DE3943211A1 - Abbildendes elektronenoptisches geraet - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem abbildenden
elektronenoptischen Gerät mit den im Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmalen.
Bei einer Reihe von abbildenden elektronenoptischen
Geräten wird aus Intensitätsgründen ein Bildverstärker
benötigt. Beispiele hierfür sind Photoelektronen-Emissions
mikroskope und Reflexionsmikroskope nach Bauer und Telieps.
Letztere sind unter der Bezeichnung "Low energy electron
reflection microscope" und den Abkürzungen LEERM oder LEEM
in der wissenschaftlichen Literatur bekannt (W. Telieps
und E. Bauer, Ultramicroscopy 17 (1985) 57).
Kanalplatten-Elektronenvervielfacher (im folgenden kurz
"Kanalplatten", die im abbildenden elektronenoptischen
Gerät direkt den Elektronen ausgesetzt werden, deren
Verteilung das Endbild darstellt, stellen eine preiswerte
Lösung des Bildverstärkerproblems vor allem dann dar, wenn
große Bildflächen (d. h. eine große Anzahl von Bildpunkten)
verstärkt werden sollen. Ein vollständiger Kanalplatten-
Bildverstärker besteht aus der Kanalplatte und einem
Durchsichtlumineszenzschirm, der in geringer Entfernung
parallel zur Ausgangsfläche der Kanalplatte angeordnet
ist. Die in den Kanälen verstärkte Elektronenverteilung
wird zum Lumineszenzschirm hin beschleunigt und dabei
auch approximativ fokussiert.
Es ist bereits bekannt, Kanalplatten-Bildverstärker in
abbildenden elektronenoptischen Geräten, wie Photo
elektronen-Emissionsmikroskopen und Reflexionsmikroskopen
zu verwenden, siehe B.P. Tonner et al, Rev. Sci, Instrum.
59 (1988) 853 sowie Telieps et al, 1.c.
Die vorliegende Erfindung löst durch das kennzeichnende
Merkmal des Patentanspruchs 1 die Aufgabe, die Empfind
lichkeit eines gattungsgemäßen abbildenden elektronen
optischen Gerätes zu verbessern.
Bei dem erfindungsgemäßen elektronenoptischen Gerät wird
die Empfindlichkeit dadurch um ein Mehrfaches gesteigert,
daß die Energie der bilddarstellenden Elektronen, die in
den Kanalplatten-Elektronenvervielfacher eintreten, auf
einen Wert verringert ist, bei dem der Kanalplatten-
Elektronenvervielfacher eine wesentlich höhere Empfind
lichkeit hat als bei den gewöhnlich mindestens 5-103 keV
bis zu einige 104 keV betragenden Energien der normalerweise
das Endbild des Gerätes darstellenden Elektronenverteilung.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des
vorliegenden elektronenoptischen Gerätes ist die Vorrichtung
zum Erzeugen des abbremsenden elektrischen Feldes eine
elektrische Elektronenlinse, welche so ausgebildet und
angeordnet ist, daß der Strahlengang der das Endbild
darstellenden Elektronen teleskopisch ist, so daß die
Elektronen unabhängig vom Bildort im wesentlichen senkrecht
auf die Eintrittsfläche der Kanalplatte auftreffen. Der
Winkel zwischen den gewöhnlich schräg zur Eintrittsfläche
verlaufenden Kanalachsen und der Elektronen ist daher vom
Ort des Bildes unabhängig. Eine Ortsabhänigigkeit der
Kanalplattenempfindlichkeit infolge ortsabhängiger
Elektroneneinfallsrichtungen wird dadurch vermieden.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf
bevorzugte Ausführungsbeispiele näher erläutert, dabei
werden noch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung
zur Sprache kommen. Es zeigen:
Fig. 1a eine schematische Darstellung eines elektro
statischen Elektronenlinsensystems für ein
abbildendes elektronenoptisches Gerät gemäß
einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 1b eine graphische Darstellung des elektrischen
Potentials ⌀ auf der z-Achse (Linsenachse) des
Elektronenlinsensystems gemäß Figur 1a;
Fig. 1c eine Darstellung des Elektronenstrahlenganges
im Elektronenlinsensystem gemäß Fig. 1a;
Fig. 2a eine schematische Darstellung eines magnetisch
elektrostatischen Elektronenlinsensystems für
ein elektronenoptisches Gerät gemäß einer
zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2b eine graphische Darstellung der magnetischen
Induktion B (gestrichelte Kurve) und des
elektrischen Potentials ⌀ (ausgezogene Kurve)
auf der Achse des Elektronenlinsensystems gemäß
Fig. 2a, und
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Photoelektronen-
Emissionsmikroskopes gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 1a zeigt schematisch ein rein elektrostatisches
Linsensystem, welches als Verzögerungsprojektiv eines
Elektronenmikroskops geeignet ist und einen Kanalplatten-
Bildverstärker zur Verstärkung der Intensität des vom
Elektronenlinsensystem erzeugten Elektronenbildes (Endbild)
enthält. Das Elektronenlinsensystem gemäß Figur 1a kann
beispielsweise ein Projekiv eines bekannten Elektronen
mikroskopes bilden, das außerdem noch ein Objektiv
und gegebenenfalls eine Zwischenlinse enthält (nicht
dargstellt).
Bei dem Verzögerungsprojektiv gemäß Fig. 1a handelt es
sich um ein Tetrodensystem mit Elektroden 12, 14, 16 und
18. Die Elektroden 12 und 16 enthalten, wie dargestellt,
jeweils einen rohrförmigen und einen blendenförmigen
Teil und bilden zusammen mit der im wesentlichen ring
förmigen Elektrode 14 eine elektrostatische Einzellinse.
Der rohrförmige Teil der Elektrode 16 und die ebenfalls
rohrförmige Elektrode 18 bilden eine elektrostatische
Rohrlinse.
Im Betrieb werden den Elektroden 12 bis 18 Potentiale U1,
U2, U3 bzw. U4 zugeführt. Diese Potentiale sind auf das
Potential einer nicht dargestellten Elektronenquelle
normiert, welches gleich Null, d. h. Erdpotential ist.
An dem der Elektrode 16 abgewandten Ende der Elektrode 18
ist eine Kanalplatte 20 des Kanalplatten-Bildverstärkers 22
angeordnet, der außerdem noch einen Durchsicht-Lumineszenz
schirm 24 aufweist, der auf der Innenseite eines Bild
schirm-Fensters 26 angeordnet ist. Der Kanalplatte 20
werden übliche Betriebspotentiale über die Elektrode 18
und eine Rückseitenelektrode 28 zugeführt. An den
Lumineszenzschirm 24, der mit einer Metallisierung versehen
ist, wird eine geeignete Beschleunigungsspannung über
eine Elektrode 30 angelegt.
Ein möglicher Satz von Potentialwerten ist z. B. U1 = U3 =
20 kV; U4 = 1 kV, U2 = 0 V. Die Erzeugung dieser Potentiale
ist besonders einfach, da für das Linsensystem nur das
Potential U4 erzeugt zu werden braucht, welches so
bemessen ist, daß sich die maximale Kanalplatten-Empfind
lichkeit ergibt. Sind die Eigenschaften der Kanalplatte 20
bekannt und sind sie zeitlich nicht veränderlich, so kann
U4 fest gewählt werden.
Für diesen einfachen Satz von Potentialwerten läßt sich eine
Linsengeometrie angeben, die vergrößert und verzeichnungs
frei mit teleskopischem Strahlengang (Fig. 1c) abbildet.
Es ergibt sich für das Potential ⌀ auf der Rotationsachse
32 der Linse die in Fig. 1b dargestellte ausgezogene
Kurve. Muß U4 jedoch bei einmal festgelegter Linsengeometrie
verändert werden, so können die gewünschten Eigenschaften
durch geeignete Potentialwerte für U2 und U3 wieder
hergestellt werden. Ist also eine Variation von U4
erforderlich, so müssen auch die Potentiale U2 und U3
variabel sein, um optimale Verhältnisse zu erreichen.
Ist z. B. ein kleineres U4 erforderlich, so wird U3 < U1
und U2 < 0 und es ergibt sich ein Potentialverlauf ⌀(z),
wie in Fig. 1b durch die gestrichelte Kurve wiedergegeben
ist.
Das in Fig. 1a dargestellte Projektivlinsensystem kann als
Doppellinse angesehen werden, die aus einer Einzellinse 12,
14-16 und einer Rohrlinse 16-18 besteht, wobei in der
letzteren die Verminderung der Elektronengeschwindigkeit
erfolgt. Der gewünschte teleskopische Strahlengang (Fig. 1c)
wird dann erreicht, wenn der bildseitige Brennpunkt der
Einzellinse mit dem gegenstandsseitigen Brennpunkt der
Rohrlinse zusammenfällt. Das ist in Fig. 1c im Punkt F der
Fall, in dem die parallel einfallenden Strahlen die Achse
schneiden.
Das Aufteilen der Funktion des Linsensystems gemäß
Fig. 1a in die Einzellinse und die Rohrlinse veranschaulicht
die Wirkungsweise des Linsensystems und macht deutlich,
daß ein Linsensystem mit den gewünschten Eigenschaften
auch durch Kombination eines magnetischen und eines
elektrostatischen Feldes erzeugt werden kann, wie es
in Fig. 2a und 2b dargestellt ist.
Bei dem in Fig. 2a dargestellten Linsensystem, das
als magnetisch-elektrostatisches Verzögerungsprojektiv
verwendet werden kann, tritt an die Stelle der elektro
statischen Einzellinse eine magnetische Linse 40 mit
einem Eisenkreis 42 und einer Erregerwicklung 44. An
diese elektromagnetische Linse 40 schließen sich eine
Rohrlinse 46 und ein Kanalplatten-Bildverstärker 22
an, die im wesentlichen denen der Fig. 1a entsprechen.
Auch hier bewirkt die Rohrlinse 46 eine Verringerung der
Elektronengeschwindigkeit auf einen Wert, der eine
möglichst hohe Empfindlichkeit des Kanalplatten-Bild
verstärkers 22 gewährleistet.
Die optimale Energie der in den Kanalplatten-Bildverstärker
eintretenden Elektronen hängt vom Typ der Kanalplatte und
bis zu einem gewissen Grade auch von ihrer Vorgeschichte
ab, z. B. ob sie längere Zeit Atmosphärendruck ausgesetzt
war. Im allgemeinen liegen die Werte der optimalen
Eintrittsenergien zwischen 200 und 2000 eV. Die Energie
der in die Kanalplatte eintretenden Elektronen wird daher
unter 3 keV liegen.
Fig. 3 zeigt schematisch ein Photoelektronen-Emissions
mikroskop gemäß einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung. Das Elektronenmikroskop gemäß Fig. 3 enthält
eine nicht näher dargestellte Vorrichtung 50 zur Halterung
einer elektrisch leitfähigen Probe, deren Oberfläche zu
untersuchen ist. Ferner enthält das Elektronenmikroskop
ein elektronenoptisches Abbildungssystem mit einer
elektrostatischen Objektivlinse 54, einer elektrostatischen
Zwischenlinse 56 und ein Projektiv, welches eine elektro
statische Einzellinse 58 sowie eine Rohrlinse 60 enthält.
Die Objektebene des Abbildungssystems fällt mit der zu
untersuchenden Probenoberfläche zusammen. In der Bildebene
des Projektivs ist die Eingangsfläche eines Kanalplatten-
Bildverstärkers 62 angeordnet. Zur Auslösung von Photo
elektronen an der zu untersuchenden Oberfläche der Probe ist
eine Strahlungsquelle 64 vorgesehen, welche optische
(elektromagnetische) Strahlung 66 liefert, deren Quanten
energie ausreicht, um Photoelektronen aus der Oberfläche
der Probe 52 freizusetzen. Die freigesetzten Elektronen
bilden eine Verteilung oder ein Elektronenbild, welches
durch das elektronenoptische Abbildungssystem aus dem
Objektiv 54, der Zwischenlinse 56, dem Projektiv mit der
Einzellinse 58 und der Rohrlinse 60 vergrößert in die
Eingangsfläche des Kanalplatten-Bildverstärkers 62 abgebil
det wird. Das Objektiv 54 und die Zwischenlinse 56 erzeugen
dabei ein Zwischenbild in der eintrittsseitigen Brennebene
des Projektivs 58, 60, so daß sich der unter Bezugnahme auf
Fig. 1c beschriebene teleskopische Strahlengang ergibt,
der einen gleichbleibenden Eintrittswinkel der Elektronen
über die ganze Eingangsfläche der Kanalplatte des Bild
verstärkers 62 gewährleistet.
Das beschriebene Abbildungssystem 54, 56, 58, 60 sowie der
Bildverstärker 62 und ein äußeres vakuumdichtes Gehäuse 68,
das ein Fenster 71 zur Betrachtung des Lumineszenzschirms
des Bildverstärkers 62 aufweist, sind an einem Normflansch
70 gehaltert, z. B. einem CF-Flansch NW 150, so daß die
Anordnung in jeder Lage an einen entsprechenden Zugangs
flansch einer Vakuumkammer angeflanscht werden kann. Die
Baulänge des sich vom Flansch 70 nach innen (in Fig. 3
nach oben) erstreckenden Teils der Anordnung ist so
gewählt, daß der Abstand zwischen einer Bezugs- oder
Anlagefläche des Flansches 70 und der Objektoberfläche
gleich 254 mm beträgt. Dies ist der Standardabstand für
LEED-Optiken. Das Mikroskop paßt daher an jeden Flansch, der
für eine LEED-Optik vorgesehen wurde.
Bisher war es üblich, das Objekt, d. h. die Probe 52, im
Emissionsmikroskop auf negative Hochspannung zu legen.
Dies ist hier nicht der Fall. Die Probe bleibt auf Erd
potential, so daß alle vorhandenen Einrichtungen zur
Heizung, Kühlung und Temperaturmessung der Probe und
andere Probenmanipulationseinrichtungen weiter benutzt
werden können. Hier liegt also ein sich nach innen
erstreckender Tubus 72 des Mikroskops auf einer positiven
Beschleunigungshochspannung, die im allgemeinen mindestens
5 kV beträgt und normalerweise im 104 Volt-Bereich liegt,
z. B. bei +20 kV. Der Tubus 72 ist mit den äußeren ring
förmigen Elektroden der Objektivlinse 54 und der Zwischen
linse 56 sowie der quellenseitigen kegelstumpfförmigen,
ringförmigen Elektrode der Projektiv-Einzellinse 58
elektrisch und mechanisch verbunden. Das aus Metall
bestehende Vakuumgehäuse 68 ist über den Flansch 70 geerdet
und umschließt den sich nach außen erstreckenden Teil des
Elektrodensystems, der die Verzögerungslinse 60 bildet, und
den Kanalplatten-Bildverstärker 62. Die Halterung der
verschiedenen Teile erfolgt, soweit erforderlich, durch
isolierende Zwischenstücke, wie in Fig. 4 dargestellt ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform bestand die
Strahlungsquelle 64 aus einer 200 W-Deuteriumlampe, die
bevorzugt im Wellenlängenbereich von 180 bis 300 nm
emittiert. Es sind selbstverständlich auch andere
Strahlungsquellen verwendbar, z. B. Quecksilberhochdruck
lampen. Strahlungsquellen mit kontinuierlicher Emission
werden bevorzugt. Das Photoelektronen-Emissionsmikroskop
gemäß Fig. 3 ist UHV-kompatibel und bis 250°C ausheizbar.
Es kann bei Gasdrücken bis hinauf zu etwa 1,3 × 10-2 Pa
(10-4 Torr) betrieben werden, ohne daß Überschläge zu
befürchten sind. Das Gesichtsfeld hat größenordnungsmäßig
einen Durchmesser von 0,5 mm. Die kleinste verzeichnungs
freie Vergrößerung für Übersichtsbilder ist etwa 50 bis
100fach, die maximale Vergrößerung ist mindestens etwa
1000. Die Auflösung ist besser als 200 nm.
Claims (13)
1. Abbildendes elektronenoptisches Gerät mit einem
elektronenoptischen Abbildungssystem (54, 56, 58, 60)
in dem Elektronen einer abzubildenden Elektronen
verteilung maximal auf Energien von mindestens einigen
103 Elektronenvolt beschleunigt werden und ein reelles
Bild der Elektronenverteilung in einer Bildebene erzeugt
wird und mit einem zum Vervielfachen der Elektronen der
abgebildeten Elektronenverteilung dienenden Kanalplatten-
Bildverstärker (62), der eine mit der Bildebene zusammen
fallende Eingangsfläche und einen im Wege der verviel
fachten Elektronen angeordneten Luminenzenzschirm
aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Weg der Elektronen
vor der Eingangsfläche des Kanalplatten-Bildverstärkers (62)
eine Vorrichtung (60) zum Erzeugen eines elektrischen
Feldes angeordnet ist, das die Elektronen der
abgebildeten Elektronenverteilung auf einen Wert
abbremst, bei welchem der Kanalplatten-Bildverstärker
eine höhere Empfindlichkeit hat als bei der maximalen
Beschleunigungsenergie der Elektronen im Abbildungs
system.
2. Gerät nach Anspruch 1, bei welchem das Abbildungssystem
mit einer Beschleunigungsspannung von mindestens
5 kV arbeitet und das abbremsende elektrische Feld
die Elektronen auf eine Energie unter 3 keV abbremst.
3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung zum Erzeugen des abbremsenden
elektrischen Feldes eine elektrostatische Linse (16, 18)
ist.
4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
elektrostatische Linse (16, 18) einen Teil des elektronen
optischen Abbildungssystems bildet und zusammen mit
diesem einen teleskopischen Strahlengang der in der
Eingangsfläche des Kanalplatten-Bildverstärkers (62)
eintreffenden Elektronen erzeugt.
5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Linse (16, 18), die das die Elektronen abbremsende Feld
erzeugt, einen Teil eines Projektivs eines Elektronen
mikroskops bildet.
6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
Projektiv eine elektrische Einzellinse (12, 14, 16)
und die elektrostatische Linse (16, 18), die das die
Elektronen abbremsende elektrische Feld erzeugt,
enthält (Fig. 1a).
7. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
Projektiv eine elektromagnetische Linse (40) und die
elektrostatische Linse (16, 18), die das die Elektronen
abbremsende Feld erzeugt, enthält (Fig. 2a).
8. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (60),
welche das die Elektronen abbremsende elektrische Feld
erzeugt, einen Teil eines Abbildungssystems eines
Elektronenmikroskops bildet.
9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Vorrichtung (50) zur Halterung der Oberfläche
einer zu untersuchenden Probe (52) in einer Objekt
ebene des Elektronenmikroskops und eine Strahlungs
quelle (64) zur Erzeugung einer Strahlung zur Auslösung
von Elektronen aus der Oberfläche vorgesehen sind.
10. Gerät nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,
daß das Abbildungssystem (54, 56, 58, 60) sowie der
Kanalplatten-Elektronenvervielfacher (62) an einem
Vakuum-Normflansch (70) gehaltert sind.
11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
der Abstand zwischen einer Bezugsfläche des Flansches
(70) und der Objektebene des Elektronenmikroskops
gleich 254 mm ist.
12. Gerät nach einem der Ansprüche 8 bis 11, gekennzeichnet
durch eine Anordnung zum Zuführen einer bezüglich Masse
positiven Beschleunigungsspannung zum Abbildungssystem.
13. Gerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet,
daß ein sich vom Flansch (70) nach außen erstreckender
Teil des Abbildungssystems und der Kanalplatten-
Bildverstärker (62) mit einem metallischen Gehäuse (68)
umgeben sind, welches mit dem Flansch (70) verbunden ist
und ein Fenster (71) zur Betrachtung des Lumineszenz
schirmes des Kanalplatten-Bildverstärkers aufweist.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT ZUR FOERDERUNG DER WISSENS |
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D2 | Grant after examination | ||
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |