DE1087290B

DE1087290B - Einrichtung zur Strahljustierung bei Korpuskularstrahlapparaten, insbesondere Elektronenmikroskopen

Info

Publication number: DE1087290B
Application number: DEV10098A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Hahn
Original assignee: FREIBERGER PRAEZ SMECHANIK VEB
Current assignee: FREIBERGER PRAEZ SMECHANIK VEB
Priority date: 1956-01-27
Filing date: 1956-01-27
Publication date: 1960-08-18
Also published as: AT17477B; NL108225C

Description

DEUTSCHES

Bei Korpuskularstrahlapparaten, insbesondere bei Elektronenmikroskopen, ist es notwendig, die Achse des vom Strahlerzeugungssystem ausgehenden Strahlenbündels in eine durch Objektpunkt und Strahleinfallsrichtung vorgegebene Gerade bringen, zu können. Es ist dabei zweckmäßig, die zu diesem Zweck vorgesehenen Einstellmittel so· anzuordnen, daß die Änderungen der Strahlrichtung — oder der Lage der Eintrittspupille, wenn es sich um eine Strahlzentrierung in einem Elektronenmikroskop handelt — und des Strahlortes in der Objektebene getrennt und unabhängig voneinander erfolgen. Die beiden Drehpunkte der das in die Objektebene einfallende Strahlenbündel repräsentierenden Geraden liegen demnach in der Objektebene und in. der Ebene der Eintrittspupille.

Den bisher bekannten Einrichtungen zur Strahljustierung mit mechanischen Verstellmöglichkeiten haftet der Mangel an, daß für sie besondere ■Vakuumdurchführungen erforderlich sind. Außerdem sind sie verhältnismäßig umfangreich und schwerfällig, und ihre Bedienung ist im allgemeinen unbequem.

Es sind daher bereits Einrichtungen zur elektrischen Strahljustierung vorgeschlagen worden, die die genannten Mängel nicht besitzen. Bekanntlich · erfährt eine in Richtung der optischen Achse in ein vorwiegend homogenes Feld mit einer zur Achse senkrechten Feldstärke einfallende Bahnkurve eines geladenen Teilchens eine parabelförmige Krümmung. Mit zwei längs der optischen Achse hintereinander angeordneten Feldern, von denen jedes nach Richtung und Betrag eingestellt werden kann, läßt sich dann, und das gilt auch für windschief zur Achse einfallende Strahlen, Strahlort und Richtung in der Objektebene in einem gewissen Intervall beliebig einstellen.

Davon ausgehend wurde vorgeschlagen, ein Ablenkelektrodensystem oberhalb der mit einem Leuchtschirm ausgestatteten Ebene der Eintrittspupille anzuordnen, mit dessen Feldstärke das Strahlenbündel auf die vorgegebene Blendenöffnung ausgerichtet wird, und ein zweites unterhalb der Blende, das die Justierung auf das in Richtung der Achse entfernt liegende und zu beleuchtende Objektgebiet gestattet. Bei einer Änderung der Strahleinfallsrichtung in der Objektebene müssen die erwähnte Blende mechanisch verstellt und die Spannungen an den beiden Elektrodensystemen nachreguliert werden.

Es ist auch bereits eine Einrichtung zur Justierung des Elektronenstrahlbündels bei Elektronenmikroskopen bekannt, bei der zwischen dem Strahlerzeugungssystem und der Objektebene längs der optischen Achse mehrere Ablenkelektrodensysteme angeordnet sind, die eine getrennte Einstellung der Strahlrich-Einriclxtung zur Strahljustierung

bei Korpuskularstrahlapparaten,

insbesondere Elektronenmikroskopen

Anmelder:

VEB Freiberger Präzisionsmechanik,
Freiberg (Sa.), Hainichener Str. 2 a

Eberhard Hahn, Jena,
ist als Erfinder genannt worden

rung und des Strahlortes in der Objektebene ermöglichen.

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf eine derartige Justiereinrichtung, bei der gemäß der Erfindung eine Ablenkung des Strahlenbündels zum Zwecke einer Strahlort- oder Strahlrichtungsänderung in der Objektebene durch eine dem Betrag nach gleiche Spannungsänderung gleichzeitig an allen in der jeweiligen Meridianebene wirksamen Elektroden in der Weise herbeizuführen ist, daß gegenüberliegende Elektroden stets gleiche, dem Vorzeichen nach aber entgegengesetzte Spannungen aufweisen und daß zur Regelung des Strahlortes die jeweils zwei übereinanderliegenden Elektroden auch dem Vorzeichen nach gleiche Spannungsänderungen erhalten, während zur Regelung der Strahlrichtung die jeweils übereinanderliegenden Elektroden eine dem Betrag nach gleiche, dem Vorzeichen nach aber entgegengesetzte Spannungsänderung erfahren.

Durch die gleichzeitige Spannungsänderung an allen in der jeweiligen Meridianebene wirkenden Elektroden läßt sich die Regelung mit entsprechend kleineren Spannungsänderungen als bei der bekannten Einrichtung durchführen. So wird beispielsweise bei einer gleichzeitigen Spannungsänderung an vier in einer Meridianebene wirksamen Elektroden nur ein Viertel der Spannung benötigt, die bei einer Anordnung erforderlich wäre, bei der nur eine Elektrode entsprechend geregelt wird. Die für die Durchführung der Strahljustierung erforderlichen Spannungsänderungen können daher durch die Anwendung der vorliegenden Einrichtung auf ein bequem beherrschbares Maß herabgesetzt werden.

Die beiden Elektrodensysteme werden zweckmäßig so bemessen und angeordnet, daß die gekoppelte Feldstärkenregelung mit einer einfachen regelbaren Widerstandsschaltung verwirklicht werden kann.

009 587/370

In Abb. 1 ist scheniätisciuder Strahlverlauf zwischen der Ebene der Eintrittspupille £ und der Objektebene O bei einem in zwei Etagen I und II angeordneten Elektrodensystemen dargestellt. Da im allgemeinen das Strahlenbündel windschief zur Achse einfällt, ist noch ein in der achsensenkrechten Ebene um einen rechten Winkel gedrehtes Plattensystem, der gleichen Anordnung angebracht, das in Abb. 1 nicht wiedergegeben ist. Jede der-beiden Etagen I und II besteht also aus zwei rechtwinklig zueinander angeordneten symmetrischen Plattenpaaren, die beispielsweise auch gekrümmt sein -können, wie dies Abb. 2 zeigt.

Bekanntlich kann innerhalb eines solchen Plattensystems eine Feldstärke nach Richtung und Betrag beliebig eingestellt werden. Es ist dabei zweckmäßig, die die Feldstärke erzeugenden Elektrodenspannungen symmetrisch zu wählen, so daß die Achse ständig auf Erdpotential liegt. Demgemäß haben einander gegenüberliegende Elektroden dem Betrag nach gleiche; dem Vorzeichen nach aber verschiedene Spannungen.

Zur Darstellung der Strahldurchstoßpunkte in der Ebene der Eintrittspupille und der Objektebene sind in Abb. 1 Vektoren benutzt.' Der Austrittsort in der Ebene der Eintrittspupille ist mit r₀ und der Zielpunkt in der Objektebene bei Durchgang ohne Ablenkung mit Ύ_ο bezeichnet. Ebenso lassen sich zur Darstellung der innerhalb der. Etagen erzeugten Feldstärken zwei Vektoren U₁ und U₂ verwenden, wobei der Vektor u die Richtung des Potentialgradienten (negative Richtung der Feldstärke) anzeigt und sein Betrag gleich dem gegenüber Erdpotential angelegten Spannungsbetrag ist. Legt man nun an die Etagen I und II jeweils gleiche Spannungen, so daß also U₁ = U₂■= to ist, so wirken die beiden Etagen wie eine einzelne, und das Strahlenbündel wird von X₀ über den Bogenzug ABCD nach r, dem gewünschten Ort in der Objektebene, gelenkt. Für die Strahleinfallsrichtung in der Objektebene ist der scheinbare Ort I₁ der Eintrittspupille maßgebend, der sich bei diesem \^rorgang zwangläufig eingestellt hat. Soll nun die Eintrittspupille die scheinbare Lager bekommen, so werden an die beiden Etagen zwei zusätzliche, dem Betrag nach gleiche, in ihrer Richtung aber verschiedene Spannungen O₁ = —1>₂ '■= Ό angelegt, so daß also die resultierenden Feldstärken nunmehr die folgenden sind: '

u₂ = to — t).

Das Strahlenbündel läuft dann von r₀ über AB'CD' nach r, das fest geblieben ist* Die Bedingung, die an die Anordnung und Abmessung der Etagen zu stellen ist, lautet für verschiedene Durchmesser (I₁ und d₂ der beiden Etagen ^:" "■

Dies ist im Beispiel der Abb. 1 eingehalten. Allerdings ist an der Strahlüberkreuzung der verlängerten bzw. rückverlängerten Geraden^ in der Ebene E' zu erkennen, daß der Drehpunkt bei einer Strahlverschiebung in der Objektebene nicht, wie gewünscht, in der Ebene der. Eintrittspupille liegt. Die Abb. 1 ist jedoch keine maßstabsgetreue Wiedergabe der in der Praxis verwendeten Anordnung. Infolge des" gegenüber der Systemlänge großen AbständeS zwischen Plattensystem und Objektebene^: liegt die Ebene B' nahe unterhalb der Eintrittspüpille; so daß die Abweichung unbedeutend ist. Außerdem-läßt sich, ohne den Strahlort in der Objektebene zu verändern, die scheinbare Lage der Eintrittspupille gegebenenfalls nachregulieren.

Die voneinander unabhängige Einstellung der Vektoren to und b bzw. to und —to kann beispielsweise mit Hilfe einer Widerstandsschaltung erreicht werden, wie sie in Abb. 3 für die Speisung der Elektroden einer Meridianebene gezeigt ist. Eine zweite ebensolche Schaltungsanordnung ist für das Elektrodensystem der dazu senkrechten Meridianebene vorgesehen. Von den Regel widerständen sind einerseits P₁ und P₂ und andererseits P₃ bis P₆ mechanisch gekuppelt. Die Spannungen für die Elektroden 1,3,5,7 (Abb. 2) werden an den den mit entsprechenden Zahlen bezeichneten Punkten abgenommen. Bei einer Regelung von P₁ und P₂ erhalten die Elektroden 1 und 5 einen gleichen Spannungszuwachs, während 3 und 7 den entgegengesetzten annehmen. Diese Regelung ergibt also eine Verschiebung des Strahlortes in der Objektebene. Bei einer Änderung von P₃ ... P₆ erfolgt dagegen an 1 und 7 eine gleiche und an 3 und 5 eine entgegengesetzte Potentialänderung, wodurch eine Einstellung der Strahlrichtung bzw. der Lage der Eintrittspupille ermöglicht wird.

Die vorliegende Einrichtung zur Strahl justierung bietet die Möglichkeit, das Strahlenbündel zum Zwecke besonderer Justiervorgänge geeignet erscheinende Bewegungen ausführen zu lassen.

Bei Elektronenmikroskopen ist im allgemeinen in der bildseitigen Brennebene des Objektivs (oder in der zur Ebene der Eintrittspupille konjugierten Ebene der Austrittspupille) eine Aperturblende zur Kontraststeigerung des Bildes angebracht, deren Aperturbegrenzung in der Größenordnung von 4 · 10'"³ liegt. Zur Erreichung einer hohen Auflösung ist es notwendig, daß das ungestreute Strahlenbündel, dessen Apertur gewöhnlich kleiner als 1 · 10~³ ist, die Kontrastblende konzentrisch passiert. Bei Elektronenmikroskopen, die nicht die Möglichkeit besitzen, die bildseitige Objektivbrennebene abzubilden, kann die konzentrische Lage kontrolliert werden, indem man den Mittelwert der Winkel bestimmt, bei denen der Übergang zum Dunkelfeldbild erfolgt. Dieses Verfahren ist jedoch ziemlich mühevoll und zeitraubend. Auch bei Elektronenmikroskopen, die eine Abbildung der hinteren Brennebene des Objektivs gestatten, erfordert diese Kontrolle Zeitaufwand, da Linsen und Blenden um- bzw. eingeschaltet werden müssen. Sie gelingt daher auch nicht immer einwandfrei. Man kann zwar an Hand der normalen Abbildung die Strahleinfallsrichtung auf den optisch günstigsten Wert einstellen; aber selbst für ein geübtes Auge ist dies schwierig, da sich mehrere Bildfehler überlagern. Außerdem geben die meisten Objektpräparate keinen sicheren Anhaltspunkt, nach dem der günstigste Durchgangsort des ungestreuten Strahlenbündels durch die Kontrastblendenöffnung bestimmt werden kann. ^;

Mit Hilfe der vorliegenden Einrichtung zur elektrischen Strahlzentrierung lassen sich diese Mängel beheben. Zweckmäßig werden den innerhalb der beiden Elektrodensysteme vorhandenen Feldstärken U₁ und U₂ weitere zeitlich variable Feldstärken 3 in der Weise überlagert, daß das Strahlenbündel auf einem Kegelmantel mit der Spitze in der Objektebene abläuft. Die Schnittkurve des Kegelmantels mit einer achsensenkrechten Ebene, etwa der Ebene der Eintrittspupille, kann dabei durch entsprechende Spannungen beliebig gewählt werden, beispielsweise als Kreis, Ellipse oder Strecke.

IUO/ 5

Es sind bereits Anordnungen und Mittel bekannt, die das Strahlenbündel in einer Strecke in der Eintrittspupille mit dem Zweck schwingen lassen, daß infolge der in einer Meridianebene vergrößerten Beleuchtungsapertur die Scharfeinstellung des Bildes er- leichtert werden soll. Im Gegensatz dazu sieht die vorliegende Einrichtung die Möglichkeit vor, durch den Umlauf des Strahlenbündels auf einem Kegelmantel den Rand der Kontrastblende im gewissen Sinne abzutasten. Dies wird dadurch ermöglicht, daß 'die zusätzlichen zeitlich variablen Feldstärken fa und J₂ die sich zu U₁ und U₂ addieren, die Form bekommen.

piul

wobei Z die regelbare Amplitude, ω die Kreisfrequenz und t die Zeit bedeuten. Passiert nun das (ungestreute) Strahlenbündel für 3 = 0 die Kontrastblende nicht konzentrisch, so kommt auch der Kreisring von ao der Ringbreite 6 = 2o/ (α = Beleuchtungsapertur, f — Objektivbrennweite) bei der der öffnung der Blende entsprechenden Amplitude Z nicht mit deren Rand zur Deckung und gibt abwechselnd ein HeIl- und Dunkelfeldbild. Hierdurch ist ein Korrektionsmerkmal für die Strahlrichtung gegeben, die durch Veränderung der Feldstärke Ό am betreffenden Regelorgan nachjustiert werden kann.

Es ist dabei gleichgültig, in welcher Weise das Korrektionsmerkmal besonders empfindlich gestaltet wird, ob mit kleiner oder großer Frequenz ω (bezüglich des zeitlichen Trennvermögens des Auges) oder mit etwas aus der hinteren Objektivbrennebene herausgerückter Blende.

Um ein Maß für die Empfindlichkeit des Verfahrens zu bekommen, denke man sich eine Kreisscheibe vom Radius r halbiert und bringe durch Umklappen der einen die beiden Hälften zur Deckung. Eine geringe Verschiebung δ (<5 < r) der oberen Hälfte senkrecht zur Schnittkante gibt ein sichelförmiges Gebiet der unteren frei, deren Fläche angenähert gleich dem rechteckförmigen Gebiet der oberen ist, das, von unten gesehen, von der unteren freigegeben wird. Bei δ <^ r gilt also in guter Näherung für die sichelförmige Fläche

Andererseits ergibt sich für einen Ring mit der Breite b und dem inneren Radius r eine Fläche

F_R = n- (r + δ)²- π-r* = 2»· (r +

b.

Da für elektronenmikroskopische Abbildungen die Beleuchtungsapertur mindestens um den Faktor Drei kleiner ist als die durch die Blende zugelassene Streuapertur, gilt in ausreichender Näherung

1 ö ^

Fs = ^₁--Fr. f ür ö <g δ

π ο

Hieraus läßt sich unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Intensitäten den Flächen proportional sind, die Empfindlichkeit ermitteln.

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Strahljustierung bei Korpuskularstrahlapparaten, insbesondere Elektronenmikroskopen, mittels mehrerer zwischen dem Strahlerzeugungssystem und der Objektebene

längs der optischen Achse angeordneter Ablenkelektrodensysteme, die eine getrennte Einstellung der Strahlrichtung und des Strahlortes in der Objektebene ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ablenkung des Strahlenbündels — zum Zwecke einer Strahlort- oder Strahlrichtungsänderung in der Objektebene — durch eine dem Betrag nach gleiche Spannungsänderung gleichzeitig in allen in der jeweiligen Meridianebene wirksamen Elektroden in der Weise herbeizuführen ist, daß gegenüberliegende Elektroden stets gleiche, dem Vorzeichen nach aber entgegengesetzte Spannungen aufweisen und daß zur Regelung des Strahlortes die jeweils zwei übereinanderliegenden Elektroden auch dem Vorzeichen nach gleiche Spannungsänderungen erhalten, während zur Regelung der Strahlrichtung die jeweils übereinanderliegenden Elektroden eine dem Betrag nach gleiche, dem Vorzeichen nach aber entgegengesetzte Spannungsänderung erfahren.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 mit zwei hintereinander angeordneten koaxialen Elektrodensystemen, von denen jedes aus mindestens vier symmetrisch angeordneten Segmenten besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus der mittleren Entfernung eines Systems von der Objektebene und dem Verhältnis seiner Länge zum Durchmesser für beide Systeme gleich ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der die Feldstärkenregelung für das Elektrodensystem über eine Widerstandsschaltung mit zwei oder mehr Regelpaaren durchzuführen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brückenschaltung mit entsprechenden Regelorganen vorgesehen ist, bei der sich bei einer Regelung am ersten Regelpaar praktisch nur der Strahlort in der Objektebene verschiebt und bei einer Regelung eines zweiten Paares sich nur die Strahl richtung bzw. die Lage der Eintrittspupille ändert.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die den Feldstärken zur Justierung des Strahlortes in der Objektebene und der Eintrittspupille weitere Feldstärken zu überlagern gestatten, bei deren Ablauf bzw. Regelung das Strahlenbündel und damit auch die Abbildungseigenschaften Veränderungen erfahren, die zur Auffindung der zur Kontrastblende konzentrischen Lage des Strahlenbündels führen.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Feldstärken zur Justierung des Strahlortes in der Objektebene und der Eintrittspupille derartige zeitlich variable Feldstärken zu überlagern sind, daß das Strahlenbündel auf einem in seiner Öffnung regelbaren Kegelmantel abläuft, dessen in der Objektebene liegende Spitze mit Hilfe einer »Strahlortregelung« und dessen Achse mit Hilfe einer »Richtungsregelung« beliebig zu verändern ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkungen der den Elektroden angelegten, regelbaren oder zeitlich variablen, gegebenenfalls auch periodisch variablen Feldstärken zur Kontrolle der Justierung des Beleuchtungsstrahlenganges dienen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 899 095.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen