DE2349352A1

DE2349352A1 - Elektronenstrahlgeraet mit stiftkathode

Info

Publication number: DE2349352A1
Application number: DE19732349352
Authority: DE
Inventors: James Edmond Barth; Karel Diederick Van Der Mast
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1972-10-03
Filing date: 1973-10-02
Publication date: 1974-04-11
Also published as: US3864572A; JPS5241137B2; BE805539A; DE2349352C3; DE2349352B2; FR2201540B1; IT994357B; JPS4993798A; CA992670A; GB1440776A; FR2201540A1; SE384759B; NL7213355A

Description

M. DAViD

- ■■■■*■■ P"I^T- 7079
..-a -C-: 1, 0>t. 1973

Elektronenstrahlgerät mit Stiftkathode

Die Erfindung betrifft ein Elektronenstrahlgerät nit einer Elektronenquelle mit einem Kathodendraht, dessen freies Lnds in ein eis Strahlengang einer Hilfsstrahlenquelle vorgeschoben werden kann.

Ein derartiges Elektroaenstrafelgerät ist s«B« aus der deutschen Patentschrift 1.028.244 bekannt. Eieria besteht die Kathode aus einen Y/olfrandraht mit eineß DarciiEesser von '100 bis 20Cs Mikron, dessen Ende von einen Ionenbündel geholzt ¥/ird_o 9as Ionenbündel wird von einen elektrischen Feld auf die Drafetspitse gerichtet,, welches Feld zwischen einer Ionenquelle ait einem in bezug auf die Katfeodsnspitae positiven Potential und einer der .Kathode&spitze gegenüber angeordneten Elektrode riit ε-inem. in bezug auf die EafthodLenspitze negativen Potential erzeugt» Lie r.axirr.ale thenaische Elektroneneiaission, die eise derartige Kathode iisfern kann, wird von Werkstoff«, von der Geometrie und von der Ti::r.porat"ir der !»rahtspitze bestioi.it. 3ie Einstellung dies.er Kathode auf eine hohe Emissionsstroadichte führt zu einer hohen Semperatur, die

409815/0878

eine verhältnismassig trosse "verdampfung der Kathodenspitze auslost. Der Kathodendraht kann deshalb jeweils nach einer gewissen Brenndauer vorgeschoben werden. Der verdampfte Werkstoff wird jedoch das Innere des Gerätes stark verschöntsen und durch die intermittierende Methode des Drahtvorschubs treten Schwankungen im Emissionsstrom auf.

Me Erfindung bezweckt_? diese Nachteile zu beseitigen, und ein Elektronenstrahlgerät dez^; eingangs ermähnten Art ist nach der Erfindung dadurch gekennseich.net, dass sich dem freien Ende des Kathodendrahtes gegenüber eine durchbohrte Elektrode zua Erzeugen einer positiven Feldstärke von ungefähr 1'I^ "ils 10 kV/m an der Oberfläche des Drahtendes befindet und eine Kopplung zwischen der Energiesufuhr von der Hilfsstrahle quelle sum Drahtende und dem Vorschub des Eathodendrahtes während des Betriebs bei einer Temperatur; bsi der durch .Feldstärkekräfte Formänderungen auftreten , am Kathodendraht ein st-iftförmiges zaide mit eines wenigstens nahesn festen Kriirniungsradius zwischen ungefähr 0,2 und Z Mikron aufrechterhält» 3isser Krünsiungsradius ist bedeutend grosser als bei Feidemiissu-onscuelleiif ^cdurch der Verlust an wirksamer Helligkeit durch unvermeidlich auftretende Linsenfehler im elektronenoptischen Gerät. von dem die Quelle ein Teil χει, viel geringer ist als bei diesen Quellen,

Durch die erxirarm^sgsnässe Anwendung eines Kathodendrahtes mit einer Stärke von ungefähr 10 bis J50 Mikron und die bevorzugte Heizung eines freien Endes, vorsugssrsise mit· einem Laserbüadel, und den Vorschub des Kathodendrahtes während de?. Betriebs im. Laserüündel bleibt bei der geeigneten ϊ/shl ein&r elektrischen feiastarke an der Oberfläche des Drahtendes eine I'VzhiBr.ltz-e sit. einem innerhalb der gevrönschten Abmessung liegenden Zrüsnanngsradius erhalt-en. Der Vorschub des Kathodendrahtes wird dabei erfindungsgeEass durch eine wenigstens nit von der Temperatur der Draht-spitze bestimmte Gros se gesteuert« Bie Drahtspitze bleibt dabei gegenüber einer zu2 Lurchlassen eines Strahlstroces durchbohrten Elektrode mit einem in bezug aiif die Drahtspitze positiven Potential auge-

409815/0878

23A9352 26-9-1975

ordnet· Durch die geeignete ϊ/ahl der Drahtstärke und die Methode der JDrahtspitzenheizung bleibt die Verdampfung des Drahtes innerhalb zulässiger Grenzen.

Die sehr hohe Stromdichte in einer erfindungsgeraässen Stiftquelle ist dadurch möglich, dass darin den Bedingungen für die sogenannte Temperaturfeldemission, die durch den Schottky-Effekt ausgelöst wird, entsprochen ist. Durch diesen Effekt, der "bei exnsr genügend hohen Feldstärke an der Oberfläche und einer genügend hohen Temperatur des Kathodenwerkstoffes auftritt., brauchen die Elektronen weder das ganze Austrittspotential zu überwinden, wie es bei der »Väriaeemission notwendig ist, noch die Potentialsperre zu durchbohren, wie dies bei der Feldemission notwendig ist. Das zu überwindende Austrittspotential wird durch das angelegte elektrische Feld stark herabgesetzt, wodurch bei gleicher Temperatur die Emission pro Oberflächeneinheit um Faktoren höher sein kann. Ein überraschender und äusserst günstiger Hebeneffekt des Arbeitens bei einer gerade unter dem Schmelzpunkt des Kathodenwerkstoffes liegenden Temperatur ist, dass die Elektronenemission dabei völlig unabhängig von der Kristallrichtung ist. Weil bei weniger hoher Temperatur die Emissionsdichte dadurch in der Drahtrichtung gerade bedeutend niedriger ist als in liichtungen senkrecht auf der Drahtrichtung, wird hier für den Strahlstrom ein höherer Gewinn erzielt.

An Hand der Zeichnung werden nachstehend einige bevorzugten Ausführungen nach der Erfindung näher erläutert. In der Zeichnung stellt

Fig. 1 eine schematische Wiedergabe eines erfindungsgeaässen Elektronenstrahlgerates, das als ein Abtastelektronenmikroskop ausgeführt ist,

Fig. 2 eine scheraatische Anordnung einer erfindungsgeiaässen bevorzugten Ausführung mit einem Laser als regelbarer Hilfsstrahlen-

409815/0878

quelle und

Pig. 3 eine bevorzugte Ausführung zum erfindungsgemässen Vorschieben und Fixieren des Kathodendrahtes dar.

Das in der Fig. 1 skizzenhaft dargestellte Abtastelektronenmikroskop enthält einen in einem Halter 1 montierten Kathodendraht 2, eine erste Anode 3 ¹¹³¹O. eine zweite Anode 4- Vom Kathodendraht 2 wird ein freies Ende oder die Spitze 5 durch ein Strahlenbündel 6 aufgeheizt, das in einer Hilfsstrahlenquelle 8 erzeugt wird. Die Hilfsstrahlenquelle ist in dieser Vorzugsausfiihrung als ein Laser ausgeführt, von dem ein Strahlenbündel im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Y/ellenlängenbereich über ein der Wellenlänge der Strahlung angepasstes, nichtgezeichnetes Fenster und eine öffnung 9 in der ersten Anode 3 ^auf die Drahtspitze 5 auftrifft. Durch- die Bohrungen 10 und 11 in der ersten Anode 3 ες der zweiten Anode 4 wird aus dem Gesaatemissionsstrom der Drahtspitze ein im Abtast elektronenmikroskop zu verwendender Strahl strom abgetx*ennt. über eine weitere niehtgezeiclinete öffnung und ein nichtgezeichnetes Fenster, das vorzugsweise seitlich des LaserMindels angeordnet ist, kann die Drahtspitze, wenn erwünscht, wahrgenommen werden. Mit einem Eegelmechanismus 12 wird der der Brahtspitze zuzuführende Energiestrom gesteuert»

Voa Abtastelektronenmikroskop sind weiter eine Kondensorlinse 14s eine Ablenkeinheit 15» ein Objektionsflansch 16, ein Objekt oder Präparat 17 und die Detektoren 18 und 19 angegeben. Ein in einem der Detektoren empfangenes Signal wird über einen Signalverstärker 20 an einem mit der Ablenkeinheit 15 gekoppelten Pernsehmonitor 21 wiedergegeben. - ·

• Im Betrieb führt die erste Anode, zum Erfüllen der Bedingungs: für Temperaturfeldeaission, ein Potential von z.B. einigen tausend Volt in bezug auf die Drahtspitze. Sie zweite Anode liegt dabei auf einem in.bezug auf die Drahtspitze positiven Potential von vielen tausend Volt.

409815/0878

Selbstverständlich sind diese Potential vierte auch von der Geometrie der beiden* Anoden, von den Abmessungen der Bohrungen in den Anoden, vom gegenseitigen Abstand der Anoden und von deren Abstand zur Drahtspitze abhängig

'wie bereits in der Einführung bemerkt wurde, muss für die gewünschte Emissionsforin eine Feldstärke von ungefähr 10 bis 10 kV/ia an der Oberfläche der Drahtspitze erzeugt werden. Da die emittierende Spitze auch von der Feldstärke gebildet wird, gibt eine seitwärtse Verschiebung des Drahtes, sei es innerhalb einer gewissen Grenze, kein Anlass zu einer schrägen Quellenlage.

In der Fig. 2 ist skizzenhaft eine Anordnung zum Einstellen der Drahtkathode auf die gewünschten Emissionseigenschaften angegeben. Ein aus einem kontinuierlich strahlenden Laser 31 stammendes Laserbündel 3 mit einer Energie von z.B. etwa 5 Watt wird mit einer Linse oder mit einen Linsensystem J>2 an der Stelle der Drahtspitze 5 ^zu einem Brennfleck mit äusserst geringer, ja nur durch Biegungserscheinungen der kohärenten Laser strahlung bestimmten Querabmessung konvergiert.

Der liathodendraht 2 wird von einer Greifereinrichtung festgehalten, die in den Halter 1 aufgenommen ist und an Hand der Fig. 3 weiter erörtert werden wird. Die Greifereinrichtung dient dazu, die Drahtspitze 5 äer Drahtkathode 2 während des Betriebs des Elektronenstrahlgerätes genau an einer festen Stelle zu halten und auf diese Weise durch . Zufuhr von Kathodenwerkstoff dessen Verdampfung auszugleichen. Die erste Anode 3 ist dazu mit einer Gleichspannungsversorgungseinheit 33 verbunden« Durch den Lnissionsstrom entsteht an einem Widerstand 34 ein Spannungsunterschied, der mit Hilfe eines Gleichspannungsverstärkers 35 ^it einer aus einer Versorgungseinheit ~$6 herrührenden Spannung verglichen v.^rird. Ein auf diese V/eise gewonnenes Differenzsignal wird in einem Integrator 37 integriert und treibt über einen Stromverstäx^ker 38 einen Transportiaoc,haniö:::u3 der Greifere-inrichtung an· liit diesem i'ransportnechanis.TiUs V-F-/

409815/0 87 8

der Katliodendraht 2 langsam, z.B. um einige Mikron pro Minute, in der Drahtrichtuiig vorgeschoben v/erden. Die Draht spitze 5 ragt dabei mehr oder weniger in das Las erbundel, wodurch seine Energiezufuhr somit geregelt wird Durch diesen Einstellmechanismus werden langsame Schwankungen in der Laserintensität, WeHB. sie auftreten könnten, oder in der Geometrie der Dralitspitze, z.B. durch Y/erkstoff verdampfung, nachgeregelt.

Zcvm liachregeln schneller Schwankungen dient ein Steuersignal, das aus einem durch eine Hochspannungsversorgungseinheit 39 über einen Widerstand 4® zu. liefernden Anodenstrom gewonnen wird, über einen Kondensator 41 and einen. Verstärker 42 steuert dieses Signal einen elektrodynamischen umformer 12_} der die Stellung eines im Laserbündel aufgestellte Messers 43 einstellt. Mit diesem Messer kann ein Teil des Laserbündels abgefangen werden, wodurch die der Drahtspitze zugeführte Energie abninint. Das LaserbündLei kann dabei einseitig, an mehreren Seiten oder ringsherum eingeschnürt werden.

Iß der Fig. 3 ist eine Vorzugsausführung einer Greifereinrichtung wiedergegeben. Ein vorgestreckter Wolframdraht 2 wird von den Backenteilen 50 und 51 festgehalten. Ein federndes Element 52, das gleichzeitig als Scharnier für den Backenteil 51 dient, liefert dazu eine Klemmkraft. Bie Backenteile 50 und 51 j das federnde Element 52 und eine Platte 53 bilden zusammen einen Greifer, der sich durch ein paralleles Federns^rstem mit den Federn 54» 55s 56 und 57 nur in einer Sichtung, und zwar entlang der Achse des Elektronenstrahlerzeugungssystems bewegen kann. Ein Draht 58 zieht die Platte 53 ^Z1i einer Montageplatte 59 hin. Durch thermische Längenveränderung des Drahtes 58 verlagert sich die Platte 53 und wird der K&fckodendraht 2 vorgeschoben, '«ährend dieser Bewegung ist ein ZYieites Backenpaar 59s 60 geöffnet. Sobald ein Hubende der Platte 53 erreicht- worden ist, schliessen sich die Backen 59 und 60 um den Kathodendraht» offnen sich die Backen 50 und 51 und kehrt die Platte in eine Anfangsstellung- zurück, sodass der beschriebene Vorgang sich Yiiederholen

409815/0878

kann. In einer weiteren, nicht-gezeichneten Vorzugsausführung verhindert eine Kupplung zwischen den Backen, dass die beiden Backenpaare gleichzeita geöffnet sind. Zum. Einführen eines neuen Kathodendrahtes kasn diese Kupplung ausser Betrieb gesetzt werden.

Wahrend des Betriebs wird der Draht 58 durch einen Heizstrom aufgeheizt, der vom Stromverstärker 38 geliefert wird (siehe weiter Pig. Da die KLemmflachen der Backen 5Qj 51 und 59» 60 senkrecht aufeinander angeordnet sind,,wird nach wiederholtem Übergreifen ein neu eingesetzter Kathodendraht 2 entlang der Schnittlinie der beiden Klemmflachen, fixiert. Hierdurch reproduziert dieser Mechanismus selbsttätig ausseist genau die Stelle der Drahtachse. Das Offnen und Schliessen der Backen 50» 51 O^a-. 59» 60 zum Vorschieben des Kathodendrahtes wird durch Strömsteuerung, also durch thermische Längenänderung der Drähte 62 und 63 "bewirkt.

Durch die Yerv/endung eines dünnen Drahtes und das äusserst genaue ununterbrochene nachstellen der Drahtspitze tritt, insbesondere in der Drahtrichtung, eine viel höhere Emissionsstromdichte auf als in den bekannten thermischen Elektronenquellen dieser Art und ist gleichfalls der Nachteil des zu geringen wirksamen Stromes der Feldemissionsquelle durch ihre geringe Abmessung beseitigt. Es zeigt sich, dass sich durch Verdampfung und Oberflächenwanderung am ständig weiterschiebenden Kathoden draht eine Drahtspitze mit einem Krümmungsradius von ungefähr 1 Mikron aufrechterhält. Hierdurch kann im kräftigen elektrischen Feld an der Stelle der Drahtspitze und durch die hohe Temperatur der i)rah.tspitze, die dadurch die gewünschte Abmessung bekommt, der bereits in der Einführung erwähnte Schottky-Effekt oder die sogenannte Temperatur-Feldeiaission auftreten* Auf diese Weise liefert ein Wolfraindraht mit einem Durchmesser von 10 llikron als Kathodendraht bei einer Temperatur von ungefähr 35OO°K aus einer Drahtspitze mit einem Krümmungsradius von ungefähr 1 Mikron, die gegenüber einer -.node angeordnet ist, bei +2000 V in bezug auf die !Drahtspitze ein Emissionsstromdichte in der Grossenordnung von "lO^ A/cm".

