ЭНЕРГОФИЛЬТР ДЛЯ КОРПУСКУЛЯРНО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ИЗОБРАЖЕНИЯ
POWER FILTER FOR CORPUSCULAR-OPTICAL SYSTEM OF IMAGE CONSTRUCTION AND TRANSMISSION

Изобретение относится к корпускулярно-оптическому приборостроению и может быть использовано при конструировании корпускулярно-оптических систем формирования и передачи изображения (КОСФПИ) с возможностью энергофильтрации и/или прецизионного энергоанализа. Предпочтительными областями его использования являются эмиссионные электронная микроскопия и энергоспектроскопия объектов микро- и нанотехнологии, зеркальная электронная микроскопия, вторично-эмиссионная ионная микроскопия, микро- и нанолитография, а также времяпролетные электронные энергоспектроскопия и микроскопия.
1
2
1
2
1
2
1
Известен энергетический Омега-фильтр для КОСФПИ, входное и выходное плечи которого расположены на оптической оси упомянутой корпускулярно-оптической системы, содержащий установленные по направлению передачи изображения первый магнитный дефлектор (МД), энергоанализатор, образованный магнитными секторами, второй магнитный дефлектор (МД) и энергетическую диафрагму (ЭД). МД выполняет функцию направления информационного корпускулярного пучка (ИКП) к энергоанализатору (здесь и далее под ИКП подразумевается корпускулярный пучок, передающий изображение исследуемого участка поверхности образца или дифракционной картины, сформированной в фокальной плоскости объектива КОСФПИ и содержащей информацию о кристаллической структуре исследуемого образца, или передающий информацию об энергоспектре электронов, эмитированных с поверхности образца), а МД - направления ИКП от выхода энергоанализатора к регистрационному экрану (РЭ) КОСФПИ (см., например: ЕР 0218920, H01J 37/05, 37/26, 37/04, 49/44, 49/00, 1988; JP 7282773, H01J 37/05, 37/26, 37/04, 49/44, 49/40, 1995; US 6307205, H01J 37/05, 37/04, 49/44, 49/48, 49/42, 49/00, G21K 1/093, 1/00, 2001). В данном техническом решении входное плечо МД совпадает с входным плечом энергофильтра, а выходное плечо МД соосно входному плечу МД и служит выходным плечом энергофильтра. Конструкция данного энергофильтра позволяет отключать его от КОСФПИ без изменения дальнейшего направления передачи корпускулярного изображения, что обеспечивает возможность передачи изображения как с подключением энергофильтра для энергофильтрации или энергоспектроскопии, так и минуя энергофильтр, что упрощает настройку соответствующей КОСФПИ.
Тем не менее эта конструкция имеет следующие недостатки: невозможность вариации энергетической дисперсии в режимах энергофильтрации или энергоспектроскопии и полное отсутствие энергетической дисперсии при работе с отключенным энергофильтром.
1
2
Известен также энергофильтр для КОСФПИ, где в качестве энергоанализатора использован сферический электростатический конденсатор. Здесь, как и в Омега-фильтре, выходная и входная оптические оси энергофильтра соосны, однако в отличие от Омега-фильтра криволинейный участок оптической оси данного энергофильтра представляет собой замкнутую петлю с суммарным углом поворота 360°. МД и МД конструктивно совмещены. Для обеспечения энергофильтрации в электростатическом поле конденсатора установлен дисперсионный экран (US 2005285032, H01J 37/05, 37/04, 49/48, 49/00, 47/00, 2005).
Недостатками данного технического решения являются неизбежные искажения передаваемого изображения, обусловленные возмущением поля конденсатора дисперсионным экраном, и неэффективность последнего.
Между тем современные методики спектроэлектронной микроскопии требуют обеспечения двух альтернативных энергодисперсионных режимов:
а) энергоспектроскопического режима с высокопрецизионной энергофильтрацией передаваемых корпускулярных изображений, для обеспечения которого необходима большая энергетическая дисперсия энергофильтра;
б) энергоспектрографического режима отображения исследуемого энергетического спектра на РЭ, требующего значительного уменьшения (но не до нуля!) энергетической дисперсии энергофильтра.
