DE4204512A1 - Elektronenoptisches korrektiv - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronenopti­ sches Korrektiv zur Anordnung hinter der Rundlinse des Objektives und zur Korrektur des Öffnungsfeh­ lers 3. Ordnung und des axialen als auch außeraxia­ len chromatischen Fehlers 1. Ordnung 1. Grades.

Elektronenoptische Korrektive haben die Aufgabe, in Systemen, die mit der Führung von Elektronenstrah­ len befaßt sind, auftretende Bildfehler teilweise oder vollständig zu kompensieren. Die Bildfehler können in einzelne Gruppen von Fehlern unterteilt werden: Unter Öffnungsfehler werden alle jene Bild­ fehler zusammengefaßt, die bei der Abbildung des Achsenpunktes auftreten. Mit dem Begriff chromati­ sche Fehler werden diejenigen Fehler bezeichnet, die durch die Abweichung der Energie der abbilden­ den Elektronen von der Sollenergie (=Energiebreite) erzeugt und bedingt werden. Die außeraxialen Fehler beeinflussen die Abbildung der achsenfernen Punkte und sie bestimmen ausschließlich die Größe des prä­ zise oder scharf abgebildeten Bildbereichs. Ein vornehmliches Anwendungsgebiet elektronenoptischer Korrektive ist die Elektronenmikroskopie, deren je­ weilige Leistungsfähigkeit primär von den axialen Fehlern, die durch Öffnungsfehler und chromatische Fehler bestimmt werden, abhängt.

Im Stande der Technik sind Korrektive bekannt, die den das Auflösungsvermögen bestimmenden Öffnungs­ fehler dritter Ordnung beseitigen. Der Nachteil dieser Systeme besteht darin, daß sie den axialen chromatischen Fehler nicht zu korrigieren gestatten oder daß die außeraxialen Bildfehler einen so großen Wert annehmen, daß der scharf abgebildete Bildbereich über Gebühr eingeschränkt wird.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Schaffung eines elektronenoptischen Korrektivs, das neben der Beseitigung des Öffnungsfehlers dritter Ordnung die Kompensation des axialen chromatischen Fehlers 1. Ordnung 1. Grades zuläßt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale.

Das grundsätzliche Prinzip des Korrektives ist wie folgt:

Objektnah findet sich als erstes ein magnetischer Quadrupol. Hieran schließt sich in Richtung des Strahlenganges ein zweiter elektromagnetischer Qua­ drupol an. Letzterer wird dort positioniert, wo das durch den ersten Quadrupol erzeugte, astigmatische Zwischenbild liegt.

Als nächstes folgt ein weiterer elektromagnetischer Quadrupol, dessen Schnitte mit denen der vorherge­ henden Quadrupole zusammenfallen.

Der weitere Aufbau des Korrektives ist zu der sich daran anschließenden Mittelebene asymmetrisch.

Den jeweiligen Quadrupolen ist ein Octopol überla­ gert, ein zusätzlicher Octopol ist zwischen dem 3. und 4. Quadrupol symmetrisch zur dort verlaufenden Mittelebene angeordnet.

Die Wirkungsweise des Korrektives erklärt sich wie folgt:

Durch den ersten rein magnetischen Quadrupol er­ folgt eine Aufspaltung sowohl des axialen als auch des außeraxialen Strahlenganges.

Der zweite Quadrupol beeinflußt den axialen Strah­ lengang im einen Schnitt (=Y-Schnitt) sowie die au­ ßeraxialen Strahlen.

Der dritte elektromagnetische Quadrupol beeinflußt primär die X-Komponente des axialen Strahlenganges und nur in geringem Umfang die Y-Komponente sowie die beiden des außeraxialen Strahles, wobei auf die Y-Komponente stärker eingewirkt wird. Der sich daran anschließende Octopol hat keinen Einfluß auf den Gaußschen Strahlengang. Der weitere Verlauf des Gaußschen Strahlenganges entspricht dem der ersten Hälfte bei Vertauschung der beiden Schnittebenen.

Zur Korrektur des chromatischen Fehlers: Der Gauß­ sche Strahlengang wird durch die Gesamtfeldstärke der Quadrupole, die sich aus einem elektrischen und magnetischen Anteil addiert, bestimmt. Durch ent­ sprechende Wahl der beiden Komponenten läßt sich bei dem dritten und vierten elektromagnetischen Quadrupol (drittes und viertes Element) eine voll­ ständige Korrektur des axialen chromatischen Feh­ lers erreichen. Aufgrund der zwei zur Verfügung stehenden Parameter läßt sich auf für das Gesamtsy­ stem eine Korrektur des chromatischen Fehlers er­ ster Ordnung ersten Grades des axialen chromati­ schen Fehlers erzielen.

Die Korrektur des Öffnungsfehlers dritter Ordnung erfolgt durch die drei Innenoctopole, wobei das dritte und fünfte Octopolfeld dem Quadrupol überla­ gert sind. Durch den achsnahen Strahlenverlauf der außeraxialen Strahlen im Bereich dieser drei Ele­ mente werden keine nennenswerten außeraxialen Feh­ leranteile generiert.

Die Korrektur der außeraxialen Fehler erfolgt nur dahingehend, daß die durch das Korrektiv erzeugten Anteile kompensiert werden. Dies geschieht, indem dem ersten, zweiten, sechsten und siebten Quadrupol ein magnetischer Octopol überlagert und entspre­ chend eingestellt wird. Im Rahmen der Erfindung ist grundsätzlich unerheblich, ob ein elektrisches und/oder magnetisches Octopolfeld erzeugt wird. Klarzustellen ist, daß eine vollständige Korrektur der außeraxialen Fehler anhand des Korrektives selbst nicht möglich ist. Im allgemeinsten Fall gilt, daß durch das Korrektiv selbst keine zusätz­ lichen außeraxialen Fehler in das aus Rundlinse und Korrektiv gebildete optische System eingebracht werden.

Der Vorteil des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Korrektives besteht darin, daß es zur Korrektur des Öffnungsfehlers dritter Ordnung sowie des axialen chromatischen Fehlers erster Ordnung ersten Grades imstande ist. Zusätzlich werden keine außeraxialen Fehleranteile durch das Korrektiv selbst erzeugt bzw. in das System eingebracht. Das hohe Korrektur­ vermögen des Korrektivs ist u. a. darauf zurückzu­ führen, daß die außeraxialen Fehler dritter Ordnung dort wo sie entstehen, korrigiert werden, so daß Kombinationsfehler entfallen.

In einer als besonderes bevorzugt angesehenen Wei­ terbildung erlaubt das vorgeschlagene elektronenop­ tische Korrektiv zusätzlich zu den vorerwähnten den außeraxial chromatischen Farbfehler 1. Ordnung 1. Grades zu korrigieren. Hierzu werden im Rahmen der Erfindung zwei Möglichkeiten aufgezeigt: Die er­ stere besteht darin, den zweiten und fünften Qua­ drupol elektromagnetisch, d. h. sowohl ein elektri­ sches als auch ein magnetisches Quadrupolfeld, zu erzeugen. Durch die hierbei gewonnenen zusätzlichen Parameter, nämlich dem jeweiligen Verhältnis zwi­ schen elektrischem und magnetischem Quadrupolfeld, läßt sich der außeraxiale chromatische Farbfehler 1. Ordnung 1. Grades beseitigen.

In einer Alternative, die prinzipiell auch zusätz­ lich realisierbar ist, wird in der gesamten aus Ob­ jektiv und Korrektiv bestehenden Anordnung ein wei­ terer elektromagnetischer Quadrupol zwischen Objekt und Endschirm, vorzugsweise jedoch in Richtung des Strahlenganges gesehen, hinter dem Korrektiv ange­ ordnet.

Als Aplanate werden Korrektive bezeichnet, die die Öffnungsfehler dritter Ordnung, den axialen chroma­ tischen Fehler und die außeraxialen Fehler, die im Achsenabstand linear gehen, vollständig kompensie­ ren.

In einer als besonders bevorzugt angesehenen Wei­ terbildung ist zusätzlich die Korrektur der mit dem Achsenabstand linear gehenden, außeraxialen Fehler möglich. Hierzu stehen zwei Möglichkeiten zur Ver­ fügung.

Im einen Fall erfolgt Zuordnung des Korrektives zur Rundlinse derart, daß der objektseitige Knoten­ punkt des Korrektives in den komafreien Punkt der Rundlinse gelegt wird.

Um die Korrektureigenschaft des Aplanats zu reali­ sieren, ist jedoch die Zuordnung des Korrektivs zur Rundlinse in der angegebenen Weise nicht aus­ schließlich oder zwingend erforderlich. Vielmehr läßt sich bei beliebigem Abstand Korrektiv- Rundlinse eine Korrektur der außeraxialen Fehler prinzipiell dadurch erzeugen, daß die Octopole in von der Symmetrieebene abweichende Weise erregt werden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und dem Verständnis der Erfindung fördernde Einzelheiten sind dem nach­ folgenden Beschreibungsteil entnehmbar, in dem an­ hand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung näher erläutert ist. Sie zeigt in prinzipi­ enhafter Darstellung den Gaußschen Strahlengang in­ nerhalb des Korrektives, wobei die beiden senkrecht zueinander verlaufenden Schnitte (X-, Y-Schnitt) senkrecht aufeinander projiziert sind und die Z- Achse die optische Achse bezeichnet.

Die x_α und y_β-Komponenten des von der Achse des Ob­ jektpunktes ausgehenden axialen Strahles (1), der bereits die Rundlinse des Objektives passiert hat, werden im ersten Quadrupol (2) unterschiedlich ab­ gelenkt. Hierdurch entsteht ein astigmatisches Zwi­ schenbild, wobei die im X-Schnitt verlaufende Bahn zu Null wird, d. h. sie schneidet die optische Achse. In diesem Punkt ist ein elektromagnetischer Quadrupol (3) angeordnet, der aufgrund seiner Posi­ tion nur zur Beeinflussung der y_β-Komponente (und nicht der x_α-Komponente) in der Lage ist. Man er­ kennt, daß die x_α-Bahn unbeeinflußt bleibt, die y_β- Bahn eine starke Umlenkung erfährt.

Der nächste elektromagnetische Quadrupol (4) befin­ det sich im nächsten astigmatischen Zwischenbild, also dort, wo die Y-Komponente zu Null wird, d. h. der y_β-Strahl die optische Achse schneidet. Hier findet dann eine Beeinflussung nur des x_α-Strahles und eine Umkehrung desselben statt.

Als nächstes folgt ein Octopol (5), der gestrichelt eingezeichnet ist, um anzudeuten, daß durch ihn der Gaußsche Strahlengang, d. h. die achsennahen Strah­ len x_α, y_β und x_γ und y_w unbeeinflußt bleiben. Er liegt symmetrisch zur Mittelebene (6), zu der der gesamte Aufbau des Korrektives asymmetrisch (antisymmetrisch) ist. Demgemäß folgen weitere Qua­ drupole (7, 8, 9), die gleich sind dem bisherigen Aufbau, jedoch mit entgegengesetzter Polarität. Der Strahlengang verläuft in der bisher beschriebenen Weise, so daß es zur Vermeidung von Wiederholungen weiterer Ausführungen nicht bedarf.

Der außeraxiale Strahl (10) mit den Komponenten x_γ und y_δ wird gleichermaßen durch den ersten Quadru­ pol (2) aufgespalten sowie durch die folgenden Qua­ drupolfelder beeinflußt. Von Bedeutung ist, daß durch den achsennahen Verlauf der außeraxialen Strahlen x_γ, y_δ - teilweise verlaufen sie in un­ mittelbarer Nähe der optischen Achse und bleiben deshalb nahezu vollständig unbeeinflußt (siehe hierzu die Quadrupole 4, 7 und mit Abstrichen auch die Quadrupole 3, 8) - sowie durch den antisymme­ trischen Aufbau durch das Korrektiv selbst keine nennenswerten außeraxialen Fehler erzeugt werden. Vielmehr kann darüber hinausgehend entweder durch entsprechenden Abstand zwischen der (hier nicht ge­ zeigten) Rundlinse des Objektives und dem Korrek­ tiv, in dem der objektseitige Knotenpunkt des Kor­ rektivs in den komafreien Punkt der Rundlinse ge­ legt wird oder durch eine von der Symmetrie abwei­ chenden Erregung der (in der Zeichnung nicht ge­ zeigten) Octopole eine vollständige Korrektur der mit dem Achsenabstand linear gehenden außeraxialen Fehler erzeugt werden.

Zu ergänzen bleibt, daß aufgrund der Darstellung des Gaußschen Strahlenganges die diesen nicht be­ einflussenden Octopole mit Ausnahme des die Mittel­ ebene (6) definierenden Octopoles (5) keine weite­ ren Octopole eingezeichnet sind, die jeweils die Quadrupole (2-4, 7-9) überlagern und für die Fehlerkorrektur von entscheidender Bedeutung sind.

Im Ergebnis erhält man ein elektronenoptisches Kor­ rektiv, das sowohl zur vollständigen Beseitigung des Öffnungsfehlers dritter Ordnung als auch des axialen als auch außeraxialen chromatischen Fehlers erster Ordnung, ersten Grades in der Lage ist, wo­ bei in einer speziellen Weiterbildung zusätzlich die außeraxialen Fehler korrigiert und somit die störenden Eigenschaften eines Aplanaten erhalten werden.

Claims (5)

1. Elektronenoptisches Korrektiv zur Anordnung hin­ ter der Rundlinse des Objektives und zur Korrektur des Öffnungsfehlers 3. Ordnung und des axialen chromatischen Fehlers 1. Ordnung 1. Grades, dadurch gekennzeichnet, daß auf der optischen Achse in Richtung des Strahlenganges eingangsseitig ein elektrischer oder magnetischer Quadrupol (2) (= 1. Quadrupol), daran anschließend im astigmatischen Zwischenbild des einen Schnittes (X-Komponente der axialen Bahn = 0) ein elektrischer oder magneti­ scher Quadrupol (3) (= 2. Quadrupol) und in etwa im nächsten astigmatischen Zwischenbild (Y-Komponente der axialen Bahn = 0) ein elektromagnetischer Qua­ drupol (4) (= 3. Quadrupol) angeordnet ist, deren Schnitte jeweils zusammenfallen und der weitere Aufbau des Korrektivs zu der sich anschließenden, senkrecht zur optischen Achse verlaufenden Mittele­ bene (6) asymmetrisch zum bisher beschriebenen ist sowie sämtlichen Quadrupol (2-4, 7-9) und der Mit­ telebene (6) jeweils ein elektrischer oder magneti­ scher Octopol überlagert ist.

2. Korrektiv nach Anspruch 1 zur zusätzlichen Kor­ rektur des außeraxialen chromatischen Farbfehlers 1. Ordnung 1. Grades dadurch gekennzeichnet, daß der zweite (3) und fünfte Quadrupol (8) elektroma­ gnetisch ist.

3. Korrektiv nach Anspruch 1 oder 2 zur zusätzli­ chen Korrektur des außeraxialen chromatischen Farb­ fehlers 1. Ordnung 1. Grades, dadurch gekennzeich­ net, daß ein zusätzlicher elektromagnetischer Qua­ drupol zwischen Objekt und Endschirm, vorzugsweise in Richtung des Strahlenganges hinter dem Korrektiv angeordnet ist.

4. Korrektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zuordnung Korrektiv- Rundlinse derart erfolgt, daß der objektseitige Knotenpunkt des Korrektivs in den komafreien Punkt der Rundlinse zu liegen kommt.

5. Korrektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Octopole in von der Symmetrie abweichender Weise eingestellt sind.