DE1564658B2 - Verfahren zur fokussierung der objektivlinse eines korpus kularstrahlmikroskops insbesondere eines elektronenmikros kops - Google Patents

Description

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τ^· c r,r,,htnv betrifft ein Verfahren zur Fokussie- kularstrahls rechnerisch ermittelten Raumfrequenzen Die Y^hna ₍j£-i_vuvlimu ei.ces Korpuskularstrahl- auftreten.

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^rU-L·⁸ Vm in"b~>ondere eines Elektronenmikro- Unter den Raumfrequenzen werden dabei diejeni-

mikrosKop.., -■ ^^ _ßjj_deben·; objektseitig zugeord- gen Frequenzen verstanden, die in Anwendung der

^S t Foku^ie^un^sebenc, die in einem vorbestimm- 5 Fourier-Zerlegung den Verlauf des räumlichen Po-

♦ δη tan'rJ Λ ζ ?* OJ ^{wm r}^^bJ^{ekt 1ιε}^· tentials im Präparat beschreiben. Zeitfrequenzen sind

et bekannt, bei korpuskularstrahloptischen dagegen in üblicher Weise diejenigen Frequenzen,

_Tr u „.„'-n f'iso beispielsweise solchen in einem die in Anwendung der Fourier-Zerlegung auf eine

Untersuchung,- J _{dünnen Objekten mit} Zeitfunktion diese beschreiben.

Ι α n"-rn« und kleiner Bestrahlungsapertur ₁₀ Die Erfindung macht zur Fokussierung, d.h. zur ]° L ,nVont^teffekt auszunutzen. Die Objekt- Einstellung eines für die Abbildung bestimmter den 1 n^^c"^r· _llf„_{n irn} Objekt eine Potentialverteilung Raumfrequenzen erforderlichen Abstandes Δ ζ, der einzelheiten ru - „_{end dic} phase der einfallenden auch den Wert Null haben kann, von der Tatsache hervor, cut *_{£s h&t sjch a]s zwec}kmäßig er- Gebrauch, daß eine eindeutige Zuordnung zwischen Wellen Dec» - ^ _vor]icgende räumliche Vertei- ₁₅ dem jeweiligen Abstand Λ ζ und den mit maximalem wiesen, die: im j,_{ütentja]s nac}h Fourier zu zer- Bildkontrast abgebildeten Raumfrequenzen, gegeben ung des inm. ^, _sinusartigen Phasengittern durch ihre Wellenlängen A, besteht. Es ist demnach legen una u* _R ^J _aumfrcquenz zusammengesetzt zu erforderlich, den Abstand Δζ, der in der Literatur verschieden^ ^ _Expcrirnent bestätigte Theo- auch als Defokussierung bezeichnet wird, im Hindenken. WC" _Fouricr__Konvonente d^^ ^ _auf diejenigen Objekteinzelheiten (Raumrie besagt, au» j ^_um]ichen Potentialverteilung eine frequenzen) zu wählen, die in dem Bild mit maxijekt ^vor.^1Icg^VV_tand/j7. unmittelbar vor oder hinter malern Kontrast enthalten sein sollen. Ebene im / ■> _{dnct wcr}dcn kann,, in der eine · £s j_st bereits ein Verfahren zur Scharfstellung des dem up]C£^l · °_iIung maximalen Kontrastes mit den Bildes eines Elektronenmikroskops bekannt, bei dem Stromdienii- ^^ Komponente entsteht. ₂₅ eine Relativbewegung zwischen dem Endbild und Weueniany. _{j](J mit} dem Objektiv treten zu- einem Elektronenauffänger erzeugt und hierdurch ru Ph'isenverschiebungen auf, welche die eine Zeile des Endbildes abgetastet wird (vgl. die satzlicne in _bü ._cdem gewählten Fokussie- deutsche Auslegeschrift 1108 347). Entsprechend Folge naoe , ■ _mchrcr(. getrennte Bänder von der Intensitätsverteilung im Bild längs dieser abgerungswert L^'',_{/ur BiIdstrukt}ur beitragen. Daman _{30 tasteten} Zeile enthält das Ausgangssignal des bei-Raumfrequon/-^ _{nic|n a}„_e Raumfrequenzen spielsweise als Faraday-Käfig ausgebildeten Elektro-

btbt dij f

^_bbii(jun^ _{nic|n a} q spielsweise als FaradayKäfig a

somit bei ^üt- _kanil; j_st man bestrebt, diejenige nenauffängers sich periodisch ändernde Anteile, und

gleichzeitig lh ^^ einzustellen, bei der entweder j_m Bereich der höchsten Oberwellen liegende Fre-

Fokussierurife, b ^_hc Frequenzband oder für die je- quenzen werden über einen Schmalbandverstärker

das .^breI _T, :,' Jr_c|_iung geeignete Kombinationen von ₃₅ einem Anzeigeinstrument zugeführt. Die Nachrege-

weihge V"}.'. abgebildet werden. Hierzu muß lung der Fokussierung der Objektivlinse erfolgt so

Frequenzöanc ^ _KorpUskularstrahlmikroskops lange, bis das Anzeigeinstrument maximale Ampli-

die ObjcKuv' _{n>iu! kcjt von} einigen nm auf eine tuden anzeigt. Abgesehen davon, daß zur Durchfüh-

mit einer 1 ·■ _wcrdcn, die in einem definierten rung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine zwei-

Ebene toKiihh _cntwcder oberhalb oder unterhalb 40 dimensionale Abtastung des gespeicherten Bildes

kleinen Absui _{Dicscr Abstand} liegt etwa im speziell mittels eines Elektronenstrahles vorgenom

_cntwcder ober 4 dimensionale Abtastung des gespeicherten Bildes kleinen Absui _{Dicscr Abstand} liegt etwa im speziell mittels eines Elektronenstrahles vorgenomdcr ObjcKicoc ^ J_nigcn 1000 nm. Die Einstellung men wird, dagegen bei dem bekannten Verfahren Bereich von . _ic]j_er Beobachtung der Bildstruk- eine linienförmige Abtastung des Momentanwertes allein unter ^ ^ _vcrfoi_gtcn Zweck nicht exakt der Stromdichteverteilung im Bild unter Verwendung türen ist 111 _{45 einer} Relativbewegung zwischen Endbild und Elekgenug._ _ Hinblick auf die Kleinheit dieser Ab- tronenauffänger, besteht der weitere Unterschied, a 1 nicht möglich, beispielsweise den Ein- daß das bekannte Verfahren nicht den bei der Erstände aucn _{ßrrcgcrstrom} der Objektivlinse im findung verwendeten eindeutigen Zusammenhang steller tür _clc|_a^_omag_nctisclicn Linse in für alle zwischen der kontrastreichen Abbildung bestimmter Falle ^cinc^ ocltendcn Absolutwerten des Ab- _So Raumfrequenzen und der jeweiligen Fokussierung UntersuciHu.b b^ _{da dic Lagc des} Objektes von ausnutzt. Das bekannte Verfahren gestattet demnach Standes Λ ζ '■ Untersuchung gewissen, wenn auch nicht, eine im Hinblick auf die Abbildung bestimm-Untersucnui b - .^ _axiaIer Richtung unterwor- ter Raumfrequenzen gewählte Fokussierung der Obkleincn Abwo.ciun _k jektivlinse genau einzustellen.

fen sein ^Ka' . _n„_sgcmäße Verfahren zur genauen 55 Die Umsetzung der Raumfrequenzen in Zeitfre-Das cm b· _obj_ektivlinsc ist zur Lösung des quenzen ist dabei ein durch die heutigen Möglich-Fokussicrimt _b,_{cms dahcr} dadurch gekennzeich- ketten erforderliches Merkmal zur Analyse der vorstenencu. _Abtastcn der Strukturen des von der Raumfrequenzen. Die Umsetzung kann fortfallen, net, da» cm ^ gegebenenfalls weiterer Linsen sobald die Technik Möglichkeiten zur unmittelbaren Objektiviin.L· _incr signaiplnttc gespeicherten Bildes 60 Analyse der Raumfrequenzen in einem Korpuskularentworten, vu _{miucls eincs} Elektronenstrahls die strahlgerät geschaffen hat.

des °J?^J?'[|"_icwci|_s in das Bild übertragenen Aus- Eine extrem genaue Fokussierung ist beispielsvom Ubjtk j _RaunlfrcquCnzspektrum des Objek- weise dann erforderlich, wenn Korrekturelemente schnitte au. _{>nzcn umgC}setzt und analysiert wer- für Linsensysteme nach Hoppe angewendet wertes in Z-CiU 1 _{Errc ung dcr} Objektvilinse so lange 65 den sollen. Derartige Korrekturelemente bestehen den unü um ^ .^ _{Bi]d dic dem gew}ünschten bekanntlich aus einer Blende mit abwechselnd aufverancicit \ ' _{dnclcn aus} dem öffnungsfehler einanderfolgenden elektronendurchlässigen undelekd Ob cktivUnso und der Wellenlänge des Korpus- tronenundurchlässigen Bereichen solcher Dimensio-

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nierung, daß nur bestimmten Phasenbedingungen ge- Bezugswert die Erregung der Objektivlinse um den nügende Wellen zur Bildentstehung beitragen kön- zur Einstellung der gewünschten Fokussierung erfornen. Da demgemäß bei Verwendung nur einer dieser derlichen Betrag geändert wird.
Korrekturblenden eine Anzahl von Bildeinzelheiten Diese Variante ermöglicht also, unter Vermeidung infolge Unterdrückung der ihnen zugeordneten / einer nur ungenau durchführbaren meßtechnischen Raumfrequenzen durch die Blende nicht im elek- Ermittlung der den Scheitelpunkt S₀ (oder im Kurtronenoptischen Bild wiedergegeben wird, ist bereits venverlauf ähnlich liegender Werte) bestimmenden vorgeschlagen worden, mehrere dieser Korrektur- Größen, diesen Punkt in der Weise genau einzustellenden nacheinander zur Gewinnung eines Bildes len, daß zunächst ein durch die bei ihm auftretenden der Objektstruktur zu verwenden, wobei die verschie- io Raumfrequenzen A eindeutig gekennzeichneter Wert denen Korrekturblenden derart unterschiedlich be- der Defokussierung Δ ζ, beispielsweise bei 400 nm, messen und die Linsenerregungen beim Einsatz der eingestellt und dann der Linsenstrom derart geändert verschiedenen Blenden so unterschiedlich gewählt wird, daß die gewünschte Fokussierung, im Beispiel sind, daß bei Verwendung der einzelnen Korrektur- bei S₀, erreicht wird. Dabei dient der Wert des Linblenden jeweils von den anderen Korrekturblenden 15 senstromes bei dem Bezugswert der Defokussierung unterdrückte Raumfrequenzen abgebildet werden. als Ausgangswert; die zum Erreichen der gewünsch-

Es ist ohne weiteres einzusehen, daß bei der An- ten Fokussierung erforderliche Änderung des Linsenwendung dieser modernen Technik zur Verbesse- stromes läßt sich als Funktion der Abstände Δ ζ rung der Bildqualität die zu erfassenden Raum- leicht für die Linse ermitteln. Für bestimmte Befrequenzen mit größtem Kontrast abgebildet und 20 reiche kann der Stromeinsteller eine Eichung in nm demgemäß die zugehörigen Defokussierungen. mit tragen,
größter Genauigkeit eingestellt werden müssen. Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete

Fig. 1 zeigt den theoretisch ermittelten und durch Anordnung kann in der Weise arbeiten, daß die in das Experiment bestätigten Zusammenhang zwischen Zeitfrequenzen umgesetzten Raumfrequenzen beiden mit maximalem Kontrast abgebildeten rezipro- 25. spielsweise einem als Analysator dienenden Filter mit ken Raumfrequenzen A und dem Abstand Δ ζ der Durchlaßbereichen für diejenigen Raumfrequenzen Fokussierungsebene von der Objektebene für eine zugeführt werden, die bei der gewünschten Fokussiebestimmte Objektivlinse. Als Eigenschaft der jeweili- rung bzw. bei dem als Bezugswert dienenden Abgen Linse geht nämlich der öffnungsfehler C₀ in die stand Δ ζ vom Objektiv mit Kontrast übertragen hierfür maßgebende Beziehung 30 werden. Nachgeschaltet kann eine Anzeigevorrichtung für die Frequenzen sein, die das Erreichen der -1/2 gewünschten Fokussierung bzw. des Bezugswertes zu kontrollieren gestattet.

Es ist jedoch auch möglich, eine automatische 35 Fokussierung durchzuführen, indem man beispielsein, in der λ die Wellenlänge der Korpuskularstrah- weise über frequenzselektive Verstärker einen einen lung, also eine durch die Strahlspannung des Mikro- Stromeinsteller für die Objektivlinse betätigenden skops bestimmte Größe, und η eine positive oder Servomotor stillsetzt, sobald der Motor die für die negative ganze Zahl, den Wert Null eingeschlossen, gewünschte Fokussierung bzw. die für die den Bedarstellen. 40 zugsabstand liefernde Fokussierung erforderliche Er-

Wie das Diagramm nach Fig. 1 erkennen läßt, regung der Objektivlinse eingestellt hat. Sobald also ist jedem Wert von Δ ζ ein bestimmtes Frequenzspek- die der gewünschten Fokussierung bzw. dem Bezugstrum eindeutig zuordnet, so daß umgekehrt auch aus abstand zugeordneten Raumfrequenzen im Bild aufdem Auftreten eines bestimmten Raumfrequenzspek- treten, gibt der Verstärker ein Kommando zum Stilltrums eindeutig auf eine bestimmte Defokussierung 45 setzen des Servomotors, z. B. über ein den Strom- Δ ζ geschlossen werden kann. kreis desselben unterbrechendes schnellarbeitendes

Häufig liegt die gewünschte Fokussierung in dem Relais.

Bereich um den Scheitel S₀, so daß der vorliegende Es ist aber auch möglich, nach Erreichen des Be-Abstandswert Δ ζ infolge des schleifenden Schnittes zugswertes von Δ ζ in irgendeiner Weise nunmehr mit der entsprechenden Ordinatenlinie aus der Kurve 50. durch Tastendruck auf den Linsenstromeinsteller für n=O und den hier ebenfalls einen wenig charak- einen vorher gespeicherten Befehl zu geben, der beiteristischen Verlauf aufweisenden Kurvenästen für spielsweise durch einen nach Amplitude oder Zeitpositive Werte von η nur ungenau bestimrr>bar ist. dauer im Hinblick auf die erforderliche Änderung Eine insbesondere für diesen Fall mit Vorteil zu ver- der Linsenerregung bemessenen Stromimpuls realiwendende Variante des Verfahrens zeichnet sich da-. 55 siert ist.

durch aus, daß für die jeweilige Objektivlinse theo- Wenn auch bisher und in den folgenden Ausführetisch der zahlenmäßige Zusammenhang zwischen rungen von einer mit einem Erregerstrom arbeitendem Abstand Δ ζ der Fokussierungsebene von der den, d. h. elektromagnetischen Objektivlinse die Objektebene einerseits und den Wellenlängen A der Rede ist, läßt sich die Erfindung doch auch bei elekbei den verschiedenen Fokussierungen abgebildeten 60 trostatischen Linsen anwenden, bei denen die Span-Raumfrequenzen andererseits ermittelt wird, also bei nung an Stelle des Stromes verändert werden muß. Verwendung der oben zitierten Gleichung das Dia- .. Es kann zweckmäßig sein, als Objekt für die Eingramm nach F i g. 1 zumindest in bestimmten Berei- stellung der Fokussierung nicht ein im Mikroskop chen gezeichnet wird; daß ferner eine Fokussierung zu untersuchendes Material, sondern — falls voreingestellt wird, bei der aus dem ermittelten zahlen- 65 handen — eine dieses Material tragende Objektträmäßigen Zusammenhang der zugeordnete Abstand ger'folie zu verwenden, da bekanntlich in solchen Δ ζ mit großer Genauigkeit entnehmbar ist, und daß Trägerfolien mit Sicherheit alle Raumfrequenzeri schließlich unter Verwendung dieses Abstandes als enthalten sind.

_Λ = _X\L_±(

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Verursachen die Objektivlinse oder im Mikroskop Eine Einrichtung, die die Verwendung derselben vorhandene Blenden einen Astigmatismus endlicher Fernseheinrichtung sowohl zur Stigmatoreinstellung Größe, so macht sich dieser bekanntlich in der als auch zur genauen Fokussierung der Objektivlinse Weise bemerkbar, daß die Fokussierung der Linse gestattet, zeichnet sich dadurch aus, daß das Abbei demselben Erregerstrom in zwei zueinander senk- 5 lenksystem der Fernseheinrichtung mit dem Ausrechten Richtungen unterschiedlich ist. Diese Tat- gangssignal einer Mischstufe gespeist ist, deren einer sache ist verständlicherweise bei dem hier behandel- Eingang mit einem Ablenkgenerator verbunden und ten Problem der genauen Fokussierung der Objek- deren anderer Eingang zur Stigmatoreinstellung mit tivlinse auf eine Ebene von Bedeutung, zumal hier einem Drehfelderzeuger verbindbar ist.
Differenzen in der Größenordnung von nm eine Rolle io Soll auch die Stigmatoreinstellung automatisiert spielen können. In Weiterbildung der Erfindung wird werden, so kann man den Frequenzanalysator auch daher vorgeschlagen, daß vor der Einstellung der mit einem Servomotor für die Stigmatoreinstellung gewünschten Fokussierung ein Stigmator für die Ob- verbinden.

jektivlinse auf optimale Astigmatismuskorrektur ein- Eine derartige Anordnung zeigt schematisch

gestellt wird. Derartige Stigmatoren und ihre Ein- 15 Fig. 2. Die einzelnen Bausteine enthalten, was als

stellmittel sind dem Fachmann auf diesem Gebiet in Vorteil der Erfindung zu werten ist, an sich bekannte

verschiedenartigen Ausführungen wohlbekannt, so Schaltungen, so daß diese in ihrem grundsätzlichen

daß hier auf ihre Beschreibung verzichtet werden Aufbau lediglich schematisch angedeutet sind,

kann. Es handelt sich in diesem Ausführungsbeispiel bei

Nach dieser von der Einstellung der Fokussierung 20 der einzustellenden Linse um die elektromagnetische erfolgenden Astigmatismusbeseitigung hat man also Objektivlinse 1 eines Elektronenmikroskops, die in im Idealfall in allen in einer Ebene senkrecht zur üblicher Weise unterhalb der Ebene 2 des von dem Achse des Korpuskularstrahlmikroskops liegenden Elektronenstrahl 3 beaufschlagten Objektes angeord-Richtungen dieselbe Fokussierung der Linse. Es ist net ist. Unterhalb der Objektivlinse 1 befindet sich jedoch auch möglich, den Stigmator für die Objek- 25 der ihr zugeordnete Stigmator 4, der in diesem Austivlinse erst nach Einstellung der gewünschten Fo- führungsbeispiel als elektromagnetischer Stigmator kussierung derselben auf optimale Astigmatismus- aus stromdurchflossenen Spulen aufgebaut sein möge, korrektur einzustellen. Man muß dann dafür sorgen, Der Abbildungsteil des Mikroskops enthält ferner daß die eingestellte (gewünschte) Fokussierung in die Projektivlinse 5 und unter dieser in diesem Auseiner Richtung erhalten bleibt und die Fokussierung 30 führungsbeispiel einen Durchsichtleuchtschirm 6. in der dazu senkrechten Richtung durch die Einstel- Das auf diesem Leuchtschirm 6 entworfene Bild gelung des Stigmators der Fokussierung in der erst- langt über die zur optischen Ankopplung dienende genannten Richtung angeglichen wird. Tandemoptik 7 zur Signalplatte 8 der Fernsehein-

Zur Abtastung der Bildstrukturen und damit zur richtung 9 ist mit 10 bezeichnet; es wird über die

Umwandlung der Raumfrequenzen in Zeitfrequenzen 35 Mischstufe 11, auf deren Bedeutung noch einzugehen

wird man bei der bevorzugten Ausführungsform der ist, von dem Ablenkgenerator 12 mit Zeilenablenk-

Erfindung eine Fernseheinrichtung verwenden, deren impulsen beaufschlagt.

Videosignal die durch die Umwandlung gewonnenen Betrachtet man zunächst den Fall der Einstellung

Zeitfrequenzen enthält und an den Analysator ab- der Fokussierung der Objektivlinse 1, so ist der

gibt. Die Abtastung erfolgt dabei in üblicher Form 4° Schalter 51 geöffnet und demgemäß der Drehfeld-

zeilenweise, d. h., das Ablenksystem der Fernsehein- erzeuger 13 von dem einen Eingang der Mischstufe

richtung ist mit einem Zeilenablenkgenerator ver- 11 abgeschaltet. Entsprechend der durch die dann

bunden. . rein zeilenmäßig erfolgende Abtastung ermittelten

Diese Fernseheinrichtung kann man zugleich zur Stromdichteverteilung in der Endbildebene 6 enthält Einstellung des Stigmators auf optimale Astigmatis- 45 das Videosignal zeitfrequente Anteile, die den im muskorrektur verwenden, wenn man gemäß einem Endbild enthaltenen Raumfrequenzen entsprechen, früheren Vorschlag die Bildstrukturen mit der Fern- Diese Anteile gelangen nach Vorverstärkung in dem seheinrichtung wiederum zeilenweise abtastet, aber Vorverstärker 14 zu dem Analysator 15, der in diedas Zeilensystem der Einrichtung mit einer solchen sem Ausführungsbeispiel ein Schmalbandverstärker Geschwindigkeit rotieren läßt, daß es in der für meh- 5° ist. Es kann sich dabei aber auch um eine andere rere Bildabtastungen erforderlichen Zeit eine Um- Filteranordnung, gegebenenfalls auch unter Verwendrehung vollführt; die Einstellung des Stigmators dung eines Tonfrequenzgenerators, handeln, wobei wird dann verändert, bis ein ausgefilterter hochfre- die Durchlaßbereiche so gewählt sind, daß die der quenter Anteil des Videosignals eine zeitlich zumin- gewünschten Fokussierung, d. h. dem gewünschten dest ungefähr konstante Amplitude besitzt. Dabei 55 Abstand Az, zugeordneten Raumfrequenzen bei wird von der Tatsache ausgegangen, daß im Falle ihrem Auftreten durchgelassen werden,
eines endlichen Astigmatismus im Bild unterschied- Bei der betrachteten Einstellung der Fokussierung liehe Defokussierungen in zueinander senkrechten hat der Schalter 52 die dargestellte Lage, so daß die Richtungen vorliegen. Dies hat zur Folge, daß in die- durchgelassenen Frequenzen nach Gleichrichtung in sen Richtungen unterschiedliche Raumfrequenzen ⁶° der Gleichrichteranordnung 16 der Servosteuerung auftreten. Tastet man das Bild zellenförmig unter 17 zugeführt werden, die das Arbeiten des mit Po-Drehung des Zeilensystems ab und filtert man einen tentiometern ausgerüsteten Linsenstromeinstellers 18 Frequenzanteil des Videosignals aus, so enthält die- für die Objektivlinse kontrolliert. In dem dargestellser bei einem endlichen Astigmatismus zeitliche ten Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß beim Schwankungen seiner Amplitude, die mit verschwin- 65 Erreichen des gewünschten Abstandes Δ ζ infolge dendem Astigmatismus ebenfalls verschwinden. Man Auftretens vorgewählter Raumfrequenzen, die in kann auch beide Einstellvorgänge gleichzeitig vor- Gestalt der ihnen entsprechenden Zeitfrequenzen nehmen. nach Gleichrichtung an das Relais 17 a gelangen,