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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Teilchenstrahlgerät mit einer ringförmigen Beleuchtungsapertur, insbesondere für eine Beobachtung oder Bildaufzeichnung in Transmission, mit dem Bilder mit Phasenkontrast erzeugt werden können.
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Aus der
EP 1329936 B1 ist ein Phasenkontrast-Elektronenmikroskop nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Durch die Verwendung einer ringförmigen Beleuchtungsapertur wird bei diesem bekannten System erreicht, dass gegenüber anderen Phasenkontrastsystemen, die mit normaler Hellfeldbeleuchtung arbeiten, keine kleinen und bezüglich elektrostatischer Aufladungen und Kontaminationen kritischen Bauteile für das phasenschiebende Element erforderlich sind. Allerdings haben nähere Analysen gezeigt, dass die Phasenverschiebung bei diesem bekannten System im Wesentlichen durch den starken Öffnungsfehler der Einzellinse in deren Randbereich erzielt wird.
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Weitere Systeme zur Erzeugung von Phasenkontrast in einem Transmissions-Elektronenmikroskop sind in der
DE 10 2007 007 923 A1 , der
DE 10 2006 011 615 A1 , der
US 5814815 A und der
US 2008 035854 A1 beschrieben. In der
DE 10 2007 007 923 A1 wird dabei ein phasenschiebendes Element beschrieben, das ein inhomogenes oder anisotropes Potential erzeugt. Diese kann dadurch geschehen, dass die Elektroden der Phasenplatte nicht-rotationssymmetrisch ausgebildet sind. In der
DE 10 2006 011 615 A1 ist ein Phasenkontrast-Elektronenmikroskop beschrieben, bei dem die hintere Beugungsebene der Objektivlinse vergrößert in diejenige Ebene abgebildet wird, in der das phasenschiebende Element angeordnet ist. In der
US 5814815 A ist ein Phasenkontrast Elektronenmikroskop beschrieben, bei dem die Phasenplatte als Einzellinse aus ringförmigen Elektroden aufgebaut ist. In der
US 2008 035854 A1 ist ein Phasenkontrast Elektronenmikroskop beschrieben, zwei zueinander konzentrisch angeordnete Ringelektroden aufweist.
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Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die Kontrasterzeugung bei einem Teilchenstrahlgerät mit einer ringförmigen Beleuchtungsapertur gegenüber den bekannten Systemen zu verbessern. Dieses Ziel wird mit einem Teilchenstrahlgerät mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 6 erreicht. Spezielle Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Elektroden des phasenschiebenden Elements derart angeordnet und im Betrieb mit elektrischem Potenzial beaufschlagt, dass das Potenzial auf der optischen Achse dem Potenzial der äußeren Elektroden der Einzellinse entspricht. Durch diese Maßnahme wird sicher gestellt, dass Elektronen, deren Bahnen weiter von der optischen Achse entfernt verlaufen, eine andere Potenzialdifferenz durchlaufen als Elektronen, deren Bahnen näher zur optischen Achse hin verlaufen. Da der Nullstrahl in der Nähe der Ränder der Elektroden der Einzellinse verläuft, ist auf diesem Weg sichergestellt, dass der Nullstrahl eine andere Phasenverschiebung erfährt als die am Objekt zur optischen Achse hin gebeugten Elektronen.
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Insbesondere kann eine großflächige Potenzialverteilung zentrisch zur optischen Achse auf dem Potenzial der äußeren Elektroden oder auf dem Potenzial der elektronenoptischen Säule vor und hinter dem phasenschiebenden Element erzwungen werden. Dadurch wird ein stark lokalisierter Potenzialabfall in der Nähe der Ränder der inneren Elektrode, und damit in dem Bereich, in dem der Nullstrahl verläuft, erzielt.
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In einer speziellen Ausführungsform weist das Teilchenstrahlgerät eine optischen Achse, ein Beleuchtungssystem zur Ausleuchtung eines in einer Objektebene zu positionierenden Objektes mit einem Strahl geladener Teilchen und ein Objektiv zur Abbildung des ausgeleuchteten Objektes auf, wobei der Strahl geladener Teilchen am Objekt in einen Nullstrahl und höhere Beugungsordnungen aufgespalten wird. Das Beleuchtungssystem ist derart ausgebildet, dass es im Betrieb in einer zur Objektebene fouriertransformierten Ebene eine ringförmige Beleuchtungsapertur erzeugt. In einer von der Objektebene abgewandten Brennebene des Objektivs oder einer dazu konjugierten Ebene ist ein phasenschiebendes Element angeordnet. Das phasenschiebende Element kann eine Einzellinse mit – in Richtung der optischen Achse betrachtet – zwei äußeren Elektroden und einer oder mehreren dazwischen liegenden inneren Elektroden aufweisen. Weiterhin kann das phasenschiebende Element eine weitere Elektrode auf oder in der Nähe der optischen Achse aufweisen.
