DE1247506B - Elektronenmikroskop mit einem monoenergetischen Elektronenbuendel - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIj

Deutsche Kl.: 21 g - 37/01

Nummer: 1 247 506

Aktenzeichen: H 48662 VIII c/21:

Anmeldetag: 27. März 1963

Auslegetag: 17. August 1967

Die Erfindung betrifft ein Elektronenmikroskop mit einem monoenergetischen Elektronenbündel, mit einer Objektivlinse, in deren Bildebene eine erste Blende angeordnet ist, mit einer Einrichtung zur Energieanalyse der die erste Blende durchsetzenden Elektronen und mit einer oder mehreren Elektronenlinsen zur Erzeugung des Endbildes in der Bildebene des Mikroskops.

Elektronenstrahlen, die in Elektronenmikroskopen ein Elektronenbild der untersuchten Probe liefern, enthalten im allgemeinen Elektronen mit unterschiedlichen Energiewerten. Die in neuerer Zeit erfolgte Weiterentwicklung von Stabilisatoren für die Beschleunigungsspannung macht die Verwendung eines Einfallstrahles möglich, der im wesentlichen nur Elektronen mit einem bestimmten Energiewert enthält. Auch ein derartiger Strahl ist jedoch nicht nur den elastischen, sondern auch den nichtelastischen, energieverzehrenden Streuprozessen in der untersuchten Probe ausgesetzt. Demgemäß enthält der Strahl nach seinem Durchgang durch die Probe Elektronen mit verschiedenen Energiewerten, die untereinander inkohärent sind. Auf der anderen Seite hängt die Brennweite der Elektronenlinsen von der Energie der hindurchtretenden Elektronen ab. Die unelastisch gestreuten Elektronen erreichen daher die Bildebene an Punkten, die um das von den elastisch gestreuten Elektronen erzeugte Bild herum liegen und beeinträchtigen auf diese Weise die Bildqualität.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diesen auf der unelastischen Elektronenstreuung beruhenden Nachteil zu vermeiden und damit das Auflösungsvermögen eines Elektronenmikroskops zu verbessern.

Aus der deutschen Patentschrift 848 099 ist bereits eine Einrichtung zum Analysieren von Elektronen verschiedener Geschwindigkeit bekannt, die Mittel enthält, durch die die Elektronen als feiner Strahl in die Außenzone einer Elektronenlinse eingeschossen und nach dem Durchlaufen der Linse aufgefangen werden. Diese Einrichtung soll unter anderem zum Analysieren der Elektronen verschiedener Geschwindigkeit im Strahlengang eines Elektronenmikroskops dienen. Dabei sind jedoch keine Maßnahmen vorgesehen, die ein scharfes monochromatisches Bild gewährleisten könnten.

Demgegenüber wird zur Lösung der genannten Aufgabe bei einem Elektronenmikroskop der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung vorgeschlagen, daß zwischen der Objektivlinse und der ersten Blende eine erste Ablenkvorrichtung zur Abtastung Elektronenmikroskop mit einem
monoenergetischen Elektronenbündel

Anmelder:
Hitachi, Ltd., Tokio

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz

und Dipl.-Ing. K. Lamprecht, Patentanwälte,

München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:
Hiroshi Watanabe, Tokio;
Ryozi Uyeda, Nagoya (Japan)

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 27. März 1962 (11211)

des von der Objektivlinse erzeugten Bildes angeordnet ist, daß in Strahlrichtung hinter der Einrichtung zur Energieanalyse eine zweite Blende vorgesehen ist, durch die nur Elektronen in einem bestimmten, durch die Einrichtung zur Energieanalyse ermittelten Energiewert hindurchtreten und daß hinter der zweiten Blende eine zweite Ablenkvorrichtung angeordnet ist, die die Elektronen gleicher Energie in der Ebene des Endbildes auf Stellen lenkt, die den jeweiligen Bildteilen entsprechen, die von den in zeitlicher Folge durch die erste Blende (6) hindurchtretenden Elektronen erzeugt werden. ,

Ein solches Elektronenmikroskop hat den wesentlichen Vorteil, daß der störende Einfluß von Elektronen ungleicher Energie auf, die Bildqualität weitgehend ausgeschlossen ist. Um diesen Fortschritt weiter zu fördern, wird vorgeschlagen, zur Korrektur des Astigmatismus der Einrichtung zur Energieanalyse hinter der zweiten Blende eine Zylinderlinse anzuordnen.

Diese und weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung schematisch veranschaulichten Ausführungsbeispiels hervor. -.-'

Das dargestellte Elektronenmikroskop enthält eine Objektivlinse 4, eine erste Ablenkvorrichtung 5, eine erste Blende 6, die eine kleine Öffnung oder einen

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schmalen Schlitz aufweist, eine Analysierlinse 8 zur Energieanalyse der Elektronenstrahlen, eine zweite Blende 9 mit einer kleinen Öffnung oder einem schmalen Schlitz, eine zylindrische Elektronenlinse 12, eine zweite Ablenkvorrichtung 13 sowie eine Bildebene 14.

Das Bezugszeichen 1 bezeichnet einen von einer nicht dargestellten Elektronenkanone ausgesandten Elektronenstrahl, der durch eine vor der Objektivlinse 4 angeordnete, zu untersuchende Probe 2 hindurchtritt. Der Elektronenstrahl 1 ist zunächst monoenergetisch und besitzt nur Elektronen mit einer bestimmten Energie E₀; beim Durchtritt durch die Probe wird der Strahl jedoch gestreut. Der gestreute Strahl 3 enthält Elektronen mit unterschiedlichen Energiewerten E₀, E₁, E₂ usw.; dieser Strahl bildet in der Ebene der ersten Blende 6 ein Bild 7. Die Bezugszeichen 10 und 11 bezeichnen Bilder, die von den in ihrem Energiewert analysierten Elektronenstrahlen erzeugt werden; 15 ist das in der Bildebene 14 erzeugte Endbild.

Im Betrieb wird an die erste Ablenkvorrichtung 5 eine erste Ablenkspannung V₁ gelegt, wie dies im linken oberen Teil der Zeichnung dargestellt ist. Hierdurch wird das in der Ebene der ersten Blende 6 erzeugte Bild 7 der Probe parallel zur Blende verschoben. Es sei angenommen, daß das Bild 7, das im Anfangszeitpunkt i = O an der Stelle 7' lag, zum Zeitpunkt t = r die Stellung 7" einnimmt. Der durch den Schlitz bzw. die Öffnung in der ersten Blende 6 tretende Elektronenstrahl enthält Elektronen, die im Anfangszeitpunkt t = O das eine Ende des Bildes (bzw. das Ende des in der Zeichnung dargestellten Pfeiles) und im Augenblick t — τ das andere Ende des Bildes (bzw. die Spitze des Pfeiles) erzeugen. Die Elektronen, die durch den Schlitz in der ersten Blende 6 treten und die jeweiligen zugehörigen Teile des Bildes erzeugen; ■ besitzen —- wie oben bereits erwähnt — unterschiedliche Energiewerte E₀, E₁, E₂ usw.; sie werden in der Analysierlinse 8 einer Energieanalyse unterworfen. Die dargestellte Analysierlinse 8 ist als elektrostatische Äquipotentiallinse ausgebildet und besitzt eine längliche rechteckige öffnung sowie eine außerordentlich große chromatische Aberrationskonstante, die für die Energieanalyse von Elektronenstrahlen geeignet ist. Die Analysierlinse ist im wesentlichen ein Elektronenprisma, das den Elektronenstrahl in Abhängigkeit von der Energiedifferenz zwischen den Elektronen streut. Statt dessen kann zu diesem Zweck auch ein Paar von Elektronenablenkplatten Verwendung finden.

Eine Schwierigkeit, die bei Verwendung einer Analysierlinse auftritt, besteht darin, daß sie trotz ihres hohen Auflösungsvermögens kaum eine so starke Elektronenablenkung bewirken kann, daß der Beobachter das Bild 7 der Probe als Ganzes unterscheiden kann. Dies liegt zum Teil an der begrenzten Divergenz in der Energie des gestreuten Elektronenstrahles. Um dieser Schwierigkeit zu begegnen, ist die erste Ablenkvorrichtung 5 vorgesehen, die das Bild 7 der Probe in kleine Teile zerlegt. Die Elektronenstrahlen, die diese kleinen Bildteile erzeugen, werden dann der Energieanalyse unterworfen.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird von all den Elektronenstrahlen, die das hintere Ende des in der. Ebene der Blende 6 liegenden Bildes 7' im Augenblick t = O formen, nur der Elektronenstrahl, der elastisch gestreute Elektronen mit der Energie E₀ enthält, durch den in der zweiten Blende 9 vorgesehenen Schlitz geworfen, wie dies durch 10' veranschaulicht ist. Der Elektronenstrahl, der unelastisch gestreute Elektronen mit der Energie E₁ enthält, wird dagegen auf die Ebene der zv/eiten Blende 9 an eine vom Schlitz entfernte Stelle 11' geworfen. In ähnlicher Weise wird von all den Elektronenstrahlen, die das der Spitze entsprechende Ende des Bildes 7" im Augenblick t = τ bilden, nur der Strahl mit dem

ίο Energiewert E₀ durch den Schlitz der zweiten Blende 9, wie dies durch 10" veranschaulicht ist, geworfen, während der Strahl mit dem Energiewert E₁ auf die Stelle 11" fällt. Es dürfte hiernach klar sein, daß bei einer derartigen Anordnung trotz der erheblichen Größe des Bildes 7 der Probe ein von nur elastisch gestreuten Elektronen der Energie E₀ erzeugtes Endbild 15 erzielt wird.

Die Fortpflanzungsrichtung der Elektronenstrahlen der Energie E₀ wird nach ihrem Durchtritt

so durch die zweite Blende 9 durch die zweite Ablenkvorrichtung 13 abgeändert. Diese Vorrichtung 13 wird mit einer zweiten Ablenkspannung V₂ gespeist, die im linken unteren Teil der Zeichnung veranschaulicht ist. Die Ablenkspannung V₂ liegt in Gegenphase zur ersten Ablenkspannung V₁. Durch eine derartige Ablenkung wird in der Bildebene 14 ein Endbild 15 der untersuchten Probe erzeugt. Das Endbild 15 besitzt eine außerordentlich große Auflösung, da es durch elastisch gestreute Elektronen derselben Energie E₀ erzeugt wird. Die hinter der zweiten Blende 9 vorgesehene zylindrische Elektronenlinse 12 dient dazu, die Qualität des Endbildes durch Korrektur des Astigmatismus der Analysierlinse 8 zu verbessern. Wenn eine noch stärkere Vergrößerung erwünscht ist, kann ein weiteres (nicht dargestelltes) System von Vergrößerungslinsen vorgesehen werden. Mit dem beschriebenen Elektronenmikroskop können ohne weiteres auch Elektronenstrahlen mit einem anderen Energiewert als E₀ ausgesondert werden,

indem das Auflösungsvermögen der Analysierlinse 8 oder die Lage des Schlitzes in der zweiten Blende 9 entsprechend eingestellt wird, wobei wiederum ein von monoenergetischen Elektronenstrahlen erzeugtes Elektronenbild entsteht. Es ist daher nicht nur mög-Hch, ein Elektronenbild hoher Auflösung durch Verwendung elastisch gestreuter Elektronen zu erzeugen, sondern in gleicher Weise auch durch alleinige Heranziehung von nicht elastisch gestreuten Elektronen. Dadurch ergibt sich eine ausgezeichnete Möglichkeit zur Untersuchung der Wirkungen, die nicht elastisch gestreute Elektronen auf ein Elektronenbild haben, wie es bei üblichen Elektronenmikroskopen erzielt wird. Diese Wirkungen der nicht elastisch gestreuten Elektronen auf das Elektronenbild können bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung experimentell genau untersucht werden, während sie bisher nur Gegenstand theoretischer Vermutungen und Annahmen waren.

Wie aus vorstehendem hervorgeht, besitzt das beschriebene Elektronenmikroskop gegenüber den bekannten Ausführungen zahlreiche Vorteile sowie einen weiten Anwendungsbereich. Es besitzt insbesondere ein hohes Auflösungsvermögen, wobei das durch monoenergetische Elektronenstrahlen erzeugte Elektronenbild hoher Auflösung sehr genaue Untersuchungen ermöglicht. Weiterhin läßt sich mit dem beschriebenen Elektronenmikroskop der Einfluß der verschiedenen Streuprozesse, die in der Probe beim

Zusammenstoß von Elektronen auftreten, experimentell weitgehend aufklären. Das beschriebene Elektronenmikroskop ist daher für mikroskopische Untersuchungen aller Art außerordentlich geeignet.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektronenmikroskop mit einem monoenergetischen Elektronenbündel, mit einer Objektivlinse, in deren Bildebene eine erste Blende angeordnet ist, mit einer Einrichtung zur Energieanalyse der die erste Blende durchsetzenden Elektronen und mit einer oder mehreren Elektronenlinsen zur Erzeugung des Endbildes in der Bildebene des Mikroskops, dadurchge kennzeich net, daß zwischen der Objektivlinse (4) und der ersten Blende (6) eine erste Ablenkvorrichtung (5) zur Abtastung des von der Objektivlinse (4) erzeugten Bildes angeordnet ist, daß in Strahlrichtung hinter der Einrichtung zur Energieanalyse (8) eine zweite Blende (9) vorgesehen ist, durch die nur Elektronen in einem bestimmten, durch die Einrichtung zur Energieanalyse ermittelten Energiewert hindurchtreten und daß hinter der zweiten Blende (9) eine zweite Ablenkvorrichtung (13) angeordnet ist, die die Elektronen gleicher Energie in der Ebene des Endbildes auf Stellen lenkt, die den jeweiligen Bildteilen entsprechen, die von den in zeitlicher Folge durch die erste Blende 6) hindurchtretenden Elektronen erzeugt werden.

2. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur des Astigmatismus der Einrichtung zur Energieanalyse (8) hinter der zweiten Blende (9) eine Zylinderlinse (12) angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 848 099.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen