DE2337142A1

DE2337142A1 - Elektronenquelle

Info

Publication number: DE2337142A1
Application number: DE19732337142
Authority: DE
Inventors: Tadao Suganuma
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1972-07-20
Filing date: 1973-07-20
Publication date: 1974-02-14
Also published as: FR2194043A1; US3878424A; JPS4929969A

Description

Patentanwalt Dipl.-Phys. Gerhard üedl 8 München 22 Steinsdorfstr. 21-22 Tel. 29 84

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NIHON DENSHI KABUSHIKI KAISHA 1418, Nakagami-cho, Akishima-shi, TOKYO / Japan

Elektronenquelle

Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahlquelle mit einer Kathode und einer Anode in einer Vakuumkammer und einer Spannungsquelle zum Anlegen einer Hochspannung zwischen die Kathode und die Anode.

Die Elektronenstrahlquelle soll in einem Elektronenmikroskop vom Durchstrahltyp oder vom Abtasttyp verwendet werden können.

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Das Hauptkriterium beim Betrieb einer Elektronenstrahlquelle, welche in einem Elektronenmikroskop o. dgl. verwendet wird, ist die Helligkeit des Elektronenstrahles. Ohne ausreichende Helligkeit ist es natürlich unmöglich, eine schmale Abtastung mit hoher Dichte zu erzielen. Diese beiden Erfordernisse sind jedoch notwendig, um eine hohe Auflösung für das Mikroskopbild zu erzielen, insbesondere bei einem Abtastelektronenmikroskop.

Bei den im Handel erhältlichen Quellen, welche vom herkömmlichen Triodentyp sind, besteht die Quelle aus einem Glühdraht, einer Wehnelt-Elektrode und einer Anode. Bei diesen Quellen ist die Helligkeit ungenügend. Dies beruht auf einem Linseneffekt, der sich aus der Geometrie der Elektronenquelle ergibt und der als sphärische Aberration in Erscheinung tritt. Dieser Faktor tritt insbesondere im Falle von elektrostatischen Linsen in Erscheinung. Hieraus ergibt sich, daß der Durchmesser des Überkreuzungsbildes, das zwischen dem Glühdraht und der Anode erzeugt wird, groß ist und daher eine geringe Helligkeit aufweist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Elektronenstrahlquelle zu zeigen, welche frei von Linseneffekten ist.

Diese Aufgabe wird bei der Elektronenstrahlquelle der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kathode ein in ihrer Mitte angeordnetes, thermische Elektronen aussendendes Mittel aufweist und daß die sich gegenüberliegenden Seiten der Kathode und der Anode eben und parallel ausgebildet sind, so daß das elektrostatische Feld zwischen den beiden Elektroden parallel verläuft und senkrecht zu diesen Flächen ausgebildet ist.

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Als Vorteile ergeben sich bei der Erfindung, daß der erzeugte Elektronenstrahl durch keine Linseneffekte der vorstehend genannten Art beeinträchtigt ist. Außerdem weist der Elektronenstrahl einen Ilelligkeitsgrad auf, der ausreicht, um ein Mikroskopbild mit hoher Auflösung zu erhalten. Schließlich kann der Elektronenstrahl in einem Abtastelektronenmikroskop verwendet werden. Dies resultiert daraus, daß die von den Elektronen aussendenden Mittel ausgesendeten Elektronen frei sind bzw. nicht beeinträchtigt werden von sphärischer Aberration aufgrund des Linseneffektes.

In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Erfindung soll anhand dieser Ausführungsbeispiele noch näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Elektronenstrahlquelle gemäß

der Erfindung;

Fig. 2 einen Grundriß der Kathode der in Fig. 1 dargestellten

Elektronenstrahlquelle;

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Elektronen abgebende Kathode;

Fig. 4, schematische Darstellungen anderer Ausführungsformen

5 und 6 ..„ , „ , ,

gemäß der Erfindung.

Die Elektronenstrahlquelle in Fig. 1 weist eine Vakuumkammer 1 und eine Elektronenmikroskopsäule 2, auf welche die Vakuumkammer 1 montiert ist, auf. Mit 3 ist ein Isolator bezeichnet, der mit einem isolierenden Füllmaterial 4 gefüllt ist. Mit 5 ist ein Hochspannungskabel bezeichnet, von dem ein Teil in dem verfestigten, isolierenden Material 4 eingebettet

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ist. Mit 6 und 7 sind elektrische Leiter des Hochspannungskabels 5 bezeichnet. Das äußere Ende des elektrischen Leiters 6 ist mit einer Heizquelle 8 und das äußere Ende des elektrischen Leiters 7 ist sowohl mit der Heizquelle 8 als auch mit der Hochspannungsqueile 9 (Gleichspannung) verbunden. Die inneren Enden der elektrischen Leiter 6 und 7 sind mit Stäben 10 und 11 verbunden. Mit 12 und 13 sind leitfähige Blattfedern bezeichnet, die mittels Schrauben 15, 16 an einem isolierenden Teil 14 befestigt sind. Ein Ende der Blattfedern 12 und 13 befindet sich in Kontakt mit den Stäben 10 und 11, während das andere Ende der Blattfedern mit einem Ende einer Kathodenheizplatte 17 und einer Kathode 19 verbunden ist. Die Kathodenheizplatte besteht bevorzugt aus Tantal. Es kann jedoch irgendein anderes Element mit einem genügend hohen Schmelzpunkt, wie beispielsweise Wolfram oder Molybdän, verwendet werden. Sie hat eine Breite von etwa 3 - 7 mm. Mit 18 ist eine Grundplatte der Kathode 19 bezeichnet, welche mit dem anderen Ende der Kathodenheizplatte 17 verbunden ist. Auf diese Weise ist ein geschlossener Stromkreis hergestellt, der die beiden Enden der Kathodenheizplatte 17 und der Heizquelle miteinander verbindet. Die Fig. 2 zeigt die Unteransicht der Kathode 19, welche in der Vorrichtung der Fig. 1 verwendet wird. Die Kathodengrundplatte 18 ist mit einem länglichen Ausschnitt versehen, in welchem die Kathodenheizplatte 17 befestigt ist, so daß die Oberfläche der Kathodenheizplatte bündig mit der unteren Oberfläche der Grundplatte 18 liegt. Mit 20 ist ein schmaler Spalt bezeichnet, der zur Isolierung der Kathodenheizplatte 17 von der Grundplatte 18 dient. Mit 21 ist ein Oxidüberzug (beispielsweise Barium-Strontium-Kalzium) mit einer niedrigen Austrittsarbeit bezeichnet. Der Oxidüberzug hat einen Durchmesser von etwa 100 μηι und eine Dicke von etwa 5

Zurückkommend auf Fig. 1 ist noch auszuführen, daß unter der Grund-

auf platte 18 eine Anode 22 vorgesehen ist. Die Anode 22 wird /Massepotential

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gehalten. Die nach oben gerichtete Oberfläche dieser Anode ist flach ausgebildet und liegt parallel zur unteren Oberfläche der Grundplatte 18. Die Anode ist desweiteren mit einer zentralen Öffnung 23 versehen, welche beispielsweise einen Durchmesser von 2 mm aufweist. Durch diese Öffnung gelangt der Elektronenstrahl hindurch.

Da bei der vorstehenden Ausführungsform die untere Oberfläche der Grundplatte, welche mit der negativen Hochspannung mittels der Hochspannungsquelle 9 (Gleichspannung) beaufschlagt ist, flach ist und die obere Oberfläche der Anode, welche an Masse liegt, ebenfalls flach und parallel zur unteren Oberfläche der Grundplatte 18 ist, ist das elektrostatische Feld, welches zwischen der Grundplatte und der Anode ausgebildet ist, parallel und senkrecht zu diesen beiden Oberflächen. Da die Kathodenheizplatte 17

mit dem Heizstrom mittels der Heizquelle 18 beaufschlagt ist, wird der Oxidüberzug 21 auf einer hohen Temperatur gehalten (beispielsweise looo - 15oo C). Da weiterhin die Austrittsarbeit des Oxidüberzuges niedrig liegt, werden nur vom Oxid allein thermische Elektronen 24 ausgesendet. Diese Elektronen werden durch das elektrostatische Feld, welches zwischen der Kathode 19 und der Anode 22 besteht, beschleunigt, und zwar entlang der optischen Achse 25, ohne daß sie sich überkreuzen. Hieraus resultiert, daß die beschleunigten Elektronen durch die Anodenöffnung 23 gelangen und auf eine nicht dargestellte magnetische Feldlinse auftreffen. Dort wird der Elektronenstrahl zu einem Punkt mit gewünschtem Durchmesser fokussiert.

Da der Elektronenstrahl, welcher in der Elektronenstrahlquelle gemäß der Erfindung erzeugt wird, frei ist von elektrostatischen Linseneffekten, wie sich aus den vorstehenden Darlegungen ergibt, ist die Helligkeit des Elektronenstrahles durch sphärische Aberration nicht beeinträchtigt und die erreichbare Helligkeit ist hoch.

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Bel dem Im vorstehenden beschriebenen Ausführungsbeispiel Ist das Oxid, das als Elektronenemitter bzw. als Elektronen aussendendes MIttel verwendet wird, als einfacher Überzug auf die Oberfläche der Kathodenheizplatte aufgebracht.

Die Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine andere Ausfuhrungeform des Elektronenemitters bzw. des Elektronen aussendenden Mittels, bei dem der Mittelpunkt der Kathodenhelzplatte 17 elektronisch durchlocht Ist mit einer Bohrung von bestimmtem Durchmesser. In die Bohrung wird dann das Oxid eingebracht, so daß eine Packung des Oxids 26 entsteht. Die untere Seite fluchtet mit der Kathodenheizplatte 17.

In Fig. 4 ist schematisch eine andere A us füh runge form der Erfindung dargestellt. Hierbei wird eine Triodenquelle verwendet, bei der nur ein schmaler Bereich der Grundplatte 18 durch Bombardierung mit Elektronen beheizt wird. In der Figur Ist mit 27 ein Wolfram-Glühdraht bezeichnet, der mittels einer Heizquelle 28 mit einem Heizstrom beaufschlagt Ist. Mit 29 1st eine Wehnelt-Elektrode bezeichnet, welche über eine Vorspannungsquelle 30 mit dem Glühdraht 27 verbunden Ist, so daß das Potential der Wehnelt-Elektrode 29 niedriger gehalten Ist als das des Glühdrahtes 27. Mit 31 Ist eine Hochspannungsquelle (Gleichspannung) bezeichnet, welche zwischen den Glühdraht 27 und die Grundplatte 18 geschaltet Ist.

Wenn ein Strom durch den Glühdraht 27 hindurchgeht, wird der Fluß der thermischen Elektronen 32 mittels des elektrostatischen Feldes unter dem Glühdraht 27 gebündelt und gegen den Mittelpunkt der Grundplatte gerichtet. Da ein hoher Konvergenzgrad erreicht wird, ist die bestrahlte Fläche auf der Grundplatte sehr klein (in der Größenordnung von 100 μ m).

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Demgemäß ist die beheizte Fläche auf der Grundplatte, welche ständig mit Elektronen bombardiert wird, auf eine Temperatur gehalten von etwa 25oo°C, wobei diese Fläche in der Größenordnung von 100 μm liegt. Diese kleine Fläche strahlt Elektronen aus, welche frei von einem Linseneffekt sind. Die von der Grundplatte 18 ausgesendeten Elektronen werden in Richtung auf die Anode 22 beschleunigt und verlaufen parallel mit der optischen Achse 25 des Elektronenstrahles.

In Fig. 5 ist ein weiteres Ausfiihrungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem eine Nadel 33 mit der Spitze in Berührung steht mit der oberen Oberfläche der Grundplatte 18. Indem ein Strom mittels der Stromquelle durch die Nadel 33 geschickt wird, wird die Nadelspitze erhitzt, da der elektrische Widerstand dort am größten ist. Demzufolge wird die Grundplatte am Berührungspunkt ebenfalls erhitzt und es wird die Aussendung von thermischen Elektronen 24 bewirkt. Diese werden von der Anode 22 parallel entlang der optischen Achse 25 nach unten gezogen.

In Fig. 6 ist ebenfalls ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Kathode 19 besitzt bei diesem Ausführungsbeispiel eine zylindrische Form, so daß ein Heizer 35 In ihr untergebracht sein kann. Der Heizer ist mit einer Energiequelle 36 verbunden. Die Unterseite der Grundplatteis ist dort, wo sie mit der optischen Achse 25 zusammentrifft, mit einer dünnen Oxidschicht beschichtet, die eine geringe Austrittsarbeit aufweist. Der Durchmesser dieser Oxidschicht beträgt etwa 100 μΐη. Mit 37 ist eine Trägerelektrode bezeichnet, deren Oberfläche mit der unteren Fläche der Grundplatte 18 fluchtet. Hierdurch erhält man ein elektrostatisches Feld zwischen der Kathode 19 und der Anode 22, dessen Kraftlinien parallel zur optischen Achse 25 verlaufen. Mit 38 ist ein Heizisolator bezeichnet, der zwischen der Kathode 19 und der Trägerelektrode 37 angeordnet ist. Die

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Kathode 19 und die Trägerelektrode 37 sind mit einer Hochspannungsquelle 9 (Gleichspannung) verbunden. Wenn durch den Heizer 35 ein Strom fließt, wird ebenfalls die Kathode 19 beheizt und es werden aus der Oxidschicht thermische Elektronen 24 ausgesendet und nach unten in Richtung zur Anode 22 hin entlang der optischen Achse 25 gezogen.

Bei den Im vorstehenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Elektronenstrahlquelle werden Linseneffekte vermieden, so daß eine Quelle mit hoher Helligkeit erzielt wird, welche ausreicht, um eine Elektronenabtastung mit hoher Dichte und geringem Durchmesser der Abtastfläche zu erzielen. Hieraus resultiert ein hoher Grad an Auflösungsvermögen, was bei einem Abtaetelektronenmlkroskop wichtig Ist.

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Claims

Patentansprüche

' 1. J Elektronenstrahlquelle mit einer Kathode und einer Anode in einer Vakuumkammer und einer Spannungsquelle zum Anlegen einer Hochspannung zwischen die Kathode und die Anode, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode(19) ein In der Mitte angeordnetes, thermische Elektronen aussendendes MIttel aufweist und daß die sich gegenüberliegenden Seiten der Kathode (19) und der Anode (22) eben und parallel ausgebildet sind, so daß das elektrostatische Feld zwischen den beiden Elektroden parallel verläuft und senkrecht zu diesen Flächen steht.
2. Elektronenstrahlquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die thermischen Elektronen aussendende Mittel aus einem Material mit einer niedrigen Austrittsarbeit besteht und daß dieses Mittel in unmittelbarer Umgebung des Mittelpunktes der Kathode angeordnet Ist, durch welchen die optische Achse des Elektronenstrahles verläuft.
3. Elektronenstrahlquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die thermischen Elektronen aussendende Mittel als metallisches Oxid ausgebildet ist.
4. Elektronenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kathode, welche zylindrisch ausgebildet ist, ein Heizer (35) angeordnet ist und daß die Kathode (19) außerdem mit einer Grundplatte (18) versehen ist.

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5. Elektronenstrahlquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die thermischen Elektronen aussendende MIttel aus einer Grundplatte(18)besteht, welche einen Teil der Kathode (19) bildet und daß MIttel zur Beheizung einer nur kleinen Fläche dieser Platte (18) vorgesehen sind.
6. Elektronenstrahlquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese MIttel zur Beheizung der Platte (18) aus einem Glühdraht (27) und einer Wehnelt-Elektrode (29) bestehen, welche zur Bombardierung der oberen Oberfläche der Grundplatte (18) dienen, so daß diese Platte an der Auftreffstelle der Elektronen beheizt wird.
7. Elektronenstrahlquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Beheizung aus einer Nadel (33) bestehen, deren Spitze auf die obere Oberfläche der Grundplatte-(18) aufgesetzt ist.
8. Elektronenstrahlquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die thermischen Elektronen aussendende MIttel eine Kathodenheizplatte (17) aufweist, welche mit der Oberfläche der Kathode fluchtet und daß die untere Oberfläche der Kathodenheizplatte (17) mit einem Material beschichtet Ist, dessen Auetrittsarbeit niedrig liegt und daß eine Heizquelle vorgesehen ist, welche die Kathodenheizplatte mit Strom versorgt.

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