DE1098634B - Stigmator fuer die Korrektion eines Abbildungsfehlers von Elektronenlinsen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft einen Stigmator für die Korrektion eines Abbildungsfehlers vorn Elektronenlinsen, bestehend aus vier oder einer größeren geraden Zahl von symmetrisch den gleichen Teil der optischen Achse umgebenden Polstücken.

Der Stigmator ist eine Kompensationseinrichtung zur Beseitigung des Astigmatismus einer Elektronenlinse, und es ist gegenüber der Elektronenlinse der Unterschied vorhanden, daß bei der Kompensationseinrichtung Hilfspole vorgesehen sind, die rings um die Symmetrieachse angeordnet sind. Die Felderzeugung wird von Polpaaren in der Weise beeinflußt, daß eine gewünschte Unsymmetrie herbeigeführt wird. Bei einer Elektronenlinse sind die Pole in der Achsenrichtung hintereinander angeordnet, und es wird bezweckt, ein möglichst rotationssymmetrisches Feld zu erzeugen.

Es sind Elektronenlinsen bekannt, bei denen die Linse aus Elektroden und Magnetpolen besteht. In einer Ausbildung sind zwei Elektroden vorhanden, die mit einem Gehäuse verbunden sind. In dem Gehäuse ist die magnetische Linse angeordnet. Die Außenelektroden sind von dem magnetischen Polsystem getrennt in dem Sinne, daß sie nicht an der Bildung des magnetischen Linsenfeldes beteiligt sind. Die Elektronenlinse besitzt somit einen Elektrodensatz zur Bildung des elektrischen Linsenfeldes und einen weiteren Elektrodensatz zur Bildung des magnetischenLinsenfeldes.

Es ist der Zweck des Stigmators, eine nach Richtung und Größe einstellbare Felduneymmetrie herbeizuführen. Dazu sind wenigstens vier Hilfspole erforderlich, die drehbar um die Symmetrieachse angeordnet sind, oder eine größere gerade Zahl von Polstücken.

Bei dem vorliegenden Stigmator ist nun die Möglichkeit gegeben, die resultierende Richtkraft des Feldes zu drehen. Erfindungsgemäß bestehen die Polstücke aus magnetisierbarem Material, und es sind je zwei benachbarte Polstücke durch einen elektrischen Isolator aus ferromagnetisch em Material gegeneinander isoliert, dabei sind die Polstücke jedes in bezug auf die beiden benachbarten Polstücke entgegengesetzt polarisiert und weisen einen gleichen elektrischen Potentialunterschied in dem gleichen Sinne auf. Beim Anlegen geeigneter Spannungen an die benachbarten Polstücke und durch magnetische Erregung der Polstücke werden ein elektrisches und ein magnetisches Feld erzeugt, deren Richtkräfte einen Winkel einschließen, so daß die Möglichkeit gegeben ist, die resultierende Kraft zu drehen. Man braucht nur vier Polstücke anzuwenden, aber die Anordnung ist auch für eine größere gerade Zahl von Polstücken verwendbar.

Die Schnittlinie der Polflächen mit einer Ebene senkrecht zur Achse kann verschiedenartig ausgebildet Stigmator für die Korrektion eines
Abbildungsfehlers von Elektronenlinsen

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 15. März 1955

Adrianus Cornells van Dorsten, Eindhoven

(Niederlande),
ist als Erfinder genannt worden

sein. Es ist vorteilhaft, die Polstücke konvex zu gestalten. Es hat sich herausgestellt, daß die optimale Wirkung des vorliegenden Stigmators dadurch erzielt wird, daß der Querschnitt der Polflächen in Form zweier einander zugeordneter gleichseitiger Hyperbeln gestaltet ist.

Ein Stigmator der vorliegenden Art mit vier Polstücken verhält sich wie die Kombination zweier Zylinderlinsen im gleichen Raum, einer elektrostatischen und einer magnetischen. Die Sagittalebenen dieser Zylinderlinsen bilden einen Winkel von 45° miteinander.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der schematisch eine Anzahl Ausführungsbeispiele des Stigmators dargestellt sind.
ίο Fig. 1 zeigt, teilweise im Schnitt, eine solche bauliche Ausführungsform, in Richtung der Achse gesehen ;

Fig. 2 zeigt das gleiche Element in Seitenansicht, teilweise in einem längs einer die Achse enthaltenden Ebene geführten Schnitt;

Fig. 3 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Stigmators nach der Erfindung dar, teilweise im Schnitt und in Richtung der Achse gesehen;

Fig. 4 ist ein Querschnitt des Elementes nach Fig. 3 gemäß der Linie IV-IV; die

Fig. 5 und 6 zeigen eine dritte bauliche Ausführungsform, in gleicher Weise projektiert;

Fig. 7 ist ein Querschnitt eines Stigmators nach der Erfindung mit konkaven Polflächen;

109 508/329

Fig. 8 ist ein Längsschnitt des Elementes nach Fig. 7 gemäß der Linie VIII-VIII;

Fig. 9 erläutert das zuletzt erwähnte Beispiel;

Fig. 10 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein Elektronenmikroskop nach der Erfindung.

In Fig. 1 und 2 sind 1, 2, 3 und 4 die vier konvexen Polstücke. Sie sind aus einem für magnetische Elektronenlinsen üblichen weichen Stahl hergestellt. Sie sind magnetisch durch ferromagnetische Spulenkerne 5, 6, 7 und 8 miteinander verbunden». Diese Kerne bestehen aus einem ferromagnetischen isolierenden Material, beispielsweise aus einem der unter dem Namen Ferroxcube bekannten Ferrite. Auf diesen Kernen sind Spulenwicklungen 9, 10, 11 und 12 vorgesehen.

Die Polstücke sind symmetrisch die Achse 13 umgebend angeordnet. Sie weisen zylindrische konvexe Polflächen 14, 15, 16 und 17 auf, deren erzeugende Linien zur Achse 13 parallel verlaufen. Im Betrieb des Stigmators muß der Strom in den Spulenwicklungen 9, 10, 11 und 12 so gerichtet sein, daß zwei benachbarte Spulenkerne in entgegengesetzter Richtung magnetisiert werden. Die aufeinanderfolgenden Polflächen 14, 15, 16 und 17 werden dann abwechselnd polarisiert: wenn 14 einen Nordpol bildet, bildet 15 einen Südpol, 16 wiederum einen Nordpol und 17 wiederum einen Südpol. Auf diese Weise ergibt sich ein symmetrischer Verlauf der magnetischen Kraftlinien, die die Achse 13 unter einem rechten Winkel kreuzen.

Weiter wird ein elektrischer Potentialunterschied zwischen die Polstücke 1 und 2 gelegt. Der gleiche Potentialunterschied wird auch zwischen die Polstücke 3 und 2 und zwischen die Polstücke 3 und 4 gelegt. Die mit ungeradzahligen Bezugsziffern bezeichneten Polstücke haben das gleiche Potential, das sich vom gemeinsamen Potential der mit geradzahligen Bezugsziffern bezeichneten Polstücke unterscheidet. Infolgedessen ergibt sich auch ein elektrisches Feld, dessen Kraftlinien sich mit den magnetischen decken. Weil bei jeder Richtung und jedem Wert des zu kompensierenden Astigmatismus die Spannung einen anderen Wert besitzen, muß, wird sie regelbar gemacht, beispielsweise zwischen einigen 100 Volt negativ und positiv. Aus dem gleichen Grunde wird auch der Erregungsstrom der Spulen regelbar gemacht, so daß die magnetomotorische Kraft regelbar ist, beispielsweise zwischen 100 Amperewindungen negativ und positiv.

Jedes der beiden Felder, das elektrische und das magnetische, wirkt wie eine Zylinderlinse. Die Richtung der Brechkraft in einem bestimmten Punkt des Raumes ist jedoch nicht die gleiche für die beiden Zylinderlinsen. Wenn die Durchschnittskurven der PoI-fläehen 14, 15, 16 und 17 mit der gemeinsamen Hauptebene der beiden Zylinderlinsen zwei einander zugeordnete gleichseitige Hyperbeln bilden, kann durch eine mathematische Ableitung nachgewiesen werden, daß die Sagittal ebenen dieser Linsen einen Winkel von 45° miteinander bilden.

Der Astigmatismus eines optischen Systems, beispielsweise einer Elektronenlinse, der durch ungenügende Symmetrie der Feldbegrenzungen herbeigeführt wird, ist mit Hilfe einer Zylinderlinse beseitigbar. Diese Zylinderlinse kann durch Drehung um die optische Achse in die Lage gebracht werden, in der sie, sofern ihre Brechkraft die richtige ist, die Einwirkung der Unsymmetrie des zu korrigierenden optischen Systems auf das Bild beseitigt. Ausgehend von der optimalen Wirkung dieser Zylinderlinse gelangt man in die am wenigsten vorteilhafte durch Drehung der Linse um einen Winkel von 45°. Die gleiche Auswirkung kann mit Hilfe eines Systems zweier Zylinderlinsen regelbarer Stärke erzielt werden, die einen azimutalen Winkelunterschied von 45° aufweisen. Dieser Bedingung genügt der vorliegende Stigmator, der somit den Vorteil aufweist, das er überhaupt nicht gedreht zu werden braucht: Zur Einstellung des Stigmators auf die vorteilhafteste Wirkung wird die Stärke der beiden Teillinsen) in entgegengesetztem Sinne geändert (wodurch die resultierende Linse sich dreht), bis der übrigbleibende Astigmatismus einen Mindestwert aufweist. Durch proportionale Änderung der Stärke der beiden Felder kann der Astigmatismus dann völlig beseitigt werden.

Wenn der Schnitt durch die Polflächen nicht genau die Form einer Hyperbel aufweist, ist die Auswirkung des Korrektionselementes nicht so genau, aber dennoch ist bei nicht allzu großen Abweichungen von der theoretisch richtigen Form häufig eine für die Praxis genügende Verbesserung erzielbar. Man kann diese Form beispielsweise durch einen kreisförmigen Schnitt annähern.

Bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Spulenkerne senkrecht in den optischen Achsen des Systems gerichtet. Sie können auch radial angeordnet sein. Fig. 3 und 4 zeigen ein Beispiel dieser letzteren Anordnungsweise. Die Polstücke sind mit 18, 19, 20 und 21 bezeichnet. Die Polflächen 22, 23, 24 und 25 weisen die gleiche Form wie beim ersten Beispiel auf. Die Spulenkerne 26, 27, 28 und 29 bestehen hier aus dem gleichen Material wie die Polstücke und sind durch ein Joch 30 aus dem gleichen Material miteinander verbunden. Weil es jedoch möglich sein muß, eine Spannung zwischen den Polstücken anzulegen, weist das Joch Unterbrechungen 31, 32, 33 und 34 aus elektrisch isolierendem magnetisierbarem Material auf. Die Spulenwicklungen sind mit 35, 36, 37 und 38 bezeichnet. Diese Wicklungen müssen abwechselnd in entgegengesetztem Sinne vom Strom durchflossen werden, so daß beispielsweise der Magnetfluß des Kernes 26, von der Polfläche 22 ausgehend, sich zur Hälfte durch das Polstück 19 und den Isolator 31 und zur anderem Hälfte durch das Polstück 21 und den Isolator 34 schließt.

Es ist auch möglich, einen Stigmator nach der Erfindung so auszubilden), daß sich die Spulenwindungen senkrecht zur Achse des Elementes erstrecken. Dies ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Bei diesem Ausfuhr rungsbeispiel besteht das magnetische System aus zwei ineinanderschließenden gleichen Teilen. Diese Teile bestehen je aus einem flachen Ring (39, 40) mit zwei einander diametral gegenüberliegenden, vorspringenden Verbreiterungen (41, 42 bzw. 43, 44), die auch axial größer als der übrige Teil des Ringes sind und deren Schnitt in einer Ebene senkrecht zur Achse die beiden Kurven einer gleichseitigen Hyperbel bilden, die von einem konzentrischen Kreis 45 abgeschnitten werden. Der Durchmesser O₁ des Kreises 45 ist kleiner als der Innendurchmesser dz der Ringe 39 und 40. Die Ringe sind gleichachsig angeordnet, der eine umgekehrt gegenüber dem andern, und das eine Paar Verbreiterungen ist symmetrisch zum anderen Paar angeordnet. Ein ferromagnetischer Ring 46 aus isolierendem Material hält die Ringe 39 und 40 im Abstand voneinander. Der Innendurchmesser ds des gleichachsig zu den Ringen 39 und 40 angeordneten¹ Ringes 46 ist größer als d₂. Im Raum zwischen dem Ring 46 und den aus der Ebene der Ringe 39 und 40 vorspringenden Teilen der Verbreiterungen 41 bis 44 ist eine Magnetisierungsspule 47 angeordnet. Weil Ci₁ kleiner als d₂ ist, -ergibt sich ein Schlitz zwischen den Verbreiterungen 41 und 42 und der Innenwand des Ringes

39 und auch zwischen den Verbreiterungen 43 und 44 und dem Ring 40. Infolgedessen bilden sich, wenn die Spule 47 von Strom durchflossen wird, magnetische Pole. Die hyperbolischen Flächen von 41 und 42 erhalten die eine, diejenigen: von 43 und 44 die andere magnetische Polarität, so daß sich eine magnetische Zylinderlinse ergibt. Zwischen die Ringe 39 und 40 kann eine elektrische Spannung gelegt werden, um das System zu einer elektrostatischen Zylinderlinse auszubilden.

Fig. 7 und 8 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Stigmators nach der Erfindung, bei dem die Form der Polflächen sich erheblich von derjenigen bei den bereits geschilderten Beispielen unterscheidet. Die Polflächen 48, 49, 50 und 51 bilden hier einen Kreiszylinder. Daß mit dieser Gestalt dennoch gute Ergebnisse erzielbar sind, wird an Hand der Fig. 9 erläutert.

Wenn von dem Feld, das sich zwischen den hyperbolischen Polflächen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ergibt, die Feldstärke in den Punkten eines Kreises in einer Ebene senkrecht zur Achse und mit dem Mittelpunkt in der Achse als Funktion des Winkels zwischen dem Leitstrahl und einer festen Mittellinie in einem rechtwinkligen Achsenkreuz graphisch dargestellt wird, ergibt sich eine sinusförmige Linie.

Der Verlauf des Potentials auf dem kreisförmigen Schnitt der Polflächen 48 bis 51 kann durch die gebrochene Linie 52 der Fig. 9 dargestellt werden. Die durch diese Linie dargestellte Funktion kann nach Fourier in eine— Sinusfunktion und eine Vielzahl von Harmonischen zerlegt werden. Für einen Kreis mit einem etwas geringeren Strahl ergibt sich eine Kurve, aus der die höchsten Harmonischen verschwunden sind, und es verschwinden um so mehr Harmonisehe, je kleiner der Strahl gewählt wird. Bei einem Kreis mit sehr geringem Strahl sind sie fast völlig weggefallen, und es bleibt nahezu nur eine Sinusfunktion 53 übrig mit den gleichen Nulldurchgängen wie die Linie 52, von der man ausgegangen ist. In der Nähe der Achse ist somit die Lage hinsichtlich des Verlaufs der Feldstärke etwa gleich derjenigen, die bei hyperbolischen Polflächen in dem ganzen Feld gefunden wird. Wenn somit der Strahl des von den Polflächen gebildeten Zylinders groß ist im Verhältnis zu demjenigen des Querschnittes des Elektronenbündels, auf das die Felder einwirken müssen, ist die in Fig. 7 dargestellte Form praktisch brauchbar.

Der Stigmator nach den Fig. 7 und 8 besteht im wesentlichen aus zwei zueinander konzentrischen Zylindern 54 und 55 aus ferromagnetischem Metall. Der Außenzylinder verjüngt sich am oberen Ende und hat an diesem Ende zwei Fenster, die je etwas mehr als ein Viertel des Umfanges einnehmen. In diesen Fenstern liegen Zungen 56 und 57, die aus dem Rand des Innenzylinders herausragen und die je etwas weniger als ein Viertel des Umfanges einnehmen. Ihre Oberseite ist etwas von der Oberseite der Fenster entfernt. Die beiden Zylinder berühren sich somit nicht, obgleich ihre Durchmesser sich im oberen Teil gleich sind.

Der Raum zwischen den Zylindern, in dem eine Magnetisierungswicklung 58 angeordnet ist, ist von einem ferromagnetischen elektrisch isolierenden Ring 59 abgeschlossen. Dieser Ring stellt eine direkte Verbindung zwischen den Zylindern her für den magnetischen Kraftlinienfluß, der an den Flächen 48 bis 51 magnetische Pole erzeugt.

Es ist ersichtlich, daß bei sämtlichen geschilderten Ausführungsbeispielen das gesamte Ferromagnetikutn aus elektrisch isolierendem Material hergestellt werden kann (Ferroxcube), sofern die Polflächen mit einem Überzug aus leitendem Material versehen werden, so daß eine elektrische Spannung zwischen diese Flächen gelegt werden kann.

Fig. 10 zeigt einen Schnitt durch ein Elektronenmikroskop, das mit einem vorliegenden Stigmator versehen ist.

Die Außenwand dieses Mikroskops besteht aus einem Stahlrohr 60, in das am oberen Ende das Elektrodensystem 61 eingeführt ist, das zum Erzeugen des Elektronenstrahls dient, der längs der Achse des Rohres 60 das ganze Mikroskop durchläuft. Das Mikroskop enthält drei magnetische Linsen: einen Kondensator62, ein Objektiv 63 und ein Projektiv64. Die Einrichtung und die Wirkung dieser Organe werden als bekannt angenommen. Im Objektiv 63 befindet sich das Objekt 65, von dem durch den Elektronenstrahl ein Bild auf dem Glasfenster 66 entworfen wird, das mit einer Schicht 67 aus Leuchtstoff überzogen ist.

Zwischen dem Objektiv und dem Projektiv ist das Korrektionselement 68 angeordnet, das dazu dient, den Astigmatismus des Objektivs weitestgehend zu beseitigen.

Damit zwischen den Polen des Elementes 68 eine Spannung angelegt werden kann, sind an diesen Polen elektrische Leitungen 69 befestigt, die durch die Wand 60 hindurch herausgeführt sind. Auch sind elektrische Leitungen 70 zum Zuführen von Strom an die Magnetisierungsspulen vorgesehen. Durch Regeln der Spannung und des Stromes kann die Stärke der beiden von dem Element gebildeten Zylmderlinsen geregelt werden. Diese elektrische Regelung ersetzt die bekannte Regelung durch Verschiebung metallener Korrektionsorgane in dem Rohr. Dies bedeutet eine erhebliche Vereinfachung.

Weil die elektrostatische Zylinderlinse gar keine und die magnetische nur wenig sphärische Aberration aufweist, kann das Elektronenbündel im Stigmator einen großen Querschnitt aufweisen und ist ein verhältnismäßig großer Abstand zwischen dem Korrektionselement und der Linse, mit der es zusammenarbeitet, an sich ohne Bedenken. Aus dem gleichen Grunde ist auch eine Steigerung der axialen Abmessung des Elementes für die Bildgüte nicht nachteilig. Eine verhältnismäßig große Abmessung in Richtung der Achse ist sogar vorteilhaft, weil sie die Einwirkung der störenden Randfelder verringert.

Es ist jedoch aus anderen Gründen erwünscht, daß der Abstand des Stigmators vom Objektiv klein im Verhältnis zu demjenigen vom Projektiv ist, denn um so geringer der letztere Abstand bei gegebenem Abstand zwischen Objektiv und Projektiv ist, um so stärker muß der Stigmator erregt werden, um den Astigmatismus zu beseitigen, aber um so größer wird infolgedessen seine Einwirkung auf die mit dem zu korrigierenden System erzielte Vergrößerung (selbstverständlich in nur einer einzigen Richtung).

Durch Steigerung des Abstandes des Stigmators vom Projektiv wird die Verzerrung des Bildes verringert. Deshalb ist beim in Fig. 10 dargestellten Mikroskop der Stigmator in dem Ferromagnetikum des Objektivs versenkt.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Stigmator, bestehend aus vier oder einer größeren geraden Zahl von symmetrisch den gleichen Teil einer Achse umgebenden Polstücken, dadurch gekennzeichnet, daß die Polstücke aus magnetisierbarem Material bestehen und je zwei

benachbarte Polstücke durch einen elektrischen Isolator aus ferromagnetische!!! Material gegeneinander isoliert sind und die Polstücke jedes in bezug auf die beiden benachbarten Polstücke entgegengesetzt polarisiert sind und einen gleichen elektrischen Potentialunterschied in demselben Sinne aufweisen.

2. Stigmator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Isolator am ferromagnetischen Material als Kern Magnetisierungsspulen aufweist, deren Achsen senkrecht zu den optischen Achsen des Stigmators gerichtet ist.

3. Stigmator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er Magnetisierungsspulen enthält, deren Achse radial gerichtet ist und die je unter einem Winkel von 90° gegenüber den benachbarten so angeordnet sind, daß sich die Spulen auf der Innenseite an einen Polschuh mit zylindrischer Polfläche und auf der Außenseite an ein gemeinsames Joch anschließen, das das Ganze als eine Außenwand umgibt und von magnetisierbaren Isolatoren in vier Sektoren unterteilt wird.

4. Stigmator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polstücke wechselweise Teile zweier gleichachsiger, die Magnetisierungswicklung zwischen sich einschließender, leitender ferromagnetischer Ringe oder Zylinder bilden, die von einem ringförmigen isolierenden Joch magnetisch miteinander verbunden sind.

5. Stigmator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polstücke von der Magnetisierungswicklung und diese von dem elektrisch isolierenden Joch umgeben sind.

6. Elektronenoptisches System, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Stigmator gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche enthält, dessen Achse sich mit der optischen Achse des Systems deckt und dessen Polflächen je gegenüber den beiden benachbarten magnetisch entgegengesetzt polarisiert sind und einen gleichen elektrischen Potentialunterschied in dem gleichen Sinne aufweisen, und daß sowohl die magnetischen als auch die elektrischen Felder regelbar sind.

7. Elektronenmikroskop, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem oder mehreren elektronenoptischen Systemen nach Anspruch 6 versehen ist.

8. Elektronenmikroskop nach Anspruch 7, dessen Objektiv einen Teil eines optischen Systems nach Anspruch 6 bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Stigmator dieses Systems im Ferromagnetikum des Objektivs versenkt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentanmeldungen P 13554 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 5.4.1951), A 5363 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 27. 1. 1955), A 9697 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 16. 12. 1954).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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