DE2234381A1

DE2234381A1 - Elektronenstrahl-beleuchtungssystem

Info

Publication number: DE2234381A1
Application number: DE2234381A
Authority: DE
Inventors: Lee Dr Veneklasen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-07-10
Filing date: 1972-07-10
Publication date: 1974-01-31
Also published as: DE2234381C3; DE2234381B2; US3862419A; JPS5429075B2; NL7309348A; JPS4946670A; GB1444098A

Description

8520 Erlangen, 10. Juli 1972 Werner-von-Siemens-;

SIEMENS AIiTIENGESELLSCiIAFT
Berlin und München

Unser Zeichen: VPA 72/3764 Wss/>,^Tin

Elektronenstrahl-Beleuchtungssystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein Elektronenstrahl-Beleuchtungssystem, insbesondere für Elektronenmikroskope,-mit einer die Quelle der Elektronen bildenden Kathode, deren Emission durch die positive Vorspannung einer Sauganode bestimmt ist, insbesondere einer Feldemissionskathode, ferner mit einer Beschleunigungsanode und einer vor.der Beschleunigungsanode liegenden Hilfslinse, die am Eingang der Beschleunigungsstrecke ein erstes Bild der Quelle in einem festen Punkt der Achse erzeugt, und mit einer v/eiteren Linse, die das erste Bild der Quelle nochmals abbildet.

Ein derartiges System ist aus dem Referat von Lee H. Veneklasen und Benjamin M. Siegel »A FIELD EMISSION ILLUMINATING SYSTEM FOR TRANSMISSION MICROSCOPY» aus "SEPTIEME CONGRES INTERNATIONAL DE MICROSCOPIE ELECTRONIQUE, GRENOBLE 1970», bekannt.

Elektronenstrahl-Beleuchtungssysteme mit Feldemissionskathode haben normalerweise die Eigenschaft, daß die Fokussierung des austretenden Strahlenbündels durch das Verhältnis von Saugspannung zu Beschleunigungsspannung beeinflußt wird. Bei der bekannten Anordnung ist dieser Mangel in erster Näherung dadurch beseitigt, daß das von der Hilfslinse entworfene erste Bild der Quelle in oder nahe der Hauptebene der vom Beschleunigungssystem gebildeten Linse liegt, so daß im Idealfall die Linsenwirkung des Beschleunigungssystems eliminiert ist. Als weitere Linse, die das erste Bild der Quelle nochmals abbildet, ist bei der bekannten Anordnung eine magnetische Linse vorgesehen, deren Erregung bei einer Änderung der Beschleunigungsspannung nachgeregelt werden muß.

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Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, ein Elektronenstrahl-Beleuchtungssystem der eingangs genannten Art hinsichtlich Aufbau und Betrieb zu vereinfachen. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen der Sauganode und der Beschleunigungsanode eine weitere Elektrode liegt, deren Potential, bezogen auf das Potential der Beschleunigungsanode, der Beschleunigungsspannung linear proportional ist, daß das erste Bild der Quelle in dem Spalt zwischen der Sauganode und der weiteren Elektrode liegt und daß die weitere Linse durch die v/eitere Elektrode gemeinsam mit der Beschleunigungsanode gebildet wird. Das System nach der Erfindung hat den Vorteil, daß das Beschleunigungssystem selbst die zweite Abbildung der Quelle übernimmt, so daß die magnetische Linse der bekannten Anordnung entfällt. Dadurch, daß das Potential der weiteren Elektrode der Beschleunigungsspannung linear proportional ist, wird außerdem erreicht, daß sich die Linsenstärke der weiteren Linse bei Änderung der Beschleunigungsspannung gleichsinnig mit dieser ändert, so daß die zweite Abbildung der Quelle im wesentlichen unbeeinflußt bleibt.

Da das erste Bild der Quelle in dem Spalt zwischen der Sauganode und der weiteren Elektrode, vorzugsweise in der Mitte dieses Spaltes, liegt, ist eine Linsenwirkung dieses Spaltes weitgehend ausgeschaltet. Man kann eine etwaige Linsenwirkung dieses Spaltes dadurch weiter herabsetzen, daß man der weiteren Elektrode ein Potential gibt, das etwa gleich dem Potential der Sauganode ist. Dann können bei Änderungen der Saugspannung zwischen den genannten Elektroden lediglich Spannungen auftreten, die in der Größenordnung von wenigen kV liegen.

Die Erfindung ermöglicht es ferner, die Baulänge des Beleuchtungssystems zwischen der Kathode und dem zweiten Bild der Quelle, das 2.B. am ort eines im Elektronenmikroskop zu untersuchenden Präparates liegt, klein zu halten, wie es vielfach erwünscht ist. - 3 -

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Unter einer Feldemissionskathode im engeren Sinne wird in der Regel eine Kathode verstanden, die kalt betrieben wird 'und bei der der Elektronenaustritt ₍ durch das an der Oberfläche bestehende starke elektrische Feld verursacht wird. Es sind jedoch auch Kathoden mit Saugfeld bekannt, die zusätzlich geheizt werden; auch im Zusammenhang mit Kathoden dieses Mischtyps ist die Erfindung mit Vorteil anwendbar.

Die Fig. 1 und 2 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.

In Fig. 1 ist die Feldemissionskathode mit 1, die Sauganode mit 2 und die Beschleunigungsanode mit 3 bezeichnet. Die ^x Potentiale dieser Elektroden lauten entsprechend XL·, Up und U,. Die Beschleunigungsanode 3 liegt auf Massepotential (U, = Ö). Der obere Teil der Sauganode 2 bildet eine Hilfslinse, und zwar in diesem Ausführungsbeispiel eine elektrostatische Einzellinse 2a mit der Mittelelektrode 4. -Zwischen der Sauganode 2 und der Beschleunigungsanode 3 ist eine * weitere Elektrode 5 vorgesehen.

Die Feldemissionskathode 1 liegt an einer hohen Beschleunigungsspannung Vg, die einem Hochspannungsgenerator 6 entnommen wird. Im Ausführungsbeispiel ist Vg = 100 kV und demnach U₁ = - 100 kV angenommen. Die Sauganode 2 hat gegenüber der Feldemissionskathode 1 eine positive Spannung V_g, die einem Spannungsgenerator 7 entnommen wird. Im Ausführungsbeispiel ist Vg = 5 kV und demnach Up = - 95 kV angenommen.

Die Mittelelektrode 4 der Einzellinse hat gegenüber der Kathode 1 eine Spannung, die der Saugspannung Vg linear proportional ist; zur Abnahme dieses Potentials dient das Potentiometer 8. Im Ausführungsbeispiel ist das Potential U^ der Mittelelektrode zu - 99 kV angenommen.

Die Einzellinse 2a/4 entwirft bei 9 ein erstes Bild der von der Kathode 1 gebildeten Elektronenquelle. Durch die

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Erregung der Einzellinse 2a/4 proportional zur Saugspannung Vg wird erreicht, daß das erste Bild 9 der Quelle unabhängig von der Saugspannung Vg, die zur Steuerung der Emission willkürlich veränderbar ist, an derselben Stelle verbleibt.

Das Potential U,- der weiteren Elektrode 5 ist durch das Potentiometer 10 so eingestellt, daß es linear proportional der Beschleunigungsspannung Vg ist. Die weitere Elektrode 5 und die Beschleunigungsanode 3 bilden zusammen eine elektrostatische Linse, die das Bild 9 nochmals bei 12 abbildet.

Die Anordnung ist nun so getroffen und die Spannungsverhältnisse sind so gewählt, daß das Bild 9 der Quelle in dem Spalt 11 zwischen der Sauganode 2 und der weiteren Elektrode 5 liegt, und zwar möglichst in der Mitte dieses Spaltes. Das Potential U,- der weiteren Elektrode 5 kann im Prinzip weitgehend frei gewählt werden, z.B.gleich 0,5 V^; in einem derartigen Fall bilden die Elektroden 2 und 5 eine Linse, die jedoch weitgehend wirkungslos bleibt, weil die Strahlen sich bei 9 in der Mitte dieser Linse kreuzen. Man kann eine Linsenwirkung des Spaltes 11 noch weiter unterdrücken, indem man der Elektrode 5 ein Potential gibt, das nahezu mit dem Potential der Sauganode 2 übereinstimmt. Bei diesem im Ausführungsbeispiel angenommenen Fall beträgt also U₅ etwa '" 0,95 . Vg, also - 95 kV. Die Spannung zwischen den Elektroden 2 und 5 kann dann bei Änderungen der Saugspannung Vg allenfalls einige kV erreichen, so daß der Spalt 11 nur eine schwache Linse bildet.

Da die Erregung der Linse 3/5 linear proportional der Beschleunigungsspannung V_ß ist, bleibt der Ort des Bildes 12, also die Bildweite des Beleuchtungssystems, bei Änderungen der Beschleunigungsspannungen V_ß praktisch konstant, so

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daß eine Nachregelung der zweiten abbildenden Linse nicht erforderlich ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist als Hilfslinse eine magnetische Linse vorgesehen; alle anderen Teile der Anordnung sind die gleichen wie in Fig. 1. Die magnetische Hilfslinse besteht aus dem Eisenmantel 15 und der Wicklung 16; der Eisenmantel 15 bildet einen Teil der Sauganode 2. Die Wicklung 16 wird durch einen Erregerstrom i gespeist, der der geregelten Stromquelle 17 entnommen wird. 19 ist ein Rechenglied, das eine der Quadratwurzel aus der Saugspannung Vg proportionale Ausgangsspannung liefert. Eine dem Strom i_ö proportionale Spannung wird an dem Widerstand abgenommen. Mit 20 ist ein Komparator bezeichnet, der diese Spannungen miteinander vergleicht und durch Einwirkung auf die Stromquelle 17 den Strom i so ändert, daß der Unterschied der Spannungen verschwindet. Durch eine derartige, der Wurzel aus Vg proportionale Erregung der magnetischen Linse 15/16 wird erreicht, daß das erste Bild 9 der Quelle bei Änderung der Saugspannung Vg seine Lage beibehält.

4 Ansprüche ,

2 Figuren . ■ . _x

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Claims

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Patentansprüche

\1J Elektronenstrahl-Beleuchtungssystem, insbesondere für Elektronenmikroskope, mit einer die Quelle der Elektronen bildenden Kathode, deren Emission durch die positive Vorspannung einer Sauganode bestimmt ist, insbesondere einer Feldemissionskathode, ferner mit einer Beschleunigungsanode und einer vor der Be'schleunigungsanode liegenden Hilfslinse, die am Eingang der Beschleunigungsstrecke ein erstes Bild der Quelle in einem festen Punkt der Achse erzeugt, und mit einer weiteren Linse, die das erste Bild der Quelle nochmals abbildet, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Sauganode (2) und der Beschleunigungsanode (3) eine weitere Elektrode (5) liegt, deren Potential (Uc), bezogen auf das Potential (U,) der Beschleunigungsanode, der Beschleunigungsspannung (V_ß) linear proportional ist, daß das erste Bild der Quelle in dem Spalt zwischen der Sauganode und der weiteren Elektrode liegt und daß die weitere Linse durch die weitere Elektrode gemeinsam mit der Beschleunigungsanode gebildet wird.
2. Elektronenstrahl-Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential (U₅) der weiteren Elektrode (5) etwa gleich dem Potential der Sauganode (Up = V_ß - Saugspannung V_g) ist.
3. Elektronenstrahl-Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfslinse eine elektrostatische Einzellinse (2a) ist, deren Mittelelektrode (4) gegenüber der Kathode (1) ein der Saugspannung (Vg) linear proportionales Potential hat.
4. Elektronenstrahl-Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfslinse eine magnetische Linse (15,16) ist, deren Erregerstrom (i_ß) der Wurzel aus der Saugspannung (Vo) proportional ist.

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