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Die
beanspruchte Erfindung betrifft eine teilchenoptische Vorrichtung,
die aufweist
- (a) einen Objektträger für ein Objekt,
das mittels der Vorrichtung bestrahlt werden soll, und
- (b) eine Anordnung teilchenoptischer Säulen, von denen jede eine optische
Achse aufweist, die im wesentlichen senkrecht zum Objektträger ist,
und von denen jede versehen ist mit:
– mindestens einer Teilchenquelle
zur Erzeugung eines begrenzten Teilchenstrahls elektrisch geladener Teilchen,
– eine Fokussierungsvorrichtung
zur Bildung eines Brennpunkts des Teilchenstrahls in der Nähe des Objektträgers.
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Eine
Vorrichtung dieser Art ist aus der veröffentlichten europäischen Patentanmeldung
EP 0 289 278 A2 bekannt.
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Die
in der zitierten Patentanmeldung beschriebene Vorrichtung ist eingerichtet,
mittels Elektronenstrahlen Muster auf ein Substrat zu schreiben,
um Halbleiterschaltungen herzustellen. Darin ist das zu beschreibende
Substrat auf einem Objektträger
angeordnet, der der Anordnung teilchenoptischer Säulen gegenüberliegt.
Im Kontext der vorliegenden Anmeldung ist unter einer teilchenoptischen
Säule zu
verstehen, daß sie
eine Anordnung bedeutet, die aus einer Teilchenquelle und einer
Fokussierungsvorrichtung besteht. Die Teilchenquelle erzeugt einen
Strahl elektrisch geladener Teilchen (im allgemeinen einen Elektronenstrahl),
der durch die Fokussierungsvorrichtung fokussiert wird, die für gewöhnlich als
das Objektiv bezeichnet wird. Der so gebildete Elektronenstrahlbrennpunkt
befindet sich auf dem Substrat, so daß ein scharfer Elektronenfleck auf
das Substrat projiziert wird. Das erwünschte Muster wird durch eine Verschiebung
des Flecks geschrieben. Obwohl aus der zitierten europäischen Anmeldung
keine Angabe hinsichtlich der Begrenzung des Elektronenstrahls abgeleitet
werden kann, ist der Strahl naturgemäß immer begrenzt.
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Im
allgemeinen sind Vorrichtungen zum Schreiben von Mustern mittels
Elektronenstrahlen so aufgebaut, daß sie mehrere teilchenoptische
Säulen
enthalten, um die Produktionsrate im Vergleich zu einer Vorrichtung
zu erhöhen,
die mit nur einer teilchenoptischen Säule versehen ist. Solche Säulen arbeiten
während des
Schreibens parallel. Eine Vorrichtung dieser Art könnte in
einer solchen Weise konfiguriert sein, daß alle Säulen denselben Effekt haben,
das heißt,
daß sie
in derselben Fleckgröße exakt
denselben Strom erzeugen. Jedoch kann das zu schreibende Muster
Details mit unterschiedlicher Größe enthalten.
In diesem Fall können die
kleinen Details mittels eines Elektronenflecks mit einem kleinen
Durchmesser geschrieben werden, wohingegen größere Details mit einem Fleck
mit einem größeren Durchmesser
geschrieben werden können.
Dies bietet den Vorteil, daß in
einem großen
Elektronenfleck für
gewöhnlich
ein größerer Strom
vorhanden sein wird, so daß das
Schreiben von vergleichsweise großen Details mit einer Geschwindigkeit
stattfinden kann, die höher
als die Geschwindigkeit des Schreibens während der Verwendung eines
kleinen Flecks ist, wodurch eine Optimierung der Produktionsrate
der Objekte ermöglicht
wird, die beschrieben werden sollen. Mit anderen Worten kann infolge
von Linsenfehlern, zum Beispiel chromatischer und sphärischer
Aberration und Wechselwirkung (Coulomb-Abstoßung) der Elektronen im Strahl,
ein Elektronenfleck für
einen gegebenen Strom im Strahl nicht beliebig klein gemacht werden.
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Um
den Vorteil der optimalen Produktionsrate zu erzielen, ist die bekannte
Anordnung mit Säulen
versehen, die zur Erzeugung von Strahlen mit wechselseitig unterschiedlichen
Strömen
imstande sind. Die bekannte Anordnung der Elektronenstrahlen erzeugenden
Säulen
ist auf einem geraden Trägerarm
angebracht, der über
dem zu beschreibenden Substrat angeordnet ist. Die Säulen, die
an einem Arm angebracht sind, unterscheiden sich voneinander insoweit
die Größe ihres
Strahlstroms betroffen ist. In der zitierten europäischen Patentanmeldung
wird dieser Effekt dadurch erzielt, daß eine Elektronenquelle mit
einer vergleichsweise großen
Emissionsfläche
vorgesehen ist, um einen Strahl mit einem großen Strom zu erzeugen; diese
Möglichkeit wird
darin insbesondere unter Bezugnahme auf 6D beschrieben.
Es wird außerdem
(insbesondere unter Bezugnahme auf 3) beschrieben,
daß zwei
Elektronstrahler, die nahe beieinander angeordnet sind, gleichzeitig
arbeiten können,
so daß diese
Quellen zusammen einen Strahl mit einem vergleichsweise großen Strom
erzeugen.
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Dieses
bekannte Verfahren des Variierens des Strahlstroms innerhalb einer
Anordnung von Säulen hat
den Nachteil, daß eine
Vergrößerung der
Emissionsfläche
im allgemeinen nicht zu einer Zunahme des Strahlstrom um denselben
Faktor führt;
der Strahlstrom wird unter dem Einfluß der Linsenfehler und Elektronenwechselwirkung
um einen wesentlich kleineren Faktor erhöht.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine teilchenoptische Vorrichtung
der angegebenen Art bereitzustellen, in der die Variation des Strahlstroms
optimiert werden kann. Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung gemäß der beanspruchten
Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Säulen außerdem mit einer Strahlbegrenzungsöffnung versehen
sind, die sich zwischen der zugehörigen Teilchenquelle und der
zugehörigen
Fokussierungsvorrichtung befindet, und
- – die Anordnung
teilchenoptischer Säulen
in mindestens eine erste Säulengruppe
und eine zweite Säulengruppe
unterteilt ist, wobei die Säulen
in der ersten Gruppe mit einer Strahlbegrenzungsblende eines ersten Durchmessers
versehen sind und die Säulen
in der zweiten Gruppe mit einer Strahlbegrenzungsblende eines zweiten
Durchmessers versehen sind, wobei sich die ersten und zweiten Durchmesser
voneinander unterscheiden, und jede Säule der ersten Gruppe und der
zweiten Gruppe in einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen teilchenoptischen
Vorrichtung mit einer weiteren Teilchenlinse versehen ist, um die Vergröße rung der
relevanten Säule
im Zusammenwirken mit der zugehörigen
Fokussierungsvorrichtung zu variieren.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis der Tatsache, daß der Strahlstrom
besser durch Begrenzen des Strahls mittels einer Öffnung (in
der Form einer Blende) gesteuert werden kann, die zwischen der Quelle und
dem Objektiv (das heißt,
der Fokussierungsvorrichtung) angeordnet ist, als durch Vergrößerung der
Emissionsfläche
der Elektronenquelle. Im letztgenannten Fall können die Linsenfehler des Objektivs,
wie die chromatische Aberration und die sphärische Aberration nicht in
den Optimierungsprozeß einbezogen
werden, und die Fleckgröße wird
zur Gänze
durch die Summe der Effekte der Coulomb-Wechselwirkung und der Linsenfehler
bestimmt.
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Jede
der Säulen
mit einer weiteren Teilchenlinse zu versehen, um die Vergrößerung der
relevanten Säule
zu variieren, bietet den Vorteil, daß ein weiterer Freiheitsgrad
zur Beeinflussung des Strahlstroms erhalten wird. Die Vergrößerung des
Systems, das heißt,
das Verhältnis
der Größe des Elektronenflecks
auf dem zu beschreibenden Objekt zur tatsächlichen Emissionsfläche, kann
folglich wie erwünscht
eingestellt werden.
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Es
wird angemerkt, daß in
dem Artikel of T.H.P. Chang u.a.: „Electron beam technology-SEM
to microcolumn",
Microelectronic Engineering 32 (1996), Seiten 113–130 eine
einzelne Säule
beschrieben wird, die den Oberbegriff der Erfindung erfüllt, wenn
mehrere Säulen,
wie in dem Artikel beschrieben, in einer Vorrichtung verwendet werden.
Die beschriebene Säule
weist außerdem
eine Strahlbegrenzungsöffnung
auf, die sich zwischen der Teilchenquelle und der Fokussierungsvorrichtung
befindet. Der Artikel erläutert
die Probleme, die mit Säulen
mit einer Strahlenergie von ≤ 1
keV, einer äußerst kleinen
physikalischen Größe, niedrigen
Kosten und einer verbesserten Leistung verbunden sind. Aus diesem
Artikel wird nicht klar, wie eine solche Säule in einer Vorrichtung verwendet
werden sollte, die im Oberbegriff erwähnt wird, um zur erfinderischen
Idee der Erfindung zu gelangen.
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Es
wird ferner angemerkt, daß im
US-Patent US 4,392,058 ein
lithographisches Elektronenstrahlwerkzeug beschrieben wird, das
mehrere Elektronenstrahlsäulen
einsetzt. Wie dem Fachmann solcher Instrumente bekannt ist, trifft
ein Elektronenstrahl auf einen Wafer. Der Wafer ist mit einer dünnen Schicht
Abdecklack überzogen,
wobei der Abdecklack für
Elektronen empfindlich ist. Aufgrund dieser Empfindlichkeit wird
in einem späteren
Prozeßstadium
bestrahlter Abdecklack entfernt, während umbestrahlter Abdecklack
auf dem Wafer bleibt, oder umgekehrt.
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In
dem US-Patent wird ein Unterschied zwischen Säulen gemacht, die eine niedrige
Auflösung
mit einem hohen Strom kombinieren, die zum Schreiben mit hoher Geschwindigkeit
und niedriger Auflösung
verwendet werden sollen, und Säulen,
die eine hohe Auflösung
mit einem niedrigen Strom kombinieren, die zum Schreiben mit niedrigerer
Geschwindigkeit mit hoher Auflösung
verwendet werden sollen. Die Strahlen mit niedriger Auflösung können dann
zur Bestrahlung großer
Bereiche (große
Musterstrukturen) verwendet werden, während die Strahlen mit hoher
Auflösung
verwendet werden, um die Begrenzungen der Muster mit der erforderlichen
hohen Auflösung
zu schreiben.
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Damit
die Strahlen auf annähernd
denselben Bereich des Wafers treffen (das heißt: innerhalb des Abtastbereichs
jeder der Säulen),
sind die optischen Wege der Säulen
zueinander hin geneigt. Um außerdem
den Durchmesser der Säulen
zu minimieren (um zu einer kompakteren Gestaltung mit besseren elektronenoptischen
Eigenschaften gelangen) sind keine Fokussierelemente zwischen der
Quelle und dem Wafer vorhanden: es wird eine Einzelpol-Linse (auch
als Schnorchellinse bekannt) nahe der Quelle auf der vom Wafer entfernten
Seite verwendet, um den Strahl zu fokussieren. Es kann eine zusätzliche
Einzelpol-Linse nahe des Wafers auf der von der Quelle entfernten
Seite verwendet werden, jedoch wird klar sein, daß diese
Linse allen Säulen
gemeinsam ist und folglich nur zur Feinfokussierung von allen Säulen gleichzeitig
verwendet werden kann. Das US-Patent stellt folglich keine Lösung bereit,
in der die Vergrößerung jeder
einzelnen Säule
geändert
werden kann.
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Die
weiteren Teilchenlinsen der teilchenoptischen Vorrichtung gemäß der beanspruchten
Erfindung sind eingerichtet, um in Zusammenarbeit mit der zugehörigen Fokussierungsvorrichtung
die Vergrößerung der relevanten
Säule zu
verändern,
während
der Abstand zwischen der Fokussierungsvorrichtung und dem Objektträger konstant
gehalten wird.
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Diese
Maßnahme
bietet von einem Fertigungsstandpunkt erhebliche Vorteile, da die
einzelnen Säulen nun
dieselben physikalischen Abmessungen aufweisen können, abgesehen von der Strahlbegrenzungsblende,
die häufig
ohnehin als ein getrenntes Teil angebracht ist. Die Säulenanordnung
kann nun auf einem Einheitsträger
angebracht werden, dessen Erscheinungsbild von der Anzahl und der
Vielfalt der Säulen
abhängt, die
sich bezüglich
der Fleckgröße unterscheiden. Überdies
muß nur
eine Säulengröße hergestellt
und auf Lager gehalten werden.
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Die
weitere Teilchenlinse der teilchenoptischen Vorrichtung gemäß der beanspruchten
Erfindung ist zwischen der zugehörigen
Teilchenquelle und der zugehörigen
Strahlbegrenzungsöffnung
angeordnet. Als Ergebnis dieser Maßnahme wird der weiteren Teilchenlinse
die Funktion einer Kondensorlinse gegeben, so daß der Strahlstrom im Elektronenfleck
dadurch optimiert werden kann, indem die Vergrößerung des Systems gesteuert
wird, während
der Abstand zwischen der Fokussierungsvorrichtung und dem Objektträger immer
noch derselbe bleiben kann.
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Die
beanspruchte Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die
Figuren beschrieben, in denen entsprechende Bezugsziffern entsprechende
Elemente bezeichnen.
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Darin
zeigen:
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1 ein
zum Verständnis
der Erfindung nützliches
Beispiel, das schematisch eine Säulenanordnung mit
sich voneinander unterscheidenden Blenden und nur mit einem Objektiv
zeigt;
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2 eine
schematische Ansicht einer Säulenanordnung
mit sich voneinander unterscheidenden Blenden mit einem Objektiv
und einer Kondensorlinse;
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3 graphisch
die Beziehung zwischen dem Strahlstrom und der Größe des Elektronenflecks
in einer Säule,
die bezüglich
des Strahlstroms optimiert worden ist und ein Objektiv und eine
Kondensorlinse enthält.
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1 zeigt
schematisch eine Anordnung 2 von n Säulen 4-1,..., 4-n,
die sich gegenseitig unterscheidende Blenden aufweisen und nur mit
einem Objektiv versehen sind. Die Säulen 4 sind so zusammengesetzt, daß sie eine
Anordnung bilden, indem die Säulen
auf einem gemeinsamen Träger 6 angebracht
sind. Obwohl die Figur eine eindimensionale Anordnung zeigt, kann
das Beispiel auch im Fall einer zweidimensionalen Anordnung verwendet
werden. In jeder der Säulen
werden die Elektronenstrahlen 8 durch eine Elektronenquelle 10 eines
herkömmlichen
Typs erzeugt; zu diesem Zweck wird vorzugsweise von einer Elektronenquelle
des Schottky-Feldemissionstyps Gebrauch gemacht, da die (praktischen)
Abmessungen der Emissionsfläche
in einem solchen Fall keine unerwünschte Einschränkung hinsichtlich
der Größe des Elektronenfleck
auferlegen.
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Die
Säulenanordnung 2 ist über einem
Objektträger 12 angeordnet,
auf dem das zu beschreibende Substrat 14 angeordnet ist.
Das auf das Substrat zu schreibende Muster wird durch Verschiebung
eines Elektronenflecks 16 relativ zur Oberfläche des
Substrats gebildet, das heißt,
vorzugsweise durch Verschiebung des Elektronenstrahls in gegenseitig
senkrechte Richtungen mittels elektrischer oder magnetischer Ablenkfelder. Da
die Felderzeugungsspulen oder Elektroden, die zu diesem Zweck verwendet
werden sollen, für
das Beispiel nicht von wesentlicher Bedeutung sind, werden sie in
der Figur nicht gezeigt.
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Der
Elektronenfleck 16 wird gebildet, indem die Emissionsfläche der
Elektronenquelle 10 mittels des Objektivs, das als eine
Fokussierungsvorrichtung dient, auf die Oberfläche des Substrats 14 abgebildet
wird. Die Abmessungen des Elektronenflecks werden dann hauptsächlich durch
die Abmessungen der Emissionsfläche,
dem Grad der Wechselwirkung (Coulomb-Abstoßung) zwischen den Elektronen
im Strahl, und der chromatischen und sphärischen Aberration des Objektivs 18 bestimmt.
Die letztge nannten Linsenfehler sind vom Öffnungswinkel des Elektronenstrahls
abhängig,
der durch die Größe der Öffnung 22 der
Strahlbegrenzungsöffnung,
also der Blende 20 mitbestimmt wird. Die Fleckvergrößerung infolge
der Coulomb-Abstoßung zwischen
den Elektronen ist vom Strom im Elektronenstrahl abhängig; dies
ist verständlich,
da eine große
Anzahl von Elektronen auch eine große gegenseitige Abstoßungskraft
verursacht. Die Größe des Elektronenflecks 16 kann
folglich durch die Auswahl der Abmessungen der Öffnung 22 beeinflußt werden,
so daß ein
großer
Fleck, der einen großen
Strom mit sich bringt, zum Schreiben großer Details im zu schreibenden
Muster verwendet werden kann, während
kleine Details mittels eines kleinen Flecks geschrieben werden können.
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Das
Objektiv kann eine beliebige, gebräuchliche Form aufweisen. Für eine Säulenanordnung
ist es jedoch häufig
wünschenswert,
daß die
Säulen
kleine Abmessungen aufweisen. Daher wird für diese Anwendung häufig ein
elektrostatisches Objektiv gewählt,
da solche Objektive im Vergleich zu magnetischen Linsen, die gekühlt werden
müssen,
da die Felderzeugungsspulen in einer solchen Linse Strom leiten,
kleine Abmessungen aufweisen.
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2 zeigt
schematisch eine Anordnung mit sich voneinander unterscheidenden
Blenden. Die Säulen in
dieser Figur sind dieselbe wie jene, die in 1 gezeigt
werden, wobei es ein Unterschied ist, daß jede Säule in 2 nicht
nur mit einem Objektiv, sondern außerdem mit einer Kondensorlinse 24 versehen
ist. Die Kondensorlinse ist zwischen der Elektronenquelle 10 und
der Strahlbegrenzungsblende 20 angeordnet. Infolge der Verwendung
der Kondensorlinse kann die Fleckgröße nun für die erwünschte Größe der Details ausgewählt werden;
für jede
Fleckgröße kann
der maximal erzielbare Strom im Elektronenstrahl erreicht werden,
und der Abstand zwischen dem Objektiv 18 und der Oberfläche des
zu beschreibenden Substrats 14 ist von der gewählten Fleckgröße unabhängig. Die
Ströme
und Fleckgrößen, die
mittels dieser Konfiguration erzielt werden können, sind durch eine Computersimulation
bestimmt worden. Diese Simulation beruhte auf zwei Größen der Blendenöffnungen 22 in
der Säulenan ordnung,
so daß eine
Optimierung bezüglich
zweier Fleckgrößen durchgeführt werden
kann.
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Die
Ergebnisse der Computersimulation werden in der folgenden Tabelle
angegeben, in der die Strahlströme
für unterschiedliche
Umstände
angegeben werden. Die Tabelle ist in drei Gruppen von Ergebnissen unterteilt.
In der ersten Gruppe (die aus den oberen drei Reihen der Tabelle
besteht) werden die Ergebnisse der Situationen verglichen, die mit
Elektronenflecken von 100 nm und 200 nm verbunden sind. In der zweiten Gruppe,
(die aus den mittleren drei Reihen der Tabelle besteht) werden die
Ergebnisse der Situationen verglichen, die mit Elektronenflecken
von 50 nm und 200 nm verbunden sind. In der dritten Gruppe (die
aus den unteren drei Reihen der Tabelle besteht) werden die Ergebnisse
der Situationen verglichen, die mit Elektronenflecken von 20 nm
und 200 nm verbunden sind.
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Die
verschiedenen Spalten in der Tabelle enthalten das folgende: Spalte
1 zeigt die beiden Fleckgrößen in Nanometern,
während
die Spalte 2 das Verfahren angibt, das verwendet wird, um die Vergrößerung des Elektronenflecks
zu erhalten („Quelle" bedeutet die Vergrößerung der
Emissionsfläche, „optim." bedeutet die Optimierung,
indem die Einstellung der Kondensorlinse
24 und des Objektivs
18 verwendet
wird); Spalte 3 zeigt die Fleckgröße in Nanometern, und Spalte
4 zeigt die Größe der Emissionsfläche, wie
sie durch die Abbildungselemente in der Spalte wahrgenommen wird
(die virtuelle Quellengröße) in Nanometern;
Spalte 5 zeigt den Durchmesser der Blendenöffnung
22 in Mikrometern,
und Spalte 6 zeigt den Strom im Elektronenfleck in Nanoampere; Spalte
7 zeigt den Verstärkungsfaktor
des Strahlstroms relativ zu der Situation, die mit einer Stromvariation
durch Vergrößerung der
Emissionsfläche
der Elektronenquelle verbunden ist, wie aus dem Stand der Technik
bekannt ist, und Spalte 8 zeigt die Stromdichte j im Elektronenfleck
in A/cm
2, die aus den Werten der Spalten
6 und 3 abgeleitet wird. Tabelle 1
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 100 → 200 | | 100 | 20 | 100 | 157 | | 2000 |
| | Quelle | 200 | 34 | 100 | 452 | | 1439 |
| | optim. | 200 | 20 | 158 | 648 | 1,4 | 2063 |
| 50 → 200 | | 50 | 20 | 75 | 44 | | 2236 |
| | Quelle | 200 | 55 | 75 | 332 | | 1057 |
| | optim. | 200 | 20 | 158 | 648 | 2,0 | 2063 |
| 20 → 200 | | 20 | 20 | 50 | 7,4 | | 2355 |
| | Quelle | 200 | 110 | 50 | 223 | | 710 |
| | optim. | 200 | 20 | 158 | 648 | 2,9 | 2063 |
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Spalte
7 in der obigen Tabelle zeigt deutlich die Verstärkung des Strahlstroms, die
durch die Anwendung der Erfindung erzielt werden kann. Ein Vergleich
der Spalten 7 und 8 zeigt deutlich, daß obwohl der Strom erhöht werden
kann, indem die Quelle vergrößert wird,
eine solche Erhöhung
auf Kosten der Stromdichte erfolgt, wie durch den Vergleich der
Werte in der Spalte 8 in den Reihen „Quelle" und jener in den Reihen „optim." in Spalte 8 veranschaulicht
wird.
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3 stellt
graphisch die Beziehung zwischen dem Strahlstrom (das heißt, dem
Strom im Elektronenfleck) und der Größe des Elektronenflecks in
einer Säule
dar, die bezüglich
des Strahlstroms optimiert worden ist und ein Objektiv und eine
Kondensorlinse aufweist. Die drei Kurven 26, 28 und 30 in
der graphischen Darstellung betreffen eine Blendenöffnung von
50 μm, 100 μm bzw. 150 μm. Die Werte
in dieser graphischen Darstellung sind durch die obige Computersimulation
berechnet worden. Jeder Punkt für
die Stromdichte J in der graphischen Darstellung wird gefunden,
indem unter Verwendung der zugehörigen
Blendenöffnung
und der erwünschten
Fleckgröße D der
maximale Strom im Elektronenstrahl durch Variation der Stärke des
Objektiv und der Stärke
der Kondensorlinse in einer solchen Weise bestimmt wird, daß der Objektabstand
konstant bleibt.