DE1514259B2

DE1514259B2 - Vorrichtungen zum Abschirmen des Elektronenstrahlbündels gegen asymmetrische, magnetische Streufelder in Elektronenstrahlgeräten

Info

Publication number: DE1514259B2
Application number: DE1965N0026880
Authority: DE
Inventors: Takashi Tokio Yanaka
Original assignee: Nihon Denshi KK
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1964-06-15
Filing date: 1965-06-14
Publication date: 1970-12-23
Also published as: GB1102327A; FR1436536A; DE1514259A1; US3396299A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zum Abschirmen des Elektronenstrahlbündels gegen asymmetrische, magnetische Streufelder einer aus mehreren nebeneinander auf einer gemeinsamen Achse liegenden Magnetlinsen bestehenden Magnetlinsenanordnung in Elektronenstrahlgeräten, insbesondere Elektronenmikroskopen, bestehend aus einem zylindrischen Rohr, das in und/oder zwischen den Magnetlinsen angeordnet ist, dessen eines Ende an dem Joch einer der Magnetlinsen befestigt ist und dessen anderes freies Ende von dem Joch der gleichen oder der benachbarten Linse durch einen Luftspalt getrennt ist.

In Elektronenstrahlgeräten, insbesondere Elektronenmikroskopen, werden vielfach Magnetlinsen verwendet. Innerhalb des Magnetjoches einer Linse und insbesondere zwischen mehreren Magnetlinsen, z. B. zwischen einer Objektivlinse und einer Zwischenlinse, treten magnetische Streuflüsse auf, die eine exakte Abbildung des Elektronenstrahles durch die Linsen erschweren. Insbesondere ist es außerordentlich schwierig, die Linsenachsen genau auf der optischen Achse auszurichten, wenn ein unsymmetrisches Magnetfeld zwischen den einzelnen Linsen vorhanden ist. Auch Unsymmetrien des Magnetfeldes im Inneren des Magnetjoches einer Linse, die durch eine Uneinheitlichkeit des Materials des Magnetjoches verursacht werden, stören die Abbildungsgenauigkeit. Man muß daher versuchen, den Einfluß der unsymmetrischen magnetischen Streufelder mögliehst gering zu halten. In der USA.-Patentschrift 2 330628 ist eine Linsenanordnung beschrieben, bei der ein symmetrisches und koaxiales Magnetfeld dadurch erzeugt wird, daß ein mit dem eigentlichen Magnetkörper lösbares Polschuhsystem mit Hilfe von konischen Sitzflächen geschaffen wird, um somit eine verbesserte Magnetfeldsymmetrie durch eine konstruktive und fertigungstechnische Steigerung der Zuordnungsgenauigkeit aller Einzelteile zu erreichen. Die zylindrischen Abschirmungen dienen hierbei dazu, den Elektronenstrahl auf seinem Weg durch den Innenzylinder von äußeren Magnetfeldern, wie z.B. dem Erdmagnetfeld, abzuschirmen. Sie sind jedoch nicht in der Lage, unsymmetrische magnetische Streufelder, die zwischen den oberen Enden der Abschirmung und der Unterseite der Magnetspule erzeugt werden, zu verhindern.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Einfluß derart unsymmetrischer magnetischer Streufelder, die auch zwischen verschiedenen Linsen auftreten, weitgehend auszuschalten. Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß das Rohr aus zwei koaxialen Zylindern aus einem Material hoher Permeabilität aufgebaut ist, die miteinander durch ein Distanzstück aus praktisch nicht magnetisierbarem Material verbunden sind, wobei der Abstand zwischen den beiden Zylindern größer ist als der Luftspalt, und von denen der eine an dem Joch einer der Magnetlinsen direkt anliegt.

