DE1804199C3

DE1804199C3 - Korpuskularstrahlgerät zur wahlweisen Abbildung eines Präparates oder seines Beugungsdiagrammes

Info

Publication number: DE1804199C3
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: 1975-12-18
Also published as: US3560739A; DE1804199A1; DE1804199B2; GB1258453A; NL6900724A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Korpuskularstrahlgerät, insbesondere Elektronenmikroskop, zur wahlweisen Abbildung eines Präparates oder seines Beugungsdiagramms, enthaltend einen Bestrahlungsieil in Strahlrichtung vor sowie einen Abbildungsteil in Strahlrichtung hinter dem Präparat, der zwischen dem Linscnspalt einer magnetischen Objektivlinse mit einer Linsenbohrung und einer magnetischen Projektionslinse eine individuell einschaltbareelektiomagnetische Beugungslinse solcher Auslegung aufweist, daß sie das in der hinteren Brennebene der Objektivlinse entworfene Beugungsdiagramm in die Gegenstandsebene der Projek^f.ionslinse 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 Zwischcnlinse eingeschaltet. In dem erstgenannten Betriebszustand wird das Beugungsdiagramm vergrößert auf einem Endbildschirm abge- bildet, während der Betriebszustand mit eingeschalteter Zwischenlinse die normale elektronenmikroskopischc Abbildung des Präparates vorzunehmen gestattet.

Bei dem bekannten Elektronenmikroskop kann infolge Verwendung elektromagnetischer Linsen sowie infolge dcrwechselweiscn Einschaltung der Zwischcnlinse und der Beugungslinse, die unterschiedliche Brechkräfte haben müssen, beim Übergang von der üblichen elektronenmikroskopischen Abbildung des Präparates zur Abbildung seines Beugungsdiagramms und umgekehrt eine zusätzliche Bildverdrehung auftreten, die die Zuordnung des Bildes des Beugungsdiagramms zum Bild des Präparates erschwert. Außerdem nimmt die Beusungslinse 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 im Bereich des Präparates zu vermeiden, die störende Beeinflussungen des auf das Präparat auftreifenden Elektronenstrahls hervorrufen können, ist in den Veröffentlichungen des 6. Internationalen Kongresses für Elektronenmikroskop^ in Kyoto, 1966, S. 19 und 20, bereits die Verwendung einer elektrostatischen Beugungslinse innerhalb eines im übrigen mit elektromagnetischen Linsen ausgerüsteten Elektronenmikroskops beschrieben worden. Siraiggenommen 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 Vcrkleinerungslinse und bei eingeschalteter Zwischenlinse hinter den beiden Beugungslinsen (dreistufige Pvaparaiabbildung) sowie bei abgeschalteter Zwischenlinsc (zweistufige Präparalabbildung) 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 Beugungslinscn 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 wahlweiscn Abbildung eines Präparates oder seines Beugungsdiagramms zu schaffen, das auch mit permanentmagnetischen Linsen im Bcstrahlungs- und im Abbildungstcil — die elektromagnetische Beugungslinse ausgenommen — augerüstet sein kann und die Nachteile der bekannten Anordnungen vermeidet. Außer einem Elektronenmikroskop betrifit die Erfindung also beispielsweise auch ein Ionenmikroskop.

Die crfindungsgcmäße Lösung der Aufgabe ist bei einem Korpuskularstrahlgerät der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß die Bcugungslinse als Doppellinse mit zwei Linscnspalten ausgebildet ist. deren Abstand voneinander kleiner als die Bildweite der den in Strahlrichtung ersten Linsenspalt enthaltenden Teillinse der Beugungslinsc ist und deren magnetische Flüsse längs der Linsenachse entgegengesetzt gerichtet ;md sowie betragsmäßig in einem störende Bilddrehungen durch dieBcugungslinsc ausschließenden Verhältnis stehen, und daß die Beugungslinse innerhalb der Bohrung der Objektivlinse magnetisch isoliert angeordnet ist.

Die Erfindung vereint also die Vorteile einer elektrostatischen Bcugungslinse — gute Abschirmung, keine Bilddrehung— mit den Vorteilen einer elektromagnetischen Beugungslinse — kein zusätzlicher Hochspannungserzeuger, leichte Einstcllbarkcit der Linsenerregung — unter Verringerung d^s bei beiden

Linsen in ihrer bekannten Ausführung erforderlichen zusätzlichen axialen Platzbedarfs dadurch, daß eine bilddrehungsfreie Konstruktion der Linse gewählt ist und die Beugungslinse innerhalb der Objektivlinse untergebracht ist.

Die Konstruktion elektromagnetischer Doppellinsen ist in mehreren prinzipiellen Ausführungen bereits seit langem bekannt. So beschreibt die deutsche Patentschrift 8 19 438, 21 g 37/20, ein Doppellinsensystem, bei dem eine einzige Wicklung zur Erzeugung des magnetischen Flusses und ein einziger Eisenkreis mit zwei in Strahlrichtung aufeinanderfolgende Linsenspalten vorhanden sind. Eine derartige Linsenanordnung ermöglicht die Erzielung derselben Brennweite wie eine Einzellinse, jedoch mit erheblich kleineren Querschnitten im flußführenden Eisenpfad. Ein derartiges Doppellinsensystem findet jedoch bei der Erfindung nicht Verwendung, denn bei ihm sind die magnetischen Flüsse in den beiden Linsenspalten gleichgerichtet, so daß nach wie vor die bei der Erfindung gerade vemiedcne Bilddrehung auftritt.

Eine andere bekannte prinzipielle Ausbildung von Doppellinsen zeigt beispielsweise die USA.-Patentschrift 24 18 349. Hier sind zwei Linsen mit individuellen Wicklungen und Eisenkreisen und demgemäß mit zwei Linsenspalten unmittelbar hintereinander angeordnet, wobei die in Strahlrichtung gesehen zweite der Linsen innerhalb der Brennweite der in Strahlrichtung gesehen ersten Linse angeordnet ist. Der Sinn dieser Maßnahme ist die Verringerung von Linsenfehlcrn.

Eine ähnliche Anordnung beschreibt die deutsche Patentschrift 6 80 284, 21 g 37/20. Bei ihr dient die Verwendung von zwei im gleichen Sinne stromdurchflossenen und jeweils einem Linsenspalt zugeordneten Linsenwicklungen dazu, durch passende Strombelastung jeder der Wicklungen das Gewicht der optischen Beeinflussung des Strahls an eine beliebige Stelle zwischen den beiden Linsenspalten legen zu können. Auch hier sind die magnetischen Flüsse in den beiden Linsenspalten gleichgerichtet.

Demgegenüber beschreibt eine Arbeit in der »Zeitschrift für Physik«, 1935, S. 634 bis 642, eine elektromagnetische Doppellinse, die so ausgebildet ist, daß infolge entgegengesetzter Richtung der Flüsse in den beiden Linsenspalten sich die durch jede der Teillinsen der Anordnungen hervorgerufenen Bilddrehungen gerade aufheben. Eine derartige Linsenanordnung findet bei der Erfindung in dadurch besonders vorteilhafter Weise als Beugungslinse Verwendung, daß die Doppellinse innerhalb der Objektivlinse angeordnet ist. Wesentlich für die erfindungsgemäß verwendete Doppellinse ist dabei, daß kein Zwischenbild zwischen den beiden Linsenspalten auftritt; andernfalls würde es sich um die normale Aufeinanderfolge von zwei getrennten Linsen handeln.

Die bei der Erfindung ausgenutzte Wirkung einer derartigen Doppellinse beruht bekanntlich darauf, daß die Brechkraft der Linse proportional dem Quadrat der magnetischen Feldstärke und damit unabhängig von der Richtung der magnetischen Flüsse in den beiden Linsenspalten ist, während die Bilddrehung linear proportional der Feldstärke und damit abhängig von der Richtung der magnetischen Flüsse ist.

Der Vorteil der Verwendung einer zusätzlichen Beugungslinse schlechthin besteht in einer erheblichen Bedienungsvcrcinfachung des Gerätes beim Übergang von üblicher Präparatabbildung zur Abbildung des Beugungsdiagramms oder umgekehrt. Üblicherweise nimmt man diesen Übergang durch Umschalten der Erregung der Zwischenlinse in der Weise vor, daß abwechselnd das Bild des Präparates oder das Bild des Beugungsdiagramms auf dem Endbildlcuchtschirm des Gerätes oder auf fotografischem Material entworfen wird. Dies verursacht nicht nur eine Änderung der durch die Zwischenlinse hervorgerufene Bilddrehung infolge der Änderung ihres Erregerstromes, sondern kann insbesondere bei gedrängten Konstruktionen des Korpuskularstrahlgerätes auch die bebeits beschriebene Änderung der Streuflüsse im Bereich des Präparates hervorrufen, so daß Nachjustierungen im Bestrahlungsteil erforderlich werden.

Schaltet man dagegen zur Abbildung des Beugungsdiagramms eine zusätzliche Beugungslinse ein. so bleibt die Erregung der Zwischenlinse konstant, und bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Beugungslinse tritt keine störende Bilddrehung auf.

In der Regel wird man die Beugungslinse in zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung so auslegen, daß sie das Beugungsdiagramm in die Gegenstandsebene einer ihr unmittelbar benachbarten Projektionslinse, also einer Zwischenlinse bei einem mehr als zwei Abbildungslinsen enthaltenden Korpuskularstrahlgerät, überträgt. Es ist aber grundsätzlich auch möglich, die Beugungslinse so zu dimensionieren bzw. ihren Erregerstrom so veränderbar zu machen, daß die Beugungslinse auch eine Übertragung in die

Gegenstandebene einer anderen Projektionslinse, also bei einem dreistufigen Korpuskularstrahlgerät in die Gegenstandsebenc der Projektivlinse, vornimmt. Weiterhin kann es zweckmäßig sein, den Erregerstrom der erfindungsgemäß vorgesehenen Beugungs-

linse so veränderbar zu machen, daß bei abgeschaltetem Erregerstrom der Objektivlinse die Beugungslinse das Präparat in die Gegenstandsebene der Projektionslinse abbildend eingestellt werden kann. Bei dieser Betriebsweise bietet sich die Möglichkeit, die

Beugungslinse praktisch als Objektiv langer Brennweite einzusetzen, daß das Präparat, das sich in seiner üblichen La/γ befindet, mit einer geringen Vergrößerung oder mi, Jem Abbildungsmaßstab 1 : 1 in die Gegenstandsebene beispielsweise der Zwischenlinse abbildet. Damit erhält man eine Möglichkeit zur Erzielung kleiner Vergrößerungen, beispielsweise mit einem Elektronenmikroskop, bei hinreichender Auflösung.

In der Regel brauchen zu dieser Verwendung der

erfindungsgemäß vorgesehenen Beugungslinse keine zusätzlichen Regeleinrichtungen vorgesehen zu werden, da der Abstand zwischen der Präparatebene und der hinteren Brennebene der Objektivlinse in aller Regel sehr klein ist und im Linsenstromkreis der Beugungslinse ohnehin Mittel zur Feineinstellung der Brechkraft dieser Linse vorgesehen sein müssen.

Eben war bereits angedeutet worden, daß die Beugungslinse als echte Übertragungslinse, d. h. mit dem Abbildungsmaßstab 1:1, verwendet werden kann.

daß es aber auch möglich ist, einen hiervon abweichenden Abbildungsmaßstab einzustellen. In der Regel wird man daran interessiert sein, infolge geeigneter Wahl dieses Abbildungsmaßstabes bei der Abbildung des vom Objektiv entworfenen ersten Bilde«

des Präparates und der Abbildung seines Beugungsdiagramms zumindest ungefähr dieselbe Vergröße rung zu haben. Auf der anderen Seite kann es bei bestimmten Präparatstrukturen zweckmäßig sein, da;

Beugungsdiagramm stärker zu vergrößern als das Bild des Präparates. Allerdings begrenzen die vorhandenen Plat/.vcrhältnisse die Wahl des Abbildungsmaßstabs häufig auf einen Wert,der in der Nähe des Abbildungsmaßstabes 1 : I liegt.

Diesen Abbildungsmaßstab 1 : 1 wird man beispielsweise dann einstellen, wenn das Beugungsdiagramm in die Gegenstandsebene 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 Pmiektionsiinsc im Gegensatz zu einer Übcrlragungslinsc 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 Projcktionslinse verwendet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Bcugungslinse zwei flußerzeugende Wicklungen sow e einen F.isenpfad auf, der aus drei auf den Stirnflächen der Wicklungen liegenden Lochscheiben und einem die Außenflächen derselben verbindenden, die beiden Wicklungen umschließenden rohrförmigen Teil besteht; ferner definieren die der Linsenachse zugekehrten inneren Bereiche der Lochscheibe paarweise die beiden Linsenspalte. Die Doppellinse besitzt dann also weder einen inneren Eisenkern noch besondere Polschuhe zur Definition der Linsenspalte, sondern diese werden durch die Scheiben als Spalte mit Längen gebildet, die praktisch übereinstimmen mit der Höhe der parallel dazu liegenden jeweiligen Wicklung. Dies bietet nicht nur den Vorteil einer geringen Verzeichnung, sondern auch die Begrenzung des resultierenden magnetischen Flusses, so daß die Eisenquerschnitte klein gehalten werden können. Außerdem empfiehlt sich ein derartiger kernloser Aufbau für die Beugungslinse auch im Hinblick auf den Einbau derselben in die Objektivlinse, wodurch die Platzverhältnisse sehr begrenzt sind. Man kann bei diesem Aufbau der Beugungslinse die Induktion im Eisenpfad so klein halten, daß dafür hochpermeible Eisenlegierungen mit einer sehr kleinen Koerzitivkraft und damit niedriger Remanenz Verwendung fine en können. Dann ist sichergestellt, daß nach Abschalten des Erregerstromes für die Beugungslinie diese den Korpuskularstrahl nicht mehr beeinflußt.

Eine bevorzugte Variante der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Objektivlinsc als Polschuhlinse ausgebildet ist und die Bohrung ihres in Strahlrichtung zweiten Polschuhes in seinem dem Linsenspalt abgekehrten Bereich eine Aufnahme für die Beugungslinsc 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 Platzbedarf für die Beugungslinse vorliegt.

Man kann diese räumliche Konzentration von strahlbeeinflussenden Einrichtungen noch dadurch fortsetzen, daß man die Aufweitung in dem zweiten Objektivpolschuh zugleich eine Aufnahme für einen in Strahlrichtung vor der Beugungslinsc angeordneten Stigmator bilden läßt. Derartige Stigmatoranordnungen 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 Objektivlinse sein, bei dem die Objektivlinse zwei in Strahlrichtung hintereinanderliegende Erregerwicklungen aufweist, zwischen denen seitlich des Linsenspaltes Platz für eine Einrichtung

ίο zur seitlichen Einführung des Präparates in den Linsenspalt gelassen ist. Bei einer derartigen seitlichen Präparateinführung 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 Auftreffen 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 88 628. 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 Beugungslinse 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 Öffnungsfehlerkonstante 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 in der Gegenstandsebene derjenigen Projektionslinse, in die die Beugungslinse 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 darunterliegende Projektionslinse, die in der Regel eine Zwischenlinse im Gerät darstellt. Die Gesamtvergrößerung des Korpuskularstrahlgerätes muß daher durch Änderungen der Erregung der Zwischenlinse und dei Brechkraft der Projektivlinse eingestellt werden. D; sowohl die Gegenstandsebene als auch die Bildebenf fest vorgegeben sind, kann es erforderlich werden, ir Wc.terbildung der Erfindung zwei Zwischenlinser

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vorzusehen, von denen die in Strahlrichtung erste die Projektionslinse ist, in deren Gegenstandsebene die Beugungslinse das Beugungsdiagramm übertrugt. Die Erregerströme der beiden Zwischenlinsen müssen dann entsprechend dem gewünschten Gesamtvergrößerungsbereich bei konstant gehaltenem Erreger-Strom für die Objektivlinse veränderbar sein. Hierzu werden übliche Stromeinsteller 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 drehtrommelartigen Anordnung gehalten sind.

Wie erwähnt, erfolgt die Vergrößerungseinstellung durch Änderung der Erregung der Zwischenlinscn. Wenn man schon durch entsprechende Ausbildung der Beugungslinse eine störende Bilddrehung durch diese ausschließt, ist es zweckmäßig, auch die Zwischenlinsen 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. Weiterhin gehl. wie die jedem Fachmann geläufige Anwendung der üblichen Linsenformeln erkennen läßt, in die Dimensionierung wesentlich die Entfernung zwischen der Selektorblendenebene 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 Objekthalterune 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 Verstelltrieb 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 l"58.

ίο

Wie bereits eingangs erwähnt, ist es erforderlich die Beugungslinse magnetisch isoliert in die Obiek tivlinse einzusetzen, um eine Trennung der Flüsse dei beiden Linsen sicherzustellen. Da sich die Beugungslinse innerhalb des Vakuumraumes des Gerätes be· findet, kann man diese Isolierung dadurch erreichen daß die Beugungslinse unter Bildung eines Spaltes ir der Bohrung der Objektivlinse angeordnet ist.

Die eben beschriebene Grundplatte kann auch du Halterung für eine Stigmatoranordnung bilden, wöbe 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 Strahlrichtuni', auf die Grundplatte folgend kann man eine magnetische Streufelder abschirmende Scheibe mit Aufnahmen für die Selektorblende unc ihr zugeordnete Antriebe sowie darauffolgend di< Projektionslinse anordnen, wobei die Scheibe untci Zwischenlage von Vakuumdichtungen zwischen die genannten Einrichtungen eingefügt ist.

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

Fig. 2 dient zur Wiedergabe der bei der Berechnung der Beugungslinse wesentlichen Größen, und die

Fig. 3 und 4 lassen, teilweise im Schnitt, die in diesem Zusammenhang wesentlichen Teile eines Elektronenmikroskops an Hand eines Ausführungsbeispiels erkennen.

Der Linsenspalt I der Objektivlinse in Fi 2. 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 S bezeichnete Bohrung des in Strahlrichtung zweiten Polschuhes 3 ist als^Aufnahme sowohl fur die Stigmatoranordnung 6 als auch für die allgemein mit 7 bezeichnete Beugungslinse ausgebildet. Die Beugungslinse enthält die beiden Erregerwicklungen 8 und 9 sowie für den magnetischen Fluß einen Eisenpfad, der durch die drei Scheiben 10, 11 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 kern magnetischer Kern vorgesehen ist. Die magnetischen Flusse in diesen Spalten sind infolge einander entgegengerichteter Ströme in den Wicklungen 8 und 9 ebenfalls einander entgegengerichtet, öle Stromnchtung .st in Fig. 1 durch jeweils ein Kreuz und einen Punkt innerhalb eines Kreises angedeutet. Demgemäß arbeitet die Beugungslinse 7 bei gleicher Amperewindungszahl ihrer Wicklungen 8 und 9 bilddrehungsfrei.

Wird sie eingeschaltet, so fokussiert sie den Elektronenstrahl auf die Selektorblendenebene 14; bei 15 ist der Strahlverlauf bei eingeschalteter Beugungslinse und bei 16 bei abgeschalteter Beugungslinse Angedeutet.

Die Selektorblendenebene 14 ist identisch mit der Gegenstandsebene der ersten Zwischenlinse 17, deren Linsenspalt bei 18 angedeutet ist.

Ehe auf ein konstruktives Ausführungsbeispiel nach den F ι g. 3 und 4 eingegangen wird, sei unter Benut-

zung der F i g. 2 ein Hinweis auf die Berechnung des Zusammenhanges zwischen der Brennweite / der ersten und zweiten Teillinse der die Beugungslinse darstellenden Doppellinse einerseits und der resultierenden Brennweite F andererseits gegeben. Dieselbe Betrachtung läßt sich auch für die Berechnung der als Doppellinsen ausgebildeten Zwischenlinsen anstellen, linier der Voraussetzung, daß die Entfernung <· zwischen den Miltcnebcncn 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 Linsenmiüen zu vernachlässigen ist. läßt sich folgender Zusammenhaue ansehen:

2 V/
c

Mit L ist in F i g. 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 Lichtoptik gebräuchliche Formel für die Brennweite eines Linsendoubletts verwenden kann:

F i g. 3 zeigt den Bereich der Objektivlinse und der ersten Zvvischenünse eines Elektronenmikroskops. In der Darstellung verläuft dervon 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 Objektiv linse angeordnetes Präparat, so daß durch die Objektivlinse und die nachfolgende Vergrößerunclinsen 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 Objeküvlinse enthält in diesem Ausführungsbeispiel zwei Wicklungen 22 und 23, die beiderseits des Linsenspaltes 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 Bereich des Teiles 25 und die Polschuhspitze 29 können in 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 gewühlt, daß ein magnetisch isolierender Spalt 36 zwischen den beiden Tei'en gewährleistet ist. Die Beugungslinse 34 enthält, wie schon in Fig. I, zwei gcsienläulig stromduichflossene Erregerwicklungen 37 und 38 sowie den Eisenpfad 39, der denselben Aufbau wie in I⁷ i g. 1 besitzt.

Sowohl die Spulen des Siigmators 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 llanschartigen Bereich 42 besitzt und mit diesem auf der Grundplatte 43 aus magnetisch unwirksamem Material befestigt ist. Diese Grundplatte erstreckt sich in Strahlrichtung hinter der Objektiv linie so weit quer zum Strahl, daß sie bis in den Bereich des allgemein mit 44 bezeichneten Mantels des Mikroskops ragt. Sie ist in diesem Auslührungsbeispiel mittels

2.-1 Schrauben 45 an dem Teil 25 befestigt Geeignet angeordnete Dichtungen 47 und 48 sorgen dafüi, daß der Vakuumraum de-· Gerätes möglichst klein ist.

Innerhalb der Grundplatte 43 sind Kanäle 49 für die Durchleitung eines Kühlmittels angeordnet: weitere Kanäle SO dienen zur Zuführung von elektrischen 1.eilungen sowohl zu den Wicklungen 37 und 38 :;K atich zu den Spulen des Stigmauirs 35. Diese Leitungen sind der Übersichtlichkeit halber nur bei 51 unJ

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

Die Kühlkanäle 49 münden in diesem Auslührungsbeispiel in die Kühlkammer 49«. 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 i.ann.

Iu Strahl richtung !vnter der Grundmine 43 befindet sich die Fluß-perre 53. die dafür sorgt, daß die Streutlüsse der Beugungslinse 34 und der in Strahlrichtung nr.chgeschaltelen. ebenfalls als Doppellinse ausgebildeten Zwischenlinse 5-ti 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 Selcktorblende bekannter Bauart mit ebenfalls bekannten Antrieben zur Querverschiebung derselben.

Die Zwischenlinse 54 besiizl als in diesem Zusammenhang besonders interessierendes Merkmal die bei-

den Erregerwicklungen 57 und 58. denen jeweils eir Linsenspah 59 bzw. 60 zugeordnet ist. Er wird durch Unterbrechungen des Eisenkreises durch ringförmige Teile 61 bzw. 62 aus unmagnetischem Materia! erzeugt. Mit 63 ist eine Wasserkühlung bezeichnet.

5= In der hinteren Brennebene der Beugungslinse ;s die Aperturblende 64 angeordnet. Sie ist so dimen sionierl, daß sie bei abgeschalteter Objektivlinse der Strahl, der dann einen relativ großen Querschnitt ir ihrer Ebene besitzt, ungehindert durchläßt.

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 wird 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, kann aber die B.ugungslins

!geschalteter Cbjektivlinse auch als Qbiekinger Brennweite zur Präparatabbildung mit Vergrößerung Verwendung finden,
sätzlich ist es auch möglich, die Linsen r Beugungslinse als pcrmanentmagnciische uszubilden, jedoch können hierbei Schwiebezüglich der Änderung der Brechkräfte

Man erkennt, daß die erfindungsgemäß verwendet Beucuncslinse insbesondere bei kernloser Ausfür run« keine störende Vergrößerung der Durchmesse des Teiles 25 hervorruft. In in diesem Zusammenhan zweckmäßiger Weise ist bei dem Ausführungsbeispii nach Fi g. 3 die größere Amperewindungszahl der i Strahlrichtung ersten Wicklung 22 der Objektivlins eeecbcn worden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 18 199

1. Korpuskularstrahlgerät, insbesondere Elektronenmikroskop, zur wahlweisen Abbildung eines Präparates oder seines Beugungsdiagramms, enthaltend einen Bestrahlungsteil in Strahl richtung 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 Beugangsdiagramm in dis Gegenstandsebene der Projektionslinse überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß «die Beugungsiinse (7, 34) als DoppeJlinse mit zwei jLinsenspalten ausgebildet ist, deren Abstand voneinander kleiner als die Bildweite der den in Strahlrichtung ersten Linsenspalt enthaltenden Teillinse der Beugungslinse (7, 34) ist und deren !Magnetische Flüsse längs der Linsenachse entlegengesetzt gerichtet sind sowie betragsmäßig in tinem störende Bilddrehungen durch die Beugungslinse (7, 34) ausschließenden Verhältnis ptehen, und daß die Beugungslinse (7, 34) innerhalb der Bohrung (5, 33) der Objektivlinse magnetisch isoliert angeordnet ist.

2. Korpuskularslrahlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektivlinse lind die Projektionslinse als elektromagnetische Linsen ausgebildet sind.

3. Korpiiskularstrahlgerät nach Anspruch 1 ©der 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungslinse (7, 34) zwei flußerzeugende 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, 11, 12) und einem die Außenflächen derselben verbindenden, die (beiden Wicklungen umschließenden rohrförmigen Teil (13) besteht, und daß die der Linsenachse Jtugekehrten inneren Bereiche der Lochscheiben (10, 11, 12) paarweise die beiden Linsenspalte tJefinieren.

4. Korpuskularstrahlgerät nach einem der An-Iprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ßeugungslinse (7, 34) für ihre magnetischen Flüsse einen Eisenpfad aus einem Material niedfiger Remanenz aufweist.

5. Korpuskularstrahlgerät nach einem der An-Iprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektivlinse als Polschuhlinse ausgebildet ist lind die Bohrung (5, 33) ihres in Strahlrichiung fcweiten Polschuhes (3, 29) in seinem dem Linsen- »palt abgekehrten Bereich eine Aufnahme für die beugungsiinse (7, 34) bildend aufgeweitet ist.

6. Korpuskularstrahlgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufwertung zugleich eine Aufnahme für einen Stigmator (6, 35) in Strahlrichtung vor der Beugungslinse (5, 34) bildet.

7. Korpuskularstrahlgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abbildungsmaßstab für die Übertragung des Beugungsbildes so gewählt ist, daß die Abbildung des von der Objektivlinse entworfenen ersten Bildes des Präparates und diejenige seines Beugungsdiagramms durch das Gerät zumindest ungefähr mit derselben Vergrößerung erfolgt.

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

9Γ Korpuskularstrahlgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abbildungsmaßstab für die Übertragung des Beugungsbildes größer als 1 : 1 ist.

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

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

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

13. Korpuskularstrahlgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Abbildungsteil als in Strahlrichtung letzte Linse eine Projektivlinse mit austauschbaren Polschuhsystemen aufweist.

14. Korpuskularstrahlgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungslinse (34) in die Bohrung (33) der Objektivlinse 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. Korpuskuiarstrahlgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundplatte (43) Verstelltriebc zur Querverschiebung zugeordnet sind.

16. Korpuskuiarstrahlgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsünsc (34) unter Bildung eines magnetisch isolierenden Spaltes (36) in der Bohrung(33) der Objektivlinse angeordnet ist.

17. Korpuskularstrahlgerät nach den Ansprüchen 10 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß in Strahlrichtung auf die Grundplatte (43) eine magnetische Streufelder abschirmende Scheibe (53) mit Aufnahmen für die Selektorblende und ihr zugeordnete Antriebe sowie die Projektionslinse (54) unter Zwischenfügung von Vakuumdichtungen unmittelbar aufeinanderfolgen.

18. Korpuskularslrahlgerät nach einem der Ansprüche I bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß bei abgeschaltetem Erregeistrom der Objektivlinse die Beugungsiinse (7) das Präparat in die Gegenstandsebenc (14) der Projektionslinse (17) abbildend eingestellt ist.

19. Korpuskuiarstrahlgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektivlinse zwei in Strahlrichtung hintereinanderliegende Erregerwicklungen (22, 23) auf-

weist, zwischen denen seitlich des Linscnspahes (21) Platz für eine Einrichtung zur seitlichen Einführung des Präparates in den Linsenspalt (21) gelassen ist.

20. Korpuskularstrahlgerät nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die in Strahlrichtung erste Erregerwicklung (22) eine gröbere Ai iperewindungszahl besitzt als die in Strahlrichtunc zweite Erregerwicklung (23).

21. Korpuskularstrahlgerät nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß von der Bohrung des in itrahlrichtung 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 Beugungsdiegramm 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.