DE1006983B

DE1006983B - Verfahren und Vorrichtung zur uebermikroskopischen Abbildung mittels eines Jonenmikroskops

Info

Publication number: DE1006983B
Application number: DEL21022A
Authority: DE
Inventors: Gustav Weissenberg
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Priority date: 1955-02-01
Filing date: 1955-02-01
Publication date: 1957-04-25
Also published as: US2799779A

Description

Es ist bekannt, daß das Auflösungsvermögen von Jonenmikroskopen theoretisch größer ist als das von Elektronenmikroskopen. Bedingt ist diese Tatsache durch die um mindestens drei Zehnerpotenzen größere Masse der Jonen. Allerdings steht der Ausnutzung dieses größeren Auflösungsvermögens ebenfalls die große Masse der Jonen entgegen, weil es bisher keinen Leuchtschirm für dauernde Beobachtung und auch kein Photomaterial gibt, das ein solches Jonenbombardement aushält. Gleichzeitig muß natürlich bei den bekannten Jonenmikroskopen die volle, der Auflösung entsprechende Vergrößerung (sogenannte förderliche Vergrößerung) erreicht werden.

Schwierigkeiten dieser Art werden durch das vorliegende Verfahren zur übermikroskopischen Abbildung mittels eines Jonenmikroskops vermieden. Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Abbildung in zwei Schritten erfolgt. Im ersten Schritt erfolgt die Abbildung des zu prüfenden Objekts jonenoptisch auf eine hochglanzpolierte Metallplatte, die zweckmäßig tiefgekühlt ist, beispielsweise durch flüssige Luft. Beim Auftreffen auf die Metallplatte werden die Jonen zu Atomen umgeladen. Die Verteilung der Atome auf der Metallplatte stellt dann eine zunächst nicht sichtbare Abbildung des Objekts (ein latentes Bild) auf der Metallplatte dar. Im zweiten Schritt wird die Metallplatte als Kathode in einem Elektronenmikroskop angeordnet und ein Bild dieser Kathode elektronenoptisch auf einem Leuchtschirm oder einer Photoplatte abgebildet. Das Jonenmikroskop kann als Durchstrahlungsmikroskop oder auch als Reflexionsmikroskop ausgebildet sein. In einer besonders zweckmäßigen Anordnung sind das Jonenmikroskop und das Elektronenmikroskop derart zusammengebaut, daß die als Auffänger bzw. als Kathode verwendete Metallplatte wirksam ist, ohne aus dem Vakuum entfernt zu werden. Das kann beispielsweise dadurch geschehen, daß die Metallplatte drehbar zwischen dem Jonenmikroskop und dem Elektronenmikroskop im Vakuum angeordnet ist. Es ist aber auch möglich, die beiden Einzelmikroskope in einem Winkel zueinander anzuordnen und die Metallplatte in dem Jonenmikroskop gegenüber der optischen Achse geneigt anzuordnen.

In den Zeichnungen sind mehrere Ausführungsbeispiele dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 schematisch ein Reflexions-Jonenmikroskop und ein Elektronenmikroskop mit zusammenfallenden optischen Achsen und drehbarer Auffang- bzw. Kathodenplatte,

Fig. 2 schematisch ein Durchstrahlungs-Jonenmikroskop und ein Elektronenmikroskop, die unter einem Winkel zueinander angeordnet sind, mit gegen-

Verfahren und Vorrichtung

zur übermikroskopischen Abbildung

mittels eines Jonenmikroskops

Anmelder:

Ernst Leitz G.m.b.H.,
Wetzlar/Lahn, Laufdorfer Weg 2

Gustav Weissenberg, Wetzlar/Lahn,
ist als Erfinder genannt worden

über der optischen Achse des Jonenmikroskops geneigter Anordnung der Auffangplatte,

Fig. 3 schematisch ein Reflexions-Jonenmikroskop mit zur Achse des abbildenden Jonenbündels geneigter Achse des Elektronenmikroskops.

In einem Vakuumgefäß 1 mit einem seitlichen Ansatz 2 ist eine Jonenquelle 3 und eine Kondensorlinse 4 vorgesehen. Zwischen der Kondensorlinse 4 und dem in dem seitlichen Ansatz 2 angeordneten Objekt 5 befindet sich ein Umlenkfeld 6 und eine Zerstreuungslinse 7. Zur Abbildung des Objekts 5 mittels der am Objekt gespiegelten und durc'h das Umlenkfeld 6 erneut abgelenkten Jonen sind ein oder mehrere Projektive 8 vor der Auffangplatte 9 angeordnet. Die Auffangplatte 9 ist mittels eines außerhalb des Vakuumgefäßes vorgesehenen Bedienungsknopfes 10 drehbar auf einem gut wärmeleitenden Stift 11 gelagert. Der Stift 11 ist durch die Wand desVakuumgefäßes 1 hindurchgeführt und steht mit einem geeigneten Kühlmittel, z. B. flüssiger Luft, in Verbindung. Im Innern der Auffangplatte 9 ist eine (elektrische) Heizvorrichtung 12 angeordnet. Zur Abbildung der (um 180° gedrehten) Oberfläche der Auffangplatte 9 mittels Elektronenemission auf einem Leuchtschirm 13 sind in dem Vakuumgefäß 1 ein Immersionsobjekt 14 und ein Projektiv 15 angeordnet. Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende:

