DE2915207A1 - ELECTRON MICROSCOPE WITH STIGMATOR - Google Patents
ELECTRON MICROSCOPE WITH STIGMATORInfo
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Description
291520?291520?
1.11. 1978 1 ■ PHN 90911.11. 1978 1 ■ PHN 9091
Elektronenmikroskop mit Stigmator.Electron microscope with stigmator.
Die Erfindung betrifft einThe invention relates to a
Elektronenmikroskop mit einem Elektronenstrahler, einem elektronenoptischen Linsensystem, einem Stigmator und einem Elektronendetektor.Electron microscope with an electron gun, an electron optical lens system, a stigmator and an electron detector.
. In Elektronenmikroskopen mit. In electron microscopes with
rotationssymmetrischen Linsen tritt stets etwas sphärische Aberration auf. Da die sphärische Aberration rotationssymmetrischer elektronenoptischer Linsen immer das gleiche Vorzeichen hat, kann hier nicht die in lioht-rotationally symmetrical lenses are always somewhat spherical Aberration on. Since the spherical aberration of rotationally symmetrical electron-optical lenses always has the same sign, the in lioht-
™ optischen Systemen übliche Kompensation angewandt werden.™ optical systems usual compensation can be applied.
Zum Reduzieren der sphärischenTo reduce the spherical
Aberration für alle Azimuta-Richtungen ist in "Optik", 5 (19^9), S. 490...k96, eine Kombination einer Anzahl von Mehrpollinsen mit einer rotationssymmetrischen Linse beschrieben. Die Bedingungen, die dabei an die gegenseitige Zentrierung der unterschiedlichen Linsen gestellt werden müssen, sind so hoch, dass sie in praktischen Elektronenmikroskopen nicht auf zufriedenstellende Weise erfüllt werden können.Aberration for all azimuth directions is described in "Optik", 5 (19 ^ 9), p. 490 ... k96, a combination of a number of multi-pole lenses with a rotationally symmetrical lens. The conditions that must be placed on the mutual centering of the different lenses are so high that they cannot be met in a satisfactory manner in practical electron microscopes.
, In "Optik", 26 (1967-1968),, In "Optik", 26 (1967-1968),
S. 569«««573j ist ein Korrekturverfahren unter Verwendung eines einzigen Achtpolfeldes und einer rotationssymmetrischen Linse äeschrieben. Hiermit ist der Nachteil der hohen Zentrierungsbedingungen ausreichend beseitigt, aberP. 569 «« «573j is a correction method using a single eight-pole field and a rotationally symmetrical one Lens. This is the disadvantage of the high Centering conditions sufficiently eliminated, however
90984 3/091790984 3/0917
- 291520?- 291520?
1.11.1978 X tj PHN 909111/1/1978 X tj PHN 9091
stattdessen tritt der Nachteil, dass die sphärische Aberration nur in zwei zueinander senkrechten Richtungen vollständig eliminiert ist, wodurch Anisotropie in der Abbildung auftritt.instead, there is the disadvantage that the spherical aberration only occurs in two mutually perpendicular directions is completely eliminated, whereby anisotropy occurs in the image.
In einigen Fällen wird diese Anisotropie als ausreichend gering erachtet, aber meistens wird eine solche als äusserst störend empfunden. Für die Messung des Phasenkontrasts beispielsweise in einem im Durchstrahlungsrasterbetrieb arbeitenden Elektronenmikroskop, wie in "Optik", 39 (1974), S. ki6. . Λ36, angegeben ist, ist eine derartige Anisotropie unerwünscht und könnte dabei nur mit einer äusserst komplizierten Detektorgeometrie vermieden werden.In some cases this anisotropy is considered to be sufficiently small, but most of the time it is felt to be extremely disturbing. For measuring the phase contrast, for example, in an electron microscope operating in transmission raster mode, as described in "Optik", 39 (1974), p. Ki6. . Λ36, is indicated, such anisotropy is undesirable and could only be avoided with an extremely complicated detector geometry.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Aufgabe zu löschen, dazu ist einem Elektronenmikroskop der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass der Stigmator zumindest acht zueinander symmetrisch angeordnete Spulen enthält, der Detektor aus Teilen mit einer in bezug auf zumindest eine Spiegellinie an den belichtenden Elektronenstrahl angepassten spiegelsymmetrischen Geometrie zusammengesetzt und ein im Stigmator zu erzeugendes Linsenkorrekturfeld an die Richtung der Spiegellinien im Detektor anpassbar ist.The invention is based on the object to delete this task, to do this is one Electron microscope of the type mentioned at the outset is achieved in that the stigmator is at least eight to one another contains symmetrically arranged coils, the detector from parts with a relation to at least one mirror line composed of mirror-symmetrical geometry adapted to the exposing electron beam and an im Stigmator to be generated lens correction field is adaptable to the direction of the mirror lines in the detector.
Da in einem Elektronenmikroskop nach der Erfindung der Detektor spiegelbildlich aufgeteilt und die Richtung der Trennlinie zwischen Detektorhälften an die Geometrie einer in den Gang für den belichtenden Elektronenstrahl aufgenommenen, nicht rotationsymmetrischen Blende angepasst ist, kann mit einer angepassten Orientierung des Achtpolfeldes derart gemessen werden, dass im endgültigen Bild keine Anisotropiestörung erhalten wird.Because in an electron microscope According to the invention, the detector is split mirror-inverted and the direction of the dividing line between detector halves on the geometry of a recorded in the passage for the exposing electron beam, not is adapted to a rotationally symmetrical diaphragm, can be measured with an adapted orientation of the octopole field in this way be that in the final picture there is no anisotropy perturbation is obtained.
Jn einer bevorzugten Ausführungsform ist das Elektronenmikroskop im Durchstrahlungsrasterbetrieb mit einer Detektionsanordnung zum Erzeugen von Phasenkontrastsignalen aus Differenzsignalen der beiden Detektorhälften ausgerüstet.In a preferred embodiment, the electron microscope is in transmission raster mode with a detection arrangement for generating phase contrast signals from difference signals of the equipped with both detector halves.
909843/0917909843/0917
ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED
1.11.1978 /_ PHN 90911.11.1978 / _ PHN 9091
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein elektromagnetischer Stigmator derart ausgeführt, dass darin durch geeignete ¥ahl der Erregung der unterschiedlichen Spulen eine Kombination eines Vierpolfeldes und eines Achtpolfeldes erzeugt werden kann.In a further preferred embodiment is an electromagnetic Stigmator designed in such a way that in it by suitable selection of the excitation of the different coils a combination of a four-pole field and an eight-pole field can be generated.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind in das Elektronenmikroskop Mittel zum Wahrnehmen eines vom Elektronenstrahl zu er- ^ zeugenden ElektronenfJecks aufgenommen. Durch die Einstellung eines symmetrischen Elektronenflecks, beispielsweise visuell, kann dabei auf einfache Weise eine optimale Zentrierung des Spulensystems in bezug auf die entsprechende Linse erhalten werden.In a further preferred embodiment, are in the electron microscope Means for perceiving an electron beam to be generated by the electron beam have been added. Through the Setting a symmetrical electron spot, for example visually, an optimal centering of the coil system with respect to can be achieved in a simple manner the corresponding lens can be obtained.
Einige bevorzugte Ausführungsformen nach der Erfindung rarden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:Some preferred embodiments according to the invention are given below with reference to FIG Drawing explained in more detail. Show it:
Fig. 1 einen schematischenFig. 1 is a schematic
Schnitt durch ein Elektronenmikroskop nach der Erfindung,Section through an electron microscope according to the invention,
2020th
Fig. 2 eine Draufsiht in zweiFig. 2 is a plan view in two
symmetrische Hälfte verteilter Elektronendetektoren für ein Elektronenmikroskop nach der Erfindung.symmetrical half of distributed electron detectors for an electron microscope according to the invention.
Ein Elektronenmikroskop nachAn electron microscope after
Fig. 1 enthält einen Elektronenstrahler 1 mit einer Anode 2, ein Strahlrichtsys;tem 3 (beam alignment) und eine Blende 4, ein Kondensatorsystem mit einer ersten Kondensorlinse 5» einer zweiten Kondensorlinse 6 une einer Kondensorblende 7j ein Objektiv mit einem ersten Objektivpol 8 und einem zweiten Objektivpol 9» ein Strahlab-Fig. 1 contains an electron gun 1 with an anode 2, a Strahlrichtsys; system 3 (beam alignment) and a diaphragm 4, a condenser system with a first condenser lens 5 »a second condenser lens 6 and one Condenser diaphragm 7j an objective with a first objective pole 8 and a second lens pole 9 »a beam deflector
3030th
tastsystem 10, einen Objektraum 11, eine Beugungslinse 12 mit einer Beugungsblende 13 eine Zwischenlinse 14, ein Projektinnssystem mit einer ersten Progektionslinse 15 und einer zweiten Projektionslinse 16, eine Filmkamera 17 und einen Elektronendetektor 18. Alle diese Teile sind in einscanning system 10, an object space 11, a diffraction lens 12 with a diffraction diaphragm 13 and an intermediate lens 14 Projektinnssystem with a first projection lens 15 and a second projection lens 16, a film camera 17 and an electron detector 18. All of these parts are in one
Gehäuse 20 mit einer Speiseleitung 21 für den Elektronenstrahler und einem Einblickfenster 22 aufgenommen. An das Gehäuse können ein optisches Binokular 23, eineHousing 20 with a feed line 21 for the electron gun and a viewing window 22 was added. To the Housing can be an optical binocular 23, a
§09843/0917 PAGINAL INSPECTgD§09843 / 0917 PAGINAL INSPECTgD
23.15.20723.15.207
1.11.1978 X PHN 909111/1/1978 X PHN 9091
Entlüftungsanordnung 24 und eine Plattenkamera 25 angeschlossen sein.Vent assembly 24 and a plate camera 25 connected be.
! In einer bevorzugten Ausfüh- ! In a preferred embodiment
rungsform eines derartigen Elektronenmikroskops nach.Approximate shape of such an electron microscope.
der Erfindung ist der Elektronendetektor 18 in zumindest zwei spiegelsymmetrische Hälften eingeteilt und einer Detektionsanordnung 26 zugeordnet, der über elektrische Leiter 17 Signale einer jpden der Detektorhälften gesondert zuführbar sind. Der Detektionsanordnung 26 ist bei-According to the invention, the electron detector 18 is divided into at least two mirror-symmetrical halves and one Detection arrangement 26 assigned to the separate signals of one of the detector halves via electrical conductors 17 are supplied. The detection arrangement 26 is both
M spielsweise ein Fernsehmonitor 28 für visuelle ¥iedergabe der aus den Detektorsignalen zu erzeugenden Bilder zugeordnet. Ein derartiges Elektronenmikroskop kann beispielsweise zum Erzeugen eines differentiellen Phasenkontrastbildes gemäss "Optik", 4i(i974, S. 452...456) verwendetM, for example, a television monitor 28 for visual reproduction assigned to the images to be generated from the detector signals. Such an electron microscope can, for example used to generate a differential phase contrast image according to "Optik", 4i (1974, pp. 452 ... 456)
'* werden. In mit diesem Verfahren gewonnenen Bildern wird eine Objektstruktur anisotrop dargestellt und die dargestellten Bilder erhalten durch die Differenzierung das Äussere eines scherend belichteten Reliefs; denn auch dort ist der Kontrast anisotrop, und zwar maximal in Richtung der Belichtung. Anisotropie aus einem korrigierenden Achtpolsystem ist deshalb an sich nicht unerwünscht und kann den visuellen Wert der zu erzeugenden Bilder vergrössern. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass hierbei mit einer verhältnismässig einfachen Detektorgeometrie gearbeitet werden kann.'* will. In images obtained with this method an object structure is shown anisotropically and the shown Differentiation gives images that Exterior of a relief exposed by shear; because there, too, the contrast is anisotropic, and at most in Direction of exposure. Anisotropy from a corrective eight-pole system is therefore not undesirable per se and can increase the visual value of the images to be generated. Another advantage here is that can be worked with a relatively simple detector geometry.
Berechnungen ergeben in reduzierter Form für die Aberration ¥ einer Wellenfront in einem elektronenoptischen System mit einem Achtpolfeld als Funktion des Abstands R gegen die optische Achse,Calculations result in reduced form for the aberration ¥ of a wavefront in an electron optical system with an eight-pole field as a function of the distance R from the optical axis,
der Stärke g des Achtpolfelds, des Azimutwinkels und einer Defokussierung /S^ die Gleichung ¥ = - (1 - g cos 4 oC )rthe strength g of the eight-pole field, the azimuth angle and a defocusing / S ^ the equation ¥ = - (1 - g cos 4 oC ) r
ι Qι Q
+ 2 /\ R . Der Radius R einer diesem System zugeordneten rotationssymmetrischen Blende hat dabei, wenn an die Aberration ¥ die Bedingung gestellt wird, dass sie in der Blende über höchstens TT/2 variiert, einen Wert R„. Beim Fehlen eines Achtpolfelds ist g = 0 und gilt für den Maximal zulässigen Achsabstand R der Blende ein Wert χ/ 21Γ+ 2 / \ R. The radius R of a rotationally symmetrical diaphragm assigned to this system has a value R ″ if the aberration ¥ is subject to the condition that it varies in the diaphragm over a maximum of TT / 2. In the absence of an eight-pole field, g = 0 and a value of χ / 21Γ applies to the maximum permissible center distance R of the diaphragm
909843/0917909843/0917
OR»O!NAL INSPECTS)OR »O! NAL INSPECTS)
1.11.1978 J> \ PHN 909111/1/1978 J> \ PHN 9091
für Δ = V ΤΤ/2^for Δ = V ΤΤ / 2 ^
Durch, den Zusatz des Achtpols ist die sphärische Aberration eilimiert, wenn 1 - g cosWith the addition of the octopole, the spherical aberration is minimized if 1 - g cos
r-γγr-γγ
(X> = 0, also für ς/^ = γ arc cos l/g + η — .(X> = 0, so for ς / ^ = γ arc cos l / g + η -.
Beseitigung der sphärische Aberration gilt daher für vier Azimutrichtungen, wenn g \ 1, und für zwei Azimutrichtungen, wenn g = 1. In einer bevorzugten Ausführungsform mit g = 1 und Δ= Ο ergibt solches eine Kontur für eine zusätzliche Blende, wie in Fig. 2 mit einer Strichlinie 30 angegeben, in welcher Figur ein Kreis 31 die maximal zulässige Grosse der Blende ohne Verwendung eines Achtpolfelds ist. Indem Trennlinien des Detektors mit den Symmetrielinien in der Projektion der Blende zusammenfallen, kann mit einer derartigen Linse, wenn sie in ein im Durchstrahlungsrasterbe— triebarbeitendes Elektronenmikroskop aufgenommen ist, ein aberrationsarmes Phasenbild erzeugt werden. Eine besondere vorteilhafte Ausführung dabei ist ein Elektronenmikroskop von einem Typ, bei dem ein vom Elektronenstrahl zu erzeugender Elektronenfleck visuell augenommen werden kann. Die Zentrierung des Spulensystems der Achtpollinse kann dabei durch die Bildung eines symmetrischen Flecks ausgeführt werden. Ausdem Vergleich der sphärischen Aberra-Elimination of the spherical aberration therefore applies to four azimuth directions if g \ 1, and for two azimuth directions if g = 1. In a preferred embodiment with g = 1 and Δ = Ο, this results in a contour for an additional diaphragm, as shown in FIG. 2 indicated with a dashed line 30, in which figure a circle 31 is the maximum permissible size of the diaphragm without the use of an eight-pole field. Since the separating lines of the detector coincide with the lines of symmetry in the projection of the diaphragm, a low-aberration phase image can be generated with such a lens when it is recorded in an electron microscope operating in a transmission raster. A particularly advantageous embodiment here is an electron microscope of a type in which an electron spot to be generated by the electron beam can be visually observed. The centering of the coil system of the octopole lens can be carried out by forming a symmetrical spot. From the comparison of the spherical aberrations
4 tion ergibt sich, dass, da der Koeffizient von R eine Funktion des Azimuts ς/^ ist, für jeden Yert von oC eine optimale Defokussierung A besteht. Bei einem vom Azimut unabhängigen ¥ert von Δ wird nur für einige ¥erte des Azimuts eine optimale Defokussierung erreicht und kann auch nur für diese Richtungen die Blende vergrössert werden. Für alle anderen Richtungen muss der Radius der Blende gerade verkleinert werden. Eine Lösung dafür wird in einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung dadurch angegeben, dass dem Achtpolfeld ein Vierpolfeld, für das eine Defokussierung /λ sin 2 oC gilt, überlagert wird. In einer Achtpollinse beispielsweise gemäss der Beschreibung in "Journal Phys. D. Appl. Phys," Vol. 7, (1974), S. 805...814,. kann ein deraifcLg zusammen-4 tion it follows that, since the coefficient of R is a function of the azimuth ς / ^, there is an optimal defocusing A for every yert of oC. With a value of Δ that is independent of the azimuth, optimal defocusing is only achieved for a few values of the azimuth and the diaphragm can only be enlarged for these directions. For all other directions, the radius of the diaphragm just has to be reduced. A solution for this is given in a preferred embodiment according to the invention in that a four-pole field, for which a defocusing / λ sin 2 oC applies, is superimposed on the eight-pole field. In an octopole lens, for example, as described in "Journal Phys. D. Appl. Phys," Vol. 7, (1974), pp. 805 ... 814 ,. can a deraifcLg
909843/Θ917909843 / Θ917
- ORIGINAL INSPECTED- ORIGINAL INSPECTED
1.11.1978 ^ PHN 909111/1/1978 ^ PHN 9091
gesetztes Linsenfeld durch eine geeignete ¥ahl der Erregung der unterschiedlichen Spulenpaare erzeugt werden. Eine bevorzugte Einstellung wiederum mit k = und j/\ = V f*/2. ergibt dabei eine für alle Werte innerhalb zweier Quadranten optimale fokussierung und dar Wert von R an dieser Stelle kann auf einem um 30 $ höheren Wert vergrössert werden. Eine dazu verwendende Blende ist mit einer Linie 32 in Fig. 2- angegeben.set lens field can be generated by a suitable number of excitation of the different coil pairs. A preferred setting again with k = and j / \ = V f * / 2. results in an optimal focus for all values within two quadrants and the value of R at this point can be increased to a value that is 30 $ higher. A diaphragm to be used for this purpose is indicated by a line 32 in FIG. 2-.
9098A3/09179098A3 / 0917
PJQiWAL INSPECTEDPJQiWAL INSPECTED
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