Brevet FR2498011A1 — publié le 19820716

La présente invention se rapporte à un objectif magnétique à utiliser dans un microscope électronique à balayage o la distance de travail varie fortement. Dans un microscope électronique à balayage tradi- tionnel, est incorporé un objectif magnétique illustré sur la figure 1. Sur la figurel'objectif 1 comprend une bobine d'excitation 2 qui est enroulée autour de l'axe 3 de l'objectif, des carcasses 4 et 5 abritant la bobine d'exci- tation 2, une pièce polaire magnétique supérieure 6 fixée à l'extrémité annulaire de la carcasse 4 et une pièce polaire magnétique inférieure 7 fixée à l'extrémité de la carcasse 5. Le champ magnétique, qui est symétrique par rapport à l'axe 3, est formé entre les pièces polaires magnétiques supérieure et inférieure 6 et 7 pour faire converger le faisceau d'électrons 8 d'un canon d'électrons (non représenté) le long de l'axe 3 à la surface d'un échantillon 9. Le diamètre d'alésage Dl de la pièce polaire magnétique inférieure 7 est plus petit que le diamètre d'alésage D2 de la pièce polaire magnétique supérieure 6, ainsi le fort champ magnétique de l'objectif ne s'étend pas jusqu'à l'échantillon. La position de l'échantillon 9 sur une platine 10 est modifiée en manipulant la platine 10. La distance de travail W.D. (c'est-à-dire la distance entre la surface inférieure de la pièce polaire magnétique infé- rieure 7 et la surface de l'échantillon) est également modifiée en manipulant la platine 10. Dans une observation ordinaire en utilisant le microscope électronique à balayage, la valeur de W.D. est établie à une distance comparativement importante pour les raisons qui suivent. (i) On obtient une "profondeur de longueur de focalisation" profonde du fait de la grande distance focale de l'objectif, donc l'image de balayage de la surface irrégulière d'un échantillon en vrac peut être clairement observée. (ii) On obtient un angle & élevé de prise dans la détection du rayon X 11 qui rayonne de l'échantillon 9; dans une condition de valeur W.D. importante, une mesure précise des rayons X est donc possible. (iii) L'observation d'un échantillon ferro- magnétique qui ne doit pas être soumis à un champ magnétique fort devient possible, parce que le champ magnétique de l'objectif à l'échantillon qui est placé à une distance W.D. importante est assez faible. Par ailleurs, afin d'obtenir une forte résolution de l'image, le diamètre du faisceau d'électrons qui irradie l'échantillon doit être réduit au maximum au moyen du système de lentilles magnétiques incorporé. Dans des microscopes électroniques à balayage traditionnels, le facteur principal qui gêne la réduction du diamètre du faisceau d'électrons est théoriquement et pratiquement l'aberration sphérique de l'objectif. Par ailleurs, une aberration chromatique de l'objectif devient un facteur qui n'est pas négligeable en comparaison à l'aberration sphérique dans un cas spécial d'observation (en particu- lier dans la condition d'une longueur focale très courte de l'objectif). La quantité de cette aberration sphérique est proportionnelle à Cs.o 6 o Cs est un coefficient d'aberration sphérique et" est le demi-angle du faisceau d'électrons qui est sous-tendu par l'objectif au point convergé sur l'échantillon. La quantité de l'aberration chromatique est proportionnelle à Cc." o Cc est un coefficient d'aberration chromatique. A la lecture de ce qui précède, afin de réduire le diamètre du faisceau d'électrons etainsi d'augmenter la résolution de l'image, il est nécessaire de produire un objectif ayant un faible coefficient d'aberration sphérique. Il est également essentiel d'écourter la longueur focale de l'objectif qui est grossièrement proportionnelle aux coefficient d'aberration sphérique et chromatique. En d'autres termespour diminuer l'aberration sphérique dans l'objectif, la valeur de W.D. correspondant à la longueur focale doit être extrêmement courte. Dans une observation à la condition d'une valeur de W.D. courtecependant, les avantages ci-dessus (i), (ii) et(iii) ne sont pas garantis, et la valeur du coefficient d'aberration sphérique ne peut être réduite de façon appropriée. Afin d'obtenir une image de balayage à une plus forte résolution, on a proposé un appareil on un échantillon et placé dans l'espace entre les pièces polaires magnétique comme cela est indiqué en 9' en pointillés, et l'objectif est fortement excité pour la courte longueur focale afin d'atteindre un faible coefficient d'aberration sphérique. Cependant, l'appareil proposé est désavantetx parce que, comme l'échantillon est confiné dans un petit espace, il y a une limite à la dimension de l'échantillon à insérer à travers un trou