DE2213208A1 - Korpuskularstrahloptisches abbildungssystem - Google Patents

Description

Mein Zeichen: VPA 72/8304 Wss/Lo

Korpuskularstrahloptisches Abbildungssystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein rotationssymmetrisches, sphärisch korrigiertes korpuskularstrahl-, insbesondere elektronenoptisches Abbildungssystem mit einer Objektivlinse, die durch eine Ringblende bis auf eine ringförmige Zone abgeblendet ist, und einer ersten Zusatzlinse, die hinter der von der Objektivlinsenzone erzeugten ringförmigen Kaustikflache des vom Achsenpunkt der Objektebene ausgehenden Hohlstrahlbündeis angeordnet ist und dieses Bündel auf einen Achsenpunkt fokussiert. Ein derartiges Abbildungssystem ist beispielsweise aus dem Beitrag von Bothe aus "Naturwissenschaften",, Bd„ 37? 195O₅₁ Seite 41, bekannt. -

Alle bisherigen Vorschläge zur Korrektur des Öffnungs- und des axialen Farbfehlers von Elektronenobjektiven gehen von einem Theorem von Scherzer aus₅ das besagt, daß magnetische oder elektrische Abbildungsfelder, die rotationssymmetrisch_s raumladungsfrei und zeitlich konstant sind, immer einen von Null verschiedenen positiven Öffnungsfehler 3<, Ordnung und einen axialen Farbfehler 1. Ordnung besitzen. Ein Abweichen von diesen drei Eigenschaften ermöglicht die Korrektur der beiden Fehler. Von den sich daraus ergebenden Wegen zur Korrektur, die man bisher beschritten hat, seien hier genannt?

1. Verwenden von Quadrupol-Oktopolfeidern (unrunde Linsen),.

2. Erzeugen von Raumladungen oder Anbringen einer zylinderförmigen Elektrode längs der optischen Achse,

3. Verwenden von. Hochfrequenzlinsen„

·; -, 309840/052S

~ ²"

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Dabei verspricht man sich von den unrunden Linsen das meiste, um die durch immer bessere Konstruktionen schon kleinen Öffnungs- und Farbfehler der jetzigen Elektronenobjektive noch weiter zu reduzieren.

Ein anderes Prinzip zur Kompensation des Öffnungsfehlers liegt dem Abbildungssystem zugrunde, das Bothe bei einem sogenannten Doppellinsen-ß-Spektrometer verwendet hat. Dieses Prinzip sei hier beschrieben, weil es auch in dem Abbildungssystem gemäß der Erfindung angewandt wird. In diesem Doppellinsenß-Spektrometer werden zwei gleiche Linsen 1 und 2 benutzt, um einen Teil der τοη einer ß-Strahlenquelle ausgehenden Elektronen eines "bestimmten Impulses zu fokussieren (Fig. 1). Die Begrenzung dss vor», der Quelle 0 ausgehenden Elektronenstrahl bündele -arfolgt durch eins Ringblende 3 hinter der Objektdvlinse 1_t Tor» dem entstehenden Kühlstrahlbündel werden in Fig_£ 1 nur strahlen verfolgt, die in der Meridionalebene liegen^ die G-as^mtiisit dieser Strahlen wird als Zonenbüschel bezeichnet« Bis Quelle 0 liegt zwischen der Objektivlinse 1 und ihrem gegenstandeseltigen Brennpunkt F, so daß achsennahe Strahlen hinter dieser idnse (ohne Ringblende) divergent verlaufen. Der öffnungsfehler· dieser Linse bewirkt, daß Strahlen mit größer 'verdar-dem Ac-baenafostanc immer stärker zur Achse S Mn abgelenkt nsräer^ Der zwischen den beiden Linsen 1 und .... gsräd© a^hsenparallal verlaufende Strahl ist der Hauptstrahl des Sonenbüsoii^ls, Die aew Eauptstrahl benachbar

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-3-

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ORIGINAL INSPECTED

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abstandes schwächer zur Achse Mn ab als den Hauptstrahl, während sie durch den Öffnungsfehler der Objektivlinse 1 stärker zur Achse hin abgelenkt wurden. Genau das umgekehrte gilt für Strahlen mit kleinerem Achsenabstand in der Objektivlinse 1 und größerem Achsenabstand in der Linse 2, wieder bezogen auf den Hauptstrahl. Die Linsenanordnung wirkt daher so, daß sich die Einflüsse der gleich großen Öffnungsfehler beider Linsen auf die Vereinigung der von einem Achsenpunkt ausgehenden und durch die Ringzonen der beiden Linsen verlaufenden Strahlen gegenseitig kompensieren. Die den Haupt-» strahlen benachbarten Strahlen schneiden daher die optische Achse hinter der Linse 2 etwa im gleichen Punkt 5.

Das hier verwirklichte Prinzip der gegenseitigen Kompensation des Einflusses der Öffnungsfehler zweier Rundlinsen der herkömmlichen Bauart widerspricht nicht dem Scherzerschen Theorem« Der resultierende Öffnungsfehler 3. Ordnung des Doppellinsensystems hat das gleiche Vorzeichen wie die Öffnungsfehler 3· Ordnung der einzelnen Rundlinsen und ist von Null verschieden. Durch die Kombination zweier Linsen entstehen jedoch große resultierende Öffnungsfehler 5. und höherer Ordnung, deren Vorzeichen zum Teil dem Vorzeichen des resultierenden Öffnungsfehlers 3. Ordnung entgegengesetzt sind. Im Falle der Fokussierung des Hohlstrahlbündels kompensieren sich gerade die eine Strahlenvereinigung störenden Einflüsse der resultierenden Öffnungsfehler 3., 5. und höherer Ordnung.

Lenz (Habilitationsschrift, Aachen 1957) hat gezeigt, daß mit dem Strahlengang nach Fig. 1 eine Fokussierung 2. Ordnung möglich ist; das heißt, daß die Abweichung -von der punktförmigen Vereinigung der Strahlen im Fokus nicht von A(H in . 1. und 2. Ordnung abhängt, wobei Αΰί der Winkel ist, den ein Strahl des Hohlstrahlbündels mit dem Hauptstrahl einschließt. Dieser Fokus ist wegen der Gestalt der ihn umgebenden Kaustikfläche von Lenz als "Kegelschneidenfokus" bezeichnet worden (siehe auch Noven, Zeitschrift für angewandte Physik, 1964, Seiten 329 bis 341). ₃₀9840/0S28

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Eine mehr oder weniger scharfe Abbildung einer kleinen Umgebung des Achsenpunktes 0 setzt voraus, daß die Sinusbedingung

wenigstens annähernd erfüllt ist, wobei cC die gegenstandsseitige und -ψ die bildseitige Neigung eines Strahls gegen die Achse ist. Bei dem Strahlengang nach Fig. 1 ist die Reihenfolge der Strahlen hinter der Linse 2, von der Achse her gesehen, gegenüber der Strahlreihenfolge vor der Linse vertauscht. Dadurch ist die Sinusbedingung grob verletzt. Die Anordnung nach Fig. 1 liefert daher zwar eine Abbildung des Achsenpunktes 0 im Punkt 5; sie ist jedoch außerstande, Strukturen eines Objektes abzubilden, das sich über eine Umgebung des Punktes O erstreckt.

Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, ein Abbildungssystem der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß es in der Lage ist, nicht nur einen Achsenpunkt, sondern ein ausgedehntes Objekt scharf abzubilden. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in Strahlrichtung hinter; der genannten Kaustikflache eine zweite, gegenüber der Objektivlinse langbrennweitige Zusatzlinse angeordnet ist, die vor der ersten Zusatzlinse eine weitere ringförmige Kaustikflache erzeugt. Die zweite Zusatzlinse bewirkt eine Umkehr der von der Achse aus gerechneten Strahlreihenfolge vor dem Eintritt des Ho.hlstrahlbündeis in die erste Zusatzlinse, so daß die bildseitige Strahlreihenfolge die gleiche ist wie die gegenstandsseitige und damit die Sinusbedingung erfüllt werden kann.

Die Anwendung der Erfindung kommt insbesondere bei einer Abbildung durch Elektronenstrahlen, aber auch durch Ionenstrahl en in Betracht. Die Linsen des Atbildungssystems können sowohl als elektrostatische wie als magnetische Linsen ausgebildet sein. Von besonderer Bedeutung ist das Abbildungs-

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system für Korpuskularstrahlmikroskope, insbesondere Elektronenmikroskope, bei denen eine vergrößernde Abbildung gefordert wird. In diesem Falle wird man die erste Zusatzlinse so gestalten, daß sie ebenso wie die zweite Zusatzlinse langbrennweitig gegenüber der Objektivlinse ist.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Das Abbildungssystem besteht aus drei Linsen: der zu korrigierenden Objektivlinse und zwei Zusatzlinsen zur Korrektur. Das Präparat ist - wie beim Doppellinsen-ß-Spektrometer nach Bothe - innerhalb der Brennweite der Objektivlinse angeordnet. Das vom Achsenpunkt 0 der Objektebene ausgehende Strahlenbündel wird in der Austrittsblendenebene von einer Ringblende 3 begrenzt. Von dem entstehenden Hohlstrahlbündel v/erden wieder nur die Strahlen eines Zonenbüschels verfolgt. Die Strahlen des Zonenbüschels schneiden sich hinter der Objektivlinse 1 - bedingt durch deren Öffnungsfehler - in den Punkten einer begrenzten Kaustiklinie 4. Hinter dieser Eaustiklinie ist die Strahlreihenfolge - von der Achse 8 her gesehen - vertauscht und der Öffnungsfehler der zweiten Zusatzlinse 6 wirkt daher dem Öffnungsfehler des Objektivs entgegen. Die zweite Zusatzlinse hat die Aufgabe, die Strahlreihenfolge so wiederherzustellen, wie sie vor der Objektivlinse 1 bestand. Die zweite Zusatzlinse 6 ist, verglichen mit der Objektivlinse 1, langbrennweitig, damit das Zonenbüschel nur eine geringe Ablenkung erfährt. Ihr Öffnungsfehler soll besonders groß sein, damit sich die divergent in eine Randzone der Linse eintretenden Strahlen des Büschels in einer nicht zu großen Entfernung hinter der Linse 6 längs einer zweiten, kurzen Kaustiklinie 7 noch einmal schneiden» Nach dieser Überschneidung fokussiert die erste Zusatzlinse 2 das gleichfalls divergent in eine Randzone dieser Linse eintretende Zonenbüschel auf der optischen Achse. Die erste Zusatzlinse 2 soll deshalb ebenfalls einen großen Öffnungsfehler haben. Sie ist langbrennweitig, damit das Zonenbüschel im Bildraum einen kleinen Winkel -ψ₀ mit der optischen Achse

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einschließt. Das Sinusverhältnis von gegenstandsseitiger Neigung zu bildseitiger Neigung des Zonenbüschels bestimmt die Vergrößerung der Abbildung

sin öC_Q

ο ⁼ sin ψ *

Aus der Fig. 2 erkennt man, daß das Zonenbüschel den Achsenpunkt 0 der Objektebene dreimal abbildet. Überträgt man diese Vorstellung in Fig. 2 auf das gesamte Hohlstrahlbündel, dann folgt, daß in der ersten und einer zweiten Zwischenbildebene als astigmatiscne Bilder des Achsenpunktes 0 Kaustikringe entstehen, die die optische Achse konzentrisch umschließen. Die Hauptstrahlen aller Zonenbüschel mit der optischen Achse als Symmetrieachse bilden die Hauptfläche des Hohlstrahlbündels.

Der Strahlengang in der Fig. 3 zeigt die Abbildung eines in der Meridionalebene liegenden Bereiches 2r um den Achsenpunkt 0 der Objektebene herum durch das in Fig. 2 dargestellte Abbildungssystem. Der Bereich ist durch einen Pfeil dargestellt, um anzudeuten, daß das ebenfalls in der Meridionalebene liegende erste Zwiseiienbild 2r' astigmatisch und umgekehrt, das zweite 2r^H astigmatisch und aufrecht und das dritte BiIr. 2.r"' stigmatisch und umgekehrt ist. Die Vergrößerung jeder Abbildungsstufe ist durch das Verhältnis von Bildweite zu Gegenstandsweite gegeben, wobei beide längs eines Zonenbüschel-Hauptstrahls zu messen sind. Das Produkt der drei Einzelvergrößerungen M,,, M£ und M^ ergibt die Gesamtvergrößerung JL.ρ·*» die gleichzeitig durch das Verhältnis

■sin cC

sin ~ψ ¹ ο

(s. Fig. 2) bestimmt ist. Is gilt also M^₂? = ^₀·

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Es sei hier auf einen wesentlichen Unterschied zwischen der Korrektur des Öffnungsfehlers in der Umgebung der Achse und der Korrektur einer Ringzone hingewiesen. Bei der Korrektur von der Achse her wird der zulässige Aperturwinkel QC vergrößert und damit das Auflösungsvermögen verbessert. Im Gegensatz hierzu kann man den Öffnungswinkel des Hohlstrahlbündeis von vornherein groß wählen und damit eine hohe Auflösung an- · streben. Die Abdeckung des achsennahen Bereiches durch den zentralen Teil der Ringblende verschlechtert aber den Kontrast. Durch eine Korrektur des Öffnungsfehlers der Ringzone erreicht man eine Vergrößerung der zulässigen Ringbreite und damit eine Verbesserung des Kontrastes. Mit Vorteil wird bei dem Abbildungssystem nach der Erfindung die radiale Breite der Objektiv!insenzone (d, Fig. 2) so gewählt, daß die Wellenaberration des Hohlstrahlbündels höchstens A/4 beträgt, wobei Λ die Wellenlänge der abbildenden Strahlung ist. Für eine scharfe Abbildung ist es ferner auch hier von Vorteil, die Linsen des Abbildungssystems so zu erregen«, daß sich im Bildraum ein Kegelschneidenfokus ergibt.

Für das korrigierte Abbildungssystem aus drei Linsen gemäß den Figuren 2 und 3 läßt sich ein Zonen-Öffnungsfehlerkoeffizient C"_ für das Hohlstrahlbündel wie folgt definieren?

Hierbei bedeuten <*= Radius des Öffnungsfehlerscheibchens in der Bildebene des korrigierten Abbildungssystems, M die Vergrößerung, oC_Q die Neigung eines Hauptstrahls des Hohlstrahl~ bündeis in der Präparatebene, (ü die Neigung eines dem Hauptstrahl benachbarten Strahles. Das Öffnungsfehlerscheibchen hängt von ΔCC= (<£ - CC_Q) in 3. Potenz ab, weil das Abbildungssystem sphärisch bis zur 2« Ordnung korrigiert ist. Im Gegensatz zum Zonen-Öffnungsfehlerkoeffizienten.der einzelnen Rundlinsen, die nach dem Scherzerschen Theorem grundsätz-

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lieh positive Vorzeichen haben, ist der Zonen-Öffnungsfehlerkoeffizient C. des Abbildungssystems aus drei Linsen nega-

OZ

tiv. Das System ist geringfügig überkorrigiert.

Diese Überkorrektur kann dadurch beseitigt werden, daß in Strahlrichtung hinter der ersten Zusatzlinse eine dritte, gegenüber der Qbjektivlinse langbrennweitige Zusatzlinse angeordnet ist. Durch den positiven Zonen-Öffnungsfehlerkoeffizienten dieser dritten Zusatzlinse läßt sich der negative Zonen-Öffnungsfehlerkoeffizient 3. Ordnung des bisher behandelten dreilinsigen Abbildungssystems kompensieren. Das Abbildungssystem aus einer Objektivlinse und drei Zusatzlinsen ist dann bis zur 3. Ordnung sphärisch korrigiert. In Fig. 2 ist die dritte Zusatzlinse "gestrichelt angedeutet und mit bezeichnet.

Es soll nunmehr auf die Ausbildung von magnetischen Linsen eingegangen werden, die als langbrennweitige Zusatzlinsen für das Abbildungssystem nach der Erfindung geeignet sind. Eine derartige magnetische Linse ist in Fig. 4 schematisch dargestellt; ihre Spaltbreite ist mit S, ihr Bohrungsdurchmesser mit D bezeichnet.

Für alle langbrennweitigen Linsen mit kleiner Linsenstärke ist die Größe

ο T.2
D ,

wobei C₀ der Öffnungsfehlerkoeffizient und f die Brennweite ist, nur von dem Verhältnis der Spaltbreite S zum Bohrungsdurchmesser D abhängig. Zum Beispiel gilt für eine Linse mit _D - ι.

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Wie oben bereits gezeigt wurde, wird von den Zusatzlinsen ein möglichst großer Öffnungsfehler gefordert, wobei die Brennweiten durch andere Bedingungen mehr oder weniger festgelegt sind. Man kann daher zur Erzielung eines großen Öffnungsfehlers nur versuchen, den Bohrungsdurchmesser D möglichst klein zu wählen* Diese Möglichkeit ist jedoch dadurch begrenzt, daß die Bohrung größer sein muß als der Querschnitt des Hohlstrahlbündels. Man gelangt daher bei Verwendung von Zusatzlinsen kleiner Linsenstärke zu Baulängen des Abbildungssystems in der Größenordnung von 1 m und mehr.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden daher als magnetische Zusatzlinsen solche verwendet, die annähernd teleskopische Linsenstärke haben. Diese Linsenstärke ist dadurch definiert, daß achsparallel in die Linse eintretende, achsnahe Strahlen die Achse innerhalb des Linsenfeldes einmal oder mehrfach kreuzen und wieder achsparallel aus der Linse austreten. Bei diesen Linsen hängt die Größe

nur vom Spalt-Bohrungsverhältnis ab. Bei gleichem Bohrungsdurchmesser D ist also bei dieser Linsenstärke der Öffnungsfehlerkoeffizient C₀ der 4. Potenz der Brennweite proportional im Gegensatz zur 3. Potenz bei kleiner Linsenstärke. Man kann bei teleskopischen Zusatzlinsen und bei einer Gesamtlänge des Abbildungssystems von z. B. 500 mm die Bohrung 10- bis 15mal größer machen, als der Durchmesser des Hohlstrahlbündels beträgt, wodurch es überdies möglich wird, etwaige Unrundheiten , der Linsenfelder im Bereich des Hohlstrahlbündels durch Stigmatoren zu korrigieren.

Die Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform des Abbildungssystems nach der Erfindung, bei der die Zusatzlinsen 2 und 6 eine schwach überteleskopische Linsenstärke haben. Als Objektiv™

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linse 1 ist ein an sich bekanntes Einfeld-Kondensorobjektiv eingesetzt, das nahezu den minimalen, mit Rundlinse und Vollstrahl erreichbaren öffnungsfehler besitzt. Ein solches Einfeld-Kondensorobjektiv ist eine Linse, bei der der in Strahlrichtung vor dem Objekt liegende erste Teil des Feldes als Kondensor und der zweite Teil als Objektiv wirkt. Zur Verminderung der Objektbelastung ist auch vor der Objektivlinse eine Ringblende 9 angeordnet.

Für das ß-Sxjektrometer aus zwei gleichen Linsen hat Bothe 1950 gezeigt, daß das System bei bestimmten Brechkräften der Einzellinsen als Achromat wirkt. Das dreilinsige Abbildungssystem gemäß der Erfindung wirkt auf ein Hohlstrahlbündel ebenfalls als Achromat, wenn folgende Bedingung erfüllt ist:

τ 2 r^| 2 T₉ Z

Cp . \ψ~) + C-p (ψν — Cp (ψ/ ⁼ C. ^rObj ο ^r1 "Η ^LZ ^X2

Hierin bedeuten C_r · C₁-, , C_r die Farbfehlerkoeffizienten

^FObj" ^F1 ¹Z

für unendliche Vergrößerung der drei Linsen in der Reihenfolge Objektiv, erste und zweite Zusatzlinse; f , f^ und ϊ₂ sind die entsprechenden Brennweiten und τ*_t Tp die Achsenabstände der Hauptfläclie des Hohlstrahlbündels in den Zusatzlinsen; r ist der Aohsenabstand der Hauptfläche in der im feldfreien Raum angenommenen Austrittsblendenebene der Objektivlinse.

In Fig. 6 ist der Strahlengang für die Abbildung des Achsenpunktes der Präparat-ebene durch aas sphärisch und chromatisch korrigierte Abbildungssystem wiedergegeben. Dabei ist der Strahlsnverlauf in d: .-. ΐ·. .cen Zusatzlinsen vereinfacht dargestellt ί beide Linsen werden bei schwach überteleskopischer Linsenstärke betrieben und lenken die Strahlen so ab, wie es im Prinzip in Fig. 5
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Vom Achsenpunkt 0 der Präparatebene in Fig. 6 gehen nach beiden Seiten der optischen Achse je zwei durchgezogen bzw. gestrichelt dargestellte Elektronen-Strahlenbüschel aus* die sich durch ihre Strahl spannung U bzw. U -AU unterscheiden und durch die Ringblende 3 hinter dem Objektiv 1 begrenzt werden. Im folgenden werden die beiden links von der optischen Achse liegenden Strahlenbüschel betrachtet»

Der störende Einfluß des Öffnungsfehlers der Objektivlinse auf den Verlauf der beiden Zonenbüschel unterschiedlicher Strahlspannung wird in derselben Weise, wie oben für ein Zonenbüschel gezeigt wurde, durch den Einfluß der Öffnungsfehler der zwei Zusatzlinsen kompensiert.

Die Kompensation der Wirkung des Farbfenlers der Objektivlinse durch die Farbfehler der Zusatzlinsen wird am Beispiel der - im Objektiv von der Achse her gesehen - äußeren Randstrahlen 11 und 12 der Zonenbüschel erläutert. Sie sind dadurch ausgezeichnet, daß sie hinter der Objektivlinse die Ringblende 3 gerade am äußeren Rand R passieren und sich dort schneiden. Der gestrichelt gezeichnete Strahl 11 mit der kleineren Strahlspannung U - Δ U wird wegen des Farbfehlers von der Objektivlinse 1 stärker abgelenkt als der andere Strahl 12 mit der größeren Strahlspannung U. Sie durchlaufen die Objektivlinse in verschiedenen Achsabständen; der energiearme Strahl 11 (U - A U) weiter außen als der energiereiche Strahl 12 (U). Die den Einfluß des Objektiv-Farbfehlers kompensierende Wirkung der zweiten Zusatzlinse 6 besteht darin, daß der energiearme Strahl 11 diese Linse weiter innen durchläuft als der energiereiche Strahl 12 und daher durch den Farbfehler dieser Linse schwächer abgelenkt wird. Hinter der zweiten Zusatzlinse und vor der ersten Zusatzlinse schneiden, sich beide Strahlen noch einmal im Punkt R». Sie treten daher in die erste Zusatzlinse 2 in derselben Reihenfolge ihrer Achsabstände ein wie in die Objektivlinse 1. Die Wirkung des Farbfehlers dieser Linse auf die Strahlablenkung muß daher

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von der zweiten Zusatzlinse/mit kompensiert werden. Mathematisch drückt sich die Farbfehlerkorrektur durch die zweite Zusatzlinse in der Achromasiebedingung dadurch aus, daß in dieser - in den Farbfehlerkoeffizienten der drei Linsen linearen Gleichung - der Farbfehlerkoeffizient der zweiten Zusatzlinse ein negatives Vorzeichen erhält.

Auch hinsichtlich der Korrektur des Farbfehlers der durch die Ringblende begrenzten Objektivlinsenzone ist es - ebenso wie bei der Öffnungsfehlerkorrektur - von Vorteil, wenn die beiden Zusatzlinsen bei annähernd teleskopischer Linsenstärke arbeiten, insbesondere zur Erzielung einer nicht zu großen Baulänge.

An einem Beispiel soll jetzt gezeigt werden, welche Parameter des Abbildungssystems unabhängig vorgegeben werden können und welche anderen Parameter damit eindeutig festgelegt sind, wenn die Abbildung sphärisch und chromatisch korrigiert und die Sinusbedingung erfüllt sein soll. Das Beispiel zeigt zugleich die Leistungsfähigkeit eines korrigierten Elektronenstrahl-Abbildungssystems nach der Erfindung.

Es v/erden vorgegeben:

1. die Strahlspannung U = 10 kV,

2. die Objektivdaten:

a) Brennweite f = 0,8 mm,

b) Öffnungsfehlerkoeffizient C. = 0,5 mm,

c) Farbfehlerkoeffizient Cp, = 0,6 mm.

Diese Daten besitzt ein Einfeld-Kondensorobjektiv mit S = 2,5 mm und D -= 2 mm, solange die Polschuhe magnetisch nicht gesättigt sind.

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3. die konstanten Daten der Zusatzlinsen bei gewählter PoI-

CJ

schuhgeometrie g = 1 und teleskopischer Linsenstärke: ' a) Linsenstärkeparameter

U /kV b) Spaltinduktion B_{3 lt} = 20 kG,

" Co

c) Öffnungsfehlerparameter Jp = 20,

d) Farbfehl erparaisber ■■■■■ D = 3,5 .

4. die Abstände der Zusatzlinsen vom Objektiv:

a) der Abstand z^ der ersten Zusatzlinse vom Objektiv. Er entspricht der Länge des Abbildungssystems und wird zu z^ = 500 mm angenommen.

b) der Abstand Z₂ ^-^er zweiten Zusatzlinse vom Objektiv. Er wird im folgenden variiert.

Hieraus lassen sich alle anderen Größen des Abbildungssystems berechnen.

In Fig. 7 sind die folgenden, die Leistungsfähigkeit des Abbildungssystems kennzeichnenden Größen als Kurven in Abhängigkeit von der Lage Zp der zweiten Zusatzlinse dargestellt:

1. die relative Ringapertur 2 ~- (Kurve RA). Sie zeigt ein

(X₀

Maximum von ca. 15 %_t wenn die zweite Zusatzlinse etwa in der Mitte zwischen dem Objektiv und der ersten Zusatzlinse angeordnet ist. Beim Abbilden mit dem Objektiv allein ohne Zusatzlinsen dürfte man bei gleicher Neigung (K. des Haupt-

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Strahls in der Präparatebene die relative Ringapertur nicht größer als 2 ——■ = 2 % wählen, wenn die Wellenaberration

⁰ λ
in der Ringzone den Wert £ nicht überschreiten soll. Durch die Korrektur des Öffnungsfehiers des Objektivs in der Umgebung der Hauptfläche des Hohlstrahlbündeis läßt sich also die durch die A/4-Bedingung begrenzte Ringbreite um den Faktor 7 ... 8 vergrößern. Die der Kurve RAzugrunde liegende Bedingung für die Wellenaberration W bei scharfer Abbildung lautet W = a ά ⁺ϋί - ·£ . Durch geeignete Wahl der Parameter des Abbildung^systems läßt sich eine Abhängigkeit der Wellenaberration von AflC der Form W - a Δ OC 2 λ

+ b /Q tfC - 2Γ erzielenj wobei a und b entgegengesetzte Vorzeichen tragen. Die zulässige Ringapertur 2AcLerhöht sich dann um den Faktor 1,41 von 15 % auf 21 %.

2. die Punktauflösung 6 für zv/ei inkohärent strahlende Punkte (Kurve PA). Sie beträgt im Maximum der Kurve RA 0,7 Ä. Unter sonst gleichen Voraussetzungen erhält man bei höheren Strahlspannungen als 10 kV eine bessere Punktauf 1 ö sung j ζ. B.

£ = 0,26 % bei U = 40 kV.

Dabei sinkt aber die relative Ringapertur auf 2 —— <a 10 %.

VU

3. die Anzahl H der auf den« Burchre&sser des Gesichtsfeldes aufgelösten Blldpü^-:te_t £ie ist der Abweichung der Strahlen des Zcnenb-U^hiCs T^ron der Siixusbedingung umgekehrt proportional, cL U, ^s besser das Verhältnis M =

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für jeden einzelnen Strahl des Zonenbüschels mit dem Versin cC
hältnis M_Q = des Hauptstrahls übereinstimmt, desto

⁰ 11

mehr Bildpunkte werden aufgelöst, N ^ μ - μ ⁼ Xm · *^^r

die Anzahl N der aufgelösten Bildpunkte sind in Fig. 7 zwei Kurven N^ und Np wiedergegeben, die sich durch die Abhängigkeit von Δ M als Funktion der Ringapertur AcC unterscheiden:

a) Die Kurve IvL wurde für eine reelle, 25fach vergrößernde Abbildung durch das Abbildungssystem aus Objektivlinse und zwei Zusatzlinsen berechnet. Für sie gilt ΔM ^ Δ oC. Im Maximum der Kurve RA erhält man N^ ^ 70 Bildpunkte/ Durchmesser. Es ist nicht zweckmäßig, einen größeren Abbildungsmaßstab zu wählen, weil mit der Vergrößerung auch die Abweichung Δ M von der Sinusbedingung zunimmt.

b) Die Kurve Np wurde für eine virtuelle Abbildung durch das aus Objektivlinse, erster und zweiter Zusatzlinse bestehende Abbildungssystem berechnet, wobei der Vergrößerungsmaßstab allein durch die anderen, oben unter 1 bis 4 angegebenen Daten bestimmt ist. Für die Kurve N₂ gilt ΔΗ^Δ cC; die Abweichung von der Sinusbedingung ist. also um eine Potenz in Δΰί !deiner und die Anzahl der Bildpunkte/Durchmesser wächst gegenüber N^ ta. etwa um den Faktor 3 ... 10.

Man wird sowohl eine hohe Ringapertur (Kurve RA) als auch eine möglichst große Anzahl der Bildpunkte/Durchmesser (Kurve N₂) anstreben. Ein entsprechender Kompromiß ergibt sich, wie in Fig. 7 eingezeichnet, bei einer Lage der zweiten Zusatzlinse mit Z₂ = 313 mm; die Vergrößerung beträgt dann M₀ = + 196.

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Einige Werte der Vergrößerungen, die sich bei anderen Lagen der zweiten Zusatzlinse ergeben, sind neben der Kurve Np als Parameter eingetragen. Es sind in allen Fällen hohe virtuelle Vergrößerungen. Mit einer weiteren dritten Zusatzlinse, die in Strahlrichtung hinter der ersten Zusatzlinse angeordnet ist, kann ein reelles Bild erzeugt und die Ringapertur - aus den oben erwähnten Gründen - weiter vergrößert werden. Einen derartigen Strahlengang zeigt Fig. 8, in der die gleichen Bezugszeichen verwendet sind wie in Fig. 2; aus Fig. 8 ist ersichtlich, daß das Hohlstrahlbündel durch die erste Zusatzlinse 2 virtuell auf einen Achsenpunkt 5¹ fokussiert wird.

Bei dem Abstand Z₁ = 500 mm bzw. Z₂ = 313 mm der ersten bzw. zweiten Zusatzlinse vom Objektiv ergeben sich für diese Linsen folgende Werte: Ihre Polschuh-Bohrungsdurchmesser und ihre Spaltweiten betragen D₁ = S₁ = 1,36 bzw. D₂ = S₂ = 2,56 und ihre Brennweiten f₁ = + 40 mm bzw. f₂ = + 428 mm. Die positiven Vorzeichen der Brennweiten bedeuten, daß beide Linsen bei unterteleskopischer Linsenstärke betrieben werden. Durch die Polschuhabmessungen und die Brennweiten sind die zur Korrektur notwendigen Öffnungs- und Farbfehlerkoeffizienten wegen der Beziehungen -r D = 20 und —^- D = 3»5 eindeutig bestimmt.

Die Linsen mit annähernd teleskopischer Linsenstärke, die in Fig. 5 jeweils durch zwei linsenförmige Querschnitte symbolisiert sind, werden in der Regel durch magnetische Linsen mit nur einem Linsenspalt und entsprechend hoher Erregung realisiert. Andererseits kann man auch, um die Bilddrehung aufzuheben, die Zusatzlinsen -2 und 6, gegebenenfalls auch 10, als Doppellinsen mit je zwei hintereinanderliegenden Spalten ausbilden.

8 Figuren
7 Ansprüche

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Claims (7)

1. VPA 72/8304

   Patentansprüche

   1i Rotationssymmetrisches, sphärisch korrigiertes korpuskularstrahl-, insbesondere elektronenoptisches Abbildungssystem mit einer Objektivlinse, die durch eine Ringblende bis auf eine ringförmige Zone abgeblendet ist, und einer ersten Zusatzlinse, die hinter der von der Objektivlinsenzone erzeugten ringförmigen Kaustikfläche des vom Achsenpunkt der Objektebene ausgehenden Hohlstrahlbündels angeordnet ist und dieses Bündel auf einen Achsenpunkt fokussiert, dadurch gekennzeichnet, daß in Strahlrichtung hinter der genannten Kaustikfläche (4) eine zweite, gegenüber der Objektivlinse (1) langbrennweitige Zusatzlinse (6) angeordnet ist, die vor der ersten Zusatzlinse (2) eine weitere ringförmige Kaustik-, fläche (7) erzeugt.
2. 2. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zusatzlinse (2) zwecks vergrößernder Abbildung ebenfalls langbrennweitig gegenüber der Objektivlinse (1) ist,
3. 3. Abbildungssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine solche radiale Breite (d) der Objektivlinsenzone, daß die Wellenaberration des Hohlstrahlbündels höchstens λ/4 beträgt, wobei X die Wellenlänge der abbildenden Strahlung ist.

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   VPA 72/8304
4. 4. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Strahlrichtung hinter der ersten Zusatzlinse (2) eine dritte, gegenüber der Objektivlinse (1) langbrennweitige Zusatzlinse (10) angeordnet ist.
5. 5. Abbildungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das durch die Objektivlinse (1), die erste (2) und die zweite (6) Zusatzlinse erzeugte Bild virtuell vergrößert ist,
6. 6. Abbildungssystem nach Anspruch 1 mit zusätzlicher Korrektur des Farbfehlers, gekennzeichnet durch eine solche Lage der Linsen, daß die Bedingung

   r_r 2 r- 2 r_p 2 ¹O *1 ¹I ¹Z

   erfüllt ist, wobei C_r. , C₁-, , C~ die Farbfehlerkoeffizien-

   ■^Obj -1 *2

   j
   ten für unendliche Vergrößerung des Objektivs (1) und der ersten (2} bzw. zweiten (6) Zusatzlinse, f , f^ und f₂ die entsprechenden Brennv;eiten_s τ_Λί r? die Achsabstände der Hauptfläche des Hohlstrahlbündels beim Eintritt in die Zusatzlinsen sind und τ der Achsabstand der Hauptfläche in der im feldfreien Raum angenommener*. Austritts»Ringblendenebene (3) der Objektivl;iKse (1\ ist«
7. 7. Abbildungssystem nach Anspruch 1 mit magnetischen Linsen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzlinsen (2, 6) annähernd teleskopische Linsenstärke haben. _A , . .. _ _{Λ Λ}

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