DE1588707B1

DE1588707B1 - CONTROL AND REGULATING DEVICE FOR THE LENS CURRENT OF ELECTRON MICROSCOPES

Info

Publication number: DE1588707B1
Application number: DE19671588707
Authority: DE
Inventors: Albrecht Dr Engel
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1967-03-31
Filing date: 1967-03-31
Publication date: 1971-12-30

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuer- und Regeleinrichtung für den in elektromagnetische Linsen von Elektronenmikroskopen eingespeisten Strom, mit einer für unterschiedliche Fokussierungen einstellbaren Vergleichsspannungsquelle, einem vom Linsenstrom durchflossenen Meßwiderstand und einem den Linsenstrom regelnden Stellglied, das in Abhängigkeit von der am Meßwiderstand abgegriffenen Spannung und der Vergleichsspannung gesteuert ist.The invention relates to a control and regulating device for the current fed into electromagnetic lenses of electron microscopes, with a comparison voltage source that can be set for different focussing, a measuring resistor through which the lens current flows and one which regulates the lens current Actuator that depends on the voltage tapped at the measuring resistor and the comparison voltage is controlled.

An die Konstanz der Linsenströme werden bei Elektronenmikroskopen hohe Anforderungen gestellt, damit die einmal eingestellte Fokussierung auch über längere Zeiträume genau erhalten bleibt; dies ist beispielsweise für die Herstellung fotografischer Aufnahmen des im Elektronenmikroskop erzeugten Bildes mit langzeitiger Belichtung erforderlich. Es wird häufig eine Konstanz des Stromes von bis 10-6 gefordert; dabei ist 4 J der Absolutwert der Schwankung des Stromes J.With electron microscopes, high demands are placed on the constancy of the lens currents, so that once the focus is set, it is precisely maintained over long periods of time; this is necessary, for example, for the production of photographic recordings of the image generated in the electron microscope with long-term exposure. It often becomes a constancy of the current of required until 10-6; where 4 J is the absolute value of the fluctuation of the current J.

Da nun in vielen Fällen die Untersuchung ein und desselben Objektes mit unterschiedlichen Beschleunigungsspannungen des Elektronenstrahles erwünscht ist, macht man die Beschleunigungsspannung wählbar. Die Änderung der Beschleunigungsspannung erfordert nun aber ihrerseits zur Aufrechterhaltung einer vorgewählten Fokussierung einen angepaßten Linsenstrom.Since now in many cases the investigation of one and the same object with different acceleration voltages of the electron beam is desirable the acceleration voltage can be selected. The change in accelerating voltage but now requires in turn to maintain a preselected focus an adjusted lens current.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es günstig ist, die Linsenstromänderungen durch eine Stelleinrichtung zu übertragen, derart, daß der Linsenstrom nicht in voller Größe auf die Verstellvorrichtung, z. B. einen Stellwiderstand, geführt wird.The invention is based on the knowledge that it is favorable that To transmit lens current changes by an actuator, such that the Lens current not in full size on the adjustment device, z. B. a variable resistor, to be led.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuer- und Regeleinrichtung der eingangs genannten ; Art anzugeben, die in einfacher Weise die Steuerung und Regelung des Linsenstromes in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Fokussierung und in Abhängigkeit von der Größe einer vorwählbaren Beschleunigungsspannung gestattet. Gemäß der Erfindung wird dies gelöst durch einen dem Stellglied vorgeschalteten Differenzverstärker, dessen einer Eingang ein aus der am Meßwiderstand abgegriffenen Spannung und der Vergleichsspannung gebildetes Eingangssignal erhält und dessen anderer Eingang mit der Spannung einer Bezugsspannungsquelle gespeist wird, die in unterschiedlichen Beschleunigungsspannungen des Elektronenmikroskops entsprechenden Stufen verstellbar ist.The invention is based on the object of a control and regulating device the one mentioned above; Specify the type that is easy to control and Regulation of the lens current as a function of a predetermined focus and depending on the size of a preselectable acceleration voltage. According to the invention, this is achieved by an upstream of the actuator Differential amplifier, one input of which is one from the one tapped at the measuring resistor Voltage and the reference voltage formed input signal receives and its other input is fed with the voltage of a reference voltage source that corresponding in different acceleration voltages of the electron microscope Levels is adjustable.

Bei der Erfindung wird ein für die notwendige Konstanthaltung des Linsenstromes geeigneter Stromregler benutzt, in dessen Steuerleitung die den unterschiedlichen Linsenströmen entsprechenden Signale eingespeist werden.In the invention, a necessary for keeping the constant Lens current suitable current regulator is used, in whose control line the different Lens currents corresponding signals are fed.

Mit der Erfindung ist die Bedienung eines Elektronenmikroskops vereinfacht, weil bei Änderung der Beschleunigungsspannung eine selbsttätige Anpassung des Linsenstromes erfolgen kann. Da der Linsenstrom nicht in voller Höhe über die Verstelleinrichtung fließt, können die vorgesehenen Verstellwiderstände mit vergleichsweise geringer Leistung (kleinere Bauformen) aufgebaut werden. Durch den geringen Arbeitsstrom läßt sich eine verbesserte Genauigkeit der Regeleinrichtung erzielen.The invention simplifies the operation of an electron microscope, because when the acceleration voltage changes, the lens current automatically adjusts can be done. Because the lens current is not fully over the adjustment device flows, the provided adjustment resistances can be comparatively lower Performance (smaller designs) can be built. Due to the low working current an improved accuracy of the control device can be achieved.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1172 370 ist eine Einrichtung zum Messen des spezifischen Widerstandes eines Längenabschnittes eines stabförmigen Halbleiterkörpers bekannt. Bei dieser Einrichtung ist ein vom Prüfstrom durchflossener Meßwiderstand vorgesehen, an dem eine Regelspannung für den konstant zu haltenden Prüfstrom abgegriffen wird. Diese Regelspannung wird mit der Spannung einer konstanten Bezugsspannungsquelle, die in Stufen vorwählbar ist, verglichen. Die bekannte Einrichtung ist zur Steuerung und Regelung des Linsenstromes in Elektronenmikroskopen in der mit der Erfindung angestrebten Weise nicht geeignet.A device for measuring the specific resistance of a length section of a rod-shaped semiconductor body is known from German Auslegeschrift 1172 370. In this device, a measuring resistor through which the test current flows is provided, at which a control voltage for the test current to be kept constant is tapped. This control voltage is compared with the voltage of a constant reference voltage source, which can be preselected in steps. The known device is not suitable for controlling and regulating the lens current in electron microscopes in the manner sought by the invention.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuer- und Regeleinrichtung sind die Einstellorgane der Vergleichs- und der Bezugsspannungsquelle mechanisch oder elektrisch gekoppelt.In an advantageous embodiment of the control according to the invention and control device are the setting elements of the comparison and reference voltage sources mechanically or electrically coupled.

Dabei können Abgriffe der Vergleichs- und der Bezugsspannungsquelle in jeweils einer Ebene eines gemeinsamen Schalters angeordnet sein. Die elektrische Kopplung ist beispielsweise über Relais, die Widerstände zu- und abschalten, möglich.Taps from the comparison and reference voltage sources can be used be arranged in one level of a common switch. The electric Coupling is possible, for example, via relays that switch resistors on and off.

An Hand der Zeichnung sind an sich bekannte Ausführungen von Steuer- und Regeleinrichtungen und eine Ausführungsform gemäß der Erfindung beschrieben und die Wirkungsweise erläutert.Based on the drawing are known versions of control and control devices and an embodiment according to the invention are described and how it works.

In F i g. 1 ist ein an sich bekannter Stromregler gezeigt. Der Strom J, der auf einem einstellbaren Wert konstant zu halten ist, durchfließt die Linsenwicklung L, beispielsweise der Objektivlinse eines Elektronenmikroskops. Die Linse L ist im Schaltbild der F i g. 1 durch ihren Gleichstromwiderstand angedeutet. In Reihe mit der Linsenwicklung L liegt ein Widerstand M, der den Meßwiderstand der das Stellglied S enthaltenden Regelanordnung darstellt. Die am Widerstand M abgegriffene Meßspannung wird mit der Spannung U1 einer als Batterie dargestellten Vergleichsspannungsquelle verglichen. Die Differenz der beiden Spannungen wird unter Verwendung eines Verstärkers V in eine dem Stellglied S zugeführte Stellgröße umgesetzt. Das Stellglied S enthält im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Triode, deren Gitterpotential durch die vom Verstärker Y abgegebene Differenzspannung entsprechend der Abweichung der Meßspannung vom Sollwert gesteuert wird. Dementsprechend verändert die Triode ihren Leitwert und damit den Strom J.In Fig. 1 shows a current regulator known per se. The current J, which must be kept constant at an adjustable value, flows through the lens winding L, for example the objective lens of an electron microscope. The lens L is in the circuit diagram of FIG. 1 indicated by their DC resistance. In row with the lens winding L is a resistor M, which is the measuring resistor of the actuator S containing control arrangement. The measuring voltage tapped at the resistor M. is with the voltage U1 of a reference voltage source shown as a battery compared. The difference of the two voltages is calculated using an amplifier V converted into a manipulated variable supplied to the actuator S. The actuator S contains In the illustrated embodiment, a triode whose grid potential is through the Differential voltage output by amplifier Y according to the deviation of the measuring voltage controlled by the setpoint. The triode changes its conductance accordingly and thus the current J.

Der Meßwiderstand M dient jedoch nicht nur zur Gewinnung der Stehgröße; er ist auch zur Grobeinstellung des Linsenstromes J stufenweise in seinem Widerstandswert veränderbar ausgebildet. Damit kann die Meßspannung (J - Rhs) verändert werden, d. h., es können mehrere verschiedene Linsenströme grob eingestellt werden. Da der Meßwiderstand M vom Linsenstrom durchflossen ist, wird er relativ niederohmig ausgeführt.The measuring resistor M is not only used to obtain the standing size; its resistance value is also designed so that it can be changed in stages for coarse adjustment of the lens current J. This allows the measurement voltage (J - Rhs) to be changed, ie several different lens currents can be roughly set. Since the measuring resistor M has the lens current flowing through it, it has a relatively low resistance.

Parallel zum Meßwiderstand M, der also den Grobeinsteller bildet, liegen in der Regel weitere Widerstände W in Reihen- und/oder Parallelschaltung, die als relativ hochohmige Widerstände eine Feineinstellung des Linsenstromes nach erfolgter Grobeinstellung, beispielsweise zur genauen Fokussierung der Linse L, ermöglichen.Parallel to the measuring resistor M, which thus forms the coarse adjuster, are usually further resistors W in series and / or parallel connection, which, as relatively high resistance, allow for fine adjustment of the lens current Coarse adjustment carried out, for example for precise focusing of the lens L, enable.

Wie bereits bemerkt, ist es bekannt, die Vergleichsspannungsquelle für die Erzeugung einer Spannung U1 stufenweise einstellbar auszubilden. Mit einer solchen Maßnahme ist die Möglichkeit gegeben, den Linsenstrom Jan die jeweils vorliegende Beschleunigungsspannung des Elektronenmikroskops anzupassen. Zu diesem Zweck kann diese Vergleichsspannungsquelle gemäß F i g. 2 aufgebaut sein. An der Reihenschaltung der Diode Z und des Widerstandes R liegt die Eingangsspannung U', so daß an den Widerständen.Y des Spannungsteilers jeweils konstante Spannungen liegen. An den Abgriffen zwischen den einzelnen Widerständen können dann konstante Spannungen U abgegriffen werden, die die Vergleichsspannung U1 im Falle der Anordnung nach F i g. 1 darstellen.As already noted, it is known to design the comparison voltage source for the generation of a voltage U1 so that it can be adjusted in steps. With such a measure there is the possibility of adapting the lens current Jan to the acceleration voltage of the electron microscope that is present in each case. For this purpose, this comparison voltage source can be used according to FIG. 2 be constructed. The input voltage U 'is applied to the series connection of the diode Z and the resistor R, so that constant voltages are applied to the resistors .Y of the voltage divider. Constant voltages U can then be tapped at the taps between the individual resistors, which correspond to the comparison voltage U1 in the case of the arrangement according to FIG. 1 represent.

Während also zur Anpassung des Linsenstromes J an die jeweils vorliegende Beschleunigungsspannung eine einstellbare- Vergleichsspaniiungsquelle Verwendun- finden kann. die nicht vom vollen Linsenstrom J durchflossen ist und einen hochohmigen Spannungsteiler enthalten kann, verwendet man für die Grobeinstellung des Linsenstromes J in Stufen einen stufenweise einstellbaren, relativ niederohmiaen Widerstand rkl, der zu-leich den Meßfühler des Regelkreises darstellt.So while to adapt the lens current J to the present Accelerating voltage an adjustable reference voltage source use Can be found. which is not traversed by the full lens current J and has a high resistance Voltage divider can be used for the coarse adjustment of the lens current J a step-by-step adjustable, relatively low-ohmic resistance rkl, which is also the sensor of the control loop.

Diese bekannte Anordnung kann den Nachteil zeigen, daß Veränderungen der Übergangswiderstände des Stufeneinstellers des Meßwiderstandes M. also des Grobeinstellers, infolge der Niederohmigkeit dieses Einstellers die Konstanz des Stromes J bearenzen. Das beruht darauf. daß diese Übergangswiderstände nicht vernachlässigbar gegenüber dem Widerstandswert des Grobeinstellers selber sind. Schwierig ist auch die Wärmeabfuhr bei einem stufenweise einstellbaren Widerstand zu erzielen.This known arrangement can show the disadvantage that changes the contact resistance of the step adjuster of the measuring resistor M. that is, of the coarse adjuster, Due to the low resistance of this adjuster, the constancy of the current J is limited. That is based on it. that these contact resistances are not negligible compared to the resistance value of the coarse adjuster itself. Heat dissipation is also difficult with a gradually adjustable resistance.

Die F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung. Hierbei ist eine VergleichsspannUnasquelle mit einer Spannung U2 und eine Bezugsspannungsquelle mit einer Spannung U3 verwendet, im übrigen sind gleiche Teile der Schaltung in den F i g. 1 bis 3 mit gleichen Bezugszeichen versehen.The F i g. 3 shows an embodiment according to the invention. A reference voltage source with a voltage U2 and a reference voltage source with a voltage U3 are used here; otherwise, identical parts of the circuit are shown in FIGS. 1 to 3 are provided with the same reference numerals.

Die beiden Spannungsquellen für die Spannungen U2. U3 sind einstellbar, die die Spannung U3 liefernde Bezugsspannungsquelle ist als Batterie B mit parallelgeschalteter, mehrere Abgriffe aufweisender Spannungsteileranordnung T angedeutet.The two voltage sources for the voltages U2. U3 are adjustable; the reference voltage source supplying the voltage U3 is indicated as a battery B with a voltage divider arrangement T connected in parallel and having several taps.

Der Meßwiderstand M ist hierbei nicht als in groben Stufen einstellbarer Teilbereichseinsteller, sondern als Feineinsteller, dem gegebenenfalls weitere Widerstände parallelgeschaltet sind, ausgebildet. Die Aufgabe der Teilbereichseinstellung, also der Grobeinstellung des Linsenstromes J, übernimmt die die Spannung U2 liefernde Vergleichsspannungsquelle, die entsprechend den gewünschten Teilbereichen stufenweise einstellbar ist.The measuring resistor M is not adjustable in coarse steps Subrange adjuster, but rather as a fine adjuster to which additional resistances may be required are connected in parallel, formed. The task of subrange setting, so the coarse setting of the lens current J, takes over the supplying voltage U2 Comparison voltage source, which is gradual according to the desired subranges is adjustable.

Auf der anderen Seite der Schaltung ist die Bezugsspannungsquelle B, T angeordnet, die derart einstellbar ist, daß mittels ihrer Ausgangsspannung U3 eine Anpassung an die jeweils vorliegende Beschleunigungsspannung des Elektronenmikroskops vorgenommen werden kann. Sowohl die Spannung U3 als auch die Differenzspannung (J - Rm - U2) werden jeweils einem Eingang eines Differenzverstärkers D zugeführt, dessen Ausgangsspannung die Stellgröße für das Stellglied S ist. Damit beeinflußt das Stellglied S den Linsenstrom J nicht nur im Hinblick auf seine Konstanthaltung (Meßwiderstand :V1), sondern auch im Hinblick auf den gewünschten Teilbereich (Spannung U2) bei der jeweils vorliegenden Beschleunigungsspannung des Elektronenmikroskops (Bezugsspannung U3). The reference voltage source B, T is arranged on the other side of the circuit and can be set in such a way that its output voltage U3 can be used to adapt to the acceleration voltage of the electron microscope present in each case. Both the voltage U3 and the differential voltage (J - Rm - U2) are each fed to an input of a differential amplifier D, the output voltage of which is the manipulated variable for the actuator S. The actuator S thus influences the lens current J not only with regard to keeping it constant (measuring resistor: V1), but also with regard to the desired partial range (voltage U2) at the acceleration voltage of the electron microscope (reference voltage U3).

Es läßt sich zeigen, daß zwischen der stufenweisen Änderung ö J des Stromes bei Änderung der Vergleichsspannung U2 (Teilbereichseinsteller), dem Maximalwert An des Stromes und den beiden Spannungen U2 und U3 folgende Beziehung besteht: It can be shown that the following relationship exists between the stepwise change ö J of the current when the comparison voltage U2 changes (subrange adjuster), the maximum value An of the current and the two voltages U2 and U3:

Claims

Claims: 1. Control and regulating device for the current fed into the electromagnetic lenses of electron microscopes. with a comparison voltage source that can be set for different focussing. a measuring resistor through which the lens current flows and an actuator which regulates the lens current and which is controlled as a function of the voltage tapped at the measuring resistor and the comparison voltage, characterized by a differential amplifier (D) connected upstream of the actuator (S ), one input of which is derived from the sum voltage of the am Measuring resistor (M) receives the tapped voltage (R.11) and the reference voltage (U2) formed input signal and whose other input is fed with the voltage (U3) of a reference voltage source. the steps corresponding to different acceleration voltages of the electron microscope can be adjusted (FIG. 3).

2. Control and regulation device according to claim 1, characterized in that the adjusting members of the comparison and the reference voltage source are mechanically or electrically coupled.

3. Tax and re-el device according to claim 2, characterized in that taps of the comparison and the reference voltage source in each case in one level of a common switch are arranged.