1
1
2
2
1
1
1
1
2
2
2
1
2
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является энергофильтр для КОСФПИ, входное и выходное плечи которого расположены на ее оптической оси, содержащий установленные по направлению передачи изображения МД, выполненный с поворотом оптической оси на 90°, первый блок согласующих линз (БСЛ), энергоанализатор, второй блок согласующих линз (БСЛ), МД и ЭД. Входным плечом энергофильтра служит первое входное плечо МД Первая оптическая ось в МД проходит от первого входа к первому выходу. Первое выходное плечо МД и входное плечо энергоанализатора лежат на оптической оси БСЛ, выходное плечо энергоанализатора и входное плечо МД лежат на оптической оси БСЛ, выходное плечо МД соосно первому входному плечу МД, а ЭД установлена на выходном плече энергофильтра, которым служит выходное плечо МД. В прототипе суммарный угол поворота оптической оси энергофильтра равен нулю, энергоанализатор составлен из последовательно расположенных двух магнитных секторов, каждый из которых имеет угол отклонения оптической оси, равный 90°,
1
2
1
2
БСЛ и БСЛ составлены из квадрупольных линз для последовательной коррекции астигматизма передаваемого изображения; МД установлен для согласования входной оптической оси энергофильтра с оптической осью энергоанализатора, а МД введен в энергофильтр для согласования оптической оси энергоанализатора с оптической осью КОСФПИ (ЕР 0967630, H01J 37/05, 37/153, 37/26, 37/04, 49/46, 2000).
Однако прототип обладает низкой энергетической дисперсией. Кроме того, он не позволяет варьировать значения этой дисперсии, что имеет следствием ограничение возможностей его использования.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение функций энергофильтра за счет создания возможностей вариации коэффициента его энергетической дисперсии в широком диапазоне.
1
1
2
Решение указанной технической задачи состоит в том, что в энергофильтр для КОСФПИ, входное и выходное плечи которого расположены на ее оптической оси, содержащий расположенные по направлению передачи изображения МД, выполненный с поворотом оптической оси на 90°, БСЛ, энергоанализатор, БСЛ,
2
1
1
2
1
2
2
2
1
МД и ЭД, в котором первая оптическая ось МД проходит от первого входа к первому выходу МД, первое выходное плечо МД и входное плечо энергоанализатора лежат на оптической оси БСЛ, выходное плечо энергоанализатора и входное плечо МД лежат на оптической оси БСЛ, выходное плечо МД соосно первому входному плечу МД, а ЭД установлена на выходном плече энергофильтра, вносятся изменения:
1
2
2
1
2
1) дополнительно введен блок направляющих линз (БНЛ), выполненный на основе осесимметричных электронных линз и установленный между МД и МД соосно выходному плечу МД для осуществления оптического сопряжения соответствующих главных точек МД и МД в режиме передачи изображения через энергоанализатор;
1
2
1
2
2) БСЛ и БСЛ выполнены на основе осесимметричных электронных линз из расчета оптического сопряжения центральной точки энергоанализатора и соответствующих главных точек МД и МД;
1
3) МД выполнен с двумя входами, двумя выходами и тремя геометрически идентичными оптическими осями, причем:
- второй вход расположен на прямой, соосной первому входному плечу;
- второй выход расположен на прямой, соосной первому выходному плечу;
- вторая оптическая ось проходит от второго входа ко второму выходу;
- третья оптическая ось проходит от первого входа ко второму выходу;
1
4) МД электрически подключен к источнику тока, снабженному переключателем полярности;
2
1
5) выходное плечо МД направлено в сторону МД;
1
6) в качестве выходного плеча энергофильтра служит второе выходное плечо МД.
Указанная совокупность известных и новых отличительных признаков необходима и достаточна для функционирования предлагаемого энергофильтра с впервые достигнутой возможностью электрического управления коэффициентом энергетической дисперсии.
Причинно-следственная связь внесенных изменений с достигнутым техническим результатом заключается в следующем.
1
1
Управление режимами работы энергофильтра осуществляется переключением магнитной полярности МД на противоположную за счет изменения направления тока, питающего обмотку магнитной катушки МД. Таким путем обеспечивается работа энергофильтра в двух альтернативных энергодисперсионных режимах, а именно:
1) без прохождения ИКП энергоанализатора (энергоспектрографический режим);
2) с прохождением ИКП через энергоанализатор (энергоспектроскопический режим).
В первом случае угловая энергетическая дисперсия ИКП при выходе из энергофильтра становится минимальной (но не нулевой!), что позволяет в данном режиме отобразить на РЭ весь исследуемый энергетический спектр либо достигнуть максимальной интенсивности передаваемого корпускулярного изображения (в последней ситуации уровень освещенности корпускулярного изображения и степень его энергофильтрации регулируются размером отверстия ЭД). Во втором случае возможно осуществить высокопрецизионную энергоспектроскопию передаваемого корпускулярного изображения.
1
2
По сравнению с прототипом изменены и дополнены функции МД и МД, а именно:
1
- МД дополнительно выполняет новые функции: направление ИКП к РЭ и создание минимальной энергетической дисперсии ИКП на выходе из энергофильтра в энергоспектрографическом режиме;
2
1
2
- МД направляет ИКП в сторону МД (в прототипе МД направлял ИКП к РЭ).
1
2
2
Значительного повышения энергетической дисперсии в энергоспектроскопическом режиме можно добиться путем замедления ИКП перед входом в энергоанализатор с помощью замедляющей линзы, установленной в БСЛ. В этом варианте БСЛ включает в свой состав ускоряющую линзу, что необходимо для восстановления энергии ИКП перед его входом в МД (п.2 формулы). Дополнительное расширение диапазона изменения энергетической дисперсии в этом варианте обусловлено тем, что энергетическая дисперсия энергоанализатора обратно пропорциональна величине средней энергии проходящего через него ИКП. Поэтому данную дисперсию можно регулировать напряжением, подаваемым на ближайшие к энергоанализатору крайние электроды указанных линз. При этом имеется дополнительная возможность расширить диапазон величин данной дисперсии за счет вариации оптической силы указанных иммерсионных линз путем изменения напряжений на их фокусирующих электродах.
1
2
2
Энергетическая дисперсия принимает максимальные значения, если БСЛ и БСЛ настроены в режим формирования промежуточных изображений, требующий высоких значений оптической силы линз БСЛ. При этом целесообразно установление дополнительной щелевой энергетической диафрагмы (ДЩЭД) на оптической оси второго блока согласующих линз для увеличения энергетического разрешения (п.3 формулы). Установка ДЩЭД и формирование кроссовера ИКП в ее плоскости позволяют реализовать высокопрецизионную энергоспектроскопию передаваемого изображения с максимальной трансмиссией, поскольку дисперсия энергоанализатора не образуется в направлении, перпендикулярном его средней плоскости. Для равномерного распределения освещенности передаваемого изображения ЭД, установленная на выходном плече энергофильтра, выполнена с круглым отверстием.
При техническом осуществлении энергофильтра в качестве энергоанализатора может быть использован энергоанализатор магнитного типа со стигматичной фокусировкой (см., например: US 3761707, H01J 49/32, 49/26, 1973; US 6066852, H01J 37/05, 49/44, 49/46, 49/48, 37/04, 49/00, 2000). Это позволяет упростить конструкции
1
2
БСЛ и БСЛ, изъяв из них квадрупольные линзы, в связи с отпавшей необходимостью выполнения функции коррекции астигматизма, возникающего при передаче изображения. Еще более целесообразно использовать в качестве энергоанализатора электростатический сферический конденсатор, обеспечивающий, как известно, стигматизм передачи ИКП при любом угле отклонения оптической оси. Такое выполнение обладает простотой и удобством регулирования напряженности поля энергоанализатора (пропорционально энергии ИКП на его входе) путем изменения напряжения на обкладках сферического конденсатора. В данном варианте наиболее целесообразно выполнение энергоанализатора на базе полусферического конденсатора (п.4 формулы). При этом достигается максимум энергодисперсионного коэффициента, и, как установлено автором, дисторсия корпускулярного изображения, обусловленная действием краевых полей конденсатора, в данном варианте минимальна.
1
2
Полюсные наконечники магнитных дефлекторов могут быть плоскими. Однако для гибкой настройки сопрягающихся оптических осей целесообразно выполнение МД и/или МД с цилиндрическими границами полюсных наконечников (п.5 формулы).