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Durch die weitere Elektrode auf der optischen Achse oder in der Nähe der optischen Achse wird diese mit einem weiteren elektrischen Potential beaufschlagt, das von dem elektrostatischen Potenzial der inneren Elektrode der Einzellinse abweicht. Dadurch lässt sich erreichen, dass im zentralen, näher an der optischen Achse gelegenen Bereich ein definiertes elektrostatisches Potenzial vorherrscht, das definiert von dem elektrostatischen Potenzial im Randbereich, also näher an den Elektroden der Einzellinse abweicht. Dadurch wiederum wird erreicht, dass die Phasenschiebung, die Strahlen erfahren, die in unterschiedlichen radialen Abständen von der optischen Achse verlaufen, stärken und definierter von einander abweichen.
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Bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist die weitere Elektrode mit dem Potenzial der äußeren Elektroden der elektrostatischen Linse beaufschlagt. Alternativ kann aber auch eine separate Spannungsquelle vorgesehen sein, durch die die weitere Elektrode mit einem vom elektrostatischen Potenzial der äußeren Elektroden der Einzellinse abweichenden Potenzial beaufschlagt wird.
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Bei einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung kann die weitere Elektrode an einem Manipulator aufgenommen und senkrecht zur Richtung der optischen Achse positionierbar sein.
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Bei vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist das phasenschiebende Element derart ausgebildet sein, dass es im Betrieb dem Nullstrahl gegenüber der am Objekt in höheren Beugungsordnungen gebeugten Strahlung eine Phasenverschiebung erteilt und das phasenschiebende Element ist weiterhin derart ausgebildet, dass es im Betrieb die Phase der am Objekt in höheren Beugungsordnungen gebeugten Strahlung, die in radialer Richtung näher an der optischen Achse als der Nullstrahl verläuft, nicht oder nur geringfügig beeinflusst. Alternativ kann das phasenschiebende Element derart ausgebildet sein, dass es im Betrieb der am Objekt in höheren Beugungsordnungen gebeugten Strahlung eine Phasenverschiebung gegenüber dem Nullstrahl erteilt und das phasenschiebende Element kann weiterhin derart ausgebildet sein, dass es im Betrieb die Phase des Nullstrahls nicht oder nur geringfügig beeinflusst.
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Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel weisen die inneren Elektroden zwei oder mehr Segmente auf, von denen in Bezug auf die optische Achs zwei einander gegenüberliegende Segmente im Betrieb mit Potentialen entgegen gesetzter Polarität beaufschlagt sind. Die Segmente weisen der optischen Achse zugewandte Ränder auf und in Bezug auf die optische Achse zwei einander gegenüberliegende Segmente können in radialer Richtung unterschiedliche Abstände von der optischen Achse aufweisen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann in einer zur Objektebene quellenseitigen, konjugierten Ebene ein Ablenksystem für eine zeitlich sequentielle Erzeugung der ringförmigen Beleuchtungsapertur angeordnet sein und es kann eine Spannungsversorgung vorgesehen sein, die so ausgebildet ist, dass die Segmente alternierend oder umlaufend mit Potenzial beaufschlagt werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Einzellinse an einem Träger aufgenommen sein. Die Elektroden der Einzellinse weisen Bei dieser Ausführungsform auf der in radialer Richtung von der optischen Achse abgewandeten Seite Ränder auf und zwischen den Rändern der Elektroden der Einzellinse und dem Träger ist ein ringförmiger oder ringsegmentförmiger Luftspalt vorhanden. Die innere Elektrode der Einzellinse kann eine erste ringförmige oder ringsegmentförmige Elektrode und eine zweite ringförmige oder ringsegmentförmige Elektrode aufweisen, wobei die erste ringförmige oder ringsegmentförmige Elektrode gegen die zweite ringförmige oder ringsegmentförmige Elektrode elektrisch isoliert ist. Die zweite ringförmige oder ringsegmentförmige Elektrode kann in radialer Richtung außerhalb der ersten ringförmigen oder ringsegmentförmigen Elektrode angeordnet sein und die zweite ringförmige oder ringsegmentförmige Elektrode kann im Betrieb mit dem elektrischen Potential des Träger beaufschlagt sein. Weiterhin ist eine Spannungsversorgung vorgesehen, mit der die erste ringförmige oder ringsegmentförmige Elektrode mit einem vom Potenzial des Trägers abweichenden Potenzial beaufschlagt wird.
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Bei einer speziellen Ausführungsform kann die erste ringförmige oder ringsegmentförmige Elektrode mehrere Ringsegmente aufweisen und in einer zur Objektebene quellenseitigen, konjugierten Ebene ist ein Ablenksystem für eine zeitlich sequentielle Erzeugung der ringförmigen Beleuchtungsapertur angeordnet. Weiterhin kann eine Spannungsversorgung vorgesehen sein, die so ausgebildet ist, dass die Ringsegmente alternierend oder umlaufend mit Potenzial beaufschlagt werden.
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Beim erfindungsgemäßen Teilchenstrahlgerät wird der Phasenkontrast sehr ähnlich zur Erzeugung des Phasenkontrastes in der Lichtmikroskopie erzeugt. Das Beleuchtungssystem des Teilchenstrahlgeräts erzeugt in einer zur abzubildenden Objektebene fouriertransformierten Ebene eine ringförmige Beleuchtungsapertur. Wie in der Phasenkontrast Lichtmikroskopie erfolgt die Beleuchtung des abzubildenden Objektes mit einem hohlkegelförmigen Strahl. In der zur Objektebene fourieitransformierten Ebene oder einer dazu konjugierten Ebene ist ein phasenschiebendes Element angeordnet. Das phasenschiebende Element kann der am Objekt ungebeugten Strahlung, d. h. dem Nullstrahl, gegenüber der am Objekt in höheren Beugungsordnungen gebeugten Strahlung eine Phasenverschiebung erteilen. Gleichzeitig lässt das phasenschiebende Element die Phase der am Objekt in höhere Beugungsordnungen gebeugten Strahlung, die in radialer Richtung näher an der optischen Achse als der Nullstrahl verlaufen, unbeeinflusst oder beeinflusst diese nur geringfügig.
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Bei einer Ausführungsform wird wie beim Phasenkontrast in der Lichtmikroskopie von dem phasenschiebenden Element die am Objekt ungebeugte Strahlung gegenüber der am Objekt gebeugten Strahlung eine Phasenverschiebung erteilt. Die am Objekt in höhere Beugungsordnungen gebeugte Strahlung, die in der Ebene des phasenschiebenden Elementes in radialer Richtung näher an der optischen Achse verläuft als die am Objekt ungebeugte Strahlung, wird hingegen vom phasenschiebenden Element nicht beeinflusst. Ein entsprechendes phasenschiebendes Element kann daher ringförmig mit einer zentralen Öffnung ausgebildet sein. Ein solches ringförmiges phasenschiebendes Element kann demzufolge an seinem Außenumfang gefaßt sein, so dass keine freitragenden oder nahezu freitragenden Strukturen erforderlich sind. Dabei liefert es sogar teilchenoptische Vorteile, wenn das phasenschiebende Element oder eine Haltestruktur des phasenschiebenden Elementes die gegenüber dem Nullstrahl in radialer Richtung weiter von der optischen Achse entfernt liegenden höheren Beugungsordnungen ausblendet. Denn dadurch wird der negative Einfluss von außerachsialen Aberrationen des Objektivs reduziert.
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Weiterhin kann das phasenschiebende Element nicht nur die Phase des Nullstrahls beeinflussen sondern über eine entsprechende Absorption gleichzeitig die Intensität des Nullstrahls schwächen. Durch die dadurch erzielbare Intensitätsanpassung zwischen dem Nullstrahl und den höheren Beugungsordnungen wird insgesamt eine Kontrastverbesserung erzielt. Bei einer Kombination des phasenschiebenden Elementes mit einer Aperturblende läßt sich ein sehr stabiler Aufbau des phasenschiebenden Elementes realisieren. Die zur optischen Achse abgebeugte Strahlung höherer Ordnung kann ungehindert durch die zentrale Öffnung des phasenschiebenden Elementes hindurchtreten, während die von der optischen Achse in radialer Richtung weg gebeugte Strahlung ausgeblendet wird. Durch diese Ausblendung geht jedoch keinerlei Information verloren, da der bezüglich der optischen Achse um 180° gedrehte Beleuchtungsstrahl die komplementäre Information zu den ausgeblendeten Beugungsordnungen enthält.
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Ein entsprechendes phasenschiebendes Element ist technologisch einfach zu realisieren. Durch ihren ungehinderten Durchtritt durch das phasenschiebende Element erfährt die Information tragende gebeugte Strahlung höherer Ordnung weder durch den Aufbau des phasenschiebenden Elementes noch durch dessen Halterung eine negative Beeinflussung, wie eine Abschwächung oder zusätzliche Phasenverschiebung. Außerdem wird keine in bestimmte Raumrichtungen gebeugte Strahlung vollständig durch Haltestrukturen ausgeblendet. Das entsprechende phasenschiebende Element kann vielmehr rotationssymmetrisch zur optischen Achse ausgebildet sein.
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Weiterhin können kleine Löcher im phasenschiebenden Element, durch die der Primärstrahl hindurchtreten muß, vermieden werden. Negative Einflüsse von ansonsten bei kleinen Löchern auftretenden Kontaminationseffekten sind dadurch weitgehend ausgeschlossen. Und wenn nur die keine Information über das Objekt tragende Information nullter Beugungsordnung durch das phasenschiebende Element hindurch tritt, gleichen sich Variationen der Phasenverschiebung aufgrund lokaler Dickeschwankungen des phasenschiebenden Elementes statistisch aus.
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Bei eine Ausführungsform der Erfindung ist das phasenschiebende Element als Ringelektrode ausgebildet, dessen elektrostatisches Potential variierbar ist.
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Zur Erzeugung der ringförmigen Beleuchtungsapertur kann in einer zur Objektebene konjugierten Ebene ein Ablenksystem angeordnet sein. Bei dieser Ausführungsform wird die ringförmige Beleuchtungsapertur zeitlich sequentiell durch Variation des Ablenkwinkels erzeugt.
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Eine alternative Erzeugung der ringförmigen Beleuchtungsapertur ist auch durch eine entsprechende Blende mit einer zentralen Abschattung im Beleuchtungsstrahlengang möglich. Weiterhin ist es insbesondere bei thermischen Emittern als Elektronenquelle möglich, das unterheizte Kathodenbild (Hohlstrahl), das bereits eine ringförmige Emissionsverteilung mit einem schwachen zentralen Maximum aufweist, in die vordere Brennebene der Kondensor-Objektiv-Einfeldlinse abzubilden und den zentralen Emissionsfleck auszublenden, um die ringförmige Bleuchtungsapertur zu erzeugen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
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1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Teilchenstrahlgeräts am Beispiel eines Transmissions-Elektronenmikroskops im Schnitt;
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2 einen Ausschnitt aus der Prinzipskizze in 1;
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3a einen Schnitt durch eine Phasenplatte für ein Teilchenstrahlgerät;
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3b eine Aufsicht auf die Phasenplatte in 3a;
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4 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform der Phasenplatte;
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5a eine Aufsicht auf eine innere Elektrode bei einer Phasenplatte mit einer segmentierten inneren Elektrode;
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5b die Phasenplatte in 5a im Schnitt;
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6 eine Aufsicht auf eine innere Elektrode bei einem weiteren Ausführungsbeispiel für eine Phasenplatte mit einer segmentierten inneren Elektrode;
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7 eine Aufsicht auf eine innere Elektrode bei einem weiteren Ausführungsbeispiel für eine Phasenplatte mit einer segmentierten inneren Elektrode;
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8 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Phasenplatte im Schnitt;
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9a den Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Phasenplatte; und
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9b eine Aufsicht auf die Phasenplatte in 9a.
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Das in der 1 dargestellte Transmissionselektronenmikroskop, das ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Teilchenstrahlgerät darstellt, weist einen Strahlerzeuger (1) und einen insgesamt dreistufigen Kondensor (2, 3, 6) auf. Der Strahlerzeuger (1) ist vorzugsweise eine Feldemisssionsquelle oder ein Schottky-Emitter. Die erste Kondensorlinse (2) erzeugt ein reelles Bild (12) des Crossovers (11) des Strahlerzeugers (1). Dieses reelle Crossover Bild (12) wird von der nachfolgenden zweiten Kondensorlinse (3) reell in die quellenseitige Brennebene (13) der dritten Kondensorlinse (6) abgebildet. Die dritte Kondensorlinse (6) ist eine sogenannte Kondensor-Objektiv-Einfeldlinse, deren Vorfeld als Kondensorlinse und deren Rückfeld als Objektivlinse dient und bei der die Objektebene (7) in der Mitte des Polschuhspaltes der Kondensor-Objektiv-Einfeldlinse (6) liegt. Durch die Abbildung des Crossovers (11) des Teilchenerzeugers (1) in die quellenseitige Brennebene (13) der Kondensor-Objektiv-Einfeldlinse (6) wird die Objektebene (7) durch einen parallel zur optischen Achse ausgerichteten Teilchenstrahl ausgeleuchtet. Der entsprechende Beleuchtungsstrahlengang ist in der 1 gestrichelt dargestellt.
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In der quellenseitigen zur Objektebene (7) konjugierten Ebene ist eine Feldblende (5) und ein Ablenksystem (4) oder der Kipppunkt eines Doppelablenksystems angeordnet. Durch das Ablenksystem (4) wird der Teilchenstrahl zu jedem zu einem Objektpunkt konjugierten Punkt (14) in der Ebene der Feldblende (5) um gleiche Winkel gekippt. Durch diese Auslenkung oder Kippung des Teilchenstrahles wird eine entsprechende Kippung des Teilchenstrahles in der Objektebene (7) erzeugt. Durch eine Beaufschlagung des Ablenksystems (4) in zwei zueinander senkrechten Richtungen entsprechend einer Sinusfunktion in einer Richtung und einer Cosinusfunktion in der dazu senkrechten Richtung, mit zeitlich konstanter und identischer Amplitude in beiden zu einander senkrechten Richtungen, resultiert in der Objektebene (7) ein rotierender Strahl der einer zeitlich sequentiellen hohlkegelförmigen Beleuchtungsapertur entspricht. Durch Einstellung der Amplitude der durch das Ablenksystem (4) erzeugten Ablenkung ist der Innendurchmesser der ringförmigen Beleuchtungsapertur bestimmt und einstellbar. Der Ringdurchmesser der ringförmigen Beleuchtungsapertur ist hingegen durch den Abbildungsmaßstab bestimmt, mit dem der Crossover (11) des Teilchenstrahlerzeugers (1) in die quellenseitige Brennebene (13) der Kondensor-Objektiv-Einfeldlinse (6) abgebildet ist.
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Durch das Rückfeld bzw. Abbildungsfeld der Kondensor-Objektiv-Einfeldlinse (6) wird der Strahlkegel mit zeitlich sequentieller hohlkegelförmiger Beleuchtungsapertur in die Zwischenbildebene (10) fokussiert, so dass in der Zwischenbildebene (10) ein reeles Bild der Objektebene (7) entsteht. In der hinteren, zwischenbildseitigen Brennebene (15) der Kondensor-Objektiv-Einfeldlinse ist im Bereich der zentralen Öffnung einer Aperturblende (8) das ringförmige phasenschiebende Element (9) aufgenommen. Dieses ringförmige phasenschiebende Element hat eine große zentrale Öffnung (19) – mit einem Durchmesser von einigen 10 μm, vorzugsweise mindestens 30 μm –, durch die die gegenüber der ungebeugten Strahlung (Nullstrahl) (50) in Richtung auf die optische Achse (OA) abgebeugte Strahlung höherer Ordnung (51) ungehindert hindurchtreten kann. Gleichzeitig erteilt das phasenschiebende Element (9) der am Objekt ungebeugten Strahlung, also dem Nullstrahl (50), eine Phasenverschiebung von vorzugsweise π/2. In der Zwischenbildebene (10) findet eine Überlagerung des phasenverschobenen Nullstrahls (50) mit der in Richtung auf die optische Achse gebeugten Strahlung (51) statt. Diejenigen am Objekt gebeugten höheren Beugungsordnungen (52), die in der Ebene des phasenschiebenden Elementes (9) gegenüber der ungebeugten Strahlung weiter entfernt von der optischen Achse verlaufen, werden hingegen von der Aperturblende (8) absorbiert.
