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Publication number: DEV0007515MA
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BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

Tag der Anmeldung: 12. Juli 1954 Bekanntgemacht am 24. Mai 1956Registration date: July 12, 1954. Advertised on May 24, 1956

DEUTSCHES PATENTAMTGERMAN PATENT OFFICE

Die Erfindung richtet sich auf eine Regeleinrichtung für elektrostatisch wirkende Anordnungen zur Kompensation des axialen Astigmatismus in Korpuskularstrahlapparaten, insbesondere Elektronenmikroskopen. Das Auflösungsvermögen eines elektronenoptischen Linsensystems wird bekanntlich durch den axialen Astigmatismus erheblich verschlechtert. Dieser Fehler kann seine Ursache in mechanischen Unrundheiten der Linsenelektroden oder in einer mechanischen Unvollkommenheit der Kontrastblende haben. Er kann aber auch durch elektrische und mechanische Störfelder, die durch Aufladung von Isolierschichten oder Aufmagnetisierung von Linsenelektroden hervorgerufen werden, verursacht sein.The invention is directed to a control device for electrostatically acting arrangements for the compensation of the axial astigmatism in corpuscular beam devices, especially electron microscopes. The resolving power of an electron-optical The lens system is known to be considerably deteriorated by the axial astigmatism. This mistake it can be caused by mechanical irregularities of the lens electrodes or by a mechanical imperfection the contrast aperture. But it can also be caused by electrical and mechanical interference fields, caused by the charging of insulating layers or the magnetization of lens electrodes will be caused.

Während die durch die mechanischen Unvollkommenheiten der Linsenelektroden verursachten Bildfehler im allgemeinen zeitlich konstant sind und aus diesem Grunde nur einmal korrigiert zu werden brauchen, sind die anderen genannten Fehlerquellen zeitlich veränderlich. Es muß daher möglich sein, sie während des Betriebes zu korrigieren.While the image defects caused by the mechanical imperfections of the lens electrodes are generally constant over time and therefore only need to be corrected once need, the other sources of error mentioned are variable over time. It must therefore be possible for them correct during operation.

Zur Kompensation des zeitlich veränderlichen axialen Astigmatismus bei elektronenoptischen Linsensystemen sind unter dem Namen »Stigmator* bereits Anordnungen bekannt, die einen zusätzlichen Astigmatismus einführen, der den des Abbildungssystems nach Größe und Richtung gerade ausgleicht. Dabei müssen Regeleinrichtungen verwendet wenden, die den durchTo compensate for the temporally variable axial astigmatism in electron-optical lens systems arrangements are already known under the name »stigmator *, which create an additional astigmatism introduce, which just balances that of the imaging system in terms of size and direction. Have to Control devices used turn the through

609 527/422609 527/422

V7515VIIIc/21gV7515VIIIc / 21g

den Stigmator eingeführten zusätzlichen Astigmatismus nach Größe und Richtung so zu regeln gestatten, daß die gewünschte Kompensation des Bildfehlers eintritt. Stellt mail den vorhandenen Astigmatismus in der komplexen Zahlenebene durch einen Vektor b und den zu seiner ■'Kompensation dienenden zusätzlichen Astigmatismus durch einen Vektor u dar, so lautet die Korrektionsbedingung:allow the stigmator introduced additional astigmatism to regulate size and direction so that the desired compensation of the image defect occurs. Restores the astigmatism present in the mail complex number plane through a vector b and the additional astigmatism serving for its compensation by a vector u, the correction condition reads:

O.O.

Aus ihr geht hervor, daß der Vektor u auf t> senkrecht stehen muß. Da die Regeleinrichtung eine sichere und bequeme Einstellung des Vektors U ermöglichen muß, ist es notwendig, eine polarkoordi-From it it follows that the vector u on t> must be vertical. Since the control device enables the vector U to be set safely and conveniently it is necessary to use a polar coordi-

»5 natenmäßige Einstellung für den korrigierenden Astigmatismus vorzusehen. ', Diese Forderung wird durch die Beziehung ü²'= H₁ + i · U₂ erfüllt. Es müssen also zwei Spannungen U₁ und U₂ mit entsprechenden Regelorganen vorgesehen sein, die so aus-»Provide 5 natural adjustments for corrective astigmatism. ', This requirement is fulfilled by the relation ü ² ' = H ₁ + i · U ₂ . So there must be two voltages U ₁ and U ₂ with appropriate regulating organs, which are designed in this way.

ao gebildet sind, daß bei Regelung an dem einen zur, Einstellung der Amplitude dienenden Regelorgan dasao are formed that in the case of regulation on one of the regulating members serving to adjust the amplitude

Verhältnis der beiden Spannungen —ί- unverändertRatio of the two voltages —ί- unchanged

bleibt, während bei Regelung an dem anderen zur Einstellung des Azimuts dienenden Regelorgan die Quadratsumme Ui + ul konstant bleiben muß.remains, while in the case of regulation on the other regulating element used to set the azimuth, the Sum of squares Ui + ul must remain constant.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, diese beiden Bedingungen dadurch zu erfüllen, daß ein mechanisches Kosinusgetriebe den Ablauf der Schleifer an den die Spannungen liefernden Potentiometern in entsprechender Weise steuert. Hierdurch wird jedoch die Regeleinrichtung umfangreich und teuer. Es ist ferner vorgeschlagen worden, durch eine innerhalb eines Gefäßes mit einem Elektrolyten drehbar aufgehängte Elektrodenanordnung den gestellten Bedingungen gerecht zu werden. Da Gleichspannung verwendet werden muß, treten hierbei Polarisationserscheinungen auf, die ein derartiges Elektrolyt-Potentiometer sehr unstabil und störanfällig machen.It has already been proposed to meet these two conditions in that a mechanical Cosine gears the sequence of the wiper on the potentiometers supplying the voltages in controls accordingly. However, this makes the control device extensive and expensive. It is has also been proposed by a rotatably suspended within a vessel with an electrolyte Electrode arrangement to meet the conditions. Since DC voltage must be used, this occurs polarization phenomena that such an electrolyte potentiometer make it very unstable and prone to failure.

Diese Nachteile werden bei einer Regeleinrichtung für elektrostatisch wirkende Anordnungen zur Kompensation des axialen Astigmatismus in Korpuskularstrahlapparaten, bei der Amplitude und Azimut der einzustellenden Kompensationsspannungen unabhängig voneinander an regelbaren Widerständen einzustellen sind, dadurch beseitigt, daß erfindungsgemäß eine aus festen und regelbaren Widerständen zusammengesetzte Brückenschaltung vorgesehen ist, die von einer in ihrer Amplitude regelbaren Gleichspannung gespeist ist und deren Widerstände so zueinander bemessen sind, daß bei gemeinsamer Regelung zweier oder mehrerer in Reihe liegender regelbarer Widerstände sich an diesen Spannungen ergeben, deren Abhängigkeit voneinander angenähert kreisförmig ist. Der Regelbereich der zur Einstellung des Azimuts dienenden regelbaren Widerstände kann dabei zweckmäßig einem Winkelbereich von 45° entsprechen. In diesem Falle lassen sich Schaltmittel vorsehen, die eine Umschaltung der an den regelbaren Widerständen liegenden Spannungen auf die entsprechenden Stigmatorplatten in der Weise ermöglichen, daß ein Gesamtwinkelbereich von i8o° überstrichen werden kann.These disadvantages are used in a control device for electrostatically acting arrangements for compensation of the axial astigmatism in corpuscular beam apparatus, with the amplitude and azimuth of the The compensation voltages to be set can be set independently of one another on adjustable resistors are eliminated by the fact that, according to the invention, one of fixed and adjustable resistors composite bridge circuit is provided, which is controlled by a DC voltage in its amplitude is fed and their resistances are so dimensioned to each other that with common regulation two or more adjustable resistors in series result from these voltages, whose interdependence is approximately circular. The control range of the setting The adjustable resistors serving the azimuth can expediently correspond to an angular range of 45 °. In this case, switching means can be provided that allow switching of the controllable Resistances allow tensions on the corresponding stigmator plates in such a way that a total angular range of 180 ° can be covered.

Die Erfindung wird an Hand der Abbildungen näher erläutert, von denen Abb. 1 ein Schaltschema für eine gemäß der Erfindung ausgebildete Regeleinrichtung zeigt. Die zum Betrieb des Stigmators dienende Gleichspannung wird dabei von den Klemmen ι und 2 einem zur Regelung der Amplitude dienenden Potentiometer 3 zugeführt. Die an diesem Potentiometer abgegriffene Spannung CZ₀ liegt an zwei aus den Widerständen 4, 5 und 6 bzw. 7, 8 und 9 zusammengesetzten Brückenschaltungen, in denen die Widerstände 6 und 9 regelbar sind. Die Schleifer dieser beiden gemeinsam regelbaren Widerstände liegen an Erde. Zwischen den Endpunkten der regelbaren Widerstände 6 und 9 und Erde werden die zur Einstellung des Stigmators dienenden Spannungen U₁, U₂ und — !J₁, — U₂ abgegriffen. Die Festwiderstände 4, 5, 7 und 8 haben den Widerstandswert r und die regelbaren Widerstände 6 und 9 den Widerstandswert R. Die dargestellte Schaltung führt auf folgende Verknüpfung zwischen den Spannungen U₁ und U₉: The invention is explained in more detail with reference to the figures, of which Fig. 1 shows a circuit diagram for a control device designed according to the invention. The direct voltage used to operate the stigmator is fed from terminals 1 and 2 to a potentiometer 3 used to regulate the amplitude. _{The voltage CZ 0} tapped at this potentiometer is applied to two bridge circuits composed of resistors 4, 5 and 6 or 7, 8 and 9, in which resistors 6 and 9 can be regulated. The sliders of these two resistors, which can be regulated together, are connected to earth. The voltages U ₁ , U ₂ and -! J ₁ , - U _{2 used} to set the stigmator are tapped between the end points of the controllable resistors 6 and 9 and earth. The fixed resistors 4, 5, 7 and 8 have the resistance value r and the controllable resistors 6 and 9 have the resistance value R. The circuit shown leads to the following link between the voltages U ₁ and U ₉ :

[(R + r)² — r*] ■ U₁U₂-(R + r)« · (CZ₁ + CZ₂) · U + (R + r)² · CZ² = ο [(R + r) ² - r *] ■ U ₁ U ₂ - (R + r) «· (CZ ₁ + CZ ₂ ) · U + (R + r) ² · CZ ² = ο

U =U =

U_n U _n

Im Koordinatensystem CZ₁, CZ₂ stellt die Verknüpfungsgleichung eine Hyperbel dar. Da die Nebenbedingungen ο < CZ₁ < U, ο < CZ₂ < CZ bestehen, ist nur der in Abb. 2 dargestellte Bogen zwischen den Punkten (o, CZ) und (U, 0) zu betrachten. Er kann αμΓΰΙι geeignete Wahl des Verhältnisses R:r, wie dies die Abb. 2 für den WertIn the coordinate system CZ ₁ , CZ ₂ the linking equation represents a hyperbola. Since the secondary conditions ο <CZ ₁ < U, ο <CZ ₂ <CZ exist, only the arc shown in Fig. 2 is between the points (o, CZ) and (U, 0) to be considered. He can αμΓΰΙι suitable choice of the ratio R: r, as shown in Fig. 2 for the value

zeigt, der Form des gestrichelt dargestellten Kreisbogens weitgehend angeglichen werden.shows the shape of the circular arc shown in dashed lines to be largely aligned.

Da der Vektor u von 0 bis i8o° umlaufen soll, um jede beliebige Einstellung des Stigmators zu ermöglichen, können, wie Abb. 3 zeigt, Umschalter 10 und 11 vorgesehen werden, die die einzelnen Segment-Since the vector u should revolve from 0 to 180 ° in order to achieve any setting of the stigmator enable, as Fig. 3 shows, toggle switches 10 and 11 can be provided, which the individual segment

arcarc UU 45°45 ° «1"1 «2«2 00 bisuntil 90°90 ° U₁ U ₁ . U₂ . U ₂ 4545 bisuntil 135°135 ° UiUi U₂ U ₂ 9090 bisuntil i8o°i8o ° -CZ₁ -CZ ₁ -U₂ -U ₂ 135135 bisuntil U₁ U ₁ -U₂ -U ₂

paare AA', BB', CC, DD' wahlweise mit den regelbaren Spannungen CZ₁, CZ₂, — CZ₁, — CZ₂ verbinden. Die Umschaltung muß dann nach folgendem Schema vorgenommen werden.Connect pairs AA ', BB', CC, DD ' optionally with the controllable voltages CZ ₁ , CZ ₂ , - CZ ₁ , - CZ ₂ . The switchover must then be carried out according to the following scheme.

Den vier Schalterstellungen sind dann eindeutig vier Kreissegmente I bis IV vom Zentriwinkel 45° zugeordnet.The four switch positions are then clearly four circle segments I to IV with a central angle of 45 ° assigned.

527/422527/422

V 7515 VIIIc/21gV 7515 VIIIc / 21g

Eine vorteilhafte Anordnung der beiden Umschalter zum Azimutregler zeigt das in Abb. 4 dargestellte Beispiel. Steht der Azimutknebel 12 in der Stellung X, dann darf nur der linke Umschalter 10 geschaltet werden, steht er dagegen in der Stellung Y, so nur der rechte (11). Die römischen Ziffern I bis IV sind so angeordnet, daß der jeweilige Segmentbereich durch die doppelt angezeigte Ziffer ' angegeben wird. Im dargestellten Beispiel wäre also der Bereich III eingeschaltet. The example shown in Fig. 4 shows an advantageous arrangement of the two switches for the azimuth controller. If the azimuth toggle 12 is in the X position, then only the left switch 10 may be switched; if it is in the Y position, then only the right one (11). The Roman numerals I to IV are arranged in such a way that the respective segment area is indicated by the double displayed digit '. In the example shown, area III would be switched on.

Die Aufteilung des Winkelbereiches 0 bis 180° in vier Segmente hat den Vorteil, daß der ganze Drehbereich (meist 270⁰) des Azimutpotentiometers nur einen Winkelbereich von 45 ° für den korrigierenden Vektor umfaßt, so daß eine äußerst feine Einstellung möglich ist.The division of the angle range 0 to 180 ° in four segments has that the entire rotation range (usually 270 ⁰⁾ of the Azimutpotentiometers comprises the advantage of only an angular range of 45 ° for the corrected vector so that an extremely fine adjustment is possible.

Claims

Patent claims:

¹ I. Control device for electrostatically acting arrangements to compensate for the axial astigmatism in particle beam apparatus, preferably electron microscopes, in which the amplitude and azimuth of the compensation voltages to be set can be set independently of one another on controllable resistors, characterized in that a bridge circuit composed of fixed and controllable resistors is provided, which is fed by a direct voltage whose amplitude can be regulated and whose resistances are dimensioned in such a way that when two or more controllable resistors in series are jointly regulated, voltages whose interdependence is approximately circular result at these voltages.

2. Control device according to claim 1, characterized in that the control range of the components used to adjust the azimuth controllable resistors corresponds to an angular range of 45 ^0th

3. Control device according to claim 2, characterized in that switching means are provided, one switchover of the voltages applied to the controllable resistors to the corresponding ones Stigmator plates in such a way allow a total angular range of i8o ° is to be painted over.

1 sheet of drawings