DE758362C - Elektronenmikroskop, bei dem ein Elektronenbrennfleck von weniger als einem tausendstel Millimeter Durchmesser die Oberflaeche des zu untersuchenden Objektes abrastert - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 15. MÄRZ 1954

Es ist bereits bekannt, Objekte mit Hilfe von Elektronenstrahlen abzubilden. Die Entwicklung sogenannter Elektronenmikroskope ist in letzter Zeit insbesondere deshalb mit Eifer betrieben worden, weil es mit ihnen theoretisch möglich ist, ein Auflösungsvermögen zu erzielen, das dem des Lichtmikroskops um 3 bis 4 Zehnerpotenzen überlegen ist. In der Praxis konnte man jedoch mit den bekannten Elektronenmikroskopen die theoretisch mögliche Grenze für das Auflösungsvermögen bei weitem nicht erreichen, insbesondere nicht bei der Anwendung des sogenannten Reflexionsverfahrens. Der Grund dafür liegt u. a. in der unvermeidlichen Geschwindigkeitsstreuung, mit der die Elektronen das Objekt verlassen. Bedingt ist die Geschwindigkeitsstreuung der Elektronen vor allen Dingen durch die unterschiedliche Geschwindigkeit, mit der die Elektronen ihre Quelle verlassen, und durch die unterschiedliche Abbremsung, die sie an den verschiedenen Objektpunkten erfahren. Es geht deshalb von dem abzubildenden Objekt stets ein Strahlenbündel aus, das ein verhältnismäßig breites Geschwindigkeitsspektrum aufweist.

Da es bisher nicht möglich ist, ausreichend achromatisierte Elektronenobjektive zu bauen, gelingt es auch nicht, mit einem inhomogenen Strahlenbündel der erwähnten Art die an sich vorgegebene Grenze des Auflösungsvermögens zu erreichen. Aus diesen Gründen ist bereits ein Elektronenmikroskop vorgeschlagen worden, bei dem das Objekt nicht abgebildet, sondern Punkt für Punkt mit Hilfe eines to Elektronenstrahles abgerastert wird, dessen Durchmesser unter einem tausendstel Millimeter liegt. Dabei werden dann die vom elektronenoptisch beleuchteten Bildelement ausgehenden Elektronen registriert. Dadurch ist die Grundlage geschaffen für den Aufbau eines elektronenoptischen Bildes des Objektes, und zwar mit einer Auflösung, die lediglich von der Punktschärfe des abtastenden -Brennfleckes in der zu untersuchenden Objektebene abhängt.

Die Erfindung bezieht sich auf Elektronenmikroskope, bei denen ein Elektronenbrennfleck von weniger als ¹AoOo mm Durchmesser die Oberfläche des zu untersuchenden Objektes abrasiert, und hat den Zweck, eine Verstärkung des Kontrastes der einzelnen Elektronenbildpunkte zu erzielen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem Objekt und der Registriereinrichtung eine Blende vorgesehen ist und daß die Anodenspannung des Strahlerzeugungssystems, der Aperturwinkel der Blende, das Objektmaterial und die Objektdicke so gewählt sind, daß die untere Schwankungsgrenze des Streuwinkels bei verschiedener Streuung unter dem Einfluß der Objektelemente gleich dem Aperturwinkel der Blende ist. Um das bei einem solchen Elektronenmikroskop erzielbare Auflösungsvermögen praktisch auszunutzen, muß die durch ein Objektelement mit einem Durchmesser von der Größe des Auflösungsvermögens verursachte Stromänderung in der Größenordnung von etwa 10% liegen. Die Stromänderung kann durch Unterschiede in der räumlichen Streuung in den Objektelementen in Verbindung mit einer nachträglichen Ausblendung eines bestimmten Strahlenanteils oder durch unterschiedliche Absorption in den Objektelementen hervorgerufen werden.

Durch die Anwendung der vorliegenden Anordnung hat man es beim Elektronenmikroskop völlig in der Hand, entweder Intensitätsmodulation durch die Elektronenstreuung oder die Elektronenabsorption bevorzugt zur Kontraststeuerung zu verwenden. Bei energieempfindlichen Elektronenindikatoren, beispielsweise bei der photographischen Intensitätsaufzeichnung, ergibt sich der besondere Vorteil, daß infolge der gleichzeitig erfolgenden Steuerung der Elektronenzahl und der Elektronengeschwindigkeiten eine besonders starke Kontraststeuerung durch Dicken- oder Dichteunterschiede stattfindet.

Es wurde bereits vorgeschlagen, eine Kontrastverstärkung dadurch zu erzielen, daß man zwischen Auffangvorrichtung und Registriervorrichtung Verstärker schaltet, die nur den schwachen Wechselstromanteil, nicht aber den stärkeren Gleichstromanteil des aufgefangenen Elektronenstromes verstärken. Es ist aber bei dem Gegenstand der vorliegenden Art auch bei der Modulation durch Streuung ohne Wechselstromverstärker eine Kontrastverstärkung auf Kosten der Intensität möglich. Hierzu soll die Auffangfläche nach Art der Dunkelfeldbeleuchtung so bemessen werden, daß in erster Linie die durch das Objektelement zusätzlich gestreuten Elektronen' registriert werden. Diese Registrier-■anordnung ist in Abb. 1 oben schematisch dargestellt. Der feine Rasterstrahl 1 wird in der Objektschicht 2 gestreut und verläßt die Objektschicht als Streukegel des Winkels §. Der Streuwinkel ist abhängig von der Streuung in den Objektelementen einer der vom Rasterstrahl zuerst durchlaufenen Objektschichten, die im Elektronenmikroskop abgebildet wird. Zwischen Objekt 2 und Registrierfläche 3 ist die kreisförmige Zentralblende 4 angeordnet. Es werden nun bei vorliegender Anordnung die Größen: Anodenspannung des Strahlerzeugungssystems, Apertur α der Zentralblende, Objektmaterial und -dicke bzw., falls einige dieser Größen vorgegeben sind, die veränderlichen Größen so gewählt, daß die untere Schwankungsgrenze des Streuwinkels bei verschiedener Streuung unter dem Einfluß der Objektelemente von gleicher Größe wie der Aperturwinkel α wird und damit in der Hauptsache durch Objektelemente zusätzlich gestreute Elektronen registriert werden.

Der typische Verlauf der Intensitätsmodulationskurven bei Elektronenstreuung ist in Abb. ι unten dargestellt. Als Ordinaten sind die Verhältniswerte JfJ₀ des registrierten Stromanteils zum Registrierstrom in logarithmischem Maßstab aufgetragen, als Abszissen die Werte der Schichtdicke A_x multi- no pliziert mit dem Faktor A₁ ebenfalls in logarithmischem Maßstab. Die Größe A₁ · A_x bestimmt neben der Anodenspannung U den Streuwinkel &, wobei A₁ nach theoretischen Überlegungen von der Dichte, der Ordnungszahl und dem Atomgewicht des Schichtmaterials abhängt. Die Kurven zeigen den Verlauf der Intensitätsmodulation für verschiedene Anodenspannungen U und Aperturwinkel α als Parameter. Bei Wahl des Arbeitspunktes auf dem steilen Teil der Kurven entsprechend der oben besprochenen Anpassung

des Streuwinkels an den Aperturwinkel α wird eine erhebliche Kontrastverstärkung gegenüber den Kontrastwerten einer einfachen Hellfeldregistrierung erzielt.
Es muß beachtet werden, daß der Vorgang der Elektronenstreuung stets mit einer Elektronenabsorption verbunden ist. Beim Arbeiten mit der besprochenen Dunkelfeldregistrierung besteht jedoch Gegenphasigkeit von

ίο Streumodulation und Absorptionsmodulation. Es ist daher dafür zu sorgen, daß die letztere klein bleibt. In einem weiteren Bereich - der Objektdicke und -dichte läßt sich diese Bedingung durch Wahl der Anodenspannung und Blendenapertur erfüllen.

Ein zweiter zweckmäßiger Weg, auf Kosten der Intensität allein durch Bemessung veränderlicher Größen eine Kontrastverstärkung zu erreichen, bietet sich bei Anwendung von Hellfeldregistrierung unter Ausnutzung der Absorptionsmodulation. Eine Anordnung hierzu ist in Abb. 2 oben schematisch dargestellt. Der Elektronensrahl 5 trifft wie bei der ersten Anordnung die Objektschicht 6, in der eine Absorption und Streuung des Elektronenstrahles stattfindet. Die das Objekt verlassenden Elektronen gelangen auf die Registrierfläche 7.

Die Randblende 8 kann vorgesehen werden, um die Absorptionsmodulation durch in diesem Fall gleichphasige Streumodulation zu verstärken und um die Größe des Bildpunktes zu begrenzen. Es werden dabei zweckmäßig Anodenspannung, Objektmaterial und -dicke so gewählt, daß ein großer Teil des Elektronenstromes absorbiert wird und dadurch Intensitätsschwankungen durch Unterschiede der Absorption und Abbremsung in den Objektelementen verstärkt zum Ausdruck kommen. Abb. 2 unten zeigt den Verlauf der Absorptionsmodulationskurven. Es ist die typische Abhängigkeit des Verhältnisses Registrierstrom zu Rasterstrom von der mit dem Faktor A₂ multiplizierten Schichtdicke für verschiedene Anodenspannungen in teilweise logarithmischem Maßstab dargestellt. Die Größe A₂ bringt den Einfluß des Objektmaterials zum Ausdruck und ist näherungsweise der Dichte gleichzusetzen. Der Arbeitspunkt wird bei der vorliegenden Anordnung auf den steilen Teil der Modulationskurven gelegt. Bei energieempfindlicher, beispielsweise photographischer Registrierung ist die Kontrastverstärkung noch wesentlich stärker als in den reinen Stromkurven der Abb. 2, weil, wie schon oben angedeutet, zugleich mit der Stromrnodulation eine Geschwindigkeitsmodulation der Elektronen eintritt.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Elektronenmikroskop, bei dem ein Elektronenbrennfleck von weniger als einem tausendstel Millimeter Durchmesser die Oberfläche des zu untersuchenden Objektes abrasiert, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Objekt und der Registriereinrichtung eine Blende vorgesehen ist und daß die Anodenspannung des Strahlerzeugungssystems, der Aperturwinkel der Blende, das Objektmaterial und die Objektdicke so gewählt sind, daß die untere Schwankungsgrenze des Streuwinkels bei verschiedener Streuung unter dem Einfluß der Objektelemente gleich dem Aperturwinkel der Blende ist.
2. 2. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Objektschichten, deren Dicke sehr klein ist gegen die Eindringtiefe der Elektronen, bei geeigneter Wahl von Anodenspannung eine Kontrastverstärkung durch Elektronenstreuung im Objekt unter Verwendung eines Elektronenauffängers nach Art der in der Lichtoptik bekannten Dunkelfeldbeleuchtung von entsprechender Apertur erzielt wird.
3. 3. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Objektschichten mit einer Dicke, die nahe bei der Eindringtiefe der Elektronen liegt, eine Kontrastverstärkung durch die Wahl einer solchen Anodenspannung erzielt wird, bei der nur noch ein Bruchteil des Elektronenstromes die Objektschicht durchdringt.
4. 4. Elektronenmikroskop nach den Ansprüchen ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Auffänger und Registriereinrichtung Verstärker angeordnet sind, die nur den Wechselstromanteil der aufgefangenen Elektronenströmung verstärken.
5. 5. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Registriereinrichtung eine photographische Schicht \^erwendung findet.

   Zur Abgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden:

   Deutsche Patentschrift Nr. 485 155;

   Annalen der Physik, Bd. 26, 1936, S. 638 bis 644; Bd. 27, 1936, S. 75.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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