DE2016753A1

DE2016753A1 - Vorrichtung zur Einstellung und Änderung des Objektblickfeldes bei Elektronenmikroskopen oder dergleichen

Info

Publication number: DE2016753A1
Application number: DE19702016753
Authority: DE
Inventors: Takashi Hinoshi; Shirota Kohei Akishima; Tokio Yanaka (Japan). P 11353
Original assignee: Nihon Denshi KK
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1969-04-08
Filing date: 1970-04-08
Publication date: 1970-10-15
Also published as: DE2016753C3; US3737659A; JPS4833903B1; DE2016753B2

Description

2016753 .Patentanwalt Dipl.-Phys.Gerhard Liedl 8 München 22 Steinsdorfstr.21-22 Tel.298462

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NIHON DENSKI KABUSHIKI KAISHA 1418 Nakagami-cho, Akishima-shi, TOKY O/Japan

Vorrichtung zur Einstellung und Änderung des Objektblickfeldes bei Elektronenmikroskopen oder dergleichen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Änderung und Einstellung des Objektblickfeldes bei Elektronenmikroskopen u. dgl.. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Elektronenmikroskop mit einer derartigen Vorrichtung.

Bei Elektronenmikroskopen ist es erforderlich, die zu beobachtende Probe äußerst genau, fein und eben mit guter Bildwiedergabe entsprechend der Bildvergrößerung zu verschieben. Ferner ist es erforderlich, Quer-

H/Ho

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verschiebungen (d riften) der Probe und Vibrationen möglichst minimal zu halten. Bei Vergrößerungen von 100 000 oder mehr sind diese Forderungen besonders bedeutsam.

Herkömmliche Objekteinstellvorrichtungen sind z.B. in den amerikanischen Patentschriften 2 423 158 und 2 858 444 beschrieben, wobei die Probe mechanisch verschoben wird. Dies hat aber den Nachteil, daß die Genauigkeit der Verschiebung sehr begrenzt ist.

In der Regel wird ein Objektträger auf einer Objektivlinse mittels mehrerer Kugeln angeordnet. Hierbei ist es sehr schwierig, die entsprechenden Kontakt- und Berührungsflächen mit einer Genauigkeit von mehr als 1 Micron herzustellen. Außerdem besteht der Nachteil, daß die Berührungsflächen aufgrund des Gleitens der Kugeln im Laufe der Zeit beschädigt werden und feine Furchen aufweisen. Auch hierdurch wird eine glatte und ebene Verschiebung der Probe beeinträchtigt.

Ein weiterer Nachteil beruht auf nicht ausgeglichenen,thermischen Ausdehnungen des Trägers, seiner Verschiebe- und Antriebsmittel und des oberen Teiles der Objektivlinse, auf welchem der Träger angeordnet ist. Hierdurch wird die Probe in einer rechtwinkelig zur Elektronenstrahlachse liegenden Ebene verschoben (driften).

Ein weiterer Nachteil beruht auf der tangentialen Antriebskraft des Trägers. Wenn der Objektträger mechanisch bewegt und verschoben wird, setzt er diese Bewegung mit abnehmender Geschwindigkeit während meh rerer zehn Sekunden oder mehr nach Beendigung der Betätigung und Handhabung fort. Auch hieraus folgt, daß eine genaue Einstellung des Objektblickfeldes schwierig ist und es ist nicht möglich, eine ausreichen-

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de Bildqualität zu erhalten, wenn eine Fotografie unmittelbar nach der Objekteinstellung gemacht wird.

Wenn der Objektträger allein mechanisch verstellt wird, ist es nicht möglich, den vorgenannten Nachteilen in befriedigender Weise abzuhelfen. Das sich hieraus ergebende Problem besteht insbesondere bei Vergrößerungen von 100 000 oder mehr.

Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik ist es deshalb Aufgabe der Erfindung, den genannten Nachteilen abzuhelfen und eine verbesserte Einstellvorrichtung in Vorschlag zu bringen, mit der das Objekt äußerst genau, fein und glatt eingestellt werden kann. Dies soll insbesondere auch bei Vergrößerungen von 100 000 oder mehr der Fall sein. Ferner soll der zu beobachtende Teil des Objektes sehr einfach eingestellt werden können. Auch Abweichungen und Verschiebungen der Probe, die auf thermische Ausdehnungen und auf die Trägheit der mechanischen Verschiebung zurückzuführen sind, sollen möglichst vollständig vermieden werden.

Die vorgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch einen Halter für das Objekt, einen Träger zum Haltern des Objekthalters, durch Mittel zum Verschieben des Trägers in einer Ebene senkrecht zur Elektronenstrahlachse, durch Elektronenablenkmittel, die in einer Objektivlinse oder auf der Rückseite derselben angeordnet sind und zur Feineinstellung des Objektfeldes in beliebiger Richtung dienen, durch eine Gleichstromquelle, die einen Ablenkstrom oder eine Ablenkspannung den Elektronenablenkmitteln liefert und durch Steuermittel zur Steuerung des Ablenkstronies bzw. der Ablenkspannung.

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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, die Geschwindigkeit des Driftens des Objektes bzw. der Probe zu messen. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, die Vergrößerung des Bildes zu messen.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und anhand der beiliegenden Zeichnung ersichtlich. Eierin zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung des der Erfindung zugrunde liegenden Prin-

und 2 . '
zipes;

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Änderung des isotropischen Astigmatismus, der außer-axialen, chromatischen Aberration und der Bildauflösung in Abhängigkeit vom Radius der Bewegung, wenn das Objekt oder die Probe durch die in Fig. 2 dargestellten Ablenkmittel eingestellt wird;

Fig. 4 einen Schnitt durch eine erste bevorzugte erfindungsgemäße f Ausführungsform;

Fig. 5 einen Schnitt durch eine zweite bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform;

Fig. 6 eine Darstellung eines Verfahrens zur Beobachtung unter Anwendung der Erfindung;

Fig. 7 schematische Darstellungen mit weiteren bevorzugten erfin^u dungsgemäßen Ausführungsformen.

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Wie Fig. 1 zu entnehmen, werden durch eine Probe bzw. durch ein Objekt 1 gestreute Elektronen durch eine Objektivlinse 2 hindurch geleitet, die auf einer Ebene S das Objekt 1 abbildet. Das Bild des Objektes wird durch eine Zwischenlinse 4 und eine nicht dargestellte Projektorlinse, die auf der rückwärtigen Seite der Objektivlinse 2 angeordnet ist, vergrößert und man erhält ein endgültiges Bild auf einem nicht dargestellten fluoreszierenden Schirm. Ein Satz von Elektronenablenkmitteln ist auf der rückwärtigen Brennpunktebene oder in der Nähe der Objektivlinse 2 angeordnet. Eine Gleichstromquelle 6 liefert den Ablenkmitteln einen Ström oder eine Spannung, um die Elektronen von der Probe 1 abzulenken. Steuermittel 7, die zwischen den Ablenkmitteln 5 und der Gleichstromquelle 6 angeordnet sind, steuern den Ablenkstrom oder die Spannung, die durch die Gleichstromquelle 8 geliefert wird.

Wenn die Ablenkmittel 5 nicht erregt bzw. betätigt sind, d.h. wenn die Steuermittel 7 derart eingestellt sind, daß kein Strom oder keine Spannung von der Gleichstromquelle 8 zu den Ablenkmitteln 5 fließt, gehen nur die Elektronen vom Mittelpunkt a der Probe durch die Zwischenlinse 4 und'durch die Projektorlinse und sodann auf den Schirm. Die in diesem Fall von einem Randteil b der Probe 1 ausgehenden Elektronen ergeben einen Bildpunkt b', wie dies durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Dies bedeutet, daß die Elektronen nicht durch die Zwischenlinse 4 und die Projektorlinse hindurchgehen können. Deshalb wird ein Bild des Teiles b des Objektes nicht auf dem Bildschirm erzeugt.

Wenn das Objektblickfeld geändert werden muß, wird ein geeigneter Ablenkstrom oder eine geeignete Spannung den Ablenkmitteln 5 zugeführt, indem die Steuer mittel 7 entsprechend eingestellt werden. Um z.B. ein Bild des Teiles b zu erzeugen, müssen die Steuermittel 7 derart einge-

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stellt werden, daß ein Ablenkwinkel ^ erzeugt wird. Hierdurch werden die normalerweise bei b' abbildenden Elektronen längs der Elektronenstrahlachse ausgerichtet und auf den fluoreszierenden Schirm geworfen. Es ist somit möglich, nach Wunsch eine beliebige Stelle der Probe zu beobachten.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei der die Ablenkmittel nicht in der rückwärtigen Brennpunktebene der Objektivlinse 2 angeordnet werden können. In diesem Fall werden zusätzliche Ablenkmittel erforderlich, um dieselben Ergebnisse wie bei der Anordnung gemäß Fig. 1 zu erhalten.

