СОЗДАЮЩИЙ ИЗОБРАЖЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И СПЕКТРОСКОП С ПОДОБНЫМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ ФИЛЬТРОМ
IMAGING ENERGY FILTER FOR ELECTRICALLY CHARGED PARTICLES AND SPECTROSCOPE HAVING SAME

Настоящее изобретение относится к создающему изображение энергетическому фильтру для электрически заряженных частиц и к спектроскопу с подобным энергетическим фильтром.
Энергетические фильтры используются для того, чтобы определять энергию заряженных частиц, таких как, например, электронов.
Для того чтобы анализировать материалы, в электронной микроскопии возбуждают электроны исследуемого материала. Это может осуществляться, например, с помощью облучающих электронов, или также с помощью рентгеновского излучения или ультрафиолетового излучения.
Затем измеряется энергия электронов. Для этого используется электронный спектрометр, с помощью которого можно определить количество возбужденных электронов с определенной кинетической энергией.
Образующие изображение энергетические фильтры для электрически заряженных частиц известны, например, из ЕР 1559126.
Этот энергетический фильтр создают на основе полусферического анализатора. Полусферический анализатор состоит из двух металлических полусфер. Одна из них - сформирована вогнутой, в то время как другая сформирована выпуклой. Центры кривизны обеих полусфер накладываются друг на друга. К полусферам прикладывают разные напряжения, так что между обеими полусферами образуется электрическое поле. Электроны, которые должны быть отфильтрованы по энергии, могут быть теперь вброшены через входную поверхность в зазор между обеими полусферами. Электроны с кинетической энергией, которая находится в узком диапазоне энергий (также называемая энергией пропускания), могут пройти через весь анализатор и достичь расположенного за выходной поверхностью детектора. Электроны со слишком высокой энергией столкнутся с внешней полусферой, в то время как электроны со слишком низкой энергией столкнутся с внутренней полусферой.
Полусферический анализатор может быть фокусирующим, то есть электроны с одинаковой энергией в первом приближении независимо от их точного угла входа в полусферический анализатор фокусируются на выходной диафрагме почти в одной и той же точке. Поэтому на выходе полусферического анализатора обнаруживаются электроны с определенной энергией. Путем изменения электрического поля между внутренней и внешней полусферами энергия пропускания может регулироваться.
Полусферический анализатор работает как энергетический фильтр, то есть может быть определена энергия заряженных частиц. Возбужденные электроны обычно входят под разными углами и/или в разных местах входной плоскости полусферического анализатора.
Распределения по месту и углу позволяют сделать принципиальные выводы о происхождении заряженных частиц.
Если образец облучается подходящим источником излучения, такой как, например, источник электронов, то электроны могут выделяться из поверхности образца или электроны источника электронов изгибаться на поверхности образца.
Если поверхность образца отображается на входной плоскости полусферического анализатора, то распределение электронов по месту содержит информацию о структуре образца на поверхности. Распределение по углу позволяет сделать выводы о геометрическом расположении атомов.
Однако вследствие фокусирующих свойств полусферического анализатора распределение по месту и углу теряются, когда выходная плоскость отображается прямо на детекторе.
Поэтому в ЕР 1559126 уже было предложено использовать два подключенных друг за другом полусферических анализатора. При этом первый полусферический анализатор служит для того, чтобы пропускать только заряженные частицы с энергией пропускания, в то время как второй полусферический анализатор восстанавливает распределение по месту и углу заряженных частиц.
Для того чтобы заряженные частицы, которые выходят из первого полусферического анализатора, отображались на входе подключенного последовательно полусферического анализатора, используют передаточные линзы, то есть линзы для заряженных частиц. Благодаря этой мере получается создающий изображение энергетический фильтр, так как второй полусферический анализатор исправляет искажения изображения первого анализатора.
