DE19802409A1 - Anordnung zur Korrektur des Öffnungsfehlers dritter Ordnung einer Linse, insbesondere der Objektivlinse eines Elektronenmikroskops - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Korrektur des Öffnungsfehlers dritter Ordnung einer Linse, insbesondere der Objektivlinse eines Elek­ tronenmikroskops, bestehend aus der Objektivlinse und eines in Richtung des Strahlenganges nachge­ schalteten Korrektivs, welches gebildet wird aus einem ersten und zweiten Hexapol, einem dazwischen angeordneten Rundlinsen-Dublett aus zwei Rundlinsen gleicher Brennweite, deren beiderseitiger Abstand dem Doppelten ihrer Brennweite entspricht, von denen sich jede im Brennpunktabstand von der Mitte­ lebene des jeweils benachbarten Hexapols befindet.

Unter dem Begriff Öffnungsfehler werden all jene optischen Bildfehler zusammengefasst, die in der Gauß'schem Dioptrik durch jene Elementarbahn be­ stimmt werden, die in der abzubildenden Gegenstand­ sebene von der optischen Achse ausgehen. In hoch­ auflösenden elektronenoptischen Systemen wird die Leistungsfähigkeit, d. h. das Auflösungsvermögen durch die Öffnungsfehler begrenzt. Ein Hauptanlie­ gen der hochauflösenden Elektronenmikroskopie ist es deshalb, diese Öffnungsfehler zu beseitigen. Im Falle von Rundlinsensysteme mit gerader optischer Achse handelt es sich dabei um die sphärische Aber­ ration dritter Ordnung. Als Korrektiv wurde bereits in der Zeitschrift "Nuclear Instruments and Me­ thods" Bd. 187, 1981, Seite 187ff eine sich insbe­ sondere für das Raster-Transmissions-Elektronenmi­ kroskop geeignete Lösung vorgeschlagen. Es besteht in seinem grundsätzlichen Aufbau aus zwei Hexapo­ len, zwischen denen sich ein aus zwei Rundlinsen gleicher Brennweite gebildetes Rundlinsensystem be­ findet, deren Abstand voneinander zweimal ihrer Brennweite entspricht. Die beiden Hexapole befinden sich im Brennpunktabstand von der jeweils benach­ barten Rundlinse, so daß die Mittelebene des ersten Hexapoles in die Mittelebene des zweiten Hexapoles abgebildet wird.

In der EP 0 451 370 B1 wird eine konkrete Anwendung dieses Korrektives zur Beseitigung des Öffnungsfeh­ lers dritter Ordnung für eine als Objektiv dienende Rundlinse vorgeschlagen, bei der zwischen dem vor­ beschriebenen Korrektiv und der Objektivlinse ein weiteres Rundlinsendublett eingebracht ist, das im Aufbau und in Anordnung zum eingangsseitigen Hexa­ pol des Korrektives mit dem Rundlinsendublett des Korrektives übereinstimmt.

Als erheblicher Nachteil anzusehen ist, daß die Einstellung des Öffnungsfehlers des in der letztge­ nannten Druckschrift beschriebenen Korrektives einen erheblichen Einstellungs- und Justieraufwand erfordern. Außerdem kann in der dort beschriebenen Löschung ein einmal optimierter Korrektoraufbau nur in Verbindung mit einem Objektiv (für das er opti­ miert wurde) verwendet werden. Eine Anpassung an andere Obejektive (mit abweichender Brennweite und sphärischer Aberration) ist nur schwer oder gar nicht möglich und erfordert Änderungen im Korrektor selbst.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Auf­ gabe gestellt, das vorbeschriebene Korrektiv zur Beseitigung des Öffnungsfehlers der sphärischen Aberration dritter Ordnung im optischen Strahlen­ gang hinter einem Objektiv anzubringen und erstens eine einfache Anpassung in unterschiedliche Objek­ tive und zweitens eine einfache Feineinstellung des Öffnungsfehlers zu ermöglichen.

Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe werden zwei unabhängig voneinander realisierbare Lösungen angegeben.

In der erstbeschriebenen Lösung wird zwischen dem oben beschriebenen Korrektiv und der Objektivlinse eine Rundlinse angeordnet, die im Hinblick auf ihre Stärke und Position so einzustellen ist, daß sie zweierlei Bedingungen erfüllt: Sie soll zum einen den von der Objektivlinse ausgehenden Strahlengang als Parallelstrahl auf den Eingang des an sich be­ kannten Korrektives geben; hierin liegt eine Bedin­ gung für die von der optischen Achse im Gegenstand­ spunkt ausgehende Fundamentalbahn. Zudem hat die Rundlinse die Aufgabe die komafreie Ebene der Ob­ jektivlinse in die komafreien Ebenen der Hexapole des Korrektives abzubilden. Hieraus folgt eine Be­ dingung für die außeraxiale Fundamentalbahn, welche in den komafreien Ebenen einen Knotenpunkt auf­ weist. Aus diesen Bedingungen folgt weiterhin, daß die axiale Fundamentalbahn die optische Achse vor der Rundlinse schneidet, so daß im kurzen Abstand vor der Rundlinse ein Zwischenbild entsteht. Zur Abgrenzung gegenüber der EP 0 451 370 ist darauf hinzuweisen, daß sich dort im Gegensatz hierzu das Zwischenbild im Unendlichen befindet und die Ver­ wendung einer weiteren Rundlinse zwingend erforder­ lich macht.

Die Konstruktion des Zustandes vollständiger Kor­ rektur macht folgende Schritte erforderlich:
Ausgegangen wird hierzu von dem fest und optimal eingestellten Korrektiv. Anschließend wird die er­ findungsgemäß zwischen Objektivlinse und Korrektiv eingebrachte Rundlinse entlang der optischen Achse zur Optimierung der Vergrößerung bzw. zur Anpassung der Bahnhöhe der axialen Fundamentalbahn in ihrer Position verschoben und deren Linsenstärke einju­ stiert. Als letzter Schritt folgt die Anpassung der Objektivlinse durch Änderung deren Stärke. Hierbei ist die Stärke der Änderung der Objektivlinse ver­ gleichsweise gering und beträgt für typische Objek­ tive weniger als 10%. Die Anpassung und Einjustie­ rung des Zustandes vollständiger Korrektur erfolgt damit primär über Anordnung und Einstellung der Rundlinse in der angegebenen Weise. Zur Justierung des Korrekturzustandes ergeben sich keine wesentli­ chen Nachteile im Hinblick auf die Koeffizienten der Bildfehler. Der entscheidende Vorteil ist darin zu sehen, daß nicht das Korrektiv entsprechend dem Öffnungsfehler und der Brennweite der Objektivlinse und dem gewünschten Restöffnungsfehler anzupassen ist, was im Hinblick auf die Zahl der zu ändernden Elemente des Korrektives und in Hinblick auf dessen Stabilität erhebliche und umfangreiche Justierpro­ bleme mit sich bringen würde. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Anpassung mit Hilfe der Rundlinse ist hingegen einfach und unproblematisch durchführ­ bar.

Neben der wesentlichen Vereinfachung der Justierung ergibt sich im Hinblick auf den Stand der Technik eine wesentliche Vereinfachung des apparativen Auf­ baues, da nurmehr noch eine einzige Rundlinse ein­ zusetzen ist. Hieraus folgt zum Beispiel, daß für die räumliche Unterbringung dieser Rundlinse, die im Objektivpolschuh zu erfolgen hat und hierdurch begrenzt ist, gerade in radialer Hinsicht ausrei­ chend Raum zur Verfügung steht. Darüber hinaus ist auch die aufzuwendende Kühlleistung wesentlich re­ duziert.

Die vorbeschriebene Korrekturanordnung hat zum Ziel, die sphärische Aberration dritter Ordnung völlig zu eliminieren. Der Vollständigkeit halber ist klarzustellen, daß im Betrieb zur Erzeugung ei­ nes Phasenkontrastes die sphärische Aberration nicht zu Null, sondern zu einem Wert heruntergefah­ ren wird, der etwa 1 bis 5% des ursprünglichen Wertes beträgt. Diese Einstellung des geringen Bildfehlers dritter Ordnung erfolgt durch Einju­ stierung über Änderung der Stärke der Rundlinse und nicht des Korrektors, wie bei der bekannten Lösung.

Auch hierzu ist also die erfindungsgemäße Korrektu­ ranordnung vorzüglich geeignet.

Eine weitere, hiervon völlig unabhängige Lösung der Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Brenn­ weiten der Rundlinsen des Dubletts zwischen Objek­ tiv und Korrektor unterschiedlich sind, der Abstand der objektivnahen Rundlinse von der komafreien Ebene des Objektivs gleich deren Brennweite ist, der Abstand der korrektivnahen Rundlinse von der komafreien Ebene des Korrektivs gleich deren Brenn­ weite ist und der Abstand beider Rundlinsen gleich der Summe deren Brennweiten ist.

Diese Lösung ist im Hinblick auf die Zahl der ver­ wendeten Elemente identisch zu der in der EP 0 451 370 angegebenen Lösung, mit entscheidenden Unter­ schieden in der räumlichen Anordnung der beiden Rundlinsen zwischen der Objektivlinse und dem Kor­ rektiv sowie deren Brennweiten. Hier wird ausdrück­ lich und in Abweichung zu der dort vorgeschlagenen Lösung gefordert, daß die Brennweiten dieser beiden Rundlinsen unterschiedlich sind und die räumliche Anordnung in der Weise erfolgt, daß der Abstand der objektivnahen Rundlinse von der komafreien Ebene des Objektivs gleich deren Brennweite und der Ab­ stand der zweiten, korrektivnahen Rundlinse von der komafreien Ebene des Korrektives bzw. der koma­ freien Ebene des eingangsseitigen Hexapols gleich deren Brennweite ist. Hinzu kommt, daß der Abstand beider Rundlinsen gleich der Summe beider Brennwei­ ten ist. Letzte Forderung geht im Grenzfall der Identität der beiden Brennweiten in die Forderung gemäß der EP 0 451 370 über.

Die Anpassung des Korrektors an ein geg. Objektiv erfolgt ähnlich der vorbeschriebenen Lösung. Ausge­ hend von einem optimierten, also auffesten Wert eingestellten Korrektiv wird zwischen die Objektiv­ linse und-das Korrektiv die aus zwei Rundlinsen be­ stehende Anordnung eingebracht. Durch Festlegung der Brechkraft und der Position der beiden Rundlin­ sen erhält man eine Anpassung an die Objektivlinse. Dadurch wird nicht nur die Korrektur für eine Ob­ jektivlinse mit einem bestimmten Wert der sphäri­ schen Aberration möglich, sondern es läßt sich die Korrektur der sphärischen Aberration beeinflussen dahingehend, daß durch ein- und dasselbe Korrektiv die verschiedenen Werte der sphärischen Aberration bei verschiedenen Objektivlinsen kompensiert werden können. In vorteilhafter Weise ist eine Anpassung des Korrektivs an den jeweiligen Wert der sphäri­ schen Aberration der Objektivlinse nicht zwingend erforderlich. Eine konstruktive Anpassung des Kor­ rektives an die jeweilige Objektivlinse erübrigt sich demzufolge, da die Anpassung über die Einstel­ lung und geeignete Positionierung der Rundlinsen erfolgt. Auch hier erfolgt eine Anpassung des auf optimale Verhältnisse voreingestellten Korrektives an die jeweilige Objektivlinse mit ihrem jeweiligen Wert der sphärischen Aberration über Einstellung und geeignete Positionierung der dazwischen ange­ ordneten beiden Rundlinsen.

Gegenüber der vorgenannten Lösungsalternative be­ stehen jedoch in baulicher Hinsicht Nachteile, die aufgrund der Integration zweier Rundlinsen einen ein vorgegebenes Volumen entstehen und eine erhöhte Kühlleistung sowie einen komplizierten Aufbau zur Folge haben, wie im Falle der bekannten Lösung.

In einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, die Brennweite der korrektivnahen Rundlinse kleiner als die Brennweite der objektivnahen Rundlinse zu wäh­ len. Bei einer derartigen Anordnung erhält man eine Verringerung der Korrekturwirkung des Öffnungsfeh­ lers.

Im entgegengesetzten Fall einer größeren Brennweite der korrektivnahen Rundlinse hingegen erhält man eine Vergrößerung der Korrekturwirkung.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile lassen sich dem nachfolgenden Beschreibungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnung jeweils ein Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung in prinzipienhafter Darstellung wiedergegeben ist. Es zeigen:

Fig. 1 den Strahlengang einer Korrekturanord­ nung, bei der zwischen Objektivlinse und Korrektiv eine einzige Rundlinse angeordnet ist,

Fig. 2 eine Anordnung, bei der zwischen Objek­ tivlinse und Korrektiv zwei Rundlinsen unterschiedlicher Brennweite angeordnet sind.

In Fig. 1 ist der Strahlengang der beiden Funda­ mentallösungen der Gauß'schen Dioptrik in den ein­ zelnen optischen Elementen der Korrekturanordnung bestehend aus einem Korrektiv (1), einer Objektiv­ linse (2) und einer dazwischen angeordneten Rund­ linse (3) wiedergegeben. Die von der optischen Achse ausgehende Fundamentalbahn der Gauß'schen Di­ optrik ist mit (4) und die außeraxiale Fundamental­ bahn mit (5) bezeichnet. Die komafreie Ebene (6) der Objektivlinse (2) wird durch den Knotenpunkt der außeraxialen Bahn (5) beschrieben. Die Rund­ linse (3) wird so angeordnet, daß die Bahn (5) so gebrochen wird, daß der nächste Knotenpunkt in der komafreien Ebene (7) des ersten Hexapols des Kor­ rektives (1) zu liegen kommt. Die axiale Bahn (4) durchstößt die optische Achse, wo ein Zwischenbild entsteht und wird durch die Rundlinse (3) parallel auf das Korrektiv gerichtet. Ihre Bahnhöhe läßt sich durch Verschieben der Rundlinse (3) in Rich­ tung der optischen Achse beeinflussen.

Während es Betriebs des Gesamtsystems kann später die Feineinstellung der sphärischen Aberration durch geeignete Variation der Stärken der Linsen (2) und (3) erfolgen.

Das Korrektiv selbst besteht in an sich bekannter Weise aus zwei, jeweils außen liegenden Hexapolen (8, 9) und einem dazwischen befindlichen Rundlin­ sendublett, bestehend aus zwei Rundlinsen (10, 11) von gleicher Brennweite, deren Abstand der doppel­ ten Brennweite entspricht. Der Abstand zwischen der Rundlinse zu ihrem benachbarten Hexapol entspricht jeweils ebenfalls der Brennweite. Dieses an sich bekannte Korrektiv dient der Beseitigung der sphä­ rischen Aberration dritter Ordnung.

In Fig. 2 ist ebenfalls der Strahlengang zwischen der Objektivlinse (12) und dem Korrektiv (13) im einzelnen anhand der Fundamentalbahnen der Gauß'schen Dioptrik beschrieben, wobei das Korrek­ tiv (13) mit dem vorbeschriebenen Korrektiv (1) in identischer Weise übereinstimmt, so daß zur Vermei­ dung von Wiederholung auf ein nochmaliges Beschrei­ ben verzichtet wird.

Im Unterschied hierzu befinden sich zwischen der Objektivlinse (12) und dem Korrektiv (13) nunmehr zwei Rundlinsen (14, 15) von jeweils unterschiedli­ cher Brechkraft. Die Anordnung erfolgt in der Weise, daß die erste Rundlinse (14) von der komaf­ reien Ebene (16) der Objektivlinse (12) im Abstand ihrer Brennweite angeordnet ist. Die zweite Rund­ linse (15) ist hiervon einerseits im Abstand der Summe der Brennweiten der beiden Rundlinsen (14, 15) von der objektivseitigen Rundlinse (14) ent­ fernt und andererseits im Abstand ihrer Brennweite von der komafreien Ebene (17) des ersten Hexapols (18) im Abstand ihrer Brennweite angeordnet.

Für ein voreingestelltem Korrektiv erfolgt eine An­ passung über die Einstellung der Brechkraft und die Festlegung der Position der beiden Rundlinsen (14, 15) an die jeweilige Objektivlinse (12). Unter Bei­ behaltung der Einstellung des Korrektives erfolgt die Anpassung an die jeweiligen Werte der sphäri­ schen Aberration der jeweiligen Objektivlinse (12), so daß es möglich wird, ein- und dasselbe Korrektiv (13) für Objektive mit unterschiedlichen Werten der Brennweite und sphärischen Aberration einzusetzen.

Im Ergebnis zeigen beide Figuren jeweils Lösungen auf, durch die mit geringem Justieraufwand ein vor­ eingestelltes und optimiertes Korrektiv an die je­ weiligen Objektivlinsen angepaßt werden kann, und bei dessen mit Hilfe von Rundlinsen der jeweils ge­ wünschten Restöffnungsfehler eingestellt werden kann.

Claims (4)

1. Anordnung zur Korrektur des Öffnungsfehlers dritter Ordnung einer Linse, insbesondere der Ob­ jektivlinse eines Elektronenmikroskops, bestehend aus der Objektivlinse und eines in Richtung des Strahlenganges nachgeschalteten Korrektivs, welches gebildet wird aus einem ersten und zweiten Hexapol, einem dazwischen angeordneten Rundlinsen-Dublett aus zwei Rundlinsen gleicher Brennweite, deren bei­ derseitiger Abstand dem Doppelten ihrer Brennweite entspricht, von denen sich jede im Brennpunktab­ stand von der Mittelebene des jeweils benachbarten Hexapols befindet, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Objektivlinse (2) und Korrektiv (1) eine einzige Rundlinse (3) angeordnet ist, die so eingestellt ist, daß zum einen der Strahlengang parallel auf das Korrektiv (1) trifft und zum ande­ ren die komafreie Ebene (6) der Objektivlinse in die komafreie Ebene (7) des Hexapols (8) des Kor­ rektivs (1) abgebildet wird.

2. Anordnung zur Korrektur des Öffnungsfehlers dritter Ordnung einer Linse, insbesondere der Ob­ jektivlinse eines Elektronenmikroskops, bestehend aus der Objektivlinse und eines in Richtung des Strahlenganges nachgeschalteten Korrektivs, welches gebildet wird aus
einem ersten und zweiten Hexapol,
einem dazwischen angeordneten Rundlinsen-Dublett aus zwei Rundlinsen gleicher Brennweite, deren bei­ derseitiger Abstand dem Doppelten ihrer Brennweite entspricht, von denen sich jede im Brennpunktabstand von der Mittelebene des jeweils benachbarten Hexapols be­ findet,
wobei zwischen Objektivlinse und Korrektiv zwei Rundlinsen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweiten der Rundlinsen (14, 15) unter­ schiedlich sind,

• - der Abstand der objektivnahen Rundlinse (14) von der komafreien Ebene (16) des Objektivs gleich de­ ren Brennweite ist,
• - der Abstand der korrektivnahen Rundlinse (15) von der komafreien Ebene (17) des Korrektivs gleich de­ ren Brennweite ist und
• - der Abstand beider Rundlinsen (14, 15) gleich der Summe deren Brennweiten ist.

3. Anordnung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Verringerung der Korrekturwirkung des Korrektors die Brennweite der zweiten Rundlinse (15) kleiner ist als die Brennweite der ersten Rundlinse (14).

4. Anordnung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Vergrößerung der Korrekturwirkung des Korrektors die Brennweite der zweiten Rundlinse (15) größer ist als die Brennweite der ersten Rund­ linse (14).