DE2161027A1

DE2161027A1 - Elektronenstrahlgerät mit einer durch einen Energiestrahl zu erhitzenden Kathode

Info

Publication number: DE2161027A1
Application number: DE19712161027
Authority: DE
Inventors: Jan Bart Le Delft Poole (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1970-12-23
Filing date: 1971-12-09
Publication date: 1972-07-13
Also published as: GB1375995A; NL7018701A; DE2161027B2; JPS5380361U; US3745342A; CA957787A; FR2119692A5; DE2161027C3; JPS568140Y2

Description

PHN.5354 BOSS/PF

Dr. Herbert Scholl Pateotaawali

Anmelder: N. V. Philips' Gloeilampenfabiiekeo

Akte No,, "°^mT- ???-! Antntldung vomi 7 . 'ⁿ: Z . 1 ° 71

"Elektronenstrahigerät mit einer durch einen Energiestrahl zu erhitzenden Kathode"·

Sie Erfindung betrifft ein Elektronenstrahlgerät mit einer Elektronenquelle zum Erzeugen eines Elektronenstrahls, welche Elektronenquelle einen in Längsrichtung verschiebbaren Metalldraht enthält, und mit Mitteln zum Richten eines Energiestrahls auf einen Teil des Metalldrahts·

Ein derartiges Elektronenstrahlgerät ist aus der deutschen Patentschrift 1.028.244 bekannt. In einem darin beschriebenen Elektronenstrahlgerät wird eine Stirnfläche eines Metalldrahts durch einen darauf auftreffenden Ionenstrahl erhitzt. Das Verschieben der emittierenden Oberfläche durch Verdampfung und Zerstäubung von Kathodenmaterial an der Stelle der emittierenden Oberfläche wird durch ein Verschieben des Metalldrahts in Richtung der emittierenden Stirnfläche

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beseitigt. Mit dem beschriebenen Elektronenstrahlgerät wird bezweckt, die Speiseenergie für die Kathode im Vergleich zu einer durch einen elektrischen Strom geheizten Glühdrahtkathode zu verringern und eine für elektronen-optische Zwecke bessere Potentialverteilung nahe der Kathode zu verwirklichen. Letzteres wird dadurch erreicht) dass der Ionenstrahl eine neutralisierende Wirkung auf die Raumladung für die emittierende Kathodenoberfläche hat. Sas Ende des Meiklldrahts wird auf eine für Glühdrahtkathode normale Temperatur erhitzt. Eine bedeutend höhere Temperatur lässt sich in diesem Gerät nicht verwirklichen, weil die emittierende Oberfläche dann Instabilitäten aufweisen würde.

Die Erfindung bezweckt, ein Elektronenstrahlgerät zu schaffen, dessen Elektronenquelle eine u.a. durch die Abmessungen des Metalldrahts bestimmte emittierende Oberfläche aufweist und wobei die Stromdichte des Elektronenstrahls an der Kathodenoberfläche einen in bezug auf bekannte Kathoden hohen Wert hat. Ein Elektronenstrahlgerät der eingangs erwähnten Art hat dazu entsprechend der Erfindung das Kennzeichen, dass der Energiestrahl auf eine Seite eines unter einer in Längsrichtung wirkenden Spannkraft eingespannten Metalldrahts gerichtet ist und dass eich das emittierende Gebiet über eine Seite des Metalldrahts erstreckt.

In einem erfindungsgemässen Elektronenstrahlgerät kann der Metalldraht ohne die Gefahr von !Instabilitäten auf eine verhältnismässig hohe Temperatur aufgeheizt werden. Indem der Metalldraht dünn gewählt wird, ist eine Abmessung der emittierenden Oberfläche durch eine Dickenabmessung des Metalldrahts bestimmt. Die Abmessung der emittierenden Oberfläche in Längsrichtung des Metalldrahts kann entweder durch eine aufgeprägte Temperaturverteilung oder durch mechanische

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Hilfsmittel auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Hierdurch kann auf einfache Weise eine längliche emittierende Oberfläche mit in einer Richtung kleinen Abmessungen und einer hohen Stromdichte für den zu emittierenden Elektronenstrahl verwirklicht werden.

In einer erfindungsgemässen bevorzugten Ausführung wird der Metalldraht im Betrieb in Längsrichtung verschoben, wodurch der Elektronenquelle eine lange Lebensdauer verliehen werden kann.

Die Erfindung wird anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Sarstellung eines erfindungsgemässen Abtast-Elektronenmikroskops.

Fig. 2 eine detailliertere perspektivische Darstellung der Elektronenquelle des Abtast-Elektronenmikroskops nach Fig. 1.

Im Abtast-Elektronenmikroskop nach Fig. 1 befinden sich eine Elektronenquelle 1 mit einer Kathode 2, eine erste Anode 3 und eine zweite Anode 4· In Richtung eines durch die Kathode 2 emittierten Elektronenstrahls 5 befinden sich ferner wie in den bekannten Abtast-Elektronenmikroskopen eine den Elektronenstrahl 5 richtende Anordnung 6, eine Kodensorlinse 7t eine Kondensorblende 8, eine Abbildungelinse 9t ein Ablenksystem 10, mit den Ablenkspulen 11 und Ablenkspulen 12 zur Abtastung in Bildrichtung und Abtastung in Linienrichtung des Elektronenstrahls über einen Gegenstand 13. Zwischen den Ablenkspulen und dem Gegenstand oder dem Präparat 13 befindet sich eine Blende 14· Ein Detektor 15 ist in bezug auf den Gegenstand derart montiert, dass er vom Gegenstand herrührende Signale, entweder in Form von Teilchen oder aber in Form von elektromagnetischer Strahlung, zumindest teilweise auffangt, Zur Wiedergabe von durch den Detektor aufgefangenen Signalen dient eine Elektronenstrahlröhre 16, deren Ablenkspulen 17 und 18

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synchron zu den Ablenkspulen 12 und 13 wirken· Zwischen dem Detektor 15 und der Elektronenstrahlröhre 16 befindet sich ein Verstärker 19 zur Verstärkung des Detektorsignale, mit dem die Elektronenstrahlröhre gesteuert wird. Die Kathode 2 wird durch einen Metalldraht gebildet, den man sich in Fig. 1 senkrecht zur Zeichenebene denken muss. Dieser Metalldraht wird seitlich mit einem Elektronenstrahl 20 bestahlt und dadurch auf eine Temperatur von beispielsweise 340O⁰C für einen Wolframdraht erhitzt, wofür eine normale EmiBsionstemperatur von ungefähr 2800 C eingehalten wird. Da der Metalldraht unter einer Spannkraft gespannt ist, bleibt der Draht auch bei dieser hohen Temperatur gerade. Eine Temperaturerhöhung von 2800⁰C auf 34OO°C hat bei einem Wolframdraht eine ErhShung der Stromdichte des xu emittierenden Elektronenstrahls von ungefähr 2 bis 5 A pro cm^B auf ungefähr 50 bis 200 A pro cm² zur Folge. Der Energiestrahl zum Erhitzen des Metalldrahts besteht in der bevorzugten Ausführung aus einem Elektronenstrahl 20, der durch eine haarnadelförmige Kathode 21 emittiert, durch ein Steuergitter 22 auf eine erwünschte Stromstärke beispielsweise 25 /uA bei einer Einfalleenergie von 10 kV eingestellt und durch eine Linse 23 bis auf einen Durchmesser von beispielsweise 5 bis 25 Mikron auf eine Seite des Metalldrahts 2 fokussiert wird. Die Linse 23 kann vorzugsweise durch eine Minilinse gebildet werden, wie sie in der niederländischen Patentanmeldung 64O6449 (PHN.283) beschrieben ist. Der Energiestrahl kann auch durch einen Laserstrahl, einen Ionenstrahl oder einen anderen Energiestrahl korpuskularer oder elektromagnetischer Art gebildet werden. In der bevorzugten Ausführung schliessen der Elektronenstrahl uni der Energiestrahl einen Winkel von 90 ein« Von diesem Winkel kann jeder beliebige andere Winkel gewählt werden, wobei auch zusammenfallende, jedoch entgegengesetzt gerichtet verlaufende Strahlen nicht ausgeschlossen sind.