Однако известно, что в оптически отображающих системах для заряженных частиц при использовании статичных, свободных от пространственного заряда и вращательно-симметричных трубчатых линз хроматическая аберрация (искажение цвета) и сферическая аберрация (апертурное искажение) принципиально не исчезают. Эти присущие передаточным линзам искажения ограничивают работоспособность системы и приводят к тому, что известная система имеет лишь небольшой допустимый угол, так как качество изображения с увеличивающимся углом падения попадающих на входную плоскость электронов становится слишком плохим.
Поэтому, исходя из описанного уровня техники, задачей настоящего изобретения является создание создающего изображение энергетического фильтра или спектроскопа с таким создающим изображение энергетическим фильтром, который обладает высоким разрешением по месту и углу и который может использоваться с большим допустимым углом.
Согласно изобретению эта задача решена посредством создающего изображение энергетического фильтра для заряженных частиц с тороидальным энергетическим анализатором, предпочтительно с полусферическим анализатором, с одной входной плоскостью и одной выходной плоскостью, в котором для электрически заряженных частиц предусмотрен зеркальный элемент, который расположен так, что заряженные частицы, которые покидают тороидальный энергетический анализатор через выходную плоскость, отражаются зеркальным элементом назад в тороидальный энергетический анализатор, так что заряженные частицы проходят через тороидальный энергетический анализатор второй раз в обратном направлении движения.
Выражение «в обратном направлении движения» не означает, что заряженные частицы движутся по тому же пути, а лишь проходят через энергетический анализатор от выходной плоскости к входной плоскости. В предпочтительном варианте осуществления заряженные частицы попадают на входную плоскость под первым углом и покидают ее, после того как они дважды прошли через энергетический анализатор, под вторым углом, при этом первый и второй углы противоположно равны, то есть падающий луч, входная щель, и выходящий луч лежат в одной плоскости, и угол падения и угол отражения одинаковы.
Как уже описано в ЕР 1559126, не является безусловно необходимым использовать полусферический анализатор. В принципе, пригоден любой тороидальный энергетический анализатор, такой как, например, цилиндрический анализатор или анализатор в форме шарового сектора. Соответствующие примеры описаны в ЕР 1559126.
Также, если в дальнейшем настоящее изобретение будет описываться на примере особо предпочтительного полусферического анализатора, понимается, что вместо него могут быть использованы и любые другие тороидальные энергетические анализаторы.
Расположение соответствующих отражательных зеркал согласно изобретению обеспечивает, прежде всего, то, что можно отказаться от второго тороидального энергетического анализатора. Вместо этого заряженные частицы отражаются зеркалом назад в первый тороидальный энергетический анализатор.
В принципе, отражающее зеркало можно установить прямо на выходной плоскости. Однако отражающие зеркала для заряженных частиц имеют, как правило, постоянную отрицательную сферическую и хроматическую аберрацию, которой нельзя пренебрегать.
Поэтому в предпочтительном варианте осуществления предусмотрено, что между выходной плоскостью и зеркальным элементом расположено устройство с передаточными линзами. Устройство с передаточными линзами и зеркальный элемент могут быть тогда расположены так, что аберрации устройства с передаточными линзами могут быть уменьшены зеркальным элементом.
1
L
2
2
При этом устройство с передаточными линзами выполнено так, что оно отображает промежуточное изображение ZB в выходной плоскости энергетического анализатора с линейным увеличением V=ZB/ZB1<0 на зеркальный элемент как промежуточное изображение размером ZB.
Устройство с передаточными линзами может быть принципиально выполнено точно так же, как описано в ЕР 1559126.
L
W
W
В особо предпочтительном варианте осуществления линейное увеличение V=-1. Также целесообразно, если угловое увеличение V является отрицательным и, лучше всего, равно V=-1.
Устройство с передаточными линзами в предпочтительном варианте осуществления имеет по меньшей мере две линзы для электрически заряженных частиц.
Зеркальным элементом может быть электростатическое зеркало. Однако, в принципе, пригоден любой зеркальный элемент, с помощью которого могут быть отражены заряженные частицы. Предпочтительно, зеркальный элемент и устройство с передаточными линзами взаимно согласовывают так, что хроматическая аберрация и/или сферическая аберрация устройства с передаточными линзами за счет зеркального элемента уменьшается, а именно, предпочтительно, по меньшей мере, на 30% и, особо предпочтительно, по меньшей мере, на 60%, и, лучше всего, по меньшей мере, на 75%. Поэтому благодаря расположению зеркального элемента согласно изобретению могут быть снижены требования к качеству устройства с передаточными линзами без того, что разрешение заметно ухудшится. В принципе, проще и поэтому также значительно дешевле исправлять искажения изображения устройства с передаточными линзами путем согласования зеркального элемента, чем с более высокими затратами улучшать устройство с передаточными линзами, к тому же на основании теоретических соображений искажения изображения устройством с передаточными линзами не могут быть полностью уменьшены.
Поэтому комбинация зеркального элемента и устройства с передаточными линзами, в принципе, в состоянии уменьшить имеющиеся искажения изображения при использовании устройства с передаточными линзами и в идеальном случае даже компенсировать.
Кроме того, благодаря комбинации из устройства с передаточными линзами и зеркального элемента, оптические свойства которого могут легко поддаваться воздействию и поэтому могут согласовываться, дополнительно уменьшаются случайно имеющиеся другие искажения изображения, которые обуславливаются отображающими системами или передающими системами за пределами энергетического анализатора. Если, например, заряженные частицы отображаются с помощью линзы на входной плоскости энергетического анализатора, то эта линза может вызывать искажение изображения, которое также может быть уменьшено или полностью скомпенсировано в процессе калибровки с помощью устройства с передаточными линзами и/или зеркального элемента.
Поскольку согласно изобретению заряженные частицы входят через входную плоскость тороидального энергетического анализатора, а также после отражения снова выходят, то в предпочтительном варианте осуществления предусмотрен разделительный элемент для заряженных частиц. С помощью этого разделительного элемента входящие частицы могут быть отделены от выходящих частиц.
В особо предпочтительном варианте осуществления изобретения разделительный элемент осуществлен посредством магнитного отклоняющего устройства с входной плоскостью для заряженных частиц, плоскостью энергетического фильтра и выходной плоскостью для отфильтрованных по энергии заряженных частиц. Магнитное отклоняющее устройство расположено так, что заряженные частицы, которые попадают на входную плоскость магнитного отклоняющего устройства под углом входа α, который, предпочтительно, меньше 20°, отклоняются магнитным отклоняющим устройством так, что они выходят из плоскости энергетического фильтра магнитного отклоняющего устройства под углом выхода β, который, предпочтительно, меньше 20°, и попадают на входную плоскость тороидального энергетического анализатора под углом входа γ, который, предпочтительно, меньше 20°, и что заряженные частицы, которые выходят из входной плоскости тороидального анализатора под углом выхода δ, попадают на поверхность энергетического фильтра магнитного отклоняющего устройства под углом входа ε, который, предпочтительно, меньше 20°, отклоняются магнитным отклоняющим устройством так, что они покидают выходную плоскость магнитного отклоняющего устройства под углом выхода ζ, который, предпочтительно, меньше 20°, при этом, предпочтительно, между магнитным отклоняющим устройством и тороидальным анализатором предусмотрены одна или несколько линз.
Другими словами, магнитное отклоняющее устройство используется для того, чтобы отделить входящий в энергетический анализатор луч от выходящего из энергетического анализатора луча. Магнитные отклоняющие устройства известны из уровня техники.
Понятие «плоскость энергетического фильтра» выбрано для того, чтобы обозначить плоскость магнитного отклоняющего устройства, которая направлена к энергетическому фильтру, то есть плоскость, из которой выходят не отфильтрованные заряженные частицы и снова входят после фильтрования по энергии.
