DE971549C - Elektronenlinsensystem mit mehreren magnetischen Linsen mit Ausgleich der chromatischen Abweichung - Google Patents

Elektronenlinsensystem mit mehreren magnetischen Linsen mit Ausgleich der chromatischen Abweichung

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DE971549C
DE971549C DEH13370A DEH0013370A DE971549C DE 971549 C DE971549 C DE 971549C DE H13370 A DEH13370 A DE H13370A DE H0013370 A DEH0013370 A DE H0013370A DE 971549 C DE971549 C DE 971549C
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Description

AUSGEGEBEN AM 12. FEBRUAR 1959
H 13370 VIIIc j 21g
Hitachi Limited, Tokio
Die Erfindung richtet sich auf ein Elektronenlinsensystem mit mehreren magnetischen Linsen mit Ausgleich der chromatischen Abweichung.
Bekannt ist ein Elektronenlinsensystem, bei welchem zwei Linsen durch Permanentmagnete in umgekehrter Richtung erregt werden, wobei die chromatische Abweichung der Drehung durch geeignete Wahl der magneto-motorischen Kraft kompensiert wird. Ebenso ist es an einer chromatische Fehler zeigenden Elektronenlinse bekannt, durch geeignete Feldgestaltung eine achromatische Elektronenlinse herzustellen. Hierbei bezieht sich aber die Korrektur der Linse lediglich auf die axiale chromatische Abweichung.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Elektronenlinsenanordnung die beiden obengenannten chromatischen Fehler gleichzeitig korrigieren zu können und ein Elektronenlinsensystem zu schaffen, bei welchem gleichzeitig sowohl die chromatische Abweichung der Rotation als auch die chromatische Abweichung in Richtung der Achse kompensiert werden, wobei mehrere magnetische Elektronenlinsen verwendet werden. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß mindestens eine der Linsen dadurch einen negativen Wert des Koeffizienten der chromatischen Differenz bei der Vergrößerung und mindestens eine der magnetischen Linsen dadurch einen positiven Wert des Koeffizienten der chromatischen Differenz bei der Vergrößerung erhält, daß für den Wert von I · nffE der magnetischen Linsen, worin I · η die Amperewindungen des Erregerfeldes und E die Elektronenbeschleunigungsspannung bedeuten, ein Wert gewählt wird, bei welchem die chromatische Feldabweichung, die sich aus der chromatischen Differenz bei
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der Vergrößerung und der chromatischen Differenz bei der Drehung zusammensetzt, etwa zum Verschwinden gebracht wird. Es wird hierbei zweckmäßig die Einstellung dieser Werte an dem magnetischen Objektiv und dem magnetischen Projektor vorgenommen. Bei dem erfindungsgemäßen Elektronensystem kann die chromatische Feldabweichung vollständig oder ungefähr über einen großen Vergrößerungsbereich zum Verschwinden gebracht werden. Es werden gleichzeitig zwei Abweichungen kompensiert, obwohl der Koeffizient der chromatischen Abweichung der Vergrößerung seiner Natur nach völlig verschieden ist von demjenigen der chromatischen Abweichung der Drehung.
Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung in mehreren" Ausführungsformen dargestellt.
Fig. ι der Zeichnungen zeigt die Charakteristikkurven des Koeffizienten der chromatischen Differenz bei der Vergrößerung eines Objektivs; Fig. 2 zeigt eine ähnliche Kurve für einen Projektor; Fig. 3 zeigt eine Charakteristikkurve des Koeffizienten der chromatischen Differenz bei der Drehung eines Objektivs;
Fig. 4 zeigt eine ähnliche Kurve wie Fig. 3 für einen Projektor;
Fig. 5 ist ein schematischer Aufriß eines Elektronenmikroskops gemäß der Erfindung im Schnitt;
Fig. 6 ist eine ähnliche Darstellung wie Fig. 5 und zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung; Fig. 7 zeigt die Charakteristikkurve der Koeffizienten der chromatischen Differenzen der Vergrößerung und Drehung von magnetischen Linsen;
Fig. 8 ist ein schematischer Auf riß eines Elektronenmikroskops gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung im Schnitt;
Fig. 9 erläutert die Art der Bildentstehung in dem Linsensystem nach Fig. 8, und
Fig. 10 zeigt Kurven von Koeffizienten der chromatischen Abweichung der Vergrößerung und Drehung bei einer Zwischenlinse, die unter einer besonderen Bedingung gemäß der Erfindung benutzt wird.
