DE102008064696B4

DE102008064696B4 - Teilchenoptische Vorrichtung mit Magnetanordnung und ihre Verwendung zum Abbilden oder Beleuchten

Info

Publication number: DE102008064696B4
Application number: DE102008064696.2A
Authority: DE
Inventors: Dr. Preikszas Dirk; Dr. Steigerwald Michael; Daniel Tobias; Dr. Eisele Andreas; Momme MOMMSEN; Dr. Dönitz Dietmar; Dr. Hendrich Christian
Original assignee: Carl Zeiss NTS GmbH; Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2008-12-23
Filing date: 2008-12-23
Publication date: 2022-01-27
Anticipated expiration: 2028-12-24
Also published as: US8063364B2; NL2010435C2; NL2010433C2; JP2015072917A; DE102008062888B4; US20100155597A1; DE102008062888A1; NL2010432C2; JP2010153382A; NL2010433A; NL2010435A; JP5856276B2; NL2003998A; JP5653613B2; NL2003998C2; NL2010432A; DE102008064696A1

Abstract

Teilchenoptische Vorrichtung, umfassend:
eine Teilchenquelle (1) zur Erzeugung wenigstens eines Strahls geladener Teilchen,
eine Magnetanordnung mit zwei Polplatten (25), welche mit Abstand voneinander angeordnet sind, so dass der Strahl geladener Teilchen im Betrieb zwischen den beiden Polplatten (25) hindurchtritt, wobei in den Polplatten (25) Gräben (21) vorgesehen sind, in welchen Spulendrähte (26) angeordnet sind, und zwei Isolatorschichten (48),
gekennzeichnet durch
zwei Schichten (46) aus einem elektrisch leitenden und unmagnetischem Material, welche zwischen den beiden Polplatten (25) angeordnet sind und sich beiderseits des Strahls geladener Teilchen erstrecken,
wobei die zwei Schichten (46) jeweils von einer der zwei Isolatorschichten (48) getragen werden, wobei
die Isolatorschichten (48) einstückig ausgebildet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine teilchenoptische Vorrichtung, und insbesondere ein Elektronenmikroskop, mit einer Magnetanordnung, sowie deren Verwendung zum teilchenoptischen Beleuchten oder Abbilden eines Objekts.
Bei einem Elektronenmikroskop wird zur Untersuchung eines Objektes ein Primärelektronenstrahl auf ein zu untersuchendes Objekt gerichtet, und von dem Objekt ausgehende Elektronen werden als Sekundärelektronenstrahl zu einem Detektor geführt und nachgewiesen.
Bei Elektronenmikroskopen besteht ein Bedarf danach, einen Primär- und/oder Sekundärelektronenstrahl in präziser Weise abzulenken, z. B. um einen Winkel von 10° oder größer; oder einen Elektronenstrahl von einem entgegenlaufenden Elektronenstrahl zu separieren, um diese Strahlen unabhängig voneinander manipulieren zu können. Bei einem in 180°-Reflexion arbeitenden Elektronenmikroskop, oder einem Elektronenmikroskop mit Spiegelkorrektor bedeutet das, dass beide Strahlen ein umlenkendes Feld einer Strahlweiche passieren müssen.
Zur Strahlführung werden Magnetfelder eingesetzt, an die bei Präzisionsgeräten hohe Anforderungen hinsichtlich ihrer Homogenität, Stabilität und Randeffekte gestellt werden. Zur Erzeugung dieser Magnetfelder können Metallplatten mit hoher magnetischer Leitfähigkeit, meist aus Eisen-Nickel-Legierung, in einem festen Abstand als Polplatten einander gegenübergestellt werden. In die Oberflächen der Polplatten sind Spulen eingelassen, die mit einem Stromfluss erregbar sind. Auf den von den Spulendrähten umschlossenen Flächen entsteht dann zwischen den Polplatten ein in guter Näherung homogenes Magnetfeld. Eine solche Vorrichtung ist aus der Deutschen Patentschrift DE 102 35 981 B4 bekannt.
Die Anforderungen an die Stabilität und Genauigkeit der Polplattengeometrie sind enorm, insbesondere für die oben erwähnten Elektronenmikroskope mit Spiegelkorrektor.
