DE2302689B2

DE2302689B2 -

Info

Publication number: DE2302689B2
Application number: DE2302689A
Authority: DE
Inventors: Hirotami Koike; Katsuyoshi Ueno
Original assignee: Nihon Denshi KK
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1972-10-23
Filing date: 1973-01-19
Publication date: 1979-02-08
Also published as: US3849647A; JPS5138578B2; GB1422398A; JPS4964365A; DE2302689A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Abtastdurchstrahlungs-Elektronenmikroskop mit Mitteln zur Erzeugung eines Elektronenstrahles, Mitteln zum Sammeln des Elektronenstrahles, Ablenkmitteln, welche wenigstens eine Ablenkstufe enthalten zum Abtasten einer Probe mittels des Elektronenstrahles, einem Linsensystem zur Abbildung der durch die Probe hindurchgetretenen Elektronen, einem in einer zur optischen Achse senkrechten Ebene angeordneten Detektor für den durch die Probe hindurchgetretenen Elektronenstrahl und mit einer Einrichtung zur bildlichen Darstellung des Abtastbildes, an welche das Signal des Detektors gelegt ist.

Ein derartiges Abtastdurchstrahkmgs-Elektronenmikroskop ist bekannt (DE-OS 21 289).

Bei dem aus der deutschen Offenlegungsschrift 2116 289 bekannten Abtastdurchstrahlungs-Elektronenmikroskop wird neben dem Durchstrahlungsbild ein Sekundärelektronenbild erzeugt, das aus den vom Objekt zurückgestreuten Sekundärelektronen gebildet wird. Zur Erzeugung dieser beiden Bilder kann auch ein Linsensystem mit zwei Brennpunkten vorgesehen sein. Mit diesem bekannten Mikroskop ist es nicht möglich, das Durchstrahlungsbild und das entsprechende Beugungsbild gleichzeitig für die Beobachtung sichtbar zu machen, da Mittel zur Erzeugung des Beugungsbildes nicht vorgesehen sind.

Aus der deutschen Offenlegungschrift 20 06 671 ist ein Durchstrahlungs-Elektronenmikroskop ohne Abtastung der Probe bekannt, bei dem das Linsensystem von der seitlich eingeschobenen Probe auf einem Fluoreszenzschirm ein Bild erzeugt. Das Linsensystem ist so ausgestaltet, daß es mehrere Brennpunkte aufweist, wobei die Probe in einem der Brennpunkte angeordnet wird. Jedoch sind auch bei diesem bekannten Elektronenmikroskop keine Mittel vorgesehen, mit denen man gleichzeitig das Beugungsbild und das Durchstrahlungsbild erzeugen kann. Aus der US-Patentschrift 32 25 192 ist ein Elektronenmikroskop mit einem herkömmlichen Aufbau, bei dem keine Abtastung der Probe durchge-

führt wird bekannt, bei dem man gleichzeitig das Durchstrahlungsbild und das Beugungsbild in einer Bildebene nebeneinanderliegend darstellen kann. Dies wird beim bekannten Elektronenmikroskop dadurch erreicht, daß die Brennweite einer der Probe nachgeordneten Zwischenlinse periodisch geändert wird, um das Durchstrahlungsbild aus der optischen Achse so abzulenken, daß es neben dem Beugungsbild in der Bildebene zu liegen kommt

Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einem Abtastdurchstrahlungs-Elektronenmikroskop ohne nennenswerten zusätzlichen Aufwand sowohl das Mikroskopbild, welches durch die hindurchgetretenen Elektronen erzeugt wird, als auch sein korrespondierendierendes Beugungsbild gleichzeitig beobachtbar zu machen.

Diese Aufgabe wird bei einem Abtastdurchstrahlungs-Elektronenmikroskop der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Linsensystem so angeordnet und ausgebildet r.t, daß der Mittelstrahl eines durch die Probe hindurchgetretenen Elektronenstrahlbündels die optische Achse des Linsensystems wenigstens zweimal kreuzt, daß der Detektor in einem Kreuzungspunkt des Mittelstrahles mit der optischen Achse angeordnet ist. wo der Mittelstrahl die optische Achse zum zweiten oder mehr als zum zweiten Mal schneidet, und daß eine Einrichtung zur bildlichen Darstellung des von dem Linsensystem in der Ebene, w d der Mittelstrahl die optische Achse zum zweiten oder mehreren Malen schneidet, entworfenen Beugungsbildes der Probe vorgesehen ist

Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß man im wesentlichen mit den ohnehin in einem Abtastdurchstranlungs-Elektronenmikroskop vorhandenen Mitteln gleichzeitig das Rastermikroskopbild und das entsprechende Beugungsbild erzeugen und beobachten kann, so daß zeitliche Veränderungen in der Probe beispielsweise Phasenumwandlungen in kristallinen Strukturen oder das Wachstum des kristallinen Gebildes beim Erhitzen oder Abkühlen der kristallinen Probe analysiert werden können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig.2 die Objektivlinse, welche einen Teil des Linsensystems des Mikroskopes in der F i g. 1 bildet;

F i g. 3 eine schematische Darstellung des Strahlverlaufes und des Magnetfeldes, das durch die Objektivlinse in der F i g. 2 erzsugt wird;

Fig.4 eine schematische Darstellung des Strahlenganges im Mikroskop der Fig. 1;

F i g. 5 eine schematische Darstellung des elektronenoptischen Systems eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig.6 eine schematische Ansicht einer anderen Objektivlinse;

Fig.7 eine schematische Ansicht einer weiteren Objektivlinse;

Fig.8 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur bildlichen Darstellung des Beugungsbildes auf einer Kathodenstrahlröhre und

Fig.9 eine schematische Ansicht einer weiteren Einrichtung zur bildlichen Anzeige des Beugungsbildes auf einer Kathodenstrahlröhre.

Wie in F i g. 1 dargestellt, liefert ein Elektronenstrahlerzeuger 1 einen Elektronenstrahl, der mittels Kondensorlinsen 2 und 3 sowie einer Objektivlinse 4, welche das Linsensystem zur Abbildung der durch die Probe hindurchgetretenen Elektronen bildet, gesammelt und fokussiert wird. Es wird eine kristalline Probe in einem Einspannkopf 5, der von einem Objektträger Sa gehalten ist, bestrahlt, wobei der Durchmesser des Elektronenstrahles sehr klein ist Der Elektronenstrahl tastet die Probe zweidimensional ab. Es sind hierzu eine Ablenkspule 6, eine Quelle 7 für den Ablenkstrom und die Objektivlinse 4 vorgesehen. Darüber hinaus wird der Elektronenstrahl, der durch die Probe hindurchge schickt ist und durch die Probe gebeugt worden ist mit Hilfe des Magnetfeldes der Objektivlinse 4 in ein Beugungsbild auf einem fluoreszierenden Schirm 8 umgeformt Dessen Muster kann durch ein Fenster 9 einer Beobachtungskammer 10 beobachtet werden. Die

is hindurchgetretenen Elektronen, -welche die Mitte des Fluoreszenzschirmes 8 treffen, treten durch eine kleine öffnung 11 hindurch und werden von einem Elektronendetektor 12 eingefangen. Das Ausgangssignal des Detektors wird über einen Verstärker 14 an das Heilligkeitssteuergitter einer Kathodenstrahlröhre 13 gelegt Da eine Ablenkspule 15, welche als Teil der Kathodenstrahlröhre 13 ausgebildet ist, aus der gleichen Stromversorgungsquelle 7 wie die Ablenkspule 6 mit einem Ablenkstrom versorgt wird,

2^r, kann auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre 13 ein Abtastmikroskopbild sichtbar dargestellt werden.

Eine Ablenkspule 16 ist dem oberen Teil der Beobachtungskammer 10 zugeordnet und eine zugeordnete Stromquelle 17 wird dazu benützt um den

in Elektronenstrahl so abzulenken, daß der unerwünschte Beugungsbildfleck durch die öffnung 11 hindurchtritt. Natürlich können zu diesem Zweck auch mechanische Mittel zur Verschiebung des Detektors 12 und der öffnung 11 anstelle der Ablenkspule 16 und der

r. zugeordneten Stromquelle 17 verwendet werden.

Die F i g. 2 zeigt den Aufbau der Objektivlinse 4 im einzelnen. Die Linse enthält eine Erregerwicklung 18, ein Joch 19 und Polschuhe 20 und 21 sowie einen nicht magnetischen Abstandshalter 22. Mittels des Abstands-

4(i halters 22 wird zwischen den Polschuhen 20 und 21 ein Luftspalt gebildet. Eine kristalline Probe 23 ist zwischen den Polschuhen 20 und 21 angeordnet (F i g. 9). Die Ablenkspule 6 für die Abtastung des Elektronenstrahles über die Probe hin ist am oberen Teil des Polschuhes 20

i) angeordnet Das Magnetfeld 24 und der Elektronenstrahlgang 25 in den oberen Polschuhen ist in der F i g. 3 dargestellt. In dieser Figur ist das Magnetfeld 24 im Bereich unterhalb der Probe so stark, daß der Mittelstrahl der Elektronen, die durch die Probe

>(> hindurchtreten, die optische Achse 26 wenigstens zweimal kreuzt, und zwar an den Punkten A und B, wie es in der F i g. 3 dargestellt ist.

In der Fig.4 ist schematisch der Elektronenstrahlgang im Mikroskop, das in der F i g. 1 dargestellt ist,

v-, gezeigt. In dieser Figur repräsentieren die Linsen 4a, Ab und Ac das starke Magnetfeld 24 der Objektivlinse 4 wie es in F i g. 3 dargestellt ist. Der Elektronenstrahl, der vom Elektronenerzeuger geliefert wird, wird mittels der scheinbaren Linse 4a zusätzlich zu den Sammellinsen 2

mi und 3 gesammelt, so daß der Querschnitt des Elektronenstrahles, der auf die Probe trifft, verringert wird. Der Strahl wird mittels der Ablenkspule 6 und der scheinbaren Linse Aa abgelenkt. Da die Ablenkspule 6 am vorderen Brennpunkt der scheinbaren Linse Aa

ir", angeordnet ist, bestrahlt der Elektronenstrahl die Probe in senkrechter Richtung. Durch die Probe 23 werden die Elektronenstrahlen 25b, 25c abgelenkt bzw. gebeugt, während der Mittelstrahl 25a unabgelenkt bleibt. Diese

Strahlen bilden ein Beugungsbild an den Stellen 27 und 28, und zwar an der Stelle wo der Mittelstrahl die optische Achse 26 schneidet Wenn die kristalline Probe die gleiche ist, bleibt das Beugungsbild auf dem Schirm 8 ohne Rücksicht auf die Abtastposition stationär wenn der Elektronenstrahl die Probe abtastet. In der F i g. 5 ist schematisch das elektronoptische System eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Paare von Spulen 6a und 6b oberhalb des vorderen Brennpunktes der scheinbaren Linse 4a angeordnet, so daß der Elektronenstrahl zweifach abgelenkt wird. Hierdurch wird der Winkel, mit welchem der Elektronenstrahl die optische Achse 26 im vorderen Brennpunkt der Linse 4a schneidet, verändert

In der F i g. 6 wird schematisch ein anderer struktureller Aufbau der in der F i g. 2 dargestellten Objektivlinse gezeigt Bei dieser Anordnung ist ein zusätzlicher magnetischer Polschuh 29 zwischen den Polschuhen 20 und 21 angeordnet Hieraus resultiert ein einzelner Magnetfluß mit zwei Luftspalten. Da die kristalline Probe 23 im Polschuh 29 angeordnet ist, wirkt der obere Luftspalt in der gleichen Weise wie die scheinbare Linse 4a und der untere Luftspalt wirkt in der gleichen Weise wie die Linse Ab oder die Linsen Ab und Ac in Kombination.

Die F i g. 7 zeigt schematisch eine weitere Anordnung der Objektivlinse in der F i g. 2. Bei dieser Ausführungsform treten eine Erregerspule 30, ein Joch 31 und magnetische Polschuhe 32 und 33 sowie ein Abstandhalter 34 zusätzlich zum ursprünglichen Aufbau hinzu. Hieraus ergeben sich zwei magnetische Flußwege und zwei Luftspalte. Wenn bei dieser Anordnung das magnetische Feld im oberen Luftspalt so stark ist wie es in der F i g. 3 dargestellt ist wirkt das Magnetfeld im unteren Luftspalt wie eine zusätzliche bzw. extra Linse und das Beugungsbild ist noch weiter vergrößert Bei dieser Ausführungsform schneidet der Elektronenstrahl, der durch die Probe hindurchgetreten ist mehr als zweimal die optische Achse und das Beugungsbild kann in irgendeiner der Ebenen, wo der Elektronenstrahl die optische Achse schneidet, gebildet werden. Wenn darüber hinaus die Magnetfeldstärke im oberen Luftspalt nicht ausreicht, wirkt das Magnetfeld im

"> oberen Luftspalt wie die Linsen 4a und Ab und das Magnetfeld im unteren Luftspalt wirkt wie die Linse Aa In der Fig.8 ist eine Anordnung zur bildlichen Darstellung des Beugungsbildes auf einer Kathodenstrahlröhre dargestellt.

ίο Bei dieser Ausführungsform ist ein kleiner Elektronendetektor 35, beispielsweise ein halbleitender Detektor, in der Mitte der Ebene 28, in der das Beugungsbild gebildet wird, angeordnet, so daß ein Signal für das Abtastmikroskopbild gebildet wird. Ein zweiter Elektro-

is nendetektor 36 ist zusammen mit einer öffnung 37 unterhalb des Elektronendetektors 35 angeordnet Zusätzlich ist eine Ablenkspule 38 zur Abtastung des gesamten Beugungsbildes über der öffnung bzw. Blende 37 zwischen den Detektoren 35 und 36 angeordnet Das Signal, welches vom Detektor 36 erzeugt wird, wird an das Helligkeitssteuergitter der Kathodenstrahlröhre 39 über einen Verstärker 40 gelegt. Da darüberhinaus die Abtaststromquelle 41 den beiden Ablenkspulen 38 und 42 der Kathodenstrahlröhre 39 gemeinsam ist, wird das Beugungsbild an der Kathodenstrahlröhre 39 sichtbar dargestellt In diesem Fall ist es möglich durch mechanische Abtastung bzw. Verschiebung des Detektors 36 zusammen mit der öffnung bzw. Blende 37 das Beugungsbild darzustellen. Diese mechanische Abta-

n) stung bzw. Verschiebung tritt dann an die Stelle der Ablenkspule 38.

Die Fig.9 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform zur bildlichen Darstellung eines Beugungsbildes an einer Kathodenstrahlröhre, bei welcher eine

ii Bildabtaströhre 43 ansteile des Detektors 36 verwendet wird. In diesem Fall ist die Ablenkspule 38 ersetzt durch die Ablenkspule 44, die in der Bildabtaströhre angeordnet ist Auf diese Weise wird das Beugungsbild, das in der Ebene 28 gebildet wird, auf der Kathoden strahlröhre 39 sichtbar dargestellt

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Abtastdurchsirahlungs-Elektronenmikroskop mit Mitteln zur Erzeugung eines Elektronenstrahles, Mitteln zum Sammeln des Elektronenstrahles, Ablenkmitteln, welche wenigstens eine Ablenkstufe enthalten zum Abtasten einer Probe mittels des Elektronenstrahles, einem Linsensystem zur Abbildung der durch die Probe hindurchgetretenen Elektronen, einem in einer zur optischen Achse senkrechten Ebene angeordneten Detektor für den durch die Probe hindurchgetretenen Elektronenstrahl und mit einer Einrichtung zur bildlichen Darstellung des Abtastbildes, an welche das Signal des Detektors gelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem (4) so angeordnet und ausgebildet ist, daß der Mittelstrahl (25a; eines durch die Probe (23) hindurchgetrstenen Elektronenstrahlbündels die optische Achse des Linsensystems (4) wenigstens zweimal kreuzt, daß der Detektor (12; 35) in einem Kreuzungspunkt des Mittelstrahles {25a) mit der optischen Achse angeordnet ist, wo der Mittelstrahl (25a^die optische Achse zum zweiten oder mehr als zum zweiten Mal schneidet, und daß eine Einrichtung (8; 36 bis 42;39 2^r> bis 43) zur bildlichen Darstellung des von dem Linsensystem (4) in der Ebene (28), wo der Mittelstrahl {25a) die optische Achse zum zweiten oder mehreren Malen schneidet, entworfenen Beugungsbildes der Probe (23) vorgesehen ist. «'

2. Abtastdurchstrahlungs-Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem (4) durch ein einziges Magnetfeld (24) gebildet ist

3. Abtastdurchstrahlungs-Elektronenmikroskop *^r> nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das einzige Magnetfeld (24) durch einen einzigen Luftspalt eines Magneten (18—22) erzeugt ist (F ig. 2).

4. Abtastdurchstrahlungs-Elektronenmikroskop ^w nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das einzige Magnetfeld (24) von zwei Luftspalten eines Magneten (18—22, 29), von denen jeder als Einzellinse wirkt, erzeugt (Fig. 6).

5. Abtastdurchstrahlungs-Elektronenmikroskop ⁴> nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem (4) zwei durch jeweils einen Luftspalt jeweils eines Magneten (19—22; 30—34) erzeugte Magnetfelder aufweist (F i g. 7).

6. Abtastdurchstrahlungs-Elektronenmikroskop ^r>0 nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (23) in der Weise im Magnetfeld (24) des Linsensystems (4) angeordnet ist, daß sie in Strahlfortschreitungsrichtung gesehen dem Maximum des Magnetfeldes um eine geringe ^Γ)Γ' Entfernung nachgeordnet ist und der Magnetfeldteil vor der Probe als Sammellinse und der der Probe nachgeordnete Magnetfeldteil zur Bildung des Beugungsbildes dient

7. Abtastdurchstrahlungs-Elektronenmikroskop ^w) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Detektors (12,35) und des Beugungsbildes relativ zueinander veränderbar ist

8. Abtastdurchstrahlungs-Elektronenmikroskop ^M nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (12; 35) gegenüber dem Beugungsbild mechanisch verschiebbar ist.

9. Abtastdurchstrahlungs-Elektronenmikroskop nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur bildlichen Darstellung des Beugungsbildes einen weiteren ortsfesten Detektor (36) und Elektronenablenkmittsl (38) aufweist, die zwischen dem Linsensystem (4) und dem weiteren ortsfesten Detektor (36) angeordnet sind (F i g. 8).

10. Abtastdurchstrahlungs-Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur bildlichen Darstellung des Beugungsbildes einen Fluoreszenzschirm (8) aufweist (Fig. Iu.4).

11. Abtastdurchstrahlungs-EIektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur bildlichen Darstellung des Beugungsbildes eine Bildabtaströhre (43) und eine synchronarbeitende Bildröhre (39) aufweisen (F ig. 9).

12. Abtastdurchstrahlungs-Elektronenmikroskop nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen dem Linsensystem (4) und dem weiteren ortsfesten Detektor (36) angeordneten Elektronenablenkmittel (38) mit einer an den weiteren ortsfesten Detektor (36) angeschlossenen Bildröhre (39) synchronisiert sind (F i g. 8).