Brevet FR2464558A1 — publié le 19810306

"Microscope électronique à correction de faisceau automa- tique" L'invention concerne un microscope électronique qui est muni, rangés autour d'un axe optique, d'un systè- me de lentilles électroniques optiques, d'une lentille de stigmatisation, d'un dispositif pour balayer un objet par un faisceau d'électrons, ainsi que d'un détecteur pour dé- tecter les électrons passant à travers l'objet. Un tel microscope électronique est connu du bre- vot américain n0 3 833 811. Dans un microscope électroni- que décrit dans ce brevet américain, il est procédé un ba- layage d'un objet et à la détection des électrons qui pas- sent par cet objet. Sur la base de mesures effectuées sur une image obtenue de la sorte, on obtient des signaux pour régler le foyer de la lentille condenseur, et l'astigma- ti3ae de la lentille de stigmatisation. Les images enregis- trées par deux détecteurs distincts sont reproduites sur un monitor, tandis que du fait de corriger l'excitation des éUlments électroniques optiques les deux imagessant amenées à co!ncider, ce qui signifie le réglage optimal du faisceau d'électrons. Cette méthode est affectée par l'inconvénient que la personne utilisant le microscope doit toujours ajuster le courant de lentille et effectuer dans ce but les mesures indispensables. Dans la pratique cela signifie une perte de temps considérable, tandis que souvent durant une grande partie de ce temps, l'objet doit être irradié dans le seul but de régler les lentil- les. Par suite d'une contamination d'objet inévitable, il n'est généralement plus possible de procéder de façon op- timale à l'observation proprement dite. L'invention veut éliminer ces inconvénients et à cet effet, le microscope électronique du genre mention- né dans le préambule est remarquable en-ce que pour la mesure du mouvement d'une configuration d'intensité for- mée par le balayage d'une structure dans le plan de détec- tion située dans le plan d'objet, le détecteur comporte plusieurs éléments de détection dont il est possible de lire indépendamment l'information et qui en groupe de deux 24645;& peuvent être sélectionnés par un circuit électronique qui sur la base des signaux de détection, forme un signal de réglage servant à minimaliser la défocalisation et/ou l'astigmatisme du système électronique optique-. Etant donné que dans un microscope électronique conforme à l'invention, le réglage des lentilles intéres- sées et de la lentille de stigmatisation est optimalisé automatiquement de façon permanente, il n'est pas néces- saire d'imposer à l'objet des irradiations supplémentaires. Le détecteur formé par plusieurs éléments de détection est utilisé également pour la détection de signal propre- ment dite, et il n'est donc pas nécessaire d'ajouter au microscope électronique quelques élémentsanppplémentaires intervenant dans le réglage. En procédant de la sorte, on évite l'introduction d'imprécisions ou de signaux pertur- bateurs supplémentaires. Suivant un mode de réalisation préféré du mi- croscope électronique conforme à l'invention, le détec- teur comporte deux éléments de détection qui, à une cer- taine distance l'un de l'autre, sont situés dans une mê- me moitié de détect.ur et qui servent à la mesure d'un si- gnal constituant une mesure pour la défocalisation d'une lentille intéressée du système électronique optique. Suivant encore un autre mode de réalisation préférentiel du microscope électronique conforme à l'in- vention, le détecteur comporte plusieurs paires d'éléments de détection pour l'obtention de signaux qui constituent une mesure de l'astigmatisme dans le faisceau électroni- que et permettent de minimaliser l'astigmatisme par le réglage de la lentille de stigmatisation. De préférence, la correction de la défocalisa- tion et de l'astigmatisme a lieu automatiquement et si- multanément par l'emploi par exemple d'un microprocesseur qui est programmé dans ce but et auquel sont raccordés les éléments de détection, alors que sur la base des si- gnaux de détecteur qui lui sont présentés, ledit micro- processeur choisit la combinaison de signaux désirée à partir de laquelle il déduit des signaux de réglage pour procéder aux deux corrections. La description suivante, en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien com- prendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 représente de façon schématique un microscope électronique conforme à l'invention, muni d'un détecteur comportant plusieurs éléments de détection dont l'information peut être lue indépendamment pour chaque élément. La figure 2 montre un tel détecteur vu depuis le faisceau d'électrons incident. La figure 3 illustre de façon schématique un faisceau d'électrons affecté de défocalisation et d'as- tigmatisme. Un microscope électronique du genre que montre la figure 1 comporte une source d'électrons 1 avec une anode 2 et un système d'orientation de faisceau 3, une lentille condenseur 4, une lentille de stigmatisation 5, une lentille d'objectif 6, un système de balayage de faisceau 7, un espace d'objectif 8 avec un plan d'objec- tif 9, une lentille de diffraction 10, une lentille in- termédiaire 11, une lentille de projection 12, une came- ra photographique 13 ainsi qu'un détecteur 14 à ligne d'évacuation de signal 15. Tous ces constituants sont montés dans un bottier 16 muni d'une ligne d'admission 17 pour la source d'électrons, et d'un regard 18 pour étudier un écran fluorescent 19. Audit bottier on peut en outre raccorder une pompe à vide 20, une caméra à pla- ques photographiques 21 ainsi qu'un monitor de télévision 22. Le détecteur est encore raccordé à un circuit élec- tronique 23 auquel est raccordé un circuit de réglage 24 pour le système électronique optique, en particulier un circuit pour la lentille d'objectif 9 et la lentille de stigmatisation 5. Pour compenser uniquement la défocalisation qui, pour la clarté de l'exposé, est décrite ci-après en pre- mier lieu, le détecteur comporte au moins deux éléments de détection 30 et 31 tels que représentés sur la figure 2. Les éléments de détection 30 et 31 sont situés du même c8té d'une ligne de division d'un détecteur, li- gne qui est indiquée comme axe-y et qui correspond à la direction de trame d'une configuration de balayage de télévision suivant laquelle a lieu le balayage de l'objet. Par conséquent, un axe-y qui est transversal à l'axe-y coincide avec la direction de balayage de ligne de ladite configuration de balayage. Le réglage automatique de la défocalisation sur l'objet peut maintenant être préconisé de la façon suivante. A ce sujet, le balayage d'objet est considéré comme un mouvement que l'objet effectue par rapport à un faisceau d'électrons immobile. Dans le cas o une structure d'obJet se déplace à vitesse s transversalement au faisceau d'électrons sup- posé immobile et irradiant ladite structure, une configu- ration d'intensité qui se forme par interférence du fais- ceau d'électrons non perturbé se déplace alors avec un faisceau d'électrons dévié par la structure dans un plan de détection, à une vitesse v donnée par l'expression v = L.s.d. 1 Dans cette expression, L indique la distan- ce entre le foyer de faisceau et le plan d'image, ou par une distance équivalente dans le cas o des champs de len- tille se trouvent entre ledit foyer et le plan d'image. La distance de défocalisation d mesurée par rapport à la structure dans le plan d'objet est mesurée positivement en cas de sous focalisation et négativement dans le cas de sur-focalisation. En cas de sous-focalisation, le foyer se trouve au-delà de l'objet, et en sur-focalisation il se trouve devant l'objet, vu depuis la source d'électrons. L'expression donnée ci-dessus permet alors de constater que v est orienté dans le même sens que la direction de balayage s en cas de sousfocalisation, et orienté dans le sens opposé en cas de surfocalisation. Il est dans ce cas favorable si la structure d'une membrane de support pour l'objet toujours disponible fait office de structure en- gendrant la configuration d'intensité. Une méthode connue pour mesurer le mouvement d'une configuration d'intensité est la définition de la différence de temps entre les signaux de deux éléments de détection séparés par une certaine distance. Entre les signaux slet s2 de deux é6léments de détection 30, 31 séparés par une distance a dans la direction x, il existe par exemple une différen- ce de temps t (retard) donnée par la formule t=a.d.L-1 s 1 Du fait de mesurer t, on obtient pour a.d.L v1 ine valeur déterminée, tandis que dans le cas o a, L et v sont invariables, on obtient pour d une valeur qui, fouriie à un circuit de réglage pour une lentille inté- ress4e formant un spot et appartenant au système électro- nique optique, élimine la défocalisation. Une valeur optimale du retard entre les signaux sl et s2 peut être obtenue si, avec une valeur maximale dos fonctions de corrélation y = f s(t). s2(t+ at) et l'on détermine l'ampleur et le signe de la valeur corres- pondante A t. La valeur A t ainsi trouvée est alors une mesure du signal de correction. Il peut être favorable de réaliser le détecteur à l'aide de plusieurs éléments de d6tection à coupler en groupes de deux, les éléments de détection de chaque paire se trouvant toujours dans la mréme moitié de détecteur et étant séparés par une certai- ne distance dans la direction-x. Suivant un autre mode de réalisation préféren- tiel d'un microscope électronique conforme à l'invention, tant la défocalisation que l'astigmatisme du faisceau d6électrons sont éliminés à l'endroit du plan d'objet. A cet effet, le détecteur est formé de préférence par un ensemble matriciel d'éléments de détection pouvant être explorés distinctement et rangés par exemple de façon à former un ensemble orthogonal de 5 x 5 éléments. De façon entièrement analogue à ce qui est précisé ci-dessus, l'em- ploi d'un tel ensemble matriciel permet de choisir une paire d'éléments de détection pour l'obtention d'un signal compensant la défocalisation. Sur la figure 3, on a illustré un faisceau d'é- lectrons dans lequel se produit aussi bien un certain astigmatisme qu'une défocalisation à l'égard du plan d'objet. Transversalement à un axe optique 40 et par rapport à un système de coordonnées x, y, qui correspond aux directions de balayage du faisceau d'électrons sur l'objet, la direction de ligne correspondant à la direc- tion-x et la direction de trame correspondant à la direc- tion y, on a représenté sur ladite figure 3: dans un premier plan 41, une première.ligne focale m du faisceau astigmate, et dans un deuxième plan 42 une deuxième ligne focale n dudit faisceau. Les plans 41 et 42 se trouvent équidistants de part et d'autre d'un foyer 43 (section transversale la plus faible) du faisceau astigmate. Sur la figure, on a indiqué également un plan d'objet 44 et un plan de détection 45. Dans sa forme générale, l'astigmatisme d'un faisceau de rayonnement est caractérisé d'une part par un angle d'orientation des lignes focales orthogonales m et n, cet angle étant formé par exemple par rapport au système de coordonnées a, y, et d'autre part par une distance 2p entre les deux lignes focales m et A mesurée le long de l'axe optique. Des formules générales de l'as- tigmatisme, il découle que le mouvement de la configura- tion d'intensité, engendré par le balayage de l'objet dans le plan de détection-lors du balayage de l'objet suivant l'axe-x comme direction de balayage de ligne, a une composante dans la direction-y dans le cas o le fais- ceau d'électrons est affecté d'un astigmatisme orienté en oblique, donc si le système de coordonnées m, n ne coin- cide pas avec le système de coordonnées x, y. La configu- ration de mouvement dans le plan de détection peut servir également de critère de réglage pour la correction tant de la défocalisation que de l'astigmatisme. Sur la base de la formule générale de la configuration de mouvement, on peut alors déduire que dans le cas o l'objet est balayé le long de l'axe-x, la vitesse Ux dans la direc- tion-x et la vitesse Uy dans la direction-y dans le plan de déviation ont les valeurs suivantes: Ux = - Ls (d + p cos 20() (d2 _p2) Uy = - Ls p sin 2 X(d -p2) Sur la base de cette formule de mouvement, il est possi- ble de définir aussi bien la vitesse Ux que la vitesse Uy en utilisant des mesures de différences de temps dans la direction-x et dans la direction-y par rapport à des pai- res d'éléments de détection séparés par une certaine dis- tance. Comme première phase lors de la procédure de correction, on réalise maintenant une série de valeurs d consécutives (through focus series) du fait de varier pas à pas ou de façon continue l'excitation de la len- tille intéressée. L'équation de mouvement permet mainte- nant de se rendre compte que les signes de Ux et de Uy sont inversés simultanément pour les valeurs respectives d = dl = - I|p et d = d2 + Ipl. Pour d = d3 = -p cos 2Oc il se produit par contre uniquement une inversion de si- gne de Ux. Du fait de régler l'excitation de la lentille sur la valeur arithmétique moyenne des deux intensités de courant appartenant à l'excitation de lentilles pour les valeurs respectives d et d2, la focalisation optimale s'obtient avec d = 0. Dans un circuit de correction automatique com- mandé par un microprocesseur, il est intéressant d'utili- ser la relation linéaire entre d et le courant de len- tille, ainsi que le fait que tant IPI que p cos 2 d sont en relation directe avec les intensités de courant de lentille appartenant aux différentes valeurs d, et que le signe de d est en relation univoque avec le signe de Uy. La correction de l'astigmatisme peut avoir lieu en deux phases. Au cours d'une première phase, on ajoute un certain astigmatisme diagonal dans le but de faire coïncider l'orientation de l'astigmatisme, c'est-à-dire l'orientation du système de coordonnées m, n, avec le système de coordonnées x, y. A partir de la configuration de mouvement, on connaît l'ampleur de l'astigmatisme dia- gonal pour lequel, dans le but d'un contrôle supplémentai- re, il est possible d'utiliser l'inversion de signe de la vitesse Uy. Lorsque l'orientation de l'astigmatisme est amenée à coïncider avec l'orientation du système de coordonnées x, y les distances p sont réduites à zéro au cours d'une deuxième phase du fait d'ajouter un certain astigmatisme suivant l'axe x et à intensité égale à -p cos 2 dt., occasion à laquelle on peut, à titre de contrôle utiliser l'inversion du signe de la vitesse Ux. Après avoir procédé aux phases de correction successives le faisceau d'électrons est focalisé de façon optimale et exempt d'astigmatisme. La correction est programmable pour un circuit de microprocesseur et peut avoir lieu en permanence au cours de mesures normales. A cette occa- sion, il est possible d'utiliser la formation d'image à mesurer et cela sans influencer celle-ci d'une façon quel- conque. Une lentille intéressante permettant de procéder aux correctionsen question est décrite dans la publica- tion "J. Phys. D Appl. Physics", Volume 7, pages 805 à 814 parue en 1974. REVENDICATIONS 1. Microscope électronique qui est muni, rangés autour d'un axe optique, d'un système de lentilles élec- troniquos optiques, d'une lentille de stigmatisation, d'un dispositif pour balayer un objet par un faisceau d'élec- trons, ainsi que d'un détecteur pour détecter les électrons passant à travers l'objet, caractérisé en ce que pour la mesure du mouvement d'une configuration d'intensité formée par le balayage d'une structure dans le plan de détection située dans le plan d'objet, le détecteur comporte plusieurs Elémenits de détection dont il est possible de lire indépen- daement l'information et qui en groupe de deux peuvent être sélectionnés par un circuit électronique qui sur la base des signaux de détection, forme un signal de réglage servant à minimaliser la défocalisation et/ou l'astigmatisme du sys- tème électronique optique. 2. Microscope électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour la correction de la défoca- lisation, le détecteur comporte au moins deux éléments de correction qui, dans une direction correspondant à une di- rection de balayage de ligne du système de balayage de faisceau, sont situés à une certaine distance l'un de l'au- tre et du même c8té d'une ligne de division de détecteur transversale à ladite direction, alors qu'un signal de ré- glage formé par un circuit électronique commande une exci- tation pour une lentille formant un spot et appartenant au syotème électronique optique. 3. Microscope électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce que pour la correction de l'astigma- tirsme, le détecteur comporte plusieurs éléments de détec- tion qui en paires aussi bien dans une direction correspon- dant à la directiond balayage de ligne que dans une direc- tion transversale à cette direction, sont situés à une cer- taine distance l'un de l'autre, alors qu'à l'aide de signaux de détection fournis par des paires d'éléments de détection est formé un signal de réglage pouvant être fourni à une lentille de stigmatisation du système électronique optique. 4. Microscope électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que pour dé- terminer un retard entre des signaux de deux éléments de détection d'une même paire, il est défini une valeur maxi- male pour une fonction de corrélation temporaire entre les deux signaux, tandis qu'un retard appartenant à ladite va- leur maximale est considéré comme une mesure du-signal de correction. 5. Microscope électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le détec- teur est formé par un ensemble matriciel orthogonal d'élé- ments de détection dont le système de coordonnées corres- pond au système de coordonnées de la configuration de ba- layage de faisceau de l'objet. 6. Procédé pour corriger la défocalisation et/ou l'astigmatisme dans un microscope électronique, caractérisé en ce qu'à l'aide d'un détecteur comportant plusieurs élé- ments de détection dont l'information peut être lue distinc- tement, il est mesuré le mouvement d'une configuration d'in- tensité qui se forme dans un plan de détection par le ba- layage d'une structure dans un plan d'objet, tandis que des paires de signaux fournis par les éléments de détection sont déduits des signaux pour la correction de la défocali- sation et de l'astigmatisme. 7- Procédé selon la revendication-1, caractérisé en ce que pour engendrer la configuration d'intensité, on utilise une membrane support pour un objet.