DE3139905C2

DE3139905C2 - Verfahren zum Betrieb einer Elektronenlinse mit drei Magnetpolstücken

Info

Publication number: DE3139905C2
Application number: DE19813139905
Authority: DE
Inventors: Katsushige Akishimashi Tokyo Tsuno
Original assignee: Nihon Denshi KK
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1980-10-15
Filing date: 1981-10-07
Publication date: 1984-02-16
Also published as: JPS5767272A; JPS6241376B2; GB2087138A; DE3139905A1; GB2087138B

Abstract

Elektronenlinse mit drei Magnetpolstücken (7, 8, 9), zwischen denen zwei Spalte (S1, S2) gebildet sind, in denen Magnetfelder mit entgegengesetzter Polarität erzeugt werden, wobei die magnetomotorische Kraft im oberen Spalt (S1) auf einen Wert festgelegt ist, der in der Nähe des Wertes liegt, für welchen die Brennweite ein Minimum ist, wenn die magnetomotorischen Kräfte in beiden Spalten (S1, S2) gleich sind, und die magnetomotorische Kraft im unteren Spalt (S2) größer ist als im oberen Spalt (S1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Elektronenlinse mit drei Magnetpolstücken mit den im Oberbegriff des Anspruchs genannten Merkmalen.

Es hat sich herausgestellt (DE-OS 30 47 166. DE-OS 31 25 253). daß bei der Verwendung einer Linse mit drei Magnetpolstückt:, welche zwei Spalte mit entgegengesetzt gerichteter Erregung aufweht, als Projektorlinse mit dieser Linse nicht nur eine radiale Verzeichnung, sondern auch eine spiralförmige Verzeichnung bei bestimmter Erregerbedingung sich beseitigen läßt, wenn die Magnetpolstücke unsymmetrisch ausgebildet sind, derart, daß das ;i\iale Magnetfeld im oberen Spalt wenigerstark ist als im unteren Spalt.

Die Fig. I zeigt schematisch eine derartige Elektronenlinse (DE-OS 30 47 166). In dieser Figur sind zwei Erregerspulen 1 und 2 gezeigt, welche in Reihe geschaltet sind und mit einem Strom (I) von einer Linscnspannungsquclle 3 versorgt werden. Die Erregerspulen werden umfaßt von einem ferromagneiischen Joch 4 und nichtferromagnetischen Abstandhaltcrn 5 und 6. Innerhalb des |oches befindet sich ein oberes Magnetpolstück 7. ein mittleres Magnetpolstück 8 und ein unteres Magnetpolstück 9, sowie deren nichtferromagnetische Abstandhalter 10 und II. Die Gestalt der Linse ist annähernd symmetrisch in bezug auf die Mitte des mittleren Magnoipolstückes. Durch das obere und das mittlere Magnetpolstück 7 und 8 wird ein oberer Spult 51 zwischen diesen Magnetpolstücken gebildet. Das mittlere und das untere Magrietpolstück 8 und 9 bilden zwischen sich einen unteren Spalt 52. Beide Spalte 51 und 52 haben die gleiche Länge. Die Bohrungsdurchmesser </2 und c/3 des mittleren und des unteren Magnetpolslückes sind gleich bemessen. Der Bohrungsdurchmesser dl des oberen Magnetpolstükkcs ist um das 1,5- bis 5fnche größer als der IJohriingsdurchmesser des minieren und des unteren Magnetpolstückes. Demzufolge ist die axiale Magnetfeldstarke im oberen Spalt geringer als im unteren Spalt. Die Windungszahl (N) jeder Erregerspule I und 2 ist gleich und die Wicklungsrichtung einer jeden Spule ist so festgelegt, daß die Richtung des Magnetfeldes im ersten und zweiten Spalt einander cntgegengerichtel Vv*

In dieser Gleichung bedeuten:

V* die Beschleunigungsspannung V des Elektro

nenstrahls korrigiert nach dem »Relativitätsprrnzip«,

Nl der Wert von Nl (Amperewindungen) für den Fall, daß die Beschleunigungsspannung für den Elektronenstrahl V* beträgt;

(Nl)\aov\ der Wert für /vV(Amperewindungen) in Fig. 2.

Wie aus der Fig. 2 zu ersehen ist, besitzt die Brennweite fp einen minimalen Wert bei einer Erregung Nl von 2700 Amperewindungen. Die radiale Verzeichnung Ar/rund die spiralförmige Verzeichnung AS/rs\nd beseitigt bei einer Erregung Nl im Bereich von 2800 bis 2900 Amperewindungen.

Da bei einer derartigen Linse die minimale Brennweite relativ groß ist, können mit ihr als Projektorlinse in einem Elektronenmikroskop nur relativ niedrige Vergrößerungen, beispielsweise einige lOOOfache bis einige 10 OOOfache Vergrößerungen erzielt werden. Demzufolge kann eine Beobachtung mit starker Vergrößerung, beispielsweise Vergrößerungen um das 500 000- bzw. 1 000 OOOfache. mit einer derartigen Linse nicht erzielt werden. Bei Untersuchungen mit hoher und mit niedriger Vergrößerung muß daher dir Projektorlinse ausgewechselt werden.

Hierbei ist zunächst zu untersuchen, weshalb die Brennweite einer Linse mit drei Magnetpolstücken langer ist als die Brennweite einer Linse mit zwei Magnetpolstücken. Die Brennweite einer herkömmlichen Linse mit zwei Magnetpolstücken kann durch eine Liebmann-Kurve dargestellt werden. Andererseits besitzt eine Linse mit drei Magnetpolstücken eine minimale Brennweite bei einer bestimmten magnetomotorischen Kraft. Die Brennweite erhöht sich bei Verstärkung der Erregung. Dies ergibt sich daraus, daß das Magnetfeld, welches im oberen Spalt 51 erzeugt wird, als Verkleinerungslinse wirkt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betrieb einer Elektronenlinse der eingangs genannten Art anzugeben, bei der auch bei relativ großer Vergrößerung die radiale und spiralförmige

Verzeichnung beseitigt bzw. verringert wird und das auch bei äußerst starker Vergrößerung arbeiten kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im kenn/eich· nenden Teil des Anspruchs angegebenen Merkmale.

Bei der Erfindung wird die Verkleinerung, welche durch das im oberen Spalt vorhandene Magnetfeld in Erscheinung tritt, so gering wie möglich gehalten und

die magnetomotorische Kraft des Magnetfeldes im oberen Spalt wird auf einen bestimmten Wert festgelegt, unabhängig von der Erhöhung der magnetomotorischen Kraft im unteren Späh.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung der bekannten Linse mit drei Magnetpolstücken;

Fi g. 2 eine Kurvendarstellung zur Erläuterung der in der Fi g. 1 dargestellten Linse;

Fig.3 einen wesentlichen Teil einer Linse zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels der Erfindung und

F i g. 4 eine Kurvendarstellung von Meßwerten über die Eigenschaften der Lirse in der F i g. 3.

Bei der in der Fig.3 dargestellten Linse haben die Teile mit der gleichen Funktion wie bei der Linse in der Fig. 1 die gleichen Bezugsziffern. Bei dieser Linse besitzt tine Zwischenlinse 12 eine Erregerspule 13, die an eine Spannungsquelle 14 angeschlossen ist. Eine Projektorlinse 15 besitzt drei Magnetpolstücke 7,8 und 9 und enthält Erregerspulen 1 und 2, die mit Spannungsquellen 16 und 17 zur Erzeugung eines Magnetfelds im oberen Spalt 51 und eines Magnetfelds im unteren Spalt 52 verbunden sind. Die Spannungsquellen 14, 16 und 17 werden gesteuert durch eine Vergrößerungssteuerschaltung 18, welche die Erregerspulen in Abhängigkeit von der gewünschten Verstärkung die Stromversorgung der Erregerspulen steuert.

Für relativ niedrige Vergrößerungen, beispielsweise für eine einige lOOOfaehe bis einige lOOOOfache Vergrößerung werden die Erregerspulen 1 und 2 der Projektorlinse 15 mit elektrischem Strom versorgt, der Magnetfelder in den Spalten 51 und 52 erzeugt. Die Magnetfelder in diesen beiden Spalten haben die gleiche magnetomotorische Kraft, jedoch entgegengesetzte Richtungen. Auf diese Weise werden im wesentlichen radiale und spiralförmige Verzeichnungen beseitigt. Bei relativ hohen Vergrößerungen, d. h. bei einigen lOOOOfiichen bis einigen lOOOOOfachen Vergrößerungen wird d^:o Erregerspule 1 mit einem elektrischen Strom versorgt, der in der Nähe des Wertes liegt, für welchen die Brennweite fp ein Minimum ist. wenn die magnetomotorischen Kräfte in den beiden Spalten gleich sind. Die Erregerspule 2 wird dabei mit einem größeren Strum versorgt, so daß die Brennweite verringert wird.

Die Fig.4 zeigt eine Kurvendarstellung für die Eigenschaften der Linse. Die Brennweite fp', die radiale Verzeichnung Ar/r'isnd die spiralförmige Verzeichnung AS/r'. welche als stricif'ierte Kurven dargestellt sind, werden erzielt, wenn die magnetomotorische Kraft Nl 1 im oberer. Spalt einen festen Wert, etwa von 2400 Amperewindungen (markiert mit »zl«) aufweist und die magnetomotorische Kraft Nl 2 im unteren Spalt erhöht wird. Bei diesen Betriebsbedingungen werden die Brennweite fp' und die radiale Verzeichnung Ar/r' verringert aufgrund der Erhöhung der magnetomotorischen Kraft Nl 2 im unteren Spalt. Beispielsweise sind fp' = 3.6 mm. Ar/r' = 0,3% und AS/r' = 0,15%, wenn /V/l = 2400 Amperewindungen und Nl2 = 3800 Amperewindungen. Dies sind vorteilhafte Ergebnisse. Mit derart verringerten radialen und spiralförmigen Verzeichnungen läßt sich auf dem Bildschirm eine gerade Linie erzielen, die praktisch ohne jegliche Verzeichnung ist. Bei obiger Betriebsbedingung hat die Projektorlinse mit L = 380 mm eine etwa 106fache Vergrößerung, die etwa der einer Projekic-:linse mit zwei Magnetpolstük-

ken entspricht. Der feste VVert fur die magnetomotorische Kraft Nl 1 des Magnetfeldes im oberen Spalt wird so festgelegt, daß die Brennweite fp (dargestellt durch die augezogene Linie) ein Minimum ist. Die magnetcmotorische Kraft Nl 1 ist festgelegt etwa bei einem Wert, bei welchem die Brennweite ein Minimum ist bei einer Betriebsbedingung, bei welcher die magnelomotorischen Kräfte in beiden Spalten gleich sind. Bei Versuchen hat sich herausgestellt, daß eine festgelegte magnetomotorische Kraft NIi bei einem Wert, der etwas geringer als der Wert ist, bei welchem die Brennweite fp ein Minimum ist, die besten Ergebnisse zeigt. Wenn die magnetomotorische Kraft NU auf einen Wert festgelegt wird, bei welchem die Brennweite fp groß ist, verläuft die Kurve fp' nach oben, so daß die Brennweite nicht stark verringert werden kann.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß bei Anwendung des Ausführungsbeispiels der Erfindung auf ein Elektronenmikroskop die magnetomotorischen Kräfte der Magnetfelder in den oberen und unteren Spalten bei etwa 290S Amperewindungen zu wählen sind, für einige lOOOfaehe bis einige lOOOOfache \v.größerungen. Die magnetomotorischen Kräfte im oberen und unteren Spalt werden für relativ hohe Vergrößerungen, d. h. für einige lOOOOfache bis einige lOOOOOfache Vergrößerungen bei etwa 2400 Amperewindungen und 3800 Amperswindungen gewählt. Auf diese Weise lassen sich verzeichnungsfreie Bilder unabhängig von der Wahl der Vergrößerung erzielen.

Bei den stärkeren Vergrößerungen, welche höher liegen als einige lOOOOOfache Vergrößerungen, wird kein Erregerstrom an die Erregerspule 1 geliefert. Auf diese Weise läßt sich die Brennweite noch stärker verringern. Charakteristische Kurven sind als strichpunktierte Linien in der F i g. 4 dargestellt. Diese zeigen, daß die radiale Verzeichnung Ar/r" und die spiralförmige Verzeichnung AS/r" etwas größer sind als die vorstehend beschriebenen entsprechenden Werte, daß jedoch die Brennweite /p"bedeutend geringer ist. Wenn die magnetomotorische Kraft etwa 4000 Amperewindungen beträgt, liegen beide Verzeichnungen bei etwa 1% und die Brennweite beträgt 2.1 mm. Die Vergrößerung ist in diesem Fall etwa 18Ofach. Derartige Werte sind größer als die entsprechenden einer hcrkömmlichen Linse mit zwei Magnetpolstiicken. Auf diese Weise werden Mikroskopuntersuchungen ermöglicht im Bereich hoher Vergrößerungen (höher als I 000 OOOfach), bei welcher jedoch keine Schwierigkeiten aufgrund spiralförmiger Verzeichnung auftreten.

Bei der beschriebenen Linse und dem beschriebenen Betriebsverfahren ist nicht nur die radiale und spiralförmige Verzeichnung beseitigt bzw. stark verringert, sondern auch die Brennweite kann erheblxh verkürzt werden. Die Linse läßt sich daher innerhalb eines breiten Anwendungsbereichs verwenden. Sie kann verwendet werden in einem Bereich, der von niedrigen bis hohen Vergrößerungen sich erstrecke ohne daß dabei radiale und spiralförmige Verzeichnungen auftreten.

Beim vorbescrriebenen Ausführungsbeispiel ist der Bohrungsdurchmesser d 1 um das 1,5- bis 5fache größer als der Bohrungsdurchmesser d\ so daß ein axiales Magnetfeld im oberen Spalt erzielt wird, das weniger stark ist als das axiale Magnetfeld im unteren Spalt.

Es kann jedoch auch eine solche Linse Anwendung finden, bei der das Verhältnis von s Ms 2 im Bereich von 2,7 bis 3,8 und die Bohrungsdurchmesser d\,d2 und d3 gleich sind, wobei si und s2 die Länge des oberen

Spaltes und des unteren Spaltes bedeuten. In einer derartigen aus der DE-OS 31 25 253 bekannten Linse ist das axiale Magnetfeld im oberen Spalt geringer als im unteren Spalt, so daß die radiale und spiralförmige Verzeichnung beseitigt werden können.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Betrieb einer Elektronenlinse mit drei Magnetpolstücken, zwischen denen zwei Spalte gebildet sind, in denen Magnetfelder entgegengesetzter Richtung erzeugt werden, bei dem die magnetoinotorische Kraft im oberen Spalt auf einen Wert festgelegt wird, der in der Nähe des Wertes liegt, für welchen die Brennweite ein Minimum ist, wenn die magnetomotorischen Kräfte in beiden Spalten gleich sind und bei dem bei relativ geringer Vergrößerung die magnetomotorischen Kräfte der beiden Magnetfelder in den beiden Spalten gleich eingestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfelder in den beiden Spalten unabhängig voneinander hergestellt werden, daß bei relativ hoher Vergrößerung die magnetomotorische Kraft im unteren Spalt (S2) größer als im oberen Spalt (Si) eingestellt wird und daß bei äußerst starker Vergrößerung lediglich in einem der beiden Spalte ein starkes Magnetfeld eingestellt wird.

sind und das Magnetfeld im oberen und unteren Spalt mit dergleichen Erregerintensität erzeugt werden.

Figur 2 zeigt die Brennweite fp (mm), die radiale Verzeichnung ArZi[⁰Zo) und die spiralförmige Verzeichnung AS/t(<¥o) der in der F i g. 1 gezeigten Linse in Abhängigkeit von der Erregung (magnetomotorische Kraft) NI (Amperewindungen). Die dargestellten Ergebnisse ergeben sich bei der Betriebsbedingung, bei welcher die Beschleunigungsspannung für den Elektronenstrahl 100 kV beträgt. Für den Fall, daß die Beschleunigungsspannung von 100 kV abweicht, ergibt sich die folgende Umrechnungsgleichung: