DE112016007631B3 - electron microscope - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung soll ein Elektronenmikroskop schaffen, das durch Anordnen eines NEG an einer Extraktionselektrode um eine Elektronenquelle herum auf einer geeigneten Temperatur aktiviert werden kann. Die vorliegende Erfindung ist ein Elektronenmikroskop, das mit einer Elektronenkanone versehen ist, wobei die Elektronenkanone eine Elektronenquelle, eine Extraktionselektrode und eine Beschleunigungsröhre umfasst, wobei die Beschleunigungsröhre an einem Verbindungsabschnitt mit der Extraktionselektrode verbunden ist, die Extraktionselektrode eine erste Heizung und einen ersten NEG umfasst und die erste Heizung und der erste NEG in axialer Richtung eines von der Elektronenquelle emittierten Elektronenstrahls voneinander beabstandet sind.The present invention seeks to provide an electron microscope which can be activated at an appropriate temperature by placing an NEG on an extraction electrode around an electron source. The present invention is an electron microscope provided with an electron gun, the electron gun comprising an electron source, an extraction electrode and an accelerating tube, the accelerating tube being connected to the extraction electrode at a connection portion, the extraction electrode comprising a first heater and a first NEG and the first heater and the first NEG are spaced apart from each other in an axial direction of an electron beam emitted from the electron source.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Elektronenmikroskop, das mit einer Elektronenkanone versehen ist.The present invention relates to an electron microscope provided with an electron gun.
Stand der TechnikState of the art
Ein Elektronenmikroskop ist eine Beobachtungsvorrichtung, die unter Verwendung eines Elektronenstrahls ein vergrößertes Bild einer Probe und Informationen über Bestandteile erhält. In dem Elektronenmikroskop werden von einem Elektronenstrahl ein präzises vergrößertes Bild der Probe und ein Ergebnis der Analyse der Elementzusammensetzung der Probe erhalten. Aus diesem Grund spielt eine Elektronenkanone, die einen Elektronenstrahl erzeugt, eine große Rolle.An electron microscope is an observation device that obtains an enlarged image of a sample and information about constituents using an electron beam. In the electron microscope, a precise magnified image of the sample and a result of elemental composition analysis of the sample are obtained by an electron beam. For this reason, an electron gun that generates an electron beam plays a large role.
Für die Elektronenkanone ist es wichtig, ihren inneren Restgasdruck niedrig zu halten. Um Restgasmoleküle in die Elektronenkanone zu pumpen und die Moleküle auf niedrigem Druck zu halten, ist die Elektronenkanone mit einer Unterdruckpumpe wie etwa einer lonenpumpe (Sputter-lonenpumpe) versehen. Eine lonenpumpe ist eine Vorrichtung, die Restgasmoleküle in einem Unterdruckbehälter durch Stöße mit einem Elektronenstrahl ionisiert und Restgas durch den Einschluss des Gases in einer Innenwand pumpt.It is important for the electron gun to keep its internal residual gas pressure low. In order to pump residual gas molecules into the electron gun and keep the molecules at low pressure, the electron gun is provided with a vacuum pump such as an ion pump (sputter ion pump). An ion pump is a device that ionizes residual gas molecules in a vacuum vessel by collision with an electron beam and pumps residual gas through the confinement of the gas in an inner wall.
In den letzten Jahren wurde außerdem eine Pumpe mit nicht verdampfbarem Getter (NEG-Pumpe) zum Pumpen von Rest-Wasserstoffmolekülen in Kombination mit einer lonenpumpe verwendet. PTL 1 offenbart eine Elektronenkanone, die mit einer lonenpumpe und einem NEG versehen ist. Weiterhin offenbart PTL 2 eine Elektronenkanone, die um eine Elektronenquelle herum mit einem NEG versehen ist.Also, in recent years, a non-evaporable getter (NEG) pump for pumping residual hydrogen molecules has been used in combination with an ion pump.
Entgegenhaltungslistecitation list
Patentdokumentepatent documents
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PTL 1:
JP 2015 - 015 200 A JP 2015 - 015 200 A -
PTL 2:
WO 2005 / 124 815 A1 WO 2005/124 815 A1 -
PTL 3:
US 2008 0 284 332 A1 U.S. 2008 0 284 332 A1 -
PTL 4:
US 2013 0 087 703 A1 U.S. 2013 0 087 703 A1 -
PTL 5:
DE 11 2014 006 978 T5 DE 11 2014 006 978 T5 -
PTL 6:
DE 112016 007 160 T5 DE 112016 007 160 T5
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the Invention
Technisches ProblemTechnical problem
Es ist wichtig, das Restgas in der Elektronenkanone niedrig zu halten, um die Reinigungshäufigkeit und die Häufigkeit des Austauschs der Elektronenquelle zu reduzieren. In dem in PTL 1 beschriebenen Elektronenmikroskop ist es möglich, das Restgas niedrig zu halten, indem sowohl die lonenpumpe als auch der NEG bereitgestellt wird. Der NEG ist ein poröser Metallstab und verwendet als Pumpprinzip eine Chemisorption an Metallatomen einer Oberfläche. Vor der Verwendung des NEG werden atmosphärische Moleküle auf einer Metalloberfläche absorbiert und befinden sich in einem inaktiven Zustand. Durch Erhitzen des NEG auf eine hohe Temperatur von etwa 450 °C bei Unterdruck werden die Gasmoleküle auf der Pumpenoberfläche in das Vakuum abgegeben oder in dem NEG sorbiert und die Metallatome auf der Oberfläche werden chemisch aktiv <Aktivierung>. Der aktivierte NEG sorbiert und pumpt Restgasmoleküle wie Wasserstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxid.It is important to keep the residual gas in the electron gun low to reduce the frequency of cleaning and the frequency of changing the electron source. In the electron microscope described in
Bei einem Elektronenmikroskop, wie es in PTL 1 beschrieben ist, ist es nicht möglich, einen NEG zu aktivieren, es sei denn, eine für den NEG vorgesehene Heizung ist zum Aktivieren des NEG bereitgestellt. Darüber hinaus muss zum Zeitpunkt des Backens einer Elektronenkanone oder dergleichen eine dem NEG zugeordnete Heizung aktiviert und auf eine Temperatur eines aktivierten Zustands erwärmt werden. In PTL 2 ist eine spulenförmige Heizung um einen NEG gewickelt und der NEG wird elektrisch erwärmt, um ihn zu aktivieren. Daher ist es notwendig, eine dem NEG zugeordnete Spule um die Elektronenquelle herum anzuordnen. Wenn der NEG aktiviert wird, wird außerdem eine große Menge von Gasmolekülen aus dem NEG emittiert und von umgebenden Komponenten oder der Elektronenquelle absorbiert, was das Leistungsvermögen der Elektronenquelle nachteilig beeinflussen kann.In an electron microscope as described in
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die obigen Probleme ersonnen und ihre Aufgabe besteht darin, ein Mittel zum geeigneten Aktivieren eines NEG zu schaffen und gleichzeitig einen NEG um eine Elektronenquelle herum anzuordnen, ohne eine Heizung zum Aktivieren des NEG zu verwenden.The present invention has been conceived in view of the above problems, and its object is to provide a means for suitably activating a NEG and at the same time arranging a NEG around an electron source without using a heater to activate the NEG.
Lösung des Problemsthe solution of the problem
Die Merkmale der vorliegenden Erfindung für die Lösung der obigen Probleme sind wie folgt.The features of the present invention for solving the above problems are as follows.
Die vorliegende Erfindung ist daher ein Elektronenmikroskop, das mit einer Elektronenkanone versehen ist, wobei die Elektronenkanone eine Elektronenquelle, eine Extraktionselektrode und eine Beschleunigungsröhre umfasst, wobei die Beschleunigungsröhre an einem Verbindungsabschnitt mit der Extraktionselektrode verbunden ist, die Extraktionselektrode eine ersten Heizung und einen ersten NEG umfasst, und die erste Heizung und der erste NEG in axialer Richtung eines von der Elektronenquelle emittierten Elektronenstrahls beabstandet sind.The present invention is therefore an electron microscope provided with an electron gun, the electron gun having an elec ron source, an extraction electrode, and an acceleration tube, wherein the acceleration tube is connected to the extraction electrode at a connection portion, the extraction electrode includes a first heater and a first NEG, and the first heater and the first NEG are spaced in an axial direction of an electron beam emitted from the electron source are.
Vorteilhafte Effekte der ErfindungAdvantageous Effects of the Invention
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen stabilen Emissionsstrom über einen längeren Zeitraum zu erzielen, ohne die Elektronenquelle auszutauschen und ohne eine separate Heizung für den NEG zu verwenden, indem der geeignet aktivierte NEG insbesondere an der Extraktionselektrode um die Elektronenquelle herum angeordnet wird. Dadurch ist es möglich, ein Elektronenmikroskop zu erhalten, das keine Langzeitwartung erfordert und ein Beobachtungsbild erzielt, das für eine längere Zeit stärker stabilisiert worden ist.According to the present invention, it is possible to obtain a stable emission current over a long period of time without exchanging the electron source and without using a separate heater for the NEG by arranging the appropriately activated NEG particularly at the extraction electrode around the electron source. Thereby, it is possible to obtain an electron microscope that does not require long-term maintenance and obtains an observation image that has been more stabilized for a longer period of time.
Figurenlistecharacter list
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1 ]1 ist eine Darstellung, die ein Elektronenmikroskop in einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.[1 ]1 Fig. 12 is a diagram showing an electron microscope in an embodiment of the invention. -
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2 ]2 ist eine Darstellung, die eine Elektronenkanone in einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.[2 ]2 Fig. 14 is a diagram showing an electron gun in an embodiment of the invention. -
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3 ]3 ist eine Darstellung, die eine Konfiguration einer Unterdruckpumpe einer Elektronenkanone mit kalter Feldemission zeigt.[3 ]3 Fig. 12 is a diagram showing a configuration of a vacuum pump of a cold field emission type electron gun. -
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4 ]4 ist eine vergrößerte Darstellung, die eine Struktur um eine Elektronenquelle herum zeigt.[4 ]4 Fig. 12 is an enlarged view showing a structure around an electron source.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of Embodiments
Ein Elektronenmikroskop besteht hauptsächlich aus einer Elektronenkanone, einem Elektronenoptiksystem, einem Probenhalter, einem Detektor, einer Bedieneinheit und einer Leistungsversorgungseinheit. Die Elektronenkanone ist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Elektronenstrahls. Das Elektronenoptiksystem ist eine Vorrichtung, die von der Elektronenkanone erzeugte Elektronen transportiert und eine Probe mit den Elektronen bestrahlt. Das Elektronenoptiksystem hat auch eine Funktion des Konvergierens und Ablenkens eines Elektronenstrahls durch eine elektromagnetische Linse. Der Probenhalter ist eine Vorrichtung, die ein Material (eine Probe), das beobachten werden soll, in einem Elektronenstrahlengang in der Elektronenoptik fixiert und das Material nach Bedarf bewegt und neigt.An electron microscope mainly consists of an electron gun, an electron optical system, a specimen holder, a detector, an operation unit, and a power supply unit. The electron gun is a device for generating a beam of electrons. The electron optical system is a device that transports electrons generated by the electron gun and irradiates a sample with the electrons. The electron optical system also has a function of converging and deflecting an electron beam through an electromagnetic lens. The sample holder is a device that fixes a material (a sample) to be observed in an electron beam path in the electron optics and moves and tilts the material as needed.
Um die Probe mit dem von der Elektronenkanone emittierten Elektronenstrahl ohne Stöße mit Luftmolekülen zu bestrahlen, muss das Innere der Elektronenkanone auf Unterdruck gehalten werden. Daher ist das Elektronenmikroskop mit einer Unterdruckpumpe versehen. Auf die Probe gestrahlte Elektronen erzeugen reflektierte Elektronen, Sekundärelektronen, transmittierte Elektronen, gestreute Elektronen, Röntgenstrahlen und dergleichen durch Wechselwirkung mit Atomen, aus denen die Probe besteht. In dem Detektor werden diese Elektronen und Röntgenstrahlen gemessen. Zusätzlich wird die Fluoreszenz, die durch den von der Probe transmittierten Elektronenstrahl erzeugt wird, mittels einer Fluoreszenzplatte als Probenbild erhalten.In order to irradiate the sample with the electron beam emitted from the electron gun without collision with air molecules, the inside of the electron gun must be kept at negative pressure. Therefore, the electron microscope is provided with a vacuum pump. Electrons irradiated to the sample generate reflected electrons, secondary electrons, transmitted electrons, scattered electrons, X-rays and the like by interacting with atoms constituting the sample. In the detector, these electrons and X-rays are measured. In addition, the fluorescence generated by the electron beam transmitted from the sample is obtained as a sample image using a fluorescent plate.
Die Leistungsversorgungseinheit liefert elektrische Leistung, die für den Betrieb der Elektronenkanone, des Elektronenoptiksystems, des Detektors und dergleichen erforderlich ist, und führt eine genaue Steuerung aus. Die Bedieneinheit steuert die Leistungsversorgung, analysiert die von dem Detektor erhaltenen Informationen, verarbeitet die Informationen als vergrößertes Bild der Probe und die Elementzusammensetzung der Probe zu einem für eine Bedienperson leicht erkennbaren Zustand, zeigt die Informationen an und zeichnet sie auf. Die Elektronenkanone ist hier eine Vorrichtung, die zur Beobachtung verwendete Elektronen als freie Elektronen bei Unterdruck erzeugt. Außerdem werden in der Elektronenkanone die erzeugten freien Elektronen durch das elektrische Differenzpotential beschleunigt, um eine Gruppe von Elektronen mit kinetischer Energie, d. h. einen Elektronenstrahl, zu bilden. Die von der Elektronenquelle in der Elektronenkanone erzeugte Elektronenmenge pro Zeiteinheit wird als Emissionsstrom bezeichnet.The power supply unit supplies electric power required for the operation of the electron gun, the electron optical system, the detector and the like, and performs accurate control. The operation unit controls the power supply, analyzes the information obtained from the detector, processes the information as a magnified image of the sample and the elemental composition of the sample into a state easily recognizable for an operator, displays and records the information. Here, the electron gun is a device that generates electrons used for observation as free electrons under negative pressure. Also, in the electron gun, the generated free electrons are accelerated by the differential electric potential to form a group of electrons with kinetic energy, i.e., electrons. H. an electron beam. The amount of electrons generated by the electron source in the electron gun per unit time is called the emission current.
im Folgenden wird eine Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone (Kaltfeldemissions-Elektronenkanone) beschrieben, die eine Art von Elektronenkanone ist. Bei der Kaltfeldemissions-Elektronenkanone wird als Elektronenquelle ein Wolfram-Einkristall verwendet, dessen Spitze durch Elektrolyt-Schleifen angespitzt ist. Eine Extraktionselektrode ist in der Nähe der Elektronenquelle bereitgestellt. Zwischen der Extraktionselektrode und der Elektronenquelle wird eine Extraktionsspannung von einigen Kilovolt angelegt. Aufgrund der spitzen Form der Elektronenquelle tritt dann eine elektrische Feldkonzentration an der Spitze der Elektronenquelle auf und ein hohes elektrisches Feld wird erzeugt. Aufgrund dieses hohen elektrischen Feldes werden Elektronen aufgrund der Feldemission aus der Spitze der Elektronenquelle emittiert. Bei der Kaltfeldemissions-Elektronenkanone ist die Gesamtmenge der auf diese Weise von der Elektronenquelle durch Feldemission emittierten Elektronenstrahlen der oben beschriebene Emissionsstrom.a cold cathode field emission electron gun (cold field emission electron gun), which is one type of electron gun, will be described below. In the case of the cold field emission electron gun, a tungsten monocrystal is used as the electron source, the tip of which is sharpened by electrolytic grinding. An extraction electrode is provided near the electron source. An extraction voltage of a few kilovolts is applied between the extraction electrode and the electron source. Then, due to the pointed shape of the electron source, an electric field concentration occurs at the tip of the electron source and a high electric field is generated. Due to this high electric field, electrons are emitted from the tip of the electron source due to field emission. In the cold field emission type electron gun, the total amount of electron beams thus emitted from the electron source by field emission is the emission current described above.
Der Betrag des Emissionsstroms wird nicht nur durch die Extraktionsspannung (und letztlich die elektrische Feldstärke an der Spitze der Elektronenquelle) beeinflusst, sondern auch durch den Oberflächenzustand der Elektronenquelle. In der Elektronenkanone ist eine Kaltfeldemissions-Elektronenquelle angeordnet, deren Restgasdruck durch die Unterdruckpumpe abgesenkt wird. Wenn jedoch einige verbleibende Gasmoleküle von der Elektronenquelle absorbiert werden, nimmt die Austrittsarbeit der Elektronenquelle im Allgemeinen ab und der Emissionsstrombetrag bei derselben elektrischen Feldstärke nimmt ab. Wenn die restlichen Gasmoleküle auf die Elektronenquelle stoßen und absorbiert werden, nimmt daher die Menge an Emissionselektronen ab. Infolgedessen nimmt der Emissionsstrom während des Betriebs der Elektronenkanone unter der Voraussetzung, dass eine konstante Extraktionsspannung angelegt wird, allmählich ab.The magnitude of the emission current is not only determined by the extraction voltage (and ultimately the electric field strength at the tip of the electron source) but also by the surface condition of the electron source. A cold field emission electron source is arranged in the electron gun, the residual gas pressure of which is lowered by the vacuum pump. However, when some remaining gas molecules are absorbed by the electron source, the work function of the electron source generally decreases and the amount of emission current at the same electric field strength decreases. Therefore, when the remaining gas molecules collide with the electron source and are absorbed, the amount of emission electrons decreases. As a result, the emission current gradually decreases during the operation of the electron gun provided that a constant extraction voltage is applied.
Da, wie es oben beschrieben ist, der Emissionsstrom der Kaltfeldemissions-Elektronenkanone durch den Oberflächenzustand der Elektronenquelle beeinflusst wird, ist es zur stabilen Nutzung erforderlich, die Oberfläche der Elektronenquelle durch erneutes Emittieren von auf der Oberfläche der Elektronenquelle in dem Unterdruck absorbierten Gasmolekülen zu reinigen oder dergleichen. Dies wird durch momentanes Erhitzen des Einkristalls erreicht. Daher verfügen viele Kaltfeldemissions-Elektronenkanonen über einen Mechanismus, der eine Elektronenquelle an die Spitze eines Filaments schweißt, die Elektronenquelle erwärmt, indem das Filament kurzzeitig elektrisch erwärmt wird, und eine Reinigung durchführt. Diese Operation wird als Flashen bezeichnet. Beim Flashen wird die Spitze der Elektronenquelle gereinigt. Bei der Kaltfeldemissions-Elektronenkanone wird dieses Flashen regelmäßig durchgeführt, um einen konstanten Emissionsstrom zu erhalten.Since, as described above, the emission current of the cold field emission electron gun is affected by the surface state of the electron source, it is necessary for stable use to clean the surface of the electron source by re-emitting gas molecules absorbed on the surface of the electron source in the negative pressure or the like. This is achieved by momentarily heating the single crystal. Therefore, many cold-field emission electron guns have a mechanism that welds an electron source to the tip of a filament, heats the electron source by briefly electrically heating the filament, and performs cleaning. This operation is called flashing. Flashing cleans the tip of the electron source. In the case of the cold field emission electron gun, this flashing is carried out regularly in order to obtain a constant emission current.
Indem der Restgasdruck in der Elektronenkanone niedrig gehalten wird, verringert sich hier eine notwendige Reinigungshäufigkeit und die Elektronenquelle kann für eine lange Zeit (etwa mehrere Stunden bis einen Tag) verwendet werden, ohne eine Reinigung durchzuführen. Dies liegt daran, dass die Adsorptionshäufigkeit der Restgasmoleküle an der Elektronenquelle abnimmt und die zeitliche Änderung des Oberflächenzustands gering wird. Um eine bessere Probenbeobachtung durchzuführen, z. B. verschiedene Probenbilder unter den gleichen Bedingungen zu erhalten und Elementanalyse-Ergebnisse zu erhalten, ist es wichtig, einen stabilen Emissionsstrom über einen langen Zeitraum zu erzielen, ohne Reinigung und Extraktionsspannung zu betreiben.Here, by keeping the residual gas pressure in the electron gun low, a necessary frequency of cleaning decreases, and the electron source can be used for a long time (about several hours to a day) without performing cleaning. This is because the frequency of adsorption of the residual gas molecules on the electron source decreases and the change in the surface state with time becomes small. In order to perform better sample observation, e.g. For example, to obtain different sample images under the same conditions and obtain element analysis results, it is important to achieve stable emission current over a long period of time without operating cleaning and extraction voltage.
Zusätzlich bewirkt der Vorteil der Verringerung der Reinigungshäufigkeit auch die Verlängerung der Lebensdauer der Elektronenquelle. Das Flashen ist ein Vorgang des Erhitzens einer Elektronenquelle für eine kurze Zeit, um absorbierte Gasmoleküle zu entfernen, aber da das Flashen eine thermische Verschiebung der Wolframatome an der Spitze der Elektronenquelle verursacht, ändert sich die physikalische Form des Spitzenabschnitts bei jeder Wiederholung des Flashens allmählich. Diese Änderung ist aufgrund der auf die Atome im Kristall wirkenden Anziehungskraft üblicherweise eine Änderung dahingehend, dass die physische Form des scharf angespitzten Spitzenabschnitts allmählich abgerundet wird (dies wird an dem Spitzenabschnitt der Elektronenquelle „abgerundet“ genannt). Wenn das Flashen wiederholt wird, nimmt daher der Krümmungsradius der Spitze der Elektronenquelle allmählich zu, was dementsprechend dazu führt, dass die Konzentration des elektrischen Feldes an dem Spitzenabschnitt der Elektronenquelle abgeschwächt wird. Da die Konzentration des elektrischen Feldes abgeschwächt wird, ist es zum Erzielen des gleichen Emissionsstroms erforderlich, die Extraktionsspannung zu erhöhen. Wenn die Extraktionsspannung so festgelegt wird, dass ein konstanter Emissionsstrom aufrechterhalten wird, steigt die Extraktionsspannung über die Nutzungsdauer (etwa Monate bis Jahre) der Elektronenkanone allmählich an. Wenn diese Extraktionsspannung eine Spannungsgrenze (abhängig von der Leistungsfähigkeit der Leistungsquelle und dem Isolationsvermögen innerhalb der Verdrahtung und der Elektronenkanone) der Elektronenkanone überschreitet, kann kein ausreichender Emissionsstrom aus dieser Elektronenquelle erhalten werden und es wird notwendig, die Elektronenquelle auszutauschen. Um die Elektronenquelle auszutauschen und die Vorrichtung neu zu starten, muss die Unterdruckpumpe normalerweise angehalten werden. Um das Molekulargewicht des Restgases in der Elektronenkanone auf ein für eine Langzeitstabilisierung des Emissionsstroms erforderliches Maß zu reduzieren, ist es insbesondere zusätzlich zum Pumpen durch die Unterdruckpumpe erforderlich, die Elektronenkanone zu erhitzen (zu backen). Da die an der Innenwand der Elektronenkanone absorbierten Gasmoleküle durch das Backen schlagartig abgegeben werden und das Molekulargewicht des Restgases nach dem Abpumpen durch die Unterdruckpumpe stark reduziert ist, ist das Backen wesentlich. Die Elektronenkanone wird mit verschiedenen Heizungen gebacken und dann zum Gebrauch auf Raumtemperatur abgekühlt, aber dieser Vorgang erfordert etwa eine Woche Arbeit.In addition, the advantage of reducing the cleaning frequency also has the effect of increasing the lifetime of the electron source. Flashing is a process of heating an electron source for a short time to remove absorbed gas molecules, but since flashing causes thermal displacement of the tungsten atoms at the tip of the electron source, the physical shape of the tip portion gradually changes with each repetition of flashing. This change is usually a change such that the physical shape of the sharply pointed tip portion is gradually rounded (this is called “rounded” at the tip portion of the electron source) due to the attractive force acting on the atoms in the crystal. Therefore, when the flashing is repeated, the radius of curvature of the tip portion of the electron source gradually increases, resulting in the electric field concentration at the tip portion of the electron source being weakened accordingly. Since the electric field concentration is weakened, in order to obtain the same emission current, it is necessary to increase the extraction voltage. If the extraction voltage is set to maintain a constant emission current, the extraction voltage will gradually increase over the service life (roughly months to years) of the electron gun. If this extraction voltage exceeds a voltage limit (depending on the performance of the power source and the insulating property within the wiring and the electron gun) of the electron gun, sufficient emission current cannot be obtained from this electron source and it becomes necessary to replace the electron source. In order to replace the electron source and restart the device, the vacuum pump must normally be stopped. In particular, in order to reduce the molecular weight of the residual gas in the electron gun to a level required for long-term stabilization of the emission current, it is necessary to heat (bake) the electron gun in addition to pumping by the vacuum pump. Since the gas molecules adsorbed on the inner wall of the electron gun are instantaneously discharged by the baking and the molecular weight of the residual gas is greatly reduced after being pumped out by the vacuum pump, the baking is essential. The electron gun is baked with various heaters and then cooled to room temperature for use, but this process requires about a week's work.
