DE2341377A1

DE2341377A1 - Elektronenstrahlroehre mit thermionikfeld-emissionskathode fuer ein abtastendes elektronenmikroskop

Info

Publication number: DE2341377A1
Application number: DE19732341377
Authority: DE
Inventors: Thompson Arthur Baker; Melvin M Balsiger; Kevin Thomas Considine; Herbert Emil Litsjo
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1972-08-17
Filing date: 1973-08-16
Publication date: 1974-03-07
Also published as: JPS557661B2; JPS5661960U; DE2366144C2; GB1433944A; NL7908479A; JPS54161263A; FR2199613B1; GB1433945A; FR2199613A1; US3809899A; CA1031080A; FR2214962A1; JPS49132975A; NL7311344A; FR2214962B1

Description

DiPL-ING. KLAUS NEUBECKER 2341377

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

Düsseldorf, 15, August 1973 •PF No. 1905
73121

•Tektronix, Inc.
Beaverton, Oregon, V. St. A.

•Elektronenstrahlröhre mit Thermionikfeld-Emissionskathode für ein abtastendes Elektronenmikroskop

•Bisher wurden in Verbindung mit abtastenden Elektronenmikroskopen weitgehend Heizfadenkathoden eingesetzt, um einen Elektronenstrahl zu erzeugen. Solche Heizfadenkathoden weisen jedoch den Nachteil einer kurzen Lebensdauer sowie großer räumlicher Abmessungen auf, wobei sie einen Strahl verhältnismäßig niedriger elektronenoptischer Helligkeit erzeugen. Bei solch einer Kathode führen thermisch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten von einer großen Oberfläche aus freigegebene Elektronen zu einem breiten Elektronenstrahl verhältnismäßig niedriger Durchschnxttsleistung und mit sehr niedriger Stromdichte, um die Heizkathode praktisch in einem abtastenden Elektronenmikroskop einsetzen zu können, ist ein aufwendiges und teures Linsensystem notwendig. Selbst dann stellt aber das Linsensystem bestenfalls einen Kompromiß dar, da nicht alle der hauptsächlichen Nachteile abgestellt werden können.

Es ist eine Vielzahl früherer Versuche gemacht worden, tun zu einer stabilen Arbeitsweise und einer brauchbaren Lebensdauer für eine Feidemissiohskäfehode zu gelähgeh. Ein ernsthafter Nachteil dieser Anordnungen besteilt üari'n-, daß ein extrem gutes Vakuum "notwendig ist, um Schäden dur'ch ionenbombardement auf einem Minimum halten zu können. Ebenso muß die Auswirkung von Molekülen, die auf das

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Emissionsgebiet auftreffen und die Funktionsfähigkeit herabsetzen, auf einem Minimum gehalten werden, um die Möglichkeit zu verringern, daß örtlich eine so hohe Emission entsteht, daß ein zerstörender Vakuum-Lichtbogen auftritt. Eine Möglichkeit, diese Auswirkungen auf einem Minimum zu halten, besteht darin, die Feldemissionskathode aufzuheizen. Bei erhöhten Temperaturen sind die Atome in dem Emissionsbereich beweglicher, so daß sie durch Ionenaufprall weniger beeinträchtigt werden. Infolgedessen wird die Geometrie der Spitze der Feldemissionskathode leichter beibehalten. Gleichzeitig wird die Verweilzeit von auf die Oberfläche auftreffenden Molekülen verringert, so daß die Möglichkeit eines Vakuum-Lichtbogens herabgesetzt wird.

Es wurde gefunden, daß ein hohes elektrisches Feld benötigt wird, um brauchbare Werte für den Strom von dem aufgeheizten Emitter zu erhalten (vgl. US-PS 2 916 668, W.P. Dyke et al), jedoch zeigte sich, daß die fortlaufende Einwirkung eines hohen elektrischen Feldes auf einen aufgeheizten Emitter sich praktisch nicht verwirklichen ließ, weil es dabei zu in der einschlägigen Literatur als "build-up" bekannten Verformungen der Spitze kam, was zu einer Instabilität und einem elektrischen Durchbruch führte. Aus diesem Grunde wurden diese Emitter weitgehend gepulst betrieben, jedoch ist die Anwendung des hohen elektrischen Feldes üblicherweise auf verhältnismäßig kurze Zeitabschnitte beschr äikt, nach denen die Spitzen-Geometrie durch Aufheizen oder "Blitzen" regeneriert werden muß.

