Brevet FR2007376A1 — publié le 19700109

t 2007376 69 09986 Cette invention a pour objet tua. appareil à faisceau électronique dans lequel tua faisceau électronique généralement focalisé concentré en un fin pinceau selon sus s dimensions transversales est astreint à frapper un échantillon de substasQ® à examiner ou à 5 analyser « L'invention est applieeMe, en premier liea, aux micros» copes électroniques maie, comme ceci découle de la suite de ce texte, elle peut également tsouver son emploi dans les autres appareils à faisceau électronique tels que les dispositifs de micro-analyse à sonde électronique. 10 Sans les microscopes électroniques classiques impliquant uns illumination par projection d'électrons sur un mince échantillon et la formation directe d'une image de la zone illuminée de l'écha;* tillon au moyen d'un système de lentilles électroniques, on a déjà pensé à utiliser les principes de la streboseopie» d9une façon 15 exactement analogue à celle employée dans les appareils optiques, pour examiner des phénomènes à récurrence rapide et à variation répétitive* Ici, comme dans le domaine optique, 1*éclairement s'effectue par Impulsions de façon à a®exister que pendant un bref laps de temps et à des instants correspondants de chaque cycle ds 20 phénomène récurrent. L'analogie avec l'équivalence optique est exacte en ce sens qu'une Image complète âu corps éclairé se forme à chacun des Instants en question, les plans de l8objet et de l*i^ mage étant conjuguée. Le principe de la présente invention est fondé sur oette cess= 25 tatation qu'il est possible d'appliquer las principes de la stro-boscopie aux appareils dans lesquels le balayage est effectué par un pinceau ou une sonde électronique en dépit du fait qu'aucune image complète instantanée ne se forme. Suivant I * invention, il est proposé d'utiliser un appareil à faisceau électronique pour 30 examiner des phénomènes à récurrence rapide et à variation répétitive ayant lieu dans des échantillons examinés en effectuant leur balayage suivant une ligne ou une trame à Ie «Me dsune sonde électronique et selon une fréquence de ligne ou une fréquence d'image qui ne représente qu*une fraction de la fréquence de répétition, 35 en appliquant le signal résultant, variable dans le temps et capté à partir de l'échantillon, à un dispositif enregistreur tel qu'un tube à rayons cathodiques, par exemple, balayé en synehronisne avec le balayage du faisceau9 et en communiquant des impulsions ou un déclenchement périodique au faisceau ou au signal en synchro 69 09986 % 20Q7376 nisme avee le phénomène récurrent, de tell* sorte que le faisceau ou le signal n'est transmis que pendant un bref laps de temps pendant chaque cycle ou groupe de cycles du phénomène. L*images résultante apparaissant sur l'écran du tube à rayons 5 cathodiques ou dans un autre appareil enregistreur est donc constituée par une série de points qui représentent chacun l'état de l'élément ponctuel de l'échantillon que le faisceau frappe à l*ins» tant en question» chacun de ces instants étant situé au point correspondant du cycle du phénomène variable* Ainsi, pour un laper de 10 temps total correspondant à un certain nombre de cycles complété, l'ensemble des points forme use image d'ensemble de l'état de l'échantillon à un instant particulier du cycle, A condition que la fréquence de balayage soit d'au moins um ou deux ordres de grandeur inférieure à la fréquence de répétition 15 du phénomène examiné, les points peuvent être suffisamment proches pour se chevaucher de telle sorte qu*- aucune information spatiale ne soit perdue et, à condition que la fréquence de balayage «bit supérieure à environ 30 images par seconde ou qu'on utilise um éorm présentant use persistance lumineuse convenable, une image apparem-20 ment complète est obtenue et peut être observée directement eomsw une image stroboscopique normale. Si l'on utilise l1observation photographique de l'écran du tube à rayons cathodiques ou plus généralement d'un dispositif enregistreur, la fréquence de balayage peut être aussi basse qu'il est désirable. 