Daher ist es möglich, die Austauschhäufigkeit der Elektronenquelle durch Verringern der Reinigungshäufigkeit zu reduzieren, und es ist möglich, die notwendige Wartungshäufigkeit zu reduzieren und die Betriebskosten der Vorrichtung niedrig zu halten.Therefore, it is possible to reduce the frequency of replacement of the electron source by reducing the frequency of cleaning, and it is possible to reduce the frequency of necessary maintenance and suppress the running cost of the apparatus.
Eine Elektronenkanone 1, die mit einer Kaltfeldemissions-Elektronenkanone 101 versehen ist, erzeugt einen Elektronenstrahl 10. Das Elektronenoptiksystem 2 konvergiert den Elektronenstrahl 10, lenkt ihn ab und bestrahlt eine Probe 31. Der Probenhalter 3 hält die Probe 31 und bewegt, neigt, und wechselt die Probe 31 nach Bedarf. Der Detektor 4 misst reflektierte Elektronen, Sekundärelektronen, transmittierte Elektronen, gestreute Elektronen, Röntgenstrahlen und dergleichen, die von der Probe 31 erzeugt werden. Die Leistungsversorgungseinheit 6 versorgt die Elektronenkanone 1 und das Elektronenoptiksystem 2 mit Leistung, passt die ausgegebene Leistung an und steuert den Elektronenstrahl in einen Zustand, der von der Bedienperson angefordert wird. Zudem werden Informationen aus dem Detektor 4 in ein digitales Signal umgewandelt. Die Bedieneinheit 5 steuert die Elektronenkanone 1 und das Elektronenoptiksystem 2 über ein Leistungsversorgungssystem 6, verarbeitet Informationen aus dem Detektor 4 und zeigt die Informationen in einer für die Bedienperson sichtbaren Form an oder zeichnet sie auf.An
An die Extraktionselektrode 103 wird eine Extraktionsspannung (V1) von mehreren Kilovolt mit Bezug auf die Elektronenquelle 101 von der Elektronenkanonen-Leistungsversorgung 62 angelegt. Da die Elektronenquelle 101 eine angespitzte Spitzenform aufweist, wird ein starkes elektrisches Feld an dem Spitzenabschnitt der Elektronenquelle 101 erzeugt. Zu diesem Zeitpunkt werden die von der Elektronenquelle 101 emittierten Elektronen anfänglich durch die Potentialdifferenz zwischen der Elektronenquelle 101 und der Extraktionselektrode 103 basierend auf dem Prinzip der Feldemission beschleunigt und auf die Extraktionselektrode 103 gestrahlt. Dies ist der Emissionsstrom. Ein Teil des Emissionsstroms durchläuft das Loch einer Anodenblende 121, die in der Extraktionselektrode 103 bereitgestellt ist, und tritt in die Beschleunigungsröhre 105 ein. Die Beschleunigungsröhre 105 ist mit mehreren Zwischenraumelektroden 104, 106, 107, 108 und 109 versehen und der Elektronenstrahl durchläuft die Zwischenraumelektroden und wird weiter beschleunigt. Die Elektronenquelle 101 und die Extraktionselektrode 103 stehen durch die Elektronenkanonen-Leistungsversorgung 62 unter einer hohen negativen Spannung (VO) von mehreren hundert Kilovolt. Die Anode 110 befindet sich auf Massepotential und auf Nullpotential. Der Elektronenstrahl wird durch diese Potentialdifferenz beschleunigt, und die Elektronen, die die Anode 110 durchlaufen haben, sind Elektronenstrahlen mit einer Energie von VO.An extraction voltage (V1) of several kilovolts with respect to the
Um Stöße mit den Luftmolekülen des Elektronenstrahls zu verhindern und Stöße von Restgasmolekülen mit der Oberfläche der Elektronenquelle 101 zu verhindern und die Oberfläche der Elektronenquelle 101 in einem reinen Zustand zu halten, bildet die Elektronenkanone 1 einschließlich der Beschleunigungsröhre 105 einen Unterdruckbehälter. Das Innere der Elektronenkanone wird von der Unterdruckpumpe 17 ausgepumpt.In order to prevent collisions with the air molecules of the electron beam and to prevent collisions of residual gas molecules with the surface of the
Als Nächstes wird die Konfiguration der Unterdruckpumpe der Kaltfeldemissions-Elektronenkanone unter Bezugnahme auf
In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist hier der NEG 173 in der Nähe der Elektronenquelle 101 bereitgestellt. Der NEG 173 sorbiert Restgasmoleküle um die Elektronenquelle 101 herum effizient und ermöglicht es der Elektronenkanone 1, den Emissionsstrom über eine lange Zeit stabil zu emittieren. Ein NEG 173 ist in der Nähe der Elektronenquelle 101 in
Zusätzlich zu der lonenpumpe 171 und dem NEG 172 ist der NEG 173 in der Nähe der Elektronenquelle 101, insbesondere an der Extraktionselektrode, bereitgestellt und daher kann die Anzahl von Restgasmolekülen, die mit der Elektronenquelle zusammenstoßen, stark reduziert werden.In addition to the
Wenn der NEG 173 in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Nähe der Elektronenquelle 101 bereitgestellt wird, wird die Extraktionselektrode 103 mit dem NEG 173 versehen. Eine vergrößerte Darstellung, die die Struktur um die Elektronenquelle 101 und den NEG 173 zeigt, ist in
In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Extraktionselektrode 103 mit einer inneren Heizung 192 versehen. Die innere Heizung 192 ist eine Heizung, die in dem Unterdruckbehälter der Elektronenkanone 1 angeordnet ist. Ein elektrischer Strom wird durch eine Durchführung (nicht gezeigt) in das Vakuum eingeführt und dient als Wärmequelle für die innere Heizung 192. Die innere Heizung 192 wird während des Backens der Elektronenkanone immer mit Energie versorgt und dient dazu, die Extraktionselektrode 103 besonders stark zu erhitzen. Da es die Rolle der Extraktionselektrode 103 ist, einen großen Teil des Elektronenstrahls, der von der Elektronenquelle 101 erzeugt wird, während des Gebrauchs der Elektronenquelle zu absorbieren, backt speziell die innere Heizung 192 die Extraktionselektrode 103 bei einer hohen Temperatur und bewirkt, dass die an dem Extraktionselektrodenumfang 194 absorbierten Gasmoleküle emittiert werden. Dadurch können Zusammenstöße von Restgasmolekülen mit der Oberfläche der Elektronenquelle 101 verhindert werden und die Elektronenquellenoberfläche 101 kann in einem reinen Zustand gehalten werden. Die geeignete Temperatur der Heizung 191 beträgt etwa 350 °C, was 300 °C oder höher ist, aber die geeignete Temperatur der inneren Heizung 192 beträgt etwa 450 °C, was 400 °C oder höher ist.In the embodiment of the present invention, the
Hier ist der NEG 173 zwischen der inneren Heizung 192 der Extraktionselektrode 103 und einem Verbindungsabschnitt 181 dort, wo die Extraktionselektrode 103 mit der Außenwand 193 der Beschleunigungsröhre in Kontakt steht, angebracht und wird durch einen Wärmegradienten erwärmt. Hier wird die Temperatur um einen vorderen Endabschnitt 182 der Extraktionselektrode herum durch die innere Heizung 192 auf etwa 450 °C erwärmt. Während sie über die Luft von der Heizung erwärmt wird, ist die Temperatur des Verbindungsabschnitts 181 der Außenwand 193 der Beschleunigungsröhre niedriger als die der Heizung 191 und beträgt etwa 300 °C. Durch Befestigen des NEG 173 ungefähr in der Mitte eines Wärmeübertragungswegs zwischen dem Verbindungsabschnitt 181 und der inneren Heizung 192 kann die Temperatur des NEG 173 auf ungefähr 350 °C erwärmt werden, was höher ist als die Temperatur des Verbindungsabschnitts 181 und niedriger ist als die Temperatur der inneren Heizung 192.Here, the
Auf diese Weise ist es möglich, den NEG 173 auf einfache Weise zu aktivieren, ohne den NEG 173 während des Backens der Elektronenkanone mit einer weiteren Heizung zu erwärmen.In this way, it is possible to easily activate the
Ferner wird der NEG 173 aktiviert, indem es für eine lange Zeit auf eine relativ niedrige Temperatur von etwa 350 °C erwärmt wird, anstatt für eine kurze Zeit auf 450 °C erwärmt zu werden, was eine Aktivierungstemperatur des NEG ist und die Fähigkeit hat, Restgas um die Elektronenquelle 101 herum zu sorbieren.Further, the
Die Vorteile des Erwärmens des NEG 173 für eine lange Zeit bei etwa 350 °C, anstatt den NEG 173 für einen kurzen Zeitraum auf etwa 450 °C zu erwärmen, sind die folgenden drei Punkte.The advantages of heating the
(1) Da der NEG unter Verwendung der Heizung 192 zum Erwärmen der Extraktionselektrode ohne Verwendung einer separaten Heizung und Heizungs-Leistungsversorgung aktiviert werden kann, wird der Aufbau des Inneren der Elektronenkanone vereinfacht, es gibt Vorteil in Bezug darauf, die Menge der Restgasmoleküle zu reduzieren und es ist gleichzeitig möglich, eine kostengünstige Vorrichtung bereitzustellen.(1) Since the NEG can be activated using the
(2) Es gibt einen Fall, in dem eine große Menge von Gasmolekülen, die zu der Zeit der Aktivierung aus dem NEG emittiert werden, um den NEG für kurze Zeit auf etwa 450 °C zu erwärmen, von den umgebenden Komponenten oder der Elektronenquelle absorbiert werden und die Leistung der Elektronenquelle nachteilig beeinflussen. Aber es ist möglich, die Erzeugung von Gasmolekülen aus dem NEG in einem solchen Ausmaß zu verlangsamen, dass die Gasmoleküle durch eine andere Unterdruckpumpe abgepumpt werden, indem der NEG über eine lange Zeit auf 350 ° C erwärmt wird. Dadurch wird die Adsorption von Gasmolekülen an der Elektronenquelle unterdrückt.(2) There is a case where a large amount of gas molecules emitted from the NEG at the time of activation to heat the NEG to about 450°C for a short time are absorbed by the surrounding components or the electron source and adversely affect the performance of the electron source. But it is possible to slow down the generation of gas molecules from the NEG to such an extent that the gas molecules are pumped out by another vacuum pump by heating the NEG at 350°C for a long time. This suppresses the adsorption of gas molecules on the electron source.
(3) Wenn der NEG über eine lange Zeit auf etwa 450 °C erwärmt wird, dauert eine aktive Aktivierungsaktion lange und eine große Menge von Gasmolekülen wird in dem NEG eingeschlossen. Dies verkürzt die Lebensdauer des NEG und verringert die NEG-Pumpgeschwindigkeit, wenn der NEG durch Elektronenaustausch oder dergleichen reaktiviert wird. Außerdem kann es erforderlich sein, den NEG auszutauschen, um die erforderliche Pumpgeschwindigkeit zu erzielen.(3) When the NEG is heated at about 450°C for a long time, an active activation action takes a long time and a large amount of gas molecules are trapped in the NEG. This shortens the lifetime of the NEG and reduces the NEG pump speed when the NEG is reactivated by electron exchange or the like. Also, it may be necessary to replace the NEG to achieve the required pump speed.
Gemäß experimentellen Ergebnissen unter Verwendung einer großen Anzahl von Elektronenkanonen wurde festgestellt, dass der NEG durch Halten des NEG auf etwa 350 °C innerhalb der Backzeit von 24 Stunden bis 96 Stunden in einem solchen Ausmaß aktiviert werden kann, dass eine erforderliche Pumpgeschwindigkeit erreicht wird und eine Überaktivierung nicht auftritt. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Extraktionselektrode 103 mit dem NEG 173 versehen, um den NEG unter Verwendung der auf etwa 450 °C erwärmten inneren Heizung 192 auf etwa 350 °C zu halten.According to experimental results using a large number of electron guns, it was found that by keeping the NEG at about 350 °C within the baking time of 24 hours to 96 hours, the NEG can be activated to such an extent that a required pumping speed is achieved and a Overactivation does not occur. In the embodiment of the present invention, the
Gemäß diesen Ausführungsformen werden im Vergleich zu der Kaltfeldemissions-Elektronenkanone des Stands der Technik Restgasmoleküle um die Elektronenquelle herum reduziert, und ein stabilerer Emissionsstrom kann über einen längeren Zeitraum erhalten werden, ohne die Elektronenquelle auszutauschen. Dadurch ist es möglich, ein Elektronenmikroskop zu schaffen, das über einen langen Zeitraum nicht gewartet werden muss und ein Beobachtungsbild mit höherer Qualität erzielen kann.According to these embodiments, compared to the prior art cold-field emission electron gun, residual gas molecules around the electron source are reduced, and a more stable emission current can be obtained for a longer period of time without exchanging the electron source. Thereby, it is possible to provide an electron microscope that does not require maintenance for a long period of time and can obtain a higher-quality observation image.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Elektronenkanoneelectron gun
- 1010
- Elektronenstrahlelectron beam
- 101101
- Elektronenquelleelectron source
- 102102
- Filamentfilament
- 103103
- Extraktionselektrodeextraction electrode
- 104104
- Einstellelektrodeadjustment electrode
- 105105
- Beschleunigungsröhreacceleration tube
- 106106
- Zwischenraumelektrodeinterstitial electrode
- 107107
- Zwischenraumelektrodeinterstitial electrode
- 108108
- Zwischenraumelektrodeinterstitial electrode
- 109109
- Zwischenraumelektrodeinterstitial electrode
- 110110
- Anodeanode
- 110110
- Anodeanode
- 121121
- Anodenblendeanode screen
- 1717
- Elektronenkanonen-Unterdruckpumpe (lonenpumpe und dergleichen)Electron gun vacuum pump (ion pump and the like)
- 171171
- lonenpumpeion pump
- 172172
- NEG (Beschleunigungsröhrenbasis)NEG (Accelerating Tube Base)
- 173173
- NEG (um die Elektronenquelle)NEG (around the electron source)
- 181181
- Abschnitt, in dem die Extraktionselektrode in Kontakt mit der Außenwand der Elektronenkanone steht <Verbindungsabschnitt>Section where the extraction electrode is in contact with the outer wall of the electron gun <connection section>
- 182182
- Vorderer Endabschnitt der ExtraktionselektrodeFront end portion of the extraction electrode
- 191191
- Heizung zum Backen der ElektronenkanoneHeater to bake the electron gun
- 192192
- Innere HeizungInner heating
- 193193
- Außenwand der Beschleunigungsröhreouter wall of the acceleration tube
- 194194
- Elektronenquellenumfangelectron source scope
- 22
- Elektronenoptiksystemelectron optics system
- 2121
- Elektronenoptiksystem-UnterdruckpumpeElectron optics system vacuum pump
- 33
- Probenhaltersample holder
- 3131
- Probesample
- 44
- Detektordetector
- 55
- Bedieneinheitoperating unit
- 66
- Leistungsversorgungseinheitpower supply unit
- 6262
- Elektronenkanonen-LeistungsversorgungElectron Gun Power Supply
Claims (3)
Applications Claiming Priority (1)
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-
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- 2016-09-23 DE DE112016007631.2T patent/DE112016007631B3/en active Active
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
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