3
1
3
1
3
1
3
3
1
3
1
Для дальнейшего расширения функциональных возможностей энергофильтр может быть дополнительно оснащен третьим магнитным дефлектором (МД), выход которого связан с первым входом МД непосредственно или через блок транспортирующих линз (БТЛ) для оптического сопряжения выходной главной точки МД и входной главной точки МД и вариации увеличения передаваемого изображения; при этом выходное плечо МД соосно первому входному плечу МД (п.6 формулы). В данном варианте изображение образца передается электронными линзами объектива КОСФПИ в главную плоскость МД для обеспечения ахроматичности дальнейшей передачи изображения. Варьируя возбуждения линз, входящих в состав БТЛ, можно электрическим путем управлять изменением энергетической дисперсии энергофильтра в энергоспектрографическом режиме, поскольку величина коэффициента угловой дисперсии на выходе из энергофильтра зависит от значения коэффициента оптического увеличения БТЛ при передаче корпускулярного изображения из МД в МД. Автором установлено, что при совпадении полярностей МД и МД в энергоспектрографическом режиме в варианте передачи корпускулярного изображения без образования промежуточного изображения в БТЛ величина коэффициента угловой энергетической дисперсии энергофильтра в энергоспектрографическом режиме равна
где К - коэффициент угловой дисперсии энергофильтра;
1
3
1
3
N и N - коэффициенты угловой энергетической дисперсии МД и МД соответственно;
М - абсолютная величина коэффициента оптического увеличения БТЛ.
При электрической настройке возбуждений линз БТЛ, соответствующей передаче корпускулярного изображения с образованием промежуточного в БТЛ изображения, величина коэффициента угловой энергетической дисперсии энергофильтра равна
3
1
Если полярность МД установлена противоположно полярности МД в энергоспектрографическом режиме, то в варианте передачи корпускулярного изображения без образования промежуточного изображения в БТЛ величина коэффициента угловой дисперсии энергофильтра определяется согласно формуле (2), а при электрической настройке возбуждений линз БТЛ, соответствующей образованию промежуточного изображения в БТЛ, величина коэффициента угловой энергетической дисперсии энергофильтра определяется согласно формуле (1).
Таким образом, во всех указанных вариантах настройки БТЛ энергетическая дисперсия энергофильтра в энергоспектрографическом режиме может быть изменена электрическим путем за счет вариации величины М посредством соответствующего изменения электрических возбуждений линз, входящих в состав БТЛ. Тем самым расширяется диапазон значений энергетической дисперсии энергофильтра в энергоспектрографическом режиме.
3
При выполнении МД с дополнительным входом и дополнительной оптической осью, проходящей с геометрическим сопряжением дополнительного входа и входного плеча энергофильтра, для возможности подключения электронной пушки (ЭП) к КОСФПИ (п.7 формулы) появляется возможность получения электронных дифракционных картин, содержащих топографическую информацию о приповерхностном слое исследуемого образца. В этом случае применение предлагаемого энергофильтра позволяет осуществить энергоспектроскопию дифракционной картины, что дает дополнительную физико-химическую информацию об исследуемом образце.
На фиг.1 приведена схема энергофильтра, выполненного с использованием пп.1÷5 формулы изобретения; на фиг.2 приведена схема энергофильтра, выполненного с использованием пп.1÷7 формулы изобретения. Места промежуточных изображений отмечены поперечными стрелками.
1
2
1
2
В данных примерах МД и МД выполнены в виде конструкций с плоскопараллельными парами магнитных полюсных наконечников, симметрично установленных относительно средней плоскости, в которой лежат оптические оси и в которой происходит формирование поперечной энергетической дисперсии. В направлении, перпендикулярном к средней плоскости, энергетической дисперсии нет. Оптические оси МД и МД обозначены дугами.
1
2
1
2
Во избежание усложнения схем известные детали, касающиеся устройства элементов энергофильтра, опущены, а обе главные точки каждого из магнитных дефлекторов совмещены в оптических центрах последних. В действительности входная и выходная главные точки МД и МД несколько смещены от оптических центров. Однако эти смещения малы, поскольку с оптической точки зрения МД и МД представлют собой слабые линзы.
1
1
2
2
1
1
1
1
1
1
В энергофильтре (фиг.1) для КОСФПИ его входное а и выходное е плечи установлены на оптической оси КОСФПИ. Энергофильтр содержит расположенные по направлению передачи изображения МД (поз.1), выполненный с поворотом оптической оси на 90°, БСЛ (поз.2), энергоанализатор (поз.3), БСЛ (поз.4), МД (поз.5) и ЭД (поз.6). Входным плечом а энергофильтра служит первое входное плечо МД 1, первая оптическая ось r/ МД проходит от первого входа к первому выходу МД, первое выходное плечо b' МД и входное плечо b" энергоанализатора 3 лежат на оптической оси b БСЛ, выходное плечо с" энергоанализатора 3 и входное плечо с'
2
2
2
1
1
2
2
1
2
1
1
4
5
1
1
4
5
1
2
1
1
МД лежат на оптической оси с БСЛ, выходное плечо d' МД соосно первому входному плечу а МД, а ЭД 6 установлена на выходном плече е энергофильтра. Энергофильтр дополнительно содержит БНЛ 7, выполненный на основе осесимметричных электронных линз с осью d и установленный между МД и МД (поз.1 и 5 соответственно) соосно выходному плечу d' МД, БСЛ и БСЛ (поз.2 и 4 соответственно) выполнены на основе осесимметричных электронных линз, МД выполнен с возможностью образования двух входов, двух выходов и трех геометрически идентичных оптических осей r, r и r,, обеспечивающих соединение соответствующих входов и выходов, причем в МД второй вход расположен на прямой d", соосной первому входному плечу а, второй выход расположен на прямой е, соосной первому выходному плечу b', оптическая ось r соединяет первые вход и выход, вторая оптическая ось r соединяет вторые вход и выход, а третья оптическая ось r соединяет первый вход и второй выход. МД электрически подключен к источнику тока (поз.8), снабженному переключателем полярности. Выходное плечо d' МД направлено в сторону МД, а выходным плечом е энергофильтра служит второе выходное плечо МД.
Энергофильтр выполнен с использованием пп.1-5 формулы, а именно:
1
2
- в БСЛ и БСЛ (поз.2 и 4) установлены замедляющая и ускоряющая электростатические линзы соответственно;
2
- на оптической оси с БСЛ установлена ДЩЭД 9;
2;
- в качестве энергоанализатора 3 установлен полусферический конденсатор с оптической осью r
1
2
- МД и МД (поз.1 и 5) выполнены с цилиндрическими границами полюсных наконечников;
1
- на входном плече а энергофильтра в плоскости кроссовера K установлена съемная контрастная апертура 10.
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
1
3
1
4
В энергоспектроскопическом режиме ИКП поступает на вход энергофильтра (плечо а), проходит контрастную апертуру 10 и поступает на первый вход МД (поз.1), полем которого вдоль оптической оси r отклоняется на угол 90° к первому выходу МД, приобретая угловую энергетическую дисперсию. При этом оптическими элементами КОСФПИ, установленными перед энергофильтром (на фиг.1 не показаны), корпускулярное изображение передается в главную плоскость МД, в которой расположена его входная главная точка (в окрестности центра O), что необходимо для обеспечения ахроматичности конечного изображения вне зависимости от выбора полярности МД. После выхода из МД на ось b' ИКП через БСЛ (поз.2) поступает на вход энергоанализатора 3, вдоль оптической оси r которого ИКП выходит на ось с, проходит БСЛ (поз.4), в котором он восстанавливает энергию, и поступает на вход МД (поз.5), полярность которого установлена противоположной полярности МД, после чего вдоль оптической оси r поворачивает на угол 90° в сторону БНЛ 7, выходя на ось d, и, пройдя БНЛ 7, входит вторично в МД через его второй вход, вдоль его второй оптической оси r выходит через второй выход на ось е, проходит ЭД 6 и с помощью проекционного блока (не показан) передает отфильтрованное по энергии увеличенное корпускулярное изображение на РЭ.
1
1
5
В энергоспектрографическом режиме, в котором на РЭ отображается исследуемый энергетический спектр, или в режиме слабой энергофильтрации изображения с целью достижения его максимальной яркости магнитную полярность МД (поз.1) переключают посредством источника тока 8. В этом случае ИКП, войдя по оптической оси а в поле МД движется вдоль его третьей оптической оси r, выходит через его второй выход на ось е, проходит через ЭД 6 и с помощью проекционного блока (не показан), в зависимости от настройки последнего, передает на РЭ увеличенное корпускулярное изображение либо отображает на РЭ полный энергетический спектр ИКП.
3
1
3
1
3
1
6
3
3
1
3
7
Энергофильтр для КОСФПИ, выполненный с использованием пп.1÷7 формулы (фиг.2), дополнительно оснащен МД (поз.11), выход которого связан с первым входом МД (поз.1) через БТЛ 12 для оптического сопряжения выходной главной точки МД и входной главной точки МД и вариации увеличения передаваемого изображения. Выходное плечо а' МД соосно первому входному плечу а МД. Оптическая ось r проходит с сопряжением выходного плеча а' МД с входным плечом ƒ энергофильтра, соосного в данном варианте с оптической осью объектива КОСФПИ. Полярности МД и МД в энергоспектрографическом режиме работы энергофильтра в данном примере совпадают. МД снабжен дополнительным входом и дополнительной оптической осью r, проходящей с геометрическим сопряжением дополнительного входа и плеча ƒ энергофильтра, для возможности подключения ЭП 13 с оптической осью g к КОСФПИ.
1
0
ИКП e образован в результате освещения исследуемого образца излучением светового или синхротронного источников (не показаны) или ПЭП e, сгенерированным ЭП 13.
3
6
1
3
1
1
Независимо от источника освещения образца, порождающего ИКП, последний ускоряется полем объектива и вдоль оси ƒ поступает на основной вход МД (поз.11), являющийся в данном варианте входом энергофильтра, вдоль оптической оси r выходит на ось а и через БТЛ 12 поступает на первый вход МД (поз.1). Дальнейшее движение ИКП происходит, как в примере фиг 1. Благодаря оптическому сопряжению главных точек МД и МД осуществленному БТЛ 12, корпускулярное изображение передается во входную главную плоскость МД, что необходимо для обеспечения ахроматичности передаваемого корпускулярного изображения. Изменением электрических возбуждений линз, входящих в состав БТЛ 12, обеспечивается вариация оптического увеличения М передаваемого изображения и тем самым изменяется величина коэффициента угловой энергетической дисперсии энергофильтра в энергоспектрографическом режиме согласно формуле (1).
0
3
7
В варианте электронного освещения образца ПЭП е, сгенерированный ЭП 13, вдоль оптической оси g поступает на дополнительный вход МД, отклоняется его магнитным полем вдоль оптической оси r и по оптической оси ƒ проходит объектив КОСФПИ, фокусируясь в его фокальной плоскости, тормозится полем объектива вблизи образца, и, становясь параллельным, когерентно освещает исследуемую поверхность образца по нормали к ней, порождая ИКП с формированием дифракционной картины в фокальной плоскости объектива. Данная дифракционной картина, как и корпускулярное изображение образца, может быть передана через энергофильтр на РЭ.
Предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом существенно расширяет функции энергофильтра за счет создания возможностей вариации коэффициента его энергетической дисперсии электрическим путем в широком диапазоне, что имеет следствием достижение универсальности использования энергофильтра в спектромикроскопических исследованиях. Это проиллюстрировано возможностью работы предлагаемого энергофильтра в энергоспектроскопическом и энергоспектрографическом режимах.
Положительным эффектом, производным от достигнутого, является возможность альтернативной передачи изображения, что значительно упрощает наладку соответствующей КОСФПИ за счет автономной настройки элементов энергофильтра.
Кроме того, предлагаемый энергофильтр обладает необходимыми корпускулярно-оптическими свойствами для обеспечения времяпролетных электронной микроскопии и энергоспектроскопии.
Использование предлагаемого энергофильтра в эмиссионных электронном микроскопе и энергоспектрометре и их времяпролетных аналогах позволяет значительно расширить спектр получаемой физико-химической информации об исследуемом образце.