DE2221138C3

DE2221138C3 - Feldemissions-Elektronenquelle

Info

Publication number: DE2221138C3
Application number: DE2221138A
Authority: DE
Inventors: Toshinori Fussa Goto; Nobuyuki Kodaira Kobayashi; Teruo Akishima Someya
Original assignee: Nihon Denshi KK
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1971-04-30
Filing date: 1972-04-28
Publication date: 1979-07-19
Also published as: DE2221138A1; FR2134396B1; DE221138C; DE2221138B2; US3825839A; FR2134396A1; GB1375789A

Description

Die Erfindung betrifft eine Feldemissions-Elektronenquelle mit einer heizbaren Emitterspitze, mit einer ersten und einer zweiten Anode, von denen die zweite geerdet ist, mit Hochspannungsquellen zum Anlegen eines hohen negativen Potentials an die Emitterspitze und einer Spannung zwischen der Enntterspit/e und der ersten Anode und mit einem Emissionsstromdetektor. Eine derartige Feldemissions-Elektronenquelle ist bekannt (The Review of Scientific Instruments, Vol. 39, 1968, Nr. 4, S. 576 bis 583).

Der Vorteil einer in Elektronenmikroskopen verwendeten Feldemissions-Elektronenquelle gegenüber der üblichen thermionischen Emissions-Elektronenquelle liegt darin begründet, daß die Stromstärke des Elektronenstrahls sehr hoch und die Elektronenquelle sehr klein ist. Aus diesem Grund wird mit der Feldemissions-Elektronenquelle, wenn sie in einem Abtastelektronenmikroskop verwendet wird, eine bessere Bildauflösung erzielt, als dies mit der ihcrmionischen Emissions-Elektronenquelle möglich ist. Auch wenn die Feldemissions-Elektronenquelle in einem Durchstrahlungselektronenmikroskop verwendet wird, sorgt die Feldemissions-Elektronenquelle auf Grund der Kohärenz der Elektronenstrahlen für einen besseren Bildkontrast als die thermionische Emissions-Elektronenquelle.

Trotz der vorerwähnten Vorteile weisl die Feldemissions-ElektiOnenquclle jedoch bestimmte Nachteile auf, nämlich, daß die Stromstärke des Elektronenstrahls allmählich instabil wird, was auf Verunreinigungen der Emittcrobcrfläche und auch auf Verformung der Einilterspitze zurückzuführen ist.

Um dieser Instabilität entgegenzuwirken, sind verschiedene Wege und Einrichtungen vorgeschlagen worden. Ein üblicherweise angewendetes Verfahren liegt darin, die Elektronenkanonenkammer unter einem einem außerordentlich hohen Vakuum in der Größenordnung von etwa 10-⁹ -10-¹⁰ Torr zu halten. Auf diese Wei*e bleiben die örtlichen Arbeitsbedingungen für den Emitter stabil, da eine Verunreinigung der Emitteroberfläche verhindert wird. Dieses Verfahren ist jedoch relativ unpraktisch bzw. unbrauchbar, da es hohe Durchführungs- und Unterhaltungskosten beinhaltet

ίο Aus The Review of Scientific Instruments, Bd. 39, Nr. 4, April 1968, S. 576 bis 583 ist eine Feldemissions-Elektronenquelle der eingangs genannten Art bekannt, bei der Verunreinigungen auf der Emitterspitze dadurch verdampft werden, daß Stromstöße durch den Emitter geschickt werden. Der bei der bekannten Feldemissions-Elektronenquelle während des Normalbetriebs aufrechtzuerhaltende Druck liegt unter 10~⁹ Torr, wozu man eine Hochleistungsionenpumpe benötigt.

ίο Außerdem könnie man den Emitter während der Feldemission auf einer hohen Temperatur halten. Hierdurch wird eine Verunreinigung verhindert und der Elektronenstrahl bleibt trotz des vergleichsweise niedrigen Vakuums stabil. Durch das oben erwähnte Erhitzen des Emitters wird jedoch die Emitierspitze weich, so daß sich auf der Oberfläche des Emitters allmählich Kristallebenen bilden. Falls man diese Kristallbildung fortschreiten läßt, vergrößert sich die elektrische Feldstärke an der Emitterspitze örtlich und unregelmäßig und unkontrollierbar, was zu einer übermäßigen Emission und zur eventuellen Beschädigung der Emitterspitze führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Feldemissions-Elektronenquelle der eingangs genannten Art mit einer Regelung zum Konslanthalten des Strahlstroms zu zeigen, bei der dafür gesorgt ist, daß die Emitterspitze möglichst wenig verunreinigt bzw. deformiert wird und die F.mitterspitze nach unvermeidbaren Deformationen wieder in den ursprünglichen Zustand gebracht werden kann, wobei das Vakuum in der Apparatur in einem technisch leicht zugänglichen Bereich gehalten werden soll und die Emitterspitze während des Betriebs nicht ständig auf einer hohen Temperatur gehalten werden muß.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Feldemissions-Elektronenquelle mit einer Regelschaltung ausgestaltet ist, die den Emissionsstrom durch Verändern der Spannung /wischen der Emitterspitze und der ersten Anode konstant hall, und eine Kontrolleinrichtung aufweist, die die Spannung zwischen der Emitterspitze und der ersten Anode überwacht, in der Weise, daß ein Signal abgegeben wird, wenn die Spannung unter einen vorgegebenen Wert absinkt.

Um beim Absinken der Spannung /wischen der Emitterspitze und der ersten Anode unter einen vorgegebenen Wert ein selbsttätiges Abtrennen der ersten Anode von der Spannungsquelle /u erhalten, kann durch das von der Kontrolleinrichtung abgegebene Signal eine Zeitschaltung betätigt werden, durch die über ein vorgegebenes Zeitintervall hinweg die erste Anode mit Hilfe eines durch eine Steuereinrichtung betätigten Schalters von der Spannungsquelle getrennt wird und die Emitierspitze durch Einschalten der tlci/.spanluingsquelle auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird.

Für eine Glühemissionskathodc, welche einen Wehneltzylinder für die Fokussierung des Elektronenstrahls

enthält, ist ein Regelkreis bekannt, bei dem während der Regelung der Spannung des Wehneltzylinders die Spannungsdifferenz zwischen dem Kathoden- und Erdpotential überbrückt werden muß. Es wird hierzu ein relativ aufwendiger optischer Regelkreis verwendet, so daß hierbei eine andere Aufgabe als bei der Erfindung gelöst wird. Zudem ist das Potential de\ Wehneltzylinders gegenüber der Glühemissionskathode nur gering negativ, um die erwünschte Fokussierung der ausgesendeten Elektronen zu erhalten.

DemgegenüDer wird bei der Erfindung eine Konstanthaltung des Strahlstroms erreicht, indem man dafür sorgt, daß die Emitterspitze durch Verunreinigungen oder sonstwie wenig deformiert wird und im Falle unvermeidbarer Deformationen, insbesondere durch Kristallbildung, die Emitterspitze bei einfach herzustellendem Vakuum auf die ursprüngliche Gestalt wieder zurückgebracht werden kann, wobei während des Betriebs nicht ständig hohe Temperaturen für die Emitterspitze notwendig sind.

Die folgende Beschreibung dient an Hand der Zeichnung zur weiteren Erläuterung der Erfindung. Es zeigt

Fig. la und Ib eine Kurvendarstellung der Stromstärke des Emissionsstroms über die Zeit bei einer bekannten Feldemissions-Elektronenquelle,

F i g. 2 und 3 Blockschaltbilder von Ausführungsbeispielen und

F i g. 4a, 4b, 4c schematisch verschiedene Emitterspitzen im Schnitt.

Die Fig. la und Ib zeigen die Beziehung zwischen der Stromstärke des Elektronenstrahls und der Zeil in einer herkömmlichen Eleklronenstrahlquelle. bei der ein stufenweises Anwachsen der Stromstärke des Elektronenstrahls in Erscheinung tritt, was auf der Kristallbildung beruht. Die Stromstärke wird auf ihren ursprünglichen Wert zurückgeführt, wenn das elektrische Feld an der Emitterspitze im Zeitpunkt η abgeschwächt wird. Nachdem die Stromintensität einige Zeit auf diesem Wert bleibt, fällt sie daraufhin, wie aus Fig. Ib ersichtlich, allmählich ab und wird dann wieder durch Erhöhung des elektrischen Feldes auf ihren ursprünglichen Wert zurückgeführt. Auf diese Weise ist es durch Steuerung des elektrisches i eldes möglich, die Stromintensität des Elektronenstrahlbündels stabil zu halten.

F i g. 2 und 3 zeigen Ausführungsbcispiele der Erfindung. Hierbei wird der aus Wolfram od. dgl. hergestellte Emitter 1 auf eine entsprechende Temperatur, beispielsweise 1600⁰C. von einer Hei/stromquelle 2 erhitzt. Eine erste Anode 3 ist mittels einer variablen Gleichspannungsquelle 4 auf einem gegenüber dem Emitter 1 positiven Potential gehalten. Eine zweite Anode 5 ist mit der positiven Ausgangskleimnc einer Hochspannungsquelle 6 verbunden, wobei diese positive Ausgangsklemme an F.rdpotential angelegt ist. Die negative Ausgangsklemme der Hochspannungsquelle 6 ist an den Emitter 1 angeschlossen, und zwar über einen Emissionsstromdetcktor 7, der alle vom Emitter 1 ausgesandten Elektronen erfaßt und sie in ein elektrisches Signal umwandelt. Das Ausgangssignal des Emissionsstromdetektors 7 wird dann einer Vergleichsschaltung 8 angelegt, in der es mit einem von einem Bezugssignalgenerator 9 kommenden Bc/.ugssignal verglichen wird.

Danach wird das Vcrglcichssignal der variablen Gleichspannungsquelle 4 zugeführt, wodurch das Potential der ersten Elektrode 3 so gesteuert wird, daß der Elektronenstrom konstant bleibt.

Auf diese Weise kann der Emitter 1, selbst wenn die Emitterspitze durch ein starkes elektrisches Feld leicht verformt wird, über einen langen Zeitraum hinweg verwendet werden, da das Potential der ersten Elektrode 3 abnimmt und ein Anwachsen des Emissionsstroms verhindert wird.

Weiter zeigen die F i g. 2 und 3 Mittel, mit denen die ursprüngliche Form der durch Kristallbildung verformten Emitterspitze wieder hergestellt werden k?nn. Hierbei ist eine Vergleichsschaltung 20 vorgesehen, die die Ausgangsspannung der variablen Spannungsquelle 4 mit der Ausgangsspannung des Bezugssignalgenerators 21 vergleicht. Das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 20 wird in der F i g. 2 einer Warneinrichtung 22 zugeführt; außerdem ist ein Schalter 23 zur Steuerung des Potentials der ersten Anode 3 vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform kann die Heizstromquelle 2 einen Ausgangsstrom erzeugen, der die Emitterspitze bis zu einer ausreichend hohen Temperatur, beispielsweise etwa 2000⁰C, erhitzen kann.

In Fig.4a ist die Form einer unbenutzten Emitterspitze dargestellt, während F i g. 4b die Formänderung der Emitterspitze zeigt, die von der Kristallbildung herrührt.

Falls bei einer solchen Emitterspitze das elektrische Feld am Emitter 1 ausreichend abgeschwächt und der Emitter 1 auf eine genügend hohe Temperatur erhitzt ist. kann der Emitter 1 durch thermische Oberflächenspannung in seine ursprüngliche Form gemäß Fig. 4c zurückgeführt werden.

Mittels der Vergleichsschaltung 20 gemäß F i g. 2 kann der Verlauf der Kristallbildung ubei" .icht werden, da bei fortschreitender Kristallbildung das elektrische Feld an der Emitterspitze immer stärker wird und bewirkt, daß die Ausgangsspannung der Spannungsquelle 4 mehr oder weniger proportional abnimmt, um den Elektronenstrom konstant zu halten. Durch die Abnahme der Ausgangsspannung der Spannungsquelle 4 verringert sich'aber auch dementsprechend di»s Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 20, wodurch der fortschreitende Verlauf der Kristallbildung genau überwacht werden kann. Wenn nämlich die Ausgangsspannung der Spannungsquelle 4 kleiner wird als diejenige des Bezugssignalsenders 21, betätigt die Vergleichsschaltung 20 die Warneinrichtung 22. die dem Benu.zer anzeigt, daß der Schalter 23 zu öffnen ist. Danach wird durch die Bedienungsperson der Ausgangsstrom der Heizstromquelle 2 vergrößert, so daß die Temperatur des Emitters 1 auf eine vorgegebene Temperatur anwächst und hierdurch die Emitterspitze in ihre ursprüngliche Form zurückgebracht wird.

Mit der aus F i g. 3 ersichtlichen Ausführungsform kann die Emilterspitze automatisch wieder in ihre ursprüngliche Form zurückgebracht werden. Dies ist dadurch ermöglicht, daß eine Zeitschaltung 24 vorgesehen ist, die durch das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 20 betätigt wird. Im erregten Zustand erzeugt die Zeitschaltung 24 in einem kunslanien Zeiiintervall ein Signal, das seinerseits eine Steuereinrichtung 25 betätigt; diese steuert den Schalter 23 derart, duIi dieser während der Zeit, in der das Zeitsignal erzeugt wird, geöffnet bleibt. Gleichzeitig erregt dieses Zeitsignal die Hcizstromqucllc 2, so daß die Temperatur des Emitters 1 auf ein Niveau angehoben wird, !>ci dem sich die Emitterspitze in ihre ursprüngliche Γ.·>πτι zurückbildet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Feldemissions-Elektronenquelle mit einer heizbaren Emitterspitze, mit einer ersten und einer zweiten Anode, von denen die zweite geerdet ist, mit Hochspannungsquellen zum Anlegen eines hohen negativen Potentials an die Emitterspitze und einer Spannung zwischen der Emitterspitze und der ersten Anode und mit einem Emissionsstromdetektor, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldemissions-Elektronenquelle mit einer Regelschaltung (8, 9) ausgestattet ist, die den Emissionsstrom durch Verändern der Spannung zwischen der Emitterspitze (1) und der ersten Anode (3) konstant hält, und eine Kontrolleinrichtung (20, 21) aufweist, die die Spannung zwischen der Emitterspitze und der ersten Anode überwacht, in aer Weise, daß ein Signal abgegeben wird, wenn die Spannung unter einen vorgegebenen Wert absinkt.

2. Feldemissions-Elektronenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das von der Kontrolleinrichtung (20,2\) abgegebene Signal eine Zeitschaltung (24) betätigt wird, durch die über ein vorgegebenes Zeitintervall hinweg die erste Anode (3) mit Hilfe eines durch eine Steuereinrichtung (25) betätigten Schalters (23) von der Spannungsquelle getrennt wird und die Emitterspitze (1) durch Einschalten der Heizspannungsquelle (2) auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird.