DE3307745A1

DE3307745A1 - Rasterelektronenmikroskop

Info

Publication number: DE3307745A1
Application number: DE19833307745
Authority: DE
Inventors: Toshijiro Tokyo Takagi; Eiichi Akishima Tokyo Watanabe
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1982-03-05
Filing date: 1983-03-04
Publication date: 1983-09-15
Also published as: GB2130433A; GB2130433B; GB8304432D0; DE3307745C2; US4537477A

Description

Hie [iriindung befaßt sich mit der Verbesserung bei einer Vorrichtung zur Beobachtung eines Rasterelektronanmikroskopbi1 c'es und eines optischen Durchst rah lungsmi kroskopb i 1 des von einer Probe.

Bei der Beobachtung von Zellen biologischer Proben wird in neuerer Zeit ein Vergleich gemacht zwischen einem Bild, das mit Hilfe eines optischen Mikroskopes erzielt wird (im folgenden mir "OM" bezeichnet) und einem Bild, das mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops (im folgenden mit "SEM" bezeichnet) erzielt wurde. Die Blickfelder für beide Bilder decken sich gegenseitig. Eine derartige Probenbeobachtung wird in her körrml i eher Weise wie folgt durchgeführt: Zur Erzielung des optischen Mikroskopbildes (OM-Bildes) wird eine dünne Probe auf eine Glasplatte aufgelegt, welche mit einem dünnen durchsichtigen elektrisch-1 eitfMhigen Film beschichtet ist. Die Glasplatte mit der Probe wird in eine unter Vakuum gehaltenen Probenkarrmer angeordnet und die Probe wird mit Licht bestrahlt. Zur Erzielung des Rasterelektronenmikroskopbildes (SENI-Bi 1 des ) wird die Probe mit einem Elektronenstrahl bestrahlt, so daß rückgestreute Elektronen oder

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Sekundärelektronen erzeugt werden, die erfaßt und als Bildsignal einer Katodenstrahlröhre zugeleitet werden. Vorn Standpunkt der Aufrechterhaltung einer gewünschten Auflösung ist es unvorteilhaft, den Abstand zwischen der Objektiν 1inse des optischen Mikroskops und der Probe zu vergrößern. In den meisten Fällen ist es daher üblich, die Ob jektiν 1inse des optischen Mikroskops von seinem Okular zu trennen und die Objektivlinse in der Probenkammer nahe der Probe und das Okular außerhalb der Probenkammer anzuordnen. Mit dieser Anordnung ist es jedoch äußerst schwierig eine axiale Ausrichtung zwischen dem Okular und der Objektivlinse z.u^rzielen. Wenn ferner eine Probe mit relativ großer Abmessung mit Hilfe des Rasterelektronenmikroskops beobachtet werden soll, ist es notwendig, daß das optische Mikroskop und ein Probenverschiebungsmechanismus bei der Beobachtung der optischen Mikroskopbilder aus der Probenkammer entfernt werden müssen und durch einen anderen Probenverschiebungsmechanismus ersetzt werden müssen, der geeignet ist zur Beobachtung von Proben mit größeren Abmessungen. Dieser Vorgang ist äußerst kompliziert und umständlich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Mikroskopaufbau zu schaffen, mit welchem sowohl ein Rasterelektronenmikroskopbil'd als auch ein optisches Mikroskopbild beobachtet werden können, bei dem die axiale Ausrichtung zwischen der Objektiv-

linse und dem Okular des optischen Mikroskops erleichtert ist und insbesondere das.Umschal ten zwischen der Beobachtung von optischen Mikroskopbildern und Rastere1ektronenmikroskopbi1 dem von Proben erleichtert wird, wobei Rasterelektronenmikroskopbilder von Proben mit relativ großen Abmessungen beobachtet werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Die Unteransprüche geben Weiterbildungen der Erfindung an.

Bei der Erfindung sind eine Objektivlinse, ein Okular und ein Probenverschiebungsmechanismus eines optischen Mikroskops an einer Abdeckung der Probenkammer des Rastere1ektronenmi kroskops befestigt.

Das durch die Erfindung geschaffene Rasterelektronenmikroskop besitzt eine Probenkammer, in der ein Probenverschiebungsmechanismus und ein optisches Mikroskop zur Beobachtung eines optisches Durchstrahlungsbildes der Probe angeordnet sind. Das optisches Mikroskop besitzt eine Objektiν Iinseneinheit und eine Oku 1 areinheit, die an einer Abdeckung der Probenkammer befestigt sind. An dieser Abdeckung ist auch der Probenverschiebungsmechanismus gelagert. Diese Anordnung erleichtert das Umschalten zwischen verschiedenen Untersuchungsarten der

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Probe im Rasterelektronenmikroskop.

Anhang der Figuren wird die Erfindung noch näher erläutert
Cs zeigen:

Fig.l eine schematisehe Darstellung, teilweise in

schnittbildlicher Darstellung, eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und

Fig.2 - 4 schematische Tei1 darste 11ungen von anderen Ausführungsbeispiel en .

In der Fig.l ist schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung enthält eine Probenkammer eines Rasterelektronenmikroskops mit einer Säule 2 für
ein elektronenoptisches System, die auf der Probenkammer angeordnet ist. Die Probenkammer 1 und die Säule 2 werden mit Hilfe einer nicht näher dargestellten Vakuumpumpe evakuiert, so daß die Innenräume der Probenkammer 1 und der Säule 2 auf einen gewünschten Vakuum gehalten werden. Die Probenkammer 1 besitzt eine Frontabdeckung 3, durch welche ein Probenverschiebungsmechanismus k mit einer Glasplatte 5 sich seitlich erstreckt. Das freie Ende des Probenver sch iebungsmechan i srnus k ist. in der Probenkammer 1 angeordnet. Die Glasplatte 5 ist

mit einer dünnen elektrisch leitfähigen Schicht versehen, durch die Licht hindurchdringen kann. Auf der oberen Oberfläche der Ginsplatte 5 befindet sich eine dünne Probe 6. Pie Probe ist ebenfalls mit einer dünnen elektrisch leitfähigen Schicht versehen, so daß eine Aufladung der Probe 6 bei der Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl verhindert wird. Der Probenver sch i ebungsrnechan i smus k besitzt außerdem Antriebsmittel 7, die außerhalb der Probenkammer angeordnet sind. Die Probe 6 kann auf diese Weise in einer Ebene bewegt werden, die senkrecht zur elektronenoptischen Achse Ze liegt. Eine Lichtbestrahlungseinrichtung 8 ist verschiebbar an einem oberen Teil der Abdeckung 3 befestigt und erstreckt sich durch diesen oberen Teil. Diese Lichtbestrahlungseinrichtung dient zum Bestrahlen der Probe 6 mit Licht. Die Lichtbestrah1ungseinrichtung 8 besitzt einen Elektronenstrah I detektor 9 an seinem einen Ende der im Vakuum vorhanden ist. Der Elektronenstrahl detektor 9 kann einen Halbleiterdetektor in Form eines Ringes oder mehrerer Ringsegmente aufweisen. Eine Durchgangsbohrung für den Elektronenstrahl kann durch Verschieben der Lichtbestrahlungseinrichtung 8 gegenüber der elektronenoptischen Achse Ze in eine bestimmte Stellung gebracht werden. Pie Durchstrahlungsbohrung für den Elektronenstrahl kann auf diese Weise mit der clektronenoptisehen Achse Ze ausgerichtet werden. Die Probe 6 kann dann mit dem El ekt r onens t r all 1 bestrahlt werden. Dieser wird auslesen-

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det von einer Elektronenstrah1que11e 11, die von einer Spannungsquelle 10 gespeißt wird. Der Elektronenstrahl wird fokussiert durch Kondensor 1insen 12 und 13, die entlang der elektronenoptischen Achse angeordnet sind. Der Elektronenstrahl trifft in einem äußerst kleinen Fleck auf die Probe 6 auf. Die Probe wird zweidimensional durch den Elektronenstrahl-, .fleck abgetastet. Die Abtastung wird gesteuert durch Ablenkspulen 15, welche von einer Abtast spannungsque 1 1 e 14· gespeißt werden.. Einige Elektronen werden von der Probe 6 zurückgestpeut und vom Elektronenstrahldetektor 9 erfaßt. Diese bilden DetektorsignaIe , die über einen Verstärker 16 als Helligkeit ssteuers i gnal an eine Kathodenstrahlröhre 17 we iterge1eitettwerden. Die Kathodenstrahlröhre 17 besitzt Ablenkspulen IS die mit den Abtastsignalen der Abtastspannungsque11e 14 gespeißt werden. Demgemäß kann ein Rastere1ektronenmikroskopbild.(ein reflektiertes Elektronenmikroskopbild) auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre 17 wiedergegeben werden.

