DE3047166C2

DE3047166C2 - Elektronenlinse mit drei Magnetpolstücken

Info

Publication number: DE3047166C2
Application number: DE3047166A
Authority: DE
Inventors: Katsushige Akishima Tokyo Tsuno
Original assignee: Nihon Denshi KK
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1979-12-28
Filing date: 1980-12-15
Publication date: 1984-02-09
Also published as: US4384208A; GB2067828A; JPS5696447A; DE3047166A1; GB2067828B; JPS5945171B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenlinse mit drei Magnetpolstücken mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

In einer Projektorlinse für ein Elektronenmikroskop müssen insbesondere solche Abbildungsfehler vermieden werden, welche eine radiale Verzeichnung, eine spiralförmige Verzeichnung, eine chromatische Aberration der Rotation und eine chromatische Aberration der Vergrößerung aufweisen. Die radiale Verzeichnung, welche ein wesentlich größeres Problem darstellt als die anderen Arten der Abbildungsfehler, kann im wesentlichen beseitigt werden innerhalb eines geringen Vergrößerungsbereiches, innerhalb welchem die Projektorlinse mit einer geringen Linsenerregung magnetisiert wird. Hierzu ist aus der US-PS 33 88 465 ein sogenanntes verzeichnungsfreies System bekannt, bei dan eine stärkere tonnenförmige Verzeichnung in einer Zwischenlinse erzeugt wird, um eine kissenförmige Verzeichnung in der Projektorlinse zu beseitigen. Im mittleren Vergrößerungsbereich, in welchem eine fest vorgegebene Stromstärke der Projektorlinse zugeführt wird, kann eine derartige Beseitigung der Verzeichnung nicht erwartet werden, da die kissenförmige Verzeichnung, welche durch die Projektorlinse hervorgerufen wird, bedeutend größer ist als die tonnenförmige Verzeichnung, weiche durch die Zwischenlinse hervorgerufen wird. Es ergibt sich dann zwangsläufig eine Verzeichnung von etwa 1 bis 2% auf einem Kreisumfang von etwa einem Durchmesser mit 100 mm auf dem Leuchtschirm.

Bisher ist noch kein wirkungsvolles Verfahren bekanntgeworden, um die spiralförmige Verzeichnung zu beseitigen. Was man in dieser Richtung bisher unternommen hat, bestand darin, den Abstand zwischen einer Projektorlinse und einer Filmfläche so groß wie möglich zu machen und nur die Elektronenstrahlen zu verwenden, welche in der Nachbarschaft der Zentralachse liegen, so daß Abbildungsfehler kaum festgestellt werden konnten. Mit einem derartigen Verfahren ist es jedoch schwierig, die Aberration, insbesondere die Verzeichnung auf 2% oder geringer, zu reduzieren, da bei diesem bekannten Verfahren der Zweck nicht darin liegt, von Grund auf Abbildungsfehler zu vermeiden. Außerdem ergeben sich bestimmte räumliche Beschränkungen an der Vorrichtung, welche zur Durchführung dieses Ver

fahrens dient

Eine Elektronenlinse der eingangs genannten Art ist aus der DE-PS 9 39 396 bekannt Es hat sich herausgestellt, daß eine derartige Linse geeignet ist eine radiaie Verzeichnung vollständig zu beseitigen. Es wurde außerdem gefunden, daß diese Linse die spiralförmige Verzeichnung soweit verringern kann, wie es bisher mit keiner anderen linse möglich ist Die Linse vermag jedoch die spiralförmige Verzeichnung noch nicht vollständig zu beseitigen. Wenn es daher erwünscht ist eine niedrige spiralförmige Verzeichnung von 1% oder geringer zu erhalten, gibt es noch keine andere Alternative als die Linse in einem Bereich der Linsenerregung zu verwenden, in welchem die radiale Verzeichnung hinwiederum wächst

Die F i g. 1 zeigt schematisch eine derartige bekannte Elektronenlinse mit zwei Erregerspulen 1 und 2, welche in Reihe geschaltet sind und mit einem Strom (I) aus einer Linsenspannungsquelle 3 versorgt werden. Die Erregerspulen sind umgeben von einem ferromagnetischen Joch 4 und nichtmagnetischen Abstandhaltern 5 und 6. Im Joch sind ein oberes Polstück 7, ein mittleres Polstück 8 und ein unteres Polstück 9 sowie nichtferromagnetische Abstandhalter 10 und 11 angeordnet Die Linsenform ist im wesentlichen symmetrisch bezüglich der Mitte des mittleren Polstücks. Die öffnungsdurchniesser d\ des oberen Polstücks, dl des mittleren Polstücks und d3 des unteren Polstücks betragen 3 mm. Die erste Spaltbreite Sl zwischen dem unteren und

jo mittleren Polstück ist gleich der zweiten Spaltbreite 52 zwischen dem mittleren und dem unteren Polstück. Die Windungszahl (N) der beiden Erregerspulen 1 und 2 ist gleich, und die Windungsrichtung einer jeden Spule ist so gelegt, daß die Richtung des Magnetfeldes im ersten Spalt entgegengesetzt ist zu der im zweiten Spalt. Das jeweilige Magnetfeld im ersten und zweiten Spalt wird jedoch durch die gleiche Erregerstromstärke erzeugt.

Die F i g. 2 zeigt die Brennweite fp (mm), die radiale Verzeichnung Δ r/r (Vo) und die spiralförmige Verzeichnung JSZr(⁰Zo) der in der Fig. 1 dargestellten Linse in Abhängigkeit von der Erregung (magnetomotorische Kraft) Nl (Ampere-Windungszahl), wobei die Dicke / des mittleren Polstückes 2 als Parameter dient. Die Kurvendarstellung gilt für eine Linse mit gleichen öffnungsdurchmessern d\, d2 und c/3 mit 3mm und gleichen Spaltbreiten Sl und S 2 mit 2,25 mm. Die Dicke t des mittleren Polstückes beträgt 1 mm und 2 mm. Die Kurvendarstellung ergibt sich für eine Beschleunigungsspannung für den Elektronenstrahl von 100 kV. Für den Fall, daß die Beschleunigungsspannung nicht gleich 100 kV ist, ergibt sich folgende Umrechnungsgleichung:

(Nl) 100 kV
■/109785

NI

wobei:

die nach dem Relativitätsprinzip korrigierte Beschleunigungsspannung (V) des Elektronenstrahls,

(NI) den Wert für die magnetomotorische Kraft NI (Ampere-Windungszahl) für den Fall, daß die Beschleunigungsspannung des Elektronenstrahls gleich Vist,

t>5 (NI)\ookv den Wert der magnetomotorischen Kraft Nl (Ampere-Windungszahl) in der F i g. 2

bedeuten.

Wie sich aus der F i g. 2 ergibt, besitzt die Brennweite fo ein Minimum bei einer Erregung NI von 2200 und 1800 Ampere-Windungen, wenn die Dicke t des mittleren Polstückes 1 mm bzw. 2 mm beträgt Ditse Minima der Brennweite sind 3,8 nm und 4,6 mm für die r des mittleren Polstückes von 1 mm bzw. 2 mm. Hieraus ergibt sich, daß bei einer Linse mit einer geringeren Dicke t des mittleren Polstückes der minimale Wert der Brennweite kleiner ist Die radiale Verzeichnung Δγ/γ besitzt einen positiven Wert (kissenförmige Verzeichnung) bei niedriger Erregung und einen negativen Wert (tonnenförmige Verzeichnung) bei hoher Erregung. Der Erregungswert, bei welchem die radiale Verzeichnung Null wird, ist im wesentlichen gleich dem Wert, an welchem die Brennweite ip einen äußerst geringen Wert bei niedriger Erregung besitzt und ein starkes Anwachsen zeigt bei Erhöhung der Erregung. Es ergibt sich keine Betriebsbedingung, bei der die spiralförmige Verzeichnung Null wird. Wenn daher die radiale Verzeichnung Ar/r Null wird oder einen geringen Wert aufweist, läßt sich die spiralförmige Verzeichnung AS/r nicht auf Null verringern.

Wenn unterschiedliche Erregungsstärken für die Bildung der Magnetfelder in den beiden Spalten zwischen den Magnetpolstücken an die Linse der F i g. 1 angelegt werden, ist es möglich, bei bestimmten Werten der Erregung, die spiralförmige Verzeichnung zu beseitigen, jedoch treten dann andere Abbildungsfehler, wie beispielsweise eine chromatische Aberration der Rotation auf, und damit können vorteilhafte Wirkungen der Linse, welche drei Magnetpolstücke aufweist, nicht mehr ausgenützt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Elektronenlinse mit drei Magnetpolstücken der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die radiale Verzeichnung und spiralförmige Verzeichn mg beseitigt bzw. minimiert sind bei gleicher Erregerstärke für die Bildung der Magnetfelder im ersten und zweiten Spalt zwischen den Magnetpolstücken.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale, wobei im Unteranspruch 2 eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung angegeben ist.

Durch die Erfindung wird eine Linse geschaffen mit asymmetrischer Ausbildung der Magnetpolstücke. Bei einer derartigen Elektronenlinse ist die radiale Verzeichnung bei einer Erregung, bei welcher die Brennweite ein Minimum wird, auf Null reduziert. Bei dieser Erregung läßt sich außerdem die spiralförmige Verzeichnung verringern.

Mit Hilfe der Elektronenlinse, welche durch die Erfindung geschaffen wird, können insbesondere in einem Durchstrahlungselektronenmikroskop sowohl die radiale als auch die spiralförmige Verzeichnung erheblich verringert werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren erläutert. Es zeigt.

Fi g. 1 schematisch eine Elektronenlinse mit drei Magnetpolstücken bekannter Art,

Fig.2 eine Kurvendarstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der in der F i g. 1 dargestellten Elektronenlinse,

F i g. 3 die wesentlichen Teile eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und

F i g. 4 bis 7 Kurvendarstellungen vor Meßergebnissen betreffend die Brennweiten und die radiale sowie spiralförmige Verzeichnung beim Ausführungsbeispiel.

Das in der F i g. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel

besitzt ein oberes Magnetpolstück 13, ein mittleres Magnetpolstück 14 und ein unteres Magnetpolstück 15. Diese besitzen in der gleichen Reihenfolge öffnungsdurchmessser dl — 9mm, t/2=3mm und d3=3mra. Der erste Spalt S1 zwischen dem oberen und dem mittleren Polstück und der zweite Spalt S 2 zwischen dem mittleren und dem unteren Polstück besitzen die gleiche Spaltbreite von 2,25 mm. Die Dicke r des mittleren Polstückes beträgt 1 mm. Für das vorstehende Ausführungsbeispiel und modifizierte Ausführuugsbeispiele, bei denen der Öffnungsdurchmesser d 1 auf 4,5 mm und 6 mm bemessen wurde, sowie für ein dem Stand der Technik entsprechendes Vergleichsbeispiel mit dl =3mm, sind in der Fig.4 Meßergebnisse für der F i g. 2 entsprechende Messuisgen dargestellt

Wie aus der F i g. 4 zu ersehen ist, wird die radiale Verzeichnung Ar/r bei der Änderung des Öffnungsdurchmessers d 1 nicht wesentlich beeinflußt, jedoch ist diese Verzeichnung geringer als 2% bei einer Erregung TV/im Bereich von 1800 bis 2600 Ampere-Windungszahlen. Andererseits hängt die spiralförmige Verzeichnung AS/r stark vom Öffnungsdurchmesser d 1 ab und ändert sich von einem negativen Wert zu einem positiven Wert in Abhängigkeit vom Anwachsen der Erregung (magnetomotorischen Kraft) bei wachsendem Öffnungsdurchmesser dt. Demzufolge wird die spiralförmige Verzeichnung Null bei jeweils bestimmten Werten der Erregung. Die Werte für die Erregung, bei der die spiralförmige Verzeichnung Null wird, erhöht sich mit wachsendem Öffnungsdurchmesser d 1.

Für den Fall, daß die Elektronenlinse als Projektorlinse in einem Durchstrahlungselektronermikroskop verwendet wird, ist es erwünscht, diese bei einer Erregung zu betreiben, bei der die radiale Verzeichnung Ar/r Null wird. Hieraus resultiert eine minimale Brennweite fp. Es ist daher anzustreben, den Öffnungsdurchmesser d 1 des oberen Magnetpolstückes so zu wählen, daß sowohl die radiale Verzeichnung Δγ/γ als auch die spiralförmige Verzeichnung AS/r zu Null werden.

Die F i g. 5 zeigt in einer Kurvendarstellung, wie der Öffnungsdurchmesser dl des oberen Magnetpolstükkes von der Erregung NI abhängt, wenn sowohl die radiale Verzeichnung Δγ/γ als auch die spiralförmige Verzeichnung AS/r zu Null werden, bei einer Dicke t von 1 mm bzw. 2 mm des mittleren Magnetpolstückes. Aus der Figur ergibt sich, daß in beiden Fällen, in welchen die Dicke t des mittleren Polstückes auf 1 mm und 2 mm bemessen ist, die vorstehend erwähnten Abbildungsfehler Null werden, wenn der Öffnungsdurchmesser d 1 des oberen Magnetpolstückes in einem Bereich von 9 mm bis 10 mm gewählt wird, wie das aus den Schnittpunkten A und B der F i g. 5 zu ersehen ist. Die Fig.6 zeigt eine Kurvendarstellung für die minimale Brennweite (fp)mm von Linsen mit Dicken f von 1 mm und 2 mm für das mittlere Polstück, die in Beziehung gesetzt ist zu verschiedenen Öffnungsdurchmessern d 1 des oberen Magnetpolstückes. Der Wert für die minimale Brennweite (fp)_mm bewegt sich im Bereich von 4 bis 6 mm, und mit wachsendem Öffnungsdurchmesser d 1 zeigt sich ein geringes Anwachsen, das jedoch in der Praxis zu keinerlei Schwierigkeiten führt.

In der F i g. 7 ist die spiralförmige Verzeichnung AS/r bei Spulenerregungen gezeigt, bei denen die radiale Verzeichnung Ar/r zu Null wird. Aus der Kurvendarstellung ergibt sich, daß dann, wenn die radiale Verzeichnung Ar/r Null ist, die spiralförmige Verzeichnung AS/r auf 0,5% oder weniger veringert werden kann, wenn die Öffnungsdurchmesser d2 und d3 des mittleren und des

unteren Polstückes gleich sind und der Öffnungsdurchmesser d\ des oberen Polstückes etwa 1,5- bis 5fache Abmessungen besitzt als der Öffnungsdurchmesser des mittleren und des unteren Polstückes. Optimale Bedingungen werden erzielt, wenn der Durchmesser d 1 dreimal so groß ist als dl bzw. t/3.

Mit einem Linsenaufbau, wie er im vorstehenden im einzelnen beschrieben wurde, ist es daher möglich, eine Elektronenlinse zu schaffen, durch die die radiale Verzeichnung Ar/r beseitigt werden kann und die spiralförmige Verzeichnung AS/r bis auf Null bzw. auf extrem niedrige Werte verringert werden kann. Diese Linse eignet sich insbesondere als Projektorlinse in einem Elektronenmikroskop, insbesondere einem Durchstrahlungsmikroskop.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronenlinse mit drei Magnetpolstücken, einem oberen, mittleren und einem unteren, die innerhalb eines Joches, das zwei Erregerspulen umgibt, angeordnet sind und zwei zwischen den Magnetpolstücken gebildeten Spalten, in denen durch die gleiche Spulenerregung einander entgegengerichtete Magnetfelder erzeugt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsdurchmesser (d2,d3) für das mittlere und das untere Magnetpolstück (14 und 15) gleich sind und der Öffnungsdurchmesser (d 1) des oberen Magnetpolstückes (13) 1,5- bis 5fach größer ist als der Öffnungsdurchmesser für das mittlere und das untere Magnetpolstück.

2. Elektronenlinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Erregerspulen (1,2) in Serie zueinander geschaltet und aus der gleichen Linsenspannungsquelle (3) mit Strom versorgt sind.