DE112014003890B4

DE112014003890B4 - Mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung

Info

Publication number: DE112014003890B4
Application number: DE112014003890.3T
Authority: DE
Inventors: Yuko Sasaki; Hiroyuki Ito
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2014-05-02
Publication date: 2018-08-02
Anticipated expiration: 2034-05-03
Also published as: US10319558B2; WO2015045468A1; JP6224717B2; JPWO2015045468A1; US20160233049A1; JP2018022703A; DE112014003890T5; JP6490772B2

Abstract

Mit einem Strahl (7) geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung, umfassendeine Ladungsteilchenquelle (3),ein rotationssymmetrisches Linsensystem, das ein Strahl (7) geladener Teilchen passiert, die von der Ladungsteilchenquelle (3) erzeugt werden,eine ein Elektromagnetfeld erzeugende Einheit (2; 50), die ein N-fach symmetrisches Elektromagnetfeld (N ist eine natürliche Zahl ab 2) um eine optische Achse erzeugt, undeinen auf der Strahleintrittseite der ein Elektromagnetfeld erzeugenden Einheit (2; 50) angeordneten Ablenker eintretender Strahlung (8), der den Strahl (7) geladener Teilchen ablenkt,wobei durch den Ablenker eintretender Strahlung (8) der Strahl (7) geladener Teilchen, der das Linsensystem passiert hat, abgelenkt wird, in einen lokalen Divergenzbereich eintritt, der sich in einem von der Achse entfernten Bereich des N-fach symmetrischen Elektromagnetfeldes gebildet hat, und eine durch das Linsensystem verursachte Aberration des Strahls (7) geladener Teilchen korrigiert wird,dadurch gekennzeichnet, dassdie ein Elektromagnetfeld erzeugende Einheit (2; 50) außerhalb des Raumes, den der Strahl (7) geladener Teilchen passiert, durch wenigstens ein Paar paralleler Stromleitungen (2a, 2b) gebildet ist, die parallel zu der optischen Achse angeordnet sind, undder Ablenker eintretender Strahlung (8) dazu ausgelegt ist, den Strahl (7) geladener Teilchen so abzulenken, dass er das Linsensystem auf oder in der Nähe einer Achse (Y) passiert, die zu einer das Paar paralleler Stromleitungen (2a, 2b) verbindenden Achse (X) vertikal ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aberrationskorrektur, das für eine mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung verwendet wird.
Technischer Hintergrund
Bei einem mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitenden Elektronenmikroskop, wie z. B. einem Rasterelektronenmikroskop (REM), einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) oder einem Rastertransmissionselektronenmikroskop (RTEM), einer Elektronenstrahllithografievorrichtung (ESL) oder einer Ionenfeinstrahlanlage (FIB), stellt die Strahlunschärfe aufgrund wie einer chromatischen Aberration oder einer sphärischen Aberration die Grenze von deren Auflösungsvermögen und Verarbeitungspräzision dar. Herkömmliche Techniken zur Aberrationskorrektur verwenden komplizierte mehrpolige Systeme, von denen ein Teil zwar im Handel erhältlich, aber immerhin teuer ist, und insbesondere die gleichzeitige Korrektur einer chromatischen Aberration und einer sphärischen Aberration erfordert eine ausgesprochen hochentwickelte Planung und eine mühsame Justierung.
In der JP 2009-054581 A ist ein preiswertes Verfahren zur Bildung eines mehrpoligen Feldes mit hervorragenden Steuercharakteristiken offenbart, bei dem ein Magnetfeld bezüglich einer Achse mittels paralleler Stromleitungen vollständig aufgehoben wird.
Literatur zum Stand der Technik
Patentliteratur
Patentliteratur 1: JP 2009-054581 A
Kurzfassung der Erfindung
Technisches Problem
Seit langer Zeit wird für eine optoelektrische Vorrichtung wie z. B. ein Elektronenmikroskop eine rotationssymmetrische Elektronenlinse verwendet, bei der das Planungs- und Herstellungsverfahren sowie das Justierungsverfahren einfach ist. Andererseits ist bewiesen, dass eine rotationssymmetrische Elektronenlinse nur als Konvexlinse wirkt, und die Aberration eine Beschränkung darstellt. Daher erfolgt bei einem herkömmlichen Aberrationskorrekturverfahren eine Korrektur, indem durch die zur Strahlachse geradlinige Anordnung mehrerer, nicht rotationssymmetrischer, mehrpoliger Systeme ein komplizierter Konvergenz/Divergenz-Bereich gebildet wird. Das heißt, bei einer mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitenden Optik ist eine elektrische Steuerung möglich, da mit Hilfe eines mehrpoligen Systems zusätzlich zu einer Strahlablenkung ein Linienfokus und eine Astigmatismuskorrekturwirkung, d. h. ein lokaler Divergenzbereich möglich ist. Gemäß dem Stand der Technik wird in einem komplizierten Prozess eine Aberrationskorrektur realisiert, indem aufgrund dieser Charakteristik abwechselnd in der X- und Y-Ebene zur Z-Achsenrichtung der Trajektorie ein Linienfokus gebildet wird, sodass in der einen Richtung eine Konvergenz und in der anderen Richtung eine Divergenz bewirkt wird.
Im Allgemeinen sind derartige mehrpolige Systeme so aufgebaut, dass relativ zur Achse in Drehrichtung in gleiche Teile aufgeteilte Magnetpole oder Elektroden verwendet werden. Deren Anzahl ist mit 4 bis 12 Polen hoch, sie erfordern auch Präzision und sind einschließlich des Netzteils kostspielig, wobei die Schwierigkeit besteht, dass insbesondere für die Korrektur einer chromatischen oder sphärischen Aberration eine präzise Justierung der Trajektorie erforderlich ist.
Auch durch die Patentliteratur 1 wird die Kompliziertheit des Aufbaus eines mehrpoligen Feldes und der Justierung der Trajektorie prinzipiell nicht gelöst. Das heißt, ebenso wie beim Stand der Technik werden Korrekturfelder in einem Bereich und einer Ausrichtung, die beschränkt sind, mehrstufig angeordnet, indem lediglich die Korrekturspulen seriell zur Strahlachse als gerade Linie angeordnet werden. Daher entsteht zusätzlich zu deren Struktur eine komplizierte Strahltrajektorie zum Ausgleichen der Aberrationsgegenmaßnahmen.
M. Haider et al. beschreiben in „Correction of the spherical aberration of a 200 kV TEM by means of a Hexapole-corrector", Optik 99 (1995), S. 167-179, eine Vorrichtung zur Aberrationskorrektur gemäß dem Oberbegriff der vorliegenden Ansprüche 1 und 13. Weiterer Stand der Technik dazu ist in den Druckschriften DE 101 59 454 A1 , DE 100 01 277 A1 , DE 197 39 290 A1 , DE 198 02 409 A1 , DE 10 2006 017 686 A1 und DE 690 26 242 T2 beschrieben.
Andererseits ist bei einer Anwendung für z. B. eine dreidimensionale Betrachtung oder eine Betrachtung einer Kristallisierungsausrichtung ein multifunktionales Elektrodenmikroskop, bei dem eine Neigung des Strahls mit einer niedrigen Aberration möglich ist, erforderlich.
Lösung des Problems
Um dieser Aufgabe und den Bedürfnissen des Marktes gleichzeitig zu entsprechen, wird ein Verfahren zur Aberrationskorrektur entwickelt, durch das bei einem geneigten Strahl eine chromatische und sphärische Aberration unterdrückt werden kann. Die Lösung gelingt durch die in Anspruch 1 oder 13 definierte Vorrichtung.
Ein lokales Konkavlinsenfeld wird mittels z. B. eines Mehrpols und paralleler Stromleitungen gebildet, und die Aberration wird korrigiert, indem mittels einer normalen rotationssymmetrischen Linse, eines Ablenkers und eines Astigmatismuskompensators die Strahlachse auf das lokale Konkavlinsenfeld eingestellt, und eine Gegenreaktion zu der Aberration, die ein anderes rotationssymmetrisches Konvexlinsenfeld erzeugt, ausgelöst wird. Dadurch ist durch das gleiche Prinzip wie bei einer optischen Doublet- oder Triplet-struktur mittels einer einfachen Struktur eine Aberrationskorrektur möglich.
Das heißt, die mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst eine Ladungsteilchenquelle, ein rotationssymmetrisches Linsensystem, das ein von der Ladungsteilchenquelle erzeugter Strahl geladener Teilchen passiert, eine Elektromagnetfelderzeugungseinheit, die um eine optische Achse N-fach symmetrische Elektromagnetfelder erzeugt (N ist eine natürliche Zahl ab 2), und einen auf der Seite der eintretenden Strahlung der Elektromagnetfelderzeugungseinheit angeordneten Ablenker eintretender Strahlung, der den Strahl geladener Teilchen ablenkt, wobei der das Linsensystem passierende Strahl geladener Teilchen durch den Ablenker eintretender Strahlung abgelenkt wird und in einen lokalen Divergenzbereich eintritt, der in einem von der Achse entfernten Bereich der N-fachen symmetrischen Elektromagnetfelder gebildet wird, und die durch das Linsensystem verursachte Aberration des Strahls geladener Teilchen korrigiert wird. Die optische Achse stimmt mit der rotationssymmetrischen Achse des Linsensystems überein und die Ladungsteilchenquelle wird auf der optischen Achse angeordnet.
Der lokale Divergenzbereich des von der Achse entfernten Bereichs der N-fachen symmetrischen Elektromagnetfelder kann durch N-Stück parallele Stromleitungen, einen magnetischen Mehrpol oder einen elektrostatischen Mehrpol gebildet werden, die auf der Außenseite eines Raumes, den der Strahl geladener Teilchen passiert, um die optische Achse in der Winkelteilerzahl N angeordnet sind.
Für den Fall, dass der lokale Divergenzbereich in dem von der Achse entfernten Bereich durch parallele Stromleitungen gebildet wird, sollte der Strahl geladener Teilchen in einem Bereich eines Radius (R/3) vom Zentrum mit Ausnahme des Zentrums einfallen, wobei in der vertikalen Ebene zur rotationssymmetrischen Achse des Linsensystems gesehen, die Position der rotationssymmetrischen Achse als Zentrum und der Abstand vom Zentrum bis zu den parallelen Stromleitungen als R bestimmt wird.
Wird ferner der lokale Divergenzbereich in dem von der Achse entfernten Bereich durch parallele Stromleitungen gebildet, ist es vorteilhaft, den innenseitigen Abschnitt einer toroidalen Wicklungsspule als parallele Stromleitungen fungieren zu lassen, den innenseitigen Abschnitt der toroidalen Wicklungsspule auf der Innenseite einer Magnetfeldabschirmung, und den restlichen Abschnitt der toroidalen Wicklungsspule auf der Außenseite der Magnetfeldabschirmung anzuordnen.
Es ist auch möglich, dass die Elektromagnetfelderzeugungseinheit ein 2-fach symmetrisches Elektromagnetfeld und ein 4-fach symmetrisches Elektromagnetfeld so erzeugt, dass sich ihre lokalen Divergenzbereiche überlappen, und der Strahl geladener Teilchen in die überlappten lokalen Divergenzbereiche eintritt.
Als eine Ausführung hiervon ist es auch möglich, dass zwei parallele Stromleitungen für die Erzeugung eines 2-fach symmetrischen Elektromagnetfeldes, die in der Winkelteilerzahl 2 um die optische Achse angeordnet sind, und vier parallele Stromleitungen für die Erzeugung eines 4-fach symmetrischen Elektromagnetfeldes, die in der Winkelteilerzahl 4 um die optische Achse angeordnet sind, auf der Außenseite eines Raumes, den der Strahl geladener Teilchen passiert, vorgesehen sind, wobei durch die Steuerung der Größe des durch die parallelen Stromleitungen für die Erzeugung eines 2-fach symmetrischen Elektromagnetfeldes passierenden Stroms eine chromatische Aberration des Strahls geladener Teilchen korrigiert wird, und durch die Steuerung der Größe des durch die parallelen Stromleitungen für die Erzeugung eines 4-fach symmetrischen Elektromagnetfeldes passierenden Stroms eine Öffnungsaberration des Strahls geladener Teilchen korrigiert wird.
Es ist ebenfalls möglich, zwei Paare von Astigmatismuskompensatoren, die gegeneinander um 45 Grad versetzt um die optische Achse angeordnet sind und parallele Stromleitungen der Winkelteilerzahl 2 aufweisen, auf der Strahleintrittseite und Strahlaustrittseite zu der Elektromagnetfelderzeugungseinheit einzusetzen.
Es ist ebenfalls möglich, dass das optische System eine erste Linse, die auf der Strahleintrittseite zu der Elektromagnetfelderzeugungseinheit angeordnet ist, und eine zweite Linse, die auf der Strahlaustrittseite zu der Elektromagnetfelderzeugungseinheit angeordnet ist, umfasst.
Es ist ebenfalls möglich, dass es sich bei der ersten Linse und der zweiten Linse um elektrostatische Linsen handelt.
Ferner ist es auch möglich, auf der Strahleintrittseite und der Strahlaustrittseite der Elektromagnetfelderzeugungseinheit jeweils einen Astigmatismuskompensator anzuordnen und die beiden Astigmatismuskompensatoren gekoppelt zu steuern.
Auf der Strahlaustrittseite der Elektromagnetfelderzeugungseinheit kann auch ein Ablenker austretender Strahlung vorgesehen werden.
Mittels eines Ablenkers eintretender Strahlung, eines Ablenkers austretender Strahlung und einer elektrostatischen Linse ist auch eine Steuerung möglich, bei der etwa im Mittelpunkt der Elektromagnetfelderzeugungseinheit der Eintrittswinkel und der Austrittswinkel nahezu symmetrisch werden, während der Strahl geladener Teilchen parallel zur optischen Achse verläuft.
Ferner weist die mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Ladungsteilchenquelle, ein rotationssymmetrisches Linsensystem, das der von der Ladungsteilchenquelle erzeugte Strahl geladener Teilchen passiert, eine Korrekturspuleneinheit, die um die optische Achse ein lokales Rotationsmagnetfeld erzeugt, und einen auf der Eintrittseite der Korrekturspuleneinheit angeordneten Ablenker eintretender Strahlung, der den Strahl geladener Teilchen ablenkt, auf und korrigiert eine durch das Linsensystem verursachte Aberration des Strahls geladener Teilchen, indem der Strahl geladener Teilchen, der das Linsensystem passiert hat, durch den Ablenker eintretender Strahlung abgelenkt wird, sodass er in das durch die Korrekturspuleneinheit gebildete lokale Rotationsmagnetfeld eintritt.
Die Korrekturspuleneinheit kann auch zwei von der optischen Achse ausgehend strahlenförmig angeordnete Paare gewickelter Toroidspulen aufweisen, wobei die gewickelten Toroidspulen eine Trapezform haben, bei der die obere Kante und die untere Kante zur optischen Achse parallel ist und die Länge der von der optischen Achse weiter entfernten unteren Kante länger ist als die Länge der oberen Kante in der Nähe der optischen Achse, sodass durch die von der oberen Kante und der unteren Kante gebildeten parallelen Stromleitungen in einem Raum, der von den zwei Paaren gewickelter Toroidspulen eingeschlossen ist, ein lokales Rotationsmagnetfeld erzeugt wird.
In der Nähe der Kante, die die obere Kante und die untere Kante der trapezförmigen gewickelten Toroidspule verbindet, kann auch eine Rückstromspule zum Kompensieren eines Magnetfeldes vorgesehen werden, das durch den in dieser Kante fließenden Strom erzeugt wird.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Durch die vorliegende Erfindung kann unter Vermeidung der herkömmlichen Kompliziertheit ein multifunktionales, mit geladenen Teilchen arbeitendes optisches System realisiert werden. Konkret sind die folgenden Effekte zu erwarten.
Zunächst kann ein kostengünstiger Aberrationskompensator mit wenigen Strukturbauteilen realisiert werden. Für die Bildung eines lokalen Divergenzbereichs werden ein Mehrpol und ein paralleles Stromleitungssystem verwendet. Insbesondere im Hinblick auf das parallele Stromleitungssystem kann ein Bereich konstruiert werden, in dem ohne eine magnetische Sättigung oder Hysterese linear durch die Wicklungszahl und Anordnung eine Addition oder Subtraktion möglich ist. Ferner ist die Analyse einfach, sodass eine mit einem optischen Linsensystem kombinierte Planung und eine Justierung ermöglicht wird. Außerdem ist die Wartung einfach, da die Spule aus dem Vakuum herausgenommen werden kann, und eine Kostensenkung wird ermöglicht, da durch die Stromverbindung ein Netzteil eingespart werden kann.
Ferner wird durch den zusätzlichen Effekt einer von der Achse entfernten Strahljustierung schließlich ein Strahlneigungssystem ohne Aberration realisiert. Bei einer praktischen Anwendung der vorliegenden Erfindung auf ein Rasterelektronenmikroskop (REM) oder ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM) wird eine Stereobetrachtung jeweils der Oberfläche und des Innenteils sowie eine Betrachtung mit einer Hochgeschwindigkeit/Hochauflösungsfähigkeit z. B. der Kristallisierungsausrichtung möglich.
Abgesehen von dem Vorstehenden werden die Aufgabe, der Aufbau und die Wirkungen aus der folgenden Erläuterung der Ausführungsformen deutlich.
Figurenliste

1 ist eine erläuternde Darstellung eines Magnetfeldes mittels eines Mehrpols.
2 ist eine erläuternde Darstellung eines Magnetfeldes mittels paralleler Stromleitungen sowie dessen Wirkung.
3 ist ein Schattierungsbild, das die Stärke eines Magnetfeldes darstellt, das durch ein Paar paralleler Stromleitungen erzeugt wird.
4 ist eine Darstellung, die die Stärke und Ausrichtung eines Magnetfeldes an den jeweiligen Gitterpunkten eines gitterförmig unterteilten Bereichs zeigt.
5 stellt die Beziehung zwischen der Entfernung vom Zentrum und der Magnetfeldstärke dar.
6 stellt einen Bereich dar, der als lokaler Divergenzbereich genutzt werden kann.
7 ist eine erläuternde Darstellung einer Aberrationskorrektur mittels eines Triplet-Objektivs.
8 ist eine schematische Skizze, die das Konzept der Aberrationskorrektur der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 ist die Darstellung eines Rechenbeispiels der Magnetfeldstärkeverteilung mittels paralleler Stromleitungen.
10 ist eine konzeptionelle Darstellung einer Aberrationskorrektur mittels einer Doublet-Struktur.
11 ist eine konzeptionelle Darstellung einer Aberrationskorrektur mittels einer Doublet-Struktur.
12 ist eine schematische Skizze, die das Ausführungsbeispiel einer mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitenden Vorrichtung zeigt, die mittels einer elektrischen Triplet-Struktur eine Aberration korrigiert.
13 ist eine schematische Skizze, die das Ausführungsbeispiel einer mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitenden Vorrichtung zeigt, die eine verzögernde elektrostatische Linse aufweist und eine Aberrationskorrektur durchführt.
14 ist eine erläuternde Darstellung der Ablenkungswirkung einer Toroidspule.
15 ist eine erläuternde Darstellung der Divergenzwirkung einer Toroidspule.
16 ist eine erläuternde Darstellung der Konvergenzwirkung einer Toroidspule.
17 ist eine schematische Skizze, die eine mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung zeigt, die ein anderes Verfahren zur Bildung eines Konkavlinsenfeldes nutzt.
18 ist eine erläuternde Darstellung der Justierungsparameter eines einheitlichen Toroid- Divergenzbereichs.
19 ist eine schematische Seitenansicht, die eine Toroidspule zeigt.
20 ist eine schematische Skizze, die ein Anwendungsbeispiel auf ein optisches Strahlneigungssystem, das eine elektrostatische Linse verwendet, zeigt.
21 ist eine schematische Skizze, die ein Anwendungsbeispiel auf ein optisches Strahlneigungssystem, das eine Magnetfeldlinse verwendet, zeigt.
22 ist eine Darstellung der Anwendung auf ein Transmissionselektronenmikroskop sowie der Neigungstrajektorie.

Beschreibung der Ausführungsformen
Der große Unterschied zwischen einer mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitenden Vorrichtung und einer optischen Vorrichtung besteht in deren Öffnungswinkel (Anzahl der Öffnungen). Bei einem Strahl geladener Teilchen handelt es sich um eine Größenordnung von 10 mrad, da die Aberration groß ist, was im Vergleich zu einer optischen Linse ausgesprochen gering ist. Anhand dieser Charakteristik wird es möglich, einer rotationssymmetrischen Linse eine astigmatische Funktion zuzusetzen, einen Strahl auf einen lokalen Divergenzbereich gerichtet zu linienfokussieren und ihn zu lokalisieren. Das heißt, bei der vorliegenden Erfindung wird gleichzeitig mit der Strahlneigung eine Aberrationskorrektur realisiert, indem während der Bildung eines außeraxialen lokalen Divergenzbereichs durch den Mehrpol ein Ablenker und ein Astigmatismuskompensator mit einer rotationssymmetrischen Linse kombiniert werden und die Strahltrajektorie auf den außeraxialen lokalen Divergenzbereich eingestellt wird.
Konkret können durch die Verwendung eines Oktupols vom Magnetfeldtyp ein Konvergenz/Divergenz-Magnetfeld B₁, bei dem es sich auch um einen Astigmatismuskorrekturbereich eines Quadrupols handelt, und ein tertiäres Magnetfeld B₃ erzeugt werden. Die gleiche Funktion kann ferner auch mittels eines elektrostatischen Oktupols erzeugt werden. Ferner kann durch die Verwendung von parallelen Stromleitungen anstelle dieser Mehrpole ein preiswerter Kompensator mit einer hohen Steuerbarkeit ohne Hysterese realisiert werden.
Dabei wird ein Kreis mit dem Radius R um den Nullpunkt innerhalb der XY-Ebene eines XYZ-Koordinatensystems (Rechtssystem) mit der optischen Achse des mit geladenen Teilchen arbeitenden optischen Systems als Z-Achse eingestellt und sich in Z-Richtung erstreckende n-Stück parallele Stromleitungen werden an n-Stellen, die den Kreisumfang in n-gleiche Teile teilen, angeordnet. In den n-Stück parallelen Stromleitungen fließt ein Strom mit der gleichen Stärke und der gleichen Ausrichtung. Die Korrekturspule aus n-Stück paralleler Stromleitungen, die mit der Winkelteilerzahl n um die optische Achse angeordnet sind, wird im Folgenden „N=n-System Korrekturspule“ mit dem Radius R genannt.
1 ist eine erläuternde Darstellung des 2-fach symmetrischen Magnetfeldes aufgrund eines Mehrpols und 2 ist eine erläuternde Darstellung der Wirkung mit dem durch eine N=2-System Korrekturspule mit dem Radius R erzeugten 2-fach symmetrischen Magnetfeld. Die in 2 dargestellten Korrekturspulen sind an den Positionen (-R/0) und (R/0) auf den XY-Koordinaten außerhalb des Raumes angeordnet, den der Strahl geladener Teilchen passiert, und werden durch zwei parallele Stromleitungen 2a, 2b gebildet, die sich senkrecht zu der Papierfläche von der Rückseite zur Vorderseite hin parallel zur Z-Achse erstrecken. Bei dem Beispiel in der Zeichnung durchströmt ein Strom der gleichen Stärke die beiden parallelen Stromleitungen 2a, 2b von der Papiervorderseite zur Rückseite.
Wie in 1 dargestellt, wird bei dem Mehrpol 1 dem axialen Feld durch symmetrische Felder aufgrund einer abwechselnden positiven und negativen Inversion entgegengewirkt, wobei wie in 2 gezeigt, bei dem Paar paralleler Stromleitungen 2a, 2b mittels der Rotation des Magnetfeldes automatisch axiale Magnetfelder aufgehoben werden. Infolgedessen entsteht bei dem Beispiel von 2 lokal von der Achse in X-Achsenrichtung ein konvexer Linsenbereich und in Y-Achsenrichtung ein konkaver Linsenbereich. Dabei ist vorgegeben, dass die geladenen Teilchen eine positive elektrische Ladung aufweisen und zur Z-Achse fliegen.
Ferner kann, wie in 2 dargestellt, wenn zusätzlich zu den aus einem Paar paralleler Stromleitungen 2a, 2b gebildeten ersten N=2-System Korrekturspulen mit dem Radius R aus einem weiteren Paar paralleler Stromleitungen 2c, 2d gebildete zweite N=2-System Korrekturspulen mit dem Radius R an einer zu der ersten Korrekturspule um 45 Grad um den Nullpunkt gedrehten Position vorgesehen werden, eine astigmatische Korrekturwirkung in einer gewünschten Ausrichtung erzeugt werden, woraus ersichtlich ist, dass dadurch eine preiswerte astigmatische Korrektur in einer beliebigen Richtung ermöglicht wird. Das heißt, während im Allgemeinen bei dem in 1 dargestellten Mehrpol die astigmatische Wirkung einer schrägen Richtung durch den gestrichelt dargestellten, um 45 Grad gedrehten Quadrupol erzeugt wird, kann durch das Verfahren der Korrekturspule die gleiche Funktion realisiert werden, indem der Strom, der in den an einer zueinander um 45 Grad gedrehten Position angeordneten ersten N=2-System Korrekturspulen 2a, 2b fließt, und der Strom, der in den zweiten N=2-System Korrekturspulen 2c, 2d fließt, unabhängig gesteuert wird.
Dabei wird der als konkaver Linsenbereich nutzbare Raumumfang durch die Größe der Fokussierungswirkung, die orthogonal zu der Divergenzwirkung in Abhängigkeit von der Entfernung von der Achse, festgelegt. Das heißt, bei einer idealen Konkavlinse ist die Abhängigkeit von der Entfernung von der Achse linear und wird bei einem Korrekturfeld, das einer sogenannten asphärischen Oberfläche entspricht, zu einer Gleichung dritten Grades. Ferner kann die Fokussierungswirkung entsprechend der Größe der Entfernung von der Achse relativ verkleinert werden, indem der Strahl in Richtung der konkaven Linsenwirkung von der Achse entfernt wird. Folglich kann bei einem konkreten Ausführungsbeispiel die gewünschte Größe einer Entfernung von der Achse berechnet werden, wobei es sich im Großen und Ganzen bei dem Transmissionsbereich des Strahls wie später erläutert um einen Bereich innerhalb eines Radius (R/3) um den Punkt (0/0) auf der Mittelachse handelt (d. h. einen Bereich in dem der Durchmesser mit dem Punkt (0/0) als Mittelpunkt innerhalb von 1/3 des Abstands zwischen dem Paar paralleler Stromleitungen liegt), sodass es sich um den Bereich mit Ausnahme des Punktes (0/0) auf der Mittelachse handeln kann. Für den Bereich innerhalb des Radius (R/3) mit dem Punkt (0/0) im Zentrum gilt, dass die Stärke des Magnetfeldes sich linear mit der Entfernung von dem Zentrum (0/0) verändert, sodass innerhalb dieses Bereichs mittels der Berechnung der Ablenkungsgröße des Strahls auf der Basis der Magnetfeldstärke an den jeweiligen Punkten eine Nutzung als lokaler konkaver Linsenbereich möglich ist. Noch bevorzugter ist es, wenn der Strahl von dem Bereich innerhalb des Radius (R/3) mit dem Punkt (0/0) auf der Mittelachse im Zentrum auf oder in der Nähe einer zu der Achse, die das Paar paralleler Stromleitungen verbindet (X-Achse von 2), vertikalen Achse (Y-Achse von 2) passiert. Dies liegt daran, dass auf oder in der Nähe dieser Achse kein oder nur ein ausgesprochen kleines Magnetfeld einer den Strahl selbst rotierenden Richtung erzeugt wird. Wird die Rotationswirkung des Strahls selbst auch berücksichtigt, ist eine Nutzung auch in einem anderen Bereich als auf der Achse möglich, solange es sich um einen Bereich innerhalb eines Radius (R/3) mit dem Punkt (0/0) im Zentrum handelt. Es wurde hier durch ein Beispiel erläutert, bei dem der Strom in der in 2 dargestellten Ausrichtung fließt. Fließt der Strom aber in den parallelen Stromleitungen jeweils in der zu 2 entgegengesetzten Richtung, ändert sich die Wirkungskraft des Strahls in die umgekehrte Richtung zu den in 2 dargestellten Pfeilen, sodass der Bereich auf und in der Nähe der das Paar paralleler Stromleitungen verbindenden Achse (X-Achse von 2) als Konkavlinse genutzt werden kann. Mit „Bereich in der Nähe“ ist dabei ein Bereich gemeint, bei dem das Magnetfeld der den Strahl selbst drehenden Richtung substantiell als Null erachtet wird, wobei es sich um die Größe der zulässigen Abweichung von der Größe oder Ablenkungsgröße des Strahls handelt.
Ferner kann die Größe der Entfernung von der Achse entsprechend der erforderlichen Aberrationskorrekturgröße bestimmt werden, da solange es sich, wie vorstehend erläutert, um einen Bereich innerhalb des Radius (R/3) mit dem Punkt (0/0) im Zentrum handelt, das Magnetfeld mit zunehmender Größe der Entfernung von der Achse vom Zentrum (0/0) linear stärker wird. Soll zum Beispiel der Strahl in großem Umfang verformt werden, kann eine große Entfernung von der Achse vom Punkt (0/0) und wenn eine geringfügige Verformung genügt, ein Bereich in der Nähe des Punktes (0/0) verwendet werden.
Im Folgenden wird der Grund dafür dargestellt, warum der als lokaler Divergenzbereich nutzbare Bereich in einem Bereich innerhalb des Radius (R/3) mit dem Punkt (0/0) im Zentrum vorgegeben wird. 3 ist eine Darstellung, in der ein Magnetfeld, das durch ein Paar paralleler Stromleitungen 2a, 2b erzeugt wird, die zueinander 10 mm entfernt angeordnet sind, analysiert und die Magnetfeldstärke als Schattierung angezeigt wird. In diesem Fall ist R = 5 mm. 4 ist eine Darstellung, die die Stärke und Ausrichtung eines Magnetfeldes an den jeweiligen Gitterpunkten eines gitterförmig unterteilten Bereichs mit Pfeilen zeigt. Die Länge des Pfeils drückt die Stärke des Magnetfeldes, und die Richtung des Pfeils die Ausrichtung des Magnetfeldes aus. 3 und 4 zeigen die Magnetfeldverteilung eines Bereichs von 6 mm Länge und Breite mit dem Punkt (0/0) im Zentrum, bei dem es sich um den Mittelpunkt einer Geraden handelt, die ein Paar paralleler Stromleitungen 2a, 2b, wie in 3 dargestellt verbindet. Die Länge der sich in Z-Achsenrichtung erstreckenden Spule beträgt 40 mm. Es ist ersichtlich, dass am Mittelpunkt der das Paar paralleler Stromleitungen verbindenden Geraden, d. h. in der Nähe des Punkts (0/0), das Magnetfeld schwach und in dem Bereich in der Nähe der parallelen Stromleitungen 2a, 2b die Magnetfeldstärke groß ist.
5 stellt die Beziehung zwischen der Entfernung vom Punkt (0/0) und der Magnetfeldstärke dar. In der Figur sind die Magnetfeldstärke, die auf der X-Achse und die Magnetfeldstärke, die auf der Y-Achse den Punkt (0/0) passieren, als X-Richtung, Y-Richtung dargestellt. Aus 5 geht hervor, dass sich die Magnetfeldstärke vom Mittelpunkt (0/0) aus bis zu einer Entfernung von etwa (R/3) linear ändert, danach jedoch die Linearität verliert. Der Bereich, in dem sich die Magnetfeldstärke linear ändert, ist der Bereich, in dem die Ablenkungswirkung des Strahls gesteuert werden kann, sodass als Bereich, der für eine Aberrationskorrektur verwendet werden kann, der Bereich des Radius (R/3) mit dem Punkt (0/0) im Zentrum vorgegeben wird, da die Linearität des Magnetfeldes in dem Bereich des Radius (R/3) vom Punkt (0/0) im Zentrum bewahrt bleibt.
6 stellt den Bereich dar, der als lokaler Divergenzbereich genutzt werden kann. Der Bereich, der wie vorstehend als lokaler Divergenzbereich für eine Aberrationskorrektur verwendet werden kann, ist der in 6 schraffiert dargestellte Bereich, d. h. der Bereich des Radius (R/3) mit dem Punkt (0/0) im Zentrum, ohne den Punkt (0/0). Besonders effektiv ist davon der in der Figur mit einer schwarzen, dicken Linie dargestellte Bereich auf und in der Nähe der Y-Achse. Da auch der von der Y-Achse entfernte Bereich als Divergenzbereich wirkt, ist eine Änderung der Strahlform möglich, da gleichzeitig jedoch eine Drehwirkung einfließt, ist im Sinne der Steuerung der Bereich auf und in der Nähe der Y-Achse optimal. Wo in dem mit der schwarzen, dicken Linie dargestellten Bereich der Strahl auf und in der Nähe der Y-Achse passiert, kann entsprechend der erforderlichen Aberrationskorrekturgröße ausgewählt werden. Das Magnetfeld wird mit der Entfernung vom Zentrum (0/0) zur Außenseite hin stärker, wodurch eine große Änderung der Strahlform ermöglicht wird.
Wird die Richtung des in den parallelen Stromleitungen 2a, 2b fließenden Stroms umgekehrt, kehrt sich die Richtung der anhand von 2 erläuterten Kräfte um, sodass die X-Achsenrichtung als lokaler Divergenzbereich genutzt werden kann. Das heißt, der Bereich (Richtung), der als lokaler Divergenzbereich genutzt werden kann, ändert sich entsprechend der Richtung des in den parallelen Stromleitungen fließenden Stroms. Dabei gilt jedoch in jedem Fall, dass bei einem Überschreiten des schraffierten Bereichs die Linearität des Magnetfeldes nicht aufrechterhalten wird, sodass die Nutzung für eine Aberrationskorrektur schwierig wird.
Bei optischen Linsen werden durch die Verwendung von Doublets oder Triplets, bei denen es sich um Meniskuslinsen handelt, oder Bereitstellung von asphärischen Linsenoberflächen eine für Linsenmedium spezifische chromatische Dispersion und verschiedene Aberrationen korrigiert. 7 ist eine schematische Darstellung, die ein Triplet-Objektiv zeigt, bei dem eine für die optische Aberrationskorrektur verwendete Konkavlinse zwischen zwei Konvexlinsen liegt. Dabei werden die chromatischen Aberrationen korrigiert, indem ausgenutzt wird, dass die chromatische Dispersion der Konkavlinse in der Mitte inversiv zu der Konvexlinse wird, und für die Korrektur der geometrischen Aberration wird die asphärische Linse verwendet.
Im Gegensatz zu dem Triplet von 7 ist 8 eine schematische Darstellung, die das Konzept der Aberrationskorrektur der vorliegenden Erfindung zeigt. Die rechte Abbildung von 8 ist eine Darstellung in der YZ-Ebene und die linke Abbildung ist eine Darstellung in der XZ-Ebene. Wie in der rechten Abbildung von 8 dargestellt, wird in Richtung der Y-Achse ein Mehrpol im Zentrum als Konkavlinse angeordnet, und auf der Strahleintritt- und Strahlaustrittseite werden rotationssymmetrische Linsen angeordnet. Dabei ergibt sich die Konkavlinsenwirkung in Y-Achsenrichtung, d. h. die Divergenzwirkung wird proportional zur Größe der Entfernung von der Achse (Wert der y-Koordinate) stärker. Andererseits zeigt sich in X-Achsenrichtung, die in der linken Abbildung von 8 dargestellt ist, die Konvexlinsenwirkung, wobei ein der Achse (x=0) entsprechender schwacher Konvergenzbereich entsteht. Ist der Bereich, in dem der Divergenzbereich stark und der Konvergenzbereich schwach ist, groß, werden die Strahltrajektorien zu den Geraden, die in der linken Abbildung von 8 gestrichelt dargestellt sind, und ist dieser Bereich klein, kann eine Konvexlinsenaberration z. B. durch ein Überkreuzen der Strahltrajektorien mittels einer asphärischen Korrektur unterdrückt werden.
Ist dabei der Bereich der Drehrichtung des Divergenzbereichs eng und weist große Verzerrungen auf, kann man dafür sorgen, dass nur in diametraler Richtung die Wirkung der Konkavlinse ankommt, indem auf der Strahleintritt- und austrittsseite ein Astigmatismuskompensator angeordnet wird, und der Strahl in Drehrichtung durch eine Linienfokussierung wiederhergestellt wird. Eine Aberration in Drehrichtung kann durch die rotationssymmetrischen Linsen davor und dahinter und die Symmetrie eines Schneidens der Trajektorien aufgrund der Astigmatismuskompensation aufgehoben werden. Das heißt, die Rotationssymmetrie ist für eine Aberrationsunterdrückung in Drehrichtung effektiv und reduziert die Korrekturelemente. Im Folgenden wird das Korrekturprinzip mittels Feldern einer aus parallelen Stromleitungen bestehenden Korrekturspule, bei der die Analyse einfach ist, erläutert.
Ein Magnetfeld Br eines rotationssymmetrischen Systems wird durch das Differenzial eines axialen Magnetfeldes Bz wie folgt einer Taylorentwicklung unterzogen. Im Folgenden wird das Beispiel eines Magnetfeldes dargestellt, ein elektrisches Feld kann aber genauso entwickelt werden. $Br = (1 / 2) Bz' r - (1 / 16) {Bz" r}^{3} + (1 / 384) {Bz''' r}^{4} + \dots$
Zum Beispiel wird ab dem dritten Glied, ab dem das Magnetfeld Br nicht-linear wird, insbesondere das zu der Größe der Entfernung von der Achse r³ proportionale dritte Glied als tertiäre sphärische Aberration zum Problem. Im Folgenden wird dargestellt, dass durch Kombination von Korrekturspulen mittels paralleler Stromleitungen ein primäres Feld, das für die Korrektur einer chromatischen Dispersion erforderlich ist, und ein tertiäres Feld, das für die Korrektur einer Öffnungsaberration erforderlich ist, gebildet werden kann.
Zunächst lauten die Formeln für das Magnetfeld B_2W der Richtung des parallelen Stroms I₁ in Achsennähe der N=2-System-Korrekturspule vom Radius R und das Magnetfeld B_2S in dessen Zwischenraumrichtung jeweils wie folgt, wobei die Entfernung der Stelle, an der der Strahl passiert, vom Ursprung, d. h dem Durchmesser der Trajektorien als r gegeben wird. $B_{2 W} (r) = μ_{0} (I_{1} / π) r / (R^{2} - r^{2})$
$B_{2 S} (r) = μ_{0} (I_{1} / π) r / (R^{2} + r^{2})$
Dabei wird hier das primäre Magnetfeld B₁ für den Fall r << R zu $B_{1} = μ_{0} (I_{1} / π) r / R^{2}$
und dessen Ablenkungsempfindlichkeit α₁ wird mittels der Beschleunigungsspannung V, der Masse m und der elektrischen Ladung e zu $α_{1} = B_{1} / {(2 mV/e)}^{0,5} = μ_{0} (I_{1} / π) r / R^{2} {(2 mV/e)}^{0,5}$
Dabei kann die Ablenkungsgröße y_S durch die folgende Formel mittels der Spulenlänge 2I und der Ablenkungslänge L berechnet werden. $y_{S} = 2 I L α_{1}$
Bei einer N=2-System-Korrekturspule gibt es ferner zusätzlich zu dem vorstehenden B₁ noch das folgende B₃. $B_{3} = μ_{0} (I_{1} / π) r^{3} {/R}^{4}$
Folglich ergibt sich bei der N=2-System-Korrekturspule folgendes Verhältnis von Primärmagnetfeld zu Tertiärmagnetfeld. $B_{3} / B_{1} = r^{2} / R^{2}$
Der Radius R ist die Entfernung der Spule vom Ursprung des Parallelstroms und damit ein auf der Anordnung der Spule beruhender Parameter, der zu dem Zeitpunkt der Anordnung des Aberrationkompensators in dem optischen System festgelegt wird. Folglich ist es bei einer N=2-System-Korrekturspule möglich, das Verhältnis zwischen dem primären Magnetfeld und dem tertiären Magnetfeld einfach zu steuern, indem in dem Bereich, in dem eine Annäherung an r « R zustande kommt, einfach nur die Entfernung r vom Ursprung der Position, die der Strahl passiert, justiert wird. Sorgt man z. B. dafür, dass der Strahl wie vorstehend den Bereich eines Radius (R/3) mit dem Punkt (0/0) im Zentrum passiert (d. h. r < (R/3)), kann das tertiäre Magnetfeld im Vergleich zu dem primären Magnetfeld als ausreichend klein angesehen werden, sodass allein durch die Berücksichtigung des primären Magnetfeldes die Aberration des Strahls einfach gesteuert werden kann.
Als nächstes wird der Fall angenommen, dass eine N=4-System-Korrekturspule mit dem Radius R verwendet wird. Fließt in den neuen zwei Spulen, um die das N=2-System ergänzt wurde, ein Parallelstrom I₃ und in den anderen zwei Spulen ein Parallelstrom von I₁+I₃, kann das Primärmagnetfeld B₁ durch das Justieren von I₃ beseitigt werden. Das dabei entstehende tertiäre Magnetfeld B₃, bei dem es sich um den Term des niedrigsten Grades handelt, wird für den Fall r « R zu $B_{3} = μ_{0} (2 I_{3} / π) r^{3} / R^{4}$
wobei die Ablenkempfindlichkeit α₃ sich wie folgt verhält: $α_{3} = B_{3} / {(2 mV/e)}^{0,5} = μ_{0} (2 I_{3} / π) r^{3} / R^{4} / {(2 mV/e)}^{0,5}$
In diesen Feldern können mittels der Richtung des Stromflusses die Konvergenz-/Divergenzbereiche gesteuert werden, wodurch deutlich wird, dass ein geeignetes primäres Magnetfeld B₁ und tertiäres Magnetfeld B₃ unabhängig gesteuert werden können, indem bei dem System einer parallelen Stromleitungszahl von N=4 I₁ und I₃ justiert und die jeweiligen von I₁ und I₃ gebildeten Magnetfelder addiert werden.
Ein präzises Rechenbeispiel des Magnetfeldes ist noch einmal in 9 dargestellt. 9 ist das Rechenergebnis der Magnetfeldstärke der die im Hinblick auf die N=2-System-Korrekturspule mit dem Radius R und die N=4-System-Korrekturspule gegenüberliegenden parallelen Stromleitungen verbindenden Richtung (Spulendrahtrichtung) und der den Winkel zwischen den benachbarten parallelen Stromleitungen halbierenden Richtung (Richtung zwischen den Spulen). In 9 ist der Radius R = 10 mm gegeben und die Abhängigkeit der Magnetfeldstärke von der Entfernung r von der Achse gezeigt, wobei die Magnetfeldstärke der Spulendrahtrichtung und der Richtung zwischen den Spulen invertiert dargestellt wird, um den Grad der Übereinstimmung in dem Bereich in Achsennähe zu sehen.
Tatsächlich kann bei einem Bereich in Achsennähe, bei dem r klein ist (r = 0 bis 2 mm) das N=2-System linear angenähert werden und das N=4-System mittels einer Gleichung dritten Grades angenähert werden. Ferner liegt in einem Spuleneinzelfeld in Spulendrahtrichtung eine asymptotische Konvergenz vor. Wie bei dem Vorstehenden ist bei einer N=n-System-Korrekturspule eine analytische Evaluierung der anhand von in 2 erläuterten Konkav-Konvex-Linsenwirkung möglich, während im Allgemeinen bei einem elektromagnetischen Mehrpol eine Elektromagnetfeldanalyse erforderlich ist.
Noch genauer ist anhand von 9 das Glied höherer Ordnung bei dem Magnetfeld B_2W der Spulendrahtrichtung und dem Magnetfeld B_2S der Richtung zwischen den Spulen der N=2-System-Korrekturspule verschieden. In diesem Punkt unterscheidet sich zwar der Rotationsaufhebungsbereich eines Parallelstroms von einem normalen, symmetrisch geteilten Mehrpolfeld, weist jedoch aufgrund der Richtung mit den parallelen Stromleitungen allmählich zunehmende und abnehmende Charakteristiken eines Bereichs höherer Ordnung auf. Im Allgemeinen hat bei einem rotationssymmetrischen System, das zum Gegenstand einer Aberrationskorrektur wird, der Bereich höherer Ordnung die Tendenz einer allmählichen Zunahme je weiter außeraxial er ist. Insbesondere B_2W hat die Charakteristik, dass im Einzelleitungsbereich des Stroms I₁ asymptotisch der Bereich höherer Ordnung zunimmt. Indem bei der N=2-System-Korrekturspule die Stärke des Bereichs höherer Ordnung mittels einer Justierung der Trajektorie gewählt wird, kann auf ausgesprochen preiswerte Weise eine Aberration unterdrückt werden.
In 10 und 11 wird das Prinzip einer Aberrationskorrektur mittels eines Doublet-Systems, das wie vorstehend aus einer Korrekturspule mittels paralleler Stromleitungen und einer rotationssymmetrischen Linse besteht, und ein Rechenbeispiel dargestellt. Bei 10 und 11 werden in einem Abstand L der Vorstufe einer Konvexlinse mit einer Brennweite f und einem Abbildungsabstand b eine N=2-System-Korrekturspule (Strom I₁) und eine N=4-System-Korrekturspule (Strom I₃) mit einer Länge von 2 I angeordnet und jeweils schematisch mit Geraden (dreieckig) und Kurven dargestellt ein primäres und ein tertiäres Konkavlinsen-Magnetfeld B₁, B₃ erzeugt. Die Strahltrajektorie tritt parallel zur Achse in einer von der Achse entfernten Größe r ein.
Zunächst wird die chromatische Aberration gemäß wie folgt korrigiert. Mittels der Divergenzwirkung α1 der N=2-System-Korrekturspule wird ausgehend von der Ablenkungsentfernung X_L $x_{L} = 2 I L α_{1}$
deren chromatische Aberration dx_L unter Beachtung der Ausrichtung der Divergenzlinse zu ${dx}_{L} = - 2 I L α_{1} (dV/2V) .$
Anhand der chromatischen Aberrationskonstante C_C der rotationssymmetrischen Linse wird die chromatische Aberrationsgröße dx_C zu ${dx}_{C} = C_{C} (dV/V) (r + x_{L}) / b .$
Anhand der Korrekturbedingung dx_L + dx_C = 0 der chromatischen Aberration im Abbildungsabstand b wird mittels $I L α_{1} + C_{C} (r + 2 I L α_{1}) / b = 0$
der Spulenstrom I₁ als k = µ₀/π (2m/e)^0,5 zu $I_{1} = - C_{C} R^{2} V^{0,5} / (2 C_{C} + b) I L k .$
Dabei ist $C_{C} / (2 C_{C} + b) = 1 / {2 + ({b/C}_{C})}$
und b/C_C ist aufgrund des proportionalen Verhältnisses nahezu konstant. Daraus folgt, dass auch der Strom I₁, wenn die nachfolgende Linse bestimmt ist, zu einem von der Trajektorie unabhängigen konstanten Wert wird. Das entspricht der Tatsache, dass der Linsenachromatismus von einem beliebigen Objektpunkt und Bildpunkt sowie deren Konvergenztrajektorie nicht abhängig ist.
In gleicher Weise ist in 11 die Öffnungsaberration dx_L3 aufgrund der Divergenzwirkung α₃ der N=4-System-Korrekturspule ${dx}_{L3} = 2 I L α_{3},$
wobei α₃ eine Minimalgröße ist, und anhand des Öffnungsaberrationskoeffizienten C_S der rotationssymmetrischen Linse sich folgende Öffnungsaberrationsgröße dx_S ergibt: ${dx}_{S} = C_{S} {(r + x_{L}) / b}^{3} .$
Löst man anhand der Korrekturbedingung der Öffnungsaberration dx_L3 + d x_S= 0 $2 I L α_{3} + C_{S} {(r + x_{L}) / b}^{3} = 0$
auf, kann man den Korrekturstrom I₃ durch $I_{3} = C_{S} {(V^{0,5} R^{2} + 2 {I L k I}_{1})}^{3} / 4 {I L k V b}^{3} R^{2}$
berechnen.
Durch das Vorstehende wurde die Festlegung des gewünschten Stroms I₁ der chromatischen Aberrationskorrektur und Stroms I₃ der Öffnungsaberrationskorrektur bewiesen.
Bei diesen Feldern ist als unabhängiges Element eine Vektoraddition möglich, sodass ausgehend von der Zusammensetzung des Erregerstroms der N=4-System-Korrekturspule auch die Bildung einer N=2-System-Korrekturspule möglich ist. Beim Auftreten eines Bereichs noch höherer Ordnung kann ferner z. B. mittels einer N=6-System-Korrekturspule ein quintärer Konvergenz-/Divergenzbereich gebildet werden. Dabei kann ein Glied höherer Ordnung von tertiär oder darüber auch für die Korrektur der Öffnungsaberration einer höheren Ordnung und die Justierung des in 9 erläuterten, zu einer N=2-System-Korrekturspule zugehörigen Anteils einer höheren Ordnung verwendet werden. Das Vorstehende ist nur eine einfache Kalkulation, wobei jedoch der Aspekt, dass eine exakte Analyseberechnung möglich ist, für die Planung und Justierung einen großen Vorteil darstellt.
Konkret wird in 11 die von der Achse entfernte Richtung des Strahls mit der Richtung des Stroms I₁ in Übereinstimmung gebracht, und in hierzu orthogonaler Richtung Spulen (parallele Stromleitungen) für den Strom I₃ angeordnet. Das heißt, in die Spule der von der Achse entfernten Richtung kann I₁ + I₃ und in die beiden Spulen der hierzu vertikalen Richtung I₃ fließen. Dadurch genügen als Spulen vier Systeme und auch als Netzteile zwei Systeme.
Dabei sind für den Fall des in 8 dargestellten Triplet-Systems die rotationssymmetrischen Linsen zu der Korrekturspule symmetrisch angeordnet, sodass es genügt, wenn die Wirkungsgröße der Korrekturspule verdoppelt wird, d. h. der Berechnungswert der Ströme I₁, I₃ verdoppelt wird.
Die vorstehende Diskussion kann bei einem Magnetfeld-Mehrpol oder einem elektrostatischen Mehrpols zur Erzeugung eines N-fach symmetrischen elektromagnetischen Feldes, bei denen im Allgemeinen eine analytisch nicht lösbare numerische Berechnung des elektromagnetischen Feldes erforderlich ist, in gleicher Weise angewendet werden. Das heißt, es ist ausreichend, ausgehend von der in Anlehnung an 10 und 11 berechneten Elektromagnetfeldverteilung den Strahl in einen von der Achse entfernten Bereich in Richtung der Divergenzwirkung eintreten zu lassen.
Ausführungsbeispiele
12 ist eine schematische Schnittzeichnung, die das Ausführungsbeispiel einer mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitenden Vorrichtung zeigt, die mittels einer elektrischen Triplet-Struktur eine Aberration korrigiert. Bei dem in 12 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Beispiel gezeigt, bei dem als rotationssymmetrische Linse eine elektrostatische Linse verwendet wird, mit der niedrige Kosten und eine Platzersparnis angestrebt werden, und deren Steuercharakteristiken gut sind, da sie anders als eine Magnetfeldlinse keine trajektorische Rotationswirkung aufweist. Ferner ist bei 12 zusätzlich zu einem optischen System zum Verkleinern des Durchmessers der Elektronenquelle und einer Blende 13 zur Festlegung des Strahlöffnungswinkels ein Detektionssystem 14 für die Betrachtung einer Probe 15 vorgesehen. Insbesondere die Justierung der Trajektorie wird einfach, indem die Blende 13 beweglich gemacht wird oder mehrere Aperturen vorgesehen werden, die durch einen Ablenker ausgewählt werden. Im Folgenden erfolgt ferner die Erläuterung mittels eines Elektronenstrahls, bei einem Ionenstrahl verhält es sich jedoch genauso.
Ein Elektronenstrahl 7 aus einer Elektronenquelle 3 nimmt aufgrund einer elektrostatischen Linse 4 eine symmetrische Trajektorie mit einer Korrekturspule 2 im Zentrum ein, die aus einem N=2-System und N=4-System besteht und Divergenzbereiche B₁, B₃ bildet. Ein Ablenker eintretender Strahlung 8 entfernt den Strahl 7 von der Achse und durch einen Ablenker austretender Strahlung 11 wird der Strahlaustrittswinkel auf eine Probe 15 justiert. Ein Astigmatismuskompensator eintretender Strahlung 9 sorgt dafür, dass der Strahl 7 im Zentrum der Korrekturspule 2 in der mit einem Pfeil in der Mitte von 12 dargestellten Divergenzrichtung zu einem Linienfokus wird. Dabei ist eine symmetrische Anordnung zur Mittelebene der Korrekturspule 2 wirkungsvoll, um eine unnötige Aberration aufzuheben.
Das Verfahren der Aberrationskorrektur wird bei dem vorliegenden Aufbau z. B. wie folgt ausgeführt.

(1) Der Elektronenstrahl 7 von der Elektronenquelle 3 wird auf der Probe 15 abgebildet, indem die elektrostatische Linse der Eintrittseite 4 und die elektrostatische Linse der Austrittseite 6 gleichzeitig in der gleichen Höhe erregt werden. Indem der Korrekturspule 2 ein Abtastsignal zugesetzt wird, werden die Abbildungsbedingungen durch ein zweidimensionales Bild und die Wellenform der Linienabtastung festgestellt.
(2) Der Astigmatismuskompensator eintretender Strahlung 9 und der Astigmatismuskompensator austretender Strahlung 10 werden gleichzeitig in der gleichen Höhe erregt und erneut der optimale Abbildungspunkt des Signals der Probe 15 gesucht. Das heißt, aufgrund der Symmetrie bildet der optimale Abbildungspunkt im Zentrum des optischen Systems den Linienfokus.
(3) Die Korrekturspule 2 wird erregt und festgestellt, dass in der Abtastaufnahme der Probe 15 die gewünschte Astigmatismuswirkung entsteht. Zum Beispiel kann mittels der elektrostatischen Linse der Austrittseite 6 die Fokusposition verschoben und anhand der Empfindlichkeit eine Feststellung durch den sogenannten astigmatischen Bereich erfolgen.
(4) Ferner erfolgt durch den Ablenker eintretender Strahlung 8 und den Ablenker austretender Strahlung 11 eine Ablenkung auf eine gewünschte Strahl-Trajektorie. Dabei wird festgestellt, dass die Wirkung des Ablenkers eintretender Strahlung 8 und des Ablenkers austretender Strahlung 11 ausgeglichen ist und sich das Bild der Probe 15 nicht bewegt.
(5) Es erfolgt eine Feinjustierung der Korrekturspule 2, des Ablenkers eintretender Strahlung 8 und des Ablenkers austretender Strahlung 11 sowie des Astigmatismuskompensators eintretender Strahlung 9 und des Astigmatismuskompensators austretender Strahlung 10 und eine Minimierung der Aberration, d. h. der Abbildungsunschärfe der Probe 15. Es ist z. B. möglich, im Hinblick auf eine chromatische Aberration die Beschleunigungsspannung zu verändern, im Hinblick auf eine Öffhungsaberration die Blende zu öffnen, und die Abbildung festzustellen.

In dem letzten Stadium der Feinjustierung beeinflusst genau genommen eine chromatische Aberration aufgrund der elektrostatischen Linse der Eintrittseite 4 und des Astigmatismuskompensators eintretender Strahlung 9 die nachfolgende Trajektorieeinstellung, sodass die Möglichkeit besteht, dass bei einem vollkommen symmetrischen System eine Aberration offensichtlich wird. Auch in diesem Fall ist eine Behebung durch den Ausgleich der ursprünglichen astigmatischen Wirkung einer in 8 dargestellten Korrekturspule möglich, indem bei dem Astigmatismuskompensator eintretender Strahlung 9 die Linienfokusposition der Korrekturspule 2 nach vorne oder hinten justiert wird.
Bei dem in 12 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Korrekturspule 2 außerhalb eines Vakuumbehälters 12 vorgesehen werden, sodass auf das Vakuum kein schlechter Einfluß ausgeübt wird. Ferner kann die Spulengruppe auch so strukturiert sein, dass außerhalb des Vakuumbehälters 12 ein mechanisches Drehen oder vertikales Bewegen möglich ist. Strukturell handelt es sich bei dem Spulenwicklungsverfahren um eine Toroid-Wicklung, sodass die Stromleitungen in der Nähe der Strahlseite eine Ablenkungswirkung erzeugen. Dabei können Einflüsse der Wicklung auf der Außenseite, die ein Rauschen einschließen, unter Aufrechterhaltung der Symmetrie unterdrückt werden, indem auf der Innenseite der Wicklung der Außenseite und auf der Außenseite der Wicklung der Innenseite eine Magnetfeldabschirmung 16 angeordnet wird. Das heißt, wie in 12 skizziert, wird der Innenseitenabschnitt der gewickelten Toroidspule mit der Funktion als parallele Stromleitungen auf der Innenseite der Magnetfeldabschirmung 16 angeordnet und der übrige Teil der gewickelten Toroidspule wird auf der Außenseite der Magnetfeldabschirmung 16 angeordnet. Außerdem wird zur Erhöhung der Empfindlichkeit der Divergenzwirkung der Korrekturspule 2 eine Verzögerungselektrode 5 angeordnet. Dadurch kann eine chromatische Dispersion mit einem geringen Spulenstrom angeregt werden.
Der Aufbau von 12 ergibt, werden die elektrostatische Linse der Eintrittseite 4 und die elektrostatische Linse der Austrittseite 6 geerdet und die Verzögerungselektrode 5 als Linsenelektrode betrachtet, eine einpolige elektrostatische Linse (Einzellinse). Ein Ausführungsbeispiel einer mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitenden Vorrichtung, bei dem die vorliegende Erfindung auf eine tatsächliche verzögernde Einzellinse angewendet wurde, ist in 13 dargestellt. Von der Konstruktion her ähnelt die mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung von 13 der mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitenden Vorrichtung von 12 zwar, der Aufbau ist jedoch einfacher, sodass die Kosten noch weiter reduziert werden können. Das heißt, bei der in 13 dargestellten Vorrichtung wird der durch die Elektronenquelle 3 erzeugte Strahl 7 durch den Ablenker eintretender Strahlung 8 von der Achse entfernt, durch den Divergenzbereich der Korrekturspule 2, der durch den Astigmatismuskompensator der Eintrittseite 9 die Divergenz-/Konvergenzwirkung des Strahls 7 in der Korrekturspule 2 justiert, wird eine chromatische Dispersion unterdrückt, die verbleibende Astigmatismusaberration wird durch den Astigmatismuskompensator der Austrittseite 10 korrigiert und dann wird die Probe 15 bestrahlt. Wie dabei die Trajektorie ausgehend von dem Ablenker eintretender Strahlung 8 mittels durchgezogener und gestrichelter Linien zeigt, wird durch die Inversion oben und unten (2 Richtungen) ein räumliches Sehen der Probe 15 möglich.
Bei der verzögernden Einzellinse von 13 dehnt sich die Trajektorie des Strahls 7 durch die Verzögerung automatisch in der Mitte zur Außenseite aus und wird in der Linsenmitte zu einer achsenparallelen Trajektorie. Dies verursacht, dass im Allgemeinen die Aberration einer verzögernden elektrostatischen Linse groß ist, wobei jedoch durch die Verwendung des vorliegenden Aufbaus die Empfindlichkeit der Korrekturspule 2 erhöht wird. Sind in der Mitte dieser Linse die elektrostatische Konvergenzwirkung und die Magnetfeld-Dispersionswirkung ausgeglichen, bewegt sich der Strahl geradeaus. Nimmt dann die Energie zu, erhöht sich die Ablenkungsempfindlichkeit durch die Magnetfeldwirkung, die proportional zur Geschwindigkeit der geladenen Teilchen ist. Dies ist umgekehrt zu der chromatischen Dispersion einer normalen rotationssymmetrischen Linse, sodass eine chromatische Aberration korrigiert werden kann. Es handelt sich dabei um ein Ergebnis, das der Korrektur einer chromatischen Aberration mit Hilfe eines sogenannten Wien-Filters ähnelt.
14 bis 16 zeigen schematisch die verschiedenen Charakteristiken einer gewickelten Toroidspule. Aufgrund der Richtung des Stroms I können der Ablenker des Strahls von 14, die in 15 dargestellte Divergenzwirkung des Strahls und die in 16 dargestellte Konvergenzwirkung des Strahls erzielt werden. Das heißt, wird wie in 14 dargestellt, die Richtung des Stroms, der auf den an den Strahl der gegenüberliegenden Spulen 41, 42 angrenzenden Seiten fließt, wechselseitig umgekehrt, wird eine Ablenkungswirkung des Strahls erzielt. Wird ferner, wie in 15 oder in 16 dargestellt, der Strom, der auf den an den Strahl der gegenüberliegenden Spulen 41, 42 angrenzenden Seiten fließt, in die gleiche Richtung gerichtet, wird eine Divergenzwirkung oder eine Konvergenzwirkung erzielt. Ob die Divergenzwirkung oder die Konvergenzwirkung erzielt wird, hängt ab von der Richtung des Stroms zur Bewegungsrichtung des Strahls und von der Ladungspolarität der den Strahl bildenden geladenen Teilchen. Die Ablenkwirkung kann zusätzlich zu der Bildung der Korrektur-Trajektorie auch als Abtastungsablenker verwendet werden, um eine zweidimensionale Mikroabbildung zu erzielen. Diese können an der elektrostatischen Linse überlagern, sodass eine Steuerung der Strahltrajektorie von 12 und 13 ermöglicht wird. Die gleiche Wirkung ist zwar auch durch einen anderen elektromagnetischen Mehrpol möglich, eine Magnetpolform wird jedoch wegen der Hysterese und eine elektrostatische Form wegen der hochpräzisen Anordnung in dem Vakuum kostspielig.
17 ist eine schematische Darstellung, die eine mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung zeigt, die ein anderes Verfahren zur Bildung eines lokalen Konkavlinsenfeldes verwendet. Bei der Vorrichtung von 17 wird die Trajektorie des von der Elektronenquelle 3 ausgestrahlten Strahls 7 ebenfalls durch den Ablenker eintretender Strahlung 8 und den Ablenker austretender Strahlung 11 sowie die elektrostatische Linse der Eintrittseite 4 und die elektrostatische Linse der Austrittseite 6 gebildet. Dabei erfolgt im Hinblick auf die Bestrahlungslinse 17 vorab eine Verkleinerung, sodass der begrenzte Durchmesser der Elektronenstrahlquelle an dem Abbildungsendpunkt keinen Einfluss ausübt. Die Korrekturspule 50 weist einen Aufbau auf, bei dem zwei Toroidspulen 51, 52 in einem Kreuzungswinkel θ zu der optischen Achse des elektronenoptischen Systems strahlförmig angeordnet sind. Wie in 17 dargestellt, werden zwei Paar Korrekturspulen 50 symmetrisch zum Ursprung angeordnet, und die Trajektorie wird ausgehend von dem Ablenker eintretender Strahlung 8 wie mittels durchgezogener und gestrichelter Linien zeigt, oben und unten (zwei Richtungen) umgekehrt, sodass ein räumliches Sehen der Probe möglich wird.
18 ist eine erläuternde Darstellung der Justierungsparameter eines einheitlichen Toroid-Divergenzbereichs, wobei es sich um eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen der in 17 dargestellten Korrekturspule 50 und dem Strahl 7 aus der Achsenrichtung gesehen handelt. 19 ist eine schematische Seitenansicht, die eine Toroidspule 51 darstellt, die die in 18 dargestellte Korrekturspule 50 bildet.
Bei dem optischen System der in 17 dargestellten, mit einen Strahl geladener Teilchen arbeitenden Vorrichtung entsteht eine Konkavlinsenwirkung dadurch, dass wie in 18 dargestellt, der Strahl 7 auf der Außenseite der Korrekturspule 50, d. h. zwischen den beiden Toroidspulen 51, 52 passiert. Wie in 19 dargestellt, haben die obere Kante und die untere Kante die Außenform einer zur Mittelachse des optischen Systems parallelen Trapezform, und durch das Fließen von Strom in der Spule 51, bei der die Länge der oberen Kante auf der Seite, die nah zu der Mittelachse ist, L₁ und die Länge der unteren Kante auf der Seite, die von der Mittelachse entfernt ist, L₂ ist, entsteht ein die Spule 51 durchdringendes rotierendes Magnetfeld Br. Ist dabei L₁ < L₂, kann erreicht werden, dass die Linsenwirkung der Trajektorie der Außenseite stärker wird. Die sich zur optischen Achse der trapezförmigen Toroidspulen 51, 52 parallel erstreckende obere Kante und untere Kante bilden parallele Stromleitungen, wobei durch die Fließrichtung des Stroms eine Divergenzwirkung oder eine Konvergenzwirkung entsteht. Fließt in 19 der Strom gegen den Uhrzeigersinn, ergibt sich zu dem Elektronenstrahl auf der Papierfläche eine Divergenzlinse. Ist dabei θ eng, kann zwar ein starkes Feld gebildet werden, da jedoch die Einheitlichkeit des Magnetfeldes abnimmt, liegt schließlich ein reziprokes Verhältnis vor. Unter Berücksichtigung der Symmetrie der Magnetfeldverteilung von deren Korrekturspule 50 wird eine einheitliche Divergenzwirkung auf den Transmissionsbereich des Strahls 7 ausgeübt, indem er auf den mittleren Winkel eingestellt wird.
Wie in 18 dargestellt, wird bei der Toroid-Korrekturspule 50 in der Nähe von deren Zentrum ein nahezu kreisbogenförmiges Rotationsmagnetfeld Br gebildet. Daher wird ein größerer einheitlicher Divergenzbereich gebildet, und der Elektronenstrahl 7 kann den als runden Querschnitt dargestellten Bereich unter der gleichen Wirkung durchdringen. Dabei wird zusätzlich zu dem Spulenkreuzungswinkel θ in 18 und den in 19 dargestellten Spulennutzlängen L₁, L₂ auf der Außenseite die Hilfsspule 18 angeordnet, um zu der von der Achse entfernten Größe r ein linienförmiges Primärfeld und in dem Strahlquerschnitt Δr ein Tertiärfeld zu bilden. Um diese Felder mit einer hohen Präzision zu bilden, ist zwar eine numerische Berechnung des Magnetfeldes erforderlich, zur Vereinfachung besteht jedoch eine Abhängigkeit von der erwarteten Spulenleitungslänge von der Mittelachse. Folglich genügt es, wenn die Länge als primäre und tertiäre Funktion der positionierenden Koordinaten R₁, R₂ von L₁, L₂ bestimmt wird. Bei einer großen Verlängerung der Spulen wird die Hilfsspule 18 angeordnet. Das Magnetfeld, das durch den in der die obere und untere Kante der Hilfsspulen 51, 52 verbindenden Kante fließenden Strom entsteht, übt zwar einen direkten Einfluss auf den Strahl 7 aus, dieser kann jedoch aufgehoben werden, indem zusätzlich eine Rückstromspule 19 entlang der oberen und unteren Stromleitungen der Korrekturspulen 51, 52 vorgesehen wird. Im Hinblick auf die Stromversorgung der Rückstromspule 19 fließt der gleiche Strom wie bei den Korrekturspulen 51, 52, sodass es genügt, diese an die Korrekturspulen 51, 52 angrenzend zu verlegen und schaltungstechnisch in umgekehrter Richtung seriell anzuschließen.
20 ist eine schematische Skizze, die ein Anwendungsbeispiel auf ein optisches Strahlneigungssystem einer mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitenden Vorrichtung zeigt, das ein vollständiges elektrostatisches Linsensystem verwendet. Der von der Elektronenquelle 3 gesendete Strahl 7 wird durch eine Bestrahlungsablenklinse 20, der eine Ablenkfunktion verliehen wird, indem ein Teil des Elektrodenteils in Drehrichtung in einen Mehrpol unterteilt wird, sodass eine Spannung angelegt werden kann, sowie die elektrostatische Linse eintretender Strahlung 4 von der Achse entfernt, und tritt in den Divergenzbereich der aus einem N=2-System und einem N=4-System gebildeten Korrekturspule 2 ein. Ferner wird auf der Strahlaustrittseite eine Objektablenkungslinse 21 angeordnet, die in einen Mehrpol unterteilt ist, sodass ein Abtastungsbild erzielt werden kann. Wird der Divergenzbereich anstelle der Korrekturspule des N=2-Systems bei dem in diesem Aufbau dargestellten vollständig elektrostatischen Mehrpol, durch einen elektrostatischen Quadrupol geschaffen, kann eine chromatische Divergenz durch eine fokussierende Ionenstrahlvorrichtung mit den Isotop-Atomen, die sich entsprechend der spezifischen Ladung in einem Magnetfeld teilen, überwiegend unterdrückt werden.
In gleicher Weise ist 21 eine schematische Skizze, die ein Anwendungsbeispiel auf ein optisches Strahlneigungssystem einer mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitenden Vorrichtung zeigt, die ein optisches System aufweist, das aus einer Magnetfeldlinse gebildet wird. Der von der Elektronenquelle 3 gesendete Strahl 7 bildet durch eine mit einem Neigungsablenker 22 ausgestattete Bestrahlungsmagnetfeldlinse 23 und eine Magnetfeldlinse der Eintrittseite 24 eine Korrekturtrajektorie zu der Korrekturspule 2, die aus einem N=2-System und einem N=4-System besteht, und schwingt von der Objektmagnetfeldlinse 25 zurück. Dabei bewegt sich die Position des virtuelles Bildes durch die Konkavlinsenwirkung aufgrund der Korrekturspule 2 an der Trajektorie der Innenseite und Außenseite des Strahls 7 zu a₁, a₀ und einer Aberration aufgrund der Konvexlinsenwirkung der Objektmagnetfeldlinse 25 kann entgegengewirkt werden. Ferner wird ein Abtastbild erzielt, indem in der Korrekturspule 2 die Abtastsignale überlagert werden.
Die Justierung und Steuerung der mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitenden Vorrichtung, die in 20 und 21 dargestellt ist, erfolgt gemäß der zu der mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitenden Vorrichtung von 12 erläuterten Reihenfolge. Zum Beispiel entsprechen die Magnetfeldlinse der Eintrittseite 24 und die Objektmagnetfeldlinse 25 von 21 der elektrostatischen Linse der Eintrittseite 4 und der elektrostatischen Linse der Austrittseite 6. Das heißt, es wird eine Divergenzwirkung zugesetzt, wobei zunächst eine Abbildung auf der Achse erfolgt und dann durch die Korrekturspule 2 von der Achse entfernt wird. Es ist auch möglich, dieses durch einen festen Vergleichsausdruck gekoppelt zu steuern.
Zwangsläufig ergibt sich dabei aus dem Aufbau der in 20 und 21 dargestellten, mit einem Strahl geladener Teilchen arbeitenden Vorrichtung, dass der Strahl geneigt werden kann. Wird z. B. die Ausgangspolarität des Ablenkers der Eintrittseite 22 umgeschaltet, kehrt sich die Trajektorie zur rotationssymmetrischen Achse um, sodass aufgrund der Parallaxe der Erwerb eines Stereobildes der Probe möglich wird.
22 ist eine Darstellung, die ein Beispiel zeigt, bei dem die vorliegende Erfindung auf ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM) oder ein Rastertransmissionselektronenmikroskop (RTEM) angewendet wurde. Die Achsentrajektorie des Strahls 7 ist mit einer durchgezogenen Linie und die außeraxialen Trajektorien, d. h. die Abbildungsbeziehungsdiagramme sind gestrichelt dargestellt. Zunächst handelt es sich um die Anwendung auf ein RTEM, wobei der von der Elektronenquelle 3 gesendete Strahl 7 aufgrund des Ablenkers der Eintrittseite 22 und der Bestrahlungsmagnetfeldlinse 23 in die Korrekturspule 2a der oberen Stufe eintritt, eine Aberrationskorrektur im RTEM-Modus erfolgt, und durch die Bestrahlungs-/Objektlinse 26 ein Abtastbild der Probe 15 erhalten wird. Wird dabei die Ablenkung zur Steuerung des Strahlneigungswinkels der Korrekturspule 2a zugesetzt, wird eine Kontrastbetrachtung von z. B. einer Mikrokristallorientierung möglich.
Als nächstes wird im TEM-Modus mittels der konvergierenden Wirkung der Bestrahlungsobjektlinse 26 und der Begrenzungsblende 13 in 22 die Trajektorie zum Strahleintritt in die Korrekturspule 2b der unteren Stufe justiert. Dadurch löst die Konkavlinsenwirkung der Korrekturspule 2b der unteren Stufe eine Gegenreaktion mit der Konvexlinsenwirkung der Bestrahlungsobjektlinse 26, einer ersten Projektionslinse 27 und einer zweiten Projektionslinse 28 aus, sodass auf eine Projektionsfläche (CCD) 30 ohne Aberration ein Probenbild projiziert wird. In diesem Fall handelt es sich um eine Dunkelfeldbetrachtung, wobei es genügt, wenn für eine Hellfeldbetrachtung der Strahl 7 mittels des Spulenkompensators 2a für das RTEM geneigt wird. Ein konkretes Beispiel einer Trajektorie ist in 22 mit einer durchgezogenen Linie dargestellt. Dabei wird der Strahl 7 durch den Ablenker der Eintrittseite 22 von der Achse parallel zu dieser entfernt, durch die Korrekturspule 2a der Vorstufe wird die Aberration des Bestrahlungssystems korrigiert, und durch die Bestrahlungsobjektlinse 26 die Probe 15 schräg bestrahlt. Der durch die Probe 15 gedrungene Strahl 7 wird durch das starke Magnetfeld der Bestrahlungsobjektlinse 26 erneut zu einer parallelen Trajektorie, durch die Korrekturspule 2b der letzten Stufe wird die Aberration korrigiert, sodass durch den Rückschwingablenker 29 die Achse des Strahls 7 vertikal auf die Projektionsfläche (CCD) 30 zurückgeschwenkt wird. Da bei dem TEM die Probe mikroskopisch klein ist und es mit einem mechanischen Drehtisch versehen ist, ist die Strahlneigung als Betrachtungsfunktion sinnvoll.
Bei der Justierung und Steuerung der in 22 dargestellten Vorrichtung erfolgt schließlich aufgrund der Wirkung der Bestrahlungsobjektlinse 26 eine Entfernung von der Achse ab der Korrekturspule 2b der letzten Stufe. Aus diesem Grund wird die Größe der Entfernung von der Achse unter Berücksichtigung dieser Linsenwirkung aufgrund des Bestrahlungsablenkers festgelegt und der Korrekturspulenstrom eingestellt. Es ist auch möglich, diese durch einen festen Vergleichsausdruck gekoppelt zu steuern.
Dadurch, dass mittels des TEMs die Korrektur einer chromatischen Aberration und einer Öffnungs-(sphärischen) Aberration möglich ist, wird eine hochauflösende Betrachtung von dicken Proben mit hohen Energieverlusten ermöglicht, wobei die Kontrastübertragungsfunktion (CTF) in großem Umfang verbessert wird. Bei einer hohen Beschleunigung besteht bei der Korrekturspule 2 insbesondere in schwachen Bereich das Problem der Korrekturempfindlichkeit einer höheren Ordnung. Zum Beispiel ist eine tertiäre Korrekturempfindlichkeit proportional zur vierten Potenz des Spulendurchmessers, sodass durch Miniaturisierung, oder mittels einer Verzögerungselektrode oder einer kryogenischen Kühlung der Widerstand gesenkt, oder eine supraleitende Spule vorgesehen werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist im Übrigen nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst verschiedene abgewandelte Beispiele. Zum Beispiel wurden die vorstehenden Ausführungsbeispiele zum leicht verständlichen Erläutern der vorliegenden Erfindung detailliert erläutert, wobei jedoch nicht unbedingt eine Beschränkung darauf besteht, dass alle erläuterten Strukturen vorgesehen sind. Es ist ferner möglich, einen Teil einer Struktur des einen Ausführungsbeispiels durch eine Struktur eines anderen Ausführungsbeispiels zu ersetzen, oder der Struktur eines Ausführungsbeispiels eine Struktur eines anderen Ausführungsbeispiels hinzuzufügen. Außerdem ist in Bezug auf einen Teil der Strukturen der jeweiligen Ausführungsbeispiele ein Zufügen, Streichen oder Ersetzen von anderen Strukturen möglich.
Bezugszeichenliste

1:: Mehrpol
2:: Korrekturspule
3:: Elektronenquelle
4:: Elektrostatische Linse eintretender Strahlung
5:: Verzögerungselektrode
6:: Elektrostatische Linse austretender Strahlung
7:: Strahl
8:: Ablenker eintretender Strahlung
9:: Astigmatismuskompensator eintretender Strahlung
10:: Astigmatismuskompensator austretender Strahlung
11:: Ablenker austretender Strahlung
12:: Vakuumbehälter
13:: Begrenzungsblende
14:: Detektor
15:: Probe (Abbildungsfläche)
16:: Magnetfeldabschirmung
17:: Bestrahlungslinse
18:: Hilfsspule
19:: Rückstromspule
20:: Bestrahlungsablenklinse
21:: Objektablenklinse
22:: Neigungsablenker
23:: Bestrahlungsmagnetfeldlinse
24:: Magnetfeldlinse eintretender Strahlung
25:: Objektmagnetfeldlinse
26:: Bestrahlungsobjektlinse
27:: Erste Projektionslinse
28:: Zweite Projektionslinse
29:: Objektbegrenzungsblende
30:: Begrenzungsblendenprojektionsfläche (CCD)
31:: Rückschwingablenker

Claims

Mit einem Strahl (7) geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung, umfassend eine Ladungsteilchenquelle (3), ein rotationssymmetrisches Linsensystem, das ein Strahl (7) geladener Teilchen passiert, die von der Ladungsteilchenquelle (3) erzeugt werden, eine ein Elektromagnetfeld erzeugende Einheit (2; 50), die ein N-fach symmetrisches Elektromagnetfeld (N ist eine natürliche Zahl ab 2) um eine optische Achse erzeugt, und einen auf der Strahleintrittseite der ein Elektromagnetfeld erzeugenden Einheit (2; 50) angeordneten Ablenker eintretender Strahlung (8), der den Strahl (7) geladener Teilchen ablenkt, wobei durch den Ablenker eintretender Strahlung (8) der Strahl (7) geladener Teilchen, der das Linsensystem passiert hat, abgelenkt wird, in einen lokalen Divergenzbereich eintritt, der sich in einem von der Achse entfernten Bereich des N-fach symmetrischen Elektromagnetfeldes gebildet hat, und eine durch das Linsensystem verursachte Aberration des Strahls (7) geladener Teilchen korrigiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die ein Elektromagnetfeld erzeugende Einheit (2; 50) außerhalb des Raumes, den der Strahl (7) geladener Teilchen passiert, durch wenigstens ein Paar paralleler Stromleitungen (2a, 2b) gebildet ist, die parallel zu der optischen Achse angeordnet sind, und der Ablenker eintretender Strahlung (8) dazu ausgelegt ist, den Strahl (7) geladener Teilchen so abzulenken, dass er das Linsensystem auf oder in der Nähe einer Achse (Y) passiert, die zu einer das Paar paralleler Stromleitungen (2a, 2b) verbindenden Achse (X) vertikal ist.
Mit einem Strahl (7) geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die ein Elektromagnetfeld erzeugende Einheit (2; 50) außerhalb des Raumes, den der Strahl (7) geladener Teilchen passiert, N-Stück parallele Stromleitungen (2a-d) aufweist, die in der Winkelteilerzahl N um eine optische Achse angeordnet sind.
Mit einem Strahl (7) geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei angenommen, dass in der zur rotationssymmetrischen Achse des Linsensystems vertikalen Ebene gesehen, die Position der rotationssymmetrischen Achse als Zentrum und der Abstand vom Zentrum bis zu den parallelen Stromleitungen (2a-d) als R bestimmt wird, der Strahl (7) geladener Teilchen in einem Bereich eines Radius (R/3) vom Zentrum mit Ausnahme des Zentrums eintritt.
Mit einem Strahl (7) geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der innenseitige Abschnitt einer gewickelten Toroidspule (41, 42; 51, 52), dem die Funktion der parallelen Stromleitungen (2a-d) erteilt wird, auf der Innenseite einer Magnetfeldabschirmung (16) angeordnet wird, und der restliche Abschnitt der gewickelten Toroidspule (41, 42; 51, 52) auf der Außenseite der Magnetfeldabschirmung (16) angeordnet wird.
Mit einem Strahl (7) geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die ein Elektromagnetfeld erzeugende Einheit (2; 50) ein 2-fach symmetrisches Elektromagnetfeld und ein 4-fach symmetrisches Elektromagnetfeld so erzeugt, dass sich deren jeweiliger lokaler Divergenzbereich überlagert und der Strahl (7) geladener Teilchen in den überlagerten lokalen Divergenzbereich eintritt.
Mit einem Strahl (7) geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung nach Anspruch 5, die außerhalb des Raumes, den der Strahl (7) geladener Teilchen passiert, zwei um eine optische Achse in der Winkelteilerzahl 2 angeordnete parallele Stromleitungen (2a-d) für die Erzeugung des 2-fach symmetrischen Elektromagnetfeldes, und vier um eine optische Achse in der Winkelteilerzahl 4 angeordnete parallele Stromleitungen (2a-d) für die Erzeugung des 4-fach symmetrischen Elektromagnetfeldes aufweist, wobei durch die Steuerung der Größe des Stroms, der in den parallelen Stromleitungen (2a-d) für die Erzeugung des 2-fach symmetrischen Elektromagnetfeldes fließt, eine chromatische Aberration des Strahls (7) geladener Teilchen korrigiert wird, und durch die Steuerung der Größe des Stroms, der in den parallelen Stromleitungen (2a-d) für die Erzeugung des 4-fach symmetrischen Elektromagnetfeldes fließt, eine Öffnungsaberration des Strahls (7) geladener Teilchen korrigiert wird.
Mit einem Strahl (7) geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei Astigmatismuskompensatoren (9, 10), die zwei Paar parallele Stromleitungen (2a-d) der Winkelteilerzahl 2 aufweisen, die zueinander um je 45 Grad versetzt um eine optische Achse angeordnet sind, auf der Strahleintrittseite und Strahlaustrittseite zu der ein Elektromagnetfeld erzeugenden Einheit (2; 50) vorgesehen sind.
Mit einem Strahl (7) geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Linsensystem eine erste Linse (4), die auf der Strahleintrittseite zu der ein Elektromagnetfeld erzeugenden Einheit (2) angeordnet ist, und eine zweite Linse (6), die auf der Strahlaustrittseite zu der ein Elektromagnetfeld erzeugenden Einheit (2) angeordnet ist, umfasst.
Mit einem Strahl (7) geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei es sich bei der ersten Linse (4) und der zweiten Linse (6) um elektrostatische Linsen handelt.
Mit einem Strahl (7) geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung nach Anspruch 9, die einen ersten Astigmatismuskompensator (9), der auf der Strahleintrittseite der ein Elektromagnetfeld erzeugenden Einheit (2; 50) angeordnet ist, und einen zweiten Astigmatismuskompensator (10), der auf der Strahlaustrittseite der ein Elektromagnetfeld erzeugenden Einheit (2; 50) angeordnet ist, aufweist, wobei der erste Astigmatismuskompensator (9) und der zweite Astigmatismuskompensator (10) gekoppelt gesteuert werden.
Mit einem Strahl (7) geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung nach Anspruch 8, die einen auf der Strahlaustrittseite der ein Elektromagnetfeld erzeugenden Einheit (2; 50) angeordneten Ablenker austretender Strahlung (11) aufweist.
Mit einem Strahl (7) geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei durch den Ablenker eintretender Strahlung (8), den Ablenker austretender Strahlung (11) und die elektrostatische Linse (4, 6) eine Steuerung erfolgt, damit der Strahleintrittwinkel und der Strahlaustrittswinkel etwa symmetrisch werden, während der Strahl (7) geladener Teilchen etwa im Zentrum der ein Elektromagnetfeld erzeugenden Einheit (2; 50) parallel zur optischen Achse ist.
Mit einem Strahl (7) geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung, umfassend eine Ladungsteilchenquelle (3), ein rotationssymmetrisches Linsensystem, das ein Strahl (7) geladener Teilchen passiert, die von der Ladungsteilchenquelle (3) erzeugt werden, eine Korrekturspuleneinheit (2; 50), die um eine optische Achse ein lokales Rotationsmagnetfeld erzeugt, und einen auf der Strahleintrittseite der Korrekturspuleneinheit (2; 50) angeordneten Ablenker eintretender Strahlung (8), der den Strahl (7) geladener Teilchen ablenkt, wobei durch den Ablenker eintretender Strahlung (8) der Strahl (7) geladener Teilchen, der das Linsensystem passiert hat, abgelenkt wird und in das durch die Korrekturspuleneinheit (2; 50) gebildete lokale Rotationsmagnetfeld eintritt, so dass eine durch das Linsensystem verursachte Aberration des Strahls (7) geladener Teilchen korrigiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturspuleneinheit (2; 50) außerhalb des Raumes, den der Strahl (7) geladener Teilchen passiert, durch wenigstens ein Paar paralleler Stromleitungen (2a, 2b) gebildet ist, die parallel zu der optischen Achse angeordnet sind, und der Ablenker eintretender Strahlung (8) dazu ausgelegt ist, den Strahl (7) geladener Teilchen so abzulenken, dass er das Linsensystem auf oder in der Nähe einer Achse (Y) passiert, die zu einer das Paar paralleler Stromleitungen (2a, 2b) verbindenden Achse (X) vertikal ist.
Mit einem Strahl (7) geladener Teilchen arbeitende Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Korrekturspuleneinheit (2; 50) zwei Paare von gewickelten Toroidspulen (51, 52) aufweist, die von einer optischen Achse ausgehend strahlenförmig angeordnet sind, wobei die gewickelten Toroidspulen (51, 52) eine Trapezform haben, bei der die obere Kante und die untere Kante zur optischen Achse parallel sind und die Länge der von der optischen Achse weiter entfernten unteren Kante länger ist als die Länge der oberen Kante in der Nähe der optischen Achse, so dass durch die von der oberen Kante und der unteren Kante gebildeten parallelen Stromleitungen (2a-d) in einem Raum zwischen den zwei Paaren gewickelter Toroidspulen (51, 52) eingeschlossen ist, das lokale Rotationsmagnetfeld erzeugt wird.