DE1236097B - Electron lens for correcting a rotationally symmetrical, magnetic electron lens - Google Patents
Electron lens for correcting a rotationally symmetrical, magnetic electron lensInfo
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY
DEUTSCHESGERMAN
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Deutsche Kl.: 21 g - 37/20 German class: 21 g - 37/20
Nummer: 1236 097Number: 1236 097
Aktenzeichen: P 30567 VIII c/21 gFile number: P 30567 VIII c / 21 g
Anmeldetag: 13. November 1962 Filing date: November 13, 1962
Auslegetag: 9. März 1967Opened on: March 9, 1967
Die Erfindung betrifft eine Elektronenlinse zum Korrigieren einer drehsymmetrischen, magnetischen Elektronenlinse, bei der im Magnetfeld zwischen den Polen ein elektrostatisches Feld wirksam ist, dessen Feldlinien senkrecht zur optischen Achse der magnetischen Linse verlaufen, insbesondere für Elektronenmikroskope. The invention relates to an electron lens for correcting a rotationally symmetrical, magnetic Electron lens in which an electrostatic field is effective in the magnetic field between the poles, its Field lines run perpendicular to the optical axis of the magnetic lens, especially for electron microscopes.
Es ist bekannt, daß drehsymmetrische Linsenfelder sphärische Aberration aufweisen und daß zur Korrektion dieses Fehlers eine Raumladung in das Linsenfeld innerhalb der Bahnen eingeführt werden kann, längs deren die Elektronen das Linsenfeld durchlaufen. Es ist schwierig, eine hinreichend dichte, örtlich und zeitlich stabile Raumladungswolke von Elektronen aufrechtzuerhalten.It is known that rotationally symmetrical lens fields have spherical aberration and that for correction this error a space charge can be introduced into the lens field within the orbits, along which the electrons pass through the lens field. It is difficult to find a sufficiently dense one locally and to maintain a stable space charge cloud of electrons over time.
Bekannt ist, zum Korrigieren des mit Astigmatismus bezeichneten Bildfehlers bei einem magnetischen elektronenoptischen System ein elektrostatisches Feld zu verwenden, das mit Hilfe von im Bereich des magnetischen Linsenfeldes angeordneten Elektroden erzeugt wird und dessen Feldlinien senkrecht zur optischen Achse der magnetischen Linse verlaufen.It is known to correct the image error referred to as astigmatism in a magnetic electron-optical system to use an electrostatic field, which with the help of in the area of the Magnetic lens field arranged electrodes is generated and its field lines perpendicular to optical axis of the magnetic lens run.
Erfindungsgemäß sind zur Erzeugung des elektrostatischen Feldes eine zylinderförmige Zentralelektrode, deren Achse mit der optischen Achse der magnetischen Linse zusammenfällt, und eine die Zentralelektrode mit Abstand und konzentrisch umgebende Ringelektrode vorgesehen, wobei die Ringelektrode gegenüber der Zentralelektrode negativ vorgespannt ist. Bezweckt wird, daß die Elektronen, welche das Magnetfeld durchlaufen, bei zunehmendem Abstand von der Achse durch das elektrostatische radiale Feld weniger stark nach der optischen Achse hin abgebogen werden.According to the invention, a cylindrical central electrode is used to generate the electrostatic field, whose axis coincides with the optical axis of the magnetic lens, and one is the central electrode provided at a distance and concentrically surrounding ring electrode, the ring electrode is negatively biased with respect to the central electrode. The aim is that the electrons which pass through the magnetic field, with increasing distance from the axis by the electrostatic radial field can be bent less strongly towards the optical axis.
Die Stärke des Feldes nimmt logarithmisch längs einer zur Achse senkrechten Radiale ab, wodurch nahe an der Zentralelektrode entlanglaufende Elektronen stärker nach der Achse hin abgebogen werden als Elektronen, deren Bahn in der Nähe der Ringelektrode verläuft. Dieser Unterschied kann gerade ausreichend sein, um die sphärische Aberration des magnetischen Linsenfeldes zu korrigieren, das unerwünschte Biegungserscheinungen aufweist, wobei sich weiter von der Achse bewegende Elektronen stärker nach der Achse hin abgebogen werden und sich näher der Achse bewegende Elektronen weniger stark abgebogen werden, als notwendig ist, um die Elektronen in einem möglichst kleinen Fleck zu konzentrieren. The strength of the field decreases logarithmically along a radial perpendicular to the axis, whereby Electrons running close to the central electrode are bent more strongly towards the axis as electrons whose path runs near the ring electrode. This difference can be straight be sufficient to correct the spherical aberration of the lens magnetic field, the undesirable Exhibits bending phenomena, with electrons moving further from the axis more strongly towards the axis and less electrons moving closer to the axis be bent sharply than is necessary in order to concentrate the electrons in as small a spot as possible.
Axiale Streuung des radialen, elektrostatischen FeI-des muß weitgehend vermieden werden, und zu diesem Zweck kann eine Hilfselektrode benutzt werden,Axial scattering of the radial, electrostatic field must be avoided to a large extent, and an auxiliary electrode can be used for this purpose,
Elektronenlinse zum Korrigieren einer drehsymmetrischen, magnetischen ElektronenlinseElectron lens for correcting a rotationally symmetrical, magnetic electron lens
Anmelder:Applicant:
Philips Electronic and Pharmaceutical Industries Corporation, New York, N. Y. (V. St. A.)Philips Electronic and Pharmaceutical Industries Corporation, New York, N.Y. (V. St. A.)
Vertreter:Representative:
Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt, Hamburg 1, Mönckebergstr. 7Dr. rer. nat. P. Roßbach, patent attorney, Hamburg 1, Mönckebergstr. 7th
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
Alvar Pietari Wilska, Tucson, Ariz. (V. St. A.)Alvar Pietari Wilska, Tucson, Ariz. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 15. November 1961 (152 531)Claimed priority:
V. St. ν. America November 15, 1961 (152 531)
welche die Ringelektrode auf der Außenseite und an den beiden Enden umgibt und das gleiche Potential führt wie die Zentralelektrode.which surrounds the ring electrode on the outside and at both ends and has the same potential leads like the central electrode.
Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele einer beschriebenen Elektronenlinse, wobeiThe drawing shows exemplary embodiments of a described electron lens, wherein
F i g. 1 eine vereinfachte Form einer Elektronenstrahlvorrichtung mit zwei Linsen zeigt, die je ein elektrostatisches Korrektionssystem haben, und F i g. 2 weitere Einzelheiten darstellt. In dem Raum innerhalb der Wand 12 sind eine Kathode 13, eine Regelelektrode 14 und eine Beschleunigungsanode 16 derart angeordnet, daß unter der Wirkung einer elektrischen Spannung zwischen Kathode und Anode ein Elektronenbündel 18 in Richtung der Achse 17 aus der Anodenöffnung heraustritt. F i g. 1 is a simplified form of electron beam device shows with two lenses, each with an electrostatic correction system, and F i g. 2 shows more details. In the space within wall 12 are one Cathode 13, a control electrode 14 and an acceleration anode 16 arranged such that under the effect of an electrical voltage between the cathode and anode an electron beam 18 in the direction the axis 17 emerges from the anode opening.
Die Elektronen des Bündels 18 durchlaufen ein magnetisches Linsenfeld, das sich axial zwischen zwei Polen 19 und 21 eines Dauermagnets erstreckt. Die Polaritäten der magnetischen Pole sind mit N und S bezeichnet. Statt eines Dauermagnets kann ein Magnetsystem mit einer durch einen elektrischen Strom erregten Spule zum Erzeugen des magnetischen Kraftstroms verwendet werden. Die Polstücke 18 und sind mit Öffnungen 22 und 23 zum DurchlassenThe electrons of the bundle 18 pass through a magnetic lens field which extends axially between two poles 19 and 21 of a permanent magnet. The polarities of the magnetic poles are denoted by N and S. Instead of a permanent magnet, a magnet system with a coil excited by an electric current can be used to generate the magnetic force current. The pole pieces 18 and 12 are provided with openings 22 and 23 for passage
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des Elektronenbündels versehen. Das Magnetfeld zwischen den Polstücken 19 und 21 ist drehsymmetrisch gegenüber der Achse 17. of the electron bundle. The magnetic field between the pole pieces 19 and 21 is rotationally symmetrical with respect to the axis 17.
In dem Magnetfeld zwischen den Polstücken 19 und 21 befinden sich eine zylindrische Zentralelektrode 24 und eine ringförmige Elektrode 26. Die Achse der Zentralelektrode 24 deckt sich mit der optischen Achse 27 der Linse. Zwischen den beiden Elektroden ist eine ringförmige öffnung gebildet. Die Elektronen des Bündels 18, welche die Elektroden 24 und 26 erreichen und in die ringförmige Öffnung eintreten, durchlaufen das Linsenfeld und werden an einem Punkt der Achse 17 der Linse fokussiert.In the magnetic field between the pole pieces 19 and 21 there is a cylindrical central electrode 24 and an annular electrode 26. The axis of the central electrode 24 coincides with the optical axis 27 of the lens. An annular opening is formed between the two electrodes. The electrons of the bundle 18, which reach the electrodes 24 and 26 and enter the annular opening, pass through the lens field and are focused at a point on the axis 17 of the lens.
Zu der Fokussierung durch das magnetische Linsenfeld trägt bei ein elektrisches Feld zwischen der Zentralelektrode 24 und der Ringelektrode 26. Um die durch dieses elektrische Feld beabsichtigte Wirkung zu erzielen, hat die ringförmige Elektrode 26 ein negatives Potential gegenüber der Zentralelektrode 24. Das auf diese Weise erhaltene, radial gerichtete elektrostatische Feld bringt mit sich, daß nahe an dem Innenumfang durch die ringförmige Öffnung laufende Elektronen stärker in Richtung auf die Achse 17 abgebogen werden und daß Elektronen, welche auf der Außenseite die ringförmige öffnung durchlaufen, weniger stark in Richtung auf die Achse 17 abgebogen werden als in dem Fall, in dem alle Elektronen an einem gemeinsamen Punkt der Achse 17 zusammentreffen. Sphärische Aberration eines magnetischen Linsenfeldes hat die entgegengesetzte Wirkung. Infolgedessen werden Elektronenstrahlen, welche in einem größeren Abstand von der Achse das Feld durchlaufen, stärker abgebogen, während Elektronen näher der Feldachse weniger stark abgebogen werden als beim Zusammentreffen an einem gemeinsamen Punkt der Achse. Durch richtige Einstellung der elektrischen und magnetischen Feldstärken kann man für einen ringförmigen Bündelquerschnitt die sphärische Aberration nahezu vollständig korrigieren. An electric field between the central electrode 24 and the ring electrode 26 contributes to the focusing by the magnetic lens field. In order to achieve the effect intended by this electric field, the ring-shaped electrode 26 has a negative potential with respect to the central electrode 24. The result obtained in this way A radially directed electrostatic field means that electrons passing through the annular opening close to the inner circumference are bent more strongly in the direction of the axis 17 and that electrons which pass through the annular opening on the outside are less strongly bent in the direction of the axis 17 are bent than in the case in which all electrons meet at a common point of the axis 17. Spherical aberration of a magnetic lens field has the opposite effect. As a result, electron beams which pass through the field at a greater distance from the axis are bent more strongly, while electrons closer to the field axis are bent less strongly than when they meet at a common point on the axis. By correctly setting the electric and magnetic field strengths, the spherical aberration can be almost completely corrected for a ring-shaped bundle cross-section.
Es ist von Bedeutung, daß das radial gerichtete elektrische Feld keine Randstörungen aufweist. Um das ringförmige Gebiet, in dem die elektrischen Kraftlinien radial gerichtet sind, genau zu begrenzen, ist in einer bevorzugten Ausführungsform der beschriebenen Einrichtung eine Hilfselektrode 27 angeordnet. Die Hilfselektrode 27 besteht aus zwei ringförmigen Scheiben 28 und 29, die je in einem kurzen Abstand gegenüber der Endfläche der Ringelektrode 26 angebracht und längs des Umfanges durch einen Zylindermantel 31 miteinander verbunden sind. Die auf diese Weise gebildete zylindrische Hülse mit öffnungen in den Stirnflächen umfaßt die Ringelektrode 26 auf drei Seiten. Das Potential der Hilfselektrode 27 ist gleich dem der Zentralelektrode 24. It is important that the radially directed electric field has no edge disturbances. In order to precisely delimit the annular area in which the electrical lines of force are directed radially, an auxiliary electrode 27 is arranged in a preferred embodiment of the device described. The auxiliary electrode 27 consists of two ring-shaped disks 28 and 29, each attached at a short distance from the end face of the ring electrode 26 and connected to one another along the circumference by a cylinder jacket 31. The cylindrical sleeve formed in this way with openings in the end faces encompasses the ring electrode 26 on three sides. The potential of the auxiliary electrode 27 is equal to that of the central electrode 24.
Das durch die ringförmige öffnung begrenzte Elektronenbündel wird örtlich an dem zu untersuchenden Objekt 32 eines Elektronenmikroskops konzentriert. Am Objekt 32 vorbei wandern die Elektronenstrahlen des ringförmigen Bündels 18 durch eine nächstfolgende, magnetische Elektronenlinse, in der das axiale Magnetfeld sich zwischen den Polen 33 und 34 erstreckt. Entsprechend der vorhergehenden elektronenoptischen Linse ist zwischen den Polen 33 und 34 ein Elektrodensystem angeordnet, das aus der Zentralelektrode 36, der Ringelektrode 37 und der Hilfselektrode 38 besteht, welche letztere die Ringelektrode 37 auf drei Seiten umgibt und aus den Endflächen 39 und 41 mit einem diese verbindenden Zylinder 42 besteht. Die Hilfselektrode hat auch hier das gleiche Potential wie die Zentralelektrode 36, und die Ringelektrode 37 hat gegenüber dieser ein negatives Potential.The electron beam delimited by the annular opening is concentrated locally on the object 32 of an electron microscope to be examined. The electron beams of the ring-shaped bundle 18 travel past the object 32 through a subsequent magnetic electron lens in which the axial magnetic field extends between the poles 33 and 34 . According to the preceding electron-optical lens, an electrode system is arranged between the poles 33 and 34 , which consists of the central electrode 36, the ring electrode 37 and the auxiliary electrode 38 , which the latter surrounds the ring electrode 37 on three sides and of the end surfaces 39 and 41 with one of these connecting cylinder 42 is made. Here, too, the auxiliary electrode has the same potential as the central electrode 36, and the ring electrode 37 has a negative potential in relation to this.
Das Elektronenbild des Objektes 32 kann von einem Leuchtschirm 43 auf der Endwand des Gehäuses 12 aufgefangen und sichtbar gemacht werden.The electron image of the object 32 can be viewed from a fluorescent screen 43 on the end wall of the housing 12 be captured and made visible.
F i g. 2 zeigt eine weitere Ausbildung des elektrostatischen Systems, das aus einer Zentralelektrode 124, einer Ringelektrode 126 und einer dosenförmigen Elektrode 127 besteht. Die Zentralelektrode 124 ist ein massiver Metallstab mit einem verdickten Teil 44 an einem Ende. Die Endfläche ist flach, aber längs der Achse nimmt der Querschnitt ab, so daß eine konische Fläche zwischen der Endfläche und der Zylinderwand des Stabes 124 gebildet wird. Die konische Fläche wird durch die Endfläche den Elektronenbahnen entzogen, so daß sich auf der konischen Fläche ablagernde Staubteilchen nicht von den Elektronen getroffen werden, so daß elektrische Ladungen somit vermieden werden. Eine entsprechend gestaltete Verdickung 36 befindet sich am anderen Ende der Zentralelektrode 124. F i g. 2 shows a further embodiment of the electrostatic system, which consists of a central electrode 124, a ring electrode 126 and a can-shaped electrode 127 . The central electrode 124 is a solid metal rod with a thickened portion 44 at one end. The end surface is flat, but the cross-section decreases along the axis so that a conical surface is formed between the end surface and the cylinder wall of the rod 124 . The conical surface is withdrawn from the electron paths by the end surface, so that dust particles deposited on the conical surface are not hit by the electrons, so that electrical charges are thus avoided. A correspondingly configured thickening 36 is located at the other end of the central electrode 124.
Die Ringelektrode 126, welche zur Zentralelektrode 124 koaxial angeordnet ist, wird von Stützisolatoren 47 und 48 z. B. aus keramischem Material abgestützt, durch welche der Ring 126 an dem Zylindermantel 131 der dosenförmigen Elektrode 127 befestigt ist.The ring electrode 126, which is arranged coaxially to the central electrode 124 , is supported by post insulators 47 and 48, for. B. supported from ceramic material, through which the ring 126 is attached to the cylinder jacket 131 of the can-shaped electrode 127 .
Einer der Isolatoren 48 ist mit einer Bohrung versehen, durch welche eine elektrische Leitung 49 geführt wird, die mit dem Ring 126 verbunden wird. Die dosenförmige Elektrode 127 besteht außer dem Zylindermantel 131 aus zwei flachen Endwänden 128 und 129, von denen die Wand 129 mit dem Mantel 131 ein Ganzes bildet und die Wand 128 durch Schrauben 51 mit letzterem verbunden ist.One of the insulators 48 is provided with a bore through which an electrical line 49, which is connected to the ring 126 , is passed. The can-shaped electrode 127 is apart from the cylinder jacket 131 of two flat end walls 128 and 129, of which the wall 129 with the sheath 131 forms a whole and the wall 128 is connected by screws 51 to the latter.
Beide Endwände haben eine runde öffnung, deren Mitten auf der Achse 17 liegen und die die Zentralelektrode 124 mit einem gewissen Zwischenraum umgeben, so daß ein ringförmiger Spalt zum Durchlassen der Elektronen des Bündels 18 gebildet wird. Die Öffnungen haben abgeschrägte Ränder 52 und 53, deren Flächen der Richtung abgekehrt sind, längs der die Elektronen das Elektrodensystem treffen. Dieses Abschrägen ist auch dazu vorgesehen, Aufladung zu verhüten. Die scharfen Ränder liegen vorzugsweise in den gleichen Ebenen gegenüber den scharfen Rändern der abgeschrägten verdickten Teile 44 und 46 der Zentralelektrode 124.Both end walls have a round opening, the centers of which lie on the axis 17 and which surround the central electrode 124 with a certain gap, so that an annular gap is formed for the electrons of the bundle 18 to pass through. The openings have beveled edges 52 and 53, the surfaces of which face away from the direction along which the electrons hit the electrode system. This chamfering is also intended to prevent charging. The sharp edges are preferably in the same planes as the sharp edges of the beveled thickened portions 44 and 46 of the central electrode 124.
Eine flache Platte 54 aus Metall dient als Träger des Elektrodensystems und die Zentralelektrode 124 ist durch einen Stift 57 an der Platte 54 befestigt, welcher Stift in einer Bohrung 56 der Platte 54 untergebracht ist. Die dosenförmige Elektrode 127, gemeinsam mit der Ringelektrode 126 ist durch die Endwand 129 mit der Platte 54 verbunden.A flat plate 54 made of metal serves as a support for the electrode system and the central electrode 124 is fastened to the plate 54 by a pin 57, which pin is accommodated in a bore 56 of the plate 54. The can-shaped electrode 127, together with the ring electrode 126, is connected to the plate 54 by the end wall 129.
Zum Durchlassen der Elektronen dienen öffnungen 58, die rings um die Zentralelektrode 124 hinter dem ringförmigen Spalt zwischen der Zentralelektrode und der Wand 129 der dosenförmigen Elektrode angeordnet und derart gestaltet sind, daß der Durchlaß möglichst groß ist unter Berücksichtigung von Verbindungsstreifen zum Abstützen des Zentralteiles, der die Zentralelektrode 124 trägt.For the passage of the electrons, openings 58 are used, which are arranged around the central electrode 124 behind the annular gap between the central electrode and the wall 129 of the can-shaped electrode and are designed in such a way that the passage is as large as possible, taking into account connecting strips to support the central part, the the central electrode 124 carries.
Die Platte 54 ist an dem Magnetjoch der Polstücke 19 und 21 befestigt, so daß die Zentralelektrode 124 das gleiche Potential wie der Magnet hat. Durch dieThe plate 54 is attached to the magnetic yoke of the pole pieces 19 and 21 so that the central electrode 124 has the same potential as the magnet. Through the
Verbindung 49 kann ein im negativen Sinn abweichendes Potential zugeführt werden. Wenn eine Elektronenbeschleunigungsspannung von 15 000 V verwendet wird, genügt eine negative Spannung von etwa V, um die Korrektion der sphärischen Aberration zu erzielen.A potential deviating in the negative sense can be supplied to connection 49. When an electron acceleration voltage of 15,000 V is used, a negative voltage of about V is sufficient to correct the spherical aberration to achieve.
Claims (5)
USA.-Patentschrift Nr. 2 976 457.Considered publications:
U.S. Patent No. 2,976,457.
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