DE2129636C2

DE2129636C2 - Feldemissions-Elektronenstrahlerzeugungssystem

Info

Publication number: DE2129636C2
Application number: DE2129636A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Nanometrics Inc
Current assignee: Nanometrics Inc
Priority date: 1970-06-15
Filing date: 1971-06-15
Publication date: 1986-04-10
Also published as: FR2149412B1; NL7209179A; FR2099295A5; CA950592A; DE2235903A1; DE2129636A1; US3678333A; NL161297C; NL165604C; NL7108096A; FR2149412A1; NL165604B; AU4319672A; GB1355365A; DE2235903C2; US3784815A; AU466190B2; NL161297B; GB1378554A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Feldemissions-Elektronenstrahierzeugungssystem gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Derartige Feldemtssions-EIektronenstrahlerzeu-

gungssysteme werden in Elektronenmikroskopen verwendet. Ein Beispiel für ein solches Feldemissions-Elektronenstrahlerzeugungssystem ist zu finden in einem Artikel »Electron Gun Using A Field Emission Source« von A. V. Crevs, D. N. Eggenburger, J. Wall und L. M. Walter, veröffentlicht in »The Review of Scientific Instruments«, Band 39, Nr. 4, April 1968, Seite 576-583. Ähnlicne Feldemissions-EIektronenstrahlerzeugungssysteme sind in der US-PS 31 91 028 sowie in einem Artikel »A High-Resoltton Scanning Electron Microscope« von A. V. Crewe, J. Wall und L. M. Walter, veröffentlicht in »Journal of Applied Physics«, Band 39, Nr. 13, Seite 5861-5868, Dezember 1968, beschrieben.

Die Kathodenspitzen derartiger bekannter Feldpmissions-Elektronenstrahlerzeugungssysteme kranken daran, daß sie aufgrund der auf sie einwirkenden außerordentlich hohen Potentiale Hüchspannungsentladungen ausgesetzt sind, die zu hohen Strömen in der Xathodenspitze und zu einem Abschmelzen der Kathodenspitze führen. Da diese Hochspannungsentladungen unregelmäßig sind und nach verschiedenen Seiten hin auftreten können, kommt es nicht nur zu einer frühzeitigen, sondern auch zu einer sehr ungleichmäßigen Abnutzung der Kathodenspitze, so daß es bereits vor dem frühzeitigen Versagen der Kathodenspitze zu Unregelmäßigkeiten des erzeugten Kathodenstrahls kommen kann, was die Verwendbarkelt dieses Elektronenstrahlerzeugungssystems für ein hochauflösendes Elektronenmikroskop stark herabsetzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Feldemissions-Elektronenstrahlerzeugursgssysterri der eingangs genannten. Art Hochspannungsentladungen an der Kathodenspitze zu vermeiden und damit die Lebenserwartung der Kathodenspitze beträchtlich zu erhöhen. Diese Aulgabe wird erfindungsgemäß durcn die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs I gelöst.

Mit Hilfe der Schirmelektrode, die zweckmäßigerweise etwa auf das Potential der Kathode gelegt ist, während die Anode lediglich eine solche Spannung aufweist, daß es zu einer Elektronenauslösung aus der Kathode kommt, ohne die Kathode zu stark zu belasten, werden unerwünschte, unkontrollierte Streuentladungen zwischen der Kathodenspitze und den inneren Strukiuren des Elektronenstrahlerzeugungssystems unterbunden. Die katastrophale Zerstörungswirkung solcher unkontrol-Üerter, unerwünschter Hochspannungsentladungen, wie sie bei bekannten Feldemisslons-Elektronenstrahierzeugungssystemen aufgetreten sind, ist somit unterbunden. Dadurch ist die verwertbare Lebensdauer der Kathodenspitze im Vergleich zu bekannten Feldemlsslons-Elektrenenstrahlerzeugungssystemen beträchtlich erhöht worden.

Bevorzugte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung sind In den Unteransprüchen beschrieben.

Aus der US-PS 33 94 874 ist ein Elektronenstrahlerzeugungssystem bekannt, bei dem eine Ionengetterpumpe benulzt wird. Dieses System ist jedoch kein Felderr.Issionssystem und es dient bei ihm zur Erzeugung des Elektronenstrahls eine geheizte Kathode. Bei einem solchen Kathodensysfsm tritt das Problem der vorzeltigen Abnutzung Infolge von unkontrollierten Hochspannungsentladungen oder auch der vorzeitigen Verunreinigung infolge von sich ablagernden Gasmolekülen auf der Kathodenspitze nicht auf. Da die Austrittsenergie, weiche die Elektronen zum Austreten aus der Kathodenoberfläche benötigen, bei einer Glühkathode durch Energiezufuhr in Wärme geschieht, kann die Kathode großflächig und ohne Spitzen sein. Hohe Feldstärken starker Konzentration, wie sie bei Feldemissionskathoden dadurch erreicht werden, daß die Kathodenspitzen mit einer sehr feinen Spitze ausgebildet werden, treten bei solchen Glühkathoden nicht auf. Das Problem einer verkürzten Lebensdauer aufgrund von unerwünschten Hochspannungsentladungen ist somit bei einer Glühkathode nicht gegeben.