Die in der Jonenquelle 3 gebildeten und in bekannter Weise beschleunigten Jonen werden mittels derLinse4 zu einem Parallelstrahlenbündel zusammengefaßt und durch das Umlenkfeld 6 in Richtung auf das Objekt 5 abgelenkt. An dem Objekt 5, das etwa auf demselben Potential wie die Jonenquelle liegt, bzw. an einer unmittelbar vor dem Objekt 5 liegenden, der Objektoberfläche ähnlichen Potentialfläche, werden die Jonen reflektiert und durch die Linse 7 in Richtung auf das Umlenkfeld 6 beschleunigt. Im Umlenkfeld werden

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die Jonen erneut, diesmal in Richtung auf die Auffangplatte 9_J abgelenkt. Mittels der Projektive 8 wird die Objektoberfläche bzw. die Potentialfläche, an der die Reflexion erfolgt ist, durch die Jonen auf der Auffangplatte 9, die aiuf einem gegenüber der Jonenquelle 3 bzw. dem Objekt 5 negativen Potential liegt, abgebildet. Die Dichteverteilung der auf die Auffangplatte 9 auftreffenden und dort entladenen Jonen ergibt zunächst ein unsichtbares Bild der Objektoberfläche. Um möglichst Wanderungen der auf der Auffangplatte 9 aufgefangenen Atome zu vermeiden, ist es zweckmäßig, die Auffangplatte tief zu kühlen.

Nach erfolgter Abbildung des Objekts 5 auf der Auffangplatte 9 wird die letztere mittels des Bedienungsknopfes 10 so weit gedre'ht, bis die Oberfläche der Platte die Stelle der Kathode in dem zweiten Teil der Vorrichtung einnimmt. Nach Aufheizung der Auffangplatte 9 durch die Heizvorrichtung 12 bis zur Elektronenemission wird dann in bekannter Weise eine Kathodenabbildung auf dem Leuchtschirm 13 durchgeführt. Durch die Verwendung von geeigneten Jonen, z. B. Caesiumjonen, also Jonen mit geringer Austrittsarbeit, wird die bis'her unsichtbare Verteilung der Atome auf der Auffangplatte durch Umwandlung in ein Kathodenbild auf dem Leuchtschirm sichtbar gemacht. Durch die Wahl der Vergrößerungsmaßstäbe in dem ersten und zweiten Teil der Vorrichtung kann das höhere Auflösungsvermögen der Jonen voll ausgenutzt werden ohne die Nachteile der bisher bekannten Vorschläge für Jonenmikroskope.

In der Fig. 2 ist eine Anordnung dargestellt, in der der elektronenmikroskopische Teil in einem Winkel zum jonenmikroskopischen Teil angeordnet ist. In diesem Fall ist ein Durchstrahlungsmikroskop gezeigt, bei dem sich das Objekt 25 zwischen der Jonenquelle 23 und der Kondensorlinse 24 einerseits und den Abbildungslinsen 27 und 29 sowie der Auffangplatte 30 befindet. Die Auffangplatte 30 ist derart gegenüber der optischen Achse 38 des jonenmikroskopischen Teils 22 geneigt, daß sie gleichzeitig in dem elektronenmikroskopischen Teil 39 die Kathode bildet. In dem letzteren Teil der Vorrichtung sind in an sich bekannter Weise Elektronenlinsen 36 und 37 sowie ein Leuchtschirm 35 vorgesehen. Auch in diesem Fall ist die Auffangplatte 30 mit einer Kühlvorrichtung 32 versehen.

Zur Umwandlung des auf der Auffangplatte entstandenen latenten Bildes ist hier ein anderer Weg beschritten. Durch eine Elektronenquelle 40 und einen Kondensator 41 wird ein energiereicher Elektronenstrahl auf die Auffangplatte gerichtet, so daß die auf der Auffangplatte befindlichen Atome zur Sekundäremission angeregt werden. Diese sekundär emittierten Elektronen werden dann durch das Immersionsobjektiv 36 und das Projektiv 37 zum Leuchtschirm mit der notwendigen lateralen Vergrößerung beschleunigt.

In Fig. 3 ist wieder ein Reflexionsmikroskop schematisch dargestellt, bei welchem die Achsen der zum Objekt hinlaufenden und zurücklaufenden Jonenbündel einen Winkel kleiner als 180° einschließen. Die optische Achse des elektronenmikroskopischen Teils bildet ebenfalls einen Winkel zu der optischen Achse des zur Auffangplatte geneigten Jonenbündels. ist wieder die Jonenquelle, 52 ein Monochromator, der- nur Jonen geringer Energiedifferenz durchläßt, ein Kondensor, 54 das Umlenkfeld, 55 das Objekt und 56 eine Zerstreuungslinse. 57 sind hier zwei Projektive, die bei Verwendung einer Zerstreuungslinse eine angulare Vergrößerung des vom Objekt kornmenden Jonenbündels hervorrufen. 58 ist eine stark gekühlte Auffangplatte. Die auf der Auffangplatte 58 niedergeschlagenen und zu Atomen umgeladenen Jonen werden durch Jonenbeschuß aus einer im gleichen Vakuumgefäß befindlichen Jonenquelle 63 mit Kondensor 64 zur Sekundärelektronenemission angeregt. Diese sekundären Elektronenstrahlbündel werden dann in an sich bekannter Weise durch die Elektronenoptik 60 und 61 vergrößert auf dem Leuchtschirm oder einer Photoplatte 62 abgebildet.

Bei Verwendung von Jonen extrem kleiner Austrittsarbeit (Cs, Rb u. dgl.) kann zur Anregung der Elektronenemission statt thermischer Emission bzw. Sekundäremission durch Elektronen- oder Jonenbombardement auch Licht, insbesondere UV-Licht benutzt werden. Die Auffangplatte wird während der Abbildung mit Jonen bereits beispielsweise mit dem gefilterten Licht einer Quecksilberlampe beleuchtet und die Jonen-»Belichtung« unterbrochen, wenn am Leuchtschirm bereits eine genügende Helligkeit des Elektronenbildes festgestellt wird.

Bei Verwendung schwerer Jonen mit hoher Austrittsarbeit wird Elektronen- bzw. Jonenbombardement vorgezogen.

Die Linsen in den Vorrichtungen können elektrostatische und/oder auch elektromagnetische Linsen sein. Ebenso können auch die einzelnen Teile der dargestellten Beispiele miteinander wahlweise kombiniert werden.

Um die Bilder auf der Auffangplatte wieder zu löschen, ist lediglich eine Einrichtung der Auffangplatte erforderlich, bis die aufgefangenen Atome von der Oberfläche der Auffangplatte abdampfen. Die Erhitzung kann auch durch starkes Heizen mit der Heizvorrichtung 12 erfolgen, aber auch durch extrem starkes, kurzzeitiges Belasten der Oberfläche des Auffängers durch Elektronen- und/oder Jonenbeschuß erfolgen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur übermikroskopischen Abbildung mittels eines Jonenmikroskops, dadurch gekennzeichnet, daß das zu prüfende Objekt Jonenoptisch auf eine hochglanzpolierte Metallplatte abgebildet wird und daß dann diese Metallplatte als Kathode in einem Elektronenmikroskop angeordnet und elektronenoptisch auf einen Leuchtschirm bzw. eine Photoplatte abgebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte während der Verwendung im Jonenmikroskop bei Anwendung höherer Spannungen, die eine Erwärmung der Metallplatte durch die auftreffenden Jonen bewirken, z. B. durch flüssige Luft, tiefgekühlt und bei Verwendung als Kathode geheizt wird, z. B. mittels einer Heizwendel.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte durch Elektronenoder Jonenbeschuß zur Sekundäremission angeregt wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur jonenmikroskopischen Abbildung Caesiumjonen verwendet werden.

5. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Jonenmikroskop und ein Elektronenmikroskop derart in einem gemeinsamen Vakuumgefäß hintereinander angeordnet sind, daß ihre optischen Achsen zusammenfallen

und daß an der Verbindungsstelle der beiden Mikroskope die Metallplatte derart schwenkbar angeordnet ist, daß sie in einer Stellung in der Bildebene des Jonenmikroskops liegt und in der anderen Stellung als Kathode des Elektronenmikroskops dient.

6. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Vakuumgefäß ein Jonenmikroskop und ein Elektronenmikroskop derart miteinander unter einem Winkel, beispielsweise 60°, verbunden sind, daß die in dem

Jonenmikroskop unter dem gleichen Winkel gegenüber der optischen Achse angeordnete Auffangplatte an der Stelle der Kathode des Elektronenmikroskops liegt.

7. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Vakuumgefäß eine Elektronen- oder Jonenquelle und eine Kondensorlinse derart an der Auffangplatte angeordnet sind, daß die Auffangplatte durch Elektronen- bzw. Jonenbeschuß zur Sekundäremission anregbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen