DE69402283T2

DE69402283T2 - Energiefilter mit Korrektur von chromatischen Aberrationen zweiter ordnung

Info

Publication number: DE69402283T2
Application number: DE69402283T
Authority: DE
Inventors: Johan Gustaaf C O Inter Bakker; Jong Alan Frank C O Interna De; Harald C O Internationaal Rose
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1993-05-21
Filing date: 1994-05-19
Publication date: 1997-09-18
Anticipated expiration: 2014-05-20
Also published as: EP0647960B1; JPH0794299A; DE69402283D1; US5448063A; EP0647960A1

Description

Die Erfindung betrifft eine teilchenoptische Vorrichtung mit einer Teilchenquelle zum Erzeugen elektrisch geladener Teilchen, die sich endang einer optischen Achse der Vorrichtung bewegen, einem Energiefilter mit einer optischen Achse, von der ein Anfangsabschnitt und ein Endabschnitt mit der optischen Achse der Vorrichtung zusammenfallen, wobei das Energiefilter folgendes umfaßt: hintereinander einen ersten, zweiten, dritten und vierten Sektormagnet, wobei der entlang der optischen Achse des Energiefilters gemessene Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Sektormagnet gleich dem entsprechenden Abstand zwischen dem dritten und dem vierten Sektormagnet ist, wobei innerhalb der genannten Sektormagnete die optische Achse hauptsächlich kreisförmig ist, mit einem Krümmungsradius R&sub0;, und einen ersten Korrekturmagnet zum Erzeugen eines Hexapolfeldes zwischen dem ersten und dem zweiten Sektormagnet sowie einen zweiten Korrekturmagnet zum Erzeugen eines Hexapolfeldes zwischen dem dritten und dem vierten Sektormagnet.
Ein Energiefilter zur Verwendung in einem teilchenoptischen Gerät wie 15 oben beschrieben, ist aus einer Veröffentlichung in "Optik", Bd. 73, Nr.2 (1986), 5. 56-68, mit dem Titel "Test and improved design of a corrected imaging magnetic energy filter", von 5. laanio und H. Rose, bekannt. Der genannte Artikel, insbesondere Abschnitt 3.2, beschreibt ein Energiefilter, in dem eine Anzahl Bildabweichungen zweiter Ordnung mit Hilfe von magnetischen Hexapolfeldern korrigiert werden.
In einem teilchenoptischen Gerät, wie einem Durchstrahlungselektronenmikroskop, können Teilchen (Elektronen) von einer zu untersuchenden Probe unelastisch gestreut werden. Allgemein gesagt tragen diese Elektronen nicht zum Bildkontrast bei, sondern bewirken Rauschen oder eine Kontrastabnahme in dem von dem Mikroskop erzeugten Bild der Probe. Beseitigung solcher Elektronen aus dem bildformenden Elektronenstrahlenbündel führt zu einer verbesserten Bildqualität Dies kann mit Hilfe eines Energiefilters realisiert werden, in dem ein Selektionsspalt an einer energiedispersiven Stelle auf der optischen Achse angeordnet ist, um ein bestimmtes Energiefenster
zu selektieren. In manchen Fällen ist es auch wichtig, daß die örtliche Zusammensetzung einer Probe bestimmt werden kann. Hierzu kann ein abbildendes Spektrometer verwendet werden, mit dem die Energieverteilung in dem abbildenden Elektronenstrahlenbündel gemessen werden kann; das so gemessene Energiespektrum liefert Informationen über die Struktur des betrachteten Punktes der Probe und auch über deren chemische Zusammensetzung. Weiterhin ist es manchmal wünschenswert, aus dem Energiespektrum ein bestimmtes Band zu selektieren, um ausschließlich mit Hilfe der Teilchen mit dieser Energie ein Bild zu erzeugen. Für beide Fälle, d.h. für die Energieselektion sowie für die Spektrometrie kann ein Spektrometer genutzt werden, in dem die Elektronen hintereinander ein erstes, ein zweites, ein drittes und a viertes Magnetfeld durchlaufen. Jedes dieser Felder wird von einem Sektormagnet erzeugt, in dem die Bahn der Elektronen als Kreisabschnitt ausgebildet ist. Mit diesen magnetischen Feldern wird der Dispersionseffekt des Filters erhalten.
Ein nichtinvertierendes Filter, das einfach in die Säule eines Elektronenmikroskops eingebaut werden kann, kann unter Verwendung von vier magnetischen Feldern konstruiert werden. Ein Filter mit dispersiven magnetischen Feldern weist Bildabweichungen auf, die die Qualität des Filters verringern. Eine Anzahl Bildabweichungen kann in bekannter Weise korrigiert werden, indem Symmetrie in die Anordnung der Sektormagnete eingeführt oder dem Pol der Magnete eine bestimmte Krümmung gegeben wird. Aus dem genannten Artikel ist auch bekannt, die geometrischen Abweichungen zweiter Ordnung mit Hilfe magnetischer Hexapolfelder zu korrigieren. Hierzu schlägt der genannte Artikel vor, Hexapolfelder zwischen dem ersten und dem zweiten Sektormagnet sowie zwischen dem dritten und dem vierten Sektormagnet zu erzeugen. Diese Hexapolfelder ermöglichen die Korrektur einer Anzahl geometrischer Bildabweichungen zweiter Ordnung, aber nicht aller Bildabweichungen zweiter Ordnung. Insbesondere die chromatische Aberration zweiter Ordnung in Richtung der Dispersion (auch bekannt als "schräge Spektrumsebene") wird mit diesem Korrekturverfahren nicht verkleinert. Folglich treten insbesondere in der Energieselektionsebene Abweichungen von der idealen Strahlenbündelbahn auf. Daher ist die Verwendung des bekannten Filters für Zwecke der Spektroskopie nicht sehr interessant.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filter der dargelegten Art zu verschaffen, das als abbildendes Filter sowie als Spektroskop geeignet ist. Hierzu ist
das erfindungsgemäße Filter dadurch gekennzeichnet, daß der endang der Achse gemessene Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Sektormagnet und zwischen dem dritten und dem vierten Sektormagnet größer ist als 1,9-mal der Krümmungsradius R&sub0; der Achse.
Die Erfindung beruht unter anderem auf der Erkenntnis, daß in der so erhaltenen Konfiguration der Sektormagnete die Spulen zum Erzeugen der Hexapolfelder so angeordnet werden können, daß sowohl die nach dem Stand der Technik genannten geometrischen Bildabweichungen zweiter Ordnung als auch die chromatische Aberration zweiter Ordnung in der energiedispersiven Ebene in wesentlichem Ausmaß korrigiert werden können. Es hat sich insbesondere gezeigt, daß bei Anordnung einer der drei Spulen möglichst nahe dem zweiten (oder dritten) Sektormagnet die genannte Aberration zweiter Ordnung in hohem Ausmaß korrigiert werden kann. Es ist ein zusätzlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahmen, daß die Dispersion des so gebildeten Filters um einige zehn Prozent zugenommen hat, was die Eignung dieses Filters für eine Verwendung als Spektroskop noch weiter vergrößert.
Es ist besonders vorteilhaft, für die Abstände zwischen dem ersten und dem zweiten Sektormagnet und zwischen dem dritten und dem vierten Sektormagnet einen Wert zwischen zwei- und fünfmal dem Krümmungsradius der Achse zu wählen. Wenn solche Abstände zwischen den Sektormagneten gewählt werden, kann die genannte chromatische Aberration zweiter Ordnung genau zu null gemacht werden.
Es kann nicht ausgeschlossen werden, daß ein Vergrößern der Abstände zwischen dem ersten und dem zweiten Sektormagnet und zwischen dem dritten und dem vierten Sektormagnet andere Abweichungen höherer Ordnung einführt, beispielsweise geometrische Aperturabweichungen dritter Ordnung in der Energieselektionsebene. Korrektur der letzteren Abweichungen kann dadurch realisiert werden, daß ein Korrekturmagnet vorgesehen ist, um ein Oktupolfeld in der Symmetrieebene zwischen dem zweiten und dem dritten Sektormagnet zu erzeugen. Die Auflösung des Filters wird damit noch weiter verbessert.
Eine weitere Korrektur der genannten Abweichungen dritter Ordnung wird 30 dadurch realisiert, daß ein zweiter und ein dritter Korrekturmagnet vorgesehen sind, um ein Oktupolfeld direkt vor dem ersten Sektormagnet bzw. direkt hinter dem vierten Sektormagnet zu erzeugen.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch ein Elektronenmikroskop mit einem erfindungsgemäßen Energiefilter;
Fig. 2 eine detailliertere Darstellung eines erfindungsgemäßen Energiefilters;
Fig. 3 eine Ausführungsform eines Korrekturmagnets sowohl zum Erzeugen von Hexapol- als auch Oktupolfeldern.
Fig. 1 zeigt einen Teil einer teilchenoptischen Vorrichtung in Form einer Säule 20 eines Elektronenmikroskops. Wie üblich wird ein Elektronen-Strahlenbündel in diesem Instrument von einer Elektronenquelle (in der Figur nicht abgebildet) erzeugt, welches Strahlenbündel entlang der optische Achsen 22 der Vorrichtung verläuft. Die Elektronen durchlaufen eine Probe 24 und können darin unelastisch gestreut werden. Das die Probe durchlaufende Elektronenstrahlenbündel kann von einer oder mehreren elektromagnetischen Linsen fokussiert werden, beispielsweise der Linse 26, woraufhin das Elektronenstrahlenbündel das Filter 28 erreicht.
Das Filter 28 umfaßt vier Sektormagnete 1, 2, 3 und 4, in denen das Elektronenstrahlenbündel jeweils um 90º abgelenkt wird. Bei der Ablenkung tritt Energiedispersion auf, wobei Selektion von Elektronen einer gewünschten Energie aus dem Elektronenstrahlenbündel möglich wird. Das Elektronenstrahlenbündel gelangt unter einem gegebenen Winkel mit der Grenze des Sektormagnets in den Sektormagnet. Die Wahl der Größe dieses Winkels hängt vom gewünschten Abstand zwischen den Sektormagneten ab; dieser Winkel kann ohne lästiges Experimentieren bestimmt werden, beispielsweise mit Hilfe eines Computersimulationsprogramms. Ein solches Programm ist im Handel als "GIOSP" erhältlich und wird von "Bender & Przewloka", EDV-Berater", Gießen, Deutschland, vertrieben.
Beim Durchlaufen der Sektorfelder treten Abweichungen auf, Abweichungen der zweiten Ordnung und, in minderem Maße, der dritten Ordnung, die die Abbildung des Filters stören, so daß sie korrigiert werden müssen. Hierzu sind eine Anzahl Korrekturspulen 5, 7, 8, 9, 10, 11 und 13 zur Korrektur von Abweichungen zweiter Ordnung und dritter Ordnung vorhanden, wie im folgenden anhand von Fig. 2 im einzelnen beschrieben werden soll.
Nach Verlassen des Filters 28 kann das Elektronenstrahlenbündel weiterhin von einer oder mehreren Linsen fokussiert werden, beispielsweise Linse 30, woraufhin im Detektor 32 Detektion und eventuell Aufzeichnen des Elektronenstrahlenbündels erfolgen kann.
Fig. 2 ist eine detaillierte Darstellung des Energiefilters 28. Das Elektronenstrahlenbündel wird in jedem der Sektormagnete 1, 2, 3 und 4 um 90º abgelenkt, so daß die optische Achse, und damit das Elektronenstrahlenbündel, wie der Buchstabe Ω geformt ist; daher sind Filter dieser Art auch als Ω-Filter bekannt. Es sei bemerkt, daß es für die vorliegende Erfindung nicht wesendich ist, daß die Ablenkung des Elek tronenstrahlenbündels genau 90º beträgt; auch andere Werte sind möglich, wenngleich dann die Lagen der Korrekturspulen etwas anders sind.
Der Krümmungsradius der Ablenkung wird mit R&sub0; bezeichnet. Jeder Sektormagnet umfaßt einen magnetischen Abschluß, wie den Abschluß 1-1 des Sektormagnets 1. Dieser an sich bekannte magnetische Abschluß hat ein magnetostatisches Potential gleich null und ist vorhanden, um das Magnetfeld am Rand der Sektormagnete geeignet zu definieren. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die Grenzebene des Magnetfeldes als die zur Zeichenebene senkrecht verlaufende Ebene durch den Mittelpunkt des Raumes zwischen dem Magnetpol und dem Pol des magnetischen Abschlusses definiert. Das Energiefilter umfaßt auch eine Anzahl Korrekturspulen zum Erzeugen von Hexapolfeldern, Oktupolfeldern oder einer Kombination davon. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Mittelpunkt der physikalischen Spule als die Lage eines von einer Korrekturspule erzeugten Magnetfeldes definiert. Der physikalische Aufbau dieser Spulen soll anhand von Fig. 3 im einzelnen beschrieben werden.
In dem Energiefilter treten Abbildungsabweichungen der zweiten und dritten Ordnung auf, die durch die genannten Korrekturfelder korrigiert werden müssen. Die Spulen 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 und 13 sind vorhanden, um Hexapolfelder zu erzeugen; dabei wird Abbildungsabweichungen zweiter Ordnung entgegengewirkt. Die Spulen 5, 9 und 13 sind auch vorhanden, um Oktupolfelder zu erzeugen, wodurch Abweichungen dritter Ordnung korrigiert werden.
Eine Anzahl Abbildungsabweichungen zweiter Ordnung wird von den Spulenpaaren (6, 12), (7, 11) und (8,10) und der Spule 9 kombiniert korrigiert. Wegen ihrer Lage in einer Symmetrieebene des Filters kann die letztere Spule als Zusammenziehung zweier imaginärer Spulen betrachtet werden. Eine Computersimulation der Abbildungeigenschaften des Filters hat ergeben, daß zur Korrektur der chromatischen Aberration zweiter Ordnung in Dispersionsrichtung der Abstand zwischen den Sektormagneten 1 und 4 einerseits und den Sektormagneten 2 und 3 andererseits vorzugsweise größer als bei dem genannten Stand der Technik ist. Durch eine geeignete Wahl der Lage der Korrekturfelder kann die genannte chromatische Aberration dann so klein gemacht werden, daß sie für die Praxis vernachlässigbar wird. Dies ist offenbar der Fall bei einem Abstand L&sub1; zwischen den Sektormagneten, der 1,9-mal so groß wie der Krümmungsradius der Achse ist, also 1,9 R&sub0;. Wenn vollständige Korrektur der genannten chromatischen Aberration gewünscht wird, ergibt sich, daß der Abstand L&sub1; größer als 2 R&sub0; sein muß, vorzugsweise zwischen zwei- und fünfmal dem Krümmungsradius der Achse, weil stigmatische Abbildung mit dem Filter bei L&sub1; > 5R&sub0; nicht mehr möglich ist. In beiden Fällen (d.h. L&sub1; 1 ,9R&sub0; und L&sub1; ≥ 2R&sub0;) wird eine optimale Korrek tur der betreffenden Abweichung erhalten, wenn der Abstand zwischen der Spule 8 und dem Sektor 2 (oder der Spule 10 und dem Sektor 3) minimiert wird. Durch Veränderung der Lage und der Erregung der Spulen 6 und 7 (oder 11 und 12) kann die Korrektur optimiert werden. Diese experimentelle Veränderung kann mit Hilfe des bereits erwähnten Simulationsprogramms ausgeführt werden.
Unter bestimmten Umständen (je nach der Wahl der weiteren Filterparameter) kann es vorkommen, daß die Abweichungen dritter Ordnung durch Vergrößerung des Abstandes L&sub1; zunehmen und somit weiterer Korrektur bedürfen. Hierzu sind die Korrekturspulen 5, 9 und 13 so entworfen, daß sie auch Oktupolfelder erzeugen, wodurch diese Bildabweichungen korrigiert werden. Zur Optimierung der Korrektur scheint es vorteilhaft, den Abstand zwischen der Spule 5 und dem Sektorfeld 1 (oder der Spule 13 und dem Sektorfeld 4) zu minimieren.
Die Werte der verschiedenen Parameter einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters werden in der untenstehenden Tabelle gegeben. Die Tabelle stellt zwei Situationen dar, nämlich die Situation A und die Situation B; in der Situation A ist der Abstand L&sub1; zwischen den Sektormagneten 1 und 2 gleich 2R&sub0;; in der Situation B ist dieser Abstand gleich 3,3R&sub0;.
In dieser Tabelle wird der Eintrittswinkel zwischen der optischen Achse und der Grenzebene an der Eintrittsseite des Sektormagnets 1 mit &epsi;&sub1; dargestellt, der Austrittswinkel beim Sektormagnet mit &epsi;&sub2; und die entsprechenden Winkel für den Sektormagnet 2 mit &epsi;&sub3; bzw. &epsi;&sub4;. Die Abstände zu den Sektormagneten werden vom Schnittpunkt der optischen Achse mit der betreffenden Grenzebene gerechnet. Der Abstand zwischen der Spule 5 und dem Sektormagnet 1 wird mit dem Bezugszeichen a&sub1; bezeichnet, während die Abstände zwischen diesem Sektormagnet und den Spulen 6, 7 und 8 mit den Bezugszeichen a&sub2;, a&sub3; bzw. a&sub4; angedeutet werden. Der Abstand zwischen dem Sektormagnet 1 und dem Sektormagnet 2 wird mit dem Bezugszeichen L&sub1; bezeichnet, während der Abstand zwischen den Sektormagneten 2 und 3 mit dem Bezugszeichen L&sub2; angedeutet wird. Alle Abstände in der Tabelle sind in Einheiten von R&sub0; ausgedrückt.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform einer Spule, mit der sowohl Hexapolals auch Oktupolfelder erzeugt werden können. Diese Spule besteht aus acht Polen 42, wobei jeder Pol seine eigene Erregungsspule 44 umfaßt. Jeder Pol ist magnetisch mit einem Abschlußglied 40 zum Schließen des magnetischen Kreises verbunden. Jedes
Hexapolfeld und jedes Oktupolfeld kann durch geeignete Erregung der Spulen 44 (die unabhängig voneinander erregt werden können) erzeugt werden.

Claims

1. Teilchenoptische Vorrichtung mit einer Teilchenquelle zum Erzeugen elektrisch geladener Teilchen, die sich entlang einer optischen Achse (22) der Vorrichtung bewegen, einem Energiefilter (28) mit einer optischen Achse (34), von der ein Anfangsabschnitt und ein Endabschnitt mit der optischen Achse (22) der Vorrichtung zusammenfallen, wobei das Energiefilter (28) folgendes umfaßt:

* hintereinander einen ersten, zweiten, dritten und vierten Sektormagnet (1), (2), (3), (4), wobei der entlang der optischen Achse des Energiefilters gemessene Abstand (L&sub1;) zwischen dem ersten (1) und dem zweiten (2) Sektormagnet gleich dem entsprechenden Abstand zwischen dem dritten (3) und dem vierten (4) Sektormagnet ist, wobei innerhalb der genannten Sektormagnete die optische Achse (34) hauptsächlich kreisförmig ist, mit einem Krümmungsradius R&sub0;,

* einen ersten Korrekturmagnet (8) zum Erzeugen eines Hexapolfeldes zwischen dem ersten und dem zweiten Sektormagnet, und einen zweiten Korrekturmagnet (10) zum Erzeugen eines Hexapolfeldes zwischen dem dritten und dem vierten Sektormagnet,

* dadurch gekennzeichnet. daß der entlang der Achse gemessene Abstand (L&sub1;) zwischen dem ersten und dem zweiten Sektormagnet und zwischen dem dritten und dem vierten Sektormagnet größer ist als 1,9-mal der Krümmungsradius R&sub0; der Achse.

20 2. Teilchenoptische Vorrichtung nach Anspruch 1, in dem die Abstände zwischen dem ersten (1) und dem zweiten (

2) Sektormagnet und zwischen dem dritten (3) und dem vierten (4) Sektormagnet zwischen zwei- und fünfmal dem Krümmungsradius R&sub0; der Achse liegen.

3. Teilchenoptische Vorrichtung nach Anspruch 1, in dem ein Korrekturmagnet (9) vorgesehen ist, um ein Oktupolfeld in der Symmetrieebene zwischen dem zweiten (2) und dem dritten (3) Sektormagnet zu erzeugen.

4. Teilchenoptische Vorrichtung nach Anspruch 2, in dem ein zweiter (5) und ein dritter (13) Korrekturmagnet vorgesehen sind, um ein Oktupolfeld direkt vor dem ersten Sektormagnet (1) bzw. direkt hinter dem vierten Sektormagnet (4) zu erzeugen.

5. Teilchenoptische Vorrichtung nach Anspruch 3, in dem ein Hexapolfeld und das Oktupolfeld zusammen von nur einem einzigen magnetischen Kreis erzeugt werden.

6. Energiefilter (28) nach einem der vorhergehenden Ansprüche für eine teilchenoptische Vorrichtung.