专利名称：配备有像差校正装置的粒子光学器具的制作方法
技术领域：
本发明涉及配备有物镜和用于校正物镜的透镜误差的像差校正装置的粒子光学器具，该像差校正装置包括-第一组光学单元，接连地包含第一、第二和第三四极透镜和第一八极；-第二组光学单元，接连地包含第二八极和第四、第五和第六四极透镜；以及-至少一个第三八极，被放置在两组光学单元的外面，由此第一和第二八极与第三和第四四极透镜被放置在一方面第一和第二四极与另一方面第五和第六四极之间，其中四极透镜以这样的方式来确定带电粒子在像差校正装置中的路径，以使得各个八极相互在其上成像。
这样的器具是从美国专利申请No.US 2004/0004192 A1得知的。在这个文件中描述的像差校正装置(像差校正器)包括第一组光学单元和第二组光学单元。在光线传播方向上(见在所引述的美国文件中的标号)，第一组光学单元接连地包含两个四极51和52，一个四极与一个八极的组合61，以及一个四极53。在光线传播方向上，第二组光学单元接连地包含一个四极55，一个四极与一个八极的组合62，以及两个四极56和57。另一个八极64可被放置在上述单元之前；替换地，这个八极64可以省略，而一个八极63可被放置在上述单元之后。总之，这个已知的像差校正器因此包含八个四极和三个八极。
通过使用在所引述的美国文件中描述的像差校正器，有可能完全校正物镜的三阶球形像差，并且还校正所有的五阶几何图像误差。而且，所引述的美国文件阐述有可能附加地校正一阶轴向色度像差。
本发明的目的是提供配备有由四极和八极组成的像差校正器的粒子光学器具，该像差校正器比起在所引述的美国文件中描述的像差校正器具有更简单的结构，由此保持至少相同的像差校正能力。
为此，按照本发明的粒子光学器具的特征在于-在第一轴平面上，第一和第二八极不互相在其上成像，而第二和第三八极则互相在其上成像；
-在垂直于第一轴平面的第二轴平面上，第一和第二八极不互相在其上成像，而第一和第三八极则互相在其上成像；以及-在第一轴平面上的轴光束通过第一八极的轴点传送，和在第二轴平面上的轴光束通过第二八极的轴点传送，-作为上述情况的结果，物镜的三阶透镜误差被校正，并且物镜的五阶透镜误差至少被最小化。
所引述的美国文件阐述，所有的八极必须在x-z平面和y-z平面上互相在其上成像。本发明则是基于这样的观点这是过分严格的而可以被软化的要求。通过以下事实有可能把所述过分严格的要求软化在第一轴平面上的轴向光线被发送通过第一八极的轴点以及在第二轴平面上的轴向光线被发送通过第二八极的轴点。换句话说，藉助于四极，第一线焦点被形成在第一八极上，以及与第一线焦点正交的第二线焦点被形成在第二八极上。软化了的要求现在需要在第一轴平面上，第一和第二八极不互相在其上成像以及第二和第三八极互相在其上成像，而在垂直于第一轴平面的第二轴平面上，第一和第二八极不互相在其上成像，以及第一和第三八极互相在其上成像。通过这样使所述过分严格的要求多少得到软化，却仍旧可以得到物镜的所述像差的完全校正，结果，在按照本发明的像差校正器中，只要用于六个四极而不用八个就够了。这样，不单减小校正器的建造成本，而且也可以减小它的尺度，由于元件数目较少，粒子光学器具内的激励调节和对准也变为不那么复杂。
在按照本发明的粒子光学器具的实施例中，第三四极透镜的四极场与第一八极的八极场至少部分地互相重叠，以及第四四极透镜的四极场与第二八极的八极场至少部分地互相重叠。这样，有可能把所述四极与八极作为一个物理整体来实现，其结果是，在磁性多极子的情形下，例如，如在单个电源单元中那样单个铁磁回路(iron circuit)就足够了。而且，由于所述四极与八极的空间重合的结果，节省了空间，因此，粒子光学器具的结构可以更紧凑。
在按照本发明的粒子光学器具的另一个实施例中，第三八极位于像差校正装置的这样一侧，在该侧没有放置粒子光学器具中要被校正的物镜。为了达到最佳校正，在四极-八极校正器的情形下，通常希望第三八极被成像在要被校正的物镜的无彗差的平面上。这时，如果第三八极所处的校正器的那一侧放置有物镜，则在这个八极与物镜之间需要有一个转移透镜，以便得到所涉及的图像。然而，如果第三八极所处的校正器的那一侧没有放置在粒子光学器具中要校正的物镜，则物镜可被放置在校正器的另一侧，因此转移透镜是不需要的。
在按照本发明的粒子光学器具的再一个实施例中，第三八极被一个垂直于光轴的截面划分成第一部分和相等的第二部分，这两个部分分别位于两组光学单元的相反的两侧，并且存在着一个垂直于光轴的镜面对称面，使得当相对于所述对称面进行镜面反射时，第一组的三个四极和该八极以及第三八极的一部分的位置能产生第二组的三个四极和该八极以及第三八极的第二部分的位置，由此，第一组的四极的激励是与第二组的相应的四极的激励相反的。籍助于这些措施，一系列五阶的透镜误差得以校正。这些五阶透镜误差可以按照系统分类以本身已知的方式表示；在这方面，可参阅M.Haider等的文章Ultramicroscopy(超微显微学)81，(2000)，pp.163-175。在这种分类中，三阶和五阶的所有的轴向几何透镜误差被划分成不同的组，其中系数由字母A，C，D和S表示。这些系数还配备有下标，表示相关的透镜误差的阶数。例如，在这个分类系统，通常已知的、三阶球形像差的系数由C3表示。使用上述措施校正的透镜误差的系数在所述分类中由A5和S5表示；它们可分别被描述为具有六重对称的五阶像差和具有两重对称的五阶像差。这样，使得这些透镜误差所以都成等于零。
