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Aus
der
EP 0 205 092 B1 ist
ein Positronen-Elektronenmikroskop bekannt, bei dem mittels eines
Ablenkmagneten der von einer Positronenquelle emittierte Positronenstrahl
und der von einer Elektronenquelle emittierte Elektronenstrahl einander überlagert
werden. Nach der Überlagerung
erfolgt die Einkopplung in den Strahlengang des Elektronenmikroskops
mit magnetischen Kondensor- und Objektivlinsen. Sämtliche
nachgesehalteten Abbildungselemente sollen bei Elektronen- und bei
Positronenbetrieb identisch erregt sein. Das für Positronen und Elektronen
unterschiedliche Ablenkverhalten in den Magnetlinsen soll erst durch
das dem Objektiv nachgeschaltete Ablenksystem korrigiert werden,
indem bei Positronenbetrieb das Ablenksystem invertiert zum Elektronenbetrieb
angesteuert wird.
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Bei
einer eventuellen Fehljustierung zwischen der Positronenquelle und
der Elektronenquelle, d.h. wenn die Quellenbilder beider Quellen
vor dem Eintritt in den Kondensor nicht exakt übereinanderliegen, trifft bei
diesem System der Positronenstrahl nicht auf das zuvor elektronenmikroskopisch ausgewählte Objektdetail.
Die Rekombinationsuntersuchung mittels des Positronenstrahls erfolgt
dann an einem falschen Ort. Das System erfordert daher eine sehr
kritische mechanische Justierung von Elektronenquelle und Positronenquelle
zueinander, die in der praktischen Anwendung einen erheblichen Aufwand
bedeutet.
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In
einer Figur zu einer Ausführungsform
sind zusätzliche
Spulen im Strahlverlauf zwischen dem Ablenkmagneten und der Kondensorlinse
dargestellt, wobei jedoch keinerlei Angaben zu der Funktion oder der
Ansteuerung dieser zusätzlichen
Spulen enthalten sind.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist ein kombiniertes Positronen-Elektronenmikroskop,
also ein Elektronenmikroskop mit einem Positronenzusatz, bei dem
die mechanische Justierung von Elektronenquelle und Positronenquelle
relativ zueinander weniger kritisch ist. Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch
ein Positronen-Elektronenmikroskop mit den Merkmalen des Anspruches
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen
der abhängigen
Ansprüche.
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Das
erfindungsgemäße Positronen-Elektronenmikroskop
weist demnach eine Elektronenquelle, eine Positronenquelle und ein
Magnetprisma zur (einander) Überlagerung
eines von der Elektronenquelle ausgehenden Elektronenstrahls und
eines von der Positronenquelle ausgehenden Positronenstrahls auf.
Weiterhin weist das Mikroskop eine elektronenoptische Abbildungsoptik
mit ein oder mehreren Magnetlinsen zur Fokussierung des Elektronenstrahles
und/oder des Positronenstrahles auf. Die Magnetlinse oder die Magnetlinsen
zur Fokussierung des Strahles auf die Probe sind dabei bei Positronenbetrieb
und bei Elektronenbetrieb identisch erregt. Zusätzlich weist das erfindungsgemäße Positronen-Elektronenmikroskop
mindestens ein Ablenksystem zur Strahljustierung vor Eintritt des
Positronen- oder
Elektronenstrahls in die fokussierende Abbildungsoptik auf, wobei
bei Positronenbetrieb und bei Elektronenbetrieb dieses Ablenksystem
unterschiedlich erregt ist. Das Ablenksystem kann dabei durch Luftspulen
realisiert sein, die in Strahlrichtung hinter dem Magnetprisma angeordnet
sind.
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Beim
erfindungsgemäßen System
wird demzufolge dem unterschiedlichen Abbildungsverhalten von Positronen
und Elektronen in der fokussierenden Abbildungsoptik bereits vor
Eintritt in diese Abbildungsoptik Rechnung getragen. Eventuell verbleibende
Fehler nach der mechanischen und der elektronen- bzw. positronenoptischen
Justierung durch das Ablenksystem werden dadurch entsprechend dem
Verkleinerungsverhältnis
der fokussierenden Abbildungsoptik entsprechend verkleinert. Für diese elektronen-
bzw. positronenoptischen Strahljustierung vor Eintritt in die fokussierende
Abbildungsoptik können
beispielsweise die bei den meisten Rasterelektronenmikroskopen ohnehin
vorhandenen Justierspulen (Alignment Coils oder Ablenksystem) ausgenutzt
werden. Für
die Implementierung der Erfindung ist es deshalb nur erforderlich,
entsprechende unterschiedliche Datensätze für die Erregung der Justierspulen
bei Elektronenbetrieb und bei Positronenbetrieb abzuspeichern.