Die Lichtbestrah 1ungseinrichtung 8 besitzt eine Lichtquelle 1.9, in der eine Lampe, eine Linse und ein Reflexionsspiegel vorgesehen sind. Die Lampe wird gespeißt durch eine Lichtspannungsquell e 20. Wenn die Lichtbestrahlungseinrichtung 8 iihdfrr dargestellten Position angeordnet ist, gelangt Licht Vo-H der LichtquelIe 19 durch einen Lichtleiter 21 und wird reflektiert durch einen Reflektor 22, der einen Reflektions-

spiegel aufweist. Ferner gelangt das Licht durch eine Best rahlungs I inse zur Bestrahlung der Probe 6 in Richtung der e1ektronenoptisehen Achse Ze.

Eine Objektivlinseneinheit 2h eines optischen Mikroskops ist an einem Träger 23 befestigt. Her Träger 23 befindet sich an einem unteren Teil der Abdeckung 3. Die Ob jektiν 1inseneinheit 24 besitzt mehrere Objektivlinsen 25a und 25b mit unterschied· liehen Vergrößerungen sowie einen Revo 1 ver drehmechan i srnus 26 zum Auswechseln der Linsen untereinander und einen Reflektionsspiegel 27. Eine der Ob jektiν 1insen (z.B. 25a) ist zu einem Zeitpunkt so positioniert, daß ihre optische Achse Zo mit der elektronenoptischen Achse Ze ausgerichtet ist. Eine Antriebsvorrichtung 28 zur Betätigung des Revo 1verdrehmechanismus 26 und eine Antriebsvorrichtung 29 zur Einstellung der Brennweiten der Objektivlinsen sind an der Abdeckung 3 an deren Außenseite befestigt. Eine lichtdurchlässige Glasplatte

30 ist in der Abdeckung 3 vorgesehen. Durch diese gelangt Licht, welches durch den Ref1ektionsspiege1 27 reflektiert wurde. Eine Okulareinheit 31 ist an der Außenseite an der Abdeckung 3 über der Glasplatte 30 befestigt. Die Okulareinheit

31 besitzt ein Okular 32, einen Ref1ektionsspiege1 33 und einen Kameraaufsatz 3k. Licht, welches durch die Objektivlinse 25 hindurchgelangt, wird von den Ref1ektionsspiegeIn 27, 33 reflektiert und auf das Okular 32 zur Beobachtung des op-

t * β %

" *· 330774b

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'tischen Durchst r ah 1 ungsb i 1 des der Probe 6 ger i chtet. Wenn eine optische Kamera auf dem Kameraaufsatz 34 befest igt. ist, kann das optische Durchstrah 1ungsmikroskopbi1d fotografiert werden. Wenn das freie Ende des Probenverschiebungsmechanisrnus h in der Fig.6 nach rechts verschoben wi r d und' gleichzeitig auch die Lichtbestrahlungseinrichtung 8 nach rechts verschoben wird, bestrahlt der von der Elektronenque11e 11 ausgesendete Elektronenstrahl die Objektivlinse 25a direkt, was zur Zerstörung derselben führen kann. Um dies ζΐι ^ermei.den, bes'itzt die in der Fig.l dargestellte Vorrichtung einen Mikroschalter 35, der feststellt, wenn die Glasplatte 5 in der linken Position in der Probenkanmer 1 angeordnet ist. So lange der Mikroschalter 5 nicht aktiviert ist, erzeugt eine ^ Steuerschaltung 36, welche mit dem Mikroschalter verbunden ist und die Elektronenstrah 1que11e 10 ansteuert, kein Ausgangssignal, so daß kein Elektronenstrahl von der Elektronenstrah 1que11e 11 ausgesendet wird.

Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind _Λ -dte Ob jektivlinseneinheit 2k und die Okulareinheit 31 des op-' t i sehen _.%\\ kroskops .ah der gleichen Abdeckung 3 der . Rrpbenkammer 1 befestigt. Hierdurch wird erzielt, daß die räumliche Zuordnung zwischen der Objektivlinseneinheit 2h und r'c r Okuiareinheit 31 äußerst genau eingestellt werden kann. Die optischen Achsen der Ob jektiν 1inseneinheit 2h und der Okular-

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einheit 31 können ständig zueinander ausgerichtet gehalten werden, selbst wenn der Abstand zwischen diesen ziemlich groß ist. Für die Beobachtung relativ großer Proben bzw. zur vertikalen Bewegung oder Schwenkung der Probe innerhalb einer relativ großen Strecke, ist es möglich, die Abdeckung 3,an der das optische Mikroskop und der Probenverschiebungsmechanismus für die Beobachtung sowohl des optischen Mikroskopbildes als auch des Rasterelektronenmikroskopbildes befestigt ist, ersetzt wird durch eine andere Abdeckung, an der lediglich ein Probenverschiebungsmechanismus für größere Verschiebungen bzw. größere Proben vorgesehen ist. Demzufolge läßt sich die IJmste11 ar beit zwischen den Beobachtungsarten von sowohl Abtastelektronenmikroskopbildern und optischen Mikroskopbildern und anderen Beobachtungsarten bedeutend einfacher durchführen als dies bislang möglich war. Die optische Achse, entlang welcher die Lichtbestrahlung übertragen wird und die optische Achse der Ob jektiν 1inseneinheit 2k des optischen Mikroskops können genau ausgerichtet werden. Dies beruht darauf, daß die Lichtbestrahlungseinrichtung 8 und die Objektivlinseneinheit 2k des optischen Mikroskops an der gleichen Abdeckung 3 befestigt sind. Ferner können die Bauteile, z.B. die Ob j ek t i ν 1 i nsen , der Probenver sch iebungsrnechan i smus und das Okular, welche an der Abdeckung 3 befestigt sind, als op-

tisches Mikroskop verwendet werden, wenn diese von der Probenkammer 1 entfernt sind.

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Die Fig.2 zeigt einen Teil einer Vorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Mi t gleichen Bezugsziffern sind in der Fig.2 solche Bauteile bezeichnet, die mit entsprechenden Rauteilen in der Fig.l identisch oder funktionsgleich sind. Ein Betätigungsteil 37 ist an der Lichtquelle 19 vorgesehen und besitzt einen Vorsprung 38 zur wahlweisen Einschaltung von Mikroscha1terη 39, 40. Wenn die Licht bestrahlungseinrichtung S in der Figur rechts von der elektronenoptischen Achse Ze angeordnet ist, wird der Mikroschalter 39 durch den Vorsprung 38 betätigt, so daß die Lichtspannungsquelle 20 ein Signal empfängt, durch welches die Lichtspannungsquelle 20 ausgeschaltet wird. Hierdurch wird verhindert, daß der Elektronenstrahldetektor 9 mit Licht bestrahlt wird, woraus ein Störsignal entstehen würde, wenn der Elektronenstrahl detektor 9 von dem Typ ist, daß er sowohl einen Elektronenstrahl als auch Licht empfangen kann. Wenn die Lichtbestrahlungseinrichtung 8 in der Figur nach links verschoben ist, wird der Mikroschalter ^O betätigt, wodurch ein Signal an die Steuerschaltung 36 gesendet wird, welche die Spannungsquelle 10 zur Versorgung der Elektronenstr&h1que11e abschaltet. Demzufolge besteht nicht die Gefahr, daß ein Elektronenstrahl in Richtung auf die Probe ausgesendet wird und der Lichtref1ektor während der Beobachtung des optischen Mikroskopbildes zerstört wird. Beim dargestellten Ausfüh- rungsbeispie 1 wird die Erzeugung des Elektronenstrah 1s ge-

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steuert durch ein AusgangssignaJ des Mikroscha1ters 40. Es ist jedoch auch möglich Ablenkmittel im elektronenoptischen System vorzusehen, durch das in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Mi k roscha 1 ter s 40 der Elektronenstrahl a.bgelenkt wird um den Lichtref1ektor 22 des optischen Mikroskops gegen Bestrahlung durch den Elektronenstrahl zu schützen.

In der Fig.3 ist schematisch eine Vorrichtung gezeigt, bei der die Lichtbestrahlungseinrichtung 8 auf an eiere Weise gelagert ist als in der Fig. 1. Die Blickrichtung ist in dieser Figur entlang der elektronenoptischen Achse Ze. Ein Lichtbestrahlungsmittel 42 ist beweglich an der Frontabdeckung 3 der Probenkammer 1 für eine Schwenkbewegung innerhalb eines Schwenkwinkels in einer Ebene senkr.echt zur elektronenoptischen Achse Ze gelagert. Die Lagerung erfolgt mit Hilfe einer Kugel 41. Die Lichtbestrahlungsmittel 42 besitzen an der Vakuumseite einen Lichtref1ektor 22, an welchem seitlich ein ringförmiger Elektronenstrah!detektor 9 mit einer Durchgangsbohrung für den Elektronenstrahl befestigt ist. Die Beobachtung der Rasterelektronenmikroskopbilder und die Beobachtung der optischen Mikroskopbilder läßt sich auswählen durch die Schwenkbewegung der Lichtbestrahlungsmittel 42.

In der Fig.4 ist schematisch eine Aus f ührungs f ο rm für ilen Lichtref1ektor 22 der Lichtbestrahlungseinrichtung der Fig.l

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dargestellt. Ein Licht ref 1 ektor 43 ist zusarrrnengeset zt aus einem reflektierenden Spiegel 44 und einer Linse 45, die beide mittlere Bohrungen aufweisen, durch welche ein entlang der elektronenoptischen Achse Ze ausgesendeter Elektronenstrahl hindurchtreten kann. Her ringförmige Elektronenstrah 1 detektor 9 befindet sich unterhalb der Linse und ist um die Linse 45 herum angeordnet. Der Lichtref1ektor 43 ermöglicht es der Bedienungsperson gleichzeitig sowohl das optische Mikroskopbild als auch das Rasterelektronenmikroskopbild der Probe zu beobachten.

-IP-Leers eite

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Patentanwälte

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10617 N/Le

3EOL LTD.

Patentansprüche: -- Rasterelektronenmikroskop mit einer Elektronenstrahlque11e,

. Mitteln zum Konvergieren eines von der Elektronenstrahl-' quelle ausgesendeten Elektronenstrahls auf die Probe,

einer Abtasteinrichtung zum Abrastern der Probe mit dem

Elektroncnauftreff leck,

einem Detektor, der in Abhängigkeit von der Abrasterung ein Bildsignal erzeugt,

ft i 1 <Sv i eder gaberni t te 1 η , die in Abhängigkeit vom Bildsignal des Detektors synchron mit der Abrasterung ein Ras terelekt ronenmi kroskopbiId wiedergeben,

einem Probenverschiebungsmechanismus zum Aufnehmen der Probe und Verschieben der Probe innerhalb einer Probenkarnner ,

einer Lichtbestrahlungseinrichtung zum Bestrahlen der Probe mit Licht in Richtung des Elektronenstrahls, wenn dieser die auf dem Probenverschiebungsmechanismus angeordnete Probe bestrahlt,

einem optischen Mikroskop mit einer in der Probenkammer angeordneten Objektivlinseneinheit zum Empfangen des durch die Probe hindurchgestrahlten Lichts der Lichtbestrahlungseinrichtung, wenn Hie Probe auf dem Probenverschiebungsmechanismus angeordnet ist, und mit einer außerhalb der Probenkammer angeordneten Oku 1 areinheit zum Empfangen des durch die Ob jektiν 1inseneinheit hin-

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durchgetretenen Lichts,
dadurch gekennzeichnet, daß

der Probenver sch iebungsntechan i smus (4) die Objektivlinseneinheit {2k) und die Okulareinheit (31) an einer Abdeckung (3) der Probenkammer (1) gelagert sind.

2. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennze i chnet, daß die Lichtbestrahlungsein-.richtung (8) ebenfalls an der Abdeckung (3) der Probenkammer (1) gelagert ist.

3. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (9) in der Probenkammer (1) an der Lichtbestrahlungseinrichtung (S) befestigt ist und rückgestreute und/oder. Sekundärelektronen der Probe (6) empfängt.

k. Rasterelektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der r robenkanrmer (1) ein Positionsdetektor (35) angeordnet ist,

der die Positionierung der Lichtbestrahlungseinrichtung (S) feststellt und dessen Ausgangssigna1 zur Ausschaltung der die Probe (6) mit Licht bestrahlenden Lichtbestrah 1ungscinrichtung (8) dient.

5. Rasterelektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ob jektiν 1inseneinheit (24) mehrere Ob jektiν 1insen (25a, 25b) aufweist, die wahlweise in Abhängigkeit von einer außerhalb der Probenkarrrner (1) liegenden Steuereinrichtung in Betriebsstellung bringbar sind.

6. Rasterelektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schutzeinrichtung (37 bis 40) mit Positionsdetektoren (39, 40) für den Probenverschiebungsmechanismus (8) vorgesehen ist, durch die entweder eine zur Lichtbestrah 1ungseinrichtung gehörige Lichtquelle (19) oder die Elektronenbestrahlung der Probe bgeschaltet werden.

7. Rasterelektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, -J3ß die Ab-

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deckung (3) die Frontabdeckung der Probenkammer (1) ist.

S. Rastere1ektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbestrahlungseinrichtung in einer Ebene senkrecht zur elektronenoptischen Achse Ze schwenkbar in der Abdeckung (3) gelagert ist (Fig.3).

9. Rasterelektronenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbestrah 1ungseinrichtung (8) einen einen Ref1ektionsspiege 1 (44·) und eine darunter befindliche Linse (45) aufweisenden Reflektor (43) besitzt mit Durchgangsbohrungen im Reflektionsspiegel (44) und der Linse (45) für den Elektronenstrahl und daß der Detektor (9) ringförmig um die Linse (45) unterunterhalb derselben angeordnet ist (Fig.4).