DE69125435T2

DE69125435T2 - Verfahren zum direkten Erhalten von Amplituden und Phaseninformation eines Objekts mittels Bilder aus einem Hochauflösungs- Elektronenmikroskop

Info

Publication number: DE69125435T2
Application number: DE69125435T
Authority: DE
Inventors: Dijck Dirk Ernest Maria Van
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: FEI Co
Priority date: 1990-08-10
Filing date: 1991-08-06
Publication date: 1997-10-23
Anticipated expiration: 2011-08-07
Also published as: US5134288A; EP0472235B1; EP0472235A1; JPH04233150A; NL9001800A; JP3130584B2; DE69125435D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum direkten Ableiten von Amplituden- und Phaseninformationen eines Objektes als Elektronenwellenfunktion, die mittels einer Anzahl mit einem Hochauflösungs-Elektronenmikroskop aufgezeichneten Objektbildern gebildet wird, wobei die genannten Bilder in Bildebenen mit leicht unterschiedlichen Defokussierwerten aufgezeichnet werden.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Hochauflösungs-Elektronenmikroskop zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein Verfahren der eingangs erwähnten Art ist aus der Veröffentlichung "A new procedure for wave function restoration in high-resolution electron microscopy" von D. Van Dyck und W. Coene, erschienen in Optik 77, Nr. 3 (1987), auf den Seiten 125-128, bekannt. Das dort beschriebene Verfahren basiert auf der Intensität eines Bildes und deren Ableitung für einen ausgewählten Defokussierwert. In der Praxis werden eine Anzahl Bilder vorzugsweise in einer begrenzten Anzahl von Bildebenen aufgezeichnet, wobei die Defokussierwerte im Bereich des ausgewählten Defokussierwertes liegen und nur geringfügig voneinander abweichen. Ein derartiges Gradientenverfahren ist ziemlich schwerfällig und nutzt ausschließlich die Informationen von Mikroskopbildern im Bereich des ausgewählten Defokussierwertes. Außerdem ist der Defokussierschritt, der zwischen zwei aufzuzeichnenden Bildern erforderlich ist, um eine geeignete Durchführung des Verfahrens zu garantieren, zu klein, um mit heutigen Hochauflösungs-Elektronenmikroskopen realisiert werden zu können. Darüber hinaus ist dieses Verfahren zu anfällig für das Auftreten von Rauschen in den Versuchsbildern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei dem die genannten Nachteile abgeschwächt werden. Zu diesem Zweck ist ein erfindungsgemäßes Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Bildebenen so klein gewählt wird, daß bei einer im wesentlichen kontinuierlichen Folge von Bildern als Funktion des Defokussierwertes ein im wesentlichen dreidimensionales Bildfeld aufgezeichnet wird, für das eine quasi dreidimensionale Fourier-Transformation durchgeführt wird, um lineare und nichtlineare Bildinformationen zu trennen und die Elektronenwellenfunktion wiederherzustellen.
Infolge des verwendeten Informationsaufzeichnungsverfahrens werden tatsächlich Informationen aufgezeichnet, die einen dreidimensionalen Bildraum betreffen. Daraus ergibt sich, daß der maximal zulässige Defokussierschritt weniger kritisch und mit existierenden Elektronenmikroskopen leicht realisierbar ist. Für die Wiederherstellung der Elektronenwellenfunktion ist es erforderlich, lineare und nichtlineare Bildinformationen zu trennen. In dieser Hinsicht ist eine quasi dreidimensionale Fourier- Transformation eine geeignete Maßnahme.
Eine bevorzugte Version des erfindungsgemaßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß eine quasi dreidimensionale Fourier-Transformation durch die zweidimensionale Fourier-Transformation der aufgezeichneten Bilder gefolgt von der Multiplikation mit einem komplexen Gewichtungsfaktor erzielt wird, der die Rückwärtsübertragung eines Bildes in eine ausgewählte Bezugsbildebene beschreibt und die chromatische Aberration ausgleicht. Da anstatt einer dreidimensionalen Fourier- Transformation tatsächlich nur eine zweidimensionale Fourier-Transformation durchgeführt wird, wird das Verfahren wesentlich vereinfacht und erfordert weniger Zeit. Da jedes aufgezeichnete Bild in ein und dieselbe Bezugsbildebene rückwärtsübertragen wird, um zu einem späteren Zeitpunkt summiert zu werden, ist der Bildanteil, der die linearen Bildinformationen enthält, im Prinzip in diesem Bereich identisch, so daß während der Summierung eine Überlagerung auftritt. Die nichtlinearen Informationen sind jedoch für alle Bilder unterschiedlich und werden bei der Summierung durch Mittelwertbildung in bezug auf den linearen Anteil reduziert.
Eine bevorzugte Version des erfindungsgemaßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die linearen Bildinformationen auf Kugeln in einem Fourier-Raum konzentriert werden, während die nichtlinearen Bildinformationen gleichmaßig im Fourier-Raum verteilt sind. Da die linearen Bildinformationen an einer definierten Stelle im Fourier-Raum konzentriert werden, d.h. auf zwei Kugeln, die in der Näherung dieses Verfahrens zwei Paraboloide sind, werden die linearen Bildinformationen von den nichtlinearen Bildinformationen getrennt, indem die Informationen auf den Paraboloiden ausgewählt werden. In dieser Hinsicht besteht ein weiterer Vorteil darin, daß der Rauschabstand vergrößert wird.
Eine weitere bevorzugte Version des erfindungsgemaßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die chromatische Aberration des Hochauflösungs-Elektronenmikroskopes korrigiert wird, indem an jedem Punkt der Kugeln der Wert an diesem Punkt durch einen Abschwächungsfaktor für die chromatische Aberration an dem betreffenden Punkt dividiert wird. Da lediglich die Informationen auf dem Paraboloid zur Elektronenwellenfunktion beitragen, reicht es aus, die chromatische Aberration ausschließlich an diesen Punkten des Fourier-Raums auszugleichen, und eine Entfaltung des gesamten Raums ist nicht erforderlich. Daraus ergibt sich, daß weniger Probleme mit den vorliegenden Rauschen auftreten.
Eine weitere bevorzugte Version des erfindungsgemaßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren eine iterative Wiederholung beinhaltet, um den linearen Anteil in bezug auf den nichtlinearen Anteil zu intensivieren. Iterative Wiederholung bedeutet, daß der nichtlineare Anteil auf der Kugel oder dem Paraboloid vom letzten Zyklus im nächsten Wiederholungszyklus subtrahiert wird. Infolgedessen maximiert die iterative Wiederholung des Vorgangs das Verhältnis vom linearen Anteil zum nichtlinearen Anteil der Bildinformationen. Die Elektronenwellenfunktion des Objektes wird somit optimiert.
Eine weitere bevorzugte Version des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenwellenfunktion in der Austrittsebene des Objektes aus der Elektronenwellenfunktion in der Bezugsbildebene berechnet wird, indem die zweidimensionale Fourier-Transformation der Elektronenwellenfunktion in der Bezugsbildebene mit einem Phasenfaktor zur Korrektur von sphärischer Aberration und Defokussierung, Astigmatismus und Strahlkippung multipliziert wird und nachfolgend eine umgekehrte zweidimensionale Fourier-Transformation durchgeführt wird. Das Verfahren nutzt somit die bekannte Transferfunktions-Theorie. Nach der Rückwärtsübertragung der Elektronenwellenfunktion in einer Bezugsbildebene zur Austrittsebene des Objekts und vor der Erweiterung einer umgekehrten zweidimensionalen Fourier-Transformation wird eine Multiplikation mit einem Phasenfaktor durchgeführt, der Mikroskopfehler wie sphärische Aberration und Defokussierung, Astigmatismus und Strahlkippung ausgleicht.
Eine weitere bevorzugte Version des erfindungsgemaßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß nach der Rückwärtsübertragung der Elektronenwellenfunktion von der Bildebene zur Austrittsebene des Objekts ein Channeling durchgeführt wird, um eine projizierte atomare Struktur des Objekts zu bestimmen. Es ist anzumerken, daß Verfahren zur Rückwärtsübertragung von Informationen von einer Bildebene zu einer Objektebene an sich bekannt sind. Durch den Einsatz eines derartigen Verfahrens kann die durch sphärische Aberration und Defokussierung, Astigmmatismus und Defokussierung verursachte Phasenverschiebung eliminiert werden. Zur Bestimmung der Struktur des Objekts, dem letztendlichen Ziel des Verfahrens, können Algorithmen eingesetzt werden, die auf der Channeling-Theorie basieren.
Eine bevorzugte Version des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß es zur Verbesserung der Auflösung von mit einem Hochauflösungs- Elektronenmikroskop aufgezeichneten Bildern eingesetzt wird. Es ist an sich bekannt, daß die Potentialverteilung in der Austrittsebene eines Objekts und somit die Wellenfunktion eigene Informationen enthält, deren Auflösung höher ist als diejenige, die nach der Bilddarstellung durch ein Hochauflösungs-Elektronenmikroskop wiedergegeben werden kann, und zwar aufgrund der Einschränkungen bezüglich der Punktauflösung der Elektronenmikroskope. Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens kann die maximale Punktauflösung, die mit heutigen Hochauflösungs-Elektronenmikroskopen erzielt werden kann, um einen Faktor 2 verbessert werden und eine Punktauflösung erzielt werden die der inhärent vorhandenen Bildinformationsauflösung entspricht.
Eine weitere bevorzugte Version des erfindungsgemaßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der während der Aufzeichnung einer Bilderfolge auftretenden Fokusdrift eine Anzahl von Bildern mit unterschiedlichen Defokussierwerten in entgegengesetzter Richtung aufgezeichnet wird, wobei die Fokusdrift durch den Vergleich von zwei extremen Bildern bestimmt wird. Da die Aufzeichnung einer großen Anzahl von Bildern (z.B. 50 Bildern) für eine geeignete Analyse wünschenswert ist, kann die Fokusdrift trotz der für die Aufzeichnung erforderlichen vergleichsweise kurzen Zeit auftreten, so daß nach der Bestimmung des Grades der Fokusdrift eine Korrektur über die Transferfunktion erfolgen kann.
Eine weitere bevorzugte Version des erfindungsgemaßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestimmung der während der Aufzeichnung einer Bilderfolge auftretenden Objektdrift eine Kreuzkorrelation der Bilder mit benachbarten Defokussierwerten durchgeführt wird, wobei die Drift des Objekts durch eine wechselseitige seitliche Verschiebung bestimmt wird. Berücksichtigt man wiederum die Dauer der Aufzeichnung, so kann eine Objektdrift auftreten, die korrigiert werden kann, wenn das Ausmaß der Drift bekannt ist.
Eine weitere bevorzugte Version des erfindungsgemaßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Maß für die Strahlkippung von einer Verschiebung einer Kugel, die lineare Bildinformationen darstellt, in einem Fourier-Raum abgeleitet wird. Im Gegensatz zur Fokus- und Objektdrift, die während der Aufzeichnung auftritt, hängt die Strahlkippung von der Ausrichtung des Mikroskops zu Beginn der Aufzeichnung ab. Nach der Bestimmung der Strahlkippung kann eine Korrektur wiederum über die Transferfunktion erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann erfolgreich in einem Hochauflösungs-Elektronenmikroskop eingesetzt werden. Zu diesem Zweck ist ein derartiges Hochauflösungs-Elektronenmikroskop dadurch gekennzeichnet, daß es ein Detektorsystem, ein Bildverarbeitungssystem und eine effektive Elektronenquelle umfaßt, die eine vergleichsweise kleine Wärmeenergiestreuung der zu emittierenden Elektronen garantiert. Die Wärmeenergiestreuung im Elektronenstrahl führt zu störenden Artefakten in aufzuzeichnenden Bildern, da die Energiestreuung Fokusschwankungen bewirkt. Unter der Voraussetzung, daß die Schwankungen durch Instabilitäten im Beschleunigungspotential hervorgerufen werden und die Linsenströme bereits minimal sind, kann die Auflösung durch die obengenannte Maßnahme optimiert werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemaßen Elektronenmikroskops ist dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorsystem ein Detektormedium enthält, das on-line gelesen werden kann und eine Empfindlichkeit und eine Auflösung aufweist, die mit der Empfindlichkeit und der Auflösung von zum Beispiel einer photographischen Platte vergleichbar sind. Aufgrund der großen Anzahl aufzuzeichnender Bilder pro Messung ist es im wesentlichen unzweckmäßig, photographische Platten einzusetzen. Der mechanische Transport dieser Platten zwischen zwei Belichtungen ist ziemlich zeitaufwendig, und die Kapazität eines Stapels Platten reicht für die erforderliche Bildanzahl nicht aus. Daher sollte das Detektormedium schneller sein, eine größere Speicherkapazität haben und mindestens die gleiche Empfindlichkeit für die gewünschte Auflösung aufweisen.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Die einzige Figur in der Zeichnung zeigt schematisch ein Hochauflösungs- Elektronenmikroskop, das für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
Das Hochauflösungs-Elektronenmikroskop 1, das in der Figur schematisch dargestellt ist, enthält eine Elektronenquelle 3, die von einem Hochspannungsgenerator 5 gespeist wird, und eine Anzahl von Linsen, die von einer Linsenstrom-Versorgungsquelle 9 gespeist werden. Das Elektronenmikroskop 1 enthält außerdem ein Detektorsystem 11, wobei die erkannten Informationen einem Bildverarbeitungssystem 13 zugeführt werden. Der Elektronenstrahl 15 trifft auf ein Objekt 17 auf. Wird ein erfindungsgemäßes Verfahren eingesetzt, so können die Amplituden- und Phaseninformationen des Objektes 17 in Form einer Elektronenwellenfunktion abgeleitet werden. Die Projektion der atomaren Struktur des Objektes 17 kann von dieser Wellenfunktion abgeleitet werden.
Zu diesem Zweck werden mehrere Hochauflösungsbilder des Objektes 17 in Bildebenen 19 mit leicht unterschiedlichen Defokussierwerten aufgezeichnet. Das Fokusintervall 21 zwischen den verschiedenen Bildebenen 19, in denen die Messung stattfindet, liegt in der Größenordnung des minimalen Defokussierschrittes des Elektronenmikroskopes 1. In heutigen Elektronenmikroskopen beträgt dieser Schritt zwischen 2 und 3 nm. Durch eine Abtastung der Defokussierachse in derartig kleinen Schritten wird eine im wesentlichen kontinuierliche Folge von Bildern als Funktion des Defokussierwertes gebildet, so daß die somit erhaltenen Informationen sozusagen ein dreidimensionales Bildfeld bilden. Jedes Bild enthält lineare und nichtlineare Informationen. Unter linearen Informationen ist der Anteil des Bildkontrastes zu verstehen, der proportional zur Wellenfunktion ist. Ein Verfahren, das darauf abzielt, die Wellenfunktion wiederherzustellen, sollte den linearen und den nichdinearen Anteil trennen. Diese Trennung erfolgt entsprechend des beschriebenen Verfahrens, indem eine quasi dreidimensionale Fourier-Transformation in dem genannten dreidimensionalen Bildraum durchgeführt wird.
In der Praxis wird der Vorgang wesentlich vereinfacht und beschleunigt, indem eine zweidimensionale Fourier-Transformation der Bilder gefolgt von der Multiplikation mit einem komplexen Gewichtungsfaktor durchgeführt wird; dadurch erhält man das gleiche Ergebnis wie bei einer dreidimensionalen Fourier-Transformation. Diese komplexen Gewichtungsfaktoren enthalten einen Amplituden und einen Phasenteil. Der Phasenteil stellt sicher, daß jedes Bild rückwärts in eine ausgewählte Bezugsbildebene 23 übertragen wird. Der Amplitudenteil korrigiert die Abschwächung durch chromatische Aberration. Chromatische Aberration wird durch die zeitabhängigen und zeitunabhängigen Abweichungen der Energie der emittierten Elektronen und durch Instabilitäten der Linsenströme verursacht. Daher können verschiedene Elektronen einen unterschiedlichen Fokus haben. Die Streuung Δ bezüglich des Fokus ergibt sich aus:
wobei C eine Instrumentenkonstante, d.h. der Koeffizient der chromatischen Aberration ist, der durch den Aufbau der Objektivlinse bestimmt wird, wobei ΔV die Streuung des Beschleunigungspotentials V, ΔI die Streuung des Linsenstroms I und ΔE die Streuung der Wärmeenergie der Elektronen ist.
Schwankungen des Beschleunigungspotentials V können eingeschränkt werden, wenn der Hochspannungsgenerator 5 optimal ausgelegt wird. Die Instabilität ΔI des Linsenstroms I kann erheblich reduziert werden, indem zum Beispiel magnetisch gesättigte Linsen oder supraleitende Linsen verwendet werden. Die Berücksichtigung der Reduzierung von ΔE ist nur bei einem Elektronenmikroskop sinnvoll, dessen Beschleunigungspotential und Linsenströme optimal stabilisiert worden sind. In diesem Fall ist die Streuung der Wärmeenergie der Elektronen der entscheidende Faktor hinsichtlich der Instabilität. ΔE kann reduziert werden, indem zum Beispiel eine Feldemissionsquelle oder ein PN-Emitter als Elektronenquelle gewählt wird. Derartige Elektronenquellen sind in der I-age, stabile Elektronenstrahlen mit vergleichsweise hoher Intensität zu erzeugen.
Die letztendlich verbleibende chromatische Aberration wird durch den Amplitudenteil des Gewichtungsfaktor korrigiert.
Zum Schluß werden alle Fourier-transformierten Bilder, die mit einem Gewichtungsfaktor multipliziert wurden, summiert und bilden somit eine lineare Kombination. Diese lineare Kombination enthält die Wellenfunktion des Objektes 17 in der Bezugsbildebene 23. Die allgemeine Wellenfunktion in. der genannten Ebene 23 kann vereinfacht folgendermaßen geschrieben werden:
= C + ,
wobei angenommen wird, daß die Konstante C der Einfachheit halber gleich 1 ist. In Versuchen wurde jedoch gemessen, daß die Intensität eines Bildes ausgedrückt werden kann als:
² = 1+ ² = 1 + + * + ²
Das so erhaltene Bild enthält eine Komponente der nullten Ordnung, einen linearen Anteil + * und einen nichflinearen Anteil ².
Der lineare Anteil + * ist eine Überlagerung der linearen Anteile jedes Bildes und im Prinzip für jedes in die Bezugsbildebene 23 rückwärtsübertragene Bild identisch. Im Fourier-Raum werden diese linearen Bildinformationen auf zwei Kugeln konzentriert. In der Näherung dieses Verfahrens werden die beiden Kugel jedoch durch zwei Parabobide dargestellt - einer für und einer für *. Der nichtlineare Anteil ² ist jedoch für jedes Bild unterschiedlich und gleichmäßig im Fourier-Raum verteilt. Dies bedeutet, daß der lineare Anteil in bezug auf den nichtlinearen Anteil intensiviert wird, indem die Bilder summiert werden, und daß der Rauschabstand vergrößert wird. Die Trennung des linearen und des nichtlinearen Anteils der Bildinformationen erfolgt, indem nur die Informationen auf einem der Parabobide ausgewählt werden, woraus sich die Wellenfunktion des Objektes 17 ergibt. Der lineare Anteil erzeugt somit die Wellenfunktion des Objektes 17. Da das Verfahren einen rekursiven Algorithmus benutzt, kann das Verhältnis von linearem zu nichtlinearem Anteil durch iterative Wiederholung maximiert werden. Eine derartige iterative Wiederholung beinhaltet, daß der nichtlineare Anteil auf dem Parabobiden vom letzten Zyklus im nächsten Wiederholungszyklus subtrahiert wird, ohne daß zusätzliche aufgezeichnete Bilder benutzt werden. Jedesmal wird eine Korrektur für die restlichen nichtlinearen Informationen auf dem Parabobiden durchgeführt, die auf der Grundlage der während des vorherigen Wiederholungsschrittes erhaltenen linearen Informationen berechnet werden.
Die so erhaltene Wellenfunktion kann nachfolgend von der Bildebene 23 in die Austrittsebene 25 des Objektes 17 rückwärtsübertragen werden. Während dieses bekannten Verfahrensschrittes wird die Wellenfunktion mit der umgekehrten Transferfunktion des Mikroskopes multipliziert, wonach eine umgekehrte zweidimensionale Fourier-Transformation stattfindet. Die umgekehrte Transferfunktion impliziert die Eliminierung der Phasenverschiebung, die durch sphärische Abweichung, Defokussierung, Astigmatismus und Strahlkippung verursacht wird. Die projizierte atomare Struktur des Objektes 17 kann von der so in der Objektebene 27 erhaltenen Wellenfunktion abgeleitet werden. Bei einem dünnen Objekt wird diese projizierte Struktur durch die Phase der Wellenfunktion in der Austrittsebene 25 des Objektes 17 dargestellt. Für ein dickeres, kristallines Objekt, das entlang einer Zonenachse bestrahlt wird, wird ein auf der Channeling-Theorie basierender Algorithmus benutzt. Gemäß der Channeling- Theorie erfolgt das Channeling in den einzelnen Säulen, wenn ein Elektronenstrahl parallel zu Atomsäulen auf einen Kristall auftrifft. Die Elektronen werden in den genannten Säulen erfaßt, so daß eine eindeutige Beziehung zwischen der Säulenart und der Wellenfunktion in der Austrittsebene 25 des Kristalls im Bereich der genannten Säule besteht. Die Beziehung ist dann unabhängig von der Zusammensetzung der benachbarten Säulen. Ist die Wellenfunktion bekannt, so können die Informationen über die projizierte atomare Struktur entnommen werden. Ein zusätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Verbesserung der Auflösung der erhaltenen Informationen. Heutige Hochauflösungs-Elektronenmikroskope weisen eine Punktauflösung oder eine Strukturauflösung von ungefähr 2 Å auf. Dies ist die maximale Auflösung, mit der Details in dem Bild direkt visuell interpretiert werden können. Die Auflösung der in der Wellenfunktion der Austrittsebene 25 des Objektes 17 vorliegenden Informationen beträgt jedoch ungefähr 1 Å, wenn eine Feldemissionsquelle verwendet wird. Da das beschriebene Verfahren zur Bestimmung der Objektstruktur alle in dem Bild vorhandenen Informationen zur Wiederherstellung der Wellenfunktion in der Austrittsebene des Objektes 17 nutzt, kann die Auflösungsgrenze auf ungefähr 1 Å verbessert werden.
Wegen der gewünschten hohen Auflösung ist es sehr wichtig, daß alle Parameter während der Messungen stabil bleiben. Das Verfahren erlaubt es, restliche Strahlkippung aufzufinden. Da die Anzahl der Bilder pro Messung vergleichsweise groß ist (in der Größenordnung von 50 Bildern), können während der Belichtungen Fokus- und Objektdrift auftreten. Eine Objektdrift bewirkt eine Verschiebung des Bildes, eine Bildverschiebung kann jedoch ebenso durch eine schlechte Ausrichtung verursacht werden. Alle diese Störungen können mit Hilfe des Verfahrens bestimmt werden. Darüber hinaus kann aufgrund von Stromschwankungen in der Objektivlinse eine Bilddrehung erfolgen. Dieser Effekt kann zum Beispiel elektronenoptisch ausgeglichen werden.
Zur Bestimmung des Ausmaßes der Fokusdrift wird der gesamte Fokusintervall in beiden Richtungen durchlaufen. Die Gesamtfokusdrift kann vorzugsweise durch Vergleichen des ersten und des letzten Bildes bestimmt werden. Wenn davon ausgegangen wird, daß die Geschwindigkeit der Fokusdrift konstant ist, kann die Korrektur durch lineare Interpolation erfolgen. Die während der Aufzeichnung der Bilder auftretende Objektdrift kann durch Herstellung einer Kreuzkorrelation zwischen Bildern bei benachbartem Fokus ermittelt werden, so daß die wechselseitige seitliche Verschiebung sehr genau bestimmt werden kann. Diese Genauigkeit kann noch weiter verbessert werden, indem nacheinander das Fokusintervall in beiden Richtungen durchlaufen wird und die seitliche Verschiebung zwischen zwei Bildern bestimmt wird, wobei angenom men wird, das die Geschwindigkeit der Objektdrift konstant ist.
Eine Kippung des einfallenden Elektronenstrahls in bezug auf die optische Achse des Elektronenmikroskops bewirkt eine Verschiebung des genannten Parabolooiden in der Richtung der Strahlkippung und um eine Strecke, die linear proportional zum Kippungswinkel ist. Der Kippungswinkel kann sehr genau bestimmt werden, indem die Verschiebung des Parabobiden gemessen wird. Im Gegensatz zur Fokus- und Objektdrift, die während der Aufzeichnung der Bilder auftritt, hängt die Strahlkippung ausschließlich von der Ausrichtung des Mikroskops vor dem Beginn der Aufzeichnung ab. Aus diesem Grunde enthält das Hochauflösungs-Elektronenmikroskop vorzugsweise ein System zur automatischen Ausrichtung.
Nach der Bestimmung der Größe der beschriebenen bildstörenden Phänomene kann der entsprechende Ausgleich in der Transferfunktion während der Wiederherstellung der Wellenfunktion in der Austrittsebene 25 des Objektes 17 durchgeführt werden. Außerdem sollte das Mikroskop ein Detektorsystem enthalten, dessen Detektormedium die gleiche Empfindlichkeit und die gleiche Auflösung wie eine photographische Platte aufweist; ferner sollte es on-line gelesen werden können. Der Rechnerspeicher, dem die aufgezeichneten Informationen zugeführt werden, sollte über eine große Speicherkapazität verfügen. Aufgrund der großen Anzahl von Bildern, die infolge praktischer Probleme wie Fokus- und Objektdrift innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne aufgezeichnet werden müssen, ist zum Beispiel der mechanische Transport von photographischen Platten zu zeitaufwendig. Ein weiterer Vorteil besteht dann darin, daß die im Bildverarbeitungssystem gespeicherten Informationen sofort für die weitere Bildverarbeitung zur Verfügung stehen.
Das beschriebene Verfahren ermöglicht es, die projizierte Struktur eines kristallinen Objektes von bis zu ungefähr 100 Å, einer realistischen Dicke in der Hochauflösungs-Elektronenmikroskopie, auf der Grundlage von 50 Bildern zu bestimmen, die in Bildebenen aufgezeichnet werden, welche einen Abstand von ungefähr 3 nm haben, und zwar mit einer Höchstgenauigkeit von ungefähr 1 Å.

Claims

1. Verfahren zum direkten Ableiten von Amplituden- und Phaseninformationen eines Objektes (17) als Elektronenwellenfunktion, die mittels einer Anzahl mit einem Hochauflösungs-Elektronenmikroskop (1) aufgezeichneten Objektbildern gebildet wird, wobei die genannten Bilder in Bildebenen (19) mit leicht unterschiedlichen Defokussierwerten aufgezeichnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (21) zwischen den Bildebenen so klein gewählt wird, daß bei einer im wesentlichen kontinuierlichen Folge von Bildern als Funktion des Defokussierwertes ein dreidimensionales Bild einer Objektzone aufgezeichnet wird, für das eine quasi dreidimensionale Fourier-Transformation durchgeführt wird, um lineare und nichtlineare Bildinformationen zu trennen und die Elektronenwellenfunktion wiederherzustellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine quasi dreidimensionale Fourier-Transformation durch die zweidimensionale Fourier-Transformation der aufgezeichneten Bilder gefolgt von der Multiplikation mit einem komplizierten Gewichtungsfaktor erzielt wird, der die Rückwärtsübertragung eines Bildes in eine ausgewählte Bezugsbildebene beschreibt und die chromatische Aberration ausgleicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die linearen Bildinformationen auf einem Parabobiden in einem Fourier-Raum konzentriert werden, während die nichtlinearen Bildinformationen gleichmäßig im Fourier-Raum verteilt sind.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die chromatische Aberration des Hochauflösungs-Elektronenmikroskopes korrigiert wird, indem an jedem Punkt des Parabobiden der Wert an diesem Punkt durch einen Abschwächungsfaktor für die chromatische Aberration an dem betreffenden Punkt dividiert wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren eine iterative Wiederholung verwendet.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenwellenfunktion in der Austrittsebene (25) des Objekts aus der Elektronenwellenfunktion in der Bezugsbildebene (23) berechnet wird, indem die zweidimensionale Fourier-Transformation der Elektronenwellenfunktion in der Bezugsbildebene mit einem Phasenfaktor zur Korrektur von sphärischer Aberration und Defokussierung multipliziert wird und nachfolgend eine umgekehrte zweidimensionale Fourier-Transformation durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Rückwärtsübertragung der Elektronenwellenfunktion von der Austrittsebene des Objektes zu einer Objektebene ein Channeling durchgeführt wird, um eine projizierte atomare Struktur des Objektes zu bestimmen.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Verbesserung der Auflösung von mit einem Hochauflösungs-Elektronenmikroskop aufgezeichneten Bildern eingesetzt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der während der Aufzeichnung einer Bilderfolge auftretenden Fokusdrift eine Anzahl von Bildern mit unterschiedlichen Defokussierwerten in entgegengesetzter Richtung aufgezeichnet wird, wobei die Fokusdrift durch den Vergleich von zwei extremen Bildern bestimmt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestimmung der während der Aufzeichnung einer Bilderfolge auftretenden Objektdrift eine Kreuzkorrelation der Bilder mit benachbarten Defokussierwerten durchgeführt wird, wobei die Drift des Objektes durch eine wechselseitige seitliche Verschiebung bestimmt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Maß für die Strahlkippung von einer Verschiebung eines Paraboloiden, der lineare Bildinformationen darstellt, in einem Fourier-Raum abgeleitet wird.

12. Hochauflösungs-Elektronenmikroskop (1) zur Durchführung des in allen vorhergehenden Ansprüchen beschriebenen Verfahrens, das folgendes enthält:

Mittel (11, 13) zum Aufzeichnen einer Anzahl von Bildern von einem im Elektronenmikroskop in Bildebenen (19) mit leicht unterschiedlichen Defokussierwerten zu untersuchenden Objekt (17),

dadurch gekennzeichnet, daß

das Elektronenmikroskop außerdem folgendes enthält:

Mittel (9), um den Abstand (21) zwischen den Bildebenen so klein zu machen, daß bei einer im wesentlichen kontinuierlichen Folge von Bildern als Funktion des Defokussierwertes ein dreidimensionales Bild einer Objektzone aufgezeichnet wird;

Mittel (13) zum Durchführen einer quasi dreidimensionalen Fourier-Transformation des dreidimensionalen Bildes der Objektzone, um lineare und nichtlineare Bildinformationen zu trennen, und

Mittel (13) zum Wiederherstellen der Elektronenwellenfunktion durch direktes Ableiten der Amplituden- und Phaseninformationen des Objektes als Elektronenwellenfunktion.

13. Hochauflösungs-Elektronenmikroskop nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es eine effektive Elektronenquelle (3) enthält, die eine vergleichsweise kleine Wärmeenergiestreuung der zu emittierenden Elektronen garantiert.

14. Hochauflösungs-Elektronenmikroskop nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorsystem (11) ein Detektormedium enthält, das on-line gelesen werden kann und eine Empfindlichkeit und eine Auflösung aufweist, die mit der Empfindlichkeit und der Auflösung einer photographischen Platte vergleichbar sind.