DE2153406A1

DE2153406A1 - Elektronenmikroskop

Info

Publication number: DE2153406A1
Application number: DE19712153406
Authority: DE
Inventors: David Henry Broadford Schottland Hilditch (Großbritannien). HOIs 3-02
Original assignee: AEI
Current assignee: AEI
Priority date: 1970-10-28
Filing date: 1971-10-27
Publication date: 1972-05-04
Also published as: NL7114692A; FR2110077A5; US3746855A; GB1333054A

Description

Patentanwälte

Dr.-Ing. Wilhelm Reichel
DipHng. Wiirrarig Rsichel

6 Frankmrl a. M. 1 _corya

Paiksiraße 13 ^6δ76

ASSOCIATED ELECTRICAL INDUSTRIES LTD., London, Groß-Britannien

Elektronenmikroskop

Die Erfindung betrifft ein Elektronenmikroskop mit einer elektromagnetischen Objektivlinse und mindestens drei getrennten elektromagnetischen Projektorlinsen in Tandemanordnung und eine Stromversorgungseinrichtung, aus der den Linsen Erregerströme zuführbar sind.

Ein derartiges Elektronenmikroskop ist bekannt. Die Verwendung von drei oder mehreren getrennten Projektorlinsen (anstelle von einer Projektorlinse oder zwei Projektorlinsen, wie bei älteren Elektronenmikroskopen), ermöglicht es, die Vergrößerung in einem großen Bereich einzustellen, ohne daß eine wesentliche Bildverzeichnung auftritt. ' ä

Eine elektromagnetische elektronenoptische Linse bewirkt nicht nur eine Fokussierung des durch sie hindurchgehenden Elektronenstrahls, sondern auch eine Drehung des Elektronenstrahls um die Linsenachse. Sowohl die Brennweite der Linse als auch die von ihr bewirkte Drehung sind eine Funktion bzw. abhängig vom Linsenerregerstrom, so daß sich jedesmal bei einer Änderung der Brennweite auch der Betrag der durch die Linse bewirkten Drehung ändert. Infolgedessen ändert sich bei bekannten Elektronenmikroskopen mit drei Projektorlinsen jedesmal die Lage des letzten oder endgültigen Bildes, wenn die Linsenerregerströme verändert

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werden, um die Vergrößerung des Mikroskops zu ändern. Dies erschwert die Bedienung des Mikroskops.

Aus der US-Patentschrift 2 323 328 ist es bekannt, eine elektromagnetische elektronenoptische Linse mit zwei Polspalten und zwei Wicklungen zur Erzeugung von Magnetfeldern in den jeweiligen Polspalten auszubilden. Dadurch daß man den Wicklungen entgegengesetzt gerichtete bzw. gegensinnige Erregerströme zuführt, lassen sich die in den beiden Hälften der Linse bewirkten Strahldrehungen gegenseitig kompensieren, so daß die ™ von der Linse insgesamt bewirkte Drehung gleich null ist. Bei diesem bekannten Mikroskop handelt es sich jedoch um ein Mikroskop mit nur einer Projektorlinse, so daß sich dessen Vergrößerung nicht ohne Verzeichnung oder Verzerrung in einem grossen Bereich verändern läßt. Wendet man ferner die Lehre nach dieser Patentschrift auf ein 3-Projektor-Mikroskop an, dann würde dies die Ausbildung jeder Projektorlinse mit zwei Spalten bedeuten, was äußerst unwirtschaftlich wäre.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Problem der Bilddrehung bei einem 3- (oder Mehr-) Projektor-Elektronenmikroskop zu lösen, ohne daß jede Projektorlinse mit zwei Luftspalten ausgebildet zu werden braucht.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe, ausgehend von dem eingangs erwähnten Elektronenmikroskop, dadurch gelöst, daß die Stromversorgungseinrichtung einen Regler aufweist, bei dessen Betätigung die Vergrößerung des Mikroskops durch derartige Änderung der zwei oder mehreren der Linsen zugeführten Erregerströme veränderbar ist, daB Änderungen der Strahldrehung in den Linsen gegensinnig und einander aufzuheben bestrebt sind, so daß die Lage (oder Ausrichtung) des letzten Bildes zumindest in einem vorbestimmten Vergrößerungsbereich konstant ist.

