DE1614126B1 - Korpuskularstrahlmikroskop,insbesondere Elektronenmikroskop,mit einer durch das Vorfeld einer Objektivlinse gebildeten Kondensorlinse und einer Bereichsblende - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Korpuskularstrahlmikroskop, insbesondere ein Elektronenmikroskop, mit einer Strahlquelle, den Korpuskularstrahl fokussierenden Mitteln, einem zumindest ungefähr im Bereich des Maximalwertes des axialen Verlaufs der Feldstärke einer elektromagnetischen Objektivlinse angeordneten Präparat sowie einer durch das Vorfeld der Objektivlinse gebildeten Kondensorlinse; die Kondensorlinse bildet in der Dingebene des Objektivlinsenfeldes eine vor der Eintrittspupillenebene der Objektivlinse angeordnete Bereichsblende ab, die bezüglich der fokussierenden Mittel so angeordnet ist, daß diese Mittel die die Bereichsblende durchsetzenden Strahlen des Korpuskularstrahles zu einem Querschnitt hoher Stromdichte in der Eintrittspupillenebene der Objektivlinse vereinigen.

Als fokussierende Mittel können in bekannter Weise weitere Kondensorlinsen in beliebiger Anzahl oder ein an sich bekanntes Steigerwald-System Verwendung finden, bei dem die fokussierende Wirkung durch eine spezielle Ausbildung des Wehnelt-Zylinders im Strahlerzeugungssystem erzielt wird.

Ein Elektronenmikroskop der beschriebenen Art mit zwei vor dem durch das Vorfeld der Objektivlinse gebildeten Kondensor liegenden weiteren Kondensorlinsen, von denen die in Strahlrichtung erste ein stark verkleinertes Bild des kleinsten Strahlquerschnittes (crossover) vor der Kathode erzeugt und die zweite Kondensorlinse dieses Bild leicht vergrößert abbildet, ist in der Arbeit von W. D. Riecke und E. Ruska, »A 100 kV TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPE WITH SINGLE-FIELD CONDENSER OBJECTIVE«, in den Veröffentlichungen des 6. Internationalen Kongresses für Elektronenmikroskopie, 1966, S. 19/20, beschrieben. Die Ausnutzung des stets vorhandenen Vorfeldes der Objektivlinse als kurzbrennweitige Kondensorlinse im Verein mit dem Vorsehen einer Bereichsblende vor der Eintrittspupillenebene der Objektivlinse bietet die vorteilhafte Möglichkeit, die Bestrahlungsapertur des Präparates und den Strahlquerschnitt auf dem Präparat, d. h. die Größe des bestrahlten Präparatbereichs, unabhängig voneinander einstellen zu können. Die Bestrahlungsapertur des Präparates ist nämlich, wenn man die Einflüsse von Linsenfehlern vernachlässigt, allein bestimmt durch die Größe des vom zweiten Kondensor entworfenen Bildes der Strahlquelle, während die Größe des bestrahlten Bereichs allein durch den Öffnungsdurchmesser der Bereichsblende gegeben ist. Durch stark verkleinernde Abbildung der Bereichsblende mittels der durch das Vorfeld der Objektivlinse gebildeten kurzbrennweitigen Kondensorlinse in die Objektebene, worunter die Dingebene des Objektivlinsenfeldes verstanden werden soll, können sehr kleine beleuchtete Präparatbereiche mit Bereichsblenden erzielt werden, deren Blendendurchmesser noch bequem herzustellende Größen besitzen. Beispielsweise ließ sich ein Durchmesser des bestrahlten Präparatbereiches von 700 A mit einer Bereichsblende von 10 iim Durchmesser erzielen, wobei die Vorfeldkondensorlinse eine Verkleinerung etwa um den Faktor 140 bewirkte.

Entsprechendes gilt auch dann, wenn man als den Korpuskularstrahl fokussierende Mittel eine andere Anzahl von Kodensorlinsen oder ein Steigerwald-System verwendet.

Wesentlich für das vorliegende Korpuskularstrahlmikroskop ist also die Erfüllung von zwei Bedingungen, nämlich die Scharfsteilungn der Objektivlim auf das abzubildende Präparat und die scharfe AI bildung der Bereichsblende in der Dingebene dt Objektivlinsenfeldes. Wenn im folgenden von d*. 5 Objektebene gesprochen wird, so ist unter diese stets die Dingebene des Objektivlinsenfeldes zu ve stehen, also eine durch die Elektronenoptik bestimm" Ebene, während unter der Präparatebene diejenk Ebene verstanden wird, in der das Präparat »mat

ίο riell» liegt.

Um die beiden genannten Bedingungen zu erfülle: ist das Korpuskularstrahlmikroskop erfindungsgemä dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zi Bewegung des Präparates in axialer Richtung b> konstant gehaltener Durchflutung der Objektivlin: in einem derart gewählten Bewegungsbereich vo gesehen ist, daß die interessierenden Einzelheite aller zu untersuchenden Präparate unabhängig vo der Präparatausdehnung in Strahlrichtung in d; Dingebene des Objektivlinsenfeldes und damit in d:

Ebene des Bildes der Bereichsblende bewegbar sine Die Verschiebbarkeit eines Präparates in Richtun

der Achse des Gerätes ist bei mit elektrostatische oder permanentmagnetischen Linsen arbeitende Elektronenmikroskopen an sich bekannt.

Bei mit solchen Linsen ausgerüsteten Geräten ha man die Scharfstellung durch mechanische Präpara bewegung der schwieriger durchzuführenden Ändt rung der Brennweiten der Linsen vorgezogen. Ma hat auch bereits eine Scharfstellung durch Änderun der Hochspannung und damit der Energie der Ko: puskeln des Strahles durchgeführt, jedoch besifc diese Methode schon deshalb Nachteile, weil in de Regel die Strahlspannung durch das zu untersuchend Objekt und die Untersuchungsart vorgegeben ist.

Soweit Möglichkeiten zur axialen Präparatverste: lung bei Geräten mit elektromagnetischen Linsen be kannt sind, dienen diese Geräte als Versuchseinricfc tungen zur Ermittlung der Eigenschaften von Linse oder ganzen Strahlengängen bei verschiedenen Prä paratlagen.

Während bei den genannten elektrostatischen un. permanentmagnetischen Geräten die Scharfstellun durch axiale Bewegung des Präparates im Hinblic:

darauf vorgenommen wurde, daß die Brechkraft de dort verwendeten Linsen aus technischen Gründe; nicht geändert werden konnte, wird bei dem vor liegenden Korpuskularstrahlmikroskop mit Vorfeld kondensorlinse und Bereichsblende eine Präparat verstellung vorgenommen, obwohl eine Objektivlins, vom elektromagnetischen Typ, d. h. mit in einen großen Bereich veränderbarer Brechkraft, verwende wird. Dabei findet die Erkenntis Berücksichtigung daß es nur eine einzige ganz bestimmte Erregung de· »Kondensor-Objektiv-Einfeldlinse« gibt, bei der du Bereichsblende in zweistufiger Abbildung mittels die ses einen Linsenfeldes scharf abgebildet wird. Du erste Stufe dieser Abbildung besteht in der stark ver kleinernden Abbildung in die Objektebene durch dk

Vorfeldkondensorlinse, während die zweite Stufe ir einer vergrößernden Abbildung durch das Hauptfelc dieser Linsenanordnung, also die Objektivlinse, zi sehen ist. Das Vorfeld und das Hauptfeld, also die Kondensor- und die Objektivlinse, sind beide kurzbrennweitig, brauchen aber nicht notwendig dit gleiche Brennweite zu haben.

Damit unter voller Berücksichtigung dieser Eigenschaft des mit Vorfeldkondensorlinse und Bereichs-

ORfQIMAL !NSPECTEO

blende ausgerüsteten Korpuskularstrahlmikroskops die interessierenden Präparateinzelheiten unabhängig von der axialen Ausdehnung der verschiedenen zu untersuchenden Präparate stets genau in die Objektebene gelegt werden können, ist eine Bewegungs- möglichkeit des Präparates in axialer Richtung in einem entsprechend gewählten Bewegungsbereich vorgesehen. Dann können stets sowohl der jeweils interessierende Präparatbereich als auch das Bild der Bereichsblende mittels der Objektivlinse gleichzeitig scharf abgebildet werden.

Für die Durchführung dieser Präparatbewegung läßt sich eine ganze Anzahl von konstruktiven Lösungen angeben. Beispielsweise kann die Bewegungseinrichtung eine konzentrisch zum Korpuskularstrahl angeordnete, das Präparat aufnehmende Hülse enthalten, die an ihrem äußeren Umfang Zähne trägt und mit einer vakuumdicht durch die Wand des Vakuumraumes des Gerätes hindurchgeführten Antriebsachse über ein Ritzel oder Zahnrad in Verbindung steht. An Stelle von Zähnen kann die Hülse auch ein Gewinde tragen und durch Verdrehung gegen ein Gegengewinde in Richtung der Strahlachse verstellt werden.

Eine andere Möglichkeit zeichnet sich dadurch aus, daß die Einrichtung eine um eine außerhalb des Korpuskularstrahles senkrecht zu diesem verlaufende Achse schwenkbare Aufnahme für das Präparat enthält, die mit einem vakuumdicht durch die Wand des Vakuumraumes des Gerätes hindurchgeführten Antriebsstößel in Verbindung steht.

Die Figuren zeigen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung, wobei ein Elektronenmikroskop mit einem Elektronenstrahl zugrunde gelegt ist, dessen Achse mit α bezeichnet ist. Es sei bemerkt, daß die Erfindung mit Vorteil auch bei einem Ionenmikroskop Anwendung finden kann.

Bei dem in F i g. 1 in seinen hier interessierenden Teilen schematisch dargestellten Elektronenmikroskop dienen als den Elektronenstrahl fokussierende Mittel die beiden Kondensorlinsen I und II, von denen der Kondensor I das verkleinerte Bild rl der Strahlquelle Q (genauer: des crossover vor der emittierenden Kathodenfläche) und der zweite, langbrennweitige Kondensor II bei rl ein scharfes Bild des verkleinerten ersten Bildes rl der Strahlquelle Q entwirft.

In der Objektivlinse ist die Objektebene O, also die Dingebene des Objektivlinsenfeldes, eingezeichnet, die zugleich die Bildebene der Bereichsblende B ist. Die Bereichsblende B liegt innerhalb der bildseitigen Brennweite des Kondensors II und wird mittels des Vorfeldkondensors III scharf in die Ebene O abgebildet.

Das Feld der elektromagnetischen Linsenanordnung ist links von der Achsea im Bereich der Objektebene O eingezeichnet. Das kreuzschraffierte Vorfeld bildet den Vorfeldkondensor III, so daß durch ein einziges Feld zwei Linsen erzeugt werden (Kondensor-Objektiv-Einfeldlinse).

Die Bestrahlungsapertur des Präparates P ist gegeben durch die Größe des zweiten Bildes rl der Strahlquelle Q und unabhängig von der Große der Bereichsblende B, die allein die Größe des bestrahlten Präparatbereichs bestimmt, die ihrerseits von der Größe von rl unabhängig ist. Diese Unabhängigkeiten gelten exakt verständlicherweise nur bei vernachlässiabaren Linsenfehlern. Da die Größe von rl durch das Produkt der Vergrößerungsmaßstäbe der beiden Kondensoren I und II gegeben ist, kann man die Größe der Bestrahlungsapertur des Präparates durch Änderung eines der Vergrößerungsmaßstäbe dieser Linsen beeinflussen.

Entscheidend ist nun, daß gleichzeitig sowohl das Präparat P als auch das Bild der Bereichsblende B mittels der Objektivlinse scharf abgebildet werden. Unterhalb der in F i g. 1 gezeichneten Linsenanordnung sind üblicherweise weitere Linsen, zumindest eine Projektivlinse, vorgesehen, die dieses »vereinigte« Bild auf einen Leuchtschirm oder in eine Fernsehaufnahmeröhre projizieren.

Es sind, um die Durchflutung der Kondensor-Einfeld-Objektivlinse nicht ändern und damit die scharfe Abbildung der Bereichsblende B in die Objektebene O nicht beeinflussen zu müssen, Einrichtungen vorgesehen, die eine axiale Bewegung des Präparates P in einem solchen Maße zulassen, daß die Ebene des Präparates P stets zur Deckung mit der Objektebene O gebracht werden kann. Im Falle des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1 enthält diese Einrichtung die die Achse α des Elektronenstrahles konzentrisch umgebende Hülse 1, die über die ähnlich wie bei einer Zahnstange angeordnete Zähne 2 an ihrem Umfang mit dem Zahnrad 3 an der Antriebswelle 4 in Verbindung steht, die in an sich bekannter und daher nicht dargestellter Weise vakuumdicht durch die Wand des Vakuumraumes des Elektronenmikroskops hindurchgeführt ist. Diese Einrichtung wird man so dimensionieren, daß sie die Möglichkeit gibt, die interessierenden Bereiche aller in dem Gerät zu untersuchenden Präparate unabhängig von der axialen Ausdehnung derselben exakt in die Objektebene O bringen zu können.

Eine andere Ausführungsform zeigt Fig. 2. Die Präparatblende mit dem Präparat ist wiederum mit P bezeichnet; sie ist in der Aufnahme 10 gelagert, die an ihrer in Fig. 2 linken Seite um die Achse 11 mittels des im rechten Teil der Figur erkennbaren Stößels 12 in Verbindung mit der schiefen Ebene 13 schwenkbar ist. Der Stößel 12, der an seinem mit der schiefen Ebene 13 zusammenwirkenden Ende den Rollkörper 14 trägt, ist durch die Wand 15 des Vakuumraumes des Gerätes mittels Dichtungen 16 in bekannter Weise vakuumdicht hindurchgeführt. Er stützt sich bei 17 ab. Verständlicherweise kann durch Verwendung von z. B. auf das Teil 10 wirkenden Federn' für eine sichere Berührung zwischen dem Rollkörper 14 und der schiefen Ebene 13 gesorgt werden. Da üblicherweise die erforderlichen Bewegungen des Präparathalters 10 in Richtung der Achse α des Elektronenstrahles nur sehr klein sind, machen sich die beim Schwenken um die Achse 11 auftretenden Präparatbewegungen quer zur Achse a kaum bemerkbar.

Mit 18 und 19 sind die beiden Polschuhe, mit 20 und 21 sind die Wicklungshälften der Objektivlinse bezeichnet.

Die Präparatblende P kann gegen die Wirkung der Gegenfeder 22 mittels des Hebels 23 quer zur Strahlachse α verschoben werden. Hierzu dient der Drehtrieb 24, der mit seiner Gewindehülse 25 den mit einem Gewinde versehenen Bereich 26 des Hebels 23 aufnimmt. Der Hebel 23 ist gegen Drehung gesichert.

Die Achse 11 kann auch durch eine federnde Einspannung ersetzt sein. ^

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struktive Lösungen für die Durchführung der Präparatbewegung angeben, ohne daß auf die mit dem Korpuskularstrahlmikroskop erzielten Vorteile verzichtet werden muß. Durch die axiale Präparatbewegung wird ein zusätzlicher Freiheitsgrad geschaffen, der es gestattet, gleichzeitig einerseits die Bereichsblende scharf in der Objektebene abzubilden und andererseits unabhängig von der genannten Abbildung sowohl die interessierenden Präparateinzelheiten als auch dieses Bild der Bereichsblende mittels der Objektivlinse abzubilden.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Korpuskularstrahlmikroskop, insbesondere Elektronenmikroskop, mit einer Strahlquelle, den Korpuskularstrahl fokussierenden Mitteln, einem zumindest ungefähr im Bereich des Maximalwertes des axialen Verlaufs der Feldstärke einer elektromagnetischen Objektivlinse angeordneten Präparat sowie einer durch das Vorfeld der Objektivlinse gebildeten Kondensorlinse, die in der Dingebene des Objektivlinsenfeldes eine vor der Eintrittspupillenebene der Objektivlinse angeordnete Bereichsblende abbildet, die bezüglich der fokussierenden Mittel so angeordnet ist, daß diese Mittel die die Bereichsblende durchsetzenden Strahlen des Korpuskularstrahles zu einem Querschnitt hoher Stromdichte in der Eintrittspupillenebene der Objektivlinse verein: dadurch gekennzeichnet, daß eine I richtung (1 bis 4) zur Bewegung des Präparate: in axialer Richtung bei konstant gehalt Durchflutung der Objektivlinse in einem de gewählten Bewegungsbereich vorgesehen ist, die interessierenden Einzelheiten aller zu un suchenden Präparate (P) unabhängig von Präparatausdehnung in Strahlrichtung in Dingebene (O) des Objektivlinsenfeldes und mit in die Ebene des Bildes der Bereichsblende bewegbar sind.

2. Korpuskularstrahlmikroskop nach . sprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Σ richtung eine konzentrisch zum Korpuskularstr angeordnete, das Präparat (P) aufnehmende H^; (1) enthält, die über Zähne (2) oder Gewinde einer vakuumdicht durch die Wand des Vakut raumes des Gerätes hindurchgeführten Antrie achse (4) in Verbindung steht.

3. Korpuskularstrahlmikroskop nach χ Spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die E richtung eine um eine außerhalb des Korp kularstrahles senkrecht zu diesem verlaufei Achse (11) schwenkbare Aufnahme (10) für < Präparat (P) enthält, die mit einem vakuumdic durch die Wand (15) des Vakuumraumes ί Gerätes hindurchgeführten Antriebsstößel (12) Verbindung steht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen