DE2221139B2 - Elektronenstrahlquelle für Korpuskularstrahlapparate - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahlquelle für Korpuskularstrahlapparate, insbesondere Elektronenmikroskope, mit einer Kathode, einer Anode und einer zwischen Kathode und Anode angeordneten Steuerelektrode.

Eine derartige Elektronenstrahlquelle ist bekannt (deutsche Patentschrift 907 327).

Bei der bekannten Elektronenstrahlquelle handelt es sich um eine solche, bei der die Elektronen auf Grund thermischer Emission aus der Kathode austreten. Demgemäß befindet sich zwischen Kathode und Anode eine Wehnelt-Elcktrode.

Bei einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls mit großer Auflösung ist die hohe Stabilität der Beschleunigungsspannung von größter Bedeutung, insbesondere bei einem Elektronenmikroskop mit hoher Auflösung, bei dem eine Stabilität in der Größenordnung von K)'^Λ gefordert ist, um jegliche Auflösung zu vermeiden. Um diesem Erfordernis zu genügen, wird bei den gegenwärtig gebräuchlichen Elektronenstrahlquellen eine Rückkopplungsschaltung verwendet, die derart betätigt bzw. geschaltet ist. daß Schwankungen bei der Beschleunigungsspannung verringert werden und hierdurch die Stabilität verbessert wird.

Die Arbeitsweise ist im Prinzip derart, daß ein Signal, das zur Schwankung der Ausgangsspannung der Hochspannungsquelle proportional ist, aufgefangen und in einen Differenzialverstärker eingegeben wird, in dem es mit einer Bezugsspannung verglichen wird. Das sich ergebende Diffcrenzialsignal wird zur Hochspannungsquelle zurückgelcitet, um die Schwankung der Ausgangsspannung zu steuern. Der entscheidende Nachteil dieser Art von Schaltung liegt jedoch darin.

daß es hiermit unmöglich ist, die Hochfrequenzkomponente, die bei der sich zwischen den Kammerelektroden ergebenden elektrischen Mikroentladung vorliegt, zu beseitigen, was auf der unbeständigen Natur

der Entladung (einige wenige Mikrosekunden) beruht. Das hat zur Folge, daß sich das erwünschte hohe Ausmaß an Stabilität nicht erzielen täßt. So gilt beispielsweise folgende Formel:
E ^ ZI,

ίο wobei

£=die der Schwankung durch die Mikroentladung unterworfene Spannung

Z=die Ausgangsimpedanz der Hochspannungsquelle / =der Mikroentiadungsstrom.

»5 Wenn Z = 1 MQ und /= ΙμΑ betragen, dann wird £ = 1V. In diesem Fall beträgt die Ausgangsspannung der Hochspannungsquelle 100 kV und die Stabilität der Beschleunigungsspannung liegt bei IxK) \ was nicht ausreicht, um den Aanüaungsbe-

*° dingungen eines Elektronenmikroskops mit hoher Auflösung zu genügen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Elektronenstrahlquelle zu schaffen, mittels der ein Elektronenstrahl erzeugt werden kann, dessen Energiestabilität

ein außerordentlich hohes Ausmaß besitzt.

Diese Aufgabe wird bei der Elektronenstrahlquelle der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuerelektrode aus einer der Anode gegenüberliegenden elektrisch nicht- bzw. schlecht-

leitenden Schicht und einer der Kathode zugewandten elektrisch leitenden Schicht besteht.

Die Erfindung kann sowohl bei einer Elektronenstrahlquelle, bei der die Elektronen auf Grund thermischer Emission aus der Kathode austreten als auch bei einer Elektronenstrahlquelle vom Feldemissionstyp zur Anwendung kommen.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung in der

nachfolgenden Beschreibung näner erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine Ausführungsform der Elektronen-

♦o strahlquelle im Schnitt mit einer Wehnelt-EIektrode. Fig. 2, 3 und 4 jeweils im Schnitt abgewandelte Ausführungsformen hierzu,

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform der Elektronenstrahlquelle

Fig. 6 eine dritte Ausführungsform der Elektronenstrahlquelle,

Fig. 7 eine abgewandelte Ausführungsform hierzu. Bei der aus Fig. 1 ersichtlichen Elektronenstrahlquelle ist am oberen Ende der Säule 2 eines Eleklronenmikroskops eine Elektroncnstrahlkammer 1 angeordnet. Hierbei ist das Innere eines Isolators 3 mit Isoliermasse 4 gefüllt, in die ein Hochspannungskabel 5eingesetzt ist. Leitungsdrähte 6, 7 und 8 sind mit ihrem einen Ende an eine Heizstromquelle 9 für einen Heizdraht 14 bzw. an eine Gleichspannung erzeugende Hoehspannungsquelle 10 angeschlossen, während die anderen Enden jeweils mit einer von drei Stangen 11, Hund 13 verbunden sind. Der Heizdraht 14 ist an die beiden Stangen 11, 12 angeschlossen, denen über die Leitungsdrähte 6 und 7 ein von der Heizstroniquelle 9 erzeugter Wechselstrom zugeführt wird. Eine als Steuerelektrode dienende Wehnelt-EIektrode 15 weist eine elektrisch leitende Basis 16 auf, die mit einer dünnen Schicht 17 aus elektrisch nicht leitendem Material umhüllt ist. Die Wehnelt-EIektrode 15 ist auf ein elektrisch leitendes Teil 18, das am Isolator 3 befestigt ist, aufgeschraubt. Das Teil 18 steht sowohl mit der Stange 13 als auch mit der

Basis 16 in Verbindung, wodurch es möglich ist, der Wehnelt-Basis 16 die von der Qleichspannungsquelle 10 (Hochspannungsquelle) erzeugte negative Hochspannung über den Leitungsdraht 8, die Stange 13 und das Teil 18 anzulegen. Die Oberfläche des Teiles 18 ist mit einer dünnen Schicht 19 aus elektrisch nicht leitendem Material umgeben.

Da bei der oben beschriebenen Anordnung der Leitungsdraht 8 über einen Vorspannungswiderstand 20 mit dem Leitungsdraht 7 in Verbindung steht, liegt zwischen dem Heizdraht 14 und der Wehnelt-Elektrode 15 eine Vorspannung, welche die vom Heizdraht 14 ausgesandten Elektronen steuert. Da darüber hinaus die der Anode 29 gegenüberliegende Oberfläche 17 der Wehnelt-Elektrode 15 nichtleitend ist, verschwinden die auf dieser Oberfläche 17 verteilten Feldemissionsquellen, weswegen die Mikroentladung zwischen der Wehnelt-Elektrode 15 und der Anode 29 fast voüständig beseitigt ist. Aus diesem Grund ist auch die Energieschwankung des beschleunigten Elektronenstrahls iiußerst gering.

In einem Versuch wurde eine Wehnelt-Elektrode mit einer Basis aus rostfreiem Stahl vervendet, die von einer dünnen Schicht aus Siliciumoxid bedeckt war. Zwischen der Wehnelt-Elektrode und der Anode wurde eine Spannung von 100 kV angelegt, und es ließ sich keinerlei Mikroentladung feststellen.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform weist die Wehnelt-Elektrode 15, wie schon erwähnt, eine elektrisch leitende Basis 16 und eine nichtleitende Außenschicht 17 auf. Es ist jedoch möglich, an Stelle der nichtleitenden Schicht eine dünne Schicht aus schlecht leitendem Material zu verwenden. Hierbei wird der Potentialgradient der Wehnelt-Elektrodenoberfläche äußerst gering und es verschwinden die Taschen hoher Feldintensität. Das hat zur Folge, daß eine von der Elektrode ausgehende Entladung fast vollständig beseitigt ist. Da weiterhin die sich auf der Schichtoberfläche aufbauende Ladung in die elektrisch leitende Basis fließt, ist auch eine sich ansonsten auf Grund dieser Ladung ergebende Elektronenstrahlablenkung vermieden. Es wurde durch Versuch bestätigt, daß die Stabilität der Beschleunigungsspannung außerordentlich hoch ist, wenn bei der Schicht das Produkt aus spezifischem Widerstand σ und aus Schichtdicke ό, d. h.

σ [Ω- cml · ο[μ\ in der Größenordnung von 10^s~l()'^: liegt.

Wenn bei der Schicht das Produkt aus σ · ö den Betrag von K)¹² überschreitet, ergibt sich jedoch auf der Schichtobcrfläche eine leichte Entladung und der Elektronenstrahl wird um ein bestimmtes Ausmaß abgelenkt, was von der sich auf der Schichtobcrfläche aufbauenden Ladung herrührt. Wenn demgegenüber das Produkt aus σ ■ ö kleiner als H)^s ist. niegt die Beschleunigungsspannung dazu, um einen geringen Betrag zu schwanken, was auf einer verstärkten Bewegung der Elektronen zwischen der Basis und der Oberflächenschicht beruht.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist lediglich ein Teil der elektrisch leitenden Basis 16 mit nichtleitendem Material überzogen. Das heißt, die Seite der Basis 16 ist in der Darstellung gemäß Fig. 2 unbe-

deckt, da sich an diesem Teil keine Entladung ergibt; dies beruht auf dem Umstand, daß die Aquipotemiallinie fast parallel ist und die geerdete Wand des Mikroskops nicht unmittelbar benachbart liegt. Der Teil der Basis 16, der unmittelbar an die öffnung 21

to grenzt, ist außerdem nicht bedeckt, um zu verhindern, daß der Elektronenstrahl durch die sich auf der Oberflächenschicht 17 aufbauende Ladung nachteilig beeinflußt wird. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, daß die an die Hochspannungsquelle 10

angeschlossene Basis 16 vor dem Auswechseln des Heizdrahtes 14 leicht mittels einer Erdungsstange 22 entladen werden kann.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist die nichtleitende Schicht 17 in der Nähe der Elektroden-

öffnung, durch die sich der Elektronenstrahl bewegt, mit einer elektrisch leitenden Schicht 23 überzogen, um zu verhindern, daß der Elektronenstrahl durch die Ladung, die sich auf der Oberflache der nichtleitenden Schicht 17 aufbaut, nachteilig beeinflußt wird.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 wird das durch die Ausführungsform gemäß Fig. 3 erzielbare Ergebnis dadurch erreicht, daß ein elektrisch leitendes Stück 24 verwendet wird, das an die Basis 16 angeschlossen ist.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 weist die Wehnelt-Elektrode 15 eine elektrisch leitende Basis 16 auf, die mit einer dünnen Schicht 25 aus elektrisch nichtleitendem Material und hierüber mit einer dünnen Schicht 26 aus schlcchtleitendem Material über-

zogen ist. Die nichtleitende Schicht 25 steuert die Elektronenfeldemission von der Basisoberfläche und die nur gering leitende Schicht 26 verkleinert den Potentialgradient der Wehnelt-Elektrodenoberfläche. Eine Mikroentladung der Wehnelt-Elektrode ist da-

her auf diese Weise fast vollständig beseitigt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 weist die Wehnelt-Elektrode 15 eine elektrisch nicht oder nur schlecht leitende Basis 30, wie beispielsweise Glas, auf, das an der Innenfläche mit einer dünnen Schicht

31 aus elektrisch leitendem Material überzogen ist. Die Schicht 31 ist mittels einer elektrisch leitenden Blattfeder 32 elektrisch leitend mit dem Teil 18 verbunden, so daß die Hochspannung zwischen der Schicht 31 und der Anode 29 anliegt. Durch die elcktrisch nicht oder nur geringfügig leitende Basis ist eine Mikruentladung von der Schicht 31 verhindert.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 7 ist der Teil der Wehnelt-Elektrode an der Seite der Öffnung. durch die der Elektronenstrahl tritt, aus elektrisch leitendem Material 34 gebildet, um das Aufbauen einer Ladung an der Basis 30 zu verhindern und um das Feld in der Nähe des Scheitelpunktes der Kathode 14 zu regulieren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Elektronenstrahlquelle für Korpuskularstrahlapparate, insbesondere Elektronenmikroskope, mit einer Kathode, einer Anode und einer zwischen Kathode und Anode angeordneten Steuerelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (15) aus einer der Anode (29) gegenüberliegenden elektrisch nicht- bzw. schlechtleitendenden Schicht (17 bzw. 30) und einer der Kathode (14) zugewandten elektrisch leitenden Schicht (16 bzw. 31) besteht.

2. Elektronenstrahlquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht die Basis (16) der Steuerelektrode (15) ist und mit der dünnen Schicht (17) aus nicht leitendem Material überzogen ist.

3. Elektronenstrahlquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Anode (29) gegenüberliegende Basisoberfläche lediglich teilweise mit der nicht leitenden Schicht (17) überzogen ist und in der Nähe der Öffnung (21), durch die der Elektronenstrahl tritt, frei liegt.

4. Elektronenstrahlquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht leitende Schicht die Basis (30) der Steuerelektrode (15) ist und mit der dünnen Schicht (31) aus elektrisch leitendem Material überzogen ist.