DE3047166A1

DE3047166A1 - Elektronenlinse mit drei magnetpolstuecken

Info

Publication number: DE3047166A1
Application number: DE19803047166
Authority: DE
Inventors: Katsushige Akishima Tokyo Tsuno
Original assignee: Jeol Ltd; Nihon Denshi KK
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1979-12-28
Filing date: 1980-12-15
Publication date: 1981-10-01
Also published as: GB2067828A; JPS5945171B2; JPS5696447A; US4384208A; GB2067828B; DE3047166C2

Description

Elektranenlinse mit drei Maqnetpolstücken

In einer Prajektarlinse für ein Elektronenmikroskop müssen insbesondere solche Abbildungsfehler vermieden uerden, welche eine radiale Verzeichnung, eine spiralförmige Verzeichnung, eine chromatische Aberration der Rotation und eine chromatische Aberration der Vergrößerung aufweisen. Die radiale Verzeichnung, welche ein wesentlich größeres Problem darstellt als die anderen Arten der Abbildungsfehler, kann im wesentlichen beseitigt ujerden innerhalb eines geringen Vergrößerungsbereiches, innerhalb welchem die Projektorlinse mit einer geringen Linsenerregung magnetisiert wird. Hierzu ist aus der US-PS 3 188 ^65 ein sogenanntes verzeichnungsfreies System bekannt, bei dem eine stärkere tannenförmige Verzeichnung in Einer Zwischenlinse erzeugt wird, um eine kissenförmige Verzeichnung in der Projektorlinse zu beseitigen. Im mittleren Vergrößerungsbereich, in welchem eine fest vorgegebene Stromstärke der Projektarlinse zugeführt wird, kann eine derartige Beseitigung der Verzeichnung nicht erwartet werden, da die kissenförmige Verzeichnung, welche durch die PrDjektarlinse hervorgerufen wird, bedeutend größer ist als die tonnenförmige Verzeichnung, welche durch die Zwischenlinse hervorgerufen wird. Es ergibt sich dann zwangsläufig είπε Verzeichnung von etwa 1 bis 2 % auf ei.-^m Kreisumfang von etwa einem Durchmesser mit 1DG mm auf dem Bildschirm.

Bisher ist noch kein wirkungsvolles Verfahren bekannt geworden, um die spiralförmige Verzeichnung zu beseitigen. Was man in dieser Richtung bisher unternommen hat, bestand darin, den Abstand zwischen einer Projektorlinse und einer Filmfläche so groß wie möglich zu machen und nur die Elektronenstrahlen zu verwenden, welche in der Nachbarschaft der Zentralachse liegen, so daß Abbildungsfehler kaum festgestellt werden koππtεπ. Mit einem derartigen Verfahren ist es jedoch schwierig, die Aberration, insbesondere die Verzeichnung auf 2 % oder geringer, zu reduzieren, da bei diesem bekannten Verfahren der Zweck nicht darin liegt, von Grund auf Abbildungsfehler zu vermeiden. Außerdem ergeben sich bestimmte räumliche Beschränkungen an der Vorrichtung, welche zur Durchführung dieses Verfahrens dient.

Auch hat man vorgeschlagen, als Projektorlinse eine solche zu verwenden, die mit drei Magnetpolstücken ausgestattet ist, welche zwei Spalte entgegengesetzter Erregung bilden. Es hat sich herausgestellt, daß eine derartige Linse ge-

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eignet ist, eine radiale Verzeichnung vollständig zu beseitigen. Es wurde außerdem gefunden, daß diese Linse die spiralförmige Verzeichnung soweit verringern kann, wie es bisher mit keiner anderen Linse möglich ist. Die Linse vermag jedoch die spiralförmige Uerzeichnung noch nicht vollständig zu beseitigen. Idenn es daher erwünscht ist, eine niedrige spiralförmige Uerzeichnung van 1 % oder geringer zu erhalten,gibt es noch keine andere Alternative als die Linse in einem BerEich der Linsenerregung zu verwenden, in welchem die radiale Uerzeichnung hinwiederum wächst.

Die Fig. 1 zeigt schematisch eine bekannte Elektronenlinse mit zwei Erregerspulen 1 und 2, welche in Reihe geschaltet sind und mit einem Strom (I) aus einer Linsenspannungsquelle 3 versorgt werden. Die Erregerspulen sind umgeben von einem ferromagnetischen Joch k und nichtmagnetischen Abstandhaltern 5 und G. Im Joch sind" ein oberes Polstück 7, ein mittleres Polstück B und ein unteres Polstück 9 sowie nichtferromagnetische Abstandhalter 1D und 11 angeordnet. Die Linsenform ist im wesentlichen symmetrisch bezüglich der Ritte des mittleren Polstücks. Die Öffnungsdurchmesser d1 des oberen Polstücks, d2 des mittleren Polstücks und d3 des unteren Polstücks betragen 3 mm. Die erste Spaltbreite S1 zwischen dem oberen und mittleren Polstück ist gleich der zweiten Spaltbreite Ξ2 zwischen dem mittleren und dem unteren Polstück. Die Windungszahl (IM) der beiden Erregerspulen 1 und 2 ist gleich, und die üJindungsrichtung einer jeden Spule ist so gelegt, daß die Polarität des Magnetfeldes im ersten Spalt entgegengesetzt ist zu der im zweiten Spalt. Das jeweilige Magnetfeld im ersten und zweiten Spalt wird jedoch durch die gleiche Erregerstromstärke erzeugt.

Die Fig. 2 zeigt die Brennweite fp (mm), die radiale Uerzeichnung Δ r/r (%) und die spiralförmige Uerzeichnung Δ S/r (%) der in der Fig. 1 dargestellten Linse in Abhängigkeit von der Erregung (magnetomotorische Kraft) NI (ArnpereüJindungszahl), wobei die Dicke t des mittleren Polstückes 2 als Parameter dient. Die Kurvendarstellung gilt für eine Linse mit gleichen Öffnungsdurchmessern d1, d2 und d3 mit 3 mm und gleichen Spaltbreiten S1 und Ξ2 mit 2,25 mm. Die Dicke t des mittleren Polstückes beträgt 1 mm und 2 mm. Die Kurvendarstellung ergibt sich für eine Beschleunigungsspannung für den Elektronenstrahl von 1D0 kU. Für den Fall, daß die Beschleunigungsspannung nicht gleich 10D kU ist, ergibt sich folgende Umrechnungsgleichung:

(NI) 1OD kU NI

_33hz

V~iO97B5 Τ\Γ

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wobei:

V die nach dem Relativitätsprinzip korrigierte Beschleunigungsspannung (V) des Elektronenstrahls,

(IMI) den Wert für die magnetomotorische Kraft NI (Ampere-Windungszahl) für den Fall, daß die Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls gleich V ist,

(IMI)_{100 k}y den Wert der magnetomotorischen Kraft NI (Ampere-üJindungszahl) in der Fig. 2

bedeuten.

LJiE sich aus der Fig. 2 ergibt, besitzt die Brennweite fp ein Minimum bei einer Erregung NI von 2.2D0 und 1.800 Ampere-Windungen, wenn die Dicke t des mittleren Polstückes 1 mm bzw. 2 mm beträgt. Diese Minima der Brennweite sind 3,8 mm und k_tS mm für die Dicke t des mittleren Polstückes von 1 mm bzw. 2 mm. Hieraus ergibt sich, daß bei einer Linse mit einer geringeren Dicke t des mittleren Polstückes der minimale Wert der Brennweite kleiner ist. Die radiale Verzeichnung Δ r/r besitzt einen positiven Wert (kissenförmige Verzeichnung)bei niedriger Erregung und einen negativen Wert (tonnenförmige Verzeichnung) bei hoher Erregung. Der Erregungswert, bei welchem die radiale Verzeichnung Null wird, ist im wesentlichen gleich dem Wert, an welchem die Brennweite fp einen äußerst geringen Wert bei niedriger Erregung besitzt und ein starkes Anwachsen zeigt bei Erhöhung der Erregung. Es ergibt sich keine Betriebsbedingung, bei der die spiralförmige Verzeichnung Null wird. Wenn daher die radiale Verzeichnung Δ τ/τ Null wird oder einen geringen Wert aufweist, läßt sich die spiralförmige Verzeichnung Δ S/r nicht auf Null verringern.

Wenn unterschiedliche Erregungsstärken für die Bildung der Magnetfelder in den beiden Spalten zwischen den Magnetpolstücken an die Linse der Fig. 1 angelegt werden, ist es möglich, bei bestimmten Werten der Erregung, die spiralförmige Verzeichnung zu beseitigen, jedoch treten dann andere Abbildungsfehler, wie beispielsweise eine chromatische Aberration der Rotation auf, und damit können vorteilhafte Wirkungen der Linse, welche drei Magnetpolstücke aufweist, nicht mehr ausgenützt werden.

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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine ElektrDnenlinse mit drei Magnetpalstücken zu schaffen, bei der die radiale Verzeichnung und spiralförmige Verzeichnung beseitigt bzw. minimiert sind bei gleicher Erregerstärke für die Bildung der Magnetfelder im ersten und zweiten Spalt zwischen den Magnetpolstücken.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale, wobei im Unteranspruch 2 eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung gezeigt ist.

Durch die Erfindung wird eine Linse geschaffen mit asymmetrischer Ausbildung der Magnetpolstücke. Das mittlere uid das untere Magnetpolstück besitzen gleiche fjffnungsdurchmesser,und das obere Magnetpalstück besitzt einen Dffnungsdurchrnesser, der um das 1,5- bis 5-fache größer ist als der Öffnungsdurchmesser für das mittlere und das untere Magnetpolstück. Bei einer derartigen Elektronenlinse ist die radiale Verzeichnung bei einer Erregung, bei welcher die Brennweite ein Minimum wird, auf Null reduziert. Bei dieser Erregung läßt sich außerdem die spiralförmige Verzeichnung verringern.

Mit Hilfe der Elektronenlinse, weiche durch die Erfindung geschaffen wird,können insbesondere in einem Durchstrahlungselektronenmikroskop sowohl die radiale als auch die spiralförmige Verzeichnung erheblich verringert werden.

Bei der Erfindung kommt eine Elektronenlinse zum Einsatz mit drei Magnetpnlstücken, zwischen denen zwei Spalte vorhanden sind, für die Bildung zweier Magnetfelder. Die Magnetfelder werden in diesen Spalten durch die gleiche Erregerkraft erzeugt, welche jedoch in den beiden Spalten entgegengesetzt wirkt. Die Dffnungsdurchmesser des mittleren und des unteren Polstückes sind gleich, und der Dffnungsdurchmesser des oberen Palstückes ist um das 1,5- bis 5-fache größer als der Dffnungsdurchmesser für das mittlere und das untere Palstück. Auf diese liJeise läßt sich die radiale Verzeichnung vollständig beseitigen und die spiralförmige Verzeichnung erheblich verringern.

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Die beiliegenden Figuren dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine Elektranenlinse mit drei Magnetpplstücken herkömmlicher Art;

Fig. 2 eine Hurvendarstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der in der Fig. 1 dargestellten Elektronenlinse;

Fig. 3 die wesentlichen Teile eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und

Figuren Hurvendarstellungen vor Meßergebnissen betreffend die Brennweiten 7 und die radiale sowie spiralförmige Verzeichnung beim Ausführungsbeispiel.

Das in der Fig. 3 _ .gestellte Ausführungsbeispiel besitzt ein oberes Magnetpolstück 13, ein mittleres Magnetpolstück 14 und ein unteres Magnetpalstück Diese besitzen in der gleichen Reihenfolge Dffnungsdurchmesser d1 = 9 mm, d2 = 3 mm und d3 = 3 mm. Der erste Spalt Ξ1 zwischen cfern oberen und dem mittleren Polstück und der zweite Spalt S2 zwischen dem mittleren und dem unteren Polstück besitzen die gleiche Spaltbreite von 2,25 rnrn. Die Dicke t des mittleren Polstückes beträgt 1 mm. Für das vorstehende Ausführungsbeispiel und modifizierte Ausführungsbeispiele, bei denen der Qffnungsdurchmesser d1 auf 3 mm, k_t 5 mm und 6 mm bemessen wurde, sind in der Fig. it Meßergebnisse für der Fig. 2 entsprechende Messungen dargestellt.

Wie aus der Fig. it zu ersehen ist, wird die radiale Verzeichnung Δ r/r bei der Änderung des Öffnungsdurchmessers d1 nicht wesentlich beeinflußt, jedoch ist diese Verzeichnung geringer als 2 % bei einer Erregung NI im Bereich von 1.800 bis 2.600 Ampere-üJindungszahlen. Andererseits hängt die spiralförmige Verzeichnung Δ S/r stark vom Öffnungsdurchmesser d1 ab und ändert sich von einem negativen Wert zu einem positiven Wert in Abhängigkeit vom Anwachsen der Erregung (magnetomotorischen Hraft)bei wachsendem Öffnungsdurchmesser d1. Demzufolge uiird die spiralförmige Verzeichnung Null bei jeweils bestimmten liierten der Erregung. Die Werte für die Erregung, bei der die spiralförmige Verzeichnung Muli wird, erhöht sich mit wachsendem Öffnungsdurchmesser d1.

_g%2 130040/0947 .

Für den Fall, daß die Elektronenlinse als Projektorlinse in einem Durchstrahlungselektronenmikraskap verwendet wird, ist es erwünscht, diese bei einer Erregung zu betreiben, bei der die radiale Uerzeichnung Δ τ/τ Null uiird. Hieraus resultiert eine minimale Brennweite fp. Es ist daher anzustreben, den Öffnungsdurchmesser d1 des oberen Magnetpolstückes so zu wählen, daß sowohl die radiale Verzeichnung Δ τ/τ als auch die spiralförmige Verzeichnung Δ S/r zu Null werden.

Die Fig. 5 zeigt in einer Kurvendarstellung, wie der Öffnungsdurchmesser d1 des oberen Magnetpolstückes von der Erregung NI abhängt, wenn sowohl die radiale Verzeichnung Δ τ/τ als auch die spiralförmige Verzeichnung & S/r zu Null werden, bei einer Dicke t von 1 mm bzw. 2 mm des mittleren Magnetpolstückes· Aus der Figur ergibt sich, daß in beiden Fällen, in welchen die Dicke t des mittleren Polstückes auf 1 mm und 2 mm bemessen ist, die vorstehend erwähnten Abbildungsfehler Null werden, wenn der Dffnungsdurchmesser d1 des oberen Magnetpolstückes in einem Bereich von 9 mm bis 10 mm gewählt wird, wie das aus den Schnittpunkten A und B der Fig. 5 zu ersehen ist. Die Fig. 6 zeigt eine Kurvendarstellung für die minimale Brennweite (fp) . von Linsen mit Dicken t von

min

1 mm und 2 mm für das mittlere Polstück, die in Beziehung gesetzt ist zu verschiedenen Öffnungsdurchmessern d1 des oberen Magnetpalstückes. Der Wert für die minimale Brennweite (fp) . bewegt sich .im Bereich von if bis S mm, und

min ³ '

mit wachsendem Öffnungsdurchmesser d1 zeigt sich ein geringes Anwachsen, das jedoch in der Praxis zu keinerlei Schwierigkeiten führt.

In der Fig. 7 ist die spiralförmige Verzeichnung Δ S/r bei Spulenerregungen gezeigt, bei denen die radiale Verzeichnung Δ r/r zu Null wird. Aus der Kurvendarstellung ergibt sich, daß dann, wenn die radiale Verzeichnung Δ r/r Null ist, die spiralförmige Verzeichnung Δ S/r auf 0,5 % oder weniger verringert werden kann, wenn die Öffnungsdurchmesser d2 und d3 des mittleren und des unteren Polstückes gleich sind und der Öffnungsdurchmesser d1 des oberen Polstückes etwa 1,5- bis 5-fache Abmessungen besitzt als der Öffnungsdurchmesser des mittleren und des unteren Polstückes. Optimale Bedingungen werden erzielt, wenn der Durchmesser d1 dreimal so groß ist als d2 bzw. d3.

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Mit Einem Linsenaufbau, uiie εγ im vorstehenden im Einzelnen beschrieben wurde, ist es daher möglich, eine ElektronenlinsE zu schaffsn, durch diE diE radialE Verzeichnung Δγ/γ beseitigt werden kann und dis spiralförmigE \/Erzeichnung

AS/r bis auf Null bzw. auf extrem niedrige ΙιΙεγϊε uerringsrt wsrdEn kann. DiesE Linse eignet sich insbEsondere als Projektorlinse in Einem Elektronenmikroskop, insbesonderE als PrDjektorlinsE in Einsm ElsktronEnmikroskop, insbesondErE EinEm Durchstrahlungsmikroskop.

Es ist natürlich auch möglich, in Abweichung von den Abmessungen, uislchE bEim Ausfiihrungsbeispiel geuählt wurden, andere Uerte für d2, d3, S1 und Ξ2 zu ujäh-Ιεπ, um Abbildungsfehler in der gleichen ideisE in den Griff zu bEkommEn, lüe es im uarstEhenden beschrieben wurde.

_ggZt2 130040/0947

Claims

LIEDL, NÖTH, ZEITLFR

Patentanwälte 8000 München 22 · Steinsdorfstraße 21 - 22 ■ Telefon 089/22 94 41

NIHON DENSHI HABUSHIKI KAISHA 1418 NakagamichD, Akishimashi, Tokyo, 196 Japan

ElektrDnenlinse mit drei Magnetpalstücken

Patentansprüche:

{yi/ Elektronenlinse mit drei Magnetpülstücken (einem oberen, mittleren und unteren Magnetpolstück), die innerhalb eines Joches, das zujei Erregerspulen umgibt, angeordnet sind und ztjei zwischen den Magnetpolstücken gebildeten Spalten, in denen je ein Magnetfeld erzeugt wird durch die gleiche Spulenerregung (magnetomotorische Kraft), die in den beiden Spalten entgegengesetzt uirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsdurchmesser (d2, d3) für das mittlere und das untere Magnetpolstück (1^t und 15) gleich sind und der Dffnungsdurchmesser (d1) des oberen Magnetpülstückes (13) 1,5- bis 5-fach größer ist als der Öffnungsdurchmesser für das mittlere und das untere Magnetpalstück.
2. Elektronenlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Erregerspulen (.1, 2) in Serien zueinander geschaltet sind und mit Strom versorgt sind aus der gleichen Linsenspannungsquelle (3).

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