DE1927038A1

DE1927038A1 - Stereoskopisches Elektronenrastermikroskop

Info

Publication number: DE1927038A1
Application number: DE19691927038
Authority: DE
Inventors: Tadao Suganuma
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1968-05-28
Filing date: 1969-05-28
Publication date: 1969-12-04
Also published as: US3585382A; DE1927038C3; GB1276364A; DE1927038B2; FR2010485A1

Description

Patentanwalt Dipl.-Phys. Gerhard Lied! 8 München 22 Steinsdorfstr. 21-22 Tel. 29 84

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NIHON DENSHI KABUSHIKI KAISHA (Japan Electron Optics Laboratory Co. Ltd.)

1418 Nakagami, Akishima, Tokyo/ Japan Stereoskopisches Elektronenraster mikroskop

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung stereoskopischer Bilder mit einem Elektronenrastermikroskop.und ein Elektronenrastermikroskop, mit dem ein stereoskopisches Bild der Objektoberfläche direkt auf einer Kathodenstrahlröhre oder anderen geeigneten Wiedergabevorrichtungen betrachtet werden kann.

Um mit einem gewöhnlichen Elektronenrastermikroskop ein stereo-^Dr-^D/0 909849/1016

skopisches Bild betrachten zu können, wird die Probe zuerst senkrecht zur optischen Achse eingesetzt. Ihr Bild auf einer Kathodenstrahlröhre wird von einer eingebauten fotografischen Kamera aufgenommen. Das Objekt wird anschließend um einen kleinen Winkel geneigt und es wird eine zweite Aufnahme desselben Gesichtsfeldes in dieser Stellung getätigt. Betrachtet man die beiden Aufnahmen jeweils mit einem Auge durch ein stereoskopisches Betrachtungsgerät, so kann man ein stereoskopisches Bild des Objektes sehen. Mit dieser Anordnung ist es jedoch unmöglich, ein stereoskopisches Bild direkt auf der Kathodenstrahlröhre zu erhalten, während das Objekt mit dem Elektronenstrahl abgetastet wird. Zeitraubende Versuche und wiederholte fotografische Aufnahmen sind auf jeden Fall nötig, bevor man ein gutes stereoskopisches Bild erhält. Deshalb ist es unmöglich, ein stereoskopisches Bild während einer Bewegung des Objektes und der Aufsuchung des erwünschten Bildfeldes zu selten. Darüber hinaus kann bei einer derartigen zweidimensionalen Betrachtung, die mit einem gewöhnlichen Elektronenrastermikroskop möglich ist, der für den stereoskopischen Effekt günstige Konvergenzwinkel nicht mehr frei gewählt werden (unter dem Konvergenzwinkel versteht man hierbei die Winkeldifferenz der Objektneigung zwischen zwei auf einanderf olgenden Auf nahmen). Welches der jeweils günstigste Konvergenzwinkel ist, hängt von der Beschaffenheit der Objektoberfläche ab.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren zur Herstellung stereoskopischer Bilder mit einem Elektronenrastermikroskop sowie ein derartiges Elektronenrastermikroskop anzugeben, bei dem das stereoskopische Bild der Objektoberfläche direkt auf einer Kathodenstrahlröhre betrachtet werden kann. Weiterhin soll mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren angegeben werden, bei dem man

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auf einfache Weise den Konvergenzwinkel derart wählen kann, daß man für das abzutastende Objekt den günstigsten stereoskopischen Effekt erhält.

Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß über eine Umschaltablenkvorrichtung, die benachbart zum Kondensorlinsensystem angebracht wird, der auf das Objekt auffallende Elektronenstrahl entsprechend zwei verschiedenen Einfallswinkeln alternierend und in Übereinstimmung mit einem an die Rasterablenkvorrichtung angelegten Signal zwischen zwei Stellungen hin- und herbewegt wird, der optische Strahlengang zwischen der Wiedergabevorrichtung und den beiden Augen eines Betrachters synchron zu der Erregung der Umschaltablenkvorrichtung derart unterbrochen wird, daß jeweils ein Auge ein Bild der Probe sieht, das einem der beiden Einfallswinkel des fokussierten Elektronenstrahls entspricht.

Vorzugsweise erfolgt die periodische Unterbrechung des Strahlenganges zwischen der Widergabevorrichtung und den Augen des Betrachters durch einen Schieber, der synchron zu der Erregung der Umschaltablenkvorrichtung betätigt wird.

Besonders vorteilhaft ist es, die den beiden Einfallswinkeln des Elek-Ironenstrahles entsprechenden Bilder unabhängig voneinander auf den Bildschirmen zweier getrennter Wiedergabevorrichtungen zu erzeugen und jeweils mit einem Auge zu betrachten.

Zweckmäßigerweise kann man das an die Schaltablenkvorrichtung angelegte Jignal über einen Verstärker mit regulierbarem Verstärkungsgrad verändern und damit auch den Konvergenzwinkel der beiden Elek-

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tronenstrahlen derart wählen, daß man bei der Betrachtung den günstigsten stereoskopischen Effekt erhält.

Die folgende Zeichnung bevorzugter Ausführungsformen dient der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung von einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Darstellung des an die Elektronenstrahlablenkvorrichtung angelegten Stromes und der Wellenform der Vorspannung, die an den beiden in Fig. 1 gezeigten Kathodenstrahlröhren angelegt wird;

Fig. 3 eine Darstellung des Verlaufes des Elektronenstrahles in

den beiden für die Rasterung typischen Stellungen;

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

bei der nur eine einzige Kathodenstrahlröhre Verwendung findet;

Fig. 6 die Darstellung des in Fig. 5 verwendeten Schiebers.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Elektronenrastermikroskop enthält ein Gehäuse 1 eine Kammer 2 mit einer Kathode 3, einem Wehneltzylinder 4 und einer Anode 5, ein Kondensorlinsensystem 6, um den in der

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Kammer 2 erzeugten Elektronenstrahl auf eine Probe 7 zu fokussieren, und eine Objektkammer 9, die einen Objektträger 8 enthält, sowie zwei Ablenksysteme 10 und 11, die zwischen dem Kondensorlinsensystem 6 und der Objektkammer 9 angebracht sind. Das Ablenksystem 10 dient dazu, die Achseiilage des auf die Probenoberfläche einfallenden Elektronenstrahles umzuschalten. Es wird daher im folgenden als Umschaltablenkvorrichtung bezeichnet. Das Ablenksystem 11 dient der Rasterung und wird daher im folgenden als Rasterablenkvorrichtung bezeichnet. Nach je einer Abtastung des Bildfeldes durch den Elektronenstrahl wird von einer Spannungsquelle 13 für die Rasterung ein Triggersignal auf einen Schaltkreis 14 gegeben. Demgemäß werden die Polaritäten des Stromes, der über einen Verstärker 15 an der Schaltablenkvorrichtung 10 anliegt, umgekehrt, was zu einer in Fig. 2 (A) gezeigten Änderung dieser Ströme führt. Aus Fig. 2 (A) geht hervor, daß nach Ablaufen von bestimmten Rasterzeiten - entsprechend O bis t,, · L bis L·, usw. - die Achse der Elektronenstrahlen 12 von der Schaltablenkvorrichtung 10 geändert wird. Dies führt zu in Fig. 3 und dargestellten Strahlengängen des Elektronenstr allies. Weiterhin werden zwei Rechteckimpulsfolgen gemäß Fig. 2 (B) und 2 (C) von dem Schaltkreis 14 über Verstärker 16a und 16b auf Ablenkplatten der Kathodenstrahlröhren 17a und 17b gelegt. Um die Rasterung der Kathodenstrahlröhren mit der Rasterung der Elektronenstrahlen zu synchronisieren, wird ein Signal von der Spannungsquelle 13 auf die Ablenksysteme 18a und 18b der Kathodenstrahlröhren gegeben. Demgemäß wird auf den Kathodenstrahlröhren nur dann ein Raster wiedergegeben, wenn die Polarität der an den Ablenkplatten der entsprechenden Kathodenstrahlröhren anliegenden Spannung positiv ist.

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Im folgenden soll die Wirkungsweise dieser Ausführungsform von dem Augenblick an beschrieben werden, an dem die Achse des Elektronenstrahles 12 gemäß der in Fig. 1 mit 12a gezeigten Stellung abgelenkt ist (wenn der an der Schaltablenkvorrichtung 10 anliegende Strom positiv ist, d.h. im Zeitraum 0 bis L· von Fig. 2). Unter diesen Bedingungen wird die Objekt oberfläche, wie in Fig. 3 gezeigt, rasterförmig abgetastet, wobei während dieses Zeitraumes nur auf der Kathodenstrahlröhre 17a ein Raster abgebildet wird, da die Polaritäten der Spannungen 2 (B) und 2 (C) positiv bzw. negativ sind. Gleichzeitig werden aus der Objektoberfläche abgelöste Elektronen 19 von einem Empfänger aufgefangen. Das entstehende Signal wird von t.aem Verstärker 21 verstärkt. Dieses verstärkte Signal wird dann gleichzeitig an die Ablenkplatte der Kathodenstrahlröhren angelegt, wobei zu dieser Zeit ein Bild nur auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre 17a entsteht. Obwohl das Signal auch an der Ablenkplatte der Kathodenstrahlröhre 17b anliegt, erscheint auf dem Bildschirm dieser Röhre kein Bild, da die Polarität der anliegenden Vorspannung negativ ist und daher kein Raster auf ihr wiedergegeben wird. Sobald das erste Bildfeld rasterförmig abgetastet ist, wird die Polarität des von dem Schaltkreis 14 gelieferten Signales umgekehrt; d.h. bei. Beginn der rasterförmigen Abtastung eines zweiten Bildfeldes (von t. bis t„), wird die Spannung von Fig. 2 (A) und 2 (B) negativ und die von 2 (C) positiv. Dies führt dazu, daß sich die Achsenrichtung des Elektronenstrahles' ändert und die durch 12b dargestellte Form annimmt, wobei gleichzeitig die Wiedergabe von der Kathodenstrahlröhre 17a auf die Kathodenstrahlröhre 17b übergeht, so daß das Bild jetzt auf der letzteren anstelle auf der ersteren erscheint.

Das Bild, dessen Mitte jeweils mit der Strahlenaehsie 12a zusammenfällt, wird daher immer auf der Kathodenstrahlröhre 17a wiedergege-

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ben. In gleicher Weise erscheint das Bild, dessen Mittelpunkt mit der Achse 12b zusammenfällt, jeweils auf der Kathodenstrahlröhre 17b. Die oben angegebene Aufeinanderfolge wiederholt sich mit jeder rasterförmigen Abtastung. Die auf den entsprechenden Kathodenstrahlröhren wiedergegebenen Bilder können über ein optisches System mit Spiegeln 22a, b und 23a, b beidäugig getrennt und unabhängig betrachtet werden. Sie liefern ein Bild, das dem entspricht, das man erhalten würde, wenn

mit man das rechte und das linke Auge in einer Linie/den Strahlenachsen 12a und 12b bringen würde. Man sieht also ein stereoskopisches Bild der jeweiligen Probe.

Als Alternative zur oben beschriebenen Umschaltvorrichtung, bei der die Umschaltung am Ende einer,jeweiligen rasterförmigen Abtastung des Bildfeldes stattfindet, kann auch jeweils eine Umschaltung bei einem zeilenweisen rasterförmigen Abtasten erfolgen.

Der Konvergenzwinkel der Strahlenachsen 12a und 12b, der in Fig. 1 mit p bezeichnet ist, hängt im wesentlichen von der Amplitude der an die Unischalt ablenkvorrichtung 10 über den Verstärker 15 angelegten Inipulsfolgen ab.

Man kann daher mit dem Verstärker durch eine Änderung des Verstärkergrades denjenigen Konvergenzwinkel wählen, der den jeweils günstigsten stereoskopischen Effekt liefert.

Fig. 5 zeigt eine veränderte Ausführungsform des in Fig. 1 dargestellten stereoskopischen Elektronenrastermikroskops. Hier wird nur eine einzige Kathodenstrahlröhre verwendet. In diesem Fall muß jedoch der Bildschirm mit einem Phosphor von geringer Nachleuchtdauer überzogen sein. Ein Schieber 24 ist zwischen der Kathodenstrahlröhre 17 und

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dem Betrachter angebracht. Er besteht gemäß Fig. 6 aus einer Grundplatte 25, in der zwei Betrachtungsöffnungen 26a und 26b angebracht sind sowie einer Verschlußplatte 27, die über ein Verbindungsstück 29 mit einer Eisenplatte 28 verbunden ist. Das Verbindungsstück ist auf der Grundplatte 25 derart befestigt, daß es frei um eine gelagerte Achse 30 gedreht werden kann. Des weiteren sind zwei Spulen 31a und 31b so angebracht, daß von ihnen durch eine jeweilige Erregung die Verschlußplatte 27 von einer Betrachtungsöffnung zu der anderen vor- und zurückbewegt werden kann. .

Die elektrische Versorgung des Schiebers 24 erfolgt über einen Verstärker 16 von dem Schaltkreis 14 aus. Hierdurch wird erreicht, daß der Schieber synchron mit der Umsc haltung der Strahlenachse hin- und her schwingt. Wenn sich die Verschlußplatte 29 in der in Fig. 6 gezeigten Stellung befindet, und wenn die Strahlenachse so verläuft, wie sie in Fig. 1 bei 12a dargestellt ist, wird das Bild auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre 17 nur für das linke Auge des Betrachters sichtbar, (Die Darstellung des Schiebers in Fig. 6 zeigt eine Ansicht der Seite, die der Kathodenstrahlröhre zugekehrt ist). Das Bild, das der Strahlenachse 12a entspricht, wird also von dem linken Auge gesehen. Sobald jedoch das Bild, welches der Achse 12b entspricht, auf dem Bildschirm erscheint, schwingt die Verschlußplatte 27 in ihre andere Lage, so daß die Öffnung 26a freigegeben wird und das Bild von dem rechten Auge des Betrachters gesehen werden kann.

Wenn man einen derartigen Bildwechsel mit einer größeren Frequenz als der Bildverschmelzungsfrequenz des menschlichen Auges durchführt, sieht man auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre ein stereoskopisches Bild. Anstelle des beschriebenen Schiebers 24 können

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jedoch auch andere Vorrichtungen verwendet werden, die eine mit der Umschaltung des Strahles synchrone Unterbrechung in den optischen Strahlerigängen zwischen dem Bildschirm und den beiden Betrachter äugen ermöglichen. Hierzu können Anordnungen, die aus Polarisationsfiltern und Kerrzellen bestehen, oder umlaufende Sektorenscheibemerwendet werden.

Mit der oben beschriebenen Anordnung ist es möglich, ein stereoskopisches Bild auf dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre oder von anderen geeigneten Wiedergabevorrichtungen von dem Augenblick an zu sehen, an dem das Objekt in ihre Halterung eingesetzt ist. Es ist daher auch möglich, ein stereoskopisches Bild des Objektes zu betrachten, wenn dieses beliebig während der Beobachtung verschoben wird. Weiterhin ist es möglich, rasch den Konvergenzwinkel einzustellen, um den günstigsten stereoskopischen Effekt bei der dreidimensionalen Betrachtung zu erhalten.

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Claims

Patentansprüche

( lJ Verfahren zur Herstellung stereoskopischer Bilder mit einem Elektronenrastermikroskop, in dem

ein Elektronenstrahl von einer Elektronenquelle/zeugt und durch ein Kondensorlinsensystem auf ein Objekt fokussiert wird;

über eine Rasterablenkvorrichtung die Probe mit dem fokussieren Elektronenstrahl rasterförmig abgetastet wird, wobei eine Spannung einer Quelle für die Rasterung an die Raster ablenkvorrichtung angelegt wird;

die von der Probenoberfläche abgelösten Elektronen einer Empfängereinheit zur Registrierung zugeführt werden;

in einer Wiedergabevorrichtung ein Ablenksystem derart mit dem Ablenksystem der Rasterablenkvorrichtung synch ronisiert wird, daß das von der Empfänger einheit erhaltene Signal in Form eines Bildes auf einem Bildschirm der Wiedergabevorrichtung dargestellt wird;

dadurch gekennzeichnet, daß über eine Umschaltablenkeinheit, die benachbart zum Kondensorlinsensystem angebracht und jeweils erregt wird, der auf das Objekt auffallende Elektronenstrahl - entsprechend zwei verschiedenen Einfallswinkeln - alternierend und in Übereinstimmung mit einem an die Rasterablenkvorrichtung angelegten Signal zwischen zwei Stellungen hin- und herbewegt wird;

der optische Strahlengang zwischen dem Bildschirm der Wiedergabevorrichtung und den beiden Augen eines Betrachters synchron zu der

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Erregung der Umschaltablenkvorrichtung derart unterbrochen wird, daß jeweils ein Auge ein Bild des Objektes sieht, das einem der beiden Einfallswinkel des fokussierten Elektronenstrahles entspricht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Unterbrechung des Strahlenganges zwischen der Wiedergabevorrichtung und den Augen des Betrachters durch einen Schieber erfolgt, der synchron zu der Erregung der Umschaltablenkvorrichtung betätigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle einer Wiedergabevorrichtung und der periodischen Unterbrechung des Strahlenganges zwischen der Wiedergabevorrichtung und den Augen des Betrachters die den beiden Einfallswinkeln des Elektronenstrahles entsprechenden Bilder unabhängig voneinander auf zwei getrennten Wiedergabevorrichtungen erzeugt und jeweils mit einem Auge betrachtet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das an die Schaltablenkvorrichtung angelegte Signal über einen Verstärker mit regulierbarem Verstärkungsgrad verändert und der Konvergenzwinkel der beiden Elektronenstrahlen derart gewählt wird, daß man bei del· Betrachtung den günstigsten stereoskopischen Effekt erhält.
5. Elektronenrastermikroskop zur Erzeugung stereoskopischer Bilder nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, bestehend aus

einem Kondensorlinsensystem, um einen von einer Elektronenquelle erzeugten Elektronenstrahl zu fokussieren;

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einer Rasterablenkvorrichtung zur raster for migen Abtastung des auf die Oberfläche des Objektes fokussierten Elektronenstrahles,*

einer Spannungsversorgung für die Betätigung der Raster ablenkvorrichtung;

einer Empfängereinheit zur Registrierung der von der Probenoberfläche abgelösten Elektronen;

einer Wiedergabevorrichtung mit einem Ablenksystem, das derart mit der Rasterablenkvorrichtung synchronisisert ist, daß das vom Empfän ger erhaltene Signal in Form eines Bildes auf einem Bildschirm der Wiedergabevorrichtung dargestellt wird,

gekennzeichnet durch

eine benachbart zu dem Kondensorlinsens. ystem angebracht e Umschaltablenkvorrichtung (10), über die der Winkel/auf das Objekt auffallenden Elektronenetrahbperiodisch und in Übereinstimmung mit einem an die Rasterablenkvorrichtung (11) angelegten Signal zwischen zwei Stellungen verändert werden kann und

durch eine Vorrichtung, die den optischen Strahlengang zwischen dem Bildschirm der Wiedergabevorrichtung und den beiden Augen eines Betrachters synchron zu der Erregung der Umschaltablenkvorrichtung (10) derart unterbricht, daß jeweils ein Auge ein Bild des Objektes sieht, das einem der beiden Einfallswinkel des fokussierten Elektronenstrahles entspricht.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Unterbrechung des Strahlenganges zwischen der Wiedergabevorrichtung und den Augen des Betrachters durch einen Schiebei(24) erfolgt, dar synchron mit der Erregung der Umschaltablenkvorrichtung betätigt wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle einer Wiedergabevorrichtung und der periodischen Unterbrechung des Strahlenganges zwischen der Wiedergabevorrichtung und den Augen des Betrachters zwei Wiedergabevorrichtungen vorhanden sind, auf deren Bildechirmen die den beiden Einfallswinkeln des Elektronenstrahls entsprechenden Bilder unabhängig wiedergegeben und jeweils mit einem Auge betrachtet werden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärker (15) mit veränderlichem Verstärkungsgrad für das an die Umschaltablenkvorrichtung/angelegte Signal vorgesehen ist, über den der Konvergenzwinkel ( ß) derart gewählt werden kann, daß man bei der dreidimensionalen Betrachtung den günstigsten stereoskopischen Effekt erhält.

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