DE1804199B2

DE1804199B2 - Korpuskularstrahlgerät zur wahlweisen Abbildung eines Präparates oder seines Beugungsdiagrammes

Info

Publication number: DE1804199B2
Application number: DE1804199A
Authority: DE
Inventors: Otto Dr. 1000 Berlin Wolff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1968-03-26
Filing date: 1968-10-15
Publication date: 1975-05-07
Also published as: DE1804199A1; GB1258453A; DE1804199C3; NL6900724A; US3560739A

Description

Die Erfindung betrifft ein Korpuskularstrahlgerät, insbesondere Elektronenmikroskop, zur wahlweisen Abbildung eines Präparates oder seines Beugungsdiagramms, enthaltend einen Bestrahlungstcil in Strahlrichtung vor sowie einen Abbildungsteil in Strahlrichlung hinter dem Präparat, der zwischen dem Linsenspalt einer magnetischen Objektivlinse mit einer Linsenbohrung und einer magnetischen Projektionslinse eine individuell einschaltbare elektromagnetische Beugungslinse solcher Auslegung aufweist, daß sie das in der hinteren Brennebene der Objcktivlinse entworfene Beugungsdiagramm in die Gegenstandsebene der Projektionslinse überträgt.

Ein Elektronenmikroskop dieser Art ist aus einem Aufsatz auf den S. 33 bis 64 der Zeitschrift »Philips' Technische Rundschau«, August 1950 bereits bekannt. Bei diesem bekannten Korpuskularstrahlgerät ist die Projektionslinse die Projektivlinse eines Elektronenmikroskops, d. h. seine in Strahlrichtung letzte Abbildungslinse, und es wird wahlweise die Beugungslinse oder die zwischen ihr und der Projektivlinse angeordnete Zwischenlinse eingeschaltet. In dem erstgenannten Betriebszustand wird das Beugungsdiagramm vergrößert auf einem Endbildschirm abgebildet, während der Betriebszustand mit eingeschalteter Zwischenlinse die normale elekt'onenmikroskopischc Abbildung des Präparates vorzunehmen gestattet.

Bei dem bekannten Elektronenmikroskop kann infolge Verwendung elektromagnetischer Linsen sowie infolge der wechsel weisen Einschaltung der Zwischenlinse und der Beugungslinse, die unterschiedliche Brechkräftc haben müssen, beim Übergang von der üblichen ciektronenmikroskopisehcn Abbildung des Präparates zur Abbildung seines Beugungsdiagramms und umgekehrt eine zusätzliche Bildvcrdrchuiig auftreten, die die Zuordnung des Bildes des Bcugungsdiagramms zum Bild des Präparates erschwert. Außerdem nimmt die Beugungslinse als zusätzlich zwischen den Abbildungslinsen angeordnete selbständige Linse Platz in axialer Richtung in Anspruch, und man ist bestrebt, das üblicherweise senkrecht stehend angeordnete Elektronenmikroskop mit möglichst kleiner Bauhöhe zu konstruieren.

Um eine bei Hochauflösungs-Untersuchungen störende Änderung der Streuflüsse '.m Bereich des Präparates zu vermeiden, die störende Beeinflussungen des auf das Präparat auftretfenden Elektronenstrahls hervorrufen können, ist in den Veröffentlichungen des 6. Internationalen Kongresses für Elektronenmikroskopie in Kyoto, 1966, S. 19 und 20, bereits die Verwendung einer elektrostatischen Beugungslinse innerhalb eines im übrigen mit elektromagnetischen Linsen ausgerüsteten Elektronenmikroskops beschrieben worden. Strenggenommen finden dort zwei elektrostatische Linsen Verwendung, von denen die eine eine Verkleinerungslinse und die andere eine Vergrößerungslinse ist. Die Linsen werden wahlweise eingeschaltet, wobei nach Einschalten der Verkleinerungslinse und bei eingeschalteter Zwischenlinse hinter den beiden Beugungslinsen (dreistufige Präparatabbildung) sowie bei abgeschalteter Zwischenlinse (zweistufige Präparatabbildung) unter Einschaltung der vergrößernden Beugungslinse jeweils ein zweistufig vergrößertes Bild des Beugungsdiagramms mit brauchbarer Kameralänge gewonnen wird.

Bei dieser Anordnung tritt zwar durch die Einschaltung der Beugungslinsen infolge ihrer Ausbildung als elektrostatische Linsen keine zusätzliche Bilddrehung auf, aber die Linsen erfordern außer dem Platzaufwand für selbständige Linsen mit im Hinblick auf die Durchschlagsfestigkeit zwischen den Elektroden und anderen hochspannungsführenden Teilen bedingten Dimensionen ferner einen zusätzlichen Hochspannungserzeuger, der eine sehr konstante Spannung abgeben muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ganz allgemein ein Korpuskularstrahlgerät zur wahlweisen Abbildung eines Präparates oder seines Beugungsdiagramms zu schaffen, das auch mit permanentmagnetischen Linsen im Bestrahlungs- und im Abbildungsteil — die elektromagnetische Beugungslinse ausgenommen — augerüstet sein kann und die Nachteile der bekannten Anordnungen vermeidet. Außer einem Elektronenmikroskop betrifft die Erfindung also beispielsweise auch ein Ionenmikroskop.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist bei einem Korpuskularstrahlgerät der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungslinse als Doppellinse mit zwei Linsenspalten ausgebildet ist, deren Abstand voneinander kleiner als die BiIdweite der den in Strahlrichtung ersten Linsenspalt enthaltenden Teillinse der Beugungslinse ist und deren magnetische Flüsse längs der Linsenachse entgegengesetzt gerichtet sind sowie betragsmäßig in einem störende Bilddrehungen durch die Beugungslinse ausschließenden Verhältnis stehen, und daß die Beugungslinse innerhalb der Bohrung der Objeklivliiisc magnetisch isoliert angeordnet ist.

Die Erfindung vereint also die Vorteile einer elektrostatischen Beugungslinse — gute Abschirmung, keine Büddrehung — mit den Vorteilen einer elektromagnetischen Beugungslinse — kein zusätzlicher Hochspannungserzeuger, leichte Einstcllbarkeit der Linsenerregung — unter Verringerung des bei beiden

Linsen in ihrer bekannten Ausführung erforderlichen Beugungsdiagramms oder umgekehrt. Üblicherweise

zusätzlichen axialen Platzbcdarfs dadurch, daß eine nimmt man diesen Übergang durch Umschalten der

bilddrehungsfreie Konstruktion der Linse gewählt ist Erregung der Zwischcnlinse in der Weise vor, daß

und die Beugungslinse innerhalb der Objektivlinsc abwechselnd das Bild des Präparates oder das Bild

untergebracht ist. 5 des Beugungsdiagramms auf dem Endbildlcueht-

Die Konstruktion elektromagnetischer Doppellin- schirm des Gerätes oder auf fotografischem Material sen ist in mehreren prinzipiellen Ausführungen be- entworfen wird. Dies verursacht nicht nur cine Änreits seit langem bekannt. So beschreibt die deutsche dcrung der durch die Zwischcnlinse hervorgerufene Patentschrift 8 19 438, 21 g 37/20, ein Doppellii.sen- Bilddrehung infolge der Änderung ihres Erregerstrosyslem, bei dem eine einzige Wicklung zur Erzeugung io mcs, sondern kann insbesondere bei gedrängten Kondes magnetischen Flusses und ein einziger Eisenkreis struktionen dcsKorpuskularstrahlgcrätcs auch die bcmit zwei in Strahlrichtung aufeinanderfolgende Lin- bcits beschriebene Änderung der Strcuflüssc im Bcsenspaltcn vorhanden sind. Eine derartige Linscnan- reich des Präparates hervorrufen, so daß Nachjusticordnung ermöglicht die Erzielung derselben Brenn- rungcn im Bestrahlungstcil erforderlich werden,
weite wie eine Einzellinse, jedoch mit erheblich klei- 15 Schaltet man dagegen zur Abbildung des Bcugungsnercn Querschnitten im flußführenden Eisenpfad. Ein diagramms eine zusätzliche Bcugungslinsc ein, so derartiges Doppellinsensystem findet jedoch bei der bleibt die Erregung der Zwischcnlinse konstant, und Erfindung nicht Verwendung, denn bei ihm sind die bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Beugungsmagnetischen Flüsse in den beiden Linsenspalten linse tritt keine störende Bilddrehung auf.
gleichgerichtet, so daß nach wie vor die bei der Er- 20 In der Regel wird man die Bcugungslinsc in zwcckfindung gerade vemiedene Bilddrehung auftritt. mäßiger Weiterbildung der Erfindung so auslegen,

Eine andere bekannte prinzipielle Ausbildung von daß sie das Beugungsdiagramm in die Gcgcnslands-

Doppellinsen zeigt beispielsweise die USA.-Patent- ebene einer ihr unmittelbar benachbarten Projek-

schrift 24 18 349. Hier sind zwei Linsen mit indivi- lionslinse, also einer Zwischcnlinse bei einem mehr

duellen Wicklungen und Eisenkreisen und demgemäß 25 als zwei Abbildungslinscn enthaltenden Korpuskular-

mit zwei Linsenspalten unmittelbar hintereinander an- strahlgerät, überträgt. Es ist aber grundsätzlich auch

geordnet, wobei die in Strahlrichtung gesehen zweite möglich, die Beugungslinse so zu dimensionieren

der Linsen innerhalb der Brennweite der in Strahl- bzw. ihren Erregerstrom so veränderbar zu machen,

richtung gesehen ersten Linse angeordnet ist. Der daß die Beugiingslinse auch eine Übertragung in die

Sinn dieser Maßnahme ist die Verringerung von Lin- 30 Gegenstandebene einer anderen Projcktionslinse,

senfulilcrn. also bei einem dreistufigen Korpuskularstrahlgcrät in

Eine ähnliche Anordnung beschreibt die deutsche die Gcgcnsiandscbcne der Projektivlinsc, vornimmt. Patentschrift 6 80 284, 21g 37/20. Bei ihr dient die Weiterhin kann es zweckmäßig sein, den Errcacr-Verwendung von zwei im gleichen Sinne slromdurch- strom der erlindungsgcmäß vorgesehenen Beucungsflossenen und jeweils einem Linsenspalt zugeordneten 35 linse so veränderbar zu machen, daß bei abgeschal-Liuscnwicklungen dazu, durch passende Strombela- tctcm Erregerstrom der Objektivlinsc die Bcueungsstung jeder der Wicklungen das Gewicht der opti- linse das Präparat in die Gegenstandsebene der Proschen Beeinflussung des Strahls an eine beliebige jcktionslinse abbildend eingestellt werden kann. Bei Stelle /wischen den beiden Linsenspaltcn legen zu dieser Betriebsweise bietet sich die Möglichkeit, die können. Auch hier sind die magnetischen Flüsse in 4" ncugungslinse praktisch als Objektiv langer Brenndcn beiden Linsenspaltcn gleichgerichtet. weite einzusetzen, daß das Präparat,das sich in seiner

Demgegenüber beschreibt eine Arbeit in der »Zeit- üblichen Lage befinde! mit einer geringen Vergrößeschrift für Physik«, 1935, S. 634 bis 642, eine elek- rung oder mil dem Abbildungsmaßstab 1:1 in die tromagnetische Doppellinse, die so ausgebildet ist, Gcgcnstandscbcnc beispielsweise der Zwischcnlinse daß infolge entgegengesetzter Richtung der Flüsse in 45 abbildet. Damit erhiill man eine Möglichkeit zur Erden beiden Linsenspaltcn sich die durch jede der Teil- /iclunj: kleiner Vergrößerungen, beispielsweise mit linsen der Anordnungen hervorgerufenen Bilddrc- einem Elektronenmikroskop, bei hinreichender Aufhungen gerade aufheben. Eine derartige Linscnan- lösung.

Ordnung findet bei der Erfindung in dadurch beson- In der Regel brauchen zu dieser Verwendung der

ders vorteilhafter Weise als Beugiingslinse Verwen- 5° erfindungsgemäß vorgesehenen Beugungslinse keine

dung, daß die Doppcllinsc innerhalb der Objektiv- zusätzlichen Regeleinrichtungen vorgesehen sn wer-

linsc angeordnet ist. Wesentlich für die erfindunpsge- den, da der Abstand zwischen der Präparatebene und

maß verwendete Doppellinsc ist dabei, daß kein Zwi- der hinteren Brennebene der Ohjektivlinsc in aller

schenbild zwischen den beiden Linsenspalten auftritt; Regel sehr klein ist und im Linscnslromkrcis der

andernfalls würde es sich um die normale Aufein- 55 Bcugungslinsc ohnehin Mittel zur Feineinstellung der

andcrfolgc von zwei getrennten Linsen handeln. Brechkraft dieser Linse vorgesehen sein müssen.

Die bei der Erfindung ausgenutzte Wirkung einer Eben war bereits angedeutet worden, daß die Beu-

dcrartiiicn Doppcllinse beruht bekanntlich darauf, daß gungslinsc als echte Übertragungslinse, d. h. mit dem

die Brechkraft der Linse proportional dem Ouadrat Abbildungsmaßstab 1:1. verwendet werden kann,

der magnetischen Feldstärke und damit unabhängig ^6o daß es aber auch möglich ist, einen hiervon abwei-

von der Richtung der magnetischen Flüsse in den chcndcn Abbildungsmaßstab einzustellen. In der Re-

bcitkn Linsenspaltcn ist. während die Bilddrehung gel wird man daran interessiert sein, infolge pceig-

lincar proportional der Feldstärke und damit abhän- nctcr Wahl dieses Abbildimpsmaßstabcs bei der Ab-

gig \on eier Richtung der magnetischen Flüsse ist. bildung des \om Objektiv entworfenen ersten Bilde«

Der Vorteil der Verwendung einer zusätzlichen 65 tks Präparates und der Abbildung seines Bcugungs-

BcnL'unpsIinst. schlechthin besteht in einer erheblichen diapiamms zumindest ungefähr dieselbe Vergrößc

Hciiitniinpsvircinfactuinc tfcsiicrätcs beim t'bv'rcnnc nmr /u haben Auf der anderen Seite kann es bei bc

Min iiNichcr Pi;ip;iraiabbilduni· zur Abbildung ti >■ stimmten Prüparatstrukturcn zweckmäßig sein, da¹

Beugungsdiagramm stärker zu vergrößern als das Bild des Präparates. Allerdings begrenzen die vorhandenen Platzvcrhältnissc die Wahl des Abbildungstnaßstabcs häufig auf einen Wert, der in der Nähe des Abbildungsmußstahcs I : I liegt.

Diesen Abbildlingsmaßstab 1 : 1 wird man beispielsweise dann einstellen, wenn das Bcugungsdiagramm in die Gcgcnstandscbenc der unmittelbar benachbarten Projeklionslinsc übertragen wird und dieselbe Vergrößerung wie bei der Abbildung des ersten Bildes des Präparates gewünscht wird.

An dieser Stelle sei eingefügt, daß eine Projeklionslinsc im Gegensatz zu einer Übertragungslinsc eine Abhängigkeit ihrer Brennweite vom Betrag der magnetischen Feldstärke zeigt, die durch ein Minimum gekennzeichnet ist, während die Brennweite einer Übcrtragungslinse, beispielsweise der Objektivlinse, mit zunehmender magnetischer Feldstärke einsinnig abnimmt. Im Sinne dieser Definition wird im Rahmen der Erfindung der Begriff der Projcktionslinsc verwendet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Bcugungslinsc zwei flußerzeugende Wicklungen sowie einen Eisenpfad auf, der aus drei auf den Stirnflächen der Wicklungen liegenden Lochscheiben und einem die Außenflächen derselben verbindenden, die beiden Wicklungen umschließenden rohrförmigen Teil besieht; ferner definieren die der Linsenachse zugekehrten inneren Bereiche der Lochscheibe paarweise die beiden Linsenspalte. Die Doppcllinsc besitzt dann also weder einen inneren F.iscnkcrn noch besondere Polschuhc zur Definition der l.inscnspaltc, sondern diese werden durch die Scheiben als Spalte mit Langen gebildet, die praktisch übereinstimmen mit der Höhe der parallel dazu liegenden jeweiligen Wicklung. Dies bidet nicht nur den Vorteil einer geringen Verzeichnung, sondern auch die Begrenzung des resultierenden magnetischen Flusses, so daß die F.iscnqucrschnitte klein gehalten werden können. Außerdem empfiehlt sich ein derartiger kernloser Aufbau für die Bcugungslinsc auch im Hinblick auf den Einbau derselben in die Objektivlinse, wodurch die Platzverhällnisse sehr begrenzt sind. Man kann bei diesem Aufbau der Beugungslinse die Induktion im F.iscnpfad so klein halten, daß dafür hochpemieablc Eisenlegierungen mit einer sehr kleinen Koerzitivkraft und damit niedriger Remanenz Verwendung finden können. Dann ist sichergestellt, daß nach Abschalten des F.rregcrstromes für die Beugungsünic diese den Korpuskularstrahl nicht mehr beeinflußt.

