DE69705227T2 - Energiefilter, transmissionselektronenmikroskop und assoziiertes energiefilterungsverfahren - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiefilter, auch Geschwindigkeitsfilter genannt, ein Transmissions-Elektronenmikroskop und ein zugehöriges Verfahren zum Filtern von Energie.
• Die Erfindung ist insbesondere für Transmissions-Elektronenmikroskope oder TEM (Transmission Electron Microscope) oder für gemischte Mikroskope TEM-STEM (Scanning Transmission Electron Microscope oder Abtast- Transmissions-Elektronenmikroskop) sowie für Elektronenquellen anwendbar. Sie könnte für spezifische STEM-Mikroskope verwendet werden.
• Ein großer Nachteil der Transmissions-Elektronenmikroskope bei der Bildung der Diffraktionsbilder oder -diagramme besteht im Vorhandensein von chromatischen Abweichungen. Diese sind im wesentlichen durch die Unvollkommenheiten der einstellbaren elektromagnetischen Linsen des Mikroskops bedingt und rufen eine Verschlechterung des Kontrastes und der Auflösung hervor. Die chromatischen Abweichungen können in einem gewissen Maße verringert werden, indem eine gleichzeitig hohe und stabile Beschleunigungsspannung der Elektronen angelegt wird und indem sehr kleine Muster beobachtet werden.
• Eine besonders wirkungsvolle und genaue Art der Verbesserung des Bildes besteht jedoch darin, einen Teil der auf nicht elastische Weise verstreuten Elektronen durch ein Energiefilter zu beseitigen.
• Es können auch die Elektronen verwendet werden, die einen gegebenen Energieverlust erlitten haben, um das Bild zu bilden. Durch Auswahl eines für einen Interaktionstyp oder ein chemisches Element charakteristischen Verlustes wird somit ein gefiltertes Bild erhalten, das die kartographische Verteilung (mapping) dieses Interaktionstyps oder dieses Elements wiedergibt.
• Die Energiefilterung ermöglicht es auch, das Bild von Mustern zu bilden, die zu dick wären, um im herkömmlichen Transmissions-Elektronenmikroskop beobachtet zu werden.
• Ein Energiefilter umfaßt herkömmlicherweise Mittel zur räumlichen Streuung der Elektronen des von dem Muster übertragenen Strahls in Abhängigkeit von ihrer Energie sowie einen Filterschlitz, der es ermöglicht, ein Energiefenster auszuwählen. Zusätzlich zu ihrer Anwendung für die Filterung der Diffraktionsbilder oder -diagramme werden die Energiefilter auch für die Spektralanalyse von Energieverlusten eingesetzt. Die Energiefilter können in einem Elektronenmikroskop entweder im Inneren der Säule des Mikroskops als integrierender Bestandteil des Instruments eingebaut sein oder als ein Zubehörteil unter dem Anzeigebildschirm vorhanden sein. Es gibt zwei neue Abhandlungen über mehrere Typen von Filtern, die aus den Artikeln von Bernard Jouffrey: "Energy loss spectroscopy for transmission electron microscopy" in Electron Microscopy in Materials Science, World Scientific, 1991, Seiten 363-368, und von Harald Rose und Dieter Krahl: "Electron optics of imaging energy filters" in Energy Filtering Transmission Electron Microscopy, Springer, 1995, Seiten 43-55, bekannt sind.
• Beispielsweise beschreibt der Artikel in der Zeitschrift Optik, Band 96, Nr. 4, Seiten 163-178, von Uhlemann und Rose einen Magnetenergiefilter vom Mandolinentyp.
• Ein bestimmender Parameter der Energiefilter ist die Energiestreuung D, ausgedrückt in um/eV: je größer dieser Parameter ist, desto größer ist die Selektivkraft des Filters. Um diese Streuung D zu erhöhen, wurden verschiedene Energiefilter vorgeschlagen, die die Elektronen des Strahls dazu veranlassen, eine ausreichend lange optische Strecke zu durchlaufen. Die Streuung D steigt nämlich insbesondere mit der Länge der zurückgelegten Strecke. So wird in den sogenannten Ω-Systemen unter Einhaftung einer festen Vertikalebene der Strahl, der sich entlang der optischen Achse ausbreitet, zuerst seitlich abgelenkt, durchläuft sodann eine optische Strecke, die annähernd parallel zur optischen Achse in Ausbreitungsrichtung ist, und wird sodann zur optischen Achse des Mikroskops abgelenkt, um wieder mit seiner ursprünglichen Richtung ausgerichtet zu werden.
• Das Problem der üblicherweise verwendeten Filter ist ihr Platzbedarf. Eine gute Streuung D des Filters wird nämlich erzielt, indem die Elektronen eine Strecke über eine ausreichend große Höhe durchlaufen. Der vertikale Platzbedarf der bestehenden Filter liegt üblicherweise zwischen 25 und 50 cm bei einer Streuung D, die nicht größer als 6 um/eV ist.
• In der europäischen Patentanmeldung EP-0 538 938 wird ein Elektronenstrahlgerät vorgeschlagen, das mit einer selektiven Energievorrichtung versehen ist. Letztgenannte veranlaßt die Elektronen dazu, eine Strecke in einer Streuungsebene zu durchlaufen, die die optische Achse des Geräts nicht enthält. Der vertikale Platzbedarf der selektiven Energievorrichtung wird somit für eine gegebene Streckenlänge wesentlich verringert. Bei der besonderen Ausführungsart, die in diesem Dokument dargestellt ist (Fig. 3), umfaßt der Energiefilter vier Ablenkelemente für den Strahl, die in der Streuungsebene angeordnet sind, jeweils in den Ecken einer annähernd rechteckigen Figur, die zwei orthogonale Symmetrieebenen aufweist. Der Filter umfaßt auch ein erstes Ablenkelement, das den Strahl von der optischen Achse des Mikroskops zu einem der Ablenkelemente in der Streuungsebene ablenkt, und ein zweites Ablenkelement, das den Strahl, der von einem anderen der Ablenkelemente kommt, in Ausrichtung mit der optischen Achse ablenkt.
• Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Energiefilter, der in der Lage ist, eine große Streuung D bei einem geringen vertikalen Platzbedarf zu erzeugen und insbesondere die Streuungseigenschaften des in dem Dokument EP-0 538 938 dargestellten Filters verbessert.
• Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein Filter, das sowohl in der herkömmlichen Elektronenmikroskopie als auch bei hoher oder niedriger Spannung eingesetzt werden kann und das in erster Ordnung stigmatisch ist und nur geringe Abweichungen aufweist.
• Ein zusätzliches Ziel der Erfindung ist ein Energiefilter, das hohe Beschleunigungsspannungen zuläßt.
• Die Erfindung betrifft auch ein Transmissions-Elektronenmikroskop, das mit einem Energiefilter versehen ist, das eine große Streuung D erzeugt und gleichzeitig einen vernünftigen vertikalen Platzbedarf aufweist, wobei dieses Mikroskop insbesondere vom Typ TEM oder TEM-STEM ist.
• Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Filtern der Energie eines Elektronenstrahls, der sich entlang einer optischen Achse ausbreitet, und das eine große Streuung auf einer geringen Höhe entlang der optischen Achse erzeugt, wobei dieses Verfahren für die optische Abbildung, die Diffraktion und die Spektrometrie angewandt werden kann.
• Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung ein Energiefilter, das im Betrieb einen entlang der optischen Achse in einer Ausbreitungsrichtung ausgerichteten Elektronenstrahl empfängt. Das Energiefilter umfaßt:
• - ein Ablenkungssystem, welches den entlang der optischen Achse empfangenen Strahl gemäß einer Eintrittsstrecke in eine Streuungsebene ablenkt, die die optische Achse nicht einschließt, und
• - ein Streuungssystem, das den vom Ablenkungssystem gesandten Strahl auf einen in der Streuungsebene liegenden optischen Weg führt und entlang einer zur Eintrittsstrecke kolinear verlaufenden Austrittsstrecke zum Ablenkungssystem zurückführt, und das eine räumliche Streuung der Elektronen des Strahls in Abhängigkeit von ihrer Energie erzeugt, wobei das Ablenkungssystem den vom Streuungssystem kommenden Strahl in Ausbreitungsrichtung mit der optischen Achse wieder in Ausrichtung bringt.
• Erfindungsgemäß verlaufen die Eintrittsstrecke und die Austrittsstrecke in entgegengesetzte Richtungen.
• Das erfindungsgemäße Energiefilter unterscheidet sich von den bestehenden Systemen darin, dass es ein einziges Ablenkungselement umfaßt, das sowohl den Strahl in eine Streuungsebene ablenkt, die nicht die optische Achse einschließt, als auch umgekehrte Ablenkungen des Strahls auf dem Hin- und Rückweg gewährleistet. Dieses Energiefilter weist somit einen wesentlich verringerten vertikalen Platzbedarf auf und ist besonders wirksam, indem es es ermöglicht, eine große Streuung, geringe Abweichungen und weitere zufriedenstellende optische Eigenschaften zu erzielen.
• Die Ausdrücke "Ablenkungssystem" und "Streuungssystem" sind generische Begriffe, die auf die technische Hauptwirkung jedes der beiden Systeme zurückgehen. Es ist jedoch schwer vermeidbar, daß das Ablenkungssystem auch Streuung hervorruft, auch wenn diese gering sein kann. Analog dazu erzeugt das Streuungssystem Ablenkungen des Strahls, die die Energiestreuung begleiten.
• Die Hin- und Rückstrecken zwischen den Ablenk- und Streuungssystemen sind ganz allgemein kolinear, obwohl zwischen ihnen geringfügige Abweichungen vorhanden sein können.
• Das Energiefilter kann somit besonders zufriedenstellende Ergebnisse liefern, insbesondere was die Streuung D betrifft.
• Es ist vorteilhaft, wenn das Streuungssystem den Elektronenstrahl eine geschlossene Kurve beschreiben läßt, die die optische Achse nicht umgibt.
• Auf diese Weise läßt der optische Weg, den der Strahl in der Ablenkebene durchläuft, Änderungen der Konvexität zu, die insbesondere für die Begrenzung der Abweichungen zweiter Ordnung günstig sind.
• Vorzugsweise sind das Ablenkungssystem und das Streuungssystem in bezug auf eine Symmetrieebene, die die Achse enthält, und auf die Streuungsebene symmetrisch.
• Diese Ausführung der Systeme ermöglicht es, korrekte stigmatische und achromatische Eigenschaften zu erhalten.
• Nach einer vorteilhaften Ausführungsart des Energiefilters verläuft die Streuungsebene senkrecht zur optischen Achse.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsart des Streuungssystem des erfindungsgemäßen Energiefilters umfaßt dieses:
• - ein erstes Ablenkelement, das den von dem Ablenkungssystem kommenden Strahl empfängt und diesen entlang einer Eintrittsrichtung ablenkt, und
• - ein zweites Ablenkelement, das von dem ersten Ablenkelement den Strahl entlang der Eintrittsrichtung empfängt, diesen eine kreisförmige Bahn in der Streuungsebene beschreiben läßt und ihn zu dem ersten Ablenkelement entlang einer Austrittsrichtung zurückschickt,
• wobei das erste Ablenkelement den von dem zweiten Ablenkelement kommenden Strahl entlang der Austrittsrichtung empfängt und ihn zu dem Ablenkungssystem ablenkt.
• Es ist nun vorteilhaft, wenn das erste Ablenkelement zwischen der Achse und dem zweiten Ablenkelement angeordnet ist, wobei das zweite Element eine äußere Öffnung umfaßt, in der das erste Element teilweise angeordnet ist.
• Bei dieser besonderen Form läßt das Streuungssystem den Elektronenstrahl eine geschlossene Kurve beschreiben, die die optische Achse nicht umgibt.
• Nach einer bevorzugten Ausführungsart dieser Anordnung:
• - ist das erste Ablenkelement von einem Paar von zu der Streuungsebene parallelen Polarteilen gebildet, die jeweils eine hexagonale Form aufweisen, die eine große Basis, die auf der Achse gegenüber dem Ablenksystem senkrecht steht, zwei senkrechte Seiten, die mit dem rechten Winkel der großen Basis verbunden und zu der Symmetrieebene parallel sind, zwei schräge Seiten, die jeweils mit den senkrechten Seiten verbunden sind, und eine kleine Basis umfaßt, die dieser großen Basis gegenüberliegt, zu ihr parallel verläuft und mit den schrägen Seiten verbunden ist, und
• - ist das zweite Ablenkelement von einem Paar von mit den Polarteilen des ersten Elements jeweils koplanaren Polarteilen gebildet, die jeweils eine Kranzform aufweisen, umfassend ein Zentrum, das in der Symmetrieebene angeordnet ist, und dessen äußere Öffnung in das Innere des Kranzes durch einen Durchgang gegenüber der kleinen Basis der Polarteile des ersten Elements mündet und seitlich durch zwei Seiten begrenzt ist, die jeweils gegenüber den schrägen Seiten der Polarteile des ersten Elements angeordnet sind.
• Vorzugsweise umfassen die Ablenkungssysteme und Streuungssysteme magnetische Abschnitte, die jeweils ein Paar von einander gegenüberliegenden, durch einen Luftspalt getrennten Polarteilen umfassen, die mit Aktivierungs- und Kontrollmitteln verbunden sind, die in jedem der Luftspalte ein gewünschtes magnetisches Feld erzeugen, wobei die magnetischen Felder in jedem Luftspalt einheitlich sind.
• Die Erfindung betrifft auch ein Transmissions-Elektronenmikroskop, das mit einem erfindungsgemäßen Energiefilter ausgestattet ist.
• Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Filtern von Energie eines Elektronenstrahls, das sich entlang einer optischen Achse in einer Ausbreitungsrichtung ausbreitet. Bei diesem Verfahren:
• - wird der Strahl auf einem optischen Weg, der im wesentlichen in einer Streuungsebene, die die optische Achse nicht einschließt, eingeschrieben ist, so geführt, daß eine Streuung der Elektronen des Strahls in Abhängigkeit von ihrer Energie erzeugt wird, wobei der Strahl entlang einer Eintrittsstrecke in die Streuungsebene hereingelassen wird,
• - wird der Strahl in Ausrichtung zur Achse in der Ausbreitungsrichtung umgeleitet, wobei der Strahl aus der Streuungsebene entlang einer Austrittstrecke, die kolinear zu der Eintrittsstrecke verläuft, herausgelassen wird, und
• - wird ein Energiefenster räumlich ausgewählt.
• Erfindungsgemäß verlaufen die Eintrittstrecke und die Austrittsstrecke in entgegengesetzter Richtung.
• Die vorliegende Erfindung wird durch Studie der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Elektronenmikroskops und Energiefilters besser verständlich, welches nur hinweisenden und keineswegs einschränkenden Charakter hat und sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht, worin:
• - Fig. 1 eine schematische Darstellung im Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Transmissions-Elektronenmikroskopes ist;
• - Fig. 2 in Perspektive ein erfindungsgemäßes Energiefilter darstellt, das in dem Elektronenmikroskop der Fig. 1 eingesetzt wird;
• - Fig. 3 eine Seitenansicht des Energiefilters der Fig. 2 ist;
• - Fig. 4 eine Draufsicht des Energiefilters der Fig. 2 ist;
• - Fig. 5 schematisch den optischen Weg darstellt, den der Elektronenstrahl in dem Energiefilter der Fig. 2 bis 4 zurücklegt;
• - die Fig. 6A und 6B die Strecken darstellen, auf denen sich die Elektronen in dem Energiefilter der Fig. 2 bis 4 bewegen, nach einem ersten bzw. einem zweiten Hauptquerschnitt;
• - Fig. 7A eine Stromstärkekurve I in Abhängigkeit von dem Energieverlust E zeigt, der bei einem Muster mit dem Elektronenmikroskop der Fig. 1 erhalten wird;
• - Fig. 7B eine Vergrößerung eines Teils dieser Kurve darstellt; und
• - Fig. 8 eine schematische Darstellung im Längsschnitt einer Ausführungsvariante des Elektronenmikroskops der Fig. 1 ist.
• Ein Transmissions-Elektronenmikroskop 1, wie in Fig. 1 dargestellt, umfaßt herkömmlicherweise eine Säule 7, die um eine optische Achse 5 aufgebaut ist, eine Erfassungseinheit 3, eine Bearbeitungseinheit 4, eine Vakuumpumpe und elektronische Versorgungs- und Steuermittel.
• Die Säule 7 des Mikroskops 1 umfaßt vorlaufseitig eine Elektronenkanone 9, umfassend eine Elektronenquelle 10, eine Kathode 11 und eine Anode 12.
• Eine Beschleunigungsspannung V, die zwischen der Kathode 11 und der Anode 12 angelegt wird, ermöglicht es, Elektronen mit sehr großer Geschwindigkeit zu entziehen. Die Beschleunigungsspannung V liegt herkömmlicherweise zwischen 80 kV und 300 kV, wobei manche Geräte mit geringeren oder höheren Spannungen arbeiten.
• Bei der Annahme, daß die Säule 7 vertikal ist, sind von oben nach unten auf der Säule 7 die folgenden Elemente angeordnet: ein erstes und ein zweites Kondensatorlinsensystem 13A und 13B, ein Musterhalter 19, ein Objektivlinsensystem 14, ein Brechungslinsensystem 15, ein Zwischenlinsensystem 16, ein erstes und ein zweites Projektionslinsensystem 17A und 17B und ein fluoreszierender Bildschirm 18 in dem unteren Teil der Säule 7. Eine solche Montage ist für die optische Abbildung geeignet, wobei ein vergrößertes Bild eines Musters b, das auf dem Musterhalter 19 angeordnet ist, auf dem Bildschirm 18 erhalten wird. Sie ist auch für die Brechung oder den Erhalt einer feinen, festen oder nicht festen Sonde geeignet.
• Die Einheit der Linsen 13-17 besteht aus elektromagnetischen Linsen mit variabler Brennweite durch Stromänderung in ihrer Versorgungsspule. Die elektronischen Mittel versorgen die Linsen 13-17, damit sie Elektronenstrahlen bündeln oder ablenken können, wie auch den Hochspannungsgenerator der Elektronenkanone 9.
• Weitere Linsen, die aus Gründen der Klarheit nicht dargestellt sind, können vorzugsweise in der Säule 7 hinzugefügt werden.
• Ein Energiefilter 20 ist zwischen den Linsensystemen 16 und 17A angeordnet. Dieses Filter 20 umfaßt Streuungsmittel 21, die die Elektronen eines Strahls in Abhängigkeit von ihrer Energie räumlich streuen, einen Schlitz 22 im Nachlaufbereich der Streuungsmittel 21, der ein Energiefenster in dem Strahl, der durch ihn hindurch verläuft, auswählt. In Fig. 1 entsteht die Energiestreuung im wesentlichen zuerst in einer zu der Ebene des Blattes senkrechten Ordnung, wobei der Schlitz 22 in einer Richtung senkrecht zu der Ebene des Blattes offen ist. Der Schlitz 22 weist vorzugsweise eine einstellbare Breite und Position auf, um das Energiefenster sowohl hinsichtlich der durchschnittlichen Energie, auf die es zentriert ist, als auch seiner Breite anpassen zu können.
• Der untere Teil der Säule 7 bildet eine Projektionskammer 8.
• Herkömmlicherweise ist es erforderlich, ein hohes Vakuum innerhalb der Säule 7 und des Energiefilters 20 herzustellen, wobei dieses Vakuum typischerweise bei 2,5·10&supmin;&sup5; Pa liegt.
• Die Bearbeitungseinheit 3, die mit dem Bildschirm 18 verbunden ist, ermöglicht es, genaue Informationen über das auf diesem Bildschirm 18 dargestellte Bild zu erhalten. Das Mikroskop ermöglicht es, die Stromstärke I zu messen, die von dem Bildschirm 18 bei einem gegebenen Energieverlust E eines Elektronenstrahls empfangen wurde, und ein entsprechendes Spektrum mit Hilfe der Bearbeitungseinheit 3 anzuzeigen und zu speichern. Das Energiefilter 20 des Elektronenmikroskops 1 des Beispiels kann somit eine doppelte Anwendung aufweisen: Filterung des auf dem Bildschirm 18 dargestellten Bildes oder Analyse des Musters 6 durch Erhalt eines Energieverlustspektrums.
• Während des Betriebs ist das entsprechend vorbereitete Muster 6 auf dem Musterträger 19 angeordnet. Ein Elektronenstrahl 70, der von der Elektronenkanone 9 entlang der optischen Achse 5 gesandt wird, gelangt zu dem Muster 6 in Form eines eintreffenden Strahls 72, nachdem er die Kondensatorlinsensysteme 13A und 13B durchlaufen hat. Er durchquert das Muster 6 und wird ein übertragender Strahl 72, der die Objektiv- 14, Streuungs- 15 und Zwischenlinsensysteme 16 durchläuft und einer Energiestreuung in den Streuungsmitteln 21 unterworfen wird. Der Strahl 70 nimmt auf diese Weise die Form eines Strahls 73 an, der am Ausgang der Streuungsmittel 21 gestreut ist, wobei dieser gestreute Strahl 73 mit der optischen Achse 5 ausgerichtet wird. Er wird sodann bei Durchlaufen des Schlitzes 22 gefiltert, und dieser gefilterte Strahl 74 gelangt, nachdem er die Projektionslinsensysteme 17A und 17B durchlaufen hat, zu dem Bildschirm 18. Auf diese Weise wird ein gefiltertes Brechungsbild oder -diagramm oder ein Energieverlustspektrum eines mehr oder weniger großen Bereichs des Musters 6 erhalten.
• Das Spektrum ist in Form einer Kurve 150 der Stromstärke I in Abhängigkeit von dem Energieverlust E dargestellt, wie in Fig. 7A zu sehen ist, wobei der Energieverlust E und die Stromstärke I den Achsen 151 bzw. 152 zugeordnet sind. Im Falle eines dünnen Gegenstandes ist eine hohe Spitze (Peak) 154 ohne Verlust zu beobachten, das auf der Achse 153 mit keinem Verlust zentriert ist, wobei die meisten Elektronen durch das Muster 6 ohne Energieverlust E durch elastische Interaktion mit Atomkernen übertragen werden. Auf die Spitzen ohne Verlust folgen im allgemeinen ein oder mehrere zusätzliche Spitzen 155, deren Höhen von der Dicke des Musters 6 abhängen, sodann Schwankungen, die aufeinanderfolgende Extrema aufweisen und nach und nach an Stromstärke I verlieren. Die Extrema 157-159 der Kurve 150 (Fig. 7B) können Stromstärken I aufweisen, die um mehrere Größenordnungen geringer als jene der Hauptspitzen 154 sind, und sind somit nur bei längerem Zählen sichtbar, welches es ermöglicht, die Elektronen in einem bestimmten Energiefenster 156 zu speichern.
• Die Streuungsmittel 21 sind nun im Detail hinsichtlich ihrer Struktur und Funktion beschrieben. Diese sind im wesentlichen entlang einer Streuungsebene 23 angeordnet, die auf die optische Achse 5 senkrecht steht und somit horizontal ist. Die Gesamtheit der Elemente dieser Streuungsmittel 21 sind in bezug auf diese Streuungsebene 23 symmetrisch. Sie sind auch in bezug eine Symmetrieebene 24, die die optische Achse 5 enthält, symmetrisch (Fig. 5).
• Die Streuungsmittel 21, die in den Fig. 2 bis 4 dargestellt sind, umfassen ein Ablenkungssystem 30 und ein Streuungssystem 40. Das Ablenkungssystem 30 übt eine doppelte Funktion aus, es lenkt in der Streuungsebene 23 den übertragenen Strahl 72 entlang der optischen Achse 5 in Richtung des Streuungssystems 40 ab und bringt den von dem Streuungssystem 40 kommenden Strahl 70 wieder mit der optischen Achse 5 in der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung in Ausrichtung. Das Ablenkungssystem 30 stellt somit eine Schnittstelle zwischen der optischen Achse und der Streuungsebene 23 dar, was den von dem Strahl 70 durchlaufenen Weg betrifft.
• Das Streuungssystem 40 führt seinerseits den von dem Ablenkungssystem 30 gesandten Strahl 70 auf einem optischen Weg 80, der in die Streuungsebene 23 eingeschrieben ist, und sendet ihn zu dem Ablenkungssystem 30 zurück. Das Streuungssystem 40 umfaßt ein erstes und ein zweites Ablenkelement 41 und 42, die nacheinander den von dem Ablenkungssystem 30 kommenden Strahl 70 empfangen.
• Das Ablenkungssystem 30 und die beiden Ablenkelemente 41 und 42 stellen jeweils drei magnetische Sektoren der Streuungsmittel 21 dar.
• In dem besonderen Beispiel der dargestellten Ausführung umfaßt das Ablenkungssystem 30 zwei Polarteile oder Elektromagneten 31 und 32, die zu der Symmetrieebene 24 parallel sind. Jeder der Teile 31 und 32 weist eine annähernd dreieckige Form auf, die eine große Basis 33 und zwei schräge Seiten, eine obere 35 und eine untere 36, umfassen. Diese dreieckige Form wird auf Höhe der der großen Basis 33 gegenüberliegenden Spitze von einem rechteckigen Vorsprung verlängert, der eine kleine Basis 34, die zu der großen Basis 33 parallel ist und dieser gegenüberliegt, und zwei Seiten 38 und 39 umfaßt, die zur kleinen Basis 34 senkrecht stehen und diese jeweils mit den schrägen Seiten 35 und 36 verbinden. Die Basen 33 und 34 sind zu der Achse 5 parallel und beiderseits dieser Achse 5 angeordnet.
• Das erste Ablenkungselement 41 umfaßt zwei Polarteile 43 und 44, die zu der Streuungsebene 23 parallel sind. Jedes von ihnen weist eine hexagonale Form auf, die eine große Basis 50, die zur Achse 5 senkrecht steht und den kleinen Basen 34 der Polarteile 31 und 32 gegenüberliegt, umfaßt. Sie umfaßt auch zwei senkrechte Seiten 51 und 52, die im rechten Winkel mit der großen Basis 50 verbunden sind und zu der Symmetrieebene 24 parallel sind, zwei schräge Seiten 53 und 54, die jeweils mit den senkrechten Seiten 51 und 52 verbunden sind, und eine kleine Basis 55, die zu der großen Basis 50 parallel ist und dieser gegenüberliegt und mit den schrägen Seiten 53 und 54 verbunden ist. Der obere 43 und untere 44 Polarteil sind durch einen Luftspalt 47 getrennt.
• Das zweite Ablenkungselement 42 umfaßt seinerseits zwei Polarteile, einen oberen 45 und einen unteren 46, die jeweils zu den Polarteilen 43 und 44 des ersten Ablenkelements 41 koplanar sind. Das erste Element 41 ist zwischen der Achse 5 und dem zweiten Element 42 angeordnet, und die Polarteile 45 und 46 dieses letztgenannten umfassen äußere Öffnungen 61, in denen die Polarteile 43 bzw. 44 des ersten Elements 41 teilweise angeordnet sind. Jeder der Polarteile 45 und 46 weist eine Form eines offenen Kranzes auf, der ein in der Symmetrieebene 24 angeordnetes Zentrum 60 umfaßt. Seine äußere Öffnung 61 mündet im Inneren des Kranzes durch einen Durchgang 62, der den kleinen Basen 55 gegenüberliegt, und ist seitlich durch zwei Seiten 63 und 64 getrennt, die jeweils den schrägen Seiten 53 und 54 des entsprechenden Polarteils 43, 44 gegenüberliegen. Die Polarteile 45 und 46 sind durch einen Luftspalt 48 begrenzt. Die Kranzform der Polarteile 45 und 46 ermöglicht es, eine leichte Struktur und eine gute Verteilung des Magnetfeldes zu erhalten.
• Während des Betriebs legen die elektronischen Mittel in jedem der Luftspalte 37, 47, 48 der Magnetsektoren 30, 41, 42 ein konstantes und vorzugsweise einheitliches Magnetfeld an. Der von dem Muster 6 übertragene Strahl 72 gelangt zu dem Ablenkungssystem 30 entlang der optischen Achse 5. Er wird nun zwischen den Polarteilen 31 und 32 derart abgelenkt, daß er in die Streuungsebene 23 eingeschrieben wird, indem er einen Eintrittskreisbogen 81 mit einem Radius R1 verfolgt. Der Strahl 70 durchläuft sodann den Freiraum zwischen dem Ablenkungssystem 30 und dem ersten Ablenkelement 41 entlang eines Eintrittssegments 82 im Schnittpunkt der Streuungsebene 23 und der Symmetrieebene 24, wobei das Eintrittssegment 82 eine Ablenkungsrichtung 25 definiert. Der gesamte optische Weg, den der Strahl 70 sodann bis zu seiner Rückkehr zu dem Ablenkungssystem 30 zurücklegt, ist in die Streuungsebene 23 eingeschlossen.
• Der Strahl 70 gelangt nach dem Eintrittssegment 82 zu dem ersten Ablenkungselement 41 und beschreibt hier einen Kreisbogen 83 im Inneren des Streuungssystems 40 mit dem Radius R2. Der Strahl 70 tritt aus dem ersten Element 41 durch eine seiner schrägen Seiten 54 entlang einer Richtung aus, die mit dieser Seite einen Winkel a4 bildet. Er durchläuft sodann zwischen der schrägen Seite 54 und dem zweiten Ablenkungselement 42 ein erstes Segment 84 im Inneren des Streuungssystems 40.
• Der Strahl 70 dringt sodann in das zweite Ablenkelement 42 durch die Seite 64 der Öffnung 61 ein, die der schrägen Seite 54 gegenüberliegt, und beschreibt hier eine kreisförmige Bahn 85, die auf dem Zentrum 60 zentriert ist und den Radius R3 aufweist.
• Die weitere Strecke, die der Strahl 70 durchläuft, entspricht der Symmetrie in bezug auf die Symmetrieebene 24. So umfaßt der von dem Strahl 70 durchlaufene optische Weg nacheinander ein zweites inneres Segment 86 zwischen der Seite 63 des zweiten Elements 42 und der schrägen Seite 53 des ersten Elements 41, einen inneren Kreisbogen 87 im Inneren des ersten Elements 41 und ein Austrittssegment 88, das mit dem Eintrittssegment 82 zusammenfällt.
• Wenn der Strahl 70 am Ablenkungssystem 30 angekommen ist, wird er zu der Achse 5 in der ursprünglichen Ablenkungsrichtung abgelenkt, indem er in dem Ablenkungssystem 30 einen Austrittskreisbogen 89 beschreibt, der zu dem Eintrittskreisbogen 81 in bezug auf die Streuungsebene 23 symmetrisch ist. Er tritt somit in Ausrichtung mit der Achse 5 in Form des gestreuten Strahls 73 aus.
• Alle Streckenabschnitte 81-89, die der Strahl 70 durchläuft, stellen den optischen Weg 80 dar, der in den Streuungsmitteln 21 zurückgelegt wird. Dieser optische Weg 80 umfaßt im wesentlichen eine geschlossene Kurve 83-87, die die optische Achse 5 nicht einschließt, einen linearen Abschnitt 82 und 88 zwischen der Achse 5 und dieser geschlossenen Kurve und Anschlüsse 81, 89 für diesen linearen Abschnitt an die Achse 5. Die Krümmungsänderungen in der geschlossenen Kurve, d. h. die Übergänge zwischen Kreisbögen 83 und 85 einerseits und 85 und 87 andererseits, haben eine positive Wirkung auf die Verringerung der Abweichungen zweiter Ordnung.
• Die Anordnung der Eintritts- und Austrittssegmente 82 und 88 verleiht sehr zufriedenstellende optische Eigenschaften, insbesondere eine gute Streuung D, vorbehaltlich einer zufriedenstellenden Auswahl der Parameter des Filters 20.
• Die optischen Eigenschaften des Filters 20 hängen hauptsächlich von neun Parametern ab: den drei Radien R1, R2 und R3; dem Abstand d1 zwischen Ablenkungssystem 30 und dem ersten Biegeelement 41, und dem Abstand d2, der von dem Strahl 70 zwischen dem ersten Biegeelement 41 und dem zweiten Biegeelement 42 durchlaufen wird; dem Winkel a1, der für das Ablenkungssystem 30 zwischen der Normalen auf die obere schräge Seite 35 und dem übertragenen Strahl 72 gebildet wird, dem Winkel a2, der für das erste Biegeelement 41 als Ablenkungswinkel für dieses Element definiert wird, dem Winkel a3 zwischen einer der schrägen Seiten 53, 54 des ersten Biegeelements 42 und der Seite 63, 64 des zweiten Biegeelements 42, und dem Winkel a4.
• Eine besonders gute Wahl dieser Parameter des Filters 20 ist folgende:
• R1 = 2,70 cm, R2 = 5,40 cm, R3 = 9,98 cm; d1 = 3,51 cm, d2 = 1,35 cm; a1 = 45,50 a2 = 64,50, a3 = 100, a4 = 81,40.
• Weitere wesentliche Parameter sind die Breiten e1, e2 und e3 der Luftspalte 37, 47 bzw. 48. Diese Breiten e1, e2 und e3 werden derart ausgewählt, daß sie einen Kompromiß zwischen einander entgegengesetzten Bedürfnissen darstellen: je kleiner sie sind, desto kleiner ist das Verlustfeld, desto kleiner sind somit die Abweichungen, desto größer ist jedoch die Störung bei der Öffnung des Strahls 70, insbesondere im Brechungsmodus. Die Breiten e1, e2 und e3 liegen herkömmlicherweise zwischen 2 und 10 mm und betragen vorzugsweise ungefähr 2 mm.
• Die Länge L ist als Abstand zwischen dem Eintrittspunkt des übertragenen Strahls 72 in das Ablenkungssystem 30 und der Position des Auswahlschlitzes 22 definiert. Zur Darstellung ist die Streuung D 6 um/eV, 8 gm/eV bzw. 10 um/eV für die Längen L, die gleich 18,7 cm, 23,9 cm bzw. 29 cm betragen.
• Die Energiestreuung des von dem Muster 6 übertragenen Strahls 72 kann dargestellt werden, indem verschiedene Elektronenbahnen angenommen werden, wie in den Fig. 6A und 6B dargestellt. In diesem Beispiel sind die Breiten e1, e2 und e3 der Luftspalte 37, 47 und 48 gleich 6,5 mm, die Beschleunigungsspannung V ist gleich 200 kV und die Streuung gleich 8 um/eV. Der von dem Filter 20 empfangene Strahl 72 weist eine Divergenz von 15 mrad auf.
• Es werden nun die Projektionen mancher Bahnen des Strahls 70 entlang zweier Hauptabschnitte betrachtet. Der erste Hauptabschnitt ist mit dem Verlauf des Strahls 70 in der Streuungsebene 23 verbunden, während der zweite dem Verlauf des Strahls 70 in einer Ebene senkrecht zu der Streuungsebene 23 entspricht. Die Räume und die Winkel sind in den Fig. 6A und 6B nur zur besseren Deutlichkeit stark betont. Zur Vereinfachung wird angenommen, daß zwei Familien von Elektronen zu dem Filter 20 gelangen, wobei jede einem definierten Energieverlust entspricht. Diese Verluste betragen 340 eV bzw. 2400 eV.
• In dem ersten Hauptabschnitt (Fig. 6A) gelangen die dargestellten Elektronen zu dem Ablenkungssystem 30 entlang von sechs unterschiedlichen Richtungen 91-96. Die Richtungen 91-96 weisen eine Winkelöffnung A1 gleich der Divergenz des Strahls von 15 mrad auf, und jeder eintreffenden Richtung entsprechen zwei Elektronenbahnen, die jeweils den beiden Familien angehören. Die Verlaufsbahnen kreuzen sich in einem Eintrittspunkt 90, der in dem Ablenkungssystem 30 angeordnet ist, wobei dieser Eintrittspunkt 90 der erste Konvergenzpunkt oder Eintritts-Cross-Over ist. Die Verlaufsbahnen nach den beiden Familien, die beim Eintritt übereinanderliegend sind, trennen sich nun, um sechs Verlaufsbahnen 101-106 für die Elektronen der ersten Familie und sechs weitere Verlaufsbahnen 111-116 für die Elektronen der zweiten Familie zu bilden. Nachdem nacheinander das Ablenkungssystem 30, das erste Ablenkelement 41, das zweite Ablenkelement 42 und dann neuerlich das erste Ablenkelement 41 durchlaufen wurden, queren die Verlaufsbahnen der Elektronen neuerlich das Ablenkungssystem 30, und die Bahnen 101-106 und 111-116 der beiden Familien vereinen sich wieder, um sich in einem ersten Punkt 100 bzw. einem zweiten Punkt, der nicht dargestellt ist, in der Vertikalen des ersten Punktes 100 zu kreuzen, wobei diese Punkte Austritts-Cross-Over genannt werden und sich am Ausgang des Ablenkungssystems 30 befinden.
• Ein analoges Verhalten ist bei dem zweiten Hauptabschnitt (Fig. 6B) zu beobachten. So gelangen die Elektronen des Strahls 72 zu dem Ablenkungssystem 30 entlang von sechs Richtungen 121-126 mit einer Winkelöffnung A2 gleich der Öffnung des Strahls 72 von 15 mrad. Die Elektronenbahnen vereinen sich in einem Eintrittspunkt 120 erster Konvergenz, sodann trennen sich die beiden Energiefamilien, die am Eintritt für jede Bahn übereinandergelagert waren, und erzeugen auf diese Weise sechs Elektronenbahnen 131-136 für die erste Familie und sechs weitere 141-146 für die zweite Familie. Die Verlaufsbahnen 131-136 und 141-146 durchlaufen nacheinander das Ablenkungssystem 30, das erste Ablenkelement 41, das zweite Biegeelement 141, neuerlich das erste Ablenkelement 41, sodann das Ablenkungssystem 30 und laufen sodann in zwei Punkten 130 und 140 in der Vertikalen voneinander zusammen, die Bilder des Eintrittspunktes 120 jeweils für die beiden Familien darstellen.
• Bei einer Einsatzvariante des erfindungsgemäßen Energiefilters, die in Fig. 8 dargestellt ist, ist das Filter 20 in dem unteren Teil der Säule 7 eines Mikroskops 2 angeordnet. In Fig. 8 sind die mit jenen der Fig. 1 identischen Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
• Bei dieser Ausführung sind die folgenden Elemente von oben nach unten auf der Säule 7 angeordnet: die Kondensatorlinsensysteme 13A und 13B, der Musterhalter 19, das Objektivlinsensystem 14, das Brechungslinsensystem 15, das erste und das zweite Projektionslinsensystem 17A und 17B, der Bildschirm 18, das Zwischenlinsensystem 16, der Filter 20, und ein drittes und viertes Projektionslinsensystem 17C und 17D. Die Erfassungseinheit 3 ist im Nachlaufbereich der Säule 7 vorgesehen und mit der Bearbeitungseinheit 4 verbunden. Ein Vorteil dieser Ausführungsart des Mikroskops 2 besteht darin, daß die Vorrichtung mit Filter 20 einfach unter einem bestehenden Mikroskop hinzugefügt werden kann.
• Unter den interessanten Varianten, die im Rahmen der Erfindung liegen, kann das Magnetfeld, das zwischen dem oberen 45 und unteren 46 Prisma des zweiten Ablenkelements 42 angelegt wird, auch nicht einheitlich sein, allerdings einen konstanten Gradienten aufweisen. Dieser Gradient wird derart angelegt, daß der Strahl 70 zwischen den Prismen 45 und 46 derart gebündelt wird, daß die Elektronenkollisionen auf den Polarteilen und somit die Verluste des Strahls 70 verringert werden.
• Es versteht sich, daß die besonderen Formen, die den Ablenkungs- und Streuungssystemen verliehen wurden, nur eine besondere Ausführungsart darstellen und daß jede andere Einsatzart möglich ist, sobald sie von dem Umfang der Patentansprüche abgedeckt ist. Insbesondere kann das Streuungssystem 40 derart beschaffen sein, daß es den Elektronenstrahl 70 eine geschlossen Kurve beschreiben läßt, die die optische Achse 5 umgibt. Dazu wird das Streuungssystem 40 beispielsweise von zwei Ablenkelementen gebildet, von denen sich eines auf einer ersten Seite der optischen Achse und das andere auf der gegenüberliegenden Seite befindet, wobei das erste Ablenkelement die Elektronen zu dem zweiten Ablenkelement ablenkt, welches sie einen optischen Weg von ausreichender Länge durchlaufen läßt, um die gewünschte Streuung D zu erhalten.
• Die Beschreibung einer geschlossenen Kurve, die die optische Achse 5 umgibt, ermöglicht es, den für die Einheit der Streuungsmittel 21 erforderlichen Platz zu verringern, hat allerdings den Nachteil, daß die Abweichungen zweiter Ordnung erhöht werden, da die Verlaufsbahn in der Streuungsebene 23 immer in dieselbe Richtung beschrieben wird.
• Nach der dargestellten Ausführungsart empfängt das Ablenkungssystem 30 den übertragenen Strahl 72 nach einem Einfallswinkel a1, der vorzugsweise gleich 45,5º ist. Weitere Formen als die dargestellte können geeignet sein, wenn sie denselben Einfallswinkel a1 aufweisen.
• Das Ablenkungssystem 30 kann jedoch auch von Polarteilen 31 und 32 gebildet werden, die den übertragenen Strahl 72 mit normalem Einfall empfangen. In diesem Fall wird ein multipolares optisches System am Eingang des Ablenkungssystems 30, wie beispielsweise ein Quadripol oder ein Oktopol, angeordnet.
• Ganz allgemein müssen die Ablenkungs- 30 und Streuungssysteme 40 derart beschaffen sein, daß die Ausbreitungen des Strahls 70 zwischen dem einen und dem anderen kolinear sind oder dass das Ablenkungssystem von einem einzigen Ablenkelement gebildet wird.
• Obwohl die Darstellung der Erfindung auf ein Transmissions-Elektronenmikroskop oder TEM bezogen ist, gilt sie auch für ein Abtast-Transmissions- Elektronenmikroskop oder STEM oder für ein gemischtes Elektronenmikroskop.

Claims (10)

1. Energiefilter (20), das im Betrieb einen entlang einer optischen Achse (5) in einer Ausbreitungsrichtung ausgerichteten Elektronenstrahl (70) empfängt, umfassend:

- ein Ablenkungssystem (30), welches den entlang der optischen Achse (5) empfangenen Strahl (72) gemäß einer Eintrittsstrecke (82) in eine die optische Achse (5) nicht einschließende Streuungsebene (23)ablenkt, und

- ein Streuungssystem (40), welches den vom Ablenkungssystem (30) geführten Strahl (70) auf einen in der Streuungsebene (23) liegenden optischen Weg (80) führt, und zu dem Ablenkungssystem (30) entlang einer zu der Eintrittsstrecke (82) kolinear verlaufenden Austrittsstrecke (88) zurück führt, das eine räumliche Streuung der Elektronen des Strahls (73) gemäß ihrer Energie erzeugt, wobei das Ablenkungssystem (30) den von dem Streuungssystem (40) kommenden Strahl (70) in Ausbreitungsrichtung mit der optischen Achse (5) wieder in Ausrichtung bringt, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsstrecke (82) und die Austrittsstrecke (88) in entgegengesetzter Richtung verlaufen.

2. Energiefilter (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Streuungssystem (40) den Elektronenstrahl (70) eine geschlossene Kurve (83-87) beschreiben läßt, welche die optische Achse (5) nicht umgibt.

3. Energiefilter (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkungssystem (30) und das Streuungssystem (40) in Bezug auf eine Symmetrieebene (24), welche die Achse (5) enthält, und in Bezug auf die Streuungsebene (23) symmetrisch sind.

4. Energiefilter (20) nach einem der vorstehenden den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuungsebene (23) senkrecht zu der optischen Achse (5) verläuft.

5. Energiefilter (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Streuungssystem (40) umfaßt:

- ein erstes Ablenkungselement (41), welches den Strahl (70), der von dem Ablenkungssystem (30) kommt, empfängt und entlang einer Eintrittsrichtung (84) ablenkt, und

- ein zweites Ablenkungselement (42), welches den Strahl (70) entlang der Eintrittsrichtung (84) von dem ersten Ablenkungselement (41) empfängt und einen kreisförmigen Weg (65) in der Streuungsebene (23) durchführen läßt und entlang einer Austrittsrichtung (86) zu dem ersten Ablenkungselement (41) zurückschickt, wobei das erste Ablenkungselement (41) den Strahl (70), der vom zweiten Ablenkungselement (42) kommt, entlang der Austrittsrichtung (86) empfängt und zu dem Ablenkungssystem (30) hin ablenkt.

6. Energiefilter (20) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ablenkungselement (41) zwischen der Achse (5) und dem zweiten Ablenkungselement (42) angeordnet ist, wobei das zweite Element (42) eine äußere Öffnung (61) aufweist, in der das erste Element (41) teilweise angeordnet ist.

7. Energiefilter (20) nach den Ansprüchen 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß:

- das erste Ablenkungselement (41) aus einem Paar polarer Teile (43, 44) besteht, die parallel zu der Streuungsebene (23) verlaufen, wobei jedes Teil eine hexagonale Form aufweist, welche eine große Basis (50) senkrecht zu der Achse (5) gegenüberliegend von dem Ablenkungssystem (30), zwei senkrechte Seiten (51, 52), die im rechten Winkel mit der großen Basis (50) verbunden und parallel zu der Symmetrieebene (24) verlaufen, zwei schräge Seiten (53, 54), die jeweils mit den senkrechten Seiten (51, 52) verbunden sind, und eine kleine Basis (55), die zu der großen Basis (50) gegenüberliegend und parallel und mit den schrägen Seiten (53, 54) verbunden ist, umfaßt, und

- das zweite Ablenkungselement (42) aus einem Paar polarer Teile (45, 46) besteht, die jeweils koplanar zu den polaren Teilen (43, 44) des ersten Elements (41) verlaufen, wobei jedes Teil eine Kronenform aufweist, die ein Zentrum (60) umfaßt, das in der Symmetrieebene (24) angeordnet ist, und deren äußere Öffnung (61)über einen Durchgang (62) gegenüber der kleinen Basis (55) der polaren Teile (43, 44) des ersten Elements (41) in das Innere der Krone führt und durch zwei Seiten (63, 64), die jeweils den schrägen Seiten (53, 54) der polaren Teile (43, 44) des ersten Elements (41) gegenüberstehen, seitlich begrenzt ist.

8. Energiefilter (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenkungssystem (30) und das Streuungssystem (40) magnetische Abschnitte (30, 41, 42) umfassen, die jeweils ein Paar polarer, sich gegenüberliegender Teile (31, 32, 43-46) aufweisen, durch einen Luftspalt (37, 47, 48), getrennt und die mit Aktivierungs- und Kontrollmitteln, die in jedem der Luftspalte (37, 47, 48) ein gewünschtes magnetisches Feld erzeugen, verbunden sind, wobei die magnetischen Felder in jedem Luftspalt (37, 47, 48) einheitlich sind.

9. Elektronisches Mikroskop zur Übertragung (1), das mit einem Energiefilter (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgestattet ist.

10. Verfahren zum Filtern von Energie eines Elektronenstrahls (70), der sich entlang einer optischen Achse (5) in einer Ausbreitungsrichtung ausbreitet, nach welchem:

- der Strahl (72) auf einem optischen Weg (80), der im Wesentlichen in einer Streuungsebene 23, die nicht die optische Achse (5) einschließt, liegt, so geführt wird, dass eine Streuung der Elektronen des Strahls (73) gemäß ihrer Energie erzeugt wird, wobei der Strahl (72) entlang einer Eintrittsstrecke (82) in die Streuungsebene (23) hereingelassen wird,

- der Strahl (73) in Ausrichtung zu der Achse (5) in der Ausbreitungsrichtung umgeleitet wird, wobei der Strahl (73) aus der Streuungsebene (23) entlang einer Austrittsstrecke (88), die kolinear zu der Eintrittsstrecke (82) verläuft, herausgelassen wird, und

- ein Energiefenster (22) räumlich ausgewählt wird, dadurch gekennzeichnet,

dass die Eintrittsstrecke (82) und die Austrittsstrecke (88) in sich entgegensetzter Richtung verlaufen.