DE2822242A1

DE2822242A1 - Elektronenmikroskop (mit zusatzlinse)

Info

Publication number: DE2822242A1
Application number: DE19782822242
Authority: DE
Inventors: Karel Diederick Van Der Mast; Jan Bart Le Poole; Christiaan Johannes Rakels
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1977-05-26
Filing date: 1978-05-22
Publication date: 1978-11-30
Also published as: BR7803298A; GB1604898A; ATA373778A; NL175245B; JPS53147458A; FR2392493A1; ES470151A1; AT374303B; JPH0357571B2; IT1095832B; IT7823715A0; NL175245C; FR2392493B1; NL7705789A; AU3654378A; SE430281B; US4306149A; SE7805838L; CA1110781A; DE2822242C2

Description

Elektronenmikroskop (mit Zusatzlinse).

Die Erfindung betrifft ein Elektronenmikroskop mit einem Elektronenstrahler, einem Kondensor, einem Objektiv und einer Umsehaltanordnung für die Wahl zwischen Durchstrahlungs- und Durchstrahlungsrasterbetrieb.

Neuzeitliche Elektronenmikroskope sind meistens so aufgebaut, dass damit sowohl im Durchstrahlungsbetrieb (TEM) als auch im Durchstrahlungsrasterbetrieb (STEM) gearbeitet werden kann. In bekannten Elektronenmikroskopen dieser Art gibt es den Nachteil, dass entweder die Umschaltung zwischen den beiden Betriebsarten als solche umständlich und zeitraubend ist, beispielsweise weil dabei auch die Erregung des Kondensors angepasst werden muss, oder dass in einer der Betriebsarten unter beschränkten

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Bedingungen gearbeitet werden muss, beispielsweise weil ein zu grosser Teil der darstellenden Elektronen vom Linsensystem dadurch eingefangen wird, dass nicht unter optimaler Vergrösserung gearbeitet werden kann, oder dass zu wenig freier Raum verfügbar ist, wodurch keine vollständige Detektion der erzeugten Daten erreicht werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,

diese Nachteile zu beseitigen, und dazu ist ein Elektronenmikroskop der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass eine zwischen den Kondensor und das Objektiv aufgenommene Zusatzlinse ein Teil der Umschaltanordnung ist.

Da in einem erfindungsgemässen Elektronenmikroskop beim übergang zwischen den beiden Betriebsarten eine schaltbare Zusatzlinse benutzt wird, ist die Umschaltung besonders einfach und schnell durchführbar und treten in keiner von beiden Betriebsarten Beschränkungen bei der Detektion auf.

In einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung ist die Zusatzlinse in das Objektiv des Elektronenmikroskops aufgenommen. Hierdurch kann man mit einer verhältnismässig schwachen Linse auskommen und brauchen beispielsweise im bekannten Philips-Elektronenmikroskop "EM 400" nur geringe Änderungen zum Einbauen einer erfindungsgemässen Zusatzlinse angebracht zu werden.

In einer praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemässen Elektronenmikroskops ist die Zusatzlinse

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durch eine in einen Halter des Objektivs aufgenommeng unabhängig zu erregende elektromagnetische Spule, gegebenenfalls zusammen mit einer von einer nichtmagnetischen Unterbrechung in einem Magnetjoch des Objektivs gebildeten Zusatzlinse, gebildet. Durch das Ein- oder Ausschalten bzw. durch eine Umpolung des elektromagnetischen Teils der Zusatzlinse wird der gewünschte übergang in eine andere Betriebsart erreicht.

Ein erfindungsgemässes Elektronenmikroskop

ist dazu mit einem nahezu symmetrischen Objektiv ausgerüstet über dem sich eine wenigstens teilweise ausschaltbare Zusatzlinse befindet. Ist die Zusatzlinse eingeschaltet, gleicht sie eine zu starke Erregung eines ersten Objekte feldes des Objektivs aus. Hierdurch entsteht eine Optik mit einer Normal-TEM-Optik nahezu entsprechenden Eigenschaften. Ist die Zusatzlinse vollständig oder ausreichend ausgeschaltet worden, so bildet sich ein symmetrisches STEM-Objektiv. In beiden Betriebsarten wird daher mit einer optimalen Linsenkonfiguration gearbeitet. Mit Hilfe eines zweiten Objektivfeldes des symmetrischen Objektivs kann über einen grossen Detektionswinkel für Dunkelfelddetektxon verfügt werden. Da eine symmetrische Anordnung aufrechterhalten bleibt, ist ein optimaler Raum zum Kippen eines Präparathalters gewährleistet und können dennoch kurze Brennweiten verwirklicht werden. Die Objektiverregung ist dabei für TEM- und STEM-Betriebsart gleich, wodurch auch beim Umschalten keine unerwünschten Änderungen auftreten können.

Nachstehend werden an Hand der Zeichnung einige bevorzugte Ausführung sforrnen nach der Erfindung näher

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erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine skizzierte Darstellung eines erfindungsgemässen Elektronenmikroskops im Schnitt,

Pig. 2 eine skizzierte Darstellung eines mit einer Zusatzlinse versehenen Objektivs für ein derartiges Elektronenmikroskop, ebenfalls im Schnitt, und

Fig. 3 Strahlengänge in zwei erfindungsgemässen Elektronenmikroskoparten.

Ein Elektronenmikroskop gemäss der Darstellung in Fig. 1 enthält einen Elektronenstrahler 1 mit einer Anode 2, einem Strahlrichtsystem 3 (beam alignment) und einer Blende k, einem Kondensorsystem mit einem ersten Kondensor 5j einem zweiten Kondensor und einer Kondensor— blende 7> einem Objektiv mit einem ersten Objektivpol 8 und einem zweiten Objektivpol 9> einem Strahlabtastsystem 10, einem Objektraum 11, einar Diffraktionslinse 12 mit einer Diffraktionsblende 13₅ einer Zwischenlinse 14, einem Projektionssystem mit einer ersten Projektionslinse 15 und einer zweiten Projektionslinse 16, einer Filmkamera 17 und einem Einblickfenster 18. Alle diese Teile sind in ein Gehäuse 20 mit einer elektrischen Zuleitung 21 für den Elektronenstrahler und mit einem Einblickfenster 22 aufgenommen. An das Gehäuse sind eine Binokularlupe 23, eine Vakuumpumpanordnung 2k und eine Plattenkamera 25 angeschlossen.

In dem hier beschriebenen "Elektronenmikroskop ist in das Objektiv eine Zusatzlinse 30 nach der Erfindung aufgenommen. Das Objektiv mit der Zusatzlinse wird nach-

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stehend an Hand der Fig. Z näher erläutert.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch ein Objektiv

mit den zwei Polen 8 und 9 gemäss Fig. 1. Im Teil 8, d.h. in dem nächst zum Kondensor liegenden Pol des Objektivs sind Strahlablenkspulen 31 und 32 angegeben, mit denen ein das Objektiv axial durchstrahlender Elektronenstrahl in zwei senkrecht aufeinander stehenden Richtungen abgelenkt werden kann, wodurch ein Präparat 3^- beispielsweise rasterförmig abgetastet werden kann.

Die Abtastspulen 31 und 32 sind in einem Joch aus magnetischem Material angeordnet, das in einem üblichen Objektiv bis in einen Polschuh 36 durchgeht. Das magnetische Joch umschliesst eine Erregungspule 37 des Objektivs. Ein unter anderem mit dieser Spule erzeugtes Magnetfeld bildet so eine kräftige Linse an der Stelle des Spaltes 39 zwischen den Polen.

Im Joch ist nach einer bevorzugten erfindungsgemässen Ausführungsform eine Zusatzlinse montiert, hier insbesondere durch die Anordnung einer Hilfsspule 4o und mit magnetischen Unterbrechungen 42 und 43 im Joch des Objektivs.

Der Polschuh 36, die nichtmagnetische Scheibe 43, ein Teil 45 des magnetischen Jochs des Objektivpoles und die nichtmagnetische Scheibe 43 bilden eine magnetische Schaltung der Zusatzlinse. Die Scheibe 43 erfüllt dabei die Funktion des Objektivspaltes, während die Scheibe 42 beispielsweise zwei Drittel der für die Zusatzlinse erforder-

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lichen Amperewindungen der Hauptlinse entzieht. In der TEM-Betriebsart fügt die Spule 40 nur noch ein Drittel hinzu, während in der STEM-Betriebsart die Spule kO durch Umpolung davon ein Drittel abzieht, wodurch eine Linse mit einer vernachlässigbaren Stärke von I/9 der in der TEM-Betriebsart erforderlichen Stärke übrigbleibt. Hierdurch benötigt die Zusatzlinsenspule kO nur eine geringe Anzahl von Amperewindungen. Mit einer derartigen Zusatzlinse kann so auf einfache ¥eise zwischen den beiden Betriebsarten hin und her geschaltet und kann in beiden Betriebsarten optimal gearbeitet werden. Für eine optische Wirkung in der TEM-Betriebsart ist es erwünscht, das Beleuchtungssystem an eine Anzahl von Bedingungen anzupassen: so ist es erwünscht, dass eine unabhängige Einstellung des Auftrefffleckdurchmessers des Elektronenstrahls in der Präparatebene verwirklicht wird, was bei einer ausreichenden Parallelität der Beleuchtung über die ganze zu beleuchtende Präparatebene verwirklicht werden muss Mit einem Riecke—Ruska—Normalobjektiv ohne

Zusatzlinse ist eine derartige Einstellung schwer verwirklichbar. Unter Verwendung einer Zusatzlinse ist dies immerhin möglich, da sie das Kondensqrfeld des Objektivs ausgleicht und die gesamte Öbjektivwirkung der einer TEM-Normaloptik vergleichbar wird, die tatsächlich den erwähnten Bedingungen entspricht.