Die Ionengetterpumpe ist bei dem bekannten Elektronenstrahlerzeugungssystem nahe an dem von der Kathode entfernten Ende des Systems angebracht, um weit entfernt vom Kathodenbereich ein hohes Vakuum zu erzeugen. Da es bei einem Glühkathoden-Eiektronenstrahlerzeugungssystem weder erwünscht noch sinnvoll ist, das Hochvakuum im Bereich der Glühkathode zu erzeugen, ist diesem bekannten Elf. .,-onenstrahlerzeugungssystern auch keine Anregung dshingehend zu entnehmen, daß man bei Verwendung eines Feldemissions-Elektronenstrahlerzeugungssystems die Lebensdauer der Kathodenspitze durch eine Ionengetterpumpe erhöhen kann.

Dies geschieht jedoch bei der Weiterbildung der Erfindung gemäß dem Anspruch 3, da die Innenwand der Schirmelektrode, wenn der Elektronenstrahl von der Kathodenspitze emittiert wird, als lonenkollektor dient, wobei diejenigen Gasmoleküle, die durch den Primärstrahl und durch die Sekundärelektronen der gebildeten Elektronenraumladungswolke ionisiert werden, von dem Gettermaterial angezogen und in diesem aufgefangen werden, was bewirkt, daß ein Höchstvakuum erzeugt und aufrechterhalten wird. AuSerdem entsteht eine reaktive SubÜmatorpumpe, indem reaktive Gasmoleküle, die auf die Schirmelektrode auftreffen, an dieser haften und unter dem Gettermaterial eingebettet werden. Dies bringt ohne besDnderen zusätzlichen Aufwand eine beträchtliehe Erhöhung der Lebensdauer der Kaihodenspitze und der Gleichmäßigkeit des erzeugten Elektronenstrahlbündels sowie eine Reduzierung des auftretenden Rauschens.

Es hat sich dabei gezeigt, daß die Anzahl der von der in der Schirmelektrode Hegenden ersten Anode freigegebenen Gasmoleküle ansteigt, wenn der von der Kathodenspitze emittierte Strom ansteigt. Die Anzahl der Sekundärelektronen und der reflektierten Elektronen, weiche an der Oberfläche der ersten Anode erzeugt werden. steigt ebenfalls an, -venn der von der Kathodenspitze emittierte Strom anzeigt. Daher erhöht sich die PumD-lelstung der Ionengetterpumpe mit steigendem Pumpbedar^f

Ein Ausführungsbeisriel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme aut die Figuren oeichrieben. Von den Flguien zeigt:

Flg. 1 ein schematisches Diagramm eines Rasterelektronenmikroskops, in dem das Ausführungsbeispiel des erflndungsgemäßen Feldemisslons-Elektronenstrahlerzeugungssysiem verwirklicht ist;

Fig. 2 eine Aufsicht von vorne auf das Feldemüsions-ElektronenstrahlerzeugungssyStem;

Fig. 3 eine vergrößerte Draufsicht von oben auf das in Flg. 2 gezeigte Feldemisslons-Elektronenstrahlerzeu-(5 gungssystem;

FI g. 4 einen Vertikalschnitt entlang der Linie 4-4 von Flg. 3;
Flg. 5 einen Vertikalteüschnltt entlang der Linie 5-5

von Fig. 3;

Flg. 6 einen Horizontalschnitt entlang der Linie 6-6 von Fig. 4;

Flg. 7 einen Horizontalschnitt entlang der Linie 7-7 von Fig. 4; und

Flg. 8 einen Horizontalschnitt entlang der Linie 8-8 von Fig. 4.

Fig. 1 zeigt ein Rasterelektronenmikroskop 10, In welchem ein Feldemisslons-Elektronenstrahlerzeugungssystem 15 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung Anwendung findet. Das Feldemissions-Elekironensuahlerzeugungssystem 15 erzeugt, ausgehend von einer Feldemissionselektronenquelle, In einer Bildebene einen hellen, fokusslerten Elektronenfleck zur Beleuchtung einer Probe 20. Der fokussierte Fleck wird IS mittels eines Ablenksystems mit Stigmator 25 abgetastet. Informationen bezüglich der Probe 20 erhält man über den Nachweis uufchgeiäsäcficr Elektronen, sekundäre: Elektronen, reflektierter Elektronen, absorbierter Eiektronen, Photonen oder Röntgenstrahlen, die alle von dem 2n auftreffenden Elektronenstrahl erzeugt werden. Detektoren 30 und 30a werden dazu verwendet, eines dieser Signale nachzuweisen, weiches dann dazu dient, die Intensität einer synchron abgetasteten Bildröhre 35 mit einem Kippgenerator 36 zu modulleren, so daß eine Abbildung der Probe 20 erhalten wird.

Die Flg. 2 bis 8 zeigen das Feldemisslons-Elektronenstrahlerzeugungssystem 15, welches ein Im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 40 aufweist, das eine Vakuumkammer 41 definiert (Fig. 4 und 5i. Inder Vakuumkammer 41 und deren Hochvakuumbereich 41a befindet sich eine Elektronenquelle, nämlich die Kathodenspitze 45 Die Kathodenspitze 45 Ist eine geätzte Spitze, die zur Elektronenemission keine thermische Energie verwendet. Die kalte Kathodenspitze 45 hat einen sehr kleinen Diifchm2ss5r, beispielsweise 100 nrn

Zum Zweck der Halterung der Kathodenspitze 45 zur Verschiebung entlang den x-. v- und z-Achsen und zum Auswechseln der Kathodenspitze 45 weist eine Halteanordnung 50 für die Spitze einer» V-förmigen Träger 51 auf. an welchen die Kathodenspitze 45 befestigt Ist. Der V-förmige Träger 51 Ist zwischen Elektroden 52 und 53 fest angedrückt Eine Isolierscheibe 54 für die Kathodenspitze 45 nimmt die Elektroden 52 und 53 auf, die mittels Schraubenmuttern 56 und 57 an der Isolierscheibe 54 befestigt sind. Die Elektroden 52 und 53 werden im Unterende einer Hochspannungs-Isoliersäule 55 als Kontaktstifte aufgenommen. Die Schraubenmuttern 56 und 57 begrenzen die Einführung der Elektroden 52 und 53 in das entfernte Ende der Isoliersäule 55. so Durch diese Anordnung haben die Kathodenspitze 45. die Isolierscheibe 54 und die Elektroden 52 und 53 die Form eines Steckers, welcher lösbar am entfernten Ende der Isoliersäule 55 befestigt ist. Zum Auswechseln der Kathodenspitze 45 wird der Stecker als Einheit gelöst >s und ebenfalls als Einheit ausgewechselt.

Das Oberende der Isoliersäule 55 ist fest mit einer metallenen Welle 60 verbunden, die eine Endkappe 60a mit einem sich von dieser nach unten erstreckenden Flansch aufweist und in einem Gewindeloch im Oberende der Isoliersäule 55 befestigt ist. Auf der Endkappe 60c ist fest ein Balgen 61 angeordnet. Der Balgen 61 ist mit der Endkappe 60a verschweißt zur Bildung einer VakuumabcHchtung gegen den Hochvakuumbereich 41a. welche Axial- und Querverschiebungen der Halteanordnung 50 für die Kathodenspitze 45 gestattet. Der Balgen 61 ist zur Vervollständigung der Vakuumabdichtung unmittelbar mit einer Endkappe 62 verschweißt. Die Welle 60 ist von einer Hülse 63 (Flg. 4) umgeben, die zusammen mit der Welle 60 von einer Öffnung 64 In der Endkappe 62 aufgenommen wird. Im Abstand von der Endkappe 62 ist eine Tragplatte 65 angeordnet, die eine geeignete Öffnung aufweist zur Aufnahme der Welle 60 und der Hülse 63.

Um die Tragplatte 65 relativ zu der Endkappe 62 In zwei verschiedenen Ebenen zu schwenken, greifen Schrauben 66 mit Ihren freien Enden an der Endkappe 62 an und sind In Tragplatte 65 eingeschraubt. Eine Verschiebung der Kathodenspitze 45 In der v-v-Ebenc wird erreicht durch Schwenken der Hülse 63 an einem Drehlager 67, das an der Endkappe 62 mittels einer Drehlagerbefestigung fest angeordnet ist. Wenn daher die Hülse 63 verschwenkt wird, führen die Welle 60 und die Halteanordnung 50 für die Kathodenspitze 45 die gleiche Bewegung aus, was zu einer .x- und v-Verschlebung der KäihüdenspHze 45 führt. Nicht gezeigte Federn Wirker·, mit den Schrauben 66 zusammen und halten die Tragplatte 65 in ihrer relativ zu der Endkappe 62 eingestellten Position. Ein Knopf 68 Ist in das Oberende der Welle 60 eingeschraubt und Ist In einer festgelegten Höhe drehbar. Drucklager 69 gestatten die Drehung des Knopfes 68: In bezug auf die Tragplatte 65. Auf diese Welse überträgt die Drehung des Knopfes 68 eine Axial- oder Vertlkalbewegung auf die Welle 60, ohne daß dieselbe rotiert wird. Eine Vc.-Xlkalbewegung der Welle 60 überträgt eine Vertikalbewegung auf die Kathodenspitze 45 über die Isoliersäule 55 und die Elektroden 52 und 53. Eine Bewegung der Kathpdenspitze 45 in vertikaler Richtung dient dazu, den von der Kathode\isp!ize 45 emittierten Elektronenstrahl zu fokussleren.

Unterhalb von der Kathodenspitze 45 In einem Nledervakuumberelch 416 der Vakuumkammer 41 Ist eine Anode 75, im folgenden als zweite Anode bezeichnet, im Abstand von der Kathodenspitze 45 vorgesehen, die mit einer äußeren zylindrischen Wand und einer zentralen Öffnung 84 ausgebildet ist.

Unterhalb der zweiten Anode 75 und im Abstand von dieser ist eine dritte Anode 85 angeordnet, die eine ringzyündrische Wand und eine axlalzyllndrlsche Wand hat. Eine ringförmige Isollerhalterung 86, die eine nach Innen gerichtete Schulter aufweist und die die zweite Anode 75 auf dieser Schulter trägt, ist auf der dritten Anode 85 befestigt und wird von dieser getragen.

Wenn eine positive Spannung V₀ zwischen der Kathodenspitze 45 und der dritten Anode 85 angelegt wird, wobei die positive Spannung der dritten Anode 85 zugeführt wird, werden die von der Kathodenspitze 45 emittierten Elektronen weiter beschleunigt. Bei dem Ausführungsbeispiel hat die Spannung V₀ einen Wert von 20 000 V. Die dritte Anode 85 ist mit der Vakuumkammer des Feldemissions-Elektronenstrahlerzeugungssystems und mit der positiven Klemme der Spannungsquelle verbunden. Die dritte nnode 85 steuert das Energieniveau der auf die Probe 20 auftreffenden Elektronen. Die zweite und dritte Anode sind bekannt und in dem vorerwähnten Artikel von Crewe u. a. beschrieben.

Die Kathodenspitze 45 würde, wenn sie übermäßigen Spannungsentladungerr ausgesetzt ist, aufgrund des dann fließenden hohen Spitzenstromes, der das Ende der Kathodenspitze 45 zum Schmelzen bringen würde, versagen. Dies verhindert eine Schirmelektrode 90, die im Hochvakuumbereich 41s der Vakuumkammer 41 ange ordnet ist. Sie verlängert die Lebensdauer der Kathodenspitze 45.

Die Schirmelektrode 90 enthält eine äußere zylindrische Wand, eine mit einer Öffnung verringerten Durch-

messers versehene obere Endwand und eine nach Innen abgebogene gewölbte zentrale Wand. Wie die Figuren zeigen, umgibt die Schirmelektrode 90 die Kathodenspitze 43 und Ist mit einer Klemme 77 eines Isolators 78 (Flg. 4) verbunden.

Hierdurch liegt die Schirmelektrode 90 Im wesentllche >\ Suf dem gleichen Potential wie die Kathodenspitze 45 und· ist mit dieser elektrisch über eine niedrige Impedanz verbunden. Die Schirmelektrode 90 schützt die Kathodenspitze 45 vor übermäßigen Spannungsentladungen von der zweiten und dritten Anode, so daß die Kathodenspitze 45 keinen Hochspannungsüberschlägen ausgesetzt wird. Infolgedessen wird die Lebensdauer der Kathoder.spltze 45 verlängert. Bei dem Ausführungsbeispiel besteht die Schirmelektrode 90 aus Mumetall. Legierung mit hoher magnetischer Leitfähigkeit aus 14% Fe, 5% Cu, 1,59b Cr und dem Rest Nickel, das einen Schirm gegen äußere magnetische Streufelder bildet, die den von der Kathodenspitze 45 emittierten Elektronenstrahl ablenken.

Eine erste Anode 95 Ist in der Schirmelektrode 90 angeordnet. Wenn an die erste Anode 95 eine Spannung angelegt wird, werden Elektronen von der Kathodenspitze 45 ausgelöst und angezogen. Die erste Anode 95 bringt das Feldemisslons-Elektronenstrahlerzeugungssystem 15 zum Normalbetrieb zurück oder hält deren Betrieb normal, wenn die Schirmelektrode 90 angewandt wird zum Schutz der Kathodenspitze 45 vor übermäßig hohen Spannungsübergängen. Die mit V* angedeutete Ho "lspannungsquelle hat eine Spannung, die bei dem typischen Ausführungsbeispiel in der Größenordnung von +500 bis 3000 V liegt. Wenn die Spannung Vf zwischen der Kathodenspitze 45 und der ersten Anode 95 angelegt wird, werden Elektronen von der Kathodenspitze 45 hinweg angezogen und in Richtung auf die zweite Anode 75 zu beschleunigt. Die erste Anode 95 ist mit der zweiten Anode 75 über einen Strombegrenzerwiderstand verbunden. Zu diesem Zweck ist eine geeignete Hochspannungsquelle 76 mit ihrem Niederspannungsausgang mit der Klemme 77 des Hochspannungs-Isolators 78 verbunden. Die Klemme 77 ist außerdem mit der Elektrode 52 der Halteanordnung 50 der Kathodenspitze 45 Ober einen Leiter 81 (Fig. 7) und mit der Schirmelektrode 90 verbunden. Eine Klemme 77' ist mit der Elektrode 53 über einen Leiter 80 verbunden. Eine Klemme 79, die den Ausgang der Hochspai.nungsquelle Vf bildet, ist über einen Leiter 82 mit der ersten Anode 95 verbunden sowie über einen Vorwiderstand 83 (Fig. 4) mit der zweiten Anode 75. Dieser Vorwiderstand 83 dient dazu, die erste Anode 95 auf der normalen Spannung Vf zu halten, wenn eine Hochspannungsentladung einen Lichtbogen zwischen der zweiten Anode 75 und der dritten Anode 85 bewirkt. Der von der Kathodenspitze 45 ausgehende Elektronenstrahl durchsetzt eine kleine Öffnung in der ersten Anode 95, die schmaler ist als der Elektronenstrahl und dadurch den Streuwinkel des Elektronenstrahles steuert, der weiter zur zweiten Anode 75 und durch deren zentrale Öffnung 84 verläuft. Es ist zu beachten, daß die auf die erste Anode 95 auffallenden Elektronen, welche eine Elektronenraumladungswolke erzeugen, eine Pumpwirkung auslösen, die von dem Gettermaterial der Schirmelektrode 90 bewirkt wird.

Es ist wichtig, daß die Anordnung zur Einstellung der Position der in den x-, y- und z-Achsen verschiebbaren Kathodenspitze 45 von dem Hochspannungs-Isoiator 78 getrennt ist. Fails nämlich der Hochspannungs-Isoiator mit der Halteanordnung 50 für die Kathodenspitze 45 verbunden Ist, wird die Kathodenspitze 45 Vibrationen ausgesetzt. Vibrationen an der Kathodenspitze 45 bewirken aber eine Herabsetzung des Auflösungsvermögens des Elektronenmikroskops 10. Daher werden mit den Elektroden 52 und 53 dauernde Verbindungen über die flexiblen Leiter 80 und 81 hergestellt, die jedoch gestatten, daß die Kathodenspitze 45 innerhalb der Vakuumkammer 41 in den .v-, y- und z-Achsen verschoben werden kann.

Es 1st bekannt, daß übermäßig viele Gasmoleküle oder in Partikel In der Nähe der Kathodenspitze 45 unregelmäßige oder mit Rauschen behaftete Elektronenemissionen von der Kathodenspitze 45 bewirken. Dies verschlechtert das Auflösungsvermögen des Elektronenmikroskops 10. Es Ist daher nötig, starke und teure Pumpsysteme zu verwenden, um einen Hochvakuumbereich für die Kathodenspitze 45 zu erhalten.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß man ein sehr reaktives Element oder ein Gettermaterial, z. B. Titan, von einem ringförmigen Sublimationsfaden 91 auf die Innenwand der Schirmelektrode 90 aufdampft. Ein Ende des Sublimationsfadens 91 ist mit der Klemme 77 verbunden, und das andere Ende des Sublimationsfadens 91 ist mit einer Spannungsquelle V* verbunden. Das Aufdampfen des Titans auf die Innenwand der Schirmelektrode 90 kann entweder ein kontinuierlicher oder ein periodischer Prozeß sein. Das Titan an der Innenwand der Schirmelektrode 90 reagiert mit an seiner Oberfläche ankommenden reaktiven Gasen und bettet diese in sich ein. Hierdurch trägt die Schirmelektrode 90 dazu bei, durch das Auffangen und Einbetten von Gasmolekülen unter die Schicht von subllmlertem Gettermaterial ultrahohe Vakua zu erzeugen.

Von der Kathodenspitze 45 emittierte Elektronen werden In Richtung auf die erste Anode 95 beschleunigt und treffen auf diese auf, wobei sie große lokale Druckanstiege bewirken durch Freisetzen positiver Ionen, negativer Ionen und neutraler Moleküle von der Oberfläche der ersten Anode 95. Zusätzlich werden Sekundärelektronen, reflektierte Elektronen und energiereiche Röntgenstrahlen emittiert. Das Freisetzen der von anderen Stellen eintretenden Moleküle würde eine Kontamination der Kathodenspitze 45 bewirken, und die Elektronenemission von der Kathodenspitze 45 würde instabil werden. Ein solcher Zustand würde den Betrieb des Feldemissions-Elektronenstrahlerzeugungssystems beeinträchtigen, indem dieser Rauschen und unregelmäßigen Betrieb verursachen würde, daneben würde das FeIdemissions-Elektronenstrahlerzeugungssystem vorzeitig versagen. Außerdem könnte eine Instabilität durch einige positive Ionen bewirkt werden, die zur Kathodenspitze 45 zurück beschleunigt werden und diese beschädigen.

Indem die Schirmelektrode 90 auf einem elektrostatischen Potential gehalten wird, das diese positiven Ionen von der Kathodenspitze 45 weg anzieht, wirkt sie als Ionenkollektor. Die Sekundärelektronen sowie die reflektierten Elektronen, die an der Oberfläche der ersten Anode 95 erzeugt werden, befinden sich in einem negativen elektrostatischen Feld und tendieren dazu, eine Elektronenraumladungswolke mit hoher Dichte zu bilden, die innerhalb der Schirmelektrode 90 eingeschlossen ist. Die Elektronenraumladungswolke erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Ionisation von Gasmolekülen im Hochvakuumbereich 41a, die dann in Richtung auf die Schirmelektrode 90 angezogen werden. Auf diese Weise ergibt sich in Verbindung mit dem Sublimationspumpen eine lokale Ionengetterpumpwirkung.
Der vorstehend beschriebene Betrieb kann durchge-

führt werden, wenn sich die Schirmelektrode 90 auf Umgebungstemperatur befindet. Die Pumpleistung bezüglich der Moleküle In der mit Titan überzogenen Schirmelektrode 90 kann jedoch noch verbessert werden, indem die Schirmelektrode 90 gekühlt wird. Zu diesem Zweck wird die Schirmelektrode 90 durch ein mit flüssigem Stickstoff arbeitendes Kühlsystem 100 gekühlt. Das Kühlsystem 100 weist einen Kühlmitteltank 101 von ringförmiger Gestalt für die Aufnahme von flüssigem Stickstoff auf, wobei der Kühlmitteltank 101 mit der Schirmelektrode 90 über einen ebenfalls ringförmigen Isolator 102 (Fig. 4) aus Berylllumoxid verbunden Ist. Der Berylllumoxld-Isolator 102 Ist nicht nur ein guter Hochspannungs-Isolator, sondern hat auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Daher erzeugt die Schirmelektrode 90 Infolge ihres starken negativen elektrostatischen Feldes nicht nur die Elektronenraumladungswolke der Sekundärelektronen und verbindet eine Beschleunigung derselben In Richtung auf die die Vakuumkammer 4i definierende Innenwand des Gehäuses 40, wodurch ein weiteres Entgasen und Druckanstiege vermieden werden, sondern sie bildet daneben auch einen Teil eines Im Hochvakuumbereich 41a der Vakuumkammer 41 stattfindenden Tleftemperalur-Pumpbetrlebes.

Durch die Ionengetterpumpwirkung der Schlrmelektrode 90 und die Tieftemperatur-Pumpwirkung des Stickstoff-Kühlsystems 100 wird in der Vakuumkammer 41 ohne zusätzliche teure, unabänglge Vakuumpumpen ein Hochvakuum In der Größenordnung von 1,33 · ΙΟ¹⁰ mbar erzeugt. -M

Von der Kathodenspitze 45 emittierte Elektronen durchsetzen die Öffnung in der ersten Anode 95, die Öffnung 84 der zweiten Anode 75, eine ähnliche Öffnung 106 In der dritten Anode 85, eine Strahlführungsröhre 107, die axial zum Ablenksystem und Stig- ü mator 25 angeordnet ist, und treffen auf die Probe 20 •auf. Zur Steuerung des Querschnittsbereiches des Elektronenstrahls 1st eine Aperturwählplatte 110 zwischen der dritten Anode 85 und dem Ablenksystem und Stigmator 25 angeordnet. Die Aperturwählplatte 110 weist eine Reihe von Öffnungen mit unterschiedlichem Durchmesser auf. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind vier solcher Öffnungen vorgesehen, deren Durchmesserbereiche zwischen 25 und 250 μπι liegen.

Durch Horizontalverschiebung der Aperturwählplatte 110 wird eine ausgewählte Öffnung mit der Strahlführungsröhre 107 und der Öffnung 106 der dritten Anode 85 ausgerichtet, so daß die Größe des sich durch diese Öffnungen bewegenden Elektronenstrahls gesteuert wird. Zu diesem Zweck ist an der Aperturwählplatte 110 eine Welle 111 befestigt, welche auf diese eine Horizontalbewegung überträgt. Ein Gehäuse 112 steht mit dem Gehäuse 40 mittels O-Ringen 113 in abdichtender Verbindung. O-Ringe 114 sorgen für eine Abdichtung zwischen der Welle 111 und dem Gehäuse 112. In dem Gehäuse 112 ist ein die Welle 111 umgebender Balgen 115 angeordnet, der mit der Welle 111 verschweißt ist, so daß die Welle 111 eine Axialbewegung ausführen kann, während die Abdichtung beibehalten wird. Außerhalb des Gehäuses 40 sind auf die Welle 111 Knöpfe 116 und 117 aufgeschraubt. Geeignete Lager 118 sind vorgesehen, so daß die Knöpfe 116 und 117 gegenüber einer Kappe 120 für das Gehäuse 112 gedreht werden können. Auf diese Welse überträgt die Rotation des Knopfes 117 eine Hin- und Herbewegung auf die Welle 111, ohne daß &> die Welle 111 rotiert wird, um eine ausgewählte Öffnung der Aperturwählplatte 110 mit dem Strahlengang des Elektronenstrahls auszurichten, um dessen Durchmesser zu steuern. D^r Knopf 116 ist ein Exzenterknopf, der eine winkelmäßige Querbewegung auf die Aperturwählplatte UO um den O-Rlng 114 überträgt, wobei der O-Ring 114 als Drehpunkt für die Querbewegung dient.

Wenn die Kathodenspitze 45 ausgewechselt wird, befindet sich die Vakuumkammer 41 auf Atmosphärendruck. Zur Belüftung der Vakuumkammer 41 wird die Vakuumkammer 41 der Atmosphäre ausgesetzt. Indem die Welle 111 durch den Knopf 117 vollständig zurückgezogen wird. Nachdem dies geschehen ist, steht eine Entlüftungsöffnung 125 In dem Gehäuse 112 über eine Öffnung 126 mit der Vakuumkammer 41 dadurch In Verbindung, daß die O-Ringe 114 In den Teil vergrößerten Durchmessers des Gehäuses 112 vorstehen. Wenn die Welle 111 In Ihre Ausgangsposition zurückkehrt, wird das Ausgleichsventil geschlossen, und die Vakuun. kammer 41 wird nicht durch die Öffnung J2.*5 belüftet, da die O-Rlnge 114 die in Flg. 4 gezeigte Stellung einnehmen. Zwischen dem HuthvakuuiViucfeich 4 Ju und dem Niedervakuumbereich 416 findet durch die Öffnung 84 der zweiten Anode 75 ein Druckausgleich statt.

Zum Abtrennen der Vakuumkammer 41 vom Atmosphärendruck während des Auswechselns der Probe 20 wird ein Ventil 130 (Fig. 4) mit einer In einem Ventilschaft 143 ausgebildeten Öffnung 131 In horizontaler Richtung verschoben, so daß die Öffnung 13¹ nicht mehr mit dem Unterende der Strahlführungsröhre 107 ausgerichtet Ist und die Strahlführungsröhre blockiert Ist. Ein O-Rlng 143' dichtet das Ende der Strahlführungsröhre 107 ab, wenn das Ventil 130 geschlossen Ist. Nachdem die Probe ausgewechselt wurde, wird die Öffnung 131 wieder mit dem unteren Ende der Strahlführungsröhre 107 ausgerichtet. Eine geeignete Vakuumpumpe

135 Ist an der Unterwand des Feldemlsslons-Elektronenstrahlerzeugungssystems 15 befestigt und saugt die In der Vakuumkammer 41 vorhandene atmosphärische Luft ab, bis sich die Vakuumkammer 41 auf einem Vakuum In der Größenordnung von 1,33 · 1(H Pa oder 1,33· 10-5 Pa befindet.

Zum Verschieben des Ventils 130 in die E.itlüftungsstellung und aus dieser heraus ist an dem Gehäuse 40 ein Ventilgehäuse 136 fest angeordnet. Das Ventilgehäuse

136 Ist mittels einer Endkappe 137 und O-Ringen 138 abgedichtet. O-Ringe 139 bewirken eine Abdichtung zwischen dem Ventilgehäuse 136 und dem Gehäuse 40. Ein mit der Endkappe 137 und einer den Ventilschaft 143 umgebenden Hülse 142 verschweißter Balgen 141 gestatten eine geradlinige Bewegung des Ventilschaftes 143, ohne daß die Abdichtung unterbrochen wird. Ein mit dem Ventilschaft 143 in Schraubverbindung stehender Knopf 145\Wrd gedreht und überträgt eine geradlinige Bewegung auf die Welle 111, ohne dieselbe zu drehen.

Nachdem die Vakuumkammer 41 auf etwa 1,33 - ICHPa oder 1,33 · 10-⁵ Pa evakuiert worden ist, wird die Welle 111 verschoben und schließt die Entlüftungsöffnung 125, wodurch das Ausgleichsventil geschlossen wird, und die Öffnung 131 wird mit der Strahlführungsröhre 107 ausgerichtet durch die Verschiebung des Ventilschaftes 143. Wenn die öffnung 131 mit der Strahlführungsröhre 107 ausgerichtet ist, können Elektronen auf die Probe 20 auftreffen. Zu diesem Zeitpunkt wird das Vakuum in der Vakuumkammer 41 durch die Tiefternperatur-Purnpwirkung des Kühlsystems 100, die Titanaufdampfung und den Sublimationsfaden 91 aufrechterhalten, wobei das Vakuum im Niedervakuumbereich 416 durch die Vakuumpumpe

135 auf etwa 1,33 ICH Pa gehallen wird. Diese Pumpen sind geeignet, den Hochvakuumberelch A\a auf 1,33 · ICH Pa zu evakuieren. Dieses Vakuum sorgt für stabile Betriebsbedingungen für die Kathodsnspitze 45. Nunmehr findet das Ausgleichspumpen stall durch die Öffnung 84 der zweiten Anode 75, da dies der einzige Weg Ist zur Herstellung einer Verbindung zwischen dem Hochvakuumbereich 41a oberhalb und dem Niedervakuumbereich 416 unterhalb der Öffnung 84.

Beim Auswechseln einer Probe wird der Ventilschaft in 143 dazu verwendet, den Hochvakuumberelch 41a des Feldemlssions-Elektronensuiihlerzeugungssysllems 15 abzutrennen und sie auf einem Hochvakuum zu halten, während der Niedervakuumbereich 416 auf Atmosphärendruck gebracht wird.

Die zylindrische Wand der Schirmelektrode 90 ist mit deren Basis durch geeignete Mittel, beispielsweise eine Gelenkverbindung 151, verbunden. Außerdem hat das Gehäuse 40 !n seiner zylindrischen Wand am O-Ring 113 abtrennbare Abschnitte, die mittels einer geeigneten 2<i Gelenkverbindung 152 verbunden sind. Wenn die Kathodenspitze 45 ersetzt werden soll, wird das FeIdemissions-Elektronenstrahlerzeugungssystem 15 an den Gelenken 151 und 152 geschwenkt, so daß die Steckerhaltung für die Kathodenspitze 45 zugänglich Ist und ausgewechselt werden kann.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

3D

40

45

50

60

Claims

Patentansprüche:

1. Feldemissions-Elektronenstrahlerzeugungssystem, bei dem in einem eine Vakuumkammer definierenden Gehäuse eine als Feldemissionselektronenquelle dienende Kathodenspitze angeordnet ist, bei dem in Strahlrichtung gesehen auf die Kathodenspitze eine erste Anode zur Erzeugung eines die Elektronen auslösenden elektrischen Feldes und zumindest eine weitere Anode zur Erzeugung eines die Elektronen beschleunigenden und fokussierenden Feldes folgen und bei dem Potentialquellen zum Anlegen elektrischer Spannungen zwischen der Kathodenspitze und den Anoden vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenspitze (45) von einer in der Vakuumkammer (41) angeordneten Schirmelektrode (90) umgeben ist, daß die erste Anode (95) in dem von der Schirmelektrode (90) umgebenen Bereich liegt, und daß und daß die Kathodenspitze (45). die Schirmelektrode (90) und die erste Anode (95) derart mit Potentialen beaufschlagt sind, daß die Kathodenspitze (45) vor übermäßigen Spannungsentladungen geschützt wird.

2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine der ersten Anode (95), der Schirmelektrode (90) und der Kathodenspitze (45) wirkungsmäßig zugeordnete Pumpeneinrichtung zur Erzielung einer Vakuumpumpenwirkung für den der Kathodenspitze (45) benachbarten Bereich.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpentinrichtv.ig eine Ionengetterpumpe ist. die dadurch gebildet ist, daß die an die Kathodenspitze (45). die Schirr elektrode (90) und die erste Anode (95) angelegten Potentiale so bemessen sind, daß durch, von der ersten Anode (95) stammende Sekundärelektronen und reflektierte Elektronen, eine Elektronenraum'adungsv/o'.ke gebildet wird, in der Gasmoleküle ionisiert werden, und daß die ionisierten Gasmoleküle auf die, auf ihrer Innenwand mit einem Gettermaterial versehene Schirmelektrode (90» beschleunigt werden.

4. System nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß ein beheizter Sublimationsfaden (91) zur Sublimation des auf der Innenwand der Schirmelektrode (90) niederzuschlagenden Gettermaterials vorgesehen ist.

5. System nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Sublimalionsfaden (91) ein mit Titan überzogener Faden ist. der am Umfang einer nach Innen gerichteten gewölbten Wand der Schirmelektrode (90), welche die Kathodenspitze (45) umgibt, befestigt ist.

6. System nach einem der Ansprüche 2 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß in der Vakuumkammer (41) ein Kühlmitteltank (IOD angeordnet ist. der mit der Kathodenspitze (45) und/oder der Schirmelektrode (90) in Verbindung steht.

7 System nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, dali ein wärmeleitender elektrischer Isolator (102) in der Vakuumkammer (41) zwischen der Schirmelektrode (90) und dem Kühlmitteltank (101) für das flüssige Kühlmittel angeordnet 1st.

8. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Anode (95) und die in Richtung des Elektronenstrahls folgende nächste zweite Anode (75) über einer Impedanz miteinander verbunden sind zur Begrenzung der

Spannung zwischen der ersten Anode (95) und der Kathodenspitze (45) während eines Hochspan nungsentiadung.

9. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmelektrode (90) auf einem Potential gehalten ist, das gleich dem Potential der Kathodenspitze (45) oder weniger positiv als diese ist.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmelektrode (90) mit der Kathodenspitze (45) über eine niedrige Impedanz elektrisch verbunden ist.

11. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer (41) In einen Hochvakuumbereich (41o) und einem Niedervakuumbereich (416) derart unterteilt ist, daß der Elektronenstrahl aus dem Hochvakuumbereich (41a) in den Niedervakuumbereich (416) verläuft, wobei der Hochvakuumbereich (41c) mit dem Niedervakuumbereich (416) durch eine Öffnung (84) der in Richtung des Elektronenstrahls nächst folgenden zweiten Anode (75) verbunden ist, deren Öffnungsquerschnitt so gewählt ist, daß die beiden Bereiche auf verschiedenen Drucken gehalten werden können.

12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenspitze (45), die Schirmelektrode (90) und die erste Anode (95) in dem Hochvakuumbereich (41a) und daß die eine der zweiten Anode (75) In Richtung des Elektronenstrahls nachfolgende dritte Anode (85) in dem Niedervakuumbereich (416) angeordnet sind.

13. System nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Niedervakuumbereich (416) an dem Gehäuse (40) ein Belüftungsventil montiert ist zum Belüften der Vakuumkammer (41) zum Auswechseln der Kathodenspitze (45).

14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Gehäuse (<iu^l> ein "entll (130) montiert ist zum Abtrennen des Niedervakuumbereichs (416) vom Atmosphärendruck, wenn ein an den Niedervakuumbereich (416) angrenzender Gehäuseteil zur Atmosphäre hin entlüftet wird.

15. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (40) und die Schirmelektrode (90) schwenkbar befestigte abtrennbare Abschnitte aufweisen, um einen Zugang zur Kathodenspllie (45) zu ermöglichen.

16. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Gehäuse (40) eine einstellbare Halterung (55) vorgsehen Ist. die in die Vakuumkammer (41) hineinragt und an der die Kathodenspitze (45) derart befestigt Ist. so daß sie innerhalb der Vakuumkammer (41) justierbar Ist.

17. System nach Anspruch 16. dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenspitze (45) lösbar an der justierbaren Halterung (55) befestigt ist.

18. System nach Anspruch 17. dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenspitze (45) Elektroden (52, 53) aufweist, die als Steckerstifte ausgebildet sind.

19. System nach einem der vorstehenden Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialquellen zum Anlegen elektrischer Spannungen eine Hochspannungs-Klemme (79) aufweisen, die an einer von der justierbaren Halterung (55) entfernten Stelle von dem Gehäuse (40) abgestützt ist.