DE2059781B2 - Magnetic lens assembly - Google Patents

Magnetic lens assembly

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DE2059781B2 DE2059781A DE2059781A DE2059781B2 DE 2059781 B2 DE2059781 B2 DE 2059781B2 DE 2059781 A DE2059781 A DE 2059781A DE 2059781 A DE2059781 A DE 2059781A DE 2059781 B2 DE2059781 B2 DE 2059781B2
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Description

Die Erfindung betrifft eine magnetische Linsenanordnung, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.The invention relates to a magnetic lens arrangement as described in the preamble of claim 1 is specified.

Aus der Offenlegungsschrift 15 64 714 des Hauptpatents ist eine wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebene magnetische Linsenanordnung für Korpuskularstrahlgeräte, insbesondere eine Objektiv-Linsenanordnung für Elektronenmikroskope, bekannt. Es handelt sich dort um eine Linsenanordnung, die vollständig frei von ferromagnetischem Material ist, das bei anderen bekannten Objektiv-Linsenanordnungen für Elektronenmikroskope zur Führung des Feldflusses in diesem ferromagnetischen Material vorgesehen ist. Bei der aus der vorgenannten Druckschrift bekannten Linsenanordnung sind sogenannte Abschirmzylinder aus supraleitendem Material vorgesehen, die abschirmend auf das Magnetfeld wirken, so daß das zur Fokussierung vorgesehene Magnetfeld sich bei einer solchen Linsenanordnung mit supraleitenden Abschirmzylindern wenigstens im wesentlichen außerhalb des Materials dieser Zylinder befindet und in den dortFrom the laid-open specification 15 64 714 of the main patent is one as in the preamble of claim 1 specified magnetic lens arrangement for particle beam devices, in particular an objective lens arrangement for electron microscopes. There is a lens arrangement that is completely free of ferromagnetic material, which is the case with other known objective lens arrangements for electron microscopes to guide the field flux in this ferromagnetic material. In the lens arrangement known from the aforementioned publication, so-called shielding cylinders are used made of superconducting material provided, which have a shielding effect on the magnetic field, so that the for Focusing provided magnetic field in such a lens arrangement with superconducting shielding cylinders is located at least substantially outside the material of this cylinder and in the there

ίο vorgesehenen Linsenspalt eindringt, wo die Fokussierung des Korpuskularstrahles erfolgt.ίο provided lens gap penetrates where the focusing of the corpuscular beam takes place.

Für ein hohes Auflösungsvermögen einer wie oben genannten Linsenanordnung ist es wesentlich, den öffnungsfehler klein zu halten. Hierfür ist es notwendig, die sogenannte Halbwertsbreite für die an sich bekannte Feldverteilung auf der Achse der Linsenanordnung im Linsenspalt bei möglichst hoher maximaler Feldstärke H0 im Linsenspalt möglichst klein zu halten, d. h. einen großen Feldgradienten im Spalt zu erreichen. Mit Abschirmzylinder aus supraleitendem Material wurde eine geringe Halbwertsbreite im Linsenspalt erreicht. Zwar kann im Prinzip durch Verringerung der Spaltbreite die Halbwertsbreite verkleinert werden, jedoch nimmt, wie festgestellt wurde, bei einer solchen Anordnung dann die maximale Feldstärke H0 im Spalt ab.For a high resolution of a lens arrangement as mentioned above, it is essential to keep the aperture error small. For this it is necessary to keep the so-called half width for the known field distribution on the axis of the lens arrangement in the lens gap with the highest possible field strength H 0 in the lens gap as small as possible, ie to achieve a large field gradient in the gap. With a shielding cylinder made of superconducting material, a small half-width was achieved in the lens gap. In principle, the half-value width can be reduced by reducing the gap width, but, as has been established, with such an arrangement the maximum field strength H 0 in the gap then decreases.

Bei wie oben bereits angesprochen, anderen bekannten Objektiv-Linsenanordnungen werden Konstruktionsteile auü ferromagnetischem Material verwendet, wobei der Feldfluß und die Feldführung in diesem ferromagnetischen Material erfolgt. So ist aus der deutschen Patentschrift 9 14 532 eine magnetische Linsenanordnung bekannt, bei der sich die Linsenwicklung in einer einen Eisenschluß bildenden Kapsel befindet, die einander gegenüberstehende, an den elektronenstrahlumgebenden hohlzylindrischen Teilen der Kapsel befestigte ringförmige Polschuhe aus ferromagnetischem Material hat, wobei der Feldfluß bis hin zu dem Linsenspalt in dem Eisen bzw. dem ferromagnetischen Material erfolgt. Diese ganz aus ferromagnetischem Material bestehende Linsenanordnung stellt die Standard-Anordnung für Elektronenmikroskop-Linsenanordnungen dar. Die bei solchen Anordnungen auftretenden Probleme der Magnetfeldführung sind ganz verschieden von denjenigen Problemen, die im Zusammenhang mit den Linsenanordnungen mit supraleitenden Abschirmzylindern der deutschen Offenlegungsschrift 15 64 714 auftreten. Es ist zwar aus Comptes Rendus 1967, Serie B, Bd. 264, S. 747 bis 750 bekannt, anstelle einer Linsenspule aus normalleitendem Kupferdraht eine Spule aus supraleitendem Material zu verwenden. Dieser Materialaustausch dient aber nur dazu, die Ampere-Windungszahl zu erhöhen, und zwar unter Vermeidung des Auftretens Joul'scher Wärme. Auf den Verlauf des Magnetflusses im ferromagnetischen Material der Linsenanordnung nach diesem Artikel aus Comptes Rendus hat die Verwendung der supraleitenden Magnetfeldspule keinen Einfluß.In the case of other known objective lens arrangements, as already mentioned above, structural parts are used made of ferromagnetic material, the field flux and the field guidance taking place in this ferromagnetic material. So is from the German patent specification 9 14 532 a magnetic lens arrangement known in which the lens winding is located in a capsule forming an iron connection, the opposing ones to the Electron beam surrounding hollow cylindrical parts of the capsule attached annular pole pieces has ferromagnetic material, the field flux up to the lens gap in the iron or the ferromagnetic material takes place. This lens arrangement made entirely of ferromagnetic material represents the standard arrangement for electron microscope lens arrangements Problems of magnetic field guidance that occur in arrangements are quite different from those problems those in connection with the lens arrangements with superconducting shielding cylinders of the German Offenlegungsschrift 15 64 714 occur. It is from Comptes Rendus 1967, Series B, Vol. 264, p. 747 to 750 known, instead of a lens coil made of normal conducting copper wire, a coil made of superconducting Material to use. This exchange of material only serves to increase the number of ampere turns to increase, while avoiding the occurrence of Joule heat. On the course of the magnetic flux in the ferromagnetic material of the lens arrangement according to this article from Comptes Rendus has the Use of the superconducting magnetic field coil has no effect.

In diesem Artikel aus Comptes Rendus ist zusätzlich noch beschrieben, dem aus Eisen bestehenden Magnetfeldjoch Polschuhe aus !erromagnetischem Holmium oder Dysprosium hinzuzufügen, wie dies aus der dortigen Fig.3a auch konstruktiv zu ersehen ist. Diese Materialien haben eine hohe Sättigungsmagnetisierung. Wie dort aber auch dem in den F i g. 2a, 2b und 3b grafisch wiedergegebenen Feldverlauf im Bereich des Linsenspaltes zu entnehmen ist, ergeben sich an denThis article from Comptes Rendus also describes the magnetic field yoke made of iron To add pole pieces of! Erromagnetic holmium or dysprosium, like this from the There Fig.3a can also be seen constructively. These Materials have a high saturation magnetization. As there, however, also the one in FIGS. 2a, 2b and 3b The graphically reproduced field profile in the area of the lens gap can be seen from the

Sloßstellen zwischen dem ferromagneiischen Eisen und dem anderen ferromagnetischen Material Nebenmaxima des Feldes, die sogenannte Nebenlinsen bilden. Das Auftreten von Nebenlinsen, die erheblich von der Glaser'schen Glockenkurve (siehe auch F i g 3b) abweichen, ist außerordentlich unerwünscht.Sloßstellen between the ferromagnetic iron and the other ferromagnetic material secondary maxima of the field, which form so-called secondary lenses. That Occurrence of secondary lenses which deviate considerably from Glaser's bell curve (see also Fig. 3b), is extremely undesirable.

In der US-PS 30 08 044 und in Compter Rendus 1969, Serie B, Bd. 268, S. 1707-1710, sind noch weitere Linsenanordnungen mit supraleitenden Spulen und ferromagnetischer Flußführung bis zu den Polschuhen hin angegeben.In US-PS 30 08 044 and in Compter Rendus 1969, Series B, Vol. 268, pp. 1707-1710, are still further lens arrangements with superconducting coils and specified ferromagnetic flux guidance up to the pole pieces.

Bei einer Linsenanordnung nach der US-Patentschrift sind die Polschuhe bis zum Linsenspalt, aber nicht weiterreichend als diese, mit einer Abschirmung aus supraleitendem Material umgeben. Dadurch wird i> vermieden, daß der magnetische Fluß aus den ferromagnetischen Polschuhen außerhalb des Bereiches der Polschuhspitzen austritt, und es wird daher eine bessere Konzentration des magnetischen Flußes im Linsenspalt erreicht. 2(1In a lens arrangement according to the US patent, the pole pieces are up to the lens gap, but not going further than this, surrounded by a screen made of superconducting material. This makes i> avoided that the magnetic flux from the ferromagnetic pole pieces out of range the pole piece tips exits, and there will therefore be a better concentration of magnetic flux in the Lens gap reached. 2 (1

Bei der Linsenanordnung des letztgenannten Artikels aus Comptes Rendus ist ebenfalls ein ferrornagnetisches Joch zur Feldführung vorgesehen, das zusätzlich mit zwei den Elektronenstrahl auf beiden Seiten des Linsenspalts umgebende Abschirmzylinder aus supralei- 2r> tendem Material versehen ist. Wie die dortige Fig.4 zeigt, ändert sich durch Hinzufügung der Zylinder der Verlauf der Glockenkurve der Feldverteilung, jedoch nur im Bereich des Glockenrandes. Das Maximum Bm des Feldes und dessen Halbwertbreite erweist sich in dagegen als unabhängig vom Vorhandensein solcher Zylinder.The lens arrangement of the last-mentioned article from Comptes Rendus ferrornagnetisches a yoke is also provided to the field guide, additionally with two surrounding the electron beam on both sides of the lens gap shielding of superconductors 2 r> tendem material is provided. As Fig. 4 there shows, the addition of the cylinders changes the course of the bell curve of the field distribution, but only in the area of the bell edge. In contrast, the maximum Bm of the field and its half-value width turns out to be independent of the presence of such cylinders.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Erhöhung der bei einer Linsenanordnung nach dem Hauptpatent 15 64 714 praktisch erreichbaren maxima- ΐί len Feldstärke im Linsenspalt zu erzielen und eine einfache Möglichkeit für Beeinflussung des Feldverlaufs im Linsenspalt anzugeben.The object of the present invention is to increase the in a lens arrangement according to Main patent 15 64 714 practically achievable maximum ΐί len field strength in the lens gap and a simple way of influencing the course of the field to be indicated in the lens gap.

Diese Aufgabe wird für eine wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebene Linsenanordnung er- -10 findungsgemäß gelöst, wie dies im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegeben ist.This object is achieved for a lens arrangement as specified in the preamble of claim 1 solved according to the invention, as indicated in the characterizing part of claim 1.

