Brevet FR2007067A1 — publié le 19700102

La présente invention concerne et a essentiellement pour objet un dispositif pour corriger la déviation d'un faisceau d'électrons ou analogue ainsi que les diverses applications et utilisations résultant de sa mise en oeuvre et les divers systèmes, ensembles, équipements et installations pourvus de tels 5 dispositifs. L'invention se rapporte à un appareil à rayonnements corpusculaires, tel qu'un microscope électronique utilisant des lentilles magnétiques à électrons et plus particulièrement à un appareil à rayonnements corpusculaires dans lequel le faisceau d'électrons appliqué, dévié par un flux de fuite, de dispersion ou analogue émanant desdites lentilles à électrons,est toujours 10 corrigé. Il est communément connu par les gens concernés que le microscope électronique classique emploie de-s lentilles magnétiques afin d'obtenir un pouvoir de résolution élevé. En employant une telle lentille, produisant son propre champ magnétique, on peut faire varier largement la distance focale de la len-15 tille en faisant varier électriquement l'intensité dudit champ. En faisant cela, les réglages de focalisation ou de concentration, d'éclairage et de grossissement, qui sont nécessaires pour une observation d'image satisfaisante, peuvent être exécutés avec une facilité relative. En même temps cependant, le flux de dispersion ou de fuite augmente en proportion à l'accroissement de 20 l'intensité du champ magnétique, c'est-à-dire qu'en augmentant l'intensité du courant de lentille, la quantité de flux de dispersion ou de fuite est augmentée • de façon correspondante. En outre, la distribution ou répartition du flux de dispersion ou de fuite varie, c'est-à-dire que la répartition est modulée en raison de l'hétérogénéité de la matière ferro-magnétique constituant la len-25 tille, laquelle hétérogénéité est causée par des contraintes mécaniques, des impuretés de la matière, des défauts de forgeage tels que des soufflures, etc., et des erreurs microscopiques dans l'uniformité des intervalles ou interstices où chaque élément, constituant le circuit magnétique, est relié à l'élément adjacent. Il est parfaitement évident alors que pour autant que des lentilles à 30 électrons sont construites en des matériaux ferro-magnétiques, la suppression de la dispersion ou fuite de flux magnétique est impossible. Par ailleurs, le flux de dispersion ou de fuite, émanant de chaque lentille à électrons, coexiste dans la chambre à échantillon située entre la lentille formant condensateur et la lentile formant objectif. Comme cependant la chambre 35 à échantillon classique est conçue pour contenir divers dispositifs d'échantil- 69 13340 2 2007067 Ions, la composition de ladite chambre est inévitablement asymétrique avec pour résultat que le flux de dispersion ou de fuite devient asymétrique. Comme conséquence, le faisceau d'électrons est dévié par l'effet collectif des flux totaux de dispersion ou de fuite, en rendant extrêmement difficile de fai-5 re coïncider le centre dudit faisceau d'électrons et l'axe optique. En outre, comme des aberrations non axiales, telles que l'astigmatisme, l'aberration par coma, etc., sont augmentées, la résolution de l'image est affectée défavorablement. Par ailleurs, dans la diffraction de microfaisceaux, récemment essayée 10 par des techniciens du microscope, l'intensité du courant de la lentille intermédiaire doit-être modifiée quand on passe «Jane image microscopique électronique à une configuration de diffraction. Concurremment à cette modification d'intensité de courant, l'intensité du flux de dispersion ou de fuite dans la chambre d'échantillon varie, d'où résulte une déviation du faisceau qui coa-15 duit à. un déplacement dans la portion irradiée de la surface d'échantillon pendant la variation précitée d'intensité de courant. Il en résulte que l'image microscopique électronique ne correspond pas à la configuration de diffraction. En conséquence, le but de la présente invention est de créer un appareil 20 perfectionné pour corriger la déviation