Сама плоскость не должна обладать свойствами фильтрования по энергии, хотя это может быть так в специальных вариантах осуществления. Поскольку в магнитном отклоняющем устройстве радиус кривизны заряженных частиц зависит от скорости и, тем самым, от энергии, то путем размещения диафрагм на плоскости энергетического фильтра ей самой можно было бы придать свойство фильтрования по энергии.
Создающий изображение энергетический анализатор согласно изобретению в принципе может быть использован в любом спектроскопе для заряженных частиц, предпочтительно, энергетический анализатор используют в электронном спектроскопе, у которого исследуемыми заряженными частицами являются электроны.
В предпочтительном варианте спектроскоп имеет детектор для регистрации попадающих на входную плоскость тороидального анализатора частиц, при этом детектором, предпочтительно, является CCD-детектор. С помощью CCD-детектора может быть получена информация о местонахождении, которой обладают отфильтрованные по энергии электроны. При этом детектор, предпочтительно, располагают так, что он регистрирует выходящие из выходной плоскости магнитного отклоняющего устройства заряженные частицы. В особой форме осуществления может быть использована по меньшей мере одна многоканальная пластина, которая располагается перед люминесцентным экраном, так что CCD-детектор является частью фотокамеры, и с помощью световой оптики образовавшееся на люминесцентном экране распределение интенсивности отображается на CCD-детекторе.
Далее, спектроскоп, предпочтительно, имеет держатель образцов, который расположен так, что заряженные частицы, излученные из расположенного на держателе образцов образца, при необходимости после прохождения через проекционную оптику, попадают на входную плоскость тороидального энергетического анализатора под углом γ, который, предпочтительно, меньше 20°, или в случае, если используется энергетический фильтр с магнитным отклоняющим устройством, попадают на входную плоскость магнитного отклоняющего устройства под углом α, который, предпочтительно, меньше 20°.
Далее, может быть предусмотрен источник излучения, предпочтительно источник электронов, источник рентгеновского излучения или источник ультрафиолетового света, для облучения закрепленного на держателе образцов образца. При этом магнитное отклоняющее устройство может иметь входную плоскость для излучения и источник излучения расположен так, что излучение попадает на входную плоскость для излучения под углом входа β, который, предпочтительно, меньше 10°, и отклоняется магнитным отклоняющим устройством так, что оно выходит из входной плоскости магнитного отклоняющего устройства под углом выхода θ, который, предпочтительно, меньше 10°, и направляется на держатель образцов. Другими словами, магнитное отклоняющее устройство берет на себя двойную функцию. Во-первых, оно заботится о том, чтобы поступающие в энергетический анализатор заряженные частицы отделялись от выходящих из энергетического анализатора частиц. Во-вторых, магнитное отклоняющее устройство может быть использовано для того, чтобы отделять исходящие из электронной пушки электроны (первичные электроны) от исходящих из образца возбужденных электронов.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления дисперсионная плоскость тороидального анализатора расположена, по существу, перпендикулярно к воображаемой линии, проходящей между держателем образцов и устройством с передаточными линзами. Это имеет преимуществом то, что устройство с передаточными линзами и зеркальный элемент пространственно заметно отделены от детекторного устройства, так что имеется большая свобода в размещении и выборе размеров отдельных элементов.
В предпочтительном варианте осуществления спектроскоп является создающим изображение ESCA-электронным спектроскопом ("Electron Spectroscopy for Chemical Analysis" - электронная спектроскопия для химического анализа). Альтернативно, энергетический фильтр согласно изобретению мог бы быть создающим изображение Оже-электронным спектрометром, LEEM ("Low Energy Electron Microscope" - низкоэнергетический электронный микроскоп) или вторично-ионным микроскопом.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления угловое распределение образующихся в образце заряженных частиц, как правило, электронов, отображается на детекторе отфильтрованным по энергии. Здесь спектроскоп может быть выполнен как LEED ("Low Energy Electron Diffraction" - дифракция низкоэнергетических электронов) или как XPD ("X-ray photoelectron diffraction" - рентгеновская фотоэлектронная дифракция).
