DE2016753B2

DE2016753B2 - Vorrichtung zur justierung des objektfeldes in elektronenmikroskopen

Info

Publication number: DE2016753B2
Application number: DE19702016753
Authority: DE
Inventors: Takashi Hinoshi Shirota Kohei Akishima Tokio Yanaka (Japan)
Original assignee: Nihon Denshi KK
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1969-04-08
Filing date: 1970-04-08
Publication date: 1973-08-02
Also published as: DE2016753C3; US3737659A; DE2016753A1; JPS4833903B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Justierung des Objektfeldes in Elektronenmikroskopen, enthaltend einen Halter für das Objekt, einen Träger zum Haltern des Objekthalters, Mittel zum Verschieben des Trägers in einer Ebene senkrecht zur Elektronenstrahlachse, eine Objektivlinse und Elektronenablenkmittel.

Bei Elektronenmikroskopen ist es erforderlich, die zu beobachtende Probe äußerst genau, fein und eben mit guter Bildwidergabe entsprechend der Bildvergrößerung zu verschieben. Ferner ist es erforderlich, Querverschiebungen 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 eine·· Genauigkeit

ίο von mehr als 1 Micron herzustellen. Außerdem besteht der Nachteil, daß die Berührungsflächen auf Grund 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 Teils der Objektivlinse, auf welchem der Träger angeordnet ist. Hierdurch wird die Probe in einer rechtwinklig zur Elektronenstrahlachse liegenden Ebene verschoben.

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 mehrerer zehn Sekunden oder nach Beendigung der Betätigung und Handhabung fort. Auch hieraus folgt, daß eine genaue Einstellung des Objektblickfeldes schwierig ist, und es ist nicht möglich, eine ausreichende 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.

Die Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, daß unerwünschte Verschiebungen des Objektes, die aus mechanischen oder thermischen Bewegungen des Objektträgers resultieren, durch Beeinflussung des Elektronenstrahles so kompensiert werden, daß der zu beobachtende Objektbereich in das Blickfeld gerückt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei der eingangs dargestellten Vorrichtung erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zur Feineinstellung des Objektblickfeldes die Elektronenablenkmittel Mittel zur Ablenkung des gesamten Elektronenstrahles sind, die entweder in der Objektivlinse oder in Strahlrichtung gesehen auf der Rückseite derselben angeordnet sind.

Die hi den deutschen Auslegeschriften 1 019 393 und 1019 397 gezeigten Ablenkmittel dienen nicht zur Einstellung des Objektblickfeldes, sondern zur Einstellung der Objektblickrichtung und betreffen insofern eine andere Aufgabenstellung als vorliegende Erfindung. Aus dem Handbuch der Physik, Bd. XXXIII, Korpuskularoptik, 1956, Springer-Verlag, Berlin-Göttingen-Heidelberg, S. 417 und 418 ist ein Elektronenablenkmittel in Form eines Stigmators bei ei'em Elektronenmikroskop bekannt. Dieser Stigmator dient jedoch lediglich zur Beeinflussung des Strahlquerschnittes und nicht zur Ablenkung des gesamten Strahles. In der deutschen Auslc^schrift 1 088 628 fehlt eine genaue Angabe über den Ort der Ablenkmittel. Offenbar sind diese jedoch in Strahlrichtung gesehen vor dem Objektträger angeordnet.

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Bei der aus der deutschen Auslegeschrift 1 203 401 lieh, nach Wunsch eine beliebige Stelle der Probe zu

bekannten Einrichtung zur Justierung eines Ladungs- beobachten.

trägerstrahles ist das Ablenksystem im Gegensatz zu F i g. 2 zeigt eine Anordnung, bei der die Ablenk-

der Erfindung in Strahlrichtung gesehen vor der Ob- mittef nicht in der rückwärtigen Brennpunktebene

jektivlinse angeordnet. 5 der Objektivlinse 2 angeordnet werden können. In

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Be- diesem Fall werden zusätzliche Ablenkmittel erfor-

schreibung bevorzugter Ausführungsformen und an derlich, um dieselben Ergebnisse wie bei der Anord-

Hand der beiliegenden Zeichnung erläutert. Hierin nung gemäß F i g. 1 zu erhalten,

zeigen Auf Grund der Änderung des Blickfeldes durch

Fig. 1 und 2 schematische Darstellungen von io Ablenkmittel werden verschiedene Aberrationen im

Vorrichtungen zur Justierung des Objektfeldes in Bild erzeugt, und außerdem wird die Bildauflösung

einem Elektronenmikroskop, beeinträchtigt. Um Aufschluß über diese Einflüsse zu

F i g. 3 eine graphische Darstellung der Änderung gewinnen, wurden erfindungsgemäß mehrere Verdes isotropischen Astigmatismus, der außeraxialen, suche zur Bestimmung des Ausmaßes dieser Aberrachromatischen Aberration und der Bildauflösung in 15 tionen usw. durchgeführt, indem der Radius der Ob-Abhängigkeit vom Radius der Bewegung, wenn das jektbewegung geändert wurde.

Objekt oder die Probe durch die in F i g. 2 darge- F i g. 3 zeigt eine grafische Darstellung dieser Verstellten Ablenkmittel eingestellt wird, auchsergebnisse. Die Beschleunigungsspannung der

Fig. 4 einen Schnitt durch eine bevorzugte Aus- Elektronen betrug 100 .νV, magnetomotorische Kraft

führungsform, 20 der Objektivlinse 7000 A. T., halbe Breite des magne-

Fig. 5 einen Schnitt durch eine zweite bevorzugte tischen Feldes in der genannten Linse 1,5 mm, Bild-Ausführungsform, vergrößerung 250 000.

F i g. 6 eine Darstellung eines Verfahrens zur Be- Auf der Abszisse ist der Radius der Bewegung

obachtung unter Anwendung der Erfindung, aufgetragen, wenn die Probe durch die Ablenkmit-

F ig. 7, 8 und 9 schematische Darstellungen mit 25 tel 5 α und 5 b eingestellt wird. Die drei Ordinaten

weiteren bevorzugten Ausführungsformen. zeigen den isotropischen Astigmatismus, die außer-

Wie Fig. 1 zu entnehmen, werden durch eine Probe axiale, chromatische Aberration und das Auflösungsbzw, durch ein Objekt 1 gestreute Elektronen durch vermögen. Die Kurven A, B und C entsprechen dem eine Objektivlinse 2 hindurchgeleitet, die auf einer isotropischen Astigmatismus, der außer-axialen, Ebene 3 das Objekt 1 abbildet. Das Bild des Objek- 30 chromatischen Aberration und dem Auflösungsvertes wird durch eine Zwischenlinse 4 und eine nicht mögen des endgültigen Bildes auf einer fotografidargestellte Projektorlinse, die auf der rückwärtigen sehen Platte.

Seite der Objektivlinse 2 angeordnet ist, vergrößert, Aus der vorgenannten grafischen Darstellung ist

und man erhält ein endgültiges Bild auf einem nicht offensichtlich, daß die genannten Aberrationen usw.

dargestellten fluoreszierenden Schirm. Ein Satz von 35 große Werte annehmen, wenn der Radius der Ob-

Elektronenablenkmitteln 5 ist auf der rückwärtigen jektbewegung zunimmt. Hieraus lOlgt, daß durch

Brennpunktebene oder in der Nähe der Objektiv- eine Begrenzung des Radius der Bewegung auf 3 Mi-

linse 2 angeordnet. Eine Gleichstromquelle 6 liefert cron oder weniger die genannten Aberrationen usw.

den Ablenkmitteln 5 einen Strom oder eine Span- sehr klein gehalten werden können. Dies gilt insbe-

nung, um die Elektronen von eier Probe 1 abzu- 40 sondere für die Bildauflösung, die nahezu konstant

lenken. Steuermittel 7, die zwischen den Ablenkmit- bleibt. Der Grund hierfür liegt d-rin, daß die Bildfin-

teln 5 und der Gleichstromquelle 6 angeordnet sind, sternis geringer ist als das Auflösungsvermögen der

steuern den Ablenkstrom oder die Spannung, die fotografischen Platte,

durch die Gleichstromquelle 6 geliefert wird. Als Folge der vorgenannten Finsternis ist die ma-

Wenn die Ablenkmittel 5 nicht erregt bzw. betätigt 45 ximale Bewegungsentfernung der Probe 3 Micron,

sind, d. h., wenn die Steuermittel 7 derart eingestellt Dies entspricht einem Bereich, der 225mal größer ist

sind, daß kein Strom oder keine Spannung von der als die Fläche des Bildes, die auf dem Bildschirm

