DE2234381B2

DE2234381B2 - Elektronenstrahl-Beleuchtungssystem

Info

Publication number: DE2234381B2
Application number: DE2234381A
Authority: DE
Inventors: Lee Dr. 1000 Berlin Veneklasen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-07-10
Filing date: 1972-07-10
Publication date: 1975-02-27
Also published as: JPS5429075B2; DE2234381C3; US3862419A; JPS4946670A; DE2234381A1; NL7309348A; GB1444098A

Description

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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 •iner Beschleunigungsanode und einer vor der Be- SS •chleunigungsanode 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.

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 microscopic electronique, Grenoble 1970«, bekannt.

Elektronenstrahl-Beleuchtungssysteme mit Feldemissionskathode haben normalerweise die Eigenschaft, daß die Fokussierung des austretenden Strahlenbündels durch das Verhältnis von Saugspannung beeinflußt wird. Bei der bekannten Anordnung ist dieser Mangel in erster Näherung dadurch beseitigt, daß das von der Hilfslinse entwurfeae 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.

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 Beschleuaigungsanode eine weitere Elektrode Hegt, 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 weitere 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 Poiential 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 bieibt.

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 Änderung 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, daß z. B. am Ort eines im Elektronenmikroskop zu untersuchenden Präparates liegt, klein zu halten, wie es vielfach erwünscht ist.

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 F i g. 1 und 2 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.

In F i g. 1 ist die Feldemissionskathode mit 1, die Sauganode mit 2 und die Beschleunigungsanode mit 3 bezeichnet. Die Potentiale dieser Elektroden lauten entsprechend U₁, U_t und U₃. Die Beschleuni-

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gungsanode 3 hegt auf Massepoteiüial (U₃ = 0). Der derartigen Fall bilden die Elektroden 2 und 5 eine

obere Ted der Sauganode 2 bildet eine Hilfslinse, Linse, die jedoch weitgehend wirkungslos bleibt, weil

und zwar in diesem Ausführungsbeispiel eine elektro- die Strahlen sich bei 9 in der Ivlitte dieser Linse

statische Einzellinse la mit der Mittelelektrode 4. kreuzen. Man kann eine Linsenwirkung des Spaltes

Zwischen der Sauganode 2 und der Beschleunigungs- 5 11 noch weiter unterdrücken, indem man der Elek-

anode 3 ist eine weitere Elektrode 5 -.'orgesehen. trode 5 ein Potential gibt, das nahezu mit dem

Die Feldemissionskathode 1 Hegt an einer hohen Potential der Sauganode 2 übereinstimmt. Bei diesem

Beschleunigungsspannung V_B, die einem Hochspan- im Ausführungsbeispiel angenommenen Fall beträgt

nungsgenerator 6 entnommen wird. Im Ausführungs- also U₅ etwa 0,95 · V_B also - 95 kV. Die Spannung

beispiel ist V_B= 100 kV und demnach IZ₁=- 100 kV ίο zwischen den Elektroden 2 und 5 kann dann bei

angenommen. Die Sauganode 2 hat gegenüber der Änderungen der Saugspannung V₅ allenfalls einige

Feldemissionskathode 1 tine positive Spannung V_s, kV erreichen, so daß der Spalt 11 nur eine schwache

die einem Spannungsgenerator 7 entnommen wird. Linse bildet.

Im Ausführungsbeispiel ist V_s = 5 kV und demnach Da die Erregung der Linse 3/5 linear proportional

U₁ = -95 kV acgenommen. ₁₅ der Beschleunigungsspannung V_B ist, bleibt der Ort

Die Mittelelektrode 4 der Einzellinse hat gegenüber des Bildes 12, also die Bildweite des Beleuchtungsder Kathode 1 eine Spannung, die der Saugspan- systems, bei Änderungen der Beschleunigungsspannung V'_s lins-r proportional ist; zur Abnahme dieses nungen V_B praktisch konstant, so daß eine NachPotentials dient das Potentiometer 8. Im Ausfüh- regelung der zweiten abbildenden Linse nicht erforrungsbeispiel ist das Potential U_i der Mittelelektrode 20 derlich ist.
zu = 99 kV angenommen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist als

Die Einzellinse la entwirft bei 9 ein erstes Bild Hilfslinse eine magnetische Linse vorgesehen; alle der von der Kathode 1 gebildeten Elektronenquelle. anderen Teile der Anordnung sind die gleichen wie in Durch die Erregung der Einzellinse la proportional Fig. 1. Die magnetische Hilfslinse besteht aus dem zur Saugspannung V_s wird erreicht, daß das erste «5 Eisenmantel 15 und der Wicklung 16; der Eisen-Bild 9 der Quelle unabhängig von der Saugspan- mantel 15 bildet einen Teil der Sauganode 2. Die nung V₅, die zur Steuerung der Emission willkürlich Wicklung 16 wird durch einen Erregerstrom i_e geveränderbar ist, an derselben Stelle verbleibt. speist, der der geregelten Stromquelle 17 entnommen

Das Potential U₅ der weiteren Elektrode 5 ist wird. 19 ist ein Rechenglied, das eine der Quadratdurch das Potentiometer 10 so eingestellt, daß es 30 wurzel aus der Saugspannung V_s proportionale Auslinear proportional der Beschleunigungsspannung V_B gangsspannung liefert. Eine dem Strom i_e proporist. Die weitere Elektrode 5 und die Beschleunigungs- tionale Spannung wird an dem Widerstand 18 abgeanode 3 bilden zusammen eine elektrostatische Linse, nommen. Mit 20 ist ein Komparator bezeichnet, der die das Bild 9 nochmals bei 12 abbildet. diese Spannungen miteinander vergleicht und durch

Die Anordnung ist nun so getroffen und die Span- 35 Einwirkung auf die Stromquelle 17 den Strom i_e so nungsverhältnisse sind so gewählt, daß das Bild 9 ändert, daß der Unterschied der Spannungen verder Quelle in dem Spalt 11 zwischen der Sauganode 2 schwindet. Durch eine derartige, der Wurzel aus V_s und der weiteren Elektrode 5 liegt, und zwar mög- proportionale Erregung der magnetischen Linse liehst in der Mitte dieses Spaltes. Das Potential U₅ 15/16 wird erreicht, daß das erste Bild 9 der Quelle der weiteren Elektrode 5 kann im Prinzip weitgehend 40 bei Änderung der Saugspannung V_s seine Lage beifrei gewählt werden, z. B. gleich 0,5 V_B\ in einem behält.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruchs:

1. 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 an 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 (S) liegt, deren Potential (U₅), bezogen auf das Potential (U₃) der Beschleunigungsanode (3), der Beschleunigungsspannung (V_B) linear proportional ist, daß das erste Bild der Kathode (1) in dem Spalt (11) zwischen der Sauganode (2) und der weiteren Elektrode (5) liegt und daß die weitere Linse durch die weitere Elektrode (5) gemeinsam mit der Beschleunigungsanode (3) gebildet wird.

2. Elektronenstrahl-Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential (t/_s) der weiteren Elektrode (5) etwa gleich dem Potential der Sauganode (2)

(U₂ = V_B —Saugspannung V_s) ist.

3. Elektronenstrahl-Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfslinse eine elektrostatische Einzellinse (2 a) ist, deren Mittelelektrode (4) gegenüber der Kathode (1) ein der Saugspannung (V _s) linear proportionales Potential hat (F i g. 1).

4. Elektronenstrahl-Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfslinse eine magnetische Linse (15, 16) ist, deren Erregerstrom (i_e) der Wurzel aus der Saugspannung (Vs) proportional ist (F i g. 2).