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Elektronenmikroskop Gegenstand der Erfindung sind Verbesserungen an
Elektronenmikroskopen vom Typ der Rasterelektronenmikroskope.
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Bekanntlich besteht das Prinzip der Rasterelektroneninikroskope darin,
daß die Kathode durch elektronenoptische 'Mittel im zu untersuchenden Objekt abgebildet
wird und durch Ablenkmittel das Bild der Kathode (las Objekt abtastet. Die dann
durch das Objekt gestreuten 1?lektronen treffen nach Ausblendung auf eine Elektrode,
und diese rufen während des Abtastens Impulse hervor, die verstärkt dem Aufzeichnungsgerät
zugeleitet werden. Wird die Aufzeichnung synchron zur Abtastung gesteuert, so erhält
man ein Bild des Objekts. Die Abtastung und Aufzeichnung erfolgen bei den bekannten
Rastermikroskopen nach geraden Linien.
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Die Anforderungen, die an derartige Elektronenmikroskope gestellt
werden, sind durch die bisherigen Konstruktionen nur unvollkommen erfüllt worden.
So genügen die bekannten Elektronenmikroskope nur unzureichend der Forderung, daß
das Objekt mit der denkbar geringsten Strombelastung (A/cm2) durchflutet werden
soll, um Zerstörungen oder Veränderungen im Objekt zu vermeiden. Ferner bereitet
es Schwierigkeiten, die Abbildungsfehler, die mehr oder minder zwangsläufig durch
die Elektronenlinsen, gleichgültig, ob es sich um elektrostatische, elektromagnetische
oder permanentmagnetische Linsen handelt, entstehen, ausreichend zu kompensieren.
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Im erfindungsgemäßen Rasterelektronenmikroskop werden diese :Mängel
weitgehend behoben und eine kontinuierlich veränderliche Vergrößerung ermölicht.
Außerdem werden die Kontraste im Bild variabel einstellbar gemacht und zur visuellen
Beobachtung genügend helle Bilder erzeugt, ohne daß die Strombelastung des Objekts
erhöht werden muß.
Erfindungsgemäß wird das Objekt durch einen Elektronenstrahl
nach einer gekrümmten Linie, beispielsweise einer archimedischen Spirale abgetastet.
Die Aufzeichnung erfolgt dann ebenfalls synchron nach einer gekrümmten Linie bzw.
einer archimedischen Spirale. Diese Art der Abtastung stellt gegenüber der bisher
bekannten eine wesentliche Verbesserung dar, weil zu einer bestimmten Zeit immer
eine definierte Zone der Elektronenoptik benutzt wird und die Fehler dieser Zone
durch an sich bekannte, rein elektrische Mittel in der Wiedergabe kompensiert werden
können. Soläßt sich beispielsweise auch die Bildfeldwölbung, also die Fläche, auf
der die scharfen Bilder der Kathode entstehen und die mit der Objektebene im allgemeinen
nicht zusammenfällt, ebenfallsmit rein elektrischen Mitteln, beispielsweise durch
Steuerung der Anodenspannung in Abhängigkeit von der Ablenkspannung, kompensieren.
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Einzelheiten der Erfindung seien an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt Fig. i das Schaltbild des neuen Elektronenmikroskops im Blockschema, Fig.
2 das Schemabild der Abtastung, Fig.3 bis 6 schematische Darstellungen einzelner
Steuermaßnahmen des Elektronenmikroskop, auf die in der folgenden Beschreibung Bezug
genommen ist.
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Gemäß Fig. i besteht das eigentliche Elekronenmikroskop i im wesentlichen
aus der Kathode 2, dem Wehneltzylinder 3, der Anode 4 und den Elektronenlinsen 51
bis 53, die die Kathode 2 in die Objektebene 6 abbilden. Zwischen den Elektronenlinsen
liegen zwei um 9o ° gekreuzte Ablenkplattenpaare 7. Hinter dem Objekt 6 befindet
sich eine zweckmäßig in Richtung der optischen Achse verschiebbare Blende B. Die
im Objekt 6 gestreuten Elektronen erreichen die Elektrode 9 des Sekundäremissionvervielfachers
io. Wird nun das Objekt 6 durch den Elektronenstrahl abgetastet, so ändert sich
je nachdem Streuvermögen des Objekts die Zahl der Elektronen, die je Zeiteinheit
auf die Elektrode 9 aufprallen, und proportional dazu der Strom, der vom Vervielfacher
io dem Verstärker 16 geliefert wird.
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Nach Verstärkung im Verstärker 16 und nach Durchlaufen eines Amplitudensiebes
17, mit dessen Hilfe der Kontrast variiert werden kann, indem beispielsweise Impulse
erst von einer bestimmten Größe an weitergeleitet werden, gelangen die Impulse in
einen Kathodenstrahloszillographen ii, dessen Wehneltzylinder 14 den von dessen
Kathode 13 emittierten Elektronenstrom intensitätsmäßig steuert. Die Ablenkplattenpaare
15 werden synchron den Ablenkplattenpaaren 7 des Elektronenmikroskops i gesteuert.
Der Elektronenstrom wird von dem Leuchtschirm 12 des Kathodenstrahloszillographen
ii aufgenommen.
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Für die Steuerung der Ablenkplatten 7 und 15 ist gemäß Fig. i der
Frequenzgenerator 18, beispielsweise ein quarzgesteuerter Sender vorgesehen, der
auf eine solche Frequenz abgestimmt ist, daß beispielsweise fünfundzwanzig Bilder
pro Sekunde auf dem Schirm entworfen werden. Dabei ist folgendes zu beachten. In
Fig. 2 ist schematisch die Art des Abtastens nach einer Spirale gezeigt. Eine solche
Spirale kann am einfachsten als archimedische Spirale angesetzt werden. Jeweils
nach 36o' Umlauf müssen bzw. dürfen die Zeilen so weit versetzt sein, daß am Leuchtschirm
gerade keine Möglichkeit zur Auflösung durch das Auge besteht. Aus diesem Abstand
A r und dem Durchmesser des Leuchtschirms 12 ist die Zahl der Umläufe pro Bild gegeben
und damit die Frequenz unter Berücksichtigung der Zahl der Bilder pro Sekunde sowie
ferner die Abnahme der Amplitude der Schwingungen, wie es die schematische Fig.
3 stark vergrößert zeigt.
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Um eine spiralige Ablenkung zu erzielen, sind bekanntlich zwei Schwingungen
mit einer Phasenverschiebung von notwendig. Der Frequenzgenerator 18 arbeitet nun
auf dieser Frequenz und steuert das Kippgerät i9, welches auf die Bildwechselzahl
arbeitet. Die Kippschwingungen, in diesem Gerät möglichst Sägezahnkurven mit geradem
Ablauf und steiler Flanke, werden in das Amplitudensteuergerät 20 geliefert. Dieses
formt die Amplituden der vom Frequenzgenerator 18 gelieferten Schwingung um, so
daß eine Schwingung gemäß Fig. 3 entsteht. Diese Schwingung wird nun auf den Phasenschieber
21 gelegt, in dem aus der einzelnen Schwingung zwei Schwingungen mit der gewünschten
Phasenverschiebung entstehen. Diese beiden Schwingungen werden
dem Vergrößerungswechselgerät 22 des Elektronenmikroskops und dem Entzerrer 24 des
Kathodenstrahloszillographen ii zugeleitet. Hält man die absolute maximale Amplitude
der beiden Schwingungen konstant, und zwar so, daß der Leuchtschirm 12 voll ausgeleuchtet
wird, und variiert die maximalen Amplituden am Elektronenmikroskop, so geschieht
folgendes: Ist die maximale Amplitude im Elektronenmikroskop verhältnismäßig groß,
wird beispielsweise das Objekt über einen Durchmesser von i mm abgetastet, so ist
die Vergrößerung klein (beispielsweise konstanter Durchmesser des Leuchtschirms
350 mm, also Vergrößerung linear i : 35o); je kleiner also die beiden maximalen
Amplituden der Schwingungen am Ablenksystem des Elektronenmikroskops eingestellt
werden, desto größer ist die Vergrößerung. Das Vergrößerungswechselgerät 22 hat
also nur die Amplituden zu verkleinern; hierzu genügen zwei induktionsfreie Spannungsteiler,
die kontinuierlich verstellt werden.
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Zu einer bestimmten Zeit werden notwendig bestimmte Zonen der Elektronenlinsen
durchflutet, so daß man also durch Deformation der die Amplituden einhüllenden Kurven
die Zonenfehler am Kathode._-strahloszillographen kompensieren kann.
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Diesem Zweck dient das Entzerrgerät 24. Es erhält die vom Frequenzgenerator
18 über das Kippgerät i9 gelieferten Kippschwingungen über den Hllfsmodulator 23.
Dort werden durch kontinuierlich einstellbare Glieder, Dämpfungsglieder wie R-C-Glieder
u. dgl., der gerade Ablauf der Kippschwingungen im gewünschten Sinne deformiert
und die Differenzspannung an den Entzerrer 24 geliefert. Der Ertzerrer 24 ist im
wesentlichen ein Spannungsverstärker, der mit Doppelmodulation arbeitet, und zwar
wird er sowohl vom Phasenschieber 21 einerseits als auch durch die Differenzspannung
des Hilfsmodulators 23 andererseits beeinflußt.
Die Kompensation
der Bildfeldwölbung in der Objektebene erfolgt nach folgenden Gesichtspunkten. Betrachtet
man das Bildfeld für verschiedene Elektronengeschwindigkeiten, so kann man es schematisch
wie in Fig. 4a darstellen. X = X bedeutet in dieser Abbildung die optische Achse
und A = A die Objektebene. Mit a, b und c sind die Flächen für drei verschiedene
Elektronengeschwindigkeiten gezeichnet, auf der die Kathode scharf abgebildet wird.
Keine der drei Flächen a, b, c kann mit der Objektebene A = A
identifiziert
werden. Man kann jedoch über den ganzen Abtastbereich ein Zusammenfallen erzwingen,
wenn man die Elektronengeschwindigkeit im Rhythmus der Abtastung moduliert. Hierbei
ist zu beachten, daß die Monochromasiebedingungen an den Elektronenstrahl etwa bei
` liegen; d. h. bei 6o KV-Elektronen sind die Schwankungen ± 6 V. Bei solchen Schwankungen
ist die Schwankung des Bildorts der Kathode so klein, daß dies nur eine kleine Verbreiterung
der Bildfläche bedeutet. Gemäß Fig. 4b wird dann die Kathode in dem Bildraum f scharf
abgebildet. Die Modulation der Hochspannung erfolgt nun wieder im Rhythmus der Kippschwingung
des Kippgeräts i9 über den Spannungsmodulator 26, der dem Hochspannungsgerät 25
nachgeschaltet ist.
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Im Strahlengang des Elektronenmikroskops i ist eine in Richtung der
optischen Achse bewegliche Blende 8 vorgesehen. Wird die Blende 8 dem Objekt 6 genähert,
so wird ein größerer Teil der im Objekt 6 gestreuten Elektronen auf die Elektrode
9 des Vervielfachers io treffen; wird sie entfernt, so werden es bei angenommener
konstanter Streuung weniger Elektronen sein. Je nachdem man ein stark oder schwach
streuendes Objekt zu untersuchen hat, ist der dafür günstige Blendenabstand zu wählen.
Betrachtet man ein schwach streuendes Objekt 6, so werden fast alle Elektronen die
Elektrode 9 erreichen, wenn die Blende 8 nahe dem Objekt 6 liegt, d. h., man erhält
am Leuchtschirm 12 nur wenig Kontrast. Es ist also in diesem Fall notwendig, die
Blende 8 vom Objekt 6 wegzubewegen. Wird die Frequenz, mit der das Objekt 6 abgetastet
wird, konstant gehalten, so tritt noch ein Nachteil auf. Die Schreibgeschwindigkeit
des Kathodenoszillographen ist beschränkt; das will heißen, je aufzulösendem Punkt
von etwa 10-2mm2 muß eine Mindesteinwirkungszeit der Elektronen vorhanden sein (etwa
io -i° Sek.). Fällt die Enwirkungszeit (gleich Strahlschreibgeschwindigkeit auf
dem Leuchtschirm) stark ab, so sinkt die Lichtemission. Das heißt aber, daß am Leuchtschirm
12 gegen den Rand ein erheblicher Helligkeitsabfall zu beobachten ist. Um dies zu
verhindern, wird die Frequenz nicht konstant gehalten. Zweckmäßigerweise wird eine
Anfangsfrequenz gewählt, die dann am Leuchtschirm 12 die der Strahlleistung entsprechende
maximale Helligkeit ergibt, und diese Frequenz je Umlauf vergrößert bis zu einer
maximalen Frequenz, die den Rest der Abtastung besorgt. Im allgemeinen genügt es,
wenn nach Abtastung von des Radius die Frequenz konstant gehalten wird. In Fig.
5 wird der Frequenzverlauf in Abhängigkeit vom abzutastenden Radius gezeigt. Die
Frequenz f steigt vom größten Radius r, mit der Frequenz f, bis zum Radius r mit
der Frequenz f, die dann bis zum Schluß eingehalten wird. In Fig. 6 ist eine
derartige frequenzmodulierte Einrichtung im Schaltbild dargestellt, und zwar nur
bis Phasenschieber 21. Der Frequenzmodulator 27 wird dabei vom Kippgerät i9 gesteuert,
während im übrigen die Anordnung derjenigen nach Fig. i entspricht.
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Die Vergrößerung und Kompensation des Abbildungsfehlers, ferner die
Helligkeit des Bildes und die Kontraständerung wird also bei dem erfindungsgemäßen
Elektronenmikroskop aus dem eigentlichen Elektronenmikroskop herausgenommen und
ausschließlich durch die elektrischen Übertragungseinrichtungen bewirkt. Diese Trennung
von dem eigentlichen Elektronenmikroskop schafft große Vorteile, da man leichter
einen beliebigen Vierpol, einen solchen stellt letzten Endes jeder im Blockschema
gezeichnete Gerätetyp dar, auf bestimmte Weise hintrimmen kann, als eine oder mehrere
Elektronenlinsen, bei denen außer ihrer Form und ihren elektrischen bzw. magnetischen
Werten auch noch die mechanisch-optischen Bedingungen berücksichtigt werden müssen.
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Ein weiterer Vorteil wird auch darin gesehen, daß das auf dem Leuchtschirm
12 entstehende Bild räumlich unabhängig vom eigentlichen Elektronenmikroskop i entsteht,
es können beispielsweise auch mehrere Kathodenstrahloszülographen an ein Elektronenmikroskop
angeschlossen werden, und daß diese Bildhelligkeit bis zu gewissen Grenzen keine
Funktion der Strombelastung des Objekts ist.
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Dabei ist das Blockschema und auch die Reihenfolge der Funktionen
der einzelnen Geräte nicht auf die aus den Zeichnungen und der Beschreibung ersichtliche
Anordnung beschränkt. Auch kann parallel zu dem Kathodenstrahloszillographen 12
ein zweiter geschaltet werden, der mit der üblichen photographischen Einrichtung
versehen ist, so daß der Beobachter zu jedem ihm geeigneten Zeitmoment das ihm sichtbare
Bild photographisch fixieren kann, ohne das Bild aus dem Gesichtsfeld zu verlieren.