DE1948270A1

DE1948270A1 - Raster-Korpuskularstrahlmikroskop

Info

Publication number: DE1948270A1
Application number: DE19691948270
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dr Rer Nat Thon
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-09-19
Filing date: 1969-09-19
Publication date: 1971-04-01
Also published as: GB1306378A; JPS4830182B1; NL7013772A; DE1948270B2; US3869611A

Description

Bei üblichen Elektronenmikroskopen, bei denen der Korpuskularstrahl, insbesondere ein Elektronenstrahl, mittels Kondensorlinsen auf einen kleinen Fleck auf dem zu untersuchenden Präparat fokussiert wird und dieser' Bestrahlungsfleck seine Lage nicht ändert, ist es bekannt, im Abbildungsteil Einrichtungen im Strahlengang vorzusehen, die diesen zwecks Erzielung gewünschter Abbildungseigenschaften beeinflussen. Insbesondere ordnet man derartige Einrichtungen, wie Blenden oder Phasenplatten, in der hinteren Brennebene der Objektivlinse an. Man sieht dort beispielsweise für Dunkelfeldabbildung erforderliche Blenden mit zentralem Auffänger oder aber Halbblenden und andere Spezialblenden vor. Besonders interessant sind sogenannte Zonenblenden nach Hoppe, wie sie in der US-Patentschrift 3 213 277 beschrieben sind: Diese zur Verringerung bzw. Beseitigung des störenden Einflusses des Öffnungsfehlers der Objektivlinse dienenden Blenden sind als Zonenblenden mit in bestimmten Abständen aufeinanderfolgenden strahldurchlässigen und strahlundurchläasigen ringförmigen Bereichen ausgebildet. Die Dimensionierung der verschiedenen Bereiche ist so getroffen, daß die Zonenblende nur solche Teilstrahlen des abbildenden Strahles in die Endbildebene gelangen läßt, die dort zur Abbildung mit Kontrast nur positiven oder nur negativen Vorzeichens beitragen. Diese Zonenblende trägt also letztlich der !Tatsache Rechnung, daß die Teilstrahlen sowohl in der Objektivlinse als auch in dem Präparat unterschiedliche Phasenverschiebungen erfahren, die zur unerwünschten Beeinflussung der Qualität des Endbildes führen können.

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Weiterhin wird beispielsweise in der unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 14 89 980.0 vorgeschlagen, vorzugsweise in der hinteren Objektivbrennebene eine Phasenplatte vorzusehen, die die Phasen von Teilstrahlen des Strahles derart beeinflußt, daß sie ungeachtet der beim Durchsetzen des Präparates' und der Ohjektivlinse erfahrenen Phasenverschiebungen für die gewünschte Abbildung erforderliche Phasenbedingungen in der Endbildebene erfüllen. Während "bei der Zonenblende nach Hoppe also .eine Ausblendung von Teilstrahlen erfolgt, die die erforderlichen Phasenbedingungen nicht erfüllen, wird durch die Phasenplatte eine echte Korrektur der Phasenfehler im Strahlengang vorgenommen.

Alle diese Einrichtungen - deren obige Aufzählung keinesfalls erschöpfend ist - v/erden also bei den bekannten üblichen Elektronenmikroskopen im Abbildungsteil, d.h. in Strahlrichtung hinter dem Präparat, eingesetzt.

Die Erfindung befaßt sich nun nicht mit einem derartigen Korpuskularstrahlgerät, sondern speziell mit einem Raster-Korpuskularstrahlmikroskop, bei dem also das Präparat von dem bestrahlenden Strahl rasterförraig abgetastet wird. Derartige Rastermikroskope, die in Gestalt von Elektronen-Rastermikroskopen bereits 1938 von v. Ardenne in der Zeitschrift für Physik, Band 109, Seiten 553 bis 572, sowie in einer Vielzahl neuerer Patentschriften, wie beispielsweise der IJS-Patentschrift 3 389 252 oder der britischen Patentschrift 1 128 beschrieben sind, enthalten einen Strahlerzeuger und - in Strahlrichtung aufeinanderfolgend - Ablenksysteme für den Strahl, eine Kondensorlinsenanordnung zur Fokussierung des Strahles auf ein abzubildendes Präparat und eine Registrierebene, in der Bildsignale des Präparates empfangen werden. In dieser Registrierebene kann eine lOtoeinrichtung vorgesehen sein; in der Regel verwendet man hier einen Detektor

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für Korpuskeln, gegebenenfalls aucli Lichtquanten.

Aus Figur 4 der genannten Arbeit von v. Ardenne ist es ferner bekannt, bei einem derartigen Raster-Elektronenmikroskop besondere Einrichtungen für Dunkelfeldbetrieb im Strahlengang vorzusehen.

Ein in dieser Weise aufgebautes und mit einer derartigen Einrichtung versehenes Raster-Korpuskularstrahlmikroskop ist Gegenstand der Erfindung. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Mikroskop in der Weise auszubilden, daß unter Berücksichtigung der speziellen Verhältnisse bei einem Rastermikroskop die verschiedenartigen Einrichtungen zur Erzielung gewünschter Abbildungseigenschaften Anwendung finden können. Das erfindungsgemäße Mikroskop ist dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen im Strahlengang zwischen den Ablenksystemen einerseits und dem Präparat andererseits angeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei einem normalen Durchstrahlungs-KorpuskularStrahlmikroskop (also olme Abrasterung des Präparates) die Bestrahlungsapertur im allgemeinen klein, dagegen die Abbildungsapertur relativ groß ist. Dies beruht darauf, daß der Querschnitt des abbildenden Strahlenbündels durch die Objektivaperturblende und die Abbildungsapertur durch diese Blende zusammen mit dem Abstand von der Linse gegeben ist. Demgegenüber liegen bei einem Raster-Korpuskularstrahlmikroskop gerade die entgegengesetzten Verhältnisse vor: Hier ist die Bestrahlungsapertur groß, während die durch den Durchmesser der Detektoreingangsblende und den Abstand des Präparates von dieser gegebene Abbildungsapertur klein ist. Will man also die die Abbildung im gewünschten Sinne beeinflussenden Einrichtungen, beispielsweise Blenden, bei einem Rastermikroskop mit derselben Wirksamkeit einsetzen, wie dies bei den bekannten üblichen Durch-

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strahlungsmikroBiropen der PaIl ist, so ordnet man diese Einrichtungen erfindungsgemäß zwischen den Ablenksystemen und dem Präparat, d.h. im Bestrahlungsteil_s an»

Das gilt auch für den von Crewe in der US-Patentschrift ..' 3 191 028 angegebenen Sonderfall eines Rastermikroskops mit einem EinfeldkondensorobjektiVj bei dem das Präparat so im Objektivlinsenfeld angeordnet ist, daß die letzte Kondensorlinse durch das Objektivvorfeld gebildet ist. Bei diesem besonderen Rastermikroskop wirkt der Rest des Qbjektivlinsen-■feldes als echte Abbildungslinse, so daß'auch die im Präparat gestreuten Strahlen mit großer Austrittsapertur in den Detektor gelangen. Zur Erzielung des erforderlichen Kontrastes wirft in Strahlrichtung vor dem Detektor eine Kontrastblende vorgesehen« die einzelne Strahlen ausblendet. Auch, bei diesem speziellen Rastermikroskop, dessen Vorteile in einer größeren -.Intensität des Strahles am Detektoreingang und in einem kleineren Brennfleck auf dem Präparat zu sehen sind, setzt man zusätzliche Einrichtungen in Gestalt von Zonenblenden_s Phasenplatten oder dergleichen gemäß der Erfindung mit Vorteil in Strahlrichtung vor dem Präparat ein.

Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Einrichtungen im Strahlengang zwischen den Ablenksystemen einerseits und der Kondensorlinsenanordnung andererseits angeordnet sind. Insbesondere wird man die Einrichtung in der Eintrittsblendenebene der Kondensor!insenanordnung vorsehen. Diese spezielle Wahl des Ortes für die Einrichtungen beruht darauf, daß man diejenigen Teilstrahlen des Strahles beeinflussen möchte, die in der'Präparatebene parallel verlaufen.

In demselben Sinne liegt eine dadurch gekennzeichnete vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgeraäßen Mikroskops, daß zwei

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in Strahlrichtung aufeinanderfolgende Ablenksysteme vorhanden sind, von denen das erste den Strahl aus der optischen Achse dea Mikroskops auslenkt und das zweite den ausgelenkten Strahl derart zurücklenkt, daß die Achse des zurückgelenkten Strahles die optische Achse zumindest ungefähr in der Eintrittsblendenebene der Kondensorlinsenanordnung schneidet. Bei einer anderen Wahl des Schnittpunktes des ausgelenkten Strahles mit der optischen Achse erhält man unterschiedliche Bestrahlungsrichtungen und damit unterschiedliche Kontrastbedingungen in Abhängigkeit von dem Achsabstand des jeweils betrachteten Präparatpunktes.

Wie bereits oben ausgeführt, können die Einrichtungen eine Blende zum Ausblenden bestimmter Teilstrahlen des Strahles enthalten, beispielsweise eine Dunkelfeldblende mit zentralem Auffänger oder eine Dunkelfeldhalbblende.

Die Anwendung der Dunkelfeldtechnik bei Rastermikroskopen durch Verwendung eines zentral durchbohrten Detektors ist aus Figur 4 der genannten Arbeit von v. Ardenne an sich bekannt. Diese bekannte Anordnung erfordert aber, daß die Bestrahlungsapertur klein ist gegen die Winkel, unter denen die im Präparat gestreuten Elektronen aus diesem austreten. Pur die hochauflösende Dunkelfeldmikroskopie ist es dagegen erwünscht, daß die Bestrahlungsapertur etwa gleich diesen Streuwinkeln ist. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung einer Dunkelfeldblende im Bestrahlungsteil gegenüber der bekannten Verwendung der Blende im Abbildungsteil ist also darin zu sehen, daß die erfindungsgemäße Anordnung auch bei Hochauflösungsuntersuchungen anwendbar ist.

Weiterhin kann die bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Rastermikroskop im Bestrahlungsteil eingesetzte Blende analog einer Zonenblende nach Hoppe derart ausgebildet sein, daß nie nur solche Teilstrahlen des Strahles nm Präparat

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gen läßt, die nach Durchsetzen der Kondensorlinsenanordnung und Beeinflussung durch das Präparat zur Abbildung mit Kontrast nur positiven oder nur negativen Vorzeichens beitragen. Während bei der üblichen Anordnung der Hoppeschen Zonoiiblende' im Abbildungsteil also die;)eiligem Seilstrahlen ausgeblendet werden, die tatsächlich bereits so beeinflußt sind, daß sie, sofern sie in die Endbildebene gelangen wurden, dort nicht mit der gewünschten Phasenlage zur Abbildung beitragen, wird bei dem erfindungsgemäßen Rastermikroskop bereits eine "Yorauswahl" der Teilstrahlen getroffen, bevor diese in der Kondensor linse und im Präparat beeinflußt worden sind.

Das entsprechende gilt beim Einsatz einer Phasenplatte. Die diesbezügliche,Ausführungsform der erfingungsgemäßen Anordnung besitzt die Merkmale, daß die Einrichtungen eine Phasenplatte enthalten, die die Phasen von !eilstrahlen des Strahles derart vorbeeinflußt, daß alle Teilstrahlen nach Durchsetzen der Kondensorlinsenanordnung und Beeinflussung durch das Präparat die für die Abbildung erforderliche Phasenbedingung erfüllen.