■4 09815/0 8 78

-ö-

Aus einer Quelle mit einer derartigen hohen Stromdichte "bei der gegebenen Querabmessung ist auf einfache Weise ein ELektronenbSndel abtrennbar, das sich insbesondere als Strahlstron in eines Abtastelektronenmikroskop eignet, in dem Fernsehtechniken zum Darstellen der Bildinformation angewandt werden.

Nel?en dem vorstehenden Abtastelektroneniaikroskop irird z.B. auch ein Ub ertragungs elektronenmikroskop, ein Elektronenstrahlbearbeitungsgerät und ein Mikroanalysator zweckmässig mit einer erfindungsgemässen Elektronenquelle ausgerüstet werden können.

4098 1 B/0878

Claims

Patentan3prüche t

(i «y Elektronenstrahlgerat mit einer Elektronenquelle mit einem Kathodendraht, dessen freies Ende in einem Strahlengang einer Hilfsstrahler quelle vorgeschoben werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass sich gegenüber dem freien Ende des Kathodendrahtes eine durchbohrte Elektrode zua Erzeugen einer positiven Feldstärke von ungefähr 10 bis 10 kV/m an der Oberfläche des Drahtendes befindet und eine Kopplung zwischen der Energiezufuhr von der Hilfsstrahlenquelle zum Drahtende und dem Torschub des Kathodendrahtes wahrend des Betriebs bei einer Temperatur, bei der durch Feldstärkekräfte Formänderungen auftreten, am Kathodendraht ein stiftförmiges Ende mit einem wenigstens nahezu festen Krümmungsradius zwischen, ungefähr 0,2 und 2 Mikron aufrechterhält. ·
2. Elektronenstrahlgerat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsstrahlenquelle durch einen ununterbrochen arbeitenden Laser mit einer aus einem vom Strahlstrom im Elektronenstrahlgerat hergeleiteten. Signal zu modulierenden Strahlungsintensität gebildet wird.
3. Elektronenstrahlgerat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationssignal einen elektrodynamischen Umformer mit einem in einer Richtung senkrecht auf der Fortpflanzungsrichtung des Hilfsstrahlenbündels bewegbaren Abfangschirm steuert.
4· Elektronenstrahlgerat nach Anspruch 1, 2 oder 3> dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodendraht in einer Greifereinrichtung mit zwei in der Drahtrichtung hintereinander angeordneten Klemmen aufgehängt ist, von denen die gegenseitig wenigstens nahezu senkrecht aufeinander stehenden Klemmflächen sich entlang einer Linie schneiden, die mit der optischen Achse des Elektronenstrahlgerätes zusammenfällt, und dass der durch ein vom Enissionsstrom der Drahtspitze hergeleitetes Signal gesteuerte Kathodendraht durch alternierendes Offnen und Schliessen der Klemmen und durch in der Drahtrichtung oszillierendes Bewegen der nächst

409815/0878

zur Drahtspitze liegenden Klenge vorgeschoben werden kann.
5. Elektronenstrahlgerat nach Anspimch 4» dadurch gekennzeichnet _f dass die Greifereinrichtung elektrisch leitende Drähte enthält, die durch. mit elektrischen Stromimpulsen erzeugte thermische Längenänderungen die Klemmen bedienen.
6. Elektronenstrahlgerat nach, einem der Ansprüche 4 oder 5j
dadurch gekennzeichnet, dass eine ztm Einschieben eines neuen Kathodendrahtes ausser Betrieb zu setzende Kupplung zwischen beiden Klecmen das gleichzeitige Offnen der Klemmen "verhindert.
7. Elektronenstrahlgerat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodendraht aus einem vorgestreckten Wolframdraht mit einer Stärke -von höchstens 50 Mikron besteht.
8. Elektronenquelle mit einem Kathodendraht, der in der Längsrichtung vorgeschoben AYerden kann und unverkennbar für ein Elektronenstrahlgerat nach einem der vorangehenden Ansprüche beabsichtigt ist.

409815/0878

Leerseite'