DE112015006775B4 - Electron interference device and electron interference method - Google Patents

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Abstract

Elektroneninterferenzvorrichtung, aufweisend:ein Beleuchtungsoptiksystem, das einen von einer Elektronenquelle abgestrahlten Elektronenstrahl auf eine Probe (3) strahlt,eine Probenhaltevorrichtung, die die mit den Elektronenstrahlen bestrahlte Probe hält,ein Erfassungsoptiksystem, das aufgrund dessen, dass die Probe mit den Elektronenstrahlen bestrahlt wird, die Elektronenstrahlen erfasst,ein Elektronenbiprisma (9, 99), das an einer Fläche (71) senkrecht zur optischen Achse (2) der Elektronenstrahlen Interferenz erzeugt zwischen einem Elektronenstrahl, der durch einen Objektwellenbereich (21 R) tritt, der die Probe enthält, und einem Elektronenstrahl, der durch einen ersten Referenzwellenbereich (23R) tritt, und ein erstes Hologramm (88) erzeugteinen Bildaufzeichnungsabschnitt (79) zum Aufzeichnen des ersten Hologramms undeinen Bildberechnungsabschnitt (77) zum Berechnen des im Bildaufzeichnungsabschnitt aufgezeichneten Bildes,dadurch gekennzeichnet, dass das Elektronenbiprisma Interferenz erzeugt zwischen dem durch den Objektwellenbereich tretenden Elektronenstrahl und einem Elektronenstrahl, der durch einen dem ersten Referenzwellenbereich mit der optischen Achse dazwischen gegenüberliegenden zweiten Referenzwellenbereich (23R) tritt, und ein zweites Hologramm (88) erzeugt,wobei der Bildaufzeichnungsabschnitt das zweite Hologramm aufzeichnet und der Bildberechnungsabschnitt auf Grundlage des ersten Hologramms und des zweiten Hologramms einen Phasenwert des Objektwellenbereichs ermittelt, undwobei das Beleuchtungsoptiksystem eine erste Ablenkeinrichtung (15) auf der Seite vor der Probe in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls und eine zweite Ablenkeinrichtung (16) auf der Seite nach der Probe umfasst, das erste Hologramm vom Elektronenbiprisma erzeugt wird, indem das Beleuchtungsoptiksystem den Elektronenstrahl von der ersten Ablenkeinrichtung in eine erste Richtung ablenken und von der zweiten Ablenkeinrichtung in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung zurücklenken lässt und das zweite Hologramm vom Elektronenbiprisma erzeugt wird, indem das Beleuchtungsoptiksystem den Elektronenstrahl von der ersten Ablenkeinrichtung in die zweite Richtung ablenken und von der zweiten Ablenkeinrichtung in die erste Richtung zurücklenken lässt.An electron interference device comprising:an illumination optical system which irradiates an electron beam emitted from an electron source onto a sample (3),a sample holding device which holds the sample irradiated with the electron beams,a detection optical system which, due to the sample being irradiated with the electron beams, detecting the electron beams,an electron biprism (9, 99) which creates interference between an electron beam passing through an object wave region (21 R) containing the sample and an electron beam passing through a first reference waveband (23R) and a first hologram (88) generates an image recording section (79) for recording the first hologram and an image calculation section (77) for calculating the image recorded in the image recording section, characterized in that the electron biprism has interference boundary produced between the electron beam passing through the object wave range and an electron beam passing through a second reference wave range (23R) opposed to the first reference wave range with the optical axis therebetween, and forms a second hologram (88), wherein the image recording section records the second hologram and the An image computing section obtains a phase value of the object wave region based on the first hologram and the second hologram, and wherein the illumination optical system includes a first deflector (15) on the side before the sample with respect to the propagation direction of the electron beam and a second deflector (16) on the side after the Sample comprises, the first hologram is generated by the electron biprism by the illumination optical system deflecting the electron beam from the first deflection device in a first direction and counter to the second deflection device in one of the first direction and the second hologram is generated by the electron biprism by the illumination optics system deflecting the electron beam in the second direction by the first deflector and allowing the electron beam to be deflected back in the first direction by the second deflector.

Description

Technisches Gebiettechnical field

Das Vorliegende betrifft eine Elektroneninterferenzvorrichtung und ein Elektroneninterferenzverfahren zum Durchführen von Messungen eines elektromagnetischen Felds und dergleichen.The present relates to an electron interference device and an electron interference method for performing measurements of an electromagnetic field and the like.

Allgemeiner Stand der TechnikGeneral state of the art

Elektronenbiprismaelectron biprism

Ein Elektronenbiprisma ist als Strahlteiler eines Elektronenstrahls eine unverzichtbare optoelektronische Vorrichtung in einem Interferenzoptiksystem und wirkt in ähnlicher Weise wie ein Fresnelsches Biprisma auf dem Gebiet der Optik. Wird zum Ablenken des Elektronenstrahls ein elektrisches Feld verwendet, so handelt es sich um ein Elektronenbiprisma des elektrischen Feldtyps, und wenn ein Magnetfeld verwendet wird, um ein Elektronenbiprisma des Magnetfeldtyps.An electron biprism as a beam splitter of an electron beam is an indispensable optoelectronic device in an interference optics system, and functions in a manner similar to a Fresnel biprism in the field of optics. When an electric field is used to deflect the electron beam, it is an electric field type electron biprism, and when a magnetic field is used, it is a magnetic field type electron biprism.

Wie in 1 gezeigt, ist die Struktur des Elektronenbiprismas des elektrischen Feldtyps derart, dass es aus einer Fadenelektrode 9 im mittleren Abschnitt und einer Kontaktelektrode 99 mit parallelen Platten gebildet ist, die derart gehalten wird, dass sie die Elektrode zwischen sich hält. Wenn beispielsweise eine positive Spannung an die Fadenelektrode 9 angelegt wird, werden, wie in 1 gezeigt, Elektronenstrahlen 27, die durch beide Seiten der Fadenelektrode 9 treten, durch das elektrische Potenzial der Fadenelektrode in aufeinander zu verlaufenden Richtungen um denselben Winkel α abgelenkt, und die beim Hindurchtreten durch das Elektronenbiprisma in zwei Wellen geteilten Elektronenstrahlen werden hinter dem Elektronenbiprisma überlagert, wodurch Interferenzstreifen 8 erzeugt werden. Wenn dagegen eine negative Spannung an die Fadenelektrode 9 angelegt wird, werden die zwei Elektronenstrahlen in voneinander weg führenden Richtungen um denselben Winkel abgelenkt.As in 1 As shown, the structure of the electric field type electron biprism is such that it is composed of a filament electrode 9 in the central portion and a parallel plate contact electrode 99 held so as to hold the electrode between them. For example, if a positive voltage is applied to the filament electrode 9, as in 1 1, electron beams 27 passing through both sides of the filament electrode 9 are deflected by the electric potential of the filament electrode in directions toward each other by the same angle α, and the electron beams split into two waves when passing through the electron biprism are superimposed behind the electron biprism, thereby Interference fringes 8 are generated. On the other hand, when a negative voltage is applied to the filament electrode 9, the two electron beams are deflected in directions away from each other by the same angle.

Diese Art von optoelektronischem System wird zusammenfassend als optisches Elektroneninterferenzsystem bezeichnet. Das auf die Elektronenstrahlen einwirkende elektrische Potenzial wird mit zunehmendem Abstand von der Fadenelektrode 9 schwächer, doch da der wirksame Raumbereich lang ist, ist der Ablenkungswinkel der Elektronenstrahlen letztlich nicht von der Einfallposition abhängig, sondern ist proportional zur an die Fadenelektrode 9 angelegten Spannung. Das heißt, der Ablenkungswinkel α der Elektronenstrahlen durch das Elektronenbiprisma weist bei Verwendung der an die Fadenelektrode angelegten Spannung Vf und eines Ablenkungskoeffizienten k eine einfache Beziehung auf, die durch α=kVf dargestellt ist. Dass der Ablenkungswinkel α der Elektronenstrahlen nicht von der Einfallsposition abhängt, ist für die optoelektronische Vorrichtung ein wichtiges Merkmal, da eine ebene Welle unverändert eine ebene Welle bleibt und nur unter Ablenkung ihrer Ausbreitungsrichtung aus dem Elektronenbiprisma austritt. Da dies genau der Wirkung eines aus zwei Prismen kombinierten Biprismas aus dem optischen System entspricht, lautet die Bezeichnung Elektronenbiprisma. In 1 ist ein Zustand dargestellt, in dem die Wellenfronten 25 unabhängig von der Position im gleichen Winkel 2a überlagert werden und Interferenzstreifen 8 entstehen.This type of optoelectronic system is collectively referred to as an optical electron interference system. The electric potential acting on the electron beams becomes weaker as the distance from the filament electrode 9 increases, but since the effective space is long, the deflection angle of the electron beams ultimately does not depend on the incident position but is proportional to the voltage applied to the filament electrode 9. That is, the deflection angle α of the electron beams by the electron biprism has a simple relationship represented by α=kV f using the voltage V f applied to the filament electrode and a deflection coefficient k. The fact that the deflection angle α of the electron beams does not depend on the incidence position is an important feature for the optoelectronic device, since a plane wave remains unchanged as a plane wave and only emerges from the electron biprism with its propagation direction being deflected. Since this corresponds exactly to the effect of a biprism combined from two prisms from the optical system, it is called an electron biprism. In 1 a state is shown in which the wave fronts 25 are superimposed at the same angle 2a, regardless of the position, and interference fringes 8 are produced.

Erstellung einer interferenzmikroskopischen AufnahmeCreation of an interference microscopic image

Wie in 2 gezeigt, handelt es sich bei einem Optiksystem, wie es in der Elektronenholografie als dem am weitesten verbreiteten Elektroneninterferenzverfahren verwendet wird, um ein Elektroneninterferenzoptiksystem (einstufiges Elektronenbiprismainterferometer), wobei ein einstufiges Elektronenbiprisma (Fadenelektrode 9 und Kontaktelektrode 99 mit parallelen Platten) zwischen einer Objektivlinse 5 und einer Abbildungsfläche 71 der Objektivlinse 5 für eine Probe 3 angeordnet ist. Indem eine positive Spannung an die Fadenelektrode 9 angelegt wird, werden ein Elektronenstrahl, der durch die Probe 3 tritt (Objektwelle 21: in 2 der Elektronenstrahl, der durch rechte Seite der Fadenelektrode 9 tritt), und ein Elektronenstrahl, der dort hindurchtritt, wo keine Probe vorhanden ist (Referenzwelle 23: in 2 der Elektronenstrahl, der durch linke Seite der Fadenelektrode 9 tritt), überlagert, wodurch eine interferenzmikroskopische Aufnahme (88: Bild, bei dem sich Interferenzstreifen 8 auf der Probenabbildung 31 überlagern (Hologramm)) erlangt wird. Das heißt, eine Phasenänderung der Wellenfront der Objektwelle 21 durch die Probe 3 wird als Modulation der Interferenzstreifen 8 aufgezeichnet.As in 2 1, an optical system used in electron holography as the most common electron interference method is an electron interference optical system (single-stage electron biprism interferometer) using a single-stage electron biprism (filament electrode 9 and contact electrode 99 with parallel plates) between an objective lens 5 and an imaging surface 71 of the objective lens 5 for a sample 3 is arranged. By applying a positive voltage to the filament electrode 9, an electron beam passing through the sample 3 (object wave 21: in 2 the electron beam passing through the right side of the filament electrode 9), and an electron beam passing where there is no sample (reference wave 23: in 2 the electron beam passing through the left side of the thread electrode 9) is superimposed, whereby an interference micrograph (88: image in which interference fringes 8 are superimposed on the sample image 31 (hologram)) is obtained. That is, a phase change of the wavefront of the object wave 21 by the sample 3 is recorded as a modulation of the interference fringes 8. FIG.

Die Modulation der Wellenfront der Elektronenstrahlen kann in jedem Fall mit der Modulation der Interferenzstreifen in einer interferenzmikroskopischen Aufnahme als Objekt aufgezeichnet werden. Das heißt, in interferenzmikroskopischen Verfahren können nicht nur die Materialeigenschaften, sondern auch das elektromagnetisches Feld, das elektrische Potenzial oder dergleichen als Beobachtungsobjekt dienen. Durch Quantifizierung der Modulationsweise der Interferenzstreifen ist es ferner möglich, das elektromagnetische Feld oder das elektrische Potenzial quantitativ zu messen.In any case, the modulation of the wave front of the electron beams can be recorded as an object with the modulation of the interference fringes in an interference microscopic image. That is, in interference microscopy methods, not only the material properties but also the electromagnetic field, the electric potential or the like can serve as an observation object. Furthermore, by quantifying the mode of modulation of the interference fringes, it is possible to quantitatively measure the electromagnetic field or electric potential.

Kohärenzlängecoherence length

Bei der Wellenbewegung von Elektronen, bei denen es sich um Fermionen handelt, ist anders als bei der Wellenbewegung von Photonen, bei denen es sich um Bosonen handelt, keine Entartung auf einen einzigen Zustand möglich. Daher ist im strengen Sinne die Erzeugung eines vollständig kohärenten Zustands wie bei einem Laser nicht möglich, weshalb versucht wird, die Stabilität der Beschleunigungsspannung zu erhöhen und die Energieverteilung zu verringern und zudem die Größe der Lichtquelle möglichst gering zu halten und die Winkelverteilung der Elektronenbewegung (den Öffnungswinkel der Elektronenstrahlen) zu verkleinern, um auf diese Weise die Wellenfront der Elektronenwelle praktisch zu erweitern. Der Bereich dieser Elektronenwelle, für den Kohärenz möglich ist, wird als Kohärenzlänge bezeichnet. Diese Länge hängt auch von der Lichtwellengröße und dem optoelektronischen System ab, wobei bei einem Optiksystem zur Beobachtung von elektromagnetischen Feldern im Allgemeinen ein Bereich von 2 bis 3 µm auf der Probenfläche gilt.The wave motion of electrons, which are fermions, is different than the wave motion of photons, which are fermions we are dealing with bosons, no degeneracy to a single state is possible. Therefore, in a strict sense, it is not possible to generate a fully coherent state like a laser, so attempts are being made to increase the stability of the accelerating voltage and reduce the energy spread, and also to minimize the size of the light source and reduce the angular distribution of the electron motion (den to reduce the opening angle of the electron beams) in order to practically expand the wave front of the electron wave in this way. The range of this electron wave for which coherence is possible is called the coherence length. This length also depends on the light wave size and the optoelectronic system, with an optics system for observing electromagnetic fields generally having a range of 2 to 3 µm on the sample surface.

