im Fall dieses Energiefilters ist der gesamte Elektronenstrahlkanal im Filter unter Verwendung zylindrischen, unmagnetischen Materials isoliert, und ein Magnetfeld wird von der Außenseite des Elektronenstrahlkanals unter Verwendung von Sektormagnetpolen angelegt.

Beim vorstehend angegebenen ersten Stand der Technik befindet sich das gesamte Energiefilter in einer Vakuumkammer und ist daher evakuiert. In diesem Fall liegen alle Teile einschließlich der Außenplatten, Innenplatten, Magnetfeld- Erzeugungsspulen, Magnetpole, Schrauben und Einstellstifte im Vakuum, weswegen das Volumen und die Oberfläche im Vakuum sehr groß sind. Jedoch sind die einzelnen Abpumplöcher kleine Elektronenstrahl-Löcher, die für den Eintritt und Austritt eines Elektronenstrahls vorhanden sind.

Wegen dieser ungünstigen Bedingungen erfordert es lange Zeit, das Elektronenenergiefilter bis auf ein bestimmtes Vakuumausmaß zu evakuieren, und aus den Spulen austretendes Gas beeinflußt das Ausmaß des Vakuums nachteilig und verunreinigt die Probe. Insbesondere dann, wenn die Oberflächenmorphologie betrachtet wird und wenn eine Probe mit in Eis eingebettetem Gewebe betrachtet wird, ist eine Verunreinigung der Probe verheerend. Um Hochvakuum zu erzielen, ist eine Evakuierung unter Erwärmung mittels eines Heizers erforderlich, jedoch muß der Heizer im Fall dieses Aufbaus innen im Vakuum liegen, weswegen eine Evakuierung unter Erwärmung keinen deutlichen Evakuiereffekt zeigt, was beim ersten Stand der Technik nachteilig ist.

Zusätzlich ist beim obenbeschriebenen ersten Stand der Technik jedes Polstück unabhängig von einer Außenplatte, und diese Teile werden mit Einstellstiften positioniert und verschraubt. Jede Platte wird durch eine Innenplatte hindurch mit Einstellstiften zur anderen positioniert.

Jedes Polstück, das jeweils einen Magnetpol bildet, wird indirekt über ein jeweiliges Teil positioniert, weswegen die Parallelität jedes Polstücks durch die Summe aus der Ebenheit der Platte und des Polstücks, die Parallelität zwischen der Platte und dem Polstück und die Parallelität zwischen den Platten gegeben ist. Demgemäß verringern eine Lockerheit eines Einstellstifts und schlechte Genauigkeit und Ebenheit die Positioniergenauigkeit und die Parallelität eines Polstücks. Andererseits sind extrem hohe Bearbeitungsgenauigkeit und Aufbaugenauigkeit erforderlich, um die erforderliche Positioniergenauigkeit und Parallelität zu erzielen, wobei diese Bedingungen zu ungünstigen Kosten führen.

Andererseits wird beim obenbeschriebenen zweiten Stand der Technik nur der Elektronenstrahlkanal unabhängig evakuiert, weswegen hierbei im Gegensatz zum ersten Stand der Technik kein Vakuumproblem besteht. Jedoch wird der Elektronenstrahlkanal, wie er hier verwendet wird, durch Verschweißen von Rohren hergestellt, die aus unmagnetischem Material bestehen, die gebogen wurden, um an den Lauf des Elektronenstrahls angepaßt zu sein, oder er wird durch Verschweißen von Platten hergestellt, die mit Gräben versehen sind, die an den Lauf des Elektronenstrahls angepaßt sind. Während des Verschweißens werden die Teile erhitzt, was zu teilweiser Verformung und, abhängig vom Material, zu Magnetisierung führt. Die Magnetisierung verursacht häufig eine Ablenkung des Elektronenstrahls aus dem Kanal.

Der Zusammenbau des Elektronenstrahlkanals durch Verschweißen verursacht häufig Vakuumlecks. Der Elektronenstrahlkanal liegt im Spalt zwischen den Polstücken, und das Rohr aus unmagnetischen Material ist im Spalt angeordnet; dieser Aufbau verringert den für den Elektronenstrahlkanal zur Verfügung stehenden Raum auf die Hälfte. Wenn dagegen die Transmission von Elektronen dadurch verbessert wird, daß der Innendurchmesser des Elektronenstrahlkanals und der Raum zwischen den Polstücken erhöht werden, sollte der Spulenstrom proportional zum Raum zwischen den Magnetpolen erhöht werden, um das erforderliche Magnetfeld zu erhalten. Der erhöhte Spulenstrom verursacht wegen der Erwärmung der Spulen eine Drift und eine Abweichung der Elektronenstrahlposition, was Nachteile beim zweiten Stand der Technik sind.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Elektronenenergiefilter mit verringerter, vakuumausgesetzter Oberfläche und mit hoher Positioniergenauigkeit der Polstücke zu schaffen.

Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, ein Transmissionselektronenmikroskop zu schaffen, das einfache Evakuierung ermöglicht und das auf stabile Weise mit hoher Auflösung eine Karte von Aufbauelementen erstellen kann.

Die Aufgabe betreffend das Elektronenenergiefilter ist durch die Lehre von Anspruch 1 gelöst, während die Aufgabe betreffend das Transmissionselektronenmikroskop durch die Lehren der unabhängigen Ansprüche 11 und 15 gelöst ist.

Das erfindungsgemäße Elektronenenergiefilter ist mit einem Paar Joche mit Löchern zum Durchlassen eines Elektronenstrahls versehen, und Polstücke sind an jeder der einander zugewandten Seiten des Paars Joche vorhanden, wobei das Paar Joche parallel angeordnet ist, so daß die Polstücke einander unter Einhaltung eines bestimmten Spalts zugewandt sind.

Das erfindungsgemäße Elektronenmikroskop ist mit einem solchen Elektronenenergiefilter in einem Raum im Mikroskop an einer Position versehen, die mit der Mittelachse des Elektronenstrahls zusammenfällt, nachdem dieser durch eine Probe gelaufen ist.

Bei der Erfindung ist eine Analysatorkammer aus unmagnetischem Material zwischen dem Paar Joche angeordnet, die in verschiedener Weise modifiziert werden kann, um ihr Funktionsvermögen zu verbessern. So schafft die Erfindung hervorragende Strukturen, zusätzlich zu den obenbeschriebenen Lösungen und Merkmalen, und diese hervorragenden Strukturen werden auch in den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen im Detail beschrieben.

Fig. 1 ist eine Zusammenbauzeichnung eines erfindungsgemäßen Elektronenenergiefilters;

Fig. 2 ist ein Querschnitt durch das in Fig. 1 dargestellte Elektronenenergiefilter;

Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch das in Fig. 1 dargestellte Elektronenenergiefilter;

Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm eines in einem Elektronenmikroskop angebrachten Elektronenenergiefilters;

Fig. 5 ist ein Kurvendiagramm, das die Magnetfeldverteilung im in Fig. 3 dargestellten Elektronenenergiefilter veranschaulicht;

Fig. 6 ist eine Zusammenbauzeichnung eines beim Ausführungsbeispiel verwendeten magnetischen Abschirmzylinders;

Fig. 7 ist eine Zusammenbauzeichnung eines Ω-Energiefilters gemäß der Erfindung und

Fig. 8 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des Gesamtaufbaus eines erfindungsgemäßen Transmissionselektronenmikroskops.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel im einzelnen beschrieben.

Zunächst wird der Gesamtaufbau eines erfindungsgemäßen Transmissionselektronenmikroskops beschrieben.

In der Zeichnung ist ein Elektronenenergiefilter 1 ein sogenanntes Säulen-Elektronenenergiefilter, das zwischen Zwischenlinsen 150 und Projektionslinsen 170 angeordnet ist. Ein von einer Elektronenkanone 110 emittierter Elektronenstrahl 100 wird durch Kondensorlinsen 120 gebündelt, durchstrahlt dann eine Probe 130, wird durch Objektivlinsen 140 vergrößert, durch die Zwischenlinsen 150 auf einen Überkreuzungspunkt 100a konvergiert, durchläuft das Elektronenenergiefilter 1 und wird an einem Energiedispersionspunkt 100d, wenn Elektronen mit verschiedenen Energien dispergiert sind, durch ein Magnetfeld erneut konvergiert, um ein Linienspektrum zu bilden. Am Energiedispersionspunkt 100d ist ein variabler Schlitz 160 vorhanden, um ein spezielles Energieband auszuwählen.

Andererseits wird die mit der Zwischenlinse 150 abgebildete Eintrittsbildebene 100b durch das Elektronenenergiefilter 1 erneut auf eine Austrittsbildebene 100c abgebildet. Das Austrittsbild ist wegen eines Versatzes der Dispersion mittels des Elektronenenergiefilters 1, d. h. wegen dem sogenannten achromatischen Effekt, selbst dann nicht verschmiert, wenn der Elektronenstrahl 100 eine Energieverteilung aufweist.

Das Austrittsbild 100c des Elektronenstrahls 100 mit spezieller Energie, wie durch Auswahl des variablen Schlitzes 160 erhalten, wird vergrößert und auf einem Fluoreszenzschirm 180 abgebildet. 190 ist ein Detektor und 200 ist die Säule des Mikroskops.

Magnetpole des Elektronenenergiefilters 1 sind mit Spulen bewickelt, wie dies nachfolgend beschrieben wird, wodurch die Pole ein Magnetfeld erzeugen, so daß der Elektronenstrahl abhängig von der Beschleunigungsspannung der Elektronen einen speziellen Weg durchläuft.

Auf dem Fluoreszenzschirm 180 wird ein stabiles Elektronenstrahlbild mit hoher Auflösung abgebildet, wobei der Elektronenstrahl eine ausgewählte Energie hat, die aus dem Elektronenstrahl 100 ausgewählt wurde, wie er durch die Probe 130 lief.

Nachfolgend wird der Aufbau eines erfindungsgemäßen Elektronenenergiefilters beschrieben. Fig. 1 ist eine Zusammenbauzeichnung zum Veranschaulichen des Aufbaus des Elektronenenergiefilters des Ausführungsbeispiels. Fig. 2 ist eine Schnittansicht im wesentlichen entlang der Linie B-B von Fig. 1 nach dem Zusammenbau, und Fig. 3 ist eine Schnittansicht durch das in einem Transmissionselektronenmikroskop angebrachten Elektronenenergiefilter, wobei als Beispiel ein γ-Elektronenenergiefilter beschrieben wird.

Ein Paar Joche 1a und 1b, die so angeordnet sind, daß sie einander über eine eingefügte Analysekammer 30 hinweg gegenüberstehen, besteht aus massivem, ferromagnetischem Material, und der Hauptteil der Joche verfügt im wesentlichen über spiegelsymmetrischen Aufbau. Die Joche 1a und 1b untereinander sowie die Oberseite und die Unterseite der Analysekammer 30 haben jeweils ungefähr denselben Aufbau, weswegen in der nachfolgenden Beschreibung jedes Teil, das zwischen dem Joch 1a und der Analysekammer 30 vorhanden oder ausgebildet ist, mit dem Symbol "a" versehen ist, und jedes Teil, das zwischen dem Joch 1b und der Analysekammer 30 vorhanden oder ausgebildet ist, mit dem Symbol "b" versehen ist, um zwischen beiden zu unterscheiden. Der Aufbau der jeweiligen anderen Seite wird in der Beschreibung teilweise weggelassen.

An den Gegenüberstehpositionen der gegenüberstehenden Seiten der Joche 1a und 1b sind Polstücke 2a und 3a sowie 2b und 3b ausgebildet, die einstückig mit den Jochen ausgebildet sind und Magnetpole 2 und 3 des Elektronenenergiefilters bilden. Die Joche 1a und 1b verfügen über jeweilige Umfangsrippen, die aneinander angesetzt werden, wenn das Joch 1a auf das Joch 1b gesetzt wird. Kerben 61a und 61b sowie 62a und 62b sind vorhanden, um ein Durchtrittsloch 61 für den Eintritt eines Elektronenstrahls, der durch eine Probe gelaufen ist, und ein Durchtrittsloch 62 für den Austritt des Elektronenstrahls nach der Ablenkung zu bilden.

In der Analysatorkammer 30 sind zwei Öffnungen 4 und 5 vorhanden, um die zwei Paare von Polstücken 2a und 2b sowie 3a und 3b einzuführen, und an den Rändern der Öffnungen 4 und 5, die dem Joch 1a zugewandt sind, sind Rippen 31a und 32a für die Öffnung 4 sowie Rippen 33a und 34a für die Öffnung 5 vorhanden. Auf ähnliche Weise sind an den Rändern der Öffnungen 4 und 5, die dem Joch 1b zugewandt sind, Rippen 31b, 32b, 33b und 34b vorhanden.

Zwischen die Rippen 31a und 32a sowie zwischen die Rippen 33a und 34a sind jeweils Vakuumdichtungen 7a bzw. 8a eingesetzt, und um die Rippen 32a und 34a sind Erregungsspulen 11a bzw. 12a angeordnet, um die Polstücke 2a bzw. 3a zu erregen. Auf ähnliche Weise sind zwischen die Rippen 31b und 32b sowie zwischen die Rippen 33b und 34b Vakuumdichtungen 7b bzw. 8b eingefügt, und um die Rippen 32b und 34b sind Erregungsspulen 11b bzw. 12b angeordnet, um die Polstücke 2b bzw. 3b zu erregen.

Durch die Wand zwischen den zwei Öffnungen 4 und 5 der Analysatorkammer 30 hindurch sind zwei Durchgangslöcher 81 und 82 ausgebildet, die die Öffnung 4 und die Öffnung 5 miteinander verbinden. An der Analysatorkammer 30 ist ein Elektronenstrahlkanal 6 vorhanden, der von der Endfläche für den Eintrittselektronenstrahl zur Endfläche für den Austrittselektronenstrahl durch die Öffnung 4 läuft.

Beim vorstehend beschriebenen Aufbau werden die Joche 1a und 1b und die Analysatorkammer 30 aufeinandergesetzt, die Joche 1a und 1b werden in horizontaler Richtung durch Einführen von Einstellstiften 26 zueinander ausgerichtet, und sie werden mit Schrauben 25 aneinander befestigt. Dabei werden, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, die Öffnungen 4 der Analysatorkammer 30 und die Polstücke 2a und 2b, die an den einander zugewandten Seiten der Joche 1a bzw. 1b ausgebildet sind, an einander zugewandten Positionen angeordnet, wobei dazwischen ein Raum mit einem bestimmten Magnetfeld freigehalten wird, und auf ähnliche Weise werden hinsichtlich der Öffnung 5 der Analysatorkammer 30 die Polstücke 3a und 3b, die an den einander zugewandten Seiten der Joche 1a bzw. 1b ausgebildet sind, in einer einander zugewandten Position angeordnet, wobei dazwischen ein Raum mit einem bestimmten Magnetfeld freigehalten wird. Die an den Rändern der Joche 1a und 1b ausgebildeten Kerben 61a und 61b sowie 62a und 62b bilden Öffnungen koaxial zum Elektronenstrahlkanal 6 in der Analysatorkammer 30, wobei die Kerben 61a und 61b als Eintrittskanalloch 61 für den Elektronenstrahl 100 dienen und die Kerben 62a und 62b als Austrittskanalloch 62 dienen. Das Innere der Analysatorkammer 30 wird über die Elektronenstrahlkanal-Löcher 61 und 62 und den Elektronenstrahlkanal 6 evakuiert.

Gemäß Fig. 3 wird der Divergenzwinkel des Eintrittselektronenstrahls in das Elektronenenergiefilter durch eine Auswahlblende 13 begrenzt, der Elektronenstrahl wird mit einer Zwischenlinse 15 abgebildet, er wird energetisch durch das Elektronenenergiefilter aufgelöst, wobei nur ein Elektronenstrahl mit ausgewählter Energie, der mit einem Energieauswahlschlitz 14 ausgewählt wurde, zu einer Projektionslinse 16 läuft, und schließlich wird ein elektronenmikroskopisches Bild erzeugt. In einem Schlitzgehäuse 40 ist ein Öffnungsende 41 des Elektronenstrahlkanals des Elektronenmikroskops ausgebildet, und an einem anderen Schlitzgehäuse 42 ist ein Öffnungsende 43 ausgebildet, und die beiden Enden sind über das Elektronenenergiefilter 1 miteinander verbunden.

Ein Elektronenstrahl 100, der in das Elektronenenergiefilter aus dem einen Elektronenstrahlkanal-Loch 61 entlang der Mittelachse des Elektronenmikroskops durch den Elektronenstrahlkanal 6 von der Eintrittsseite her eintritt, erfährt eine Ablenkung des Elektronenstrahls um 90° zwischen den Polstücken 2a und 2b (am Magnetpol 2), und anschließend läuft der Elektronenstrahl durch das Durchgangsloch 82 zum Magnetpol 3 (Polstücke 3a und 3b). Am Magnetpol 3 wird die Richtung des Elektronenstrahls 100 um ungefähr 180° umgelenkt, und dann läuft der Elektronenstrahl erneut durch das Durchgangsloch 81 zum Magnetpol 2. Am Magnetpol 2 wird die Richtung des Elektronenstrahls 100 erneut um 90° umgelenkt, und der Elektronenstrahl läuft durch den Elektronenstrahlkanal 6 entlang der Mittelachse des Elektronenmikroskops. Er tritt aus dem anderen Elektronenstrahlkanal-Loch 62 zur Außenseite des Elektronenenergiefilters aus.

Wie vorstehend beschrieben, sind bei der Erfindung die Magnetpole 2 und 3 einstückig mit dem Joch 1 ausgebildet, weswegen die einander zugewandten Polstücke genau und leicht positionierbar sind. Unter Verwendung der Analysatorkammer 30 sind die Oberfläche und das Volumen, die dem Vakuum ausgesetzt sind, verringert, weswegen die Abpumpgeschwindigkeit, das Ausmaß des Vakuums und dessen Qualität verbessert sind, was verhindert, daß die Probe verunreinigt wird. Gemäß der Erfindung ist keine große Vakuumkammer erforderlich, und die Vorrichtung weist minimale Größe und geringes Gewicht auf.

Beim vorstehend beschriebenen Aufbau besteht die Analysatorkammer 30 aus unmagnetischem Material, weswegen in den Durchgangslöchern 81 und 82 und dem Elektronenstrahlkanal 6 ein Streumagnetfeld besteht. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind in die Durchgangslöcher 81 und 82 und den Elektronenstrahlkanal 6 zylindrische, magnetische Abschirmzylinder 10 bzw. 88 eingesetzt, die aus ferromagnetischem Material bestehen, um magnetische Streufelder auszuschließen und einen geraden Durchlauf des Elektronenstrahls zu ermöglichen.

Fig. 5 ist ein Kurvendiagramm zum Erläutern von Versuchsergebnissen betreffend Messungen der Magnetfeldverteilung entlang einer Kurve, die die Punkt D und C in Fig. 3 miteinander verbindet, wobei die Kurve CD der Pfad einer Sonde ist, die für die Messung verwendet wurde. In Fig. 5 zeigt die durchgezogene Linie die Verteilung für den Fall ohne Einfügung des magnetischen Abschirmzylinders 10, und die strichpunktierte Linie b zeigt die Verteilung für den Fall der Einfügung des magnetischen Abschirmzylinders 10. Es ist aus der Figur deutlich erkennbar, daß durch das Einfügen des magnetischen Abschirmzylinders 10 das magnetische Streufeld im Durchgangsloch 81 vollständig abgeschirmt wird, wodurch der Elektronenstrahl gerade durch dieses Durchgangsloch 81 laufen kann.

Die Magnetfeldkonfiguration an den Enden der Magnetpole 2 und 3, wo der Elektronenstrahl ein- und austritt, beeinflußt die Funktionsfähigkeit des Elektronenenergiefilters deutlich. Die Enden der Polstücke haben unregelmäßige Form, wobei sie verjüngt oder gekrümmt sind, um für eine Kompensation der Aberration des Elektronenenergiefilters zu sorgen. Daher ist es erwünscht, daß die Endseiten der Polstücke an den Endseiten der magnetischen Abschirmzylinder 10 und 88, die den Polstücken zugewandt sind, verjüngt oder gekrümmt ausgebildet sind, um die Spalte zwischen den Zylinderenden und den Magnetpolenden auf einem bestimmten Wert zu halten. Durch das Anbringen der magnetischen Abschirmzylinder, deren Enden parallel zur Magnetpolkonfiguration liegen, wird die Verteilung des Magnetfelds an den Enden der Magnetpole geeignet geformt, und es wird ideale elektronenoptische Funktion erzielt.

Wenn die Formung des Magnetfelds durch die zylindrischen, magnetischen Abschirmteile, wie in Fig. 3 dargestellt, unzureichend ist, können magnetische Abschirmpole 20 aus ferromagnetischem Material an den Enden der magnetischen Abschirmzylinder 10 vorhanden sein, wobei diese Pole 20 so ausgebildet sind, daß sie an die Form der Spalte zwischen den offenen Enden der Durchgangslöcher 81 und 82 und den Polstücken angepaßt sind, wie in Fig. 6 dargestellt. Dadurch wird eine ideale Verteilung des Endmagnetfelds erzielt, und die Aberration des Elektronenenergiefilters wird deutlich verbessert.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Öffnungen der Elektronenstrahlkanal-Löcher 61 und 62 des Jochs 1 größer als die Öffnungen des Elektronenstrahlkanals 6 der Analysatorkammer, so daß die Öffnungen und deren Umgebung an der Elektronenstrahl-Eintrittsseite und -Austrittsseite des Elektronenstrahlkanals 6 in der Analysatorkammer 30 in den Elektronenstrahlkanal-Löchern 61 und 62 freiliegen. Ein Flansch 88f des magnetischen Abschirmzylinders 88 liegt in den Elektronenstrahlkanal-Löchern 61 und 62. Die Umgebung der Öffnungen des Elektronenstrahlkanals 6 in der Analysatorkammer 30 sowie die Innenseite des Flanschs 88f sind durch eine Vakuumdichtung 38 luftdicht abgedichtet. Der Elektronenstrahlkanal ist seitens des Elektronenstrahlmikroskops durch eine Vakuumdichtung 39 außerhalb des Flanschs 88f luftdicht abgedichtet.

Fig. 4 ist eine Draufsicht auf den Mittelachse-Einstellmechanismus, gesehen von der Elektronenstrahl-Eintrittsseite her, um diesen Mittelachse-Einstellmechanismus des Elektronenenergiefilters zu beschreiben, das im Transmissionselektronenmikroskop angebracht ist. Im Fall eines Aufbaus, bei dem Luftdichtheit unter Verwendung des magnetischen Abschirmzylinders 88 aufrechterhalten wird, wie bei diesem Ausführungsbeispiel beschrieben, sind die Einstellung der Position des Elektronenenergiefilters und die Herstellung der Übereinstimmung der Mittelachse des Elektronenenergiefilters mit der Mittelachse des Elektronenmikroskops durch eine Ferneinstellung von der Atmosphärenseite her möglich. Das Elektronenenergiefilter kann in der Richtung der Energiedispersion sowie in vertikaler Richtung unter Verwendung einer Einstellschraube 17 verstellt werden, die direkt an der Säule 11 angebracht ist. Zum Beispiel wird das Elektronenenergiefilter mittels einer Schraube 18 und einer Scheibe 19 zum Fixieren der Schraube 18 in der Energiedispersionsrichtung verstellt.

Ein Strom, der dazu erforderlich ist, den Elektronenstrahl abzulenken, wird einer Erregungsspule 7 zugeführt. Die Temperaturänderung der Erregungsspule 7 wurde gemessen, wobei sich ein Temperaturanstieg von ungefähr 5°C nach ungefähr 1 Std. zeigte, woraufhin kein weiterer Anstieg auftrat. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Spalt zwischen den Magnetpolen verkleinert werden, wodurch ein verringerter Spulenstrom für den Betrieb ausreicht, und der Temperaturanstieg der Spule ist vernachlässigbar klein, wodurch es möglich ist, eine Kühleinrichtung wegzulassen.

Beim Aufbau des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels sind die Polstücke einstückig mit den Jochen 1a und 1b ausgebildet, und die Analysatorkammer 30 ist zwischen den Jochen 1a und 1b vorhanden. Wenn jedoch nur die Relativpositionierung der Polstücke verbessert werden soll und keine Beschäftigung mit einer Verringerung der dem Vakuum ausgesetzten Oberfläche erfolgt, ist die Analysatorkammer 30 nicht notwendigerweise erforderlich. Wenn dagegen nur eine Verbesserung bei der Verringerung der dem Vakuum ausgesetzten Oberfläche erfolgen soll und keine Beschäftigung mit der Relativpositionierung der Polstücke erfolgt, ist es nicht unbedingt erforderlich, die Polstücke einstückig mit den Jochen 1a und 1b auszubilden.

Beim hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Anwendung eines zweipoligen γ-Elektronenenergiefilters beschrieben, jedoch ist die Erfindung nicht auf diesen Fall beschränkt, sondern sie kann auf andere Arten von Elektronenenergiefiltern, wie auf Ω-Elektronenenergiefilter, angewandt werden.

Fig. 7 ist eine Zusammenbauzeichnung zum Veranschaulichen des Aufbaus eines Ω-Elektronenenergiefilters, auf das die Erfindung angewandt ist; es sind dieselben Symbole zum Bezeichnen entsprechender Teile verwendet. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind im Unterschied zum vorigen Ausführungsbeispiel drei Magnetpole 2 verwendet, jedoch ist der Aufbau, daß eine Analysatorkammer 30 zwischen den Jochen 1a und 1b liegt, derselbe. Wie hier beschrieben, kann die Erfindung auf jede Art von Elektronenenergiefilter unter Verwendung eines Magnetfelds angewandt werden.

Wie vorstehend beschrieben, werden die folgenden Wirkungen durch die Erfindung erzielt.

  • (1) Polstücke, die so angeordnet sind, daß sie einander zugewandt sind, sind genau und einfach in ihren Relativpositionen positionierbar, da sie einstückig mit Jochen ausgebildet sind.
  • (2) Die Evakuiergeschwindigkeit, das Ausmaß des Vakuums sowie dessen Qualität sind verbessert, was verhindert, daß die Probe verunreinigt wird, da die Oberfläche und das Volumen, die dem Vakuum ausgesetzt sind, dadurch verringert sind, daß eine Analysatorkammer eingefügt ist. Es ist keine große Vakuumkammer erforderlich, weswegen die Vorrichtung minimale Größe und geringes Gewicht aufweist.
  • (3) Das Entgasen des Elektronenenergiefilters durch Wärme ist einfach, da das Joch teilweise der Vakuumaußenseite zugewandt ist. Die mechanische Position des Elektronenenergiefilters ist von der Seite des Atmosphärendrucks her ohne komplizierten Vakuummechanismus einstellbar.
  • (4) Der Spalt zwischen Polstücken, die einander zugewandt angeordnet sind, ist auf die Breite der Elektronenstrahldivergenz verringert, da der vollständige Bereich des Spalts als Elektronenstrahlkanal zur Verfügung steht. Wärmeerzeugung ist unterdrückt, da ein verringerter Spulenstrom dazu ausreicht, das erforderliche Magnetfeld zu erzeugen.
  • (5) Zum Herstellen der Analysatorkammer sind keine Biege- und Schweißvorgänge erforderlich, weswegen eine Verformung und Magnetisierung durch Wärme verhindert sind.
  • (6) Streumagnetfelder in Durchgangslöchern sind beseitigt, da magnetische Abschirmzylinder in die Durchgangslöcher der Analysatorkammer eingesetzt sind.
  • (7) Eine Aberration des Elektronenenergiefilters ist unterdrückt, wenn die Endkonfiguration der magnetischen Abschirmzylinder dergestalt ist, daß Parallelität zur Oberfläche der den Zylindern zugewandten Polstücke besteht.



Anspruch[de]
  1. 1. Elektronenenergiefilter, das einen eintretenden Elektronenstrahl mit einer Energieverteilung erhält und einen Elektronenstrahl mit Elektronen nur in einem speziellen Energiebereich emittiert, gekennzeichnet durch
    1. - ein Paar Joche (1a, 1b), die dicht so aneinandergesetzt sind, daß mehrere Polstücke (2a, 3a, 2b, 3b), die aufeinander zugewandten Flächen der Joche vorhanden sind, einander unter Einhaltung eines bestimmten Spalts zugewandt sind;
    2. - einen Elektronenstrahlkanal in den Jochen; und
    3. - Erregungsspulen (11, 12) zum Erzeugen eines Magnetfelds zwischen den Polstücken durch Erregen derselben;
    4. - wobei ein eintretender Elektronenstrahl von einem Ende (61) des Elektronenstrahlkanals her zwischen den Polstücken abgelenkt wird und dann am anderen Ende (62) des Elektronenstrahlkanals austritt.
  2. 2. Elektronenenergiefilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polstücke (2a, 3a, 2b, 3b) einstückig mit den Jochen (1a, 1b) ausgebildet sind.
  3. 3. Elektronenenergiefilter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer Analysatorkammer (30) aus unmagnetischem Material versehen ist, die zwischen dem Paar Joche (1a, 1b) angeordnet ist und mit folgendem versehen ist:
    1. - mehreren Öffnungen (4, 5), in die die Polstücke (2a, 3a, 2b, 3b) jeweils eingeführt sind;
    2. - Elektronenstrahlkanal-Löcher (81, 82), die den Elektronenstrahlkanal in den Jochen mit den Öffnungen verbinden;
    3. - Abdichtteilen (7a, 8a, 7b, 8b), die um den Rand der Öffnungen angeordnet sind und an die an einander zugewandten Flächen der einander zugewandten Joche angepaßt sind, um für luftdichte Abdichtung zu sorgen; und
    4. - Erregungsspulen (11, 12), die am Rand der Abdichtungsteile vorhanden sind, um die Polstücke zu erregen, die in die Öffnungen eingeführt sind.
  4. 4. Elektronenenergiefilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrisches Abschirmteil (88) aus ferromagnetischem Material in das Durchgangsloch (6) der Analysatorkammer eingesetzt ist.
  5. 5. Elektronenenergiefilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Abschirmzylinder (88) so eingesetzt ist, daß er vom Durchgangsloch (6) in die Öffnung (4) vorsteht, und sein Ende so ausgebildet ist, daß es einen vorgegebenen konstanten Abstand gegen die Seite des Polstücks (2) einnimmt, das diesem Ende zugewandt ist.
  6. 6. Elektronenenergiefilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Abschirmzylinder folgendes aufweist:
    1. - einen Zylinderkörper (10), der in das Durchgangsloch einzusetzen ist; und
    2. - mindestens einen magnetischen Abschirmpol (20), der an mindestens einem Ende des Zylinderkörpers angebracht ist und zur Öffnung (4) vorsteht, und der so ausgebildet ist, daß er einen vorgegebenen konstanten Abstand gegen die Seite des Polstücks (2) einhält.
  7. 7. Elektronenenergiefilter nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter magnetischer Abschirmzylinder (88) aus ferromagnetischem Material in die Analysatorkammer (30) eingesetzt ist.
  8. 8. Elektronenenergiefilter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite magnetische Abschirmzylinder (88) einen zylindrischen Körper an einem Ende und einen Ringflansch (88f) am anderen Ende aufweist und die Vorderseite des Zylinderkörpers in ein Elektronenstrahlkanal-Loch eingesetzt ist, wobei die Öffnung des Lochs größer als die Öffnung des Elektronenstrahlkanals (6) der Analysatorkammer (30) ist, wobei der Flansch im Elektronenstrahlkanal-Loch aufgenommen wird und wobei die freiliegende Fläche der Analysatorkammer und die Innenseite des Flanschs durch Dichtungsteile (38, 39) luftdicht abgedichtet sind.
  9. 9. Elektronenenergiefilter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende des zweiten magnetischen Abschirmzylinders (88) so angeordnet ist, daß es vom Elektronenstrahlkanal (6) in die Öffnung (4) vorsteht, wobei das Ende so geformt ist, daß es von der Seite des Polstücks (2) einen vorgegebenen konstanten Abstand einhält.
  10. 10. Elektronenenergiefilter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Abschirmzylinder (88) mit einem magnetischen Abschirmpol (20) versehen ist, der an einem Ende des in den Elektronenstrahlkanal (6) eingesetzten Zylinderkörpers (10) befestigt ist und in die Öffnung vorsteht und so ausgebildet ist, daß er einen vorgegebenen konstanten Abstand zur Seite des Polstücks (2) einhält.
  11. 11. Transmissionselektronenmikroskop mit einem Elektronenenergiefilter nach einem der vorstehenden Ansprüche im Elektronenstrahlkanal, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl in das Elektronenenergiefilter eintritt, nachdem er durch eine Probe im Mikroskop gelaufen ist, und wobei der aus dem Elektronenenergiefilter ausgetretene Elektronenstrahl abgebildet wird.
  12. 12. Transmissionselektronenmikroskop nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem Raum zum Einsetzen des Elektronenenergiefilters versehen ist, wobei an jeder dem Raum zugewandten Seite Öffnungsenden des Elektronenstrahlkanals frei liegen und das Elektronenenergiefilter so eingesetzt ist, daß die Elektronenstrahlkanal-Löcher (61, 62) desselben mit den freiliegenden Öffnungsenden des Elektronenstrahlkanals jeweils übereinstimmen, wobei die Elektronenstrahlkanal-Löcher und die Öffnungsenden des Elektronenstrahlkanals durch Abdichtteile (38, 39) luftdicht abgedichtet sind.
  13. 13. Transmissionselektronenmikroskop nach Anspruch 12, ferner gekennzeichnet durch eine Einrichtung (17, 28) zum Verstellen des Elektronenenergiefilters im genannten Raum in der Ebene rechtwinklig zur Achse des Elektronenstrahls.
  14. 14. Transmissionselektronenmikroskop nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Heizeinrichtung zum Entgasen des freiliegenden Teils des Elektronenenergiefilters mittels Wärme.
  15. 15. Transmissionselektronenmikroskop, gekennzeichnet durch eine Elektronenkanone und ein Elektronenenergiefilter, wobei ein von der Elektronenkanone emittierter Elektronenstrahl auf eine Probe gestrahlt wird, und wobei mittels des Elektronenenergiefilters der durch die Probe gelaufene Elektronenstrahl so beeinflußt wird, daß ein Elektronenstrahl mit einem speziellen Energiebereich aus diesem abgesondert wird, der als Bild der Probe abgebildet wird, wobei das Elektronenenergiefilter folgendes aufweist: Elektronenstrahlkanal- Löcher (61, 62) für das Hindurchlaufen des durch die Probe gelaufenen Elektronenstrahls, Polstücke (2, 3), die einander unter Einhaltung eines bestimmten Raums angeordnet sind und die die Kanallöcher umschließen, Erregungsspulen (11, 12) zum Erregen der Polstücke und ein Paar Joche (1a, 1b), die an ihren einander zugewandten Seiten mit den Polstücken versehen sind und so aufeinandergesetzt sind, daß zwischen ihnen ein bestimmter Raum frei bleibt.






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