DE1948270B2 - Raster-korpuskularstrahlmikroskop - Google Patents

Description

Bei üblichen Elektronenmikroskopen, bei denen der Korouskularstrahl, 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

ίο 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 USA.-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 strahlundurchläs-

sigen 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 po-

sitiven 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.

Weiterhin wird beispielsweise in dem deutschen Patent 1 489 980 vorgeschlagen, vorzugsweise in der hinteren Objektivbrennebenc eine Phasenplatte vorzusehen, die die Phasen von Tulbtrahlen des Strahles derart beeinflußt, daß sie ungeachtet der beim Durchsetzen des Präparates und der Objektivlinse erfahrenen Phasenverschiebungen für die gewünschte Abbildung erforderliche Phasenbedingungen in den End-

bildebene 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 vorge-

nommen.

Alle diese Einrichtungen — deren obige Aufzählung keinesfalls erschöpfend ist — werden 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 Rastcr-Korpuskularstrahlmikroskop, bei dem also das Präparat von dem bestrahlenden Strahl rasterförmig abgetastet wird. Derartige Rastermikroskope, die in Gestalt von Elektronen-Rastermikroskopen bereits 1938 von v.Ardenne in der Zeitschrift für techn. Physik, Bd. 109, S. 553 bis 572, sowie in einer Vielzahl neuerer Patentschriften, wie beispielsweise der USA.-Patentschrift 3 389 252 oder der brititsehen Patentschrift 1 128 107 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 Fotoetnrichtutig vorgesehen sein; in

der Regel verwendet man hier einen Detektor für Korpuskeln, gegebenenfalls auch Lichtquanten.

Aus Fig. 4 der genannten Arbeit von ν. Α r-J e η η e ist es ferner bekannt, bei einem derartigen Raster-Elektronenmikroskop besondere Einrichtungen für Dunkelitldbetrieb im Strahlengang vorzusehen.

Eine 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 ι ο 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 andererse^:'s angeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß hei einem normalen Durchstrahlungs-Korpuskularhirahlmikroskop (also ohne 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-Korpuskularsirahlmikroskop gerade die entgegengesetzten Verhältnisse vor: Hier ist die Bestrahlungsapertur groß, wahrend die durch den Durchmesser der Detektoreingangsblende und den Abstand des Präparates von dieser gegebene Abbildungsapertur klein ist. Will man ah 1 die die Abbildung im gewünschten Sinne beeinflussenden Einrichtungen, beispeilsweise Blenden, bei einem Rastermikroskop mit derselben Wirksamkeit einsetzen, wie dies bei den bekannten üblichen Durchstrahlmikroskopen der Fall ist, so ordnet man diese Einrichtungen erfindungsgemäß zwischen den Ablenksystemen und dem Präparat, d. h. im Bestrahlungsteil, an.

Das gilt auch für den von C r e w e in der USA.-Palentschrift 3 191 028 angegebenen Sonderfall eines Rastermikroskops nut einem Einfeldkondensorobjektiv, bei dem das Präparat so im Objektivlinsenfeld angeoidnet ist, daß die letzte Kondensorlinse durch das Objektivvorfeld gebildet ist. Bei diesem besonderen Rastermikroskop wirkt der Rest des Objektivlinsenfeldes als echte Abbildungslinse, so daß auch die im Präparat gestreuten Strahlen mit großer Austrittsapertur in den Detektor gelangen. Zur Erzielung des erforderlichen Kontrastes wird in Strahlrichtung vor dem Detektor eine Kontrastblende vorgesehen, die einzelne Strahlen ausblendet. Auch bei diesem spezielten 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, Phasenplatten od. dgl. gemaß der Erfindung mit Vorteil in Strahlrichtung vor dem Präparat ein.

Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadur:h aus, daß die Einrichtungen im Strahlengang zwischen den Ablenksystemen einerseits und der Kondensorlinsenanordnung andererseits angeordnet sind. Insbesondere wird man die Einrichttifißen in der Eintrittsblendenebene der Kondensorlinsennnorclnung 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 erfindungsgemäßen Mikroskops, 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. Bei einer anderen Wahl des Schnittpunktes des ausgelenkttn Strahles mit der optischen Achse erhält man unterschiedliche Bestrahlung,richtungen und damit unterschiedliche Kontrastbeding:.ngen 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 F i g. 4 der genannten Arbeit von v. Ardenne an sich bekannt. Diese bekannte Anordnung erfordert aber, daß die Bestrahlungsaperatur klein ist gegen die Winkel, unter denen die im Präparat gestreuten Elektronen aus diesem austreten. Für die hochauflösende Dunkelfeldmikroskopie ist es dagegen erwünscht, daß die BestrahJungsaperatur 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 erfindungrgemäße Anordnung auch bei Hochauflösungsuntersuchungen anwendbar ist.

Weiterhin kann die bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Rastermikroskop im Bestrahlunc^ieil eingesetzte Blende analog einer Zonenblende nach Hoppe derart ausgebildet sein, daß sie nur solche Teilstrahlen des Strahles zum Präparat gelangen läßt, die nach Durchsetzen der Kondensorlinsenar.ordnung und Beeinflussung durch das Präparat zur Abbildung mit Kontrast nur positiven oder nur negativen Vorzeichens bei'ragen. Während bei d.'r üblichen Anordnung der Hoppeschen Zonenblende im Abbildungsteil also diejenigen Teilstrahlen ausgeblendet werden, die tatsächlich bereits so beeinflußt sind, daß sie, sofern sie in die Endbildebene gelangen würden, dort nicht mit der gewünschten Phasenlage zur Abbildung beitragen, wird bei dem erfindungsgemäßen Raster* mikroskop bereits eine »Vorauswahl« der Teilstrahlen getroffen, bevor diese in der Kondensorlinse und im Präparat beeinflußt worden sind.

Das entsprechende gilt beim Einsatz einer Phasenplatte. Die diesbezügliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung besitzt die Merkmale, 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 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 Weise eine vollständige Aufzählung darstellen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand des figürlich dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.

Die verschiedenen Elemente des erfindungsgemäßen Rastermikroskops sind längs der optischen jo Achse 1 desselben angeordnet. Das Mikroskop ist mit einer Strahlquelle üblichen Aufbaues ausgerüstet, die in diesem Ausführungsbeispiel die Spitzenkathode 2. den Wehneltzylinder 3 und d« Anode 4 enthält. Beispielsweise kann die in der kutschen Patentschrift ij 1 031 447 2Ig, 37'Ol beschriebene Konstruktion für den Strahlerzeuger Anwendung finden; auch eine Feldmissionskathode kann verwendet werden.

In Strahlrichtung hinter dem Strahlerzeuger befinden sich in zwei Stufen hintereinander angeordnete »o Ablenksysteme, die in diesem Ausführungsbeispiel zwei Paare elektrostatischer Ablenkplatten 5 und 5' bzw. 6 und 6' und diese speisende Sägezahngeneratoren enthalten. Zur Ablenkung in der zur Zeichenebene senkrechten Ebene dienen weitere Ablenksy- »5 sterne. Die Verwendung derartiger Ablenksysteme in elektrostatischer Ausführung bei Rastermikroskopen zeigt die britische Patentschrift I 128 107. Man könnte auch elektromagnetische Ablenksysteme einsetzen, wie in der USA.-Patentschrift 3 389 252 ange- jo geben. Schließlich sind auch kombinierte elektrostatische und elektromagnetische Ablenksysteme beispielsweise aus der deutschen Auslegeschrift 1 088 628 21g. 37 Ol 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 Ausfühnmgsbeispiel 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 Patent schriften 951882 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 Detektoreintrittsblende 10 durchgelassen werden.

Bei abgeschalteten Ablenksystemen S. 5' und 6. 6' oder beim Nulldurchgang ihrer Spannung ergibt sich der gestrichelt wiedergegebene Strahlengang 11. In diesem Ausfühnmgsbeispiel sind die Ablenksysteme so angeordnet und ist die Dimensionierung des Gerätes so getroffen, daß durch die Ablenksysteme der Strahl so aus- und /urückgelenkt 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 Verbindung mit der Lage der noch zu beschreibenden Blende 15 in derselben Ebene den Vorteil, daß gemäß dem ausgezogenen Strahlengang 16 bei eingeschalteten Ablenksystemen 5. 5' und 6. 6' durch die Blende 15 solche Teilstrahlen beeinflußt werden, die in der Ebene des Präparates 8 parallel zueinander verlaufen.

Als Einrichtung zur Erzielung gewünschter Abbildungseigenschaften ist in dem figürlich dargestellten Ausfühnmgsbeispiel die Hoppesche Zonenblende 15 eingesetzt. Sie besitzt, wie die Schnittdarstellung in der Figur erkennen läßt, aufeinanderfolgende ringförmige Zonen, die teils strahldurchlässig und teils strahlundurchlässig sind. Die Dimensionierung ist dabei so getroffen, daß in der Registrierebene 9 nur solche Teilütrahlen an der Bildentstehung beteiligt sind, die eine Abbildung nur mit positivem oder nur mit negativem Kontrast sicherstellen.

In die Figur ist ferner eine Kontrastblende 17 eingezeichnet, die dann angewendet wird, wenn an Stelle 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 Teilstrahlen den Kontrast in der Registrierebene 9 sicherzustellen. Grurisätzlich können auch vor den Ablenksystemen Kondensorlinsen vorgesehen sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   !. Raster-Korpuskularstrahlmikroskop mit einem Strahlerzeuger und — in Strahlrichtung aufeinanderfolgend — Ablenksystemen für den Strahl, einer Kondensorlinsenanordnung zur Fokussierung des Strahles auf ein abzubildendes Präparat, einer Registrierebene, in der Bildsignale des Präparates empfangen werden, sowie mit zusätzlichen Einrichtungen im Strahlengang, die diesen zwecks Erzielung gewünschter Abbildungseigenschaften beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen im Strahlengang zwischen den Ablenksystemen einerleits und 4em Präparat andererseits angeordnet lind.
2. 2. Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen im Strahlengang zwischen den Ablenksystemen einerseits und der Kondensorlinsenanordnung andererseits angeordnet sind.
3. 3. Mikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen im Strahlengang in der Eintrittsbiendenebene der Kondensorlinsenanordnung angeordnet sind.
4. 4. Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis

   3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in Strahlrichtung aufeinanderfolgende Ablenksysteme vorhanden sind, von denen das :rste 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 Kondensorlinsenanordtiung schneidet.
5. 5. Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis

   4. dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen eine Blende zum Ausblenden bestimmter Teilstrahlen des Strahles enthalten.
6. 6. Mikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende eine Dunkelfeldblende ist.
7. 7. Mikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende analog einer Zomenblende 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. 8. Mikroskop nach einem der Ansprüche I 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.