DE756224C - Hochvergroesserndes Elektronenmikroskop (UEbermikroskop) zur Abbildung durchstrahlter Objekte mittels Schattenwurfs - Google Patents

Hochvergroesserndes Elektronenmikroskop (UEbermikroskop) zur Abbildung durchstrahlter Objekte mittels Schattenwurfs

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DE756224C
DE756224C DEL96945D DEL0096945D DE756224C DE 756224 C DE756224 C DE 756224C DE L96945 D DEL96945 D DE L96945D DE L0096945 D DEL0096945 D DE L0096945D DE 756224 C DE756224 C DE 756224C
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DE
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cathode
electron
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microscope
lens
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DEL96945D
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English (en)
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Hans Dr Phil Boersch
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AEG AG
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AEG AG
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/26Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes
    • H01J37/295Electron or ion diffraction tubes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/26Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes
    • H01J37/27Shadow microscopy

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Description

  • Hochvergrößerndes Elektronenmikroskop (Übermikroskop) zur Abbildung durchstrahlter Objekte mittels Schattenwurfs Zusatz zum Patent 729687 Gegenstand des Hauptpatents 729 687 ist ein hochvergrößerndes Elektronenmikroskop (Übermikroskop) zur Abbildung durchstrahlter Objekte mittels Sdhattenwurfs, bei welchem zur Bestrahlung -des Objekts ein Elektronenbündel dient, welches durch einen kurz vor oder hinter der Objektebene liegenden Punkt verläuft.
  • Mit der Anordnung nach dem Hauptpatent wird also ein Schattenbild des zu untersuchenden Objekts hergestellt. Die Erzielung hoher Vergrößerungen mit einem ,derartigen Mikroskop bereitet keine besonderen Schwierigkeiten, da es sich ohne weiteres einrichten läßt, denjenigen Punkt, in welchem das Elektronenbündel kurz vor oder hinter derObjektebene zusammenläuft, außerordentlich nahe an die Objektebene zu bringen, wodurch eine Vergrößerung des Schattenbildes erreicht wird.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines Elektronenmikroskops gemäß dem Hauptpatent als Universalgerät zur wahlweisen Abbildung mittels Schattenwurfs oder mittels Elektronenbeugung.
  • Es hat sich. gezeigt, daß ein derartiges Schattenmikroskop auch als Elektronenbeugungsgerät verwendet «-erden kann, wetiti man die Eigenschaften der im Mikroskop zur `'erwendung gelangenden Elektronenlinsen geeignet abändert, was sich heispielsweis:@ durch eine bestimmte Bemessung der Linsenpotentiale oder gegebenenfalls der Linsenströme vornehmen läßt. 1lan kann also aus dem Schattenmikroskop bereits durch ein Umschalten der Schaltungsanordnung, in welcher sich das Mikroskop befindet, ein Elektron:nheugungsgerät herstellen.
  • Man kann demnach das Elektronenmikroskop gemäß dem Hauptpatent in der Weise finit großen Vorteil benutzen, daß l:eispielsweise von einem zu untersuchenden Objekt zunächst ein Schattenbild und alsdann zur Ergänzung dieses Bildes ein Elektronenheugungsbild hergestellt wird.
  • Die Erfindung sei näher an Hand der Figuren beschrieben, von denen Fig. i ein Elektronenmikroskop und die übrigen Fi.ureii Einzelheiten dazu heispielsweisewiedergehen.
  • In Fig. i ist mit i eine Haarnadelkathode bezeichnet, von welcher die zur Abbildung dienenden Elektronen ausgehen. Sie wird umgeben von einem Wehneltzylinder 2, der auf einem negativen Potential gegenüber der Kathode liegt, so däß die von der Spitze der Kathode ausgebenden Elektronen durch die Blende des Wehneltzclinders gelangen können und in Form eines feinen Bündels das aus den Elementen io, 111, 12, rd., 15 heste'hendeLinsensystem des-Mikroskops durchsetzen, nach welchem sie alsdann auf das in einem Objekthalter 16 befestigte Objekt treffen und von diesem ein Schatten- oder Beugutigshild auf dem Leuchtschirm 6 entwerfen. Hierbei bilden der Metallzylinder 12, die Blende io und der Ansatz i i die Anode: 14 stellt eine ringförmige Linsenelektrode dar, und mit IS ist eine dem Objekthalter vorgelagerte Blende bezeichnet, die zusammen mit der Ringelektrode und der Anode die Elektronenlinse des Mikroskops bildet. Die Ringelektrode 14 ist mit einer Zuführung 17 versehen, die durch einen Glasansatz i8 geführt ist. Außer diesem Glasansatz. enthält das Gefäß des Elektronenmikroskops als weiteren Glaskörper nur noch den Teil 13, durch welchen die Zuführungen zu Kathode und Wehneltzyl,inder geführt sind.
