DE2752933A1 - Elektronenmikroskop - Google Patents

Description

ReZo/r-8954

KRATOS LIMITED, Urmston, Manchester, England

Elektronenmikroskop

Die Erfindung betrifft ein Elektronenmikroskop mit einem evakuierbaren Gehäuse, das eine Mikroskopsäule, einen Elektronenstrahlerzeuger, einen Beschleuniger für den Empfang der Elektronen von dem Strahlerzeuger und zum Richten eines Elektronenstrahls in die Mikroskopsäule umfaßt, mit einer Einrichtung zum Positionieren einer Probe in einer Probenkammer/ mit zwei hintereinander, längs der Achse der Mikroskopsäule angeordneten Blenden innerhalb des Gehäuses, deren Öffnungen miteinander fluchten, um den Elektronenstrahl geradlinig hindurchtreten zu lassen.

Ein derartiges Elektronenmikroskop kann insbesondere als Hochspannungselektronenmikroskop ausgebildet sein, in dem der Elektronenstrahl durch elektrostatische Potentiale in der Größenordnung von 1 MV oder höher beschleunigt wird.

Bei solchen Elektronenmikroskopen wird ein Elektronenstrahl mit Hilfe eines Elektronenstrahlerzeuger produziert und durch hohe Energie mittels Beschleunigungseinrichtungen beschleunigt, bevor er in die Elektronenmikroskopsäule eintritt. Die Gesamtheit der Elektronenbahn innerhalb des Elektronenstrahlerzeugers, der Beschleunigungseinrichtungen und der Mikroskopsäule wird durch ein hohes Vakuum geführt, so daß die Elektronen durch das System mit einer geringen Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Zusammenstößen mit noch vorhandenen Gasmolekülen in dem System sich bewegen können.

Eine der Anwendungsmöglichkeiten eines Hochspannungs-Elektronenmikroskops besteht im Studium der Zerstörung

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von Proben, die durch Elektronen hervorgerufen werden, das heißt dem. Studium der Änderungen in einer Probe, die als ein Ergebnis der Wechselwirkungen zwischen dem Elektronenstrahl und den Atomen der Probe auftreten. Derartige Studien erfordern häufig die Verwendung von Beschleunigungsspannungen in der Größenordnung von 1 MV und höher. Ein Nachteil derartiger Mikroskope besteht darin, daß während solcher Studien zusätzlich zu der Zerstörung durch die Elektronen eine unerwünschte Zerstörung der Probe durch negativ geladene Ionen bewirkt werden kann, die innerhalb des Elektronenstrahlerzeugers und der Beschleunigungseinrichtung von denjenigen Materialien erzeugt werden können, die von den Oberflächen unter Vakuumeinfluß sich loslösen und die durch die Potentiale der Beschleunigungselektroden beschleunigt werden, so daß sie in die Mikroskopsäule längs der Achse der Beschleunigungseinrichtung oder unter einer bestimmten Neigung zu dieser Achse eintreten. Diese Ionen besitzen Massen, die ein Mehrfaches der Masse der Elektronen aufweisen und werden durch die Elektronenstrahlsteuerung und die Positioniereinrichtungen der Mikroskopsäule kaum beeinflußt und durchsetzen die Proben, wobei sie die unerwünschten Probenzerstörungen bewirken.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Elektronenmikroskop zu schaffen, bei dem verhindert wird, daß geladene Ionen die Proben erreichen, während der Elektronenstrahl weiterhin durch die Proben hindurchtreten kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Elektronenmikroskop der eingangs beschriebenen Art derart gelöst, daß eine Ionenfalle in bezug auf die Blenden so angeordnet ist, daß sie die geradlinigen Bahnen blockiert, längs denen Ionen durch die Blendenöffnungen in Richtung Probenkammer hindurchtreten könnten, und daß eine Elektronenführungsanordnung den Elektronenstrahl von dem Elektronenstrahlerzeuger zu der Probenkammer zwangsweise längs einer Elektronenbahn leitet, die um die Ionenfalle herumführt.

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Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 - eine schematische Schnittansicht eines Hochüpannungs-Elektronenmikroskops mit einer Einrichtung zum Blockieren der Bahn von negativ geladenen Ionen, die in Richtung auf eine Probe sich bewegen,

Figur 2 - eine schematische Teilansicht einer Ausfuhrungsform der Erfindung und

Figuren 3 und 4 - schematische Teilansichten von zwei abgewandelten Ausführungsformen der Erfindung nach Figur

Wie Figur 1 zeigt, umfaßt das Elektronenmikroskop Vakuumkammern 9¹, 16* innerhalb eines Gehäuses, das aus einem oberen Gehäuseteil 9 und einem unteren Gehäuseteil, gebildet von einer Mikroskopsäule 16, besteht. Das obere Gehäuseteil 9 nimmt einen Elektronenstrahlerzeuger 1o auf, in welchem ein Elektronenstrahl 11 erzeugt wird und der durch hohe Energien der Potentiale, die an Elektroden 13 eines Beschleunigers 12 angelegt sind, beschleunigt wird. Das obere Gehäuseteil 9 befindet sich innerhalb eines unter Druck stehenden Außenkessels 14. Der Beschleuniger 12 und ein Generator 15/ der den Beschleuniger mit Energie versorgt, bilden bekannte Bauteile, die nicht Gegenstand der Erfindung sind und deren Konstruktion und elektrische Schaltung daher nur schematisch dargestellt werden.

Der Elektronenstrahl 11 gelangt von dem Beschleuniger 12 in die Elektronenmikroskopsäule 16, die Kondenserlinsen 17, 18 enthält, die den Strahl auf einen kleinen Brennfleck fokussieren. Ein Probenträger 2o ist in einer Probenkammer 21 der Mikroskopsäule 16 vorgesehen und auf diesem Probenträger ist eine Probe S befestigt. Elektronen, die die Probe

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durchdringen, durchsetzen eine Objektivlinse 22 und Projektionslinsen 23/ 24, 25, die ein verstärktes elektronenoptijches Bild eines Teils der Probe erzeugen. Dieses Bild wird mittels eines Fluoreszenzschirms 26 sichtbar gemacht, der in einer Besichtigungskammer 27 angeordnet ist/ die mit einem Beobachtungsfenster 28 versehen ist.

Ein System zum Blockieren der Bahn von schweren Ionen ist in Figur 1 gezeigt, jedoch wird im folgenden auf den vergrößerten Ausschnitt, der in Figur 2 dargestellt ist, Bezug genommen, in welchem MM¹ die Achse der Mikroskopsäule 16, und ein Winkel CX in einer Ebene den festen Winkel bezeichnen, innerhalb dem schwere Teilchen/ die durch die Mikroskoplinsen und die Elektronenstrahlablenkungseinrichtungen nicht abgeleitet worden sind/ in die Mikroskopsäule 16 eintreten und zu der Probe sich bewegen. Dieser Winkel ist durch die Blenden 3o, 31 bzw. deren öffnungen, innerhalb des Gehäuses, das in Figur 1 gezeigt ist, festgelegt.

Dieser feste Winkel kann vollständig durch eine einstellbare Ionenfalle 32 bzw. einen Ionenstrahlstopp blockiert werden. Die Position der Ionenfalle 32 kann gesteuert und durch nicht dargestellte Verbindungen, die von außerhalb der Vakuumkammer und des unter Druck stehenden Aussenkessels 14 eingestellt werden, um den direkten Zugang in einer geradlinigen Partikelbahn zu verhindern, die sich von dem Beschleuniger in die Probenkammer 21 erstreckt. Die Ionenfalle 32 kann von einem Stab gebildet sein, der beispielsweise aus Aluminium besteht.

Die Achse AA' des Beschleunigers 12, längs der der Elektronenstrahl 11 in das System nach Figur 2 eintritt, ist in bezug auf die Achse MM¹ der Mikroskopsäule 16 seitlich versetzt, so daß der Elektronenstrahl 11 durch die Ionenfalle 32 nicht unterbrochen wird und dann durch zwei Stufen von gleich großen, jedoch entgegengesetzten magnetischen Ablenkungen an den Stellen 33 und 34 in Richtung auf die Achse MM¹

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der Mikroskopsäule 16 und entlang dieser abgelenkt wird. Diese magnetischen Ablenkungen werden durch Elektronenstrahlablenkungseinheiten in der Gestalt von geeigneten Paaren von Spulen 3 3c, 34c hervorgerufen, durch die ein gesteuerter Gleichstrom von einer Quelle 29, die in Figur 1 gezeigt ist, hindurchgesandt wird, und die als solche für den Fachmann bekannt ist. Die Spulen sind nur schematisch dargestellt und sind so angeordnet, daß sie ein Feld erzeugen, welches, an der Stelle an der es durch den Elektronenstrahl geschnitten wird, senkrecht zu der Ebene der nicht abgelenkten und der abgelenkten Teile des Elektronenstrahls verläuft. Die durch die Spulen erzeugten Magnetfelder sind schematisch durch schraffierte Kreise angedeutet.

In der abgewandelten Ausführungsform nach Figur 3 ist der Beschleuniger 12 koaxial mit der Mikroskopsäule 16 ausgerichtet, wobei der Elektronenstrahl zur Umgehung der Ionenfalle 32 durch zwei gleich große und entgegengesetzte magnetische Ablenkungen an den Stellen 35 und 36 abgelenkt wird, und nachfolgend auf die Achse MM¹ der Mikroskopsäule durch zwei weitere magnetische Ablenkungen an den Stellen 37 und 38 zurückgebracht wird. Diese vier Ablenkungen werden durch Spulen 35c, 36c, 37c bzw. 38c erzeugt, die mit der Quelle 29, die in Figur 3 nicht dargestellt ist, verbunden sind. Jeder Satz von Spulen 35c bis 38c bildet eine Elektronenablenkeinheit.

Bei einer weiteren Ausführungsform, wie sie in Figur 4 dargestellt ist, erfährt der Elektronenstrahl eine erste Ablenkung an der Stelle 4o, die seitlich von den zusammenfallenden Achsen AA¹ des Beschleunigers und MM' der Mikroskopsäule liegt, des weiteren eine zweite Ablenkung an der Stelle 41, die nahe der Ebene der Ionenfalle 32 angeord net ist, um den Elektronenstrahl wieder in Richtung der gemeinsamen, zusammenfallenden Achsen abzulenken und zuletzt eine dritte Ablenkung an der Stelle 42 auf den gemeinsamen Achsen, um den Elektronenstrahl mit diesen gemeinsamen Ach-

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sen auszufluchten. Diese Ablenkungen werden durch Spulen 4oc, 41c und 42c erzeugt/ die mit der in Figur 4 nicht gezeigten Quelle 29 verbunden sind.

Es ist ersichtlich, daß die Ablenkung des Elektronenstrahls zur Umgehung der Ionenfalle durch geeignet angeordnete Magnetfelder erreicht werden kann, falls dies jedoch gewünscht ist, kann ebenso eine Kombination aus elektrischen Feldern mit Magnetfeldern allein oder in Kombination mit einer Versetzung oder einer Neigung der Beschleunigerachse gegenüber der Mikroskopachse angewendet werden.

Es ist selbstverständlich, daß die Achse des Beschleunigers und die Achse der Mikroskopsäule nicht kolinear sein müssen, und stattdessen zueinander parallel in einem bestimmten Abstand voneinander oder unter einer bestimmten Neigung zueinander verlaufen können. Die Winkel, um die der Elektronenstrahl abgelenkt wird, um ihn an der Ionenfalle 32 vorbeizuführen, werden dann entsprechend der jeweiligen Anordnung eingestellt. Im Fall von zueinander geneigten Achsen ist es möglich, daß durch eine geeignet gewählte große Neigung der Achse des Beschleunigers gegenüber der Achse der Mikroskopsäule die erste Ablenkung an der Stelle 33, 35 oder 4o, wie sie in den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 2 bis 4 gezeigt sind, weggelassen werden können.

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Claims (5)

Kratos Limited ReiZk/Gu-8954 Patentansprüche

1.J Elektronenmikroskop mit einem evakuierbaren Gehäuse, das eine Mikroskopsäule, einen Elektronenstrahlerzeuger in dem Gehäuse, einen Beschleuniger in dem Gehäuse zur Aufnahme der Elektronen von dem Strahlerzeuger und zum Richten eines Elektronenstrahls in die Mikroskop säule umfaßt, mit einer Einrichtung zum Positionieren einer Probe in einer Probenkammer, mit zwei hintereinander, längs der Achse der Mikroskopsäule angeordneten Blenden innerhalb des Gehäuses, deren Öffnungen miteinander fluchten, um den Elektronenstrahl hindurchtreten zu lassen,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Ionenfalle (32) in bezug auf die Blenden (30, 31) so angeordnet ist, daß sie die geradlinigen Bahnen blockiert, längs denen Ionen durch die Blendenöffnungen in Richtung Probenkammer (21) hindurchtreten könnten, und daß eine Elektronenführungsanordnung den Elektronenstrahl (11) von dem Elektronenstrahlerzeuger (10) zu der Probenkammer (21) zwangsweise längs einer Elektronenbahn leitet, die um die Ionenfalle (32) herumführt.

2. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenführungsanordnung eine Elektronenablenkeinheit (33c oder 36c, 37c oder 41c) zur Aufnahme eines Elektronenstrahls enthält, der sich längs einer Elektronenbahn bewegt, die die Ionenfalle (32) vermeidet und einen Abstand von der Achse der ausgerichteten Blenden (30, 31) hat, wobei der Elektronenstrahl zu einer Stelle abgelenkt wird, an der er die Achse schneidet und daß eine weitere Elektronenablenkeinheit ^4c oder 38c oder 42c) den Elektronenstrahl an dieser Stelle aufnimmt und längs der Achse in Richtung der Probenkammer (21) ablenkt.

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3. Elektronenmikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenführungsanordnung erste Elektronenablenkelemente (35c oder 40c) enthält, die auf der Achse des Beschleunigers für die Aufnahme des Elektronenstrahls angeordnet sind, der sich längs dieser Achse bewegt, und die den Elektronenstrahl längs der Elektronenbahn, die die Ionenfalle (32) vermeidet, zu der Stelle führen, an der die zuerstgenannte Elektronenablenkeinheit (36c, 37c oder 41c) den Elektronenstrahl ablenkt.

4. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zuerstgenannte Elektronenablenkeinheit ein strahlaufwärts und ein strahlabwärts befindliches Ablenkelement (36c oder 37c) enthält, von denen das strahlaufwärts liegende Ablenkelement (36c) den Elektronenstrahl von der primären Elektronenablenkeinheit (35c) aufnimmt und ihn zu dem strahlabwärts liegenden Elektronenablenkelement (37c) umlenkt, und daß das strahlabwärts liegende Elektronenablenkelement (37c) den aufgenommenen Elektronenstrahl in Richtung auf die weitere Elektronenablenkeinheit (38c) führt.

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5. Elektronenmikroskop nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenführungsanordnung eine Elektronenablenkeinheit (38c oder 42c) aufweist, die an der Schnittstelle der Achse, längs der die öffnungen der Blenden miteinander fluchten, mit der Bahn des Elektronenstrahls, der die Ionenfalle (32) vermeidet, angeordnet 1st und die dazu dient, den Elektronenstrahl längs der Achse in Richtung der Probenkammer (21) abzulenken·

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