DE2640260B2 - Durchstrahlungs-Raster-Korpuskularstrahlmikroskop - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Durchstrahlungs-Raster-Korpuskularstrahlmikroskop mit einer Fernsehaufnahmeröhre zur Aufnahme und einem Fernseh-Monitor zur Wiedergabe des Beugungsbildes eines zu untersuchenden Objektes.

Es sind bereits Durchstrahlungs-Raster-Elektronenmikroskope bekannt, bei denen die Einrichtung zur bildlichen Darstellung des Beugungsbildes aus einer Fernsehaufnahmeröhre und einem Fernseh-Monitor besteht, wobei der Fernseh-Monitor mit der Fernsehaufnahmeröhre synchronisiert ist (US-PS 38 49 647). Durch die speichernde Eigenschaft des Targets der Fernsehaufnahmeröhre stellt diese zusammen mit dem Fernseh-Monitor ein parallel arbeitendes Detektorsystem dar, durch das das gesamte Beugungsbild gleichzeitig erfaßt werden kann. Dabei ergibt sich ein wesentlich besseres Signal-Rausch-Verhältnis als bei sonst üblichen Einrichtungen, bei denen das Beugungsbild durch einen Detektor nacheinander abgetastet und dargestellt wird. Ist die Abtastfrequenz der Fernsehaufnahmeröhre groß gegen die Rasterfrequenz, so erhält man tatsächlich Beugungsbilder der gerade bei der Rasterung durchstrahlten Bereiche. Ist hingegen die Abtastfrequenz der Fernsehröhre annähernd gleich der Rasterfrequenz, so erhält man auf dem Fernseh-Monitor eine Überlagerung vieler Teilbeugungsbilder des abgerasterten Bereiches.

is Weiterhin ist es aus dieser US-Patentschrift bekannt, bei einem Durchstrahlungs-Raster-Elektronenmikroskop dieser Art oberhalb der Fernsehaufnahmeröhre einen Hellfeld-Detektor anzuordnen und dessen Ausgangssignal auf einen zweiten, mit der Objektrasterung synchronisierten Fernseh-Monitor zu geben. Dadurch können Beugungsbild und Hellfeldbild gleichzeitig beobachtet werden. Die Aufnahme eines Dunkelfeldbildes ist mit dieser Einrichtung nicht möglich. Bei Darchstrahlungs-Raster-Elektronenmikroskopen ist es auch bekannt (DE-OS 21 10 325), zur getrennten gleichzeitigen Erfassung von Hell- und Dunkelfeldbild einen integralen ringförmigen Detektor mit zentraler öffnung und in Strahlrichtung gesehen hinter dieser öffnung einen weiteren integralen Detektor vorzuse hen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikroskop der eingangs genannten Art zur gleichzeitigen Darstellung von Beugungsbild und Dunkelfeldabbildung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß sich im Strahlkegel hinter dem Objekt ein Durchsicht-Leuchtschirm befindet, daß eine Lichtoptik so angeordnet ist, daß sie den Leuchtschirm auf das Target der Fernsehaufnahmeröhre abbildet und daß ein die von dem Leuchtschirm ausgehende dem Dunkelfeldbild entsprechende Strahlung integral erfassender Detektor vorgesehen ist. Mit Hilfe dieses zwischen Objekt und Fernsehaufnahmeröhre angeordneten Durchsicht-Leuchtschirmes ist es möglich, neben dem Beu- gungsbild auch noch das Dunkelfeldbild aufzunehmen. Der Leuchtschirm wandelt zunächst das elektronenoptische Beugungsbild in ein lichtoptisclies um. Dieses wird über die Lichtoptik auf das Target der Fernsehaufnahmeröhre abgebildet Gleichzeitig wird die von dem

so Leuchtschirm ausgehende Strahlung durch einen Detektor integral erfaßt, aus dessen Signal das Dunkelfeldbild aufgebaut wird. Es können dazu zwei unterschiedliche Wege beschritten werden. Einerseits kann ein Detektor verwendet werden, dessen Empfindlichkeit im optischen Bereich der vom Leuchtschirm ausgehenden Strahlung liegt, und andererseits ein Detektor, dessen Empfindlichkeit im Bereich von am Leuchtschirm ausgelösten Sekundärkorpuskeln liegt. Im ersten Fall ist bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung der Leuchtschirm gegen die Mikroskopachse schräggestellt und an seiner in Strahlrichtung rückwärtigen Seite mit einem lichtempfindlichen Element als Detektor verbunden. Die Vorderseite des Leuchtschirmes wird über die Lichtoptik sowie gegebe nenfalls Umlenkspiegel auf das Target der Fernsehauf nahmeröhre abgebildet.

Um ein einwandfreies Dunkelfeldbild zu erhalten, ist in beiden Fällen darauf zu achten, daß der Primärstrahl,

d.h. also das Hellfeldbild, unterdrückt wird. Die einfachste Möglichkeit dazu wäre eine Blende im Strahlengang vor dem Leuchtschirm von der Größe des Primärstrahlkegels. Vorteilhafter jedoch ist es, anstelle dieser Blende einen Hellfeld-Detektor zu verwenden. So ergibt sich die Möglichkeit, neben dem Dunkelfeldbild und dem Beugungsbild gleichzeitig oder wahlweise auch noch das Hellfeldbild darzustellen. FQr die gleichzeitige Darstellung wäre dann ein weiterer Fernseh-Monitor notwendig.

In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Fernsehaufnahmeröhre außerhalb der Mikroskopachse angeordnet ist und daß die Lichtoptik und ein Umlenkspiegel derart angeordnet sind, daß der Leuchtschirm wiederum auf die Fernsehaufnahmeröhre abgebildet wird. Dadurch ist es möglich, die Fernsehauf nahmeröhre außerhalb des evakuierten Mikroskopraumes anzuordnen, beispielsweise an einem Fensterbauteil. Darüber hinaus bleibt der Raum unterhalb des Leuchtschirmes bei dieser Anordnung frei für weitere Geräte. Es ist in diesem Fall von Vorteil, daß der Leuchtschirm und alle in Strahlrichtung hinter diesem angeordneten Teile ein Loch mit der Mikroskopachse als Zentrum aufweisen, durch das achsnahe Korpuskeln zu einem Energieanalysator gelangen können. Neben der gleichzeitigen Darstellung von Beugungs- und Dunkelfeldbild besteht somit die Möglichkeit, zusätzlich und ebenfalls gleichzeitig entweder das Hellfeldbild darzustellen oder eine Energieverlustanalyse vorzunehmen.

Man erhält somit eine optimale Information über das zu untersuchende Objekt, wobei sich durch die gleichzeitige Registrierung der verschiedenen Informationen kurze Bestrahlungszeiten und damit eine geringe Objektschädigung und eine geringe Kontamination ergeben. Es ergibt sich außerdem eine bessere Zuordnung von Bild und Beugungsbild, wodurch beispielsweise bei kristallographischen Untersuchungen die Grenze zwischen zwei Kristallbereichen unterschiedlicher Kristallorientierung, eine sogenannte Korngrenze, einfach und exakt lokalisiert werden kann. Beim Überqueren der Korngrenze ändert sich das Beugungsbild sprunghaft.

In Weiterbildung der Erfindung ist es außerdem vorgesehen, daß zwischen dem Leuchtschirm und der Fernsehaufnahmeröhre ein Bildverstärker angeordnet ist

In den F i g. 1 bis 3 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, wobei die F i g. 2 und 3 nur die Teile unterhalb des Objektes zeigen.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Durchstrahlungs-Raster-Elektronenmikroskop ist die Strahlquelle mit 1 bezeichnet; sie kann beispielsweise eine Feldemissionskathode aufweisen. Der Strahl 2 wird durch eine Objektivlinse 3 auf das Objekt 4 fokussiert. Er wird durch ein Ablenksystem 5 in üblicher Weise so ausgelenkt, daß der Fokus Fauf dem Objekt 4 ein Raster beschreibt Nach Durchtritt durch das Objekt 4 bildet der Strahl 2 einen Primärstrahlkegel 2a und einen Streustrahlkegel 2b. Im Primärstrahlkegel hinter dem Objekt 4 ist ein Detektor angeordnet, der aus einem Szintillationsdetektor 6, einem gekrümmten Lichtleiter 7 und einem Photoelektronen-Vervielfacher 8 besteht. Der Ausgang des Photoelektronen-Vervielfachers 8 kann die Helligkeit eines Fernseh-Monitors 9 steuern, dessen Ablenksystem 10 synchron mit dem Ablenksystem 5 betrieben ist. Auf dem Fernseh-Monitor 9 entsteht dabei das Hellfeldbild des Objektes 4. Die an dem Szintillationsdetektor 6 vorbeigehende Strahlung im Streustrahlkegel 2b trifft auf einen Durchsicht-Leuchtschirm 11. Dabei wird die Elektronenstrahlung in Licht umgewandelt Gleichzeitig werden aber auch an der Oberfläche des Durchsicht-Leuchtschirmes 11 Sekundärelektronen ausgelöst

Die in Strahlrichtung rückwärtige Seite des Durchsicht-Leuchtschirmes 11 wird mit Hilfe einer Linse 12 auf das Target einer Fernsehaufnahmeröhre 13 abgebildet, deren Ablenksystem 14 synchron mit dem Ablenksystem 15 eines weiteren Fernseh-Monitoro 16 betrieben wird. Der Ausgang der Fernsehaufnahmeröhre 13 steuert die Helligkeit des Fernseh-Monitors 16. Auf dem Fernseh-Monitor 16 wird somit das Beugungsbild des durchstrahlen Objektbereiches dargestellt

Die an dem Leuchtschirm 11 ausgelösten Sekundärelektronen werden durch die an einem Sauggitter 21 liegende Saugspannung abgelenkt und in Richtung auf einen Szintillationsdetektor 18 beschleunigt Die Saugspannung ist dabei klein gegen die Beschleunigungsspannung für die Primärelektronen, so daß diese dadurch praktisch nicht abgelenkt werden. Der Szintillationsdetektor 18 ist über einen Lichtleiter 19 an einen Photoelektronen-Vervielfacher 20 angekoppelt An dessen Ausgang steht daher das verstärkte Dunkelfeldsignal an, das wiederum zur Hell- bzw. Dunkelsteuerung eines Fernseh-Monitors verwendet v/erden kann. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel kann wahlweise das Hellfeld- oder das Dunkelfeldsignal auf den Fernseh-Monitor 9 gegeben werden. Es ist jedoch auch möglich, einen weiteren Fernseh-Monitor vorzusehen, um damit gleichzeitig neben dem Beugunjsbild das Hellfeld- und das Dunkelfeldbild zu erhalten.

F i g. 2 zeigt wiederum den Leuchtschirm 11 sowie das oberhalb desselben angeordnete Sauggitter 21 und den Szintillationsdetektor 18 mit nachfolgendem Lichtleiter 19 und Photoelektronen-Vervielfacher 20. Abweichend von F i g. 1 wird die in Strahlrichtung rückwärtigb Seite des Leuchtschirmes 11 bei diesem Ausführungsbeispiel über einen Umlenkspiegel 25 und eine Tandemoptik 26 auf einen Bildverstärker 27 abgebildet Über diesen gelangt das Licht auf das Target der Fernsehaufnahmeröhre 13, deren Ausgangssignal wiederum zur bildlichen Darstellung des Beugungsbildes auf einen Fernseh-Monitor 16 gegeben ist. Sowohl der Leuchtschirm 11 als auch der Umlenkspiegel 25 weisen ein Loch mit der Mikroskopachse als Zentrum auf. Durch dieses Loch können achsnahe Elektronen zu einem Energieanalysator 28 gelangen. Neben der gleichzeitigen bildlichen Darstellung von Beugungsbild und Dunkelfeldbild ist hierbei also auch eine Energieverlustanalyse möglich. Das Ausgangssignai des Energieanaiysators 28 gelangt über einen Spalt 29 auf einen Szintillationsdetektor 30 und von dort über einen Lichtleiter 31 auf einen Photoelektronen-Vervielfacher 32. Bei bestimmter Erregung des Energieanaiysators 28 stellt das Ausgangssignal des Photoelektronen-Vervielfachers 32 das Hellfeldsignal dar, das wiederum auf einem Fernseh-Monitor als Hellfeldbild sichtbar gemacht werden kann.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es also möglich, wahlweise neben dem Beugungsbild und dem Dunkelfeldfcild gleichzeitig das Hellfeldbild zu betrachten oder eine Energieverlustanalyse vorzunehmen.

Die Fig.3 zeigt eine besonders raumgünstige Ausführungsform, bei der wiederum der vom Objekt ausgehende Elektronenstrahl auf den Leuchtschirm 11 fällt. Dieser Leuchtschirm ist unter einem Winkel von

45° gegen die Mikroskopachse geneigt. Das auf der in Strahlrichtung rückwärtigen Seite des Leuchtschirmes

I1 austretende Licht wird über einen Lichtleiter 35 auf einen Photoelektronen-Vervielfacher 36 gelenkt. Anstelle des Photoelektronen-Vervielfachers 36 kann auch jedes andere integrierende lichtempfindliche Element verwendet werden. Der Leuchtschirm 11 und der nachfolgende Lichtleiter 35 besitzen ein Loch mit der Mikroskopachse als Zentrum, durch das wiederum achsnahe Elektronen zu einem hier nicht dargestellten Energieanalysator gelangen können. Der Lichtleiter 35 kann massiv sein, er kann jedoch auch aus einem Bündel von um den Kanal herumgelegten lichtleitenden Fasern aufgebaut sein.

Die Vorderseite des Leuchtschirmes 11 wird über einen Umlenkspiegel 37 sowie eine Lichtoptik 38 wiederum auf die Fernsehaufnahmeröhre 13 abgebildet, deren Ausgangssignal dann wiederum das Beugungsbild liefert

In diesem Ausführungsbeispiel sind der Leuchtschirm

III mit dem anschließenden Lichtleiter 35 sowie der Umlenkspiegel 37 in einem kompakten Bauteil 40 angeordnet, das über Dichtungen 41 vakuumdicht an die Mikroskopsäule angeschlossen werden kann. Ein Fenster 42 dient als Vakuumabschluß zwischen dem Umlenkspiegel 37 und der Lichtoptik 38, die ebenso wie die Fernsehaufnahmeröhre 13 außerhalb des Vakuums angeordnet ist Über einen Flansch 43 kann ein hier nicht dargestellter Energieanalysator angeschlossen werden.

Bei diesem in der F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird im Gegensatz zu den beiden vorherigen Ausführungsbeispielen auch das Dunkelfeldsignal über vom Leuchtschirm ausgehendes Licht erhalten und nicht über Sekundärelektronen. In allen drei Ausführungsbeispieien wird jedoch die von einer Seite des Leuchtschirmes ausgehende Strahlung zur Erzeugung des Beugungsbildes und die von der entgegengesetzten Seite ausgehende Strahlung zur Erzeugung des Dunkelfeldbildes verwendet. Es sind jedoch auch

ίο Ausführungsbeispiele möglich, bei denen nur die von einer Seite des Leuchtschirmes ausgehende Strahlung verwendet wird, um beide Signale zu erhalten. Beispielsweise kann die Rückseite des Leuchtschirmes über einen halbdurchlässigen Spiegel einmal auf die Fernsehaufnahmeröhre und zum anderen auf ein integrierendes lichtempfindliches Element abgebildet werden. Mit einer derartigen Anordnung ist jedoch immer eine Intensitätshalbierung der einzelnen Signale verbunden, weswegen man wohl bevorzugt die anderen Ausführungsbeispiele verwenden wird.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Lichtoptik, die den Leuchtschirm auf das Target der Fernsehaufnahmeröhre abbildet, als Linsenoptik ausgebildet. Man kann sie jedoch auch, insbesondere im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1, durch eine Faseroptik realisieren.

Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Durchstrahlungs-Raster-Elektronenmikroskope; sie gilt gleichermaßen auch für Durchstrah· lungs-Raster-Ionenmikroskope.

Hierzu 2 Blatt Zeiclinungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Durchstrahlungs-Raster-Korpuskularstrahlmikroskop mit einer Fernsehaufnahmeröhre zur Aufnahme und einem Fernseh-Monitor zur Wiedergabe des Beugungsbildes eines zu untersuchenden Objektes, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Strahlkegel hinter dem Objekt (4) ein Durchsicht-Leuchtschirm (11) befindet, daß eine Lichtoptik (12,26,38) so angeordnet ist, daß sie den Leuchtschirm (11) auf das Target der Fernsehaufnahmeröhre (13) abbildet, und daß ein die von dem Leuchtschirm (11) ausgehende dem Dunkelfeldbild entsprechende Strahlung integral erfassender Detektor (18,36) vorgesehen ist

2. Mikroskop nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Detektor (36), dessen Empfindlichkeit im optischen Bereich der vom Leuchtschirm (11) ausgehenden Strahlung liegt (F i g. 3).

3. Mikroskop nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Detektor (18), dessen Empfindlichkeit im Bereich von am Leuchtschirm (11) ausgelösten Sekundärkorpuskeln liegt (F i g. 1 a und 2).

4. Mikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtschirm (11) gegen die Mikroskopachse schräggestellt ist, daß er an seiner in Strahlrichtung rückwärtigen Seite mit einem lichtempfindlichen Element (36) als Detektor verbunden ist und daß die Vorderseite des Leuchtschirmes (11) über die Lichtoptik (38) sowie gegebenenfalls Umlenkspiegel (37) auf das Target der Fernsehaufnahmeröhre (13) abgebildet wird.

5. Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fernsehaufnahmeröhre (13) außerhalb der Mikroskopachse angeordnet ist und daß die Lichtoptik (26, 38) und ein Umlenkspiegel (25,37) derart angeordnet sind, daß der Leuchtschirm (11) wiederum auf die Fernsehaufnahmeröhre (13) abgebildet wird (F i g. 2 und 3).

6. Mikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtschirm (11) und alle in Strahlrichtung hinter diesem angeordneten Teile ein Loch mit der Mikroskopachse als Zentrum aufweisen, durch das achsnahe Korpuskeln zu einem Energieanalysator (28) gelangen können (F i g. 2).

7. Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Leuchtschirm (11) und der Fernsehaufnahmeröhre (13) ein Bildverstärker (27) angeordnet ist.