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Einrichtung in einem Elektronenmikroskop
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Einstellung der Erregung von mindestens einer Gruppe von rings um die Achse des Strahlenbündels in einem Elektronenmikroskop angeordneten Elektroden und bzw. oder magnetischen Hilfspolen zur Erzeugung eines in seiner Scärke regelbaren, den Astigmatismus kor1igierenden Hilfsfeldes.
Es ist bekannt, bei einem Elektronenmikroskop mindestens eine Gruppe rings um die zentrale Achse angeordneter Elektroden und bzw. oder magnetischer Pole anzubringen, die bei ihrer Erregung das gewünschte Hilfsfeld liefern. Diese Gruppen bestehen je aus vier Elementen, von denen je zwei einander gegenüber angeordnete die gleiche elektrische oder magnetische Polarität haben. Die Geometrie des von einem solchen einfachen Vierpolsystem erzeugten Feldes entspricht der einer elektronen-optischen Zylinderlinse. Durch Änderung der Polstärke ändert man die Brechkraft der Linse. Um die Richtung des von dieser Linse herbeigeführten Astigmatismus zu ändern, soll das Vierpolsystem drehbar um die zentrale Achse angeordnet sein oder ein zweites Vierpolsystem hinzugefügt werden, dessen Pole zwischen denen des andern Systems angeordnet sind.
Die kombinierten Felder vermögen einen künstlichen Astigmatismus zu bewirken, der in bezug auf seine Grösse und Richtung durch Einstellung der Erregung regelbar ist.
Mit einem Stigmator können Rotationssymmetriefehler einer Elektronenlinse bei einem Elektronenmikroskop fast vollständig korrigiert werden, sofern es gelingt, die günstigste Einstellung des Korrektionsfeldes zu erhalten. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, aus der Verformung des auf den Leuchtschirm des Mikroskops projizierten Bildes die Richtung des auftretenden Astigmatismus zu ermitteln, und ausserdem das Aufheben der Verformung beobachten zu können. Die geringe Bildhelligkeit erschwert dabei die genaue Beurteilung des Korrektionsergebnisses.
Bei der gewünschten Vergrösserung ist die Lichtstärke des Bildes zur visuellen Beobachtung zu gering.
Um die Helligkeit zu vergrössern, beschränkt man die Vergrösserung, wodurch aber die Bildeinzelheiten zu klein werden, um mit dem nackten Auge erkannt zu werden. Deswegen bedient man sich irgendeines geeigneten, optisch vergrössernden Gerätes.
Um die Einstellung des Stigmators zu prüfen, ist es bekannt, die Erregung der Abbildungslinse herabzusetzen. Wenn infolgedessen keine sichtbare Verformung der Bildeinzelheicen erfolgt, wird angenommen, dass die Stigmatoreinstellung richtig ist. Man hat dann aber noch keinerlei Gewähr dafür, dass das erhaltene Ergebnis in der Tat das günstigste ist.
In Anlehnung eines Verfahrens zur Scharfstellung des Bildes auf dem Leuchtschirm des Elektronenmikroskops erscheint es nicht unmöglich, eine bessere Annäherung der richtigen Einstellung durch Vergrösserung der Konvergenz der Strahlen zu erhalten, mit denen die Objektpunkte abgebildet werden. Hiebei kann die auftretende Unschärfe infolge des sich bewegenden Elektronenbündels mit einer Photozelle gemessen werden. Es ist aber nicht anzunehmen, dass hiebei auf einfache Weise zwischen der Bildunschärfe und dem astigmatischen Bildfehler unterschieden werden kann.
Die Erfindung schafft eine Möglichkeit, den von einem Stigmator herbeigeführten korrigierenden Astigmatismus derart einzustellen, dass der Nachteil verringerter visueller Empfindlichkeit für niedrige Lichtintensitäten beseitigt wird.
Erfindungsgemäss ist die Erregung sprungweise von einem einstellbaren Wert auf zwei zusätzliche,
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von diesem Wert um den gleichen Betrag in entgegengesetztem Sinne abweichende Einstellungen umschaltbar. Hiedurch können für jede einzelne Gruppe nacheinander zwei Einstellwerte der Erregung gewählt werden, wobei das auf den Bildschirm projizierte Bild in beiden Fällen Verzerrungen gleicher Sichtbarkeit aufweist und anschliessend diejenige Einstellung gewählt wird, die um einen gleichen Betrag von dem einen und von dem andern Wert verschieden ist.
Es ist eine an sich bekannte Erscheinung, dass die Sinnesorgane empfindlicher gegen vergleichende als gegen absolute Beobachtungen sind. Durch die Erfindung wird diese Erscheinung zugunsten der Vergrö- sserung des Auflösungsvermögens eines Flektronenmikroskops benutzt.
Die für jede Gruppe von Elektroden und hzw. oder Hilfspolen benötigtenErregungswertekönnenein- zeln einstellbar sein, aber auch bei festen Einstellungen erhalten werden, wenn zur Erzielung gleicher Sichtbarkeit eine gesonderte Stärkeregelung stattfindet. Eine zur gesonderten Einstellung der Erregung geeignete Einrichtung kann aus einer Brückenschaltung von Widerständen im Speisestromkreis des Stigmators bestehen, deren einer Zweig aus zwei festen Widerständen besteht, deren Verbindungspunkt mit einem Stromleiter zum Stigmator verbunden ist, und deren anderer Zweig durch einen Spannungsteiler gebildet wird, dessen Gleitkontakt mit dem andern Stromleiter zum Stigmator verbunden ist.
Vorteilhafterweise können die Widerstände beiderseits des Verbindungspunktes je eine Anzapfung besitzen und die Speisestromleitung einen Umschalter aufweisen, der die Leitung abwechselnd an die Anzapfungen und in seiner Nullstellung an den Verbindungspunkt anschliesst, und die Anzapfungen können ein gleiches und entgegengesetztes Potential in bezug auf den Verbindungspunkt haben.
Die Erfindung wird beispielsweise an Hand einer Zeichnung näher erläutert, in der Fig. 1 und 2 graphische Darstellungen sind, und Fig. 3 und 4 zwei Ausbildungen von Regeleinrichtungen nach der Erfindung darstellen.
Das Korrigieren des Astigmatismus mittels eines Vierpolsystems, von dem einer der Korrektionsachsen mit der Richtung zusammenfällt, in der infolge des Astigmatismus das Bild verformt ist, kann durch Regelung der Polstärke erfolgen. Um die Korrektion zu prüfen, ist es erwünscht, ein Bild auf dem Leuchtschirm des Mikroskops zu benutzen, das eine einfache Struktur aufweist und z. B. bei der Abbildung eines körnigen Gegenstandes entsteht, z. B. einer mit Metallkörnern bedeckten Folie eines Elektronen im wesentlichen nichtabsorbierenden Stoffes. Vom Astigmatismus herbeigeführte Verzerrungen sind hiebei leicht erkennbar. Das Bild wird nicht genau fokussiert, sondern derart, dass die Bildweite etwas grösser als der Abstand ist, um den der Leuchtschirm von der Elektronenoptik entfernt ist.
An den Rändern weisen dann die Abbildungen der Körner einen Schattensaum auf, der sich bei fehlendem Astigmatismus überall gleich weit von dem Rande befindet. Ein astigmatisches Bild zeigt diesen Saum in einer am Umfang veränderlichen Breite. Korrektion einer Astigmatismus herbeiführenden Elektronenoptik ist erhalten worden, wenn durch Erregung des Stigmators der Schattensaum wieder gleichmässig am Rand verläuft.
Die Änderungen des resultierenden Astigmatismus durch Änderung der Erregung des Stigmators sind bei grösseren Verformungen gut sichtbar, aber die Erkennbarkeit nimmt ab, wenn die Verformung geringer wird. Fig. 1 zeigt eine Kurve, die den Zusammenhang zwischen der Sichtbarkeit der Verformung 1/ und dem auftretenden Astigmatismus g darstellt. Daraus geht hervor, dass, wenn die gewünschte Einstellung des Stigmators mit bezeichnet wird, in diesem Bereich die Sichtbarkeit der Verformung stark abgenommen hat. Zwischen den Werten der Einstellungen, bei denen der resultierende Astigmatismus sich von S. bis g 2 ändert, entsteht hiedurch eine hinderliche Ungenauigkeit.
Der gleiche Bereich ist zwischen rpi und < . in Fig. 2 angedeutet, wobei als Funktion der Einstellung rp des Stigmators der auftretende Astigmatismus angegeben ist. Man unterscheidet entsprechend der Polarität der einander gegenüberliegenden Pole bzw. der Richtung des magnetischen Feldes im Stigmator, positiven und negativen Astigmatismus, deren Richtungen bei einem Vierpolsystem einen geraden Winkel einscnliessen. Beim erwähnten Beispiel kann der Bereich der von go und S. begrenzten Einstellungen lp, und rp2 nicht mit der erforderlichen Genauigkeit geprüft werden.
Nach der Erfindung werden zwei Einstellungen g und g. des Astigmatismus gewählt, bei denen eine klar sichtbare Ungleichmässigkeit des Schattenrandes am Umfang der Abbildungen der Körner auftritt, und die Einstellung wird derart gewählt, dass das Mass der Verzerrung beim Übergang von der einen auf die andere Einstellung die gleiche ist. Wenn anschliessend die Erregung auf den Wert eingestellt wird, der gleich viel von g g wie von gaz verschieden ist, hat man die richtige Einstellung gefunden.
DieseWerte führen nachFig. 2 zu den Einstellungen und < y. der Erregung des Stigmators. Aus Fig. 2 geht hervor, dass die korrigierte Elektronenoptik einen gewissen Astigmatismus aufweist, der durch die Einstellung rpx völlig behoben ist.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist schematisch ein Vierpolstigmator dargestellt, dessen Pole 1,
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2,3 und 4 symmetrisch rings um die Achse 5 des Strahlbündel liegen. Dabei ist angenommen, dass sich die Bündelachse senkrecht zur Zeichnungsebene erstreckt.
Mit der Stromquelle 6 ist eine Brückenschaltung verbunden, die aus den Widerständen 7 und 8, deren Verbindungspunkt mit 9 bezeichnet ist, sowie aus einem Spannungsteiler 10 besteht. Der Verbindungspunkt 9 ist mit den Polen 1 und 3, der Gleitkontakt 11 des Spannungsteilers 10 mit denpolen 2 und 4 verbunden. Der Gleitkontakt 11 ist derart einstellbar, dass die Potentiale sämtlicher Pole gleich sind.
Die festenwiderstände 7 und 8 können auch gemeinsam als Spannungsteiler ausgebildet werden, des- sen Punkt 9 den Gleitkontakt bildet. In diesem Fall können die Potentiale der beiden einander gegenüber- liegenden Polpaare geändert werden, was die Wirkung des Stigmators verstärkt, aber praktisch keinen Unterschied von der dargestellten Ausbildung bildet, bei der das Potential zweier eina nder gegentlhel'-' liegender Pole gleich bleibt und lediglich das Potential der andern beiden einander gegenüberliegenden Pole zwischen positiv und negativ regelbar ist.
Anstatt mit den beiden Polpaaren, können die Zuleitungen der Punkte 9 und 11 mit einer Erregerwicklung für magnetische Pole 1 - 4 verbunden werden, wobei die Teile der Wicklung für jeden Pol in Reihe geschaltet sind und der Wicklungssinn derart ist, dass durch den gleichen Strom das magnetische Feld in den Polen 1 und 3 von vorn nach hinten und in den Polen 2 und 4 umgekehrt gerichtet ist.
Durch Drehung des Vierpolsystems um die Bündelachse stellt man eine der Verbindungslinien 12, 13 zweier einander gegenüberliegender Pole inRichtung des vonderElektronenoptik herbeigetührtenAstigma- tismus. Anschliessend wird der Gleitkontakt verstellt, bis ein klar erkennbarer Astigmatismus auftritt, der z. B. eine stärkere als die zu korrigierende Verformung bewirkt. Danach verstellt man den Gleitkontakt in entgegengesetztem Sinne, bis eine gleich starke Verformung auftritt, in einer Richtung senkrecht zu der, die vom ursprünglichen Astigmatismus, gegebenenfalls verstärkt in der zuerst gewählten Einstellung herrührt, wonach die Einstellung zwischen den beiden Ausschlägen gewählt wird.
Wenn die Richtungen der künstlich bewirkten Verformungen nicht senkrecht zueinander stehen, muss die Lage, des Vierpolkcr- rektors noch etwas geändert werden.
Das Vierpolsystem braucht nicht mechanisch drehbar zu sein, wenn zwei solche Systeme verwendet werden. Wenn man dann wie oben geschildert verfährt, und zunächst die Erregung des einen Systems auf den richtigen Wert einstellt, braucht die Richtung des von der Elektronenoptik herbeigeführten Astigmatismus. nicht berücksichtigt zu werden. Die Richtungen, in denen die künstlich bewirkte Bildverformung erfolgt, stehen dann nicht weiter senkrecht zueinander. Als Resultat der von dem einen Vierpolsystem bewirkten Korrektion resultiert eine Verzerrung, deren Richtung mit einer der Verbindungslinien zwischen einander gegenüberliegenden Polen dieses Systems zusammenfällt.
Zur Speisung des zweiten Systems wird eine entsprechende Brückenschaltung verwendet, und der resultierende Astigmatismus verschwindet, nachdem auf die oben geschilderte Weise für dieses System die günstigste Einstellung der Erregung ermittelt worden ist. Wenn bei der Erregung des zweiten Systems zur Erzielung des künstlichen Astigmatismus die Richtungen, in denen Verformung stattfindet, nicht senkrecht zueinander stehen, ist die Korrektion des ersten Systems nicht vollkommen richtig.
Ein etwas ungenaues Ergebnis lässt sich nicht vollständig vermeiden, wenn die vom Gleitkontakt 11 des Spannungsteilers 10 endgültig einzunehmende Stelle geschätzt werden muss. Dieser Nachteil haftet der Schaltung nach Fig. 4 nicht an. Aus den verwandten Bezugszeichen sind die entsprechenden Teile von Fig. 3 erkennbar. Die Pole 1 - 4 sind mit in Reihe geschalteten Erregerwicklungen 17 bestückt. Hiebei ist beiderseits der festen Verbindung 9 eine Anzapfung 14 und 15 der Widerstände 7 bzw. 8 derart angebracht, dass bei der Verbindung der Speiseleitung mit jedem der Punkte 14, 15 gleiche Bildverformungen stattfinden. Durch Anordnung eines Umschalters 16, der diese Leitung abwechselnd mit den Punkten 14 und 15 verbindet, ist die Änderung der Bildverformung durch Verstellung des Gleitkontakts 11 regelbar.
Wenn in den beiden Stellungen die Verformungen gleich sichtbar sind, hat der Regler 11 den ge- suchten Einstellpunkt erreicht und der Umschalter kann an den Verbindungspunkt 9 angelegt werden.
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Setup in an electron microscope
The invention relates to a device for setting the excitation of at least one group of electrodes and / or magnetic auxiliary poles arranged around the axis of the beam in an electron microscope for generating an auxiliary field that can be regulated in its intensity and corrects astigmatism.
It is known to attach at least one group of electrodes and / or magnetic poles arranged around the central axis in an electron microscope which, when excited, provide the desired auxiliary field. These groups each consist of four elements, two of which are arranged opposite one another and have the same electrical or magnetic polarity. The geometry of the field generated by such a simple four-pole system corresponds to that of an electron-optical cylinder lens. Changing the pole strength changes the refractive power of the lens. In order to change the direction of the astigmatism brought about by this lens, the quadrupole system should be arranged rotatably about the central axis or a second quadrupole system should be added, the poles of which are arranged between those of the other system.
The combined fields are able to bring about an artificial astigmatism, which can be regulated in terms of its size and direction by adjusting the excitation.
With a stigmator, rotational symmetry errors of an electron lens can be almost completely corrected in an electron microscope, provided that the most favorable setting of the correction field is achieved. For this purpose it is necessary to determine the direction of the occurring astigmatism from the deformation of the image projected onto the fluorescent screen of the microscope, and also to be able to observe the cancellation of the deformation. The low image brightness makes it difficult to assess the correction result precisely.
At the desired magnification, the light intensity of the image is too low for visual observation.
In order to increase the brightness, the magnification is limited, whereby the image details become too small to be seen with the naked eye. Therefore one uses any suitable, optically enlarging device.
In order to check the setting of the stigmator, it is known to decrease the excitation of the imaging lens. If, as a result, there is no visible deformation of the image details, it is assumed that the stigmator setting is correct. But then there is still no guarantee that the result obtained is in fact the most favorable.
Based on a method for focusing the image on the fluorescent screen of the electron microscope, it does not appear impossible to obtain a better approximation of the correct setting by increasing the convergence of the rays with which the object points are imaged. The blurring that occurs as a result of the moving electron beam can be measured with a photocell. However, it cannot be assumed that a simple distinction can be made here between the image blurring and the astigmatic image error.
The invention provides a way of adjusting the corrective astigmatism induced by a stigmator in such a way that the disadvantage of reduced visual sensitivity for low light intensities is eliminated.
According to the invention, the excitation is stepwise from one adjustable value to two additional,
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Settings deviating from this value by the same amount can be switched in the opposite sense. As a result, two setting values for the excitation can be selected one after the other for each individual group, whereby the image projected on the screen shows distortions of the same visibility in both cases and then the setting is selected which differs by the same amount from one value and the other .
It is a well-known phenomenon that the sense organs are more sensitive to comparative than to absolute observations. The invention makes use of this phenomenon in favor of increasing the resolution of an electron microscope.
The for each group of electrodes and hzw. The excitation values required or auxiliary poles can be set individually, but can also be obtained with fixed settings if a separate level control takes place to achieve the same visibility. A device suitable for the separate setting of the excitation can consist of a bridge circuit of resistors in the supply circuit of the stigmator, one branch of which consists of two fixed resistors whose connection point is connected to a current conductor to the stigmator, and whose other branch is formed by a voltage divider whose Sliding contact is connected to the other conductor to the stigmator.
Advantageously, the resistors on both sides of the connection point can each have a tap and the supply current line can have a changeover switch which connects the line alternately to the taps and in its zero position to the connection point, and the taps can have an equal and opposite potential with respect to the connection point.
The invention is explained in more detail, for example, with the aid of a drawing in which FIGS. 1 and 2 are graphic representations, and FIGS. 3 and 4 show two embodiments of control devices according to the invention.
The correction of the astigmatism by means of a four-pole system, of which one of the correction axes coincides with the direction in which the image is deformed as a result of the astigmatism, can be carried out by regulating the pole strength. To check the correction, it is desirable to use an image on the fluorescent screen of the microscope which has a simple structure and is e.g. B. arises in the illustration of a granular object, z. B. a sheet covered with metal grains of an electron essentially non-absorbing substance. Distortions caused by astigmatism are easily recognizable. The image is not focused exactly, but in such a way that the image distance is slightly larger than the distance by which the fluorescent screen is away from the electron optics.
At the edges, the images of the grains then have a shadow fringe which, in the absence of astigmatism, is everywhere the same distance from the edge. An astigmatic image shows this border with a width that is variable on the circumference. Correction of an astigmatism-inducing electron optics has been obtained when the shadow fringe again runs evenly on the edge due to the excitation of the stigmator.
The changes in the resulting astigmatism due to the change in the excitation of the stigmator are clearly visible in the case of larger deformations, but the perceptibility decreases when the deformation becomes smaller. 1 shows a curve which shows the relationship between the visibility of the deformation 1 / and the astigmatism g that occurs. It can be seen from this that if the desired setting of the stigmator is denoted by, the visibility of the deformation has greatly decreased in this area. This creates an obstructive inaccuracy between the values of the settings at which the resulting astigmatism changes from S. to g 2.
The same range is between rpi and <. indicated in FIG. 2, the astigmatism occurring being indicated as a function of the setting rp of the stigmator. Depending on the polarity of the opposite poles or the direction of the magnetic field in the stigmator, a distinction is made between positive and negative astigmatism, the directions of which include a straight angle in a four-pole system. In the example mentioned, the range of settings lp, and rp2 limited by go and S. cannot be checked with the required accuracy.
According to the invention, two settings g and g. of the astigmatism, in which a clearly visible unevenness of the shadow edge occurs at the periphery of the images of the grains, and the setting is chosen such that the degree of distortion is the same when changing from one setting to the other. If the excitation is then set to the value that is as much different from g g as from gaz, the correct setting has been found.
These values lead to Fig. 2 to the settings and <y. the excitement of the stigmator. It can be seen from FIG. 2 that the corrected electron optics have a certain astigmatism, which is completely eliminated by the setting rpx.
In the embodiment of FIG. 3, a four-pole stigmator is shown schematically, the poles 1,
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2, 3 and 4 lie symmetrically around the axis 5 of the beam. It is assumed that the bundle axis extends perpendicular to the plane of the drawing.
A bridge circuit is connected to the current source 6 and consists of the resistors 7 and 8, the connection point of which is denoted by 9, and a voltage divider 10. The connection point 9 is connected to the poles 1 and 3, the sliding contact 11 of the voltage divider 10 to the poles 2 and 4. The sliding contact 11 is adjustable in such a way that the potentials of all poles are the same.
The fixed resistors 7 and 8 can also be designed together as a voltage divider, the point 9 of which forms the sliding contact. In this case, the potentials of the two opposite pole pairs can be changed, which increases the effect of the stigmator, but practically does not differ from the embodiment shown, in which the potential of two opposing poles remains the same and only the potential of the other two opposite poles can be regulated between positive and negative.
Instead of the two pole pairs, the leads of points 9 and 11 can be connected to an excitation winding for magnetic poles 1 - 4, whereby the parts of the winding for each pole are connected in series and the direction of the winding is such that the same current causes the magnetic field in poles 1 and 3 is directed from front to back and in poles 2 and 4 reversed.
By rotating the four-pole system about the beam axis, one of the connecting lines 12, 13 of two opposing poles is set in the direction of the astigmatism produced by the electron optics. The sliding contact is then adjusted until a clearly recognizable astigmatism occurs. B. causes a greater than the deformation to be corrected. The sliding contact is then adjusted in the opposite direction until an equally strong deformation occurs, in a direction perpendicular to that resulting from the original astigmatism, possibly increased in the setting selected first, after which the setting is selected between the two deflections.
If the directions of the artificially created deformations are not perpendicular to each other, the position of the quadrupole rector has to be changed somewhat.
The quadrupole system need not be mechanically rotatable when two such systems are used. If you then proceed as described above and first set the excitation of one system to the correct value, you need the direction of the astigmatism brought about by the electron optics. not to be considered. The directions in which the artificially created image deformation takes place are then no longer perpendicular to one another. As a result of the correction effected by the one four-pole system, a distortion results, the direction of which coincides with one of the connecting lines between mutually opposite poles of this system.
A corresponding bridge circuit is used to feed the second system, and the resulting astigmatism disappears after the most favorable setting of the excitation has been determined for this system in the manner described above. If, when the second system is excited to achieve the artificial astigmatism, the directions in which the deformation takes place are not perpendicular to each other, the correction of the first system is not completely correct.
A somewhat inaccurate result cannot be completely avoided if the position to be finally assumed by the sliding contact 11 of the voltage divider 10 has to be estimated. The circuit according to FIG. 4 does not have this disadvantage. The corresponding parts of FIG. 3 can be seen from the related reference numerals. The poles 1 - 4 are equipped with field windings 17 connected in series. A tap 14 and 15 of the resistors 7 and 8 is attached on both sides of the fixed connection 9 in such a way that the same image deformations take place when the feed line is connected to each of the points 14, 15. By arranging a changeover switch 16, which connects this line alternately to points 14 and 15, the change in the image deformation can be regulated by adjusting the sliding contact 11.
If the deformations are immediately visible in the two positions, the controller 11 has reached the required setting point and the switch can be applied to the connection point 9.
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