latéral (non représenté) de la piècepailaze 1ii9euoe et il est difficile d'effectuer un contrôle souhaitable de position ( pour décalage, rotation et inclinaison) pour l'échantillon. La présente invention a pour objet principal un objectif ayant un faible coefficient d'aberration sphérique, sans restriction sur la dimension de l'échantillon et le contrôle de la position de cet échantillon. La présente invention a pour autre objet un objectif pour réduire le champ magnétique étendu de l'objectif en-dessous de la pièce polaire inférieure de l'objectif pourune observation d'un échantillon ferromagnétique. Ces objets et d'autres encore sont atteints en prévoyant des pièces polaires magnétiques supérieure inférieureetexterne, entre lesquelles le champ magnétique de l'objectif est produit en excitant indépendamment l'une des deux bobines d'excitation. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: -la figure 1 est un schéma montrant un objectif largement utilisé dans un microscope électronique à balayage traditionnel; - la figure 2 est un schéma de l'objectif selon l'invention; - la figure 3 est un schéma montrant la distri- bution de champ magnétique axial dans l'objectif de la figure 2, l'intensité du champ magnétique étant indiquée sur l'axe des abscisses; la figure 4 est un graphique montrant la relation entre la distance de travail et les coefficients d'aberration sphérique et chromatique; - la figure 5 est un schéma d'un autre objectif selon l'invention; et - la figure 6 est un schéma montrant la distribu- tion de champ magnétique axial dans l'objectif de la figure 5, l'intensité du champ magnétique étant indiquée sur l'axe des abscisses. La figure 2 montre un mode de réalisation d'un objectif selon l'invention, o les constituants ayant des repères correspondants à ceux de la figure 1 sont identiques par leur fonction, sinon par leur structure. Dans ce mode de réalisation, une première bobine d'excitation 12 et une seconde bobine d'excitation 13 sont incorporées. Une carcasse interne 14 et une carcasse médiane 15 abritent la première bobine d'excitation 12, et aux extrémités annulai- res des carcasses sont fixées la pièce polaire magnétique supérieure 6 ayant un diamètre d'alésage D2 et la pièce polaire magnétique inférieure 7 ayant un diamètre d'alésage Dl, lequel est plus petit que D2, respectivement. Quand la première boioedExcitBion12 reçoit du courant d'excitation de son alimentation 16 par un commutateur 17, le champ magnétique de l'objectif est produit à proximité de l'espace entre les pièces polaires magnétiques supéreure et inférieu- re 6 et 7.La carcasse médiane15 etlaoercasse externe 19 abritent la seconde bobine d'excitation 13, et à l'extrémi- té annulaire delacarcasse 19 est fixée une pièce polaire magnétique externe 20 ayant un diamètre d'alésage D3 qui est supérieur à Dl. Quand la seconde bobine d'excitation 13 reçoit du courant d'excitation de son alimentation 21 par un commutateur 22, le champ magnétique de l'objectif est produit à proximité de l'espace entre les pièces polaires magnétiques inférieure et externe 7 et 20. Le faisceau d'électrons le long de l'axe 3 de l'objectif est convergé par ce champ magnétique à la surface de l'échan- tillon 9, et des bobines de déviation 23 et 24 recevant un signal de balayage d'un générateur de signaux de balayage font explorer le faisceau d'électrons sur l'échan- tillon 9. Dans le cas o seule la première bobine d'exci- tation 12 est excitée (ci-après premier mode d'observation) et o l'échantillon 9 est placé à une valeur de W.D. comparativement longue, les électrons secondaires qui émanent de l'échantillon 9 sont détectés par un premier moyen de détection 26 qui se compose d'un scintillateur, d'un photomultiplicateur et d'une électrode d'accélération pour diriger les électrons secondaires vers le scintalla- teur en produisant un champ électrostatique. Le signal à la sortie du moyen de détection 26 est appliqué à un tube à rayons cathodiques 27 par un amplificateur 28 et un commutateur de changement 29 en tant que signal de modulation de luminosité. Les moyens déflecteurs 30 et 31 du tube 27 reçoivent des signaux synchronisés sur le faisceau d'électrons de balayage du générateur 25 de signaux de balayage, ainsi l'image d'électrons secondaires de l'échantillon est affichéesur l'écran du tube à rayons cathodiques 27. Dans le cas o seule la seconde bobine d'excita- tion 13 est excitée (ci-après second mode d'observation) et o l'échantillon 9 est élevé le long de l'axe 3 jusqu'à la position de la ligne en pointillés 9" sur la figure 2 en manipulant la platine 10, le champ magnétique de l'objec- tif à proximité de l'échantillon 9 agit bien entendu comme un objectif pour le faisceau d'électrons et agit également comme un moyen de focalisation pour focaliser les électrons secondaires émis dans toutes les directions par l'échantillon, vers le haut et vers la direction de l'axe 3. Un second moyen détecteur 32 ayant les mêmes constituants que le premier moyen détecteur 26 ci-dessus mentionné, est décalé vers le haut de l'objectif et détecte les électrons secondaires atteignant l'axe de l'objectif 3 à proximité de l'extrémité annulaire de la carcasse interne 14. Le signal à la sortie du second moyen détecteur 32 est appliqié au tube à rayons cathodiques 27 par un amplificateur 33 et le commutateur de changement 29.ainsi l'image des électrons secondaires de l'échantillon est affichéésur l'écran du tube à rayons cathodiques 27. La figure 3 montre la distribution de champ magnétique le long de l'axe 3 de l'objectif à proximité des pièces polaires magnétiques 6, 7 et 20. Sur la figure 3, la courbe AI représente la distribution de champ magné- tique axial dans le premier mode d'observation et la courbe A2 représente la distribution de champ magnétique axial dans le second mode d'observation. La figure 4 est un graphique montrant la relation entre les valeurs de W.D. (mm) et les coefficients d'aber- ration sphérique et chromatique Cs, Cc (mm), sur la base de l'expérience utilisant l'objectif de la figure 2. Sur la figure 4, la courbe SI représente le coefficient d'aber- ration sphérique Cs dans le premier mode d'observation, la courbe S2 représente le coefficient d'aberration sphérique Cs dans le second mode d'observation, la courbe Cl représente le coefficient d'aberration chromatique Cc dans le premier mode d'observation, et la courbe C2 repré- sente le coefficient d'aberration chromatique dans le second mode d'observation. Les courbes SI et S2 se coupent à W.D. = 8 mm et les courbes Cl et C2 se coupent à W.D. = 17 mm. En comparant les courbes Si, S2, Ci et C2 sur la figure 4, les faits qui suivent deviennent apparents. (A) A la condition de W.D.c 8mm, les valeurs des courbes S2 et C2 sont plus faibles que celles des courbes SI et Cl. En conséquence,le second mode d'observation est préférabledans cette condition pour obtenir une image b forte résolution. Et l'image de très forte résolution est obtenue en écourtant autant que possi- ble la longueur W.D. (B) A la condition de W.D.> 17 mm, les valeurs des courbes SI et Cl sont plus faibles que celles des courbes S2 et C2. En conséquence, le premier mode d'obser- vation est préférable, dans cette condition, pour obtenir une image de forte résolution. Par ailleurs, cette condition est préférable pour l'observation d'un échantillon ferro- magnétique. A la région inférieure de la surface inférieure de la pièce polaire magnétique inférieure 7, la valeur de la courbe de distribution de champ magnétique axial AI est plus faible que la courbe A2 comme on peut le voir sur la figure 3. (C) A la condition de 8 mm résolution de l'image en comparaison à l'aberration sphérique. Cependant, à la condition spéciale o, par exemple, le demi- angleCt ci-dessus du faisceau d'électrons est très faible, le premier mode d'observation est préférable pour obtenir une image de forte résolution. Par ailleurs, afin d'augmenter l'angle de prise a en (ii) ci-dessus ou pour obtenir une image à un très faible grossissement, il faut une distance W.D. très impor- tante. Dans ce cas, il est préférable que les première et seconde bobinesd'excitation 12 et 13 soient excitées (ci- après troisième mode d'observation) pour les raisons qui suivent. En effet, dans le troisième mode d'observation, la courbe de distribution de champ magnétique axial A3 de la figure 3 a une largeur à la demi-valeur dlqui est plus importante que celle dans le premier ou le second mode d'observation.( La valeur de crête de la courbe A3 est plus faible que cellesdes courbes AI et A2 en observa- tion réelle). A la condition d'une distance W.D. très longue, en étendant la largeur à la demi-valeur de la distribution de champ magnétique axial. le coefficient d'aberration sphérique Cs est réduit et on obtient une image de forte résolution. La figure 5 montre une vue pratique et en coupe transversale d'un autre mode de réalisation selon l'inven- tion. Cette structure d'objectif est différente de celle du mode de réalisation dela figure 2 aux points qui suivent. (1) La forme d'une première bobine d'excitation 34, d'une seconde bobine d'excitation 35, d'une carcasse interne 36, d'une carcasse médiane 37 et d'une carcasse externe 38 n'est pas cylindrique mais en entonnoir. (2) Des excavatioes 39 et 40 pourie passage d'eau de refroidissement ou d'huile sont formées dans les carcasses 36 et 37 afin que la chaleur produite aux bobines d'excitation 34 et 35 soit absorbée. (3) Le courant de sortie d'une alimentation commune 41 de l'objectif est appliqué à lapremière bobine d'excitation 34 ou à la seconde bobine d'excitation 35 par un commutateur de changement 42. (4) Les parties extrêmes annulaires des carcas- ses 36, 37 et 38 servent de pièces polaires magnétiques sans organe séparé. (5) La surface inférieure de la carcasse externe (pièce polaire magnétique) 38 est placée à une position plus basse ( ou même position) que la surface inférieure de la carcasse médiane (pièce polaire magnétique inférieure) 37. (6) Une pièce polaire magnétique supplémentaire 43 est fixée à l'extrémité annulaire de la carcasse interne 36 par une pièce d'espacement non ferromagnétique 44. La figure 6 montre les courbes de distribution de champ magnétique axial dans l'objectif de la figure 5. Sur la figure 6, la courbe Bi représente la distribution du champ magnétique produit dans le premier mode d'obser- vation o seule la première bobine d'excitation 34 est excitée, etla courbe B2 représente la distribution du champ magnétique produit dans le second mode d'observation o seule la seconde bobine d'excitation 35 est excitée. La largeur d2 a la demi-valeur de la courbe BI est relativement importante, parce que le champ magnétique axial dans le premier mode d'observation est produit dans des espaces doubles GI et G2. En faisant ainsi, le coefficient d'aberra- tion sphérique est réduit comme on l'a mentionné ci-dessus et on obtient une image de balayage de forte résolution dans le premier mode d'observation.(Les effets de la pièce polaire magnétique supplémentaire sont décrits plus théori- quement dans le brevet Français NO 7908828) De plus, le troisième mode d'observation o les première et seconde bobines d'excitation 34 et 35 sont excitées (par leumspropres alimentatiorBen courant non représentées) est préférable dansle cas o il faut une distance W.D. très importante dans le mode de réalisation représenté sur la figure 5. R E V E N D I C A T I O N S 1. Objectif magnétique à utiliser dans un microscope électronique à balayage, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) une pièce polaire magnétique inférieure (7) ayant un diamètre d'alésage Dl, (b) une pièce polaire magnétique supérieure (6) ayant un diamètre d'alésage D2 supérieur à Dl, (c) une pièce polaire magnétique externe (20) ayant un diamètre d'alésage D3 supérieure à Dl. (d) une première bobine d'excitation (12)pur produire le champ magnétique entre ladite pièce polaire magnétique inférieure et ladite pièce polaire magnétique supérieure, (e) une seconde bobine d'excitation (13) pour produire le champ magnétique entre ladite pièce polaire magnétique inférieure et ladite pièce polaire magnétique externe. 2. Objectif magnétique à utiliser dans un micros- cope électronique à balayage,caractérisé en ce qu'il com- prend: (a) une pièce polaire magnétique inférieure (37) ayant un diamètre d'alésage Dl, (b) une pièce polaire magnétique supérieure (36) ayant un diamètre d'alésage D2 supérieur à Dl, - (c) une pièce polaire magnétique externe (38) ayant un diamètre d'alésage D3 supérieur à Dl, (d) une pièce polaire magnétique supplémentaire (43) agencéeentre la pièce polaire magnétique inférieure et la pièce polaire magnétique supérieure, (e) une première bobine d'excitation (34) pour produire un champ magnétique entre la pièce polaire magnétique inférieure et lapLèce polaire magnétique supérieure, et (f) une seconde bobine d'excitation (35) pour produire un champ magnétique entre la pièce polaire magnétique inférieure et la pièce polaire magnétique extenoe. 3. Objectif à utiliser dans un microscope élec- tronique à balayagecarctérisé en ce qu'il comprend (a) une première bobine d'excitation (34) enroulée autour d'un axe 3)de l'objectif. (b) une carcasse (36, 37) abritant ladite première bobine d'excitation,les deux extrémités de forme annulaire de ladite carcasse étant utilisées comme pièce polaire magnétique inférieure ayant un diamètre Dl et comme pièce polaire magnétique supérieure ayant un diamètre D2, plus grand que Dl, pour former un champ magnétique entre lesdites pièces polaires magnétiques inférieure et supérieu- re, (c) une seconde bobine d'excitation (35) enroulée autour de ladite carcasse et (d) une carcasse externe (38) abritant ladite seconde bobine d'excitation ainsi que ladite carcasse (37), l'extrémité de forme annulaire de ladite carcasse (38) étant utilisée comme pièce polaire magnétique externe d'un diamètre D3, plus grand que Dl, pour former un champ magnétique entre la pièce polaire magnétique inférieure et la pièce polaire magnétique externe.