  • Soll dieses Mikroskop zur Erzeugung von Schattenbildern dienen, so müssen die Linsenspannungen so gewählt sein, daß die Linse von der Kathode ein Bild kurz vor oder hinter der Objektebene, welche durch die blendenförmige COffnung des Objekthalters 16 bestimmt ist, erzeugt.DiesesBild soll möglichst geringe Ausdehnung haben, und dies ist der Grund, warum als elektronenemittierend.,-Quelle die Kathode i in Form einer äußerst spitz auslaufenden Haarnadelkathode ausgebildet ist. Die Fig.2 und 3 lassen weitere Einzelheiten über diese Kathode und ihre Wirkungsweise erkennen. In Fig.2 1>-zeicliriet i die Kathode, welche nach dein freien Ende spitz ausläuft. Sie wird hier an Stell: des @N'elineltzvlinders 2 von einer Blende icg umgeben, welche die Kathode ein Stück in den Entladungsraum hineinragen läßt. Mit 20 ist die Anode gelzetitizeichnet. Die Kathode i soll :ich auf »dem Potential o, die Elektrode iy auf einem positiven Potential und die Anod-# 20 auf einem noch höheren positiven Potential befinden. Die Potentialflächen, die sich in diesem Fall um die Spitze der Kathode ausbilden, sind in der Fig.2 mit 211 bezeichnet. Sie lassen erkennen, daß praktisch nur die von einem geringen Teil der Spitze der Kathode i ausgehenden Elektronen längs den Bahnen 22 auf die Anode .:langen können. Im Elektronenmikroskop wird also ein scharfes Bild dieses Teils entworfen, welches um so kleiner ist, je stärker gekrümmt die Spitze ist und je stärker die Felder an ihr sind.
  • In Fig. 3 hat die Blende ig ein negatives Potential gegenüber der Kathode i_ Man entnimmt den hier dargestellten Potentialflächen 21, daß auch hei dieser Schaltung der die Kathode umgebenden Blende nur die von einem Teil der Spitze der Kathode emittierten Elektronen auf die Anode gelangen und für dieAbhildung durch das-Mikroskop wirksam werden können.
  • Man kann übrigens an den Welineltzylinder, wenn ein solcher die Kathode i in der in Fig. i wiedergegebenen Weise umgibt, außer der negativen Vorspannung gegen Kathode eine Wechselspannung legen, derart, daß die Elektronen die Kathode nur in bestimmten Zeitabständen verlassen und in den Entladungsraum fliegen können. Unter Umständen kann dies auch bereits durch eine Vorsp annung des Wehneltzylinders erreicht «-erden, welche von sich aus bereits eine gewisse Welligkeit besitzt. Gleiches wird erreicht durch die Welligkeit der Anodenspannung bei konstanter negativer Vorspannung des Welitieltzylinders. Durch diese intermittierende Emission der Elektronen läßt sich beispielsweise erreichen. daß das Objekt weitgehend geschont wird.
  • In den Fig..I und 5 ist noch die Stellung der Objektebene in bezug auf die Elektronenlinse des Mikroskops wiedergegeben, wenn dieses urErzeugung vonSchattenbildern benutzt werden soll. Hierin ist die Elektronenlinse mit 23 und die Objektebene mit 24 bezeichnet. Das in Fig. d. von links auf die Linse 23 auftreffende Elektronenbündel wird infolge des Öffnungsfehlers nicht in einem einzigen Punkt hinter der Linse zusammengeführt, sondern es entstehen hierbei verschiedene Brennpunkte, je, nachdem ob es sich um achsenferne oder achsennahe Strahlen handelt. Zwei dieser Brennpunkte sind mit 25 und 26 näher gekennzeichnet. Die Objektebene 24 schließt zusammen mit der Linse 23 die Schnittpunkte 25 und 26 ein. Es ist bemerkenswert, daß sich jedoch Unschärfen im Schattenbild, die möglicherweise auf die Öffnungsfehler der Linse zurückzuführen wären, nicht einstellen. Dies ist auch ohne weiteres erklärlich, denn die beispielsweise von den Punl"ten 25 und 26 ausgehenden Strahlen stören sich bei der Abbildung nicht, da die Strahlen jedes dieser Punkte eine andere Zone des Objekts abbilden, wobei der vom Punkt 26 ausgehende Kegel den mittleren Teil des Objekts und der vomPunkt25 ausgehendekegelförmige Strahlenschlauch die Randbezirke des Objekts trifft. Lediglich die Vergrößerung des Objekts ist in der Mitte und am Rande verschieden. Sie ist für den Fall nach Fig.4. in dem sich die achsennahen Strahlen in weitererEntfernung von derLinse als die achsenfernen schneiden, für die Mitte größer als für den Rand, was oft für die Auswertung des Schattenbildes von Nutzen ist. Würde man die Objektebenen2q. auf der anderen Seite der Punkte 25 und 26 anordnen, so würde es sich hinsichtlich der Vergrößerung gerade umgekehrt verhalten.
  • Fig. 5 stellt den Fall dar, daß sich die achsenfernen Strahlen nicht näher, sondern weiter von der Linse treffen als die achsenna;hen, im Gegensatz. zu der Anordnung. nach Fig. 4.. In diesem Fall muß sich die Objektebene 2.4 zwischen den Brennpunkten 25, 26 und der Linse 23 befinden, damit die Mitte des Objekts größer abgebildet wird als sein Rand.
  • Wie man sieht, stören die Öffnungsfehler der Elektronenlinse die Abbildung nicht. Eine Störung wäre unter Umständen durch den Astigmatismus der Linse zu erwarten, wenn die Spitze der Kathode i sich nicht genau auf der Achse der Linse. befindet. In diesem Fall wäre gegebenenfalls das Linsensystem in: seiner Lage zu korrigieren. Im übrigen kann statt einer elektrischen auch eine magnetischeElektronenlinseVerwendung finden.
  • Bei der Verwendung des hochvergrößernden Elektronenmikroskops als Schattenmikroskop kann man das Linsenpotential gleich dem Kathodenpotential wählen. Hierbei ist unter Linsenpotential stets das Potential der mittleren Linsenelektrode 1q. zu verstehen. Es ist zweckmäßig, das Objekt in Achsenrichtung und auch vertikal dazu verschiebbar anzuordnen, so daß man durch eine Verschiebung des Objekts die Vergrößerung einstellen kann. Bei festem Objekt muß das Linsenpotential veränderlich sein, damit man durch eine ÄnderungdiesesPotentials eine gewünschteVergrößerung einstellen kann.
  • Soll nunmehr das hochvergrößernde Elektronenmikroskop gemäß dem Hauptpatent auch als Elektronenbeugungsgerät verwendet werden, so bedarf es lediglich einer Abänderung gewisser Potentiale und gegebenenfalls einer Verschiebung des Objekts, um aus dem Schattenmikroskop ein Elektronenbeugungsgerät zu erhalten. Beispielsweise gewinnt man ein einfaches Gerät dieser Art, indem das Linsenpotential, also das Potential der ringförmigen Elektrode 1q., gleich dem ;Anodenpotential gemacht wird. in diesem a11 geht die Linsenwirkung verloren, und es fällt ein paralleles Bündel von Elektronenstrahlen auf das Objekt und erzeugt von diesein auf dem Leuchtschirm 6 ein Beugungsbild. Besteht beispielsweise das Objekt aus einem einzigen Kristall, so wird man auf dein Leuchtschirm ein an sich bekanntes Punktdiagramm erhalten, während bei der Bestrahlung eines lhristallgemisches in an sich bekannter WeiseRinge auf demLeuchtsciiirm sichtbar werden. ,j e feiner die Spitze der Haarnadelkathode ist, desto mehr laufen die zur Abbildung dienenden Elektronenstrahlen parallel und desto besser ist das Beugungsbild. Die Größe des zur Beugung gelangenden Elektronenbündels ist hierbei durch die Anodenblende bestimmt, deren Öffnung möglichst klein sein soll und deren Offnungsdurchmesser beispielsweise o, i bis 0,3 mm betragen kann.
  • Um weiterhin ein Elektronenbeugungsgerät besonders hoher Auflösung zu erhalten, ist die Linse so einzustellen, daß die Kathode verkleinert auf dem Leuchtschirm abgebildet wird. Zur Einregelung des Linsenpotentials ist ein Spannungsteiler erforderlich, mit dem die Linse auf eine geeignete Brennweite gebracht werden kann. Um ein derartiges Elektronenbeugungsgerät besonders hoher Auflösung zu erhalten, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, den Abstand von Kathode zu Linse zu etwa iooo mm, den Abstand zwischen Linse und Leuchtschirm zu etwa 300 mm zu wählen. Diese Dimensionierung ist auch für die Abbildung mittels Schattenwurf gut geeignet.
  • Ein weiteres Elektron:enbeugungsgerät entsteht schließlich aus dem Schattenmikroskop dadurch, daß die Kathode mit der Elektronenlinse des Mikroskops in einen Punkt abgebildet wird, der sich an dem Ort des Objekts befindet. Die von diesem Punkt diffus ausgehenden Elektronenstrahlen erzeugen auf dem Leuchtschirm ein Beugungsbild, welches als sögenanntes Weitwinkeldiagrainm an sich bekannt ist. Für diesen Fall soll. die Linse zweckmäßig das Potential der Kathode annehmen, und vorzugsweise soll das Objekt verschiebbar angeordnet sein, damit der Bildpunkt der Kathode auf jeden Fall an die Stelle des Objekts gelegt werden kann.
  • Man hat also nicht weniger als drei Möglichkeiten, um aus dem Schattenmikroskop ein Elektronenbeugungsgerät zu machen. Die hierbei entstehenden Arten des Beugungsgerätes lassen sich leicht ineinander überführen. Allen ist gemeinsam, daß sie lediglich durch geringfügige Abänderungen des Schattenmikroskops, wie beispielsweise eine Verschiebung des Objekts oder eine Veränderung der Linse des Mikroskops, gewonnen werden können.
  • Es ist zweckmäßig, das Elektronenmikroskop mit einem Schalter zu versehen, der es gestattet, das Linsenpotential durchBetätigen des Schalters so zu bemessen, wie es der Schattenabbildung und den verschiedenenAbbildungsmethoden mittels Elektronenbeugung entspricht. Zum Beispiel wird man Schalterstellungen vorsehen, in welchen die Linsenelektrode Kauhoden- oder Anodenpotential oder ein weiteres vorzugsweise einstellbares Potential annimmt.

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Hochvergrößerndes Elektronenmikroskop (Übermikroskop) zur Abbildung durchstrahlter Objekte mittels Schattenwurfs, nach Patent 729 687, gekennzeichnet durch die Verwendung des Mikroskops als Universalgerät zur wahlweisen Abbildung mittels Schattenwurfs oder mittels Elektronenbeugung.
  2. 2. Elektronenmikroskop nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt, vorzugsweise in Achsenrichtung, verschiebbar angeordnet ist.
  3. 3. Elektronenmikroskop nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite des elektronenoptischen Linsensystems des Elektronenmikroskops einstellbar ist. d.
  4. Elektronenmikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dafl das Mikroskop mit einem Schalter versehen ist, welcher gestattet, die Linsenelektrode (1q.) wahlweise auf Kathoden-, Anoden- oder ein anderes einstellbares Potential zu legen.
  5. 5. Elektrodenmikroskop nach Anspruch i oder einem der folgenden, gekennzeichnet durch eine Haarnadelkathode.
  6. 6. Elektronenmikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode in einem gegen sie auf negativem Potential vorgespannten Wehneltzylinder angeordnet ist.
  7. 7. Elektronenmikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß um die Kathode eine Blende angeordnet ist, die sich auf negativem oder positivem Potential gegenüber der Kathode befindet.
DEL96945D 1939-01-26 1939-01-26 Hochvergroesserndes Elektronenmikroskop (UEbermikroskop) zur Abbildung durchstrahlter Objekte mittels Schattenwurfs Expired DE756224C (de)

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