Besonders vorteilhaft ist es, als ferromagnetisches Material für die zusätzlich zu den supraleitenden Abschirmzylindern vorgesehenen Polschuhe statt des v> üblichen Eisens Holmium oder Dysprosium zu verwenden. It is particularly advantageous to use as a ferromagnetic material for addition to the superconducting Abschirmzylindern provided pole pieces instead of v> usual iron holmium or dysprosium.

Bei einer erfindungsgemäßen Linsenanordnung liegt ebenso wie bei derjenigen nach dem Hauptpatent der Vorteil geringen Raumbedarfs vor, da die für die so Abschirmzylinder vorgesehenen supraleitenden Körper — vergleichsweise zu ferromagnetischen, den Magnetfluß leitenden Körpern — nur relativ geringe Wandstärke für bereits vollständige Abschirmung benötigen.In the case of a lens arrangement according to the invention, as in the case of that according to the main patent Advantage of low space requirements, since the superconducting body provided for the shielding cylinder - Compared to ferromagnetic bodies that conduct magnetic flux - only a relatively small wall thickness for already complete shielding.

Mit der Erfindung wurde nun die Lösung gefunden, v> nach der die Vorteile der hohen Abschirmwirkung supraleitenden Materials mit der magnetfeld-konzentrierenden Wirkung eines ferromagnetischen Materials mit Vorteil in Kombination miteinander auszunutzen sind und durch die besondere Ausgestaltung der Polschuhe aus ferromagnetischem Material eine einfache Möglichkeit zur Beeinflussung der Feldverteilung im Linsenspalt erreicht werden kann. Vorteilhaft ist auch, daß bei der erfindungsgemäßen Lösung durch das nur zusätzlich ferromagnetische Material der Polschuhe kein für die Linsenwicklungen nutzbarer Raum in der Anordnung und nahe dem Spalt verlorengeht. Vergleichsweise zur bekannten Ausführungsform aus ausschließlich supraleitendem Material erreicht man mit der erfindungsgemäßen Linsenanordnung bei gleichem äußeren Feld H1 der Linsenwicklungen eine höhere Feldstärke Hu auf der Achse bei sogar geringerer Halbwertsbreite.With the invention, the solution has now been found, v> after the advantages of high shielding superconducting material with the magnetic-field-concentrating effect of a ferromagnetic material advantageously in combination are exploiting each other and by the special design of the pole pieces made of ferromagnetic material an easy way to Influencing the field distribution in the lens gap can be achieved. It is also advantageous that in the solution according to the invention, due to the only additional ferromagnetic material of the pole shoes, no space usable for the lens windings is lost in the arrangement and near the gap. Compared to the known embodiment made exclusively of superconducting material, with the lens arrangement according to the invention, with the same external field H 1 of the lens windings, a higher field strength H u on the axis is achieved with an even lower half width.

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment in conjunction with the drawing.

Fig. 1 zeigt eine Gesamtdarstellung einer L.insenanordnung. F i g. 2 zeigt die Polschuhe.Fig. 1 shows an overall view of a lens arrangement. F i g. 2 shows the pole pieces.

Mit 1 sind zwei Linsenwicklungen mit supraleiiendem Draht bezeichnet. Die supraleitenden Abschirmzylinder sind mit 2 und die zu diesen Zylindern gehörige äußere supraleitende Abschirmung der Linsenwicklungen ist mit 4 bezeichi :t. Die Linsenwicklungen und die Abschirmungen liegen in flüssigem Helium. Der Innenraum der Abschirmzylinder 2 ist frei von magnetischen Feldern. Die Polschuhe 6 aus lerromagnelischem Material sind an die Stirnflächen 5 der Abschirmzylinder 2 angrenzend axial ausgerichtet angeordnet. Sie stehen mit den Abschirmzyliridern oder den übrigen gekühlten Teilen in ausreichendem WärmekoiHakt. Das magnetische Feld der Linsenwicklungen 1 drängt sich zwischen den Stirnflächen 5 in den Spalt zwischen den Abschirmzylindern 2 hinein. Insbesondere infolge der hohen Sälligungsmagnetisie· rung der Polschuhe kann eine hohe Feldstärke H11 mit geringer Halbwertsbreite im Bereich der Achse der Linsenanordnung erreicht werden. Eine Feldstärke H1, — 60 k OE wurde bei einer Halbwertsbreite von b mm ohne weiteres erzielt.With 1 two lens windings with superconducting wire are designated. The superconducting shielding cylinders are denoted by 2 and the outer superconducting shielding of the lens windings belonging to these cylinders is denoted by 4. The lens windings and the shields are in liquid helium. The interior of the shielding cylinder 2 is free from magnetic fields. The pole shoes 6 made of Lerromagnelischem material are arranged axially aligned adjacent to the end faces 5 of the shielding cylinder 2. You are in sufficient heat contact with the shielding cylinders or the other cooled parts. The magnetic field of the lens windings 1 is forced into the gap between the shielding cylinders 2 between the end faces 5. In particular, as a result of the high pitch magnetization of the pole shoes, a high field strength H 11 with a small half-width can be achieved in the area of the axis of the lens arrangement. A field strength H 1 , - 60 k OE was easily achieved with a half width of b mm.

Die Justierung der im übrigen exakt aufgebauten Linsenanordnung wird durch Verschiebung der PoI-schuhe erreicht. Diese Justierung wird dadurch erleichtert, daß die Polschuhe selbst nicht in flüssigem Helium zu liegen brauchen. Aus letzterem Grunde ist auch der Spalt für das einzubringende Objekt (nicht dargestellt) leichter zugänglich.The adjustment of the otherwise exactly constructed lens arrangement is carried out by moving the PoI shoes achieved. This adjustment is facilitated by the fact that the pole shoes are not themselves in liquid helium need to lie down. For the latter reason, the gap for the object to be introduced (not shown) more accessible.

Fig. 2 zeigt in einer Ausschnittsdarstellung mit vergrößertem Maßstab die Formgebung für die Polschuhe an dem Beispiel eines Polschuhes. Die Fläche 5 und die Fläche 7 sind Konusflächen. Zwischen der Stirnfläche 5 des Abschirmzylinders 2 und der angrenzenden Stirnfläche 7 des ringförmigen Polschuhes entsteht auf Grund der verschieden groß gewählten Konuswinkel der einander gegenüber stehenden Flächen 5 und 7 ein ring- und keilförmiger Spalt. Durch entsprechende Ausgestaltung der Flächen 5, 7, 8 und Wahl des Durchmessers der Bohrung in 2 und/oder 6, kann in prinzipiell bekannter Weise der Feldverlauf im Spalt beeinflußt werden.Fig. 2 shows in a detail view on an enlarged scale, the shape for the Pole shoes using the example of a pole shoe. The surface 5 and the surface 7 are conical surfaces. Between the End face 5 of the shielding cylinder 2 and the adjoining end face 7 of the annular pole piece arises due to the differently selected cone angles of the opposing surfaces 5 and 7 an annular and wedge-shaped gap. By appropriate design of the surfaces 5, 7, 8 and Selection of the diameter of the bore in 2 and / or 6, the field profile in the known manner in principle Gap can be influenced.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (4)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Magnetische Linsenanordnung mit stromdurchflossener Linsenwicklung und mit möglichst kleiner Öffnungsfehlerkonstante, für unter Vakuum arbeitende Korpuskularstrahlgeräte, mit zwei Abschirmzylindern, die in Richtung der Linsenordnung in einem durch die sich gegenüberstehenden Stirnflächen der beiden Abschirmzylinder begrenzten Abstand aufeinander folgen und koaxial zu dieser Achse angeordnet sind, wobei diese Abschirmzylinder aus supraleitendem Material bestehen, eine Bohrung für den Durchtritt des Korpuskularstrahls aufweisen und mit einem Tiefkühlmi'.tel in wärmeleitender Verbindung stehen, und bei der der durch diesen Abstand der Stirnflächen gebildete Linsenspalt frei von abschirmenden Teilen aus supraleitendem Material ist, der Abstand so bemessen ist daß die Öffnungsfehlerkonstante minimal ist und der Bohrungsdurchmesser der Abschirmzylinder auf den für den Durchtritt des Korpuskularstrahls erforderlichen Mindestwert bemessen ist, nach Patent 15 64 714, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Linsenspalt angrenzend an die einander gegenüber liegenden Stirnflächen (5) der Abschirmzylinder (2) koaxial mit der Achse der Linsenanordnung und mit Abstand voneinander je ein ringförmiger Polschuh (6), die zusammen ein den magnetischen Fluß konzentrierendes Polschuhpaar bilden, als einzige ferromagnetische Körper zur Führung des magnetischen Flusses vorgesehen sind und daß die einander zugekehrten Stirnflächen (5) der Abschirmzylinder (2) im wesentlichen die Form eines Außenkonus haben und die daran angrenzende Fläche (7) des jeweiligen Polschuhes (6) im wesentlichen eine Innenkonusfläche ist, wobei der Konuswinkel der Fläche auf dem Abschirmzylinder (2) kleiner als der an den Polschuhen (6) ist, so daß ein ringförmiger, keilförmig auf die Achse der Linsenanordnung gerichteter Spalt zwischen der Stirnfläche des jeweiligen Abschirmzylinders (2) und dem jeweiligen Polschuh (6) vorliegt.1. Magnetic lens assembly with current flowing through it Lens winding and with the smallest possible aperture error constant, for those working under vacuum Corpuscular beam devices, with two shielding cylinders that point in the direction of the lens order in one limited by the opposing end faces of the two shielding cylinders Follow one another at a distance and are arranged coaxially to this axis, this shielding cylinder consist of superconducting material, a hole for the passage of the corpuscular beam have and are in a thermally conductive connection with a Tiefkühlmi'.tel, and in which the through This distance between the end faces formed lens gap free of shielding parts made of superconducting Material is, the distance is dimensioned so that the opening error constant is minimal and the Bore diameter of the shielding cylinder to that required for the passage of the corpuscular beam Minimum value is measured according to patent 15 64 714, characterized in that in the lens gap adjacent to the opposite end faces (5) of the shielding cylinder (2) Coaxial with the axis of the lens arrangement and spaced apart from one another by an annular one Pole shoe (6), which together form a pair of pole shoes concentrating the magnetic flux, are provided as the only ferromagnetic body for guiding the magnetic flux and that the facing end faces (5) of the shielding cylinder (2) essentially have the shape have an outer cone and the adjoining surface (7) of the respective pole piece (6) in the is essentially an inner conical surface, the cone angle of the surface on the shielding cylinder (2) is smaller than that on the pole pieces (6), so that an annular, wedge-shaped on the axis of the Lens arrangement directed gap between the end face of the respective shielding cylinder (2) and the respective pole piece (6) is present. 2. Linsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (6) aus Holmium bestehen.2. Lens arrangement according to claim 1, characterized in that the pole pieces (6) made of holmium exist. 3. Linsenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (6) aus Dysprosium bestehen.3. Lens arrangement according to claim 1, characterized in that the pole pieces (6) made of dysprosium exist. 4. Linsenanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhe (6) in der Ebene transversal zur Achse der Linsenanordnung justierbar angeordnet sind.4. Lens arrangement according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the pole pieces (6) in the Plane are arranged to be adjustable transversely to the axis of the lens arrangement.
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