Brevet FR2135489A1 — publié le 19721222

L'invention est relative aux filtres de vitesses c 'est-a-dire aux dispositifs permettant d'isoler pour la formation de l'image ou du diagramme de diffraction (en optique électronique ou ioniques ceux des électrons (ou ions) ayant subi, lors de leur interaction avec l'objet étudié une perte d'énergie déterminée. Elle a pour but surtout de rendre ces dispositifs tels qu'ils répondent mieux que jusqu'à ce jour aux divers desiderata de la pratique notamment en ce qui concerne leur commodité d'utilisation. On sait que le filtrage des vitesses peut être utilisé en microscopie électronique pour améliorer la qualité des images. En effet, les pertes d'énergie subies par les électrons lors de leur interaction avec la matière entrainent pour ces images des aberrations chromatiques se traduisant par une perte de résolution et une perte de contraste d'autant plus importante que la préparation est de plus forte épaisseur. Cette technique de filtrage a permis en outre d'explorer de façon beaucoup plus complète l'information contenue dans le faisceau d'électrons ou d'ions après interaction avec l'échantillon. C'est ainsi que pour des électrons dont l'énergie initiale est de 105 électron-volts, la largeur de la bande d'énergie sélectionnée peut être réduite à l'électron-volt, la perte d'énergie choisie pouvant être nulle si on s'intéresse aux électrons diffusés élastiquement ou quasi-élastiquement. Elle peut être réglée à une valeur quelconque, par exemple à quelques électron-volts pour l'étude des- pertes d'énergie créées par excitation collective d'électrons dans l'échantillon ou encore à quelques dizaines et mêmes plusieurs centaines d' électron-volts pour l'étude des pertes lointaines. On connaît dans l'art antérieur des systèmes permettant le filtrage des vitesses en microscopie électronique, dont un exemple est représenté sur la fig. 1. Ce système mis au point par MM. CASTAING et HENRY a notamment été décrit dans la revue allemande "Zeitschrift für angewandte Physik, vol. 27, fasc. 3, 1969, p. 171-178. Dans un tel système un faisceau électronique 1 issu par exemple de l'objectif d'un microscope électronique subit une première déflexion dans un prisme magnétique 2 puis une réflexion sur un miroir électrostatique 3 et enfin une seconde déflexion dans le prisme magnétique 2, ce qui ramène l'axe du faisceau émergeant dans le prolongement du faisceau incident.Un réglage convenable des éléments et paramètres de ce filtre permet de donner du "cross over" A1 du faisceau incident tou pupille de sortie de l'ensemble formé par l'objectif et une première lentille intermédiaire) une image "1 stigmatique au premier ordre, symétrique de ce cross over par rapport à l'axe de symétrie mécanique SZ du filtre pour les électrons possédanr l'énergie nominale choisie, et tout un ensemble d'images stigma tiques formant un spectre de pertes d'énergie pour les électrons d'énergies différentes.Ce réglage permet d'autre part de donner de l'image A2 transportée par le faisceau électronique incident (image produite par l'ensemble objectif et première lentille intermédiaire) une image A"2 stigmatique et achromatique au premier ordre située elle aussi en position symétrique par rapport à l'axe SZ. Au moyen d'une seconde lentille et d'un projecteur on projette alors sur un écran d'observation, une plaque photogra opiace, etc., soit le plan où se forment les divers "cross over mage à la sortie du filtre : on obtient alors le spectre des serves d'énergie produites par l'échantillon dans la zone étudiée, soit le plan de l'image de sortie du filtre pour ootenir alors une image filtrée formée par les électrons ayant subi lors de leur intéraction avec l'objet une perte d'Énergie déterminée. La bande d'énergie choisie est sélectionnée par une fente de largeur régla ble située au niveau du "cross over" de sortie du filtre. Ce genre de filtre fournit des résultats très satisfaisants mais présente l'inconvénient de nécessiter la présence dans le miroir électrostatique d'une électrode de répulsion portée à un potentiel voisin de celui de la cathode émissive du canon à électrons. Cette tension peut être d'une centaine de milliers e volts pour un microscope commercial. Ceci implique des aménagements délicats du circuit haute tension de l'appareil pour pouvoir connecter cette électrode de répulsion à la haute tension négative du microscope. L'invention a précisément pour objet des perfectionnements aux filtres de vitesses permettant de pallier les inconvenients énoncés plus haut. Ces perfectionnements aux filtres de vitesses du genre dans lequel un faisceau incident électronique ou ionique traverse un système dispersif agencé de faces que l'axe du faisceau de sortie soit sensiblement dans le prolongement de l'axe du faisceau incident consistent essentiellement à faire comporter audit système dispersif des moyens de déflexion purement magnétiques. Selon une caractéristique particulière de l'invention le filtre de vitesses comporte deux prismes magnétiques sensiblement juxtaposés et établissant dans leur entrefer des champs magnétiques uniformes et de sens opposé, le faisceau incident subissant dans la moitié dudit premier prisme une première déflexion de l'ordre de #/2 puis pénétrant dans le second prisme pour y subir une rotation de l'ordre de TE et pénétrant ensuite dans la seconde moitié dudit premier prisme pour y subir une TE déflexion voisine de - ramenant l'axe dudit faisceau dans le 2 prolongement de l'axe initial. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront du complément de description et des dessins ciannexés lesquels complément et dessins sont bien entendu donnés surtout à titre d'indication. Sur les dessins La ig. 1 est le schéma de principe d'un filtre de vitesses de i'art antérieur et la fig. 2 est le schéma d'un exemple de réalisation d'un filtre ds vitesse selon l'invention. On voit sur la fig 2 en 4 n premier prisme magnétique analogue au Fris 2 mais dont la se du r angle isocèle de l'entrefer est tronquée triangulairement. Au voisinage de catie partie tronquée est associé un second prisme magnétique 5 dot le -hamp magnétique dans l'entrefer est de sens opposé à celui du premier prisme. Ces deux champs sont bien entendu uniformes. Le faisceau incident U pénètre dans le prisme 4 sous l'incidence E' puis subit une déflexion #1 dans la première moitié du prisme 4. Le faisceau sort de ce prisme s uns l'angle d'émergence E" il pénètre alors dans le serons pris me sous l'angle d'incidence ' et surît dans son entraverla rotation Ce faisceau pénètre de nsuJeau dans le prisme 4 où ;~ subit une déviation 3 qui ramène son axe dans le prolongement de l'axe du faisceau initial. Un réglage convenable de la géométrie des prismes magnétiques et notamment des angles d'incidence du rayon moyen sur les diverses faces polaires permet de conférer à ce système les mêmes propriétés optiques que celles du dispositif de la fig. 1. On obtient en particulier un stigmatisme au premier ordre pour le "cross over" A''l et l'image A" 2 et un achromatisme au premier ordre pour cette image. On va donner ci-après à titre indicatif un certain nombre de valeurs numériques d'un exemple de réalisation. On s'est arrangé pour que les divers angles d'incidence et d'émergence des faisceaux entrant ou sortant des deux prismes soient relativement faibles et pour que les déflexions dans le premier # prisme soient voisines de 2. Les valeurs des paramètres sont les suivantes b 3 = = 1020 Oz = 2040 SF = 250 SF = 12030' a' = 15024' En ce qui concerne la seconde moitié du premier prisme les angles sont identiques aux premiers par raison de symétrie du système. Il est à noter que cette symétrie a été choisie pour des raisons de simplification mais n'est absolument pas une condition nécessaire. Le rayon de courbure de la trajectoire moyenne dans les deux prismes (les champs magnétiques étant choisis égaux en valeur absolue), est de l'ordre de 3 cm. L'écart (réglable) entre les deux prismes compté le long de la trajectoire électronique moyenne est d'environ 1,5 cm. La dispersion au niveau du cross over est de l'ordre de 2p/eV pour des électrons de 105eV. On a déjà indiqué un certain nombre d'avantages fournis par le filtre de vitesses selon l'invention. On a vu que l'absence de miroir électrostatique supprimait la nécessité de porter un élément du filtre à la haute tension comme dans le système de la fig. 1. L'ensemble formé par les prismes rnagné- tiques, la première lentille intermédiaire, les lames de sélection peut être introduit dans la colonne d'un microscope électronique du commerce sans aucune autre modification. L'alimentation se réduit à une source de courant continu pour l'excitation des prismes magnétiques. L'absence de miroir électrostatique permet en outre d'utiliser le filtre pour un microscope électronique à très haute tension, par exemple de quelques millions de volts, ce qui serait pratiquement exclu dans le cas du système prisme miroir du fait que le miroir devrait supporter la même haute tension que la source d'électrons du microscope. Ces perfectionnements selon l'invention ont été décrits dans leur application à la microscopie électronique mais ils pourraient aussi bien s'appliquer à l'optique ionique. Le système peut servir de filtre d'énergie ou de masse sans modifications notables. Il est bien évident d'autre part qu'on pourrait proposer un grand nombre de configurations d'éléments purement magnétiques de déflexion permettant d'obtenir les mêmes propriétés de stigmatisme et d'achromatisme que celles qui ont été indiquées. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donne qu'à titre d'exemple. REVENDICATIONS 13 Perfectionnements aux filtres de vitesses du genre dans lequel un faisceau incident électronique ou ionique traverse un système dispersif agencé de façon que l'axe du faisceau de sortie soit sensiblement dans le prolongement de l'axe du faisceau incident consistant essentiellement à faire comporter audit système dispersif dss moyens de déflexion purement magnétiques. 2) Perfectionnements selon la revendication 1 dans lesquels lesdits moyens de déflexion purement magnétiques comportent deux prismes magnétiques sensiblement juxtaposés et établissant dans leur entrefer des champs magnétiques uniformes et de sens opposé, le faisceau incident subissant dans la moitié du premier prisme une une première déflexion de l'ordre de 2 puis pénétrant dans le second prisme pour y subir une rotation de l'ordre de TE et pénétrant ensuite dans la seconde moitié dudit premier prisme pour y subir une déflexion voisine de T ramenant l'axe dudit faisceau 2 sensiblement dans le prolongement de l'axe initial. 3) Perfectionnements selon la revendication 2 dans lesquels l'entrefer dudit premier prisme a en section droite sensiblement la forme d'un triangle isocèle d'axe perpendiculaire à l'axe du faisceau incident la base dudit triangle étant tronquée symétriquement et placée en regard des faces d'entrée ét de sortie dudit second prisme en forme de dièdre.