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Eine Weiterbildung besteht darin, daß die Linsenerregerströme derart gewählt sind, daß die Gesamtdrehung des letzten Bildes in bezug auf das Objekt zumindest in dem erwähnten Vergrößerungsbereich im wesentlichen null ist.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, daß die Stromversorgungseinrichtung derart ausgebildet ist, daß die Vergrößerung des Mikroskops in einem ersten Wertebereich durch Ändern der einer ersten Kombination jener Linsen zugeführten Erregerströme derart veränderbar ist, daß Änderungen der durch die Linsen der ersten Linsenkombination bewirkten Strahldrehung I einander aufheben, und daß die Vergrößerung des Mikroskops in einem zweiten Wertebereich durch Ändern der einer zweiten Kombination der Linsen zugeführten Erregerströme derart veränderbar ist, daß Änderungen der durch die Linsen der zweiten Kombination bewirkten Strahldrehung einander ebenfalls aufheben.

Auf diese Weise läßt sich die Drehung über einen verhältnismäßig großen Vergrößerungsbereich kompensieren.

Vorzugsweise ist die Erfindung noch dadurch weitergebildet, daß

die Vergrößerung des Mikroskops dadurch veränderbar ist, daß die zwei oder mehreren der Projektorlinsen zugeführten Erreger- f ströme verändert werden und gleichzeitig der der Objektivlinse zugeführte Erregerstrom derart veränderbar ist, daß das Objekt im Brennpunkt gehalten wird und sich durch die Objektivlinse und die Projektor linsen bewirkte Änderungen der Strahldrehung aufheben.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden im folgenden anhand von Zeichnungen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Fig. 1 stellt eine schematische Schnittansicht des Mikroskops dar.

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Fig. 2 veranschaulicht das Verfahren der Zuführung des Erregerstroms zu den Mikroskoplinsen.

Fig. 3 stellt eine schematische perspektivische Ansicht des Linsensystems des Mikroskops mit einer typischen Elektronenbahn in einer ersten Betriebsart dar.

Fig. 4 stellt ein schematisches Strahlendiagramm des Mikroskops in einer zweiten Betriebsart des Mikroskops dar.

Fig. 5 stellt schematisch ein Strahlendiagramm des Mikroskops in einer alternativen zweiten Betriebsart dar.

Nach Fig. 1 enthält das Mikroskop ein langgestrecktes evakuierbares Gehäuse 10 mit einer Probenstufe 12 zur Halterung einer Probe 13 im Gehäuse. Ein Elektronenerzeuger 14 (auch Elektronenkanone genannt) am einen Ende des Gehäuses 10 erzeugt einen Strahl 16 aus Elektronen, der mit der Längsachse des Gehäuses zusammenfällt. Der Strahl 16 durchläuft zwei Kondensorlinsen Cl, C2 (auch Sammler- oder Beleuchtungslinsen genannt), die den Strahl auf einen kleinen Punkt oder Fleck fokussieren, um die Probe 13 zu beleuchten.

Die Probe durchlaufende Elektronen werden durch eine elektromagnetische Objektivlinse Obj und drei elektromagnetische Projektorlinsen Pl, P2 und P3 fokussiert, um ein vergrößertes Bild der Probe auf einem fluoreszierenden Schirm 18 zu bilden. Der Schirm 18 ist durch ein Fenster 20 hindurch sichtbar, das sich im Gehäuse 10 befindet.

(Die ersten beiden Projektorlinsen Pl und P2 werden auch Zwischenlinsen genannt).

Nach Fig. 2 wird die Erregerwicklung der Objektivlinse Obj über -

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eine Stabilisierschaltung 22 und einen in Reihe geschalteten ohmschen Widerstand R_Q mit Erregerstrom versorgt. Die Stabili sierschaltung 22 vergleicht die am Widerstand R abfallende Spannung V mit einer festen Bezugsspannung V_R und regelt den Erregerstrom I solang' Bezugsspannung V_R ist.