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Soweit
die fokussierende Abbildungsoptik zwei- oder mehrstufig ausgelegt
ist, ist es weiterhin vorteilhaft, auch die Erregung der üblicherweise
zwischen den Abbildungsstufen vorhandenen Stigmatorspulen bei Positronen-
und Elektronenbetrieb jeweils unterschiedlich zu erregen. Allerdings
ist darauf zu achten, daß ausschließlich die
Erregung eisenfreier Elemente, d.h. die Erregung von Luftspulen
oder elektrostatischen Elementen, geändert wird, damit Probleme
aufgrund der bei eisenhaltigen Elementen zwangsweise vorhandenen
Remanenz ausgeschlossen werden.
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Vorzugsweise
sind sowohl auf der Seite der Elektronenquelle als auch auf der
Seite der Positronenquelle vor dem jeweiligen Eintritt in das Magnetprisma
jeweils eine weitere Magnetlinse vorgesehen, durch die der Positronenstrahl
und der Elektronenstrahl in die Bildebene des Magnetprismas fokussiert werden.
Zur weiteren Justierung der Strahlengänge sollten desweiteren auf
der Seite der Positronenquelle und der Elektronenquelle je ein weiteres
Doppelablenksystem unmittelbar hinter der jeweiligen Quelle vorgesehen
sein. Zur Feinabstimmung zwischen dem Strahlverlauf des Positronenstrahls
und dem des Elektronenstrahls sollte ein weiteres einfaches Ablenksystem
unmittelbar vor Eintritt eines der Strahlengänge in das Magnetprisma, vorzugsweise
auf der Seite der Positronenquelle, vorgesehen sein.
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Soweit
das erfindungsgemäße Positronen-Elektronenmikroskop
als Rastergerät
ausgebildet ist und demzufolge eine Ablenkeinrichtung zum Abrastern
der Probe aufweist, sollte diese Ablenkeinrichtung bei Positronenbetrieb
stets so erregt sein, daß der
Positronenstrahl stets auf einen fest vorgegebenen Ort, vorzugsweise
auf der optischen Achse der Abbildungsoptik, fokussiert ist. Diese
Maßnahme erfordert
zwar, daß das
mittels Positronenbestrahlung näher
zu untersuchende Objektdetail zuvor in eine Position gebracht werden
muß, in
der der Positronenstrahl auf dieses Objektdetail fokussiert ist.
Bei einem motorischen Probenhalter mit einer entsprechenden Motorsteuerung
stellt dieses jedoch keinen großen
Nachteil dar, wenn die Motorsteuerung beim Umschalten vom Elektronenbetrieb
auf Positronenbetrieb automatisch die erforderliche Verschiebung der
Probe bewirkt. Hierzu braucht beispielsweise nur das interessierende
Objektdetail im Elektronenbild auf einem Monitor markiert zu werden
und beim Umschalten auf Positronenbetrieb erfolgt dann automatisch
die Bewegung der Probe entsprechend der Koordinaten des markierten
Objektdetails und der bekannten Position des Positronenfokus.
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Bei
einem weiterhin vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist der Positronenfokus
in der Probenebene einen Fokusdurchmesser entsprechend der Dimension
des Elektronenfokus beim Elektronenbetrieb auf, der vorzugsweise
1 μm oder
weniger beträgt.
Eine Positronenquelle, die entsprechend gut fokussierbar ist, und
gleichzeitig eine hinreichend hohe Strahlintensität aufweist,
kann durch einen Positronenemitter mit einem nachgeschalteten Reflexionsmoderator
aufgebaut sein. Ein solcher Reflexionsmoderator kann aus einem Blech
aus einem Material mit negativer Austrittsarbeit für Positronen
mit einem kleinen Loch durch das Blech bestehen, wobei der Lochdurchmesser
unter 0,4 mm, vorzugsweise sogar unter 0,2 mm beträgt. Dieser
Lochdurchmesser stellt dann die effektive Querschnittsfläche der Positronenquelle
dar. Für
eine optimale Positionierung des Positronenemitters hinter dem Loch
des Reflexionsmoderators ist der Positronenemitter weiterhin vorzugsweise
auf einer Justiereinrichtung aufgenommen, mittels der der Positronenemitter
in drei zueinander senkrechten Raumrichtungen relativ zum Reflexionsmoderator
justierbar ist.
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Das
Magnetprisma zur Überlagerung
von Elektronenstrahl und Positronenstrahl hat abbildende Eigenschaften,
d.h. es bildet mindestens drei Quellebenen ineinander ab.
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Nachfolgend
werden Einzelheiten der Erfindung anhand des in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Im
einzelnen zeigen:
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1a die
Prinzipsskizze eines erfindungsgemäßen Positronen-Elektronenmikroskops
im Schnitt;
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1b den
Strahlverlauf innerhalb des Magnetprismas bei einem Rasterelektronenmikroskop gemäß 1a;
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2a eine
vergrößerte Darstellung
eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels
für eine
Positronenquelle;
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2b eine
weiterhin vergrößerte Darstellung
der Positronenquelle aus 2a; und
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3 die
Darstellung eines Monitorbildes zur Erläuterung der Repositionierung
beim Umschalten vom Elektronenbetrieb zum Positronenbetrieb.
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Der
Aufbau einer Positronenquelle wird zunächst anhand der 2a und 2b erläutert. Die Positronenquelle
besteht aus einem Träger
(1), auf den durch Aufdampfen durch eine kleine Blendenöffnung radioaktives
Material (2) als Positronenemitter aufgebracht ist. Das
radioaktive Material (2) ist ein e+-Strahler,
beispielsweise 22Na. Es handelt sich dabei
um ein hochreines, trägerfreies
Nuklid mit einer spezifischen e+-Aktivität von ca.
1014 Bq pro Gramm.
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Weiterhin
umfaßt
die Quelle einen Reflexionsmoderator (3), der aus einem
Wolframblech mit einem kleinen zylindrischen oder konischen Loch
(4) ausgebildet ist. Das Loch (4) weist dabei
auf der dem radioaktiven Material (2) zugewandten Seite
einen Durchmesser von weniger als 0,4 mm, vorzugsweise 0,2 mm auf.
Löcher
mit derart kleinen Durchmessern sind durch konventionelles Bohren
erreichbar. Ein Loch (4) mit einer konischen Ausbildung,
dessen Durchmesser in Richtung auf den Positronenemitter abnimmt,
ist bevorzugt, damit ein elektrostatisches Absaugfeld besser in
das Loch eindringen kann.
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Für eine feine
Positionierung des radioaktiven Materials (2) relativ zu
dem Loch (4) des Moderators (3) sind, wie in der
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2a dargestellt,
zwei Justiereinrichtungen vorgesehen. Der Träger (1) für das radioaktive
Material (2) ist dafür
auf einer üblichen
Spiegelhalterung (5) aufgenommen, und die Spiegelhalterung
(5) mittels einer Linearführung (7) relativ
zu einem gerätefesten
Träger
(8) justierbar. Die Linearführung (7) kann einfach
als eine mit einem Innengewinde im gerätefesten Rahmen (8)
kämmende
Gewindespindel ausgebildet sein. Durch Drehen dieser Gewindespindel
(7) erfolgt eine Linearverschiebung des Spiegelhalters
(5) in Achsrichtung der Gewindespindel. Die Gewindespindel
(7) wiederum ist drehbar in der Trägerplatte (5b) der
Spiegelhalterung (5) gelagert. Mittels zweier Stellschrauben,
von denen in der 2a nur eine Stellschraube 6 dargestellt
ist, ist die zweite Platte (5a) der Spiegelhalterung (5),
an der der Träger
(1) mit dem radioaktiven Material (2) aufgenommen
ist, in zwei zur Achse der Gewindespindel (7) senkrechten
Richtungen justierbar. In analoger Weise ist der Moderator (3)
ebenfalls in drei zueinander senkrechten Raumrichtungen fein justierbar
am Geräterahmen
(8) aufgenommen. Der Reflexionsmoderator (3) ist
dazu über
einen Träger
(9) an einer zweiten Spiegelhalterung (10) und
diese zweite Spiegelhalterung (10) über eine Gewindespindel (11)
aufgenommen. Durch Drehen der Gewindespindel (11) erfolgt
eine Linearverschiebung der Spiegelhalterung (10) parallel
zur Achse der zweiten Gewindespindel (11) und durch Verstellen
der beiden Stellschrauben des Spiegelhalters (10), von
denen in der 2a wiederum nur eine einzige
Stellschraube (12) dargestellt ist, erfolgt eine Justierung
des Reflexionsmoderators (3) in den beiden zur Achse der
Gewindespindel (11) senkrechten Raumrichtungen.
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In
der 1a ist ein erfindungsgemäßes Rasterelektronenmikroskop
mit einer Positronenquelle gemäß der 2a und 2b dargestellt. Nach
Austritt aus dem Moderator (3) der Positronenquelle werden
die Positronen mittels einer Absaugelektrode (21), die
gegenüber
dem Moderator auf einem negativen Potential liegt, abgesaugt und
mittels einer Beschleunigungselektrode (22) auf die gewünschte Sollenergie
beschleunigt. Der Positronenemitter (2) und der Moderator
liegen dabei auf positiver Hochspannung. Mittels eines durch Luftspulen realisierten
Doppelablenksystems (23), einer nachfolgenden Kondensorlinse
(43), einem weiteren einfachen Ablenkaystem (48)
und einem, dem weiteren Ablenksystem (48) nachfolgenden
Magnetprisma (20) wird der Positronenstrahl um 90° abgelenkt
und gleichzeitig in die Eingangsquellebene (24) der nachfolgenden
Abbildungsoptik abgebildet. Das Ablenksystem (48) dient
dabei zur Feinjustierung des Positronenstrahls, während das
Doppelablenksystem (23) zur Grobjustierung des Positronenstrahls
dient.
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Für die übliche Elektronenmikroskopie
ist außerdem
eine Elektronenquelle in Form einer Glühkathode (25) mit
Wehneltelektrode (26) und Beschleunigungselektrode (27)
auf der der Positronenquelle gegenüberliegenden Seite des Prismas
(20) angeordnet. Anstelle einer Glühkathode (25) kann
auch eine LaB6-Kathode, eine thermische
Feldemissionsquelle oder eine sonstige, "kalte" Feldemissionsquelle vorgesehen sein.
Der aus der Kathode (25) emittierte Elektronenstrahl wird
mittels eines weiteren Doppelablenksystems (28), einer
diesem Doppelablenksystem (28) nachgeschalteten weiteren
Kondensorlinse (29) und des Magnetprismas (20)
ebenfalls in die Eingangsquellebene (24) abgebildet.
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Die
Strahlführung
sowohl des Positronenstrahls als auch des Elektronenstrahls im Bereich
des Prismas (20) ist in der 1b dargestellt.
Sowohl die elektronenseitige Kondensorlinse (29) als auch
die positronenseitige Kondensorlinse (43) sind so erregt, daß der Crossover
der Elektronenquelle in die eine Eingangsquellebene (46)
und der Crossover der Positronenquelle in die andere Eingangsquellebene (45)
des Magnetprismas (20) abgebildet wird. Das Magnetprisma
(20) bildet dann beide Eingangsquellebenen (45, 46)
in dieselbe Aungangsquellebene mit einem Abbildungsmaßstab von
ca. 0,5 ab, die mit der Eingangsquellebene (24) des nachfolgenden
elektronenoptischen Abbildungssystems zusammenfällt. Für diesen Fall ist es vorteilhaft,
daß in
der Nähe
der positronenseitigen Eingangsquellebene (45) des Magnetprismas
(20) das weitere einfache Ablenksystem (48) für die Justierung
des Positronenstrahls vorgesehen ist.
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Alternativ
können
die elektronenseitige und die positronenseitige Kondensorlinsen
(29, 43) auch beide so erregt sein, daß der Crossover
der Positronenquelle in die eine Bildebene (44a) des Magnetprismas
(20) und der Crossover der Elektronenquelle in die andere
Bildebene (44b) des Magnetprismas (20) abgebildet
wird. In diesem Fall muß die
Eingangsquellebene (24) des nachgeschalteten Abbildungssystems
mit den beiden Bildebenen (44a, 44b) des Magnetprismas
(20) zusammenfallen.
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In
beiden Fällen
hat das Magnetprisma (20) abbildende Eigenschaften, d.h.
das Magnetprisma bildet drei Quellebenen (45, 46, 24)
aufeinander ab; ein entsprechendes Magnetprisma ist beispielsweise vom
Elektronenmikroskop EM 902 der Firma Carl Zeiss, Germany, bekannt
und braucht deshalb an dieser Stelle nicht detaillierter beschrieben
zu werden.
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Die
nachfolgende, für
Positronen und für Elektronen
gleichermaßen
genutzte Abbildungsoptik (1a) hat
einen konventionellen Aufbau und enthält ein der Eingangsquellebene
(24) nachgeschaltetes Doppelablenksystem (30)
für die
Strahljustierung, einen zweistufigen Kondensor mit Magnetlinsen
(31, 32), austrittsseitig des Kondensors (31, 32)
angeordnete Stigmatorspulen und ein Objektiv (34) zur Fokussierung
des Teilchenstrahls auf ein Objekt (37) auf einem Objekthalter
(38). Die Kondensorlinsen (31, 32) und
die Objektivlinse (34) sind starke Magnetlinsen und weisen
demzufolge Polschuhe aus magnetischem Weicheisen auf. Die Spulen
des zur Justierung dienenden Doppelablenksystems (30) und die
Spule (33) für
den Stigmator sind dagegen als Luftspulen ausgebildet. In das Objektiv
(34) integriert ist weiterhin ein Doppelablenksystem (35, 36),
durch das in konventioneller Weise das Objekt (37) mittels des
Elektronenstrahls abgerastert werden kann.
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Zwischen
dem Doppelablenksystem (35, 36) und dem Probenhalter
(38) sind noch zwei Detektoren (39, 49)
vorgesehen, von denen der eine zur Detektion von Rückstreuelektronen
und der andere zur Detektion von aus der Probe (37) austretenden
Sekundärelektronen
dient. Weitere Detektionssysteme, wie z.B. Röntgenmikroanalysesysteme (EDX
etc.) oder Kathodolumineszenz-Detektoren,
können
ebenfalls vorgesehen sein. Auf der optischen Achse des Elektronenmikroskops
unterhalb des Probenhalters (38) ist noch ein Gammadetektor
(47) zum Nachweis der durch Rekombination eines Positrons
beim Positronenbetrieb mit einem Elektron der Probe (37)
emittierten Gammastrahlung angeordnet.
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Aufgrund
der Verwendung einer Positronenquelle mit dem kleinen emittierenden
Fleckdurchmesser von weniger als 0,4 mm und der Energieunschärfe von
0,0075 Elektronenvolt entspricht der Phasenraum der emittierten
Positronen in etwa dem Phasenraum der von der Elektronenquelle (25)
emittierten Elektronen gleicher Energie. Deshalb sind die Abbildungseigenschaften
des Rasterelektronenmikroskops mit der beschriebenen Positronenquelle
für Positronen
und Elektronen nahezu identisch.
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Wichtig
für den
Betrieb des Elektronenmikroskops ist weiterhin, daß der Positronenstrahl
bei Positronenbetrieb und der Elektronenstrahl bei Elektronenbetrieb
beide vor Eintritt in den Kondensor des Elektronenmikroskops in
denselben Punkt in der Eingangsquellebene (24) abgebildet
werden. Dieses erfolgt bei bereits justierter Elektronenquelle durch
Justierung des Moderators (3) und des radioaktiven Elementes
(2) mittels der beiden Positioniersysteme der Positronenquelle.
Eventuelle Fehljustierungen zwischen Elektronenstrahl und Positronenstrahl
werden dadurch je nach Einstellung des Kondensorzooms um einen Faktor
von 5 mal bis 1000 mal im Zoom verkleinert.
