DE1253836B - Elektronenstrahleinrichtung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIj

Deutsche KL: 21g-37/01

Nummer: 1 253 836

Aktenzeichen: E 24442 VIII c/21,

Anmeldetag: 7. März 1963

Auslegetag: 9. November 1967

Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahleinrichtung mit mehreren längs einer'Strahlachse übereinander angeordneten, mindestens eine Anordnung zur Erzeugung eines Elektronenstrahles, eine Linseneinheit und eine Arbeitskammer umfassenden Bauelementen, die vakuumdicht miteinander verbunden sind.

Es ist ein Elektronenmiskroskop bekannt, dessen Gefäß aus einem oberen, das Strahlerzeugungssystem und die Objektschleuse enthaltenden Teil, einem mittleren, die Linsen umgebenden Teil, und einem unteren, die Fotoschleuse enthaltenden Teil besteht. Die Linsensysteme sind unabhängig von dem mittleren Gefäßteil an Stäben befestigt, die sich parallel zur Achse dieses Gefäßteiles erstrecken, so daß nach Lösen der Verbindung der mittlere Gefäßteil zur Freilegung der Linsensysteme abgehoben werden kann. Die bekannte Anordnung bietet jedoch nicht die Möglichkeit, die Eigenschaften des Elektronenmikroskops auf einfache Weise zu verändern und nach Art eines Baukastensystems aus einer Anzahl beliebig austauschbarer Bauelemente Elektronenstrahleinrichtungen für verschiedene Zwecke aufzubauen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Elektronenstrahleinrichtung zu schaffen, die auf einfache Weise vielen Zwecken anpaßbar ist. Dabei wird angestrebt, daß die einzelnen Bauelemente der Elektronenstrahleinrichtung auf sehr einfache Weise zusammensetzbar sind. Insbesondere soll auch noch die Möglichkeit bestehen, nach dem Zusammensetzen der Teile und der Herstellung des erforderlichen Hochvakuums Justierungen der Bauelemente in bezug auf die Strahlachse vorzunehmen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Austauschbarkeit der Bauelemente untereinander und gegen andere zwischen benachbarten Bauelementen jeweils eine mit einer zentralen Bohrung versehene Tragplatte angeordnet ist, die Teil eines Traggestelles der Elektronenstrahleinrichtung bildet, und daß zur Abdichtung zwischen den Tragplatten und den benachbarten Stirnflächen angrenzender Bauelemente kreisförmige Ringe eingefügt sind.

Dieser Aufbau ermöglicht es, die einzelnen Bauelemente unter Zwischenschaltung der Tragplatten einfach übereinanderzusetzen, wobei die Tragplatten gewährleisten, daß das untere Element nicht das Gewicht aller darüber angeordneten Elemente aufzunehmen braucht und weiterhin die Verbindungsstellen von dem Druck entlastet sind, der bei Evakuieren der Anordnung sonst auf diese Verbindungen Elektronenstrahleinrichtung

Anmelder:

Hilger & Watts Limited, London

Vertreter:

Dipl.-Phys. R. Kohler, Patentanwalt,

Stuttgart, Hohentwielstr. 28

Als Erfinder benannt:
William Charles Nixon,
Cambridge (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 8. März 1962 (8940)

vom äußeren Luftdruck ausgeübt würde. Es ist daher möglich, die einzelnen Bauteile zwischen den Tragplatten auch noch nach der Evakuierung der Einrichtung quer zur Strahlachse des Systems zu verschieben. Es können daher auch noch nach der Inbetriebnahme der Einrichtung Justierungen ausgeführt werden, so daß erforderliche Einstellungen auf sehr einfache Weise möglich sind, die vor der Inbetriebnahme des Gerätes entweder gar nicht oder doch nur unter großen Schwierigkeiten ausführbar wären.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Elektronenstrahleinrichtung besteht darin, daß sie je nach ihrem Aufbau für die verschiedensten Zwecke Anwendung finden kann. Es ist also nicht nur möglich, diese Elektronenstrahleinrichtung beispielsweise als Elektronenmikroskop zu verwenden und verschiedensten Objekten optimal anzupassen, sondern auch zur Projektions-Röntgen-Mikroskopie, Röntgenstrahl-Beugungsmessung, Mikrofluoroskopie (Röntgenuntersuchung mittels Fluoreszenzschirm), Kontakt-Mikroröntgenographie bei großer Leuchtdichte (Photographie mittels Röntgenstrahlen u. dgl.), Mikroanalyse mittels ruhendem oder abtastendem Röntgenstrahl, Messung der Absorption oder der Fluoreszenz durch Röntgenstrahlen in einem schmalen Bereich, Kathodolumineszenz (Elektronenbeschuß von Metall und Messen der hierdurch ausgelösten Strahlung), Herstellung von gedruckten Schaltungen durch Ätzen, Herstellung von kleinen Löchern oder Schlitzen, Formierung mittels Elektronen, Messung der Transmission und der Reflexion bei streifendem und

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normalem Strahleinfall, Elektronenbeugung mit und ohne Beschüß eines Musters usw. Dementsprechend können zu den Bauelementen außer der Anordnung zur Erzeugung eines Elektronenstrahles, einer Linseneinheit und einer Arbeitskammer Blenden, Stigmatoren, Fluoreszenzschirme, Halterungen für photographische Platten oder Filme, Muster und Werkstücke, Abtastspulen oder -platten u. dgl. gehören. Insbesondere können auch Zwischenkammern vorgesehen sein, die eine Anode oder Antikathode für die Erzeugung eines Röntgenstrahles aufweisen, wenn entsprechende Untersuchungen gemacht werden, wobei beispielsweise die Einrichtung so getroffen sein kann, daß der Röntgenstrahl einen kleinen Bereich des Arbeitsstückes oder Musters bestreicht und ein Proportionalzählrohr erregt, das an einer Seite des Musters angebracht ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die Tragplatten des Gestelles auf der jeweils darunterliegenden Tragplatte mittels Abstandsstücken abgestützt sein. Es ist aber auch möglich, die Anordnung so zu treffen, daß die erste Tragplatte mehrere senkrechte Säulen trägt und mehrere weitere Tragplatten vorhanden sind, die mittels Klemmvorrichtungen an den Säulen befestigt sind. Dabei kann der Abstand der Tragplatten voneinander durch über die Säulen schiebbare Abstandselemente bestimmt sein. Um eine Justierung der einzelnen Bauelemente nach dem Zusammensetzen der Einrichtung zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, die Tragplatten mit zur Aufnahme der Dichtungsringe dienenden ringförmigen Nuten zu versehen, während die Bauelemente an den Dichtungsringen mit ebenen Flächenabschnitten anliegen. Auf diese Weise ist die Lage der Dichtungsringe genau fixiert, während die Bauelemente leicht verschiebbar sind. Es ist aber auch möglich, zwischen die Tragplatten und die Stirnfläche der benachbarten Bauelemente Gleitstücke einzuschalten, die aus einem Werkstoff mit geringem Reibungskoeffizienten bestehen.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert wird. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigt

F i g. 1 die Außenansicht einer Einrichtung gemäß der Erfindung,

F i g. 2 die Außenansicht einer anders zusammengesetzten Einrichtung,

F i g. 3 das Grundgestell mit dem Elektronenstrahlerzeugungssystem,

F i g. 4 eine genaue Darstellung einiger Bauteile, die zum Zusammenbau der Gesamteinrichtung verwendet werden können, mit konstruktiven Einzelheiten der Verbindung zwischen den einzelnen Baueinheiten,

F i g. 5 eine perspektivische Ansicht einer Elektronenlinse sowie der Zwischenplatte,

F i g. 6 einen Schnitt VI-VI der F i g. 4 mit Einzelheiten zur Korrektur des Elektronenstrahlweges,

F i g. 7 einen Längsschnitt durch eine anders zusammengestellte Einrichtung.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Auswahl und dem Aufbau von verschiedenen Standardbauteilen und -einheiten, um eine Elektronenstrahleinrichtung zu schaffen, mit der verschiedene Funktionen durchgeführt werden können. Die Einrichtung besteht aus dem Grundgestell 11 mit den Säulen 12, auf denen die Hauptplatte 13 ruht; unter dieser Platte ist das Elektronenstrahlerzeugungssystem 14 angebracht. Das System, das in bekannter Weise ausgebildet ist, kann entfernt und ausgetauscht werden. Es enthält das Gehäuse 15, in das von unten das Hochspannungskabel eingeführt ist.

