DE1948270C - Raster Korpuskularstrahlmikroskop - Google Patents

Description

Bei Ulrichen Elektronenmikroskopen, bei denen eier Komuskularstrahl. insbesondere ein Elektronenstrahl, mittels Kondensorlinsen auf einsn 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 USA.-Patentschrift 3 213 277 beschrieben sind: Diese zur Verringerung bzw. Beseitigung des störenden Einflusses des Öffnungsfehlers der Objektivlinse dienenden Blenden sind als Zoneiiblenden mit in bestimmten Abständen aufeinanderfolgenden strahldurchlässigen und strahlundurchlav sigen ringförmigen Bereichen ausgebildet. Die Di mensioniei ig 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 Konirast nur positiven oder nur negativen Vorzeichens beitragen. Diese Zonenblende trägt also letztlich der Tatsache-Rechnung, daß die Teilstrahlen sowohl in der O'ujek tivlinse als auch in dem Präparat unterschiedliche Phasenverschieb ingen erfahren, die zur unerwünschten Beeinflussung der Qualität des Endbildes führen können.

Weiterhin wird beispielsweise in dem deutschen Patent I 409 980 vorgeschlagen, vorzugsweise in der hinteren Objektivbrennebene eine Phasenplatte vorzusehen, die die Phasen von Teilstrahlen des Strahles derart beeinflußt, daß sie ungeachtet '.er beim Durchsetzen des Präparates und der Objektiv'linse erfahrenen Phasenverschiebungen für die gewünschte Abbildung erforderliche Phasenbedingungen in den Endbildebene erfüllen. Während bei der Zonenblende nach Hoppe also eine Ausblendung von Teilstrahle--. erfolgt, die die erforderlichen Phasenbedingungen nicht erfüllen, wird durch die Phasenpiatte ine echte Korrektur der Phasenfehler im Strahlengang vorgenommen.

. vlle diese Einrichtungen — deren obige Aufzahlung keinesfalls erschöpfend ist — werJen also bei den bekannten üblichen Elektronenmikroskopen im Abbiidungsteil, 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 rasterförmig abgetastet wird. Derartige RastermikK-skope, 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, wit beispielsweise der USA.-Patentschrift 3 389 252 oder der brititschen 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 werc'en. In dieser Registrierebene kann eine Fotoeinrichtung vorgesehen sein: in

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

Aus F i g. 4 der genannten Arbeit von ν. Α rd e η η e ist es ferner bekannt, bei einem derartigen Raster-Elektronenmikroskop besondere Einrichtungen für Dunkelfeldbetrieb im Strahlengang vorzusehen.

Eine in dieser Weise aufgebautes und mit einer derartigen Hinrichtung versehenes Raster-Korpubkularstrahlmikroskop ist Gegenstand der Erfindung. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Mikroskop in dei 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 ohne Abrasterung des Präparates) die Bestrahlungsapertur im allgemeinen klein, dagegen die Abbildungsaperiur relativ groß ist. Dies beruht darauf, daß der Querschnitt des abbildenden Strahlenbündel durch die Objektivaperturblende und die Abbildungsapertur durch diese Blende zusammen mit dem Abstand von der Linse gegeben ist. Demgegenüber liegen bei einem Raster-Korpuskularstrahimikroskop gerade die entgegengesetzten Verhältnisse \or: Hier ist die Bestrahlungsapertur groß, während die durch den Durchmesser der Detektoreingangsblende und den Abstand des Präparates von diener gegebene Abbildungsapertur klein ist. Will man also die die Abbildung im gewünschten Sinne beeinflussenden Einrichtungen, beispeilsweise Blenden, bei einem Rastermikroskop mit derselben Wirksamkei' 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.-Patentschrift 3 191 028 angegeoenen Sonderfall eines Rastermikroskops mit einem Einfeldkondensorobjektiv. 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 Objektivlinsenfeides als echte Abbildungslinse, so daß auch die im Präparat gestreuten Strahlen mit großer Austritts apertur in den Detektor gelangen. Zur Erzielung des erforderlichen Kontrastes wird in Strahlrichtung vor dem Detektor eine Kontrastblende vorgesehen, die einzelne Strahlen ausblendet. 4.uch 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, Phasenplatten od. dgl. 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, '.^besondere wird man die Hinrichtungen in der Eintrittsblendenebene der Kondensorlinsenanordnung 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

ίο Achse des Mikroskops auslenkt und das zweite den ausgelenkten Strahl derart zuriicklenkt, daß die Achse des zurückgelenkten Strahles die optische Achse zumindest ungefähr in deir Eintrittsblendenebene der Kondensorlinsenanordniung schneidet. Bei einer anderen Wahl des Schnittpunktes des ausgelenkten Strahles mit der optischen Achse erhält man unterschiedliche Bestrahlungsrichtungen und damit unterschiedliche Kontrastbedingumgen in Abhängigkeit von dem Achsabstand des jeweils betrachten Präparatpunktes.

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

Die Anwendung der Dunkelfeldteehnik bei Rastermikroskopen durch Verwendung eines zentral durchbohrten Detektors ist aus F i g. 4 der genannten Arbeit von v. A r d e η η e an sich bekannt. Diese bekannte

3c Anordnung erfordert aber, daß die Bestrahlungsaperatur klein ist gegen die Winkel, unter denen die im Präparat gestreuten Elektronen aus diesem austreten. Für die hochauflösende Dunkelfddmikroskopie ist es dagegen erwünscht, daß die Bestrahlungsaperatur 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 sie nur solche Teilstrahlen des Strahles zum Präparat gelangen läßt, die nach Durchsetzen der Kondcnsorlinsenanordnung und Beeinflussung durch das Präparat zur Abbildung mit Konlrasi nur positiven oder nur negativen Vorzeichens beitragen. Während bei der üblichen Anordnung der Hoppeschen Zonenblende im Abbildungstcil 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 Rastermikroskop bereits eine »Vorauswahl« der Teilstrahlen getroffen, bevor diese in der Kondensorlinse und im Präparat beeinflußt worden sind.

Das entsprechende gilt beim Einsatz einer Phasen platte. Die diesbezügliche Ausführungsform der e findungsgemäßen Anordnung besitzt die Merkmale, daß die Einrichtungen eine Phasenplattc enthalten, die die Phasen von Teilstrahlen des Strahles derail 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 Achse 1 desselben angeordnet. Das Mikroskop ist mit einer Strahlquelle üblichen Aufbaues ausgerüstet, die in diesem Ausführungsbeispiel die Spitzenkathode 2, den Wehneltzylinder 3 und die Anode 4 enthält. Beispielsweise kann die in der deutschen Patentschrift I 031 447 2Ig, 37/01 beschriebene Konstruktion für den Strahlerzeuger Anwendung finden; auch eine Feldmissionskathode kann verwendet werden.

In Strahlrichlung hinter dem Strahlerzeuger befinden sich in zwei Stufen hintereinander angeordnete 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 Ablenksysteme. Die Verwendung derartiger Ablenksysteme in elektrostatischer Ausführung bei Rastermikroskopen zeigt die britische Patentschrift 1 128 107. Man könnte auch elektromagnetische Ablenksysteme einsetzen, wie in der USA.-Patentschrift 3 389 252 angegeben. Schließlich sind auch kombinierte elektrostatische und elektromagnetische Ablenksysteme beispielsweise aus der deutschen Auslegeschrift 1 088 628 21g, 37/Oi 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 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 zwai tragen zur Bildentstehung nur diejenigen Sirahlen bei, die von der Detektoreintrittsblende 10 durchgelassen werden.

Bei abgeschalteten Ablenksystemen S, 5' und 6, 6' oder beim Nulldurchgang ihrer Spannung ergibt sich

ίο der gestrichelt wiedergegebene Strahlengang 11. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Ablenksysteme so angeordnet und ist die Dimensionicrung des Gerätes so getroffen, daß durch die Ablenksysteme dei Strahl so aus- und zurückgelenkt wird, daß die Achse 13 des zurückgelcnkten Strahles die optische Achse I in einem in der Eintrittsblendenebenc der Kondensorlinse 7 liegenden Punkt 14 schneidet. Die Wahl dieses »Kippunktcs« hat in Verbindung mit der Lage der noch zu beschreibenden Blende 15 in dcrsclbcr Ebene den Vorteil, daß gemäß dem ausgezogenen Strahlengang 16 bei eingeschalteten Ablenksystemer 5, 5' und 6, 6' durch die Blende 15 solche Teilstrahlen beeinflußt werden, die in der Ebene des Präparates 8 parallel zueinander verlaufen.

»5 Als Einrichtung zur Erzielung gewünschter Abbildunfeseigenschaften ist in dem figürlich dargestellter Ausführungsbeispiel die Hoppesche Zonenblende Ii eingesetzt. Sie besitzt, wie die Schnittdarstellung ir der Figur erkennen läßt, aufeinanderfolgende ringför-

.\o mice Zonen, die teils strahldurchlässig und teil· strahlundurchlässig sind. Die Dimensionierung ist dabei so getroffen, daß in der Registrierebene 9 nui solche Teilstrahlen an der Bildentstehung beteilig sind, die eine Abbildung nur mit positivem oder nui mit negativem Kontrast sicherstellen.

In die Figur ist ferner eine Kontrastblende 17 ein gezeichnet, die dann angewendet wird, wenn an Stellt einer einfachen Kondensorlinse ein Einfeldkondensor objektiv vorliegt, durch dessen Feld also auch cin< echte Abbildungslinse gebildet wird. Die Blende 17 die im Gegensatz zu der erfindungsgemäß im Bc strahlungsteil angeordneten Blende 15 im Abbii dungsteil hinter dem Präparat liegt, ^r>;ent also dazu durch Ausblenden von Teilstrahlen ucn Kontrast ii der Registrierebene 9 sicherzustellen. Grundsätzlicl können auch vor den Ablenksystemen Kondensorlin sen vorgesehen sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. 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 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 gekcinzeichnet, daß zwei in Strahlrichtung aufeinanderfolgende Ablenksysteme vorhanden sind, von denen das ersie 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 I bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen eine Blende zum Ausblenden bestimmter Teilstrahlen des Strahles enthalten.

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 Zonenbknde nach Hoppe derart ausgebildet ist, daß sie nur solche Teilstrahlen des Strahles zum Präparat gelangen läßt, die nach Durchsetzen der Kondtnsorlinsenanordnung und Beeinflussung durch das Präparat zur Abbildung mit Konirast nur positiven oder nur negativen Vorzeichens beitragen.

8. Mikroskop 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.