Beispiel für die Beobachtung eines elektromagnetischen FeldsExample of observing an electromagnetic field

Andererseits ist bekannt, dass ein elektromagnetisches Feld als Fernfeld ein Feld ist, dessen Einfluss sich bis in die Unendlichkeit ausbreitet. Im Fall von Flussquanten etwa, die an einer supraleitenden Dünnschicht aus Blei erzeugt werden, beträgt die räumliche Größe der Flussquanten etwa 0,2 µm Durchmesser und die Magnetflussmenge beträgt 2,07 × 10-15 Wb, was beides äußerst geringe Werte sind, und die in der interferenzmikroskopischen Aufnahme beobachteten Magnetfeldlinien breiten sich in Vakuum 5 µm in alle Richtungen aus. Wird mittels Phasendifferenzverstärkung (16-fach) die Magnetfeldlinienverteilung detailliert sichtbar gemacht, kommt es zu einer starken Krümmung der Magnetfeldlinien rechts und links vom Flussquant, die wie eine Rückkehr in den supraleitenden Körper erscheint. Da sich der supraleitende Körper in einem vollständig diamagnetischen Zustand befindet, ist eine solche Magnetfeldlinienverteilung physikalisch kaum denkbar, weshalb vermutet wurde, dass es sich um ein Artefakt handelt, das auf Streufluss des Magnetfelds des Flussquants selbst in die Referenzwelle zurückgeht. In einer Simulation wurde dann gezeigt, dass dieses Beobachtungsergebnis auf das in der Referenzwelle enthaltene Magnetfeld zurückzuführen ist. Auf diese Weise wurde festgestellt, dass sich das magnetische Streufeld aus dem Beobachtungsobjekt, das in der Referenzwelle enthalten ist, auf das Messergebnis auswirkt, weshalb für eine präzise Messung Maßnahmen erforderlich sind.On the other hand, it is known that an electromagnetic field as a far field is a field whose influence spreads to infinity. For example, in the case of flux quanta generated on a lead superconducting thin film, the spatial size of the flux quanta is about 0.2 µm in diameter and the amount of magnetic flux is 2.07 × 10 -15 Wb, both of which are extremely small values, and the The magnetic field lines observed in the interference micrograph spread 5 µm in all directions in a vacuum. If the magnetic field line distribution is made visible in detail by means of phase difference amplification (16-fold), there is a strong curvature of the magnetic field lines to the right and left of the flux quantum, which appears like a return into the superconducting body. Since the superconducting body is in a completely diamagnetic state, such a magnetic field line distribution is physically hardly conceivable, which is why it was assumed that it is an artifact that goes back to the leakage flux of the magnetic field of the flux quantum itself in the reference wave. A simulation then showed that this observation result is due to the magnetic field contained in the reference wave. In this way, it was found that the leakage magnetic field from the observation object contained in the reference wave affects the measurement result, so measures are required for accurate measurement.

MaßnahmenbeispielMeasure example

Es werden zwei Verfahrensweisen gegen den Einfluss des Eindringens oder Streuens des elektromagnetischen Felds des Beobachtungsobjekts in die Referenzwelle und damit das Auftreten von Verzerrung im Messergebnis vorgeschlagen.

  1. (1) Ein Verfahren, wobei vor der Probenbeleuchtung wird eine Elektronenwelle durch ein Elektronenbiprisma eines Beleuchtungsoptiksystems zweigeteilt wird und nach dem Durchdringen der Referenzwelle um eine Länge (etwa 40 pm), bei der der Einfluss des elektromagnetischen Streufelds vom Objekt ignoriert werden kann, eine Überlagerung/Interferenz durch ein Elektronenbiprisma eines Abbildungssystems erfolgt, was als Hologramm aufgezeichnet wird. (Patentdokument 1 und Patentdokument 2)
  2. (2) Ein Verfahren, wobei aus mehreren Hologrammen, für die gemäß dem Zwei-Wellen-Interferenzprinzip die wiederholte Interferenz einer Referenzwelle und einer Objektwelle aufgezeichnet wurde, mittels Reproduktions-/Additionsverarbeitung ebenso wie bei (1) ein Elektronenstrahl, der um eine ausreichende Länge durch eine Probe (Objekt) getreten ist (Länge, bei der der Einfluss des elektromagnetischen Felds ignoriert werden kann), als Referenzwelle verwendet wird. (Patentdokument 3)
Two methods are proposed against the influence of the electromagnetic field of the observation object penetrating or scattering into the reference wave and thus the occurrence of distortion in the measurement result.
  1. (1) A method in which, before sample illumination, an electron wave is divided into two by an electron biprism of an illumination optical system, and after penetrating the reference wave by a length (about 40 pm) at which the influence of the stray electromagnetic field from the object can be ignored, superimposition /interference occurs through an electron biprism of an imaging system, which is recorded as a hologram. (Patent Document 1 and Patent Document 2)
  2. (2) A method in which, from a plurality of holograms for which the repeated interference of a reference wave and an object wave has been recorded according to the two-wave interference principle, by means of reproduction/addition processing as in (1) an electron beam that is separated by a sufficient length passed through a sample (object) (length at which the influence of the electromagnetic field can be ignored) is used as a reference wave. (Patent Document 3)

Dokumente des Stands der TechnikPrior Art Documents

Patentdokumentepatent documents

  • Patentdokument 1: JP 2013-229190 A Patent Document 1: JP 2013-229190 A
  • Patentdokument 2: JP 2013-246911 A Patent Document 2: JP 2013-246911 A
  • Patentdokument 3: WO 2013/114464 A1 Patent Document 3: WO 2013/114464 A1

Der Artikel H. Lichte et al., „Electron holography - basics and applications“, Reports on Progress in Physics 71 (2007), S. 016102, beschreibt Elektroneninterferenzvorrichtungen mit Elektronebiprismen, mit denen sich einzelne Interferenzbilder gewinnen lassen. Weitere mit solchen Elektronenbiprismen betriebene Elektronenstrahlgeräte sind in US 2013/0 284 925 A1 , in US 2013/0 163 076 A1 sowie im Artikel K. Harada et al., „Double-biprism electron interferometry“, Applied Physics Letters 84 (2004), S. 3229-3231 offenbart.The article H. Lichte et al., "Electron holography - basics and applications", Reports on Progress in Physics 71 (2007), p. 016102, describes electron interference devices with electron biprisms, with which individual interference images can be obtained. Other electron beam devices operated with such electron biprisms are available in US 2013/0 284 925 A1 , in US 2013/0 163 076 A1 and in the article K. Harada et al., "Double-biprism electron interferometry", Applied Physics Letters 84 (2004), pp. 3229-3231.

Kurzdarstellung der ErfindungSummary of the Invention

Aufgabe der vorliegenden ErfindungObject of the present invention

Bei der Interferenzmessung von elektromagnetischen Feldern oder dergleichen, bei denen sich die Größe des Beobachtungsobjekts über die Kohärenzlänge des Elektronenstrahls hinaus erstreckt, wirkt sich das Streuen des elektromagnetischen Felds des Objekts in die Referenzwelle auf das Messergebnis aus, wodurch sich im reproduzierten Phasenverteilungsbild Artefakte wie etwa Verzerrungen ergeben, was die Genauigkeit der quantitativen Messung reduzieren kann. Für eine hochpräzise Messung elektromagnetischer Felder oder dergleichen besteht daher Bedarf an einer Verfahrensweise, wobei der Einfluss des elektromagnetischen Streufelds des Beobachtungsobjekts auf die Referenzwelle beseitigt oder abgeschwächt wird.In the interference measurement of electromagnetic fields or the like where the size of the observation object extends beyond the coherence length of the electron beam, the leakage of the object's electromagnetic field into the reference wave affects the measurement result, causing artifacts such as distortion to appear in the reproduced phase distribution image gene, which can reduce the accuracy of the quantitative measurement. Therefore, for high-precision measurement of electromagnetic fields or the like, there is a need for a technique in which the influence of the stray electromagnetic field of the observation object on the reference wave is eliminated or weakened.

Genauer besteht Bedarf an einem Erfassungs- und Beurteilungsverfahren der elektrischen Felder für den Fall, dass bei einer Phasenplatte vom elektrischen Feldtyp oder dergleichen das elektrische Feld weit verteilt ist.More specifically, there is a need for a method of detecting and judging the electric fields in the case where the electric field is widely distributed in an electric field type phase plate or the like.

Auch die oben beschriebenen Verfahren (1) und (2) sind Verfahren, wobei an einer von der Probe (dem Objekt) ausreichend weit entfernten Position der für die Referenzwelle benötigte Raum eine Einschränkung für die Probe erforderlich macht. Wird dies erreicht, so kann zwar der Einfluss des elektromagnetischen Streufelds abgeschwächt werden, doch handelt es sich bei Verfahren (1) um ein Verfahren, das die Installation eines Elektronenbiprismas im Beleuchtungsoptiksystem erfordert, wodurch sich eine Vorrichtung mit einem für ein Elektronenmikroskop relativ speziellen Optiksystem ergibt, und für den Betrieb dieser Vorrichtung ist viel technische Erfahrung notwendig.Also, the methods (1) and (2) described above are methods wherein, at a position far enough from the sample (object), the space required for the reference wave necessitates confinement for the sample. If this is achieved, although the influence of the leakage electromagnetic field can be mitigated, the method (1) is a method that requires the installation of an electron biprism in the illumination optical system, resulting in an apparatus with a relatively special optical system for an electron microscope , and much technical experience is required for the operation of this device.

Bei Verfahren (2) müssen mehrere vollständige Hologramme in gleichmäßigem Zustand aufgezeichnet werden, weshalb die Probe vom Objektwellenbereich (von der Probenposition) über eine ausreichende Länge bis zu einem Bereich, der als Referenzwelle verwendet werden kann, in gleichmäßigem Zustand bereitgestellt werden muss. Das heißt, die Probenerstellungsbedingungen sind noch strikter als bei Verfahren (1). Diese Umstände bewirken, dass beide oben beschriebenen Beispiele noch keine allgemeine Verbreitung erreicht haben.In method (2), a plurality of complete holograms must be recorded in a uniform state, so the sample must be provided in a uniform state from the object wave area (from the sample position) over a sufficient length to a range that can be used as a reference wave. That is, the sample preparation conditions are more strict than the method (1). These circumstances mean that both examples described above have not yet reached general distribution.

Mittel zum Lösen der Aufgabemeans of solving the task

Zum Erfüllen der genannten Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung eine Elektroneninterferenzvorrichtung sowie ein Elektroneninterferenzverfahren, die jeweils in den unabhängigen Patentansprüchen definiert sind, vor. Weitere vorteilhafte Ausführungen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.To achieve the above object, the present invention proposes an electron interference device and an electron interference method, each as defined in the independent claims. Further advantageous embodiments can be found in the dependent patent claims.

Wirkung der Erfindungeffect of the invention

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einem Elektroneninterferenzmessverfahren eine Messung von hoher Genauigkeit ermöglicht.According to the present invention, high-accuracy measurement is enabled in an electron interference measurement method.

Figurenlistecharacter list

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Ansicht, die den Aufbau eines Elektronenbiprismas, die Ablenkung der Elektronenstrahlen und die abgelenkten Wellenfronten (Stand der Technik) darstellt.
  • 2 ein Beispiel eines Optiksystems eines Elektroneninterferometers (einstufiges Elektronenbiprismainterferometer) (Stand der Technik).
  • 3a eine schematische Ansicht, die eine axialsymmetrisch geformte Wellenfront und die Position des Elektronenbiprismas zeigt.
  • 3b eine schematische Ansicht, die eine axialsymmetrisch geformte Wellenfront und die Position des Elektronenbiprismas zeigt.
  • 4a eine schematische Schnittansicht einer axialsymmetrischen Wellenfront reproduziert für den Fall einer ausreichenden Entfernung des Referenzwellenbereichs.
  • 4b eine schematische Schnittansicht einer axialsymmetrischen Wellenfront reproduziert für den Fall, dass der Referenzwellenbereich angenähert ist.
  • 5a eine schematische Ansicht, die die Wellenfront von einer von zwei Reproduktionsobjektwellen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 5b eine schematische Ansicht, die die Wellenfront von einer von zwei Reproduktionsobjektwellen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 5c eine schematische Ansicht, die eine arithmetische gemittelte Wellenfront der zwei Reproduktionsobjektwellen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 6a eine schematische Ansicht eines Positionsverhältnisses zwischen dem Elektronenbiprisma, dem Objektwellenbereich und dem ersten und zweiten Referenzwellenbereich gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 6b eine schematische Ansicht eines Positionsverhältnisses zwischen dem Elektronenbiprisma, dem Objektwellenbereich und dem ersten und zweiten Referenzwellenbereich gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 6c eine schematische Ansicht eines Positionsverhältnisses zwischen dem Elektronenbiprisma, dem Objektwellenbereich und dem ersten und zweiten Referenzwellenbereich gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 7a eine schematische Ansicht bei Bewegung der Probe und Vertauschen der Positionen des Objektwellenbereichs und des ersten und zweiten Referenzwellenbereichs gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 7b eine schematische Ansicht bei Bewegung der Probe und Vertauschen der Positionen des Objektwellenbereichs und des ersten und zweiten Referenzwellenbereichs gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 8a eine schematische Ansicht des Optiksystems des Elektroneninterferometers bei Verlagerung der Probenposition gemäß dem zweiten und einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 8b eine schematische Ansicht des Optiksystems des Elektroneninterferometers bei Ablenkung des Bestrahlungswinkels des Elektronenstrahls gemäß dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 9 eine schematische Ansicht eines Reproduktionsablaufs für ein Phasenverteilungsbild gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 10 eine schematische Ansicht eines Simulationsbilds des Phasenverteilungsbilds gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 11 eine schematische Ansicht eines Positionsverhältnisses zwischen dem Elektronenbiprisma, dem Objektwellenbereich und dem ersten und zweiten Referenzwellenbereich gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 12 eine schematische Ansicht eines Simulationsbilds des Phasenverteilungsbilds gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel.
  • 13 eine schematische Ansicht eines Positionsverhältnisses zwischen dem Elektronenbiprisma, dem Objektwellenbereich und einem ersten, zweiten, dritten und vierten Referenzwellenbereich gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 14 eine schematische Ansicht eines Simulationsbilds des Phasenverteilungsbilds gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 15 eine schematische Ansicht eines Simulationsbilds des Phasenverteilungsbilds gemäß einem achten Ausführungsbeispiel.
  • 16 eine schematische Ansicht eines Positionsverhältnisses zwischen dem Elektronenbiprisma, dem Objektwellenbereich und einem ersten, zweiten und dritten Referenzwellenbereich gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 17 eine schematische Ansicht eines Simulationsbilds des Phasenverteilungsbilds gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 18 eine schematische Ansicht eines Beispiels des gesamten Systems eines Elektroneninterferenzmikroskops der vorliegenden Erfindung.
Show it:
  • 1 a schematic view showing the structure of an electron biprism, the deflection of the electron beams and the deflected wave fronts (prior art).
  • 2 an example of an optical system of an electron interferometer (single-stage electron biprism interferometer) (prior art).
  • 3a a schematic view showing an axisymmetric shaped wavefront and the position of the electron biprism.
  • 3b a schematic view showing an axisymmetric shaped wavefront and the position of the electron biprism.
  • 4a a schematic sectional view of an axisymmetric wavefront reproduced in the case of a sufficient removal of the reference wave range.
  • 4b a schematic sectional view of an axisymmetric wavefront reproduced in the case that the reference wave range is approximated.
  • 5a 12 is a schematic view showing the wave front of one of two reproduction object waves according to a first embodiment of the present invention.
  • 5b 12 is a schematic view showing the wave front of one of two reproduction object waves according to the first embodiment of the present invention.
  • 5c 12 is a schematic view showing an arithmetic mean wavefront of the two reproduction object waves according to the first embodiment of the present invention.
  • 6a 12 is a schematic view of a positional relationship among the electron biprism, the object wave range, and the first and second reference wave ranges according to the first embodiment of the present invention.
  • 6b 12 is a schematic view of a positional relationship among the electron biprism, the object wave range, and the first and second reference wave ranges according to the first embodiment of the present invention.
  • 6c 12 is a schematic view of a positional relationship among the electron biprism, the object wave range, and the first and second reference wave ranges according to the first embodiment of the present invention.
  • 7a 12 shows a schematic view when the sample is moved and the positions of the object wave area and the first and second reference wave area are swapped according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • 7b 12 is a schematic view when the sample is moved and the positions of the object wave range and the first and second reference wave ranges are swapped according to the second exemplary embodiment of the present invention.
  • 8a a schematic view of the optical system of the electron interferometer when shifting the sample position according to the second and a third embodiment of the present invention.
  • 8b 12 is a schematic view of the optical system of the electron interferometer when the irradiation angle of the electron beam is deflected according to the second and third embodiments of the present invention.
  • 9 12 is a schematic view of a phase distribution image reproduction sequence according to a fifth embodiment of the present invention.
  • 10 12 is a schematic view of a simulation image of the phase distribution image according to the fifth embodiment of the present invention.
  • 11 12 is a schematic view of a positional relationship among the electron biprism, the object wave region, and the first and second reference wave regions according to a sixth embodiment of the present invention.
  • 12 12 is a schematic view of a simulation image of the phase distribution image according to the sixth embodiment.
  • 13 12 is a schematic view of a positional relationship among the electron biprism, the object wave range, and first, second, third, and fourth reference wave ranges according to a seventh embodiment of the present invention.
  • 14 12 is a schematic view of a simulation image of the phase distribution image according to the seventh embodiment of the present invention.
  • 15 12 is a schematic view of a simulation image of the phase distribution image according to an eighth embodiment.
  • 16 12 is a schematic view of a positional relationship among the electron biprism, the object wave region, and first, second, and third reference wave regions according to a ninth embodiment of the present invention.
  • 17 12 is a schematic view of a simulation image of the phase distribution image according to the ninth embodiment of the present invention.
  • 18 Fig. 12 is a schematic view showing an example of the entire system of an interference electron microscope of the present invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Bei einem einstufigen Elektronenbiprismainterferometer sind links und rechts in der interferenzmikroskopischen Aufnahme Fresnel-Streifen enthalten, die auf die an den Enden der Fadenelektrode erzeugten Beugungswellen zurückgehen. Da ihr Kontrast im Allgemeinen hoch ist und sie sich von weiten bis engen Streifenabständen über einen breiten Raumfrequenzbereich verteilen, sind sie die Quelle der für interferenzmikroskopische Aufnahmen problematischsten Artefakte.In the case of a single-stage electron biprism interferometer, Fresnel fringes are contained on the left and right in the interference microscopic image, which are due to the diffraction waves generated at the ends of the filament electrode. Since their contrast is generally high and they are distributed over a wide spatial frequency range from wide to narrow fringe spacings, they are the source of the most problematic artifacts for interference microscopy images.

Als Maßnahme dagegen setzt sich mehr und mehr ein zweistufiges Elektronenbiprismainterferometer durch, das zwei Elektronenbiprismen verwendet. Der Einfachheit halber erfolgt die Beschreibung der vorliegenden Anmeldung anhand des in 2 gezeigten einstufigen Elektronenbiprismainterferenzoptiksystems, doch liegt keine Beschränkung auf ein einstufiges Elektronenbiprismainterferometer vor. Da vielmehr, wie an späterer Stelle erörtert, in einer Rechenverarbeitung für die arithmetische Mittelung auch Artefakte wie Fresnel-Streifen und dergleichen addiert werden, ist als Optiksystem ein zweistufiges Biprismainterferometer wünschenswert.As a countermeasure, a two-stage electron biprism interferometer using two electron biprisms is becoming more and more popular. For the sake of simplicity, the description of the present application is based on the 2 shown, but not limited to a single stage electron biprism interferometer. Rather, as discussed later, since artifacts such as Fresnel fringes and the like are also added in arithmetic averaging arithmetic processing, a two-stage biprism interferometer is desirable as the optical system.

Unter Ausnutzung der Axialsymmetrie des elektromagnetischen Felds verwendet die vorliegende Erfindung mehrere Bereiche, die ausgehend von einem Symmetriemittelpunkt eines axialsymmetrischen elektromagnetischen Felds, das in einem Objektwellenbereich angeordnet ist, gegenüberliegend angeordnet sind, als Referenzwellenbereiche. Die Interferenz von Elektronenstrahlen, die durch den Objektwellenbereich und die Referenzwellenbereiche treten, wird jeweils in einem Hologramm aufgezeichnet, und nach der Reproduktion von jeweiligen Reproduktionsphasenverteilungsbildern werden die Reproduktionsphasenverteilungsbilder so positioniert, dass ihre Ausrichtung mit dem Symmetriemittelpunkt des elektromagnetischen Felds übereinstimmt. Außerdem wird eine Rechenverarbeitung wie etwa die Berechnung des arithmetischen Mittelwerts durchgeführt, wodurch ein Messergebnis erzielt werden kann, in dem die Auswirkungen des elektromagnetischen Felds auf die Referenzwellenbereiche einander aufheben, das heißt, ein Messergebnis, bei dem der Streueinfluss des elektromagnetischen Felds des Beobachtungsobjekts auf die Referenzwelle verringert wurde.Utilizing the axial symmetry of the electromagnetic field, the present invention uses a plurality of regions, which are opposed from a center of symmetry of an axially symmetric electromagnetic field arranged in an object wave region, as reference wave regions. The interference of electron beams passing through the object wave range and the reference wave ranges is recorded in a hologram, respectively, and after reproducing respective reproduction phase distribution images, the reproduction phase distribution images are positioned so that their orientation coincides with the center of symmetry of the electromagnetic field. In addition, arithmetic processing such as the calculation of the arithmetic mean is performed, whereby a measurement result in which the effects of the electromagnetic field on the reference wave ranges cancel each other out can be obtained, that is, a measurement result in which the stray influence of the electromagnetic field of the observation object on the reference wave has been reduced.

Bevor die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wird, soll das Prinzip der Betrachtung eines axialsymmetrischen elektromagnetischen Felds in einem interferenzmikroskopischen Verfahren (Elektronenholografie) beschrieben werden.Before the present invention is described using exemplary embodiments, the principle of the observation of an axially symmetrical electromagnetic field in an interference microscopic method (electron holography) should be described.

3 zeigt Ansichten, die eine axialsymmetrisch geformte Wellenfront 25 (beim Verlauf durch eine Punktladung oder dergleichen) und die Position eines Elektronenbiprismas (Fadenelektrode 9 und Kontaktelektrode 99 mit parallelen Platten) darstellen. 3a ist eine Schnittansicht entlang der Strahlachse, und 3b stellt die axialsymmetrische Wellenfront als Äquipotenziallinien 85 dar, wobei sich die Phasenverteilung der Wellenfront beispielsweise mit der Durchtrittsposition durch die Punktladung als Mittelpunkt in konzentrischen Kreisen ausbreitet. Da eine Wellenfront mit einer solchen Phasenverteilung eine Form aufweist, die in der Unendlichkeit schließlich zu einer ebenen Welle zurückkehrt, ergibt sich, wenn an einer rechten oberen Position in der Darstellung dieser Verteilung ein Elektronenbiprisma 9 angeordnet wird (3a) und links und rechts vom Elektronenbiprisma 9 eine Aufteilung in eine Objektwelle 21 und eine Referenzwelle 23 erfolgt, eine Wellenfrontform, bei der die Referenzwelle keine ebene Welle ist, sondern ein Teil einer axialsymmetrischen Kugelwelle abgeschnitten wurde. 3 Fig. 12 shows views showing an axisymmetric shaped wave front 25 (passing through a point charge or the like) and the position of an electron biprism (filament electrode 9 and parallel plate contact electrode 99). 3a is a sectional view along the beam axis, and 3b 12 shows the axially symmetric wavefront as equipotential lines 85, the phase distribution of the wavefront propagating in concentric circles, for example with the passage position through the point charge as the center. Since a wavefront having such a phase distribution has a shape that eventually returns to a plane wave at infinity, when an electron biprism 9 is placed at a right upper position in the representation of this distribution, ( 3a ) and to the left and right of the electron biprism 9, there is a split into an object wave 21 and a reference wave 23, a wavefront form in which the reference wave is not a plane wave, but a part of an axisymmetric spherical wave has been cut off.

Für die Reproduktion in der Holografie gilt: Die Phasenverteilung der Objektwelle wird auf Grundlage der Referenzwelle ermittelt; wenn also die als Bezug dienende Referenzwelle gekrümmt ist, wird diese Verzerrung der Referenzwelle in der aufgezeichneten und reproduzierten Objektwelle reflektiert. Falls die Referenzwelle beispielsweise in horizontaler Richtung schräg ist, wird die Objektwelle dann richtig aufgezeichnet/reproduziert, wenn eine Wellenfront in einem Zustand ohne Schräge im Unendlichen als Referenzwelle verwendet wird (4a). Wenn eine schräge Referenzwelle in einem an die Objektwelle angenäherten Bereich zum Aufzeichnen eines Hologramms verwendet wird und das Hologramm reproduziert wird, wird, wie in 4b gezeigt, ein schiefes Objekt reproduziert. Das heißt, in Bezug auf physikalische Informationen wie etwa die elektrische Potenzialverteilung ergibt sich ein Fehler.The following applies to reproduction in holography: The phase distribution of the object wave is determined on the basis of the reference wave; that is, if the reference wave used as a reference is curved, this distortion of the reference wave is reflected in the recorded and reproduced object wave. For example, if the reference wave is slanted in the horizontal direction, then the object wave is recorded/reproduced correctly when a wavefront in a state with no slant at infinity is used as the reference wave ( 4a ). When an oblique reference wave is used in a range approximated to the object wave for recording a hologram and the hologram is reproduced, as in FIG 4b shown, a crooked object reproduced. That is, an error occurs with respect to physical information such as electric potential distribution.

4a und 4b zeigen jeweils unter einer Wellenfrontschnittansicht das Ergebnis einer Äquipotenzialliniendarstellung der Reproduktionswellenfront. In 4a sind konzentrische Äquipotenziallinien 85 dargestellt, und die Objektwelle ist korrekt reproduziert gezeigt. In 4b dagegen ist die Liniendichte der linken und rechten Äquipotenziallinien 85 unterschiedlich, und die Äquipotenziallinie 85 sind nicht kreisförmig, sondern in der Breite oval, und zeigen eine Verzerrung. Ob die Äquipotenziallinie in der Breite oval oder in der Länge oval wird, hängt von der Form der axialsymmetrischen Verteilung der Wellenfront sowie davon ab, welcher Teil der Wellenfront als Referenzwelle verwendet wird. Somit ist zu beachten, dass es sich bei 4b lediglich um ein einzelnes Beispiel handelt. 4a and 4b each show the result of an equipotential line representation of the reproduction wavefront under a wavefront sectional view. In 4a concentric equipotential lines 85 are shown and the object wave is shown correctly reproduced. In 4b on the other hand, the line density of the left and right equipotential lines 85 is different, and the equipotential lines 85 are not circular but oval in width, showing distortion. Whether the equipotential line becomes oval in width or oval in length depends on the shape of the axisymmetric distribution of the wavefront and which part of the wavefront is used as the reference wave. It should therefore be noted that 4b is just a single example.

Erstes AusführungsbeispielFirst embodiment

Es folgt eine Beschreibung des grundlegenden Gedankens der vorliegenden Anmeldung zur Erzielung eines Messergebnisses, bei dem der Streueinfluss des axialsymmetrischen elektromagnetischen Felds auf die Referenzwelle verringert wird. In der vorliegenden Anmeldung liegt das Augenmerk auf der Symmetrie der Verteilung des axialsymmetrischen elektromagnetischen Felds. 5a ist eine schematische Schnittansicht einer Wellenfront 25, die aus einem Hologramm mit dem in 4b gezeigten Positionsverhältnis reproduziert wurde. Dagegen ist 5b eine schematische Schnittansicht einer Wellenfront 25, die unter Anordnung eines Elektronenbiprismas in einem Raum gegenüber dem axialsymmetrischen elektromagnetischen Feld aus 5a mit dem Symmetriemittelpunkt dazwischen (in 3 auf der linken Seite der mittleren Fadenelektrode 9) aufgezeichnet und reproduziert wurde. In 5a und 5b wird dieselbe Objektwelle aufgezeichnet und reproduziert, doch da eine Verzerrung aufgrund des elektromagnetischen Streufelds, das in der verwendeten Referenzwelle enthalten ist (wobei in 5a und 5b der Einfachheit halber nur eine Schräge angenommen wird), eine symmetrische Form aufweist, ist auch die reflektierte Verzerrung in der reproduzierten Wellenfront (Reproduktionsphasenverteilungsbild) symmetrisch geformt dargestellt.A description follows of the basic idea of the present application for obtaining a measurement result in which the scattering influence of the axisymmetric electromagnetic field on the reference wave is reduced. In the present application, the focus is on the symmetry of the distribution of the axisymmetric electromagnetic field. 5a is a schematic sectional view of a wavefront 25, which consists of a hologram with the in 4b positional relationship shown has been reproduced. against is 5b Fig. 12 is a schematic sectional view of a wavefront 25 formed by placing an electron biprism in a space opposite the axisymmetric electromagnetic field 5a with the center of symmetry in between (in 3 on the left side of the middle thread electrode 9) was recorded and reproduced. In 5a and 5b the same object wave is recorded and reproduced, but since a distortion due to the stray electromagnetic field contained in the reference wave used (wherein in 5a and 5b only a slope is assumed for the sake of simplicity) has a symmetric shape, the reflected distortion in the reproduced wavefront (reproduction phase distribution image) is also shown symmetrically shaped.

Wird nun der arithmetische Mittelwert der Reproduktionsphasenverteilung aus 5a und 5b berechnet, wird nur die aufgrund des elektromagnetischen Streufelds in die Referenzwelle eingedrungene Verzerrung aufgehoben, wodurch, wie in 5c gezeigt, die Phasenverteilung der Objektwelle ermittelt wird. Auch wenn also eine Elektronenwelle als Referenzwelle dient, die nur durch einen Bereich hindurchgetreten ist, der in endlicher Entfernung von der Punktladung liegt, kann im Wesentlichen das gleiche Messergebnis wie für den Fall erzielt werden, dass eine Elektronenwelle als Referenzwelle dient, die durch einen Bereich in ausreichender Entfernung hindurchgetreten ist.Is now the arithmetic mean of the reproduction phase distribution 5a and 5b calculated, only the distortion introduced into the reference wave due to the stray electromagnetic field is canceled, whereby, as in 5c shown, the phase distribution of the object wave is determined. Therefore, even if an electron wave is used as a reference wave that has only passed through a region that is a finite distance from the point charge, substantially the same measurement result as when an electron wave is used as a reference can be obtained boundary wave that has passed through an area of sufficient distance.

Anhand von 6, die ein Positionsverhältnis eines Bereichs 21R der Objektwelle und eines Bereichs 23R von Referenzwellen auf beiden Seiten der Objektwelle zeigt, soll ein Aufzeichnungsablauf von zwei Hologrammen 88 gemäß der ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung beschrieben werden.

  1. (1) Das Optiksystem und die Probenposition werden so angepasst, dass das axialsymmetrische elektromagnetische Feld, das beispielsweise eine Punktladung umfasst, im mittleren Abschnitt des Beobachtungsbereichs angeordnet ist.
  2. (2) Der Beobachtungsbereich der Probe (der Bereich 21R der Objektwelle) wird festgelegt, und auf seinen beiden Seiten wird der Referenzwellenbereich 23R ermittelt. Das Optiksystem und die Probenposition werden so angepasst, dass die Referenzwellenbereiche 23R an symmetrischen Positionen mit dem Bereich der Objektwelle zwischen sich erzielt werden. ( 6a)
  3. (3) Das Elektronenbiprisma 9 wird zwischen dem Objektwellenbereich 21R und dem ersten Referenzwellenbereich 23R (in 6a auf der rechten Seite) angeordnet.
  4. (4) Ein erstes Hologramm 88 wird aufgezeichnet. (6b)
  5. (5) Das Elektronenbiprisma 9 wird zwischen dem Objektwellenbereich 21R und dem zweiten Referenzwellenbereich 23R (in 6a auf der linken Seite) angeordnet.
  6. (6) Ein zweites Hologramm 88 wird aufgezeichnet. (6c)
Based on 6 12 showing a positional relationship of a region 21R of the object wave and a region 23R of reference waves on both sides of the object wave, a recording flow of two holograms 88 according to the first embodiment of the present application will be described.
  1. (1) The optical system and the sample position are adjusted so that the axisymmetric electromagnetic field including, for example, a point charge is located in the central portion of the observation area.
  2. (2) The observation range of the sample (the range 21R of the object wave) is set, and the reference wave range 23R on both sides thereof is determined. The optical system and the sample position are adjusted so that the reference wave ranges 23R are obtained at symmetrical positions with the range of the object wave between them. ( 6a )
  3. (3) The electron biprism 9 is placed between the object wave region 21R and the first reference wave region 23R (in 6a arranged on the right).
  4. (4) A first hologram 88 is recorded. ( 6b )
  5. (5) The electron biprism 9 is placed between the object wave region 21R and the second reference wave region 23R (in 6a arranged on the left).
  6. (6) A second hologram 88 is recorded. ( 6c )

Eine Beschreibung der Erlangung eines Reproduktionsphasenverteilungsbilds aus dem ersten Hologramm und dem zweiten Hologramm erfolgt an späterer Stelle. In der oben stehenden Beschreibung wurde nicht auf die an das Elektronenbiprisma angelegte Spannung oder das Positionsverhältnis innerhalb des Optiksystems eingegangen, doch solange Hologramme aufgezeichnet werden können, besteht keine Abhängigkeit von der an das Elektronenbiprisma angelegten Spannung oder dem Positionsverhältnis innerhalb des Optiksystems. Bei der Anpassung der Position des Elektronenbiprismas, des Objektwellenbereichs und der Referenzwellenbereiche ((2) im oben stehenden Ablauf) kann auch das Elektronenbiprisma verlagert werden, und auch die Probe kann verlagert werden. Durch Anpassen des Optiksystems kann ferner auch die relative Position des Elektronenbiprismas und der Probe zueinander angepasst werden.A description will be given later of obtaining a reproduction phase distribution image from the first hologram and the second hologram. In the above description, the voltage applied to the electron biprism or the positional relationship within the optical system has not been described, but as long as holograms can be recorded, there is no dependence on the voltage applied to the electron biprism or the positional relationship within the optical system. When adjusting the position of the electron biprism, the object wave range, and the reference wave ranges ((2) in the above flow), the electron biprism can also be displaced, and the sample can also be displaced. By adjusting the optical system, the relative position of the electron biprism and the sample can also be adjusted.

Zweites AusführungsbeispielSecond embodiment

Im Hinblick auf das Interferenzoptiksystem und seine Einstellungsbedingungen ist hinsichtlich der Anpassung der Position des Elektronenbiprismas, des Objektwellenbereichs und der Referenzwellenbereiche (Wechsel der als Bezug dienenden Referenzwelle) eine Verlagerung der Probe am effizientesten. Das heißt, es ist zu erwarten, dass mit einem Verfahren, mit dem ganz ohne Veränderung des Optiksystems die zwei Hologramme aufgezeichnet werden können, die Vorgehensweise der vorliegenden Anmeldung mit der höchsten Genauigkeit umsetzbar ist.Regarding the interference optical system and its setting conditions, moving the sample is the most efficient in terms of adjusting the position of the electron biprism, the object wave range and the reference wave ranges (change of the reference wave serving as a reference). This means that it can be expected that the procedure of the present application can be implemented with the highest accuracy using a method with which the two holograms can be recorded without any change to the optical system.

7a und 7b zeigen in schematischer Weise das Positionsverhältnis zwischen dem Elektronenbiprisma 9, dem Objektwellenbereich 21R und den Referenzwellenbereichen 23R sowie das Verhältnis bei der Aufzeichnung der zwei Hologramme 88. Um in einer Beobachtungsversuchsreihe keine Veränderung am Optiksystem vorzunehmen, werden die Fadenelektrode 9 des Elektronenbiprismas und die optische Achse 2 des Optiksystems an einem Punkt (in 7a und 7b an der an der optischen Achse 2 gezeigten Stelle) orthogonal zueinander positioniert. Wenn, wie in 7a gezeigt, das erste Hologramm aufgezeichnet wurde, wird die Probe verlagert, woraufhin, wie in 7a gezeigt, das zweite Hologramm aufgezeichnet wird. Der übrige Ablauf entspricht dem anhand von 6 beschriebenen Ablauf des ersten Ausführungsbeispiels. 7a and 7b show in a schematic way the positional relationship between the electron biprism 9, the object wave area 21R and the reference wave areas 23R as well as the relationship when recording the two holograms 88. In order not to make any changes to the optical system in a series of observation experiments, the filament electrode 9 of the electron biprism and the optical axis 2 of the optical system at a point (in 7a and 7b at the location shown on the optical axis 2) positioned orthogonally to each other. If, as in 7a shown, the first hologram has been recorded, the sample is relocated, after which, as in 7a shown, the second hologram is recorded. The rest of the process corresponds to that based on 6 described process of the first embodiment.

8a zeigt ein Optiksystem während der Hologrammaufzeichnung. Die Probe 3 ist links von der optischen Achse 2 angeordnet. Im Zustand links in 8a wird das erste Hologramm 88 aufgezeichnet, woraufhin, wie in 8a rechts gezeigt, die Probe 3 an eine in Bezug auf die optische Achse 2 gegenüberliegende Position verlagert wird. Auf diese Weise wird die Probe 3 auf der rechten Seite der optischen Achse 2 angeordnet. Nach einer Stabilisierung, um eine Positionsverschiebung der Probe zu unterbinden, wird das zweite Hologramm 88 aufgezeichnet. 8a shows an optical system during hologram recording. The sample 3 is arranged to the left of the optical axis 2 . In the state left in 8a the first hologram 88 is recorded, after which, as in 8a shown on the right, the sample 3 is displaced to an opposite position with respect to the optical axis 2. In this way, the sample 3 is placed on the right side of the optical axis 2. FIG. After stabilization to prevent a positional shift of the sample, the second hologram 88 is recorded.

Da bei dem ersten Hologramm und dem zweiten Hologramm das Winkelverhältnis bei Überlagerung/Interferenz von Objektwelle und Referenzwelle umgekehrt ist, kehrt sich, wie in dem in 8a unten gezeigten Hologrammbild, eine Verschiebungsrichtung der Interferenzstreifen um. Zur deutlichen Darstellung der Umkehr der Verschiebungsrichtung der Interferenzstreifen wird in 8a das Beispiel eines Objekts in Form einer viereckigen Pyramide gezeigt. Zwar handelt es sich nicht um ein breit verteiltes elektromagnetisches Feld, doch liegt kein Widerspruch zur vorliegenden Anmeldung in der Versuchsreihe vor.Since the angular relationship is reversed in the case of the first hologram and the second hologram when the object wave and reference wave are superimposed/interfered, as in FIG 8a hologram image shown below, a shifting direction of the interference fringes. To clearly show the reversal of the shift direction of the interference fringes, in 8a shown the example of an object in the form of a square pyramid. Although it is not a question of a broadly distributed electromagnetic field, there is no contradiction to the present application in the test series.

Drittes AusführungsbeispielThird embodiment

Die Anpassung der Position des Elektronenbiprismas, des Objektwellenbereichs und der Referenzwellenbereiche (Wechsel der als Bezug dienenden Referenzwelle) kann auch durch Ablenken der Bestrahlungselektronenstrahlen erreicht werden, mit denen die Probe bestrahlt wird. 8b ist ein einstufiges Biprismainterferenzoptiksystem, wobei die Ausbreitung eines Elektronenstrahls an der optischen Achse 2 dargestellt ist, wobei der Bestrahlungselektronenstrahl an einer Position einer Lichtquellenabbildung 1 (Überschneidung) oberhalb der Probe 3 durch eine erste Ablenkeinrichtung 15 abgelenkt wird und der Bestrahlungselektronenstrahl an einer Position einer Lichtquellenabbildung 11 (Überschneidung) unterhalb der Probe 3 durch eine zweite Ablenkeinrichtung 16 abgelenkt wird (also zurückgelenkt wird). In 8a sind die Ablenkeinrichtungen nicht dargestellt, doch handelt es sich bei 8a(a) und 8b um ein Optiksystempaar.The adjustment of the position of the electron biprism, the object wave range and the reference wave ranges (change of the reference wave serving as a reference) can also be achieved by deflecting the irradiation electron beams with which the sample is irradiated. 8b is a single-stage biprism interference optical system, wherein the propagation of an electron beam is shown on the optical axis 2, the irradiation electron beam at a position of a light source image 1 (intersection) above the sample 3 is deflected by a first deflector 15 and the irradiation electron beam at a position of a light source image 11 (Overlap) is deflected below the sample 3 by a second deflection device 16 (ie is deflected back). In 8a the deflection devices are not shown, but they are at 8a(a) and 8b around a pair of optical systems.

Indem die Ablenkung an der Position der Lichtquellenabbildung 1 erfolgt, verlagert sich die auf der Objektivlinse 5 beruhende Position der Lichtquellenabbildung 11 auf der optischen Achse 2 nicht. Dagegen verlagern sich die auf die Probe 3 gestrahlten Elektronenstrahlen zusammen mit dem Ablenkungswinkel, so dass, wie in 8b gezeigt, Objektwelle 21 und Referenzwelle 23 vertauscht werden. In 8b erfolgt die Ablenkung an der Abbildungsfläche der Lichtquelle unmittelbar oberhalb und unterhalb der Probe, doch ist die Ablenkungsposition nicht auf diese Position beschränkt. Wenn es sich um einen Elektronenmikroskop handelt, das eine Funktion zum Korrigieren einer Positionsverschiebung der Probenabbildung aufweist, muss es sich bei der Ablenkungsposition nicht um die Lichtquellenabbildung handeln, und das Optiksystem kann frei ausgelegt und benutzt werden.By performing the deflection at the position of the light source image 1, the position of the light source image 11 based on the objective lens 5 on the optical axis 2 does not shift. On the other hand, the electron beams irradiated to the sample 3 shift along with the deflection angle, so that, as shown in 8b shown, object wave 21 and reference wave 23 are interchanged. In 8b deflection occurs at the imaging surface of the light source immediately above and below the sample, but the deflection position is not limited to this position. When it is an electron microscope having a function of correcting a positional shift of the sample image, the deflection position need not be the light source image, and the optical system can be freely designed and used.

Streng genommen liegt in 8a und 8b ein unterschiedliches Winkelverhältnis zwischen Probe und Bestrahlungselektronenstrahl vor, doch während die Positionsänderung des Bestrahlungsbereichs des Elektronenstrahls an der Probenbeleuchtungsposition im Mikrometerbereich liegt, liegt die Ausbreitungsstrecke zwischen der Lichtquellenabbildung 1 oberhalb der Probe und der Probe im 100-mm-Bereich, und solange es sich nicht um eine Hochpräzisionsphasenanalyse von etwa 10-4 rad oder weniger handelt, liegt kein Problem vor. Da die Probe in diesem Beispiel überhaupt nicht verlagert wird, ist die Auswirkung der im zweiten Ausführungsbeispiel berücksichtigten Probenverschiebung gering.Strictly speaking lies in 8a and 8b For example, there is a different angular relationship between the sample and the irradiation electron beam, but while the position change of the irradiation area of the electron beam at the sample irradiation position is in the micron order, the propagation distance between the light source image 1 above the sample and the sample is in the 100mm order, and as long as it is not around is a high precision phase analysis of about 10 -4 rad or less, there is no problem. Since the sample is not displaced at all in this example, the effect of the sample displacement considered in the second embodiment is small.

Im Versuchsablauf unter Verwendung der Ablenkeinrichtungen wird zunächst das erste Hologramm 88 (in 8a unten) aufgezeichnet, woraufhin die erste Ablenkeinrichtung 15 und die zweite Ablenkeinrichtung 16 derart angepasst werden, dass der Elektronenstrahl um einen bestimmten Winkel abgelenkt wird (8b), und anschließend wird das zweite Hologramm 88 (8b unten) aufgezeichnet.In the course of the experiment using the deflection devices, the first hologram 88 (in 8a below), whereupon the first deflection device 15 and the second deflection device 16 are adjusted in such a way that the electron beam is deflected by a certain angle ( 8b ), and then the second hologram 88 ( 8b below) recorded.

Die erste Ablenkeinrichtung und die zweite Ablenkeinrichtung sind jeweils als Ablenkeinrichtung des elektrischen Feldtyps mit parallelen Platten dargestellt, doch kann es sich auch um Ablenkeinrichtungen des Magnetfeldtyps handeln. In 8a und 8b ist nur die Ablenkung in Links-rechts-Richtung auf dem Papier dargestellt, doch ist auch eine Ablenkung in Vordergrund-Hintergrund-Richtung des Papiers möglich, weshalb die Ablenkeinrichtungen auch vertikal zu der dargestellten Richtung installiert sein können.The first deflector and the second deflector are each shown as a parallel plate electric field type deflector, but may be a magnetic field type deflector. In 8a and 8b only deflection in the left-right direction is shown on the paper, but deflection in the foreground-background direction of the paper is also possible, so the deflectors can also be installed vertically to the direction shown.

Viertes AusführungsbeispielFourth embodiment

Hinsichtlich der Probenposition in den zwei Hologrammen sollte die Positionsabstimmung vorzugsweise während der Hologrammaufzeichnung abgeschlossen werden. Der Hauptgrund dafür ist, dass auf diese Weise im Reproduktionsphasenverteilungsbild verbleibende Artefakte reduziert werden können. Ein weiterer Vorteil ist der, dass der Ablauf/Bedienungsvorgang zur Positionsabstimmung der Probe während der Reproduktion vereinfacht werden kann.Regarding the sample position in the two holograms, the position adjustment should preferably be completed during hologram recording. The main reason for this is that artifacts remaining in the reproduction phase distribution image can be reduced in this way. Another advantage is that the procedure/operation for position adjustment of the sample during reproduction can be simplified.

Daher wird in der als Hologramm aufzuzeichnenden Probe eine Markierung festgelegt, oder wenn die Probe wie in 8 gezeigt kornförmig ist, wird mit der Probenform selbst als Markierung dafür gesorgt, dass die Probenposition im ersten und zweiten Hologramm an die gleiche Position im Beobachtungsaufzeichnungssystem gelangt. Genauer reicht es aus, wenn die Probe im Mittelpunkt des Blickfelds angeordnet wird. Die Bedienung zur Positionsabstimmung der zwei Hologramme ist einfach, solange mithilfe einer CCD-Kamera oder dergleichen während des Versuchs auf einfache Weise die aufgezeichneten Bilddaten überprüft werden können.Therefore, a mark is set in the sample to be recorded as a hologram, or if the sample is as in 8th is granular as shown, with the sample shape itself as a marker, the sample position in the first and second holograms is made to come to the same position in the observation recording system. More specifically, it suffices if the sample is placed at the center of the field of view. The operation for position-aligning the two holograms is easy as long as the recorded image data can be easily checked using a CCD camera or the like during the experiment.

In Bezug auf das zweite Hologramm ist es auch möglich, die Positionsabstimmung der Probenabbildungen in den Hologrammen zu automatisieren. Dieser Ablauf wird im Folgenden kurz beschrieben, während der Reproduktionsablauf ab (8) an späterer Stelle erörtert wird.

  1. (1) Ein erstes Hologramm wird aufgenommen.
  2. (2) Dabei werden die Beobachtungsvergrößerung M der Probe, die aufgezeichnete Blickfeldgröße I und der Biprismafadenelektrodendurchmesser d in ein Rechensystem 51 eingegeben.
  3. (3) Aus dem aufgezeichneten ersten Hologramm wird die Hauptausrichtung der Interferenzstreifen (Projektionsrichtung der Fadenelektrode auf die Probenflächenform) ermittelt. Beispielsweise wird, wie in 9 gezeigt, durch Fourier-Transformation des Hologramms die Ausrichtung aus den Seitenpunkten ermittelt, die die Interferenzstreifen erzeugen.
  4. (4) Die Probe wird über die Strecke (I + d) in Richtung des Biprismas und in vertikaler Richtung zur Hauptrichtung der Interferenzstreifen hin verlagert.
  5. (5) Ein zweites Hologramm wird aufgenommen. An diesem Zeitpunkt wird als vorläufige Maßnahme das zweite Hologramm aufgrund dessen, dass später unter (8) erörterte Bedingungen erfüllt werden, festgelegt.
  6. (6) Die Autokorrelation des ersten Hologramms und des vorläufigen zweiten Hologramms wird ermittelt.
  7. (7) In der Autokorrelation wird die Positionsabstimmung/Autokorrelationsberechnung so oft wiederholt, bis die zwei Hologramme am meisten übereinstimmen. Wenn beispielsweise in der Autokorrelation nach der Fourier-Transformation der Mittelpunkt benutzt wird, kann die Berechnung ohne Beeinflussung durch die Interferenzstreifen (die den Seitenpunkten folgen) durchgeführt werden.
  8. (8) Wenn die zwei Hologrammbilder übereinstimmen, wird das vorläufige zweite Hologramm offiziell als das zweite Hologramm festgelegt.
With regard to the second hologram, it is also possible to automate the position adjustment of the sample images in the holograms. This process will be briefly described below, while the reproduction process from (8) will be discussed later.
  1. (1) A first hologram is recorded.
  2. (2) At this time, the observation magnification M of the specimen, the recorded field of view size I and the biprism filament electrode diameter d are inputted into a computing system 51 .
  3. (3) From the recorded first hologram, the main alignment of the interference fringes (direction of projection of the filament electrode onto the shape of the sample surface) is determined. For example, as in 9 shown, by Fourier transforming the hologram, the alignment is determined from the side points that produce the interference fringes.
  4. (4) The sample is displaced over the distance (I + d) in the direction of the biprism and in the vertical direction towards the main direction of the interference fringes.
  5. (5) A second hologram is recorded. At this time, as a preliminary measure, the second hologram is decided due to the conditions discussed later in (8) being satisfied.
  6. (6) The autocorrelation of the first hologram and the provisional second hologram is determined.
  7. (7) In the autocorrelation, the position matching/autocorrelation calculation is repeated until the two holograms match the most. For example, if the center point is used in the autocorrelation after Fourier transform, the calculation can be performed without being affected by the interference fringes (following the side points).
  8. (8) When the two hologram images match, the provisional second hologram is officially set as the second hologram.

Fünftes AusführungsbeispielFifth embodiment

Unter Bezugnahme auf 9 werden ein Verfahren und sein Ablauf beschrieben, wobei das im Ablauf des ersten Ausführungsbeispiels aufgezeichnete erste und zweite Hologramm reproduziert werden und der Einfluss des in die Referenzwelle gestreuten elektromagnetischen Felds reduziert wird. Als Probe wird ein elektrisch aufgeladener Kugelkörper aus Latex oder dergleichen angenommen. Die Reproduktion der Objektwelle aus den Hologrammen wird unter Anwendung des üblichsten Fourier-Transformationsverfahrens beschrieben, doch liegt keine Beschränkung auf das Fourier-Transformationsverfahren vor, und die Ausführung ist auch mit einer anderen Verfahrensweise (beispielsweise Phasenverschiebung) möglich.With reference to 9 describes a method and its operation in which the first and second holograms recorded in the operation of the first embodiment are reproduced and the influence of the electromagnetic field leaked into the reference wave is reduced. An electrically charged spherical body made of latex or the like is adopted as a sample. The reproduction of the object wave from the holograms will be described using the most common Fourier transform method, but it is not limited to the Fourier transform method, and it can be carried out using another method (e.g. phase shift).

Der oberste Teil von 9 ist eine schematische Ansicht des ersten und zweiten Hologramms. Der Kugelkörper in der Hologrammmitte ist eine Latexkugel, und das Innenpotenzial des Latex und das auf die Aufladung zurückgehende Potenzial werden addiert und als Verschiebung der Interferenzstreifen in den Hologrammen aufgezeichnet. Gezeigt ist ein Zustand, wobei sich die Interferenzstreifen im in der Ansicht linken ersten Hologramm nach links und im in der Ansicht rechten zweiten Hologramm nach rechts verschieben. Die Umkehr der Verschiebungsrichtung der Interferenzstreifen geht auf den Tausch der Objektwelle und der Referenzwelle aufgrund der relativen Veränderung der Position von Probe und Biprisma zurück.The top part of 9 Figure 12 is a schematic view of the first and second holograms. The spherical body at the center of the hologram is a latex sphere, and the internal potential of the latex and the potential due to charging are added and recorded as the shift of the interference fringes in the holograms. A state is shown in which the interference fringes shift to the left in the first hologram on the left in the view and to the right in the second hologram on the right in the view. The reversal of the shifting direction of the interference fringes is due to the exchange of the object wave and the reference wave due to the relative change in the position of the sample and the biprism.

Im Folgenden wird der Ablauf eines Reproduktionsverfahrens unter Verwendung einer Rechenvorrichtung erörtert.

  1. (1) Das erste und das zweite Hologramm werden in die Rechenvorrichtung 77 eingegeben.
  2. (2) Das erste und das zweite Hologramm werden jeweils einer Fourier-Transformation unterzogen. Durch die Fourier-Transformation werden ein Mittelpunkt als Autokorrelation der Hologramme und zwei Seitenpunkte erlangt, die der Beugung der Hologramme von den Interferenzstreifen entsprechen.
  3. (3) Abhängig vom Versuchszweck wird festgelegt, welcher Seitenpunkt (links oder rechts) zur Reproduktion verwendet wird.
  4. (4) Der jeweilige betreffende Seitenpunkt wird ausgewählt und gefiltert und im Fourierraum zentriert. Worauf an dieser Stelle zu achten ist, dass bei der Auswahl der Seitenpunkte am ersten und zweiten Hologramm links und rechts gegenüberliegende Punkte ausgewählt werden. Dies bedeutet, dass bei der Reproduktion der Objektwelle aus den Hologrammen von den gleichzeitig reproduzierten konjugierten zwei Reproduktionswellen diejenige Reproduktionswelle ausgewählt wird, die eine übereinstimmende Phasenverteilung aufweist.
  5. (5) Durch eine umgekehrte Fourier-Transformation wird die Phasenverteilung der einzelnen Reproduktionswellen ermittelt.
  6. (6) Der arithmetische Mittelwert der Phasenverteilung der einzelnen Reproduktionswelle wird ermittelt und als Sollphasenverteilung festgelegt.
The flow of a reproduction method using a computing device is discussed below.
  1. (1) The first and second holograms are input to the computing device 77 .
  2. (2) The first and second holograms are each subjected to a Fourier transform. Through the Fourier transform, a center point as autocorrelation of the holograms and two side points corresponding to the diffraction of the holograms from the interference fringes are obtained.
  3. (3) Depending on the purpose of the experiment, it is determined which side point (left or right) is used for reproduction.
  4. (4) The relevant side point is selected and filtered and centered in Fourier space. What is important to note here is that when selecting the side points on the first and second hologram, opposite points are selected on the left and right. This means that when the object wave is reproduced from the holograms, the reproduced wave having a matching phase distribution is selected from the simultaneously reproduced conjugate two reproduced waves.
  5. (5) The phase distribution of the individual reproduction waves is determined by an inverse Fourier transformation.
  6. (6) The arithmetic mean of the phase distribution of each reproduction wave is determined and set as the target phase distribution.

Der Ablauf (4) oben soll etwas weiter erläutert werden. Es ist bekannt, dass in der Holografie beim Reproduzieren der Objektwelle konjugierte Reproduktionswellen erlangt werden, deren Phasenänderungsrichtung umgekehrt ist. Bei diesen konjugierten Reproduktionswellen kann es sich beispielsweise um eine Reproduktionswelle mit einer nach oben gewölbten Phasenverteilung und eine Reproduktionswelle mit einer nach unten gewölbten Verteilung handeln. Da in der vorliegenden Anmeldung die auf das in der Referenzwelle enthaltene elektromagnetische Streufeld zurückgehende Phasenänderung ausgeglichen werden soll, muss die Richtung der Phasenänderung der Reproduktionswellen aus dem ersten und zweiten Hologramm übereinstimmen. Die Erzeugung konjugierter Reproduktionswellen ist ein holografisches Prinzip und nicht von der Art und Weise der Reproduktion abhängig. Auch wenn also eine andere Reproduktionsverfahrensweise als das Fourier-Transformationsverfahren verwendet wird, muss der Bediener festlegen, welche Reproduktionswelle von konjugierter Reproduktionswellen verwendet werden soll, und die Phasenänderungsrichtung der zwei Reproduktionswellen in Übereinstimmung bringen.The process (4) above will be explained a little further. It is known that in holography, when reproducing the object wave, conjugate reproduction waves whose phase change direction is reversed are obtained. These conjugate reproduction waves can be, for example, a reproduction wave with an upward-curved phase distribution and a reproduction wave with a downward-curved distribution. Since in the present application the phase change due to the stray electromagnetic field contained in the reference wave is to be compensated for, the direction of the Match phase change of the reproduction waves from the first and second hologram. The generation of conjugate reproduction waves is a holographic principle and does not depend on the way of reproduction. Therefore, even if a reproduction method other than the Fourier transform method is used, the operator must determine which reproduction wave to use from conjugate reproduction waves and match the phase change direction of the two reproduction waves.

10 zeigt ein Simulationsergebnis eines Reproduktionsphasenverteilungsbilds. In der oberen Ansicht von 10 ist die projizierte elektrische Feldverteilung eines aufgeladenen Kugelkörpers mittels Äquipotenziallinien dargestellt. Der Bereich im mittleren Abschnitt, der den Kugelkörper enthält, ist der Objektwellenbereich 21R, und die Bereiche links und rechts von der Objektwelle sind jeweils der erste und zweite Referenzwellenbereich 23R. Wenn die Elektronenwelle durch den Raum mit dieser Potenzialverteilung tritt, wird eine diese Potenzialverteilung reflektierende Phasenverteilung erlangt. Daher kann das Reproduktionsphasenverteilungsbild als Äquipotenzialliniendarstellung der Phasenverteilung der Elektronenwelle betrachtet werden. 10 Fig. 12 shows a simulation result of a reproduction phase distribution image. In the top view of 10 the projected electric field distribution of a charged spherical body is shown by means of equipotential lines. The area in the central portion containing the spherical body is the object wave area 21R, and the areas left and right of the object wave are the first and second reference wave areas 23R, respectively. When the electron wave passes through the space having this potential distribution, a phase distribution reflecting this potential distribution is obtained. Therefore, the reproduction phase distribution image can be regarded as an equipotential line representation of the phase distribution of the electron wave.

Die mittlere Ansicht aus 10 zeigt jeweils ein Phasenverteilungsbild (871, 872) (Äquipotenzialliniendarstellung) einer Reproduktionswelle, die mithilfe der ersten und zweiten Referenzwelle aufgezeichnet/reproduziert wurde. In den Reproduktionsphasenverteilungsbildern (871, 872) ist die Dichte der linken und rechten Äquipotenziallinien unterschiedlich. Das heißt, wie anhand von 5a bis 5c beschrieben, es ist zu erkennen, dass eine verzerrte (schräge) Wellenfront reproduziert wird. Die Wellenfront der Reproduktionswellen der mittleren Ansicht aus 10 weicht von der Wellenfront der ursprünglichen Objektwelle aus dem mittleren Abschnitt der oberen Ansicht aus 10 ab.The middle view 10 each shows a phase distribution image (871, 872) (equipotential line representation) of a reproduction wave that was recorded/reproduced using the first and second reference waves. In the reproduction phase distribution images (871, 872), the density of the left and right equipotential lines is different. That is, as based on 5a until 5c described, it can be seen that a distorted (oblique) wavefront is reproduced. The wavefront of the center view reproduction waves 10 deviates from the wavefront of the original object wave from the middle section of the top view 10 away.

Die untere Ansicht aus 10 ist ein gemäß der Verfahrensweise der vorliegenden Anmeldung ermitteltes Reproduktionsphasenverteilungsbild 86 (nach der arithmetischen Mittelung). Die Dichtedifferenz der linken und rechten Äquipotenziallinien, die in der mittleren Ansicht aus 10 zu sehen ist, ist verschwunden. Dies zeigt, dass ein Reproduktionsphasenverteilungsbild erlangt ist, bei dem der Einfluss des elektromagnetischen Streufelds auf den Referenzwellenbereich reduziert wurde.The bottom view 10 Figure 8 is a reproduction phase distribution image 86 (after arithmetic averaging) determined according to the methodology of the present application. The difference in density of the left and right equipotential lines that appear in the middle view 10 can be seen has disappeared. This shows that a reproduction phase distribution image is obtained in which the influence of the leakage electromagnetic field on the reference wavelength range has been reduced.

Allerdings zeigt ein Vergleich der unteren Ansicht aus 10 mit dem Phasenverteilungsbild der ursprünglichen Objektwelle im mittleren Abschnitt der oberen Ansicht aus 10 ein in vertikaler Richtung etwas längliches Verteilungsbild, was bedeutet, dass der Einfluss des elektromagnetischen Streufelds nicht vollständig beseitigt wurde. Diese Differenz ist prinzipbedingt, und auch wenn eine vollständige Entfernung unmöglich ist, ist eine Reduzierung möglich. Ein Verfahren zum Reduzieren der Differenz wird an späterer Stelle erörtert.However, a comparison of the bottom view shows off 10 with the phase distribution image of the original object wave in the middle section of the top view 10 a distribution pattern that is somewhat elongated in the vertical direction, which means that the influence of the stray electromagnetic field has not been completely eliminated. This difference is inherent in principle, and while complete removal is impossible, it can be reduced. A method of reducing the difference is discussed later.

Sechstes AusführungsbeispielSixth embodiment

11 ist eine schematische Ansicht, die das Positionsverhältnis des Objektwellenbereichs 21R, des ersten und zweiten Referenzwellenbereichs 23R und des Elektronenbiprismas 9, gedreht in einem Richtungswinkel um 90°, zeigt. Es handelt sich um die gleiche Anzeige wie 6a des ersten Ausführungsbeispiels. In der vorliegenden Anmeldung ist das Beobachtungsobjekt ein axialsymmetrisches elektromagnetisches Feld, und der Einfluss von Streuen des elektromagnetischen Felds hängt nicht vom Richtungswinkel ab. Das Links-rechts-Verhältnis aus 6a wurde in 11 in ein Oben-unten-Verhältnis geändert, doch Ablauf, Verfahren und erlangtes Ergebnis bleiben unverändert. Allerdings muss der Richtungswinkel des Elektronenbiprismas gedreht werden. Bei der Aufzeichnung des ersten und zweiten Hologramms muss ebenso wie im ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispiel durch Anpassen der Probe, des Elektronenbiprismas oder des Optiksystems die Position des Objektwellenbereichs und des Bereichs der ersten und zweiten Referenzwelle angepasst werden. 11 12 is a schematic view showing the positional relationship of the object wave portion 21R, the first and second reference wave portions 23R, and the electron biprism 9 rotated at a directional angle by 90°. It is the same ad as 6a of the first embodiment. In the present application, the observation object is an axisymmetric electromagnetic field, and the influence of scattering of the electromagnetic field does not depend on the directional angle. The left-right ratio off 6a was in 11 changed to a top-bottom relationship, but the process, procedure and result obtained remain the same. However, the direction angle of the electron biprism has to be rotated. When recording the first and second holograms, the position of the object wave region and the region of the first and second reference waves must be adjusted by adjusting the sample, the electron biprism or the optical system as in the first, second and third embodiments.

12 zeigt ebenso wie 10 ein Simulationsergebnis eines Reproduktionsphasenverteilungsbilds. Es handelt sich um ein Reproduktionsphasenverteilungsbild der Elektronenwellen (Äquipotenzialliniendarstellung), die die Verteilung des elektrischen Felds des aufgeladenen Kugelkörpers durchlaufen haben. Da der erste und zweite Referenzwellenbereich ober- und unterhalb des Objektwellenbereichs liegen, werden die reproduzierten Phasenverteilungsbilder (871, 872) der Reproduktionswellen, wie links in 12 gezeigt, in Oben-unten-Richtung verzerrt reproduziert. Rechts in 12 ist ein Phasenverteilungsbild 86 einer Reproduktionswelle gezeigt, dessen Verzerrung nach der Verfahrensweise der vorliegenden Anmeldung reduziert wurde. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Ansicht rechts in 12 anders als die untere Ansicht in 10 ein eher in Querrichtung langes Verteilungsbild.
Das heißt, je nachdem, aus welchem Richtungswinkel der Bereich der Referenzwellen ausgewählt wird, verändert sich die Form der im Reproduktionsphasenverteilungsbild zurückbleibenden Verzerrung. 12 shows as well as 10 a simulation result of a reproduction phase distribution image. It is a reproduction phase distribution image of the electron waves (equipotential line representation) having passed through the electric field distribution of the charged sphere. Since the first and second reference wave ranges are above and below the object wave range, the reproduced phase distribution images (871, 872) of the reproduction waves, as left in 12 shown, reproduced distorted in top-bottom direction. right in 12 1 is shown a phase distribution image 86 of a reproduction wave whose distortion has been reduced according to the methodology of the present application. In the present exemplary embodiment, the view on the right is in 12 different from the bottom view in 10 a distribution pattern that is rather long in the transverse direction.
That is, depending on the direction angle from which the range of the reference waves is selected, the shape of the distortion remaining in the reproduction phase distribution image changes.

Siebtes AusführungsbeispielSeventh embodiment

Es wird nun ein Verfahren zum weiteren Reduzieren der Restverzerrung im Phasenverteilungsbild beschrieben, auch wenn die Verfahrensweise der vorliegenden Anmeldung aus dem oben erörterten ersten bis sechsten Ausführungsbeispiel verwendet wird. Das heißt, es wird ein Verfahren zum Reduzieren der im Reproduktionsphasenverteilungsbild zurückbleibenden Verzerrung beschrieben, das darauf beruht, aus welchem Richtungswinkel der Bereich der Referenzwellen ausgewählt wird.A method of further reducing the residual distortion in the phase distribution will now be described ment image is described even if the technique of the present application is used from the first to sixth embodiments discussed above. That is, a method of reducing the distortion remaining in the reproduction phase distribution image based on which directional angle the range of the reference waves is selected from will be described.

13 ist eine schematische Ansicht, die zusätzlich zum Positionsverhältnis des Elektronenbiprismas 9 und des Objektwellenbereichs 21R auch das Positionsverhältnis der Referenzwellenbereiche 23R über, unter, links und rechts vom Objektwellenbereich darstellt. Das Positionsverhältnis entspricht dabei demjenigen aus 6a des ersten Ausführungsbeispiels und aus 11 des sechsten Ausführungsbeispiels. Das heißt, es handelt sich um ein Verfahren zum Aufheben von Restverzerrung in einer bestimmten Richtung, indem das arithmetische Mittel eines unter Ausnutzung der Symmetrie in Querrichtung der Ansicht aufgrund der Verfahrensweise zum Reduzieren des elektromagnetischen Streufelds in die Referenzwelle in vertikaler Richtung etwas länglichen Reproduktionsphasenverteilungsbilds und eines unter Ausnutzung der Symmetrie in vertikaler Richtung aufgrund der Verfahrensweise zum Reduzieren des elektromagnetischen Streufelds in die Referenzwelle in Querrichtung etwas länglichen Reproduktionsphasenverteilungsbilds berechnet wird. Anders ausgedrückt können das/der im ersten Ausführungsbeispiel beschriebene Verfahren/Ablauf zum Aufnehmen des ersten und zweiten Hologramms und das/der im sechsten Ausführungsbeispiel beschriebe Verfahren/Ablauf zum Aufnehmen des ersten und zweiten Hologramms auf dieselbe Objektwelle angewandt werden. 13 12 is a schematic view showing the positional relationship of the reference wave regions 23R above, below, left, and right of the object wave region, in addition to the positional relationship of the electron biprism 9 and the object wave region 21R. The positional relationship corresponds to that of 6a of the first embodiment and from 11 of the sixth embodiment. That is, it is a method of canceling residual distortion in a certain direction by taking the arithmetic mean of a reproduction phase distribution image somewhat elongated in the vertical direction utilizing the symmetry in the transverse direction of the view due to the technique for reducing the leakage electromagnetic field into the reference wave and a is calculated utilizing the symmetry in the vertical direction due to the technique for reducing the leakage electromagnetic field in the reference wave in the transverse direction of the somewhat elongated reproduction phase distribution image. In other words, the method/flow for recording the first and second holograms described in the first embodiment and the method/flow for recording the first and second holograms described in the sixth embodiment can be applied to the same object wave.

Die Positionsanpassung des Elektronenbiprismas und des Objektwellenbereichs sowie der einzelnen Referenzwellenbereiche kann durch Verlagern des Biprismas oder durch Verlagern der Probe erfolgen. Außerdem kann durch Anpassen eines Optiksystems mit einer Ablenkeinrichtung oder dergleichen auch die relative Position des Biprismas zur Probe angepasst werden. Da jedoch eine Reihe von Beobachtungen ausgeführt werden muss, während die Richtung des Richtungswinkels orthogonal zur Vertikalen/Horizontalen ist, ist eine Drehung des Richtungswinkels des Elektronenbiprismas notwendig. Der auf der Symmetrie in horizontaler Richtung beruhende Hologrammaufzeichnungsablauf (fünftes Ausführungsbeispiel) und der auf der Symmetrie in vertikaler Richtung beruhende Hologrammaufzeichnungsablauf (sechstes Ausführungsbeispiel) sind aufgrund des Orthogonalitätsverhältnisses voneinander unabhängig, weshalb es keine Rolle spielt, welcher davon als erstes ausgeführt wird.The position of the electron biprism and the object wave area as well as the individual reference wave areas can be adjusted by moving the biprism or by moving the sample. In addition, by adjusting an optical system with a deflector or the like, the relative position of the biprism to the sample can also be adjusted. However, since a series of observations must be made while the direction of the azimuth angle is orthogonal to the vertical/horizontal, a rotation of the azimuth angle of the electron biprism is necessary. The hologram recording process based on the symmetry in the horizontal direction (fifth embodiment) and the hologram recording process based on the symmetry in the vertical direction (sixth embodiment) are independent of each other because of the orthogonality ratio, so it does not matter which of them is executed first.

14 zeigt ebenso wie 10 und 12 ein Simulationsergebnis des vorliegenden Ausführungsbeispiels. In Phasenverteilungsbildern 86, die jeweils aus zwei Paaren vom ersten und zweiten Hologramm mit zwei zueinander orthogonalen Richtungen reproduziert wurden, liegt noch eine gewisse Restverzerrung vor, doch da die Verzerrungsrichtungen zueinander orthogonal sind, kann durch erneutes Berechnen des arithmetischen Mittelwerts die Restverzerrung weiter reduziert werden. Eine rechteckige Anzeige kommt ebenfalls vor, doch ist die Verzerrung im letztlich erlangten Phasenverteilungsbild 869 im Wesentlichen aus dem sichtbaren Bereich verschwunden. Das heißt, durch Verwenden der Symmetrie in zwei Richtungen von Vertikale und Horizontale kann die in der Reproduktionsphasenverteilung zurückgebliebene Verzerrung so weit reduziert werden, dass sie im sichtbaren Bereich nicht mehr auszumachen ist. 14 shows as well as 10 and 12 a simulation result of the present embodiment. In phase distribution images 86 each reproduced from two pairs of first and second holograms having two directions orthogonal to each other, there is still some residual distortion, but since the directions of distortion are orthogonal to each other, the residual distortion can be further reduced by recalculating the arithmetic mean. A rectangular display also occurs, but in the phase distribution image 869 finally obtained, the distortion has essentially disappeared from the visible range. That is, by using the symmetry in two directions of vertical and horizontal, the distortion left in the reproduction phase distribution can be reduced to the point where it is no longer noticeable in the visible range.

Vorstehend wurde ein Verfahren zum zweistufigen Aufheben des Einflusses von Streuen des elektromagnetischen Felds in die Referenzwellen anhand von zwei Hologrammpaaren mit zwei zueinander orthogonalen Richtungen in Bezug auf das axialsymmetrische elektromagnetische Feld beschrieben.A method for canceling the influence of electromagnetic field leakage in the reference waves in two stages has been described above using two pairs of holograms having two mutually orthogonal directions with respect to the axisymmetric electromagnetic field.

Achtes AusführungsbeispielEighth embodiment

Die Beschreibung erfolgt auf Grundlage geringfügig abweichender Begriffe, wenngleich eine ähnliche Wirkung wie im siebten Ausführungsbeispiel erzielt wird. Das heißt, im Verfahren des siebten Ausführungsbeispiels wird jeweils eins von dem im ersten oder sechsten Ausführungsbeispiel beschriebenen ersten und zweiten Hologramm als ein drittes und viertes Hologramm aufgezeichnet und reproduziert, also insgesamt vier Hologramme, woraufhin der arithmetische Mittelwert der jeweiligen Reproduktionsphasenverteilungen berechnet wird.The description is made on the basis of slightly different terms, although the similar effect as in the seventh embodiment is obtained. That is, in the method of the seventh embodiment, one each of the first and second holograms described in the first or sixth embodiment is recorded and reproduced as third and fourth holograms, that is, four holograms in total, and then the arithmetic mean of the respective reproduction phase distributions is calculated.

15 zeigt ein Simulationsergebnis auf Grundlage des oben beschriebenen Ansatzes. Je nach Richtung, die für die Referenzwelle ausgewählt wurde, wird, wie oben in 15 gezeigt, im Reproduktionsphasenverteilungsbild 86 der einzelnen Hologramme eine Verzerrung erzeugt. Das arithmetische Mittel dieser vier Phasenverteilungsbilder 86 ist das in 15 unten gezeigte Phasenverteilungsbild 869. Es ist zu erkennen, dass die Restverzerrung im schließlich erlangten Phasenverteilungsbild 869 so weit reduziert wurde, dass sie im sichtbaren Bereich nicht mehr auszumachen ist. Durch insgesamt vier Hologramme mit zwei zueinander orthogonalen Richtungen kann das axialsymmetrische elektromagnetisches Feld mit noch mehr Präzision erfasst werden. 15 shows a simulation result based on the approach described above. Depending on the direction selected for the reference wave, as above in 15 shown, a distortion is produced in the reproduction phase distribution image 86 of the individual holograms. The arithmetic mean of these four phase distribution images 86 is in 15 phase distribution image 869 shown below. It can be seen that the residual distortion in the finally obtained phase distribution image 869 was reduced to such an extent that it can no longer be discerned in the visible range. With a total of four holograms with two directions orthogonal to one another, the axisymmetric electromagnetic field can be recorded with even more precision.

Neuntes AusführungsbeispielNinth embodiment

Der Gedanke des achten Ausführungsbeispiels lässt sich auch als Verfahrensweise beschreiben, wobei durch 4-zählige Drehsymmetrie Hologramme aufgezeichnet und reproduziert werden und durch Berechnen des arithmetischen Mittels der insgesamt vier Reproduktionsphasenverteilungen auf das elektromagnetische Streufeld zurückgehende Artefakte im Reproduktionsphasenverteilungsbild beseitigt werden.The idea of the eighth exemplary embodiment can also be described as a procedure in which holograms are recorded and reproduced by means of 4-fold rotational symmetry and artifacts in the reproduction phase distribution image which are due to the electromagnetic stray field are eliminated by calculating the arithmetic mean of the total of four reproduction phase distributions.

Durch Verallgemeinern dieses Aspekts wird deutlich, dass mit nur zwei mit der optischen Achse dazwischen gegenüberliegenden Hologrammen ein Entfernen von Artefakten aufgrund des elektromagnetischen Streufelds unnötig ist. Das heißt, es reicht aus, wenn insgesamt N Reproduktionsphasenverteilungsbilder aus N Hologrammen, die unter Ausnutzung von N-zähliger Drehsymmetrie für jeweilige Richtungswinkel (360/N) Grad aufgezeichnet werden, arithmetisch gemittelt werden, um Artefakten aufgrund des elektromagnetischen Streufelds zu entfernen. Somit kann es sich bei N auch um eine ungerade Zahl handeln, und eine Gegenüberlage um die optische Achse ist ebenfalls nicht erforderlich. In diesem Fall handelt es sich nicht mehr um die in den Ausführungsbeispielen beschriebene Verfahrensweise, wobei unter Verlagerung der Probe zwei mit der optischen Achse dazwischen gegenüberliegende Hologramme aufgezeichnet werden. Das heißt, das Elektronenbiprisma muss zwar um den jeweiligen Richtungswinkel (360/N)° gedreht werden, und es müssen jeweilige Hologramme aufgezeichnet und reproduziert werden, doch ist dieser Vorgang mit keiner besonderen Schwierigkeit verbunden. Auch ist selbstverständlich eine Verlagerung der Probe möglich.Generalizing this aspect, it becomes clear that with only two holograms opposed with the optical axis in between, removing artifacts due to the stray electromagnetic field is unnecessary. That is, it suffices if a total of N reproduction phase distribution images from N holograms recorded utilizing N-fold rotational symmetry for respective directional angles (360/N) degrees are arithmetically averaged to remove artifacts due to the stray electromagnetic field. Thus, N can also be an odd number, and opposition about the optical axis is also not required. In this case, the procedure described in the exemplary embodiments is no longer involved, with two holograms lying opposite one another with the optical axis between them being recorded while the sample is displaced. That is, although the electron biprism must be rotated by each direction angle (360/N)° and respective holograms must be recorded and reproduced, there is no particular difficulty in the operation. It goes without saying that the sample can also be relocated.

Die Verfahrensweise, die Drehsymmetrie N-fach zu teilen, erhöht die Genauigkeit des Reproduktionsphasenverteilungsbilds, solange die Teilungswinkelgenauigkeit ausreicht, umso mehr, je höher die Teilungszahl N ist. Als Mindestfall wurde im ersten Ausführungsbeispiel N=2 beschrieben, und auch N=4 wurde bereits anhand des sechsten Ausführungsbeispiels beschrieben. Wenn N ungerade ist, ist die Mindestteilungszahl N=3. Dies soll zusammen mit einem Simulationsergebnis beschrieben werden.The procedure of dividing the rotational symmetry N times increases the accuracy of the reproduction phase distribution image as long as the division angle accuracy is sufficient, the more the higher the division number N is. As a minimum, N=2 was described in the first exemplary embodiment, and N=4 has also already been described with reference to the sixth exemplary embodiment. If N is odd, the minimum division number is N=3. This should be described together with a simulation result.

16 ist eine schematische Ansicht, die zusätzlich zum Positionsverhältnis des Elektronenbiprismas 9 und des Objektwellenbereichs 21R auch das Positionsverhältnis der Referenzwellenbereiche 23R über, links unter und rechts unter dem Objektwellenbereich darstellt. Drei Referenzwellenbereiche 23R befinden sich in einem Zustand der Richtungswinkeldrehung um je (360/3) Grad=120 Grad um den mittleren Abschnitt des Objektwellenbereichs 21R als Drehzentrum. Dies entspricht N=3. Zur Ausführung muss das Elektronenbiprisma um jeweils 120 Grad im Richtungswinkel gedreht werden, und für denselben Objektwellenbereich müssen drei Hologramme aufgezeichnet und reproduziert werden. Dabei ist jeweils eine Positionsabstimmung der Probe erforderlich. Bei diesem Verfahren kann die Probe bewegt werden, oder es kann eine Anpassung des Optiksystems wie etwa eine Ablenkung erfolgen. Durch arithmetisches Mitteln der drei Reproduktionsphasenverteilungen kann Restverzerrung in einer bestimmten Richtung aufgehoben werden. 16 12 is a schematic view showing the positional relationship of the reference wave regions 23R above, left below, and right below the object wave region, in addition to the positional relationship of the electron biprism 9 and the object wave region 21R. Three reference wave regions 23R are in a state of rotating the direction angle by (360/3) degrees=120 degrees each with the central portion of the object wave region 21R as the center of rotation. This corresponds to N=3. For execution, the electron biprism has to be rotated by 120 degrees in directional angle, and three holograms have to be recorded and reproduced for the same object wave range. In each case, a position adjustment of the sample is required. In this method, the sample can be moved, or an adjustment of the optics system, such as deflection, can be made. By arithmetically averaging the three reproduction phase distributions, residual distortion in a certain direction can be canceled.

Dieses erfindungsgemäße Verfahren, das sich durch eine beliebige Drehsymmetrie umsetzen lässt, ist zur Beurteilung von optischen Elementen wie etwa den Phasenplatten von Elektronenmikroskopen nützlich. Insbesondere bei Elementen mit ringartig strukturiertem Halteabschnitt ist es geeignet, da dessen Einfluss bei der Beurteilung des Elements vermieden werden kann. So werden beispielsweise Phasenplatten mit Modulation des elektrischen Felds, Phasenplatten mit Magnetring sowie elektrostatische Minilinsen und dergleichen häufig von einer mechanisch dreiachsigen Ringstruktur gehalten, und wenn diese Elemente mittels Elektroneninterferenzverfahren oder dergleichen beurteilt werden, wirkt sich nicht nur das elektromagnetische Feld der Ringstruktur, sondern auch das Vorliegen der Ringstruktur an sich auf die Beurteilung aus.
Die vorliegende Verfahrensweise ermöglicht eine Beurteilung unter Vermeidung der Ringstruktur und weist damit einen Vorteil als Beurteilungsweise für die oben genannten optischen Elemente auf.This method according to the invention, which can be implemented by any rotational symmetry, is useful for evaluating optical elements such as the phase plates of electron microscopes. It is particularly suitable for elements with a ring-like structured holding section, since its influence can be avoided when assessing the element. For example, phase plates with electric field modulation, phase plates with magnetic ring, and electrostatic mini-lenses and the like are often held by a mechanical three-axis ring structure, and when these elements are judged by electron interference methods or the like, not only the electromagnetic field of the ring structure but also that Presence of the ring structure itself on the assessment.
The present technique enables evaluation while avoiding the ring structure, and thus has an advantage as an evaluation way for the above optical elements.

17 zeigt ein Simulationsergebnis. Je nach Richtung, die für die Referenzwelle ausgewählt wurde, wird im Reproduktionsphasenverteilungsbild 86 der einzelnen Hologramme eine Verzerrung erzeugt, wie oben in 17 gezeigt. Das arithmetische Mittel dieser drei Phasenverteilungsbilder 86 ist das ganz unten gezeigte Phasenverteilungsbild 869. In dem arithmetisch gemittelten Phasenverteilungsbild 869 ist lediglich eine dreizählige Drehsymmetrie zu sehen, doch wurde die Verzerrung im Vergleich zu 10 und 12 mit jeweils N=2 reduziert. Dagegen ist die Verzerrung im letztlich erlangten Phasenverteilungsbild 869 im Fall von 15 mit N=4 gegenüber 17 mit N=3 noch geringer, woraus zu erkennen ist, dass die Restverzerrung des Reproduktionsphasenverteilungsbilds umso besser beseitigt werden kann je höher gesamte Zahl N der N-zähligen Drehsymmetrie ist. Das heißt, die Genauigkeit des Reproduktionsphasenverteilungsbilds bei ausreichender Teilungsgenauigkeit des Richtungswinkels ist umso höher, je höher die Teilungszahl N ist. Es liegt also ein Konfliktverhältnis zwischen der Anzahl der Schritte zum Messen bei Teilungszahl N und der Genauigkeit vor. Soll die Messdauer verkürzt werden, so ist es wirksam, die Teilungszahl N zu verringern, und soll die Genauigkeit erhöht werden, so ist es wirksam, die Teilungszahl N zu erhöhen. 17 shows a simulation result. Depending on the direction selected for the reference wave, a distortion is created in the reproduction phase distribution image 86 of the individual holograms, as in FIG 17 shown. The arithmetic mean of these three phase distribution images 86 is the phase distribution image 869 shown at the bottom 10 and 12 reduced with N=2 each. On the other hand, the distortion in the finally obtained phase distribution image 869 in the case of 15 with N=4 opposite 17 with N=3, it is even lower, from which it can be seen that the higher the total number N of the N-fold rotational symmetry, the better the residual distortion of the reproduction phase distribution image can be eliminated. That is, the higher the number of divisions N, the higher the accuracy of the reproduction phase distribution image with sufficient division accuracy of the direction angle. Thus, there is a trade-off between the number of steps to measure at N pitch and accuracy. If the measurement duration is to be shortened, it is effective that To decrease the number of divisions N and increase the accuracy, it is effective to increase the number of divisions N.

Zehntes AusführungsbeispielTenth embodiment

18 zeigt ein Beispiel einer Elektroneninterferenzvorrichtung, mit der die vorliegende Anmeldung ausführbar ist. Dabei handelt es sich um eine Elektroneninterferenzvorrichtung, wobei unterhalb der Objektivlinse 5 ein erstes Elektronenbiprisma 91 angeordnet ist und eine Interferenzabbildung, die auf der Abbildungsfläche der Objektivlinse 5 erlangt wird, zur Beobachtung durch ein der Objektivlinse nachgeordnetes vierstufiges Vergrößerungslinsensystem (61, 62, 63, 64) vergrößert wird.
Der Aufbau ist der eines zweistufigen Elektronenbiprismainterferometers, wobei zwischen der ersten Vergrößerungslinse 61 und der zweiten Vergrößerungslinse 62 ein zweites Elektronenbiprisma 92 angeordnet ist. Eine auf einer Beobachtungsaufzeichnungsfläche 89 abgebildete Interferenzabbildung 88 wird von einem Bildbeobachtungs-/Aufzeichnungsmedium 79 (beispielsweise einer TV-Kamera oder CCD-Kamera) aufgezeichnet, und eine Bildverarbeitungsvorrichtung 77 führt beispielsweise eine Reproduktionsverarbeitung der Phasenverteilungsbilder oder eine Additionsverarbeitung der Phasenverteilungsbilder durch, woraufhin das Berechnungsergebnis (das reproduzierte Phasenverteilungsbild 87 oder das arithmetisch gemittelte Phasenverteilungsbild 86 oder dergleichen) von einer Anzeigevorrichtung 76 oder dergleichen angezeigt wird. 18 Fig. 12 shows an example of an electron interference device with which the present application can be carried out. This is an electron interference device in which a first electron biprism 91 is disposed below the objective lens 5, and an interference image obtained on the imaging surface of the objective lens 5 is observed through a four-stage magnifying lens system (61, 62, 63, 64 ) is increased.
The structure is that of a two-stage electron biprism interferometer, in which a second electron biprism 92 is arranged between the first magnifying lens 61 and the second magnifying lens 62 . An interference pattern 88 imaged on an observation recording surface 89 is recorded by an image observation/recording medium 79 (such as a TV camera or CCD camera), and an image processing device 77 performs, for example, reproduction processing of the phase distribution images or addition processing of the phase distribution images, whereupon the calculation result ( the reproduced phase distribution image 87 or the arithmetic mean phase distribution image 86 or the like) is displayed by a display device 76 or the like.

18 sieht ein übliches Elektronenmikroskop von 100 kV bis 300 kV vor und zeigt Elektronenbiprismen (91, 92) und Vergrößerungslinsen (61, 62, 63, 64), doch sind die Aufbauelemente des Elektronenmikroskopoptiksystems nicht auf diese Darstellung beschränkt. Auch ist als Interferenzoptiksystem ein Aufbau mit einem zweistufigen Biprismainterferometer (mit den Elektronenbiprismen 91, 92) gezeigt, doch ist, wie bereits erörtert, ein zweistufiges Biprismainterferometer nicht zwingend erforderlich, und seine Verwendung ist in der vorliegenden Anmeldung lediglich wünschenswert, um Artefakte wie Fresnel-Streifen und dergleichen zu reduzieren. In einer tatsächlichen Vorrichtung existieren zudem zusätzlich zu den in 18 gezeigten Aufbauelementen ein Ablenkungssystem zum Ändern der Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls, ein Blendenmechanismus zum Steuern des Durchtrittsbereichs des Elektronenstrahls und dergleichen. Allerdings sind die nicht dargestellten Vorrichtungen für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich und wurden aus diesem Grund weggelassen. 18 provides a general electron microscope of 100kV to 300kV and shows electron biprisms (91, 92) and magnifying lenses (61, 62, 63, 64), but the constituent elements of the electron microscope optical system are not limited to this illustration. A two-stage biprism interferometer (with electron biprisms 91, 92) configuration is also shown as the interference optics system, but as previously discussed, a two-stage biprism interferometer is not mandatory and its use is desirable in the present application only to avoid artifacts such as Fresnel to reduce streaks and the like. In an actual device, there also exist in addition to the in 18 In the constitutional elements shown, a deflection system for changing the propagation direction of the electron beam, a shutter mechanism for controlling the passing area of the electron beam, and the like. However, the devices not shown are not essential to the present invention and have therefore been omitted.

Ein Elektronenoptiksystem wird in einem Vakuumbehälter 18 zusammengebaut, der fortlaufend von einer Vakuumpumpe entleert wird, doch auch das Vakuumsystem ist für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich und wurde aus diesem Grund weggelassen. Diese Weglassung gilt auch für die anderen Figuren.An electron optics system is assembled in a vacuum vessel 18 which is continuously evacuated by a vacuum pump, but again the vacuum system is not essential to the present invention and for that reason has been omitted. This omission also applies to the other figures.

Außerdem wurde die vorliegende Anmeldung anhand eines Elektronenbiprismas des elektrischen Feldtyps beschrieben. Solange es sich jedoch um eine Vorrichtung handelt, wobei als Elektronenbiprisma Interferenz mit einem Elektronenstrahl erzeugt wird, ist auch ein Aufbau möglich, der nicht auf das elektrische Feld/magnetische Feld zurückgreift, und es liegt keine Beschränkung auf das Elektronenbiprisma des elektrischen Feldtyps der Beschreibung vor.In addition, the present application has been described using an electric field type electron biprism. However, as long as it is an apparatus in which interference with an electron beam is generated as an electron biprism, a structure not resorting to the electric field/magnetic field is also possible, and the description is not limited to the electric field type electron biprism .

BezugszeichenlisteReference List

11
Elektronenquelle bzw. ElektronenstrahlerzeugerElectron source or electron beam generator
1111
Abbildung der Elektronenquelle unterhalb der ObjektivlinseImage of the electron source below the objective lens
1515
erste Ablenkeinrichtungfirst deflection device
1616
zweite Ablenkeinrichtungsecond deflection device
1818
Vakuumbehältervacuum tank
1919
Steuereinheit der ElektronenquelleElectron source control unit
22
optische Achseoptical axis
2121
Objektwelleobject wave
21R21R
Objektwellenbereichobject wave range
2323
Referenzwellereference wave
23R23R
Referenzwellenbereichreference wave range
2525
Wellenfrontwavefront
2727
Elektronenstrahlausbreitungsbahnelectron beam propagation trajectory
33
Probesample
3131
Von der Objektivlinse abgebildete ProbenabbildungSample image imaged from the objective lens
3939
Steuereinheit der Probecontrol unit of the sample
4040
Beschleunigerröhreaccelerator tube
4141
erste Beleuchtungslinsefirst illumination lens
4242
zweite Beleuchtungslinsesecond illumination lens
4747
Steuereinheit der zweiten BeleuchtungslinseControl unit of the second lighting lens
4848
Steuereinheit der ersten BeleuchtungslinseControl unit of the first illumination lens
4949
Steuereinheit der BeschleunigerröhreAccelerator tube control unit
55
Objektivlinseobjective lens
5151
Steuercomputercontrol computer
5252
Monitor des SteuercomputersControl computer monitor
5353
Schnittstelle des SteuercomputersControl computer interface
5959
Steuereinheit der ObjektivlinseObjective lens control unit
6161
erste Abbildungslinsefirst imaging lens
6262
zweite Abbildungslinsesecond imaging lens
6363
dritte Abbildungslinsethird imaging lens
6464
vierte Abbildungslinsefourth imaging lens
6666
Steuereinheit der vierten AbbildungslinseFourth imaging lens control unit
6767
Steuereinheit der dritten AbbildungslinseThird imaging lens control unit
6868
Steuereinheit der zweiten AbbildungslinseControl unit of the second imaging lens
6969
Steuereinheit der ersten AbbildungslinseControl unit of the first imaging lens
7171
Abbildungsfläche der Probe durch die ObjektivlinseImaging surface of the sample through the objective lens
7676
Bildanzeigevorrichtungimage display device
7777
Bildaufzeichnungs-/RechenverarbeitungsvorrichtungImage recording/arithmetic processing device
7878
Steuereinheit des Bildbeobachtungs-/AufzeichnungsmediumsImage observation/recording medium control unit
7979
Bildbeobachtungs-/AufzeichnungsmediumImage Observation/Recording Medium
88th
Interferenzstreifeninterference fringes
8585
Äquipotenziallinieequipotential line
8686
arithmetisch gemitteltes Reproduktionsphasenverteilungsbildarithmetically averaged reproduction phase distribution image
861861
erstes arithmetisch gemitteltes Reproduktionsphasenverteilungsbildfirst arithmetically averaged reproduction phase distribution image
862862
zweites arithmetisch gemitteltes Reproduktionsphasenverteilungsbildsecond arithmetic mean reproduction phase distribution image
869869
Reproduktionsphasenverteilungsbild nach der RechenverarbeitungReproduction phase distribution image after arithmetic processing
8787
Reproduktionsphasenverteilungsbildreproduction phase distribution picture
8888
interferenzmikroskopische Aufnahme (Hologramm)interference micrograph (hologram)
8989
Beobachtungs-/Aufzeichnungsflächeobservation/recording area
99
Fadenelektrode des ElektronenbiprismasFilament electrode of the electron biprism
9191
erstes Elektronenbiprismafirst electron biprism
9292
zweites Elektronenbiprismasecond electron biprism
9696
Steuereinheit des zweiten ElektronenbiprismasControl unit of the second electron biprism
9797
Steuereinheit des ersten ElektronenbiprismasControl unit of the first electron biprism
9999
Kontaktelektrode mit parallelen PlattenContact electrode with parallel plates

Claims (6)

Elektroneninterferenzvorrichtung, aufweisend: ein Beleuchtungsoptiksystem, das einen von einer Elektronenquelle abgestrahlten Elektronenstrahl auf eine Probe (3) strahlt, eine Probenhaltevorrichtung, die die mit den Elektronenstrahlen bestrahlte Probe hält, ein Erfassungsoptiksystem, das aufgrund dessen, dass die Probe mit den Elektronenstrahlen bestrahlt wird, die Elektronenstrahlen erfasst, ein Elektronenbiprisma (9, 99), das an einer Fläche (71) senkrecht zur optischen Achse (2) der Elektronenstrahlen Interferenz erzeugt zwischen einem Elektronenstrahl, der durch einen Objektwellenbereich (21 R) tritt, der die Probe enthält, und einem Elektronenstrahl, der durch einen ersten Referenzwellenbereich (23R) tritt, und ein erstes Hologramm (88) erzeugt einen Bildaufzeichnungsabschnitt (79) zum Aufzeichnen des ersten Hologramms und einen Bildberechnungsabschnitt (77) zum Berechnen des im Bildaufzeichnungsabschnitt aufgezeichneten Bildes, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektronenbiprisma Interferenz erzeugt zwischen dem durch den Objektwellenbereich tretenden Elektronenstrahl und einem Elektronenstrahl, der durch einen dem ersten Referenzwellenbereich mit der optischen Achse dazwischen gegenüberliegenden zweiten Referenzwellenbereich (23R) tritt, und ein zweites Hologramm (88) erzeugt, wobei der Bildaufzeichnungsabschnitt das zweite Hologramm aufzeichnet und der Bildberechnungsabschnitt auf Grundlage des ersten Hologramms und des zweiten Hologramms einen Phasenwert des Objektwellenbereichs ermittelt, und wobei das Beleuchtungsoptiksystem eine erste Ablenkeinrichtung (15) auf der Seite vor der Probe in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Elektronenstrahls und eine zweite Ablenkeinrichtung (16) auf der Seite nach der Probe umfasst, das erste Hologramm vom Elektronenbiprisma erzeugt wird, indem das Beleuchtungsoptiksystem den Elektronenstrahl von der ersten Ablenkeinrichtung in eine erste Richtung ablenken und von der zweiten Ablenkeinrichtung in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung zurücklenken lässt und das zweite Hologramm vom Elektronenbiprisma erzeugt wird, indem das Beleuchtungsoptiksystem den Elektronenstrahl von der ersten Ablenkeinrichtung in die zweite Richtung ablenken und von der zweiten Ablenkeinrichtung in die erste Richtung zurücklenken lässt.An electron interference device comprising: an illumination optical system that irradiates an electron beam emitted from an electron source onto a sample (3), a sample holding device that holds the sample irradiated with the electron beams, a detection optical system that, due to the sample being irradiated with the electron beams, detecting the electron beams, an electron biprism (9, 99) which produces interference between an electron beam passing through an object wave region (21 R) containing the sample and an electron beam passing through a first reference wavelength range (23R) and a first hologram (88) produces an image recording section (79) for recording the first hologram and an image calculation section (77) for calculating the image recorded in the image recording section, characterized in that the electron biprism Interference generated between the electron beam passing through the object wave range and an electron beam passing through a second reference wave range (23R) opposed to the first reference wave range with the optical axis therebetween, and generates a second hologram (88), wherein the image recording section records the second hologram and the An image computing section obtains a phase value of the object wave region based on the first hologram and the second hologram, and wherein the illumination optical system includes a first deflector (15) on the front side of the sample with respect to the propagation direction of the electron beam and a second deflector (16) on the rear side comprises the sample, the first hologram is generated by the electron biprism by the illumination optical system deflecting the electron beam from the first deflection device in a first direction and from the second deflection device in one of the first directions and the second hologram is generated by the electron biprism by the illumination optics system having the electron beam deflected by the first deflector in the second direction and deflected back by the second deflector in the first direction. Elektroneninterferenzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildberechnungsabschnitt (77) einen arithmetischen Mittelwert des Phasenwerts eines ersten Phasenverteilungsbilds, das aus dem ersten Hologramm (88) ermittelt wird, und eines zweiten Phasenverteilungsbilds, das aus dem zweiten Hologramm (88) ermittelt wird, an einer entsprechenden Position desselben ermittelt.Electron interference device claim 1 , characterized in that the image calculation section (77) an arithmetic averaging the phase value of a first phase distribution image obtained from the first hologram (88) and a second phase distribution image obtained from the second hologram (88) at a corresponding position thereof. Elektroneninterferenzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Objektwellenbereich (21R), in dem das erste Hologramm (88) und das zweite Hologramm (88) aufgezeichnet werden, derselbe Bereich ist.Electron interference device claim 1 , characterized in that the object wave area (21R) in which the first hologram (88) and the second hologram (88) are recorded is the same area. Elektroneninterferenzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildberechnungsabschnitt (77) auf Grundlage des ersten Hologramms, des zweiten Hologramms und eines in einem dritten Referenzwellenbereich erlangten dritten Hologramms den Phasenwert des Objektwellenbereichs (21R) ermittelt.Electron interference device claim 1 , characterized in that the image calculation section (77) obtains the phase value of the object wave range (21R) based on the first hologram, the second hologram and a third hologram obtained in a third reference wave range. Elektroneninterferenzverfahren unter Verwendung eines Elektronenbiprismas (9, 99), dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte aufweist: einen ersten Einstellungsschritt, in dem auf einer zur optischen Achse (2) eines Elektronenstrahls senkrechten Fläche (71), auf der eine Probe (3) vorliegt, ein Objektwellenbereich (21R), der die Probe enthält, und ein erster Referenzwellenbereich (23R) festgelegt werden, einen zweiten Einstellungsschritt, wobei ein dem ersten Referenzwellenbereich mit der optischen Achse dazwischen gegenüberliegender zweiter Referenzwellenbereich (23R) festgelegt wird, einen Aufzeichnungsschritt, wobei ein erstes Hologramm (88) aufgezeichnet wird, bei dem durch das Elektronenbiprisma Interferenz zwischen einem Elektronenstrahl, der durch den Objektwellenbereich tritt, und einem Elektronenstrahl, der durch den ersten Referenzwellenbereich tritt, erzeugt wird, und ein zweites Hologramm (88) aufgezeichnet wird, bei dem durch das Elektronenbiprisma Interferenz zwischen dem Elektronenstrahl, der durch den Objektwellenbereich tritt, und einem Elektronenstrahl, der durch den zweiten Referenzwellenbereich tritt, erzeugt wird, und einen Berechnungsschritt, der auf Grundlage des ersten Hologramms und des zweiten Hologramms ein Phasenverteilungsbild oder einen Phasenwert der Objektwelle erzeugt.Electron interference method using an electron biprism (9, 99), characterized in that it comprises the following steps: a first adjustment step in which a sample (3) is present on a surface (71) perpendicular to the optical axis (2) of an electron beam , an object wave range (21R) containing the sample and a first reference wave range (23R) are set, a second setting step wherein a second reference wave range (23R) opposed to the first reference wave range with the optical axis therebetween is set, a recording step wherein a recording a first hologram (88) in which interference is generated by the electron biprism between an electron beam passing through the object wave range and an electron beam passing through the first reference wave range, and recording a second hologram (88) in which through the electron biprism interference between between the electron beam passing through the object wave range and an electron beam passing through the second reference wave range, and a calculation step that generates a phase distribution image or a phase value of the object wave based on the first hologram and the second hologram. Elektroneninterferenzverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Berechnungsschritt auf Grundlage des ersten Hologramms, des zweiten Hologramms und eines im dritten Referenzwellenbereich erlangten dritten Hologramms ein Phasenverteilungsbild oder ein Phasenwert der Objektwelle ermittelt wird.electron interference method claim 5 , characterized in that a phase distribution image or a phase value of the object wave is determined in the calculation step on the basis of the first hologram, the second hologram and a third hologram obtained in the third reference wave range.
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