Die Erfahrung hat gelehrt, dass in der

STEM-Betriebsart ein symmetrisches Riecke-Ruska-Objektiv

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äusserst vorteilhaft ist. In einer derartigen Linsenanordnung liegt das Präparat in der Mitte zwischen dem oberen und dem unteren Pol des Objektivs und sind die Stärker beider Linsenteile gleich, wenn auch die Offnungen in beiden Linsenteilen gleich sind. Dieses Objektiv ist auch deshalb so vorteilhaft, weil durch die Linsenwirkung der unteren Hälfte des Objektivs Elektronen, die unter einem verhältnismässxg grossen Winkel aus dem Präparat heraustreten, wie Dunkelfeldelektronen, zur optischen Achse hingelenkt werden, wodurch sie nicht durch aufeinanderfolgende Blenden abgefangen werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass in der TEM- und STEM-Betriebsart ein gleicher, für eine stark erregte Linse geltender Objektivstrom brauchbar ist, wodurch eine kurze Brennweite und geringe Objektivfehler verwirklicht werden. Der Objektivstrom braucht beim Umschalten zwischen STEM vind TEM daher nicht geändert zu werden.

Es ist also erwünscht, eine derartige symmetrische Konfiguration für die STEM-Betriebsart aufrechtzuerhalten.

Dife Erfindung schafft eine Linsenkonfiguration, die den erwähnten Bedingungen entspricht, indem eine Zusatzlinse in einem verhältnismässxg geringen Abstand vom Objektiv angeordnet wird. In der an Hand der Fig. 2 beschriebenen bevorzugten Ausführungsform ist die Zusatzlinse in den oberen Pol des Objektivs aufgenommen und ist die Zusatzlinse in der TEM-Betriebsart aktiv. Die Zusatz-

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linse kann jedoch auch in den unteren Pol des Objektivs aufgenommen sein. Eine an dieser Stelle angeordnete: Zusatzlinse ist bei weiterer Anpassung der Linsenkonfiguration eben in der STEM-Betriebsart aktiv und verhindert dabei insbesondere das Verlorengehen beispielsweise von Dunkelfeldelektroden unter verhältnismässig grossem Winkel.

Zur Veranschaulichung sind in Fig. 3 Strahlengänge in einem Elektronenmikroskop sowohl für eine Ausführung mit einer Zusatzlinse in einem ersten Objektivpol (Fig. 3a-) als auch in einem zweiten Objektivpol (Fig. 3t>) angegeben.

In Fig. 3^a zeigt ein mit ausgezogenen Linien angegebener Strahlengang eine Einstellung, bei der durch eine angepasste Erregung einer Zusatzlinse 51 nach der Erfindung eine Kondensorblende 52 über eine Zwischendarstellung 53 in einer Objektivblende 5^ abgebildet wird. Auf diese Abbildung hat die Einstellung einer Kondensorlinse 55 keinen Einfluss. Der dargestellte Strahlengang zeigt ebenfalls das Mass der Parallelität des beleuchtenden Elektronenstrahles an der Stelle eines Präparats 56· Der Öffnungswinkel der beleuchtenden Strahlen wird durch die Grosse und die Lage der Kondensorblende bestimmt. Letzteres ist auch durch einen mit gestrichelten Linien 57 dargestellten zweiten Strahlengang ersichtlich. Ohne Zusatzlinse,· also in der STEM-Betriebsart, wird das Präparat entsprechend scheinbar in der Kondensorblendenebene dargestellt. Der Strahl 57 stellt eine Abbildung in

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einer S.A.-Blende 59 dar. In der Figur und hinter der Zusatzlinse entspricht dieser Strahlengang der STEM-Betriebsart und dieser Strahl würde also, weil die Zusatzlinse dabei nicht aktiv ist, parallel zur Kondensorblende verlaufen.

In Fig. 3b ist eine Zusatzlinse 6o in einen zweiten Objektivpol 9 aufgenommen. Die jetzt in der STEM-Betriebsart geschaltete Zusatzlinse verhindert, dass ein Teil 62 der Elektronen aus dem Elektronenstrahl 61, die unter einem verhältnismässig grossen Winkel das Präparat verlassen, durch Teile des Elektronenmikroskops eingefangen und daher für die Detektion verloren gehen würden. Insbesondere für Dunkelfeldbeleuchtung wird hier ein wesentlicher Gewinn erreicht.

Aus obiger Beschreibung geht hervor, dass für manche Anwendungen auch beide Pole des Objektivs mit einer Zusatzlinse versehen sein können. Der zu erregende elektromagnetische Teil der Zusatzlinse kann beispielsweise gemäss der Beschreibung der US-PS 3 39^ 2$k zusammengesetzt

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Hauptversorgungen für das Objektiv mit einer Zusatzlinsenversorgung für die elektromagnetische Zusatzlinse in Serie geschaltet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Zusatzlinse vollständig als eine magnetische Linse aufgebaut, die vom Feld der Hauptlinse abgeleitet ist, und durch mechanische Justierung ist die Stärke der Zusatzlinse regelbar, beispielsweise mit Hilfe eines einstellbaren

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Kurzschlusses für die Unterbrechung im magnetischen Joch der Hauptlinse. Obwohl in obiger Beschreibung stets von einem Objektiv als Hauptlinse die Rede ist, beschränkt sich die Erfindung dennoch nicht darauf, sondern kann die Zusatzlinse abhängig vom angestrebten Zweck in jede der Linsen einer bildformenden oder sondenformenden Anordnung aufgenommen sein.

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE;

Elektronenmikroslcop mit einem Elektronenstrahler, einem Kondensor, einem Objektiv und einer Umschaltanordnung für die Wahl zwischen TEM- und STEM-Betriebsart, dadurch gekennzeichnet, dass eine nahe dem Objektiv (8, 9) aufgenommene Zusatzlinse (30) ein Teil der Umschaltanordnung ist. 2. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Zusatzlinse (30) in einem verhältnismässig geringen Abstand von der Hauptbrennebene des Objektivs befindet.

3. Elektronenmikroskop nach einem der Ansprüche:

1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzlinse eine in einem Halter ( ) für das Objektiv aufgenommene Spule ( ) enthält.
h. Elektronenmikroskop nach einem der Ansprüche

1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzlinse (30) eine Unterbrechung in einer magnetischen Schaltung eines der Pole (8, 9)des Objektivs enthält.

5· Elektronenmikroskop nach einem der* Ansprüche 1 bis h, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzlinse (30) eine kommutierbar zu erregende elektromagnetische Spule ( und eine Dauermagnetlinse ( ) enthält.

6. Elektronenmikroskop nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass eine umkehrbare Zusatzlinsenerregung ( ) ungefähr die Hälfte bis zu einem Drittel des gesamten Zusatzlinsenfeldes versorgt.

7· Elektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die kommutierbar

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ORIGINAL INSPECTED COPY

zu erregende Zusatzlinsenspule (30) mit den Objektivspulen (8, 9) in Serie geschaltet ist. 8. Elektronenmikroskop nach einem der Ansprüche

I, 2 oder h, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzlinse (30) durch Verschiebung eines magnetischen Kurzschlusses ( ) über einen Linsenspalt ( ) einstellbar ist. 9· Elektronenmikroskop nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Objektebene ( ) wenigstens nahezu in der Mitte zwischen einem an der Elektronenstrahlerseite liegenden ersten Polschuh ( ) und einem davon abgewandt liegenden zweiten Polschuh ( ) des Objektivs befindet und zwischen den Objektebenen ( ) und dem zweiten Polschuh ( ) eine Objektblende ( ) aufgenommen ist.

10. Elektronenmikroskop nach Anspruch 9 j dadurch gekennzeichnet, dass eine Kondensorblende ( ) mit Hilfe der Zusatzlinse ( ) unabhängig von der Erregung des Kondensors (5> 6, 7) ungefähr in der Ebene der Objektivblende ( ) abbildbar ist.

II. Elektronenmikroskop nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vor einer Hauptebene des Objektivs angeordnete Zusatzlinse ( ) für TEM-Betriebsart aktiv ist.

12. Elektronenmikroskop nach einem der Ansprüche bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine hinter der Hauptebene des Objektivs angeordnete Zusatzlinse ( ) für STEM-Betriebsart aktiv ist.

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13· Elektromagnetische Linse für eine elektronenoptische Anordnung, dadurch gekennzeichnet, dass diese Linse zwei in gegenseitigem Abstand angeordnete Polschuhe ( , ) enthält und in wenigstens einen der Polschuhe ( ) eine Zusatzlinse ( ) aufgenommen ist.

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