DE2016753C3

DE2016753C3 - Vorrichtung zur Justierung des Objektfeldes in Elektronenmikroskopen

Info

Publication number: DE2016753C3
Application number: DE2016753A
Authority: DE
Inventors: Kohei Akishima Tokyo Shirota
Original assignee: Nihon Denshi KK
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1969-04-08
Filing date: 1970-04-08
Publication date: 1981-05-07
Also published as: US3737659A; JPS4833903B1; DE2016753A1; DE2016753B2

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 Bildwiedergabe entsprechend der Bildvergrößerung zu verschieben. Ferner ist es erforderlich, Querverschiebungen der Probe und Vibrationen möglichst minimal zu halten. Bei Vergrößerungen von 000 oder mehr sind diese Forderungen besonders bedeutsam.

Herkömmliche Objekteinstellvorrichtungen sind z. B. in den amerikanischen Patentschriften 24 23 158 und 58 444 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 μιη 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 befridigender Weise abzuhelfen. Das sich hieraus ergebende Problem besteht insbesondere bei Vergrößerungen von 100 000 oder mehr.

Bei einer aus der Druckschrift der Firma Siemens AG Eg 1/204 »Halbleiterdetektoren zur Stmmdichtemessung im Elektronenmikroskop«, Januar 1969, bekannten Vorrichtung zur Justierung des Objektfeldes im Elektronenmikroskop, von der im Oberbegriff des Anspruches 1 ausgegangen wird, ist in der Zwischenlinse ein Ablenksystem angeordnet, um eine Bewegung des Bildes relativ zu einem in Strahlenrichtung der Projektivlinse nachgeordneten Detektor zu ermöglichen. Hierdurch sollen sowohl Objektbilder als auch Feinbereichs-Beugungsdiagramme erfaßt werden. Dabei läßt sich nur der Teil des Objektfeldes erfassen, der durch die Pupille der Zwischenlinse begrenzt ist. Wenn aufgrund thermischer oder sonstiger Einflüsse unerwünschte Verschiebungen des Objektträgers stattfinden, läßt sich eine Kompensation oder Feineinstellung nicht erzielen, da eine Ablenkung nur des Elektronenstrahlbündelquerschnittes möglich ist, der auf ein durch die Pupille der Zwischenlinse begrenztes Objektfeld bezogen ist.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen, mit der die aus mechanischen oder thermischen Bewegungen des Objektträgers resultierenden unerwünschten Verschiebungen des Objekts durch Beeinflussung des Elektronenstrahls so kompensiert werden können, daß der gewünschte zu beobachtende Objektbereich in das Blickfeld gerückt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale.

Aus der britischen Patentschrift 10 19 581 ist aus der zeichnerischen Darstellung der Fig. 1 eine in der Objektivlinse vorhandene Wicklung bekannt, deren Bedeutung nicht näher erläutert ist und über deren Lage zur Objektivlinse nichts näher ausgesagt ist.

Die in den deutschen Auslegeschriften 10 19 393 und 10 19 397 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-Göt-

tingen-Heidelberg, S. 417 und 418 ist ein Elektronenablenkmittel in Form eines Stigmators bei einem Elektronenmikroskop bekannt Dieser Stigmator dient jedoch lediglich zur Beeinflussung des Strahlquerschnittes und nicht zur Ablenkung des gesamten Strahles. In der deutschen Auslegeschrift 10 88 628 fehlt eine genaue Angabe über den Ort der Ablenkmittel. Offenbar sind diese jedoch in Strahlrichtung gesehen vor dem Objektträger angeordnet. Bei der aus der deutschen Auslegeschrift 12 03 401 bekannten Einrichtung zur m Justierung eines Ladungsträgerstrahles ist das Ablenksystem im Gegensatz zu der Erfindung in Strahlrichtung gesehen vor der Objektivlinse angeordnet

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen und an Hand der beiliegenden Zeichnung erläutert Hierin zeigen

F i g. 1 und 2 schematische Darstellungen von Vorrichtungen zur Justierung des Objektfeldes in einem Elektronenmikroskop,

F i g. 3 eine graphische Darstellung der Änderung des 2η isotropischen Astigmatismus, der außeraxialen, chromatischen Aberration und der Bildauflösung in Abhängigkeit vom Radius der Bewegung, wenn das Objekt oder die Probe durch die in F i g. 2 dargestellten Ablenkmittel eingestellt wird, F i g. 4 einen Schnitt durch eine Ausführungsform,

Fi g. 5 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform,

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

F i g. 7, 8 und 9 schematische Darstellungen mit weiteren Ausführungsformen.

Wie F i g. 1 zu entnehmen, werden durch eine Probe bzw. durch ein Objekt 1 gestreute Elektronen durch eine Objektivlinse 2 hindurchgeleitet, die auf einer Ebene 3 3Ί 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 5 ist auf der rückwärtigen Brennpunktebene angeordnet. Eine Gleichstromquelle 6 liefert den Ablenkmitteln 5 einen Strom 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 6 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 6 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 Teils 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 Steuermittel 7 entsprechend eingestellt werden. Um z. B. ein Bild des Teils b zu erzeugen, müssen die Steuermittel 7 derart eingestellt werden, daß ein Ablenkwinkel a 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.

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

Auf Grund der Änderung des Blickfeldes durch Ablenkmittel werden verschiedene Aberrationen im Bild erzeugt, und außerdem wird die Bildauflösung beeinträchtigt. Um Aufschluß über diese Einflüsse zu gewinnen, wurden 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.

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

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 μπι oder weniger die genannten Aberrationen usw. sehr klein gehalten v/erden können. Dies entspricht einem Bereich, der 225mal größer ist als die Fläche des Bildes, die auf dem Bildschirm beobachtet werden kann, wenn der Durchmesser des Schirmes 120 mm 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.

F i g. 4 zeigt eine erste Ausführungsform. Eine Objektivlinse 2, die aus einem Linsenjoch 8, Polstücke 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 Aufnahme der Probe. Zwei bewegliche Stangen 17 sind in geeigneter Lage in einer Wandung 18 der Objektkammer 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.

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

Ein nicht magnetischer Zylinder 20 ist im Objektivlinsenjoch 8 koaxial zur Strahlachse angeordnet. Erste Ablenkmitte! 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 Sa und 5b zur Feineinstellung und zur Feinverschiebung dienen. Das Objektblickfeld kann somit genau und sehr einfach eingestellt und geändert werden.

Fig. 5 zeigt eine zweite 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 16 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.

Zusätzlich sind ferner mehrere Hebel 26 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 22 durch die Hebel 26 abgehoben. Das Element 22 verbleibt hierbei jedoch stationär auf den Supportelementen 24.

Durch eine derartige Trennung des Elements 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 Elements 21 und der Verschiebestangen 17 zurückzuführen sind.

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 μηι fein eingestellt.

F i g. 6 zeigt ein 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-B-C-D-E-F-G-H-I.

Jeder dieser Bildteile wird fotografiert, und nach dem Entwickeln werden die einzelnen Bilder entsprechend der vorgenannten Reihenfolge zusammengefügt.

F i g. 7,8 und 9 zeigen weitere Ausführungsformen.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 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 herausgeführt. Die Welle 34 trägt ein Stirnzahnrad 36. welches mit einem zweiten

Stirnzahnrad 39 kämmt, welches auf einer gleitend angeordneten Welle 37 angeordnet ist, an deren äußerem Ende ein Knauf 38 befestigt ist. Eine weitere Welle 40 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 40 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.

Eine Anwendung der Erfindung betrifft das Messen der Vergrößerung des Bildes. Dies ist unter Bezug auf F i g. 8 näher erläutert. Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 8 sind eine Wechselstromquelle 42 und Schaltmittel 43 zusätzlich zu der Gleichstromquelle 6 und den Steuermitteln 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 5Z> 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 Messen des Abstandes zwischen den beiden Bildern gemessen werden.

F i g. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform.

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 den Steuermitteln 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 Abier.krnitteln 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/t errechnet Hierbei ist t 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 //roder V/t ermittelt werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Justierung des Objektfeldes in einem Elektronenmikroskop mit einem Halter für das Objekt, einem Träger zum Haltern des Objekthalters, Mitteln zum Verschieben des Trägers in einer Ebene senkrecht zur Elektronenstrahlachse, einer Objektivlinse und Eiektronenablenkmitteln auf der Bildseite zur Feineinstellung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Feineinstellung des Objektblickfeldes die Elektronenablenkmittel (5 bzw. 5a, 5b) zur Ablenkung des gesamten Elektronenstrahls ausgebildet sind und

entweder in der bildseitigen Brennpunktebene der Objeklivlinse (2) angeordnet sind (F i g. 1)
oder zwischen der bildseitigen Brennpunktebene der ObjektivJinse (2) und einer unmittelbar darauffolgenden Zwischenlinse (4) angeordnet und zweistufig (5a, 5b) ausgebildet sind (Fig. 2).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Feineinstellung des Objektblickfeldes innerhalb eines Radius von 3 μηι oder weniger.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betätigung der Elektronenablenkmittel (5a, Solder Träger (14) von den Mitteln (17) zu seiner Verschiebung abgetrennt ist (F i g. 5).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Bildvergrößerung die Elektronenablenkmittel (5a, 5b) wahlweise mit einer Gleichstromquelle (6) und einer Wechselstromquelle (42) verbindbar sind (F ig. 8).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (44) zum Messen des Stromes und der Spannung, welche im Falle eines Driftens der Probe an die Elektronenablenkmittel (5a, 5b) gelegt werden, vorgesehen sind (F ig. 9).