Erregerstrom I solange nach, bis die Spannung V gleich der

Man sieht also, daß der Erregerstrom I_Q auf einen Wert stabilisiert oder geregelt wird, der gleich ^V _R/R_Q ist, wobei R_Q gleichzeitig die Resistanz des Widerstands darstellt.

Die drei Projektorlinsen Pl, P2 und P3 werden in ähnlicher Weise mit Erregerströmen versorgt, und zwar über jeweils eine Stabilisierschaltung 24 und entsprechende in Reihe geschaltete ohmsche Widerstände bzw. Resistanzen R-, R₂ und R₃. (Die Stabilisierschaltungen für P2 und P3 sowie die Widerstände Rg und Ro sind zur Vereinfachung der Zeichnung nicht dargestellt.) Die Erregerströme I₁, I₂ und I₃, die durch die Linsen fließen, werden daher auf die Werte V_R/R.,_r ^V _R/^Ro ^{und V}R^^R3 S^ere8^el* bzw. stabilisiert.

Nach Fig. 2 können die Widerstände R_Q bis R₃ mit Hilfe eines * Wählschalters 28 auf andere Werte umgeschaltet werden. Die Wählschalter 28 sind mechanisch gekoppelt und mit Hilfe eines gemeinsamen Drehknopfes 30 betätigbar, der in Verstärkungseinheiten geeicht ist.

Der Wert bzw. die Resistanz der Widerstände R bis R* und mit-

O Λ

hin die Stärke der Erregerströme I_Q bis I₃ ist daher eine vorbestimmte Funktion der Stellung des Drehknopfes 30.

Nach Fig. 3 kann das Mikroskop wie folgt betrieben werden: Infolge der festen Lage der Probe (d.h. des primären Objekts) im Mikroskop und zur Erfüllung bestimmter Bedingungen bezüglich

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des erforderlichen Auflösungsvermögens des Mikroskops, wird der der Objektivlinse Obj zugeführte Erregerstrom auf einem verhältnismäßig hohen Wert gehalten, und zwar durch entsprechende Wahl des Widerstands R_Q. Bei diesem Erregerstrom bewirkt die Objektivlinse eine Drehung von etwa 100°, wie es schematisch in Fig. 3 dargestellt ist.

In der ersten Betriebsart des Mikroskops werden den Projektorlinsen Pl₁ P2 und P3 die Erregerströme wie folgt zugeführt: Der der dritten Projektorlinse P3 zugeführte Erregerstrom hat eine derartige Richtung, daß die durch diese Linse bewirkte Drehung des Elektronenstrahls entgegengesetzt zu der erfolgt-, die durch die Objektivlinse Obj bewirkt wird. Der Widerstand R₃, der den Erregerstrom von P3 bestimmt, wird so eingestellt, daß diese Drehung dem Betrage nach im wesentlichen gleich der vom Objektiv bewirkten Drehung ist, so daß die vom Objektiv bewirkte Drehung ausgeglichen »bzw. kompensiert wird.

In ähnlicher Weise sind auch die den Linsen Pl und P2 zugeführten Erregerströme gegensinnig gerichtet, während die Widerstände Rl und R2 so gewählt sind, daß bei jeder Drehung des Drehknopfes 30 die durch diese Linsen Pl und P2 bewirkten Drehungen des Elektronenstrahls gleich groß sind. Die durch diese beiden Linsen bewirkten Drehungen des Elektronenstrahls heben sich daher ebenfalls gegenseitig auf.

Hithin ist die Gesamtdrehung des letztlich auf dem Schirm 18 erscheinenden Bildes in bezug auf das Objekt im wesentlichen null.

Eine Betätigung des Drehknopfes 30 bewirkt eine Veränderung der Werte der Widerstände Rl und R2 und mithin der in den Projektorlinsen Pl und P2 fließenden Erregerströme, pies hat eine

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Änderung der Vergrößerung des letzten oder endgültigen Bildes zur Folge. Die Änderungen der Drehungen in den Projektorlinsen Pl und P2 sind einander gleich, aber entgegengesetzt gerichtet. Mithin bleibt die durch die Projektorlinsen Pl und P2 bewirkte Gesamtdrehung null, so daß die Lage des letzten oder endgültigen Bildes durch eine Einstellung der Vergrößerung nicht beeinflußt wird.

Eine Betätigung des Drehknopfes 30 bewirkt auch eine Veränderung des Wertes bzw. der Resistanz des Widerstands R . Dies bewirkt eine kleine Nachstellung des Erregerstroms in der Objekt ivlinse, UBi die Probe auch bei dem neuen Vergrößerungswert im Brennpunkt zu halten. Diese Nach- oder Trimmeinstellung bewirkt eine kleine Änderung der durch die Objektivlinse bewirkten Drehung, und dies wird daher durch eine entsprechend kleine Einstellung des Wertes der Widerstände R₃ kompensiert. Da die Projektorlinse P3 in der Nähe ihrer kleinsten Brennweite betrieben wird, beeinflußt diese änderung des Erregerstrons die Brennweite von P3 nicht wesentlich.

Die maximale Gesamtvergrößerung, die sich in der ersten Betriebsart erreichen läßt, wird durch die kleinste Brennweite der Linsen Pl und P2 bestimmt und liegt gewöhnlich in der Grössenordnung von 1,25 Millionen. ä

Der untere Grenzwert der Vergrößerung ist bei dieser Betriebsart durch die geometrischen Bildfehler bestimmt, die um so größer werden, je kleiner die Erregerströme der Linsen Pl und P2 werden. Gewöhnlich liegt die kleinste Vergrößsrung bei der ersten Betriebsart in der Größenordnung von 8000 bei einem annehmbaren Bildfehler. -<

Wie in Fig. 4 dargestellt ist, bewirkt eine Einstellung der Vergrößerung alt Hilfe des Drehknopfes 30 auf einen unter den untere]

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Grenzwert der ersten Betriebsart liegenden Wert, daß das Mikroskop in einer zweiten Betriebsart arbeitet, und zwar wie folgt:

Die zweite Projektorlinse P2 wird von ihrer Stromversorgungseinrichtung getrennt, so daß sie unwirksam wird.

Die Widerstände R₁ und R„ werden auf solche Werte eingestellt, daß die erste Projektorlinse Pl in einer Betriebsart mit virtuellem Bild arbeitet, während die dritte Projektorlinse P3 in einer Betriebsart mit reellem Bild arbeitet. Die Linse Pl bewirkt also eine "Tonnenverzeichnung", die die "Kissenverzeichnung", die von der Linse P3 bei schwacher Erregung erzeugt wird, auszugleichen bestrebt ist. Auf diese Weise läßt sich der Vergrößerungsbereich des Mikroskops in der zweiten Betriebsart erweitern, und zwar im allgemeinen bis herunter zu einem Wert von 4000 (viertausendfache Vergrößerung), bevor eine wesentliche geometrische Verzeichnung auftritt.

Durch Betätigung des Drehknopfes 30 wird eine Änderung der Erregerströme in den Projektorlinsen Pl und P3 zur Änderung der Vergrößerung und gleichzeitig eine Nachstellung oder Trimmung der Objektivlinse Obj, um die Probe im Brennpunkt zu halten, bewirkt.

Die Werte der Widerstände R , R₁ und R₃ werden so gewählt, daß die bei irgendeiner Vergrößerungseinstellung durch die Projektorlinsen Pl und P3 bewirkte Gesamtdrehung gleich der durch die Objektivlinse Obj bewirkten Drehung und dieser entgegengerichtet ist. Die Drehung des letzten Bildes bleibt daher während der gesamten zweiten Betriebsart insgesamt null. (Die Drehung ist natürlich nicht in Fig. 4 dargestellt, bei der es sich lediglich um ein schematisches Strahlendiagramm handelt.)

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Man sieht also,*daß man durch diese beiden Betriebsarten des Mikroskops einen verhältnismäßig großen Vergrößerungsbereich ohne erhebliche Verzeichnung und ohne Drehung des Bildes erhält.

Obwohl bei dem dargestellten Beispiel die Gesamtdrehung des letzten Bildes null ist, ist es bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung auch möglich, die Bilddrehung in dem einen oder in beiden Vergrößerungsbereichen auf einem vorgegebenen Wert, der ungleich null ist, konstant zu halten«

Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, wird bei einer speziellen Ab-Wandlung des beschriebenen Ausführungsbeispiels die zweite Betriebsart wie folgt durch eine andere Betriebsart ersetzt:

Die Vergrößerung wird durch Veränderung der Stärke der den Linsen Pl und P3 zugeführten Erregerströme verändert. Die Werte der Widerstände R- und R» sind so gewählt, daß die durch die Linsen Pl und P3 bei irgendeiner Vergrößerungseinstellung bewirkten Drehungen gleich und entgegengesetzt gerichtet sind, so daß sie einander aufheben.

Die Linse P2 wird in einer Betriebsart mit virtuellem Bild bei konstantem schwachem Erregerstrom betrieben. Die Linse P2 bewirkt daher eine "Tonnenverzeichnung", die die "Kissenverzeichnung" kompensiert, die von der Linse P3 hervorgerufen wird, wenn sie mit schwachem Erregerstrom betrieben wird.

Bei dieser alternativen zweiten Betriebsart wird die von der Objektivlinse Obj bewirkte Drehung, die in der Größenordnung von 100° liegt, nicht durch die von der zweiten Projektorlinse P2 bewirkte Drehung kompensiert, da sie, weil sie mit schwachem Erregerstrom betrieben wird, nur eine Drehung von etwa 10° bewirkt. Wie ferner aus Fig 5 zu ersehen ist, wird das letzte Bild umgekehrt (d.h. um -180° gedreht), so daß das Bild in ~

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- ν· -Io

bezug auf das Objekt um insgesamt -90° gedreht wird. Diese Drehung ist jedoch bei Änderungen der Vergrößerung im Bereich von 400Ofacher bis 800Ofacher Vergrößerung im wesentlichen konstant.

Eine andere Abwandlung des Mikroskops kann darin bestehen, daß mehr als vier Linsen verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche

Iy Elektronenmikroskop mit einer elektromagnetischen Objektivlinse und mindestens drei getrennten elektromagnetischen Projektorlinsen in Tandemanordnung und eine Stromversorgungseinrichtung, aus der den Linsen Erregerströme zufUhrbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungseinrichtung einen Regler (30) aufweist, bei dessen Betätigung die Vergrößerung des Mikroskops durch derartige Änderung der zwei oder mehreren der Linsen (Obj, Pl, P2, P3) zugeführten Erregerströme veränderbar ist, daß Änderungen der Strahldrehung in den Linsen gegensinnig und einander aufzuheben bestrebt sind, so daß die Lage (oder Ausrichtung) des letzten Bildes zumindest in einem vorbestimmten Vergrößerungsbereich konstant ist.
2. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenerregerströme derart gewählt sind, daß die Gesamtdrehung des letzten Bildes in bezug auf das Objekt zumindest in dem erwähnten Vergrößerungsbereich im wesentlichen null ist.
3. Elektronenmikroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungseinrichtung derart ausgebildet ist, daß die Vergrößerung des Mikroskops in einem ersten Wertebereich durch Andern der einer ersten Kombination jener Linsen zugeführten Erregerströme derart veränderbar ist, daß Änderungen der durch die Linsen der ersten Linsenkombination bewirkten Strahldrehung einander aufheben, und daß die Vergrößerung des Mikroskops in einem zweiten Wertebereich durch Ändern der einer zweiten Kombination der

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Linsen zugeführten Erregerströme derart veränderbar ist, daß änderungen der durch die Linsen der zweiten Kombination bewirkten Strahldrehung einander ebenfalls aufheben.
4. Elektronenmikroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerung des Mikroskops dadurch veränderbar ist, daß die zwei oder mehreren der Projektorlinsen (Pl, P2, P3) zugeführten Erregerströme verändert werden und gleichzeitig der der Objektivlinse (Obj) zugeführte Erregerstrom derart veränderbar ist, daß das Objekt im Brennpunkt gehalten wird und sich durch die Objektivlinse (Obj) und die Projektorlinsen (Pl, P2, P3 bewirkte Änderungen der Strahldrehung aufheben.

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