Gewöhnlich wird die chromatische Differenz bei der Vergrößerung eines Objektivs und diejenige eines Projektors in einem Elektronenmikroskop durch folgende Gleichung ausgedrückt:
χ r ΔΕ
Jc.
δ =C yAE
wobei E die Spannungsgeschwindigkeit der Elektronen, A E die Änderung der Spannungsgeschwindigkeit, y den Abstand von der optischen Achse zum Objektpunkt und C05, und Cvv die Koeffizienten der chromatischen Differenz bei der Vergrößerung eines Objektivs bzw. eines Projektors darstellen. Nach sorgfältigen Untersuchungen und zahlreichen Versuchen wurde festgestellt, daß diese Koeffizienten bzw. magnetischen Linsen die durch die Kurven A und B in Fig. 1 und 2 gezeigten Merkmale haben. In diesen Figuren und in der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen bezeichnet / · η die Amperewindungen der Linsenspule oder die entsprechenden Amperewindungen des permanenten Magneten allein oder des aus diesem und der Erregerspule resultierenden Feldes. Von den Koeffizienten Cov und C3,,, wurde bisher theoretisch angenommen, daß sie einer Kurve wie der in Fig. 1 gezeigten folgen, die niemals Null oder einen positiven Wert erreichen kann.
Die Erfindung stützt sich auf die Entdeckung der Charakteristiken, bei denen diese Koeffizienten sich gemäß den Kurven A und B in Fig. 1 und 2 ändern, wenn sich I ■ n\][E ändert, d. h., die Koeffizienten steigen an, wenn / · n/]fE ansteigt, gehen durch Null und werden positiv. Diese Merkmale werden zur Vermeidung einer chromatischen Abweichung in einem Elektronenlinsensystem angewandt, das aus einer Anzahl von Linsen besteht.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel eines Elektronenmikroskops mit einem Linsensystem, daß sich aus einem magnetischen Objektiv 1 und einem Projektor 2 zusammensetzt. In dieser Figur bezeichnet 3 eine Elektronenquelle, 4 einen Kondensor, 5 eine Probe, 6 ein Sichtfenster, 7 einen Leuchtschirm und 8 eine fotografische Platte.
Für die Spannungsgeschwindigkeit E des Elektronenstrahles b, der in die Linsen 1 und 2 projiziert wird, und die Amperewindungen I ■ η ihrer Erregerspulen 1' und 2' sind angemessene Werte gewählt, wenn z. B. der Koeffizient Co„ des Objektivs 1 in der Kurve A in Fig. 1 negativ ist, ist der Koeffizient CM des Projektors 2 in der Kurve B in Fig. 2 positiv, während ihre absoluten Werte gleich sind. Die algebraische Summe der Koeffizienten der chromatischen Differenz bei der Vergrößerung des aus den Linsen 1 und 2 bestehenden Linsensystems wird Null, wenn die chromatische Abweichung der Vergrößerung allein in Rechnung gezogen wird.
Da sich jedoch die Koeffizienten C0x und C3^, der chromatischen Differenz bei der Drehung des Objektivs ι und des Projektors 2 auch entsprechend den Änderungen von / · nj^E ändern, wie beispielsweise durch die Kurven D und E in Fig. 3 und 4 gezeigt, müssen die Werte von J · nj^E für jede Linse so gewählt werden, daß auch die chromatische Abweichung der Drehung verschwindet, wenn die chromatische Abweichung der Vergrößerung und der Drehung zum Verschwinden gebracht werden sollen.
Wenn beispielsweise der Koeffizient C01/ für einen bestimmten Wert von J · ηJfE des Objektivs 1 in der Kurve A in Fig. 1 negativ und der Koeffizient C0x in der Kurve D in Fig. 3 positiv ist und wenn die Bilddrehung des Projektors 2 der des Objektivs 1 entgegengesetzt gerichtet ist, um die chromatische Abweichung der Drehung zum Verschwinden zu bringen, würden C3,,,' und C05/ für den gleichen Wert von / · n/fE nicht unbedingt gleiche Werte und entgegengesetzte Vorzeichen haben, wenn Cvx in der Kurve E in Fig. 4 so gewählt ist, daß C11x' = C0x' ist. Wenn diese beiden Bedingungen, d. h. die Bedingung, daß C0/ = C3,/ und daß C0J gleich und entgegengesetzt zu C3,,/ ist, nicht erfülllt werden können, auch wenn die Werte · nf^E dieser beiden Linsen 1 und 2 genau reguliert sind, kann hjd des Projektors 2 für jeden Wert von ·ηΐγΕ~ so geregelt werden, daß C0x = CPX ist,
wodurch sich infolge der Tatsache, daß die Nullage von C„v in der Kurve B in Fig. 2 durch die Veränderung des Verhältnisses h\d verschoben wird, Cvv' so ändert, daß es gleich und entgegengesetzt zu C01/ wird. Hierbei ist h der Polstückabstand und d der Polstückdurchmesser der Linse, Coy, C0x und Cvx werden durch die Änderung von h\d weniger beeinflußt werden. Diese Erscheinungen werden dazu verwendet, um durch Regelung des Wertes von hjd des Projektors 2 bei ίο jedem Wert von I · njfE Cvy' gleich und entgegengesetzt zu C01/ zu machen, wenn C0x = C11x' ist.
Fig. 6 zeigt ein Elektronenmikroskop, dessen Linsensystem sich aus einem Kondensor 9, einem elektrostatischen Objektiv 10 und magnetischen Projektoren 11 und 12 zusammensetzt. In diesem Fall wird die chromatische Feldabweichung, die sich aus der chromatischen Differenz in der Vergrößerung und der chromatischen Differenz in der Drehung zusammensetzt, auf ähnliche Weise, wie für Fig. 5 erläutert, zum Verschwinden gebracht oder auf ein Minimum herabgesetzt, indem die Resultante der Koeffizienten der chromatischen Differenz bei der Vergrößerung des elektrostatischen Objektivs 10 und derjenigen des magnetischen Projektors 11 absolut gleich und dem Koeffizienten der chromatischen Differenz bei der Vergrößerung des magnetischen Projektors 12 entgegengesetzt gerichtet gewählt wird und ferner die Koeffizienten der chromatischen Differenz bei der Drehung der Projektoren 11 und 12 gleich und so gewählt werden, daß die Bilddrehungen in entgegengesetzten Richtungen erfolgen.
Es können zwar mit einem Elektronenmikroskop äußerst starke Vergrößerungen erzielt werden, aber in der Praxis kommen viele Fälle vor, die einen Vergleich des vergrößerten Bildes des Elektronenmikroskops mit dem eines optischen Mikroskops erfordern. In solchen Fällen muß die Vergrößerung des Elektronenmikroskops über einen weiten Bereich geändert werden können, z. B. von 1000- bis 10 ooofacher Vergrößerung. Wenn jedoch zur Änderung der Vergrößerung der Wert von I ■ njfE der magnetischen Linse geändert wird, würden sich die Werte des Koeffizienten der chromatischen Differenz bei der Vergrößerung eines Objektivs C05, und desjenigen eines Projektors und anderer magnetischer Linsen C3,,, und auch die Koeffizienten der chromatischen Differenz bei der Drehung C0x bzw. CPX entsprechend den in Fig. 7 gezeigten Kurven ändern. Obwohl die chromatische Abweichung bei einer bestimmten Vergrößerung verschwindet, d. h. bei einem bestimmten Wert von / · n[fE, ändert sich die Bedingung der gegenseitigen Aufhebung der chromatischen Abweichung, wenn die Vergrößerung gegenüber einem vorher bestimmten Wert geändert wird, so daß es unmöglich ist, die chromatische Abweichung über einen weiten Vergrößerungsbereich bei einem kleinen Wert zu halten.
Gemäß der Erfindung können die chromatischen Abweichungen von Elektronenlinsen immer auf einem äußerst kleinen Wert gehalten werden, ohne die Linsen auszuwechseln, auch wenn die Vergrößerung über einen weiten Bereich geändert werden muß. Fig. S zeigt ein Elektronenlinsensystem gemäß der Erfindung zur Erreichung des genannten Zieles, bei dem 13 ein Objektiv bezeichnet, 14 eine Zwischenlinse und 15 einen Projektor. Die Zwischenlinse 14 wird bei einer Vergrößerung verwendet, die geringer ist als die Einheit, wie sich aus Fig. 9 ergibt, die die Bildkonstruktion einer Probe 5 durch das magnetische Linsensystem schematisch darstellt. In Fig. 9 werden die Bahnen der Elektronenstrahlen durch die voll ausgezogene Linie α veranschaulicht, und i und i' bezeichnen die Zwischen- und Endbilder. Es ist ersichtlich, daß die Vergrößerung für das Endbild ϊ der Probe durch Änderung der Stärke der Zwischenlinse 14 verändert werden kann.
Der Koeffizient der chromatischen Differenz bei der Vergrößerung Cmy der Zwischenlinse 14 ändert sich entsprechend ihrem Abstand vom Objektiv 13 und dem Projektor 15, ferner ändert er sich entsprechend dem Wert von I · nj^E in der Kurve Cmy in Fig. 10. Andererseits ändert sich der Koeffizient der chromatischen Differenz bei der Drehung Cmx gegenüber / · n\fE ähnlich wie der des Projektors. Aus Fig. 10 geht hervor, daß bei Verwendung der Zwischenlinse 14 für eine geringere Vergrößerung als die Einheit der Wert von Cmy immer positiv ist und das Bestreben hat, schnell anzusteigen, wenn I · n/fE ansteigt. Die Koeffizienten der chromatischen Differenz bei der Vergrößerung Coy und Cvy und die Koeffizienten der chromatischen Differenz bei der Drehung C0x und C11x des Objektivs 13 bzw. des Projektors 14 haben beispielsweise die durch die Kurven in Fig. 7 gezeigte Charakteristik, und Co„ und C]>y haben negative Werte für den unteren Bereich von I · n/fE, während ihre absoluten Werte, wenn I ■ n/fE ansteigt, abnehmen, durch die Nullinie gehen und schnell positiv ansteigen.
Angenommen, die Zwischenlinse 14 wird nicht verwendet und I · ηIfE des Objektivs 13 und des Projektors 15 seien 19 bzw. 13,5, dann ergeben sich aus Fig. 7 folgende Beziehungen:
Caa.==I,02 C018 === 1,02
Wenn diese Linsen in entgegengesetzten Richtungen erregt werden, Csx — C0x = 0 und auch Cvv + Coy = 0 ist, so kann ein Verschwinden der chromatischen Abweichung erreicht werden.
Wenn die Zwischenlinse 14 wirksam ist und I · ηIfE no mit 1,5 angenommen wird, dann ergeben sich aus Fig. 10 folgende Beziehungen:
CTO„ = o,2 Cma. == 0,13.
Ist I · n/^E des Projektors 10, dann ist C„y===— 0,45 Cvx = 0,84.
Wenn in diesem Falle die geometrische Lage der Probe gegenüber dem Objektiv nicht verändert ist, wird der Wert von I · n/fE, bei dem der Brennpunkt übereinstimmt, von der obenerwähnten Bedingung nicht verändert und liegt bei 19, so daß
— 0
οχ "T" 1,02
Demzufolge ist' die Summe der Koeffizienten der chromatischen Differenzen bei der Vergrößerung und Drehung
Cpv + Coy + Cmy = —0,45 + ο + o,2 = —0,25 {-CPX)+C0X+{—Cmx)=—0,84+1,02—0,13=0,05.
Die algebraische Summe der Koffizienten der chromatischen Differenz des Linsensystems wird somit ziemlich gering. In diesem Fall sind die Richtungen der Erregung der Zwischenlinse und des Projektors gleich und entgegengesetzt zu der des Objektivs. Die so erzielte Vergrößerung des Endbildes 1S beträgt das 700οίache; sie betrug vor der Verminderung der Vergrößerung das 10 ooofache.
Wenn für / ■ nj^E der Zwischenlinse ein Wert von 3, für den Projektor ein Wert von 8 und für das Objektiv ein Wert von 19 gewählt wird, dann ergibt sich aus Fig. 7 und 10 folgendes:
Cvv + C03, + Cmy == —0,65 + ο 4- 0,6 = —0,05
-Cmx) = —0,65 +1,02—0,25 = 0,12.
Die Ergebnisse zeigen, daß die chromatische Differenz bei der Drehung im Vergleich zu den Weiten, die erhalten werden, wenn keine Vorsichtsmaßregeln zur Vermeidung der chromatischen Abweichungen getroffen werden, außer acht gelassen werden kann. Die Endvergrößerung beträgt in diesem Falle das 3ooofache. Der Bereich der Endvergrößerung kann durch genaue Wahl des Projektors 15 beispielsweise vom 3ooofachen auf das iooofache geändert werden.
Im vorangegangenen ist als Beispiel ein Linsensystem beschrieben worden, das aus einem Objektiv und einem Projektor besteht, es kann jedoch eine Zwischenlinse zur Verminderung der Vergrößerung gemäß der Erfindung auch für andere Linsensysteme verwendet werden, die aus mehr als drei Linsen, Objektiv- oder Projektorlinsen, bestehen oder eine elektrostatische Linse einschließen.
Aus der vorangegangenen Beschreibung geht hervor, daß die vorliegende Erfindung sehr wirksam ist, um die totale chromatische Differenz bei der Vergrößerung und die chromatische Differenz bei der Drehung für ein Elektronenlinsensystem über einen weiten Vergrößerungsbereich zum Verschwinden zu bringen oder zu verringern, unabhängig von der Veränderung der Elektronengeschwindigkeit und/oder des Erregerstromes.

Claims (6)

  1. PATENTANSPRÜCHE:
    i. Elektronenlinsensystem mit mehreren magnetischen Linsen mit Ausgleich der chromatischen Abweichung, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Linsen dadurch einen negativen Wert des Koeffizienten der chromatischen Differenz bei der Vergrößerung und mindestens eine der magnetischen Linsen dadurch einen positiven Wert des Koeffizienten der chromatischen Differenz bei der Vergrößerung erhält, daß für den Wert von I · n/fE der magnetischen Linsen, worin / · η die Amperewindungen des Erregerfeldes und E die Elektronenbeschleunigungsspannung bedeuten, ein Wert gewählt wird, bei welchem die chromatische Feldabweichung, die sich aus der chromatischen Differenz bei der Vergrößerung und der chromatischen Differenz bei der Drehung zusammensetzt, etwa zum Verschwinden gebracht wird.
  2. 2. Elektronenlinsensystem für ein Elektronenmikroskop nach Anspruch 1 mit einer Elektronenquelle, einem Kondensor, einem magnetischen Objektiv und einem magnetischen Projektor, die sämtlich in Reihe entlang der Bahn des Elektronenstrahles angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte von I · η/ψϊ des Objektivs und des Projektors so gewählt sind, daß die chromatische Feldabweichung etwa zum Verschwinden gebracht wird.
  3. 3. Elektronenlinsensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte von / · w/]/2T des Objektivs und des Projektors so gewählt werden, daß die Koeffizienten der chromatischen Abweichung der Vergrößerung und der Drehung etwa gleich und entgegengesetzt gerichtet sind.
  4. 4. Elektronenlinsensystem nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Elektronenquelle, einem elektrostatischen Objektiv und mehreren magnetischen Projektoren, die der Reihe nach, entlang der Bahn des Elektronenstrahles, angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte von / · «/]/ZT des Projektors so gewählt sind, daß die algebraische Summe der Koeffizienten der chromatischen Differenz bei der Vergrößerung und die algebraische Summe der Koeffizienten der chromatischen Differenz bei der Drehung etwa gleich Null werden, wenn die chromatische Abweichung der Vergrößerung und der Drehung des Objektivs etwa zum Verschwinden gebracht ist.
  5. 5. Elektronenlinsensystem für ein Elektronenmikroskop nach Anspruch 1 oder 2 mit zwei Gruppen von Elektronenlinsen, bei dem die Linsen der einen Gruppe eine stärkere Vergrößerung haben als die Einheit und die Linsen der anderen Gruppe eine Vergrößerung haben, die geringer ist als die Einheit, dadurch gekennzeichnet, daß die algebraische Summe der Koeffizienten der chromatischen Differenz bei der Vergrößerung der Linsen in der ersten Gruppe von 0 bis — 2 und die algebraische Summe der Koeffizienten bei der zweiten Gruppe von 0 bis + 2 gewählt wird, unter der Bedingung, daß der Koeffizient der chromatischen Differenz bei der Drehung des gesamten Linsensystems durch Verwendung von mindestens zwei magnetischen Linsen im wesentlichen zu vernachlässigen ist.
  6. 6. Elektronenlinsensystem für ein Elektronenmikroskop nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Elektronenquelle, einem Kondensor, einem magnetischen Objektiv, einer magnetischen Zwischenlinse und einem magnetischen Projektor, die der Reihe nach, entlang der Bahn des Elektronenstrahles,
    angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert von I · n/fE der einzelnen Linsen so gewählt ist, daß der Koeffizient der chromatischen Differenz der Vergrößerung der Zwischenlinse immer positiv ist, während der Koeffizient der chromatischen Differenz der Vergrößerung des Objektivs und des Projektors immer negativ ist, so daß die gesamte chromatische Abweichung der Drehung des Linsensystems im wesentlichen verschwindet.
    In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 369 796; Lexikon der Physik, Bd. 1,1950, herausgegeben von Franke, Stuttgart, S. 265.
    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
    Q 809 725/30 2.59
DEH13370A 1951-05-21 1952-08-02 Elektronenlinsensystem mit mehreren magnetischen Linsen mit Ausgleich der chromatischen Abweichung Expired DE971549C (de)

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2369796A (en) * 1943-03-26 1945-02-20 Rca Corp Electron lens system

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