在按照本发明的粒子光学器具的再一个实施例中，第三和第四四极透镜的每个被实施为静磁和静电四极的组合。通过采用这些措施，人们可达到一种情形，即使得一阶和一度轴向色度透镜误差(即，色度透镜误差(它正比于(ΔU/U)1，其中U是带电粒子的加速电压)等于零，由此，就使得非轴向色度透镜误差成为相当小。轴向透镜误差应当被解释为其幅度不显示为与离光轴的距离成正比的透镜误差。(轴向透镜误差的例子是以前提到的、具有系数C3的三阶球形像差；非轴向透镜误差的例子是三阶彗形像差，其幅度正比于离光轴的距离r。)而且，通过利用这些措施，人们还得到一种情形，即二阶轴向色度误差-在传统的校正器的情形下它被这个校正器大大地增加--在本校正器中由于上述的措施而再次被减小。
在按照本发明的粒子光学器具的又一个实施例中，来自第一组光学单元的另一个四极透镜和来自第二组光学单元的另一个四极透镜的每一个被实施为静磁和静电四极的组合。这些措施的技术效果在于，有可能使得另外的色度误差正好等于零，即色度放大误差(Ccm)或二阶轴向色度误差(Ccc)(等于零)。虽然根据选择，按这种方式和利用这些措施，有可能使两个误差之一正好等于零并减小另一个误差，但由此，通常不可能同时使得两个误差都正好等于零。
在按照本发明的粒子光学器具的再一个实施例中，转移透镜系统放置在校正器与要被校正的物镜之间，该系统使得粒子射线通过在光轴上的交截点，在该交截点的位置处放置第七四极。应当指出，转移透镜系统也应当被解释成称为单个透镜。所述措施的技术效果在于，由此有可能再次使得另外的色度像差正好等于零，即色度放大误差(Ccm)或二阶轴向色度误差(Ccc)(等于零)。在这种情形下，通常也不可能使用这些措施而同时使得这两个误差正好等于零。
在按照本发明的粒子光学器具的又一个实施例中，来自第一组光学单元的三个四极透镜和来自第二组光学单元的三个四极透镜都用静磁和静电四极的组合来实施，以及第一、第二、第五和第六四极透镜也以单色来实施。通过使用这些措施，三种类型的透镜误差可得到校正，即(1)一阶和二度轴向色度透镜误差，它由Ccc表示；(2)三阶和一度几何色度混合轴向透镜误差。这些混合透镜误差由三个分量组成，即-沿光轴的圆对称的分量，由C3c表示；-表示围绕光轴的二重对称的分量，由S3c表示；以及-表示围绕光轴的四重对称的分量，由A3c表示；以及(3)一阶和一度非轴向色度透镜误差，由Ccom表示。
应当指出，通过使用上述的措施，在所述三种类型的透镜误差中，可以使得两种类型同时等于零，由此虽然可使第三种类型小得多，但不能变到严格等于零。
在按照本发明的粒子光学器具的再一个实施例中，至少加上三个另外的八极，它们分别被放置在第一、第二和第三八极的位置，该第一、第二和第三八极是偶数的八极以及该另外的第一、第二和第三八极是奇数的八极，每个奇数的八极(由于垂直于光轴的截面的结果)由第一和第二部分组成，其中每个奇数的八极的第一和第二部分的激励的比值使得奇数八极对于三阶轴向像差的贡献等于零，以及其中所有的奇数的八极的总的激励使得像差校正装置与要被校正的物镜的组合的各向异性的彗形像差等于零。因为三个另外的八极可以是具有相对较小的光学度数(optical power)，这样有可能容易达到对各向异性彗形像差的校正。
将根据附图进一步阐述本发明，这里相同的标号表示相应的单元。为此
图1a显示在按照本发明的校正器的情形下在x-z和y-z平面上近轴场射线xf(z)和yf(z)以及轴射线xa(z)和ya(z)的路线，其具有在薄透镜近似下四极的位置与激励的假设的初始值；图1b显示在按照本发明的校正器的情形下在x-z和y-z平面上近轴场射线xf(z)和yf(z)以及轴射线xa(z)和ya(z)的路线，其具有在薄透镜近似下通过求解可应用于它的方程而得到的四极的正确的位置与激励；图1c显示在按照本发明的校正器的情形下在x-z和y-z平面上近轴场射线xf(z)和yf(z)以及轴射线xa(z)和ya(z)的路线，其具有在厚度不等于零的情形下通过求解可应用于它的方程而得到的四极的正确的位置与激励；图2显示在按照本发明的校正器的情形下在x-z和y-z平面上场射线xf(z)和yf(z)以及轴射线xa(z)和ya(z)的路线，其具有厚度不等于零的四极和八极的正确的位置，特别是对在高压TEM中的应用；图3a显示在TEM中对各向异性彗差校正的某些八极静磁场的z轴上的分布；图3b是与图3a相同的图，但垂直轴具有不同的标度；图4显示在按照本发明的校正器的情形下在x-z和y-z平面上场射线xf(z)和yf(z)以及轴射线xa(z)和ya(z)的过程，具有厚度不等于零的四极和八极的正确的位置，特别是对在SEM或低压TEM中的应用；图5a呈现在TEM中按照本发明的校正器的放置的示意图5b呈现在SEM或STEM中按照本发明的校正器的放置的示意图。
近轴设计在本段中，首先给出关于按照本发明的校正器进行近轴设计的实施例。为了避免使得进行关于具有六个四极和三个八极的校正器的设计的计算极其复杂和/或混淆，可以采用多个简化的初始条件。在原则上，这样的初始条件可以自由选择，由此这样的初始条件的数目必须自然地处在由校正器的设计提供的自由度的范围内。最终设计的一级近似利用了(因此适用于)校正器中的射线的近轴传播。
这样的初始条件例如可以是(1)选择校正器是望远镜式的，即入射到校正器的平行于光轴的射线也将从校正器平行于光轴射出；(2)六个四极与三个八极中的两个八极互相以下列方式相对地放置在光轴上，即存在一个镜面对称性的平面(垂直于光轴)，在这种情形下，它意味着当相对于该对称平面被镜面反射时，六个四极中的三个四极的位置形成其余的三个四极的位置，以及当被镜面反射时，两个八极之一的位置产生该两个八极中的另一个八极的位置；(3)六个四极的激励是相对于对称面反对称的，也就是说，在四极的静电实施例的情形下，在对称面一侧的正(负)极相应于在对称面另一侧的负(正)极，以及在四极的静磁实施例的情形下，在对称面一侧的北极(南极)相应于在对称面另一侧的南极(北极)。
而且，人们自然也喜欢按照本发明的条件得以满足，即(1)在第一轴平面上，也称为x-z平面上，第一和第二八极不互相在其上成像，而第二和第三八极则互相在其上成像，以及(2)在垂直于第一轴平面的第二轴平面上，也称为y-z平面上，第一和第二八极不互相在其上成像，而第一和第三八极互相在其上成像，以及(3)在x-z平面上的轴光束通过第一八极的轴点和在y-z平面上的轴光束通过第二八极的轴点。上述的初始条件和要求导致五个方程，正如此后将说明的。
在具有四极的光学系统中射线的传播藉助于在x-z平面上两条独立的射线和在y-z平面上两条独立的射线被确定。通常，独立的射线被选择为所谓的轴射线和场射线。在本上下文中，轴射线就在粒子光学器具作为被研究的样本而言，应理解为在该样本的轴点处与该样本交截的射线，而场射线被理解为在样本的轴点外面与该样本交截的射线。
光轴的正方向被表示为z；在x-z平面上依赖于z的轴射线的行程被表示为xa(z)，在x-z平面上的场射线的路线被表示为xf(z)，在y-z平面上的轴射线的路线被表示为ya(z)，以及在y-z平面上的场射线的路线被表示为yf(z)。
正如相关领域技术人员通常已知的，在四极-八极校正器中的八极对于校正器中的近轴射线传播没有影响。所以只有四极才能确定校正器中的近轴射线传播。通过假设上述的镜面对称性，则下述叙述成立在x-z平面(y-z平面)上在反射镜面前面的两个独立的近轴射线表明与在y-z平面(x-z平面)上在反射镜面后面的这两个射线相同的路线。以公式的形式来说明，这可被表示为ya(z)＝xa(-z)，y’a(z)＝-x’a(-z)，yf(z)＝-xf(-z)，和y’f(z)＝x’f(-z)。在这些表示式中，x’a(z)，y’a(z)，x’f(z)，和y’f(z)是各相应射线相对于z的导数，作为z的函数。从这些表示式，在具有z＝0的对称面的位置处得到以下的四个关系式xa(0)＝ya(0)，x’a(0)＝-y’a(0)，x’f(0)＝-y’f(0)，和xf(0)＝yf(0)。在这后四个关系式中，x’a(0)，x’f(0)，y’a(0)，和y’f(0)是射线xa(z)，xf(z)，ya(z)，和yf(z)在对称面的位置处的相应的斜率。在这个例子中必须认识到，在这四个关系式中，只有三个是独立的，因为它还必须满足转移矩阵的行列式等于零的条件。由于这个依赖关系的结果，上述的四个关系式中的一个关系式可以省略，例如xf(0)＝-yf(0)，这样，只留下三个互相独立的关系式。因此，为了达到以前涉及的五个方程，需要另外两个方程。
为此，首先必须满足按照本发明的约定即(1)在第一轴平面(即，x-z平面)上的轴向射线通过第一八极的轴点传送，以及(2)在第二轴平面(即，y-z平面)上的轴向射线通过第二八极的轴点传送。满足这些约定之一会产生一个方程例如满足约定(1)，产生方程xa(0)＝x’a(0)d。这后一个方程是根据这样的理解得到的满足这些要求等价于下列情形，由此场射线被头三个四极以这种方式折射，结果，在同一个八极的中间形成线聚焦(垂直于在x-z面上线聚焦的方向)；结果，关系式xa(0)＝x’a(0)d成立。作为假设的对称性的结果(见上述的开始条件(2)和(3))，满足约定之一(在这种情形下，也就是上述的条件(1))导致另一个约定得以满足(上述的条件(2))。这样，满足约定(1)和(2)只产生一个方程，即上述的方程xa(0)＝x’a(0)d，它形成第四个方程。
第二，还必须满足按照本发明的约定(3)在第一轴平面(即，x-z平面)上，第一和第二八极不互相在其上成像，以及第二和第三八极互相在其上成像，由此相关的射线是在x-z平面上的场射线xf(z)，以及(4)在垂直于第一轴平面的第二轴平面(即，y-z平面)上，第一和第二八极不互相在其上成像，以及第一和第三八极互相在其上成像，由此相关的射线是在y-z平面上的场射线yf(z)。满足这些约定之一产生一个方程例如满足约定(4)，产生方程yf(0)＝y’f(0)d。由于以上涉及到的对称性的结果，满足约定(3)和(4)会产生以上涉及到的一个方程，即上述的方程yf(0)＝y’f(0)d，它形成第五个方程。
总之，在对称面的位置处应用的五个方程可被表示如下(1)xa(0)＝ya(0)(2)x′a(0)＝-y′a(0)(3)x′f(0)＝y′f(0)(4)xa(0)＝x′a(0)d(5)yf(0)＝y′f(0)d为了根据这五个方程达到按照本发明的像差校正器的设计，必须确定以下的量-四个四极的每个四极的z位置(3个参数)，和-三个四极的每个四极在z方向上的厚度(3个参数)，和-三个四极的每个四极的激励(3个参数)，和-被放置在离对称面的距离d处的八极的z位置(1个参数)，和-第三个四极的想要的z位置(1个参数)。
为了完成设计，所以必须确定总共3+3+3+1+1＝11个参数；上述的方程(1)到(5)由此必须被满足，这意味着，在设计校正器时，11-5＝6个自由度仍旧是可得到的。所以，有可能有非常多的近轴设计，并且为了保持设计过程的良好的总貌，可以一开始采用简化的开始情形，以及可以使用从这里得出的设计作为用于全面的、非简化的设计过程的开始情形。
作为简化的开始情形，例如可以为四极选择一个薄的透镜近似，即，一开始选择零的厚度。结果，不必确定这三个参数，这样，自由度的数目从六个减小为三个。这意味着，如果事先对于这最后三个参数作出正确的选择，必须解决五个变量的五个(非线性)方程的方程组。要事先选择的这三个参数值可以是第一四极到对称面M的距离zQ1是80mm，第二四极到对称面M的距离zQ2是60mm，和第一八极到对称面M的距离zO1是60mm。上述的五个方程的方程组现在以本身已知的方式，例如藉助于所谓的多维Newton-Raphson方法来求解。为了应用这种方法，需要正确地选择初始值组，例如，第三八极到对称面M的距离zO3＝115mm，第三四极到对称面M的距离zQ3＝35mm，以及另外，用于四极的三个激励，它们都是相等的，并且具有交替的正负号。通过这些开始的假设，并且不用解上述的五个方程，将得到如图1所示的、近轴路径的路线。在该图上(以及在图1b和1c)，在x-z平面上的轴向射线xa由粗实线2表示，在x-z平面上的场射线xf由点划线4表示，在y-z平面上的轴向射线ya由细虚线线6表示，以及在y-z平面上的场射线yf由点虚线8表示。在这些图上还画出第一四极Q1，第二四极Q2和第三四极Q3的位置，以及第一八极O1，第二八极O2的和被划分成两个相等的部分O3a和O3b的第三八极O3的位置。
通过应用迭代的Newton-Raphson方法，找到以下的解第三八极的部分O3a到对称面M的距离zO3a＝120mm，第三四极到对称面M的距离zQ3＝30mm，以及另外，这样的四极的三个激励使得作为以上的结果而得到的近轴路径的路线如图1b所示。
在假设透镜厚度不等于零的情形下可以选择类似的方法。作为初始条件，这时假设对于所有的四极的厚度为10mm。迭代的NR方法现在再次被应用于这个结构，它最后导致如图1c所示的近轴路径的路线。在这个图上，显示四极的中部。由此找到第三八极到对称面的距离zO3是115mm，以及第三四极的中部到对称面M的距离zQ3是34mm。从而完成了校正器的近轴设计。
决定性设计
(a)一般地用于TEM，STEM和SEM为了达到从近轴设计出发的校正器的实际的设计，必须满足多个另外的要求。这些要求一方面导致关于纠错能力的条件，另一方面导致关于校正器应用的实际条件，特别是在具体的粒子光学器具中，诸如透射电子显微镜(TEM)，扫描电子显微镜(SEM)，或扫描透射电子显微镜(STEM)。为了满足所述要求/条件，有时希望对在上述近轴设计的说明中的六个自由选择的参数(六个自由度)指定一个初台值，它与在以上的近轴设计中提到的数值不同。这样，可以满足上述的、所有的种类的要求，例如(1)在光学元件的激励电流和/或激励电压中的信号噪声比保持为低的数值，(2)对于给定的孔径数值，阻止光学元件的铁磁回路的磁饱和，或保持静电元件低于电击穿电压，(3)给几何像差系数C3(＝通常已知的三阶球形像差)和C5(＝五阶球形像差)指定数值，以使得这些透镜误差互相补偿，和(4)减小七阶轴向像差到足够的程度。
应当指出，关于是否用电磁方式激励在校正器中的四极以便校正色度像差和是否调节这些四极以便成为真正的单色这样的考虑取决于校正器的应用的领域。在涉及到应用时可以区分两种主要的领域，即牵涉到高压TEM(HV TEM)和高压STEM(HV STEM)的第一应用领域和牵涉到SEM和低压TEM(LV TEM)的第二应用领域。
在第一应用领域(HV TEM和HV STEM)，四极Q1，Q2，Q5和Q6，都是单独用磁或单独用电的方式来实现的；所以对于它们本身，它们不是按单色来实施的。四极Q3和Q4，都是同时用电和磁的方式来实施的，它们的单色状态是这样的，即它们表现出与要被校正的物镜的色度状态有相反的色度偏差，结果，它的轴向色度像差被校正。
在第二应用领域(SEM和LV TEM)，所有的四极都是用电和磁的方式实施的。由此，四极Q1和Q6，本身是严格的单色的。四极Q2和Q5的色度状态是能使它们与单色状态偏差达到非常小的程度，从而满足Ccmx＝Ccmy＝0。四极Q3和Q4的色度状态是使它们表现出与要被校正的物镜的色度状态有相反的色度偏差，结果，它的轴向色度像差被校正。
(b1)特别地用于高压TEM和STEM的决定性设计在特别地用于TEM的决定性设计的情形下，某些附加的要求可被公式化，即，(5)把五阶慧形像差减小到足够的程度，和(6)把色度放大误差减小到足够的程度。满足要求(3)的重要性在于下列事实这样，可被看作为相位目标的细小的样本在具有极其高的分辨率的图像中仍旧保持足够的对比度转移函数。在对于SEM或STEM特定的决定性设计的情形下，确实可以说，满足要求(5)和(6)不是第一重要的，但是那些要求得到满足的TEM设计可以在STEM的情形下没有缺点地被使用。所以，在TEM和STEM的情形下都可容易使用这种设计。
满足要求(6)在TEM的情形下是特别重要的，其中加速电压达到300kV量级是很平常的。在这种情形下，为了校正色度像差，无论如何，第三和第四四极都以电磁元件来实现，但因为加速电压很高，所以第一、第二、第五和第六四极优选地用纯磁来实施。然而，这会在色度放大误差方面会有后果，这可被解释如下。在校正器与要被校正的物镜之间，放置转移透镜系统，该系统可用四极透镜来实施。如果它们中间没有四极透镜，则不能使得色度放大误差正好等于零。如果它们中间有四极透镜，则可以在两种情形之间作出选择可以使得色度放大误差正好等于零，但在这种情形下，三阶各向同性慧形像差将不等于零；或者可以使得三阶各向同性慧形像差正好等于零，但在这种情形下，色度放大误差将不等于零。(不保持正好等于零的透镜误差在这种情形下保持小的剩余数值)。所以，要在色度放大误差的完全校正与所述三阶各向同性慧形像差的完全校正之间作出选择，这取决于校正器的应用的领域。
在执行实际的设计过程中，也可以使用这种想法，通过在第一、第二、第五和第六四极的位置处另外施加上相对较低的光学度数的八极(或者，对电子的相对较小的影响)可以达到设计出的光学特性有进一步的改进；这四个额外的八极也必须满足相对于镜面对称平面的对称性要求。它们尤其是被应用来校正相关联的四极的固有的三阶像差。
如果存在早先提及的转移透镜系统，则在设计中会得到另外的自由度，即，这个转移透镜系统的固有的放大倍数。
在设计过程期间，为了计算所有的八极的激励，要保持这样的要求，即三阶轴向像差和三阶各向同性慧形像差(在转移透镜系统中的四极透镜不工作的情形下)要减小到零。所关心的像差系数(原则上是8个，但由于镜面对称性的结果，只有四个独立的)与相关八极激励线性，所以用四个线性方程描述。八极的总数在本例中是由四个被相对较强地激励的八极和四个影响相对较小的八极形成的。由于镜面对称性的结果，这八个八极因此也具有四个自由度。因此对于总共八个八极的需要确定的八极激励可从具有四个未知数的四个线性方程找到。另外，在设计过程期间存在这样的可能性在校正器中的射线的零交叉点应当处在相对较强的激励的八极的那些位置处，不把这些零交叉点正好放置在这些八极的中部，而是在一个多少偏差的位置，不过仍旧在八极的铁磁回路的z位置或在电极的z位置的范围内，并且因此处在八极场的有效区域内。这个可能性产生另外的三个自由度。
这个设计过程的执行是藉助于仿真程序进行的，其中所有种类的参数可以按照希望被设置。这样的仿真程序必须满足多个要求，其中最重要的要求是-仿真程序必须能够仿真具有有限厚度的四极的性能和伴随的边缘场，和-仿真程序必须能够仿真具有有限厚度的四极和八极的所有的像差和伴随的边缘场，和-仿真程序应当优选地包含用于求解具有n个未知数的n个方程的子程序(例如按照Newton-Raphson方法)，其中n至少等于5，以便能够处理在近轴设计中在对称面的位置处应用的五个方程(1)到(5)，和-仿真程序应当优选地能够计算上述的对八极的激励，它需要用于求解具有4个未知数的4个方程的子程序。
这样的仿真程序例如可通过修改现存的商业上可得到的程序而获得，从而满足上述需要。
(b2)特别地用于SEM或低压TEM的决定性设计特别地用于SEM或低压TEM的决定性设计基本上是与用于高压TEM的决定性设计相同的，由此必须对于两个四极，即Q1和Q6或Q2和Q5的额外要求列出公式。这是因为当把四极Q1、Q2、Q5和Q6都做成严格的单色的时，通常将引起(小的)色度放大误差，它们由为Ccmx和Ccmy(分别对于x-z平面和y-z平面)表示。为了使得这个色度放大误差正好等于零，四极Q1和Q6或Q2和Q5必须被做成在相等的度量上多少是单色的，并带有对磁激励的偏差，其量级为总的磁激励的1％。
(c1)在STEM或高压TEM的情形下设计过程的路线设计过程现在沿以下的方式进行如果考虑电子的加速电压和要被校正的物镜的光学特性作为给定的量，则会留下相对较大数目的自由度以用于实际的设计过程。可以在两组自由度之间作出区分，即在设计过程的开始时就必须选择其数值的那些自由度和在设计过程期间要确定其数值的那些自由度。第一组自由度由以下项目形成-在“近轴设计”一段中描述的六个自由度，它们是在满足在对称面的位置处应用的5个方程后从原先的11个自由度剩下的；和-第三和第四四极的光学度数，为了校正色度像差，它们是用电磁四极实现的。电场强度由此被确定为如下从只具有磁激励的近轴设计开始，近轴激励由额外磁激励M’和静电强度E所扩大，其总的数值是使得M’+E对四极光学度数的贡献对标称能量U0是零，以及对于物镜可得到Cc-校正。由此，一个四极工作在x-z平面，另一个四极工作在y-z平面。电的四极场强的这种添加在原则上产生1个自由度(因为镜面对称性)。转移透镜系统的固有的放大类似地在原则上产生1个自由度。然而，如果对于这两个参数(四极的电场强和固有的放大)中的一个参数选择了一个数值，则另一个参数可以经由总共的色度像差是零的要求来计算。所以，这产生1个自由度的平衡；和-在以上一段(b1)“特别地用于高压TEM和STEM的决定性设计”中涉及到的可能性，即在校正器中的射线的零交叉点必须处在八极内的那些位置处，不是把这些零交叉点正好放置在这些八极的中部，而是多少偏离它们的位置(通常是4个自由度，但由于所述镜面对称性的结果是2个自由度)。
总之，这第一组因而产生6+1+2＝9个自由度。
第二组自由度由其数值必须在设计过程期间被确定的那些自由度组成。第二组自由度由以下项目形成-在以上一段“特别地用于TEM和STEM的决定性设计”中涉及到的那些八极激励，对于这些八极激励，三阶轴向像差和各向同性慧形像差变为零。正如这里阐述的，由此产生4个自由度；和-第三八极的第一部分和第二部分的位置，这些位置应当这样来选择要使得由D5表示的透镜误差(具有四重对称性的五阶轴向像差)变为零。由于镜面对称性的结果，这产生1个自由度；和-任选地，正如在以上一段(b1)“特别地用于高压TEM和STEM的决定性设计”中涉及的，在转移透镜系统中四极透镜的激励要使得色度放大误差Ccmx和Ccmy等于零。这任选地产生1个自由度。
总之，这个第二组所以产生4+1＝5个(任选地6个)自由度，这样，用于TEM和STEM的设计过程具有总共9+5＝14个(任选地9+6＝15个)自由度。
(c2)在SEM或低压TEM的情形下设计过程的路线在SEM或低压TEM的情形下设计过程的路线是与对于TEM的设计过程基本上相同的，由此应当看到，在以上一段(b2)“特别地用于SEM或低压TEM的决定性设计”中描述的、对于四极Q2和Q5或Q1和Q6的额外要求必须得到满足。在四极Q1，Q2，Q5和Q6由此一开始都被做成正好是单色的情形下，因此这意味着，在所述Q2和Q5或Q1和Q6两对四极中的一对四极中，严格地调节的单色状态将被做成为多少是有色的，以便满足Ccmx＝Ccmy＝0。
(d)在对于TEM，STEM和SEM的设计过程中的步骤(1)对第一组的9个参数选择开始值(见以上一段“在STEM或高压TEM的情形下设计过程的路线”)。特别地，对于SEM或低压TEM，四极Q1，Q2，Q5和Q6一开始都被做成严格单色的，在此后，四极Q2和Q5或Q1和Q6被做成为多少是有色的，以便满足Ccmx＝Ccmy＝0；(2)对第三八极的第一部分(O3a)和第二部分(O3b)的位置选择开始值(见以上一段(c1)“在高压TEM和STEM的情形下设计过程的路线”)；(3)求解在段落“近轴设计”中提到的应用于对称面的位置处的5个方程；(4)对所有八极的激励这样地确定，以使得三阶轴向像差和各向同性慧形像差变为零。正如以上一段(b1)“特别地用于高压TEM和STEM的决定性设计”中阐述的，这些激励通过求解具有四个未知数的四个线性方程而计算。
(5)现在检验具有四重对称性的5阶轴向像差(系数D5)是否等于零。如果不是这种情形，则在以上的步骤(2)中提及的开始值被修正，并且按需要重复进行步骤(2)到(5)以保证D5是零。
(6)确定所有相关的像差，并且还检验关于电源的要求是否满足。所述相关的像差是五阶球形像差(系数C5)、五阶各向同性慧形像差、七阶像差、和各向同性色度放大误差(系数Ccmx和Ccmy)。在这些像差的情形下，检验它们是否做成足够小。相对于电源的要求涉及稳定性，即，作为时间的函数电压和/或电流的变化和信号噪声比是否足够小。如果不能满足这些要求，则通过使用修正的开始值重复进行步骤(1)到(6)，直至校正器的设计满足约定的要求为止。在SEM或低压TEM的应用的情形下，还可以在这样的方式下使得像差系数A3c和C3c等于零。而且，由于相对于镜面反射中间平面M的对称性的结果，可以看到S3c＝0，这样，所有三阶和一度的混合的(即，混合的几何-色度)像差因此等于零。这里涉及的像差系数A3c，C3c和S3c以类似于从上述的M.Haider的文章中获知的定义的方式被定义。由此以下的表示式适用 其中在这个表示式中的量相应于在由Haider使用的相关的表示式中采用的量。通过在这个表示式中引入因子ε＝ΔU/U(U＝加速电压)，得到用于混合的几何-色度像差的系数的表达式 其中，通过把下标c附加到像差系数，表明这里正在处理混合的几何-色度像差。
图2涉及在STEM或高压TEM中使用的、按照本发明的校正器中射线的路线。在这个图上，画出了在校正器的x-z平面和y-z平面上的轴向射线2和6以及场射线4和8的路线。在x-z平面上的轴向射线由此用粗实线2画出，在x-z平面上的场射线用点划线4画出，在y-z平面上的轴向射线用细虚线6画出，以及在y-z平面上的场射线用点虚线8画出。
这里所使用的校正器的设计是按照上述段落“在对于TEM，STEM和SEM的设计过程中的步骤”得到的。这里画出了六个四极Q1到Q6的在光轴(z轴)上的位置，还有八极O1和O2在z轴上的位置和被划分成两个相等的部分的第三八极的部分O3a和O3b的位置。镜面对称平面位于位置z＝0处。此外，使用标号28，30，32，34，36和38，四极Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，和Q6的激励是用在光轴上的场强的形式来表示的。以下的数值和数据属于这个设计四极Q1，Q2，Q5，和Q6完全是用磁实现的。
四极Q3和Q4是用电磁方式实现的。
在四极Q1，Q2，Q5，和Q6的位置处，加上了相对较低的光学度数的磁八极。
被划分成两个相等的部分的第三八极的部分O3a和O3b在物镜的无慧形像差面上成像。
加速电压300kV。
要被校正的物镜的焦长2.3mm。
物镜的Cc1.4mm。
物镜的Cs1.2mm。
多极子的内径2mm。
四极Q3和Q4的长度56mm。
八极部分O3a和O3b的长度16mm。
转移透镜系统的放大1.2(其结果是在物镜的进口处光束直径比起校正器的出口面处大1.2倍)。
八极部分O3a和O3b相对于它们的近轴位置被移动偏离对称平面2.92mm(近轴位置即其中高斯射线穿过z轴的位置)。
在四极Q3(Q4)的射线xa和yf(ya和xf)过零交叉点相对于该四极的中部被移动偏离对称平面3.05mm(即它们仍旧一致，但它们不再正好处在四极的中部)。
在下面的表1中，显示了校正器与物镜的组合(特别地用于TEM)的像差。在表上，使用了按照所引述的Haider等人的文章的符号来表示在行1到5上的像差。第三列涉及到其中转移透镜系统的四极透镜(四极场透镜，QFL)被关断的情形；在第四列，它被接通。
在表1的行6到10，表示七阶像差系数；正如从有关数值看到的，这些至多是几厘米的量级。行11和12表示各向同性慧形像差的系数。行13涉及到各向同性慧形像差；对于它的校正将在后面讨论。行14到19表示五阶慧形像差的系数；从有关数值可以看到，这组透镜误差可以忽略。行20表示在x-z平面(Ccx)上和在y-z平面(Ccy)上的色度像差的系数。行21和22分别表示在x-z平面(Cccx)上和在y-z平面(Cccy)上的二度的轴向色度误差的系数Ccc。行23和24分别表示在x-z平面(Ccmx)上和在y-z平面(Ccmx)上的色度放大误差的系数Ccm。
按照本发明的一个方面，有可能在TEM的应用的情形下校正各向异性慧形像差。这种校正可以通过如图2那样安排各个多极子而达到，其中存在第一八极O1，第二八极O2和第三八极O3(都是静磁的)，以及其中第三八极被划分成两个相等的部分O3a和O3b。这四个八极是偶数型的，正如下面进一步解释的。
为了定义偶数或奇数多极子(即，具有偶数或奇数对称的多极子)，按照x＝rcos和y＝rsin把x和y坐标表示成极坐标r和。这时标量静电位的方位依赖性对于偶数多极子正比于cos(n)，而对于奇数多极子正比于sin(n)；对于标量静磁位，则是方位依赖性对于偶数多极子正比于sin(n)，而对于奇数多极子正比于cos(n)。这里，n是整数，例如对于四极，n＝2以及对于八极，n＝4。
为了达到各向异性慧形像差的校正，所述四个偶数静磁八极被修正，该修正可被看作为如下发生的(1)作出每个偶数八极的拷贝，这些拷贝以这样方式安排以使得它们具有与相关联的偶数八极相同的z位置，并且每个拷贝围绕z轴相对于原先的相关联的八极旋转22.5°；这些旋转的拷贝现在形成四个奇数八极。
(2)接着考虑这四个旋转的拷贝的每个拷贝由垂直于z轴的截面划分成两个相等的部分，即第一部分和第二部分，随后(3)选择奇数八极的第一部分和第二部分的激励，使其具有这样的比值，以使得奇数八极对三阶轴向像差的贡献等于零，以及(4)选择奇数八极的总的激励使得校正器和物镜的组合的各向异性慧形像差等于零。
在这个最后一点(4)的情形下，应当指出，由于相对于反射镜面z＝0的对称性的结果，奇数部分的激励相对于对称面是反对称性的。
图3a和3b显示这样引起的静磁场在z轴上的分布。图3b代表与图3a的相同的场分布，其中图3b的垂直标度相对于图3a的垂直标度伸展了40量级的倍数；结果，可以更清楚地看见在z＝-45mm到z＝-100mm和z＝45mm到z＝100mm附近的场分布的细节。
图3a更详细地显示八极O3a和O3b在z轴上的场分布；另外，八极O1和O2的轴向场在这里被示意地显示。八极O3a和(O3b)的偶数部分的轴向场在这里用于实线40(42)表示，以及八极O3b和(O3a)的奇数部分的轴向场在这里用于虚线表示。应当指出，O3a和O3b的偶数和奇数部分在z轴方向是等长的。奇数部分在z轴方向被划分成两个等长的部分44(48)和46(50)。奇数部分的激励，即在z轴上的场强，这时被这样选择以便满足上述条件，即，(1)场强44(48)和46(50)的比值要使奇数八极44，46和48，50对于三阶轴向像差的贡献等于零，以及(2)奇数八极44，46和48，50与八极O1和O2的奇数部分56，58和60，62(见图3)--该奇数部分将在后面讨论--一起的总的场强是要使校正器和物镜的组合的各向异性慧形像差等于零。
此外，图3b更详细地显示八极O1和O2在z轴上的场分布。八极O1(O2)的偶数部分的轴向场在这里用实线52(54)表示，以及八极O1(O2)的奇数部分的轴向场在这里用于虚线表示。应当指出，O1和O2的偶数和奇数部分在z轴方向是等长的。奇数部分在z轴方向被划分成两个等长的部分56(60)和58(62)。奇数部分的激励，即在z轴上的场强，这时被选择成能同时满足上述两个条件，即，(1)场强56(60)和58(62)的比值要使奇数八极56，58和60，62对于三阶轴向像差的贡献等于零，以及(2)奇数八极56，58和60，62与八极O3a和O3b的奇数部分一起的总的场强要使校正器和物镜的组合的各向异性慧形像差等于零。
对于一个这样地来对各向异性慧形像差进行校正的系统，校正器和物镜的组合的像差在以下的表2中表示。相关于图2a的说明而提出的数值和数据在这种情形下也是可用的。在表2上，行1到5的像差是用按照上述的Haider等人文章中的符号来表示的差。表2上的字母i表示假想单元。
在以上的表2上，行13是特别重要的，从该行可以看到，确实使得各向异性慧形像差正好等于零。试把它与表1的行13上相应的数值进行比较，在后者之中没有对于各向异性慧形像差作出校正。
确实，在行3和5中表示的像差系数S5和A5在本实施例中不再等于零，但它们的数值仍旧是小到可以忽略的。
图4涉及按照本发明的在SEM或低压TEM中使用的校正器中的射线的路线。在这个图上画出了在校正器的x-z平面和y-z平面上的轴向射线2和6以及场射线4和8的路线。由此得到按照上述段落“在对于TEM，STEM和SEM的设计过程中的步骤”中所使用的校正器的设计，其中用于SEM和低压TEM的通道是特别重要的。在这个图4上，画出了六个四极Q1到Q6在光轴(z轴)上的位置，还有八极O1和O2在z轴上的位置和被划分成两个相等的部分的第三八极的部分O3a和O3b的位置。而且，通过使用标号28，30，32，34，36和38，四极Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，和Q6的激励以在光轴上的场强的形式来表示。镜面对称平面位于位置z＝0处。以下的数值和数据与这个设计有关所有的四极用电磁方式实施。
四极Q1和Q6本身是严格单色的。
四极Q2和Q5与严格的单色状态相差很小，以致于满足条件Ccmx＝Ccmy＝0。
四极Q3和Q4是这样地(负)色度的，因此，物镜的(正)色度像差得以校正。
在四极Q1，Q2，Q5和Q6的位置处，加上了相对较低的光学度数的磁八极；这些八极尤其是校正相关联的四极的固有的三阶像差。
被划分成两个相等的部分的第三八极的部分O3a和O3b通过使用转移透镜系统被成像在物镜的无慧形像差面上。
电子的加速电压是10kV。
要被校正的物镜的焦距长度1.49mm。
物镜的Cc1.17mm。
物镜的Cs1.64mm。
多极子的内径3mm。
四极Q3和Q4的长度17mm。
八极部分O3a和O3b的长度8mm。
转移透镜系统的放大0.764(结果，在物镜的进口处光束直径是校正器的出口面处的0.764倍)。
在下面的表3中，显示校正器与物镜的组合的像差。在所阐述的情形中，在转移透镜系统的四极透镜(QFL)被关断。
在以上的表3上，使用按照上述的M.Haider等人的文章的符号来表示在行1到5上的像差。在行6到10上表示七阶像差系数；正如从有关数值看到的，这些至多是几厘米的量级。行11和12表示各向同性慧形像差的系数。行13到18表示五阶慧形像差的系数；从有关数值可以看到，这组透镜误差可以忽略。在行19上可以看到，在x-z平面(Ccx)上和在y-z平面(Ccy)上的色度像差的系数变为正好等于零。在行20和21上可以看到，分别在x-z平面(Cccx)上和在y-z平面(Cccy)上的二度的轴向色度误差的系数Ccc已被做得非常之小。在行23到26上可以看到，分别在x-z平面(Ccmx)上和在y-z平面(Ccmy)上的色度放大误差的系数Ccm以及三阶和一度的混合的像差A3c，C3c，S3c已被做成等于零。
图5a呈现在TEM中按照本发明的校正器的定位示意图。电子束由此接连地穿过聚光器系统10、要在TEM中被研究的样本、物镜14、由两个转移透镜18和20组成的转移透镜系统16、按照本发明的像差校正器22、另一个透镜24和投影系统26。像差校正器22与第三八极的两个部分O3a和O3b邻接。
图5b呈现在SEM或STEM中按照本发明的校正器的定位的示意图。电子束由此接连地穿过聚光器系统10、中间透镜28、按照本发明的像差校正器22、由两个转移透镜18和20组成的转移透镜系统16、形成探针的物镜14、要在SEM或STEM中被研究的样本。像差校正器22与第三八极的两个部分O3a和O3b邻接。
权利要求
1.一种配备有物镜(14)和配备有用于校正该物镜的透镜误差的像差校正装置(22)的粒子光学器具，该像差校正装置包括-第一组光学单元，接连地包含第一(Q1)、第二(Q2)和第三四极透镜(Q3)和第一八极(O1)；-第二组光学单元，接连地包含第二八极(O2)和第四(Q4)、第五(Q5)和第六四极透镜(Q6)；以及-至少一个第三八极(O3)，被放置在两组光学单元的外面，-由此第一(O1)和第二八极(O2)与第三(Q3)和第四(Q4)四极透镜被放置在一方面第一(Q1)和第二(Q2)四极与另一方面第五(Q5)和第六(Q6)四极之间，其中四极透镜以这样的方式确定带电粒子在像差校正装置中的路径，使得八极互相在其上成像。其特征在于，-在第一轴平面(x-z平面)上，第一(O1)和第二(O2)八极不互相在其上成像，而第二(O2)和第三(O3)八极互相在其上成像；-在垂直于第一轴平面的第二轴平面(y-z平面)上，第一(O1)和第二(O2)八极不互相在其上成像，而第一(O1)和第三(O3)八极互相在其上成像；以及-在第一轴平面(x-z平面)上的轴光束(2)通过第一(O1)八极的轴点传送，和在第二轴平面(y-z平面)上的轴光束通过第二(O2)八极的轴点传送，-结果，物镜的三阶透镜误差得到校正，并且物镜的五阶透镜误差至少被最小化。
2.按照权利要求1的粒子光学器具，其中第三四极透镜(Q3)的四极场与第一八极(O1)的八极场至少部分地互相重叠，以及第四四极透镜(Q4)的四极场与第二八极(O2)的八极场至少部分地互相重叠。
3.按照权利要求1或2的粒子光学器具，其中第三八极(O3)位于像差校正装置的那一侧，在该侧没有放置粒子光学器具中要被校正的物镜。
4.按照权利要求1或2的粒子光学器具，其中第三八极(O3)被一个垂直于光轴的截面划分成第一部分(O3)和相等的第二部分(O3)，这两个部分分别位于两组光学单元的相反的两侧，以及其中存在垂直于光轴的镜面对称面(M)，这使得当相对于所述对称面进行镜面反射时，第一组的三个四极(Q1，Q2，Q3)和八极(O1)以及第三八极(O3a)的一部分的位置，产生第二组的三个四极(Q4，Q5，Q6)和八极(O2)以及第三八极(O3b)的第二部分的位置，由此，第一组的四极的激励与第二组的相应的四极的激励是相反的。
5.按照前述权利要求之一的粒子光学器具，其中第三(Q3)和第四四极透镜(Q4)每个用静磁和静电四极的组合来实现。
6.按照权利要求5的粒子光学器具，其中来自第一组光学单元的另一个四极透镜和来自第二组光学单元的另一个四极透镜的每个都用静磁和静电四极的组合来实现。
7.按照权利要求5的粒子光学器具，其中转移透镜系统(16)被放置在像差校正装置(22)与要被校正的物镜(14)之间，该系统使得轴向粒子射线通过在光轴上的交截点传送，在该交截点的位置处放置第七四极。
8.按照权利要求6的粒子光学器具，其中来自第一组光学单元的三个四极透镜(Q1，Q2，Q3)和来自第二组光学单元的三个四极透镜(Q4，Q5，Q6)都用静磁和静电四极的组合来实现，以及其中第一(Q1)、第二(Q2)、第五(Q5)和第六四极(Q6)也被实现为单色的。
9.按照权利要求1的粒子光学器具，其中添加上了至少另外的三个八极(O4，O5，O6)，它们分别被放置在第一、第二和第三八极的位置处，该第一、第二和第三八极是偶数的八极以及该另外的第一、第二和第三八极是奇数的八极，每个奇数的八极由于垂直于光轴的截面的结果而由第一(O41，O51，O61)和第二部分(O42，O52，O62)组成，其中每个奇数的八极的第一和第二部分的激励的比值使得奇数八极(O4，O5，O6)对于三阶轴向像差的贡献等于零，以及其中所有的奇数的八极的总的激励使得像差校正装置(22)和要被校正的物镜(14)的组合的各向异性的慧形像差等于零。
全文摘要
在TEM、STEM、或SEM中应用的四极－八极校正器。用于校正物镜的三阶与五阶像差的已知的校正器用八个四极和三个八极来实现。按照本发明的校正器具有至少相同的像差校正能力，但按照本发明的校正器是用六个四极和三个八极实现的。通过把具有相对较弱的激励的八极添加到一部分四极，还可得到对物镜的各向异性的慧形像差的校正。通过把所有的四极或四极的一部分实施为电磁的，还可以校正色度像差。
文档编号G02B7/00GK1847913SQ20061007409
公开日2006年10月18日 申请日期2006年4月4日 优先权日2005年4月5日
发明者A·亨斯特拉 申请人:Fei公司