ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ФИЛЬТР ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ Российский патент 2007 года по МПК H01J37/147 H01J37/28 

Заявляемый электромагнитный фильтр предназначен для использования в колонне низковольтного растрового электронного микроскопа (НРЭМ) для пространственного разделения пучков первичных и вторичных электронов с целью последующей регистрации вторичных электронов. В НРЭМ с глубоким торможением первичных электронов у объекта пучок вторичных электронов захватывается магнитным и электрическим полями объективной линзы и распространяется соосно пучку вторичных электронов практически с той же энергией, но в противоположном направлении. Поэтому для регистрации вторичных электронов требуется предварительное пространственное разделение пучков, не вносящее при этом в первичный электронный пучок значительных аберраций, ухудшающих разрешение микроскопа.

Принцип работы фильтра состоит в одновременном воздействии на оба электронных пучка, распространяющихся в противоположных направлениях, отклоняющих электрических и магнитных сил, полностью взаимно компенсирующих друг друга для первичных электронов и складывающихся для вторичных электронов. Известен аналог и прототип: фильтр Вина описанный в статье [М. Kienle, E. Plies, 'An off-axis multichannel analyzer for secondary electrons' // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Sec A, V 519, 1-2 Feb 2004, p.325]. Описанное устройство содержит восемь электродов и две магнитные катушки без сердечников, формирующие скрещенные электрическое и магнитное поля, вектора которых ортогональны друг другу и осям электронных пучков. Недостатком устройства является невозможность обеспечения точной пропорциональности напряженностей электрического и магнитного полей на оси первичного пучка и, следовательно, нулевого отклонения оси первичного пучка, что приводит к появлению аберраций первичного пучка.

Электромагнитный фильтр решает задачу отклонения пучка вторичных электронов на угол более 20 градусов при отсутствии отклонения оси пучка первичных электронов на всей длине фильтра и минимальности аберраций пучка первичных электронов. Это позволяет детектировать вторичные электроны при помощи любого известного детектора, не ухудшая при этом разрешение НРЭМ.

Конструкция электромагнитного фильтра поясняется фиг.1 и 2. Электроды (1) изготовлены из ферромагнитного материала и одновременно выполняют функцию магнитных полюсов, формируя как электрическое, так и магнитное поля. Электроды выполнены в виде восьми цилиндрических сегментов с углами раствора 30 и 60 градусов, за вычетом толщины диэлектрика или вакуумного промежутка между ними. Электроды расположены внутри цилиндра из диэлектрического и немагнитного материала (2), на внешней стороне которого расположены четыре магнитных полюса (3) с углом раствора 60 и 120 градусов. Цилиндр из изолирующего немагнитного материала может служить частью вакуумно-плотного лучепровода. Магнитное поле создается обмотками (6). Подключение источника напряжения и направления токов в обмотках поясняются фиг.1.

На торцах фильтра располагаются две круглые диафрагмы (4) с центральными отверстиями, изготовленные из проводящего ферромагнитного материала. Одна диафрагма имеет четыре или более симметрично расположенных отверстий, одно из которых предназначено для вывода отклоненного пучка вторичных электронов (9).

Электромагнитный фильтр располагается перед объективной линзой (7) по ходу пучка первичных электронов. Геометрический центр фильтра может совпадать с одной из промежуточных точек фокусировки пучка первичных электронов (8), оптически сопряженной с точкой формирования электронного зонда на объекте (5). Как показано ниже, это приводит к уменьшению влияния хроматической аберрации фильтра.

Для отклонения пучка вторичных электронов на угол, превышающий 20 градусов, может быть применена дополнительная отклоняющая система (10), поле которой не проникает на оптическую ось устройства.

Принцип действия устройства состоит в отклонении пучка вторичных электронов взаимно перпендикулярными электрическим и магнитным полями. Пусть оси х, у, z образуют правую декартову систему координат, причем первичные электроны распространяются вдоль оси Z в положительном направлении, а вторичные электроны - в отрицательном.

Напряженность полей вблизи оси пучка первичных электронов можно представить в виде разложений [В.Глазер. Основы электронной оптики. Гос. издательство технико-теоретической литературы. М., 1957]:

в которых оставлены члены до второго порядка малости относительно поперечных координат х и у. Функции E₀, B₀, Е₂ и В₂ определяются потенциалами электродов, токами магнитных катушек и геометрическими размерами устройства. Сила Лоренца, действующая на первичный электрон с энергией ε₀ и движущийся строго вдоль оси Z, равна При выполнении условия фильтра Вина эта сила обращается в нуль, что означает отсутствие отклонения пучка первичных электронов. Для вторичных же электронов магнитная и электрическая составляющие силы Лоренца складываются по величине, обеспечивая отклонение вторичных электронов от оси.

Для минимизации влияния устройства на пучок первичных электронов, имеющий конечную ширину и энергетических разброс, необходимо как можно более точное выполнение условия взаимной компенсации электрической и магнитной сил вдоль всей оси пучка и на некотором расстоянии от нее. Конструкция заявляемого устройства обеспечивает равенство функций E₀ и B₀ с точностью до коэффициента при любом значении z (линейную зависимость) и тождественное равенство нулю функций Е₂ и В₂, что обеспечивает компенсацию электрической и магнитной сил с точностью до второго порядка включительно по осям X и У на всей протяженности оси z, за исключением лишь краев устройства, прилегающих к диафрагмам.

Устройства типа фильтра Вина неизбежно обладают значительной хроматической аберрацией. При отклонении энергии первичного электрона от номинальной ε=ε₀+Δε результирующая сила Лоренца, действующая на электрон, составляет . Это приводит к отклонению электронов на угол, пропорциональный Δε, причем продолжения траекторий отклоненных траекторий пересекаются в центре устройства. Таким образом, если фильтр расположен на оптической оси системы так, что его центр совпадает с одним из промежуточных фокусов, оптически сопряженных с точкой формирования электронного зонда, то хроматическая аберрация фильтра не приводит непосредственно к увеличению размера электронного зонда, а вызывает лишь увеличение апертурного угла раскрытия электронного луча.

Заявляемое устройство позволяет отклонять пучок вторичных электронов от оптической оси прибора в сторону детектора, не внося при этом значительных искажений пучка первичных электронов и, следовательно, не приводя к снижению разрешения электронного микроскопа.

Изобретение относится к растровой электронной микроскопии и, в частности, к электромагнитным фильтрам, предназначенным для пространственного разделения пучков первичных и вторичных электронов. Фильтр содержит восемь секторных электродов, расположенных внутри цилиндра, выполненного из диэлектрического и немагнитного материала. Электроды изготовлены из ферромагнитного материала в виде восьми цилиндрических сегментов с углами раствора 30 и 60 градусов и одновременно выполняют функцию магнитных полюсов. На внешней стороне цилиндра расположены четыре магнитных полюса с углом раствора 60 и 120 градусов. Круглые диафрагмы с центральными отверстиями, расположенные на торцах фильтра, изготовлены из проводящего ферромагнитного материала, причем одна из диафрагм имеет четыре или более симметрично расположенных отверстий для вывода пучка вторичных электронов. Технический результат: отклонение пучка вторичных электронов более чем на 20 градусов при отсутствии отклонения оси пучка первичных электронов на всей длине фильтра и минимальности аберраций пучка первичных электронов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электромагнитный фильтр для пространственного разделения пучков первичных и вторичных электронов в растровом электронном микроскопе, содержащий восемь электродов, ограничивающие диафрагмы и магнитную обмотку, отличающийся тем, что электроды и диафрагмы выполнены из проводящего ферромагнитного материала, электроды имеют форму цилиндрических секторов с углом раствора 30 и 60° и помещены внутрь диэлектрического немагнитного цилиндра, с внешней стороны которого располагаются полюсные наконечники магнитной системы.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что его геометрический центр совпадает с одной из промежуточных точек фокусировки пучка первичных электронов на оптической оси микроскопа.