DE2822242C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektronenmikroskop mit einem Elektronenstrahlerzeugungssystem, einem Kondensor, einem Objektiv und eine Umschaltanordnung für die Wahl zwischen TEM- und STEM-Betriebsart.

Neuzeitliche Elektronenmikroskope sind meistens so aufge­ baut, daß damit sowohl im Durchstrahlungsbetriebe (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 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.

Aus der DE-AS 21 16 289 ist ein Elektronenmikroskop bekannt, das eine Objektivlinse aufweist, die aus zwei Linsen besteht. Eine solche Linse wird durch einen Spalt zwischen ferromagnetischen Polen gebildet. Beide Linsen werden gemeinsam von einer sie umgebenden Spule erregt.

Bei der SEM-Betriebsart (Betriebsart als Rasterelektronenmikroskop) wird der Elektronenstrahl von der ersten Linse auf das Objekt fokussiert, das daraufhin Sekundärelektronen abstrahlt, die von einem Detektor erfaßt werden. Demgegenüber werden zur Erzeugung eines Durchstrahlbildes (TEM-Beriebsart) die für die SEM-Betriebsart erforderlichen Ablenkspulen entregt und ein Kondensor derart eingestellt, daß der Elektronenstrahl in der vorderen Brennebene der ersten Linse fokussiert wird und ein paralleler Elektronenstrahl auf das Objekt auf­ trifft. Die das Objekt durchstrahlenden Elektronen werden hierbei von der zweiten Linse auf eine Abbildungsebene fokussiert. Es ist auch möglich, die beiden Linsen mittels zweier Magnetfelder, die von Magnetpolen erzeugt werden, zu bilden. Die von den Polen gebildeten Linsen haben lediglich die Aufgabe, Elektronenstrahlen auf das Objekt zu fokussieren. Das Elektronenmikroskop muß von der SEM- auf die TEM-Betriebsart dadurch umgeschaltet werden, daß die Erregung der Ablenkspulen und des Kondensors ent­ sprechend eingestellt wird. Das Umschalten zwischen diesen beiden Betriebsarten ist somit umständlich und zeit­ raubend.

Aus der Siemens-Zeitschrift Band 47 von 1973, Heft 6, ist auf den Seiten 471 bis 475 ein Elektronenmikroskop der eingangs genannten Art beschrieben. Zum Betrieb des Elektronen­ mikroskopes in Durchstrahlungs-Rastertechnik (STEM-Betriebsart) muß das Objekt mit einer höhenverstellbaren Patrone in die hintere Brennebene des Objektivs gebracht werden, wobei der Durchmesser des auf das Objekt projezierten Beleuchtungs­ fleckes etwa 3 nm beträgt. Auch diese Art der Umschaltung von der TEM- in die STEM-Betriebsart ist somit umständlich und zeitraubend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektronenmikroskop der eingangs genannten Art anzugeben, das einfach und schnell zwischen TEM- und STEM-Betriebsart umgeschaltet werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Elektronenmikroskop der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gekenn­ zeichnet, daß der elektronenoptische Teil der Umschalt­ anordnung durch eine nahe dem Objektiv aufgenommene, getrennt erregbare Zusatzlinse gebildet 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 es treten in keiner von beiden Betriebsarten Beschränkungen bei der Detektion auf.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei den Weiterbildungen nach den Ansprüchen 3 und 4 kann man mit einer verhältnismäßig schwachen Linse auskommen und es brauchen beispielsweise im bekannten Philips-Elektronenmikroskop "EM 400" nur geringe Änderungen zum Einbauen der Zusatzlinse angebracht zu werden.

Nachstehend werden an Hand der Zeichnung einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine skizzierte Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Elektronenmikroskops im Schnitt,

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

Fig. 3 Strahlengänge in zwei Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Elektronenmikroskops.

Ein Elektronenmikroskop gemäß der Darstellung in Fig. 1 enthält ein Elektronenstrahlerzeugungssystem 1 mit einer Anode 2, einem Strahlausrichtsystem 3 und einer Blende 4, einem Kondensorsystem mit einem ersten Kondensor 5, 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, einer Diffraktionslinse 12 mit einer Diffraktionsblende 13, einer Zwischenlinse 14, einem Projektionssystem mit einer ersten Projektionslinse 15 und einer zweiten Projektionslinse 16, einer Filmkamera 17 und einem Leuchtschirm 18. Alle diese Teile sind in ein Gehäuse 20 mit einer elektrischen Zuleitung 21 für das Elektronenstrahlerzeugungssystem und mit einem Einblickfenster 22 aufge­ nommen. An das Gehäuse sind eine Binokularlupe 23, eine Vakuumpumpanordnung 24 und eine Plattenkamera 25 ange­ schlossen.