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Hinsichtlich der Lagen der verschiedenen Beugungsordnungen relativ zum phasenschiebenden Element (9) und der sich daraus ergebenden Funktionsweise der erfindungsgemäßen Anordnung sei auf 2 verwiesen. Dort sind als durchgezogene Linien jeweils die beiden Nullstrahlen (50), gestrichelt jeweils die beiden plus ersten Beugungsordnungen und punktiert jeweils die beiden minus ersten Beugungsordnungen der beiden eingezeichneten Beleuchtungsstrahlen eingezeichnet. Sowohl die plus erste als auch die minus erste Beugungsordnung (51), die in der Ebene des phasenschiebenden Elementes näher zur optischen Achse als der Nullstrahls verlaufen, treten unbeeinflußt durch die zentrale Öffnung (10) im phasenschiebenden Element (9) hindurch. Die am Präparat ungebeugte Strahlung (Nullstrahl) erfährt am ringförmigen phasenschiebenden Element (9) die gewünschte Phasenverschiebung und die eben falls gewünschte Abschwächung, während die beiden achsferneren höheren Beugungsordnungen (52) vollständig von der Blonde (8) eliminiert werden.
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Wie sich insgesamt anhand der 1 und 2 verstehen läßt, wird jeder Punkt in der Objektebene (7) mit einem Elektronenstrahl beleuchtet, der eine hohlkegelförmige Beleuchtungsapertur aufweist. Die Spitze des Beleuchtungsstrahlkegels liegt dabei in der Objektebene (7). Das von der Objektebene wieder ausgehende Strahlenbündel mit divergenter hohlkegelförmiger Beleuchtungsapertur wird vom Nachfeld der Kondensor-Objektiv-Einfeldlinse (6) in die Zwischenbildebene (10) abgebildet. Durch Interferenz der durch die zentrale Öffnung (19) des phasenschiebenden Elementes (9) hindurchtretenden höheren Beugungsordnungen (51) mit dem vom phasenschiebenden Element phasenverschobenen Nullstrahl (50) entsteht in der Zwischenbildebene (10) ein Phasenkontrastbild des in der Objektebene (7) angeordneten Präparates. Da jeweils die diametral zueinander gegenüberliegenden Beleuchtungsstrahlen die Beugungsinformation des komplementären Halbraumes liefern, liegt die Beugungsinformation über das Präparat vollständig vor, die Ausblendung der von der optischen Achse weg gebeugten höheren Beugungsordnungen führt lediglich zu einem Intensitätsverlust um einen Faktor ½. Dieser Intensitätsverlust ist jedoch relativ unkritisch und wird durch die übrigen Vorteile der vorliegenden Erfindung überkompensiert.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel für ein phasenschiebendes Element ist in der 3a im Schnitt und in der 3b in Aufsicht dargestellt. Es weist eine Einzellinse aus zwei nacheinander in Richtung der optischen Achse (OA) angeordneten äußeren ringförmigen Elektroden (101, 102) und eine dazwischen liegende innere ringförmige Elektrode (103) auf. Die beiden äußeren Elektroden (101, 102) liegen auf demselben elektrostatischen Potenzial, das dem Potenzial im Strahlrohr vor und hinter dem phasenschiebenden Element entspricht, so dass ein sich entlang der optischen Achse (OA) ausbreitender Elektronenstrahl beim Durchtritt durch das phasenschiebende Element keine Energieänderung erfährt. Bei der in den 3a und 3b dargestellten Ausführungsform wurde angenommen, dass die Elektronensäule im Bereich des phasenschiebenden Elements auf Massepotenzial liegt und entsprechend liegen dann auch die beiden äußeren Elektroden auf Massepotenzial. Weiterhin ist auf der optischen Achse eine weitere Elektrode (105) vorgesehen. Bei der in den 3a und 3b dargestellten Ausführungsform ist die weitere Elektrode 105 an einem Steg (104) an einer der äußeren Elektroden (101) aufgenommen.
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Die innere Elektrode (103) liegt auf einem elektrostatischen Potenzial Vph, das von dem elektrostatischen Potenzial der äußeren Elektroden (101, 102) abweicht und die gewünschte Phasenverschiebung erzeugt. Durch die weitere Elektrode (105), die sich in Richtung der optischen Achse (OA) über nahezu die gesamte Länge der Einzellinse erstreckt, wird sicher gestellt, dass Elektronen, deren Bahnen näher an der optischen Achse (OA) verlaufen, ein anderes elektrostatisches Potenzial durchlaufen als Elektronen, deren Bahnen im äußeren Bereich der Durchtrittsöffnung (106) verlaufen. Dadurch erfahren die am Objekt gebeugten Elektronen, die aufgrund der Beugung gegenüber dem Nullstrahl näher an der optischen Achse (OA) verlaufen, gegenüber dem Nullstrahl die gewünschte Phasenverschiebung.
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Durch die weitere Elektrode (105) wird zwar Information ausgeblendet, das ist aber unkritisch, da dieses nur sehr hohe Raumfrequenzen betrifft. Durch den Steg (104), an dem die weitere Elektrode (105) an der äußeren Elektrode (101) aufgenommen ist, wird zwar weitere Information auch bei niedrigeren Raumfrequenzen ausgeblendet, das ist aber solange unkritisch, wie der komplementäre Bereich an Beugungswinkeln nicht gleichzeitig auch beschnitten wird, da dann die ausgeblendete Information rekonstruiert werden kann.
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Die 4 zeigt im Schnitt eine weitere Ausführungsform für ein phasenschiebendes Element, das der Ausführungsform in den 3a und 3b sehr ähnlich ist. Entsprechend sind diejenigen Bauteile, die denen in der Ausführungsform in 3a und 3b entsprechen, mit entsprechenden, um 100 größeren Bezugszeichen versehen. Bezüglich der Beschreibung zu diesen Bauteilen sei auf die obige Beschreibung zu den 3a und 3b verwiesen.
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Bei der Ausführungsform in der 4 ist die weitere Elektrode (205) über einen Isolator (208) an einem Manipulator (207) aufgenommen. Durch eine Spannungsquelle (209) kann die weitere Elektrode (205) auf ein Potenzial gelegt werden, das von dem der äußeren Elektroden (201, 202) abweicht. Über den Manipulator (207) kann die weitere Elektrode (205) in zwei zueinander senkrechten Richtungen senkrecht zur optischen Achse (OA) sowie in Richtung der optischen Achse (OA) positioniert werden. Dadurch kann die weitere Elektrode (205) relativ zu den äußeren Elektroden (201, 202) und der inneren Elektrode (203) zentriert werden.
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Eine weitere Ausführungsform für ein phasenschiebendes Element ist in 5b im Schnitt dargestellt. In der 5a in die Aufsicht auf die innere Elektrode dieses phasenschiebenden Elements dargestellt. Das phasenschiebende Element oder die Phasenplatte enthält wiederum eine Einzellinse aus zwei äußeren Elektroden (301, 302) und einer dazwischen liegenden inneren Elektrode (303). Bei dieser Ausführungsform ist die innere Elektrode (303) segmentiert und besteht aus vier gegeneinander elektrisch isolierten Segmenten (303a 303d). Zwei bezüglich der optische Achse (OA) gegenüberliegende Segmente (303a, 303c) sind dabei mit elektrischen Potenzialen beaufschlagt, die gegenüber denn Potenzial der äußeren Elektroden (301, 302) inverse Polarität haben. Liegen die äußeren Elektroden auf Massepotenzial, dann liegt beispielsweise ein Segment (303a) auf +Vph und das bezüglich der optischen Achse (OA) gegenüberliegende Segment (303c) auf dem betragsmäßig gleichen aber negativen Potenzial –Vph. Durch die Beaufschlagung der gegenüberliegenden Segmente mit inversen Potenzialen wird erreicht, dass wie bei der Ausführungsform in den 3a und 3b auf der optischen Achse das elektrostatische Potenzial einen Nulldurchgang erfährt. Gegenüber der Ausführungsform in den 3a und 3b hat diese Ausführungsform den Vorteil, dass in den Innenraum (306) der Einzellinse hineinragende Trägerelemente und Elektroden, die bestimmte Information ausblenden, vermieden werden.
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Die mit einer segmentierten inneren Elektrode (303) erzeugte Potenzialverteilung bewirkt im Falle eines statischen Beleuchtungskegels, dass die in unterschiedliche Halbräume gestreuten Elektronen eine zueinander inverse Phasenverschiebung erfahren. Beispielsweise erfahren in den positiven Halbraum gestreute Elektronen eine positive Phasenverschiebung, während in den negativen Halbrum gestreute Elektronen eine negative Phasenverschiebung erfahren. Dadurch entsteht ein Differenzial Interferenz Kontrast (DIC) oder Hilbert Phasenkontrast, der einen plastischen Bildeindruck erzeugt. Mit Hilfe einer Bildrekonstruktion kann das echte Bild zurück gewonnen werden.
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Die 6 zeigt eine Aufsicht auf die innere Elektrode einer Ausführungsform für ein phasenschiebendes Element, bei dem die innere Elektrode zwei gegeneinander elektrisch isolierte Segmente (403a, 403b) aufweist. Der innere Rand (404a) eines Segments (403a) ist weiter von der optischen Achse OA beabstandet als der innere Rand (404b) des anderen Segments (403b). Beide Segmente (403a, 403b) sind wiederum mit zueinander inversen Potenzialen beaufschlagt, wobei das Segment (403b), dessen innerer Rand näher an die optische Achse heranreicht, gegenüber den hier nicht dargestellten äußeren Elektroden mit einem positiven Potenzial beaufschlagt ist. Da das ringförmige Beleuchtungsbündel (405) in dem zur positiven Elektrode benachbarten Halbraum näher an der Elektrode verläuft als in denn Halbraum, der zur negativen Elektrode (403a) benachbart ist, erfährt der Nullstrahl in dem zur positiven Elektrode (403b) benachbarten Halbraum eine größere Phasenverschiebung als in dem zur negativen Elektrode (403a) benachbarten Halbraum. Wird die durch das jeweilige Potenzial definierte Phasenverschiebung so eingestellt, dass die Phasenverschiebung, die der Nullstrahl erfährt, in dem zur positiven Elektrode (403b) benachbarten Halbraum 3π/2 und in dem zur negativen Elektrode (403a) benachbarten Halbraum π/2 beträgt, dann entsteht ein Zernicke Phasenkontrast.
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Der übrige Aufbau des phasenschiebenden Elements entspricht der Ausführungsform in 5b, d. h. die innere Elektrode ist zwischen zwei äußeren Elektroden angeordnet, die auf dem elektrischen Potenzial der Elektronensäule vor und hinter der Einzellinse liegen.
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Die 7 zeigt eine Aufsicht auf die innere Elektrode einer Ausführungsform, bei der die innere Elektrode eine größere Anzahl gegeneinander elektrisch isolierter Segmente (503a–503h) aufweist. Auch bei dieser Elektrode liegen bezüglich der optischen Achse (OA) gegenüberliegende Segmente (503e, 503f, 503a, 503b) auf zu einander inversen elektrischen Potenzialen, +Vph und –Vph, wobei die Potenzialbeaufschlagung der einzelnen Segmente so erfolgt, dass die Potenzialbeaufschlagung in Richtung des Pfeils 504 im Kreis herum läuft. Die Umlauffrequenz für die Potenzialbeaufschlagung der inneren Elektrode ist dabei identisch mit der Umlauffrequenz der Hohlkegelbeleuchtung, wenn diese dynamisch erzeugt wird und der Elektronenstrahl mittels eines Ablenksystems sequenziell entlang eines Hohlkegels geführt wird. Durch die umlaufende oder rotierende Potenzialbeaufschlagung ergibt sich eine rotierende Phasenplatte. Die durch die Phasenplatte dem Nullstrahl aufgeprägte Phasenverschiebung, die idealer Weise π/2 beträgt, rotiert im Kreis synchron zur Bewegung des Nullstrahls (505). Durch die inverse Potenzialbeaufschlagung gegenüberliegender Segmente ergibt sich wiederum, dass auf der optischen Achse (OA) das Potenzial einen Nulldurchgang aufweist.
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Der übrige Aufbau des phasenschiebenden Elements entspricht der Ausführungsform in 5b, d. h. die innere Elektrode ist zwischen zwei äußeren Elektroden angeordnet, die auf dem elektrischen Potenzial der Elektronensäule vor und hinter der Einzellinse liegen.
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Bei dieser Gelegenheit sei darauf hingewiesen, dass die Phasenplatten natürlich auch einsetzbar sind, wenn die elektronenoptische Säule im Bereich der Phasenplatte auf einem vorn Massepotenzial abweichenden elektrostatischen Potenzial Vo liegen sollte. In diesem Fall liegen die äußeren Elektroden auf dem Potenzial vor und hinter der Phasenplatte und dieses konstante Potenzial Vo wird der umlaufenden Potenzialbeaufschlagung als Offset hinzugefügt, so dass die einander bezüglich der optischen Achse gegenüberliegenden Segmente (503a, 503b) sowie (503e, 503f) mit einem Potenzial Vo + Vph und Vo – Vph beaufschlagt werden und die verbleibenden Segmente (503c, 503d, 503g, 503h) mit dem Potenzial Vo beaufschlagt werden.
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Auch bei Verwendung dieses phasenschiebenden Elements erfährt der Nullstrahl eine Phasenverschiebung während die Phase der am Objekt gebeugten Strahlung ganz oder nahezu unbeeinflusst bleibt.
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Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen prägt das phasenschiebende Element jeweils dem Nullstrahl eine Phasenverschiebung auf, während die am Objekt gebeugte Strahlung von der Phasenplatte weitgehend unbeeinflusst bleibt. Da es jedoch für die Erzeugung des Phasenkontrasts nur auf die relative Phasenverschiebung zwischen Nullstrahl und am Objekt gebeugter Strahlung ankommt, kann auch die gebeugte Strahlung in der Phase verschoben werden, während der Nullstrahl unbeeinflusst bleibt oder nur eine geringe Phasenverschiebung erfährt.
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In der 8 ist eine Ausführungsform für ein phasenschiebendes Element aufgeschnitten perspektivisch dargestellt, das der am Objekt gebeugten Strahlung eine Phasenverschiebung aufprägt. Es enthält eine Einzellinse mit zwei äußeren Elektroden (601, 602) und einer dazwischen angeordneten inneren Elektrode 603, die gegenüber den beiden äußeren Elektroden (601, 602) elektrisch isoliert ist und auf dem zur Phasenverschiebung benötigten Potenzial Up gegenüber den äußeren Elektroden (601, 602) liegt. Die Einzellinse ist über einen ringförmigen Luftspalt (605) innerhalb eines kreisförmigen Loches einer Platte (600) aus elektrisch leitendem Material angeordnet. Die Platte (600) und die beiden äußeren Elektroden (601, 602) der Einzellinse liegen auf demselben Potenzial. Die Einzellinse ist dabei über einen oder mehrere Haltestege (604), durch den auch die Potenzialzuführung für die innere Elektrode (603) erfolgt, an der Platte (600) aufgenommen.
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Der innere freie Durchmesser der Einzellinse sollte etwa 50 bis 100 μm betragen, die ringförmigen Elektroden der Einzellinse sollten möglichst dünn sein und höchstens eine Dicke von 1 μm aufweisen und der ringförmige Spalt (605) sollte eine Spaltbreite von unter 0,5 μm aufweisen.
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Da die äußeren Elektroden (601, 602) der Einzellinse auf demselben Potenzial liegen wie die Platte (600), ist der ringförmige Spalt potenzialfrei. Der durch den Spalt (605) hindurch tretende Nullstrahl erfährt deshalb keine Phasenverschiebung. Die am Objekt gebeugte Strahlung, die in Richtung der optischen Achse gebeugt ist und durch das Innere der elektrostatischen Einzellinse verläuft, wird dagegen durch das Potenzial der inneren Elektrode (603) in der Phase verschoben.
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Gegenüber den Ausführungsformen, bei denen der Nullstrahl in der Phase verschoben wird, hat diese Anordnung natürlich den Nachteil, dass durch die Elektroden (601, 602, 603) der Einzellinse unvermeidbar eine Abschattung eines Rahmfrequenzbereichs erfolgt.
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Auch bei der Ausführungsform in 8 kann die innere Elektrode (603) segmentiert sein und die einzelnen Segmente können mit einer umlaufenden Potenzialverteilung beaufschlagt werden, so dass auch dieses System mit einer dynamischen Hohlkegelbeleuchtung einsetzbar ist, bei der die Potenzialbeaufschlagung der inneren Elektrode identisch mit der des Umlaufs der Hohlkegelbeleuchtung ist. Durch die dann umlaufende oder rotierende Potenzialbeaufschlagung ergibt sich wiederum eine rotierende Phasenplatte.
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Eine weitere Ausführungsform einer Phasenplatte ist in der 9a im Schnitt und in 9b in Aufsicht dargestellt. Sie enthält wie die Ausführungsform in 8 eine Platte (700) mit einem kreisförmigen Loch (704). In dem Loch (704) sind über einen oder mehrere Haltesteg (705) zwei ringförmige Elektroden (701, 702) aufgenommen, die sich einander koaxial zur optischen Achse (OA) umgeben und über eine Isolierschicht (703) gegeneinander isoliert sind. Zwischen den beiden ringförmige Elektroden (701, 702) und der Platte (700) besteht wiederum ein freier ringförmiger Spalt (706) für den Durchtritt des Nullstrahls. Die äußere der beiden ringförmigen Elektroden (701) liegt auf demselben elektrischen Potenzial wie die Platte, die innere ringförmige Elektrode (702) liegt auf dem demgegenüber abweichenden Potenzial Up, das zur Phasenverschiebung der in höhere Beugungsordnungen am Objekt gebeugten Elektronenstrahlen dient. Wie bei dem Ausführungsbeispiel in 8 ist der ringförmige Spalt (706) potenzialfrei, so dass der Nullstrahl keine Phasenverschiebung erfährt.
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Die Isolatorschicht (703) muss nicht vollständig ringförmig sein sondern sie kann teilweise auch aus einem Luftspalt bestehen. Nur aus Stabilitätsgründen sollten an einigen Stellen feste Isolatoren eingesetzt werden, wobei die Anzahl bzw. die Größe der festen Isolatoren möglichst gering sein sollte, da die Isolatoren sich leicht aufladen können.
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Auch bei dieser Ausführungsform der Phasenplatte erfährt die am Objekt in höhere Beugungsordnungen zur optischen Achse hin gebeugte Strahlung eine Phasenverschiebung, während der durch den ringförmigen Spalt (706) hindurch tretende Nullstrahl von der Phasenplatte ganz oder wenigstens überwiegend unbeeinflusst bleibt.
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Anhand der Ausführungsbeispiele wurde die Erfindung am Beispiel eines Elektronenmikroskops erläutert. Die Erfindung ist natürlich auch bei Teilchenstrahlgeräten mit positiv geladenen Teilchen wie Ionen oder Positronen, z. B. Heliumionen, einsetzbar. Insbesondere ist die Erfindung auch bei einen Transmissions-Ionenmikroskop einsetztbar. In der 1 wären dann die Magnetlinsen durch elektrostatische Linsen zu ersetzen. Gleichzeitig wäre die Elektronenquelle durch eine Ionenquelle, z. B eine Feldionenquelle, zu ersetzen und die Beschleunigungspotenziale wären entsprechend zu invertieren. Die in den 3a bis 9b dargestellten Phasenplatten können dem hingegen auch bei einem Einsatz in einem Ionenmikroskop oder Positronenmikroskop unverändert bleiben.
