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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektronenmikroskop und ein Abbildungsverfahren.
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Technischer Hintergrund
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Ein Transmissionselektronenmikroskop (nachstehend als „TEM“ bezeichnet) ist eine Vorrichtung, die einen durch eine Hochspannung beschleunigten Elektronenstrahl auf ein Betrachtungsobjektmaterial anwendet und den vom Material durchgelassenen Elektronenstrahl durch eine elektromagnetische Linse zur Mikrostrukturabbildung fokussiert und dadurch ein vergrößertes Bild erzeugt. Wenn die Abbildungslinse auf das Betrachtungsobjektmaterial (die Probe) fokussiert wird, werden Amplitudeninformationen in einem hauptsächlich durch von der Probe durchgelassene Elektronen gebildeten Feld als Bildkontrast beobachtet. Es lässt sich nur schwer ein Bild mit einem ausreichenden Kontrast von einer Probe in der Art einer biologischen Probe und eines organischen Materials, welche eine geringe Amplitudenänderung aufweist, erhalten. Ein Verfahren, das einen guten Bildkontrast durch Blockieren eines Teils der gebeugten Welle mit einer Schneidkante gewährleistet, ist als eines der Verfahren zum Erhalten eines Bilds mit einem guten Kontrast von einer solchen Probe, die eine geringe Amplitudenänderung aufweist, bekannt (Patentliteratur 1).
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Zitatliste
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Patentliteratur
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Patentliteratur 1: Ungeprüfte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung
JP 2014 049444 A -
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Nichtpatentliteratur
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Nichtpatentliteratur 1: G. S. Settles; „Schlieren and Shadowgraph Techniques“, Kapitel 2; Springer, 2001
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Ein weiteres herkömmliches Beispiel zur Verbesserung des Bildkontrastes durch ein Kantenelement wird in der Dissertation von B. Barton in „Development and Implementation of In-Focus Phase Contrast TEM for Materials and Life Sciences“, Heidelberg 2008, beschrieben.
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Kurzfassung der Erfindung
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Technisches Problem
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Gemäß dem in Patentliteratur 1 dargelegten Verfahren wird, wenn eine Schneidkante verwendet wird, um einen Teil der gebeugten Welle zu blockieren, um einen guten Bildkontrast zu erhalten, die Kante unidirektional in Bezug auf einen direkten Strahl angeordnet, so dass der durch Blockieren der gebeugten Welle erzeugte Kontrast unvermeidlich unidirektional ist. Dies führt zu einem anisotropen Bildkontrast, der die Bildinterpretation stört.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Elektronenmikroskop und ein Abbildungsverfahren zum Erhalten eines Betrachtungsbilds mit einem isotropen Bildkontrast bereitzustellen.
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Lösung des Problems
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Ein typischer Aspekt der Erfindung wird nachstehend kurz dargelegt.
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Ein Elektronenmikroskop zur Betrachtung durch Anwenden eines Elektronenstrahls auf eine Probe weist Folgendes auf: ein Kantenelement, das in einer Beugungsebene, wo der von der Probe nicht gebeugte sondern durchgelassene direkte Strahl konvergiert, oder einer der Beugungsebene entsprechenden Ebene angeordnet ist, und eine Steuereinheit zum Steuern des Elektronenstrahls oder des Kantenelements. Das Kantenelement weist einen Blockierabschnitt zum Blockieren des Elektronenstrahls und eine Blende zum Ermöglichen des Durchgangs des Elektronenstrahls auf. Die Blende ist durch eine Kante des Blockierabschnitts definiert, so dass die Kante einen Konvergenzpunkt des direkten Strahls in der Beugungsebene umgibt. Die Steuereinheit ändert den Kontrast eines Betrachtungsbilds durch Verschieben des Konvergenzpunkts des direkten Strahls entlang der Kante in Bezug auf die Kante, während ein vorgegebener Abstand zwischen dem Konvergenzpunkt des direkten Strahls und der Kante aufrechterhalten wird.
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Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
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Die Erfindung sieht die Erfassung des Betrachtungsbilds mit dem isotropen Bildkontrast vor.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 ein Diagramm, das schematisch ein optisches System eines TEM zeigt, wodurch eine Bildbetrachtung ausgeführt wird,
- 2 ein Diagramm, das schematisch ein optisches Betrachtungssystem eines TEM gemäß einem Vergleichsbeispiel zeigt,
- 3A ein Diagramm einer Instrumentenkonfiguration eines TEM gemäß einer Ausführungsform,
- 3B ein Diagramm einer optischen Bedingung zum Erhalten eines erhöhten Kontrasts unter Verwendung des TEM aus 3A,
- 4A eine Draufsicht von einem Beugungsfleck auf einem in 3B dargestellten Kantenelement angenommener Positionen,
- 4B eine Draufsicht, die schematisch eine Bahnkurve des verschobenen Beugungsflecks zeigt,
- 4C Betrachtungsbilder, die den jeweiligen in 4A dargestellten Positionen des Beugungsflecks entsprechen,
- 5A ein Diagramm eines Beispiels eines Verfahrens zum Verschieben des Beugungsflecks in der Beugungsebene,
- 5B ein Diagramm eines anderen Beispiels des Verfahrens zum Verschieben des Beugungsflecks in der Beugungsebene,
- 6 ein Diagramm eines Beispiels, wobei die Positionsbeziehung zwischen der Kante und dem Beugungsfleck durch Bewegen des Kantenelements geändert wird,
- 7 ein Diagramm einer beispielhaften Konfiguration, die durch Hinzufügen erforderlicher Komponenten zur Behandlung des Betrachtungsbilds zu der in 3B dargestellten Konfiguration gebildet wurde,
- 8 einen Satz von Draufsichten, die beispielhafte Konfigurationen einer im Kantenelement gebildeten Blende zeigen,
- 9A einen Satz von Bildern, die einzeln unter verschiedenen Bedingungen der Orientierung der Kante in Bezug auf den Beugungsfleck erhaltene Betrachtungsbilder zeigen,
- 9B eine Graphik von Kontraständerungen an bestimmten Stellen im Betrachtungsbild,
- 9C eine Graphik eines Beispiels, wobei die Kontraständerung aus 9B fouriertransformiert wird, in Abhängigkeit vom Orientierungswinkel der Kante in Bezug auf den Beugungsfleck,
- 10 einen Satz von Bildern, die unter verschiedenen Bedingungen der Blockierung der gebeugten Welle erhalten wurden, welche jeweils einen Bereich zeigen, der eine Komponente erhöhten Kontrasts der Frequenzbedingung des Betrachtungsbilds enthält,
- 11A ein Diagramm vom Beugungsfleck unter verschiedenen Bedingungen beschriebener Bahnkurven,
- 11B einen Satz von Bildern, die unter verschiedenen Bedingungen erhalten wurden, welche jeweils einen Bereich zeigen, der eine Komponente erhöhten Kontrasts von den Raumfrequenzkomponenten des Betrachtungsbilds aufweist,
- 12A ein Diagramm einer beispielhaften Konfiguration eines Instruments, wodurch die Menge der vom Kantenelement blockierten Elektronen gemessen werden kann,
- 12B ein Diagramm einer ersten beispielhaften Konfiguration eines Instruments, wodurch die Menge der nicht vom Kantenelement blockierten Elektronen gemessen werden kann,
- 12C ein Diagramm einer zweiten beispielhaften Konfiguration eines Instruments, wodurch die Menge der nicht vom Kantenelement blockierten Elektronen gemessen werden kann,
- 12D eine Draufsicht eines in der Beugungsebene angeordneten Kantenelements und einer vom darauf gebildeten Beugungsfleck beschriebenen Bahnkurve,
- 12E eine Graphik der Abhängigkeit der Menge der vom Kantenelement blockierten Elektronen vom Azimutwinkel des Beugungsflecks,
- 12F eine Draufsicht eines Beispiels, bei dem das Kantenelement in mehrere Elektroden unterteilt ist,
- 12G eine Draufsicht eines Beispiels, bei dem das Kantenelement in mehrere Elektroden unterteilt ist,
- 13 ein Bild einer Verteilung von Raumfrequenzinformationen, die durch Fouriertransformation eines Bilds erhalten wurden, das aufgezeichnet wurde, während ein Teil der gebeugten Welle durch das Kantenelement blockiert wurde,
- 14 einen Satz beispielhafter Bilder, die erhalten werden, wenn die Position des Beugungsflecks auf der Grundlage der Kontrastsymmetrie des Betrachtungsbilds eingestellt wird,
- 15 ein Diagramm einer Konfiguration des TEM gemäß der Ausführungsform und
- 16 ein Flussdiagramm der Schritte eines Verfahrens zur Ausrichtung des TEM gemäß der Ausführungsform.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Ein Vergleichsbeispiel und ein Beispiel der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden gleiche oder ähnliche Bezugszahlen jedoch gleichen oder ähnlichen Komponenten zugewiesen, welche in den meisten Fällen nur einmal erklärt werden, um Wiederholungen zu vermeiden.
