DE1002094B - Einrichtung zur Kompensation des Astigmatismus eines elektronenoptischen Linsensystems - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Leistungsfähigkeit der Elektronenmikroskope wird praktisch begrenzt durch mangelnde Rotationssymmetrie, einen Fehler, der den sogenannten axialen Astigmatismus hervorruft. Die Störfelder haben unterschiedliche Symmetrieeigenschaften in bezug auf das Azimut φ, das um die optische Achse des Strahlsystems gerechnet wird. Die beiden wichtigsten Störfelder haben entweder die Periode 2π, sie hängen also von cos φ bzw. sin φ ab, oder sie haben die Periode π, so daß sie von cos 295 bzw. sin 295 abhängen. Es ist bekannt, daß das erste dieser Felder den Strahl in erster Näherung nur ablenkt, während das zweite den axialen Astigmatismus erzeugt. Da ein Bild nur durch den axialen Astigmatismus unscharf wird, ist es vor allen Dingen wichtig, diesen Fehler zu beseitigen.

Unter dem Namen »Stigmator« ist bereits eine Anordnung bekannt, die einen zusätzlichen Astigmatismus einführt, der nach Größe und Richtung gerade den Astigmatismus des Abbildungssystems ausgleicht. Ist dieser Stigmator nicht genau zu der optischen Achse des Systems zentriert, so lenkt er das Bild als Ganzes nach der Seite ab, und beim Verstellen des Stigmators wandert das Bild im Gesichtsfeld. Um dies zu verhindern, wird der Stigmator durch Stellschrauben von außen her während des Betriebes mechanisch justiert. Es müssen also zusätzliche Vakuumdurchführungen vorgesehen werden, die jedoch im Interesse der Aufrechterhaltung eines guten Vakuums nicht erwünscht sind. Es sind auch Konstruktionen von Elektronenmikroskopen ausgeführt worden, bei denen sich an dieser Stelle keine beweglichen Durchführungen anbringen lassen. Diese Mikroskope mußten bisher auf den Stigmator verzichten, da keine andere Möglichkeit der Zentrierung des Kompensationsfeldes vorgesehen war.

Es ist auch bereits eine Anordnung bekannt, bei der für eine bestimmte Einstellung des Stigmators eine Zentrierung dadurch erreicht werden kann, daß zwei Ablenkplattenpaare verwendet werden, an die unabhängig voneinander regelbare Spannungen gelegt werden. Eine derartige Anordnung besitzt aber insofern einen großen Nachteil, als bei ihr das Leuchtschirmbild nach einmal erfolgter Einstellung der Zentrierung sofort wegläuft, wenn die Stigmatoreinstellung geändert wird. Die Einstellung des Stigmators ist daher mit einer derartigen Einrichtung nui sehr mühsam durchzuführen.

Die vorliegende Einrichtung dient zur Kompensation des Astigmatismus eines elektronenoptischen Linsensystems durch einen zusätzlichen Astigmatismus verursachende Mittel, die nach Größe und Richtung den Astigmatismus des Linsensystems ausgleichen. Gemäß der Erfindung werden die erwähnten Nachteile der bekannten Einrichtungen dieser Art dadurch beseitigt, daß elektronenoptische Mittel vorgesehen sind, die eine Zentrierung zur Achse des Strahlsystems ermöglichen Einrichtung zur Kompensation

des Astigmatismus eines elektronenoptischen Linsensystems

Anmelder: VEB Carl Zeiss Jena, Jena, Carl-Zeiss-Str. 1

Dr. Alfred Recknagel und Dipl.-Phys. Günter Haufe,

Dresden, . sind als Erfinder genannt worden

und deren Einstellorgane mit den Einstellorganen zur Kompensation des Astigmatismus derart gekoppelt sind, daß bei einer Änderung der Einstellung der Kompensation die einmal eingestellte Zentrierung erhalten bleibt. Diese Mittel können beispielsweise aus zwei Ablenkelektrodenpaaren bestehen, die ein nach Größe und Richtung einstellbares elektrisches Zentrierfeld erzeugen. Dabei ist es wichtig, daß das Zentrierfeld unabhängig von Betrag und Richtung des zur Kompensation des Astigmatismus dienenden Feldes eingestellt werden kann.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Das Prinzip der Wirkung der Erfindung zeigen die Kurven der Abb. 1. Hierin stellt die mit 1 bezeichnete Kurve die Abhängigkeit des Stigmatorpotentials TJr von r für eine die optische Achse enthaltende Ebene dar, wobei r der Abstand eines Raumpunktes von der optisehen Achse des Abbildungssystems ist. Die optische Achse entspricht also der Ordinatenachse (r — O). Dieses Potential hat in der ebenen Darstellung ein Minimum (räumlich gesehen: einen Sattelpunkt), das wegen der ungenügenden Zentrierung des Stigmators nicht auf der optischen Achse, sondern bei r = α liegt. Infolgedessen wird der Achsenstrahl abgelenkt. Läßt man aber noch ein homogenes Feld wirksam werden, dessen Potential durch die gerade, strichpunktierte Linie 2 dargestellt ist, so ergibt die Summe der beiden Felder ein Potential 3, dessen Sattelpunkt gerade auf der optischen Achse liegt. Dieses Potential lenkt also den Elektronenstrahl nicht ab. Da die Dezentrierung des Strahles im Stigmator veränderlich sein kann, muß das zur Korrektur anzubringende Zentrierungsfeld jede Größe und Richtung annehmen können. Dies läßt sich durch Anbringung von zwei Paar Ablenkelektroden verwirklichen, die ähnlich den Ablenkplattenpaaren einer Braunschen Röhre einen Winkel miteinander bilden. Sie brauchen jedoch keine Platten zu sein und auch nicht senkrecht aufeinander zu-

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Claims (6)

1. 3 4

   stehen. An jedes der Paare wird symmetrisch zur Erde getriebe 13 hinzugefügt werden, indem dessen Gehäuse 14 eine Ablenkspannung angelegt. Durch Wahl der beiden mittels der Achse/? über die Zahnräder 15,15' um einen Spannungen läßt sich jede Größe und Richtung des Winkel ßj2 gedreht wird.

   resultierenden Feldes einstellen. Dabei ist zu beachten, Aus diesen Elementen läßt sich bereits ein die ge-

   daß der Elektronenstrahl hinter der Linse einen Durch- 5 wünschten Forderungen erfüllendes Einstellgerät aufmssser von höchstens ¹Z₁₀ mm hat, daß also der Feld- bauen. Seine grundsätzliche Schaltung geht aus Abb. S betrag nur in der Umgebung der optischen Achse in- hervor. Die Eingangsspannung Ue liegt an zwei in Reihe teressiert. geschalteten, auf einer gemeinsamen Achse sitzenden

   Für eine bestimmte Größe und Richtung des Stigmator- Potentiometern 16 und 17, an denen eine gegen Erde feldes sei das Ablenkfeld so gewählt worden, daß der io symmetrische Teilspannung U_R abgegriffen wird. Von Stigmator zentriert ist, d. h., die optische Achse gehe dieser Spannung wird über die gleichfalls auf einer durch den Sattelpunkt des aus bsiden Feldern gebildeten gemeinsamen Achse sitzenden Potentiometer 18 und 19 Potentials. Wird nun die Einstellung des Stigmators zur wiederum eine gegen Erde symmetrische Spannung U_RW Scharfstellung verändert, so verschiebt sich im all- abgegriffen, die der Spannung Ur proportional ist. gemeinen der Sattelpunkt, der Stigmator ist also nicht 15 Ferner liegt die Spannung Ur an den Potentiometern 20 mehr zentriert. Es muß jedoch gefordert werden, daß und 21, deren Abgriffe die Stigmatorspannungen U₄ und U₅ unabhängig von dsr Einstellung des Stigmatorfeldes die liefern. Die Spannung UrW wird den paarweise auf Zentrierung stets gewahrt bleibt. Abb. 2 zeigt als Beispiel einer gemeinsamen Achse sitzenden Potentiometern 22, eine Anordnung, mit der diese Forderung erfüllt werden 22' und 23, 23' in der Weise zugeführt, daß sich an ihren kann. Die Anordnung besteht aus einem metallischen 20 Schleifern symmetrisch gegen Erde liegende Spannungen Zylinder, der in acht voneinander isolierte, gleiche Ab- +U₆,—U₆ und + U₇,—U₁ für die Ablenkplattenschnitte 4, 5, 6, 7, 4', 5', 6', 7' geteilt ist. Er wird hinter paare 6 und 7 ergeben. Die Steuerung der Potentiodem Objektiv angebracht und umfaßt den Elektronen- meter 20, 21, 22, 22' und 23, 23' erfolgt von der ■&-Achse strahl symmetrisch. Je zwei einander gegenüberliegende aus, die durch das Differentialgetriebe 13 unterteilt ist, Abschnitte (z.B. 4,4') bilden ein Elektrodenpaar. Die 25 über vier nicht dargestellte Sinusgetriebe gemäß Abb. 3. Paare 4, 4' und 5, 5' liefern das Stigmatorfeld (Stigmator- Abb. 6 zeigt ein Beispiel für die mechanische Anord-

   paare). Die Paare 6, 6' und 7,7' liefern das Zentrierfeld nung der einzelnen Teile. Die Potentiometer 16 und 17 (Zentrierpaare). Die Elektroden eines Stigmatorpaares können durch einen Drehknopf Ur über Zahnräder 24, 25 erhalten stets die gleiche Spannung. Die Elektroden eines gemeinsam verstellt werden, ebenso ist eine gemeinsame Zentrierpaares erhalten entgegengesetzt gleiche Span- 30 Einstellung der Potentiometer 18 und 19 mittels des nungen und erzeugen ein in Achsennähe in erster Näherung Drehknopfes UrW über Zahnräder 26, 27 möglich. Die homogenes Feld. Den beiden Stigmatorpaaren werden Einstellung des Winkels 2#, der die Richtung des nach bekanntem Verfahren die Spannungen U₄ = Ur- Stigmatorfeldes kennzeichnet, erfolgt mittels des mit ■& cos 2# und U₅ = Ur · sin 2$ zugeführt. Dabei ist U_R bezeichneten Knopfes über Zahnräder 28, 29 und zwei eine Spannung, die den Betrag der Stigmatorwirkung 35 die Potentiometer 20 und 21 antreibende Sinusgetriebe kennzeichnet. Der Winkelt kennzeichnet die Richtung 30,31,32 und 33,34,35, die um einen Winkel von des Stigmatorfeldes; er gibt diejenige Meridianebene an, 90° gegeneinander versetzt sind. Wird eine feinere in welcher die Zerstreuungswirkung des Stigmators ihr Einstellbarkeit gewünscht, so kann die Einstellung des Maximum hat. An die beiden Zentrierpaare werden die Winkels 2$ über ein Schneckengetriebe vorgenommen Zentrierspannungen gelegt, die gegeben sind durch 4° werden. Die Einstellung des Winkels β kann mittels des U₆ = UrW · y2 cos (ö — π/4); U₇ = UrW ψϊ · cos δ. mit β bezeichneten Drehknopfes über einen Kegeltrieb Hier kennzeichnet die Spannung UrW den Betrag des 36,37 und ein Schneckengetriebe 38,39, das das Gehäuse 14 Zentrierfeldes. Der Winkel δ gibt dagegen die Meridian- des Differentialgetriebes 13 um einen entsprechenden ebene an, in welcher das Zentrierfeld wirkt. Die Theorie Winkel verstellt, vorgenommen werden. Ein mit dem zeigt, daß die Zentrierung unabhängig von der Einstellung 50 Differentialgetriebe 13 gekuppeltes Zahnrad 40 erhält des Stigmators ist, wenn die Bedingungen dabei eine Winkeldrehung 2$ —ß, die über ein weiteres

   Zahnrad 41 und zwei gegeneinander um 45° versetzte

   UrW =k-U_R Sinusgetriebe 42, 43, 44 bzw. 45, 46, 47 auf die paar-

   ¹¹¹¹⁽¹ __ weise gekuppelten Potentiometer 22,22' und 23,23'

   P ' ^π 5o übertragen wird. Die Antriebsachse 2# kann mit einem

   erfüllt sind. Die Größen k und β können zwar willkürlich nicht dargestellten Zeiger gekuppelt werden, der den verändert werden, bleiben aber konstant, wenn Ur und # Winkel ■& und damit die Richtung des Astigmatismus variiert werden. anzeigt, den der Stigmator erzeugt. Von der gleichen

   Aus diesen Formeln ergibt sich der prinzipielle Aufbau Achse kann hinter dem Differentialgetriebe ein Zeiger eines Einstellgerätes für die verschiedenen Spannungen. 55 für den Winkel δ angetrieben werden, der die Richtung Sein Hauptelement ist ein in Abb. 3 dargestelltes Sinus- angibt, in welcher das Zentrierfeld wirkt, getriebe. Es besteht im wesentlichen aus einem von einer Praktisch schaltet man das Stigmatorfeld bei beliebiger

   Achse 8 angetriebenen Exzenter 9, einer Zahnstange 10, Stellung und beliebiger Größe ein und beobachtet, in einem Zahnrad 11 und einem Potentiometer 12. Dreht welcher Richtung ein Punkt des Bildes abgelenkt wird, man die Antriebsachse 8 um einen Winkel 2$ — Θ, so 60 Man stellt den Zeiger des Zentrierfeldes entgegen dieser verschiebt sich die Zahnstange 10 um s — C cos (2$ — Q), Richtung und schaltet das Zentrierfeld zu. Das Bild wobei θ ein beliebig festzulegender Phasenwinkel ist. wird dabei zurückgeholt. Durch Wahl der Größe des Über das Zahnrad 11 wird diese Bewegung als Drehung Zentrierfeldes bringt man das Bild an die alte Stelle, auf ein lineares Potentiometer 12 übertragen, das an der Nunmehr ist der Stigmator zentriert, und man kann das Spannung 2 U_E (symmetrisch gegen Erde) liegt. Am 65 Stigmatorfeld hinsichtlich Betrag oder Richtung ändern, Abgriff von 12 liegt dann die Spannung U = Ue · cos ohne daß sich das Bild bewegt. (2$ — Θ) gegen Erde. Nun erfordern die obigen Gleichungen noch eine zusätzliche, variable Phasendifferenzß. Patentansprüche: Diese kann zu dem ebenfalls veränderlichen Winkel 2$, 1. Einrichtung zur Kompensation des Astigmatiswie aus Abb.4 hervorgeht, etwa über ein Differential- 70 mus eines elektronenoptischen Linsensystems durch

   einen zusätzlichen Astigmatismus verursachende Mittel, die nach Größe und Richtung den Astigmatismus des Linsensystems ausgleichen, dadurch gekennzeichnet, daß elektronenoptische Mittel vorgesehen sind, die eine Zentrierung zur Achse des Strahlsystems ermöglichen und deren Einstellorgane mit den Einstellorganen zur Kompensation des Astigmatismus derart gekoppelt sind, daß bei einer Änderung der Einstellung der Kompensation die einmal eingestellte Zentrierung erhalten bleibt.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ablenkelektrodenpaare vorgesehen sind, die ein nach Größe und Richtung einstellbares elektrisches Zentrierfeld erzeugen.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrierfeld unabhängig von Betrag und Richtung des zur Kompensation des Astigmatismus dienenden Feldes eingestellt werden kann.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrierspannung und die Kompensationsspannung mit willkürlich einstellbarem Proportionalitätsfaktor einander proportional sind und daß die Richtung δ des Zentrierfeldes mit der Richtung $ des Kompensationsfeldes entsprechend der Beziehung δ — 2& —β+π gekoppelt ist, wobei β unabhängig vom Kompensationsfeld geändert werden kann.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vier gleiche Elektrodenpaare kreisförmig um die optische Achse angeordnet sind, von denen zwei nebeneinanderliegende Paare das Kompensationsfeld erzeugen, während die beiden anderen Paare zur Erzeugung des Zentrierfeldes dienen.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 4 und S, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrierspannung und die Kompensationsspannung durch ein mechanisch gekoppeltes Potentiometersystem einstellbar sind.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 879 877.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

   © 609 769/224 1.57