Es erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn der Luftspalt ein Radialspalt ist. Vorzugsweise ist das Joch der Magnetlinse zur Aufnahme des Distanzstückes mit angearbeiteten und/oder eingesetzten Vorsprüngen oder Ansätzen versehen. Die Erfindung beruht auf der physikalischen Erkenntnis, daß die in einem Spalt erzeugte magnetomotorische Kraft und daher auch die Ablenkung des Elektronenstrahles von der Breite des Spaltes abhängt. Durch die Anordnung der beiden koaxialen Zylinder aus einem Material hoher Permeabilität, die durch ein Distanzstück aus praktisch nicht magnetisierbarem Material verbunden sind, wird die gesamte magnetomotorische Kraft in den ursprünglich vorhandenen Spalt anteilig auf einen Luftspalt und den Abstand zwischen den beiden Zylindern aufgeteilt. Da nun, wie oben ausgeführt, der Abstand zwischen den beiden Zylindern größer ist als der verbleibende Luftspalt, wird erreicht, daß der größere Anteil in den von dem Distanzstück ausgefüllten Bereich fällt. Da dieses aber ohne großen Aufwand koaxial zu der Linse angeordnet werden kann, läßt sich das Magnetfeld in diesen Bereich symmetrisch zur Linsenachse einstellen. In dem verbleibenden Luftspalt erhält man daher, wenn man diesen genügend klein macht, nur noch eine magnetomotorische Kraft, die nur einen sehr kleinen, praktisch vernachlässigbaren Einfluß auf den Elektronenstrahl ausübt. Der Einfluß der Asymmetrien auf die Abbildungseigenschaften des Elektronenstrahlgerätes ist somit weitgehend ausgeschlossen.

Auch bei der in der USA.-Patenschrift 2 469165 dargestellten Anordnung, die sich mit unsymmetrischen Streufeldern in dem Gebiet nahe der Linsenebene beschäftigt, gelingt es, einen Großteil der magnetischen Unsymmetrien im Außenbereich des Polstückes durch eine zylindrische Abschirmung zu eliminieren. Zwischen dem unteren Ende dieser Abschirmung und den benachbarten Polenden tritt jedoch ein starker magnetischer Streufluß im Bereich der höchsten Feldstärke der Linse auf, der zu einer Verzerrung des gesamten Feldes führt.

Eine besonders bevorzugte zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abschirmung des Elektronenstrahlbündels gegen asymmetrische, magnetische Streufelder einer aus mehreren nebeneinander auf einer gemeinsamen Achse liegenden Magnetlinse bestehenden Magnetlinsenanordnung in Elektronenstrahlgeräten, insbesondere Elektronenmikroskope, die aus einem zylindrischen Rohr aus einem Material hoher Permeabilität bestehen, dessen eines Ende an dem Joch einer der Magnetlinsen mit Hilfe eines nicht magnetisierbaren Distanzstückes befestigt ist.

Von dem genannten Stand der Technik unterscheidet sich jedoch diese, auf dem gleichen Lösungsprinzip wie die erste Ausführungsform beruhende zweite Ausführungsform dadurch, daß das Rohr von der Linse aus, an der es befestigt ist, in eine benachbarte Magnetlinse hineinragt oder kurz vor dieser endet unter Belassung eines Luftspaltes zwischen dem freien Ende des Rohres und der benachbarten Linse, wobei der Luftspalt kleiner ist als der durch das Distanzstück bedingte Abstand zwischen dem Rohr und der Magnetlinse.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen vertikalen Teilschnitt durch zwei Linsen eines Elektronenmikroskopes, in dem die Verteilung des magnetischen Streuflusses dargestellt ist,

Fig. 2 die Verteilung des magnetischen Streuflusses gemäß Fig. 1 in graphischer Darstellung,

F i g. 3 einen vertikalen Teilschnitt durch zwei Linsen eines Elektronenmikroskopes,

F i g. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung der magnetomotorischen Kraft, verursacht durch den

magnetischen Streufluß, und der Weite des Spaltes S₁ gemäß der F i g. 3,

F i g. 5 einen vertikalen Teilschnitt durch zwei Linsen eines Elektronenmikroskopes mit einer Strahlabschirmvorrichtung,

F i g. 6 einen Teilschnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform zweier Linsen eines Elektronenmikroskopes,

F i g. 7 einen Vertikalschnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Elektronenmikroskoplinse.

Aus F i g. 1 sind zwei Linsen eines Elektronenmikroskopes ersichtlich, eine Objektivlinse 1 und eine Zwischenlinse 2, die jeweils mit Magnetspulen 3 und 4 versehen sind. Die Zwischenlinse 2 ist mit einem Pol 5 und einem fünfteiligen Magnetjoch 6 versehen, das aus einem inneren Joch 7, einem äußeren Joch 8, einem oberen Joch 9, einem Seitenjoch 10 und einem unteren Joch 11 besteht. Diese verschiedenen Teile sind durch ein Distanzstück 12 aus nichtmagnetischem Material zusammengehalten, das, wie aus F i g. 1 ersichtlich, mit dem inneren Joch 7 und dem Seitenjoch 10 mit Gewinden 13 verschraubt ist.

Mit den Linsen A und B ist in F i g. 1 der magnetische Streufluß angedeutet, der zwischen der Objektivlinse 1 und der Zwischenlinse 2, sowie innerhalb des inneren Joches 7 herrscht.

Diese magnetischen Streuflüsse stören den Gang eines Elektronenstrahles durch die beiden Linsen. Der magnetische Streufluß A wird dadurch, verursacht, daß es sehr schwierig ist, die Achsen der beiden Linsen mechanisch mit der optischen Achse des Mikroskopes so auszurichten, daß die Magnetfeldverteilung des magnetischen Streuflusses symmetrisch zur optischen Achse ist.

Der magnetische Streufluß B wird durch mangelnde Einheitlichkeit hinsichtlich seiner magnetischen Eigenschaften des Materials, aus dem das innere Joch 7 gebildet ist, verursacht. Das Joch 7 wird gewohnlich aus einem Stoff sehr hoher Permeabilität hergestellt, deren Größe sich auf Grund mechanischer oder thermischer Spannungen verändert. Spannungen können beispielsweise dann entstehen, wenn das innere Joch 7 mit den anderen Teilen der Linse vereinigt wird. Beispielsweise wenn es verlötet, oder mit dem Distanzstück 12 verschraubt wird. Durch diese Spannungen wird ein asymmetrischer, magnetischer Streufluß erzeugt, der Abweichungen des Ganges des Elektronenstrahles bedingt.

F i g. 2 zeigt die Verteilung der asymmetrischen magnetischen Streuflüsse in Fig. 1. In dieser graphischen Darstellung ist auf der Ordinate die Entfernung längs der optischen Achse in Zentimetern und auf der Abszisse die Verteilung des magnetisehen Streuflusses aufgetragen.

F i g. 3 zeigt eine Apparatur mit der die Versuche ausgeführt wurden, die zu der vorliegenden Erfindung führten. Zwei Hohlzylinder 14a und 14 b sind aus einem Werkstoff hoher magnetischer Permeabilität, wie z. B. aus reinem Eisen, gefertigt und auf einer Objektivlinse 1 und einer Zwischenlinse 2 so montiert, daß zwischen den beiden ein Spalt S₁ gebildet wird. Mit einer Apparatur gemäß F i g. 3 wurde festgestellt, daß bei Erregung der Spulen in den beiden Linsen die durch den magnetischen Streufluß erzeugte magnetomotorische Kraft um so größer wurde, je größer der Spalt S₁ war.

Aus F i g. 4 ist die Beziehung zwischen der magnetomotorischen Kraft A T und der Weite des Spaltes S₁ in Millimetern ersichtlich. Weiterhin wurde festgestellt, daß das Ausmaß der Ablenkung eines die beiden Linsen passierenden Elektronenstrahles im wesentlichen der Größe der magnetomotorischen Kraft proportional ist.

Ausgehend von diesen Ergebnissen wurden Mittel entwickelt, die dazu dienen, die störende Auswirkung des asymmetrischen magnetischen Streuflusses auf den Gang des Elektronenstrahles zu verhindern. Die diesbezüglich entwickelte Einrichtung ist aus F i g. 5, 6 und 7 ersichtlich.

Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 5 wird der vorgenannte störende Einfluß des magnetischen Streuflusses auf den Gang eines eine Objektivlinse 1 und eine Zwischenlinse 2 passierenden Elektronenstrahles dadurch vermieden, daß ein Führungsstück 15 für den magnetischen Fluß zwischen den beiden Linsen angeordnet wird. Dieses Führungsstück 15 besteht aus zwei Hohlzylindern 16 a und 16 b, aus einem Werkstoff hoher magnetischer Permeabilität, die koaxial zueinander, jedoch in einem gewissen Abstand voneinander mit Hilfe einer Büchse 17 aus nichtmagnetischem Material angeordnet sind.

Das Führungsstück 15 wird auf der Zwischenlinse 2 koaxial zur Achse desselben befestigt. Bei einer derartigen Ausbildung des Führungsstückes 15 entsteht zwischen den Heiden Zylindern 16 α und 16 b ein Spalt S₂, sowie ein weiterer Spalt S₃ zwischen der oberen Fläche des Führungsstückes 15 und der unteren Fläche der Objektivlinse 1. Wie F i g. 5 zu entnehmen ist, ist der Spalt S_s wesentlich schmaler als der Spalt S₂. Das Magnetfeld im Spalt S₂ ist symmetrisch zur Linsenachse auf Grund der koaxialen Anordnung der Zwischenlinse 2 und des Führungsstückes 15. Die Zylinder 16 a und 16 b sind so ausgebildet, daß sie symmetrisch zur Achse des Führungsstückes 15 sind. Das Magnetfeld im Spalt S₃ ist asymmetrisch, da die Achse der Zwischenlinse 2 und somit auch die Achse des Führungsstückes 15 nicht immer genau mit der Achse der Objektivlinse 1 zusammenfällt. Die magnetomotorische Kraft, die durch den magnetischen Streufluß im Spalt S₃ ausgeübt wird, ist jedoch schwach, da dieser Spalt im Vergleich zu einem Spalt normaler Größe ziemlich schmal ist. Wie aus F i g. 4 zu entnehmen ist, ist die Größe der magnetomotorischen Kraft proportional zur Spaltweite. Auf Grund der Symmetrie des magnetischen Streuflusses im Spalt S₂ zur Achse der Zwischenlinse 2 ist der Gang des Elektronenstrahles durch die Linse keinen unerwünschten Störungen unterworfen. Die Störungen, verursacht durch den Spalt S₃, sind jedoch nur sehr gering und in ihrer Auswirkung völlig unbedeutend.

In F i g. 6 ist ein weiteres Führungsstück 15 für den magnetischen Fluß dargestellt, das dann in Anwendung kommt, wenn der Zwischenraum zwischen zwei Linsen zu klein ist, um ein Führungsstück gemäß F i g. 5 vorzusehen. So kann beispielsweise das Führungsstück 15 gemäß F i g. 6 in den Spalt zwischen einer Projektor- und einer Zwischenlinse eingesetzt werden. Ein derartiges Führungsstück besteht aus einem Hohlzylinder 16, aus einem Werkstoff hoher magnetischer Permeabilität, der in eine öffnung eines Magnetjoches 18 einer Projektorlinse mit Hilfe eines kurzen Zylinders 17 aus nichtmagnetischem Material eingesetzt ist. Die Achse des Zylin-

ders 16 ist so ausgerichtet, daß sie genau mit der Achse des Magnetjoches 18 zusammenfällt. Das obere Ende des Zylinders 16 ragt in eine Öffnung eines Magnetjoches einer Zwischenlinse 2 hinein. Es werden somit zwei Magnetspalte S_i und S₅ gebildet. Der Spalt S₄ ist durch die Außenfläche des Zylinders 16 und die Innenfläche der Öffnung im Magnetjoch in der Zwischenlinse 2 und der Spalt S₅ durch das untere Ende des Zylinders 16 und die innere Wandung der Öffnung im Magnetjoch 18 in der Projektorlinse begrenzt. Da der Durchmesser der Öffnung im Magnetjoch der Linse 2 kleiner ist als der Durchmesser der Öffnung im Magnetjoch in der Projektorlinse, ist der Spalt S_t schmaler als der Spalt S₅. Unerwünschte Auswirkungen des magnetischen Streuflusses auf den Gang eines die beiden Linsen passierenden Elektronenstrahles werden in derselben Weise vermieden, wie dies schon in der Beschreibung zu F i g. 5 erwähnt wurde. Der magnetische Streufluß im Spalt F₄ ist auf Grund der geringen Spaltweite klein. Der magnetische Streufluß im Spalt S. ist jedoch zur Linsenachse symmetrisch, so daß kein störender Einfluß auf den Gang des Elektronenstrahles eintritt.

F i g. 7 zeigt ein drittes Führungsstück 15 für den magnetischen Fluß, das dazu dient, innerhalb des Magnetjoches einer Linse unerwünschte Störungen des magnetischen Streuflusses auf den Gang eines Elektronenstrahles zu vermeiden. Wie aus F i g. 7 zu entnehmen ist, ist in einer Zwischenlinse 2 gemäß F i g. 1 in die Öffnung eines Magnetjoches ein Führungsstück 15 eingesetzt, das aus zwei Zylindern 19 a und 19 b aus einem Material hoher magnetischer Permeabilität besteht. Die beiden Zylinder 19 a und 19 b sind durch einen kurzen Zylinder 20 aus nichtmagnetischem Material in einer bestimmten Distanz gehalten. Die Zylinder haben eine zentrale Öffnung für den Durchgang eines Elektronenstrahles. Die Zylinder 19 a und 19 b sind koaxial zur Achse der Linse 2 und insbesondere zur Achse eines Pol-Stückes 5 angeordnet.

Zwischen den einander gegenüberliegenden Enden der beiden Zylinder 19 a und 19 b und zwischen der Außenfläche des Zylinders 19 b und der inneren Wandung des unteren Magnetjoches 11 existieren jeweils Spalte S₀ und S₇. Um die Weite des Spaltes S₇ zu verringern, weist das untere Ende des Zylinders 19 b einen erhöhten Durchmesser auf.

Die Wirkung des Führungsstückes gemäß F i g. 7 ist dieselbe wie die der Führungsstücke gemäß den F i g. 5 und 6. Der Spalt S₀ ist symmetrisch, weshalb der dort herrschende magnetische Streufluß keine störende Auswirkung auf einen durch die Linse gehenden Elektronenstrahl ausübt. Der Spalt S₇ ist zwar asymmetrisch, der in dem Spalt S₇ herrschende magnetische Streufluß ist jedoch auf Grund der geringen Spaltweite S₇ klein, so daß kein nennenswerter störender Einfluß auf den Gang eines Elektronenstrahles ausgeübt wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Abschirmen des Elektronenstrahlbündels gegen asymmetrische, magnetische Streufelder einer aus mehreren nebeneinander auf einer gemeinsamen Achse liegenden Magnetlinsen bestehenden Magnetlinsenanordnung in Elektronenstrahlgeräten, insbesondere Elektronenmikroskopen, bestehend aus einem zylindrischen Rohr, das in und/oder zwischen den Magnetlinsen angeordnet ist, dessen eines Ende an dem Joch einer der Magnetlinsen befestigt ist und dessen anderes freies Ende von dem Joch der gleichen oder der benachbarten Linse durch einen Luftspalt getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (15) aus zwei koaxialen Zylindern (16a, 16 b oder 19 a, 19 b) aus einem Material hoher Permeabilität aufgebaut ist, die miteinander durch ein Distanzstück (17, 20) aus praktisch nicht magnetisierbarem Material verbunden sind, wobei der Abstand (S₂, S₆) zwischen den beiden Zylindern größer ist als der Luftspalt (S₃, S₇), und von denen der eine an dem Joch einer der Magnetlinsen direkt anliegt.

2. Vorrichtung'hach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt (z. B. S₇) ein Radialspalt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch der Magnetlinse (2) zur Aufnahme des Distanzstückes (17, 20) mit angearbeiteten und/oder eingesetzten Vorsprüngen (16 b, 19 a) oder Ansätzen versehen ist.

4. Vorrichtung zur Abschirmung des Elektronenstrahlbündels gegen asymmetrische, magnetische Streufelder einer aus mehreren nebeneinander auf einer gemeinsamen Achse liegenden Magnetlinsen bestehenden Magnetlinsenanordnung in Elektronenstrahlgeräten, insbesondere Elektronenmikroskopen, bestehend aus einem zylindrischen Rohr aus einem Material hoher Permeabilität, dessen eines Ende an dem Joch einer der Magnetlinsen mit Hilfe eines nichtmagnetisierbaren Distanzstückes befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (15) von der Linse aus, an der es befestigt ist, in eine benachbarte Magnetlinse hineinragt oder kurz vor dieser endet unter Belassung eines Luftspaltes (S₄) zwischen dem freien Ende des Rohres und der benachbarten Linse, wobei der Luftspalt kleiner ist als der durch das Distanzstück (17) bedingte Abstand (S₅) zwischen dem Rohr (15) und der Magnetlinse.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen