DE102014212450B4

DE102014212450B4 - Verfahren zur Verbesserung der Auflösung von STEM-Abbildungen, Vorrichtung und Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE102014212450B4
Application number: DE102014212450.6A
Authority: DE
Inventors: Dirk Zeidler; Ingo Kleppe; Dirk Preikszas; Gerd Benner
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2022-09-01
Anticipated expiration: 2034-06-28
Also published as: DE102014212450A1

Abstract

Verfahren zur Erzeugung von Signalen bei der Abbildung von Proben mittels einer teilchenoptischen Vorrichtung (401), die einen Detektor umfasst (417), wobei die Abbildung mit Hilfe eines Strahls transmittierender Teilchen erfolgt, der über eine für diese Teilchen transparente Probe gerastert wird umfassend die Schritte:- Erzeugen einer Teilchensonde (101), die auf die Probe fokussiert wird (102),- Rastern der Teilchensonde über die Probe, wobei mehrere Rasterpositionen angefahren werden, so dass jeweils nur eine Region der Probe mit der Teilchensonde bestrahlt wird- Abbilden (103) der aus dieser Probenregion transmittierten Teilchen auf den Detektor, derart, dass für jede Rasterposition auf der Probe die Abbildung des Spots ortsaufgelöst detektiert wird,- Detektieren (104) der Intensitätsprofile der abgebildeten Teilchensonde, wobei pro Rasterposition die Intensitätsprofile ortsaufgelöst detektiert werden, so dass man eine Vielzahl von Datenpunkten pro Rasterposition erhält,- Speichern der Daten- Verrechnen der erhaltenen Daten mithilfe eines Rekonstruktionsalgorithmus (106) und Erzeugen eines Bilds mit verbesserter Auflösung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von rastertransmissionselektronenmikroskopischen (STEM: scanning transmission electron microscopy) Abbildungen, die im Vergleich zu herkömmlich erzeugten STEM-Abbildungen eine verbesserte Auflösung aufweisen. Es ist auch denkbar, das Verfahren mit Abbildungen auszuführen, die mittels STIM (scanning transmission ion microscopy) erzeugt worden sind.
Um mikroskopische Bilder mittels STEM aufzunehmen, wird in einer elektronenoptischen Vorrichtung mit einer Elektronenquelle ein Primärelektronenstrahl erzeugt, der mit Hilfe von mindestens einer Kondensorlinse als Elektronensonde auf eine Probe fokussiert wird.
Die Elektronensonde wird mit Hilfe geeigneter Ablenkeinrichtungen über die ultradünne, elektronentransparente Probe gerastert (sog. scanning). Durch Wechselwirkung mit der Probe entstehen Signale, die detektiert und in einem seriell aufgezeichneten Bild dargestellt werden. Dabei erfahren Elektronen, die durch die Probe transmittiert werden, aufgrund von Wechselwirkungen mit Atomen des Probenmaterials im Wesentlichen eine Winkeländerung. Diese elastische Streuung ist abhängig von der lokalen Dichte und der Elementzusammensetzung der Probe, so dass die auftretende Streuwinkelverteilung ebenfalls probenabhängig ist.
Zur Detektion der Streuwinkelverteilung werden üblicherweise Detektoren verwendet, die - bezogen auf die Richtung des Primärelektronenstrahls - nach der Probe angeordnet sind. Üblicherweise werden dabei im Dunkelfeld elastisch stark gestreute Elektronen detektiert, wohingegen im Hellfeld elastisch schwach oder inelastisch gestreute oder nicht gestreute Elektronen detektiert werden. Um eine gute Auflösung zu erreichen, sollte der Durchmesser der Elektronensonde möglichst klein sein. Außerdem sollten nur transmittierte Elektronen zur Bilderzeugung genutzt werden, da so eine höhere laterale Auflösung erreicht werden kann als bei der Detektion von Elektronen, die aus dem Probenmaterial selbst frei gesetzt wurden, den sogenannten Sekundärelektronen.
Da die Beleuchtungsoptik üblicherweise große Bildfehler, insbesondere Öffnungsfehler, aufweist, muss der Konvergenzwinkel (Apertur) des Elektronenstrahls stark begrenzt werden.
Typischerweise liegt der Konvergenzwinkel zwischen etwa 8 mrad und 15 mrad, beispielsweise bei 10 mrad. Nachteilig hieran ist, dass dies zu einer beugungsbegrenzten Auflösung führt, die deutlich über der verwendeten Wellenlänge des Teilchenstrahls liegt.
Daher ist es wünschenswert, Methoden und Vorrichtungen zu beschreiben, mit denen die beugungsbegrenzte Auflösung verbessert wird.
Für die Auflösungsverbesserung bei der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) oder der Scanning Transmissionselektronenmikroskopie (STEM) sind beispielsweise Zusatzvorrichtungen wie Öffnungs- und Farbfehlerkorrektoren oder Monochromatoren vorgeschlagen worden, die jedoch technisch aufwändig und teuer sind.
In der Lichtmikroskopie sind beim Laser Scanning Mikroskop (LSM) Verfahren bekannt, mit denen sich für eine beugungsbegrenzte Abbildung eine Verbesserung der Auflösung um den Faktor zwei erreichen lässt.
Bei einem Structured Illumination Mikroskop (SIM) wird die Probe mit einer räumlich modulierten Anregungsintensität beleuchtet. Dabei macht man sich zunutze, dass zwei sich überlagernde Muster ein charakteristisches Überlagerungsbild ergeben. Wenn eine strukturierte Probe mit einem bekannten Beleuchtungsmuster bestrahlt wird und dann das Überlagerungsbild aufgenommen wird, das sich aus der Überlagerung des Beleuchtungsmusters mit der Struktur der Probe ergibt, kann man ein Abbild der überlagerten Probenstruktur mit verbesserter Auflösung rekonstruieren.
Beim Image Scanning Mikroskop wird die Tatsache genutzt, dass ein beugungsbegrenzter Laserfokus alle Fourier-Modi bis zur maximalen numerischen Apertur (NA) enthält. Zur Extraktion dieser Modi wird anstelle einer kleinen Detektorblende ein ortsauflösender Detektor verwendet.
Kurze Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Für die konventionelle konfokale Laser Scanning Mikroskopie ist von Müller und Enderlein (2010) ein Verfahren vorgeschlagen worden, das eine Steigerung der Auflösung von Fluoreszenzabbildungen erlaubt. Dazu wird das im Laserfokus angeregte Fluoreszenzlicht auf einen positionsempfindlichen CCD (charged-coupled device)-Detektor geleitet, so dass für jede Position des scannenden Fokus ein ganzes Bild aufgenommen wird. Durch nachfolgende Rekonstruktion mithilfe eines Rekonstruktionsalgorithmus wird ein Bild mit gesteigerter Auflösung errechnet.