d'un faisceau d'électrons appliqué. Un autre but de cette invention est de créer un appareil amélioré pour corriger la déviation d'un faisceau appliqué d'électrons dans lequel ledit faisceau, dévié par un champ magnétique asymétrique produit par un flux de dispersion ou de fuite émanant des lentilles à électrons elles-mêmes, est tou-25 jours corrigé avec pour résultat que la position, à laquelle ledit faisceau irradié la surface d'échantillon, reste constante. Afin d'atteindre les buts précités, la présente invention prévoit un nouveau petit circuit magnétique, suffisamment petit en comparaison avec le circuit magnétique des lentilles à électrons et réalisé dans la même matière que 30 lesdites lentilles à électrons. En outre, le courant, excitant ou alimentant en énergie le petit circuit magnétique précité, est prévu de façon à varier en intensité en proportion à celle du courant alimentant em énergie ou excitant lesdites lentilles à électrons. Conformément à cet agencement, la composante de champ magnétique pour dévier le fàsceau d'électrons émane du pe-35 tit circuit magnétique précité. 69 13340 3 2007067 L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront au cours de la description explicative qui va suivre, en se reportant aux dessins schématiques annexés, donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation préfé-5 rés de l'Invention et dans lesquels : - La figuré 1 représente une vue de la configuration d'un microscope électronique montrant un mode de réalisation de la présente invention; - la figure 2 est une vue agrandie en coupe transversale représentant un mode de réalisation de la présente invention; 10 - la figure 3 représente la partie ou pièce principale (élément correc teur) du mode de réalisation illustré par la figure 2; - la figure 4 représente la distribution ou répartition du champ magnétique au voisinage des pièces polaires représentées sur la figure 3; et - les figures 5 à 8 représëntent respectivement d'autres modes d'exécu-15 tion de cette invention. Dans le microscope électronique représenté sur la figure 1, la colonne 1 comprend une chambre 2 dans laquelle sont logés: un canon à électrons ou analogue 3 et une anode 4, un système lenticulaire 5 à lentilles formant condensateur ou analogue, une chambre à échantillons 6 renfermant un échantillon 20 ou analogue 7', une lentille 8 formant objectif ou analogue, une lentille intermédiaire 9, des lentilles de projection 10 et une chambre d'observation complète avec une fenêtre d'observation 12 et un écran fluorescent 13. Un élément correcteur 14 est monté dans la chambre d'échantillon précitée 6 et sert à corriger le faisceau d'électrons appliqué 15 dévié par les divers flux 25 de fuite coexistant dans la chambre à échantillons. Sur la figure 2, qui représente la corrélation entre le fâsceau d'électrcns appliqué, l'élément correcteur, la lentille formant objectif (qui exerce une influence dans la correction du faisceau d'électrons dévié par le flux de fuite) et les dispositifs formant source d'électrons, la lentille 8 formant objectif 30 comprend une pièce polaire supérieure 16, une pièce polaire inférieure 17, une culasse ou analogue 18 et un bobinage ou enroulement 19. Le courant, excitant ou alimentant en énergie la lentille précitée 8, est fourni par une source dè puissance électrique 20 par l'intermédiaire d'un circuit de réglage de courant 21, l'intensité dudit courant étant proportionnelle à celle du cou-35 rant excitant ou alimentant en énergie l'élément correcteur 14. En d'autres 69 13340 4 2007067- , mots, le courant d'excitation, appliqué à 1 élément correcteur précité 14, varie conformément à la variation du courant d'excitation appliqué à la lentille formant objectif. On supposera, par raison de commodité, que la densité de flux magnéti-5 que B de la culasse 18 est équipollente comme le montre la figure. En considérant alors les cercles concentriques K^, K^, K^, . . .. K (ayant des intervalles uniformes h. qui a le même sens que le flux magnétique indiqué par les flèches), chaque potentiel magnétique statique desdits cercles concentriques est donné par les relations suivantes à la condition que lesdits potentiels 10 soient mesurés en partant du potentiel K : B B " . • - K : O, K :tc21i, . ... K (n-1) H; où »/ Ainsi le champ magnétique de fuite ou de dispersion est facilement déterminé conformément à la répartition du potentiel magnétique le long de la 15 surface extérieure de la lentille formant objectif. En général, la densité de flux magnétique B est proportionnelle à l'intensité d'excitation I de la lentille. B * Mais, comme cela est bien connu, puisque H et comme I varie avec B, les pertes par hystérésis relativement à B et I sont toujours directement reliées à H. Il en résulte que les diverses intensités de champ magnétique cor 20 respondent à une valeur constante B. Pour être plus explicite, l'intensité de champ magnétique H varie selon la matière constituant le circuit magnétique et/ou pendant le développement ou l'établissement de la densité précitée de champ magnétique atteignant B (qui augmente proportionnellement à l'accroissement de l'intensité du courant d'excitation de la lentille). En outre, la dis-25 tribution spatiale de l'intensité de champ magnétique et la configuration des lignes de force magnétique du champ magnétique de fuite ou de dispersion sont déterminées simplement par ladite intensité de champ magnétique. En conséquence, l'intensité du champ magnétique asymétrique, dû au flux de fuite précité, est proportionnée à l'intensité de champ magnétique H. Il en ré-30 suite que le faisceau d'électrons applique 15 est dévié proportionnellement à l'intensité de champ magnétique précitée. Sur cette figure, on suppose que le faisceau d'électrons précité 15 doit être dévié par rapport à la ligne ou droite discontinue en traits mixtes.22, ledit fâsceau, dévié par le champ magnétique de fuite ou de dispersion, étant 35 corrigé par l'élément correcteur 14. 69 13340 5 2007067 Le petit circuit magnétique 14a, qui est suffisamment petit (par exemple un cinquième à un vingtième) en comparaison avec la grandeur de la lentille formant objectif, est monté ou encastré dans l'élément correcteur précité 14, comme le montre la figure 3. Il comprend une culasse ou analogue 23, un 5 entrefer ou analogue 24 et un bobinage ou enroulement 25. La culasse possède une densité de flux magnétique constante B et chaque cercle concentrique (C^ C^i C .... C^) possède un potentiel magnétique statique constant. En outre, l'intensité du courant d'excitation ou d'alimentation en énergie appliqué à ce circuit, est prévue de façon à varier en fonction de la variation de 10 l'intensité de courant appliqué à la lentille formant objectif. Par ailleurs, le petit circuit magnétique précité est construit en une matière semblable à celle de la lentille formant objectif. Ainsi, à la fois le circuit magnétique de la lentille 8 formant objectif et celui du petit circuit magnétique 14a, qui conserve l'état de démagnétisation ou désaimantation complète, sont simul-15 tanément excités ou alimentés en énergie par la source de puissance électrique 20 représentée sur la figure 2. Cependant, afin de rendre l'intensité de champ magnetique H, correspondant à la densité de flux magnétique B de la culasse de la lentille formant objectif, égale à l'intensité de champ magnétique H du petit circuit magnétique, les densités de flux magnétique des deux 20 circuits sont préréglées en conséquence. Ceci est effectué en réglant la constante proportionnelle de l'intensité du courant et l'entrefer ou analogue 24 du petit circuit magnétique 14a. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, une configuration des lignes de force magnétique, ayant la même intensité que celles du champ magnétique de fuite ou de dispersion 25 émanant de la lentille formant objectif, est créée au voisinage du petit circuit magnétique. Les différencesde potentiel magnétique en chaque point (C^ à C^) sur la surface du petit circuit magnétique varient proportionnellement à l'intensité de champ magnétique H de la lentille formant objectif. D'autre part, comme les culasses 26a et 26b sont reliées magnétique-30 ment respectivement aux deux points (C^ et C^ représentés sur la figure 3) sur le petit circuit magnétique 14a et aux pièces polaires magnétiques 27a et 27b, le potentiel magnétique statique entre C et C est appliqué aux pièces J 14 polaires respectivement supérieure et inférieure 27a, 27b. Il en résulte que l'intensité du champ magnétique dévié entre les pièces polaires respective-35 ment supérieure et inférieure est proportionnât la différence de potentiel 69 13340 6 2007067 magnétique entre et C^. En outre, la différence de potentiel magnétique précitée est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique de fuite ou de dispersion émanant de la surface du petit circuit magnétique et l'intensité du champ magnétique de fuite coincide avec l'intensité du champ magnétique de 5 fuite -émanant de la surface de la lentille formant objectif. En conséquence, l'intensité précitée du champ magnétique dévié est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique de fuite émanant de la surface de la lentille formait objectif. Afin de permettre de faire varier à volonté la quantité d'excentricité en-10 tre les pièces polaires respectivement supérieure et inférieure 27a, 27b, la pièce polaire inférieure 27b est reliée mobilement à la culasse 26b. On décrira maintenant la corrélation entre l'excentricité de pièce polaire et la composante déviatrice du champ magnétique. Sur la figure 4 (a), la distribution du champ magnétique est symétrique par rapport à l'axe central \ 15 des deux pièces polaires; c'est-à-dire que les pièces polaires sont concentriques. Dans ces conditions, l'intensité de champ magnétique B est produite z autour de l'axe précité et le faisceau d'électrons, rayonné ou émis le long dudit axe, conserve une trajectoire rectiligne. Réciproquement, sur la figure 4 (b), comme les pièces polaires sont excentrées, une composante de 20 déviation B^, dont la force est déterminée en plus de la quantité d'excentricité par des facteurs tels que la force magnétomotrice et la grandeur d'entrefer, est engendrée perpendiculairement autour de l'axe précité avec pour résultat que la distribution du champ magnétique devient asymétrique et le faisceau d'électrons appliqué est dévié par ladite composante B^. En outre, 25 la déviation précitée du faisceau d'électrons, résultant de la présence du flux de fuite émanant des divers Composants de lentilles constituant le microscope électronique, est toujours corrigée par la composante déviée précitée B . La quantité et la direction de l'excentricité peuvent être réglées de façon à rayonner ou à émettre le faisceau d'électrons sur le centre de la surface 30 d'échantillon au moyen d'un mécanisme approprié (non représenté) relié, rattaché ou articulé à la pièce polaire inférieure 27b. Pourvu que ce réglage puisse être effectué en un seul essai, B^ variera proportionnellement, parce que l'intensité du courant d'excitation appliqué au petit circuit magnétique est proportionnelle à la variation d'intensité de courant appliquée à la lentille 35 formant objectif. En conséquence, le faisceau d'électrons appliqué est tou- 69 13340- 7 200/067 jours corrigé par la composante déviée précitée B^, de sorte que ledit faisceau irradie ou éclaire toujours le centre de la surface d'échantillon. La configuration du petit circuit magnétique 14a, représenté sur la figure 5, est différente de celle de la lentille formant objectif. Dans ce cas, 5 deux bobinages 29a, 29b sont enroulés autour d'un noyau ou analogue 28 pourvu d'un entrefer ou analogue 30 dans lequel est produit un champ magnétique extérieur. Dans ce mode de réalisation, la matière constitutive du noyau 28 comprend un circuit magnétique et le courant d'excitation, appliqué aux deux circuits magnétiques, sont les mêmes que dans le mode de réalisation décrit 2 0 précédemment. En faisant varier convenablement l'entrefer précité 30, une force magnétomotrice, engendrée proportionnellement à l'intensité du champ magnétique de fuite émanant de la lentille formant objectif, peut toujours être appliquée à l'entrefer entre les pièces polaires respectivement supérieure et inférieure 27a, 27b. En conséquence, ce mode de réalisation produit le même 15 résultat que le mode de réalisation représenté sur la figure 3. Sur la figure 6, l'élément correcteur 14 (formant par lui-même un petit circuit magnétique) est inséré et monté ou encastré dans la chambre d'échantillon 31, à angle droit à l'axe central. L'élément précité est réalisé en une-matière semblable ou dans la même matière que la lentille formant objectif et 20 comprend un noyau ou analogue 33 sur lequel est enroulé un bobinage d'excitation 32 et un cylindre externe 34. Le noyau 33 et le cylindre 34 sont tous deux constitués de façon à être mobiles relativement et d'une façon coulissante. Conformément à cet agencement, il-est possible de régler la distance d'écar-tement de l'entrefer 35 prévu entre le sommet du noyau 33 et le fond du cylin-25 dre externe 34 et l'ensemble (c'est-à-dire l'élément correcteur 14) est constitué de façon à se déplacer librement et en coulis s ement autour de la chambre à échantillons 31. Avec cet agencement, l'intensité du champ magnétique dévié (composante compensatrice) peut être réglée en modifiant la distance (l) de la partie dépassant en saillie à l'intérieur de la chambre à échantillons 31. 30 En conséquence, le champ magnétique de fuite (champ magnétique dévié), émanant de L'élément correcteur 14, est employé afin de corriger la déviaticn du faisceau d'électrons. Afin de concevoir un dispositif dans lequel l'intensité du champ magnétique de fuite, émanant de la surface externe de la base du cylindre extérieur 34, varie proportionnellement à l'intensité de champ ma-35 gnétique de.la lentille formant objectif, l'entrefer 35 est réglé et/ôu l'épais- f * 69 13340 8 2007067 seur de chaque organe constituant le cylindre externe 34 est prédéterminée. En outre, afin de régler la déviation du faisceau d'électrons, i'élémënt correcteur (petit Circuit magnétique) doit être monté de façon à tourner-autour de l'axe optique. En variante, plusieurs éléments correcteurs sont~nécessai-5 res. Dans ce cas, le faisceau d'électrons dévié est corrigé par le dhamp magnétique résultant formé par le champ magnétique de fuite émanant de chaque élément correcteur. w " • L'élément correcteur, représenté sur la figure 7, est le mode de réalisation le plus complet de cette invention et comprend un petit circuit magné-10 tique 14a, une plaque ferro-magnétique 36, un boîtier non-magnétique 37 et des tiges de réglage 38a, 38b. Le petit circuit magnétique 14a comprend à son tour une culasse ou analogue 39 sur laquelle est enroulé un bobinage 41 et une culasse cylindrique 40 qui entoure partiellement ladite culasse et ledit bobinage. L'entrefer 42 est réglé en manipulant la culasse cylindrique préci-15 tée 40. Le petit circuit magnétique 14a est conçu de façon à déplacer les parties ou pièces assemblées, renfermées dans le boîtier non magnétique 37, en manipulant la tige de réglage 3 8a ou 3 8b, de façon à les pousser ou appuyer contre le rebord, flasque ou la bride 43. En conséquence, il est possible de déplacer l'axe d'orifice de la culasse 39 dans l'un ou l'autre sens, de façon 20 qu'un état d'excentricité existe entre ledit axe d'orifice et l'axe d'orifice de la plaque ferro-magnétique 3 6. Par ailleurs, comme la force magnétomotrice entre A et B est appliquée à l'entrefer entre la plaque ferro-magnétique 36 et la partie supérieure de la culasse 44 qui forme l'autre pôle "magnétique, l'élément correcteur précité est positionné dans la chambre à échantillons, de fa-25 çon que l'axe de la plaque ferro-magnétique 36 coincide avec l'axé de la lentille formant condensateur ou objectif. - ■ ' ~ Conformément à ce mode de réalisation, le petit circuit magnétique est également réalisé dans la même matière ou dans une matière semblable à celle de la lentille formant objectif et la plaque entre A et B est beaucoup plus 30 mince que l'autre partie de la culasse 39. En manipulant la culasse