In dem Gehäuse 15 ist der Wehneltzylinder 18 sowie der Heizdraht 19 untergebracht. Diese Teile sind so gelagert, daß sie bei einem hohen Potential gegenüber Erde arbeiten können; sie erzeugen einen nach oben gerichteten Elektronenstrahl. Die Vakuumanschlüsse 23 führen zu dem Strahlerzeugungssystem, zu den Zwischenkammern 32 und der Hauptkammer 33.

Die Oberfläche der Platte 13 ist so ausgebildet, daß auf ihr andere Bauteile vakuumdicht angebracht werden können. In gleicher Weise sind die Zwischenplatten 20 ausgebildet, wie weiter unten näher erläutert wird. Die Platten 13 und 20 besitzen an ihrer Oberseite eine ringförmige Nut oder einen Kanal 21, der zur Aufnahme des Dichtungsringes 22, wie sie in Hochvakuumanlagen üblich sind, dient. Ferner ist auf der Oberseite der Platten eine Anzahl von Haftstücken 24 (Fig. 4 und 5) geringer Reibung angebracht, die sich etwas über die Ebene der Platte erheben, so daß die Bauteile auf diesen Haftstücken ruhen und eine hinreichende Abdichtung zusammen mit den Dichtungsringen 22 gewährleisten. Sie können z. B. aus Polytetrafluoräthylen bestehen.

Die Hauptplatte 13 enthält mehrere Löcher 25, die in den Zwischenplatten 20 paarweise angeordnet sind, wie F i g. 5 zeigt. Diese Löcher dienen zur Aufnahme von Schrauben 30, die ihrerseits zur Befestigung der Abstandsstücke 26 an der Hauptplatte 13 bzw. den Zwischenplatten 20 dienen. Auf beiden Seiten der Abstandsstücke 26 befindet sich jeweils ein exzentrisch angeordneter Stift 27. Die Stifte 27 greifen in die Löcher 28 ein, welche neben den Löchern 25 liegen, so daß die Schrauben 30 fest angezogen werden können, ohne daß sich die Abstandsstücke 26 verdrehen. Letztere können noch mit Justierschrauben 29 versehen sein, so daß die Bauteile, z. B. die magnetischen Linsen 31, längs der Platte 13 bzw. der Platten 20 unabhängig voneinander justiert werden können.

Die Zwischenplatten 20 sind genauso ausgebildet wie die Hauptplatte 13, nur daß sie — wie schon oben erwähnt — Paare von Löchern 25 besitzen, so daß sowohl oberhalb als auch unterhalb Abstandssäulen 26 angebracht werden können, was z. B. dann notwendig ist, wenn zwei Magnetlinsen 31 übereinander angeordnet sind. Das Beispiel zweier unmittelbar übereinander angeordneten Magnetlinsen ist nicht dargestellt; in diesem Fall befindet sich eine Zwischenplatte 20 zwischen zwei Linsen 31.

Die Platten 13 und 20 können verschiedene Baueinheiten aufnehmen, so die Magnetlinsen 31, die Zwischenkammern 32 und die Hauptkammer 33; derartige Anordnungen sind in F i g. 1 und 2 dargestellt. Bei allen Anordnungen von Baueinheiten ist aber grundsätzlich die obere Kammer 33 vorhanden. Die Magnetlinseneinheit 31 ist in bekannter Weise ausgebaut; sie enthält im Zentrum einen Tunnel 34, durch den der Elektronenstrahl geführt wird. Die

Linseneinheit besteht aus einem im wesentlichen geschlossenen Gehäuse, in dem die Magnetspulen untergebracht sind, denen der Magnetisierungsstrom von der nicht dargestellten Stromquelle zugeführt wird; die Einheit enthält ferner lösbare Polstücke mit einem peripheren Luftspalt in der Bohrung. Die Polstücke können nach einem Ende der Linseneinheit zu angeordnet sein, so daß jede Linse eine andere Fokussierwirkung auf den Elektronenstrahl ausüben kann, je nach welchem Ende sie hauptsächlich gerichtet sind. Die Linseneinheiten sind nicht so hoch wie die Abstandssäulen 26; der freie Raum ist mit einem zylinderförmigen Teil, der eine Bohrung entsprechend dem Tunnel 34 sowie eine angeflanschte Scheibe 35 aufweist, ausgefüllt. An der Unterseite der Scheibe befindet sich ein Dichtungsring 36, während der zylinderförmige Teil leicht konvex ist und den Dichtungsring 38 zur Abdichtung gegen das Mittelloch der Platte 20 hat. Der aus dem zylinderförmigen Teil und der angeflanschten Scheibe bestehende Füllteil bewirkt eine hinreichende Abdichtung, ohne daß eine große Genauigkeit beim Einsetzen verlangt wird.

Jede Magnetlinse kann eine stielförmige Strahljustiereinrichtung 39 mit mehreren Löchern 40 besitzen, wie F i g. 6 zeigt. Diese Justiereinrichtung kann mittels der Schraube 41 in radialer Richtung zur Auswahl eines der Löcher 40 verschoben und um eine Mittelachse durch entsprechende Mittel gedreht werden; eine Winkeljustierung ist mit der Schraube 42 gegen die Feder 43 möglich. Diese ganze Anordnung dient zur genauen Einstellung des Elektronenstrahlweges durch die Linse.

Der Aufbau einer Zwischenkammer 32 ergibt sich aus den F i g. 2 und 5; sie kann die Halterung für das Werkstück oder das Muster oder andere Hilfseinrichtungen, die bei der speziellen Untersuchung benötigt werden, enthalten und ist durch die zylinderförmige Wandung 44 und die Endplatten, die ähnlich wie die Zwischenplatten 20 ausgebildet sind, also auch die Löcher 25 und die Haftstücke 24 enthalten, abgeschlossen.

Das Innere der Zwischenkammer 32 ist so ausgebildet, daß die entsprechenden Hilfsmittel untergebracht werden können. So kann z. B. eine dünne Antikathode für Röntgenstrahlerzeugung vorhanden sein; der Röntgenstrahl wird kollimiert und trifft auf einen sehr schmalen Bereich des Musters, so daß ein an der Seite des Musters angebrachtes Verhältniszählrohr erregt wird.

Bei der Untersuchung von Werkstücken oder Mustern müssen verschiedene Justiermöglichkeiten gegeben sein, die eine genaue Einstellung des Stückes hinsichtlich der Elektronenstrahlachse erlauben, um so verschiedene erforderliche Operationen zu ermöglichen. Hierzu ist wenigstens das Justiermittel 37 notwendig.

Weitere typische Hilfseinrichtungen, die in der Zwischenkammer untergebracht werden können, sind Blenden, Stigmatoren, Fluoreszenzschirme, Halterungen für fotografische Platten oder Filme sowie Muster und Werkstücke, Ablenkspulen oder -platten sowie Ausrichtspulen oder -platten.

Die Anordnung einer oder mehrerer Linsen und wahlweise einer oder mehrerer Zwischenkammern ist oben durch die Kammer 33 abgeschlossen, die in einigen Fällen als Arbeitskammer dienen kann, insbesondere wenn Untersuchungen durchgeführt werden sollen, bei denen der Elektronenstrahl auf einen Punkt des Musters oder Werkstückes fokussiert werden soll. Wenn andererseits ein vergrößertes Bild erzeugt werden soll, es sich also um die Elektronenmikroskopie handelt, kann die Kopfkammer 33 Fenster für die Beobachtung des vergrößerten Bildes oder eine Kamera für die fotografische Aufnahme des Bildes enthalten. Obwohl die Kopfkammer 33 in weitem Maße konstruktiv verschieden aufgebaut sein kann, soll sie hier ohne Rücksicht auf die speziellen

ίο Möglichkeiten beschrieben werden. Wie F i g. 4 zeigt, besteht die oberste Kammer aus der zylinderförmigen Wandung 48, die auf der Grundplatte 49, die ähnlich wie die Platten 20 ausgebildet ist, befestigt ist.

Die Deckplatte 51 ist gasdicht mittels des Dichtungsringes 52 gegen den an dem Zylinder 48 angebrachten Ringflansch 53 gedrückt. Im Zentrum der Deckplatte ist ein Schaufenster 54 angebracht, das in einem entsprechend ausgebildeten Gehäuse liegt und mit dem Dichtungsring 55 abgedichtet ist. Das Fenster 54 wird durch die Scheibe 56 in seiner Lage festgehalten.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist nicht auf die an Hand der F i g. 1 bis 6 beschriebenen konstruktiven Einzelheiten beschränkt, sondern kann entsprechend der F i g. 7 abgeändert werden. Hier ist die Hauptplatte 13 mit einer Anzahl nach oben gerichteter Stäbe 58 verbunden, die lang genug sind, um alle Baueinheiten aufnehmen zu können, die für den gesamten Apparat notwendig sind. Über die Stäbe 58 sind die Abstandshülsen 59 geschoben, auf denen die Zwischenplatten 61 aufliegen. Letztere weisen auf beiden Seiten Dichtungsringe 60 sowie an dem Rand Ausnehmungen zur Einpassung der Stäbe 58 auf. Ferner sind an den Platten 61 Klemmvorrichtungen angebracht, um die Stäbe 58 festzustellen, nachdem die Platten 61 angebracht sind, so daß ein stabiles Gebilde entsteht. Die Linsen 31, die Zwischenkammern 32 sowie die Kopfkammer 33 können wie oben beschrieben ausgebildet sein.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Elektronenstrahleinrichtung mit mehreren längs einer Strahlachse übereinander angeordneten, mindestens eine Anordnung zur Erzeugung eines Elektronenstrahles, eine Linseneinheit und eine Arbeitskammer umfassenden Bauelementen, die vakuumdicht miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Austauschbarkeit der Bauelemente untereinander und gegen andere zwischen benachbarten Bauelementen (z. B. 31 und 32) jeweils eine mit einer zentralen Bohrung versehene Tragplatte (20) angeordnet ist, die Teil eines Traggestelles der Elektronenstrahleinrichtung bildet, und daß zur Abdichtung zwischen den Tragplatten und den benachbarten Stirnflächen angrenzender Bauelemente Ringe (22) mit kreisförmigem Querschnitt eingefügt sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragplatten (20) des Gestelles auf der jeweils darunterliegenden Tragplatte (ζ. B. 13) mittels Abstandsstücken (26) abgestützt sind.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Tragplatte (13) mehrere senkrechte Säulen (58) trägt und

mehrere weitere Tragplatten (61) vorhanden sind, die mittels Klemmvorrichtungen (62) an den Säulen befestigt sind.

4. Elektronenstrahleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Tragplatten (13 und 61) voneinander durch über die Säulen (58) schiebbare Abstandselemente (59) bestimmt ist.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Traggestell, insbesondere in den Abstandsstücken (26), auf die Bauelemente (31 und 32) radial zur Strahlachse einwirkende Stellschrauben (29, 37 und 41) vorgesehen sind.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden »5 Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die zwischen den Tragplatten (13 und 20) angeordnete Magnetlinse (31) ein an die obere Tragplatte grenzendes Füllstück (35) eingefügt ist, das die Form einer mit einem zylindrischen Ansatz versehenen Scheibe aufweist und dessen scheibenförmiger Teil mittels eines Dichtungsringes (36) vakuumdicht auf der Linseneinheit (31) aufliegt, während am zylindrischen Ansatz ein Dichtungsring (38) zur Abdichtung gegenüber der zentralen Bohrung in der Platte (20) angeordnet ist.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragplatten (13 und 20) zur Aufnahme der Dichtungsringe (22) ringförmige Nuten aufweisen, während die Bauelemente an den Dichtungsringen mit ebenen Flächenabschnitten anliegen.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Tragplatten (20) und die Stirnflächen der benachbarten Bauelemente (31 und 32) Gleitstücke (24) eingefügt sind, die aus einem Werkstoff mit geringem Reibungskoeffizienten bestehen.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Bauelement in Form einer Zwischenkammer (32) aufweist, deren oberer Abschlußteil gleichzeitig als Tragplatte ausgebildet ist.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Bauelemente (32, 33) mit Vakuumstutzen (23) zum Evakuieren der Einrichtung versehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 892 491.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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