Es sei bemerkt, daß selbstverständlich auch andere Einrichtungen zwecks Erzielung gewünschter Abbildungseigenschaften bei dem erfindungsgemäßen Rastermikroskop Anwendung finden können; die obigen Beispiele sollen also in keiner Yfeise eine vollständige Aufzahlung darstellen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des figürlich-dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.

Die verschiedenen Elemente des erfindungsgemäßen Rastermikro skops sind längs der optischen Achse 1 desselben angeordnet. Das Mikroskop ist mit einer Strahlquelle üblichen Aufbaues auegerüstet , die in diesem Ausführungsbeispiel die Spitzenkathode den Wehneltzylinder 3 und aie Anode 4 enthält. Beispielsv/eise kann die in der deutschen Patentschrift 1 031 447 21g, 37/01

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beschriebene Konstruktion für den Strahlerzeuger Anwendung finden; auch eine Feldemissionskathode kann verwendet werden.

In Strahlrichtung hinter dem Strahlerzeuger befinden sich in zwei Stufen hintereinander angeordnete Ablenksysteme, die in diesem Ausführungsbeispiel zwei Paare elektrostatischer Ablenkplatten 5 und 5¹ bzw·. 6 und 6' und diese speisende Sägezahngeneratoren enthalten. Zur Ablenkung in der zur Zeichenebene senkrechten Ebene dienen weitere Ablenksysteme. Die Verweildung derartiger Ablenksysteme in elektrostatischer Ausführung bei Rastermikroskopen zeigt die britische Patentschrift 1 128 107. Man könnte auch elektromagnetische Ablenksysteme einsetzen, wie in der US-Patentschrift 3 389 252 angegeben. Schließlich sind auch kombinierte elektrostatische und elektromagnetische Ablenksysteme beispielsweise aus der DAS 1 088 628 21g, 37/01 bekannt. Bei diesen kombinierten Systemen dienen die Polplatten der magnetischen Ablenksysteme zugleich als elektrostatische Ablenkplatten, so daß praktisch durch eine konstruktive Einheit die Ablenkung in zwei zueinander senkrechten Richtungen vorgenommen wird.

Im Strahlengang befindet sich ferner als Kondensorlinsenanordnung in diesem Ausführungsbeispiel eine magnetische Polschuhlinse 7 bekannten Aufbaues, in deren hinterer Brennebene das abzubildende Präparat 8 angeordnet ist. Das Präparat wird zweckmäßigerweise in einem bekannten Präparatverstelltisch oder aber in einer Blendenhalterung angeordnet, wie sie beispielsweise die deutschen Patentschriften 951 882 21g, 37/10 bzw. 875 551 21g, 37/20 beschreiben.

Das Bild selbst wird mittels eines geeigneten Detektors in der Endbildebene 9 registriert, und zwar tragen zur Bildentstehung nur diejenigen Strahlen bei, die von der Detektoreintritt sblende 10 durchgelassen werden.

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Bei abgeschalteten Ablenksystemen 5_S 5^! und 6, 6¹ oder beim Nulldurchgang ihrer Spannung ergibt sich der gestrichelt v/iedergegebene Strahlengang 11. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Ablenksysteme so angeordnet und ist die Dimensionierung des Gerätes· so getroffen, daß durch die Ablenksysteme der Strahl so aus- und zurückgelenkt wird, daß die Achse 13 des zurückgelenkten Strahles die optische Achse 1 In einem in der Eintrittsblendenebene der Kondensorlinse 7 liegenden Punkt 14 schneidet. Die Wahl dieses "Kippunktes" hat in Ver- ^ bindung mit der Lage der noch zu beschreibenden Blende 15 in derselben Ebene den Vorteil, daß gemäß dem ausgesogenen Strahlengang 16 bei eingeschalteten Ablenksystemen 5, 5' und 6, 6^C durch die Blende 15 solche Teilstrahlen "beeinflußt werden_s die in der Ebene des Präparates 8 parallel 2u.eina.nder verlaufen.