cylindrique précitée 40, l'entrefer 42 est réglé de façon à faire coincider les densité-de flux magnétique à la fois du petit circuit magnétique et de la lentille formant objectif. La force magnétomotrice entre A et B, appliquée à l'entrefer entre la plaque ferro-magnétique 36 et la partie supérieure (pôle magnétique) 35 de la culasse 44, est toujours constante parce que ladite plaque ferro-magné- 69 13340 20(37067 tique est suffisamment épaisse. En outre, afin d'éliminer la réluctance magnétique, le flasque ou la bride 43 est fermement fixé à la plaque ferro-magnétique.36. Il en résulte que la force magnétomotrice, appliquée à l'entrefer précité, est égale à l'intensité du champ magnétique de fuite émanant de 5 la surface de la lentille formant objectif et est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique dévié dans la chambre à échantillons. En manipulant les tiges de réglage 38a, 38b, il est possible de corriger convenablement le faisceau d'électrons dévié. La figure 8 représente un mode de réalisation double du dispositif repré-"10 sente sur la figure 7. Ici, l'élément correcteur comprend deux petits circuits magnétiques (14a, 14b) comportant deux culasses (39a, 39b), deux culasses cylindriques (40a, 40b) et deux bobinages (41a, 41b), deux plaques ferro-ma-gnétiques (36a, 36b) et quatre tiges de réglage (38a, 38b, 38c, 38d). Les deux petits circuits magnétiques (14a, 14b) peuvent être déplacés relativement 15 et d'une façon coulissante. L'un des éléments correcteurs précités est relié à la lentille formant objectif et l'autre extrémité avec l'une des lentilles formant la lentille de condensateur, la lentille intermédiaire et la lentille de projection. En conséquence, si le faisceau d'électrons est dévié par le champ magnétique de fuite émanant des diverses lentilles constituant l'instrument, 20 il est possible d'effectuer une correction complète en réglant chaque élément correcteur en fonction desdites lentilles. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qii n'ont été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques 25 des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention. % % 69 13340 10 2007067 -REVENDICATIOHS- 1. Appareil pour corriger une déviation d'un faisceau d'électrons , due au champ magnétique de fuite ou de dispersion émanant d'au moins une lentille magnétique à électrons, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un petit circuit magnétique suffisamment petit, en comparaison avec 5 le circuit magnétique de ladite lentille à électrons et réalisé en la même matière que ladite lentille ou en une matière semblable à celle-ci, au moins un moyen pour appliquer proportionnellement les courants électriques d'excitation ou d'alimentation en énergie appliqués à la fois au dit circuit magnétique et à la dite lentille à électrons, et au moins un moyen pour établir ÎO ou créer un champ magnétique correcteur ou analogue, ledit champ étant proportionnel a. la force magnéto-motrice entre deux points arbitraires dudit petit circuit magnétique et s'établissant le long de l'axe optique. 2. Appareil selon la revendication 1,caractérisé en ce qiiil comporte au moins un petit circuit magnétique précité,monté coaxialement à la 15 lentille à électrons précitée, au moins une plaque ferro-magnétique ou analogue, en contact coulissant ou glissant relativement autour d'une portion arbitraire dudit petit circuit magnétique , dans lequel la force magnâo-motrice , entre ladite portion et l'autre portion dudit petit circuit magnétique est appliquée à l'entrefer ou analogue existant entre ladite plaque 20 ferro-magnétique et ladite autre portion dudit petit circuit magnétique. 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par un moyen pour utiliser le champ magnétique de fuite ou de dispersion émanant du petit circuit magnétique précité et s'établissant en travers de l'axe optique précité» 25 4. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par plusieurs éléments correcteurs employés en fonction du nombre de lentilles à électrons utilisées.