Weitere Untersuchungen zeigen, daß ein schmaler oder enger Strahl mit hoher Stromdichte durch die Kristallebene mit den Miller-Indizes 1,0,0, d.h. der 100er -Ebene eines Materials mit kubischem Kristallgefüge wie Wolfram oder Molybdän erzeugt werden kann. Es wurde jedoch gefunden> daß der Betrieb instabil war und daß es bei fortlaufendem Betrieb üblicherweise zu einer Zerstörung der Spitze dtiürch einen VakuiA-klefefefeogen kam (vgl ·. /^ActiVaticrti tonergy for the turf ace kigration of iWwgsten in ttee Pr^e¹S e4¥Cfe of a High-Eltectric Field¹" , voii P.C. Bettler "und F^I. Charboniiier - Physical Review, Band 119, fci-r.1, .!'.¹Ii 19"6O). Skater wurde eine stabile Arbeitsweise erhalten, indem

BAD ORIGINAL

der Emitterspitze eine Lage eines zweiten Elements mit niedriger Austrittsarbeit, etwa Zirkon (vgl. US-PS 3 374 386, F.M. Charbonnier et al) hinzugefügt wurde. Selbst dann war der Elektronenstrahl-Stromwert beschränkt und die Kathoden-Lebensdauer begrenzt.

Ein weiterer einschlägiger Aufsatz "Angular Confinement of Field Electron and Ion Emission" (Journal of Applied Physics, Band 40, Nr. 12, November 1969) von L.W. Swanson und L.C. Crouser, untersucht weiter die Beiwerte eines eine zirkonbeschichtete 100er Ebene aufweisenden TF-built-up-Wolfram-Emitters. In der abschließenden Betrachtung wird jedoch darauf hingewiesen, daß ein ultrahohes Vakuum und ultrareine Elektronenauffangflachen notwendig sind, um nennenswerte Stromwerte von stumpferen Emittern zu erhalten.

Ein weiteres ernsthaftes Problem besteht bei abtastenden Elektronenmikroskopen, die mit Feldemissionskathoden arbeiten_f darin., daß es häufig notwendig ist, sich Zugang zu dem Innern der Elektronenstrahlröhre zu verschaffen, beispielsweise, wenn eine schadhafte Kathode ausgewechselt oder an dem Proben-Tisch innerhalb der Anordnung gearbeitet werden muß. Dieser Zugang zu der Röhre erfordert eine Aufhebung des Vakuums, verbunden mit einer langen Wartezeit für die Wiederherstellung des Vakuums, wenn ilikroskopbetrieb gewünscht wird. Eine Möglichkeit, diesen Nachteil zu verringern, bestand in der Schaffung eines Zweikammer-Röhrenkolbens, so daß die Kathoden- und die Proben-Kammern auf unterschiedlichen Drücken gehalten werden konnten, von denen jeweils der eine aufgehoben werden konnte, während der andere beibehalten wurde.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, so daß der stabile Feldemissionsstrom sowohl kontinuierlich als auch intermittierend von der verhältnismäßig stumpfen Feldemitterspitze abgenommen werden kann, die so geändert worden ist, um längs einer Vorzugsachse zu emittieren. Gleichzeitig soll eine Feldemissionskathode zur Verfügung stehen, die die Vorteile vereinigt, die bisher in einer einzigen Feldemissionsquelle nicht erzielt

werden konnten, wie ein kontinuierlicher oder gepulster Elektronenstrahl mit kleinem Querschnitt, hoher Stromdichte und verhältnismäßig hohem Stromwert, wobei zugleich Stabilität, Reproduzierbarkeit, eine lange Kathoden-Lebensdauer und Betrieb auch in einem weniger guten Vakuum gewährleistet sind. Darüber hinaus soll es möglich sein, auf dieser Basis ein verbessertes abtastendes Elektronenmikroskop zu schaffen, das mit einer "built-up"-Thermofeld-Emissionskathode arbeitet. Dabei soll das abtastende Elektronenmikroskop kleiner und preiswerter als bisherige Systeme sein. Die Kathode oder aber der Proben-Tisch sollen zugänglich sein, ohne deshalb das Vakuum der gesamten Röhre aufheben zu müssen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren zur Erzeugung einer Elektronenemission von einer Feldemissionskathode mit kubischem Kristallgefüge erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode auf eine Temperatur aufgeheizt wird, die geringfügig unter der Temperatur liegt, bei der eine nennenswerte thermionische Elektronenemission eintritt, und daß an der Emitterspitze der Kathode ein Gradient eines elektrostatischen Feldes mit einer Größe erzeugt wird, die ausreicht, um die Form der Spitze zu ändern, um so den Emissionsstrom von einer im wesentlichen mit der Achse der Kathode zusammenfallenden und dazu normalen kristallographischen Ebene zu erhöhen und damit für eine stabile und kontinuierliche Elektronenemission davon zu sorgen.

Auf diese Weise läßt sich eine verbesserte Elektronenstrahlröhre für den Einsatz in abtastenden Elektronenmikroskopen schaffen. Eines der Hauptmerkmale einer solchen Röhre besteht in der Verwendung einer Thermofeld-"built-up^w-Feldemissionskathode, mit der sich schließlich ein im wesentlichen kontinuierlicher und stabiler Betrieb in einem Vakuum mit nicht zu hohen Ansprüchen erzielen ließ. Diese Kathode vereinigt in sich die bisher nicht erzielbaren Eigenschaften einer hohen Stromdichte, eines hohen Leistungsniveaus, hoher Stabilität, kleiner Elektronenguellenabmessungen und einer langen Kathoden-Lebensdauer. Beispielsweise lassen sich von einer Kathode, die eine Betriebsdauer von mehr als tausend Stunden hat, mehr als 200 AiA in einem feststehenden Kalbwinkel von 10° abnehmen,

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ferner gestattet diese Kathode die Verwendung eines Vakuums, das eine oder mehrere Größenordnungen niedriger liegt als das Vakuum, das für derzeit verwendete Feldemissionskathoden benötigt wird, so daß mit einer kleineren und weniger kostspieligen Vakuumpumpe gearbeitet werden kann. Das ermöglicht die Verwendung einer vorbehandelten Kathode in Verbindung mit einer integralen Ionenpumpe in einem evakuierten Rohrkolben in Form eines einheitlichen Aufbaus. Es werden die richtige Wärmemenge und ein hohes kontinuierliches elektrisches Feld in der richtigen Reihenfolge zugeführt, um den gewünschten ^Mbuilt-up^M-Zustand zu schaffen. Das "built-up^H-Gebiet emittiert Elektronen in freierer Form als jedes andere Gebiet des Kristallgefüges. Diese Elektronen werden von dem verhältnismäßig kleinen Einzel-Kristallebenen-Gebiet emittiert, das mit der Achse der Kathode zusammenfällt und dazu normal ist, so daß ein Elektronenstrahl extrem hoher Helligkeit erzeugt wird. Dieses Verhalten ist reproduzierbar, so daß die sich täglich wiederholende Arbeit beispielsweise mit einem abtastenden Elektronenmikroskop erleichtert wird.

Ein weiteres Merkmal der Elektronenstrahlröhre nach der Erfindung besteht darin, daß der evakuierte Kolben miteinander in Verbindung stehende Kammern aufweist, von denen die eine auf dem notwendigen niedrigen Druck gehalten wird und die Kathode aufnimmt, während eine weitere Kammer auf einem höheren Druck gehalten werden kann und den Proben-Tisch aufnimmt. Diese Kammern können voneinander trennbar sein, über eine kleine Öffnung können die Kammern miteinander in Verbindung stehen. Diese Öffnung hat eine solche Größe, daß der Druckunterschied zwischen den Kammern aufrechterhalten werden kann, der Elektronenstrahl jedoch die Möglichkeit hat, durch die Öffnung hindurchzutreten. Um die Kathode rasch auswechseln zu können, ersetzt eine neue Kathode, die zusammen mit einer integralen Ionenpumpe in einer auf den richtigen Druck vorevakuierten Kammer angeordnet ist, die die alte Kathode enthaltende Kammer. Nachdem die Kammer mit der neuen Kathode in dem anderen Teil der Röhre angeordnet worden ist, wird durch eine Metallmembran in der Kathodenkammer ein Loch eingedrückt, so daß der Elektronenstrahl von der Kathode zu der Proben-Kammer gelangen kann. Der Mechanismus für das

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Eindrücken des Loches ist in dem Kammeraufbau enthalten, und die Herstellung des Loches kann unter Vakuum - ohne Vakuumverlust erfolgen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Ausführung einer TF-^Hbuilt-up^M-Feldemissionskathode mit 100er-Ebene nach der Erfindung;

Fig. 2 perspektivisch die Hauptebenen eines raumzentrierten kubischen Kristallgefüges, wiedergegeben durch seine Miller-Indizes, wenn das Gefüge für eine Emission von der 100er-Ebene ausgerichtet ist;

Fig. 3a, 3b und 3c

schematisch eine Wiedergabe dieser Kristallebenen, wenn die Elektronenemission von den 31Cer-Ebenen zu der 100er-Ebene verlagert wird;

Fig. 4 schematisch die Ansicht einer Ausführungsform einer Elektronenstrahlröhre mit den erfindungsgemäßen Merkmalen;

Fig. 5 in vergrößertem Maßstab einen Querschnitt durch einen Teil einer Elektronenstrahlröhre, der eine bevorzugte Ausführungsform einer gegenseitigen Verbindung voneinander trennbarer Kammern erkennen läßt;

Fig. 5A perspektivisch einen Ausschnitt aus Fig. 5, der den Angriff eines Betätigungsnockens an einem Element für die Herstellung der Lochung erkennen läßt; und

Fig. 6 in vergrößertem Maßstab einen Teilschnitt durch einen Bereich der Elektronenstrahlröhre, entsprechend einer zweiten Ausführungsform der gegenseitigen Verbindung der trennbaren Kammern.

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Im einzelnen läßt Fig. 1 eine Ausführungsform einer Kathode nach der vorliegenden Erfindung mit einem elektronenemittierenden Bereich 1 erkennen, der nachstehend als Feldemitterspitze bezeichnet

wird und der an eine abstützende Heizwendel 10 angeschlossen ist, die eine Kathode bildet. Die Feldemitterspitze 1 kann aus monokristallinem Wolfram, Molybdän oder ähnlichem Material gebildet sein, so daß die Ebene des raumzentrierten kubischen Kristallgefüges mit den Miller-Indizes 100 an einer Spitze 2 verläuft, die verhältnismäßig stumpf ist, d.h. einen Radius in der Größenordnung von 1000 bis einigen 10OO Angström aufweist, gegenüber 1 bis 1000 Angström für bisher bekannt gewordene Kathoden. Die abstützende Heizwendel 10 kann aus einem Wolframdraht gebildet sein, der in U-Form gebogen wurde und dessen letzte, der Feldemitter-Spitze 1 benachbarte 2,5 mm auf einen geeigneten Durchmesser geätzt worden sind, so daß eine Aufheizung auf eine hohe Temperatur möglich wird, wenn den Draht ein elektrischer Strom durchfließt. Dieser Strom wird von einer Niederspannungs-Wechselstromquelle 18 über einen Isoliertransformator geliefert. Der Transformator muß hohen Spannungsdifferenzen zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung widerstehen können. Eine negative Hochspannungs-Gleichstromquelle 20, die in der Lage ist, mehrere hundert AxK Gleichstrom zu liefern, ist mit der Kathode verbunden. Eine Anode 8 ist üblicherweise, jedoch nicht notwendigerweise über ein Amperemeter 9 an Masse gelegt, mit dessen Hilfe der Emissionsstrom gemessen werden kann.

Die Feldemissions-Elektronenquelle der Fig. 1 wird in einem vergleichsweise schwachen Vakuum betrieben, das vorzugsweise zwar einen unterdruck von 1x10 Torr aufweist, jedoch auch bis zu 1x10 Torr herabreichen kann, wie sich das nachstehend ergibt. Zunächst wird die Spitze 2 bei einer Temperatur oberhalb von etwa 2300 K unter Zuhilfenahme der Wechselstromquellen "geblitzt", so daß die Spitze von Verunreinigungen befreit wird. Sodann wird die Temperatur der FeIdemitterspitze 1 auf eine Temperatur eingestellt, die geringfügig unterhalb der Temperatur liegt, bei der eine thermionische Emission beginnt, d.h. etwa 1900⁰K. Die Feldemitterspitze 1 wird dann von der Gleichstromquelle 20 aus mit einer negativen hohen Gleichspannung beaufschlagt. Diese Spannung wird erhöht,

bis - je nach dem Radius der Spitze 2 - ein Emissionsstrom zwischen 1 bis 100 ,uA durch das Amperemeter 9 angezeigt wird. Zu diesem Zeitpunkt emittiert die Spitze 2 üblicherweise Elektronen längs der zu den 310er-Kristallebenen senkrechten Achsen (vgl. Fig. und 3a). Es sei darauf hingewiesen, daß teilweise auch andere Emissionsarten auftreten können. Wenn die Hochspannung allmählich erhöht wird, wird an der Emitter-Spitze 2 ein Gradient eines elektrostatischen Feldes erzeugt, der zu einem built-up führt, wenn das Kristallgefüge beginnt, seine Gestalt zu ändern. Die Elektronenemission zu diesem Zeitpunkt ist mit Fig. 3b veranschaulicht. Wenn dann der Gradient des elektrostatischen Feldes eine ausreichende Größe hat, die üblicherweise in der Größenordnung von einigen/MV/cm liegt, so wird die Kristallform an der Spitze 2 so weit geändert, bis die Elektronenemission auf die "ipOer-Ebene übergeht oder überspringt, wie das mit Fig. 3c gezeigt ist. Dieser Übergang oder "Überspring"-Vorgang erfolgt gemeinsam mit einer gleichlaufenden Zunahme des gesamten Emissionsstroms.

Eine stabile, kontinuierliche Emission von mindestens 200 λιΑ

ο in einem feststehenden Halbwinkel von 10 längs der zur 100er-Ebene senkrechten Achse kann in dieser Phase aufrechterhalten werden, indem die Kathoden-Temperatur und der Gradient des elektrostatischen Feldes auf den endgültig festgelegten Werten gehalten werden.

Es wird zwar angestrebt, die Kathode kontinuierlich für eine beträchtliche Zeitdauer zu betreiben, jedoch ist es möglich, den Strahl hoher Stromdichte abzuschalten und dann zu einem späteren Zeitpunkt mit reproduzierbaren Ergebnissen erneut einzuschalten und so zu einem intermittierenden oder gepulsten Betrieb zu gelangen, Eine Möglichkeit, einen solchen intermittierenden Betrieb zu verwirklichen, ist folgende:

Wird in Verbindung mit einem Abschaltvorgang zunächst die Temperatur auf Umgebungstemperatur herabgesetzt, sodann die Hochspannung abgeschaltet, so wird der Elektronenstrahl beim nächsten Einschaltzyklus, bei dem zunächst die Hochspannung eingeschaltet und dann die Kathode durch Beaufschlagung mit einer niedrigen Spannung aufgeheizt wird, unmittelbar längs der bevorzugten kristallogra-

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fischen Achse emittiert. Es ist somit ersichtlich, daß durch geeignete Handhabung von Temperatur und Spannung ein Impulsbetrieb verwirklicht werden kann, injäem beispielsweise die Hochspannung kurz vor Zufuhr des Heizstroms eingeschaltet und dann abgeschaltet wird, nachdem die Kathode sich auf einen ausreichenden Wert abgekühlt hat.

Die vorstehende Erläuterung behandelt speziell die Arbeitsweise einer TF-"built-up"-Kathode mit 100er Ebene, jedoch konnten bedeutende Ergebnisse auch mit einer "built-up^M-Thermofeldeipissions-Käthode erzielt werden, bei der die bevorzugte kristallografisch^ Achse normal zu der Ebene mit den Miller-Indizes 3, 1,0 verläuft. Es sei daher darauf hingewiesen, daß ein stabiler und im wesentlichen kontinuierlicher Betrieb auch ebenso mit einer TF-"built-up"-Kathode mit 310er-Ebene möglich ist.

Fig. 4 gibt eine Ausführungsform eines abtastenden Elektronenmikroskops wieder, bei dem erfindungsgemäß eine "built-up"-TF (Thermofeld) · Emissions-Kathode 10a in einer Kammer 12 eines evakuierten rohrförmigen Kolbens 14 angeordnet ist. Der rohrförmige Kolben 14 kann aus Glas, Keramik oder einem ähnlichen Material, ebenso wie aus Metall, bestehen. Die Kathoden-Kammer 12 wird auf einem hohen Vakuum, d.h. 1,0x10 Torr oder höher, mittels einer Hochvakuumpumpe 16 gehalten, die vorzugsweise innerhalb der Kathoden-Kammer 12 angeordnet ist. Die Niederspannungs-Wechselstromquelle 18 und die Hochspannungs-Gleichstromquelle 20 speisen die Kathode 10a wie zuvor erläutert in der Thermofeld-Betriebsart.

Eine zweite Kammer 24, die der Proben-Kammer eines abtastenden Elektronenmikroskops entspricht und sowohl strahlablenkende Elemente als auch einen Proben-Tisch (nicht gezeigt) enthält, wird durch eine Vakuumpumpe 26 auf einem niedrigeren Vakuum gehalten, das

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typischerweise 1x10 oder 1x10 Torr ausmacht. Die Kathoden-Kammer 12 und die Proben-Kammer 24 sind durch eine Wand 26a voneinander getrennt, die eine axial mit der Emitter-Spitze der Kathode 1Oa ausgerichtete öffnung 28 aufweist, durch die der von der Kathode 10 emittierte Elektronenstrahl treten kann.. Die Größe der

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öffnung 28 ist so gewählt, daß die Hochvakuumpumpe 16 den Druck der Kathoden-Kammer 12 gegenüber der durch die öffnung 28 gegebenen Undichtigkeit im Verhältnis zu dem niedrigeren Vakuum der zweiten Kammer 24 aufrechterhalten kann. Typischerweise reicht eine Öffnung mit einem Lochdurchmesser von 0,5 mm aus, um die Druckdifferenz aufrechtzuerhalten. Eine magnetische Linse 30, die auch durch eine elektrostatische Linse ersetzt sein könnte, fokussiert den Elektronenstrahl auf einen sehr kleinen Querschnitt. Ein abtastendes Elektronenmikroskop würde naturgemäß ein Elektronenstrahl-Ablenksystem und weitere Hilfsmittel erfordern, die in Fig. 4 nicht gezeigt sind, jedoch sind solche Gesichtspunkte nicht wesentlich für die Erfindung, so daß darauf auch im einzelnen nicht eingegangen wird.

Die Kathoden-Kammer kann so ausgeführt werden, daß sie von der Proben-Kammer trennbar ist, um einen raschen Austausch der Kathode zu ermöglichen, d.h., wenn die zuletzt in Benutzung gewesene Kathode infolge eines Fehlers oder unbefriedigender Arbeitsweise ausgewechselt werden muß, so kann die gesamte, die Kathode enthaltende, eine Elektronenstrahlröhre bestimmende Kammer von der zugeordneten zweiten Kammer, die einen Target-Aufbau enthält, entfernt und durch eine neue, vorevakuierte und abgedichtete Kammer oder eine eine vorbehandelte Kathode enthaltende Elektronenstrahlröhre ersetzt werden. Eine solche Ersatz-Kathode oder -Elektronenquelle, die als fertige Einheit unmittelbar einem Lager entnommen werden können, könnten außer für abtastende Elektronenmikroskope auch für alle anderen ähnlichen Einsatzfälle verwendet werden, beispielsweise in Verbindung mit einer Kathodenstrahlröhre, bei der der Target-Aufbau ein Leuchtschirm ist. Der einheitliche Aufbau kann auch eine Ionenpumpe enthalten, um das erforderliche Vakuum bei Betrieb aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus kann die zweite, den Target-Aufbau enthaltende Kammer ebenfalls als am Lager gehaltene Austauscheinheit zur Verfügung gestellt werden. Eine Schnellwechsel-Halterung ermöglicht es, die gewünschte Einheit bequem innerhalb einer kurzen Zeitdauer austauschen und ohne nennenswerten Verlust a<n Betriebszeit in Betrieb nehmen m können.

Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsforir. zur mechanischen Verbindung der Kammern. Die vorevakuierte Kathoden-Kammer 12 hat
einen Befestigungsflansch 30a und eine dünne metallene Dichtungsmembran 32. Sie umfaßt ferner die Kathode 10¹ und die Wand 26a
mit der öffnung 28. Ein Einsatz 34 mit einem hohlen, nadelartigen Düsen-körper 36 ist in eine öffnung des Befestigungsflansches 30a neben der metallenen Dichtungsmembran 32 eingesetzt. Die Kathoden-Kammer wird dann zusammen mit O-Ringdichtungen 40 und 42 in einen passenden Flansch 44 der Proben-Kammer 24 eingesetzt. Die ineinander eingreifenden Flansche 30a und 44 werden durch eine Kammer zusammengehalten. Nachdem die Proben-Kammer 24 auf das gewünschte Vakuum abgepumpt worden ist, wird ein Betätigungsnocken 50 eingeschoben, bis er mit dem Düsenkörper 36 fluchtet. Sodann wird der
Betätigungsnocken 50 gedreht, wobei sein Nockenvorsprung den Dtisenkörper 36 gegen die metallene Dichtungsmembran 32 (vgl. Fig. 5A) drückt, um diese zu durchstoßen, ohne daß es zu einem Verlust an Vakuum kommt. Nachdem der Düsenkörper 36 die Dichtungsmembrane 32 durchstoßen hat, wird er mittels eines in Nähe seines konischen
Endes befindlichen Nippelteils fixiert. Der Elektronenstrahl kann dann von der Kathode 10 durch die öffnung 28 und von hier aus durch den hohlen Düsenkörper 36 seinen Weg zu der Proben-Kammer nehmen.

Fig. 6 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform für die mechanische Verbindung von Kathoden- und Proben-Kammer. Teile, die denjenigen der Fig. 4 bzw. 5 entsprechen, sind mit gleichen Bezugszeichen,
zusätzlich mit einem Apostrophzeichen (') versehen. Eine vorevakuierte Kathoden-Kammer^¹ hat einen Befestigungskopf 30·a und eine metallene Dichtungsmembran 32¹. Sie weist ferner die Kathode 10'a und die Wand 26"a mit der öffnung 28' auf. Ein hohler, nadelartiger Düsenkörper 36' ist in eine öffnung in dem Befestigungsflansch 44' der Proben-Kammer 24' eingesetzt. Eine Schraubkappe 46' übergreift den Eefestigungsflansch 30'a, und ein Sprengring 38 ist in eine Nut des Befestigungsflansches 30'a eingepaßt. Die Kathoden-Kammer wird dann zusammen mit O-Ringdichtungen 40* bzw. 42' an
einer passenden Fassung 44' der Proben-Kammer 24' befestigt. Beim Abpumpen der Proben-Kammer 24* wird die Schraubkappe 46^f auf die

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Fassung 44' aufgeschraubt, so daß der Düsenkörper 36' die Dichtungsmembrane 32' durchstößt. Sobald die Schraubkappe 46' gespannt worden ist, sind die Kammern gegenüber Atmosphärendruck abgedichtet, und der Elektronenstrahl kann dann durch den hohlen Düsenkörper 36* treten, wie das zuvor für das bevorzugte Ausführungsbeispiel erläutert wurde.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

1. \Verfahren zur Erzeugung einer Elektronenemission von einer —-^Feldemissionskathode mit kubischem Kristallgefüge, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode auf eine Temperatur aufgeheizt wird, die geringfügig unter der Temperatur liegt, bei der eine nennenswerte thermionische Elektronenemission eintritt, und daß an der Emitterspitze der Kathode ein elektrostatischer Feldgradient einer Größe erzeugt wird, die ausreicht, um die Form der Spitze zu ändern, um so den Emissionsstrom von einer im wesentlichen mit der Achse der Kathode
zusammenfallenden und dazu normalen kristallografischen
Ebene zu erhöhen und damit für eine stabile und kontinuierliche Elektronenemission davon zu sorgen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode Metall mit einem Wolfram definierenden kubischen
Kristallgefüge ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kristallgefüge des Metalls so ausgerichtet ist, daß die
Emission von einer Vorzugsebene aus erfolgen kann.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorzugsebene durch die MiHer-Indizes 1,0,0 bestimmt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorzugsebene durch die Miller-Indizes 3,1,0 bestimmt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode in einem bis zu 1,0 χ 10 Torr abgeschwächten Vakuum betreibbar ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterspitze vergleichsweise stumpf ist.

8. Verfahren zum stabilen und im wesentlichen kontinuierlichen Betrieb einer "built-up"-Thermofeld-Kathode mit einer vergleichsweise stumpfen Spitze in einem bis auf 1,O χ 10 ^abgeschwächten Vakuum, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathode eine im wesentlichen stetige niedrige Spannung zugeführt wird, um die Kathode auf eine Temperatur aufzuheizen, die geringfügig unter der Temperatur liegt, bei der eine nennenswerte thermionische Elektronenemission eintritt, und daß die Kathode mit einem im wesentlichen stetigen Hochspannungspotential beaufschlagt wird, um einen elektrostatischen Feldgradienten mit einer Größe zu erzeugen, die ausreicht, um die Form der Spitze zu ändern, um so den Emissionsstrom zu veranlassen, von einer Mehrzahl Achsen auf eine bevorzugte Achse überzugehen, von der aus die Elektronenemission sowohl kräftig als auch stabil ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode eine TF-"built-up"-Kathode mit 100er-Ebene ist.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode eine TF-"built-up"-Kathode mit 31Oer-Ebene ist.

11. Stabile Felderaissions-Elektronenquelle, gekennzeichnet durch eine Thermofeld-Metallkathode mit einer verhältnismäßig stumpfen Emitterspitze, eine Einrichtung zur Aufheizung der Kathode auf eine Temperatur, die geringfügig unter der Temperatur liegt, bei der eine nennenswerte thermionische Elektronenemission eintritt, sowie durch eine Einrichtung, um an der Emitterspitze der Kathode einen elektrostatischen FeIdgradienten zu erzeugen, dessen Größe ausreicht, um die Form der Spitze zu andern, so daß die Elektronenemission von einer

- 15 Mehrzahl Achsen auf eine bevorzugte Achse übergeht.

12. Stabile Feldemissions-Elektronenguelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Aufheizung der Kathode einen der Emitterspitze benachbarten Widerstandsdraht aufweist, durch den Strom von einer Niederspannungs-Wechselstromquelle geleitet wird, und daß die Einrichtung zur Erzeugung des elektrostatischen Peldgradienten entweder eine
negative Hochspannung, die von einer Gleichstromquelle am axe Kathode der Feldemissionsquelle einwirkt, oder eine positive Hochspannung hat, die von einer Gleichstromquelle auf die
Anode der Feldemissions-Elektronenquelle einwirkt.

13. Stabile Feldemiseiona-Elektronenquelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode eine Wolfram-TF^Mbuiltup^uKathode mit 100er-Ebene ist.

14. Stabile Feldemissions-Elektronenquelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode eine Wolfram-TF-^builtup"-Kathode mit 310er-Ebene ist.

15. Stabile Feldemissions-Elektronenquelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode in,einem bis auf 1,Ox 10 Torr abgeschwächten Vakuum betreibbar ist.

16. Elektronenstrahlröhre für ein abtastendes Elektronenmikroskop, gekennzeichnet durch einen evakuierten Rohrkolben mit einer
erstenjund einer zweiten Kammer, wobei die erste Kammer auf
einem niedrigeren Druck als die zweite Kammer gehalten werden kann, eine Einrichtung zur Herstellung einer Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Kammer, eine Feldemissions-Elektronenquelle, die axial in der ersten Kammer neben der Verbindungseinrichtung und unter Ausrichtung im Verhältnis zu der Verbindungseinrichtung angeordnet ist, eine mit der Feldemissions-Elektronenquelle verbundene Einrichtung, um so für einen stabi-

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len und im wesentlichen stetigen Betrieb dieser Quelle zu sorgen, wobei diese mit der Feldemissions-Elektronenquelle verbundene Einrichtung eine Niederspannungs-Energiequelle für die Aufheizung der Elektronenquelle auf eine Temperatur, die geringfügig unter der Temperatur liegt, bei der eine nennenswerte thermionische Elektronenemission eintrifft, und eine Hochspannungsquelle umfaßt, um an der Emitterspitze der Elektronenquelle einen elektrostatischen Feldgradienten mit einer Größe zu erzeugen, die ausreicht, um die Form der Spitze zu ändern, so daß sich ein erhöhter Emissionsstrom längs einer bevorzugten Achse ergibt, sowie durch ein in der zweiten Kammer angeordnetes Fokussierelement.

1.7. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung eine der Feldemissions-Elektronenquelle benachbarte öffnung aufweist, deren Größe ausreicht, um bei Aufrechterhaltung einer Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten der öffnung einen Elektronenstrahl durch die Öffnung treten zu lassen.

18. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldemissionsquelle eine TF-"built-up"-Kathode mit 100er-Ebene, vorzugsweise aus Wolfram, ist.

19. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldemissionsquelle eine TF-"built-up"-Kathode mit 31Oer-Ebene, vorzugsweise aus Wolfram, ist.

20. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer und die zweite Kammer voneinander trennbar und wieder zusammenfügbar sind.

21. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer eine Kathode, die die Elektronenquelle bildet, und eine Ionenpumpe enthält und daß die Kammer zu-

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saminen mit der Kathode und der. Ionenpumpe einen einheitlichen, abgedichteten Aufbau bildet.

22. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet/ daß die erste Kammer vor ihrer Verbindung mit der zweiten Kammer abgedichtet und vorevakuiert worden ist.

23. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet) daß die Kathode vor ihre^rjVerbindung mit der zweiten Kammer auf den gewünschten Betriebszustand vorbehandelt wird.

24. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung eine Einrichtung zur mechanischen Verbindung der Kammern und eine Einrichtung aufweist, um eine Abdichtungsmerabran in der ersten Kammer zu durchstjfoßen und damit die Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Kammer herzustellen,

25. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet,

daß die Einrichtung zum Durchstoßen einen hohlen Düsenkörper

ist aufweist, der axial zu der Elektronenquelle angeordnet, so daß der Elektronenstrahl dadurch hindurchtreten kann.

26. Elektronenstrahlröhre für ein abtastendes Elektronenmikroskop, gekennzeichnet durch einen evakuierten rohrförmigen Kolben mit einer zweiten und einer von der zweiten Kammer trennbaren ersten Kammer, eine Verbindungseinrichtung zur Herstellung einer Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Kammer

und sowie durch eine Einrichtungjzur Trennung erneuten Verbindung der ersten und zweiten Kammer.

27. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer sich auf einem niedrigeren Druck als die zweite Kammer befindet.

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28. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung eine einer Elektronenquelle benachbarte Öffnung aufweist, deren Größe ausreicht, um unter Aufrechterhaltung einer Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten der Öffnung einen Elektronenstrahl durch die Öffnung treten zu lassen.

29. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet; daß in der ersten Kammer vor ihrer Verbindung mit der zweiten Kammer ein vorgegebenes Vakuum herrschen kann und daß die erste Kammer an ihrem Befestigungsende eine Membran aufweist, um darin einen Druck aufzubauen und aufrechtzuerhalten.

30. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Trennung und Wiederverbindung der ersten und zweiten Kammer eine Einrichtung zum Durchstoßen der Membran am Anschlußende der ersten Kammer aufweist, um so für eine Verbindung zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer zu sorgen.

31. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer eine vorbehandelbare Kathode und eine Ionenpumpe aufweist, die gemeinsam mit der Kammer einen einheitlichen abgedichteten Aufbau bilden.

32. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer durch einen Kolben aus Glas oder Keramik begrenzt ist.

33. Verfahren zum Durchstoßen einer inneren Membran einer evakuierten Elektronenröhre, so daß ein Elektronenstrahl durchtreten kann, dadurch gekennzeichent, daß die Spitze eines inneren hohlen Düsenkörpers gegen die innere Membran gedrückt, der Düsenkörper mit einer quer zur Ebene der Membran verlaufenden Achse festgelegt und der Düsenkörper unter Druck gesetzt wird,

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um so die Membran zu durchdringen, so daß der Düsenkörper in der Membran angeordnet wird und das verdrängte Membranmaterial bewegt wird, so daß ein Elektronenstrahl ungehindert durchtreten kann.

34. Anordnung zum Durchstoßen einer inneren Membran einer evakuierten Elektronenstrahlröhre, so daß ein Elektronenstrahl hindurchtreten kann, gekennzeichnet durch einen hohlen Düsen- oder Stoßkörper, der im Innern angeordnet und in Bezug auf eine quer zur Ebene der Membran verlaufende Achse festgelegt ist> sowie durch eine wirkungsmäßig mit dem Stoßkörper verbundene externe Einrichtung, um den Stoßkörper axial durch die Membran zu treiben.

35. Anordnung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die wirkungsmäßig mit dem Stoßkörper verbundene externe Einrichtung eine Welle mit einem in Nähe des Stoßkörpers angeordneten Nockenkörper aufweist und daß die Welle sowohl axial beweglich als auch drehbar ist, um den'Hockenkörper in oder außer Eingriff mit dem Stoßkörper zu bringen.

36. Anordnung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet» daß die externe, wirkungsmäßig mit dem Stoßkörper verbundene Einrichtung eine die Elektronenröhre umschliessende Manschette mit Gewindegängen aufweist, die mit Gewindegängen des Stoßkörpers oder einer Halterung des Stoßkörpers in · Eingriff stehen, um so den Stoßkörper bei Drehung der Manschette auf die Membran zu und durch diese hindurch zu führen.

37. Elektronenstrahlröhre mit einem Kolben und einer in dem Kolben längs einer mit der Achse der Elektronenquelle zusammenfallenden Achse angeordneten stabilisierten Elektronenquelle, gekennzeichnet durch eine von dem Kolben neben der Elektronenquelle und ausgerichtet dazu gebildete Äbdicht-

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einrichtung zur Abdichtung des Kolbens, um so den Kolben unter Vakuum zu halten, wobei die Äbdichteinrichtung durchstoßen werden kann, wenn die Elektronenstrahlröhre in ihre Lage im Verhältnis zu einem zweiten, ein Elektronenstrahl-Target enthaltenden Kolbenaufbau gebracht wird.

38. Elektronenstrahlröhre nach Anspruch 37, gekennzeichnet durch eine Ionenpumpe zur Aufrechterhaltung des Vakuums.

KN/sw 3

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