.Ils Einrichtung zur Erzielung gewünschter Abbildungseigenschaften ist in dem figürlich dargestellen AuafÜhrungsbeispiel die Hoppesche Zonenblende 15 eingesetzt. Sie besitzt, wie die Schnittdarstellung in der Figur erkennen läßt, aufeinanderfolgende ringförmige Zonen, die teils strahldurchlässig und teil strahlundurchlässig sind. Die Diemensionierung ist dabei " so getroffen, daß in der Registrierebene 9 nur solche Teilstrahlen an der Bildentstehung beteiligt sind, die eine Abbildung nur mit poaitivem oder nur mit negativem Kontrast sicherstellen.

In die Figur ist ferner eine Kontrastblende 17 eingezeichnet, die dann angewendet wird, wenn anstelle einer einfachen Kondensorlinse ein Einfeldkondensorobjektiv vorliegt, durch dessen Feld also auch eine echte Abbildungslinse gebildet wird. Die Blende 17, die im Gegensatz zu der erfindungsgemäß im Bestrahlungsteil angeordneten Blende 15 im Abbildungsteil hinter dem Präparat liegt, dient also dazu, durch Ausblenden von Teilstralileii den !Contrast in der Registrierebene 9 slcher-

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ustellen.-Grundsätzlich können auch vor den Ablenksystemen Konaensorlinsen vorgesehen sein..

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Patentansprüche

hl Raster-Korpuskularstrahlmikroskop mit einem· Strahlerzeuger und - in Strahlrichtung aufeinanderfolgend - Ablenksystemen für den Strahl, einer Kondensorlinsenanordnung zur Fokussierungdes Strahles auf ein abzubildendes Präparat, einer Registrierebene, in der Bildsignale des Präparates empfangen werden, sowie mit zusätzlichen Einrichtungen im Strahlengang, m die diesen zwecks Erzielung gewünschter Abbildungseigenschaften beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen im Strahlengang zwischen den Ablenksystemen einerseits und dem Präparat andererseits angeordnet sind.

2. Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen im Strahlengang zwischen den Ablenksystemen einerseits und der Kondensorlinsenanordnung andererseits angeordnet sind. - · . .

3. Mikroskop nach Anspruch- 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen im Strahlengang in der Eintrittsblendenebene der Kondensorlinsenanordnung angeordnet sind.

4. Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in Strahlrichtung aufeinanderfolgende Ablenksysteme vorhanden sind, von denen das erste den, Strahl aus der optischen Achse des Mikroskops auslenkt und das zweite den ausgelenkten Strahl derart zurücklenkt, daß die Achse des zurückgelenkten Strahles die optische Achse zumindest ungefähr in der Eintrittsblendenebene der Kondensorlinsenanordnung schneidet.

5. Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen eine Blende zum Ausblenden bestimmter Teilstrahlen des Strahles enthalten.

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6. Mikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende eine Dunkelfeldblende ist.

7. Mikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende analog einer Zonenblende nach Hoppe derart ausgebildet ist, daß sie nur solche Teilstrahlen des Strahles zum Präparat gelangen läßt, die nach Durchsetzen der Kondensorlinsenanordnung und Beeinflussung durch das Präparat zur Abbildung mit Kontrast nur positiven oder nur negativen Vorzeichens beitragen.

8. I-Iikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen eine Phasenplatte enthalten, die die Phasen von Teilstrahlen des Strahles derart vorbeeinflußt, daß alle Teilstrahlen nach Durchsetzen der Kondensorlinsenanordnung und Beeinflussung durch das Präparat die für die gewünschte Abbildung erforderliche Phasenbedingung erfüllen.

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