DE19929096A1 - Elektronenstrahlerzeuger und Verfahren zur Verlängerung von dessen Lebensdauer - Google Patents

Abstract

Elektronenstrahlerzeuger zur Verwendung in einer Vorrichtung, wie z. B. einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) oder dgl. mit verringertem Verschleiß des Kathodenmaterials und verlängerter Lebenszeit. Der Elektronenstrahlerzeuger umfaßt ein Heizelement (12), eine einen Einkristall aufweisende Kathode (13), die vom Heizelement (12) aufgeheizt ist und an welche von außen zur Emission von Thermoelektronen eine negative Spannung angelegt ist, eine gegenüber der Kathode (13) angeordnete Anode (14) zur Begrenzung der Aufweitung eines von der Kathode (13) emittierten thermoelektrischen Strahls und einen in der Nähe der Kathode (13) angeordneten Generator (15) zur Atom-Emission von mindestens einem der den Einkristall (13) bildenden Elemente. Als Kathode (13) wird beispielsweise ein Einkristall aus Lanthanborid (LaB¶6¶) verwendet. Als Generator (15) wird z. B. zur Emission von Bor- und Lanthanatomen ein Polykristall aus LaB¶6¶ eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektronenstrahlerzeuger zur Emission von Thermoelektronen aus einer Kathode sowie ein Verfahren zur Verlängerung der Lebensdauer des Elektronenstrahlerzeugers.

Eine Vorrichtung, in welcher ein eng gebündelter Elektronenstrahl eingesetzt wird, wie z. B. ein SEM (Rasterelektronenmikroskop), ein AES (Auger-Elektronenspektrometer), ein EB (Elektronenstrahl)-Gerät oder dergl. verfügt über einen Elektronenstrahlerzeuger und hat einen Aufbau, in welchem der Elektronenstrahlerzeuger in einer Vakuumkammer angeordnet ist.

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt ein Elektronenstrahlerzeuger als Heizelemente dienende Heizkörper aus Graphit 2, eine als Elektronenemissionsquelle dienende Kathode 3 und eine Anode 4 aus Metall. In ihrem zentralen Teil weist die Anode 4 eine Öffnung auf, welche auch als Metallfenster bezeichnet wird. Die Kathode 3 ist an ihrem Ende spitz zulaufend. Ein Paar von Heizkörpern aus Graphit zum Aufheizen der Kathode 3 sind zu beiden Seiten des Anfangsabschnitts der Kathode 3 angebracht. Das Metallfenster 4 ist gegenüber dem Endteil einer solchen Kathode angeordnet.

In einem Elektronenstrahlerzeuger mit dem oben beschriebenen Aufbau heizen die Heizkörper aus Graphit 2 die Kathode 3 auf, an welche von außen eine negative Spannung angelegt wird. Gleichzeitig wird eine positive Spannung an das Metallfenster 4 angelegt. Thermoelektronen werden so von der Kathode 3 emittiert. Das Metallfenster 4 verhindert die Aufweitung des Elektronenstrahls.

Die Kathode 3 des zuvor beschriebenen Elektronenstrahlerzeugers 1 wird im allgemeinen aus einem Ein- oder Polykristall aus Wolfram (W), Lanthanborid (LaB₆) oder dergl. gebildet. So ist z. B. eine aus einem Polykristall aus LaB₆ gebildete Kathode bekannt. Für einen vorteilhaften Wirkungsgrad bei der Emission von Thermoelektronen weist LaB₆ im Vergleich eine niedrigere Austrittsarbeit auf als Wolfram (Austrittsarbeit: W = 4,55 eV; LaB₆ = 2,55 eV).

Der Vorgang der Emission von Thermoelektronen mittels eines Elektronenstrahlerzeugers läßt sich mit der Richardson-Dushman-Gleichung wie folgt beschreiben:

J = AT²exp(-eΦ/K_BT) (1)

worin J die aus der Emission der Thermoelektronen resultierende Stromdichte, A die Richardson-Konstante, T die absolute Temperatur, e die elektrische Elementarladung, Φ die Austrittsarbeit des die Kathode aufbauenden Materials und K_B die Boltzmann-Konstante bedeuten.