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Zuerst wird ein TEM mit Bezug auf 1 beschrieben. 1 ist ein Diagramm, das schematisch ein optisches System eines eine Bildbetrachtung ausführenden TEM zeigt. Ein von einer virtuellen Quelle 1, die oberhalb einer Betrachtungsprobe 20 ausgebildet ist, ausgehender Elektronenstrahl 7 wird von einer Beleuchtungssystemlinse 30 durchgelassen und anschließend auf die Betrachtungsprobe 20 eingestrahlt, die sich auf einer Probenebene 10 befindet. Der von der Betrachtungsprobe 20 durchgelassene Elektronenstrahl 7 wird in eine von der Betrachtungsprobe 20 gebeugte Welle 4 und einen direkten Strahl 5, der von der Probe nicht gebeugt sondern durchgelassen wird, zerlegt. Die beiden Wellen breiten sich von einer Stelle oberhalb der Probe 20 mit unterschiedlichen Winkeln aus. Daher konvergieren die Wellen entsprechend ihren Winkeln und Richtungen in Beugungsflecken 2, 3, die an unterschiedlichen Punkten einer hinteren Brennebene 11 der Objektivlinse 31 hinter der Probe 20 liegen, wodurch eine Beugungsebene gebildet wird. Der Beugungsfleck 3 ist zum Beugungsfleck 2 konjugiert. Die in den Beugungsflecken 2, 3 konvergierte gebeugte Welle 4 breitet sich weiter aus, so dass sie mit dem direkten Strahl auf einer Bildebene 12 interferiert. Dadurch wird ein Betrachtungsbild 21 gebildet. Das Betrachtungsbild 21 wird durch eine darunter angeordnete Abbildungssystemlinse 35 wieder fokussiert und projiziert, so dass es betrachtet werden kann. Bei einer solchen Hellfeldabbildung mit der auf die Betrachtungsprobe 20 fokussierten Abbildungslinse werden die Amplitudeninformationen im Feld, welche durch die von der Betrachtungsprobe 20 durchgelassenen Elektronen gebildet werden, als Bildkontrast beobachtet.
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Ein Streukontrast ist ein anderer bekannter Kontrasttyp. Das heißt, dass die Betrachtung in einem Zustand geschieht, in dem ein Teil der gebeugten Wellenkomponenten durch eine Objektivblende 36 blockiert wird, die in der Beugungsebene 11 in 1 angeordnet ist. In diesem Fall wird ein den Elektronenstrahl 7 stark streuender Abschnitt, der beispielsweise aus einem verhältnismäßig schweren Element in der Art eines Metalls besteht, als schwarzer Kontrastabschnitt abgebildet.
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In Bezug auf den so erhaltenen Bildkontrast kann ein Bild einer Betrachtungsprobe, die eine starke Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl 7 hat, einen ausreichenden Kontrast erreichen. Es ist jedoch schwierig, ein Bild mit einem ausreichenden Kontrast anhand einer Betrachtungsprobe zu erhalten, die eine schwache Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl hat, in der Art einer biologischen Probe und eines organischen Materials.
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Ein Verfahren (Vergleichsbeispiel), bei dem eine Schneidkante zum Erreichen eines guten Bildkontasts verwendet wird, wird mit Bezug auf 2 beschrieben. Dieses Verfahren wird von den vorliegenden Erfindern untersucht, um ein Bild mit einem guten Kontrast anhand einer Betrachtungsprobe zu erhalten, die eine schwache Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl aufweist. Dieses Verfahren verwendet ein Phänomen, das darin besteht, dass eine von der Probe durchgelassene leicht reflektierte Welle auf der Beugungsebene hinter einer Linse getrennt wird.
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2 ist ein Diagramm, das schematisch ein optisches TEM-Betrachtungssystem gemäß dem Vergleichsbeispiel zeigt. In 2 ist die Abbildungssystemlinse 35 fortgelassen, um die Klarheit der Zeichnung zu verbessern. Der von der virtuellen Quelle 1 oberhalb der Betrachtungsprobe 20 ausgehende Elektronenstrahl 7 wird durch die Beleuchtungssystemlinse 30 geeignet eingestellt und anschließend auf die Betrachtungsprobe 20 eingestrahlt. Der von der Betrachtungsprobe 20 durchgelassene Elektronenstrahl 7 wird in die entsprechend der lokalen Konfiguration der Betrachtungsprobe 20 gebeugte Welle 4 und den direkten Strahl 5, der von der Probe nicht gebeugt sondern durchgelassen wird, zerlegt. Dabei ist bekannt, dass die von der Betrachtungsprobe 20 gebeugte Welle im Wesentlichen eine punktsymmetrische Verteilung oder eine konjugierte Verteilung mit dem direkten Strahl 5 im Zentrum zeigt. Während die gebeugte Welle 4 im Beugungsfleck 2 auf der Beugungsebene 11 konvergiert, wird eine Schneidkante 32 derart in der Beugungsebene 11 angeordnet, dass die Hälfte ihrer Fläche bedeckt wird, wodurch die Hälfte der gebeugten Welle 4 blockiert wird. Daher geht nur die konjugierte gebeugte Welle 4 auf einer Seite verloren, so dass nur die Komponenten der gebeugte Welle 4, die durch den Beugungsfleck 2 auf der anderen Seite laufen, zur Bilderzeugung beitragen. Daher tritt entsprechend einem Abschnitt, an dem der Elektronenstrahl 7 besonders stark abgelenkt wird, in der Art eines Kantenabschnitts der Betrachtungsprobe 20, ein erhöhter Kontrast in einem Betrachtungsbild 22 auf. Die Schneidkante 32 weist in einer Draufsicht eine rechteckige Form auf. Ein bei 6 angegebener schraffierter Bereich ist ein Interferenzbereich zwischen dem direkten Strahl und der gebeugten Welle. Gemäß dem Vergleichsbeispiel können von der Phase abgeleitete Bildinformationen, die durch Interferenz intrinsisch verloren gehen, als erhöhter Kontrast erfasst werden. Daher kann ein Bild mit einem unidirektional erhöhten Kontrast erhalten werden.
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Beim vorstehend beschriebenen Vergleichsbeispiel ist die Kante jedoch unidirektional in Bezug auf den direkten Strahl angeordnet, so dass der durch Blockieren der gebeugten Welle erzeugte Kontrast unvermeidlich unidirektional ist. Dies führt zu einem anisotropen Bildkontrast. In diesem Zusammenhang wird eine Ausführungsform zum Erhalten eines Betrachtungsbilds mit dem isotropen Bildkontrast nachstehend beschrieben.
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3A ist ein Diagramm, das eine Instrumentenkonfiguration des TEM gemäß einer Ausführungsform zeigt. Der von der virtuellen Quelle 1 oberhalb der Betrachtungsprobe 20 ausgehende Elektronenstrahl 7 wird auf die Betrachtungsprobe 20 eingestrahlt. Der von der Betrachtungsprobe 20 durchgelassene Elektronenstrahl 7 wird von der Objektivlinse 31 konvergiert, um den Beugungsfleck 2 auf der Beugungsebene zu bilden. Anschließend wird der Elektronenstrahl 7 durch die weiter unten angeordnete Abbildungssystemlinse 35 fokussiert, wodurch ein Betrachtungsbild 23 auf der Bildebene 12 erzeugt wird. In der Beugungsebene befindet sich ein Kantenelement 38, das eine Blende 37 aufweist. Anders als eine Phasenplatte nach Patentliteratur 1 besteht das Kantenelement 38 aus einem blockierenden Element, das für den Elektronenstrahl 7 nicht transparent ist. Die Blende 37 ist im Gegensatz zu einer in der Phasenplatte nach Patentliteratur 1 gebildeten sehr kleinen Blende groß. Wenn der Beugungsfleck 2 durch das Zentrum der Blende hindurchtritt, ist das erhaltene Bild ein übliches Hellfeldbild.
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3B ist ein Diagramm, das eine Bedingung zum Erhalten des erhöhten Kontrasts unter Verwendung des TEM aus 3A zeigt. Bei diesem Beispiel wird der Beugungsfleck 2 in der Beugungsebene näher zu einem Teil der die Blende 37 bildenden Kante verschoben, indem der auf die Betrachtungsprobe 20 eingestrahlte Elektronenstrahl 7 geneigt wird. In Bezug auf ein Gebiet, das in unmittelbarer Nähe zum Beugungsfleck 2 liegt, sei bemerkt, dass in diesem Fall der Teil der die Blende 37 bildenden Kante in etwa die Hälfte der Beugungsebene blockiert, so dass er nahezu als Schneidkante wirkt. Mit anderen Worten ermöglicht die Blende 37 den Durchgang etwa der Hälfte der Beugungsebene. In diesem Fall trägt eine der konjugierten gebeugten Wellen nicht zur Bilderzeugung bei, so dass der erhöhte Kontrast im Betrachtungsbild 23 auftritt.
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Es sei bemerkt, dass die die Blende 37 definierende Kante um den Beugungsfleck herum angeordnet ist. Wie eine in einer linearen Kante nach Patentliteratur 1 gebildete Vertiefung ist ein Element, dessen Kante nicht um den Beugungsfleck angeordnet ist und von dem wenigstens die Hälfte zu einem Bereich beiträgt, welcher den Beugungsfleck nicht umgibt, nicht in der im Kantenelement 38 gebildeten Blende 37 enthalten.
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Als nächstes wird der erhöhte Kontrast mit Bezug auf die 4A bis 4C beschrieben. 4A ist eine Draufsicht einer Positionsbeziehung von Beugungsflecken in der Beugungsebene, welche mit der Ebene des in 3B dargestellten Kantenelements übereinstimmt. 4B ist eine Draufsicht einer Bahnkurve des am Kantenelement kontinuierlich verschobenen Beugungsflecks. 4C zeigt Betrachtungsbilder, die den in 4A dargestellten jeweiligen Positionen des Beugungsflecks entsprechen. Wenn sich der Beugungsfleck 2 an einer bei 40 angegebenen Position befindet, wird beispielsweise etwa die Hälfte der Beugungsebene durch die Kante blockiert. Daher erscheint ein erhöhter Kontrast in einem Bild als anisotroper Kontrast in einer Richtung, die jener der Kante entspricht, wie in 4C(A) dargestellt ist, wobei die linke Seite des Bilds dunkel ist, während seine rechte Seite hell ist. Ähnlich erscheint in einem Fall, in dem sich der Beugungsfleck 2 an einer bei 41 angegebenen Position befindet, ein anisotroper Kontrast in einem Bild, wie in 4C(B) dargestellt ist, wobei die obere linke Seite dunkel ist, während die untere rechte Seite hell ist. In einem Fall, in dem sich der Beugungsfleck 2 an einer bei 42 angegebenen Position befindet, erscheint ein anisotroper Kontrast in einem Bild, wie in 4C(C) dargestellt ist, wobei die obere Seite dunkel ist, während die untere Seite hell ist. In einem Fall, in dem sich der Beugungsfleck 2 an einer bei 43 angegebenen Position befindet, erscheint ein anisotroper Kontrast in einem Bild, wie in 4C(D) dargestellt ist, wobei die obere rechte Seite dunkel ist, während die untere linke Seite hell ist. Dies weist darauf hin, dass es eine Entsprechungsbeziehung zwischen der Blockierrichtung des Elektronenstrahls 7 in der Nähe des Beugungsflecks 2 und der Richtung des im Bild erscheinenden erhöhten Kontrasts gibt. Es erübrigt sich zu bemerken, dass bei einem realen Instrument eine andere Winkelbeziehung als die Beziehung zwischen der Position des Beugungsflecks und dem Kontrast des Bilds gemäß der Ausführungsform erzeugt werden kann, weil ein zusätzlicher Drehversatz die Beziehung zwischen der Fleckposition an der Blende und der Richtung des im Bild erscheinenden Kontrasts infolge der durch die magnetische Linse auf die Elektronenbahn ausgeübten Drehwirkung beeinflusst. Wenn der Beugungsfleck 2 entlang der in 4B dargestellten Bahnkurve 44 verschoben wird, während ein konstanter Abstand zwischen dem Beugungsfleck 2 und der Blende 37 aufrechterhalten wird, ergibt sich eine Wirkung, die optisch dem Fall entspricht, dass nur die Blockierrichtung der gebeugten Welle kontinuierlich geändert wird. Wenn sich der Beugungsfleck 2 weiter zyklisch entlang der Bahnkurve 44 bewegt, ändert sich die Richtung des im Betrachtungsbild auftretenden erhöhten Kontrasts kontinuierlich und zyklisch. Daher kann ein Betrachter den erhöhten Kontrast für eine aus verschiedenen Richtungen betrachtete sich in der Betrachtungsprobe 20 befindende Struktur erhalten. Dementsprechend kann der Betrachter einen isotropen Bildkontrast durch Integrieren von Bildern mit einem in verschiedenen Richtungen erhöhten Kontrast erhalten.
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Als nächstes wird ein erstes Verfahren zum Ändern der Position des Beugungsflecks in der Beugungsebene mit Bezug auf 5A beschrieben. 5A ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens zum Verschieben des Beugungsflecks in der Beugungsebene zeigt. In 5A ist die Abbildungssystemlinse 35 fortgelassen, um die Klarheit der Zeichnung zu verbessern. In diesem Beispiel werden obere und untere Ablenker 33 oberhalb der Betrachtungsprobe 20 in Kombination verwendet, um den Elektronenstrahl 7 zu neigen, wobei nur der Einstrahlungswinkel des Elektronenstrahls 7 geändert wird, ohne dass sein Einstrahlungspunkt auf der Betrachtungsprobe 20 geändert wird. Bei 9 ist eine als Beispiel dienende Bahnkurve des geneigten eingestrahlten Elektronenstrahls 7 angegeben. Wenn nur der Einstrahlungswinkel des Elektronenstrahls 7 geändert wird, bildet der Elektronenstrahl 7 den Beugungsfleck 3 in der gleichen Beugungsebene 11 wie vor der Neigung des Elektronenstrahls 7. Der Beugungsfleck verschiebt sich in der Beugungsebene 11 entsprechend dem Neigungswinkel und der Neigungsrichtung des Elektronenstrahls. Das Gleiche gilt für den von der Betrachtungsprobe 20 gebeugten Elektronenstrahl. Dementsprechend wird die gesamte Beugungsebene 11, welche die gleiche Intensitätsverteilung beibehält, durch die Neigung des eingestrahlten Elektronenstrahls 7 verschoben. Dies ermöglicht das Einstellen der Positionsbeziehung zwischen dem Beugungsfleck 3 und dem Kantenelement 38 ohne Verschieben des Kantenelements 38.
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Es erübrigt sich zu bemerken, dass die Neigung des eingestrahlten Elektronenstrahls 7 nicht auf die in der Figur dargestellte Anordnung der Ablenker 33 beschränkt ist, sondern auch durch die Verwendung optionaler Ablenker oberhalb der Betrachtungsprobe 20 in Kombination oder durch die Verwendung eines einzigen (einstufigen) Ablenkers auf einer geeigneten Ebene erreicht werden kann.
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Als nächstes wird ein zweites Verfahren zum Ändern der Position des Beugungsflecks in der Beugungsebene mit Bezug auf 5B beschrieben. 5B ist ein Diagramm, das ein anderes Beispiel des Verfahrens zum Verschieben des Beugungsflecks in der Beugungsebene zeigt. In 5B ist die Abbildungssystemlinse 35 fortgelassen, um die Klarheit der Zeichnung zu verbessern. Das Beispiel zeigt, wie die unter der Betrachtungsprobe 20 angeordneten Ablenker 33 verwendet werden. Auch in diesem Fall ermöglicht die Verwendung zweier Stufen von Ablenkern 33, dass die Beugungsflecke 2, 3 auf der Beugungsebene 11 verschoben werden, ohne dass das Betrachtungsbild 23 bewegt wird. Abgesehen von der in 5B dargestellten Anordnung wird auch eine einen einzigen Ablenker allein verwendende Anordnung für die Steuerung der Beugungsflecke 2, 3 verwendet.
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Eine schnelle, sehr genaue und sehr reproduzierbare Strahlsteuerung kann durch die Verwendung des Ablenkers für eine solche Einstellung der Positionsbeziehung zwischen den Beugungsflecken 2, 3 und dem Kantenelement 38 erreicht werden.
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Abgesehen von den Ablenkern aus den 5A und 5B ist auch eine Kombination mehrerer am optischen System des Elektronenmikroskops angeordneter Spulen für die Steuerung des Beugungsflecks verwendbar. Statt die virtuelle Quelle als Punktquelle zu bewegen, kann die Lichtquelle in einer Ringkonfiguration als Ringbeleuchtung angeordnet werden.
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Zur Steuerung der Richtung der die gebeugte Welle blockierenden Kante in Bezug auf den Beugungsfleck oder zur Steuerung des Ausmaßes der Blockierung der gebeugten Welle kann auch eine elektromagnetische Linse verwendet werden, die optisch höher liegt als das Kantenelement 38. Bei einer Verwendung einer Linse unter Verwendung des Magnetfelds wird die Elektronenbahn einer durch die Linsenwirkung hervorgerufenen Drehung unterzogen, wodurch die Blockierrichtung geändert werden kann. Insbesondere kann bei einer kombinierten Verwendung mehrerer Linsen die Drehung oder Vergrößerung der Beugungsebene 11 unabhängig gesteuert werden. Hierdurch wird ein Vorteil bei der Steuerung der Positionsbeziehung der Kante in Bezug auf den Beugungsfleck erzielt.
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Als nächstes wird ein Beispiel der Änderung der Positionsbeziehung zwischen der Kante und dem Beugungsfleck durch Bewegen des Kantenelements 38 mit Bezug auf 6 beschrieben. 6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Änderung der Positionsbeziehung zwischen der Kante und dem Beugungsfleck durch Bewegen des Kantenelements zeigt. In 6 ist die Abbildungssystemlinse 35 fortgelassen, um die Klarheit der Zeichnung zu verbessern. Das TEM aus 6 weist einen Mikrobewegungsmechanismus 34 zur mechanischen Steuerung der Position des Kantenelements 38 auf. Die gleiche Wirkung, die bei den vorstehenden Beispielen zum Ändern der Positionen des Beugungsflecks 2, 3, wie in 5A und 5B dargestellt ist, erhalten wird, kann durch derartiges Bewegen des Kantenelements 38, dass ein konstanter Abstand zwischen der Kante und den Beugungsflecken aufrechterhalten wird, während die Beugungsflecke 2, 3 an gegebenen Position festgehalten werden, erhalten werden. Auch wenn sich das Kantenelement 38 nicht kontinuierlich, sondern unregelmäßig bewegt, kann das betrachtete Bild den erhöhten Kontrast in verschiedenen Richtungen erhalten, falls der Abstand zwischen dem Beugungsfleck 2 und der Kante einer gegebenen Verteilung in Bezug auf den Durchschnitt über einen gegebenen Zeitraum folgt.
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Als nächstes wird eine Konfiguration der im Kantenelement 38 gebildeten Blende 37 mit Bezug auf 8 beschrieben. 8 ist ein Satz von Draufsichten, in denen als Beispiel dienende Konfigurationen der im Kantenelement gebildeten Blende dargestellt sind. Es ist bevorzugt, dass die Konfiguration der Blende 37 im Wesentlichen ein Kreis ist (8(A)). Die Wirkung der Ausführungsform kann jedoch durch Verwenden einer Blende mit einer polygonalen Konfiguration in der Art einer dreieckigen Konfiguration (8(C)), einer quadratischen Konfiguration (8(B)), einer pentagonalen Konfiguration (8 (F)), einer hexagonalen Konfiguration (8(D)), einer elliptischen Konfiguration (8(E)) oder einer Kombination beliebiger der vorstehenden in der Art einer in 8 (G) dargestellten Konfiguration erhalten werden. Wie in 8(H) dargestellt ist, braucht die Blende 37 nicht in einer geschlossenen Konfiguration in der Oberfläche des Kantenelements 38 ausgebildet sein. Ferner kann, wie in 8(J) dargestellt ist, die Blende eine durch Kombinieren mehrerer Kantenelemente 38 definierte Form annehmen. Der offene Teil der Blende aus 8(H), worin die Kante nicht kontinuierlich (geschlossen) ist, kann vorzugsweise ein Schlitz oder dergleichen sein, der in Bezug auf die Blende 37 eine sehr geringe Breite aufweist. Alternativ kann ein einziges Kantenelement 30 mit mehreren Blenden 37 versehen sein, wie in 8(1) dargestellt ist. In diesem Fall wird die Abbildung unter Verwendung beliebiger der mehreren Blenden 37 durch Bewegen des Kantenelements 38 ausgeführt.
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Wenngleich es wünschenswert ist, dass das Kantenelement 38 derart angebracht wird, dass eine die Blende 37 aufweisende Ebene senkrecht zur optischen Achse ist, kann die Ausführungsform auch in einem Zustand implementiert werden, in dem das Kantenelement 38 eine solche Bedingung nicht erfüllt. In einem solchen Fall ist es auch wirksam, ein Verfahren zu verwenden, bei dem die durch den sich bewegenden Beugungsfleck beschriebene Bahnkurve geändert wird, so dass sie einer entlang der optischen Achse gesehenen Konfiguration der Blende entspricht. Wenn das mit der kreisförmigen Blende 37 versehene Kantenelement 38 in einer geneigten Position gegenüber der vertikalen Linie in Bezug auf die optische Achse montiert wird, wirkt die entlang der optischen Achse gesehene kreisförmige Blende beispielsweise als eine elliptische Blende. In diesem Fall beschreibt der Beugungsfleck eine elliptische Bahnkurve. Dadurch kann die Richtung der Blockierung der gebeugten Welle geändert werden, während der konstante Abstand zwischen dem Beugungsfleck und der Kante beibehalten wird.
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Gemäß dem vorstehend beschriebenen Abbildungsverfahren kann die Richtung, in der der erhöhte Kontrast erscheint, durch Ändern der Richtung der Blockierung des Beugungsflecks gesteuert werden. Die so unter einer Vielzahl von Bedingungen erhaltenen Bilder können durch Beobachten, wie sich diese Bilder ändern, von einem durch die Anisotropie nicht eingechränkten Gesichtspunkt interpretiert werden. Ferner kann ein leichter zu interpretierendes Bild oder ein Bild mit quantitativen Informationen erhalten werden, indem auf der Grundlage der unter verschiedenen Bedingungen erhaltenen Bilder eine Rechenverarbeitung in der Art einer Integration, Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division, Ableitung, Integration oder Faltung ausgeführt wird.
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Als nächstes wird die Verarbeitung des Betrachtungsbilds mit Bezug auf 7 beschrieben. 7 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Konfiguration zeigt, die durch Hinzufügen erforderlicher Komponenten zur Behandlung des Betrachtungsbilds zur in 3B dargestellten Konfiguration erhalten wird. Das Betrachtungsbild 23 wird auf einer fluoreszierenden Platte 60 gebildet und betrachtet. Gegenüber der fluoreszierenden Platte 60 befindet sich eine Abbildungsvorrichtung 61 zur Aufzeichnung eines projizierten Bilds. Das aufgezeichnete Bild wird in eine Recheneinheit 62 eingegeben, um es darzustellen oder zu verarbeiten.
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Wenn die Bedingung des Blockierens des Beugungsflecks 2 mit einer von den menschlichen Sinnen wahrnehmbaren Geschwindigkeit geändert wird oder mit einem schnelleren Zyklus geändert wird als die Ansprechgeschwindigkeit des Lichtphänomens der fluoreszierenden Platte 60, wird ein Bild, das im Wesentlichen einer Integration der unter verschiedenen Bedingungen erhaltenen Betrachtungsbilder 23 entspricht, auf die fluoreszierende Platte 60 projiziert. Auf diese Weise kann ein Bild mit einem isotropen Bildkontrast erhalten werden.
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Wenngleich die Abbildungsvorrichtung 61 während einer bestimmten Bilderzeugungszeit eingegebene Signale als ein Bild aufzeichnet, kann ein Bild, das im Wesentlichen der Integration der unter verschiedenen Bedingungen erfassten Betrachtungsbilder 23 gleichwertig ist, aufgezeichnet werden, indem diese Bilderzeugungszeit auf einen längeren Zeitraum gelegt wird als ein Zyklus zum Ändern der Blockierbedingung für den Beugungsfleck. Es gibt keine Begrenzung für die Anzahl der zyklischen Änderungen des Beugungsflecks während einer Bilderzeugungszeit, und die Zyklusanzahl ist vorzugsweise nahezu eine ganze Zahl. Die bevorzugte Zykluszahl liegt in Hinblick auf die Häufigkeit der Bildaktualisierung und die Bedienbarkeit im Bereich von eins bis hundert.
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Es kann eine Steuerung bereitgestellt werden, welche die Bewegung des Beugungsflecks nicht auf eine kontinuierliche Kreisbewegung beschränkt (beispielsweise zum Steuern der Beugungsfleckbewegung auf einer Pro-120°-Segment-Basis für die Bilderfassung oder zum zufälligen Verschieben des Beugungsflecks auf dem Umfang eines Kreises, um den Fleck gemittelt auf dem Umfang des Kreises zu verteilen). Selbst wenn die Bilderzeugungszeit kürzer als die Änderungszeit der Blockierbedingung ist, weil die Bilderzeugung jedes Drittels oder jeder Hälfte eines Änderungszyklus unterbrochen wird oder einem Änderungszyklus entsprechende Bilder erfasst werden, indem der Schritt des Aufnehmens eines Bilds in einem Änderungszyklus mehrere Male wiederholt wird, kann durch Addieren mehrerer aufgezeichneter Bilder ein Bild erhalten werden, das einem einzigen erfassten im Wesentlichen entspricht, indem der Bilderzeugungsvorgang während einer sogar noch längeren Bilderzeugungszeit ausgeführt wird.
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Als nächstes wird der Kontrast des Betrachtungsbilds mit Bezug auf die 9A bis 9C beschrieben. 9A ist ein Satz von Bildern, die einzeln unter verschiedenen Bedingungen des Kantenwinkels in Bezug auf den Beugungsfleck erhaltene Betrachtungsbilder zeigen. 9B ist eine Graphik, die Kontraständerungen in einem bestimmten Gebiet im Betrachtungsbild zeigt. 9C ist eine Graphik, die ein Beispiel zeigt, bei dem die Kontraständerung aus 9B fouriertransformiert ist, in Abhängigkeit vom Orientierungswinkel der Kante in Bezug auf den Beugungsfleck. Wenn beispielsweise der Beugungsfleck entlang der Kante der Blende verschoben wird, so dass er in einem Zyklus zur ursprünglichen Position zurückkehrt, ändert sich auch die Richtung des im Betrachtungsbild erscheinenden erhöhten Kontrasts in einem Zyklus. 9A(A) zeigt ein Betrachtungsbild, bei dem die in der Figur dargestellte linke Seite dunkel ist, während die rechte Seite hell ist. 9A(B) zeigt ein Betrachtungsbild, bei dem die in der Figur dargestellte obere linke Seite dunkel ist, während die untere rechte Seite hell ist. 9A(C) zeigt ein Betrachtungsbild, bei dem die in der Figur dargestellte obere Seite dunkel ist, während die untere Seite hell ist. 9A(D) zeigt ein Betrachtungsbild, bei dem die in der Figur dargestellte obere rechte Seite dunkel ist, während die untere linke Seite hell ist. 9A(E) zeigt ein Betrachtungsbild, bei dem die in der Figur dargestellte rechte Seite dunkel ist, während die linke Seite hell ist. 9A(F) zeigt ein Betrachtungsbild, bei dem die in der Figur dargestellte untere linke Seite dunkel ist, während die obere rechte Seite hell ist. 9A (G) zeigt ein Betrachtungsbild, bei dem die in der Figur dargestellte untere Seite dunkel ist, während die obere Seite hell ist. 9A(H) zeigt ein Betrachtungsbild, bei dem die in der Figur dargestellte untere linke Seite dunkel ist, während die obere rechte Seite hell ist. Es wird die Aufmerksamkeit auf die Bildintensität an einem bei 50 angegebenen bestimmten Bereich im Betrachtungsbild gerichtet. Wenn sich der erhöhte Kontrast in Zusammenhang mit der Bewegung des Beugungsflecks zyklisch ändert, ändert sich der Bildkontrast zyklisch, wie durch eine Graphik von 9B dargestellt ist. In der Graphik ist die Abszisse der Winkel des Rands in Bezug auf den Beugungsfleck, während die Ordinate der Bildkontrast ist. Die Zeichen (a) bis (h) in 9B entsprechen den jeweiligen Bildern (A) bis (H) in 9A.
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In der Graphik aus 9C bezeichnet die Abszisse die Frequenz, welche den Zyklus der Kontraständerung angibt, während die Ordinate die Intensität der Bildkontrastkomponente zeigt, die sich abhängig vom Kontraständerungszyklus ändert. Ein gemäß der Ausführungsform erhaltenes Bild ist die Überlagerung des der Intensitätsänderung des Elektronenstrahls durch die Betrachtungsprobe 20 entsprechenden Amplitudenkontrasts und des auf der Grundlage der Phasenänderung erhaltenen erhöhten Kontrasts. Der Amplitudenkontrast entspricht der Intensität an der Nullfrequenzposition in der Graphik aus 9C, weil er nicht für die Änderung der Blockierrichtung des Strahls am Beugungsfleck empfindlich ist. Andererseits ändert sich der erhöhte Kontrast zyklisch in Zusammenhang mit der zyklischen Änderung der Blockierrichtung des Strahls, so dass er der Intensität der dem Zyklus entsprechenden Frequenzkomponente (f) entspricht. Auf diese Weise kann nur die erhöhte Kontrastkomponente durch Umwandeln der Bildintensität in den Frequenzraum, gefolgt von einer Extraktion nur einer einen Zyklus aufweisenden Komponente selektiv extrahiert werden. Wenngleich die Ausführungsform das Beispiel erläutert, bei dem sich der Kontrast im Bild sinusförmig ändert, kann die Änderung der Bildintensität in einem Zyklus eine Vielzahl von Formen annehmen, weil der Bildkontrast tatsächlich eine Vielzahl von Komponenten enthält. In einem solchen Fall existiert jedoch eine zyklische Natur. Daher kann das gleiche Verfahren zur Extraktion nur einer sich zyklisch ändernden Komponente verwendet werden. Es ist selbstverständlich, dass nicht nur die dem Zyklus entsprechende Frequenzkomponente (f), sondern auch eine harmonische Komponente, die als Komponente auftritt, deren Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches von dieser ist, behandelt werden muss.
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10 ist ein Satz unter verschiedenen Bedingungen des Blockierens der gebeugten Welle erhaltener Bilder, worin jeweils ein Bereich dargestellt ist, der eine Komponente erhöhten Kontrasts der Frequenzbedingung des Betrachtungsbilds enthält.
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10(A) zeigt ein Beispiel in einem normalen Hellfeldbild enthaltener Frequenzinformationen. Ein bei 51 angegebener Bereich ist ein Raumfrequenzbereich, der Informationen des Hellfeldbilds enthält. Wenn der Beugungsfleck 2 unter einer solchen Betrachtungsbedingung an der in 4A dargestellten Position 40 mit der Blende 37 des Kantenelements 38 ausgerichtet ist, wird etwa die Hälfte der gebeugten Welle blockiert, so dass im entsprechenden Raumfrequenzbereich enthaltene Informationen Informationen des erhöhten Kontrasts einschließen. Als Beispiel eines solchen Raumfrequenzbereichs ist ein bei 52 angegebener Bereich in einem in 10 (B) dargestellten Bild ein die Informationen des erhöhten Kontrasts enthaltender Raumfrequenzbereich. Andererseits ist der bei 51 im Bild aus 10(B) angegebene Bereich ein Raumfrequenzbereich, der dem Hellfeldbild entsprechende Informationen enthält, weil alle konjugierten gebeugten Wellen bildfokussiert werden, ohne blockiert zu werden. Wenn der Beugungsfleck an einer bei 41 in 4A angegebenen Position ausgerichtet ist, ist ein bei 52 in einem Bild aus 10(C) angegebener Bereich ein die Informationen erhöhten Kontrasts enthaltender Raumfrequenzbereich. Wenn der Beugungsfleck an einer bei 42 in 4A angegebenen Position ausgerichtet ist, ist ein bei 52 in einem Bild aus 10(D) angegebener Bereich ein die Informationen erhöhten Kontrasts enthaltender Raumfrequenzbereich. Im Frequenzraum kann, wie gerade beschrieben wurde, der die Informationen erhöhten Kontrasts enthaltende Bereich auf der Grundlage einer optischen Bedingung unterschieden werden. Daher können dem erhöhten Kontrast entsprechende Informationen durch Bilden eines Vergleichs auf der Grundlage einer Differenz gegenüber einem normalen Hellfeldbild oder einem dem Hellfeldbild entsprechenden Frequenzbereich selektiv erfasst werden.
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11A ist ein Diagramm, das durch den Beugungsfleck unter verschiedenen Bedingungen beschriebene Bahnkurven zeigt. 11B ist ein Satz unter verschiedenen Bedingungen aus 11A erhaltener Bilder, die jeweils einen Bereich mit einer Komponente erhöhten Kontrasts von den Raumfrequenzkomponenten des Betrachtungsbilds zeigen. Bei diesem Beispiel ist die Blende 37 kreisförmig, so dass die Bahnkurve des sich entlang ihrer Kante bewegenden Beugungsflecks 2 unvermeidlich kreisförmig ist. Falls sich der Radius dieser kreisförmigen Bahnkurve ändert, ändert sich eine Informationskomponente des im sich ergebenden Bild enthaltenen erhöhten Kontrasts.
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Wenn der Beugungsfleck 2 die in 11A dargestellte Bahnkurve 44 beschreibt, hat ein durch Integration oder Addition aller im Prozess erfassten Bilder erhaltenes Bild in 11B(A) dargestellte Raumfrequenzinformationen. Die gebeugte Welle wird in einem dem Abstand vom Beugungsfleck 2 zur Kante entsprechenden Raumfrequenzbereich nicht blockiert. Daher entsprechen Informationen über den relevanten Raumfrequenzbereich jenen des Hellfeldbilds, so dass sie einem bei 51 in einem Bild von 11B(A) angegebenen Bereich entsprechen. Ein Bereich einer höheren Raumfrequenz, d. h. ein Raumfrequenzbereich, in dem einer der konjugierten gebeugten Elektronenstrahlen blockiert wird, enthält eine Informationskomponente des erhöhten Kontrasts. Der Bereich entspricht einem bei 52 im Bild aus 11B(A) angegebenen Bereich.
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Andererseits wird, falls der Beugungsfleck 2 eine in 11A dargestellte Bahnkurve 45 oder 46 beschreibt, auch die auf der Seite kleinerer Winkel gebeugte Welle blockiert. Daher gehen die Raumfrequenzinformationsbestandteile unter solchen Bedingungen erfasster Bilder so weit, dass sie Informationskomponenten erhöhten Kontrasts von Bereichen niedrigerer Raumfrequenzen aufweisen, wie in 11B(B) und 11B(C) dargestellt ist. Wie vorstehend gezeigt wurde, wird eine direkte Beziehung zwischen der Positionsbeziehung zwischen dem Beugungsfleck 2 und der Kante und dem den erhöhten Kontrast im Betrachtungsbild bereitstellenden Raumfrequenzband hergestellt. Indem dies ausgenutzt wird, können die Informationen des erhöhten Kontrasts aus mehreren erfassten Bildern extrahiert werden und auf der Grundlage von Informationen über die Bedingung zur Erfassung der Bilder synthetisiert werden. Die Art, in der der erhöhte Kontrast erscheint, hängt von der Struktur, vom Phasenänderungsbetrag und vom räumlichen Differenzwert der Betrachtungsprobe ab. Daher hängt die optimale optische Bedingung von der Betrachtungsprobe und vom Feld ab. Jedoch können Bilder, die jeweils einen optimalen Bildkontrast in Bezug auf verschiedene Felder und Strukturen auf der Betrachtungsprobe haben, unter Verwendung des vorstehenden Verfahrens erhalten werden.
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Falls der Beugungsfleck 2 eine Bahnkurve 47 beschreibt, wird ein durch den direkten Strahl gebildeter nulldimensionaler Beugungsfleck durch das Kantenelement 38 blockiert. Daher wird ein Bild durch die gebeugte Welle allein erzeugt und sind die Raumfrequenzinformationen, die im sich ergebenden Betrachtungsbild enthalten sind, jene, die in 11B(D) dargestellt sind. Tatsächlich hat ein durch den direkten Strahl gebildeter Beugungsfleck eine bestimmte Größe. Daher kann der erhöhte Kontrast selbst dann auftreten, wenn ein großer Teil des Beugungsflecks 2 blockiert wird. Wenn der Radius der Bahnkurve 47 des Beugungsflecks 2 in Bezug auf die Blende 37 groß genug ist, wird die Abbildung nur unter Verwendung der Intensität der gebeugten Welle ausgeführt. Eine solche Abbildungsbedingung kommt der Ring-Dunkelfeldabbildung nahe. Ein Verfahren, bei dem eine so genannte Hohlkegelbeleuchtung ausgeführt wird, bei der der Winkel eines Beleuchtungsstrahls auf der Betrachtungsprobe 20 zur Verschiebung des Beugungsflecks 2 unter einer solchen Abbildungsbedingung geändert wird, wird im Allgemeinen als Hohlkegelbeleuchtungs-Dunkelfeldabbildung bezeichnet. In diesem Fall tritt der erhöhte Kontrast im Wesentlichen deshalb nicht auf, weil es keine Interferenz zwischen dem direkten Strahl und der gebeugten Welle gibt.
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Als nächstes wird die Einstellung der Bedingung für das Blockieren der gebeugten Welle (Ausrichtung zwischen dem Blendenzentrum des Kantenelements 38 und dem Zentrum der durch den Beugungsfleck beschriebenen Bahnkurve) mit Bezug auf die 12A bis 12G beschrieben. 12A ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Konfiguration eines Instruments zeigt, wodurch die Menge der vom Kantenelement blockierten Elektronen gemessen wird. In 12A ist die Abbildungssystemlinse 35 fortgelassen, um die Klarheit der Zeichnung zu verbessern. 12A zeigt ein mit dem Kantenelement 38 verbundenes Strommessgerät 63 zur Messung der Menge der vom Kantenelement 38 blockierten Elektronen.
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12D ist eine Draufsicht, die ein an der Beugungsebene angeordnetes Kantenelement und eine vom darauf gebildeten Beugungsfleck beschriebene Bahnkurve zeigt. 12E ist eine Graphik, welche die Abhängigkeit der Menge der vom Kantenelement blockierten Elektronen vom Azimutwinkel des Beugungsflecks zeigt. Um die Kontrasterhöhungswirkung gemäß der Ausführungsform isotrop zu erreichen, muss das Zentrum der vom Beugungsfleck 2 beschriebenen Bahnkurve mit dem Zentrum der Blende 37 ausgerichtet werden. In einem Fall, in dem diese Zentren falsch ausgerichtet sind, nämlich in dem der Beugungsfleck 2 die in 12D dargestellte Bahnkurve 44 beschreibt, hängt die Menge der vom Kantenelement 38 blockierten Elektronen (Strom (I: Ampere) durch das Strommessgerät 63) von θ (Radiant) ab, wie durch eine in 12E dargestellte Kurve 70 angegeben ist, wobei θ den Azimutwinkel des Beugungsflecks 2 in Bezug auf das Zentrum 48 bezeichnet, vorausgesetzt, dass die Beugungskomponente kleiner Winkel des Beugungsflecks eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Intensitätsverteilung aufweist. Die Stromwert-Änderungskurve 70 gibt an, dass die vom Beugungsfleck beschriebene Bahnkurve mit der Kante fehlerhaft ausgerichtet ist.
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Das Zentrum 48 kann mit dem Zentrum der Blende 37 ausgerichtet werden, indem eine Einstellung derartig vorgenommen wird, dass unabhängig vom Winkel θ eine konstante Menge der Elektronen durch das Kantenelement 38 blockiert wird, wobei der durch das Strommessgerät 63 fließende Strom durch eine lineare Linie 71 in 12E angegeben ist. Die Stromwert-Änderungslinie 71 gibt an, dass die vom Beugungsfleck beschriebene Bahnkurve mit der Kante ausgerichtet ist. Wenn der Radius der Bahnkurve 44 weiter verkleinert wird, wird die Menge der vom Kantenelement 38 blockierten Elektronen weiter verkleinert. Demgemäß wird die Menge der blockierten Elektronen noch geringer, und es ergibt sich ein noch niedrigerer Stromwert, wie durch eine Linie 72 in 12E dargestellt ist. Die Stromwert-Änderungslinie 72 gibt an, dass die vom Beugungsfleck beschriebene Bahnkurve mit der Kante ausgerichtet ist, jedoch von der Kante beabstandet ist. Die Verwendung des Ablenkers erleichtert die Änderung des Radius der Bahnkurve 44, wobei ihr Zentrum positionsfest ist. Daher kann eine Ausrichtung mit einer sogar noch höheren Genauigkeit durch Beurteilen der Blockierstromstärke erreicht werden, während der Radius der Bahnkurve auf diese Weise geändert wird.
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Die 12F und 12G sind Draufsichten eines Beispiels, wobei das Kantenelement in mehrere Elektroden unterteilt ist. Durch Messen des Werts des durch jede der unterteilten Elektroden 39 fließenden Stroms in Zusammenhang mit der Bewegung des Beugungsflecks können die Zentrumsposition und die Verzeichnung der Bahnkurve des Beugungsflecks in Bezug auf die Blende mit hohen Genauigkeiten eingestellt werden. Die Anzahl der Unterteilungen der Elektrode 39 ist nicht auf vier, wie in der Figur dargestellt, beschränkt. Natürlich können einzelne Elektroden 39 in einem anderen als einem linearen Muster zerlegt werden oder nicht so ausgelegt sein, dass sie die Kante gleichmäßig unterteilen.
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12B ist ein Diagramm, das eine erste als Beispiel dienende Konfiguration eines Instruments zeigt, wodurch die Menge der nicht vom Kantenelement blockierten Elektronen gemessen werden kann. 12C ist ein Diagramm, das eine zweite als Beispiel dienende Konfiguration eines Instruments zeigt, wodurch die Menge der nicht vom Kantenelement blockierten Elektronen gemessen werden kann. In den 12B und 12C ist die Abbildungssystemlinse 35 fortgelassen, um die Klarheit der Zeichnung zu verbessern. Das Instrument aus 12B ist mit dem Strommessgerät 63 zur Messung der Menge der nicht vom Kantenelement 38 blockierten und auf die fluoreszierende Platte 60 fokussierten Elektronen ausgerüstet. Falls beim Bilderzeugungsprozess kein Elektronenverlust und dergleichen auftritt, ist die Summe aus der Menge der vom Kantenelement 38 blockierten Elektronen und der Menge der nicht blockierten und als Bild fokussierten Elektronen konstant. Daher kann die mit Bezug auf 12A beschriebene Einstellung auch unter Verwendung der Menge der auf die fluoreszierende Platte 60 einfallenden Elektronen vorgenommen werden.
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Die Messung der Menge der nicht blockierten Elektronen kann auch durch andere Mittel als die fluoreszierende Platte 60 ausgeführt werden, beispielsweise durch einen Faraday-Becher 64 zum Empfangen des Elektronenstrahls, wie in 12C dargestellt ist, oder durch eine Drosselplatte, die mit einer zusätzlichen Vorrichtung versehen ist.
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Als nächstes wird eine Einstellung der Bedingung zum Blockieren der gebeugten Welle (der Position des Beugungsflecks) mit Bezug auf 13 beschrieben. 13 zeigt ein Bild der Verteilung von Raumfrequenzinformationen, die durch Fouriertransformation eines Bilds erhalten wurden, das aufgezeichnet wurde, während ein Teil der gebeugten Welle durch das Kantenelement blockiert wurde. Wenn ein Teil der gebeugten Welle durch das Kantenelement 38 blockiert wird, erscheint der Einfluss in Form eines Schattens 54 in den Raumfrequenzinformationen des Betrachtungsbilds, wie in 13 dargestellt ist. Eine indirekte Messung des Abstands zwischen der Kante und dem Beugungsfleck kann durch Messen des Abstands vom Zentrum der Raumfrequenzinformationen zu diesem Schatten 54 erfolgen. Demgemäß kann die Position des Beugungsflecks auf der Grundlage dieses Messergebnisses eingestellt werden.
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Auch bei einer Betrachtung des Beugungsmusters kann der Einfluss der Wellenblockierung durch die Blende ähnlich als Schatten beobachtet werden. Dieser Ansatz ermöglicht auch die Einstellung der Position des Beugungsflecks.