F.ine bevorzugte Variante der Erfindung zeichnd sich dadurch aus. daß die Objektivlinsc als Polschuhlinsc ausgebildet ist und die Bohrung ihres in Strahlrichtung zweiten Polschuhes in seinem dem I.inscnspalt abgekehrten Bereich eine Aufnahme für die Bcugungslinsc bildend aufgeweitet ist. Bei dieser Anordnung umgibt bei Verwendung einer elektromagnetischen Objektivlinse die Wicklung derselben also die Beugungslinse, so daß in axialer Richtung kein oder zumindest kein störender Platzbcdarf für die Bcugungslinse vorliegt.

Man kann diese räumliche Konzentration von strahlbccinflusscnden F-inrichtungen noch dadurch fortsetzen, daß man die Aufweitung in dem zweiten OhjcktivpoKchuh zugleich eine Aufnahme für einen in Strahlrichtung vor der Bcugungslinsc angeordneten Stigmator bilden läßt. Derartige Stigmatoranordliungen sind beispielsweise aus der USA.-Patentschrift 31 50 258 bekannt.

In derselben Hinsicht vorteilhaft kann im Rahmen der Erfindung ein an sich beispielsweise aus den USA.-Patentschriften 28 51611 und 29 39 955 bekannter Aufbau der Objeklivlinse sein, bei dem die Objektivlinse zwei in Strahlrichtung hintereinanderlicgcnde Erregerwicklungen aufweist, zwischen denen seitlich des Linsenspaltes Platz für eine Einrichtung

ίο zur seitlichen Einführung des Präparates in den Linscnspalt gelassen ist. Bei einer derartigen seitlichen Präparateinführimg braucht also oberhalb der Objektivlinse kein Platz für eine Schleusenordnung vorgesehen zu sein, und es ragt auch keine Objektpatrone in die Bohrung des oberen Polschuhes der Objektivlinsc hinein. Dann kann man in der Bohrung des in Strahlrichtung gesehen ersten Polschuhes der Objektivlinse ein Ablenksystem für den Korpuskularstrahl vorsehen, damit auch Beugungsdiagramme im Lichte einzelner Reflexe hergestellt werden können. Derartige Ablenksysteme gehören ebenfalls zum Stand der Technik; sie können aus jeweils zwei Paaren sich gegenüberliegender Spulen oder elektrostatischer Ablenkplatten gebildet sein, so daß durch entsprechende Erregung der beiden Paare der Korpuskularstrahl vor seinem AuftrefTen auf das Präparat in beliebige Richtungen abgelenkt werden kann. Man kann die beiden Paare von Ablenkeinrichtungen aber auch dadurch zusammenfassen (vgl. z. B. deutsche Auslegeschrift 10 SS 628. 21 g 37/01), daß man die dem Strahl zugekehrten Stirnflächen der Spulen eines Paares zugleich als elektrostatische Ablenkplatten isoliert anordnet und an Spannung legt, so daß sie zugleich das zweite Paar bilden.

Aus konstruktiven Gründen wird es häufig zweckmäßig sein, die in Strahlrichtung erste Wicklung der Objektivlinse für eine größere Amperewindungszahl auszulegen als die zweite Erregerwicklung. Beispielsweise kann man der ersten Wicklung zwei Drittel der gesamten Amperewindungszahl geben.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß infolge der Anordnung der Beugungslinse innerhalb der Objektivlinse mit ihren magnetisch leitenden Teilen eine gute Abschirmung der Präparatumgebung gegen von der Bcugungslinse etwa herrührende Streufelder erzielt wird. Auch in dieser Hinsicht ist die kernlose Ausbildung der Beugungslinse mit geringer Feldstärke vorteilhaft.

Untersuchungen haben ergeben, daß die Beugungslinse zwar infolge ihres Aufbaues eine relativ große Öffnungsfehlcrkonstante besitzt, daß aber die Störung durch den Öffnungsfehler bis zu niedrigen Vergrößerungen herab praktisch vernachlässigt werden kann Wie an sich bekannt, wird man in aller Regel ir der Gegenstandsebene derjenigen Projektionslmse, ir die die Beugungslinsc das Beugungsdiagramm überträgt, eine Selektorblende anordnen, um Einzelheiter im Bild ausblenden zu können. In diesem Falle isi also die Objektivlinse fest auf die Selektorblendenebene eingestellt, und zwar ebenso die darunterlic gcnde Projektionslinse, die in der Regel eine Zwi schenlinsc im Gerät darstellt. Die Gesamtvcrgröße rung des Korpuskularstrahlgerätes muß daher durcl Änderungen der Erregung der Zwischenlinse und da Brechkraft der Projektivlinse eingestellt werden. D: sowohl die Gegenstandsebene als auch die Bildcbeni fest vorgegeben sind, kann es erforderlich werden, ή Weiterbildung der Erfindung zwei Zwischenlmsei

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vorzusehen, von denen die in Strahirichtung crsie die Projektionslinse ist, in deren Gegenstandsebene die Beugungslinse das Beugungsdiagramm übertrügt. Die Erregerströme der beiden Zwischenlinsen müssen dann entsprechend dem gewünschten Gesamtvergrößerungsbereich bei konstant gehaltenem Erregerstrom für die Objektivlinse veränderbar sein. Hierzu werden übliche Stromeinstellcr verwendet. Auch können, wie an sich beispielsweise aus der deutschen Patentschrift 9 29 747, 21 g 37/20, bekannt, der Objektivlinse mehrere austauschbare Polschuhsysteme zugeordnet sein, die beispielsweise in einer drchlrom- melartigen Anordnung gehalten sind.

Wie erwähnt, erfolgt die Vergrößcrungseinstellung durch Änderung der Erregung der Zwischenlinsen. Wenn man schon durch entsprechende Ausbildung der Beugungslinse eine störende Bilddrehung durch diese ausschließt, ist es zweckmäßig, auch die Zwischcnlinsen als bilddrehungsfreie Doppellinsen auszubilden. Man hat dann ein Korpuskularstrahlgerät, das die Herstellung sowohl von vergrößerten Bildern eines Beugungsdiagramms als auch von vergrößerten Bildern eines Präparates unabhängig von der jeweiligen Vergrößerung mit gleicher Orientierung gestattet.

Verwendet man eine feste Einstellung der Brechkräfte des Objektivs und des Projektivs, so muß man bei der Konstruktion der Zwischenlinsen beachten, daß besonders die in Strahlrichtung zweite Zwischenlinse bei kleiner Vergrößerung einen abbildenden Korpuskularstrahl mit großem Durchmesser aufnehmen muß. Aber auch die Bohrung der ersten Zwischenlinse muß mit Rücksicht auf die Bildfehler einen großen Durchmesser haben, da bei einer niedrigen Vergrößerung diese Linse verkleinern und bei einer hohen Vergrößerung ein Bild dicht vor der zweiten Zwischenlinse erzeugen muß. Weilerhin geht, wie die jedem Fachmann geläufige Anwendung der üblichen Linsenformeln erkennen läßt, in die Dimensionierung wesentlich die Entfernung zwischen der Selcktorblendenebene und der Hauptebene der ersten Zwischenlinse ein.

Zwischen den beiden Zwischenlinsen läßt sich bei geeignetem Abstand zwischen diesen beiden Linsen eine zusätzliche Einrichtung zur Universalbeugung einsetzen, die im wesentlichen eine Objekthalterung und eine nachgeschaltete Linse enthält. Derartige Anordnungen sind an sich bekannt, vgl. die USA.-Patentschrift 24 03 529. Auch für eine Einrichtung zur Röntgenmikroanalyse ist Platz vorhanden.

Die bevorzugte konstruktive Ausbildung der Erfindung sieht vor,daß die Beugungslinse in die Bohrung der Objektivlinse hineinragend an einer Grundplatte gehalten ist, die sich unter Zwischenfügung von Vakuumdichtungen gegen die in Strahlrichtung hintere Stirnfläche der Objektivlinse legt und Kanäle zur vakuumdichten Durchführung elektrischer Anschlußleitungen besitzt. Auch Kanäle für ein Kühlmittel können in ihr vorgesehen sein. Dieser Grundplatte kann ein Ventiltrieb zur Querverschiebung zwecks Zentrierung der Beugungslinse bezüglich der Achse der Objektivlinse zugeordnet sein. Im Prinzip kann man hierzu eine Konstruktion verwenden, wie sie zur Querverschiebung von Objekttischen beispielsweise aus derUSA.-Pafentschrift 29 39 955 bekannt ist. Die vakuumdichte Durchführung derartiger Antriebe ist dem Fachmann wohlbekannt; vgl. beispielsweise auch die USA.-Patentschrift 24 23 158.

Wie bereits eingangs erwähnt, ist es erforderlich, die Beugungslinse magnetisch isoliert in die Objektivlinse einzusetzen, um eine Trennung der Flüsse der beiden Linsen sicherzustellen. Da sich die Beugungslinse innerhalb des Vakuumraumes des Gerätes befindet, kann man diese Isolierung dadurch erreichen, «laß die Beugungslinse unter Bildung eines Spaltes in der Bohrung der Objektivlinse angeordnet ist.

Die eben beschriebene Grundplatte kann auch die ίο Halterung für eine Stigmatoranordnung bilden, wobei es zweckmäßig ist, auf der Platte ein in die Objektivlinse hineinragendes Rohr aus magnetisch unwirksamem Material vorzusehen und auf dieses Rohr sowohl die Beugungslinse als auch die Stigmatoranordnung aufzufädeln.

In Strahlrichtung auf die Grundplatte folgend kann man eine magnetische Streufelder abschirmende Scheibe mit Aufnahmen für die Selcktorblende und ihr zugeordnete Antriebe sowie darauffolgend die Projektionslinsc anordnen, wobei die Scheibe unter Zwischenlage von Vakuumdichtungen zwischen die genannten Einrichtungen eingefügt ist.

F i g. 1 zeigt schematisch eine als Polschuhlinse ausgebildete Objektivlinse eines Elektronenmikroskops mit einer als Doppellinse konstruierten Beugungslinse;

F i g. 2 dient zur Wiedergabe der bei der Berechnung der Beugungslinse wesentlichen Größen, und die

Fig. i und 4 lassen, teilweise im Schnitt, die in diesem Zusammenhang wesentlichen Teile eines Elektronenmikroskops an Hand eines Ausführungsbeispiels erkennen.

Der Linsenspalt 1 der Objektivlinse in F i g. 1 wird begrenzt durch die beiden Polschuhe 2 und 3, die Bohrungen zum Durchtritt des Elektronenstrahls aufweisen, dessen Achse bei 4 angedeutet ist. Die allgemein mit 5 bezeichnete Bohrung des in Strahlrichtung zweiten Polschuhes 3 ist als Aufnahme sowohl für die Stigmatoranordnung 6 als auch für die allgemein mit 7 bezeichnete Bcugungslinse ausgebildet. Die Beugungslinse enthält die beiden Erregerwicklungen 8 und 9 sowie für den magnetischen Fluß einen Eisenpfad, der durch die drei Scheiben 10, Il *5 und 12 an den Stirnflächen der Wicklungen 8 und 9 sowie das Rohr 13 gebildet ist, das die Außenflächen der drei Scheiben magnetisch leitend verbindet. Die Linsenspalte der Beugungslinse 7 erstrecken sich zwischen den Scheiben 12 und 11 bzw. 11 und 10, da kein magnetischer Kem vorgesehen ist. Die magnetischen Flüsse in diesen Spalten sind infolge einander entgegengerichteter Ströme in den Wicklungen 8 und 9 ebenfalls einander entgegengerichtet. Die Strom richtung ist in F i g. 1 durch jeweils ein Kreuz unc einen Punkt innerhalb eines Kreises angedeutet. Demgemäß arbeitet die Beugungslinse 7 bei gleicher Am perewindungszahl ihrer Wicklungen 8 und 9 bilddre hungsfrei.

Wird sie eingeschaltet, so fokussiert sie den Elek

tronenstrahl auf die Selektorblendenebene 14; bei Ii ist der Strahlverlauf bei eingeschalteter Beugangs linse und bei 16 bei abgeschalteter Beugungslinse an gedeutet.

Die Selektorblendenebene 14 ist identisch mit de ⁶S Gegenstandsebene der ersten Zwischenlinse 17, dere Linsenspalt bei 18 angedeutet ist.

Ehe auf em konstruktives Ausführungsbeispiel nac den F i g. 3 und 4 eingegangen wird, sei unter Benui

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zung der Fig. 2 ein Hinweis auf die Berechnung des Zusammenhanges zwischen der Brennweile / der ersten und zweiten Teillinse der die Bcugungslinsc darstellenden Doppellinse einerseits und der resultierenden Brennweite F andererseits gegeben. Dieselbe Betrachtung läßt sich auch für die Berechnung der als Doppellinsen ausgebildeten Zwischenlinsen anstellen. Unter der Voraussetzung, daß die Entfernung c zwischen den Mittenebenen L' und L" der beiden Teillinsen merklich kleiner als die Brennweite / der Teillinsen und außerdem, was in der Praxis der Fall ist, die Abweichung zwischen den Lagen der Hauptebenen von den Linsenmitten zu vernachlässigen ist, läßt sich folgender Zusammenhang angeben:

1 -

2 V/
e

(1)

Mit L ist in Fig. 2 die Hauptebene der Doppellinse bezeichnet.

In der Regel wird der quadratische Ausdruck im Zähler in der Nähe von 0,1 liegen, so daß man als Näherung die auch in der Lichloptik gebräuchliche Formel für die Brennweite eines Linsendoubletts verwenden kann:

e
/

Fi g. 3 zeigt den Bereich der Objektivlinse und der ersten Zwischenlinse eines Elektronenmikroskops. In der Darstellung verläuft der von einem Strahlerzeuger bekannter Bauart erzeugte Elektronenstrahl längs der Achse 20 in F i g. 3 von links nach rechts. Er durchsetzt ein nicht dargestelltes, im Spalt 21 der Objektivlinse angeordnetes Präparat, so daß durch die Objektivlinse und die nachfolgende Vergrößerur.glinsen in Abhängigkeit von der durch die nachfolgenden Linsen jeweils abgebildeten Ebene das Bild des Präparates oder des Beugungsdiagramms vergrößert auf einem ebenfalls nicht dargestellten Leuchtschirm oder auf Fotomaterial entworfen wird.

Die Objektivlinse enthält in diesem Ausführungsbeispiel zwei Wicklungen 22 und 23, die beid~:bcii.s des Linsenspahcs 21 angeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine mit 24 bezeichnete Wasserkühlung für die beiden Linsenwicklungen vorgesehen.

Der von den Wicklungen erzeugte magnetische Fluß schließt sich über den Eisenpfad, dessen Teile mit 25 bis 28 bezeichnet sind, und die beiden Polschuhe 29 und 30. Die Wasserkühlung 24 ist magnetisch unwirksam, da zu ihrer Herstellung Kupfer verwendet ist.

Mit 31 und 32 sind Anschlußstutzen für Vakuumleitungen bezeichnet.

Die Bohrung 33 des in Strahlrichtung gesehen zweiten Polschuhes 29 (der rohrförmige innere Be reich des Teiles 25 und die Polschuhspit/c 29 können m diesem Zusammenhang als ein Teil angesehen werden) ist die Aufnahme für die Beugungslinse 34 und den elektromagnetischen Stigmator 35 bildend aufgeweitet. Dabei sind dieser Bohrungsdurchmesser und der Außendurchmesser der Beugungslinse 34 so gewählt, daß ein magnetisch isolierender Spalt 36 zwischen den beiden Teilen gewährleistet ist. Die Beugungslinse 34 enthält, wie schon in Fig. 1, zwei gegenläufig stromdurchflosscne Erregerwicklungen 37 und 38 sowie den Eisenpfad 39, der denselben Aufbau wie in Fig. ! besitzt.

Sowohl die Spulen des Stigmators 35 als auch die Beugungslinse 34 sind unter Verwendung von Gießo harz 40 isoliert.

Der Stigmator 35 und die Beugungslinse 3 sind auf den rohrförmigen Träger 41 aufgefädelt, das den flanschartigen Bereich 42 besitzt und mit diesem auf der Grundplatte 43 aus magnetisch unwirksamem Material befestigt ist. Diese Grundplatte erstreckt sich in Strahlrichtung hinter der Objektivlinie so weit quer zum Strahl, daß sie bis in den Bereich des allgemein mit 44 bezeichneten Mantels des Mikroskops ragt. Sie ist in diesem Ausführungsbeispiel mittels Schrauben 45 an dem Teil 25 befestigt. Geeignet angeordnete Dichtungen 47 und 48 sorgen dafür, daß der Vakuumraum des Gerätes möglichst klein ist.

Innerhalb der Grundplatte 43 sind Kanäle 49 für die Durchleitung eines Kühlmittels angeordnet; weitere Kanäle 50 dienen zur Zuführung von elektrischen Leitungen sowohl zu den Wicklungen 37 und 38 als auch zu den Spulen des Stigmalors 35. Diese Leitungen sind der Übersichtlichkeit halber nur bei 51 und

52 angedeutet; sie verlaufen also in dem magnetisch isolierenden Zwischenraum 36.

Die Kühlkanäle 49 münden in diesem Ausführungsbeispiel in die Kühlkammer 49 a, deren Form ebenso wie die Anordnung der Kanäle aus F i g. 4 ersichtlich ist. Diese Figur zeigt die Grundplatte 43, die beispielsweise aus Messing oder Bronze bestehen kann.

In Strahl richtung hinter der Grundplatte 43 befindet sich die Flußsperre 53, die dafür sorgt, daß die Streuflüsse der Beugungslinse 34 und der in Strahlrichtung nachgeschalteten, ebenfalls als Doppellinse ausgebildeten Zwischenlinse 54 sich nicht frei ausbilden können. Diese ebenfalls als Platte, aber aus magnetisch leitendem Material, ausgebildete Flußsperre

53 besitzt Kanäle 55 sowie den Käfig 56 zur Aufnähme einer Selektorblende bekannter Bauart mit ebenfalls bekannten Antrieben zur Querverschiebung derselben.

Die Zwischcnlinse 54 besitzt als in diesem Zusammenhang besonders interessierendes Merkmal die beiden Erregerwicklungen 57 und 58, denen jeweils ein Linsenspalt 59 bzw. 60 zugeordnet ist. Er wird durch Unterbrechungen des Eisenkreises durch ringförmige Teile 61 bzw. 62 aus unmagnetischem Material erzeugt. Mit 63 ist eine Wasserkühlung bezeichnet.

In der hinteren Brennebene der Beugungslinse isi die Aperturblende 64 angeordnet. Sie ist so dimensioniert, daß sie bei abgeschalteter Objektivlinse der Strahl, der dann einen relativ großen Querschnitt ir ihrer Ebene besitzt, ungehindert durchläßt.

So Die Objektivlinse ist stets auf die Ebene der Se lektorblende, d. h. auf die Ebene des Käfigs 56, fo kussiert. Dasselbe gilt für die erste Zwischenlinse54 Sobald aber die Beugungslinse 34 eingeschaltet wiH überträgt sie das in der hinteren Brennebene der Ob jektivlinse entworfene Beugungsdiagramm in di Ebene der Selektorblende, so daß dieses vergrößei abgebildet wird.
Wie bereits bemerkt, kan.i aber die Bcugungslins

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i abgeschalteter Objektivlinse auch als Objeke langer Brennweite zur Präparatabbildung mit §er Vergrößerung Verwendung finden,
indsätzlich ist es auch möglich, die Linsen der Beugungslinse als permanentmagneti?che ι auszubilden, jedoch können hierbei Schwie- :en bezüglich der Änderung der Brechkräfte ten.

Man erkennt, daß die erfindungsgemäß verwei Bcugungslinse insbesondere bei kernloser Au rung keine störende Vergrößerung der Durchir des Teiles 25 hervorruft. In in diesem Zusammer zweckmäßiger Weise ist bei dem Ausführungsbe nach F i g. 3 die größere Amperewindungszahl c Sirahlrichtung ersten Wicklung 22 der Objekti' gegeben worden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Korpuskularstrahlgerät, insbesondere Elektronenmikroskop, zur wahlweisen Abbildung eines Präparates oder seines Beugungsdiagramms, enthaltend einen Bestrahlungsteil in Strahlrichtung vor sowie einen Abbildungsteil in Strahlrichtung hinter dem Präparat, der zwischen dem Linsenspalt einer magnetischen Objektivlinse mit einer Linsenbohrung und einer magnetischen Projektionslinse eine individuell einschaltbare elektromagnetische Beugungslinse solcher Auslegung aufweist, daß sie das in der hinteren Brennebene der Objektivlinse entworfene Beugungsdiagramm in die Gegenstandsebene der Projektionslinse überträgt, dadurchgekennzeichuet, daß die Beugungslinse (7, 34) als Doppellinse mit zwei Linsenspalten ausgebildet ist, deren Abstand voneinander kJeiner als die Bildweite der den in Strahlrichtung ersten Linsenspalt enthaltenden Teillinse der Beugungslinse (7, 34) ist und deren magnetische Flüsse längs der Linsenachse entgegengesetzt gerichtet sind sowie betragsmäßig in einem störende Bilddrehungen durch die Beugungslinse (7, 34) ausschließenden Verhältnis Stehen, und daß die Beugungslinse (7, 34) innerhalb der Bohrung (5, 33) der Objektivlinse magnetisch isoliert angeordnet ist.

2. Korpuskularstn>hlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektivlinse end die Projektionslinse als elektromagnetische Linsen ausgebildet sind.

3. Koirpuskularstrahlgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bcugungslinse (7, 34) zwei flußerzeugendc Wicklungen (8, 9, 37, 38) sowie einen Eisenpfad für ihre magnetischen Flüsse aufweist, der aus drei auf den Stirnflächen der Wicklungen (8, 9. 37, 38) liegenden Lochscheiben (10, kl, 12) und einem die Außenflächen derselben verbindenden, die beiden Wicklungen umschließenden rohrförmigen Teil (13) besteht, und daß die der I.inscnachse zugekehrten inneren Bereiche der Lochscheiben (10, 11, 12) paarweise die beiden Linsenspalte definieren.

4. Korpuskuiarstrahlgerät nach einem der Aniprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungslinse (7, 34) für ihre magnetischen Flüsse einen Lisenpfad aus einem Material niedriger Remanenz aufweist.

5. Korpuskularstrahlgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektivlinse als Polschuhlinse ausgebildet ist und die Bohrung (S, 33) ihres in Strahlrichtiing !weiten Polschuhes (3, 29) in seinem dem Linsenspalt abgekehrten Bereich eine Aufnahme für die Bcugungslinsc (7. 34) bildend aufgeweitet ist.

6 Korpuskularstrahlgerät nach Anspruch S. dadurch gekennzeichnet, daß die Aufweiliim; /11- So gleich eine Aufnahme für einen Stigmator (6. 35) in Strahlrichtiing vor der Bcugungslinsc (5, 34) bildet.

7. Korpuskularstrahl·^!iit nach einem der Ansprüche I bis fi. dadurch gekennzeichnet. d:iß der Abbildungsmaßstab für die Übertragung des Beugungsbildes so gewählt ist, daß die Abbildung des win der Objektivlinse entworfenen ersten Bildes des Präparates und diejenige seines Beugungsdiagramms durch das Gerät zumindest ungefähr mit~derselben Vergrößerung erfolgt.

8. Korpuskularstrahlgeräl nüch einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abbildungsmaßstab für die Übertragung des Beugungsbildes zumindest ungefähr den Wert 1:1 hat.

*). Korpuskularstrahigerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abbildungsmaßstab für die Übertragung des Beugungsbildes größer als 1 : 1 ist.

K). Korpuskuiarstrahlgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gegenstandsebene (14) der Projektionslinse (17) eine Sclektorblende angeordnet ist.

11. Korpuskularstrahlgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 10, daxiurch gekennzeichnet, daß die Projektionslinse die in Strahlrichtung erste von zwei Zwischenliiisen ist, deren Erregerströme entsprechend dem gewünschten Gesamtvergrößcrungsbereich bei konstant gehaltenem Erregerstrom für die Objektivlinse veränderbar sind.

12. Korpuskularstrahlgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Zwischenlinsen (54) als bilddrehungsfreie Doppellinsen ausgebildet sind.

13. Korpuskularstrahlgerät nach einem der Ansprüche I bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Abbii'diingstcil als in Strahlrichtiing letzte Linse eine f'rojektivlinsc mit austauschbaren Polschuhs> Sternen aufweist.

14. Korpuskularstrahlgerät nach einem der Ansprüche I bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungslinse (34) in die Bohrung {33) der Objcktivlinsc hineinragend an einer Grundplatte (43) gehalten ist, die sich unter Zwischenfügung von Vakuumdichtungen (47, 48) gegen die in Strahlrichtung hintere Stirnfläche der Objektivlinse legt und Kanäle (50) zur vakuumdichten Durchführung elektrischer Anschlußleitungen (51, 52) besitzt.

15. Korpuskularstrahlgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundplatte (43) Vcrstclltriebe zur Querverschiebung zugeordnet sind.

16. Korpuskularstrahlgerät nach einem der Ansprüche I bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Bcugungslinsc (34) unter Bildung eines magnetisch isolierenden Spaltes (36) in der Bohrung(33) der Objckttvlinsc angeordnet Kt.

17. Korpuskularstrahlgeiät nach den Ansprüchen IO und 14. dadurch gekennzeichnet, daß in Strahlrichtung auf die Grundplatte (43) eine magnetische Streufelder abschirmende Scheibe (53) mit ,Aufnahmen für die Seleklorblendc und ihr zugeordnete Antriebe sowie die Projeklionslinse (54) unter Zwischcnfiigung von Vakuumdichtungcn unmittelbar aufcinandei folgen.

IX. Korpuskularstrahlgerät nach einem der Ansprüihc I bis 17. dadurch gekennzeichnet, daß bei abgeschaltetem Erregersirom der Objektivlinse die Beugungslinse (7) das Präparat in die Ciegenstandsebenc (14) der Projcküonslinsc (17) abbildend eingestellt ist.

1⁽>. Korpuskularstrahlgcrät nach einem der An-'•priiche 2 bis I 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektivlinse zwei in Strahlrichlung hintereinaiKlciliegendc Erregerwicklungen (22, 23) auf-

weist, zwischen denen seitlich des Linsenspaltes (21) Platz für eine Einrichtung zur seitlichen Einführung des Präparates in den Linsenspalt (21) {elassen isL

20. Korpuskularstrahlgerät nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die in Strahlrichtung erste Errege rwicklung (22) eine größere Amperewindungszahl besitzt als die in Strahlrichtung zweite Erregerwicklung (23).

21. Korpuskularstrahlgerät nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß von der Bohrung des in Strahlrichtung gesehen ersten Polschuhes (30) der Objektivlinse ein Ablenksystem für den Korpuskularstrahl aufgenommen ist.

22. Korpuskularstrahlgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungslinse (7) das Beugungsdiagramm in die Gegenstandsebene (14) einer ihr unmittelbar benachbarten Projektionslinse (17) übertragend eingestellt ist.

23. Korpuskularstrahlgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß in der hinteren Brennebene der Beugungslinse (34) eine Aperturblende (64) solcher Dimensionierung angeordnet ist, daß sie den Strahl bei abgeschalteter Objektivlinse ungehindert durchläßt.