Aufgrund der Änderung des Blickfeldes durch Ablenkmittel werden verschiedene Aberrationen im Bild erzeugt und außerdem wird die Bildauflösung beeinträchtigt. Uni Aufschluß über diese Einflüsse zu gewinnen, wurden erfindungsgemäß mehrere Versuche zur Bestimmung des Ausmaßes dieser Aberrationen usw. durchgeführt, indem der Radius der Objektbewegung geändert wurde.

Fig. 3 zeigt eine grafische Darstellung dieser Versuchsergebnisse. Die Beschleunigungsspannung der Elektronen betrug 100 KV, magnetomotorische Kraft der Objektivlinse 7000 A. T., halbe Breite des magnetischen Feldes in der genannten Linse 1, 5 m.m., Bildvergrößerung 250 000.

Auf der Abszisse ist der Radius der Bewegung aufgetragen, wenn die Probe durch die Ablenkmittel 5a und 5b eingestellt wird. Die drei Ordinaten zeigen den isotropischen Astigmatismus, die außer-axiale, chromatische Aberration und das Auflösungsvermögen. Die Kurven A, B und C entsprechen dem isotropischen Astigmatismus, der außer-axialen> chromatischen Aberration und dem Auflösungsvermögen des endgültigen Bildes auf einer fotografischen Platte.

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Aus der vorgenannten grafischen Darstellung ist offensichtlich, daß die genannten Aberrationen usw. große Werte annehmen, wenn der Radius der Objektbewegung zunimmt. Hieraus folgt, daß durch eine Begrenzung des Radius der Bewegung auf 3 Micron oder weniger die genannten Aberrationen usw. sehr klein gehalten werden können. Dies gilt insbesondere für die Bildauflösung, die nahezu konstant bleibt. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Bildfinsternis geringer ist als das Auflösungsvermögen der fotografischen Platte.

Als Folge der vorgenannten Finsternis ist die maximale erfindungsgemäße Bewegungsentfernung der Probe 3 Micron. Dies entspricht einem Bereich, der 225 mal größer ist als die Fläche des Bildes, die auf dem Bildschirm beobachtet werden kann, wenn der Durchmesser des Schirmes 12O m.m. und die Bildvergrößerung 300 000 betragen.

Als Ergebnis der vorgenannten Versuche zeigte sich ferner, daß ohne Rücksicht auf Vergrößerungsänderungen der Radius der Bewegung kaum beeinflußt wird.

Fig. 4 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Eine Objefctivliase 2, -die aus einem Linserp och 8, Polstücken 9 und einer Erregerspule 10 besteht, ist auf einer Zwischenlinse 4 angeordnet, die aus einem Linsenjoch 11, einem nicht magnetischen Abstandsstück 12 und einer Erregerspule 13 besteht. Ein Objektträger 14 ist auf der Objektivlinse 2 mit Hilfe von Kugeln 15 angeordnet und trägt einen Halter 16 zur Aufnahm« der Probe. Zwei bewegliche Stangen 17 sind in geeigneter Lage in einer Wandung 18 der Objektkanimer angeordnet. Ein Ende einer jeden Stange 17 steht in Berührung mit dem Träger 14. Eine Feder 19 ist in geeigneter Weise zwischen der Wand 18 und dem Träger 14 angeordnet.

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Durch eine Betätigung der beweglichen Stangen 17 wird der Träger 14 in einer rechtwinkelig zur Elektronenstrahlachse liegenden Ebene verschoben, wodurch das Objektblickfeld geändert wird.

Ein nicht magnetischer Zylinder 20 ist im Objektivlinsenjoch 8 koaxial zur Strahlachse angeordnet. Erste Ablenkmittel 5a und zweite Ablenkmittel 5b sind jeweils mit dem oberen bzw. mit dem unteren Teil des Zylinders 20 verbunden.

Bei der vorgenannten Ausführungsform wird die Vorrichtung zur mechanischen Objektbewegung und Verschiebung, die aus den Stangen 17 und der Feder 19 besteht, zur Grobeinstellung und Grobverschiebung der Probe benutzt, während die Ablenkmittel 5a und 5b zur Feineinstellung und zur Feinverschiebung dienen. Erfindungsgemäß kann somit das Objektblickfeld sehr genau und sehr einfach eingestellt und geändert werden.

Fig. 5 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform, und zwar eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 4. Der Träger 14 ist mit zwei Elementen 21 und 22 versehen, wobei das Element 22 als Support für den Objekthalter 18 dient. Die beiden Elemente 21 und 22 werden durch Federn 23 in festem Kontakt gehalten. Die Federn 23 sind an der Wand 18 und an dem Element 21 befestigt. Das Element 22 ist gleitend auf Supportelementen 24 angeordnet, die ihrerseits auf der oberen Fläche der Objektivlinse 2 angeordnet sind. Federn 25, die an der Objektivlinse 2 und an dem Element 22 befestigt sind, halten das Element 22 in gleitendem Kontakt mit den Supportelementen 24. Die beweglichen Stangen 17 sind mit ihrem einen Ende jeweils in Berührung mit dem Element 21. Durch Betätigung der Stangen 17 kann somit das Element 21 verschoben werden, so daß auch das Element 22 verschoben und das Objektblickfeld geändert wird.

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Zusätzlich sind ferner mehrere Hebel 28 vorgesehen, die schwenkbar in der Objektkammer 18 angeordnet sind. Oberhalb der Hebel 26 sind Stangen 27 angeordnet, die mit den Hebeln 26 in Berührung stehen. Beim Niederdrücken der Stangen 27 Wird das Element 21 von dem Element durch die Hebel 26 abgehoben. Das Element 22 verbleibt hierbei jedoch stationär auf den Supportelementen 24.

Durch eine derartige Trennung des Elementes 21 - zusammen mit seinen Einstellstangen 17 - von dem Element 22, welches als Support für den Objekthalter 16 dient, können somit Veränderungen, Verschiebungen und Abweichungen des Objektes vollständig vermieden werden, die z.B. auf thermische Ausdehnungen oder Kontraktionen des Elementes 21 und der Verschiebestangen 17 zurückzuführen sind. Auch eine Objektverschiebung und Bewegung nach der mechanischen Einstellung kann vollständig vermieden werden.

Nach Beendigung der Grobeinstellung wird ein Ablenkstrom bzw. eine Ablenkspannung an die Ablenkmittel 5a und 5b angelegt und die Probe wird innerhalb eines Radius von 3 Micron fein eingestellt.

Fig. 6 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren, bei dem eine hohe Auflösung und Abbildungen und Fotografien mit großem Bildblickfeld erhalten werden können. Bei diesem Verfahren arbeiten die Ablenkmittel derart, daß das Objektbild auf dem Schirm in folgender Reihenfolge gebildet wird: A-ü»B^C-^D~»E-*F-^G-^H-?·!. Jeder dieser Bildteile wird fotografiert und nach dem Entwickeln werden die einzelnen Bilder entsprechend der vorgenannten Reihenfolge zusammengefügt.

Fig. 7, 8 und 9 zeigen weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 steht das äußere Ende der beweglichen Stange 17 mit einem Hebel 30 in berührung, der unter Einwirkung einer Schraubenspindel 31 steht. Das andere Ende der Schraubenspindel 31 ist mit einem Kegelrad 32 versehen, welches mit einem weiteren Kegelrad 33 kämmt, das an einer Welle 34 befestigt ist. Die Welle 34 ist mit ihrem das Kegelrad 33 tragenden Ende aus einem Getriebe 35 nach außen heraus geführt. Die Welle 34 trägt ein Stirnzahnrad 36, welches mit einem zweiten Stirr.zahnrad 39 kämmt, welches auf einer gleitend angeordneten Welle 37 angeordnet ist, an deren äußerem Ende ein Knauf 38 befestigt ist. Eine weitere Welle 4O trägt ein Stirnzahnrad 41 und ist aus dem Getriebe 35 nach außen heraus zu den Steuermitteln 7 geführt/ Ein Potentiometer, welches einen Teil der Steuermittel bildet, wird durch Drehung der Welle 4-0 eingestellt, wodurch der Ablenkstrom bzw. die Ablenkspannung geändert werden.

Wenn die Stirnzahnräder 36 und 39 miteinander kämmen, wird der Träger 14 durch Drehung des Knaufes 38 über die vorgenannten Elemente verschoben. Hierbei drückt der Hebel 30 die Stange 17 entsprechend dem Ausmaß der Drehung des Knaufes 38, was eine entsprechende Verschiebung des Trägers 14 zur Folge hat.

Durch eine Verschiebung des Knaufes 38 in Richtung der Welle 37 kommen die beiden Stirnzahnräder 36 und 39 außer Eingriff und das Stirnzahnrad 39 wird in Eingriff mit dem Stirnzahnrad 41 gebracht. Hierbei wird das vorgenannte Potentiometer der Kontrollmittel 7 durch den Knauf 38 eingestellt. Dies hat eine entsprechende Einstellung des Ablenkstromes bzw. der Ablenkspannung zur Folge, die den Ablenkmitteln 5 zugeführt wird. Das Objektblickfeld wird somit durch Elektronenablenkung geändert.

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Eine Anwendung der Erfindung betrifft das Messen der Vergrößerung des Bildes. Dies ist unter Bezug auf Fig. 8 näher erläutert. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 sind eine Wechselstromquelle 42 und Schaltmittel 43 zusätzlich zu der Gleichstromquelle 6 und den Steuer mitteln 7 vorgesehen. Wenn es gewünscht ist, die Bildvergrößerung zu messen, werden die Schaltmittel 43 mit der Wechselstromquelle 42 verbunden, wobei ein Wechselstrom bzw. eine Wechselspannung an die Ablenkmittel 5a und 5b angelegt wird. Die Elektronen von der Probe werden sodann periodisch längs den Linien a' und a" ausgerichtet. Hieraus ergibt sich ein doppeltes Bild der Probe auf dem Schirm und die Vergrößerung kann durch Messer, des Abstandes zwischen den beiden Bildern gemessen werden.

Fig. 9 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung,

Die in Fig. 9 dargestellte Ausführungsform weist eine Vorrichtung 44 zum Messen der Geschwindigkeit der Probenabwanderung und -drift auf. Die Vorrichtung 44 ist mit einem Detektorkreis für den Ablenkstrom bzw. für die Ablenkspannung, einem Zeitgeber und einer arithmetischen Einheit versehen und mit der. Steuermittel 7 verbunden. Wenn die Probe in eine Richtung driftet bzw. abwandert, wird sie um das gleiche Maß in entgegengesetzter Richtung durch die Steuermittel verschoben. Der Strom oder die Spannung, die den Ablenkmitteln von den Steuermitteln zugeführt werden, werden von dem Detektorkreis aufgenommen und das Detektorsignal wird der arithmetischen Einheit zugeführt. Nach einer bestimmten vorgewählten Zeitdauer erzeugt der Zeitgeber ein Signal (z.B. ein Impulssignal), welches ebenfalls der arithmetischen Einheit zugeführt wird, die sodann einen Wert von I/t oder V/t errechnet. Hierbei ist t eine vorgewählte bestimmte Zeit, während I und V die Inten-

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sitäten des gemessenen und abgefüllten Stromes und der Spannung bedeuten. Da diese Intensitäten dem Ablenkwinkel, d. h. dem Ausmaß der Elektronenbewegung proportional sind, kann die Geschwindigkeit der Auswandung und des Driftens der Probe aus den Werten I/t oder V/t ermittelt werden.

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Claims

Patentansprüche

ί 1. !'Vorrichtung zur Änderung und Einstellung des Objektblickfeldes für Elektronenmikroskope u.dgl., gekennzeichnet durch einen Halter (16) für das Objekt, einen Träger (14) zum Haltern des Objekthalters (16), durch Mittel zum Verschieben des Trägers (14) in einer Ebene senkrecht zur Elektronanstrahlachse, durch Elektronenablenkmittel (5), die in einer Objektivliuse oder auf der Hückseite derselben angeordnet sind und zur FemeinsteHuog des Objektfeldes in beliebiger Richtung dienen, durch eine Gleichstromquelle, die einen Ablenkstrom oder eine Ablenkspannung den Elektronenablenkmitteln (5) liefert und durch Steuermittel (7) zur Steuerung des Ablenkstromes bzw. der Ablenkspannung.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die tronenablenkmittel (5) in der rückwärtigen Brennpunktebene oder in der Nähe der Objektivlinse (2) angeordnet sind.
3« Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Anordnungen (5a und 5b) von Elektronenablenkmitteln zwischen der Objektivlinse (2) und einer nachfolgenden Linse, insbesondere einer Zwischenlinse (4r),, angeordnet sind.
4. Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Feineinstellung des Objektblickfeldes in beliebiger Richtung längs eines Radius von 3 Micron oder weniger erfolgt.
5. Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Trennung des Trägers (14) von den Mitteln zur Verschiebung desselben vorgesehen sind, wobei die

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Trennung und Isolierung während der Zeit erfolgt, während der die Ablenkmittel betätigt werden.
6. Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Verbindung der Mittel zum Verschieben des Trägers (14) mit den Steuermitteln (7) vorgesehen sind.
7. Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu der Gleichstromquelle eine Wechselstromquelle vorgesehen ist und daß Schaltmittel vorgesehen sind, durch die wahlweise die beiden Stromquellen in und außer Eingriff bzw. Wirkung gebracht werden können.
8. Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Messen der Geschwindigkeit der Auswanderung der Probe oder des Objektes vorgesehen sind, die mit den Steuermitteln (7) verbunden sind.

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