Aus der Richardson-Dushman-Gleichung ist zu ersehen, daß der Wirkungsgrad für die Emission von Thermoelektronen von der Temperatur und der Austrittsarbeit des Materials für den Elektronenstrahlerzeuger abhängt. Die Arbeitstemperatur, bei welcher man beispielsweise einen ausreichenden Elektronenstrom erhalten kann, liegt für Wolfram ungefähr bei 2700 K und für LaB₆bei ungefähr 1700 K. Wegen der niedrigeren Austrittsarbeit von LaB₆ im Vergleich mit Wolfram kann LaB₆ selbst bei niedriger Temperatur eine ausreichende Menge von Thermoelektronen emittieren.

Da der vom Elektronenstrahlerzeuger erzeugte Elektronenstrom von der Temperatur und der Austrittsarbeit der Kathode abhängt, wird es durch die Erhöhung der Austrittsarbeit der Kathode aufgrund einer Veränderung bei der Alterung oder dergl. unmöglich gemacht, den gleichen Elektronenstrom bei der gleichen Temperatur zu erzeugen. Bei einem gerade in den Handel gebrachten Elektronenstrahlerzeuger beträgt die Lebenszeit der aus einem Einkristall aus LaB₆ gebildeten Kathode bei einer Betriebstemperatur von 1500°C ungefähr 1000 Stunden. Als Grund für diese Lebensdauer nimmt man an, daß eine Desorption oder Elimination von Boratomen als negativ geladene Ionen aus der Kathode einen Fehler in der Kristallstruktur des LaB₆ verursachen, was zu einer Anhebung der Austrittsarbeit führt.

Fig. 2 zeigt schematisch die Kristallstruktur von LaB₆, worin die weißen Kreise die Lage der Lanthan-Atome und die schwarzen Punkte die der Bor-Atome wiedergeben. Die Kristallstruktur von LaB₆ ist kubisch, wobei ein Lanthan-Atom im Zentrum einer Einheitszelle sitzt. Andererseits bilden Bor-Atome in Form von B6-Molekülen eine regelmäßige achteckige Struktur aus, wobei die Bor-Moleküle jeweils an den Eckpunkten einer sechseckigen Einheitszelle liegen.

Wird LaB₆ einer solchen Kristallstruktur aufgeheizt, werden unter den Atomen Gitterschwingungen aktiviert und schließlich brechen, wie in Fig. 3A gezeigt, die Bindungen zwischen den Bor-Atomen auf. Das Bor-Atom mit aufgebrochener Bindung diffundiert innerhalb des Kristalls und beginnt dann, sich an die Kristalloberfläche zu bewegen, wo die Diffusion leicht vonstatten geht, wobei das Bor-Atom, wie in Fig. 3B gezeigt, energiestabil ist. Das an der Kristalloberfläche sich bewegende Bor-Atom wird jedoch, wie in Fig. 3C gezeigt, mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit desorbiert oder entweicht in den Raum. Da solche nacheinander desorbierten Bor-Atome Fehler in der Kristallstruktur des LaB₆ verursachen, wobei die Austrittsarbeit zunimmt, ist der Elektronenstrahlerzeuger nicht mehr in der Lage, aus der Kathode bei gleicher Temperatur den gleichen Elektronenstrom zu erzeugen. In diesem Falle ist das Ende der Lebensdauer der Kathode erreicht und sie muß ersetzt werden.

Zusätzlich werden ungefähr 10 Prozent der aus der Kathode entwichenen Bor-Atome zu Bor-Ionen B⁻, was negativ geladene Ionen sind. Wie in Fig. 2 gezeigt, werden die B⁻-Ionen durch die Anziehung des elektrischen Feldes beschleunigt und prallen auf die Anode 4, wodurch positive Metall-Ionen erzeugt werden. Da die positiven Metallionen von der Kathode 3 mit einer Potentialdifferenz angezogen werden, wird die Kathode 3 durch Metall, das die Anode 4 bildet, kontaminiert. Wenn die den Endabschnitt der Kathode 3 kontaminierende Metallschicht äußerst dünn ist, bewirkt diese Metallschicht, daß das Potential auf der Oberfläche zunimmt und sich die Austrittsarbeit für die Kathode vermindert. Beobachtungen bei einem aktuellen Produkt zeigen jedoch, daß die Metallkontamination auf der Oberfläche der Kathode aus LaB₆ eine Schichtdicke von ungefähr 2 bis 3 nm aufweist, jedoch konnte keine verminderte Austrittsarbeit festgestellt werden. Eher bewirken in der Kristallstruktur eingelagerte metallische Verunreinigungen, daß die Kathode in ausreichendem Maße als LaB₆ vorliegt, was eine Zunahme der Austrittsarbeit zur Foge hat. Somit kann die Kathode bei gleicher Temperatur den gleichen Elektronenstrom nicht mehr erzeugen, womit das Ende der Lebensdauer der Kathode erreicht ist und sie ersetzt werden muß.

Desweiteren bewirken die, wie oben erwähnt, nacheinander desorbierten Bor-Atome, daß die Kristallstruktur vom LaB₆-Typ nicht mehr aufrechterhalten werden kann, was schließlich eine Desorption oder Elimination von Lanthan-Atomen zur Folge hat. Mit anderen Worten, die aus einem Einkristall aus LaB₆ bestehende Kathode 3 ist abgenutzt, woraus eine kürzere Lebenszeit für die Kathode 3 resultiert.

Wenn die Kathode bestimmungsgemäß am Ende ihrer Lebensdauer angekommen ist, muß die Kathode 3 oder der gesamte Elektronenstrahlerzeuger ersetzt werden. Ein solcher Austausch läßt sich jedoch nur unter Schwierigkeiten durchzuführen, weil der Elektronenstrahlerzeuger, wie oben erwähnt, im allgemeinen in einer Vakuumkammer untergebracht ist. Insbesondere, wenn eine einen Elektronenstrahlerzeuger verwendende Vorrichtung ein Hochvakuum erfordert, ist es schwierig, das Innere der Vakuumkammer wieder in ein Hochvakuum zu überführen, wenn das Vakuum erst einmal aufgehoben und der Druck in der Vakuumkammer infolge des Austauschs eines Elektronenstrahlerzeugers auf Atmosphärendruck angestiegen war.

Es ist daher eine erste Aufgabe der Erfindung, einen Elektronenstrahlerzeuger mit längerer Laufzeit zur Verfügung zu stellen, wobei der auf Veränderungen beim Altern beruhende Anstieg der Austrittsarbeit an der Kathode reduziert wird.

Eine zweite Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verlängerung der Laufzeit eines Elektronenstrahlerzeugers zur Verfügung zu stellen.

Die erste der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mittels eines Elektronenstrahlerzeugers gelöst, welcher ein Heizelement, eine vom Heizelement aufgeheizte und einen Einkristall aufweisende Kathode, an welche zur Emission von Thermoelektronen von außen ein negatives Potential angelegt ist, eine gegenüber der Kathode angeordnete Anode zur Verhinderung der Aufweitung des von der Kathode emittierten Thermoelektronenstrahls sowie einen nahe der Kathode angeordneten Generator zur Emission von Atomen mindestens eines der den Einkristall bildenden Elemente aufweist.

Selbst wenn bestimmte Atome aus dem Einkristall der Kathode austreten oder eliminiert werden, werden im erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeuger die Leerstellen der ausgetretenen Atome mit Atomen wieder aufgefüllt, welche vom nahe der Kathode angeordneten Generator emittiert werden, um eine Veränderung der Kristallstruktur der Kathode zu reduzieren. Um die Laufzeit des Elektronenstrahlerzeugers zu verlängern, wird daher der Leistungsabfall beim Altern der Kathode vermindert.

Im erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeuger kann die Kathode aus einem LaB₆-Einkristall bestehen und der Generator kann zumindest Boratome emittieren. Selbst wenn Boratome aus dem LaB₆-Einkristall der Kathode austreten, werden in diesem Fall die Leerstellen der ausgetretenen Boratome mit Boratomen wieder aufgefüllt, die aus dem nahe der Kathode angeordneten Generator emittiert werden, um eine Reduzierung in der Veränderung der Kristallstruktur der Kathode zu erzielen. Um die Laufzeit des Elektronenstrahlerzeugers zu verlängern, wird daher der Leistungsabfall beim Altern der Kathode vermindert.

Im erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeuger kann die Kathode aus einem LaB₆-Einkristall bestehen und der Generator kann sowohl Boratome als auch Lanthanatome emittieren. Selbst wenn Bor- und Lanthanatome aus dem LaB₆-Einkristall der Kathode austreten, werden in diesem Fall die Leerstellen der ausgetretenen Atome mit Bor- und Lanthanatomen wieder aufgefüllt, die aus dem nahe der Kathode angeordneten Generator emittiert werden, um eine Reduzierung in der Veränderung der Kristallstruktur der Kathode zu erzielen. Um die Laufzeit des Elektronenstrahlerzeugers zu verlängern, wird daher der Leistungsabfall beim Altern der Kathode vermindert.

Wenn der Generator sowohl Bor- als auch Lanthanatome emittiert, wird vorzugsweise ein Polykristall aus LaB₆ als Generator verwendet. Da ein Polykristall aus LaB₆ im allgemeinen eine größere Tendenz zur Emission von Atomen aufweist als ein Einkristall aus LaB₆, kann bei Verwendung eines LaB₆-Polykristalls als Generator der Beginn der daraus erfolgenden Emission von Lanthan- und Boratomen vor Beginn der Desorption oder Elimination der Lanthan- und Boratome aus der Kathode eintreten. In Folge davon können die Leerstellen der aus der Kathode ausgetretenen Atome vorzugsweise wieder von Atomen aufgefüllt werden, die vom Generator emittiert wurden.

Erfindungsgemäß ist bevorzugt, daß das Heizelement so beschaffen ist, daß es sowohl die Kathode als auch den Generator aufheizen kann. Da das so ausgebildete Heizelement zur Aufheizung der Kathode auch den Generator aufheizt, emittiert die vom Heizelement aufgeheizte Kathode Thermoelektronen und der Generator Atome. Daher bedarf es keines eigenen Heizelements mehr und der Generator läßt sich mit einer einfachen Anordnung aufzuheizen.

Erfindungsgemäß ist die Kathode so ausgestaltet, daß sie einen Endabschnitt zur Emission thermischer Elektroden und einen an der entgegengesetzten Seite des Endabschnitts angeordneten Anfangsabschnitt aufweist, so daß dieser bei dazwischenliegendem Generator gegenüber dem Heizelement zu liegen kommt. Bei dieser Anordnung heizt das Heizelement den Generator auf, durch welchen der Anfangsabschnitt der Kathode aufgeheizt wird, worauf dann Thermoelektronen vom Endabschnitt der Kathode, deren Anfangsabschnitt aufgeheizt ist, emittiert werden. Da die Aufheizung des Generators vor dem Aufheizen der Kathode erfolgt, fängt der Generator bereits an, Atome zu emittieren, bevor Atome aus der Elektrode auszutreten beginnen. In Folge davon können Leerstellen von aus der Kathode ausgetretenen Atomen viel eher wieder mit vom Generator stammenden Atomen aufgefüllt werden.

Als Anode kann vorzugsweise eine Metallplatte mit einer darin befindlichen Öffnung zum Durchtritt der Thermoelektronen und einem auf der Oberfläche aufgetragenen Schutzfilm zur Verhinderung der Emission von positiven Metallionen eingesetzt werden. Bei Verwendung einer solchen Anode läßt sich mit dem Schutzfilm die Emission positiver Metallionen aus der Anode verhindern, selbst dann, wenn negative Ionen, die aus von der Kathode oder dem Generator stammenden Atomen gebildet wurden, auftreffen. Daher kann die Kontamination der Kathode mit Metallionen verhindert werden, womit sich die Lebensdauer der Kathode weiter verlängern läßt. Als Schutzfilm kann vorzugsweise ein Seltenerd-Borid mit elektrischer Leitfähigkeit eingesetzt werden. Durch den Einsatz eines leitfähigen Seltenerd-Borids kann die Schutzfilm auch Boratome emittieren, welche zur Auffüllung der Kathode dienen können, was zusätzlich zur Verlängerung der Lebensdauer der Kathode beiträgt. Als leitfähiges Seltenerd-Borid kann beispielsweise Lanthanborid (LaB₆) eingesetzt werden.

In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der vorbeschriebene erfindungsgemäße Elektronenstrahlerzeuger in einer Vakuumkammer angeordnet und emittiert Thermoelektronen ins Vakuum. Während sich der Austausch eines ganzen in einer Vakuumkammer oder Teilen davon angeordneten Elektronenstrahlerzeugers nur mit Schwierigkeiten durchführen läßt, muß der erfindungsgemäße Elektronenstrahlerzeuger wegen seiner längeren Lebensdauer weniger häufig ausgewechselt werden. Daher verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung über eine besonders günstige Langzeithaltbarkeit.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt in einem perspektivischen Schema den Aufbau eines herkömmlichen Elektronenstrahlerzeugers;

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung die Kristallstruktur des LaB₆;

Fig. 3A, 3B und 3C zeigen in schematischer Darstellung den Vorgang des Austritts eines Boratoms aus einem Einkristall aus LaB₆;

Fig. 4 zeigt in einem perspektivischen Schema eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeugers;

Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung das Stadium, wo ein Atom aus einem eine Kathode darstellenden LaB₆-Einkristall austritt und bewirkt, daß gleichzeitig die Leerstelle von einem Atom der gleichen Art wieder aufgefüllt wird; und

Fig. 6 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau eines Rasterelektronenmikroskops (SEM).

In Fig. 4 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeugers dargestellt. Der Elektronenstrahlerzeuger 11 umfaßt, ähnlich dem in Fig. 1 gezeigten Elektronenstrahlerzeuger 1, als Heizelemente dienende Heizkörper 12 aus Graphit, eine aus einem Einkristall aus LaB₆ bestehende Kathode 13 mit einem spitz zulaufenden Endabschnitt und eine Anode 14. Die Anode 14 umfaßt eine Metallplatte mit einer im wesentlichen in der Mitte befindlichen Öffnung 18. Die Öffnung oder das Fenster 18 bilden den Teil, durch welchen die an der Kathode 13 erzeugten thermischen Elektronen hindurchtreten müssen. Die Verwendung der so gestalteten Anode 14 verhindert eine Aufweitung des Elektronenstrahls. Ein Paar von Heizkörpern 12 sind auf beiden Seiten des Anfangsabschnitts der Kathode 13 angeordnet. Der spitz zulaufende Endabschnitt der Kathode 13 liegt der Anode 14 gegenüber.

Der Elektronenstrahlerzeuger dieser Ausführungsform umfaßt auch einen Polykristall 15 aus LaB₆, welcher, anders als im Elektronenstrahlerzeuger der Fig. 1, als Generator dient. Der Polykristall 15 ist in der Nähe der Kathode 13 angeordnet. Genauer gesagt sitzt der Polykristall 15 am Anfangsteil der Kathode 13. Die Heizkörper aus Graphit 12 kommen somit, bei dazwischen angeordnetem Polykristall 15, gegenüber der Kathode 13 zu liegen.

Ähnlich wie bei einem herkömmlichen Elektronenstrahlerzeuger weist die Anode 14 einen aus Eisen bestehenden Abschnitt auf. Anders als bei einem herkömmlichen Elektronenstrahlerzeuger ist die Oberfläche des Abschnitts 16 mit einem Schutzfilm 17 bedeckt. Der Schutzfilm 17 besteht aus einem leitfähigen Seltenerd-Borid, beispielsweise LaB₆.

Wie weiter unten beschrieben wird, kommt der in Fig. 4 dargestellte Elektronenstrahlerzeuger 11 im konkreten Fall in einer einen Elektronenstrahl verwendenden Vorrichtung, wie z. B. in einem Rasterelektronenmikroskop (SEM), zum Einsatz und wird in einer einen solchen Apparat bildenden Vakuumkammer angeordnet.

Als nächstes wird die Wirkungsweise eines Elektronenstrahlerzeugers 11 beschrieben. Auch in diesem Elektronenstrahlerzeuger 11 wird die Kathode 13 von den Heizkörpern aus Graphit 12 am Anfangsabschnitt aufgeheizt und an die Kathode 13 von außen eine negative Spannung sowie gleichzeitig an die Anode 14 von außen eine positive Spannung angelegt, was bewirkt, daß Thermoelektronen von der Spitze am Endabschnitt der Kathode 13 emittiert werden. Eine Aufweitung des Strahls aus thermischen Elektronen wird durch die Anode 14 verhindert.

Während aus der Kathode 13 aus einem LaB₆-Einkristall Lanthan- oder Boratome austreten, ist der Polykristall 15 zur Emission von Lanthan- oder Boratomen entsprechend aufgeheizt worden. In Folge davon werden, wie in Fig. 5 gezeigt, die Leerstellen der aus der Kathode 13 ausgetretenen Lanthan- oder Boratome wieder von aus Polykristall 15 emittierten Lanthan- oder Boratomen aufgefüllt, um damit eine Veränderung in der Kristallstruktur der Kathode 13 klein zu halten. Da selbst im Langzeitbetrieb die Austrittsarbeit der Kathode 13 nicht sogleich ansteigt, wird speziell im erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeuger, der Leistungsabfall der Kathode 13 beim Altern verkleinert. Somit hat der Elektronenstrahlerzeuger 11 eine längere Lebenszeit und der gesamte Elektronenstrahlerzeuger oder Teile davon brauchen nicht so oft ausgetauscht werden. Aus diesem Grund braucht man den Innendruck in der Vakuumkammer einer Apparatur mit Elektronenstrahlerzeuger nicht so häufig zu ändern.

Insbesonder besteht für diese Ausführungsform des Elektronenstrahlerzeugers 11 der Polykristall 15 aus LaB₆. Der Polykristall aus LaB₆ emittiert Lanthan- oder Boratome unter günstigeren Bedingungen als ein Einkristall. Somit ist der Polykristall 15 in der Lage, mit der Emission von Atomen anzufangen, bevor die Atome in der Kathode 13 mit der Desorption beginnen, so daß die Leerstellen der aus der Kathode 13 ausgetretenen Atome vorteilhafterweise mit Atomen aufgefüllt werden können, die aus dem Polykristall 15 emittiert worden waren. Da der Polykristall 15 sowohl Lanthan- als auch Boratome erzeugt, können zusätzlich die Leerstellen sowohl der Lanthan- als auch Boratome, die aus der Kathode 13 ausgetreten sind, wieder aufgefüllt werden.

Bemerkenswerterweise werden aus einem Einkristall aus LaB₆ zuerst Boratome desorbiert oder eliminiert und Lanthanatome erst dann, wenn, wie weiter oben ausgeführt, so viele Boratome freigesetzt worden sind, daß sie ihre Kristallstruktur nicht mehr beibehalten können. Mit anderen Worten, die Leerstellen von Lanthanatomen brauchen nicht mehr aufgefüllt zu werden, wenn die Leerstellen der Kathode 13 ausreichend mit Boratomen wieder aufgefüllt werden können; in diesem Fall kann der Polykristall 15 ein Kristall aus Bor sein. Da es jedoch im konkreten Fall schwierig ist, all die Leerstellen der aus der Kathode 13 ausgetretenen Boratome wieder aufzufüllen und man daher annimmt, daß auch Lanthanatome ausgetreten sind, werden vorzugsweise, wie oben ausgeführt, die Leerstellen von sowohl Lanthan- als auch Boratomen wieder aufgefüllt, um damit auch die Abnutzung der Kathode 13 zu verringern.

Im Elektronenstrahlerzeuger 11 dieser Ausführungsform werden sowohl die Kathode 13 als auch der Polykristall 15 von den Heizkörpern aus Graphit aufgeheizt, wodurch es keines eigenen Heizelements zum Aufheizen des Polykristalls 15 bedarf und sich Boratome oder dergl. durch Aufheizen des Polykristalls 15 vorteilhafterweise mit einer einfachen Anordnung erzeugen lassen. Da die Heizkörper aus Graphit 12 vorzugsweise am Anfangsabschnitt der Kathode 13 angeordnet sind und der Polykristall zwischen beiden liegt, heizen die Heizkörper aus Graphit 12 zuerst den Polykristall 15 auf und dann erst die Kathode 13. In Folge davon kann die Emission von Atomen aus dem Polykristall 15 anfangen, bevor die Atome in der Kathode 13 mit der Desorption beginnen, damit die Leerstellen der aus der Kathode 13 ausgetretenen Atome vorteilhafterweise mit aus dem Polykristall 15 emittierten Atomen wieder aufgefüllt werden.

Darüber hinaus werden positive Metallionen nicht von der Anode 14 emittiert, selbst wenn negative Ionen, die aus von der Kathode 13 oder dem Polykristall 15 erzeugten Boratomen stammen, damit kollidieren, da ein Schutzfilm 17 aus einem leitfähigen Seltenerd-Borid auf der Oberfläche der Anode 14 aufgebracht ist. Aus diesem Grunde wird die Kathode 13 nicht mit Eisen kontaminiert, aus welchem der Abschnitt 16 der Anode 14 aufgebaut ist, wodurch ebenfalls eine Verlängerung der Lebenszeit der Kathode 13 erzielt wird. Wie oben ausgeführt, besteht der Schutzfilm 17 insbesondere aus Borid, was bedeutet, daß Boratome zur Wiederauffüllung der Leerstellen in der Kathode 13 auch vom Schutzfilm 17 erzeugt werden, wodurch eine nochmalige Verlängerung der Lebenszeit der Kathode 13 erreicht wird.

Fig. 6 zeigt ein Rasterelektronenmikroskop (SEM), ein Apparat, in welchem der erfindungsgemäße Elektronenstrahlerzeuger zum Einsatz kommt.

Das SEM umfaßt eine Vakuumkammer 31 und eine Vakuumpumpe 32 zur Evakuierung der Vakuumkammer 31. In der Vakuumkammer 31 befindet sich die Probe 37. Desweiteren sind ein erfindungsgemäßer Elektronenstrahlerzeuger 11, eine Kondensorlinse 33 zum Sammeln des Elektronenstrahls aus dem Elektronenstrahlerzeuger 11, eine Ablenkspule 34 zum Scannen des Elektronenstrahls, Objektivlinsen 36 zum Fokussieren des Elektronenstrahls auf die Probe 37, eine Elektronenanzeigevorrichtung 38 zum Nachweis von Sekundärelektronen aus der Probe 37 in der Vakuumkammer 31 enthalten. Zusätzlich weist das SEM außerhalb der Vakuumkammer einen Ablenkkreis 35 zur Betätigung der Ablenkspule 34, eine Signalverstärkereinheit 39 zur Verstärkung der von der Elektronenanzeigevorrichtung 38 aufgenommenen Signale sowie ein Display 40 auf, so daß auf Grundlage von Ausgangssignalen aus der Signalverstärkereinheit 39 die Lumineszenz moduliert wird und entsprechend den Ablenksignalen aus dem Ablenkkreis 35 die Positionen auf dem Display verändert werden. Nach Erreichen eines Hochvakuums in der Vakuumkammer 31 emittiert im SEM der Elektronenstrahlerzeuger einen Elektronenstrahl, welcher die Probe 37 abtastet und gleichzeitig wird die Intensität der Sekundärelektronen gemessen, wobei mit dem Elektronenmikroskop ein Bild auf der Display-Einheit 40 angezeigt wird.

Während bei einem Austausch des Elektronenstrahlerzeugers in einem SEM dieses Typs das Vakuums in der gesamten Vakuumkammer aufgehoben werden muß, kann bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeugers ein Austausch desselben seltener erfolgen. Daher weist das SEM im Vergleich mit einem SEM mit einem Elektronenstrahlerzeuger nach dem Stand der Technik eine größere Haltbarkeit auf.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise wird in der obigen Ausführungsform gezeigt, daß die Kathode aus einem Einkristall aus LaB₆ besteht und daß der Polykristall des Generators entsprechend ein LaB₆-Polykristall ist. Wie oben angegeben können jedoch verschiedene Materialien als Kathode eingesetzt werden und entsprechend können die Materialien für den Generator auf verschiedene Art und Weise abgewandelt sein.

Claims (12)

1. Elektronenstrahlerzeuger (11) mit

• - einem Heizelement (12);
• - einer einen Einkristall aufweisenden Kathode (13), die vom Heizelement (12) aufgeheizt ist und an welche von außen zur Emission von Thermoelektronen eine negative Spannung angelegt ist;
• - einer gegenüber der Kathode (13) angeordneten Anode (14) zur Begrenzung der Aufweitung eines von der Kathode (13) emittierten thermoelektrischen Strahls; und
• - einem in der Nähe der Kathode (13) angeordneten Generator zur Atom-Emission (15) von mindestens einem der den Einkristall (13) bildenden Elemente.

2. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (12) sowohl die Kathode (13) als auch den Generator (15) aufheizt.

3. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (13) aus einem Einkristall aus LaB₆ besteht und der Generator (15) zumindest Boratome emittiert.

4. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (13) aus einem Einkristall aus LaB₆ besteht und der Generator (15) Bor- und Lanthanatome emittiert.

5. Elektronenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (15) einen Polykristall aus LaB₆ aufweist.

6. Elektronenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (13) einen spitz zulaufenden Endabschnitt zur Emission der Thermoelektronen aufweist sowie einen an der entgegengesetzten Seite des spitz zulaufenden Endabschnitts angeordneten Anfangsabschnitt, welcher gegenüber dem Heizelement (12) liegt, wobei der Generator (15) zwischen dem Anfangsabschnitt und dem Heizelement (12) positioniert ist.

7. Elektronenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (14) eine Metallplatte (16) mit einer darin gebildeten Öffnung (18), durch welche die Thermoelektronen hindurchtreten sollen sowie einen auf der Metallplattenoberfläche aufgetragenen Schutzfilm (17) zur Verhinderung der Emission positiver Metallionen aufweist.

8. Elektronenstrahlerzeuger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzfilm (17) ein elektrisch leitfähiges Seltenerd-Borid enthält.

9. Verfahren zur Verlängerung der Betriebsdauer eines Elektronenstrahlerzeugers mit einem Heizelement, einer einen Einkristall aufweisenden Kathode, die mit dem Heizelement aufgeheizt ist und an welche von außen zur Emission von Thermoelektronen eine negative Spannung angelegt ist, und einer gegenüber der Kathode angeordneten Anode zur Begrenzung der Aufweitung eines von der Kathode emittierten thermoelektrischen Strahls, gekennzeichnet durch den Schritt der Erzeugung von mindestens einem der den Einkristall bildenden Atome in der Nähe der Kathode.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode aus einem Einkristall aus Lanthanborid (LaB₆) gebildet wird und in der Nähe der Kathode Boratome erzeugt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode aus einem Einkristall aus Lanthanborid (LaB₆) gebildet wird und in der Nähe der Kathode Bor- und Lanthanatome erzeugt werden.

12. Einen Elektronenstrahl verwendende Vorrichtung mit einem in einer Vakuumkammer angeordneten Elektronenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 8.