DE1489980C

DE1489980C - Corpuscular beam device for phase or amplitude objects with a phase-shifting film

Info

Publication number: DE1489980C
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Hanßen, Karl Josef, Dr rer nat, 3300 Braunschweig
Publication date: 1971-01-21

Description

1 ■·-■·■■■■■■■ 21 ■ · - ■ · ■■■■■■■ 2

Es ist bekannt, korpuskularstrahloptische Unter- wieder, worin A eine der Öffnungsfehlerkonstante derIt is known, corpuscular beam optical sub- again, where A is one of the aperture error constant of

suchungen, insbesondere solche in einem Elektronen- , Objektivlinse proportionale erste Konstante und B eineSearches, especially those in an electron, objective lens proportional first constant and B a

mikroskop, an sehr dünnen Objekten mit hoher Auf- der Defokussierung proportionale zweite Konstantemicroscope, on very thin objects with high focus, a second constant proportional to the defocusing

lösung bei kleiner Bestrahlungsapertur unter Ver- darstellen.solution with small irradiation aperture under display.

Wendung des Phasenkontrasteffektes durchzuführen. 5 Verständlicherweise ist der in F i g. 2 wiedergegebenePerform reversal of the phase contrast effect. 5 Understandably, the one in FIG. 2 reproduced

Die Objekteinzelheiten, gekennzeichnet durch die im Zusammenhang rotationssymmetrisch zum Primär-Objekt vorhandene Potentialverteilung, beeinflussen strahl zu denken.The object details, characterized by being rotationally symmetrical in relation to the primary object existing distribution of potential, influence beam thinking.

überwiegend die Phase der einfallenden Wellen. Für Die Erfindung betrifft ein 'Korpuskularstrahlgerät die theoretische Behandlung der dabei auftretenden für Phasenobjekte, insbesondere ein Elektronen-Vorgänge ist es vorteilhaft, sich das Objekt nach io mikroskop, mit einer eine Wellenaberration ver-Fourier aus sinusartigen Phasengittern verschie- ursachenden Objektivlinse und einer vorzugsweise in denster Ortsfrequenzen zusammengesetzt zu denken : der hinteren Brennebene derselben angeordneten, die und die Abbildung jeweils einer bestimmten Orts- Phase der im Objekt gebeugten Korpuskularstrahlen frequenz zu betrachten. Ein schwaches cosinus- schiebenden Folie. Dieses Korpuskularstrahlgerät ist förmiges Phasengitter gibt Anlaß zu zwei symmetrisch 15 erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die zur Einstrahlrichtung liegenden gebeugten Strahlen, phasenschiebende Wirkung Φ der Folie, bezogen auf die gegenüber dem Primärstrahl eine Phasenver- die Phase des Primärstrahles, sich mit dem radialenpredominantly the phase of the incoming waves. For the invention, a 'corpuscular beam device relates to the theoretical treatment of the occurring for phase objects, in particular electron processes, it is advantageous to look at the object according to the microscope, with an objective lens that causes a wave aberration of sinusoidal phase gratings and a preferably in To think of the most spatial frequencies as a composite: the rear focal plane of the same, to consider the and the image in each case of a specific spatial phase of the frequency of the corpuscular rays diffracted in the object. A weak cosine-shifting slide. This corpuscular beam device is shaped phase grating gives rise to two symmetrical 15 according to the invention characterized in that the diffracted beams lying to the direction of irradiation, phase-shifting effect Φ of the film, based on the phase of the primary beam compared to the primary beam, is different from the radial

,., λ ,. „ ι ι * ui U ι- \ u Abstand r rt O von diesem unter Berücksichtigung ,., λ,. „Ι ι * ui U ι- \ u Distance r rt O from this, taking into account

siebung _T (A = Korpuskularstrahlweuenlange) be- ^ _{der ö}£_{nungsfehlerkonstanten der} objektivlinsescreening _T (A = Korpuskularstrahlweuenlange) loading _the ^ _ö £ _{voltage constant error of the} objective lens

sitzen. Zur kontrastreichen Abbildung der betrachteten 20 proportionalen ersten Konstante A und einer einersit. For the high-contrast image of the 20 proportional first constant A and one one

Ortsfrequenz muß diese Phasenverschiebung durch das etwa vorhandenen Defokussierung proportionalenSpatial frequency must be proportional to this phase shift due to any defocusing that may be present

abbildende System rückgängig gemacht werden. zweiten Konstante B zumindest ungefähr gemäß derimaging system can be reversed. second constant B at least approximately according to FIG

Es ist bereits bekanntgeworden, eine phasen- Beziehung ..
schiebende Folie in der hinteren Brennebene derIt has already become known that a phase relationship.
sliding film in the rear focal plane of the

Objektivlinse so anzuordnen, daß der Primärstrahl 25 φ₊ = [rt + — \λ — (— Ar*+ Br²) n\ To arrange the objective lens so that the primary beam 25 φ ₊ = [ rt + - \ λ - (- Ar * + Br ² ) n \

keine Phasenverschiebung erfährt, dagegen die phasen- \ 4 /
schiebende Folie allen abgebeugten Strahlen eineexperiences no phase shift, but the phase \ 4 /
pushing foil one of all diffracted rays

™ , . , λ ... ,. ~ „. ,. für positiven Phasenkontrast und™,. , λ ... ,. ~ ". ,. for positive phase contrast and

Phasenverschiebung um. -j vermittelt. Der Strahlen- * Phase shift by. -j mediates. The Radiation *

gang beispielsweise eines Elektronenmikroskops zur 30 / 3\for example, an electron microscope to 30/3 \

Untersuchung eines Phasenobjektes in Verbindung Φ_ = In + - Λ - (-Λ/·⁴ + 5r²) (2)Investigation of a phase object in connection Φ_ = In + - Λ - (-Λ / ⁴ + 5r ² ) (2)

mit einer derartigen phasenschiebenden Folie ist in ^ ' with such a phase-shifting film is in ^ '

F i g. 1 schematisch dargestellt. Der von einem nichtF i g. 1 shown schematically. Not one of them

gezeigten Strahlerzeugungssystem emittierte Elek- für negativen Phasenkontrast ändert, worin λ dieshown beam generating system emitted elec- for negative phase contrast changes, where λ the

tronenstrahl e fällt auf das Objekt O, wo durch 35 Wellenlänge der Korpuskeln, η eine positive oderelectron beam e falls on the object O, where by 35 wavelength of the corpuscles, η a positive or

Beugung ein Primärstrahl ρ und gebeugte Strahlen b negative ganze Zahl,Diffraction a primary ray ρ and diffracted rays b negative integer,

erzeugt werden. Die Beugungsbilder werden durch die .be generated. The diffraction patterns are created by the.

Objektivlinse L, von der in F i g. 1 lediglich sehe- ^ = ° und B = Objective lens L, of which FIG. 1 only see- ^ = ° and B =

matisch die Linsenebene dargestellt ist, in der hinteren 4 /⁴ 2 /² matically the lens plane is shown in the rear ^4/4 ^2/2

Brennebene Br der Linse L erzeugt. Sie durchsetzen 40The focal plane Br of the lens L is generated. They enforce 40

die dort angeordnete Folie F und erleiden dadurch sind; hierbei ist Ca die Öffnungsfehlerkonstante derthe film F arranged there and suffer as a result; here Ca is the opening error constant of

gegenüber dem Primärstrahl, der durch eine Aus- Objektivlinse, /die Objektivbrennweite und AF diecompared to the primary beam, which through an out objective lens, / the objective focal length and AF the

nehmung Fl in der Folie hindurchtritt, eine Phasen- Verschiebung des vorderen Brennpunktes der .Objek-Recognition Fl passes through the film, a phase shift of the front focal point of the .Objek-

verschiebung. Bei geeigneter Dicke der Folie beträgt tivlinse.shift. With a suitable thickness of the film is tivlinse.

j- r>u U-I. ■* joj-1- -u .L 45 Im Gegensatz zu der an Hand der Fig. 1 be-j- r> u U-I. ■ * joj-1- -u .L 45 In contrast to the one on the basis of FIG.

die Phasenverschiebung -r, so daß die obenerwähnte . ■ * i_ t * u i_-i_j -£,■■* the phase shift -r, so that the above-mentioned. ■ * i_ t * u i_-i_j - £, ■■ *

^e 4 ' schnebenen bekannten phasenschiebenden Folie ist ^e 4 'is a well-known phase-shifting film

Bedingung für die kontrastreiche Abbildung von bei der Erfindung also die phasenschiebende Wirkung Phasenstrukturen auf dem Leuchtschirm S erfüllt ist. der Folie an den in F i g. 2 dargestellten Verlauf der Die genannte Folie läßt die Bildfehler des Objektivs Wellenaberration der Objektivlinse derart angepaßt, außer Betracht und ist daher nur sehr beschränkt 50 daß unter Berücksichtigung der Eigenschaften der wirksam. Es hat sich nämlich gezeigt, daß die Objektiv- Objektivlinse sämtliche gebeugten Strahlen die erlinse beispielsweise eines Elektronenmikroskops ohne- forderliche Drehung ihrer Phase erfahren, während der hin eine Phasenbeeinflussung der gebeugten Strahlen Primärstrahl in seiner Phase unverändert bleibt,
vornimmt. Dieses Verhalten wird durch den Begriff Es ist bereits bekanntgeworden, einer Objektivlinse der Wellenaberration beschrieben. Wie Untersuchungen 55 eine aus abwechselnd aufeinanderfolgenden korpusgezeigt haben, ist die Wellenaberration — gekenn- kularstrahldurchlässigen und korpuskularstrahl zeichnet durch die Phasenverschiebung, die die durchlässigen Bereichen aufgebaute Blende zuzuordnen, Strahlen beim Durchsetzen des Objektivs erleiden — die lediglich Wellen gleicher Phase für die BiIdkeine Linsenkonstante. Sie ist vielmehr gemäß Fig. 2, entstehung wirksam werden läßt. Während bei dieser die die Wellenaberration W(r) mit der Objektiv- 60 bekannten Anordnung jedoch eine Unterdrückung erregung als Parameter in Abhängigkeit von dem (Ausblendung) derjenigen Strahlen erfolgt, die nicht radialen Abstand r vom Primärstrahl in der hinteren der vorbeschriebenen Phasenbedingung genügen und Brennebene wiedergibt, sowohl eine Funktion des Ab- demgemäß ein Verlust einzelner Ortsfrequenzbereiche Standes r als auch der jeweiligen Obj;ktiverregung. Die in Kauf genommen werden muß, bewirkt die phasenverschiedenen Kurven geben nämlich den Zusammen- 65 schiebende Folie bei der Erfindung keine Unterhang von W(f) und r für verschiedene Fokussierungen drückung dieser Strahlen, sondern teilt diesen durch gemäß der Beziehung Phasenverschiebung die für die Bildentstehung er- W(f) = — An + Br² + höhere Glieder forderliche Phase zu.Condition for the high-contrast imaging of the invention, that is, the phase-shifting effect of phase structures on the luminescent screen S is fulfilled. the film to the in F i g. 2 shown course of the said film allows the aberrations of the objective wave aberration of the objective lens so adapted, out of consideration and is therefore only very limited 50 that taking into account the properties of the effective. This is because it has been shown that the objective-objective lens experience all the diffracted rays, for example an electron microscope, without any necessary rotation of their phase, while the phase influencing of the diffracted rays of the primary beam remains unchanged in its phase,
undertakes. This behavior is described by the term It has already become known, an objective lens of wave aberration. As examinations 55 have shown one of alternating corpus, the wave aberration - characterized by the phase shift which the transparent areas are assigned to the diaphragm and which rays undergo when passing through the lens - is the only waves of the same phase for the image - no lens constant. Rather, it is according to FIG. 2, the emergence can be effective. While in this arrangement, the wave aberration W (r) known with the objective 60, a suppression excitation takes place as a parameter depending on the (fading out) of those rays that do not meet the radial distance r from the primary ray in the rear of the phase condition described above and focal plane represents both a function of the distance thus a loss of some spatial frequency regions prior r and the respective Obj; ktiverregung. This has to be taken into account, causes the phase-different curves to give the pushing-together film in the invention no underhang of W (f) and r for different focussing of these rays, but divides this by according to the phase shift relationship that is necessary for the formation of the image er W (f) = - An + Br ² + higher links required phase.

Die Herstellung einer derartigen phasenschiebenden Folie kann beispielsweise so erfolgen, daß auf einen dünnen, korpuskularstrahldurchlässigen Träger mit einer Ausnehmung in der Mitte eine phasenschiebende Schicht aufgedampft wird.Such a phase-shifting film can be produced, for example, in such a way that on one thin, corpuscular beam permeable carrier with a recess in the middle a phase-shifting Layer is evaporated.

Die Wirkung der vorgesehenen phasenschiebenden Folie ist ebenfalls aus dem Diagramm nach F i g. 2 ersichtlich.The effect of the phase-shifting film provided is also shown in the diagram according to FIG. 2 evident.

Es werde angenommen, daß das Objektiv infolge entsprechender Erregung eine der Kurve α folgende Wellenaberration W(r) besitzt. Damit die erforderlicheIt is assumed that the objective has a wave aberration W (r) following the curve α as a result of corresponding excitation. So that the required

Phasenverschiebung -j- erhalten wird und demgemäß hinter dem Objektiv alle Strahlen gleichphasig sind, ist es demgemäß erforderlich, die phasenschiebende Folie so auszulegen, daß ihre phasenschiebende Wirkung durch den in F i g. 2 schraffiert angedeuteten Bereich gegeben ist.Phase shift -j- is obtained and accordingly Behind the lens all rays are in phase, it is accordingly necessary to use the phase-shifting film to be interpreted in such a way that their phase-shifting effect by the in F i g. 2 hatched area given is.

Bei abbildenden Linsensystemen, die außer der Objektivlinse noch weitere Linsen enthalten, kann die -20 phasenschiebende Folie gegebenenfalls einer der anderen Linsen zugeordnet werden.In the case of imaging lens systems that contain additional lenses in addition to the objective lens, the -20 phase-shifting film may be assigned to one of the other lenses.

Die phasenschiebende Folie kann durch eine andere Dimensionierung auch für die kontrastreiche Abbildung von Amplitudenobjekten geeignet gemacht werden. Ihre Phasenschiebung hat dann den zu (1) und (2) analogen BeziehungenThe phase-shifting film can also be used for high-contrast imaging through a different dimensioning of amplitude objects can be made suitable. Your phase shift then has to (1) and (2) analog relationships

Φ+ = η λ — (—An + Br²) + höhere Glieder
für positiven Kontrast oder Φ + = η λ - (- An + Br ² ) + higher terms
for positive contrast or

φ_ = L + —\λ - (-An+Br²) + höhere Gliederφ_ = L + - \ λ - (-An + Br ² ) + higher terms

für negativen Kontrast zu genügen. Ein mit einer derartigen Folie ausgerüstetes Objektiv besitzt keinen Öffnungsfehler, was bei rotationssymmetrischen, raumladungsfreien und zeitlich konstanten Linsen grundsätzlich nicht möglich ist.suffice for negative contrast. An objective equipped with such a film does not have any Opening errors, which is the case with rotationally symmetrical, space charge-free and lenses that are constant over time are generally not possible.

Claims

Patent claims:

1. Corpuscular beam device for phase objects, in particular electron microscope, with an objective lens causing a wave aberration and a preferably arranged in the rear focal plane of the same, the phase of the diffracted corpuscular beam in the object pushing film, characterized in that the phase-shifting effect Φ of the film, based on the phase of the Primary beam, at the radial distance r φ 0 from this, taking into account a first constant A proportional to the aperture error constants of the objective lens and a second constant B proportional to any defocusing present, at least approximately in accordance with the relationship

φ₊ — I_n + 1\a - (-Ar¹ + Br²) φ ₊ - I _n + 1 \ a - (-Ar ¹ + Br ² )

for positive phase contrast or

φ_ ₌ L ₊iy -(-An + Br²) φ_ ₌ L ₊ iy - (- An + Br ² )

for negative phase contrast changes, where λ is the wavelength of the corpuscles, η is a positive or negative integer,

A =

C₀ C ₀

_4/4 _4/4

and B =

AFAF

are; where Cö is the aperture error constant of the objective lens, / is the objective focal length and AF is the shift of the front focal point of the objective lens.

2. Corpuscular beam device for amplitude objects, in particular an electron microscope, with an objective lens causing a wave aberration and a preferably arranged in the rear focal plane of the same, the phase of the diffracted corpuscular beams in the object pushing film, characterized in that the phase-shifting effect Φ of the film, based on the phase of the primary beam, at the radial distance r φ 0 therefrom, taking into account a first constant A proportional to the aperture error constants of the objective lens and a possible defocusing proportional second constant B at least approximately according to the relationship

for positive contrast or

Φ_ = (η + - ^ - (- An + Br ² )

for negative contrast changes, where λ is the wavelength of the corpuscles, η is a positive or negative integer,

Cö, _ AF A - and B =

_4/4 _4/4

are; where Cö is the aperture error constant of the objective lens, / is the objective focal length and ZlF is the shift of the front focal point of the objective lens.

1 sheet of drawings