In der US 6 548 810 B2 wird ein konfokales STEM beschrieben, bei dem die Elektronensonde direkt auf den Detektor abgebildet wird. Dies steht im Gegensatz zu üblichen Detektionsverfahren, bei denen die Diffraktionsebene auf den Detektor abgebildet wird. Mit Hilfe einer kleinen Blende vor dem Detektor werden - ähnlich wie beim konfokalen LSM - diejenigen Elektronen ausgeblendet, die nicht aus der Fokusebene kommen. Zur Kontrasterhöhung kann ein CCD-Array unterhalb der Fokusebene angeordnet sein.
In der Publikation von J. Etheridge et. al. (Physical Review Letters, 106, 160802, 2011) wird beschrieben, wie mit Hilfe eines doppelt korrigierten STEM die auf einen CCD-Detektor abgebildete Elektronensonde ortsaufgelöst detektiert wird, so dass die atomare Intensitätsverteilung in einem Kristall im Realraum gemessen werden kann.
DE 10 2010 049 627 A1 beschreibt eine Methode, um hoch aufgelöste mikroskopische Bilder zu erzeugen, wobei die räumliche Veränderung der Grauwertverteilung ausgenutzt wird.
Auch in der DE 10 2012 204 128 A1 werden Vorrichtungen und Verfahren zur hochauflösenden Scanning-Mikroskopie beschrieben.
US 2013/0126729 A1 offenbart ein Verfahren zum Sequenzieren von Polymeren mittels eines STEM-Geräts. Bei dem beschriebenen Verfahren werden Polymerstränge mit Schwermetallionen markiert, wobei die Schwermetallmarkierung durch die Abbildung mit einem STEM detektiert werden kann.
US 2012 0012747 A1 beschreibt ein konfokales TEM mit verbessertem Kontrast.
Als nächstliegender Stand der Technik können folgende Dokumente angesehen werden:

- DE 10 2010 049 627 A1
- Klaus B Müller und Jörg Enderlein: Image scanning microscopy, Physical Review Letters 104 (2010).
- US 6 548 810 B2

Überblick über die Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren vorzuschlagen, mit denen die laterale Auflösung von STEM-Abbildungen oder STIM-Abbildungen gesteigert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die abhängigen Ansprüche gegeben. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens sowie ein Computerprogrammprodukt zur Steuerung der Vorrichtung.
Vorzugsweise wird zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe eine stark vergrößert abgebildete Sonde geladener Teilchen, die beispielsweise eine Elektronensonde sein kann, ortsaufgelöst detektiert. Die so erhaltenen Datenpunkte werden mit Hilfe eines Rekonstruktionsalgorithmus verrechnet, um ein rekonstruiertes Bild der Probe mit verbesserter Auflösung zu erhalten.
Um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen, wird eine teilchenoptische Vorrichtung benötigt, die geeignet ist, STEM- oder STIM-Abbildungen der Probe herzustellen. Dies kann ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM) mit entsprechendem Rasterzusatz oder ein spezielles STEM-Gerät oder ein entsprechendes Ionenstrahlgerät sein.
In einer für das erfindungsgemäße Verfahren geeigneten elektronenoptischen Vorrichtung wird ein Primärelektronenstrahl erzeugt und auf eine ultradünne, elektronentransparente Probe fokussiert, die auch als Objekt bezeichnet wird. Das heißt also, dass eine Elektronensonde erzeugt und auf die Probe gerichtet wird. Die auf die Probe treffenden Primärelektronen passieren das Probenmaterial, treten als transmittierte Elektronen aus dem Probenmaterial wieder aus und werden durch das nachfolgende Projektivsystem stark vergrößert auf einen Detektor abgebildet.
Durch die Wechselwirkung des Primärelektronenstrahls mit dem Probenmaterial wird die räumliche Intensitätsverteilung des Bildes der Elektronensonde verändert. Diese Veränderung wird nachfolgend mit dem Detektor räumlich aufgelöst detektiert, beispielsweise mit einem positionssensitiven Detektor, wie zum Beispiel einer CCD-Kamera oder einem mehrkanaligen, zweidimensionalen Detektor.
Die Elektronensonde wird nun schrittweise über die Probe gerastert, d.h. die Elektronensonde wird in einer Vielzahl von Rasterpositionen über die Probe hinwegbewegt und trifft somit an einer Vielzahl von Positionen auf die Probe. Für jede Rasterposition der Elektronensonde auf der Probe, d.h. also für jede Position des Spots auf der Probe, wird die zugehörige stark vergrößerte Abbildung des Spots mit Hilfe eines zweidimensionalen Detektors ortsaufgelöst detektiert und abgespeichert. Dabei ist es vorteilhaft, die einzelnen Spotabbildungen auf eine jeweils andere Position auf dem zweidimensionalen Detektor zu lenken. Dadurch kann die Zahl der Auslesevorgänge verringert werden.
Für jeden Punkt auf der Probe wird somit das durch die Probeninformation modulierte zweidimensionale Sondenprofil detektiert. Der Detektor registriert also in jedem Detektorpixel eine räumlich gewichtete Intensitätsverteilung. Die Gewichtung resultiert aus Ausdehnung und Amplitudenverteilung der über die Probe gerasterten Elektronensonde und der von jedem Probenpunkt verursachten räumlichen Gewichtung des Signals. Das bedeutet also, dass transmittierte Elektronen eine räumliche Modulation erfahren.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Strahlintensitätsprofil der durch ein Projektiv abgebildeten Elektronensonde mit einem Detektorarray von mindestens 5 x 5 Detektorelementen detektiert werden. Es ist auch möglich, 10 x 10 oder 100 x 100 Detektorelemente in einem Detektorarray zu verwenden. Dabei sollte ein Kompromiss gefunden werden zwischen einer ausreichenden Auflösung und einer Datenmenge, die noch gut handzuhaben ist. Außerdem ist denkbar, Detektorelemente in hexagonaler Anordnung zu verwenden, beispielsweise mit sieben, 19 oder 37 Detektorelementen. In jedem Fall wird die Intensitätsverteilung des Spots jeweils auf eine Vielzahl von Kanälen verteilt.
Anschließend werden die pro Bildpunkt erhaltenen Datenpunkte mit einem Rekonstruktionsalgorithmus verrechnet.
Rekonstruktionsalogrithmen sind beispielsweise aus DE 10 2010 049 627 A1 und Klaus B Müller & Jörg Enderlein: Image scanning microscopy, Physical Review Letters, 104 (2010) bekannt. Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschriften wird vollumfänglich in diese Anmeldung übernommen. Insbesondere relevant sind die Absätze [0065] bis [0101] der DE 10 2010 049 627 A1 sowie Seite 2, linke Spalte der Publikation von Müller & Enderlein.
Es ist auch denkbar, das erfindungsgemäße Verfahren mit einer teilchenoptischen Vorrichtung auszuführen, die geeignet ist, STIM-Abbildungen der Probe herzustellen. Dies kann beispielsweise ein Helium-Ionenmikroskop sein, bei dem ein Ionenstrahl erzeugt und auf die ultradünne, für Ionen transparente Probe fokussiert wird. Die auf die Probe auftreffenden Ionen durchdringen das Probenmaterial, treten als transmittierte Ionen wieder aus dem Probenmaterial wieder aus und werden nachfolgend stark vergrößert auf einen Detektor abgebildet. Das weitere Vorgehen entspricht in analoger Weise dem Verfahren, das vorstehend für STEM-Abbildungen beschrieben worden ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die für die konfokale Laser Scanning Mikroskopie beschriebene Methode zu Auflösungsverbesserung auch auf mikroskopische Abbildungsverfahren übertragen werden kann, bei denen geladene Teilchen eingesetzt werden, um Signale aus der abzubildenden Probe zu gewinnen. Obwohl Photonen einem anderen physikalischen Streuprozess unterliegen als Elektronen, die durch Coulomb-Streuung gestreut werden, wird nachfolgend gezeigt, dass der gleiche mathematische Formalismus auch für Elektronen angewendet werden kann.
Für eine Abbildung eines durch eine ebene Welle beleuchteten streuenden Objekts auf ein Bild gilt im Allgemeinen das Kirchhoff-Integral: $E (x', y', z) = \iint E (x, y) \frac{1}{r} e^{- i k r} cos (\hat{n}, \hat{r}) d x d y$
In der Fraunhofer-Näherung (Fernfeld, $z > > \frac{π}{λ} (x^{2} + y^{2}), c o s (\hat{n}, \hat{r}) = 1);$
): $E (x', y', z) = A (x', y', z) \iint E (x, y) e^{- 2 π i (x v_{x} + y v_{y})} d x d y$
mit den Raumfrequenzen v_x und v_y sowie der Übertragungsfunktion des freien Raumes A(x', y', z). Dies entspricht [0066] in DE 10 2010 049 627 A1 . Die Punktübertragungsfunktion ist hier nicht anmultipliziert.
Für Photonen ist die Größe der Streuzentren deutlich größer als die Wellenlänge. Daher gilt in guter Näherung (der Index i laufe über alle endlich abzählbaren Streuzentren im Volumen, das durch die ebene Welle durchstrahlt wird): $E (x, y) = \sum_{i} δ (x - x_{i}, y - y_{i})$
Für Elektronen ist die Näherung cos(n̂,r̂) = 1 nur für das Hellfeld gegeben. Daher muss man bei Detektion aller Elektronen auf das Kirchhoff-Integral zurückgreifen, es sei denn, man fügt eine Blende eine, die einen Maximalwinkel θ_max für die detektierten Elektronen definiert, so dass cos(n̂,r̂) = 1 wieder annäherungsweise gilt.
Dann kann wieder das Fraunhofer-Integral verwendet werden, und es gilt für E (x,y) : $E (x, y) = \sum_{i} \int_{b_{i}} σ (b_{i}) H (θ (b_{i}) - θ_{m a x}) d b_{i}$
mit der Heaviside-Funktion H(x), der Rutherford-Näherung für den Zusammenhang von Stoßparameter b_i und dem Streuwinkel 0 : $c o s (θ / 2) = \frac{4 π \in_{0}}{e^{2} Z} m v^{2} b$
und dem differentiellen Streuquerschnitt $\frac{d σ}{d Ω} = \frac{e^{4} Z^{2}}{4 {(4 π \in_{0})}^{2} m^{2} v^{4}} \frac{1}{{sin}^{4} (θ / 2)}$
Dann können die aus der Lichtmikroskopie bekannten Verfahren verwendet werden.
Die in der Objektebene erzeugte Elektronensonde kann als eine Faltung der beugungslimitierten Intensität mit dem effektiven Intensitätsprofil der Elektronenquelle aufgefasst werden und stellt somit eine Art strukturierter Beleuchtung dar. Diejenige Intensitätsverteilung, die auf dem Detektor gemessen wird, wenn kein Objekt (das heißt keine Probe) vorhanden ist, entspricht einer Faltung der Elektronensonde mit der Punktübertragungsfunktion von Transferoptik und Detektor und wird als „Vakuumprofil“ bezeichnet. Die durch das Objekt aufgeprägte Modulation der auf dem Detektor gemessenen Intensitätsverteilung ist eine weitere Faltung. Durch Entfaltung mit dem „Vakuumprofil“ kann damit die exakte Objektinformation zurückgerechnet werden. Bei der konventionellen STEM-Detektion wird mit Detektoren, die üblicherweise in der Beugungsebene angeordnet sind, die Verteilung der azimutalen Winkel integral gemessen, so dass diese modulierte Objektinformation verloren geht. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun vorgeschlagen, die Modulation aus einer Vielzahl von segmentierten Datenpunkten des modulierten Strahlprofils zu detektieren und mit einem Rekonstruktionsalgorithmus zu verrechnen.
Ausführungsbeispiele
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren erläutert.

1 zeigt eine Übersicht des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt schematisch eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens.
3 zeigt schematisch eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens.
4 zeigt das Schema einer Vorrichtung, die geeignet ist, dass erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
5 zeigt ein Flussdiagramm der Aufnahme von Super-Resolution-STEM-Bildern.

1 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren. In Schritt 101 wird eine Elektronensonde erzeugt, die in Schritt 102 auf eine elektronentransparente Probe fokussiert wird. In Schritt 103 wird die durch die Probe intensitätsmodulierte Elektronensonde auf einen Detektor abgebildet, und zwar vorzugsweise auf einen Detektor, der viele Kanäle umfasst. In Schritt 104 wird die Intensitätsverteilung der vergrößert abgebildeten Elektronensonde mittels eines Detektors detektiert. Dazu werden die aus der mit der Elektronensonde bestrahlten Probenregion transmittierten Elektronen auf einen Detektor abgebildet, wobei die Intensitätsprofile der abgebildeten Elektronensonde detektiert werden. Dabei werden pro Rasterposition die Intensitätsprofile ortsaufgelöst detektiert, so dass man eine Vielzahl von Datenpunkten pro Rasterposition erhält. Die erhaltenen Daten werden gespeichert.
In einer vorteilhaften Ausführungsform geschieht dies mit einem Flächendetektor, beispielsweise einer CCD-Kamera. Für jeder Rasterposition der Elektronensonde werden die von der Probe modulierten Intensitätsprofile detektiert, wobei die Intensitätsprofile pro Rasterposition segmentiert detektiert werden, so dass man eine Vielzahl von Intensitäts-Datenpunkten pro Rasterposition erhält. Dann werden die gewonnenen Daten ausgelesen (Schritt 105), gespeichert und die Datenpunkte miteinander derart verrechnet, dass eine Entfaltung der Vakuumprofils erfolgt (Schritt 106). In Schritt 107 wird die Elektronensonde zur nächsten Rasterposition bewegt. Dann werden die Schritte 103 bis 106 für diese Rasterposition wiederholt. Anschließend kann die Elektronensonde wiederum zur nächstfolgenden Rasterposition weiterbewegt werden (Schritt 107).
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird, um die genannten Verfahrensschritte auszuführen, eine elektronenoptische Vorrichtung verwendet, die geeignet ist, STEM-Abbildungen einer Probe zu erzeugen. Mittels dieser Vorrichtung wird ein Primärelektronenstrahl erzeugt, der als Elektronensonde auf die Probe gerichtet und durch ein nachfolgendes Vergrößerungssystem auf einen Detektor abgebildet wird. Als elektronenoptische Vorrichtung kann ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM) mit Rasterzusatz oder ein spezielles STEM-Gerät („dedicated STEM“) eingesetzt werden. Die elektronenoptische Vorrichtung kann beispielsweise ein In-Lens-Rasterelektronenmikroskop (REM) sein. Unter einem In-Lens-REM ist ein REM zu verstehen, bei dem sich die zu untersuchende Probe innerhalb des fokussierenden Feldes der Objektivlinse befindet, so dass diese Linse sowohl eine Fokussierung der Elektronensonde in die Objektebene ermöglicht als auch eine erste Abbildungsstufe für die vergrößerte Abbildung des modulierten Intensitätsprofils darstellt. Es ist auch denkbar, ein Multi-Beam STEM, also ein STEM, bei dem mehrere Elektronensonden gleichzeitig erzeugt werden können, als elektronenoptische Vorrichtung zu verwenden. Zum Erzeugen des Primärelektronenstrahls können verschiedenartige Kathodentypen verwendet werden, beispielsweise eine Haarnadelkathode, eine Lanthanhexaborid-Kathode oder Feldemissionsemitter wie beispielsweise ein Schottky-Emitter.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Elektronensonde über die Probe gerastert wird und somit mehrere Rasterpositionen angefahren werden. Das bedeutet, dass der Primärelektronenstrahl mittels eines Ablenksystems derart abgelenkt wird, dass sich die Elektronensonde über die Probenoberfläche bewegt und dadurch nacheinander eine Vielzahl von Rasterpositionen mit der Elektronensonde angefahren werden, wobei jeweils nur eine punktförmige Region der Probe mit Elektronen bestrahlt wird. Auf diese Weise wird nacheinander eine Vielzahl von Probenpositionen mit dem Primärelektronenstrahl beleuchtet.
An den Stellen, an denen der Primärelektronenstrahl auf die Probe auftrifft oder durch die elektronentransparente Probe hindurchtritt, entstehen durch Wechselwirkung mit der Probe, probenspezifische Signale. Dies können beispielweise in Vorwärtsrichtung gestreute Elektronen sein, also transmittierte Elektronen, die durch elastische Streuung an Atomen des Probenmaterials eine Winkeländerung erfahren haben. Es können auch Elektronen sein, die durch Wechselwirkung mit der Probe inelastisch gestreut worden sind.
Grundsätzlich wird bei elastisch gestreuten Elektronen unterschieden zwischen Hellfeldelektronen und Dunkelfeldelektronen. Das Hellfeld umfasst Elektronen, die nicht gestreut werden oder innerhalb des Beleuchtungskegels (typischerweise 10 mrad) schwach gestreut werden. Das Dunkelfeld umfasst Elektronen, die aus dem Hellfeldkegel herausgestreut werden. Je nach Kernladungszahl des Probenmaterials können diese Streuwinkel bis zu 200 mrad betragen. Die Hellfeldelektronen werden mit Hilfe einer Abbildungsoptik stark vergrößert auf den Detektor abgebildet. Die Dunkelfeldelektronen sollten ausgeblendet werden, da durch die großen Streuwinkel große Aberrationen des Abbildungssystems auftreten, die zu einer starken Unschärfe der Elektronensonde auf dem Detektor führen würden.
Anschließend können die aufgezeichneten Intensitäten der Datenpunkte mithilfe eines Rekonstruktionsalgorithmus verrechnet werden, um ein rekonstruiertes Bild der Probe mit gesteigerter Auflösung zu erhalten. Unter optimalen Bedingungen kann eine Auflösungsverbesserung um den Faktor 2 erreicht werden. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Rekonstruktionsalgorithmus je nach verwendetem optischen Design und den auftretenden Streuungsprozessen individuell angepasst wird.
Die Rekonstruktion kann im Wesentlichen als eine spezielle Entfaltung beschrieben werden. Als Entfaltung kann im weitesten Sinne ein funktionaler Zusammenhang zwischen den an den Rasterpositionen erzeugten Signalen und der Bildinformation verstanden werden. Dies kann in Spezialfällen eine lineare Abhängigkeit sein, die durch ein lineares Gleichungssystem zwischen dem Vektor der Signale an den Rasterpositionen und dem Vektor der Bildinformation beschrieben wird. Klassische Entfaltungen von STEM-Bildern sind aus der Literatur bekannt. Die klassische Entfaltung benötigt eine an die Sondengröße angepasste Abtastfrequenz, was die Dichte der Rasterpositionen betrifft, damit im finalen Bild die bestmögliche Auflösung realisiert wird. Die sinnvoll nutzbare Abtastfrequenz ist jedoch durch die maximal erreichbare Raumfrequenz der Gesamt-Übertragungsfunktion beschränkt.
Wenn mit einer an die maximale Raumfrequenz angepassten Abtrastfrequenz abgetastet wird, liefert jede Rasterposition für jeden Bildpunkt genau eine Gleichung, die bei der Entfaltung genutzt werden kann. Das lineare Gleichungssystem der Entfaltung wird dann durch eine Diagonalmatrix beschrieben. In diesem Fall ist die Bildinformation in einem Punkt nur abhängig von der an der entsprechenden Rasterposition gemessenen Intensität.
Wenn nun diese maximale Abtastfrequenz überschritten wird, d.h. wenn die Rasterpositionen näher beieinanderliegen als das durch die Sondengröße bedingte Minimum, dann liefern die neuen Intensitäten keine neue Information mehr. Das heißt, dass das Gleichungssystem linear abhängige Gleichungen enthält. Mit anderen Worten: Wenn benachbarte Scanpositionen keine linear unabhängigen Gleichungen liefern, enthalten sie außer verbessertem Signal-RauschVerhältnis keine verwertbaren neuen Informationen für die Entfaltung; sie tragen somit nicht zur Auflösungsverbesserung bei.
In der vorliegenden Erfindung jedoch wird durch die Vielzahl von Intensitätsdatenpunkten pro Rasterposition die klassische Entfaltung weiterentwickelt, da für jede Rasterposition eine Vielzahl von Intensitätsdatenpunkten aufgenommen wird, indem nämlich die örtlich aufgelösten Probensonden nach Durchgang durch die elektronentransparente Probe aufgenommen werden.
Die Vielzahl von Intensitätsdatenpunkten pro Rasterposition liefert pro Rasterposition einen ganzen Satz linear unabhängiger Gleichungen. Dadurch kann die maximal mögliche Abtrastfrequenz heraufgesetzt werden. Durch die Berücksichtigung der Intensitätsverteilung auf dem Detektor pro Rasterpunkt kann folglich die Auflösung im finalen Bild gegenüber der klassischen Entfaltung erhöht werden. Die unabhängigen Gleichungen erhält man zusätzlich zu denen, die über das Scannen gewonnen werden. Da die Anzahl der linear unabhängigen Gleichungen (Messungen) zu einem bestimmten Probenvolumen direkt proportional zur rechnerisch möglichen Auflösung der Entfaltung steht, wird deutlich, dass durch die Berücksichtigung der mit dem Detektor pro Rasterpunkt detektierten Intensitätsverteilung die Auflösung im finalen Bild gegenüber der klassischen Entfaltung gesteigert ist.
Prinzipiell sind ein paralleles oder ein serielles Detektionsverfahren denkbar, die in den 2 und 3 beschrieben werden. Weiterhin ist auch eine Kombination aus parallelem und seriellen Detektionsverfahren denkbar.
2 und 3 zeigen schematisch vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. In der Elektronenquelle 201, 301 wird ein Primärelektronenstrahl 202, 302 erzeugt, dessen Elektronen in der elektronenoptischen Vorrichtung beschleunigt und mittels verschiedener Linsensysteme 203, 205, 303, 305 gebündelt werden, so dass eine Elektronensonde 206, 306 entsteht, die auf die ultradünne Probe 207, 307, die üblicherweise eine Dicke im Bereich von wenigen zehn Nanometern bis zu mehreren zehn Millimetern aufweist, fokussiert wird. Vorteilhafterweise beträgt der Durchmesser der auf der Probe in Form eines Spots auftreffenden Elektronensonde 206, 306 zwischen 0,1 nm und 5,0 nm.
Mit Hilfe eines Ablenksystems 204, 304 wird die Elektronensonde 206, 306 rasterförmig über die Probe 207, 307 geführt. Die auf der Probe 207, 307 auftreffenden Primärelektronen werden in dem elektronendurchlässigen Probenmaterial gestreut und treten als transmittierte Elektronen auf der der Elektronenquelle 201, 301 abgewandten Seite der Probe aus der Probe 207, 307 aus. Die durch die Probe transmittierten Elektronen werden vorteilhafter Weise mit einem abbildungsseitigen Objektivsystem 208, 308 und einem Projektivsystem 209, 309 gebündelt und als vergrößertes Intensitätsprofil auf einen Detektor 210, 310 fokussiert. Da sich beim Rastern der Elektronensonde 206, 306 auch die Position des vergrößert abgebildeten Intensitätsprofils auf der Detektorfläche verschiebt, ist es vorteilhaft, wenn ein Ablenksystem 312, das zwischen Projektivsystem 309 und Detektor 310 vorgesehen ist, dazu genutzt wird, die Position der Abbildung des Intensitätsprofils auf der Detektorfläche entsprechend nachzustellen oder auf eine bestimmte Position des Detektors 310 zu lenken.
Das Kondensorsystem 203, 303 kann mehrere Linsen umfassen. So ist beispielsweise denkbar, dass das Kondensorsystem 203, 303 drei oder mehr elektromagnetische oder elektrostatische Einzellinsen aufweist. Das kondensorseitige Objektivsystem 205, 305 kann ebenfalls mehrere Einzellinsen umfassen. Es ist auch denkbar, dass das kondensorseitige Objektivsystem 205, 305 und das abbildungsseitige Objektivsystem 208, 308 als eine elektromagnetische Linse ausgebildet sind, deren erster Anteil 205, 305 die Elektronensonde 206, 306 erzeugt und deren zweiter Anteil 208, 308 die Elektronensonde 206, 306 auf den Detektor 210, 310 abbildet. Das Projektivsystem 209, 309 kann neben der dargestellten Linse auch noch weitere elektromagnetische oder elektrostatische Linsen aufweisen, die die Elektronensonde 206, 306 auf den Detektor 210, 310 abbilden.
2 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform, bei der die Intensitätsverteilung mit einem zweidimensionalen Detektor 210 detektiert wird. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Detektor 210 eine hohe Kanalzahl aufweist. Für jeden Rasterpunkt wird ein zweidimensionales Intensitätsprofil aufgezeichnet, so dass ein Stapel von Strahlprofilbildern 211 erzeugt wird. Die erfassten und gespeicherten erhaltenen Daten können mithilfe eines Rekonstruktionsalgorithmus verrechnet werden, um eine mit verbesserter Auflösung zu erzeugen. Die mit verbesserter Auflösung kann mittels einer Steuer- und Auswerteeinheit der elektronenoptischen Vorrichtung beispielsweise auf einem Monitor mit einer graphischen Benutzeroberfläche dargestellt werden und/oder in einem Bildspeicher des Systems abgespeichert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Detektor 210 eingesetzt, bei dem in der Bildebene ein Szintillator angebracht ist, der mit einer Lichtleiteranordnung verbunden ist. So kann die Intensititätsverteilung mit einer mehrkanalige Anordnung umfassend einen Szintillator, eine Lichtleiteranordnung und einen Detektor, der beispielsweise als Photomultiplier Tube (PMT) ausgebildet sein kann, detektiert werden. Die auf der Szintillatorfläche auftreffenden Elektronen werden in Lichtimpulse umwandelt und in die Lichtleiteranordnung eingekoppelt. Eine solche Lichtleiteranordnung ist beispielsweise in der DE 10 2012 204 128.1 beschrieben worden. Die Fasereingänge mehrerer Lichtleiter können derart angeordnet sein, dass eine Detektorfläche gebildet wird. Jeder einzelne Lichtleiter ist mit einem Photomultiplier verbunden, um mit dieser Anordnung das Intensitätsprofil räumlich aufgelöst zu detektieren. Besonders vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung ist, dass die erfassten Signale sehr schnell und rauscharm ausgelesen werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird als Detektor 210 ein Halbleiter-Array verwendet, um die Intensitätsverteilung zu detektieren. Der Halbleiter-Array kann beispielsweise eine Halbleiter-APD-Diode mit 10 x 10 Pixeln sein. Wenn flexible Lichtleiter benutzt werden, ist es auch möglich, durch Sortierung der Lichtleiter das zweidimensionale Intensitätsprofil einem linearen Halbleiter-Array zuzuordnen.
Bei diesen Ausführungsformen ist es sinnvoll, dass die Anzahl der Kanäle des Detektors der Zahl der zur Rekonstruktion erforderlichen Unterteilung des Strahlprofils entspricht. Beispielsweise reicht bei einem Sampling von 5 des Intensitätsprofils ein Detektor mit 25 Kanälen aus.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Intensitätsverteilung mit einer CCD-Kamera detektiert. Zu diesem Zweck ist der zweidimensionale Detektor als CCD-Kamera ausgebildet. Für jede Position des über die Probe gerasterten Spots wird ein Bild des Spots aufgenommen und ohne Überlappung auf der Detektorfläche gespeichert. Dazu kann ein Deflektor eingesetzt werden, der vor der CCD-Kamera angeordnet ist und der dafür sorgt, dass für jede Rasterposition der Elektronensonde das Bild des Spots auf einer anderen Position der Detektorfläche gelenkt wird, so dass keine Überlappung der Bilder des Spots auftritt. Die Intensitätsprofile von mehreren Rasterpunkten werden aufgezeichnet und können als ein Datensatz ausgelesen werden. Damit lässt sich die Auslesezeit deutlich reduzieren, so dass die gesamte Akquisitionszeit verkürzt wird. Beispielsweise lassen sich mit einer 2k CCD Kamera mit 2048 x 2048 Pixel bei einem Sondensampling von 5 und einem pixelgenauen Verschieben der Rasterpunkte somit bis zu etwa 400 x 400 Rasterpunkte in einem Durchgang aufzeichnen. Dadurch werden zweidimensionale Abbildungen der Elektronensonde pro gerastertem Pixel erzeugt, beispielweise 2D-Bilder mit eine Größe von 5 x 5 Pixel. Die Ausführung ist jedoch nicht auf 5 x 5 Pixel beschränkt. Für eine bessere Auflösung kann auch eine höhere Anzahl von Pixeln verwendet werden, beispielsweise 10 x 10 Pixel. Um eine schnellere Bildaufzeichnung zu erreichen kann auch eine geringere Pixelzahl z.B. 3 x 3 Pixel verwendet werden. Wenn eine höhere digitale Auflösung (Bildpunktzahl) im Rasterbild gewünscht wird, kann die CCD-Kamera mehrfach ausgelesen werden.
Wie in 3 dargestellt, werden bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung die im Probenmaterial gestreuten Elektronen mit den Linsensystemen 308, 309 gebündelt und auf einen Detektor 310 abgebildet, der als Einkanaldetektor ausgebildet ist, wobei der Einkanaldetektor ein Blendensystem 311 umfasst. Die Elektronensonde 306 wird vergrößert auf den Detektor 310 abgebildet. Dabei wird die Elektronensonde 306 für jede Position des Primärstrahls mit Hilfe des Ablenksystems über das zwischen dem Objektivsystem 308 und dem Detektor 310 angeordneten Blendensystem 311 derart über die Blende bewegt, dass die pro Rasterposition erzeugten Intensitätsprofile in einer Vielzahl von Positionen seriell detektiert werden. Das heißt also, dass für jede Position des Primärelektronenstrahls der Strahl transmittierter Elektronen derart über die Blende bewegt wird, dass die pro Rasterposition des Strahls erzeugte Intensitätsverteilung in einer Vielzahl von Einzelmessungen detektiert wird.
Vorteilhafterweise wird eine Blende verwendet, deren Blendenöffnung einen Durchmesser aufweist, der in etwa der Auflösung (Point Spread Function) des Detektors entspricht. Die Vergrößerung des Abbildungssystems sollte so gewählt werden, dass der Radius der Halbwertsbreite der in der Bildebene projizierten Elektronensonde dem Blendendurchmesser entspricht. In Abhängigkeit von der gewählten Überabtastungszahl, können auch verschiedene Blendenöffnungsgrößen verwendet werden, beispielweise 1/3 oder 1/4 der Halbwertsbreite der projizierten Elektronensonde. Generell sollte die Größe der Blende mindestens der Größe eines Pixels des Detektors entsprechen.
Alternativ kann als Detektor 310 eine schnelle CCD-Zeilenkamera oder ein andersartiger Zeilendetektor verwendet werden, wobei die Elektronensonde 306 rechtwinklig zur detektierten Zeile verschoben wird, so dass ein zweidimensionales Bild erzeugt wird. Das heißt also, dass für jede Position des Primärelektronenstrahls der Strahl transmittierter Elektronen senkrecht über eine CCD-Zeilenkamera bewegt wird, so dass die pro Rasterposition des Strahls transmittierter Elektronen erzeugte Intensitätsverteilung in einer Vielzahl von Einzelmessungen detektiert werden kann. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, als Eingangsblende 311 eine Schlitzblende zu verwenden.
4 zeigt schematisch eine spezielle Ausführungsform der elektronenoptischen Vorrichtung 401, die geeignet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Die elektronenoptischen Vorrichtung 401 umfasst eine elektronenoptische Säule, in der Vakuumbedingungen herrschen. In der elektronenoptischen Säule werden im Betrieb mittels einer Elektronenquelle 402 Elektronen erzeugt, die in Form eines Elektronenstrahls emittiert werden. Die Elektronen werden entlang der optischen Achse 403 der Vorrichtung beschleunigt, durch Kondensorlinsensysteme 404, 410 gebündelt und durch wenigstens eine Kondensorblende 405 beschnitten. Der Beleuchtungskegel 407 wird mittels des zweiten Kondensorlinsensystems 410, das eine kurze Brennweite aufweist, in der Ebene der Probe 411 fokussiert, so dass eine Elektronensonde 418 mit möglichst kleinem Durchmesser erzeugt wird, beispielsweise mit einem Durchmesser von weniger als 1 nm.
Außerdem umfasst die Elektronensäule ein Ablenksystem 406, mit dem die Elektronensonde 418 vorzugsweise parallel an verschiedene Orte auf der Probe 411 verschoben werden kann (Strahlengang gestrichelt dargestellt). Wenn dies in kleinen Schritten und Zeile für Zeile geschieht, wird die Probenstelle seriell abgerastert, so dass ein Bild der Probenstelle erzeugt werden kann. Das Ablenksystem 406 ist vorzugsweise in der vorderen Brennebene des zweiten Kondensorlinsensystems 410 oder in einer dazu konjugierten Ebene angeordnet, so dass der Elektronenstrahl parallel zur optischen Achse 403 verschoben werden kann. Alternativ kann ein Doppelablenksystem (nicht dargestellt) verwendet werden, dessen Kipppunkt in der Brennebene des zweiten Kondensorlinsensystems 410 liegt.
Zur Reduzierung axialer Bildfehler des zweiten Kondensorlinsensystems 410 ist es besonders vorteilhaft, wenn mit Hilfe einer Kondensorblende 405 ein Beleuchtungskegel 407 mit einem Konvergenzwinkel von etwa 8 mrad bis 15 mrad eingestellt wird.
Der Elektronenstrahl wird in Abhängigkeit von Probenmaterial und Probendicke beim Durchtritt durch die Probe 411 gestreut. Nicht gestreute Elektronen und solche Elektronen, die innerhalb des Beleuchtungskegels schwach gestreut werden, bilden das so genannte STEM-Hellfeld. Die Elektronen des STEM-Hellfeldes werden mittels einer Objektivlinse 412 und eines Projektivsystems 414 vergrößert auf eine Endbildebene 416 abgebildet, so dass eine durch die Wechselwirkung mit dem Probenmaterial an verschiedenen Probenstellen modulierte Intensitätsverteilung 415 auf einem Detektor 417 entsteht. Diese Intensitätsverteilung der Elektronensonde wird mit dem Detektor 417, der mehrere Kanäle aufweist, ortsaufgelöst aufgezeichnet. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektronenoptischen Vorrichtung werden - wie in 4 beispielhaft dargestellt - fünf Detektionskanäle zur Aufzeichnung des Strahlprofils in eine Richtung verwendet. Es ist auch denkbar, dass der Detektor 417 eine andere Anzahl von Detektionskanälen ausweist, die zur Detektion von einem oder mehreren Strahlprofilen dienen. Beispielsweise kann eine größere Anzahl von Detektionskanälen verwendet werden, zum Beispiel 10 x 10 oder 100 x 100 Detektionskanäle.
Dabei sollte die Vergrößerung der Elektronensonde mittels Objektivlinse 412 und Projektivsystem 414 so eingestellt werden, dass das Strahlprofil die gewünschte Anzahl N an Detektionskanälen des Detektors 417 ausfüllt. Unter der Annahme, dass die Detektorauflösung der Kanalbreite entspricht, ergibt sich folgende einfache Faustregel für die Vergrößerung M: $M = \frac{D e t e k t o r a u f l \ddot{o} s u n g}{S o n d e n r a d i u s} \times K a n a l z a h l$
Setzt man für den Sondenradius die Hälfte der Halbwertsbreite der Elektronensonde von beispielsweise 0,5 nm an, so ergibt sich für eine Detektorauflösung von 50 µm und einer Kanalzahl von 5 eine Vergrößerung von: M ≈ 500.000. Diese hohen Vergrößerungen lassen sich im Allgemeinen nur mit einem mehrstufigen Abbildungssystem erzielen. Dazu sollte eine Objektivlinse 412 mit kurzer Brennweite verwendet werden, um den Elektronenstrahl in einem ersten Zwischenbild vergrößert zu fokussieren. Nachfolgend wird der Elektronenstrahl durch ein mehrstufiges Projektivsystem 414 stark vergrößert und auf den Detektor 417 abgebildet.
Die aus dem Beleuchtungskegel 407 heraus gestreuten Elektronen bilden das Dunkelfeld. Da das Dunkelfeld Elektronen mit großen Streuwinkeln von bis zu 200 mrad enthält, ist es vorteilhaft, diese mit einer Blende 408 unterhalb der Probe auszublenden. Diese Objektivaperturblende 408 sollte vorzugsweise in der hinteren Brennebene der Objektivlinse 412 oder in einer dazu konjugierten Ebene angeordnet sein.
Wenn der Elektronenstrahl mithilfe des Ablenksystems 406 von einer Probenstelle zur nächsten Probenstelle gelenkt wird, verschiebt sich entsprechend die Abbildung der Elektronensonde auf dem Detektor. Deshalb sollte mithilfe eines Ablenksystems oder eines Doppelablenksystems 413 der Elektronenstrahl entweder wieder auf die Detektionskanäle zurückgelenkt werden, oder - im Falle einer vielkanaligen CCD - jeweils so weit auf dem Detektor verschoben werden, so dass kein Übersprechen von benachbarten Detektionsprofilen auftritt. Die Dunkelfeldelektronen können mit einem ringförmigen Detektor 409 registriert werden. Auf diese Weise lässt sich ein STEM-Dunkelfeldbild zum Justieren und Auffinden von geeigneten Probenstellen aufzeichnen.
Es ist auch denkbar, parallel zum hoch aufgelösten Bild ein entsprechendes Dunkelfeld-Bild aufzuzeichnen.
Eine spezielle Ausführungsform umfasst eine Kondensor-Objektiv-Einfeldlinse, bei der das zweite Kondensorlinsensystem 410 und die Objektivlinse 412 durch ein gemeinsames Magnetfeld erzeugt werden. Die Probe befindet sich dabei im Zentrum der Polschuhe im hohen Magnetfeld.
Weiterhin umfasst die elektronenoptischen Vorrichtung 401 eine Auswerte- und Steuereinheit (nicht dargestellt), mit deren Hilfe die elektronenoptische Vorrichtung so gesteuert wird, dass das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Computerprogrammprodukt, das eine Folge von Steuerbefehlen umfasst, die bei Ausführung durch die Auswerte- und Steuereinheit die elektronenoptische Vorrichtung 401 zur Durchführung zumindest eines Teils des erfindungsgemäßen Verfahrens veranlasst.
5 zeigt ein Flussdiagramm der Aufnahme von Super-Resolution-STEM-Bildern. In einem ersten Schritt 501 wird ein interessierender Bereich (region of interest, ROI) auf der Probe ausgewählt. In Schritt 502 wird die Vergrößerung der Elektronensonde auf den Detektor eingestellt. Dann wird in Schritt 503 die Elektronensonde, die auf der Probe in Form eines Spots fokussiert wird, zu einer Startposition bewegt. In Schritt 504 wird die Intensitätsverteilung der abgebildeten Elektronensonde aufgenommen. Dann werden die Kanäle des Detektors ausgelesen (Schritt 505) und das Profil entfaltet (Schritt 506). Anschließend werden die erhaltenen Datenpunkte gespeichert (Schritt 507). In Schritt 508 wird der Spot zur nächsten Position auf der Probe bewegt. In Schritt 509 erfolgt eine Abfrage, ob eine vorher definierte Endposition erreicht ist. Ist das nicht der Fall („nein“), werden die Schritte 504 bis 508 wiederholt. Wenn in Schritt 509 die Abfrage mit „ja“ beantwortet wird, werden in Schritt 510 die vorher gespeicherten Datenpunkte geladen, um sie in Schritt 511 miteinander zu einem STEM-Bild mit Hochauflösung (HR) zu verrechnen. Im abschließenden Schritt 512 wird das hoch aufgelöste STEM-Bild angezeigt.
Bezugszeichenliste

101: Schritt: Erzeugen einer Elektronensonde
102: Schritt: Fokussieren der Elektronensonde auf Probenoberfläche
103: Schritt: Abbilden der Elektronensonde auf vielkanaligen Detektor
104: Schritt: Detektieren der Intensitätsverteilung
105: Schritt: Auslesen der Daten
106: Schritt: Verrechnen der Datenpunkte
107: Schritt: Bewegen der Elektronensonde zur nächsten Rasterposition
201: Elektronenquelle
202: Primärelektronenstrahl
203: Kondensorsystem
204: Ablenksystem
205: Kondensorseitiges Objektivsystem
206: Elektronensonde
207: Probe
208: Abbildungsseitiges Objektivsystem
209: Projektivsystem
210: Zweidimensionaler Detektor
211: 2D-Abbildung
212: Abbildung mit gesteigerter Auflösung
301: Elektronenquelle
302: Primärelektronenstrahl
303: Kondensorsystem
304: Erstes Ablenksystem
305: Kondensorseitiges Objektivsystem
306: Elektronensonde
307: Probe
308: Abbildungsseitiges Objektivsystem
309: Projektivsystem
310: Einkanaldetektor
311: Blende
312: Zweites Ablenksystem
401: Elektronenoptische Vorrichtung
402: Elektronenquelle
403: Optische Achse
404: Erstes Kondensorlinsensystem
405: Kondensorblende
406: Ablenksystem
407: Beleuchtungskegel
408: Objektivaperturblende
409: Ringförmiger Detektor
410: Zweites Kondensorlinsensystem
411: Probe
412: Objektivlinse
413: Doppelablenksystem
414: Projektivsystem
415: Intensitätsverteilung
416: Endbildebene
417: Detektor
418: Elektronensonde
501: Schritt: Interessierenden Bereich auswählen
502: Schritt: Vergrößerung der Elektronensonde auf Detektor einstellen
503: Schritt: Spot zur Startposition bewegen
504: Schritt: Intensitätsverteilung aufnehmen
505: Schritt: Kanal/Kanäle auslesen
506: Schritt: Profil entfalten
507: Schritt: Datenpunkte speichern
508: Schritt: Spot zur nächsten Position bewegen
509: Schritt: Abfrage Endposition erreicht?
510: Schritt: Datenpunkte laden
511: Schritt: HR-Bild errechnen
512: Schritt: HR-Bild anzeigen

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Signalen bei der Abbildung von Proben mittels einer teilchenoptischen Vorrichtung (401), die einen Detektor umfasst (417), wobei die Abbildung mit Hilfe eines Strahls transmittierender Teilchen erfolgt, der über eine für diese Teilchen transparente Probe gerastert wird umfassend die Schritte: - Erzeugen einer Teilchensonde (101), die auf die Probe fokussiert wird (102), - Rastern der Teilchensonde über die Probe, wobei mehrere Rasterpositionen angefahren werden, so dass jeweils nur eine Region der Probe mit der Teilchensonde bestrahlt wird - Abbilden (103) der aus dieser Probenregion transmittierten Teilchen auf den Detektor, derart, dass für jede Rasterposition auf der Probe die Abbildung des Spots ortsaufgelöst detektiert wird, - Detektieren (104) der Intensitätsprofile der abgebildeten Teilchensonde, wobei pro Rasterposition die Intensitätsprofile ortsaufgelöst detektiert werden, so dass man eine Vielzahl von Datenpunkten pro Rasterposition erhält, - Speichern der Daten - Verrechnen der erhaltenen Daten mithilfe eines Rekonstruktionsalgorithmus (106) und Erzeugen eines Bilds mit verbesserter Auflösung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Intensitätsverteilung mit einem zweidimensionalen Detektor (210, 417) detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Intensitätsverteilung mit einer CCD-Kamera detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Intensitätsverteilung mit einem Halbleiter-Array detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Intensitätsverteilung mit einer mehrkanaligen Anordnung umfassend einen Szintillator, eine Lichtleiteranordnung und mindestens einem Detektor detektiert werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei mittels der Lichtleiteranordnung die zweidimensionale Detektionsfläche des Detektors mehreren Einkanaldetektoren (310) zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei mittels der Lichtleiteranordnung die zweidimensionale Detektionsfläche des Detektors einem eindimensionalen Mehrkanaldetektor zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Intensitätsprofile mit einem Einkanaldetektor detektiert werden und der Einkanaldetektor ein Blendensystem (311) umfasst, wobei für jede Position des Primärteilchenstrahls der Strahl transmittierter Teilchen derart über die Blende (311) bewegt wird, dass die pro Rasterposition des Strahls erzeugte Intensitätsverteilung in einer Vielzahl von Einzelmessungen detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine Blende (311) verwendet wird, deren Blendenöffnung einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Radius der Halbwertsbreite der in der Bildebene projizierten Teilchensonde.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine Blende (311) verwendet wird, deren Blendenöffnung einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als 1/4 des Radius der Halbwertsbreite der in die Bildebene projizierten Teilchensonde.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Intensitätsprofile mit einer CCD-Zeilenkamera detektiert werden, wobei für jede Position des Primärteilchenstrahls der Strahl transmittierter Teilchen senkrecht über eine CCD- Zeilenkamera bewegt wird, so dass die pro Rasterposition des Strahls erzeugte Intensitätsverteilung in einer Vielzahl von Einzelmessungen detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Strahl der transmittierten Teilchen über die CCD-Zeilenkamera verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Strahl der transmittierten Teilchen durch ein Ablenksystem relativ zum Detektor positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der durch Abrastern ausgelenkte Strahl der transmittierten Teilchen zurückgelenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-14, wobei als teilchenoptische Vorrichtung ein Rasterelektronenmikroskop (REM) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch nach 15, wobei das REM eine Vergrößerungsoptik für transmittierte Elektronen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-14, wobei als teilchenoptische Vorrichtung ein Multi-Beam STEM verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei als teilchenoptische Vorrichtung ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei als teilchenoptische Vorrichtung ein Ionenmikroskop verwendet wird.
Vorrichtung, umfassend eine teilchenoptische Vorrichtung, die einen Detektor (210, 310, 417) umfasst, wobei die Bestandteile der Vorrichtung eingerichtet sind, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1-18 auszuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei der Detektor eine ringförmige Vorrichtung (409) zur Detektion von Dunkelfeldelektronen umfasst.
Computerprogrammprodukt, umfassend eine Folge von Steuerbefehlen, die bei Ausführung durch eine Auswerte- und Steuereinheit eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-19 veranlasst.