DE1514259C3 - Vorrichtung zum Abschirmen des Elektronenstrahlbündels gegen asymmetrische, magnetische Streufelder in Elektronenstrahlgeräten - Google Patents

Description

Eine im Oberbegriff des Patentanspruches beschriebene Vorrichtung ist aus der »Zeitschrift für wissenschaftliche Mikroskopie« 63, 1957, S. 288 bis 296 bekannt.

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 Umsymmetrien 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 möglichst gering zu halten. In der USA.-Patentschrift 23 30 628 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 bei den bekannten Vorrichtungen 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 symmetrischer magnetischer Streufelder, die zwischen verschiedenen Linsen auftreten, weitgehend auszuschalten. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch beschriebene Vorrichtung gelöst. Die Erfindung beruht auf der physikalischen Erkenntnis, daß die in einem Spalt 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 xt 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.-Patentschrift 24 69 165 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.

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, ^:.

F i g. 2 die Verteilung des magnetischen Streuflusses gemäß F i g. 1 in graphischer Darstellung,

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

Fig.4 eine graphische Darstellung der Beziehung der magnetomotorischen Kraft, verursacht durch den magnetischen Streufluß, und der Weite des Spaltes Si gemäß der Fig. 3,

Fig.5 einen Teilschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform zweier Linsen eines Elektronenmikroskopes.

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 Fig. 1 ersichtlich, mit dem inneren Joch 7 und dem Seitenjoch 10 mit Gewinden 13 verschraubt ist.

Mit den Linien 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 gewöhnlich 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.

Fig.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 magnetischen Streuflusses aufgetragen.

Fig.3 zeigt eine Apparatur mit der die Versuche ausgeführt wurden, die zu der vorliegenden Erfindung führten. Zwei Hohlzylinder 14a und 146 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 Si 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 Si war.

Aus F i g. 4 ist die Beziehung zwischen der magnetomotorischen Kraft A Tund der Weite des Spaltes Si 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 voin 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 Fig.5 ersichtlich.

In F i g. 5 ist ein Schirmrohr 15 für den magnetischen Fluß dargestellt, das in den Spalt zwischen einer Projektor- und einer Zwischenlinse eingesetzt werden kann. Ein derartiges Schirmrohr 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 Zylinders 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 St und Ss gebildet. Der Spalt St ist durch die Außenfläche des Zylinders 16 und die Innenfläche der öffnung im Magnetjoch in der Zwischenlinse 2 und der Spalt Ss 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 St schmaler als der Spalt Ss. Der magnetische Streufluß im Spalt St ist auf Grund der geringen Spaltweite klein. Der magnetische Streufluß im Spalt Ss ist jedoch zur Linsenachse symmetrisch, so daß kein störender Einfluß auf den Gang des Elektronenstrahles eintritt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   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, das zwischen den Magnetlinsen angeordnet ist, dessen eines Ende an dem Joch einer der Magnetlinsen mit Hilfe eines nichtmagnetisierbaren Distanzstückes befestigt ist und dessen anderes freies Ende von dem Joch der benachbarten Linse durch einen Luftspalt getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (15) von der Linse aus, an der es allein befestigt ist, unter Belassung des Luftspaltes (S*) zwischen dem freien Ende des Rohres und der benachbarten Linse in einem solchen Abstand von der benachbarten Magnetlinse endet, daß der Luftspalt kleiner ist als der durch das nicht magnetisierbare Distanzstück (17) bedingte Abstand (Ss) zwischen dem Rohrende und der Magnetlinse.