DE918464C - Elektronenmikroskop - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 27. SEPTEMBER 1954

N 5633 VIIIc j2ig

Elektronenmikroskop

Die Erfindung bezieht sich auf Elektronenmikroskope und insbesondere auf eine Verbesserung der Objektivlinse eines solchen Instrumentes.

Die Bestrebungen im Zusammenhang mit der Bildgüte haben dazu geführt, daß man die Bohrung einer magnetischen Elektronenlinse beträchtlich weiter macht, als es zum Durchlassen des Elektronenstrahles erforderlich ist.

Die Linsenart wird auch von dem Abstand zwischen den Polschuhen (nachstehend Polabstand genannt) bedingt. Eine Vergrößerung dieses Abstandes bewirkt, daß die die Elektronen zu der Achse treibende magnetische Kraft über eine längere Strecke wirksam ist und die Stärke der Linse zunimmt, sofern sich die Feldstärke nicht ändert. Die Aufrechterhaltung einer bestimmten Feldstärke bei Vergrößerung des Polabstandes erfordert jedoch eine Vergrößerung der Anzahl von Amperewindungen, und daher wird der Polabstand zwar verhältnismäßig groß gewählt, aber ao nicht viel größer als die Weite der Bohrung.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine weite Bohrung und ein großer Polabstand nicht immer zu dem günstigsten Ergebnis führen, sondern daß unter Umständen gerade ein kleiner as Durchmesser der Bohrung Vorteile ergibt.

Das Elektronenmikroskop nach der Erfindung hat eine magnetische Objektivlinse mit großer Feldstärke und einen im Verhältnis zum Polabstand geringeren Durchmesser der Bohrung, als bisher üblich war. Infolge der Bauart dieser neuen Objektivlinse werden die in bezug auf die Konstanz

an die Arbeitsspannung und den Erregerstrom gestellten Anforderungen äußerst niedrig.

Bei dem üblichen Elektronenmikroskop sollen diese elektrischen Größen, wenn man ein Auflösungsvermögen von 60 Ä wünscht, sich nicht um mehr als 0,03 bzw. 0,06 °/o ändern. Um eine solche Konstanz zu erreichen, ist eine verhältnismäßig verwickelte, elektronentechnisch wirkende Präzisionsvorrichtung erforderlich. Bei dem Mikroskop nach der Erfindung kann diese entbehrt werden, da, dank der auffällig kleinen Bohrung, die Brennweite der Linse klein ist. Eine kleine Brennweite bedeutet wenig chromatische Aberration. Die zum Erzielen einer hinreichend kleinen Brennweite erforderliche Feldstärke wird vom geringen Polabstand ermöglicht, der seinerseits durch die kleine Bohrung ermöglicht wird.

Auf welche Weise eine Verringerung des Bohrungsdurchmessers eine Verringerung der Brennweite ergeben kann, wird weiter unten erläutert, zunächst wird jedoch der Einfluß einer Änderung des Polabstandes auf die Eigenschaften der elektromagnetischen Linse betrachtet.

Die Brennweite der elektromagnetischen Linse ist an erster Stelle von der Feldstärke abhängig.

Die magnetische Sättigung in den Polschuhen setzt jedoch der Steigerung der Feldstärke eine Grenze.

Ist diese einmal erreicht, so· kann die Feldstärke nur noch auf Kosten vieler Amperewindtingen vergrößert werden.

Eine größere Bemessung unter Beibehaltung der Feldstärke führt auch nicht immer zu einem besseren Ergebnis. Dies trifft besonders für eine Objektivlinse zu. Werden die Polschuhe weiter voneinander entfernt, wobei dafür Sorge getragen wird, daß sich die Feldstärke nicht ändert, so liegen bei einem bestimmten Polabstand die Brennpunkte in dem wirksamen Teil des Magnetfeldes. Zum Erzielen einer starken Vergrößerung wird der Gegenstand in der Nähe des Brennpunktes angeordnet. Liegt dieser Punkt zwischen den Polschuhen, so führt eine weitere Vergrößerung der Linsenstärke durch Vergrößerung des Polabstandes unter Aufrechterhaltung der Feldstärke bald zu einem negativen Ergebnis.

Dies wird an Hand von Fig. 1 erläutert. In dieser Figur ist die optische Achse einer magnetischen Elektronenlinse mit 1 und eine sich parallel zu dieser Achse erstreckende Bahn eines Elektrons mit 2 bezeichnet. Das magnetische Linsenfeld ist über die Strecke A B wirksam. In dieser Strecke unterliegt der Strahl einer Ablenkkraft. Wenn der Strahl 2 in das Gebiet der magnetischen Wirksamkeit von links eintritt, wird er über den Punkt A hinaus zur Achse hingelenkt. Es wird angenommen, daß die Feldstärke bzw. der Abstand A B so groß ist, daß der fragliche Strahl die Achse ι in einem zwischen den Polschuhen liegenden Punkt F schneidet.

Abgesehen von sphärischer Aberration, wird jeder von links parallel zur Achse einfallende Strahl diese Achse im gleichen Punkt F schneiden, der also ein Brennpunkt der Linse ist. Über den Punkt F hinaus wird der Strahl in entgegengesetzter Richtung abgelenkt, und wenn der Teil F B der Strecke .^5 größer ist als der Teil AF₁ tritt der Strahl aus der Linse heraus in einer nach der Achse zu gerichteten Richtung und schneidet diese Achse wieder im Punkt o. Der Strahl hat also einen geraden Teil 2, einen gekrümmten Teil 2' und wieder einen geraden Teil 2". Die Verhältnisse können auch derart sein, daß der Strahl die Achse r bereits wieder in einem Punkt zwischen F und B schneidet.

Bei dem Elektronenmikroskop liegen die Verhältnisse wie oben geschildert, mit dem Unterschied, daß das Elektron nicht von links, sondern von rechts aus dem Punkt ο kommt, wo z. B. die Elektronenquelle angeordnet sein kann.

Der Punkt F ist der Bildpunkt o, der der Linse zugeordnet ist, die von dem in der Strecke FB wirksamen Teil des magnetischen Feldes gebildet wird. So ist F' der dieser Linse zugeordnete Bildpunkt des Punktes o', der in einer Ebene I durch ο senkrecht zur Achse 1 liegt. In der Figur ist ein beliebiger Strahl dargestellt, der als eine Gerade 3" von o' aus sich in Form einer gekrümmten Linie 3' derart im magnetischen Felde verläuft, daß er durch den Punkt F' hindurchgeht und in Form einer Geraden 3 aus der Linse heraustritt.

Abgesehen von Linsenfehlern, schneiden alle Strahlen aus dem Punkt ο die Achse im Punkt F, und sie treten parallel zur Achse aus der Linse heraus. Alle Strahlen aus dem Punkt o' gehen durch den Punkt F' und treten parallel zur Geraden 3 aus der Linse aus.

Ein im Punkt F angeordneter Gegenstand hat also sein Bild im Unendlichen. Wird er zu dem Punkt P₁ hin verstellt, so daß er im Punkt P' vom Strahl 2' geschnitten wird, so entsteht ein reelles Bild, in dem der Abstand PP' zu p vergrößert ist, d. h. der Abstand der Geraden 2 von der Achse 1. Je näher der Gegenstand an den Punkt F heranrückt, um so stärker ist die Vergrößerung.

Im Teil PB der Strecke A B trägt also das magnetische Feld nicht zur Vergrößerung bei, sondern es bildet nur einen unerwünschten Kondensor, der außerdem Amperewindungen kostet. Wird der Polabstand der Objektivlinse nicht größer als der Abstand AF gewählt, zuzüglich des Abstandes FP des Brennpunktes von dem Gegenstand, so ergibt sich die maximale Linsenstärke mit einer minimalen Anzahl Amperewindungen.

Da es jedoch schwierig ist, den Gegenstand gerade in dem Punkt anzuordnen, wo die Linsenwirkung anfängt (dies würde darauf hinausgehen, daß der Gegenstand in der Ebene der Polschuhe oder sogar in der Bohrung der Polschuhe angeordnet werden müßte), wird man den Polschuh noch etwas weiter zurückschieben müssen.

Deutlichkeitshalber sind in Fig. 1 alle Abstände senkrecht zur Achse im Verhältnis zu den Abständen in Richtung der Achse übertrieben dargestellt.

Bei dem Mikroskop nach der Erfindung hat die Objektivlinse einen Brennpunkt zwischen den

Polschuhen und einen Polabstand, der so wenig größer ist als der Abstand AF, daß das Feld zwischen dem ersten Polschuh und dem Brennpunkt F keine schädliche Wirkung hat. Dies wird durch Herabminderung des Durchmessers der Linsenbohrung auf ein Drittel oder einen noch kleineren Teil des Polabstandes ermöglicht.

Der magnetischen Elektronenlinse kann eine Brennweite zuerkannt werden. Die Berührungsxo linie des gekrümmten Teiles 2' des Strahles 2, 2', 2" im Punkt F schneidet die Verlängerung des geraden Teiles 2 dieses Strahles im Punkt S. Der Abstand f zwischen diesem Schnittpunkt und der Ebene II wird die Brennweite der Linse genannt und ist in einem homogenen Feld gleich— · AF.

Diese Brennweite wird nicht nur von der magnetischen Feldstärke, sondern auch von dem Bohrungsdurchmesser bedingt. Zur Beschränkung des

ao Astigmatismus wurde bisher die Bohrung nicht viel kleiner gewählt als der Polabstand. Je enger nämlich die Bohrung, um so schwieriger ist es zu vermeiden, daß sie unrund wird, und eine unrunde Bohrung führt Astigmatismus herbei.

as Bei der Erfindung ist nun die Erscheinung berücksichtigt, daß in eine große Bohrung das Feld tief hineindringt. Die Kurve, die den Verlauf der Feldstärke H in der Achse darstellt, weist dann drei Teile auf: einen leicht ansteigenden Teil, einen Teil großer Feldstärke, in der ein Maximum auftritt, und wieder einen leicht abfallenden Teil. Fig. 2 der Zeichnung stellt dies dar.

In der Strecke b hat das magnetische Feld eine bedeutend größere Ablenkkraft als in den Strecken a und c. Die Stärke eines Linsenelements, das zwischen zwei zur Achse senkrechten Ebenen mit einem gegenseitigen Abstand ds eingeschlossen ist, ist proportional zu H₂ ds, und die gesamte magnetomotorische Kraft ist Hds proportional. Wenn bei einer gegebenen Anzahl Amperewindungen, d. h. bei einer bestimmten Größe der zwischen der Kurve k und der Achse eingeschlossenen Oberfläche, die Teile α und c möglichst beschränkt werden, d. h. die Oberfläche möglichst in der Strecke b zusammengezogen wird, so entsteht bei der gleichen Anzahl Amperewindungen eine stärkere Linse. Um die Linse zu verbessern, wird also danach gestrebt werden müssen, die Kurve k derart zu ändern, daß sie sich dem Rechteck r annähert, wobei die Summe der schraffierten Oberflächen d und e gleich der schraffierten Oberfläche g ist. Die Kurve r könnte den Verlauf der Feldstärke längs einer Geraden parallel zur Achse darstellen, die zwei Punkte der Polflächen derselben Linse mit einem Abstand b verbindet.

Wenn Fig. 2 sich bezieht auf eine Linse, deren Strahlen von rechts kommen, trägt der Teil c, wie bereits aus der Betrachtung von Fig. 1 hervorging, falls dieser Teil vor dem Gegenstand liegt, nicht zur Vergrößerung bei. Der Teil α wirkt nach wie eine schwache Linse hinter der starken Linse, die in der Strecke b wirksam ist. Das Ergebnis ist eine Verringerung statt einer Vergrößerung der Linsenstärke durch den Teil a. Eine solche Erscheinung ist aus der Lichtoptik bekannt. Eine schwache Linse, die um mehr als einen bestimmten Abstand von einer stärkeren Linse entfernt ist, hat als Ergebnis, daß die Brennweite der Kombination größer ist als die der starken Linse allein. Für dünne Linsen ist dieser bestimmte Abstand die Brennweite der schwächsten der beiden Linsen.

Zur Erläuterung der ungünstigen Wirkung des Ausläufers der Kurve k in Fig. 2 dient weiter Fig. 3 der Zeichnung. Diese zeigt die Bahn 5 eines Elektrons, das bei A₁ in das magnetische Feld hineintritt. Anfangs ist dieses Feld schwach, so daß in der Strecke α der Strahl S₁ nur wenig gekrümmt wird. Über diese Strecke hinaus wird die Elektronenbahn stärker gekrümmt, und am Punkt F₁ schneidet sie die Achse. Die Brennweite ist in diesem Fall f_v

Hätte das magnetische Feld seine Ablenkkraft auf den Raum an der Strecke α vorbei konzentriert, so daß der Strahl erst über den Punkt A₂ hinaus gekrümmt wäre (für beide Fälle wird die gleiche magnetomotorische Kraft angenommen), so wäre der Strahl 5₂ stärker gekrümmt, so daß er die Achse im Punkt F₂ schneiden würde unter einem größeren Winkel mit der Achse. Die Brennweite wäre dann kleiner gewesen, d. h. f₂.

Infolge der Wirkung des Ausläufers des Feldes ist der Abstand des Strahles von der Achse an der Stelle, wo er in das starke Feld eintritt, kleiner, und der Krümmungsradius der Bahn ist in diesem Abstand umgekehrt proportional.

Dies ist auch der Grund, weshalb es nutzlos ist, die Anzahl Amperewindungen größer zu machen, als es zur Sättigung des Eisens erforderlich ist. Obwohl dadurch auch die Feldstärke vergrößert wird, wird diese Vergrößerung wieder wettgemacht infolge der Verringerung des Abstandes von der Achse, den die Strahlen beim Hereintreten in den zentralen Teil haben, da infolge der Sättigung ein starker Ausläufer des Feldes in der Bohrung des Polschuhs entsteht.

Die Forderung, daß eine Verringerung der Bohrungsweite den Astigmatismus zunehmen läßt infolge der unvermeidlichen Unrundheit, ist richtig, wenn das magnetische Feld verhältnismäßig tief in die Bohrung des Polschuhs eingreift. Die Bohrung der Objektivlinse im Elektronenmikroskop nach der Erfindung ist jedoch so eng im Vergleich zu ihrem Polabstand, daß die Ausläufer des Feldes die Linse nicht mehr wesentlich abschwächen und auch keinen merklichen Astigmatismus hervorrufen.

Dies läßt sich vermutlich wie folgt erklären. In dem ringförmigen Raum zwischen den zwei (parallelen) Polflächen ist das magnetische Feld praktisch homogen, aber am Rand der Bohrung haben die magnetischen Kraftlinien eine stärkere Konzentration als außerhalb desselben. An diesem iao Rande ist also das Eisen eher gesättigt als am übrigen Teil der Polflächen. Eine weniger starke Konzentration der magnetischen Kraftlinien an dieser Stelle ermöglicht eine stärkere Erregung und somit eine größere wirksame Feldstärke. Diese Verringerung der Kraftlinienkonzentration entsteht

durch Verengung der Bohrung. Die Kraftlinien divergieren dann weniger stark, so daß die Unhomogenität des Feldes geringer wird. Je mehr der Homogenität des Feldes angenähert wird, desto weniger Einfluß hat die Form des Durchschnittes der Bohrung, da die inhomogenen Teile des Feldes dann um so weniger zu der Gesamtstärke der Linse und somit zum Astigmatismus beitragen. Je näher die Polschuhe zusammengerückt werden, desto ίο stärker wird die Kraftlinienkonzentration an den Rändern. Daher können die Vorteile des kurzen Polabstandes, den die Objektivlinse gemäß der Erfindung hat, nicht erzielt werden, ohne daß auch die Bohrung verhältnismäßig klein gemacht wird. Die Objektivlinse des Elektronenmikroskops nach der Erfindung weist also eine Kombination von Eigenschaften auf, die als Gesamtergebnis eine Verbesserung der Linsengüte haben und folgendermaßen zusammengefaßt werden können. i. Die maximale Feldstärke ist so groß, daß die Magnetisierung des Eisens an der Sättigungsgrenze ist. Die Größe der maximalen Feldstärke ist abhängig von der Qualität des Magnetmaterials. Für das übliche Eisen beträgt sie 21 400 Gauß; für eine Legierung hauptsächlich aus Eisen und Kobalt in einem Verhältnis von 3:2 kann sie bis 23 000 Gauß gesteigert werden.

2. Der Polabstand ist hinreichend groß, den Gegenstand zwischen dem innerhalb der Polschuhe liegenden Brennpunkt und dem ersten Polschuh anzuordnen; er ist aber so klein, daß die vor dem Brennpunkt wirksamen magnetischen Kräfte sich nicht störend auswirken. Es hat sich ergeben, daß er zu diesem Zweck nicht größer zu sein braucht als der Wert d_max, der in Millimeter durch die Formel

1.5

100

1000

ausgedrückt wird.

Dabei bezeichnet E die Spannung in Kilovolt, mit der die Elektronen beschleunigt werden.

Da jedoch bei einer Linse mit großer Bohrung die Polschuhe nicht so nahe aneinander herangerückt werden können wie bei einer Linse mit kleiner Bohrung, ohne eine beträchtliche Feldkonzentration an dem Rand der Bohrung hervorzurufen, muß die folgende, mit 3 bezeichnete Bedingung berücksichtigt werden, soll die Bedingung 2 erfüllt werden.

3. Der Durchmesser der Bohrung ist maximal ein Drittel des Polabstandes.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Objektivlinse für ein Elektronenmikroskop nach der Erfindung in einem Schnitt mit einer Ebene durch die Achse. In dieser Figur bezeichnet 11 einen Teil der Eisenwand des Mikroskops. Eine ringförmige Kammer, die von den zwei Jochplatten 12, 13 und dem Zwischenteil 14 aus ferromagnetischem Material gebildet wird, enthält einen Spulenkörper 15 aus Messing. Der Wickelraum dieses Spulenkörpers wird von einem Zwischenflansch 16 in zwei Teile 17 und 18 geteilt, die je eine Erregerspule enthalten.

An den Dornen 19 und 20 der Jochplatten sind mit Muttern 21, 22 die Polschuhe 23 und 24 befestigt, die aus einer Legierung hauptsächlich aus Eisen und Kobalt hergestellt sind.

Die Platten 12, 13 und die Polschuhe 23, 24 haben eine zentrale Bohrung, so daß ununterbrochene Kanäle 25 und 26 gebildet werden, die in die Objektkammer 27 münden.

In dem Zwischenflansch 16 ist ein Loch 28 gebohrt, das der Lagerort eines (nicht dargestellten) Objekthalters ist. Die Kanäle 25, 26 und die Objektkammer 27 bilden zusammen einen Raum, der entlüftet werden kann. Durch Stopfbüchsen 29, 30 und Ringe 31, 32 aus Gummi wird dieser Raum luftdicht gegen die Außenluft abgeschlossen. Es kann auch der Zutritt von Außenluft zwischen dem Objekthalter und dem Rande des Loches 28 durch Packungsmaterial verhütet werden. Durch den entlüfteten Raum wird genau in der Achse ein Elektronenstrahl hindurchgeführt, und zwar von dem Kanal 26 durch die Objektkammer 27 zu dem Kanal 25.

Die Vorderfläche der Polschuhe hat die Form eines Kegelstumpfes, dessen flache Teile in einem Abstand von 1,4 mm voneinander liegen. Mit einer Bohrung in den Polschuhen, die an der Oberfläche einen Durchmesser von 0,3 mm hat, hat die Linse für eine Elektronengeschwindigkeit, die durch eine Beschleunigungsspannung von 8okV erzielt ist, eine Brennweite von 0,7 mm. Zu diesem Zweck ist eine Anzahl Amperewindungen von etwa 3000 erforderlich. Der Abstand des ersten Brennpunktes von der Vorderfläche des Polschuhs 24 ist dabei 0,3 mm.

Fig. 5 ist eine Einzeldarstellung in vergrößertem Maßstabe. Dabei ist die Objektfläche 34 durch eine gestrichelte Linie angedeutet; sie kann in einem Abstand von 0,2 mm von der Vorderfläche 35 des Polschuhs 24 liegen, d. h, 0,1 mm von dem Brennpunkt 36. Durch die beschriebene Linse kann in einem Abstand von 10 cm eine Vergrößerung von 140 erzielt werden.

Bei einer Änderung der Arbeitsspannung von V2 bis 1⁰Zo und des Erregerstromes von ¹U bis ¹Zt °/o (diese Werte ändern sich einigermaßen mit der Kontrastierung des Bildes) wird durch diese Linse immer noch ein Auflösungsvermögen von 60 Ä erzielt, dank der kurzen Brennweite von 0,7 mm, die durch das Unterdrücken der Feldausläufer erreicht ist. Dies hat den großen Vorteil, daß die Speisevorrichtung des Mikroskops bedeutend einfacher werden kann, da die elektronentechnische Präzisionsvorrichtung zur Stabilisierung in Wegfall kommt.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Elektronenmikroskop, dessen Objektivlinse mit einer magnetomotorischen Kraft wirkt, die die Magnetisierung in den Polschuhen bis an die Sättigungsgrenze bringt, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Polschuhen so groß ist, daß die Brennpunkte der Linse zwischen den Polschuhen liegen, aber nicht

   größer ist als der Wert d_m
   durch die Formel

   der in Millimeter

   ausgedrückt wird, wobei E die Spannung in Kilovolt darstellt, mit der die Elektronen beschleunigt werden.
2. 2. Elektronenmikroskop nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Polabstand i,4 mm oder annähernd 1,4 mm und die Bohrung 0,3 mm oder annähernd 0,3 mm beträgt.
3. 3. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisevorrichtung für die Arbeitsspannung und den Erregerstrom der Linse keine Präzisionsvorrichtung zur Stabilisierung enthält.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   I 9550 9.54