Кроме того, возможно применение энергетического фильтра согласно изобретению в измерениях с разрешением по времени.
Другие преимущества, признаки и возможности применения станут ясными на основании нижеследующего описания одного, предпочтительного варианта осуществления и соответствующих фигур.
Показано на:
Фиг.1 - схематическое изображение устройства с передаточными линзами,
Фиг.2 - схематическое изображение комбинации из устройства с передаточными линзами и зеркального элемента,
Фиг.3 - схематическое изображение полусферического анализатора с зеркальным элементом, и
Фиг.4 - схематическое изображение спектроскопа согласно изобретению.
На фиг.1 показано схематическое изображение устройства с передаточными линзами, так как оно известно из уровня техники. Устройство с передаточными линзами состоит из двухлинзового объектива с расположением f-2f-f. С этим расположением выходная плоскость или выходная щель размером G может быть отображена как негативное изображение размером В. Подобная передаточная линза используется, например, между двумя полусферическими анализаторами, так как описано в ЕР 1559126. Системе с передаточными линзами присущи искажения изображения, прежде всего сферическая и хроматическая аберрация. Согласно теореме Шерцера (Scherzer), эти искажения изображения в принципе полностью предотвратить нельзя.
Искажения изображения влияют на качество изображения и достижимое разрешение спектроскопа. Кроме того, искажения изображения таких передаточных линз вносят больший вклад в конечное изображение, чем это имеет место у других линзовых систем, так как устройство с передаточными линзами не увеличивает. Поскольку величина искажений изображения становится тем больше, чем больше используемый пространственный угол, то у известных спектроскопов допустимый угол и, тем самым, переданная интенсивность ограничиваются.
Поэтому согласно изобретению используется зеркальный элемент, который отражает заряженные частицы, например электроны, и посылает назад через тороидальный энергетический анализатор. Вариант осуществления устройства согласно изобретению показан на фиг.2. При этом в предпочтительном варианте осуществления предусмотрено, что зеркальный элемент 2 слегка искривлен для того, чтобы исправлять аберрации пары линз устройства 3 с передаточными линзами.
В принципе, было бы возможно разместить отражающее зеркало 2 непосредственно на выходе энергетического анализатора. Правда, большинство отражающих элементов для заряженных частиц сами имеют постоянную, отрицательную сферическую и хроматическую аберрацию. Однако на этом месте было бы желательным идеальное зеркало без аберраций. Целесообразным может быть также зеркало с регулируемой отрицательной аберрацией, так как этим могут быть уменьшены имеющиеся в других местах аберрации.
Поэтому целесообразно используют показанное на фиг.2 устройство.
На фиг.3 показан полусферический анализатор 30 с передаточной линзой 3 и отражающим зеркалом 2. Полусферический анализатор 30 имеет входную плоскость 4 и выходную плоскость 1. Электроны, которые попадают на входную плоскость 4 анализатора, отклоняются по причине разности потенциалов между внутренней полусферой 31 и наружной полусферой 32. За счет установки разности потенциалов может быть установлено, какую энергию имеют те электроны, которые достигают выходной плоскости 1 энергетического анализатора. Благодаря фокусирующим свойствам полусферического анализатора, все электроны с одинаковой энергией, которые попадают на входную плоскость 4 полусферического анализатора под разными углами, отклоняются к одинаковой точке выходной плоскости 1. Поэтому с помощью полусферического анализатора могут быть подсчитаны электроны с одинаковой энергией. За счет изменения разности потенциалов каждому значению энергии может быть поставлено в соответствие определенное количество электронов.
Однако, при этом теряется информация о месте и информация об угле, то есть информация об угле входа во входную плоскость полусферического анализатора и информация о месте, из которой можно сделать вывод о месте происхождения заряженных частиц. Поэтому все выходящие через выходную плоскость энергетического анализатора электроны с помощью устройства 3 с переходными линзами отображаются на зеркальном элементе и там отражаются так, что отраженные электроны посредством устройства 3 с передаточными линзами отображаются на выходной плоскости 1 энергетического анализатора. В таком случае, электроны проходят через энергетический анализатор в обратном направлении, так что они выходят из входной плоскости 4 из энергетического анализатора в направлении стрелки. Таким образом, энергетический анализатор проходится дважды. Затем выходящие электроны отделяются от влетающих с помощью магнитного поля, как будет еще описано в дальнейшем.
Благодаря использованию служащего корректирующим зеркалом зеркального элемента 2 искажения изображения устройства с передаточными линзами могут быть заметно уменьшены.
На фиг.4 показан спектроскоп согласно изобретению. Подлежащий исследованию образец 7 расположен на держателе образцов. Образец может облучаться рентгеновским излучением 8. Альтернативно или в комбинации с этим на образец могут быть направлены электроны 21 из электронной пушки. Для того чтобы направить электроны 21 из электронной пушки на образец, предусмотрено магнитное отклоняющее устройство 5, которое отклоняет электроны так, что они с помощью полевой линзы 10 и иммерсионной линзы 9 отображаются на образце. Рентгеновские лучи 8 и/или электроны 21 будет взаимодействовать с поверхностью подлежащего исследования образца 7 и - в зависимости от установленного потенциала - там отражаться или освобождать электроны.
Энергия электронов, а также их направление излучения или местное распределение позволяют сделать вывод о свойствах образца. Поэтому высвобожденные электроны с помощью иммерсионной линзы 9 и полевой линзы 10 отображаются на отклоняющем устройстве 5 с магнитным полем. Отклоняющее устройство 5 с магнитным полем отклоняет электроны так, что они с помощью линзы 6 отображаются на входной плоскости 4 энергетического анализатора 30, который здесь является энергетическим анализатором, состоящим из внутренней полусферы 31 и наружной полусферы 32.
За счет выбора разности потенциалов между внутренней полусферой 31 и наружной полусферой 32, а также ширины выходной щели 1 энергетического анализатора определяют, какую энергию имеют те электроны, которые выходят из выходной щели 1. Эти электроны через устройство 3 с передаточными линзами отображаются на зеркальном элементе 2, который отражает электроны так, что они отображаются назад на выходную щель 1. Отраженные электроны затем снова проходят через полусферический анализатор 30 и через входную плоскость 4 выходят из энергетического анализатора. Затем они снова фокусируются линзой 6 в отклоняющее устройство с магнитным полем, которое направляет выходящие электроны в передаточную оптику 13, состоящую из детектора, передаточных линз 16 и промежуточных линз 17.
Затем электроны отображаются через дефлектор 18 и проекционную линзу 19 на детекторе 20, которые в данном случае является CCD-детектором.
Таким образом, спектроскоп состоит из объективных линз 19, отклоняющего устройства 12 с магнитным полем, передаточной оптики 13, проекционного/детектирующего устройства 14, а также энергетического анализатора 30.
На фиг.4 дисперсионная плоскость энергетического анализатора 30 лежит в плоскости бумаги, в которой также лежит воображаемая линия между образцом 7 и детектором 20. Однако является целесообразным, если дисперсионная плоскость расположена перпендикулярно плоскости бумаги, так как тогда вследствие пространственного разделения проекционного/детектирующего устройства 14 и зеркального элемента 2 имеется большая свобода в выборе размеров и размещении отдельных компонентов.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 выходная щель
2 зеркальный элемент
3 устройство с передаточными линзами
4 входная плоскость
5 отклоняющее устройство с магнитным полем
6 линза
7 образец
8 рентгеновское излучение
9 иммерсионная линза
10 полевая линза
12 отклоняющее устройство с магнитным полем
13 передаточная оптика
14 проекционное/детектирующее устройство
15 детектор
16 передаточные линзы
17 промежуточные линзы
18 дефлектор
19 проекционная линза
20 детектор
21 электроны
30 энергетический анализатор
31 внутренняя полусфера
32 наружная полусфера