Die Druckschrift JP 2007 - 207 467 A offenbart einen Energiefilter mit großen Lücken, in denen Spulen angeordnet sind, während ein magnetostatischer Bereich gegebener Länge entlang einer Flugbahn geladener Teilchen sichergestellt wird. Dies wird erreicht, indem die Länge eines Kerns entlang der Flugbahn kürzer als die eines Polstücks ist und indem die Lücken größer als ein Querschnitt eines die Spulen ausmachender Schleifen-ähnlichen Metallleiters ausgebildet ist, sodass Spulen mit einer hohen Strombelastbarkeit angeordnet werden können, ohne mit dem Polstück oder dem Kern in Kontakt zu kommen, und gleichzeitig Zerstreuung von an den Spulen erzeugter Wärme vorgebeugt werden kann.
Aus der Druckschrift US 6 483 110 B1 ist eine Magnetanordnung mit zwei Polschuhen bekannt, in deren Oberflächen Spulengräben mit darin angeordneten Spulendrähten ausgebildet sind. Diese bekannte Anordnung ist gattungsgemäß.
Die Druckschrift US 2004 / 0 084 629 A1 offenbart eine magnetische und elektrostatische Fokussierlinse mit zwei konischen Polschuhen, zwischen denen ein enger Ringspalt vorhanden ist.
Aus der Druckschrift US 5 736 743 A ist ein Ionenimplantationssystem mit einem zwischen zwei Magnet-Polschuhen angeordneten Aluminiumrohr als Ionenstrahlführung und -filter bekannt.
Die Druckschrift US 3 394 254 A offenbart eine röhrenförmige Magnetlinse mit einer von einer Spule umhüllten Kupferröhre.
Aus der Druckschrift JP H11 - 54080 A ist ein Ionenimplantationssystem mit einem Permanentmagneten und einem Elektromagneten mit zwei Polplatten bekannt.
Die Druckschrift US 2004 / 0 211 914 A1 offenbart eine permanentmagnetisch unterstützte elektrostatische Linse für einen Strahl geladener Teilchen.
Die bei der Erregung der Spulen entstehende Wärme wird herkömmlich durch die Polplatten abgeführt. Es wurde nun gefunden, dass dadurch dort Temperaturgradienten auftreten, die die Geometrie der Polplatten beeinflussen. Zudem können Temperaturdriften entstehen, wenn die Erregungsstärke der Spulen geändert werden muss. Durch diese Einflüsse treten unerwünschte Variationen des Ablenkfeldes auf.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine teilchenoptische Vorrichtung bereitzustellen, die die Nachteile der bekannten Vorrichtungen vermeidet.
Die Erfindung geht aus von einer teilchenoptischen Vorrichtung, welche umfasst:

- eine Teilchenquelle zur Erzeugung wenigstens eines Strahls geladener Teilchen,
- eine Magnetanordnung mit zwei Polplatten, welche mit Abstand voneinander angeordnet sind, so dass der Strahl geladener Teilchen im Betrieb zwischen den beiden Polplatten hindurchtritt, wobei in den Polplatten Gräben vorgesehen sind, in welchen Spulendrähte angeordnet sind, und
- zwei Isolatorschichten.

Allgemein beruht das hier vorgestellte Konzept darauf, die Wärmeentwicklung in den Spulen zu verringern und/oder zu stabilisieren und/oder den Wärmeübergang von den Spulen in die Polplatten zu verringern.
Unter einem ersten Aspekt wird eine teilchenoptische Vorrichtung gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen, bei der die Isolatorschichten zwei Schichten aus einem elektrisch leitenden und unmagnetischem Material tragen, welche zwischen den beiden Polplatten angeordnet sind und sich beiderseits des Strahls geladener Teilchen erstrecken, wobei die zwei Schichten jeweils von einer der zwei Isolatorschichten getragen werden, wobei die Isolatorschichten einstückig ausgebildet sind.
Als ein erstes Beispiel wird eine teilchenoptische Vorrichtung vorbeschriebenen Art vorgeschlagen, bei der die Spulengräben in Bereichen der Oberfläche der Polplatte eine kleinere Breite aufweisen als in Bereichen, welche mit Abstand von der Oberfläche angeordnet sind.
Hierdurch steht für den Gesamt-Leiterquerschnitt der Spulendrähte mehr Platz zur Verfügung, ohne dass die teilchenoptischen Eigenschaften der Polplatten, die wesentlich durch deren Oberflächenkontur bestimmt werden, merklich verschlechtert sind. Für denselben Erregerstrom reduziert sich durch den größeren Leiterquerschnitt und den entsprechend geringeren Widerstand die Wärmeentwicklung.
Die Erweiterung des Grabenquerschnitts kann nach innen, nach außen oder zu beiden radialen Richtungen in Bezug auf die Leiterschleife erfolgen.
Als ein zweites Beispiel wird eine Vorrichtung mit einem Spulenträger vorgeschlagen, an welchem die Spulendrähte gehaltert sind, wobei zwischen dem Spulenträger und der Polplatte ein Spalt vorgesehen ist.
Diese Anordnung verringert den Wärmeübergang von den Spulendrähten auf die Polplatten durch Wärmeleitung, vor allem dann, wenn sich die Polplatten und die Spulen im Vakuum befinden. Die Wärmeabfuhr von den Spulen kann an den Polplatten vorbei bzw. durch in ihnen ausgebildete Löcher hindurch erfolgen, z. B. mittels sich durch die Löcher erstreckende Säulen aus wärmeleitendem Material.
Mit einer solchen Anordnung kann erreicht werden, dass die entstehende Wärme unter Umgehung der Polplatten zu einer Kühleinrichtung geleitet wird.
Als ein drittes Beispiel wird eine Vorrichtung mit zwei Schichten aus einem elektrisch leitenden und unmagnetischen Material vorgeschlagen, welche zwischen den beiden Polplatten angeordnet sind und sich beiderseits des Strahls geladener Teilchen erstrecken.
Damit kann für den Teilchenstrahl eine Umgebung bereitgestellt werden, die auf Hochspannung legbar ist, während die Probe und die Spulen auf Erd- oder erdnahem Potenzial liegen. Bei einfacher Stromversorgung der Spulen können z. B. Teile der Probe während des Betriebs mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden, und die Elektronenenergie an der Probe ist variabel. Die nominale Elektronenenergie zwischen den Polplatten bleibt aber konstant, mithin auch das zur Ablenkung erforderliche Magnetfeld und damit der Erregerstrom der Spulen. Daraus folgt, dass der restliche Wärmeeintrag durch Verlustwärme der Spulen in die Polplatten (z. B. durch Wärmestrahlung) konstant bleibt und somit Temperaturdriften reduziert sind.
Als ein viertes Beispiel wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der die Spulendrähte gegenüber den Polplatten hochspannungs- und wärmeisoliert und letztere auf höherem elektrischem Potenzial liegen als die Spulendrähte.
Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass einerseits die Spulendrähte keinen thermischen Schwankungen unterliegen, andererseits der Wärmeeintrag in die Polplatten gering ist. Diese Ausgestaltung kann mit der Maßnahme nach dem ersten Beispiel kombiniert sein, so dass der vermehrte Platzbedarf im Spulengraben nicht zu einer Querschnittsverminderung der Spulendrähte führt.
Allgemein können alle hier vorgeschlagenen Maßnahmen untereinander kombiniert werden.
Als ein fünftes Beispiel wird eine Vorrichtung mit einem Dauermagneten vorgeschlagen, welcher innerhalb der auf die Strahlebene projizierten Spulenanordnung angeordnet ist.
Mit einer solchen Anordnung kann erreicht werden, dass der Hauptanteil des zu erzeugenden Magnetfelds durch den Dauermagneten bereitgestellt wird, während nur ein vergleichsweise geringerer Teil durch die Spulenanordnung bereitgestellt wird. Damit reduziert sich der Stromfluss durch die Spulen und somit auch der Wärmeeintrag in die Polplatten, und demzufolge auch der Einfluss auf die Polplattengeometrie.
Es wird ein Material für den Dauermagneten benutzt, dessen magnetische Flussdichte besonders wenig von der Temperatur abhängt. Diese geringe Temperaturabhängigkeit kann mittels einer Steuerung kompensiert werden, die z. B. die Temperatur misst und die Spulen mit einem entsprechenden Korrekturstrom beaufschlagt, wie es z. B. in dem Deutschen Patent DE 102 35 455 A1 beschrieben wird.
Unter einem zweiten Aspekt wird eine Verwendung der erfindungsgemäßen teilchenoptischen Vorrichtung zum teilchenoptischen Beleuchten und/oder Abbilden eines Objektes vorgeschlagen.
Die teilchenoptische Vorrichtung ist hierbei nicht auf Elektronen beschränkt, vielmehr können als geladene Teilchen auch Ionen, Myonen oder andere zum Einsatz kommen. Eine bevorzugte Anwendung der teilchenoptischen Vorrichtung liegt allerdings im Bereich der Elektronenmikroskopie.
Hier kann die teilchenoptische Vorrichtung in verschiedenen Typen von Elektronenmikroskopen eingesetzt werden. Diese umfassen zum einen solche, bei denen der Primärelektronenstrahl ein sondenformender Strahl ist, welcher auf vorbestimmte Orte des Objekts fokussiert wird, insbesondere auf in zeitlicher Folge verschiedene Orte, und bei denen eine Sekundärelektronenintensität integral, d. h. nicht örtlich aufgelöst erfasst wird. Diese Mikroskoptypen sind in der Fachwelt als SEM („scanning electron microscope“) bekannt. Zum anderen umfassen diese Typen Elektronenmikroskope mit einem ortsauflösenden Detektor, auf welchen ein ausgedehnter Bereich des Objekts, der simultan und im Wesentlichen gleichmäßig von dem Primärelektronenstrahl ausgeleuchtet wird, abgebildet wird. Diese Mikroskoptypen sind in der Fachwelt unter anderem als LEEM („low-energy electron microscope“), SEEM („secondary electron emission microscope“) oder TEM („transmission electron microscope“) bekannt.
Nachfolgend werden Einzelheiten der Erfindung anhand der in den Figuren beschriebenen Beispiele erläutert:

1 zeigt schematisch ein bekanntes Elektronenmikroskop vom SEM-Typ;
2 zeigt schematisch eine Anordnung von Feldbereichen der Strahlweiche gemäß 1;
3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Feldbereich der in den 1 und 2 gezeigten Strahlweiche mit einem Beispiel einer Stromleiteranordnung;
4 zeigt schematisch zwei weitere mögliche Magnet- und Spulenanordnungen;
5a zeigt schematisch eine Magnetanordnung für eine teilchenoptische Vorrichtung;
5b zeigt schematisch eine zu der Magnetanordnung der 5a ähnliche Anordnung;
5c zeigt schematisch eine zu den Magnetanordnungen der 5a und 5b ähnliche Anordnung;
6a zeigt schematisch eine Aufsicht auf eine Magnetanordnung für eine teilchenoptische Vorrichtung;
6b zeigt schematisch eine Querschnittsansicht zu der Aufsicht von 6a entlang der Linie A-A;
7 zeigt schematisch eine Magnetanordnung für eine teilchenoptische Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8 zeigt schematisch eine Magnetanordnung für eine teilchenoptische Vorrichtung; und
9 zeigt schematisch eine Magnetanordnung für eine teilchenoptische Vorrichtung.

Die in den 5 bis 9 gezeigten Maßnahmen können in Beispielen miteinander kombiniert sein.
Die Funktionsweise eines Elektronenmikroskops vom SEM-Typ wird in 1 veranschaulicht. Das Elektronenmikroskop 100 weist eine Teilchenquelle 1 mit einem der Teilchenquelle 1 in Strahlrichtung nachfolgenden Strahlbeschleuniger 2 auf. Nach Passieren des Strahlbeschleunigers werden die Teilchen auf das Potenzial des äußeren Strahlführungsrohrs 3 beschleunigt. In diesem Bereich sind eine magnetische Kondensorlinse 4 und ein dieser nachfolgender Stigmator 5 vorgesehen. Auf den Stigmator 5 folgt eine erste elektrostatische Immersionslinse 6a, durch die die Elektronen auf eine andere kinetische Energie, die des inneren Strahlführungsrohrs 7, beschleunigt bzw. abgebremst werden können. Im Bereich des inneren Strahlführungsrohrs 7 ist die Strahlweiche 8 mit den Magnetsektoren 8a bis 8c angeordnet. Der Strahlweiche 8 folgt eine zweite elektrostatische Immersionslinse 6b, durch die die Elektronen auf die Energie des Objektiv-Strahlrohrs 9 abgebremst oder beschleunigt werden. Daran anschließend folgt in Strahlrichtung ein Multipol-System mit Zwölfpol-Elementen 11, 13 und Einfach-Ablenksystemen 10, 12, 14 sowie das dicht vor dem Objekt 15 angeordnete Objektiv 16 mit einer Beugungsebene 17. Durch das Objektiv 16 wird der einfallende Elektronenstrahl in die Brennebene 18 des Objektivs 16 fokussiert. Dabei kann das Objektiv 16 als rein magnetische Objektivlinse oder als Kombination aus einer solchen mit einer elektrostatischen Immersionslinse ausgebildet sein. Im letzteren Fall wird die Immersionslinse dadurch gebildet, dass das Objektiv-Strahlrohr 9 innerhalb des Objektivs 16 auf Höhe des Polschuhspaltes oder dahinter endet und die Elektronen nach Austritt aus dem Objektiv-Strahlrohr auf das Potenzial des in der Nähe der Brennebene 18 des Objektivs 16 angeordneten Objekts 15 abgebremst werden.
Das Paar von Immersionslinsen 6a, 6b ermöglicht auch, Variationen in der Elektronenenergie so zu kompensieren, dass der durch die Strahlweiche 8 tretende Elektronenstrahl im Wesentlichen eine konstante Energie hat.
Die durch die Wechselwirkung des Primärelektronenstrahls mit dem Objekt 15 entstehenden Sekundärelektronen werden durch das höhere Potenzial des Objektiv-Strahlrohrs 9 wieder zurückbeschleunigt und durchlaufen den Strahlengang zwischen Objektiv 16 und Strahlweiche 8 in umgekehrter Richtung. Aufgrund der umgekehrten Bewegungsrichtung werden die Elektronen im Magnetsektor 8c in entgegengesetzter Richtung umgelenkt, so dass sie von dem Primärelektronenstrahl räumlich getrennt werden. Mittels eines im umgelenkten Seitenarm der Strahlweiche folgenden Detektors 20 können die Sekundärelektronen detektiert werden. Durch eine vorgeschaltete elektrostatische Linse 19 ist durch Anlegen unterschiedlicher Potenziale eine Diskriminierung hinsichtlich von Energien der von der Probe kommenden Elektronen, insbesondere nach Spiegel-, Rückstreu- sowie verschiedenen Arten von Sekundärelektronen, möglich.
2 veranschaulicht die Anordnung der Strahl- und Feldbereiche in der Strahlweiche 8. Diese Strahlweiche 8 besteht aus insgesamt drei Magnetsektoren 8a, 8b, 8c mit jeweils hinsichtlich der Richtung einheitlich gekrümmten einschließenden Stromleitern (nicht gezeigt) in für diese vorgesehenen Leiterführungen 21a, 21b, 21c. Die beiden äußeren Sektoren 8a, 8c können hierbei einen identischen Aufbau aufweisen, es reicht aber aus, wenn diese Symmetrie in den vom Primärelektronenstrahl durchsetzten Strahlbereichen besteht. Die Richtung der Magnetfelder Ba und Bc, bevorzugt auch ihre Stärke, ist dabei in diesen äußeren Sektoren 8a, 8c gleich, wogegen das Magnetfeld Bb des inneren Sektors 8b eine dazu entgegengesetzte Richtung aufweist. Der innere Magnetsektor 8b ist in sich symmetrisch ausgebildet und zur durch Strichelung in 2 angedeuteten Ebene 23 symmetrisch angeordnet. Damit sind die Feldbereiche einschließlich der feldfreien Bereiche, und damit die vom Strahl durchsetzten Strahlbereiche zur Ebene 23 symmetrisch angeordnet. Außerdem sind die Magnetfelder alle parallel bzw. antiparallel, so dass der Primärelektronenstrahl die Strahlweiche 8 koplanar, nämlich in einer Strahlebene 24 (siehe 3) durchläuft. Die 2 stellt also eine Projektion auf die Strahlebene 24 dar.
Durch die Strahlumlenkung im Inneren der Strahlweiche 8 resultiert in diesem Beispiel eine Strahlumlenkung um etwa 90° zwischen der ersten und zweiten Strahlachse BA1, BA2.
3 verdeutlicht den prinzipiellen Aufbau der Magnetsektoren 8a, 8b, 8c. Diese Figur entspricht einer Schnittdarstellung des in 2 gezeigten Magnetsektors 8a etwa entlang der Schnittlinie (III-III). Gezeigt sind die Polschuhe 25 und das in der Leiterführung 21 angeordnete Spulenpaar 26 sowie Trimmspulenpaare 27, die der Feinjustage dienen. Im von den Spulen 26 umschlossenen Raum bildet sich das Magnetfeld Ba aus. Nicht gezeigt sind Joche, die die Polschuhe 25 außerhalb des vom Stromleiter umschlossenen Bereichs magnetisch verbinden und für den Schluss der Magnetfeldlinien notwendig sind. Außerdem definieren die Joche den Polschuhabstand. Polschuhe 25 und Joche können aus Weicheisen, Ferrit, einer Eisen-Nickel-Legierung oder aus einem anderen magnetischen Material bestehen. Die Spulendrähte können aus einer gut leitenden Kupferlegierung bestehen.
4 veranschaulicht zwei alternative Ausgestaltungen der Polschuhe, wobei funktionell entsprechende Komponenten mit gleichen Ziffern wie oben, aber nachgestellten Kleinbuchstaben bezeichnet sind: Im oberen Teil dieser Darstellung ist eine schüsselförmige Polplatte 25a" mit einer Polinsel 25a' gezeigt, zwischen denen die Spule 26a angeordnet ist. Die Oberfläche der Polplatte ist mit 34 bezeichnet. Die Polplatte 25a" und die Polinsel 25a' sind so zusammengefügt, dass zwischen ihnen ein ausreichender magnetischer Schluss besteht und sie gemeinsam den Polschuh bilden. In ähnlicher Weise ist im unteren Teil der Darstellung von 4 eine Variante gezeigt, in der der Polschuh aus einer Polinsel 25a', einer ringförmigen Polplatte 25b" sowie einer Rückplatte 28 gebildet ist, zwischen denen wiederum die Spule 26a angeordnet ist.
In dem Beispiel gemäß 5a weist die Polplatte 25c in ihrem zentralen Bereich einen Poldeckel 30c auf, der den Spulengraben 21c von innen her teilweise überdeckt, so dass nur die Außenwand 32 desselben aus einem einteiligen Stück der Polplatte 25c gebildet ist. Dadurch ist die Breite B1 des Grabens an der Oberfläche 34c der Polplatte 30c geringer als die Breite B2 des Grabens unterhalb der Oberfläche 34c. Die Breiten B1 wie auch B2 können entlang des Umfangs der Pole variieren.
Analog weist in dem Beispiel gemäß 5b die Polplatte 25d in ihrem peripheren Bereich einen ringförmigen Poldeckel 31d auf, der den Spulengraben 21d von außen her teilweise überdeckt, so dass nur die Innenwand 33 desselben aus einem einteiligen Stück der Polplatte 25d gebildet ist. Dadurch ist die Breite B1 des Grabens an der Oberfläche 34d der Polplatte wiederum geringer als die Breite B2 des Grabens unterhalb der Oberfläche 34d. Die Breiten B1 wie auch B2 können auch in diesem Beispiel entlang des Umfangs der Pole variieren.
In dem Beispiel gemäß 5c sind die Beispiele nach 5a und 5b kombiniert: Die Polplatte 25e trägt sowohl in ihrem peripheren Bereich einen ringförmigen Poldeckel 31e, als auch in ihrem zentralen Bereich einen inselförmigen Poldeckel 30e, die den Spulengraben 21e von innen und außen her teilweise überdecken, so dass weder die Innenwand 33e noch die Außenwand 32e desselben aus einem einteiligen Stück der Polplatte 25e gebildet ist. Dadurch ist die Breite B1 des Grabens an der Oberfläche 34e der Polplatte um noch mehr geringer als die Breite B2 des Grabens 21e unterhalb der Oberfläche 34e. Die Breiten B1 wie auch B2 können entlang des Umfangs der Pole variieren.
In der Aufsicht auf das Beispiel gemäß 6a ist dargestellt, wie zusätzlich zu einer Durchführung 36 für die Spulendrahtzuleitung mehrere Durchgangslöcher 38 für Säulen eines Spulenträgers (siehe 6b) in der Sohle des Spulengrabens 21f verteilt sind. Die Zahl dieser Durchgangslöcher 36 beträgt z. B. 3 bis 9 oder 5 bis 7.
Aus der zugehörigen Querschnittansicht gemäß 6b wird deutlich, dass die Spulendrähte 26f auf einem ringförmigen bzw. einen überwiegend geschlossenen Ring bildenden Spulenhalter 40' mit z. B. L-förmigem Profil befestigt sind. Dieser Ring 40' ist seinerseits auf mehreren Säulen 40" aus die Wärme gut ableitendem Material, z. B. aus Kupfer oder Aluminium, aufgeständert. Zwischen dem Spulenhalter 40' und den Säulen 40" einerseits, und der Polplatte 25f andererseits, ist ein Spalt 41 ausgebildet, der verhindert, dass ein direkter Wärmeübergang auf die Polplatte 25f stattfindet. Über die Säulen 40" wird die Wärme auf einen gemeinsamen, z. B. plattenförmigen Sockel 42 geleitet. Es ist auch möglich, hier nicht gezeigte aktive Kühlvorrichtungen, z. B. eine Wasser- oder Luftkühlung, oder ein Peltierelement vorzusehen. Die Anordnung zur Spulenhalterung 40', 40", 42 wird an einer rückwärtigen Position durch ein wärmeisolierendes Abstandsstück 44 in der vorgesehenen Relativposition zur Polplatte 25f gehalten.
Die vorstehenden Modifikationen betreffen im weiteren Sinn die Platten- oder Grabengeometrie. Unabhängig von, oder in Kombination mit den bereits genannten Modifikationen, betrifft die folgende Ausführung die elektrische Konfiguration: Gemäß 7 ist zwischen den Polplatten 25g, die hier beispielhaft in der Grundversion gemäß 3 dargestellt sind, eine Doppelschicht 46 aus einem elektrisch leitenden, aber nichtmagnetischen Material, z. B. aus einer dünnen Kupfer- oder Goldschicht angeordnet. Eine Obergrenze für die maximal erlaubte relative magnetische Permeabilität ist µ_r < 1,01. Die Schicht aus dem Material soll ferner hinreichend elektrisch leitfähig sein, dass sie sich nicht auflädt. In der Ausführungsform gemäß 7 werden die elektrisch leitenden Schichten 46, zwischen denen der Teilchenstrahl hindurchtritt, jeweils von einer Isolatorschicht 48 getragen, die den Raum zwischen den Schichten 46 und der jeweils benachbarten Polplatte 25g überwiegend oder ganz ausfüllt. Die Isolatorschichten 48 sind einstückig ausgebildet, wobei nur Eintritts- und Austrittslöcher für die Teilchenstrahlen darin ausgebildet sind; diese Konfiguration vermeidet ansonsten erforderliche Kriechstrecken, da zwischen der Doppelschicht 46 und den Polplatten 25g eine Hochspannung angelegt werden soll. Dabei kann der Isolator aus einem massiven Block durch Aushöhlen zur einer sogenannten Strahlbüchse geformt werden. Alternativ kann der Hohlblock z. B. mittels Rapid Prototyping direkt in der gewünschten Form aufgebaut werden. In beiden Fällen werden Oberflächenpaare vermieden, die etwa beim Zusammenschrauben aus Teilstücken unvermeidlich sind und Überschlagsstrecken darstellen könnten. Die Schichten 46 bilden zusammen mit einer stirnseitig für den Teilchenstrahl durchlässigen Mündung die Strahlbüchse 45, innerhalb derer sich die Teilchen auf einem definierten elektrischen Potenzial befinden.
In 8 ist eine Variante dargestellt, bei der die Spulenwicklung 26h als Ganzes von einer elektrisch und wärmeisolierenden Isolatorschicht 50 umgeben sind, so dass letztere den Raum im Spulengraben 21h außerhalb der Spulenwicklung 26h fast gänzlich ausfüllt. In diesem Beispiel ist die Polplattengeometrie von 5c zu Grunde gelegt, um möglichst viel Platz für die Isolierung und gleichzeitig einen möglichst großen Leiterquerschnitt für die Spulendrähte 46h bereitzustellen. Auch andere Polplattentypen als jene mit einem ringförmigen Poldeckel 31h und einem inselförmigen Poldeckel 30h sind anwendbar. Bei dieser Anordnung kann die Spule auf ein anderes Potenzial als die Polplatte gelegt wurden; zudem ist der Wärmeübergang reduziert. Dass in Folge dessen die Spule sich umso stärker erwärmt, da die Polplatte als Wärmesenke entfällt, ist für die Konstanz und Präzision des Magnetfelds unkritisch, zumindest solange ein Toleranzspalt 51 zwischen der Isolierung 50 und der Wand 33h des Spulengrabens 21h verbleibt, oder die Isolierung 50 kompressibel ist. Die Spule leitet hier den Großteil der im Betrieb erzeugten Wärme durch die Spulendrähte ab.
Eine weitere Möglichkeit ist in der 9 dargestellt: Unterhalb einer Polinsel 52, also einer Platte aus magnetischem Material, die an ihrem Umfang an den Spulengraben grenzt, ist hierbei ein Permanentmagnet 54 angeordnet, der einen Großteil des benötigten magnetischen Flusses bereitstellt. Die Spulendrähte 46i werden im Betrieb von einem erheblich geringeren Strom durchflossen, als bei gleichem Magnetfeld in den bisher beschriebenen Beispielen, da sie nur einen untergeordneten Anteil der Gesamtmagnetfeldstärke beitragen. Da der Dauermagnet 54 erstens nicht auf eine genaue Magnetfeldstärke eingestellt werden kann, und andererseits sein Feld - wenn auch geringfügig - von der Temperatur abhängig ist, ist in diesem Beispiel ein Temperatursensor 55 vorgesehen, dessen Ausgangssignal dazu verwendet wird, mittels einer Steuerung 56 und eines Reglers 57 die Versorgungsspannung DC der Spulen 26i einzustellen, so dass Feldschwankungen kompensiert werden. Eine Stromversorgung für die Spulen ist auch in den oben beschriebenen Beispielen vorgesehen; ebenso kann jeweils ein Regler vorgesehen sein.
Zusammengefasst werden Systeme bereitgestellt, mit denen die Wärmeentwicklung in den Spulen und/oder der Wärmeübergang von den Spulen in die Polplatten verringert und/oder stabilisiert werden kann. Der Fachmann wird erkennen, dass von den oben vorgestellten Lösungen Abweichungen möglich sind, die dennoch von den nachfolgenden Ansprüchen umfasst sind.

Claims

Teilchenoptische Vorrichtung, umfassend: eine Teilchenquelle (1) zur Erzeugung wenigstens eines Strahls geladener Teilchen, eine Magnetanordnung mit zwei Polplatten (25), welche mit Abstand voneinander angeordnet sind, so dass der Strahl geladener Teilchen im Betrieb zwischen den beiden Polplatten (25) hindurchtritt, wobei in den Polplatten (25) Gräben (21) vorgesehen sind, in welchen Spulendrähte (26) angeordnet sind, und zwei Isolatorschichten (48), gekennzeichnet durch zwei Schichten (46) aus einem elektrisch leitenden und unmagnetischem Material, welche zwischen den beiden Polplatten (25) angeordnet sind und sich beiderseits des Strahls geladener Teilchen erstrecken, wobei die zwei Schichten (46) jeweils von einer der zwei Isolatorschichten (48) getragen werden, wobei die Isolatorschichten (48) einstückig ausgebildet sind.
Teilchenoptische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gräben (21), gesehen im Schnitt quer zu ihrer Erstreckungsrichtung, in Bereichen der Oberfläche (34) der Polplatte (25) eine kleinere Breite aufweisen als in Bereichen, welche mit Abstand von der Oberfläche (34) angeordnet sind.
Teilchenoptische Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Breiten in den mit Abstand von der Oberfläche (34) angeordneten Bereichen wenigstens 1,5 mal größer sind als die Breiten an der Oberfläche (34).
Teilchenoptische Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, ferner umfassend einen Spulenträger (40), an welchem die Spulendrähte (26) gehaltert sind, wobei zwischen dem Spulenträger (40) und der Polplatte (25) ein Spalt vorgesehen ist.
Teilchenoptische Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Spalt den Spulenträger (40) in der Aufsicht vollständig umschließt.
Teilchenoptische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 5, ferner umfassend eine Kühlvorrichtung, welche mit dem Spulenträger (40) wärmeleitend verbunden ist.
Teilchenoptische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Spulenträger (40) einen ringförmig geschlossenen Tragring umfasst, auf den die Spulendrähte gewickelt sind.
Teilchenoptische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend je wenigstens einen Dauermagneten (54) pro Spule.
Teilchenoptische Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei das durch die Spulen (26) im Betrieb bereitgestellte Magnetfeld nicht stärker ist als das durch den Dauermagneten (54) bereitgestellte Magnetfeld, insbesondere nicht stärker ist als 10% des durch den Dauermagneten (54) bereitgestellten Magnetfelds.
Teilchenoptische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9, ferner umfassend eine Steuerung (56) zur Kompensation einer zeitlichen Variation des durch den Dauermagneten (54) bereitgestellten Magnetfelds mittels der Spule, wobei die Steuerung (56) insbesondere eine Temperaturmesseinrichtung umfasst.
Teilchenoptische Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spulendrähte (26) gemeinsam von einem elektrisch und thermisch isolierenden Material umhüllt sind und die Polplatten (25) auf einem höheren elektrischen Potential als die Spulen liegen.
Teilchenoptische Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Polplatten (25) aus einer Eisen-Nickel-Legierung gefertigt sind, und/oder wobei die Spulengräben (21) in die Polplatten (25) gefräst sind.
Verwendung der teilchenoptischen Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche zum teilchenoptischen Beleuchten und/oder Abbilden eines Objekts (15).