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Als nächstes wird eine Einstellung der Blockierbedingung der gebeugten Welle (der Position des Beugungsflecks auf der Grundlage der Kontrastsymmetrie des Betrachtungsbilds) mit Bezug auf 14 beschrieben. 14 ist ein Satz beispielhafter Bilder, die erhalten werden, wenn die Position des Beugungsflecks auf der Grundlage der Kontrastsymmetrie des Betrachtungsbilds eingestellt wird.
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14(A) zeigt ein durch normale Hellfeldabbildung einer mit einem Loch versehenen Betrachtungsprobe erhaltenes beispielhaftes Bild. Wenn die Betrachtungsprobe im Brennpunkt liegt, ergibt sich keine Kontrasterhöhung für den Rand des Lochs in der Betrachtungsprobe.
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14(B) zeigt ein beispielhaftes Bild einer ähnlichen Betrachtungsprobe, das durch Integration in verschiedenen Richtungen des Bilds erscheinender erhöhter Kontraste erhalten wurde. Wenn das optische System eingestellt wird, um eine isotrope Blockierbedingung bereitzustellen, erscheint an der Kante des Lochs ein isotroper Kontrast.
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14(C) zeigt ein beispielhaftes Bild, das erhalten wird, wenn die vom Beugungsfleck beschriebene Bahnkurve nicht mit dem Zentrum der Blende 37 des Kantenelements 38 ausgerichtet ist. In diesem Fall ist die Blockierbedingung lateral asymmetrisch, wie sich im Bild zeigt. Daher erscheint der Hell-Dunkel-Kontrast an der rechten und linken Seitenkante des Lochs entgegengesetzt. Abhängig von der Struktur oder vom System der Betrachtungsprobe kann, wie gerade beschrieben wurde, die im Betrachtungsbild erzeugte Kontrastanisotropie anhand des Betrachtungsbilds erhalten werden. Daher kann die Blockierbedingung der gebeugten Welle auf der Grundlage dieser Informationen eingestellt werden.
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Unter der Annahme, dass die Blende 37 eine Kreisform aufweist, wirkt beispielsweise ein Teil der Blende in etwa wie eine Schneidkante zur Blockierung der Hälfte der Beugungsebene, so dass in etwa die Hälfte der gebeugten Welle blockiert wird, außer für einen Fall, in dem die Blende 37 verglichen mit der Beugungsebene sehr klein ist. Daher erscheint ein erhöhter Kontrast. Wenn der Fleck des direkten Strahls auf der Beugungsebene entlang der Kante der Blende 37 verschoben wird, ändert sich in diesem Zustand die Richtung des auf dem Bild erscheinenden erhöhten Kontrasts kontinuierlich. Bei einer Verwendung der kreisförmigen Blende 37 beschreibt der so verschobene Beugungsfleck eine Kreisbahn in der Beugungsebene.
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Wenn eine der im optischen System gebildeten Beugungsebenen in der Höhe nicht mit der Kante ausgerichtet ist, erreicht die Abbildung gemäß der Ausführungsform eine geringere Kontrasterhöhungswirkung als bei der Abbildung unter einer realistischen Bedingung. Der erhöhte Kontrast an sich tritt jedoch auf, so dass die Wirkung der Ausführungsform in ausreichendem Maße erreicht werden kann.
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Falls die Höhe der virtuellen Quelle oberhalb der Betrachtungsprobe 20 geändert wird, wenn ein mit dem Elektronenstrahl bestrahlter Bereich auf der Betrachtungsprobe 20 gesteuert wird, wird auch die Höhe der Beugungsebene hinter der Betrachtungsprobe geändert. Bei der Abbildung gemäß der Ausführungsform ist es wünschenswert, eine Steuerung bereitzustellen, um eine solche Höhenänderung zu verhindern. Als eine der diesem Problem entgegenwirkenden Maßnahmen wird wirksam ein Verfahren verwendet, bei dem mehrere Beleuchtungssystemlinsen zur Ausrichtung des vom Elektronenstrahl bestrahlten Bereichs verwendet werden.
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Falls die Betrachtungsprobe 20 während der Abbildung gemäß der Ausführungsform außerhalb des Brennpunkts liegt, während der Winkel des auf die Betrachtungsprobe 20 eingestrahlten Elektronenstrahls zur Steuerung der Position des Beugungsflecks gesteuert wird, wird das Betrachtungsbild in Zusammenhang mit der Änderung des Einstrahlungswinkels des Strahls verschoben. In diesem Zusammenhang kann die Zweckmäßigkeit der Abbildung durch ein Verfahren zur Ausrichtung des Brennpunkts auf der Grundlage des Bildverschiebungsbetrags, ein Verfahren, bei dem ein Ablenker zur Verschiebung des Bilds verwendet wird, um den Bildversatz aufzuheben, oder ein Verfahren zur Korrektur des Bildversatzes vor der Aufzeichnung des Bilds erhöht werden.
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Es ist im Wesentlichen vorteilhaft, das Kantenelement 38 aus Metall herzustellen. Falls jedoch eine Fremdsubstanz an der Oberfläche des Kantenelements 38 haftet, können sich in der Fremdsubstanz Elektronenladungen ansammeln, was zu einer Ablenkung oder Phasenmodulation des Elektronenstrahls führt. Ein solches Problem führt insbesondere dann zu merklichen Einflüssen, wenn der Elektronenstrahl an einer Stelle am Kantenelement 38 unterbrochen wird. Dagegen ist die Ausführungsform dafür ausgelegt, den Beugungsfleck in der Beugungsebene zu verschieben, so dass die an einer Stelle an der Kante angesammelte elektrische Ladungsmenge geringer ist als bei einer Unterbrechung des Beugungsflecks. Dadurch kann die Ausführungsform eine Verringerung einer unerwünschten Ablenkung oder Phasenmodulation des Elektronenstrahls bewirken.
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Wenn der Beugungsfleck mit einem höheren Zyklus verschoben wird, ändert sich der Strom durch den zur Steuerung des Beugungsflecks verwendeten Ablenkers mit einer höheren Frequenz. Dies kann manchmal zu einer Verringerung der Ansprechgeschwindigkeit infolge der Induktivität der den Ablenker bildenden Spule oder von Eigenschaften eines magnetischen Materials um den Ablenker führen. Insbesondere kann das folgende Problem herbeigeführt werden, falls der Elektronenstrahl durch die Verwendung einer Kombination mehrerer Spulen gesteuert wird. Die vorstehende Verringerung der Ansprechgeschwindigkeit ändert sich von Ablenker zu Ablenker. Dadurch wird die eingestellte Beziehung zwischen den mehreren Ablenkern zerstört, so dass, wenn nur der Einstrahlungswinkel des Elektronenstrahls auf der Betrachtungsprobe geändert werden soll, auch die Einstrahlungsposition auf der Betrachtungsprobe geändert wird. In diesem Fall kann ein wirksames Verfahren verwendet werden, bei dem die Phaseneinstellung eines auf den Ablenker einwirkenden Steuerstroms oder eine Stromänderung des Ablenkers in Zusammenhang mit der Strahlsteuerung entsprechend der Steuerfrequenz geändert wird.
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Es ist wünschenswert, dass das gemäß der Ausführungsform verwendete Kantenelement 38 eine Dicke im Bereich von einigen bis einigen hundert Nanometern aufweist. Wenn das Kantenelement eine größere Dicke als die erwähnte aufweist, ist dieser Zustand nicht vereinbar mit einer Bedingung für einen ideal erhöhten Kontrast, weil die Dicke der Kante größer ist als die Dicke der Beugungsebene, die durch die Fokusverbreiterung und ähnliche Auswirkungen des optischen Systems definiert ist. Es kann jedoch die Wirkung der Kontrasterhöhung erreicht werden.
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Als nächstes wird eine Konfiguration des TEM gemäß der Ausführungsform mit Bezug auf 15 beschrieben. 15 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration des TEM gemäß der Ausführungsform zeigt. Wenngleich in den 3A, 3B, 5A, 5B, 6, 7, 12A, 12B und 12C ein Teil der Konfiguration fortgelassen ist, um die Klarheit der Zeichnung zu verbessern, enthält 15 einige Komponenten aus den 3A, 5A, 7, 12A und 12B.
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Das TEM gemäß der Ausführungsform weist an über der Betrachtungsprobe 20 gelegenen Stellen Folgendes auf: die virtuelle Quelle 1, die Beleuchtungssystemlinse 30, die den Durchgang des von der virtuellen Quelle 1 ausgehenden Elektronenstrahls 7 ermöglicht, und die oberen und unteren Ablenker 33 für die Neigung des Elektronenstrahls 7. Es sei bemerkt, dass die Zeichnung einen Fall zeigt, in dem der Elektronenstrahl 7 nicht geneigt ist. Das Transmissionselektronenmikroskop weist ferner unterhalb der Betrachtungsprobe 20 Folgendes auf: die Objektivlinse 31 zum Konvergieren des Elektronenstrahls 7 (der gebeugten Welle und des direkten Strahls), der von der Betrachtungsprobe 20 durchgelassen und verbreitert wird, das Kantenelement 38, das sich auf der hinteren Brennebene (Beugungsebene) 11 der Objektivlinse 31 befindet, den Mikrobewegungsmechanismus 34 zum mechanischen Steuern der Position des Kantenelements 38, die Abbildungssystemlinse 35 zur Bildfokussierung des Elektronenstrahls 7 (der gebeugten Welle und des direkten Strahls), der durch die Blende 37 des Kantenelements 38 hindurchtritt und davon verbreitert wird, die fluoreszierende Platte 60, wo der durch die Abbildungssystemlinse 35 hindurchtretende Elektronenstrahl das Betrachtungsbild erzeugt, und die Bildgebungsvorrichtung 61 zur Aufzeichnung des auf die fluoreszierende Platte 60 projizierten Bilds. Ferner weist das TEM gemäß der Ausführungsform Folgendes auf: die Recheneinheit 62 zur Ausführung einer Rechenverarbeitung des aufgezeichneten Bilds und eine Steuereinheit 65 zum Steuern der Linsen, der Ablenker und des Mikrobewegungsmechanismus 63. Die Steuereinheit 65 erhält den Wert des mit dem Kantenelement 38 und der fluoreszierenden Platte 60 verbundenen Strommessgeräts 63. Die Steuereinheit 65 weist Folgendes auf: eine von einer CPU gesteuerte Antriebsleistungsschaltung, eine Speichereinheit zum Speichern von der CPU ausgeführter Software, eine Tastatur und eine Maus, welche eine Ein-/Ausgabesteuerung durch einen Bediener ermöglichen, eine Schnittstelle einer Anzeigeeinheit und dergleichen.
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Die virtuelle Quelle entspricht einem virtuellen Elektronenstrahlfleck oder einem tatsächlichen von einer Elektronenkanone gebildeten Elektronenstrahlfleck, welche Folgendes aufweist: eine Elektronenquelle, eine elektrostatische oder elektromagnetische Extraktionselektrode, eine elektrostatische Beschleunigungselektrode und dergleichen. Die Elektronenkanone weist Folgendes auf: eine Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone, die zur Feldemission eines Elektronenstrahls ohne Erwärmung der Elektronenquelle eingerichtet ist, und eine Schottky-Elektronenkanone, die zur Emission eines Elektronenstrahls durch Erwärmen der Elektronenquelle eingerichtet ist.
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Als nächstes wird ein Verfahren zur Ausrichtung eines TEM gemäß der Ausführungsform mit Bezug auf 16 beschrieben. 16 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte eines Verfahrens zur Ausrichtung des TEM gemäß der Ausführungsform zeigt.
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Schritt S1: Eine Steuereinheit 65 richtet die Blende 37 des Kantenelements 38 auf der optischen Achse aus.
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Schritt S2: Die Steuereinheit 65 verschiebt den Beugungsfleck zyklisch in Bezug auf eine die Blende 37 des Kantenelements 38 definierende Kante, wie in 4B dargestellt ist.
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Schritt S3: Die Steuereinheit 65 misst eine Änderung der Menge der vom Kantenelement 38 blockierten Elektronen in Abhängigkeit vom Zyklus der Beugungsfleckverschiebung, wie in 12E dargestellt ist, unter Verwendung des mit dem Kantenelement 38 verbundenen Strommessgeräts 63, wie beispielsweise in 12A dargestellt ist. Ansonsten kann die Steuereinheit die Menge der nicht vom Kantenelement 38 blockierten Elektronen messen, wie in 12B und 12C dargestellt ist.
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Schritt S4: Die Steuereinheit 65 stellt fest, ob die Menge der Elektronen innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt. Falls „Ja“, fährt die Steuereinheit mit Schritt S6 fort. Falls „Nein“, fährt die Steuereinheit mit Schritt S5 fort.
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Schritt S5: Die Steuereinheit 65 ändert den Bewegungsradius des Beugungsflecks und fährt mit Schritt S4 fort.
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Schritt S6: Die Steuereinheit 65 stellt fest, ob der Änderungsbereich der Elektronenmenge einen spezifischen Wert annimmt oder kleiner als dieser ist. Die Steuereinheit 65 bestimmt die Elektronenmenge unter Verwendung des mit dem Kantenelement 38 verbundenen Strommessgeräts 38, wie in 12A oder 12B dargestellt ist. Der Änderungsbereich der Elektronenmenge wird auf der Grundlage der Differenz zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert der Elektronenmenge, der Standardabweichung oder dergleichen bestimmt. Falls „Nein“, fährt die Steuereinheit mit Schritt S7 fort.
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Schritt S7: Die Steuereinheit 65 bestimmt die an jeweiligen Fleckpositionen, welche die maximalen und minimalen Elektronenmengen bereitstellen, gemessenen durchschnittlichen Elektronenmengen und definiert den resultierenden Durchschnittswert als neuen Referenzwert (Zentrumswert).
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Die Ausführungsform kann den isotropen Bildkontrast erreichen.
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Die Ausführungsform kann auch einen ausreichenden Bildkontrast in einem Bild eines weichen Materials (einer Probe in der Art einer biologischen Probe und eines organischen Materials, das aus einem leichten Element besteht und eine schwache Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl aufweist) erreichen. Hierdurch wird eine Färbebehandlung überflüssig, die normalerweise bei der Abbildung dieser Proben ausgeführt wird. Die Färbebehandlung verwendet ein Element in der Art eines metallischen Elements, das eine starke Wechselwirkung mit Elektronen aufweist. Daher kann die Ausführungsform selbst bei der Gefrierbruchmikroskopie, bei der eine biologische Probe näher an ihrem gewöhnlichen Zustand abgebildet wird und eine Färbebehandlung nicht anwendbar ist, eine Bildgebung mit einem hohen Kontrast bereitstellen.
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Ferner macht die Ausführungsform ein weit verbreitet verwendetes Verfahren zum Erreichen eines hohen Kontrasts durch starkes Verschieben des Brennpunkts der Objektivlinse gegenüber der Probe unnötig. Dieses Verfahren beruht auf dem Phänomen, dass der Einfluss der sphärischen Aberration der Objektivlinse eine optische Wegdifferenz zwischen dem von der Probe gebeugten Elektronenstrahl und dem von der Probe nicht gebeugten, sondern durchgelassenen direkten Strahl erzeugt, woraus sich eine Phasendifferenz ergibt. Diese Phasendifferenz führt zu einem Bildkontrast entsprechend der Phasenänderung des von der Probe durchgelassenen Elektronenstrahls. Weil dieses Verfahren grundsätzlich die Aberration der Objektivlinse verwendet, ist es schwierig, eine Phasendifferenz auf eine bei sehr kleinen Winkeln gebeugte Welle auszuüben. Daher ist es schwierig, für eine Struktur, deren Abmessungen nicht kleiner als einige Nanometer sind, eine Kontrasterhöhung zu erreichen. Die Ausführungsform verwendet dieses Verfahren nicht und kann daher selbst bei einer Struktur, deren Abmessungen nicht kleiner als einige Nanometer sind, eine Kontrasterhöhung erreichen.
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Wenngleich die von den Erfindern gemachte Erfindung spezifisch mit Bezug auf ihre Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt, und es kann natürlich eine Vielzahl von Änderungen und Modifikationen daran ausgeführt werden.
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Wenngleich die Ausführungsform anhand des Beispiels eines Transmissionselektronenmikroskops beschrieben wurde, ist die Erfindung auch auf ein Rastertransmissionsmikroskop anwendbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- virtuelle Quelle
- 2
- Beugungsfleck
- 3
- Beugungsfleck
- 4
- gebeugte Welle
- 5
- nicht gebeugte Welle
- 6
- Interferenzbereich zwischen direktem Strahl und gebeugter Welle
- 7
- Elektronenstrahl
- 9
- geneigt eingestrahlter Elektronenstrahl
- 10
- Probenebene
- 11
- Beugungsebene (hintere Brennebene)
- 12
- Bildebene
- 20
- Betrachtungsprobe
- 21
- Betrachtungsbild
- 22
- Betrachtungsbild
- 23
- Betrachtungsbild
- 30
- Beleuchtungssystemlinse
- 31
- Objektivlinse
- 32
- Schneidkante
- 33
- Ablenker
- 34
- Mikrobewegungsmechanismus
- 35
- Abbildungssystemlinse
- 36
- Objektivblende
- 37
- Blende
- 38
- Kantenelement
- 39
- Elektrode
- 40
- Beugungsfleck
- 41
- Beugungsfleck
- 42
- Beugungsfleck
- 43
- Beugungsfleck
- 44
- Bahnkurve
- 45
- Bahnkurve
- 46
- Bahnkurve
- 47
- Bahnkurve
- 48
- Bahnkurvenzentrum
- 50
- bestimmter Bereich im Betrachtungsbild
- 51
- Raumfrequenzbereich
- 52
- Raumfrequenzbereich
- 53
- Raumfrequenzbereich
- 54
- Schatten
- 60
- fluoreszierende Platte
- 61
- Bildgebungsvorrichtung
- 62
- Recheneinheit
- 63
- Strommessgerät
- 64
- Faraday-Becher
- 65
- Steuereinheit
- 70
- Stromwertänderung
- 71
- Stromwertänderung
- 72
- Stromwertänderung