DE2110325A1

DE2110325A1 - Detektoranordnung fuer Elektronenmikroskope

Info

Publication number: DE2110325A1
Application number: DE19712110325
Authority: DE
Inventors: Crewe Albert Victor
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1970-03-05
Filing date: 1971-03-04
Publication date: 1971-09-16
Also published as: US3626184A; CH520927A; BE763456A; JPS5411664B1; GB1294440A; FR2084007A5

Description

Anmelderin: United States Atomic Energy Commission
Washington D. 0., USA

Detektoranordnung für Elektronenmikroskope

Die Erfindung betrifft eine Detektoranordnung zur Untersuchung eines Objekts im Elektronenmikroskop, in dem das Objekt mit einem Elektronenstrahl bestrahlt bzw. abgetastet wird.

Tm Abtast-Elektronenmikroskop wird das Objekt mit einem
punktförmig fokussierten Elektronenbündel abgetastet, wobei die durch das einfallende Strahlenbündel hervorgerufenen physikalischen Veränderungen als Intensitätsänderung auf einem synchron abgetasteten Anzeigeoszilloskop beobachtet werden können. Die Abtastfläche kann ähnlich einem Fernsehbild rechteckig sein oder eine beliebige andere, geeignete Form aufweisen.

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Die vom Objekt übertragenen Elektronen lassen sich in drei Gruppen einteilen, nämlich elastisch gestreute Elektronen, unelastisch gestreute Elektronen und ungestreute Elektronen. In bekannten Elektronenmikroskopen werden diese drei Elektronengruppen entweder zusammen empfangen oder sie werden vor dem Empfang lediglich nach ihrem Energiegehalt aufgeteilt. Die elastisch und unelastisch gestreuten Elektronen werden also vor Empfang und Verlust ihres Informationsgehalts nicht von-einander getrennt.

Aufgabe der Erfindung ist eine Detektoranordnung für Elektronenmikroskope, mit der die übertragenen Elektronen vor dem Empfang in elastisch gestreute Elektronen, unelastisch gestreute Elektronen und ungestreute Elektronen und gegebenenfalls auch noch die elastisch gestreuten Elektronen nach dem Grad ihrer Streiiung aufgeteilt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Detektoranordnung der Erfindung dadurch gelöst, dass im Strahlengang der Elektronen der Bestrahlung des Objekts nachgeordnet drei Detektoren angeordnet sind, und zwar je ein Detektor für Elektronen mit einem Energieverlust von annähernd Null, für durch das Objekt; elastisch gestreute ^lekurouen, und für durch das Oujeicü unelastisch gestreute Elektronen.

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Weitere Vorteile und günstige Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind der folgenden Beschreibung und den Unteransprächen zu entnehmen.

In den Zeichnungen zeigen in jeweils schematischer Ansicht die Figur 1 ein Abtast-Elektronenmikroskop, die Figur 2 die Detektoranordnung der Erfindung, und die Figur 3 eine weitere Ausgestaltung derselben. Die Figur 4 zeigt in graphischer Darstellung die Ausgabeleistung der Detektorauaordnung.

Das im grundsätzlichen Aufbau in der schematischen Figur 1 gezeigte Elektronenmikroskop enthält eine die Bauteile aufnehmende Vakuumkammer 10. Die von einer Elektronenquelle 11, z. B. einer Feldemissionsspitze kommenden Elektronen werden durch die an die Energiequellen 19 und 20 angeschlossenen Anoden 14- und 16 beschleunigt und fokussiert und gelangen durch die öffnung 17 zu dem Objekt 13.

Der auf das Objekt auftreffende Elektronenstrahl wird auf einen kleinstmöglichen Punkt konzentriert bzw. fokussiert. Zur Beleuchtung der gewünschten Objektstelle wird diese daher ähnlich wie ein Fernsehbild mit dem Strahl abgetastet. Der Kippgenerator 22 liefert die an die Ablenkplatten 23, 25 des Mikroskops zu legenden Abtastspannungen, durch die

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der Elektronenstrahl in der erforderlichen Weise über das Objekt geführt wird.

Die Kippgeneratorspannungen werden auch an die Ablenkplatten 28, 29 einer Kathodenstrahlröhre 26 gelegt, und zwar synchron mit den an die Ablenkplatten des Mikroskops gelegten Spannungen, so dass der Elektronenstrahl der Kathodenstrahlröhre 26 im Verlaufe der Abtastung des Objekts auf dem Bildschirm ein Raster abzeichnet. Ein unter dem Objekt 13 angeordneter Detektor Jl empfängt die durch das Objekt tretenden Elektronen. Dieser Detektor ist an die Kathode 32 der Kathodenstrahlröhre 26 angeschlossen und moduliert die Intensität des Elektronenstrahls in der Kathodenstrahlröhre nach Massgabe der von ihm empfangenen Elektronen. Der modulierte Elektronenstrahl erzeugt auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre 26 ein dem beobachteten Objekt entsprechendes Bild.

Die in die Ebene des Detektors 31 einfallenden Elektronen bestehen aus drei Komponenten oder Gruppen, nämlich elastisch gestreuten Elektronen, unelastisch gestreuten Elektronen (Elektronen mit Energieverlust), und ungestreuten Elektronen. Die elastisch gestreuten Elektronen sind über einen sehr breiten Winkelbereich verteilt und erreichen die Ebenen des Detektors 31 grösstenteils ausserhalb des Beleuchtungskonus.

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Die unelastischen Elektronen werden nach Massgabe des bei dem unelastischen Streuungsvorgang auftretenden Energieverlustes gestreut.

Da sich die Mehrzahl der Energieverluste im Bereich von 0-40 Volt hält und die Energie der einfallenden Elektronen mehrere Dekaden Kilovolt "beträgt, ist der Streuungswinkel sehr klein, etwa 1 Mllliradian oder weniger. Die ungestreuten Elektronen füllen den Beleuchtungskonus aus. Die Intensität dieser Komponente ist gleich der Intensität des ursprünglichen Strahls abzüglich der elastischen und unelastischen Elektronen.

Zur getrennten "Verwendung können die drei Elektronengruppen von-einander getrennt werden. Hierzu ist die Detektoranordnung der Figur 2 geeignet. Der Beleuchtungskegel 35 fällt vom Objekt 36 durch eine öffnung des Ringdetektors 40. Ist diese öffnung gerade gross genug, um den Beleuchtungskegel hindurchzulassen, so empfängt der Detektor 40 die ausserhalb des Beleuchtungskegels 35 und im Kegel 38 wandernden elastisch gestreuten Elektronen. Die innerhalb vom Beleuchtungskegel durch die öffnung tretenden Elektronen können durch den Detektor 39 in. ungestreute und unelastisch gestreute Elektronen aufgeteilt werden_o Hierzu sei auf die weiter unten folgende Erläuterung der Arbeitsweise dieses Detektors 39 verwiesen.

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Die Figur 3 zeigt die Einzelheiten der für das Elektronenmikroskop geeigneten Detektoren. Der Beleuchtungskegel fällt durch eine Reihe von Ringdetektoren 48 - 51 auf einen elektrostatischen Sphärenanalysator bekannter Bauart 53» zwischen dessen an einer Energiequelle 57 liegenden Elektroden 54 und 55 ein die Elektronen beim Eintritt in den Analysator ablenkendes elektrisches Feld aufgebaut wird. Der Grad der Ablenkung richtet sich dabei nach der Energiestufe der Elektronen. Wird das Feld so eingestellt, dass die ungestreuten Elektronen auf den Detektor 59 treffen, so fallen die unelastischen Elektronen nach Verlust eines Teils ihrer Energie auf die Detektoren 60 und 61. Anstelle von drei Detektoren sind entsprechend den Anforderungen der jeweiligen Anordnung auch nur zwei oder auch mehr als drei Detektoren zu verwenden. Die Detektoren 59? 60 und 61 bestehen z. B. aus Szintillationsdetektoren oder Siliziumsperrschichtdetektoren.

Die elastisch gestreuten Elektronen verlaufen vom Objekt 45 ausserhalb vom Beleuchtungskegel 46 und fallen auf die Ringdetektoren, z. B. Siliziumsperrschichtdetektoren 48-51· Jeder dieser Detektoren empfängt elastisch gestreute Elektronen' mit jeweils verschiedenem Streuungswinkel.

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Die von den Detektoren 48 - 51 und 59 - 61 erzeugten Signale werden nach Verstärkung durch die Verstärker 63 - 69 in gewünschter Weise in dem Signalverarbeiter 71 kombiniert und durch ein Sichtgerät 72 angezeigt. Sie können als fernsehähnliches Bild, als Fhotographie, graphische Darstellung oder in anderer bekannter Weise sichtbar gemacht werden.

Da die verschiedenen Objekte die Elektronen in unterschiedlicher Weise aufteilen, wird in einigen Fällen das eine oder andere Signal gewählt, in anderen Fällen mit einem anderen oder mehreren Signalen kombiniert. Bezeichnet man die drei Signale mit A für ungestreute Elektronen, A* für unelastisch gestreute Elektronen und B für elastisch gestreute Elektronen, so ist günstig verwendbar ein Signal z. B. mit der Formel

A + xA* + jB
A + A* + B

Für diese Funktion kann ein geeigneter elektronischer Signalverarbeiter mit z. B. zwei Reglern zur Einstellung der positiven oder negativen Werte χ und y und damit des für den Betrachter erforderlichen Bildkontraste verwendet werden.

Am Beispiel einer Probe mit abwechselnden Flächen von 50 S Kohlenstoff und 5 S Wolfram sei dies näher erläutert. Die graphische Darstellung der Figur 4 zeigt die elastischen,

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unelastischen und ungestreuten Elektronen als Funktion der räumlichen Verteilung der Elektronen in der öffnungsebene des Detektors. Der Beleuchtungskegel beträgt 10 Milliradian und die unelastischen und ungestreuten Elektronen befinden sich getrennt von-einander in dem 10 Milliradian-Abschnitt des Schaubilds, entsprechend dem Kennlinienteil 75 bzw. 76. Die Intensität der elastischen Elektronen ist als Funktion des Winkelabstands vom Beleuchtungskegel durch die Kennlinie 77 gekennzeichnet.

Der Wolframkontrast ist gering und negativ für die ungestreuten Elektronen, positiv und grosser für die unelastischen Elektronen und je nach dem Betrachtungswinkel positiv oder negativ für die elastisch gestreuten Elektronen.

Der Bildkontrast kann somit durch Wahl der geeigneten Elektronengruppen verstärkt werden. Wird das Verhältnis der unelastischen zu den elastischen Elektronen gewählt, so ist der Bildkontrast 25/Z proportional, wobei Z « Atomzahl des Elements ist. Dieses Signal ist von der Dicke des Objekts im wesentlichen unabhängig, so dass von Dickenschwankungen abhängige Störungen gering sind und das Objektdetail durch verschiedene Atome verstärkt wird.

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In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann zur Kontrastverstärkung das Signal von elastisch gestreuten Elektronen unterhalb 50 Milliradian (dem Übergangspunkt) von dem Signal über 50 Milliradian abgezogen werden. Das entstehende Signal ist dann für die relative Dicke von Kohlenstoff und Wolfram besonders empfindlich. Der Kontrast einer bestimmten Fläche kann durch Wahl der Grenzlinie zwischen positxven und negativen Signalen aus der Mehrzahl der Detektoren 48 - 51 (Figur 3) verstärkt werden.

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Claims

Patentansprüche

'I 1.JDetektoranordnung zur Untersuchung eines Objekts im Elektronenmikroskop in dem das Objekt mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang der Elektronen der Bestrahlung des Objekts nachgeordnet drei Detektoren angeordnet sind, und zwar ,je ein Detektor für Elektronen mit einem Energieverlust von annähernd Null, für durch das Objekt elastisch gestreute Elektronen und für durch das Objekt unelastisch gestreute Elektronen.

2. Detektoranordnung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoren die Elektronen nach ihrem Durchgang durch das Objekt empfangen.

$. Detektoranordnung eemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Detektor (4-0) eine Öffnung mit im wesentlichen der gleichen Grosse wie die des Beleuchtungskegels der Elektronen mit dem Energieverlust annähernd Null und der unelastisch gestreuten Elektronen aufweist und so gelagert ist, dass die Elektronen dieses Strahlenkegels durch die öffnung treten, und auf die übrigen beiden Detektoren gelangen.

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4. Detektoranordnung gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der die öffnung aufweisende Detektor aus mehreren Detektorteilen besteht, die Elektronen ausserhalb des Beleuchtungskegels mit jeweils verschiedenem Streuungswinkel messen.

5. Detektoranordnung gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorteile aus konzentrisch angeordneten Detektorringen bestehen.

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