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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Bildbetrachtungsvorrichtung
zur Betrachtung eines mikroskopischen Bildes, das sich mit einer
hohen Geschwindigkeit ändert
und das durch ein Ladungsteilchenmikroskop, wie zum Beispiel einem
Transmissions-Elektronenmikroskop
erzeugt wird, das durch Nutzung der Ladungsteilchen-Leitungsvorrichtung implementiert
wird.
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Bisher
wurde bei der Messung von dynamischen Änderungen in einer atomaren
Struktur oder dergleichen eines feinen Bereiches oder Mikrodomäne einer
Probe im allgemeinen ein Transmissions-Elektronenmikroskop eingesetzt,
wie in 16 der beigefügten Zeichnungen
gezeigt. Insbesondere werden bezugnehmend auf die Figur Elektronen,
die von einer Ladungsteilchenquelle oder Elektronenkanone 3 emittiert
werden, mittels eines Beleuchtungs-Elektronenlinsensystems 2 zur
Beleuchtung einer Probe 3 mit dem Elektronenstrahl zu einem Elektronenstrahl
parallel gerichtet. Ein Bild der Probe 3, das so durch
Elektronen geformt wird, die bei der Transmission durch die Probe
einer Streuung unterworfen waren, wird dann durch ein Bildvergrößerungs-/Projektionslinsensystem 4 vergrößert, das
auf eine Bilddarstellungsebene wie einen Leuchtschirm 5 projiziert
wird, wo das Elektronenbild der Probe in ein optisches Bild umgewandelt
wird, das dann mit Hilfe einer Fernsehkamera 27 und einem
Videobandrecorder 28 oder ähnlichen Einrichtung aufgezeichnet wird.
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Jedoch
ist mit der herkömmlichen
mikroskopischen Bildbetrachtungsvorrichtung, wie oben erwähnt, die
zeitbasierte oder zeitliche Auflösung
der Bewegung oder der Veränderung
des Bildes, die gemessen werden kann, auf ein Niveau beschränkt, das
durch eine Rahmenfrequenz einer Fernsehkamera bestimmt wird, die
zur Anzeige und/oder Aufzeichnung des Bildes eingesetzt wird. Folglich
ist die zeitliche Auflösung,
die in praktischen Anwendungen realisiert werden kann, auf mehrere
Millisekunden oder so beschränkt.
Mit anderen Worten ist es mit der herkömmlichen Vorrichtung äußerst schwierig
oder unmöglich,
die dynamische Änderung
in der atomaren, magnetischen oder elektrischen Struktur oder Domäne zu beobachten
oder zu betrachten, die mit einer hohen Geschwindigkeit stattfindet.
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Der
Artikel „Velocity
measuring system for interface motion in TEM", Journal of Electron Microscopy, 1988,
Japan, Band 37, Nr. 3, Seiten 117 bis 124 beschreibt ein System
zur Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Grenzflächenbewegung. Es
werden Elektronenstrahlintensitäten
an drei Positionen bestimmt und in elektrische Signale umgesetzt,
die verstärkt
und auf einen dreidimensionalen Wellenspeicher aufgezeichnet werden.
Die drei Signale werden auf einer Anzeige angezeigt, und können unter
Verwendung eines Computers verarbeitet, zum Beispiel geglättet werden.
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Im
Lichte des oben beschriebenen Stands der Technik ist es eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die
imstande ist, leicht eine Bewegungsgeschwindigkeit und/oder eine
Schwingungsfrequenz einer atomaren Struktur, magnetischen Struktur,
elektrischen Struktur oder ähnlichen
Domäne
zu messen, die sich mit einer solch hohen Geschwindigkeit ändert, daß sie es unmöglich macht,
das sich ändernde
Bild mit der herkömmlichen
Vorrichtung zu messen oder zu betrachten.
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Insbesondere
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bildbetrachtungsvorrichtung nach
Anspruch 1 bereitzustellen, die aus einer Ladungsteilchenquelle,
einem Beleuchtungslinsensystem und einem Bildvergrößerungs-/Projektionslinsensystem
besteht und die eine Einrichtung zur Extraktion eines Teils oder
Anteils der Ladungsteilchen aufweist, die ein Probenbild an einer
vorbestimmten Position einer Bilddarstellungsebene des Bildvergrößerungs-/Projektionslinsensystems
formen, um dadurch den Nachteil der Vorrichtung des Stands der Technik
zu beseitigen, der vorhergehend erwähnt wurde.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Betrachtungsvorrichtung
für ein
Ladungsteilchenmikroskop bereitzustellen, in der Ladungsteilchendetektoren
zur Detektion der Ladungsteilchen vorgesehen sind, die aus der Ladungsteilchen-Leitungsvorrichtung
entnommen werden, wobei eine Kreuzkorrelation zwischen Signalen,
die aus den Ladungsteilchendetektoren ausgegeben werden, die an
unterschiedlichen Stellen angeordnet sind, oder ein Leistungsspektrum
des Detektorausgangssignals aus einem Ladungsteilchendetektor, der
an einer einzelnen gegebenen Stelle angeordnet ist, rechnerisch
bestimmt werden, oder wo eine Autokorrelationsverarbeitung für mehrere
Ausgangssignale der Ladungsteilchendetektoren durchgeführt wird,
die in einer Anordnung angeordnet sind, um es dadurch möglich zu
machen, eine betreffende Struktur eines Probenbildes zu messen oder
sichtbar zu machen, das sich mit einer hohen Geschwindigkeit ändert oder
mit einer hohen Frequenz schwingt.
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In
einer bevorzugten Art zur Implementierung der oben beschriebenen
Bildbetrachtungsvorrichtung können
mehrere Ladungsteilchen-Exttaktionseinrichtungen in der Bilddarstellungsebene
vorgesehen sein, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung so gestaltet
sein kann, daß sie
rechnerisch eine Kreuzkorrelation zwischen Signalen bestimmt, die aus
den Ladungsteilchendetektoren ausgegeben werden, die jeweils in
eineindeutiger Entsprechung zu den Ladungsteilchen-Extraktionseinrichtungen vorgesehen
sind.
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Insbesondere
kann die Signalverarbeitungseinrichtung so gestaltet sein, daß sie eine
Bewegungsgeschwindigkeit einer betreffenden Domäne oder Struktur des Probenbildes
auf der Grundlage einer Zeit, zu der sich eine Spitze in der rechnerisch bestimmten
Kreuzkorrelation zwischen den Signalen zeigt, die aus den Ladungsteilchendetektoren
ausgegeben werden, und einem Abstand bestimmt, der zwischen den
Ladungsteilchen-Extraktionseinrichtungen liegt.
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Alternativ
kann die Signalverarbeitungseinrichtung so gestaltet sein, daß sie eine
Schwingungsfrequenz eines betreffenden Abschnitts oder einer Domäne des Probenbildes
durch rechnerische Bestimmung einer Kreuzkorrelation zwischen den
Signalen bestimmt, die aus den Ladungsteilchendetektoren ausgegeben
werden, die jeweils in Verbindung mit einem Paar Ladungsteilchen-Extraktionseinrichtungen
vorgesehen sind.
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Ferner
kann die Signalverarbeitungseinrichtung außerdem so gestaltet sein, daß sie eine Schwingungsfrequenz
eines betreffenden Abschnitts eines Probenbildes auf der Grundlage
eines Leistungsspektrums eines Signals bestimmt, das aus einem Ladungsteilchendetektor
ausgegeben wird, der in Verbindung mit einer Ladungsteilchen-Extraktionseinrichtung
vorgesehen ist.
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In
der oben beschriebenen Bildbetrachtungsvorrichtung kann ferner vorgesehen
sein: eine Ablenkeinrichtung zur Ablenkung des Ladungsteilchenstrahls,
der das Probenbild formt, das durch das Bildvergrößerungs-/Projektionslinsensystem
projiziert wird, eine Steuereinrichtung zur steuerbaren Änderung
der Größe der Ablenkung
des Ladungsteilchenstrahls, die durch die Ablenkeinrichtung bewirkt wird,
auf einer zeitseriellen Basis, und eine Ausgabeeinrichtung zur Anzeige
und/oder Aufzeichnung der zeitseriellen Steuerung der Ablenkung,
die durch die Steuereinrichtung durchgeführt wird, und des Ergebnisses
der Rechenoperation, die durch die Signalverarbeitungseinrichtung
durchgeführt
wird, in Synchronismus miteinander, so daß die zweidimensionale Verteilung
der Schwingungsfrequenzen der Probe sichtbar beobachtet werden kann.
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In
einer werteren bevorzugten Art zur Implementierung der efindungsgemäßen Bildbetrachtungsvorrichtung
kann die Ladungsteilchen-Extraktionseinrichtung durch eine Öffnung oder
ein Durchgangsloch gebildet werden, das in einem Leuchtschirm ausgebildet
ist, der an der Bitddarstellungsebene angeordnet ist, während die
Ladungsteilchen-Detektionseinrichtung
durch eine Lawinenphotodiode gebildet werden kann, die an der Rückseite des
Leuchtschirms gegebenüber
der Öffnung
angeordnet ist, so daß ein
Teil der Ladungsteilchen auf die Lawinenphotodiode auftreffen kann.
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Die
Bildbetrachtungsvorrichtung kann ferner aufweisen: eine Einrichtung
zum äußeren Anlegen einer
elektrischen, magnetischen, thermischen oder chemischen oder alternativen
Anregung an die Probe, indem Teilchen, wie Photonen, Atome oder
Elektronen verwendet werden, eine Einrichtung zum Leiten von Ladungsteilchen,
die durch die Probe bei der Transmission durch sie hindurch gestreut
werden, und eine Recheneinrichtung zur rechnerischen Bestimmung
einer Kreuzkorrelation zwischen einem Signal, das durch die Anregungsanlegeeinrichtung
in Synchronismus mit dem Anlegen der Anregung erzeugt wird, und
einem Ausgangssignal der Ladungsteilchen-Detektionseinrichtung.
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In
einer weiteren bevorzugten Art, die Erfindung auszuführen, kann
die Ladungsteilchen-Detektionseinrichtung durch mehrere Ladungsteilchendetektoren
gebildet werden, die in einer linearen Anordnung oder alternativ
in einer zweidimensionalen Anordnung angeordnet sind. In diesem
Fall kann die Vorrichtung ferner eine Einrichtung zum Auswählen von
Kombinationen der Ausgangssignale der einzelnen Ladungsteilchendetektoren
zur rechnerischen Bestimmung von Korrelationen zwischen den Ausgangssignalen,
und eine Einrichtung zur Anzeige der Ergebnisse der Korrelationen,
die bestimmt werden, aufweisen. In diesem Fall können Korrelationen zwischen
den Bildern, die durch das Ladungsteilchenmikroskop erzeugt werden,
hinsichtlich einer gegebenen Position und einer Zeit bestimmt werden.
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Mit
der Bildbetrachtungsvorrichtung für das Ladungsteilchenmikroskop
kann ein dynamisches Verhalfen eines Mikrobereichs oder Domäne einer untersuchten
Probe wie eine Bewegung oder Verschiebung des Kontrasts des Probenbildes
ebenso wie eine Schwingung der Domäne gemessen oder sichtbar gemacht
werden, selbst wenn ein solches dynamisches Verhalten oder eine Änderung
mit einer solch hohen Geschwindigkeit oder Rate stattfindet, daß die schon
bekannte herkömmliche
Vorrichtung, wie eine Ladungsspeicherungsfernsehkamera, nicht damit
umgehen könnte.
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Im
allgemeinen weist ein vergrößertes Bild einer
Probe einen Kontrast, d.h. eine Variation der Intensität der Ladungsteilchen
in Abhängigkeit
von der atomaren Struktur, elektrischen Struktur und magnetischen
Struktur der Probe auf. Folglich ist es vermöge der Anordnung zur Extraktion
oder Entnahme der Ladungsteilchen, die einen Teil des Probenbildes
bilden, so daß diese
Ladungsteilchen auf den/die Ladungsteilchendetektor(en) auftreffen,
und der Verstärkung
des/der Ausgangssignal(e) des/der Ladungsteilchendetektors(en) möglich, den
Kontrast des Bildes in einen elektrischen Strom umzuwandeln, dessen
Amplitude oder Pegel als Funktion des Kontrasts variiert. Wenn beispielsweise
ein bestimmter oder gegebener Abschnitt einer Probe mechanisch,
magnetisch oder elektrisch schwingt, zeigt der Strom, der in jenem
Abschnitt der Probe detektiert wird, eine Schwingung. Folglich kann
durch Bestimmung des Leistungsspektrums oder der Autokorrelation,
wie vorher erwähnt,
die Schwingungsfrequenz quantitativ ausgewertet werden. Wenn sich
andererseits eine spezifische Struktur einer Probe bewegt, zeigt
sich beim Vorübergehen
der Struktur an den Durchgangslöchern
mit einem kleinen Durchmesser, die an unterschiedlichen Positionen
angeordnet sind, eine Änderung
des Stroms, der aus den Ladungsteilchendetektoren ausgegeben wird,
wobei diese Änderung
durch den Kontrast der spezifischen Struktur bestimmt werden kann.
Durch rechnerische Bestimmung der Kreuzkorrelation zwischen den
Ausgangssignalen der Ladungsteilchendetektoren ist es möglich, eine
Zeit zu bestimmen, die die spezifische Struktur braucht, um die
beiden kleinen Durchgangslöcher
zu passieren. Auf der Grundlage der obenerwähnten Zeit und dem Zwischenlochabstand
kann die Bewegungsgeschwindigkeit der spezifischen Geschwindigkeit
bestimmt werden.
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Die
obigen und anderen Aufgaben, Merkmale und damit verbundenen Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden leichter durch das Lesen der folgenden
Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen verstanden werden,
die lediglich beispielhaft in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
vorgenommen wird.
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Im
Verlauf der Beschreibung, die folgt, wird auf die Zeichnungen bezug
genommen. Es zeigen:
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1 ein schematisches Diagramm,
das allgemein eine Struktur einer Betrachtungsvorrichtung für ein Ladungsteilchenmikroskop
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine schematische Schnittansicht,
die eine Struktur einer typischen Lawinenphotodiode zeigt, die als
ein Ladungsteilchendetektor bei der Ausführung der Erfindung verwendet
werden kann;
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3 ein Blockdiagramm, das
beispielhaft eine Schaltungskonfiguration eines Korrelators zeigt, in
dem eine variable Verzögerungsschaltung
eingesetzt wird;
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4 ein Blockdiagramm, das
eine andere exemplarische Schaltungskonfiguration des Korrelators,
in dem mehrere Verzögerungsschaltungen
mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten
parallel betrieben werden, gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5 ein Blockdiagramm, das
noch eine andere exemplarische Konfiguration des Korrelators, in dem
ein Schieberegister für
eine Verzögerungsoperation
eingesetzt wird, gemäß noch einer
werteren Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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6A und 6B schematische Diagramme zur Veranschaulichung
der Messung einer Bewegungsgeschwindigkeit einer magnetischen Domänenwand
einer Probe durch die erfindungsgemäße Bildbetrachtungsvorrichtung;
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7A und 7B sind Ansichten zur graphischen Veranschaulichung
von Ladungsteilchen-Detektionssignalen bzw. eines Korrelationssignals,
die in der Messung erhalten werden, die in den 6A und 6B dargestellt
wird;
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8 ein schematisches Diagramm,
das allgemein eine Struktur eines Ladungsteilchenmikroskops, das
mit einer Bildbetrachtungseinnchtung ausgestattet ist, gemäß einer
zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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9 ein schematisches Diagramm,
das ein Ladungsteilchenmikroskop, das mit einer Bildbetrachtungseinrichtung
ausgestattet ist, gemäß einer dritten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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10 ein schematisches Diagramm,
das allgemein eine Struktur eines Ladungsteilchenmikroskops, das
mit einer Bildbetrachtungseinrichtung ausgestattet ist, gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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11 ein schematisches Diagramm,
das allgemein eine Struktur eines Ladungsteilchenmikroskops, das
mit einer Bildbetrachtungseinrichtung ausgestattet ist, gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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12 eine Ansicht zur graphischen
Veranschaulichung der Operation der Vorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform
der Erfindung;
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13 ein schematisches Diagramm,
das allgemein eine Struktur eines Ladungsteilchenmikroskops, das
mit einer Bildbetrachtungseinrichtung ausgestattet ist, gemäß einer
sechsten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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14 ein Blockdiagramm, das
eine Anordnung von Ladungsteilchendetektoren und Korrelatoren zeigt,
die in der Vorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform
der Erfindung eingesetzt werden;
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15 eine Ansicht zur graphischen
Veranschaulichung der Operation der Vorrichtung gemäß der sechsten
Ausführungsform
der Erfindung; und
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16 ein schematisches Diagramm,
das eine Anordnung eines herkömmlichen
Transmissions-Elektronenmikroskops, einem typischen Ladungsteilchenmikroskop,
und eines schon bekannten Bildbetrachtungssystems zeigt.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun im Detail im Zusammenhang mit dem,
was gegenwärtig
als deren bevorzugte oder typische Ausführungsformen betrachtet wird,
unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung
bezeichnen gleiche Bezugsziffern über die verschiedenen Ansichten
hinweg gleiche oder entsprechende oder funktionell äquivalente
Teile.
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Ausführungsform 1
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1 ist ein schematisches
Diagramm, das allgemein eine Struktur einer Bildbetrachtungsvorrichtung
für ein
Ladungsteilchenmikroskop zeigt, das als ein Transmissions-Elektronenmikroskop
implementiert ist, das einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung entspricht. Bezugnehmend auf die Figur, wird ein Ladungsteilchenstrahl,
wie ein Elektronenstrahl, der von einer Ladungsteilchenquelle 1 emittiert
wird, wie sie durch eine Elektronenkanone verkörpert wird, mittels eines Beleuchtungs-Elektronenlinsensystems 2 zu
einem Strahl fokussiert, der eine Größe aufweist, um eine Probe 3 zu
deren Bestrahlung abzudecken oder abzustasten. Die Ladungsteilchen,
die durch die Probe 3 durchgelassen und dadurch gestreut
werden, werden auf einen Leuchtschirm 5 Projiziert, der
an einer Bildformungs- oder Brennebene des Bildvergrößerungs-/Projektionslinsensystems 4;
4 angeordnet ist, wodurch die Energie der Ladungsteilchen durch
den Leuchtschirm 5 in Licht umgewandelt wird. Folglich
kann auf einer Oberfläche
des Leuchtschirms 5 ein vergrößertes Bild der Probe 3 sichtbar
erzeugt werden.
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Ein
Paar Durchgangslöcher
oder Öffnungen 6 und 6', das als die
Ladungsteilchen-Extraktionseinrichtung
dient, ist im Leuchtschirm 5 ausgebildet. Folglich treffen
die Ladungsteilchen, die auf den Leuchtschirm 5 projiziert
werden, durch die Öffnungen 6 und 6' auf die Ladungsteilchendetektoren 7 und 7', die auf der
Rückseite
des Leuchtschirm 5 gegenüber den Öffnungen 6 bzw. 6' angeordnet
sind. Beim Empfang der einfallenden Ladungsteilchen erzeugen die
Ladungsteilchendetektoren 7 und 7' jeweilige impulsförmige Ausgangssignale,
die dann in einen Korrelator 9 eingegeben werden, nachdem sich
durch Verstärker 8 bzw. 8' verstärkt worden
sind, woraufhin eine Korrelation zwischen den beiden obenerwähnten Signalen
bestimmt wird.
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Jede
der Öffnungen 6 und 6' des Leuchtschirms 5 kann
in der Form eines kreisförmigen Durchgangsloches
mit einem kleinen Durchmesser vorgesehen werden. In diesem Zusammenhang
sollte erwähnt
werden, daß die
Fähigkeit, Änderungen
in einer Mikrostruktur der Probe unterscheidend sichtbar zu machen,
stärker
verbessert werden kann, wenn die Querschnittsfläche der Öffnungen 6; 6' gesenkt wird.
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Ferner
ist experimentell durch den Erfinder der vorliegenden Anmeldung
festgestellt worden, daß eine
Lawinenphotodiode vorteilhaft zur Verwendung als der Ladungsteilchendetektor 7; 7' geeignet ist.
Herkömmlich
wird die Lawinenphotodiode für
gewöhnlich
als ein Photodetektor oder Photosensor verwendet und zeigt ausgezeichnete
Eigenschaften, wie eine Hochgeschwindigkeitsreaktion und anderes, wie
in der Technik wohlbekannt ist. Entsprechend kann die Lawinenphotodiode
für die
Detektion der Ladungsteilchen zusätzlich zu der obenerwähnten Hochgeschwindigkeitsreaktion
viele Vorteile, wie eine vernachlässigbar kurze Totzeit, einen
hohen Ausgangspegel infolge der Lawinenvervielfachung, eine Implementierung
in einer stark reduzierten Größe und geringes
Gewicht bei niedrigen Kosten und anderes bereitstellen.
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2 ist eine schematische
Schnittansicht, die eine Struktur einer typischen Lawinenphotodiode zeigt.
Wie in der Figur gesehen werden kann, besteht die Lawinenphotodiode
aus einer p-Schicht, einer p-Schicht und einer n+-Schicht,
die auf einem p+-Substrat durch einen epitaxialen
Züchtungsprozeß und Störstellendotierung
gezüchtet
werden. Im Betrieb der Lawinenphotodiode dient die p-Schicht mit
einer niedrigen Störstellenkonzentration
als eine Verarmungszone 10 zur Erzeugung von Elektronen-Loch-Paaren,
indem sie die Energie der einfallenden Ladungsteilchen absorbiert,
während
ein Bereich, der in der Nähe
der p-Schicht und der n+-Schicht angeordnet
ist und an den ein elektrisches Feld mit hoher Stärke angelegt
wird, als ein Lawinenbereich 11 dient.
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Obwohl
oben beschrieben worden ist, daß der
Ladungsteilchendetektor durch die Lawinenphotodiode gebildet wird,
ist es selbstverständlich,
daß der
Ladungsteilchendetektor durch irgendeine andere geeignete Vorrichtung
gebildet werden kann, insofern Impulssignale mit einer großen Amplitude,
die durch Schaltungen der nachfolgenden Stufen ohne Schwierigkeit
verarbeitet werden können,
infolge des Effekts der Sekundärelektronenvervielfachung
oder dergleichen als das Ausgangssignal erhalten werden können. Beispielsweise
kann ein Channeltron als der Ladungsteilchendetektor eingesetzt
werden.
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Andererseits
ist der Korrelator 9 so gestaltet, daß er die Signale vergleicht,
die aus dem Paar Ladungsteilchendetektoren 7 und 7' ausgegeben
werden, während
diese Signale jeweils um eine vorbestimmten Zeit verzögert werden,
und die Häufigkeit einer
Koinzidenz zwischen den Ausgangssignalen zählt, um dadurch rechnerisch
eine zeitliche Korrelation als Funktion der Verzögerungszeit zwischen den Signalen
zu bestimmen, die aus Ladungsteilchendetektoren 7 bzw. 7' ausgegeben
werden. Als Einrichtung, um eine zeitliche Differenz zwischen den
beiden Signalen zu verleihen, die aus den Ladungsteilchendetektoren 7 bzw. 7' ausgegeben
werden, kann eine Verzögerungsschaltung
in einen Signalweg für eines
der Detektorausgangssignale eingefügt werden. In diesem Zusammenhang
wird es jedoch bevorzugt, daß der
Betrag der Verzögerung
variabel ist. Zu diesem Zweck kann eine solche Einrichtung mit variabler
Verzögerung
wie eine variable Verzögerungsschaltung,
eine Parallelschaltung aus mehreren Verzögerungsschaltungen mit Verzögerungszeiten,
die sich voneinander unterscheiden, ein Schieberegister oder dergleichen
verwendet werden.
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3 ist ein Blockdiagramm,
das beispielhaft eine Schaltungskonfiguration des Korrelators zeigt,
in dem eine variable Verzögerungsschaltung eingesetzt
wird. Bezugnehmend auf die Figur, wird ein Signalpaar, das aus den
Verstärkern 8 bzw. 8' ausgegeben
wird, in Wellenformdiskriminatoren 12 bzw. 12' eingegeben.
Der Wellenformdiskriminator 12; 12' dient zur Trennung der detektierten
Impulssignatkomponente von Rauschkomponenten, die im jeweiligen
Eingangssignal enthalten sind. Zu diesem Zweck kann der Wellenformdiskriminator 12; 12' gewöhnlich mit
einer Schattungsfunkton zur Doppelbegrenzung des Eingangssignals
bei einem vorbestimmten konstanten Schwellenpegel versehen sein. Die
Impulsausgangssignale, die durch die Wellenformdiskriminatoren 12 und 12' erzeugt werden,
werden Wellenformformern 13 bzw. 13' zugeführt, um zu einer regelmäßigen oder
normierten Impulsform impulsgeformt zu werden. Von den Ausgangsimpulssignalen
aus den Wellenfomformern 13 und 13' wird nur das Ausgangssignal des
Wellenformformers 13 durch eine variable Verzögerungsschaltung 14 mit
einer vorbestimmten Verzögerung
versehen. Anschließend
werden das Impulsausgangssignal des Wellenformformers 13' und das verzögerte Impulssignal, das
aus der variablen Verzögerungsschaltung 14 ausgegeben
wird, dem zugehörigen
Zähler 16 bzw. 16' zugeführt, und
gleichzeitig an die jeweiligen Eingangsanschlüsse einer logischen UND-Schaltung 15 angelegt.
Folglich werden das Ausgangsimpulssignal des Ladungsteilchendetektors 7,
das durch die variable Verzögerungsschaltung 14 verzögert worden
ist, und das Ausgangsimpulssignal des Ladungsfeitchendetektors 7', das keine
Verzögerung
unterzogen worden ist, logisch UND-verknüpft oder durch die UND-Schaltung 15 miteinander
verglichen. Bei der Detektion einer Koinzidenz zwischen beiden Eingangsimpulssignalen
gibt die UND-Schaltung 15 ein Koinzidenz-Impulssignal aus,
das dann einem Zähler 16" zugeführt wird,
der zum Zählen
der Anzahl der eine Koinzidenz anzeigenden Impulse vorgesehen ist.
Auf diese Weise zählen
die Zähler 16 und 16' die Ausgangsimpulse,
die aus den Ladungsteilchendetektoren 7 bzw. 7' zugeführt werden,
wobei die Zählwerte,
die von den Ausgaben der Ladungsteilchendetektoren 7 und 7' abgeleitet
werden, zur rechnerischen Bestimmung eines Kreuzkorrelationswertes genutzt
werden, der so normiert ist, daß er
zwischen Pegeln von „0" und „1" fällt, auf
der Grundlage des Ausgangszählwertes
des Zählers 16".
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Der
oben unter Bezug auf 3 beschriebene
Korrelator ist jedoch darin nachteilig, daß die Verzögerungszeit, die durch die
variable Verzögerungsschaltung 14 erteilt
wird, zur wiederholten Operation der variablen Verzögerungsschaltung 14 periodisch in
einem vorbestimmten Zeitintervall geändert werden muß, was mit
dem Nachteil verbunden ist, daß sich
die Verarbeitungszeit erhöhen
kann. Um mit dem oben erwähnten
Problem fertig zu werden, wird gemäß einer weitereren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ein Korrelator bereitgestellt, der durch
mehrere Verzögerungsschaltungen
aufgebaut ist, die gegenseitig unterschiedliche Verzögerungszeiten
aufweisen und parallel zueinander geschaltet sind, wie in 4 gezeigt.
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Bezugnehmend
auf 4, werden die Ausgangsimpulssignale
der Wellenformformer 13 und 13' den Eingängen der Signalverteilungsschaltungen 17 bzw. 17' zugeführt, wodurch
jedes der Ausgangsimpulssignale der Wellenformformer 13 und 13' in n Impulssignale
desselben Pegels geteilt wird. Die n Ausgangsimpulssignale, die
aus der Signalverteilungsschaltung 17 ausgegeben werden,
werden parallel in jeweils n variable Verzögerungsschaltungen 141, 14-2,..., 14-n eingegeben,
die jeweilige Zeitverzögerungen
aufweisen, die sich voneinander um Dt unterscheiden. Die Ausgangsimpulssignale
der variablen Verzögerungsschaltungen 14-1, 14-2,..., 14-n und
die entsprechenden Ausgangsimpulssignale, die durch die Signalverteilungsschaltung 17' unterteilt werden,
werden jeweils in UND-Schaltungen 15-1, 15-2,..., 15-n eingegeben,
um dadurch logisch UND-verknüpft
zu werden. Wenn eine Koinzidenz zwischen diesen Eingangssignalen
delektiert wird, geben die UND-Schaltungen 15-1, 15-2,..., 15-n Impulssignale
aus, die für
die Koinzidenz kennzeichnend sind, die dann jeweils Zählern 16"-1, 16"-2,..., 16"-n zugeführt werden,
wodurch parallel zueinander Zählungsoperationen
der Koinzidenzimpulse durchgeführt
werden, die aus den UND-Schaltungen 15-1, 15-2,..., 15-n ausgegeben
werden. So kann die zeitliche Kreuzkorrelation zwischen den Ausgangsimputssignalen
der Signalverteilungsschaltungen 17 und 17' en bloc oder
gleichzeitig rechnerisch bestimmt werden.
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5 ist ein Blockdiagramm,
das einen Korrelator gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt, in dem jeweils Schieberegister
zur parallelen Verzögerung
der Ausgangsimpulssignale eingesetzt werden. Insbesondere sind anschließend an
die Wellenformformer 13 und 13' Schieberegister 18 bzw. 18' vorgesehen,
die jeweils mit vorbestimmten Taktfrequenzen arbeiten, wobei die
Ausgaben der einzelnen Stufen der Schieberegister 18 und 18' jeweils als
Eingaben den Anschlüssen
der UND-Schaltungen 15-1, 15-2,..., 15-n zugeführt werden,
während
den anderen Eingangsanschlüssen
der UND-Schaltungen 15-1, 15-2,..., 15-n die
Ausgaben gegebener Stufen der Schieberegister 18 und 18' zugeführt werden,
Auf diese Weise wird die zeitliche Korrelation auf einer parallelen Grundlage
rechnerisch bestimmt, wie im Fall des Korrelators, der in 4 gezeigt wird. Beiläufig sollte angemerkt
werden, daß der
in 5 gezeigte Korrelator
gegenüber
dem, der in 4 gezeigt
wird, darin vorteilhaft ist, daß der
Hardwarezusatz verglichen mit der Korrelatoranordnung, die in 4 gezeigt wird, sehr gemäßigt oder
reduziert werden kann.
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Es
sollte zusätzlich
angemerkt werden, daß der
Korrelator in einer solchen Anordnung implementiert werden kann,
daß er
zur analogen Multiplikation der Ausgangssignale aus dem Detektorenpaar
dient. Übrigens
ist die Kreuzkorrelation-Rechenschaltung, die wie oben beschrieben
auf der Ladungsteilchen- Zähloperation
beruht, vorteilhaft zur Betrachtung einer Hochgeschwindigkeitsbewegung
des Objekt geeignet, da der Rauschabstand sichergestellt werden kann,
selbst wenn die Signalamplitude oder der Pegel sehr niedrig sind.
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Als
nächstes
wird unter Bezugnahme auf 6A eine
Beschreibung einer Messung gegeben, die unter Verwendung der Vorrichtung
durchgeführt wurde,
die in der oben beschriebenen Struktur Implementiert ist. In dieser
Messung waren die Ladungsteilchen Elektronen. In der Figur bezeichnet
Bezugsziffer 19 eine Probe eines magnetischen Materials. Wie
gesehen werden kann, wird durch Versetzen eines Brennpunkts des
Objektivlinsensystems eine magnetische Domänenwand der Probe sichtbar
auf den Leuchtschirm 20 in der Form eines Streifens projiziert,
der einen Kontrast in schwarz zeigt (d.h, einen Bereich, in dem
die Menge der einfallenden Elektronen klein ist). Beiläufig sollte
angemerkt werden, daß in 6A das Bildvergrößerungs-/Projektionslinsensystem 4; 4', das zwischen
der Probe 19 und dem Leuchtschirm 20 angeordnet
ist, aus der Darstellung weggelassen wird. Wenn ein Magnetfeld von
außen angelegt
wird, bewegt sich die magnetische Domänenwand in einer solchen Weise,
wie sie in 6B dargestellt
wird, wobei das eine entsprechende Änderung der magnetischen Domänenstruktur
mit sich bringt. Es wird vorausgesetzt, daß die Bewegungsgeschwindigkeit
der magnetischen Domänenwand gemessen
werden soll.
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7A veranschaulicht das Verhalten
der Ausgangssignale der gepaarten Ladungsteilchendetektoren 21 bzw. 22,
wenn sich die magnetische Domänenwand
bewegt. Wenn sich die magnetische Domänenwand bewegt, zeigen sich
Spitzen in den Ausgangssignalen der Ladungsteilchendetektoren 21 bzw. 22,
die dem streifenförmigen
Kontrast in schwarz entsprechen, wie in 7A gesehen werden kann. Um die zeitliche
oder Zeitdifferenz zwischen den beiden Spitzen zu messen, wird die Kreuzkorrelation
zwischen den beiden Signalen mit einer der vorhergehend beschriebenen
Schaltungsanordnungen rechnerisch bestimmt. Im Fall des Beispiels,
das in 7A gezeigt wird,
zeigt sich eine Spitze im Signal, das durch die Kreuzkorrelation
erhalten wird, wie in 7B dargestellt.
Die Bewegungsgeschwindigkeit der magnetischen Domänenwand
kann als l/t bestimmt werden (wobei t eine Verzögerungszeit ist, die zwischen
einem Zeitpunkt, bei dem das Signal detektiert wird, und einem Zeitpunkt liegt,
an dem sich die Spitze zeigt, und l einen Abstand repräsentiert, über den
sich die magnetische Domänenwand
bewegt hat), in Form der Bewegungsgeschwindigkeit auf der Probenoberfläche, indem
der Abstand L auf dem Leuchtschirm 20, der zur Verzögerungszeit
t äquivalent
ist, durch die Vergrößerung des
Bildvergrößerungs-/Projektionslinsensystems 4; 4' dividiert wird.
Die Rechenoperationen, die mit der Messung der Bewegungsgeschwindigkeit des
schwarzen Streifens verbunden ist, kann automatisch durch die Recheneinheit
ausgeführt
werde, die so implementiert ist, daß sie automatisch die Spitzenposition
mißt oder
bestimmt, die sich aus der Kreuzkorrelation ergibt, während sie
die Vergrößerung des
Ladungsteilchenmikroskops abliest.
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9 ist ein schematisches
Diagramm, das ein Ladungsteilchenmikroskop gemäß einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt. Im Fall der nun betrachteten Vorrichtung
ist ein einziges Durchgangsloch oder eine Öffnung 6 im Leuchtschirm 5 ausgebildet,
um ein Paar der Ladungsteilchen zu entnehmen, ähnlich zu der Vorrichtung,
die in 8 gezeigt wird.
Jedoch ist ein Paar Ladungsteilchendetektoren 7 und 7' unter der Öffnung 6 vorgesehen,
das ihm gegenüberliegt.
Mit der in 9 gezeigten
Anordnung ist es möglich,
eine Schwingungsfrequenz eines betreffenden Abschnitts der Probe
durch eine rechnerische Bestimmung der Kreuzkorrelation zwischen
den Ausgangssignalen der beiden Ladungsteilchendetektoren 7 und 7' zu messen.
In diesem Zusammenhang sollte beachtet werden, daß die in 9 gezeigte Anordnung gegenüber der,
die vorhergehend unter Bezug auf 8 beschrieben
wurde, darin vorteilhaft ist, daß aufgrund des geringeren Einflusses
der Totzeit der Ladungsteilchendetektoren 7 und 7' eine Schwingung
mit höherer
Frequenz mit einer verbesserten Genauigkeit gemessen werden kann.
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10 ist ein schematisches
Diagramm, das allgemein eine Struktur des Ladungsteilchenmikroskops
zeigt, das mit der Bildbetrachtungsvorrichtung gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist. Die in 10 gezeigte Vorrichtung unterscheidet
sich von der, die in 9 gezeigt
wird, darin, daß zusätzlich vorgesehen
sind: eine Ablenkeinheit 24 zur Ablenkung eines vergrößerten Bildes
der Probe 3, eine Steuereinheit 25 zur Steuerung
der Ablenkeinheit 24, ein Korrelator 9, der so
gestaltet ist, daß er
imstande ist, das Ergebnis der Rechenoperation in Synchronismus
mit einem Timing für
die Ablenkung auszugeben, und einer Anzeige-/Aufzeichnungseinheit 26 zur
Anzeige und/oder Aufzeichnung des Ergebnisses der Rechenoperation,
das aus dem Korrelator 9 in Synchronismus mit einem Synchronisationssignal
ausgegeben wird, das durch die Steuereinheit 25 erzeugt
wird. Aufgrund der Anordnung des Ladungsteilchenmikroskops ist es
möglich,
das Bild der Probe abzutasten, um dadurch die Schwingungsfrequenzen
in unterschiedlichen Abschnitten der Probe 3 zu messen. Das
Ergebnis der Messung kann als zweidimensionale Information angezeigt
und/oder aufgezeichnet werden.
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11 ist ein schematisches
Diagramm, das allgemein eine Struktur des Ladungsteilchenmikroskops
zeigt, das mit einer Bildbetrachtungs- oder Visualisierungseinrichtung
gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist. Die Vorrichtung gemäß der gegenwärtigen Ausführungsform
unterscheidet sieh von der zweiten Ausführungsform, die vorhergehend
unter Bezug auf 8 beschrieben
wurde, darin, daß zusätzlich eine Einheit 29 zum
Anlegen eines elektrischen Feldes zum Anlegen eines impulsförmigen elektrischen
Feldes an die Probe 3 vorgesehen ist. Wenn die Probe 3 aus
einer ferroelektrischen Substanz besteht, ändert sich die Richtung der
dielektrischen Polarisation beim Anlegen des elektrischen Feldes.
Die Geschwindigkeit der Änderung
der Richtung der dielektrischen Polarisation hängt von einem Grundmechanismus
ab, der die dielektrische Polarisation erzeugt. in praktischen Anwendungen
wird die Messung der Änderung
der dielektrischen Polarisation zur Suche oder Bestimmung eines
Materials oder einer Substanz durchgeführt, die eine Hochgeschwindigkeitsänderung
der dielektrischen Polarisation zeigt, d.h. eines Materials, das
eine Hochgeschwindigkeitsumschaltfähigkeit aufweist. Mit der Anordnung
gemäß der gegenwärtigen Ausführungsform
der Erfindung ist es möglich,
die Geschwindigkeit oder Rate der Änderung der Richtung der dielektrischen
Polarisation zu messen.
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Die
Einheit 29 zum Anlegen eines elektrischen Felds, die vorgesehen
ist, um das elektrische Feld in einer impulsförmigen Weise an die Probe 3 anzulegen,
ist so gestattet, daß sie
ein Triggersignal erzeugt. Wie in 12 gesehen
werden kann, zeigt sich eine Änderung
des Kontrastes des Probenbildes, der verbunden mit der Änderung
der Richtung der dielektrischen Polarisation stattfindet, in Synchronismus
mit dem Triggersignal in der Form einer zeitlichen Änderung
(d.h. zeitseriellen Änderung)
der Menge der Ladungsteilchen, die auf den Ladungsteilchendetektor 7 auftreffen.
Eine solche zeitliche Änderung
kann durch rechnerische Bestimmung der Kreuzkorrelation zwischen
dem Triggersignal, das durch die Einheit 29 zum Anlegen
eines elektrischen Feldes erzeugt wird, und dem Ausgangssignal des Ladungsteilchendetektors 7 gemessen
werden.
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Als
Modifikation des in 11 gezeigten
Ladungsteilchenmikroskops kann die Einheit 29 zum Anlegen
eines elektrischen Felds zum Anlegen einer elektrostatischen Anregung
durch eine Einheit oder Vorrichtung ersetzt werden, die imstande
ist, magnetisch, mechanisch, thermisch oder chemisch oder durch
Teilchen, wie Photonen, Atome, Elektronen oder dergleichen eine
Anregung an die Probe 3 anzulegen.
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13 ist ein schematisches
Diagramm, das allgemein eine Struktur des Ladungsteilchenmikroskops
gemäß einer
sechsten Ausfühnungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Ladungsteilchenmikroskop gemäß der gegenwärtigen Ausführungsform
weist auf: eine Ladungsteilchendetektoranordnung 32, die
aus mehreren getrennten Ladungsteilchendetektoren 7 besteht,
die auf dem Betrachtungsschirm in der Form einer zweidimensionalen
Anordnung angeordnet sind, einen Korrelator 9, eine Anzeige-l
Aufzeichnungseinheit 31 und einen Wahlschalter 30 zur
austauschbaren Auswahl von Kombinationen zur Bestimmung von Korrelation
beim Eingeben der Ausgangssignale aus den Ladungsteilchendetektoren 7 der
Anordnung 32 in den Korrelator 9. Die einzelnen
Ladungsteilchendetektoren 7, die in der zweidimensionalen
Anordnung 32 angeordnet sind, können unter den (nicht gezeigten) Öffnungen
angeordnet sein, die jeweils im Leuchtschirm 5 in einer
zweidimensionalen Anordnung in eineindeutiger Entsprechung angeordnet
sind. Obwohl vorausgesetzt wird, daß die zweidimensionale Anordnung
der Ladungsteilchendetektoren 7 in der Vorrichtung eingesetzt wird,
die in 13 dargestellt
wird, ist es gleichfalls möglich,
eine eindimensionale oder lineare Anordnung der Ladungsteilchendetektoren 7 einzusetzen. Außerdem kann
die lineare Anordnung oder zweidimensionale Anordnung der Ladungsteilchendetektoren 7 unabhängig an
einer Position eingefügt
oder angeordnet werden, wo das Ladungsteilchenbild einer Probe geformt
wird, d.h. direkt an der Abbildungsposition.
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Als
nächstes
wird eine Beschreibung eines typischen Beispiels einer Messung vorgenommen, die
auf der Korrelation der Ausgangssignale beruht, die von den Ladungsteilchendetektoren 7 geliefert werden,
die an mehreren getrennten Positionen auf der Betrachtungsebene
angeordnet sind. 14 ist ein
schematisches Diagramm, das die gegenseitigen Verbindungen von Korrelatoren
zeigt, die einer linearen Ladungsteilchendetektoranordnung 32 entsprechen.
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Wein
der Figur gesehen werden kann, wird vorausgesetzt, daß bereitgestellt
sind; eine lineare Anordnung 32 von sechs Ladungsteilchendetektoren,
die auf einer Bilddarstellungsebene des Ladungsteilchenmikroskops
angeordnet sind, sechs Verstärker 33 zur
jeweiligen Verstärkung
der Ausgangssignale der Ladungsteilchendetektor-Anordnungen 32, ein Wahlschalter 34 und
drei Gruppen von Korrelatoren 35, 36 und 37,
jeweils zur rechnerischen Bestimmung einer Kreuzkorrelation zwischen einem
Paar Ausgangssignale der Ladungsteilchendetektoren 7 in
den Anordnungen 32. Es wird vorausgesetzt, daß das Probenbild,
das projizieri wird, einen Kontrast aufweist, wie er durch eine
oben gezeigte Wellenform der Ladungsteilchendetektoren repräsentiert
wird, die an Positionen r1, r2 bzw.
r3 angeordnet sind, (siehe 14), und daß bewirkt wird, daß sich der
Kontrast bei einer Anregung, die von außen ausgeübt wird, wie vorher erwähnt, in
die Richtung bewegt, die durch einen Pfeil A angezeigt wird. Die Bewegung
des Kontrasts kann eine Schwingung oder Verschiebung in eine Richtung
sein. Es wird ferner vorausgesetzt, daß sich das Kontrastbild mit
einer solch hohen Geschwindigkeit bewegt, die es unmöglich macht,
ihr mit einer Ladungsspeicherungsfernsehkamera zu folgen (die bisher
als CCD-Kamera bekannt
ist). Mit dem Ladungsteilchenmikroskop gemäß der gegenwärtigen Ausführungsform
der Erfindung kann jedoch die oben vorausgesetzte Bewegung verfolgt
werden, indem die rechnerische Korrelationsverarbeitung gewählt wird,
die durch den folgenden Ausdruck gegeben ist: <i(r1, t)i(r1·n,
t + t)> + <i(r2,
t)i(r2·n,
t + t)> + <j(r3,
t)i(r3·n, t
+ t)>
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Insbesondere
werden Korrelationen zwischen den Mengen der Ladungsteilchen, die
zu einem Zeitpunkt t auf die Ladungsteilchendetektoren 7 auftreffen,
die sich bei r1, r2 bzw.
r3 befinden, und den Mengen der Ladungsteilchen,
die zu einem Zeitpunkt (t + t) auf die Ladungsteilchendetektoren 7 auftreffen, die
sich bei r2, r3 bzw.
r4, r3, r4 bzw. r5, und r4, r5 bzw. r6 befinden, rechnerisch bestimmt. Das Ergebnis
dieser Rechenoperation wird in 15 graphisch
dargestellt. Es kann erkannt werden, daß durch Anzeige dreier Kreuzkorrelationen
als Funktion der Verzögerungszeit
t eine Bewegung des betreffenden Objekts im wesentlichen auf einer
Echtzeitbasis verfolgt werden kann.
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Die
Kombinationen der Ladungsteilchendetektoren 7 zur rechnerischen
Bestimmung der Kreuzkorrelationen wird in Abhängigkeit vom betreffenden Objekt
geändert
werden müssen.
Zu diesem Zweck ist der Wahlschalter 34 vorgesehen, um
den Bediener die Kombinationen der Ladungsteilchendetektoren 7 auswählen zu
lassen, die in der linearen oder zweidimensionalen Anordnung angeordnet
sind. In diesem Zusammenhang ist es selbstverständlich, daß durch die Wahl einer zweidimensionalen
Anordnung der Ladungsteilchendetektoren 7 eine zweidimensionale
Bewegung des betreffenden Objekts verfolgt werden kann.
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Wie
aus dem Vorhergehenden erkannt werden wird, ist es gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung möglich,
dynamische Änderungen
einer atomaren Struktur, magnetischen Struktur und elektrischen
Struktur oder Domäne
eines Mikrobereichs einer Probe zu messen oder quantitativ auszuwerten.