DD225544A1

DD225544A1 - Elektromagnetisches ablenksystem

Info

Publication number: DD225544A1
Application number: DD26479884A
Authority: DD
Inventors: Peter Hahmann; Thomas Elster; Rudolf Naumann
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1984-07-02
Filing date: 1984-07-02
Publication date: 1985-07-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Ablenksystem fuer Strahlenbuendel geladener Teilchen, insbesondere fuer Elektronenstrahlbearbeitungsanlagen, Rastermikroskope und Roentgenmikroanalysatoren. Ziel der Erfindung ist die Erhoehung der Ablenkgeschwindigkeit des Strahlenbuendels. Aus diesem Grunde sind aufgabengemaess das Aussenfeld des Ablenksystems zu kompensieren und Wirbelstroeme in leitender Umgebung zu vermeiden. Erfindungsgemaess besitzen innere und aeussere Drahtrahmenspulen auf Ablenkzylindern jeweils einander zugeordnete achsparallele Drahtstuecke gleicher oder zumindest annaehernd gleicher Laenge.

Description

Es ist vorteilhaft, wenn die jeweils einander zugeordneten Drahtrahmen der inneren und äußeren Drahtrahmenspulen jeweils exakt gleiche Länge und gleiche Zentriwinkel der achsparallelen Drahtstücke aufweisen.

Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn die achsparallelen Drahtstücke aller Drahtrahmen die gleiche Länge aufweisen. Von Vorteil ist darüber hinaus, wenn der äußeren Drahtrahmenspule zwei innere Drahtrahmenspulen jeweils im Mittel gleicher Länge der jeweils miteinander korrespondierenden achsparallelen Drahtstücke und jeweils im Mittel gleigher miteinander korrespondierender Zentriwinkel der jeweils miteinander korrespondierenden achsparallelen Drahtstücke zugeordnet sind, deren Radien der Drahtrahmen jeweils der Hälfte der jeweils zugeordneten äußeren Drahtrahmen entsprechen. Überraschend wurde gefunden, daß sich das Außenfeld des Ablenksystems durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Drahtrahmen so gut kompensieren läßt, daß Wirbelströme in der leitenden Umgebung hinreichend unterdrückt werden. Die Ablenkung des Strahlenbündels wird durch Wirbelstromeffekte praktisch nicht beeinflußt; die Grenzfrequenz der Ablenkung wird folglich nicht beeinträchtigt.

Mit der Erfindung wird bewußt das zum Stand der Technik gehörende und immer wieder zitierte Prinzip durchbrochen, die achsparallelen Drahtrahmenstücke der auf Zylinder gewickelten Spulen aus den eingangs genannten Gründen mit bestimmter Längenstaffelung zu gestalten. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich bei der erfindungsgemäßen Lösung der dreizählige Astigmatismus bei nahezu vollständiger Kompensation des Außenfeldes (hier spielen Fertigungstoleranzen eine große Rollelkompromißlos, d. h. ungeachtet der Ablenkgeschwindigkeit, korrigieren läßt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In der Zeichnung ist schematisch eine aus Symmetriegründen aus zwei Teilen bestehende Drahtrahmenspule mit Anschlüssen E und A eines Ablenksystems dargestellt. Die Drahtrahmenspule ist auf einen in der Zeichnung nicht dargestellten Ablenkzylinder gewickelt und bildet eine äußere Drahtrahmenspule des Ablenksystems. Zu dieser äußeren Drahtrahmenspule existiert eine ebenfalls in der Zeichnung nicht dargestellte und im wesentlichen gleichartig angeordnete sowie auf einen Arbeitszylinder gewickelte innere Drahtrahmenspule.

Die in der Zeichnung abgebildete Drahtrahmenspule besteht aus jeweils vom selben Strom durchflossenen Drahtrahmen 1, die jeweils aus zwei achsparallelen (bezogen auf die optische Achse des in der Zeichnung nicht dargestellten Ablenkzylinders) Drahtstücken 2 und 3 (jeweils gegensinnig vom Strom durchflossen) sowie aus zwei kreisbogenartigen, konzentrisch zur besagten optischen Achse des Ablenkzylinders verlaufenden Drahtstücken 4, 5 bestehen. Die Drahtrahmen 1 schmiegen sich gewissermaßen an die Zylinderflächen an

Die achsparallelen Drahtstücke 2,3 erfüllen die Bedingung

Σ g_v sin ^y = 0 ν = 1 Die Gewichte g_v werden gemäß

9v=/*3v w³ dz

bestimmt, ψ^ bedeutet die Achsfunktion des dreizähiigen Multipolfeldes des v-ten Doppeldrahtrahmens (innerer plus äußerer Drahtrahmen).

w = x + iy ist eine Fundamentalkurve der paraxialen Bahngleichung mitw = Ound r·^= 0 in der Targetebene; cp_v = Zentriwinkel

der achsparallelen Drahtstücke 2, 3. Erfindungsgemäß besitzen die jeweils einander zugeordneten achsparallelen Drahtstücke 2 bzw. 3 der entsprechenden Drahtrahmen der inneren und äußeren Drahtrahmenspulen im Mittel gleiche Länge und vorzugsweise gleichen Zentriwinkel φ_ν der Drahtstücke 2, 3.

In einer konkreten Ausgestaltungsform der Erfindung (nicht in der Zeichnung dargestellt) können die innere und äußere Drahtrahmenspule dieselbe Anzahl von Leitern mit gleicher Länge und Lage der jeweils zugeordneten achsparallelen Drahtrahmenstücke besitzen. Der Aufbau der inneren und äußeren Drahtrahmenspulen ist prinzipiell gleich, lediglich die Radien r_ä und η sind unterschiedlich. Die Drahtrahmenspulen werden duch unabhängige Stromquellen gemäß der Bedingung

I₈ · r_§ + Ii τ-, = 0

Ij, Ij — äußerer, innerer Strom

r_ä/ r, — äußerer, innerer Radius

versorgt.

In einer zweiten Ausgestaltungsform ist es möglich, desselben Stromfluß durch innere und äußere Drahtrahmenspule fließen zu lassen (l_ät = l_äl), wobei die elektromagnetischen Felder der Drahtrahmenspule zueinander gegensinnig sind (ebenfalls in der Zeichnung nicht separat dargestellt). Die Windungszahlen und Radien beider Spulen sind verschieden, alle einander zugeordneten achsparaileien Drahtstücke 2 bzw. 3 der Drahtrahmenspulen sind gleich lang.

In einer dritten Ausgestaltungsform (in der Zeichnung nicht separat dargestellt) werden die genannten Beziehungen zwischen innerer und äußerer Drahtrahmenspule für die jeweils miteinander korrespondierenden Drahtrahmen einzeln erfüllt. Jedem äußeren Drahtrahmen sind jeweils zwei innere Drahtrahmen zugeordnet, bzw. die innere Drahtrahmenspule besitzt die doppelte Windungszahl (Anzahl der Drahtrahmen) gegenüber der äußeren Drahtrahmenspule. Der Radius η ist halb so groß, wie der äußere Radius r_§. Die Längen der jeweils miteinander korrespondierenden achsparallelen Drahtstücke 2 bzw. 3 der Drahtrahmenspulen sind annähernd (bis auf technologisch bedingte Abweichungen Δ1) im Mitte! gleich, d.h. die Länge jedes äußeren Drahtrahmens stimmt mit den Längen der beiden zugeordneten inneren Drahtrahmen überein, bis auf die jeweilige positive bzw. negative Abweichung Δ1.

Der gleiche Sachverhalt trifft auf die Zentriwinkel φ_ν der Drahtrahmen 1 zu, d. h. der Zentriwinkel (p_Vj eines achsparallelen Drahtstückes 2 bzw. 3 des äußeren Drahtrahmens 1 stimmt mit den Zentriwinkel cp_vi der beiden zugeordneten achsparallelen Drahtstücke 2 bzw. 3 bis auf eine Abweichung ±Δφ überein.

Allen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen ist gemein, daß sich auch die Beiträge zum äußeren Magnetfeld kompensieren, die von den Drahtbögen der Drahtrahmen (Drahtstücke 4 und 5) herrühren und die proportional den Termen sincp und coscp des Zentriwinkels φ sind.

Claims

Erfindungsansprüche:

1. Elektromagnetisches Ablenksystem für Strahlenbündel geladener Teilchen, bestehend aus auf Ablenkzylindern gewickelten und einander zugeordneten äußeren und inneren stromdurchflossenen Drahtrahmenspulen, deren äußere und innere Ströme I₈,1,, deren äußere und innere Radien r_ä, r und deren äußere und innere Zentriwinkel (p_vä, φ_νι der achsparallelen Drahtstücke die Beziehung

l_ä r_ä Σ sin φ_ν$ + hr, Σ sin φ_ν] = 0

ν ν

erfüllen, gekennzeichnet dadurch, daß die jeweils einander zugeordneten Drahtrahmen der inneren und äußeren Drahtrahmenspulen jeweils im Mittel gleiche oder zumindest näherungsweise gleiche Länge und vorzugsweise gleiche einander zugeordnete Zentriwinkel der achsparallelen Drahtstücke aufweisen.
2. Elektromagnetisches Ablenksystem gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die jeweils einander zugeordneten Drahtrahmen der inneren und äußeren Drahtrahmenspulen jeweils exakt gleiche Länge und gleiche Zentriwinkel der achsparallelen Drahtstücke aufweisen.
3. Elektromagnetisches Ablenksystem gemäß Punkt 1, gekennzeichnet durch gleiche Länge der achsparallelen Drahtstücke aller Drahtrahmen.
4. Elektromagnetisches Ablenksystem gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der äußeren Drahtrahmenspule zwei innere Drahtrahmenspulen jeweils im Mittel gleicher Länge und jeweils im Mittel gleicher Zentriwinkel der jeweils miteinander korrespondierenden Drahtstücke zugeordnet sind, deren Radien der Drahtrahmen jeweils der Hälfte der jeweils zugeordneten äußeren Drahtrahmen entsprechen.

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Ablenksystem, welches zur Ablenkung von Elektronen- oder lonenstrahlbündeln mit hoher Frequenz verwendet wird und welches sich z. B. aus optischen Gründen in elektrisch leitender Umgebung (z. B. Objektivlinse) befinden muß.

Derartige Ablenksysteme können in Elektronenstrahlbearbeitungsanlagen, Rastermikroskopen und Röntgenmikroanalysatoren Anwendung finden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind bereits Ablenksysteme mit guten optischen Eigenschaften und örtlich begrenztem Magnetfeld bekannt. Beide Forderungen können unmittelbar aus dem Anwendungsgebiet der Ablenksysteme abgeleitet werden. Bei den obengenannten Gerätetypen ist man an möglichst großen Werten des Ablenkwinkels ohne Verminderung der Bildqualität und hoher Geschwindigkeit der Ablenkung interessiert. Das bedeutet einmal, daß durch das Ablenksystem kein dreizähliger Astigmatismus in der Targetebene erzeugt wird. Weiter soll eine möglichst gute Kompensation des Magnetfeldes nach außen hin erfolgen. Die Kompensation des Außenfeldes ist nötig, um hohe Geschwindigkeiten bei der Änderung des Ablenkwinkels zu erreichen. Ohne Kompensation ruft das Außenfeld des Ablenksystems nämlich infolge Induktion Wirbelströme in umgebenden Metallteilen hervor. Die Wirbelströme ihrerseits erzeugen ein der ursprünglichen Richtung entgegengesetztes Feld, das ebenfalls auf den Elektronenstrahl wirkt. Die Wirbelströme klingen nur relativ langsam ab und begrenzen somit die Geschwindigkeit der Änderung des Ablenkwinkels. Es sind zwar Anordnungen bekannt, die die genannten Eigenschaften einzeln aufweisen. So werden im WP 134584 Leiterkonfigurationen angegeben, bei denen der dreizählige Ablenkastigmatismus des Korpuskularstrahlbündels in der Targetebene Null ist. In diesem WP wird zwar auf die Möglichkeit verwiesen, zwei Ablenksysteme so zu kombinieren, daß das Außenfeld kompensiert wird. Der Hinweis auf WP 115805 ist aber widersprüchlich. Einerseits wird gefordert, die erreichten Längen der Doppelleiterrahmen mit dem größeren Zentriwinkel kleiner auszulegen (WP 134584), um den dreizähligen Astigmatismus zu korrigieren. Andererseits wird aus der Vorstellung, die Kompensation gelingt bei konfokalen Ellipsoiden vollständig, abgeleitet, daß die axialen Längen der Leiterrahmen mit steigendem Zentriwinkel auch zunehmen und daß die Doppelleiterrahmen auf dem außen liegenden Zylinder im Mittel eine größere Länge aufweisen als auf dem inneren. Man ist zwangsläufig auf Kompromisse beider Forderungen angewiesen. Aus diesem Grunde erfüllen bekannte Ablenksysteme die erstgenannte Forderung in der Regel streng, die zweite Forderung jedoch unzulänglich, die Leistungen bekannter Ablenksysteme bezüglich der Ablenkgeschwinigkeit sind unbefriedigend.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Erhöhung der Ablenkgeschwindigkeit des Strahlenbündels.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Außenfeld des elektromagnetischen Ablenksystems so hinreichend zu kompensieren, daß Wirbelstromeffekte in einer leitenden Umgebung die Ablenkung des Strahlenbündels nicht oder nur unwesentlich beeinflussen können, ohne dabei die Forderung nach verschwindendem Astigmatismus in der Targetebene zu verletzen.

Diese Aufgabe wird bei einem elektromagnetischen Ablenksystem für Strahlenbündel geladener Teilchen, bestehend aus auf Ablenkzylindern gewickelten und einander zugeordneten äußeren und inneren stromdurchflossenen Drahtrahmenspulen, deren äußere und innere Ströme I₅, l_ir deren äußere und innere Radien r_ä, r_; und deren äußere und innere Zentriwinkel φ_νέ, cp_vi die Beziehung

lä rä Σ ^sin -Pv* ⁺ 'i^ri Σ sin ^_v\ = 0
ν ν

erfüllen, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die jeweils einander zugeordneten Drahtrahmen der inneren und äußeren Drahtrahmenspulen jeweils im Mittel gleiche oder zumindest näherungsweise gleiche Länge und vorzugsweie gleiche einander zugeordnete Zentriwinkel der achsparallelen Drahtstücke aufweisen.