25 Grâce à l'invention, on obtient les avantages cousus de la microscopie par balayage par rapport à la microscopie par transmission, le plus important de ces avantages étant le fait qu'on peut examiner des surfaces opaques* En même temps, on obtient cet avantage très important des technique# stroboseopiques,à savoir la 30 possibilité de rendre stationnaire un phénomène à variation cyclique ou à répétition à un instant sélectionné quelconque du cycle et d'examiner ainsi statiquement le comportement dans des conditions dynamiques* l'invention est plus complètement décrite ci-après,simplement 35 à titre d'exemple d'ailleurs, en regard du dessin schématique annexé dans lequel La fig. 1 est une représentation schématique d'un microscope électronique standard auquel l'invention a été appliquée. La fig. 2 est constituée par deux graphiques mettant en évi- 69 09986 3 2007376 dencè l'application de la technique, stroboscopique» . La fig. 3 est une représentation schématique-de l'écran d'un tube à rayons ^cathodique s sur lequel se forme une . image* . la fig. 4 représente un mode préféré de déclenchement périodi-5 que permettant l'obtention de l'effet stroboscopique recherché* Si l'on examine tout d'abord la fig,1, on voit que le microscope électronique coàprend un canon à électrons G pourvu d'une anode A à travers laquelle passe un faisceau électronique destiné à.être focalisé ou concentré par une première et une seconde len-10 tilles électroniques et Lg 3ur 1111 échantillon S à examiner* Le faisceau peut être concentré jusqu'à présenter un diamètre de l'ordre d'un micron seulement et il est astreint à balayer une région sélectionnée de l'échantillon à la manière d'une trame de télévision en couvrant une surface-qui mesure, par exemple, quelques 15 dixièmes ou quelques centièmes de micron dans chaque sens* Les électrons secondaires émis par 1'échantillon sont captés par un détecteur D pour produire un signal de contraste électrique qui est amplifié et employé pour commander la brillance de la trace apparaissant sur un tube à rayons cathodiques C dont le faisceau est 20 astreint à balayer l'écran en synchronisme avec le faisceau électronique frappant l'éèhantillon S. Grâce à cette façon de procéder, une image de la zone de l'échantillon balayée se forme au cours d'une séquence de temps et n'importe quel phénomène constant ou ne changeant que lentement et intéressant l'échantillon, tel qu'une 25 différence de potentiel entre des régions différentes de la surface soumise au balayage, ou un champ électrique ou magnétique produisant un changement dans le nombre des électrons secondaires captés par le détecteur tandis que le faisceau balaye la surface de l'échantillon, produit un signal de contraste qui se traduit par une image 30 à deux dimensions sur l'écran du tube à rayons cathodiques, mettant ainsi en évidence la distribution spatiale du phénomène en question. La fréquence des images c'est-à-dire la fréquence de répétition du cyele de balayage total, dépend de la sensibilité requise et peut prendre plusieurs secondes ou même un temps plus long pour former 35 une image complète lorsque le contraste est faible, et on utilise ensuite un écran présentant un retard important ou un tube à mémoire ou bien l'image est enregistrée photographiquement* Toutefois, quand le phénomène en cours d'examen n'est pas constant, mais varie cycliquement à une vitesse comparable ou supérieurs 69 09986 4 2007376 à la fréquence des images, la formation séquentielle des images sur 1* écran du tube à rayons cathodiques est sans signification, du fait que les éléments individuels de l'image d'ensemble représentent l'état des éléments correspondants de l'échantillon à des 5 moments différents» Ce problème est résolu grâce à une commutation ne faisant intervenir le signal qu'aux instants correspondants de chaque cycle, d'une façon analogue à ce qui se produit dans les techniques stro-boscopiques ordinaires, On peut effectuer cette commutation en un 10 point quelconque de la chaîne constituée entre le point @ où. le faisceau d'électrons est produit et l'électrode de commande du tube à rayons cathodiques, c'est-à-dire qu'on peut interrompre le faisceau incident ou le signal capté sans que l'effet stroboscopique en soit modifié. Toutefois, comme les détails de l'image ou repré-15 sentation ultime dépendent de la largeur de bande du maillon le plus faible de la chaîne allant jusqu'au point de commutation, il est logique d'effectuer cette commutation aussitôt que possible dans la chaîne, ce qui, dans la pratique, signifie qu'on réalise le déclenchement périodique du faisceau d* électrons immédiatement 20 après qu'il a été formé, comme indiqué par les flèches GA visibles sur la fig. 1. On ne laisse passer le faisceau d'électrons par ce dispositif de déclenchement GA. que pendant une brève fraction seulement de chaque cycle du phénomène variable dont l'échantillon est le siège» Ce résultat peut être obtenu grâce à un générateur E 25 synchronisé avec le phénomène variable et produisant de courtes impulsions comme indiqué par le graphique inférieur visible sur la fig. 2, le graphique supérieur montrant un phénomène typique variant de façon répétitive. Ces impulsions peuvent être employées pour dlclenefrer périodiquement le faisceau de l'une de plusieurs 30 façons» C'est ainsi, par exemple, qu'un cylindre usuel du type Yehnelt ou une autre grille convenablement placée peut être polarisé négativement pour interrompre le faisceau et que des impulsions croissant par valeurs positives peuvent être appliquées à cette électrode pour effectuer la commutation et déclenoher le 35 faisceau à l'instant requis» La fréquence des impulsions est normalement égale à celle du phénomène variable mais peut, bien entendu, en être un sous-multiple» Entre les impulsions successives constituées d'électrons frappant l'échantillon S et produisant un signal dans le détecteur D, 69 09986 5 2007376 le faisceau sa aere. déplacé transversalement à l'échantillon sur une faible distance eit par conséquent» les apparaîtront sous la forme d'un train de points sur l'êc^m du t-abs à rayofc» cathodiques C, comme indiqué tes la. fig 0 3e_ Sepsaâsnt, tant 5 que 1&. fréquence du phénosèzte résmsr®mt ®st soffissssssnt élevée s ces points se chevauchent et* dsaa la pratique,, tm® iaage complète est formée pour un cycle de balayage eeEj>Xets e© qui met en évidence l'état de la zon® de l'échantillon baissé® à ua instant sélectionné du cycle du phénomène ré«mrswnto 3b s© qui concerne las 10 ,détaiJLs ®t la distribution spatiale» le pouvoir â© résolution est / celui d'un microscope électronique à ©xpl©ratisn pas1 faisceau c@&= tinu du type normal» La phase correspondant aux impulsions û® déelenehement péris-dique lié au phénomène variable est sUe-aêse rer.-fee variable, 15 œmme indiqué en EH daas la fîgs 1, pour permettre à l'utilisât©® d'observer l'image à us inotaBt désiré q&©ls®açî'&© &&. cycle» Le pouvoir de résolution âsns 1® tesaps» e*®©t=4i,«-dire l'aptitude à détecter des différences «ntr® des p@ints da eycle se terni--* vant à proximité immédiate les usa des gatres dépend de la préci-20 sion et de la durée des impulsions® Il sst sliffieiXe d'obtenir» h partir d'un générateur d'impulsiezs 1* impulsion; idéalisée, ree= tongulair# et étroite que montre le gaa^ttepo in^dslerar visible ccv-la fig. 2» pour de* fréquences de répétitien élevées de l'ordre & megaherz et, dans la pratiques on préfère coEaater 1© faisceau. 25 en l'interrompant et en le déclenchant grâce aux organes que aar« tre la fig» 4. Entre le canon à électrons @ et la première lentille Ij, on prévoit trne laœe £#®du® S grâ@® s l'utilisât."*, ! de plaques de déviation P» aiaxquelles une te&aisa. de déviation sinusoïdale simple est appliquée, on oblig® le fgisseau à une dé-30 viation sinusoïdale coa-ae indiqué pai? les traits iatarrompus vigi« bles sur la fig» 4» de façon qu'il ne passe "pas? la fente que pendant un bref instant, deux fois par eyele® L'impulsion résultante» présente des flancs avant et arrière raidss et9 si l'amplitude de déviation est rendue suffisamment grande par rapport à la largeur 35 de la fente I, l'impulsion peut avoir une durée très courte» En fait, la durée de l'Impulsion peut être modifiée en faisant varier l'amplitude, ce qui peut être un avantage quand il est nécessaire d'établir un équilibre entre le pouvoir de résolution (dans le temps et la puissance du signal» 40 On conçoit que la fréquence de la tais ion de déviation appliqué» 69 09986 6 2007376 aux plaques P sera normalement égale à la moitié de la fréquence âu phénomène récurrent* Bans us exemple typique, t® p&éaeaène variant-à une fréquence de 7 MHz a été examiné avee tme f^éfRônce de balayage d* image d'un 5 Her» at avec aae durée des isapslslssï© déclenchées d* 10 nanoseconde® f â© tell® sorte que l'imsg® sppamiseant sur l'écran du tube à rayons cathodiques était formé® â© sept millions de points produisant ensemble une iaag# spatialement continue de l*état de l'échantillon à un instant séleetlsmaé du cycle du phénomène varia-10 ble« L'Invention présente une '"eleur particulière dans l'examen de la distribution dynamique des tensions dans les éléments de circuits électriques, par exemple ûmm les dispositifs à semi-conduo-teurs et spécialement dans l®s éléments des circuits Intégrés micro-15 miniaturisés et dans les circuits d® commutation à grande vitesse* Elle peut e en effet f révéler t® eeafgerfeaisent dynamique et des diagrammes de tension imprévisibles ©t qui ne sont pas révélés par l'examen des diagrammes obterni® d®®® des conditions statiques. Le ©esaporteaent dynamique des filtres électro-mécaniques dans leurs 2© conditions de travail peut également être examiné® Si le phénomène à examifae? est une distribution de tensions, on peut prévoir une fera© particulièrement canvenabl© jîcwr le détecteur D telle que celle décrite dans la demande d® brevet déposée en Grande Bretagne sous le H® 300/69. 25 On conçoit que l'invention peut trouver son emploi pour étudier et rendre stationnaire n'importe quel phénomène à variation cyclique et se produisant de façon répétitive, capable de produire un signal de contraste détectable et pouvant être appliqué à un dispositif enregistreur. C'est ainsi» par exemple, que les vibrations 30 mécaniques se produisant à une échelle microscopique et des distributions de champ magnétique existant dans des conditions dynamiques peuvent être examinées, ainsi que des échantillons biologiques dont on étudie à la fois les oscillations mécaniques et lev emportement électrique ou bio-magnétique. Le détecteur D n'a d*ailleurs 35 pas besoin d'être un détecteur d'électrons mais il peut détecter n'importe quelle radiation capable de produire un signal de contraste en réponse à l'impact du faisceau d'électrons* 31 un graphique continu est nécessaire pour mettre en évidence la variation du phénomène cycllquo dans le temps, le faisceau peut 09986 7 2007376 être arrêté au niveau de n'importe quel point sélectionné de la zone balayée, après quoi le dispositif qui commande la phase de l'impulsion de déclenchement ou du signal de déviation par rapport au cycle, peut être déplacé sur la totalité de la bande pour mettre en évidence la forme d* onde apparaissant dans le dispositif enregistreur comme dans 1*oscilloscope d'échantillonnage. Les détails de réalisation peuvent être modifiés, sans s'écarter de l'invention, dans le domaine des équivalences techniques. 69 09986 2007376 REVENDICATIONS 1.- Procédé pour examiner des phénomènes à récurrence rapide et à variation répétitive apparaissant dans des échantillons, à l'aide d'un appareil à faisceau électronique, consistant à titre 5 caractéristique, à balayer l'échantillon à l'aide d'une sonde électronique selon une fréquence de ligne ou une fréquence d'image qui corresponde à une fraction de la fréquence de répétition du phénomène observé, à appliquer le signal résultant,variant dans le temps et capté à partir de cet échantillon, à un dispositif enre-10 gistreur tel qu'un tube à rayons cathodiques par exemple, qui est balayé en synchronisme avec le balayage du faisceau et à communiquer des impulsions au faisceau ou à le déclencher périodiquement en synchronisme avec le phénomène récurrent de telle sorte que le faisceau n'est transmis que pendant une brève période de temps 15 pendant chaque cycle ou groupe de cycles du phénomène. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau est déclenché périodiquement. 3.- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le faisceau traverse un système de lentilles placé entre le point 20 oïl il est produit et l'échantillon, le faisceau étant déclenché périodiquement avant qu'il n'atteigne ce système de lentilles. 4»- Procédé suivant la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que le déclenchement périodique du faisceau est assuré en le faisant dévier transversalement de manière cyclique 25 par rapport à une fente ménagée dans une plaque d » interruption du faisceau. 5.- Appareil pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un microscope électronique équipé d'un dispositif pour communiquer des impulsions à 30 ou déclencher périodiquement soit le faisceau incident frappant l'échantillon placé dans le microscope, soit un signal capté à partir de cet échantillon et utilisé pour former line image de sa eone balayée, un dispositif étant prévu pour synchroniser le déclenchement périodique ou les impulsions avec un phénomène variable inté-35 resaant l'échantillon et se reproduisant avec une fréquence supérieure à la fréquence de balayage du microscope. 6.- Appareil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de déclenchement périodique comprend des organes destinés à faire dévier le faisceau électronique transversalement par 40 rapport à une fente ménagée dans une plaque d * interruption^faisceau.