DE4344778C2 - Corpuscular beam microscope - Google Patents

Corpuscular beam microscope

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Description

Die Erfindung betrifft ein Korpuskularstrahlmikroskop nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere ein Elektronen- und Ionenmikroskop.The invention relates to a particle beam microscope according to the preamble of claim 1. especially an electron and ion microscope.

Elektronen- und Ionenmikroskope sind in der mikroskopischen Abbildung weit verbreitet. Die Erzeugung eines Abbildes in einem herkömmlichen Elektronen- (Ionen-) Mikroskop ist ein einstufiges Verfahren, welches die Beleuchtung einer Probe von einer Quelle von geladenen Teilchen umfaßt, den Einsatz von Elektronen- (Ionen-) Linsen, um ein vergrößertes Abbild zu erzeugen, und das Aufnehmen des Abbildes durch einen Detektor. Das Auflösungsvermögen eines solchen Mikroskops ist in bekannter Weise durch Aberrationen begrenzt, die unausweichlich die Elektronenlinsen begleiten. Das holographische Elektronenmikroskop nach Gabor benutzt einen zweistufigen Abbildungsprozeß, der besteht aus der Aufnahme eines Hologramms der Probe und Wiederaufbauen einer vergrößerten Abbildung, um die Aberrationen auszugleichen. Die holographische Registrierung erfordert räumliche und zeitliche Kohärenz der Objektwelle und der Referenzwelle, deswegen ist die räumliche Kohärenz der Probenbeleuchtung, die durch die Breite (den Radius) der räumlichen Beleuchtungskohärenz charakterisiert ist, eine wesentliche Eigenschaft des holographischen Mikroskops. Eine moderne Abwandlung des holographischen Elektronenmikroskops, welches "Off-axis Bildebenen-Holographie" (siehe beispielsweise US-Patent 4 935 625 einsetzt, umfaßt ein Elektronenmikroskop mit einer Elektronenquelle und einem Kondensor, die einen Elektronenstrahl erzeugen mit einem räumlichen Kohärenzradius, der größer ist als die Querabmessungen der Probe, die aus der Achse versetzt angeordnet ist, Elektronenlinsen zur Erzeugung eines vergrößerten Abbildes der Probe, ein elektrostatisches Biprisma zum Wiederzusammensetzen des vergrößerten Abbildes, wobei der nicht durch die Probe gehende Teil des Strahles mit dem durch die Probe gehenden Teil ein Bildebenen-Hologramm formt, einen Abbilddetektor zur Aufnahme des Hologramms, und eine Abbilddatenverarbeitungsanlage, die eingesetzt wird, um das Hologramm zu analysieren, um das Abbild zu rekonstruieren. Jedoch kann die Bildauflösung, die mit diesem Mikroskop selbst nach Korrektur der Aberrationen erreichbar ist, selbst wenn sie, verglichen mit der Abbildung des herkömmlichen Elektronenmikroskops verbessert ist, nicht die sogenannte Informationsauflösungsgrenze überschreiten, die neben anderen Faktoren im wesentlichen durch die sphärischen und chromatischen Aberrationen der Objektivlinsen bestimmt ist.Electron and ion microscopes are in the microscopic Figure widely used. The creation of an image in a conventional electron (ion) microscope is a one-step process that uses lighting a sample from a source of charged particles involves the use of electron (ion) lenses to to create an enlarged image, and recording the image by a detector. The resolving power such a microscope is in a known manner limited by aberrations that are inevitable the electron lenses accompany. The holographic electron microscope according to Gabor uses a two-stage mapping process, which consists of the recording of a hologram of Rehearsal and reconstruction of an enlarged image, to compensate for the aberrations. The holographic Registration requires spatial and temporal coherence the object wave and the reference wave, that's why the spatial coherence of the sample lighting by the Width (the radius) of spatial lighting coherence is characterized, an essential property of the holographic microscope. A modern variation of the holographic electron microscope, which "off-axis Image plane holography "(see, for example, US patent  4 935 625 uses an electron microscope with an electron source and a condenser that generate an electron beam with a spatial coherence radius that is larger than the transverse dimensions of the sample, which is offset from the axis is, electron lenses to produce an enlarged one Image of the sample, an electrostatic biprism to reassemble the enlarged image, the part of the beam not passing through the sample with the part going through the sample an image plane hologram forms an image detector Recording of the hologram, and an image data processing system, which is used to make the hologram analyze to reconstruct the image. However can the image resolution itself with this microscope after correction of the aberrations is achievable itself when compared to the illustration of the conventional Electron microscope is improved, not the so-called Information resolution limit exceed that other factors essentially through the spherical and chromatic aberrations of the objective lenses is.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Auflösungsvermögen eines Kularstrahlmikroskops der eingangs genannten Art weiter zu erhöhen.The invention has for its object the resolution of a To further increase theular beam microscope of the type mentioned at the beginning.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Korpuskularstrahlmikroskop gelöst.According to the invention, this object is characterized by that in claim 1 Corpuscular beam microscope released.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Developments of the invention are characterized in the subclaims.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Korpuskularstrahlmikroskops beruht auf folgendem. In der Kohärenztheorie ist es bekannt, daß für die Streuung von teilweise kohärenten, im räumlichen Bereich quasimonochromatischen Strahlen geladener Teilchen, der komplexe Grad von transversaler räumlicher Kohärenz µ⟂ des elastisch gestreuten Strahls in einem kleinen Bereich von Streuwinkeln um eine willkürliche Streuungsrichtung nach der Verallgemeinerung des Van Cittert-Zernike Theorems für Wellen- und Teilchenstreuung durch die normalisierte dreidimensionale Fourier Transformation der quadratischen elektronischen Potentialverteilung ϕ() des streuenden Objektes beschrieben werden kann, d. h.The operation of the corpuscular beam microscope according to the invention is based on the following. It is known in coherence theory that for the scattering of partially coherent particles charged in the spatial area quasi-monochromatic rays, the complex degree of transverse spatial coherence µ ⟂ of the elastically scattered beam in a small range of scattering angles around an arbitrary direction of scattering after the generalization of the Van Cittert-Zernike's theorems for wave and particle scattering can be described by the normalized three-dimensional Fourier transformation of the quadratic electronic potential distribution ϕ () of the scattering object, ie

wobei ₁ und ₂ Einheitsvektoren sind, die auf ein Paar von Beobachtungspunkten gerichtet sind, λ die mittlere Wellenlänge der zugehörigen Teilchen ist, D der räumliche Bereich ist, der durch die Streuprobe besetzt ist. Der Begriff "transversal" kennzeichnet, daß das Paar von Beobachtungspunkten seitlich ausgerichtet ist in Bezug auf die Streuungsrichtung. Allgemein gesprochen ist der Abbildungsvorgang durch das erfindungsgemäße Mikroskop auf der Beziehung der Fourier-Transformation zwischen der elektrischen Potentialverteilung in der Probe und dem komplexen Grad der transversalen räumlichen Kohärenz des gestreuten Strahles, die durch die obige Gleichung ausgedrückt ist, begründet.where ₁ and ₂ are unit vectors that match a pair are directed from observation points, λ the middle Wavelength of the associated particles, D is the spatial Area that is occupied by the scatter sample. The term "transverse" indicates that the pair of Observation points are aligned laterally in relation on the direction of scatter. Generally speaking, that is Imaging process through the microscope according to the invention on the relationship of the Fourier transform between the electrical potential distribution in the sample and the complex degree of transverse spatial coherence of the scattered beam by the above equation is justified.

Bei dem erfindungsgemäßen Mikroskop ist die Helligkeit und die Phasenverschiebung der Interferenzstreifen durch den komplexen Grad der transversalen räumlichen Kohärenz des gestreuten Strahls bestimmt. Durch den Detektor werden Aufnahmen der Interferenzstreifen in verschiedenen, durch das Drehmittel erzeugten Interferenzstreifen-Richtungen (shear-Richtungen) mit veränderten shear-Mengen in jeder einzelnen shear-Richtung aufgenommen. Die Datenverarbeitungsanlage wertet die Helligkeit und die Phasenverschiebung der Interferenzstreifen aus den Aufnahmen, um Fourier-Komponenten eines Probenabbildes zu erhalten und das Abbild der Probe aus diesen Komponenten zu synthetisieren. In dieser Art wird ein zwei- oder drei-dimensionales Abbild synthetisiert. Zur Erzeugung eines drei-dimensionalen Abbildes ist der Halter der Probe derart, daß die Probe um eine Achse drehbar ist, die senkrecht zu der Streuungsachse liegt.In the microscope according to the invention, the brightness and the  Phase shift of the interference fringes due to the complex Degree of transverse spatial coherence of the scattered Beam determined. The detector takes pictures the interference fringe in different interference fringe directions generated by the rotating means (shear directions) with changed shear amounts in each one shear direction added. The data processing system evaluates the brightness and the phase shift the interference fringe from the recordings, around Fourier components of a sample image to get and the image of the sample from this To synthesize components. In this way, a two- or three-dimensional image synthesized. For The holder is the creation of a three-dimensional image the sample such that the sample is rotatable about an axis is perpendicular to the scattering axis.

Während in den Mikroskopen nach dem Stand der Technik axial symmetrische Elektronenlinsen mit einer Modulationstransferfunktion eingesetzt werden müssen, die sich in zwei Dimensionen erstrecken, um eine Abbilderzeugung zu gewährleisten, hat das erfindungsgemäße Mikroskop den Vorteil, daß die Abbildsynthese mit einem Interferometer erreichbar ist, das Linsen aufweist mit einer Modulationstransferfunktion, die sich nur in eine Richtung, parallel zu der Shearing-Richtung erstreckt, und die um eine einzige räumliche Frequenz, die in dieser Richtung angeordnet ist, angeordnet werden kann. Aberrationen eines solchen Abbildsynthesesystems können im Vergleich zu den Aberrationen von axial symmetrischen Linsen wesentlich reduziert werden; dies führt zu einem höheren Auflösungsvermögen des erfindungsgemäßen Mikroskops.While in the microscopes according to the prior art axially symmetrical electron lenses with a modulation transfer function must be used that extend in two dimensions to create an image has to ensure the microscope according to the invention the advantage that the image synthesis with an interferometer is achievable, which has lenses with a Modulation transfer function that is only one way extends parallel to the shearing direction, and which is around a single spatial frequency that in this Direction is arranged, can be arranged. Aberrations of such an image synthesis system can Comparison to the aberrations of axially symmetric Lenses are significantly reduced; this leads to one higher resolution of the microscope according to the invention.

Die Erfindung wird nun anhand eines Beispiels und mit Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung beschrieben, wobei The invention will now be described using an example and Described with reference to the accompanying drawing, in which  

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Mikroskops ist, Fig. 1 is a schematic representation of the embodiment of the microscope according to the invention,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Interferometers für das Mikroskop von Fig. 1 ist, FIG. 2 is a schematic illustration of an interferometer for the microscope of FIG. 1;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung des Interferometers ist. . 3 is a schematic representation of a second embodiment, Fig of the interferometer.

Fig. 1 zeigt ein Mikroskop, welches gewöhnlich in einer Transmissionsweise mit dünnen Proben eingesetzt wird. Eine Quelle für geladene Teilchen 10 und ein Kondensator 20 bilden ein Dunkelfeld-Beleuchtungssystem, welches eine Blende 21 mit ringförmiger Öffnung umfaßt, die auf eine Blende 22, gewöhnlich mit kreisförmiger Öffnung, scharf abgebildet ist, und welche in der Transmissionsweise hinter einer Probe 30 angeordnet ist. Das Beleuchtungssystem erzeugt einen Teilchenstrahl 11 mit einem räumlichen Kohärenzradius, der klein ist im Vergleich zu den Querabmessungen der Probe. Ein Teil des gestreuten Strahls 12 gelangt durch die Öffnung 22 in ein Interferometer 40, das um die Streuungsrichtung 14 angeordnet ist, um Interferenzstreifen 43 zu erzeugen, welche allgemein linear sind. Die Streifen 43 werden von einem Detektor 50 aufgenommen und von einer Datenverarbeitungsanlage 60 verarbeitet. Fig. 1 shows a microscope which is usually used in a transmission manner with thin samples. A source of charged particles 10 and a capacitor 20 form a dark field illumination system which includes an aperture 21 having an annular opening which is sharply imaged on an aperture 22 , usually a circular opening, and which is arranged behind a sample 30 in the manner of transmission is. The illumination system generates a particle beam 11 with a spatial coherence radius that is small compared to the transverse dimensions of the sample. A portion of the scattered beam 12 passes through the opening 22 into an interferometer 40 which is arranged about the scattering direction 14 to produce interference fringes 43 which are generally linear. The strips 43 are recorded by a detector 50 and processed by a data processing system 60 .

Zur Arbeit mit sperrigen Proben kann eine Reflexionsbetriebsart eingesetzt werden in einem Mikroskop, welches einen Strahl einsetzt, der durch die Probe in großen Winkeln gestreut wird. In einem solchen Mikroskop sind die Blende 22, das Interferometer 40 und der Detektor 50 entlang einer Streuungsrichtung auf der Quellenseite in Bezug zu der Probe angeordnet.To work with bulky samples, a reflection mode can be used in a microscope that uses a beam that is scattered by the sample at large angles. In such a microscope, the aperture 22 , the interferometer 40 and the detector 50 are arranged along a scattering direction on the source side with respect to the sample.

Das Interferometer 40 (Fig. 2) umfaßt ein elektrostatisches Biprisma 41, wobei eine veränderbare Spannung an den Faden 42 des Biprismas angelegt ist. Das Biprisma 42 erzeugt die Überlagerung von zwei seitlich in Bezug auf die Streuungsrichtung versetzten Bereichen des gestreuten Strahls, indem sie sie gegeneinander ablenkt. Die Fadenspannung steuert den Ablenkungswinkel und dadurch die shear-Menge der Interferenzbereiche. Die shear-Richtung, die durch das Interferometer erzeugt wird, wird durch ein Drehmittel verändert, z. B. durch einen Probenhalter 31, der die Probe um die Streuungsrichtung 14 zu drehen vermag.The interferometer 40 ( FIG. 2) comprises an electrostatic biprism 41 , a variable voltage being applied to the thread 42 of the biprism. The biprism 42 creates the superposition of two regions of the scattered beam which are laterally offset with respect to the direction of scattering, by deflecting them against one another. The thread tension controls the deflection angle and thereby the shear amount of the interference areas. The shear direction generated by the interferometer is changed by a rotating means, e.g. B. by a sample holder 31 , which is able to rotate the sample around the scattering direction 14 .

Die Streifen 43 können in der Richtung senkrecht zu ihnen durch Einsatz eines optischen Systems 45 vergrößert werden, welches ein vergrößertes Abbild in der Ebene des Detektors 50 erzeugt, der z. B. ein CCD-Detektor ist. Zum Erhöhen der Helligkeit und des Signal-Rauschverhältnisses der Aufnahmen, wird ein anamorphotisches optisches System 45 eingesetzt, um die Interferenzstreifen 43 entlang ihrer Richtung zu verkleinern, während sie in der senkrechten Richtung vergrößert werden. Weil die Abstände der Streifen 43 sich mit der shear-Menge verändern, hat das optische System 45 eine eindimensionale Modulationstransferfunktion, die sich in der shear-Richtung erstreckt.The strips 43 can be enlarged in the direction perpendicular to them by using an optical system 45 , which produces an enlarged image in the plane of the detector 50 , which e.g. B. is a CCD detector. To increase the brightness and signal-to-noise ratio of the recordings, an anamorphic optical system 45 is used to reduce the interference fringes 43 along their direction while increasing them in the vertical direction. Because the spacing of strips 43 changes with the amount of shear, optical system 45 has a one-dimensional modulation transfer function that extends in the shear direction.

In der bevorzugten Ausgestaltung des beschriebenen Mikroskops ist ein zweites elektrostatisches Biprisma 44 nach dem ersten stromabwärts um den gestreuten Strahl angeordnet (Fig. 3). Durch Änderung der Fadenspannung des Biprismas 44 gemäß der notwendigen Spannungsveränderung auf dem Biprisma 41 für das Shearing, werden der Winkel zwischen den Interferenzstrahlen und der Abstand der Interferenzstreifen 43 in einem vorbestimmten Bereich gehalten, wohingegen die shear-Menge geändert wird. In einem derartigen Mikroskop kann das optische System 45 eine Modulationstransferfunktion aufweisen, die eine einzige räumliche Frequenz aufweist und deren Wert niedrig genug gewählt werden kann, um Aberrationen zu reduzieren. So können die Aberrationen des Mikroskops nach der Erfindung im Vergleich zu den Aberrationen der Mikroskope nach dem Stand der Technik wesentlich reduziert werden, was die Auflösung verbessert.In the preferred embodiment of the described microscope, a second electrostatic biprism 44 is arranged downstream of the first one around the scattered beam ( FIG. 3). By changing the thread tension of the biprism 44 according to the necessary tension change on the biprism 41 for the shearing, the angle between the interference beams and the distance of the interference fringes 43 are kept in a predetermined range, whereas the amount of shear is changed. In such a microscope, the optical system 45 can have a modulation transfer function which has a single spatial frequency and whose value can be chosen low enough to reduce aberrations. In this way, the aberrations of the microscope according to the invention can be significantly reduced compared to the aberrations of the microscopes according to the prior art, which improves the resolution.

Claims (9)

1. Korpuskularstrahlmikroskop mit einer Quelle (10) für geladene Teilchen und einem Kondensator (20), die einen auf eine Probe (30) auftreffenden Teilchenstrahl formen, und das einen Probenhalter (31), ein Interferometer (40) zur Erzeugung von Interferenzstreifen, einen Detektor (50) für die Aufnahme der Interferenzstreifen und eine Datenverarbeitungsanlage (60) zur Erzeugung eines Abbildes der Probe aus den Aufnahmedaten umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (10) und der Kondensator (20) ein Dunkelfeld-Beleuchtungssystem bilden mit einem Strahl, dessen räumlich kohärenter Radius klein ist im Vergleich zu den Querabmessungen der Probe (30); daß das Interferometer (40) um eine Streuungsrichtung des von der Probe gestreuten Strahls angeordnet ist, um Interferenzstreifen zu formen, die durch Überlagerung von zwei seitlich zu der Streuungsrichtung versetzten Bereichen des gestreuten Strahls erzeugt werden; daß das Interferometer so ausgbildet ist, daß die Entfernung zwischen den Mittelpunkten der zwei seitlich versetzten Bereich (shear-Menge) verändert werden kann; daß ein Drehmittel vorgesehen ist, um die Richtung zwischen den Mittelpunkten der überlagerten Bereiche (shear-Richtung) um die Streuungsrichtung relativ zu dem gestreuten Strahl zu drehen; daß der Detektor (50) Aufnahmen der Interferenzstreifen in verschiedenen, durch das Drehmittel erzeugten shear-Richtungen mit veränderbaren shear-Mengen innerhalb jeder einzelnen shear-Richtung macht; und daß die Datenverarbeitungsanlage (60) aus den Aufnahmen der Interferenzstreifen Fourier-Komponenten eines Abbildes der Probe ermittelt und das Probenabbild aus diesen Komponenten synthetisiert.1. Corpuscular beam microscope with a source ( 10 ) for charged particles and a capacitor ( 20 ), which form a particle beam impinging on a sample ( 30 ), and a sample holder ( 31 ), an interferometer ( 40 ) for generating interference fringes, one Detector ( 50 ) for recording the interference fringes and a data processing system ( 60 ) for generating an image of the sample from the recording data, characterized in that the source ( 10 ) and the capacitor ( 20 ) form a dark field illumination system with a beam, whose spatially coherent radius is small compared to the transverse dimensions of the sample ( 30 ); that the interferometer ( 40 ) is arranged around a scattering direction of the beam scattered by the sample to form interference fringes which are generated by superimposing two regions of the scattered beam which are offset laterally to the scattering direction; that the interferometer is designed so that the distance between the centers of the two laterally offset areas (shear amount) can be changed; that a rotating means is provided to rotate the direction between the centers of the superimposed areas (shear direction) about the direction of scattering relative to the scattered beam; that the detector ( 50 ) records the interference fringes in different shear directions generated by the rotating means with variable shear amounts within each individual shear direction; and that the data processing system ( 60 ) determines Fourier components of an image of the sample from the recordings of the interference fringes and synthesizes the sample image from these components. 2. Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines dreidimensionalen Abbildes der Probe der Probenhalter (31) so ausgebildet ist, daß die Probe um eine Achse senkrecht zu der Streuungsrichtung gedreht werden kann.2. Microscope according to claim 1, characterized in that for generating a three-dimensional image of the sample the sample holder ( 31 ) is designed so that the sample can be rotated about an axis perpendicular to the direction of scattering. 3. Mikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dunkelfeld-Beleuchtungssystem eine Blende (21) mit ringförmiger Öffnung aufweist, die auf eine andere Blende (22) scharf abgebildet ist, die den durch die Probe (30) gehenden ungestreuten Strahl blockiert.3. Microscope according to claim 1 or 2, characterized in that the dark field illumination system has a diaphragm ( 21 ) with an annular opening, which is sharply imaged on another diaphragm ( 22 ) which the unscattered beam passing through the sample ( 30 ) blocked. 4. Mikroskop nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer (40) ein elektrostatisches Biprisma (41) aufweist, das eine veränderbare, an einen Biprisma-Faden (42) angelegte Spannung aufweist, um die shear-Menge zu verändern.4. Microscope according to one of the preceding claims, characterized in that the interferometer ( 40 ) has an electrostatic biprism ( 41 ) which has a variable voltage applied to a biprism thread ( 42 ) in order to change the amount of shear. 5. Mikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer (40) zwei elektrostatische Biprismen (41, 44) aufweist, die hintereinander um den gestreuten Strahl angeordnet sind und so auf veränderbaren Spannungen gehalten werden, daß die Abstände der Interferenzstreifen innerhalb eines vorbestimmten Bereichs gehalten werden, wohingegen die shear-Menge verändert wird. 5. Microscope according to claim 4, characterized in that the interferometer ( 40 ) has two electrostatic biprisms ( 41, 44 ) which are arranged one behind the other around the scattered beam and are kept at variable voltages so that the spacing of the interference fringes within a predetermined Range, whereas the amount of shear is changed. 6. Mikroskop nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer (40) ein optisches System (45) umfaßt, das ein Abbild der Interferenzstreifen erzeugt, welches in der Richtung senkrecht zu den Streifen in der Ebene des Detektors (50) vergrößert ist.6. Microscope according to one of the preceding claims, characterized in that the interferometer ( 40 ) comprises an optical system ( 45 ) which generates an image of the interference fringes, which magnifies in the direction perpendicular to the stripes in the plane of the detector ( 50 ) is. 7. Mikroskop nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (45) anamorphotisch ist und das Abbild entlang der Richtung der Interferenzstreifen verkleinert.7. Microscope according to claim 6, characterized in that the optical system ( 45 ) is anamorphic and the image is reduced along the direction of the interference fringes. 8. Mikroskop nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmittel der Probenhalter (31) ist, der die Probe um die Streuungsrichtung zu drehen vermag.8. Microscope according to one of the preceding claims, characterized in that the rotating means is the sample holder ( 31 ) which is able to rotate the sample about the direction of scattering. 9. Mikroskop nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (50) eine Anordnung von ladungsgekoppelten Speichern (CCD-Detektor) ist.9. Microscope according to one of the preceding claims, characterized in that the detector ( 50 ) is an arrangement of charge-coupled memories (CCD detector).
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