DE4129403A1 - Abbildungssystem fuer strahlung geladener teilchen mit spiegelkorrektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Abbildungssystem für Strahlung geladener Teilchen, insbesondere in einem Teilchenstrahl­ mikroskop nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erzeugung von ionen- oder elektronenoptischen Abbildungs­ systemen, die bezüglich ihrer chromatischen Aberration korrigiert sind, ist verglichen mit der Lichtoptik kompli­ ziert. Denn die zur Abbildung verwendeten magnetischen Rund­ linsen weisen immer positive Farbfehler auf. Eine Korrektur solcher Abbildungssysteme dürch Hintereinanderschaltung mehrerer Linsen ist daher nicht möglich.

Aus Optik, Band 85, Seite 19, 1990 ist es bekannt, Öffnungsfehler eines elektronenoptischen Systems durch zwei magnetische Doubletsysteme und einem auf jedes Doublet folgenden magnetischen Hexapolelement zu korrigieren. Zwar ist es grundsätzlich auch möglich, durch Oktupole und kombinierte elektrisch-magnetische Quadrupolelemente eine gleichzeitige Korrektur von Öffnungs- und Farbfehlern zu erzielen, jedoch sind dann sehr hohe Anforderungen an die Stabilität der Quadrupolfelder sowie an die Justierung der Multipole, zu stellen.

Außerdem ist es auch bekannt, den Farb- und Öffnungsfehler gleichzeitig durch Verwendung elektrostatischer Spiegel zu korrigieren, da Farb- und Öffnungsfehler von elektrostati­ schen Spiegeln negativ sein können. Ein entsprechendes Abbil­ dungssystem ist beispielsweise in Journal of Applied Physics, Band 67, 6027, (1990) beschrieben. Für solche Spiegelkorrek­ tive ist ein Strahlumlenker erforderlich, der den vom Objek­ tiv kommenden Elektronenstrahl zum Spiegel umlenkt, und den am Spiegel reflektierten Elektronenstrahl zum Beobachtungs­ strahlengang lenkt. Magnetische Strahlumlenker verursachen in der Regel selbst Fehler 2. Ordnung, da sie nicht rotations­ symmetrisch sind. Zur Vermeidung dieser zusätzlichen Fehler ist in der zitierten Literaturstelle vorgeschlagen, daß die Umlenkung in Zwischenbildebenen erfolgen soll. Insgesamt wird hier ein System benötigt, daß aus drei Umlenkern mit jeweils zwischengeschalteten Relaylinsensystemen besteht, so daß das ganze Abbildungssystem sehr komplex und aufwendig ist.

Aus Optik Band 87, Seite 1, 1991 ist ein Spiegelkorrektiv gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei dem ein einziger 90°-Umlenker mit fünf Sektoren unterschiedlicher Magnetfeldstärke vorgesehen ist. Die Symmetrieebenen des Umlenkers sind jeweils zugleich auch Zwischenbildebenen. Der Spiegel selbst ist in der Bildebene einer zweiten Kathoden­ linse angeordnet, die hinter einer außerhalb des Umlenkers liegenden Beugungsebene angeordnet ist. Hier verbleiben nach dem zweimaligen Durchgang des Elektronenstrahls durch den Umlenker die Fehler zweiter Ordnung des Umlenkers.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ab­ bildungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dahin­ gehend zu verbessern, daß sich bei einfacher Konstruktion die chromatischen Abbildungsfehler korrigieren lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Spiegel konjugiert zu den beiden Symmetrieebenen des Umlenkers angeordnet ist und die beiden Symmetrieebenen im Abbildungsmaßstab 1:1 ineinander abbildet.

Da beim erfindungsgemäßen Abbildungssystem der Spiegel die beiden Symmetrieebenen aufeinander mit dem Abbildungsmaßstab 1:1 abbildet und gleichzeitig beide Symmetrieebenen in den Spiegel abgebildet sind und somit die in den Spiegel ein­ fallenden und aus dem Spiegel austretenden Teilchenbahnen symmetrisch zur optischen Achse des Spiegels und im Umlenker symmetrisch oder antisymmetrisch zu den Symmetrieebenen ver­ laufen, verschwinden die Fehler zweiter Ordnung und die Dis­ persion nach dem zweiten Durchgang durch den Umlenker. Es verbleiben daher lediglich die negativen Farb- und Öffnungs­ fehler des Spiegels. Diese können nun so eingestellt werden, daß die Farb- und Öffnungsfehler anderer im Strahlengang befindlicher Elemente, z. B. Linsen oder Multipole, kompen­ siert sind. Der Strahlumlenker sollte also den Teilchenstrahl auf dem Weg zum Spiegel und auf dem Weg vom Spiegel zur zwei­ ten Ebene jeweils um betragsmäßig gleiche Winkel ablenken.

Für die Abbildung der Symmetrieebenen in den Spiegel kann zwischen dem Umlenker und dem Spiegel ein verdrehungsfreies Magnetlinsensystem angeordnet sein. Durch Variation der Linsenerregung und der Spiegelspannung lassen sich dann Farb- und Öffnungsfehler über einen weiten Bereich variieren. Besonders vorzuziehen ist jedoch eine gleichzeitig als elektrostatisches Spiegel-Linsensystem wirkende Elektroden­ anordnung mit einem in der Nähe einer Beugungsebene angeord­ neten magnetischen Hexapolelement. Ein solches elektrostati­ sches Spiegel-Linsensystem ist verdrehungsfrei, und die Farbund Öffnungsfehler sind dann außerdem unabhängig voneinander einstellbar.

Die Symmetrieebenen des Umlenkers sollten die optische Achse der elektrostatischen Spiegel-Linsenkombination oder des Magnetlinsensystems im halben Ablenkwinkel schneiden.

Vorzugsweise sind die Symmetrieebenen des Umlenkers zur Zwischenbildebene oder Beugungsebene eines Objektivs konjugierte Ebenen.

Das erfindungsgemäße Abbildungssystem ist Reflexions-, Trans­ missions- und Rasterelektronenmikroskopen sowie mit Ein­ schränkungen auch in Ionenstrahlgeräten vorteilhaft einsetz­ bar. Bei den elektronenmikroskopischen Anwendungen sind speziell der Energiebereich unter 100 keV besonders bevor­ zugt.

Der Ablenkwinkel des Strahlumlenkers sollte 90° betragen, damit die optische Achse vor und hinter dem Ablenker, wie aus Stabilitätsgründen bei Elektronenmikroskopen üblich, vertikal verlaufen kann.

Ein solcher Ablenker mit einer vierzähligen Symmetrie der Polschuhanordnung in Ebenen senkrecht zum Magnetfeld kann gleichzeitig auch zur Trennung von Beleuchtungs- und Beobachtungsstrahlengang bei Aufbeleuchtung dienen.

Vorzugsweise erzeugt der Strahlumlenker ein äußeres Magnet­ feld zur Richtungsaufspaltung der Teilchenbahnen und minde­ stens ein zweites Magnetfeld. Die Felder sind dann so einge­ stellt, daß der Umlenker gleichzeitig wie eine Feldlinse die Zwischenbildebenen der im Strahlengang befindlichen Linsen stigmatisch ineinander abbildet.

Ein Umlenker mit zwei Magnetfeldern, die gleichgerichtet, jedoch vom Betrag unterschiedlich sind, und dessen Symmetrieebenen zur Beugungsebene eines Objektivs konjugiert sind, ist für Rasterelektronenmikroskope gut geeignet. Solche aus zwei Segmenten bestehenden Umlenker sind sehr einfach. Die durch Wechselwirkung der nach einem Durchgang durch den Umlenker noch vorhandenen Dispersionsfehler des Umlenkers mit den Bildfehlern des Spiegels verursachten Kombinationsfehler zweiter und dritter Stufe verschwinden für axiale Strahlen und sind deshalb unschädlich.

Für die Korrektur von Abbildungsfehlern in abbildenden Systemen, bei denen die Korrektur über ein großes Bildfeld gewünscht ist, sind Umlenker mit zwei oder drei magnetischen Ablenkfeldern und zusätzlich überlagerten elektrostatischen Ablenkfeldern vorzuziehen. Solche Umlenker sind zwar recht komplex, können dafür aber auch dispersionsfrei sein. Mit Hilfe eines bereits für einen Durchgang dispersionsfreien Umlenkers und eines elektrostatischen Spiegels sind Farb- und Öffnungsfehler eines Objektivs über ein großes Bildfeld kor­ rigierbar.

Die Ein- und Austrittsflächen des äußeren magnetischen Feldes sollten senkrecht zur optischen Achse liegende Ebenen bzw. Flächen bilden, die groß gegen die Querschnittsfläche des Teilchenstrahles sind, weil sonst Randquadrupole auftreten, die die hin- und rücklaufenden Elektronen unterschiedlich ablenken. Außerdem werden andere störende Einflüsse des Randfeldes vermieden, und die in einer Ebene liegenden Teilchenbahnen mit gleichem Eintrittswinkel beschreiben im äußeren Feld Bahnen mit gleichem Krümmungsradius. Aus den selben Gründen sollten bei Umlenkern mit zwei oder mehr Magnetfeldern die Ein- und Austrittsflächen der inneren Magnetfelder parallel zu den Ein- und Austrittsflächen des äußeren Ablenkfeldes liegen.

Im folgenden werden Einzelheiten der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 den schematischen Strahlengang eines erfindungs­ gemäßen Abbildungssystems für ein Rasterelektronen­ mikroskop;

Fig. 2a eine Draufsicht auf den Strahlumlenker aus Fig. 1;

Fig. 2b eine Darstellung der fundamentalen Strahlengänge bezüglich der optischen Achse des Strahlumlenkers aus Fig. 2a;

Fig. 3a einen Schnitt durch eine elektrostatische Spiegel­ linsenkombination mit vier Elektroden;

Fig. 3b ein Diagramm des Achsenpotentials und der elek­ trischen Feldstärke der Spiegellinsenkombination aus Fig. 3a;

Fig. 3c ein Diagramm der Fundamentalstrahlengänge in der elektrostatischen Spiegellinsenanordnung aus Fig. 3a bei vier verschiedenen Potentialkombinationen;

Fig. 4 den schematischen Strahlengang eines zweiten Aus­ führungsbeispiels für ein abbildendes Elektronen­ mikroskop;

Fig. 5a einen Schnitt durch eine zweite elektrostatische Spiegel-Linsenkombination mit sechs Elektroden, und

Fig. 6 ein Diagramm der Fundamentalstrahlengänge in der Spiegel-Linsenkombination aus Fig. 5a.

Das Rasterelektronenmikroskop nach der Fig. 1 enthält eine Elektronenquelle mit einer Crossover-Ebene (1), und eine Konden­ sorlinse (2), die die Crossover-Ebene (1) entlang der opti­ schen Achse (4) abbildet. Diese Elektronen treten in einer ersten Eintrittsebene (3a) in einen Strahlumlenker (3) ein. Der Strahlumlenker (3) hat einen quadratischen Querschnitt und besteht aus äußeren Polschuhen (3e) und inneren Polschu­ hen (3f). Zwischen den äußeren Polschuhen (3e) besteht ein äußeres Magnetfeld (B₁), und zwischen den inneren Polschuhen (3f) besteht ein inneres Magnetfeld (B₂). Beide Magnetfelder sind senkrecht zur Zeichenebene ausgerichtet, wobei das äuße­ re Magnetfeld (B₁) stärker ist, als das innere Magnetfeld (B₂). Die Diagonalebenen (3g, 3h) sind somit Symmetrieebenen des Umlenkers (3). Die Beträge der beiden Magnettelder (B₁, B₂) sind gerade so eingestellt, daß der Umlenker (3) die optische Achse (9) um 90° in Richtung aüf einen Spiegel (5) ablenkt, und daß die hintere Zwischenbildebene (6) der Kon­ densorlinse (2) stigmatisch in eine Zwischenbildebene (7) zwischen dem Spiegel (5) und dem Umlenker (3) abgebildet ist. Desweiteren ist in der Zwischenbildebene (6) der Kondensor­ linse eine Feldlinse (13) angeordnet, die die hintere Beu­ gungsebene (15) der Kondensorlinse (2) in die Diagonalebene (3g) des Umlenkers abbildet.

Ein Linsensystem (5a, 5b) bildet die Diagonalebene (3g) des Umlenkers (3) in den elektrostatischen Spiegel (5) ab. Der Spiegel (5) und das Linsensystem (8a, 8b) wirken zusammen als ein Autokollimationssystem und bilden die Diagonalebene (3g) in die Diagonalebene (3h) mit dem Abbildungsmaßstab 1:1 ab. Dadurch sind die in den Spiegel (5) einfallenden und austre­ tenden Elektronenbahnen symmetrisch zur optischen Achse (11) des Spiegelarmes.

Da der Spiegel zusammen mit dem Linsensystem (8a, 8b) rota­ tionssymmetrisch ist, verursachen sie keinen Fehler 2. Ord­ nung, und die Dispersion und Fehler 2. Ordnung des nicht rotationssymmetrischen Umlenkers (3) heben sich aufgrund der Symmetrie der Strahlengänge im Umlenker (3) nach zweimaligem Durchgang auf.

In der Austrittsebene (3c) des Umlenkers treten die Elektro­ nen entlang einer optischen Achse (12) aus, die koaxial zur optischen Achse (4) der in den Umlenker (3) eintretenden Elektronen ist. Das System aus Umlenker (3), Linsensystem (8a, b) und Spiegel (5) bildet die Zwischenbildebene (6) der Kondensorlinse (2) in die Zwischenbildebene (9) im Abbil­ dungsmaßstab 1:1 ab. Ein Objektiv (10) bildet das hier ent­ stehende Bild der Crossover-Ebene (1) verkleinert mit der Zwischenvergrößerung V auf ein Objekt (16) ab. Ein nicht dargestelltes Abtastsystem dient desweiteren zur Abtastung des Objektes (16). In der objektivseitigen Zwischenbildebene (9) ist eine weitere Feldlinse (17) angeordnet, die die Symmetrieebenen (3g, 3h) in die vom Objekt (16) abgewandte Beugungsebene des Objektivs (10) abbildet.

Die Ein- und Austrittsebenen (3a, 3b, 3c, 3d) des äußeren magnetischen Feldes (B₁) sind Ebenen senkrecht zu der je­ weiligen optischen Achse (4, 11, 12), so daß störende Ein­ flüsse des Randfeldes vermieden sind. Die Ein- und Austritts­ ebenen (3i, 3k, 3l, 3m) des inneren Ablenkfeldes (B₂) sind zu den jeweils zugehörigen Ein-Austrittsebenen (3a, 3b, 3c, 3d) des äußeren Feldes (B₁) parallel.

Durch geeignete Wahl der Erregung des Linsensystems (8a, b) und der Spannungen des elektrostatischen Spiegels (5) läßt sich der negative Farbfehler dieser Kombination aus Spiegel und Linsen über einen weiten Bereich derart variieren, daß der positive Farbfehler der Objektivlinse (10) kompensiert ist. Die verbleibende sphärische Aberration läßt sich dann einfach durch ein in der Beugungsebene (7) zwischen den Linsen (8a, b) und zur optischen Achse (11) zentriert angeordnetes magne­ tisches Hexapolelement (18) einstellen. Dieses wird zweifach durchlaufen und wirkt daher wie das in der eingangs zitierten Literaturstelle beschriebene Hexapoldouplet. Dadurch ist die Kathode (1) ohne Farb- und Öffnungsfehler auf das Objekt (16) abgebildet. Das System aus Linsen (5a, b) und Spiegel (5) kann auch durch die elektrostatischen Spiegel-Linsenkombina­ tionen aus Fig. 3a oder Fig. 5a ersetzt sein.

In der Fig. 2a ist der Strahlumlenker (3) in einer zur Zeichenebene der Fig. 1 senkrechten Schnittebene dargestellt. Er besteht aus einem oberen Polschuh (31) und einem unteren Polschuh (32). In jeden der Polschuhe sind eine innere rechteckförmige Nute (33) und eine äußere rechteckförmige Nute (34) eingefräst. In diesen beiden Nuten (33, 34) sind die Erregerspulen (35, 36) des Umlenkers aufgenommen. Die äußere Spüle (35) ist relativ stark erregt, und erzeugt im Bereich zwischen den beiden Nuten (33, 34) das äußere magnetische Umlenkfeld mit der Stärke (B₁). Die inne­ ren Spulen (36) sind schwächer und entgegengesetzt zu den äußeren Spulen (35) erregt. Dadurch entsteht in einem inneren Bereich innerhalb der Nute (33) zwischen den beiden Polschu­ hen (31) und (32) das schwächere innere magnetische Ablenk­ feld mit der Induktion (B₂). Die Pfeile zwischen den beiden Polschuhen (31) und (32) stellen die Feldlinien der beiden magnetischen Umlenkfelder (B₁, B₂) dar, wobei der Abstand der Pfeile die Feldstärke symbolisiert.

In der Fig. 2b ist der Verlauf der Fundamentalbahnen relativ zur optischen Achse dargestellt, d. h., die in der Fig. 1 innerhalb des Umlenkers (3) jeweils um 90° abgelenkten optischen Achsen sind in der Fig. 2b als Gerade darge­ stellt. Die Zwischenbildebenen vor, und hinter dem Umlenker sind mit (C₁) und (C₂) bezeichnet, d. h. für ein Elektron, das in der Fig. 1 aus der Kathode (1) austritt bezeichnet (C₁) die Bildebene (6) der Kondensorlinse und (C₂) die Bildebene (19) zwischen Umlenker (3) und Spiegel (5). Die Feldbahnen in der Zeichen-Ebene von Fig. 1 sind mit (x_γ) und die Feld­ bahnen in der zur Zeichen-Ebene der Fig. 1 senkrechten yz- Ebene sind mit (y_δ) bezeichnet. In der Mitte des durch die beiden Umlenkfelder (B₁, B₂) gekennzeichneten Umlenkers schneiden beide Feldbahnen (x_γ, y_δ) die optische Achse (z).

Die Aperturbahnen für ein sich in der Zeichenebene von Fig. 1 ausbreitendes Elektron ist mit (x_a) bezeichnet. Ein entlang einer x_α-Bahn fliegendes Elektron erfährt beim Eintritt in das äußere Magnetfeld (B₁) aufgrund seiner senkrecht zur optischen Achse (14) liegenden Geschwindigkeitskomponente eine Kraft in Richtung auf die optische Achse (4). Dadurch erfährt das Elektron eine Ablenkung hin zur optischen Achse (4). Im inneren Magnetfeld (B₂) erfährt dann das entlang der x_α-Bahn fliegende Elektron eine Ablenkung weg von der opti­ schen Achse. Daher entfernt sich die x_α-Bahn im weiteren Verlauf zunächst von der optischen Achse, um dann im Bereich der Symmetrieebene (3g) parallel zur optischen Achse zu ver­ laufen. Hinter der Symmetrieebene (3g) nähert sich dann die x_α-Bahn wieder der optischen Achse an, und schneidet die optische Achse (11) im Spiegelstrahlengang im Bereich der Zwischenbildebene (C₂).

Die in einer zur Zeichenebene der Fig. 1 senkrechten Ebene verlaufende y_β Apertur-Bahn erfährt im äußeren Magnetfeld (B₁) eine Beschleunigung in x-Richtung. Diese Geschwindig­ keitskomponente bewirkt zusammen mit dem Streufeld (37) (siehe Fig. 2a) beim Übergang vom äußeren Magnetfeld (B₁) ins innere Magnetfeld (B₂) eine Brechung zur optischen Achse (4) hin. Daher verläuft die y_β-Bahn im Bereich des inneren Magnetfeldes (B₂) parallel zur optischen Achse. Beim Übergang vom inneren Magnetfeld (B₂) zum äußeren Magnetfeld (B₁) er­ fährt die y_β-Bahn eine weitere Brechung zur optischen Achse (11) hin. Wichtig ist, daß in den Bereichen (40, 41) außer­ halb des Umlenkers die x_α-Bahn und die y_β-Bahn im gleichen Winkel die optischen Achsen (4, 11) in den Zwischenbildebenen (C₁, C₂) schneiden. Denn dies bedeutet, daß die Zwischenbild­ ebene (C₁) stigmatisch und verzeichnungsfrei im Maßstab 1:1 in die Zwischenbildebene (C₂) abgebildet wird.

Die in der Fig. 3a im Schnitt dargestellte elektrostatische Spiegellinsenkombination (60), die anstelle des Spiegels (5) und der Linse (5a, 5b) in Fig. 1 einsetzbar ist, besteht aus vier Elektroden (61, 62, 63, 64). Die optische Achse (z) weist in Richtung auf den hier nicht dargestellten Strahlum­ lenker. Die Elektroden (61, 62, 63, 64) liegen auf den elektrischen Potentialen (Φ₁, Φ₂, Φ₃, Φ₄). Das Potential (Φ₄) der dem Strahlumlenker zugewandten Elektrode (64) entspricht der kinetischen Energie der einfallenden Elektronen.

In der Fig. 3b ist die Energie (66) eines sich entlang der optischen Achse (z) ausbreitenden Elektrons in der Spiegel­ linsenkombination (60) dargestellt. Der Verlauf der kineti­ schen Energie (66) bezieht sich dabei auf ein Elektron, das eine Energie von 10 keV hat, und die Elektrodenpotentiale den in der Tabelle 1 angegebenen Werten entsprechen.

In der Fig. 3c sind die (x_α, y_β)-Bahnen und die (x_γ, y_δ)- Bahnen eines 10 kV-Elektrons bei drei unterschiedlichen Ein­ stellungen der Potentiale (Φ₁, Φ₂, Φ₃, Φ₄) eingezeichnet. Die durchgezogenen Bahnen gehören zu der in Tabelle 1 angegebenen Potentialeinstellung. Bei einer Einstellung der Spannungen gemäß der Tabelle 2 ergeben sich die gestrichelt dargestell­ ten Bahnen und bei einer Einstellung nach Tabelle 3 die strichpunktierten Bahnen. Aus den in den Tabellen 1-3 ange­ gebenen Werten für die chromatische Aberration (C_c) erkennt man, daß sich der negative Farbfehler der elektrostatischen Spiegellinsenkombination (60) über einen großen Bereich durch Änderung der an den Elektroden anliegenden Potentialen ein­ stellen läßt. Die Fehlerkoeffizienten (C_c) der chromatischen und (C_ö) der sphärischen Aberation beziehen sich dabei auf die Objektebene bei der ebenfalls in den Tabellen angegebenen Zwischenvergrößerungen (V).

Die sich entlang der γ- und δ-Bahnen ausbreitenden Elek­ tronen schneiden die optische Achse (z) bei allen Potential­ einstellungen an der selben Stelle (z_o) und breiten sich anschließend auf einer zur Einfallsbahn bezüglich der opti­ schen Achse (z) spiegelsymmetrischen Bahn aus. Die sich ent­ lang der α-, β-Bahnen ausbreitenden Elektronen werden am Ende der α-, β-Bahnen in sich selbst reflektiert. Die α-, β-Bahnen schneiden die optische Achse (z) an der mit (z₁) gekennzeich­ neten Stelle. An dieser Stelle liegt eine virtuelle Zwischen­ bildebene vor. Die γ- und δ-Bahnen schneiden die optische Achse bei z = 180 mm. Hier liegt eine Beugungsebene vor, die beim Gesamtsystem mit den Symmetrieebenen (3g, 3h) des Umlenkers zusammenfällt.

Das Abbildungssystem in Fig. 4 hat einen dispersionsfreien Umlenker (80). Der Umlenker besteht aus äußeren Polschuhen (81) und inneren Polschuhen (82). Das Magnetfeld (B₄) zwi­ schen den inneren Polschuhen (82) ist betragsmäßig doppelt so groß, wie das Magnetfeld (B₃) zwischen den äußeren Polschuhen (81). Die Richtung beider Magnetfelder (B₃, B₄) ist senkrecht zur Zeichenebene. Zwischen den inneren und den äußeren Pol­ schuhen befindet sich ein Raum (83), der vorzugsweise magnet­ feldfrei ist. Hier könnte prinzipiell auch noch ein drittes magnetisches Umlenkfeld eingeschaltet sein.

Dem inneren Magnetfeld (B₄) sind elektrische Felder (E) über­ lagert, die jeweils radial zur jeweiligen optischen Achse (85a-c) ausgerichtet sind. Zur Erzeugung der elektrischen Felder sind Elektroden (84a-e) vorgesehen. Die den optischen Achsen (85a-c) zugewandten Elektrodenflächen haben die Form von Zylindermänteln. Die an den Elektroden angelegte Spannung ist gerade so gewählt, daß die magnetische Ablenkung der Elektronenbahnen im inneren Magnetfeld (B₄) ungefähr zur Hälfte kompensiert ist. Dadurch wird erreicht, daß die Abbil­ dung durch den Umlenker bereits beim einfachen Durchgang dispersionsfrei ist.

Der Umlenker (80) ist im Bereich der optischen Achse (85a) symmetrisch zur Diagonalebene (80g) und in den Bereichen der optischen Achsen (85b) und (85c) symmetrische zur zweiten Diagonalebene (50h).

Der Umlenker lenkt die entlang der optischen Achsen (85a-c) einfallenden Elektronen bei jedem Durchgang jeweils um 90 Grad ab. Dabei ist beleuchtungsseitig die Zwischenbildebene (57) einer nicht dargestellten Kondensorlinse in die Diagonalebene (80h) abgebildet. Eine vor einem Objektiv (90) angeordnete Feldlinse (91) bildet die Diagonalebene (80h) in die hintere Beugungsebene (90a) des Objektivs (90) ab. Gleichzeitig bildet die Feldlinse (91) die Beugungsebene (90 _a) des Objektivs (90) in die Diagonalebene (80g) ab. Analog zur Fig. 1 ist diese Diagonalebene (50g) über den Spiegel (93) in die zweite Diagonalebene (50h) abgebildet, wobei ein Zwischenbild der Diagonalebenen (80g, 80h) im Spiegel (93) liegt. Ein Projektiv (94) erzeugt ein reelles Abbild des Objektes (92) in der Ebene (95). Der Umlenker selbst bildet die Zwischenbildebenen (86, 58, 89) stigmatisch und verzeichnungsfrei aufeinander ab.

Zur Einstellung der Brechkraft des Umlenkers (80) in der zur Zeichenebene senkrechten Richtung kann an die Elektroden (84a-c) noch ein konstantes Offset-Potential angelegt sein. Dadurch wird ein Quadrupolfeld erzeugt, das senkrecht zur Zeichenebene zusätzlich fokussierend oder defokussierend wirkt, je nachdem ob ein positives oder negatives Offset- Potential angelegt ist. Der Wert des Offset-Potentials (rela­ tiv zum Potential der Polschuhe (81, 82)) ist sogewählt, daß der Umlenker (50) in der Zeichenebene und in der zur Zeichen­ ebene senkrechten Richtung dieselbe Brechkraft hat.

Da die beobachtungsseitigen Strahlengänge im Bereich der optischen Achsen (85a, 85b) symmetrisch zu einer der Diago­ nalebenen (80g, 80h) verlaufen, heben sich die Fehler 2. Ordnung des Umlenkers (80) nach zweimaligem Durchgang gerade wieder auf. Der negative Farbfehler des Spiegels (93) ist gerade so eingestellt, daß der positive Farbfehler des Objek­ tivs (90) kompensiert ist. Der gemeinsame Öffnungsfehler von Objektiv (90) und Spiegel (93) ist durch einen magnetischen Hexapol (96) kompensiert. Der Hexapol (96) ist dazu in einer zur Beugungsebene (90a) konjugierten Ebene (90b) angeordnet. Das Objekt (92) ist somit ohne Farb- und Öffnungsfehler ver­ größert in die Ebene (95) abgebildet.

Da jeder einzelne Durchgang durch den Umlenker (80) disper­ sionsfrei ist, können auch keine Kombinationsfehler zwischen der Dispersion und dem Farb- oder Öffnungsfehler des Spiegels (93) auftreten. Daher ist das Abbildungssystem auch für ein großes Bildfeld bezüglich Farb- und Öffnungsfehler korri­ giert.

Es ist noch zu bemerken, daß nicht unbedingt die Beugungs­ ebene (90a) in die Diagonalebenen (50g, h) und in den Spiegel (93) abgebildet sein muß. Es ist vielmehr auch möglich, eine Zwischenbildebene in die Diagonalebenen abzubilden. Es ent­ steht dann ein reelles Zwischenbild des Objektes (92) im Spiegel (93). Der Hexapol muß dann so angeordnet sein, daß er wieder in einer Beugungsebene liegt. Aufgrund der vertausch­ ten Bahnen ist dabei ein elektrostatischer Hexapol zu verwen­ den.

Das System aus Linsen (97a, b) und Spiegel (93) besteht vorzugsweise aus einem elektrostatischen Spiegel-Linsensystem (98), das anhand der Fig. 5a und 5b beschrieben ist.

Das elektrostatische Spiegel-Linsensystem aus Fig. 5a hat sechs Elektroden (101 bis 106). Durch geeignete Wahl der Potentiale an den sechs Elektroden lassen sich die Abbil­ dungseigenschaften sowohl auf unterschiedliche Abstände der Zwischenbild- und Beugungsebenen einstellen, als auch der Farbfehler und die Steigung der α-Bahn im Inneren der Spie­ gel-Linsenkombination. In einem Hohlraum der Elektrode (103) ist ein magnetischer Hexapol (107) zur Einstellung des Öffnungsfehlers angeordnet. Das Hexapolfeld wirkt durch die Wandung der Elektrode (103) hindurch. In der Fig. 5a ist zur Vereinfachung nur eine Hälfte der Spiegel-Linsenkombination (100) dargestellt. Die Elektroden (101-106) selbst sind je­ weils rotationssymmetrisch zur optischen Achse (z).

In der Fig. 5b sind die (x_α, y_β) und die (x_γ, y_b)-Bahnen für 10 keV-Elektronen bei den in den Tabellen 4-5 angegebenen Potentialen (Φ₁) bis (Φ₆) angegeben. Elektronen auf den (α, β)-Bahnen werden jeweils an der Stelle (Z_o) in sich selbst reflektiert, während Elektronen auf den (γ, δ)-Bahnen auf einer zur z-Achse spiegelsymmetrischen (γ, δ)-Bahn umgelenkt werden.

Wie die Tabellen 4-8 zeigen, läßt sich der Farbfehler (C_c) der Spiegel-Linsenkombination über einen großen Bereich variie­ ren. Durch Variation des Potentials (Φ₅), das in den Tabellen 4-8 fest ist und geeigneter Anpassung der Potentiale (Φ₁ bis Φ₄), läßt sich auch noch die Lage der bei (z₂) vorliegenden Beugungsebene variieren. Der magnetische Hexapol zur Einstellung des Öffnungsfehlers ist in der Nähe der bei (z₃) vorliegenden Beugungsebene angeordnet.

Die in den Tabellen 4-8 angegebenen Werte für den Öffnungs­ fehler (C_ö) und den Farbfehler (C_c) beziehen sich auf eine Objektebene bei der ebenfalls in den Tabellen angegebenen Zwischenvergrößerung. Das System aus Strahlumlenker und elek­ trostatischer Spiegel-Linsenkombination erlaubt daher die gleichzeitige Korrektur von Farb- und Öffnungsfehlern bei unterschiedlichen Objektiverregungen und daraus resultieren­ den unterschiedlichen Zwischenvergrößerungen.

Tabelle 1:

Φ₁ = - 4,243 kV
Φ₂ = +15,847 kV
Φ₃ = + 3,212 kV
Φ₄ = +10 kV

C_c = -10 mm
C_ö =    1,39 mm
V =   10

Tabelle 2:

Φ₁ = - 2,411 kV
Φ₂ = + 8,929 kV
Φ₃ = + 2,351 kV
Φ₄ = +10 kV

C_c = -20 mm
C_ö = + 2,36 mm
V =   10

Tabelle 3:

Φ₁ = - 1,112 kV
Φ₂ = + 4,091 kV
Φ₃ = + 2,087 kV
Φ₄ = +10 kV

C_c = -50 mm
C_ö = + 4,54 mm
V =   10

Tabelle 4:

Φ₁ = - 1,382 kV
Φ₂ = + 4,946 kV
Φ₃ = + 0,732 kV
Φ₄ = + 8,127 kV
Φ₅ = + 1,553 kV
Φ₆ = +10 kV

C_c = -6,4 mm
C_ö = -0,1 mm
V =  23,9

Tabelle 5:

Φ₁ = - 1,856 kV
Φ₂ = + 6,686 kV
Φ₃ = + 0,807 kV
Φ₄ = + 8,127 kV
Φ₅ = + 1,553 kV
Φ₆ = +10 kV

C_c = -13,5 mm
C_ö = - 0,9 mm
V =   13,3

Tabelle 6:

Φ₁ = - 3,124 kV
Φ₂ = +11,316 kV
Φ₃ = + 1,132 kV
Φ₄ = + 8,127 kV
Φ₅ = + 1,553 kV
Φ₆ = +10 kV

C_c = -50 mm
C_ö = -32,8 mm
V =    4,6

Tabelle 7:

Φ₁ = - 5,716 kV
Φ₂ = +22,236 kV
Φ₃ = + 2,104 kV
Φ₄ = + 8,126 kV
Φ₅ = + 1,553 kV
Φ₆ = +10 kV

C_c = -2 mm
C_ö = -0,2 mm
V =  13,3

Tabelle 8:

Φ₁ = - 0,708 kV
Φ₂ = + 2,505 kV
Φ₃ = + 0,732 kV
Φ₄ = + 8,127 kV
Φ₅ = + 1,553 kV
Φ₆ = +10 kV

C_c = -50 mm
C_ö = - 2,4 mm
V =  13,3

Claims (14)

1. Abbildungssystem für Strahlung geladener Teilchen insbesondere in einem Teilchenstrahlenmikroskop, mit einem im Strahlengang angeordneten Umlenker, der in einem ersten Bereich symmetrisch zu einer ersten Symmetrieebene und mindestens in einem zweiten Bereich symmetrisch zu einer zweiten Symmetrieebene ist, und einem hinter dem Umlenker angeordneten elektrostatischen Spiegel, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrostatische Spiegel (5; 60; 93; 100) konjugiert zu den beiden Symmetrieebenen (3g, 3h; 50g, 50h) des Umlenkers (3; 50) angeordnet ist und die beiden Symmetrieebenen (3g, 3h; 80g, 50h) im Abbildungsmaßstab 1:1 aufeinander abgebildet sind.

2. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrostatische Spiegel (5; 93) eine elektrostatische Spiegel-Linsenkombination (60; 98; 100) ist oder zwischen dem Umlenker (3; 80) und dem elektro­ statischen Spiegel (5; 93) ein Magnetlinsensystem (5a, 5b; 97a, 97b) angeordnet ist.

3. Abbildungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenker (3; 80) den Teilchenstrahl bei jedem Durchgang jeweils um betragsmäßig gleiche Ablenkwinkel ablenkt.

4. Abbildungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieebenen (3g, 3h; 80g, 80h) die optische Achse (11, 99b) der elektrostatischen Spiegel- Linsenkombination (15; 98) oder des Magnetlinsensystems (8a, 8b; 97a, 97b) im halben Ablenkwinkel schneiden.

5. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkwinkel jeweils 90° beträgt.

6. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlumlenker (3; 50) ein erstes äußeres magnetisches (B₁; B₃) und mindestens ein zweites magnetisches Ablenkfeld (B₂; B₄) erzeugt sind.

7. Abbildungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintritts- und Austrittsebenen (3a, 3b, 3c, 3d) des äußeren magnetischen Feldes (B₁; B₃) jeweils senkrecht zur optischen Ein-Ausfallsachse (4, 11, 12; 99a-d) liegende ebene Flächen bilden.

8. Abbildungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintritts- und Austrittsflächen (3i, 3k, 3l, 3m) des zweiten magnetischen Ablenkfeldes (B₂; H₄) parallel zu den Ein- und Austrittsflächen (3a, 3b, 3c, 3d) des äußeren magnetischen Ablenkfeldes (B₁; H₃) sind.

9. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieebenen (3g, 3h; 80g, 80h) zu Zwischenbildebenen oder zur Beugungsebene (15; 90a) eines Objektivs (2; 90) konjugierte Ebenen sind.

10. Abbildungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß genau zwei gleichgerichtete magnetische Ablenkfelder (B₁, B₂) erzeugt sind, und daß die Symmetrieebenen (3g, 3h) zur Beugungsebene (15) eines Objektivs (2) konjugierte Ebenen sind.

11. Abbildungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlumlenker (80) mindestens zwei magnetische Ablenkfelder (B₃, B₄) und zusätzliche elektrostatische Ablenkfelder (E) erzeugt sind.

12. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß in einer zur Beugungsebene (15; 90a) eines Objektivs (2; 90) konjugierten Ebene (7; 90b) ein Hexapolelement (18; 96) angeordnet ist.

13. Abbildungssystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das elektrostatische Spiegellinsensystem (60) mindestens vier Elektroden (61-64) hat.

14. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlumlenker (80) gleichzeitig zur Trennung von Beleuchtungs- (85c) und Beobachtungsstrahlengang (85a) dient.