Brevet FR2644291A1 — publié le 19900914

La présente invention concerne un microscope électronique comportant un trajet coudé du faisceau pri- maire, le long duquel sont disposés successivement une source délivrant un faisceau d'électrons, un champ magnéti- que déviateur sensiblement constant, et une lentille élec- tronique, qui possède un plan objet, et en outre un dispo- sitif servant à maintenir la surface d'un échantillon sen- siblement dans le plan objet de la lentille électro- nique; un trajet du faisceau secondaire, dans lequel sont disposés successivement la lentille électronique, le champ magnétique déviateur, un dispositif électro-optique de for- mation d'images, et un dispositif de détection des élec- trons, comme cela est connu d'après la publication de W. Telieps et E. Bauer, Ultramicroscpy 17 (1985), page 57. Dans le microscope électronique connu, du type indiqué, un faisceau d'électrons délivré par une source d'électrons est accéléré à une énergie de 15 à 20 keV, dévié par un champ magnétique et focalisé, au moyen d'une lentille électronique, dans le plan focal arrière d'une lentille d'émission. Le faisceau d'électrons est freiné dans le champ électrique de la lentille d'émission, de sorte qu'il tombe sur la surface à examiner d'un échan- tillon, approximativement sous la forme d'un faisceau pa- rallèle de faible énergie, qui peut être réglé à des va- leurs allant de quelques électrons-volts à quelques cen- taines d'électrons-volts. Les électrons réfléchis élasti- quement par les atomes a - la surface de l'échan- tillon sont à nouveau accélérés par le champ de la lentille d'émission du fait de l'énergie primaire et interfèrent simultanément entre eux en raison de leur nature ondula- toire, de sorte qu'on obtient, dans le plan focal arrière de la lentille d'émission, un réseau de diffraction (LEED, abréviation anglaise de Low Energy Electron Diffraction, c'est-à-dire diffraction des électrons de faible énergie), qui représente le pas du réseau des atomes de la surface. Un faisceau d'électrons IV,'=,réfléchi est séparé du faisceau primaire d'arrivée dans le champ magnétique. Un dispositif électro-optique installé en aval permet, soit de visualiser à plus grande échelle le réseau de diffraction sur un écran luminescent, au moyen du faisceau d'électrons réfléchi, soit de former l'image de la surface de l'échantillon elle-même à une échelle très fortement ac- crue. Dans ce dernier cas, les électrons provenant d'une seule réflexion LEED sont occultés de sorte que l'image de la surface de la structure, qui apparaît sur l'écran lumi- nescent, reproduit la distribution spatiale de la structure cristalline respective. L'invention, qui sera expliquée plus loin, a pour but de résoudre le problème visant à améliorer la netteté de formation des images d'un microscope électronique du type indiqué et d'étendre Ses possibilités d'application. Dans le microscope électronique connu du type in- diqué, le champ magnétique, qui est nécessaire pour la sé- paration du faisceau primaire et du faisceau secondaire, provoque non seulement la déviation désirée du faisceau primaire, mais également une dispersion de l'énergie, c'est-à-dire que des électrons possédant des énergies légè- rement inférieures ou supérieures à l'énergie moyenne des électrons du faisceau primaire, sont déviés un peu plus fortement ou un peu moins fortement. C'est pourquoi, dans le microscope électronique connu, la formation de l'image de la source d'électrons dans le plan focal de la lentille d'émission n'est pas nette, mais possède une dispersion latérale d'énergie, même lorsque la formation de l'image par la lentille électronique ne comporte aucune aberration, étant donné que les électrons délivrés par la source possè- dent une disp Fm n d!ent^&i nom. -LX ctsFe pa -c eteAk eo k à environ 0,3 eV dans ie cas de sources d'émission de champ et est comprise entre environ 0,4 et 0,6 eV dans le cas de sources d'électrons thermiques. Il existe un rapport 1:1 entre la netteté du foyer du faisceau primaire dans le plan focal de la lentille d'émission, la netteté des réflexions LEED dans le même plan, c'est-à-dire qu'un foyer flou du faisceau primaire conduit à des réflexions LEED floues cor- respondantes. Il existe également un problème semblable dans le cas du faisceau d'électrons réfléchi. Les électrons pri- maires peuvent subir des pertes d'énergie lors de la ré- flexion et déclenchent également l'apparition d'électrons secondaires. Ces deux effets conduisent à la formation d'électrons, qui circulent conjointement dans le trajet du faisceau des électrons "utiles" réfléchis élastiquement, mais possèdent une énergie plus faible que ces derniers. C'est pourquoi, lorsque leur pourcentage est notable, ils peuvent réduire le contraste et la netteté du modèle LEED ainsi que celle de l'image de la surface. Ces problèmes sont évités conformément à l'inven- tion grâce au fait qu'un champ électrostatique déviateur, dispersif du point de vue de l'énergie, est associé respec- tivement au champ magnétique aussi bien pour le faisceau primaire que pour le faisceau secondaire. Le champ électro- statique déviateur dans le faisceau primaire dévie ce der- nier dans la direction opposée par rapport au champ magné- tique, et les données géométriques et électriques du champ électrostatique déviateur sont choisis de manière que la dispersion de l'énergie du faisceau primaire dans le plan focal de la lentille d'émission soit nulle. L'image de la source d'électrons dans le plan focal et par conséquent également les réflexions LEED sont par conséquent plus nettes que dans le cas connu. De façon correspondante, les électrons nuisibles sont éliminés du faisceau secondaire par un filtre d'éner- gie dispersif, qui laissent passer uniquement une gamme d'énergie, par exemple inférieure à i eV, sans affecter la formation électro-optique de l'image. Une amélioration supplémentaire concerne la len- tille d'émission. La résolution latérale pouvant être obte- nue dépend essentiellement de l'aberration de l'image, provoquée par le champ accélérateur en amont de la. surface plane de l'échantillon. Cette aberration de l'image est inversement proportionnelle à l'intensité de champ présente (voir H. Liebl, Optik 80 (1988) 4). Dans le présent micro- scope électronique, la lentille d'émission est agencée de préférence, de manière que l'intensité de champ en avant de la surface de l'échantillon et par conséquent également la résolution latérale, soient nettement plus élevées que dans le microscope électronique connu. Une amélioration supplémentaire est l'intégra- tion, du point de vue/construction, d'un objectif optique d'un microscope à réflecteur ("Système optique de Schwarz- schild") dans la lentille d'émission. De ce fait, d'une part l'observation microscopique de l'échantillon est pos- sible in situ, et en second lieu le rayonnement ultraviolet est tmuO d'une manière beaucoup plus efficace en direc- tion de la surface de l'échantillon par l'objectif à ré- flecteur, de sorte que le présent microscope électronique peut être également utilisé pour la microscopie à photoé- mission. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci- après, prise en référence aux dessins annexés, sur les- quels: - la figure 1, qui est formée des figures la et lb, représente schématiquement un microscope électronique conforme à une forme de réalisation préférée de l'inven- tion; - la figure 2a montre une représentation schéma- tique d'une partie d'un trajet du faisceau primaire du mi- croscope électronique conforme à la figure 1, qui contient un champ électrostatique et un champ électroma- gnétique déviateur, et des relations permettant d'expliquer la focalisation de l'énergie dans le trajet du faisceau primaire; - la figure 2b montre une représentation schéma- tique du champ électrostatique déviateur et des 9eM - la figure 2c montre une représentation schéma- tique du champ magnétique déviateur et les "Clh. L CoeuA- - les figures 3a et 3b représentent une coupe axiale et une vue en plan d'une lentille électrostatique; - la figure 4 montre une coupe axiale d'une par- tie, jouxtant l'échantillon à examiner, du microscope élec- tronique conforme à la figure 1; - - la figure 5 représente une coupe axiale d'une lentille de freinage; et - la figure 6 représente une coupe axiale d'une lentille accélératrice. Le microscope électronique représenté schémati- quement sur la figure 1 est disposé dans une enceinte à vide non représentée et contient une source 10;délivrant un faisceau d'électrons, - représentée seulement sché- matiquement etpeut être agencée de façon connue. La source du faisceau d'électrons délivre un faisceau primaire 12 possédant une énergie comprise entre environ 15 et 20 keV. Le faisceau primaire 12 traverse successivement un dia- phragme 14, une lentille électronique 16, un champ électro- statique déviateur servant à focaliser l'énergie et produit par deux plaques coudées de condensateur 18, un champ ma- gnétique déviateur 20 qui fait dévier (CoL-j) le trajet du faisceau primaire sur un angle constant prédéterminé, un stigmateur (24), un système optique (22),uA &M 0on 0onnez, plus loin des explications plus précises, et une lentille d'émission (26) pour tomber sur la surface d'un échantillon (28), qui est maintenu sur un porte-échantillon (29). Les électrons repartant de la surface de l'échan- tillon, forment un faisceau secondaire 30, qui traverse successivement la lentille d'émission 26, le système op- tique 22 et le stigmateur 24; sur le même trajet que le faisceau primaire en direction du champ magnétique 20, o il est séparé du faisceau primaire par uhe déviation de sens opposé. Le faisceau secondaire traverse alors une lentille 32 de freinage 5:1, qui réduit du facteur 5 l'énergie du faisceau secondaire, puis un diaphragme contraste 34, un filtre d'énergie 36, une lentille/accélératrice 1:5. qui accélère à nouveau t wn- 5Môle faisceau secondaire, et deux lentilles de projection 40a,40b, qui forment un objectif de projection 42. Dans le plan image de l'objectif de projection est disposé le plan d'entrée d'un système de détection 44, qui contient deux multiplicateurs d'électrons secondaires, à plaques C&nneu, un écran luminescent, une fenêtre formée d'une fibre optique ou n'importe quel autre système connu servant à détecter la distribution des élec- trons produite dans le plan image de l'objectif de projec- tion. Le champ électrostatique déviateur 18 est produit par un condensateur sphérique et dévie le faisceau primaire 12 dans la direction opposée à la déviation produite par le champ magnétique déviateur 20, et est dimensionné par rap- port à ce champ magnétique déviateur de manière qu'il se produise une focalisation de l'énergie des électrons du faisceau primaire dans le plan d'entrée de la lentille d'émission 26. La condition pour la focalisation de l'énergie s'exprime par: (D/L") = (D/fm) - 1 + (V/X). On obtient cette relation comme cela est visible à partir des figures 2a à 2c. On a: U = tension accélératrice moyenne des électrons du faisceau primaire, AU = écart par rapport à U, X = coordonnée x rapportée au centre du champ considé- ré, Y = coordonnée suivant y rapportée au centre du champ considéré, a = angle d'entrée, 6 = flou d'énergie relatif des électrons, > = facteur de dispersion du champ électrique, = facteur de dispersion du champ magnétique, D = écart entre le centre du champ électrique et le 4 centre du champ magnétique, L' = puissance de l'objet, L" = distance de l'image; = angle d'un secteur, f = distance focale, r = rayon de courbure du faisceau dévié. Les indices "e" et "m", qui ont été supprimés dans la représentation précédente, signifient que la gran- deur considérée se rapporte au champ électrique déviateur et au champ magnétique déviateur. Pour 4m = 20'; rm = 12 cm; L" = 13,5 cm, on ob- tient, comme solution de la relation indiquée plus haut, D = 5 cm; = 8. La lentille électronique 16 forme la source d'électrons dans le plan focal, situé sur le côté entrée, de la lentille d'émission 16. Le plan objet de la lentille d'émission 26 coïncide sensiblement avec le plan focal, si- tué du côté sortie, de cette lentille. Le stigmateur 24 produit un champ électrostatique à huit pôles et sert, de façon connue, à compenser l'astigmatisme du faisceau secon- daire. Le filtre d'énergie 36 contient un champ électro- statique déviateur 46 dispersif i l'énergie, qui est produit par un condensateur sphérique comportant deux plaques coudées, et un diaphragme de sélection d'énergie 48, le filtre d'énergie et le diaphragme de sélection d'énergie formant conjointement un analyseur d'énergie ser- vant à sélectionner la gamme désirée d'énergies, d'une lar- geur égale par exemple à 1 eV. Le système optique 22 contient tout d'abord un objectif à réflecteur de Schwarzschild 50, un miroir de renvoi 52 pouvant être écarté par rabattement hors du tra- jet du rayonnement et qui possède, comme l'objectif à ré- flecteur, un perçage central pour les faisceaux d'électrons 12,30, et un oculaire 54. Le système optique contient en outre une source de rayonnement actinique 56, par exemple une source de rayonnement ultraviolet.duoplasmatron (voir par exemple J.A.R. Samson et Helmut Liebl, Rev. Sci. Instr., 33, N'12, 1340-1343, Décembre 1962), en combinaison avec une lentille de collimation, qui fournit un faisceau collimaté de rayonnement ultraviolet 58, qui peut être in- troduit, par un second miroir déviateur 60 traversant son centre, dans la partie commune du trajet de rayonnement des faisceaux d'électrons 12,30, de sorte que lorsque le miroir 52 est écarté par rabattement hors du trajet du rayonne- ment, le faisceau de rayonnement ultraviolet tombe sur la surface de l'échantillon 28 et peut y déclencher l'émission de photoélectrons. Le microscope 50,54 permet d'autre part une observation et un ajustement optique de -la surface de l'échantillon 28, lorsque le miroir 52 est inséré par ra- battement dans le trajet du rayonnement. Il est en outre prévu une autre lentille de projection 62 et un écran lumi- nescent 64 ou n'importe quel autre récepteur d'images élec- troniques, qui sont situés îUw, un autre trajet 66 du rayonnement, qui constitue un prolongement rectiligne de la partie commune du trajet des faisceaux d'électrons 12,30. Lorsque le champ magnétique.20 est interrompu. et que l'émission de photoélectrons est déclenchée sur la surface de l'échantillon 28 par le rayonnement ultraviolet délivré par la source de rayonnement ultraviolet 56, on peut obte- nir une image de photoélectrons de la surface de l'échantillon 28 sur l'écran luminescent 64, avec un gros- sissement moyen (par exemple 400x), au moyen de la lentille de projection 62 en combinaison avec la lentille d'émission 26. Les lentilles électroniques 16,40a,40b,62 sont des lentilles électrostatiques symétriques dans le cas de l'exemple de réalisation décrit. Un agencement typique pré- féré est représenté sur les figures 3a et 3b. Il contient une partie métallique en forme de pot 410, dont le fond plat possède un trou central 412. Un disque en forme de diaphragme 414 est monté selon un ajustement serré dans l'extrémité ouverte du pot. Une électrode centrale 416, qu. possède approximativement la forme d'un cylindre creux et possède extérieurement un rebord annulaire, est retenue à l'intérieur du pot au moyen de six billes isolantes 418,en saphir ou analogue, entre le fond et le disque 414. L'électrode centrale possède une borne électrique 420, qui ressort à travers un trou ménagé dans la paroi de la partie métallique 410. Sur la figure 4, on a représenté de façon plus précise la partie du microscope électronique qui contient le miroir 52, le stigmateur 24, l'objectif à réflecteur de Schwarzschild 50 et la lentille d'émission 26. L'objectif de Schwarzschild 50 contient un miroir concave sphérique 50a et WV miroir convexe sphérique 50b. La lentille d'émission 26 contient une électrode d'accélération 26a, qui est placée approximativement au potentiel de5kerre et sert à accélérer les électrons à partir de la surface de l'échantillon situé à environ -15 kV. La lentille d'émission 26 contient en outre une électrode finale 26b, qui est placée au potentiel de terre et possède une partie extérieure en forme de pot et une partie intérieure en forme de cylindre creux..La partie extérieure et la partie intérieure sont reliées par une partie conique, qui com- porte des perçages 26c pour le trajet du rayonnement de l'objectif de Schwarzschild- Une électrode centrale 26d en forme d'entonnoir, placée approximativement à -15 kV est maintenue entre les électrodes 26a et 26b, par deux en- sembles de chacun trois billes en saphir 26e. Pour ce qui concerne la lentille d'émission, on se reportera à la pu- blication de H. Liebl dans Optik 80, N'1 (1988) 4-8. Comme le montre la figure 5, la lentille de frei- nage 32 comporte deux électrodes tubulaires 32a,32b, qui sont maintenues sur un barreau en matériau isolant 32c. Le champ de la lentille apparaît dans la fente 32d, entre les extrémités, tournées l'une vers l'autre, des électrodes 32a,32b. L'électrode 32b est relativement longue et contient un support déplaçable pour une plaque munie de plusieurs ouvertures en forme de fentes, qui peuvent être introduites au choix dans le trajet 30 du faisceau secon- daire et forment le diaphragme à contraste 34. La lentille accélératrice 38,représentée sur la figure 6, contient trois électrodes de forme tubulaire 38a,38b,38c. La lentille ac- célératrice proprement dite est formée par le champ élec- trique situé entre l'électrode centrale 38b et les extrémi- tés voisines des électrodes 38a,38c. L'électrode 38a est relativement longue et contient un support pour le diaphragme de sélection d'énergie 48, qui peut être agencé de la même manière que le diaphragme contraste 32. La résolution énergétique du champ électrosta- tique sectoriel 46 dans le cas d'un trajet symétrique du faisceau (fentes d'entrée et de sortie situées à des dis- tances identiques du champ sectoriel) est connu de façon en soi: AU = Us/2re U étant l'énergie transmise, s la distance des fentes d'en- trée et de sortie (qui sont formées par le diagramme à contraste 34 et par le diaphragme de sélection d'énergie 48) et re le rayon moyen du champ sectoriel. Dans le présent exemple de réalisation, l'énergie transmise est U = 3 keV, les distances des fentes sont s = 20 pm et le rayon du champ sectoriel est re = 36 mm. Avec ces valeurs, on obtient une résolution énergétique U = 0,83 eV. Afin d'éviter que la qualité de l'image ne soit affectée par la déviation dans les deux champs déviateurs, à savoir le champ magnétique 20 et le champ électrique 46, on met à profit le principe connu du "trajet entrelacé des faisceaux": La lentille d'émission 26 forme l'image de la surface de l'échantillon au centre de déviation du champ magnétique 20 et la lentille de freinage 32 forme l'image de cette première image au centre de déviation du champ dé- viateur 46, - la lentille accélératrice 38 O'ftrot l'image de cette seconde image dans le plan d'entrée du système op- tique de projection 42. De cette manière, aucune opération d'image du ltx; et du 2(c ordrePsMont appliqués à l'image de la surface de l'échantillon par les deux champs dévia- teurs. Simultanément, l'image du plan focal de la len- tille d'émission et du modèle LEED est formée par le champ magnétique 20 et par la lentille de freinage 32 dans le plan du diaphragme contraste 34 et l'image de cette image est pour sa part formée par le champ électrique déviateur 86 dans le plan du diaphragme de sélection d'énergie 48. Si ce n'est pas l'image de la surface de l'échan- tillon, mais le modèle LEED qui doit être rendu visible sur le détecteur 44, on règle la lentille accélératrice 38, qui contient les trois électrodes 38a,38b,38c (figure 6) de ma- nière qu'elle forme l'image;non pas du centre de déviation de 46, mais du diaphragme de sélection d'énergie 48 dans le plan d'entrée du système optique de projection 42. La lentille électronique 16 peut être supprimée sans que ceci n'affecte la focalisation de l'énergie, mais la focalisation directionnelle du faisceau primaire dOit être réalisée au moyen d'un autre dispositif opto-électro- nique, par exemple au moyen d'angles sectoriels plus grands des champs déviateurs, qui assurent également un effet. de lentille. REVENDICATIONS 1. Microscope électronique comportant a) un trajet coudé (12) du faisceau primaire, le long du- quel sont disposés successivement b) une source (10) délivrant un faisceau d'électrons, c) un champ magnétique déviateur (20), sensiblement constant et d) une lentille électronique (26), qui possède un plan ob- jet, et en outre e) un dispositif (22) servant à maintenir la surface d'un échantillon (28) sensiblement dans le plan objet de la lentille électronique; f) un trajet (30) du faisceau secondaire, dans lequel sont disposés successivement la lentille électronique (26), le champ magnétique déviateur (20), g) un dispositif électro-optique (42) de formation d'images, et f) un dispositif (44) de détection des électrons, caractérisé par i) un champ électrostatique déviateur (18) sensiblement constant, sélectif du point de vue de l'énergie, qui est disposé dans le trajet du faisceau primaire, en amont du champ magnétique déviateur (20) et est agencé de telle sorte qu'il dévie le faisceau primaire dans une direc- tion opposée à la direction de déviation du champ magné- tique déviateur (20) et compense la dispersion de l'énergie provoquée par le champ magnétique déviateur. 2. Microscope électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lentille électronique (26) est une lentille d'émission. 3. Microscope électronique selon l'une des reven- dications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un dispositif élec- tro-optique servant à réaliser une focalisation direction- nelle, est disposé i- le trajet du faisceau primaire. 4. Microscope électronique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif opto-électronique servant à réaliser une focalisation directionnelle contient une seconde lentille électronique (16). 5. Microscope électronique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le champ électrostatique déviateur (18), sélectif du point de vue de l'énergie, est disposé entre la seconde lentille électronique (16) et le champ ma- gnétique déviateur (20) et que la seconde lentille électro- nique (16) forme l'image de la source (10) délivrant le faisceau d'électrons dans le-plan focal, situé sur le côté entrée de la première lentille électronique (26). 6. Microscope électronique selon l'une des reven- dications 4 ou 5, caractérisé en ce qu'un diaphragme (14) est disposé A"W le trajet (12) du faisceau primaire, entre la source (10) délivrant le faisceau d'électrons et la se- conde lentille électronique (16). 7. Microscope électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le champ déviateur (46), sélectif du point de vue de l'énergie est disposé dans le trajet (30) du faisceau secondairejentre le champ magnétique déviateur (20) et le dispositif électro- optique de formation d'images. 8. Microscope électronique selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'un dispositif (32), qui freine les électrons dans le trajet du faisceau secondaire, est ins- tallé en amont du champ électrostatique déviateur (46), sé- lectif du point de vue de l'énergie, dans le trajet (30.) du faisceau secondaire, et qu'un dispositif (38) accélérant les électrons buh le trajet du faisceau secondaire est disposé en aval,uL. ce trajet. 9. Microscope électronique selon l'une des reven- dications 7 ou 8, caractérisé en ce qu'un diaphragme (48) de limitation de l'énergie est disposé ua_- le trajet dU- faisceau secondaire;en arrière du champ électrostatique dé- viateur (46) sélectif du point de vue de l'énergie. 10. Microscope électronique selon l'une quel- conque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le dispositif électro-optique (42) de formation d'images situé L, le trajet du faisceau secondaire contient un objectif de projection (40a,40b). 11. Microscope électronique selon l'une quel- conque des revendications 1 à 10, caractérisé par une source (56) délivrant un faisceau (58) de rayonnement élec- tromagnétique possédant une énergie, qui est à même de dé- clencher l'émission de photoélectrons oX la surface exami- née de l'échantillon (28), un dispositif optique (60) ser- vant à introduire par réflexion le faisceau de rayonnement (58) dans une partie commune du trajet du faisceau primaire et du trajet du faisceau secondaire. 12. Microscope électronique selon l'une des re- vendications i à 11, caractérisé en ce qu'entre le champ magnétique déviateur (20) et la première lentille électro- nique (26) est disposé un système d'objectif (50) pour l'examen optique de la surface de l'échantillon. 13. Microscope électronique selon la revendica- tion 12, caractérisé en ce que le système d'objectif (50) est un objectif à réflecteur de Schwarzschild. 14. Microscope électronique selon l'une des re- vendications 12 ou 13, caractérisé par un miroir (52), qui est disposé dans le trajet du rayonnement du microscope op- tique entre le système d'objectif (50) et un oculaire (54) et comporte un trou pour le passage des trajets du rayonne- ment électronique. 15. Microscope électronique selon la revendica- tion 14, caractérisé en ce que le miroir (52) est monté de manière à être mobile afin de pouvoir être retiré au choix de la partie commune du trajet du faisceau primaire et du trajet du rayonnement secondaire. 16. Microscope électronique selon l'une quel- conque des revendications i à 15, caractérisé par un trajet (62) du rayonnement de formation d'images, qui contient un système optoélectronique (62) et un récepteur d'images électroniques, ainsi qu'un écran luminescent (64) pour la formation de l'image de la surface de l'échantillon avec un grossisement relativement faible.