DE1007443B - Strahlerzeugungssystem fuer Elektronenstrahlapparate, insbesondere Elektronenmikroskope - Google Patents

Description

etwa 0,2· 10-³.

Zur Verbesserung der Eigenschaften des Triodensystems kann zwischen Anode und Objektebene eine

Soll ein verkleinertes Abbild des Überkreuzungspunktes entstehen, muß der Kondensor nahe genug an der Objektebene angeordnet werden, was eine besondere Konstruk-

Zur Beseitigung dieses Nachteils ist das vorliegende Strahlerzeugungssystem für Elektronenstrahlapparate mit einer die Elektronenquelle umgebenden Elektrodenanordnung erfindungsgemäß so ausgebildet, daß zwei hintereinander und auf verschiedenem Potential gegenmuß also ein großer Gesamtstrahlstrom gewählt werden. 25 über der Kathode liegende Hilfselektroden zwischen Die Beleuchtungsapertur ist dabei klein und beträgt Glühkathode und Wehnelt-Elektrode angeordnet sind,

die die Feldverteilung in dem Bereich der Elektronenquelle, in dem die Elektronen höchstens 10 % der auf das Strahlerzeugungssystem einwirkenden Beschleunigungs-

Kondensorlinse eingeschaltet werden, die das divergente 30 spannung durchlaufen haben, im wesentlichen bestimmen. Bündel auf den abzubildenden Objektbereich fokussiert. Dabei ist es zweckmäßig, die der Elektronenquelle zunächst liegende Hilfselektrode auf ein gegenüber der Kathode negatives Potential und die andere Hilfselektrode auf ein gegenüber der Kathode positives

tion der Objektscbleuse erforderlich macht. Außerdem 35 Potential zu legen. Durch die Wirkung dieser beiden wird das Strahlerzeugungssystem durch das zusätzliche Hilfselektroden werden die Elektronen nach ihrem Aus-Linsensystem umfangreich und schwerfällig. tritt aus der Kathode zuerst gesammelt und dann Diese Schwierigkeiten sollte das bekannte Fernfokus- gestreut. Danach verläuft das Feld weiter wie bei dem system abhelfen, bei dem die Wehnelt-Elektrode einen Fernfokussystem, indem die Elektronen wieder gesammelt kegelförmigen Teil aufweist, in dessen durchbohrter 40 und schwach gestreut werden. Bei diesem Feldverlauf Spitze die Glühkathode angeordnet ist, während die kann die Ausdehnung des Bündelquerschnittes längs der eigentliche Wehnelt-Blende von der Kathode in Richtung optischen Achse genügend klein gehalten werden, so daß auf die Anode weggerückt ist und einen verhältnismäßig eine ausreichende Bündelung in der Objektebene eintritt. großen Durchmesser hat. Durch diese Formgebung der Durch die sehr nahe bei der Kathode liegende zweite Wehnelt-Elektrode soll in der Nähe der Kathode ein 45 Hilfselektrode mit positiver Vorspannung wird die Feldzerstreuendes und darauf folgend ein sammelndes Feld- stärke an der Kathodenoberfläche erhöht und die Emisgebiet verursacht werden, das in seiner Wirkung einem sionsdichte gesteigert. Wie bei dem Fernfokussystem ist Telesystem entspricht. Die Überkreuzung der Eletronen- es vorteilhaft, die erste kegelförmige Hilfselektrode mit strahlen erfolgt dabei erst in der Umgebung der Objekt- der Wehnelt-Blende zu verbinden. Während beim ebene. Da die Elektronen jedoch nach Austritt aus der 50 Fernfokussystem durch Regeln der negativen Wehnelt-Kathode in einen relativ großen Raumwinkel gestreut Vorspannung eine Änderung des Gesamtstrahlstromes

werden, gelingt es mit dieser Anordnung nicht, einen hinreichend engen Strahlquerschnitt in der Objektebene zu erzielen.

und der Intensität erreicht wird, bringt bei dem vorliegenden Strahler eine Änderung der Wehnelt-Spannung oder der Spannung der zweiten Hilfselektrode in gleicher

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Weise eine Änderung des Gesamtstrahlstromes und der temperatur, der Beschleunigungsspannung und der Intensität. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß die elektronen-optischen Dimensionierung des Strahlungs-Spannungen so miteinander gekoppelt werden können, systems abhängt.

daß die Eigenschaft der Fokussierung unabhängig von Beim Arbeiten mit Beugung muß die Bestrahlungs-

Strahlstrom und der Beschleunigungsspannung ist. 5 apertur möglichst klein gehalten werden, damit das Ferner läßt sich auch die Größe des Strahlquerschnittes Beugungsbild eine hinreichende Auflösung bekommt, in der Objektebene durch kombinierte Regelung der Andererseits ist es erwünscht, für Hellfeldbilder eine Spannungen der beiden Hilfselektroden in weiten Grenzen möglichst große Intensität bei möglichst kleinem Querverändern, was zur gleichmäßigen Ausleuchtung des schnitt in der Objektebene zu haben. Ein Strahlsystem Gesichtsfeldes bei verschiedenen Vergrößerungsstufen i° wie das Fernfokussystem nach Abb. 2 gestattet jedoch erforderlich ist. nicht, die Größen / und α in dem erforderlichen Intervall

Zur näheren Erläuterung der Erfindung dienen die zu regeln. Dagegen besitzt das vorliegende Strahl-Abbildungen, von denen die Abb. 1 bis 3 die Strahlen- erzeugungssystem nach Abb. 3 die Eigenschaften eines gänge von verschiedenen Strahlerzeugungssystemen dar- Kondensators, indem es die Beleuchtungsapertur in stellen. Abb. 4 zeigt als Beispiel ein Diagramm für die 15 einem Bereich von etwa 1 · 10~⁴ bis 1 ■ 10~³ zu variieren Änderung der Vorspannungen der beiden Hilfselektroden gestattet. Bei Verwendung eines Kondensors bleibt der bei Regelung der Fokussierung, während in Abb. 5 Faktor α in der obigen Beziehung bei Regelung der gleichfalls als Beispiel ein Schaltbild für die Erzeugung Kondensorstärke konstant. Das hat folgende Nachteile: •und Kopplung der beiden Vorspannungen dargestellt ist. Bei Umschaltung von »Fokussierung« (enger Strahl-Bei dem in Abb. 1 schematisch gezeigten Trioden- a° querschnitt in der Objektebene und große Apertur) auf Strahlungssystem, das aus einer Glühkathode 1, einem »Triode« (breiter Strahlquerschnitt in der Objektebene Wehnelt-Zylinder 2 und einer Anode 3 besteht, ergibt und kleine Apertur) sinkt die Intensität etwa um den sich durch das in die Bohrung der Wehnelt-Blende ein- Faktor 100. Sie muß daher an einem getrennten Regeldringende Beschleunigungsfeld eine in der Nähe der organ durch Erhöhung des Gesamtstrahlstromes nachKathode stark sammelnde und eine darauffolgende %5 geregelt werden. Da beim praktischen Betrieb eines Elekschwach zerstreuende Wirkung in der Weise, daß der tronenmikroskops die Umschaltung vom Hellfeldbild Überkreuzungspunkt 4 der Elektronen dicht hinter dem auf Beugungsbild oft und auch rasch hintereinander er-Wehnelt-Zylinder liegt und daß die Elektronen als diver- folgt, ist die doppelte Regelung unbequem, gentes Bündel aus dem Beschleunigungsfeld austreten. Das Strahlerzeugungssystem der vorliegenden Art hat

Infolgedessen ist die Stromdichte in der Objektebene 5, 3° diesen Nachteil nicht. Es ist so ausgebildet, daß bei von der eine verhältnismäßig große Fläche beleuchtet Regelung der Apertur oder Fokussierung der von der wird, ziemlich gering. elektronen-optischen Dimensionierung abhängige Fak-

Bei dem in Abb. 2 gezeigten Fernfokussystem ist die tor α sich so verändert, daß beispielsweise / konstant Kathode 1 in der durchbohrten Spitze einer kegel- bleibt, wie das Abb. 4 zeigt. Dies ist deshalb möglich, förmigen Elektrode 6 angeordnet, die auf gleichem 35 weil die Glühkathode von zwei Steuertrichtern (Elek-Potential wie die Wehnelt-Elektrode 2 liegt, welche einen trode 6 mit der Spannung XJ~ und Elektrode 7 mit größeren Blendendurchmesser hat und sich in einem Spannung 17+) umgeben ist, deren Spannungen in gegrößeren Abstand von der Kathode befindet als beim wisser Kombination regelbar sind. Beispielsweise kann normalen Triodensystem nach Abb. 1. Durch die be- eine Änderung der Apertur dadurch erzielt werden, daß sonderen Formen der Elektroden dieses Systems kommt 40 die Beiträge der Spannungen der beiden Steuertrichter zunächst eine zerstreuende, dann eine sammelnde und im gleichen Verhältnis vergrößert oder verkleinert schließlich eine schwach zerstreuende Wirkung des werden.

Feldes zustande. Die Überkreuzung der Elektronen- Da das vorliegende Strahlerzeugungssystem in seiner

strahlen findet erst in der Umgebung der Objekt- Intensitätsregelbarkeit gegenüber der Einstellung der ebene 5 statt. 45 Kathodenhöhe und des Spannungsverhältnisses von XJ-

Demgegenüber ist das in Abb. 3 dargestellte Strahl- zu 17+ sehr empfindlich ist, kann zur Erzeugung der erzeugungssystem gemäß der Erfindung mit zwei Hilfs- Spannungen XJ- und 17+ vorteilhaft eine elektrische elektroden 6 und 7 ausgerüstet, von denen die Elektrode 6 Schaltung nach Abb. 5 verwendet werden, in der der in gleicher Weise wie bei der Ausführungsform nach Abb. 2 Strahlstrom, der über die Kathode zur Erde fließt, zur auf dem Potential der Wehnelt-Elektrode 2 liegt, während 5° Selbsteinregelung benutzt wird. Hierbei werden an die unmittelbar über der Elektrode 6 angeordnete, zwei mechanisch gekoppelten Potentiometern 8 und 9 gleichfalls kegelförmige Elektrode 7 auf einem gegenüber die Spannungen XJ- für die Elektrode 6 und U+ für die der Kathode 1 positiven Potential liegt. Durch die auf Elektrode 7 entnommen. Die Kathode ist elektrisch mit positiver Spannung von etwa 1 kV liegende Elektrode 7 dem Schleifer eines Potentiometers 10 verbunden, wird für die Elektronen nach ihrem Austritt aus der 55 11, 12 und 13 sind Festwiderstände, von denen 11 so Kathode zunächst eine sammelnde und dann eine zer- hochohmig ausgelegt ist, daß bei einer am Punkt 15 anstreuende Wirkung erzielt. Der weitere Feldverlauf ist gelegten Hochspannung von 50 kV ein Belastungsstrom ähnlich wie bei dem System nach Abb. 2. In der Ge- von 200 μΑ fließt. Ein Regelwiderstand 14 dient dazu, samtwirkung ergibt sich eine schärfere Bündelung des das Spannungsverhältnis von XJ- zu XJ+ zu regem. Elektronenstrahles in der Objektebene. 60 Hierdurch läßt sich eine verschiedene Neigung der

Das eingangs erwähnte Triodensystem mit Kondensor Geraden / = konst. in Abb. 4 erzielen. Die Regelung bietet die Möglichkeit, den Strahlquerschnitt in der Ob- der Spannungen XJ- und XJ+ an den Potentiometern 8 jektebene und die Beleuchtungsapertur in einem relativ und 9 einerseits und dem Potentiometer 10 andererseits großen Bereich zu variieren. Letzteres ist insbesondere erfolgt annähernd polarkoordinatenmäßig. An den Fofür Linsensysteme von Bedeutung, die eine umschaltbare 65 tentiometern 8 und 9 wird der Betrag des Spannungs-Beugungsstufe aufweisen. vektors (XJ-, XJ⁺) und an dem Potentiometer 10 seine

Zwischen der Bestrahlungsintensität / in der Objekt- Richtung in einem gewissen kleinen Intervall geregelt, ebene und der Beleuchtungsapertur α besteht nach dem Die Lage dieses Intervalles hängt von der Stellung des Helmhöltzschen Satz die Beziehung/ = a · α², wobei der Regelwiderstandes 14 ab. Die Widerstände 12 und 13 Faktor α von der Emissionsstromdichte, der Glühfaden- 70 sind so bemessen, daß der Strahlstrom /, der in einer

Größenordnung von 10 μΑ über die Kathode zur Erde fließt, sich selbst begrenzt.

Claims (3)

PatentANSPKücHE:

1. Strahlerzeugungssystem für Elektronenstrahlapparate, insbesondere Elektronenmikroskope, mit einer die Elektronenquelle umgebenden Elektrodenanordnung, gekennzeichnet durch die Anordnung von zwei hintereinander und auf verschiedenem Potential gegenüber der Kathode liegenden Hilfselektroden zwischen Glühkathode und Wehnelt-Elektrode, die die Feldverteilung in dem Bereich der Elektronenquelle, in dem die Elektronen höchstens 10 % der auf das Strahlerzeugungssystem einwirkenden Beschleuni-

gungsspannung durchlaufen haben, im wesentlichen bestimmen.

2. Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Elektronenquelle zunächst liegende Hilfselektrode auf einem gegenüber der Kathode negativen Potential und die andere Hilfselektrode auf einem gegenüber der Kathode positiven Potential liegt.

3. Strahlerzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Hilfselektroden liegenden Spannungen getrennt oder in Kombination regelbar sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 857 245.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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