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Beim
Umschalten zwischen Positronenbetrieb und Elektronenbetrieb werden
lediglich die Erregungen der Luftspulen für die Strahljustierung (30), den
Stigmator (33) und des Doppelablenksystemes (35, 36)
verändert.
Die Erregung der Kondensorlinsen (31, 32) und
des Objektivs (34) bleibt dagegen unverändert. Die Änderung der Erregungen der Luftspulen
erfolgt dabei so, daß den
für Elektronen und
Positronen entgegenge setzten Ablenkeigenschaften in den Magnetlinsen
Rechnung getragen wird.
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Der
Untersuchungsablauf bei einem solchen kombinierten Positronen-Elektronenmikroskop
erfolgt üblicherweise
derart, daß zunächst das
Objekt (37) mittels des Elektronenstrahls abgerastert und das
Bild der Sekundärelektronen
oder Rückstreuelektronen
beobachtet wird. Nachfolgend werden ausgewählte Objektdetails mittels
des Positronenstrahls näher
untersucht. Unabhängig
davon, an welcher Position innerhalb des Elektronenbildes sich das
betreffende Objektdetail befindet, wird der Positronenstrahl stets
auf denselben Punkt fokussiert, d.h. beim Positronenbetrieb ist
das Doppelablenksystem (35, 36) stets so erregt,
daß eine
räumlich
feststehende Positronensonde in Form des fokussierten Positronenstrahls
realisiert wird. Statt den Positronenstrahl auf das interessierende
Objektdetail auszurichten, wird vielmehr das interessierende Objektdetail
in den Fokus des Positronenstrahls gebracht. Die Abmessungen (Durchmesser)
des mittels Positronen untersuchten Bereiches des Objektes liegen,
je nach Beschaffenheit des Objektes (37), zwischen 0,1 μm und 1 μm; diese
je nach Objekt unterschiedlichen Bereichsgrößen ergeben sich aus den vom
Objekt abhängigen
Größen des
Diffusionsbereiches für
die Positronen, bis diese sich mit einem Elektron annullieren. Die
Verschiebung der Probe kann entweder manuell oder automatisch erfolgen.
Bei manueller Verschiebung wird, wie in der 3 angedeutet,
die Position der Positronensonde in dem bei Elektronenbetrieb erzeugten
Bild (40) durch eine Markierung (41) gekennzeichnet.
Mittels des Antriebes des Probenhalters kann dann das interessierende
Objektdetail (42) in die Position der Markierung (41)
gebracht werden und nachfolgend auf Positronenbetrieb umgestellt
werden. Letzteres geschieht dadurch, daß mittels nicht dargestellter
Shutter der Elektronenstrahl zwischen der Emissionskathode (25)
und dem Prisma (20) unterbrochen und ein nicht dargestellter Shutter
zwischen der Positronenquelle und dem Magnetprisma (20)
geöffnet
wird. Bei einer automatischen Nachführung des interessierenden
Objektdetails (42) ist die Position der Positronensonde
relativ zum dargestellten Bild abgespeichert und das interessierende
Objektdetail (42) braucht lediglich im Bild, beispielsweise
mit einem Cursor, markiert zu werden. Die Antriebssteuerung des
Probenhalters (8) verfährt dann
den Probenhalter (38) derart, daß das markierte Objektdetail
(42) in die abgespeicherte Position der Positronensonde
(41) gebracht wird.
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Bei
dem anhand der Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Elektronen-Positronenmikroskops
ist das Magnetprisma (20) als "dreiseitiges" Prisma realisiert. Selbstverständlich können stattdessen
auch andere Magnetprismen eingesetzt werden, die gleichzeitig die
Bedingung der Strahlzusammenführung
und Fokussierung erfüllen,
beispielsweise in Form eines vierseitigen Prismas, das vier Quellebenen
ineinander abbildet; die der Austrittsseite gegenüberliegende
Prismenseite bleibt dann ungenutzt. Außerdem können zur Reduzierung von Abbildungsfehlern
bei der Crossover-Übertragung
durch das Magnetprisma auch die Ein- und Austrittskanten des Magnetprismas durch
Polschuhe mit gekrümmten
Rändern
gekrümmt
sein.