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In Fig. 2 ist die Elektronenquell· 1 der bevorzugten Ausführung nach Fig. 1 in perspektivischer Sicht auf schematische Weise dargestellt. Der beispielsweise eine Dicke von 5 bis 50 Mikron aufweisende Metalldraht 2 läuft unter einer in Längsrichtung wirkenden Zugkraft, die den Draht unter allen Umständen gerade hält, zwischen einer Spule 25 mit einem Leiter 26 und einer Spule 2^ mit einem Leiter 28. Um den Metalldraht befinden sich zwei Stützblöcke 29 und 30, die jeweils mit einer V-Nut 31 bzw. 32 versehen sind, die für eine genaue Führung des Metalldrahts 2 in Längsrichtung sorgen. Vorzugsweise haben die Stützblocke einen guten Wärmekontakt mit dem Metalldraht, wozu beispielsweise die V-Nuten den Draht eng umschliessen, und bestehen die Stützblöcke aus einem Metall mit guten wärmeleitenden Eigenschaften wie beispielsweise Silber. Zwischen den Stützblöcken befindet sich um den Draht die Anode 3> die hier die Form eines Hohlzylinders mit einem Innendurchmesser von beispielsweise 0,5 ^is 2 mm und einer Wanddicke 35 von beispielsweise 0,2 bis 0,5 mm aufweist. In diesem Zylinder befinden sich eine Oeffnung 33 für die Abfuhr des durch den Metalldraht emittierten Elektronenstrahls und eine Oeffnung 34 zum Einschliessen des Energiestrahle zum Erhitzen des Metalldrahts. Die Oeffnung 34 ist vorzugsweise rund, während die Oeffnung 33 den Wünschen betreffs der Abmessungen der Elektronenquelle in Längsrichtung angepasst werden kann und beispielsweise 50x500 Mikron betragen kann. Im Betrieb führt die Anode 3 bei einem Nullpotential des Metalldrahts 2 ein Potential von beispielsweise +100 bis +500 V.

Di· in Fig. 2 dargestellte Ausführung der Elektronenquelle dient nur zur Veranschaulichung. Es ist für die Erfindung nicht von Bedeutung, wie der Metalldraht im Betrieb - wenn überhaupt - verschoben wird. Die Verschiebung kann auch dadurch verwirklicht werden, dass ein

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unter einer Federkraft in einem Träger von beispielsweise 5 bis 10 cm Länge eingespannter Metalldraht mit dem Träger beispielsweise über eine von aussen betätigbare Spindel entlang Führungen verschoben wird. Für den Metalldraht, dessen Querschnitt jede erwünschte Form aufweisen kann, können auch andere Metalle mit einer hohen Schmelztemperatur verwendet werden wie beispielsweise Titan. Bei der hohen Temperatur, auf die der Metalldraht gebracht wird, verdampft das Metall verhältnismässig schnell. Materialen mit einer bei einer Temperatur knapp unter dem Schmelzpunkt verhältnismässig niedrigen Verdampfungsgeschwin-

P digkeit werden mithin bevorzugt. Durch die Stützblöcke wird die erhitzte Stelle des Drahts in Längsrichtung likalisiert. In manchen Fällen ist es günstig, die Stützblöcke derart auszubilden, dass die Anodenröhre teilweise hineinragt, wodurch der Raum zwischen der Anodenröhre und den Stützblöcken abgeschlossen ist. Sie Stützblöcke und die Anodenröhre können auch ein mechanisches Ganzes bilden. Das Verschieben des Metalldrahts dient dazu, der Elektronenquelle eine längere, im wesentlichen durch die Verdampfung des Metalldrahts bestimmte Lebensdauer zu geben. Indem die Geschwindigkeit der Verschiebung der auf-

^ treffenden Energie angepasst wird, kann dafür gesorgt werden, dass stets ein Teil des Metalldrahts die erwünschte Temperatur aufweist und der Metalldraht nirgends zu starkverdampft. Die Abkühlung des Metalldrahts erfolgt durch Leitung,forciert durch die Metallblöcke, durch Strahlung, die im wesentlichen durch die Anodenröhre aufgefangen wird, und durch das Emittieren von Elektronen. Es hat sich gezeigt, dass bei diesen hohen Stromdichten beider Emission die Wärmabgabe durch die Emission höher ist (beispielsweise um einen Faktor 10) als durch Strahlung. Hierdurch kannin Längsrichtung des Drahts gesehen eine homogenere Temperatur auftreten, Di· Stelle mit der höchsten Temperatur emittiert nämlich am meisten und kühlt dadurch auch am

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meisten ab, wodurch ein sich selbst wiederherstellender Vorgang entsteht, Dies kommt der Stabilität- ler Kathode zugute, beispielsweise auch deshalb, weil Unregelmässigkeiten im Metalldraht, wie Verdünnungen oder Einschlüsse, die normalerweise eine besonders hohe Temperatur annehmen und dadurch besonders schnell verdampfen würden, nun auf niedrigere Temperaturen zurückgebracht werden.

In einer bevorzugten erfindungsgemässen Ausführung ist eine Kopplung vorgesehen, die die Verschiebungsgeschwindigkeit des Metalldrahts automatisch als Funktion der Temperatur des Metalldrahts in der Anodenröhre regelt. Dabei ist es günstig, nicht die Temperaturänderungen des Metalldrahts, sondern die infolgedessen auftretende Aenderung in der Elektronenemission als Steuersignal zu verwenden. Vorzugsweise kann dazu der auf die Anodenröhre treffende, nicht verwendete Elektronenstrom benutzt werden« In dieser Ausführungwird die Anwendung einer Zylinderanode nit verbaltnismässig kleinen Oeffnungen bevorzugt. Di· Anode 2 kann in anderen Ausführungen beispielsweise auch die Form einer Sauganode mit einer kleinen, nahe dem Metalldraht liegenden Otffnung haben.

Die Erfindung schafft eine Elektronenquelle mit einer in einer Richtung sehr geringen Abmessung, wodurch diese Quell· insbesondere für ein Abtast-Elektronenmikroskop mit Abtastung in einer Richtung, nämlich der Bildrichtung, brauchbar ist. Der auf den Gegenstand auftreffende Elektronenstrahl hat dabei eine der betreffenden Abmessung des Gegenstandes entsprechende Länge.

Durch die hohe Stromdichte des Elektronenstrahls ist der Nachteil einer bei einem hinreichenden Auflösungsvermögen für viele Anwendungen kaum oder nicht zureichenden Beleuchtung des Gegenstände beseitigt. Auch hierbei kann man besonders an Abtast-Elektronenmikros-

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lope denken. Hierbei war es bisher oft durch ein zu geringes Signal nicht möglich, eine für bestimmte Untersuchungen bedeutsame Strahlung oder Teilchen, wie beispielsweise «in verhältnismäßig schmales spektrales Gebiet von Röntgen- oder Gammastrahlung, zu registrieren* Eine langgestreckte Elektronenquelle entsprechend der Erfindung eignet sich besonders zur Anwendung in einem Transmissions-Abtast-Elektronenmikroskop. B«i den bisher bekannten Geräten dieser Art mach sich nämlich der Nachteil eines zu geringen Signals bei zulässiger bzw. erreichbarer Stromdicht· im Auftreffleck besonders bemerk-P bar. Durch die erwähnte Horizontalabtastung mit einer derart hohen Stromdichte ist dieser Nachteil beseitigt.

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Claims

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PATENTANSPRUECHE $

1.) Elektronenstrahlgerat mit einer Elektronenquelle zum Erregen eines Elektronenstrahls, welche Elektronenquelle einen in Längsrichtung verschiebbaren Metalldraht enthält, und mit Mitteln zum Richten eines Energiestrahle auf einen Teil des Metalldrahts, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl auf die Seite eines unter einer in Längsrichtung des Metalldrahts wirkenden Spannkraft eingespannten Metalldrahts gerichtet ist und dass sich das emittierende Gebiet über eine Seite des Metalldrahts erstreckt.

2. Elektronenstrahlgerat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metalldraht im Betrieb entlang der Auftreffstelle des Energiestrahls verschiebbar ist.

3. Elektronenstrahlgerat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Metalldraht im Betrieb von einer ersten Spule auf eine zweite Spule wickelbar ist.

4. Elektronenstrahlgerat nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorhanden sind für eine auf die Temperatur des Metalldrahts reagierende automatische Verschiebung des Metalldrahts. 5· Elektronenstrahlgerat nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich zu beiden Seiten der Auftreffstelle des Energiestrahle wärmeleitende Stützblöcke für den Metalldraht befinden, die mit dem Metalldraht in gutem Wärmekontakt stehen.

6. Elektronenstrahlgerat naoh einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich an der Stelle der Auftreffstelle des Energiestrahls auf den Metalldraht eine zylinderförmige AnodenrShre Kit einer Einschussöffnung für den Energiestrahl und einer Austrittsöffnung für den zu emittierenden Elektronenstrahl um den Metalldraht befindet. 7· Elektronenstrahlgerat naoh Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

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dass die Anodenröhre eine Länge von ungefähr 5 bis 20 mm und einen Innendurchmesser von ungefähr 0,5 bis 22 mm hat.

8. Elektronenatrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metalldraht im wesentlichen aus Wolfram besteht und eine Dicke zwischen 5 ^un(* 50 Mikron aufweist.

9. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hilfselektronenstrahlerzeugungssystem zum Erregen, Fokussieren und auf den Metalldraht Richten eines Elektronenstrahls vorhanden ist.

10. Elektronenstrahlgerät nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dass zum Fokussieren des Elektronenstrahls eine Minilinse vorhanden ist.

11. Elektronenstrahlgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die als ein Abtast-Elektronenmikroskop insbesondere als ein Transmissions-Abtast-Elektronenmikroskop ausgeführt ist, in dem die Länge des effectiv emittierenden Metalldrahtteils derart dem elektronenoptischen System angepasst ist, dass ein daraus hervorgehender Linienbfennpunkt einer in Längsrichtung des Linienbrennpunkts gemessenen Abmessung eines abzutastenden Gegenstands entspricht«

12. Elektronenquelle, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen durch einen ^nergiestrahl zu erhitzenden, in Längsrichtung verschiebbaren, unter einer Zugspannung eingespannten Metalldraht nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthält.

13· Elektronenquelle, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Betrieb eine derart hohe Elektronenemissionsatromdichte aufweist, dass dadurch •in homogenisierender Einfluss auf örtliche Temperaturunterschiede innerhalb der emittierenden Oberfliehe ausgeübt wird.

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14· Elektronenquelle nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, dass sie aus «iinen mit einem Energiestrahl zu erhitzenden Wolframdraht besteht, der im Betrieb eine Temperatur von ungefähr 3400 C und eine ülektronenemissionsstromdichte von wenigstens 50 Ampere pro cm² erreicht.

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