Gleichstromquelle 6 zu den Ablenkmitteln 5 fließt, beobachtet werden kann, wenn der Durchmesser des

gehpn nur die Elektronen vom Mittelpunkt α der Schirmes 120 mm und die Bildvergrößerung 300 000

Probe durch die Zwischenlinse 4 und durch die Pro- 50 betragen.

jektorlinse und sodann auf den Schirm. Die in die- Als Ergebnis der vorgenannten Versuche zeigte

sem Fall von einem Randteil b der Probe 1 ausgehen- sich fern.r, daß ohne Rücksicht auf Vergrößerungs-

den Elektronen ergeben einen Bildpunkt b', wie dies änderungen der Radius der Bewegung kaum beein-

durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Dies flußt wird.

bedeutet, di'ß die Elektronen nicht durch die Zwi- 55 Fig 4 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsschenlinse 4 und die Projektorlinse hindurchgehen form. Eine Objektivlinse 2, die aus einem Linsenkönnen. Deshalb wird ein Bild des Teils & des Objek- joch 8, Polstücke 9 und einer Erregerspule 10 betes nicht auf dem Bildschirm erzeugt. steht, ist auf einer Zwischenlinse t angeordnet, die

Wenn dai? Objektblickfeld geändert werden muß, aus einem Linsenjoch 11, einem nicht magnetischen

wird ein geeigneter Ablenkstrom oder eine geeignete 60 Abstandsstück 12 und einer Erregerspule 13 besteht.

Spannung d<-n Ablenkmitteln 5 zugeführt, indem die Ein Objektträger 14 ist auf der Objektivlinse2 mit

Steuermittel "> entsprechend eingestellt werden. Um Hilfe von Kugeln 15 angeordnet und trägt einen HaI-

z. B. ein Bild des Teils b zu erzeugen, müssen die ter 16 zur Aufnahme der Probe. Zwei bewegliche

Steuermittel 7 derart eingestellt werden, daß ein Ab- Stangen 17 sind in geeigneter Lage in einer Wandung

lenkwinkel α erzeugt wird. Hierdurch werden die 65 18 der Objektkammer angeordnet. Ein Ende einer je-

normalerweise bei b' abbildenden Elektronen längs den Stange 17 steht in Berührung mit dem Träger 14.

der Elektronenstranlachse ausgerichtet und auf den Eine Feder 19 ist in geeigneter Weise zwischen der

fluoreszierenden Schirm geworfen. Es ist somit meg- Wand 18 und dem Träger 14 aneeordnet.

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Durch eine Betätigung der beweglichen Stangen 17 Entwickeln werden die einzelnen Bilder entsprechend

wird der Träger 14 in einer rechtwinklig zur EIcktro- der vorgenannten Reihenfolge zusammengefügt,

nenstrahlachse liegenden Ebene verschoben, wo- F i g. 7, 8 und 9 zeigen weitere bevorzugte Ausfüh-

durch das Objcktblickfeld geändert wird. rungsformen.

Ein nicht magnetischer Zylinder 20 ist im Objck- 5 Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 steht das

tivlinsenjoch 8 koaxial zur Strahlachsc angeordnet. äußere Ende der beweglichen Stange 17 mit einem

Erste Ablcnktnittcl Sa und zweite Ablenkniittcl 5 b Hebel 30 in Berührung, der unter Einwirkung einer

sind jeweils mit dem oberen bzw. mit dem unteren Schraubenspindel 31 steht. Das andere Ende der

Teil des Zylinders 20 verbunden. Schraubenspindel 31 ist mit einem Kegelrad 32 ver-

Bci der vorgenannten Ausführungsform wird die io sehen, welches mit einem weiteren Kegelrad 33

Vorrichtung zur mechanischen Objektbewegung und kämmt, das an einer Welle 34 befestigt ist. Die Welle

Verschiebung, die aus den Stangen 17 und der Feder 34 ist mit ihrem das Kegelrad 33 tragenden Ende aus

19 besteht, zur Grobeinstellung und Grobverschic- einem Getriebe 35 nach außen herangeführt. Die

bung der Probe benutzt, während die Ablcnkmit- Welle 34 trägt ein Stirnzahnrad 36, welches mit

tel5<j und 5 ft zur Feineinstellung und zur Feinvcr- 15 einem zweiten Stirnzahnrad 39 kämmt, welches auf

Schiebung dienen. Das Objektblickfcld kann somit ge- einer gleitend angeordneten Welle 37 angeordnet ist,

nau und sehr einfach eingestellt und geändert werden. an deren äußerem Ende ein Knauf 38 befestigt ist. Eine

Fig. 5 zeigt eine zweite bevorzugte AusfUhrungs- weitere Welle 40 trägt ein Stirnzahnrad 41 und ist

form, und zwar eine Abwandlung der Ausführungs- aus dem Getriebe 35 nach außen heraus zu den Steu-

form gemäß Fig.4. Der Träger 14 ist mit zwei EIe- 20 ermitteln7 geführt. Ein Potentiometer, welches einen

mcntcn 21 und 22 verschen, wobei das Element 22 Teil der Steuermittel bildet, wird durch Drehung der

als Support für den Objcklhalter 16 dient. Die beiden Welle 40 eingestellt, wodurch der Ablenkstrom bzw.

Elemente 21 und 22 werden durch Federn 23 in fe- die Ablenkspannung geändert werden,

stern Kontakt gehalten. Die Federn 23 sind an der Wenn die Stirnzahnräder 36 und 39 miteinander

Wand 18 und an dem Element 21 befestigt. Das Eic- as kämmen, wird der Träger 14 durch Drehung des

ment 22 ist gleitend auf Supportelemcntcn 24 an- Knaufes 38 über die vorgenannten Elemente ver-

gcordnct, die ihrerseits auf der oberen Fläche der stoben. Hierbei drückt der Hebel 30 die Stange 17

Objektivlinse 2 angeordnet sind. Federn 25, die an entsprechend dem Ausmaß der Drehung des Knaufes

der Objektivlinsc 2 :.d an dem Element 22 befestigt 38. was eine entsprechende Verschiebung des Trä-

sind. halten das Element 22 in gleitendem Kontakt 30 gers 14 zur Folge hat.

mit den Supportelementcn 24. Die beweglichen Stan- Durch eine Verschiebung des Knaufes 38 in Rich-

gcn 17 sind mit ihrem einen Ende jeweils in Beruh- tung der Welle 37 kommen die beiden Mimzahnra-

rung mit dem Element 21. Durch Betätigung der der 36 und 39 außer Eingriff, und das Stirnzahnrad

Stangen 17 kann somit das Element 21 verschoben 39 wird in Eingriff mit dem Stirnzahnrad 41 gc-

werdcn, so daß auch das Element 22 verschoben und 35 bracht. Hierbei wird das vorgenannte Potentiometer

das Objektblickfeld geändert wird. der Kontrollmittel 7 durch den Knauf 38 eingestellt.

Zusätzlich sind ferner mehrere Hebel 26 vorgese- Dies hat eine entsprechende Einstellung des Ablcnkhen. die schwenkbar in der Objektkammer 18 an- stromes bzw. der Ablcnkspannung zur Folge, die den geordnet sind. Oberhalb der Hebel 26 sind Stangen Ablenkmitteln 5 zugeführt wird. Das Objektblickfcld 27 angeordnet, die mit den Hebeln 26 in Berührung 40 wird somit durch Elektronenablenkung geändert,
stehen. Beim Niederdrücken der Stangen 27 wird das Eine Anwendung der Erfindung betrifft das Mes-Element 21 von dem Element 22 durch die Hebel 26 sen der Vergrößerung des Bildes. Dies ist unter Beabgehoben. Das Element 22 verbleibt hierbei jedoch zug auf Fi g. 8 näher erläutert. Bei der Ausführungsstationär auf den Supportelementen 24. form gemäß F i g. 8 sind eine Wechselstromquellc 42

Durch eine derartige Trennung des Elements 21 45 und Schaltmittel 43 zusätzlich zu der Glcichstrom-— zusammen mit seinen Einstellstangen 17 — von quelle 6 und den Steucrmitteln 7 vorgesehen. Wenn dem Element 22. welches als Support für den Ob- es gewünscht ist. die Bildvergrößerung zu messen, jekthalter 16 dient, können somit Veränderungen, werden die Schaltmittel 43 mit der Wechselstrom-Verschiebungen und Abweichungen des Objektes quelle 42 verbunden, wobei ein Wccl. elstrom bzw. vollständig vermieden werden, die z. B. auf thermi- So eine Wechselspannung an die Ablenkmittel 5 a sehe Ausdehnungen oder Kontraktionen des Eic- und 5 b angelegt wird. Die Elektronen von der Probe ments 21 und der Verschiebestangen 17 zurückzu- werden sodann periodisch längs den den Linien α' führen sind. Auch eine Objektverschiebung und Be- und σ" ausgedehnt. Hieraus ergibt sich ein doppeiwegung nach der mechanischen Einstellung kann tes Bild der Probe auf dem Schirm, und die Vergrövollständig vermieden werden. 55 ßerung kann durch Messen des Abstandes zwischen

Nach Beendigung der Grobeinstellung wird ein den beiden Bildern gemessen werden. Ablenkstrom bzw. eine Ablenksp&nnung an die Ab- F i g. 9 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungs-

lenkmittel 5 a und 56 angelegt, und die Probe wird form,

innerhalb eines Radios von 3 Micron fein eingestellt. Die in F i g. 9 dargestellte Ausführungsform weist

Fig.6 zeigt ein Verfahren, bei dem eine hohe 60 tine Vorrichtung 44 zum Mes:*n der Geschwindig-Auflösung und Abbildungen und Fotografien mit keit der Probenabwanderung und -drift auf. Die Vorgroßem Bildblickfeld erhalten werden können. Bei richtung 44 ist mit einem Detektorkreis für den Abdiesem Verfahren arbeiten die Ablenkmittel derart, lenkstrom bzw. für die Ablerkspannung, einem Zeitdaß das Objektbild auf dem Schirm in folgender Rei- geber und einer arithmetischen Einheit vergehen und henfolge gebildet wird: 65 mit den Steuermitteln 7 verbunden. Wenn die Probe ^_^B_,. C-»-D-i-E-j-F-* G-^-Ii-* I ^m ^eine R'chttmii driftet bzw. abwandert, wird sie um

das gleiche Maß in entgegengesetzter Richtung durch

Jeder dieser Bildteile wird fotografiert, und nachdem die Steuermittel verschoben. Der Strom oder die

Spannung, die den Ablenkmiüeln 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 von Wert /// oder V/l errechnet. Hier-

bei ist ι eine vorgewählte bestimmte Zeit, während / und V die Intensitäten des gemessenen und abgefühlten Stromes und der Spannung bedeuten. Da diese Intensitäten dem Ablenkwinkel, d. h. dem Ausmaß der Elektronenbewegung proportional sind, kann die Geschwindigkeit der Auswanderung und des Drittens der Probe aus den Werten I/l oder V/t ermittelt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Justierung des Objektfeldes in Elektronenmikroskopen, enthaltend einen Halter für das Objekt, einen Träger zum Haltern des Objekthalters, Mittel zum Verschieben des Trägers in einer Ebene senkrecht zur Elektronenstrahlachse, eine Objektivlinse und Elektronenablenkmittel, dadurch gekennzeichnet, daß zur Feineinstellung des Objektblickfeldes die Elektronenablenkmittel Mittel zur Ablenkung des gesamten Elektronenstrahles sind, die entweder in der Objektivlinse oder in Strahlrichtung gesehen auf der Rückseite derselben angeordnet sind.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenablenkmittel (5) in der rückwärtigen Brennpunktebene angeordnet sind.

3. Vc.ichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der Elektronenablenkmittel zweistufig (5 a und 5 b) ausgebildet sind und zwischen der rückwärtigen Brennpunktebene und einer nachfolgenden Linse (4) angeordnet sind.

4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feineinstellung des Objektblickfeldes in beliebiger Richtung längs eines Radius von 3 Micron oder weniger erfolgt.

5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, daüjrch gekennzeichnet, daß Mittel zur Trennung des Trägers (ί ^Ai) von den Mitteln zur Verschiebung desse'ben vorgesehen sind, wobei die Trennung und Isolien ng während der Zeit erfolgt, während der die Ablenkmittel betätigt werden.

6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenablenkmittel (S, 5 a, S b) wahlweise mit einer Gleichstromquelle und einer Wechselstromquelle verbindbar sind.

7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Messen des Stromes und der Spannung, welche im Falle eines Drittens der Probe an die Ablenkmittel gelegt werden, vorgesehen sind.