DE1222179B - Elektronenmikroskop mit einer Objektivlinse - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIj

Deutsche KL: 21g-37/01

Nummer: 1222179

Aktenzeichen: S 72632 VIII c/21 g

Anmeldetag: 20. Februar 1961

Auslegetag: 4. August 1966

Die Erfindung betrifft ein Elektronenmikroskop mit einer Objektivlinse zum vergrößerten Abbilden des im Linsenfeld angeordneten Objekts in der Bildebene.

Derartige Elektronenmikroskope haben den Nachteil der sphärischen und chromatischen Aberration, was einen wesentlichen Unterschied gegenüber Elektronen-Rastermikroskopen sowie Schattenmikroskopen darstellt.

Bekanntlich sind sphärische und chromatische Aberration im Elektronenmikroskop geringer, wenn die Linsenfeldstärke in der Nähe des Objekts stärker und die Brennweite geringer ist. Deshalb versucht man, das Objekt möglichst nahe dem Mittelpunkt der Linse anzubringen. Die Lage des Objekts ist aber bisher stets auf der Seite der Elektronenquelle hinsichtlich des Linsenmittelpunktes gewählt worden, um die Abbildungskraft der Linse besser ausnutzen zu können. Wenn jedoch das Linseninnere evakuiert wird, verkürzt sich die Brennweite stets infolge der sphärischen Aberration, und der Kreuzungspunkt der außeraxialen Elektronenstrahlen befindet sich stets näher an der Elektronenquelle als derjenige der paraxialen Strahlen. Der Abstand zwischen diesen beiden Punkten nimmt rasch zu mit der dritten Potenz des Abstandes zwischen Strahl und Achse. Wenn also das Objekt in der Nähe des Linsenmittelpunktes angebracht wird, um die sphärische und chromatische Aberration zu verringern, so erreichen die außeraxialen Strahlen den Mittelteil des Objekts und vermischen sich mit den paraxialen Strahlen, wodurch das Bild infolge der starken Aberration dunkel wird. Infolgedessen wird eine sehr kleine Apertur erforderlich, um ein deutliches Bild zu erzielen. Eine solche geringe Apertur verringert aber das Gesichtsfeld und bringt Schwierigkeiten in der Einhaltung der richtigen Blende, was praktisch einen großen Nachteil bedeutet.

Es sind bereits einige Versuche unternommen worden, um den Kreuzungspunkt mittels der Kondensorlinse vor dem Objekt zu bilden. Da jedoch die Kondensorlinse sehr weit von der Objektivlinse im Vergleich mit deren Brennweite entfernt ist, ist der öffnungswinkel des leuchtenden Bereichs des Kondensors, gesehen von der Objektivlinse, sehr klein, und andererseits ist das Bild verhältnismäßig groß. Deshalb breiten sich die Elektronenstrahlen über den ganzen Mittelteil der Objektivlinse von der sehr kleinen Fläche des Kondensors aus und bilden praktisch parallele Strahlen. Wenn ferner der Abstand zwisehen Objektiv und Kondensor mit der Brennweite der Objektivlinse vergleichbar ist, nimmt der UnterElektronenmikroskop mit einer Objektivlinse

Anmelder:

Shigeo Suzuki, Tokio

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Lesser, Patentanwalt,

München 61, Cosimastr. 81

Als Erfinder benannt:
Shigeo Suzuki, Tokio

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 22. Februar 1960 (35-5228)

schied zwischen den Lagen der Brennpunkte der paraxialen und außeraxialen Strahlen der Kondensorlinse durch die sphärische Aberration der Kondensorlinse selbst zu, und zwar proportional zum Quadrat der Brennweite. Demgemäß erreichen die außeraxialen Strahlen den Mittelteil des Objekts. Infolgedessen ist eine Blende von weniger als 0,01 mm Durchmesser wie im vorigen Fall erforderlich.

Diese Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß das Objekt im Linsenfeld der Objektivlinse auf der Bildseite des Linsenzentrums angeordnet ist und daß die Linse eine so starke Konvergenz aufweist, daß die Elektronenstrahlen beiderseits des Objekts die Achse kreuzen. Demzufolge läßt sich ein sehr leistungsfähiges Elektronenmikroskop erzielen, das eine sehr starke Vergrößerung durch die Objektivlinse erzeugt und eine sehr geringe chromatische Aberration und sphärische Aberration aufweist, denn die Störung durch die außeraxialen Strahlen kann ausgeschaltet werden, und nur die paraxialen Strahlen werden verwendet.

Da das Objekt nahe am Linsenzentrum angebracht werden kann, ohne daß Störungen durch die außeraxialen Strahlen auftreten, bleiben sphärische und chromatische Bildfehler sehr gering, und es entsteht ein sehr deutliches Bild auf dem Schirm. Wenn ferner das Objekt in bekannter Weise auf der Seite der Elektronenquelle hinsichtlich des Linsenzentrums angebracht wird, so ist ein beträchtlicher Abstand zwischen dem Objekt und der Linsenkante auf der Bildseite wegen der Konstruktion der Linse erforderlich.

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Demgemäß können sphärische und chromatische Bildfehler nur bis zu einem gewissen Betrag gesenkt werden, denn es besteht eine Grenze in der Brennweite unabhängig von der Verstärkungsmöglichkeit des Linsenfeldes. Wenn aber das Objekt auf der Bildseite angebracht ist, kann es so nahe an der Linsenkante untergebracht werden, daß die obigen Beschränkungen wegfallen.

Ein Ausführungsbeispiel wird nun an Hand der Zeichnung beschrieben. Hierin ist

F i g. 1 ein Diagramm des Feldverlaufs in der Linse und der Bahn der Elektronenstrahlen bei einem bekannten Elektronenmikroskop, bei dem der Kreuzungspunkt vor dem Objekt durch die Kondensorlinse festgelegt ist,

F i g. 2 ein vertikaler Schnitt durch eine magnetische Linse gemäß der Erfindung und

F i g. 3 ein Diagramm des Feldverlaufs und der Elektronenbahnen im beschriebenen Elektronenmikroskop.

Fi g. 1 zeigt die Feldstärke der Linse und die Elektronenbahnen, wobei die Achse 1 des Mikroskops in Abszissenrichtung verläuft. Der außeraxiale Strahl 3 und der paraxiale Strahl 4 bilden die Kreuzungspunkte an den Stellen 5 und 6, die durch das Feld der Kondensorlinse 2 bestimmt sind. Sie durchdringen das Objekt 8, das vor dem Mittelpunkt 7 der Objektivlinse angebracht ist, bilden weitere Kreuzungspunkte an den Stellen 10 und 11 infolge des Feldes der Objektivlinse 9 und verlaufen schließlich zum Bildschirm. Der Elektronenstrahl 12, der durch die Mitte des Objekts 8 hindurchgeht, wird auf die Achse fokussiert. Auf diese Weise wird das vergrößerte Bild auf dem Schirm entworfen. Da in diesem Fall aber der Abstand zwischen den Kreuzungspunkten 5 und 6 groß ist, werden der außeraxiale Strahl 3 und der paraxiale Strahl 4 fast auf die gleiche Stelle des Objekts geworfen, und die Deutlichkeit des Bildes wird gestört. Dieser Nachteil kann nicht ausgeschaltet werden, wenn nicht Kondensor- und Objektivlinse miteinander vereinigt werden. Dieser Nachteil wird durch Verwendung einer Objektivlinse, die selbst Kreuzungspunkte vor und hinter dem Objekt erzeugt, vermieden.

F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung in Anwendung auf eine magnetische Linse. Die Polschuhe 16 und 17 sind durch den Mantel 15 verbunden, der die Spulen 13 und 14 umgibt. Die Objektivlinse wird zwischen den Polschuhen gebildet. Auf der Außenseite des Mantels befinden sich Löcher 18 und 19 zur Einführung des Objekts 8 in die Objektivlinse. Die Elektronenstrahlen kommen von oben in die Linse, wie durch die Pfeile angegeben ist, durchdringen den Gegenstand 8 und entwerfen das vergrößerte Bild des Gegenstandes auf dem Bildschirm, der sich unterhalb der Figur befindet. Der Gegenstand 8 befindet sich unterhalb des Mittelpunktes der Objektivlinse 7, also auf der Bildseite. Der paraxiale Strahl 4, der nahe der Achse 1 des Elektronenmikroskops verläuft, bildet die Kreuzungspunkte an den Stellen 20 und 21 beiderseits des Objekts, während der achsenferne Strahl 3, der verhältnismäßig weit von der Achse entfernt verläuft, den Kreuzungspunkt an der Stelle 22 bildet, der oberhalb des Punktes 22 liegt. Der achsenferne Strahl 3 erreicht also nur den äußeren Teil des Objekts und kann die Deutlichkeit des Bildes nicht beeinträchtigen.

Fig. 3 zeigt die Elektronenbahnen und die Feldstärke der Linse im gleichen Beispiel, wobei die Achse 1 des Mikroskops wieder die Abszisse bildet. Der Punkt 23 zeigt die Stelle, wo der außeraxiale Strahl 3 den Kreuzungspunkt hinter dem Objekt 8 bildet. Das Zentrum 7 der Linse stellt den Kreuzungspunkt des parallel zur Achse einfallenden Strahls dar,

ίο wie durch die strichpunktierte Linie angedeutet ist, wenn die Feldstärke so eingestellt ist, daß der Parallelstrahl hinter der Linse nach einer einzigen Kreuzung der Achse wieder zu dieser parallel wird. Da das Objekt 8 sich zwischen dem Zentrum 7 der so eingestellten Linse und der Bildebene befindet, muß also, wenn der durch den Mittelpunkt des Objekts hindurchgehende Elektronenstrahl 12 fokussiert werden soll, der Kreuzungspunkt des parallel zur Achse einfallenden Elektronenstrahls 4 an derjenigen Stelle

ao 20 liegen, die symmetrisch zum Objekt 8 hinsichtlich des Mittelpunktes 7 liegt. Wenn ferner die Linseneinflüsse auf der Seite der Elektronenquelle und auf der Bildseite hinsichtlich des Punktes 20 miteinander verglichen werden, so ist natürlich der Einfluß auf der Bildseite stärker. Daher bildet dieser Elektronenstrahl den zweiten Kreuzungspunkt, nachdem er das Objekt 8 durchdrungen hat, an der Stelle 21, und der Kreuzungspunkt des achsenfernem Strahles 3 liegt an der Stelle 22, die wegen der sphärischen Aberration näher als der Paraxialstrahl an der Elektronenquelle liegt. Demgemäß verläuft mindestens auf der Objektseite des Punktes 20 der achsenferne Strahl 3 stets außerhalb des Paraxialstrahls 4 und erreicht das Objekt an einer weiter außen liegenden Stelle. Wenn, wie üblich, die Breite des Elektronenstrahls auf 0,1 mm beschränkt ist, hat der Abstand zwischen den Punkten 20 und 22 den Wert 0,1 mm. Dann befindet sich der achsenferne Strahl stets außerhalb des Paraxialstrahls, wenn er auf das Objekt trifft, und damit kann die nachteilige Eigenschaft, daß die Klarheit des Bildes des Mittelteils des Objekts beeinträchtigt ist, beseitigt werften.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektronenmikroskop mit einer Objektivlinse zum vergrößerten Abbilden des im Linsenfeld angeordneten Objekts in der Bildebene, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (8) im Linsenfeld der Objektivlinse auf der Bildseite des Linsenzentrums (7) angeordnet ist und daß die Linse eine so starke Konvergenz aufweist, daß die Elektronenstrahlen beiderseits des Objekts die Achse kreuzen.

2. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die je eine Durchtrittsöffnung aufweisenden Polschuhe (16,17) der Objektivlinse je von einer Spule (13,14) und Polschuhe und Spulen von einem durch die Polschuhe an den Stirnflächen geschlossenen Mantel (15) umfaßt sind, der in der zum Strahlengang in Höhe des Linsenzentrums (7) querliegenden Ebene öffnungen (18,19) aufweist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 889 040.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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