DE2322649C2 - Wiedergabesystem für ein Feldemissions- Abtastmikroskop - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wiedergabesystem für ein Feldemissions-Abtastmikroskop nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Wiedergabesystem dieser Art ist aus einem Artikel in »The Review of Scientific Instruments«, Band 39, Nr. 4. April 1968, S. 576-583, mit der Bezeichnung ELECTRON GUN USING A FIELD EMISSION SOURCE, Verfasser A. V. Crewe, D. N. Eggenberger, J. Wall, L. M. Welter, bekannt. Dort handelt es sich um ein Abtastelektronenmikroskop. Einer der wesentlichen Vorteile von AbtastelektronenmikroskoDen besteht darin, direkt eine Probe auf einer Bild- bzw. Kathodenstrahlröhre betrachten zu können. Dieses unmittelbare Betrachten der Probe ermöglicht es dem Beobachter, recht wertvolle Informationen zu erhalten, wenn auch die volle Auflösung des Systems lediglich mittels einer fotografischen Aufzeichnung der Abbildung erzielt werden kann. Bei anderen, nicht mit den Feldemissions-Elektronenstrahlerzeugungssystemen arbeitenden Abtastelektronenmikroskopen ist die Intensität des Strahles erheblich begrenzt, und somit weist das von der Oberfläche der Probe durch Sekundärelektronen, reflektierte Elektronen oder andere ausgesandte Teilchen erzeugte Signal einen geringen Wert auf. Um eine direkte und gleichzeitige Betrachtung auf einer Bildröhre zu ermöglichen, ist es wesentlich, daß eine langsame Abtastung der Probe erfolgt und der Rauschabstand eine ausdeutbare Übertragung von Informationen erlaubt
Beim Feldemissions-Abtastmikroskop ermöglicht die erzielbare hohe Strahlenintensität ein schnelles Abtasten der Probe, und es wird eine Bildröhre ähnlich wie beim normalen Fernsehen verwendet. Der Beobachter kann in bequemer Weise die Bildwiedergabe mit einem Videomonitor betrachten, ohne daß Bildschirme mit extrem hohem Nachleuchten benutzt werden, wodurch sich sonst ein entsprechender Verlust an Setrachtungsinformation und Auflösung ergibt Bei einem sogenannten langsamen Abtastmikroskop wäre die gleiche Betrachtungsbequemlichkeit und Information nur erreichbar mittels eines zusätzlichen Videoband-Reproduktionssystems.

Der Raster des Monitors ist vollständig vergleichbar mit demjenigen des normalen Fernsehempfängersystems. In den USA schreiben die einschlägigen Standardwerte für das Fernsehen ein Abtastsystem mit 520 Zeilen vor, wobei ein Halbbildverhältnis von 2 zu 1 besteht. Wenn auch 520 Zeilen bei einer normalen Betrachtungsentfernung für den Fernsehempfang vollständig ausreichend sind, ist es doch zur Erzielung zeilenfreier Fotografien und besserer Auflösung bei Abtastelektronenmikroskopen erforderlich, eine größere Anzahl an Abtastzeilen vorzusehen. Die größere Anzahl an Zeilen führt zu einer außerordentlichen Ausdehnung der erforderlichen Bandbreite des Wiedergabesystems und bedingt eine wesentliche Erhöhung der Kosten und des Aufwandes für das System.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Wiedergabesystem für ein Feldemissions-Abtastmikroskop zu schaffen, das eine geringstmögliche Bandbreite hat und eine bequeme und normale Betrachtung durch einen Beobachter ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Wiedergabesystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 6.

Da die Bandbreite proportional dem Quadrat der Anzahl der Bildelemente ist, erfordert ein angenähertes Verdoppeln der Anzahl der Zeilen für die gewünschte Auflösung eine Zunahme in der Bandbreite um 4 zu 1. Um die Bandbreite zu begrenzen, wird unter Berücksichtigung der Tatsache, daß ebenfalls eine direkte Proportionalität bezüglich der Anzahl der Halbbilder pro Phase besteht — ein Halbbild weist nämlich eine vollständige Rasterabtastung auf —,das Halbbildverhältnis von einem normalen Verhältnis von 2 zu 1 auf ein Verhältnis von mindestens 3 zu 1 erhöht, wodurch die Band-

breite entsprechend verringert wird. Eine geeignete Auswahl des Nachleuchtens der Bildröhre unter Berücksichtigung des normalen physiologischen Nachleuchtens des Auges ermöglicht so eine Erhöhung des Halbbildverhältnisses, ohne daß sich eine Verschlechterung der betrachteten Abbildung ergibt.

Bei Betrachten der Abbildung auf der Bildröhre mit einem Halbbildverhältnis, das größer als 2 zu 1 ist, wie z. B. mit einem Verhältnis von 4 zu 1, wird jedoch festgestellt, daß ein normales Sequenz-Halbbildabtastmuster im Auge des Betrachters zu einem Kaskadeneffekt führt Die Gründe, die zu den visuellen, physiologischen und psychologische» Faktoren führen, die zur Bildung dieses »Wasserfalleffektes« im Auge des Betrachters führen, sind unbekannt Eine Hypothese geht dahin, daß bei dem Aufbringen jeder Zeile aufeinanderfolgender Halbbilder auf dem Leuchtschirm der Bildröhre benachbart zueinander das Auge dazu neigt diesen Zeilen zu folgen, wodurch sich eine scheinbar bewtgende Abbildung entweder in einer senkrechten oder nach unten gerichteten Richtung in Abhängigkeit von der Bewegungs- oder Anordnungsrichtung der Abtastzeile darbietet Durch die Wahl der Halbbildsequenz bei dem Wiedergabesystem nach der Erfindung wird dieses Problem ausgeräumt, und durch die Wahl des Halbbildverhältnisses werden die Erfordernisse bezüglich der Bandbreite des Systems begrenzt

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Wiedergabesystems für ein Feldemissions-Abtastmikroskop;

F i g. 2 eine diagrammförmige Darstellung eines Betrachtungsrasters, das das Abtastraster bei dem Ausführungsbeispiel des Wiedergabesystems nach der Erfindung wiedergibt; und

F i g. 3 eine diagrammförmige Darstellung eines Betrachtungsrasters, bei dem ein normales Abtastraster angewandt wird, das ein Halbbildverhältnis von 4 zu 1 aufweist

Das Abtastmikroskop nach F i g. 1 hat ein Feldemissions-Strahlerzeugungssystem 10, das mit einer Probenkammer 20 in Verbindung steht Die erforderlichen Arbeitsspannungen für das Strahlerzeugungssystem 10 werden durch eine Spannungsquelle 17 und eine Beschleunigungsspannungsquelle 16 geliefert. Eine Abtast- und Synchronisations-Steueranordnung 32, eine Detektoranordnung 22, 31 und eine Bildröhre 30 stellen das Wiedergabesystem dar.

Das Feldemissions-Strahlerzeugungssystem 10 weist eine Feldemissionsspitze 11 auf, die einen Strahl aus geladenen Teilchen bildet sobald sie in ein ausreichend hohes elektrisches Feld gebracht wird. Bei Abtastelektronenmikroskopen sind die geladenen Teilchen Elektronen. Einzelheiten eines Feldemissions-Strahlerzeugungssysterns für ein Abtastelektronenmikroskop sind in dem eingangs genannten Artikel beschrieben. Bei einem Feldemissions-Abtastionenmikroskop jedoch wirkt die Feldemissionsspitze als eine Ionenquelle. Die zwischen der Feldemissionsspitze 11 und einer ersten Anode 12 geschaltete Spannungsquelle 17 liefert den erforderlichen Feldgradienten für das Erzeugen der geladenen Teilchen. Die Beschleunigungsspannungsquelle 16, die zwischen die Feldemissionsspitze 11 und eine zweite Anode 13 geschaltet ist und sich weiter stromab befindet, ergibt die erforderlichen Beschleunigungskräfte und bedingt zusammen mit der Anode 12 ein Fokussieren der Teilchen auf eine angestrebte Strahlgröße.

Diese Art des Strahlerzeugungssystems stellt im wesentlichen eine selbstfokussierende Einheit dar. ohne daß weitere Linsensysteme erforderlich sind, es sei denn, daß spezielle Anforderungen bezüglich der Auflösung vorliegen. Eine Blende 14, die hier nach der zweiten Anode 13 angeordnet gezeigt ist, kann in geeigneter Weise an beliebigen Stellen in dem Strahlerzeugiungssystem vorgesehen werden und bestimmt im wesentlichen die Form und Größe des geladenen Teilchenstrahls.

ίο Der Strahl aus geladenen Teilchen muß in einem vorherbestimmten Muster abgelenkt werden, um so in geeigneter Weise die zu untersuchende Probe abzutasten. Ablenkspulen 15 stehen unter der Einwirkung der Abtast- und Synchronisations-SteueranordnungSi um den Strahl in geeigneter Weise abzulenken. Bei diesem System wird der Strahl waagrecht über die Probe geführt und kehrt sodann schnell zu einer Ausgangssteile zurück, die senkrecht verschoben gegenüber der ursprünglichen Ausgangsstelle ist Die nachfolgenden Zeilen werden sodann in ähnlicher Weise abgetastet Beim waagrechten Führen des Strahls über die Probe wird derselbe kontinuierlich senkrecht verschoben, wodurch schließlich die gesamte Oberfläche der Probe abgedeckt wird. Diese Art des Abtastmusters ist auf dem Gebiet der Mikroskopie allgemein üblich und durchaus vergleichbar mit dem Abtasten bei der Übertragung von Fernsehbildern.

Nach dem Ablenken wird der Strahl durch eine verbindende öffnung 18 zwischen dem Strahlerzeugungssystem 10 und der Probenkammer 20 geführt Die Probe 21 befindet sich im Strahlengang des Strahls und wird in der weiter oben beschriebenen Weise abgetastet Das Auftreffen des Strahls auf die Probe 21 fährt zu der Aussendung von Sekundärteilchen, nämlich, falls es sich bei den geladenen Teilchen um Elektronen handelt, von Sekundärelektronen sowie von reflektierten Elektronen, die durch einen Detektor 22 festgestellt werden können. Der Detektor 22 ist ein Scintillations-Detektor, wie er auf dem einschlägigen Gebiet allgemein üblich ist, und er wandelt die von der Probe 21 erhaltenen Signale in ein verstärktes elektrisches Signal um, das sodann durch den Teil 31 der Detektoranordnung weiterverarbeitet werden kann. Der Detektor 22 weist zusätzlich zu einem Scintillationskristall normalerweise einen Fotoelektronenvervielfacher oder ein ähnliches Bauteil auf. Der Teil 31 der Detektoranordnung verstärkt das Signal und modifiziert dasselbe in geeigneter Weise für die weitere Verarbeitung im Zusammenhang mit der Bildröhre 30 eines normalen Fernsehmonitors.

In der üblichen Bildröhre 30 ist ein Leuchtschirm 35 vorgesehen, der eine empfindlich gemachte Oberfläche aufweist. Dieselbe sendet bei dem Auf treffen eines Elektronenstrahls Licht aus. Normalerweise ist die empfindlich gemachte Oberfläche mit einem phosphoreszierenden oder anderen geeigneten Material überzogen. Der Strahl der Bildröhre wird durch eine thermoionische Kathode erzeugt und durch elektrostatische Platten 33 abgelenkt.

Wenn die auf der Fläche der Bildröhre 30 ausgebildete Abbildung kohärent mit den von der Probe 21 abgeleiteten Signalen sein soll, ist es wesentlich, daß ein festgelegtes und bekanntes Verhältnis sowohl bezüglich der Zeit als auch der Phase zwischen dem Strahl geladener Teilchen des Feldemissions-Strahlerzeugungssystems 10 und dem Elektronenstrahl der Bildröhre 30 aufrechterhalten wird. Hierzu werden beide Strahlen genau synchron mit dem durch die Detektoranordnung 22,31 gebildeten Signal gehalten, wodurch eine zeitlich genau

abgestimmte Abbildung der zu untersuchenden Probe 21 bewirkt wird. Wie weiter oben angedeutet ist, kann man sich des Nachleuchtens des Leuchtschirms 35 der Bildröhre 30 und auch des Nachleuchtens des Auges bedienen, um so die Erfordernisse bezüglich der Bandbreite des Wiedergabesystems zu begrenzen. Ein vollständiges senkrechtes und waagerechtes Überstreichen der Oberfläche einer Probe wird als ein Feld bezeichnet. Wenn das Feld alle waagerechten Abtastlinien enthält, die für eine gewünschte Auflösung erforderlich sind, erzeugt ein Feld ein vollständiges Bild der Probe auf dem Leuchtschirm. In denjenigen Fällen jedoch, wo eine Halbbilderzeugung angewandt wird, d. h. jedes Feld lediglich einen Anteil de.'r gesamten Anzahl an Zeilen, mit denen die Probe überstrichen wird, enthält, ist sodann eine Anzahl an Feldern, die jedes für sich ein Halbbild auf dem Leuchtschirm erzeugen, erforderlich, um ein vollständiges Bild herzustellen. In dem Fall eines Halbbildverhältnisses von 2 zu 1 liegen zwei Felder, also zwei Halbbilder pro Bild! vor, während in dem Fall eines Halbbildverhältnisses von 4 zu 1 vier Felder, also vier Halbbilder pro Bild vorliegen. Bei dem Ausführungsbeispiel hat sich eine Gesamtzahl von 1155 Abtastzeilen als ausreichend erwiesen, um ein Auflösungssystem mit 0.025 μίτι zu erzielen. Dies bedeutet, daß bei einem Halbbildverhältnis von 4 zu 1 angenähert 281 Zeilen pro Feld vorliegen. Das. erste Halbbild wird durch den Strahl auf dem Leuchtschirm 35 überstrichen, wobei ein Raum äquivalent zu drei Zeilen zwischen jeder aufeinanderfolgenden Zeile des Halbbildes verbleibt. Das nächst nachfolgende Halbbild überstreicht eine zweite Zeile, während die dritten und vierten Halbbilder die verbleibenden zwei Zeilen des Rasters füllen, so daß nach Abschluß der vier Halbbilder ein vollständiges Bild mit größtmöglicher Auflösung auf dem Leuchtschirm 35 der Bildröhre 30 erhalten wird. Die Synchronisationssignale, die erforderlich sind, um die Abtastzeilen sowohl senkrecht als auch waagerecht bezüglich der Bildröhre 30 und den Ablenkspulen 15 in einem genauen Phasenverhältnis zu halten, werden in die Ausgangssignale der Abtast- und Synchronisations-Steueranordnung 32 eingeführt. Das an einem Signalgitter 34 der Bildröhre 30 liegende Ausgangssignal der Detektoranordnung 22. 31 moduliert den Elektronenstrahl der Röhre und beeinflußt somit die Helligkeit und den Kontrast der Abbildung, so daß ein sichtbares Bild der Probe 21 erzielt wird.

Unter Bezugnahme auf die F i g. 3 ist dort ein Teil eines normalen Rasters gezeigt, das ein Halbbildverhältnis von 4 zu 1 aufweist. Die in der F i g. 3 wiedergegebenen Zahlen beziehen sich auf die Zeitsequenz oder Aufeinanderfolge der ein vollständiges Bild bildenden Halbbilder. Bei einem normalen Wiedergabesystem werden die Zeilen des zweiten Halbbildes an der nächsten Stelle auf den Leuchtschirm der Bildröhre 30 aufgebracht Jedes aufeinanderfolgende Halbbild wird wiederum in dem nächst zur Verfügung stehenden zugeordneten Zeilenraum aufgebracht, und somit liegen sowohl die Zeitsequenz als auch die Ordnung der Lage der Zeilen der Halbbilder in Phase vor. Wie weiter oben angegeben wurde, ist es genau diese Ordnung, die in dem Auge des Beobachters einen Kaskadeneffekt oder »Wasserfalleffekt« in der Abbildung bedingt Dieser Effekt ist übermäßig anstrengend für den Beobachter und führt zu einem Verlust der effektiven Auflösung im Au- b5 ge. Es wurde nun gefunden, daß eine physikalische Unterbrechung des Sequenzmusters der Abtastfelder und damit der Halbbilder diesen Kaskadeneffekt ausschaltet und zu einer praktisch stationären Abbildung im Auge des Beobachters führt. Die F i g. 2 zeigt ein Sequenzmuster, das die angestrebten Ergebnisse liefert. Das erste Halbbild wird in üblicher Weise aufgebracht. Das zweite Halbbild jedoch wird in der Lage aufgebracht, wo sich normalerweise das dritte Halbbild befinden würde, und das dritte Halbbild wird aufgebracht, wo sich normalerweise das vierte Halbbild befinden würde; das vierte Halbbild wird schließlich dort aufgebracht, wo sich normalerweise das zweite Halbbild befinden würde. Präziser ausgedrückt würde eine normale Halbbildordnung den Zahlenwerten 1, 2, 3, 4, 1 usw. entsprechen, während das Raster des Wiedergabesystems gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, z. B. einem Muster 1, 4, 2, 3, 1 usw., folgt, wodurch jedenfalls mehr als zwei aufeinanderfolgende Halbbildzeilen daran gehindert werden, in der nächsten physikalischen Ordnung aufzutreten.

Ein weiteres Muster, das sich als geeignet erwiesen hat, besteht in der Sequenz 1,3,2,4,1 usw. Das Erzielen derartiger waagerechter Abtastmuster stellt ein recht verwickeltes elektronisches Problem dar. Entsprechende Erläuterungen finden sich in zahlreichen Veröffentlichungen, z. B. in »Pulse and Digital Circuits« von Jacob Millman und.Herbert Taub, McGraw-Hill Electrical and Electronic Engineering Series, 1956. Kapitel 17, mit der Bezeichnung PULSE AND DIGITAL SYSTEMS. Bei Erhöhen des Halbbildverhältnisses wird die Auswahl der Abtastsignale und deren Sequenz weiter verwickelt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Wiedergabesystem für ein Feldemissions-Abtastmikroskop mit einem Feldemissions-Strahlerzeugungssystem für das Erzeugen eines Strahles aus geladenen Teilchen, die auf eine Probe auftreten,
mit einer Detektoranordnung für das Erzeugen eines Abbildungssignals in Relation zu einem von dem auf die Probe aufstrahlenden Strahl erzeugten Signal,

mit einer Bildröhre (30), bei der die Intensität des auf den Leuchtschirm auftreffenden Elektronenstrahles durch das von der Detektoranordnung gelieferte Abbildungssignal moduliert ist,
und mit einer Steueranordnung, die synchron den Strahl der geladenen Teilchen und den Elektronenstrahl der Bildröhre zellenförmig in einem vorbestimmten Raster ablenkt, dadurch gekennzeichnet, daß das Raster auf dem Leuchtschirm (35) der Bildröhre (30) ein Halbbildverhältnis von wenigstens 3 zu 1 aufweist, und daß die Halbbildsequenz so ausgewählt ist, daß zwei auf dem Leuchtschirm (35) benachbarte Abtastzeilen des Elektronenstrahls nicht zu Halbbildern gehören, deren Abtastzeilen auf der Probe (21) benachbart sind.

2. Wiedergabesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die geladenen Teilchen Elektronen sind, daß das FeIdemissions-Strahlerzeugungssystem (10) eine Feldemissionsspitze (U), eine erste Anode (12) und eine zweite Anode (13) aufweist, die so angeordnet und mit Potentialen beaufschlagt sind, daß durch die erste Anode (12) Elektronen aus der Feldemissionsspitze ausgelöst werden, die durch die erste Anode (12) und die zweite Anode (13) beschleunigt und fokussiert werden.

3. Wiedergabesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbbildverhältnis sich auf 4 zu 1 beläuft und daß 15 Bilder pro Sekunde vorliegen.

4. Wiedergabesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Halbbildsequenz auf 1,

4.2,3 usw. beläuft.

5. Wiedergabesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Halbbildsequenz auf 1,

3.2,4 usw. beläuft.

6. Wiedergabesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranordnung (22,31) einen Scintillations-Detektor (22) aufweist und daß das Abbildungssignal aufgrund der durch die Probe (21) reflektierten und sekundären Elektronen erzeugt wird.