In dem hier beschriebenen Elektronenmikroskop ist in das Objektiv eine Zusatzlinse 30 aufgenommen. Das Objektiv mit der Zusatzlinse wird nach­ stehend an Hand der Fig. 2 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 34 beispielsweise raster­ förmig abgetastet werden kann.

Die Abtastpulen 31 und 32 sind in einem Joch 35 aus magnetischem Material angeordnet, das in einem üblichen Objektiv bis in einen Polschuh 36 durchgeht. Das magnetische Joch umschließt eine Erregungsspule 37, 38 des Objektivs. Ein unter anderem mit dieser Spule erzeugtes Magnetfeld bildet so eine kräftige Linse an der Stelle des Spaltes 39 zwischen den Polen.

In Joch ist nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Zusatzlinse montiert, hier insbesondere durch die Anordnung einer Hilfsspule 40 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 42 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 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 40 durch Umpolung davon ein Drittel abzieht, wodurch eine Linse mit einer vernachlässigbaren Stärke von ¹/₉ der in der TEM-Betriebsart erforderlichen Stärke übrigbleibt. Hier­ durch benötigt die Zusatzlinsenspule 40 nur eine geringe Anzahl von Amperewindungen. Mit einer derartigen Zusatz­ linse kann so auf einfache Weise zwischen den beiden Betriebsarten hin und her geschaltet und kann in beiden Betriebsarten optimal gearbeitet werden. Für eine optimale 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 aus­ reichenden Parallelität der Beleuchtung über die ganze zu beleuchtende Präparatebene verwirklicht werden muß.

Mit einem Riecke-Ruska-Normalobjektiv ohne Zusatzlinse ist eine derartige Einstellung schwer verwirk­ lichbar. Unter Verwendung einer Zusatzlinse ist dies immer­ hin möglich, da sie das Kondensorfeld des Objektivs aus­ gleicht und die gesamte Objektivwirkung der einen TEM- Normaloptik vergleichbar wird, die tatsächlich den erwähn­ ten Bedingungen entspricht.

Die Erfahrung hat gelehrt, daß in der STEM-Betriebsart ein symmetrisches Riecke-Ruska-Objektiv äußerst vorteilhaft ist. In einer derartigen Linsenan­ ordnung liegt das Präparat in der Mitte zwischen dem oberen und dem unteren Pol des Objektivs und sind die Stärke beider Linsenteile gleich, wenn auch die Öffnungen 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 verhältnismäßig großen Winkel aus dem Präparat heraus­ treten, wie Dunkelfeldelektronen, zur optischen Achse hingelenkt werden, wodurch sie nicht durch aufeinander­ folgende Blenden abgefangen werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß in der TEM- und STEM-Betriebsart ein gleicher, für eine stark erregte Linse geltender Objektiv­ strom brauchbar ist, wodurch eine kurze Brennweite und geringe Objektivfehler verwirklicht werden. Der Objektiv­ strom braucht beim Umschalten zwischen STEM und TEM daher nicht geändert zu werden.

Es ist also erwünscht, eine derartige symmetri­ sche Konfiguration für die STEM-Betriebsart aufrechtzu­ erhalten.

Dies ist bei dem erfindungsgemäßen Elektronenmikroskop möglich, indem die Zusatzlinse nahe dem Objektiv aufgenommen wird. In dem an Hand der Fig. 2 beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Zusatz­ linse in den oberen Pol des Objektivs aufgenommen und es ist die Zusatzlinse in der TEM-Betriebsart aktiv. Die Zusatz­ linse kann jedoch auch in den unteren Pol des Objektivs auf­ genommen sein. Eine an dieser Stelle angeordnete Zusatz­ linse ist bei weiterer Anpassung der Linsenkonfiguration in der STEM-Betriebsart aktiv und verhindert dabei insbesondere das Verlorengehen beispielsweise von Dunkel­ feldelektroden unter verhältnismäßig großem Winkel.

Zur Veranschaulichung sind in Fig. 3 Strahlen­ gänge in einem Elektronenmikroskop sowohl für eine Aus­ führung mit einer Zusatzlinse in einem ersten Objektivpol (Fig. 3a) als auch in einem zweiten Objektivpol (Fig. 3b) angegeben.

In Fig. 3a zeigt ein mit ausgezogenen Linien 50 angegebener Strahlengang eine Einstellung, bei der durch eine angepaßte Erregung einer Zusatzlinse 51 eine Kondensorblende 52 über eine Zwischendar­ stellung 53 in einer Objektivblende 54 abgebildet wird. Auf diese Abbildung hat die Einstellung einer Kondensor­ linse 55 keinen Einfluß. Der dargestellte Strahlengang zeigt ebenfalls das Maß der Parallelität des beleuchten­ den Elektronenstrahles an der Stelle eines Präparats 56. Der Öffnungswinkel der beleuchtenden Strahlen wird durch die Größe und die Lage der Kondensorblende bestimmt. Letzteres ist durch einen mit gestrichelten Linien 57 dargestellten zweiten Strahlengang ersichtlich. Ohne Zusatzlinse, also in der STEM-Betriebsart, wird das Präparat entsprechend scheinbar in der Kondensorblenden­ ebene 59 dargestellt. Der Strahl 57 stellt eine Abbildung in 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 Zusatz­ linse dabei nicht aktiv ist, parallel zur Kondensorblende verlaufen.

In Fig. 3b ist eine Zusatzlinse 60 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. Insbe­ sondere für Dunkelfeldbeleuchtung wird hier ein wesent­ licher 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 elektro­ magnetische Teil der Zusatzlinse kann beispielsweise gemäß der Beschreibung der US-PS 33 94 254 zusammengesetzt sein.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Hauptversorgungen für das Objektiv mit einer Zusatzlinsen­ versorgung für die elektromagnetische Zusatzlinse in Serie geschaltet.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel 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 Kurzschlusses für die Unterbrechung im magnetischen Joch der Hauptlinse.

Claims (12)

1. Elektronenmikroskop mit einem Elektronenstrahl­ erzeugungsystem, einem Kondensor, einem Objektiv und einer Umschaltanordnung für die Wahl zwischen TEM- und STEM-Betriebsart, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronenoptische Teil der Umschaltanordnung durch eine nahe dem Objektiv (8, 9, 35, 39) aufgenommene, getrennt erregbare Zusatzlinse (30; 40, 42, 43; 51, 60) gebildet ist.

2. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Zusatzlinse (30; 40, 42, 43; 51, 60) in einem verhältnismäßig geringen Abstand von der Hauptbrennebene des Objektivs (8, 9, 35, 39) befindet.

3. Elektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzlinse eine in einem Halter für das Objektiv aufgenommene Spule (40) enthält.

4. Elektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzlinse (40, 42, 43) eine Unterbrechung (42, 43) in einer magnetischen Schaltung eines der Pole (8, 9) des Objektivs enthält.

5. Elektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzlinse (40, 42, 43) eine umkehrbar zu erregende elektromagnetische Spule und eine Dauermagnetlinse enthält.

6. Elektronenmikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine umkehrbare Zusatzlinsen­ erregung ungefähr die Hälfte bis zu einem Drittel des gesamten Zusatzlinsenfeldes versorgt.

7. Elektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die umkehrbar zu erregende Zusatzlinsenspule (40) mit den Objektivspulen (37, 38) in Serie geschaltet ist.

8. Elektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzlinse (30; 40, 42, 43; 51, 60) durch Verschiebung eines magnetischen Kurz­ schlusses über einen Linsenspalt einstellbar ist.

9. Elektronenmikroskop nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Objektivebene wenigstens nahezu in der Mitte zwischen einem an der Elektronenstrahlerzeugungssystemseite liegenden ersten Polschuh (36) und einem davon abgewandt liegenden zweiten Polschuh (36′) des Objektivs befindet und zwischen der Objektivebene und dem zweiten Polschuh (36′) eine Objektivblende (54) aufge­ nommen ist.

10. Elektronenmikroskop nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kondensorblende (7; 52) mit Hilfe der Zusatzlinse (30; 40, 42, 43; 51, 60) unabhängig von der Erregung der Kondensors (5, 6, 7) ungefähr in der Ebene der Objektivblende (54) abbildbar ist.

11. Elektronenmikroskop nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzlinse (30; 40, 42, 43; 51, 60) bei Anordnung vor einer Hauptebene des Objektivs für TEM-Betriebsart aktiv ist.

12. Elektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzlinse (30; 40, 42, 43; 51, 60) bei Anordnung hinter der Hauptebene des Objektivs für STEM-Betriebsart aktiv ist.